JP6020945B2 - レシーバー／トランスミッター - Google Patents

Description

本発明は、アクティブフェーズドアレー（ＡＰＡ）の技術に関し、同技術は移動または静止物体用のレーダーステーションや通信システムを製作するための用途に広く採用される。

先行技術では、ＡＰＡ技術に基づいた様々なデバイスが開示されている。

本発明のデバイスの必須機能を組み合わせた類似する構成として、特許文献１に開示の両面フェーズドアレーがあり、これは、トランスミッター／レシーバーモジュール（ＴＲＭ）を備えた二次元両面フェーズドアレーを有し、１個のトランスミッターと２個のレシーバーを有する２個の放射素子の方向を変え、放射と受信を正逆方向に行う。

前記技術的解決法の欠点として、全方位監視を行うためには３個の両面フェーズドアレーを使用する必要が生じ、これによって、レーダーシステムのコストは増大し、走査率が低く半球の上半分に広い死角が生じ、ＴＲＭに専用の移相器を使用することによって、正逆方向に完全に独立したビームを形成することができず、その結果、エネルギー潜在力およびレーダーシステムの機能は著しく低下し、通信システムでのこれらの実践的な使用は全く不可能となり、正逆方向に異なる信号符号化技術を使用できないことにより、同時送受信時の雑音排除性が低下し、二次元アレーのみを使用することによって通信システムの効率性が低下し、水平面および／または垂直面での両面アレーが互いに十分にシフトできないことによって、取り付けが困難であり、死角セクタが存在する。

米国特許番号３，６４８，２８４号明細書

本発明を利用することによって得られる技術的結果として、レーダーシステムまたは通信システムのエネルギー潜在力および効率性の増強、ならびにコスト低減が挙げられ、全方位を監視することができるので垂直面での走査領域が拡大し、完全に独立した正逆方向のビームを形成し、死角セクタがなくなる。

本発明の運用により得られる結果として、ＴＲＭに追加の移相器を使用した、少なくとも２本の独立した正逆方向のビームの形成による、レシーバー／トランスミッターエネルギー潜在力および効率の増強が挙げられ、両面ＡＰＡを２個のみ使用することにより、デバイスのコストは低減され、上半球および／または下半球において、デバイスの死角領域が解消され、片面または両面ＡＰＡの追加使用により、または、両面ＡＰＡの各面のパネルが、垂直面に一定の角度で互いに搭載されることにより、正逆方向に送信する間に、異なる信号符号化技術を使用することにより、雑音排除性がさらに増大し、ＡＰＡが垂直面および／または水平面において互いにシフトすることにより、ＡＰＡの位置のコモディティおよび死角セクタを解消する。

前記技術結果は、アクティブ両面フェーズドアレーを含むレシーバー／トランスミッターが、レシーバー／トランスミッターモジュール（それぞれが２個の放射素子、１個のトランスミッター、２個のレシーバー、２個の絶縁スイッチ、ミキサーおよび１個の移相器を含む）を有し、両フェーズドアレーは、一次元または二次元に製作され、全方位の監視を可能にしながら、水平面に互いに７５〜１０５度の角度で配置され、トランスミッター／レシーバーモジュールは、１個の移送器が追加され、両移送器のそれぞれは、セレクタースイッチを介して１個のレシーバーまたはトランスミッターに固定接続され、トランスミッターは、セレクタースイッチおよびサーキュレータを介して放射素子に接続され、レシーバーの受信モードにおける異なる周波数と符号に対応して、異なる周波数および／または異なる信号符号化技術を使用することにより、放射要素への交互の接続が可能となり、正逆方向に少なくとも２本の独立したビームを形成することができるので、アクティブ両面フェーズドアレーは、水平面および／または垂直面において相対的にシフトできる。

前記技術的結果は、アクティブ両面フェーズドアレーの各側面のパネルが、垂直面に一定の角度で互いに配列できることによっても得られる。さらに、レシーバー／トランスミッターは、少なくとも１系統のレーダーまたは通信ステーションを、レシーバー／トランスミッターの上部および／または下部に設置可能であり、上向きおよび／または下向きに放射するよう、２つの面を走査できる。この例におけるレーダーまたは通信ステーションは、二次元アクティブ片面フェーズドアレーまたは二次元アクティブ両面フェーズドアレーとして製作でき、請求項１に記載のトランスミッター／レシーバーモジュールは、水平面および垂直面に対し、レシーバー／トランスミッターと相対的にシフトするように配置される。

