CN102142614B - 天线装置及雷达装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种天线装置和使用该天线装置的雷达装置，其对于较大反射体和较小反射体，可获得较传统天线装置更接近反射体实体大小差距的回波。将从波导管11的开口中心位置开始的约2/3部分的开口分布设定为-20dB切比雪夫分布的特征分布，其余的约1/3部分设定为-40dB切比雪夫分布的特征分布。并且，通过设置缝隙间距较小的位置(缝隙12A～12E)和较大的位置(缝隙12E～12工)，使相位面在管轴方向的途中向顶面方向弯曲为凸形，使第1旁瓣内包在主瓣中。这种天线装置具有同等大小的旁瓣比，与切比雪夫分布相比，在3dB点的宽度窄、在20dB点的宽度宽。大的反射体和小的反射体的回波信号的电平差(比率)，比现有更接近实体。

Description

天线装置及雷达装置

技术领域

本发明涉及一种天线装置和使用该天线装置的雷达装置。

背景技术

雷达装置，从天线放射电磁波，接收来自反射体(目标物)的回波信号，检测其水平，探知目标物距离天线的距离以及目标物的方位。被探知的目标物的图像，通常将距离和方位对应以天线的位置为中心的雷达显示画面上进行显示。

雷达用天线装置，通常采用波导管缝隙天线的天线装置(参照专利文献1：日本特开平4-117803号公报)。专利文献1中，记载了一种在波导管上配置多个长方形缝隙的阵列天线。这种阵列天线通过使各缝隙的相位保持一致，从而实现放射较窄的波束宽度的电磁波。

一般地，为了实现用波导管缝隙天线实现窄指向性的波束，开口分布大多采用切比雪夫分布。图1表示切比雪夫分布。图1表示开口分布的旁瓣水平是-40dB的切比雪夫分布。

图2表示图1所示的切比雪夫分布的波束形状(放射角度θ＝90度)。如图2所示，切比雪夫分布具有以规定的旁瓣水平形成最窄的波束宽度的特性。该波束构成尤其适合雷达装置用。

可是，显示在雷达显示画面上的目标物的图像，忽视目标物的实际大小，不能反映目标物实体大小的差。如果雷达画面上的多个回波图像的大小的比率，和实际的反射体(目标物)的大小的比率不同的话，就会变得难以认识目标物的大小，甚至误认识。

如图3所示，反射体501和反射体502的实体大小的差是5倍，可是如图4所示，在雷达显示画面上，分别显示宽度为2度的回波、宽度为5度的回波的图像。此时，在雷达画面上显示的差只有2.5倍。比较大的反射体和小的反射体，如果不能由雷达画面上回波的大小的差认识实体大小的差，有可能过小评价目标物的大小。

具体地，例如、如图3所示，分别假定对排水量为5t、长度为10m的船舶和排水量为100t、长度为50m的船舶进行考察。该假定条件下，两艘船舶的雷达反射截面积(RCS)分别为，排水量为5t的船舶RCS＝10m²、排水量为100t的船舶RCS＝1000m²。排水量为5t的船舶，其相对的反射强度约为3dB左右，排水量为100t的船舶，其反射强度约为23dB左右。

在此，使用有图1所示的切比雪夫分布的开口分布的电磁波的情况下，3dB波束宽度是2度左右，相对地23dB波束宽度是5度左右。因此，如图2所示，有2度宽度的回波、5度宽度的回波的图像分别显示在雷达画面上。于是，实体大小的差是5倍左右，可是在雷达画面上只表现出2.5倍左右。

本发明，提供一种天线以及雷达装置，其能够以更近的差异在显示图像上显示探知的目标物的实体大小的差。

发明内容

本发明的天线装置具有波导管，该波导管具有多个缝隙。天线装置放射的电磁波的波束是将具有多个互不相同旁瓣水平的开口分布的波束聚合而成。前述波导管上各缝隙的相位分布相对于管轴方向呈非线性形状。

