JP2017118348A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ビーム幅を一定としてレーダ性能を維持しつつ低消費電力化を実現したアンテナ装置を得ること。
【解決手段】ＲＦ信号を送信する送信器１と、送信器１に接続されて電磁波を送受信する空中線２と、空中線２に電力を供給する電源器３と、制御信号を送受信する信号処理器４とを備え、空中線２は、送信器１から送信されたＲＦ信号を分配する給電回路５と、電源器３から入力される電力及び信号処理器４から入力される制御信号を分配する電源制御分配回路６と、ＲＦ信号の位相及び振幅を制御する送受信モジュール７−１から７−Ｎと、送信時には制御されたＲＦ信号を放射して受信時には電磁波を受信する素子アンテナ８−１から８−Ｎとを備え、余剰の出力電力が存在する周波数帯域では、空中線２に必要とされる電力及び送受信モジュール７−１から７−Ｎの出力電力から信号処理器４が補正値を求め、この補正値による補正後のパルスドＲＦ信号で動作する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクティブフェーズドアレーアンテナ（ＡＰＡＡ：Ａｃｔｉｖｅ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ａｎｔｅｎｎａ）を含むアンテナ装置に関する。

従来のＡＰＰＡ装置では、アンテナ開口面に実装されている複数の送受信モジュールの各々を制御し、使用する送受信モジュール数を周波数によって可変にすることで開口面を制限して低消費電力化を図ることが検討されている。

特許文献１には、「周波数が高くなるとアンテナ開口面積を小さくしてビーム幅を所定の大きさ以下にしないようにすることで、高い周波数においても送信ビームを対象目標に当てることを容易にした広帯域アクティブフェーズドアレーアンテナ装置を提供する」ことを課題とし、「ＡＰＡＡでの送受信の周波数が所定値未満の場合は全てのアンテナ素子を動作させる全開口とし、所定値以上の場合は動作させるアンテナ素子を制限して部分開口としてＡＰＡＡのビーム幅を規定値以下にしないよう制御するビーム制御器４を備えた」広帯域ＡＰＡＡ装置が開示されている。

特開２００４−２４７９２２号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、低消費電力化は可能であるものの、周波数に応じてアンテナの開口面積が変化する。そのため、周波数の変化に応じて開口面積が変化し、ビーム幅が変化してしまう、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ビーム幅を一定としてレーダ性能を維持しつつ低消費電力化を実現したアンテナ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号を送信する送信器と、前記送信器に接続されて電磁波を送受信する空中線と、前記空中線に電力を供給する電源器と、前記空中線を制御する信号処理器とを備え、前記空中線は、前記送信器から送信された前記ＲＦ信号を分配する給電回路と、電源制御分配回路と、前記ＲＦ信号の位相及び振幅を制御する複数個の送受信モジュールと、送信時には制御された前記ＲＦ信号を空中に放射して受信時には電磁波を受信する複数個の素子アンテナとを備え、余剰の出力電力が存在する周波数帯域においては、前記空中線に必要とされる電力及び前記複数個の送受信モジュールの出力電力から前記信号処理器が補正値を求め、この補正値による補正後のパルスドＲＦ信号で動作することを特徴とする。

本発明によれば、ビーム幅を一定としてレーダ性能を維持しつつ低消費電力化を実現したアンテナ装置を得ることができるという効果を奏する。

実施の形態１に係るアンテナ装置の構成の一例を示す図 実施の形態１におけるパルスドＲＦ信号のデューティを説明する図 実施の形態１における送受信モジュールの周波数に対する出力電力の特性の一例を示す図 実施の形態２に係るアンテナ装置の構成の一例を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかるアンテナ装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成の一例を示す図である。図１に示すアンテナ装置は、ＲＦ信号を送信する送信器１と、送信器１からのＲＦ信号が入力されて電磁波を送受信する空中線２と、空中線２に電力を供給する電源器３と、制御信号を送受信して空中線２を制御する信号処理器４とを備える。空中線２は、送信器１から入力されたＲＦ信号を分配する給電回路５と、電源器３から入力される電力及び信号処理器４から入力される制御信号を分配する電源制御分配回路６と、ＲＦ信号の位相及び振幅を制御するＮ個の送受信モジュール７−１から７−Ｎと、送信時には位相及び振幅が制御されたＲＦ信号を電磁波として空中に放射して受信時には空中から電磁波を受信する素子アンテナ８−１から８−Ｎとを備える。なお、振幅の制御は、振幅の増幅を含む。

送信器１は給電回路５に接続され、電源器３及び信号処理器４は電源制御分配回路６に接続されている。給電回路５の分配端の各々は、Ｎ個の送受信モジュール７−１から７−Ｎの各々と接続され、送受信モジュール７−１から７−Ｎの各々は、素子アンテナ８−１から８−Ｎに接続されている。電源制御分配回路６の分配端の各々は、送受信モジュール７−１から７−Ｎに接続されている。

