JP2017079424A

JP2017079424A - レーダアンテナ及びレーダアンテナ製造方法

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Publication number: JP2017079424A
Application number: JP2015207132A
Authority: JP
Inventors: 裕三渋谷; Yuzo Shibuya; 高橋　明彦; Akihiko Takahashi; 明彦高橋
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2015-10-21
Filing date: 2015-10-21
Publication date: 2017-04-27
Anticipated expiration: 2035-10-21
Also published as: JP6662544B2

Abstract

【課題】水平面指向性の周波数特性の広帯域化し、特定の２つの周波数帯域で使用可能とするレーダアンテナを提供する。【解決手段】レーダアンテナ１は、ホーン状のフレア２と、このフレア２の基部に設けられた放射導波管３と、フレア２の上下中央位置であり放射導波管３から所定距離だけ離間した位置に設けられた金属板４とを備えている。フレア２の開口部の上下方向の長さＨｆ、フレア２の前後方向の長さＬｆ、放射導波管３に形成されたスロット孔３１と金属板４との距離Ｌｐ、金属板４の前後方向の長さＷｐを適切に形成することにより、レーダアンテナ１の水平面指向性の周波数特性を広帯域化し、特定の２つの周波数で使用可能とする。【選択図】図１

Description

本発明は、主としてレーダアンテナとして用いられるアンテナ装置及びその製造方法に関する。

レーダ用のアンテナ装置としては、ホーン状の金属製フレアの基部にスロット導波管（放射導波管）を設けた導波管スロットアレイアンテナが用いられることがある。この導波管スロットアレイアンテナには、導波管狭壁面側にスロット孔が設けられ、各スロット孔の傾斜角度、切込み深さ、幅、及び配置により所定の周波数特性が得られるようになっている。

レーダアンテナでは、水平面指向性の周波数特性を広帯域化することが求められることがある。従来より、導波管スロットアレイアンテナにおいて、スロット孔の幅を拡張することにより周波数特性が広帯域化する技術が知られている。

また、レーダアンテナでは、高利得化も求められる。従来、導波管スロットアレイアンテナにおいて、フレアの上下中央位置において電磁波放射方向に所定長の金属板が設けられ、さらに、フレアを塞ぐように設けられて上下方向の長さおよび前後方向の長さが所定長に設定された電波成形板と、フレア及び電波成形板を覆うように設けられた誘電性のレドームと、が設けられた導波管スロットアレイアンテナが知られている（例えば、特許文献１等参照。）。この導波管スロットアレイアンテナは、上記のような構成により垂直面指向性のビーム幅を狭ビーム化することで利得を向上させるものである。

特開２０１４−０４５３６６号公報

ところで、このようなレーダアンテナを広帯域に、例えばＸ帯３％程度で使用するためには、あるいは特定の２周波、例えばＸ帯で５％程度離れた２周波で使用可能とするためには、スロット孔の幅を拡張することのみでは実現できない。

