JP2014082794A - Active array antenna device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、レーダ、通信システムやマイクロ波放射計や電波受信システムなどの受信用アンテナとして用いられるアクティブアレイアンテナ装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to an active array antenna device used as a receiving antenna for a radar, a communication system, a microwave radiometer, a radio wave receiving system, and the like.
レーダ性能は、レーダ方程式により表される。レーダ性能を向上させるためには、レーダ方程式に表されるパラメータに関して、(a)送信尖頭電力の増大、パルス幅の増大、(b)アンテナ利得の増加、(c)長波長の利用、(d)システム雑音温度の低減、(e)システム損失の低減などがある。 Radar performance is represented by a radar equation. In order to improve radar performance, (a) increase in transmission peak power, increase in pulse width, (b) increase in antenna gain, (c) use of a long wavelength, ( d) Reduction of system noise temperature, (e) Reduction of system loss, etc.
送信尖頭電力の増大やアンテナの大型化などには制約も多く、システム規模の増大を招くため、実施する上では、一定の限界がある。また、近年の電波資源不足などから長波長を利用することは困難である。 There are many restrictions on the increase in the transmission peak power and the increase in the size of the antenna, which leads to an increase in the system scale. Therefore, there are certain limitations in implementation. In addition, it is difficult to use a long wavelength due to a recent shortage of radio wave resources.
また、ステルスと呼ばれるような意図的に電波反射を小さくした目標が出現するようになり、レーダ性能を向上させる要請は極めて強い。これに対処するため高感度な受信性能が必要であり、システム損失の低減やシステム雑音温度の低減が求められている。 In addition, a target that intentionally reduces radio wave reflection, such as stealth, appears, and there is a strong demand for improving radar performance. In order to cope with this, high-sensitivity reception performance is required, and reduction of system loss and reduction of system noise temperature are required.
システム損失には種々の項目があるが、代表的な項目に送信機からアンテナまでの送信給電損失がある。送信給電損失を低減するため、送信増幅機能、送受切換え機能および受信機能を一体化した送受信モジュールと呼ばれるモジュールを多数使用するアクティブアレイアンテナが用いられ、特に、アクティブフェーズドアレイ方式が主流である。 There are various items in the system loss, but a typical item is a transmission power loss from the transmitter to the antenna. In order to reduce transmission power supply loss, an active array antenna using a number of modules called transmission / reception modules in which a transmission amplification function, a transmission / reception switching function and a reception function are integrated is used, and an active phased array system is mainly used.
アクティブフェーズドアレイ方式とは、それぞれのアンテナ素子と移相器の間に送受切換え機能を組み込むとともに、送信系に送信増幅器、受信系に受信用低雑音増幅器((LNA; Low Noise Amplifier))の両方(又は一方)を組み込んだ送受信モジュールと呼ばれるモジュールを配列したアンテナ方式である。 The active phased array system incorporates a transmission / reception switching function between each antenna element and phase shifter, and both a transmission amplifier in the transmission system and a low-noise amplifier ((LNA)) for reception in the reception system. This is an antenna system in which modules called transceiver modules incorporating (or one) are arranged.
送受信モジュールに送信増幅器を組み込んだ場合、アンテナ素子に近接してモジュールが配置されるため、導波管による給電損失などは発生せず、送信給電損失を必要最小限の部品(サーキュレータなど)による損失のみに抑えることができる。 When a transmission amplifier is incorporated in a transmission / reception module, the module is placed close to the antenna element, so power loss due to the waveguide does not occur, and loss due to components that minimize transmission power loss (such as circulators) Can only be suppressed.
また、送受信モジュールに受信用LNAを組み込んだ場合には、受信時の損失を低減でき且つマルチビームを形成できる。即ち、LNAにより増幅された受信信号は、S/Nを劣化させることなく複数の信号に分配できるため、分配された受信信号によって独立の複数の受信ビームが形成できる。
アクティブフェーズドアレイアンテナは、複数の受信ビームを持つことで、同時にそれぞれ別の目標に対処でき、多彩な機能を同時にかつ独立に実現できる。マルチビームを必要とする多機能化には、少なくとも受信LNAをアンテナ素子ごとに持たせたアクティブアレイが適合することが分かる。
In addition, when a reception LNA is incorporated in the transmission / reception module, loss during reception can be reduced and a multi-beam can be formed. In other words, since the reception signal amplified by the LNA can be distributed to a plurality of signals without degrading the S / N, a plurality of independent reception beams can be formed by the distributed reception signals.
An active phased array antenna has a plurality of reception beams, so that it can simultaneously cope with different targets and can realize various functions simultaneously and independently. It can be seen that an active array in which at least a receiving LNA is provided for each antenna element is suitable for multi-functionalization requiring a multi-beam.
複数の受信ビーム(受信マルチビーム)を実現するためには、LNAによって増幅されたアンテナ素子ごとの受信信号を、必要な受信ビーム数だけ分配した後に、サイドローブ抑圧のための振幅ウェイト、ビーム指向方向制御のための位相ウェイトを施す減衰器、移相器などを通過させた後に信号を合成するビーム合成回路が受信ビーム数分だけ必要であり、システム規模が増大するという問題がある。 In order to realize a plurality of reception beams (reception multi-beams), after distributing the reception signals for each antenna element amplified by the LNA by the required number of reception beams, amplitude weights and beam pointing for sidelobe suppression are performed. There is a problem that the number of received beams is required to synthesize a signal after passing through an attenuator, a phase shifter, and the like that apply phase weights for direction control, and the system scale increases.
しかしながら、アクティブフェーズドアレイアンテナにあっても、アンテナから低雑音増幅器までの給電損失をゼロに近づけるとともに、低雑音増幅器の内部雑音を低減して受信系の高感度化を実現することができなかった。 However, even with an active phased array antenna, the power loss from the antenna to the low-noise amplifier has been reduced to zero, and the internal noise of the low-noise amplifier has been reduced, making it impossible to achieve high sensitivity in the receiving system. .
