(57)【要約】 【課題】干渉波等によるひずみ成分の受信信号への重畳を防ぎつつ、受信系統の高感度化を実現することができ、さらにフィルタが極低温状態に冷却されていない状況でも運用の継続を可能とする。  【解決手段】常伝導素材により形成され、主線路にスタブによる複数の分岐線路を形成してなる常伝導線路６１３と、超伝導素材により形成され、複数の送信周波数それぞれに対応する複数の帯域除去フィルタ６１２１〜６１２ｍと、複数の帯域除去フィルタ６１２１〜６１２ｍと複数の分岐線路それぞれを接続するボンディングワイヤ６１４１〜６１４ｍとを備え、不要波干渉が生じた際、その周波数に対応した前記複数の帯域除去フィルタ６１２１〜６１２ｍを機能させて不要波による信号を抑圧する帯域除去フィルタ部６１２を備える。  【選択図】図１
2014036331.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の送信周波数のうちの任意の送信周波数で送信される信号を受信するアンテナ部と、
常伝導素材で形成される主線路に複数の分岐線路を形成する常伝導線路と、
超伝導素材で形成され、前記複数の送信周波数それぞれに対応する複数の帯域除去フィルタと、前記複数の帯域除去フィルタと前記複数の分岐線路それぞれを選択的に接続する接続手段とを備える帯域除去フィルタ部と、
前記帯域除去フィルタ部で抽出された受信信号を低雑音で増幅する増幅器と、
前記帯域除去フィルタ部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前記帯域除去フィルタ部及び増幅器を極低温に冷却する冷却手段と
を具備するアンテナ装置。
【請求項２】
前記アンテナ部は複数のアンテナ素子をアレイ状に配置してなるアレイアンテナである請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記帯域除去フィルタ部の少なくとも一部には超伝導素材が用いられ、
前記断熱容器は、少なくとも前記帯域除去フィルタ部の超伝導素材が配置される周囲を真空状態とする請求項１または２記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記複数の帯域除去フィルタとして、ダイオードを用いる請求項１または２記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記複数のアンテナ素子それぞれに対応する受信系統ごとに、前記断熱容器を分割する請求項２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、通信システムやマイクロ波放射計や電波受信システムの受信用アンテナとして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電気回路、さらにはＬＮＡを真空容器等の断熱用保温容器内に収容し、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までの伝送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】
また、アンテナからＬＮＡまでの伝送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、妨害信号等の不要波干渉を除去するため、ＬＮＡの入力側に、必要な受信周波数の数だけ、受信系統を周波数分離する分波器を備え、分離された受信系統ごとにＬＮＡ等の受信回路を構成するアンテナ装置が考案されている。
【０００４】
上記分波器は、超伝導素材からなる複数の帯域通過フィルタにより構成され、使用する瞬時帯域のみを抽出できる狭帯域フィルタとすることで、分離された受信系統ごとに狭帯域信号が入力されるように構成されている。これにより、例えばレーダ装置のように、予め複数の送信可能周波数（送信チャンネル）を決めて運用するような装置において、妨害波等の不要波干渉が生じた場合、干渉していない他の送信チャンネルを選択して送受信を行うことにより不要波干渉を回避している。
【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、従来のアンテナ装置では、超伝導素材が超伝導状態となる極低温温度までの冷却期間や冷凍機等の冷却手段が故障して超伝導状態となる極低温温度に冷却できない場合、分波器を構成する複数の帯域通過フィルタでの伝送損失が増大する。この伝送損失の増大により受信信号が遮断され、アンテナ装置は、運用が継続できないという問題があった。
【０００７】
そこで、本実施形態は、妨害信号等の不要波干渉が生じた場合でも、妨害信号等によるひずみ成分の受信信号への重畳を防ぎつつ、受信系統の高感度化を実現することができ、さらにフィルタが極低温状態に冷却されていなくても、運用継続が可能な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、複数の送信周波数のうちの任意の送信周波数で送信される信号を受信するアンテナ部と、常伝導素材で形成される主線路に複数の分岐線路を形成する常伝導線路と、超伝導素材で形成され、複数の受信周波数それぞれに対応する複数の帯域除去フィルタと、前記複数の帯域除去フィルタと前記複数の分岐線路それぞれを選択的に接続する接続手段とを備える帯域除去フィルタ部と、前記帯域除去フィルタ部で抽出された受信信号を低雑音で増幅する増幅器と、前記帯域除去フィルタ部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前記帯域除去フィルタ部及び増幅器を極低温に冷却する冷却手段とを具備する。
