JP2010019611A - アンテナ装置及びレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置規模の増大や性能劣化を抑制しつつ複数系統のレーダ用フェーズドアレイアンテナを備えたアンテナ装置を得る。
【解決手段】 本発明によるアンテナ装置は、同一開口１００に各アンテナのアンテナ素子３１ａ及び３１ｂが２次元に配列されて開口１００を共用する第１及び第２のレーダ用フェーズドアレイアンテナを含み、第１のレーダ用フェーズドアレイアンテナ（Ａ系）のアンテナ素子３１ａは開口１００に素子間引きにより間引いて配置され、第２のレーダ用フェーズドアレイアンテナ（Ｂ系）のアンテナ素子３１ｂは開口１００の上記素子間引きにより間引かれた位置に配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明はアンテナ装置及びレーダ装置に関し、特にフェーズドアレイアンテナを備えたレーダ用のアンテナ装置に関する。

レーダ用アンテナとして、送受信モジュールが実装されたアンテナ素子を平面状に並べたフェーズドアレイアンテナが多く用いられている。このフェーズドアレイアンテナでは、送信系サイドローブを低減するため、あるいはアンテナの製造価格を低減するためにモジュール数を間引く（シニング）方法がよく用いられている。

また、捜索のデータレートを短縮するために、マルチビームを形成して送信する方式が用いられている。このマルチビームアンテナとして、アンテナを複式備える方法、開口面を分割して複数系統のアンテナを構成する方法、あるいは遅延伝送線路（スネイクライン）を用いる方法等がある。

図５は本発明に関連するアンテナ装置を示す図である（例えば特許文献１参照）。図５に示すアンテナ装置は、２式の反射鏡方式のアンテナ２１ａ及び２１ｂが回転装置１１に搭載されてマルチビームを形成して全方位をカバーするレーダ用アンテナ装置である。一次放射器１２は垂直方向のフェーズドアレイであり、垂直面のビーム走査が可能である。

図６は本発明に関連する開口面を分割する方式のアンテナ装置を示す図である（例えば特許文献２参照）。図６に示すアンテナ装置は、２式のフェーズドアレイアンテナ２２ａ及び２２ｂが一つの筐体に収められたプレーナ方式のアンテナ２２が回転装置１１に搭載されてマルチビームを形成し、全方位をカバーするレーダ用アンテナ装置である。２式のアンテナ２２ａ及び２２ｂは各々独立してビーム成形、ビーム走査が可能である。

図７は遅延線（スネイクライン）を有してマルチビームを成形するアレイアンテナの原理を説明する図である。図７（ａ）は該アレイアンテナの給電系統を示し、信号発生器１３にて発信されるＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号は、分配合成部６１の結合器６−１を介して各送受信モジュール５１に分配されてアンテナ素子３３より放射される。各送受信モジュール５１の間には等しい長さの遅延線６−２が挿入されている。

図７（ｂ）は（ａ）の各素子３３より放射されるＲＦ信号の等位相面を示している。送受信モジュール５１内の移相器を用いて周波数ｆ１で各素子の位相が同相になるように調整したとき、ｆ１の等位相面１４ａは直線状になる。このとき、異なる周波数ｆ２の等位相面１４ｂは、遅延線６−２の挿入位相１５だけ遅れ（あるいは進み）が生じるため傾斜する。図７（ｃ）は（ｂ）の等位相面１４ａ及び１４ｂに直角となる方向に成形される主ビーム４１ａ及び４１ｂを示している。主ビーム４１ａはｆ１、主ビーム４１ｂはｆ２を示しており、遅延線６−２により生じる位相面１４ａ及び１４ｂの傾斜角度分だけ異なる方向となり周波数マルチビームが形成される。

特許第３２０２５２０号公報 特開２００３−２０７５５９号公報

図５に示すアンテナ装置はアンテナを複式備えるので、装置規模が増大するという問題がある。図６に示すアンテナ装置のように開口面を上下あるいは左右に分割する方式は、実効開口面積が半減して利得低下、ビーム幅の増大を招くという問題がある。図７に示す遅延伝送線路を用いる方式は、周波数に拘束されて個々のビーム走査の自由度がなく、また、ビーム成形も相似した形状に限定されて自由度がない。

本発明の目的は、上述した課題を解決し、装置規模の増大や性能劣化を抑制しつつ複数系統のレーダ用フェーズドアレイアンテナを備えたアンテナ装置及びレーダ装置を提供することにある。

