JP5633312B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は電源装置に関し、特にフェーズドアレイレーダにおける電源装置に関するものである。

フェーズドアレイレーダのアンテナ装置は、複数のアンテナ素子を面上に所定の規則（例えば、マトリクス状）に従って配置し、各アンテナ素子毎に、所定の規則に従った電力と位相とで励振（受信の場合には、所定の位相で合成）することにより、当該面から任意の方向へのアンテナビームパターンを形成するようにしたものである。

各アンテナ素子の前段（受信の場合には、後段）には、個別に、送信信号の電力増幅および受信信号の低雑音増幅する機能を持った送受信モジュールと、電力を供給する電源部とが配置されている。そして、送受信の周波数が高いレーダほど、アンテナ素子の配列規則の関係で、送受信モジュールの間隔が狭くなり、必要とする送受信モジュール及び電源部の小型化が要求されることになる。

これら送受信モジュールは、送信電力を増幅するため大きな電力を消費するが、大電力の電源部を個々の送受信モジュールに直接実装させることは大きさの制約から困難である。また、使用する送受信モジュール及び電源は、故障率及び経年劣化の影響により故障は避けられない。

図９には、本発明の関連技術の一例を示しており、特許文献１に開示の技術である。図９において、負荷部Ａ１〜Ａ４…と、電源部Ｆ１〜Ｆ４と…が、一対一の関係になるよう構成されている。これら負荷部の各々は、図２にも示すように、複数のアンテナ素子と、これら各アンテナ素子に対応する複数の送受信モジュール（ＭＤＬ）とからなっている。また、電源部の各々は、図１０に示すように、装置の主電源Ｐから電源供給を受ける電源を有している。

これら図２や図１０からもわかるように、特許文献１に開示のフェーズドアレイレーダは、複数のアンテナ素子と複数の送受信モジュールとからなる負荷部一つに対して、電力を供給する一つの電源部が配置されている構成である。

フェーズドアレイレーダは、その運用用途の特性上、２４時間の連続運転が必要であり、使用している構成品及び部品が故障した場合でも、原則動作を停止させることなく容易に交換可能な構造とすることが要求される。また、想定される範囲内における複数の送受信モジュールの故障や、構成品故障に伴う複数の送受信モジュールの機能喪失が発生した場合にも、要求されている探知能力以上の水準で機能することが必須である。

上記の特許文献１に記載の構造においては、一つの電源部が故障してしまうと、複数の送受信モジュールが機能を喪失してしまい、結果として、探知能力及び各種精度が低下してしまう恐れがあるために、ある程度の送受信モジュールが機能喪失した場合でも、レーダ性能として要求されている最低性能を満足することができるように、送受信モジュールの実装数量や、送信電力及び受信利得等にマージンを持たせることにより、性能低下を回避させるようになっている。

しかしながら、近年、探知目標となる対象物の小型化やステルス化により、要求される探知能力が高水準化してきている。また、エコロジ性や低コストの追求により、性能マージンの極小化を図る必要がある。性能マージンの極小化を図った場合、複数の送受信モジュールが故障したり、一つの電源部の故障に伴い配置されている複数の送受信モジュールが機能喪失したりすると、探知能力が要求性能を満足できない可能性が生じてきている。

合わせて、探知能力の向上を図るために、空間に出力する送信電力も要求性能に合わせて高出力化しており、使用する電源は、小型高電力に対応するために、専用設計による高価な専用電源を使用しなければならず、コストアップの要因となっている。

特開２００３−３０９４２７号公報

上記の特許文献１に開示の技術における課題を整理すると以下のようになる。すなわち、第１の問題点は、要求される探知精度が高水準化し、想定される故障に対して探知能力にマージンを持たせた設計とすることが難しくなってきている。そのために、１つの電源部が故障することによって、配置されている複数の送受信モジュールが機能喪失することにより探知能力が低下し、性能を満足することが困難となる可能性があるということである。

また、第２の問題点は、使用する電源は高出力化に伴い供給電力が増大するために、専用設計の高価な電源を使用しなければならず、よってコストアップの要因となってしまうということである。

本発明の目的は、一つの電源が停止することがあっても、配置されている送受信モジュールが機能喪失することなく継続的に動作し、要求された高水準の探知能力を満足することが可能なアクティブフェーズドアレイレーダにおける電源装置を提供することである。

