JPH10507617A - 一つ以上の電磁センサ用保護装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 一つ以上の所定の透過周波数付近の電磁放射（４４０）を透過する（通過させる）ように設計された周波数選択面（４００）。この周波数選択面は、少なくとも二つの層（４１０、４２０）を含み、その外層（４１０）は導体素子の周期的パターンを備える少なくとも一つの電磁反射層（４１２）から成る。この導体素子の周期的パターンは、電磁放射に対して所望の透過周波数より３倍のオーダで高い反射共振周波数を有するように作られている。この内層（４２０）は、外層（４１０）から適当な所定の距離（4５0）に配置されている。内層（４２０）は、開口素子の周期的パターンを有する少なくとも一つの電磁透過層（４２２）から成る。この開口素子の周期的パターンは、電磁放射に対して所望の透過周波数とほぼ等しい透過共振周波数を有するように作られている。

Description

【発明の詳細な説明】 一つ以上の電磁センサ用保護装置 発明の分野 この発明は、一つ以上の電磁センサを望ましくない電磁放射から保護（遮蔽） するための装置に関する。 発明の背景 多くの関係で、一つ以上の電磁センサ、例えばアンテナ、を望ましくない電磁 放射および機械的影響から保護（遮蔽）したいという要求がある。しばしば、セ ンサの鋭敏な電子回路を妨害性のおよび／または有害な信号から保護することが 望まれ、更にセンサのレーダシグネチャ(radar signature)に影響し／低下し／ 変えることが望まれる。物体のレーダシグネチャは、それを異なる周波数の電磁 信号で照射して得られる且つ、この物体自身の出す電磁放射から得られるこの物 体の電磁放射３次元線図である。物体のレーダシグネチャは、その物体の３次元 での等価反射面の線図と見ることもでき、それは勿論入射放射に対するレーダシ グネチャしか描写しない。 前述の要求を満たす保護装置／遮蔽体を得る一つの方法は、周波数選択面／レ ードームを使うことによる（ＦＳＳ−周波数選択面、レードーム−−−レーダ・ ドーム）。 周波数選択面を構成する際は、開口素子から成る周期的パターン、例えば、単 純に表現すれば、導電性面にある何かの形の孔であるスリットを使うことができ 、または導電性素子から成る周期的パターン、例えば、絶縁面上にある何かの形 の導電性島と表せる、ダイポール（双極子）若しくはプリント導体素子を使うこ とができる。これら二種類の周期的パターンは、これらの面の周波数挙動を異な らせる。 開口素子（aperture element）を使うと、この面は、開口素子の共振周波数ｆ₀ で信号を透過する。これは、この面が透過窓（通過帯域フィルターに匹敵）を 有し、そこではこれらの素子の波長λとの共振周波数（素子の長さ〜λ／２ ｛λ＝電気的長さ｝）によって決る周波数でこの面の透過が最大になることを意 味する。他方、導体素子を使うと、この面は、これらの素子の共振周波数で反射 する。それは、この面が反射窓（抑制／阻止帯域フィルターに匹敵）を有し、そ こではこれらの素子の共振周波数（素子の長さ〜λ／２）によって決る周波数で この面の反射が最大になることを意味する。 周波数選択面／レードームを構成するとき、開口素子による周期的パターンを 選択するのが当然である。そのような面は、透過窓を有し、即ちそれは選択した 周波数範囲を通過させる。二つ以上のそのような層を間に間隔を設けて組合わせ ることによって、このレードームの特性を更に改善／変更することができ、即ち 、この窓の側面を急峻にすることは勿論、所望の周波数で完全に透過するように できる。 しかし、この種の構成は、部分的にそのような面を備えるレードームが共振周 波数の倍数（ｎｆ₀、ｎ＝１、２、…）で電磁的に開放される（通過帯域を有す る）という事実によるだけでなく、周期的パターンが約１．５ｆ₀（典型的な従 来のレードーム構成に対し）からの周波数に対し格子ローブ(grating lobes)を 生ずるという事実によっても幾つかの欠点を有する。