(57)【要約】【課題】ドレイン電圧安定化を図り、送信ＲＦ出力パルス波形の歪みを削減することのできる送受信モジュール装置を提供する。【解決手段】送受信モジュール装置は、送信を行う第１の期間と受信を行う第２の期間とを交互に切り替え、第１の期間が閾値（所定の期間）より長いときには、ＧａＮ増幅器８に対して、送信時にドレイン電圧を印加し非送信時にドレイン電圧を切断するパルスドレイン駆動を行い、第１の期間が閾値（所定の期間）より短いときには、ＧａＮ増幅器８に対して、ドレイン電圧を一定に保ち、送信時にゲート制御信号を印加し非送信時にゲート制御信号を切断するパルスゲート駆動を行う制御回路１３を装備する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信を行う第１の期間と受信を行う第２の期間とを交互に切り替えながら信号の送受を行う送受信モジュール装置において、
送信波を増幅する増幅器と、
前記第１の期間が閾値より長いときには、前記増幅器に対して、送信時にドレイン電圧を印加し非送信時にドレイン電圧を切断するパルスドレイン駆動を行い、前記第１の期間が閾値より短いときには、前記増幅器に対して、ドレイン電圧を一定に保ち、送信時にゲート制御信号を印加し非送信時にゲート制御信号を切断するパルスゲート駆動を行う制御回路と
を備えたことを特徴とする送受信モジュール装置。
【請求項２】
前記増幅器がＧａＮ系材料で作製された半導体素子を搭載する
ことを特徴とする請求項１に記載の送受信モジュール装置。
【請求項３】
前記ＧａＮ系材料がＧａＮである
ことを特徴とする請求項２に記載の送受信モジュール装置。
【請求項４】
前記閾値は、前記増幅器のドレイン電圧供給電源のコンデンサバンク容量、電源駆動能力、及びドレイン電圧立上り立下り時間による受信ゲート短縮許容期間の少なくともいずれか１つから決定される
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の送受信モジュール装置。
【請求項５】
交互に切り替わる送信を行う第１の期間と受信を行う第２の期間とに応じて送受信信号の経路を切り替える切り替え手段、
送受信信号の位相を調整する移相器、
送受信信号の振幅を調整する減衰器、
送信信号を所定のレベルに増幅する第１の増幅器、
ＧａＮ系材料で作製された半導体素子を搭載し前記第１の増幅器の出力信号を大電力化する第２の増幅器、
受信信号の不要波信号を除去するフィルタ、及び
送信時にはブランキングをかけるとともに受信信号を適切なレベルに増幅する低雑音増幅器を有する送受信モジュールと、
前記第２の増幅器のドレイン電圧を供給する電源と、
前記第１の期間が閾値より長いときには、前記第２の増幅器に対して、送信時にドレイン電圧を印加し非送信時にドレイン電圧を切断するパルスドレイン駆動を行い、
前記第１の期間が閾値より短いときには、前記第２の増幅器に対して、ドレイン電圧を一定に保ち、送信時にゲート制御信号を印加し非送信時にゲート制御信号を切断するパルスゲート駆動を行う制御回路と
を備えたことを特徴とする送受信モジュール装置。
【請求項６】
送信を行う第１の期間と受信を行う第２の期間とを交互に切り替えながら信号の送受を行う送受信モジュールの駆動方法において、
送信波を増幅する増幅器に対して、
前記第１の期間が閾値より長いときには、送信時にドレイン電圧を印加し非送信時にドレイン電圧を切断するパルスドレイン駆動を行い、
前記第１の期間が閾値より短いときには、ドレイン電圧を一定に保ち、送信時にゲート制御信号を印加し非送信時にゲート制御信号を切断するパルスゲート駆動を行う
ことを特徴とする送受信モジュールの駆動方法。
【請求項７】
前記増幅器をＧａＮ系材料で作製された半導体素子を搭載する増幅器とする
ことを特徴とする請求項６に記載の送受信モジュールの駆動方法。
【請求項８】
前記閾値を、前記増幅器のドレイン電圧供給電源のコンデンサバンク容量、電源駆動能力、及びドレイン電圧立上り立下り時間による受信ゲート短縮許容期間の少なくともいずれか１つから決定する
