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技術 フェイズドアレイシーカ及びフェイズドアレイシーカの高周波信号送受信方法

出願人 株式会社東芝
発明者 小島治夫蜂須裕之
出願日 2012年3月5日 (8年9ヶ月経過) 出願番号 2012-048141
公開日 2013年9月12日 (7年3ヶ月経過) 公開番号 2013-183432
状態 特許登録済
技術分野 ウェーブガイドスイッチ, 偏分波器, 移相器
主要キーワード 送信用電力 集積アンテナ 部分平面 高温超電導材料 送信高周波信号 フェイズドアレイ 鉄ニッケル合金 入力高周波信号
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2013年9月12日)のものです。
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図面 (5)

課題

集積アンテナ移相器挿入損失を低減させるフェイズドアレイシーカ及びフェイズドアレイシーカの高周波信号送受信方法を提供する。

解決手段

フェイズドアレイシーカは、導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数のマイクロストリップ線路、前記マイクロストリップ線路毎に、前記マイクロストリップ線路に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用のマイクロストリップ線路、及び前記移相用のマイクロストリップ線路の他端にアノードが接続され、カソード接地されるPINダイオードを備え、送信高周波信号位相を制御する送信系の位相器及び受信系の位相器と、少なくとも前記送信系マイクロストリップ線路、移相用の送信系マイクロストリップ線路、受信系マイクロストリップ線路、及び移相用の受信系マイクロストリップ線路を超伝導転移温度以下に冷却する冷却装置と、備える。

概要

背景

従来のフェイズドアレイシーカは、アンテナと、PINダイオード及び導体に金を用いたマイクロストリップ線路を備える移相器と、を有する集積アンテナを数十から数百配列されたアレイを有する。

このフェイズドアレイシーカは、送信時には入力端子から入力した高周波信号を移相器によって位相を制御し、複数の送信用電力増幅装置によって増幅し、サーキュレータを介してアンテナから空間に放射する。また、フェイズドアレイシーカは、受信時にはアンテナによって受信した高周波信号を、サーキュレータを介して複数の受信用電力増幅によって増幅し、移相器によって位相を制御して出力端子に出力する。

ここで、送信時には移相器の挿入損失分の電力利得が低下するため増幅器の利得を大きくする必要があり、また、送信系の電力効率が下がる。

受信時には移相器によって雑音指数が悪化する。受信モジュールの雑音指数の悪化を抑制するために低雑音増幅器の電力利得を上げる方法があるが、この方法では受信系の1dB圧縮入力電力が悪化する。

この送信電力低下と雑音指数の悪化は移相器のPINダイオード及びマイクロストリップ線路における導体損失の影響が大きい。

概要

集積アンテナの移相器の挿入損失を低減させるフェイズドアレイシーカ及びフェイズドアレイシーカの高周波信号送受信方法を提供する。フェイズドアレイシーカは、導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数のマイクロストリップ線路、前記マイクロストリップ線路毎に、前記マイクロストリップ線路に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用のマイクロストリップ線路、及び前記移相用のマイクロストリップ線路の他端にアノードが接続され、カソード接地されるPINダイオードを備え、送信高周波信号の位相を制御する送信系の位相器及び受信系の位相器と、少なくとも前記送信系マイクロストリップ線路、移相用の送信系マイクロストリップ線路、受信系マイクロストリップ線路、及び移相用の受信系マイクロストリップ線路を超伝導転移温度以下に冷却する冷却装置と、備える。

