JP2011171803A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 気嚢を有する飛行船やバルーンにおいて、気嚢の大きさに見合うだけの大型で、かつ軽量で、かつ高い開口利得を有するアンテナ装置を提供する。
【解決手段】 気嚢部２の内部に、変形に耐えうるシート状のアンテナを二次放射面として設け、シート状のアンテナを気嚢部２の内面に沿って貼付または一体化して設けるとともに、気嚢２内またはペイロード部３に一次放射器４を搭載することにより、大きな開口利得のアンテナ装置を得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、飛行船またはバルーンの気嚢に搭載されるアンテナ装置に関する。

従来から、米国の電子システムである、Joint Land Attack Cruise Missile Defense Elevated Netted Sensor（JLENS）に代表されるように、飛行船およびバルーンにアンテナおよび光学センサ等を搭載し、電波および光波センサによって目標監視を行うシステムが知られている。飛行船およびバルーンは、固定翼の航空機と比較して、低コストで同質量のペイロードを搭載可能であり、低速移動しながらまたは係留された固定点からの観測を行うことができる。

飛行船およびバルーンは、一般的に気嚢とペイロード部に分けられる。アンテナ装置のような搭載品は、基本的にペイロード部に搭載され、ペイロード部に搭載可能な質量は、主に飛行船およびバルーンの気嚢の体積に依存する。

例えばペイロード部に大型のアンテナ装置を搭載する場合、より大きな気嚢を有する飛行船およびバルーンが必要となる。また、大型のアンテナ装置を搭載する場合、ペイロード部の構造体にアンテナ装置が付くことにより、空力特性が悪化して飛行船およびバルーンの姿勢が安定しなくなる。

このため、空力特性を考慮したペイロード部内にアンテナ装置を配置する、または気嚢部とペイロード部を一体化し、一体化した構造体の内部にアンテナ装置を配置することで、アンテナによる突起物をなくして空力安定性を向上させる技術手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この手法により、所要空力性能により制限されていたペイロード部の大きさ以上の捜索用アンテナ装置を、搭載することが可能となる。

特開平７−０１５２２０

特許文献１に示す、飛行船の気嚢に搭載される従来の捜索用アンテナ装置は、空力安定性を向上させるために、気嚢内に格納されていた。この捜索用アンテナ装置は、板状のアンテナ、または円状に配置された多数の導波管と小型のアンテナからなり、アンテナおよび支持部材の質量が大きくなるため、気嚢内に格納してもアンテナ開口を劇的に大きくすることは困難であった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、気嚢内に配置されるアンテナ装置について、より大開口で、かつ軽量のアンテナ装置を得ることを目的とする。

本発明によるアンテナ装置は、気嚢を有した飛行船またはバルーンの気嚢内面に沿って付着し、二次放射面を形成する変形可能なシート状のアンテナと、上記気嚢内の下部または上記気嚢下部のペイロード内に設置され、上記シート状のアンテナに対向して配置された１次放射器とを備えたものである。

本発明によれば、気嚢の大きさに近い大口径であって、かつより軽量で、高利得のアンテナ装置を得ることが可能となる。

本発明に係る実施の形態１によるアンテナ装置の概略構成図である。 本発明に係る実施の形態１によるアンテナ装置の上面図である。 本発明に係る実施の形態１によるアンテナ装置の側面図である。 本発明に係る実施の形態２によるアンテナ装置の上面図である。 本発明に係る実施の形態２によるアンテナ装置の側面図である。 本発明に係る実施の形態３によるアンテナ装置の上面図である。 本発明に係る実施の形態３によるアンテナ装置の側面図である。

実施の形態１．
以下、本発明に係る実施の形態１によるアンテナ装置について、図面を用いて説明する。実施の形態１のアンテナ装置は、浮力を得るための気嚢部分を持つ航空機として、飛行船やバルーン、係留型の気球等に搭載される。