ことを特徴とする請求項６または７に記載の送受信モジュールの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パルスレーダ装置等に搭載される送受信モジュールであって、特にＧａＮ系材料で作製された半導体素子を実装する送受信モジュールを電源や制御回路とともに装備した送受信モジュール装置および送受信モジュールの駆動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パルスレーダ装置等に搭載される送受信モジュールとして、従来、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）で作製された半導体素子を実装する送受信モジュールが用いられている。そして、このＧａＡｓ増幅器の駆動方式としては、パルスゲート駆動方式、すなわち、ドレイン電圧を一定に保ちゲート制御信号によりオン・オフさせる駆動方式にて駆動する方法が一般的である（例えば、非特許文献１及び２）。
【０００３】
【非特許文献１】Introduction to Airborne Radar,  George W. Stimson(p329〜p334、p473〜p477)
【非特許文献２】Introduction to Radar Systems, Merrill I. Skolnik(p423〜479)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術によれば、ＧａＡｓ増幅器を内蔵する送受信モジュールは、ＧａＡｓ素子の耐電圧の制約からドレイン電圧は低く電流も小さいため、上記パルスゲート駆動方式によってパルス幅にさほど左右されることなく比較的容易にドレイン電圧を安定化させることができる。
【０００５】
一方、ＧａＮ（窒化ガリウム）増幅器を内蔵する送受信モジュールは、ＧａＮ素子の耐電圧が高く大電流を流せるという特徴により、高出力化が可能である反面、ドレイン端子にパルス状の大電流が流れるためサグ電圧ドロップが発生し、ドレイン電圧の安定化を図るためには、ドレイン電源側に大きな容量のコンデンサバンクを入れる等の手段を講じる必要がある。特に送信する送信ＲＦ出力パルス信号のパルス幅が長くなるほど充放電エネルギーが大きくなるため大きな容量のコンデンサバンクを必要とし、改善が望まれていた。
【０００６】
この発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、ドレイン電圧安定化を図り、送信ＲＦ出力パルス波形の歪みを削減することのできる送受信モジュール装置及び送受信モジュールの駆動方法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】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明に係る送受信モジュール装置は、送信を行う第１の期間と受信を行う第２の期間とを交互に切り替えながら信号の送受を行う送受信モジュール装置において、送信波を増幅する増幅器と、前記第１の期間が閾値（所定の期間）より長いときには、前記増幅器に対して、送信時にドレイン電圧を印加し非送信時にドレイン電圧を切断するパルスドレイン駆動を行い、前記第１の期間が閾値（所定の期間）より短いときには、前記増幅器に対して、ドレイン電圧を一定に保ち、送信時にゲート制御信号を印加し非送信時にゲート制御信号を切断するパルスゲート駆動を行う制御回路とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、この発明に係る送受信モジュール装置は、交互に切り替わる送信を行う第１の期間と受信を行う第２の期間とに応じて送受信信号の経路を切り替える切り替え手段、送受信信号の位相を調整する移相器、送受信信号の振幅を調整する減衰器、送信信号を所定のレベルに増幅する第１の増幅器、ＧａＮ系材料で作製された半導体素子を搭載し前記第１の増幅器の出力信号を大電力化する第２の増幅器、受信信号の不要波信号を除去するフィルタ、及び送信時にはブランキングをかけるとともに受信信号を適切なレベルに増幅する低雑音増幅器を有する送受信モジュールと、前記第２の増幅器のドレイン電圧を供給する電源と、前記第１の期間が閾値（所定の期間）より長いときには、前記第２の増幅器に対して、送信時にドレイン電圧を印加し非送信時にドレイン電圧を切断するパルスドレイン駆動を行い、前記第１の期間が閾値（所定の期間）より短いときには、前記第２の増幅器に対して、ドレイン電圧を一定に保ち、送信時にゲート制御信号を印加し非送信時にゲート制御信号を切断するパルスゲート駆動を行う制御回路とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
さらにまた、この発明に係る送受信モジュールの駆動方法は、送信を行う第１の期間と受信を行う第２の期間とを交互に切り替えながら信号の送受を行う送受信モジュールの駆動方法において、送信波を増幅する増幅器に対して、前記第１の期間が閾値（所定の期間）より長いときには、送信時にドレイン電圧を印加し非送信時にドレイン電圧を切断するパルスドレイン駆動を行い、前記第１の期間が閾値（所定の期間）より短いときには、ドレイン電圧を一定に保ち、送信時にゲート制御信号を印加し非送信時にゲート制御信号を切断するパルスゲート駆動を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
第１の期間が閾値（所定の期間）より長いとき、すなわち、送信する送信ＲＦ出力パルス信号のパルス幅が所定の長さより長い場合には、送信時にドレイン電圧を印加し非送信時にドレイン電圧を切断するパルスドレイン駆動を行うことで、ドレイン電圧安定化を図って送信ＲＦ出力パルス波形の歪みによる装置性能の劣化を緩和し、第１の期間が閾値（所定の期間）より短いときには、すなわち、送信する送信ＲＦ出力パルス信号のパルス幅が所定の長さより短い場合には、ドレイン電圧を一定に保ち、送信時にゲート制御信号を印加し非送信時にゲート制御信号を切断するパルスゲート駆動を行うことで、受信期間が短くなるデメリットを回避する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る送受信モジュール装置及び送受信モジュールの駆動方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。例えばパルスレーダ装置に搭載されるＧａＮ増幅器内蔵の送受信モジュールに対しては、従来のパルスゲート駆動方式では、ドレイン端子にパルス状の大電流が流れることでドレイン電圧にサグ電圧ドロップが発生し、これを起因として送信ＲＦ出力パスル波形歪みが発生する。以下の実施の形態はこれを防ぐことを課題とするものである。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１２】
実施の形態
図１は本発明に係る送受信モジュール装置の実施の形態の機能ブロック図である。図１において、本実施の形態の送受信モジュール装置は、送受信モジュール１、電源１２、及び制御回路１３から構成されている。図１中点線で囲まれた部分が送受信モジュール１である。
【００１３】
送受信モジュール１は、送信時と受信時の信号経路の切り替えを行うスイッチ２，３，６と、送受信信号の位相を調整する移相器４と、送受信信号の振幅を調整する減衰器５と、送信信号を適切なレベルに増幅するドライバ増幅器（第１の増幅器）７と、ＧａＮで作製された半導体素子（トランジスタ）を搭載しドライバ増幅器７の出力信号を大電力化する増幅器（第２の増幅器）８と、送受を切り替えて送信信号と受信信号とを分離するサーキュレータ９と、受信信号の不要波信号を除去するフィルタ１０と、送信時にはブランキングをかけながら受信時には受信信号を適切なレベルに増幅する低雑音増幅器１１とから構成されている。
【００１４】
