WO2005067156A2

WO2005067156A2 - マイクロ波周波数変換器

Info

Publication number: WO2005067156A2
Application number: PCT/JP2004/019497
Authority: WO
Inventors: Akio Funae; Koji Dai; Hideki Torizuka
Original assignee: Furuno Electric Co., Ltd.
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2005-07-21
Also published as: WO2005067156A3; US20070210954A1; JP4246622B2; GB2424331A; GB0612948D0; US8509684B2; JP2005197774A; GB2424331B

Abstract

マイクロ波周波数変換器の局部発信器周波数が自機マグネトロンの発振周波数に干渉するのを防ぐと共に、ごく近距離まで受信を可能にしたレーダ受信機用マイクロ波周波数変換器を提供する。マイクロ波周波数変換器に接続されたＲＦ増幅器の電圧を自機マグネトロンの発振出力と同期させて、マグネトロンが発振している前後の時間だけ、ＲＦ増幅器に使用しているＦＥＴのゲートとドレインの各々の電圧を同時にＯＦＦすることにより、ＦＥＴの増幅機能を減衰機能に変換し、マイクロ波周波数変換器の変換損失を増加させることによって、マグネトロンから直接入力する過大な電力のＲＦ信号と近距離にて反射してきた過大な電力のＲＦ信号を減衰させて、マイクロ波周波数変換器が飽和するのを防ぐと共に、局部発信器の周波数が自機マグネトロンの発振周波数に干渉するのを防止する。

Description

明細書

マイクロ波周波数変換器

技術分野

本発明は、レーダ受信機に用いるマイクロ波周波数変換器に関する。背景技術

パルスレーダの一般的な構成を図 6に示す。このパルスレーダは、マグネトロン 1から発振周波数が例えば 9. 4 1 GHzのパルス信号（例えばパルス幅 1 s、出力 1 0 kW)を出力し、サ一キユレ一夕 2を介してアンテナ 3から空中に放射し、物体にて反射した信号を再びアンテナ 3で受け、リミッタ 4に導く。リミッタ 4を介して周波数変換器 5に入力した信号は、局部発振器 6の出力（局発信号）、例えば 9. 47 GI- Izと混合し、例えば 6 0 MHzの中間周波数（I F信号）に変換する。変換した I F信号は I F増幅器 7にて増幅し、信号処理回路 8にてビデオ信号に変換して、レーダ表示装置（P P I ) にて画像を表示する。なお、リミッタ 4は大きな信号が入力することによって周波数変換器 5が破損するのを防ぐために用いるもので、近年では、マイクロ波集積回路（M I C) を用いて周波数変換器 5と一体になっているものが主流となっている。

図 6に示すようなパルスレーダに用いられるマイクロ波周波数変換器の従来の回路構成を図 7に示す。この従来のマイクロ波周波数変換器は、 M I Cリミッタ 1 0 の入力端子 1 1に入力したパルス変調したマイクロ波信号（RF信号）を RF増幅器 1 2で増幅し、ダブルバランスミキサ 1 3に入れ、局部発振器 1 4の信号（局発信号）と混合し、 2つの I F出力を I F出力合成器 1 5で合成し、 I F出力端子 1 6に合成出力を得るものである（特許文献 1参照）。

【特許文献 1】特開 200 1— 1 1 1447号公報

ところでアンテナから発射したレーダパルス信号は、反射物体が遠いほど小さな信号となって受信され、反射物体が近いほど大きな信号として受信され、また、反射物体が小さいほど小さな信号として受信され、反射物体が大きいほど大きな信号として受信される。上述したような従来のマイクロ波周波数変換器には、次に示す様な欠点がある。図 8の（A) は、 RF増幅器付きの周波数変換器の RF入力電力に対する I F出力電力を示す。また、図 8の（B) には、 RF増幅器無しの周波数変換器の RF入力電力に対する I F出力電力を示す。すなわち、 RF増幅器付き周波数変換器図 8の（A) は、 RF増幅器によって信号を増幅しているため、遠くまたは小さい反射物体の検出をするのに適しているが、図 8の（A)に示すように、 RF信号が例えば一 5 d Bmの段階で飽和が始まり、近くまたは大きな反射物体で反射して来た— 5 d Bm以上の信号に対しては、飽和してしまうため、検出できない。すなわち、近距離は受信できない。

