JP4679176B2 - パルス変調回路 - Google Patents

Description

本発明はパルス変調回路に関し、特に、複数種類の高周波（ＲＦ）パルス信号を出力する送信用増幅管等の駆動用のパルス信号を生成可能なパルス変調回路に関する。

従来、高周波パルス（ＲＦパルス）を増幅管で増幅して送信する増幅型送信装置においては、遅延線等（パルス成形回路）を直流充電し、該充電電荷を放電する原理により変調パルスを生成して送信用増幅管等を駆動しており、特に、パルス幅が多種のＲＦパルス対応の増幅型送信装置においては、送信するＲＦパルス入力信号のパルス幅に応じてパルス成形回路をスイッチにより切り替えるものや、全てのＲＦパルス入力信号に共通の長いパルス幅の固定長のパルスを出力する方式が知られている（特許文献１参照）。

図５〜７は、従来技術の各種のパルス変調回路を示す図であり、それぞれ（ａ）は各種回路ブロック図、（ｂ）はそれぞれの各部の信号波形図である。

何れのパルス変調回路の動作も、直流電源１０から充電回路２０を介してパルス成形回路７０を充電した状態において、送信トリガによりスイッチ素子５０を導通させてパルス成形回路７０の電荷を放電させ、その放電電流に基づくパルス出力をパルストランス３０を介して送信用増幅管４０に供給し、ＲＦパルス出力信号を送信する原理によるものである。

図５（ａ）に示す送信装置は、パルス切替トリガにより動作する切替スイッチ６０で、異なる充放電時間を有するパルス成形回路７０−１、７０−２を切替えて、２種類のＲＦパルス入力信号に対応する２種類のパルス幅の変調パルスを生成し増幅管４０へ供給するように構成したものである。

このパルス変調回路の場合、切替スイッチ６０による回路切替を必要とするとともに、高圧側の電圧が印加された状態で切替スイッチ６０を切替動作するため数ｍＳ程度の時間が必要であるから高速切替に問題があり、また、切り替え時に発生するノイズ対策等においても問題がある。

図６に示す送信装置は、切替スイッチ６０によりパルス成形回路７０−３にパルス成形回路７０−４を加算するように接続可能とし、同様に２種類のパルス幅の変調パルスを生成する方式であるが、やはり高圧側に切替スイッチ６０を使用する方式であり、図５に示す送信装置と同様な問題がある。

図７に示す送信装置は、複数のパルス幅のうちの最大パルス幅の変調パルスを生成できるパルス成形回路７０−５により、生成した変調パルスを異なるパルス幅のＲＦ入力信号に共用するものであるが、狭パルス送信の場合にも広パルス幅の変調パルスで動作させるため、消費電力が増大し、送信用増幅管の過熱に対する十分な冷却が必要であり、電源や冷却施設が大型化するという問題がある。
特公昭５１−４１５０３号公報

以上のように従来のパルス変調回路は、ＲＦ入力波形に応じてパルス成形回路を切替スイッチで切替えたり、ＲＦパルス入力信号の波形に拘わらず最大幅のパルスを発生する方式であるため、前者の場合は切替時間を要し、後者の場合は狭パルス動作において消費電力等が増大する等の欠点があり、適宜、好適なパルス幅のパルス信号を単一の動作で発生することができなかった。

本発明の目的は、以上の問題を解決しようとするものであり、パルス単位に高速に発生パルスのパルス幅を切り替え可能なパルス変調回路を提供することにある。

本発明の他の目的は、負荷に対する複数のパルス幅のパルス信号を一動作により選択的に供給することが可能なパルス変調回路を提供することにある。

本発明の他の目的は、ＲＦパルス入力信号の波形が頻繁に変わるような送信装置の増幅管等の駆動に適し、ＲＦ入力波形に応じて最適なパルス幅のパルス信号を高速に生成可能であり、ＲＦパルス出力信号の波形を最適にすることが可能なパルス変調回路を提供することにある。

本発明の他の目的は、パルス幅の切替のための回路切替時間がなく、最適なパルス幅のパルス信号により増幅管等の被駆動側の消費電力の低減が図れるパルス変調回路を提供することにある。

本発明のパルス変調回路は、充放電時間の異なる複数のパルス成形回路（例えば図１の７−１、７−２）と、前記複数のパルス成形回路の入力部に接続されパルス成形回路を充電する充電回路（例えば図１の２、５−１、５−２）と、前記複数のパルス成形回路のそれぞれの入力部又は出力部に接続され、前記パルス成形回路の充電電荷を放電するスイッチ素子（例えば図１の６−１、６−２）と、前記複数のパルス成形回路の放電電流に基づいてパルスを出力する出力回路（例えば図１の３、４）と、を有する。また、前記充電回路は、電源に接続されたチャージングコイル（例えば図１の２）と、前記入力部に接続されたホールドオフダイオード（例えば図１の５−１、５−２）の直列回路でなり、前記チャージングコイルは、前記複数のパルス成形回路に対し共通のコイル（例えば図１の２）である。

