(57)【要約】【課題】マグネトロン駆動回路において、陽極電圧の立ち下がり部分を改善してマグネトロンが出力するパルス状マイクロ波のパルス幅を短くすることにある。【解決手段】マグネトロン駆動回路５０のパルストランス７０は、駆動パルス電圧Ｖｄが印加される一次側コイル７１と、マグネトロン２０の陽極電圧入力ライン３０に直列に挿入されている二次側コイル７２，７３とを有している。このパルストランス７０は、駆動パルス電圧Ｖｄに応じて二次側コイル７２，７３に陽極電圧Ｖｐを発生する。マグネトロン駆動回路５０のサイリスタ９１は、陽極電圧Ｖｐの立ち下がり期間にオンして、陽極電圧入力ライン３０とマグネトロン２０の陽極２１とを接続する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動パルス電圧が印加される一次側コイルと、マグネトロンの陽極電圧入力ラインに直列に挿入されている二次側コイルとを有し、前記二次側コイルによって前記マグネトロンに陽極電圧を印加するトランスと、
前記陽極電圧入力ラインと前記マグネトロンの陽極との間に接続され、前記陽極電圧の立ち下がり期間にオンするスイッチング素子と、
を備える、マグネトロン駆動回路。
【請求項２】
前記陽極電圧入力ラインは、
前記マグネトロンのフィラメントの一端に接続される一端と、他端とを持つ第１電源ラインと、
前記マグネトロンのフィラメントの他端に接続される一端と、前記第１電源ラインの前記他端に電圧発生部を介して接続される他端とを持つ第２電源ラインと、
を含み、
前記トランスの前記二次側コイルは、
前記第１電源ラインに直列に挿入される第１の二次側コイルと、
前記第２電源ラインに直列に挿入される第２の二次側コイルと、
を含む、
請求項１に記載のマグネトロン駆動回路。
【請求項３】
前記スイッチング素子に直列に接続されているダンピング抵抗をさらに備える、
請求項１又は請求項２に記載のマグネトロン駆動回路。
【請求項４】
前記スイッチング素子は、前記駆動パルス電圧の立ち下がり期間に立ち上がるゲートパルス信号によってオンオフを制御されるサイリスタである、
請求項１から３のいずれか一項に記載のマグネトロン駆動回路。
【請求項５】
陽極電圧入力ラインを有するマグネトロンと、
前記マグネトロンより発振されたマイクロ波を放射するアンテナと、
前記マグネトロンを駆動するマグネトロン駆動回路と、
を備え、
前記マグネトロン駆動回路は、
駆動パルス電圧が印加される一次側コイルと、前記陽極電圧入力ラインに直列に挿入されている二次側コイルとを有し、前記二次側コイルによって前記マグネトロンに陽極電圧を印加するトランスと、
前記陽極電圧入力ラインと前記マグネトロンの陽極との間に接続され、前記陽極電圧の立ち下がり期間にオンするスイッチング素子と、
を有する、レーダ装置。
【請求項６】
マグネトロンの陽極電圧入力ラインに直列に二次側コイルを挿入しているトランスの一次側コイルに駆動パルス電圧を印加し、前記二次側コイルに前記マグネトロンに印加する陽極電圧を発生させる陽極電圧発生ステップと、
前記陽極電圧入力ラインと前記マグネトロンの陽極との間に接続されているスイッチング素子を、前記陽極電圧発生ステップにおける前記陽極電圧の立ち下がり期間にオンするスイッチングステップと、
を備える、マグネトロン駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、マグネトロンから出力されるマイクロ波の変調を行なうためのマグネトロン駆動回路及びそのマグネトロン駆動回路を用いるレーダ装置並びにマグネトロン駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から知られているパルス変調レーダ装置は、パルス状のマイクロ波が送信されてから受信されるまでの時間により物標までの距離を求める。このようなレーダ装置においては、マグネトロンからパルス状のマイクロ波を出力させるため、例えば特許文献１（特開２００８−２３２９５７号公報）に記載されているように、マグネトロン駆動回路によってマグネトロンの陽極にパルス状の高電圧（以下、陽極電圧という）を印加することが従来から行なわれている。
【０００３】
このようなパルス状のマイクロ波を出力するレーダ装置の中でも、例えば、河川を往来する船舶などを監視するリバーレーダ装置にあっては、貨物船やコンテナ船の位置を正確に把握するために物標までの距離を正確に探知する必要がある。このようにレーダ装置の用途によっては、高い距離分解能を要求されるものがあり、より短いパルスでマイクロ波を変調する必要が生じる。