【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に示す帯域除去フィルタ部の構成の一例を示す図である。
【図３】図２に示す帯域除去フィルタ部のフィルタ特性を示す特性図である。
【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。
【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】
図１に示すように、アンテナ装置は、アレイ状に配列されるｎ個のアンテナ素子Ｔ１〜Ｔｎ、分配器１、送信用移相器２１〜２ｎ、送信アンプ３１〜３ｎ及び送信フィルタ４１〜４ｎからなる送信系統と、送受信切換器５１〜５ｎ、受信回路６１〜６ｎ、受信用移相器７１〜７ｎ及び合成器８からなる受信系統と、真空容器９と、冷凍機１０とを備える。
【００１３】
なお、図１には、受信回路６１の構成のみを示し、他の受信回路６２〜６ｎは、受信回路６１と同一の構成とする。以降の実施形態を示す図も同様にして重複する説明を省略する。
【００１４】
また、上記送信系統及び受信系統は、アンテナ素子数ｎに対応してｎ個ずつ設けられ、送信系統の出力端及び受信系統の入力端はそれぞれ送受信切換器５１〜５ｎを介して対応するアンテナ素子Ｔ１〜Ｔｎに接続される。
【００１５】
分配器１は、図示しない送信信号生成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。送信信号生成装置は、複数の送信チャンネルの中からいずれかの送信チャンネルを選択して送信信号を生成する。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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Ｔ１〜Ｔｎ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。
【００２０】
受信回路６１〜６ｎは、リミッタ６１１と、複数の帯域除去フィルタ（ＢＲＦ：Band Rejection Filter、以降、ＢＲＦと表記。）６１２１〜６１２ｍを備えるＢＲＦ部６１２と、ＬＮＡ（低雑音増幅器）６１５とを備える。
【００２１】
リミッタ６１１は、送受信切換器５１〜５ｎより出力される受信信号を入力し、この受信信号の信号レベルを制限し、以降のＢＲＦ部６１２及びＬＮＡ６１５への過入力保護を行う。
【００２２】
ＢＲＦ部６１２は、互いに周波数除去帯域の異なる複数のＢＲＦ６１２１〜６１２ｍと、受信信号を伝送する常伝導線路６１３とを備え、各ＢＲＦ６１２１〜６１２ｍを常伝導線路６１３に選択的に接続することで、伝送中の受信信号から不要波干渉が生じた周波数帯域を制限して不要波信号成分を抑圧するものである。
【００２３】
図２は、図１に示すＢＲＦ部６１２の構成の一例を示す図である。
【００２４】
常伝導線路６１３は、常伝導素材であるアルミナ基板上に構築され、銅薄膜等の常伝導素材からなる主線路と、主線路と同様に常伝導素材からなるスタブによる複数の分岐線路により構成される。
【００２５】
ＢＲＦ６１２１〜６１２ｍは、超伝導素材であるＭｇＯ（酸化マグネシウム）基板上に設置され、ＹＢＣＯ（イットリウム系超伝導体）薄膜等の超伝導素材からなる超伝導ＢＲＦを用いる。ＢＲＦ６１２１〜６１２ｍは、上記複数の分岐線路それぞれに、ボンディングワイヤ６１４１〜６１４ｍ等の接続手段により従属的に接続される。
【００２６】
ここで、常伝導素材、超伝導素材及び接続手段については、一例として提示したものであり、これにより本実施形態の範囲を限定するものではない。
【００２７】
図２より、例えば、アンテナ素子Ｔ１にて受信された信号は、リミッタ６１１を介して、入力側から常伝導線路６１３へ入力される。このとき、受信信号に妨害信号等の不要波干渉が生じている場合、受信された信号は、常伝導線路６１３のスタブにより接続された複数のＢＲＦ６１２１〜６１２ｍのうち、干渉波の周波数に対応したＢＲＦを機能させることにより、受信信号から干渉波の周波数成分が抑圧されるようになる。
【００２８】
図３は、図２に示すＢＲＦ部６１２のフィルタ特性を示す特性図である。
【００２９】
図３において、ＢＲＦ部６１２は、例えば、レーダ装置のように広いレーダ周波数帯域に対して、複数のフィルタ特性を有している。ＢＲＦ部６１２のフィルタ特性の数は、レーダ装置が有する複数の狭帯域な送信可能周波数（送信チャンネル）と同じであり、ここではｍ個の送信チャンネルに対し、ｍ個のフィルタ特性を有している。つまり、複数のＢＲＦ６１２１〜６１２ｍは、それぞれ送信チャンネルごとの周波数帯域を遮断するフィルタ特性を有する。ここで、例えば、図３に示すｆ２の周波数帯域に干渉波が生じた場合、ｆ２に対応するＢＲＦを機能させる。これにより、常伝導線路６１３を通過する受信信号は、ｆ２の周波数帯域の損失が増大するため、ｆ２の周波数帯域の信号が抑圧され、干渉波が抑圧される。ＢＲＦ部６１２のＢＲＦ６１２１〜６１２ｍには、例えばダイオードが用いられる。この場合、ダイオードをＯＮ、ＯＦＦ動作させるように印加電圧を制御することで、所望の周波数帯域の損失を増大させることができる。
【００３０】
また、常伝導線路６１３に構成された分岐線路（超伝導ＢＲＦが接続される線路）は、常伝導線路６１３から見た特性インピーダンスを開放状態としたスタブ等により構成されている。これによって、超伝導ＢＲＦが超伝導状態となる極低温に冷却されていない場合でも、常伝導線路６１３のみでの動作を可能として運用継続が可能となる。この場合、図３の入力側からの信号は、常伝導線路６１３により出力側へと伝搬され、動作しない各超伝導ＢＲＦ端は開放状態となり、伝搬信号は安定した特性を得ることができる。
