(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波管の開放端を開口面として電波を受信する導波管アンテナと、
前記導波管アンテナより入力される受信信号を処理する受信回路と、
前記受信回路を冷却する冷却手段と、
前記導波管アンテナ及び前記受信回路を外部からの熱侵入を遮断するように収容する断熱用容器と
を具備し、
前記導波管アンテナは、前記導波管内部に誘電体を充填してなることを特徴とする受信アンテナ装置。
【請求項２】
前記受信回路は、少なくとも低雑音増幅器と、超伝導材により構成される受信フィルタとを含むことを特徴とする請求項１に記載の受信アンテナ装置。
【請求項３】
前記受信回路からの出力信号を前記断熱用容器から外部へ出力する出力側導波管をさらに具備することをさらに特徴とする請求項１に記載の受信アンテナ装置。
【請求項４】
前記断熱用容器の少なくとも一部が真空状態であり、前記開口面からの前記電波の真空導入を可能とすることを特徴とする請求項１に記載の受信アンテナ装置。
【請求項５】
前記導波管アンテナ及び前記出力側導波管の少なくとも一方は、非接触型導波管で構成されることを特徴とする請求項１に記載の受信アンテナ装置。
【請求項６】
前記断熱用容器は気密型同軸コネクタを有し、前記受信回路からの出力信号を同軸ケーブルを介して外部へ出力することをさらに特徴とする請求項４に記載の受信アンテナ装置。
【請求項７】
前記導波管アンテナが複数設けられる場合に、前記断熱用容器は、前記複数の導波管アンテナに対応する受信回路毎に分割されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の受信アンテナ装置。
【請求項８】
前記導波管アンテナが複数設けられる場合に、前記断熱用容器の外側に、前記複数の導波管アンテナに対応する受信回路からの出力信号を合成する回路基板をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の受信アンテナ装置。
【請求項９】
前記受信回路は、前記受信信号の位相を制御する移相器を含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の受信アンテナ装置。
【請求項１０】
前記導波管アンテナが複数設けられる場合に、前記受信回路は、前記複数の導波管アンテナから入力される受信信号を処理して合成する一体型回路基板で構成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の受信アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、例えばレーダ装置や電波受信システム等に用いられる受信アンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、周波数資源の枯渇が社会的な問題となっており、周波数利用効率を向上させる技術や他の信号との干渉を回避する技術の重要性が高まっている。この問題を解決するために、高温超伝導体が持つ低損失な高周波抵抗の特性を生かした受信フィルタが開発されている。これにより、高周波帯において低損失で急峻なフィルタ特性が実現できるため、周波数利用効率が上がり、周波数資源の有効利用が期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【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】
【０００４】
しかしながら、上記のような受信フィルタを組み込んだ高感度のアンテナ装置の開発においては、受信フィルタを超伝導状態となる温度に冷却するための冷却手段や外部からの熱侵入を遮断するための断熱用容器を必要とする。また、構成として、アンテナ素子とアンテナ素子に接続される給電線路がそれぞれ必要であり、これらを受信回路に接続するためのコネクタを断熱用容器に設置する必要があった。さらに、コネクタとして同軸コネクタを用いる場合は、気密性のあるものを採用する必要があった。このような構成のため、アンテナ装置の構造の複雑化、大型化、および高コスト化を招いていた。
【０００５】
本実施形態の目的は、受信感度を向上しつつ、装置構造の簡素化および小型化を実現できる受信アンテナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本実施形態に係る受信アンテナ装置は、導波管の開放端を開口面として電波を受信する導波管アンテナと、前記導波管アンテナより入力される受信信号を処理する受信回路と、前記受信回路を冷却する冷却手段と、前記導波管アンテナ及び前記受信回路を外部からの熱侵入を遮断するように収容する断熱用容器とを具備し、導波管アンテナは、導波管内部に誘電体を充填してなる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態に係る受信アンテナ装置の構成を示すブロック図。
