JPWO2014077148A1 - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リミッタで発生した高調波が外部に放射されることを防止するレーダ装置を提供する。【解決手段】レーダ装置は、サーキュレータと、リミッタ１９と、の間に高調波処理部１８を備えている。高調波処理部１８は、高調波処理スタブ４１，４２と、補償スタブ５２と、を備える。高調波処理スタブ４１，４２は、サーキュレータを通過した送信信号をリミッタ１９が減衰させる際に発生する高調波を減衰させる。補償スタブ５２は、高調波処理スタブ４１，４２を配置したことによるサセプタンスの変化を打ち消す。【選択図】図３

Description

本発明は、リミッタで発生する送信信号の高調波を抑制するレーダ装置に関する。

従来から、送信信号を外部に送信するとともに、その反射波を受信して受信系の回路で解析を行うことで周囲の物標の探知を行うレーダ装置が知られている。このレーダ装置では、信号レベルの大きな送信信号が、受信系の回路に入力されることを防止するために、サーキュレータ及びリミッタが設けられる。

サーキュレータは、信号の流れを切り替えることで、送信信号が受信系の回路に入力されることを防止する。リミッタは、信号レベルの大きな信号を減衰させることで、サーキュレータで遮断できなかった送信信号が入力された場合であっても受信系の回路を保護することができる。特許文献１及び２は、このリミッタに関する技術を開示する。

特許文献１のリミッタ回路は、基本周波数の２倍波及び３倍波（高調波）で短絡するスタブを備える。このスタブは、リミッタのリミッティング特性のバラツキを抑えるために設けられている。

特許文献２のリミッタ回路は、ダイオードにより信号レベルの大きな信号を減衰させる。このダイオードの近傍には、先端が開放している伝送線路である開放スタブが配置されている。この開放スタブは、ダイオードの接合容量値のバラツキを調整するために設けられている。

特開平４−２９４６２１号公報 特公昭６１−４９８５１号公報

上述のように、レーダ装置では、サーキュレータが遮断できなかった送信信号が受信系の回路に入力された場合、リミッタがこの送信信号を減衰させる。このとき、送信信号の高調波が発生する。発生した高調波は、レーダアンテナから外部に放射される。高調波は基本信号と周波数が異なるため、他の機器に影響を与えてしまうことが考えられる。以上により、高調波の放射を防止する構成が求められていた。

また、特許文献１及び２では、スタブが付加されたリミッタ回路が開示されているが、これらのスタブはリミッタ自体の機能を向上させるためのものであり、この課題を解決するものではない。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、リミッタで発生した高調波が外部に放射されることを防止するレーダ装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の観点によれば、以下の構成のレーダ装置が提供される。即ち、このレーダ装置は、レーダアンテナと、送信信号生成部と、サーキュレータと、リミッタと、フィルタ部と、受信信号増幅部と、映像生成部と、を備える。前記レーダアンテナは、送信信号を外部に放射するとともに、その反射波を受信信号として受信する。前記送信信号生成部は、前記送信信号を生成する。前記サーキュレータは、前記送信信号を前記レーダアンテナへ出力するとともに、前記受信信号を受信系の回路へ出力する。前記リミッタは、前記受信系の回路に配置されており、信号レベルに応じて信号を減衰させる。前記フィルタ部は、前記サーキュレータと前記リミッタとの間に配置され、前記リミッタから前記レーダアンテナへ向かう前記送信信号の高調波を減衰させる。前記受信信号増幅部は、前記リミッタよりも前記受信信号の伝達方向の下流側に配置され、前記受信信号を増幅する。前記映像生成部は、前記受信信号増幅部で増幅された受信信号に基づいてレーダ映像を生成する。

これにより、サーキュレータで遮断できなかった送信信号が受信系の回路に入り、リミッタによって高調波が発生した場合であっても、その高調波がレーダアンテナから外部に放射されることを防止できる。また、フィルタ部をサーキュレータとリミッタとの間に配置することで、外部に放射する送信信号に影響を与えることを防止できる。

