JP4935388B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明はレーダ装置用アンテナ等のアンテナ装置に関し、特に固定された一次放射器の外周に機械的に回転する反射鏡を配置したアンテナ装置に関する。

本発明の発明者は、一次放射器を固定して可動接点をなくし、その周囲に回転する反射鏡を配置した反射鏡方式のアンテナ装置を既に提案している（特願２００６−０７３２８１号参照）。以下、上記アンテナ装置の基本構成を説明する。

図１０は既提案の反射鏡方式のアンテナ装置の外観を示す図であり、図１１は一次放射器の構成及び給電系統図の例を示す図である。反射鏡１１０と一次放射器１２０と回転駆動装置１３０とから構成され、回転駆動装置１３０は固定盤上で回転盤が水平面で回転し、搭載する３つの反射鏡１１０を回転させる。

一次放射器１２０は回転駆動装置１３０の固定盤に垂直に固定配置され、回転盤の回転中心に形成された開口を貫通し、３つの反射鏡１１０は一次放射器１２０を中心とした外周を等分した回動盤上に１２０°間隔で配置され、それぞれの反射面は一次放射器１２０又はその近傍に焦点（線）を有するオフセット型のパラボラ曲面を形成する。一次放射器１２０と反射鏡１１０とにより高利得のアンテナ装置が実現される。

また、図１１に示すように一次放射器１２０は支柱１２０２の周りの円周上に複数の放射素子１２０３が等間隔に並べた構造のアンテナ素子でなり、アンテナ素子は縦方向に複数段並べられ、カバー１２０１に収容されたアンテナ構造を有する。複数の放射素子１２０３に対するＲＦ信号の給電は送受信モジュール（ＴＲＭ）１２０７から行われ、前記ＴＲＭへのＲＦ信号と位相制御信号等は固定盤から直接伝送する。縦方向の複数の放射素子１２０３はアレイアンテナを構成しＴＲＭに内蔵する移相器による位相制御により仰角方向にビームを走査するフェーズドアレイを実現する。

また、円筒状に並べられた各段の放射素子１２０３には３つの反射鏡１１０の回転に同期してそれぞれ３つのスイッチ（ＳＷ）１２０４により１２０°の角度間隔で放射素子に信号を切り替えて供給し、常に３つの反射鏡１１０に電波が照射されるように構成されている。

一次放射器へのＲＦ信号の給電等のためのスリップリングあるいはロータリージョイント等、電気的な可動接点の使用を排除できるため、信頼性が高く安価に提供でき、レーダ装置に適したアンテナ装置である。

一次放射器を固定して可動接点をなくし、その周囲を反射鏡が回転するアンテナ装置では、一次放射器の励振素子を反射鏡の回転に同期してスイッチにより切換える方式を採用しているが、反射鏡の回転に応じてその反射面の焦点が変位するため、この変位により方位精度が劣化するという問題がある。

（発明の目的）
本発明の目的は、反射鏡方式のアンテナ装置で、方位誤差を低減可能な一次放射器の素子配列を提供することにある。

本発明の他の目的は、方位誤差を低減可能であるとともに、素子間結合の増加による素子パターンの乱れによる能率低下等、アンテナ性能の劣化を防止できる反射鏡方式のアンテナ装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、アンテナ性能の劣化を防止でき、一次放射器の電気的可動接点を持たない反射鏡方式のレーダ装置に適した素子配列のアンテナ装置を提供することにある。

本発明は上記の目的を達成するために、円周状に並べた一次放射器の放射素子に素子間結合の増加を回避し、円周方向の素子間隔を狭めて方位誤差を低減させる放射素子を、隣接する放射素子を配置した円周と異なる円周上に追加挿入する。つまり、各放射素子は、 円周上に並べられた放射素子の円周上の位置と隣接する円周上に並べられた放射素子の円 周上の位置とが一次放射器の中心軸方向に重複しないように配列する。

本発明のアンテナ装置は、複数の円周のそれぞれに円周状に並べた複数の放射素子を固定配置した円筒状の一次放射器と、前記一次放射器の外周を機械的に回転する反射鏡と、前記一次放射器の稼動する放射素子を前記反射鏡の回転に同期して順次切替える切替器とを備えるアンテナ装置において、前記複数の放射素子は、円周上に並べられた放射素子の 円周上の位置と隣接する円周上に並べられた放射素子の円周上の位置とが前記一次放射器 の中心軸方向に重複しないように、配列したことを特徴とする。また、前記複数の放射素子は、等角度間隔で配列し、また、円周上に並べられた放射素子が、隣接する円周上に並 べられた放射素子と円周方向に一部重複する位置に配列する放射素子を含むことを特徴とする。

