JP2017169059A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ利得を維持したまま同一開口でパルス波または連続波を送信できるアンテナ装置を得ること。【解決手段】アンテナ装置１００は、素子アンテナ１と送受信モジュール２と合成分配回路３とアンテナ制御装置４とを備え、送受信モジュール２は、合成分配回路３から出力された送信無線周波数信号の振幅を増幅する送信増幅器と、素子アンテナ１から出力された受信無線周波数信号の振幅を増幅する受信増幅器と、可変減衰器と、送信無線周波数信号のデューティーサイクルが高まるほど可変減衰器の減衰量を高めるＰＬＤとを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、複数のアンテナと、それぞれがアンテナの各々に接続された複数の送受信モジュールとを備えたアンテナ装置に関するものである。

複数のアンテナ素子を配列して開口アレイを形成してなるフェーズドアレイアンテナを用いた特許文献１のアンテナ装置は、送受切換の基準トリガに所望の遅延を加えて送受信モジュールの送受信タイミングを制御すると同時に、送受信モジュールに供給する直流電源の入切タイミングを制御することによって、送受信モジュールの消費電力の平均値を低減している。

特開２００４−２３６０１１号公報

特許文献１のアンテナ装置では、消費電力の平均値を１／ｍ（ｍは１以上の整数）に低減させるためにアンテナ素子数を１／ｍ倍にする場合、アンテナ利得はアンテナ素子数Ｎに比例するのでアンテナ利得が１／ｍ倍になり、送受信モジュールの送信ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号の電力は下げない構成としている。しかし送信出力は送受信モジュールの送信出力電力とアンテナ素子数との積に比例するため、総送信出力も１／ｍ倍になり、アンテナの等価等方放射電力が（１／ｍ）^２倍に低下するといった問題がある。また特許文献１のアンテナ装置は、アンテナ開口を時分割に切り替えるため、ミサイルイルミネータのように送信波に情報を重畳させてミサイルに対して伝送する場合、時分割に切り替える際に通信が途切れたり、位相が変わって送信波を正しく伝送できないことが懸念される。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、アンテナ利得を維持したまま同一開口でパルス波または連続波を送信できるアンテナ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のアンテナ装置は、複数のアンテナと、それぞれがアンテナの各々に接続された複数の送受信モジュールと、複数の送受信モジュールに接続され、受信無線周波数信号を合成すると共に送信無線周波数信号を分配する合成分配回路と、複数の送受信モジュールに接続されたアンテナ制御装置と、を備える。複数の送受信モジュールの各々は、合成分配回路から出力された送信無線周波数信号の振幅を増幅する送信増幅器と、アンテナから出力された受信無線周波数信号の振幅を増幅する受信増幅器と、送信増幅器に入力される送信無線周波数信号の振幅を減衰させると共に、受信増幅器から出力される受信無線周波数信号の振幅を減衰させる可変減衰器と、送信無線周波数信号のデューティーサイクルが高まるほど可変減衰器の減衰量を高める制御部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、アンテナ利得を維持したまま同一開口でパルス波または連続波を送信できる、という効果を奏する。

本発明の実施の形態に係るアンテナ装置の構成図 図１に示す送受信モジュールの構成図 図２に示す送信増幅器を構成する窒化ガリウム系半導体の電界効果トランジスタの入力電力とドレイン電流との関係を示す図 図２に示す送信増幅器を構成する窒化ガリウム系半導体の電界効果トランジスタの入力電力と出力尖頭電力との関係を示す図 本発明の実施の形態に係るアンテナ装置の第一の動作を説明するための図 本発明の実施の形態に係るアンテナ装置の第二の動作を説明するための図

以下に、本発明の実施の形態に係るアンテナ装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は本発明の実施の形態に係るアンテナ装置の構成図である。実施の形態に係るアンテナ装置１００は、複数のアンテナである素子アンテナ１と、それぞれが素子アンテナ１の各々に接続された複数の送受信モジュール２と、複数の送受信モジュール２に接続され、受信ＲＦ信号を合成すると共に送信ＲＦ信号を分配する合成分配回路３と、送受信モジュール２に接続されたアンテナ制御装置４と、送受信モジュール２に電力を供給する電源装置５とを備える。図１では複数の素子アンテナの数をＮ（Ｎは１以上の整数）で表している。

