JPH02170075A - 高周波信号方向探知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、離れたＲＦ発生源から空間を通して伝播して
来た高周波電磁エネルギーの方向を判定するシステムに
関し、特に、単一の高周波受信機を使う高周波方向探知
システムに関する。

（従来技術とその問題点） 方向探知システム又は到来角システムは、周知の通り、
離れている高周波源の位置を突き止める目的で軍用にも
商業用にも利用されてきた測定指示装置である。この種
の電子装置は高周波スペクトルを監視するものであるが
、これは高周波信号のマイクロ波周波数領域を含み、そ
の信号の源の方向を判定する。軍事用では、信号は敵の
レーダーから発する信号であることがあり、商業用では
高周波信号は方向マーカー又はビーコン送信機から発す
る信号である。これらの用途の詳細は当業者に知られて
いるので、本願ではこれ以上言及する必要はない。いず
れのシステムも、互いに物理的に離間した２個以上の受
信アンテナで受信された信号の位相差を精密に測定する
必要がある。正弦波の性質を持った同一周波数の二つの
信号が与えられた時、その信号の振幅はＡＩ＝Ｋｓｉｎ
Ωｔという式に従う。ここでＫは該信号の振幅の絶対値
であり、Ωは周波数を、ｔは時間を表わす。第２の信号
の振幅がＡ　２　＝　Ｋｓｉｎ　　（Ω誓り十〇）で表
わされるならば、このθは二つの信号間の位相差を表わ
す。そこで、若しθが０に等しければ、二つの信号は「
同相」であると言われる。到来する高周波信号の、アン
テナの空間的位置に対する伝播方向により、該信号は二
つのアンテナに僅かに異なる時刻に到達する。従って、
一方のアンテナで受信される信号の電気的位相は、シス
テムの第２のアンテナに現われた同じ信号の位相に対し
て極僅かしかずれていないことがある。信号は一つの源
から発するのであるから、この位相差は、方向探知装置
を含む受信ステーションに到来した信号の進行方向を表
わす。軍事的用途では、本願と関係の無い電子装置から
得られる他の種類の情報と共にこの方向情報が検討され
、この方向探知装置を操作している者は敵のレーダー源
の位置を知ることが出来る。

方向探知に用いられる代表的測定システムは、精密な位
相測定に必要な基準信号及び角度信号を提供するために
位相整合及び／又は較正された２個の完全な高周波受信
機を備えている。高周波受信機は複雑で高価な電子装置
である。正確な測定値が得られる様に該受信機が適切に
「整合」されていることを保証するために、それらの受
信機は熟練技術者により時折検査、較正されなければな
らない。高周波受信機の様な重要なシステム要素を重複
させるには費用がかかる。

（発明の概要） 本発明の主な目的は、高周波方向探知装置の製造コスト
及び維持コストを減少させることである。

本発明の他の目的は、高周波方向探知装置に２個目の高
周波受信機を備える必要を無くすことである。別の目的
は、既存の素子及び技術を使い、既存の方向探知システ
ムを象徴する複雑な素子を除去した結果として高い信顛
性を有する方向探知装置を提供することである。他の目
的は、高周波パルス信号の到来角度を判定する簡単な方
法を提供することである。

（発明の概要） 物理的に離間した少なくとも２個の受信アンテナと、入
力端子で高周波を受信して該高周波を中間周波数に変換
する高周波同調器と、位相検出器とから成り、この後者
は、２個の位相検出器の入力端子に加えられた信号間の
位相差の測定値及び／又は表示を提供するオシログラフ
型ＣＲ７表示装置等の表示装置を含む高周波方向探知装
置において、該２個の受信アンテナから該高周波同調器
の入力端子へ供給される出力を自動的に交互に周期的に
切り変える電子スイッチング手段が設けられる。該同調
器の出力はパワー分割器に接続される。このパワー分割
器の出力は分岐しており、方の出力は第１の中間周波増
幅器を通して該位相検出器の２入力の一方に接続され、
第２の出力は遅延線と中間周波増幅器との直列回路を含
む回路を通して該位相検出器の第２入力に接続される。

該位相検出器は該第１技路の信号又は較正用の基準信号
を視覚的に表示する。受信機入力は、該回路の第２枝路
中の該遅延線により得られる遅延時間より速い速度で該
２個のアンテナ間で切り替えられるので、成る時点で該
位相検出器に同時に入力された２個の信号は別々のアン
テナに由来し、従って時間的に重なり合っている。第２
アンテナからの遅延した第１信号と第１アンテナからの
基準信号とがこの様に重なり合っているので、システム
の受信アンテナに存する信号の位相差を表わす出力レベ
ルが得られる。従って、唯一の受信機で相対位相差測定
値を得ることが出来、前述の有益な結果を得ることが出
来る。

