JP6081294B2 - Antenna device - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、レーダや通信システム等の送受信に用いられるアンテナ装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to an antenna device used for transmission / reception of a radar or a communication system.
レーダや通信システム等の信号受信機能を有したシステムにおける性能向上策として、システム雑音温度の低減による受信系の高感度化がある。システム雑音温度は、一般にアンテナ素子から低雑音増幅器（ＬＮＡ：Low Noise Amplifier）までの伝送損失とＬＮＡにて生じる内部雑音が支配的となる。このため、アンテナ素子からＬＮＡまでの伝送線路や受信フィルタ等の受信回路、さらにはＬＮＡを含めて、真空容器等の断熱容器内に収容し、これらを超伝導状態となるまで冷却することにより、アンテナ素子からＬＮＡまでの給電損失をゼロに近づけ、ＬＮＡの内部雑音を低減することで受信系の高感度化を図るアンテナ装置が提案されている。 As a measure for improving the performance of a system having a signal receiving function such as a radar or a communication system, there is a high sensitivity of a receiving system by reducing a system noise temperature. In general, the system noise temperature is dominated by transmission loss from an antenna element to a low noise amplifier (LNA) and internal noise generated in the LNA. For this reason, by receiving a transmission line from the antenna element to the LNA, a receiving circuit such as a reception filter, and further including the LNA in a heat insulating container such as a vacuum container, and cooling them to a superconducting state, There has been proposed an antenna device that increases the sensitivity of the receiving system by reducing the power loss from the antenna element to the LNA to be close to zero and reducing the internal noise of the LNA.
ところで、送受信に用いられるアンテナ装置では、送信用と受信用とのアンテナ素子を共用しているのが一般的で、共用を実現するために、サーキュレータやスイッチ等の送受信切換器を使用している。 By the way, in an antenna device used for transmission and reception, it is common to share antenna elements for transmission and reception, and a transmission / reception switching device such as a circulator or a switch is used in order to realize the sharing. .
しかしながら、送受信切換器を使用するということは、送信系統、受信系統のいずれにも送受信切換器が介在することになり、この送受信切換器の存在によって送信信号、受信信号に信号損失が生じる。この信号損失は、空間へ送信信号を放射するための送信電力の低下及び受信系統の感度劣化に繋がっている。 However, the use of the transmission / reception switch means that the transmission / reception switch is interposed in both the transmission system and the reception system, and the presence of this transmission / reception switch causes a signal loss in the transmission signal and the reception signal. This signal loss leads to a decrease in transmission power for radiating a transmission signal to space and a deterioration in sensitivity of the reception system.
以上述べたように、従来の送受信共用アンテナ装置では、送受信切換器による送信系統及び受信系統の切り換えを行うため、送受信切換器による信号損失が生じてしまい、空間へ送信信号を放射するための送信電力の低下及び受信系統の感度劣化が生じている。 As described above, in the conventional transmission / reception shared antenna apparatus, the transmission system and the reception system are switched by the transmission / reception switch, so that the signal loss due to the transmission / reception switch occurs, and the transmission for radiating the transmission signal to the space is performed. There is a decrease in power and a deterioration in sensitivity of the receiving system.
そこで、目的は、送信系統及び受信系統の信号損失を低減し、送信電力の低下を防ぎ、かつ受信系統の感度向上を実現するアンテナ装置を提供することにある。 Accordingly, an object is to provide an antenna device that reduces signal loss in the transmission system and the reception system, prevents a decrease in transmission power, and realizes an improvement in sensitivity of the reception system.
本実施形態によれば、アンテナ装置は、アレイ状に配置される複数の送信用アンテナ素子と、前記複数の送信用アンテナ素子にそれぞれ対応して設けられ、前記複数の送信用アンテナ素子から空間へ放射する送信信号を出力する複数の送信系統と、アレイ状に配置される複数の受信用アンテナ素子と、前記複数の受信用アンテナ素子にそれぞれ対応して設けられ、少なくとも超伝導回路を含み、前記複数の受信用アンテナ素子により受信された受信信号を入力して信号処理する複数の受信系統と、前記複数の送信用アンテナ素子それぞれに対して、前記送信信号を分配し、前記複数の受信系統から出力される複数の受信信号を合成する分配合成器と、前記複数の送信系統及び複数の受信系統を前記分配合成器へそれぞれ切換接続する複数のスイッチと、前記複数の受信系統を、前記超伝導回路が超伝導状態となるように極低温に冷却する冷却手段とを具備する。
According to the present embodiment, the antenna device is provided corresponding to each of the plurality of transmission antenna elements arranged in an array and the plurality of transmission antenna elements, and from the plurality of transmission antenna elements to the space. A plurality of transmission systems for outputting radiated transmission signals; a plurality of receiving antenna elements arranged in an array; and a plurality of receiving antenna elements, each including at least a superconducting circuit, A plurality of reception systems that receive and process reception signals received by a plurality of reception antenna elements, and distribute the transmission signal to each of the plurality of transmission antenna elements, and from the plurality of reception systems A distribution synthesizer for combining a plurality of received signals to be output, and a plurality of transmission systems for switching and connecting the plurality of transmission systems and the plurality of reception systems to the distribution synthesizer. And pitch, the plurality of receiving systems, the superconducting circuit; and a cooling means for cooling the cryogenic so that the superconducting state.