本発明が解決しようとする課題は、アンテナから低雑音増幅器までの給電損失をゼロに近づけるとともに、低雑音増幅器の内部雑音を低減して受信系の高感度化を図ることができるアクティブアレイアンテナ装置を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is that an active array antenna apparatus which can reduce the internal noise of the low noise amplifier and increase the sensitivity of the receiving system while reducing the power supply loss from the antenna to the low noise amplifier to zero. Is to provide.
実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置によれば、M個(M≧2)のアンテナ素子又はアンテナサブアレイにより受信された受信信号に対して所定の帯域を通過させるM個の受信フィルタと、前記M個の受信フィルタからのM個の受信信号を増幅するM個の低雑音増幅器と、前記M個の低雑音増幅器で増幅されたM個の増幅信号の各々の増幅信号について、増幅信号をN個(N≧2)の分配信号に分配するM個の分配器と、前記各々の分配器毎に設けられ、前記分配器で分配されたN個の分配信号の位相を移相させるN組M個の移相器と、前記N組M個の移相器からのN組M個の移相信号を減衰させるN組M個の減衰器と、N組M個の減衰器に対応して設けられ、各減衰器毎に前記M個の分配器分の減衰器出力を加算することによりビームを合成するN個のビーム合成回路と、前記低雑音増幅器と超電導素材により構成される前記受信フィルタとを収納する断熱用保温容器と、断熱用保温容器に収納される前記受信フィルタ及び前記低雑音増幅器とを冷却し前記受信フィルタを超電導状態にする冷却手段と、前記断熱用保温容器に収納され、前記受信フィルタ及び前記低雑音増幅器を載せるとともに前記冷却部により冷却される冷却プレートとを備え、前記M個の受信フィルタ及び前記M個の低雑音増幅器の一部は、複数の前記断熱用保温容器に分割されて収納されていることを特徴とする。 According to the active array antenna apparatus according to the embodiment, M reception filters that pass a predetermined band with respect to reception signals received by M (M ≧ 2) antenna elements or antenna subarrays, and the M reception filters. For each of the M low-noise amplifiers that amplify the M reception signals from the reception filters and the M amplification signals amplified by the M low-noise amplifiers, N amplification signals ( N ≧ 2) distributed to the distribution signals of N ≧ 2), and N sets of M number of units that are provided for each of the distributors and phase-shift the phases of the N distribution signals distributed by the distributor. A phase shifter, N sets of M phase attenuators for attenuating N sets of M phase shift signals from the N sets of M phase shifters, and N sets of M attenuators; By adding the attenuator outputs for the M distributors for each attenuator, A heat insulating container for storing the N beam combining circuits for combining the system, the reception filter composed of the low noise amplifier and the superconducting material, the reception filter stored in the heat insulating container, and the low A cooling means for cooling the noise amplifier and bringing the reception filter into a superconducting state; and a cooling plate that is housed in the heat insulating container and on which the reception filter and the low noise amplifier are mounted and that is cooled by the cooling unit. The M reception filters and a part of the M low noise amplifiers are divided and accommodated in the plurality of heat insulating containers.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
第1の実施形態のアクティブアレイアンテナ装置は、少なくとも受信用LNAを組み込んだアクティブフェーズドアレイ方式を用い、複数の独立した受信ビーム(マルチビーム)を形成するDBF(Digital Beam Forming)方式を採用し且つ多機能を実現する。なお、実施形態はDBF方式に限定されない。このアクティブアレイアンテナ装置は、アンテナから低雑音増幅器までの給電損失をゼロに近づけるとともに、低雑音増幅器の内部雑音を低減して受信系の高感度化を図る。 The active array antenna apparatus according to the first embodiment employs an active phased array system incorporating at least a reception LNA, adopts a DBF (Digital Beam Forming) system that forms a plurality of independent reception beams (multi-beams), and Realize multiple functions. Note that the embodiment is not limited to the DBF method. In this active array antenna device, the feed loss from the antenna to the low-noise amplifier is made close to zero, and the internal noise of the low-noise amplifier is reduced to increase the sensitivity of the receiving system.
まず、受信アンテナにおけるシステム雑音温度について説明する。システム雑音温度とは、受信系におけるノイズレベルを決定する数値であり、システム雑音温度と受信系帯域幅との積に一定の定数(ボルツマン定数)を乗算した乗算出力が受信系における雑音電力である。このため、システム雑音温度を低減すると、受信信号のS/Nを直接改善でき、受信系を高感度化できる。 First, the system noise temperature in the receiving antenna will be described. The system noise temperature is a numerical value that determines the noise level in the receiving system, and the multiplication output obtained by multiplying the product of the system noise temperature and the receiving system bandwidth by a constant (Boltzmann constant) is the noise power in the receiving system. . For this reason, if the system noise temperature is reduced, the S / N of the received signal can be directly improved, and the sensitivity of the receiving system can be increased.
一般的にシステム雑音温度は、アンテナ出力端におけるシステム雑音温度Tsで代表して表し、アンテナ出力(受信)端に出力されるアンテナ外部から入射する雑音(Ta)とアンテナからLNAまでの給電系における損失による雑音(Tr)と、LNAで付加されるLNA内部雑音(Te)とLNA以降の受信系で付加される雑音とで構成される。 In general, the system noise temperature is represented by the system noise temperature Ts at the antenna output end, and the noise (Ta) incident from the outside of the antenna output to the antenna output (reception) end and the feed system from the antenna to the LNA. It is composed of noise (Tr) due to loss, LNA internal noise (Te) added by the LNA, and noise added by the receiving system after the LNA.
LNA以降の受信系で付加される雑音は、LNAの利得を充分高くするなどの設計的な配慮を行うことで、その影響を無視できる。すると、システム雑音温度の算出式は次のようになる。 The influence of the noise added in the receiving system after the LNA can be ignored by taking design considerations such as sufficiently increasing the gain of the LNA. Then, the calculation formula of the system noise temperature is as follows.
