JP6456258B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、航空機などの飛行体に搭載されるレーダに適用されるアンテナ装置に関するものである。

以下の特許文献１に開示されているアンテナ装置は、ビーム可変の平面状アンテナと、ビーム可変の平面状アンテナから放射された電波の反射と透過を切り替えることが可能な２つ反射面とを備えている。
一般的に、ビーム可変の平面状アンテナは、鉛直方向に対して利得が高く、鉛直方向と直交する方向である横方向に対して利得が低くなる特性を有している。

このアンテナ装置では、横方向に対しても高い利得を得ることができるようにするために、ビーム可変の平面状アンテナの斜め前方に２つの反射面を配置している。
即ち、第１の反射面を平面状アンテナの左斜め前方に配置して、第２の反射面を平面状アンテナの右斜め前方に配置している。
これにより、例えば、左斜め前方に配置している第１の反射面を電波反射状態に設定して、右斜め前方に配置している第２の反射面を電波透過状態に設定すると、ビーム可変の平面状アンテナから放射された電波は、左斜め前方に配置されている第１の反射面に反射されて、右斜め前方に配置されている第２の反射面の方向に向かって進み、右斜め前方に配置されている第２の反射面を透過する。
これにより、横方向である右方向に電波を放射する場合でも、高い利得を得ることができる。

このアンテナ装置が航空機に搭載される場合、航空機は、地面に対して水平な方向に飛行する場合が多いので、一般的には、利得が高い鉛直方向が水平方向を指向するように、ビーム可変の平面状アンテナが配置される。
この場合、第２の反射面が地面方向に配置されて、第１の反射面が上空方向に配置される。
したがって、地面方向に存在している物体などを探索する状況下では、第１の反射面が電波反射状態に設定され、第２の反射面が電波透過状態に設定される。

特開２０１３−７０３６６号公報（図１）

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、ビーム可変の平面状アンテナから放射されたのち、第１の反射面に反射された電波が、第２の反射面を透過して、航空機の直下の地面に照射される。このため、地面方向に存在しているクラッタの影響に伴うレーダの探知特性の劣化を防止するには、地面方向のサイドローブを低減する必要があるが、地面方向のサイドローブを低減する対策が施されていないという課題があった。

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、電波放射方向の利得の低下を招くことなく、地面方向のサイドローブ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。

この発明に係るアンテナ装置は、空中を飛行する飛行体に搭載され、アンテナ開口面を形成する複数の素子アンテナからなるアレーアンテナと、アレーアンテナの周囲に配置される円筒型の壁面を有し、円筒型の壁面がアレーアンテナから放射された電波を反射する反射面、あるいは、電波を透過する透過面として作用する構造物とを設け、制御部が、構造物が有する壁面のうち、アレーアンテナから地面方向への見通し範囲の壁面を反射面に設定し、地面方向への見通し範囲でない壁面を透過面に設定するようにしたものである。

この発明によれば、アレーアンテナの周囲に配置される円筒型の壁面を有し、円筒型の壁面がアレーアンテナから放射された電波を反射する反射面、あるいは、電波を透過する透過面として作用する構造物を設け、制御部が、構造物が有する壁面のうち、アレーアンテナから地面方向への見通し範囲の壁面を反射面に設定し、地面方向への見通し範囲でない壁面を透過面に設定するように構成したので、電波放射方向の利得の低下を招くことなく、地面方向のサイドローブ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。 電波の放射方向が航空機の進行方向と一致している場合のアンテナ装置を示す説明図である。 円筒型の壁面２ａの下半分を反射面に設定しているアンテナ装置を正面から見た説明図である。 電波の放射方向が航空機の進行方向と一致している場合のアンテナ装置を示す説明図である。 円筒型の壁面２ａの下半分より少ない範囲を反射面に設定しているアンテナ装置を正面から見た説明図である。 アレーアンテナの放射特性を示す説明図である。 金属パターン３とスイッチ素子４の配置例を示す説明図である。 金属パターン３とスイッチ素子４の配置例を示す説明図である。 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。 航空機の姿勢と設定反射面との関係を示す説明図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面にしたがって説明する。

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、素子アンテナ１はアレー状に配置されて、アレーアンテナを構成している。
図１の例では、複数の素子アンテナ１が円状に２次元配置されてアンテナ開口面を形成しており、複数の素子アンテナ１からなるアレーアンテナが空中を飛行する航空機などの飛行体に搭載されている。

