JP5619069B2 - アクティブフェーズドアレイアンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、レーダ、通信システムやマイクロ波放射計や電波受信システム等の受信用アンテナとして用いられるアレイアンテナ装置に関する。

レーダや通信システム等の信号受信機能を有するシステムにおける性能向上策として、システム雑音温度の低減による受信系の高感度化がある。システム雑音温度は、一般にアンテナからＬＮＡ（Low Noise Amplifier：低雑音増幅器）までの伝送損失とＬＮＡにて生じる内部雑音が支配的となるため、アンテナからＬＮＡまでの伝送線路や受信フィルタ等の電気回路、さらにはＬＮＡを真空容器等の断熱容器内に収容し、これらを超伝導状態となるまで冷却するための冷却手段を備えることにより、アンテナからＬＮＡまでの伝送損失をゼロに近づけ、ＬＮＡの内部雑音を低減し受信系の高感度化を図るアンテナ装置が考案されている。

特開２０００−２３６２０６号公報

ところで、従来のアンテナからＬＮＡまでの伝送線路や受信フィルタ等の電気回路、さらにはＬＮＡを真空容器等の断熱容器内に収容し、これらを超伝導状態となるまで冷却するための冷却手段を備えることにより、アンテナからＬＮＡまでの伝送損失をゼロに近づけ、ＬＮＡの内部雑音を低減し受信系の高感度化を図るアンテナ装置では、断熱容器の外側となる常温部と断熱容器内の極低温部との電気的（高周波）インターフェースに気密型同軸コネクタを用い、断熱容器内では同軸コネクタから高周波回路までの接続に同軸ケーブルを使用していた。

しかしながら、このような常温部と極低温部との接続方法では、同軸コネクタ及び同軸ケーブルの外導体（金属）で常温部と極低温部とが繋がってしまうため、常温部の熱が外導体（金属）を伝って極低温部に流入し、極低温部の温度上昇が生じる。このため、この熱流入による温度上昇分を見込んだ冷却手段の冷却能力を有する必要があり、これによって冷凍機等の冷却手段の規模が増大していた。

この冷却手段の規模の増大を抑制する方法として、同軸ケーブルの直径を細くして熱流入を低減することが考えられるが、この場合、同軸ケーブルの伝送損失が増加し、受信感度が劣化することになる。また、高感度化を維持しようと同軸ケーブルの直径を太くすると、熱流入が増加し、冷却手段の規模が増大するといった課題があった。さらに、従来方式では気密型同軸コネクタ分のコスト発生に加えて、構造的にコネクタ分の寸法の確保が必要といった課題があり、これらの改善が望まれていた。

そこで、本実施形態は、上記の課題を鑑みてなされたもので、断熱容器内を冷却するための冷凍機等の冷却手段の規模を縮小しつつ、受信系統の高感度化を実現することができるアクティブフェーズドアレイアンテナ装置を提供することを目的とする。

本実施形態によれば、アクティブフェーズドアレイアンテナ装置は、アレイ状に配列される複数のアンテナ素子、アンテナ素子のそれぞれに対応する複数の受信回路、複数の受信回路ごとに設けられ、受信回路から出力される信号を所望の位相に制御する複数の移相器、複数の受信回路を収容し外部からの熱を遮断して極低温状態を維持する真空容器、および、真空容器に収容される複数の受信回路を冷却する冷却部を具備する。そして、受信回路の各々は、対応するアンテナ素子で受信された信号のうち、所望の周波数帯域の受信信号を通過させる受信フィルタと、受信フィルタを通過した受信信号を低雑音増幅する低雑音増幅器（ＬＮＡ）とを備える。また、受信フィルタ及び受信フィルタと低雑音増幅器の接続線路は、冷却手段の冷却によって超伝導状態となる超伝導素材で構成される。さらに、真空容器の内部の極低温側と外部の常温部側との入力信号接続及び出力信号接続となるインターフェースの少なくともいずれかに、誘電体を装荷された非接触型導波管を用い、誘電体により真空容器を気密構造とするようにした。

本実施形態に係るアレイアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 図１に示すアレイアンテナ装置における真空容器の断面図である。 本実施形態に係るアレイアンテナ装置における真空容器の変形例１を示す断面図である。 本実施形態に係るアレイアンテナ装置における真空容器の変形例２を示す断面図である。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以降の図における同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係るアレイアンテナ装置の構成を示すブロック図である。

このアレイアンテナ装置は、分配器１と、送信用移相器２１〜２ｎと、送信アンプ３１〜３ｎと、送信フィルタ４１〜４ｎと、送受信切換器５１〜５ｎと、リミッタ６１〜６ｎと、受信フィルタ７１〜７ｎと、ＬＮＡ（低雑音増幅器）８１〜８ｎと、受信用移相器９１〜９ｎと、合成器１０と、真空容器１１と、冷凍機１２と、冷却プレート１３とを備える。

