JP2634259B2

JP2634259B2 - 高周波信号方向探知装置

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Publication number: JP2634259B2
Application number: JP1284668A
Authority: JP
Inventors: カールトンソープジェイ
Original assignee: TEII AARU DABURYUU Inc
Current assignee: TEII AARU DABURYUU Inc
Priority date: 1988-10-31
Filing date: 1989-10-31
Publication date: 1997-07-23
Anticipated expiration: 2012-07-23
Also published as: DE68926021T2; EP0367487A2; EP0367487A3; DE68926021D1; JPH02170075A; EP0367487B1

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、離れたRF発生源から空間を通して伝播して
来た高周波電磁エネルギーの方向を判定するシステムに
関し、特に、単一の高周波受信機を使う高周波方向探知
システムに関する。

（従来技術とその問題点）方向探知システム又は到来角システムは、周知の通
り、離れている高周波源の位置を突き止める目的で軍用
にも商業用にも利用されてきた測定指示装置である。こ
の種の電子装置は高周波スペクトルを監視するものであ
るが、これは高周波信号のマイクロ波周波数領域を含
み、その信号の源の方向を判定する。軍事用では、信号
は敵のレーダーから発する信号であることがあり、商業
用では高周波信号は方向マーカー又はビーコン送信機か
ら発する信号である。これらの用途の詳細は当業者に知
られているので、本願ではこれ以上言及する必要はな
い。いずれのシステムも、互いに物理的に離間した２個
以上の受信アンテナで受信された信号の位相差を精密に
測定する必要がある。正弦波の性質を持った同一周波数
の二つの信号が与えられた時、その信号の振幅はA1＝K
sinΩｔという式に従う。ここでＫは該信号の振幅の絶
対値であり、Ωは周波数を、ｔは時間を表わす。第２の
信号の振幅がA2＝K sin（Ωwt＋θ）で表わされるなら
ば、このθは二つの信号間の位相差を表わす。そこで、
若しθが０に等しければ、二つの信号は「同相」である
と言われる。到来する高周波信号の、アンテナの空間的
位置に対する伝播方向により、該信号は二つのアンテナ
に僅かに異なる時刻に到達する。従って、一方のアンテ
ナで受信される信号の電気的位相は、システムの第２の
アンテナに現われた同じ信号の位相に対して極僅かしか
ずれていないことがある。信号は一つの源から発するの
であるから、この位相差は、方向探知装置を含む受信ス
テーションに到来した信号の進行方向を表わす。軍事的
用途では、本願と関係の無い電子装置から得られる他の
種類の情報と共にこの方向情報が検討され、この方向探
知装置を操作している者は敵のレーダー源の位置を知る
ことが出来る。

方向探知に用いられる代表的測定システムは、精密な
位相測定に必要な規準信号及び角度信号を提供するため
に位相整合及び／又は較正された２個の完全な高周波受
信機を備えている。高周波受信機は複雑で高価な電子装
置である。正確な測定値が得られる様に該受信機が適切
に「整合」されていることを保証するために、それらの
受信機は熟練技術者により時折検査、較正されなければ
ならない。高周波受信機の様な重要なシステム要素を重
複させるには費用がかかる。

（発明の概要）本発明の主な目的は、高周波方向探知装置の製造コス
ト及び維持コストを減少させることである。本発明の他
の目的は、高周波方向探知装置に２個目の高周波受信機
を備える必要を無くすことである。別の目的は、既存の
素子及び技術を使い、既存の方向探知システムを象徴す
る複雑な素子を除去した結果として高い信頼性を有する
方向探知装置を提供することである。他の目的は、高周
波パルス信号の到来角度を判定する簡単な方法を提供す
ることである。

（発明の概要）物理的に離間した少なくとも２個の受信アンテナと、
入力端子で高周波を受信して該高周波を中間周波数に変
換する高周波同調器と、位相検出器とから成り、この後
者は、２個の位相検出器の入力端子に加えられた信号間
の位相差の測定値及び／又は表示を提供するオシログラ
フ型CRT表示装置等の表示装置を含む高周波方向探知装
置において、該２個の受信アンテナから該高周波同調器
の入力端子へ供給される出力を自動的に交互に周期的に
切り変える電子スイッチング手段が設けられる。該同調
器の出力はパワー分割器に接続される。このパワー分割
器の出力は分岐しており、一方の出力は第１の中間周波
増幅器を通して該位相検出器の２入力の一方に接続さ
れ、第２の出力は、遅延線と中間周波増幅器との直列回
路を含む回路を通して該位相検出器の第２入力に接続さ
れる。