格子ローブは、適当な周波 数の電磁放射が周期的および対称的パターンを備える面に当りまたは透過すると き、干渉によって起きる望ましくないローブ、放射である。 格子ローブが起る放射の周波数は、この周期的パターンのパッキング密度(pac king density)に依る。これらの素子がλ／２より疎であれば、格子ローブは、 レードームのレーダシグネチャで起る。それは、格子ローブが素子間距離の２倍 未満の波長λの電磁放射に対して起ることを意味する。 換言すれば、ＦＳＳ−レードームがセンサに与える電磁保護（遮蔽）は、限ら れる。このセンサは、センサ自身の周波数の倍数の周波数で電磁的に保護されず 、その上このセンサのレーダシグネチャは、多分前には存在しなかった格子ロー ブがセンサ自身の周波数またはその近くで導入されるかも知れないので悪化する 。このレードームがもたらす電磁保護は、センサ自身の周波数より低い周波数の 入射放射に対してであり、これらの周波数に対しこのＦＳＳ−面は、ほぼ純粋に 金属面のように見える。 多重透過窓に伴う問題は、とりわけ、ＦＳＳ−レードームをレーダシグネチャ の理由で作るとき、即ち、レードームの目的の一つがその背後にあるセンサを見 えなくすることであるときに現れる。多重透過窓が問題であるもう一つの機会は 、この目的がその背後にあるセンサの電子回路を妨害性の信号および有害な信号 の両方から保護することであるときである。この格子ローブの問題は、それらが 望ましくない共振周波数でまだ起っていず、起ればこのセンサ／アンテナ自信の 特性さえ乱されるという場合に、レーダシグネチャを低下／変更したいという要 求にだけ結びっく。 周波数選択面／レードームに周期的開口パターンを使う方法は、既発表の記事 に記載されている。ＦＳＳ−面に異なる特性を得るために類似のパターンの層を 複数組合わせる方法も記載されている。 米国特許第５２０８６０３号は、開口の周期的パターンから成る外層を導体素 子の周期的パターンから成る内介在層と組合わせた解決策を開示している。この 特許による目的は、二つの周波数で信号を透過するコンパクトなレードーム解決 手段を得ることである。導体素子から成る中間層の目的は、開口層間を結合する ことで、それによって二つの周波数で透過するようにする。この記載されている 解決策は、このレードームが望ましくない透過周波数で複数周波数に開放されて いる問題を解決していない。この構成は、従来の解決策より密な素子のパッキン グ(packing)を可能にし、それは、ｆ₀で格子ローブを避けられることを意味する 。しかし、周辺環境との境界面である層が開口から成り、望ましくない透過周波 数ｆ₀に共振するので、それでも開口のパッキング密度は、格子ローブが約２ｆ₀ から起るものになる。 英国特許第２２５３５１９号に、開口素子および／または導体素子でよい素子 の周期的パターンを備えた、密にパッキングした層から成るＦＳＳ−面を有する 解決策が記載してある。この目的は、互いに変位した層によってその透過／反射 特性を変えることができる面を得ることである。これらの層は、与えられた周波 数で透過または反射するように構成され、互いに関する位置を変えるこれらの層 によってその周波数を変えることができる。この方法に、複数周波数の透過また は格子ローブの発生を防ぐものは何もない。この英国特許に提示されている解決 策は、これらの問題を解決することを意図せず、解決もしない。 発明の概要 この発明の一つの目的は、一つ以上の所定の周波数で入射電磁放射および放出 電磁放射を伝達する、即ち、それらを通過させる、周波数選択装置／面を作るこ とである。 この発明の他の目的は、所望の透過（transmission）周波数付近で格子ローブ が発生する問題を解決する周波数選択装置を作ることである。 この発明の更に他の目的は、一つ以上の周波数で電磁放射を透過（transmissi on）し、複数の通過周波数（transmission frequency）で通過を阻止する周波数 選択装置を作ることである。 