アンテナ装置１００の送信動作を説明する。アンテナ装置１００の外部に設けられた送受信装置６から出力された送信ＲＦ信号は合成分配回路３で分配され、分配された送信ＲＦ信号のそれぞれが複数の送受信モジュール２に入力される。送受信モジュール２に入力された送信ＲＦ信号は減衰、移相および増幅された後、素子アンテナ１に入力され、素子アンテナ１からパルス波または連続波として空間に放射される。

アンテナ装置１００の受信動作を説明する。空間を伝搬するパルス波または連続波が複数の素子アンテナ１のそれぞれで受信され、受信ＲＦ信号として送受信モジュール２に入力される。送受信モジュール２に入力された受信ＲＦ信号は増幅、減衰および位相された後、合成分配回路３で合成されて送受信装置６に入力される。

次に図２を用いて送受信モジュール２の構成を説明する。図２は図１に示す送受信モジュールの構成図である。図２には図１に示す複数の送受信モジュール２の内、１つ送受信モジュール２の内部構成を示す。図２において太線は受信ＲＦ信号または送信ＲＦ信号が伝送される経路を表す。

送受信モジュール２は、スイッチ１２、スイッチ１３、可変減衰器７、移相器８、スイッチ１４、受信増幅器１０、バイアス電圧制御部である電源ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）１６、送信増幅器９、サーキュレータ１１および制御部であるＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）１５を備える。

送信増幅器９、受信増幅器１０、スイッチ１２，１３，１４、移相器８、ＰＬＤ１５および電源ＩＣ１６には、電源装置５から出力される電力が供給される。送信増幅器９および受信増幅器１０は、図示しないトランジスタを有して構成され、当該トランジスタは窒化ガリウム系半導体で構成されるソース接地の電界効果トランジスタである。

スイッチ１２は、スイッチ１３に接続される第１端子、合成分配回路３に接続される第２端子、およびスイッチ１４に接続される第３端子を備える。スイッチ１２は、ＰＬＤ１５から出力される制御信号により駆動し、第２端子を第１端子または第３端子に接続させ、あるいは第２端子を第１端子および第３端子に接続させないように動作する。

スイッチ１３は、受信増幅器１０に接続される第１端子、可変減衰器７に接続される第２端子、およびスイッチ１２に接続される第３端子を備える。スイッチ１３は、ＰＬＤ１５から出力される制御信号により駆動し、第２端子を第１端子または第３端子に接続させ、第２端子を第１端子および第３端子に接続させないように動作する。

スイッチ１４は、送信増幅器９に接続される第１端子、移相器８に接続される第２端子、およびスイッチ１２に接続される第３端子を備える。スイッチ１４は、ＰＬＤ１５から出力される制御信号により駆動し、第２端子を第１端子または第３端子に接続させ、第２端子を第１端子および第３端子に接続させないように動作する。

可変減衰器７は抵抗素子または半導体素子からなる可変抵抗で構成され、ＰＬＤ１５から出力される制御信号によりその抵抗値が調整される。可変減衰器７は、送信増幅器９に入力される信号の振幅を減衰させると共に、受信増幅器１０から出力される信号の振幅を減衰させる。可変減衰器７の減衰量はＰＬＤ１５により制御される。可変減衰器７の制御例としては、可変減衰器７が０〜３１ｄＢの間で１ｄＢごと変えられた（５ビット）とし、１８ｄＢに設定したいとき、アンテナ制御装置４より「１６ｄＢ」というコマンドがＰＬＤ１５に送られ、ＰＬＤ１５が当該コマンドを解読して、５ビットの信号（１００１０）として可変減衰器７に送信する。この構成によれば、送受信モジュール２にはＰＬＤ１５分の実装領域を確保する必要があるものの、送受信モジュール２の外部との信号線数を減らすことができ、例えば通常５ビットの場合には５対の信号線だが、コマンド転送であれば１対の信号線で済む。

