JP5441796B2 - Antenna device - Google Patents

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Description

本発明は、レーダ断面積の低減を図ったアンテナ装置に関するものである。   The present invention relates to an antenna device that reduces the cross-sectional area of a radar.

レーダ断面積（ＲＣＳ：Ｒａｄａｒ Ｃｒｏｓｓ Ｓｅｃｔｉｏｎ）の大きな飛翔体は、より近距離でレーダに探知されやすくなる。このため、飛翔体によっては、レーダ断面積を低減する対策、いわゆる、ステルス化が施される。飛翔体の構造のなかで、レーダ断面積の大きな箇所は複数あり、その対象ごとに、適切なレーダ断面積の低減技術を施すことが重要である。   A flying object having a large radar cross section (RCS) is more easily detected by the radar at a shorter distance. For this reason, depending on the flying object, a countermeasure for reducing the radar cross-sectional area, so-called stealth is applied. In the structure of the flying object, there are a plurality of portions having a large radar cross-sectional area, and it is important to apply an appropriate technique for reducing the cross-sectional area of the radar for each target.

低減すべきレーダ断面積の主な要素の１つとして、飛翔体に搭載されているアレーアンテナがある。そこで、次に、アレーアンテナのレーダ断面積の概要について説明する。   One of the main elements of the radar cross section to be reduced is an array antenna mounted on a flying object. Therefore, an outline of the radar cross section of the array antenna will be described next.

アレーアンテナの代表的なものの１つとして、マイクロストリップアレーアンテナがある（例えば、非特許文献１参照）。図５は、誘電体基板を用いて構成された従来のマイクロストリップアレーアンテナの構成図である。この従来のマイクロストリップアレーアンテナは、アンテナ放射素子１、誘電体基板２、および金属板５を備えて構成されている。   One typical array antenna is a microstrip array antenna (see, for example, Non-Patent Document 1). FIG. 5 is a configuration diagram of a conventional microstrip array antenna configured using a dielectric substrate. This conventional microstrip array antenna includes an antenna radiating element 1, a dielectric substrate 2, and a metal plate 5.

アンテナ放射素子１は、非特許文献１にも記載されているように、マイクロストリップ線路、電磁結合、ピン給電などにより給電される。図６は、従来のマイクロストリップアレーアンテナのアンテナ動作帯域での散乱原理の説明図であり、ピン給電で構成した場合の給電回路６を含めた側面図を示している。この図６を用いて、アンテナ放射素子１の動作帯域（周波数Ｆｉｎ）の電磁波１１が、このアンテナに照射された場合の散乱原理について説明する。   As described in Non-Patent Document 1, the antenna radiating element 1 is fed by a microstrip line, electromagnetic coupling, pin feeding, or the like. FIG. 6 is an explanatory view of the principle of scattering in the antenna operating band of a conventional microstrip array antenna, and shows a side view including a power feeding circuit 6 in the case of being configured by pin feeding. The principle of scattering when the electromagnetic wave 11 in the operating band (frequency Fin) of the antenna radiating element 1 is applied to the antenna will be described with reference to FIG.

アンテナ放射素子１の動作帯域の周波数Ｆｉｎの電磁波１１は、アンテナ放射素子１と結合し、その表面に電流が誘起され、給電回路６上に電流が流れる。この電流の一部は、インピーダンスの不整合箇所や、入力端での不整合部分で反射され、アンテナ放射素子１を介して、空間に再放射される。この散乱要因は、一般に、アンテナモードと呼ばれる。   The electromagnetic wave 11 having the frequency Fin in the operating band of the antenna radiating element 1 is coupled to the antenna radiating element 1, and a current is induced on the surface thereof, and a current flows on the power feeding circuit 6. A part of this current is reflected at a mismatched portion of the impedance or a mismatched portion at the input end and re-radiated to the space via the antenna radiating element 1. This scattering factor is generally called an antenna mode.

