JP6037761B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、１次放射器とリフレクトアレーから構成されているアンテナ装置に関するものである。

図６は一般的なアンテナ装置を示す構成図である。
図６のアンテナ装置では、電波を放射する１次放射器１０１と、多数の反射素子が表面に並べられている反射板であるリフレクトアレー１０２とから構成されており、１次放射器１０１から放射された電波が、リフレクトアレー１０２における多数の反射素子に反射されてメインビームが形成される。
このとき、多数の反射素子の反射位相を適切に選定することで、所望方向にメインビームを形成することができる。図６の例では、φ＝０°の方向にメインビームが形成されている。

図７はリフレクトアレー１０２の構成例を示す斜視図である。
図７のリフレクトアレー１０２では、誘電体基板１０３の上面に対して、導体からなる方形の反射素子１０４が等間隔に配置され、誘電体基板１０３の底面には、地板１０５が配置されている。
なお、反射素子１０４と地板１０５の距離は、通常、十分の一波長程度以下に選定され、反射素子１０４と地板１０５がマイクロストリップ共振器を形成して動作する。

図８はリフレクトアレー１０２に入射される電磁波の周波数を一定にして、反射素子１０４の辺長を変化させたときの反射位相の変化を計算した結果を示す説明図である。
図８において、横軸は、入射波の周波数で共振する辺長（以下、「共振長」と称する）で規格化された反射素子１０４の辺長であり、縦軸は、反射位相である。
図８に示すように、共振長付近で反射位相が急峻に変化し、辺長と共振長の差が大きくなると、反射位相は一定値に漸近する。

したがって、メインビームを所望方向に形成するための反射位相分布を実現するには、メインビームの方向、各々の反射素子１０４の位置及び１次放射器１０１の位置によって決まる反射位相となるように、各々の反射素子１０４の辺長を共振長付近で選定すればよい。
これにより、１次放射器１０１の位置が焦点となる。また、反射素子１０４の共振周波数と入射波の周波数との差が大きい場合、リフレクトアレー１０２は、導体板のように、反射位相が周波数に依存しない反射板として動作する。

リフレクトアレー１０２を搭載しているアンテナ装置では、経路長（１次放射器１０１→反射素子１０４→開口面の経路長）が、反射素子１０４毎に異なる。
このアンテナ装置では、各々の反射素子１０４の反射位相を調整することで、開口面で等位相となるように、上記の経路長差が補償されるが、このような補償は、厳密には単一周波数でしか実現することができない。このため、リフレクトアレー１０２を搭載しているアンテナ装置の動作周波数帯域は狭いと言える。

一方、近年では、所望物体がレーダに探知され難くするステルス技術の研究が活発になされており、アンテナ装置においても、ステルス化が重要な課題になっている。
図９は以下の非特許文献１に開示されているセンターフィード反射鏡アンテナのレーダ断面積（ＲＣＳ）パターンを示す説明図である。
図９において、横軸は、反射鏡アンテナのボアサイト（メインビーム方向）から測った角度であり、縦軸は、ＲＣＳである。
図９に示すように、メインビーム方向を除く｜φ｜＜２５°の範囲の反射は、主に反射鏡の鏡面反射が寄与している。これに比べて、メインビーム方向のＲＣＳは非常に大きくなっている。

図１０はメインビーム方向のＲＣＳが非常に大きくなる原理を説明するための概念図である。
図１０（ａ）に示すように、メインビーム方向（φ＝０°方向）から入射された平面波は、反射鏡で反射され、反射鏡の焦点に配置された１次放射器に集束されて入射される。
このとき、１次放射器に入射された電波のおよそ半分は、その１次放射器の給電回路に吸収される。
しかし、残りのおよそ半分は、その１次放射器から再放射され、図１０（ｂ）に示すように、メインビーム方向に戻る。この原理によって、メインビーム方向のＲＣＳが非常に高くなる。

リフレクトアレー１０２を搭載しているアンテナ装置でも、反射鏡アンテナと同様に、１次放射器１０１をリフレクトアレー１０２の焦点に配置するので、上述した原理によって、メインビーム方向のＲＣＳが非常に高くなる。
更に、入射波の周波数が反射素子１０４の共振周波数から離れている場合には、リフレクトアレー１０２が単なる反射板として動作する。このため、リフレクトアレー１０２の形状が図７のような平面である場合には、リフレクトアレー１０２の法線と入射波の到来方向から定まる幾何光学的反射方向への反射波が非常に高くなる。

D. D. Reuster and G. A. Thiele,"Development of low RCS reflector antenna systems,"IEEE AP-S Dig., vol. 3, pp. 2325-2328, 1994.

