JP2019057768A - 送信信号処理装置、および送信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半開口により信号を送信する際に、距離方向の覆域が小さくなるのを抑制することである。
【解決手段】第１ハイブリッドカプラは、第１信号が入力される第１端子、前記第１端子に隣接し第１アンテナ素子に接続される第２端子、第３端子、および第４端子を持つ。第２ハイブリッドカプラは、第２信号が入力される第５端子、前記第５端子に隣接し第２アンテナ素子に接続される第６端子、第７端子、および第８端子を持つ。第１遮断部は、前記第１ハイブリッドカプラの第３端子と前記第２ハイブリッドカプラの第７端子とを接続する経路に設けられ、所定条件下で前記第３端子と前記第７端子との間の信号の流通を遮断する。第２遮断部は、前記第１ハイブリッドカプラの第４端子と前記第２ハイブリッドカプラの第８端子とを接続する経路に設けられ、所定条件下で前記第４端子と前記第８端子との間の信号の流通を遮断する。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、送信信号処理装置、および送信装置に関する。

複数のアンテナ素子を備える送信装置が知られている。複数のアンテナ素子がマトリクスなどの幾何的配置で並べられたものは、アレイアンテナと称される。送信装置は、例えば、レーダー装置や通信装置の一部を構成するものである。

この種の送信装置において、半開口で信号を送信することで、送信ビーム幅を広げることができる。半開口とは、複数のアンテナ素子のうち半分のアンテナ素子に送信信号を供給して信号を送信させることをいう。しかしながら、半開口で信号を送信すると、距離方向の覆域が小さくなってしまうという課題が存在する。

特開２００８−１７８０３４号公報 特開２００５−０６４８９２号公報

本発明が解決しようとする課題は、半開口により信号を送信する際に、距離方向の覆域が小さくなるのを抑制することができる送信信号処理装置、および送信装置を提供することである。

実施形態の送信信号処理装置は、第１ハイブリッドカプラと、第２ハイブリッドカプラと、第１遮断部と、第２遮断部とを持つ。第１ハイブリッドカプラは、第１信号が入力される第１端子、前記第１端子に隣接し第１アンテナ素子に接続される第２端子、第３端子、および第４端子を持つ。第２ハイブリッドカプラは、第２信号が入力される第５端子、前記第５端子に隣接し第２アンテナ素子に接続される第６端子、第７端子、および第８端子を持つ。第１遮断部は、前記第１ハイブリッドカプラの第３端子と前記第２ハイブリッドカプラの第７端子とを接続する経路に設けられ、所定条件下で前記第３端子と前記第７端子との間の信号の流通を遮断する。第２遮断部は、前記第１ハイブリッドカプラの第４端子と前記第２ハイブリッドカプラの第８端子とを接続する経路に設けられ、所定条件下で前記第４端子と前記第８端子との間の信号の流通を遮断する。送信信号処理装置は、前記第１端子に入力された第１信号に基づく信号が前記第２端子から前記第１アンテナ素子に出力されると共に前記第５端子に入力された第２信号に基づく信号が前記第６端子から前記第２アンテナ素子に出力される第１モードと、前記第１端子に入力された第１信号に基づく信号および前記第５端子に入力された第２信号に基づく信号が前記第６端子から前記第２アンテナ素子に出力される第２モードと、を切り替え可能である。

送信信号処理ユニット１００を利用した送信装置１の動作原理について説明するための図。 送信信号処理装置１１０とアンテナ素子２０との接続関係の一例を示す図。 第１の実施形態に係る送信信号処理装置１１０の構成図。 第１ハイブリッドカプラ１４０および第２ハイブリッドカプラ１５０の特性の一例を示す図。 第２の実施形態に係る送信信号処理装置１１０Ａの構成図。

以下、実施形態の送信信号処理装置、および送信装置を、図面を参照して説明する。図１は、送信信号処理ユニット１００を利用した送信装置１の動作原理について説明するための図である。送信装置１は、複数のアンテナ素子２０を含むアレイアンテナ１０と、送信信号処理ユニット１００とを備える。送信装置１は、レーダー装置や通信装置の一部として構成されてもよい。アレイアンテナ１０が受信アンテナとしても用いられる場合、例えば、サーキュレータや受信信号処理装置等が、更に構成に追加される。

