JP5865782B2

JP5865782B2 - アンテナ装置

Info

Publication number: JP5865782B2
Application number: JP2012120690A
Authority: JP
Inventors: 熊本　剛; 剛熊本; 充良篠永
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2012-05-28
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2032-05-28
Also published as: JP2013247550A

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などの受信用アンテナとして用いられる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した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までの給電線路や受信フィルタなどの電気回路、さらにはＬＮＡを真空容器などの断熱用保温容器内に収納し、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までの給電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までの給電線路や受信フィルタなどの電気回路、さらにはＬＮＡを真空容器などの断熱用保温容器内に収納し、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までの給電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、ＬＮＡ等から成る受信系統を送受信切換器のアイソレーション特性により生じる送信信号の漏れ込み電力等から保護するために、漏れ込み電力を所定の電力に制限するリミッタや漏れ込み電力を遮断するスイッチなどを設けていた。

しかしながら、従来のアンテナ装置では受信系統に設けたリミッタやスイッチによって伝送損失が生じ、この伝送損失によりシステム雑音温度が上昇して受信感度が劣化していた。また、リミッタやスイッチのコスト発生に加えて、これらを配置するためのスペースの確保が必要となり、改善が望まれていた。

そこで、本実施形態は、上記の課題に鑑みてなされたもので、上記リミッタやスイッチを用いずにＬＮＡ等から成る受信系統を送信信号の漏れ込み電力等から保護しつつ、受信系統の高感度化を実現することができる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、アンテナ装置は、送受信共用のアンテナ、送受切換器,受信フィルタ、増幅器、位相制御手段、断熱容器、冷却手段及び温度制御手段を備える。ここで、送受切換器は前記アンテナに接続され、送信系と受信系の信号系統切換えを可能とするものである。また、受信フィルタは前記受信系の入力段に配置され、前記アンテナで受信された信号から所定の周波数帯域成分を抽出して受信信号を得る。増幅器は、前記受信フィルタから出力される受信信号を低雑音増幅し、位相制御手段によっては前記増幅器にて増幅した受信信号の位相制御を行う。また、断熱容器は前記受信フィルタ及び前記増幅器を収納して外部からの熱を遮断し、冷却手段によって前記断熱容器に収納される受信フィルタ及び増幅器を冷却する。温度制御手段は、例えばレーダ装置のように送信、受信の期間を時分割して動作するような装置において、送信と受信の時分割タイミングに従って前記冷却手段の設定温度の制御を行うものである。

なお、前記受信フィルタは超伝導素材によって形成され、超伝導素材は一般に超伝導状態で回路損失が極小となり、常伝導状態では損失が極大となる特性を有する。また、前記温度制御手段においては、前記送信動作時には前記冷却手段の温度を前記超伝導素材が常伝導状態となる温度に制御し、前記受信動作時には前記冷却手段の温度を前記超伝導素材が超伝導状態となる温度に制御する。

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。本実施形態に係るアレイアンテナ装置の構成の変形例を示すブロック図である。

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、アレイ状に配列されるｎ個のアンテナ素子Ｔ１〜Ｔｎと、分配器１と、送信用移相器２１〜２ｎ、送信アンプ３１〜３ｎ及び送信フィルタ４１〜４ｎからなる送信系統と、送受信切換器５１〜５ｎと、受信フィルタ６１〜６ｎ、ＬＮＡ（低雑音増幅器）７１〜７ｎ、受信用移相器８１〜８ｎ及び合成器９からなる受信系統と、真空容器１０と、冷却機構１１と、冷却温度制御器１２とを備える。

なお、上記送信系統及び受信系統は、それぞれアンテナ素子数ｎに対応してｎ個ずつ設けられ、送信系統の出力端及び受信系統の入力端はそれぞれ送受信切換器５１〜５ｎを介して対応する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ｎ系統に分配する機能を有し、送信用移相器２１〜２ｎは、それぞれ分配器１により分配された対応する系統の送信信号を入力し、この送信信号に所定の位相制御を施す。また、送信アンプ３１〜３ｎはそれぞれ対応する系統の送信用移相器２１〜２ｎから出力される送信信号を入力し、この送信信号を所定の利得にて電力増幅を行い、送信フィルタ４１〜４ｎにてそれぞれ対応する系統の送信アンプ３１〜３ｎから出力される送信信号を入力し、この送信信号から所定の送信周波数帯域成分を抽出する。