相位面，在管轴方向的途中变弯，即、在管轴方向上从开口位置的途中开始呈非线性形状即可。也可沿管轴方向逐渐改变相位变化度，最后整体呈非线性形状。

本发明的天线装置，为了将波导管的各个缝隙的相位分布做成非线性形状，在波导管的至少一个侧面形成的多个缝隙中的至少一个，以规定的倾角从垂直于波导管的管轴方向的面倾斜。

各缝隙，在管轴方向上的间距有不同之处。相邻的各缝隙间的间距可以都不相同，也可以只是一部分不同。在天线的开口中心位置的左右，具有间距窄的部分和间距宽的部分。相对地，也可以做成以窄间距等间距排列的部分，和以宽间距的等间距排列的部分。

代替设为隙缝间距不同的部分，也可以在缝隙的开口侧设置介电常数不同的多个介电质，也可以在缝隙的开口侧设置相对于管轴方向宽不同的多个波导管。

【发明的效果】

依据本发明，对于较大的反射体和较小的反射体，与现有技术相比能够获得接近实体大小的差的回波。

附图说明

【图1】表示切比雪夫分布形成的开口分布的图。

【图2】表示从有图1的开口分布的天线放射波束形状的图。

【图3】表示自船和大小两个的对象目标物的图。

【图4】表示采用开口分布是切比雪夫分布的现有的天线时的雷达画面上的回波的模式图。

【图5(A)】表示本发明的天线的开口分布(天线开口位置和振幅的关系)的图。

【图5(B)】表示【图5(A)】所示开口分布的相位分布的图。

【图6】表示本发明的天线放射的波束的形状的图。

【图7】表示自船和大小两个的对象目标物的图。

【图8】表示采用本发明的天线的雷达装置的雷达画面上的回波的模式图。

【图9】表示本发明的天线的1实施方式的波导管缝隙天线一部分的构成的立体图。

【图10】表示从和电磁波放射方向和管轴方向的垂直的方向看本发明的天线的1实施方式的波导管缝隙天线侧视图。

【图11】表示本发明的天线的1实施方式的开口分布的图。

【图12】表示本发明的天线1实施方式的波导管缝隙天线放射的波束形状的图。

【图13A】表示本发明的天线的1实施方式的相位分布的图。

【图13B】表示本发明的天线的1实施方式的相位分布的图。

【图14A】表示本发明的天线的1实施方式的波束形状的图。

【图14B】表示本发明的天线的1实施方式的波束形状的图。

【图15】表示从和电磁波放射方向和管轴方向的垂直的方向看本发明的天线的其他实施方式的波导管缝隙天线侧视图。

【图16】表示本发明的天线的其他实施方式的波导管缝隙天线的一部分的构成的立体图。

【图17】表示从垂直于电磁波的放射方向和管轴方向的方向看图16所示的波导管缝隙天线的侧视图。

【图18】表示本发明的天线的其他实施方式的波导管缝隙天线的一部分的构成的立体图。

【图19】表示从垂直于电磁波的放射方向和管轴方向的方向看图20所示的波导管缝隙天线的侧视图。

【图20】表示从垂直于电磁波的放射方向和管轴方向的方向看的波导管缝隙天线的侧视图。

【图21】表示关系本发明的天线的其他的实施方式的波导管缝隙天线的一部分的结构。

【图22】应用本发明的天线装置的雷达装置。

图中：11、波导管    12、缝隙

具体实施方式

参照图面说明本发明的天线装置的实施方式。

实施方式1：

图5(A)是表示本发明的天线的开口分布(天线开口位置和振幅的关系)的图。图5(B)表示其相位分布。

如图5(A)所示，本发明的天线装置，波导管各缝隙的开口分布能够设定为融合旁瓣电平不同的多个开口分布的特性。从天线装置放射的电磁波波束是由具有多个互不相同旁瓣电平的开口分布波束融合而成。

另外，如图5(B)所示，本发明的天线装置，其波导管各缝隙的相位分布沿管轴方向呈非线性形状(例如，在同图中的朝向顶面方向呈凸形)。

根据该相位分布，形成融合了如图6所示旁瓣水平不同的多个切比雪夫分布的波束的波束。即、从天线放射的电磁波成为融合旁瓣水平高、主瓣指向性强的-20dB的切比雪夫分布的波束形状，和旁瓣水平低、主瓣指向性弱的-40dB的切比雪夫分布的波束形状后的波束形状。

