JP2007251663A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フェーズドアレイ方式に比べて安価な反射鏡方式のアンテナで、且つ、データレートを短縮し、形状の大型化を回避できるアンテナ装置を提供する。
【解決手段】機械的な回転駆動機構１４上に設置された反射面が湾曲し線状の複数の焦点（線）を有する反射鏡１１、１２と、前記回転駆動機構１４上の前記反射鏡の複数の焦点（線）にそれぞれ設置され、ＴＲＭ１５により仰角方向にビームの電子走査が可能な複数のアレイアンテナでなる一次放射器１３と、を備え、互いに異なる方位のマルチビームを形成する。長距離捜索レーダ装置として適用可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は捜索レーダ用等のアンテナ装置に関し、特に航空機等の飛翔体を地上で管制、監視するレーダ等の長距離用レーダ装置に適用可能なアンテナ装置に関する。

飛翔体を地上で管制、監視するレーダ等の長距離用レーダ装置としてフェーズドアレイ方式のアンテナ装置が知られている。

図６は従来のフェーズドアレイ方式のアンテナ装置を示す図である。円筒状の周面にアンテナ素子１０１をアレイ配列し、送受信信号を位相制御することにより全周方向及び仰角方向にビームを形成して目標の探索を行うことを可能としたアンテナ装置である。

図７は従来の他のフェーズドアレイ方式のアンテナ装置を示す図である。平面状に放射素子を並べたフェーズドアレイアンテナを異なる方向に複数面用いて全方位方向及び仰角方向を電子走査するように構成したものである。

ところが、図６、７に示すようなフェーズドアレイ方式のアンテナ装置は、周面に膨大なアンテナ素子１０１を配置して使用するためアンテナ素子に直結する送受信モジュール（ＴＲＭ）も合わせて数量が増加し、著しく高価となるという難点がある。

そこで、前記フェーズドアレイ方式に比べて安価に提供可能なアンテナ装置として、アレイ配列したアンテナ素子でなる平面アンテナや、パラボラアンテナとアンテナ素子のアレイ配列とを併用したアンテナを機械的に回転するように構成したものもある。

しかし、これらのアンテナ装置では特定方向のデータは１周毎でのみ取得可能なものであり全方位方向及び仰角方向のデータ取得速度としてのデータレートが低いという問題がある。

図８、９はかかる点を改良したアンテナ装置の原理を示す図である。図８は機械的な回転駆動装置１１３上に２つの平面状フェーズドアレイアンテナ１１１、１１２を搭載する平面アンテナ構造とし、図６、７に示すフェーズドアレイ方式に比べてアンテナ素子を少なくし、複数ビームを形成することによりデータレートを向上させように構成したものである（特許文献１参照）。

図９は機械的な回転駆動装置２１４上に一次放射器２１３と主副反射鏡２１１、２１２からなるパラボラアンテナを背中合わせに複式搭載するアンテナ構造とした例である。仰角方向はフェーズドアレイ方式としているが、アンテナ素子を大幅に減らすことができるから比較的安価に構成でき、データレートの向上をも図ることも可能である（特許文献２参照）。
特開２００３−２０７５５９号公報 特開平８−２２０２１３号公報

レーダ用アンテナ装置としてはフェーズドアレイ方式のものが多く用いられているが、この方式のアンテナ装置では開口面に放射素子及びその各素子に接続される送受信モジュール（ＴＲＭ）が必要となるため、特に長距離をカバーするレーダでは利得を上げるため広い開口となり、膨大な数の素子及びＴＲＭが必要になり装置全体が高価となる。

これに対し、パラボラ形状のアンテナを回転機構上に搭載したアンテナ装置は安価に提供できるが、長距離レーダ等に使用した場合、アンテナ利得を上げるためにビーム幅が狭くなることもあり捜索面を走査する時間が長くなるため、目標物を捕らえる時間間隔（データレート）が延びて、捜索、追尾に支障をきたすという問題がある。

また、図８に示すような平面形状あるいは図９に示すようにパラボラ形状のアンテナを回転機構上に複式搭載してアンテナ素子を減らすとともに、データレートを向上する事も行われているが、このようなアンテナ構成では装置全体が大型化するという問題がある。

（発明の目的）
本発明の目的は、以上の問題を解決するものであり、フェーズドアレイ方式に比べて安価な反射鏡方式のアンテナで、データレートを向上させ、形状の大型化を回避できるアンテナ装置を提供することにある。

本発明のアンテナ装置は、上記の目的を達成するために、機械的に水平面内を回転する回転駆動機構の上に、一式の反射鏡で開口を共用して複数のビームを形成する複数のアンテナを搭載する。例えば長距離レーダ装置等において、機械的に水平面内を回転する回転駆動機構を有し、この回転により方位の目標走査が可能な一式の反射鏡で複数のビーム（マルチビーム）を形成するマルチビームアンテナ装置を構成し、データレートの向上を図る。