また、前記スイッチ素子はサイリスタであり、前記パルス成形回路はＬＣ分布定数回路であり、前記出力回路は、前記複数のパルス成形回路の放電電流を一次巻線に入力するトランスを有する。

更に、前記出力回路に高周波パルス信号を増幅出力する増幅管等の変調素子を備え、前記高周波パルス信号のパルス幅に応じて前記スイッチ素子を選択的に導通させることにより、最適なパルス幅のパルス信号により前記変調素子を駆動することを特徴とする。

（作用）
多種変調パルスを発生するためのそれぞれパルス成形回路を有するラインタイプのパルス変調器を並列に構成し、ＲＦパルス入力信号の波形に応じて最適なパルス成形回路をスイッチ素子に対するトリガ信号により選択する。多種の変調パルスを一動作により発生、供給することにより、パルス幅の切替時間を無くし、最適パルス幅の選択により消費電力の低減を図る。

本発明によれば、ラインタイプのパルス変調回路において、スイッチ素子を選択的に導通させるという単一の動作（一挙動）により複数の異なる時間幅のパルス出力を同一出力回路に選択的に発生することが可能である。

また、出力パルスのパルス幅毎の回路接続の切替操作等が不要であり、複数のパルス幅のパルス出力を高速に切替出力することが可能である。特に、高圧側回路の切替動作が不要であるから回路切替及びその切替の制御遅延が存在せず、また、高圧側の回路切替に伴うスイッチ動作遅延も生じ得ないという利点を有する。

従って、異なるパルス幅のＲＦパルス信号を増幅して送信する増幅管等の駆動回路に適用することにより、導通させるスイッチ素子を選択するのみでＲＦパルス信号のパルス幅毎に最適な変調（駆動）パルスを出力することが可能であり、ＲＦ送信信号のパルス波形の変形を防止することが可能であるとともに、増幅管の必要以上の過熱をも防止することが可能である。

（実施の形態１）
一実施の形態としてＲＦパルス入力信号を増幅管にて増幅して送信する大電力送信装置への適用例を説明する。出力パルス幅を一操作で切替えて送信する構成例であり送信トリガにより最適な変調パルスを選択する方式である。

（構成の説明）
図１は本発明のパルス変調回路の一実施の形態を示す図であり、同図（ａ）は回路ブロック図、同図（ｂ）は各部の信号波形図である。本実施の形態では、一例としてパルス幅を２種類に切替える構成例を示している。

本実施の形態は、直流電源（ＤＣ電源）１と、前記ＤＣ電源１の高圧側に直列接続されたチャージングコイル２と、前記チャージングコイル２に入力部が並列に接続された、互いに異なるパルス幅のパルス信号を発生するパルス成形回路（pulse forming network：ＰＦＮ）を使用した２つのラインタイプのパルス変調器（１）、（２）と、パルス変調器（１）、（２）の出力側に共通接続されたパルストランス３と、前記パルストランス３の二次側に接続された負荷となる増幅管４と、から構成される。

ここで、ラインタイプのパルス変調器（１）、（２）は、ＤＣ電源１の高圧側に接続されたチャージングコイル２に対し順方向接続されたそれぞれホールドオフダイオード５−１、５−２、前記ホールドオフダイオード５−１、５−２にそれぞれ接続された互いに長さの異なるＬＣ分布定数回路の伝送ライン、遅延線等でなるパルス成形回路７−１、７−２、前記ホールドオフダイオード５−１、５−２と前記パルス成形回路７−１、７−２の接続点と前記ＤＣ電源１の接地側との間に接続されたスイッチ素子６−１、６−２で構成される。

例えば、パルス変調器（１）は、パルス幅の短いパルスを生成する短いラインで構成したパルス成形回路７−１を使用することにより狭パルス変調器（１）とし、パルス変調器（２）にはパルス幅の長いパルスを生成する長いラインで構成したパルス成形回路７−２を使用することにより広パルス変調器（２）として構成する。

次に、狭パルス変調器（１）、広パルス変調器（２）自体のパルスの発生原理を説明する。
狭パルス変調器（１）のパルス成形回路７−１は、高圧のＤＣ電源１より供給される直流電圧により充電される。この充電動作は、チャージングコイル２、ホールドオフダイオード５−１、パルス成形回路７−１のコンデンサ成分及びパルストランス３の一次巻き線を介するＬＣ共振による電流が流れるので、パルス成形回路７−１のコンデンサはＤＣ電源１の供給電圧値の約２倍まで充電される。同様にパルス成形回路７−２は、チャージングコイル２、ホールドオフダイオード５−２、パルス成形回路７−２のコンデンサ成分及びパルストランス３の一次巻き線を介するＬＣ共振による電流により、そのコンデンサはＤＣ電源１の供給電圧値の約２倍まで充電される。

