(57)【要約】【課題】従来レドームの機械特性や製造性を変更せずに、レドームにおける電力透過特性を改善してアンテナ通信性能を向上させる。【解決手段】適切に設計した多層誘電体からなる相殺層（εｒ＜２０.０の高誘電特性部と、εｒ＜２.０の低誘電特性部で構成した層）と整合層（εｒ＝隣接材料のεｒの１／２乗の誘電特性調整部で構成した層）で構成したアンテナ装置を、アンテナとレドームの間で最も電波反射の多い箇所に配置することでレドーム壁からの反射波を相殺し、かつ反射波そのものの発生も抑圧して通信電力の損失を軽減する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナ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の透過が要求されるレドームにおいて、
アンテナとレドームの間の通信電力が最も損失する箇所に配置することでレドームの通信電力透過特性が得られるように、レドーム壁からの電波反射を相殺する効果を持つように、誘電体による高誘電特性部と低誘電特性部からなる相殺層と、レドーム壁の表層材料と周囲大気の電気抵抗を整合させて反射波の発生を抑圧するようにした誘電体による誘電特性調整部からなる整合層の、計２つの層によって構成したことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
上記高誘電特性部がεｒ＜２０.０、厚みは使用周波数と材料誘電特性から決定される相殺層を具備することを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項３】
上記低誘電特性部がεｒ＜２.０、厚みは使用周波数と材料誘電特性から決定される相殺層を具備することを特徴とする請求項１及至２のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項４】
上記誘電特性調整部が隣接材料のεｒの１／２乗、厚みは使用周波数と材料誘電特性から決定される整合層を具備することを特徴とする請求項１及至３のいずれかに記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、アンテナの保護と通信電力の透過を要求されるレドームの通信電力透過特性の改善手法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレドーム構成において、アンテナを覆うレドーム壁の代表的な構造にはコア材を表皮材で挟むサンドイッチ方式が知られている。（例えば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
実開平２−１０８４１６号公報（１頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年のＩＴ革命による通信インフラによって、航空機６も積極的に通信基地局として利用し、乗客もインターネットが機内で楽しめるようにするなど新たな通信ネットワークを構築しようとする動きが盛んになってきている。そのため飛行中に通信回線が常時接続できる環境が必要となるのだが、航空機の機体が飛行中傾斜する場合や北極圏を飛行するときなどで航空機と通信衛星の位置関係が水平に近くなると、アンテナ通信方向７とレドーム壁法線とのなす角θ９が６０.０〜７０.０°を超える状況もあるため、レドーム壁における電波反射が増大して通信電力を損失し、通信に必要な電力が透過できない時間を生じるという問題が起きる。
【０００５】
この発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、レドームの通信電力透過特性の改善手法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、アンテナ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の透過が要求されるレドームにおいて、アンテナとレドームの間の通信電力が最も損失する箇所に配置することでレドームの通信電力透過特性が得られるように、レドーム壁からの電波反射を相殺する効果を持つように、誘電体による高誘電特性部と低誘電特性部からなる相殺層と、レドーム壁の表層材料と周囲大気の電気抵抗を整合させて反射波の発生を抑圧するようにした誘電体による誘電特性調整部からなる整合層の、計２つの層によって構成したものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図４は代表的なレドームの断面図である。