JP2008252303A - アンテナ装置とアンテナ複合ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 機体搭載制約を極小化し、大開口化を実現して機体搭載用レーダ等の高性能化を可能とする。
【解決手段】 フレキシブルな基板Ａ１の表面に複数のアンテナ素子Ａ２を形成し、基板裏面の各アンテナ素子形成部下に送受信モジュールＡ３を形成してなるアンテナモジュールユニットＡと、フレキシブルな基板上にパルス電源回路を形成してなるパルス電源ユニットＣとを、軟性充填材シートＤを介して接合し、アンテナモジュールユニットＡの表面にアンテナ素子Ａ２に対向する領域が切り抜かれてなる外層板Ｂを装着してアンテナ複合ユニットを製造する。このアンテナ複合ユニットを複数個用いてフレキシブルで剛性のあるシート上に並べて配置し、各アンテナ複合ユニットに電源を供給してそれぞれの送受信高周波信号の入出力を制御する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、機体搭載用のレーダ装置、無線通信機器等に用いられ、送信及び受信を共用するアンテナ装置と、このアンテナ装置に利用されるアンテナ複合ユニットに関する。

近年、航空機の機体搭載用レーダ装置、無線通信機器等に用いられるフェーズドアレイアンテナ装置（以下、機体搭載用アンテナ装置）においては、レーダシステムの高性能化の要求の高まりから、高機能で高性能なアクティブフェーズドアレイ化への要求が高まっている。

しかしながら、空中線装置のアクティブフェーズドアレイ化は、従来のパッシブ方式のアンテナ装置に比べ、回路構成の複雑化に伴った寸法や質量など装置規模の増大が必然的に生じる。特に、電子装置に対する制約が厳しい機体搭載用レーダにおいては、レーダシステムに望まれる能力を実現する上で必要となるアンテナの開口長を確保することは、必ずしも実現することができない状況にあった。このような状況から、機体搭載用アンテナ装置のアクティブフェーズドアレイ化においては、特許文献１、２に示すようなアンテナの薄型層状構造化を図り、機体搭載制約を最小にする方法や、特許文献３に示すようなユニットの複合機能化により小型・軽量化を図り、同様に搭載制約の最小化を図る方法などが提案されてきた。

しかしながら、上記提案のアンテナ装置においても、大開口なアンテナ特性を実現するためには、搭載する部位に大きな設置スペースが必要となる。その上、機体の強度設計においては、骨格を構成する部材レベルから外板を構成する部材のレベルまで、全体としてバランスよく設計することが最も重要である。このことから、機体の強度設計においては、アンテナ自体が機械強度を有していることが大きな問題となり、実際には最初に設計される機体の大きさ、強度によってアンテナ開口長は制約を受け、実質的に大開口のアンテナによる高性能なレーダシステムを実現することは困難な状況であった。

また、アクティブフェーズドアレイでは発熱部品の冷却も重要である。従来は十分な冷却能力を確保するため、冷却液をアンテナ装置内に供給し冷却するといった、いわゆる液冷方式が採用されてきた。しかしながら、液冷方式では、冷却液を介してアンテナ装置より排熱された熱を冷やすための冷却装置が必要になる上、この冷却装置を駆動するための電源の容量が必要になるなど、機体側装置に対して空中線装置以外の装置規模の増大をもたらす。この結果、搭載可能なアンテナ装置の規模は、これら装置を含めた機体システム全体での規模から実現性を判断する必要があった。
特願平０８−１８６４３７号公報 特願平０８−１８６４２１号公報 特願平０９−２１４２３８号公報

以上述べたように搭載用アンテナ装置においては、空中線の開口長に比べてはるかに大きな機体を用意し、冷却装置や発電装置も大規模なものを用意する必要があった。このため、薄型層状構造化や小型・軽量化を実施するのみでは、レーダシステム等の高性能化を可能とするアンテナの大開口化には限界があった。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、機体搭載制約を極小化し、大開口化を実現して機体搭載用レーダ等の高性能化を可能とするアンテナ装置及びこのアンテナ装置に利用されるアンテナ複合ユニットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るアンテナ装置は、フレキシブルな第１の基板、この第１の基板の表面に形成される複数のアンテナ素子、前記第１の基板の裏面の前記複数のアンテナ素子形成部下にそれぞれ形成され、前記アンテナ素子の送受信高周波信号の増幅、位相を調整する複数の送受信モジュールを備えるアンテナモジュールユニットと、前記アンテナモジュールユニットの裏面側と対向配置され、前記第１の基板とは異なるフレキシブルな第２の基板、この第２の基板上に形成され、前記アンテナモジュールを給電するパルス電源回路を備えるパルス電源ユニットと、前記アンテナモジュールユニットと前記パルス電源ユニットとの間に充填され、前記第１の基板、第２の基板それぞれの曲げを吸収する軟性充填材シートと、前記アンテナモジュールユニットの前記アンテナ素子形成面側に積層され、前記アンテナ素子に対向する領域が切り抜かれてなる外層板とを具備するアンテナ複合ユニットを複数個用い、個々のアンテナ複合ユニットをフレキシブルで剛性のあるシート上に並べて配置してなるアンテナ配列部と、前記アンテナ配列部の複数のアンテナ複合ユニットに電源を供給する電源供給部と、前記アンテナ配列部の複数のアンテナ複合ユニットそれぞれの送受信高周波信号の入出力を制御する制御部とを具備し、前記アンテナ配列部、電源供給部、制御部が同一平面状にしてフレキシブルに接合されることを特徴とする。