送信装置１は、全開口（第１モード）と半開口（第２モード）とを切り替え可能な装置である。図１（Ａ）は、送信装置１が全開口で送信ビームＴＢ１を形成する様子を示している。全開口とは、アンテナ素子２０の全てから送信信号を発信することをいう。なお、全開口と半開口を切り替える対象が複数のアンテナ素子の一部である場合、全開口とは、「対象のアンテナ素子２０の全てから送信信号を発信すること」であってもよい。図では送信信号を出力するアンテナ素子２０を「オン」と表記している。この送信信号を出力するか、出力しないかを切り替える機能は、送信信号処理ユニット１００が備えている。

図１（Ｂ）は、送信装置１が半開口で送信ビームＴＢ２を形成する様子を示している。半開口とは、アンテナ素子２０のうち半数から送信信号を発信することをいう。なお、全開口と半開口を切り替える対象が複数のアンテナ素子の一部である場合、半開口とは、「対象のアンテナ素子２０のうち半数から送信信号を発信すること」であってもよい。図では送信信号を出力しないアンテナ素子２０を「オフ」と表記している。

図１に示すように、半開口による送信ビームＴＢ２は、全開口による送信ビームよりもビーム幅が広がっており、且つ距離方向の覆域が小さくなっている。この原理を利用して、例えば、高仰角方向に、一度に幅広く送信信号を発信したいといったニーズに対応することができる。しかしながら、距離方向の覆域に関しても可能な限り大きくすることが望ましい。また、単純に半開口においてオフの状態にするアンテナ素子２０への信号供給を停止する制御を行った場合、トータルパワーＰ_Ｔと開口面積Ｇ_Ｔがそれぞれ３［ｄＢ］低下するため、Ｐ_ＴＧ_Ｔ積が６［ｄＢ］低下してしまう。以下に説明する各実施形態の送信信号処理ユニット１００は、この距離方向の覆域やＰ_ＴＧ_Ｔ積の低下分を抑制するための構成を備えている。

送信信号処理ユニット１００は、複数の送信信号処理装置１１０（第２の実施形態では１１０Ａであるが、ここでは１１０と表記する）を備える。図２は、送信信号処理装置１１０とアンテナ素子２０との接続関係の一例を示す図である。アレイアンテナ１０における第１群のアンテナ素子２０とは、全開口のときにオンの状態にされ、半開口のときにオフの状態にされるアンテナ素子２０である。アレイアンテナ１０における第２群のアンテナ素子２０とは、全開口のときにも半開口のときにもオンの状態にされるアンテナ素子２０である。送信信号処理装置１１０は、第２端子と第６端子（後述）を備え、例えば、第１群に含まれる一つのアンテナ素子２０に第２端子が、第２群に含まれる一つのアンテナ素子２０に第６端子が、それぞれ接続される。そして、例えば、第１群に含まれる一つのアンテナ素子２０と、第２群に含まれる一つのアンテナ素子２０との組み合わせの全てに対応して、一つの送信信号処理装置１１０が接続される。これに代えて、第１群に含まれるｋ個のアンテナ素子２０が第１出力端子に接続され、第２群に含まれるｋ個のアンテナ素子２０が第２出力端子に接続される構成であってもよい（ｋは２以上の自然数）。

図２（Ａ）に示すように、各群における同じ配列位置にあるアンテナ素子２０が一つの送信信号処理装置１１０に接続されてもよいし、図２（Ｂ）に示すように、各群における線対称の位置にあるアンテナ素子２０が一つの送信信号処理装置１１０に接続されてもよい。いずれの場合も、送信信号処理装置１１０からアンテナ素子２０への電気長がなるべく均一化されるように配線構造が設計されると好適である。

（第１の実施形態）
図３は、第１の実施形態に係る送信信号処理装置１１０の構成図である。第１の実施形態に係る送信信号処理装置１１０は、例えば、第１信号供給部１２０と、第１ＨＰＡ（High Power Amplifier）１２２と、第２信号供給部１３０と、第２ＨＰＡ１３２と、第１ハイブリッドカプラ１４０と、第２ハイブリッドカプラ１５０と、第１ＢＰＦ（Band Pass Filter）１６０と、第２ＢＰＦ１６２とを備える。

