(57)【要約】【課題】高さが低く、設計が容易なレーダアンテナを提供する。【解決手段】本発明のレーダアンテナは、自由空間での波長がλ０の電波を受信または送信の対象とする。本発明のレーダアンテナは、アレイアンテナ部、２枚の導波板、導波器を備える。アレイアンテナ部は、直線状に配列された複数のアンテナ素子を有する。２枚の導波板は、アンテナ素子の配列を挟み、電波を導波する。導波器は、アンテナ素子ごとに電波の進行方向に配列された複数の無給電アンテナで構成されている。そして、導波板のアンテナ素子の配列部分での間隔ｈｒ１が、λ０／２＜ｈｒ１＜λ０である。間隔がｈｒ１の平行な導波板に挟まれた空間での電波の波長をλｒとすると、アンテナ素子同士の間隔ｄが、０．８λ０＜ｄ＜０．８λｒである。導波器の配列の長さは、導波板の電波の進行方向の長さよりも長い。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由空間での波長がλ０の電波を受信または送信の対象とするレーダアンテナであって、
直線状に配列された複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナ部と、
前記アンテナ素子の配列を挟み、前記電波を導波する２枚の導波板と、
前記アンテナ素子ごとに前記電波の進行方向に配列された複数の無給電アンテナで構成された導波器と、
を備え、
前記導波板の前記アンテナ素子の配列部分での間隔ｈｒ１が、λ０／２＜ｈｒ１＜λ０であり、
間隔がｈｒ１の平行な導波板に挟まれた空間での前記電波の波長をλｒとすると、前記アンテナ素子同士の間隔ｄが、０．８λ０＜ｄ＜０．８λｒであり、
前記導波器の配列の長さは、前記導波板の前記電波の進行方向の長さよりも長い
ことを特徴とするレーダアンテナ。
【請求項２】
請求項１記載のレーダアンテナであって、
前記導波板の前記電波の進行方向の長さは０．７５λｒより長い
ことを特徴とするレーダアンテナ。
【請求項３】
請求項１または２記載のレーダアンテナであって、
ｈｒ１≦０．７λ０である
ことを特徴とするレーダアンテナ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のレーダアンテナであって、
前記導波板の前記アンテナ素子の配列から遠い部分での間隔ｈｒ２が、間隔ｈｒ１よりも広い
ことを特徴とするレーダアンテナ。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかに記載のレーダアンテナであって、
前記導波板の前記アンテナ素子の配列から遠い部分での間隔ｈｒ２が、波長λ０と同じである
ことを特徴とするレーダアンテナ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載のレーダアンテナであって、
前記アンテナ素子は、導波管に設けられた前記アンテナ素子の配列の方向と垂直方向に長いスリットであり、前記アンテナ素子同士の間隔ｄは、前記導波管内での前記電波の波長の整数倍である
ことを特徴とするレーダアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーダの受信または送信に用いるレーダアンテナに関し、特に船舶レーダ用のレーダアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
船舶レーダに関する技術は非特許文献１などに示されている。船舶レーダでは海面反射の影響を軽減するために水平偏波が用いられており、船舶に搭載されるレーダアンテナには、複数のアンテナ素子が水平に配列されたアレイアンテナが用いられ、駆動手段によって常時水平方向に回転している。アレイアンテナに関する技術は非特許文献２などに示されている。また、非特許文献３には、自由空間での波長よりも狭い導波板で挟んだ空間では自由空間よりも電波の波長が長くなることが示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】電子情報通信学会，“知識ベース  知識の森，11群（社会情報システム）−2編（電子航法・ナビゲーションシステム）2章 海洋システム  2-2 船舶の監視システム  2-2-1 船舶レーダ”，［平成２８年１２月１９日検索］、インターネット<http://www.ieice-hbkb.org/files/11/11gun_02hen_02.pdf>.
【非特許文献２】電子情報通信学会，“知識ベース  知識の森，4群（通信工学）−2編（アンテナ・伝搬）  7章 アレーアンテナ”，［平成２８年１２月１９日検索］、インターネット<http://www.ieice-hbkb.org/files/04/04gun_02hen_07.pdf>.
