JP6143281B2 - レーダアンテナ - Google Patents

Description

この発明は、主としてレーダアンテナとして用いられるアンテナ装置に関する。

レーダアンテナでは、利得の向上とサイドローブレベルの低減とが求められており、垂直面ビーム幅を狭ビーム化することで、利得の向上を図ったレーダアンテナ（アンテナ装置）が知られている（例えば、特許文献１等参照。）。

このレーダアンテナは、ホーン状のフレアの基部にスロット導波管（放射導波管）が設けられ、垂直面ビーム幅を狭ビーム化するために、上下中央位置に電磁波放射方向に所定長の金属板や誘電体からなる位相分布を調整する板状部材（位相成形板）が設けられている。また、断面が四辺形状の中空で、上下方向の寸法が放射される電磁波の１波長に相当し、前後方向の寸法が放射される電磁波の半波長に相当する主誘電体部材（電波成形板）が、導電性フレアの前方中心位置に設けられている。さらに、主誘電体部材をフレアの上端部に支持する上側支持誘電体部材と、主誘電体部材をフレアの下端部に支持する下側支持誘電体部材と、を備えている。これにより、指向性を先鋭にして利得を向上させるとともに、小型化、軽量化を可能にするものである。

特許第４５０８９４１号公報

ところで、特許文献１などに記載のレーダアンテナでは、フレア内に位相成形板を配設するために、位相成形板を支持する機構（支持柱など）を要し、構造が複雑になるばかりでなく、アンテナ指向性特性に悪影響を与える（水平面におけるサイドローブレベルが劣化・増加する）おそれがある。

そこでこの発明は、位相成形板を設けることなく垂直面ビーム幅を狭ビーム化することが可能なレーダアンテナを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、水平方向に同一形状で延ばされたホーン状のフレアの基部に放射導波管が設けられたレーダアンテナにおいて、垂直面におけるビーム幅が狭ビームとなるように、前記フレアの壁面の垂直断面形状が楕円弧状または円弧状に形成されている、ことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーダアンテナにおいて、上下方向の長さおよび前後方向の長さが所定長に設定された電波成形部材と誘電体レドームが、前記フレアの前方に設けられている、ことを特徴とする。

本願発明者は、電磁界解析によるシミュレーションおよび実験によって、位相成形板を設けなくても、水平方向に同一形状で延ばされたフレアの壁面の垂直断面形状を楕円弧状または円弧状に形成することで、垂直面におけるビーム幅を狭ビーム化して高い利得が得られること、および垂直面におけるサイドローブレベルが低減することを確認した。

請求項１、２に記載の発明によれば、上記のように、位相成形板を設けることなく、垂直面ビーム幅を狭ビーム化して高い利得を得ることができるとともに、垂直面におけるサイドローブレベルを低減することができる。このため、位相成形板を支持する機構を削除して、レーダアンテナの構造を簡易化することができるとともに、レーダアンテナを軽量化することができる。さらに、位相成形板を支持する支持柱などが削除されるため、アンテナ指向性特性への悪影響を抑制すること、すなわち水平面におけるサイドローブレベルを低減することが可能となる。

この発明の実施の形態に係るレーダアンテナを示す側面図（断面図）である。 フレアの両壁面が直線状で位相成形板が設けられていないレーダアンテナを示す側面図（断面図）（ａ）と、フレアの両壁面が直線状で位相成形板、電波成形板および前方レドームが設けられているレーダアンテナを示す側面図（断面図）（ｂ）である。 図１のレーダアンテナのフレアによる位相分布の変化状態を示す概念図（ａ）、および振幅分布の変化状態を示す概念図（ｂ）である。 図１のレーダアンテナと図２のレーダアンテナの垂直面指向性特性を示す図である。 図１のレーダアンテナのフレアの楕円形状を変えた場合のビーム幅、相対利得およびサイドローブ・ショルダレベルを示す図である。 図５に基づいて、楕円の横縦比に対するビーム幅の特性カーブを示す図である。 図５に基づいて、楕円の横縦比に対する相対利得の特性カーブを示す図である。 図５に基づいて、楕円の横縦比に対するサイドローブまたはショルダレベルの特性カーブを示す図である。 図５に示す各形状の垂直面指向性特性を示す図である。 この発明の実施の形態におけるフレアの変形例を示す側面図（断面図）である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施の形態に係るレーダアンテナ１を示す側面図（断面図）である。このレーダアンテナ１は、位相成形板が設けられていないことと、フレア２の形状が異なることを除いて、従来（特許第４５０８９４１号公報記載）のレーダアンテナと同等の構成、機能となっているため、従来と同じ点についての詳細な説明は省略するが、概略次のような構成等となっている。

