JP4353836B2 - パルス方式レーダ装置 - Google Patents

Description

本発明はマイクロ波等のパルス信号を送受信して物標の方位及び距離を測定するパルス方式レーダ装置、特に必要なレベルの送信パルス信号を得るために半導体増幅器を用いたものの構成に関する。

図４及び図５には、従来のパルス方式レーダ装置の構成が示されており、図４に示されるように、レーダ装置１はパルス状にしたマイクロ波をアンテナ２から船等の物標３に対して送信し、この物標３から反射された反射波をアンテナ２で受信することにより、物標３の方位や距離を測定・表示することができる。

図５に示されるように、上記レーダ装置１内では、高圧パルス発生器４は制御回路１０から出力されたトリガ信号を受けて高電圧を発生し、この高電圧がマグネトロン５に印加されると、このマグネトロン５ではその印加された高電圧のパルス幅に応じたパルス幅のマイクロ波を発振する。このマイクロ波パルス（送信パルス）は、送受切替器８を通ってアンテナ２より空中へ輻射され、物標３に当たって反射すると、この反射パルスが同一のアンテナ２により受信される。そして、アンテナ２で受信されたマイクロ波パルス（受信パルス）は、受信部８により増幅され、かつ映像信号へ変換されることにより、受信部８に接続された指示器９の画面に物標３の位置情報が表示される。なお、上記各回路における一連の動作は、制御回路１０で制御される。

図６には、上記アンテナ２から送信されるマイクロ波パルスが示されており、この送信パルスは、例えば１０Ｗの電力Ｐ_０、５０ｎ（ナノ）秒〜１μ（マイクロ）秒程度のパルス幅ｔｐにて、周波数１ｋＨｚ程度となる周期Ｈ_RFで形成されるパルスｐ_１，ｐ_２，ｐ_３…であり、上記のパルス幅ｔｐとしては、近距離を観測する場合は５０ｎ秒のショートパルス、遠距離を観測する場合は１μ秒のロングパルスが主に使用される。
特開２００１−１３６００５号公報 特開平８−８６８５８号公報

ところで、上記従来のパルス方式レーダ装置では、送信パルスを発生させるためにマグネトロン５のような電子管と高圧パルス発生回路４を用いているが、これら電子管を用いたパルス発生回路を、ＦＥＴ等を使用した固体回路（固体装置）に置き換えることが検討されている。この固体回路としては、大電力のマイクロ波パルスを発生するために、発振器から出力されたマイクロ波を半導体電力増幅器で増幅することが必要となる。

しかしながら、ＦＥＴ等を利用した半導体増幅器ではその容量により十分なピーク電力を持った比較的短い送信パルスが作成できないという問題があった、特に、上述のように、近距離の物標測定のために必要となる、パルス幅が５０ｎ秒程度のショートパルスを形成することが難しくなる。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電子管ではなく固体回路を用いて構成する場合でも、十分なピーク電力を持った短い送信パルスを形成することができるレーダ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、所定の周波数及び幅のパルス信号を送信するレーダ装置において、発振器と、半導体素子からなり、上記発振器の発振出力を増幅し、上記パルス信号を形成する半導体増幅器と、上記パルス信号の所定周波数よりも低いか又は高い周波数で発振し、該パルス信号の所定幅の時間だけ所定周波数となるように上記発振器を制御すると共に、上記半導体増幅器の立上がり時間（定格の９０％以上に立ち上がるまでの時間）を上記パルス信号の所定幅（時間）に加えた時間のドライブ波形にて当該半導体増幅器を制御する制御回路と、上記半導体増幅器の出力から上記所定周波数以外の周波数を減衰させる帯域通過フィルタと、を設けたことを特徴とする。
請求項２の発明は、所定の周波数及び幅のパルス信号を送受信するレーダ装置において、発振器と、半導体素子からなり、上記発振器の上記所定周波数の発振出力を狭帯域増幅し、上記パルス信号を形成する半導体増幅器と、上記パルス信号の所定周波数よりも低いか又は高い周波数で発振し、該パルス信号の所定幅の時間だけ所定周波数となるように上記発振器を制御すると共に、上記半導体増幅器の立上がり時間を上記パルス信号の所定幅に加えた時間のドライブ波形にて当該半導体増幅器を制御する制御回路と、を設けたことを特徴とする。
請求項３の発明は、上記半導体増幅器として、ＳｉＣ（炭化珪素）−ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）増幅器を用い、上記制御回路は、上記パルス信号の所定周波数から−５％又は＋５％程度離した周波数で発振し、上記所定幅の時間だけ所定周波数で発振するように上記発振器を制御することを特徴とする。

