(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナ装置と、当該アンテナ装置を内部に格納して運用環境から保護しつつ通信に必要な電力を透過するレドームとを備えたレドーム装置において、
前記レドームの内面に単層の誘電体から構成される整合層を取り付け、
前記整合層の厚さを、前記レドームの整合層取り付け前の前記レドームを前記整合層との界面から見込んだインピーダンス、前記整合層の媒質の特性インピーダンス、前記整合層中での波長、前記レドームの置かれた空間の媒質の特性インピーダンスに基づいて反射を最小にする値に設定し、
前記レドームの整合層取り付け前の前記レドームを前記整合層との界面から見込んだインピーダンスをＺｒ、前記整合層の媒質の特性インピーダンスをＺｍ、前記整合層中での波長をλ、前記レドームの置かれた空間の媒質の特性インピーダンスをＺ０とし、Ｚｍ＜Ｚ０の関係があるとき、前記整合層の厚さｄｍは、
【数１】
0005474078.tif 000013
ただし、Ｉｍ［Ｚｒ］≧０の場合、０≦ｔａｎ−１Ｘ≦π
Ｉｍ［Ｚｒ］＜０の場合、π＜ｔａｎ−１Ｘ≦２π
であるレドーム装置。
【請求項２】
アンテナ装置と、当該アンテナ装置を内部に格納して運用環境から保護しつつ通信に必要な電力を透過するレドームとを備えたレドーム装置において、
前記レドームの内面に単層の誘電体から構成される整合層を取り付け、
前記整合層の厚さを、前記レドームの整合層取り付け前の前記レドームを前記整合層との界面から見込んだインピーダンス、前記整合層の媒質の特性インピーダンス、前記整合層中での波長、前記レドームの置かれた空間の媒質の特性インピーダンスに基づいて反射を最小にする値に設定し、
前記レドームの整合層取り付け前の前記レドームを前記整合層との界面から見込んだインピーダンスをＺｒ、前記整合層の媒質の特性インピーダンスをＺｍ、前記整合層中での波長をλ、前記レドームの置かれた空間の媒質の特性インピーダンスをＺ０とし、Ｚｍ＜Ｚ０の関係があるとき、前記整合層の厚さｄｍは、
【数２】
0005474078.tif 000014
ただし、ｎ：１以上の整数
であるレドーム装置。
【請求項３】
アンテナ装置と、当該アンテナ装置を内部に格納して運用環境から保護しつつ通信に必要な電力を透過するレドームとを備えたレドーム装置において、
前記レドームの内面に単層の誘電体から構成される整合層を取り付け、
前記整合層の厚さを、前記レドームの整合層取り付け前の前記レドームを前記整合層との界面から見込んだインピーダンス、前記整合層の媒質の特性インピーダンス、前記整合層中での波長、前記レドームの置かれた空間の媒質の特性インピーダンスに基づいて反射を最小にする値に設定し、
前記レドームの整合層取り付け前の前記レドームを前記整合層との界面から見込んだインピーダンスをＺｒ、前記整合層の媒質の特性インピーダンスをＺｍ、前記整合層中での波長をλ、前記レドームの置かれた空間の媒質の特性インピーダンスをＺ０とし、Ｚｍ＞Ｚ０の関係があるとき、前記整合層の厚さｄｍは、
【数３】
0005474078.tif 000015
であるレドーム装置。
【請求項４】
アンテナ装置と、当該アンテナ装置を内部に格納して運用環境から保護しつつ通信に必要な電力を透過するレドームとを備えたレドーム装置において、
前記レドームの内面に単層の誘電体から構成される整合層を取り付け、
前記整合層の厚さを、前記レドームの整合層取り付け前の前記レドームを前記整合層との界面から見込んだインピーダンス、前記整合層の媒質の特性インピーダンス、前記整合層中での波長、前記レドームの置かれた空間の媒質の特性インピーダンスに基づいて反射を最小にする値に設定し、
前記レドームの整合層取り付け前の前記レドームを前記整合層との界面から見込んだインピーダンスをＺｒ、前記整合層の媒質の特性インピーダンスをＺｍ、前記整合層中での波長をλ、前記レドームの置かれた空間の媒質の特性インピーダンスをＺ０とし、Ｚｍ＞Ｚ０の関係があるとき、前記整合層の厚さｄｍは、
【数４】
0005474078.tif 000016
ただし、ｎ：Ｉｍ［Ｚｒ］＜０の場合は０以上で、１を除く整数、
Ｉｍ［Ｚｒ］≧０の場合は２以上の整数
