JP5639015B2 - アンテナ装置、レーダ装置、及び誘電体部材の配置方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の誘電体を備えたアンテナ装置に関する。

従来から、特許文献１及び２に示すように、電磁波を放射する放射部（輻射部、アンテナ素子）と、放射部から放射された電磁波をビームフォーミングする誘電体と、を備えたアンテナ装置が知られている。

放射部は、例えばスリットが形成された導波管を備えており、当該スリットから電磁波を放射する。誘電体は、この放射部の電磁波放射側に複数配置される。放射部が放射した電磁波は、誘電体の形状又は配置等によって、ビームフォーミングされる。

例えば、２つの誘電体を所定の距離を離して向かい合わせて配置し、電磁波が２つの誘電体の間を通るようにすることで、電磁波のビーム幅を抑えることができる。

特開２００８−２８７９５号公報 特開２０１０−１５７８６５号公報

ところで、船舶用のスロットアレイアンテナ等においては、アンテナ長が例えば数ｍ程度と長いアンテナが用いられることがある。このようなアンテナに誘電体を配置する場合、長い誘電体が必要となる。しかし、長い誘電体は、短い誘電体と比較して、単位長さあたりの価格が高くなるので、材料コストが増大してしまう。更に、長い誘電体は、運搬等の取扱いが難しく、組立てに掛かる手間及び時間も増大する。

この問題を解消するために、長い誘電体に代えて、短めの誘電体を複数並べて配置する構成が考えられる。しかし、この構成では、誘電体同士の境界（分割面）が波源となり、サイドローブが発生してしまう。この結果、例えばレーダ映像に偽像が表示されてしまったり、適切な電磁波の送受信が行えなくなったりする。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、複数の誘電体を備えたアンテナ装置であって、誘電体同士の境界を波源とするサイドローブの影響を抑えた構成を提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の第１の観点によれば、以下の構成のアンテナ装置が提供される。即ち、このアンテナ装置は、放射部と、誘電体部と、を備える。前記放射部は、電磁波を放射する。前記誘電体部は、前記放射部の電磁波放射側に配置され、当該放射部の長手方向に並べられた複数の誘電体部材で構成される。前記誘電体部の長手方向中央部を通るように当該長手方向に垂直に引いた仮想線を基準として、放射部の長手方向に並べられた複数の前記誘電体部材の境界位置が非対称である。

これにより、誘電体部材同士の境界位置を波源とするサイドローブの影響を軽減することができる。従って、所望の方向に的確に電磁波を放射することができる。また、従来はサイドローブを抑えるために長い誘電体の使用を余儀なくされることがあったが、本構成を採用することにより、複数の短い誘電体（誘電体部材）が使用可能となる。そのため、材料コストの低減や、組立作業の容易化を実現できる。

前記のアンテナ装置においては、前記誘電体部の少なくとも一端部に配置される前記誘電体部材と、端部以外に配置される前記誘電体部材と、で前記誘電体部の長手方向における長さが異なることが好ましい。

これにより、誘電体部の構成が非対称となり、誘電体部材の境界位置を波源とするサイドローブの影響を軽減することができる。

前記のアンテナ装置においては、前記誘電体部の端部以外に配置される複数の前記誘電体部材のうち少なくとも２つは、前記誘電体部の長手方向における長さが同じであることが好ましい。

これにより、同じ長さの誘電体部材を含みつつ、誘電体部の構成を非対称とすることができる。従って、誘電体部の材料コストや部品管理コストを低減することができる。

前記のアンテナ装置においては、前記誘電体部の両端部以外に配置される複数の前記誘電体部材の長さが全て同一であり、端部以外に配置される前記誘電体部材の長さと、両端部に配置される前記誘電体部材の長さの和と、が等しいことが好ましい。

本構成は、同じ長さの誘電体部材を複数用意し、そのうちの１つを分割して端部に配置することで実現される。従って、誘電体部の材料コストや部品管理コストを一層低減することができる。

前記のアンテナ装置においては、前記誘電体部の端部以外に配置される前記誘電体部材の長さをＬとしたときに、一端部に配置される前記誘電体部材の長さがＬ／３であり、他端部に配置される前記誘電体部材の長さが２Ｌ／３であることが好ましい。