本発明の他の利点は、少数の素子を加え、理論上余分と
なった２番目の受信機を予備として残して置くことによ
り、上記の新規な回路を既存の装置に組み込むことが出
来る点にある。

当業者は、好適な実施例に関する以下の詳しい説明を添
付図面を参照して読むことにより本発明の他の目的と、
以上に手順に要約した構造上の特徴とを一層深く理解す
ることが出来よう。

（実施例） 第１図の実施例において、一般には高周波での１波長よ
り短い程度の距離をおいて離間した地点に配置された１
対のアンテナ１及び３は、ブロック図の形で表わされた
スイッチ５の２個の入力にそれぞれ接続されている。該
スイッチの出力は高周波同調器７の入力に接続されてお
り、この同調器としてはスーパーヘテロダイン型のもの
が適当である。アンテナスイッチであるスイッチ５は単
極多位置型の電子スイッチであり、これについては後に
詳細に説明する。同調器７は普通のスーパーへテロダイ
ン同調器構造であり、既知の種類の局部発振器又は周波
数合成器９と共同して、より低い周波数即ち中間周波数
の対応する信号を生成する。該合成器の出力（中間周波
数局部発振器信号と、又は、単に、ＩＦ　　Ｏ３Ｃ信号
、と称する）は図示の様に同調器の局部発振器入力に加
えられる。該同調器のＩＦ信号出力はパワー分割器１１
の入力に接続されている。ＩＦ増幅回路１３がパワー分
割器１１の出力と位相検出器１５の入力との間に接続さ
れているが、その全ては普通の既知の電子素子構造であ
る。

パワー分割器１１からの第２出力は遅延線１７及びＩＦ
増幅器１９に直列に接続されている。この増幅器の出力
は位相検出器１５の第２入力に接続されている。位相検
出器の出力は表示装置２１に接続されており、この表示
装置は、加えられた信号の位相を測定するための装置、
或は他の多種の用途で信号を見るための電子装置に使わ
れる。

例えばオシログラフ又はオシロスコープ等の、普通の装
置である。

アンテナスイッチ５は、顕著な信号損失を伴わずにＲＦ
倍信号中継するのに適した普通のＲＦスイッチである。

該スイッチは普通のタイミング回路（破線６で示す）に
より制御されてアンテナを交互に周期的に接続するもの
であり、システムを操作する人によって起動される。該
スイッチは第１アンテナを所定持続時間の間該同調器に
接続し、次に転送回路を第２アンテナに切り替える。こ
の結果、いずれのアンテナも接続されていない固有スイ
ッチング時間は非常に短い。該スイッチは次に第２アン
テナを高周波同調器に接続するが、その持続時間は、第
１アンテナが同調器に接続されている前記持続時間と同
じであるのが適当である。

その後、該スイッチは再び第１アンテナを高周波同調器
に接続する。このスイッチングプロセスはタイミング回
路６の制御下に周期的に反覆される。

作動中、離れた源（図示せず）から生じた高周波信号が
基準アンテナ１及びアンテナ３　（比較アンテナ又は「
角度」アンテナ）の両方に入射する。

第２ａ図及び第２ｂ図にグラフの形で示されている様に
、信号は、持続時間の限られた信号即ち幅Ｔ１のパルス
である。第２ａ図及び第２ｂ図に示されている信号持続
時間は同しである。実際上、それらの始まりと同じとは
同時である。当業者には理解されるであろう様に、該信
号は実際上両方のアンテナに存在し、同じ平均振幅を有
するが、本質的に電気的位相においてのみ異なる。例え
ば、高周波源が２個のアンテナから等距離の位置にあれ
ば、光の速度で伝播する高周波信号は２個のアンテナに
同時に到達する。その結果、その場合には、その２信号
間に位相差は無い。

他の場合には位相差がある。アンテナ同士の間の距離は
、数マイルとか数百マイルではなくて数フィート程度で
あり、普通は１波長より短いので、該信号はマクロ状態
では実質上同時にアンテナに受信され、その時点で存在
する高周波信号の瞬時振幅においてのみ異なる。瞬時振
幅の差は電気的位相を表わす。