Ts=Ta+Tr+Lr*Te
一般的な条件のもとでは下式で表される。
Ta=(0.876*Tsky+36)/La+Tta*(1−1/La)
Tr=Ttr*(Lr−1)
Te=To*(Fn−1)
ここで、Tsky;スカイ雑音温度、La;アンテナオーミック損、Tta;アンテナ温度
Ttr;給電系温度、Lr;給電系損失、To;器材(LNA部)温度、Fn;LNA雑音指数である。 通常の設計においては、器材各部の標準温度としてTta=Ttr=To=290Kが用いられる。
Ts = Ta + Tr + Lr * Te
Under general conditions, it is expressed as
Ta = (0.876 * Tsky + 36) / La + Tta * (1-1 / La)
Tr = Ttr * (Lr-1)
Te = To * (Fn-1)
Here, Tsky: Sky noise temperature, La: Antenna ohmic loss, Tta: Antenna temperature Ttr: Feed system temperature, Lr: Feed system loss, To: Equipment (LNA part) temperature, Fn: LNA noise index. In a normal design, Tta = Ttr = To = 290K is used as the standard temperature of each part of the equipment.
上記算出式から、(外部から到来する雑音であるスカイ雑音は環境雑音であるため対象外)各損失を低減するとともにLNAの雑音指数を低減することで、システム雑音温度を低減できる。また、システム雑音温度は、冷却により温度を下げることで低減できる。 From the above formula, the system noise temperature can be reduced by reducing each loss and reducing the noise figure of the LNA (sky noise, which is noise coming from outside, is not subject to environmental noise). Further, the system noise temperature can be reduced by lowering the temperature by cooling.
ここで、仮想的な受信系構成におけるシステム雑音温度の算出例を示す。算出例では、スカイ雑音温度をレーダで多用する1GHz〜10GHzのマイクロ波帯において、概ね50K(仰角2度相当)を代表値とした。
Tsky=50K ;スカイ雑音温度
Tta=Ttr=To=290K ;標準の器材温度
La=0.2dB;アンテナオーミック損
Lr=5dB ;給電系損失
Fn=3dB ;LNA雑音指数
Ta=89K、Tr=627K、Te=289K→Ts=1629Kである。
ここで、他の条件を変更しないで、Lr=0dB,Fn=1dBとすることができれば、
Ta=89K、Tr=0K、Te=75K→Ts=164K
となる。システム雑音温度が1/10となることで、S/Nが10dB改善できる。即ち、アンテナからLNAまでの給電損失をゼロに近づけると同時に、LNAで付加される内部雑音を極力低減する。即ち、LNAの雑音指数(Fn)を極力小さくすることで、受信系の高感度化が実現できる。
Here, a calculation example of the system noise temperature in the virtual reception system configuration is shown. In the calculation example, the representative value is approximately 50K (equivalent to an elevation angle of 2 degrees) in a microwave band of 1 GHz to 10 GHz where sky noise temperature is frequently used by radar.
Tsky = 50K; Sky noise temperature
Tta = Ttr = To = 290K; Standard equipment temperature La = 0.2 dB; Antenna ohmic loss Lr = 5 dB; Feed system loss Fn = 3 dB; LNA noise figure Ta = 89 K, Tr = 627 K, Te = 289 K → Ts = 1629 K It is.
Here, if other conditions are not changed and Lr = 0 dB and Fn = 1 dB,
Ta = 89K, Tr = 0K, Te = 75K → Ts = 164K
It becomes. When the system noise temperature becomes 1/10, the S / N can be improved by 10 dB. That is, the power loss from the antenna to the LNA is brought close to zero, and at the same time, the internal noise added by the LNA is reduced as much as possible. That is, the sensitivity of the receiving system can be increased by reducing the LNA noise figure (Fn) as much as possible.
このように、多数のアンテナ素子を配列したアクティブフェーズドアレイを適用することで、マルチビーム形成と受信の高感度化とを同時に実現できる。また、アクティブアンテナの特性を有効に生かすために、本実施形態は、アンテナからLNAまでの給電系を超電導線路とし損失をゼロに近づけるとともに、LNAを冷却することによりLNAで付加される内部雑音を低減する。 Thus, by applying an active phased array in which a large number of antenna elements are arranged, multi-beam formation and high reception sensitivity can be realized simultaneously. In order to make effective use of the characteristics of the active antenna, this embodiment uses a superconducting transmission line from the antenna to the LNA to make the loss close to zero and reduce the internal noise added by the LNA by cooling the LNA. To reduce.
また、LNAを冷却することで、雑音指数が低下するとともに器材温度を下げることで雑音温度を低下できる。両者を組み合わせることで大きな雑音低減効果を得ることができる。ここで、それぞれの雑音低減効果は次のようになる。 Further, by cooling the LNA, the noise figure is lowered and the noise temperature can be lowered by lowering the equipment temperature. A large noise reduction effect can be obtained by combining both. Here, each noise reduction effect is as follows.
・ パラボラアンテナなどの場合(改善前)
Lr=5dB;給電系損失、 Fn=3dB;LNA雑音指数
Ta=89K、Tr=627K、Te=289K→Ts=1629K
・ アクティブアンテナである場合
Lr=2dB;給電系損失、 Fn=3dB;LNA雑音指数
Ta=89K、Tr=170K、Te=289K→Ts=716K
(3.6dB改善)
・ 給電系に超電導技術を適用した場合
Lr=0.5dB,Ttr=80Kに変更
Ta= 89K、Tr=10K、Te=289K→Ts=423K
(5,9dB改善)
・ LNAの冷却を(3)に加えて適用した場合
To=100K、 Fn=1dBに変更
Ta=89K、Tr=10K、Te=26K→Ts=128K
(11.0dB改善)
このように超電導線路を用いるとともにLNAを冷却することで、システム雑音温度を大幅に低減できる。
・ Parabolic antennas (before improvement)
Lr = 5 dB; power supply system loss, Fn = 3 dB; LNA noise figure Ta = 89K, Tr = 627K, Te = 289K → Ts = 1629K
In the case of an active antenna, Lr = 2 dB; feed loss, Fn = 3 dB; LNA noise figure Ta = 89K, Tr = 170K, Te = 289K → Ts = 716K
(3.6 dB improvement)
・ When superconducting technology is applied to the feeding system, change to Lr = 0.5 dB, Ttr = 80K Ta = 89K, Tr = 10K, Te = 289K → Ts = 423K
(5,9 dB improvement)
・ When applying cooling of LNA in addition to (3) To = 100K, change to Fn = 1dB Ta = 89K, Tr = 10K, Te = 26K → Ts = 128K
(11.0 dB improvement)
Thus, by using the superconducting line and cooling the LNA, the system noise temperature can be greatly reduced.