構造物２はアレーアンテナを構成している複数の素子アンテナ１の周囲に配置される円筒型の壁面２ａを有しており、円筒型の壁面２ａは、例えば、誘電体基板などで形成されている。
構造物２が有する円筒型の壁面２ａは、複数の素子アンテナ１から放射された電波を反射する反射面、あるいは、電波を透過する透過面として作用する。
円筒型の壁面２ａには、金属パターン３が周期的に配置されており、また、複数の金属パターン３の間はスイッチ素子４が接続されている。
スイッチ素子４としては、例えば、Ｐｉｎダイオードなどのアクティブ素子を用いることができる。
図１では、金属パターン３とスイッチ素子４が、円筒型の壁面２ａの一部に形成されているように見えるが、実際には、円筒型の壁面２ａの全周に亘って、金属パターン３とスイッチ素子４が形成されている。

制御部５は円筒型の壁面２ａの全周に亘って形成されている複数のスイッチ素子４の開閉状態を制御することで、円筒型の壁面２ａのうち、アレーアンテナから地面方向への見通し範囲の壁面２ａを反射面に設定し、地面方向への見通し範囲でない壁面２ａを透過面に設定する。
例えば、スイッチ素子４がＯＮ状態（閉状態）では、複数の金属パターン３が電気的に図中、縦方向につながった状態になるため、構造物２の円周に沿った方向に伸びている線状の導体が構成されることになる。線状の導体は、導体長がアレーアンテナから放射される電波の波長の半波長より長くなると反射面として動作するため、スイッチ素子４がＯＮ状態になると、壁面２ａが反射面として動作する。
一方、スイッチ素子４がＯＦＦ状態（開状態）では、金属パターン３が孤立した金属となる。孤立した金属の長さがアレーアンテナから放射される電波の波長より十分に短い場合、例えば、１／４波長程度より短い場合、金属が反射面として動作しないため、電波が透過する。つまり、スイッチ素子４がＯＦＦ状態になると、壁面２ａが透過面として動作する。

次に動作について説明する。
この実施の形態１では、複数の素子アンテナ１からなるアレーアンテナを搭載している航空機などの飛行体が水平方向に飛行し、電波の放射方向が航空機の進行方向と概ね一致している場合を想定する。
図２は電波の放射方向が航空機の進行方向と一致している場合のアンテナ装置を示す説明図である。
図２の例では、地面方向が鉛直下向きとなり、アンテナ装置をレーダのアンテナとして使用して、水平方向の遠方を観測する場合、地面方向に存在しているクラッタの影響でレーダの探知特性が劣化する。このクラッタの影響に伴うレーダの探知特性の劣化を防止するには、アレーアンテナの地面方向のサイドローブを低減する必要がある。

そこで、この実施の形態１では、制御部５は、円筒型の壁面２ａの全周に亘って形成されている複数のスイッチ素子４の開閉状態を制御することで、円筒型の壁面２ａのうち、アレーアンテナから地面方向への見通し範囲の壁面２ａを反射面に設定し、地面方向への見通し範囲でない壁面２ａを透過面に設定する。
アレーアンテナから地面方向への見通し範囲は、円筒型の壁面２ａの幅、即ち、アレーアンテナから放射される電波の放射方向における壁面２ａの寸法によって変わるが、例えば、円筒型の壁面２ａの幅が、アレーアンテナから放射される電波の波長に対して５波長分の長さを有している場合には、円筒型の壁面２ａの下半分が地面方向への見通し範囲となる。

この場合、制御部５は、円筒型の壁面２ａの下半分に存在している金属パターン３がつながるように、円筒型の壁面２ａの下半分に存在しているスイッチ素子４をＯＮ状態に制御することで、図２に示すように、円筒型の壁面２ａの下半分を反射面に設定する。
一方、円筒型の壁面２ａの上半分に存在している金属パターン３が孤立するように、円筒型の壁面２ａの上半分に存在しているスイッチ素子４をＯＦＦ状態に制御することで、図２に示すように、円筒型の壁面２ａの上半分を透過面に設定する。
図３は円筒型の壁面２ａの下半分を反射面に設定しているアンテナ装置を正面から見た説明図である。

ここでは、円筒型の壁面２ａの下半分が地面方向への見通し範囲となる例を示しているが、円筒型の壁面２ａの幅が電波の５波長分の長さより長い場合、円筒型の壁面２ａの下半分より少ない範囲が地面方向への見通し範囲となる。この場合、制御部５は、図４に示すように、円筒型の壁面２ａの下半分より少ない範囲を反射面に設定する。
図５は円筒型の壁面２ａの下半分より少ない範囲を反射面に設定しているアンテナ装置を正面から見た説明図である。