移相器８は、半導体素子、スイッチまたは磁性素子で構成され、移相器８の移相量はＰＬＤ１５から出力される制御信号により制御される。移相器８は、可変減衰器７で減衰された信号の位相、すなわち送信増幅器９に入力される信号の位相と受信増幅器１０から出力される信号の位相とを移相する。

送信増幅器９は、電源ＩＣ１６により制御され、移相器８から出力された信号の振幅を増幅する。受信増幅器１０は、電源ＩＣ１６により制御され、サーキュレータ１１から出力された信号の振幅を増幅する。サーキュレータ１１は、送信増幅器９で増幅された信号を素子アンテナ１に出力すると共に、素子アンテナ１から出力された信号を受信増幅器１０に出力する。

電源ＩＣ１６は、ＰＬＤ１５から出力される制御信号により送信増幅器９を構成する電界効果トランジスタのゲートバイアス電圧を制御する。すなわち電源ＩＣ１６は、送信増幅器９に印加されるゲートバイアス電圧を送信ＲＦ信号のデューティーサイクルに応じて制御することにより、送信増幅器９および受信増幅器１０において信号を増幅させ、または増幅させない、すなわち信号の増幅をＯＦＦさせる。

ＰＬＤ１５は、アンテナ制御装置４から出力される制御信号に基づき、可変減衰器７、移相器８、スイッチ１２、スイッチ１３、スイッチ１４および電源ＩＣ１６の制御を行う。

本実施の形態に係る送受信モジュール２ではＰＬＤ１５が送信ＲＦ信号のデューティーサイクルが高まるほど可変減衰器７の減衰量を高める制御を行う点に特徴がある。以下、送信ＲＦ信号のデューティーサイクルと可変減衰器７の減衰量との関係を具体的に説明する。

送受信モジュール２が必要とする電力は送信増幅器９の消費電力が支配的である。送信増幅器９を構成する電界効果トランジスタの消費電力Ｐ_ＤＣは下記（１）式で表される。Ｖ_ＤＳはドレイン−ソース間電圧であり、Ｉ_Ｄはドレイン電流である。

図３は図２に示す送信増幅器を構成する窒化ガリウム系半導体の電界効果トランジスタの入力電力とドレイン電流との関係を示す図である。横軸は電界効果トランジスタの入力電力Ｐ_ｉｎを表し、縦軸は電界効果トランジスタに流れるドレイン電流Ｉ_Ｄを表す。

図４は図２に示す送信増幅器を構成する窒化ガリウム系半導体の電界効果トランジスタの入力電力と出力尖頭電力との関係を示す図である。横軸は電界効果トランジスタの入力電力Ｐ_ｉｎを表し、縦軸は電界効果トランジスタの出力尖頭電力Ｐ_ｏｕｔを表す。

電界効果トランジスタのゲートバイアス電圧の設定にもよるが、図３に示すように入力電力Ｐ_ｉｎとドレイン電流Ｉ_Ｄとの間には正の相関がある。従って電界効果トランジスタの入力電力Ｐ_ｉｎと消費電力Ｐ_ＤＣとの間には正の相関がある。

また入力電力Ｐ_ｉｎがパルスである場合、消費電力Ｐ_ＤＣの時間平均は、パルス幅／パルス繰り返し時間、すなわちデューティーサイクルと正の相関となる。従って連続波またはデューティーサイクルの高いパルスを送信する場合、時間平均の消費電力Ｐ_ＤＣが大きくなるため、電源装置５の供給電力を上げる必要があり、アンテナ装置１００の規模が大きくなる。そこで本実施の形態に係る送受信モジュール２は、連続波またはデューティーサイクルの高いパルスを送信するとき、消費電力Ｐ_ＤＣの時間平均値が大きくならないよう入力電力Ｐ_ｉｎを小さくさせる。