【非特許文献３】Lars Josefsson, “A Waveguide Transverse Slot for Array Applications”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.41, No.7, July 1993.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
船舶用のレーダアンテナを水平方向に回転（垂直方向の軸を中心に回転）させるための駆動手段は、レーダアンテナが風圧によって受ける抗力を考慮して設計する必要がある。したがって、駆動手段を小型化するためにはレーダアンテナの大きさを小さくする必要があり、特に高さを低くする（垂直方向の長さを短くする）必要がある。しかし、アンテナの利得はその開口部の面積に依存するので、風圧による抗力に関する設計と利得の設計との間に一般的にはトレードオフの関係がある。開口部の面積を大きくする方法以外の利得を高くする方法としては、八木宇田アンテナのように複数の無給電アンテナを配列した導波器を利用する方法がある。しかし、アレイアンテナのアンテナ素子の間隔はグレーティングローブを抑えるために電波の波長の０．８未満にする必要がある。したがって、すべてのアンテナ素子にそれぞれ導波器を備えさせた場合、隣り合う導波器の間隔が狭くなるため、導波器同士の干渉を考慮して設計する必要があり、複雑である。
【０００５】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、高さが低く、設計が容易なレーダアンテナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のレーダアンテナは、自由空間での波長がλ０の電波を受信または送信の対象とする。本発明のレーダアンテナは、アレイアンテナ部、２枚の導波板、導波器を備える。アレイアンテナ部は、直線状に配列された複数のアンテナ素子を有する。２枚の導波板は、アンテナ素子の配列を挟み、電波を導波する。導波器は、アンテナ素子ごとに電波の進行方向に配列された複数の無給電アンテナで構成されている。そして、導波板のアンテナ素子の配列部分での間隔ｈｒ１が、λ０／２＜ｈｒ１＜λ０である。間隔がｈｒ１の平行な導波板に挟まれた空間での電波の波長をλｒとすると、アンテナ素子同士の間隔ｄが、０．８λ０＜ｄ＜０．８λｒである。導波器の配列の長さは、導波板の電波の進行方向の長さよりも長い。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のアレーアンテナによれば、自由空間での波長よりも狭い２枚の導波板に挟まれた空間では自由空間よりも波長が長くなるので、アンテナ素子同士の間隔を広くしてもグレーティングローブを抑圧できる。導波器の配列の長さが導波板よりも長いので、自由空間とアンテナ素子との間で電波を導くことができる。また、アンテナ素子同士の間隔が広いので導波器同士を離すことができ、設計時に導波器同士の干渉を考慮する必要性が低い。したがって、高さが低く、設計が容易なレーダアンテナを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明のレーダアンテナを含んだレーダ装置の構成図を示す図。
【図２】本発明のレーダアンテナの構成例を示す図。
【図３】アンテナ素子の１つの例を示す図。
【図４】１つのアンテナ素子と２枚の導波板を有するアンテナの構成を示す図。
【図５】平行な導波板に挟まれたときの導波板の間隔と波長との関係を示す図。
【図６】自由空間（図４の導波板が無い状態）の電界をシミュレーションした結果を示す図。
【図７】間隔ｈｒがλ０の平行な導波板に挟まれた空間（図４の状態）の電界をシミュレーションした結果を示す図。
【図８】間隔ｈｒが０．９λ０の平行な導波板に挟まれた空間（図４の状態）の電界をシミュレーションした結果を示す図。
【図９】間隔ｈｒが０．６λ０の平行な導波板に挟まれた空間（図４の状態）の電界をシミュレーションした結果を示す図。
【図１０】導波管１３２に１６個のアンテナ素子１２０１，…，１２０１６が間隔ｄで形成された様子を示す図。
【図１１】図１０のアンテナ素子１２０１，…，１２０１６が同位相の場合の電界の分布を示す図。
【図１２】間隔ｄで配列されたアンテナ素子の１つを切り出した様子を示す図。
【図１３】図１２（Ａ）に示したアンテナ素子の電界をシミュレーションした結果を示す図。