なお、アレーアンテナから地面方向への見通し範囲は、厳密には、アレーアンテナから放射される電波の波長や円筒型の壁面２ａの幅の他に、構造物２の直径などの要素によって決定されるものである。
ただし、これらの要素は、アンテナ装置の設計時において既知の要素であるため、当該アンテナ装置におけるアレーアンテナから地面方向への見通し範囲も既知となる。
したがって、この実施の形態１では、制御部５は、円筒型の壁面２ａのうち、どの範囲の壁面２ａが見通し範囲の壁面２ａであるのかを事前に知っているものとする。

図６はアレーアンテナの放射特性を示す説明図である。
図６において、破線は、円筒型の壁面２ａの全周が透過面である場合（反射面が設定されていない場合）の放射特性を示しており、実線は、円筒型の壁面２ａの一部が反射面である場合（図２及び図３のように反射面が設定されている場合）の放射特性を示している。
図６では、円筒型の壁面２ａの幅が電波の５波長分の長さである場合のアレーアンテナ単体の垂直面の放射特性の解析結果を示している。

図中、０度方向が電波放射方向、−９０度方向が地面方向である。
円筒型の壁面２ａの全周が透過面である場合（反射面が設定されていない場合）、地面方向のサイドローブが−２［ｄＢｉ］程度であることが確認される。
電波放射方向の利得については、反射面の設定の有無による変化がほとんどないが、地面方向の利得については、反射面が設定されている場合、反射面が設定されていない場合より、１０ｄＢ以上低減しており、反射面が設定されている場合の地面方向の利得が約−１５［ｄＢｉ］になっている。
これにより、反射面を設定することで、電波放射方向の利得の低下を招くことなく、地面方向のサイドローブが低減されることが分かる。
なお、円筒型の壁面２ａの全周を反射面に設定した場合、図２及び図３に示す反射面以外の範囲にある反射面での反射によって、地面方向のサイドローブが劣化する。また、構造物２で反射する範囲が大きくなるため、電波放射方向の利得が低下する。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、アレーアンテナの周囲に配置される円筒型の壁面２ａを有し、円筒型の壁面２ａがアレーアンテナから放射された電波を反射する反射面、あるいは、電波を透過する透過面として作用する構造物２を設け、制御部５が、構造物２が有する壁面２ａのうち、アレーアンテナから地面方向への見通し範囲の壁面２ａを反射面に設定し、地面方向への見通し範囲でない壁面２ａを透過面に設定するように構成したので、電波放射方向の利得の低下を招くことなく、地面方向のサイドローブを低減することができる効果を奏する。

この実施の形態１では、アレーアンテナから放射される電波が垂直偏波であり、スイッチ素子４がＯＮ状態になると、その垂直偏波を反射する反射面を設定する例を示しているが、アレーアンテナから放射される電波が水平偏波である場合、図７に示すように、横方向に並んでいる金属パターン３間を接続するスイッチ素子４を配置し、制御部５が、スイッチ素子４をＯＮ状態に制御することで、水平偏波を反射する反射面を設定するようにしてもよい。
また、アレーアンテナから放射される電波が例えば円偏波である場合のように、垂直方向と水平方向の偏波からなる場合、図８に示すように、縦方向に並んでいる金属パターン３間を接続するスイッチ素子４と、横方向に並んでいる金属パターン３間を接続するスイッチ素子４とを配置し、制御部５が、各スイッチ素子４をＯＮ状態に制御することで、垂直方向と水平方向の偏波を反射する反射面を設定するようにしてもよい。

この実施の形態１では、円筒型の壁面２ａの幅が電波の５波長分の長さである例を示しており、円筒型の壁面２ａの幅によって地面方向のサイドローブの低減レベルが変化するが、円筒型の壁面２ａの幅が、概ね、電波の３波長分の長さより大きければ、サイドローブの低減効果が得られる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、金属パターン３とスイッチ素子４が円筒型の壁面２ａに配置されている例を示したが、円筒型の壁面２ａが複数の領域に区分けされて、各々の領域にプラズマ放電管が配置されているものであってもよい。