【００３１】
なお、ＢＲＦ部６１２の複数のＢＲＦ６１２１〜６１２ｍは、図示しないアンテナ制御器からの制御信号により、抑圧する周波数のＢＲＦのみが機能するように選択される。
【００３２】
ＬＮＡ６１５は、ＢＲＦ部６１２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。受信用移相器７１〜７ｎは、ＬＮＡ６１５より出力された受信信号を入力し、この受信信号に所望の位相制御を施す。合成器８は、受信用移相器７１〜７ｎ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。
【００３３】
真空容器９は、上記受信回路６１〜６ｎ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９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インターフェース用のコネクタ等を含めて気密構造とする。
【００３４】
冷凍機１０は、真空容器９内の伝送線路及び受信回路６１〜６ｎを極低温で冷却するための手段である。
【００３５】
上記構成において、以下にその処理動作を説明する。
【００３６】
まず、送信時において、任意の送信チャンネルによる送信信号が入力されると、この送信信号は分配器１にてアレイ状に配置される各送信用移相器２１〜２ｎに分配供給され、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が施された後、送信アンプ３１〜３ｎで電力増幅され、送信フィルタ４１〜４ｎにて不要波成分が抑圧され、送受信切換器５１〜５ｎを介してアンテナ素子Ｔ１〜Ｔｎから空間へ放射される。ここで、入力される送信信号の周波数は、図示しない送信信号生成器にて複数の送信チャンネルのうちの１つの周波数が選択される。
【００３７】
また、受信時において、各アンテナ素子Ｔ１〜Ｔｎにて受信された信号は、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９内に収容されているリミッタ６１１で振幅制限された後、複数のＢＲＦ６１２１〜６１２ｍからなるＢＲＦ部６１２へ入力される。このＢＲＦ部６１２からの出力信号は、ＬＮＡ６１３にて低雑音で信号増幅され、受信用移相器７１〜７ｎ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８によって信号合成されて、受信ビームとして出力される。
【００３８】
以上のように、上記実施形態におけるアンテナ装置は、真空容器９内に常伝導素材からなる受信系統と、受信系統に従属的に接続される超伝導素材からなるＢＲＦ６１２１〜６１２ｍとを備える。このようにすることで、妨害信号等の不要波が干渉した際の干渉波抑圧を可能とすると共に、超伝導素材を超伝導状態とする極低温となるまで冷却している期間や冷凍機等の冷却手段が故障し極低温状態を維持できない場合においても、常伝導素材からなる受信系統にて運用継続が可能となる。
【００３９】
したがって、本実施形態のアンテナ装置は、妨害信号等の不要波干渉が生じた場合でも、妨害信号等によるひずみ成分の受信信号への重畳を防ぎ、さらに受信回路６１〜６ｎを冷却手段で冷却するようにしているので、受信系統の高感度化を実現することが可能となる。
【００４０】
また、ＢＲＦ６１２１〜６１２ｍが極低温状態に冷却されていない場合、常伝導線路から開放状態となり、受信系統の特性に影響を与えないため、アンテナ装置の運用継続が可能となる。
【００４１】
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。
【００４２】
また、図１には、真空容器９内に複数の受信系を一体化した構成のブロック図を示したが、アンテナ素子Ｔ１〜Ｔｎに対応する１回路ごとに真空容器９を分割しても良い。また、これに合わせて冷凍機１０も分割しても良い。
【００４３】
また、上記実施形態ではアレイ状に配列される複数のアンテナＴ１〜Ｔｎを備えるアンテナ装置について記載しているが、ｎ＝１（アンテナ素子が１構成となっている場合）として、分配器１、送信用移相器２１〜２ｎ、受信用移相器７１〜７ｎ及び合成器８を含まない構成とすることもできる。
【００４４】
なお、図２に示したリミッタ６１１は、真空容器９の外側に配置しても良い。さらに、常伝導素材からなる受信系統には、例えばレーダ帯域等の広い受信帯域以外の妨害波等の干渉波を抑圧するために、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ：Band Pass Filter）を配置しても良く、これはリミッタ６１１の入力前、または出力後のいずれでも良い。
【００４５】
以上、実施形態を説明したが、この実施形態は、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。
【符号の説明】
【００４６】
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、６１〜６ｎ…受信回路、６１１…リミッタ、６１２…帯域除去フィルタ部、６１２１〜６１２ｍ…ＢＲＦ（帯域除去フィルタ）、６１３…常伝導線路、６１４１〜６１４ｍ…ボンディングワイヤ、６１５…ＬＮＡ（低雑音増幅器）、７１〜７ｎ…受信用移相器、８…合成器、９…真空容器、１０…冷凍機。
【図１】
2014036331.tif 000003
【図２】
2014036331.tif 000004
【図３】
2014036331.tif 000005