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、第１の実施形態に係るアンテナ装置は、送信用アンテナ素子５−１〜５−ｎ（ｎは、自然数）、及び受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎを別体で設ける。送信用アンテナ素子５−１〜５−ｎと受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎとを別体で設ける場合、アンテナ装置は、送受信切換器を使用せずに、送信系統の送信信号出力を送信用アンテナ素子５−１〜５−ｎへ直接接続し、受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎからの受信信号出力を受信系統に直接接続して構成する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of the antenna device according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the antenna device according to the first embodiment includes transmitting antenna elements 5-1 to 5-n (n is a natural number) and receiving antenna elements 6-1 to 6-n. Provide with the body. When the transmitting antenna elements 5-1 to 5-n and the receiving antenna elements 6-1 to 6-n are provided separately, the antenna device does not use a transmission / reception switch, but transmits a transmission signal of the transmission system. Are directly connected to the transmitting antenna elements 5-1 to 5-n, and the received signal outputs from the receiving antenna elements 6-1 to 6-n are directly connected to the receiving system.
図１に示すアンテナ装置は、送信系統、受信系統、真空容器１２、及び冷却部１３を備える。
The antenna device shown in FIG. 1 includes a transmission system, a reception system, a
送信系統は、分配器１、送信用移相器２−１〜２−ｎ、送信アンプ３−１〜３−ｎ、送信フィルタ４−１〜４−ｎ、及び送信用アンテナ素子５−１〜５−ｎを有する。 The transmission system includes a distributor 1, transmission phase shifters 2-1 to 2-n, transmission amplifiers 3-1 to 3-n, transmission filters 4-1 to 4-n, and transmission antenna elements 5-1 to 5-1. 5-n.
分配器１は、上位装置により生成される送信信号を入力し、入力した送信信号をｎ系統に分配する。 The distributor 1 receives a transmission signal generated by the host device and distributes the input transmission signal to n systems.
送信用移相器２−１〜２−ｎは、分配器１で分配される送信信号を入力し、入力した送信信号に対して所望の位相制御を施す。 The transmission phase shifters 2-1 to 2-n receive the transmission signal distributed by the distributor 1 and perform desired phase control on the input transmission signal.
送信アンプ３−１〜３−ｎは、送信用移相器２−１〜２−ｎから出力される送信信号を入力し、入力した送信信号を所望の利得で電力増幅する。 The transmission amplifiers 3-1 to 3-n receive the transmission signals output from the transmission phase shifters 2-1 to 2-n, and amplify the power of the input transmission signals with a desired gain.
送信フィルタ４−１〜４−ｎは、送信アンプ３−１〜３−ｎから出力される送信信号を入力し、入力した送信信号から所望の送信周波数帯域成分を抽出する。 The transmission filters 4-1 to 4-n receive the transmission signals output from the transmission amplifiers 3-1 to 3-n, and extract desired transmission frequency band components from the input transmission signals.
送信用アンテナ素子５−１〜５−ｎは、送信フィルタ４−１〜４−ｎから出力される送信信号を空間へ放射する。 The transmitting antenna elements 5-1 to 5-n radiate transmission signals output from the transmission filters 4-1 to 4-n to space.
受信系統は、受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎ、リミッタ７−１〜７−ｎ、受信フィルタ８−１〜８−ｎ、ＬＮＡ９−１〜９−ｎ、受信用移相器１０−１〜１０−ｎ、及び合成器１１を有する。
The receiving system includes receiving antenna elements 6-1 to 6-n, limiters 7-1 to 7-n, receiving filters 8-1 to 8-n, LNAs 9-1 to 9-n, and receiving
リミッタ７−１〜７−ｎは、受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎにより受信された受信信号を入力し、入力した受信信号の信号レベルを制限し、後段の回路への過入力保護を行う。 The limiters 7-1 to 7-n receive the reception signals received by the receiving antenna elements 6-1 to 6-n, limit the signal level of the input reception signals, and protect the over-input to the subsequent circuit. I do.
受信フィルタ８−１〜８−ｎは、リミッタ７−１〜７−ｎから出力される受信信号を入力し、入力した受信信号から所望の受信周波数帯域成分を抽出する。この受信フィルタ８−１〜８−ｎは、超伝導材で形成される。 The reception filters 8-1 to 8-n receive the reception signals output from the limiters 7-1 to 7-n, and extract desired reception frequency band components from the input reception signals. The reception filters 8-1 to 8-n are formed of a superconductive material.
ＬＮＡ９−１〜９−ｎは、受信フィルタ８−１〜８−ｎから出力される受信信号を入力し、入力した受信信号を低雑音で増幅する。 The LNAs 9-1 to 9-n receive the reception signals output from the reception filters 8-1 to 8-n, and amplify the input reception signals with low noise.
受信用移相器１０−１〜１０−ｎは、ＬＮＡ９−１〜９−ｎから出力される受信信号を入力し、入力した受信信号に対して所望の位相制御を施す。 The reception phase shifters 10-1 to 10-n receive the reception signals output from the LNAs 9-1 to 9-n, and perform desired phase control on the input reception signals.