なお、アレイアンテナ装置に備える送信系統及び受信系統は、アレイ状に配列される複数のアンテナ素子数ｎに対応してｎ個ずつ設け、それぞれアンテナ素子に接続される。

ここで、分配器１は、上位装置により入力される送信信号を分配する機能を有し、送信用移相器２１〜２ｎは、分配器１により分配された送信信号の位相を所望の位相に制御するものである。また、送信アンプ３１〜３ｎは、送信用移相器２１〜２ｎにより位相を制御した送信信号の増幅を行い、送信フィルタ４１〜４ｎでは、増幅した送信信号のうち、所望の送信周波数帯域の信号を選択して通過させる。

送受信切換器５１〜５ｎは、送信系統と受信系統の切り換えを行うものであり、例えば、サーキュレータや同軸スイッチ等を用いる。リミッタ６１〜６ｎは、入力される受信信号の信号レベルを制限し、以降の受信フィルタ７１〜７ｎやＬＮＡ８１〜８ｎへの過入力保護を行う。また、受信フィルタ７１〜７ｎでは所望の受信周波数帯域の信号を通過させ、それ以外の周波数成分を遮断するものであり、この受信フィルタ７１〜７ｎは超伝導素材で構成される。ＬＮＡ８１〜８ｎについては、受信フィルタ７１〜７ｎを通過した受信信号の低雑音増幅を行うものである。

なお、図１では、上記リミッタ６１〜６ｎ、受信フィルタ７１〜７ｎ及びＬＮＡ８１〜８ｎを受信回路１１５１〜１１５ｎとして表す。

さらに、受信用移相器９１〜９ｎはＬＮＡ８１〜８ｎで増幅した受信信号を所望の位相となるよう制御するものであり、合成器１０は受信用移相器９１〜９ｎによって位相制御した各受信信号の信号合成を行う。

真空容器１１は、容器内に収容するリミッタ６１〜６ｎ、受信フィルタ７１〜７ｎ及びＬＮＡ８１〜８ｎからなる受信回路１１５１〜１１５ｎの断熱と保温を行うもので、極低温の効率的な維持を目的として超伝導素材を配置した周囲を真空状態として断熱するための容器である。このため、少なくとも超伝導素材を配置した周囲はインターフェース用のコネクタ等を含めて気密構造とする。

冷凍機１２と冷却プレート１３は、真空容器１１内の伝送線路及び受信回路１１５１〜１１５ｎを極低温に冷却するための冷却手段である。

上記構成において、送信時は、上位装置から入力される送信信号を分配器１にてアレイ状に配置される各送信用移相器２１〜２ｎに分配供給し、各送信用移相器２１〜２ｎにて所望の位相に制御した後、送信アンプ３１〜３ｎで電力増幅し、送信フィルタ４１〜４ｎにて不要波成分を抑圧し、送受信切換器５１〜５ｎを介してアンテナ素子から空間へ送信信号を放射する。

また、受信時は、各アンテナ素子にて受信された信号が送受信切換器５１〜５ｎを介して受信系に入力され、真空容器１１内に配置したリミッタ６１〜６ｎを介して、受信フィルタ７１〜７ｎによって不要波成分が抑圧し、ＬＮＡ８１〜８ｎにより信号増幅した後、受信用移相器９１〜９ｎにて所望の位相に制御し、合成器１０により各信号を合成して、受信ビームとして出力する。

図２は、図１に示すアレイアンテナ装置における真空容器１１の断面図である。

図２に示す真空容器１１内のリミッタ６１〜６ｎと受信フィルタ７１〜７ｎとＬＮＡ８１〜８ｎとを接続する伝送線路及び受信フィルタ７１〜７ｎは、超伝導素材で構成されており、これらは真空容器１１に接続する冷凍機１２等の冷却手段によって超伝導状態となる極低温に冷却される。なお、図１と同様にリミッタ６１〜６ｎ、受信フィルタ７１〜７ｎ及びＬＮＡ８１〜８ｎは、受信回路１１５１〜１１５ｎとして表す。

図２より、アンテナ素子にて受信された信号は、入力側の同軸導波管変換器１１１Ａ１〜１１１Ａｎ及び非接触型導波管１１２Ａ１〜１１２Ａｎを介して、真空容器１１内の受信回路１１５１〜１１５ｎへ入力される。ここで、受信回路１１５１〜１１５ｎは真空容器１１内の冷却プレート１３により極低温に冷却され、超伝導素材を使用する伝送線路及び受信フィルタ７１〜７ｎを超伝導状態として、伝送損失をゼロに近づけるとともに、ＬＮＡ８１〜８ｎも極低温に冷却されることによりＬＮＡ８１〜８ｎ内部で生じる雑音を低減することができる。