すなわち、フレア２は、導電性でＶ字状に広がるホーン状で、このフレア２の基部にチョーク部４を介して放射導波管３が配設され、フレア２の前面開口を塞ぐように、電波成形板（電波成形部材）５が配設されている。ここで、フレア２を金属材で構成してもよいし、導電性樹脂や導電性ＣＦＲＰ等で構成したり、成形樹脂に金属箔蒸着や金属メッキなどを施して構成したりしてもよい。

この電波成形板５は、全体が誘電体で、電波成形部５１と上側支持部５２と下側支持部５３とを有している。電波成形部５１は、断面がコ字状（略矩形）で、上下方向の長さＤ１および前後方向の長さＤ２が所定長に設定されている。具体的には、この実施の形態では、上下方向の長さＤ１が放射される電磁波の１波長とほぼ同寸法に設定され、前後方向の長さＤ２が放射される電磁波の半波長とほぼ同寸法に設定されている。

上側支持部５２は、電波成形部５１の上端縁から斜め上方に延び、電波成形部５１をフレア２の上端部に支持・接続する誘電体であり、同様に下側支持部５３は、電波成形部５１の下端縁から斜め下方に延び、電波成形部５１をフレア２の下端部に支持・接続する誘電体である。このような上側支持部５２と下側支持部５３とによって、電波成形部５１が、フレア２の前方で上下方向の中心に位置するように配設されている。

このような電波成形板５が、誘電体の前方レドーム６によって覆われている。また、図示していないが、フレア２が後方レドームによって覆われている。そして、このような各構成要素２〜６が、水平方向（図面に対して垂直方向）に長く延びているものである。

このような構成において、このレーダアンテナ１のフレア２は、垂直面におけるビーム幅をできるだけ狭ビーム化するように、その壁面の垂直断面形状が楕円弧状に形成されている。すなわち、従来においては、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、フレア１０２の両壁面（両壁部）１０２ａが直線的にＶ字状に延びている。これに対して、このレーダアンテナ１のフレア２では、図３に示すように、フレア２の開口面２ａにおいて位相分布の概略等位相化かつ適度な振幅テーパを実現し、垂直面におけるビーム幅ができるだけ狭ビーム化するように、フレア２の両壁面２ｂが楕円弧状に形成されている。また、楕円の具体的な形状については、後述する解析結果に基づいて設定されている。

次に、このような構成のレーダアンテナ１の作用などについて説明する。

本願発明者は、電磁界解析によるシミュレーションおよび実験によって、位相成形板を設けなくても、フレア２の両壁面２ｂを楕円弧状または円弧状に形成することで、垂直面におけるビーム幅を狭ビーム化して高い利得が得られること、および垂直面におけるサイドローブレベルが低減することを確認し、この考察結果に基づいて、レーダアンテナ１のフレア２を上記のような形状とした。そして、図２（ａ）に示すようにフレア１０２の両壁面１０２ａが直線状で位相成形板１１０が設けられていないレーダアンテナの垂直面指向性を第１の垂直面指向性特性Ｌ１とし、図２（ｂ）に示すようにフレア１０２の両壁面１０２ａが直線状で位相成形板１１０が設けられているレーダアンテナの垂直面指向性を第２の垂直面指向性特性Ｌ２とし、本レーダアンテナ１の垂直面指向性を第３の垂直面指向性特性Ｌ３とする。また、本レーダアンテナ１に対して電波成形板５と前方レドーム６とを有さないレーダアンテナ、つまり、図２（ａ）でフレアが楕円弧状のレーダアンテナの垂直面指向性を第４の垂直面指向性特性Ｌ４とする。

この場合、例えば図４に示すような解析結果が得られ、本レーダアンテナ１の第３の垂直面指向性特性Ｌ３が他の垂直面指向性特性Ｌ１に比べて、垂直面ビーム幅が狭ビーム化されている（０°周辺におけるビーム幅が先鋭となっている）ことが確認される。また、この結果として、本レーダアンテナ１の利得も向上することが確認された。さらに、第２の垂直面指向性特性Ｌ２（図２（ｂ）の場合）では、−５０°および＋５０°周辺においてサイドローブレベルが高いのに対して、本レーダアンテナ１の第３の垂直面指向性特性Ｌ３ではサイドローブレベルが低減していることが確認される。これは、図２（ｂ）の場合には、フレア１０２の開口面において、振幅の分布が均一な分布に近くなるのに対して、本レーダアンテナ１では、フレア２の開口面２ａにおいて、振幅の分布に適度な振幅テーパが掛かるためと考えられる。また、第４の垂直面指向性特性Ｌ４が第１の垂直面指向性特性Ｌ１に比べて、垂直面ビーム幅が狭ビーム化しており、フレアを楕円弧状に形成するだけでも、効果が得られることが確認される。