図１は、実施の形態１によるアンテナ装置の概略構成を示す図である。図１では、アンテナ装置を搭載する飛行船を例に用いて説明する。図において、飛行船１は、気嚢２の下部にペイロード部３が設けられる。気嚢２は浮力を得る目的で使用される。気嚢２の内部には、アンテナ反射鏡５と、一次放射器４が搭載される。アンテナ反射鏡５と一次放射器４はアンテナ装置を構成する。このアンテナ装置は、例えば気嚢２やペイロード部３の内部に収納されるレーダ信号処理装置（図示せず）とともに、レーダ装置を構成する。

図２は実施の形態１によるアンテナ装置の上面図であり、図３は実施の形態１によるアンテナ装置の側面図である。
一次放射器４は、飛行船１の気嚢２内またはペイロード部３内に搭載される。図２、３の例では、気嚢２内に搭載する例を示している。また、図３に示すように、一次放射器４は飛行船１の気嚢２内またはペイロード部３の下方に搭載される。

アンテナ反射鏡５は、二次放射面を構成している。アンテナ反射鏡５は、変形に耐えうるメッシュアンテナやメンブレンアンテナのように、薄い樹脂板や樹脂繊維の表面に導電性金属を付着させた導電性シートや炭素繊維織物シート等からなるシート状のアンテナによって構成される。アンテナ反射鏡５は、シート状のアンテナが気嚢２の内面および外面に貼付されているか、もしくは気嚢を支持する構造部材に組み込まれている。また、アンテナ反射鏡５は、一次放射器４と向かい合うようにして、シート状のアンテナが気嚢２の内部または外部の上方に配置され、二次放射面が下を向くように取り付けられている。図３の例では、アンテナ反射鏡５が気嚢２内部に貼付する例が示されている。

実施の形態１のアンテナ装置は、軽量なシート状のアンテナをアンテナ反射鏡５に使用するだけでなく、気嚢２に沿わせて二次放射面であるアンテナ反射鏡５を配することにより、変形しやすいシート状のアンテナの形状を安定させ、また飛行船１に搭載しうる最大限のアンテナ開口を実現することができるようになされている。

また、気嚢２およびペイロード部３内に、アンテナ装置を含むレーダ装置全てを搭載する区画を設けることで、空力特性を向上させるとともに、軽量なシート状のアンテナをアンテナ反射鏡５に使用することで、ペイロード部３よりも広い気嚢２内の空間にアンテナ装置を設置することを可能ならしめている。

ここで、飛行船のペイロードの搭載能力について説明する。
飛行船やバルーン等の軽航空機は、浮力によってその機体を空中に浮かべることが可能であるが、機体の自重を支える浮力以外の、レーダ装置のようなペイロードに回すことのできる余剰浮力は、次式（１）によって表される。ここで、Ｂ：余剰浮力、ρ_ｂ：外気密度、Ｖ：気嚢体積、ｇ：重力加速度、ｍ_ｇ：気嚢内気体質量、ｍ_ａ：ペイロード部内気体質量、ｍ_ｓ：船体質量である。

上式（１）より、より大きな、すなわち質量の大きなアンテナ装置を搭載するには、一般的には気嚢体積Ｖを増加させる必要があることがわかる。

しかしながら、本実施の形態１によるアンテナ装置では、特許文献１に示されるような従来のシステムで使用していた板状のアンテナを用いず、気嚢２の内面および外面に、二次放射面であるアンテナ反射鏡５として、変形に耐えうるメッシュアンテナやメンブレンアンテナのようなシート状のアンテナを貼付し、または気嚢構造に組み込んで、気嚢２内またはペイロード部３に搭載したホーンアンテナ等の一次放射器４との組合せによって、軽量かつ大開口のアンテナを得ることが可能となる。

また、アンテナ装置を構成するアンテナ反射鏡５として、シート状のアンテナを適用することで、気嚢２とアンテナ二次放射面との一体化が可能となり、また気嚢２の変形に対応することができる。
一般的に、レーダ装置に用いられるアンテナ装置は、１６分の１波長程度の位相ずれは許容することができるといわれており、例えばＬ帯のような低い周波数帯であれば、数センチメートル程度の変形までは許容できることとなる。