該位相検出器は該第１枝路の信号又は較正用の規準信
号を視覚的に表示する。受信機入力は、該回路の第２枝
路中の該遅延線により得られる遅延時間より速い速度で
該２個のアンテナ間で切り替えられるので、或る時点で
該位相検出器に同時に入力された２個の信号は別々のア
ンテナに由来し、従って時間的に重なり合っている。第
２アンテナからの遅延した第１信号と第１アンテナから
の規準信号とがこの様に重なり合っているので、システ
ムの受信アンテナに存する信号の位相差を表わす出力レ
ベルが得られる。従って、唯一の受信機で相対位相差測
定値を得ることが出来、前述の有益な結果を得ることが
出来る。

本発明の他の利点は、少数の素子を加え、理論上余分
となった２番目の受信機を予備として残して置くことに
より、上記の新規な回路を既存の装置に組み込むことが
出来る点にある。

当業者は、好適な実施例に関する以下の詳しい説明を
添付図面を参照して読むことにより本発明の他の目的
と、以上に手短に要約した構造上の特徴とを一層深く理
解することが出来よう。

（実施例）第１図の実施例において、一般には高周波での１波長
より短い程度の距離をおいて離間した地点に配置された
１対のアンテナ１及び３は、ブロック図の形で表わされ
たスイッチ５の２個の入力にそれぞれ接続されている。
該スイッチの出力は高周波同調器７の入力に接続されて
おり、この同調器としてはスーパーヘテロダイン型のも
のが適当である。アンテナスイッチであるスイッチ５は
単極多位置型の電子スイッチであり、これについては後
に詳細に説明する。同調器７は普通のスーパーヘテロダ
イン同調器構造であり、既知の種類の局部発振器又は周
波数合成器９と共同して、より低い周波数即ち中間周波
数の対応する信号を生成する。該合成器の出力（中間周
波数局部発振器信号と、又は、単に、IF OSC信号、と
称する）は図示の様に同調器の局部発振器入力に加えら
れる。該同調器のIF信号出力はパワー分割器11の入力に
接続されている。 IF増幅回路13がパワー分割器11の出
力と位相検出器15の入力との間に接続されているが、そ
の全ては普通の既知の電子素子構造である。

パワー分割器11からの第２出力は遅延線17及びIF増幅
器19に直列に接続されている。この増幅器の出力は位相
検出器15の第２入力に接続されている。位相検出器の出
力は表示装置21に接続されており、この表示装置は、加
えられた信号の位相を測定するための装置、或は他の多
種の用途で信号を見るための電子装置に使われる。例え
ばオシログラフ又はオシロスコープ等の、普通の装置で
ある。

アンテナスイッチ５は、顕著な信号損失を伴わずにRF
信号を中継するのに適した普通のRFスイッチである。該
スイッチは普通のタイミング回路（破線６で示す）によ
り制御されてアンテナを交互に周期的に接続するもので
あり、システムを操作する人によって起動される。該ス
イッチは第１アンテナを所定の保持時間の間該同調器に
接続し、次に転送回路を第２アンテナに切り替える。こ
の結果、いずれのアンテナも接続されていない固有のス
イッチング時間は非常に短い。ここで、保持時間とは、
スイッチがアンテナを同調器に接続している間の時間を
いい、スイッチング時間とは、スイッチが切り換え動作
中であって、いずれのアンテナにも接続していない間の
時間を言う。該スイッチは次に第２アンテナを高周波同
調器に接続するが、その持続時間は、第１アンテナが同
調器に接続されている前記保持時間と同じであるのが適
当である。その後、該スイッチは再び第１アンテナを高
周波同調器に接続する。このスイッチングプロセスはタ
イミング回路６の制御下に周期的に反覆される。

作動中、離れた源（図示せず）から生じた高周波信号
が基準アンテナ１及びアンテナ３（比較アンテナ又は
「角度」アンテナ）の両方に入射する。第2a図及び第2b
図にグラフの形で示されている様に、信号は、持続時間
の限られた信号即ち幅T1のパルスである。第2a図及び第
2b図に示されている信号持続時間は同じである。実際
上、それらの始まりと終りとは同時である。当業者には
理解されるであろう様に、該信号は実際上両方のアンテ
ナに存在し、同じ平均振幅を有するが、本質的に電気的
位相においてのみ異なる。例えば、高周波源が２個のア
ンテナから等距離の位置にあれば、光の速度で伝播する
高周波信号は２個のアンテナに同時に到達する。その結
果、その場合には、その２信号間に位相差は無い。

