JP3696814B2 - レドームおよびレドームの電気的不連続部の端点位置決定方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明はアンテナを保護するためのレドームにおいて、レドームを含めたアンテナ放射特性が最適になるようにしたレドームおよびレドームの電気的不連続部の端点位置決定方法にかかわるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、例えば文献１(Alan F. Kay, "Electrical Design of Metal Space Frame Radomes," IEEE Trans. On Antennas and Propagation, Mar. 1965)に開示された、金属フレーム構造を誘電体シートで覆ったレドーム、文献２(Reuven Shavit, et. al., "Scattering Analysis of High Performance Large Sandwich," IEEE Trans. On Antennas and Propagation, Feb. 1992)に開示されたサンドイッチ構造を有する誘電体パネルを複数組み合わせたレドームがある。
【０００３】
図４に上記文献１で説明されている従来の金属フレームタイプのレドーム構造を示す。このレドーム内部にアンテナを設置した場合、金属フレームが電気的に不連続となり、この部位より強い散乱波が生じ、アンテナの利得の低減およびサイドローブレベルの上昇などアンテナ特性に悪影響を与える。
【０００４】
また上記文献２で説明されている従来の誘電体パネルタイプのレドーム(特に図示せず)においては、誘電体パネルの接合部が電気的に不連続となり、同様に不要な散乱波を生じる。
【０００５】
このようなレドームにおいて特に電気的不連続部が規則的に配置されている場合には、各電気的不連続部から生じる散乱波がある特定の方向で強めあい高いサイドローブを生じるため、意図的に規則性を乱すように、各電気的不連続部を配置しレドーム全体の構造を決定していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレドームは以上のように構成されており、電気的不連続部の規則性を適当に乱すと、ある程度サイドローブレベルを低減することはできるが、内部に位置するアンテナの特性を考慮して最適な電気的不連続部の配置を決定することは困難であるという問題点があった。
【０００７】
この発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、レドームを含めたアンテナ放射特性が最適になるようにしたレドームおよびレドームの電気的不連続部の端点位置決定方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的に鑑み、この発明は、レドームの各電気的不連続部の端点が一つの球の表面上に位置し、これら全体構造が、構成単位をなす部分レドームを前記球の中心を通る所定軸を中心に順次回転移動させた周期構造をなすレドームとし、前記部分レドームの各電気的不連続部の端点の位置を、前記球の中心を通る所定軸上にある前記球の頂部側に対して最下端の端点はレドーム最下端周上とし、最下端の端点より頂部側の端点は前記球の表面上とし、周期構造の構成単位をなす前記部分レドームの各端点の位置を、これらの端点をそれぞれ初期位置から変位させた位置にした時の各電気的不連続部でのレドーム内のアンテナから放射された電磁界により発生する散乱電界より求まるレドームを考慮したアンテナ指向性の利得およびサイドローブの評価を含む評価関数が最大になる位置としたことを特徴とするレドームにある。
【０００９】
また、電気的不連続部の端点が球面の代わりに回転楕円体面上に位置することを特徴とする。
【００１０】
また、電気的不連続部の端点を球の表面上のみならず前記球の半径方向にも変位させ最適化したことを特徴とする。
【００１１】
また、アンテナ指向性のみならず前記電気的不連続部の全長を短くすることも考慮して電気的不連続部の端点の位置を変位させたことを特徴とする。
また、レドームの電気的不連続部の端点位置決定方法を特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下この発明を各実施の形態に従って説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態１によるレドームについて説明する。アンテナとレドームの位置関係を示す側面図を図１の(ａ)、上面図を図１の(ｂ)に示す。これらの図において、１がアンテナ開口面、２が球面の一部で構成されるレドーム、２ａがレドーム全体の構造を、基準となるレドームを周期的に配置して構成する場合の基準となる部分的なレドームである部分レドーム。このように周期的な構造でレドーム全体を構成するのはレドームの構成部品点数を少なくするためである。
【００１３】
このレドーム構造において基準となる部分レドーム２ａ上での電気的不連続部の配置の例を図２の(ａ)に示す。３は電気的不連続部、４ａ〜４ｇ、４ｂ’〜４ｄ’が基準となる部分レドーム２ａ上での電気的不連続部３が接合する端点である。ここで、全ての端点はレドームを構成する球の表面上に位置するようにする。全体のレドーム構造は基準構成単位となる部分レドーム２ａの端点４ａ〜４ｇの端点を周期的に配置して決定するが、各隣接する部分レドーム２ａ同士が接合するように、４ｂ〜４ｄを回転したものが４ｂ’〜４ｄ’になるようにする。
