JP2013179527A

JP2013179527A - Array antenna device

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Publication number: JP2013179527A
Application number: JP2012043008A
Authority: JP
Inventors: Kazufumi Nishizawa; 一史西澤; Ikuhiko Urata; 育彦浦田; Hiroki Okazaki; 弘毅岡崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-09-09
Anticipated expiration: 2032-02-29
Also published as: JP6008081B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce RCS in an antenna front surface direction with a simple configuration in an array antenna device comprised of a plurality of element antennas formed on a dielectric substrate having a bottom board on a rear surface thereof.SOLUTION: An array antenna device is configured as follows. That is, an outer peripheral part of a bottom board with element antennas not arranged thereon is disposed around an array antenna part having the element antennas arranged on a dielectric substrate having the bottom board on a rear surface thereof. Then, a level difference is provided by shifting the outer peripheral part with respect to an antenna opening surface of the array antenna part by a desired distance.

Description

本発明は、レーダ反射断面積を低減させるアレーアンテナ装置に関するものである。 The present invention relates to an array antenna device for reducing a radar reflection cross section.

ＲＣＳ（ＲａｄａｒＣｒｏｓｓＳｅｃｔｉｏｎ；レーダ反射断面積）とは、レーダにて目標物体を探知する際の反射能力を表わす指標である（非特許文献１参照）。レーダ用アンテナは、探知距離性能を高めるために、目標物体の到来方向に正対して設置することが多い。一般にレーダ用アンテナとして、鏡面アンテナやアレーアンテナ（例えばパッチアンテナアレーのような平面アンテナ）が使われているが、自身のレーダ用アンテナのＲＣＳ値が大きくなり、相手方レーダの目標物体となり易い。このためレーダに適用するアンテナは何らかの形で自身のＲＣＳ値を低減する必要がある。 RCS (Radar Cross Section) is an index representing the reflection ability when a radar detects a target object (see Non-Patent Document 1). Radar antennas are often installed directly in the direction of arrival of a target object in order to improve detection distance performance. In general, a specular antenna or an array antenna (for example, a planar antenna such as a patch antenna array) is used as a radar antenna. However, the RCS value of its own radar antenna increases, and it is likely to be a target object of the counterpart radar. For this reason, the antenna applied to the radar needs to reduce its own RCS value in some way.

従来、アンテナの低ＲＣＳ化を図る試みが各種なされている。例えば、特許文献１には、受信波に所望の位相制御を施しアンテナから再放射させて、その再放射波とアンテナ開口にて全反射した波とを相殺させるアレーアンテナが開示されている。また、特許文献２には、前面にパッチアンテナ導体のない地板上にＥＢＧ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＢａｎｄＧａｐ）を設けて、地板での反射波位相を調整した後に、アンテナ部分からの反射波と相殺させるアレーアンテナが開示されている。また、特許文献３には、地板を周波数選択板にて構成し、アンテナ動作帯域外での電波が地板での反射をなくすアレーアンテナが開示されている。 Conventionally, various attempts have been made to reduce the RCS of the antenna. For example, Patent Document 1 discloses an array antenna that performs desired phase control on a received wave and re-radiates it from the antenna, thereby canceling the re-radiated wave and the wave totally reflected at the antenna opening. Further, Patent Document 2 discloses an array antenna in which an EBG (Electric Band Gap) is provided on a ground plane without a patch antenna conductor on the front surface, and after adjusting the reflected wave phase on the ground plane, cancels the reflected wave from the antenna portion. Is disclosed. Further, Patent Document 3 discloses an array antenna in which a ground plane is configured by a frequency selection plate, and radio waves outside the antenna operating band are eliminated from the ground plane.

コロナ社、アンテナ・電波伝播、Ｐ．４０Corona, Antenna / Radio Wave Propagation, p. 40

特開２００１−３４５６２４号公報（図１）JP 2001-345624 A (FIG. 1)

特開２０１０−２５２１７２号公報（図１）JP 2010-252172 A (FIG. 1)

特開２０１１−２１７２６９号公報（図１）Japanese Patent Laying-Open No. 2011-217269 (FIG. 1)

ここで、低ＲＣＳ化を要する従来のアンテナ装置の課題を説明するため、パッチアンテナからなる素子アンテナを複数個平面に配列したアレーアンテナ装置（以後、パッチアンテナアレーと称す）を例に取り上げて説明する。パッチアンテナアレーはアンテナ開口面の構造が簡素であるという特徴を有している。 Here, in order to explain the problem of the conventional antenna device that requires a low RCS, an array antenna device (hereinafter referred to as a patch antenna array) in which a plurality of element antennas composed of patch antennas are arranged on a plane will be described as an example. To do. The patch antenna array has a feature that the structure of the antenna opening surface is simple.