これに対し、 RF増幅器無しの周波数変換器は、図 8の（B) に示すように、 + 3 d Bmまでの入力に対して飽和せずに検出が可能である。

ただし、 RF増幅器無しの周波数変換器は、信号を増幅していないため、遠くまたは小さい反射物体の検出をするのには適していない。

ところが近年のレーダでは、船同士または船と固定物との衝突防止が主目的となりつつあり、現状よりもさらに近くの反射物体の検出が可能な性能が望まれている。もちろん、従来から持っているレーダの性能として遠くまたは小さい反射物体を検出する性能も必要不可欠である。すなわち、遠距離から従来品よりもさらに近距離まで受信可能なレーダが望まれるようになってきている。

また、パルスレーダは、マグネトロン 1から発振周波数が例えば 9. 41 GHz のパルス信号（例えばパルス幅 1 S、出力 10 kW) を出力しているため、サーキユレ一夕 2を介していても直接リミッ夕 4側に漏れてくる過大な電力が周波数変換器 5に入力する。

この過大な電力によって周波数変換器 5に用いられている局部発振器 6の発振周波数が変化してしまい、例えば 6 OMH zの中間周波数（I F信号）が変化する。中間周波数（I F信号）が変化すると中間周波増幅器の増幅度が変化してしまい、極端な場合には、受信感度が悪くなるので、局部発振器 6の発振周波数は変化しないことが望まれている。

上記、図 8の（A) 、 (B) の両方を兼ね備えた特性を持った従来のマイクロ波周波数変換器として図 9に示すものがある。

すなわち、従来の R F増幅器 12の前段に P I Nスィツチ 1 7を設けたものである。 P I Nスィッチ 17は、トリガ入力によって RF入力を ON— OF Fする。

自機のマグネトロンから直接入力する過大な RF信号が RF増幅器 12に印加する前にトリガ入力によって P I Nスィッチ 17を ONし、また、近距離からの過大な反射信号が RF増幅器 12に入らなくなるまで継続し、 RF増幅器 12に入力する RF信号が RF増幅器 12の飽和入力以下になったら P I Nスィツチ 17を OF Fし通常のマイクロ波周波数変換器に戻すものである。

しかし、 P I Nスィッチ 17は OF F状態でも挿入損失が 1 dB程度残存してしまうため、 P I Nスィッチ 17がない従来のマイクロ波周波数変換器に比べて、遠くまたは小さい反射物体の検出をするのに適さない。また、 P I Nダイオード 1段で構成した P I Nスィッチ 17の減衰量は約 15 dB程度であり、極近距離からの過大な反射信号に対しては減衰量が不足である。また、減衰量を増やすために P I Nダイオードを 2段にするとさらに残存する挿入損失が増加してしまう欠点がある。本発明は上記従来の問題点を解消する為、従来の RF増幅器付きのマイクロ波周波数変換器と同一の性能を持って遠距離または小さい物体からの反射を受信することができ、 P I Nスィツチによる ON— OF Fよりもさらにごく近距離まで受信可能で、その上マグネトロン 1からの直接の電力によって局部発振器 6の発振周波数が変化しないマイクロ波周波数変換器を提供しょうとするものである。発明の開示

本発明のマイクロ波周波数変換器のうち請求項 1に係るものは、上記目的を達成するために、ゲインを増幅状態から減衰状態の範囲で任意の値に切り替えることが可能な RF増幅器と、該 RF増幅器にゲイン制御電圧を印加するスィツチ回路とを含み、前記スィッチ回路は、送信部が発振している時間およびその前後の時間を含む期間のみ R F増幅器のゲインを減衰状態にし、それ以外の期間では増幅状態にするように、前記 R F増幅器に印加するゲイン制御電圧を制御することを特徴とする。