前記のレーダ装置においては、前記フィルタ部は、短絡状態又は開放状態の伝送線路によって高調波を減衰するスタブであることが好ましい。

これにより、安価な構成で高調波が外部に放射されることを防止できる。

前記のレーダ装置においては、前記スタブのうち少なくとも１つは、先端が短絡していることが好ましい。

これにより、このスタブにＤＣリターン機能を発揮させることができるので、インダクタ等を省略することができる。

前記のレーダ装置においては、前記リミッタと前記フィルタ部とが同一の基板上に形成されていることが好ましい。

これにより、コンパクトな構成が実現できる。

前記のレーダ装置においては、船舶に搭載され、当該船舶の周囲を探知することが好ましい。

これにより、高調波が外部に放射されにくい構成の船舶用レーダ装置が実現できる。

本発明の一実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図。 リミッタで高調波が発生する様子を示すブロック図。 リミッタ及び高調波処理部の構成を示す図。 従来のリミッタを示す回路図。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るレーダ装置１０の構成を示すブロック図である。

本実施形態のレーダ装置１０は、船舶に搭載されるタイプのパルス圧縮レーダ装置であり、パルス長の長い電波（送信信号）を外部に放射するとともに、その反射波である受信信号にパルス圧縮処理を行って解析することで、物標の位置や速度を検出することができる。なお、レーダ装置１０は、パルス圧縮レーダ装置に限られず、例えばマグネトロン等が生成したパルス長の短い送信信号を外部に放射する構成であっても良い。

レーダ装置１０の送信系の回路には、送信信号生成部１１と、Ｄ／Ａコンバータ１２と、ミキサ１３と、局部発振器１４と、送信アンプ１５と、が配置されている。また、レーダ装置１０は、サーキュレータ１６と、レーダアンテナ１７と、を備える。

送信信号生成部１１は、予め設定された波形（周波数の時間変化）の送信信号を生成する。本実施形態では、送信信号生成部１１は、非線形の送信信号を生成して、Ｄ／Ａコンバータ１２へ出力する。Ｄ／Ａコンバータ１２は、送信信号生成部１１が生成した送信信号をデジタル信号からアナログ信号へ変換して、ミキサ１３へ出力する。

局部発振器１４は、発振器を備えており、局部発信信号（局発信号）を出力することができる。この局発信号は、ミキサ１３及び後述のミキサ２１に供給される。

ミキサ１３は、Ｄ／Ａコンバータ１２から入力された送信信号を、局部発振器１４が出力する局発信号と混合する。これにより、送信信号の周波数を送信周波数まで引き上げることができる。ミキサ１３は、周波数が引き上げられた送信信号を送信アンプ１５へ出力する。送信アンプ１５は、この送信信号を増幅し、サーキュレータ１６を介して、レーダアンテナ１７から外部へ放射する。

レーダアンテナ１７は、上記のように送信信号を放射し、この送信信号が物標（エコー源）に反射して戻ってきた反射波を受信信号として受信するように構成されている。また、レーダアンテナ１７は、所定の回転速度で水平面内を回転しながら、電波の送受信を繰り返し行うように構成されている。以上の構成で、自船を中心として水平面内を３６０°にわたってスキャンし、周囲の物標の様子を取得することができる。

サーキュレータ１６は、所定のポートに入力された信号を所定の別ポートのみから出力する電子部品である。サーキュレータ１６は、送信信号の送信時においては、送信アンプ１５からの高エネルギーの送信信号（図１の符号Ｓ１）を、レーダアンテナ１７へ出力する（受信系の回路に入力されないようにする）。また、サーキュレータ１６は、受信信号（図１の符号Ｓ２）を受信系の回路へ出力する（送信系の回路に入力されないようにする）。

次に、レーダ装置１０の受信系の回路について説明する。なお、受信系の回路の説明では、受信信号が伝達する方向の上流側（下流側）を、単に「上流側（下流側）」と称することがある。

レーダ装置１０の受信系の回路は、高調波処理部１８と、リミッタ１９と、受信アンプ２０と、ミキサ２１と、Ａ／Ｄコンバータ２２と、映像生成部２３と、を備えている。なお、高調波処理部１８とリミッタ１９とは、同一の基板７０上に形成されている。