上記構成によるアンテナ装置では、アンテナの大開口化に伴って生じる、機体全体の強度バランス設計との問題に対して、全体をアンテナ配列部、電源供給部、制御部に分割し、平板形状として互いに接合するようにし、アンテナ複合ユニットを、アンテナモジュールユニット、パルス電源ユニット、外層板の階層構造で形成し、さらにアンテナモジュールユニットとパルス電源ユニットとの間に軟性柔軟材シートを介在させて、ユニット全体のフレキシブル性を高めている。この構造によれば、機体の強度設計上無視できる程度の強度で、且つ、機体外板への取付が可能なフレキシビリティを有するアンテナ装置が実現可能となる。また、送受信モジュールで発生する熱は、アンテナ素子を介して機体外側で空冷によって放熱されるため、放熱のための発電装置や冷却装置が基本的に不要となり、必要な場合でもその規模を最小とすることができる。

以上のように、本発明では、アンテナ装置を任意の機体表面部位への機体搭載制約を極小化しているので、大開口化を実現することが可能となり、大開口のアンテナの実現による高性能なレーダシステム等が実現可能となる。また、本発明では、大開口なアンテナの実現は、既存の機体においても容易に可能となる。したがって、本発明によれば、機体搭載制約を極小化し、大開口化を実現して機体搭載用レーダ等の高性能化を可能とするアンテナ装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明に係るアンテナ装置の外観を示す斜視図である。このアンテナ装置は、アンテナ配列部１１の両側にそれぞれ電源供給部１２及び制御部１３を平面状に配置して一体化したものである。アンテナ配列部１１は、複数のアンテナ複合モジュール１１１をフレキシブルで剛性のあるシート１１２上に並べて配置したものである。電源供給部１２は、アンテナ配列部１１に電源を供給し、制御部１３は、アンテナ配列部１１の給電位相、送受信高周波信号の入出力等の制御を行う。上記複数のアンテナ複合モジュール１１１の間には、それぞれ柔軟性を有した充填材が埋め込まれる。

図２乃至図６は上記アンテナ複合モジュール１１１の具体的な構造を示すもので、図２は上記アンテナ複合モジュール１１１の外観を示す斜視図、図３はその断面図、図４は図３に示す構成品の展開図、図５、図６はそれぞれ図４に示すアンテナモジュールユニット、パルス電源ユニットの概略構成を示す斜視図である。

上記構造図面に示すように、アンテナ複合モジュール１１１は、アンテナモジュールユニットＡの上面に反射板・放熱板として機能する外層板Ｂを配置し、その下部にパルス電源ユニットＣを軟性柔軟材シートＤを介して接合した階層構造となっている。

アンテナモジュールユニットＡには、複数のアンテナ素子Ａ１がフレキシブルな基板Ａ２の表面に市松状に形成され、各素子Ａ１の基板裏面それぞれに各素子の送受信高周波信号の増幅、位相調整を行う送受信モジュールＡ３が配置される。外層板Ｂは金属製板で、アンテナ素子Ａ１に対向する領域が切り抜かれて成形されており、アンテナモジュールユニットＡとの接合時に、アンテナ素子Ａ１が外部に露出されて放熱部となり、他の部分が電波を反射する反射面として機能する。

パルス電源ユニットＣは、フレキシブルな基板にモジュールＡに送信用パルス電源を供給する回路部品を搭載したもので、アンテナモジュールユニットＡの下部に対向配置される。ここで、アンテナモジュールユニットＡ、パルス電源ユニットＣはいずれもフレキシブルな構造を有するが、両者を直接接合すると曲げに対する強度が低下してしまう。そこで、アンテナモジュールユニットＡとパルス電源ユニットＣとの間に軟性柔軟材シートＤを介在させる。これにより、アンテナ複合モジュール１１１に曲げの応力が加わった場合でも、軟性充填材シートＤによりその応力が吸収されるため、破損等のおそれがなくなる効果がある。

