(57)【要約】【課題】  受信感度の良好なアレイアンテナ装置を提供する。【解決手段】  アレイアンテナ装置１の送信アンテナＥ１〜Ｅｎとして直線偏波アンテナを使用し、受信アンテナＦ１〜Ｆｎ＋１として円偏波アンテナを使用する。また、送信アンテナＥ１〜Ｅｎと受信アンテナＦ１〜Ｆｎ＋１を交互に配列する。【選択図】      図１
2006067296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の送信アンテナと複数の受信アンテナとを略直線上に配列したアレイアンテナ装置において、
前記複数の送信アンテナと前記複数の受信アンテナは、一方に直線偏波アンテナを使用し、他方に円偏波アンテナを使用して構成されることを特徴とするアレイアンテナ装置。
【請求項２】
前記複数の送信アンテナと前記複数の受信アンテナは交互に配列されることを特徴とする請求項１に記載のアレイアンテナ装置。
【請求項３】
前記直線偏波アンテナは、円偏波アンテナに偏波変換用スクリーンを装着したものであることを特徴とする請求項１に記載のアレイアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中レーダ等に使用される、複数の送信アンテナと複数の受信アンテナとを略直線上に配列したアレイアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、地中レーダ等において複数の送信アンテナと複数の受信アンテナを略直線上に配列してアレイアンテナを構成する場合、送信アンテナと受信アンテナは同一の偏波のアンテナを使用していた。
【０００３】
図１５は直線偏波アンテナを使用して構成したアレイアンテナ装置を示すものである。直線偏波アンテナではダイポールアンテナを基本形として、広帯域化した抵抗装荷三角アンテナ（ボウタイアンテナ）やビバルディアンテナ（Ｖｉｖａｌｄｉ Ａｎｔｅｎｎａ）を略直線上に配列してアレイアンテナを構成していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、図１６は円偏波アンテナを使用して構成したアレイアンテナ装置を示すものである。円偏波（一般には楕円偏波）アンテナの例では、スパイラルアンテナを略直線上に配列してアレイアンテナを構成していた（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平６−２６０８３５号公報
【特許文献２】特開２０００−２９９６０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１５に示すように直線偏波アンテナのみを略直線上に配列してアレイアンテナを構成する場合、直線偏波アンテナの構造上、送信アンテナＡ１〜Ａｎから放射された電波は直達波となって受信アンテナＢ１〜Ｂｎ＋１で直接受信され、利得の大きい受信機では飽和するという問題があった。
【０００６】
そこで、送信アンテナＡ１〜Ａｎと受信アンテナＢ１〜Ｂｎ＋１を例えば６０°傾けて配置すると直達波の影響を軽減することができるが、受信機が飽和するという問題を解決するほどには直達波の影響を軽減することができず、また、物標からの反射レベルも低下してしまうという不都合があった。
【０００７】
一方、図１６に示すように円偏波アンテナのみを略直線上に配列してアレイアンテナを構成する場合、送信アンテナＣ１〜Ｃｎと受信アンテナＤ１〜Ｄｎ＋１で互いに逆回転の円偏波アンテナを使用すれば直達波の影響は軽減できる。
【０００８】
ところで、アレイアンテナでは、例えば水平方向の分解能を向上するために合成開口処理などを行うが、このときは送信アンテナと受信アンテナの全ての組み合せにおいて受信される受信信号波形は同一波形でなければならない。
【０００９】
しかし、送信アンテナと受信アンテナで互いに逆回転の偏波方向を有する円偏波アンテナを使用すると、送信アンテナの左右両側に配置した受信アンテナによる受信波形が異なってしまうので、合成後の波形に歪みや相殺による減少が発生し、アレイアンテナ装置の受信感度が低下するという問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、送信アンテナから受信アンテナへの直達波の影響を抑制し、全ての送信アンテナと受信アンテナの組み合せにおいて受信される受信信号波形を同一波形として、受信感度の良好なアレイアンテナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のアレイアンテナ装置は、複数の送信アンテナと複数の受信アンテナとを略直線上に配列したアレイアンテナ装置において、前記複数の送信アンテナと前記複数の受信アンテナは、一方に直線偏波アンテナを使用し、他方に円偏波アンテナを使用して構成されることを特徴とする。