上述のようにサーキュレータ１６は、送信信号が送信系から受信系の回路に入力されない役割をするが、送信信号が受信信号のレベルに比べて極端に大きい場合には、送信信号がサーキュレータを漏れ出て通過し、受信系の回路に入力されることがある（図２を参照）。

リミッタ１９は、送信信号のような信号レベルの大きな信号を減衰させるために設けられている。しかし、リミッタ１９は、信号をクリップすることで減衰させているため、この信号の高調波が発生してしまう（符号Ｓ３を参照）。

この高調波は、レーダアンテナ１７に向かって出力される。ここで、高調波の周波数は、送信信号の周波数の整数倍であるため、他の機器が使用する周波数帯と重複している可能性がある。そのため、高調波が外部に放射されることは好ましくない。本実施形態では、この高調波を減衰させるために、高調波処理部１８が設けられている。

高調波処理部１８は、リミッタ１９で発生する高調波を減衰させるために、リミッタ１９よりも上流側（レーダアンテナ１７側）に配置されている。また、高調波処理部１８は、外部に放射される送信信号を減衰しないように、サーキュレータ１６よりも下流側（リミッタ１９側）に配置されている。なお、リミッタ１９及び高調波処理部１８の具体的な構成については後述する。

受信アンプ（受信信号増幅部）２０は、ＬＮＡ（ローノイズアンプ）等で構成される。受信アンプ２０は、下流側の装置が適切に信号処理を行うことができるように、受信信号の信号レベルを増幅する。受信アンプ２０によって、増幅された受信信号は、ミキサ２１へ出力される。

ミキサ２１は、ミキサ１３と同様に、受信信号と局部発振器１４の局発信号とを混合することで、受信信号の周波数を引き下げることができる。ミキサ２１は、周波数が引き下げられた受信信号をＡ／Ｄコンバータ２２へ出力する。Ａ／Ｄコンバータ２２は、周波数が引き下げられた受信信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換する。

映像生成部２３は、Ａ／Ｄコンバータ２２から入力された受信信号に送信信号等を考慮してパルス圧縮処理を行う。パルス圧縮処理とは、送信信号の波形に基づいて、受信信号を圧縮（復号）する処理である。

また、映像生成部２３は、受信信号を圧縮して得られた結果に基づいて、レーダ映像を生成する。詳細に説明すると、映像生成部２３は、レーダアンテナ１７が送信信号を送信したタイミングと、反射信号を受信したタイミングと、の時間差に基づいて物標までの距離を求める。また、映像生成部２３は、信号を探知した際のレーダアンテナ１７の向きに基づいて当該物標の方向を取得する。以上のようにして、映像生成部２３は、レーダ映像を生成し、図略の表示部にレーダ映像を表示する。

次に、高調波処理部１８及びリミッタ１９について図３を参照して詳細に説明する。図３（ａ）は、リミッタ１９及び高調波処理部１８の回路図であり、図３（ｂ）は、この回路が基板７０上に形成された様子を示す図である。なお、以下の説明において、λとは、レーダ装置１０が使用する周波数帯域の中心周波数から求められる波長を示す。

初めに、リミッタ１９について説明する。図３に示すように、リミッタ１９は、大電力用の第１ダイオード６１と、小電力用の第２ダイオード６３と、それらを接続する接続部６２と、から構成される。なお、接続部６２は、リミッタの効率を向上させるために、λ／４の長さであることが好ましい。

この構成により、サーキュレータ１６を通過して送信信号が入力された場合であっても、当該送信信号が減衰されるので、受信系の回路を保護することができる。なお、上述のように、リミッタ１９が送信信号を減衰させることで、高調波が発生する。

次に、高調波処理部１８について説明する。図３に示すように、高調波処理部１８は、高調波を処理する（減衰する）伝送線路である高調波処理スタブ（フィルタ部）４１，４２と、高調波処理スタブ４２によるサセプタンスの変化を打ち消す伝送線路である補償スタブ５２と、を備える。

ここで、図３には、各スタブの長さが記載されているが、この長さは適切に設定する必要がある。つまり、高調波処理スタブ４１，４２の長さは、高調波を適切に減衰させる長さにする必要があり、補償スタブ５２の長さは、サセプタンスの変化を適切に打ち消す長さにする必要がある。また、この長さは、各スタブの先端が開放しているか（開放状態か）短絡しているか（短絡状態か）によっても異なる。