【００１４】
すなわち全体のレドーム構造は、レドームを構成する球の中心を通る所定軸を中心に構成単位をなす部分レドーム２ａを順次回転移動させた周期構造をなし、これらの部分レドーム２ａの各電気的不連続部の端点４ｂ〜４ｄを４ｂ’〜４ｄ’の位置に変位させた。
【００１５】
本構成のレドームにおいては、端点の配置が決まれば一意にレドーム接合部(すなわち電気的不連続部３)の位置も決定される。端点４ａを固定とすると全体のレドーム構成を決定するには４ｂ〜４ｇの位置を決定すればよい。次に内部に位置するアンテナの特性を考慮した最適な電気的不連続部の配置を決定する方法について説明する。
【００１６】
まず基準となる部分レドームの電気的不連続部が接合する端点の初期位置を決定する。端点は球の表面上に位置するので各端点の座標は極座標系の角度θ、φで表すことができる。また基準となる部分レドームにｍ個の端点が存在するものとし、各端点の初期位置Ｐ0i(ｉ＝１，・・・，ｍ)の集合で初期状態のレドーム全体Ｒ0を表す。
【００１７】
【数１】
次にこの初期状態から各端点の座標をそれぞれ(δθｉ，δφｉ)だけ変位させた端点の位置をＰi(ｉ＝１，・・・，ｍ)とすると、この変位させた状態のレドームは次のように表すことができる。
【００１９】
【数２】
初期状態から変位させたレドーム形状の例を図２の(ｂ)に示す。アンテナ特性を考慮して電気的不連続部３の最適な配置を決定することは、この各端点の最適な変位量を決定すればよいことになる。
【００２１】
一方、レドーム内部に位置するアンテナの諸元がわかると、そこから放射される電磁界が決定され各電気的不連続部に入射する電界強度がわかる。この各電気的不連続部に入射する電界強度がわかるとＦＤＴＤ法(有限差分時間領域法)などの数値解法によりこの部位からの散乱電界を求めることができ、これら散乱電界をレドーム全体で加算すれば、任意の配置に電気的不連続部があるときのアンテナ特性を計算することができる。また、このレドームの影響を考慮したアンテナ指向性が決まれば、所望の指向性とにどれだけ近いかを評価関数として表すことができる。例えばサイドローブを評価するｎ個の参照点においてレドームの影響を含めたアンテナパターンがサイドローブＳｉ(＜０)(ｉ＝１，・・・，ｎ)(ピークで規格化したもの)とし、また最適化により目標とするサイドローブレベルをＳ0(＜０)とするとき評価関数Ｅを次のように定義することができる。
【００２２】
【数３】
ここでＡは適当な正数であり関数Ｆ(Ａ，Ｘ)は次式で与えられる。
【００２４】
【数４】
この評価関数を定義すると、所望のサイドローブレベルを有する最適なレドーム形状を求めることは評価関数Ｅを最大にする各端点の変位量(δθｉ，δφｉ)を求める問題として記述できる。
【００２６】
また各端点の任意の変位量(δθｉ，δφｉ)に対応した評価関数を規定できる場合に、この評価関数を最大にする問題は、文献３(Fang Hsu, et al., "Optimization of Two-Dimensional Radome Boresight Error Performance Using Simulated Annealing," IEEE Trans. on Antennas and Propagation, Sep. 1993)で用いられているアニーリング法や、文献４(F. J. Ares-Pena, et al., "Genetic Algorithms in the Design and Optimization of Antenna Array," IEEE Trans. on Antennas and Propagation, Mar. 1999)で用いられている遺伝的アルゴリズムなど非線形最適化手法で最適解を求めることができる。
【００２７】
これらの手順でレドームの影響を含めたアンテナ放射特性を最適にするレドームを求めることができる。上述した手順で最適なレドームの配置を決定する際に評価関数にサイドローブレベルによる項だけでなく、利得も考慮して最適化することもできる
【００２８】
実施の形態２．
次にこの発明の実施の形態２によるレドームについて説明する。図３にレドームの電気的不連続部の端点が球面上ではなく、回転楕円体上にあるレドームを示す。２が球面のレドーム、５が回転楕円体を表す。上記実施の形態１において球面のレドーム２の電気的不連続部３の端点４の位置Ｐを極座標(θ、φ)で表したが、これを直交座標で表すと次式で表すことができる。
【００２９】
【数５】
このＺ座標の値に定数Ａを積算した点をＰ’とする
【００３１】
【数６】
このＰ’は定数Ａを一定値とするとき、(θ、φ)の値によらず同一の回転楕円体面上に位置し、また回転楕円体上の任意の位置を極座標(θ、φ)で表すことができる。
【００３３】
従ってレドームの特性を考慮したアンテナパターンを計算する際に、上述した方法で回転楕円体面上の電気的不連続部の位置を求め、これらの散乱波を考慮する以外は実施の形態１と同様の手順でレドーム形状を求めることができる。本レドームにおいては球面レドームよりもレドーム高を低くすることができるという利点がある。
【００３４】
実施の形態３．