図４に示すアンテナ１を覆うレドーム壁２の代表的な構造には図５に示すコア材３を表皮材４で挟むサンドイッチ方式がある。何れの材料も誘電体で構成されており、この方式でレドーム壁２を構成した場合、コア材３は剛性を受け持ち、表皮材４は強度を保つ一方、コア材３と表皮材４の誘電特性を用いて適切に設計したコア材３の厚みによって、材料単体の電力損失を除きレドームの通信電力損失を最少にすることができる。この方式はアンテナを環境から保護するためのカバーとして地上設置から航空機搭載まで幅広く用いられている。なお誘電特性には比誘電率εｒと誘電正接tanδがあり、一般にどちらも小さな値であるほど通信電力の透過性が良好なレドームを設計できる。
【０００８】
次に、このような方式で製造されたレドームの例について説明する。図６は航空機用レドームの搭載例を示し、図７は通信時のアンテナと航空機用レドームの位置関係を示す断面図を示す。図６に示すとおりレドーム５は航空機６の機体外部に設置されるため、図７に示すとおりアンテナ１を収納し、かつ空力抵抗が最小になるようレドーム５は流線形状をとることが多い。またレドーム壁２は製造コストミニマムの観点から、複雑になりがちな材料の偏肉加工を避けるため均一な厚みを採用することが多い。
【０００９】
一方電気性能面では、アンテナ通信方向７とレドーム壁法線８とのなす角θ９が大きくなるにつれ、レドーム５に照射された電波がレドーム壁２表面に電流を誘起し、その誘起電流が電波を再放射することで見かけ上電波反射状態となって通信電力損失を増大させる傾向にあるため、特に航空機６に搭載されるような流線形状のレドーム５などは航空機６の前後に当たる通信方向においてθ９が最も大きくなり、電力損失が増大する。これがアンテナ１の通信範囲に制約を与えている。
【００１０】
また、ここで反射した電力がアンテナに戻ってしまうと電力量によっては機器を破壊してしまう恐れもある。この種のレドーム５は主に通信衛星が飛行中航空機６の上空にあって、θ９が最大でも６０.０〜７０.０°を超えない範囲で通信回線を開くような運用に用いられている。
【００１１】
図８は航空機通信の運用例を示した図であり、航空機６とその上空に位置した通信衛星１０との間で、航行に必要な情報を定期的に短時間通信する程度で十分であった。しかし近年のＩＴ革命による通信インフラによって、航空機６も積極的に通信基地局として利用し、乗客もインターネットが機内で楽しめるようにするなど新たな通信ネットワークを構築しようとする動きが盛んになってきている。
【００１２】
そのため飛行中に通信回線が常時接続できる環境が必要となるのだが、航空機６の機体が飛行中傾斜する場合や北極圏を飛行するときなどで航空機６と通信衛星１０の位置関係が水平に近くなると、アンテナ通信方向７とレドーム壁法線８とのなす角θ９が６０.０〜７０.０°を超える状況もあるため、レドーム壁２における電波反射が増大して通信電力を損失し、通信に必要な電力が透過できない時間を生じるという問題が起きる。
【００１３】
このような問題が起こる理由について、図５、６、７を用いて説明する。図５に示す構成のサンドイッチ方式レドームに用いるコア材３の電気的最適厚みｄcnの算出は次式のとおり（出典：「アンテナ工学ハンドブック」電子情報通
信学会編９章9.4.4項〔4〕硬質レードームの構造設計P.492）。
【００１４】
【数１】
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【００１５】
上式によって求めたコア材３の厚みを適用することで、材料単体の電力損失は残るものの透過する通信電力の損失が最少にできる。但しこの条件はレドーム壁２の中に入射した分の電波についてのみ有効であることに注意が必要である。仮にコア材３が最適な厚みとなっていても、図７に示すθ９が大きくなるほどレドーム壁２の表面における電波反射は増大する傾向にあるので、結局通信電力は損失してしまう。従ってレドーム壁２が最適な厚みで、かつθ９が大きくならない範囲において用いられるのが理想なのだが、レドーム壁２の厚みが均一で流線形状を持つ図６に示すような航空機６に搭載されるレドーム５などの場合は、θ９が必ずしも一定とならないためコア材３の最適な厚みがずれる箇所を持ち、また運用中θ９が大きくなる箇所もあるためレドーム壁２の表面で電波反射が増大し、前述したような問題を生じるのである。