以下、各スタブの長さについて説明する。なお、以下の説明では、
Ｌ_o＝「先端が開放している高調波処理スタブの長さ」
Ｌ_s＝「先端が短絡している高調波処理スタブの長さ」
Ｌ_ho＝「先端が開放している補償スタブの長さ」
Ｌ_hs＝「先端が短絡している補償スタブの長さ」
を示すものとする。

従来から知られているように、先端が開放している高調波処理スタブのサセプタンスＹ_o及び先端が短絡している高調波処理スタブのサセプタンスＹ_sは、以下の式で表される。

ここで、βは位相定数であり、Ｚ₀は特性インピーダンスである。

また、先端が開放している補償スタブのサセプタンスＹ_ho及び先端が短絡している補償スタブのサセプタンスＹ_hsは、高調波処理スタブのサセプタンスと同様に、以下の式で表される。

式（１）から式（４）により、高調波処理スタブのサセプタンスと、補償スタブのサセプタンスと、の和をゼロにするためには、先端が開放しているか短絡しているかの組み合わせに応じて、以下の式の何れかを満たせば良いことが分かる。

また、高調波処理スタブは、ｍ＋１次の高調波を減衰させるために、以下の式を満たす必要がある。

以上より、先端が開放している高調波処理スタブに対する補償スタブの長さは、以下の式を満たせば良いこととなる。

また、先端が短絡している高調波処理スタブに対する補償スタブの長さは、以下の式を満たせば良いこととなる。

このように、高調波処理スタブは、減衰させたい高調波の次数に応じて式（６）又は式（７）を満たすようにし、補償スタブは、式（８）から式（１１）までの何れかを満たすように定めれば良いことが分かる。

本実施形態では、２次高調波を除去するために、先端が短絡している高調波処理スタブを用いる。つまり、式（７）にｍ＝１を代入することで、スタブの長さを１／４λとすれば良いことが分かる。また、これに対応する先端が開放している補償スタブは、式（１０）にｍ＝１を代入することで、長さが０となる。つまり、この場合は補償スタブが必要ないことが分かる。

また、本実施形態では、３次高調波を除去するために、先端が短絡している高調波処理スタブを用いる。つまり、式（７）にｍ＝２を代入することで、スタブの長さを１／６λとすれば良いことが分かる。また、これに対応する先端が開放している補償スタブの長さは、式（１０）にｍ＝２を代入することで、長さが１／１２λとなる。

このようにして、高調波処理スタブ及び補償スタブの長さを定めることで、高調波を除去しつつ、サセプタンスへの影響を無くすことができる。なお、本実施形態では、先端が短絡している高調波処理スタブを用いているが、上記の式さえ満たすのであれば、代わりに先端が開放している高調波処理スタブを用いても良い。また、先端が開放している補償スタブに代えて、先端が短絡している補償スタブを用いることもできる。

図３（ｂ）には、高調波処理部１８及びリミッタ１９が基板７０上に形成された例を示している。図３（ｂ）に示すように、基板７０上では、１点から２次高調波用のスタブと、３次高調波用のスタブと、が形成される構成にすることができる。なお、各スタブは、直線状に限られず、例えば基板７０の形状や他の回路等に応じて、屈曲又は湾曲させても良い。

ここで、図４には、従来のリミッタ９０が示されている。リミッタ９０は、本実施形態と同様に、第１ダイオード９１と、接続部９２と、第２ダイオード９３と、を備える。また、リミッタ９０は、インダクタ９４を備える。インダクタ９４は、直流電流をショートさせる機能（ＤＣリターン機能）を発揮することができる。

これに対し、本実施形態のリミッタ１９では、高調波処理スタブ４１，４２は短絡しているため、この高調波処理スタブ４１，４２がＤＣリターン機能を有することとなる。従って、本実施形態のリミッタ１９は、ＤＣリターン用のインダクタ９４を省略することができる。