次に、フレア２の楕円弧状の両壁面２ｂの具体的な形状について説明する。まず、図１に示すように、フレア２の前後方向の長さを横寸法Ａ、上下方向の長さを縦寸法Ｂとし、横寸法Ａおよび縦寸法Ｂを変えて、ビーム幅、相対利得およびサイドローブ・ショルダレベルをシミュレーション・解析した結果を図５に示す。この結果に基づいて、楕円の横縦比（Ａ／Ｂ）に対するビーム幅の特性カーブＬ２１を図６に示し、楕円の横縦比（Ａ／Ｂ）に対する相対利得の特性カーブＬ２２を図７に示し、楕円の横縦比（Ａ／Ｂ）に対するサイドローブまたはショルダレベルの特性カーブＬ２３を図８に示す。ここで、相対利得は、楕円の横縦比（Ａ／Ｂ）が１の場合、つまりフレア２の両壁面２ｂが真円弧の場合（フレア形状ｔｙｐｅ１の場合）に、その利得を１とした場合の相対的な利得を示す。

さらに、図５におけるフレア形状ｔｙｐｅ１の垂直面指向性をフレア形状ｔｙｐｅ１の垂直面指向性特性Ｌ１１、フレア形状ｔｙｐｅ２の垂直面指向性をフレア形状ｔｙｐｅ２の垂直面指向性特性Ｌ１２、フレア形状ｔｙｐｅ３の垂直面指向性をフレア形状ｔｙｐｅ３の垂直面指向性特性Ｌ１３、フレア形状ｔｙｐｅ４の垂直面指向性をフレア形状ｔｙｐｅ４の垂直面指向性特性Ｌ１４、フレア形状ｔｙｐｅ５の垂直面指向性をフレア形状ｔｙｐｅ５の垂直面指向性特性Ｌ１５、フレア形状ｔｙｐｅ６の垂直面指向性をフレア形状ｔｙｐｅ６の垂直面指向性特性Ｌ１６とした場合、解析結果からそれぞれの垂直面指向性特性Ｌ１１〜Ｌ１６は、例えば図９に示すようになる。

そして、これらのシミュレーション・解析結果から、垂直面ビーム幅がより狭ビーム化され（ビーム幅が狭く）、かつ、相対利得がより高く、しかも、サイドローブ・ショルダレベルが低いフレア形状を最適な楕円形状として選定・設定する。すなわち、図５〜９に例示の場合、フレア形状ｔｙｐｅ５が最適な楕円形として選定され、このような横縦比（Ａ／Ｂ＝１．４８）の楕円弧にフレア２の両壁面２ｂを形成するものである。

以上のように、このレーダアンテナ１によれば、位相成形板を設けることなく、垂直面ビーム幅が狭ビーム化して高い利得を得ることができるとともに、垂直面におけるサイドローブレベルを低減することができる。このため、位相成形板を支持する機構を削除して、レーダアンテナ１の構造を簡易化することができるとともに、レーダアンテナ１を軽量化することができる。さらに、位相成形板を支持する支持柱などが削除されるため、アンテナ指向性特性への悪影響を抑制すること、すなわち水平面におけるサイドローブレベルを低減することが可能となる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、フレア２の両壁面２ｂが楕円弧状に形成されているが、必要な利得や成形性・製作容易性などに応じて、両壁面２ｂを円弧状に形成してもよい。

また、図１では楕円弧状あるいは円弧状のフレア２に加えチョーク部４を設けているが、図１０に示すように、楕円弧状あるいは円弧状のフレア２のみでフレアを形成し、チョーク部４を設けない構造でも同等の効果を得ることができる。

１ レーダアンテナ
２ フレア
２ａ 開口面
２ｂ 壁面
３ 放射導波管
４ チョーク部
５ 電波成形板（電波成形部材）
５１ 電波成形部
５２ 上側支持部
５３ 下側支持部
６ 前方レドーム（誘電体レドーム）

Claims (2)

1. 水平方向に同一形状で延ばされたホーン状のフレアの基部に放射導波管が設けられたレーダアンテナにおいて、
   垂直面におけるビーム幅が狭ビームとなるように、前記フレアの壁面の垂直断面形状が楕円弧状または円弧状に形成されている、
   ことを特徴とするレーダアンテナ。
2. 上下方向の長さおよび前後方向の長さが所定長に設定された電波成形部材と誘電体レドームが、前記フレアの前方に設けられている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーダアンテナ。