JP2023008790A - レーダーリミッタ歪み補償 - Google Patents

Abstract

【課題】全二重通信レーダシステムにおいて、リミッタの歪みの影響を低減可能な全二重無線装置及び全二重無線装置を備える気象レーダーを提供する。【解決手段】全二重無線装置は、第１の信号を送信する送信経路と、受信信号を受信する受信経路と、受信信号の第１の期間を観測するための近い受信経路と、受信信号の第２の期間を観測するための遠い受信経路と、無線周波数リミッタ３１１と、自己干渉除去回路３０７と、可変インピーダンスコンポーネント７０１と、第１のポート、第２のポート、第３のポート及び第４のポートを備える方向性結合器３１０とを備える。第１のポートは受信経路に結合され、第２のポートは遠い受信経路の無線周波数リミッタ３１１に結合され、第３のポートは自己干渉除去回路３０７に結合され、第４のポートは可変インピーダンスコンポーネント７０１に結合される。【選択図】図７

Description

ここで説明する実施形態は、全二重無線装置に関する。

全二重（ＦＤ通信）は、同時に同じ周波数におけるワイヤレス信号の同時送受信（ＳＴＡＲ）である。全二重（ＦＤ）テクノロジーは、さまざまな用途を有している。例えば、全二重（ＦＤ）テクノロジーは、８０２．１１ａｘ ＷｉＦｉ標準規格に対するオプションとして承認されている。特に興味深いことは、レーダーにおける、特に動作環境が比較的静的であることによる、気象レーダーにおける全二重（ＦＤ）テクノロジーの使用である。

既知の全二重（ＦＤ）気象レーダーは、気象特徴（例えば、雲の形成）を検出し、２つの受信機経路を備えており、１つの受信機経路は、（ここでは、近い受信経路と呼ばれる）予め定められた距離未満の近いオブジェクトを検出するためのものであり、別の受信機経路は、（ここでは、遠い受信経路と呼ばれる）予め定められた距離より大きいオブジェクトを検出するためのものである。この既知のシステムでは、送信パルスが依然として送信されている間に（反射によってもたらされる）信号が受信されることから、近い受信経路のために全二重（ＦＤ）通信を実現することだけが必要である。

全二重（ＦＤ）テクノロジーを有する既知の課題は、自己干渉の十分な除去を達成することである。高電力送信信号が受信機経路において漏洩するとき、自己干渉は、全二重（ＦＤ）テクノロジーにおいて生じる。十分な自己干渉除去（ＳｉＣ）を達成することは、所望の信号（例えば、離れたオブジェクトからの反射）の検出を可能にし、これは、送信信号よりも何桁も低い電力（１００＋ｄｂ）を有している。

気象レーダーについて約１５８デシベル（ｄＢ）の自己干渉除去は、約１００ワット（Ｗ）の大きな送信電力により、送信及び受信経路の間で必要とされる。さらに、いくつかの気象レーダーは、キロワット単位でさらに大きな送信電力を有し、したがって、より高い自己干渉除去が必要とされることがある。

自己干渉除去（ＳｉＣ）を達成するための１つの方法は、無線周波数（ＲＦ）除去とデジタルベースバンド除去の組み合わせを使用することである。無線周波数（ＲＦ）除去は、受信信号が低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）に入るより前に生じる。無線周波数（ＲＦ）除去は、アナログドメインにおいて自己干渉のおおよそのレプリカを生成するために、送信信号の振幅及び移相を調節することを伴うことが多い。この信号は、受信信号中に存在する自己干渉を除去するために（少なくとも部分的に）使用される。しかしながら、自己干渉は、全二重（ＦＤ）システムにおいて生じる歪みの唯一の形態ではない。

近い受信経路と遠い受信経路の両方は、これらの低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）へ過負荷及び損傷を防ぐためのリミッタを含む。リミッタは、排他的ではないが、ダイオードを使用して実現されることが多いが非線形コンポーネントである。リミッタは、受信信号において歪みをもたらすことが多い。この歪みは、無線周波数（ＲＦ）自己干渉除去（ＳｉＣ）を使用することによって除去することはできない。なぜなら、歪みは（除去信号を発生させるために自己干渉除去フィルタによって実質的に使用される）送信経路において現れる信号に関連していないからである。

この観点から、全二重（ＦＤ）通信システムにおけるリミッタの歪みの影響を低減させる必要がある。

実施形態の構成は、例として作成され、図面と共に解釈される以下の詳細な説明からより完全に理解され、認識されるだろう。
図１は、レーダーシステムを示している。 図２は、レーダー送信信号の例を示している。 図３は、全二重（ＦＤ）レーダーシステムを示している。 図４Ａは、レーダーパルス上の歪みの影響を示している。 図４Ｂは、自己干渉除去回路の出力上の歪みの影響を示している。 図５は、無線周波数（ＲＦ）自己干渉除去及び／又はリミッタを有する、並びに有さないレーダーシステムに対するシミュレーションした結果を示している。 図６は、全二重（ＦＤ）レーダーシステムにおけるリミッタの歪みの影響を低減させるためのアプローチを示している。 図７は、例にしたがって可変インピーダンスを使用してリミッタの歪み抑制を有する全二重（ＦＤ）レーダーシステムを示している。 図８Ａは、例にしたがって可変インピーダンスを発生させるための回路を示している。 図８Ｂは、例にしたがって可変インピーダンスを発生させるための回路のインプリメンテーションを示している。 図９は、例及び他の既知のレーダーシステムにしたがう、レーダーシステムの比較の実行を示している。 図１０Ａは、別の例にしたがう可変インピーダンスを発生させるための回路を示している。 図１０Ｂは、さらなる例にしたがう可変インピーダンスを発生させるための回路を示している。