前記マルチビームアンテナ装置は複数の焦点（線）を有するパラボラあるいは円弧の曲線をもつ反射鏡が使用され、開口を共用して複数のビームを形成する。また、マルチビームアンテナ装置は１つのビームの３ｄＢ幅にほぼ等しい離角でビームが並べられる。更に、一次放射器を構成するアンテナとしては垂直に素子を並べて仰角方向のビームを電子走査することが可能なフェーズドアレイを複数列並べて構成する。

本発明のアンテナ装置は、機械的な回転駆動機構上に設置された反射面が湾曲し線状の複数の焦点（線）を有する反射鏡と、前記回転駆動機構上の前記反射鏡の焦点にそれぞれ設置された複数のアレイアンテナと、を備え、互いに異なる方位にビームを形成することを特徴とする。ここで反射鏡はパラボラあるいは円弧の曲線をもつ反射鏡として、例えば空間方向に反射面を有する主反射鏡と、前記主反射鏡の反射面方向に反射面を有する副反射鏡とで構成する。また、前記複数のアンテナは、例えば前記主反射鏡の反射面に設置され、異なる方位のビームは、例えば１つのビームの３ｄＢ幅にほぼ等しい離角で並べられたマルチビームとして形成され、更に前記複数のアンテナは、仰角方向にビームの電子走査が可能なアレイアンテナとし、前記複数のアレイアンテナは仰角方向に同時に電子走査され、仰角方向の１走査周期の間に前記回転駆動機構は前記ビームの３ｄＢ幅×アレイアンテナの個数の角度回転し、長距離レーダ装置に好適なアンテナ装置として構成される。

（作用）
一式の回転反射鏡と複数のアンテナとの組み合わせにより開口面を共用して同時に複数方位を捜索可能とし、更に複数のアンテナをアレイアンテナとして、全方位方向及び仰角の捜索を行う。

本発明によれば、一式の反射鏡で開口を共用し方位方向の複数のビームを形成する構成を採用したことにより、複式の反射鏡を用いる方式に比べて装置の小型化が実現され、簡単な構成で全周方向に目標の探索を行うことが可能であり、しかもマルチビームの形成によりデータレートを向上させることが可能である。

また、反射鏡はパラボラあるいは円弧の曲線をもつ反射鏡等の主副反射鏡等の使用により形状を大型化することなく指向性等の性能向上を実現させることが可能である。

更に、複数（Ｎ個）のアンテナをリニアアレイとし、仰角方向に同時に電子走査可能とすることにより、全周方向の指定仰角方向の目標探知への適用が可能である。円筒状のフェーズドアレイ等のアンテナ装置に比べて反射鏡タイプのアンテナは部品点数が少ないので長距離レーダ装置等のアンテナ装置として安価に製作することが可能である。

特に、ビーム幅にほぼ等しい離隔でマルチビームを形成することにより実効ビーム幅が広がり水平回転速度を上げることができるからデータレートを格段に向上させることが可能である。例えば、マルチビームを１つのビームの３ｄＢ幅にほぼ等しい離角で並べ、複数のリニアアレイアンテナの仰角方向の電子走査を同時に行うと、回転駆動機構は仰角方向の１走査周期の間に前記ビームの３ｄＢ幅×アレイアンテナの個数（Ｎ個）の角度回転するアンテナ装置となり極めて高速な目標探知が可能な長距離レーダ装置を構成することができる。

（構成の説明）
次に、本発明のアンテナ装置として捜索レーダ用アンテナの実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の一実施の形態の構成を示す図であり、（イ）は外観斜視図、（ロ）はフェーズドアレイの給電系統図である。

本実施の形態のアンテナ装置は、主反射鏡１１、副反射鏡１２、一次放射器１３、回転駆動装置１４及び送受信モジュール（ＴＲＭ）１５から構成される。回転駆動装置１４は固定部と該固定部上面の回転盤でなる可動部とからなり、該可動部を固定部上面の平面上で回転（固定部上面に直角な軸の回りに回転）させる機構である。前記可動部上には前記主反射鏡１１、副反射鏡１２、一次放射器１３及びＴＲＭ１５が搭載され、可動部の回転によりビームが回転する捜索レーダ用アンテナが構成される。

本実施の形態では、主反射鏡１１の反射面（開口側）に一次放射器１３が設置され、一次放射器１３はその背面側、つまり主反射鏡１１の背面に設置したＴＲＭ１５から給電される。主反射鏡１１の前方には副反射鏡１２が反射面を主反射鏡１１側に面して設置されている。各部の構成、機能を電波の放射の例で説明すると以下のとおりである。

