JP4733582B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ビームの送受を行うことで海上等の物標の存否を探知するレーダなどに使用されるアンテナ装置に関する。

海上等の物標の存否を探知するレーダなどに使用されるアンテナ装置は、一般に、スロットアレイアンテナであり、輻射器の前面に具備されたスロットを介してビームの送受を行う。このように、スロットを介してビームの送受を行うことで水平方向にビーム幅を狭めることで、方位分解能を向上させることができる。そして、アンテナ全体を回転させることにより、全方位の探知を行う。

また、海上などの水平面内を良好に探知するために、鉛直方向においてもビーム幅を狭めることが要求される。しかし、ビーム幅が狭すぎると、例えば、船舶など動揺する物体にアンテナ装置が固定されているとき、その動揺によってビームが物標からずれてしまうため、物標を良好に探知できなくなる。そのため、鉛直方向におけるビーム幅は、多少の動揺に対しても物標を探知し続けられる程度に狭める必要がある。

また、風雨などの外因による影響を小さくすることや安全性などの面から、アンテナ装置全体はアンテナ外囲器で覆われている。しかしながら、ビームがアンテナ外囲器外に放射されるとき、ビームの一部がアンテナ外囲器に反射されることで干渉が起き、サイドローブが生じてしまう。このようなサイドローブは探知精度の悪化に繋がるため、サイドローブを低減することも要求される。

そこで、特許文献１や特許文献２において、アンテナ装置３０が開示されている。以下、アンテナ装置３０について図６を参照しながら説明する。なお、図６はアンテナ装置３０の構成を示す端面図である。

アンテナ装置３０は、輻射器３１とスロット３２と遷移部分３３と誘電体３４とアンテナ外囲器３５と支持部材３６とから構成されている。

輻射器３１の前面には、スロット３２が具備されている。このスロット３２を介することで、ビーム幅を水平方向に狭めることができる。そして、水平方向にビーム幅を狭めることで、アンテナ装置３０の方位分解能を向上させることができる。また、輻射器３１の前方には遷移部分３３を介して誘電体３４が設けられている。この遷移部分３３の高さは、誘電体材料から成るアンテナ外囲器３５の高さに実質的に等しく、遷移部分３３は輻射器３１と誘電体３４との間を効率よく電磁結合している。

また、誘電体３４を輻射器３１の前方に設けることにより、ビームが鉛直方向に広がることを抑えることができ、ビーム幅を狭めることができる。つまり、誘電体３４の誘電率や長さを変えることにより、ビーム幅を所望の幅にすることができる。

アンテナ装置３０において、この誘電体３４はその長手方向を放射軸方向にして設けられている。そして、誘電体３４とアンテナ外囲器３５は、上からアンテナ外囲器の上面３５ａ、誘電体３４ａ、誘電体３４ｂ、誘電体３４ｃ、アンテナ外囲器の下面３５ｂの順に一定間隔をあけて放射軸方向と略垂直に層状に設けられている。さらに、誘電体３４は、間隔をあけて層状に設けるために、アンテナ外囲器３５内に配置された支持部材３６により支持されている。このように、層状に誘電体３４とアンテナ外囲器３５とが設けられることで、サイドローブの原因となる干渉（アンテナ外囲器の上面３５ａとアンテナ外囲器の上面３５ｂによる干渉）に寄与することができる干渉（誘電体３４層の干渉）が新たに生じる。そして、各干渉の相互作用により、アンテナ外囲器３５外へ放射されるビームのサイドローブを低減させることができる。

なお、支持部材は誘電体と同様に誘電体材料から成るものであるが、誘電率が大きく異なること、ビーム幅を狭めることやサイドローブの低減といったことに寄与するものではない。したがって、本文において誘電体と支持部材はその目的、作用から異なる要素とする。

特許第３６３４３７２号 米国特許第６８１９２９６Ｂ２号

しかしながら、アンテナ装置３０は誘電体３４及び支持部材３６の分だけ重くなってしまう。一般に、所望のビームを放射することのできるアンテナ装置において、改善すべき重要な課題にその重量が挙げられる。これは、このようなアンテナ装置はその周囲３６０°を探知するために、モータにより回転させられるので、アンテナ装置が重くなることは、モータの動力を大きくしなければならないことや、アンテナ装置を支える台の強度も強くしなければならないなど、他の構成に大きく影響を与えてしまうためである。