本発明の他の目的は、専用設計となっている高価な電源を使用せずに、調達が容易な汎用電源を使用すること、及び冗長機能を集約することにより、低コスト化したアクティブフェーズドアレイレーダにおける電源装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明による電源装置は、電波を送受信し電力を消費する負荷部に対して、並列接続されて並列に電力を供給する複数の電源部からなる電源群と、前記電源群に並列接続されてこれら電源群の一つの電源部の代替となる冗長部とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、一つの電源が停止しても、配置されている送受信モジュールが機能喪失することなく継続的に動作し、要求された高水準の探知能力を満足することが可能となるという効果がある。また、本発明によれば、高価な電源を用いることなく、調達が容易な汎用電源を使用することができ、また冗長機能を集約することによって低コスト化することが可能となるという効果がある。

本発明の一実施の形態のブロック図である。 図１の負荷部の構成の概略を示す図である。 図１の電源部の構成の概略を示す図である。 図１の冗長部の構成の概略を示す図である。 図１のブロックにおける正常動作状態を示す図である。 図１のブロックにおける異常動作状態を示す図である。 本発明の他の実施の形態のブロック図である。 図７の冗長部の構成の概略を示す図である。 本発明に関連する技術を説明するためのブロック図である。 図１０の電源部の例を示す図である。

以下に、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の一実施の形態のブロック図である。図１を参照すると、本発明による電源装置は、各々がレーダ信号の送受信を行って電力を消費する複数の負荷部Ａ１〜Ａ４…と、互いに並列に接続されてこれら複数の負荷部Ａ１〜Ａ４…の各々に対して必要な電力を並列に供給すべく汎用電源により構成された複数の電源部Ｂ１〜Ｂ４…、Ｃ１〜Ｃ４…、Ｄ１〜Ｄ４…を有している。

これら電源部と負荷部との関係は、以下のとおりである。すなわち、負荷部Ａ１に対して、複数の電源部Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１が並列に設けられて第一の電源群を構成している。また、負荷部Ａ２に対して、複数の電源部Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２が並列に設けられて第二の電源群を構成している。

更に、負荷部Ａ３に対して、複数の電源部Ｂ３，Ｃ３，Ｄ３が並列に設けられて第三の電源群を構成している。更にはまた、負荷部Ａ４に対して、複数の電源部Ｂ４，Ｃ４，Ｄ４が並列に設けられて第四の電源群を構成している。

そして、これら並列に接続された複数の電源部（電源群）の内の一つに故障が発生して電力が供給できなくなった場合に、当該故障発生の電源部に替わって電力を供給すべくこれら電源部と並列に接続された冗長部Ｅ１〜Ｅ２…を有している。

本例では、二組の負荷部Ａ１とＡ２とに対して、一つの冗長部Ｅ１が設けられており、他の二組の負荷部Ａ３とＡ４とに対して、一つの冗長部Ｅ２が設けられている構成である。

図２は負荷部Ａ１の一例を示すブロック図である。当該負荷部Ａ１は、電波を送受するアンテナ素子と、このアンテナ素子に接続されて送信信号の電力増幅や受信信号の低雑音化をなす送受信モジュール（ＭＤＬ）との組が、複数セットで構成されている。負荷部Ａ１で必要とされる電力は電源部Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１より供給される。なお、図１における他の負荷部Ａ２〜Ａ４…も、図２に示した負荷部Ａ１と同じ構成である。

図３は電源部Ｂ１の一例を示すブロック図である。電源部Ｂ１は、負荷部Ａ１に供給する電力の一部を負担するものであり、この電源部Ｂ１から出力される電力は、整流ダイオードＬ１を通して負荷部Ａ１へ送電される。この電源部Ｂ１には、装置の主電源Ｐから電力が供給されるようになっている。図１における他の電源部Ｂ２〜Ｂ４…，Ｃ１〜Ｃ４…，Ｄ１〜Ｄ４…も、図３に示した電源部Ｂ１と同じ構成である。

図４は冗長部Ｅ１の一例を示すブロック図である。冗長部Ｅ１は、負荷部Ａ１に接続される電源部Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１に対応する第一の系統と、負荷部Ａ２に接続される電源部Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２に対応する第二の系統との２系統の出力を有し、図３に示した電源部Ｂ１の例と同様に、負荷部に対して電力を供給する電源を有する。

上述の如く、出力される電力は、２系統の出力のうち、必要に応じてスイッチＳＷによりどちらか一方が選択されて、整流ダイオード１２，１３を通して対応する負荷部に送電されるようになっており、装置の主電源Ｐから電力が供給されるものである。なお、他の冗長部Ｅ２…も、図４に示した冗長部Ｅ１と同等の構成である。