第１の態様にしたがうと、全二重無線装置が提供され、第１の信号を送信するように構成された送信経路と、受信信号を受信するように構成された受信経路と、受信信号の第１の期間を観測するための近い受信経路と、受信信号の第２の期間を観測するための遠い受信経路と、遠い受信経路は、無線周波数リミッタを備え、送信経路と近い受信経路との間に結合され、受信信号における自己干渉の少なくとも一部分を除去するように構成された自己干渉除去回路と、可変インピーダンスコンポーネントと、第１のポート、第２のポート、第３のポート、及び第４のポートを備える方向性結合器とを備える。ここで、第１のポートは第１の送信線によって第２のポートに結合され、第３のポートは、第２の送信線によって第４のポートに結合され、ここで、第１のポートは、受信経路に結合され、第２のポートは、遠い受信経路の無線周波数リミッタに結合され、第３のポートは、自己干渉除去回路に結合され、第４のポートは、可変インピーダンスコンポーネントに結合される。

実施形態において、第１のポートは入力ポートであり、第２のポートは送信されるポートであり、第３のポートは結合されるポートであり、第４のポートは分離されるポートである。

実施形態において、結合されることは電気的に接続されることを含む。

実施形態において、近い受信経路は低ノイズ増幅器を備える受信機チェーンであり、近い受信経路は、第１の信号が送信されている間、受信信号を観測するように構成されている。

実施形態において、第１のポートに入力される信号の一部分が第３のポートに結合されるように方向性結合器は構成され、第１のポートに入力される信号の大部分引く第３のポートに結合される部分は、第２のポートに出力される。

実施形態において、可変インピーダンスコンポーネントはアースに結合される。
実施形態において、可変インピーダンスコンポーネントは自己干渉除去回路に結合されない。実施形態において、方向性結合器の第３の部分のみが自己干渉除去回路に結合される。

実施形態において、可変インピーダンスコンポーネントは、可変インピーダンスコンポーネントの位相を制御するように構成された可変位相シフタと、可変インピーダンスコンポーネントの振幅を制御するように構成された可変抵抗とのうちの少なくとも１つを備える。

実施形態において、可変インピーダンスコンポーネントは、可変インピーダンスコンポーネントの位相を制御するように構成された可変位相シフタと、可変インピーダンスコンポーネントの振幅を制御するように構成された可変抵抗とを備える。

実施形態において、全二重無線装置は、可変位相シフタによって提供される位相シフトを変化させることと、可変抵抗によって提供される減衰の量を変化させることとのうちの少なくとも１つによって、可変インピーダンスコンポーネントのインピーダンスを同調するように構成された制御装置をさらに備える。

実施形態において、可変インピーダンスコンポーネントは、可変位相シフタ及び可変減衰器を備え、可変位相シフタの入力は、方向性結合器の第４のポートに結合され、可変抵抗の入力は、可変位相シフタの出力に結合され、可変抵抗の出力は、アースに結合される。

実施形態において、可変インピーダンスコンポーネントは、可変位相シフタと可変減衰器とを備え、ここで、可変位相シフタは、第５のポート、第６のポート、第７のポート、及び第８のポートを備えるハイブリッド結合器と、第１のバラクタダイオードと、第２のバラクタダイオードとを備えている。ここで、ハイブリッド結合器の第５のポートは、方向性結合器の第４のポートに結合され、ハイブリッド結合器の第６のポートは、第１のバラクタダイオードのアノードに結合され、ハイブリッド結合器の第７のポートは、第２のバラクタダイオードのアノードに結合され、第１のバラクタダイオードのカソードと第２のバラクタダイオードのカソードは、位相制御入力に結合されている。可変抵抗は、第１の端子と第２の端子とを備えるキャパシタと、ここで、第１の端子はハイブリッド結合器の第８のポートに結合され、ＰＩＮダイオードとを備え、ここで、ＰＩＮダイオードのアノードは、キャパシタの第２の端子と振幅制御入力に結合され、ＰＩＮダイオードのカソードは、アースに結合される。

実施形態において、制御装置は、位相制御入力に印加される移送制御信号の振幅を調節することと、振幅制御入力に印加される電圧制御信号の振幅を調節することとのうちの少なくとも１つによって可変インピーダンスコンポーネントの可変インピーダンスを同調するように構成されている。

実施形態において、可変インピーダンスコンポーネントは、可変遅延線と可変減衰器とを備え、ここで、可変遅延線の入力は、方向性結合器の第４のポートに結合され、可変遅延線の出力は、可変減衰器の入力に結合され、可変減衰器の出力は、アースに接続される。

実施形態において、可変インピーダンスは、第５のポート、第６のポート、及び第７のポートを備える電力分割器と、可変遅延線と、可変減衰器とを備えている。ここで、電力分割器の第５のポートは、方向性結合器の第４のポートに結合され、電力分割器の第６のポートは、可変遅延線の入力に結合され、電力分割器の第７のポートは、可変減衰器の入力に結合され、可変遅延線の出力は、可変減衰器の出力に結合される。

実施形態において、電力分割器は、第５のポートに入力される信号を、第６のポートと第７のポートに出力される２つの同等のコンポーネントに分割するように構成されている。

実施形態において、全二重無線装置はアンテナをさらに備え、送信経路は、アンテナを介して第１の信号を送信するように構成され、受信経路は、アンテナを介して受信信号を受信するように構成されている。

実施形態において、自己干渉除去回路は、第５のポート、第６のポート、及び第７のポートを備える第２の方向性結合器と、ここで、第５のポートは、第３の送信線によって第６のポートに結合され、可変減衰器と、可変位相シフタと、第１の入力、第２の入力、及び第１の出力を備える信号結合器とを備えている。ここで、第２の方向性結合器の第５のポートは、送信経路に結合され、第２の方向性結合器の第６のポートは、アンテナに結合され、第２の方向性結合器の第７のポートは、可変減衰器の入力に結合され、可変減衰器の出力は、可変位相シフタの入力に結合され、可変位相シフタの出力は、信号結合器の第１の入力に結合され、方向性結合器の第３のポートは、信号結合器の第２の入力に結合され、信号結合器の第１の出力は、近い受信経路に結合されている。

実施形態において、信号結合器は、第１の入力の信号から第２の入力の信号を減算し、第１の出力の結果を出力するように構成されている。

実施形態において、第５のポートは、第２の方向性結合器の入力ポートであり、第６のポートは、第２の方向性結合器の送信されるポートであり、第７のポートは、第２の方向性結合器の結合されるポートである。

