JP6701667B2 - レドームおよびその設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、特定の周波数帯の電波を透過させるレドームおよびその設計方法に関する。

近年、航空機技術および電気通信分野において、電波的に透過な窓であるレドーム（レーダドーム）の透過周波数帯の広帯域化および透過周波数帯の選択性の向上が課題となっている。
例えば、下記非特許文献１には、コア層の両面をスキン層で覆った３層サンドイッチ構造（Ａサンドイッチ構造）と比較して、更に中間層を配置した多層構造を形成することによって広帯域に透過特性を有するレドームを形成することができることが開示されている。

ＭＥＲＲＩＬＬ Ｉ． ＳＫＯＬＮＩＫ他著、「Ｒａｄａｒ Ｈａｎｄｂｏｏｋ」、第１版、アメリカ合衆国、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ、１９７０年

図１１は、レドームの構造例を示す説明図である。
レドームの構造には、図１１Ａに示す単層構造、図１１Ｂに示すいわゆるＡサンドイッチ構造（３層構造）の他、図１１Ｃや図１１Ｄに示す多層構造が知られている。
図１１Ａの単層構造は、例えばＧＦＲＰ（Ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ：ガラス繊維強化プラスチック）で形成され、レドームの厚さが波長の２分の１となる周波数で最大透過性能が得られる半波長構造を有している。
このような単層構造は、例えば透過ピーク周波数が１０ＧＨｚで比誘電率４とすると、３０ｍｍ／２／√４＝７．５ｍｍと厚さが大きくなり、強度や剛性に優れている一方で、重量が大きくなる。

図１１Ｃおよび図１１Ｆに示す多層構造は、Ｎ層（Ｎ≧２）のコア層の間にＧＦＲＰで形成された中間層を配置し、最外部に位置するコア層の外面にＧＦＲＰで形成されたスキン層を配置した構造である。このような多層構造は、図１１Ｂに示すＡサンドイッチ構造のバリエーションであり、より強度や剛性が必要とされる場合、または、より広帯域性能が必要とされる場合に選択される。

図１１Ｂに示すＡサンドイッチ構造は、例えば発泡材で形成されたコア層を中心に、外側の面にＧＦＲＰで形成されたスキン層を配置した構造である。レドームの最も一般的な構造であり、強度や剛性、軽量性、広帯域性能のバランスに優れている。
通常、Ａサンドイッチ構造のスキン層の厚さは、強度や剛性から求められる最小厚さに設定される。また、コア層の厚さは、透過ピーク周波数に対応する波長の１／４に設定される。
すなわち、例えば透過ピーク周波数が１０ＧＨｚ程度であれば、透過させる電波の波長に対してスキン層の厚さが小さいので、スキン層における減衰等を考慮せずに構造強度要件のみで設計可能である。

ここで、レドームに要求される透過ピーク周波数が例えばミリ波等の高周波数帯域である場合、スキン層の厚さを従来のように構造強度要件から導出される最小厚さにした場合でも、スキン層の厚さが波長に対して大きくなり、スキン層での反射等の影響によって透過帯域幅が狭くなるという課題がある。
また、コア層についても波長の１／４の厚さでは強度的に十分ではない可能性があり、従来の設計方法が適用できない場合があるとう課題がある。
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、特に高周波数帯域においてサンドイッチ構造のレドームの透過帯域性能を向上させることを目的とする。

上述の目的を達成するため、請求項１の発明にかかるレドームは、２層のスキン層の間にコア層が積層されたサンドイッチ構造を有し、特定の周波数帯の電波を透過させるレドームであって、それぞれの前記スキン層の厚さＴｓは、前記レドームの透過ピーク波長をλ、前記スキン層の比誘電率をεｓ、ｎを任意の整数とした場合、下記式（１）で示され、前記コア層の厚さＴｃは、前記透過ピーク波長をλ、前記コア層の比誘電率をεｃとした場合、下記式（２）で示される、ことを特徴とする。

請求項２の発明にかかるレドームは、前記スキン層の厚さＴｓが、上記式（１）から算出される値の±２０％以内である、ことを特徴とする。
請求項３の発明にかかるレドームは、前記スキン層の比誘電率εｓは前記コア層の比誘電率εｃよりも大きく、前記スキン層の比誘電率εｓは２．０以上６．０以下であり、前記コア層の比誘電率εｃは１．０以上２．０未満である、ことを特徴とする。
請求項４の発明にかかるレドームの設計方法は、請求項１から３のいずれか１項記載のレドームの設計方法であって、前記電波の透過率が所定値以上となる高透過周波数帯が前記レドームに要求される透過ピーク周波数を含み、かつ前記透過ピーク周波数を含む高透過周波数帯が低周波数側から２番目の高透過周波数帯となるように前記スキン層の比誘電率または前記任意の整数の少なくともいずれかを調整することにより前記スキン層の厚さを設定する、ことを特徴とする。

