JP2003066134A - レーダアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 移動体が動揺しても、アンテナの正面方向の
仰角・俯角を略一定に保つようにし、且つ全体に簡素で
小型なレーダアンテナを構成する。 【解決手段】 導波管スロットアンテナ１ａ，１ｂを垂
直方向に積層配置し、２ポートロータリジョイント３を
介して送受信部から給電を行うが、一方の導波管の途中
に移相器２を設ける。この移相器２による移相量を制御
することによって、アンテナ１ａ，１ｂの合成ビームの
仰角・俯角が一定に保たれるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、船舶などの移動
体に装備されるレーダに適用するレーダアンテナに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、船舶搭載用レーダのアンテナは、
方位分解能を高めるために、水平方向のビーム幅を１．
５°前後に鋭くし、且つ、船の動揺で物標を見逃さない
ように、垂直方向（鉛直方向）のビーム幅を２０°前後
として、全体に扇形のビームが形成されるように構成さ
れている。例えば、導波管壁に複数のスロットを設け、
各スロットから放射される電波をアレイとして利用する
スロットアンテナが用いられている。また、複数のパッ
チアンテナを配列したマイクロストリップアレイアンテ
ナも利用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記垂直方
向のビーム幅をあまりに広くすると、例えば、本来船舶
などの探知映像を表示すべき画面内に、遠方上空を飛行
する航空機の機影が表示されたり、海面反射を受けやす
くなる、という問題があった。

【０００４】また、上記ビーム形状に関わらず、垂直方
向の船の動揺が大きくなると、海面反射の影響が大きく
変動したり、遠方の物標からの反射波の強度が大きく変
動したりするといった問題が生じる。

【０００５】そこで、例えばレーダが搭載されている移
動体の動揺に応じて、その動揺がビームの向きに反映さ
れないように、その動揺量を打ち消すようにビーム制御
を行うレーダ装置が特公平８−２３５８２号に示されて
いる。

【０００６】しかし、同公報に示されているレーダ装置
は、フェイズドアレイアンテナを用いて、各素子アンテ
ナに対する給電位相を電子的に制御することによってビ
ームを仰角方向に振るようにしているため、各給電点へ
の位相制御の回路構成が複雑であり、その位相制御を行
う制御回路も複雑になるという問題があった。

【０００７】この発明の目的は、移動体が動揺してもア
ンテナの正面方向の仰角・俯角を略一定に保つように
し、且つ全体に簡素で小型なレーダアンテナを提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明のレーダアンテ
ナは、垂直方向に配置した複数のアンテナと、垂直方向
の順に各アンテナに対する給電位相をシフトさせる移相
器と、各アンテナの正面方向の仰角・俯角に応じて、複
数のアンテナによる合成ビームの仰角・俯角を略一定に
保つように、前記移相器による移相量を制御する手段と
を設けて構成する。

【０００９】また、この発明のレーダアンテナは、上記
アンテナの回転面の傾きと該アンテナの正面方向の方位
とに基づいて、アンテナの正面方向の仰角・俯角を検出
するように構成する。

【００１０】また、この発明のレーダアンテナは、複数
のアンテナを垂直方向に配置し、垂直方向の順に各アン
テナに対する給電位相をシフトさせる移相器を備え、複
数のアンテナによる合成ビームの仰角・俯角を略一定に
保つように、各アンテナの正面方向の仰角・俯角を検出
する機構と、移相器による移相量を調節する機構とを機
械的に連動させる。

【００１１】また、この発明のレーダアンテナは、前記
複数のアンテナに対する給電線路を導波管で構成すると
ともに、該導波管の途中に移相器を設けて、前記給電位
相をシフトさせるように構成する。

【００１２】また、この発明のレーダアンテナは、前記
移相器が複数のアンテナへの送信信号の位相をシフトさ
せて、送信ビームの仰角・俯角を一定に保つようにす
る。

【００１３】また、この発明のレーダアンテナは、前記
移相器が複数のアンテナからの受信信号の位相をシフト
させて、受信ビームの仰角・俯角を一定に保つようにす
る。

【００１４】また、この発明のレーダアンテナは、前記
移相器が複数のアンテナへの送信信号の位相および受信
信号の位相をシフトさせて、送信ビームおよび受信ビー
ムの仰角・俯角を一定に保つようにする。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１はレーダアンテナのビームの
仰角・俯角制御の原理について示している。図１におい
て、座標軸ｚは垂直方向（鉛直方向）、ｙは水平面内に
おける正面方向、ｘは水平面内におけるｙ軸に直角な方
向である。１ａ，１ｂ，１ｃはそれぞれアンテナであ
り、単体ではｘ軸方向のビーム幅が例えば１．５°程度
と狭く、ｚ軸方向のビーム幅が２０°程度と広い。これ
らのアンテナを、それぞれの正面方向を揃えて垂直方向
に重ねるように配置している。