デューティーサイクルの低い通常のレーダ運用においては、付加効率の高い入力電力Ｐ_ｉｎが高い領域で使用されるが、連続波またはデューティーサイクルの高いパルスを送信するときには、送受信モジュール２は、可変減衰器７の減衰量を大きくして入力電力Ｐ_ｉｎを小さくする。入力電力Ｐ_ｉｎを小さくすることにより、図４に示すように出力尖頭電力Ｐ_ｏｕｔは小さくなる。なお、デューティーサイクルの低いレーダ運用は、アンテナ制御装置４から低デューティーサイクルの運用であることを示すコマンドが送信される場合の運用であり、デューティーサイクルの高いレーダ運用は、アンテナ制御装置４から高デューティーサイクルの運用であることを示すコマンドが送信される場合の運用である。例えばデューティーサイクルに応じてモード１またはモード２という運用モードが決められており、アンテナ制御装置４から送信されるこれらのモードに応じて送受信モジュール２のＰＬＤ１５が動作する。

ここで図１に示す電源装置５に必要とされる総供給電力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}は下記（２）式で表される。またアンテナ装置１００の等価等方放射電力は下記（３）式で表される。下記（２）式および（３）式において、Ｎは素子アンテナ１の数を表し、Ｇはアンテナ利得を表し、ＰＷはパルス幅を表し、ＰＲＩはパルス繰り返し間隔を表し、Ｄｕｔｙはデューティーサイクルを表す。

例えばデューティーサイクルがｍに対応した電源装置５で連続波を送信するためには、特許文献１の従来技術では素子アンテナ数を１／ｍにするためアンテナ利得が１／ｍになり、等価等方放射電力が（１／ｍ）^２に低下する。これに対し本実施の形態に係るアンテナ装置１００では、消費電力Ｐ_ＤＣを１／ｍにするため、アンテナ利得は維持されるので等価等方放射電力は１／ｍの低下に抑えることができる。

また本実施の形態に係るアンテナ装置１００は、開口を時分割に切り替えないため、ミサイルイルミネータのように送信波に情報を重畳させミサイルに対して情報を伝送する場合、開口の時分割切り替えによる通信断絶または位相変位といった懸念がない。

なお図４において、入力電力Ｐ_ｉｎを小さくすることにより出力尖頭電力Ｐ_ｏｕｔは入力電力Ｐ_ｉｎに対して線形増幅となり、各送受信モジュール２の間における出力電力のばらつきが懸念されるが、予め試験で各送受信モジュール２内の可変減衰器７を個々に調整し、それぞれの可変減衰器７の減衰量の設定値を、ＰＬＤ１５に内蔵されるＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）に記憶させ、運用時に当該ＲＯＭに記憶された設定値を各送受信モジュール２内の可変減衰器７に設定することにより、出力電力のばらつきを抑えることができる。

デューティーサイクルの低い通常のレーダ運用においては、高い効率を得るためにゲートバイアス電圧をピンチオフ電圧に近づけてＢ級動作に近づけている。このゲートバイアス状態で入力電力Ｐ_ｉｎを小さくすると、利得が小さくなり出力電力Ｐ_ｏｕｔが小さくなりすぎる場合があり、ゲートバイアス電圧を０Ｖ側に近づけて利得を上げる必要がある場合がある。そこで、本実施の形態に係るアンテナ装置１００は、ＰＬＤ１５より電源ＩＣ１６を制御してゲートバイアス電圧を変えることができ、ゲートバイアス電圧の設定値をＰＬＤ１５に内蔵されるＲＯＭに記憶させ、アンテナ装置１００の運用時に当該ＲＯＭに設定された設定値に対応してＰＬＤ１５から出力される制御信号により、電源ＩＣ１６のゲートバイアス電圧を制御する。

以下にアンテナ装置１００の動作をスイッチ１２，１３，１４の端子と関連付けて説明する。

図５は本発明の実施の形態に係るアンテナ装置の第一の動作を説明するための図である。アンテナ装置１００では、第一の動作として、スイッチ１２の第２端子が第１端子に接続され、スイッチ１３の第２端子が第３端子に接続され、スイッチ１４の第２端子が第１端子に接続される。これにより合成分配回路３が可変減衰器７に接続され、移相器８が送信増幅器９に接続される。

合成分配回路３から出力された送信ＲＦ信号は可変減衰器７で所望の振幅に減衰、減衰された送信ＲＦ信号は移相器８により所望の位相に移相され、移相された送信ＲＦ信号は送信増幅器９により振幅が増幅される。送信増幅器９で増幅された送信ＲＦ信号はサーキュレータ１１により素子アンテナ１に送られ素子アンテナ１から空間に放射される。なお、可変減衰器７と移相器８との順番を入れ替えてもよい。