従来のアンテナ装置は以上のように構成されているので、リフレクトアレー１０２における焦点の数が１つであり、１つの焦点に１次放射器１０１が配置される。また、反射素子１０４毎に異なる経路長が開口面で等位相となるように補償されるが、厳密には単一周波数でしか補償することができない。このため、１次放射器１０１を配置する位置が制限され、使用可能な周波数が狭周波数帯に限定される課題があった。
また、リフレクトアレー１０２の焦点に１次放射器１０１を配置することで、その１次放射器１０１に入射された電波が１次放射器１０１から再放射されて、メインビーム方向のＲＣＳが非常に高くなってしまう課題があった。
なお、リフレクトアレー１０２の形状を平面形状とすれば、製作が容易になるが、リフレクトアレー１０２の法線と入射波の到来方向から定まる幾何光学的反射方向のＲＣＳが非常に高くなってしまう課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、メインビーム方向のＲＣＳを低減することができるアンテナ装置を得ることを目的とする。
また、この発明は、使用可能な周波数の帯域を広げることができるアンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るアンテナ装置は、電波を放射する１次放射器と、その１次放射器から放射された電波を反射する反射素子が曲面に複数配置されているリフレクトアレーとを備え、その反射素子の動作周波数帯域以外の周波数帯域におけるそのリフレクトアレーの焦点が、その１次放射器の位置と異なる位置になるように、そのリフレクトアレーの曲面形状が定められ、その反射素子の動作周波数帯域以外の周波数帯域におけるそのリフレクトアレーの焦点、あるいは、その反射素子の動作周波数帯域以外の周波数帯域における電波の幾何光学的反射領域内に電波吸収体が配置されているようにしたものである。

この発明によれば、反射素子の動作周波数帯域以外の周波数帯域におけるリフレクトアレーの焦点が、１次放射器の位置と異なる位置になるように、そのリフレクトアレーの曲面形状が定められ、その反射素子の動作周波数帯域以外の周波数帯域におけるそのリフレクトアレーの焦点、あるいは、その反射素子の動作周波数帯域以外の周波数帯域における電波の幾何光学的反射領域内に電波吸収体が配置されているように構成したので、メインビーム方向のＲＣＳを低減することができる効果がある。

この発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態３によるアンテナ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態４によるアンテナ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態５によるアンテナ装置を示す構成図である。 一般的なアンテナ装置を示す構成図である。 リフレクトアレー１０２の構成例を示す斜視図である。 リフレクトアレー１０２に入射される電磁波の周波数を一定にして、反射素子１０４の辺長を変化させたときの反射位相の変化を計算した結果を示す説明図である。 非特許文献１に開示されているセンターフィード反射鏡アンテナのレーダ断面積（ＲＣＳ）パターンを示す説明図である。 メインビーム方向のＲＣＳが非常に大きくなる原理を説明するための概念図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す構成図である。
図１において、１次放射器１は電波を放射する電波放射源である。
リフレクトアレー２は１次放射器１から放射された電波を反射する反射素子が曲面に複数配置されている反射板である。
リフレクトアレー２は、図７のリフレクトアレー１０２と同様に、誘電体基板１０３の上面に対して、導体からなる方形の反射素子１０４が等間隔に配置され、誘電体基板１０３の底面には、地板１０５が配置されている。
多数の反射素子１０４の反射位相を適切に選定することで、所望方向にメインビームを形成することができる。図１の例では、φ＝０°の方向にメインビームが形成されている。

ただし、リフレクトアレー２は、図７のリフレクトアレー１０２と異なり、形状が曲面形状（湾曲形状）である。
即ち、反射素子１０４の動作周波数帯域（反射素子１０４の共振周波数付近の周波数帯）におけるリフレクトアレー２の焦点１０の他に、反射素子１０４の動作周波数帯域以外の周波数帯域におけるリフレクトアレー２の焦点１１が現れるように、リフレクトアレー２の曲面形状が定められている。図１の例では、１次放射器１がリフレクトアレー２の焦点１０に配置されている。
図中、１２が付されている実線は、反射素子１０４の動作周波数帯域における電波の伝搬経路であり、１３が付されている破線は、反射素子１０４の動作周波数帯域以外の周波数帯域における電波の伝搬経路である。

