JP4854543B2 - レーダ受信機 - Google Patents

Description

本発明は、良好な感度特性と広いダイナミックレンジを同時に実現したレーダ受信機に関するものである。

一般的なレーダ受信機は、図２に示すように、レーダ送信機から送信されターゲットで反射されアンテナ１００で受信されたレーダ波を増幅すると共にスーパーヘテロダイン方式により中間周波数信号を取り出すフロントエンド部２００Ａ、フロントエンド部２００Ａで得られた中間周波数信号を増幅するＩＦ部３００Ａ、中間周波数信号から映像信号を作成する指示部４００、および映像信号を表示する表示部５００を備える。

フロントエンド部２００Ａでは、受信レーダ波を低雑音増幅器２０１Ａで増幅して、ミキサ２０２で局部発振器２０３から出力する局部発振信号とミキシングすることによりビート周波数成分を取り出し、ローパスフィルタ２０４によりその差分周波数を中間周波信号として取り出す。ＩＦ部３００Ａでは、中間周波信号を前置増幅器３０１Ａで増幅し対数増幅・検波部３０２に入力して増幅検波することにより、図３に示すような特性の検波信号を取り出す。この検波信号は、あるダイナミックレンジ領域では入力信号レベルに比例するが、それ以下では出力無し、それ以上では飽和した一定値となる。

ところで、このようなレーダ受信機では、遠方のターゲットでの反射波と近くのターゲットでの反射波では、その受信レベルに格段の相違があるので、ミキサ２０２の前段に低雑音増幅器２０１Ａを挿入して受信感度の向上を図っているが、その低雑音増幅器２０１Ａを単純に多段化すると、飽和レベルが低下してしまうため、ダイナミックレンジが狭くなる問題があった。そこで、上記のように、低雑音増幅器２０１Ａは１段構成としてある利得に抑えておき、ＩＦ部３００Ａにおいて前置増幅器３０１Ａを多段構成として、ここで必要な利得に増幅してから対数増幅・検波部３０２に入力させていたが、十分なダイナミックレンジを得ることは困難であった。

そこで、本発明者は、フロントエンド部２００Ａを、小信号ルートと大信号ルートに分岐し、小信号ルートでは低レベル信号の受信感度を向上させ、大信号ルートではダイナミックレンジの拡大を図って、感度向上とダイナミックレンジ拡大の両者を満足できるように改善したレーダ受信機を提案した（特許文献１参照）。

このレーダ受信機は、図４に示すように、フロントエンド部２００Ｂにおいて、アンテナ１００で受信したレーダ受信信号を、方向結合器２０５により、減衰量がほとんど無い信号Ｓ１（小信号ルート信号）と、大幅に減衰（例えば−２０ｄＢ）させた信号Ｓ２（大信号ルート信号）に分岐する。そして、信号Ｓ１は、低雑音増幅器２０１で増幅し、ミキサ２０２において、局部発振器２０３から出力する局部発振信号を分配器２０６で分配した信号でミキシングしてビート信号を発生させ、このビート信号の差分周波側信号をローパスフィルタ２０４で取り出して中間周波数信号ＩＦ１とする。一方、信号Ｓ２は、ミキサ２０７において、局部発振器２０３から出力する局部発振信号を分配器２０６で分配した信号でミキシングしてビート信号を発生させ、このビート信号の差分周波側信号をローパスフィルタ２０８で取り出して中間周波数信号ＩＦ２とする。そして、小信号ルートの中間周波信号ＩＦ１は、２段構成の前置増幅器３０１Ａで大きな利得で十分増幅し対数増幅・検波部３０２で増幅検波して加算部３０３に入力させる。また、大信号ルートの中間周波数信号ＩＦ２は、利得が絞られているので、レベル調整・検波部３０４で広いダイナミックレンジをもってレベル調整するとともに検波して加算部３０３に入力させる。

このように、小信号ルートでは信号Ｓ１を飽和レベルは考慮せずに高い利得で増幅し、大信号ルートでは信号Ｓ２を利得よりも飽和レベルを高くして増幅し、これらを加算部３０３で加算することにより、感度向上とダイナミックレンジ拡大の両者を満足した検波信号を出力することができる。

以上のように、大信号ルートでダイナミックレンジ拡大を図れば、小信号ルートではダイナミックレンジ拡大については考慮する必要がなく、飽和レベルは低くても構わないことになる。つまり、より利得増大を図ることができる。ここで、ミキサ２０２では、６〜１０ｄＢの損失が発生するので、その後段の前置増幅器３０１Ａによる利得の一部をミキサ２０２の前段で確保できるようにすると、この小信号ルートの飽和レベルは１０〜２０ｄＢ程度低下し、ダイナミックレンジが狭くなるが、ＮＦ（雑音指数）特性を従来の４〜６ｄＢから２〜３ｄＢに改善することが可能となる。

