JP3953926B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーダ装置に関する。さらに詳しくは、フィルタを用いることにより、スプリアス放射の低減を図ったレーダ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーダ装置のスプリアス放射を低減させる方法として、各種フィルタをレーダ装置に設けることが従来から知られている。図８はマグネトロンの発振周波数の２倍周波数およびπ−１モードの周波数を阻止するフィルタを設けたレーダ装置の構成図である（たとえば特許文献１参照）。図８において、２２はマグネトロン、２３はサーキュレータ、２４はロータリージョイント、２６はＨＰＬ（ハイパワーダイオードリミッタ）、２７はフロントエンド、２８はフィルタである。フィルタ２８は、マグネトロン２２の発振周波数の２倍周波数およびπ−１モードの周波数を阻止する低域通過フィルタである。このようにフィルタ２８を用いることで、マグネトロン発振の２倍周波数およびπ−１モードの周波数がレーダ装置から放射される電力、すなわちスプリアス放射レベルを低減することが可能である。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１３６００５号公報（図１参照）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、マグネトロンで通常発生するスプリアス成分として、代表的なものである基本波の２倍周波数である第２高調波および高次モードであるπ−１モードのスプリアスをフィルタにより除去することにより、基本波と共にスプリアスが放射されることはない筈であるが、前述のようなフィルタを挿入してもスプリアス成分の放射を完全に阻止することができず、近年のスプリアス放射に対する厳しい要求に応えられなくなっている。
【０００５】
前述のようなフィルタ２８を設けてもスプリアスの放射が行われる原因について、本発明者らが鋭意検討を重ねて調べた結果、マグネトロン２２の２倍周波数の放射を抑えるフィルタ２８を取り付けると、２倍周波数のマイクロ波はフィルタ２８によって反射され、サーキュレータ２３を通過し、マグネトロン２２に戻る。そこで、マグネトロン２２のπ−１モードの周波数ｆ_π−１と２倍の周波数２ｆ_０とが混変調を起こし、メインの発振周波数ｆ_０に比較的近い周波数である２ｆ_０−ｆ_π−１の周波数成分が生成され、アンテナ２５から放射されていることを見出した。すなわち、フィルタ２８を取り付けた場合のスペクトラムは図９に示されるようになり、フィルタ２８のない場合の図１０に示されるスペクトラムと比較すると、混変調の２ｆ_０−ｆ_π−１周波数成分の電力レベルが顕著に増大しており、この周波数成分がスプリアスとしてレーダから放射されてしまうという問題が、低域通過フィルタを取り付けることにより新たに生じてきた。
【０００６】
一方、このスプリアス放射を抑えるために、フィルタ２８を低域通過フィルタではなく、マグネトロン２２の発振周波数のみを通過する帯域通過フィルタとすることが考えられるが、この場合、以下のような不都合が生じてしまう。すなわち、マグネトロンのπ−１モードはメインの発振周波数に非常に近い周波数であることが一般的であり、２ｆ_０−ｆ_π−１もメインの発振周波数に非常に近い周波数となる。したがって、帯域の狭い帯域通過フィルタが要求される。帯域が狭く、かつ、π−１モードおよび２ｆ_０−ｆ_π−１の周波数成分を所望のレベルまで減衰させるフィルタの作製は困難で、なおかつ、作製されたフィルタの寸法は非常に大きなものとなってしまう。とくに、小型のレーダ装置では、そのように大きなフィルタを取り付けるスペースがなく、レーダ装置の小型化、低コスト化に困難が伴う。また、帯域を狭くし、減衰レベルを大きくとったフィルタはマイクロ波の耐ピーク電力を大きくすることが困難であるという問題、さらにマグネトロンがフィルタの影響を受け、その動作が不安定になるという問題もある。
【０００７】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、高調波および高次モードの放射を抑制するのみならず、それらの混変調により生じるスプリアスの放射も抑制することにより、厳しいスプリアス抑制の条件を満たすレーダ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によるレーダ装置は、マイクロ波発振器としてマグネトロンを用いたレーダ装置において、前記マグネトロンのメイン出力とする基本波の発振周波数をｆ_０として、その２倍の周波数２ｆ_０を阻止域とした第１フィルタと、２ｆ_０と前記マグネトロンのπ−１モードの周波数ｆ_π−１との差２ｆ_０−ｆ_π−１の周波数が遮断周波数域となる第２フィルタとが設けられていることを特徴とする。