【図１４】図１２（Ｂ）に示したアンテナ素子の電界をシミュレーションした結果を示す図。
【図１５】図１２（Ｃ）に示したアンテナ素子の電界をシミュレーションした結果を示す図。
【図１６】図１２（Ｄ）に示したアンテナ素子の電界をシミュレーションした結果を示す図。
【図１７】図１２（Ａ）〜（Ｄ）に示したアンテナ素子を１０個並べたレーダアンテナの電界のシミュレーション結果を示す図。
【図１８】図１２（Ａ）〜（Ｄ）に示したアンテナ素子を１０個並べたレーダアンテナの磁界のシミュレーション結果を示す図。
【図１９】図１２（Ｄ）に示したアンテナ素子を１０個並べたレーダアンテナの交差偏波をシミュレーションした結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。
【実施例１】
【００１０】
図１に本発明のレーダアンテナを含んだレーダ装置の構成図を示す。図２は本発明のレーダアンテナの構成例を示す図であり、図３はアンテナ素子の１つの例を示す図である。以下では、Ｎ，Ｍは２以上の整数、ｎは１以上Ｎ以下の整数、ｍは１以上Ｍ以下の整数とする。レーダ装置１０はレーダアンテナ１００と駆動手段２１０を備える。レーダアンテナ１００は、アレイアンテナ部１１０、２枚の導波板１４１，１４２、導波器１５０１，…，１５０Ｎを備え、自由空間での波長がλ０の電波を受信または送信の対象とする。図１の調整部１４０は、２枚の導波板１４１，１４２を有している。なお、導波板１４１，１４２は実際には不透明な金属板であるが、図２では、レーダアンテナ１００の構造を示すために内部を見えるようにし、点線で示している。図４，１０，１２も同じである。
【００１１】
アレイアンテナ部１１０は、直線状に配列された複数のアンテナ素子１２０１，…，１２０Ｎと入出力部１３０を有する。入出力部１３０は、例えば導波管１３２とインターフェース部１３１で構成すればよい。この場合は、アンテナ素子１２０ｎは、導波管１３２に設けられたスリットとすればよい。また、電波は、インターフェース部１３１を介して外部に出力または外部から入力される。また、自由空間では波長λ０の電波の導波管内での波長をλｇとすると、波長λｇ（または波長λｇの整数倍）が、スリット（アンテナ素子１２０ｎ）の間隔ｄに一致するように導波管１３２を設計すれば、同位相の電波を受信または送信するレーダアンテナにできる。また、後述するが、導波板に挟まれた空間では自由空間より波長が長くなる。間隔がｈｒ１の平行な導波板に挟まれた空間での電波の波長をλｒとすると、アンテナ素子同士の間隔ｄを、０．８λ０＜ｄ＜０．８λｒとすればよい。従来であれば、グレーティングローブを抑圧するためにｄ＜０．８λ０にしなければならなかったが、０．８λ０＜ｄ＜０．８λｒであれば、従来のアレイアンテナよりもアンテナ素子同士の間隔を広げながら、グレーティングローブを抑圧できる。
【００１２】
船舶レーダの場合、アンテナ素子１２０１，…，１２０Ｎの配列を水平方向とし、導波管１３２に設けられたスリット（アンテナ素子１２０ｎ）は垂直方向に長い形状とすることで、水平偏波の電波を受信または送信できる。そして、駆動手段２１０が、垂直方向の軸を中心としてレーダアンテナ１００を回転させる（水平方向に回転させる）。なお、アンテナ素子１２０ｎは１つのスリットで形成してもよいし、図３に示すように２つのスリット１２１ｎ，１２２ｎで構成してもよい。２つのスリット１２１ｎ，１２２ｎを用いれば、導波管１３２内での電波の反射を抑制するように設計しやすい。
【００１３】
２枚の導波板１４１，１４２は、アンテナ素子１２０１，…，１２０Ｎの配列を挟み、電波を導波する。導波板１４１，１４２のアンテナ素子１２０１，…，１２０Ｎの配列部分での間隔ｈｒ１は、λ０／２＜ｈｒ１＜λ０である。この範囲であれば、導波板に挟まれた空間での波長λｒを自由空間での波長λ０よりも長くできる。特に、ｈｒ１≦０．７λ０とすれば波長λｒを波長λ０よりも十分に長くできる。導波板１４１，１４２同士は平行にしてもよいし、導波板１４１，１４２のアンテナ素子１２０１，…，１２０Ｎの配列から遠い部分での間隔ｈｒ２を間隔ｈｒ１よりも広くしてもよい。間隔ｈｒ２を間隔ｈｒ１よりも広くした方が、導波板１４１，１４２で挟まれた空間と自由空間との境界での変化を小さくできる。特に、導波板１４１，１４２のアンテナ素子１２０１，…，１２０Ｎの配列から遠い部分での間隔ｈｒ２を波長がλ０（自由空間での波長）とすれば、変化を滑らかにできる。また、導波板１４１，１４２の電波の進行方向の長さＬｒは、０．７５λｒより長くすればよい。さらに、導波板１４１，１４２の角度の調整によって垂直面のパターンのコントロールも可能になる。