高周波同調器７は普通のスーパーヘテロダイン型検出プ
ロセスで信号を検出する。到来した信号は周波数合成器
９から供給される高周波信号と混合されて、この二つの
周波数の差に対応する別の周波数（中間周波数又はＩＦ
と称する）の対応する信号となる。この様なスーパーヘ
テロゲイン型周波数「低減波数」は理論上は発明にとっ
て決定的なものではないが、実際には、その様な低減変
換が常に利用される。当業者に知られ理解されている様
に、得られた低い周波数は処理し易く、素子は安価であ
る。得られたＩＦ倍信号同調器出力からパワー分割器１
１の入力に供給され、この分割器はその信号を該パワー
分割器の２出力枝路間に分割する。

該信号の第１部分は１技路からＩＦ増幅器１３へ出力さ
れ、この増幅器から、増幅されたＩＦ倍信号位相検出器
１５の１入力に加えられる。信号の第２部分はパワー分
割器の第２枝路から遅延線１７に加えられ、ここで該信
号は成る時間遅延させられ、又は実際上格納される。遅
延時間後、該信号はＩＦ増幅器１９で増幅され、位相検
出器の第２人ノコに加えられる。これら２個のＩＦ増幅
器は本質的に同一であり、増幅された信号に同し利得を
与えるので、遅延回路で僅かな損失があることを除いて
、各経路の信号は本質的に同一に保たれる。

第２ｃ図はスイッチ５の信号出力の振幅を表わす。出力
は、アンテナ１からの基準信号を所定「持続」時間の間
通過させる。そして短いスイッチング時間の後に、出力
はアンテナ３の出力を成る持続時間の間通過させるが、
これは前記第１の持続時間と同一であるのが適当である
。次の短いスイッチング時間の後に、アンテナスイッチ
は再びアンテナ１からの基準信号を同調器へ前記持続時
間の間通過させる。アンテナスイッチ５の自動的周期的
スイッチングの結果としての時間多重化プロセスが繰り
返されるに従って、このプロセスが繰り返される。

持続時間は、一般には、入力パルスの持続時間の部分の
一より長くない。例えば、ＲＦパルス信号の持続時間は
５００ナノ秒、第１持続時間は２００ナノ秒、スイッチ
ング時間は２００ナノ秒である。

第２ｄ図はＩＦ増幅器１９の出力に現われる信号表わす
。これらの信号は、第２Ｃ図と関連させて前述したＩＦ
増幅器１３の出力に現われる信号に較べて図示の通りに
遅延している。オシログラフ又はオシロスコープで見ら
れる位相検出器１５の出力は第２ｅ図に示されている。

得られた視覚情報は、システムのキャリブレーション、
第２アンテナ３と基準アンテナ１との間の位相差を表わ
す。

第３ａ図は受信機即ち同調器入力に加えられる基準信号
と位相信号とを表わしており、斜線が付されている部分
はアンテナ１の供給する入力を示し、澄んでいる部分は
アンテナ３の供給する部分を表わす。

第３ｂ図及び第３Ｃ図に示されている様に、遅延線１７
の提供する遅延時間は、澄んだブロックで表わされてい
る「位相」入力が、斜線で表わされた位相検出器への基
準入力と重なり合う様になっていなければならない。こ
の遅延時間は１時間単位である。この遅延時間はスイッ
チング時間の部分の−でなければならない。

遅延線は、適当な遅延量を提供する物であれば如何なる
構造の物であっても良く、理想的には、興味のある周波
数領域即ち中間周波数領域の周波数とは無関係である。

本発明の一つの実用的実施例においては、ＴＲＷ社の製
造した実地検証用受信機が使われ、ＲＦスインチはＫｏ
ｎｗａｖｅ社の市販している物であり、ＩＦ増幅器はＰ
ｌｅｓｓｙ社から得られたＳＬ２５２１ＥＭＰ型であり
、位相検出器は０１ｅｋｔｏｎ社から得られたモデルＰ
Ｃ１２０であった。第４図に示されているオシロスコー
プ画像は、前記の実用的実施例で得られた結果を示すグ
ラフである。これは二つの波形を示しており、その一方
「ａ」は角度のサインを表わし、他方ｒｂＪは該角度の
コサインを表わす。位相検出器は、該位相検出器の入力
に与えられた信号間の位相差をサイン出力信号及びコサ
イン出力信号（■信号及びＱ信号と呼ばれることが多い
）に変換する。該出力は、正弦波の性質を持った電圧で
あり、入力信号の位相差に基づくサイン／コサイン関係
に従う。

