JPS6120876A - 単一アンテナ周波数変調電波高度計 - 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】 〔発明の技術的分野〕 本発明は周波数変調を用いた電波高度計に関するもので
あり、更に詳しくいえば送信機と受信機がアンテナを共
用する電波高度計に関するものである。

〔従来技術〕

周波数変調された持続波電波高度計すなわちＦＭ／ＣＷ
電波高度訓の技術が広く知られている。

持続波レーダの基本原理が対応する技術文献、と（に１
９７０年にマグロ−ヒル（ｌｙｌｃ　Ｇｒａｗ　−Ｈｌ
ｌｌ）社から出版されたスコルニク（ｌｌｉ４．１．５
ＫＯＬＮＩＫ）著「レーダ・ハンドブック（Ｒａｄａｒ
　　Ｈａｎｄｂｏｏｋ）Ｊ　１６章に記述されている。

ＦＭ／ＣＷレーダの主な利点は、構造が比較的に簡単な
こと、探知距離内にある反射物体からの相対距離を精密
に測定できることである。

一方、従来のＦＭ／ＣＭレーダには構造上の制限と技術
的な制約がある。それらの制限および制約は、従来のＦ
Ｍ／ＣＭレーダが周じ電気的特性と機械的特性を一般に
有する送信アンテナと受信アンテナの独立する２基のア
ンテナを必要とすることから生ずるものである。実際に
、電波の結合を十分に低くするためには、送信機と受信
機の間の電磁干渉をなくすように２基のアンテナの間隔
を十分広くとらなければならない。そうすると、アンテ
ナを装置内に物理的に統合できず、装置を搭載しでいる
輸送体の構造に固定しなければならない。このため、ア
ンテナを伝送線を介して装置へ接続することになるが、
その伝送線の遅延時間を較成せねばならないことのため
に電波および電気的な問題と機械的な問題が生ずる。ま
た、それらの伝送線により伝播喪失と多重反射が生ずる
。それらは装置の性能に悪影響を及ばず。探知すべき物
体からの相対距離が短くなり、かつその物体の寸法が大
きいと、多重通路の現象が現われることがある。この多
重通路現象により距離測定が誤って行われることになる
。アンテナにより放射され、かつアンテナにより受信さ
れる信号の通路の形状は完全ではなく、したがって輸送
体の高度がメートルのオーダーの時に測定誤差が生ずる
ことがある。一方、輸送体の構造体への２基のアンテナ
の埋込みによりひき起される機械的問題について考える
と、輸送体の内部に、アンテナのハウジングと、無線周
波伝送線の通路と、電波高度計の設置および取外しのた
めのコネクタの着脱口を設ける必要があることを述べて
おかなければならない。

最後に、輸送体の壁の電気的連続性を保持せねばならな
いが、そうするとその壁の構造が制約を受けることにな
る。

共通アンテナを使用して送信機と受信機が連続動作する
ＦＭ／ＣＷ電波高度計は既に提案されている。この電波
高度計においては、受信機の無線周波数混合器の局部信
号は、アンテナのＴ、Ｏ。

Ｓ（定在波率）による送信信号の反射によって得られる
。したがって装置の構造は著しく簡単にされるが、測定
可能な最低高度が電波高度計の最高動作高度に応じて６
〜１０ＴｒＬに達することがあるのが欠点である。

〔発明の概要〕

本発明の目的は広い高度範囲にわたって動作できる単一
アンテナを有する周波数変調電波高度側を得ることであ
る。

この目的を達成するために、地面からの反射信号が送信
信号により覆われないように、電波高度計の送信機と受
信機は周期的に動作する。

この電波高度計は指向性アンテナに接続される送信−受
信（Ｅ／Ｒ）スイッチと、このＥ／Ｒスイツヂの信号入
力端子に接続された送信機と、ホモダイン受信機とを備
え、Ｅ／Ｒスイッチの制御入力端子は、反射信号遅延時
間に比例する繰返し周期を有する信号を発生する周期信
号発生器に接続され、送信機は、反射信号の遅延時間に
比例する繰返し周期を有する鋸歯状波信号変調器を含み
、ホモダイン受信機は音声周波数帯域増幅器と、反射信
号を得てその反射信号をトラッキングする回路とを含み
、それらの回路は地面からの高度を表わす測定信号と制
御信号を発生し、この制御信号は送信変調器と、それら
の素子により供給される信号の繰返し周期をそれぞれ変
えるようにＥ／Ｒスイッチを制御する信号の発生器とに
供給される。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は従来の単一アンテナ電波高度計の簡略化したブ
ロック図である。