図５は、従来のパッチアンテナアレーの概略構成を示す図である。図において、パッチアンテナアレーは、地板１、誘電体基板２、パッチ放射導体３、パッチアンテナの給電線４、地板１から伸長されたフレーム５、モジュール部６、給電回路部７から構成される。各パッチアンテナ１０は、誘電体基板２、誘電体基板２の裏面に形成された地板１の一部、誘電体基板２の表面に形成された複数のパッチ放射導体３、及び各パッチ放射導体３に接続された給電線４から構成されている。各パッチアンテナ１０の給電線４は、その後段でモジュール部６を介して給電回路部７とそれぞれ接続されている。フレーム５の前面は、パッチ放射導体が存在しないアンテナ開口端である。また、フレーム５の下部には、モジュール部６の筐体や固定部材等が配置される。 FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional patch antenna array. In the figure, the patch antenna array includes a ground plane 1, a dielectric substrate 2, a patch radiating conductor 3, a patch antenna feed line 4, a frame 5 extended from the ground plane 1, a module section 6, and a feed circuit section 7. Each patch antenna 10 includes a dielectric substrate 2, a part of the ground plane 1 formed on the back surface of the dielectric substrate 2, a plurality of patch radiation conductors 3 formed on the surface of the dielectric substrate 2, and each patch radiation conductor 3. It is comprised from the feeder 4 connected to. The feed line 4 of each patch antenna 10 is connected to the feed circuit unit 7 via the module unit 6 in the subsequent stage. The front surface of the frame 5 is an antenna opening end where no patch radiation conductor exists. In addition, at the lower part of the frame 5, a housing, a fixing member, and the like of the module unit 6 are disposed.

ここで、従来のパッチアンテナアレーの動作について説明する。アンテナは送信と受信の関係が可逆であるため、ここではアンテナから電波が放射される送信の場合を例に説明する。送信機から給電回路部７に入力された送信信号は、等位相で分配されて、各パッチ放射導体３に接続されているモジュール部６に供給される。モジュール部６では増幅器や移相器等が格納されており、送信信号の振幅、位相が所望の励振開口分布となるように調整される。調整された送信信号は給電線４に伝わり、各パッチアンテナ１０が励振されて電磁波として空間に放射される。この放射の際、前述の励振開口分布に従った空間合成が生じ、所望の放射特性を持つ電磁波が形成される。 Here, the operation of the conventional patch antenna array will be described. Since the relationship between transmission and reception of an antenna is reversible, here, an example of transmission in which radio waves are radiated from the antenna will be described. Transmission signals input from the transmitter to the power feeding circuit unit 7 are distributed in equal phases and supplied to the module units 6 connected to the respective patch radiation conductors 3. The module unit 6 stores an amplifier, a phase shifter, and the like, and adjusts the amplitude and phase of the transmission signal to have a desired excitation aperture distribution. The adjusted transmission signal is transmitted to the feed line 4, and each patch antenna 10 is excited and radiated to space as an electromagnetic wave. At the time of this radiation, spatial synthesis according to the aforementioned excitation aperture distribution occurs, and an electromagnetic wave having a desired radiation characteristic is formed.

上記図５の構造を有するパッチアンテナアレーのＲＣＳ値について、図６を用いて説明する。図において、符号１１は負荷、符号２１はアンテナへの入射波、符号２２はアレーアンテナ部からの反射波成分、符号２３はフレームからの反射波成分を表わす。ここでは説明を簡略化するために、パッチアンテナアレーは送受信状態を模擬して、各パッチアンテナ１０の端部にて、そこからモジュール部側をみたときのインピーダンスに相当する負荷１１が接続されている状態を図示している。 The RCS value of the patch antenna array having the structure shown in FIG. 5 will be described with reference to FIG. In the figure, reference numeral 11 denotes a load, reference numeral 21 denotes an incident wave to the antenna, reference numeral 22 denotes a reflected wave component from the array antenna section, and reference numeral 23 denotes a reflected wave component from the frame. Here, in order to simplify the explanation, the patch antenna array simulates the transmission / reception state, and a load 11 corresponding to the impedance when the module unit side is viewed from the end of each patch antenna 10 is connected. The state is shown.

このとき、パッチアンテナアレー全体のＲＣＳは、パッチアンテナ１０が複数配置されたアレーアンテナ部、及びアレーアンテナ部の周囲に位置するフレーム５からの反射波成分の重ね合わせとして形成される。ここで、アレーアンテナ部でのＲＣＳ値は、アンテナ開口面で反射する成分と、一度パッチアンテナ１０で受信された電磁波がアンテナ後段で反射（図では負荷１１のところで反射）して再放射する成分との、重ね合わせによって形作られる。この重ね合わせた合成成分は、アンテナ開口面からの反射波成分２２として捉えることができる。また、この場合、再放射する成分はその再放射の前にアンテナ内部損失により低減され、アンテナ開口面で反射する成分との位相関係によっては打ち消しが生じて、反射波成分２２が入射波２１よりも振幅が小さくなることがある（図では矢印を細く表記）。 At this time, the RCS of the entire patch antenna array is formed by superimposing the reflected wave components from the array antenna unit in which a plurality of patch antennas 10 are arranged and the frame 5 positioned around the array antenna unit. Here, the RCS value at the array antenna part is a component reflected by the antenna opening surface and a component that the electromagnetic wave once received by the patch antenna 10 is reflected at the rear stage of the antenna (reflected at the load 11 in the figure) and re-radiated. And formed by overlapping. The superimposed composite component can be understood as a reflected wave component 22 from the antenna aperture. Further, in this case, the re-radiated component is reduced by the internal loss of the antenna before the re-radiation, and cancellation occurs depending on the phase relationship with the component reflected by the antenna opening surface. In some cases, the amplitude may be small (indicated by thin arrows in the figure).