また、前記一次放射器は、円周状に並べた複数の放射素子の複数段で構成され、各段の放射素子の円周上の位置は他の段の放射素子の円周上の位置と前記一次放射器の中心軸方 向にそれぞれ一致するように配列され、それぞれアレイアンテナを構成することを特徴とし、前記アレイアンテナを構成する各段の放射素子は前記一次放射器の中心軸方向に等間隔に配置されたことを特徴とする。

また、前記切替器は、回転する反射鏡に対向するアレイアンテナを構成する複数の放射素子と送受信モジュールとを接続するスイッチを備えることを特徴とし、前記送受信モジュールは、前記アレイアンテナを構成する複数の放射素子に対する移相器を備え、前記アレイアンテナの配列方向のビームを電子走査可能とすることを特徴とする。

更に、前記反射鏡は、反射面が前記一次放射器による電波路の遮蔽を回避するように構成され、回転駆動機構により前記一次放射器を中心として回転することを特徴とし、また、前記反射鏡は、前記一次放射器を中心とする全周を等分した位置に配置され前記回転駆動機構により回転する複数のビームを形成する複数の反射鏡であることを特徴とする。

（作用）
一次放射器の放射素子は円周状に等角度間隔に複数配列され、上下方向に複数段配列され、励振素子（放射素子）が反射鏡の回転に同期して切換えられる反射鏡方式のアンテナ装置において、各段の間に１／２角度間隔ずらして素子環列を挿入し、円周上に並べられ た放射素子の円周上の位置と隣接する円周上に並べられた放射素子の円周上の位置とが一 次放射器の中心軸方向に重複しないように配列することにより方位誤差を改善する。また 、放射素子をこのように配列することにより素子間結合を増加させることなく実質的に円周方向の素子間隔を狭めて方位誤差を低減させ、アンテナ性能の劣化を防止する。

本発明によれば、円周状の複数の放射素子は、円周上に並べられた放射素子の円周上の 位置と隣接する円周上に並べられた放射素子の円周上の位置とが一次放射器の中心軸方向 に重複しないように配列し素子間結合を増加させることなく実質的に円周方向の素子間隔を狭めたため、方位誤差を１／２に低減することが可能であり、更に、素子の指向性パターン（素子パターン）の乱れによる能率低下等、アンテナ性能の劣化を防止することが可能である。

（実施の形態１）
（構成の説明）
次に、本発明のアンテナ装置の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態１の外観を示す図である。反射鏡１１と一次放射器１２と回転駆動装置１３とからなり、一次放射器１２は回転駆動装置１３の回転盤１３ｂの回転の中心位置に形成された開口（貫通孔）を貫通するかたちで固定盤１３ａに垂直に固定配置され、反射鏡１１は湾曲した反射面を一次放射器１２に面するかたちで回動盤１３ｂ上に搭載されている。また、反射鏡１１は水平面の反射面の形状が一次放射器１２の位置又はその近傍に焦点（線）を有するパラボラ曲面を形成しており、パラボラ曲面で電波を収束して水平面に鋭いビームを形成する高利得のアンテナを実現させる。回転駆動装置１３の回転盤１３ｂを回転させる機構により反射鏡１１により形成するアンテナビームは水平面で回転走査される。

図２は本実施の形態の一次放射器の構成及び送受信の切り替え信号系の系統図例を示す図である。一次放射器１２は、中空の円筒状のカバー１２１と、カバー１２１内に収容されたアンテナ本体からなり、アンテナ本体は、中心に固定盤１３ａに固定された円筒状等の支柱１２２が設けられ、支柱１２２の周囲の円周上に複数の放射素子１２３が等角度間隔に並べた構成の複数段のアンテナ素子＃１、＃２、…＃Ｎが縦方向（垂直方向）に等間隔に並べたアンテナ構造を有している。

