JP2014095690A5 - - Google Patents

Description

周波数変調連続波とパルス圧縮送信オペレーションとの組み合わせのためのシステムと方法

同時係属出願
[0001] 本出願は、2012年9月10日に出願の米国特許出願番号第61/698,903号の権利を主張するものであり、2012年9月24日に出願の米国特許同時継続出願番号第13/625,767号に関連するものであり、これらのものの内容は、この参照により本願明細書に組み入れられる。

[0002] 現在、非常に短い最小範囲（＜10フィート（約３メートル））から中程度の範囲（５〜７海里（ＮＭ））で３〜１０フィート（約０．９〜３メートル）程度の非常に高い範囲の分解能を提供することに加えて、長距離と中距離との組み合わせの分解能を提供する海洋と航空との双方の応用を可能にするレーダ装置は、存在しない。現在の商用の海用のレーダー・システムは、中範囲ないし高範囲の分解能を持つ中（〜１ＮＭ）ないし長距離の能力のために、パルス方法またはパルス圧縮方法を採用する。その例は、Honeywell社のRDR4000非線形周波数変調（NLFM）パルス・コンプレッション・レーダー、ケルビン・ヒューズのLFMパルス・コンプレッション・マリン・レーダー、JRSのソリッド・ステート・マリン・レーダー、およびNGC/スペリーのマリン・ソリッドステート・パルス・コンプレッション・レーダー・システムを含む。海洋レーダーは、現在、パルス型のシステム（すべてのサプライヤー）、または周波数変調連続波（FMCW）型のシステム（Navico）である。

[0003] 本発明は、二重モード・レーダー・オペレーションを許容するシステム及び方法を提供する。典型的な送信システムは、シンセサイザによって作られた信号を受け取り、受け取った信号を2つの出力ポートへ結合するハイブリッド・カプラを含む。パルス送信機は、コントローラからパルス送信活性化信号を受信し、ハイブリッド・カプラの２つの出力ポートのうちの第１の方から入力信号を受信し、活性化信号が受信されている場合には、所定の望ましいパルス出力送信設定に基づいて、受信された入力信号を増幅する。周波数変調連続波（FMCW）送信機は、コントローラからＦＭＣＷ送信活性化信号を受信し、ハイブリッド・カプラの他方の出力ポートから入力信号を受信し、活性化信号が受信されている場合には、所定の望ましいFMCW出力送信設定に基づいて、受信された入力信号を増幅する。アイソレータは、FMCW動作中にパルス発信器を保護し、また、ＦＭＣＷ送信機がパルス送信コンポーネントから反射された電力を受けないようにする。

[0004] 本発明は、非常に低い挿入損失を成し遂げることを必要とする大きい機械式スイッチ（同軸または導波管）を避ける。本発明は、FMCWとパルス圧縮とのモードを交互に行うときの、スイッチ時間の制限を避ける。

[0005] 本発明は、両方の送信機を適応させるときに、最大限の効率および最小限の損失を可能とする。本発明は、多数の応用に対して高い範囲の分解能を用いて、FMCWモードにおいて、僅か数メートルの非常に短い最小距離を許容し、また、可変距離分解能を用いて、長距離の検出のための高パワー・パルス圧縮モードを可能にする。

[0006] 本発明の好適な実施形態および他の実施形態は、以下の図面を参照して以下に詳細に記載される。

[0007] 図１は、本発明の実施形態に従って形成される典型的な送信機システムのブロック図である。 図２は、本発明の実施形態に従って形成される典型的な送信機システムのブロック図である。

[0008] 図１は、二重モードで低パワーのレーダー・システムを提供するように構成される、ビークル（例えばボート、航空機）のための典型的なレーダー・システム20の一部を示す。システム20は、二重モード送信機24、シンセサイザ26、コントローラ28（例えばフィールドプログマブル・ゲート・アレイ（FPGA））、アンテナ30、および、オプションとして、サーキュレータ32を含む。完全なレーダー・システムは、ディジタル信号プロセッサおよび出力装置などのような他の構成要素を含む。

[0009] 送信機24は、シンセサイザ26からベース信号を受け取り、コントローラ28により決定されたオペレーション・モード（すなわち、送信周波数）に従って、受け取ったベース信号から送信信号を生成する。

[0010] １つの実施形態では、ユーザは、コントローラ28と関連するユーザ・インタフェースを使用して、オペレーション・モードを手動で設定する。１つの実施形態では、オペレーション・モードは、受け取った情報に基づいて、コントローラ28によって自動的に設定される。典型的な受け取られる情報は、システム20と関連するビークルのオペレーション状態に関する情報を含む。

[0011] アンテナ30が送受信アンテナである場合、サーキュレータ32は、送信機24からアンテナ30へ送られた信号と、アンテナ30で受信されてその後に受信機システム（図示せず）へ送られる信号との調整のために、含まれる。