そこで本発明は、水平面指向性の周波数特性の広帯域化を図ることにより、広帯域にあるいは特定の２周波で使用可能とするレーダアンテナを提供し、さらに、垂直面指向性のビーム幅を狭ビーム化し高利得化を実現するレーダアンテナ及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ホーン状のフレアの基部にスロット孔を備えた放射導波管が設けられ、前記フレアの上下中央位置で電磁波放射方向に所定長の金属板が設けられたレーダアンテナにおいて、前記金属板が前記スロット孔から所定の距離だけ離間した位置に設けられ、前記レーダアンテナの水平面指向性の周波数特性を広帯域化する、ことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーダアンテナにおいて、前記金属板は、前後方向が所定の長さに形成されて所定の位置に設けられ、前記レーダアンテナの垂直面指向性のビーム幅を狭ビーム化して高利得化する、ことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、所定の２つの周波数ｆ_Ｌ及び周波数ｆ_Ｈ（ｆ_Ｌ＜ｆ_Ｈ）にて使用される請求項１に記載のレーダアンテナにおいて、前記フレアの上下方向の長さをＨｆ、前記フレアの前後方向の長さをＬｆ、前記スロット孔と前記金属板との距離をＬｐ、前記金属板前後方向の長さをＷｐ、前記周波数ｆ_Ｈにおける自由空間波長をλ_Ｈとしたときに、
Ｌｆ＝４．５λ_Ｈ、Ｈｆ＝３．６λ_Ｈ、Ｌｐ＝１．１５λ_Ｈ、Ｗｐ＝１．０λ_Ｈ
であることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、所定の２つの周波数ｆ_Ｌ及び周波数ｆ_Ｈ（ｆ_Ｌ＜ｆ_Ｈ）にて使用される請求項２に記載のレーダアンテナにおいて、前記フレアの上下方向の長さをＨｆ、前記フレアの前後方向の長さをＬｆ、前記スロット孔と前記金属板との距離をＬｐ、前記金属板前後方向の長さをＷｐ、前記周波数ｆ_Ｈにおける自由空間波長をλ_Ｈとしたときに、
Ｌｆ＝４．５λ_Ｈ、Ｈｆ＝３．６λ_Ｈ、Ｌｐ＝１．１５λ_Ｈ、Ｗｐ＝１．２５λ_Ｈ
であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、ホーン状のフレアの基部にスロット孔を備えた放射導波管が設けられ、前記フレアの上下中央位置で電磁波放射方向に所定長の金属板が設けられたレーダアンテナを製造するレーダアンテナ製造方法において、前記金属板を、前記スロット孔から所定の距離だけ離間した位置に設けるとともに、前後方向を所定の長さに形成することにより、前記レーダアンテナの水平面指向性の周波数特性を広帯域化するとともに、垂直面指向性のビーム幅を狭ビーム化して高利得化する、ことを特徴とする。

本願発明者は、電磁界解析による計算および実験によって、レーダアンテナに金属板を所定の位置に設けることにより、従来技術に比べて水平面指向性の周波数特性を広帯域化することが可能であり、特定の２周波で使用可能であることを確認した。さらに、金属板を所定の長さに形成することにより、従来（特許文献１のレーダアンテナ）に比べて広帯域化及び特定の２周波で使用可能であることを維持しつつ、垂直面指向性のビーム幅を狭ビーム化できることを確認した。

請求項１及び請求項３記載の発明によれば、レーダアンテナにおいて、金属板をスロット孔から所定の距離だけ離間した位置に設けることにより、レーダアンテナの水平面指向性の周波数特性を広帯域化し、特定の２周波で使用可能となる。

請求項２及び請求項４記載の発明によれば、金属板を所定の長さに形成して所定の位置に設けることにより、さらに、レーダアンテナの垂直面指向性のビーム幅を狭ビーム化することができる。そのため、このレーダアンテナは、広帯域化とともに高利得化を実現することができる。

請求項５記載の発明によれば、金属板をスロット孔から所定の距離だけ離間した位置に設け、前後方向を所定の長さに形成することにより、レーダアンテナの水平面指向性の周波数特性を広帯域化し、レーダアンテナの垂直面指向性のビーム幅を狭ビーム化したレーダアンテナを製造することが可能になる。