ここで、ホールドオフダイオード５−１、５−２は、それぞれのコンデンサのＬＣ共振による充電期間は順方向の充電電流により導通するが、コンデンサがＬＣ共振により充電され供給電圧値の約２倍まで達すると、それぞれその充電電圧により逆バイアスとなりダイオードは独立に非導通となり充電が停止し、それぞれのコンデンサの充電電圧は保持される。

コンデンサの充電完了状態の所定タイミング（ＲＦパルス入力信号が入力する直前）で、狭パルス送信か広パルス送信かに応じて、スイッチ素子６−１、６−２の何れかに送信トリガ信号（送信トリガ）が選択的に印加されると、スイッチ素子６−１又は６−２が導通状態となり、パルス成形回路７−１又は７−２の何れかのコンデンサに充電されているエネルギーがパルストランス３を介して放電することによりパルス信号を出力する。
出力されるパルス信号のパルス幅は、パルス成形回路７−１、７−２に使用する伝送ラインの伝送遅延時間の２倍の時間幅でありこのパルス幅は伝送ラインの長さに比例する。

パルストランス３は、パルス信号を昇圧して負荷の増幅管４を変調し、増幅管４はそのタイミングで供給されているＲＦパルス入力信号を増幅し、送信装置のＲＦパルス出力信号として出力する。

以上の動作により、各パルス変調器（１）又は（２）のスイッチ素子に対する送信トリガ（１）又は（２）の印加を切り替えることにより、狭パルスを必要とする時は狭パルス変調器（１）から、広パルスを必要とする時は広パルス変調器（２）からパルス信号を出力して増幅管４を駆動する。これによりそれぞれ単一のスイッチ制御により最適なパルス幅の変調パルスを高速に出力することが可能である。

（動作の説明）
図２は、本実施の形態の動作を示すタイミングチャートである。
本実施の形態が適用される送信装置としては、図２（ａ）、（ｆ）に示すように、狭パルスのＲＦパルス出力信号（ｔ３〜ｔ４）と広パルスのＲＦパルス出力信号（ｔ８〜ｔ９）が交互に送信される例を示しており、ＲＦパルス出力信号（ＲＦパルス入力信号）の周期は狭パルス及び広パルスのパルス幅より大きな期間（ｔ３〜ｔ８程度）である。

時点ｔ０ではパルス変調回路にＤＣ電源１から電力が供給され、ＲＦパルス入力信号の周期内において、前述のように、狭パルス変調器（１）と広パルス変調器（２）は直流電圧がチャージングコイル２、ホールドオフダイオード５−１、５−２を介して流れ、パルス成形回路７−１、７−２はＬＣ共振によりＤＣ電源１の供給電圧値の約２倍まで充電され、ホールドオフダイオード５−１、５−２はオフ状態であり、それぞれのコンデンサの充電電圧が保持されている。

本例では、時点ｔ３で狭パルスのＲＦパルス入力信号が増幅管４に印加されることから、増幅管４に印加するパルス信号はＲＦパルス入力信号がそのパルス幅内に含まれるようにＲＦパルス入力信号のパルス幅以上に設定し、時点ｔ３の直前の時点ｔ１に送信トリガを狭パルス変調器（１）のスイッチ素子６−１に印加する。狭パルス変調器（１）はパルス成形回路７−１としての伝送ラインの長さにより決定する時間幅ｔ１〜ｔ５の狭いパルス幅のパルス信号（ｃ）をパルストランス３に出力し、パルストランス３は前記パルス信号を昇圧し増幅管４に供給する。

ここで、パルス信号（ｃ）の後縁の時点ｔ５以降、狭パルス変調器（１）は直ちにパルス成形回路７−１がＬＣ共振による前記充電動作を開始し、次の送信トリガの印加時刻ｔ１０までは、十分期間があり充電状態を完了して保持し、次のパルス信号の出力の待機状態となる。

次に、時点ｔ８には広パルスのＲＦパルス入力信号が増幅管４に印加されることから、増幅管４に印加するパルス信号はＲＦパルス入力信号がそのパルス幅内に含まれるようにＲＦパルス入力信号のパルス幅以上に設定し、時点ｔ８の直前の時点ｔ６に送信トリガを広パルス変調器（２）のスイッチ素子６−２に印加される。広パルス変調器（２）はパルス成形回路７−２としての伝送ラインの長さにより決定する時間幅ｔ７〜ｔ１０の広パルスのパルス信号（ｅ）をパルストランス３に出力し、パルストランス３は前記パルス信号を昇圧し増幅管４に供給する。