指向性送受信アンテナ１１　’Ｏがサーキュレータ１２
０に接続される。このサーキュレータ１２０の入力端子
はＦＭ／ＡＭ送信機に接続され、サーキュレータの出力
端子はホモダイン受信機に接続される。送信機はバラク
タ（可変容量ダイオード）素子により同調できるガン発
振器１７０で形成される。変調器１４０により与えられ
る一定繰返し周期の三角波信号により送信周波数は直線
的に変えられる。受信機は無線周波数検波器１５０を有
する。その検波器においては、アンテナのＴ、０゜Ｓ、
（定在波率）により反射された送信信号の一部によりロ
ーカル信号が得られる。無線周波検波器の出力信号はプ
ロセッサ１６０へ与えられる。

このプロセッサは、ローカル信号と地面により反射され
た反射信号の間のうなり周波数をカウントするカウンタ
を含む。この周波数カウンタは直流出力信号Ｖｓを出力
する。この出力信号の大きさは地面からの高度Ｈに比例
する。

第２図は電波高度計の基本的な構造を示すブロック図で
ある。指向性アンテナ１は送−受スイッチ２に接続され
る。この送−受スイッヂ２により送信信号Ｅｅを□周期
的に放射することと、地面から反射された信号Ｅｒを受
信することを行えるようにする。送−受スイッチは入力
端子Ｅと、出力端子Ｒと、制御入力端子Ｃとを有する。

この電波高度計の送信機はＥ／’Ｒスイッチの入力端子
Ｅに接続される。送信機は指向性結合器３ど、無線周波
数発振器４と、変調器５とを有する。それらの素子３，
４．５は直列接続される。無線周波数発振器は搬送周波
数Ｆｃを発振する。この無線周波数発振器は搬送周波数
を一定の最大周波数偏移Δｆｍだけ直線変調する電子的
手段を有する。変調器５は周期的な鋸歯状波信号を発生
する。変調器５は、地面により反射されて、アンテナに
より受信された反射信号の遅延時間τに比例して鋸歯状
波信号の周期Ｔｌ１ｌを変える電子装置を有する。この
電波高度計の受信機はホモダイン型であって、Ｅ／Ｒス
イッチの出力端子Ｒに接続される。この受信機は平衡無
線周波混合器６と、音声周期帯域増幅器７と、アンテナ
により受信された高度反射信号を得て、トラッキングす
る回路８とを有する。

それらの素子６，７．８は直列接続される。平衡無線周
波数混合器６の基準入力端子が送信機の方向性結合器３
に接続される。それらの回路８は反射信号の遅延時間を
表わす測定信号■。を発生ずる。その遅延時間は地上か
らの高度に比例する。

Ｅ／Ｒスイッチを制御する手段は周期信号の発生器によ
り構成される。その周期信号の繰返し周波数ＴＲは反射
信号の遅延時間τに比例する。最後に、反射信号を得て
トラッキングする回路は制御信号■８を送信変調器５と
、Ｅ／Ｒスイッチを制御する信号の発生器９とに供給す
る。

第３図は電波高度計の主信号のタイミング図を示す。曲
ｗＡＡは変調器５により供給される変調信号Ｖｍ（ｔ）
の波形を示す。それらの鋸歯状波変調信号は次式で与え
られる繰返し周波数１’−ｍ−を有する。