【００１４】
導波器１５０ｎは、アンテナ素子１２０ｎごとに電波の進行方向に配列されたＭ個の無給電アンテナ１５１ｎ−１，…，１５１ｎ−Ｍで構成されている。そして、導波器１５０ｎの配列の長さは、導波板１４１，１４２の電波の進行方向の長さＬｒよりも長い。
【００１５】
本発明のアレーアンテナによれば、自由空間での波長よりも狭い２枚の導波板に挟まれた空間では自由空間よりも波長が長くなるので、アンテナ素子同士の間隔を広くしてもグレーティングローブを抑圧できる。導波器の配列の長さが導波板よりも長いので、自由空間とアンテナ素子との間で電波を導くことができるので、開口面積に比べ利得を高くできる。また、アンテナ素子同士の間隔が広いので導波器同士を離すことができ、設計時に導波器同士の干渉を考慮する必要性が低い。したがって、高さが低く、設計が容易なレーダアンテナを提供できる。
【００１６】
＜シミュレーションによる検証＞
図４に、１つのアンテナ素子と２枚の導波板を有するアンテナの構成を示す。図４のアンテナは、１つのアンテナ素子１２０１と、アンテナ素子１２０１を挟む平行な２枚の導波板１４１，１４２がある。図５に平行な導波板に挟まれたときの導波板の間隔と波長との関係を示す。横軸は、導波板１４１，１４２を平行にしたときの間隔ｈｒと自由空間での波長λ０との比である。縦軸は、導波板１４１，１４２に挟まれた空間での波長λｒと自由空間での波長λ０との比である。間隔ｈｒが狭くなるにしたがって波長λｒは長くなり、間隔ｈｒ＝λ０／２のときにカットオフ（λｒが無限大）となる。間隔がλ０よりも狭くなると波長λｒが顕著に長くなることが分かる。したがって、導波板１４１，１４２のアンテナ素子１２０１，…，１２０Ｎの配列部分での間隔ｈｒ１をλ０／２＜ｈｒ１＜λ０にすれば、導波板に挟まれた空間での波長λｒを自由空間での波長λ０よりも長くできる。また、ｈｒ１＝０．７λ０のときに、λｒ≒１．５λ０である。したがって、特にｈｒ１≦０．７λ０とすれば、波長λｒを波長λ０よりも十分に長くできるので、アンテナ素子同士の間隔ｄを十分に離すことができる。
【００１７】
図６は自由空間（図４の導波板が無い状態）の電界をシミュレーションした結果、図７〜９は平行な導波板に挟まれた空間（図４の状態）の電界をシミュレーションした結果を示す図である。図７は間隔ｈｒが自由空間の波長λ０の場合、図８は間隔ｈｒが０．９λ０の場合、図９は間隔ｈｒが０．６λ０の場合である。ｘ、ｙ、ｚの方向は、図４と同じである。つまり、図６〜９の（Ａ）は図４のアンテナの下から上を見た図、（Ｂ）は右側の側面から見た図である。これらのシミュレーションでは、導波板１４１，１４２の電波の進行方向の長さは、図７〜９の（Ａ）でＬｒが示された長さである。図６の波長λ０と比較すると、図７の波長λｒは１．１５５λ０、図８の波長λｒは１．２λ０、図９の波長λｒは１．８１λ０となっている。
【００１８】
図１０は、導波管１３２に１６個のアンテナ素子１２０１，…，１２０１６が間隔ｄで形成された様子を示す図であり、（Ａ）は導波板が無い場合、（Ｂ）は導波板がある場合を示している。なお、導波板は平行であって、間隔ｈｒは０．６５λ０、導波板の電波の進行方向の長さＬｒは１．５λ０、間隔ｄは１．２λ０である。図１１は、図１０のアンテナ素子１２０１，…，１２０１６が同位相の場合の電界の分布を示しており、（Ａ）は導波板が無い場合、（Ｂ）は導波板がある場合を示している。図１１（Ａ）では電界がアンテナ素子の配列に平行な分布にはなっていないこと、図１１（Ｂ）では電界がアンテナ素子の配列に平行な分布になっていることが分かる。
【００１９】
図１２は、間隔ｄで配列されたアンテナ素子の１つを切り出した様子を示す図である。（Ａ）はアンテナ素子のみの場合、（Ｂ）はアンテナ素子と２枚の導波板を有する場合、（Ｃ）はアンテナ素子と導波器を有する場合、（Ｄ）はアンテナ素子と２枚の導波板と導波器を有する場合である。導波板１４１，１４２のアンテナ素子１２０ｎの部分での間隔ｈｒ１は０．７λ０、導波板１４１，１４２のアンテナ素子１２０ｎから遠い部分での間隔ｈｒ２はλ０である。導波板１４１，１４２の電波の進行方向の長さＬｒは１．５λ０、間隔ｄは１．２λ０である。導波器１５０ｎは、電波の進行方向に間隔ｄｓが０．３５λ０となるように配列された無給電アンテナ１５１ｎ−１，…，１５１ｎ−Mで構成されている。ただし、アンテナ素子１２０ｎと無給電アンテナ１５１ｎ−１との間隔は０．２５λ０である。
