アレイアンテナ装置
【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。
【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。
【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
【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
【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。
【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。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【公開番号】特開2006−67296(P2006−67296A)
【公開日】平成18年3月9日(2006.3.9)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−248252(P2004−248252)
【出願日】平成16年8月27日(2004.8.27)
【出願人】(504133110)国立大学法人 電気通信大学 (383)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成18年3月9日(2006.3.9)
【国際特許分類】
【出願日】平成16年8月27日(2004.8.27)
【出願人】(504133110)国立大学法人 電気通信大学 (383)
【Fターム(参考)】
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