第１信号供給部１２０は、第１信号Ｓ１を第１ＨＰＡ１２２に出力する。第１信号Ｓ１は、周波数帯ｆ１とｆ２とのいずれかで生成される。第１ＨＰＡ１２２は、第１信号Ｓ１を増幅して第１ハイブリッドカプラ１４０の第１端子Ｔ１に出力する。

第２信号供給部１３０は、第２信号Ｓ１を第２ＨＰＡ１３２に出力する。第２信号Ｓ２は、周波数帯ｆ１で生成される。第２ＨＰＡ１３２は、第２信号Ｓ２を増幅して第２ハイブリッドカプラ１５０の第５端子Ｔ５に出力する。

第１ハイブリッドカプラ１４０は、第１端子Ｔ１、第１端子Ｔ１に隣接する第２端子Ｔ２、第３端子Ｔ３、および第４端子Ｔ４を備える。また、第２ハイブリッドカプラ１５０は、第５端子Ｔ５、第５端子Ｔ５に隣接する第６端子Ｔ６、第７端子Ｔ７、および第８端子Ｔ８を備える。「隣接する」とは、第１端子Ｔ１と第３端子Ｔ３のような対角関係に無いことをいう。

第１ハイブリッドカプラ１４０の第２端子Ｔ２は、第１群のいずれかのアンテナ素子２０に接続される。第２ハイブリッドカプラ１５０の第６端子Ｔ６は、第２群のいずれかのアンテナ素子２０に接続される。

第１ハイブリッドカプラ１４０の第３端子Ｔ３と、第２ハイブリッドカプラ１５０の端子Ｔ７は、第１ＢＰＦ１６０を介して接続される。第１ハイブリッドカプラ１４０の第４端子Ｔ４と、第２ハイブリッドカプラ１５０の端子Ｔ８は、第２ＢＰＦ１６２を介して接続される。第１ＢＰＦ１６０および第２ＢＰＦ１６２は、それぞれ、周波数帯ｆ１を遮断し、周波数帯ｆ２を通過させるフィルタである。バンドパスフィルタに代えて、ローパスフィルタまたはハイパスフィルタが用いられてもよい。

図４は、第１ハイブリッドカプラ１４０および第２ハイブリッドカプラ１５０の特性の一例を示す図である。第１端子Ｔ１に入力された入力信号をＰ_０・ｅ^ｉθとすると、時計回りに、第４端子Ｔ４から出力される信号は（１／２）Ｐ_０・ｅ^{ｉθ＋（π／２）}、第３端子Ｔ３から出力される信号は（１／２）Ｐ_０・ｅ^ｉθ＋π、（第３端子Ｔ３と第４端子Ｔ４とが開放端である場合に）第２端子Ｔ２から出力される信号はＰ_０・ｅ^{ｉθ＋（３π／２）}というふうに位相が（π／２）すなわち９０度ずつずれて出力される。また、第５端子Ｔ５に入力された入力信号をＰ_０・ｅ^ｉθとすると、時計回りに、第８端子Ｔ８から出力される信号は（１／２）Ｐ_０・ｅ^{ｉθ＋（π／２）}、第７端子Ｔ７から出力される信号は（１／２）Ｐ_０・ｅ^ｉθ＋π、（第７端子Ｔ７と第８端子Ｔ８とが開放端である場合に）第６端子Ｔ６から出力される信号はＰ_０・ｅ^{ｉθ＋（３π／２）}というふうに位相が（π／２）すなわち９０度ずつずれて出力される。

第３端子Ｔ３または第４端子Ｔ４から出力された信号は、第１ＢＰＦ１６０または第２ＢＰＦ１６２を通過しない場合、第１ＢＰＦ１６０または第２ＢＰＦ１６２で反射されて再度、第１ハイブリッドカプラ１４０に入力される。なお、この状態は、第３端子Ｔ３と第４端子Ｔ４とが開放端である状態と同視できる。同様に、第７端子Ｔ７または第８端子Ｔ８から出力された信号は、第１ＢＰＦ１６０または第２ＢＰＦ１６２を通過しない場合、第１ＢＰＦ１６０または第２ＢＰＦ１６２で反射されて再度、第２ハイブリッドカプラ１５０に入力される。この状態は、第７端子Ｔ７と第８端子Ｔ８とが開放端である状態と同視できる。

