(57)【要約】 【課題】小型・軽量かつ薄型で低コスト、さらに受信系統の高感度化を実現することができるアンテナ装置を提供する。  【解決手段】受信フィルタ７１〜７ｎを超伝導素材で構成し、ＬＮＡ９１〜９ｎと共に真空容器１２に収容し、内部を冷却機構１３で冷却することにより、受信フィルタ７１〜７ｎを超伝導状態にすると共にＬＮＡ９１〜９ｎの内部雑音を低減する。この際、受信用移相器１０１〜１０ｎ及び合成器１１を単層基板または多層基板で一体化し、受信フィルタ７１〜７ｎ及びＬＮＡ９１〜９ｎを収容した真空容器１２に対して層状に配置する。【選択図】図１
2014017598.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレイ状に配列される複数のアンテナ素子を備える送受信共用のアレイアンテナと、
前記アレイアンテナの各アンテナ素子それぞれに、各素子に対応する送信系と受信系を切替接続する複数の送受切換器と、
前記受信系の入力段に設けられ、前記アンテナ素子で受信された信号から所定の周波数帯域成分を抽出して受信信号を得る複数の受信フィルタと、
前記複数の受信フィルタに対応して設けられ、前記受信フィルタから出力される受信信号を低雑音増幅する複数の増幅器と、
前記複数の増幅器に対応して設けられ、前記増幅器から出力される受信信号の位相を制御する複数の位相制御器と、
前記複数の位相制御器から出力される複数の受信信号を合成する合成器と、
前記受信フィルタ及び増幅器を収容し、外部からの熱を遮断する断熱容器と、
前記断熱容器に収容される受信フィルタ及び増幅器を冷却する冷却手段とを具備し、
前記受信フィルタは、前記冷却手段の冷却によって超伝導状態となる超伝導素材で構成され、
前記位相制御器及び合成器を回路基板で一体化し、前記受信フィルタ及び増幅器を収容した断熱容器に対して層状に配置したことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記受信フィルタより出力される所望の受信信号を入力し、入力した受信信号の信号レベルを制限し、前記増幅器への過入力保護を行うリミッタを備え、
前記断熱容器は、前記リミッタを含めて収容することを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記断熱容器は、少なくとも前記受信フィルタを構成する超伝導素材が配置される周囲を真空状態とすることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記回路基板と前記断熱容器内の受信回路との接続方法として、電磁結合方式を用いることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記アンテナ素子に対応する１回路ごとに、前記断熱容器を分割することを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記アンテナ素子に対応する１回路ごとに冷却プレートを設けて、個別に冷却することを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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、一般にアンテナからＬＮＡ（Low Noise Amplifier：低雑音増幅器）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ため、アンテナから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ための冷却手段を備えることにより、アンテナからＬＮＡまでの給電損失をゼロに近づけ、ＬＮＡの内部雑音を低減し受信系の高感度化を図るアンテナ装置が考案されている。
【０００３】
なお、従来のアンテナからＬＮＡまでの給電損失をゼロに近づけ、ＬＮＡの内部雑音を低減し受信系の高感度化を図るアンテナ装置では、アンテナ素子ごとに送信系統及び受信用移相器等の部品類を金属ケース内に並べて収容した送受信モジュールを構成して、断熱容器外の常温部に配置していた。
【０００４】
