JP6008081B2

JP6008081B2 - アレーアンテナ装置

Info

Publication number: JP6008081B2
Application number: JP2012043008A
Authority: JP
Inventors: 西澤　一史; 一史西澤; 育彦浦田; 弘毅岡崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2032-02-29
Also published as: JP2013179527A

Description

本発明は、レーダ反射断面積を低減させるアレーアンテナ装置に関するものである。

ＲＣＳ（ＲａｄａｒＣｒｏｓｓＳｅｃｔｉｏｎ；レーダ反射断面積）とは、レーダにて目標物体を探知する際の反射能力を表わす指標である（非特許文献１参照）。レーダ用アンテナは、探知距離性能を高めるために、目標物体の到来方向に正対して設置することが多い。一般にレーダ用アンテナとして、鏡面アンテナやアレーアンテナ（例えばパッチアンテナアレーのような平面アンテナ）が使われているが、自身のレーダ用アンテナのＲＣＳ値が大きくなり、相手方レーダの目標物体となり易い。このためレーダに適用するアンテナは何らかの形で自身のＲＣＳ値を低減する必要がある。

従来、アンテナの低ＲＣＳ化を図る試みが各種なされている。例えば、特許文献１には、受信波に所望の位相制御を施しアンテナから再放射させて、その再放射波とアンテナ開口にて全反射した波とを相殺させるアレーアンテナが開示されている。また、特許文献２には、前面にパッチアンテナ導体のない地板上にＥＢＧ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＢａｎｄＧａｐ）を設けて、地板での反射波位相を調整した後に、アンテナ部分からの反射波と相殺させるアレーアンテナが開示されている。また、特許文献３には、地板を周波数選択板にて構成し、アンテナ動作帯域外での電波が地板での反射をなくすアレーアンテナが開示されている。

コロナ社、アンテナ・電波伝播、Ｐ．４０

特開２００１−３４５６２４号公報（図１）

特開２０１０−２５２１７２号公報（図１）

特開２０１１−２１７２６９号公報（図１）

ここで、低ＲＣＳ化を要する従来のアンテナ装置の課題を説明するため、パッチアンテナからなる素子アンテナを複数個平面に配列したアレーアンテナ装置（以後、パッチアンテナアレーと称す）を例に取り上げて説明する。パッチアンテナアレーはアンテナ開口面の構造が簡素であるという特徴を有している。

図５は、従来のパッチアンテナアレーの概略構成を示す図である。図において、パッチアンテナアレーは、地板１、誘電体基板２、パッチ放射導体３、パッチアンテナの給電線４、地板１から伸長されたフレーム５、モジュール部６、給電回路部７から構成される。各パッチアンテナ１０は、誘電体基板２、誘電体基板２の裏面に形成された地板１の一部、誘電体基板２の表面に形成された複数のパッチ放射導体３、及び各パッチ放射導体３に接続された給電線４から構成されている。各パッチアンテナ１０の給電線４は、その後段でモジュール部６を介して給電回路部７とそれぞれ接続されている。フレーム５の前面は、パッチ放射導体が存在しないアンテナ開口端である。また、フレーム５の下部には、モジュール部６の筐体や固定部材等が配置される。

ここで、従来のパッチアンテナアレーの動作について説明する。アンテナは送信と受信の関係が可逆であるため、ここではアンテナから電波が放射される送信の場合を例に説明する。送信機から給電回路部７に入力された送信信号は、等位相で分配されて、各パッチ放射導体３に接続されているモジュール部６に供給される。モジュール部６では増幅器や移相器等が格納されており、送信信号の振幅、位相が所望の励振開口分布となるように調整される。調整された送信信号は給電線４に伝わり、各パッチアンテナ１０が励振されて電磁波として空間に放射される。この放射の際、前述の励振開口分布に従った空間合成が生じ、所望の放射特性を持つ電磁波が形成される。

上記図５の構造を有するパッチアンテナアレーのＲＣＳ値について、図６を用いて説明する。図において、符号１１は負荷、符号２１はアンテナへの入射波、符号２２はアレーアンテナ部からの反射波成分、符号２３はフレームからの反射波成分を表わす。ここでは説明を簡略化するために、パッチアンテナアレーは送受信状態を模擬して、各パッチアンテナ１０の端部にて、そこからモジュール部側をみたときのインピーダンスに相当する負荷１１が接続されている状態を図示している。

