JP6352963B2

JP6352963B2 - アンテナ装置及びアレイアンテナ装置

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Publication number: JP6352963B2
Application number: JP2016046086A
Authority: JP
Inventors: 泰明和田; 信司玉井; 中田　大平; 大平中田
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2018-07-04
Anticipated expiration: 2036-03-09
Also published as: EP3217504A1; US20170261597A1; EP3217504B1; JP2017161359A; US10132918B2

Description

本発明の実施形態は、レーダに使用されるアンテナ装置及びアレイアンテナ装置に関する。

従来、例えば航空機に搭載されるレーダでは、複数のアンテナ素子から高周波のパルス信号（以下、ＲＦパルス信号と表記する場合がある）を送信するアレーアンテナ装置が使用される場合が多い。レーダは、送信したＲＦパルス信号が物体から反射される反射信号を、当該アレーアンテナ装置の複数のアンテナ素子により受信することで、当該物体を探知する。

一般的に、アレーアンテナ装置は、複数のアンテナユニットを含み、アンテナユニット毎に複数のアンテナ素子を介して送受信を行う構成である。各アンテナユニットは、ＲＦパルス信号生成回路により生成されるＲＦパルス信号を、アンテナ素子のそれぞれに供給する。ＲＦパルス信号生成回路は、アンテナ素子毎に設けられており、ＦＥＴ（field effect transistor、電界効果トランジスタ）から構成されるアンプ回路(パワーアンプ回路)を含む。

特許第５８０６０７６号公報

従来、ＲＦパルス信号生成回路は、ＦＥＴのドレイン電圧を制御するスイッチング回路を含む。このスイッチング回路により、ＲＦパルス信号の立ち上げと立ち下げを制御し、レーダの高速の送受信に必要な応答速度特性を実現している。ここで、高速なスイッチング回路は、複数のＦＥＴを使用するため、回路構成が複雑である。また、パワーアンプ回路を構成するＦＥＴのドレインは高圧大電流のため、周辺回路として容量が大きいコンデンサを使用する。

ＲＦパルス信号生成回路はアンテナ素子毎に設けられているため、結果として、アンテナユニット単位での回路規模が相対的に大きくなる。そこで、例えば航空機に搭載されるレーダに使用されるアンテナ装置では、搭載スペースや重量が限定されるため、アンテナユニット単位での回路規模の縮小化を実現するという課題がある。また、レーダは、動作モードに基づいて制御対象のアンテナ素子数を変化させる場合がある。従来のＲＦパルス信号生成回路は、ＦＥＴのドレイン電圧が一定であるため、アンテナ素子数を変化させた場合に、ＲＦパルス信号の出力が不安定化することがある。そこで、アンテナ素子数に応じたＲＦパルス信号の出力特性の安定化を実現するという課題もある。

本実施形態のアンテナ装置は、複数のアンプ回路と、共通ドレイン制御手段と、ゲート制御手段と、アンテナ制御手段とを具備する。複数のアンプ回路はそれぞれ、複数のアンテナ素子に送信用パルス信号を出力する。共通ドレイン制御手段は、前記複数のアンプ回路に対する共通の制御回路を構成し、前記複数のアンプ回路のそれぞれに含まれる電界効果トランジスタのドレイン電圧を制御する。ゲート制御手段は、前記複数のアンプ回路毎に設けられて、前記電界効果トランジスタのゲート電圧を制御する。アンテナ制御手段は、前記共通ドレイン制御手段及び前記ゲート制御手段を制御し、前記ゲート電圧を前記ドレイン電圧に先行して出力制御することにより、前記複数のアンプ回路を選択的に動作させる。

実施形態に関するアレイアンテナ装置の構成を説明するためのブロック図。第１の実施形態に関するアンテナ装置の構成を説明するためのブロック図。第１の実施形態に関するドレインスイッチング回路の一例を示す回路図。第１の実施形態に関するゲートスイッチング回路の一例を示す回路図。第１の実施形態に関するアンテナ装置の動作を説明するためのタイミングチャート。第２の実施形態に関するスイッチング制御回路の構成を説明するためのブロック図。

以下図面を参照して、実施形態を説明する。
［アレーアンテナ装置の構成］
図１は、本実施形態に関するアレーアンテナ（array antenna）装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、アレーアンテナ装置１は、例えば航空機に搭載されるレーダに使用され、複数のアンテナ装置１３-1〜１３-ｍを配列して構成される。また、各アンテナ装置１３-1〜１３-ｍは複数のアンテナ素子１１-1〜１１-nを配列して構成される。本実施形態のアンテナ装置１３は、アンテナユニット１０及び制御部１２を有する。

