JP2016170048A - Meteorological radar apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、気象レーダー装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a weather radar apparatus.
近年、ゲリラ豪雨や竜巻といった大きな災害を引き起こす極端気象が頻発しており、その対策（予兆検知）が求められている。この予兆検知を実現するためには、極端気象の原因となる積乱雲の下層から上層までの発達過程や内部構造を密に三次元観測することが必須となる。しかもこれらの極端気象は非常に短時間に生成・発達・消滅する局所的な気象現象であることから、極端気象の予兆検知のためには、上記の密な三次元観測に加えて高い時間分解能と高い空間分解能による観測を行わなければならない。 In recent years, extreme weather that causes major disasters such as guerrilla rainstorms and tornadoes frequently occurs, and countermeasures (prediction detection) are required. In order to realize this sign detection, it is indispensable to closely observe the three-dimensional observation of the development process and internal structure from the lower layer to the upper layer of the cumulonimbus that causes extreme weather. Moreover, since these extreme weather events are local meteorological phenomena that are generated, developed, and disappear in a very short time, in order to detect signs of extreme weather, in addition to the above-mentioned dense three-dimensional observations, a high temporal resolution is required. And observation with high spatial resolution.
しかし、極端気象の現況観測を目的とした従来の気象レーダー装置では密な三次元観測を行う場合には時間分解能が不十分となり、予兆検知を実現するために必要十分な観測ができていなかった。これに対し、高い時間分解能及び高い空間分解能で密な三次元観測を実現できるフェーズドアレイ／ＤＢＦ（Digital Beam Forming）を用いた電子走査方式の気象レーダー装置が近年開発され、極端気象の予兆検知実現への期待が高まっている。 However, the conventional meteorological radar system aimed at observing the current state of extreme weather has insufficient time resolution for dense three-dimensional observation, and has not been able to perform necessary and sufficient observations to realize predictive detection. . On the other hand, an electronic scanning weather radar system using phased array / DBF (Digital Beam Forming) that can realize dense three-dimensional observation with high temporal resolution and high spatial resolution has recently been developed, and it is possible to detect signs of extreme weather. Expectations are growing.
このフェーズドアレイ気象レーダー装置のレーダーアンテナは、アンテナ素子と呼ばれる多数のアンテナを並べている。さらに、従来の気象レーダー装置ではレーダーアンテナ全体で１系統であった送受信部（ＲＦ部）をこれらアンテナ素子数分だけ具備することで電子走査を実現している。なお、気象レーダー装置による極端気象の予兆検知を目的とした観測を行う場合の電子走査の利点としては、次の２点が挙げられる。その１は、同時に多数のビームを形成できることによる高速観測の実現である。その２は、ビームを高速に自由に走査できることから気象観測を時間的に連続して行うのではなく機械駆動では実現できないような短い時間間隔を空けてまばらに観測することで高精度観測を実現できることである。 The radar antenna of this phased array weather radar apparatus has a large number of antennas arranged as antenna elements. Further, in the conventional weather radar apparatus, electronic scanning is realized by providing a single transmission / reception unit (RF unit) for the entire radar antenna by the number of these antenna elements. In addition, the following two points can be cited as advantages of electronic scanning when observation is performed for the purpose of detecting signs of extreme weather with a weather radar device. The first is realization of high-speed observation by being able to form many beams at the same time. Second, because the beam can be scanned freely at high speeds, weather observations are not performed continuously in time, but sparse observations with short time intervals that cannot be realized by mechanical drive are realized. It can be done.
