JP6870932B2 - 無線電波を送信及び受信する無線電気装置及び関連する無線高度測定システム - Google Patents

Description

本発明は、所定の変調信号によって周波数が変調された電波を作り出す電波発生器と、関連するアンテナ開口角を有するトランシーバアンテナシステムとを含む、電波を送信及び受信するための無線電気装置に関連する。

本発明はまた、関連する無線高度測定システムに関連する。

本発明は、無線通信分野に、特に、航空分野に適用することができる。

民用又は軍用の航空分野で使用される無線高度測定システムは、一般的に、電波高度計と称される。

電波高度計は航空機に搭載される機器であり、地面又は上空からの面に対する航空機の高度を提供することができる。電波高度計は、特に、自動飛行段階中又は重要な飛行段階中、例えば、接近、着陸及び離陸中に使用される。電波高度計は、特に見通しがない場合に、パイロットへの援助を提供する不可欠な要素であり、ＴＡＷＳ（地形認識警報システム）型式か又はＡＦＣＳ（自動航空制御システム）型式の他の設備、及び、最小の高度を計算するためのミッションコンピュータと併せて使用する。

電波高度計により提供される高度の測定はまた、オンボードコンピュータによって実行される様々な計算用途に対して使用することができ、例えば、予め制定した地図の上空からの地形に対する航空機の位置を再調整できる。

本技術水準においては、異なる種類の電波高度計が知られており、そのような機器の一般原理は、送信した無線信号と地面で反射した後に受信した無線信号との伝播時間を測定することで高度を測定することである。

電波高度計は、所定の変調信号によって周波数が変調された電波の発生器と、関連するアンテナ開口角を有するトランシーバアンテナシステムとを含む。

電波高度計は、周波数又は勾配の振幅δＦに従って実質的に線形の勾配を持つ、ランプを含む変調信号によって周波数が変調された電波の連続送信を使用することが知られており、それは周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）と称される。民用分野では、使用される周波数帯は４．２〜４．４ＧＨｚである。地面で反射した後、反射電波は航空機の高度に依存する時間τ後にエコーとして受信されて、したがって、その高度を計算することを可能とする。

その計算の精度は、アンテナシステムの開口部と飛行高度とに依存する、一般的に地面である標的表面上の送信波の受信ゾーンのサイズに特に依存する。

使用されるアンテナシステムが固定の開口部を有する場合、受信ゾーンのサイズは航空機の高度によって大きく変わる。実際に、高度が高くなるにつれて受信ゾーンは大きくなる。

受信ゾーンが拡大されることは幾つかの欠点、特に、高反射素子を捕える可能性を有し、それは上空からの高度の計算結果を歪ませることがある。

さらに、計算された高度の情報と関係がある方向に関する不正確性は、追加のアンテナを要求する干渉システムを追加しない場合は、無線高度測定の再測定に対して潜在的な誤差を引き起こす。

したがって、電波の送信を標的にすることで分析ゾーンをより制御して、結果として、電波高度計による高度の計算精度を改善することが望ましい。

より一般的には、送信機と受信機の間の距離が動的に変化することがある無線通信システムについては、受信電波の受信ゾーンのサイズをより制御することが有益である。

本発明の１つの目的はこの問題を解決することであり、並びに、伝統的なアンテナシステムと比較してコンパクト性を有するシステムを確保することである。

そのような目的を達成するために、第１の態様によれば、本発明は、電波を送信及び受信するための無線電気装置であって、所定の変調信号によって周波数が変調された電波を作り出す電波発生器と、関連するアンテナ開口値を持つ送信−受信の角度を有して、前記送信電波を送信して電波を受信することができるトランシーバアンテナシステムとを含む無線電気装置を提供する。

アンテナシステムは、第１周波数帯で放射することができる放射素子の第１アレイ及び第２周波数帯で放射することができる放射素子の少なくとも１つの第２アレイと、放射素子の第１アレイ及び第２アレイのそれぞれを活性化及び／又は不活性化することができる複数の活性素子と、選択されたアンテナ開口値に基づく前記活性素子を制御することができる制御モジュールとを含む。

