JP3975445B2 - ファンビームアンテナ - Google Patents

Description

本発明はレーダ装置等に使用される、水平面ビーム幅を狭くし、垂直面ビーム幅は比較的広くしたファンビームアンテナで、垂直面指向性をホーン状のフレアで絞ったものに誘電体レンズを併用した、ファンビームアンテナに関する。

指向性アンテナを全周または特定セクタにスキャンして物標を探知するレーダ装置にはスロットアレイアンテナなど、水平方向に放射素子を並べて水平面ビーム幅を狭め、垂直方向はホーン状のフレアにて、垂直面ビーム幅を簡易に絞ったフレア付きアレーアンテナが使われることが多い。

ところでこのようなフレア付アレーアンテナで、例えばＳバンド船舶用レーダでフレアの開口を実用的な大きさに抑えながら利得を確保する、すなわち垂直面のビーム幅を狭めようという提案が特開昭６０−２６１２０４や特開昭６２−１７１３０１で示されている。これらは数枚以下の複数の薄い誘電体板を２〜３波長分輻射方向に突き出しており、これらの誘電体板が誘電体ロッドアンテナのような導波器の役割を果たしているか、あるいは誘電体板周辺空間との平均誘電率で考えると誘電率の小さい誘電体レンズであると考えることもできる。

一方、ペンシルビームアンテナで実用化されている図４に示すように、凸レンズ状に構成した単一素材の誘電体レンズを使うことや、図５に示すように空間との境界面では誘電率が低く、レンズの中心部に向かって徐々に誘電率が高くなるように設定して反射を抑えるものや、図６に示す特開平０５−０８３０１８の例のように、誘電率の大きい誘電体レンズ（８ａ）を誘電率の比較的小さい（１／平方根）誘電体を、その電気長が１／４波長となる厚みで覆って整合層（８ｂ）として反射を抑制する方法などをファンビームアンテナに適用することも考えられる。
特開昭６０−２６１２０４ 特開昭６２−１７１３０１ 特開平０５−０８３０１８

特許文献１や特許文献２の例では前記ように誘電体板を２〜３波長突き出す方法では垂直寸法は抑えられるとしても、伝播方向の寸法がかなり大きくなってしまう。また図４に示すような単一素材の誘電体レンズを使うときは誘電体による反射を考慮する必要がある。

一般に比透磁率が１で比誘電率εｒ１の媒質中の波動インピーダンスｚ１は、εｒ０＝１の空間の波動インピーダンスをｚ０とすれば次の関係にあることが知られている。

またこの媒質と空間との境界面での反射係数ΓとＶＳＷＲは、▲１▼および▲２▼式を代入整理して

と表せる。
▲３▼式より、例えば誘電体と空間との境界面でのＶＳＷＲを１．２に抑えたいとすれば、比誘電率が１．２となる。また、図４に示すように境界面は２つあり、２つの反射が合成されるが、その最悪値を考慮すると各反射係数Γを半分にする必要があり▲２▼式使って求めると比誘電率約１．１とかなり低い誘電率の材料を使う必要があり、レンズの厚みがかなり厚くなってしまうことは容易に想定できる他、成形や固定方法などの課題も大きい。
また、図５や図６に示すように中心部の誘電率を大きくできれば相対的にレンズの厚みを薄くできるが、複合材料の製法に難があり、ファンビームアンテナにはほとんど使われていなかった。
本発明は上記の課題を解決することを目的とするもので、簡便に反射の少ない誘電体レンズを構成することにより断面形状の薄い、高利得なファンビームアンテナを提供する。

上記目的を達成するために本発明のファンビームアンテナは、輻射面レドームとその内側とで、等価的に２枚の誘電体板をほぼ同じ凸レンズ状とし、それぞれの凸レンズの最大の厚みがある垂直断面ほぼ中央部の透過方向最大電気長を使用周波数の１／４波長かそれ以下とし、２枚のレンズのピッチをほぼ１／４波長の電気長としたことを特徴とする。

また別の方法として、輻射面レドームとその内側２枚とで、等価的に３枚の誘電体板とし、最外側の誘電体板は厚さのほぼ均一なレドームとし、内側の２枚をほぼ同一形状の凸レンズ状とし、輻射面レドームとレンズの間及び２枚のレンズ間に間隔をもって配置したことを特徴とする。
このように構成することにより、本発明のファンビームアンテナは前記の課題を解決することができる。