一次放射器１３は縦方向に複数列並べられた送受信用のアンテナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃでなり、副反射鏡１２は一次放射器１３から放射された電波を反射して能率よく主反射鏡１１に照射する反射器である。

主反射鏡１１は水平方向の断面形状がパラボラあるいは円弧の曲線を有し、副反射鏡１２からの電波を収束して鋭いビームを形成する反射器である。主反射鏡１１又は主反射鏡１１と副反射鏡１２の組み合わせにより、前記一次放射器１３を構成する各アンテナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃの位置に方位別の焦点である平行な線状の隣接する複数の焦点（線）が形成される。前記各焦点（線）にそれぞれ縦方向に複数列並べられた各アンテナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃと主反射鏡１１と副反射鏡１２により、それぞれの方位指向性が異なるマルチビームが形成される。かかる反射鏡は典型的には多焦点パラボラアンテナの鏡面修正の技術により製作することが可能である。

また、一次放射器１３の各アンテナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃは具体的には前記各焦点（線）の位置に、例えば電磁ホーン、ダイポール等のアンテナ素子（放射素子）を縦方向に複数（Ｎ）列並べたフェーズドアレイアンテナとして構成し、各列の放射素子はＴＲＭ１５に内蔵された移相器によりそれぞれの垂直指向性が制御可能に構成する。

ＴＲＭ１５はフェーズドアレイアンテナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃの指向性を制御する移相器を内蔵した部品であり、本実施の形態ではＮ列の放射素子の信号の位相を同時に制御して仰角方向の電子走査を行う。但し、ＴＲＭ１５の詳細構成は当業者にとってよく知られている事項であるから詳細な説明は省略する。

以上の構成により主反射器１１、副反射鏡１２及び一次放射器１３により高利得のアンテナ装置を実現するとともに、主反射鏡１１は水平指向性のビームを形成し、一次放射器１３は垂直指向性のビームを形成してマルチビームアンテナとして稼動する。なお、以上の構成、動作は電波の受信時も基本的に同様であり、一次放射器を電波の受信に使用することにより受信時のマルチビームの形成が実現される。

（動作の説明）
次に図２、図３を参照して本実施の形態のビーム走査について説明する。
図２はシングルビームの場合を示す図であり、図３は本実施の形態のマルチビーム（３ビーム）の場合を示す図である。

図２（イ）は一次放射器１３のアンテナ素子が１列のアレイアンテナで構成された場合の指向性を示しており、特性ａは主反射鏡１１による水平指向性であり、特性ｂは主反射鏡１１の指向性と一次放射器１３のアレイアンテナによる指向性とにより形成されるビームの垂直断面の特性である。

図２（ロ）はＴＲＭ１５による信号の位相の制御によるビームの走査及び方位走査を示している。１回目の走査が下限からスタートして上限まで達すると再び下限にもどり、２回目の走査が行われる。この仰角走査が行われている時、方位は回転駆動装置１４により一定速度で変化（回転）する。そして１回の仰角走査に必要な時間の方位の変化はビーム幅に等しい角度となる。

図３（イ）は、一次放射器１３を垂直にアンテナ素子を並べて仰角方向のビームを電子走査することが可能な３列のアレイアンテナとして構成した例であり、同図では約３ｄＢのビーム幅で隣接した３つのビームが同時に形成されている。図３（ロ）はＴＲＭ１５による３列のアレイアンテナに対する信号の位相の制御によるビームの仰角走査及び方位走査の例を示している。仰角走査は３列のアレイアンテナのアンテナ素子を同時に下限から上限に向けて行う。

本実施の形態の場合、３つのビーム単位で１回目の走査が下限からスタートして上限まで達すると再び下限にもどり、２回目の走査が行われる。この仰角走査が行われている時、方位は回転駆動装置１４により一定速度で変化（回転）するが、１回の仰角走査に必要な時間に方位の変化として、ビーム幅×ビーム数の角度に設定される。

図３から明らかなように本実施の形態のマルチビームにより実効ビーム幅がビーム数倍となり回転駆動装置１４の回転速度を上げることが可能となるから同一目標を補足する時間間隔（データレート）が短縮される。

（発明の他の実施の形態）
以上の実施の形態では、Ｎ個のリニアアレイを主反射鏡の前面の中央に配置した例を示したが、かかるアレイアンテナの位置は中央から反射面上で左右に偏移させたオフセット構造とすることが可能である。この場合、反射鏡で決まる複数の焦点（線）が当該アレイアンテナの位置に形成されるように反射鏡の反射面の湾曲形状と配置が決定される。また、アレイアンテナを反射面外に配置することも可能である。