実施形態において、全二重無線装置はサーキュレーターをさらに備え、サーキュレーターは、第８のポート、第９のポート、及び第１０のポートを備えている。ここで、サーキュレーターの第８のポートは、第２の方向性結合器の第６のポートに結合され、サーキュレーターの第９のポートは、アンテナに結合され、サーキュレーターの第１０のポートは、方向性結合器の第１のポートに結合されている。

実施形態において、サーキュレーターは、信号が入力されたポートの直後のポート上に信号を出力するように構成され、ここで、第９のポートは、第８のポートの直後であり、第１０のポートは、第９のポートの直後であり、第８のポートは、第９のポートの直後である。

実施形態において、送信経路は、電力増幅器を備え、近い受信経路は、第２のリミッタ及び第１の低ノイズ増幅器を備え、遠い受信経路は、第２の低ノイズ増幅器をさらに備えている。

実施形態において、近い受信経路は、全二重動作のために使用される。

請求項１に記載の全二重無線装置を備えるレーダーも開示される。

請求項１に記載の全二重無線装置を備える気象レーダーも開示される。

図１は、レーダーシステムを示している。図１のレーダーシステムは、レーダーシステムの送信経路に接続されている電力増幅器１０１を備えている。電力増幅器は、サーキュレーター１０２に電気的に結合されている。サーキュレーター１０２は、アンテナ１０３に結合されている。技術的に知られているように、サーキュレーターは、電子回路において信号フローの方向を制御するために使用される受動的なデバイスである。受信及び送信のための信号アンテナがあることが、レーダーシステムでは一般的である。結果として、サーキュレーター１０２は、送信経路と受信経路との間に分離を提供するために図１において使用される。サーキュレーター１０２は、無線周波数（ＲＦ）リミッタ１０４にも結合されている。無線周波数（ＲＦ）リミッタ１０４は、低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）１０５に結合され、その出力は、レーダーシステムの受信経路に接続されている。

図１のシステムにおいて、無線周波数（ＲＦ）リミッタ１０４は、１００ワットに等しいことがある、送信の間に発生する電力から低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）を保護するために提供される。サーキュレーター１０２は典型的には、送信経路に接続されたポートと受信経路に接続された経路ポートとの間におおよそ２０デシベル（ｄＢ）の分離を提供する。このケースでは、１ワットの電力がサーキュレーター１０２を通して低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）１０５の入力へと漏洩する。さらに、送信信号の後方を反射する、アンテナと送信経路との間にミスマッチがあることが多い。この反射された信号の電力は、サーキュレーター１０２の漏洩電力と類似したレベルのもの（すなわち、１ワット）であることがある。

図２は、レーダー送信信号の例を示す。レーダーシステムは、短パルスを送信する。図２は、第１のパルス２０２と第２のパルス２０３とを備えるレーダー送信信号２０１を示している。図２は、縮尺通りではなく、実例目的のみのためのものであることが理解されるだろう。パルス幅（すなわち、エネルギーのパルスの立ち上がり端と立ち下がり端との間で経過する時間）は、典型的に約４０μ秒である。レーダー信号の典型的な送信周波数が与えられると、このパルス幅は、その間に最初の６キロメートルについては受信が可能ではない範囲と等しい。結果として、十分な自己干渉除去なしでは６キロメートルよりも近いオブジェクトを観測することが可能ではない。なぜなら、送信信号からの自己干渉は、複数のオブジェクトからの任意の反射を圧倒するからである。

パルス期間（すなわち、第１のパルス２０２立ち上がり端と第２のパルス２０３の立ち上がり端との間の時間）は、典型的に４００μ秒であり、６０キロメートルまでの検出を可能にする。送信信号２０１のパルスは、立ち上がり時間と立ち下がり時間とを規定する。これらは、図２において線形の傾きとして示されている。段階的な送信を有するように送信信号を成形することは、送信信号がスペクトル放射マスク内に保たれ、規則に従うことを確実にする。

６キロメートルを下回る受信が必要とされる場合３つのオプションがある。

第１のオプションは、異なる周波数で第２のより短いパルスを送信することである。しかしながら、このアプローチは、周波数リソースを倍にすることを必要とする。

第２のオプションは、２つの代替パルスを送信することである。近いオブジェクトを検出するためのより短いパルス幅の第１のパルスと、遠いオブジェクトを検出するためのより長いパルス幅の第２のパルスである。しかしながら、このアプローチは、複雑さを追加し、画像化時間を倍にする（または、画像化レートを半分にする）。

第３のアプローチは、全二重（ＦＤ）技術を活用することである。このケースでは、近い及び遠いオブジェクトの両方から信号（例えば反射）の受信のために１つの長いパルスを使用することができる。なぜなら、全二重（ＦＤ）技術は、レーダーの位相を送信する間に近接場信号を観測することを可能にするからである。

図３は、全二重（ＦＤ）レーダーシステムを示している。図３は、単一の周波数チャネルを使用し、２つの受信経路：近い受信経路と遠い受信経路とを備える全二重（ＦＤ）レーダーシステムである。

詳しくは、図３は、レーダーシステムの送信経路に電気的に結合された電力増幅器３０１を示している。電力増幅器は、第１の方向性結合器３０２にも電気的に結合されている。

技術的に知られているように、方向性結合器は、方向性結合器を通して方向性結合器の別のポートに伸長する送信線からの規定された電力の量を結合する受動電子デバイスである。これは、方向性結合器を通して送信線上に存在する信号の割合が回路の別の部分において使用されることを可能にする。

方向性結合器は４つのポートを有している。電力が印加される入力ポート（ポート１）。入力ポートからの電力が出力される送信されるポート（ポート２）。入力ポート（ポート１）に印加された電力の一部が現れる結合されるポート（ポート３）及び分離されるポート（ポート４）。結合されるポート（ポート３）は前方に結合されるポートとして呼ばれることがあり、分離されるポート（ポート４）は後方に結合されるポートとして呼ばれることがある。送信されるポート（ポート２）から出力された電力の量は、入力ポート（ポート１）に入力された電力引く結合されるポート（ポート３）に結合された電力の量に等しい。