次に、実施の形態１によるアンテナ装置の動作について説明する。
まず、飛行船１は、所望の観測領域に向けて二次放射面５を向けるように姿勢制御を行う。
次いで、アンテナ装置の一次放射器４から気嚢２に沿って貼り付けられた二次放射面５に向けて、電波が照射される。このとき、一次放射器４のビーム幅は二次放射面５全てに当たる規模であることが望ましい。
最後に、一次放射器４から照射された電波を二次放射面５で反射し、所望の観測領域に向けて電波を照射する。

ここで、実施の形態１のアンテナ装置では、二次放射面５が気嚢２に貼り付いているため、低速で姿勢制御を行うという飛行船の性質上、高速に広い角度を走査することは困難である。
よって、実施の形態１のアンテナ装置の実施にあたっては、一次放射器４を機械的または電子的に動かして、ビーム方向を変化させることで、ある程度の範囲のビーム走査を可能とするように構成されていてもよい。なお、一次放射器４のビーム方向を電子的に動かす場合は、フェーズドアレイアンテナにおける移相切り替えによって、アンテナ位相面を変化させることでビーム走査を行う。

以上説明したとおり、実施の形態１によるアンテナ装置は、気嚢を有した飛行船またはバルーンの気嚢内面に沿って付着し、二次放射面を形成する変形可能なシート状のアンテナと、上記気嚢内の下部または上記気嚢下部のペイロード内に設置され、上記シート状のアンテナに対向して配置された１次放射器とを備えたことを特徴とする。

これによって、飛行船やバルーン、係留型の気球等の気嚢の大きさに近い大口径であって、かつより軽量で、高利得のアンテナ装置を得ることが可能となる。また、気嚢の大きさが変わらなければ、従来よりも大きな開口利得を得ることができ、アンテナ開口を固定すれば従来よりも小規模な飛行船やバルーンでも、同等の開口利得を得ることが可能となる。

実施の形態２．
以下の説明では、前述の実施形態１と同様に、飛行船に適用した他のアンテナ装置の例について説明する。

図４は、実施の形態２によるアンテナ装置の概略構成を示す上面図である。
図４において一次放射器４は飛行船１の気嚢２内またはペイロード部３に搭載される。図４においては、気嚢２内に搭載する例を示している。一次放射器４と向かい合うようにして、対角線上に並ぶように、二次放射面５ａ、５ｂからなるシート状のアンテナ反射鏡５が、気嚢２の内部または外部に貼付、または気嚢構造に組み込まれている。図４においては、気嚢２内部に貼付する例を示している。ここで、一次放射器４は二次放射面５ａ、５ｂ両方に放射できるように、初めから背中合わせで２開口あってもよいし、回転機構等を有して、二次放射面５ａ、５ｂに向けて交互に放射してもよい。

図５は、本発明の概略構成の側面図である。図５において、一次放射器４は飛行船１の気嚢２内またはペイロード部３の下方に搭載される。図５においては、気嚢２内に搭載する例を示している。一次放射器４と向かい合うようにして、対角線に並ぶように二次放射面５ａ、５ｂを有したシート状のアンテナ反射鏡５が、気嚢２の内部または外部の上方において、二次放射面が下を向くように貼付、または気嚢構造に組み込まれている。図５においては、気嚢２内部に貼付する例を示している。

実施の形態１のアンテナ装置では、所望の一方向に対して、扇形の観測領域を形成するが、上記のような二次放射源５ａ、５ｂの配置により、２方向に向けて蝶のような観測領域を形成することとなる。その他の構成については、実施の形態１と同様である。

次に、動作について説明する。
まず、飛行船１は所望の観測領域に向けて二次放射面５ａ、５ｂを向けるように姿勢制御を行う。
一次放射器４を各二次放射面に向けて２開口持つ場合、実施例１と同様に、一次放射器４から気嚢２に沿って貼り付けられた二次放射面５に向けて、電波を照射する。
このとき、一次放射器４のビーム幅は二次放射面５全てに当たる規模であることが望ましい。
最後に、一次放射器４から照射された電波を二次放射面５で反射し、所望の観測領域に向けて電波を照射する。

