JP7479326B2 - アンテナ装置及びレーダ装置 - Google Patents

Description

本開示は、主アンテナ及び補助アンテナを備えるアンテナ装置、及びそのアンテナ装置を備えたレーダ装置に関する。

レーダ装置は、送信ビームを形成することで、意図した方向へ電波を送信する。レーダ装置は、アンテナ覆域内を、送信ビームを用いて走査し、目標からの反射波を受信する。レーダ装置は、受信した反射波を信号処理することで、目標までの距離、目標の速度、目標の方位などを求める。アンテナ装置において、送信ビームには、単一方向に鋭い指向性を有した主ビームが求められる。しかしながら、実際の送信ビームには、所望方向以外に、主ビームよりもレベルの低い放射パターンであるサイドローブが存在する。サイドローブ方向には地面、海面などの大きな反射物が存在するので、アンテナ装置は、不要な反射波を受信することになる。この不要な反射波は「クラッタ」と呼ばれる。また、レーダ装置の場合、サイドローブ方向から妨害波が到来することも想定される。クラッタ又は妨害波による受信電力が大きいと、これらがサイドローブ方向から到来する場合であっても、目標からの信号がクラッタ又は妨害波による受信電力によって埋もれてしまい、目標が検出できなくなる事態が発生する。

このような問題を解決するための技術として、サイドローブブランカ（Ｓｉｄｅｌｏｂｅ Ｂｌａｎｃｋｅｒ：ＳＬＢ）、サイドローブキャンセラ（Ｓｉｄｅｌｏｂｅ Ｃａｎｃｅｌｌｅｒ：ＳＬＣ）等の技術がある。

ＳＬＢは、レーダ装置の主アンテナとは別に、主アンテナのサイドローブよりも利得が高く、且つ主アンテナの主ビームよりも利得が低い補助アンテナを設け、補助アンテナで受信した受信信号の振幅と、主アンテナで受信した受信信号の振幅とを比較することで、サイドローブから到来した信号を除去する技術である。また、ＳＬＣは、レーダ装置の主アンテナとは別に補助アンテナを設け、補助アンテナからの信号を用いて、妨害波到来方向のアンテナ感度を零とするようなパターン形成を自動的に行う技術である。このような処理を行うため、ＳＬＢ及びＳＬＣに用いられる補助アンテナには、捜索覆域内を一様に覆う無指向性に近い放射特性が求められる。このため、一般的に、補助アンテナは、主アンテナとは異なる別の部位に搭載されることが多い。

これに対し、下記特許文献１には、補助アンテナであるガードアンテナを主アンテナと同じ平面上の誘電体基板上に設けたアンテナ装置が開示されている。

実開平１－７８９６８号公報

艦船搭載のレーダ装置に使用するフェーズドアレー方式のアンテナ装置の場合、不要波又は妨害波の到来方向は、水平面を基準に限られた仰角範囲である可能性が高い。これにより、補助アンテナのパターン形状に関しては、水平面上の広い旋回角範囲で高利得となることが求められる。

しかしながら、上記特許文献１のように、補助アンテナと主アンテナとを同じ面上に配置する場合、補助アンテナの取付面の角度が、水平面に対して傾くと、旋回角の広角方向におけるパターン形状が歪み、補助アンテナにおける利得のピーク値を結ぶ高利得の領域が水平面の上方又は下方に移動して、補助アンテナの覆域が狭くなるという問題がある。