図２は、第１の実施形態に関するアンテナ装置１３の構成を説明するためのブロック図である。図２に示すように、アンテナユニット１０は、複数のアンテナ素子１１-1〜１１-nのそれぞれに対応するＲＦパルス信号生成回路２０-1〜２０-nを含む。ＲＦパルス信号生成回路２０-1〜２０-nはそれぞれ、パワーアンプ回路２１-1〜２１-n及びゲートスイッチング回路２２-1〜２２-nを含む。パワーアンプ回路２１-1〜２１-nはそれぞれ、ＲＦパルス信号210P-1〜210P-nをアンテナ素子１１-1〜１１-nに出力するためのパワーＦＥＴ（図示しない電界効果トランジスタ）を有する。

なお、本実施形態は、レーダのＲＦパルス信号を送信する送信系に関するものであり、反射信号を受信する受信系については省略している。また、ＲＦパルス信号生成回路２０-1〜２０-nはそれぞれ構成が同一であるため、便宜的に、第１のアンテナ素子１１-1に対応するＲＦパルス信号生成回路２０-1を代表として構成を説明する場合がある。

図２に示すように、ＲＦパルス信号生成回路２０-1は、パワーアンプ回路２１-1及びゲートスイッチング回路２２-1を含み、パワーアンプ回路２１-1からＲＦパルス信号210P-1をアンテナ素子１１-1に出力する。ゲートスイッチング回路２２-1は、後述するように、パワーアンプ回路２１-1に含まれる前記パワーＦＥＴのゲート電圧220VG-1を出力する。なお、他のＲＦパルス信号生成回路２０-2〜２０-nについても、同様の構成である。

図２に示すように、制御部１２は、ドレインスイッチング回路２３、ＲＦ信号生成回路２４、及びスイッチング制御回路２５を有し、アンテナユニット１０の単位ごとに設けられるアンテナユニット制御部である。本実施形態のドレインスイッチング回路２３は、アンテナユニット１０に含まれる各ＲＦパルス信号生成回路２０-1〜２０-nの共通のスイッチング回路である。ドレインスイッチング回路２３は、パワーアンプ回路２１-1〜２１-nに含まれる各パワーＦＥＴのドレイン電圧230Dを出力する。

ＲＦ信号生成回路２４は、各パワーアンプ回路２１-1〜２１-nのそれぞれに対して、レーダの送信系のＲＦ信号240Iを生成して出力する。即ち、パワーアンプ回路２１-1〜２１-nはそれぞれ、当該ＲＦ信号240Iの入力に応じて、ＲＦパルス信号210P-1〜210P-nをアンテナ素子１１-1〜１１-nに出力する。

スイッチング制御回路２５は、ゲートスイッチング回路２２-1〜２２-nのそれぞれに対して、スイッチ回路の駆動電圧250VG及びゲート電圧制御信号250GC-1〜250GC-nを出力する。スイッチング制御回路２５は、共通のドレインスイッチング回路２３に対して、ドレイン電圧制御信号250VC、及びドレインスイッチング回路２３の各ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を駆動するための駆動電圧250VDを出力する。

図３は、ドレインスイッチング回路２３の具体例を示す概略図である。図３に示すように、ドレインスイッチング回路２３は、駆動電圧250VDを入力するための入力端子３０、ドレイン電圧制御信号250VCを入力するための入力端子３１、複数のＦＥＴ３２〜３４、抵抗３５、コンデンサ３６及びインダクタ３７を有する。ドレインスイッチング回路２３は、スイッチング制御回路２５から入力端子３１に入力されるドレイン電圧制御信号（制御パルス）250VCに応じたドレイン電圧230Dを、インダクタ３７を介して各パワーアンプ回路２１-1〜２１-nに含まれる各パワーＦＥＴのドレインに出力する。

図４は、代表として、ゲートスイッチング回路２２-1の具体例を示す概略図である。図４に示すように、ゲートスイッチング回路２２-1は、例えばオペアンプから構成されるスイッチ回路４０、コンデンサ４１及びインダクタ４２を有する。ゲートスイッチング回路２２-1は、ゲート電圧制御信号250GC-1に応じてスイッチ回路４０を制御し、インダクタ４２を介してパワーアンプ回路２１-1に含まれるパワーＦＥＴのゲートにゲート電圧220VG-1を出力する。