また、誘電体基板２の厚さはマイクロ波帯では波長より十分に短く、アンテナ開口面は地板１の位置と同じと考えても差し支えない。つまり、フレーム５からの反射波成分２３と同相で反射するともいえる。このように考えると、アレーアンテナ部からのＲＣＳ値が存在する限り、パッチアンテナアレーからのＲＣＳ値にフレーム５からの反射波成分２３も重畳されて、全体的にＲＣＳ値が大きくなり、相手方レーダに発見され易いという課題がある。 The thickness of the dielectric substrate 2 is sufficiently shorter than the wavelength in the microwave band, and the antenna opening surface may be considered to be the same as the position of the ground plane 1. That is, it can be said that the reflected wave component 23 from the frame 5 is reflected in the same phase. In view of this, as long as the RCS value from the array antenna unit exists, the reflected wave component 23 from the frame 5 is also superimposed on the RCS value from the patch antenna array, and the RCS value increases as a whole. There is a problem that it is easily discovered.

上記フレーム５を設けず、できるだけアレーアンテナ部のみでアンテナ開口面を構成することができれば理想的である。しかし通常のパッチアンテナアレーは、アンテナ後段のモジュール部６の筐体や固定部材等が、最外周のパッチ放射導体の配置位置よりも周囲に広がって設けられ、何らかの形でフレーム５が存在する。このため、例えば航空機の機首部に搭載されるレーダ用アンテナでは、機首部断面積によりアンテナ開口面が制限されることから、フレーム５の存在によってアレーアンテナ部の面積が小さくなり、場合によって探知距離性能の劣化に繋がるという課題もある。 It is ideal if the antenna opening surface can be configured with only the array antenna portion as much as possible without providing the frame 5. However, in a normal patch antenna array, the housing, fixing member, and the like of the module unit 6 at the rear stage of the antenna are provided so as to extend around the arrangement position of the outermost patch radiation conductor, and the frame 5 exists in some form. For this reason, for example, in a radar antenna mounted on the nose of an aircraft, the antenna opening surface is limited by the cross-sectional area of the nose. There is also a problem that leads to performance degradation.

なお、特許文献１から特許文献３に示す従来のアレーアンテナは、アレーアンテナの表面で反射するレーダ波の位相と逆相にする移相制御を行う点、パッチアンテナ導体のない地板上にＥＢＧを設ける点、地板を周波数選択板で構成する点から、アレーアンテナの構造が複雑化するという問題があった。 Note that the conventional array antennas shown in Patent Document 1 to Patent Document 3 perform phase shift control to make the phase opposite to the phase of the radar wave reflected on the surface of the array antenna, and provide EBG on the ground plane without the patch antenna conductor. There is a problem that the structure of the array antenna is complicated in that it is provided and the ground plane is constituted by a frequency selection plate.

本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、簡便な構造でアレーアンテナ装置のレーダ反射断面積を低減することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to reduce the radar reflection cross section of the array antenna apparatus with a simple structure.

本発明によるアレーアンテナ装置は、複数の素子アンテナと、上記それぞれの素子アンテナから離れて配置された地板と、上記地板から段差を有して、当該地板の外周より外側に突出して配置された導電性の突出部と、を備えたものである。 An array antenna device according to the present invention includes a plurality of element antennas, a ground plane disposed away from each of the element antennas, and a conductive layer disposed so as to protrude outward from the outer periphery of the ground plane with a step from the ground plane. And a protruding portion of the sex.

本発明によれば、アンテナ開口面上での地板周囲のフレーム部からの反射波成分を利用して、アレーアンテナ装置全体のレーダ反射断面積を低減することができる。また、搭載機種への設置制限に適した構造のアンテナ形状とすることができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the radar reflection cross-sectional area of the entire array antenna apparatus by using the reflected wave component from the frame portion around the ground plane on the antenna opening surface. Moreover, it can be set as the antenna shape of a structure suitable for the installation restriction to a mounting model.

実施の形態１によるアレーアンテナ装置の構成を示す図である。1 is a diagram showing a configuration of an array antenna apparatus according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態１によるパッチアンテナアレーの反射波成分を示す模式図である。6 is a schematic diagram showing reflected wave components of the patch antenna array according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態１によるパッチアンテナアレーのＲＣＳ値の一例であり、（ａ）は段差ｈに対するＲＣＳ値、（ｂ）はフレームの大きさに対するＲＣＳ値である。It is an example of the RCS value of the patch antenna array according to the first embodiment, where (a) is the RCS value for the step h, and (b) is the RCS value for the frame size. 実施の形態１によるレドーム内部に設置したアレーアンテナ装置の構成を示す図であり、（ａ）は一つの段差を有するパッチアンテナアレー、（ｂ）は複数の段差を有するパッチアンテナアレーである。It is a figure which shows the structure of the array antenna apparatus installed in the radome by Embodiment 1, (a) is a patch antenna array which has one level | step difference, (b) is a patch antenna array which has several level | step differences. 従来のパッチアンテナアレーの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional patch antenna array. 従来のパッチアンテナアレーの反射波成分を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the reflected wave component of the conventional patch antenna array.