なお、ＬＮＡ８１〜８ｎにて低雑音増幅された信号は、出力側の非接触導波管１１２Ｂ１〜１１２Ｂｎ及び同軸導波管変換器１１１Ｂ１〜１１１Ｂｎを介して、常温部へと出力される。

ここで、真空容器１１内は常温部からの熱流入や熱輻射からの影響を極力低減させて極低温を維持することが、冷凍機などの冷却手段の規模縮小に繋がるため、図２に示すように、本実施形態に係わるアレイアンテナ装置では、真空容器１１外の常温部と真空容器１１内の極低温部の電気的（高周波）インターフェースに、非接触導波管１１２Ａ１〜１１２Ａｎ，１１２Ｂ１〜１１２Ｂｎを使用する。すなわち、非接触導波管１１２Ａ１を例にとると、真空容器１１外にもその一部が設けられる第１の部分１１２Ａ１ａは真空容器１１外の常温による影響により一定の熱を有することになるが、非接触導波管１１２Ａ１ｂは、この第１の部分１１２Ａ１ａと物理的に接続されていない。したがって、従来のような熱伝導による熱の流入を大幅に低減することができ、冷却に必要な冷却手段の規模を縮小することが可能となる。なお、導波管の非接触部分については伝送損失を低減するための手段としてチョーク構造などを用いる。

なお、超伝導素材が超伝導状態となる極低温への冷却部位は、少なくとも超伝導素材を使用する受信回路１１５１〜１１５ｎが含まれていればよく、この極低温に冷却する部位への電気的（高周波）インターフェースとして前記非接触導波管の１１２Ａ１ｂが接続され、常温部からの熱伝導を伴う非接触導波管の第１の部分１１２Ａ１ａとは物理的に接続されていないことは図２より明らかである。

上記導波管については、一般的な中空型で真空窓等を利用する気密構造としても良いが、図２に示すように複数の回路を同一の真空容器１１内に収容して一体化構造とする場合、誘電体装荷型導波管を用いて、装荷する誘電体の波長短縮率を活用する小型化が効果的である。さらに、装荷した誘電体により真空容器１１内の真空維持を可能として、真空窓等を用いずに気密構造とすることができる。また、誘電体装荷型導波管は縦横の寸法比率を配置スペースに合わせて柔軟に最適設計することが可能なため、小型・軽量化を目的として限られたスペースに配置する場合は有効である。

なお、図１及び図２には、複数の受信回路１１５１〜１１５ｎを同一の真空容器１１内に収容して一体化した構造を示したが、アンテナ素子に対応する受信回路ごとに真空容器１１を分割しても良い。

また、図１及び図２では、複数の受信回路１１５１〜１１５ｎを１つの冷却プレート１３で冷却する構成を示したが、アンテナ素子に対応する受信回路ごとに冷却プレート１３を設けて、個別に冷却しても良い。

（実施形態の変形例１）
図３は、本実施形態に係るアレイアンテナ装置における真空容器１１の変形例１を示す断面図である。

図２では、受信信号の入力側の導波管及び出力側の導波管として、共に非接触型導波管を使用しているが、熱流入が許容できる範囲であれば、どちらか一方のみを非接触型導波管で接続し、もう一方を同軸ケーブルで接続するようにしても良い。

システム雑音温度は、アンテナからＬＮＡ８１〜８ｎまでの伝送損失及びＬＮＡ８１〜８ｎの内部雑音が支配的であることは周知であり、ＬＮＡ８１〜８ｎにて低雑音増幅された後の受信信号を常温部へ伝送する際の伝送損失が多少増加してもシステム雑音温度へ与える影響は少ない。

このため、例えば図３に示すように出力側に気密型同軸コネクタ１１３Ｂ１〜１１３Ｂｎと同軸ケーブル１１４Ｂ１〜１１４Ｂｎを使用した構成としても、システム雑音温度を低減した高感度なアレイアンテナ装置を提供することができる。

さらに、前述の通り低雑音増幅した後の伝送損失はシステム雑音温度の劣化に与える影響が少ないことから、出力側の同軸ケーブル１１４Ｂ１〜１１４Ｂｎに直径の細い同軸ケーブルを使用して熱流入を低減しても良い。

（実施形態の変形例２）
図４は、本実施形態に係るアレイアンテナ装置における真空容器１１の変形例２を示す断面図である。

ここでは、図２に示す同軸導波管変換器１１１Ａ１〜１１１Ａｎ，１１１Ｂ１〜１１１Ｂｎを用いた変換方法ではなく、回路基板１４を用いて導波管―ストリップ線路変換または導波管―マイクロストリップ変換を電磁結合方式にて行う。

