JP3939724B2

JP3939724B2 - アレイアンテナ装置

Info

Publication number: JP3939724B2
Application number: JP2004368058A
Authority: JP
Inventors: 正彦小浜
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2024-12-20
Also published as: JP2006179967A

Description

この発明は、複数のクロスダイポールアンテナアを配列し、低周波帯を使用する大気観測用レーダに適用して有効なアレイアンテナ装置に関するものである。

線状アンテナを代表とするダイポールアンテナで、長さλ／４（λ：電波の波長）のポールを直線上に並べて全長λ／２としたものは半波長ダイポールとして広く知られている。このようなダイポールアンテナは、その構造上、直線偏波しか発生しないが、図３に示すように、２個のダイポールアンテナを同一平面内に十字形に直交して配置し、互いに位相を９０°ずらして励振すると、２個のダイポールを含む面に垂直な方向に円偏波を発生する。このような組み合わせアンテナはクロスダイポールアンテナと呼ばれている。また、このクロスダイポールアンテナは、ダイポールの配列面に垂直な方向（図３ではｚ、−ｚ方向）では、互いに逆方向の円偏波が発生するので、配列面後方λ／４の位置に反射板を置くと単方向性の円偏波になることが知られている。

また、レーダや飛翔体誘導装置に適用されるアンテナとして、上述のクロスダイポールアンテナを、図４に示すように、直線状または平面状に複数個並べたアレイアンテナが提案されてきた。この場合、各クロスダイポールアンテナのそれぞれに対して、送信信号の増幅給電、受信信号の増幅および利得や送信波の偏波面の設定制御を行う送受信モジュールを設けることで、小型化、軽量化を図れるようにしている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に開示された送受信モジュールでは、サーキュレータを用い、送信時に電力増幅器で増幅された送信電力をクロスダイポールアンテナに導く共に、受信系の低雑音増幅器には導かれないようにし、一方、受信時には上記サーキュレータによりクロスダイポールアンテナからの受信信号を低雑音増幅器に導くようにしている。また、クロスダイポールアンテナに位相差を持たせて円偏波を得るために、他のサーキュレータを用い信号を２系列に分けて処理し、個別にクロスダイポールアンテナに接続している。

特開平６−５３７２６号公報

従来のアレイアンテナ装置の送受信モジュールでは、以上のようにクロスダイポールアンテナに対する送信受信の切り替えにサーキュレータを用いているが、このようなサーキュレータは、低周波帯、特に大気観測に用いられるＶＨＦ帯に適用することを考えた場合、低い周波数に対応させるためには巨大なものが要求されることになる。そのため、低周波帯では送受信モジュールを小型、軽量化することができないし、実際のところ、そのようなサーキュレータは、これまで存在していない。
また、送信と受信を切り換えるために、サーキュレータの代わりに高速、高耐電力に適した半導体スイッチスイッチを用いることも考えられる。しかし、半導体スイッチは、挿入損失が大きく、送信信号および受信信号の損失の原因となり、レーダとしての性能低下を招くことになり、その制御のための電源、制御回路等も必要となるため、アレーアンテナ装置を大型化、高価格化としてしまうことになる。さらに、スイッチを用いた方式では、アンテナ側からの反射信号、特にアレイアンテナとして、送信の方向を振ったときの反射、一般にはアクティブインピーダンスによる反射により、電力増幅器の出力側の負荷インピーダンスが変動し、電力増幅器の出力低下、最悪時には反射電力による電力増幅器の破壊に結びつくという問題がある。