以下、図５（Ａ），（Ｂ）のタイミングチャートを参照して、第１の実施形態に関するアンテナ装置１３の動作を説明する。便宜的に、図５（Ａ）は、第１のアンテナ素子１１-1に対応するＲＦパルス信号生成回路２０-1に関するタイミングチャートである。また、図５（Ｂ）は、第２のアンテナ素子１１-2に対応するＲＦパルス信号生成回路２０-2に関するタイミングチャートである。

図５（Ａ），（Ｂ）のタイミングチャートにおいて、時間軸ｔ上のタイミングＴ１は、アンテナユニット１０内のアンテナ素子１１-1〜１１-nのいずれかに対して、ＲＦパルス信号210P-1〜210P-nを出力する場合を示す。同様に、時間軸ｔ上のタイミングＴ２は、アンテナユニット１０内のアンテナ素子１１-1だけに対してＲＦパルス信号210P-1を出力する場合を示す。また、時間軸ｔ上のタイミングＴ３は、アンテナユニット１０内のアンテナ素子１１-1〜１１-nのいずれに対しても、ＲＦパルス信号210P-1〜210P-nを出力しない場合を示す。

本実施形態のアンテナ装置１３では、制御部１２は、アンテナユニット１０単位において、１素子以上のアンテナ素子１１-1〜１１-nからＲＦパルス信号を出力させて送信する際には、ドレインスイッチング回路２３からのドレイン電圧230Dの出力を制御する。即ち、図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、ドレインスイッチング回路２３は、いずれのアンテナ素子１１-1〜１１-nの出力もオフする場合（Ｔ３）を除いて、スイッチング制御回路２５からのドレイン電圧制御信号250VCに応じて、ドレイン電圧230Dをパワーアンプ回路２１-1〜２１-nの各パワーＦＥＴに出力する。

一方、制御部１２は、ＲＦパルス信号を出力させるアンテナ素子（ここでは、１１-1，１１-2とする）に対応するパワーアンプ回路２１-1，２１-2の各パワーＦＥＴにゲート電圧220VG-1，220VG-2を出力させる。即ち、図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、ゲートスイッチング回路２２-1，２２-2は、スイッチング制御回路２５からのゲート電圧制御信号250GC-1，250GC-2に応じて、ゲート電圧220VG-1，220VG-2をパワーアンプ回路２１-1，２１-2の各パワーＦＥＴに出力する。

スイッチング制御回路２５は、パワーアンプ回路２１-1，２１-2の各パワーＦＥＴに対して、ドレイン電圧230Dを出力する前に先行してゲート電圧220VG-1，220VG-2を出力するように、ゲート電圧制御信号250GC-1，250GC-2をゲートスイッチング回路２２-1，２２-2に出力する。また、スイッチング制御回路２５は、当該各パワーＦＥＴに対してドレイン電圧230Dを出力するように、ドレイン電圧制御信号250VCをドレインスイッチング回路２３に出力する。これにより、アンテナユニット１０内から選択されたアンテナ素子１１-1，１１-2に対してＲＦパルス信号210P-1〜210P-2を出力し、当該アンテナ素子１１-1，１１-2からＲＦパルス信号210P-1，210P-2に応じたＲＦパルス信号を送信できる。

従って、図５（Ａ），（Ｂ）のタイミングＴ１に示すように、パワーアンプ回路２１-1，２１-2はそれぞれ、ＲＦ信号240Iの入力に応じて、ＲＦパルス信号210P-1，210P-2をアンテナ素子１１-1，１１-2に出力する。

ここで、図５（Ｂ）のタイミングＴ１に示すように、スイッチング制御回路２５は、パワーアンプ回路２１-2のパワーＦＥＴに対して、ドレイン電圧230Dを出力する前に先行してゲート電圧220VG-2を出力するように、ゲート電圧制御信号250GC-2をゲートスイッチング回路２２-2に出力する。これにより、アンテナユニット１０内から選択されたアンテナ素子１１-2に対してＲＦパルス信号210P-2を出力し、当該アンテナ素子１１-2からＲＦパルス信号210P-2に応じたＲＦパルス信号を送信できる。

