JP4386733B2 - 固体送信機回路 - Google Patents

Description

本発明は、レーダーシステム用の能動的な送信機回路に関する。

能動的な送信機モジュールを含んでいるレ−ダ−あるいは通信システムは、受動アレイアンテナあるいはサブアレイに結合され、固体結合を可能にする効率のよい給電ネットワークより利点を得ることができる。一般的な固体装置は電子管ベースのシステムを維持するのと比較してさらに機能的で、信頼性があり、小型で、品質向上が容易であり、低コストであることが知られている。

しかしながら、オ−ム給電損失を含んでいるのを考えると、マイクロ波周波数において真空管システムに代って高電力の固体システムを使用するのに大型となり費用がかかる欠点がある。特に高電力の固体マイクロ波システムは効率が悪く、大きさおよび費用を増加する固体装置の問題点を増加させる。本発明で開示される固体装置を結合する新しい技術は、真空管システムと比較して競争できる値段および大きさを達成し、改良された性能を提供する。

低損失の導波管の共通結合は利点を有し、仮定した容積が利用可能になる。共通の導波管給電の欠点は２^N のモジュールに対してＮ個の結合レベルが必要なことである。放射状結合器の設計はインピーダンス整合の点で難しく、および方向性がモジュールを冷却するのに適合していない。直列の共振結合器は非常に効率的で小型であるが、全モジュールが機能的であり、非常に狭いバンド幅である場合のみに最もよく作動する。進行波給電を使用する従来の試みの欠点は、多数のポート（例えば50まで）が良好な効率を得るために通常必要であることである。結合固体装置はより小さいサブアレイグループの場合にさらに管理が良好になる。固体サブアレイパワ−ブロックの設計、製造およびメンテナンスは従来の結合技術を使用して達成することは困難である。

したがって信頼性があり、コンパクトで、効率のよい固体増幅マイクロ波結合器が必要とされている。

固体送信機回路が提供され、それは直列の分割器給電信号ラインと、直列のコレクタ給電信号ラインと、直列の分割器給電ラインと直列のコレクタ給電ラインとの間に接続された複数の並列固体増幅結合器回路と、直列の分割器給電ラインと直列のコレクタ給電ラインとの間の位相トラッキングエラ−を補償するための直列の分割器給電ラインに沿って分布された位相シフト回路とを含んでいる。さらに別の特徴は、直列の分割器給電ラインの入力と直列のコレクタ給電ラインの入力との間に接続された信号注入回路にある。

本発明の特徴および利点は添付図面に示された例示的な実施形態の以下の説明によってさらに明瞭になるであろう。

図１は本発明の特徴を使用する固体送信機回路10のエレメントの概略的な電気回路図である。送信機回路10は直列の分割器給電信号ラインあるいは信号路11を含んでおり、結合器回路の入力である入力あるいはスタート部13においてＲＦ信号を受信する。直列の分割器給電信号路11は導波管のような適当なマイクロ波伝送ラインで構成することができる。各分割器方向性結合器ＤＣ（０）−ＤＣ（Ｎ）は選択された動作波長の約半分の間隔で直列の分割器給電信号ライン11に接続されているが、必ずしも特に動作周波数帯域の中央において別の伝送メディアを使用したアプリケーションにおいては必要ではない。０次の方向性結合器ＤＣ（０）は分割器給電ライン11の入力13の位置にあるいはそれに近接して位置される。分割器方向性結合器ＤＣ（０）−ＤＣ（Ｎ）は分割器給電ライン11からそれぞれ固体ＲＦ増幅器Ａ（０）−Ａ（Ｎ）へ電力を結合するよう構成されている。

０次ＲＦ増幅器Ａ（０）の出力は誘導型位相整合回路15に供給され、その出力が直列のコレクタ給電信号ラインあるいは信号路17の入力18に結合される。この直列のコレクタ給電信号ライン17は導波管のように適当なマイクロ波伝送ラインで構成することができる。

各コレクタ方向性結合器ＣＣ（１）−ＣＣ（Ｎ）は動作波長の約半分の電気的な長さに等しい間隔で直列のコレクタ給電ライン17に接続され、それぞれ固体増幅器Ａ（１）−Ａ（Ｎ）の出力を受信する。直列のコレクタ給電ライン17の端部19は分割器直列給電ライン11の入力13から下流であり、回路10の出力を構成している。方向性結合器ＣＣ（１）−ＣＣ（Ｎ）は増幅器Ａ（１）−Ａ（Ｎ）からコレクタ給電ライン17へ電力を結合するよう構成されている。