これにより、誘電体部材の境界位置を波源とするサイドローブの影響を効果的に低減することができる。

前記のアンテナ装置においては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、前記放射部は、複数のスロットが形成された導波管を備える。前記導波管は、前記スロットから電磁波を放射する。

これにより、上記の効果をスロットアレイアンテナにおいて発揮させることができる。また、スロットアレイアンテナはアンテナ長が長くなりがちなので、複数の短い誘電体が使用可能となる本構成の効果を一層有効に発揮させることができる。

前記のアンテナ装置においては、電磁波を送信するとともに当該電磁波の反射波を受信するレーダアンテナとして用いられることが好ましい。

これにより、上記の効果をレーダアンテナにおいて発揮させることができる。

前記のレーダ装置においては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、このレーダ装置は、レーダ映像生成部と、を備える。前記レーダ映像生成部は、電磁波の反射波に基づいてレーダ映像を生成する。

これにより、上記の効果をレーダ装置において発揮させることができる。

本発明の第２の観点によれば、電磁波を放射する放射部と、前記放射部の長手方向に並べられた複数の誘電体部材で構成される誘電体部と、を備えるアンテナ装置における誘電体部材の配置方法において、以下の誘電体部材の配置方法が提供される。即ち、この方法では、前記誘電体部の長手方向中央部を通るように当該長手方向に垂直に引いた仮想線を基準として、前記誘電体部材の境界位置が非対称となるように、当該誘電体部材を配置する。

これにより、誘電体部材同士の境界位置を波源とするサイドローブの影響を軽減することができる。従って、複数の短い誘電体（誘電体部材）が使用可能となるので、材料コストの低減や、組立作業の容易化を実現できる。

前記の誘電体部材の配置方法においては、同じ長さの前記誘電体部材のうち１つを分割し、分割した前記誘電体部材が両端部に配置されるように、かつ、両端部以外には同じ長さの前記誘電体部材が配置されるように誘電体部材を配置することが好ましい。

これにより、同じ長さの誘電体部材を用いて部品管理コストを低減しつつ、誘電体部材同士の境界位置を波源とするサイドローブの影響を軽減することができる。

本発明の一実施形態に係るアンテナ装置の斜視図。 アンテナ装置の側面断面図。 境界面が非対称性であることを示すアンテナ装置の正面図。 境界面が対称である比較例のアンテナ装置の正面図。 境界面が対称の場合と非対称の場合とのアンテナ放射パターンを比較するグラフ。 境界位置とサイドローブの関係を示すグラフ。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。初めに、図１及び図２を参照して、本実施形態のアンテナ装置１０の全体的な構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るアンテナ装置１０の斜視図である。図２は、アンテナ装置１０の側面断面図である。

アンテナ装置１０は、導波管型のスロットアレイアンテナであり、図１及び図２に矢印で示す方向に電磁波を放射可能である。このアンテナ装置１０は、例えば、船舶に搭載され、電磁波を送信するとともに当該電磁波の反射波を受信するレーダアンテナとして用いられる。アンテナ装置１０は、レーダ映像を生成するレーダ映像生成部と、当該レーダ映像を表示するディスプレイ等とともに用いられる。

レーダ映像生成部は、アンテナ装置１０が電磁波を送信したタイミングと、反射波を受信したタイミングとの時間差から、物標までの距離を求める。なお、レーダ映像生成部は、アンテナ装置１０が回転しながら電磁波を放射する場合はアンテナ装置１０の向きから物標の方向を取得する。以上のようにして、レーダ映像生成部は、レーダ映像を生成する。

アンテナ装置１０は、アンテナケース１１と、放射部２０と、誘電体部１６，１７，１８，１９と、を備える。また、放射部２０は、同軸導波管変換器１３（図２にのみ図示）と、放射用導波管（導波管）１４と、垂直偏波抑圧部１５と、を備える。

アンテナケース１１は、アンテナ装置１０を構成する各部材を覆うためのケースである。アンテナケース１１は、耐環境性や強度の観点から、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で構成されている。なお、アンテナ装置１０の内部を見易くするために、図１等においては、アンテナケース１１の輪郭のみを示している。

同軸導波管変換器１３は、図略の同軸ケーブルと接続されている。同軸ケーブルは、アンテナ装置１０の外部に配置されたマグネトロン（図略）等を用いて発生させた電磁波をアンテナ装置１０に伝達するためのケーブルである。同軸導波管変換器１３は、図２に示すように、伝達部３２と、プローブ３３と、を備える。