実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１によるアレーアンテナの概略構成を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面線ＡＡ’の断面図である。図１において、実施の形態１によるアレーアンテナ装置は、導体からなる地板１、誘電体基板２、複数のパッチ放射導体３、パッチアンテナの複数の給電線４、金属や複合材料等の導電性部材からなるフレーム５、モジュール部６、及び給電回路部７から構成され、パッチアンテナアレーを形成している。地板１の一部、誘電体基板２の一部、パッチ放射導体３及び給電線４は、各パッチアンテナ１０を構成している。パッチアンテナ１０は複数配列されて、アレーアンテナ部を構成する。 Embodiment 1 FIG.
1A and 1B are diagrams showing a schematic configuration of an array antenna according to Embodiment 1 of the present invention, in which FIG. 1A is a perspective view and FIG. 1B is a sectional view taken along a sectional line AA ′. 1, the array antenna apparatus according to Embodiment 1 includes a ground plane 1 made of a conductor, a dielectric substrate 2, a plurality of patch radiation conductors 3, a plurality of patch antenna feed lines 4, and a conductive member such as a metal or a composite material. Frame 5, module section 6, and power feeding circuit section 7, which form a patch antenna array. A part of the ground plane 1, a part of the dielectric substrate 2, the patch radiating conductor 3, and the feed line 4 constitute each patch antenna 10. A plurality of patch antennas 10 are arranged to constitute an array antenna unit.

パッチ放射導体３は、誘電体基板２の平面状の表面（図１（ｂ）の上面）に形成され、誘電体基板２の表面に２次元的に複数配列されている。地板１は、パッチ放射導体３から誘電体基板２を間に挟んで所定（一定）の距離だけ離れて、誘電体基板２の裏面（図１（ｂ）の下面）に形成されている。各給電線４は、誘電体基板２及び地板１を貫通する同軸線や導波管で構成され、その一端部が各パッチ放射導体３にそれぞれ接続されている。給電線４の信号線（図示せず）は地板１に非接続となっている。また、各給電線４の他端部は各モジュール部６に接続されている。モジュール部６は、給電回路部７と接続されている。すなわち、パッチアンテナ１０の給電線４は、その後段でモジュール部６を介して給電回路部７と接続されている。 The patch radiation conductors 3 are formed on the planar surface of the dielectric substrate 2 (the upper surface in FIG. 1B), and a plurality of patch radiation conductors 3 are two-dimensionally arranged on the surface of the dielectric substrate 2. The ground plane 1 is formed on the back surface of the dielectric substrate 2 (the lower surface in FIG. 1B) at a predetermined (fixed) distance from the patch radiation conductor 3 with the dielectric substrate 2 interposed therebetween. Each feed line 4 is constituted by a coaxial line or a waveguide passing through the dielectric substrate 2 and the ground plane 1, and one end thereof is connected to each patch radiation conductor 3. A signal line (not shown) of the feeder line 4 is not connected to the ground plane 1. Further, the other end of each power supply line 4 is connected to each module unit 6. The module unit 6 is connected to the power feeding circuit unit 7. That is, the feed line 4 of the patch antenna 10 is connected to the feed circuit unit 7 via the module unit 6 in the subsequent stage.

フレーム５は、アンテナ開口面領域の地板１に対して、パッチ放射導体３の配列されるアンテナ平面の法線方向に、図１（ｂ）下方に距離ｈの段差を有して配置される。フレーム５は、地板１の外周端から図１（ｂ）下方に距離ｈだけずらして伸長され、筒形状に形成されるとともに、当該筒形状の部分から外側に突出した外周部分に鍔状の突出部（フランジ）を形成している。フレーム５が地板１の設置位置から段差ｈを有して突出部を配置できるように、モジュール部５の筐体や固定部材等の外形がフレーム５の形状に則して形成されている。なお、フレーム５の前面（図１（ｂ）の上面側）はパッチ放射導体が存在しないアンテナ開口端をなしている。 The frame 5 is arranged with a step of a distance h in the lower direction of FIG. 1B in the normal direction of the antenna plane on which the patch radiation conductors 3 are arranged with respect to the ground plane 1 in the antenna opening area. The frame 5 extends from the outer peripheral edge of the main plate 1 by shifting the distance h downward in FIG. 1B, is formed in a cylindrical shape, and has a bowl-like protrusion at an outer peripheral portion protruding outward from the cylindrical portion. Part (flange) is formed. The outer shape of the housing, the fixing member, and the like of the module unit 5 is formed in accordance with the shape of the frame 5 so that the frame 5 can be arranged with a step h from the installation position of the base plate 1. The front surface of the frame 5 (the upper surface side in FIG. 1B) forms an antenna opening end where no patch radiation conductor exists.