上記の構成によれば、ＳｉＣ−ＦＥＴ増幅器のような立上がり時間の遅い半導体増幅器に対し、その立上がり時間（応答時間）Ｔをパルス幅ｔｐに加えた時間（Ｔ＋ｔｐ）のドライブ波形が与えられると、半導体増幅器の出力には、Ｔ時間後に所定のピーク電力（所定周波数）が現れる波形が形成される。また、帯域通過フィルタで、このピーク電力部分の所定周波数を残すように、その他の周波数域は除去されることになり、これによって短い送信パルスでも十分なピーク電力を持ったパルス波形が得られる。

本発明によれば、例えばＳｉＣ−ＦＥＴ増幅器を用いることにより、十分なピーク電力を持った短い送信パルスを良好に形成することができ、マグネトロン等の電子管を用いたパルス発生回路を固体回路に置き換えたレーダ装置を実現することが可能になる。

図１には、本発明の実施例に係るパルス方式レーダ装置の構成が示されており、このレーダ装置は、送信周波数のマイクロ波を発振させるマイクロ波発振器１２、ＳｉＣ−ＦＥＴ増幅器である第１アンプ１３と第２アンプ１４、バンドパスフィルタ１５、各回路を統括制御する制御回路１７を有すると共に、従来と同様に、送受切替器６、アンテナ２、受信部８及び指示器９が設けられる。

上記第１及び第２アンプ１３，１４として利用されるＳｉＣ−ＦＥＴは、高出力、高耐電圧、高電力密度の特性を有し、発熱が小さいという利点があり、最近注目されている半導体素子である。しかし、このＳｉＣ−ＦＥＴからなる第１，第２アンプ１３，１４には、立上がり時間（定格の９０％以上に立ち上がるまでの応答時間）Ｔが例えば２００ｎ秒程度あり、５０ｎ秒のショートパルスを形成する場合には、この立上がり時間Ｔ内で十分とならない電力のパルスが形成されることになる。そこで、上記制御回路１７では、この立上がり時間Ｔをパルス幅ｔｐに加えた時間（Ｔ＋ｔｐ）のドライブ波形を第１及び第２アンプ１３，１４に与える。

そして、上記バンドパスフィルタ１５は、図２の減衰特性（挿入損失）に示されるように、例えば９．４ＧＨｚの送信周波数ｆ_０近傍を通過させ、ｆ_０±５（％）の周波数より離れた周波数域（８．９３ＧＨｚ以下の周波数と９．８７ＧＨｚ以上の周波数）を減衰（−６０ｄＢ以上に減衰）させるものが用いられる。

実施例は以上の構成からなり、源発振器であるマイクロ波発振器１２には、制御回路１７から所定のタイミングで変調信号が印加されており、これによって、このマイクロ波発振器１２では図３（Ａ）に示されるように、定常的には送信周波数ｆ_０よりも例えば５％以上低い周波数８．９３［ｆ_０−５（％）］ＧＨｚで発振するが、所定のタイミングでパルス幅ｔｐの時間だけ送信周波数ｆ_０となるように、発振周波数が制御される。

このマイクロ波発振器１２で発振したマイクロ波は、第１アンプ１３と第２アンプ１４でパルス状に増幅されることになるが、これらアンプ１３，１４には、制御回路１７によって、図３（Ｂ）のように、時間Ｔ＋ｔｐの幅の波形（ドライブ波形）のゲート信号が印加される。そうすると、第１アンプ１３及び第２アンプ１４では、図３（Ｃ）のように、Ｔナノ秒前から立ち上がり、第２アンプ１４からは、例えば１０Ｗの電力が得られる。このときの周波数は、上記Ｔナノ秒後に増幅率９５％（８．９３ＧＨｚ）のレベルまで立ち上がり、アンプが１００％立ち上がった時点で、送信周波数ｆ_０（９．４ＧＨｚ）となる。

そして、上記第２アンプ１４の出力はバンドパスフィルタ１５へ供給されることになり、ここで、図２のように、上記周波数ｆ_０は通過されるが、ｆ_０±５（％）の周波数より離れた周波数域、即ち８．９３ＧＨｚ以下の周波数と９．８７ＧＨｚ以上の周波数が６０ｄＢ以上減衰される。この結果、図３（Ｄ）に示されるように、バンドパスフィルタ１５の出力（波形）として、パルス幅ｔｐ（例えば５０ｎ秒）、周波数ｆ_０（９．４ＧＨｚ）及び電力１０Ｗのマイクロ波パルス（アンテナ２からの放射ＲＦ波形）が得られる。

上記のマイクロ波パルスは、送受切替器６を通ってアンテナ２から空中へ輻射されるが、このマイクロ波パルスは、図４のように物標３により反射されて上記アンテナ２で受信される。そして、この受信されたマイクロ波が受信部８によって映像信号へ変換されることにより、指示器９に物標３の位置が表示される。この受信処理においては、上記受信部８の周波数帯域がｆ_０±５（％）ＧＨｚよりも十分狭く設計されているため、信号処理により映像となるのは、周波数がｆ_０の部分のみとなる。