目的

本発明の一実施形態は、導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数の送信系マイクロストリップ線路、送信系マイクロストリップ線路毎に、送信系マイクロストリップ線路に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用の送信系マイクロストリップ線路、及び移相用の送信系マイクロストリップ線路の他端にアノードが接続され、カソードが接地される送信系PINダイオードを備え、送信高周波信号の位相を制御する送信系の位相器と、送信系の位相器の出力信号を増幅する送信系の電力増幅装置と、受信信号を増幅する受信系の電力増幅装置と、導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数の受信系マイクロストリップ線路、受信系マイクロストリップ線路毎に、受信系マイクロストリップ線路に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用の受信系マイクロストリップ線路、及び移相用の受信系マイクロストリップ線路の他端にアノードが接続され、カソードが接地される受信系PINダイオードを備え、受信系の電力増幅装置の出力信号の位相を制御する受信系の位相器と、送信系の電力増幅装置の出力信号をアンテナに出力し、アンテナから入力した受信信号を受信系の電力増幅装置に出力するサーキュレータと、少なくとも送信系マイクロストリップ線路、移相用の送信系マイクロストリップ線路、受信系マイクロストリップ線路、及び移相用の受信系マイクロストリップ線路を超伝導転移温度以下に冷却する冷却装置と、を備える複数の集積アンテナを備えるフェイズドアレイシーカを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数の送信系マイクロストリップ線路、前記送信系マイクロストリップ線路毎に、前記送信系マイクロストリップ線路に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用の送信系マイクロストリップ線路、及び前記移相用の送信系マイクロストリップ線路の他端にアノードが接続され、カソード接地される送信系PINダイオードを備え、送信高周波信号位相を制御する送信系の位相器と、前記送信系の位相器の出力信号増幅する送信系の電力増幅装置と、受信信号を増幅する受信系の電力増幅装置と、導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数の受信系マイクロストリップ線路、前記受信系マイクロストリップ線路毎に、前記受信系マイクロストリップ線路に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用の受信系マイクロストリップ線路、及び前記移相用の受信系マイクロストリップ線路の他端にアノードが接続され、カソードが接地される受信系PINダイオードを備え、受信系の電力増幅装置の出力信号の位相を制御する受信系の位相器と、前記送信系の電力増幅装置の出力信号をアンテナに出力し、前記アンテナから入力した受信信号を前記受信系の電力増幅装置に出力するサーキュレータと、少なくとも前記送信系マイクロストリップ線路、前記移相用の送信系マイクロストリップ線路、前記受信系マイクロストリップ線路、及び前記移相用の受信系マイクロストリップ線路を超伝導転移温度以下に冷却する冷却装置と、を備える複数の集積アンテナを備えるフェイズドアレイシーカ

請求項2

前記超伝導材料は、高温超電導材料であり、前記冷却装置は、冷媒液体窒素である請求項1記載のフェイズドアレイシーカ。

請求項3

前記冷却装置は、前記反射型集積アンテナと接触する部分を除いて空隙により囲まれる請求項2記載のフェイズドアレイシーカ。

請求項4

前記集積アンテナは、導電性のある断熱部材を介して筺体係止される請求項3記載のフェイズドアレイシーカ。

請求項5

導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数の送信系マイクロストリップ線路、前記送信系マイクロストリップ線路毎に、前記送信系マイクロストリップ線路に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用の送信系マイクロストリップ線路、及び前記移相用の送信系マイクロストリップ線路の他端にアノードが接続され、カソードが接地される送信系PINダイオードを備え、送信高周波信号の位相を制御する送信系の位相器の少なくとも前記送信系マイクロストリップ線路及び前記移相用の送信系マイクロストリップ線路を冷却装置により超伝導転移温度以下に冷却し、前記送信系の位相器により位相制御された高周波信号電力を送信系の電力増幅装置により増幅してアンテナより送信し、前記アンテナによって受信した高周波信号を受信系の電力増幅装置により増幅し、導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数の受信系マイクロストリップ線路、前記受信系マイクロストリップ線路毎に、前記受信系マイクロストリップ線路に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用の受信系マイクロストリップ線路、及び前記移相用の受信系マイクロストリップ線路の他端にアノードが接続され、カソードが接地される受信系PINダイオードを備え、受信高周波信号の位相を制御する受信系の位相器の少なくとも前記受信系マイクロストリップ線路及び前記移相用の受信系マイクロストリップ線路を冷却装置により超伝導転移温度以下に冷却し、前記受信系の位相器によって受信した高周波信号の位相を制御するフェイズドアレイシーカの高周波信号送受信方法