この発明の実施の形態１に係るレーダアンテナを示す側面図（断面図）である。図１のレーダアンテナの全体を示す斜視図（ａ）、及び手前側側面部分を示す拡大斜視図（ｂ）である。図１のレーダアンテナの理論的等価回路を示す回路図である。図３の等価回路内の１つのスロットにおけるスロットコンダクタンス周波数特性及びスロットサセプタンス周波数特性を示す図であり、従来のレーダアンテナを示す図（ａ）、従来のレーダアンテナにおいてスロット幅を拡張した場合を示す図（ｂ）、及び図１のレーダアンテナを示す図（ｃ）である。所定の２つの周波数における従来のレーダアンテナの水平面指向性特性を示す図であり、低域周波数の場合の特性を示す図（ａ）、及び高域周波数の場合の特性を示す図（ｂ）である。所定の２つの周波数における図１のレーダアンテナの水平面指向性特性を示す図であり、低域周波数の場合の特性を示す図（ａ）、及び高域周波数の場合の特性を示す図（ｂ）である。図５の特性及び図６の特性における中心軸付近を示す拡大比較図であり、図５（ａ）及び図６（ａ）の中心軸付近を示す拡大比較図（ａ）、及び図５（ｂ）及び図６（ｂ）の中心軸付近を示す拡大比較図（ｂ）である。所定の２つの周波数において、図１のレーダアンテナの金属板を他の位置に設けた場合の水平面指向性特性を示す図であり、低域周波数の場合の特性を示す図（ａ）、及び高域周波数の場合の特性を示す図（ｂ）である。図６の特性及び図８の特性における中心軸付近を示す拡大比較図であり、図６（ａ）及び図８（ａ）の中心軸付近を示す拡大比較図（ａ）、及び図６（ｂ）及び図８（ｂ）の中心軸付近を示す拡大比較図（ｂ）である。所定の２つの周波数における、この発明の実施の形態１及び実施の形態２に係るレーダアンテナの垂直面指向性特性を示す図であり、低域周波数の場合の特性を示す図（ａ）、及び高域周波数の場合の特性を示す図（ｂ）である。所定の２つの周波数における、この発明の実施の形態１及び実施の形態２に係るレーダアンテナの水平面指向性特性を示す図であり、低域周波数の場合の特性を示す図（ａ）、及び高域周波数の場合の特性を示す図（ｂ）である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１乃至図９は、この発明の実施の形態１を示し、図１は、この実施の形態１に係るレーダアンテナ１を示す側面図（断面図）である。このレーダアンテナ１は、特定の２つの周波数ｆ_Ｌ，ｆ_Ｈ（ｆ_Ｌ＜ｆ_Ｈ）、この周波数ｆ_Ｌ，ｆ_Ｈにおける自由空間波長λ_Ｌ，λ_Ｈで使用可能なものであり、ホーン状のフレア２と、このフレア２の基部に設けられた放射導波管３と、フレア２の上下中央位置であり放射導波管３から所定距離だけ離間した位置に設けられた金属板４とを備えている。

フレア２は、例えば、図２（ａ）に示すように、金属等の導電性部材で形成されて断面略Ｖ字状に開口した柱状であり、垂直面の電磁波を絞るためのものである。放射導波管３は、断面略方形の筒状部材であり、電磁波を放射するためのものである。放射導波管３の電磁波放射側側面には、図２（ｂ）に示すように、所定の間隔で溝状のスロット孔３１が設けられている。スロット孔３１は、所定の角度、幅、及び切込み深さで加工され、所望の指向性特性、及び周波数特性を得るために設けられるものである。

金属板４は、従来はレーダアンテナ１が放射する電磁波の位相を成形するために設けられたものであり、位相成形板とも呼ばれるものである。しかし、本発明においては、周波数特性を広帯域化するためにも用いられる。

図１に示すように、フレア２の開口部の上下方向の長さをＨｆ、フレア２の前後方向の長さをＬｆ、スロット孔３１と金属板４との距離をＬｐ、金属板４の前後方向の長さをＷｐとする。これらの長さは、
Ｌｆ＝４．５λ_Ｈ、Ｈｆ＝３．６λ_Ｈ、Ｌｐ＝１．１５λ_Ｈ、Ｗｐ＝１．０λ_Ｈ
で形成されている。

図３及び図４を参照して、図１のレーダアンテナ１の利用可能周波数範囲について説明する。図３の端子１１ａ，１１ｂは、図２（ａ）の放射導波管３の給電側を示す。放射導波管のもう一方の端面は終端器で終端されている。端子１１ａ，１１ｂは、放射導波管３において、ある決まった素子間隔でスロット孔に接続されている。スロット素子間隔相当導波管長ｌは、この素子間隔に相当する導波管長である。各スロット孔のスロットアドミタンスｙ１，ｙ２，・・・，ｙｎは、
ｙ１＝ｇ１＋ｊｂ１，ｙ２＝ｇ２＋ｊｂ２，・・・，ｙｎ＝ｇｎ＋ｊｂｎ
で表される。ここで、ｇ１，ｇ２，・・・，ｇｎはスロットコンダクタンス、ｂ１，ｂ２，・・・，ｂｎはスロットサセプタンス、ｊは虚数単位を示している。