【０００９】
この構成にすることにより、マグネトロンの基本波の発振周波数ｆ_０に対して高調波である２倍周波数２ｆ_０とπ−１モードの周波数ｆ_π−１との混変調により生じる２ｆ_０−ｆ_π−１の周波数のスプリアス電力がアンテナから放射される量を低減させることができる。その結果、２ｆ_０を抑制するために挿入したフィルタによる影響を除去することができ、ｆ_０の高調波およびその高調波とπ−１モードのスプリアスとの混変調により生じる周波数のスプリアスも除去することができ、高調波やスプリアスの放射を抑制することができる。
【００１０】
前記第２フィルタがレーダ装置を構成する伝送線路の一部もしくは全部に設けられる２ｆ_０−ｆ_π−１の周波数が遮断周波数域となる導波管で構成されることにより、従来伝送線路として用いられる導波管の一部または全部を第２フィルタにより構成することができるため、部品やスペースを増やすことなく、確実に２ｆ_０−ｆ_π−１の周波数域を遮断することができる。
【００１１】
前記第２フィルタが方形導波管により構成され、該方形導波管の一部に導電性部材が取り付けられ、該導電性部材が取り付けられた部分が前記２ｆ_０−ｆ_π−１の周波数の遮断周波数域となる断面形状に形成されることにより、従来の伝送線路としての導波管内壁に導電性部材を取り付けるだけで、２ｆ_０−ｆ_π−１の周波数を遮断周波数域とすることができるため、非常に簡単な構造で、確実に不要なスプリアスを遮断することができる。
【００１２】
前記第１フィルタが、前記π−１モードの周波数も阻止域とするフィルタとして構成され、前記第２フィルタが、前記２ｆ_０−ｆ_π−１の周波数が遮断周波数域となる高域通過フィルタとして構成されることにより、スペースをそれほど増やさないで、大きなスプリアスモードを殆ど遮断して、不要輻射の非常に少ないレーダ装置が得られる。
【００１３】
前記第２フィルタが、レーダ装置を構成する素子または各素子を接続する導波管の一部もしくは全部の接続フランジ部分に形成された空間により構成される構造とすることもできる。この場合、前記π−１モードの周波数を阻止域とする第３フィルタがさらに設けられることにより、より完全にスプリアスの放射を抑制することができる。ここに素子とは、たとえば図１に示されるような構成では、アイソレータ、サーキュレータ、第１フィルタなど、レーダ装置を構成する部分（部品）を意味する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明のレーダ装置について説明をする。本発明によるレーダ装置は、図１にその一実施形態のブロック図が示されるように、マイクロ波発振器としてマグネトロン１を用い、マグネトロン１のメイン出力とする基本波の発振周波数をｆ_０として、その２倍の周波数２ｆ_０を阻止域とした第１フィルタ３と、２ｆ_０とマグネトロン１のπ−１モードの周波数ｆ_π−１との差２ｆ_０−ｆ_π−１の周波数が遮断周波数域となる高域通過フィルタまたは帯域阻止フィルタからなる第２フィルタ５とが設けられている。
【００１５】
図１に示される構成では、マグネトロン１と第１フィルタ３である低域通過フィルタ３との間にアイソレータ２が挿入され、第１フィルタ３と第２フィルタ５との間にサーキュレータ４が挿入されている。第２フィルタ５には、ロータリージョイント６を介してアンテナ７からマグネトロン１の出力を放射できるようになっている。また、対象物で反射した反射波は、伝送線路からサーキュレータ４により分岐されてハイパワーダイオードリミッタ（ＨＰＬ）８およびフロントエンド９を介して受信できるようになっている。マグネトロン１やアイソレータ２などの各素子は、通常のレーダ装置に用いられる素子と同じものが用いられ、各素子を連結する伝送線路は、断面形状が２２.９ｍｍ×１０.２ｍｍの方形導波管が用いられており、マグネトロン１のメイン波の９.４ＧＨｚに対しては良好に伝送する。
【００１６】
マグネトロン１は、メイン出力とする基本波の発振を、たとえばπモードで９.４ＧＨｚで発振するように形成されており、マグネトロンの性質上、その整数倍の高調波やπ−１モードなどの高次モードのスプリアスが発生する。この場合、スプリアスのうち、とくに出力の大きいπ−１モードは１０.６ＧＨｚ程度に現われ、２倍の高調波は２ｆ_０＝１８.８ＧＨｚとなる。前述のように、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、これらのスプリアスの放射を抑制するようにフィルタを設けても、この両者の混変調波が新たなスプリアスとして発生することを見出した。この混変調でとくに大きなスプリアスは、２倍波とπ−１モードとの差に基づくスプリアスで、その周波数は２ｆ_０−ｆ_π−１＝８.２ＧＨｚ程度となる。