図６は本発明の実施の形態に係るアンテナ装置の第二の動作を説明するための図である。アンテナ装置１００では、第二の動作として、スイッチ１２の第２端子が第３端子に接続され、スイッチ１３の第２端子が第１端子に接続され、スイッチ１４の第２端子が第３端子に接続される。これにより受信増幅器１０が可変減衰器７に接続され、移相器８が合成分配回路３に接続される。

素子アンテナ１から出力された受信ＲＦ信号はサーキュレータ１１により受信増幅器１０に送られ、受信増幅器１０で振幅が増幅された受信ＲＦ信号は可変減衰器７により所望の振幅に減衰され、減衰された受信ＲＦ信号は移相器８により所望の位相に移相される。移相された受信ＲＦ信号は合成分配回路３に送られる。なお、可変減衰器７と移相器８との順番を入れ替えてもよい。

以上に説明したように本実施の形態に係るアンテナ装置は、複数のアンテナと、それぞれが素子アンテナの各々に接続された複数の送受信モジュールと、複数の送受信モジュールに接続され、受信無線周波数信号を合成すると共に送信無線周波数信号を分配する合成分配回路と、複数の送受信モジュールに接続されたアンテナ制御装置とを備える。複数の送受信モジュールの各々は、合成分配回路から出力された送信無線周波数信号の振幅を増幅する送信増幅器と、アンテナから出力された受信無線周波数信号の振幅を増幅する受信増幅器と、送信増幅器に入力される送信無線周波数信号の振幅を減衰させると共に、受信増幅器から出力される受信無線周波数信号の振幅を減衰させる可変減衰器と、送信無線周波数信号のデューティーサイクルが高まるほど可変減衰器の減衰量を高める制御部とを備える。この構成により、可変減衰器の減衰量が高まるほど送信増幅器の入力電力Ｐ_ｉｎが小さくなり、出力尖頭電力Ｐ_ｏｕｔは小さくなる。従ってアンテナ利得を維持しながら等価等方放射電力を１／ｍの低下に抑えることができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 素子アンテナ、２ 送受信モジュール、３ 合成分配回路、４ アンテナ制御装置、５ 電源装置、６ 送受信装置、７ 可変減衰器、８ 移相器、９ 送信増幅器、１０ 受信増幅器、１１ サーキュレータ、１２，１３，１４ スイッチ、１６ 電源ＩＣ、１００ アンテナ装置。

Claims (4)

1. 複数のアンテナと、
   それぞれが前記アンテナの各々に接続された複数の送受信モジュールと、
   前記複数の送受信モジュールに接続され、受信無線周波数信号を合成すると共に送信無線周波数信号を分配する合成分配回路と、
   前記複数の送受信モジュールに接続されたアンテナ制御装置と、
   を備え、
   前記複数の送受信モジュールの各々は、
   前記合成分配回路から出力された前記送信無線周波数信号の振幅を増幅する送信増幅器と、
   前記アンテナから出力された前記受信無線周波数信号の振幅を増幅する受信増幅器と、
   前記送信増幅器に入力される前記送信無線周波数信号の振幅を減衰させると共に、前記受信増幅器から出力される前記受信無線周波数信号の振幅を減衰させる可変減衰器と、
   前記送信無線周波数信号のデューティーサイクルが高まるほど前記可変減衰器の減衰量を高める制御部と、
   を備えることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記制御部には前記可変減衰器の減衰量の設定値が記憶され、
   前記可変減衰器は、前記制御部に記憶された設定値により減衰量が制御されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記送信増幅器に印加されるゲートバイアス電圧を前記送信無線周波数信号のデューティーサイクルに応じて制御するバイアス電圧制御部を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記制御部には前記ゲートバイアス電圧の設定値が記憶され、
   前記バイアス電圧制御部の前記ゲートバイアス電圧は、前記設定値に対応して前記制御部から出力される制御信号により制御されることを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。

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