伝達部３２は、同軸ケーブルを流れた電磁波をプローブ３３へ伝達する。プローブ３３は、伝達部３２から伝達された電磁波を同軸モードから導波管モードへ変換する。なお、本実施形態では、エンドフィード型の放射部２０となっており、放射部２０の一端部（図１及び図３に示すフィード側）のみにプローブ３３が配置される構成である。プローブ３３がモードを変換した電磁波は、放射用導波管１４へ伝達される。

放射用導波管１４は、金属製の管状の部材である。放射用導波管１４には、図１に示すスロット１４ａが放射部２０の長手方向に沿って複数形成されている。放射用導波管１４は、同軸導波管変換器１３（プローブ３３）から伝達された電磁波をこのスロット１４ａから電磁波放射方向に放射するように構成されている。

垂直偏波抑圧部１５は、金属製の管状の部材である。垂直偏波抑圧部１５には、図１に示す格子１５ａが放射部２０の長手方向に沿って複数形成されている。垂直偏波抑圧部１５は、放射用導波管１４から伝達された電磁波をこの格子１５ａから外部へ放射するように構成されている。このように、電磁波がスロット１４ａ及び格子１５ａを通過することで、当該電磁波の垂直偏波成分を抑圧することができる。

垂直偏波抑圧部１５の電磁波放射側には、発泡誘電体等を素材とする誘電体部１６，１７，１８，１９が配置されている。具体的には、所定の間隔を空けて互いに平行に配置された誘電体部１６，１７の外側に、それぞれ誘電体部１８，１９が配置されている。アンテナ装置１０が放射する電磁波は、この誘電体部１６，１７，１８，１９の間隔に応じて指向角（垂直方向のビーム幅）が抑えられる。なお、指向角は、誘電体部１６，１７，１８，１９の間隔だけでなく、誘電率を変更することによっても調整することができる。

以上の構成により、アンテナ装置１０は、マグネトロン等を用いて発生させた電磁波を、所定の指向角で外部に放出することができる。

次に、図３及び図４を参照して、誘電体部１６，１７，１８，１９の詳細な構成について説明する。図３は、境界面が非対称性であることを示すアンテナ装置１０の正面図である。図４は、境界面が対称である比較例のアンテナ装置の正面図である。なお、この正面図は、「電磁波放射方向と反対の向きで見たときの図」と表現することもできる。

誘電体部１６，１７，１８，１９は、それぞれ略同等の構成であるため、以下では、代表して誘電体部１６の構成について説明する。なお、誘電体部の説明において、誘電体部の長手方向における長さを単に「長さ」と称することがある。

誘電体部１６は、図３等に示すように、５つの誘電体部材から構成されている。５つの誘電体部材のうち、端部に配置される２つの誘電体部材は、残りの３つの誘電体部材と異なる長さとなっている。詳細には、端部以外に配置される誘電体部材の長さをＬとしたときに、フィード側の端部の誘電体部材の長さはＬ／３である。一方、他方の端部の誘電体部材の長さは、２Ｌ／３である。

次に、誘電体部１６の作成方法について説明する。誘電体部１６は、同じ長さ（Ｌ）の４つの誘電体部材から作成される。初めに、作業者は、４つの誘電体部材のうちの１つを、一方の長さがＬ／３で他方の長さが２Ｌ／３になるように分割する。そして、長さがＬ／３の誘電体部材がフィード側の端部になるように、長さが２Ｌ／３の誘電体部材がフィード側の他側の端部になるように、かつ、長さがＬの３本の誘電体部材がそれらの間になるように配置する。

本実施形態の誘電体部１６は、以上のようにして作成される。また、誘電体部１７，１８，１９についても同様の方法で作成される。以上のようにして、誘電体部の組立作業が完了する。

なお、誘電体部１６，１７，１８，１９は上記のようにして作成されるので、両端部に配置される誘電体部材の長さの和（Ｌ／３＋２Ｌ／３＝Ｌ）と、端部以外に配置される誘電体部材の長さ（Ｌ）と、が等しくなる。