送信されるポート（ポート２）に印加される電力の一部は、分離されるポート（ポート４）に結合され、それにより、逆方向への結合（したがって、「後方に結合されるポート」）を提供する。しかしながら、デバイスは、このモードで通常使用されず、分離されるポート（ポート４）は、通常整合負荷（典型的には５０オーム）で終端する。

理想的な方向性結合器において、電力が入力ポート（ポート１）上の入力であるとき、第１の部分は送信されるポート（ポート２）に結合され、第２の部分は結合されたポート（ポート３）に結合されるが、分離されるポート（ポート４）には電力は結合されない。同様に、電力が送信されるポート（ポート２）に印加されるとき、電力は入力ポート（ポート１）及び分離されるポート（ポート４）に印加されるが、結合されるポート（ポート３）には電力は結合されない。実際には、背後電力があることが多い（すなわち、電力が入力ポート（ポート１）に入力されるとき、電力は分離されるポート（ポート４）から出力され、及び／又は電力が送信されるポート（ポート２）に入力されるとき、電力は結合されるポート（ポート３）から出力される）。背後電力の量又は意図されない結合は、方向性結合器の指向性に関連する。

１つの例では、方向性結合器は、２つの送信線を使用して実現される。第１の送信線は、入力ポート（ポート１）を送信ポート（ポート２）に結合し、第２の送信線は、結合されるポート（ポート３）と分離されるポート（ポート４）とを結合する。第１の送信線と第２の送信線は、互いに十分に近くに（すなわち、互いの近接近内に）位置付けられ、１つの送信線からのエネルギー及びフィールドは、他の送信線と相互作用する。

図３において、結合ポート（ポート３）は、自己干渉除去回路に接続され、これは、以下でより詳細に説明される。第１の方向性結合器３０２の送信されるポート（ポート２）は、サーキュレーター３０３の第１の端子に電気的に結合される。サーキュレーター３０３の第２の端子は、アンテナ３０４に接続される。

自己干渉除去（ＳｉＣ）回路は、第１の方向性結合器３０２の結合されるポート（ポート３）に接続された可変減衰器３０５を備える。結合されるポート（３０２）の出力は、送信信号の結合されたバージョンである基準信号である。可変減衰器は、基準信号を減衰するように構成されている。可変減衰器３０５の出力は、可変位相シフタ３０６に電気的に結合されている。可変位相シフタ３０６は、減衰された基準信号の位相を変化させるように構成されている。可変位相シフタ３０６の出力は、信号結合器３０７に結合される。可変減衰器３０５と可変位相シフタ３０６は、基準信号の利得と位相を操作するように構成され、所望の信号コンポーネントと自己干渉コンポーネントとを備える受信信号から、信号結合器３０７によって、修正された基準信号が減算されるとき、システムの自己干渉は、除去される。

信号結合器３０７の出力は、第１の無線周波数（ＲＦ）リミッタ３０８に接続されている。技術的に知られているように、リミッタは、過負荷及び損傷を防ぐために、電力を下流コンポーネントに制限する電子コンポーネントである。第１の無線周波数（ＲＦ）リミッタ３０８の出力は、第１の低ノイズ増幅器３０９に接続されている。低ノイズ増幅器３０９は、第１の無線周波数（ＲＦ）リミッタ３０８から出力される信号を増幅するように構成されている。受信信号に対応するこの信号は、システムの自己干渉（ＳＩ）を（少なくとも部分的に）除去するように調節される。第１の無線周波数（ＲＦ）リミッタ３０８及び第１の低ノイズ増幅器３０９は、図３のシステムにおいて、近い受信経路を形成する。

図３のシステムにおいて、受信は、送信経路がパルスを送信するときの時間の間にのみ、近い受信経路で生じる。上述したように、この期間はオプション的に４０μ秒である。パルスが送信された後、受信が遠い受信経路のみで生じる。送信パルスの送信の間に信号を受信するのは近い受信経路のみであることから、（例えば、自己干渉除去フィルタを含む）全二重（ＦＤ）システムは近い受信経路に対してのみ必要とされる。

サーキュレーター３０３は、第３の端子も備えている。第３の端子は、アンテナ３０４を介して受信信号を近い及び遠い受信経路回路に伝える。サーキュレーター３０３の第３の端子からの出力は、ここでは受信信号と呼ばれる。上述したように、受信信号は、所望の信号コンポーネントを備えている。レーダーにおいて、所望の信号コンポーネントは、オブジェクトによって（例えば、反射により）発生する信号を表す。受信信号は、自己干渉（ＳＩ）コンポーネントも備えている。自己干渉（ＳＩ）コンポーネントは、アンテナ自己干渉及びサーキュレーター自己干渉から形成される。

サーキュレーター３０３の第３の端子は、第２の方向性結合器３１０に結合される。第２の方向性結合器３１０は、信号の一部分を取り出すという点で、上述した第１の方向性結合器３０２類似した機能性を有する。図３において、第２の方向性結合器３１０の入力ポート（ポート１）は、サーキュレーター３０３に結合され、第２の方向性結合器３１０の送信されるポート（ポート２）は、第２の、無線周波数（ＲＦ）リミッタ３１１に結合され、第２の方向性結合器３１０の結合されるポート（ポート３）は、信号結合器３０７に結合される。結果として、ある割合の受信信号は、第２の方向性結合器３１０によって自己干渉除去回路、特に信号結合器３０７に結合される。ある割合の受信信号はまた、遠い受信経路によって処理するために、第２の方向性結合器３１０の送信されるポート（ポート２）において出力される。図３において、第２の方向性結合器３１０の分離されるポート（ポート４）は、５０Ω（オーム）終端３１３に結合される。

第２の無線周波数（ＲＦ）リミッタ３１１は、第２の低ノイズ増幅器３１２に接続されている。第２の無線周波数（ＲＦ）リミッタ３１１及び第２の低ノイズ増幅器３１２は、遠い受信経路を形成する。