それぞれ直列に接続された分割方向性結合器ＤＣ（Ｉ）、固体増幅器Ａ（Ｉ）、およびコレクタ方向性結合器ＣＣ（Ｉ）は他の結合回路と並列である固体増幅器回路を含んでいる。各結合増幅器ア−ムの結合器はそれぞれ関連した方向性結合器とに考えることができる。参考として、方向性結合器が接続された直列の分割器およびコレクタ給電信号ライン11,17 上の位置はポートと呼ばれている。

方向性結合器ＤＣ（０）、固体増幅器Ａ（０）および位相整合回路15は直列のコレクタ給電ライン17に接続された結合器を使用せずに直列のコレクタ給電信号ラインの入力18に直接注入された位相整合信号の注入をする。これは結合ステージの損失を除去し、振幅を有するＲＦ入力信号を与えることができる。比較的小さい数のコレクタ方向性結合器ＣＣ（０）−ＣＣ（Ｎ）によってサポートされることができる。従来のシステムにおいては、直列給電は約２０のポートより少ない小さいアレイに対してはあまり使用されていない。その理由は例えば直列のコレクタ給電ラインに注入された信号の振幅効率が大きいために、通常ポートの数が少ない場合に結合器によってサポ−トできる数より多いものが必要とされるからである。小さいアレイに対しては、この直接位相方法の信号注入技術は完全な効率で正確な振幅で信号を導入しない可能性があるが、直列のコレクタ給電信号ラインのスタートにおいて結合器を丁度用いるのに比較して改良されている。

回路10内の振幅の加重を実質上同一にするために、直列の分割器および直列のコレクタ給電信号ライン11,17 のそれぞれの方向性結合器は典型的に固有の結合値を有する。分割器給電ライン11中の最大許容結合値は結合器出力端19においてであり、それにより、電力が分割器給電ライン11に沿って連続的に抽出されるから一様な出力を供給することができる。対照的に、コレクタ給電ライン17に対する結合値は入力端部13で最も強くして、出力端部19付近を弱める必要がある。分割器給電ライン11に対する弱から強への、およびコレクタ給電ライン17に対する強から弱への結合値の変化の結果として、対応する方向結合器は異なる結合値を有する。

固体増幅器の出力電力が限定されるので、コレクタ給電ライン17からのエネルギ結合は実用的であると共に効率的でなければならない。高い効率はコレクタ給電ライン17中で可能な最大結合値を使用して具体化される。均一な分布を提供するために規定されたユニ−クな結合値によって、直列のコレクタ給電ラインの位相挿入はそれぞれのポートを通る直列の分割器給電ラインと比較して異なりユニ−クになる。

各並列結合器ア−ムのそれぞれ関連された分割器およびコレクタ結合器ＤＣ（Ｉ）およびＣＣ（Ｉ）は一様な、あるいは実質的に一様な分布を提供するために異なる結合値を有し、分割器に対する弱から強へ、コレクタに対する強から弱への反対の順序で変化する結合レベルである。これは直列の分割器給電ライン17と直列のコレクタ給電ライン11との間の位相トラッキングエラ−の原因となり、直列の分割器、および直列のコレクタ給電ライン11,17 の位相速度はポートからポートへはたどらない。言い換えれば、分割器およびコレクタ給電ライン11,17 のそれぞれの関連したポートの異なる結合は分割器およびコレクタ給電ライン11,17 にそれぞれ位相速度の摂動を生じる。位相トラッキングエラ−は補正または補償されない場合には、直列のコレクタ給電ライン17で集められた信号は位相コヒ−レントではなく、非効率となる。

非効率は図２の概略図の回路に関して示されている。図２は簡略化された２段の直列コンバイナ回路を示し、入力信号Ｅ１および出力信号Ｅ０を有している。

Ｅ０＝Ｅ１［Ｃ１^＊Ｃ２^＊Ｔ４＋Ｔ１^＊Ｃ３^＊Ｃ４］

最大Ｅ０に対して理想的には、
ΘＣ１＋ΘＣ２＋ΘＴ４＝ΘＴ１＋ΘＣ３＋ΘＣ４
ここでΘＣｘは結合器ｘにおいて結合挿入位相を表し、ΘＴ１は結合器ｘを通る伝送挿入位相を表す。