【０００４】
ところが、マグネトロンは、陰極やフィラメントの周囲を陽極が囲う構造を有しているのが一般的であり、マグネトロン駆動回路から見て容量成分を持っている。そのため、マグネトロン駆動回路によってマグネトロンに陽極電圧を印加しようとしても電圧波形に歪みが生じてしまう。
【０００５】
例えば、上述の特許文献１においては、マグネトロンに陽極電圧を印加するための駆動用パルストランスの一次側に参照用パルストランスを設けて、駆動用パルストランスの二次側で発生する駆動用パルスの波形成形を行なっている。
【０００６】
特許文献１に記載されている技術を適用したマグネトロン駆動回路にマグネトロンを接続すると、例えば、図６に示すような回路構成になると考えられる。図６において、マグネトロン２０には、陽極電圧入力ライン３０を通してフィラメント２２と、共通電位に接続されている陽極２１との間に陽極電圧が印加される。
【０００７】
陽極電圧は、陽極電圧入力ライン３０に直列に挿入されているパルストランス１５０の二次側コイル１５２によって発生する。パルストランス１５０の一次側コイル１５１には、駆動パルス電圧発生回路７５が接続される。このパルストランス１５０の一次側コイル１５１に印加される駆動パルス電圧に応じて、二次側コイル１５２に陽極電圧が発生する。
【０００８】
そして、パルストランス１５０の一次側には、陽極電圧の波形を成形するための波形成形回路１７０が接続されている。この波形成形回路１７０でパルストランス１５０の一次側コイルに印加される電圧の波形を成形することによって、陽極電圧の波形は矩形に近くなり、不要輻射などの発生が抑制される。なお、図４の陽極電圧入力ライン３０は、マグネトロン２０のフィラメント２２と、フィラメント２２に電源を供給するヒータ電源４０とに接続されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１に記載されている波形成形回路１７０は、パルストランス１５０の一次側コイル１５１の側に設けられているものであって、パルストランス１５０を介して二次側コイル１５２で発生する陽極電圧の波形成形を行なうものである。そのため、パルス幅が短くなると、マグネトロン２０に溜まる電荷によって波形成形回路１７０で波形成形を行なうことが困難になる。そのため、例えばリバーレーダ装置のように１００ｎｓ以下の非常に短いパルス幅を要求されるレーダ装置に対しては、特許文献１に記載の技術を適用して陽極電圧の立ち下がりを急峻にするのは困難である。
【００１０】
この発明の目的は、高い距離分解能を要求されるレーダ装置に用いられるマグネトロン駆動回路において、陽極電圧の立ち下がり部分を改善してマグネトロンが出力するパルス状マイクロ波のパルス幅を短くすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るマグネトロン駆動回路は、トランスとスイッチング素子とを備える。トランスは、駆動パルス電圧が印加される一次側コイルと、マグネトロンの陽極電圧入力ラインに直列に挿入されている二次側コイルとを有している。このトランスは、二次側コイルによってマグネトロンに陽極電圧を印加する。スイッチング素子は、陽極電圧入力ラインとマグネトロンの陽極との間に接続されている。このスイッチング素子は、陽極電圧の立ち下がり期間にオンする。
【００１２】
本発明のマグネトロン駆動回路では、陽極電圧の立ち下がり期間にスイッチング素子がオンすることで、陽極電圧入力ラインがスイッチング素子によって陽極に接続される。このとき、トランスの二次側コイルが挿入されている陽極電圧入力ラインの電荷がスイッチング素子を通して陽極の電位に流れる。このようにして陽極電圧入力ラインの電荷が急速に減少することで、陽極電圧の立ち下がり部分の波形が改善され、立ち下がりが急峻になる。
【００１３】
本発明に係るレーダ装置は、陽極電圧入力ラインを有するマグネトロンと、マグネトロンより発振されたマイクロ波を放射するアンテナと、マグネトロンを駆動するマグネトロン駆動回路とを備えている。そして、マグネトロン駆動回路は、トランスとスイッチング素子とを有している。トランスは、駆動パルス電圧が印加される一次側コイルと、陽極電圧入力ラインに直列に挿入されている二次側コイルとを有し、二次側コイルによってマグネトロンに陽極電圧を印加する。スイッチング素子は、陽極電圧入力ラインとマグネトロンの陽極との間に接続され、陽極電圧の立ち下がり期間にオンする。