【００１６】図中の実線で示す平行線は、３つのアンテ
ナ１ａ，１ｂ，１ｃに対して同位相で給電した時に放射
される電磁波の等位相面を表わしている。３つのアンテ
ナ１ａ〜１ｃに対する給電位相を変えることなく、この
３つのアンテナからなるレーダアンテナが動揺して、
（Ａ）または（Ｃ）に示すように正面方向の仰角・俯角
が変化すると、破線の平行線で示すように、それに伴っ
て、ビームの仰角・俯角が変化することになる。

【００１７】ここで、アンテナ間の距離をｐ、仰角・俯
角をθとすれば、隣接するアンテナ間での電磁波の放射
位相の位相差Δφは、 ［数１］ Δφ＝ｐ・ｓｉｎθ・２π／λ となる。したがって、この位相変化分を打ち消すよう
に、各アンテナに対する給電位相を制御すれば、レーダ
アンテナが動揺しても、図１の（Ｂ），（Ｄ）に示すよ
うに、常にｙ軸方向にビームを向けることができる。す
なわち、例えば図１の（Ａ）に示すようにアンテナの正
面方向の仰角がθ１であるとき、給電信号Ｓｂの位相
を、Δφ１＝ｐ・ｓｉｎθ１・２π／λで求められる位
相Δφ１だけＳａより遅らせ、給電信号Ｓｃの位相をＳ
ｂよりΔφ１だけさらに遅らせればよい。また、図１の
（Ｃ）に示すようにアンテナの正面方向の俯角がθ２で
あるとき、給電信号Ｓｂの位相を、Δφ２＝ｐ・ｓｉｎ
θ２・２π／λで求められる位相Δφ２だけＳｃより遅
らせ、給電信号Ｓａの位相をＳｂよりΔφ２だけさらに
遅らせればよい。

【００１８】なお、各アンテナに対する給電位相をその
配列順に一定位相差で給電すれば、水平面に対して一定
の仰角・俯角方向にビームが向くので、上記動揺があっ
ても、各アンテナに対する給電位相をその配列順に一定
位相差で給電するように制御すれば、０度ではない一定
の仰角・俯角方向に常にビームを向けることもできる。

【００１９】上述の例では、送信信号の位相をシフトさ
せることによって、送信ビームの向きを制御する場合に
ついて示したが、アンテナの可逆定理により、上記給電
位相を受信信号の位相として扱えば、同様にして受信ビ
ームの向きを制御することができる。

【００２０】図２は、上記給電位相をシフトさせて移相
給電を行うための構成を示すレーダアンテナのブロック
図である。（Ａ）に示す例では、３つのアンテナ１ａ，
１ｂ，１ｃのうち２つのアンテナに対する給電線路に移
相器２ａ，２ｂを設けている。図中３はロータリジョイ
ントであり、給電線路である導波管同士を回転自在に接
続する。図２に示す例では、単一の導波管について接続
する１ポートのロータリジョイントを用い、ロータリジ
ョイント３とアンテナ１ａ，１ｂ，１ｃとの間に電力分
配・合成器４を設けている。

【００２１】図２の（Ｂ）は、２つのアンテナ１ａ，１
ｂを用いた例であり、２つのアンテナ間での給電位相に
移相差を持たせるために単一の移相器２を設けている。
その他の構成は（Ａ）の場合と同様である。

【００２２】図３は、上記移相給電のためのもう１つの
構成例を示すレーダアンテナのブロック図である。この
例では、マルチポートのロータリジョイント３を用い
て、ロータリジョイントと送受信部との間に移相器を設
けている。（Ａ）は３つのアンテナ１ａ，１ｂ，１ｃを
備えた例、（Ｂ）は２つのアンテナ１ａ，１ｂを備えた
例である。

【００２３】図４は、図２の（Ｂ）に示した構成のレー
ダアンテナについて、その構造上の具体例を示す図であ
る。図４において１ａ，１ｂは、それぞれ導波管壁に複
数のスロットを形成した導波管スロットアンテナであ
る。これらのアンテナの導波管は一方の端部から給電線
路として延長していて、その一方の途中に移相器２を設
けている。この例では、ロータリジョイント３の入出力
部は、それぞれ１ポートであるので、ロータリジョイン
ト３のアンテナ側ポートに電力分配・合成器４を構成し
ている。