合成器１１は、受信用移相器１０−１〜１０−ｎにより位相制御を施された各受信信号を入力し、入力した受信信号の信号合成を行う。
The
真空容器１２は、内部を真空状態にすることで、収容物の断熱と保温を行う。この真空容器１２は、極低温の効率的な維持を目的として超伝導材を配置した周囲を真空状態として断熱するための容器である。このため、少なくとも超伝導材を配置した周囲は気密構造とする。
The
冷却部１３は、真空容器１２に収容されるものを極低温に冷却する。
The
ここで、受信フィルタ８−１〜８−ｎ及びリミッタ７−１〜７−ｎ、ＬＮＡ９−１〜９−ｎの伝送線路には、冷却部１３の冷却によって超伝導状態となる超伝導材が用いられる。
Here, in the transmission lines of the reception filters 8-1 to 8-n, the limiters 7-1 to 7-n, and the LNAs 9-1 to 9-n, a superconducting material that becomes a superconducting state by cooling of the
上記構成において、以下にその処理動作を説明する。 The processing operation of the above configuration will be described below.
まず、送信時は、送信系統に入力される送信信号を分配器１にてアレイ状に配置する各送信移相器２−１〜２−ｎに分配供給し、分配供給した送信信号を各送信用移相器２−１〜２−ｎにて送信ビームの励振分布に応じた位相制御を施した後、位相制御を施した送信信号を送信アンプ３−１〜３−ｎで電力増幅し、電力増幅した送信信号から送信フィルタ４−１〜４−ｎにて不要波成分を抑圧し、不要波成分を抑圧した送信信号を送信用アンテナ素子５−１〜５−ｎから空間へ放射する。 First, at the time of transmission, a transmission signal input to the transmission system is distributed and supplied to each of the transmission phase shifters 2-1 to 2-n arranged in an array by the distributor 1, and the distributed transmission signal is transmitted to each transmission phase. After performing phase control in accordance with the excitation distribution of the transmission beam by the credit phase shifters 2-1 to 2-n, the transmission signals subjected to phase control are amplified by the transmission amplifiers 3-1 to 3-n, An unnecessary wave component is suppressed by the transmission filters 4-1 to 4-n from the power amplified transmission signal, and the transmission signal in which the unnecessary wave component is suppressed is radiated from the transmitting antenna elements 5-1 to 5-n to the space.
また、受信時は、各受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎにて受信された受信信号を受信系統に入力し、入力した受信信号は真空容器１２内に配置されるリミッタ７−１〜７−ｎを介して受信フィルタ８−１〜８−ｎに入力され、受信フィルタ８−１〜８−ｎにて不要波成分を抑圧し、不要波成分を抑圧した受信信号をＬＮＡ９−１〜９−ｎにて低雑音で電力増幅し、電力増幅した受信信号に対して受信用移相器１０−１〜１０−ｎにて受信ビームの指向特性に応じた位相制御を施した後、位相制御を施した受信信号を合成器１１によって信号合成して、受信ビームとして出力する。
At the time of reception, the reception signals received by the reception antenna elements 6-1 to 6-n are input to the reception system, and the input reception signals are limiters 7-1 to 7-1 disposed in the
図２は、図１に示すアンテナ装置の構造の一例を示す構造図である。 FIG. 2 is a structural diagram illustrating an example of the structure of the antenna device illustrated in FIG. 1.
図２に示すアンテナ装置は、送信用アンテナ素子５−１〜５―ｎと、分配器１、送信用移相器２−１〜２−ｎ、送信アンプ３−１〜３−ｎ、及び送信フィルタ４−１〜４−ｎを有する送信回路基板１４と、受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎと、リミッタ７−１〜７−ｎ、受信フィルタ８−１〜８−ｎ、ＬＮＡ９−１〜９−ｎを有する受信回路を真空容器１２に収容した超伝導受信モジュール１５と、冷却部１３とを備える。
The antenna apparatus shown in FIG. 2 includes transmission antenna elements 5-1 to 5-n, a distributor 1, transmission phase shifters 2-1 to 2-n, transmission amplifiers 3-1 to 3-n, and transmission. Transmitting
上記真空容器１２内に収容する受信回路は、冷却部１３により超伝導材の臨界温度となる極低温状態に冷却される。これにより、超伝導材にて形成された受信回路の伝送線路及び受信フィルタ８−１〜８−ｎは、超伝導状態となり、損失をゼロに近づけることが可能となる。また、ＬＮＡ９−１〜９−ｎは、極低温に冷却することにより、内部で生じる雑音を低減することが可能となる。したがって、高感度な受信システムを構成することが可能となる。
The receiving circuit accommodated in the
上記構成によれば、第１の実施形態におけるアンテナ装置は、送信用アンテナ素子５−１〜５−ｎと受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎとを別体で構成し、送受信切換器を不要として受信信号を最短経路で受信系統に出力する。これにより、大幅な損失低減を可能としてシステム雑音温度を低減することができる。すなわち、アンテナ装置は、第１の実施形態におけるアンテナ装置と従来の送受信切換器を経由する場合におけるアンテナ装置とを比較すると、送受信切換器により生じていた受信信号損失を排除することができ、システム雑音温度の低減を実現することが可能となる。また、送信系統においても送信用アンテナ素子５−１〜５−ｎと送信系統とが最短経路で接続されることから、送受信切換器による送信信号損失を排除して空間へ放射する送信電力の低下を防ぐことができ、システム性能の向上を図ることが可能となる。 According to the above configuration, the antenna apparatus according to the first embodiment is configured by separately configuring the transmitting antenna elements 5-1 to 5-n and the receiving antenna elements 6-1 to 6-n, and the transmission / reception switcher. And the received signal is output to the receiving system through the shortest path. As a result, the system noise temperature can be reduced by enabling a significant loss reduction. That is, the antenna apparatus can eliminate the received signal loss caused by the transmission / reception switch when the antenna apparatus in the first embodiment and the antenna apparatus in the case of passing through the conventional transmission / reception switch are compared. It becomes possible to reduce the noise temperature. Also in the transmission system, the transmission antenna elements 5-1 to 5-n and the transmission system are connected by the shortest path, so that the transmission power radiated to the space is reduced by eliminating the transmission signal loss due to the transmission / reception switch. Can be prevented and the system performance can be improved.