上記構成において、以下にその作用を説明する。

一般に、回路をフレキシブル化する場合、回路基板をフレキシブルな材料とすることで実現する手法がとられる。しかしながら、回路を構成する電子部品類は、現状では硬質である。近年、有機半導体などを用いたフレキシブルなＩＣ部品の実施例が見られるが、レーダのような高速応答性が高く、信頼性が要求される分野においては、多くの技術課題が未だ存在し、その適用は困難な状況にある。さらに、マイクロ波半導体のように、特性上の問題で、一般的な半導体部品とは素材そのものが異なるものにおいては、フレキシブル化の実現は今後も極めて困難な状況である。このように、実装する部品レベルでのフレキシブル化が困難なため、回路基板としてフレキシビリティを確保することは困難である。

そこで、本発明では、アンテナ複合モジュールを柔軟な充填材で被うことにより、全体としてフレキシビリティを確保する構造としている。

また、回路規模から単一の基板で実現できない場合などにおいては、複数の基板にて回路を構成することとなるが、これら複数の基板群を層状に単一化する際に如何にフレキシビリティを確保するかといった点が問題となる。これは、ハニカム構造のアンテナレドームなどにおいても見られるように、表面の薄いスキン材単品ではフレキシブル性を有していても、それを幾層も重ね単一化するとリジットなものとなってしまうという問題である。

この点においても、本発明では、多層構成となる基板間を、柔軟性を有した充填材シートで包み込み単一化することで、一体化した後にフレキシビリティを確保することを可能にしている。

このように本発明によれば、硬質な部品材料で構成される回路であっても、回路を構成する基板をフレキシブルな材料とするだけでなく、柔軟性を有した充填材を用いて一体化する。これによって、一体化した後のユニットにフレキシブル性を持たせることが可能となり、このフレキシブルな一体化ユニットによって空中線を実現することにより、全体としてフレキシビリティを有した、フェーズドアレイ空中線装置を実現することが可能となる。

一方、従来のアンテナ装置の排熱構造は、通常部品から発生する熱を放熱するための面と、この放熱面と接するように配置された冷却層と呼ばれる冷却面とを用意する。冷却層は内部を冷却用の空気もしくは液が流れる構造によって実現される。しかしながら、前述の通り、この方式では機体側の冷却システムの規模に影響を及ぼすだけでなく、電源の発電システムに対しても規模の増大をもたらし、アンテナ装置の構造としても複雑であり、薄型化にも限界があった。

これに対して、本発明においては、アンテナ素子の放射特性上必要となる電波反射面を放射面とし、そこへ外気を直列当ててアンテナ素子の下部から発生する熱を排熱する構造としている。この構造は、通常、航空機が高速で移動し多くの外気と接しているという点に着目したものである。さらに、航空機の飛行する高度が高くなるにつれて外気温は下がるので、冷却性能はよりいっそう高まる。

この、機体の外気を用いた、いわゆるラムエア空冷については、従来の航空機においても適用されている場合がある。しかしながら、通常は、電子部品類の冷却による冷却条件を一定の温度範囲に抑えること目的とし、電子部品に与える冷却風の温度や風量を調整するための、ダクト構造や空気圧縮装置やヒーター等が具備され、空中線の装置規模に対し大規模な冷却系装置が必要となっていた。

これに対しては、個々の部品の温度動作条件を緩慢にし、広範囲な温度の動作条件にてシステムの性能を保証し得るように、高周波のモニタ装置を追加して、リアルタイムにキャリブレーションを実施するとよい。さらには発熱部位から放熱部位までの熱抵抗を最適化して、低温の外気を直接冷却風として放熱面に当てて部品の冷却を図ると効果的である。例えば、図７に示すように、アンテナモジュールユニットＡの市松状に配列したアンテナ素子間のスペースを利用して、このスペース部分にヒートパスさせる熱抵抗部品Ａ４を配置して外層板Ｂに接触させることにより、空冷効果を実現することができる。

また、薄型・フレキシブル化した空中線装置の実現は、その特徴を生かした機体への装着方法といった課題が発生する。
一般的に、航空機の機体表面では、頭を平らにしたリベットを用いるなど、突起状の構造は空力性能への配慮から極力フラット化が望まれている。特に、翼の付け根等のように形状が変化する部位においては、なだらかな曲面構造とすることで空力性能の低下を防いでいる。このため、空中線装置が非常に薄くなった場合においても、取り付け部の周辺に発生する不連続な突起形状は、空中線装置に対して空力加熱による温度上昇といった問題を引き起こすだけでなく、航空機の飛行における安定性損なう大きな問題となる。