【００２４】図５は、図３の（Ｂ）に示した構成のレー
ダアンテナについて、その構造上の具体例を示す図であ
る。ここで１ａ，１ｂは、図４に示したものと同様に、
それぞれ導波管スロットアンテナである。３はロータリ
ジョイントであるが、この例では２ポートのロータリジ
ョイントであり、１つのポートをアンテナ１ａに、他の
ポートをアンテナ１ｂに、それぞれ導波管を介して給電
している。ロータリジョイント３と送受信部との間の２
つの導波管の一方には移相器２を設けている。また、こ
の２つの導波管部分と送受信部との間に電力分配・合成
器４を構成している。

【００２５】図６は、移相器の構成例を示している。
（Ａ）はその回路図、（Ｂ）はその一部の構造を示す斜
視図である。（Ａ）において、５は導波管型のサーキュ
レータである。（Ｂ）はこのサーキュレータ５のポート
＃２から延びる導波管に、経路長を違えて３つのｐｉｎ
ダイオード６ａ，６ｂ，６ｃを配置した様子を示してい
る。このように、導波管の途中の所定位置に電界方向を
短絡する向きにｐｉｎダイオード６ａ，６ｂ，６ｃを配
置している。このような構造により、オン状態のｐｉｎ
ダイオード位置で伝搬信号の反射が生じる。これらのｐ
ｉｎダイオードは、バイアス電圧によってオン・オフ制
御する。バイアス電圧を供給する回路は従来用いられて
いる通常のバイアス回路で構成できる。

【００２６】今、ｐｉｎダイオード６ａがオン状態であ
る時、サーキュレータ５のポート＃１に対して送信信号
Ｔｘが入力されると、Ｌａで示す経路で送信信号が伝搬
される。同様に、ｐｉｎダイオード６ｂがオン状態であ
ればＬｂで示す経路で、６ｃがオン状態であればＬｃで
示す経路で、それぞれ送信信号が伝搬される。これらの
３つのｐｉｎダイオードがすべてオフ状態であれば、Ｌ
ｄで示す経路で送信信号が伝搬される。したがって、こ
れらの複数のｐｉｎダイオードのオン・オフ状態によっ
て送信信号の経路長を切り替えることができ、結果的に
アンテナに対する給電位相を切り替えることができる。

【００２７】アンテナからの受信信号Ｒｘは、サーキュ
レータ５のポート＃３からポート＃１方向へ伝搬され
る。したがって、この例では受信信号については移相制
御されない。受信信号についても移相制御するために
は、例えば４ポートのサーキュレータを用いて、第４の
ポートに、図６に示したポート＃２に接続した回路と同
様のｐｉｎダイオードによる反射回路を設け、反射点ま
での経路長を切り替えるように構成すればよい。また、
サーキュレータ５の旋回方向を逆にすれば、上述の経路
長の変化が受信信号について生じ、受信信号を移相制御
することができる。

【００２８】図７は、機械的な構造で移相制御する移相
器の構成を示す図である。ここで７は方形導波管であ
り、その開口面側から見た状態を示している。８は方形
導波管の長辺方向の長さを変化させるようにした可動導
体壁である。この可動導体壁８の導波管７に対する位置
制御によって、いわゆるスクイーズセクションと同様の
原理により管内波長を変化させ、結果的に位相をシフト
させる。したがって、この移相器で所定の移相量を得る
ように、可動導体壁の位置制御を行う制御回路と制御機
構を付加すればよい。

【００２９】図８は、２ポートのロータリジョイントの
構成例を示している。図８において、７１ａ，７１ｂは
２つの入力ポートとしての方形導波管、７３ａ，７３ｂ
は２つの出力ポートとしての方形導波管である。導波管
７１ａ，７１ｂのフランジ部Ｆには送受信部の導波管を
接続する。導波管７３ａ，７３ｂのフランジ部Ｆにはア
ンテナへの導波管を接続する。図中、７２ｂは、その周
囲の円筒状導体との間に断面リング状の空間を構成する
円筒状導体である。この空間が１つの導波管として作用
する。また、導波管７２ａは、その周囲の円筒状導体７
２ｂとの間に断面リング状の空間を構成する円柱状導体
である。この空間がもう一つの導波管として作用する。
このように断面リング状を成す２つの同軸配置した導波
管によって２つの信号を伝搬させるように構成してい
る。

