JP6054271B2 - アレイアンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、超伝導技術を用いたアレイアンテナ装置に関する。

超伝導技術を利用するアンテナ装置に注目が集まっている。例えばアンテナから低雑音増幅器に至る給電線路、受信フィルタなどの電気回路、さらには低雑音増幅器を超伝導状態にまで冷却することで、アンテナから低雑音増幅器までの給電損失をゼロに近づけることができる。さらには低雑音増幅器の内部雑音をも低減できるといった効果もあり、超伝導技術を応用することで、特に受信系が飛躍的に高感度化される。

この種のアンテナ装置は、真空容器（断熱用保温容器など）内で冷却される極低温部と、その外側の常温部とを備える。極低温部と常温部との間には両者の熱接触を遮断するための物理的な間隙（ギャップ）が設けられる。ギャップは真空容器の内部に形成され、高周波信号（ＲＦ信号）は極低温部と常温部との間で、このギャップをインタフェースとして伝送される。ギャップを有するインタフェースには例えば非接触型導波管や共振器結合がある。

特開２０１０−１１４６５２号公報 特開２０１２−２２２７２５号公報

超伝導温度を達成するには、液体窒素を循環させる方式や、ジュールトムソン効果を利用する冷却方式など幾つかの方法が知られているが、主として利用されるのは機械的駆動部を持つ冷却機である。保守管理の容易さや熱輸送ロスが少ないという利点があるからである。しかしながらこの種の冷却機は駆動時に振動するので、その振動の影響を受け、インタフェースのギャップ間隔が微小に変化する。

ギャップ間隔が変化すると、インタフェースを通過する電気信号の振幅や位相も変化し、その影響は周波数の高い信号ほど大きくなる。このためアンテナ装置の指向性特性が時間的に変動して種々の弊害がもたらされる。例えばレーダ装置への適用に際して測角精度やクラッタ抑圧性能が劣化し、レーダ性能の低下することが問題となっていた。

ギャップ間隔の変動を抑制するための努力はなされているが、熱が伝わることを防ぐため、機械的構造によりギャップ間隔を固定してしまうことができない。まして振動の伝播を防止したり、振動を物理的に停止することは大変難しく、何らかの対処が望まれている。
目的は、機械的振動の伝搬に伴う性能の劣化を防止したアレイアンテナ装置を提供することにある。

実施形態によれば、

図１は、実施形態に係わるアレイアンテナ装置の一例を示す機能ブロック図である。 図２は、図１に示される受信部１４の一例を示す機能ブロック図である。 図３は、実施形態に係わるアレイアンテナ装置のアンテナ素子配置の一例を示す図である。 図４は、実施形態に係わるアレイアンテナ装置の他の例を示す機能ブロック図である。

図１は、実施形態に係わるアレイアンテナ装置の一例を示す機能ブロック図である。アレイアンテナ装置は、アレイ状に配列されてアンテナ面を形成する複数のアンテナ素子（図示せず）を備える。図１において、送受信切換器５−１〜５−ｎはそれぞれ１つのアンテナ素子に接続される。送受信切換器５−１〜５−ｎはサーキュレータや同軸スイッチなどを備え、アンテナ素子単位で送信系統と受信系統とを時分割的に切り換える。以下では添え字１〜ｎにより各系統を区別する。

送信信号は分配器１でｎ系統に分岐され、アンテナ素子ごとの送信系統に分配される。分配された送信信号は系統ごとに、移相器２−１〜２−ｎで位相制御されたのち送信アンプ３−１〜３−ｎで送信レベルにまで増幅される。増幅された信号は送信フィルタ４−１〜４−ｎで不要波を除去されたのち送受信切換器５−１〜５−ｎに入力されて空間に放射される。

アンテナ素子で受信された受信信号は、系統ごとのリミッタ６−１〜６−ｎを介して受信フィルタ７−１〜７−ｎに入力され、不要波を抑圧されたのちＬＮＡ（低雑音増幅器）８−１〜８−ｎで信号増幅される。そののち移相器９−１〜９−ｎにて所望の位相に制御されたのち、各信号は合成器１０で合成されて受信ビームが出力される。

リミッタ６−１〜６−ｎ、受信フィルタ７−１〜７−ｎおよびＬＮＡ８−１〜８−ｎは、それぞれ系統ごとに真空容器１１内に封入される。真空容器１１の内部は冷却機１２により超伝導温度にまで冷却される。冷却機１２は例えばスターリング冷却機であり、冷却部を駆動するためのアクチュエータ１３を備える。真空容器１１、冷却機１２およびアクチュエータ１３により、受信部１４が系統ごとに形成される。

図２は、図１に示される受信部１４の一例を示す機能ブロック図である。図２において、受信信号は、アンテナ素子の接続される常温の受信基板２７からインタフェース２１を経て受信回路２３に入力される。受信回路２３は図１に示されるリミッタ、受信フィルタおよびＬＮＡを備え、極低温で受信信号を処理する。インタフェース２１は常温部と極低温部とに挟まれる真空のギャップを有する。

受信回路２３により受信処理された信号は、インタフェース２２を通過して再び受信基板２７に戻り、位相器、合成器１０に接続される。インタフェース２２も、常温部と極低温部とに挟まれた真空のギャップを有する。
インタフェース２１、２２の低温側と受信回路２３は、冷却プレート２４上に配置される。冷却プレート２４は冷却機１２の低温部と熱的に接続されて超伝導レベルにまで冷却される。冷却機１２はアクチュエータ１３を備え、動作時には振動を発生する。

図３は、実施形態に係わるアレイアンテナ装置のアンテナ素子配置の一例を示す図である。図１３において、アクチュエータ１３は直動式モータまたは回転式モータを備える駆動機構を備える。アクチュエータ１３はエンコーダ３１に接続される。エンコーダ３１はアクチュエータ１３の初期位相を計測制御する。

アクチュエータ１３およびエンコーダ３１は制御装置３２に接続され、制御装置３２は電源３３に接続される。制御装置３２は、初期位相を含む運転情報３４を受信部１４のアクチュエータ１３ごとに設定する。運転情報３４を設定することでアクチュエータ１３を所望の周波数で駆動させることが可能になる。次に、上記構成における作用を説明する。

アクチュエータ１３の動作は、変移量をＸとして次式（１）で表される。
Ｘ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋φ） （１）
Ａ：振幅［ｍ］
ω：角振動数［ｒａｄ／ｓ］
ｔ：時間［ｓ］
φ：初期位相［ｒａｄ］
ここで、Ａおよびωの値は冷却機１２に依存する。

そこで実施形態では、受信部１４のアクチュエータ１３に初期位相φ１〜φｎとして、０≦φ＜２πの範囲でランダムな値を制御装置３２により割り当てる。これにより各受信部１４で生じるギャップ間隔の変化をアレイアンテナの開口面内で平均化することができる。

すなわち、アクチュエータ１３ごとの初期位相をランダム化することで、ギャップ間隔の変動で生じる振幅・位相のずれがアンテナ素子間で打ち消される。これによりアレイアンテナ装置において、特定方向にサイドローブ（不要放射）が出たり、ビーム幅が広がるなどといった性能の劣化を抑制することが可能となる。さらには、性能劣化の抑制により測角精度の劣化を防ぐことも可能となる。

仮に、全てのアクチュエータ１３が同じ位相で振動すると、アレイアンテナ装置全体での通過位相が一律に変動することとなる。よって送信期間と受信期間とを時間的に分離するレーダ装置においては、送受信する時間（周期）によって振幅・位相が変動し、静止目標を移動目標と誤認識するなどの弊害を生じたり、ひいてはクラッタ抑圧性能の劣化などももたらされる。これに対し実施形態によれば、振幅・位相の変動が時間（周期）的に平均化されるので、レーダ性能の劣化を抑制することができる。従ってアンテナ素子ごとの冷却機１２を同じ初期位相で駆動するのに比べ、受信部１４の性能が同等でもアレイアンテナ装置として高い性能を得ることが可能となる。

以上述べたように実施形態では、１組のギャップを設けた電気的（高周波）インタフェースに対して１つの冷却機をもつアレイアンテナ装置において、例えばアクチュエータ１３などの駆動機構の初期位相φをランダムに設定する。これによりギャップ間隔（隙間距離）の変化によって発生する振幅・位相誤差をアンテナ開口面内で平均化することができる。従って、受信する時間（周期）によって生じていた振幅・位相誤差も同様に平均化することができ、これにより駆動機構の振動によるレーダ性能の劣化を防ぐことが可能になる。これらのことから、機械的振動の伝搬に伴う性能の劣化を防止したアレイアンテナ装置を提供することが可能となる。

なお、制御装置３２は初期位相をランダム化するだけでなく、より積極的な制御も可能である。例えば、アンテナ開口面内の振幅・位相制御により所望のビーム形状に成形した指向特性を得ることができる。そこで、ビーム形状によってアンテナ素子ごとに一意的に求まる振幅・位相を実現すべく、各アンテナ素子ごとに初期位相φを設定することで所望の開口面分布を実現することができる。