また本発明のマイクロ波周波数変換器のうち請求項 2に係るものは、上記目的を達成するために、スィッチ回路は、前記ゲイン制御電圧を連続的に変化させることで、 R F増幅器のゲインを、増幅状態の所定のゲイン値から減衰状態の所定のゲイン値、または減衰状態の所定のゲイン値から増幅状態の所定のゲイン値に、連続的に切り替えることを特徴とする。

また本発明のマイクロ波周波数変換器のうち請求項 3に係るものは、上記目的を達成するために、スィッチ回路は、前記ゲイン制御電圧を瞬時に変化させることで、 R F増幅器のゲインを、増幅状態の所定のゲイン値から減衰状態の所定のゲイン値、または減衰状態の所定のゲイン値から増幅状態の所定のゲイン値に、瞬時に切り替えることを特徴とする。

また本発明のマイクロ波周波数変換器のうち請求項 4に係るものは、上記目的を達成するために、 R F増幅器は、ゲートに負電圧、ドレインに正電圧を印加して動作する F E T素子または H E M T素子を用い、前記スィッチ回路は、前記素子のゲ一卜およびドレインに印加されるゲート電圧とドレイン電圧を同時に O N/O F Fし、 O Nにしたときには R F増幅器のゲインを減衰状態にし、 O F Fにしたときには R F増幅器のゲインを増幅状態にするように切り替えることを特徴とする。以上の構成により、従来の R F増幅器付きのマイクロ波周波数変換器と同一の性能を持って遠距離または小さい物体からの反射を受信することができ、さらにごく近距離まで受信可能で、その上マグネトロンからの直接の電力によって局部発振器の発振周波数が変化しないマイク口波周波数変換器を提供することが可能になる。本発明のマイクロ波周波数変換器は、従来のマイクロ波周波数変換器に比べて近距離から反射してきた信号を飽和することなく受信でき、したがって遠距離から、近年の船舶レーダの主な使用目的である船舶同士または固定物などとの衝突防止に関して非常に重要な機能であるごく近距離までの目標物体の認識が可能となる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明に係るマイクロ波周波数変換器の一実施形態の回路構成を示すブロック回路図である。

図 2は、本発明に係るマイクロ波周波数変換器のタイミングチヤ一卜である。図 3は、本発明のマイクロ波周波数変換器について、トリガ電圧を O N— O F F した時の R F入力電力に対する I F出力電力の実測結果である。

図 4は、本発明のマイクロ波周波数変換器に使用するスィツチ回路 2 0の一実施例である。

図 5は、本発明に係るマイクロ波周波数変換器のトリガ電圧に対するゲインの実測値である。

図 6は、従来のパルスレーダの構成を示すプロック回路図である。

図 7は、従来のマイクロ波周波数変換器の回路構成を示すブロック回路図である。図 8の（A ) は従来の R F増幅器有り、（B ) は従来の R F増幅器無しのマイク口波周波数変換器の入出力特性を示すグラフである。

図 9は、従来のマイクロ波周波数変換器の構成を示すブロック回路図である。発明を実施するための最良の形態

以下本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図 1は、本発明に係るマイクロ波周波数変換器の回路構成図である。本実施形態のマイクロ波周波数変換器は、外部からマグネ卜ロン出力に同期し、マグネトロンが出力する時間を含むトリガ電圧を必要とし、卜リガ電圧がスィッチ回路 2 0に入力すると、その入力に応じて、ゲイン制御電圧を制御する構成である。

1 9は、トリガ電圧を入力する入力端子、 2 0はスィッチ回路であり、トリガ入力端子 1 9から入力されるトリガ信号により動作し、電源回路から供給されるゲイン制御電圧を制御する。 2 1はパルス変調したマイクロ波信号（R F信号）を増幅する R F増幅器であり、その電源はスィッチ回路 2 0により制御される。 1 4は局部発振器であり、電源回路により駆動され、局発信号を発振する。 1 3はダブルバランスミキザであり、前述の局発信号と、 RF増幅器 12で増幅されたマイクロ波信号（RF信号）を混合する。そこで混合され出力される 2つの I F出力を合成するのが 15の I F出力合成器であり、 I F出力端子 16に合成出力を得る。