このような電子走査式のレーダーアンテナは従来から実用化されているが、これらは多数のアンテナ素子及びＲＦ部を具備していることによるコスト高の問題がある。さらに、レーダーアンテナはターゲットを観測するために機械的に高速で回転し、さまざまな方向に姿勢を大きく変化することが多い。そのため、高剛性でないと正確なアンテナビームパターンを形成できず、結果としてターゲットの観測精度が劣化するなど問題が生じる。したがって、正確なアンテナビームパターンを形成するためのアンテナの高剛性かつ高精度な設置が必須である等の制約が厳しいため高コストとなる。 Such electronic scanning radar antennas have been put into practical use, but they have a problem of high cost due to the fact that they have a large number of antenna elements and RF sections. In addition, radar antennas often rotate mechanically at high speeds in order to observe a target, and often change their attitude in various directions. For this reason, an accurate antenna beam pattern cannot be formed unless the rigidity is high, resulting in problems such as deterioration in target observation accuracy. Therefore, the cost is high due to severe restrictions such as high rigidity and high precision installation of the antenna for forming an accurate antenna beam pattern.
このようなフェーズドアレイのレーダーアンテナを気象レーダー装置として普及を図るためには、前者の問題に対しては個々のアンテナ素子及びＲＦ部の低コスト化を進める必要がある。後者の問題に対しては従来と異なる手法により高剛性かつ高精度なアンテナ素子の設置を低コストで実現することが必要となる。 In order to popularize such a phased array radar antenna as a weather radar device, it is necessary to reduce the cost of the individual antenna elements and the RF unit in order to solve the former problem. For the latter problem, it is necessary to realize the installation of a highly rigid and highly accurate antenna element at a low cost by a method different from the conventional method.
この後者の問題に対して従来の手法では、例えばアンテナ素子とＲＦ部を高剛性に一体化し、これを高剛性なアンテナフレーム上に並べることで実現していた。このように一体化する理由は、アンテナ素子とＲＦ部を離すことでその間で伝送される信号が減衰し、レーダー性能が低下することを防ぐためである。この方法はアンテナ素子とＲＦ部が一体化されているため高剛性である。 In the conventional method for solving the latter problem, for example, the antenna element and the RF unit are integrated with high rigidity and are arranged on a high rigidity antenna frame. The reason for integrating in this way is to prevent the signal transmitted between the antenna element and the RF unit from being attenuated and the radar performance from being lowered. This method is highly rigid because the antenna element and the RF portion are integrated.
しかしながら、本来高精度に設置すべきであるアンテナ素子だけでなく、高精度な設置が不要なＲＦ部までを同様に高精度に設置することになる。このＲＦ部は、回路間のアイソレーションのための金属シールドや、冷却のための金属性放熱板などの設置によりアンテナ素子と比べて大きく重い場合が多い。そのため、高剛性かつ高精度に加工されたアンテナフレームを用いなければこのアンテナ素子とＲＦ部を一体化した構造体を高精度に設置することができず、高コストとなっていた。 However, not only the antenna element that should be installed with high accuracy but also the RF unit that does not require high-precision installation is similarly installed with high accuracy. This RF part is often larger and heavier than the antenna element due to the installation of a metal shield for circuit isolation, a metal heat sink for cooling, and the like. Therefore, if an antenna frame processed with high rigidity and high accuracy is not used, a structure in which the antenna element and the RF unit are integrated cannot be installed with high accuracy, resulting in high costs.
さらに、ＲＦ部は発熱量が一般的に大きく、アンテナ素子とＲＦ部を高剛性に一体化していると、この熱の影響でアンテナ素子やアンテナフレームが熱膨張等することによりアンテナの設置精度を損なう可能性もある。 Furthermore, the RF unit generally generates a large amount of heat. If the antenna element and the RF unit are integrated with high rigidity, the antenna element and the antenna frame are thermally expanded due to the influence of this heat, thereby improving the antenna installation accuracy. There is also the possibility of damage.
実施形態によれば、気象レーダー装置は、アレイアンテナと、送受信部と、第１の固定フレームと、第２の固定フレームと、フレキシブルな伝送路とを具備する。アレイアンテナは、複数のアンテナ素子を並べている。送受信部は、前記アンテナ素子にそれぞれ対応する。第１の固定フレームは、前記アンテナ素子を固定する。第２の固定フレームは、前記送受信部を固定する。フレキシブルな伝送路は、前記アンテナ素子と前記送受信部との間を接続する。 According to the embodiment, the weather radar apparatus includes an array antenna, a transmission / reception unit, a first fixed frame, a second fixed frame, and a flexible transmission path. The array antenna has a plurality of antenna elements arranged. The transmission / reception unit corresponds to each of the antenna elements. The first fixed frame fixes the antenna element. The second fixed frame fixes the transmission / reception unit. A flexible transmission line connects between the antenna element and the transmission / reception unit.
