JP6193066B2

JP6193066B2 - レーダ装置の受信モジュール

Info

Publication number: JP6193066B2
Application number: JP2013188399A
Authority: JP
Inventors: 治夫小島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2017-09-06
Anticipated expiration: 2033-09-11
Also published as: JP2015055529A

Description

本発明の実施形態は、レーダ装置等に用いられる受信モジュールに関する。

レーダ装置に用いられる受信系は、通常、高周波の大電力信号に対する保護と小電力信号を高感度に受信することの両方が求められる。前者は絶対的条件でありしばしば後者が犠牲にされる。

レーダ装置等に用いられる受信モジュールの従来の構成例を図３に示す。この受信モジュールでは、高周波入力端子３１と高周波出力端子３２の間に、伝送線路３３ａ、低雑音増幅器３４，伝送線路３３ｂが直列に接続されている。伝送線路３３ａと低雑音増幅器３４の入力端子の接続点と接地の間に、高電子移動度トランジスタ（以下、ＨＥＭＴ素子という）３５ａが接続され、低雑音増幅器３４の出力端子と伝送線路３３ｂの接続点と接地の間に、ＨＥＭＴ素子３５ｂが接続される。

更に高周波入力端子３１と高周波出力端子３２の間に、直列に３つの伝送線路３３ｃ，３３ｄ，３３ｅが接続されている。伝送線路３３ｃと伝送線路３３ｄの接続点と接地との間にＨＥＭＴ素子３５ｃが接続され、伝送線路３３ｄと伝送線路３３ｅの接続点と接地との間にＨＥＭＴ素子３５ｄが接続される。

また高周波入力端子３１には伝送線路３３ｆが接続され、伝送線路３３ｆの他端には終端抵抗３６が接続される。伝送線路３３ｆと終端抵抗３６の接続点と接地との間には、ＨＥＭＴ素子３５ｅが接続される。

伝送線路３３ａ〜３３ｆは、使用周波数λの略１／４の長さの伝送線路である。ＨＥＭＴ素子３５ａ〜３５ｅはゲート幅が略同じ、高電子移動度トランジスタ素子である。

そして、高周波入力端子３１に小電力の高周波信号が入力されるときには、ＨＥＭＴ素子３５ａ，３５ｂをオフ状態とし、ＨＥＭＴ素子３５ｃ，３５ｄ，３５ｅをオン状態として、経路Iを動作させて、高周波信号入力を低雑音増幅器３４により増幅し高周波出力端子３２に出力する。一方、大電力の高周波信号が入力されるときには、ＨＥＭＴ素子３５ｃ，３５ｄをオフにし、経路IIを動作させて、伝送線路３３ｃ，３３ｄ，３３ｅにより、入力信号を減衰させて高周波出力端子３２に出力する。更に、この受信モジュールの入力を出力させないときには、ＨＥＭＴ素子３５ｅをオフにし、経路IIIを動作させて、入力信号の電力を終端抵抗３６で吸収する。

この従来の受信モジュールにおけるインピーダンスの点Ａから点Ｂまでの軌跡を図２のスミスチャートにおいて特性曲線２１により示す。経路Iを動作させるときには、経路II及び経路IIIにあるＨＥＭＴ素子はいずれもオンになっている。これらのＨＥＭＴ素子がオン状態のとき、点Ａから矢印方向に見たインピーダンスＺａは比較的大きく、伝送線路３３ｃの前にある点Ｂから見たインピーダンスＺｂも比較的大きい。したがって経路Iを動作させているときに、経路II、経路IIIに信号成分が吸収され、Ｂ点が十分解放とならないために、挿入損失が大きくなるという問題がある。