このような構成を採用することで、周波数帯ｆ１の第１信号Ｓ１を第１端子Ｔ１に入力し、周波数帯ｆ１の第２信号Ｓ２を第５端子Ｔ５に入力した場合、第１信号Ｓ１が第２端子Ｔ３から第１群のアンテナ素子２０に供給され、第２信号Ｓ２が第６端子Ｔ６から第２群のアンテナ素子２０に供給される。この状態が本実施形態における全開口の状態である。

一方、周波数帯ｆ２の第１信号Ｓ１を第１端子Ｔ１に入力し、周波数帯ｆ１の第２信号Ｓ２を第５端子Ｔ５に入力した場合、第１群のアンテナ素子２０には第１信号Ｓ１が供給されず、第１信号Ｓ１と第２信号Ｓ２とを合わせたパワーを持つ信号が第６端子Ｔ６から第２群のアンテナ素子２０に供給される。この状態が本実施形態における半開口の状態である。

信号処理ユニット１００の上位装置１０５は、全開口と半開口とを切り替えるための周波数指示を第１信号供給部１２０に出力する。ここで、全開口と半開口とを切り替えるための周波数指示は、第２信号供給部１３０に出力してもよい。つまり、上位装置１０５からの周波数指示によって、上述の第１群と第２群のアンテナ素子２０の関係を逆にすることも可能である。また、信号処理ユニット１００の上位装置１０５は、動作指示を第１信号供給部１２０と第２信号供給部１３０にそれぞれ出力する。

以上説明した実施形態の送信信号処理装置１１０、並びにこれを利用した送信装置１によれば、第１信号Ｓ１が入力される第１端子Ｔ１、第１端子Ｔ１に隣接し第１アンテナ素子（第１群のアンテナ素子２０）に接続される第２端子Ｔ２、第３端子Ｔ３、および第４端子Ｔ４を備える第１ハイブリッドカプラ１４０と、第２信号Ｓ２が入力される第５端子Ｔ５、第５端子Ｔ５に隣接し第２アンテナ素子（第２群のアンテナ素子２０）に接続される第６端子Ｔ６、第７端子Ｔ７、および第８端子Ｔ８を備える第２ハイブリッドカプラ１５０と、第１ハイブリッドカプラ１４０の第３端子Ｔ３と第２ハイブリッドカプラ１５０の第７端子Ｔ７とを接続する経路に設けられ、周波数帯が通過周波数帯でない信号の流通を遮断する第１ＢＰＦ１６０と、第１ハイブリッドカプラ１４０の第４端子Ｔ４と第２ハイブリッドカプラ１５０の第８端子Ｔ８とを接続する経路に設けられ、周波数帯が通過周波数帯でない信号の流通を遮断する第２ＢＰＦ１６２と、を備え、第１端子Ｔ１に与える信号Ｓ１の周波数を切り替えることで、全開口と半開口を切り替えることができる。また、半開口の状態において、第６端子Ｔ６から第２群のアンテナ素子２０に出力される信号は、第１信号Ｓ１のパワーと第２信号Ｓ２のパワーを合わせたパワーを持つ。この結果、半開口の状態において、距離方向の覆域の低下を抑制すると共に、Ｐ_ＴＧ_Ｔ積の低下分を３［ｄＢ］に抑えることができる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について説明する。図５は、第２の実施形態に係る送信信号処理装置１１０Ａの構成図である。第２の実施形態に係る送信信号処理装置１１０Ａにおいて、第１ハイブリッドカプラ１４０の第３端子Ｔ３と、第２ハイブリッドカプラ１５０の端子Ｔ７は、第１スイッチＳＷ１を介して接続される。第１ハイブリッドカプラ１４０の第４端子Ｔ４と、第２ハイブリッドカプラ１５０の端子Ｔ８は、第２スイッチＳＷ２を介して接続される。各スイッチは、例えば、半導体スイッチである。各スイッチは、上位装置１０５によってオン状態（導通状態）またはオフ状態（遮断状態）のいずれかにされる。第２の実施形態において、第１信号Ｓ１および第２信号Ｓ２の周波数帯は任意に定めてよい。

係る構成において、送信装置１は、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２をオフ状態にすることで、全開口で送信信号を発信することができる。一方、送信装置１は、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２をオン状態にすることで、半開口で送信信号を発信することができる。