本発明の本質を添付の図に示す。
特許文献１に記載の類似する先行技術によるＴＲＭの概略図である。 送信チャネル用のセレクタースイッチを有する２個の放射素子と、２個の独立したレシーバーおよび２個の独立した移送器とを有する本明細書に請求のＴＲＭの構造を示す全体図であり、１はＴＲＭ、２はセレクタースイッチ、３は放射素子、４はレシーバー、５はトランスミッター、７はサーキュレータ、８は受信／送信スイッチ、９は移送器を示す。 水平面に対して３６０度の走査を提供する２個の一次元ＡＰＡの全体図であり、１はＴＲＭ、３は放射素子、６はＡＰＡパネル、１１はハウジングを示す。 水平面に対し全方位３６０度の走査を、垂直面に対しプラスまたはマイナス４５〜６０度の走査を提供する２個の二次元ＡＰＡの全体図であり、１はＴＲＭ、３は放射素子、６はＡＰＡのパネル、１１はハウジングを示す。 水平面に対し３６０度の走査を提供し、垂直面に対しては、水平面から９０度までの走査を提供するようにパネルが一定の角度に調整された２個の二次元ＡＰＡの全体図であり、１はＴＲＭ、３は放射素子、６はＡＰＡのパネル、１１はハウジングを示す。 従来のＴＲＭを有する二次元片面ＡＰＡが追加され、上方向への放射ができるように配置されたデバイスの全体図であり、１はＴＲＭ、３は放射素子、６はＡＰＡパネル、８は一次元ＡＰＡのパネル、９は１個のレシーバーおよび１個の移相器を有するＴＲＭ、１１はハウジングを示す。 送信チャネルスイッチ、２個の独立したレシーバー、およびレシーバー／トランスミッターからシフトして配置された２個の独立した移送器を有し、かつ上方向および下方向に放射ができるＴＲＭを備えた１個の二次元ＡＰＡを追加したデバイスの全体図であり、１はＴＲＭ、３は放射素子、６はＡＰＡのパネル、１１はハウジングを示す。 レーダー通信船舶マスト用のレシーバー／トランスミッターを例証する全体図である。

過去１０年間、ＡＰＡのレーダーおよび通信システムへの利用がかなり普及した。しかし、ＴＲＭのコストは高いままである。一方、ＭＭＩＣ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ；モノリシックマイクロ波集積回路）のような最新の高周波集積回路技術により、ＴＲＭは小型化している。ＴＲＭが小型化することによって、本発明によるデバイスを簡単に製作できる。

全方位監視を必要とするレーダーまたは通信システムを製作する従来の方法では、４個のＡＰＡを使用してきた（各ＡＰＡは水平面および垂直面に対し、プラスまたはマイナス４５〜６０度の走査を行う）。したがって、比較的狭いパターンの走査を実行するためには、例えば各レンジが２度の場合、各ＡＰＡは３、０００個以上のＡＰＡで構成される。４個のＡＰＡの場合、１２，０００個のＡＰＡを必要とし、それによって４個の完全に独立したビームが形成される。そのようなレーダーは、やや高額である。本発明に請求のデバイスは、エネルギー潜在力および４本の独立したビームを維持しながら、追加するレシーバーおよび移送器のコストが高くならないので、そのようなレーダーのコスト（約８０％はＴＲＭモジュールに掛かる）を下げることができる。

図１は、特許文献１に記載の構成であり、１０はトランスミッター、１２および１４は放射素子、１６はセレクタースイッチ、１８は移送器、２０および２８はミキサー、２４および２６はレシーバーを示す。片面フェーズドアレーを使用するレーダーシステムと比較すると、ＴＲＭの個数を２分の１に減らすことができるが、エネルギー潜在力は、２個の独立した片面フェーズドアレーの場合よりも低くなる。正逆方向に１個の移送器のみを使用することにより、同じ位相で信号の放射および受信が発生するので、完全に独立したビームを形成することはできない。

図２は、構成を示す図であり、１はＴＲＭ、２はスイッチ、３は放射素子、４はレシーバー、５はトランスミッター、７はサーキュレータ、８は受信／送信セレクタースイッチ、９は移送器を示す。このような配置では、２個の独立した移送器と、異なる方向および位相の信号を使用することにより、放射と受信を同時に実行することが可能になり、その結果、エネルギー潜在力を損失することなしに、完全に独立した２本のビームを正逆のＡＰＡパネルに形成することができる。