有利には、本発明に係る電波を送信−受信するための無線電気装置は、放射素子のアレイを活性化又は不活性化することによってアンテナ開口部を動的に選択することを可能とする。さらに、放射素子の第１アレイを含むアンテナシステムにおいて、第２周波数帯で放射することができる放射素子の少なくとも１つの第２アレイを追加することで、そのサイズ決定への影響が小さくなる。

本発明に係る電波を送信−受信するための無線電気装置は、以下の１つ又は複数の特徴を有することができて、それは単独か又は全ての技術的に許容できる組み合わせで考えられる。

この装置は選択されたアンテナ開口値を得るためのモジュールを含む。

アンテナシステムは、放射素子の第２アレイのマトリクス内に配置された放射素子の複数の第２アレイを含み、放射素子のそれぞれの第２アレイは自己の電力供給点を有する。

活性［素子］はスイッチであり、装置は、放射素子の前記第１アレイ及び前記第２アレイの複数の活性／不活性構成を作るように配置された複数のスイッチを含む。

アンテナ開口値は離散集合のアンテナ開口値の中から選択され、前記離散集合の各アンテナ開口値は、放射素子の前記第１アレイ及び前記第２アレイの活性／不活性構成に対応する。

この装置はメモリモジュールを含み、離散集合のアンテナ開口値と、各アンテナ開口値について、放射素子の前記第１アレイ及び前記第２アレイの関連する活性／不活性構成とが保存される。

別の態様によれば、本発明は、上で簡単に説明したような、電波を送信−受信するための無線電気装置によって実行される、電波の送信−受信方法に関連する。

この方法は、送信モード又は受信モードにおいて、以下の工程、
−選択されたアンテナ開口値を得る工程、
−その選択されたアンテナ開口値に基づく放射素子の第１アレイ及び第２アレイの複数の活性／不活性素子を制御する工程を含む。

本発明に係る電波の送信−受信方法は、以下の１つ又は複数の特徴を有することができて、単独か又は全ての技術的に許容できる組み合わせで考えられる。

その方法は、送信モードにおいて、第１周波数帯の中で所定の変調信号によって周波数が変調された、少なくとも１つの電波を作り出す工程をさらに含む。

送信モードにおいて、その方法は以下の工程、
−選択されたアンテナ開口値を最大アンテナ開口値と比較する工程、
−その比較が否定的であった場合に、作り出された電波を第２周波数帯に置き換える工程を含む。

受信モードにおいて、この方法は以下の工程、
−選択されたアンテナ開口値を最大アンテナ開口値と比較する工程、
−その比較が否定的であった場合に、受信された電波を第１周波数帯に置き換える工程をさらに含む。

別の態様によれば、本発明は、航空システムに取り付けられ、表面に対する前記航空システムの距離を提供するのに適した電波高度計システムに関連し、それは上で簡単に説明したような、電波を送信して前記表面により反射した電波を受信することができる、電波を送信−受信するための無線電気装置を含み、電波高度計システムは、送信電波及び反射電波の関数として前記距離を計算することができる処理モジュールをさらに含む。

有利には、航空システムと前記表面の間の距離の計算精度は、アンテナシステムのアンテナ開口部を変える可能性によって改善される。

本発明のその他の特徴及び利点は、以下に提供されるそれらの説明から明らかになり、それは添付図面に関連し、単に情報のためでありかつ非限定的である。

電波高度計を搭載する航空機と、地面上の関連する受信ゾーンとを図式的に示す。 本発明の１つの実施形態に係る電波を送信−受信するための無線電気装置の主要な機能モジュールを示す。 アンテナシステムの放射素子のアレイを図式的に示す。 図３の放射素子のアレイを活性化／不活性化するための制御回路を図式的に示す。 本発明の１つの実施形態に係る電波高度計システムにより実行される方法の主要な工程のフローチャートである。