【００３０】図９は上記移相器を用いた移相制御によっ
て、アンテナの動揺に関わらず、ビームの仰角・俯角を
一定に保つようにするための制御系の構成を示すレーダ
アンテナのブロック図である。ここで、アンテナ１ａ，
１ｂ、移相器２およびロータリジョイント３部分の構成
は、図３の（Ｂ）または図５に示した構成と同様であ
る。アンテナ角度検出部１１は、船首方位に対するアン
テナ１ａ，１ｂの正面方向のなす角度を検出する部分で
あり、アンテナの正面が船首方位を向いた時に発生され
るヘディングパルスと、アンテナが所定の角度回転する
毎に発生されるベアリングパルスを入力して、船首方位
からの回転角度をカウントする。ピッチ角センサ１２は
船体のピッチング角度を検出するセンサ、ロール角セン
サ１３は船体のローリング角度を検出するセンサであ
る。それぞれ加速度センサと積分回路などから構成して
いる。移相量算出部１４は、アンテナ角度検出部１１で
検出されたアンテナの船首方位を基準とする角度、ピッ
チ角センサ１２により求められたピッチング角度、およ
びロール角センサ１３により求められたローリング角度
から、アンテナ１ａ，１ｂの正面方向の仰角・俯角θを
求め、さらにそのθ分の補正を行うために、移相器２へ
与える移相量Δφを［数１］に基づき算出する。

【００３１】この移相制御により、アンテナ１ａ，１ｂ
の正面方向の仰角・俯角を略０°に保つ。なお、この保
つべき仰角・俯角は必ずしも０°である必要はない。ア
ンテナ１ａ，１ｂの正面方向の仰角・俯角を取付構造で
予め定めておくことにより、または移相器２に与える移
相量に予めオフセットを与えることにより、０°以外の
角度に設定することもできる。

【００３２】送受信部１５は、所定の時間間隔でアンテ
ナ方向へパルス状電波を送出する。タウンコンバータ１
６は、送受信部１５から出力された受信信号を中間周波
信号ＩＦに周波数変換して指示器へ送出する。

【００３３】図１０はアンテナの仰角・俯角の検出機構
と、それに応じた移相制御の機構とを連動させたレーダ
アンテナの主要部の構成を示す図である。図１０におい
て、７ａ，７ｂは２つのアンテナへの給電用導波管であ
る。一方の導波管７ｂには、その長辺方向の寸法を調節
する導体壁８を設けていて、錘８１およびリンク機構８
２によって、導波管７ｂに対する錘８１の相対的な角度
変化に応じて、導体壁８が導波管の長辺方向にスライド
するように構成している。

【００３４】今、このレーダアンテナを搭載した船体の
動揺により、ｘ軸廻りの回転、すなわち、アンテナの正
面方向の仰角・俯角に変動が生じると、それに応じて導
体壁８が移動する。この導体壁８の移動量と、導波管７
ｂを経由して給電されるアンテナへの給電位相の制御に
より、アンテナの正面方向の仰角・俯角が一定に保たれ
るように、上記仰角・俯角に対する導体壁８の移動方向
および移動量が適切になるようにリンク機構８２の構造
を定める。

【００３５】なお、以上に示した各実施形態では、垂直
方向に２つまたは３つのアンテナを配置した例を示した
が、同様にして４つ以上のアンテナを配置してもよい。
また、以上に示した各実施形態では、給電線路として導
波管を用い、導波管の信号伝搬途中に移相器を設けた
が、マイクロストリップラインや誘電体線路など、他の
伝送モードの給電線路を用いて、その給電線路の途中に
移相器を設けてもよい。

【００３６】

【発明の効果】この発明によれば、複数のアンテナを垂
直方向に配置し、垂直方向の順に各アンテナに対する給
電位相をシフトさせる移相器と、各アンテナの正面方向
の仰角・俯角に応じて、ビームの仰角・俯角を略一定に
保つように、移相器による移相量を制御する手段を設け
たことにより、レーダアンテナを搭載した船舶が動揺し
ても、常に略一定の仰角・俯角で物標の探知を行うこと
ができる。

【００３７】また、この発明によれば、上記アンテナの
回転面の傾きと該アンテナの方位に基づいて、アンテナ
の正面方向の仰角・俯角を検出するように構成したこと
により、アンテナの正面方向の方位に関わらず、常に略
一定の仰角・俯角で物標の探知を行うことができる。