送信パルスの間、近い受信経路と遠い受信経路の両方は、サーキュレーター３０３の漏洩により、大きな漏洩信号を受ける。さらに、上述のように、アンテナ３０４からの反射のミスマッチは大きな影響を与えるかもしれない。近い受信経路において、信号の振幅は、第２の方向性結合器３１０によって低減される。なぜなら、漏洩信号の一部分のみ（すなわち大部分ではない）が信号結合器３０７に結合されるからである。しかしながら、漏洩信号は、（第２のＲＦリミッタ３１１及び第２の低ノイズ増幅器３１２を備える）遠い受信経路にほぼ全出力で到達する。第２のＲＦリミッタ３１１なしでは、遠い受信経路の第２の低ノイズ増幅器３１２は、損傷を受けるかもしれない。

第２のＲＦリミッタ３１１は、入力波形をクリップする半導体ダイオードを使用することが可能であり、これは、このケースでは、送信されるパルスの漏洩したコンポーネントに対応する。第２のＲＦリミッタ３１１からのクリッピングは、波形に歪みをもたらす。

図４Ａは、レーダーパルスの歪みの影響を示す。図４Ａは、歪み４０１のないレーダーパルスの形状と、リミッタ４０２によってクリップされたレーダーパルスの形状とを示している。

図３に戻って参照すると、クリップされた信号のうちのいくつかは、インピーダンスミスマッチにより、方向性結合器３１０に向けてＲＦリミッタ３１１から戻って反射される。この信号は、第２の方向性結合器３１０によって、分離されるポート（ポート４）に結合されるだろう。実際には方向性結合器は理想的ではないことから、第２の方向性結合器３１０の結合されるポート（ポート３）に結合されたいくらかの電力があるかもしれず、図３に示すような近い受信経路に現れる歪みをもたらす。

任意のリミッタの歪みがない場合には、（例えば、サーキュレーター３０３による）送信信号における漏洩は、第２の方向性結合器３１０を介して近い受信経路（特に信号結合器３０７）に結合される。（基準信号とも呼ばれる）送信信号のレプリカはまた、第１の方向性結合器３０２を介して近い受信経路に結合されている。いったん基準信号の位相及び利得が可変減衰器３０５及び可変位相シフタによって変化すると、修正された基準信号は信号結合器３０７に出力される。減衰及び位相シフトは、適切に決定され、送信信号の結合された、減衰された、シフトされたバージョンは、漏洩信号をキャンセルし、それにより、自己干渉を除去する。

しかしながら、リミッタの歪みは受信経路に一意的である（すなわち、そのソースは、送信経路ではない）ことから、送信信号のような自己干渉の結合された、減衰された、位相シフトされたバージョンによって除去できない。

図４Ｂは、自己干渉除去回路の出力への歪みの影響を示している。特に図４Ｂでは、ＲＦ自己干渉除去回路の出力において第２のＲＦリミッタによって生成される歪みを備える波形を示している。

図５は、無線周波数（ＲＦ）自己干渉除去（ＳｉＣ）及び／又はリミッタなしで、並びにこれらと共に、レーダーシステムについてのシミュレートされた結果を示している。特に図５は、システムの出力電力が入力電力でどのように変化するかを示している。この文脈では、入力電力（Ｐ_ＩＮ）は送信パルスの電力を表し、出力電力（Ｐ_ＯＵＴ）は、近い受信経路の低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）に印加される信号の電力を表す。

図５に示される状況において、入力電力（すなわち、送信パルスの電力）は－１０から５０ｄＢｍ（すなわち、１０ミリワット（ｍＷ）から１００ワット（Ｗ））へと線形に増加する。この電力バリエーションは、送信パルスの立ち上がり時間の間に生じるバリエーションに特有である。

図５は、リミッタも自己干渉除去（ＳｉＣ）もない、近い受信経路の低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）に印加される最大電力が１６ｄＢｍであることを示している。無線周波数（ＲＦ）自己干渉除去（ＳｉＣ）（のみ）が使用されるとき（すなわち、遠い受信経路上にリミッタなしで）、近い受信経路の低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）に印加される最大電力は、－５４ｄＢｍである。このケースでは、自己干渉除去の７０ｄＢが提供される。

遠い受信経路上のリミッタ及び自己干渉除去（ＳｉＣ）回路が使用されるとき、近い受信経路の低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）に印加される最大電力は－３４ｄＢｍである。このケースでは、自己干渉除去最大５０ｄＢが提供される。図５のシミュレーションでは、自己干渉除去（ＳｉＣ）回路の可変減衰器と可変位相シフタは、近い受信経路の低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）に印加される最大出力電力を、入力電力の最も広い範囲と比較して－３４ｄＢｍに制限するように最適化された。さらに、この構成により、特定の入力電力で、急勾配をヌルに同調することも可能である。

図５から、近い受信経路の入力電力を最小化するアプローチが無線周波数（ＲＦ）自己干渉除去のみを使用することが明らかである。しかしながら、このアプローチは現実的ではない。とりわけ、なぜなら高電力漏洩信号から遠い受信経路の低ノイズ増幅器を保護するために、遠い受信経路上にリミッタが必要とされるからである。結果として、リミッタの存在によりもたらされるリミッタの歪みの量を低減させる必要があり、近い受信経路の低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）に印加される最大出力電力は低減され、自己干渉除去単独で達成されるものにより近くなる。

図６は、全二重（ＦＤ）レーダーシステムシステムにおけるリミッタの歪みの影響を減少させるためのアプローチを示している。図６では、図３において使用されたものと同じ参照番号が、類似のコンポーネントを示す。図３において示されたこれらのコンポートに加えて、図６において示されるシステムはまた、第２の方向性結合器３１０の第４のポートに結合された第２の可変位相シフタ６０１と、第２の可変位相シフタ６０１の出力に結合された第２の可変減衰器６０２を備えている。