【００１２】
また本発明のアレイアンテナ装置は、前記複数の送信アンテナと前記複数の受信アンテナは交互に配列されることを特徴とする。
【００１３】
また本発明のアレイアンテナ装置は、前記直線偏波アンテナは、円偏波アンテナに偏波変換用スクリーンを装着したものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のアレイアンテナ装置は、送信アンテナと受信アンテナの一方に直線偏波アンテナを使用し、他方に円偏波アンテナを使用して構成するので、送信アンテナから受信アンテナへの直達波の影響を軽減することができ、受信機が飽和するということがなく、また、物標からの反射レベルの低下を抑制できる。
【００１５】
また、全ての送信アンテナと受信アンテナの組み合せにおいて受信される受信信号波形を同一波形とすることができ、水平方向の分解能を向上するために合成開口処理を行うことができる。
【００１６】
この結果、アレイアンテナ装置の受信感度を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下本発明のアレイアンテナ装置の一実施例を、図面を参照して説明する。
【００１８】
[第一実施例]
図１は本発明のアレイアンテナ装置の第一実施例の構成を示したものである。なお、図１において、紙面の表から裏に向かう方向が地表方向である。
【００１９】
本実施例のアレイアンテナ装置１は、ｎ個の送信アンテナＥ１〜Ｅｎとｎ＋１個の受信アンテナＦ１〜Ｆｎ＋１をそれぞれ略直線上に配列し、送信アンテナＥ１〜Ｅｎと受信アンテナＦ１〜Ｆｎ＋１を交互に配列して構成される。送信アンテナＥ１〜Ｅｎとしてはビバルディアンテナなどの直線偏波アンテナを使用し、受信アンテナＦ１〜Ｆｎ＋１としてはスパイラルアンテナなどの円偏波アンテナを使用する。
【００２０】
そして、送信アンテナＥ１〜Ｅｎは、地中レーダ２からの送信信号を受け送信アンテナに供給する送信スイッチ３のそれぞれの出力ポートに接続され、受信アンテナＦ１〜Ｆｎ＋１は、送信アンテナＥ１〜Ｅｎから送信された送信信号が物標等で反射された信号を受け地中レーダ２に供給するための受信スイッチ４のそれぞれの入力ポートに接続される。
【００２１】
地中レーダ２は、送信信号を送信スイッチ３に供給し、送信アンテナＥ１〜Ｅｎから送信された送信信号が物標等で反射された信号を受信信号として受信スイッチ４から受け、この受信信号に基づいて物標の有無を判定する。
【００２２】
また、地中レーダ２は、スイッチ制御回路５に同期信号を供給し、送信スイッチ３及び受信スイッチ４はスイッチ制御回路５から出力されるクロック信号により制御される。
【００２３】
送信スイッチ３は、スイッチ制御回路５からのクロック信号に応じて順次に一つの出力ポートを開くためのゲート信号をオンし、地中レーダ２から供給された送信信号を送信アンテナＥ１〜Ｅｎのうちの一つから順次に送信させる。
【００２４】
一方、送信信号が物標等で反射された信号を受信アンテナＦ１〜Ｆｎ＋１により受信しており、受信スイッチ４は、スイッチ制御回路５からのクロック信号に応じて順次に二つの入力ポートを開くためのゲート信号をオンして地中レーダ２へ受信信号を出力する。
【００２５】
ここで、本実施例のアレイアンテナ装置１を使用した地中の探査方法を説明する。
【００２６】
図２に示すように、ｎ個の送信アンテナＥ１〜Ｅｎとｎ＋１個の受信アンテナＦ１〜Ｆｎ＋１をそれぞれ略直線上に、送信アンテナＥ１〜Ｅｎと受信アンテナＦ１〜Ｆｎ＋１を交互に配列したアレイアンテナ装置１をｙ軸方向に移動させながら地表面を走査させる。ここで、図３に示すように走査対象エリアをｘ軸方向にｎ分割、ｙ軸方向にｍ分割し、分割された各領域を（１，１），・・・，（ｎ，ｍ）のように表す。
【００２７】