なお、別体で構成する送信用アンテナ素子５−１〜５−ｎ及び受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎは任意の間隔で配置してよく、これらをアレイ状に配列する際に送信用アンテナ素子５−１〜５−ｎ、受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎそれぞれが所望の間隔となるように配置することでアレイアンテナを構成できる。例えば、図２に示した複数のアンテナ素子を一体的に構成するユニットでは、ユニット間隔を前述の所望の間隔となるように配置すればよいことは言うまでもない。ここで、所望の間隔とは、例えばグレーティングローブの発生しない間隔など設計時に設定するアンテナ素子間隔を指す。 The transmitting antenna elements 5-1 to 5-n and the receiving antenna elements 6-1 to 6-n, which are configured separately, may be arranged at arbitrary intervals, and are sent when they are arranged in an array. An array antenna can be configured by disposing the trusted antenna elements 5-1 to 5-n and the receiving antenna elements 6-1 to 6-n so as to have a desired interval. For example, in the unit that integrally configures the plurality of antenna elements shown in FIG. 2, it goes without saying that the unit interval may be arranged so as to be the aforementioned desired interval. Here, the desired interval refers to an antenna element interval set at the time of design, such as an interval at which no grating lobe occurs.
また、ＬＮＡ９−１〜９−ｎにて増幅した後の受信信号をＡ／Ｄ（Analog／Digital）変換してデジタル信号とすることで、受信用移相器１０−１〜１０−ｎ及び合成器１１にて行っていた信号合成（受信ビーム合成）をＤＢＦ（Digital Beam Forming）処理によって行ってもよい。
Further, the received signal after being amplified by the LNAs 9-1 to 9-n is converted into a digital signal by A / D (Analog / Digital) conversion, so that the phase shifter 10-1 to 10-n for reception and the synthesis The signal synthesis (reception beam synthesis) performed in the
また、送信用アンテナ素子５−１〜５−ｎは、プリントダイポールを採用して送信系統を構成する回路基板と一体的に形成してもよいし、同軸コネクタ等を用いて接続してもよい。また、受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎも同様に、真空容器１２に一体的に形成してもよく、同軸コネクタで接続する形態でもよい。
In addition, the transmitting antenna elements 5-1 to 5-n may be formed integrally with a circuit board constituting a transmission system by using a printed dipole, or may be connected using a coaxial connector or the like. . Similarly, the receiving antenna elements 6-1 to 6-n may be integrally formed with the
また、上記真空容器１２及び冷却部１３は、受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎに対応する系統ごとに分割して構成してもよい。
Further, the
また、第１の実施形態におけるアンテナ装置は、上記分配器１及び合成器１１の代わりにスイッチ及び分配合成器を送信系統の入力段及び受信系統の出力段に設け、スイッチにより系統を切り換え、送信時及び受信時における送信信号の分配及び受信信号の合成を一括して行ってもよい。
In the antenna apparatus according to the first embodiment, a switch and a distribution synthesizer are provided in the input stage of the transmission system and the output stage of the reception system instead of the distributor 1 and the
また、送信回路基板１４は、配置する送信アンプ３−１〜３−ｎの発熱量に応じてヒートパスやコールドプレート等の冷却手段と組み合わせて構成してもよい。
Further, the
また、真空容器１２内のリミッタ７−１〜７−ｎは、受信フィルタ８−１〜８−ｎの出力側に配置してもよいし、不要であれば削除してもよい。
Further, the limiters 7-1 to 7-n in the
また、第１の実施形態におけるアンテナ装置は、移相器を使用しない機械回転式のアレイアンテナ及び、移相器をアンテナ素子ごとやサブアレイごとに有するフェーズドアレイアンテナ等、送受信機能を有するアレイアンテナの何れにも適用可能である。 The antenna device according to the first embodiment includes an array antenna having a transmission / reception function, such as a mechanical rotation type array antenna that does not use a phase shifter, and a phased array antenna that has a phase shifter for each antenna element or subarray. Any of them can be applied.