次に具体的な第1の実施形態の構成について説明する。図1は、第1の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。アクティブアレイアンテナ装置は、分配器1、移相器2−1〜2−n、送信アンプ3−1〜3−n、送信フィルタ4−1〜4−n、サーキュレータ5−1〜5−n、真空容器6−1〜6−n、受信フィルタ7−1〜7−n、LNA(低雑音増幅器)8−1〜8−n、分配器9−1〜9−n、移相器10a−1〜10a−n,10b−1〜10b−n、減衰器11a−1〜11a−n,11b−1〜11b−n、合成回路12−1,12−2を有する。アンテナ素子は、送信フィルタ4−1〜4−nに対応してn個設けられている。
Next, a specific configuration of the first embodiment will be described. FIG. 1 is a configuration block diagram of an active array antenna device according to the first embodiment. The active array antenna device includes a
分配器1は、送信信号を移相器2−1〜2−nに分配する。移相器2−1〜2−nは、分配器1からの送信信号をアンテナ素子毎に所定の位相だけ移相させて送信アンプ3−1〜3−nに出力する。送信アンプ3−1〜3−nは、移相器2−1〜2−nからの送信信号を増幅して送信フィルタ4−1〜4−nに出力する。
The
送信フィルタ4−1〜4−nは、送信アンプ3−1〜3−nからの送信信号に対してフィルタリングを行い、対応するアンテナ素子に出力する。サーキュレータ5−1〜5−nは、対応するアンテナ素子からの受信信号を受信フィルタ7−1〜7−nに出力する。 The transmission filters 4-1 to 4-n perform filtering on the transmission signals from the transmission amplifiers 3-1 to 3-n, and output the filtered signals to the corresponding antenna elements. Circulators 5-1 to 5-n output reception signals from corresponding antenna elements to reception filters 7-1 to 7-n.
真空容器6−1〜6−nは、受信フィルタ7−1〜7−n、LNA(低雑音増幅器)8−1〜8−nとを有する。真空容器6−1〜6−n、受信フィルタ7−1〜7−n、LNA8−1〜8−nの詳細については、後述する。受信フィルタ7−1〜7−nは、サーキュレータ5−1〜5−nからの受信信号に対して所定の帯域を通過させ、通過した信号をLNA8−1〜8−nに出力する。LNA8−1〜8−nは、受信フィルタ7−1〜7−nからの信号を低雑音増幅して分配器9−1〜9−nに出力する。 The vacuum vessels 6-1 to 6-n include reception filters 7-1 to 7-n and LNAs (low noise amplifiers) 8-1 to 8-n. Details of the vacuum vessels 6-1 to 6-n, the reception filters 7-1 to 7-n, and the LNAs 8-1 to 8-n will be described later. The reception filters 7-1 to 7-n pass a predetermined band with respect to the reception signals from the circulators 5-1 to 5-n, and output the passed signals to the LNAs 8-1 to 8-n. The LNAs 8-1 to 8-n amplify the signals from the reception filters 7-1 to 7-n with low noise and output the amplified signals to the distributors 9-1 to 9-n.
分配器9−1〜9−nは、受信フィルタ7−1〜7−nからの信号を移相器10a−1〜10a−nと移相器10b−1〜10b−nとに分配する。移相器10a−1〜10a−n,10b−1〜10b−nは、分配器9−1〜9−nからの信号を移相器毎に予め定められた位相量だけ移相させて、減衰器11a−1〜11a−n,11b−1〜11b−nに出力する。
The distributors 9-1 to 9-n distribute the signals from the reception filters 7-1 to 7-n to the
減衰器11a−1〜11a−n,11b−1〜11b−nは、減衰器毎に予め定められた減衰量だけ減衰させて合成回路12−1,12−2(ビーム合成回路に対応)に出力する。合成回路12−1は、減衰器11a−1〜11a−nからの複数の信号をビーム合成してビーム出力1とする。合成回路12−2は、減衰器11b−1〜11b−nからの複数の信号をビーム合成してビーム出力2とする。
The
なお、図1におけるビーム出力は2出力として記載しているが、これに限定されるものではなく、必要な数の複数ビーム出力を形成することができる。 In addition, although the beam output in FIG. 1 is described as 2 outputs, it is not limited to this, A required number of multiple beam outputs can be formed.
図2は、第1の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の受信フィルタと低雑音増幅器とが封入された真空容器の断面図である。超電導状態は、極めて低い温度で実現でき、周囲からの断熱のために真空容器6(断熱用保温容器に対応)が用いられる。 FIG. 2 is a cross-sectional view of a vacuum vessel in which a reception filter and a low-noise amplifier of the active array antenna device according to the first embodiment are enclosed. The superconducting state can be realized at an extremely low temperature, and a vacuum vessel 6 (corresponding to a heat insulating vessel for heat insulation) is used for heat insulation from the surroundings.