領域（１，１）を探査する場合、地中レーダ２はスイッチ制御回路５に同期信号を供給し、送信スイッチ３に送信信号を供給する。そして、スイッチ制御回路５は送信スイッチ３及び受信スイッチ４にクロック信号を一つ出力する。クロック信号が入力された送信スイッチ３及び受信スイッチ４は、それぞれのポートを開くためのゲート信号ＴＸ１，ＲＸ１，ＲＸ２をオンし、そのタイミングで送信アンテナＥ１から送信信号を送信させ、物標等による反射信号をそれぞれ受信アンテナＦ１，Ｆ２に受信させ、受信信号を地中レーダ２に供給させる。
【００２８】
次に、領域（２，１）を探査するため、スイッチ制御回路５は送信スイッチ３及び受信スイッチ４にクロック信号を一つ出力する。クロック信号が入力された送信スイッチ３及び受信スイッチ４は、それぞれのポートを開くためのゲート信号ＴＸ２，ＲＸ２，ＲＸ３をオンし、そのタイミングで送信アンテナＥ２から送信信号を送信させ、物標等による反射信号を受信アンテナＦ２，Ｆ３に受信させ、受信信号を地中レーダ２に供給させる。
【００２９】
その後同様にして領域（ｎ，１）までを探査する。図４は領域（１，１）から（ｎ，１）まで探査する際にそれぞれのポートを開くためのゲート信号ＴＸ１〜ＴＸｎとＲＸ１〜ＲＸ（ｎ＋１）との関係を示すタイミングチャートである。それぞれのゲート信号ＴＸ１〜ＴＸｎがオンされたタイミングで送信アンテナＥ１〜Ｅｎから送信された送信信号は、物標等により反射され、それぞれ両隣の受信アンテナで受信されて受信スイッチ４のポートに入力され、ゲート信号ＲＸ１〜ＲＸ（ｎ＋１）がオンされたタイミングで地中レーダ２へ受信信号が出力される。
【００３０】
以後同様にして領域（１，２）から（ｎ，ｍ）までを探査する。そして、地中レーダ２は受信スイッチ４から供給される受信信号を処理して物標６の有無を判定する。
【００３１】
図５は、物標が存在する場合の受信信号の振幅のエンベロープの大きさを示す図である。図５（ａ）に示すように、走査対象エリア内に物標６が存在するときは、その領域における受信信号の振幅のエンベロープが大きくあらわれるため、所定の基準値と比較して物標６の有無を判定できる。
【００３２】
本実施例のアレイアンテナ装置１は、送信アンテナＥ１〜Ｅｎとして直線偏波アンテナを使用し、受信アンテナＦ１〜Ｆｎ＋１として円偏波アンテナを使用したので、送信アンテナＥ１〜Ｅｎから受信アンテナＦ１〜Ｆｎ＋１への直達波の影響を軽減することができるため、受信機が飽和するということがなく、物標からの反射レベルの低下を抑制でき、また、送信アンテナの両側にある受信アンテナによる受信信号が同一波形になり、水平方向の分解能を向上するために合成開口処理を行うことができる。この結果、アレイアンテナ装置の受信感度を向上することができる。
【００３３】
図６は本実施例の効果を示すものである。図６（ａ）は直線偏波のビバルディアンテナの右側に例えば右回転の円偏波のスパイラルアンテナを配置したときの受信波形であり、図６（ｂ）は逆に左回転の円偏波のスパイラルアンテナを左側に配置したときの受信波形を示す。極性は反転するがほぼ同一の波形が受信されている。
【００３４】
比較のために図７に円偏波のスパイラルアンテナだけで送受信したときの受信波形を示す。図７（ａ），（ｂ）は右回転の送信アンテナに対してそれぞれ右側と左側に左回転の受信アンテナを配置したときの受信波形であるが、両者の波形が異なってしまっている。
【００３５】
なお、通常は図８に示すように、直達波の影響を軽減する目的で直線偏波アンテナＡと円偏波アンテナＢの間には電波吸収体７を挿入する。
【００３６】
また、本実施例は図８のように一対の直線偏波アンテナＡと円偏波アンテナＢ  で組み合せた構成を基本単位として含むものである。
【００３７】
また、直線偏波アンテナに向きがある場合には受信波形が同一となるようにするため左右にある円偏波の回転方向を互いに反転させる。例えば図１に示すように直線偏波アンテナを交互に反対向きに配置し、円偏波アンテナの回転方向は直線偏波アンテナに対して左右が逆回転になるように配置すれば、受信波形の極性が一致し受信波形は同一になる。
【００３８】
なお、図１における送信アンテナＥ１〜Ｅｎを横向きに配置して図９に示すように構成しても同様の効果が得られる。
【００３９】
[第二実施例]
図１０は本発明のアレイアンテナ装置の第二実施例の構成を示したものである。なお、図１０において、紙面の表から裏に向かう方向が地表方向であり、図１に示した第一実施例の構成と同一構成には同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００４０】