次に、図１に示すアンテナ装置の動作の一例について説明する。送信器１からは、送信と受信との繰り返し周期期間に占める送信期間の割合を示すデューティＤで生成されたパルスドＲＦ信号が出力される。このパルスドＲＦ信号は空中線２の給電回路５に入力されてＮ分配され、Ｎ分配された制御信号は送受信モジュール７−１から７−Ｎの各々に入力される。送受信モジュール７−１から７−Ｎに入力されたパルスドＲＦ信号は、モジュール出力電力Ｐ_ＭＤＬ（ｉ）に増幅されて素子アンテナ８−１から８−Ｎに入力され、素子アンテナ８−１から８−Ｎを用いて空中に放射される。ここで、ｉは１≦ｉ≦Ｎの自然数であり、以下の説明においても同様である。

次に、送信器１から出力されるパルスドＲＦ信号について説明する。図２は、実施の形態１におけるパルスドＲＦ信号のデューティを説明する図である。図２に示すように、デューティＤは、補正前においては送信期間のパルス幅ＰＷ及び送信と受信とのパルス繰り返し周期期間ＰＲＩを用いて下記の式（１）で表される。

本実施の形態１においては、送信器１は、補正値ｋによってパルスドＲＦ信号を補正して出力する。送信器１は、図２に示す補正後のパルス幅ＰＷａのように送信期間を変化させたパルスドＲＦ信号を空中線２に出力する。補正後のデューティＤａは、補正前のデューティＤ及び補正値ｋを用いて下記の式（２）で表される。

ここで、補正値ｋについて説明する。レーダ探知距離及びレーダ反射断面積（ＲＣＳ：Ｒａｄａｒ Ｃｒｏｓｓ−Ｓｅｃｔｉｏｎ）といったレーダ性能要求によって、システム設計上最低限必要となる空中線送信電力Ｐｔは、下記の式（３）に示すように、各モジュール出力電力の最小値Ｐ_ｍｉｎ（ｉ）の総和で表される。

このとき、実効放射電力ＥＩＲＰ_ｍｉｎは、下記の式（４）に示すように、素子アンテナ利得Ｇｅと、空中線送信電力Ｐｔと、効率ηと、損失Ｌとの積で表される。

そして、レーダ性能から最低限必要となる平均出力電力Ｐ_ａｖｅは、下記の式（５）に示すように、実効放射電力ＥＩＲＰ_ｍｉｎとデューティＤとの積で表される。

一方で、上記の式（３）に示す空中線送信電力Ｐｔは、各送受信モジュールのモジュール出力電力Ｐ_ＭＤＬ（ｉ）に応じて変化する。図３は、本実施の形態１における送受信モジュールの周波数に対する出力電力の特性の一例を示す図である。図３に示すように、規定の出力電力に対して余剰の出力電力が存在する周波数帯域においては、デューティＤ及び出力電力Ｐ_ＭＤＬ（ｉ）は変更可能であるため、システム設計上最低限必要となる空中線送信電力Ｐｔを維持することが可能である。

ここで、空中線２の各送受信モジュールのモジュール出力電力Ｐ_ＭＤＬ（ｉ）を測定し、空中線送信電力Ｐｔを用いて、信号処理器４が下記の式（６）により補正値ｋを算出する。

補正値ｋ＜１であるため、図２の補正後のデューティＤａのパルス幅ＰＷａは短くなり、電源器３から空中線２に供給される平均の消費電力を小さくすることが可能となる。

したがって、送信モジュール７−１から７−Ｎが規定の出力電力に対して余剰の出力電力がある周波数帯域では補正値ｋを算出し、補正前のデューティＤから補正後のデューティＤａに変更することによりレーダ性能を維持しつつ低消費電力化が可能である。

なお、補正値ｋは、空中線２の空中線有効放射電力を実測し、この空中線有効放射電力実測値Ｐ_ＡＮＴ、空中線送信電力Ｐｔ及び空中線利得Ｇ_ＡＮＴを用いて、下記の式（７）により算出することも可能である。