Ｔｍ＝ｋｍτ ここに、τは反射信号の遅延時間である。それらの変調
信号の振幅は一定である。無線周波数発生器４の搬送周
波数Ｆｃの周波数偏移△ｆｍ（ｔ）は次式で与えられる
。

Δｆｍ（ｔ）　−Ｋ　Ｖ　Ｖ　ｍ（ｔ）曲線Ｂは、信号
発生器９により供給されてＦ／Ｒスイッチを制御する信
号ＶＣの波形を示す。この制御信号の持続時間Ｔｅと間
隔Ｔｒはほぼ等しく、それの繰返し周期ＴＲは次式で与
えられる。

ＴＲ＝　（Ｔｃ　＋Ｔｒ　）＝２τ ここに、τは反射信号の進行時間であって、次式％式％ ここに、Ｈは地面からの高度、Ｃは電磁波の伝播速度で
ある。

信号ＶＣが高レベルの時はＥ／Ｒスイッチが送信位置に
あり、信号ＶＣが低レベルの時はＥＺ’Ｒスイッチが受
信位置にあると仮定する。

曲線Ｃはアンテナ１により放射された信号Ｅｅの波形を
示す。それらの信号Ｅｅの持続時間はＴＲ／２＝τに等
しく、搬送周波数’Ｆｃは時間の関数として直線的に変
化する。

曲線りはＥ／Ｒスイッチの出ノＪ端子Ｒにおける無線周
波信号Ｅ′ｒの波形を示す。それらの信号Ｅ”ｒの電力
Ｐｒは次式で与えられる。

ここに、Ｐｅ−送信機の無線周波発生器の出力信号の電
力、Ｇ＝アンテナの利得、λＣ−送信搬送周波数ＦＣに
対応する波長、σ°０−地面の反射率、Ｈ＝培地面らの
高度である。

曲線Ｅは無線周波帯域増幅器の出力端子における信号Ｅ
　／／　ｒの波形を示す。それらの信号〃「の周波数は
次式で与えられうなり周波数で、に等しい。

それらの信号Ｅ　／ｌ　ｒのスペクトラムは線スペクト
ラムであつτ、最も強い線はうなり周波数ｆｂにおける
ものである。音声周波数増幅器７の通過帯域はこのうな
り周波数を中心周波数とし、それの上側遮断周波数ｆｃ
Ｈは ｆｂくｆ　ＨくＦ　−ｆ′ｂ ｒ であるようなものである。

この結果として、音声周波増幅器の出力端子においては
信号Ｅ″ｒ　Ｇ、１ｔｆｉｉ！］Ｔｍの間連続である。

変調信号の繰返し周期ＴｍとＥ／Ｒスイッチのスイッチ
ング周期ＴＲとの比は一定であって、ｋｍ／２に等しい
。

高度Ｈと、電波高度計のパラメータΔ゛［。

Ｔｍ、ｆｂは次式で関連づけられる。

高［Ｈが低くなると、送信機の周波数変調鋸歯状波の周
期Ｔｎ＋がそれに比例して短くなる。このことから、こ
の電波高度計により測定される最低高度はほぼ次式で与
えられる。ｆ、Ｔｍ＝１の条件下で 説明のために、送信機の周波数偏移Ｆｍが１００Ｍ）−
１ｚに等しいとすると、。

Ｈｎ＋１ｎ＝１．５メートル となる。この場合には遅れ時間τ＝ｉｏ’マイクロ秒と
なる。そうすると、繰返し周波数ＦＲは。

ＦＲ＝１／ＴＲ＝１／２τであるから５０ＭＨｚに等し
くなる。

高度Ｈが高くなると、鋸歯状波信号の周期Ｔｍが長くな
り、Ｅ／Ｒスイッチを制御する信号の繰返し信号ＦＲが
低くなる。その結果として、うなり信号の標本化周波数
ｆ、はＦＲ／２より低いままでなければならない。これ
により、この電波高度計により測定される最高高度ＨＩ
Ｉｌａｘの測定に上限が課される。ヒの高度Ｈｍａｘは
次式で与えられる。

説明のために、ｆｌ）＝２０ｋｌ−１ｚとするとｌ」ｎ
＋ａｘは１８７５メートルとなる。しかし、一般的な「
対遮へい（ａｎｔｉ−ｅｃｌｉｐｓｅ）Ｊ条件を考慮す
ると、最高高度を測定するその上限は高くできる。

最後に、先に示した式Ｔｍ＝ｋｍτにおいて、比例係数
に＋＋＋は分数とすることができることにも注意すべき
である。

再び第２図を参照する。この図においてこれから説明し
ている構造上の緒特性を見ることができる。アンテナに
より反射されて受信機へ向かう送信信号のレベルはＥ／
Ｒスイッチにより阻止されるから、指向性アンテナ１の
７．０．Ｓ、は重要なパラメータではない。したがって
、アンテナは印刷回路技術に従って形成された放射スリ
ットにより形成できる。無線周波発振器４はバラクタ素
子に結合されているガン素子により形成できる。

受信機の無線周波混合器６、送信発振器の振幅の変動か
ら生ずる寄生ノイズを制限するように、平衡型混合器で
ある。方向性結合器３と平衡混合器６との間の電気長と
、他方、方向性結合器とアンテナを介しての平衡混合器
の信号入力端子の間の電気長とをそれぞれ等しくするこ
とが常に好ましい。帯域増幅器７は鋸歯状変調信号の周
波数を効果的に除去せねばならず、鋸歯状変調信号の周
期Ｔｏ＋に等しい持続時間を有するうなり信号Ｅ″ｒを
送らなければならない。獲得およびトラッキング回路は
第１と第２の２つのモードで動作する。

第１のモードにおいては、帯域増幅器の通過帯域中に反
射信号が存在することを検出するように、信号■。の値
が最小限と最大限の間で変化させられる。第２のモード
においては、測定信号■。を得るように、反射信号の周
波数と最低うなり周波数ｆ、の差周波数が測定され、積
分される。

第４図はアンテナ・スイッチの一実施例を示すブロック
図である。アンテナ・スイッチ２は信号入力端子Ｅと、
信号出力端子Ｒと、信号入力／出力端子Ａとを有する。

この信号人力／出力端子Ａはサーキュレータ２０に接続
される。このサーキュレータは入力端子ａと出力端子す
を有する。スイッチ２０入カチヤネルは第１のゲート２
１と、このゲートに直列接続される一方向アイソレータ
２２とを有する。アイソレータ２２はサーキュレータ２
０の入力端子ａに接続される。サーキュレータの出力端
子すに接続されるアンテナ・スイッチの出力チャネルは
一方向アイソレータ２３と、このアイソレータに直列接
続された第２のゲート２４とを有する。第１のゲートの
制御入力端子へは制御信号Ｖｃが直接毎えら゛れ、第２
のゲートの制御入力端子へは制御信号ＶＣがインバータ
２５を介して与えられる。第１のゲートの機能は、送信
機の発振器により供給される持続無線周波信号を断続す
ることである。第２のゲートの機能は、アイソレータに
組合されて、送信期間中に受信機を分離することである
。好適な実施例においては、アンテナ・スイッチの２つ
の各信号入力端子の入力インピーダンスは２つのスイッ
チング状態において一定に保たれる。

第５図は第４図に示すＥ／Ｒスイッチの第１のゲート２
１のようなゲートの構造の一例を示すブロック図である
。このゲートは信号入力端子Ｅと制御入力端子Ｃを有す
る。・信号入力端子Ｅと一方向アイソレータ２２の間の
接続は分１１１１コンデンサＣとダイオードＤ１の直列
回路を介して行われる。

コンデンサＣとダイオードＤ１の共通接続点はダイオー
ドＤ２と、無線周波信号Ｅｅを阻止する第１の素子２１
ａとに接続される。ダイオードＤ２はインピーダンスＺ
Ｃを直列に介して接地される。

インピーダンスＺＣの値はアンテナの入力インピーダン
スに等しい。第１の阻止素子２１ａは制御信号ＶＣの信
号源に接続される。ダイオードＤ１と一方向アイソレー
タ２２の共通接続点に第２の阻止素子２１ｋ）が接続さ
れる。