本実施例のアレイアンテナ装置８は、略直線上に１列に配置したｎ個の送信アンテナＥ１〜Ｅｎを、略直線上に２列に配置した２（ｎ＋１）個の受信アンテナＧ１１〜Ｇ（ｎ＋１）２の中間に配置して送信アンテナＥ１〜Ｅｎと受信アンテナＧ１１〜Ｇ（ｎ＋１）２を２次元配列したアレイアンテナを構成する。送信アンテナＥ１〜Ｅｎとしてはビバルディアンテナなどの直線偏波アンテナを使用し、受信アンテナＧ１１〜Ｇ（ｎ＋１）２としてはスパイラルアンテナなどの円偏波アンテナを使用する。その他の構成は実施例１と同様である。
【００４１】
本実施例のアレイアンテナ装置８を使用した地中の探査方法は実施例１と同様であるが、送信アンテナから送信された送信信号の反射信号は両隣の４つの受信アンテナで受信される。
【００４２】
本実施例によれば、略直線上に１列に配置したｎ個の送信アンテナＥ１〜Ｅｎを、略直線上に２列に配置した２（ｎ＋１）個の受信アンテナＧ１１〜Ｇ（ｎ＋１）２の中間に配置して構成したので、反射信号をより確実に受信することができ、物標の有無を確実に判定できる。また、第１実施例と同様の効果も得られる。
【００４３】
[第三実施例]
図１１は本発明のアレイアンテナ装置の第三実施例の構成を示したものである。なお、図１１において、紙面の表から裏に向かう方向が地表方向であり、図１に示した第一実施例の構成と同一構成には同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００４４】
本実施例のアレイアンテナ装置９は送信アンテナとして円偏波のスパイラルアンテナａ１〜ａｎに、円偏波の放射磁界を直線偏波に変換する偏波変換用スクリーンａを装着したものを使用したもので、その他の構成は実施例１と同様である。
【００４５】
ここで、偏波変換用スクリーンａの構成を図１２（ａ）を参照して説明する。
【００４６】
偏波変換用スクリーンａは、間隔ｄｋ（ｋ＝１，２，・・・，Ｎ）で平行に配列した複数の金属ワイヤＷ１〜ＷＮ＋１と、金属ワイヤＷ１〜ＷＮ＋１それぞれの一端を固定する板状の支持板１１と、他端を固定する板状の支持板１２とからなる。
【００４７】
金属ワイヤＷ１〜ＷＮ＋１の長さl１はスパイラルアンテナａ１〜ａｎの直径程度である。また、金属ワイヤＷ１〜ＷＮ＋１の間隔ｄｋは、電波の波長をλとするとλ/２以下であれば等間隔または不等間隔のどちらでもよく、本数は横幅l２がスパイラルアンテナａ１〜ａｎの直径以上になるように配列するのが望ましい。また、支持板１１，１２の材質は金属または非金属のどちらでもよい。そして、偏波変換用スクリーンａは図１２（ｂ）に示すように、スパイラルアンテナａ１〜ａｎの前面に装着する。
【００４８】
本実施例によれば、送信アンテナとして円偏波のスパイラルアンテナａ１〜ａｎに偏波変換用スクリーンａを装着したものを使用したので、送信アンテナから放射される電波の磁界の円偏波成分が除去されて直線偏波となり、実施例１と同様の効果が得られる。また、スパイラルアンテナの持つ広帯域性と高利得の特性はそのまま引き継ぐ効果がある。
【００４９】
以下本実施例の効果を示す実験例を、図１２乃至図１４を参照して説明する。
【００５０】
[実験例１]
図１３は本実験例に用いたアンテナ装置１３を示す構成図である。送信アンテナとして左回りスパイラルアンテナ１４を用い、受信アンテナとして右回りスパイラルアンテナ１５を用いて向かい合わせて配置し、偏波変換用スクリーンａを左回りスパイラルアンテナの前面から５ｍｍ離して面と平行に設置した。
【００５１】
左回りスパイラルアンテナ１４及び右回りスパイラルアンテナ１５として直径９ｃｍのスパイラルアンテナを使用した。また、偏波変換用スクリーンａは、線径１．５ｍｍの金属ワイヤを用い、間隔ｄ１＝ｄ２＝・・・＝ｄ１２＝７．５ｍｍ，Ｎ＝１２，l１＝１０ｃｍ，l２＝１０２ｍｍとし、支持板１１，１２はプラスチック板で構成した。
【００５２】
図１４（ａ）はアンテナ装置１３で伝送特性を測定した結果を示すグラフであり、  図１４（ｂ）は偏波変換用スクリーンａを除いたときの伝送特性を測定した結果を示すグラフである。
【００５３】
