天線裝置及雷達裝置的制作方法

專利名稱：天線裝置及雷達裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種天線裝置和使用該天線裝置的雷達裝置。
背景技術：
雷達裝置，從天線放射電磁波，接收來自反射體(目標物)的回波信號，檢測其水 平，探知目標物距離天線的距離以及目標物的方位。被探知的目標物的圖像，通常將距離和 方位對應以天線的位置為中心的雷達顯示畫面上進行顯示。雷達用天線裝置，通常采用波導管縫隙天線的天線裝置(參照專利文獻1 日本特 開平4-117803號公報)。專利文獻1中，記載了一種在波導管上配置多個長方形縫隙的陣 列天線。這種陣列天線通過使各縫隙的相位保持一致，從而實現放射較窄的波束寬度的電 磁波。一般地，為了實現用波導管縫隙天線實現窄指向性的波束，開口分布大多采用切 比雪夫分布。圖1表示切比雪夫分布。圖1表示開口分布的旁瓣水平是-40dB的切比雪夫 分布。圖2表示圖1所示的切比雪夫分布的波束形狀(放射角度θ =90度)。如圖2 所示，切比雪夫分布具有以規定的旁瓣水平形成最窄的波束寬度的特性。該波束構成尤其 適合雷達裝置用。可是，顯示在雷達顯示畫面上的目標物的圖像，忽視目標物的實際大小，不能反映 目標物實體大小的差。如果雷達畫面上的多個回波圖像的大小的比率，和實際的反射體 (目標物)的大小的比率不同的話，就會變得難以認識目標物的大小，甚至誤認識。如圖3所示，反射體501和反射體502的實體大小的差是5倍，可是如圖4所示， 在雷達顯示畫面上，分別顯示寬度為2度的回波、寬度為5度的回波的圖像。此時，在雷達 畫面上顯示的差只有2. 5倍。比較大的反射體和小的反射體，如果不能由雷達畫面上回波 的大小的差認識實體大小的差，有可能過小評價目標物的大小。具體地，例如、如圖3所示，分別假定對排水量為5t、長度為IOm的船舶和排水量為 loot、長度為50m的船舶進行考察。該假定條件下，兩艘船舶的雷達反射截面積(RCQ分別 為，排水量為5t的船舶RCS = 10m2、排水量為IOOt的船舶RCS = 1000m2。排水量為5t的 船舶，其相對的反射強度約為3dB左右，排水量為IOOt的船舶，其反射強度約為23dB左右。在此，使用有圖1所示的切比雪夫分布的開口分布的電磁波的情況下，3dB波束寬 度是2度左右，相對地23dB波束寬度是5度左右。因此，如圖2所示，有2度寬度的回波、 5度寬度的回波的圖像分別顯示在雷達畫面上。于是，實體大小的差是5倍左右，可是在雷 達畫面上只表現出2. 5倍左右。本發明，提供一種天線以及雷達裝置，其能夠以更近的差異在顯示圖像上顯示探 知的目標物的實體大小的差。

發明內容
本發明的天線裝置具有波導管，該波導管具有多個縫隙。天線裝置放射的電磁波 的波束是將具有多個互不相同旁瓣水平的開口分布的波束聚合而成。前述波導管上各縫隙 的相位分布相對于管軸方向呈非線性形狀。相位面，在管軸方向的途中變彎，S卩、在管軸方向上從開口位置的途中開始呈非線 性形狀即可。也可沿管軸方向逐漸改變相位變化度，最后整體呈非線性形狀。本發明的天線裝置，為了將波導管的各個縫隙的相位分布做成非線性形狀，在波 導管的至少一個側面形成的多個縫隙中的至少一個，以規定的傾角從垂直于波導管的管軸 方向的面傾斜。各縫隙，在管軸方向上的間距有不同之處。相鄰的各縫隙間的間距可以都不相同， 也可以只是一部分不同。在天線的開口中心位置的左右，具有間距窄的部分和間距寬的部 分。相對地，也可以做成以窄間距等間距排列的部分，和以寬間距的等間距排列的部分。代替設為隙縫間距不同的部分，也可以在縫隙的開口側設置介電常數不同的多個 介電質，也可以在縫隙的開口側設置相對于管軸方向寬不同的多個波導管。發明的效果依據本發明，對于較大的反射體和較小的反射體，與現有技術相比能夠獲得接近 實體大小的差的回波。