他の場合には位相差がある。アンテナ同士の間の距離
は、数マイルとか数百マイルではなくて数フィート程度
であり、普通は１波長より短いので、該信号はマクロ状
態では実質上同時にアンテナに受信され、その時点で存
在する高周波信号の瞬時振幅においてのみ異なる。瞬時
振幅の差は電気的位相を表わす。

高周波同調器７は普通のスーパーヘテロダイン型検出
プロセスで信号を検出する。到来した信号は周波数合成
器９から供給される高周波信号と混合されて、この二つ
の周波数の差に対応する別の周波数（中間周波数又はIF
と称する）の対応する信号となる。この様なスーパーヘ
テロダイン型周波数「低減波数」は理論上は発明にとっ
て決定的なものではないが、実際には、その様な低域変
換が常に利用される。当業者に知られ理解されている様
に、得られた低い周波数は処理し易く、素子は安価であ
る。得られたIF信号は同調器出力からパワー分割器11の
入力に供給され、この分割器はその信号を該パワー分割
器の２出力枝路間に分割する。

該信号の第１部分は１枝路からIF増幅器13へ出力さ
れ、この増幅器から、増幅されたIF信号は位相検出器15
の１入力に加えられる。信号の第２部分はパワー分割器
の第２枝路から遅延線17に加えられ、ここで該信号は或
る時間遅延させられ、又は実際上格納される。遅延時間
後、該信号はIF増幅器19で増幅され、位相検出器の第２
入力に加えられる。これら２個のIF増幅器は本質的に同
一であり、増幅された信号に同じ利得を与えるので、遅
延回路で僅かな損失があることを除いて、各経路の信号
は本質的に同一に保たれる。

第2c図はスイッチ５の信号出力の振幅を表わす。出力
は、アンテナ１からの基準信号を所定保持時間の間通過
させる。そして短いスイッチング時間の後に、出力はア
ンテナ３の出力を或る保持時間の間通過させるが、これ
は前記第１の保持時間と同一であるのが適当である。次
の短いスイッチング時間の後に、アンテナスイッチは再
びアンテナ１からの基準信号を同調器へ前記保持時間の
間通過させる。アンテナスイッチ５の自動的周期的スイ
ッチングの結果としての時間多重化プロセスが繰り返さ
れるに従って、このプロセスが繰り返される。

保持時間は、一般には、入力波の持続時間の二分の一
より長くない。例えば、RFパルス信号の持続時間は500
ナノ秒、第１の保持時間は200ナノ秒、スイッチング時
間は200ナノ秒である。

第2d図はIF増幅器19の出力に現われる信号表わす。こ
れらの信号は、第2c図と関連させて前述したIF増幅器13
の出力に現われる信号に較べて図示の通りに遅延してい
る。オシログラフ又はオシロスコープで見られる位相検
出器15の出力は第2e図に示されている。得られた視覚情
報は、システムのキャリブレーション、第２アンテナ３
と基準アンテナ１との間の位相差を表わす。

第3a図は受信機即ち同調器入力に加えられる基準信号
と位相信号とを表わしており、斜線が付されている部分
はアンテナ１の供給する入力を示し、澄んでいる部分は
アンテナ３の供給する部分を表わす。

第3b図及び第3c図に示されている様に、遅延線17の提
供する遅延時間は、澄んだブロックで表わされている
「位相」入力が、斜線で表わされた位相検出器への基準
入力と重なり合う様になっていなければならない。この
遅延時間は１時間単位である。この遅延時間はスイッチ
ング時間の二分の一でなければならない。

遅延線は、適当な遅延量を提供する物であれば如何な
る構造の物であっても良く、理想的には、興味のある周
波数領域即ち中間周波数領域の周波数とは無関係であ
る。

本発明の一つの実用的実施例においては、TRW社の製
造した実地検証用受信機が使われ、RFスイッチはKonwav
e社の市販している物であり、IF増幅器はPlessy社から
得られたSL2521EMP型であり、位相検出器はOlekton社か
ら得られたモデルPC120であった。第４図に示されてい
るオシロスコープ画像は、前記の実用的実施例で得られ
た結果を示すグラフである。これは二つの波形を示して
おり、その一方「ａ」は角度のサインを表わし、他方
「ｂ」は該角度のコサインを表わす。位相検出器は、該
位相検出器の入力に与えられた信号間の位相差をサイン
出力信号及びコサイン出力信号（Ｉ信号及びＱ信号と呼
ばれることが多い）に変換する。該出力は、正弦波の性
質を持った電圧であり、入力信号の位相差に基づくサイ
ン／コサイン関係に従う。