【図２】第１実施形態に係る受信アンテナ装置の真空容器の断面図。
【図３】第１実施形態に係る受信アンテナ装置の導波管の構成例を示す図。
【図４】第１実施形態に係る受信アンテナ装置の導波管の他の構成例を示す図。
【図５】第２実施形態に係る受信アンテナ装置の真空容器の断面図。
【図６】第３実施形態に係る受信アンテナ装置の真空容器の断面図。
【図７】第４実施形態に係る受信アンテナ装置の真空容器の断面図。
【図８】第５実施形態に係る受信アンテナ装置の真空容器の断面図。
【図９】第６実施形態に係る受信アンテナ装置の構成を示すブロック図。
【図１０】第７実施形態に係る受信アンテナ装置の構成を示すブロック図。
【図１１】第７実施形態に係る受信アンテナ装置の真空容器の断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しながら本実施形態に係る受信アンテナ装置を説明する。
【０００９】
（第１実施形態）  
図１は、第１実施形態に係る受信アンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【００１０】
第１実施形態に係る受信アンテナ装置は、導波管アンテナ１−１〜１−ｎ、受信フィルタ２−１〜２−ｎ、リミッタ３−１〜３−ｎ、低雑音増幅器（ＬＮＡ：Low Noise Amplifier）４−１〜４−ｎ、移相器５−１〜５−ｎ、合成器１０を有する。さらに、この受信アンテナ装置には、導波管アンテナ１−１〜１−ｎ、受信フィルタ２−１〜２−ｎ、リミッタ３−１〜３−ｎ及びＬＮＡ４−１〜４−ｎを収容し、外部からの熱侵入を遮断するための断熱用容器として例えば真空容器１１が設けられている。
【００１１】
各導波管アンテナ１−１〜１−ｎより入力される受信信号は、受信フィルタ２−１〜２−ｎにて所望の帯域の信号が選択され、リミッタ３−１〜３−ｎにて不要なエネルギーの電波の流入が防がれた後、ＬＮＡ４−１〜４−ｎにて信号増幅される。移相器５−１〜５−ｎは、ＬＮＡ４−１〜４−ｎで増幅された受信信号を所望の位相に制御して合成器１０に入力する。合成器１０は、移相器５−１〜５−ｎからの各信号を合成し、受信ビームとして出力する。
【００１２】
なお、図１において、ビーム走査を行わない場合は、移相器５−１〜５−ｎは含まないものとする。また、リミッタ３−１〜３−ｎを除いた構成、又は受信フィルタ２−１〜２−ｎとリミッタ３−１〜３−ｎとを入れ替えた構成としても良い。さらに、ｎ＝１（アンテナが１構成となっている場合）として、移相器５−１〜５−ｎおよび合成器１０を含まない構成とすることもできる。
【００１３】
図２は、導波管アンテナ、受信フィルタ、リミッタおよびＬＮＡが収容された真空容器の断面図である。真空容器１１内の受信フィルタ２−１〜２−ｎとリミッタ３−１〜３−ｎとＬＮＡ４−１〜４−ｎとを接続する給電線路及び受信フィルタ２−１〜２−ｎは超伝導材により構成されており、これらは真空容器１１に接続する冷凍機など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。なお、真空容器１１は温度を効率的に維持するために、超伝導材を配置する周囲を真空状態として断熱するための容器である。よって、真空容器１１ではインターフェース用のコネクタなどを含めて気密構造とする。
【００１４】
図２において、導波管アンテナの開口面２１−１〜２１−ｎにより受信された信号は、導波管部分２２−１〜２２−ｎを伝搬して、受信フィルタ２−１〜２−ｎ、リミッタ３−１〜３−ｎおよびＬＮＡ４−１〜４−ｎを含む受信回路２３−１〜２３−ｎへ入力される。その後、出力側導波管２４−１〜２４−ｎおよび同軸導波管変換器２５−１〜２５−ｎを介して、受信信号は真空容器１１外の移相器５−１〜５−ｎへ出力される。
【００１５】
上記構成品のうち、受信フィルタ２−１〜２−ｎ、リミッタ３−１〜３−ｎ及びＬＮＡ４−１〜４−ｎを含む受信回路２３−１〜２３−ｎは、真空容器１１内にあり、冷却プレート１２により極低温に冷却されている。使用する給電線路、受信フィルタ２−１〜２−ｎを超伝導体とすることにより、損失を極小にすることができる。さらに、ＬＮＡ４−１〜４−ｎも極低温に冷却することによりＬＮＡ内部で生じる雑音を低減することができ、高感度な受信システムを構成することができる。
【００１６】
その際、導波管アンテナの上面は、真空容器１１の表面または外部に出ており、開口面２１−１〜２１−ｎとして空間の電波を受信し、導波管部分２２−１〜２２−ｎは受信した信号を受信回路２３−１〜２３−ｎへ伝搬する機能を有する。導波管部分２２−１〜２２−ｎは、図３に示すように、一般的な中空型で真空窓などを利用した気密構造とすることができる。窓材は、空気などは通さないが電波の真空導入が可能な材料を選択する。また、図２のように複数の回路を同一の真空容器内に配置して一体化構造とする場合は、図４に示すような導波管部分２２−１〜２２−ｎの内部に誘電体を充填した誘電体装荷型導波管を用いることができる。このように構成することで、誘電体の波長短縮率を活用した導波管の小型化及び気密性の保持に効果を奏する。その他にも、導波管の開放端に板状の誘電体を配置して気密構造としてもよい。