［第１の実施の形態］
（構成）
図１乃至図４は、第１の実施の形態を示す。図１は、第１の実施の形態の気象レーダー装置１の概略構成を示す斜視図である。本実施の形態の気象レーダー装置１は、図示しないレドームの内部に図１に示すように複数のアンテナ素子２を並べたアレイアンテナ３が配設されている。アレイアンテナ３は、図２に示すアンテナモジュール４が複数組み付けられてアンテナ本体３ａを形成している。
[First Embodiment]
(Constitution)
1 to 4 show a first embodiment. FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a weather radar device 1 according to the first embodiment. In the meteorological radar apparatus 1 of the present embodiment, an array antenna 3 in which a plurality of antenna elements 2 are arranged as shown in FIG. 1 is disposed inside a radome (not shown). In the array antenna 3, a plurality of antenna modules 4 shown in FIG. 2 are assembled to form an antenna body 3a.
図２に示すようにアンテナモジュール４は、アンテナ素子固定板５と、回路基板６とを有する。アンテナ素子固定板５には、複数、本実施の形態では４個のアンテナ素子２が並設されている。回路基板６は、各アンテナ素子２にそれぞれ対応する送受信部（ＲＦ部）７と、コネクタ部８とを有する。さらに、アンテナ素子２と送受信部７との間は、図３に示すようにフレキシブル基板（フレキシブルな伝送路）９で電気的に短い距離で接続されている。フレキシブル基板９は、柔軟性が高いシートまたはテープなどの板材で形成されている。 As shown in FIG. 2, the antenna module 4 includes an antenna element fixing plate 5 and a circuit board 6. A plurality of antenna elements 2 in the present embodiment are arranged in parallel on the antenna element fixing plate 5. The circuit board 6 includes a transmission / reception unit (RF unit) 7 and a connector unit 8 corresponding to each antenna element 2. Further, the antenna element 2 and the transmission / reception unit 7 are electrically connected with a short distance by a flexible substrate (flexible transmission line) 9 as shown in FIG. The flexible substrate 9 is formed of a plate material such as a highly flexible sheet or tape.
また、アレイアンテナ３のアンテナ本体３ａは、アンテナ素子２を固定する矩形状の第１の固定フレーム１０と、送受信部７を固定する矩形状の第２の固定フレーム１１と、を有する。図４に示すように第２の固定フレーム１１には、各アンテナモジュール４のコネクタ部８と着脱可能に連結される複数（アンテナモジュール４のコネクタ部８と同数）のコネクタ受部１２が設けられている。 The antenna body 3 a of the array antenna 3 includes a rectangular first fixed frame 10 that fixes the antenna element 2 and a rectangular second fixed frame 11 that fixes the transmission / reception unit 7. As shown in FIG. 4, the second fixed frame 11 is provided with a plurality of connector receiving portions 12 (the same number as the connector portions 8 of the antenna module 4) that are detachably connected to the connector portions 8 of the antenna modules 4. ing.
第１の固定フレーム１０には、複数のアンテナモジュール４の各アンテナ素子固定板５の上の４個のアンテナ素子２がそれぞれ高精度に位置決めされた状態で固定されている。ここで、アンテナ素子固定板５と回路基板６とはほぼ直交する状態で配置されている。そして、アンテナ素子固定板５と回路基板６との間のフレキシブル基板９がほぼ９０°に折れ曲がる状態に変形されている。 Four antenna elements 2 on each antenna element fixing plate 5 of the plurality of antenna modules 4 are fixed to the first fixed frame 10 in a state of being positioned with high accuracy. Here, the antenna element fixing plate 5 and the circuit board 6 are arranged in a substantially orthogonal state. The flexible board 9 between the antenna element fixing plate 5 and the circuit board 6 is deformed so as to be bent at approximately 90 °.