図３は、直角に設けられ、正逆方向に動作する図２に示すＴＲＭを有する２個の一次元両面ＡＰＡを備えたレーダーまたは通信システムを示す。このような構成により、各アレーパネルは、独立した電子ビームを使用して、水平面を正逆方向にプラスまたはマイナス４５〜６０度の角度での走査が可能となり、同時に全方位の監視を実現する。２個の二次元ＡＰＡを互いに面が直交するように配置することにより、図４に示す各ＡＰＡパネルからの独立したビームを使って、平行面は全方向に、垂直面はプラスまたはマイナス方向に４５〜６０度の角度で監視することができる。このような配置によって、エネルギー潜在力および独立したビームの形成を維持しながら、全方向への監視が可能となり、使用するＴＲＭを１２，０００個から６，０００個に減らすことができる。死角セクタの形成を防止するため、一次元または二次元両面ＡＰＡを、垂直面および／または水平面に、数学的視差を考慮して相互に幾分シフトして取り付ける。

従来の全方位監視ＡＰＡを備えたレーダーが、１Ｗの出力の送受信モジュールを１２，０００個有し、オン／オフ時間比率が１０（稼働時間１０％）であれば、その平均出力は１，２００Ｗである。一方、本発明の全方位監視デバイスを使用すると、１ＷのＴＲＭを６，０００個のみを必要とするが、２０％の時間の稼働となるので、システム全体の平均出力は同じく１，０００ワットである。

本発明に基づいて構成されたＴＲＭを使用すると（図２）、送信チャネルもセレクタースイッチを介して２個の放射素子に向けて動作するので、受信独立チャネル（４）は両方の放射素子に固定接続される。この場合、ＴＲＭトランスミッター（５）は、各放射素子に対しオン／オフ時間比率が５〜１０で動作し、つまり、全体として時間的に２０〜４０％の割合で動作する。トランスミッターが放射素子に対して動作を行う場合、この放射素子のレシーバーは、サーキュレータ（７）により動作が停止され、その間に、逆側の放射素子のレシーバーは、逆方向からの放射による妨害がないので、受信動作を継続する。逆側のオープンなレシーバーの反応信号の影響を防止するため、近似するが、異なる周波数および／または異なる信号符号化技術を用いて（例えば、位相シフト信号）異なる方向に放射することができる。

先行技術のＲＴＭに搭載されている移送器は１個のみである。そのような、フェーズドアレーのＴＲＭを使用して送受信を同時に行う場合、送信信号の位相が受信信号の位相と同一なので、２本の独立したビームを形成するのが事実上不可能となる。この場合、放射素子の各パネルの垂直面に対して近似する方向のビームが形成され、正逆方向に向けて送受信される。同時に、通常の空間の監視は、本発明に基づき２個の移相器を有するデバイスのＴＲＭを使用する場合よりも、時間が掛かる。例えば、１枚のパネルからインパルスが送信されると、先行技術によるＴＲＭは、トランスミッターを他のパネルに切り替え、１枚目のパネルレシーバーは反射信号の受信を開始する。この間、トランスミッターは、インパルスを２枚目のパネルから送信し、２枚目のパネルは直ちに反射信号の受信を開始する。移送器が１個しかないため、両方のパネルは同じ位相で動作する。２枚目のパネルは、インパルスが遅れて送信され位相を変えることが禁じられているために信号を完全には受信していないので、１枚目のパネルは、全信号を受信すると立ち上がり始める。第２パネルが信号を完全に受信して初めて、位相を変えることができ、次のインパルスを別の方向に送信することができる。現代のレーダーが長めのインパルスを使用していることを考慮すると、時間損失が通常の監視において重要となる。さらに電子ビーム走査を行う現代のレーダーシステムは、通常の空間監視のみに使用するものではない。標的を検知した際は、ビームによる通常の監視を中断し、追加的にこれらの標的に対する処理を進める。危険な標的が存在する場合、通常の監視時間のために、それらに要する動作時間は増加する。標的に対する動作時に、先行技術に示された１個の移相器を備えるＴＲＭを有するフェーズドアレーは、反対側のアレーから同じ方向に標的がないことを有力な原因として、逆方向に同時に動作する間、効率性を完全に失う。この場合、ＴＲＭが本発明によるデバイスを使用すると、反対側のパネルは通常の監視を継続するか、第１パネルの標的に対する動作を独立して行う。そのため、１個の移相器を備えたＴＲＭを使用すると、通常の監視動作を行う間に、時間とエネルギー潜在力を失い、標的に対する動作ではさらに、時間とエネルギー潜在力を失うので、レーダーシステムの効率性は、特に標的が多い場合には、レーダーに対しさらなる高い効率性が求められるにも関わらず、著しく低下する。