[0012] この問題を解決するための第１の最も明白な方法は、高パワーの送信器の入力および出力での単純な単極双投（SPDT）スイッチの使用を、提案することであり、それにより、低パワー・モードでは、エキサイターのパワー・レベルは、高パワー送信器をバイパスし、高パワー・パルス・モードでは、バイパスは除去されて高パワー送信機がアンテナに直接に接続される。

[0013] しかし、この方法は、出力スイッチの挿入損失で、利用できるパルス送信機パワーの相当な量（最低でも20乃至30%）を浪費するものであり、また、かなりのサイズおよび重量を加えることになり且つコストに大きい影響を及ぼす一組の機械的な同軸または導波管スイッチを必要とするので、非常に浪費的である。この方法はまた、送信波形の迅速なインターリーブを可能としない。機械式スイッチの迅速で連続的な切り替え（超低損失、高分離）はまた、結果として、故障率を高くし、全体的な平均故障間隔（MTBF）を低くする。PINダイオード・スイッチの使用は可能であるが、ダイオードの最大送信パワーに課せられるスイッチングの制限により、更に高い挿入損失が発生する。任意の損失のスイッチを使用する場合は、アンテナへ送られる最終的なパワーが必要なレベルに維持されるように、送信機パワーを増加させることを必要とする。これは、劇的に、コスト、サイズ、重量および電力（CSWAP）を増やす。

[0014] 図２に示すように、送信機24は、ハイブリッド・カプラ66、パルス送信機60、アイソレータ68、周波数変調連続波（FMCW）送信機62、方向性カプラ70、およびローパス・フィルタ（LPF）72を含む。ハイブリッド・カプラ66は、シンセサイザ26からベース信号を受け取る。典型的なシンセサイザは、フラクショナルＮシンセサイザを有するダイレクト・デジタル・シンセサイザ（DDS）を含み、それは、米国の同時係属特許出願番号第13/625,767号に記載されているようなものであり、この参照によりこの同時係属特許出願はここに組み入れられる。

[0015] シンセサイザ26は、送信機24のオペレーティング・モードを決定する2つの異なる信号を提供する。シンセサイザ26が、連続的に動作している送信機24に対して、三角形に似た長い連続する線形の周波数変調波形（線形周波数ランプアップと、それに続く線形周波数ランプダウン）を生成したときには、低パワーFMCW送信装置62が用いられる。連続波モード（FMCW）において、波形はミリ秒の長さの期間を有することができる。高パワー・パルスが要求されるとき、シンセサイザ26は、少し乃至幾つかのマイクロ秒数程度の期間を有する線形または非線形の周波数変調の短いバーストを生成する。高パワー・パルス・モードにおいて、高パワー送信機経路（パルス送信機60）は作動する。これらの波形の各々は、典型的には、状態に応じての可能な送信波形の組として使用されるように、FPGAに記憶される。

[0016] 低パワー送信機（FMCW送信機62）は、方向性カプラ70とオプションの可変減衰器80とのリバース・アイソレーションによって保護されている。アイソレータ68は、エネルギーが、方向性カプラ70から望まれていない方向で結合することを妨げる。低パワー・モード（すなわちFMCW送信モード）において作動するとき、アイソレータ68は、エネルギーが、スイッチを切られたパルス送信機60から反射するのを防止する。

[0017] FMCW送信機62は、方向性カプラ70と可変減衰器80とのリバース・アイソレーションによって、高パワー・パルス送信機60の高パワー・レベルから保護される。アイソレータ68は、以下の２つの理由で提供される：
1）多量の送信機パワーが増幅器へと反射されて戻される原因となり、且つ重大な永久的損害を生じさせる原因となる可能性のあるアンテナ30の故障から、高パワー・パルス送信機60を保護する;
2）FMCWモードで、パワーは、主に、出力サーキュレータ32の方向に結合されるが、いくらかのパワーは、オフになっている高パワー送信機60へ向けて送られる。
アイソレータ68がなければ、FMCW送信機62からのパワーは、出力サーキュレータ32の方へ反射されて戻り、従って、意図されていた送信パワーと組み合わされて未定義の位相および振幅を持つことになる。これは、結果として送信される信号における大きいレベルの振幅および位相の変調となり得、最終的に受信されたときに深刻な歪みの原因となる。この歪みは、受信機の感度および距離分解能を低減させる。アイソレータ68は、高パワー送信機６０の方への望ましくない方向に進むパワーが、アイソレータ68の負荷に吸収されるようにし、出力サーキュレータ32の方へ反射されて戻ることはない。