しかしながら、典型的にはΘＣ１はほぼΘＣ３であり、ΘＣ２はほぼΘＣ４であり、ΘＴ１はΘＴ４と等しくない。したがって、位相補正はアームの一部において必要である。

△Θ＝ΘＴ４−ΘＴ１
位相補正は２つの給電、すなわち直列の分割器および直列のコレクタ給電ライン11,17 をたどるためにネットワークにおいて付加されることができる。好ましくは、高電力処理においては、位相補正回路は電力破壊の危険のためにコレクタ給電ラインにおいて実行されるべきではない。

容量性位相シフトは、分割器の位相挿入を整合させるために、結合値が分割器結合器ＤＣ（１）−ＤＣ（Ｎ）のそれぞれ位置のコレクタ給電ラインの対応するポートと比較して弱い側の場合、分割給電ラインに適用されることができる。分割給電ラインは全ポートに対応するコレクタ結合値より弱い結合値を使用する。したがって消失はコレクタラインポートのリアクタンスを整合するために直列に配置されたシャントキャパシタ23の対21によって任意に増加および等化されることができる。例示的な実施例において、各対21のキャパシタ23は動作波長の４分の１に等しい電気的な長さだけ隔てられている。対21はそれぞれ隣接する分割器の方向性結合器ＤＣ（１）−ＤＣ（Ｎ）の１つと１つの間に接続され、方向性結合器ＤＣ（Ｎ）と直列の分割器給電信号ライン11の終端負荷25との間に接続される。例示的な実施例において波長の４分の１と等しい電気的な長さだけ隔てられた対21のキャパシタ23は、静電容量に比例した小さい段階的に増加位相シフトを有する整合した位相シフタを生ずる。分割器給電ライン11の弱い結合は必ずしも効率に必要ではないので可能であり、固体入力に結合されない電力は終端負荷25において消失されるようになる。分割器給電ラインへのＲＦ入力駆動信号は容易に低い分割ライン効率を補償するために増加されることができる。

直列の分割器給電ラインの容量的に補償された位相エラ−は電力処理を犠牲にせずにそれぞれポ−トにおけるコヒ−レントな位相を実現する技術である。他の位相トラッキング方法では並列結合回路の固体増幅器の位相シフトの使用を含んでいる。別の並列方法は、実行できるが、要求された位相エラ−補正は特にＮ番目のポートまでのそれぞれ直列ポートの段階的に増加する位相エラ−の全合計であるので望ましくない。＋／−３６０度から全合計範囲から、並列位相追跡アプローチは図１の直列位相補正に比較して利点が少ない。図１では１つの例示的な実施例において、任意に与えられた位置でわずか３０度以下の位相補正を使用する。直列の小さな段階的な位相補正は効率を最大にし、並列結合回路の位相シフタを使用するものに比較して複雑なのは少ない。

一般的に図１の技術を使用して、位相は直列のコレクタ給電ラインの分散を整合するため低電力の直列の分割器給電ラインの容量性位相リアクタンスによって同調される。図１のコンバイナ回路の例示的な導波管構造の耐性解析は、例として図３乃至５に記載されるように、いくつかの応用例に対して、明らかにされた直列位相トリミングは分割器給電ラインに具体化されることが可能であり、ユニットからユニットへ再同調する必要がなく製造する期間中持続される。

図３乃至５は図１の固体送信機回路の導波管回路構造を概略的に示している。例示的な実施例における導波管回路構造はコンパクトな格子間隔の直列導波管給電構造を使用する。導波管回路50は入力13でＲＦ信号を受信する主要な分割導波管11を含んでいる。各方向性導波管結合器ＤＣ（０）−ＤＣ（Ｎ）は選択された動作波長の約半分の電気的距離に等しい間隔で主分割器導波管11と各結合器分割導波管１４（０）−１４（Ｎ）との間に結合されている。０次の方向性導波管結合器ＤＣ（０）は分割器給電ライン11の入力13にあるいはそれに隣接して位置している。方向性導波管結合器ＤＣ（０）−ＤＣ（Ｎ）はそれぞれ結合器分割導波管１４（０）−１４（Ｎ）を通る分割導波管11からこの例示的な実施例による導波管転移部を通ってそれぞれ固体ＲＦ増幅器モジュールＡ（０）−Ａ（Ｎ）へ電力を結合するように構成されている。

０次のＲＦ増幅器モジュールＡ（０）の出力は出力がコレクタ導波管17のスタート端部に結合された誘導型位相整合絞りブロック15を供給される。各方向性導波管コンバイナ導波管ＣＣ（１）−ＣＣ（Ｎ）は各結合コンバイナ導波管１６（１）−１６（Ｎ）を動作波長の約半分に等しい電気的距離の間隔でコレクタ導波管17に結合し、およびそれぞれ固体増幅器モジュールＡ（１）−Ａ（Ｎ）の出力を受信する。分割器導波管11の入力13から下流であるコレクタ導波管17の端部19は直列のコンバイナ回路の出力を構成している。方向性導波管結合器ＣＣ（１）−ＣＣ（Ｎ）は増幅器Ａ（１）−Ａ（Ｎ）からコレクタ導波管17に電力を結合するよう構成されている。