【００１４】
本発明のレーダ装置では、マグネトロンの陽極電圧の立ち下がり期間にスイッチング素子がオンすることで、陽極電圧入力ラインがスイッチング素子によってマグネトロンの陽極に接続される。このとき、トランスの二次側コイルが挿入されている陽極電圧入力ラインの電荷がスイッチング素子を通して陽極の電位に流れる。陽極電圧入力ラインの電荷が急速に減少することで、陽極電圧の立ち下がり部分の波形が改善され、立ち下がりが急峻になる。そのため、アンテナから放射されるマイクロ波のパルス幅が短くなる。
【００１５】
本発明に係るマグネトロン駆動方法は、マグネトロンの陽極電圧入力ラインに直列に二次側コイルを挿入しているトランスの一次側コイルに駆動パルス電圧を印加し、二次側コイルにマグネトロンに印加する陽極電圧を発生させる陽極電圧発生ステップと、陽極電圧入力ラインとマグネトロンの陽極との間に接続されているスイッチング素子を、陽極電圧発生ステップにおける陽極電圧の立ち下がり期間にオンするスイッチングステップと、を備える。
【００１６】
本発明のマグネトロン駆動方法によれば、スイッチングステップで、陽極電圧の立ち下がり期間にスイッチング素子がオンすることにより、陽極電圧入力ラインがスイッチング素子によって陽極に接続される。このとき、トランスの二次側コイルが挿入されている陽極電圧入力ラインの電荷がスイッチング素子を通して陽極の電位に流れる。このようにして陽極電圧入力ラインの電荷が急速に減少することで、陽極電圧発生ステップで発生される陽極電圧の立ち下がり部分の波形が改善され、陽極電圧の立ち下がりが急峻になる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、陽極電圧の立ち下がり部分を改善してマグネトロンが出力するパルス状マイクロ波のパルス幅を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係るマグネトロン駆動回路が用いられるレーダ装置。
【図２】本発明の一実施形態に係るマグネトロン駆動回路の回路図。
【図３】マグネトロン駆動回路の動作を説明するための電圧波形図。
【図４】図１に示すマグネトロンにおける陽極電圧の一例を示す波形図。
【図５】図１のマグネトロンから送信されるマイクロ波の一例を示す波形図。
【図６】従来のマグネトロン駆動回路の回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、一実施形態に係るマグネトロン駆動回路について図１乃至図５を参照しながら説明する。図１に示すように、マグネトロン駆動回路５０は、例えばレーダ装置１０に用いられる。
【００２０】
（１）レーダ装置の構成の概要
レーダ装置１０は、アンテナ１１と送信機１２と送受切換器１３と受信機１４と局部発振器１５と信号処理器１６と表示器１７とを備えて構成されている。マグネトロン２０は、送信機１２に用いられる。送受切換器１３が送信機１２の側に切り換わっているときには、マグネトロン２０から出力されるパルス状のマイクロ波に応じてアンテナ１１からパルス信号が放射される。
【００２１】
送信機１２がオフのときに、送信機１２からアンテナ１１に電磁波が送られる状態よりアンテナ１１から受信機１４に電磁波が送られる状態に、送受切換器１３が切換を行う。アンテナ１１で受信した受信信号が受信機１４に与えられる。受信機１４は、高周波増幅器、ミクサ、中間周波増幅器及び検波器を備えて構成されており、受信機１４では、所望の信号の分離と受信信号の増幅とが行なわれる。受信機１４で受信信号を高周波から中間周波に変換するために必要な局部発振信号が局部発振器１５から受信機１４のミクサに与えられる。
【００２２】
受信機１４から信号処理器１６に出力される受信信号には、クラッタのような不要な信号が含まれている。これらの不要な信号を除去するなどの信号処理を信号処理器１６で行った後に、物標に関する表示が表示器１７において行なわれる。
【００２３】
後述するように、マグネトロン駆動回路５０によってマグネトロン２０から出力されるパルス状のマイクロ波のパルス幅が小さくなることによって、信号処理器１６において処理される受信信号の距離分解能が向上し、距離的に近接する物標を区別して表示器１７に表示させることができる。
【００２４】
（２）マグネトロン駆動回路及びその周辺の構成