ここで、上記送受信モジュールは、他の部品と比較して発熱量の多い送信アンプからの発熱や送信電力に依存する伝送線路損失での発熱等を生じる。これらの送信系統部品は、極低温に冷却する断熱容器内ではなく、断熱容器外の常温部に配置することが冷凍機等の冷却手段の規模縮小に有効である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２３６２０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、アンテナ素子ごとに送信系統及び受信用移相器等の部品類を金属ケース内に並べて収容した送受信モジュールを構成して、断熱容器外の常温部に配置する従来方法では、送受信モジュールに接続するための同軸コネクタ群が必要であり、複数のアンテナ素子を有するアンテナ装置では、アンテナ素子数に比例して膨大な数の同軸コネクタが必要となり、大幅なコストの上昇を招いていた。また、送信モジュールごとに金属ケースを有することからアンテナ装置の寸法、質量が増大し、小型・軽量化の要求を実現する上で大きな課題となっていた。なお、送受信モジュールの金属ケースは、収容部品の固定、放熱及び隣接するモジュール間の干渉抑圧等のために必要としていた。
【０００７】
そこで、本実施形態は、上記の課題を鑑みてなされたもので、同軸コネクタ数の削減及びアンテナ素子ごとの金属ケースを不要として、小型・軽量かつ薄型で低コスト、さらに受信系統の高感度化を実現することができるアンテナ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本実施形態によれば、アンテナ装置は、アレイ状に配列される複数のアンテナ素子を備える送受信共用のアレイアンテナと、複数の送受切換器と、複数の受信フィルタ、複数の増幅器、位相制御器、合成器、断熱容器及び冷却手段を備える。送受切換器は、前記アレイアンテナの各アンテナ素子それぞれに接続され、各素子の送信系と受信系の信号切換を可能とするものである。受信フィルタは、前記受信系の入力段に設けられ、前記アンテナ素子で受信された信号から所定の周波数帯域成分を抽出して受信信号を得る。増幅器は、前記複数の受信フィルタに対応して設けられ、前記受信フィルタから出力される受信信号を低雑音増幅する。位相制御器は、前記複数の増幅器に対応して設けられ、前記増幅器から出力される受信信号の位相を制御する。合成器は、前記複数の位相制御器から出力される複数の受信信号を合成する。断熱容器は、前記受信フィルタ及び増幅器を収容し、外部からの熱を遮断する。冷却手段は、前記断熱容器に収容される受信フィルタ及び増幅器を冷却する。また、前記受信フィルタは、前記冷却手段の冷却によって超伝導状態となる超伝導素材で構成される。また、前記位相制御器及び合成器を回路基板で一体化し、前記受信フィルタ及び増幅器を収容した断熱容器に対して層状に配置する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本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２】図１に示すアンテナ装置の断面図である。
【図３】図１に示すアンテナ装置の回路基板の構成例を示す図である。
【図４】本実施形態に係るアンテナ装置の変形例１の構成を示すブロック図である。
【図５】本実施形態に係るアンテナ装置の変形例２の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。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。
【００１１】
図１は、本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。
【００１２】
このアンテナ装置は、アレイ状に配列される複数のアンテナ素子６１〜６ｎそれぞれに対して、送信アンプ３１〜３ｎ、送信フィルタ４１〜４ｎ及び送受信切換器５１〜５ｎからなる送信層（回路基板）１５と、分配器１、送信用移相器２１〜２ｎ、受信用移相器１０１〜１０ｎ及び合成器１１からなる分配合成層（回路基板）１６と、受信フィルタ７１〜７ｎと、リミッタ８１〜８ｎと、ＬＮＡ（低雑音増幅器）９１〜９ｎと、真空容器１２と、冷却機構１３と、冷却プレート１４とを備える。
【００１３】
なお、アンテナ装置に備える送信系統及び受信系統は、アレイ状に配列される複数のアンテナ素子数ｎに対応してｎ個ずつ設け、それぞれアンテナ素子６１〜６ｎに接続される。また、アンテナ素子６１〜６ｎは、送信層１５に含まれる。
【００１４】
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、この送信信号をｎ系統に分配する。
【００１５】
送信用移相器２１〜２ｎは、それぞれ分配器１により分配された送信信号を入力し、この送信信号に所望の位相制御を施す。
【００１６】
送信アンプ３１〜３ｎは、それぞれ対応する系統の送信用移相器２１〜２ｎから出力される送信信号を入力し、この送信信号を所望の利得で電力増幅する。
【００１７】
送信フィルタ４１〜４ｎは、それぞれ対応する系統の送信アンプ３１〜３ｎから出力される送信信号を入力し、この送信信号から所望の送信周波数帯域成分を抽出する。
【００１８】