そこで、本発明においては、薄型・フレキシブル構造化したアンテナ装置を機体表面へ効果的に取り付ける方法を提案する。図８はその具体的な構造を示すもので、機体表面２１の曲面部分にアンテナ支持枠２２が装着される。このアンテナ支持枠２１は、周辺が機体の空力性能を配慮したなだらかな曲面形状に成形されており、中央部に図１に示したアンテナ装置２３が機体表面２１の曲面に沿って湾曲した状態で装着固定される。このとき、枠２２とアンテナ装置２３の表面が連続的な平面となるように、支持枠２２側にアンテナ装置２３の高さを考慮した支持片を形成しておく。

上記の方法によれば、予め機体表面２１に支持枠２２を固定することによって、アンテナ装置２３の装着部位の周辺部をなだらかな曲面形状によって隆起させ、アンテナ装置２３をこの枠２２の中央部に嵌め込んで固定するため、アンテナ装置２３の装着による機体表面の不連続な突起を無くすことができる。

また、本発明によれば、アンテナ装置から機体内部への接続インタフェースは、先に取り付けられる枠を一旦外して行うことにより、整備性などアクセス性の面でも優位性を持つ。すなわち、機体にアンテナ装置を装着した状態で電子部品を交換もしくは整備する場合において、枠以外の内側のレドームとアンテナ装置が一体となった部分を脱着することで可能となる。この結果、従来アンテナ装置の脱着前に必要だった、レドーム外し作業や、その後の電気的な接続や冷却系の接続を外すといった作業が不要となり、故障品の交換や整備作業の大幅な改善が可能となる。

尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明に係るアンテナ装置の外観を示す斜視図。 図１に示すアンテナ複合ユニットの外観を示す斜視図。 図２に示すアンテナ複合ユニットの断面を示す断面図。 図３に示す構成品の展開図。 図４に示すアンテナモジュールユニットの概略構成を示す斜視図。 図４に示すパルス電源ユニットの概略構成を示す斜視図。 図５に示したアンテナモジュールユニットにヒートパスさせる熱抵抗部品を配置した様子を示す斜視図。 図１に示したアンテナ装置を航空機の機体表面に装着する場合の構成を示す斜視図。

符号の説明

１１…アンテナ配列部、１１１…アンテナ複合ユニット、１１２…フレキシブルシート、１２…電源供給部、１３…制御部、Ａ…アンテナモジュールユニット、Ａ１…フレキシブル基板、Ａ２…アンテナ素子、Ａ３…送受信モジュール、Ａ４…熱抵抗部品、Ｂ…外層板、Ｃ…パルス電源ユニット、Ｄ…軟性柔軟材シート。

Claims (5)

1. フレキシブルな第１の基板、この第１の基板の表面に形成される複数のアンテナ素子、前記第１の基板の裏面の前記複数のアンテナ素子形成部下にそれぞれ形成され、前記アンテナ素子の送受信高周波信号の増幅、位相を調整する複数の送受信モジュールを備えるアンテナモジュールユニットと、
   前記アンテナモジュールユニットの裏面側と対向配置され、前記第１の基板とは異なるフレキシブルな第２の基板、この第２の基板上に形成され、前記アンテナモジュールを給電するパルス電源回路を備えるパルス電源ユニットと、
   前記アンテナモジュールユニットと前記パルス電源ユニットとの間に充填され、前記第１の基板、第２の基板それぞれの曲げを吸収する軟性充填材シートと、
   前記アンテナモジュールユニットの前記アンテナ素子形成面側に積層され、前記アンテナ素子に対向する領域が切り抜かれてなる外層板と
   を具備することを特徴とするアンテナ複合ユニット。
2. 前記複数のアンテナ素子は、前記第１の基板の表面に市松状に配列されることを特徴とする請求項１記載のアンテナ複合ユニット。
3. 請求項１記載のアンテナ複合ユニットを複数備え、個々のアンテナ複合ユニットをフレキシブルで剛性のあるシート上に並べて配置してなるアンテナ配列部と、
   前記アンテナ配列部の複数のアンテナ複合ユニットに電源を供給する電源供給部と、
   前記アンテナ配列部の複数のアンテナ複合ユニットそれぞれの送受信高周波信号の入出力を制御する制御部と
   を具備し、
   前記アンテナ配列部、電源供給部、制御部が同一平面状にしてフレキシブルに接合されることを特徴とするアンテナ装置。
4. 前記アンテナ配列部は、前記複数のアンテナ複合ユニットそれぞれの間に、柔軟性を有する充填材を介在するようにしたことを特徴とする請求項３記載のアンテナ装置。
5. 飛翔体に搭載されるアンテナ装置に適用され、
   前記飛翔体の機体側へ、端部が機体の空力性能に配慮しなだらかな曲面形状とした空中線取り付け枠を予め装着し、この枠内に請求項３記載のアンテナ装置を嵌め込むように装着することを特徴とするアンテナ装置装着方法。

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