であるレドーム装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アンテナの保護と通信電力の透過が要求されるレドーム装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のレドーム装置として、例えば、比誘電率がレドームの比誘電率の１／２乗で、厚さが１／４波長の整合層を用いてレドームでの反射を抑圧する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、上述したのと同様にレンズでの整合層について開示されているものがある（例えば、特許文献２参照）。特許文献１では、整合層の誘電率を得るために、発泡ウレタン等にｔａｎδが小さい材料の粉末を配合することが開示されている。また、特許文献２では、レンズ表面の溝により、等価的に所望の誘電率を得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２００８９５号公報
【特許文献２】特開平１１−３５５０３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のレドーム装置において、整合層は、レドームでの反射を抑圧するため、レドーム自体の比誘電率の１／２乗の誘電率の材料を用いる必要がある。そのため、所望の比誘電率を得るために、発泡材料で発泡率を変えたり、別の材料を混合したり、孔または溝を設けていた。重量、機械的強度、製造性、コスト等の観点から、整合層に使える材料が限定されることが考えられ、所望の誘電率の材料が得られない場合がある。【０００５】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、整合層の材料が決まっている場合に、整合層の厚さを変えて、レドームでの反射を最小にすることができるレドーム装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るレドーム装置は、アンテナ装置と、当該アンテナ装置を内部に格納して運用環境から保護しつつ通信に必要な電力を透過するレドームとを備えたレドーム装置において、前記レドームの内面に単層の誘電体から構成される整合層を取り付け、前記整合層の厚さを、前記レドームの整合層取り付け前の前記レドームを前記整合層との界面から見込んだインピーダンス、前記整合層の媒質の特性インピーダンス、前記整合層中での波長、前記レドームの置かれた空間の媒質の特性インピーダンスに基づいて反射を最小にする値に設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、整合層に使える材料が限定されていて、整合層の誘電率が決められている場合でも、整合層の厚さを、レドームの整合層取り付け前の前記レドームを前記整合層との界面から見込んだインピーダンス、整合層の媒質の特性インピーダンス、整合層中での波長、レドームの置かれた空間の媒質の特性インピーダンスに基づいて最適な値に設定することで、レドームでの反射を最小とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１に係るレドーム装置の構成図である。
【図２】図１に示すレドームの一部を取り出した図である。
【図３】この発明の実施の形態２及び３に係るもので、図２に示すレドームの等価回路を示す図である。
【図４】レドームのインピーダンスの関係を示すスミスチャートである。
【図５】この発明の実施の形態４及び５に係るもので、媒質中にあるレドームを示す図である。
【図６】図５に対応するスミスチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るレドーム装置の構成図である。また、図２は、レドームの一部を取り出した図で、誘電体の平板で垂直入射に対する整合を考える。図１及び図２に示すように、レドーム装置は、アンテナ装置１と、アンテナ装置１を内部に格納して運用環境から保護しつつ通信に必要な電力を透過するレドーム２とを備え、レドーム２の内面に単層の誘電体から構成される整合層４が貼付されている。なお、図１及び図２において、３は電波の進行方向を示す。
【００１０】