また、アンテナ装置は、ｎ＝１（アンテナが１構成となっている場合）として、分配器１及び合成器１１を含まない構成としてもよい。さらに、送信用移相器２−１〜２−ｎ、及び受信用位相器１０−１〜１０−ｎも含まない構成としてもよい。
Further, the antenna device may be configured such that n = 1 (when the antenna has one configuration) and does not include the distributor 1 and the
（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図３に示すアンテナ装置は、上記第１の実施形態と同様に、送信用アンテナ素子５−１〜５−ｎ（ｎは、自然数）、及び受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎを別体で設ける。送信用アンテナ素子５−１〜５−ｎと受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎとを別体で設ける場合、アンテナ装置は、送受信切換器を使用せずに、送信系統の送信信号出力を送信用アンテナ素子５−１〜５−ｎへ接続し、受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎからの受信信号出力を受信系統に接続して構成する。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of the antenna device according to the second embodiment. In the antenna apparatus shown in FIG. 3, similarly to the first embodiment, the transmitting antenna elements 5-1 to 5-n (n is a natural number) and the receiving antenna elements 6-1 to 6-n are separated. Provide with the body. When the transmitting antenna elements 5-1 to 5-n and the receiving antenna elements 6-1 to 6-n are provided separately, the antenna device does not use a transmission / reception switch, but transmits a transmission signal of the transmission system. Are connected to the transmitting antenna elements 5-1 to 5-n, and the received signal outputs from the receiving antenna elements 6-1 to 6-n are connected to the receiving system.
また、第２の実施形態は、受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎに対応する系統ごとに真空容器３４−１〜３４−ｎ及び冷却部３５−１〜３５−ｎを分割して構成する。また、第２の実施形態では、図１に示す送信用移相器２−１〜２−ｎ及び受信用移相器１０−１〜１０−ｎの代わりに、スイッチ３１−１〜３１−ｎ及び移相器３２−１〜３２−ｎを送信系統の入力段及び受信系統の出力段に設け、送信時及び受信時で移相器３２−１〜３２−ｎを共用する。また、第２の実施形態では、分配器１及び合成器１１の代わりに分配合成器３３を送信系統の入力段及び受信系統の出力段に設け、スイッチ３１−１〜３１−ｎにより系統を切り換え、送信時及び受信時における送信信号の分配及び受信信号の合成を一括して行う。なお、以降の図における同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複する説明を省略する。
In the second embodiment, the vacuum vessels 34-1 to 34-n and the cooling units 35-1 to 35-n are divided for each system corresponding to the receiving antenna elements 6-1 to 6-n. To do. In the second embodiment, switches 31-1 to 31-n are used instead of the transmission phase shifters 2-1 to 2-n and the reception phase shifters 10-1 to 10-n shown in FIG. The phase shifters 32-1 to 32-n are provided at the input stage of the transmission system and the output stage of the reception system, and the phase shifters 32-1 to 32-n are shared during transmission and reception. Further, in the second embodiment, a
まず、上記構成において、以下にその処理動作を説明する。 First, the processing operation of the above configuration will be described below.
送信時は、送信系統に入力される送信信号を分配合成器３３にてアレイ状に配置する移相器３２−１〜３２−ｎに分配供給し、分配供給した送信信号を各移相器３２−１〜３２−ｎにて送信ビームの励振分布に応じた位相制御を施した後、位相制御を施した送信信号を送信アンプ３−１〜３−ｎで電力増幅し、電力増幅した送信信号から送信フィルタ４−１〜４−ｎにて不要波成分を抑圧し、不要波成分を抑圧した送信信号を送信用アンテナ素子５−１〜５−ｎから空間へ放射する。
At the time of transmission, the transmission signals input to the transmission system are distributed and supplied to the phase shifters 32-1 to 32-n arranged in an array by the
また、受信時は、各受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎにて受信された受信信号を受信系統に入力し、入力した受信信号を真空容器３４−１〜３４−ｎ内に配置されるリミッタ７−１〜７−ｎを介して受信フィルタ８−１〜８−ｎに入力され、受信フィルタ８−１〜８−ｎにて不要波成分を抑圧し、不要波成分を抑圧した受信信号をＬＮＡ９−１〜９−ｎにて低雑音で電力増幅し、電力増幅した受信信号に対して移相器３２−１〜３２−ｎにて受信ビームの指向特性に応じた位相制御を施した後、位相制御を施した受信信号を分配合成器３３によって信号合成して、受信ビームとして出力する。
At the time of reception, the reception signals received by the reception antenna elements 6-1 to 6-n are input to the reception system, and the input reception signals are arranged in the vacuum containers 34-1 to 34-n. Received by the reception filters 8-1 to 8-n via the limiters 7-1 to 7-n. The reception filters 8-1 to 8-n suppress unnecessary wave components and suppress unnecessary wave components. The signal is amplified with low noise by the LNAs 9-1 to 9-n, and the phase control according to the directivity characteristics of the received beam is performed on the received signals by the phase shifters 32-1 to 32-n. After that, the received signal subjected to phase control is synthesized by the
図４は、図３に示すアンテナ装置の構造の一例を示す構造図である。 4 is a structural diagram showing an example of the structure of the antenna device shown in FIG.