単一の出力に付随する曖昧さ、即ち45度のサインは13
5度のコサインと同じ値である、を解決するために、サ
イン出力信号及びコサイン出力信号の両方が必要であ
る。しかし、45度及び135度のコサインは等しくはない
ので、コサイン信号を使って、サイン出力信号の提供す
る角度値の曖昧さを解決することができる。この図に示
されている様に、波形は完全ではないけれども、回路の
スイッチングと自然共振とから生じる「リンギング」の
或る要素を包含している。

従来技術のシステムが第５図にブロック図の形で示さ
れている。この従来技術システムは、２個の同一アンテ
ナ１′及び３′、１対の同調器７′及び８′、該同調器
の各々に接続された周波数合成器９′、その入力が同調
器７′に接続されたIF増幅器17′を含んでおり、その出
力は位相検出器15′の第１入力に接続されている。第2I
F増幅器13′の入力は第２同調器８′の出力に接続さ
れ、出力は位相検出器15′の第２入力に接続されてい
る。

本発明の別の実施例としての実際のシステムにおいて
は、前述の基本的実地検証用システムに使われた表示装
置は、自動化された測定装置（図示しない普通の構成の
A/D変換器が適当である）と置換される。該A/D変換器
は、位相検出器からの電圧出力をディジタル情報の形、
即ちディジタル化された位相角度情報に変換する。この
ディジタル化された位相角度情報は、普通のディジタル
技術により処理されて、受信システム又は受信ステーシ
ョンと高周波源との間の方位角に関する知識を必要とす
る用途に利用される。

該「スイッチング」位相測定システムは遅延線を利用
しており、この遅延線は受信機の中間周波数回路に設け
られて、RF受信機が第２アンテナから出力される信号に
切り替えられている間に、第１アンテナ即ち基準アンテ
ナからの基準信号のサンプルを格納する。その格納され
た基準信号の位相は、遅延させられていない信号の位相
と比較される。明らかに、該システムの必要とする、シ
ステム構成要素の較正及び／又は位相整合は最小限であ
る。その理由は、アンテナ入力スイッチと位相検出器と
の間の回路要素が本質的に全て両方の信号回路、即ち基
準回路及び角度信号の回路、に共通であり、従って該回
路の電気的特性の変化が該２つの信号の相対位相に差動
的に影響を与えることが出来ないからである。回路の素
子の変化により両方の信号が同程度に変えられるが、差
（これが重要である）は一定に保たれる。

例外がある。即ち、２個のIF増幅器は両方の回路に共
通ではなく、これらの増幅器は同一の構造ではあるが、
温度等の環境条件の変化により電気的特性が異なること
がある。

２個のIF増幅器の差は、第２（ｅ）図において較正位
相エラー「CAL」として現われる。このCAL位相角度は、
測定された角度から数学的に差し引かれ、２個の入力信
号間の真の位相角度差が決定される。該システムは、本
質的に測定毎に較正される。前述の実地検証用システム
では、較正は500ナノ秒測定期間に２回行なわれる。