そこで、これを実現するために、図５に示すように、フロントエンド部２００Ｃにおいて、図４に示した１段構成の低雑音増幅器２０１Ａに代えて、２段構成の低雑音増幅器２０１を使用し、利得増大を図ることが好ましい。これにより、低ＮＦ、高利得、広ダイナミックレンジのレーダ受信機を実現できる。
特開２０００−１３７０７１号公報

ところが、このようにすると、小信号ルートのミキサ２０２に入力する信号Ｓ１が極めて大きな大レベルの信号となるのに対して、大信号ルートのミキサ２０７に入力する信号Ｓ２は小レベルの信号となり、ミキサ２０２，２０７の入力側での信号Ｓ１，Ｓ２の利得差Ｇｓが大きくなる。例えば、方向性結合器２０６の小信号ルート側での利得をＧ１（例えば、−０．０４ｄＢ）、大信号ルート側での利得をＧ２（例えば、−２０ｄＢ）、低雑音増幅器２０１での利得をＧ３（例えば、＋３０ｄＢ）とすると、その利得差Ｇｓ１は
Ｇｓ１＝Ｇ１＋Ｇ３−Ｇ２
＝−０．０４＋３０−（−２０）
≒５０ｄＢ
と大きくなる。これに対して、分配器２０６のアイソレーションは、せいぜい２０〜３０ｄＢであるため、小信号ルートの信号Ｓ１が、ミキサ２０２→分配器２０６の経路で、そのミキサ２０７に回り込み、大信号ルートのダイナミックレンジ拡大を阻害する恐れがある。

そこで、これを防止するには、ミキサ２０２と分配器２０６の間にフィルタを挿入して、小信号ルートの信号Ｓ１が分配器２０６側に回り込むことを阻止する対策が考えられるが、受信信号が例えば３０５０ＭＨｚであるのに対して、局部発振器２３の発振周波数は例えば３１１０ＭＨｚ程度と極めて近い周波数であり、また、レーダ送信機のマグネトロンの発振周波数のバラツキ、温度、劣化等による受信周波数変動もあるため、そのフィルタで受信信号Ｓ１のみを阻止することは事実上困難であった。また、アイソレータをミキサ２０２と分配器２０６の間に挿入することも考えられるが、コスト増大を招く問題があった。

本発明の目的は、簡単な構成で低コストで、小信号ルートから大信号ルートへの受信信号の回り込みを効果的に防止し、受信感度増大とダイナミックレンジ拡大に加えてＮＦ特性の向上を図ったレーダ受信機を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、受信信号をほぼ減衰無しで小信号ルート側に出力すると共に、前記受信信号を所定の減衰を与えて大信号ルート側に出力する第１の信号分岐部と、該第１の信号分岐部の前記小信号ルート側から出力する信号を増幅する第１の増幅器と、該第１の増幅器から出力する信号を局部発振信号とミキシングする第１のミキサと、前記第１の信号分岐部の前記大信号ルート側から出力する信号を前記局部発振信号とミキシングする第２のミキサと、前記局部発振信号を生成する局部発振器からの発振信号を前記第１および第２のミキサに分配する第２の信号分岐部とを備えたフロントエンド部を有するレーダ受信機において、前記第２の信号分岐部と前記第１のミキサとの間に、減衰器と、前記第２の信号分岐部側から前記第１のミキサに向けて正の利得を持ち前記第１のミキサ側から前記第２の信号分岐部側に向けて負の利得をもつ第２の増幅器とを直列接続したことを特徴とする。
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のレーダ受信機において、前記減衰器の負の利得と前記第２の増幅器の前記負の利得との合成利得を、前記第１の増幅器の正の利得に対応させたことを特徴とする。
請求項３にかかる発明は、請求項１に記載のレーダ受信機において、前記減衰器の負の利得を、前記第２の増幅器の前記正の利得に対応させたことを特徴とする。

本発明によれば、フロントエンド部の小信号ルート側の第１のミキサと第２の信号分岐部との間に、減衰器と第２の増幅器を直列接続し、第１のミキサから第２の信号分岐部方向には所定の減衰量を実現させ、第２の信号分岐部から第１のミキサ方向には減衰無しを実現させることができるので、低コストで小信号ルートから大信号ルートへの信号回り込みを回避することが可能となる。このため、小信号ルートの第１の増幅器に利得の高い低雑音増幅器を使用可能となり、受信感度増大とダイナミックレンジ拡大に加えて、ＮＦ特性を向上させることが可能となる。

図１は本発明の１つの実施例のレーダ受信機のフロントエンド部２００の構成を示すブロック図である。２０１は２段構成の高利得の低雑音増幅器（第１の増幅器）、２０５は方向性結合器（第１の信号分岐部）、２０２は第１のミキサ、２０７は第２のミキサ、２０３は局部発振器、２０４，２０８はローパスフィルタである。このような図４のフロントエンド部２００Ｂの構成に加えて、本実施例では、減衰器２０９と増幅器（第２の増幅器）２１０を、ミキサ２０２と分配器２０６の間に直列に挿入している。