図１に示した送信機１２を構成するマグネトロン２０とマグネトロン駆動回路５０と高圧電源６０の接続関係及びマグネトロン駆動回路５０の構成の概要を図２に示す。マグネトロン２０は、図６に示した従来からあるマグネトロン２０と同じものである。
【００２５】
（２−１）マグネトロン
マグネトロン２０は、陰極（図示省略）とその周囲に配置されている円筒状の陽極２１とを備えている。このマグネトロン２０は、陽極２１が多数に分割されている陽極分割型マグネトロンである。マグネトロン２０の陰極は、フィラメント２２によって加熱される。フィラメント２２を発熱させるためのヒータ電源４０が電源ラインによってフィラメント２２に接続されている。このヒータ電源４０とフィラメント２２を結ぶ電源ラインが陽極電圧入力ライン３０として用いられる。マグネトロン２０の出力は、マイクロ波出力回路２３を介してアンテナ１１に供給される。
【００２６】
（２−２）陽極電圧入力ライン
陽極電圧入力ライン３０は、フィラメント２２の一端２２ａに接続されている一端３１ａを持つ第１電源ライン３１と、フィラメント２２の他端２２ｂに接続されている他端３２ａを持つ第２電源ライン３２とを有している。第１電源ライン３１の他端３１ｂはトランス４１の二次側コイル４３の一端４３ａに接続されている。第２電源ライン３２の他端３２ｂは、二次側コイル４３の他端４３ｂに接続されている。また、第１電源ライン３１の他端３１ｂと共通電位との間に挿入されているキャパシタ３３があり、第２電源ライン３２の他端３２ｂと共通電位との間に挿入されているキャパシタ３４がある。
【００２７】
（２−３）ヒータ電源
ヒータ電源４０は、上述のトランス４１の一次側コイル４２に接続されている。ヒータ電源４０からヒータ電圧が一次側コイルに印加されると、二次側コイル４３に電圧が発生して第１電源ライン３１及び第２電源ライン３２を介してフィラメント２２に電流が流れ、フィラメント２２が発熱する。
【００２８】
（２−４）マグネトロン駆動回路
マグネトロン駆動回路５０は、パルストランス７０と駆動パルス電圧発生回路７５とゲートパルス電圧発生回路８０とスイッチング回路９０とを備えている。パルストランス７０は、一次側コイル７１と第１の二次側コイル７２と第２の二次側コイル７３とを有している。パルストランス７０の一次側コイル７１には、駆動パルス電圧発生回路７５が接続されており、駆動パルス電圧発生回路７５から駆動パルス電圧Ｖｄが印加される。パルストランス７０の第１の二次側コイル７２は、第１電源ライン３１に直列に挿入されている。また、パルストランス７０の第２の二次側コイル７３は、第２電源ライン３２に直列に挿入されている。第１の二次側コイル７２及び第２の二次側コイル７３は、駆動パルス電圧Ｖｄに応じて同じ大きさの陽極電圧Ｖｐを発生する。駆動パルス電圧発生回路７５には、高圧電源６０が接続され、高電圧が与えられる。
【００２９】
スイッチング回路９０には、スイッチング素子としてサイリスタ９１が含まれており、サイリスタ９１を制御するためゲートパルス電圧発生回路８０からゲートパルス電圧Ｖｇがスイッチング回路９０に対して出力される。サイリスタ９１は、アノードをマグネトロン２０の陽極２１と同じ共通電位に接続している。サイリスタ９１以外に、スイッチング回路９０には、トランス９３と抵抗９２，９４，９６とダイオード９５，９７が含まれる。抵抗９２は、サイリスタ９１のカソードと陽極電圧入力ライン３０との間に接続されている。
【００３０】
トランス９３の一次側コイル９３ａは、ゲートパルス電圧発生回路８０に接続されており、ゲートパルス電圧Ｖｇが印加される。トランス９３の二次側コイル９３ｂの一端はサイリスタ９１のカソードに接続され、他端は抵抗９４とダイオード９５とを介してサイリスタ９１のゲートに接続されている。抵抗９４とダイオード９５が二次側コイル９３ｂの他端とサイリスタ９１のゲートとの間に直列に接続されてサイリスタ９１が確実に動作するよう設定されている。また、サイリスタ９１に並列に抵抗９６とダイオード９７が接続されている。抵抗９６は、フィラメント２２に陽極電圧Ｖｐを印加するのに十分な大きな抵抗値を有している。
【００３１】
（３）マグネトロン駆動回路の動作