[0018] 高パワー・パルス送信機60は、生成された信号についてアンテナ30への途中で大きい挿入損失がないように、常にアンテナ30に直接に接続されている。FMCW送信機62のためのパワーは、１〜２ワット（Ｗ）レベルに増加され、0.1乃至0.2Wのみがアンテナ30に結合される。方向性カプラ70は、低減された結合レベルでパワーを出力伝送線へ送る。その結合レベルは、低パワー送信機62へ届こうとする非常に高パワーの送信機60からのアイソレーションを提供する。一般的に、方向性カプラは３乃至20dBのFORWARD（フォワード）転送損失を有する。ここまでのところ、10デシベル・カプラと2Wattトランスミッタでは３３ｄＢｍに対応し、10デシベル・カプラにより低減されると、方向性カプラでは、33−10dB=23dBm又は0.20ワットがフォワード方向にアンテナ30へ送られる。リバース・アイソレーションまたは望まれていないアイソレーションは、約15乃至20dBである。それは、100ワットの高パワー送信機（50dBm）は、50−20ｄＢリバース・アイソレーション= 30 dBmまたは1ワットに低減されることを、意味する。次いで、減衰器は、30dBに設定され、FMCW送信機62は、30dBm-30dB =0dBm または1ミリワットのみを経験することになる。これは少し浪費的であるが、このパワー・レベルは低いCSWAPで非常に簡単に達成される（40乃至300Wと比べて）。

[0019] ハイブリッド・カプラ６６と方向性カプラ７０（または、代替的には、４０Ｗより大きい送信機に対して導波路方向性カプラ）を使用することによって、送信モードの「切り替え」は、単極双投スイッチを用いた典型的な設計と比べて非常に低い損失で、変調器/シンセサイザーが適切な波形を生成できるのと同じような速さで、行うことができる。提案されたシステムの唯一の大きい損失は、ハイブリッドの分離されたパワー分割器（ハイブリッド・カプラ）に起因する入力ドライバ段にある。しかし、これらの損失は低コストであり、＜１Ｗレベルで生じるものであり、それらの損失は低いCSWAPで克服される。

[0020] 本発明において、方向性カプラは、典型的には＜0.4デシベル（dB）の挿入損失および方向性損失を経験する。ハイブリッド・カプラ66は、常にシンセサイザ26に連続的な負荷を提供する。シンセサイザ２６は常にオンであるので、いかなる所望の波形をも生成する準備ができている。PLLをオフにすることや負荷を劇的に変化させることは、ＰＬＬに大きな変化をもたらし、それにより、出力周波数の大きな変化をもたらす。この不安定性を滑らかにして安定した出力を生成するためには、負荷の変化の後に時間を要する。シンセサイザが安定するのを待つことは、パルス送信レートまたはFMCWモードとパルスモードとの間でのスイッチング・レートを遅くする。

[0021] FMCWモードでは、僅か数メートルの非常に短い最小距離にある対象物を検出することができる。高パワー・パルス圧縮モードのときには、可変距離分解能により、長距離にある対象物を検出することができる。

[0022] １つの実施形態では、方向性カプラ７０は、パルス送信出力中に、アンテナ30へ向けての１０ｄＢ方向性結合を提供する（例えば、アンテナに関して30 dBmの入力と20 dBmの出力）。方向性カプラ70の負荷は、パルス送信機パワーから方向性を引いたもの（例えば、50dBm−20dBm=30dBmピーク）に対して大きさを設定される。方向性カプラ70は、FMCW送信機62を保護するために、＞２０ｄＢのカプラ方向性を有する（例えば、５０ｄＢｍ−２０ｄＢ＝３０ｄＢｍ）。

[0023] １つの実施形態では、FMCW可変減衰器は、〜２０ｄＢの追加の減衰を提供する。可変減衰器80は、高パワー・パルス送信モードの間の保護のために、追加の減衰に切り替える。また、可変減衰器80は、FMCWモードにおいて、出力パワーを調整するために用いることができる。可変減衰器80は、送信パワーを、自己故障レベルのすぐ下になるように正確に制御するために、使用される。FMCW送信機62は、FPGAから送られる制御信号の制御下で、高パワー・パルス・モード時にOFFにバイアスされる。FMCW送信機62は、FMCWモードの間だけオンにされる2WのCW装置である。

[0024] ハイブリッドカプラ66は、PLLの動作を保護するために「オフのFMCW送信機」から反射されるパワーを吸収する分離された負荷を含む。
[0025] 本発明の好ましい実施形態が、上記のように、例示され説明されたが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく多くの変更がなされ得る。したがって、本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示によって制限されない。その代わりに、本発明は、下記の特許請求の範囲を参照することで全体が決定されるべきである。

Claims (6)