この真空容器6の入力側にはサーキュレータを介してアンテナ素子に接続される気密コネクタ61aが取り付けられている。なお、サーキュレータの残る端子は送信アンプ3を含む送信増幅系に接続されている。真空容器6の出力側には気密コネクタ61bが取り付けられている。気密コネクタ61aと超伝導基板62とは、同軸ケーブル66により接続され、気密コネクタ61bと超伝導基板62とは、同軸ケーブル67により接続されている。
An airtight connector 61a connected to the antenna element via a circulator is attached to the input side of the
真空容器6内には冷却プレート68が設置され、冷却プレート68上には超伝導素子からなる超伝導基板62が配置され、基板パターンにより構成される冷却対象の受信フィルタ63などの超電導回路が超伝導基板62上に設置されている。受信フィルタ63の他に、冷却プレート68によってアンテナ素子、サーキュレータ、接続線路なども冷却することによりさらに高感度化を実現することもできるが、これらの全てを冷却する必要はない。冷却対象としては受信フィルタ63及びその入出力部分が主である。また、超電導回路基板62上にはチップマウントされたLNA64が配置されている。
A cooling plate 68 is installed in the
なお、LNAに必要となる整合回路はLNAチップ内に構成することもできるが、超電導基板62上に構成することもできる。 A matching circuit required for the LNA can be configured in the LNA chip, but can also be configured on the superconducting substrate 62.
LNA64は、ボンディングワイヤ65により超電導回路基板62に接続されている。LNA64の出力は超電導基板62上の線路及び同軸ケーブル67を介して、真空容器6の出力側の気密コネクタ61bに接続される。ここで、LNA64に対する電源・制御などの接続も真空容器6を貫通する配線により行われる。
The
真空容器6の外から冷却プレート68を冷却手段69により冷却することによって、冷却プレート68を介して超電導回路を超電導状態にするとともに、同時にLNA64を冷却する。真空容器6を用いるため、冷却対象物のサイズには一定の制約ができる。
By cooling the cooling plate 68 from the outside of the
第1の実施形態は、アンテナ内にLNA64が組み込まれているアクティブアンテナにおける受信系、さらには、送受信モジュールの受信系などに適用できる。
The first embodiment can be applied to a reception system in an active antenna in which an
第1の実施形態は、真空容器6に収納された受信系に加えて、送信アンプ3を含む送信増幅系、サーキュレータ5などを送受信モジュールとして構成し、アンテナ素子及び送受信モジュールをアレイ状に配列することによってアクティブアレイアンテナ装置を構成している。ここで、アンテナ素子の代わりにサブアレイを用いることもできる。また、サーキュレータではなく、スイッチなどを用いることもできる。
In the first embodiment, in addition to a reception system housed in a
なお、減衰器11の機能を合成回路12に併せて持たせることもできる。また、移相器10と減衰器11の順序を逆にすることもできる。
The function of the
さらに、LNA6の出力をAD変換した受信信号、もしくは、周波数変換を行ってIF信号を使ってAD変換した受信信号のいずれかによって、分配器9以降の処理をディジタル処理にて行うDBF方式を適用することもできる。
Furthermore, the DBF method is used in which the processing after the
また、送信機能が不要である場合は、送信に関わる分配器1、移相器2、送信アンプ3、送信フィルタ4、サーキュレータ5などは削除しても良い。
If the transmission function is unnecessary, the
このように、第1の実施形態のアクティブアンテナアレイ装置によれば、アクティブフェーズドアレイ方式を用いてマルチビームを形成し、冷却プレート68を冷却することによって受信フィルタ63を有する超電導回路を超電導状態にするとともに、同時にLNA64を冷却するので、アンテナから低雑音増幅器までの給電損失をゼロに近づけるとともに、LNAの内部雑音を低減して受信系の高感度化を図ることができる。
As described above, according to the active antenna array device of the first embodiment, the superconducting circuit having the reception filter 63 is brought into the superconducting state by forming a multi-beam using the active phased array system and cooling the cooling plate 68. At the same time, since the
図3は第2の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。図3の第2の実施形態では、図1の第1の実施形態の複数の受信フィルタ7−1〜7−n及びLNA8−1〜8−nの全てが、複数の真空容器6a〜6m(m<n)に分割されている。図3に示す例では、2つの受信フィルタと2つのLNAとが1つの真空容器に設けられている。このようにすれば、真空容器が少なくて済む。 FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the active array antenna device according to the second embodiment. In the second embodiment of FIG. 3, all of the plurality of reception filters 7-1 to 7-n and LNAs 8-1 to 8-n of the first embodiment of FIG. It is divided into m <n). In the example shown in FIG. 3, two reception filters and two LNAs are provided in one vacuum vessel. In this way, fewer vacuum containers are required.
この場合、各々の真空容器6a〜6mの片面に複数の気密コネクタが一列に配置され、それぞれがサーキュレータを介してアンテナ素子に接続される。なお、サーキュレータの残る端子は、それぞれ送信フィルタに接続されている。 In this case, a plurality of airtight connectors are arranged in a row on one side of each of the vacuum vessels 6a to 6m, and each is connected to the antenna element via the circulator. Note that the remaining terminals of the circulator are each connected to a transmission filter.
各々の真空容器6a〜6m内には、一枚の共通冷却プレートがあり、その上に超電導基板が配置される。超電導基板には、複数の受信フィルタが基板パターンとして構成され、それぞれの受信フィルタの入出力は、一方が気密コネクタに、他方がLNA入力に接続される。 In each vacuum vessel 6a-6m, there is one common cooling plate, and a superconducting substrate is disposed thereon. A plurality of reception filters are configured as a substrate pattern on the superconducting substrate, and one input / output of each reception filter is connected to an airtight connector and the other is connected to an LNA input.