送受信切換器５１〜５ｎは、それぞれ対応する系統のアンテナ素子Ｔ１〜Ｔｎに対する送信系統及び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が用いられる。また、受信フィルタ６１〜６ｎはそれぞれ対応する系統の送受信切換器５１〜５ｎを介してアンテナ素子Ｔ１〜Ｔｎから供給される受信信号を入力し、この受信信号から所定の周波数帯域成分を抽出するものであり、この受信フィルタ６１〜６ｎは超伝導素材で構成される。ＬＮＡ７１〜７ｎについては、それぞれ対応する受信フィルタ６１〜６ｎから出力される受信信号を入力し、この受信信号の低雑音増幅を行うものである。また、受信用移相器８１〜８ｎはそれぞれ対応するＬＮＡ７１〜７ｎから出力される受信信号を入力し、この受信信号に所定の位相制御を施すものであり、合成器９は受信用移相器８１〜８ｎそれぞれから出力される受信信号の合成を行う。

真空容器１０は、上記受信フィルタ６１〜６ｎ及びＬＮＡ７１〜７ｎを収容し、内部を真空状態にすることでの収容物の断熱と保温を行う。この真空容器１０は、極低温を効率的に維持するために、少なくとも超伝導素材を配置する周囲を真空状態とする構造であればよい。

冷却機構１１は、真空容器１０内の伝送線路、受信フィルタ６１〜６ｎ及びＬＮＡ７１〜７ｎを極低温で冷却するものであり、冷却温度制御器１２によって冷却機構１１の温度制御を行う。この温度制御とは、上位装置が行う送信動作と受信動作との時分割切り換えに応じて、冷却機構１１の設定温度を超伝導素材の臨界温度に対して、高温と低温に切り換える制御のことである。

上記構成において、以下にその処理動作を説明する。

まず、送信時は、送信信号を分配器１にて送信用移相器２１〜２ｎに分配供給し、各送信用移相器２１〜２ｎにて送信ビームの励振分布に応じた位相制御を施した後、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Ｔ１〜Ｔｎから空間へ送信信号を送出する。ここで、送信時は、冷却温度制御器１２からの指示により冷却機構１１の設定温度を、超伝導素材の臨界温度よりも高温に制御し、真空容器１０内の受信フィルタ６１〜６ｎを常伝導状態にする。

また受信時は、冷却温度制御器１２からの指示により冷却機構１１の設定温度を超伝導素材の臨界温度よりも低温に制御し、真空容器１０内の受信フィルタ６１〜６ｎを超伝導状態にする。このとき、各アンテナ素子Ｔ１〜Ｔｎにて受信された信号は、送受信切換器５１〜５ｎを介して受信系統に入力され、真空容器１０内に収容されている受信フィルタ６１〜６ｎにて所定の周波数帯域成分のみが抽出され、ＬＮＡ７１〜７ｎにより低雑音増幅され、受信用移相器８１〜８ｎにて受信ビームの指向特性に応じた位相制御が施された後、合成器９によって合成されて受信ビームとして出力される。

次に、冷却温度制御器１２による冷却機構１１の温度制御について説明する。

本実施形態のアレイアンテナ装置では、送信時において、冷却温度制御器１２からの指示により冷却機構１１の設定温度を超伝導素材の臨界温度よりも高温に制御する。これは、超伝導素材に有する臨界温度を境に温度が高温となれば回路損失が増加するといった特性を利用して、冷却機構１１の設定温度を超伝導素材の臨界温度よりも高温に制御することにより、真空容器１０内の受信フィルタ６１〜６ｎを常伝導状態として回路損失を極大化させることを目的とする。これにより、以降のＬＮＡ等から成る受信系統への入力信号を大きく減衰させることができるため、送信時における送受信切換器５１〜５ｎのアイソレーション特性により発生する受信系統への送信信号の漏れ込み電力からＬＮＡ７１〜７ｎ等を保護することができる。