本発明に係る無線電気装置は、それが航空システムに取り付けられる無線高度測定システム（又は電波高度計）に適用されるように記載される。

図１に図示された例では、航空機１０は、この例ではヘリコプターである航空機１０に取り付けられた電波高度計１２を搭載する。

電波高度計１２は、アンテナシステムを含み、かつ、電波又は電波ビームを標的表面Ｓ、例えば、地面に向けて送信することができる、本発明に係る電波を送信−受信するための無線電気装置３０（図２）を備える。

有利には、電波を送信−受信するための無線電気装置は、アンテナ開口値を選択して、その選択されたアンテナ開口値に応じて異なるサイズを持つ受信ゾーン１４、１６、１８、及び２０を得ることを可能とする。

電波高度計１２の目的は、１つ又は複数の送信電波Ｏ_E及び反射電波Ｏ_Rに基づく、最小の上空からの距離Ｈ₀を評価することである。

１つの実施形態では、各送信電波は、例えば、周波数振幅ΔＦ＝ａｂｓ（Ｆ_max−Ｆ_min）（ａｂｓは絶対値を表す。）に従う、値Ｆ_minと値Ｆ_maxの間の範囲の周波数変化ランプを含む信号に応じて周波数が変調される。電波Ｏ_Eは地面Ｓ上で反射して、反射波Ｏ_Rを作る。この動作モードは「周波数変調連続波」（ＦＭＣＷ）と称される。

本発明の用途は、電波高度計のこの動作モードに限定されないことに留意すべきである。

受信ゾーン１４、１６、１８及び２０は、選択されたアンテナ開口値に応じて可変なサイズを有する。

各受信ゾーン、又は地面上の点は、所与のアンテナ開口値で送信される電波の放射ゾーンである。各受信ゾーンは実質的に円であり、その半径はアンテナ開口値に依存する。

受信ゾーン１４〜２０は説明の目的のために図１に全て示されていることに留意すべきである。実際には、以下で詳細に説明するように、アンテナ開口値の選択に応じて、受信ゾーン１４〜２０の中から１つの受信ゾーンが有効になる。

図１の例においては、受信ゾーン１４は電磁スペクトルの第１周波数帯、例えば、４〜８ＧＨｚの周波数で定義されるＣ帯に対応して図式的に示される。

受信ゾーン２０は、電磁スペクトルの第２周波数帯、例えば、２７〜４０ＧＨｚの周波数で定義されるＫａ帯に対応する。

さらに、２つの追加の受信ゾーン１６及び１８は、第２周波数帯での放射素子の異なるアレイの選択に対応する。

したがって、電波を送信−受信するための無線電気装置のアンテナシステムは、説明した実施形態において、２つの周波数帯、第１周波数帯又は低帯域と第２周波数帯又は高帯域とで動作することができて、異なるサイズを持つ受信ゾーンに対応する幾つかのアンテナ開口値を、第２周波数帯の中で選択することができる。

以下でより詳細に説明されるように、これらの異なるアンテナ開口値は、電力供給による放射アンテナ素子の活性化又は不活性化を制御することで達成することができる。

図２では、電波高度計に組み込まれることができて、複数のアンテナ開口値の中から１つのアンテナ開口値を選択することができる、本発明の１つの実施形態に係る電波を送信−受信するための無線電気装置の主要な機能ユニットを図式的に示す。

無線電気装置３０は、メモリ３４内に保存されるような様々な動作パラメーターを得るための入力インターフェースモジュール３２と、アンテナ開口値を得るためのモジュール３６とを含む。

１つの実施形態においては、モジュール３６はオペレーターからアンテナ開口値を受け取る。

代替的に、モジュール３６は、所与の用途のために最適化されたアンテナ開口値を選択するようなループ内で動作するために、別の計算モジュールからのアンテナ開口値、例えば、無線電気装置３０が電波高度計に組み込まれた場合には高度計算結果Ｈ₀を受け取る。