本発明によれば、単純な押出しや射出成形の都合を考慮し、有害な反射を抑制しながら、必要なレンズ効果が簡単に得られるので、小型で高い利得のファンビームアンテナが容易に得られる。

以下、本発明のスロットアレーアンテナを実施するための最良な形態について、図面を参照して説明する。

図１に本発明のファンビームアンテナの一実施例の断面図を示す。
同図ではアレー素子としてスロット導波管（１）を使った例で、フレア（２）の開口部に凸レンズ状の２枚の誘電体レンズ（５ａ−１，５ａ−２）と均一な厚みの誘電体で輻射面レドーム（３ａ）を配置し、その他の部分は防水筐体（４）で覆っている。なお、スロット導波管やフレアの機械的保持方法や給電系などは図から省略している。

本例では輻射面レドーム（３ａ）と防水筐体（４）は一体とし、筒状の押出し成形とし、誘電体レンズ（５ａ−１）と（５ａ−２）はほぼ同一形状として別に押出しまたは射出成形したものを図のように防水筐体（４）に嵌め込むことを考慮している。
また、本例では誘電体レンズには、両端にフレア（２）を保持するための保持突起（９ａ）や、中央部に２枚の誘電体レンズの間隔を保持するためのスペーサ突起（９ｂ）を設けてある。また、中央部のスペーサ突起（９ｂ）は輻射面レドーム（３ａ）と誘電体レンズ（５ａ−２）の間隔を保持するための低誘電率発泡材（１０）の位置決め保持用としても使用している。

垂直面中央での２枚の誘電体レンズの厚みや間隔、および輻射面レドームの厚みや誘電体レンズとの間隔は、電磁波がそれぞれの材質を順に通過することから、それぞれの波動インピーダンスを持った伝送線路が直列に接続されていると考えることができる。

例えば図１０のスミスチャートに示すようなインピーダンス軌跡とし、たとえば同図点線円で示すＶＳＷＲ＝１．２の整合範囲内に納めている。
図８の具体的な例では各間隔など空間の比誘電率を１としたときの波動インピーダンスを１に基準化し、各誘電体の比誘電率を４として、各誘電体の波動インピーダンスを比誘電率の１／平方根である１／２とし、垂直面中央の各誘電体の厚みと間隔を下記のような
電気長（波長λ）と９．４ＧＨｚでの実寸法にしている。
レンズ（５ａ−１）の厚み：０．２５λ，４．０ｍｍ
レンズ（５ａ−１）と（５ａ−２）の間隔：０．０４λ，１．３ｍｍ
レンズ（５ａ−２）の厚み：０．２５λ，４．０ｍｍ
レンズ（５ａ−２）とレドーム（３ａ）の間隔：０．１５λ，４．８ｍｍ
レドーム（３ａ）の厚み：０．１１λ，１．８ｍｍ
レンズの合計最大誘電体厚みは８ｍｍであるが、各レンズの両端最小厚みをそれぞれ１ｍｍとし、有効厚みは差し引き６ｍｍとしている。

一方一例として、図４に示すフレア（２）の開口角度を４５度、開口寸法を１００ｍｍ、周波数を９．４ＧＨｚとしたときの、開口近傍の垂直面位相分布を図７に示す。
図７の例では中心部に対し±５０ｍｍの端では約１１０度位相が遅れているため、理想的には中心部が端に対し１１０度遅れるようなレンズとしたいことがわかる。
ここで、誘電体レンズの比誘電率をεｒ、厚みをｄとし、ｄによる自由空間位相遅延ψ０と誘電体の位相遅延ψｄｉおよびこれらの遅延位相差ψは

となる。

ここで式▲４▼のｄに中心部の有効厚み６ｍｍを代入すると、位相遅延差φすなわち最大位相補正量として約６８度を得る。この値は上記理想値より小さいが、図７に示す±４０ｍｍの位置の位相にほぼ等しく、従って開口の８０％を補正することが可能であり、レンズとして十分な効果が期待できる。
また、レンズ垂直面各部の厚みは▲４▼式をｄについて変形して求め、各間隔は各厚みでＶＳＷＲを十分低くできる寸法に選べば良い。