上記のように作業を行うことにより、同じ長さの誘電体部材を材料として誘電体部１６を作成することができる。これにより、誘電体部材の在庫管理を簡単にすることができる。具体的には、誘電体部材を長さ毎に分類して保管する必要がなく、また、誘電体部材の残数の管理や発注処理等も単純にすることができる。

また、上記のように誘電体部１６を作成することにより、正面図において、誘電体部１６の長手方向中央部を通るように当該長手方向に垂直に引いた仮想線Ｓ（誘電体部１６の垂直２等分線である仮想線）を基準として、誘電体部材の境界位置（分割位置）が非対称となる。

これに対して、同じ長さの誘電体部材のみで構成される誘電体部は、図４（ａ）に示すように、同様に引いた仮想線Ｓを基準として、誘電体部材の境界位置が対称となる。なお、以下では、この図４に示す構成の誘電体部材で構成されたアンテナ装置を「比較例」と称することがある。

なお、本実施形態と同様の方法で誘電体部を作成した場合であっても、両端部の誘電体部材の長さが等しい場合は、図４（ｂ）に示すように、誘電体部材の境界位置が対称となる。

次に、誘電体部材の境界位置を非対称にすることでサイドローブの影響が軽減されることを確かめるために本願出願人らが行った実験について説明する。図５は、境界面が対称の場合と非対称の場合とのアンテナ放射パターンを比較するグラフである。図６は、境界位置とサイドローブの関係を示すグラフである。

図５には、本実施形態（誘電体部材の境界位置が非対称）のアンテナ放射パターンを太線で示し、前記比較例（誘電体部材の境界位置が対称）のアンテナ放射パターンを細線で示している。この図５に示すように、比較例のアンテナ放射パターンには、メインのビームの近傍にサイドローブが顕著に現れた。このサイドローブは、誘電体部材の境界を波源とするものと考えられる。一方、本実施形態のアンテナ放射パターンには、このようなサイドローブは現れなかった。つまり、本実施形態のように、誘電体部材の境界位置を非対称とすることで、サイドローブの影響が軽減されたと言うことができる。

図６には、誘電体部材の対象位置と、所定範囲内の方位角に発生する電磁波（サイドローブ）と、の関係性を示したグラフである。なお、誘電体部は、上記で説明したように、５つの誘電体部材のうち中央の３つの誘電体部材が同じ長さであり、両端の誘電体部材の長さの和が中央の誘電体部材と同じ長さとなる構成である。また、図６の横軸の「終端側へのオフセット量」とは、図４に示す比較例（境界位置が対称）を基準とし、そこから境界位置を終端側（フィード側の反対の端部側）へどれだけ移動させたかを示している。つまり、図３に示す本実施形態では、図４に示す比較例からＬ／３だけ終端側へ移動しているため、「終端側へのオフセット量」はＬ／３となる。

この図６に示すように、サイドローブの影響が大きくなるのは、「終端側へのオフセット量」が０となる場合（図４（ａ）に示す比較例）と、「終端側へのオフセット量」が約±Ｌ／２となる場合（図４（ｂ）に示す比較例）と、である。つまり、サイドローブは、誘電体部材の境界位置が対称となる場合に顕著に現れると推測される。

一方、サイドローブが大きく軽減されるのは、「終端側へのオフセット量」が約Ｌ／３となる場合（本実施形態）と、「終端側へのオフセット量」が約−Ｌ／６となる場合（即ち、約５Ｌ／６となる場合）と、である。５Ｌ／６−Ｌ／３＝Ｌ／２であるので、サイドローブが大きく軽減される構成同士のオフセット量の差は、約Ｌ／２であることが推測される。

以上に示したように、アンテナ装置１０は、放射部２０と、誘電体部１６，１７，１８，１９と、を備える。放射部２０は、電磁波を放射する。誘電体部１６，１７，１８，１９は、放射部２０の電磁波放射側に配置され、放射部２０の長手方向に並べられた複数の誘電体部材で構成される。誘電体部１６，１７，１８，１９の長手方向中央部を通るように当該長手方向に垂直に引いた仮想線Ｓを対称軸として、放射部２０の長手方向に並べられた複数の誘電体部材の境界位置が非対称である。

これにより、誘電体部材同士の境界位置を波源とするサイドローブの影響を軽減することができる。従って、所望の方向に的確に電磁波を放射することができる。また、本構成を採用することにより、複数の短い誘電体（誘電体部材）が使用可能となる。そのため、材料コスト及び部品管理コストの低減や、組立作業の容易化を実現できる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