また、駆動位相を制御することでアクチュエータなどの駆動機構により生じる振動を任意に制御することができ、アレイアンテナを構成する各アンテナ素子の振幅・位相を任意に制御することが可能となる。これにより、アンテナ開口面内の位相分布を任意に設定できるとともに、従来は可変減衰器等によって実現していた開口面内の振幅分布も制御することができる。

このように、アンテナ開口面内の振幅・位相制御を可能としたことで、覆域に応じた所望のビーム形状を得る成形ビーム（振幅・位相制御）やアンテナサイドローブ（不要放射）の低減（振幅制御・位相制御）、さらには特定方向の受信感度を極端に低減するためのヌル形成（振幅制御・位相制御）といったアンテナ性能の向上を可能とすることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば冷却機１２はスターリング冷却機に限らず、パルスチューブ冷却機やＧＭ冷却機など、駆動時に固有の振動を発生するものであれば同様の効果を得られる。

また図３において、エンコーダ３１による計測なしに所望の初期位相、周波数等でアクチュエータ１３を運転可能な構成とし、エンコーダ３１を排除することも可能である。また制御装置３２はエンコーダ３１と１対１に設けられても良く、複数のエンコーダに１つの制御装置としてもよい。同様に電源３３についても制御装置３２と１対１としたり、複数の制御装置に１台の電源とした構成でもよい。あるいは電源３３と制御装置３２とを一体化することも可能である。

また実施形態では受信部だけを冷却するアレイアンテナ装置について説明したが、送信部を極低温に冷却することでもアンテナの性能は高められる。もちろん、受信部と送信部とを冷却することも可能である。図４に、この種のアンテナ装置の一例を示す。

図４においては、リミッタ６−１〜６−ｎ、受信フィルタ７−１〜７−ｎおよびＬＮＡ８−１〜８−ｎに加えて、系統ごとの送信フィルタ４−１〜４−ｎおよび送受信切換器５−１〜５−ｎが真空容器２０に封入される。送信アンプ３−１〜３−ｎから出力される信高周波信号は、真空容器２０に形成されるギャップを介して送信フィルタ４−１〜４−ｎに入力される。

図４の構成においても、アンテナ素子ごとに冷却機１２が接続されていることから、送信フィルタ４−１〜４−ｎ、送受信切換器５−１〜５−ｎ、リミッタ６−１〜６−ｎ、受信フィルタ７−１〜７−ｎおよびＬＮＡ８−１〜８−ｎは冷却機１２の振動の影響を受ける。しかしながら初期位相をランダム化することで、受信系はもとより送信系に対する振動の悪影響を排除することが可能になる。

以上、実施形態について説明したが、この実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、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。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

１…分配器、２−１〜２−ｎ…移相器、３−１〜３−ｎ…送信アンプ、４−１〜４−ｎ…送信フィルタ、５−１〜５−ｎ…送受信切換器、６−１〜６−ｎ…リミッタ、７−１〜７−ｎ…受信フィルタ、８−１〜８−ｎ…ＬＮＡ（低雑音増幅器）、９−１〜９−ｎ…移相器、１０…合成器、１１…真空容器、１２…冷却機、１３…アクチュエータ、１４…受信部、２１，２２…インタフェース、２３…受信回路、２４…冷却プレート、２７…受信基板、３１…エンコーダ、３２…制御装置、３３…電源、３４…運転情報

Claims (4)

1. 高周波信号を捕捉する複数のアンテナ素子と、
   前記複数のアンテナ素子ごとに設けられ固有の振動パターンで振動する冷却機と、
   真空容器内に封入されて前記冷却機により冷却される受信部と、
   前記真空容器内に形成されるギャップを介して前記アンテナ素子から前記受信部に前記高周波信号を伝送するインタフェースと、
   前記振動パターンの初期位相を制御する制御部とを具備することを特徴とする、アレイアンテナ装置。
2. 高周波信号を放射する複数のアンテナ素子と、
   前記複数のアンテナ素子ごとに設けられ固有の振動パターンで振動する冷却機と、
   真空容器内に封入されて前記冷却機により冷却される送信部と、
   前記真空容器内に形成されるギャップを介して前記送信部から前記アンテナ素子に前記高周波信号を伝送するインタフェースと、
   前記振動パターンの初期位相を制御する制御部とを具備することを特徴とする、アレイアンテナ装置。
3. 前記制御部は、前記複数のアンテナ素子ごとに前記初期位相をランダム化することを特徴とする、請求項１および２のいずれか１項に記載のアレイアンテナ装置。
4. 前記制御部は、形成すべきビーム形状に基づいて前記初期位相を前記アンテナ素子ごとに設定することを特徴とする、請求項１および２のいずれか１項に記載のアレイアンテナ装置。