本発明によるアンテナ装置は、同一開口に各アンテナのアンテナ素子が２次元に配列されて前記開口を共用する第１及び第２のレーダ用フェーズドアレイアンテナを含み、前記第１のレーダ用フェーズドアレイアンテナのアンテナ素子は前記開口に素子間引きにより間引いて配置され、前記第２のレーダ用フェーズドアレイアンテナのアンテナ素子は前記開口の前記素子間引きにより間引かれた位置に配置されることを特徴とする。

本発明によるレーダ装置は、上記アンテナ装置を含むことを特徴とする。

本発明によれば、装置規模の増大や性能劣化を抑制しつつ複数系統のレーダ用フェーズドアレイアンテナを備えることができるという効果が得られる。

本発明の実施の形態について説明する前に、本発明の理解を助けるために、本発明の原理について図面を参照して説明する。図１は本発明の原理を説明するためのアンテナ装置の概略図であり、（ａ）はアンテナ装置の開口面を示す図であり、（ｂ）はアンテナ素子の配列を示す開口１００の部分拡大図である。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すアンテナ装置は、同一開口１００に各アンテナのアンテナ素子３１ａ及び３１ｂが２次元に配列されて同一開口１００を共用する第１及び第２のレーダ用フェーズドアレイアンテナを含み、第１のレーダ用フェーズドアレイアンテナ（Ａ系）のアンテナ素子３１ａは開口１００に素子間引きにより間引いて配置され、第２のレーダ用フェーズドアレイアンテナ（Ｂ系）のアンテナ素子３１ｂは開口１００の上記素子間引きにより間引かれた位置に配置されている。

このように、各系統のレーダ用フェーズドアレイアンテナのアンテナ素子を同一開口に配列する際、レーダ用フェーズドアレイアンテナのアンテナ素子が間引いて配列され、この間引いた箇所に新たにアンテナ素子が配列されて独立した系統のレーダ用フェーズドアレイアンテナを構成するようにしているので、装置規模の増大や性能劣化を抑制しつつ複数系統のレーダ用フェーズドアレイアンテナを備えることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図２は本発明の実施の形態によるアンテナ装置を示す図であり、（ａ）は本発明の実施の形態によるアンテナ装置の外観斜視図であり、（ｂ）はアンテナ素子の配列を示す開口２の部分拡大図である。

図２（ａ）に示すように、本発明の実施の形態によるアンテナ装置は、平面状フェーズドアレイアンテナ１が４面に設けられ全方位をカバーするレーダ用アンテナ装置である。各方面のアンテナ１は２つの送信ビーム４ａ及び４ｂを有し、各々のビームは独立して走査することができ、また各ビーム形状を独立して成形することも可能である。すなわち、各方面のアンテナ１は、送信ビーム４ａを有するＡ系のフェーズドアレイアンテナと、送信ビーム４ｂを有するＢ系のフェーズドアレイアンテナとから構成される。

図２（ｂ）に示すように、送信ビーム４ａを有するＡ系のフェーズドアレイアンテナのアンテナ素子３ａ及び送信ビーム４ｂを有するＢ系のフェーズドアレイアンテナのアンテナ素子３ｂが同一開口２に２次元に配列されて開口２を共用している。ここで、Ａ系のフェーズドアレイアンテナのアンテナ素子３ａは開口２に素子間引きにより間引いて配置され、Ｂ系のフェーズドアレイアンテナのアンテナ素子３ｂは開口１００の素子３ａが間引かれた位置に配置されることにより、Ａ系のアンテナ素子３ａとＢ系のアンテナ素子３ｂが同一開口の中に重複することなく配置されている。

なお、上述したようにフェーズドアレイアンテナではアンテナ素子を間引く方法がよく用いられているが、本発明の実施の形態では、アンテナ素子３ａを間引きする率を増大する。すなわち、Ａ系及びＢ系のフェーズドアレイアンテナの性能が同程度となるよう、間引き率を５０％以上としている。

図３は本発明の実施の形態によるアンテナ装置を含むレーダ装置の構成を示す図であり、図２の素子配列の一部分を抽出してＡ系、Ｂ系二つの独立したフェーズドアレイアンテナの給電、制御系統を示している。各素子３ａ，３ｂには送受信モジュール５ａ，５ｂが装備されてフェーズドアレイアンテナとして動作し、Ａ系及びＢ系の分配合成部６ａ，６ｂを介してそれぞれＡ系及びＢ系のレーダ送受信機（励振装置７ａ，７ｂ、信号処理装置８ａ，８ｂ、制御器９ａ，９ｂ、電源装置１０ａ，１０ｂ等）に接続されている。このように、Ａ系、Ｂ系のフェーズドアレイアンテナ各々に給電、制御系統が独立して装備されている。