本実施の形態の放射素子１２３は、円周上の等角度間隔の６素子が縦方向の上下（２段）に配列され、全体として等角度間隔の１２素子を一単位とするＮ単位（＃１〜＃Ｎ）のアンテナ素子として構成されている。つまり、各アンテナ素子を構成する放射素子１２３は、例えば図７に拡大して示されるように、一つの円周上に並べられた放射素子の円周上 の位置と、隣接する円周上に並べられた放射素子の円周上の位置とが、支柱の軸方向に重 複しないように配列する。また、本例では、各アンテナ素子を構成する、各６素子の縦方向の上下（２段）に配列された放射素子は、一つの円周上に並べられた放射素子が、隣接 する円周上に並べられた放射素子と、円周方向に互いに一部重複する関係に配列され、アンテナ素子間でも放射素子が一部重複する関係に配列されている。

また、円筒状に並べられた各段のアンテナ素子の各放射素子１２３は、反射鏡１１の回転（回転盤１３ｂの回転）に同期して切り替わる各段のスイッチ（ＳＷ）１２４からなる切替器に接続され、前記放射素子１２３の送受信信号が切り替えられ、反射鏡１１の回転にかかわらず反射鏡１１の焦点又はその近傍の放射素子１２３が稼動し、例えば送信時には反射鏡１１に電波を照射するように構成されている。つまり、円周状に並べられた放射素子１２３は、反射鏡１１の回転に同期して、送信時又は受信時に常時反射鏡に電波を照射し又は反射鏡からの電波を受信するように対向する放射素子が送受信モジュール（１〜Ｎ）１２５と接続されるように切替器のスイッチ１２４により切り換えられる。

ここで、一次放射器の中心軸方向にそれぞれ一致するように配列された複数の放射素子１２３は、アレイアンテナとして送受信モジュール１２５に内蔵されている移相器により仰角方向にビーム走査が可能となるフェーズドアレイを構成している。

このため送受信モジュール１２５は、送信時には信号発生器からの送信信号（ＲＦ信号）を分配器から入力し、内蔵する移相器により位相を制御して同軸ケーブル１２６、スイッチ１２４を介して放射素子に供給し、受信時には放射素子からの受信信号をスイッチ１２４、同軸ケーブル１２６を介して受信し、内蔵する移相器により位相を制御して合成器に出力することにより、垂直指向性を制御する。

アンテナ素子＃１、＃２、…＃Ｎの複数の放射素子１２３に対するＲＦ信号の給電と位相を制御する位相制御信号等の伝送は、例えば固定盤１３ａ内に設けた送受信モジュール１２５から直接又は固定盤１３ａを介して接続した送受信モジュール１２５から直接行うように構成することができる。

なお、送受信モジュール１２５はフェーズドアレイに使われる部品であり当業者にとってよく知られており、また本発明とは直接関係しないので、その詳細な説明は省略する。

（動作の説明）
次に本実施の形態のアンテナ装置の動作について図３〜７を参照して説明する。
最初にアレイアンテナを構成する縦方向の放射素子１２３として、同一円周上に６素子を配置した構成例と、同１２素子を配置した構成例の方位誤差発生の原理について説明する。

図３は円周状の素子配列の例を示す図であり、（イ）は６０°ピッチの６素子、（ロ）は３０°ピッチの１２素子の配置例である。

図４は図３（イ）に示す６０°ピッチの６素子の場合の方位誤差発生の原理を説明する図である。反射鏡１１がＡ（０°）→Ｂ（３０°）→Ｃ（６０°）の順に反時計方向に支柱１２２を中心として回転する場合、Ａ〜Ｂの間はアンテナ素子＃１の放射素子が稼動してビーム１４ａが照射され、Ｂのポイントでアンテナ素子＃２の放射素子に切換わりビーム１４ｂとなる。以降、順次反射鏡１１の回転に同期して６０°ごとにアンテナ素子＃３，＃４，＃５・・・の各放射素子に切換えられる。

通常、反射鏡１１の焦点はビームの位相中心に合わせて設置されるため、反射鏡１１がＡの位置における焦点ａの位置はビーム１４ａの位相中心（アンテナ素子＃１の放射素子の近傍）となる。従って焦点は反射鏡１１の回転にしたがってａ→ｂ→ｃと円周上で変位する。しかし、各アンテナ素子＃１〜＃６の放射素子は固定されているため、Ｂの位置ではａｂ間の距離の焦点ズレを生じる。また、放射素子が＃２に切り替わるとｂｃ間の距離の焦点ズレとなる。このような焦点ズレは反射鏡１１の機械的方位と電気的ビーム方位のズレとして表れ、方位誤差となる。