【００３８】また、この発明によれば、複数のアンテナ
を垂直方向に配置し、垂直方向の順に各アンテナに対す
る給電位相をシフトさせる移相器を備え、ビームの仰角
・俯角を略一定に保つように、各アンテナの正面方向の
仰角・俯角を検出する機構と、移相器による移相量を調
節する機構とを連動するように構成したことにより、ア
ンテナの回転面の傾きとアンテナの方位を検出する必要
がなく、移相器の移相量制御のための電気的な回路も不
要となる。その結果、全体の構成をより簡素化すること
ができる。

【００３９】また、この発明によれば、上記給電位相
を、複数のアンテナに対する給電線路である導波管の信
号伝搬途中に設けた移相器でシフトさせるように構成し
たことにより、移相器を設けるための専用のスペースも
必要なく、また同一構成のアンテナを垂直方向に配置す
るだけでよく、全体の構造を簡素化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るレーダアンテナにおける移相制
御とビームのチルト角との関係を示す図

【図２】給電位相をシフトさせて移相給電を行うための
構成を示すレーダアンテナのブロック図

【図３】移相給電のためのもう１つの構成例を示すレー
ダアンテナのブロック図

【図４】レーダアンテナの構造上の具体例を示す図

【図５】レーダアンテナの構造上の他の具体例を示す図

【図６】移相器の構成を示す図

【図７】移相器の他の構成を示す図

【図８】２ポートロータリジョイントの構成を示す断面
図

【図９】レーダアンテナの制御系の構成を示すブロック
図

【図１０】アンテナの仰角・俯角の検出機構と、移相制
御の機構とを連動させたレーダアンテナの主要部の構成
を示す図

【符号の説明】

１−アンテナ ２−移相器 ３−ロータリジョイント ４−電力分配・合成器 ５−サーキュレータ ６−ｐｉｎダイオード ７−導波管 ８−導体壁 ７１，７３−導波管 ７２−導体 ８１−錘 ８２−リンク機構

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5J021 AA02 AA03 AA11 CA02 DA02 DB03 DB06 EA03 FA02 FA07 FA13 FA31 FA32 GA01 HA04 HA09 JA07 5J045 AA21 AB05 BA02 DA04 FA02 GA03 HA01 JA17 JA18 NA07

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 垂直方向に配置した複数のアンテナと、
   垂直方向の順に各アンテナに対する給電位相をシフトさ
   せる移相器と、各アンテナの正面方向の仰角・俯角に応
   じて、前記複数のアンテナによる合成ビームの仰角・俯
   角を略一定に保つように、前記移相器による移相量を制
   御する手段とを設けたレーダアンテナ。
2. 【請求項２】 前記アンテナの回転面の傾きと前記アン
   テナの正面方向の方位とに基づいて、前記アンテナの正
   面方向の仰角・俯角を検出するようにした請求項１に記
   載のレーダアンテナ。
3. 【請求項３】 複数のアンテナを垂直方向に配置し、垂
   直方向の順に各アンテナに対する給電位相をシフトさせ
   る移相器を備え、前記複数のアンテナによる合成ビーム
   の仰角・俯角を略一定に保つように、前記各アンテナの
   正面方向の仰角・俯角を検出する機構と、前記移相器に
   よる移相量を調節する機構とを連動させたレーダアンテ
   ナ。
4. 【請求項４】 前記複数のアンテナに対する給電線路を
   導波管で構成するとともに、該導波管の途中に移相器を
   設けて、前記給電位相をシフトさせるようにした請求項
   １、２または３に記載のレーダアンテナ。
5. 【請求項５】 前記移相器は、前記複数のアンテナへの
   送信信号の位相をシフトさせて、送信ビームの仰角・俯
   角を一定に保つようにした請求項１，２または４に記載
   のレーダアンテナ。
6. 【請求項６】 前記移相器は、前記複数のアンテナから
   の受信信号の位相をシフトさせて、受信ビームの仰角・
   俯角を一定に保つようにした請求項１，２または４に記
   載のレーダアンテナ。
7. 【請求項７】 前記移相器は、前記複数のアンテナへの
   送信信号の位相および前記複数のアンテナからの受信信
   号の位相をそれぞれシフトさせて、送信ビームおよび受
   信ビームの仰角・俯角を一定に保つようにした請求項１
   〜４のうちいずれかに記載のレーダアンテナ。