特開２００７−７４４２０号公報

本発明の課題は、小電力の入力信号が入ってくるときに低雑音増幅器の入力側で挿入損失を改善できるレーダ装置の受信モジュールを提供することである。

一実施形態のレーダ装置の受信モジュールは、高周波信号が入力される高周波入力端子と、前記高周波入力端子に入力される高周波信号を増幅する低雑音増幅器と、この低雑音増幅器により増幅された出力信号を出力する高周波出力端子と、前記低雑音増幅器の入力端子と前記高周波入力端子の間に接続されたλ／４の長さの第１の伝送線路と、前記低雑音増幅器の出力端子と前記高周波出力端子の間に接続されたλ／４の長さの第２の伝送線路と、前記高周波入力端子と前記高周波出力端子の間で、前記第１の伝送線路、前記低雑音増幅器及び前記第２の伝送線路と並列に接続され、前記高周波入力端子と前記高周波出力端子の間に直列接続された第３、第４、第５の伝送線路と、これらの伝送線路のうち前記高周波入力端子に一端を接続された第３の伝送線路の他端に一端を接続され、一端を接地された終端抵抗の他端に他端を接続された第６の伝送線路と、前記第１の伝送線路と前記低雑音増幅器の入力端子の接続点と接地の間、及び前記低雑音増幅器の出力端子と前記第２の伝送線路の接続点と接地の間に、各々接続された第１、第２の電界効果トランジスタ素子と、前記第３の伝送線路と前記第４の伝送線路の接続点と接地の間、前記第４の伝送線路と前記第５の伝送線路の接続点と接地との間に、各々接続され、前記第１、第２の電界効果トランジスタ素子よりゲート幅の大きい、第３、第４の電界効果トランジスタ素子と、前記第６の伝送線路と前記終端抵抗の接続点と接地との間に接続され、前記第１、第２の電界効果トランジスタ素子よりゲート幅の大きい第５の電界効果トランジスタ素子と、を備え、前記高周波入力端子に小電力の高周波信号が入力されるときには、前記第１、第２の電界効果トランジスタ素子をオフとするとともに他の電界効果トランジスタ素子をオンとし、前記高周波入力端子に大電力の高周波信号が入力されその信号を前記高周波出力端子に出力するときには、前記第３、第４の電界効果トランジスタ素子をオフとするとともに他の電界効果トランジスタ素子をオンとし、
前記高周波入力端子に入力された高周波信号を前記高周波出力端子に出力しないときには、前記第３の電界効果トランジスタ素子と前記第５の電界効果トランジスタ素子をオフとするとともに他の電界効果トランジスタ素子をオンとする、ことを特徴とする。なお、前記λは使用波長である。

本発明の一実施形態に係る構成図である。一実施形態を説明するための図である。従来の受信モジュールの構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。図１に一実施形態の受信モジュールの構成例を示す。この受信モジュール１０では、高周波入力端子１１と高周波出力端子１２の間に、３つの経路が設けられている。

経路Iは、伝送線路１３ａ、低雑音増幅器１４，伝送線路１３ｂが直列に接続されている。伝送線路１３ａと低雑音増幅器１４の入力端子の接続点と接地の間に、ＨＥＭＴ素子１５ａが接続され、低雑音増幅器３４の出力端子と伝送線路１３ｂの接続点と接地の間に、ＨＥＭＴ素子１５ｂが接続される。

更に経路IIとして、高周波入力端子１１と高周波出力端子１２の間に、直列に３つの伝送線路１３ｃ，１３ｄ，１３ｅが接続されている。伝送線路１３ｃと伝送線路１３ｄの接続点と接地との間にＨＥＭＴ素子１７ｃが接続され、伝送線路１３ｄと伝送線路１３ｅの接続点と接地との間にＨＥＭＴ素子１７ｄが接続される。

また伝送線路１３ｃと伝送線路１３ｄの接続点には、伝送線路１３ｆが接続され、この伝送線路１３ｆの他端には、他端が接地されている終端抵抗１６が接続され経路IIIとなる。伝送線路１３ｆと終端抵抗１６の接続点と接地との間には、ＨＥＭＴ素子１７ｅが接続される。

伝送線路１３ａ〜１３ｆは、使用波長λの略１／４の長さの伝送線路である。

ＨＥＭＴ素子１５ａ，１５ｂは第１のゲート幅を有する、ゲート幅が略同じ高電子移動度トランジスタ素子である。一方、ＨＥＭＴ素子１７ｃ，１７ｄ，１７ｅはＨＥＭＴ素子１５ａ，１５ｂよりもゲート幅が大きい第２のゲート幅を有する高電子移動度トランジスタ素子である。