無線電気装置３０は、第１周波数帯で、例えば、Ｃ帯で電波を作り出すためのモジュール３８を含む。

電波を第２周波数帯に置き換えるためのモジュール４０は、アンテナ開口値を得るためのモジュール３６によって得られる選択された開口値に基づいて、任意選択で実装される。例えば、第２周波数帯はＫａ帯である。

実際に、アンテナ開口値が最大アンテナ開口値に一致する場合には、電波の送信は、第２周波数帯より低い第１周波数帯で行われる。

代替的に、モジュール３８及び４０は、パラメーターによって選択された周波数帯で電波を作り出し整形するための１つのモジュールで置き換えられる。

制御モジュール４２は、送信及び受信のために使用されるようなアンテナシステム４４の放射素子を選択することを可能にする。

実際に、アンテナシステム４４は第１周波数帯で送信することができる放射素子の第１アレイを含む。

それはまた、第２周波数帯で送信することができる放射素子の１組の第２アレイを含む。

図３では、１つの実施形態に係るアンテナシステム４４を図式的に示す。

そのシステムは、反射支持面４８上に位置していて、それぞれが電力供給点５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄを含む、低帯域４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、及び４６ｄで動作する第１放射素子の第１アレイ４５を含む。第１放射素子のそれぞれは、電気が供給された場合に活性化される。

この実施形態では、高帯域で動作する放射素子の第２アレイ５２₁、・・・５２_i、・・・５２_nは同一の支持面４８上に設置される。

放射素子のこれらの第２アレイのそれぞれは、放射素子の規則パッド又は規則メッシュで配置された簡単なパッチ５４から作り上げられる。

図示した例では、規則メッシュは正方形であるが、任意の他の規則メッシュを考慮することができる。

例えば、１つの代替方法によれば、第２放射素子は同心状リングで配置される。

第２アレイ５２₁〜５２_nは放射素子の第２アレイのマトリクス５５内に配置される。

それぞれの放射素子の第２アレイ５２_iは、送信及び受信用のそのアレイを活性化させるか又は活性化させないことを可能とする電力供給点５８_iを含む。

有利には、放射素子のこれらの第２アレイ５２_iのそれぞれは、個別に活性化することができて、それにより制御モジュール４２によって活性化される第２アレイの組の様々な選択をすることができて、異なるアンテナ開口値に対応する電波ビームを送信及び受信することができる放射素子の第２アレイの送信−受信構成を形成する。アンテナシステムは、複数の選択可能なアンテナ開口値を伴って得られる。

例えば、放射素子の第１アレイ４５を活性化することで、図１の受信ゾーン１４を得ることができて、第２アレイの全体のマトリクス５５を活性化することで、図１の受信ゾーン２０を得ることができる。

サブマトリクス５６を形成する第２放射アレイの集合を活性化することで、受信ゾーン１８を得ることができて、１つの正方形５２_iを活性化することで、ゾーン１６を得ることができる。

ここに、我々は活性化放射素子の第２アレイの４つの構成の選択を図示したが、放射素子の考えられるアレイの数及び配置に応じて、４つより多い構成数Ｎを達成することができることが理解される。

図４では、図３の放射素子のアレイを活性化／不活性化するための回路６０を図式的に示す。図３の放射素子の第１アレイ及び第２アレイに対応する様々な電力供給点並びに活性素子、例えば、スイッチによって放射素子の様々なアレイの活性化及び不活性化を制御することができる。