図５は方位誤差の変化を示す図であり、（イ）は６０°ピッチ６素子の場合、（ロ）は３０°ピッチ１２素子の場合である。図５（イ）から分かるように、図３（イ）の場合の方位誤差は稼動する放射素子が切換わる位置（図４に示すＢの位置）で誤差が最大となる。この焦点ズレによる方位誤差を少なくするためには円周状に配列する放射素子の間隔を狭めて素子数を増やす方法が考えられ、図３（ロ）のように３０°間隔、１２素子とした場合は、方位誤差は図５（ロ）に示すように１／２に低減される。

しかし、図３（ロ）の場合のように放射素子が隣の放射素子と間隔が近接すると放射素子間の結合が増大してアンテナ性能の劣化（能率低下等）が生じることがあるため、素子間隔としては通常約１／２波長以上確保することが必要である。

図６は素子パターンの例を示す図であり、（イ）は素子間隔が１／２波長以上で素子間結合が少ない場合、（ロ）は素子間隔が１／２波長以下で素子間結合が大きい場合のそれぞれ素子パターンの例である。図６（ロ）の場合は素子間結合が増加することにより素子パターンの乱れが生じてアンテナ性能の劣化（能率低下等）を招く。

次に、本実施の形態のアンテナ装置の素子配列の構成例の動作を説明する。
図７は３０°ピッチ１２素子を、円周上に並べられた放射素子の円周上の位置と隣接す る円周上に並べられた放射素子の円周上の位置とが一次放射器の中心軸方向に重複しない ように配列したアンテナ装置の構成例を示す図である。放射素子１２３を円周上の等角度間隔の６素子を縦方向２段に配列し、全体として等角度間隔の１２素子を一単位とし、これにより、隣の素子との間隔が近接すること避けて素子数を増やして配列した構成例である。

本実施の形態では実質的に円周方向の素子間隔が狭められて方位誤差は、図５（ロ）と同様の特性となり、図５（イ）の特性に比べて１／２に低減できる。更に、円周上に並べ られた放射素子の円周上の位置と隣接する円周上に並べられた放射素子の円周上の位置と が一次放射器の中心軸方向に重複しないように配列したことにより素子相互の接近が少ないから、図６（イ）と同様の特性となりアンテナ特性の劣化も回避される。

（実施の形態２）
図８は本発明の第２の実施の形態２のアンテナ装置の外観を示す図であり、図９は一次放射器の構成及び給電系統図の例を示す図である。本実施の形態は一次放射器に対し単一の反射器を回転する構成に代えて、図８（イ）に示すように固定した一次放射器１２の周囲に回転する複数の反射鏡１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）を配置したマルチビームのアンテナ装置としたものである。このマルチビームのアンテナ装置では、反射鏡１１を一次放射器１２を中心とする全周を等分した位置に配置し、回転駆動機構１３の回転盤１３ｂに搭載され、回転する複数のビームを形成する複数の反射鏡１１ａ、１１ｂ、１１ｃを備えるように構成される。

また、本実施の形態では、一次放射器は複数の放射素子を垂直に並べ仰角方向のビームを電子走査可能なアレイアンテナを複数列並べた構成とし、回転駆動機構１３上で回転する前記複数の反射鏡１１ａ、１１ｂ、１１ｃに対向する列のアレイアンテナの複数の放射素子１２３と送受信モジュール１２７の送受信回路側とが複数のスイッチ１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃにより同期して切り替え接続するように構成している。

本実施の形態では図８（ロ）に示すように、複数の反射鏡１１ａ、１１ｂ、１１ｃの反射面は水平方向にオフセットパラボラ曲面として、各反射鏡の反射面によるビーム方向に他の反射鏡が入り、互いに送受信が妨害されないように配置され、複数の反射鏡１１ａ、１１ｂ、１１ｃにはそれぞれの線状の焦点（線）の位置に垂直に並んだ複数の放射素子から常に最適な電波が照射される関係が継続するように構成される。

（他の実施の形態）
以上の実施の形態においては、等角度間隔の１２素子を一単位とするＮ単位（＃１〜＃Ｎ）のアンテナ素子を備え、縦方向の複数の放射素子をアレイアンテナとしたアンテナ装置の構成例を示したが、本発明はかかるアレイアンテナ構成に限られるものではなく、１単位のアンテナ素子を用いたアンテナ構成においても適用可能である。例えば、上下６素子で全体が１２素子のアンテナ素子の一段構成においても、反射鏡１１の機械的方位と電気的ビーム方位のズレとして表れる方位誤差を低減可能であり、且つ素子間結合の増加による素子パターンの乱れによるアンテナ性能の劣化（能率低下等）を防止できることは明らかである。