受信フィルタと同数のLNAが超電導基板上にチップアマウントされ、その出力は超電導基板上の線路を介して、真空容器の反対側の面に一列に並ぶ出力側気密コネクタにそれぞれ接続される。この出力側気密コネクタを削減するために、同時に必要なビーム合成回路を真空容器内に収納することもできる。LNAに対する電源・制御などの接続も、真空容器を貫通する配線により行われる。 The same number of LNAs as the receiving filter are chip-amounted on the superconducting substrate, and their outputs are connected to output-side airtight connectors arranged in a line on the opposite surface of the vacuum vessel via lines on the superconducting substrate. In order to reduce the number of output side airtight connectors, a necessary beam combining circuit can be accommodated in the vacuum vessel at the same time. Connections such as power supply and control to the LNA are also made by wiring penetrating the vacuum vessel.
この真空容器に収納された受信系に加えて、送信増幅系、サーキュレータなどを一体にして構成し、アンテナ素子とともにアレイ状に配列することによってアクティブアレイアンテナを構成することができる。アレイアンテナは一列に(1次元状に)配置しても良く、さらに2次元に配置しても良い。 In addition to the reception system housed in the vacuum vessel, a transmission amplification system, a circulator, and the like are integrally configured, and an active array antenna can be configured by arranging the antenna elements in an array. The array antennas may be arranged in a line (one-dimensionally), or may be arranged two-dimensionally.
また、アンテナ素子の代わりにアンテナサブアレイを用いたアレイアンテナで構成しても良い。受信系としては、単純に受信フィルタ及びLNAとして図示しているが、真空容器の内外を接続する気密コネクタなど構造上必要な部品も含まれる。 Moreover, you may comprise by the array antenna which used the antenna subarray instead of the antenna element. The receiving system is simply illustrated as a receiving filter and an LNA, but includes structurally necessary parts such as an airtight connector for connecting the inside and outside of the vacuum vessel.
なお、複数の受信フィルタ7−1〜7−n及びLNA8−1〜8−nの一部を、複数の真空容器に分割しても良い。 A part of the plurality of reception filters 7-1 to 7-n and LNAs 8-1 to 8-n may be divided into a plurality of vacuum containers.
図4は第3の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。図4の第3の実施形態では、受信フィルタ7−1〜7−n、LNA8−1〜8−n、分配器9−1〜9−n、移相器10a−1〜10a−n、移相器10b−1〜10b−n、減衰器11a−1〜11a−n、減衰器11b−1〜11b−n、合成回路12−1,12−2を、同一の真空容器6Aに設けたことを特徴とする。
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the active array antenna device according to the third embodiment. In the third embodiment of FIG. 4, the reception filters 7-1 to 7-n, LNAs 8-1 to 8-n, distributors 9-1 to 9-n,
このような構成によれば、受信信号を増幅し分配した後にビームを合成する部分が同一の真空容器6A内に設けられているので、さらに容易に受信の高感度化を実現できる。 According to such a configuration, since the portion for combining the beams after amplifying and distributing the received signal is provided in the same vacuum vessel 6A, it is possible to more easily realize high sensitivity of reception.
図5は第4の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。図5の第4の実施形態では、図1の第1の実施形態の構成に対して、真空容器6B内に、アンテナ素子15またはアンテナサブアレイ(図示せず)を設けるとともに、真空容器6Bの少なくとも一部に受信電波を真空容器6B内部に透過する性質を持つ材質、例えばレドーム材14を設けたことを特徴とする。レドーム材14を介してアンテナ素子15で受信された信号をサーキュレータ5を介して受信フィルタ7に入力する。
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of an active array antenna device according to the fourth embodiment. In the fourth embodiment shown in FIG. 5, the
このような構成によれば、アンテナ素子15及びサーキュレータ5を真空容器6B内に設けたので、さらに受信の高感度化を実現できる。また、気密コネクタを削減することができる。
According to such a configuration, since the
なお、サーキュレータは、送信側回路とともに真空容器外に設けることもできる。また、アンテナ素子を受信専用として使用する場合(送受のアンテナ素子が別となっている場合など)は、サーキュレータを削除してもよい。 The circulator can also be provided outside the vacuum container together with the transmission side circuit. Further, when the antenna element is used exclusively for reception (for example, when the antenna element for transmission and reception is different), the circulator may be deleted.
図6は第5の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。図6の第5の実施形態では、図1の第1の実施形態に対して、LNA8−1〜8−nの出力側にIF変換器21−1〜21−n、AD変換器22−1〜22−nを設けたことを特徴とする。 FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the active array antenna device according to the fifth embodiment. In the fifth embodiment shown in FIG. 6, compared to the first embodiment shown in FIG. 1, IF converters 21-1 to 21-n and AD converter 22-1 are provided on the output side of the LNAs 8-1 to 8-n. ˜22-n is provided.
IF変換器21−1〜21−nは、LNA8−1〜8−nからの信号を周波数変換してIF信号を得る。AD変換器22−1〜22−nは、IF信号をA/D変換する。即ち、DBF(デジタルビームフォーミング)処理によりビーム合成を行うことができる。 The IF converters 21-1 to 21-n frequency-convert the signals from the LNAs 8-1 to 8-n to obtain IF signals. The AD converters 22-1 to 22-n A / D convert the IF signal. That is, beam synthesis can be performed by DBF (digital beam forming) processing.
また、受信信号の分配器9−1〜9−n以降のビーム合成処理において、IF変換器、及びAD変換器によりディジタル処理を行うDBF方式を用いても良い。 Further, in the beam synthesis processing after the received signal distributors 9-1 to 9-n, a DBF method in which digital processing is performed by an IF converter and an AD converter may be used.