在本发明的天线中，波导管各缝隙的相位分布沿管轴方向呈非线性形状，让第一旁瓣内包在主瓣中。因此，可形成如图6(A)所示，开口位置的中心附近波束宽度较窄、除此之外的部分波束宽度较宽的主瓣形状。即，该开口分布及相位分布能以和切比雪夫分布同样的旁瓣电平，实现比切比雪夫分布更为狭窄的波束宽度。

其结果，如图7所示，对于较小的反射体和较大的反射体，波束宽度之差会变大，故如图8所示，可在雷达画面上显示出更为接近实体大小的差的回波。

以下，对用于实现上述开口分布和相位分布的具体结构进行说明。

图9、图10是表示涉及本实施方式的波导管缝隙天线的结构的图。同图9为外观立体图。图10为，把电磁波的放射方向(θ＝90度)做为顶面方向(Z方向)时的侧视图。图9中，仅表示放射用的波导管，导入用的波导管等的其它结构均被省略。

本实施方式的波导管缝隙天线，具有方形截面的中空(或内包介电质)的波导管11、以及设在该波导管11的顶面侧(窄面侧)的多个缝隙(缝隙12A～12I)。另外，本实施方式中，为便于说明，仅表示有部分(本例中为8个)缝隙，实际上具有的缝隙数不限于8个。

在图9所示的实施方式中，电磁波从波导管11的中心位置(波导管左右的中心位置)导入，并沿管轴方向，向右面侧(X方向)和左面侧(-X方向)传送电磁波。但是，也可采取从波导管的其中一侧导入电磁波的方式。

从波导管的顶面(放射电磁波一侧)俯视，各缝隙相对于垂直方向(Y方向)略有倾斜，相邻缝隙的倾斜方向相反。缝隙12A～12E从左面侧开始依次等间距排列，其排列间距分别为间距p1～p4(p1＝p2＝p3＝p4)。而与此相向的右面侧，缝隙12E～12I以小于上述间距p1～p4的间距等间距排列，其排列间距分别为间距p5～p8(p4＞p5＝p6＝p7＝p8)。

图9所示的各缝隙间的间距仅为一例，本发明中只要至少有一个间距与其它任一个间距有所不同即可。即使对于各缝隙的倾斜，本发明中只要至少有一个缝隙倾斜即可。

图11是以波导管的管轴方向中心位置为X方向原点的开口分布(天线开口位置与振幅的关系)图。如图11所示，涉及本实施方式的波导管缝隙天线，设定成融合不同旁瓣电平的多个切比雪夫分布后的开口分布的特性。即，将从开口中心位置开始的约2/3部分的开口分布设定为-20dB切比雪夫分布的特征分布，将其余的约1/3部分设定为-40dB切比雪夫分布的特征分布。各缝隙在增大倾角时，所放射的电磁波(电场强度)会增强。因此，开口分布可通过调整缝隙的倾角任意进行设定。一般情况下，会将倾角调整为开口中心位置处最大，越往两端越小。

如图11所示的开口分布，例如、在从波导管的端部馈电时，馈电侧的缝隙倾角小，在中心位置附近逐渐增大倾角，最后再缩小倾角。但是，缝隙自身的电纳设定为0。且各缝隙的总电导为1，以使所有微波均从各缝隙发射，应结合考虑向波导管宽面侧切入的切口深度，决定相对于管轴垂直方向倾斜的倾角。

图12表示假定在上述本实施方式的开口分布中，缝隙之间的间距均相等，相位分布相对于管轴方向呈直线状(线性形状)变化后的情况下的波束形状。如上所述，当将从开口中心位置开始的约2/3部分的开口分布设定为-20dB切比雪夫分布，其余的约1/3部分设定为-40dB切比雪夫分布时，融合后的波束在中心位置附近拥有-20dB切比雪夫分布的主瓣和第1旁瓣，在其它部分拥有-40dB切比雪夫分布的旁瓣。即，其波束形状为，融合旁瓣电平较高、主瓣的指向性强的-20dB切比雪夫分布的波束，和旁瓣电平较低、主瓣的指向性弱的-40dB切比雪夫分布的波束后的波束形状。