レドーム２に整合層４を貼付することで、反射特性が改善される。レドーム２の比誘電率をεrとするとき、厚さがλ／４で比誘電率がεm＝√εrの整合層４を設ければ、レドーム２での反射が抑圧される。指定した誘電率の材料を得るためには、発泡材料で発泡率を変えたり、異なる材料を混合したり、誘電体に孔をあけて等価的に誘電率を調整したりする。この発明では、整合層４に使える材料が限定されていて、整合層４の誘電率εmが決められている場合でも、整合層４の厚さを、レドーム２の整合層４貼付前の貼付面から見込んだインピーダンス、整合層４の媒質の特性インピーダンス、整合層４中での波長、レドーム２の置かれた空間の媒質の特性インピーダンスに基づいて最適な値に設定することで、レドーム２での反射を最小とすることができる。
【００１１】
実施の形態２．
図３は、図２に示すレドーム２の等価回路を示す図である。ここで、整合層４貼付前のレドーム２を整合層４との界面から見込んだインピーダンスをＺr、整合層４の媒質の特性インピーダンスをＺmとする。電波の入射する空間の媒質のインピーダンスは、レドーム２が空気中にある場合を想定すると、自由空間の波動インピーダンスＺ0と考えることができ、
【００１２】
【数１】
0005474078.tif 000002
【００１３】
となる。ここで、μ0は自由空間の透磁率、ε0は自由空間の透磁率である。整合層４が損失のない単層の誘電体でなり、比誘電率をεmとすると、整合層４のインピーダンスＺmは、
【００１４】
【数２】
0005474078.tif 000003
【００１５】
となる。
【００１６】
ここで、整合層４の比誘電率εm、すなわち整合層４の特性インピーダンスＺmを与えられたとき、反射が最小となる整合層４の厚さｄmを考える。レドーム２のインピーダンスの関係を図４のスミスチャートに示す。図４では整合層４の特性インピーダンスＺmで規格化して示してあり、中心がＺmである。整合層４貼付前のレドーム２のインピーダンスＺrは、レドーム外壁での反射の影響、レドーム損などを含むため、一般的には複素数となる。ここで、Ｚrの実部ＺrR及び虚部ＺrIを、
【００１７】
【数３】
0005474078.tif 000004
【数４】
0005474078.tif 000005
【００１８】
とする。レドーム２のインピーダンスＺrを図４のスミスチャート上にプロットする。
【００１９】
図３の等価回路のＢ点での反射は、整合層４を厚くしていくと、図４で中心がＺmでＡ点から終端方向をみた反射係数Γを半径とする円上を左回りに動く。この図４のスミスチャート上で空気の特性インピーダンスＺ0に最も近い点となる厚さｄmのとき、Ｂ点からみた反射が最小となる。
【００２０】
空気の特性インピーダンスＺ0は実数であり、一般に誘電体の比誘電率εmは1よりも大きいため、Ｚm＜Ｚ0となり、図４のスミスチャート上でＺ0は実軸上で中心よりも高インピーダンス側（右側）にプロットされる。
【００２１】
円と実軸の正側の交点で反射が最小となる。その際、Ｚr、Ｚm、Ｚ0の大小関係により、Ｚ0が円の外側にプロットされる場合と、内側にプロットされる場合がある。Ｚ0が円と実軸の交点にプロットされる場合、Ｂ点からみた反射は０となる。すなわち、完全整合となる。
【００２２】
図３の等価回路で、Ａ点から終端をみたレドーム２の反射係数Γは、
【００２３】
【数５】
0005474078.tif 000006
【００２４】
と表され、この位相φがスミスチャート上での回転角に相当する。
式（３）は、
【００２５】
【数６】
0005474078.tif 000007
【００２６】
となり、反射位相φは、
【００２７】
【数７】
0005474078.tif 000008
【００２８】
と表される。ここで、０≦ｔａｎ-1Ｘ＜２πとする。つまり、Ｉｍ［Γ］≧０（またはＩｍ［Ｚr］≧０）のとき０≦φ≦π、Ｉｍ［Γ］＜０（またはＩｍ［Ｚr］＜０）のときπ＜φ＜２πとする。Ｉｍ［Ｚr］＝０（Ｚrが実数）の場合、式（４）から明らかなように、Ｚr＜ＺmのときΓ＜０、φ＝π、Ｚr＞ＺmのときΓ＞０、φ＝０となる。一般的に、整合層４は、元のレドーム２よりも低誘電率の材料を使うことが多く、｜Ｚr｜＜Ｚmとなることが多い。
【００２９】
スミスチャートでの１周はλ／２に相当するため、最適な整合層４の厚さｄmは、
【００３０】
【数８】
0005474078.tif 000009
【００３１】
となる。ここで、λは整合層４内での波長であり、自由空間波長をλ0とすると、λ＝λ0／√εmである。
【００３２】