この発明の付加的目的は、一つ以上のセンサ並びに／または送信および／若し くは受信アンテナ（アンテナ装置）用の、それらのレーダシグネチャ(radar sig nature）を制御および／または減少できる周波数選択装置を作ることである。 上記の目的は、この発明によれば、一つ以上の所定の透過周波数付近の電磁放 射を透過する（通過させる）ように設計した周波数選択面／装置によって達成さ れる。この周波数選択装置／面は、少なくとも一つの外部電磁反射層および一つ の内部電磁透過層を有する複数の層を含む。 この外層は、周辺環境に内層よりも近く配置されている。この内層は、アンテ ナ装置に外層よりも近く配置され、この周波数選択装置が、このアンテナ装置用 の周波数選択装置となるために、このアンテナ装置の前に配置されている。 この外層は、少なくとも一つの電磁反射層を含み、その各反射層は電気的導体 素子の周期的パターンを含む。電気的導体素子の各周期的パターンは、電磁放射 に対してこの透過周波数より高い、好ましくは３倍大きいオーダ(order)の、反 射共振周波数を有するように構成されている。 この周波数選択面／装置の内層は、外層から所定の距離に配置され、上記距離 は、このレードームがもつべき特性に依って選ぶ。この距離は、例えば、約λ／ ４または約λ／４＋ｎλ／２、但しｎ＝１、２、３、…（λは、これらの層の間 にある材料の中の電気的波長であることに注意）でもよい。この内層は、少なく とも一つの電磁透過層を含み、その各透過層は開口素子の周期的パターンを含む 。 開口素子の各周期的パターンは、電磁放射に対してこの透過周波数とほぼ同じ透 過共振周波数を有するように構成されている。 図面の簡単な説明 さて、添付の図面を参照してこの発明を説明的で、少しも限定しない方法で記 述する。これらの図面は、説明のためにだけ役立ち、それらで： 第１図は、この発明を備えることができるレードームを有する飛行機の機首の例 を模式的に示し、 第２図は、以前より知られている周期的パターンの例を模式的に示し、 第３図は、この発明を備えることができるレードームを有する飛行機の機首の追 加の例を模式的に示し、 第４図は、この発明の実施例を模式的に示し、 第５図は、この発明に含まれる、導体素子での周期的パターンを有する層の周波 数特性の模式的線図を示し、 第６図は、この発明に含まれる、開口素子での周期的パターンを有する層の周波 数特性の模式的線図を示し、 第７図は、第５図と第６図を重ね合せた関係で示し、 第８図は、この発明による導体素子を有する層と開口素子を有する層の合成周波 数特性を示し、および 第９図は、この発明の更なる実施例を模式的に示す。 好適実施例の説明 この発明による装置を明確にするために、以下に第１図ないし第９図に関連し てその幾つかの使用例を説明するが、これらの図面の寸法比が必ずしも正しくな いことに注意すべきである。 原則として、機上搭載器具に属する電磁センサおよび発信器、アンテナ装置、 例えばレーダアンテナは、全て保護レードームを備えている。陸上用および海上 用の器具の大部分でさえ、発信アンテナおよび受信アンテナは、レードームの援 助で保護されている。原則として、機上搭載器具に関する以下の議論は、全て海 上用器具におよび陸上用器具にも同等に有効である。例えば、高速ボートおよび 自動車も空力的外装が必要である。 第１図は、レードーム１２０の後ろに機械的に保護されている電磁センサ／ア ンテナ１１０を示す。このレードーム１２０は、適当に電磁的に特定の放射を通 過させ、例えば、飛行機１００の機首で、空力的保護ケーシングとなるように機 械的に安定であって、この胴体の残りの部分に空力的に適合している。 受信機技術が真空管から半導体増幅器へ移行しているので、センサの感度も実 際に必要な信号と強力な有害な放射の両方に対して増している。これが種々の保 護回路を促進することを余儀なくしている。これらは、これらの保護回路が受信 機回路をそれ自身の発信器からの発信中の強力な放射から保護するためにそこに あるという事実から、例えば、レーダの発信周波数付近で最高に動作するように して殆どの場合最適化される。それを保護回路にとって容易にするためには、レ ードームを周波数選択性にする、即ちレードームが所望の周波数範囲内の電磁放 射だけを、両方向に、通すようにすることが適当かも知れない。 周波数選択面を構成する一つの方法は、スリット(slits)２１０またはダイポ ール(dipoles)から成る周期的パターン（第２図参照）を使うことである。周波 数選択性レードームの構成で、最も普通の方法は、スリットの層（開口素子）を 一つ以上設けることである。この／これらの層を、それによってある電磁保護も 生ずるために、第１図に従ってレードーム１２０の中に組込むことができる。 外レードームをこの周波数選択面と一緒に合わせることは必要なく、これをし ないことがレーダシグネチャを制御するために有利にさえできる。第３図では、 例えば、周波数選択面３２２の反射面を増して幾何学的表面の数倍に相当する反 射面を得るためにコーナ反射器として構成するために、周波数選択面３２２がセ ンサ／アンテナ３１０の前で外レードーム３２４と分離している。商業用飛行機 ３００が電磁的に、即ちレーダではっきり見えることは、価値があり得るが、他 の関係ではそれほど望ましくない。電磁的に見えないようにしたいなら、第３図 の周波数選択面３２２または第１図のレードーム１２０（周波数選択層を備える ）をそれらの相当反射面が最小になるように幾何学的に構成することができる。 レーダシグネチャを、例えば、周波数選択面を備えるレードームまたは一つだ けの周波数選択面の特別な幾何学的形状（それらの相当反射面を増加または減少 するための）によって、制御可能且つ予測可能にするためには、この周波数選択 面が所望の周波数の放射だけを透過する（通過させる）ことが必要である。開口 素子、例えばスリット、の周期的パターンから成る一つ以上の層を備えた周波数 選択面／レードームを構成する従来の方法は、（前述のように）望ましくない格 子ローブの発生は勿論、多重透過窓の問題を発生する。 従来の周波数選択面／レードームに存在するレーダシグネチャの多重透過窓お よび格子ローブの発生の問題を解決するためには、多くの要因を満足しなければ ならない。この面／レードームは、所望の透過周波数と別の、更にはその倍数の 周波数で透過ではなく反射するようにしなければならない。この外部入射放射場 (external incident radiation field)が遭遇し且つそこで反射されるは面は、 所望の透過周波数から遠く離れた周波数に達するまで（例えば約６ｆ₀）、格子 ローブを発生しにように構成しなければならない。 両種類の層を素子（開口素子または導体素子）の周期的パターンと特定の方法 で異なる層（レベル）に組合わせることによって、周波数選択面／レードームで の多重通過帯域および格子ローブの早期（周波数に関して）発生の問題を最小に した構成が得られる。 この発明の周波数選択面／装置４００（第４図参照）によれば、周期的パター ンの少なくとも二つの層４１０、４２０が組合わされている。第１の外層４１０ は、ダイポール型の導体素子の周期的パターンを備える少なくとも一つの層４１ ２を含み、第２の内層４２０は、スリット型開口素子の周期的パターンを備える 少なくとも一つの層４２２を含む。 外層４１０は、約３ｆ₀で反射共振するような大きさになっている。得られた 層は、第５図に従って阻止帯域特性を示し、この図でＸ軸が周波数、Ｙ軸が透過 率で、ｆ₀が所望の透過周波数である。この反射共振がほぼ周波数３ｆ₀の大きさ になっていることに注目すべきである。これらの素子が約３ｆ₀で共振するので 、周期的パターンのパッキング密度は、更に約６ｆ₀前には格子ローブが起きな いように適合させることができる。 内層４２０は、上述のような欠陥と共に、ｆ₀で透過共振するような大きさに なっていて、即ち通過帯域フィルターが得られる。