図４（ａ）〜（ｃ）は、図３内の１つのスロット孔において放射される電磁波の周波数とスロットコンダクタンス及びスロットサセプタンスとの関係を示すグラフであり、実線Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３は、スロットコンダクタンスを示し、破線Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３は、スロットサセプタンスを示している。周波数ｆ_Ｌ，ｆ_Ｈは、レーダアンテナ１で使用する所定の２つの周波数である。ここで、一般に、レーダアンテナで利用可能な周波数の範囲内であると判断するためには、スロットコンダクタンスを示す実線が略一定の値で推移し、スロットサセプタンスを示す破線が緩やかに減少方向に傾斜している箇所とされている。

従来のレーダアンテナの場合、図４（ａ）に示すように、実線Ｌ１１は中央付近をピークに急峻な変化を示し、破線Ｌ２１も急峻な減少をしているので、利用可能な周波数の範囲は図４（ａ）に示すような範囲であると判断される。

従来のレーダアンテナにおいてスロット幅を拡張した場合であっても、図４（ｂ）に示すように、実線Ｌ１２は実線Ｌ１１と比較すると中央付近をピークに緩やかな変化を示し、破線Ｌ２２も破線Ｌ２１と比較すると緩やかな減少をしているが、利用可能な周波数の範囲は図４（ｂ）に示すような範囲であると判断される。

これに対して、図１のレーダアンテナの場合、図４（ｃ）に示すように、実線Ｌ１３は実線Ｌ１１，Ｌ１２と比較すると中央付近にあまり値が変化しない箇所があり、破線Ｌ２３は破線Ｌ２１，Ｌ２２と比較すると広い範囲で緩やかな減少をしているので、利用可能な周波数の範囲は図４（ｃ）に示すような範囲であると判断される。そのため、周波数ｆ_Ｌ，ｆ_Ｈともにこの範囲に入ることになり、周波数ｆ_Ｌ，ｆ_Ｈで使用可能であると判断される。

次に、このようなレーダアンテナの作用等について説明する。

本願発明者は、電磁界解析による計算および実験によって、フレア２、放射導波管３及び金属板４を上記のように構成することで、従来よりも水平面指向性の周波数特性を広帯域化することができることを確認し、この考察結果に基づいて、レーダアンテナ１を上記のような構成とした。この結果について、図５乃至図９を用いて説明する。

図５（ａ）を例に、このような水平面指向性特性Ｌ３１における使用可否の判断について説明する。最大出力値を示すピークＰ１１が規定値を示すスペックラインＬ４１を超え、ピークＰ１１から角度を増加する方向（図５（ａ）の右方向）及び角度を減少する方向（図５（ａ）の左方向）にサイドローブと呼ばれる突出部Ｐ１２，Ｐ１３が存在しない場合、又はサイドローブＰ１２，Ｐ１３がスペックラインＬ４１を下回っている場合は、この周波数帯で使用可能と判断される。

従来のレーダアンテナでは、図５（ａ）、図７（ａ）に示す低域周波数の場合の水平面指向性特性Ｌ３１は、−２．５°付近におけるピークＰ１１がスペックラインＬ４１を超え、−５°、−１°付近におけるサイドローブＰ１２，Ｐ１３がスペックラインＬ４１を下回っている。サイドローブＰ１３が右方向に突出しているがスペックラインＬ４１以下であるので、この周波数帯で使用可能と判断される。しかし、図５（ｂ），図７（ｂ）に示す高域周波数の場合の水平面指向性特性Ｌ３２は、＋２°付近におけるピークＰ２１がスペックラインＬ４２を超え、増加方向におけるサイドローブが存在しないが、＋１°付近におけるサイドローブＰ２２がスペックラインＬ４２を上回っているので、この周波数帯では使用不可能と判断される。