以上説明した本実施の形態１のアンテナ装置は、ＲＦ信号を送信する送信器１と、送信器１に接続されて電磁波を送受信する空中線２と、空中線２に電力を供給する電源器３と、空中線２に制御信号を送受信する信号処理器４とを備える。空中線２は、送信器１から送信されたＲＦ信号を分配する給電回路５と、電源器３から入力される電力及び信号処理器４から入力される制御信号を分配する電源制御分配回路６と、ＲＦ信号の位相及び振幅を制御する複数個の送受信モジュール７−１から７−Ｎと、送信時には制御されたＲＦ信号を空中に放射して受信時には空中から電磁波を受信する素子アンテナ８−１から８−Ｎとを備え、余剰の出力電力が存在する周波数帯域においては、空中線２に必要とされる電力及び複数個の送受信モジュール７−１から７−Ｎの出力電力から信号処理器４が補正値ｋを求め、この補正値ｋによる補正後のパルスドＲＦ信号で動作する。このように動作することで、ビーム幅を一定としてレーダ性能を維持しつつ低消費電力化を実現することができる。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成の一例を示す図である。図４に示すアンテナ装置は、図１に示すアンテナ装置の空中線２に代えて空中線２ａを備え、空中線２ａは、電源制御分配回路６に代えて電源制御分配回路６ａを備える。電源制御分配回路６ａは、電圧可変回路９及びメモリ１０を備える。電圧可変回路９は電源器３に接続され、電圧可変回路９の各々は送受信モジュール７−１から７−Ｎの各々に接続されている。また、メモリ１０は、電圧可変回路９に接続されている。

次に、図４に示すアンテナ装置の動作の一例について説明する。送受信モジュール７−１から７−Ｎの各々の出力特性は、図３に示すように周波数特性を有する。図３に示すように、送受信モジュール７−１から７−Ｎの各々の出力特性は、一般に送受信モジュール７−１から７−Ｎに電源器３から供給される送信用電力の電圧の影響を受ける。そのため、周波数毎に各送受信モジュール７−１から７−Ｎの出力電力が規定値以上且つ必要最低限の一定の出力電力になるように送信用電力の電圧を調整して設定電圧値を生成する。そして、各周波数の出力電力に対する設定電圧値のデータをメモリ１０に全て保存し、そのデータを電圧可変回路９にロードする。次に、電圧可変回路９にて各周波数帯域における、送受信モジュール７−１から７−Ｎの各々の電圧を制御し、出力電力を一定にする。なお、電圧の制御は、送受信モジュール７−１から７−Ｎの各々にレギュレータを設けて、このレギュレータの調整抵抗の各々を調整することによって行ってもよいし、分圧抵抗の接続を直接にスイッチ制御してもよい。このようにして、空中線２の送信電力を適切な一定値に保つことが可能であり、余剰の消費電力を削減することができる。

以上説明した本実施の形態２のアンテナ装置の電源制御分配回路６ａは、電源器３からの電力が供給される電圧可変回路９と、送信用電源電圧と出力特性との関係が記録されたメモリ１０とを備え、電圧可変回路９により空中線２の送信電力が一定値となるように制御することで、余剰の消費電力を削減し、ビーム幅を一定としてレーダ性能を維持しつつ低消費電力化を実現することができる。

以上実施の形態１，２によれば、ビーム幅を一定としてレーダ性能を維持しつつ、各周波数帯域における余剰の出力電力分からパルスドＲＦ信号のデューティの補正値を算出し、補正を行ったデューティで送信を行うことで、低消費電力化を実現することができる。また、低消費電力化を行うことで、冷却系及び電源系の必要性能を低く抑えることができ、性能上の過剰な設計を行うことなく適切な設計が可能となる。そのため、冷却系及び電源系の装置の小型化及び低コスト化が可能となり、レーダシステムの小型化及び低コスト化が可能となる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 送信器、２，２ａ 空中線、３ 電源器、４ 信号処理器、５ 給電回路、６，６ａ 電源制御分配回路、７−１，７−２，７−Ｎ 送受信モジュール、８−１，８−２，８−Ｎ 素子アンテナ、９ 電圧可変回路、１０ メモリ。

Claims (4)

1. ＲＦ信号を送信する送信器と、
   前記送信器に接続されて電磁波を送受信する空中線と、
   前記空中線に電力を供給する電源器と、
   前記空中線に制御信号を送受信する信号処理器とを備え、
   前記空中線は、
   前記送信器から送信された前記ＲＦ信号を分配する給電回路と、
   前記電源器から入力される電力及び前記信号処理器から入力される前記制御信号を分配する電源制御分配回路と、
   前記ＲＦ信号の位相及び振幅を制御する複数個の送受信モジュールと、
   送信時には制御された前記ＲＦ信号を空中に放射して受信時には空中から電磁波を受信する複数個の素子アンテナとを備え、
   余剰の出力電力が存在する周波数帯域においては、前記空中線に必要とされる電力及び前記複数個の送受信モジュールの出力電力から前記信号処理器が補正値を求め、この補正値による補正後のパルスドＲＦ信号で動作することを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記補正値が、前記空中線の空中線有効放射電力実測値を用いて算出されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記補正値が、前記複数個の送受信モジュールのモジュール出力電力の測定値と、前記空中線の空中線送信電力とを用いて算出されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 前記電源制御分配回路は、
   前記電源器からの電力が供給される電圧可変回路と、
   送信用電源電圧と出力特性との関係が記録されたメモリとを備え、
   前記電圧可変回路により前記空中線の送信電力が一定となるように制御することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。

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