JP4158831B2 - Fet増幅器、パルス変調モジュール、およびレーダ装置 - Google Patents

Fet増幅器、パルス変調モジュール、およびレーダ装置 Download PDF

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Description

この発明は、高周波信号を増幅するFET増幅器、特にゲートバイアス制御信号により制御されたFET増幅器と、該FET増幅器を用いて高周波信号をパルス変調するパルス変調モジュールと、該パルス変調モジュールからのパルス変調信号を外部に送信して物標の検知を行うレーダ装置に関するものである。
自車の前方に存在する他車等の物標までの距離やこの物標の速度を検知する装置として、各種方式のミリ波レーダ装置が利用されており、この中で振幅パルス変調方式を用いたものがある。振幅パルス変調方式を用いたミリ波レーダ装置では、ON/OFF制御信号により所定周波数の高周波信号の振幅を変化させてパルス変調信号を生成し、放射する。そして、ミリ波レーダ装置は、物標からの反射信号を受信して、送信信号と受信信号との時間差により物標までの距離を検知する。このような振幅パルス変調方式を用いたミリ波レーダ装置では、ON/OFF制御信号で高周波信号を断続させるRFスイッチ、または振幅を制御し増幅する増幅器が必要である。
この増幅器としては、特許文献1に記載されたような構成を備えるものが存在する。この特許文献1の回路は携帯電話用の増幅器であるが、ミリ波レーダ装置に用いる増幅器も略同様の構成をなしている。そして、この増幅器は、FETと、負電圧発生安定化回路と、FETの制御信号を発生するゲートバイアス制御回路とを備える。ゲートバイアス制御回路は、ゲートバイアス制御データが記憶されたROMと、ROMから出力された制御データをアナログの制御信号に変換するD/Aコンバータと、D/Aコンバータからのアナログ電圧と負電圧発生安定化回路からの負電圧とを入力し負のゲートバイアス電圧を発生する反転増幅器とを備える。そして、FETは受信信号強度または基地局からの指令に基づいた制御によるゲートバイアス制御信号に応じて制御され、ゲートに入力された高周波信号の増幅度を変化させることで、出力電力を最適化している。
また、特許文献2には、抵抗で分圧して所望のゲートバイアス電圧を得る回路が示されている。この回路は、デプレッション型FETのピンチオフ電圧をゲートバイアス電圧の閾値とすることで、FETをON/OFF動作させている。これにより、パルス変調された高周波信号を出力する。
特開平5−83041号公報 特開平11−195935号公報
デプレッション型FETを用いてミリ波帯の信号を増幅する場合、FETのゲートバイアス電圧は+0.2V程度にて、最大出力が得られることが多い。
ところが、従来の増幅器ではFETのゲートバイアス電圧が常時負電圧状態であるので、FETから十分な振幅のミリ波信号を出力することができない。
また、FETがON状態で安定に高出力動作するためには安定な所定振幅のゲートバイアス電圧が必要である。しかし、従来の増幅器ではD/Aコンバータの出力電圧で、FETをON状態(出力振幅が大きい状態)にするための前記所定のゲートバイアス電圧を生成するため、D/Aコンバータの電源電圧変動により影響を受けてゲートバイアス電圧が不安定になる。これにより、FETから出力されるミリ波信号の振幅も不安定となってしまう。また、特許文献2のように、ゲートバイアス電圧を抵抗分圧により得た場合、ゲートバイアス回路に並列に接続されている容量(キャパシタ)と、分圧するための抵抗とが積分回路を構成するため、高速パルス変調に求められる急峻な波形を得ることができない。
そこで、この発明は、パルス変調信号の振幅を安定させ、且つ高出力が得られるFET増幅器、およびこのFET増幅器を備えた高速パルス動作が可能なパルス変調モジュール、さらには、これらFET増幅器およびパルス変調モジュールを備えたレーダ装置を提供することにある。
この発明は、ゲートバイアス制御回路からのゲートバイアス電圧に基づいて、ゲートに入力される高周波信号を増幅するFETを備えたFET増幅器において、ゲートバイアス制御回路を、正の直流定電圧信号を発生する定電圧回路と、Hi状態とLow状態とをとる状態制御信号を出力する論理回路と、定電圧回路からの正の直流定電圧信号を非反転入力端子に入力するとともに論理回路からの状態制御信号を反転入力端子に入力してゲートバイアス電圧を出力する反転増幅器とを備えたことを特徴としている。