減衰器２０６は入力側と出力側の間において、入力側→出力側の経路の信号、出力側→入力側の経路の信号のいずれについても、同じ減衰量Ｇ４（例えば、−１０ｄＢ）を達成する。これに対し、増幅器２１０は入力側と出力側の間において、入力側→出力側の経路の信号については所定の利得Ｇ５（例えば、＋１０ｄＢ）を実現できるが、出力側→入力側の経路の信号については減衰量Ｇ６（例えば、−２０ｄＢ）となる。

したがって、小信号ルートからミキサ２０２→分配器２０６方向の利得Ｇｓ２は、
Ｇｓ２＝Ｇ４＋Ｇ６
＝−１０−２０
＝−３０ｄＢ
となり、低雑音増幅器２０１の利得Ｇ３を打ち消す利得となる。

よって、ミキサ２０７への回り込み信号の利得Ｇｓ３は、上記例を適用すれば、
Ｇｓ３＝Ｇｓ１＋Ｇｓ２
＝５０−３０
＝２０ｄＢ
に低減させることができる。この利得Ｇｓ３は、分配器２０６のアイソレーション（２０〜３０ｄＢ）によって打ち消すことができ、結局、小信号ルートからミキサ２０２→ミキサ２０７への回り込み信号を打ち消すことが可能となる。

なお、局部発振器２０３からミキサ２０２に出力する局部発振信号の利得Ｇｒは、
Ｇｒ＝Ｇ６＋Ｇ４
＝＋１０＋（−１０）
＝０ｄＢ
になり、それら減衰器２０９と増幅器２１０の影響を回避することができる。

以上のように、本実施例のフロントエンド部２００によれば、小信号ルートのミキサ２０２の受信信号と大信号ルートのミキサ２０７の受信信号に大きな利得差が生じていたとしても、ミキサ２０２と分配器２０６の間に挿入した減衰器２０９と増幅器２１０によって、低雑音増幅器２０１の利得分を打ち消すことが可能となり、小信号ルートから大信号ルートへの受信信号の回り込みを防止することができる。よって、小信号ルートに２段構成の低雑音増幅器２０１を接続してフロントエンド部２００での小信号ルートの高利得化を図っても信号回り込みの問題が生じることは無くなり、ＮＦ特性を大きく改善することが可能となる。

本発明の実施例のレーダ受信機のフロントエンド部の構成を示すブロック図である。 従来のレーダ受信機の構成を示すブロック図である。 図２のレーダ受信機のＩＦ部における検波信号の特性図である。 高利得化と広ダイナミックレンジ化を図った従来のレーダ受信機の構成を示すブロック図である。 図４のレーダ受信機の更なるＮＦ特性の改善を図ったフロントエンド部の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１００：アンテナ
２００，２００Ａ，２００Ｂ：フロントエンド部、２０１、２０１Ａ：低雑音増幅器、２０２：ミキサ、２０３：局部発振器、２０４：ローパスフィルタ、２０５：方向性結合器、２０６：分配器、２０７：ミキサ、２０８：ローパスフィルタ、２０９：減衰器、２１０：増幅器
３００，３００Ａ，３００Ｂ：ＩＦ部、３０１，３０１Ａ：前置増幅器、３０２：対数増幅・検波部、３０３：加算部、３０４：レベル調整・検波部
４００：指示部
５００：表示部

Claims (3)

1. 受信信号をほぼ減衰無しで小信号ルート側に出力すると共に、前記受信信号を所定の減衰を与えて大信号ルート側に出力する第１の信号分岐部と、該第１の信号分岐部の前記小信号ルート側から出力する信号を増幅する第１の増幅器と、該第１の増幅器から出力する信号を局部発振信号とミキシングする第１のミキサと、前記第１の信号分岐部の前記大信号ルート側から出力する信号を前記局部発振信号とミキシングする第２のミキサと、前記局部発振信号を生成する局部発振器からの発振信号を前記第１および第２のミキサに分配する第２の信号分岐部とを備えたフロントエンド部を有するレーダ受信機において、
   前記第２の信号分岐部と前記第１のミキサとの間に、減衰器と、前記第２の信号分岐部側から前記第１のミキサに向けて正の利得を持ち前記第１のミキサ側から前記第２の信号分岐部側に向けて負の利得をもつ第２の増幅器とを直列接続したことを特徴とするレーダ受信機。
2. 請求項１に記載のレーダ受信機において、
   前記減衰器の負の利得と前記第２の増幅器の前記負の利得との合成利得を、前記第１の増幅器の正の利得に対応させたことを特徴とするレーダ受信機。
3. 請求項１に記載のレーダ受信機において、
   前記減衰器の負の利得を、前記第２の増幅器の前記正の利得に対応させたことを特徴とするレーダ受信機。

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