図7は第6の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。図7の第6の実施形態においては、図1の第1の実施形態に対して、RF信号による複数の縦ビーム(1次元)を合成する縦合成回路12−1,12−2、合成された縦ビーム(1次元)をIF変換するIF変換器21、IF変換器21のIF信号をデジタル信号に変換するA/D変換器22、デジタル信号による複数の横ビームを合成する横合成回路13−1,13−2を有することを特徴とする。
FIG. 7 is a configuration block diagram of an active array antenna device according to the sixth embodiment. In the sixth embodiment of FIG. 7, compared with the first embodiment of FIG. 1, vertical synthesis circuits 12-1 and 12-2 that synthesize a plurality of vertical beams (one-dimensional) by RF signals are synthesized. An IF
即ち、DBF処理を行う場合でビーム合成回路の規模が大きくなる場合に、アンテナ素子および真空容器を含む受信系(又は送受信モジュール)が並ぶアンテナ開口とは分離した筐体にビーム合成回路13−1,13−2を構成している。 That is, when the scale of the beam synthesis circuit is increased in the case of performing DBF processing, the beam synthesis circuit 13-1 is provided in a casing separated from the antenna opening in which the reception system (or transmission / reception module) including the antenna element and the vacuum vessel is arranged. , 13-2.
この場合には、RF信号によって複数の縦ビームを合成し、合成されたビームをIF変換した後、A/D変換してデジタル信号によって複数の横ビームを合成するDBF処理を行い、ビーム合成を多段階に分解して実施することができる。 In this case, a plurality of vertical beams are synthesized by the RF signal, the synthesized beam is IF-converted, and then A / D conversion is performed to perform a DBF process for synthesizing the plurality of horizontal beams by the digital signal. It can be carried out in multiple stages.
また、多段階でのビーム合成を行う場合、適切な大きさの真空容器に収納できる範囲においては、ビーム合成回路の一部を同じ真空容器内に収納することもできる。 In addition, when performing beam synthesis in multiple stages, a part of the beam synthesis circuit can be accommodated in the same vacuum container as long as it can be accommodated in an appropriately sized vacuum container.
図7においては、RF信号を分配器9で複数に分配して縦合成回路12−1,12−2によりそれぞれ異なるビーム出力を得るように構成しているが、AD変換器22の出力を複数に分配することによって横合成回路の出力において複数の異なるビーム出力を得るようにすることもできる。さらに、この両者を組み合わせて用いることもできる。
In FIG. 7, the RF signal is divided into a plurality by the
図8は第7の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。図8の第7の実施形態は、サーキュレータ5と受信フィルタ7との間にリミタ23を設け、送信及び受信中心周波数を同一としたことを特徴とする。
FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the active array antenna device according to the seventh embodiment. The seventh embodiment of FIG. 8 is characterized in that a
このような構成によれば、リミタ23を用いることで、受信信号が所定のレベルに制限されるので、受信フィルタ7、LNA8などの受信系を保護することができる。
According to such a configuration, since the received signal is limited to a predetermined level by using the
図9は第8の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。図9の第8の実施形態は、アクティブアレイアンテナ装置33のアンテナ素子を受信用アンテナとして用い、送信アンテナ31から送信された電波が目標から反射され、反射された電波をアクティブアレイアンテナ装置33のアンテナ素子が受信することを特徴とする。これにより、アクティブアレイアンテナ装置33のアンテナ素子で受信した受信信号により目標を検知することができる。
FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of the active array antenna device according to the eighth embodiment. The eighth embodiment of FIG. 9 uses the antenna element of the active
図10は第9の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置の構成ブロック図である。図10の第9の実施形態は、アクティブアレイアンテナ装置33のアンテナ素子を受信用アンテナとして用い、送信信号を直接受信するための受信専用アンテナ34(目標反射を受信する受信用アンテナとは別の受信アンテナ)により、送信アンテナ31から発射される電波を直接受信することで、電波が発射された時刻を分析することができる。
FIG. 10 is a configuration block diagram of an active array antenna device according to the ninth embodiment. The ninth embodiment of FIG. 10 uses the antenna element of the active
また、アクティブアレイアンテナ装置33を受信用アンテナとして使用する場合には、レーダ装置ではなく、アクティブアレイアンテナ装置33を対象物のマイクロ波放射を計測するマイクロ波放射計、あるいは、送信される電波を直接受信する高感度受信システムのアンテナとしても利用することができる。その他、高感度を必要とするさまざまな用途に適用することができる。
When the active
このように本実施形態のアクティブアレイアンテナ装置によれば、アンテナ素子とLNAとの間に受信フィルタを設け、アンテナ素子、LNAを複数配列したアクティブアンテナを構成し、LNAで増幅された信号を分配器で分配して、独立したマルチビームを受信し、受信フィルタとLNAとを同一真空容器に収納し、受信フィルタとLNAとを超電導状態で冷却するので、アンテナから低雑音増幅器までの給電損失をゼロに近づけるとともに、LNAの内部雑音を低減し受信系の高感度化を図ることができる。 As described above, according to the active array antenna apparatus of the present embodiment, a reception filter is provided between the antenna element and the LNA to form an active antenna in which a plurality of antenna elements and LNAs are arranged, and a signal amplified by the LNA is distributed The receiving filter and the LNA are stored in the same vacuum container, and the receiving filter and the LNA are cooled in a superconducting state, so that the power loss from the antenna to the low-noise amplifier is reduced. While approaching zero, it is possible to reduce the internal noise of the LNA and increase the sensitivity of the receiving system.
なお、本発明は、第1の実施形態乃至第9の実施形態に係るアクティブアレイアンテナ装置に限定されない。例えば、同一の真空容器内にサーキュレータなどの送受切換え機能を収納することもできる。この場合、受信フィルタをアンテナ素子と送受切換え機能との間に挿入することで送受兼用とすることもできる。 The present invention is not limited to the active array antenna device according to the first to ninth embodiments. For example, a transmission / reception switching function such as a circulator can be accommodated in the same vacuum vessel. In this case, the reception filter can be used for both transmission and reception by inserting it between the antenna element and the transmission / reception switching function.
また、サーキュレータを冷却することでさらに高感度化を実現することもできる。 Further, higher sensitivity can be realized by cooling the circulator.
また、アンテナ素子を超電導回路により構成することにより、アンテナ素子のオーミック損を回避でき、雑音温度をさらに低減できる。 In addition, by configuring the antenna element with a superconducting circuit, it is possible to avoid the ohmic loss of the antenna element and further reduce the noise temperature.