上記の問題を回避するため、補助アンテナを船体に取り付けたときに、補助アンテナの取付面の法線が水平面に含まれるように、予め補助アンテナのみを主アンテナとは異なる傾きで製造することも考えられる。しかしながら、この手法では、補助アンテナの取付面の傾きが船体によって変わるたびに補助アンテナの設計を変更しなければならないという別の問題が生ずる。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、補助アンテナを主アンテナと同じ面上に配置する場合であっても、設計変更を伴わずに補助アンテナの覆域の狭小化を抑制可能なアンテナ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本開示に係るアンテナ装置は、主アンテナと、主アンテナと共に同一の筐体に搭載される補助アンテナとを備える。主アンテナは、複数の第１の素子アンテナと、複数の第１の素子アンテナのそれぞれに接続されて高周波信号の分配及び合成を行う高周波回路とを備える。補助アンテナは、第２の素子アンテナと、第２の素子アンテナに接続される受信モジュールと、受信モジュールから出力される信号の合成を行う合成回路とを備える。第２の素子アンテナは、筐体に設けられた補助アンテナ取付部材の補助アンテナ取付面に設けられる。補助アンテナは、補助アンテナ取付面が、基準法線と筐体の基準面の法線とを含む面内において回転可能に構成される。

本開示に係るアンテナ装置によれば、補助アンテナを主アンテナと同じ面上に配置する場合であっても、設計変更を伴わずに補助アンテナの覆域の狭小化を抑制できるという効果を奏する。

実施の形態１に係るアンテナ装置の構成例を示す図 実施の形態１に係るアンテナ装置の運用状態を示す図 実施の形態１に係るアンテナ装置の機能構成の例を示すブロック図 図２の構成において装置搭載面の法線が補助アンテナ取付面に含まれる場合のパターン形状の例を示す図 図４のケースの場合のパターン形状の例を示す図 図２の構成において装置搭載面の法線が補助アンテナ取付面に含まれない場合のパターン形状の例を示す図 図６のケースの場合のパターン形状の例を示す図 実施の形態２に係るアンテナ装置の機能構成の例を示すブロック図

以下に添付図面を参照し、本開示の実施の形態に係るアンテナ装置及びレーダ装置について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態では、艦船に搭載されるアンテナ装置及びレーダ装置を例示して説明するが、他の用途への適用を除外する趣旨ではない。また、添付図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るアンテナ装置１００の構成例を示す図である。図１において、左側にはアンテナ装置１００の正面図が示され、右側にはアンテナ装置１００を矢印Ａから見た矢視側面図が示されている。アンテナ装置１００は、筐体１と、主アンテナ１６を構成する複数の素子アンテナ２と、補助アンテナ１９を構成する１又は複数の素子アンテナ３と、補助アンテナ取付部材４とを備えている。なお、右側の矢視側面図では、簡単化のため、素子アンテナ２，３の図示は省略している。

素子アンテナ２及び補助アンテナ取付部材４は、筐体１に搭載される。素子アンテナ３は、補助アンテナ取付部材４を介して筐体１に搭載される。即ち、補助アンテナ１９を構成する素子アンテナ３は、主アンテナ１６を構成する素子アンテナ２と共に同一の筐体１に搭載される。なお、本稿では、素子アンテナ２，３を符号無しで区別するため、素子アンテナ２を「第１の素子アンテナ」と記載し、素子アンテナ３を「第２の素子アンテナ」と記載する場合がある。

素子アンテナ２は筐体１における取付面５の中心部に設けられ、補助アンテナ取付部材４は筐体１における取付面５の右上部側の縁部に設けられている。素子アンテナ３は、補助アンテナ取付部材４における補助アンテナ取付面６に設けられている。即ち、取付面５は素子アンテナ２及び補助アンテナ取付部材４が取り付けられる取付面であり、補助アンテナ取付面６は素子アンテナ３が取り付けられる取付面である。なお、図１では、取付面５を正面から見て、取付面５の右上部側の縁部に補助アンテナ取付部材４を設ける構成を例示しているが、この構成に限定されない。補助アンテナ取付部材４は、素子アンテナ２と同一の筐体１に設けられていればよく、取付面５における任意の空きスペースに設けることができる。

図２は、実施の形態１に係るアンテナ装置１００の運用状態を示す図である。アンテナ装置１００は、レドーム７により覆われ、アンテナ取付架台１０に取り付けられて船体８に搭載される。船体８は、アンテナ装置１００の筐体１が搭載されるプラットフォームである。アンテナ取付架台１０は、船体８における装置搭載面９に対して傾いて搭載されている。これにより、アンテナ装置１００の筐体１も船体８に対して傾いた状態で取り付けられている。