図４に示すアンテナ装置は、送信用アンテナ素子５−１〜５―ｎと、分配合成器３３と、送信用移相器２−１〜２−ｎ、送信アンプ３−１〜３−ｎ、及び送信フィルタ４−１〜４−ｎを有する送信回路基板４１と、受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎと、リミッタ７−１〜７−ｎ、受信フィルタ８−１〜８−ｎ、ＬＮＡ９−１〜９−ｎを有する受信回路を真空容器３４−１〜３４−ｎに収容した超伝導受信モジュール４２−１〜４２−ｎと、冷却部３５−１〜３５−ｎとを備える。
The antenna apparatus shown in FIG. 4 includes transmission antenna elements 5-1 to 5-n, a
上記真空容器３４−１〜３４−ｎ内に収容する受信回路は、冷却部３５−１〜３５−ｎにより超伝導材の臨界温度となる極低温状態に冷却される。これにより、超伝導材にて形成された受信回路の伝送線路及び受信フィルタ８−１〜８−ｎは、超伝導状態となり、損失をゼロに近づけることが可能となる。また、ＬＮＡ９−１〜９−ｎは、極低温に冷却することにより、内部で生じる雑音を低減することが可能となる。したがって、高感度な受信システムを構成することが可能となる。 The receiving circuits accommodated in the vacuum vessels 34-1 to 34-n are cooled to a cryogenic state that is a critical temperature of the superconductor by the cooling units 35-1 to 35-n. As a result, the transmission line of the receiving circuit and the receiving filters 8-1 to 8-n formed of the superconducting material are in a superconducting state, and the loss can be brought close to zero. Further, the LNAs 9-1 to 9-n can reduce noise generated inside by being cooled to a very low temperature. Therefore, it is possible to configure a highly sensitive receiving system.
上記構成によれば、アンテナ装置は、送信用アンテナ素子５−１〜５−ｎと受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎとを別体で構成し、送受信切換回路を不要として受信信号を最短経路で受信系統に出力する。これにより、大幅な損失低減を可能としてシステム雑音温度を低減することができる。すなわち、アンテナ装置は、第２の実施形態におけるアンテナ装置と従来の送受信切換器を経由する場合におけるアンテナ装置とを比較すると、送受信切換器により生じていた受信信号損失を排除することができ、システム雑音温度の低減を実現することが可能となる。また、送信系統においても送信用アンテナ素子５−１〜５−ｎと送信系統とが最短経路で接続されることから、送受信切換器による送信信号損失を排除して空間へ放射する送信電力の低下を防ぐことができ、システム性能の向上を図ることが可能となる。 According to the above configuration, the antenna device is configured such that the transmitting antenna elements 5-1 to 5-n and the receiving antenna elements 6-1 to 6-n are configured separately, and does not require the transmission / reception switching circuit, Output to the receiving system using the shortest path As a result, the system noise temperature can be reduced by enabling a significant loss reduction. That is, the antenna device can eliminate the received signal loss caused by the transmission / reception switch when the antenna device in the second embodiment and the antenna device in the case of passing through the conventional transmission / reception switch are compared. It becomes possible to reduce the noise temperature. Also in the transmission system, the transmission antenna elements 5-1 to 5-n and the transmission system are connected by the shortest path, so that the transmission power radiated to the space is reduced by eliminating the transmission signal loss due to the transmission / reception switch. Can be prevented and the system performance can be improved.
また、第２の実施形態におけるアンテナ装置は、複数のアンテナ素子をアレイ状に配置するアレイアンテナ装置において、超伝導回路や冷却機構の故障等により一定数の受信系統が動作不能となった場合において、グレースフル・デグラデーションの考えに基づき、許容できる程度の性能劣化は生じるもののシステムの運用継続を可能とし、信頼性向上を実現することが可能となる。すなわち、真空容器３４−１〜３４−ｎ及び冷却部３５−１〜３５−ｎを受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎに対応する１系統ごとに分離した構造とすることにより、システムの信頼性向上を図ることが可能となる。 The antenna device according to the second embodiment is an array antenna device in which a plurality of antenna elements are arranged in an array, and when a certain number of receiving systems become inoperable due to a failure of a superconducting circuit or a cooling mechanism. Based on the idea of graceful degradation, it is possible to continue the operation of the system while realizing an acceptable degree of performance degradation and to improve reliability. That is, the system is configured by separating the vacuum vessels 34-1 to 34-n and the cooling units 35-1 to 35-n for each system corresponding to the receiving antenna elements 6-1 to 6-n. Reliability can be improved.
なお、別体で構成する送信用アンテナ素子５−１〜５−ｎ及び受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎは任意の間隔で配置してよく、これらをアレイ状に配列する際に送信用アンテナ素子５−１〜５−ｎ、受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎそれぞれが所望の間隔となるように配置することでアレイアンテナを構成できる。例えば、図２に示した複数のアンテナ素子を一体的に構成するユニットでは、ユニット間隔を前述の所望の間隔となるように配置すればよいことは言うまでもない。ここで、所望の間隔とは、例えばグレーティングローブの発生しない間隔など設計時に設定するアンテナ素子間隔を指す。 The transmitting antenna elements 5-1 to 5-n and the receiving antenna elements 6-1 to 6-n, which are configured separately, may be arranged at arbitrary intervals, and are sent when they are arranged in an array. An array antenna can be configured by disposing the trusted antenna elements 5-1 to 5-n and the receiving antenna elements 6-1 to 6-n so as to have a desired interval. For example, in the unit that integrally configures the plurality of antenna elements shown in FIG. 2, it goes without saying that the unit interval may be arranged so as to be the aforementioned desired interval. Here, the desired interval refers to an antenna element interval set at the time of design, such as an interval at which no grating lobe occurs.