1. ハイブリッドカプラで、
   シンセサイザによって生成された信号を受信するステップと、
   受信された信号を２つの出力ポートに結合させるステップと、
   パルス送信機で、
   コントローラからパルス送信活性化信号を受信するステップと、
   ハイブリッドカプラの２つの出力ポートのうちの第１の方から入力信号を受信するステップと、
   パルス送信活性化信号が受信されたならば、受信した入力信号を増幅するステップであって、増幅が、所定の望ましいパルス出力送信設定に基づくことを特徴とする、増幅するステップと、
   周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）送信機で、
   コントローラからＦＭＣＷ送信活性化信号を受信するステップと、
   ハイブリッドカプラの他の出力ポートから入力信号を受信するステップと、
   ＦＭＣＷ送信活性化信号が受信さているならば、受信された入力信号を増幅するステップであって、増幅が、所定の望ましいＦＭＣＷ出力送信設定に基づくことを特徴とする、増幅するステップと、
   指向性カプラで、
   パルス送信機またはＦＭＣＷ送信機のいずれかからローパスフィルタ（ＬＰＦ）に受信された信号を差し向けるステップと、
   アイソレータで、
   指向性カプラから負荷まで受信された信号を差し向けるステップと、
   を有することを特徴とする方法。
2. ＦＭＣＷ送信機で、
   コントローラが不活性化信号をＦＭＣＷ送信機に送信するとき、ＦＭＣＷ送信機のアンプと指向性カプラとの間の減衰を増加させる、ステップを
   更に有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. シンセサイザによって生成された信号を受信するように構成され、受信された信号を２つの出力ポートに結合するように構成されたハイブリッドカプラであって、該ハイブリッドカプラが２つの出力ポートを有することを特徴とするハイブリッドカプラと、
   前記ハイブリッドカプラの２つの出力ポートの第１の方に結合されたパルス送信機であって、該パルス送信機が、コントローラからパルス送信活性化信号を受信し、ハイブリッドカプラの２つの出力ポートのうちの第１の方から入力信号を受信し、パルス送信活性化信号が受信されたとき受信された入力信号を増幅するように構成されるパルス送信機と、
   ハイブリッドカプラの２つの出力ポートのうちの第２の方に取り付けられた周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）送信機であって、ＦＭＣＷ送信機が、コントローラからＦＭＣＷ送信活性化信号を受信し、ハイブリッドカプラの他の出力ポートから入力信号を受信し、ＦＭＣＷ送信活性化信号が受信されたとき、所定の好ましいＦＭＣＷ出力送信設定に基づいて受信された入力信号を増幅するように構成されたことを特徴とする、ＦＭＣＷ送信機と、
   パルス送信機に取り付けられたアイソレータと、
   指向性カプラであって、
   前記アイソレータに取り付けられた第１の入力ポートと、
   ＦＭＣＷ送信機に取り付けられた第１の入力ポートと、
   ローパスフィルタ（ＬＰＦ）に接続された出力ポートと、
   を備え、
   前記指向性カプラが、アイソレータを介したパルス送信機またはＦＭＣＷ送信機のいずれかからローパスフィルタ（ＬＰＦ）に受信された信号を差し向けるように構成されることを特徴とする、指向性カプラと、
   を有し、
   前記アイソレータが、指向性カプラから負荷まで受信された信号を差し向けるように構成された、ことを特徴とするシステム。
4. ＦＭＣＷ送信機が、
   ハイブリッドカプラから信号を受信するように構成されたアンプと、
   前記アンプから信号を受信し、指向性カプラに信号を送信するように構成された減衰器と、
   を有し、
   コントローラが、指向性信号をＦＭＣＷ送信機に送信するとき、前記減衰器が、減衰を増加させる命令されることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. コントローラと、
   シンセサイザによって生成された信号を受信し、受信した信号を２つの出力ポートに結合するように構成されたハイブリッドカプラであって、該ハイブリッドカプラが２つの出力ポートを有することを特徴とするハイブリッドカプラと、
   前記ハイブリッドカプラの２つの出力ポートのうちの第１の方に取り付けられたパルストランスミッタであって、該パルストランスミッタが、コントローラから制御信号を受信するように構成され、ることを特徴とするパルストランスミッタと、
   前記ハイブリッドカプラの２つの出力ポートのうちの第２の方に取り付けられた周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）送信機であって、ＦＭＣＷの送信機が、コントローラから制御信号を受信するように構成される、ことを特徴とする周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）送信機と、
   パルストランスミッタに取り付けられるアイソレータと、
   アイソレータに取り付けられた第１の入力ポートと、
   ＦＭＣＷ送信機に取り付けられた第２の入力ポートと、
   ローパスフィルタ（ＬＰＦ）に接続された出力ポートと、
   を備える指向性カプラと、
   を有するシステム。
6. ＦＭＣＷ送信機が、
   ハイブリッドカプラから信号を受信するように構成されたアンプと、
   前記アンプから信号を受信し、指向性カプラに信号を送信するように構成された減衰器と、
   を有し、
   前記減衰器が、コントローラから制御信号を受信するように構成されることを特徴とする請求項５に記載のシステム。