このとき、パッチアンテナアレー全体のＲＣＳは、パッチアンテナ１０が複数配置されたアレーアンテナ部、及びアレーアンテナ部の周囲に位置するフレーム５からの反射波成分の重ね合わせとして形成される。ここで、アレーアンテナ部でのＲＣＳ値は、アンテナ開口面で反射する成分と、一度パッチアンテナ１０で受信された電磁波がアンテナ後段で反射（図では負荷１１のところで反射）して再放射する成分との、重ね合わせによって形作られる。この重ね合わせた合成成分は、アンテナ開口面からの反射波成分２２として捉えることができる。また、この場合、再放射する成分はその再放射の前にアンテナ内部損失により低減され、アンテナ開口面で反射する成分との位相関係によっては打ち消しが生じて、反射波成分２２が入射波２１よりも振幅が小さくなることがある（図では矢印を細く表記）。

また、誘電体基板２の厚さはマイクロ波帯では波長より十分に短く、アンテナ開口面は地板１の位置と同じと考えても差し支えない。つまり、フレーム５からの反射波成分２３と同相で反射するともいえる。このように考えると、アレーアンテナ部からのＲＣＳ値が存在する限り、パッチアンテナアレーからのＲＣＳ値にフレーム５からの反射波成分２３も重畳されて、全体的にＲＣＳ値が大きくなり、相手方レーダに発見され易いという課題がある。

上記フレーム５を設けず、できるだけアレーアンテナ部のみでアンテナ開口面を構成することができれば理想的である。しかし通常のパッチアンテナアレーは、アンテナ後段のモジュール部６の筐体や固定部材等が、最外周のパッチ放射導体の配置位置よりも周囲に広がって設けられ、何らかの形でフレーム５が存在する。このため、例えば航空機の機首部に搭載されるレーダ用アンテナでは、機首部断面積によりアンテナ開口面が制限されることから、フレーム５の存在によってアレーアンテナ部の面積が小さくなり、場合によって探知距離性能の劣化に繋がるという課題もある。

なお、特許文献１から特許文献３に示す従来のアレーアンテナは、アレーアンテナの表面で反射するレーダ波の位相と逆相にする移相制御を行う点、パッチアンテナ導体のない地板上にＥＢＧを設ける点、地板を周波数選択板で構成する点から、アレーアンテナの構造が複雑化するという問題があった。

本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、簡便な構造でアレーアンテナ装置のレーダ反射断面積を低減することを目的とする。

本発明によるアレーアンテナ装置は、複数の素子アンテナと、上記それぞれの素子アンテナから離れて配置された地板と、上記地板から段差を有して、当該地板の外周より外側に突出して配置された導電性の突出部と、を備えたものである。

本発明によれば、アンテナ開口面上での地板周囲のフレーム部からの反射波成分を利用して、アレーアンテナ装置全体のレーダ反射断面積を低減することができる。また、搭載機種への設置制限に適した構造のアンテナ形状とすることができる。

実施の形態１によるアレーアンテナ装置の構成を示す図である。実施の形態１によるパッチアンテナアレーの反射波成分を示す模式図である。実施の形態１によるパッチアンテナアレーのＲＣＳ値の一例であり、（ａ）は段差ｈに対するＲＣＳ値、（ｂ）はフレームの大きさに対するＲＣＳ値である。実施の形態１によるレドーム内部に設置したアレーアンテナ装置の構成を示す図であり、（ａ）は一つの段差を有するパッチアンテナアレー、（ｂ）は複数の段差を有するパッチアンテナアレーである。従来のパッチアンテナアレーの構成を示す図である。従来のパッチアンテナアレーの反射波成分を示す模式図である。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１によるアレーアンテナの概略構成を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面線ＡＡ’の断面図である。図１において、実施の形態１によるアレーアンテナ装置は、導体からなる地板１、誘電体基板２、複数のパッチ放射導体３、パッチアンテナの複数の給電線４、金属や複合材料等の導電性部材からなるフレーム５、モジュール部６、及び給電回路部７から構成され、パッチアンテナアレーを形成している。地板１の一部、誘電体基板２の一部、パッチ放射導体３及び給電線４は、各パッチアンテナ１０を構成している。パッチアンテナ１０は複数配列されて、アレーアンテナ部を構成する。