ここで、アンテナ取付架台１０と装置搭載面９との成す角を「傾き角」と呼び、その角度を“θ”で表す。このように表したとき、装置搭載面９の法線１１と取付面５の法線１２との成す角は、図示のように、傾き角θと等しくなる。装置搭載面９の法線１１は、筐体１が搭載されるプラットフォームの法線である。なお、本稿では、装置搭載面９の法線１１を「基準法線」と呼ぶことがある。

また、筐体１における取付面５を適宜「基準面」と呼ぶ。更に、取付面５と補助アンテナ取付面６との成す角を「補助アンテナ取付角」と呼び、その角度を“φ”で表す。補助アンテナ取付部材４は、補助アンテナ取付角φが装置搭載面９の法線１１に近づくように、回転可能に構成されている。即ち、補助アンテナ１９を構成する素子アンテナ３は、補助アンテナ取付面６が、筐体１が搭載されるプラットフォームの法線１１と、筐体１の基準面の法線１２とを含む面内において回転可能に構成される。

［発明が解決しようとする課題］の項でも説明したが、補助アンテナ１９のパターン形状は、水平面上の広い旋回角範囲で高利得となることが求められる。このため、素子アンテナ３は、俯仰角方向の受信ビームが絞られるように、補助アンテナ取付面６の長手方向に沿って配置される。補助アンテナ取付面６の長手方向は、補助アンテナ取付面６の回転の径方向でもある。

図３は、実施の形態１に係るアンテナ装置１００の機能構成の例を示すブロック図である。アンテナ装置１００は、主アンテナ１６と、補助アンテナ１９と、制御部２５と、操作部２８とを備える。アンテナ装置１００は、更に主アンテナＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）入出力端子１３と、補助アンテナＲＦ出力端子１４と、制御信号入力端子１５とを備える。

主アンテナＲＦ入出力端子１３には、主アンテナ１６が接続されている。主アンテナ１６は、主アンテナＲＦ回路１７と、複数の素子アンテナ１８とを備える。主アンテナＲＦ回路１７の内部には、送受信モジュールなどの構成品が含まれる。主アンテナＲＦ回路１７は、複数の素子アンテナ１８のそれぞれに接続されて高周波信号の分配及び合成を行う高周波回路である。

主アンテナＲＦ入出力端子１３から出力されるＲＦ信号は、主アンテナＲＦ回路１７で分配され、更に位相変調及び増幅の各処理が行われ、素子アンテナ１８に送られる。複数の素子アンテナ１８は、送信ビームを形成して、意図する方向へ電波を放射する。

補助アンテナＲＦ出力端子１４には、補助アンテナ１９が接続されている。補助アンテナ１９は、複数の素子アンテナ２０と、それぞれが１つの素子アンテナ２０に接続される複数の受信モジュール２１と、複数の受信モジュール２１から出力される信号の合成を行う合成回路２２とを備える。受信モジュール２１は、増幅器２３と、移相器２４とを備える。

素子アンテナ２０は、不要な反射波を含む外界からのＲＦ信号を受信する。受信したＲＦ信号は、増幅器２３で増幅され、移相器２４で位相変調された後、合成回路２２において他の素子アンテナ２０からのＲＦ信号と共に合成される。合成されたＲＦ信号は、補助アンテナＲＦ出力端子１４に出力される。

制御部２５は、ＳＬＢ又はＳＬＣの処理を行う処理部として動作する。制御部２５には、制御信号入力端子１５を介して、外部からの制御信号が入力される。制御部２５は、入力された制御信号を主アンテナ１６及び補助アンテナ１９への制御信号に変換して、主アンテナ１６及び補助アンテナ１９に出力する。制御部２５は、主アンテナＲＦ回路１７に制御信号を入力して、送信ビームの出力制御を行う。また、制御部２５は、増幅器２３及び移相器２４に制御信号を入力して、受信信号の振幅及び位相変調の制御を行う。制御部２５は、メモリで構成された記憶領域２６を有する。記憶領域２６には、素子アンテナ３の位置に関する素子座標データ２７が記憶されている。素子座標データ２７は、補助アンテナ１９の受信ビームの走査位相を計算するためのデータとして使用される。