偏波変換用スクリーンａを除いたとき、送信側と受信側の円偏波回転方向が互いに逆回転であるから図１４（ｂ）に示すように信号伝送量は小さい。しかし、本発明の偏波変換用スクリーンを装着したときの  図１４（ａ）に示す伝送特性では周波数特性が平坦に改善され、さらに利得も平均１０ｄＢｍ向上するという効果がある。
【００５４】
なお、第一及び第二実施例では送信アンテナとして直線偏波アンテナを使用し、受信アンテナとして円偏波アンテナを使用して構成したが、送信アンテナとして円偏波アンテナを使用し、受信アンテナとして直線偏波アンテナを使用して構成しても同様の効果が得られる。
【００５５】
また、第三実施例では偏波変換用スクリーンを送信用スパイラルアンテナの前面に装着して構成したが、偏波変換用スクリーンは受信用スパイラルアンテナの前面に装着して用いても効果は同じであり、また送信側と受信側の両方のスパイラルアンテナに装着しても同じ効果が得られる。
【００５６】
また、第一乃至第三実施例では地中レーダに用いるアレイアンテナ装置で説明したが、電波を利用するレーダにおいてアレイアンテナを構成する場合であれば地中レーダ以外にも本発明は有効である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明のアレイアンテナ装置の第一実施例を示す構成図である。
【図２】図１に示したアレイアンテナ装置での地表面走査の概略を説明する図である。
【図３】図２に示した走査対象エリアの各領域を示す図である。
【図４】送信スイッチのポートを開くためのゲート信号と受信スイッチのポートを開くためのゲート信号との関係を示すタイミングチャートである。
【図５】物標が存在する場合の受信信号の振幅の大きさを示す図である
【図６】送信アンテナとして直線偏波のビバルディアンテナを使用し、受信アンテナとして円偏波のスパイラルアンテナを使用したときの受信波形を示すグラフである。
【図７】円偏波のスパイラルアンテナだけで送受信したときの受信波形を示すグラフである。
【図８】電波吸収体の挿入を説明する図である。
【図９】図１に示したアレイアンテナ装置において送信アンテナを横向きに配置して構成したものを示す構成図である。
【図１０】本発明のアレイアンテナ装置の第二実施例を示す構成図である。
【図１１】本発明のアレイアンテナ装置の第三実施例を示す構成図である。
【図１２】図１０に示したアレイアンテナ装置の偏波変換用スクリーンを示す構成図である。
【図１３】実験例１に使用したアンテナ装置を示す構成図である。
【図１４】図１２に示したアンテナ装置で伝送特性を測定した結果を示すグラフである。
【図１５】直線偏波のアンテナを使用して構成した従来のアレイアンテナ装置を示す構成図である。
【図１６】円偏波のアンテナを使用して構成した従来のアレイアンテナ装置を示す構成図である。
【符号の説明】
【００５８】
１，８，９  アレイアンテナ装置
２  地中レーダ
３  送信スイッチ
４  受信スイッチ
５  スイッチ制御回路
６  物標
７  電波吸収体
１１，１２  支持板
１３  アンテナ装置
１４  左回りスパイラルアンテナ
１５  右回りスパイラルアンテナ
Ａ１〜Ａｎ，Ｃ１〜Ｃｎ，Ｅ１〜Ｅｎ，ａ１〜ａｎ  送信アンテナ
Ｂ１〜Ｂｎ＋１，Ｄ１〜Ｄｎ＋１，Ｆ１〜Ｆｎ＋１，Ｇ１１〜Ｇ（ｎ＋１）２  受信アンテナ
Ｗ１〜ＷＮ＋１  金属ワイヤ
ａ１〜ａｎ  スパイラルアンテナ
ａ  偏波変換用スクリーン
【図１】
2006067296.tif 000003
【図２】
2006067296.tif 000004
【図３】
2006067296.tif 000005
【図４】
2006067296.tif 000006
【図５】
2006067296.tif 000007
【図６】
2006067296.tif 000008
【図７】
2006067296.tif 000009
【図８】
2006067296.tif 000010
【図９】
2006067296.tif 000011
【図１０】
2006067296.tif 000012
【図１１】
2006067296.tif 000013
【図１２】
2006067296.tif 000014
【図１３】
2006067296.tif 000015
【図１４】
2006067296.tif 000016
【図１５】
2006067296.tif 000017
【図１６】
2006067296.tif 000018