この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、クロスダイポールアンテナの給電およびその受信信号の振分けを自動的に行い、ＶＨＦ帯においても適用可能なアレイアンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るアレイアンテナ装置は、複数のクロスダイポールアンテナを直線状または平面状に並べて配置したアレイアンテナと、各クロスダイポールアンテナに対して設けられ、送信信号の増幅給電、受信信号の増幅および利得や送信波の偏波面の設定の制御を行う複数の送受信用モジュールと、送信時に各送受信モジュールに送信信号を分配供給し、受信時には各送受信モジュールからの受信信号を合成し出力する電力分配・合成器とを備えたアレイアンテナ装置において、各送受信モジュールは、送信信号および受信信号の位相を送受信モジュールごとに割当てられた値に調整する移相器と、送信時に移相器で位相調整された送信信号を増幅する電力増幅器と、増幅された送信信号を入力することにより互いに９０度の位相差を持つ２つの信号を出力し、出力された両信号を対応するクロスダイポールアンテナの各アンテナ素子に給電し、当該各アンテナ素子で受信した互いに９０度の位相差を持つ２つの信号を入力することにより合成された受信信号を得る９０度ハイブリッド回路と、
受信時に前記９０度ハイブリッド回路から得られた受信信号を増幅し移相器に出力する低雑音増幅器と、送信時に９０度ハイブリッド回路から低雑音増幅器へ入力しようとする信号を遮断する半導体スイッチと、送信時に移相器から入力された送信信号を電力増幅器に出力し、受信時に低雑音増幅器から得られた受信信号を移相器に出力する送受切替器とを有するものである。

この発明によれば、クロスダイポールアンテナに対して９０度ハイブリッドを接続したので、その給電および受信信号の振分けを自動的に行うことができ、ＶＨＦ帯においても小型化、軽量化できる送受信モジュールを実現できる効果がある。また、送信時にクロスダイポール側からの反射により送信出力の変動を引き起こす電力増幅器の負荷インピーダンスの変動を防止することができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるアレイアンテナ装置の構成を示すブロック図である。アレイアンテナ装置は、電力分配・合成器１０、複数の送受信モジュール２０、アレイアンテナ３０から構成されている。
アレイアンテナ３０は、図３および図４で説明したように、ダイポールアンテナ３２，３３を直交させて配置したクロスダイポールアンテナ３１を直線状または平面状に複数個並べて配置した送受信用のアンテナである。電力合成・分配器１０は、図示していない送受信機から入力される送信信号を複数の送受信モジュール２０に分配供給し、かつ受信時には送受信モジュール２０からの受信信号を合成して送受信機側に出力する手段である。

各送受信モジュール２０は、同じ構成からなり、位相器２１、送受切換器２２、電力増幅器２３、９０度ハイブリッド２４、低雑音増幅器２５、半導体スイッチ２６、リミッタ２７等を有している。移相器２１は、送信信号および受信信号の位相を送受信モジュールごとに割当てられた値に調整する手段である。送受切換器２２は、送信時に移相器２１から入力された送信信号を電力増幅器２３に出力し、受信時に低雑音増幅器２５から得られた受信信号を移相器２１に出力するスイッチ手段である。電力増幅器２３は、移相器２１で位相調整された送信信号を増幅する手段である。９０度ハイブリッド回路２４は、クロスダイポールアンテナ３１の各アンテナ素子３２，３３に給電する送信信号に互いに９０度の位相差を与え、各アンテナ素子で受信した９０度の位相差を持つ２つの信号から合成した受信信号を得る手段である。低雑音増幅器２５は、９０度ハイブリッド回路２４からの受信信号を増幅し移相器へ出力する手段である。半導体スイッチ２６は、送信時に９０度ハイブリッド回路２４から低雑音増幅器２５へ入力しようとする信号を遮断する手段である。リミタ２７は、低雑音増幅器２５の入力される受信信号を所定レベルに制限する手段である。

なお、送受信モジュール２０の他の構成として、移相器２１の位相調整、送信時と受信時における送受切替器２２と半導体スイッチ２６の切り換え、電力増幅器２３や低雑音増幅器２５の活性化、非活性化、あるいは利得制御等の制御系があるが、それらは送受信モジュールとして一般的な手段であり、この発明の直接対象とするところではないので、ここでは説明上、図面から省略してある。

図２は位相制御によるビームの指向および円偏波発生を模式的に示す。それぞれのクロスダイポールアンテナ３１を構成する２つのダイポールアンテナ素子３２，３３に給電する信号に互いに９０度位相差を与え、かつ送受信モジュール２０からの信号にビームを指向させたい方位に関連した位相差Δφを与えておくことで、円偏波は任意の方向に放射され、またその反射波が円偏波で返ってくることになる。これらの反射波をクロスダイポールアンテナ３１で受信し、２つのダイポールアンテナ素子から互いに９０度位相差の受信信号として取り出す。