以上に説明したように、本実施形態のレーダ装置１０は、レーダアンテナ１７と、送信信号生成部１１と、サーキュレータ１６と、リミッタ１９と、高調波処理スタブ４１，４２と、受信アンプ２０と、映像生成部２３と、を備える。レーダアンテナ１７は、送信信号を外部に放射するとともに、その反射波を受信信号として受信する。送信信号生成部１１は、送信信号を生成する。サーキュレータ１６は、送信信号をレーダアンテナ１７へ出力するとともに、受信信号を受信系の回路へ出力する。リミッタ１９は、受信系の回路に配置されており、信号レベルに応じて信号を減衰させる。高調波処理スタブ４１，４２は、サーキュレータ１６とリミッタ１９との間に配置され、リミッタ１９からレーダアンテナ１７へ向かう送信信号の高調波を減衰させる。受信アンプ２０は、リミッタ１９よりも受信信号の伝達方向の下流側に配置され、受信信号を増幅する。映像生成部２３は、受信アンプ２０で増幅された受信信号に基づいてレーダ映像を生成する。

これにより、サーキュレータ１６で遮断できなかった送信信号が受信系の回路に入り、リミッタ１９によって高調波が発生した場合であっても、その高調波がレーダアンテナ１７から外部に放射されることを防止できる。また、高調波処理スタブ４１，４２をサーキュレータ１６とリミッタ１９との間に配置することで、外部に放射する送信信号に影響を与えることを防止できる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

上記実施形態では、高調波処理スタブ４１，４２によって高調波を減衰させる構成だが、スタブ以外の部品によって高調波を減衰させる構成であっても良い。例えば、所定の周波数帯域のみを通過させる（ローパスフィルタ）等を用いて、高調波を減衰させても良い。

上実施形態の高調波処理部１８は、２次高調波及び３次高調波を減衰させるが、２次高調波又は３次高調波のみを減衰させる構成であっても良いし、より多くの高調波を減衰させる構成であっても良い。

本発明は、船舶用のレーダ装置に限られず、航空機等の他の移動体に搭載されるレーダ装置に適用することができる。また、移動体に搭載される用途以外にも、航路監視用のレーダ装置にも適用することができる。

１０ レーダ装置
１１ 送信信号生成部
１２ Ｄ／Ａコンバータ
１３ ミキサ
１４ 局部発振器
１５ 送信アンプ
１６ サーキュレータ
１７ レーダアンテナ
１８ 高調波処理部
１９ リミッタ
２０ 受信アンプ（受信信号増幅部）
２１ ミキサ
２２ Ａ／Ｄコンバータ
２３ 映像生成部
４１，４２ 高調波処理スタブ（フィルタ部）
５２ 補償スタブ

Claims (5)

1. 送信信号を外部に放射するとともに、その反射波を受信信号として受信するレーダアンテナと、
   前記送信信号を生成する送信信号生成部と、
   前記送信信号を前記レーダアンテナへ出力するとともに、前記受信信号を受信系の回路へ出力するサーキュレータと、
   前記受信系の回路に配置されており、信号レベルに応じて信号を減衰させるリミッタと、
   前記サーキュレータと前記リミッタとの間に配置され、前記リミッタから前記レーダアンテナへ向かう前記送信信号の高調波を減衰させるフィルタ部と、
   前記リミッタよりも前記受信信号の伝達方向の下流側に配置され、前記受信信号を増幅する受信信号増幅部と、
   前記受信信号増幅部で増幅された受信信号に基づいてレーダ映像を生成する映像生成部と、
   を備えることを特徴とするレーダ装置。
2. 請求項１に記載のレーダ装置であって、
   前記フィルタ部は、短絡状態又は開放状態の伝送線路によって高調波を減衰するスタブであることを特徴とするレーダ装置。
3. 請求項２に記載のレーダ装置であって、
   前記スタブのうち少なくとも１つは、先端が短絡していることを特徴とするレーダ装置。
4. 請求項１から３までの何れか一項に記載のレーダ装置であって、
   前記リミッタと前記フィルタ部とが同一の基板上に形成されていることを特徴とするレーダ装置。
5. 請求項１から４までの何れか一項に記載のレーダ装置であって、
   船舶に搭載され、当該船舶の周囲を探知することを特徴とするレーダ装置。

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