別の態様として、一次放射器４を回転機構で回動させ、一次放射器４から放射されるビームを二次放射面５ａ、５ｂに交互に照射する場合は、まず、一次放射器４から気嚢２に沿って貼り付けられた二次放射面５ａに向けて、電波を照射する。
次に、一次放射器４から照射された電波を二次放射面５ａで反射し、第一の所望の観測領域に向けて電波を照射する。
次に、回転機構により一次放射器４の照射方向を二次放射面５ｂに変更し、同様に一次放射器４から照射された電波を二次放射面５ｂで反射して、第二の所望の観測領域に向けて電波を照射する。
これを繰り返すことで、所望の観測領域を時分割で照射する。
なお、一次放射器４の照射方向を変えるビーム走査は、フェーズドアレイアンテナにおける移相切り替えによってアンテナ位相面を変化させることで、電子的にビーム方向を切り替えるようにしてもよい。

以上説明したとおり、実施の形態２によるアンテナ装置は、実施の形態１におけるシート状のアンテナを複数の部分アンテナに分割し、それぞれを気嚢両側面の対角線上に配置するとともに、部分アンテナを切り替えるようにビーム走査することで、上記シート状のアンテナで反射されるビーム方向が飛行船またはバルーンの進行方向の両側に走査されるように１次放射器を設けることを特徴とする。

これによって、実施の形態１と同様に、飛行船やバルーン、係留型の気球等の気嚢の大きさに近い大口径であって、かつより軽量で、高利得のアンテナ装置を得ることが可能となる。また、アンテナ装置をレーダ装置に適用する場合、飛行性やバルーンの進行方向の両面捜索が可能となる。

実施の形態３．
以下の説明では、前述の実施形態１と同様に、飛行船に適用した他のアンテナ装置の例について説明する。

図６は、実施の形態３によるアンテナ装置の概略構成を示す上面図である。
図６において一次放射器４は飛行船１の気嚢２内またはペイロード部３に搭載される。図６においては、気嚢２内に搭載する例を示している。一次放射器４と向かい合うようにして、二次放射面を与えるアンテナ反射鏡５のシート状のアンテナが、気嚢２の内部または外部に貼付、または気嚢構造に組み込まれている。図６においては、気嚢２内部に貼付する例を示している。ここで、一次放射器４はアンテナ反射鏡５の全面を照射するように固定してあってもよいし、回転機構を有してアンテナ反射鏡５の円周内を沿うように放射してもよい。

図７は、実施の形態３によるアンテナ装置の概略構成を示す側面図である。
図７において一次放射器４は飛行船１の気嚢２内またはペイロード部３の下方に搭載される。図７においては、気嚢２内の中央に搭載する例を示しているが、オフセットして設置してあってもよい。一次放射器４と向かい合うようにして、アンテナ反射鏡５のシート状のアンテナが、気嚢２の内部または外部の上方に真下を向くように貼付、または気嚢構造に組み込まれている。図７においては、気嚢２内部に貼付する例を示している。

実施の形態１では、所望の一方向に対して、扇形の観測領域を形成し、実施の形態２では、２方向に向けて蝶のような観測領域を形成するが、実施の形態３では真下を中心とした円、または楕円の領域を全周捜索することとなる。その他の構成については、実施の形態１と同様である。

以下、動作について説明する。
まず、飛行船１は所望の観測領域上空へ移動し、真下にアンテナ反射鏡５の二次放射面を向けるように姿勢制御を行う。
一時放射器４を固定して、アンテナ反射鏡５の二次放射面全体に照射する場合、実施例１と同様に、一次放射器４から気嚢２に沿って貼り付けられた二次放射面に向けて、電波を照射する。
最後に、一次放射器４から照射された電波をアンテナ反射鏡５の二次放射面で反射し、所望の観測領域に向けて電波を照射する。