本発明によれば、サンドイッチ構造を有するレドームにおいて、各スキン層の厚さを半波長構造にしたので、スキン層における電波透過率を向上させる上で有利となる。特に、透過ピーク周波数をミリ波帯のような高周波数帯とする場合に、従来のように単に薄いスキン層では十分な電波透過率を得られない可能性があるところ、請求項１の発明によれば、各スキン層を透過ピーク周波数（波長）に合わせた厚みにすることで、レドーム全体の透過帯域性能を向上させる上で有利となる。
本発明によれば、スキン層の厚さを式（１）から算出される値の±２０％以内としたので、スキン層の厚さにマージンを設定することができ、レドームの生産性および設計の自由度を向上させる上で有利となる。
本発明によれば、透過ピーク周波数付近における高透過率帯域幅を拡大し、レドームの透過周波数帯を広帯域化する上で有利となる。
本発明によれば、一般的なスキン層材料およびコア層材料を使用して透過性能が高いレドームを生産することができる。
本発明によれば、低周波数側から２番目の高透過周波数帯を透過ピーク周波数に合わせることにより、透過ピーク周波数付近における高透過率帯域幅を拡大し、レドームの透過周波数帯を広帯域化する上で有利となる。特に、レドームに要求される透過ピーク周波数が高周波数帯であり、かつレドームの厚みをある程度確保する必要があることにより、低周波数側から１番目の高透過周波数帯を透過ピーク周波数に合わせることが困難
な場合に有利である。

実施の形態にかかるレドーム１０の構成を示す説明図である。 本発明にかかるレドーム１０の透過率特性を示す説明図である。 比較例にかかるレドーム１０の透過率特性を示す説明図である。 比較例にかかるレドーム１０の透過率特性を示す説明図である。 透過帯域幅の算出方法を説明する説明図である。 コア層Ｃの厚さＴｃを固定してスキン層Ｓ１，Ｓ２の厚さＴｓを変化させた場合の透過率特性の変化を示す説明図である。 コア層Ｃの厚さＴｃを固定してスキン層Ｓ１，Ｓ２の厚さＴｓを変化させた場合の透過率特性の変化を示す説明図である。 スキン層Ｓ１，Ｓ２の厚さＴｓを固定してコア層Ｃの厚さＴｃを変化させた場合の透過率特性の変化を示す説明図である。 スキン層Ｓ１，Ｓ２の厚さＴｓを固定してコア層Ｃの厚さＴｃを変化させた場合の透過率特性の変化を示す説明図である。 コア層Ｃの厚さＴｃと高透過帯域幅との関係を示すグラフである。 レドームの構造例を示す説明図である。

（実施の形態）
以下に添付図面を参照して、本発明にかかるレドームおよびその設計方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
図１は、実施の形態にかかるレドーム１０の構成を示す説明図であり、図１Ａはレドーム１０の外観図、図１Ｂはレドーム１０の拡大断面図である。なお、図１Ｂではレドーム１０の延在方向における曲率を省略している。
図１Ａに示すように、レドーム１０は略円錐形状に成形されており、その内部に図示しないレーダ等が配置され、例えば航空機の先端部に配置される。なお、レドーム１０の形状は、略円錐形状に限らず、多角錐形状など従来公知の様々な形状を採用可能である。

図１Ｂに示すように、レドーム１０は、２層のスキン層Ｓ１，Ｓ２の間にコア層Ｃが積層されたサンドイッチ構造を有する板状部材によって形成されている。
スキン層Ｓ１，Ｓ２は、例えばＰＴＦＥ（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ，ポリテトラフルオロエチレン）、合成樹脂、ＧＦＲＰ（Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ，ガラス繊維強化プラスチック）、ＱＦＲＰ（Ｑｕａｒｔｚ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ，クォーツ繊維強化プラスチック）等、レドーム１０のスキン層として使用される従来公知の様々な素材が適用可能である。これらの素材の比誘電率は、概ね２．０（ＰＴＦＥなど）〜６．０（繊維体積含有率が高い（＞６０％）ＧＦＲＰなど）程度である。
また、コア層Ｃは、例えば発泡材、ハニカムコア、シンタクチックフォーム等、レドーム１０のコア層として使用される従来公知の様々な素材が適用可能である。これらの素材の比誘電率は、概ね１．０１（比重１００ｋｇ／ｍ^３程度の発泡材など）〜１．８（比重０．７ｇ／ｃｍ^３程度のシンタクチックフォームなど）程度である。
すなわち、本実施の形態のレドーム１０においては、スキン層Ｓ１，Ｓ２の比誘電率εｓはコア層Ｃの比誘電率εｃよりも大きく、スキン層Ｓ１，Ｓ２の比誘電率εｓは２．０以上６．０以下であり、コア層Ｃの比誘電率εｃは１．０以上２．０未満である。

