JP2009055245A - アンテナ装置及び水平面パターンの切替え方法 - Google Patents

Abstract

【課題】方位誤差を改善したアンテナ装置及び水平面パターンの切替え方法を提供する。
【解決手段】円周状に並べられた複数の放射素子を複数段重ねた一次放射器の外周に機械的に反射鏡を回転するアンテナ装置の一次放射器の水平面パターンの切替え方法において、各段の一次放射器の水平面パターンをスイッチにより順次切替える時間を各段で差をつけることにより反射鏡の回転に同期したビームを形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は一次放射器の外周を機械的に回転する反射鏡を有するアンテナ装置及びその水平面パターンの切替え方法に関する。

本発明の関連技術として本発明の発明者は、既に一次放射器を固定して可動接点をなくし、その周囲に回転する反射鏡を配置した反射鏡方式のアンテナ装置を提案している（特願２００６−０７３２８１号）。以下、このアンテナ装置の概要を説明する。

図８は前記関連技術の反射鏡方式のアンテナ装置の外観を示す図であり、図９は一次放射器の構成及び給電系統を示す図である。このアンテナ装置は反射鏡１１と一次放射器１２と回転駆動装置１３から構成され、回転駆動装置１３は固定盤１３ａ上で回転盤１３ｂが水平面で回転し、回転盤１３ｂ上に搭載する反射鏡１１を固定盤１３ａに固定した一次放射器１２の周りを回転させる。また、一次放射器１２は支柱１２２の周りの円周上に等間隔に並べた複数の放射素子１２３を縦方向に複数段並べて構成されカバー１２１に収容されている。

このアンテナ装置では、オフセット型のパラボラ曲面の３つの反射鏡１１が一次放射器１２を中心とした外周を１２０°間隔で配置されている。また、一次放射器１２は３つの反射鏡１１に対応して、円筒状に並べられた各段の複数の放射素子１２３に１２０°の角度間隔でそれぞれ３つのスイッチ（ＳＷ）１２４を備え、反射鏡の回転に同期して複数の放射素子との接続を切替え可能とし、常に３つの反射鏡１１の焦点近傍の放射素子が選択されるように切替えられる。複数の放射素子１２３に対するＲＦ信号の給電は図示しない送受信モジュール等から行われ、縦方向の複数の放射素子１２３は移相器１２５による位相制御により仰角方向にビームを走査できるフェーズドアレイを構成し、一次放射器１２の送受信信号に対するビームは水平面で回転可能であり、仰角方向にもビーム走査が可能である。

図８、９に示す関連技術は３つの反射鏡とスイッチを備えるものの、回転ビーム等の形成の動作自体は単一の反射鏡とスイッチの組み合わせで説明できる。

図１０は前記関連技術の単一の反射鏡１１の回転と一次放射器１２の切替えのタイミングの関係を示す図である。前記関連技術のビーム１４を形成する放射素子１２３の切替えは、回転する反射鏡の焦点位置が隣接する放射素子Ｎｏ１とＮｏ２の中間位置に達した時点で、縦（垂直）方向のフェーズドアレイを構成する一列の全ての放射素子Ｎｏ１を隣接する次の放射素子Ｎｏ２にスイッチにより同時に切替える方法が採用される。

前述のように一次放射器を固定してその周囲に反射鏡を回転させるアンテナ装置は、一次放射器の励振素子列を反射鏡の回転に同期してスイッチにより切替える方式であり、この構成によれば放射素子と接続する電気的な可動接点が不要であり、スリップリングあるいはロータリージョイント等を排除できるから、信頼性が高く、安価に提供できるという顕著な利点があり、レーダ用アンテナ装置等に適している。

しかし、このアンテナ装置では、反射鏡は連続的に回転するのに対し、縦方向のフェーズドアレイを構成する複数の放射素子は、放射素子間の中間位置でスイッチにより隣接する複数の放射素子へと同時に切替わるので、反射鏡の焦点の連続的な変位と縦方向の複数の放射素子により形成される水平面パターンの位相の中心との間では周期的なズレ（「焦点ズレ」という。）が生じることとなり、これにより方位誤差が発生して方位精度が劣化するという問題がある。