それに対して、図１のレーダアンテナ１では、図６（ａ）、図７（ａ）に示す低域周波数の場合の水平面指向性特性Ｌ３３は、−２．５°付近におけるピークＰ３１が規定値を示すスペックラインＬ４１を超え、増加方向及び減少方向におけるサイドローブが存在しないので、この周波数帯で使用可能と判断される。また、図６（ｂ）、図７（ｂ）に示す高域周波数の場合の水平面指向性特性Ｌ３４は、＋２°付近におけるピークＰ４１がスペックラインＬ４２を超え、増加方向及び減少方向におけるサイドローブが存在しないので、この周波数帯で使用可能と判断される。このように、レーダアンテナ１では、低域周波数帯及び高域周波数帯の両方で使用可能であることが確認された。

また、図１のレーダアンテナ１の金属板４を他の位置に設けた場合、図８（ａ）、図９（ａ）に示す低域周波数の場合の水平面指向性特性Ｌ３５は、−２．５°付近におけるピークＰ５１が規定値を示すスペックラインＬ４１を超え、増加方向におけるサイドローブが存在しないが、−４．５°付近におけるサイドローブＰ５２がスペックラインＬ４１を上回っているので、この周波数帯で使用不可能と判断される。さらに、図８（ｂ）、図９（ｂ）に示す高域周波数の場合の水平面指向性特性Ｌ３６は、＋２°付近におけるピークＰ６１がスペックラインＬ４２を超え、＋０．５°、＋３．５°付近におけるサイドローブＰ６２，Ｐ６３がスペックラインＬ４２を上回っているので、この周波数帯で使用不可能と判断される。このように、レーダアンテナ１の金属板４は、上記の位置に設けないと使用不可能であることが確認された。

以上のように、このレーダアンテナ１によれば、フレア２、放射導波管３及び金属板４を上記のように構成することで、従来よりも水平面指向性の周波数特性を広帯域化することができる。そのため、このレーダアンテナ１は、低域周波数帯及び高域周波数帯の両方で使用可能である。また、レーダアンテナ１を以上のように製造するレーダアンテナ製造方法によれば、従来よりも水平面指向性の周波数特性を広帯域化するレーダアンテナを製造することが可能になる。

（実施の形態２）
図１０及び図１１は、この発明の実施の形態２を示している。実施の形態２に係るレーダアンテナは、実施の形態１に係るレーダアンテナ１と同様の構成であるが、フレア２の開口部の上下方向の長さＨｆ、フレア２の前後方向の長さＬｆ、スロット孔３１と金属板４との距離Ｌｐ、及び金属板４の前後方向の長さＷｐの長さが、
Ｌｆ＝４．５λ_Ｈ、Ｈｆ＝３．６λ_Ｈ、Ｌｐ＝１．１５λ_Ｈ、Ｗｐ＝１．２５λ_Ｈ
で形成されている点で、実施の形態１と異なる。

本願発明者は、電磁界解析による計算および実験によって、フレア２、放射導波管３及び金属板４を上記のように構成することで、従来よりも水平面指向性の周波数特性を広帯域化し、さらに、垂直面指向性のビーム幅を狭ビーム化することで利得の向上が可能なことを確認し、この考察結果に基づいて、レーダアンテナ１を上記のような構成とした。この結果について、図１０及び図１１を用いて説明する。

図１０（ａ）及び（ｂ）に示す、実施の形態１と実施の形態２とにおける垂直面指向性特性を比較すると、低域周波数の場合を示す図１０（ａ）における実施の形態１の場合の特性Ｌ５１よりも、実施の形態２の場合の特性Ｌ６１の方が、ビーム幅が狭ビーム化され、相対利得が向上している。また、高域周波数の場合を示す図１０（ｂ）における実施の形態１の場合の特性Ｌ５２よりも、実施の形態２の場合の特性Ｌ６２の方が、ビーム幅が狭ビーム化され、相対利得が向上している。このように、実施の形態２におけるレーダアンテナの垂直面指向性のビーム幅が狭ビーム化され、利得の向上が可能なことが確認された。