なお、図３では図示を省略しているが、制御部２５は、プロセッサを有する。プロセッサは、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などと称される演算手段である。プロセッサは、システムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）であってもよい。

操作部２８は、補助アンテナ１９の傾きに関する情報を入力するための入力部である。制御部２５には、操作部２８から補助アンテナ１９の傾きに関する情報が入力される。制御部２５は、傾きに関する情報を使用し、記憶領域２６に記憶されている素子座標データ２７を、傾きに対応した素子座標データ２７に更新する。この処理により、補助アンテナ１９の傾きを変更した際に、傾きに連動した素子座標データ２７が即時に得られる。これにより、素子座標データ２７の変更作業を容易、且つ迅速に行うことができる。

図４は、図２の構成において装置搭載面９の法線１１が補助アンテナ取付面６に含まれる場合のパターン形状の例を示す図である。なお、装置搭載面９の法線１１が補助アンテナ取付面６に含まれる場合とは、装置搭載面９の法線１１と筐体１の基準面の法線１２とを含む仮想平面と補助アンテナ取付面６との交線３０が装置搭載面９の法線１１に一致する場合である。別言すると、装置搭載面９の法線１１と、補助アンテナ取付面６の法線３１とが直交する場合である。なお、実施の形態１に係るアンテナ装置１００の場合、補助アンテナ取付部材４は筐体１に搭載され、筐体１はアンテナ取付架台１０に搭載され、アンテナ取付架台１０は船体８の装置搭載面９に搭載される。このため、補助アンテナ取付面６の法線３１は、法線１１と法線１２とを含む仮想平面内に含まれると考えてよい。従って、前述のケースは、更に「補助アンテナ取付面６に装置搭載面９の法線１１が含まれる場合」と言い替えることができる。

図４の横軸は旋回角を表し、縦軸は俯仰角を表している。俯仰角の正値は仰角を表し、俯仰角の負値は俯角を表す。旋回角及び俯仰角は、船体８の装置搭載面９が基準である。利得曲線３４は、補助アンテナ１９の利得ピーク値に対して、－５ｄＢダウンする角度方向を結んだ曲線であり、利得曲線３５は、補助アンテナ１９の利得ピーク値に対して、－１０ｄＢダウンとなる角度方向を結んだ曲線である。補助アンテナ取付角φを制御して、補助アンテナ取付面６に装置搭載面９の法線１１が含まれるようにすれば、補助アンテナ１９の高利得領域を旋回角方向に広く確保することができる。

図５は、図４のケースの場合のパターン形状の例を示す図である。図５には、俯仰角＋２０°のカット面におけるパターン形状が示されている。図５の横軸は旋回角を表し、縦軸は相対利得を表している。相対利得は、主アンテナ１６の利得ピーク値を０ｄＢとしている。図５によれば、主アンテナ１６のパターン形状３６のサイドローブに対し、補助アンテナ１９のパターン形状３７が覆っている。即ち、旋回角－９０°から旋回角９０°の範囲において、補助アンテナ１９のパターン形状３７の相対利得が、主アンテナ１６のサイドローブの相対利得よりも大きな値となっている。従って、補助アンテナ１９の覆域の狭小化を抑制することができている。このようなパターン形状を有する補助アンテナ１９を用いてＳＬＢ及びＳＬＣの処理を行えば、不要波及び妨害波の抑圧を広範囲に行うことが可能となる。