（目的）
本発明の目的は、前記課題を解決するものであり、方位誤差を改善したアンテナ装置及び水平面パターンの切替え方法を提供することにある。

第１の発明のアンテナ装置は、円周状に並べられた複数の放射素子を複数段重ねた一次放射器と、前記一次放射器の外周を機械的に回転する反射鏡とを有するアンテナ装置において、各段の一次放射器の水平面パターンを順次切替える時間を各段で差をつけることにより反射鏡の回転に同期したビームを形成することを特徴とする。

第２の発明の水平面パターンの切替え方法は、円周状に並べられた複数の放射素子を複数段重ねた一次放射器の外周に機械的に反射鏡を回転するアンテナ装置の前記一次放射器の水平面パターンの切替え方法において、各段の一次放射器の水平面パターンをスイッチにより順次切替える時間を各段で差をつけることにより反射鏡の回転に同期したビームを形成することを特徴とする。

本発明によれば、各段の一次放射器の水平面パターンを順次切替える時間を各段で差をつけるように構成し、反射鏡の回転に同期したビームを形成でき、焦点ズレを減少させることができるから、方位誤差を改善することが可能である。

次に、本発明のアンテナ装置及び水平面パターンの切替え方法の一実施形態としてレーダ装置用アンテナ装置について図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
（構成の説明）
図１は本発明の第１の実施形態の外観を示す図である。レーダ装置用アンテナ装置の外観構成は、下側の固定盤１３ａと上側の中央に開口部を備える回転盤１３ｂからなる回転駆動装置１３と、回転駆動装置１３の下側の固定盤１３ａの中央に固定され、上側の回転盤１３ｂの前記開口部を貫通するように配置された一次放射器１２と、前記回転盤１３ｂ上に固定された反射鏡１１とから構成される。

一次放射器１２は、円筒状に等角度間隔で配列した複数の放射素子を上下方向に複数段配列した構成でなり、垂直方向に並んだ各段の放射素子が水平面パターンを形成する。反射鏡１１はその反射面の水平断面の形状がパラボラ曲線でなり、電波の放射の例では、一次放射器１２から放射された電波を収束して水平面で鋭いビームを形成する。

この構成により回転駆動装置１３の回転盤１３ｂの回転により反射鏡１１が回転するとともに、反射鏡１１の回転に同期して一次放射器１２の反射鏡１１に対向する垂直方向に並んだ各段の放射素子が稼動状態となり、これによりアンテナビームを水平面で走査できる高利得のアンテナが実現される。

次に、一次放射器及び信号系統の構成について詳細に説明する。
図２は一次放射器１２の系統図の構成例を示す図である。一次放射器１２は円周状に並べられた複数の放射素子１２３を複数（Ｎ）段重ねた素子配列で構成されている。具体的には、一次放射器１２は支柱１２２により円周状に等角度間隔に、また縦方向に等間隔に複数の放射素子１２３が並べられて構成され、カバー１２１で覆われている。

また、一次放射器１２の垂直方向に並んだ各段＃１〜＃Ｎの放射素子１２３は、それぞれに対応して設けられた送受信モジュール１〜Ｎとスイッチ１２４により接続可能に構成されている。また、送受信モジュール１〜Ｎは、信号発生器からのＲＦ信号を分配器を介して入力し、一次放射器からの受信信号を合成器を介して受信側Ｒｘに出力する。円周状に並べられた放射素子１２３は反射鏡の回転に応じてスイッチ１２４により各段の垂直方向に並んだ放射素子から隣接する各段の垂直方向に並んだ放射素子へと切替えられ、反射鏡の焦点近傍に位置する放射素子が反射鏡に電波を放射し又は反射鏡から電波を受信する。