電気回路６０は、放射素子の第１アレイの電力供給点６２と、考えられる第２アレイの組に電力を供給する電力供給点６４、６６、６８とを含む。

より一般的には、アンテナ開口値に関連する放射素子の第１アレイ及び第２アレイの組のそれぞれは、関連する電力供給点を有する。

図４の回路は、放射素子の第１アレイ及び第２アレイへ電力を供給するか又は供給しないことを可能とするスイッチ７０₁、・・・７０_i、・・・７０_nを含む。

代替的に、活性／不活性素子７０₁、・・・７０_i、・・・７０_nはスイッチである。

活性素子７０₁〜７０_nの様々な開／閉構成が提供され、各構成は１組の活性放射素子のアレイと所与のアンテナ開口値とに対応する。

様々なスイッチの位置と関連するアンテナ開口値との間の対応を示す様々な構成が、メモリモジュール３４内、例えば、レジスタ内又はファイル内に保存される。

したがって、アンテナシステム４４に関連するアンテナ開口部の選択は、回路６０の様々な活性素子の位置を選択することにより行われる。

離散集合の異なるアンテナ開口値を得ることができる。

本発明の１つの実施形態によれば、航空システムに取り付けられ、表面に対する前記航空システムの距離を提供するのに適する電波高度計は、上で説明したように無線電気装置と、送信電波及び反射電波の関数として前記距離を計算することができる処理モジュールとを含む。

図５では、上で説明したように、上空からの面に対する距離を計算するための、無線周波数装置を含む電波高度計により実行される、主要な工程のフローチャートである。

適用されるべきアンテナ開口値Ｖ_Aは、工程８０の間に、オペレーターの制御の下でマンマシンインターフェースによってか又は以下で説明する計算によってのいずれかによって得られる。

送信されるべき電波ビームは、第１周波数帯で、例えば、Ｃ帯で工程８２の間に作り出される。

検証工程８４の間に、アンテナ開口値が前に保存された最大開口値と等しいかどうかを検証する。

否定的回答の場合においては、工程８４の後に転送工程８６を行い、送信されるべき電波を第２周波数帯に、例えば、Ｋａ帯に置き換える。

検証工程８４に対して肯定的回答の場合において、又は工程８６の後、送信する放射素子のアレイを選択するための工程８８は、アンテナ開口値Ｖ_Aに基づいて、様々な可能なアンテナ開口値を制御回路のスイッチの開／閉構成と照合して事前に保存された構成から決定することから成る。

例えば、アンテナ開口値Ｖ_Aが最大開口値である場合は、放射素子の第１アレイのみが活性化される。

送信する放射素子のアレイを選択するための工程８８は、放射素子の様々な選択されたアレイの電気の供給及び電波の送信をすることができるスイッチの活性化／不活性化の制御に適用する。

受信モードにおいて、放射素子のアレイの活性化／不活性化はまた、アンテナ開口値Ｖ_Aに基づいて、工程９０の間に実行される。

工程９０の後に工程８４に類似した検証工程９２を行い、アンテナ開口値Ｖ_Aが事前に保存した最大開口値と等しいかどうかを検証する。

否定的回答の場合においては、工程９２の後に置換工程９４を行い、受信電波を第１周波数帯に置き換える。

検証工程９２に対して肯定的回答の場合においては、又は工程９４の後、工程９６は、適用可能であれば、第１周波数帯に置き換えられた、その受信電波の様々な受信動作及び復調動作を実行する。

次に、電波高度計と受信電波を反射した表面との間の距離を抽出して計算する工程９８が適用される。

電波高度計が、それを特定する方法に従ってかつそのミッションに基づいて、分析された受信ゾーンが十分でないと決定した場合には、電波高度計は新たなアンテナ開口値を命じることがある。使用されたアンテナ開口値Ｖ_Aよりも小さい新たなアンテナ開口値が得られ、工程８０〜９８が繰り返される。

有利には、この実施形態は、第１周波数帯での伝統的な電波処理動作を実行する。

有利には、Ｃ帯において、アンテナ開口値を得るためのモジュールを追加して、前記第１周波数帯と前記第２周波数帯の間での置換を実行し、送信及び受信で使用されるべき放射素子のアレイの活性化／不活性化を制御することで改造された、公知の電波高度計が使用可能である。