図６は、図２の構成において装置搭載面９の法線１１が補助アンテナ取付面６に含まれない場合のパターン形状の例を示す図である。図２において、例えば法線１１と法線１２とを含む仮想平面と、補助アンテナ取付面６との交線が一点鎖線３２の位置に有る場合が、図６のケースに該当する。図４と同様に、横軸は旋回角を表し、縦軸は俯仰角を表している。また、旋回角及び俯仰角の基準は、船体８の装置搭載面９である。利得曲線４０は、補助アンテナ１９の利得ピーク値に対して、－５ｄＢダウンする角度方向を結んだ曲線であり、利得曲線４１は、補助アンテナ１９の利得ピーク値に対して、－１０ｄＢダウンとなる角度方向を結んだ曲線である。図４と比較すると、旋回角の広角方向では、利得が高い角度領域が歪み、俯仰角のプラス側の覆域が減少している。

図７は、図６のケースの場合のパターン形状の例を示す図である。図５と同様に、俯仰角＋２０°のカット面におけるパターン形状が示されている。また、図５と同様に、縦軸の相対利得は、主アンテナ１６の利得ピーク値を０ｄＢとしている。図５と比較すると、主アンテナ１６のパターン形状４２のサイドローブを補助アンテナ１９のパターン形状４３が覆いきれていない。このため、図７のパターン形状でＳＬＢ及びＳＬＣの処理を行うと、図５と比較して、不要波及び妨害波の抑圧性能が低下することになる。

以上説明したように、実施の形態１に係るアンテナ装置１００によれば、補助アンテナ１９を構成する素子アンテナ３は、筐体１に設けられた補助アンテナ取付部材４の補助アンテナ取付面６に設けられる。そして、補助アンテナ１９は、補助アンテナ取付面６が、筐体１が搭載される装置搭載面９の法線１１と筐体１の基準面である取付面５の法線１２とを含む面内において回転可能に構成されている。この構成により、装置搭載面９の法線１１が補助アンテナ取付面６に含まれるように制御することができる。これにより、補助アンテナ１９を主アンテナ１６と同じ面上に配置する場合であっても、設計変更を伴わずに補助アンテナ１９の覆域の狭小化を抑制できるという効果が得られる。

なお、実施の形態１に係るアンテナ装置１００は、補助アンテナ１９の傾きに関する情報を入力するための操作部２８を備えていてもよい。操作部２８を介して補助アンテナ１９の傾きに関する情報を入力することにより、記憶領域２６に記憶されている素子座標データ２７が、傾きに対応した素子座標データ２７に更新される。これにより、補助アンテナ取付面６の角度である補助アンテナ取付角φが自動的に制御され得る。このような操作部２８を設ければ、素子座標データ２７の変更作業が容易になるのと共に、素子座標データ２７の変更を迅速に行うことができる。

また、補助アンテナ１９の傾きを変更する手段については、任意の傾き値を与えるものでなくてもよく、例えば５°刻みなどで変更可能なものでもよい。また、アンテナ装置１００の部品として、傾きを変更するための交換可能な部品を設計時に組み込んでおき、船体８の傾きが決まり次第、部品を交換する方法で傾きを変更してもよい。また、補助アンテナ１９の傾きを変更する際、素子アンテナ３以外の構成品については傾きを変更しないようにしてもよい。

また、実施の形態１では、基準法線が装置搭載面９の法線１１である場合を例示したが、この例に限定されない。基準法線が海面又は水平面の法線であってもよい。即ち、補助アンテナ１９は、補助アンテナ取付面６が、海面又は水平面の法線と、筐体１の基準面である取付面５の法線１２とを含む面内において回転可能に構成されるものであってもよい。

実施の形態２．
図８は、実施の形態２に係るアンテナ装置１００Ａの機能構成の例を示すブロック図である。図８では、図３に示す実施の形態１に係るアンテナ装置１００と比較すると、操作部２８が削除され、代わりに傾きセンサ２９が設けられている。また、図３に示す補助アンテナ１９が補助アンテナ１９Ａに置き替えられ、制御部２５が制御部２５Ａに置き替えられている。その他の構成は、図３に示すアンテナ装置１００と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一の符号を付し、重複する説明は割愛する。