可変減衰器６０２の出力は、電力分割器６０３の第２のポートに結合され、電力分割器６０３の第３のポートは、方向性結合器３１０の第３のポートに結合され、電力分割器６０３の第１のポートは、信号結合器の入力に結合される。技術的に知られているように、電力分割器６０３は、第１のポートに存在する信号を２つのコンポーネントに分割し、２つのコンポーネントを第２及び第３のポートにそれぞれ出力するように構成されている受動電子デバイスである。電力分割器６０３は、電力結合器としても使用されることができる。このコンフィギュレーションでは、電力分割器６０３は、第２のポートと第３のポートに出力された信号を組み合わせる。組み合わされた信号は、電力増幅器６０３の第１のポートに出力される。

図６は、第２の方向性結合器３１０の分離されるポート（ポート４）からエラー信号が発生する。分離されるポート（ポート４）の出力は、位相シフトされ、減衰され、漏洩除去信号を発生させる。漏洩除去信号は、第２のＲＦリミッタ３１１によって発生したリミッタの歪みを補償する。

図６に示したアプローチはリミッタの歪みの影響を低減させるが、追加の損失及び増加したボードサイズを招く追加のコンポーネントが、電力分割器６０３に対する要件により、必要とされるだろう。

近い受信経路に存在するリミッタの歪みの量を低減させるための別の方法は、結合器の指向性を増加させることであり、それにより、第２の方向性結合器３１０の送信されるポート（ポート２）と第２の方向性結合器３１０の結合されるポート（ポート３）との間の結合の量を減少させ、これは、実質的に信号結合器３０７に供給される。これは、指向性を増加させるために、方向性結合器のプリント基板上に追加の基板を使用することにより達成できる。しかしながら、このアプローチは同調可能ではない。結果として、このアプローチは、全二重（ＦＤ）システムのように非常に高い除去が必要とされるシステムに対しては適切ではない。さらに、このアプローチは、プリント基板の最上部に機械的に取り付けられる材料の追加の要素を必要とする。

図７は、例にしたがう可変インピーダンスを使用するリミッタの歪み抑制を有する全二重（ＦＤ）レーダーシステムを示している。図７において、図３で使用されるものと同じ参照番号が類似のコンポーネントを示す。図３に示されるこれらのコンポーネントに加えて、図７において示されるシステムはまた、第２の方向性結合器３１０の分離されるポート（ポート４）に結合された可変インピーダンス７０１を備えている。可変インピーダンス７０１は、図３において分離されるポート（ポート４）に接続された５０Ω（オーム）終端を置き換え、第２の方向性結合器３１０の指向性を増加させ、それにより、近い受信経路におけるリミッタの歪みの量を減少させる。リミッタの歪みを減少させるためのこのアプローチは有利である。なぜなら、これは既存のハードウェアへの最少の修正を必要とするからである。

図８Ａは、例にしたがって可変インピーダンスを発生させるための第１の回路を示している。第１の可変インピーダンス回路８０１は、可変位相シフタ８０２及び可変抵抗器８０３を備えている。可変抵抗器８０３は、可変インピーダンスの大きさを制御し、可変位相シフタ８０２は、可変インピーダンスの位相を制御する。

図８Ｂは、例にしたがって可変インピーダンスを発生させる回路のインプリメンテーションを示している。図８Ｂにおいて、可変インピーダンス回路８０４は、ハイブリッド結合器８０５を使用して実現される。可変インピーダンス回路８０４の入力は、ハイブリッド結合器の第１のポートに結合されている。

ハイブリッド結合器の既知のタイプは、直角位相結合器である。技術的に知られているように、直角位相ハイブリッド結合器は、４つの送信線セクションを備えており、そのそれぞれは、波長の四分の一の長さである。直角位相ハイブリッド結合器の送信線のうちの２つは、システムの特徴インピーダンス（Z₀）に等しいインピーダンスを有する一方で、他の２つの送信線は、２の平方根で割った特徴インピーダンス（Z₀/√2）に等しいインピーダンスを有している。オプション的に、システムの特徴インピーダンスは５０Ωである。

直角位相ハイブリッド結合器は、第１のポート８０５ａ、第２のポート８０５ｂ、第３のポート８０５ｃ、及び第４のポート８０５ｄを備える４ポートデバイスである。第１のポート８０５ａと第２のポート８０５ｂとの間の第１の送信線、第３のポート８０５ｃと第４のポート８０５ｄとの間の第２の送信線は、２の平方根で割った特徴インピーダンス（すなわち、Z₀/√2）に等しいインピーダンスを有している。第１のポート８０５ａと第４のポート８０５ｄとの間の第３の送信線と第２のポート８０５ｂと第３のポート８０５ｃとの間の第４の送信線は、システムの特徴インピーダンス（すなわち、Z₀）に等しいインピーダンスを有している。

図８Ｂのインプリメンテーションにおいて、ハイブリッド結合器８０５の第２のポートと第３のポートは、それぞれ、第１のバラクタダイオード８０６と第２のバラクタダイオード８０７の形態で、無効負荷によって終端している。技術的に知られているように、バラクタダイオードは、逆バイアス電圧におけるバリエーションによってそのキャパシタンスが変化するダイオードである。第１のバラクタダイオード８０６のアノードは、ハイブリッド結合器８０５の第２のポートに結合されている。第１のバラクタダイオード８０６のカソードは、正の電圧が印加される位相制御線に結合されている。第２のバラクタダイオード８０７のアノードは、ハイブリッド結合器８０５の第３のポートに結合されている。第２のバラクタダイオード８０７のカソードは、位相制御線に結合されている。

図８Ｂにおいて、位相制御線に印加される信号の大きさは、ハイブリッド結合器８０５の第２のポート及び第３のポートの負荷を制御する。第１及び第２のバラクタダイオードによって表れるリアクタンスは、反射をもたらし、これは、組み合わされるとき、ハイブリッド結合器８０５の第４のポート８０５ｄに出力をもたらし、これは、ハイブリッド結合器８０５の第１のポート８０５ａに入力される信号の位相シフトされたバージョンである。結果として、入力信号の位相シフトされたバージョンは、位相制御線を制御することによって取得できる。

ハイブリッド結合器８０５の第４のポート８０５ｄは、ＤＣブロッキングキャパシタ８０８に結合されている。キャパシタ８０８はまた、ダイオード８０９の、オプション的にＰＩＮダイオードのアノードに結合される。ダイオード８０９のカソードは、アースに結合される。