第２のゲート２４の構造は第１のゲート２１の構造と同
じにできる。

第６図は、サーキュレータと一方向アイソレータを無く
したＥ／Ｒスイッヂの一実施例を示すブロック図である
。実際に、ダイオードＤ１とＤ’　　１のスイッチング
速度が速い峙は、送信機と受信機をアンテナ１から周期
的に分離できる。

Ｅ／Ｒスイッチは集積回路で構成でき、雑誌［マイクロ
波ジャーナル（ＭｉｃｒｏｗａｖｅＪｏｕｒｎａｌ）　
Ｊ１９８２年１１月号６０ページ所載のアヤスリ（Ｙ、
ＡＹＡＳＬ　Ｉ）のｒＧａ　Ａｓ　ＦＥＴによるマイク
ロ波のスイッチング（Ｍ　ｉｃｒｏｗａｖｅ３ｗｉｔｃ
ｈｉｎｇ　ｗｉｔｈ　Ｑａ　Ａｓ　Ｆ　Ｅ　Ｔｓ　）　
ｊと題する論文に記述されているようにＦＥＴ−Ａｓ　
Ｇｓスイッチング素子を使用する。そのスイッチはナノ
秒以内でスイッチング速度に達することができ、数ワッ
トのレベルの無線周波信号を切換える。

第７図は受信機の帯域無線周波増幅器７の別の実施例を
示すブロック図である。この実施例においては、この帯
域増幅器は低雑音前置増幅器７゜と、ゲート回路７１と
、帯域フィルタ７２と、出力増幅器７３とを有する。ゲ
ート回路７１の制御入力端子は、Ｅ／Ｒスイッチを制御
する信号の発生器へ、インバータ７４を介して接続され
る。グ−ト回路７１の機能は、送信期間Ｔｅの間は受信
機と送信機を分離し、受信機のノイズ信号のレベルを低
くすることである。

第８図は送信機の変調器と、Ｅ／Ｒスイッチを制御する
信号の発生器との一実施例を示すブ、ロック図である。

制御信号ＶＣの発生器９ａは、高痩Ｈとともに小さくな
る制御信号ｖＲを受けて、クロック信号ｖ′Ｃを形成す
る電圧／周波数変換器（Ｖ／Ｆ）９０を有する。そのク
ロック信号の繰返し周期ＴＨ／２Ｎ＊制御信号の大きざ
に比例する。

クロック信号ＶＩ　Ｃは２分の１分周回路９１へ与えら
れる。この分周回路９１は制御信号ＶｃをＥ／Ｒスイッ
チ２へ与える。Ｅ／Ｒスイッチ２のフオーム係数は半分
に等しい。送信機の無線周波発生器４の変調器５ａはデ
ジタル形式で構成される。

この変調器５ａは法２Ｎのカウンタ５０を構成する。こ
のカウンタ５０はデジタル−アンテナ変換器（Ｎ／Ａ）
５０に接続される。このデジタル−アンテナ変換器の出
力信号Ｖ′ｍは無線周波発振器４の周波数制御入力端子
へ与えられる。

第１０図は第８図を参照して説明した変調器５ａの信号
と信号発生器９ａの信号のタイミング図である。Ｖ／Ｆ
変換器の出力信号■′Ｃは繰返し周期がＴＲ／２−τ−
２Ｈ／ｃであるクロック信号である。Ｅ／Ｒスイッチを
制御する信号ＶＣは繰返し周期がＴＲである方形波信号
があって、この信号ＶＣが高レベルの時に送信信号ＥＣ
がアンテナ１へ送られる。送信信号を変調する信号Ｖｌ
ｌｌ＋は繰返し周期Ｔｍ　＝　２　（Ｎ−１）ＴＲであ
る階段状信号がある。この階段状信号の各段の間の大き
さはΔＶ’　ＩＩＩ’（２’　−１）である。送信機の
周波数ジャンプは等しく、その値はうなり周波数ｆｂで
ある。