【００１６】
以上のような問題を解決するために、例えばレドーム壁そのものを多層化して各コア材厚みを薄くすることで、レドーム壁に入射した電波の入射角が大きくても最適な層厚みに近い状態で電波が透過するようにし、結果的に電波反射を抑える。あるいは誘電特性がより空気の特性（εr→1、tanδ→0）に近い表皮材を採用することでレドーム壁表面の電流誘起を抑えて反射波の発生そのものを抑圧するなど、レドームの通信電力損失を少なくする方法はいくつかある。
【００１７】
しかしこれらの方法は電気性能が改善される代わりに機械性能の極端な低下や、製造コストの上昇、製作期間が極めて長くなるなどの影響が大きくレドーム設計を難しくしてしまう。例えば空気の特性に近い表皮材としてはクオーツ繊維やシアネート系樹脂を用いた繊維強化プラスチックス（FRPと呼ぶ）などがあるが、これらの材料は一般に高価（量産されるレドームに比較的多く用いられる材料としてEガラス繊維やエポキシ樹脂があるが、この材料価格の５〜１０倍程度がかかる）で、しかも強度的に劣る（繊維は高剛性だが脆いものや対応温度範囲が狭い場合がある。また樹脂は接着力が低い）。
【００１８】
多層化するとなると成形作業も煩雑になり、層厚みの製造寸法も高い精度が必要となる。そのための製造治工具等も多種必要となり、作業性の低下や製造コストの上昇を招いてしまう。これらの方法は製品仕様によっては有効な場合もあるが、特に製品を量産する場合は現実的でなく、これらの方法のみによる問題解決は難しいと言える。
【００１９】
図１は本発明による実施の形態１によるアンテナ装置の取付配置断面図である。アンテナ通信方向７とレドーム壁法線８とのなす角θ９が大きいときにレドーム壁２の表面で電波反射が増大する傾向にあるが、アンテナ１とレドーム壁２の間でレドーム壁２における通信電力が最も損失する方向にアンテナ装置１１を配置することで、レドーム壁２の電波反射を軽減して通信電力がより透過するよう改善する。
【００２０】
図２は本発明による実施の形態１によるアンテナ装置の材料構成断面図である。アンテナ装置１１は相殺層１３（図２中の記号はＣｎ）と整合層１２（図２中の記号はAｎ）で構成される。相殺層１３は表皮材４のεｒと同程度かそれ以上の値（最大でもεｒ＜２０.０）を持つ誘電体材料を用いた高誘電特性部１５と、コア材３のεｒと同等かそれに近い値（最大でもεｒ＜２.０）を持つ誘電体材料を用いた低誘電特性部１６からなり、相殺層１３をレドーム壁２に接触させることで一種のサンドイッチ板（多層サンドイッチ板）として機能させ、レドーム壁２からの反射波を打消して通信電力の透過特性改善効果を得る。
【００２１】
また整合層１２は、電波が照射される面の表層材料（相殺層１３の高誘電特性部１５もしくはレドーム壁２の表皮材４の何れか接する方）のεrを１／２乗した特性に調整した材料によって構成される誘電特性調整部１４からなり、周囲大気との電気抵抗差を無くして反射波の発生そのものを少なくし、通信電力の透過特性改善効果を得る。なおtanδは全ての使用材料について可能な限り小さい方が良い。次式に整合層１２の厚みL（特性改善対象とする通信方向における誘電特性調整部１４の材料厚み）の算出式を示す（出典：「アンテナ工学ハンドブック」電子情報通信学会編４章4.2.6項誘電体レンズアンテナP.162）。
【００２２】
【数２】
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【００２３】
図３（ａ）は本発明による実施の形態１によるアンテナ装置付レドームの構成例を示した断面図である。図３（ａ）におけるアンテナ装置１１は、相殺層１３が１段と整合層１２が１段から構成され、レドーム壁２の内面側（アンテナ側）で、通信方向７がレドーム壁２の法線に対して最も大きな角度で入射する条件（＝最も反射損失が大きくなって通信電力の透過特性が劣化する条件）となる箇所に配置することを前提に設計を行なう。
【００２４】
なお航空機レドームの場合は空力抵抗を最小とするため流線形状をとることから、航空機の前後方向に当たるレドーム内部にスペースができる。この箇所は最も通信電力の透過特性が劣化する箇所でもあるため、本発明によるアンテナ装置の効果的な配置にちょうど良い。