次に動作について説明する。
ここでは、説明の便宜上、φ＝０°の方向にメインビームが形成されるように、アンテナ装置が設計されることを前提として説明を行う。

リフレクトアレー２の曲面に配置される各々の反射素子１０４の寸法は、反射素子１０４の動作周波数帯域である使用周波数帯付近で共振する寸法を基本寸法として、メインビーム方向、各々の反射素子１０４の位置及び１次放射器１の位置から定められる反射位相と一致するように選定される。
これにより、１次放射器１から放射される使用周波数帯の電波の伝搬経路は、伝搬経路１２になる。

反射素子１０４の動作周波数帯域以外の周波数帯域では、上述したように、リフレクトアレー２は導体板として動作するので、リフレクトアレー２の形状が平面形状であるとすると、リフレクトアレー２の法線方向のＲＣＳが非常に高くなる。
そこで、この実施の形態１では、焦点１０と別の位置に焦点１１が生じるように、リフレクトアレー２の形状を湾曲させている。
湾曲しているリフレクトアレー２の形状は、通常の反射鏡アンテナと同様に、メインビーム方向と第２の焦点１１の位置を与え、光路長一定の法則に従って定めればよい。

このように、焦点１０と別の位置に焦点１１が生じる構成とすることで、メインビーム方向から到来した電波の伝搬経路は、使用周波数帯では伝搬経路１２となるが、使用周波数帯域以外では伝搬経路１３となる。
したがって、使用周波数帯域以外のすべての周波数において、メインビーム方向への反射波をほぼ皆無にすることが可能になる。
また、リフレクトアレー２の形状が曲面形状であるため、形状が平面形状である場合と比べて、法線方向のＲＣＳを大幅に抑圧することが可能になる。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、反射素子１０４の動作周波数帯域以外の周波数帯域におけるリフレクトアレー２の焦点が、１次放射器１の位置と異なる位置になるように、そのリフレクトアレー２の曲面形状が定められているように構成したので、メインビーム方向のＲＣＳを低減することができる効果を奏する。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
領域２１は反射素子１０４の動作周波数帯域以外の周波数帯域における電波の幾何光学的反射領域であり、幾何光学的反射領域２１はメインビーム方向、リフレクトアレー２の形状及び焦点１１から定まる。
電波吸収体２２は焦点１１の付近に配置され、メインビーム方向から到来する使用周波数帯域以外の電波を吸収する部材である。
なお、電波吸収体２２の配置位置は、メインビーム方向から到来する使用周波数帯域以外の電波を吸収することができれば、焦点１１の位置と必ずしも一致している必要はなく、一部又は全部が幾何光学的反射領域２１に含まれるように配置されていればよい。

上記実施の形態１のアンテナ装置では、メインビーム方向から使用周波数帯域以外の電波が到来したとき、メインビーム方向への反射波をほぼ皆無にすることができるが、焦点１１の方向に反射波が生じるため、ステルス化の観点からは万全とは言い難い。
そこで、この実施の形態２では、焦点１１の付近に電波吸収体２２を配置するようにしている。
焦点１１の付近に電波吸収体２２を配置することで、メインビーム方向から到来する使用周波数帯域以外の電波をすべて吸収することができるため、どの方向へも到来電波が反射しないようにすることが可能になる。

以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、反射素子１０４の動作周波数帯域以外の周波数帯域におけるリフレクトアレー２の焦点１１、あるいは、反射素子１０４の動作周波数帯域以外の周波数帯域における電波の幾何光学的反射領域２１内に電波吸収体２２が配置されているように構成したので、アンテナ装置のステルス化を高めることができる効果を奏する。

実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３によるアンテナ装置を示す構成図であり、図において、図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
支持機構３０は１次放射器１と電波吸収体２２を支持する小型の機構である。

上記実施の形態２のアンテナ装置では、１次放射器１が焦点１０に配置され、電波吸収体２２が焦点１１付近に配置されているものを示したが、この場合、１次放射器１と電波吸収体２２の距離が遠くなるため、実際に図２のアンテナ装置を製作する際には、１次放射器１を支持する支持機構の他に、電波吸収体２２を支持する支持機構が必要になる。このため、アンテナ装置全体の大型化と高コスト化を招いてしまう。

そこで、この実施の形態３では、図３に示すように、焦点１０と焦点１１の距離が近くなるようにアンテナ装置を設計して、小型な支持機構３０が、１次放射器１と電波吸収体２２を同時に支持できるようにしている。
これにより、アンテナ装置全体の小型化と低コスト化を図ることが可能になる。

実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４によるアンテナ装置を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
１次放射器４０は反射素子１０４の動作周波数帯域以外の周波数帯域におけるリフレクトアレー２の焦点１１に配置され、動作周波数帯域以外の周波数の電波を放射する電波放射源である。