送受信切換器５１〜５ｎは、それぞれ対応する系統のアンテナ素子６１〜６ｎに対する送信系統と受信系統の切り換えを行うものであり、例えば、サーキュレータや同軸スイッチ等を用いる。また、送信周波数と受信周波数が異なる場合、ダイプレクサでも良い。
【００１９】
受信フィルタ７１〜７ｎは、それぞれ対応する系統の送受信切換器５１〜５ｎを介してアンテナ素子６１〜６ｎから供給される受信信号を入力し、この受信信号から所定の周波数帯域成分を抽出する。この受信フィルタ７１〜７ｎは、超伝導素材で構成される。
【００２０】
リミッタ８１〜８ｎは、受信フィルタ７１〜７ｎより出力される所望の受信信号を入力し、この受信信号の信号レベルを制限し、ＬＮＡ９１〜９ｎへの過入力保護を行う。
【００２１】
ＬＮＡ９１〜９ｎは、それぞれ対応する受信フィルタ７１〜７ｎから出力される受信信号を入力し、この受信信号を低雑音で増幅する。
【００２２】
なお、図１では、上記受信フィルタ７１〜７ｎ、リミッタ８１〜８ｎ及びＬＮＡ９１〜９ｎにより、受信回路１２１１〜１２１ｎを形成している。
【００２３】
受信用移相器１０１〜１０ｎは、それぞれ対応するＬＮＡ９１〜９ｎから出力される受信信号を入力し、この受信信号に所定の位相制御を施す。
【００２４】
合成器１１は、受信用移相器１０１〜１０ｎにより位相制御を施された各受信信号を入力し、これらの受信信号の信号合成を行う。
【００２５】
真空容器１２は、上記受信回路１２１１〜１２１ｎを収容し、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素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、少なくとも超伝導素材を配置した周囲は気密構造とする。
【００２６】
冷却機構１３及び冷却プレート１４は、真空容器１２内の伝送線路及び受信回路１２１１〜１２１ｎを極低温で冷却するための手段である。
【００２７】
上記構成において、以下にその処理動作を説明する。
【００２８】
まず、送信時は、入力される送信信号を分配器１にてアレイ状に配置される各送信用移相器２１〜２ｎに分配供給し、各送信用移相器２１〜２ｎ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、送信アンプ３１〜３ｎで電力増幅し、送信フィルタ４１〜４ｎにて不要波成分を抑圧し、送受信切換器５１〜５ｎを介してアンテナ素子６１〜６ｎから空間へ送信信号を送出する。
【００２９】
また受信時は、各アンテナ素子６１〜６ｎにて受信された信号が、送受信切換器５１〜５ｎを介して受信系統に入力され、真空容器１２内に配置される受信フィルタ７１〜７ｎにて不要波成分を抑圧し、リミッタ８１〜８ｎで振幅制限し、ＬＮＡ９１〜９ｎにて低雑音で増幅され、受信用移相器１０１〜１０ｎにて受信ビームの指向特性に応じた位相制御が施された後、合成器１１によって信号合成されて、受信ビームとして出力される。
【００３０】
図２は、図１に示すアンテナ装置の断面図である。
【００３１】
図２に示す真空容器１２内の受信回路１２１１〜１２１ｎを接続する伝送線路及び受信フィルタ７１〜７ｎは、超伝導素材で構成されており、これらは真空容器１２に接続する冷却機構１３等の冷却手段によって超伝導状態となる極低温に冷却される。
【００３２】
さて、送信層１５に配置するアンテナ素子６１〜６ｎにて受信された信号は、分配合成層１６を介して真空容器１２内に配置する受信回路１２１１〜１２１ｎへ入力される。ここで、受信回路１２１１〜１２１ｎは、真空容器１２内の冷却プレート１４により極低温に冷却され、超伝導素材を使用する伝送線路及び受信フィルタ７１〜７ｎを超伝導状態とする。このように伝送線路及び受信フィルタ７１〜７ｎを超伝導状態にすることにより、伝送損失をゼロに近づけることができる。また、ＬＮＡ９１〜９ｎも極低温に冷却することにより、ＬＮＡ９１〜９ｎ内部で生じる内部雑音を低減することができる。
【００３３】
受信回路１２１１〜１２１ｎ内のＬＮＡ９１〜９ｎで増幅された受信信号は、分配合成層１６に配置した受信用移相器１０１〜１０ｎにて位相を制御し、合成器１１により信号合成されて受信ビームとして出力される。
【００３４】
図３は、図１に示すアンテナ装置の回路基板の構成例を示す図である。
【００３５】
図３に示すように、送信層１５は、複数のアンテナ素子及びこれらに対応する送信アンプ、送受信切換器等の高周波部品、これらを接続する伝送線路及び回路パターンで構成した送信フィルタ、送信アンプのＯＮ／ＯＦＦ制御を行う電源スイッチング用ＩＣや制御用ＩＣ等を単層基板または多層基板にて一体的に構成した回路基板とする。
【００３６】