したがって、提案した解決法は低い製造コストを有し、装置のコンパクト性を維持する。

本発明は、２つの異なる周波数帯で送信及び受信することができる無線周波数装置に適用するように説明してきた。しかしながら、本発明はこの適用シナリオに限定されなく、３つ以上の周波数帯で動作するのに適していて、放射素子のアレイを各周波数帯の中で選択して、様々なアンテナ開口値を達成することができる。

Claims (10)

1. 電波を送信及び受信する無線電気装置であって、所定の変調信号によって周波数が変調された電波を作り出す電波発生器と、関連するアンテナ開口値を持つ送信−受信の角度を有して、前記送信電波を送信して電波を受信することができるトランシーバアンテナシステムとを含み、
   前記アンテナシステム（４４）が、第１周波数帯で放射することができる放射素子（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ）の第１アレイ（４５）及び第２周波数帯で放射することができる放射素子の少なくとも１つの第２アレイ（５２_i、５５、５６）と、
   放射素子の前記第１アレイ及び前記第２アレイのそれぞれを活性化及び／又は不活性化することができる複数の活性素子（７０₁、・・・７０_i、・・・７０_n）と、
   選択されたアンテナ開口値であって、離散集合のアンテナ開口値の中から選択され、前記離散集合の各アンテナ開口値が、放射素子の前記第１アレイ及び前記第２アレイの活性／不活性構成に対応するアンテナ開口値に基づき前記活性素子（７０₁、・・・７０_i、・・・７０_n）を制御することができる制御モジュール（４２）とを含むことを特徴とする無線電気装置。
2. 選択されたアンテナ開口値を得るためのモジュール（３６）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の無線電気装置。
3. 前記アンテナシステムが、放射素子の第２アレイのマトリクス（５５）内に配置された複数の放射素子の第２アレイ（５２₁、・・・５２_i、・・・５２_n）を含み、放射素子のそれぞれの第２アレイが自己の電力供給点を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の無線電気装置。
4. 前記活性素子（７０₁、・・・７０_i、・・・７０_n）がスイッチであり、前記装置が、放射素子の前記第１アレイ及び前記第２アレイの複数の活性／不活性構成を作るように配置された複数のスイッチを含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の無線電気装置。
5. メモリモジュール（３４）を含み、前記離散集合のアンテナ開口値と、各アンテナ開口値について、放射素子の前記第１アレイ及び前記第２アレイの関連する活性／不活性構成とが保存されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の無線電気装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電波を送信−受信する無線電気装置によって実行される電波の送信−受信方法であって、
   送信モード又は受信モードにおいて、以下の工程、
   −選択されたアンテナ開口値を得る工程（８０）、
   −前記選択されたアンテナ開口値に基づき放射素子の前記第１アレイ及び前記第２アレイの複数の活性／不活性素子を制御する工程（８８、９０）を含むことを特徴とする方法。
7. 送信モードにおいて、第１周波数帯の中で所定の変調信号によって周波数が変調された、少なくとも１つの電波を作り出す工程（８２）をさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 放出モードにおいて、以下の工程、
   −前記選択されたアンテナ開口値を最大アンテナ開口値と比較する工程（８４）、
   −前記選択されたアンテナ開口値が最大アンテナ開口値に等しくない場合に、前記作り出された電波を第２周波数帯に置き換える工程（８６）を含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 受信モードにおいて、以下の工程、
   −前記選択されたアンテナ開口値を最大アンテナ開口値と比較する工程（９２）、
   −前記選択されたアンテナ開口値が最大アンテナ開口値に等しくない場合に、前記受信された電波を第１周波数帯に置き換える工程（９４）をさらに含むことを特徴とする、請求項６〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 航空システムに取り付けられ、表面に対する前記航空システムの距離を提供するのに適した電波高度計システムであって、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電波を送信−受信するための、前記電波を送信して前記表面により反射した電波を受信することができる無線電気装置を含み、かつ、前記送信電波及び反射電波の関数として前記距離を計算することができる処理モジュールをさらに含むことを特徴とする、電波高度計システム。

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