単一の出力に付随する曖昧さ、即ち４５度のサインは１
３５度のコサインと同じ値である、を解決するために、
サイン出力信号及びコサイン出力信号の両方が必要であ
る。しかし、４５度及び１３５度のコサインは等しくは
ないので、コサイン信号を使って、サイン出力信号の提
供する角度値の曖昧さを解決することができる。この図
に示されている様に、波形は完全ではないけれども、回
路のスイッチングと自然共振とから生じる「リンギング
」の成る要素を包含している。

従来技術のシステムが第５図にブロック図の形で示され
ている。この従来技術システムは、２個の同一アンテナ
３１及び３３．１対の同調器３７及び３７′、該同調器
の各々に接続された周波数合成器３９、その入力が同調
器３７に接続されたＩＦ増幅器４７を含んでおり、その
出力は位相検出器４５の１入力に接続されている。第２
ＩＦ増幅器４７′の入力は第２同調器３７′の出力に接
続され、出力は位相検出器４５の第２入力に接続されて
いる。該位相検出器の出力は、前述の例に使われた構成
と全く同じく、オシロスコープ等の表示装置に接続され
ている。

本発明の別の実施例としての実際のシステムにおいては
、前述の基本的実地検証用システムに使われた表示装置
は、自動化された測定袋Ｎ（図示しない普通の構成のＡ
／Ｄ変換器が適当である）と置換される。該Ａ／Ｄ変換
器は、位相検出器からの電圧出力をディジタル情報の形
、即ちディジタル化された位相角度情報に変換する。こ
のディジタル化された位相角度情報は、普通のディジタ
ル技術により処理されて、受信システム又は受信ステー
ションと高周波源との間の方位角に関する知識を必要と
する用途に利用される。

該「スイッチング」位相測定システムは遅延線を利用し
ており、この遅延線は受信機の中間周波数回路に設けら
れて、ＲＦ亜受信機が第２アンテナから出力される信号
に切り替えられている間に第１アンテナ即ち基準アンテ
ナからの基準信号のサンプルを格納する。その格納され
た基準信号の位相は、遅延させられていない信号の位相
と比較される。明らかに、該システムの必要とする、シ
ステム構成要素の較正及び／又は位相整合は最小限であ
る。その理由は、アンテナ入力スイッチと位相検出器と
の間の回路要素が本質的に全て両方の信号回路、即ち基
準回路及び角度信号の回路、に共通であり、従って該回
路の電気的特性の変化力ｌ亥２つの信号の相対位相に差
動的に影響を与えることが出来ないからである。回路の
素子の変化により両方の信号が同程度に変えられが、差
（これが重要である）は一定に保たれる。

例外がある。即ち、２個のＩＦ増幅器は両方の回路に共
通ではなく、これらの増幅器は同一の構造ではあるが、
温度等の環境条件の変化により電気的特性が異なること
がある。

２個のＩＦ増幅器の差は、第２（ｅ）図において較正位
相エラーｒＣＡＬＪとして現われる。このＣＡＬ位相角
度は、測定された角度から数学的に差し引かれ、２個の
入力信号間の真の位相角度差が決定される。該システム
は、本質的に測定毎に較正される。前述に実地検証用シ
ステムでは、較正は５００ナノ秒測定期間に２回行なわ
れる。

本発明の好適な実施例に関する以上の説明は、当業者に
よる本発明の実施を可能にするのに充分な程度に詳しい
と考えられる。しかし、明らかに、上記の目的で提供さ
れた要素の詳細をもって本発明を限定する意図は無い。

これらの要素と同等の物や、その変形物は、全て本発明
の範囲内に属するが、この明細書を読んだ当業者には明
白だからである。従って、本発明は、特許請求の範囲の
欄の記載内容の範囲内で広く解釈されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例を示すブロック図である。 第２ａ図ないし第２ｅ図は、第１図の実施例の作動中に
色々な時点で生じる信号を代表する信号を示す。 第３ａ図、第３ｂ図、第３Ｃ図及び第３ｄ図は、その色
々な信号のタイミングと処理とを示す。 第４図は、本発明を取り入れた実用的実施例における表
示装置に現われた信号を示す。 第５図は、従来技術のＲＦ方向探知システムのブロック
図である。 ＴＩＭＥ−ｊ− ＴＩＭＥ÷ ＴＩＭＥ　＋ ＴＩＭＥ＋ 受信機入力 Ｆｉｇ、、−３