第９図は第８図に示す変調器の変更例を示すブロック図
である。この変更例においては、Ｅ／Ｒスイッヂを制御
する信号ＶＣの発生器は前記した信号発生器と同じであ
る。変調器９ｂは法２Ｎ−１カウンタ５０ａを有する。

このカウンタは分周器９１の出力端子とＤ／Ａ変換器５
１ａに接続される。Ｄ／Ａ変換器５１ａは変調信号ｖＩ
Ｉ　ｍを送信機の無線周波発生器４へ与える。

第１１図は変調器５ｂの信号のタイミング図で、Ｅ／Ｒ
スイッチを制御する信号ＶＣの発生器９ａの信号に対し
て示されている。変調信号Ｖ　ＪＪ　ｍは（ト１） 繰返し周期がＴ＋ｎ＝２　　　　である階段状信号であ
って、各階段のレベルは、Ｖ″ｍ　　（２（Ｎ”　−１
）に等しい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の単一アンテナ電波高度計の簡略化したブ
ロック図、第２図は本発明の電波高度計の基本構造を示
すブロック図、第３図は電波高度計の素子により発生さ
れた主信号のタイミング図、第４図はＥ　／’Ｒスイッ
チの一実施例を示す回路図、第５図はＥ／Ｒスイッチの
ゲート回路の一実施例の回路図、第６図はＥＥ−／Ｒス
イッチの変更例の回路図、第７図は受信機の音声周波帯
域増幅器の一実施例のブロック図、第８図は送信変調器
とＥ／Ｒスイッチ制御信号発生器との一実施例のブロッ
ク図、第９図は送信変調器の変更例を示すブロック図、
第１０図は第８図に示す変調器と信号発生器により発生
される信号のタイミング図、第１１・図は第９図に示す
変調器により発生される信号のタイミング図である。 １・・・アンテナ、２−・・送−受スイッチ、３・・・
方向性結合器、４・・・無線周波発振器、５，５ａ、６
・・・無線周波数混合器、７・・・音声周波帯域増幅器
、８・・・高度反射信号を受けてトラッキングする回路
、９ａ・・・スィッチ２０制御信号発生器、９ｂ・・・
変調器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、反射信号の遅延時間に比例する繰返し周期を有する
   周期信号発生器に接続される制御入力端子を有し、指向
   性アンテナに接続される送−受スイッチと、 前記反射信号の遅延時間に比例する繰返し周期を有する
   周期的変調信号を供給する変調器に接続される周波数変
   調可能な無線周波数発生器を備えＥ／Ｒスイッチの信号
   入力端子に接続される送信機と、 無線周波混合器と、この混合器に直列接続された無線周
   波帯域増幅器と、この増幅器に直列接続され、前記反射
   信号を得てトラッキングする回路とを備え、前記Ｅ／Ｒ
   スイッチの信号出力端子に接続されるホモダイン受信器
   と、 を備え、前記無線周波帯域増幅器および回路は反射信号
   の遅延時間を表す出力信号と、前記送信変調器とＥ／Ｒ
   スイッチを制御する前記信号発生器との出力信号の繰返
   し周期を制御する制御出力信号とを供給することを特徴
   とする単一アンテナ周波数変調電波高度計。 ２、特許請求の範囲第１項記載の電波高度計であって、
   前記送信変調器は鋸歯状波信号発生器であることを特徴
   とする単一アンテナ周波数変調電波高度計。 ３、特許請求の範囲第２項記載の電波高度計であって、
   前記鋸歯状波発生器はアナログ信号発生器であることを
   特徴とする単一アンテナ周波数変調電波高度計。 ４、特許請求の範囲第２項記載の電波高度計であって、
   送信変調器の前記鋸歯状波発生器はデジタル信号発生器
   であり、このデジタル信号発生器は直列接続されたパル
   スカウンタおよびデジタル・アナログ変換器を備えるこ
   とを特徴とする単一アンテナ周波数変調電波高度計。