スイッチ２，３，６とサーキュレータ９とは、上位装置から与えられる送受切替信号により、送受信モジュールの送信受信の切り替え及び送受信信号の経路の切り替えを行う切り替え手段を構成している。電源１２は、増幅器８のドレイン電圧を供給する。制御回路１３は、増幅器８に入力する増幅器ゲート信号と低雑音増幅器１１に入力する受信ゲート信号を発生する。このような構成の送受信モジュール装置が、上位装置の一例としてパルスレーダ装置に搭載されているものとして説明する。
【００１５】
なお、本実施の形態の増幅器８は、ＧａＮで作製された半導体素子を搭載するものであるが、ＧａＮに限らずＧａＮ系材料であれば概略同様の効果を得ることができる。ここで、ＧａＮ系材料とは、Ｇａ組成の一部をＡｌ(アルミニウム) やＩｎ(インジウム) に置き換えたものを総称している。
【００１６】
次ぎに動作を説明する。送信時に給電回路（図示せず）側から入力される送信ＲＦ入力信号は、スイッチ２、及びスイッチ３によって送信時に適宜信号の経路が切り替えられ、移相器４及び減衰器５により位相及び振幅がそれぞれ適切に調整された後に、スイッチ６を経由してドライバ増幅器７に送られ増幅器８に必要な入力レベルまで電力増幅された後に、増幅器８でさらに大電力化される。増幅器８は制御回路１３から入力する増幅器ゲート信号によりゲードバイアスが印加された時のみ増幅し、それ以外のタイミングではピンチオフとなり増幅しない。大電力化された信号はサーキュレータ９を経由してアンテナ（図示せず）に送られる。
【００１７】
一方、受信時にアンテナから入力される受信信号は、サーキュレータ９を経由してフィルタ１０に送られて不要信号が除去され、低雑音増幅器１１で適切なレベルに増幅される。低雑音増幅器１１は、制御回路１３から入力する受信ゲート信号によりゲードバイアスが印加された時のみ増幅し、それ以外のタイミングではピンチオフとなり増幅しない。そして、送信ＲＦパルス出力信号を出力している間は、送信ＲＦパルス出力信号が受信系に漏れこむことを防ぐ目的で、受信ゲート信号によって低雑音増幅器１１のブランキングをかける。その後受信信号は、スイッチ３で切替えられて移相器４、減衰器５でそれぞれ位相と振幅を適宜調整され、スイッチ６、スイッチ２を経由して給電回路側に送られる。
【００１８】
ここで、図１の送受信モジュール１を従来の駆動方式にて駆動した場合の各種制御信号と送信ＲＦ出力パルス信号の関係を図２で説明する。従来のゲートパルス駆動方式では、ドレイン電圧は一定に保たれ、送信ＲＦ入力パルス信号と同期したパルスゲート信号が印加されて増幅器８が駆動する。
【００１９】
しかしながら、ＧａＮ素子を活用した増幅器８では、パルスゲート信号が印加された時にパルス状の大電流が流れるために、図２のドレイン電圧波形１５に示されるようにドレイン電圧にサグ電圧ドロップが発生する。その結果、増幅器８で増幅された送信ＲＦ出力パルス信号の振幅レベルはドレイン電圧に比例してパルス後方に向かって減衰してしまう（図２の波形１８）。この送信ＲＦ出力パルス信号は、サーキュレータ９を経由してそのままアンテナから送信されることになる。
【００２０】
歪んだ送信ＲＦ出力パルス波形は、ターゲットからのエコー信号も歪ませることになり、レーダ装置の性能に悪影響を与えることになる。この現象は、パルス幅が長くなればなる程サグ電圧ドロップが大きくなるので、悪影響の現象が顕著になってくる。
【００２１】
次に、図１の送受信モジュール１を本実施の形態の駆動方式にて駆動した場合の各種制御信号と送信ＲＦ出力パルス信号の関係を説明する。まず、送信ＲＦ出力パルス信号のパルス幅が長い場合を図３で説明する。送信ＲＦ出力パルス信号のパルス幅が長い場合は、ドレイン電圧を送信ＲＦ入力パルス信号と同期したタイミングで印加するパルスドレイン駆動方式によって行う。ＧａＮ増幅器のドレイン電圧はＧａＡｓ増幅器のものよりもかなり高いので、図３のドレイン電圧波形２１に示すように、パルスドレイン電圧の立上り及び立下り時間が長くなり、その結果、受信ゲート信号波形２４に示すように、レーダ受信期間が短くなるデメリットが発生する。しかしながら、この場合、送信ＲＦ出力パルス信号が長パスルであり、パルスデューティーが極端に高くない限り一般的な運用では立上り及び立下り時間のレーダ受信期間への影響は問題にならない。