以上説明した第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、第１信号が入力される第１端子、第１端子に隣接し第１アンテナ素子に接続される第２端子、第３端子、および第４端子を備える第１ハイブリッドカプラと、第２信号が入力される第５端子、第５端子に隣接し第２アンテナ素子に接続される第６端子、第７端子、および第８端子を備える第２ハイブリッドカプラと、第１ハイブリッドカプラの第３端子と第２ハイブリッドカプラの第７端子とを接続する経路に設けられ、所定条件下で第３端子と前記第７端子との間の信号の流通を遮断する第１遮断部と、第１ハイブリッドカプラの第４端子と第２ハイブリッドカプラの第８端子とを接続する経路に設けられ、所定条件下で第４端子と前記第８端子との間の信号の流通を遮断する第２遮断部と、を備え、第１端子に入力された第１信号に基づく信号が前記第２端子から第１アンテナ素子に出力されると共に第５端子に入力された第２信号に基づく信号が第６端子から第２アンテナ素子に出力される第１モードと、第１端子に入力された第１信号および第５端子に入力された第２信号に基づく信号が第６端子から第２アンテナ素子に出力される第２モードと、を切り替え可能であるため、半開口により信号を送信する際に、距離方向の覆域が小さくなるのを抑制することができる。

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同様に、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ものである。

１…送信装置、１０…アレイアンテナ、２０…アンテナ素子、１００…送信信号処理ユニット、１０５…上位装置、１１０…送信信号処理装置、１２０…第１信号供給部、１２２…第１ＨＰＡ、１３０…第２信号供給部、１３２…第２ＨＰＡ、１４０…第１ハイブリッドカプラ、１５０…第２ハイブリッドカプラ、１６０…第１ＢＰＦ、１６２…第２ＢＰＦ、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ

Claims (5)

1. 第１信号が入力される第１端子、前記第１端子に隣接し第１アンテナ素子に接続される第２端子、第３端子、および第４端子を備える第１ハイブリッドカプラと、
   第２信号が入力される第５端子、前記第５端子に隣接し第２アンテナ素子に接続される第６端子、第７端子、および第８端子を備える第２ハイブリッドカプラと、
   前記第１ハイブリッドカプラの第３端子と前記第２ハイブリッドカプラの第７端子とを接続する経路に設けられ、所定条件下で前記第３端子と前記第７端子との間の信号の流通を遮断する第１遮断部と、
   前記第１ハイブリッドカプラの第４端子と前記第２ハイブリッドカプラの第８端子とを接続する経路に設けられ、所定条件下で前記第４端子と前記第８端子との間の信号の流通を遮断する第２遮断部と、
   を備え、
   前記第１端子に入力された第１信号に基づく信号が前記第２端子から前記第１アンテナ素子に出力されると共に前記第５端子に入力された第２信号に基づく信号が前記第６端子から前記第２アンテナ素子に出力される第１モードと、
   前記第１端子に入力された第１信号および前記第５端子に入力された第２信号に基づく信号が前記第６端子から前記第２アンテナ素子に出力される第２モードと、
   を切り替え可能である送信信号処理装置。
2. 前記第１遮断部および前記第２遮断部は、信号の流通を遮断する場合、信号を送信元の前記第１ハイブリッドカプラまたは前記第２ハイブリッドカプラに向けて反射する、
   請求項１記載の送信信号処理装置。
3. 前記第１端子に信号を供給する第１信号供給部と、
   前記第５端子に信号を供給する第２信号供給部と、を更に備え、
   前記第１遮断部および前記第２遮断部は、第１周波数帯の信号を遮断すると共に第２周波数帯の信号を通過させるフィルタであり、
   前記第１信号供給部は、前記第１モードにおいて前記第１周波数帯の信号を前記第１端子に出力すると共に前記第２モードにおいて前記第２周波数帯の信号を前記第１端子に出力し、
   前記第２信号供給部は、前記第１モードおよび前記第２モードにおいて前記第１周波数帯の信号を前記第５端子に出力する、
   請求項１または２記載の送信信号処理装置。
4. 前記第１遮断部および前記第２遮断部は、制御信号を与えるによって導通状態と遮断状態とを切り替え可能なスイッチである、
   請求項１から３のうちいずれか１項記載の送信信号処理装置。
5. 請求項１から４のうちいずれか１項記載の送信信号処理装置を複数備え、更に、
   前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子を含む複数のアンテナ素子を備える、送信装置。

Images