また、例えば、レーダアンテナにおいても開口の一部を送受兼用とするとともに、その他の部分を受信用とすることもできる。また、送信専用の開口を別に設けて別の開口部分を受信用に構成するなど、開口自身を送信用と受信用に分割したり、さらに送受兼用部分を組み合わせることもできる。 Also, for example, in the radar antenna, a part of the opening can be used for both transmission and reception, and the other part can be used for reception. In addition, it is possible to divide the aperture itself for transmission and reception, such as providing a separate transmission-dedicated opening and configuring another opening portion for reception, or to combine the transmission / reception portion.
また、送信専用のアンテナ素子と受信専用のアンテナ素子を組み合わせて配置することもできる。 In addition, a transmission-dedicated antenna element and a reception-dedicated antenna element can be combined.
また、レーダ用途に限らず、電波送受信を行うアンテナとしても他の目的、例えば、通信用アンテナなどにも利用できる。また、送受信周波数が異なる場合には、送受切換え機能としてダイプレクサなどを用いることもできる。 Moreover, it can be used not only for radar applications but also for other purposes such as communication antennas as antennas for transmitting and receiving radio waves. When the transmission / reception frequencies are different, a diplexer or the like can be used as a transmission / reception switching function.
以上のように、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 As mentioned above, although several embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1,9−1〜9−n 分配器
2−1〜2−n,10a−1〜10a−n,10b−1〜10b−n 移相器
3−1〜3−n 送信アンプ
4−1〜4−n 送信フィルタ
5−1〜5−n サーキュレータ
6,6−1〜6−n 真空容器
7−1〜7−n,63 受信フィルタ
8−1〜8−n,64 LNA
11a−1〜11a−n,11b−1〜11b−n 減衰器
12−1〜12−2 合成回路
23 リミタ
61a,61b 気密コネクタ
62 超伝導基板
65 ボンディングワイヤ
66,67 同軸ケーブル
68 冷却プレート
69 冷却手段
1,9-1 to 9-n distributor
2-1 to 2-n, 10a-1 to 10a-n, 10b-1 to 10b-n Phase shifters 3-1 to 3-n Transmission amplifiers 4-1 to 4-n Transmission filters 5-1 to 5-
11a-1 to 11a-n, 11b-1 to 11b-n Attenuator 12-1 to 12-2
Claims (10)
前記M個の受信フィルタからのM個の受信信号を増幅するM個の低雑音増幅器と、
前記M個の低雑音増幅器で増幅されたM個の増幅信号の各々の増幅信号について、増幅信号をN個(N≧2)の分配信号に分配するM個の分配器と、
前記各々の分配器毎に設けられ、前記分配器で分配されたN個の分配信号の位相を移相させるN組M個の移相器と、
前記N組M個の移相器からのN組M個の移相信号を減衰させるN組M個の減衰器と、
N組M個の減衰器に対応して設けられ、各減衰器毎に前記M個の分配器分の減衰器出力を加算することによりビームを合成するN個のビーム合成回路と、
前記低雑音増幅器と超電導素材により構成される前記受信フィルタとを収納する断熱用保温容器と、
断熱用保温容器に収納される前記受信フィルタ及び前記低雑音増幅器とを冷却し前記受信フィルタを超電導状態にする冷却手段と、
前記断熱用保温容器に収納され、前記受信フィルタ及び前記低雑音増幅器を載せるとともに前記冷却部により冷却される冷却プレートと、
を備え、
前記M個の受信フィルタ及び前記M個の低雑音増幅器の一部は、複数の前記断熱用保温容器に分割されて収納されていることを特徴とするアクティブアレイアンテナ装置。 M reception filters that pass a predetermined band with respect to reception signals received by M (M ≧ 2) antenna elements or antenna subarrays;
M low noise amplifiers that amplify M received signals from the M receive filters;
For each amplified signal of the M amplified signals amplified by the M low noise amplifiers, M distributors that distribute the amplified signal to N (N ≧ 2) distributed signals;
N sets of M phase shifters that are provided for each of the distributors and that shift the phase of N distribution signals distributed by the distributors;
N sets of M attenuators for attenuating N sets of M phase shift signals from the N sets of M phase shifters;
N beam combining circuits which are provided corresponding to N sets of M attenuators, and combine the beams by adding the attenuator outputs of the M distributors for each attenuator;
A heat insulating container for heat insulation that houses the low noise amplifier and the reception filter composed of a superconducting material;
Cooling means for cooling the reception filter and the low-noise amplifier housed in a heat insulation container for heat insulation to bring the reception filter into a superconducting state;
A cooling plate which is housed in the heat insulation container for heat insulation and on which the receiving filter and the low noise amplifier are mounted and which is cooled by the cooling unit;
With
An active array antenna apparatus, wherein the M reception filters and a part of the M low noise amplifiers are divided and stored in the plurality of heat insulating containers.
前記第2ビーム合成回路は、前記断熱用保温容器とは分離して配置されることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載のアクティブアレイアンテナ装置。 A first beam combining circuit that performs beam combining with an RF signal that is a received signal for a part of the M antenna elements or antenna subarrays, and a frequency conversion that converts the frequency of the RF signal that is the combined output of the first beam combining circuit An A / D converter for A / D-converting the frequency-converted signal, and a second beam combining circuit for further combining a plurality of beams with the A / D-converted digital signal,
5. The active array antenna device according to claim 1, wherein the second beam combining circuit is disposed separately from the heat insulating container for heat insulation. 6.
前記送受信切換部と前記低雑音増幅器との間に設けられ、前記送受信切換部からの受信信号の信号レベルを制限するリミタと、
を備えることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項記載のアクティブアレイアンテナ装置。 A transmission / reception switching unit that switches transmission and reception of signals to and from the antenna element;
A limiter provided between the transmission / reception switching unit and the low-noise amplifier, for limiting a signal level of a reception signal from the transmission / reception switching unit;
The active array antenna apparatus according to claim 1, further comprising:
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