一方、図７は、従来のマイクロストリップアレーアンテナのアンテナ動作帯域外での散乱原理の説明図であり、ピン給電で構成した場合の給電回路６を含めた側面図を示している。この図７を用いて、アンテナ放射素子１の動作帯域外（周波数Ｆｏｕｔ）の電磁波１１が、このアンテナに照射された場合の散乱原理について説明する。   On the other hand, FIG. 7 is an explanatory view of the principle of scattering outside the antenna operating band of the conventional microstrip array antenna, and shows a side view including the feeding circuit 6 in the case of being configured by pin feeding. The principle of scattering when the antenna 11 is irradiated with the electromagnetic wave 11 outside the operating band (frequency Fout) of the antenna radiating element 1 will be described with reference to FIG.

図７に示すように、アンテナ放射素子１の動作帯域外（周波数Ｆｏｕｔ）の電磁波１２が、アンテナ放射素子１上に照射された場合には、動作帯域外のため、アンテナ放射素子１は、アンテナとして動作しない。この結果、給電回路６に電流は流れず、電磁波１２は、アンテナ放射素子１の表面で反射する。   As shown in FIG. 7, when the electromagnetic wave 12 outside the operating band (frequency Fout) of the antenna radiating element 1 is irradiated on the antenna radiating element 1, the antenna radiating element 1 Does not work as. As a result, no current flows through the feeder circuit 6, and the electromagnetic wave 12 is reflected from the surface of the antenna radiating element 1.

また、アンテナ放射素子１の動作帯域外（周波数Ｆｏｕｔ）の電磁波１２が、アンテナ放射素子１以外の場所に入射した場合には、その電磁波１２は、誘電体基板２を透過し、アンテナの地板を形成する金属板５により反射され、空間に再放射される。このように、アンテナ放射素子１の動作帯域外（周波数Ｆｏｕｔ）の電磁波１２は、アンテナ放射素子１により反射されるか、あるいは金属板５で反射されるため、ほとんどの入射電力が反射されることになる。   Further, when the electromagnetic wave 12 outside the operating band (frequency Fout) of the antenna radiating element 1 is incident on a place other than the antenna radiating element 1, the electromagnetic wave 12 is transmitted through the dielectric substrate 2 and passes through the antenna ground plane. It is reflected by the metal plate 5 to be formed and re-radiated into the space. As described above, the electromagnetic wave 12 outside the operating band (frequency Fout) of the antenna radiating element 1 is reflected by the antenna radiating element 1 or reflected by the metal plate 5, so that most incident power is reflected. become.

この散乱要因は、一般に、ストラクチャルモードと呼ばれる。また、一般に、アンテナ放射素子１の専有面積より、金属板５の面積の方が大きいため、金属板５の反射電力が大きく、後者が主にレーダ断面積に寄与する。   This scattering factor is generally called a structural mode. In general, since the area of the metal plate 5 is larger than the area occupied by the antenna radiating element 1, the reflected power of the metal plate 5 is large, and the latter mainly contributes to the radar cross-sectional area.

Ｃ．Ａ．Ｂａｌａｎｉｓ著、Ａｎｔｅｎｎａ Ｔｈｅｏｒｙ ３ｒｄ Ｅｄ．、第１４章、出版Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ、２００５C. A. By Balanis, Antenna Theory 3rd Ed. , Chapter 14, Publishing John Wiley & Sons, 2005

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
従来のアレーアンテナでは、アンテナ放射素子１の動作帯域外の周波数の電磁波が照射された場合には、ほぼ全ての電力が、特に、アンテナ放射素子１の下部に位置する金属板５により反射されるため、大きなレーダ断面積を有してしまうという問題があった。 However, the prior art has the following problems.
In the conventional array antenna, when an electromagnetic wave having a frequency outside the operating band of the antenna radiating element 1 is irradiated, almost all the electric power is reflected by the metal plate 5 positioned below the antenna radiating element 1 in particular. Therefore, there is a problem that the radar has a large cross section.

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、レーダ断面積の低減を図ったアンテナ装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain an antenna device in which the radar cross-sectional area is reduced.