また、ＬＮＡ９−１〜９−ｎにて増幅した後の受信信号をＡ／Ｄ（Analog／Digital）変換してデジタル信号とすることで、移相器３２−１〜３２−ｎ及び分配合成器３３にて行っていた信号合成（受信ビーム合成）をＤＢＦ（Digital Beam Forming）処理によって行ってもよい。 Further, the received signals after being amplified by the LNAs 9-1 to 9-n are converted into digital signals by A / D (Analog / Digital) conversion, so that the phase shifters 32-1 to 32-n and the distribution synthesizers are obtained. The signal synthesis (reception beam synthesis) performed in 33 may be performed by DBF (Digital Beam Forming) processing.
また、送信用アンテナ素子５−１〜５−ｎは、プリントダイポールを採用して送信系統を構成する回路基板と一体的に形成してもよいし、同軸コネクタ等を用いて接続してもよい。また、受信用アンテナ素子６−１〜６−ｎも同様に、真空容器３４−１〜３４−ｎに一体的に形成してもよく、同軸コネクタで接続する形態でもよい。 In addition, the transmitting antenna elements 5-1 to 5-n may be formed integrally with a circuit board constituting a transmission system by using a printed dipole, or may be connected using a coaxial connector or the like. . Similarly, the receiving antenna elements 6-1 to 6-n may be formed integrally with the vacuum vessels 34-1 to 34-n, or may be connected by a coaxial connector.
また、送信回路基板４１は、配置する送信アンプ３−１〜３−ｎの発熱量に応じてヒートパスやコールドプレート等の冷却手段と組み合わせて構成してもよい。
The
また、真空容器３４−１〜３４−ｎ内のリミッタ７−１〜７−ｎは、受信フィルタ８−１〜８−ｎの出力側に配置してもよいし、不要であれば削除してもよい。 Further, the limiters 7-1 to 7-n in the vacuum containers 34-1 to 34-n may be arranged on the output side of the reception filters 8-1 to 8-n, and deleted if unnecessary. Also good.
また、第２の実施形態におけるアンテナ装置は、移相器を使用しない機械回転式のアレイアンテナ、及び移相器をアンテナ素子ごとやサブアレイごとに有するフェーズドアレイアンテナ等、送受信機能を有するアレイアンテナの何れにも適用可能である。 The antenna device according to the second embodiment is an array antenna having a transmission / reception function, such as a mechanically rotated array antenna that does not use a phase shifter, and a phased array antenna that has a phase shifter for each antenna element or subarray. Any of them can be applied.
また、アンテナ装置は、ｎ＝１（アンテナが１構成となっている場合）として、分配合成器３３を含まない構成としてもよい。さらに、移相器３２−１〜３２−ｎも含まない構成としてもよい。
Further, the antenna device may be configured such that n = 1 (when the antenna has one configuration) and does not include the
以上、実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 As mentioned above, although embodiment was described, these embodiment was shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the invention described in the claims and equivalents thereof as well as included in the scope and gist of the invention.
１…分配器、２−１〜２−ｎ…送信用移相器、３−１〜３−ｎ…送信アンプ、４−１〜４−ｎ…送信フィルタ、５−１〜５−ｎ…送信用アンテナ素子、６−１〜６−ｎ…受信用アンテナ素子、７−１〜７−ｎ…リミッタ、８−１〜８−ｎ…受信フィルタ、９−１〜９−ｎ…低雑音増幅器（ＬＮＡ）、１０−１〜１０−ｎ…受信用移相器、１１…合成器、１２…真空容器、１３…冷却部、１４…送信回路基板、１５…超伝導受信モジュール、３１−１〜３１−ｎ…スイッチ、３２−１〜３２−ｎ…移相器、３３…分配合成器、３４−１〜３４−ｎ…真空容器、３５−１〜３５−ｎ…冷却部、４１…送信回路基板、４２−１〜４２−ｎ…超伝導受信モジュール。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Divider, 2-1 to 2-n ... Transmission phase shifter, 3-1 to 3-n ... Transmission amplifier, 4-1 to 4-n ... Transmission filter, 5-1 to 5-n ... Transmission Reliable antenna elements, 6-1 to 6-n: receiving antenna elements, 7-1 to 7-n ... limiters, 8-1 to 8-n ... receiving filters, 9-1 to 9-n ... low-noise amplifiers ( LNA), 10-1 to 10-n ... phase shifter for reception, 11 ... synthesizer, 12 ... vacuum vessel, 13 ... cooling unit, 14 ... transmission circuit board, 15 ... superconducting reception module, 31-1 to 31 -N ... switch, 32-1 to 32-n ... phase shifter, 33 ... distribution synthesizer, 34-1 to 34-n ... vacuum vessel, 35-1 to 35-n ... cooling unit, 41 ... transmission circuit board , 42-1 to 42-n ... Superconducting receiver modules.