それぞれのスキン層Ｓ１，Ｓ２の厚さＴｓは、レドーム１０の透過ピーク波長をλ、スキン層Ｓ１，Ｓ２の比誘電率をεｓ、ｎを任意の整数とした場合、下記式（１）で示される。

すなわち、それぞれのスキン層Ｓ１，Ｓ２は、レドーム１０の透過ピーク波長を基準とする半波長構造となっている。
なお、２層のスキン層Ｓ１，Ｓ２はそれぞれが上記式（１）で示される半波長構造となっていれば、厚さが異なっていてもよい。

また、コア層Ｃの厚さＴｃは、レドーム１０の透過ピーク波長をλ、コア層Ｃの比誘電率をεｃとした場合、下記式（２）で示される。

なお、上記式（１）に示すスキン層Ｓ１，Ｓ２の厚さＴｓおよび上記式（２）に示すコア層Ｃの厚さＴｃは概ねの設計指針であり、実用上では例えばレドーム全体に要求される厚さや強度等に合わせて多少の寸法変更がなされる可能性があることは無論である。
例えば、スキン層Ｓ１，Ｓ２の厚さは、上記式（１）から算出される厚さの±２０％の範囲であればよい。

（実施例）
図２は、本発明にかかるレドーム１０の透過率特性を示す説明図であり、図２Ａはレドーム１０の断面構造、図２Ｂはレドーム１０の透過率特性を示すグラフである。
また、図３および図４は、比較例にかかるレドームの透過率特性を示す説明図であり、図３Ａおよび図４Ａは比較例のレドーム１２，１４の断面構造、図３Ｂおよび図４Ｂはレドーム１２，１４の透過率特性を示すグラフである。

図２Ａ、図３Ａ、図４Ａに示す各レドーム１０，１２，１４は、透過ピーク周波数が２０ＧＨｚになるよう設計されている。
レドーム１０，１４のスキン層Ｓ１，Ｓ２およびレドーム１２の単層構造を形成する材料の比誘電率は４．５、誘電正接は０．０１４、レドーム１０，１４のコア層Ｃを形成する材料の比誘電率は１．１６、誘電正接は０．０１６とした。
また、レドームの各層を形成する方法の一例としてプリプレグを使用する積層成形法があり、本実施例でもこの方法を採用した。プリプレグは補強繊維にエポキシ等の液状樹脂を含浸させたシート状の材料であり、形態によりそれぞれ１プライ（枚）当りの厚さが決まる。本実施例ではスキン層（および単層構造）に用いる１プライの厚さを０．１７１ｍｍとし、スキン層は全てその整数倍となる厚さで設定した。

図２Ａに示す本発明のレドーム１０は、上記式（１）および式（２）に沿って設計されており、スキン層Ｓ１，Ｓ２の厚さＴｓは、上記式（１）に上記材料定数を当てはめた厚さ３．５３ｍｍに最も近い３．４２ｍｍ（２０プライ）とした。また、コア層Ｃの厚さＴｃは２ｍｍとした。
図３に示すレドーム１２は単層構造であり、その厚さＴは、上記式（１）に上記材料定数を当てはめた厚さ３．５３ｍｍに最も近い３．４２ｍｍ（２０プライ）とした。
図４に示すレドーム１４は従来の設計方法を用いたサンドイッチ構造であり、スキン層Ｓ１，Ｓ２の厚さＴｓは０．６８４ｍｍ（４プライ）、コア層Ｃの厚さは９ｍｍとなっている。

図２Ｂ、図３Ｂ、図４Ｂに示す透過率特性のグラフは、縦軸に入射角、横軸に周波数を取り、垂直偏波の透過率を示している。
図３Ｂに示す単層構造のグラフでは、２０ＧＨｚ付近における８０％透過帯域幅（８０％以上の電波が透過する帯域幅）は１４．７５％である。また、図４Ｂに示す従来のサンドイッチ構造のグラフでは、同８０％透過帯域幅は１６．２５％である。
一方、図２Ｂに示す本発明のグラフでは、同８０％透過帯域幅は２９．５％となっており、比較例と比較して２倍ほど帯域幅が広くなっており、広帯域化が図れている。