先行技術に示された移相器を１個備えたＴＲＭを有するフェーズドアレーは、効率性が低く、一般的に通信システムへの使用には適さない。フェーズドアレーに基づく通信システムは、既知の方向に存在する特定の標的についてのデータの送受信に使用される。一方側から標的に対して動作する間は、もう一方側から同じ方向に別の標的が存在する可能性は低い。この場合、一方側から標的に対して動作が行われると、もう一方側は全く動作しないので、通信システムの効率性は著しく低くなる。さらに、そのようなシステムをリピーターとして使用しても、一方側の目的物から継続的に情報を受信し、この情報を直ちに別の側にある目的物に送信する必要があるので、動作することは全くない。これらの目的物の方向が同一であることは、ほぼあり得ない。

４個のＡＰＡが従来型の全方位監視レーダーに使用される場合、一般的に、個別のＡＰＡパネルが、垂直ではなく、水平に角度をつけて取り付けられる。これは、レーダーの垂直面における監視範囲を広げるためである。個別のＡＰＡパネルを水平面から３０度の角度をつけて取り付けられ、垂直面への走査がプラスまたはマイナス４５〜６０度で行われると、レーダーの監視範囲は水平から垂直面に７５〜９０度となり、つまり、半球全体をカバーすることになる。先行技術では、パネルの垂直面に対する並列構成のみが示されているが、監視範囲の上部および／または下部の半球に６０〜９０度の大きな死角ができるという、デバイスに明らかな欠点が生じる。この欠点を補うため、上半球に対応する本発明のデバイスは、個別のＡＰＡパネルでも製作可能であり、例えば、水平から３０度の角度にすると、垂直面の全体の監視範囲は、上部半球全体に及ぶ（図５参照）。しかし、この場合、ＴＲＭから放射素子までの距離がやや長いため、下部ＴＲＭに損失に関連する問題が生じる可能性がある。前記欠点を避け、監視範囲を拡大する別の方法として、ＡＰＡを追加して使用することが挙げられる。

標的の位置角度が４５度で、距離が２８キロで、飛行高度が約２０キロの場合は、対応は難しくない。そのような、またはそれよりも短い距離にある標的の検出は、総エネルギー潜在力が低い従来のＴＲＭからなる単一の片面二次元ＡＰＡ（８）によって提供され、このＡＰＡは、上部の監視セクタに放射できるよう上部に取り付けられる（図６参照）。そのようなＡＰＡは、プラスまたはマイナス４５〜６０度を限度に、２つの面を走査する必要がある。この場合、そのようなＡＰＡの総アンテナパターンは、口径角度が９０〜１２０度（プラスまたはマイナス４５〜６０度）である球体の一部として示され、レーダーシステムにより、上部半球全体を完全に監視することができるようになる。球体全体を照射する要求が高まっているので、このようなＡＰＡは上部および下部に取り付けられる。

上部および／または下部監視セクタの標的までの距離が、水平方向と比較して１０分の１の長さであるとすると、そのような二次元ＡＰＡに対してはＴＲＭの数を著しく減らすことができ（例えば、１６個のＡＰＡに対して１６個のＴＲＭ）、その場合の要素の総数はわずか２５６個までになるが、それにも関らず、ＡＰＡのアンテナパターンは、８度対８度になるので、これらのセクタにおけるそのようなレーダーシステムのエネルギー潜在力は十分であるが、上部および／または下部セクタにおけるレーダーシステムの分解能に影響する。全体として、本発明のレーダーシステムは、６，２５６個のＴＲＭを有する上部片面ＡＰＡを使用するが、従来のＡＰＡを４個有するレーダーシステムは、１２，０００個のＴＲＭを備える。

球状の監視エリアを確保するため、トランスミッターのセレクタースイッチ、２個のレシーバー、２個の移送器を備えたＴＲＭを有し、上部および下部監視セクタに放射できるように、２個の直交ＡＰＡに対して水平面および垂直面にシフトして取り付けられ、視差を数学的に考慮する機能を備えた単一の二次元両面ＡＰＡを使用できる（図７参照）。次に、球状の監視エリア、および追加の１６対１６サイズの両面二次元ＡＰＡを有するレーダーシステムは、６，２５６個のＴＲＭを有する。従来のレーダーシステムの構成は、水平線から一定の角度に配置された４個のＡＰＡと１２，０００個のＴＲＭを有するが、この構成では、半球を影で覆うので、球体全体を監視できない。

本発明による二次元両面ＡＰＡを有するデバイスの上部および／または下部の監視セクタにおける大きな死角をなくすため、上部および／または下部に取り付けられた二次元片面ＡＰＡ、または上部および下部監視セクタを有する単体の二次元両面ＡＰＡを使用するだけでなく、例えば、機械的走査等を有するパッシブパスドアレーなど、他にも同様の機能を備えるレーダー構成を使用することができる。