このようにして、実施例では、パルス幅ｔｐが５０ｎ秒程度となるショートパルスを形成することができ、近距離の物標３に対しても、十分なピーク電力の送信パルスを用いた良好な観測が可能になる。また、上記パルス幅ｔｐを１μ秒程度に設定すれば、同様にして遠距離の物標３のためのロングパルスを形成することができる。

上記実施例のマイクロ波発振器１２では、常にｆ_０−５（％）の周波数を発生させ、パルス幅ｔｐの期間だけｆ_０となるように制御したが、逆にｆ_０＋５（％）の周波数を常に発生させ、パルス幅ｔｐの期間だけｆ_０となるように制御してもよく、この場合でも上記と同様の効果を得ることができる。即ち、周波数ｆ_０から離す周波数は、受信部８の帯域や第１及び第２アンプ１３，１４の帯域の設計可能性、バンドパスフィルタ１５の設計可能性等を考慮すると、±５％以上離した方がよいことになる。なぜなら、周波数ｆ_０と離す周波数の差が小さいと減衰量が不足し、受信感度が低下したり、映像画面に雑音が多くなったりする不具合が生じるからである。

また、本願発明では、バンドパスフィルタ１５を用いて上記送信周波数ｆ_０以外の周波数を取り除くようにしたが、このバンドパスフィルタ１５を用いずに、上記第１及び第２アンプ１３，１４の周波数帯域を狭く設計・設定することにより図３（Ｄ）のようなパルス波形を得ることも可能である。即ち、上記第１及び第２アンプ１３，１４の周波数帯域において、中心周波数ｆ_０では十分なゲインを持たせ、ｆ_０±５（％）より外れた周波数ではゲインが低くなるように（増幅しないように）調整すれば、ある程度のピーク電力を持ったパルスを形成することができる。しかし、バンドパスフィルタ１５を用いた場合は、十分なピーク電力を持ったショートパルス（送信パルス）を容易かつ確実に形成できるという利点がある。

本発明の実施例に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。 実施例のレーダ装置に用いられるバンドパスフィルタの周波数特性を示すグラフ図である。 実施例のレーダ装置の各回路で形成される信号の波形を示す図である。 レーダ装置の送受信状態を示す概念図である。 従来のレーダ装置の構成を示すブロック図である。 従来のレーダ装置で用いられる送信パルスを示す図である。

符号の説明

１…レーダ装置、 ２…アンテナ、
８…受信部、 ９…指示器、
１０，１７…制御回路、
１２…マイクロ波発振器、
１３…第１アンプ（ＳｉＣ−ＦＥＴ増幅器）、
１４…第２アンプ（ＳｉＣ−ＦＥＴ増幅器）、
１５…バンドパスフィルタ。

Claims (3)

1. 所定の周波数及び幅のパルス信号を送信するレーダ装置において、
   発振器と、
   半導体素子からなり、上記発振器の発振出力を増幅し、上記パルス信号を形成する半導体増幅器と、
   上記パルス信号の所定周波数よりも低いか又は高い周波数で発振し、該パルス信号の所定幅の時間だけ所定周波数となるように上記発振器を制御すると共に、上記半導体増幅器の立上がり時間を上記パルス信号の所定幅に加えた時間のドライブ波形にて当該半導体増幅器を制御する制御回路と、
   上記半導体増幅器の出力から上記所定周波数以外の周波数を減衰させる帯域通過フィルタと、を設けたことを特徴とするパルス方式レーダ装置。
2. 所定の周波数及び幅のパルス信号を送受信するレーダ装置において、
   発振器と、
   半導体素子からなり、上記発振器の上記所定周波数の発振出力を狭帯域増幅し、上記パルス信号を形成する半導体増幅器と、
   上記パルス信号の所定周波数よりも低いか又は高い周波数で発振し、該パルス信号の所定幅の時間だけ所定周波数となるように上記発振器を制御すると共に、上記半導体増幅器の立上がり時間を上記パルス信号の所定幅に加えた時間のドライブ波形にて当該半導体増幅器を制御する制御回路と、を設けたことを特徴とするパルス方式レーダ装置。
3. 上記半導体増幅器として、ＳｉＣ−ＦＥＴ増幅器を用い、上記制御回路は、上記パルス信号の所定周波数から−５％又は＋５％程度離した周波数で発振し、上記所定幅の時間だけ所定周波数で発振するように上記発振器を制御することを特徴とする請求項１又は２記載のパルス方式レーダ装置。

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