【００１７】
第１フィルタ３は、基本波の２倍の高調波およびπ−１モードの周波数帯を阻止する図２に示されるような特性を有する低域通過フィルタとして形成されている。第１フィルタ３としては、たとえば導波管の上下面（Ｈ面；幅広面）に格子状に凹凸が設けられた構造のワッフルアイアン型低域通過フィルタを用いることができる。この阻止する周波数域がπ−１モードを含むように形成されれば、π−１モードと２倍波（第２高調波）の両方を阻止することができるが、それぞれを別々のフィルタとして構成してもよい。この場合、２倍波を阻止する低域通過フィルタを第１フィルタとし、π−１モードを阻止するフィルタを第３フィルタとして形成すれば、それぞれのスプリアスを個別に確実に阻止することができる。
【００１８】
第２フィルタ５は、図１に示される例では、方形導波管により形成され、断面形状が１７.１ｍｍ×１０.２ｍｍで、その遮断周波数は８.７７ＧＨｚになっている。すなわち、方形導波管では、長辺（幅広方向）の寸法ａの２倍となる波長より低い周波数の電磁波を伝搬することはできず、遮断波長となる。そのため、長辺（幅広方向）の寸法ａが、たとえば１７.１ｍｍであれば、遮断波長は３４.２ｍｍで、その周波数は８.７７ＧＨｚとなり、これより低い周波数の電磁波は伝搬することができない。実際に、この方形導波管のマイクロ波の通過特性は、図３に示されるようになっており、マグネトロン１の基本波である９.４ＧＨｚは通過するが、２ｆ_０−ｆ_π−１の周波数である８.２ＧＨｚでの通過損失は、約−１２ｄＢと大きな値となっている。
【００１９】
この方形導波管は、図４に示されるように、矩形断面の幅広方向の寸法ａを狭めた構造である。すなわち、図４において、１０が方形導波管で、対向する短辺の管壁の肉厚が厚くされることにより、その長辺寸法が狭められ、その長辺寸法Ａが１７.１ｍｍに形成されている。１１はフランジである。なお、短辺の寸法は規格寸法のままの１０.２ｍｍであり、断面の大きさは、前述のように、１７.１ｍｍ×１０.２ｍｍである。この方形導波管は、図１に示される各素子を接続する伝送線路としての導波管の一部をこの方形導波管により代用すればよいため、この方形導波管（第２フィルタ５）を設けたことにより、レーダ装置の寸法が大きくなるということはない。さらに、前述の図３に示されるように、この方形導波管の伝播特性は、９.４ＧＨｚである基本波に対しては、殆ど減衰しないため、各素子を連結する伝送線路として、この断面形状を有する方形導波管を使用しても、何ら支障はない。
【００２０】
図４に示される例では、第２フィルタ５として、長辺寸法を小さくする方形導波管を製造して用いたが、たとえば図５に幅広面と平行に一部破断した方形導波管１４が示されるように、方形導波管の幅狭面の一部に金属板（導電性部材）１２をネジ１３により固定した構造にすることもできる。この構造にしても、方形導波管の長辺寸法をａからＡに狭めることができ、この部分で８.７７ＧＨｚより低い周波数のマイクロ波を遮断する。このような構造にすることにより、金属板１２の厚さを変えるだけで、長辺寸法Ａを自由に変更して遮断周波数を調整することができるため、マグネトロンのπ−１モードの周波数が変った場合でも、簡単で、しかも確実に２ｆ_０−ｆ_π−１のスプリアスの放射を阻止することができる。
【００２１】
図６および図７は、第２フィルタの他の実施形態を示す説明図である。すなわち、前述の各例は方形導波管の長辺寸法を狭めた高域通過フィルタを用いたものであるが、図６および図７に示される例は、フランジ部に座繰りを設けることにより、空間部を形成し、前述の周波数で共振させ得るようにしたものである。
【００２２】
すなわち、図６および図７において、１５が方形導波管、１６は座繰りが設けられたフランジ、１７は他方のフランジ、１８は座繰りにより形成された空間部をそれぞれ示している。この座繰りが形成されたフランジ１６が、レーダ装置のサーキュレータなど他のマイクロ波回路素子１９とネジ２０およびナット２１により接続されると、図７に示されるように、他のマイクロ波回路素子１９のフランジとの間に空間部１８が形成される。この空間部１８が２ｆ_０−ｆ_π−１の周波数で共振するように形成することにより、２倍の高調波とπ−１モードの混変調により生じたスプリアスの帯域阻止フィルタとして動作させることができる。空間部１８の大きさは、たとえば図７のＢ寸法を６ｍｍ、Ｃ寸法を２ｍｍ程度に形成することにより、空間部１８が８.２ＧＨｚ近傍の周波数帯を阻止する帯域阻止フィルタとすることができる。その結果、周波数８.２ＧＨｚの２ｆ_０−ｆ_π−１スプリアスの伝送を抑制することができる。なお、レーダ装置としての他の構成は、図１に示される例と同じで、その説明を省略する。