【００２２】
ドレイン電圧は、送信ＲＦ出力パルス信号を出力している期間のみ安定化していれば良いので、電源１２内の補助電源回路（図示せず）の導入等でドレイン電圧安定化の実現は容易である。また従来のゲートパルス駆動方式に比べてコンデンサバンクの容量を小さくできるというメリットも得られる。このように動作させることにより、増幅器８から出力される送信ＲＦ出力パルス波形の歪みを抑えることができる。
【００２３】
一方、本実施の形態の送信ＲＦ出力パルス信号のパルス幅が短い場合における各種制御信号と送信ＲＦ出力パルス信号の関係を図４で説明する。送信ＲＦ出力パルス信号のパルス幅が短い場合は、パルスドレイン電圧の立上り及び立下り時間が受信期間に入り込んでくる割合が高まり、パルスレーダ装置のターゲット検知性能への影響が大きくなるので、図４の増幅器ゲート信号波形２７に示されるように、ゲートパルス駆動方式を採用してドレイン電圧の立上り及び立下りの影響を無くして受信期間を十分に確保する。
【００２４】
上述の通り、ドレイン電圧のサグ電圧ドロップの大きさはパスル幅に比例するので、短パスル時のドレイン電圧ドロップは小さく、その結果送信ＲＦ出力パルス信号の歪みも小さくなり、パルスレーダ装置の性能劣化を抑えることができる。
【００２５】
長パルスと短パルスの運用上の区切り、すなわち、パルスドレイン駆動方式とパルスゲート駆動方式の切り替えの閾値は、増幅器８のドレイン電圧供給電源１２のコンデンサバンク容量、電源駆動能力、及びドレイン電圧立上り立下り時間による受信ゲート短縮許容期間等の兼ね合いで決定することができる。
【００２６】
上記の通り、パルスドレイン駆動方式とパルスゲート駆動方式を併用しながらパルス幅に応じてＧａＮ増幅器の駆動方式を適宜変えることで、同じ送受信モジュールで使用できるパスル幅の最大値と最小値に幅を持たせることができ、レーダ捜索、追尾の対応領域を広げることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
この発明は、パルスレーダ装置やフェーズドアレイレーダ装置に搭載される送受信モジュールに適用されて好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る送受信モジュール装置の実施の形態の機能ブロック図である。
【図２】図１の送受信モジュールを従来の駆動方式にて駆動した場合の各種制御信号と送信ＲＦ出力パルス信号の関係を示す図である。
【図３】図１の送受信モジュールをこの発明に係る駆動方式にて駆動した場合の各種制御信号と送信ＲＦ出力パルス信号の関係のうち、送信ＲＦ出力パルス信号のパルス幅が長い場合を示す図である。
【図４】図１の送受信モジュールをこの発明に係る駆動方式にて駆動した場合の各種制御信号と送信ＲＦ出力パルス信号の関係のうち、送信ＲＦ出力パルス信号のパルス幅が短い場合を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  送受信モジュール
２，３，６  スイッチ（切り替え手段）
４  移相器
５  減衰器
７  増幅器（第１の増幅器）
８  ＧａＮ増幅器（第２の増幅器）
９  サーキュレータ（切り替え手段）
１０  フィルタ
１１  低雑音増幅器
１２  電源
１３  制御回路
１４  送信ＲＦ入力パルス信号
１５  ドレイン電圧
１６  増幅器ゲート信号
１７  送信ＲＦ出力パルス信号
１８  送信ＲＦ出力パスル信号
１９  受信ゲート信号
２０  送信ＲＦ入力パルス信号
２１  ドレイン電圧
２２  増幅器ゲート信号
２３  送信ＲＦ出力パルス信号
２４  受信ゲート信号
２５  送信ＲＦ入力パルス信号
２６  ドレイン電圧
２７  増幅器ゲート信号
２８  送信ＲＦ出力パルス信号
２９  受信ゲート信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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