パッチ放射導体３は、誘電体基板２の平面状の表面（図１（ｂ）の上面）に形成され、誘電体基板２の表面に２次元的に複数配列されている。地板１は、パッチ放射導体３から誘電体基板２を間に挟んで所定（一定）の距離だけ離れて、誘電体基板２の裏面（図１（ｂ）の下面）に形成されている。各給電線４は、誘電体基板２及び地板１を貫通する同軸線や導波管で構成され、その一端部が各パッチ放射導体３にそれぞれ接続されている。給電線４の信号線（図示せず）は地板１に非接続となっている。また、各給電線４の他端部は各モジュール部６に接続されている。モジュール部６は、給電回路部７と接続されている。すなわち、パッチアンテナ１０の給電線４は、その後段でモジュール部６を介して給電回路部７と接続されている。

フレーム５は、アンテナ開口面領域の地板１に対して、パッチ放射導体３の配列されるアンテナ平面の法線方向に、図１（ｂ）下方に距離ｈの段差を有して配置される。フレーム５は、地板１の外周端から図１（ｂ）下方に距離ｈだけずらして伸長され、筒形状に形成されるとともに、当該筒形状の部分から外側に突出した外周部分に鍔状の突出部（フランジ）を形成している。フレーム５が地板１の設置位置から段差ｈを有して突出部を配置できるように、モジュール部５の筐体や固定部材等の外形がフレーム５の形状に則して形成されている。なお、フレーム５の前面（図１（ｂ）の上面側）はパッチ放射導体が存在しないアンテナ開口端をなしている。

次に実施の形態１によるアレーアンテナ装置の動作について説明する。
アンテナは送信と受信の関係が可逆であるため、ここではアレーアンテナ装置から電波が放射される送信の場合を例に説明する。外部の送信機（図示せず）から給電回路部７に入力された送信信号は、等位相で分配されて、各パッチ放射導体３に接続されているモジュール部６に供給される。モジュール部６では増幅器や移相器等が格納されており、送信信号の振幅、位相が所望の励振開口分布となるように調整される。調整された送信信号は給電線４に伝わり、各パッチアンテナ１０が励振されて電磁波として空間に放射される。この放射の際、前述の励振開口分布に従った空間合成が生じ、所望の放射特性を持つ電磁波が形成される。

次に、本実施の形態１によるアレーアンテナ装置のＲＣＳ値について説明する。図２は実施の形態１によるパッチアンテナアレーの反射波成分を示す模式図である。図２において、符号１１は負荷、符号２１はアンテナへの入射波、符号２２はアレーアンテナ部からの反射波成分、符号２３はフレームからの反射波成分を表わす。説明を簡略化するために、パッチアンテナアレーは送受信状態を模擬して、各パッチアンテナ１０の端部に、そこからモジュール部側をみたインピーダンスに相当する負荷１１が接続されている状態とする。

パッチアンテナアレー全体のＲＣＳは、パッチアンテナ１０が複数配置されたアレーアンテナ部、及びアレーアンテナ部の周囲に位置するフレーム５からの反射波成分の重ね合わせとして形成される。

このアレーアンテナ部でのＲＣＳ値は、アンテナ開口面で反射する成分と、一度パッチアンテナ１０で受信された電磁波がアンテナ後段で反射して再放射する成分との、重ね合わせで形作られ、その合成成分はアンテナ開口面からの反射波成分２２として捉えることができる。また、この場合、再放射する成分はその再放射の前にアンテナ内部損失により低減され、アンテナ開口面で反射する成分との位相関係によっては打ち消しが生じて、反射波成分２２は入射波２１よりも振幅は小さいと考える（図では矢印を細く表記）。また、誘電体基板２の厚さはマイクロ波帯では波長より十分に短く、アンテナ開口面は地板１の位置と同じと考えても差し支えない。