この構成では、反転増幅器から出力されるゲートバイアス電圧は、一定値である正の直流定電圧と、Hi状態とLow状態との2値からなるゲートバイアス制御信号に対応した状態信号の所定電圧と、差分演算を決定する定数(差分演算決定定数)、すなわち反転増幅器の差動増幅器に接続された素子の素子値とにより決定される。FETはこのゲートバイアス電圧に応じてスイッチング動作し、高周波信号の振幅をパルス状にON/OFFさせて出力する。ここで、反転増幅器の非反転入力部に正の定電圧が入力され、反転入力部にゲートバイアス制御信号に対応した所定の電圧が入力されることで、一定の正電圧に対して、ゲートバイアス制御信号のHi状態、Low状態に対応した電圧が差分演算決定定数に応じて差分され、ゲートバイアス電圧として出力される。この際、正の定電圧値と、ゲートバイアス制御信号の各状態に対応した電圧値と、差分演算決定定数とを所定値に設定することで、正のゲートバイアス電圧によりFETをON動作させることができる。これにより、FETのON状態で高出力を得ることができる。
また、この発明のゲートバイアス制御回路は、論理回路からの状態制御信号がLow状態の時に正のゲートバイアス電圧を発生し、論理回路からの状態制御信号がHi状態の時に負のゲートバイアス電圧を発生することを特徴としている。
この構成では、反転増幅器に正の直流定電圧とLow状態のゲートバイアス制御信号に対応する状態信号の所定の電圧とが入力された場合に正のゲートバイアス電圧が発生してFETがON状態となる。ここで、非反転入力部に入力される正の直流定電圧は定電圧源から入力されるので電圧が安定し、且つ、反転入力部に入力されるゲートバイアス制御信号に対応した所定の電圧は0VのLow状態であるので、電源電圧変動の影響を受けず安定であるため反転増幅器から出力されるゲートバイアス電圧は安定である。このため、FETの安定したON動作を得られる。
一方、反転増幅器に正の直流定電圧とHi状態のゲートバイアス制御信号に対応した状態信号の所定の電圧とが入力された場合に、ピンチオフ電圧よりも低い負のゲートバイアス電圧が発生してFETがOFF状態となる。ここで、反転入力部に入力されるゲートバイアス制御信号に対応した所定の電圧は電源電圧変動の影響を受けて変化するため、反転増幅器から出力されるゲートバイアス電圧もこの変化に応じて変化する。しかし、ゲートバイアス電圧をFETのピンチオフ電圧よりも十分低い値に設定することで多少電源電圧が変動してもFETのOFF動作には影響を与えない。
また、この発明のパルス変調モジュールは、前述のFET増幅器を備え、FETに入力される高周波信号をゲートバイアス電圧に基づきパルス変調することを特徴としている。
この構成では、前述のFET増幅器が安定且つ高速にON/OFF動作するため、FETに入力される高周波信号の振幅を安定してパルス状にON/OFF制御することができ、波形鈍りや歪みのないパルス変調信号が出力される。
また、この発明のレーダ装置は、前述のパルス変調モジュールを備え、該パルス変調モジュールで高周波信号をパルス変調してなるパルス変調信号を外部に送信し、物標の反射信号を受信することで該物標の検知を行うことを特徴としている。
この構成では、前述のパルス変調モジュールを用いることで、パルス変調信号である送信信号の波形が鈍ったり歪んだりしない。
この発明によれば、FETを正のゲートバイアス電圧印加でON状態とし、ピンチオフ電圧より低い負のゲートバイアス電圧印加でOFF状態とすることができる。これにより、FETのON状態で高出力を得られるFET増幅器を構成することができる。
また、この発明によれば、FETのON状態、OFF状態ともに安定に動作させることができるため、安定した高周波出力信号が得られるFET増幅器を構成することができる。
また、この発明によれば、前述のFET増幅器を用いることで、FETに入力される高周波信号の振幅をゲートバイアス電圧により高速にON/OFF的に制御して安定したパルス変調信号を出力するパルス変調モジュールを構成することができる。
また、この発明によれば、前述のパルス変調モジュールを用い、FETに入力する信号を物標検知用の高周波信号とすることで、高周波信号の振幅をON/OFF的に制御したパルス変調信号である送信信号が得られ、この送信信号を用いて物標の検知を行うことができる。これにより、高精度で且つ高速に物標検知を行うレーダ装置を構成することができる。
[図1]第1の実施形態に係るパルス変調モジュールの回路図である。
[図2]第2の実施形態に係るレーダ装置の概略構成を示すブロック図である。
符号の説明
1−定電圧回路
2−ゲートバイアス制御信号入力回路