本発明に係るアンテナ装置は、電磁波が照射される面である誘電体基板の表面に１つ以上のアンテナ放射素子を配置したアンテナ装置において、誘電体基板の裏面に設けられ、前記誘電体基板の表面に照射され、前記誘電体基板を透過してきた前記電磁波に関し、アンテナ放射素子の動作帯域内の周波数では電磁波を反射することで前記アンテナ放射素子の地板として動作し、アンテナ放射素子の動作帯域外の周波数では電磁波を透過する周波数選択板を備えるものである。 An antenna device according to the present invention is an antenna device in which one or more antenna radiating elements are arranged on the surface of a dielectric substrate, which is a surface to which electromagnetic waves are irradiated, and is provided on the back surface of the dielectric substrate, The electromagnetic wave irradiated on the surface and transmitted through the dielectric substrate operates as a ground plane of the antenna radiating element by reflecting the electromagnetic wave at a frequency within the operating band of the antenna radiating element, and out of the operating band of the antenna radiating element. In this frequency, a frequency selection plate that transmits electromagnetic waves is provided.

本発明に係るアンテナ装置によれば、アンテナ放射素子の下部に位置する金属地板を、アンテナ放射素子の動作帯域の周波数では反射し、動作帯域外の周波数では透過する特性を有する周波数選択板で構成し、動作帯域外の周波数において、金属地板による反射をなくすことにより、レーダ断面積の低減を図ったアンテナ装置を得ることができる。   According to the antenna device of the present invention, the metal ground plane located below the antenna radiating element is configured with a frequency selection plate having a characteristic of reflecting at a frequency in the operating band of the antenna radiating element and transmitting at a frequency outside the operating band. In addition, by eliminating reflection by the metal ground plane at a frequency outside the operating band, it is possible to obtain an antenna device in which the radar cross-sectional area is reduced.

本発明の実施の形態１におけるアレーアンテナの構成図である。It is a block diagram of the array antenna in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態１におけるアレーアンテナのアンテナ動作帯域外での散乱原理の説明図である。It is explanatory drawing of the scattering principle outside the antenna operation band of the array antenna in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態２におけるアレーアンテナの構成図である。It is a block diagram of the array antenna in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態３におけるアレーアンテナの構成図である。It is a block diagram of the array antenna in Embodiment 3 of this invention. 誘電体基板を用いて構成された従来のマイクロストリップアレーアンテナの構成図である。It is a block diagram of the conventional microstrip array antenna comprised using the dielectric substrate. 従来のマイクロストリップアレーアンテナのアンテナ動作帯域での散乱原理の説明図である。It is explanatory drawing of the scattering principle in the antenna operation band of the conventional microstrip array antenna. 従来のマイクロストリップアレーアンテナのアンテナ動作帯域外での散乱原理の説明図である。It is explanatory drawing of the scattering principle outside the antenna operation | movement band of the conventional microstrip array antenna.

以下、本発明のアンテナ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of an antenna device of the present invention will be described with reference to the drawings.

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるアレーアンテナの構成図である。本実施の形態１におけるアレーアンテナは、アンテナ放射素子１、誘電体基板２、および周波数選択板３を備えて構成されている。先の図５における従来のアレーアンテナの構成と比較すると、この図１に示す本実施の形態１におけるアレーアンテナは、金属地板として、金属板５の代わりに周波数選択板３を備えている点が異なっている。 Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a configuration diagram of an array antenna according to Embodiment 1 of the present invention. The array antenna according to the first embodiment includes an antenna radiating element 1, a dielectric substrate 2, and a frequency selection plate 3. Compared with the configuration of the conventional array antenna shown in FIG. 5, the array antenna according to the first embodiment shown in FIG. 1 includes a frequency selection plate 3 instead of the metal plate 5 as a metal ground plate. Is different.

また、図２は、本発明の実施の形態１におけるアレーアンテナのアンテナ動作帯域外での散乱原理の説明図であり、側面図を示している。ここで、周波数選択板３は、アンテナ放射素子１の動作周波数Ｆｉｎでは、電磁波を反射し、アンテナ放射素子１の地板として動作し、アンテナ動作帯域外の周波数Ｆｏｕｔでは、電磁波を透過するように設計されている。   FIG. 2 is an explanatory diagram of the principle of scattering outside the antenna operating band of the array antenna according to Embodiment 1 of the present invention, and shows a side view. Here, the frequency selection plate 3 is designed to reflect an electromagnetic wave at the operating frequency Fin of the antenna radiating element 1 and to operate as a ground plane of the antenna radiating element 1 and to transmit the electromagnetic wave at a frequency Fout outside the antenna operating band. Has been.