また、実施の形態２のように、反射面の形状を水平方向のオフセットパラボラ曲面とする反射鏡の利用により放射効率を向上する構成は、複数の反射鏡１１ａ、１１ｂ、１１ｃ等の使用を必須とするものではなく、単一の反射鏡の使用においても反射面が一次放射器による電波路の遮蔽を回避するように構成することにより実現可能である。

更に、図２に示す実施の形態１では１つの送受信モジュール１２５で円周状のアレイアンテナをスイッチで切換えて反射鏡に電波を照射する構成としているが、本発明の他の実施の形態として放射素子ごとに送受信モジュールを装荷して、稼動する送受信モジュールを切換えるように構成することも可能である。

また、本発明の更に他の実施の形態として以上の実施の形態において送受信モジュール１２５に代えて移相器のみを設けることによりパッシブなフェーズドアレイとしたアンテナ装置を構成することも可能である。

また、図２、９に示すように縦方向の放射素子の配置は、互いに軸方向に一部重複する関係に配列した構成例を説明したが、この一部重複量は任意であり、更に上下の放射素子は重複が無く離れた配置とすることも可能である。

更に放射素子に３０°間隔、１２素子とした例を示したが、円筒（円周）状の配列素子数は任意であり、例えば方位分解能、配列する円筒（円周）の直径等を配慮した１２未満又は１２以上の素子配列で構成することが可能であることはいうまでもない。

本発明は長距離レーダ等のレーダ装置用等のアンテナ装置として適用可能である。

本発明の第１の実施の形態１の外観を示す図である。 本実施の形態の一次放射器の構成及び送受信の切り替え信号系の系統図例を示す図である。 円周状の素子配列の例を示す図であり、（イ）は６０°ピッチの６素子、（ロ）は３０°ピッチの１２素子の配置例である。 図３（イ）に示す６０°ピッチの６素子の場合の方位誤差発生の原理を説明する図である。 方位誤差の変化を示す図であり、（イ）は６０°ピッチ６素子の場合、（ロ）は３０°ピッチ１２素子の場合である。 素子パターンの例を示す図であり、（イ）は素子間隔が１／２波長以上で素子間結合が少ない場合、（ロ）は素子間隔が１／２波長以下で素子間結合が大きい場合のそれぞれ素子パーンの例である。 ３０°ピッチ１２素子を配列したアンテナ装置の構成例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態のアンテナ装置の外観を示す図である。 図８の一次放射器の構成及び給電系統図の例を示す図である。 既提案の反射鏡方式のアンテナ装置の外観を示す図である。 図９の一次放射器の構成及び給電系統図の例を示す図である。

符号の説明

１１、１１０ 反射鏡
１２、１２０ 一次放射器
１３、１３０ 回転駆動装置
１２１、１２０１ カバー
１２２、１２０２ 支柱
１２３、１２０３ 放射素子
１２４、１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃ、１２０４ スイッチ
１２５、１２７、１２０７ 送受信モジュール
１２６ 同軸ケーブル
１２、１２０ 一次放射器
１３ａ 固定盤
１３ｂ 回転盤
１４ａ、１４ｂ 素子パターン

Claims (5)

1. 複数の円周のそれぞれに円周状に並べた複数の放射素子を固定配置した円筒状の一次放射器と、前記一次放射器の外周を機械的に回転する反射鏡と、前記一次放射器の稼動する放射素子を前記反射鏡の回転に同期して順次切替える切替器とを備えるアンテナ装置において、前記複数の放射素子は、円周上に並べられた放射素子の円周上の位置と隣接する円周上に並べられた放射素子の円周上の位置とが前記一次放射器の中心軸方向に重複しないように、配列したことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記複数の放射素子は、等角度間隔で配列したことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記反射鏡は、反射面が前記一次放射器による電波路の遮蔽を回避するように構成され、回転駆動機構により前記一次放射器を中心として回転することを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 前記反射鏡は、前記一次放射器を中心とする全周を等分した位置に配置され前記回転駆動機構により回転する複数のビームを形成する複数の反射鏡であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
5. レーダ装置に適用したことを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ装置。

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