マグネトロン駆動回路５０において、パルストランス７０の一次側コイル７１に、駆動パルス電圧Ｖｄとして、図３に示すようなパルス状の負の高電圧が印加される。しかし、パルストランス７０の二次側コイル７２，７３によって陽極電圧入力ライン３０に発生する陽極電圧Ｖｐは、容量成分により図３に示すように歪む。陽極電圧Ｖｐの立ち上がりと立ち下がりの傾きが小さくなる。そのため、駆動パルス電圧Ｖｄが立ち下がる時点Ｔ１から容量成分からの放電が始まり、放電が終了した時点Ｔ２で陽極電圧Ｖｐの電位が０になる。この容量成分からの放電が行われる期間ｔ３の間、ゲートパルス電圧ＶｇをハイレベルＨにしてサイリスタ９１をオンさせる。
【００３２】
サイリスタ９１がオンすると、マグネトロン２０の陽極２１が接続されている共通電位に陽極電圧入力ライン３０が接続され、急速に陽極電圧Ｖｐが立ち下がる。図４には、サイリスタ９１を動作させた場合の陽極電圧Ｖｐ１と、サイリスタ９１を動作させなかった場合の陽極電圧Ｖｐ２の波形が示されている。図４に示すように、サイリスタ９１をオンした場合には、陽極電圧Ｖｐ１の立ち下がりが改善される。また、図５には、サイリスタ９１を動作させた場合の送信波形Ｖｓ１と、サイリスタ９１を動作させなかった場合の送信波形Ｖｓ２が示されている。２つの送信波形Ｖｓ１，Ｖｓ２を比較して分かるように、スイッチング回路９０を設け、適切なタイミングでサイリスタ９１によって陽極電圧入力ライン３０の電荷を放電させると、パルス幅が２０％程度短くなる。
【００３３】
＜特徴＞
（１）
パルストランス７０は、駆動パルス電圧Ｖｄが印加される一次側コイル７１と、マグネトロン２０の陽極電圧入力ライン３０に直列に挿入されている二次側コイル７２，７３を有しており、パルストランス７０の一次側コイル７１と二次側コイル７２，７３とが絶縁されている。そのため安全性が高いものの、マグネトロン２０の側の容量成分からの放電に時間がかかり、マグネトロン２０の陽極電圧Ｖｐの立ち下がり期間が長くなって、パルス幅を短くするのが難しい。そこで、この立ち下がり期間ｔ３にサイリスタ９１（スイッチング素子）がオンして、抵抗９２を介して陽極電圧入力ライン３０を共通電位に接続する。マグネトロン２０の陽極２１に共通電位に接続されているから、陽極電圧入力ライン３０は抵抗９２を介して陽極２１に接続されていることになり、陽極電圧入力ライン３０と陽極２１との間に溜まった電荷が急速に放電される。それによって、マグネトロン２０に印加される陽極電圧Ｖｐのパルス幅が短くなり、ひいてはマグネトロン２０の出力するパルス状のマイクロ波のパルス幅も短くなる。その結果、レーダ装置１０から放出されるパルス状の送信信号のパルス幅が短くなり、レーダ装置１０の距離分解能が向上する。
【００３４】
陽極電圧Ｖｐとしては、例えば数ｋＶの高い電圧が用いられるため、このような高電圧に耐えるスイッチング素子としてサイリスタが適している。また、サイリスタは、応答速度も速いことから、数百ｎｓよりも短い立ち下がり期間ｔ３の間だけ電荷を放電させる動作を行わせるのに適している。
【００３５】
（２）
陽極電圧入力ライン３０がサイリスタ９１（スイッチング素子）によって共通電位に接続されているときには、抵抗９２（ダンピング抵抗）によって電力が消費されるので、電圧の変動などの不具合を防止することができる。
【００３６】
＜変形例＞
（１）
上記実施形態ではサイリスタ９１を一つ接続する場合について説明したが、マグネトロン２０の陽極電圧が大きいときには、耐電圧を得るため、複数のサイリスタを直列に接続してもよい。
【００３７】
（２）
上記実施形態では、スイッチング素子としてサイリスタ９１を例に挙げたが、絶縁ゲート型トランジスタなどの他のスイッチング素子を用いることもできる。
【００３８】
（３）
上記実施形態では、サイリスタ９１がオンしたときに抵抗９２を介して陽極電圧入力ライン３０を共通電位に接続する場合について説明したが、抵抗９２に直列にコンデンサを挿入してもよい。また、抵抗９２に代えてコンデンサを用いることができる場合もある。
【符号の説明】
【００３９】
１０  レーダ装置
２０  マグネトロン
３０  陽極電圧入力ライン
５０  マグネトロン駆動回路
７０  パルストランス
９１  サイリスタ
９２  抵抗
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４０】
【特許文献１】特開２００８−２３２９５７号公報
【図１】
2014021028.tif 000003
【図２】
2014021028.tif 000004
【図３】
2014021028.tif 000005
【図４】
2014021028.tif 000006
【図５】
2014021028.tif 000007
【図６】
2014021028.tif 000008