次に実施の形態１によるアレーアンテナ装置の動作について説明する。
アンテナは送信と受信の関係が可逆であるため、ここではアレーアンテナ装置から電波が放射される送信の場合を例に説明する。外部の送信機（図示せず）から給電回路部７に入力された送信信号は、等位相で分配されて、各パッチ放射導体３に接続されているモジュール部６に供給される。モジュール部６では増幅器や移相器等が格納されており、送信信号の振幅、位相が所望の励振開口分布となるように調整される。調整された送信信号は給電線４に伝わり、各パッチアンテナ１０が励振されて電磁波として空間に放射される。この放射の際、前述の励振開口分布に従った空間合成が生じ、所望の放射特性を持つ電磁波が形成される。 Next, the operation of the array antenna apparatus according to Embodiment 1 will be described.
Since the relationship between transmission and reception of the antenna is reversible, here, the case of transmission in which radio waves are radiated from the array antenna apparatus will be described as an example. Transmission signals input from an external transmitter (not shown) to the power feeding circuit unit 7 are distributed in equal phase and supplied to the module unit 6 connected to each patch radiation conductor 3. The module unit 6 stores an amplifier, a phase shifter, and the like, and adjusts the amplitude and phase of the transmission signal to have a desired excitation aperture distribution. The adjusted transmission signal is transmitted to the feed line 4, and each patch antenna 10 is excited and radiated to space as an electromagnetic wave. At the time of this radiation, spatial synthesis according to the aforementioned excitation aperture distribution occurs, and an electromagnetic wave having a desired radiation characteristic is formed.

次に、本実施の形態１によるアレーアンテナ装置のＲＣＳ値について説明する。図２は実施の形態１によるパッチアンテナアレーの反射波成分を示す模式図である。図２において、符号１１は負荷、符号２１はアンテナへの入射波、符号２２はアレーアンテナ部からの反射波成分、符号２３はフレームからの反射波成分を表わす。説明を簡略化するために、パッチアンテナアレーは送受信状態を模擬して、各パッチアンテナ１０の端部に、そこからモジュール部側をみたインピーダンスに相当する負荷１１が接続されている状態とする。 Next, the RCS value of the array antenna apparatus according to the first embodiment will be described. FIG. 2 is a schematic diagram showing reflected wave components of the patch antenna array according to the first embodiment. In FIG. 2, reference numeral 11 denotes a load, reference numeral 21 denotes an incident wave to the antenna, reference numeral 22 denotes a reflected wave component from the array antenna unit, and reference numeral 23 denotes a reflected wave component from the frame. In order to simplify the explanation, the patch antenna array simulates the transmission / reception state, and the load 11 corresponding to the impedance viewed from the module portion side is connected to the end of each patch antenna 10.

パッチアンテナアレー全体のＲＣＳは、パッチアンテナ１０が複数配置されたアレーアンテナ部、及びアレーアンテナ部の周囲に位置するフレーム５からの反射波成分の重ね合わせとして形成される。 The RCS of the entire patch antenna array is formed as an overlap of an array antenna section in which a plurality of patch antennas 10 are arranged and a reflected wave component from the frame 5 positioned around the array antenna section.

このアレーアンテナ部でのＲＣＳ値は、アンテナ開口面で反射する成分と、一度パッチアンテナ１０で受信された電磁波がアンテナ後段で反射して再放射する成分との、重ね合わせで形作られ、その合成成分はアンテナ開口面からの反射波成分２２として捉えることができる。また、この場合、再放射する成分はその再放射の前にアンテナ内部損失により低減され、アンテナ開口面で反射する成分との位相関係によっては打ち消しが生じて、反射波成分２２は入射波２１よりも振幅は小さいと考える（図では矢印を細く表記）。また、誘電体基板２の厚さはマイクロ波帯では波長より十分に短く、アンテナ開口面は地板１の位置と同じと考えても差し支えない。 The RCS value at this array antenna section is formed by superimposing the component reflected by the antenna aperture and the component once reflected by the antenna 10 after the patch antenna 10 is reflected and re-radiated. The component can be understood as a reflected wave component 22 from the antenna opening surface. In this case, the re-radiated component is reduced by the internal loss of the antenna before the re-radiation, and canceling occurs depending on the phase relationship with the component reflected by the antenna opening surface. Is considered to have a small amplitude (indicated by thin arrows in the figure). The thickness of the dielectric substrate 2 is sufficiently shorter than the wavelength in the microwave band, and the antenna opening surface may be considered to be the same as the position of the ground plane 1.