図 1に従って本実施形態の動作原理を説明する。本実施形態のマイクロ波周波数変換器は、 M I Cリミッタを除いて記載してある。マグネトロンから直接のパルス変調されたマイクロ波信号（RF信号）が入力端子 18に入力する直前にトリガ（パルス）電圧をトリガ入力端子 19に印加する。トリガ電圧によってスィッチ回路 2 0を動作させ電源回路から供給されるゲイン制御電圧、すなわちゲー卜電圧とドレイン電圧を同時に 0Vにすることにより、 RF増幅器 2 1の電圧を遮断する。このことにより、 RF増幅器 21に使用している FETはミキサ 13の前段に一種の抵抗減衰器が接続されたと同じ特性を示す。すなわち、図 8の（B) の RF増幅器無しの周波数変換器の前段に減衰器が接続され RF増幅器無しの図 8の（B) の入出力特性より 10数 dB減衰した入出力特性を示すことになる。

一回のトリガに対して F ETへのバイァスをゼロにしている時間は、レーダによつて異なるが、 RF信号が終わってから数 sから数 10 sの間ゼロバイアスに保持され、その後通常電圧に復帰する。

図 2に本発明のマイクロ波周波数変換器のタイミングチャートを示す。なお、同図のドレインおよびゲ一ト電圧が、前述のゲイン制御電圧に相当する。

マグネトロンが発振する前にトリガ入力を印加し、ゲイン制御電圧、すなわちドレインおよびゲート電圧を 0Vにしておくことにより、過大な RF信号はマイクロ波周波数変換器の内部では、 10数 dB減衰していて、局部発信器の周波数に影響しない程度に小さくすることが出来る。

RF信号がレーダアンテナから放射され、電波の反射物体で反射する前に RF入力は終了するが RF信号が終了して直ぐに反射して戻ってくる信号は、極近距離からのものであり、従来のマイクロ波周波数変換器は飽和してしまうが、本発明のマイク口波周波数変換器は、その間トリガによって ONしており、トリガ入力が ON の間はゲイン制御電圧、すなわちゲート電圧、ドレイン電圧の両方が 0Vとなっているため過大な反射信号でも飽和しない。

図 3に、本発明のマイクロ波周波数変換器について、トリガ電圧を ON— OFF した時（そのトリガ入力を受けたスィッチ回路 20が、ゲイン制御電圧を瞬時に変化させた時）の RF入力電力に対する I F出力電力の実測結果を示す。

図 3に示す通り、トリガが OFFの時は、ドレインおよびゲート電圧が共に ON であり、ゲインが約 + 6 d Bで 1 d B圧縮時入力電力は約— 2 d Bmであるのに対し、トリガを ONすると、ドレインおよびゲート電圧が共に OFFであり、ゲインは約— 25 dBで 1 dB圧縮時入力電力は +20 dBmを超えている。トリガが O F Fの時の出力の飽和現象は、マイクロ波周波数変換器に使用しているミキサによるものである。したがってトリガを ONした時の飽和もミキサによって飽和するので、 I F出力の飽和値はトリガの ON— OF F、すなわちドレインおよびゲート電圧の ON— OF Fによって差は生じない。

このため、トリガが ONの時の I F出力値は、トリガが OFFの時の I F出力値と一致するまで飽和することはなく、過大な反射信号を受信することができる。

FETを用ぃたRF増幅器の9. 41 G I- I zにおける一般的な増幅度は約 1 2 d Bであるに対し RF増幅器の電源を 0 Vにした時の減衰量は約 20 d Bであるので、その差が図 3に表現されている。

図 1に示したスィッチ回路 20の一実施例を図 4に示す。

RF増幅器に使用する FET 25のバイアス制御回路にオペアンプ 26を用いる。オペアンプ 26のバイアスとして + 5 Vと一 5 Vを用い各々の端子に R 1、 R 2、 R 3、 R 4の抵抗を接続し、トリガ入力電圧が + 5 Vの時 F E T 25のドレインに約 10 mAの電流が流れる様に R 2の抵抗を接続する。

その時 F ET 25のゲート電圧は約 0. 4Vである。この値は使用する FET 2 5の性能によって異なるので、 RF増幅器の NF (雑音指数）が最小になるようにドレイン電流を選ぶことが望ましい。