このようなアレーアンテナの構成によれば、アンテナ動作帯域外の周波数Ｆｏｕｔの電磁波１２がアンテナ放射素子１以外の領域に入射した場合、誘電体基板２を透過し、周波数選択板３に到達する。ここで、周波数選択板３は、上述したように、アンテナ動作帯域外の周波数Ｆｏｕｔの電磁波１２を透過するように設計されている。このため、周波数選択板３に到達した電磁波１２は、その後、周波数選択板３では反射せず、周波数選択板３を透過する。   According to such an array antenna configuration, when the electromagnetic wave 12 having the frequency Fout outside the antenna operating band is incident on a region other than the antenna radiating element 1, it passes through the dielectric substrate 2 and reaches the frequency selection plate 3. Here, as described above, the frequency selection plate 3 is designed to transmit the electromagnetic wave 12 having the frequency Fout outside the antenna operating band. For this reason, the electromagnetic wave 12 that has reached the frequency selection plate 3 is not reflected by the frequency selection plate 3 and then passes through the frequency selection plate 3.

したがって、本実施の形態１におけるアレーアンテナは、従来のように、アンテナ動作帯域外の周波数Ｆｏｕｔの電磁波１２がアンテナ地板で反射することがなく、低いレーダ断面積を実現できることとなる。   Therefore, the array antenna according to the first embodiment does not reflect the electromagnetic wave 12 having the frequency Fout outside the antenna operating band from the antenna ground plane as in the prior art, and can realize a low radar cross section.

以上のように、実施の形態１によれば、金属板の代わりに、周波数選択板を用いてアレーアンテナを構成している。そして、この周波数選択板は、アンテナ放射素子の動作周波数では、電磁波を反射し、アンテナ放射素子の地板として動作し、その一方で、アンテナ動作帯域外の周波数では、電磁波を透過するように設計されている。この結果、アンテナ動作帯域外の周波数の電磁波がアンテナ地板で反射することがなくなり、レーダ断面積の低減を実現できる。   As described above, according to the first embodiment, the array antenna is configured using the frequency selection plate instead of the metal plate. The frequency selection plate is designed to reflect electromagnetic waves at the operating frequency of the antenna radiating element and operate as a ground plane of the antenna radiating element, while transmitting electromagnetic waves at frequencies outside the antenna operating band. ing. As a result, the electromagnetic wave having a frequency outside the antenna operating band is not reflected by the antenna ground plane, and the radar cross-sectional area can be reduced.

なお、図１では、周波数選択板３を構成する素子がリング型である場合を例示している。しかしながら、本発明における周波数選択板３は、このような形状に限定されるものではなく、ダイポール型、クロスダイポール型、エルサレムクロス型、円形素子など、種々の形状であっても同様の効果を実現できる。   FIG. 1 illustrates a case where the elements constituting the frequency selection plate 3 are ring-type. However, the frequency selection plate 3 in the present invention is not limited to such a shape, and the same effect can be realized even in various shapes such as a dipole type, a cross dipole type, a Jerusalem cross type, and a circular element. it can.

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２におけるアレーアンテナの構成図である。本実施の形態２におけるアレーアンテナは、アンテナ放射素子１、誘電体基板２、周波数選択板３、および電波吸収体４を備えて構成されている。先の図１における実施の形態１におけるアレーアンテナの構成と比較すると、この図３に示す本実施の形態２におけるアレーアンテナは、周波数選択板３の下部に電波吸収体４をさらに備えている点が異なっている。 Embodiment 2. FIG.
FIG. 3 is a configuration diagram of the array antenna according to the second embodiment of the present invention. The array antenna according to the second embodiment includes an antenna radiating element 1, a dielectric substrate 2, a frequency selection plate 3, and a radio wave absorber 4. Compared with the configuration of the array antenna in the first embodiment shown in FIG. 1, the array antenna in the second embodiment shown in FIG. 3 further includes a radio wave absorber 4 below the frequency selection plate 3. Is different.