ここで、フレーム５は、地板１に対して距離がｈの段差を含めて構成されている。従って、フレーム５からの反射波成分２３は、アンテナ開口面に対して段差ｈの２倍に相当する位相遅れｐを伴って反射する。例えば、アレーアンテナ装置の使用周波数（パッチ放射導体３から放射される電波の中心周波数）での波長がλのとき、ｐ＝（２π／λ）・２ｈ［ｒａｄ］の位相遅れとなる。この距離ｈがλ／４の奇数倍の場合、アンテナ開口面からの反射波成分２２に対して相対的に位相遅れｐがλ／２の奇数倍となって、反射波成分２２と反射波成分２３とは逆相の関係となるため、その両者は相殺され、パッチアンテナアレー全体のＲＣＳは低減される。反射波成分２２と反射波成分２３の両者の反射量が仮に等しい場合には、理想的はＲＣＳが０ということになる。 Here, the frame 5 is configured to include a step whose distance is h from the ground plane 1. Therefore, the reflected wave component 23 from the frame 5 is reflected with a phase delay p corresponding to twice the step height h with respect to the antenna opening surface. For example, when the wavelength at the operating frequency of the array antenna device (the center frequency of the radio wave radiated from the patch radiation conductor 3) is λ, the phase delay is p = (2π / λ) · 2h [rad]. When the distance h is an odd multiple of λ / 4, the phase delay p is an odd multiple of λ / 2 relative to the reflected wave component 22 from the antenna aperture, and the reflected wave component 22 and the reflected wave component Therefore, the two are canceled out, and the RCS of the entire patch antenna array is reduced. When the reflection amounts of both the reflected wave component 22 and the reflected wave component 23 are equal, ideally, RCS is zero.

上記フレーム５が設けられていない場合、従来のパッチアンテナアレーでもＲＣＳを小さくすることができる。しかしながら前述したように、アンテナ後段のモジュール部の筐体や固定部材等が、通常、最外周のパッチ放射導体の配置位置よりも周囲に広がるため、フレーム部は必然的に存在する。本実施の形態１では、このフレーム５からの反射波成分を逆手に取り有効に利用して、ＲＣＳを低減することができる。 If the frame 5 is not provided, the RCS can be reduced even with a conventional patch antenna array. However, as described above, since the housing, fixing member, etc. of the module part at the rear stage of the antenna usually spread to the periphery rather than the arrangement position of the outermost patch radiation conductor, the frame part necessarily exists. In the first embodiment, RCS can be reduced by effectively using the reflected wave component from the frame 5 in reverse.

図３は、実施の形態１によるパッチアンテナアレーのＲＣＳ値の一例を示す図である。図３（ａ）はフレームなしのＲＣＳ値を基準（０ｄＢ）とした場合の段差ｈに対するＲＣＳ値の変動、同じく（ｂ）は段差ｈ＝０でのＲＣＳ値を基準（０ｄＢ）とした場合のフレームの大きさに対するＲＣＳ値の変動である。図３（ａ）では、フレームサイズＳ_flameは、約０．４Ｓ_array（Ｓ_array:アレーアンテナ部の開口面積）とする。段差ｈが０．２５λ（λ：使用周波数の自由空間波長）のときに大きくＲＣＳ値が低減されている。段差の距離ｈの設定によっては、フレームなしよりも大きくなるので注意を要する。一方、図３（ｂ）の例では、ｈ＝０．２５λのときに、Ｓ_flame＝０．４Ｓ_arrayで大きくＲＣＳ低減が図れている。以上より、本例でのＲＣＳ低減条件の最適解は段差ｈ＝０．２５λ、フレームサイズＳ_flame＝０．４Ｓ_arrayとなる。このように、段差ありフレームを設けることによって、フレームなし状態（アレーアンテナ部のみ）よりもＲＣＳを大幅に低減できる。 FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the RCS value of the patch antenna array according to the first embodiment. FIG. 3A shows the fluctuation of the RCS value with respect to the step h when the RCS value without a frame is set as a reference (0 dB), and FIG. It is the variation of the RCS value with respect to the size of the frame. In FIG. 3A, the frame size S _flame is about 0.4S _array (S _array : opening area of the array antenna section). The RCS value is greatly reduced when the level difference h is 0.25λ (λ: free space wavelength of the used frequency). Note that depending on the setting of the step distance h, it becomes larger than that without a frame. On the other hand, in the example of FIG. 3B, when h = 0.25λ, R _flame is greatly reduced by S _flame = 0.4S _array . From the above, the optimal solution of the RCS reduction condition in this example is the step h = 0.25λ and the frame size S _flame = 0.4S _array . Thus, by providing a stepped frame, the RCS can be greatly reduced as compared with a state without a frame (only the array antenna unit).

また、アンテナ開口面の設置制限がある場合であっても、段差を有したフレーム５とすることで、アンテナ開口面積を可能な限り大きく取って、低ＲＣＳ値でありながら、探知距離性能も確保できる。図４は、実施の形態１によるレドーム内部に設置したパッチアンテナアレーの構成を示す図であり、（ａ）は一つの段差を有するパッチアンテナアレーを示し、（ｂ）は複数の段差を有するパッチアンテナアレーを示す。 Even when there is a restriction on the antenna opening surface, the frame 5 having a step allows the antenna opening area to be as large as possible, and the detection distance performance is ensured while having a low RCS value. it can. 4A and 4B are diagrams showing a configuration of a patch antenna array installed inside a radome according to Embodiment 1, wherein FIG. 4A shows a patch antenna array having one step, and FIG. 4B shows a patch having a plurality of steps. An antenna array is shown.