本装置では、図１０で示した技術で使用していた専用設計電源の１／３程度の電力を供給可能な汎用電源で構成される電源部Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１を構成として有しており、更に、これら電源部と同じ汎用電源で構成される冗長部Ｅ１を構成として有している。冗長部Ｅ１の出力は２系統であり、第一の系統は、電源部Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１、第二の系統方は、Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２に並列に接続されている。

図５は、図１のブロックにおいて正常時の動作状態を示すものである。通常動作時には、負荷部Ａ１で必要とされる電力は、電源部Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１、負荷部Ａ２で必要とされる電力は、電源部Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２より、それぞれ１／３ずつ供給されている。このとき冗長電源Ｅ１は動作せず、よって、冗長電源からの出力はないことになる。

なお、図５において、電源部Ｂ１の内部には、スイッチＳ１が設けられており、当該電源部の交換や保守などの作業時において、電力の出力を阻止するためのものであり、通常時には、当該スイッチＳ１はオンとなっているものとする。他の電源部Ｃ１，Ｄ１，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２においても、同様とする。また、冗長部Ｅ１においても、スイッチＳが設けられており、現用の電源部の正常動作時には、このスイッチＳはオフとなっているものとする。

図６は、電源部Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２のうち、例えば、電源部Ｃ１が故障した場合を想定した場合の動作を示すための図である。電源部Ｃ１が故障により電力を供給できなくなった場合には、この電源部Ｃ１から冗長部Ｅ１に対して故障検出信号１が送出されることになる。冗長部Ｅ１は、電源部Ｃ１からの故障検出信号１により、スイッチＳ（図５参照）をオンとし、またスイッチＳＷ（図５参照）を故障した負荷Ａ１側にして、二つある電力出力系統を切替えた後、出力動作を開始することになる。

その結果、負荷部Ａ１に対しては、故障した電源部Ｃ１に代わって、冗長部Ｅ１と、更には電源部Ｂ１，Ｄ１とから、それぞれに１／３ずつの電力が供給されることになるのである。負荷部Ａ１は、電源部Ｂ１，Ｄ１と冗長部Ｅ１とによって必要となる電力が供給されることになるので、機能喪失することなく連続して動作することが可能となる。

また、故障した電源部Ｃ１については、負荷部Ａ１を動作させたまま、故障した電源部Ｃ１を取外して正常動作可能な電源部Ｃ１’を実装することができる。このとき、電源部Ｃ１内のスイッチＳ１（図５参照）がオフとされることは勿論である。

電源交換後、電源部Ｃ１’が動作を開始すると、正常動作となるために故障検出信号１は送出されないので、冗長部Ｅ１は動作を停止し、負荷部Ａ１は電源部Ｂ１，Ｃ１’，Ｄ１から１／３ずつの電力が供給されて、図５の正常動作と同様の状態に復帰することになる。

同様に、電源部Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２のうち、負荷部Ａ２側の電源部Ｃ２が故障した場合にも、冗長部Ｅ１は、電源部Ｃ２からの故障検出信号２により、スイッチＳをオンとし、またスイッチＳＷを故障した負荷Ａ２側にして、二つある電力出力系統を切替えた後、出力動作を開始することになる。

負荷部Ａ２には、故障した電源部Ｃ２に代わり、冗長部Ｅ１及び電源部Ｂ２，Ｄ２から１／３ずつの電力が供給される。負荷部Ａ２は、電源部Ｂ２，Ｄ２と冗長部Ｅ１より必要となる電力が供給されることによって、機能喪失することなく連続して動作することが可能となる。なお、故障した電源部Ｃ２の取替えについても、前述した故障電源部Ｃ１と同様であることは勿論である。

以上のように、電源の故障率を考慮し電源部を冗長化するこにとにより、ある電源部が故障しても、配置されている複数の送受信モジュールの機能が喪失されることがなく、常に高水準化の探知能力を保ったレーダの動作が可能となると共に、一つの冗長電源で複数系統の複数の電源部を冗長することができ、よって負荷部の動作を停止することなく、故障した電源の交換が可能となる。

また、専用設計となっていた大電力専用電源を入手性の良い低出力の汎用電源とすることで、トータルコストの低減を図ることも可能となる。上記の実施の形態において、一般的に専用設計となっていた大電力専用電源の購入コストよりも、汎用電源で構成される電源部Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１と冗長部Ｅ１の総購入コストの方が低くなる。