容量性ポスト23は図１のコンバイナ回路の位相整合給電ライン11,17 に従ってコレクタ導波管17と位相整合するように分割器導波管11中に挿入される。例示的実施例において、ポスト23は導波管の高さの半分である。

本発明の直列導波管給電構造はＲＦ固体モジュールの大きさおよびパッケ−ジングを表すコンパクトで競合的な格子間隔を有する。進行波直列給電は各固体出力において４ポ−ト結合器を有して設計でき、広範な動的範囲にわたってグレ−スフルデグラデ−ションおよび利得制御が信頼性を有して達成できる。進行波給電の利点は、各固体モジュールの相互作用が透過するようになり、モジュールを向上し、交換され、オフ切換えを行うことが固体装置の設計向上あるいは厳しいｓパラメータの耐性の必要はなく簡単におよび確実に行うことが可能になる。直列の分割器給電（ＲＦ増幅器を起こす）と直列のコレクタ給電（電力を再合計する）との間の新しい遅延技術は周波数分散をせずに高効率になる。新しい信号注入および位相整合技術は２０％バンド幅にわたって−０．２５ｄＢよりよい進行波直列給電の効率を維持する。これらの明らかにされた技術は効率よくコンパクトに結合された小さい直列のグループ（＜２０）を可能にする。製造の許容誤差に敏感ではなく、容易にフィールド中において交換できるよう組立てられたより小さいサブアレイブロックを可能にする。小さいサブアレイ組立てブロックは必要によってコンバイナに付加し、あるいは交換するようなシステムをよりフレキシブルにする。

明らかにされた信号注入技術は直列のコレクタ給電のスタートにおいて位相整合された信号を導入し、下流の結合器の能動的な効率を高める。結合器は構成の一例として、導波管において実現可能であり、誘電型の絞りは導波管構造において注入位相整合の曲がりで使用されることができる。代わりに、信号注入技術は結合器および伝送線、例えば導波管の代わりに同軸線および同軸結合器を使用して構成されることができる。導波管を用いた最終結合ステージは低損失であり、したがってさらに効率競争を改良する。さらに、導波管はコロナ放電に安全な係数を示す。

開示された特徴はより長いコンバイナに匹敵する比較できる比較的短い進行波コンバイナを可能にし、高い結合の効率および進行コンバイナの設計における調節を同調する位相補償を簡単にすることを提供する。

本願発明はここで特定の例示的な実施形態を参照にして説明しているが、それは本発明の原理を単に示したものであり、それに限定されないことを理解すべきである。当業者は本発明の技術的範囲内において付加的な変形、応用および実施形態、ならびに本発明が顕著に利用される付加的な分野を認識するであろう。

本発明の特徴を使用したマイクロ波コンバイナ回路の概略電気回路図。 必要とする位相補償を示す簡略化されたコンバイナ回路図。 図１のマイクロ波コンバイナ回路の例示的な導波管構造の概略的斜視図。 図３のマイクロ波コンバイナ回路の導波管構造の概略的平面図。 図３の導波管構造の増幅器結合回路を示す横断面図。

Claims (1)

1. 直列の分割器給電信号ライン(11)と、
   直列のコレクタ給電信号ライン(17)と、
   前記分割器給電信号ライン(11)と前記コレクタ給電信号ライン(17)との間に接続された複数の固体増幅器(A(1)-A(N)) および複数の結合器回路(DC(1)-DC(N),CC(1)-CC(N)) とを具備し、前記複数の固体増幅器および結合器回路(A(1)-A(N),DC(1)-DC(N),CC(1)-CC(N)) は、前記分割器給電信号ライン(11)から結合された信号を増幅してその増幅された信号を前記コレクタ給電信号ライン(17)に結合し、
   さらに、前記分割器給電信号ライン(11)と前記コレクタ給電信号ライン(17)との間の位相エラ−を補償するために前記分割器給電信号ライン(11)に沿って分布された位相シフト回路(21)とを具備し、
   前記位相シフト回路(21)はシャントキャパシタの対(23)を含んでおり、各対のキャパシタは動作波長の４分の１の長さに等しい電気的長さによって分離されているマイクロ波固体送信機回路。

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