図４（ａ）は、航空機等の機首に設けられたレドーム３１内に、パッチアンテナアレーを搭載した例を示している。レドーム３１は、先端から遠ざかる程、実装可能な断面積が拡がる。このため、アンテナ開口面から段差ｈを有して、レドーム３１の先端から遠ざかる位置にフレーム５を設置することで、断面積の広がりの分だけフレーム５の実装空間を確保することが可能となる。このように、半楕円体のようなレドーム３１では、アンテナ開口面積の確保と段差を有したフレーム５の設置を同時に実現することができるため、構造面で設置空間を稼げるという利点がある。 FIG. 4A shows an example in which a patch antenna array is mounted in a radome 31 provided at the nose of an aircraft or the like. As the radome 31 is further away from the tip, the mountable cross-sectional area increases. For this reason, by installing the frame 5 at a position away from the tip of the radome 31 with the step h from the antenna opening surface, it becomes possible to secure the mounting space of the frame 5 by the extent of the cross-sectional area. . In this way, the radome 31 such as a semi-ellipsoid has an advantage that the installation space can be gained in terms of structure because it is possible to simultaneously secure the antenna opening area and install the frame 5 having a step.

また、図４（ｂ）は、航空機等の機首に設けられたレドーム３１内に、階段状の複数段差を有するフレーム４１を設けたパッチアンテナアレーの搭載例を示している。この複数段差により、フレーム４１からの反射波成分の振幅及び位相設定の自由度が増えるので、広帯域に亘ってＲＣＳを低減できる可能性がある。また、レドーム３１の形状により細かく整合した段差も実現できるので、構造的にもより設置空間を稼げる点で有用である。 FIG. 4B shows a mounting example of a patch antenna array in which a frame 41 having a plurality of stepped steps is provided in a radome 31 provided at the nose of an aircraft or the like. The plurality of steps increase the degree of freedom in setting the amplitude and phase of the reflected wave component from the frame 41, so that there is a possibility that RCS can be reduced over a wide band. Further, since a step that is finely aligned can be realized by the shape of the radome 31, it is useful in that the installation space can be increased more structurally.

前述の内容では、段差を有したフレームをアンテナ開口面の後段側に設置した構造としているが、場合によっては段差近傍の素子アンテナ（パッチアンテナ１０）の特性が劣化しない範囲で、アンテナ開口面の前方側に段差を設けてもよい。 In the above description, a frame having a step is installed on the rear side of the antenna opening surface. However, depending on the case, the antenna opening surface may be in a range in which the characteristics of the element antenna (patch antenna 10) in the vicinity of the step is not deteriorated. A step may be provided on the front side.

また、アレーアンテナ装置として、パッチアンテナアレーを例に取り上げて説明してきたが、アンテナ方式としてはパッチアンテナ１０に限らず、パッチ放射導体３の代わりに、ダイポールアンテナ、スロットアンテナ等、他方式の素子アンテナを用いて構成したアレーアンテナ装置を適用しても差し支えない。 Although the patch antenna array has been described as an example of the array antenna apparatus, the antenna system is not limited to the patch antenna 10, and other types of elements such as a dipole antenna and a slot antenna are used instead of the patch radiation conductor 3. An array antenna device configured using an antenna may be applied.

なお、パッチアンテナ１０が複数配置されたアレーアンテナ部において、その素子アンテナ間に段差を設けて、ＲＣＳ位相の異なるアンテナ開口面を２種類に分け、双方で反射波成分を相殺するという方法もある。しかしながらこの方法の場合、アレーアンテナ部の段差が生じたことによるアレーアンテナ特性への影響を、各アンテナ素子に装荷されている移相器にて補正する必要が生じる。言い換えれば、このアレーアンテナには必ず移相器が必要ということになり、モジュール部の設計が複雑化する。また、アレーアンテナ部分に段差を設けるため、給電回路を設ける際にこの段差を踏まえた回路配置が必要となり、給電回路構造のレイアウトが自ずと制限される。さらに段差によって、その近傍のパッチアンテナの特性が劣化し、アレーアンテナ部内の素子アンテナとしての特性にばらつきを含み、このばらつきによりアレーアンテナ特性が劣化することもある。これに対して本実施の形態１のパッチアンテナアレーでは、アレーアンテナ部とフレーム５の間に段差を設けているので、移相器による反射成分の補正が不要となる。加えて、アンテナ平面に段差を設ける必要がないので、アレーアンテナ部分の回路レイアウトを制約することもない点で優れている。 In an array antenna section in which a plurality of patch antennas 10 are arranged, there is also a method in which a step is provided between the element antennas, the antenna opening surfaces having different RCS phases are divided into two types, and the reflected wave component is canceled by both types. . However, in the case of this method, it is necessary to correct the influence on the array antenna characteristics due to the occurrence of the step in the array antenna section by the phase shifter loaded in each antenna element. In other words, this array antenna always requires a phase shifter, which complicates the design of the module unit. In addition, since a step is provided in the array antenna portion, a circuit arrangement based on this step is required when providing a feed circuit, and the layout of the feed circuit structure is naturally limited. In addition, the characteristics of the patch antenna in the vicinity thereof deteriorate due to the level difference, and the characteristics as the element antenna in the array antenna section may vary, and the array antenna characteristics may deteriorate due to this variation. On the other hand, in the patch antenna array according to the first embodiment, since a step is provided between the array antenna unit and the frame 5, correction of the reflection component by the phase shifter becomes unnecessary. In addition, there is no need to provide a step on the antenna plane, which is excellent in that the circuit layout of the array antenna portion is not restricted.