また、分配合成層１６は、回路パターンで構成する送信信号の分配器、受信信号の合成器、送信信号及び受信信号のそれぞれを位相制御するための移相器及び移相器に設定する位相コードを制御するための制御用ＩＣを単層基板または多層基板で一体的に構成した回路基板とする。
【００３７】
本実施形態のアンテナ装置では、送信層１５、分配合成層１６及び真空容器１２を層状に配置したことを特徴とする。
【００３８】
ここで、送信層１５及び分配合成層１６を単層基板または多層基板で一体的に構成した、それぞれの層内での接続は、同軸コネクタを用いることなく回路パターンやスルーホールで接続する。
【００３９】
分配器１及び合成器１１を複数のアンテナ素子６１〜６ｎに対応する送信系統及び受信系統と一体的に構成することによって、同軸インターフェースを削減して、使用する同軸コネクタ数を大幅に削減することができる。さらに、アンテナ素子６１〜６ｎごとに別体で金属ケースを設ける必要がなく、送信アンプ３１〜３ｎ単位での簡易なシールドカバーや回路基板単位での固定機構等、必要最小限の部品で構成することが可能となる。
【００４０】
図２では、最小限の同軸コネクタ及び同軸ケーブルを用いて真空容器１２内の受信系統と常温部に配置する送受信系統とを接続するように示したが、電磁結合方式等を採用して、この同軸コネクタを削除することも可能である。
【００４１】
また、図２には、送信層１５の送信アンプ３１〜３ｎを冷却するための冷却層１７を有した構成を示したが、送信アンプ３１〜３ｎの発熱量が少なく、冷却層１７を必要としない場合は削除しても良い。
【００４２】
また、真空容器１２内のリミッタ８１〜８ｎは、受信フィルタ７１〜７ｎの入力側に配置しても良いし、削除しても良い。
【００４３】
ここで図１及び図２には、複数の受信回路１２１１〜１２１ｎを同一の真空容器１２内に収容して一体化した構造を示したが、アンテナ素子に対応する１回路ごとに真空容器１２を分割しても良い。
【００４４】
また、図１及び図２では、複数の受信回路１２１１〜１２１ｎを１つの冷却プレート１４で冷却する構成を示したが、アンテナ素子に対応する１回路ごとに冷却プレート１４を設けて、個別に冷却しても良い。
【００４５】
また、アンテナ素子６１〜６ｎは、送信層１５と一体的に多層基板で構成する平面アンテナでも良いが、送信層１５とは別体で平面アンテナを構成するアンテナ層を設けたり、同じく別体としてダイポール等の線状アンテナを送信層１５に接続する形態でも良い。
【００４６】
（変形例１）  
図４は、本実施形態に係るアンテナ装置の変形例１の構成を示すブロック図である。
【００４７】
図４に示すように、送信アンテナ５１１〜５１ｎ及び受信アンテナ５２１〜５２ｎを別体で設ける。この場合、送受信切換器５１〜５ｎを使用せずに、送信系統の送信信号出力を送信アンテナ５１１〜５１ｎへ接続し、受信アンテナ５２１〜５２ｎからの受信信号出力を受信系統に接続して構成する。
【００４８】
（変形例２）  
図５は、本実施形態に係るアンテナ装置の変形例２の構成を示すブロック図である。
【００４９】
図５では受信専用とする場合のアンテナ装置の構成を示している。常温部に配置する受信アンテナ５２１〜５２ｎ、受信用移相器１０１〜１０ｎ及び合成器１１からなる分配合成層１６を単層基板または多層基板にて一体的に構成する。
【００５０】
以上のように、上記実施形態におけるアンテナ装置は、常温部に配置するアンテナ素子を含む送受信系統を単層基板または多層基板にて一体的に構成する。したがって、アンテナ装置は、同軸コネクタ数の大幅な削減やアンテナ素子ごとの金属ケースを不要として、小型・軽量かつ薄型で低コスト、さらに受信系統の高感度化を実現することができる。
【００５１】
上記アンテナ装置は、移相器を使用しない機械回転式のアレイアンテナ及びアンテナ素子ごとやサブアレイごとに移相器を有するフェーズドアレイアンテナのいずれにも適用可能である。
【００５２】
以上、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。
【符号の説明】
【００５３】
１…分配器、２１〜２ｎ…送信用移相器、３１〜３ｎ…送信アンプ、４１〜４ｎ…送信フィルタ、５１〜５ｎ…送受信切換器、５１１〜５１ｎ…送信アンテナ、５２１〜５２ｎ…受信アンテナ、６１〜６ｎ…アンテナ素子、７１〜７ｎ…受信フィルタ、８１〜８ｎ…リミッタ、９１〜９ｎ…低雑音増幅器（ＬＮＡ）、１０１〜１０ｎ…受信用移相器、１１…合成器、１２１１〜１２１ｎ…受信回路、１２…真空容器、１３…冷却機構、１４…冷却プレート、１５…送信層（回路基板）、１６…分配合成層（回路基板）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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