また、第１の固定フレーム１０および第２の固定フレーム１１の各角部には、それぞれ支柱１３が配設されている。第１の固定フレーム１０と第２の固定フレーム１１との間は、これらの支柱１３によって所定の設定間隔で固定されている。 Further, struts 13 are provided at the corners of the first fixed frame 10 and the second fixed frame 11, respectively. A space between the first fixed frame 10 and the second fixed frame 11 is fixed by these support columns 13 at a predetermined set interval.
（作用・効果）
本実施の形態の気象レーダー装置１では、アレイアンテナ３を構成する複数のアンテナモジュール４の各アンテナ素子２と、各アンテナ素子２にそれぞれ対応する送受信部７との間をフレキシブル基板９により電気的に短い距離で接続している。アンテナ素子２と送受信部７とをフレキシブル基板９で接続することで、アンテナ素子２と送受信部７のそれぞれの固定先を分離することができる。そして、各アンテナ素子２を第１の固定フレーム１０に固定し、送受信部７をコネクタ部８とコネクタ受部１２との接続部を介して第２の固定フレーム１１に固定している。
(Action / Effect)
In the meteorological radar apparatus 1 according to the present embodiment, a flexible substrate 9 is used to electrically connect each antenna element 2 of the plurality of antenna modules 4 constituting the array antenna 3 and the transmitting / receiving unit 7 corresponding to each antenna element 2. Connected at a short distance. By connecting the antenna element 2 and the transmission / reception unit 7 with the flexible substrate 9, the fixing destinations of the antenna element 2 and the transmission / reception unit 7 can be separated. Each antenna element 2 is fixed to the first fixed frame 10, and the transmission / reception unit 7 is fixed to the second fixed frame 11 through a connection portion between the connector portion 8 and the connector receiving portion 12.
これにより、アンテナ素子２を固定する第１の固定フレーム１０はアンテナ素子２のみを高精度に保持すればよい。このアンテナ素子２とアンテナ素子固定板５とは、送受信部７に比べて重量が軽いので、第１の固定フレーム１０は、さほどの剛性は不要となり、簡易な構造で実現できる。また、アンテナ素子２は、送受信部７からの熱の影響も受けにくくなる。 Thus, the first fixed frame 10 that fixes the antenna element 2 may hold only the antenna element 2 with high accuracy. Since the antenna element 2 and the antenna element fixing plate 5 are lighter in weight than the transmission / reception unit 7, the first fixing frame 10 does not require much rigidity and can be realized with a simple structure. Further, the antenna element 2 is not easily affected by heat from the transmission / reception unit 7.
さらに、フレキシブル基板９によるフレキシブルな接続により、送受信部７の設置方向の自由度が大きくなり、送受信部７の仕様変更に柔軟に対応することが出来る。例えば、レーダーの観測距離を変更するためには送信パワーを変更することが必要であり、これは多くの場合、送受信部７の寸法に影響する。このような場合は、寸法が変化する方向をアンテナ素子２のアンテナ面と直交させて送受信部７をレーダーアンテナの厚み方向に配置することで、レーダーアンテナの重要なパラメーターであるアンテナ間隔や開口面積を変更することなく送信パワー等の変更を実現することが出来る。 Furthermore, the flexible connection by the flexible substrate 9 increases the degree of freedom in the installation direction of the transmission / reception unit 7, and can flexibly cope with the specification change of the transmission / reception unit 7. For example, in order to change the observation distance of the radar, it is necessary to change the transmission power, which often affects the dimensions of the transmission / reception unit 7. In such a case, by arranging the transmitting / receiving unit 7 in the thickness direction of the radar antenna so that the direction in which the dimension changes is orthogonal to the antenna surface of the antenna element 2, the antenna interval and the opening area, which are important parameters of the radar antenna, are arranged. The transmission power and the like can be changed without changing the.