上記実施の形態１では、１次放射器１が、反射素子１０４の動作周波数帯域におけるリフレクトアレー２の焦点１０に配置されているものを示したが、この実施の形態４では、１次放射器１の他に、１次放射器１と異なる周波数の電波を放射する１次放射器４０が、反射素子１０４の動作周波数帯域以外の周波数帯域におけるリフレクトアレー２の焦点１１に配置されているようにしている。

反射素子１０４の動作周波数帯域における電波は伝搬経路１２に沿って伝搬し、反射素子１０４の動作周波数帯域以外の周波数帯域における電波は伝搬経路１３に沿って伝搬することは、既に説明しているが、反射素子１０４の動作周波数帯域（以下、「第１の使用周波数帯」と称する）で所望の特性が得られるように１次放射器１の放射電波の周波数を設計し、反射素子１０４の動作周波数帯域以外の周波数帯域（以下、「第２の使用周波数帯」と称する）で所望の特性が得られるように１次放射器４０の放射電波の周波数を設計すれば、第１の使用周波数帯で通信・レーダなどの機能を実現するとともに、第２の使用周波数帯で、広帯域に通信、レーダ、電波妨害などの機能を実現することが可能になる。

以上で明らかなように、この実施の形態４によれば、反射素子１０４の動作周波数帯域以外の周波数帯域におけるリフレクトアレー２の焦点１１に、１次放射器１と別の１次放射器４０が配置されているように構成したので、使用可能な周波数の帯域を広げることができる効果を奏する。

実施の形態５．
図５はこの発明の実施の形態５によるアンテナ装置を示す構成図であり、図において、図４と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
支持機構５０は１次放射器１と１次放射器４０を支持する小型の機構である。

上記実施の形態４のアンテナ装置では、１次放射器１が焦点１０に配置され、１次放射器４０が焦点１１付近に配置されているものを示したが、この場合、１次放射器１と１次放射器４０の距離が遠くなるため、実際に図４のアンテナ装置を製作する際には、１次放射器１を支持する支持機構の他に、１次放射器４０を支持する支持機構が必要になる。このため、アンテナ装置全体の大型化と高コスト化を招いてしまう。

そこで、この実施の形態５では、図５に示すように、焦点１０と焦点１１の距離が近くなるようにアンテナ装置を設計して、小型な支持機構５０が、１次放射器１と１次放射器４０を同時に支持できるようにしている。
これにより、アンテナ装置全体の小型化と低コスト化を図ることが可能になる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ １次放射器、２ リフレクトアレー、１０ 反射素子の動作周波数帯域におけるリフレクトアレーの焦点、１１ 反射素子の動作周波数帯域以外の周波数帯域におけるリフレクトアレーの焦点、１２ 反射素子の動作周波数帯域における電波の伝搬経路、１３ 反射素子の動作周波数帯域以外の周波数帯域における電波の伝搬経路、２１ 幾何光学的反射領域、２２ 電波吸収体、３０ 支持機構、４０ １次放射器、５０ 支持機構、１０１ １次放射器、１０２ リフレクトアレー、１０３ 誘電体基板、１０４ 反射素子、１０５ 地板。

Claims (4)

1. 電波を放射する１次放射器と、
   上記１次放射器から放射された電波を反射する反射素子が曲面に複数配置されているリフレクトアレーとを備え、
   上記反射素子の動作周波数帯域以外の周波数帯域における上記リフレクトアレーの焦点が、上記１次放射器の位置と異なる位置になるように、上記リフレクトアレーの曲面形状が定められ、
   上記反射素子の動作周波数帯域以外の周波数帯域における上記リフレクトアレーの焦点、あるいは、上記反射素子の動作周波数帯域以外の周波数帯域における電波の幾何光学的反射領域内に電波吸収体が配置されていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 上記１次放射器と上記電波吸収体が同一の支持機構に支持されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 電波を放射する１次放射器と、
   上記１次放射器から放射された電波を反射する反射素子が曲面に複数配置されているリフレクトアレーとを備え、
   上記反射素子の動作周波数帯域以外の周波数帯域における上記リフレクトアレーの焦点が、上記１次放射器の位置と異なる位置になるように、上記リフレクトアレーの曲面形状が定められ、
   上記反射素子の動作周波数帯域以外の周波数帯域における上記リフレクトアレーの焦点に、上記１次放射器と別の１次放射器が配置されていることを特徴とするアンテナ装置。
4. 上記２つの１次放射器が同一の支持機構に支持されていることを特徴とする請求項３記載のアンテナ装置。

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