一例を挙げると、専用設計となっていた大電力専用電源を６ｋＷ相当とすると、入手性の良い低出力の汎用電源は２ｋＷ相当となるが、一般的に、この２台の電源の購入コストを比較すると、前者の購入コストよりも後者の購入コストの方が低くなるのである。

次に、本発明の他の実施の形態について、図７のブロック図を参照して説明する。なお、図８は図７における冗長部Ｇ１（Ｇ２も同じ）の例を示すブロック図である。図１の先の実施の形態を示すブロック図からの変更点は下記の通りである。

まず、負荷部Ａ１〜Ａ６…の各々に対する電源部を、Ｈ１〜Ｈ６…，Ｉ１〜Ｉ６…，Ｊ１〜Ｊ６…，Ｋ１〜Ｋ６…の４段の並列接続構成に変更したことである。この電源部各々の供給電力容量は、図１における電源部の３／４相当とし、１系統として一つの負荷部に供給する電力は、先の実施の形態と変わらない。

また、上記に合わせて、冗長部Ｇ１，Ｇ２の内部構造と、出力系統数と、一つの冗長部に接続される負荷部とを、それぞれに３系統に増やしていることである（整流ダイオード１４〜１６による）。負荷部で必要となる電力と汎用電源の能力とにより、先の実施の形態のように、電源部の並列数量を４個、５個、・・・と変更することが可能である。

一般的に、低容量の電源部の方が価格は安く、使用する部品点数も少なくなり故障率も下がる。また、元来、電源部は負荷部に比べて故障率は低いため、故障時に冗長部からの電力供給に瞬時に切替わった後、故障した汎用電源部を取替えることは十分に可能である。そのために、電源部の故障率や運用継続性、故障交換にかかる時間等を考慮しつつ、要求性能やコストとのバランスを総合的に判断して、冗長部に接続される負荷部の系統を４個、５個・・・と増設することが可能である。本実施の形態により、レーダに要求される探知能力を満足しつつ、冗長数の統合によるトータルコストの低減が見込めることになる。

以上述べたように、一つの電源部の故障により負荷部への電力供給が停止することがあっても、故障した電源部に代わって冗長部より電力が供給されるために、負荷部に配置された送受信モジュールは動作を継続することができる。よって、レーダの探知能力の低下がなく、要求される高水準化した探知能力を確保したまま継続動作することができる。

また、専用設計による大電力に対応した高価な電源を使用せずに、比較的供給電力の少ない汎用電源を複数使用することが可能となるので、電源を並列化するだけでなく、冗長化を持つ構造としても、十分にコスト低減を図ることができる。

よって、本発明によれば、電源部が故障した場合でも、高水準の探知能力を確保したまま、連続動作可能でコスト低減を図ったアクティブフェーズドアレイレーダを提供できるという効果がある。

Ａ１〜Ａ６ 負荷部
Ｂ１〜Ｂ４，Ｃ１〜Ｃ４，Ｄ１〜Ｄ４，Ｈ１〜Ｈ６，Ｉ１〜Ｉ６，
Ｊ１〜Ｊ６，Ｋ１〜Ｋ６ 電源部
Ｅ１，Ｅ２，Ｇ１，Ｇ２ 冗長部
Ｌ１，１２〜１６ 整流ダイオード
Ｐ 主電源
ＳＷ，Ｓ スイッチ

Claims (6)

1. 電波を送受信し電力を消費する１つの負荷部に対して、並列接続されて並列に電力を供給する複数の電源部からなる電源群と、
   前記電源群に並列接続され、当該電源群の１つの電源部の代替となる冗長部と、を含むことを特徴とする電源装置。
2. 前記負荷部は第一及び第二の負荷部を有し、前記電源群は、これら第一及び第二の負荷部にそれぞれ電源を供給する第一及び第二の電源群を有し、前記冗長部は、前記第一及び第二の電源群に並列接続されてこれら両群の一つの電源部の代替となるよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 前記負荷部は第一〜第三の負荷部を有し、前記電源群は、これら第一〜第三の負荷部にそれぞれ電源を供給する第一〜第三の電源群を有し、前記冗長部は、前記第一〜第三の電源群に並列接続されてこれら電源群の一つの電源部の代替となるよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
4. 前記電源群の各電源部及び前記冗長部は、互いにダイオードを介して並列接続されていることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の電源装置。
5. フェーズドアレイレーダの電源であることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の電源装置。
6. 前記負荷部は、レーダ信号となる前記電波の送受信のためのアンテナ素子と、このアンテナ素子に接続された送受信モジュールとを有することを特徴とする請求項５記載の電源装置。

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