振幅制御線はまた、キャパシタ８０８及びダイオード８０９のアノードに結合されている。振幅制御線に印加される信号は、入力インピーダンスの大きさを制御する。

１つの例において、振幅及び位相制御線は、制御装置（図示せず）に接続されている。制御装置は、可変位相シフタ及び可変抵抗器を同調するように構成されている。図８Ａ及び８Ｂに示される可変インピーダンスは、異なる周波数で異なる応答を提供する。結果として、可変インピーダンスの特性は、制御装置によって同調され、システムの動作周波数でリミッタの歪みにおける低減が達成される。

可変インピーダンスを同調することは、異なる形態をとることがある。１つの例では、近い受信経路の第１の低ノイズ増幅器３０９の出力における自己干渉のレベルが観測され、可変インピーダンス７０２の振幅及び位相は、自己干渉の量を最少化するように調節される。オプション的に、近い受信経路の自己干渉の量は、（例えば、ダイオード及びフィルタを備える）電力検出器を使用してアナログドメインにおいて観測される。代替的に、近い受信経路の自己干渉の量は、デジタルドメインにおいて観測される。

オプション的に、制御装置は、入力／出力モジュール、プロセッサ、及び不揮発性メモリを備えている。入力／出力モジュールは、位相制御線及び振幅制御線に結合されている。プロセッサは、入力／出力モジュールに、及び不揮発性メモリに結合されている。不揮発性メモリは、コンピュータプログラム命令を記憶し、コンピュータプログラム命令が実行されるとき、プロセッサに、可変インピーダンスコンポーネントを同調させ、入力／出力モジュールに、同調の間に決定されるような可変インピーダンスコンポーネントを構成する信号を位相制御線及び振幅制御線に出力させる。特に、不揮発性メモリは、コンピュータプログラム命令を記憶し、コンピュータプログラム命令が実行されるとき、プロセッサに、（例えば、上述のようなアナログ手段又はデジタル手段を使用して）近い受信経路の出力上の自己干渉の量を観測させ、近い受信経路の出力における自己干渉電力を低減させるために、可変インピーダンス７０２の振幅及び位相を最適化する第１のアルゴリズムを実行させる。

図７、図８Ａ及び帯図８Ｂに関連して説明したような可変インピーダンスの使用は、他のアプローチよりも物理的に類似しており、より少ない基板面積を占めるという利点を有している。さらに、インプリメンテーションの単純な構造は、より少ない損傷を受け、回路が入力電力の広い領域に渡って同調されることを可能にする。

図９は、例及び他の既知のレーダーシステムにしたがうレーダーシステムの性能比較を示している。特に図９では、方向性結合器の分離されるポート（ポート４）を終端する可変インピーダンスを使用する、ここで説明した技術は、自己干渉除去（ＳｉＣ）の量を１０デシベル（ｄＢ）だけ増加させることを示しており、これは、近い受信経路における絶対電力を１０ｄＢだけ減少させ、それにより、第１の低ノイズ増幅器３０９の過負荷及びそれを潜在的に損傷させることを防ぐ。図９は、ここで開示した可変インピーダンス終端技術は、自己干渉除去の量を向上させ、他の技術と視覚して、リミッタの歪みの影響を低減させる一方で、依然として高電力漏洩信号から、遠い受信経路の低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）を保護することを示している。

図１０Ａは、別の例にしたがう可変インピーダンスを発生させる回路を示している。第２の可変インピーダンス回路１００１は、回路の入力に接続された可変遅延線１００２を備えている。可変遅延線は、可変遅延線１００２の入力と可変遅延線１００２の出力との間で信号が伝搬する伝搬遅延を変化させるように構成されている。遅延線の出力は、可変減衰器１００３の入力に結合されている結合されている。可変減衰器は、可変遅延線１００２によって出力される信号の振幅を変化させるように構成されている。可変減衰器１００３の出力は、アースに結合されている。

図１０Ｂは、さらなる例にしたがう可変インピーダンスを発生させる回路を示している。第３の可変インピーダンス回路１００４は、電力分割器１００５を備えている。電力分割器１００５の第１のポートは、第３の可変インピーダンス回路１００４に入力に結合されている。電力分割器１００５の第２のポートは、可変遅延線１００２の入力に結合されている。電力分割器１００５の第３のポートは、可変減衰器１００３の入力に結合されている。可変減衰器１００３の出力は、可変遅延線１００２の出力に結合されている。

リミッタの歪みを減少させるための上述の技術についての多くの使用ケースがある。例えば、全二重（ＦＤ）は、動作幅大幅に拡張することから、気象レーダーにしっくりくる。上述の可変インピーダンスは、その性能を増加させるために全二重気象レータに組み込まれることができる。

さらに、リミッタは全二重が適用できる多くの通信システムにおいて使用される。例えば、上述のリミッタの歪み技術は、ミリ波バックホールのようなレーダー外の他の分野で使用できる。

ここで使用される用語は、電気に結合されている（すなわち、電流が流れることを可能にする方法で接続されている）ことを意味している。

ある構成を説明してきたが、構成は、例として提示されており、保護の範囲を限定するようには意図されていない。ここで説明される発明の概念は、様々な形式で実現されてもよい。さらに、以下の特許請求の範囲で規定される保護の範囲から逸脱することなく、ここで説明した特定のインプリメンテーションへのさまざまな省略、置換、及び変更がなされてもよい。

Claims (15)