傾きセンサ２９は、補助アンテナ取付部材４の傾きを検出し、傾き情報を含む信号を制御部２５Ａに出力する。制御部２５Ａは、傾きセンサ２９の出力信号に基づいて、記憶領域２６に記憶されている素子座標データ２７を傾きに対応した素子座標データ２７に更新する。これにより、補助アンテナ取付面６の角度である補助アンテナ取付角φが自動的に制御され得る。このような傾きセンサ２９を設ければ、素子座標データ２７の変更作業が容易になるのと共に、素子座標データ２７の変更を迅速に行うことができる。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 筐体、２，３，１８，２０ 素子アンテナ、４ 補助アンテナ取付部材、５ 取付面、６ 補助アンテナ取付面、７ レドーム、８ 船体、９ 装置搭載面、１０ アンテナ取付架台、１１，１２，３１ 法線、１３ 主アンテナＲＦ入出力端子、１４ 補助アンテナＲＦ出力端子、１５ 制御信号入力端子、１６ 主アンテナ、１７ 主アンテナＲＦ回路、１９，１９Ａ 補助アンテナ、２１ 受信モジュール、２２ 合成回路、２３ 増幅器、２４ 移相器、２５，２５Ａ 制御部、２６ 記憶領域、２７ 素子座標データ、２８ 操作部、２９ 傾きセンサ、３０ 交線、３２ 一点鎖線、３４，３５，４０，４１ 利得曲線、３６，３７，４２，４３ パターン形状、１００，１００Ａ アンテナ装置。

Claims (8)

1. 複数の第１の素子アンテナと、複数の前記第１の素子アンテナのそれぞれに接続されて高周波信号の分配及び合成を行う高周波回路とを備える主アンテナと、
   第２の素子アンテナと、前記第２の素子アンテナに接続される受信モジュールと、前記受信モジュールから出力される信号の合成を行う合成回路とを備え、前記主アンテナと共に同一の筐体に搭載され、前記主アンテナのサイドローブから到来した信号を除去するための補助アンテナと、
   を備え、
   前記第２の素子アンテナは、前記筐体に設けられた補助アンテナ取付部材の補助アンテナ取付面に設けられ、
   前記補助アンテナは、前記補助アンテナ取付面が、基準法線と前記筐体の基準面の法線とを含む面内において回転可能に構成され、
   前記基準法線は、装置搭載面の法線、又は海面もしくは水平面の法線である
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記補助アンテナの傾きに関する情報を入力するための操作部を備え、
   前記基準面に対する前記補助アンテナ取付面の角度である補助アンテナ取付角は、前記操作部からの信号により制御され得る
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第２の素子アンテナの位置に関する素子座標データを記憶する記憶領域を備え、
   前記操作部を介して入力される前記補助アンテナの傾きに関する情報に基づいて前記素子座標データが更新される
   ことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記補助アンテナの傾きを検出する傾きセンサを備え、
   前記基準面に対する前記補助アンテナ取付面の角度である補助アンテナ取付角は、前記傾きセンサの出力信号により制御され得る
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
5. 前記第２の素子アンテナの位置に関する素子座標データを記憶する記憶領域を備え、
   前記傾きセンサの出力信号に基づいて前記素子座標データが更新される
   ことを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 前記第２の素子アンテナは複数であり、複数の前記第２の素子アンテナは、前記補助アンテナ取付面の回転の径方向に沿って配置されている
   ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のアンテナ装置。
7. 請求項１から６の何れか１項に記載のアンテナ装置を備え、
   前記主アンテナの出力信号と、前記補助アンテナの出力信号とを用い、サイドローブブランカ又はサイドローブキャンセラの処理を行う処理部を備えたことを特徴とするレーダ装置。
8. 前記アンテナ装置は艦船に搭載されることを特徴とする請求項７に記載のレーダ装置。

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