3−インバータ回路
4−反転増幅回路
5−FET
6−変調信号出力端子
7−高周波信号入力回路
10−駆動電圧入力端子
100−信号処理回路
101−発振器
102−逓倍器
103−増幅器
103A−初段増幅部
103B−終段増幅部
104−サーキュレータ
105−アンテナ
106−ミキサ
本発明の第1の実施形態に係るFET増幅器を用いたパルス変調モジュールについて図1を参照して説明する。
図1は本実施形態に係るパルス変調モジュールの回路図である。
図1に示すように、パルス変調モジュールのデプレッション型FET5のゲートには、高周波信号入力回路7と、インダクタL1を介して反転増幅器4の出力部とに導通している。また、FET5のソースは接地し、ドレインは高周波信号出力回路8を介して変調信号出力端子6に導通している。
反転増幅器4は、オペアンプ(差動増幅器)OPと、オペアンプOPの反転入力端子と出力端子との間に接続された抵抗素子R6と、反転入力端子と抵抗素子R6との接続点と前段の本発明の「論理回路」に相当するインバータ回路INV3の出力端子との間に接続された抵抗素子R5とからなる。そして、オペアンプOPの非反転入力端子が反転増幅器4の非反転入力部に相当し、抵抗素子R5のオペアンプOPと対向する側の端部が反転増幅器4の反転入力部に相当する。さらに、オペアンプOPの出力端子と抵抗素子R6との接続点が反転増幅器4の出力部に相当し、反転増幅器4の出力部は、小容量コンデンサC1により高周波的に接地している。
反転増幅器4の非反転入力部、すなわちオペアンプOPの非反転入力端子は、抵抗素子R4を介して定電圧回路1の出力部に導通している。
定電圧回路1の入力部は抵抗素子R1を介して駆動電圧入力端子10に導通しており、定電圧回路1は、入力部と接地との間に入力部側をカソードとして接続されたツェナーダイオードZDと、該ツェナーダイオードZDに並列接続された抵抗素子R2、R3の直列回路とから構成されている。そして、抵抗素子R2と抵抗素子R3との接続点が定電圧回路1の出力部に相当する。
反転増幅器4の反転入力部はインバータ回路3の出力端子に導通し、インバータ回路3の入力端子はゲートバイアス制御信号入力回路2に導通している。
これら定電圧回路1、ゲートバイアス制御信号入力回路2、インバータ回路3、反転増幅器4、FET5、および変調信号出力端子6からなる回路が本発明の「FET増幅器」に相当する。
次に、このパルス変調モジュールの動作について説明する。
駆動電圧入力端子10にツェナーダイオードZDのブレークダイン電圧VZDより高電圧の駆動電圧信号Vccが入力されると、この駆動電圧信号Vccは抵抗素子R1を介して定電圧回路1に入力される。定電圧回路1に駆動電圧信号Vccが印加されると、抵抗素子R1には所望の電流が流れ、ツェナーダイオードZDには駆動電圧信号Vccからの電流と抵抗素子R1の抵抗値に応じた電圧降下を引いた電流が加わる。ツェナーダイオードZDは、ツェナーダイオードZDに流れる電流が変化してもツェナーダイオードZDの両端の電圧が一定である特性を持っているため、この回路では、抵抗素子R2と抵抗素子R3との直列回路には正の一定電圧であるブレークダウン電圧VZDが印加される。そして、抵抗素子R2と抵抗素子R3とによりブレークダウン電圧VZDが分圧されて、定電圧回路1からは所望の正の直流定電圧信号が出力される。この正の直流定電圧信号は抵抗素子R4を介して反転増幅器4の非反転入力部、すなわちオペアンプOPの非反転入力端子に入力される。
ゲートバイアス制御信号入力回路2は、図示していない前段から入力されたFET5のON/OFF状態を制御するディジタルのゲートバイアス制御データ信号が入力され、波形成形、タイミング調整などの処理を行い、ゲートバイアス制御信号に変換してインバータ回路3に出力する。ここで、ゲートバイアス制御信号はHi状態でFET5がON状態となり、Low状態でFET5がOFF状態となるように設定されている。
インバータ回路3は論理回路であるNANDゲートによって実現する回路構成からなり、2入力端子の双方にゲートバイアス制御信号を入力し、反転出力する。この反転出力される信号が本発明の「状態制御信号」に相当する。すなわち、インバータ回路3は、ゲートバイアス制御信号がHi状態ならば0VのLow状態となり、ゲートバイアス制御信号がLow状態ならばインバータ回路3の電源電圧に応じた所定電位のHi状態となる電圧を出力する。その電圧は、反転増幅器4の反転入力部に入力され、抵抗素子R5を介してオペアンプOPの反転入力端子に入力される。