ここで、９０度ハイブリッド回路の動作原理について説明する。この回路は、出力位相差が９０度で当分配する方向性結合器である。図１に示すように、４個のポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を持ち、例えばポートＰ１に信号を入力すると、この１／２の電力の信号がポートＰ３に出力され、同時に、この出力と９０度位相差を持つ信号がポートＰ４に出力される。しかし、このときポートＰ２には出力は殆どない。この原理は、ポートＰ３，Ｐ４に入力した場合にも当てはまる。クロスダイポールアンテナ３１で円偏波を受信すると、構成している２つのダイポールアンテナ素子それぞれから得られる信号（正弦波）は互い９０度位相差を持つから、これらをポートＰ３，Ｐ４に対応させて入力すると、ポートＰ２に合成された受信信号が現れる。

次に、アレイアンテナ装置の送信時の動作について説明する。
送信時に送受信機で発生させた送信信号が入力されると、電力分配・合成器１０で、この信号を分配し、複数の送受信モジュール２０に供給する。各送受信モジュール２０において、移相器２１により、電力分配・合成器１０からの送信信号は、アレイアンテナ３０で所定の送信ビームを形成するためにモジュールごとに割当てた位相に変えられる。移相器２１で位相が調整された送信信号は、送受切替器２２を経て１個のアンプまたは複数のアンプで構成された電力増幅器２３に送られ電力増幅される。電力増幅器２３で所要の出力に増幅された送信信号は９０度ハイブリッド２４に供給される。９０度ハイブリッド２４では、供給された送信信号は電力で１／２ずつ、位相として互いに９０度ずれた状態の２つの信号に分けられ、クロスダイポールアンテナ３１の対応するダイポールアンテナ素子３２，３３に供給される。クロスダイポールアンテナ３１では、９０度位相差を持つ同一レベルの信号を給電されたことにより、空間に対し円偏波の電波を放射する。

この送信時の動作において、クロスダイポールアンテナ３１は、給電系のインピーダンス（一般に約５０オーム）と空間のインピーダンスの差により、給電電力を反射させる。しかし、２個のダイポールアンテナ素子３２，３３は９０度ハイブリッド２４から同一の距離、同一の位相で信号を反射するため、その反射波は、９０度ハイブリッド２４により電力増幅器２３側には返らず、受信系に導かれる。受信系には、低雑音増幅器２５の保護用の半導体スイッチ２６が設けられており、この半導体スイッチ２６により、送信時には上記反射波に係る不要な信号は終端器に与えられて吸収される。その結果、電力増幅器２３の負荷インピーダンスは変動することなく、電力増幅器２３の出力は一定に保たれる。

また、クロスダイポールアンテナ３１を一素子として見た場合、送信ビームを任意の方向に指向させた場合、各素子間の空間の結合により、各素子の負荷インピーダンスが変わる（一般にはアクティブインピーダンスの変化と言われる）。このことは、先と同じく給電電力の反射となって現れる。しかしながら、クロスダイポールアンテナ３１を形成する２個のダイポールアンテナ素子３２，３３は同じ反射位相、大きさとなるため、前記と同様、９０度ハイブリッド２４により受信系に導かれることとなり、電力増幅器２３の出力は一定に保たれる。

次に、アレイアンテナ装置の受信時の動作について説明する。
レーダでは、送信波が対象物にあたって反射してきた反射波を受信するが、そのためには、送受切替器２２、半導体スイッチ２６の切り換え、電力増幅器２３や低雑音増幅器２５の活性化、非活性化の制御が直ちに行われる。対象物にあたって反射してきた反射波は、上述したクロスダイポールアンテナ３１での反射と同様、９０度ハイブリット２４から同一の距離、同一の位相で反射することとなり、送信波と同じく何ら動作を加える必要がなく、自動的に受信系に導かれる。受信系に導かれた受信信号は、送信時に受信系を保護する半導体スイッチ２６を通りリミッタ２７に入力される。リミッタ２７は、受信信号を低雑音増幅器２５に与えるが、近い距離からの大きな反射波成分が存在した場合にはその受信レベルを制限する。低雑音増幅器２５では、受信信号は雑音を低く抑えつつ増幅され、移相器２１へ与えられる。移相器２１では、受信信号はアレイアンテナ３０としの受信ビームを指向させるように位相が調整される。各送受信モジュール２０の移相器２１で調整された受信信号は、電力分配・合成器１０で合成され、送受信機に出力され、レーダとしての信号処理に用いられる。