【００２３】
この例では、方形導波管１５を設けてそのフランジ部分１６に空間部１８を形成したが、この導波管１５は各回路素子を連結する導波管を利用してもよいし、マグネトロン、サーキュレータ、ロータリージョイントなどの回路素子を接続するためのフランジに座繰りを設け、図７に示される空間部１８と同様の空間部を形成することにより、帯域阻止フィルタとすることもできる。なお、フランジの座繰り部分は、フランジを構成する部材と別体である金属板に座繰りを形成して、その金属板を接合するフランジ間に挟んでネジとナットにより固定する構造でもよい。
【００２４】
上記各例では、マグネトロンの２倍波を抑えるため、第１フィルタとして低域通過フィルタを用いたが、マグネトロンのメイン出力である基本波の発振周波数帯域を通過する帯域通過フィルタを用いても同様の効果を有するレーダ装置を得ることができる。すなわち、前述のように、帯域通過フィルタを用いても、基本波の周波数に近いπ−１モードや２ｆ_０−ｆ_π−１のスプリアスを基本波から確実に分離して減衰させることは難しいが、本発明による第２フィルタを設けることにより、帯域通過フィルタでは、２ｆ_０−ｆ_π−１のスプリアスを完全に抑制されていなくても第２フィルタにより抑制することができるため、安価な帯域通過フィルタと本発明の第２フィルタとを組み合せることにより、確実にスプリアスの放射を抑制することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、通常マグネトロンのスプリアスとして除去が試みられている２倍の高調波およびπ−１モードを除去するフィルタの他にこれらの混変調により発生する２ｆ_０−ｆ_π−１のスプリアスをも阻止する第２フィルタが設けられているため、スプリアスの放射をほぼ確実に抑制したレーダ装置が得られ、今後ますます厳しくなるスプリアス放射の要求を満たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレーダ装置の一実施形態を示す構成説明図である。
【図２】図１に示される低域通過フィルタの特性を示す図である。
【図３】図１に示される第２フィルタの特性を示す図である。
【図４】図１に示される方形導波管（第２フィルタ）の構造例の斜視説明図である。
【図５】図１に示される方形導波管（第２フィルタ）の構造例の断面説明図である。
【図６】本発明による第２フィルタの他の実施形態を示す斜視説明図である。
【図７】本発明による第２フィルタの他の実施形態を示す断面説明図である。
【図８】従来のレーダ装置の構成例を説明する図である。
【図９】図８に示される低域通過フィルタを取り付けたときの放射スペクトラムを示す図である。
【図１０】図８に示される構成で、低域通過フィルタを取り付けないときの放射スペクトラムを示す図である。
【符号の説明】
１ マグネトロン
２ アイソレータ
３ 第１フィルタ
４ サーキュレータ
５ 第２フィルタ
６ ロータリージョイント
７ アンテナ

Claims (6)

1. マイクロ波発振器としてマグネトロンを用いたレーダ装置において、前記マグネトロンのメイン出力とする基本波の発振周波数をｆ_０として、その２倍の周波数２ｆ_０を阻止域とした第１フィルタと、２ｆ_０と前記マグネトロンのπ−１モードの周波数ｆ_π−１との差２ｆ_０−ｆ_π−１の周波数が遮断周波数域となる第２フィルタとが設けられていることを特徴とするレーダ装置。
2. 前記第２フィルタがレーダ装置を構成する伝送線路の一部もしくは全部に設けられる２ｆ_０−ｆ_π−１の周波数が遮断周波数域となる導波管で構成される請求項１記載のレーダ装置。
3. 前記第２フィルタが方形導波管により構成され、該方形導波管は、その一部に導電性部材が取り付けられ、該導電性部材が取り付けられた部分が前記２ｆ_０−ｆ_π−１の周波数の遮断周波数域となる断面形状に形成されてなる請求項２記載のレーダ装置。
4. 前記第１フィルタが、前記π−１モードの周波数も阻止域とするフィルタとして構成され、前記第２フィルタが、前記２ｆ_０−ｆ_π−１の周波数が遮断周波数域となる高域通過フィルタとして構成されてなる請求項１ないし３のいずれか１項記載のレーダ装置。
5. 前記第２フィルタが、レーダ装置を構成する素子または各素子を接続する導波管の一部もしくは全部の接続フランジ部分に形成された空間により構成されてなる請求項１記載のレーダ装置。
6. 前記π−１モードの周波数を阻止域とする第３フィルタがさらに設けられてなる請求項１、２、３または５記載のレーダ装置。

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