【００２０】
図１３〜１６は、図１２（Ａ）〜（Ｄ）に示したアンテナ素子の電界をシミュレーションした結果を示す図である。図１３が図１２（Ａ）、図１４が図１２（Ｂ）、図１５が図１２（Ｃ）、図１６が図１２（Ｄ）の結果をそれぞれ示している。図１２（Ｃ），（Ｄ）のシミュレーションでは、無給電アンテナ１５１ｎ−ｍは、電波の進行方向に垂直な面に間隔ｗｓが０．２６λ０となるように配置された２つのアンテナで構成されている。無給電アンテナ１５１ｎ−ｍの長さＬｓは０．３９λ０〜０．２６λ０であり、アンテナ素子１２０ｎに近いほど長くなるように配置している。また、シミュレーションではＭ＝２１である。ｘ、ｙ、ｚの方向は、図１２と同じである。つまり、図１３〜１６の（Ａ）は図１２のアンテナの下から上を見た図、（Ｂ）は右側の側面から見た図である。図１３，１５と図１４，１６の違いから、導波板１４１，１４２を備えることでアンテナ素子１２０ｎの配列に平行な分布の電界を作りやすいこととが分かる。また、図１６より、導波器１５０ｎによってアンテナ素子１２０ｎの配列に平行な分布の電界を、よりアンテナ素子１２０ｎから離れた自由空間の位置まで形成できることが分かる。つまり、電波を導くことができているので、利得を高くできる。
【００２１】
図１７，１８は、図１２（Ａ）〜（Ｄ）に示したアンテナ素子を１０個並べたレーダアンテナのシミュレーション結果を示す図である。図１７はｘｙ平面の電界（主偏波）を示す図、図１８はｘｚ平面の磁界を示す図である。図１９は、図１２（Ｄ）に示したアンテナ素子を１０個並べたレーダアンテナの交差偏波をシミュレーションした結果を示す図である。図１７，１８では図１２（Ａ）の結果は一点鎖線、（Ｂ）の結果は間隔の長い点線、（Ｃ）の結果は間隔の狭い点線、（Ｄ）の結果は実線で示している。（Ｂ），（Ｄ）の結果では、角度（Angle）が６０〜９０度の部分に生じるグレーティングローブが抑圧されていることが分かる。また、（Ｄ）の結果では、他の結果に比べてサイドローブが低くなっていることも分かる。図１９では、磁界を点線、電界を実線で示している。図１９の結果から、交差偏波の電波はほとんど生じていないことが分かる。つまり、船舶レーダとして利用するためにアンテナ素子１２０１，…，１２０Ｎの配列を水平方向にし、導波管１３２に設けられたスリット（アンテナ素子１２０ｎ）を垂直方向に長い形状とすることで、水平偏波の電波を受信または送信できる状態にしたときに、不要な垂直偏波が生じにくいことが分かる。
【００２２】
これらのシミュレーション結果より、上述のとおり、「本発明のアレーアンテナによれば、自由空間での波長よりも狭い２枚の導波板に挟まれた空間では自由空間よりも波長が長くなるので、アンテナ素子同士の間隔を広くしてもグレーティングローブを抑圧できる。導波器の配列の長さが導波板よりも長いので、自由空間とアンテナ素子との間で電波を導くことができるので、開口面積に比べ利得を高くできる。また、アンテナ素子同士の間隔が広いので導波器同士を離すことができ、設計時に導波器同士の干渉を考慮する必要性が低い。」ことが分かる。
【符号の説明】
【００２３】
１０  レーダ装置                    １００  レーダアンテナ
１１０  アレイアンテナ部            １２０  アンテナ素子
１２１，１２２  スリット            １３０  入出力部
１３１  インターフェース部          １３２  導波管
１４０  調整部                      １４１，１４２  導波板
１５０  導波器                      １５１  無給電アンテナ
２１０  駆動手段
【図１】
2018121118.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018121118.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2018121118.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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