【００２５】
またアンテナ装置の構成材料には発泡ウレタン等の軽量、安価で取扱いの容易な材料を使用することで、レドームの製造性や機械特性には影響をほとんど与えずに通信電力の透過特性を改善できる（発泡ウレタンは高誘電セラミック等εｒが大きく、tanδが小さい材料の粉末を配合することで容易に誘電特性の調整が行なえるので、本発明によるアンテナ装置に用いる材料としては比較的有効である）。
【００２６】
図３（ｂ）は本発明による実施の形態１によるアンテナ装置付レドームの特性例を示したグラフである。図３（ｂ）は、従来レドームと図３（ａ）に示したアンテナ装置付レドームについて、アンテナ通信方向とレドーム壁法線とのなす角θ９を変化させたときの電力損失を計算したものである。
【００２７】
なおここで計算したアンテナ装置付レドームモデルは、本発明によるアンテナ装置をθ９が６０degを超える範囲に配置した場合を想定した。図３（ｂ）によれば、本発明によるアンテナ装置の配置によって通信電力の透過特性が改善される様が確認できる（電力損失０.５dB以下の範囲：θ９≦６０.０deg→７２.５deg、電力損失１.５dB以下の範囲：θ９≦７０deg→８５deg）。
【００２８】
以上によれば、アンテナ通信方向とレドーム壁法線とのなす角が大きい場合にレドーム壁の電波反射が増大するが、本発明によるアンテナ装置を電波反射量の多い箇所に配置することで通信電力の透過特性を改善する効果が期待できる。
【００２９】
特に、航空機レドームの場合は航空機の前後方向に当たるレドーム内部に空きスペースができるが、最も電波反射量の多い通信方向でもあるため、配置スペースとしてちょうどよく効果的である。また強度はレドーム壁ほど必要ないので、温度と湿度、及び配置時の取付強度程度を配慮するだけで発泡ウレタン等の軽量、安価で取扱いの容易な材料が使用でき、かつレドーム製造終了後に配置してもよいのでレドーム本体と並行した製造も可能であることから、機械特性や製造性といったレドーム仕様は従来のままに電力透過特性が改善でき、アンテナ通信範囲の拡大に貢献できる。
【００３０】
【発明の効果】
この発明のアンテナ装置によれば、以上述べたように、アンテナ通信方向とレドーム壁法線とのなす角が大きい場合にレドーム壁の電波反射が増大するが、本発明によるアンテナ装置を電波反射量の多い箇所に配置することで通信電力の透過特性を改善する効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施の形態１によるアンテナ装置の取付配置断面図である。
【図２】本発明による実施の形態１によるアンテナ装置の材料構成断面図である。
【図３】本発明による実施の形態１によるアンテナ装置付レドームの構成例を示した図である。
【図４】代表的なレドームを示した断面図である。
【図５】代表的なレドームの壁面構成を示した断面図である。
【図６】航空機用レドームの搭載例を示した図である。
【図７】アンテナと航空機用レドームの一般的な位置関係を示した断面図である。
【図８】航空機通信の運用例を示した図である。
【符号の説明】
１  アンテナ、  ２  レドーム壁、  ３  コア材、  ４  表皮材、  ５  レドーム、  ６  航空機、  ７  アンテナ通信方向、  ８  レドーム壁法線、  ９  アンテナ通信方向とレドーム壁法線とのなす角、  １０  通信衛星、  １１  アンテナ装置、  １２  整合層（電波反射面と周囲大気の電気抵抗を合せることで反射率を下げる）、  １３  相殺層（レドーム壁からの電波反射を打ち消すことで反射率を下げる）、  １４  誘電特性調整部（設計パラメータは材料厚み、誘電特性、通信周波数）、  １５  高誘電特性部（レドーム壁に用いる表皮材と同等の誘電特性を持つ材料）、  １６  低誘電特性部（レドーム壁に用いるコア材と同等の誘電特性を持つ材料）。
【図１】
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【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】
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【図８】
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