以上のような第１の実施形態によれば、以下のような作用効果がある。第１に、パワーアンプ回路２１-1〜２１-nの各パワーＦＥＴのドレイン電圧230Dと、ゲート電圧220VG-1〜220VG-nを個別に出力制御できるようにして、アンテナユニット１０内のアンテナ素子１１-1〜１１-nのいずれかに対して、選択的にＲＦパルス信号210P-1〜210P-nを出力できる。この場合、ドレイン電圧230Dを出力するドレインスイッチング回路２３を、アンテナユニット単位で共通化することにより、アンテナユニット単位での回路規模の縮小化を実現できる。特に、例えば航空機に搭載されるレーダに使用されるアンテナ装置１３に適用する場合に有効である。

第２に、パワーアンプ回路２１-1〜２１-nの各パワーＦＥＴに対して、ドレイン電圧230Dを出力する前のタイミングでゲート電圧220VG-1〜220VG-nを出力できるため、各パワーＦＥＴの過渡特性が良い状態で動作させることができる。また、アンテナユニット毎にドレイン電圧のスイッチングを制御することにより、ＲＦパルス信号の高速な立ち上がりと立ち下がりの応答速度を実現できる。即ち、ＲＦパルス信号の波形及び送受信の切り替え速度は、ドレイン電圧のスイッチング制御に依存している。

さらに、本実施形態では、前記のようなＲＦパルス信号に対する高速な応答速度を実現できると共に、アンテナ素子単位にゲート電圧のスイッチングを制御することにより、各アンテナ素子を選択的に機能させることができる。即ち、アンテナ素子単位にゲート電圧のスイッチングを制御することにより、アンテナ装置１３の動作モード毎に、ＲＦパルス信号を送信できるように、有効に機能させるアンテナ素子数を可変させることが容易に実現できる。アンテナ装置１３の動作モードは、送信するＲＦパルス信号の間隔及び機能させるアンテナ素子数により設定される。

具体的には、ＲＦパルス信号の間隔は、レーダの送信と受信の切り替えタイミング（立ち上がりと立ち下り）に関係し、高速性を要求される。アンテナ素子数は、レーダの有効距離と有効範囲を決定する。アンテナ素子数が多いほど、有効距離が長くなり、有効範囲が狭くなる。ここで、アンテナ素子数を切り替えるタイミングは、ＲＦパルス信号を送信するタイミングとは無関係であるため、パルスの応答速度（立ち上がりと立ち下り）に対する高速性は、必ずしも必要ではない（図５（Ａ），（Ｂ）に示すゲート電圧220VG-1，220VG-2の波形を参照）。

図６は、第２の実施形態に関するスイッチング制御回路の構成を示す図である。図６に示すように、当該実施形態のスイッチング制御回路２５は、ドレインスイッチング回路２３から出力するドレイン電圧230Dを制御するためのデジタル制御電源回路６０を含む構成である。なお、ドレインスイッチング回路２３を含めて、他の構成については、前述した第１の実施形態の場合（図１から図４を参照）と同様であるため、説明を省略する。

デジタル制御電源回路６０は、ＤＳＰ（digital signal processor）６１を含む。ＤＳＰ６１は、機能させるアンテナ素子数の情報を示すデータ６００に応じて、ドレインスイッチング回路２３の各ＦＥＴを駆動するための駆動電圧250VDの電圧値や駆動電流値の設定を切り替える機能を有する。ここで、アンテナ素子数の情報を示すデータ６００は、アンテナ装置１３の動作モードを切り替えるレーダのコントローラから出力される。即ち、レーダのコントローラは、前述したように、アンテナ装置１３の動作モード毎に、機能させるアンテナ素子数を可変させる。

第２の実施形態によれば、機能させるアンテナ素子数に応じて、ドレインスイッチング回路２３の駆動電圧250VDを制御できるため、パワーアンプ回路２１-1〜２１-nの各パワーＦＥＴに供給するドレイン電圧230Dを安定化できるように調整できる。従って、パワーアンプ回路２１-1〜２１-nから出力されるＲＦパルス信号の出力特性を安定化させることが可能となる。具体的には、ＲＦパルス信号の立ち上がりと立下りの応答速度の安定化や、出力レベルの安定化を実現できる。