反転増幅器4は、非反転入力部に入力された正の直流定電圧と、反転入力部に入力されたインバータ回路3からの出力電圧とにより次式に示す関係のゲートバイアス電圧を出力する。次式において、VGはゲートバイアス電圧を、VDは正の直流定電圧を、Vconはインバータ回路3からの出力電圧を示し、R5,R6はそれぞれ抵抗素子R5,R6の抵抗値を示す。
VG=−(R6/R5)×Vcon+VD −(1)
ここで、VDは定電圧回路1の構成により設定され、Vconはインバータ回路3の構成により設定される。このため、これら電圧値と抵抗素子R5,R6の抵抗値とを所定値に設定することにより、Hi状態とLow状態とに対応したゲートバイアス電圧とを設定することができる。
例えば、正の直流定電圧値VDを−0.2Vとし、抵抗素子R5の抵抗値を1.2kΩとし、抵抗素子R6の抵抗値を470Ωとする。そして、インバータ回路3からの出力電圧のHi状態に対応する電圧値Vcon(Hi)を+5.0Vとし、Low状態に対応する電圧値Vcon(Low)を0Vとする。これにより、式(1)に示す関係から、ゲートバイアス制御電圧のHi状態の電圧値VG(Hi)は−0.2V(=−(470/1200)×0+0.2)となり、Low状態の電圧値VG(Low)は約−1.76V(=−(470/1200)×5.0−0.2)となる。
このように、前述の電圧値と抵抗値とを所望値に設定することで、ゲートバイアス制御信号がHi状態のときは正のゲートバイアス電圧、ゲートバイアス制御信号がLow状態のときは負のゲートバイアス電圧がFET5のゲートに印加される。
FET5は、所定負電圧のピンチオフ電圧を閾値としてON/OFF制御されるので、前記ゲートバイアス制御信号のLow状態のゲートバイアス電圧をピンチオフ電圧よりも低い値に設定することにより、FET5をOFF状態にすることができる。例えば、前例の設定条件を用いる場合、ピンチオフ電圧が−1.5V程度のFETを用いればよい。また、逆にピンチオフ電圧が−1.5VのFETを用いる場合には、前例の設定条件となる素子および電圧値を用いればよい。
FET5のゲートには高周波信号入力回路7から高周波信号が入力されており、Hi状態のゲートバイアス制御信号が入力されている場合には、FET5はON動作して高周波信号を所定増幅率で増幅し高周波信号出力回路8を介して変調信号出力端子6に出力する。この際、FET5は正電圧領域で動作するので高い増幅率で高周波信号を増幅して出力することができる。すなわち、高出力FET増幅器を実現することができる。
一方、FET5のゲートに高周波信号入力回路7から高周波信号が入力されていても、Low状態のゲートバイアス制御信号が入力されている場合にはFET5はON動作せず、高周波信号を変調信号出力端子6に出力しない。
このように、FET5は、ゲートバイアス制御信号のHi/Low状態の変位によりON/OFF的に高周波信号の振幅を制御することができ、高出力でパルス変調信号を変調信号出力端子6に出力することができる。
また、前述の構成では、Hi状態のゲートバイアス制御信号に対応するインバータ回路3からの出力電圧は0Vとなり、インバータ回路3の電源電圧の変動に影響されない。これにより、反転増幅器4の反転入力端子には0V、非反転入力端子には定電圧回路1からの定電圧が入力されるため、Hi状態のゲートバイアス電圧が安定する。この安定したゲートバイアス制御電圧がFET5に印加されるため、FET5は安定してON動作し、出力されるパルス変調信号の振幅が安定する。また、Low状態のゲートバイアス制御信号に対するインバータ回路3からの出力電圧は一般にインバータ回路3の電源電圧となるため、その電源電圧の変動によりインバータ回路3からの出力電圧値が若干不安定となる。このため、ゲートバイアス電圧も変化するが、Low状態のゲートバイアス電圧をFET5のピンチオフ電圧よりも十分低く設定することにより、インバータ回路3の電源電圧が多少変動しても安定してFET5のOFF制御を行うことができる。
このように前述の構成を用いることで、安定したパルス変調信号を出力するFET増幅器およびパルス変調モジュールを構成できる。すなわち、高出力で安定したパルス変調信号が得られるFET増幅器およびこれを備えたパルス変調モジュールを構成することができる。
また、前述の構成では、反転増幅器4のオペアンプOPの出力が直接FETのゲートに入力されるので、オペアンプのスルーレート性能に応じてHi状態とLow状態との切り替えを高速で行うことができる。これによりFET5のON/OFF制御が高速で行われ、出力されるパルス変調信号のパルスのエッジ部が鈍ることなく急峻になり高速パルス変調を実現することができる。