図４は図３の送受信モジュール５ａ，５ｂの構成を示す図である。励振装置７ａ，７ｂから分配合成部６ａ，６ｂを介して送受信モジュール５ａ，５ｂのＴｘ端子に伝送されたＲＦ信号は、移相器５−１、電力増幅器５−２、サーキュレータ５−３を介してＡＮＴ端子に接続されているアンテナ素子３ａ，３ｂより放射される。アンテナ素子３ａ，３ｂで受信されたＲＦ信号は、サーキュレータ５−３、低雑音増幅器５−４を介して周波数変換器５−５に伝送され、外部より供給されるローカル信号（Ｌｏ）と混合されてＩＦ信号に変換される。

このＩＦ信号は、増幅器５−６を介してＡ／Ｄ変換器５−７にてデジタル信号に変換され、Ｒｘ端子より分配合成部６ａ，６ｂを介して信号処理装置８ａ，８ｂに伝送される。制御器９ａ，９ｂが対応する系の各送受信モジュール５ａ，５ｂ内の移相器５−１を制御することにより送信系のビーム成形、ビーム走査が可能となる。また、信号処理装置８ａ，８ｂにて受信系のビーム成形、ビーム走査が可能となる。

以上説明したように、本発明の実施の形態では、開口が共用されて外形寸法が増加しないため装置規模の増大を抑制することができる。また、実効開口面積が減少しないため、利得低下、ビーム幅増加は間引き率増加によるわずかな変化に留まり、よって、性能劣化を抑制することができる。また、複数系統のフェーズドアレイアンテナを備えることにより、自在なビーム走査、ビーム成形が可能となりレーダ運用における捜索、追尾の自由度が向上すると共に、データレート短縮が可能となる。また、複数の独立した系統のフェーズドアレイを合成して、出力を複数倍に増加した一つのビームとして使用することにより、遠距離の捜索や小さな目標を捕らえることが可能となる。

なお、本発明は二つの独立した系統には限定されない。アンテナ素子を間引きする率をより高めることにより同一開口を共用する三つ以上の独立した系統のフェーズドアレイアンテナを構成するようにしてもよい。

本発明の原理を説明するためのアンテナ装置の概略図である。 本発明の実施の形態によるアンテナ装置を示す図である。 図２のアンテナ装置を含むレーダ装置の構成を示す図である。 図３の送受信モジュール５ａ，５ｂの構成を示す図である。 本発明に関連するアンテナ装置を示す図である。 本発明に関連するアンテナ装置を示す図である。 遅延線を有してマルチビームを成形するアレイアンテナの原理を説明する図である。

符号の説明

１ フェーズドアレイアンテナ
２，１００ 開口
３ａ，３ｂ，３１ａ，３１ｂ アンテナ素子
４ａ，４ｂ 送信ビーム
５ａ，５ｂ 送受信モジュール
５−１ 移相器
５−２ 電力増幅器
５−３ サーキュレータ
５−４ 低雑音増幅器
５−５ 周波数変換器
５−６ ＩＦ増幅器
５−７ Ａ／Ｄ変換器
６ａ，６ｂ 分配合成部
７ａ，７ｂ 励振装置
８ａ，８ｂ 信号処理装置
９ａ，９ｂ 制御器
１０ａ，１０ｂ 電源装置

Claims (6)

1. 同一開口に各アンテナのアンテナ素子が２次元に配列されて前記開口を共用する第１及び第２のレーダ用フェーズドアレイアンテナを含み、
   前記第１のレーダ用フェーズドアレイアンテナのアンテナ素子は前記開口に素子間引きにより間引いて配置され、前記第２のレーダ用フェーズドアレイアンテナのアンテナ素子は前記開口の前記素子間引きにより間引かれた位置に配置されることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記レーダ用フェーズドアレイアンテナ各々に対応して設けられ、対応するレーダ用フェーズドアレイアンテナのアンテナ素子に送信パルス信号を分配し該アンテナ素子からの受信信号を合成する分配合成部を更に含むことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記素子間引きによる間引き率は５０％以上であることを特徴とする請求項１または２記載のアンテナ装置。
4. 第３のレーダ用フェーズドアレイアンテナを更に含み、
   前記第２及び第３のレーダ用フェーズドアレイアンテナのアンテナ素子が前記開口の前記素子間引きにより間引かれた位置に配置されることを特徴とする請求項１または２記載のアンテナ装置。
5. 前記レーダ用フェーズドアレイアンテナが共用する前記開口が複数設けられることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載のアンテナ装置。
6. 請求項１〜５いずれか記載のアンテナ装置を含むことを特徴とするレーダ装置。

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