図９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９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。
図９のアンテナ装置では、円筒型の壁面２ａが複数の領域に区分けされている。
プラズマ放電管１１は複数の領域に配置されている。
プラズマ放電管１１は板状の中空構造をなしており、内部に電離性のガスが封入されている。
ここでは、誘電体基板などで形成されている円筒型の壁面２ａの各領域にプラズマ放電管１１が配置されているものを想定しているが、複数のプラズマ放電管１１が円形に配置されることで、プラズマ放電管１１が円筒型の壁面２ａを担っているものであってもよい。
プラズマ電源１２はプラズマ放電管１１に封入されているガスをプラズマ状態に励起するための電源である。
図９の例では、プラズマ放電管１１とプラズマ電源１２が１対１で接続されているが、１つのプラズマ電源１２が、複数のプラズマ放電管１１に封入されているガスをプラズマ状態に励起するものであってもよい。

制御部１３はプラズマ電源１２を制御することで、構造物２が有する壁面２ａのうち、アレーアンテナから地面方向への見通し範囲の壁面２ａを反射面に設定し、地面方向への見通し範囲でない壁面２ａを透過面に設定する。
即ち、プラズマ放電管１１に封入されているガスがプラズマ状態のときは、電波を反射するように作用し、プラズマ放電管１１に封入されているガスが通常のガスの状態（非プラズマ状態）のときは、電波を透過するように作用するので、制御部１３は、地面方向への見通し範囲の壁面２ａに配置されているプラズマ放電管１１と対応しているプラズマ電源１２をＯＮ状態（電圧を印加している状態）に制御し、地面方向への見通し範囲でない壁面２ａに配置されているプラズマ放電管１１と対応しているプラズマ電源１２をＯＦＦ状態（電圧を印加していない状態）に制御する。
図９では、図面の簡単化のため、制御部１３が一部のプラズマ電源１２とだけ接続されているが、全てのプラズマ電源１２と接続されている。

次に動作について説明する。
制御部１３は、地面方向への見通し範囲の壁面２ａに配置されているプラズマ放電管１１と対応しているプラズマ電源１２をＯＮ状態に制御し、地面方向への見通し範囲でない壁面２ａに配置されているプラズマ放電管１１と対応しているプラズマ電源１２をＯＦＦ状態に制御する。
これにより、ＯＮ状態のプラズマ電源１２と接続されているプラズマ放電管１１、即ち、地面方向への見通し範囲の壁面２ａに配置されているプラズマ放電管１１は、内部のガスがプラズマ状態に励起されるため、電波を反射する反射面として作用するようになる。
また、ＯＦＦ状態のプラズマ電源１２と接続されているプラズマ放電管１１、即ち、地面方向への見通し範囲でない壁面２ａに配置されているプラズマ放電管１１は、内部のガスが通常のガスの状態（非プラズマ状態）になるため、電波を透過する透過面として作用するようになる。

したがって、この実施の形態２の場合も、上記実施の形態１と同様に、電波放射方向の利得の低下を招くことなく、地面方向のサイドローブを低減することができる効果を奏する。
この実施の形態２では、プラズマ放電管１１が板状の中空構造をなしているものを示したが、これに限るものではなく、例えば、内部に電離性のガスが封入されている複数の細い管が周期的に配置されているものであってもよいし、また、内部に電離性のガスが封入されている細い管が面状に張り巡らされているものであってもよい。

実施の形態３．
上記実施の形態１，２では、制御部５，１３が、円筒型の壁面２ａのうち、どの範囲の壁面２ａが見通し範囲の壁面２ａであるのかを事前に知っているものについて示したが、航空機等の飛行体の姿勢が傾くと、地面方向への見通し範囲の壁面２ａが変化する。
そこで、この実施の形態３では、飛行体の姿勢の傾きを検知する傾き検知部を備え、飛行体の姿勢の傾きから、地面方向への見通し範囲の壁面２ａを特定するものについて説明する。

図１０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１０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。
傾き検知部２１は航空機などの飛行体の姿勢の傾きを検知するセンサーである。
制御部２２は航空機の姿勢が傾いていない状態での見通し範囲の壁面２ａが事前に設定されており、傾き検知部２１により検知された航空機の姿勢の傾きから、アレーアンテナから地面方向への見通し範囲の壁面２ａを特定する。
制御部２２は、地面方向への見通し範囲の壁面２ａを特定した後は、図１の制御部５と同様に、スイッチ素子４を制御することで、構造物２が有する壁面２ａのうち、アレーアンテナから地面方向への見通し範囲の壁面２ａを反射面に設定し、地面方向への見通し範囲でない壁面２ａを透過面に設定する。