この通過帯域フィルター（第 ６図参照）を、先に大きさを決めて周辺環境により近く配置した第５図による阻 止帯域フィルターと組合わせることによって、多重通過帯域ではなく、この面／ レードームの外側での格子ローブの発生を周波数方向に約６ｆ₀へかなり移動し た通過帯域フィルター（第８図参照）が得られる。第７図は、これらの二つの異 なる透過率線図を重ねるとどう見えるかを示す。 組合わせる際に重要なことは、周辺環境に近い方（外側）の層が所望の共振周 波数ｆ₀以上の周波数に対する透過層（内側）を隠す反射層でなければならない ことである。格子ローブは、この面／レードームの内側でｆ₀に近く起るだろう が、この外部レーダシグネチャに対して重要ではない。 第４図による、二つの層４１０、４２０の間の距離４５０は、この面／レード ームに与えたい特性に依って選ぶことができる。約λ／４の距離を選ぶのが好ま しいが、約λ／４＋ｎλ／２、但しｎ＝１、２、３、…（λが基板での電気的波 長であることに注意して）に選ぶことが有利でさえあるかも知れない。所望する 特性に依っては、これらの層の間に他の距離を選ぶことも勿論できる。これらの 層の間の隙間が空気から成ることも考えられるが、実用的理由から通常その誘電 特性ができるだけ空気に近い多孔質材料が使われる。 素子の選択は、スリットとダイポールに限らず、どんな種類の開口素子（スリ ット、リング・スリット、三スリット等）でもよく、それぞれ、この構成でどん な種類の相補の導電素子（ダイポール、リング、トリポール、等）と組合わせる ことができる。銅、アルミニウム等のような任意の導体材料を使って、これらの 開口素子および導体素子を作ることができる。これらの間の選択は、コスト、機 械加工、耐久性等のような要因に依ることができる。使用する導体材料の厚さは 、通常ｍｍの十分の一ないしｍｍの百分の一のオーダである。これらの導体素子 を、例えばガラス繊維、ケブラー、熱可塑性材料等のような任意の誘電体上に配 置する。これらの間の選択は、前述のように、コスト、機械加工、耐久性、温度 範囲等のような要因に依ることができる。 このフィルター機能を更に増幅してフィルターの縁に大きな勾配を作るために 、または他のフィルター機能を生ずるために、これらの層の一つ以上が数層であ ってもよい。これは、開口／導体素子のそれぞれの層が、同じ、または類似の種 類の素子の二つ以上の層から成ってもよいことを意味する。 幾つかの層を使うとき、開口素子を備える層を、少なくとも異なる層が互いか ら電気的に絶縁されていることが保証できる距離で、誘電体と分離する。導体素 子を備える層は、少なくともそれらが配置されている誘電体によって分離する。 外層が二つの層を含む場合、これらは、導体素子をそれらが配置される誘電体の 両側に置いて、配置することが考えられる。 内層および外層それぞれの各層の透過共振周波数および反射共振周波数は、ほ ぼ同じである（各層を同じ反射共振周波数または透過共振周波数を有するように 作るという製造上の視点においてできるだけ似ている）か、または互いに対する 周波数の点から見て１０％以内で、いくらかずれていることができる。 異なる層に対して類似の周波数を選択するかまたはいくらか異なる周波数を選 択するかの理由は、完全にこの周波数選択面にもたせたい特性に依る。周波数選 択面が一つを超える透過周波数に対して通過可能であるべきことを望む場合は、 各透過周波数に対して透過層を選択し、各透過周波数に対して透過共振周波数を もつのが適当かも知れない。 しかし、これはこのレードーム全体の構成の複雑さを増す。適当な選択は、ダ イポール型の素子を備える二つの層をスリット型の素子を備える一つないし二つ の層と組合わせることである。第９図は、この発明による周波数選択面９００の 好適実施例を示す。外層９１０は、この実施例ではダイポール型の素子を備える 二つの層９１２、９１４を含む。内層９２０は、スリット型の素子を備える層９ ２２を含む。入射電磁放射９４０および放出電磁放射９４２がこの様にして所望 の周波数でセンサ／アンテナ９３０に到達し、および送出される。 この発明は、前述の実施例に限定されず、添付の請求項の範囲内で変えること ができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも一つの所定の透過周波数付近の電磁放射（４４０、４４２、９ ４０、９４２）を透過するように設計され、一つ以上のアンテナ装置（１１０、 ３１０、４３０、９３０）の前に配置された周波数選択装置（１２０、３２２、 ４００、９００）に於いて、この周波数選択装置が少なくとも一つの内層（４２ ０、９２０）および少なくとも一つの外層（４１０、９１０）を含む多数の層を 含み、この内層（４２０、９２０）がこのまたはこれらのアンテナ装置（１１０ 、３１０、４３０、９３０）に外層（４１０、９１０）よりも近く配置され： − この外層（４１０、９１０）が電気的導体素子の周期的パターンを含む少な くとも一つの電磁反射層（４１２、９１２、９１４）を含み、上記電気的導体素 子の周期的パターンが電磁放射に対して上記透過周波数より高い反射共振周波数 を有するように構成され、 − この内層（４２０、９２０）がこの外層から所定の距離（４５０）に配置さ れた少なくとも一つの電磁透過層（４２２、９２２）を含み、上記内電磁透過層 が開口素子の周期的パターンを含み、上記開口素子の周期的パターンが電磁放射 に対して上記透過周波数と実質的に等しい透過共振周波数を有するように構成さ れていることを特徴とする装置。 ２．請求項１による周波数選択装置に於いて、上記反射共振周波数が上記透過 周波数より３倍のオーダで高いことを特徴とする装置。 ３．請求項１または請求項２による周波数選択装置に於いて、内層と外層の間 の上記所定の距離が大体λ／４＋ｎλ／２と同じ、但しｎ＝０、１、２、３、… およびλは電気的波長、であることを特徴とする装置。 ４．請求項１ないし請求項３の何れか一つによる周波数選択装置に於いて、上 記外層が二つの電磁反射層を含むことを特徴とする装置。 ５．請求項４による周波数選択装置に於いて、上記二つの電磁反射層が実質的 に同じ反射共振周波数に設計されていることを特徴とする装置。 ６．請求項４による周波数選択装置に於いて、上記二つの電磁反射層が互いに １０％以内でずれた反射共振周波数に設計されていることを特徴とする装置。 ７．請求項１ないし請求項６の何れか一つによる周波数選択装置に於いて、上 記内層が二つの電磁透過層を含むことを特徴とする装置。 ８．請求項７による周波数選択装置に於いて、上記二つの電磁透過層が実質的 に同じ透過周波数に設計されていることを特徴とする装置。 ９．請求項７による周波数選択装置に於いて、上記二つの電磁透過層が互いに １０％以内でずれた透過周波数に設計されていることを特徴とする装置。 10．少なくとも一つの所定の透過周波数付近の電磁放射（４４０、４４２、９ ４０、９４２）を透過するように設計され、一つ以上のアンテナ装置（１１０、 ３１０、４３０、９３０）の前に配置された周波数選択装置（１２０、３２２、 ４００、９００）に於いて、この周波数選択装置が少なくとも一つの内層（４２ ０、９２０）および少なくとも一つの外層（４１０、９１０）を含む多数の層を 含み、この内層（４２０）９２０）がこのまたはこれらのアンテナ装置（１１０ 、３１０、４３０、９３０）にこの外層よりも近く配置され： − この外層（４１０、９１０）が各々電気的導体素子の周期的パターンを含む 二つの電磁反射層（４１２、９１２、９１４）を含み、上記電気的導体素子の周 期的パターンが電磁放射に対して上記透過周波数より３倍のオーダで高い反射共 振周波数を有するように構成され、 − この内層（４２０、９２０）がこの外層から所定の距離（４５０）に配置さ れた一つの電磁透過層（４２２、９２２）を含み、上記所定の距離が大体λ／４ に等しく、λは電気的波長であり、上記内電磁透過層が開口素子の周期的パター ンを含み、上記開口素子の周期的パターンが電磁放射に対して上記透過周波数と 実質的に等しい透過共振周波数を有するように構成されていることを特徴とする 装置。