一般的に、駆動電圧250VDが一定の場合に、機能させるアンテナ素子数の可変に応じて、ドレインスイッチング回路２３から出力されるドレイン電圧230Dが変動する。このため、機能させるアンテナ素子数が相対的に増大すると、ドレインスイッチング回路２３の抵抗負荷が増えて、ドレイン電圧230Dの電圧降下を招き、ＲＦパルス信号の立ち上がりと立ち下がりの応答速度に低下を招く要因となる。また、機能させるアンテナ素子数が相対的に減少すると、ＲＦパルス信号のリンギング（パルス波形の振動）の発生を招く要因となる。

以上のように、第２の実施形態によれば、機能させるアンテナ素子数を可変させる場合でも、アンテナ素子数に応じたＲＦパルス信号の出力特性の安定化を実現できる。なお、他の作用効果については、前述した第１の実施形態の場合と同様であるため、説明を省略する。

本発明のいくつかの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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

１…アレーアンテナ装置、１０…アンテナユニット、１１-1〜１１-n…アンテナ素子、
１２…制御部、１３-1〜１３-m…アンテナ装置、
２０-1〜２０-n…ＲＦパルス信号生成回路、２１-1〜２１-n…パワーアンプ回路、
２２-1〜２２-n…ゲートスイッチング回路、２３…ドレインスイッチング回路、
２４…ＲＦ信号生成回路、２５…スイッチング制御回路、３２〜３４…ＦＥＴ。

Claims

複数のアンテナ素子のそれぞれに、送信用パルス信号を出力する複数のアンプ回路と、
前記複数のアンプ回路に対する共通の制御回路を構成し、前記複数のアンプ回路のそれぞれに含まれる電界効果トランジスタのドレイン電圧を制御する共通ドレイン制御手段と、
前記複数のアンプ回路毎に設けられて、前記電界効果トランジスタのゲート電圧を制御する複数のゲート制御手段と、
前記共通ドレイン制御手段及び前記複数のゲート制御手段を制御し、前記ゲート電圧を前記ドレイン電圧に先行して出力制御することにより、前記複数のアンプ回路を選択的に動作させるアンテナ制御手段と
を具備するアンテナ装置。
前記アンテナ制御手段は、
複数のアンテナ素子のいずれからも前記送信用パルス信号を送信するアンテナ動作、複数のアンテナ素子の中で特定のアンテナ素子から前記送信用パルス信号を送信するアンテナ動作、又は複数のアンテナ素子のいずれからも前記送信用パルス信号を送信しないアンテナ動作のいずれかの動作に基づいて、前記共通ドレイン制御手段及び前記複数のゲート制御手段を制御するように構成されている請求項１記載のアンテナ装置。
前記複数のアンプ回路及び前記複数のゲート制御手段を含むアンテナユニットを有し、
前記共通ドレイン制御手段は、前記アンテナユニットの単位で前記ドレイン電圧を制御するように構成されている請求項１記載のアンテナ装置。
前記共通ドレイン制御手段は、前記アンテナユニットの単位において、１素子以上のアンテナ素子から前記送信用パルス信号を出力する場合に、前記ドレイン電圧を前記複数のアンプ回路のそれぞれに含まれる電界効果トランジスタに出力する請求項３記載のアンテナ装置。
前記アンテナユニットは、前記複数のアンテナ素子毎に、前記アンプ回路及び前記ゲート制御手段を含むパルス信号生成手段を有し、
前記パルス信号生成手段は、前記アンプ回路から出力される前記送信用パルス信号を、対応する前記アンテナ素子に送出するように構成されている請求項３記載のアンテナ装置。
前記アンテナ制御手段は、
前記複数のアンテナ素子において有効に機能させるアンテナ素子数に応じて、前記複数のアンプ回路からの前記送信用パルス信号の出力特性を安定化させるための電源制御手段を含む構成である請求項１から５のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
前記電源制御手段は、有効に機能させるアンテナ素子数を示す情報に基づいて、前記ドレイン電圧を調整するように前記共通ドレイン制御手段に対する電源を制御するように構成されている請求項６に記載のアンテナ装置。
前記電源制御手段は、有効に機能させるアンテナ素子数を示す情報に基づいて、前記共通ドレイン制御手段に含まれる電界効果トランジスタの駆動電圧を制御することで、前記ドレイン電圧を調整するように構成されている請求項７記載のアンテナ装置。
請求項１から８のいずれか１項に記載のアンテナ装置であって、複数の前記アンテナ装置を配列して構成されるアレイアンテナ装置。