次にこの発明の実施の形態３によるレドームについて説明する。上記実施の形態１において各レドームの電気的不連続部３の端点４を半径が同じ球面上で決定していたが、本実施の形態では上記(２)式で表される端点の初期位置に対して、角度θ、φ方向への変位(δθ，δφ)だけでなく半径方向への変位δｒも考慮して最適化することを特徴とする。
【００３５】
本実施の形態では上記実施の形態と比べて最適解を求めるための自由度が大きく、より最適な形状のレドームを得ることができる。
【００３６】
実施の形態４．
次にこの発明の実施の形態４によるレドームについて説明する。本実施の形態は上記実施の形態と比較して電気的不連続部３の全長ができるだけ小さくなるようにしたことを特徴とする。電気的不連続部３の総数をｋとし、それそれの長さをＬｉ(ｉ＝１，・・・，ｋ)とするとき、評価関数を上記(５)式に示すものではなく、次式で定義される評価関数を用いて最適化することを特徴とする。
【００３７】
【数７】
本実施の形態ではレドーム全体の電気的特性のみならず、電気的不連続部の全長が短くなるよう最適化されているため、得られるレドーム全体の重量を軽減できるという利点がある。また重量が軽減されているため機械的強度も強いレドームを得ることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、レドームの各電気的不連続部の端点が一つの球の表面上に位置し、これら全体構造が、構成単位をなす部分レドームを前記球の中心を通る所定軸を中心に順次回転移動させた周期構造をなすレドームとし、前記部分レドームの各電気的不連続部の端点の位置を、内部に位置するアンテナの特性に悪影響を与えないように、前記球表面上において最適な位置に変位させたことを特徴とするレドームとしたので、レドームを含めたアンテナ放射特性が最適になる。
【００４０】
また、電気的不連続部の端点が球面の代わりに回転楕円体面上に位置するようにしたので、球面レドームよりもレドーム高を低くすることができる。
ことを特徴とする請求項１に記載のレドーム。
【００４１】
また、電気的不連続部の端点を球の表面上のみならず前記球の半径方向にも変位させ最適化させるので、最適解を求めるための自由度が大きく、より最適な形状のレドームを得ることができる。
【００４２】
また、アンテナの特性のみならず前記電気的不連続部の全長を短くすることも考慮して電気的不連続部の端点の位置を変位させたので、得られるレドーム全体の重量を軽減できるという利点があり、また重量が軽減されているため機械的強度も強いレドームを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明によるレドームの全体構成を示す図である。
【図２】 この発明によるレドームの電気的不連続部の端点の位置変位を示す図である。
【図３】 この発明の特に実施の形態３によるレドームの構成を説明するための図である。
【図４】 従来のこの種のレドームの構成を示す図である。
【符号の説明】
１ アンテナ開口面、２ レドーム、２ａ 部分レドーム、３ 電気的不連続部、４ａ〜４ｇ，４ｂ’〜４ｄ’ 端点、５ 回転楕円体。
Claims (5)
- レドームの各電気的不連続部の端点が一つの球の表面上に位置し、これら全体構造が、構成単位をなす部分レドームを前記球の中心を通る所定軸を中心に順次回転移動させた周期構造をなすレドームとし、前記部分レドームの各電気的不連続部の端点の位置を、前記球の中心を通る所定軸上にある前記球の頂部側に対して最下端の端点はレドーム最下端周上とし、最下端の端点より頂部側の端点は前記球の表面上とし、周期構造の構成単位をなす前記部分レドームの各端点の位置を、これらの端点をそれぞれ初期位置から変位させた位置にした時の各電気的不連続部でのレドーム内のアンテナから放射された電磁界により発生する散乱電界より求まるレドームを考慮したアンテナ指向性の利得およびサイドローブの評価を含む評価関数が最大になる位置としたことを特徴とするレドーム。
- 電気的不連続部の端点が球面の代わりに回転楕円体面上に位置することを特徴とする請求項１に記載のレドーム。
- 電気的不連続部の端点を球の表面上のみならず前記球の半径方向にも変位させ最適化したことを特徴とする請求項１に記載のレドーム。
- アンテナ指向性のみならず前記電気的不連続部の全長を短くすることも考慮して電気的不連続部の端点の位置を変位させたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレドーム。
- レドームの各電気的不連続部の端点が一つの球の表面上に位置し、これら全体構造が、構成単位をなす部分レドームを前記球の中心を通る所定軸を中心に順次回転移動させた周期構造をなし、前記部分レドームの各電気的不連続部の端点の位置を、前記球の中心を通る所定軸上にある前記球の頂部側に対して最下端の端点はレドーム最下端周上とし、最下端の端点より頂部側の端点は前記球の表面上で自由に位置が設定されるレドームの電気的不連続部の端点位置決定方法であって、周期構造の構成単位をなす前記部分レドームの各端点の位置を、これらの端点をそれぞれ初期位置から変位させた位置にした時の各電気的不連続部でのレドーム内のアンテナから放射された電磁界により発生する散乱電界より求まるレドームを考慮したアンテナ指向性の利得およびサイドローブの評価を含む評価関数が最大になる位置とすることを特徴とするレドームの電気的不連続部の端点位置決定方法。
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