別の態様として、一次放射器４を回転機構等で二次放射面５の円周内を沿うように放射する場合、まず、一次放射器４から気嚢２に沿って貼り付けられたアンテナ反射鏡５の二次放射面における円周内に向けて、電波を照射する。
次に、一次放射器４から照射された電波をアンテナ反射鏡５の二次放射面で反射し、所望の観測領域の一部に向けて電波を照射する。
次に、回転機構により一次放射器４の照射方向を、アンテナ反射鏡５の二次放射面の円周内をなぞるように変えながら、所望の観測領域に向けて円形に電波を照射する。
これを繰り返すことで、直下の領域を時分割で円状に照射する。
なお、一次放射器４の照射方向を変えるビーム走査は、フェーズドアレイアンテナにおける移相切り替えによってアンテナ位相面を変化させることで、電子的にビーム方向を切り替えるようにしてもよい。

実施の形態３のアンテナ装置では、アンテナ反射鏡５の二次放射面が気嚢２に貼り付いているため、低速で姿勢制御を行うという飛行船の性質上、高速に広い角度を走査することは困難である。
よって、実施の形態３のアンテナ装置の実施にあたっては、一次放射器４を機械的または電子的に動かしてビーム方向を変化させることで、ある程度の範囲の走査を可能とするような手法を取ってもよい。

以上説明したとおり、実施の形態３によるアンテナ装置は、実施の形態１におけるシート状のアンテナを気嚢内部の上部面に配し、飛行船またはバルーンの直下方向の全周にビーム走査されることを特徴とする。これによって、飛行性またはバルーンの直下方向の全周捜索が可能となる。

以上の実施の形態１から３で説明したアンテナ装置は、飛行船やバルーン等の気嚢を有する航空機に搭載されるアンテナ装置において、気嚢部分に二次放射面として、変形に耐えうるシート状のアンテナを貼付または一体化し、気嚢内および気嚢外に一次放射器のアンテナを配置することで、大開口アンテナの大型化および軽量化が可能となる。これによって、アンテナ反射鏡として、メッシュアンテナやメンブレンアンテナを適用することが可能となり、アンテナの大型化および軽量化が可能となるので、飛行船やバルーンに搭載されるレーダ装置の性能向上や、軽量化を比較的低コストで実現することができる。また、当該アンテナ装置を、例えば、拠点防空や災害監視、沿岸警戒などを目的として、通信機能を有して広範囲に配置される複数のセンサノードと通信を行うための、通信アンテナとして利用することにより、安価なセンサネットワークの構築を実現することができる。

なお、実施の形態１から３で説明したアンテナ装置は、飛行船のような大型の気嚢を有する航空機への適用が前提となるため、気嚢の外周部分にソーラーパネルを付加することで、外部電源の代替または補助として、自家発電を行ってもよい。

１ 飛行船（またはバルーン）、２ 気嚢、３ ペイロード部、４ 一次放射器、５ 二次放射面、６ 板状アンテナ。

Claims (4)

1. 気嚢を有した飛行船またはバルーンの気嚢内面に沿って付着し、二次放射面を形成する変形可能なシート状のアンテナと、
   上記気嚢内の下部または上記気嚢下部のペイロード内に設置され、上記シート状のアンテナに対向して配置された１次放射器と、
   を備えたアンテナ装置。
2. 上記シート状のアンテナは、複数の部分アンテナに分割されてそれぞれ気嚢両側面の対角線上に配置され、
   上記１次放射器は、上記部分アンテナを切り替えるようにビーム走査することで、上記シート状のアンテナで反射されるビーム方向が上記飛行船またはバルーンの進行方向の両側に走査されることを特徴とした請求項１記載のアンテナ装置。
3. 上記シート状のアンテナを気嚢内部の上部面に配し、飛行船またはバルーンの直下方向の全周にビーム走査されることを特徴とした請求項１記載のアンテナ装置。
4. 上記気嚢にソーラーパネルを付加したことを特徴とした請求項１記載のアンテナ装置。

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