また、特許文献１に記載のアンテナ装置３０には、誘電体３４を層状に配置及び支持するための支持部材３６が必要となる。また、この支持部材３６に予め誘電体３４を配置するための挿入口を形成しておく必要があるなど、アンテナ装置３０の製造工程は多くなってしまう。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、アンテナ装置を重くすることなく、ビーム幅を所望の幅に狭めるとともに、サイドローブが小さなアンテナ装置を提供することを目的とする。また、従来よりもその製造工程を少なくし、コストを抑えることも目的とする。さらに、アンテナ装置を回転させた時の安定性を向上させることも目的とする。

前記課題を解決するために本発明におけるアンテナ装置は、アンテナ外囲器内部に、電磁波を放射する輻射器と、前記電磁波の鉛直方向の指向角に寄与する誘電体とを備え、前記誘電体は前記電磁波の放射軸と平行な面を有し、該平行な面が前記アンテナ外囲器の上部と下部に当着することを特徴とする。

さらに、前述のアンテナ装置において、前記誘電体の誘電率は、前記電磁波の放射軸側から前記アンテナ外囲器の上下方向の当着部にかけて変化すること、特に高くなることを特徴とする。

さらに、前述のアンテナ装置において、前記誘電体は、前記電磁波の放射軸と略垂直に層状に設けたものであることを特徴とする。

さらに、前述のアンテナ装置において、前記誘電体の前記輻射器側端は、前記輻射器からの距離を等しくして設けられ、前記誘電体の前記放射軸方向に延びる長さは、前記電磁波の放射軸から前記アンテナ外囲器の上下方向にかけて長くなることを特徴とする。

さらに、前述のアンテナ装置において、前記誘電体の誘電率は、前記電磁波の放射軸対称であることを特徴とする。

さらに、前述のアンテナ装置において、前記誘電体は、発泡誘電体であることを特徴とする。

本発明によれば、所望のビーム幅でサイドローブの小さなビームを放射することができるアンテナ装置を、従来よりも軽いアンテナ装置で実現することができる。また、その製造工程を少なくし、コストを抑えることもできる。さらに、アンテナ装置を回転させた時の安定性を向上させることができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１におけるアンテナ装置１０について図１を参照しながら説明する。なお、図１は、本発明の実施の形態１によるアンテナ装置１０の構成の一例を示す端面図である。

アンテナ装置１０は、輻射器１１とスロット１２と遷移部分１３と複数の誘電体１４とアンテナ外囲器１５とから構成されている。

輻射器１１の前面には、スロット１２が具備されている。このスロット１２を介することで輻射器から放射された電磁波のビーム幅は、水平方向に狭めることができる。そして、水平方向にビーム幅を狭めることにより、アンテナ装置１０の方位分解能を向上させることができる。また、輻射器１１の前方には遷移部分１３を介して誘電体１４が設けられている。遷移部分１３の高さは、誘電体材料から成るアンテナ外囲器１５の高さに実質的に等しく、輻射器１１と誘電体１４との間を効率よく電磁結合している。

誘電体１４は、その長手方向を放射軸方向と等しくして設けられている。また、鉛直方向のビーム幅は、誘電体１４の誘電率や長さに依存するため、これらを変更することにより所望のビーム幅を得ることができる。この誘電体１４の長さは、後述するように、誘電体１４ａ及び誘電体１４ｄより誘電体１４ｂ及び誘電体１４ｃの方が短く、輻射器側の端の位置を等しくして設けられている。したがって、アンテナ装置１０の外側よりも内側の方に重量が集中するため、アンテナ装置１０を回転させたとき、従来よりも安定して回転させることができる。

また、誘電体１４とアンテナ外囲器１５が、上からアンテナ外囲器の上面１５ａ、誘電体１４ａ、誘電体１４ｂ、誘電体１４ｃ、誘電体１４ｄ、アンテナ外囲器の下面３５ｂの順に放射軸方向と略垂直に層状に設けられている。また、誘電体１４のうち最外層の誘電体１４ａと誘電体１４ｄが、それぞれアンテナ外囲器１５に当着している。さらに、誘電体１４ｂの片側が誘電体１４ａと接し、誘電体１４ｃの片側が誘電体１４ｄに接している。このように、誘電体１４は少なくとも片側がアンテナ外囲器１５や他の誘電体１４に接している。したがって、誘電体１４をアンテナ外囲器１５内部に設ける際に、別途、支持部材などを必要とせず、部品点数を減らすことができる。さらにアンテナ装置自体の重量を従来よりも軽くすることができる。