其中，本实施方式的波导管缝隙天线，具有缝隙间距窄的位置和缝隙间距宽的位置，可使相位面在管轴方向的途中弯曲呈凸形(改变在开口位置的相位变化度)，使第1旁瓣内包在主瓣中。

图13表示具有上述缝隙排列的波导管的相位分布的图。图13(A)是以波导管的管轴方向中心位置为X方向原点的相位分布。另一方面，图13(B)是表示波面前进的模式图。同图中，为便于说明，给出了假设在波导管上仅存在上述8个缝隙的情况为例。

本实施方式中，图13(A)和图13(B)所示，缝隙12A～12E之间的间距均相等，因此相位会从波导管的左侧开始依次沿管轴方向呈直线状(线性形状)变化。另一方面，从缝隙12E开始的右面侧间距会逐渐变窄，因此相位面会偏离上述直线，沿开口位置的相位变化度会变小。因此，整个相位分布会呈上凸形(沿管轴方向呈非线性形状)。

如图13所示，波面的前进方向从垂直方向向左面侧倾斜，但其波面前进方向也可与垂直方向保持一致，当然，也可向右面方向倾斜。例如，当波面前进方向向右面方向倾斜时，只要使沿开口位置的相位变化度在途中变大即可。无论如何，只要整个相位分布向上面方向呈上凸形(在开口位置途中抑制)即可。

上述例中，虽然给出的是相位面从垂直于管轴方向的中心位置开始弯曲(相邻的多个缝隙之间的间距在中心位置的两侧互不相同)的例子，但相位面弯曲位置(间距变化的位置)并不仅限于中心位置。

图14(A)以及图14(B)是采用上述相位分布的波束形状图。一般情况下，当缝隙的间距为λg/2(λg：管内波长)时，各缝隙的相位在平行于波导管顶面的平面上保持一致。此时，相位分布在管轴方向方向上保持均匀，电场强度在垂直于波导管顶面的方向上最强。

当使缝隙的间距偏离λg/2(并且使各缝隙的间距相等)时，相位在从波导管顶面平行的面倾斜后的面上保持一致。因此，当改变缝隙间距时，相位分布会在管轴方向上发生变化(倾斜度变化)，电场强度在从垂直于波导管顶面的方向倾斜后的位置处增强。

本实施方式中，如图14(A)所示，相位分布呈上凸形(非线性形状)，电场强度的增强位置仅少量出现在波面前进方向以外的周边位置，主瓣形状变为内包有第一旁瓣的形状。此时，该主瓣的形状呈3dB波束宽度较窄，其它20dB波束宽度变宽的形状(三角形波束形状)。即，与传统的-40dB切比雪夫分布的波束形状相比，3dB波束宽度较窄，而其它部分的波束宽度会变宽。

下面，举更详细的例子，说明关于适用本发明的天线的雷达装置的回波显示。

针对配置有基于本实施方式的天线装置发射的电波处理回波信号的接收回路的雷达装置，返回图7，对用本发明的雷达装置显示如图7所示的大小(一大一小)的两个反射体的回波，加以说明。

在此，考察排水量为5t、长度为10m的船舶(RCS＝10m²)和排水量为100t、长度为50m的船舶(RCS＝1000m²)的回波。假设长度为10m的船舶，其相对的反射强度为3dB，长度为50m的船舶，其反射强度为23dB。

本实施方式的主瓣，如图14(B)所示，3dB波束宽度约为1.8度左右，23dB波束宽度约为7度左右。因此，如图8所示，上述雷达装置的雷达画面上，会分别显示宽度为1.8度的回波图像和宽度为7度的回波图像。因此，雷达画面上会显示出约4倍左右的差距，能够辨别出较现有天线装置更接近实体大小差距的回波。因此，减小了低估反射体大小的可能性。这表示与根据现有的天线的雷达画面上的显示相比的优势。