このバイアス条件においてトリガ入力を 0Vにすると、ゲイン制御電圧、すなわち F E T 25のドレインとゲートの電圧が同時に〇 Vになり本発明の効果を発揮する。

つまり、図 4のトリガ電圧が + 5 Vの時、図 3のトリガ O F Fの特性を示し、図 4のトリガ電圧が 0 Vの時、図 3のトリガ O Nの特性を示す。図 4の卜リガ電圧が + 5 Vの時図 3のトリガ O Nの特性を示し、図 4のトリガ電圧が 0 Vの時図 3のトリガ O F Fの特性を示す様にするためには、卜リガ入力の前に反転回路を接続すればよい。

この条件を満足させれば、従来の P I Nダイオードのバイアス極性と一致するので従来の周波数変換器と互換性が生まれ、他の周辺回路を変更することなく、本発明の周波数変換器を採用することが出来るという利点も生まれる。

図 4に示したスィッチ回路 2 0は、本発明の周波数変換器に使用する回路の一実施例であり、他の回路構成であっても本発明の条件は満足する。

なお、これまでは図 4に示したスィッチ回路 2 0のトリガ電圧を O N— O F Fすることで、スィッチ回路 2 0がゲイン制御電圧を瞬時に切り替える例を挙げてきたカ^ 同トリガ電圧を徐々に可変することで、スィツチ回路 2 0がゲイン制御電圧を連続的に切り替える場合には、図 3のトリガ O Nとトリガ O F Fの間の連続した特性も得られる。

図 5は、本発明の周波数変換器に— 1 0 d B m—定の R F入力電力を入力し、図 4の回路のトリガ電圧を 0 Vから 5 Vまで連続的に変化させた（スィツチ回路 2 0 がゲイン制御電圧を連続的に切り替える）時のゲインの実測値である。

本バイアス制御回路は、トリガ入力の前に反転回路を接続した時の特性例である。トリガ電圧が 0 Vの時のゲインは— 2 l d B、卜リガ電圧が 5 Vの時のゲインは + 6 d Bであり、ダイナミックレンジは、 2 7 d Bである。従来の P I Nスィッチのダイナミックレンジ 1 5 d Bに対して格段広い特性が得られる。産業上の利用可能性

本発明は、レーダ受信機に用いるマイクロ波周波数変換器に利用可能である。

Claims

請求の範囲

1 . ゲインを増幅状態から減衰状態の範囲で任意の値に切り替えることが可能な R F増幅器と、該 R F増幅器にゲイン制御電圧を印加するスィッチ回路とを含み、前記スィツチ回路は、送信部が発振している時間およびその前後の時間を含む期間のみ R F増幅器のゲインを減衰状態にし、それ以外の期間では増幅状態にするように、前記 R F増幅器に印加するゲイン制御電圧を制御することを特徴とするマイク口波周波数変換器。

2 . 前記スィッチ回路は、前記ゲイン制御電圧を連続的に変化させることで、 R F増幅器のゲインを、増幅状態の所定のゲイン値から減衰状態の所定のゲイン値、または減衰状態の所定のゲイン値から増幅状態の所定のゲイン値に、連続的に切り替えることを特徴とする請求項 1記載のマイクロ波周波数変換器。

• 3 . 前記スィッチ回路は、前記ゲイン制御電圧を瞬時に変化させることで、 R F 増幅器のゲインを、増幅状態の所定のゲイン値から減衰状態の所定のゲイン値、または減衰状態の所定のゲイン値から増幅状態の所定のゲイン値に、瞬時に切り替えることを特徴とする請求項 1記載のマイク口波周波数変換器。

4 . 前記 R F増幅器は、ゲートに負電圧、ドレインに正電圧を印加して動作する F E T素子または H E M T素子を用い、前記スィッチ回路は、前記素子のゲートおよびドレインに印加されるゲ一卜電圧とドレイン電圧を同時に O N ZO F Fし、〇 Nにしたときには R F増幅器のゲインを減衰状態にし、 O F Fにしたときには R F 増幅器のゲインを増幅状態にするように切り替えることを特徴とする請求項 3記載のマイクロ波周波数変換器。