ここで、フレーム５は、地板１に対して距離がｈの段差を含めて構成されている。従って、フレーム５からの反射波成分２３は、アンテナ開口面に対して段差ｈの２倍に相当する位相遅れｐを伴って反射する。例えば、アレーアンテナ装置の使用周波数（パッチ放射導体３から放射される電波の中心周波数）での波長がλのとき、ｐ＝（２π／λ）・２ｈ［ｒａｄ］の位相遅れとなる。この距離ｈがλ／４の奇数倍の場合、アンテナ開口面からの反射波成分２２に対して相対的に位相遅れｐがλ／２の奇数倍となって、反射波成分２２と反射波成分２３とは逆相の関係となるため、その両者は相殺され、パッチアンテナアレー全体のＲＣＳは低減される。反射波成分２２と反射波成分２３の両者の反射量が仮に等しい場合には、理想的はＲＣＳが０ということになる。

上記フレーム５が設けられていない場合、従来のパッチアンテナアレーでもＲＣＳを小さくすることができる。しかしながら前述したように、アンテナ後段のモジュール部の筐体や固定部材等が、通常、最外周のパッチ放射導体の配置位置よりも周囲に広がるため、フレーム部は必然的に存在する。本実施の形態１では、このフレーム５からの反射波成分を逆手に取り有効に利用して、ＲＣＳを低減することができる。

図３は、実施の形態１によるパッチアンテナアレーのＲＣＳ値の一例を示す図である。図３（ａ）はフレームなしのＲＣＳ値を基準（０ｄＢ）とした場合の段差ｈに対するＲＣＳ値の変動、同じく（ｂ）は段差ｈ＝０でのＲＣＳ値を基準（０ｄＢ）とした場合のフレームの大きさに対するＲＣＳ値の変動である。図３（ａ）では、フレームサイズＳ_flameは、約０．４Ｓ_array（Ｓ_array:アレーアンテナ部の開口面積）とする。段差ｈが０．２５λ（λ：使用周波数の自由空間波長）のときに大きくＲＣＳ値が低減されている。段差の距離ｈの設定によっては、フレームなしよりも大きくなるので注意を要する。一方、図３（ｂ）の例では、ｈ＝０．２５λのときに、Ｓ_flame＝０．４Ｓ_arrayで大きくＲＣＳ低減が図れている。以上より、本例でのＲＣＳ低減条件の最適解は段差ｈ＝０．２５λ、フレームサイズＳ_flame＝０．４Ｓ_arrayとなる。このように、段差ありフレームを設けることによって、フレームなし状態（アレーアンテナ部のみ）よりもＲＣＳを大幅に低減できる。

また、アンテナ開口面の設置制限がある場合であっても、段差を有したフレーム５とすることで、アンテナ開口面積を可能な限り大きく取って、低ＲＣＳ値でありながら、探知距離性能も確保できる。図４は、実施の形態１によるレドーム内部に設置したパッチアンテナアレーの構成を示す図であり、（ａ）は一つの段差を有するパッチアンテナアレーを示し、（ｂ）は複数の段差を有するパッチアンテナアレーを示す。

図４（ａ）は、航空機等の機首に設けられたレドーム３１内に、パッチアンテナアレーを搭載した例を示している。レドーム３１は、先端から遠ざかる程、実装可能な断面積が拡がる。このため、アンテナ開口面から段差ｈを有して、レドーム３１の先端から遠ざかる位置にフレーム５を設置することで、断面積の広がりの分だけフレーム５の実装空間を確保することが可能となる。このように、半楕円体のようなレドーム３１では、アンテナ開口面積の確保と段差を有したフレーム５の設置を同時に実現することができるため、構造面で設置空間を稼げるという利点がある。

また、図４（ｂ）は、航空機等の機首に設けられたレドーム３１内に、階段状の複数段差を有するフレーム４１を設けたパッチアンテナアレーの搭載例を示している。この複数段差により、フレーム４１からの反射波成分の振幅及び位相設定の自由度が増えるので、広帯域に亘ってＲＣＳを低減できる可能性がある。また、レドーム３１の形状により細かく整合した段差も実現できるので、構造的にもより設置空間を稼げる点で有用である。

前述の内容では、段差を有したフレームをアンテナ開口面の後段側に設置した構造としているが、場合によっては段差近傍の素子アンテナ（パッチアンテナ１０）の特性が劣化しない範囲で、アンテナ開口面の前方側に段差を設けてもよい。

また、アレーアンテナ装置として、パッチアンテナアレーを例に取り上げて説明してきたが、アンテナ方式としてはパッチアンテナ１０に限らず、パッチ放射導体３の代わりに、ダイポールアンテナ、スロットアンテナ等、他方式の素子アンテナを用いて構成したアレーアンテナ装置を適用しても差し支えない。