【００１７】
導波管アンテナは、導波管からなる単純な構造であり、設計および製造が容易な構造物である。上記第１実施形態によれば、この導波管アンテナを用いることにより、アンテナ素子、およびアンテナ素子に接続される給電線路、及びこれらを受信回路に接続するためのコネクタの設置が不要となる。この受信アンテナ装置の構造の簡素化は、構造の薄型化、省スペース化、軽量化、および低コスト化に寄与する。また、導波管アンテナを適用することにより、パッチアンテナなどに比べて広帯域化を図ることができる。
【００１８】
以上述べたように、上記第１実施形態では、アンテナから低雑音増幅器までの給電損失を極小にし、低雑音増幅器の内部雑音を低減し受信系の高感度化を図る受信アンテナ装置において、導波管アンテナを用いることにより、アンテナ素子とアンテナ素子に接続される給電線路を、導波管アンテナとして一体化させることで、アンテナ素子と給電線路の簡素化が可能となる。したがって、アンテナ素子、アンテナ素子に接続される給電線路、およびこれらを受信回路に接続するためのコネクタを設置する必要がなくなり、装置構造の簡素化、薄型化、広帯域化、省スペース化、軽量化、低コスト化に寄与する。
【００１９】
（第２実施形態）  
真空容器が外部からの熱侵入や熱輻射からの影響を極力低減させて極低温を維持することが、冷凍機などの冷却手段の規模縮小に繋がる。そこで、第２実施形態では、導波管アンテナの導波管部分を常温部と非接触の構造とする非接触型導波管アンテナとするものである。
【００２０】
図５に、第２実施形態に係る受信アンテナ装置の真空容器の断面図を示す。上記第１実施形態における図２の導波管アンテナの導波管部分２２−１〜２２−ｎを非接触型導波管アンテナの導波管部分３１−１〜３１−ｎとし、同様に出力側導波管２４−１〜２４−ｎも非接触構造とした非接触型導波管３２−１〜３２−ｎとする。図５において、上記図２と同一部分には同一符号を付し、詳しい説明は省略する。
【００２１】
非接触型導波管アンテナの導波管部分３１−１〜３１−ｎおよび非接触型導波管３２−１〜３２−ｎを用いることにより、常温部との直接的な接触箇所がなくなり、熱侵入を大幅に低減することができ冷却手段の規模縮小が可能となる。なお、非接触部分については損失を低減するための手段としてチョーク構造などを採用することができる。
【００２２】
上記第２実施形態によれば、導波管を非接触とすることにより、常温部との直接的な接続箇所がなくなり、熱侵入を大幅に低減することができ冷却手段の規模縮小が可能となる。これにより、さらなるアンテナ装置の構造の簡素化、薄型化、省スペース化、軽量化、低コスト化に寄与する。
【００２３】
（第３実施形態）  
図６に、第３実施形態に係る受信アンテナ装置の真空容器の断面図を示す。第３実施形態は、上記第１実施形態における真空容器１１をアンテナ素子に対応する１回路ごとに真空容器１１−１〜１１−ｎに分割したものである。図６において、上記図２と同一部分には同一符号を付し、詳しい説明は省略する。また、真空容器の分割数は、１回路ごとに限らず、１つの真空容器１１−１に２以上の回路が収容される構成としてもよい。
【００２４】
図６に示すように第３実施形態の構成によっても、上記第１実施形態と同様の作用を得ることができる。また、通常、真空容器の内部が外部に比べ減圧されている場合、真空容器には外部から気圧差により圧迫され、真空容器は気圧差に耐えられる強度が必要となる。第３実施形態では、真空容器１個あたりの減圧（真空）の空間が接触する真空容器の面積が少なくなることから、真空容器に求められる強度が減少する。当強度を満足する真空容器の作製が容易になる場合は、この第３実施形態を用いることが有利となる。
【００２５】
（第４実施形態）  
図７に、第４実施形態に係る受信アンテナ装置の真空容器の断面図を示す。第４実施形態は、上記第１実施形態における出力側導波管２４−１〜２４−ｎを、気密型同軸コネクタ４１−１〜４１−ｎに変更したものである。図７において、上記図２と同一部分には同一符号を付し、詳しい説明は省略する。
【００２６】
システム雑音温度はアンテナからＬＮＡまでの損失とＬＮＡの内部雑音が支配的であるため、ＬＮＡにて増幅された後の受信信号を常温部へ伝達するための手段による損失が増加しても影響は少ない。このため、気密型同軸コネクタ４１−１〜４１−ｎの配線部に直径の細い同軸ケーブルを使用して、真空容器１１の外部からの熱侵入を低減することもできる。
【００２７】
第１実施形態の同軸導波管変換器２５−１〜２５−ｎや第２実施形態の非接触導波管３２−１〜３２−ｎに比べて、気密型同軸コネクタ４１−１〜４１−ｎを用いた方が省スペース化、設計・製造の容易化に寄与する場合は、第４実施形態の構成を用いることが有利となる。