請求項6

前記超伝導材料は、高温超電導材料であり、前記冷却装置は、冷媒が液体窒素である請求項5記載のフェイズドアレイシーカの高周波信号送受信方法。

技術分野

0001

本発明の実施形態は、フェイズドアレイシーカ及びフェイズドアレイシーカの高周波信号送受信方法に関する。

背景技術

0002

従来のフェイズドアレイシーカは、アンテナと、PINダイオード及び導体に金を用いたマイクロストリップ線路を備える移相器と、を有する集積アンテナを数十から数百配列されたアレイを有する。

0003

このフェイズドアレイシーカは、送信時には入力端子から入力した高周波信号を移相器によって位相を制御し、複数の送信用電力増幅装置によって増幅し、サーキュレータを介してアンテナから空間に放射する。また、フェイズドアレイシーカは、受信時にはアンテナによって受信した高周波信号を、サーキュレータを介して複数の受信用電力増幅によって増幅し、移相器によって位相を制御して出力端子に出力する。

0004

ここで、送信時には移相器の挿入損失分の電力利得が低下するため増幅器の利得を大きくする必要があり、また、送信系の電力効率が下がる。

0005

受信時には移相器によって雑音指数が悪化する。受信モジュールの雑音指数の悪化を抑制するために低雑音増幅器の電力利得を上げる方法があるが、この方法では受信系の1dB圧縮入力電力が悪化する。

0006

この送信電力低下と雑音指数の悪化は移相器のPINダイオード及びマイクロストリップ線路における導体損失の影響が大きい。

先行技術

0007

特開平5−110329号公報

発明が解決しようとする課題

0008

従って、集積アンテナの移相器の挿入損失を低減させるフェイズドアレイシーカ及びフェイズドアレイシーカの高周波信号送受信方法が求められている。

課題を解決するための手段

0009

上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態は、導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数の送信系マイクロストリップ線路、送信系マイクロストリップ線路毎に、送信系マイクロストリップ線路に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用の送信系マイクロストリップ線路、及び移相用の送信系マイクロストリップ線路の他端にアノードが接続され、カソード接地される送信系PINダイオードを備え、送信高周波信号の位相を制御する送信系の位相器と、送信系の位相器の出力信号を増幅する送信系の電力増幅装置と、受信信号を増幅する受信系の電力増幅装置と、導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数の受信系マイクロストリップ線路、受信系マイクロストリップ線路毎に、受信系マイクロストリップ線路に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用の受信系マイクロストリップ線路、及び移相用の受信系マイクロストリップ線路の他端にアノードが接続され、カソードが接地される受信系PINダイオードを備え、受信系の電力増幅装置の出力信号の位相を制御する受信系の位相器と、送信系の電力増幅装置の出力信号をアンテナに出力し、アンテナから入力した受信信号を受信系の電力増幅装置に出力するサーキュレータと、少なくとも送信系マイクロストリップ線路、移相用の送信系マイクロストリップ線路、受信系マイクロストリップ線路、及び移相用の受信系マイクロストリップ線路を超伝導転移温度以下に冷却する冷却装置と、を備える複数の集積アンテナを備えるフェイズドアレイシーカを提供する。

図面の簡単な説明

0010

フェイズドアレイシーカの斜視図である。
集積アンテナの構成を示す図である。
フェイズドアレイシーカの集積アンテナ周辺部分平面図である。
フェイズドアレイシーカの図3におけるAA線断面図である。

実施例

0011

以下、フェイズドアレイシーカ及びフェイズドアレイシーカの高周波信号送受信方法の一実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。