また、誘電体１４は放射軸に対して鉛直方向に対象に設けられている。つまり、誘電体１４ａ及び誘電体１４ｄと、誘電体１４ｂと誘電体１４ｃの誘電率や長さなどはそれぞれ等しく設けられている。これによりビームの指向特性は放射軸対象となる。しかし、これを非対称とすることでビームをティルトさせ放射させることもでき、常に対象とする必要はない。

また、誘電体１４には発泡誘電体が用いられている。発泡誘電体を用いることにより、誘電率の調整を、その発泡度合いにより簡易に調整することができる。また、誘電率が低くなるほど発泡面積が増えるので、その重量をより軽くすることもできる。

以上、本実施の形態１では、上記のような形態により誘電体１４を設けたことを特徴とする。そして、その誘電体１４の誘電率や長さは、ビームが所望の指向特性になるように決定される。ここで、本発明者はこの誘電率や長さの値をシミュレーションを用いて決定した。以下、誘電率１４の各値を、アンテナ装置１０の指向特性におけるシミュレーション結果とともに後述する。

アンテナ装置１０の指向特性におけるシミュレーション結果を図２に示す。また、比較として誘電体１４およびアンテナ外囲器１５を考慮しないときのシミュレーション結果を図３に示す。図中の横軸は角度を、縦軸はゲインを表している。また、誘電体１４は輻射器１１側から２０ｍｍ離れた位置に配置し、その誘電体１４の各値は、誘電体１４ａ及び誘電体１４ｄの誘電率を１．５、長さを８０ｍｍ、高さを７．０ｍｍとし、誘電体１４ｂ及び誘電体１４ｃの誘電率を１．３、長さを６２ｍｍ、高さを７．０ｍｍとしている。また、アンテナ外囲器においては、誘電率を４．０、高さを３２ｍｍ、厚みを１．０ｍｍとしている。なお、これらの値は、１波長を３２ｍｍとした時に、ビームの指向角が２５°で十分なゲインが得られるように実験的に算出した値であり、本発明におけるアンテナ装置はこれらの値に限定されるものではない。なお、一般的に指向角とは、放射軸方向のゲイン（最もゲインが高い所）より差が３?以内である角度範囲を表す。

図２に示すシミュレーションにおいて、Ａ点（θ＝９０°）はビームの放射軸方向を表し、Ｂ点（θ≒７８°）とＣ点（θ≒１０３°）はビームの指向角を表す。また、Ｄ点（θ≒３０°）は、サイドローブが顕著に発生しているところを表す。同図からアンテナ装置１０のような構成において、所望の指向角を有するビームを形成できることがわかる。さらに、サイドローブに関しても、ビームの放射軸方向Ａ点（θ＝９０°）と比べて約１５?以上の差まで低減できることがわかる。したがって、アンテナ装置１０の構成により、誘電体１４を上述のような所定の値で設けることで、海上などの物標を探知するのに良好なビームが得られることがわかる。

図３に示すシミュレーションにおいて、Ａ´点（θ＝９０°）はビームの放射軸方向を表し、Ｂ´点（θ≒６５°）とＣ´点（θ≒１１５°）はビームの指向角を表す。また、Ｄ´点（θ≒４５°）は、サイドローブが顕著に発生しているところを表す。同図から誘電体１４やアンテナ外囲器１５を考慮しないとき、ビームの指向角は約６０°となることがわかる。つまり、アンテナ装置１０の構成により、ビームの指向角は適当に狭められていることが確認できる。また、サイドローブが顕著に発生しているＤ´点（θ≒４５°）と、ビームの放射軸方向Ａ´点（θ＝９０°）とは、約７?の差である。つまり、サイドローブに関しても指向角内のゲインと比べて大幅に低減できていることが確認できる。

以上のような構成により、アンテナ装置は所望のビーム幅でサイドローブの小さなビームを放射することができる。また、支持部材などにより誘電体を支持する必要が無いため、従来よりもアンテナ装置を軽くすることができる。さらに、アンテナ装置を回転した際に、その外側よりも内側に重量が集中するため、従来よりも安定して回転させることができる。さらに、支持部材などを必要としないため、支持部材に挿入口を設ける必要や、支持部材自体をアンテナ装置に設ける必要がなくなるため、製造工程を少なくすることができ、コストを抑えることもできる。