本発明の好適な実施例に関する以上の説明は、当業者
による本発明の実施を可能にするのに充分な程度に詳し
いと考えられる。しかし、明らかに、上記の目的で提供
された要素の詳細をもって本発明を限定する意図は無
い。これらの要素と同等の物や、その変形物は、全て本
発明の範囲内に属するが、この明細書を読んだ当業者に
は明白だからである。従って、本発明は、特許請求の範
囲の欄の記載内容の範囲内で広く解釈されるべきであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例を示すブロック図である。第2a図ないし第2e図は、第１図の実施例の作動中に色々
な時点で生じる信号を代表する信号を示す。第3a図、第3b図、第3c図及び第3d図は、その色々な信号
のタイミングと処理とを示す。第４図は、本装置を取り入れた実用的実施例における表
示装置に現われた信号を示す。第５図は、従来技術のRF方向探知システムのブロック図
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−50770（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−196875（ＪＰ，Ａ) 特開昭49−123594（ＪＰ，Ａ) 実開昭63−31381（ＪＰ，Ｕ) 特公昭52−42595（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定範囲内のパルス持続時間と所定範囲内
のパルス繰返し率とを有する高周波パルス信号の到来角
度を判定する高周波方向探知システムにおいて、少なく
とも２つの物理的に離間した受信アンテナ手段と、高周
波同調手段と、前記受信アンテナ手段の各々を等しい所
定の保持時間の間前記高周波同調手段の入力に交互に周
期的に接続して、前記高周波パルス信号を、それぞれの
前記受信アンテナ手段で受信された位相で前記高周波同
調手段へ通過させるアンテナスイッチング手段と、前記
高周波同調手段に接続されて該高周波同調手段からの前
記高周波パルス信号を表す信号出力を２つの信号出力に
分割するパワー分割手段と、該パワー分割手段からの前
記２つの信号出力のうちの一方の信号出力を伝送するた
めの第１の信号伝送チャンネルと、前記パワー分割手段
からの前記２つの信号出力のうちの他方の信号出力を伝
送するための第２の信号伝送チャンネルと、前記第１の
信号伝送チャンネルを通して伝送されてくる信号出力と
前記第２の信号伝送チャンネルを通して伝送されてくる
信号出力との位相差を測定する位相差測定手段とを備え
ており、前記第１の信号伝送チャンネルは、伝送する信
号出力を位相差測定手段へ伝送する前に所定の遅延時間
だけ遅延させる遅延手段を含み、前記第２の信号伝送チ
ャンネルから出力された信号は、前記第１の信号伝送チ
ャンネルから出力された同じ信号から時間的にずれてお
り、前記第２の信号伝送チャンネルは、そのような遅延
手段を含まない点を除いて、前記第１の信号伝送チャン
ネルと同一であり、前記アンテナスイッチング手段は、
所定のスイッチング時間内で所定のスイッチング速度で
前記受信アンテナ手段を切り換えるように作動し、前記
受信アンテナ手段のうちの一方の受信アンテナ手段で受
信された高周波パルス信号を表す信号出力と他方の受信
アンテナ手段で受信された高周波パルス信号を表す信号
出力とが前記位相差測定手段の入力で時間的に重なり合
うように、前記所定のスイッチング時間は、前記所定の
保持時間より短く且つ前記所定の遅延時間より短く設定
され、且つ前記所定の保持時間は、前記パルス持続時間
の二分の一より長くはないように設定されており、前記
位相差測定手段によって測定された前記位相差に基づい
て前記高周波パルス信号の到来角度が判定されるように
したことを特徴とする高周波方向探知システム。
【請求項２】前記遅延手段の前記所定の遅延時間は、前
記アンテナスイッチング手段の前記所定の保持時間と前
記アンテナスイッチング手段の前記所定のスイッチング
時間の二分の一との和に等しい請求項１記載の高周波方
向探知システム。
【請求項３】前記第１の信号伝送チャンネルは、中間周
波増幅手段を含み、前記第２の信号伝送チャンネルは、
中間周波増幅手段を含む請求項１記載の高周波方向探知
システム。
【請求項４】前記位相測定手段は、さらに、前記第１お
よび第２の信号伝送チャンネルの出力に結合され２つの
出力を与える位相検出手段と、該位相検出手段に結合さ
れシステム校正を表示するとともにこの位相検出手段か
ら出力される相対的な電気的位相特性を表示するための
オシロスコープとを備える請求項３記載の高周波方向探
知システム。
【請求項５】空間を伝搬してくる高周波信号の到来角度
を判定する方法であって、２つの離間した場所の各々で
受信された信号をスイッチング手段でサンプリングし
て、時間的にずれた前記高周波信号のサンプルを交互に
含む出力信号を与え、前記出力信号をパワー分割手段で
第１のチャンネルと第２のチャンネルとの２つのチャン
ネルに分岐させ、前記第１のチャンネルを通る前記出力
信号の通過を遅延手段で遅らせて、該信号の到達を所定
時間だけ遅延させ、前記第２の信号伝送チャンネルから
出力された信号は、前記第１の信号伝送チャンネルから
出力された同じ信号から時間的にずれており、前記２つ
のチャンネルの出力を位相差測定手段で比較してそれら
２つのチャンネルからの信号の位相差を測定し、前記２
つのチャンネルからの信号の間の前記測定された位相差
に基づいて前記高周波信号の到来角度を判定することを
特徴とする方法。