この受信モジュールの動作を説明する。高周波入力端子１１に小電力の高周波信号が入力されるときには、ＨＥＭＴ素子１５ａ，１５ｂをオフ状態とし、ＨＥＭＴ素子１５ｃ，１５ｄ，１５ｅをオン状態として、経路Ｉを動作させ、他の経路の動作を止める。したがってこの場合には、高周波信号入力を低雑音増幅器１４により増幅し高周波出力端子１２に出力する。

一方、大電力の高周波信号が入力されるときには、ＨＥＭＴ素子１７ｃ，１７ｄをオフにし、経路IIを動作させて、伝送線路１３ｃ，１３ｄ，１３ｅにより、入力信号を減衰させて高周波出力端子１２に出力する。更に、この受信モジュールの入力を出力させないときには、ＨＥＭＴ素子１７ｃ，１７ｅをオフにし、経路IIの一部と経路IIIを動作させる。即ち、高周波出力端子１２に出力を出さないときには、伝送線路１３ｃの出力端子に接続されたＨＥＭＴ素子１７ｃと伝送線路１３ｆの出力端子に接続されたＨＥＭＴ素子１７ｅをオフにし、他のＨＥＭＴ素子をオンにする。このときには、高周波入力端子１１に入力された信号は、伝送線路１３ｃ及び伝送線路１３ｆを介して終端抵抗１６に流れ、この抵抗で消費される。

この実施形態において、ＨＥＭＴ素子１７ｃ，１７ｄ，１７ｅのゲート幅は、ＨＥＭＴ素子１５ａ，１５ｂのゲート幅に比べて大きくしてある。一般に、ＨＥＭＴ素子のゲート幅を大きくすると、その分だけ、ゲートにおける損失が大きくなる。ＨＥＭＴ素子の短絡時のインピーダンスＺｓと解放時のインピーダンスＺｏの比は一定である。

小電力の高周波信号が高周波入力端子１１に入力されたときには、ＨＥＭＴ素子１７ｃ，１７ｄ，１７ｅのゲートにおけるインピーダンスは大きく、損失も大きくなる。

この実施形態の受信モジュールにおけるインピーダンスの特性を図２のスミスチャートにより説明する。経路I以外のＨＥＭＴ素子は、オン状態にあるとする。上述のように、図３のＡ点から矢印方向に見たインピーダンスはＺａであり、この点より伝送線路３３ｃを介してλ／４長だけ遡ると、高周波入力端子３１に近いＢ点から矢印方向に見たインピーダンスはＺｂとなる。

一方、図１に示す実施形態の場合、特性曲線は２３のようになる。Ｃ点から矢印方向に見たインピーダンスＺｃは、外周に近いＡ点より外周に近い値となる。

これは、ＨＥＭＴ素子１７ｃ，１７ｄ，１７ｅのゲート幅がＨＥＭＴ素子１５ａ，１５ｂより大きいからである。そしてλ／４長の伝送線路１３ｃを遡った位置、即ちＤ点から矢印方向に見たインピーダンスＺｄが、上述のＺａよりも大きくなる。これは、反射係数が大きくなることを意味しており、従来の場合よりも点Ｄにおける反射量が大きくなり、高周波信号が経路IIや経路IIIに流れる電流は、従来の場合よりも小さくなる。結局、高周波入力端子１１に小電力の高周波信号が入力するとき、経路Iに従来よりも多くの電流が流れることになり、低雑音増幅器１４の出力信号も大きくすることができることになる。

なお、ＨＥＭＴ素子１７ｃ，１７ｄ，１７ｅのゲート幅を大きくすると、これらのＨＥＭＴ素子のオフ時のインピーダンスも大きくなる。それゆえ、経路II及び経路IIIを動作させるときには、これらのＨＥＭＴ素子の損失も大きくなる。しかし、このような場合は、高周波入力端子１１に大電力の高周波信号が入力されるときであり、これらのＨＥＭＴ素子による損失は大きくても問題は少ない。

ところで、この実施形態を示す図１において、経路IIIの伝送線路１３ｆの一端は経路IIの伝送線路１３ｃと伝送線路１３ｄの接続点に接続されている。これは、ＨＥＭＴ素子１５ａ，１５ｂをオフとし、他のＨＥＭＴ素子をオンにした場合、伝送線路１３ｄ，１３ｅと、伝送線路１３ｆ、終端抵抗１６を並列にし、この並列回路に伝送線路１３ｃを直列接続形式にすることにより、これらの経路のインピーダンスを抑えることができるためである。