更に、垂直方向に並んだ各段の1列の放射素子１２３は、送受信モジュール１２５等に内蔵する移相器により垂直方向の指向性が制御されるフェーズドアレイを構成し、移相器によるＲＦ信号の位相制御により仰角方向のビームの電子走査が可能である。なお、送受信モジュール１２５はフェーズドアレイに使われる部品であって、当業者にとってよく知られており、また本発明とは直接関係しないので、その詳細な説明は省略する。

図３は本実施形態の反射鏡１１の回転（焦点）位置と一次放射器１２の切替えのタイミングの関係を示す図であり、図４は本実施形態の各段のスイッチ切替えとビーム方位変化を示す図である。図３、４では一次放射器の構成として、放射素子＃１〜＃４の４段アレイ構成とした場合のビーム切替え例を示している。

前記関連技術の場合は、図１０からわかるように回転する反射鏡の焦点位置が隣接する放射素子Ｎｏ１、Ｎｏ２の間の中間位置等に達した時点で、垂直方向のフェーズドアレイを構成する一列の放射素子を同時に切替えるものである。

これに対し本実施形態の放射素子の切替えでは、図３に示すように反射鏡の焦点位置が隣接する放射素子Ｎｏ１、Ｎｏ２の間にある期間に、各段（１個）単位でスイッチにより時間差を付けて順次切替える。具体的には、４個の放射素子の場合、反射鏡の焦点位置が隣接する放射素子Ｎｏ１、Ｎｏ２の間のｍ×１／８（ｍ：１、３、５、７）の位置に達した時点で、放射素子を１個ずつＮｏ１からＮｏ２へ順次切替える切替え方法を採用する。

（動作の説明）
次に、本実施形態の動作を前記関連技術の動作との比較により詳細に説明する。

最初に、図１０に示す関連技術の一次放射器の水平面パターンの切替え動作を図３に示す４段アレイ構成へ適用した場合の動作例について説明する。この場合、前記関連技術の切替え動作では図３のｃ点で全ての放射素子がＮｏ１からＮｏ２に切替えることになる。つまり、反射鏡はＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅの順に一定速度で回転し、反射鏡の焦点位置は放射素子が配列された円周上のａ→ｂ→ｃ→ｄ→ｅの順に変位するが、縦方向のフェーズドアレイを構成する放射素子の列はｃ点でスイッチの切替えによりビーム１４ａから１４ｅにステップ状に変化する。

いま、反射鏡がＡの位置とすると、縦方向のフェーズドアレイを構成するＮｏ１の放射素子の列が稼動状態であってビーム１４ａが形成され、このときの位相中心はａの位置であるから反射鏡の焦点の位置と一致している。ところが、Ｎｏ１の放射素子の列の稼動状態においても反射鏡はＢ、Ｃの位置へと連続的に回転するため、焦点もａの位置からｂ、ｃの位置へと変位し、この変化によりビーム１４ａに対する本来の焦点の位置ａからａ−ｂ、ａ−ｃと焦点ズレが次第に増大する。

次に、反射鏡がＣの位置に回転した時点でＮｏ１の放射素子の列からＮｏ２の放射素子の列に切替わるから、ビームもビーム１４ａからビーム１４ｅへ切替わる。この時点では焦点ズレの方向は反転し、更に反射鏡がＣの位置からＤ、Ｅの位置へと回転するに従い、本来の位置ｅに対し、ｃ−ｅ、ｄ−ｅと焦点ズレが次第に縮小し、反射鏡がＥの位置まで回転すると再びビーム１４ｅと焦点のｅの位置とが一致する。以降の動作も同様に繰り返される。

以上のように関連技術の水平面パターンの切替え方法では、反射鏡の焦点の位置が垂直方向に並んだ各段の1列の放射素子間の中間点で切替わるので、放射素子による水平面パターンの位相中心とパラボラアンテナの反射鏡の焦点の位置が周期的にａ−ｃ、ｃ−ｅ間で大きくずれ、この焦点ズレは二次パターンのビームシフトとして現れるためレーダ装置用アンテナとして使用する場合に無視できない方位誤差となる。