なお、誘電体１４ｂと誘電体１４ｃの間にスペーサなどを咬ませることにより、アンテナ装置１０を構造上より安定させることもできる。また、アンテナ装置１０は誘電体１４ｂと誘電体１４ｃとに間隔を設けているが、誘電体１４の誘電率・大きさを調整することにより間隔を設けてなくても所望のビームを得ることができる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２におけるアンテナ装置２０について図４を参照しながら説明する。なお、図４は、本発明の実施の形態２によるアンテナ装置２０の構成の一例を示す端面図である。また、実施の形態１と同様の構成については説明を省略する。

実施の形態１におけるアンテナ装置１０の誘電体１４は放射軸と略垂直に層状に設けたが、本実施の形態２におけるアンテナ装置２０の誘電体２４は、凹状に形成されていることを特徴の一つとしている。

この誘電体２４は、輻射器１１の前方に位置するアンテナ外囲器１５の上部と下部双方に当着して設けられている。さらに、誘電体２４は凹状に形成されており、また放射軸方向に延びる長さは放射軸から離れるほど長くなるように形成されている。このように誘電体２４を形成することで、実施の形態１におけるアンテナ装置１０よりも簡易に誘電体をアンテナ外囲器内に設けることが出来る。

さらに、誘電体２４には発泡誘電体を用い、放射軸からアンテナ外囲器の上下方向にかけて発泡誘電体の発泡率は低くなるように形成されている。発泡誘電体の誘電率は、その発泡率に依存させることができ、発泡率を低くすることで誘電率を高くすることができる。つまり、誘電体２４は放射軸からアンテナ外囲器の上下方向にかけて、その誘電率は高くなっている。このように誘電体２４の誘電率を鉛直方向に変化させ、さらに水平方向に長さを変化させることにより、実施の形態１におけるアンテナ装置１０と同様の効果を容易に得ることができる。

なお、誘電体２４は凹状でなく、図５に示すように、放射状に長さを変化させても良い。

また、本文中において、主にアンテナ装置全体を回転させることで周囲の探知を行うオープンタイプのアンテナ装置について言及したが、アンテナ外囲器は固定し輻射器部分のみを回転させることで周囲を探知するようなレドームタイプのアンテナ装置にも適用することができる。さらに、本アンテナ装置は、主に船舶に実装され海上の物標などを探知することに用いられるが、航空機などに実装され探知を行ってもよい。

本発明の実施の形態１によるアンテナ装置の端面図である。 本発明の実施の形態１によるアンテナ装置の指向特性におけるシミュレーション結果を示す図である。 誘電体及びアンテナ外囲器を考慮しないときのアンテナ装置の指向特性におけるシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施の形態２によるアンテナ装置の端面図である。 本発明の実施の形態２によるアンテナ装置の端面図である。 特許文献１に記載のアンテナ装置の端面図である。

符号の説明

１０ アンテナ装置
１１ 輻射器
１２ スロット
１３ 遷移部分
１４ 誘電体
１５ アンテナ外囲器
３０ アンテナ装置
３１ 輻射器
３２ スロット
３３ 遷移部分
３４ 誘電体
３５ アンテナ外囲器

Claims (6)

1. アンテナ外囲器と、
   電磁波を放射する輻射器と、
   前記電磁波の鉛直方向の指向角に寄与する誘電体とを備えたアンテナ装置において、
   前記誘電体は前記電磁波の放射軸と平行な面を有し、該平行な面が前記アンテナ外囲器の内側の上面または下面に当着することを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記誘電体の誘電率は、前記電磁波の放射軸側から前記アンテナ外囲器の上下方向の当着部にかけて異なることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１または２に記載のアンテナ装置において、
   前記誘電体は、前記電磁波の放射軸と略垂直に層状に設けたものであることを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載のアンテナ装置において、
   前記誘電体の前記輻射器側端は、前記輻射器からの距離を等しくして設けられ、
   前記誘電体の前記放射軸方向に延びる長さは、前記電磁波の放射軸から前記アンテナ外囲器の上下方向にかけて長くなることを特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載のアンテナ装置において、
   前記誘電体の誘電率は、前記電磁波の放射軸対称であることを特徴とするアンテナ装置。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載のアンテナ装置において、
   前記誘電体は、発泡誘電体であることを特徴とするアンテナ装置。

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