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定範囲内のパルス持続時間と所定範囲内のパル
   ス繰り返し速さとを有する高周波パルス信号の到来角度
   を判定する高周波方向探知システムであって、 少なくとも２個の物理的に離間した受信アンテナと、 入力に加えられた受信された高周波信号を、出力の中間
   周波数信号に変換する高周波同調手段と、 前記アンテナ手段の各々を本質的に等しい所定持続時間
   の間前記同調手段入力に交互に周期的に接続して、該高
   周波信号を、それぞれのアンテナで受信された位相で前
   記同調手段へ通過させるアンテナスイッチング手段と、 前記アンテナスイッチング手段は、前記同調手段入力に
   接続された出力と、前記アンテナの対応する一つにそれ
   ぞれ接続された１対の入力とを有することと、 入力と２個の出力とを有するパワー分割手段であって、
   その入力が前記同調手段の出力に接続されて、入力され
   た中間周波数信号を２個のパワー分割手段出力に分配す
   る様になっているパワー分割手段と、 位相検出手段と、 ＩＦ増幅手段を含み、前記パワー分割手段の１出力を前
   記位相検出手段の第１入力に接続する第１枝路手段と、 前記パワー分割手段の前記第２出力と前記位相検出手段
   の第２入力との間に接続された信号遅延手段及びＩＦ増
   幅手段の直列回路を含む第２枝路手段と、 前記信号遅延手段は、入力に加えられた信号の、出力へ
   の出現を、所定遅延時間だけ遅らせることと、 前記アンテナスイッチング手段は、所定スイッチング時
   間内で所定スイッチング速度でアンテナを切り替える様
   になっており、 前記スイッチング時間は前記所定接続時間より実質的に
   短く且つ前記遅延時間より実質的に短いことと、 前記接続時間は前記パルス幅又はパルス持続時間の二分
   の一より長くはなく、従って、第１アンテナで受信され
   た高周波信号と、第２アンテナで受信された同じ信号を
   表わす高周波信号とが前記位相検出手段の入力で時間的
   に重なり合うことを特徴とする高周波方向探知システム
   。
2. （２）空間を伝播した高周波信号の到来角度を判定する
   方法であって、 ２個の離間した場所の各々で受信された信号をサンプリ
   ングして、時間的にずれた前記高周波信号のサンプルを
   交互に含む１系列の信号の流れを設け、 前記の流れを第１チャネルと第２チャネルとの二つのチ
   ャネルに分岐させ、 前記第１チャネルを通る前記高周波信号の流れの通過を
   送らせて、該信号の到達を所定時間だけ遅延させ、 該２チャネルの出力を比較して該２チャネルからの信号
   の位相差を判定するステップを含むことを特徴とする方
   法。
3. （３）前記信号遅延手段の前記所定遅延時間は、前記ス
   イッチング手段の持続時間と前記スイッチング手段のス
   イッチング時間の二分の一との和に等しいことを特徴と
   する請求項１に記載の発明。
4. （４）所定範囲内のパルス持続時間及び所定範囲内のパ
   ルス繰り返し速さを有する高周波パルス信号の到来角度
   を判定する高周波方向探知システムであって、前記シス
   テムは、少なくとも２個の物理的に離間した受信アンテ
   ナと、高周波信号を処理する高周波信号処理手段とを含
   み、前記アンテナの各々を前記高周波信号処理システム
   に周期的に接続することにより、前記アンテナの各々で
   受信された高周波パルスを表わす信号を同時に第１及び
   第２の信号伝送チャネルの各々に交互に連続的に加える
   スイッチング手段と、 前記スイッチング手段は、各アンテナを所定持続時間の
   間前記処理手段に接続させておき、前記持続時間より実
   質的に短い移行時間を有し、この移行時間中はいずれの
   アンテナも前記処理手段に接続されないことと、 前記第１伝送チャネルは、入力された信号を所定時間だ
   け遅延させる遅延手段と含むことと、前記第２伝送チャ
   ネルは、前記伝送手段を除いて他の全ての面で前記第１
   伝送チャネルと同一であり、従って前記第２チャネルか
   ら出力された信号は前記第１チャネルから出力された同
   じ信号から時間的にずれていることと、 両方のチャネルの出力に接続されて前記チャネル出力間
   の位相差を表示する位相測定手段とから成ることを特徴
   とする高周波方向探知システム。
5. （５）前記所定遅延時間は、高周波パルスの持続時間の
   二分の一と前記スイッチング手段の移行スイッチング時
   間との和に等しいことを特徴とする請求項４に記載の発
   明。