本実施形態では、各段の一次放射器の水平面パターンを切替える時間を各段で差をつけて行うことにより、水平面パターンの位相の中心の位置を順次小刻みに回転させ、反射鏡の回転への同期を改善する。つまり、一次放射器の垂直方向に並んだ各段の放射素子と移相器等とを接続するスイッチの切替え時間に各段で差をつけるように構成し、水平面パターンとの同期を改善する。

次に本実施形態の垂直方向の４段アレイ構成の例で一次放射器の水平面パターンの切替え動作を図３、４を参照して説明する。

本実施形態では図３に示すように放射素子の切替え点は、放射素子Ｎｏ１、Ｎｏ２の間を４分割し、それぞれの中間点で放射素子を１個切替える。また、図４に示すＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅは、図３に示す反射鏡の位置に対応するスイッチによる選択の状態を表わすものであり、各状態においてスイッチにより選択された放射素子とビーム１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅとの関係を示している。

反射鏡がＡの位置では＃１〜＃４まですべての段で放射素子Ｎｏ１が選択されて稼動し、ビーム１４ａが形成される。同Ｂの位置では＃１段が放射素子Ｎｏ１から放射素子Ｎｏ２に切替わる。同Ｃの位置では＃２段が放射素子Ｎｏ１から放射素子Ｎｏ２に切替わる。同Ｄの位置では＃３段が放射素子Ｎｏ１から放射素子Ｎｏ２に切替わる。同Ｅの位置では＃４段が放射素子Ｎｏ１から放射素子Ｎｏ２に切替わり、＃１〜＃４までのすべての段で放射素子Ｎｏ２が稼動する。このように各段の稼動素子の切替えを同時に行わずに順次時間差をつけて切替えることにより、形成されるビームは１４ａ〜１４ｅに示されるように小刻みな回転となり、主反射鏡の回転との同期が改善される。

図５は本実施形態の一次放射器のパターンの例を示す図である。円周状に並べた放射素子を１０度ピッチの４段とした構成例の一次放射器の指向性パターンを計算した結果を示しており、ピークの位置が順次小刻みに回転することが確認できる。

図６は焦点ズレ（方位誤差）の変化を示す図であり、（イ）は関連技術のビーム切替えの場合、（ロ）は本実施形態のビーム切替えの場合である。
前記関連技術の場合は、稼動する放射素子の切替えを、反射鏡のＡ、Ｅの位置の各焦点の中間点である反射鏡のＣの位置の焦点の位置で図３の＃１〜＃４すべての段で稼動素子をＮｏ１からＮｏ２に同時に切替える方式であるから、同図（イ）に示すように焦点ズレ（方位誤差）は切替わり時点まで大きく変化する。

本実施形態では、反射鏡のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの位置の各焦点の中間点で１放射素子単位で各段ごとに時間差を持って切替えを行うため、図６（ロ）に示すように、焦点ズレ（方位誤差）の変化は関連技術の図６（イ）と比較して１／４に減少する。

以上のように、本実施形態では一次放射器の素子が円周状に等角度間隔に複数、上下方向に複数段配列され、励振素子が反射鏡の回転に同期して切替えられる方式において、一次放射器の励振素子列の切替えに各段で時間差をつけてビームのピークおよび位相の中心を小刻みに回転させ、反射鏡の回転に同期して反射鏡の焦点変位に細かく同期させる。これにより一次放射器パターンを小刻みに回転させ焦点ズレを減少させ、方位誤差を大幅に改善できる。また、図５に示すように一次放射器の振幅パターンは小刻みに回転して反射鏡に照射されることから、アンテナの効率が改善され、二次放射特性の利得偏差の減少、サイドローブの改善をも図ることが可能である。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、各段で時間差をつけて切替える稼動素子の切替えを１放射素子単位で行う例を示したが、各切替え放射素子の単位を複数単位で行うように構成することが可能である。