以上のように、この実施の形態１によれば、各送受信モジュールは、対応するクロスダイポールアンテナに９０度ハイブリッド回路を接続し、電力増幅器で増幅された送信信号と当該増幅された送信信号に９０度の位相差を与えた信号を出力し、出力された両信号を対応するクロスダイポールアンテナの各アンテナ素子に給電し、当該各アンテナ素子で受信した互いに９０度の位相差を持つ２つの信号から一方の位相を持つ受信信号を得るようにし、送信時に９０度ハイブリッド回路から低雑音増幅器へ入力しようとする信号を半導体スイッチにより遮断するようにし、また低雑音増幅器へ入力される受信信号を、リミッタを用いて所定レベルに制限するようにしている。したがって、クロスダイポールアンテナに対し、送信信号の給電および受信信号の振分けを自動的に行うことができ、ＶＨＦ帯においても小型化、軽量化できる送受信モジュールを実現できる効果がある。また、送信時にクロスダイポール側の反射により電力増幅器の負荷インピーダンスが変動するのを防止し、電力増幅器の出力が変動しないようにできる。さらに、送信時に反射により低雑音増幅器に加わる不要信号を半導体スイッチにより阻止し、および受信時の大きな反射波に対する受信信号をリミッタにより制限して、低雑音増幅器を保護することができる。

この発明の実施の形態１によるアレイアンテナ装置の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１に係るアレイアンテナ装置の位相制御による、ビームの指向および円偏波発生を模式的に示す説明図である。クロスダイポールの原理を示す説明図である。クロスダイポールアンテナを用いたアレイアンテナの配置を例示する説明図である。

符号の説明

１０電力分配・合成器、２０送受信モジュール、２１移相器、２２送受切替器、２３電力増幅器、２４９０度ハイブリッド回路、２５低雑音増幅器、２６半導体スイッチ、２７リミッタ、３０アレイアンテナ、３１クロスダイポールアンテナ、３２，３３ダイポールアンテナ素子。

Claims

複数のクロスダイポールアンテナを直線状または平面状に並べて配置したアレイアンテナと、各クロスダイポールアンテナに対して設けられ、送信信号の増幅給電、受信信号の増幅および利得や送信波の偏波面の設定の制御を行う複数の送受信用モジュールと、送信時に各送受信モジュールに送信信号を分配供給し、受信時には各送受信モジュールからの受信信号を合成し出力する電力分配・合成器とを備えたアレイアンテナ装置において、
各送受信モジュールは、
送信信号および受信信号の位相を送受信モジュールごとに割当てられた値に調整する移相器と、
送信時に前記移相器で位相調整された送信信号を増幅する電力増幅器と、
増幅された送信信号を入力することにより互いに９０度の位相差を持つ２つの信号を出力し、出力された両信号を対応するクロスダイポールアンテナの各アンテナ素子に給電し、当該各アンテナ素子で受信した互いに９０度の位相差を持つ２つの信号を入力することにより合成された受信信号を得る９０度ハイブリッド回路と、
受信時に前記９０度ハイブリッド回路から得られた受信信号を増幅し前記移相器に出力する低雑音増幅器と、
送信時に前記９０度ハイブリッド回路から前記低雑音増幅器へ入力しようとする信号を遮断する半導体スイッチと、
送信時に前記移相器から入力された送信信号を前記電力増幅器に出力し、受信時に前記低雑音増幅器から得られた受信信号を前記移相器に出力する送受切替器とを有することを特徴とするアレイアンテナ装置。
各送受信モジュールは、低雑音増幅器へ入力される受信信号を所定レベルに制限するリミッタを有することを特徴とする請求項１記載のアレイアンテナ装置。