誘電体部を構成する誘電体部材の数及び各誘電体部材の長さは、上記で示した例に限られず、仮想線Ｓを基準として誘電体部材の境界位置が非対称であれば、任意である。

放射部２０は、エンドフィード型に限られず、放射部２０の長手方向中央部にプローブ３３を配置するセンターフィード型であっても良い。

プローブ３３の形状は上記の構成に限られず、任意の形状のものを用いることができる。例えば板金の厚さ及び幅や、導波管の形状等に応じて、適切に電磁波が伝達されるように形状を定めることができる。

アンテナ装置１０は、上記で示したスロットアレイアンテナに限られず、水平方向に並べて配置される誘電体を備える構成であれば、任意のアンテナ装置を用いることができる。

アンテナ装置１０は、上記で示した船舶用レーダアンテナに限られず、他の移動体に搭載されるレーダアンテナや、灯台等に設置され、移動体の位置等を監視するレーダ装置用のレーダアンテナであっても良い。また、レーダアンテナ以外、例えば所定の情報の送信のみに用いられるアンテナにも本発明を適用することができる。

１０ アンテナ装置
１１ アンテナケース
１３ 同軸導波管変換器
１４ 放射用導波管（導波管）
１５ 垂直偏波抑圧部
１６〜１９ 誘電体部
２０ 放射部

Claims (10)

1. 電磁波を放射する放射部と、
   前記放射部の電磁波放射側に配置され、当該放射部の長手方向に並べられた複数の誘電体部材で構成される誘電体部と、
   を備え、
   前記誘電体部の長手方向中央部を通るように当該長手方向に垂直に引いた仮想線を基準として、放射部の長手方向に並べられた複数の前記誘電体部材の境界位置が非対称であ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であって、
   前記誘電体部の少なくとも一端部に配置される前記誘電体部材と、端部以外に配置される前記誘電体部材と、で前記誘電体部の長手方向における長さが異なることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１又は２に記載のアンテナ装置であって、
   前記誘電体部の端部以外に配置される複数の前記誘電体部材のうち少なくとも２つは、前記誘電体部の長手方向における長さが同じであることを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項３に記載のアンテナ装置であって、
   前記誘電体部の両端部以外に配置される複数の前記誘電体部材の長さが全て同一であり、端部以外に配置される前記誘電体部材の長さと、両端部に配置される前記誘電体部材の長さの和と、が等しいことを特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項４に記載のアンテナ装置であって、
   前記誘電体部の端部以外に配置される前記誘電体部材の長さをＬとしたときに、一端部に配置される前記誘電体部材の長さがＬ／３であり、他端部に配置される前記誘電体部材の長さが２Ｌ／３であることを特徴とするアンテナ装置。
6. 請求項１から５までの何れか一項に記載のアンテナ装置であって、
   前記放射部は、複数のスロットが形成された導波管を備え、
   前記導波管は、前記スロットから電磁波を放射することを特徴とするアンテナ装置。
7. 請求項１から６までの何れか一項に記載のアンテナ装置であって、
   電磁波を送信するとともに当該電磁波の反射波を受信するレーダアンテナとして用いられることを特徴とするアンテナ装置。
8. 請求項７に記載のアンテナ装置と、
   電磁波の反射波に基づいてレーダ映像を生成するレーダ映像生成部と、
   を備えることを特徴とするレーダ装置。
9. 電磁波を放射する放射部と、前記放射部の長手方向に並べられた複数の誘電体部材で構成される誘電体部と、を備えるアンテナ装置における誘電体部材の配置方法において、
   前記誘電体部の長手方向中央部を通るように当該長手方向に垂直に引いた仮想線を基準として、前記誘電体部材の境界位置が非対称となるように、当該誘電体部材を配置することを特徴とする誘電体部材の配置方法。
10. 請求項９に記載の誘電体部材の配置方法であって、
    同じ長さの前記誘電体部材のうち１つを分割し、分割した前記誘電体部材が両端部に配置されるように、かつ、両端部以外には同じ長さの前記誘電体部材が配置されるように誘電体部材を配置することを特徴とする誘電体部材の配置方法。

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