本実施の形態２において、周波数選択板３は、先の実施の形態１と同様に、アンテナ放射素子１の動作周波数Ｆｉｎでは、電磁波を反射し、アンテナ放射素子１の地板として動作し、アンテナ動作帯域外の周波数Ｆｏｕｔでは、電磁波を透過するように設計されている。   In the second embodiment, the frequency selection plate 3 reflects an electromagnetic wave at the operating frequency Fin of the antenna radiating element 1 and operates as a ground plane of the antenna radiating element 1, as in the first embodiment. It is designed to transmit electromagnetic waves at a frequency Fout outside the band.

そして、本実施の形態２におけるアレーアンテナでは、アンテナ動作帯域外の周波数Ｆｏｕｔの電磁波１２が、アンテナ放射素子１以外の場所に入射した場合には、その電磁波１２は、誘電体基板２を透過後、周波数選択板３を透過し、電波吸収体４で吸収される。このようにして、周波数選択板３を透過後の電磁波１２は、電波吸収体４により吸収されるため、不要散乱による特性劣化を抑圧できる。   In the array antenna according to the second embodiment, when the electromagnetic wave 12 having the frequency Fout outside the antenna operating band is incident on a place other than the antenna radiating element 1, the electromagnetic wave 12 is transmitted through the dielectric substrate 2. Then, it passes through the frequency selection plate 3 and is absorbed by the radio wave absorber 4. In this way, the electromagnetic wave 12 that has passed through the frequency selection plate 3 is absorbed by the radio wave absorber 4, so that characteristic deterioration due to unnecessary scattering can be suppressed.

以上のように、実施の形態２によれば、周波数選択板の下部に電波吸収体をさらに備えてアレーアンテナを構成している。この結果、電波吸収体が、周波数選択板を透過した電磁波を吸収することができ、先の実施の形態１による効果に加え、不要散乱による特性劣化を抑圧できるというさらなる効果を得ることができる。   As described above, according to the second embodiment, the array antenna is configured by further including the radio wave absorber below the frequency selection plate. As a result, the radio wave absorber can absorb the electromagnetic wave that has passed through the frequency selection plate, and in addition to the effect of the first embodiment, it is possible to obtain the further effect of suppressing characteristic deterioration due to unnecessary scattering.

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３におけるアレーアンテナの構成図である。本実施の形態３におけるアレーアンテナは、アンテナ放射素子１、誘電体基板２、周波数選択板３、電波吸収体４、および金属板５を備えて構成されている。先の図３に示した実施の形態２におけるアレーアンテナの構成と比較すると、この図４に示す本実施の形態３におけるアレーアンテナは、周波数選択板３の下部に位置する電波吸収体４の下部に、金属板５をさらに備えている点が異なっている。 Embodiment 3 FIG.
FIG. 4 is a configuration diagram of an array antenna according to Embodiment 3 of the present invention. The array antenna according to the third embodiment includes an antenna radiating element 1, a dielectric substrate 2, a frequency selection plate 3, a radio wave absorber 4, and a metal plate 5. Compared to the configuration of the array antenna according to the second embodiment shown in FIG. 3, the array antenna according to the third embodiment shown in FIG. 4 has a lower part of the radio wave absorber 4 positioned below the frequency selection plate 3. In addition, the metal plate 5 is further provided.

本実施の形態３におけるアレーアンテナは、金属板５をさらに備えることで、電波吸収体４で完全に消失しない電磁波を、金属板５で遮蔽することができる。この結果、先の実施の形態２と比較して、不要散乱による特性劣化をさらに抑圧できる。   The array antenna according to the third embodiment can further shield the electromagnetic wave that is not completely lost by the radio wave absorber 4 with the metal plate 5 by further including the metal plate 5. As a result, compared to the second embodiment, characteristic deterioration due to unnecessary scattering can be further suppressed.