0012

本実施形態のフェイズドアレイシーカは、導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数の送信系マイクロストリップ線路、送信系マイクロストリップ線路毎に、送信系マイクロストリップ線路に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用の送信系マイクロストリップ線路、及び移相用の送信系マイクロストリップ線路の他端にアノードが接続され、カソードが接地される送信系PINダイオードを備え、送信高周波信号の位相を制御する送信系の位相器と、送信系の位相器の出力信号を増幅する送信系の電力増幅装置と、受信信号を増幅する受信系の電力増幅装置と、導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数の受信系マイクロストリップ線路、受信系マイクロストリップ線路毎に、受信系マイクロストリップ線路に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用の受信系マイクロストリップ線路、及び移相用の受信系マイクロストリップ線路の他端にアノードが接続され、カソードが接地される受信系PINダイオードを備え、受信系の電力増幅装置の出力信号の位相を制御する受信系の位相器と、送信系の電力増幅装置の出力信号をアンテナに出力し、アンテナから入力した受信信号を受信系の電力増幅装置に出力するサーキュレータと、少なくとも送信系マイクロストリップ線路、移相用の送信系マイクロストリップ線路、受信系マイクロストリップ線路、及び移相用の受信系マイクロストリップ線路を超伝導転移温度以下に冷却する冷却装置と、を備える複数の集積アンテナを備える。

0013

図1は、本実施形態のフェイズドアレイシーカ100の斜視図である。図1に示すように、フェイズドアレイシーカ100は、複数の集積アンテナ200を配列したアレイを備える。

0014

フェイズドアレイシーカ100は、集積アンテナ200が入力した高周波信号の位相を制御して任意の方向の空間に放射する。また、フェイズドアレイシーカ100は、集積アンテナ200が受信した高周波信号の位相を制御して出力する。

0015

図2は、集積アンテナ200の構成を示す図である。図2に示すように、集積アンテナ200は、送信高周波信号の位相を制御する送信系の移相器101と、送信系の移相器101の出力信号を増幅する送信系の電力増幅装置201と、受信信号を増幅する受信系の電力増幅装置202と、受信系の電力増幅装置202の出力信号の位相を制御する受信系の移相器101と、電力増幅装置201の出力信号をアンテナ102に出力し、アンテナ102から入力した受信信号を受信系の電力増幅装置202に出力するサーキュレータ203と、を備える。

0016

送信高周波信号は、送信系の移相器101によって位相が制御され、送信系の電力増幅装置201によって電力が増幅され、サーキュレータ203を介してアンテナから空間に放射される。

0017

受信高周波信号は、アンテナ102によって受信され、サーキュレータ203を介して受信系の電力増幅装置202によって電力が増幅され、移相器101によって位相が制御されて出力される。

0018

送信系の移相器101は、導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数のマイクロストリップ線路103と、このマイクロストリップ線路103毎に、マイクロストリップ線路103の入力高周波信号伝送方向下流の端部に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用のマイクロストリップ線路103Aと、この移相用のマイクロストリップ線路103Aの他端にアノードが接続され、カソードが接地されるPINダイオード104と、少なくともマイクロストリップ線路103及び移相用のマイクロストリップ線路103Aを超伝導転移温度以下に冷却する冷却装置106と、を備える。

0019

マイクロストリップ線路103は、例えば3個接続される。移相用のマイクロストリップ線路103Aは互いに長さが異なっている。

0020

マイクロストリップ線路103及び移相用のマイクロストリップ線路103Aを形成する超伝導材料は、高温超電導材料であることが望ましい。超伝導転移温度が液体窒素沸点である77K°より高いため、液体窒素にて冷却が可能であるからである。

0021

高温超電導材料は、公知の高温超電導材料を用いることができる。公知の高温超電導材料としては、例えば、Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127、Bi2Sr2Ca2Cu3O10、YBa2Cu3O7などを用いることができる。