一方、受信時においては、冷却温度制御器１２からの指示により冷却機構１１の設定温度を超伝導素材の臨界温度よりも低温に制御する。これは、超伝導素材に有する臨界温度を境に温度が低温となれば回路損失が減少するといった特性を利用して、冷却機構１１の設定温度を超伝導素材の臨界温度よりも低温に制御することにより、真空容器１０内の受信フィルタ６１〜６ｎを超伝導状態として、回路損失を極小化し低損失にて受信信号を通過させることができる。

すなわち、冷却温度制御器１２は、時分割に切換えられる送信動作と受信動作のタイミングに合わせて、冷却機構１１にて超伝導素材で構成される受信フィルタ６１〜６ｎまたは超伝導素材で構成されるその一部の設定温度を臨界温度に対して高温と低温で切り換える。これにより、超伝導素材が送信動作及び受信動作の状態に合わせて常伝導状態または超伝導状態となって、その回路損失が極大、極小に切り換えられ、リミッタやスイッチに代わって信号の伝送が断続されるようになり、送信時におけるＬＮＡ７１〜７ｎ等の受信系統の保護を、リミッタやスイッチを使用せずに行うことができる。また、受信時においては、リミッタやスイッチの削減による伝送損失の低減を図り、更なる受信系統の高感度化を図ることができる。

ここで図１には、複数系統の受信フィルタ６１〜６ｎ及びＬＮＡ７１〜７ｎを同一の真空容器１０内に収納して一体化した場合の構成を示したが、アンテナ素子Ｔ１〜Ｔｎそれぞれに対応するように、１系統ごとに真空容器１０を分割してもよい。

（実施形態の変形例）
図２は、本実施形態に係るアレイアンテナ装置の構成の変形例を示すブロック図である。

ここでは、上記実施形態の構成において、ｎ個のアンテナ素子Ｔ１〜Ｔｎに対応する各受信系統を２系統に分配し、各分配経路に、互いに通過帯域の異なる第１の受信フィルタ６１Ａ〜６ｎＡと第２の受信フィルタ６１Ｂ〜６ｎＢを配置して、それぞれ受信信号から異なる周波数帯域成分を抽出することを可能とした分波器１０１１〜１０１ｎと、分波器１０１１〜１０１ｎにより分波された２系統の受信信号をそれぞれ低雑音増幅する第１のＬＮＡ７１Ａ〜７ｎＡ、第２のＬＮＡ７１Ｂ〜７ｎＢと、第１及び第２のＬＮＡ７１Ａ〜７ｎＡ，７１Ｂ〜７ｎＢの出力を合波する合波器１０２１〜１０２ｎを備える。なお、分波器にて分離する受信系統は２系統以上の何れでも良く、２系統に限定されるものではない。

ここで、上記分波器１０１１〜１０１ｎ、第１のＬＮＡ７１Ａ〜７ｎＡ、第２のＬＮＡ７１Ｂ〜７ｎＢ、合波器１０２１〜１０２ｎは真空容器１０に収容される。この真空容器１０内には、冷却温度制御器１２から冷却機構１１を介して温度制御される第１の冷却プレート１３１Ａ〜１３ｎＡと第２の冷却プレート１３１Ｂ〜１３ｎＢとを備える。第１の冷却プレート１３１Ａ〜１３ｎＡは第１の受信フィルタ６１Ａ〜６ｎＡ及び第１のＬＮＡ７１Ａ〜７ｎＡの冷却用として用いられる。また、第２の冷却プレート１３１Ｂ〜１３ｎＢは第２の受信フィルタ６１Ｂ〜６ｎＢ及び第２のＬＮＡ７１Ｂ〜７ｎＢの冷却用として用いられる。

図２に示す構成において、分波器により周波数分離した受信系統ごとに設けた第１の冷却プレート１３１Ａ〜１３ｎＡ、第２の冷却プレート１３１Ｂ〜１３ｎＢは、冷却温度制御器１２による個別の温度制御を可能とする。これにより、真空容器１０内の超伝導素材を用いて構成した第１の受信フィルタ６１Ａ〜６ｎＡ、第２の受信フィルタ６１Ｂ〜６ｎＢまたは超伝導素材で構成されるその一部の設定温度を個別に設定することができ、分離した受信系統ごとに超伝導素材の臨界温度に対して高温と低温とに設定可能となる。これにより、切り換え用スイッチ等を用いることなく、所望の受信系統の信号を選択することができる。