なお、上記透過帯域幅の算出は、以下のように行った。
図５に所定の周波数Ｆを中心とした透過率分布のグラフを示す。図５のグラフの縦軸は透過率、横軸は周波数である。
例えば透過率がＹ％以上となる領域Ｘの帯域幅ＢＷは、領域Ｘの低周波側の周波数ｆ１と高周波側の周波数ｆ２を用いて、下記式（３）により算出することができる。

図６および図７に、本発明にかかるレドーム１０において、コア層Ｃの厚さＴｃを２ｍｍに固定してスキン層Ｓ１，Ｓ２の厚さＴｓを変化させた場合の透過率特性を示す。
図６Ａはスキン層Ｓ１，Ｓ２の厚さＴｓを０．６８４ｍｍとした場合の透過率特性であり、以降図６ＢはＴｓ＝１．３６８ｍｍ、図６ＣはＴｓ＝２．０５２ｍｍ、図６ＤはＴｓ＝２．７３６ｍｍ、図７ＡはＴｓ＝３．４２ｍｍ（図２Ｂと同様）、図７ＢはＴｓ＝４．１０４ｍｍ、図７ＣはＴｓ＝４．７８８ｍｍである。

図６および図７からスキン層Ｓ１，Ｓ２の厚さＴｓによって高透過周波数帯（例えば透過率８０％以上の領域）の位置が変化していることがわかる。より詳細には、スキン層Ｓ１，Ｓ２の厚さＴｓが厚くなるほど高透過周波数帯が低周波側に移動するとともに、図６Ｃに示すＴｓ＝２．０５２ｍｍ以上では高周波側に２つめの高透過周波数帯が出現している。この２つめの高透過周波数帯は、１つめ（低周波側）の高透過周波数帯よりも帯域幅が広くなっている。
よって、レドームの透過ピーク周波数を、例えばミリ波帯のような高周波帯域とする場合には、２つめの高透過周波数帯に透過ピーク周波数が含まれるようにするのが好ましい。

すなわち、レドームを設計する際に、例えば所定の設計（スキン層Ｓ１，Ｓ２の厚さＴｓやコア層Ｃの厚さＴｃ、各層の材料など）のレドームモデルに対して電波の周波数ごとの透過率を算出し、透過率が所定値以上となる高透過周波数帯が、当該レドームに要求される透過ピーク周波数を含み、かつ透過ピーク周波数を含む高透過周波数帯が低周波数側から２番目の高透過周波数帯となるようにスキン層Ｓ１，Ｓ２の厚さを決定することにより、透過性能が良好なレドームを得ることができる。

また、図６および図７のグラフのうち、高透過周波数帯に２０ＧＨｚが含まれているのは、図６Ｄに示すＴｓ＝２．７３６ｍｍの他、図７Ａに示すＴｓ＝３．４２ｍｍ、図７Ｂに示すＴｓ＝４．１０４ｍｍおよび図６Ａに示すＴｓ＝０．６８４ｍｍである。
よって、上記式（１）から算出されるスキン層Ｓ１，Ｓ２の厚さＴｓから±２０％程度の範囲であれば、所望の透過ピーク周波数において良好な透過特性が得られる。

図８および図９に、本発明にかかるレドーム１０において、スキン層Ｓ１，Ｓ２の厚さＴｓを３．４２ｍｍに固定してコア層Ｃの厚さＴｃを変化させた場合の透過率特性を示す。
図８Ａはコア層Ｃの厚さＴｃを０ｍｍとした場合（コア層Ｃなしの単層構造、図３の半波長構造に対応）の透過率特性であり、以降図８ＢはＴｃ＝１ｍｍ、図８ＣはＴｃ＝２ｍｍ（図２Ｂと同様）、図８ＤはＴｃ＝３ｍｍ、図８ＥはＴｃ＝４ｍｍ、図８ＦはＴｃ＝５ｍｍ、図９ＡはＴｃ＝６ｍｍ、図９ＢはＴｃ＝７ｍｍ、図９ＣはＴｃ＝８ｍｍ、図９ＤはＴｃ＝９ｍｍ、図９ＥはＴｃ＝１０ｍｍである。