すなわち、常温部に配置する送受信切換器５１〜５ｎ等の部品を単一基板または多層基板上に実装して回路基板１４を構成し、この回路基板１４内の伝送線路（マイクロストリップ線路またはストリップ線路）と真空容器１１内の導波管との接続に電磁結合方式を用いることにより、従来の方式に対して気密型同軸コネクタを削減することができる。これにより、材料費の低減とともに気密型同軸コネクタ分のスペースを不要として小型化を可能とし、図４に示すような真空容器１１を含めて薄型な平面構造とすることができる。

さらに、パッチアンテナ等の平面アンテナをアンテナ素子に採用することで、アンテナ素子も含めた薄型構造が実現できる。

以上のように、上記実施形態におけるアレイアンテナ装置は、真空容器１１外の常温部と真空容器１１内の極低温部の電気的（高周波）インターフェースに、非接触導波管１１２Ａ１〜１１２Ａｎ，１１２Ｂ１〜１１２Ｂｎを使用することで、常温部との物理的な接続箇所がなくなり熱伝導による熱の流入を大幅に低減し、冷却に必要な冷却手段の規模を縮小して、受信系の高感度化を実現したアレイアンテナ装置を提供することができる。

上記アレイアンテナ装置は、移相器を使用しない機械回転式のアレイアンテナ及びアンテナ素子ごとやサブアレイごとに移相器を有するフェーズドアレイアンテナのいずれにも適用可能である。また、パッシブアレイアンテナ及びアクティブアレイアンテナのいずれにも適用可能である。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…分配器、２１〜２ｎ…送信用移相器、３１〜３ｎ…送信アンプ、４１〜４ｎ…送信フィルタ、５１〜５ｎ…送受信切換器、６１〜６ｎ…リミッタ、７１〜７ｎ…受信フィルタ、８１〜８ｎ…低雑音増幅器（ＬＮＡ）、９１〜９ｎ…受信用移相器、１０…合成器、１１…真空容器、１１１Ａ１〜１１１Ａｎ，１１１Ｂ１〜１１１Ｂｎ…同軸導波管変換器、１１２Ａ１〜１１２Ａｎ，１１２Ｂ１〜１１２Ｂｎ…非接触型導波管、１１３Ｂ１〜１１３Ｂｎ…気密型同軸コネクタ、１１４Ｂ１〜１１４Ｂｎ…同軸ケーブル、１１５１〜１１５ｎ…受信回路、１２…冷凍機、１３…冷却プレート、１４…回路基板。

Claims (6)

1. アレイ状に配列される複数のアンテナ素子と、
   前記アンテナ素子のそれぞれに対応する複数の受信回路と、
   前記複数の受信回路ごとに設けられ、前記受信回路から出力される信号を所望の位相に制御する複数の移相器と、
   前記複数の受信回路を収容し、外部からの熱を遮断して極低温状態を維持する真空容器と、
   前記真空容器に収容される前記複数の受信回路を冷却する冷却部とを具備し、
   前記受信回路の各々は、
   対応するアンテナ素子で受信された信号のうち、所望の周波数帯域の受信信号を通過させる受信フィルタと、
   前記受信フィルタを通過した受信信号を低雑音増幅する低雑音増幅器（ＬＮＡ）とを備え、
   前記受信フィルタ及び受信フィルタと低雑音増幅器の接続線路は、前記冷却部の冷却によって超伝導状態となる超伝導素材で構成され、
   前記真空容器の内部の極低温側と外部の常温部側との入力信号接続及び出力信号接続となる、電気的（高周波）インターフェースの少なくともいずれかに、誘電体を装荷された非接触型導波管を用い、
   前記誘電体により前記真空容器を気密構造とすることを特徴とするアクティブフェーズドアレイアンテナ装置。
2. さらに、前記低雑音増幅器の入力側に設けられ、前記アンテナ素子からの信号の信号レベルを制限するリミッタを備え、
   前記真空容器は、前記リミッタを含めて収容することを特徴とする請求項１記載のアクティブフェーズドアレイアンテナ装置。
3. 前記真空容器は、少なくとも前記受信フィルタを構成する超伝導素材が配置される周囲を真空状態とすることを特徴とする請求項１記載のアクティブフェーズドアレイアンテナ装置。
4. 前記アンテナ素子に対応する受信回路ごとに、前記真空容器を分割することを特徴とする請求項１記載のアクティブフェーズドアレイアンテナ装置。
5. 前記真空容器の内部の極低温部側と外部の常温部側との接続において、前記受信信号の出力側を気密型同軸コネクタ及び同軸ケーブルで接続することを特徴とする請求項１記載のアクティブフェーズドアレイアンテナ装置。
6. 前記真空容器外に配置する部品を単一もしくは多層の回路基板に設置し、前記回路基板内の伝送線路と前記真空容器内に接続される非接触型導波管との接続に電磁結合方式を用いることを特徴とする請求項１記載のアクティブフェーズドアレイアンテナ装置。

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