また、前述の構成では、ゲートバイアス制御信号をインバータ回路3により反転させて反転増幅器4の反転入力部へ入力する電圧を生成しているので、ゲートバイアス制御信号の状態変位方向とゲートバイアス電圧の状態変位方向とが一致する。すなわち、ゲートバイアス制御信号がHi状態の時にゲートバイアス電圧が正となり、FET5がON状態となる。また、ゲートバイアス制御信号がLow状態の時にゲートバイアス電圧が負となり、FET5がOFF状態となる。これにより、予め設定するゲートバイアス制御データのHi/Low状態とFETのON/OFF制御を示すゲートバイアス電圧の正負とが一致し、パルス変調信号のHi/Low状態のタイミングを容易に設計することができ、取り扱いの容易なパルス変調モジュールを構成することができる。
次に、第2の実施形態に係る振幅パルス変調方式のレーダ装置について図2を参照して説明する。
図2は本実施形態に係る振幅パルス変調方式のレーダ装置の概略構成を示すブロック図である。
発振器101は、信号処理回路100から入力された変調信号に従い所望の一定周波数で発振して発振信号を逓倍器102に出力する。逓倍器102は入力された発振信号を所望の送信周波数になるように逓倍して、送信周波数信号を増幅器103に出力する。増幅器103は初段増幅部103Aと、終段増幅部103Bとからなる。初段増幅部103Aは入力された送信周波数信号を所定の振幅レベルまで増幅して、終段増幅部103Bとミキサ106とに出力する。終段増幅部103Bは信号処理回路100からのゲートバイアス制御データ信号に基づき、初段増幅部103Aから入力された送信周波数信号の振幅をON/OFF的に切り替えてパルス変調してサーキュレータ104に出力する。サーキュレータ104は入力されたパルス変調信号をアンテナ105に伝送し、アンテナ105はこのパルス変調信号を探知領域に放射する。アンテナ105は探知領域内の物標から反射された信号を受信して、この受信信号をサーキュレータ104に出力し、サーキュレータ104はこの受信信号をミキサ106に伝送する。ミキサ106は、サーキュレータ104から入力された受信信号と、増幅器103から入力された送信周波数信号とに基づき、受信信号の振幅に応じた検出信号を出力する。信号処理回路100は、入力された検出信号を所望の振幅レベルまで増幅し、AD変換して検出データを上位システムに出力する。また、信号処理回路100は自身が出力するゲートバイアス制御データ信号と入力された検出信号とから時間差を算出して検出された物標までの距離を算出し、距離算出データを上位システムに出力する。
このような振幅パルス変調方式のレーダ装置の終段増幅部103Bに前述のFET増幅器を含むパルス変調モジュールを用いる。これにより、安定したパルス変調信号を高出力で探知領域に放射することができ、安定して物標の検知を行うことができる。

Claims (4)

  1. ゲートバイアス制御回路からのゲートバイアス電圧に基づいて、ゲートに入力される高周波信号を増幅するFETを備えたFET増幅器において、
    前記ゲートバイアス制御回路は、
    正の直流定電圧信号を発生する定電圧回路と、
    Hi状態とLow状態とをとる状態制御信号を出力する論理回路と、
    前記定電圧回路からの正の直流定電圧信号を非反転入力部に入力し、前記論理回路からの前記状態制御信号を反転入力部に入力して、ゲートバイアス電圧を出力する反転増幅器と、を備えたことを特徴とするFET増幅器。
  2. 前記ゲートバイアス制御回路は、前記論理回路からの状態制御信号がLow状態の時に正のゲートバイアス電圧を発生し、前記論理回路からの状態制御信号がHi状態の時に負のゲートバイアス電圧を発生する請求項1に記載のFET増幅器。
  3. 請求項1または請求項2に記載のFET増幅器を備え、前記FETに入力される高周波信号を前記ゲートバイアス電圧に基づきパルス変調するパルス変調モジュール。
  4. 請求項3に記載のパルス変調モジュールを備え、該パルス変調モジュールで高周波信号をパルス変調してなるパルス変調信号を外部に送信し、物標からの反射信号を受信することで該物標の検知を行うレーダ装置。
JP2006500606A 2004-03-23 2005-02-23 Fet増幅器、パルス変調モジュール、およびレーダ装置 Expired - Fee Related JP4158831B2 (ja)

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