【００２８】
（第５実施形態）  
図８に、第５実施形態に係る受信アンテナ装置の真空容器の断面図を示す。第５実施形態は、上記第１実施形態における同軸導波管変換器２５−１〜２５−ｎを無くし、当変換器の接続先となる移相器５−１〜５−ｎおよびそれより先に接続される合成器１０等の回路をプリント板上に形成した常温部回路基板１３を真空容器１１の外側に設置したものである。図８において、上記図２と同一部分には同一符号を付し、詳しい説明は省略する。
【００２９】
図８において、合成器１０から出力される受信ビーム出力は、コネクタ１４から出力される。このとき、出力側導波管２４−１〜２４−ｎは、常温部回路基板１３と直接接続されることから、コネクタ数の削減が可能となる。
【００３０】
したがって、第５実施形態によれば、非接触型導波管２７−１〜２７−ｎを容易に直接常温部回路基板１３に接続できる場合は、構造の薄型化、省スペース化、軽量化、低コスト化に寄与する。
【００３１】
（第６実施形態）  
図９は、第６実施形態に係る受信アンテナ装置の構成を示すブロック図である。第６実施形態は、上記第１実施形態において真空容器１１の外部に設けていた移相器５−１〜５−ｎを真空容器１１の内部に設けたものである。図９において、上記図１と同一部分には同一符号を付し、詳しい説明は省略する。
【００３２】
例えば、上記図２においては、受信回路２３−１〜２３−ｎの回路内に移相器５−１〜５−ｎを含めるようにする。これにより、移相器５−１〜５−ｎ内で発生する熱雑音を低減することができ、さらに高感度な受信システムを構成することができる。
【００３３】
したがって、第６実施形態によれば、移相器を真空容器内に容易に収められる場合は、移相器内で発生する熱雑音を低減することができ、より高感度な受信システムを構成することが可能となる。
【００３４】
（第７実施形態）  
図１０及び図１１を用いて第７実施形態について説明する。図１０は、第７実施形態に係る受信アンテナ装置の構成を示すブロック図であり、図１１は当受信アンテナ装置の真空容器の断面図である。第７実施形態は、図１０に示すように、上記第１実施形態において真空容器１１の外部に設けていた移相器５−１〜５０ｎおよび合成器１０を真空容器１１の内部に設けたものである。図１０，１１において、上記図１，２と同一部分には同一符号を付し、詳しい説明は省略する。
【００３５】
図１１に示すように、受信フィルタ２−１〜２−ｎ、リミッタ３−１〜３−ｎ、ＬＮＡ４−１〜４−ｎ、移相器５−１〜５−ｎおよび合成器１０を含む一体型回路基板の受信回路２３として構成する。この受信回路２３からの出力は、出力側導波管２４および同軸導波管変換器２５を介して真空容器１１外へ出力される。
【００３６】
このように構成することにより、移相器５−１〜５−ｎおよび合成器１０内で発生する熱雑音を低減することができ、高感度な受信システムを構成することができる。さらに、出力側の導波管数及びコネクタ数を削減することができる。
【００３７】
このように第７実施形態によれば、移相器および合成器を真空容器内に容易に収められる場合は、移相器および合成器内で発生する熱雑音を低減することができ、より高感度な受信システムを構成することができる。さらに、出力側の導波管数及びコネクタ数を削減することが可能となる。
【００３８】
（変形例）  
上記各実施形態は、それぞれの特徴を組み合わせて実施することも可能である。また、当受信アンテナ装置は、アンテナ素子をアレイ化した受信アンテナ装置（パッシブアレイもしくはアクティブアレイ）、アンテナ素子を１つだけ有するアンテナ装置、位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、移相器を使用しない機械回転式のアンテナのそれぞれにおいて適応できる。
【００３９】
なお、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。
【符号の説明】
【００４０】
１−１〜１−ｎ…導波管アンテナ、２−１〜２−ｎ…受信フィルタ、３−１〜３−ｎ…リミッタ、４−１〜４−ｎ…ＬＮＡ、５−１〜５−ｎ…移相器、１０…合成器、１１，１１−１〜１１−ｎ…真空容器、２１−１〜２１−ｎ…導波管アンテナの開口面、２２−１〜２２−ｎ…導波管アンテナの導波管部分、２３−１〜２３−ｎ，２３…受信回路、２４−１〜２４−ｎ，２４…出力側導波管、２５−１〜２５−ｎ，２５…同軸導波管変換器、１２，１２−１〜１２−ｎ…冷却プレート、３１−１〜３１−ｎ…非接触型導波管アンテナの導波管部分、３２−１〜３２−ｎ…非接触型導波管、４１−１〜４１−ｎ…気密型同軸コネクタ、１３…常温部回路基板、１４…コネクタ。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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