Claims (5)
前記複数の送信用アンテナ素子にそれぞれ対応して設けられ、前記複数の送信用アンテナ素子から空間へ放射する送信信号を出力する複数の送信系統と、
アレイ状に配置される複数の受信用アンテナ素子と、
前記複数の受信用アンテナ素子にそれぞれ対応して設けられ、少なくとも超伝導回路を含み、前記複数の受信用アンテナ素子により受信された受信信号を入力して信号処理する複数の受信系統と、
前記複数の送信用アンテナ素子それぞれに対して、前記送信信号を分配し、前記複数の受信系統から出力される複数の受信信号を合成する分配合成器と、
前記複数の送信系統及び複数の受信系統を前記分配合成器へそれぞれ切換接続する複数のスイッチと、
前記複数の受信系統を、前記超伝導回路が超伝導状態となるように極低温に冷却する冷却手段とを具備するアンテナ装置。 A plurality of transmitting antenna elements arranged in an array; and
A plurality of transmission systems provided corresponding to the plurality of transmission antenna elements, respectively, for outputting transmission signals radiated from the plurality of transmission antenna elements to space; and
A plurality of receiving antenna elements arranged in an array; and
A plurality of receiving systems that are respectively provided corresponding to the plurality of receiving antenna elements, include at least a superconducting circuit, and receive and receive signals received by the plurality of receiving antenna elements;
A distribution combiner that distributes the transmission signal to each of the plurality of transmission antenna elements and combines a plurality of reception signals output from the plurality of reception systems;
A plurality of switches for switching and connecting the plurality of transmission systems and the plurality of reception systems to the distribution synthesizer;
An antenna device comprising: cooling means for cooling the plurality of receiving systems to a cryogenic temperature so that the superconducting circuit is in a superconducting state.
前記分配された送信信号を入力し、入力した送信信号に対して所望の位相制御を施す複数の送信用位相制御器と、
前記複数の送信用位相制御器から出力される送信信号を入力し、入力した送信信号を所望の利得で電力増幅する複数の送信アンプと、
前記送信アンプから出力される送信信号を入力し、入力した送信信号から所望の送信周波数帯域成分を抽出し、前記送信用アンテナ素子へ出力する複数の送信フィルタとを備え、
前記複数の受信系統は、
超伝導材で形成され、前記複数の受信用アンテナ素子から出力される受信信号を入力し、入力した受信信号から所望の受信周波数帯域成分を抽出する複数の受信フィルタと、
前記複数の受信フィルタから出力される受信信号を入力し、入力した受信信号を低雑音で増幅する複数の低雑音増幅器と、
前記複数の低雑音増幅器から出力される受信信号に位相制御を施す複数の受信用位相制御器とを備える請求項１記載のアンテナ装置。 The plurality of transmission systems are:
A plurality of transmission phase controllers for inputting the distributed transmission signal and performing desired phase control on the input transmission signal;
A plurality of transmission amplifiers that input transmission signals output from the plurality of transmission phase controllers and amplify the input transmission signals with a desired gain; and
A transmission signal output from the transmission amplifier is input, a desired transmission frequency band component is extracted from the input transmission signal, and includes a plurality of transmission filters that output to the transmission antenna element,
The plurality of receiving systems are:
A plurality of reception filters that are formed of a superconducting material, receive reception signals output from the plurality of reception antenna elements, and extract desired reception frequency band components from the input reception signals;
A plurality of low-noise amplifiers for inputting the reception signals output from the plurality of reception filters and amplifying the input reception signals with low noise;
The antenna apparatus according to claim 1, further comprising: a plurality of reception phase controllers that perform phase control on reception signals output from the plurality of low noise amplifiers.
入力した受信信号に所望の位相制御を施す複数の移相器とをさらに具備し、
前記複数の送信系統は、
前記分配された送信信号を入力し、入力した送信信号を所望の利得で電力増幅する複数の送信アンプと、
前記送信アンプから出力される送信信号を入力し、入力した送信信号から所望の送信周波数帯域成分を抽出し、前記送信用アンテナ素子へ出力する複数の送信フィルタとを備え、
前記複数の受信系統は、
超伝導材で形成され、前記複数の受信用アンテナ素子から出力される受信信号を入力し、入力した受信信号から所望の受信周波数帯域成分を抽出する複数の受信フィルタと、
前記複数の受信フィルタから出力される受信信号を入力し、入力した受信信号を低雑音で増幅する複数の低雑音増幅器とを備える請求項１記載のアンテナ装置。 Provided between the distribution synthesizer and the plurality of switches, input the transmission signal, perform a desired phase control on the input transmission signal, input a reception signal output from the reception system,
A plurality of phase shifters for performing desired phase control on the input received signal;
The plurality of transmission systems are:
A plurality of transmission amplifiers for inputting the distributed transmission signal and amplifying the input transmission signal with a desired gain;
A transmission signal output from the transmission amplifier is input, a desired transmission frequency band component is extracted from the input transmission signal, and includes a plurality of transmission filters that output to the transmission antenna element,
The plurality of receiving systems are:
A plurality of reception filters that are formed of a superconducting material, receive reception signals output from the plurality of reception antenna elements, and extract desired reception frequency band components from the input reception signals;
The antenna apparatus according to claim 1, further comprising: a plurality of low noise amplifiers that receive reception signals output from the plurality of reception filters and amplify the input reception signals with low noise.
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