図４はオフセット型のアンテナ装置の実施の形態を示す図である。主反射鏡２１と副反射鏡２２による焦点位置を主反射鏡２１の反射面外に形成し、当該箇所又はその近傍に複数のアンテナ素子でなるＮ個のリニアアレイ２３を設置している。リニアアレイ２３はその背面に設けたＴＲＭ２５から給電される。また、ＴＲＭ２５へのＲＦ信号の伝送は回転駆動機構２４内を介して行われるように構成する。本実施の形態により装置の小型化が可能であるとともに、反射鏡の実効的な開口を大きくすることが可能である。更にリニアアレイ２３が反射鏡を覆わないためビームのサイドローブ特性を損なうことがない。

また、以上の実施の形態では、アンテナ装置の反射鏡を主反射鏡と副反射鏡の２つの反射鏡で構成した例を説明したが、単一の反射鏡によるアンテナ装置を構成することが可能である。

図５は単一反射鏡を用いた実施の形態を示す図である。同図に示すように、単一の反射鏡３１を使用し、その複数の焦点（線）の位置にそれぞれ複数のアンテナ素子でなるＮ個のリニアアレイ３２を隣接配置して構成する。図４と同様にリニアアレイ３２はその背面に設けたＴＲＭ３５から給電される。また、ＴＲＭ３５へのＲＦ信号の伝送は回転駆動装置３４内を介して行われるように構成する。

本発明の一実施の形態の構成を示す図であり、（イ）は外観斜視図、（ロ）はフェーズドアレイの給電系統図である。 シングルビームの走査動作を示す図であり、（イ）は水平面指向性、（ロ）は仰角走査の状況である。 マルチビームの走査動作を示す図であり、（イ）は水平面指向性、（ロ）は仰角走査の状況である。 オフセット型のアンテナ装置の実施の形態を示す図である。 単一反射鏡を用いた実施の形態を示す図である。 円筒状フェーズドアレイアンテナの従来例を示す図である。 他のフェーズドアレイアンテナの例を示す図である。 平面状フェーズドアレイアンテナを同方向に複数面用いた従来例を示す図である。 パラボラアンテナを複数面用いた従来例を示す図である。

符号の説明

１１、２１、３１、２１１ 主反射鏡
１２、２２、２１２ 副反射鏡
１３、２３、３２、２１３ 一次放射器
１４、２４、３４、１１３、２１４ 回転駆動装置
１５、２５、３５ Ｔ／Ｒモジュール（ＴＲＭ）
１０１、１０２ アンテナ素子
１１１、１１２ フェーズドアレイ
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ アンテナ

Claims (12)

1. 機械的に水平面内を回転する回転駆動機構の上に搭載した一式の反射鏡と前記反射鏡の開口を共用した複数のアンテナにより方位方向のマルチビームを形成したことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記反射鏡は複数の焦点（線）を有するパラボラあるいは円弧の曲線をもつ反射鏡であることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記複数のアンテナは垂直に素子を並べて仰角方向にビームを電子走査可能なフェーズドアレイであることを特徴とする請求項１又は２記載のアンテナ装置。
4. 機械的に水平面内を回転する回転駆動機構上に設置された複数の焦点（線）を有する反射鏡と、前記回転駆動機構上の前記反射鏡の複数の焦点（線）にそれぞれ設置された複数のアンテナと、を備え、互いに異なる方位にビームを形成することを特徴とするアンテナ装置。
5. 前記反射鏡は、パラボラあるいは円弧の曲線をもつ反射鏡であることを特徴とする請求項４記載のアンテナ装置。
6. 前記反射鏡は、空間方向に反射面を有する主反射鏡と、前記主反射鏡の反射面方向に反射面を有する副反射鏡とで構成されたことを特徴とする請求項４又は５記載のアンテナ装置。
7. 前記複数のアンテナは、前記主反射鏡の反射面に設置されたことを特徴とする請求項６記載のアンテナ装置。
8. 異なる方位のビームは１つのビームの３ｄＢ幅にほぼ等しい離角で並べられたマルチビームとして形成されたことを特徴とする請求項１ないし７の何れかの請求項記載のアンテナ装置。
9. 前記複数のアンテナは隣接配置されて一次放射器を構成することを特徴とする請求項４ないし８の何れかの請求項記載のアンテナ装置。
10. 前記複数のアンテナは、仰角方向にビームの電子走査が可能なフェーズドアレイであることを特徴とする請求項４ないし９の何れかの請求項記載のアンテナ装置。
11. 前記複数のフェーズドアレイは仰角方向に同時に電子走査され、前記回転駆動機構は仰角方向の１走査周期の間に前記ビームの３ｄＢ幅×フェーズドアレイの個数の角度回転することを特徴とする請求項１０記載のアンテナ装置。
12. 長距離レーダ装置に適用したことを特徴とする請求項１ないし１１の何れかの請求項記載のアンテナ装置。

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