広パルスのパルス信号の後縁の時点ｔ９以降、広パルス変調器（２）は直ちにパルス成形回路７−２がＬＣ共振による前記充電動作を開始し、狭パルス変調器（１）と同様の動作により次のパルス信号の出力の待機状態となる。

以上の動作からわかるように、本実施の形態ではパルス信号（ｃ）、（ｅ）の出力にスイッチの切り替え等が不要であるから、切替回路の構成を不要とし、その切替時間も不要であるから送信トリガ周期を小さくすることが可能であり、高速化が実現される。

（実施の形態２）
以上の実施の形態では、狭／広パルス対応のパルス変調回路として、２種のパルス変調器を有する構成例を説明したが、このパルス変調器を３回路以上として構成することができ、多種のパルス幅のＲＦパルス信号に対応する増幅型送信装置に応用することが可能である。

図３はパルス変調器をＮ回路設けた構成例を示す図である。Ｎ種類のパルス幅の変調パルスを発生することができ、多数のＲＦパルス入力信号の送信に適用可能である。

また、以上の実施の形態では、スイッチ素子をパルス成形回路の入力側（充電回路側）に設けた例を示したが、その出力側に設けるように構成することも可能である。

図４はスイッチ素子をパルス成形回路の出力側（出力回路側）に設けた実施の形態を示す図である。スイッチ素子（６−１、６−２）をパルス成形回路（７−１、７−２）の高圧側と出力回路のパルストランス３との間に設け、パルストランス３は一次巻線をスイッチ素子（６−１、６−２）と基準電位の間に設ける。

以上の実施の形態において、スイッチ素子としては、トリガ信号によりターンオンし、主電流路の電圧の極性が逆転したときにターンオフする特性を有するサイリスタ（ＳＣＲ）やサイラトロン等が採用可能である。チャージングコイルを共通に設ける構成例を示したが、それぞれパルス変調器に個別に設ける構成とすることができる。

多種なＲＦパルス出力信号を混合して送信する増幅型送信管を用いる大電力送信装置のパルス変調回路に適用可能である。

本発明のパルス変調回路の一実施の形態を示す図であり、同図（ａ）は回路ブロック図、同図（ｂ）は各部の信号波形図である。 本実施の形態の動作を示すタイミングチャートである。 パルス変調器をＮ回路設けた構成例を示す図である。 スイッチ素子をパルス成形回路の出力側（出力回路側）に設けた実施の形態を示す図である。 第１の従来技術を示す図である。 第２の従来技術を示す図である。 第３の従来技術を示す図である。

符号の説明

１、１０ 直流電源（ＤＣ電源）
２、２０ チャージングコイル
３、３０ パルストランス
４、４０ 増幅管（送信管）
５−１、５−２、５−Ｎ ホールドオフダイオード
６０ 切替スイッチ
５０、６−１、６−２、６−Ｎ スイッチ素子
７−１、７−２、７−Ｎ、７０−１、７０−２、７０−３、７０−４、７０−５ パルス成形回路（ＰＦＮ）

Claims (6)

1. チャージングコイルと、前記チャージングコイルに入力部が並列に接続され異なる充電電荷を放出する複数のパルス変調器と、を有し、
   前記複数のパルス変調器のぞれぞれは、
   電荷を充放電するパルス成形回路と、
   前記パルス成形回路の入力部に接続され、前記パルス成形回路を充電するホールドオフダイオードと、
   前記パルス成形回路の入力部または出力部に接続され、トリガ信号によりパルス成形回路の充電電荷を放電するスイッチング素子と、
   を有するパルス変調回路。
2. 前記複数のパルス成形回路の放電電流に基づいてパルスを出力する出力回路をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のパルス変調回路。
3. 前記チャージングコイルは、前記複数のパルス成形回路に対し共通のコイルであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパルス変調回路。
4. 前記スイッチ素子はサイリスタであり、前記パルス成形回路はＬＣ分布定数回路であることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載のパルス変調回路。
5. 前記出力回路は、前記複数のパルス成形回路の放電電流を一次巻線に入力するパルストランスを有することを特徴とする請求項２ないし４の何れか１項に記載のパルス変調回路。
6. 前記出力回路に高周波パルス信号を増幅出力する増幅管等の変調素子を備え、前記高周波パルス信号のパルス幅に応じて前記スイッチ素子を選択的に導通させることにより、最適なパルス幅のパルス信号により前記変調素子を駆動することを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載のパルス変調回路。

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