図８は、上部監視セクタを監視する、両面一次元および二次元ＡＰＡならびに片面ＡＰＡを使用する船舶用レーダー通信マストを例証する。船舶用レーダー通信マストは、放射線透過性レドーム（３０）、マスト（３１）、Ｓ−レンジレーダーの両面二次元ＡＰＡ（３２）、Ｓ−レンジの両面一次元ＡＰＡ（３３）、Ｘ−レンジレーダーの両面二次元ＡＰＡ（３４）、Ｘ−レンジ通信システムの両面一次元ＡＰＡ（３５）、および上部監視セクタを監視するＸ−レンジレーダーの片面二次元ＡＰＡ（３７）を有する。

船舶用レーダー通信マストの例では、レンジの異なる２系統の独立したレーダーシステムおよび２系統の独立した通信システムが取り付けられ、両面アレーが垂直面および水平面にシフトすることによって、システム同士により、またはマストにより死角セクタが形成されることなしに、各システムは全方位の監視が可能となることを理解されたい。これら４システムに、回転式ＡＰＡや、先行技術における「Ｙ」の形状で示された構成を使用する場合は、システムをマストの上部に取り付ける限り、死角セクタを形成することはない。他の３システムは、マストおよび／またはシステム同士により死角セクタを形成し、レーダーまたは通信システムの効率性に著しい影響を与える。その上、『Ｙ』の形状の構成における最大走査角度は、先行技術のように、プラスまたはマイナス３０度である。走査角度が高いと、近接するアレーによるシェーディングが生じる。

本発明に開示されたデバイスの構成により、アクティブフェーズドアレーを使用した場合に水中音響を効率的に活用することができ、ＴＲＭの個数を２分の１に削減できる。

本発明によるデバイスは、ＡＰＡを使用するレーダー、通信、および水中音響システムに応用される。

Claims (5)

1. 複数のアクティブ両面フェーズドアレー（ＡＰＡｓ）を有するレシーバー／トランスミッターであって、トランスミッター／レシーバーモジュールを有し、各トランスミッター／レシーバーモジュールは、２個の放射素子、トランスミッター、２個のレシーバー、２個の絶縁スイッチ、ミキサー、移相器を備え、前記複数のアクティブ両面フェーズドアレーは、一次元または二次元として製作され、これらは全方位の監視が継続的に可能となるように、水平面とのなす角度が７５〜１０５度になるように配置され、トランスミッター／レシーバーモジュールには追加の移相器が備えられ、前記両移相器のそれぞれは、セレクタースイッチを介して１個のレシーバーまたはトランスミッターに固定接続され、トランスミッターは、セレクタースイッチおよびサーキュレータを介して放射素子に接続され、レシーバーの受信モードの異なる周波数および符号化技術に対応して、異なる周波数および／または異なる信号符号化技術を使用することにより、放射素子への交互の接続が可能となり、互いに異なる方向に少なくとも２つの独立したビームを形成することが可能となり、前記複数のアクティブ両面フェーズドアレーは、水平面および／または垂直面に対して距離をおいてそれぞれ配置される、レシーバー／トランスミッター。
2. 請求項１に記載の複数の二次元ＡＰＡｓを有するレシーバー／トランスミッターであって、前記アクティブ両面フェーズドアレーの2つのパネルは、垂直面に対して同じ角度で配置可能である、複数の二次元ＡＰＡｓを有するレシーバー／トランスミッター。
3. 請求項１に記載の複数の二次元ＡＰＡｓを有するレシーバー／トランスミッターであって、レシーバー／トランスミッターの上部および／または下部に配置された少なくとも１系統のレーダーまたは通信ステーションに追加的に設けられ、上方向および／または下方向に放射するために、２面を走査することができるよう製作された、複数の二次元ＡＰＡｓを有するレシーバー／トランスミッター。
4. 請求項３に記載のレシーバー／トランスミッターであって、レーダーまたは通信ステーションは、二次元アクティブ片面フェーズドアレーとして製作される、レシーバー／トランスミッター。
5. 請求項３に記載のレシーバー／トランスミッターであって、レーダーまたは通信ステーションは、請求項１のトランスミッター／レシーバーモジュールを備えた二次元アクティブ両面フェーズドアレーとして製作され、水平面および垂直面に対して、複数のレシーバー／トランスミッターを距離をおいてそれぞれ配置した、レシーバー／トランスミッター。

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