なお、式（６）で厚さを決めた整合層４は、一般的にはレドーム２で無反射となる完全な整合層とはならないが、レドーム２での反射を改善できる。また、式（５）は整合層４の厚さの中心値であり、整合層４の誘電率・厚さが多少変化した場合でも反射を低減する効果がある。さらに、整合層４の取り付ける前のレドーム２自体の誘電率・厚さが変わった場合にも効果がある。整合層４の誘電率は、一般にレドーム２の誘電率よりも低く設定され、この場合は特に誘電率・厚さ・周波数の変化による影響を小さくできる。
【００３３】
実施の形態３．
スミスチャートでの１周はλ／２に相当するため、実施の形態２で示した厚さに半波長の整数倍を付加しても、同様に反射を抑圧することができる。よって、最適な整合層４の厚さｄmは、
【００３４】
【数９】
0005474078.tif 000010
【００３５】
となる。ここで、ｎは１以上の整数である。ｎ＝０の場合に式（６）と同じになる。
レドーム自体または式（６）で決まる整合層４の厚さが薄い場合に、半波長の整数倍を付加することで機械的強度を増すことができる。
【００３６】
実施の形態４．
一般に、空気中にあるレドーム２の場合、空気の誘電率ε0よりも整合層４の誘電率は大きくなるため、空気の特性インピーダンスＺ0よりも整合層４の特性インピーダンスＺmは小さくなる（Ｚm＜Ｚ0）。ただし、レドーム２が媒質中、例えば水中にある場合、Ｚ0がＺmよりも低インピーダンス側になることもある。
【００３７】
図５にレドーム２が媒質１４中にある場合の様子と、図６に対応するスミスチャートを示す。図３に相当する等価回路は、特性インピーダンスＺ0をレドーム２の置かれた媒質の特性インピーダンスＺに置き換えればよい。もちろん、媒質中にあってもＺmがより低インピーダンスの場合、図４のスミスチャートのようになる。
【００３８】
Ｚm＜Ｚ0である場合には円と実軸の正側の交点で反射が最小となるが、Ｚm＞Ｚ0である場合には円と実軸の負側の交点で反射が最小となる。なお、Ｚm＝Ｚ0である場合には、電気的に何も装荷していないのと同じであり、整合層４の厚さを変えても反射係数は変わらない。そのような整合層４により、反射特性を改善することはできない。Ｚr、Ｚm、Ｚ0の大小関係により、Ｚ0が円の外側にプロットされる場合と、内側にプロットされる場合がある。Ｚ0が円と実軸の交点にプロットされる場合、Ｂ点からみた反射は０となる。すなわち、完全整合となる。
【００３９】
図４と図６のスミスチャートでは、反射を最小とする最適点が半周分（λ／４）異なるため、最適な整合層４の厚さｄmは、
【００４０】
【数１０】
0005474078.tif 000011
【００４１】
となる。ここで、λは整合層４内での波長であり、自由空間波長をλ0とするとλ＝λ0／√εmである。
【００４２】
なお、式（８）で厚さを決めた整合層４は、一般的にはレドーム２で無反射となる完全な整合層とはならないが、レドーム２での反射を改善できる。また、式（５）は整合層４の厚さの中心値であり、整合層４の誘電率・厚さが多少変化した場合でも反射を低減する効果がある。さらに、整合層４の取り付ける前のレドーム２自体の誘電率・厚さが変わった場合にも効果がある。整合層４の誘電率は、一般にレドーム２の誘電率よりも低く設定され、この場合は特に誘電率・厚さ・周波数の変化による影響を小さくできる。
【００４３】
実施の形態５．
スミスチャートでの１周はλ／２に相当するため、実施の形態４で示した厚さに半波長の整数倍を付加しても、同様に反射を抑圧することができる。よって、最適な整合層４の厚さｄmは、
【００４４】
【数１１】
0005474078.tif 000012
【００４５】
となる。ここで、Ｉｍ［Ｚr］＜０の場合は０以上で、１を除く整数、Ｉｍ［Ｚr］≧０の場合は２以上の整数である（Ｉｍ［Ｚr］≧０の場合にｎ＝０とするとｄmが負になる）。ｎ＝１の場合に式（８）と同じになる。
【００４６】
レドーム自体または式（８）で決まる整合層４の厚さが薄い場合に、半波長の整数倍を付加することで機械的強度を増すことができる。Ｉｍ［Ｚr］＜０の場合には、実施の形態３よりも薄い整合層４とすることができる。
【符号の説明】
【００４７】
１  アンテナ装置、２  レドーム、３  電波の進行方向、４  整合層、１４  媒質。
【図１】
0005474078.tif 000017
【図２】
0005474078.tif 000018
【図３】
0005474078.tif 000019
【図４】
0005474078.tif 000020
【図５】
0005474078.tif 000021
【図６】
0005474078.tif 000022