1. 全二重無線装置であって、
   第１の信号を送信するように構成された送信経路と、
   受信信号を受信するように構成された受信経路と、
   前記受信信号の第１の期間を観測するための近い受信経路と、
   前記受信信号の第２の期間を観測するための遠い受信経路と、前記遠い受信経路は、無線周波数リミッタを備え、
   前記送信経路と前記近い受信経路との間に結合され、前記受信信号における自己干渉の少なくとも一部分を除去するように構成された自己干渉除去回路と、
   可変インピーダンスコンポーネントと、
   第１のポート、第２のポート、第３のポート、及び第４のポートを備える方向性結合器とを備え、
   前記第１のポートは第１の送信線によって前記第２のポートに結合され、前記第３のポートは、第２の送信線によって前記第４のポートに結合され、
   前記第１のポートは、前記受信経路に結合され、
   前記第２のポートは、前記遠い受信経路の前記無線周波数リミッタに結合され、
   前記第３のポートは、前記自己干渉除去回路に結合され、
   前記第４のポートは、前記可変インピーダンスコンポーネントに結合される、全二重無線装置。
2. 前記可変インピーダンスコンポーネントは、
   前記可変インピーダンスコンポーネントの位相を制御するように構成された可変位相シフタと、
   前記可変インピーダンスコンポーネントの振幅を制御するように構成された可変抵抗とのうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載の全二重無線装置。
3. 前記可変位相シフタによって提供される位相シフトを変化させることと、
   前記可変抵抗によって提供される減衰の量を変化させることとのうちの少なくとも１つによって、前記可変インピーダンスコンポーネントのインピーダンスを同調するように構成された制御装置をさらに備える、請求項２に記載の全二重無線装置。
4. 前記可変インピーダンスコンポーネントは、前記可変位相シフタ及び可変減衰器を備え、
   前記可変位相シフタの入力は、前記方向性結合器の第４のポートに結合され、
   前記可変抵抗の入力は、前記可変位相シフタの出力に結合され、
   前記可変抵抗の出力は、アースに結合される、請求項２に記載の全二重無線装置。
5. 前記可変インピーダンスコンポーネントは、前記可変位相シフタと可変減衰器とを備え、
   前記可変位相シフタは、
   第５のポート、第６のポート、第７のポート、及び第８のポートを備えるハイブリッド結合器と、
   第１のバラクタダイオードと、
   第２のバラクタダイオードとを備え、
   前記ハイブリッド結合器の第５のポートは、前記方向性結合器の第４のポートに結合され、
   前記ハイブリッド結合器の第６のポートは、前記第１のバラクタダイオードのアノードに結合され、
   前記ハイブリッド結合器の第７のポートは、前記第２のバラクタダイオードのアノードに結合され、
   前記第１のバラクタダイオードのカソードと前記第２のバラクタダイオードのカソードは、位相制御入力に結合され、
   前記可変抵抗は、
   第１の端子と第２の端子とを備えるキャパシタと、ここで、前記第１の端子は前記ハイブリッド結合器の第８のポートに結合され、
   ＰＩＮダイオードとを備え、
   前記ＰＩＮダイオードのアノードは、前記キャパシタの第２の端子と振幅制御入力に結合され、
   前記ＰＩＮダイオードのカソードは、アースに結合される、請求項２に記載の全二重無線装置。
6. 制御装置は、
   前記位相制御入力に印加される移送制御信号の振幅を調節することと、
   前記振幅制御入力に印加される電圧制御信号の振幅を調節することとのうちの少なくとも１つによって前記可変インピーダンスコンポーネントの可変インピーダンスを同調するように構成されている、請求項５に記載の全二重無線装置。
7. 前記可変インピーダンスコンポーネントは、可変遅延線と可変減衰器とを備え、
   前記可変遅延線の入力は、前記方向性結合器の第４のポートに結合され、
   前記可変遅延線の出力は、前記可変減衰器の入力に結合され、
   前記可変減衰器の出力は、アースに接続される、請求項１に記載の全二重無線装置。
8. 可変インピーダンスは、
   第５のポート、第６のポート、及び第７のポートを備える電力分割器と、
   可変遅延線と、
   可変減衰器とを備え、
   前記電力分割器の第５のポートは、前記方向性結合器の第４のポートに結合され、
   前記電力分割器の第６のポートは、前記可変遅延線の入力に結合され、
   前記電力分割器の第７のポートは、前記可変減衰器の入力に結合され、
   前記可変遅延線の出力は、前記可変減衰器の出力に結合される、請求項１に記載の全二重無線装置。
9. アンテナをさらに備え、
   前記送信経路は、前記アンテナを介して前記第１の信号を送信するように構成され、
   前記受信経路は、前記アンテナを介して前記受信信号を受信するように構成される、請求項１に記載の全二重無線装置。
10. 前記自己干渉除去回路は、
    第５のポート、第６のポート、及び第７のポートを備える第２の方向性結合器と、ここで、前記第５のポートは、第３の送信線によって前記第６のポートに結合され、
    可変減衰器と、
    可変位相シフタと、
    第１の入力、第２の入力、及び第１の出力を備える信号結合器とを備え、
    前記第２の方向性結合器の第５のポートは、前記送信経路に結合され、
    前記第２の方向性結合器の第６のポートは、前記アンテナに結合され、
    前記第２の方向性結合器の第７のポートは、前記可変減衰器の入力に結合され、
    前記可変減衰器の出力は、前記可変位相シフタの入力に結合され、
    前記可変位相シフタの出力は、前記信号結合器の第１の入力に結合され、
    前記方向性結合器の第３のポートは、前記信号結合器の第２の入力に結合され、
    前記信号結合器の第１の出力は、前記近い受信経路に結合されている、請求項９に記載の全二重無線装置。
11. サーキュレーターをさらに備え、前記サーキュレーターは、第８のポート、第９のポート、及び第１０のポートを備え、
    前記サーキュレーターの第８のポートは、前記第２の方向性結合器の第６のポートに結合され、
    前記サーキュレーターの第９のポートは、前記アンテナに結合され、
    前記サーキュレーターの第１０のポートは、前記方向性結合器の第１のポートに結合されている、請求項１０に記載の全二重無線装置。
12. 前記送信経路は、電力増幅器を備え、
    前記近い受信経路は、第２のリミッタ及び第１の低ノイズ増幅器を備え、
    前記遠い受信経路は、第２の低ノイズ増幅器をさらに備える、請求項１０に記載の全二重無線装置。
13. 前記近い受信経路は、全二重動作のために使用される、請求項１に記載の全二重無線装置。
14. 請求項１に記載の前記全二重無線装置を備えるレーダー。
15. 請求項１に記載の前記全二重無線装置を備える気象レーダー。
    
    

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