なお、パッチアンテナ１０が複数配置されたアレーアンテナ部において、その素子アンテナ間に段差を設けて、ＲＣＳ位相の異なるアンテナ開口面を２種類に分け、双方で反射波成分を相殺するという方法もある。しかしながらこの方法の場合、アレーアンテナ部の段差が生じたことによるアレーアンテナ特性への影響を、各アンテナ素子に装荷されている移相器にて補正する必要が生じる。言い換えれば、このアレーアンテナには必ず移相器が必要ということになり、モジュール部の設計が複雑化する。また、アレーアンテナ部分に段差を設けるため、給電回路を設ける際にこの段差を踏まえた回路配置が必要となり、給電回路構造のレイアウトが自ずと制限される。さらに段差によって、その近傍のパッチアンテナの特性が劣化し、アレーアンテナ部内の素子アンテナとしての特性にばらつきを含み、このばらつきによりアレーアンテナ特性が劣化することもある。これに対して本実施の形態１のパッチアンテナアレーでは、アレーアンテナ部とフレーム５の間に段差を設けているので、移相器による反射成分の補正が不要となる。加えて、アンテナ平面に段差を設ける必要がないので、アレーアンテナ部分の回路レイアウトを制約することもない点で優れている。

以上説明した通り、実施の形態１によるアレーアンテナ装置は、複数の素子アンテナと、上記それぞれの素子アンテナから離れて配置された地板１と、上記地板１から段差を有して、当該地板１の外周より外側に突出して配置された構造部材としての導電性の突出部（フレーム５）と、を備えたことを特徴とする。上記各素子アンテナは誘電体基板２の表面に配置されたパッチ放射導体３から形成され、上記地板１は当該誘電体基板２の裏面に配置されて形成される。また、この段差は１／４波長の奇数倍の高さに設定すると良い。さらに、前記段差を階段状に複数段形成しても良い。

かくして、地板１を有したアレーアンテナにおいて、複数の素子アンテナの配列されたアレーアンテナ部の領域と、素子アンテナの配列されていない地板の外周部分とに区分けし、外周部分をアレーアンテナ部の領域に対して所望距離だけずらして段差を設ける。また、アレーアンテナ部のアンテナ開口面から伸長した地板部分に所望距離の段差を設けてフレーム５を構成することにより、アレーアンテナ部からの反射波成分とフレーム５からの反射波成分との相対位相量を、逆相の関係にして相殺することで、ＲＣＳを低減することができる。また、レドーム内部構造によるアンテナ開口面の設置制限がある場合にも、アンテナ開口面積及び利得の確保と段差を有したフレーム設置とを、同時に実現できるという点で、構造上の利点がある。

このように本実施の形態１によるアレーアンテナ装置は、レーダ用アレーアンテナ装置として構造上必要となるアンテナ開口面上での地板周囲のフレーム部からの反射波成分を利用して、アレーアンテナ装置全体のレーダ反射断面積を低減することができる。また、搭載機種への設置制限に適した構造のフレーム形状とすることができる。このアレーアンテナ装置は、例えば航空機搭載レーダ用アレーアンテナとして、機軸方向での低ＲＣＳ化及び探知距離に応じた所望利得を実現した高機能アンテナを得ることが可能となる。

１地板、２誘電体基板、３パッチ放射導体、４給電機構、５フレーム、６モジュール部、７給電回路部、１０パッチアンテナ、３１レドーム、４１フレーム。

Claims

複数の素子アンテナと、
上記それぞれの素子アンテナから離れて配置された地板と、
上記地板から段差を有して、当該地板の外周より外側に突出して配置された導電性の突出部と、
を備え、
前記導電性の突出部は、上記素子アンテナから上記地板に向かう方向に、上記地板から、複数の素子アンテナの使用周波数における波長における１／４波長の奇数倍の距離を有し、上記段差を形成するアレーアンテナ装置。
前記段差を階段状に複数段形成した請求項１に記載のアレーアンテナ装置。
上記各素子アンテナは誘電体基板の表面に配置されたパッチ放射導体から形成され、上記地板は当該誘電体基板の裏面に配置された請求項１に記載のアレーアンテナ装置。