図１０では、傾き検知部２１及び制御部２２が、図１のアンテナ装置に適用されている例を示しているが、傾き検知部２１及び制御部２２が、図９のアンテナ装置に適用されているものであってもよい。
この場合、制御部２２は、図９の制御部１３と同様に、プラズマ電源１２を制御することで、構造物２が有する壁面２ａのうち、アレーアンテナから地面方向への見通し範囲の壁面２ａを反射面に設定し、地面方向への見通し範囲でない壁面２ａを透過面に設定する。

次に動作について説明する。
傾き検知部２１は、航空機の姿勢の傾きを検知する。
図１１は航空機の姿勢と設定反射面との関係を示す説明図である。
図１１（ａ）は航空機の姿勢が傾いていない場合を示し、図１１（ｂ）は航空機の姿勢が傾いている場合を示している。
ただし、図１１では、反射面の範囲が、概ね、中心角が９０度の範囲である例を示している。

制御部２２は、傾き検知部２１の検知結果が、航空機の姿勢が傾いていない旨を示していれば、構造物２が有する壁面２ａのうち、事前に設定されて見通し範囲の壁面２ａが、現在も見通し範囲の壁面２ａであると認識する。
制御部２２は、傾き検知部２１の検知結果が、航空機の姿勢が傾いている旨を示していれば、その傾き角度から、見通し範囲の壁面２ａを特定する。
例えば、図１１（ｂ）に示すように、正面から見て航空機の姿勢が左回転方向に３０度傾いているとすれば、事前に設定されて見通し範囲の壁面２ａより、３０度右回転方向にある壁面２ａを現在の見通し範囲の壁面２ａとして認識する。

制御部２２は、地面方向への見通し範囲の壁面２ａを特定した後は、図１の制御部５と同様に、スイッチ素子４を制御することで、構造物２が有する壁面２ａのうち、アレーアンテナから地面方向への見通し範囲の壁面２ａを反射面に設定し、地面方向への見通し範囲でない壁面２ａを透過面に設定する。

以上で明らかなように、この実施の形態３によれば、航空機の姿勢の傾きを検知する傾き検知部２１を備え、制御部２２が、傾き検知部２１により検知された航空機の姿勢の傾きから、アレーアンテナから地面方向への見通し範囲の壁面２ａを特定するように構成したので、航空機の姿勢が傾いている場合でも、電波放射方向の利得の低下を招くことなく、地面方向のサイドローブを低減することができる効果を奏する。

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 素子アンテナ、２ 構造物、２ａ 壁面、３ 金属パターン、４ スイッチ素子、５ 制御部、１１ プラズマ放電管、１２ プラズマ電源、１３ 制御部、２１ 傾き検知部、２２ 制御部。

Claims (4)

1. 空中を飛行する飛行体に搭載され、アンテナ開口面を形成する複数の素子アンテナからなるアレーアンテナと、
   前記アレーアンテナの周囲に配置される円筒型の壁面を有し、前記円筒型の壁面が前記アレーアンテナから放射された電波を反射する反射面、あるいは、前記電波を透過する透過面として作用する構造物と、
   前記構造物が有する壁面のうち、前記アレーアンテナから地面方向への見通し範囲の壁面を反射面に設定し、前記地面方向への見通し範囲でない壁面を透過面に設定する制御部と
   を備えたアンテナ装置。
2. 前記飛行体の姿勢の傾きを検知する傾き検知部を備え、
   前記制御部は、前記傾き検知部により検知された飛行体の姿勢の傾きから、前記アレーアンテナから地面方向への見通し範囲の壁面を特定することを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記構造物は、
   前記円筒型の壁面に対してアレー状に配置されている複数の金属パターンと、
   前記複数の金属パターンの間を接続する複数のスイッチ素子とを備えており、
   前記制御部は、前記複数のスイッチ素子の開閉状態を制御することで、前記構造物が有する壁面のうち、前記アレーアンテナから地面方向への見通し範囲の壁面を反射面に設定し、前記地面方向への見通し範囲でない壁面を透過面に設定することを特徴とする請求項１または請求項２記載のアンテナ装置。
4. 前記構造物が有する円筒型の壁面が複数の領域に区分けされて、
   前記複数の領域には、内部に電離性のガスが封入されているプラズマ放電管が配置されており、
   前記プラズマ放電管には、前記ガスをプラズマ状態に励起するプラズマ電源が接続されており、
   前記制御部は、前記プラズマ電源を制御することで、前記構造物が有する壁面のうち、前記アレーアンテナから地面方向への見通し範囲の壁面を反射面に設定し、前記地面方向への見通し範囲でない壁面を透過面に設定することを特徴とする請求項１または請求項２記載のアンテナ装置。

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