図８および図９から、スキン層Ｓ１，Ｓ２の厚さＴｓ＝３．４２ｍｍの場合には、コア層Ｃの厚さに関わらず２０ＧＨｚ周辺に高透過率領域が形成されることがわかる。よって、コア層Ｃの厚さは、構造強度要件等に合わせて任意の厚さを選択することができる。
一方で、透過ピーク周波数の周辺により広い透過帯域を形成したい場合のコア層Ｃの厚さＴｃについて検討する。
図１０は、コア層Ｃの厚さＴｃと高透過帯域幅との関係を示すグラフである。
図１０では、縦軸に帯域幅（％）、横軸にコア層Ｃの厚さＴｃに連動した係数（透過ピーク波長λとコア層Ｃの比誘電率εｃの平方根との積でコア層Ｃの厚さＴｃを除した値）を示しており、電波の透過率が７０％以上となる７０％透過帯域幅と、電波の透過率が８０％以上となる８０％透過帯域幅をプロットしている。
図１０中、上記係数が０．０５以上０．４以下の領域（枠で囲った領域）では、８０％透過帯域幅が約１５％以上、かつ７０％透過帯域幅が約３０％以上となっている。この係数領域に対応するコア層Ｃの厚さＴｃの範囲が、上記式（２）に示した範囲である。
よって、コア層Ｃの厚さを上記式（２）の範囲にすることで、透過ピーク周波数の周辺により広い透過帯域を形成することができる。

以上説明したように、実施の形態にかかるレドーム１０は、サンドイッチ構造を有するとともに、各スキン層Ｓ１，Ｓ２の厚さＴｓを半波長構造にしたので、スキン層Ｓ１，Ｓ２における電波透過率を向上させる上で有利となる。
特に、透過ピーク周波数をミリ波帯のような高周波数帯とする場合に、従来のように単に薄いスキン層では電波透過率が十分確保できない可能性があるところ、実施の形態にかかるレドーム１０では、各スキン層Ｓ１，Ｓ２を透過ピーク周波数（波長）に合わせた厚みにすることで、レドーム１０全体の透過帯域性能を向上させる上で有利となる。
また、レドーム１０は、スキン層Ｓ１，Ｓ２の厚さＴｓを上記式（１）から算出される値の±２０％以内とすることが可能なので、スキン層Ｓ１，Ｓ２の厚さＴｓにマージンを設定することができ、レドーム１０の生産性および設計の自由度を向上させる上で有利となる。
また、レドーム１０において、コア層Ｃの厚さＴｃを上記式（２）の範囲内とすれば、透過ピーク周波数付近における高透過率帯域幅を拡大し、レドーム１０の透過周波数帯を広帯域化する上で有利となる。
また、レドーム１０は、一般的なスキン層材料およびコア層材料を使用して透過性能が高いレドームを生産することができる。
また、レドーム１０は、低周波数側から２番目の高透過周波数帯を透過ピーク周波数に合わせることにより、透過ピーク周波数付近における高透過率帯域幅を拡大し、レドーム１０の透過周波数帯を広帯域化する上で有利となる。
特に、レドーム１０に要求される透過ピーク周波数が高周波数帯であり、かつレドーム１０の厚みをある程度確保する必要があることにより、低周波数側から１番目の高透過周波数帯を透過ピーク周波数に合わせることが困難な場合に有利である。

１０……レドーム、Ｃ……コア層、Ｓ１，Ｓ２……スキン層。

Claims (4)

1. ２層のスキン層の間にコア層が積層されたサンドイッチ構造を有し、特定の周波数帯の電波を透過させるレドームであって、
   それぞれの前記スキン層の厚さＴｓは、前記レドームの透過ピーク波長をλ、前記スキン層の比誘電率をεｓ、ｎを任意の整数とした場合、下記式（１）で示され、
   前記コア層の厚さＴｃは、前記透過ピーク波長をλ、前記コア層の比誘電率をεｃとした場合、下記式（２）で示される、
   ことを特徴とするレドーム。
   

   

   
2. 前記スキン層の厚さＴｓが、上記式（１）から算出される値の±２０％以内である、
   ことを特徴とする請求項１記載のレドーム。
3. 前記スキン層の比誘電率εｓは前記コア層の比誘電率εｃよりも大きく、
   前記スキン層の比誘電率εｓは２．０以上６．０以下であり、
   前記コア層の比誘電率εｃは１．０以上２．０未満である、
   ことを特徴とする請求項１または２項記載のレドーム。
4. 請求項１から３のいずれか１項記載のレドームの設計方法であって、
   前記電波の透過率が所定値以上となる高透過周波数帯が前記レドームに要求される透過ピーク周波数を含み、かつ前記透過ピーク周波数を含む高透過周波数帯が低周波数側から２番目の高透過周波数帯となるように前記スキン層の比誘電率または前記任意の整数の少なくともいずれかを調整することにより前記スキン層の厚さを設定する、
   ことを特徴とするレドームの設計方法。

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