なお、上記実施の形態では、フレキシブルな伝送路としてフレキシブル基板９を設けた例を示したが、これに替えてフレキシブルフラットケーブルを使用してもよい。 In the above embodiment, an example in which the flexible substrate 9 is provided as a flexible transmission line has been described, but a flexible flat cable may be used instead.
そこで、上記構成の本実施の形態の気象レーダー装置１では、アンテナの設置精度を損なうことがなく、コスト低下を図ることができる気象レーダー装置を提供することができる。 Therefore, the weather radar apparatus 1 of the present embodiment having the above-described configuration can provide a weather radar apparatus that can reduce the cost without impairing the antenna installation accuracy.
［変形例］
（構成）
図５は、第１の実施の形態のアンテナモジュール４の変形例を示す。本変形例は、アンテナ素子２と送受信部７との間をフレキシブルジョイント２１で接続したものである。このフレキシブルジョイント２１は、例えば金属線ブレードなどの網管を有し、各方向に湾曲変形可能な構造になっている。
[Modification]
(Constitution)
FIG. 5 shows a modification of the antenna module 4 of the first embodiment. In this modification, the antenna element 2 and the transmission / reception unit 7 are connected by a flexible joint 21. The flexible joint 21 has a net tube such as a metal wire blade, and has a structure that can be bent and deformed in each direction.
本変形例でもアンテナモジュール４のアンテナ素子２と送受信部７のそれぞれの固定先を分離することができるので、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。 Also in this modified example, the antenna element 2 and the transmission / reception unit 7 of the antenna module 4 can be separated from each other, so that the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
これらの実施形態によれば、アンテナの設置精度を損なうことがなく、コスト低下を図ることができる気象レーダー装置を提供することができる。 According to these embodiments, it is possible to provide a weather radar device that can reduce the cost without impairing the installation accuracy of the antenna.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
１…気象レーダー装置、２…アンテナ素子、３…アレイアンテナ、３ａ…アンテナ本体、４…アンテナモジュール、５…アンテナ素子固定板、６…回路基板、７…送受信部、８…コネクタ部、９…フレキシブル基板（フレキシブルな伝送路）、１０…第１の固定フレーム、１１…第２の固定フレーム、１２…コネクタ受部、２１…フレキシブルジョイント（フレキシブルな伝送路）。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Weather radar apparatus, 2 ... Antenna element, 3 ... Array antenna, 3a ... Antenna main body, 4 ... Antenna module, 5 ... Antenna element fixing plate, 6 ... Circuit board, 7 ... Transmission / reception part, 8 ... Connector part, 9 ... Flexible substrate (flexible transmission path), 10... First fixed frame, 11... Second fixed frame, 12.
Claims (5)
前記各アンテナ素子にそれぞれ対応する送受信部と、
前記アンテナ素子を固定する第１の固定フレームと、
前記送受信部を固定する第２の固定フレームと、
前記アンテナ素子と前記送受信部との間を接続するフレキシブルな伝送路と、
を具備する気象レーダー装置。 An array antenna in which a plurality of antenna elements are arranged;
A transmitting / receiving unit corresponding to each of the antenna elements;
A first fixed frame for fixing the antenna element;
A second fixed frame for fixing the transmission / reception unit;
A flexible transmission line connecting between the antenna element and the transceiver unit;
A weather radar apparatus comprising:
前記アンテナ素子と前記送受信部とを電気的に短い距離で結合する請求項１に記載の気象レーダー装置。 The flexible transmission line is either a flexible substrate or a flexible flat cable,
The weather radar apparatus according to claim 1, wherein the antenna element and the transmission / reception unit are electrically coupled at a short distance.
前記アンテナ素子固定部材には、前記アンテナ素子が固定され、
前記回路基板は、前記送受信部を有し、
前記フレキシブルな伝送路は、前記アンテナ素子固定部材と、前記回路基板との間に配設されている請求項４に記載の気象レーダー装置。 The antenna module has an antenna element fixing member and a circuit board,
The antenna element is fixed to the antenna element fixing member,
The circuit board has the transmission / reception unit,
The weather radar apparatus according to claim 4, wherein the flexible transmission path is disposed between the antenna element fixing member and the circuit board.
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