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、冷却温度制御器１２の指示により、時分割に切換えられる送信動作と受信動作のタイミングに合わせて、冷却機構１１にて超伝導素材で構成される受信フィルタ６１〜６ｎまたは超伝導素材で構成されるその一部の温度を、臨界温度に対して高温または低温となるように切り換えることにより、従来、リミッタやスイッチを用いて行っていた送信時におけるＬＮＡ７１〜７ｎ等の受信系統の保護を、これらの部品を使用することなく可能とした。

さらに、受信系統にリミッタやスイッチ等の部品を不要としたことにより、これらの損失分の低減による受信感度の向上及び小型、低コストで信頼性の高いアレイアンテナ装置を実現することができる。

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、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。

なお、上記実施形態ではアレイアンテナ装置について記載しているが、ｎ＝１（アンテナが１構成となっている場合）として、分配器１、移相器２１〜２ｎ、移相器８１〜８ｎ、合成器９を含まない構成のアンテナ装置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，６１Ａ〜６ｎＡ，６１Ｂ〜６ｎＢ…受信フィルタ、７１〜７ｎ，７１Ａ〜７ｎＡ，７１Ｂ〜７ｎＢ…低雑音増幅器（ＬＮＡ）、８１〜８ｎ…受信用移相器、９…合成器、１０…真空容器、１０１１〜１０１ｎ…分波器、１０２１〜１０２ｎ…合波器、１１…冷却機構、１２…冷却温度制御器、１３１Ａ〜１３ｎＡ，１３１Ｂ〜１３ｎＢ…冷却プレート。

Claims

送受信共用のアンテナと、
前記アンテナに接続され送信系と受信系の信号系統切換えを行う送受切換器と、
前記受信系の入力段に配置され、前記アンテナで受信された信号から所定の周波数帯域成分を抽出して受信信号を得る受信フィルタと、
前記受信フィルタから出力される受信信号を低雑音増幅する増幅器と、
前記受信フィルタ及び前記増幅器を収容して外部からの熱を遮断する断熱容器と、
前記断熱容器内で前記受信フィルタ及び前記増幅器を冷却する冷却手段と、
前記冷却手段の温度を前記送受切換に従って制御する温度制御手段と
を具備し、
前記受信フィルタは超伝導素材によって形成され、回路損失が超伝導状態で極小、常伝導状態で極大となる特性を有し、
前記温度制御手段は、前記送信動作時には前記冷却手段の温度を前記超伝導素材が常伝導状態となる温度に制御し、前記受信動作時には前記冷却手段の温度を前記超伝導素材が超伝導状態となる温度に制御することを特徴とするアンテナ装置。
アレイ状に配列される複数の送受信共用アンテナ素子と、
前記アンテナ素子それぞれに、各アンテナ素子に対応する送信系と受信系の信号系統切換えを行う複数の送受切換器と、
前記受信系の入力段に設けられ、前記アンテナ素子で受信された信号から所定の周波数帯域成分を抽出して受信信号を得る複数の受信フィルタと、
前記複数の受信フィルタに対応して設けられ、前記受信フィルタから出力される受信信号を低雑音増幅する複数の増幅器と、
前記複数の増幅器に対応して設けられ、前記増幅器から出力される受信信号の位相を制御する複数の位相制御器と、
前記複数の位相制御器から出力される複数の受信信号を合成する合成器と、
前記受信フィルタ及び増幅器を収納し、外部からの熱を遮断する断熱容器と、
前記断熱容器に収納される受信フィルタ及び増幅器を冷却する冷却手段と、
前記冷却手段の温度制御を行う温度制御手段と
を具備し、
前記複数の受信フィルタはそれぞれ超伝導素材で成形され、回路損失が超伝導状態で極小、常伝導状態で極大となる特性を有し、
前記温度制御手段は、前記送信系の接続時には前記冷却手段の温度を前記超伝導素材が常伝導状態となる温度に制御し、前記受信系の接続時には前記冷却手段の温度を前記超伝導素材が超伝導状態となる温度に制御することを特徴とするアンテナ装置。