図９にフレアのみで、レンズを使わない場合と、本例の開口の８０％を補正した場合の垂直面指向特性を示す。
同図ではレンズを使うことにより、ビーム幅２１度が１８度に狭められる他、裾の切れが良くなったことを示しており、これらにより利得が約１ｄＢ上昇した。

図１０に本例のレンズおよびレドームによるＶＳＷＲを示す。設計周波数９．４ＧＨｚ付近で十分に反射が抑制されていることがわかる。

本実施例は例えばレドーム（３ａ）と防水筐体４を一体の筒状押出し成形とする場合にの厚みを均一した方が成形し易いなど、成形上の都合がある場合に最適な例である。

なお、レンズは押出し成形や、射出成形とすることができるが、射出成形とする場合は水平方向の長さを分割し、防水筐体（４）にそれぞれ突き合わせて嵌め込むようにすれば、成形型を小さくすることもできる。

また、レンズ中央部に設けた突起（９ａ）やスペーサ（９ｂ）は間隔維持が困難な場合に設ければよい他、必要に応じて上記嵌め込み部分を例えば溶融接着などで接着すれば、機械的強度を上げることもできる。

図２、図３に本発明のファンビームアンテナの別の実施例の断面図を示す。

図２はレドーム自体を凸レンズ状の誘電体レンズ（３ｂ）としたもので、内側にほぼ同形状の誘電体レンズ５ｂを配置し、それぞれのレンズ中央の厚みを使用周波数の１／４波長以下の電気長とし、垂直面全体に渡って２枚のレンズのピッチをほぼ１／４波長の電気長としたものである。
このように配置すると進行方向に１／４波長離れた２つの同じ反射は打ち消されるという原理で優れた反射抑制効果が得られる。

図３は上記原理を更に推し進め、レンズ中央の厚みをそれぞれ１／４波長と厚くしたもので、最大のレンズ効果と優れた反射抑制効果が得られる。

図２、図３の例はレドーム（３ｂ，３ｃ）を防水筐体とは別体で成形するか、または成形技術の進歩によって筒状でも厚みが変えられる場合に最適な例で、特に図３は成形の厚み制限も緩和される場合に適用することにより、２枚レンズとしては最大のレンズ効果を発揮することができる。

本発明の誘電体レンズの一実施例の断面図 は本発明の誘電体レンズの他の実施例の断面図 は本発明の誘電体レンズの他の実施例の断面図 従来の単一素材による誘電体レンズの断面図 従来の連続的複合材による誘電体レンズの断面図 従来の複合誘電体レンズの断面図 フレア開口近傍の垂直面位相分布図 スミスチャート 垂直面指向特性図 ＶＳＷＲ特性図

符号の説明

１；スロット導波管
２；フレア
３ａ；輻射面レドーム
３ｂ，３ｃ；誘電体レンズ形状としたレドーム
４；は防水筐体
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ；誘電体レンズ
６；単一素材の誘電体レンズ
７；連続複合素材の誘電体レンズ
８；二重複合素材の誘電体レンズ
８ａ；誘電率の大きい誘電体レンズ
８ｂ；整合層

Claims (2)

1. 水平方向に長く、垂直面はホーン状のフレアを有し、アンテナ全体を防水筐体に納め、防水筐体の輻射面レドームとその内側とで、等価的に複数の誘電体板で構成し、この内の二枚を凸レンズ同様の特性を有する誘電体レンズとしたファンビームアンテナにおいて、輻射面レドームとその内側とで、等価的に２枚の誘電体をほぼ同じ凸レンズ状とし、それぞれの凸レンズの最大の厚みがある垂直断面ほぼ中央部の透過方向最大電気長を使用周波数の１／４波長かそれ以下とし、２枚のレンズのピッチをほぼ１／４波長の電気長としたことを特徴とするファンビームアンテナ。
2. 水平方向に長く、垂直面はホーン状のフレアを有し、アンテナ全体を防水筐体に納め、防水筐体の輻射面レドームとその内側とで、等価的に複数の誘電体板で構成し、この内の二枚を凸レンズ同様の特性を有する誘電体レンズとしたファンビームアンテナにおいて、輻射面レドームとその内側２枚とで、等価的に３枚の誘電体板とし、最外側の誘電体板は厚さのほぼ均一なレドームとし、内側の２枚をほぼ同一形状の凸レンズ状とし、輻射面レドームとレンズの間および２枚のレンズ間に間隔をもって配置したことを特徴とするファンビームアンテナ。

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