如果能将第1旁瓣内包在主瓣中，相位分布就不仅限于图15所示的例子。例如，也可以如图15所示，可通过沿管轴方向逐渐改变缝隙的间距，使整个相位分布呈非线性形状。另外，即使朝向上面方向相位分布呈凹形，也能使第1旁瓣内包在主瓣中。

另外，代替设置缝隙间距不同的位置，也可以用在缝隙的开口侧设置介电常数不同的多个介电质，或者在缝隙的开口侧沿管轴方向设置宽度不同的多个波导管，据此，使相位分布呈非线性形状。

图16是在缝隙的开口侧设置介电常数不同的多个介电质的立体图。图17是表示从垂直于管轴方向和电磁波的放射方向的两方向看的结构的图。如图所示，代替改变缝隙的倾斜和间距，可以配置互不相同的介电常数的物质，也能够获得同样效果。

该波导管缝隙天线，具有方形断面的中空(或内包介电质)波导管21、以及设在该波导管21的顶面侧的多个缝隙(缝隙22A～22G)。即使在同图中，为了便于说明，仅标示有部分缝隙(本例中为7个)，实际拥有的缝隙更多。

同图所示，从波导管的顶面俯视，各缝隙也相对于垂直方向倾斜，相邻缝隙分别向反方向倾斜。因此，同图例中的波导管21，其开口分布也如图14所示，将从开口中心位置开始的约2/3部分的开口分布设定为-20dB切比雪夫分布的特征分布，其余的约1/3部分设定为-40dB切比雪夫分布的特征分布。

其中，缝隙22A～22G均为等间距排列。因此，在缝隙开口面上的相位分布沿管轴方向呈线性形状。但是，在同图例中，通过在缝隙22A～22G的开口侧分别设置介电常数不同的多个介电质15A～15G(介电常数：ε1～ε7)，将整体相位分布设定为非线性形状。即，通过在各缝隙设置介电常数不同的介电质，改变相位，形成如图14所示的、朝向上面方向的凸形的相位分布。另外，该例中，也可仅在部分缝隙的开口面侧设置介电质，也可以使相位面在开口位置的途中弯曲为凸形。

下面，代替配置有互不相同的介电质的物质，说明沿管轴方向配置宽度不同的多个波导管的结构的实施方式。

图18表示在缝隙的开口侧沿管轴方向设置宽度不同的多个波导管的天线的构成的一部分。图19、20分别表示从垂直于管轴方向和电磁波的放射方向的方向看如图18所示的天线的图，以及从电磁波的放射方向看的正面图。在任意图中，只表示放射用的波导管、导入用的波导管等、省略其他的结构。

本实施方式的波导管缝隙天线，在各缝隙的开口面上设置多个波导管17A～17G代替图16所示的介电质15A～15G。波导管17A～17G沿管轴方向的宽度b和高度c均相同。但是，管轴垂直方向的宽度不同(a1～a7)。

具体而言，从波导管17A到波导管17D，其沿垂直方向的宽度依次逐渐增大(a1＜a2＜a3＜a4)；从波导管17D到波导管17G，其沿垂直方向的宽度依次逐渐减小(a4＞a5＞a6＞a7)。管内波长λg的数学表达式为：

【数1】

$\mathrm{\λg}=\frac{\mathrm{\λ}}{\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2}}$

因此，从波导管17A到波导管17D，管内波长会逐渐变短；从波导管17D到波导管17G，管内波长会逐渐变长。

最终的传输相位p，其数学表达式为p＝c/λg。因此，相位面从波导管17D到波导管17G弯曲为凸形。整个波导管缝隙天线的相位分布，向上面方向呈凸形(沿管轴方向呈非线性形状)。

本实施方式的波导管缝隙天线，其通过在缝隙22A～缝隙22G的开口侧沿管轴方向设置管内波长不同的多个波导管17A～17G，如图13所示的、朝向上面方向实现凸形的相位分布。即使在本实施方式，也可仅在部分缝隙的开口面侧设置波导管，使相位面在开口位置的途中弯曲为凸形。