図７は本発明の第２の実施形態を示す図である。円周状に並べた複数の放射素子を垂直方向に８段に配列した一次放射器からなり、垂直方向の複数の放射素子Ｎｏ１からＮｏ２への切替えを、放射素子Ｎｏ１、Ｎｏ２の間を４回に分割し、それぞれの中間点で２個の放射素子（＃１と＃５、＃３と＃７、＃２と＃６、＃４と＃８）を単位として順次分散させて切替えるように構成している。

本実施の形態では、垂直方向の複数の放射素子の段数に応じて、放射素子Ｎｏ１、Ｎｏ２の間の分割数（切替え数）及び個々の切替え時の放射素子の単位数等は適宜選定することが可能である。複数個の放射素子を単位として切替えることにより、垂直方向（仰角方向）の位相中心の精度の向上も図ることが可能である。

（他の実施形態）
以上の実施形態では単一の反射鏡を使用したアンテナ装置を示したが、本発明の他の実施の形態として、一次放射器を中心とした外周を所定角度の間隔で回転する複数の反射鏡によりマルチビームを形成するアンテナ装置にも適用可能である。

この実施形態としては、図８、９に示すように、例えば３つの反射鏡を使用するアンテナ装置として構成できる。回転駆動装置の回転盤上にオフセットパラボラ曲面等の反射鏡を１２０°間隔で搭載し、固定盤に固定した一次放射器の周りを回転させる。一次放射器は図９に示すように支柱の周りの円周上に等間隔に並べた複数の放射素子を縦方向に複数段並べた構成とし、一次放射器は３つの反射鏡に対応して、円筒状に並べられた各段の複数の放射素子に１２０°の角度間隔で回転するそれぞれ３つのスイッチを備え、反射鏡の回転に同期して複数の放射素子と移相器（又は送受信モジュール）との間の接続を切替え可能とし、常に３つの反射鏡の焦点近傍の放射素子が選択されるように構成する。更に本実施形態では、垂直方向の段数等に応じて選定した隣接する円周上の放射素子の間を分割して、順次各段又は複数段単位で切替える反射鏡（焦点）位置を選定して放射素子の前記切替えタイミングを決定する。

また、図２に示す実施形態では、各段の１つの送受信モジュール１２５で円周状の放射素子（アレイ）をスイッチで切替えて反射鏡に電波照射する構成としているが、他の実施形態として放射素子ごとに送受信モジュールを装荷して、稼動するモジュールを切替えるように構成することが可能である。つまり、複数の放射素子と複数の送受信モジュールとをそれぞれ予め接続し、スイッチにより送受信モジュールを切替え送受信モジュールを選択的に稼動させるように構成することが可能である。

更に、図２に示す実施形態では、送受信モジュール１２５を使用したアクティブなフェーズドアレイ方式について説明したが、他の実施形態として受信用の移相器のみを使用したパッシブなフェーズドアレイ方式として構成することが可能である。

本発明によれば、電気的可動接点を持たないレーダに適した反射鏡方式のアンテナ装置で、回転する反射鏡の焦点と一次放射器の水平面パターンとのズレを低減することが可能であるから長距離レーダ用等に適用可能である。

本発明に係るアンテナ装置の第１の実施形態の外観を示す図である。 本実施形態の一次放射器１２の系統図の構成例を示す図である。 本実施形態の反射鏡１１の回転（焦点）位置と一次放射器１２の切替えのタイミングの関係を示す図である。 本実施形態の各段のスイッチ切替えとビーム方位変化を示す図である。 本実施形態の一次放射器のパターンの例を示す図である。 焦点ズレ（方位誤差）の変化を示す図であり、（イ）は関連技術のビーム切替えの場合、（ロ）は本実施形態のビーム切替えの場合である。 本発明の第２の実施形態を示す図である。 本発明の関連技術の既提案のアンテナ装置の外観を示す図である。 アンテナ装置の一次放射器の回路系統を示す図である。 本発明の関連技術の放射素子の切替え動作を示す図である。