以上説明した通り、実施の形態１によるアレーアンテナ装置は、複数の素子アンテナと、上記それぞれの素子アンテナから離れて配置された地板１と、上記地板１から段差を有して、当該地板１の外周より外側に突出して配置された構造部材としての導電性の突出部（フレーム５）と、を備えたことを特徴とする。上記各素子アンテナは誘電体基板２の表面に配置されたパッチ放射導体３から形成され、上記地板１は当該誘電体基板２の裏面に配置されて形成される。また、この段差は１／４波長の奇数倍の高さに設定すると良い。さらに、前記段差を階段状に複数段形成しても良い。 As described above, the array antenna device according to the first embodiment includes a plurality of element antennas, a ground plane 1 arranged away from each of the element antennas, and a step from the ground plane 1, And a conductive protrusion (frame 5) as a structural member that protrudes outward from the outer periphery. Each element antenna is formed from a patch radiation conductor 3 disposed on the surface of the dielectric substrate 2, and the ground plane 1 is disposed on the back surface of the dielectric substrate 2. The step is preferably set to an odd multiple of a quarter wavelength. Furthermore, a plurality of steps may be formed in a step shape.

かくして、地板１を有したアレーアンテナにおいて、複数の素子アンテナの配列されたアレーアンテナ部の領域と、素子アンテナの配列されていない地板の外周部分とに区分けし、外周部分をアレーアンテナ部の領域に対して所望距離だけずらして段差を設ける。また、アレーアンテナ部のアンテナ開口面から伸長した地板部分に所望距離の段差を設けてフレーム５を構成することにより、アレーアンテナ部からの反射波成分とフレーム５からの反射波成分との相対位相量を、逆相の関係にして相殺することで、ＲＣＳを低減することができる。また、レドーム内部構造によるアンテナ開口面の設置制限がある場合にも、アンテナ開口面積及び利得の確保と段差を有したフレーム設置とを、同時に実現できるという点で、構造上の利点がある。 Thus, in the array antenna having the ground plane 1, the area of the array antenna section in which the plurality of element antennas are arranged and the outer peripheral portion of the ground plane in which the element antennas are not arranged are divided, and the outer peripheral portion is the area of the array antenna section. A step is provided by shifting by a desired distance. Further, by forming a frame 5 by providing a step at a desired distance on the ground plane extending from the antenna opening surface of the array antenna unit, the relative phase between the reflected wave component from the array antenna unit and the reflected wave component from the frame 5 is configured. RCS can be reduced by offsetting the quantities in a reverse phase relationship. Further, even when there is an installation restriction of the antenna opening surface due to the internal structure of the radome, there is a structural advantage in that securing of the antenna opening area and gain and frame installation with a step can be realized at the same time.

このように本実施の形態１によるアレーアンテナ装置は、レーダ用アレーアンテナ装置として構造上必要となるアンテナ開口面上での地板周囲のフレーム部からの反射波成分を利用して、アレーアンテナ装置全体のレーダ反射断面積を低減することができる。また、搭載機種への設置制限に適した構造のフレーム形状とすることができる。このアレーアンテナ装置は、例えば航空機搭載レーダ用アレーアンテナとして、機軸方向での低ＲＣＳ化及び探知距離に応じた所望利得を実現した高機能アンテナを得ることが可能となる。 As described above, the array antenna device according to the first embodiment uses the reflected wave component from the frame portion around the ground plane on the antenna opening surface that is structurally necessary as a radar array antenna device, and thus the entire array antenna device. The radar reflection cross section can be reduced. Moreover, it can be set as the frame shape of a structure suitable for the installation restriction to a mounting model. This array antenna device can obtain a high-performance antenna that realizes a desired gain corresponding to a low RCS in the axis direction and a detection distance, for example, as an array antenna for an onboard radar.

１地板、２誘電体基板、３パッチ放射導体、４給電機構、５フレーム、６モジュール部、７給電回路部、１０パッチアンテナ、３１レドーム、４１フレーム。 1 ground plane, 2 dielectric substrate, 3 patch radiation conductor, 4 feeding mechanism, 5 frame, 6 module section, 7 feeding circuit section, 10 patch antenna, 31 radome, 41 frame.

Claims

A plurality of element antennas;
A ground plane disposed away from each of the element antennas;
A conductive protrusion having a step from the ground plate, and projecting outward from the outer periphery of the ground plate;
Array antenna device equipped with

The array antenna apparatus according to claim 1, wherein the step is set to a height that is an odd multiple of a quarter wavelength.

The array antenna device according to claim 1, wherein the step is formed in a plurality of steps in a stepped manner.

2. The array antenna device according to claim 1, wherein each of the element antennas is formed from a patch radiation conductor disposed on a surface of a dielectric substrate, and the ground plane is disposed on a back surface of the dielectric substrate.