0022

PINダイオード103は、集積アンテナ200を統括制御する制御部によってスイッチングされる。

0023

このスイッチングにより、移相用のマイクロストリップ線路103Aにおける位相の反転を制御することができるため、高周波信号の位相を制御することが可能となる。

0024

冷却装置106は、マイクロストリップ線路103に高温超電導材料を用いた場合には冷媒として液体窒素を用いることができる。

0025

冷却装置106は、冷媒を格納するタンクと、タンクに冷媒を注入する注入孔と、気化した冷媒を排出する排出孔と、を備える。

0026

冷却装置106は、移相器を冷却するため、移相器の挿入損失が低減し、送信電力が上がり、受信時の雑音指数が低減する。

0027

受信系の移相器101の構成は、送信系の位相器の構成と同様である。

0028

図3は、フェイズドアレイシーカ100の集積アンテナ200周辺の部分平面図である。図4は、フェイズドアレイシーカ100の図3におけるAA線断面図である。

0029

図3に示すように、フェイズドアレイシーカ100は、複数の集積アンテナ200が一つの冷却装置106を共有していてもよい。

0030

図3及び図4に示すように、フェイズドアレイシーカ100は、移相器101と、移相器101を冷却する冷却装置106と、移相器101を支持する断熱部材109と、断熱部材109を支持し、冷却装置106を非接触に格納する空隙部112を有する筺体111と、PINダイオード104のスイッチングを制御する位相制御端子108と、位相制御端子108が接続される基板110と、送信系の電力増幅装置201と、受信系の電力増幅装置202と、サーキュレータ203と、送信系の電力増幅装置201及び受信系の電力増幅装置202に電力を供給する電源供給端子113と、を備える。

0031

断熱部材109は、熱抵抗の高い金属を用いることが望ましい、熱抵抗の高い金属としては、例えば、鉄ニッケル合金を用いることができる。断熱部材109は、接地を取るために導電性を有することが望ましい。

0032

冷却装置106は、移相器101にできるだけ近づけて、望ましくは接触させて係止される。

0033

冷却装置106は、移相器101に接触する部分を除いて空隙部112によって囲まれる。従って、筺体111の熱が冷却装置106に伝わりにくい。

0034

基板110は、例えばガラスエポキシによって形成され、移相器101の位相を制御する。

0035

位相制御端子108は、空隙部112に挿通される。従って、位相制御端子108は筺体111と接触することがなく、筺体111の熱を移相器に伝えにくい。

0036

以上述べたように、本実施形態のフェイズドアレイシーカ100は、導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数のマイクロストリップ線路103と、このマイクロストリップ線路103毎に、マイクロストリップ線路103の入力高周波信号伝送方向下流の端部に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用のマイクロストリップ線路103Aと、この移相用のマイクロストリップ線路103Aの他端にアノードが接続され、カソードが接地されるPINダイオード104と、少なくともマイクロストリップ線路103及び移相用のマイクロストリップ線路103Aを超伝導転移温度以下に冷却する冷却装置106と、を備え、送信高周波信号の位相を制御する送信系の移相器101と、送信系の移相器101の出力信号を増幅する送信系の電力増幅装置201と、受信信号を増幅する受信系の電力増幅装置202と、導体部が超伝導材料により形成され、直列に接続される複数のマイクロストリップ線路103と、このマイクロストリップ線路103毎に、マイクロストリップ線路103の入力高周波信号伝送方向下流の端部に一端が接続され、導体部が超伝導材料により形成される移相用のマイクロストリップ線路103Aと、この移相用のマイクロストリップ線路103Aの他端にアノードが接続され、カソードが接地されるPINダイオード104と、少なくともマイクロストリップ線路103及び移相用のマイクロストリップ線路103Aを超伝導転移温度以下に冷却する冷却装置106と、を備え、受信系の電力増幅装置202の出力信号の位相を制御する受信系の移相器101と、送信系の電力増幅装置201の出力信号をアンテナ102に出力し、アンテナ102から入力した受信信号を受信系の電力増幅装置202に出力するサーキュレータ203と、を備える複数の集積アンテナ200を備える。

0037

従って、集積アンテナ200の移相器101の挿入損失を低減させることが可能となるという効果がある。また、この挿入損失を低減により、フェイズドアレイシーカ100の最大探知距離を拡大でき、電力増幅装置の数を低減させることが可能となるという効果がある。

0038

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。

0039

101:位相器
103:マイクロストリップ線路
103A:移相用のマイクロストリップ線路
104:PINダイオード
106:冷却装置
109:断熱
112:空隙部

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