したがって、小電力の信号が入力されるとき、従来の例として図３に示した受信モジュールのように経路II及び経路IIIを完全に並列にした場合よりも、オフ時の経路II及び経路IIIのインピーダンスを小さくすることができる。この接続の点からも図１に示す受信モジュールは、挿入損失を小さく抑え、良好な特性の受信モジュールが得られる利点がある。

上記実施形態では、各伝送線路は使用波長λの１／４の長さとして説明した。しかし、丁度この長さでなくとも、この長さに略同じ長さならば本発明の技術思想を用いることになり、本発明に含まれる。

上記実施形態の受信モジュールでは、オンオフのスイッチングを行う素子としてＨＥＭＴ素子を用いた場合について説明した。しかし、本発明はＨＥＭＴ素子を用いる場合だけに限られず、一般的にＦＥＴ素子を用いる場合に適用可能である。

上記実施形態では、レーダ装置の受信モジュールに本発明を適用した場合について説明した。しかし、本発明は、レーダ装置の送信モジュールを受信モジュールと一体とした送受信モジュールにも適用でき、その場合も本発明に含まれる。

本発明の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。

１１・・・・高周波入力端子
１２・・・・高周波出力端子
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ・・・・伝送線路
１４・・・・低雑音増幅器
１６・・・・終端抵抗
１５ａ，１５ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ・・・・ＨＥＭＴ素子

Claims

高周波信号が入力される高周波入力端子と、
前記高周波入力端子に入力される高周波信号を増幅する低雑音増幅器と、
この低雑音増幅器により増幅された出力信号を出力する高周波出力端子と、
前記低雑音増幅器の入力端子と前記高周波入力端子の間に接続されたλ／４の長さの第１の伝送線路と、
前記低雑音増幅器の出力端子と前記高周波出力端子の間に接続されたλ／４の長さの第２の伝送線路と、
前記高周波入力端子と前記高周波出力端子の間で、前記第１の伝送線路、前記低雑音増幅器及び前記第２の伝送線路と並列に接続され、前記高周波入力端子と前記高周波出力端子の間に直列接続された第３、第４、第５の伝送線路と、
これらの伝送線路のうち前記高周波入力端子に一端を接続された第３の伝送線路の他端に一端を接続され、一端を接地された終端抵抗の他端に他端を接続された第６の伝送線路と、
前記第１の伝送線路と前記低雑音増幅器の入力端子の接続点と接地の間、及び前記低雑音増幅器の出力端子と前記第２の伝送線路の接続点と接地の間に、各々接続された第１、第２の電界効果トランジスタ素子と、
前記第３の伝送線路と前記第４の伝送線路の接続点と接地の間、前記第４の伝送線路と前記第５の伝送線路の接続点と接地との間に、各々接続され、前記第１、第２の電界効果トランジスタ素子よりゲート幅の大きい、第３、第４の電界効果トランジスタ素子と、
前記第６の伝送線路と前記終端抵抗の接続点と接地との間に接続され、前記第１、第２の電界効果トランジスタ素子よりゲート幅の大きい第５の電界効果トランジスタ素子と、を備え、
前記高周波入力端子に小電力の高周波信号が入力されるときには、前記第１、第２の電界効果トランジスタ素子をオフとするとともに他の電界効果トランジスタ素子をオンとし、
前記高周波入力端子に大電力の高周波信号が入力されその信号を前記高周波出力端子に出力するときには、前記第３、第４の電界効果トランジスタ素子をオフとするとともに他の電界効果トランジスタ素子をオンとし、
前記高周波入力端子に入力された高周波信号を前記高周波出力端子に出力しないときには、前記第３の電界効果トランジスタ素子と前記第５の電界効果トランジスタ素子をオフとするとともに他の電界効果トランジスタ素子をオンとする、
ことを特徴とする、レーダ装置の受信モジュール。
なお、前記λは使用波長である。
前記電界効果トランジスタ素子は、ＨＥＭＴ素子であることを特徴とする請求項１に記載の、レーダ装置の受信モジュール。