さらに、図１１（ａ）及び（ｂ）に示す、実施の形態１と実施の形態２とにおける水平面指向性特性を比較すると、図１１（ａ）に示す低域周波数の場合の水平面指向性特性Ｌ５３，Ｌ６３は、−２．５°付近におけるピークが規定値を示すスペックラインを超え、増加方向及び減少方向におけるサイドローブが存在しないので、この周波数帯で使用可能と判断される。また、図１１（ｂ）に示す高域周波数の場合の水平面指向性特性Ｌ５４、Ｌ６４は、＋２°付近におけるピークがスペックラインを超え、増加方向及び減少方向におけるサイドローブが存在しないので、この周波数帯で使用可能と判断される。このように、実施の形態２におけるレーダアンテナも低域周波数帯及び高域周波数帯の両方で使用可能であることが確認された。

以上のように、このレーダアンテナによれば、フレア２、放射導波管３及び金属板４を上記のように構成することで、従来よりも水平面指向性の周波数特性を広帯域化することができるとともに、垂直面指向性のビーム幅を狭ビーム化し高利得化することができる。また、レーダアンテナ１を以上のように製造するレーダアンテナ製造方法によれば、従来よりも水平面指向性の周波数特性を広帯域化するとともに、垂直面指向性のビーム幅を狭ビーム化して高利得化するレーダアンテナを製造することが可能になる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、フレア２を断面略Ｖ字状に開口した柱状としたが、必要な利得や成形性・製作容易性等に応じて、断面が丸みを帯びた略Ｖ字状に開口した柱状としてもよい。

１レーダアンテナ
２フレア
３放射導波管
３１スロット孔
４金属板

Claims

ホーン状のフレアの基部にスロット孔を備えた放射導波管が設けられ、前記フレアの上下中央位置で電磁波放射方向に所定長の金属板が設けられたレーダアンテナにおいて、
前記金属板が前記スロット孔から所定の距離だけ離間した位置に設けられ、前記レーダアンテナの水平面指向性の周波数特性を広帯域化する、
ことを特徴とするレーダアンテナ。
前記金属板は、前後方向が所定の長さに形成されて所定の位置に設けられ、前記レーダアンテナの垂直面指向性のビーム幅を狭ビーム化して高利得化する、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーダアンテナ。
所定の２つの周波数ｆ_Ｌ及び周波数ｆ_Ｈ（ｆ_Ｌ＜ｆ_Ｈ）にて使用される請求項１に記載のレーダアンテナにおいて、
前記フレアの開口部の上下方向の長さをＨｆ、前記フレアの前後方向の長さをＬｆ、前記スロット孔と前記金属板との長さをＬｐ、前記金属板前後方向の長さをＷｐ、前記周波数ｆ_Ｈにおける自由空間波長をλ_Ｈとしたときに、
Ｌｆ＝４．５λ_Ｈ、Ｈｆ＝３．６λ_Ｈ、Ｌｐ＝１．１５λ_Ｈ、Ｗｐ＝１．０λ_Ｈ
であることを特徴とするレーダアンテナ。
所定の２つの周波数ｆ_Ｌ及び周波数ｆ_Ｈ（ｆ_Ｌ＜ｆ_Ｈ）にて使用される請求項２に記載のレーダアンテナにおいて、
前記フレアの開口部の上下方向の長さをＨｆ、前記フレアの前後方向の長さをＬｆ、前記スロット孔と前記金属板との長さをＬｐ、前記金属板前後方向の長さをＷｐ、前記周波数ｆ_Ｈにおける自由空間波長をλ_Ｈとしたときに、
Ｌｆ＝４．５λ_Ｈ、Ｈｆ＝３．６λ_Ｈ、Ｌｐ＝１．１５λ_Ｈ、Ｗｐ＝１．２５λ_Ｈ
であることを特徴とするレーダアンテナ。
ホーン状のフレアの基部にスロット孔を備えた放射導波管が設けられ、前記フレアの上下中央位置で電磁波放射方向に所定長の金属板が設けられたレーダアンテナを製造するレーダアンテナ製造方法において、
前記金属板を、前記スロット孔から所定の距離だけ離間した位置に設けるとともに、前後方向を所定の長さに形成することにより、
前記レーダアンテナの水平面指向性の周波数特性を広帯域化するとともに、垂直面指向性のビーム幅を狭ビーム化して高利得化する、
ことを特徴とするレーダアンテナ製造方法。