以上のように、実施の形態３によれば、周波数選択板の下部に位置する電波吸収体の下部に金属板５をさらに備えてアレーアンテナを構成している。この結果、電波吸収体で完全に消失しない電磁波を、金属板で遮蔽することができ、先の実施の形態１、２による効果に加え、不要散乱による特性劣化をさらに抑圧できるという効果を得ることができる。   As described above, according to the third embodiment, the array antenna is configured by further including the metal plate 5 under the radio wave absorber located under the frequency selection plate. As a result, an electromagnetic wave that does not completely disappear with the radio wave absorber can be shielded with a metal plate, and in addition to the effects of the first and second embodiments, the characteristic deterioration due to unnecessary scattering can be further suppressed. Can do.

さらに、本実施の形態３におけるアレーアンテナは、電磁波を遮蔽できる金属板をさらに備えることで、電磁波を吸収する目的の電波吸収体の厚さを薄くすることができ、アレーアンテナ全体を薄型化することができる。さらに、本実施の形態１におけるアレーアンテナは、アンテナ放射素子をピン給電する場合に、金属板を地導体として利用することも可能である。   Furthermore, the array antenna according to the third embodiment further includes a metal plate capable of shielding electromagnetic waves, so that the thickness of the electromagnetic wave absorber intended for absorbing electromagnetic waves can be reduced, and the entire array antenna is made thinner. be able to. Furthermore, the array antenna according to the first embodiment can use a metal plate as a ground conductor when the antenna radiating element is pin-fed.

なお、上述した実施の形態１〜３におけるアンテナ装置としては、複数のアンテナ放射素子を有するアレーアンテナとして説明したが、単素子の素子アンテナであっても、全く同じ議論が可能であり、単素子の素子アンテナにも適用でき、同様の効果を得ることができることは自明である。   Although the antenna device in the first to third embodiments described above has been described as an array antenna having a plurality of antenna radiating elements, the same argument can be made even with a single element antenna. It is obvious that the present invention can be applied to the above-described element antenna and the same effect can be obtained.

１ アンテナ放射素子、２ 誘電体基板、３ 周波数選択板、４ 電波吸収体、５ 金属板。   1 antenna radiating element, 2 dielectric substrate, 3 frequency selection plate, 4 radio wave absorber, 5 metal plate.

Claims (3)

電磁波が照射される面である誘電体基板の表面に１つ以上のアンテナ放射素子を配置したアンテナ装置において、
前記誘電体基板の裏面に設けられ、前記誘電体基板の表面に照射され、前記誘電体基板を透過してきた前記電磁波に関し、前記アンテナ放射素子の動作帯域内の周波数では電磁波を反射することで前記アンテナ放射素子の地板として動作し、前記アンテナ放射素子の動作帯域外の周波数では電磁波を透過する周波数選択板を備えたことを特徴とするアンテナ装置。 In an antenna device in which one or more antenna radiating elements are arranged on the surface of a dielectric substrate, which is a surface irradiated with electromagnetic waves ,
The electromagnetic wave provided on the back surface of the dielectric substrate, irradiated on the surface of the dielectric substrate, and transmitted through the dielectric substrate , reflects the electromagnetic wave at a frequency within the operating band of the antenna radiating element by reflecting the electromagnetic wave. An antenna device comprising a frequency selection plate that operates as a ground plane of an antenna radiating element and transmits electromagnetic waves at frequencies outside the operating band of the antenna radiating element. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
前記周波数選択板の、前記誘電体基板と接する面と反対側の面に装荷され、前記周波数選択板を透過してきた電磁波を吸収する電波吸収体をさらに備えることを特徴するアンテナ装置。 The antenna device according to claim 1,
An antenna device, further comprising: a radio wave absorber that is loaded on a surface of the frequency selection plate opposite to a surface in contact with the dielectric substrate and absorbs an electromagnetic wave transmitted through the frequency selection plate . 請求項２に記載のアンテナ装置において、
前記電波吸収体の、前記周波数選択板と接する面と反対側の面に装荷され、前記電波吸収体で完全に消失しない電磁波を遮蔽する金属板をさらに備えることを特徴するアンテナ装置。 The antenna device according to claim 2, wherein
An antenna device, further comprising: a metal plate that is loaded on a surface of the radio wave absorber opposite to a surface in contact with the frequency selection plate and shields electromagnetic waves that are not completely lost by the radio wave absorber .
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