在如图9、16、18所示的任意的实施方式，尽管给出的是在波导管11的顶面侧(窄面侧)形成多个缝隙的例子，但也可在波导管的正面侧(宽面侧)形成多个缝隙。另外，多个缝隙(缝隙阵列)不仅限于1层，也可在与管轴方向垂直的方向排列多层。根据该结构，能够将电磁波的垂直方向的放射更好地整形。

Claims (17)

1.一种天线装置，该天线装置具有至少在一侧面形成多个缝隙的波导管，其特征在于：

所述多个缝隙中的至少一个从与所述波导管的管轴方向垂直的方向以规定的倾角倾斜，

相邻的所述多个缝隙间的在所述管轴方向上的间距中，至少一个间距和其他的间距不同，

所述倾角从所述波导管的两端部向所述波导管的中心位置变大，且在所述中心轴附近相对于所述管轴方向的倾角的变化比在两端部附近相对于所述管轴方向的倾角的变化小。

2.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于：

在垂直于所述管轴方向的中心轴的两侧，在所述管轴方向上的相邻的所述多个缝隙间的间距不相同。

3.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于:

所述多个缝隙，包括：

相邻的所述各缝隙之间以第1间距等间隔排列的所述缝隙；

相邻的所述各缝隙之间以比所述第1间距大的第2间距等间隔排列的所述缝隙。

4.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于：

在所述各缝隙中，相对于垂直所述管轴方向的面、相邻的缝隙的倾斜方向相反。

5.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于：

所述各缝隙的所述倾角，在与所述波导管的所述管轴方向垂直的中心轴附近和在所述波导管的两端部附近不同。

6.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于:

所述多个缝隙，形成在平行于所述波导管的所述管轴方向的侧面中较窄的侧面上。

7.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于:

所述多个缝隙，形成在平行于所述波导管的所述管轴方向的侧面中较宽的侧面上。

8.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于:

所述多个缝隙，在垂直于所述管轴方向的方向上形成多层。

9.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于:

从所述缝隙放射的电磁波的波束是具有互不相同的多个旁瓣电平的开口分布的波束融合后的波束，其在所述多个缝隙的管轴方向上的相位分布是非线性。

10.根据权利要求9所述的天线装置，其特征在于:

所述相位分布，在所述管轴方向上，有线性部分和非线性部分。

11.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于:

在各缝隙的开口侧设有介电常数不同的多个电介质。

12.根据权利要求11所述的天线装置，其特征在于:

从所述缝隙放射的电磁波的波束是具有互不相同的多个旁瓣电平的开口分布的波束融合后的波束，其在所述多个缝隙的管轴方向上的相位分布是非线性。

13.根据权利要求12所述的天线装置，其特征在于:

所述相位分布，在所述管轴方向上，有线性部分和非线性部分。

14.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于:

宽度不同的多个波导管，沿所述管轴方向设置在所述各缝隙的开口侧。

15.根据权利要求14所述的天线装置，其特征在于:

所述各缝隙的所述倾角，在与所述波导管的所述管轴方向垂直的中心轴附近、和所述波导管的两端部附近不同。

16.一种雷达装置，其特征在于，具有:

信号生成器；

磁控管，与上述信号生成器连接；

环流器，与上述磁控管连接；

天线装置，具有多个缝隙，其中多个缝隙中的至少一个，以规定的倾角从与波导管的管轴方向垂直的面倾斜，在相邻的所述各缝隙间的所述管轴方向上的间距中至少一个间距和其他任意一个间距不同，所述倾角从所述波导管的两端部向所述波导管的中心位置变大，且在所述中心轴附近相对于所述管轴方向的倾角的变化比在两端部附近相对于所述管轴方向的倾角的变化小；

旋转接头，一端与上述天线装置连接，另一端与上述环流器连接；

限幅器，与上述环流器连接；

接收回路,与上述限幅器连接，基于因从所述天线装置放射的电磁波而形成的回波信号的电平探知目标的位置；

显示画面，与上述接收回路连接，显示所述目标。

17.根据权利要求16所述的雷达装置，其特征在于:

从所述缝隙放射的电磁波的波束是具有互不相同的多个旁瓣电平的开口分布的波束融合后的波束，其在所述多个缝隙的管轴方向上的相位分布是非线性。