符号の説明

１１ 反射鏡
１２ 一次放射器
１２１ カバー
１２２ 支柱
１２３ 放射素子
１２４ スイッチ
１２５ モジュール
１３ 回転駆動装置
１３ａ、１３ｂ 回転駆動装置
１４ 素子パターン
１４ａ〜１４ｅ 素子パターン

Claims (18)

1. 円周状に並べられた複数の放射素子を複数段重ねた一次放射器と、前記一次放射器の外周を機械的に回転する反射鏡とを有するアンテナ装置において、各段の一次放射器の水平面パターンを順次切替える時間を各段で差をつけることにより反射鏡の回転に同期したビームを形成することを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記一次放射器の垂直方向に並んだ各段の放射素子を選択するスイッチを備え、前記スイッチの切替え時間に各段で差をつけることにより前記水平面パターンの切替えを行うことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記スイッチの切替えは、前記一次放射器の異なる１ないし複数段の放射素子単位で各段の垂直方向に並んだ放射素子から隣接する各段の垂直方向に並んだ放射素子への切替えであることを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
4. 各段の垂直方向に並んだ複数の放射素子は移相器により仰角方向のビームの電子走査が可能であることを特徴とする請求項１、２又は３記載のアンテナ装置。
5. 前記一次放射器の垂直方向に並んだ各段の異なる放射素子を選択する複数のスイッチと、複数の反射鏡とを備え、マルチビームを形成することを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載のアンテナ装置。
6. 前記反射鏡の反射面はオフセットパラボラ曲面でなることを特徴とする請求項５記載のアンテナ装置。
7. 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６の何れかに記載のアンテナ装置。
8. 前記スイッチは、各段の放射素子に装荷した送受信モジュールを選択するスイッチであることを特徴とする請求項２ないし７の何れかに記載のアンテナ装置。
9. 前記スイッチは、各段の放射素子と移相器又は送受信モジュールとを接続するスイッチであることを特徴とする請求項２ないし７の何れかに記載のアンテナ装置。
10. 円周状に並べられた複数の放射素子を複数段重ねた一次放射器の外周に機械的に反射鏡を回転するアンテナ装置の前記一次放射器の水平面パターンの切替え方法において、各段の一次放射器の水平面パターンをスイッチにより順次切替える時間を各段で差をつけることにより反射鏡の回転に同期したビームを形成することを特徴とする水平面パターンの切替え方法。
11. 前記一次放射器の垂直方向に並んだ各段の放射素子を選択するスイッチを備え、前記スイッチの切替え時間に各段で差をつけることにより前記水平面パターンの切替えを行うことを特徴とする請求項１０記載の水平面パターンの切替え方法。
12. 前記スイッチの切替えは、前記一次放射器の異なる１ないし複数段の放射素子単位で各段の垂直方向に並んだ放射素子から隣接する各段の垂直方向に並んだ放射素子への切替えであることを特徴とする請求項１１記載の水平面パターンの切替え方法。
13. 各段の垂直方向に並んだ複数の放射素子は移相器により仰角方向のビームの電子走査が可能であることを特徴とする請求項１０、１１又は１２の何れかに記載の水平面パターンの切替え方法。
14. 前記一次放射器の垂直方向に並んだ各段の異なる放射素子を選択する複数のスイッチと、複数の反射鏡とを備え、マルチビームを形成することを特徴とする請求項１０ないし１３の何れかに記載の水平面パターンの切替え方法。
15. 前記反射鏡の反射面はオフセットパラボラ曲面でなることを特徴とする請求項１４記載のアンテナ装置の水平面パターンの切替え方法。
16. 長距離レーダ装置に適用したことを特徴とする請求項１０ないし１５の何れかに記載の水平面パターンの切替え方法。
17. 前記スイッチは、各段の放射素子に装荷した送受信モジュールを選択するスイッチであることを特徴とする請求項１１ないし１６の何れかに記載の水平面パターンの切替え方法。
18. 前記スイッチは、各段の放射素子と移相器又は送受信モジュールとを接続するスイッチであることを特徴とする請求項１１ないし１６の何れかに記載の水平面パターンの切替え方法。

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