圖1表示切比雪夫分布形成的開口分布的圖。圖2表示從有圖1的開口分布的天線放射波束形狀的圖。圖3表示自船和大小兩個的對象目標物的圖。圖4表示采用開口分布是切比雪夫分布的現有的天線時的雷達畫面上的回波的 模式圖。圖5(A)表示本發明的天線的開口分布(天線開口位置和振幅的關系)的圖。圖5(B)表示圖5 (A)所示開口分布的相位分布的圖。圖6表示本發明的天線放射的波束的形狀的圖。圖7表示自船和大小兩個的對象目標物的圖。圖8表示采用本發明的天線的雷達裝置的雷達畫面上的回波的模式圖。圖9表示本發明的天線的1實施方式的波導管縫隙天線一部分的構成的立體圖。圖10表示從和電磁波放射方向和管軸方向的垂直的方向看本發明的天線的1 實施方式的波導管縫隙天線側視圖。圖11表示本發明的天線的1實施方式的開口分布的圖。圖12表示本發明的天線1實施方式的波導管縫隙天線放射的波束形狀的圖。圖13A表示本發明的天線的1實施方式的相位分布的圖。圖13B表示本發明的天線的1實施方式的相位分布的圖。圖14A表示本發明的天線的1實施方式的波束形狀的圖。圖14B表示本發明的天線的1實施方式的波束形狀的圖。圖15表示從和電磁波放射方向和管軸方向的垂直的方向看本發明的天線的其他實施方式的波導管縫隙天線側視圖。圖16表示本發明的天線的其他實施方式的波導管縫隙天線的一部分的構成的 立體圖。圖17表示從垂直于電磁波的放射方向和管軸方向的方向看圖16所示的波導管 縫隙天線的側視圖。圖18表示本發明的天線的其他實施方式的波導管縫隙天線的一部分的構成的 立體圖。圖19表示從垂直于電磁波的放射方向和管軸方向的方向看圖20所示的波導管 縫隙天線的側視圖。圖20表示從垂直于電磁波的放射方向和管軸方向的方向看的波導管縫隙天線 的側視圖。圖21表示關系本發明的天線的其他的實施方式的波導管縫隙天線的一部分的 結構。圖22應用本發明的天線裝置的雷達裝置。圖中11、波導管 12、縫隙
具體實施例方式參照圖面說明本發明的天線裝置的實施方式。實施方式1 圖5(A)是表示本發明的天線的開口分布(天線開口位置和振幅的關系)的圖。圖 5(B)表示其相位分布。如圖5(A)所示，本發明的天線裝置，波導管各縫隙的開口分布能夠設定為融合旁 瓣電平不同的多個開口分布的特性。從天線裝置放射的電磁波波束是由具有多個互不相同 旁瓣電平的開口分布波束融合而成。另外，如圖5(B)所示，本發明的天線裝置，其波導管各縫隙的相位分布沿管軸方 向呈非線性形狀(例如，在同圖中的朝向頂面方向呈凸形)。根據該相位分布，形成融合了如圖6所示旁瓣水平不同的多個切比雪夫分布的波 束的波束。即、從天線放射的電磁波成為融合旁瓣水平高、主瓣指向性強的_20dB的切比雪 夫分布的波束形狀，和旁瓣水平低、主瓣指向性弱的_40dB的切比雪夫分布的波束形狀后 的波束形狀。在本發明的天線中，波導管各縫隙的相位分布沿管軸方向呈非線性形狀，讓第一 旁瓣內包在主瓣中。因此，可形成如圖6(A)所示，開口位置的中心附近波束寬度較窄、除此 之外的部分波束寬度較寬的主瓣形狀。即，該開口分布及相位分布能以和切比雪夫分布同 樣的旁瓣電平，實現比切比雪夫分布更為狹窄的波束寬度。其結果，如圖7所示，對于較小的反射體和較大的反射體，波束寬度之差會變大， 故如圖8所示，可在雷達畫面上顯示出更為接近實體大小的差的回波。以下，對用于實現上述開口分布和相位分布的具體結構進行說明。圖9、圖10是表示涉及本實施方式的波導管縫隙天線的結構的圖。同圖9為外觀 立體圖。圖10為，把電磁波的放射方向(Θ =90度)做為頂面方向(Z方向)時的側視圖。圖9中，僅表示放射用的波導管，導入用的波導管等的其它結構均被省略。本實施方式的波導管縫隙天線，具有方形截面的中空(或內包介電質)的波導管 11、以及設在該波導管11的頂面側(窄面側)的多個縫隙(縫隙12A 121)。另外，本實 施方式中，為便于說明，僅表示有部分(本例中為8個)縫隙，實際上具有的縫隙數不限于 8個。在圖9所示的實施方式中，電磁波從波導管11的中心位置(波導管左右的中心位 置)導入，并沿管軸方向，向右面側(X方向)和左面側(-X方向)傳送電磁波。但是，也可 采取從波導管的其中一側導入電磁波的方式。從波導管的頂面(放射電磁波一側)俯視，各縫隙相對于垂直方向(Y方向)略有 傾斜，相鄰縫隙的傾斜方向相反。縫隙12A 12E從左面側開始依次等間距排列，其排列間 距分別為間距Pl p4(pl = p2 = p3 = p4)。而與此相向的右面側，縫隙12E 121以小 于上述間距Pl p4的間距等間距排列，其排列間距分別為間距p5 p8 (p4 > p5 = p6 = p7 = p8)。圖9所示的各縫隙間的間距僅為一例，本發明中只要至少有一個間距與其它任一 個間距有所不同即可。即使對于各縫隙的傾斜，本發明中只要至少有一個縫隙傾斜即可。圖11是以波導管的管軸方向中心位置為X方向原點的開口分布(天線開口位置 與振幅的關系)圖。如圖11所示，涉及本實施方式的波導管縫隙天線，設定成融合不同旁瓣 電平的多個切比雪夫分布后的開口分布的特性。即，將從開口中心位置開始的約2/3部分 的開口分布設定為_20dB切比雪夫分布的特征分布，將其余的約1/3部分設定為_40dB切 比雪夫分布的特征分布。各縫隙在增大傾角時，所放射的電磁波(電場強度)會增強。因 此，開口分布可通過調整縫隙的傾角任意進行設定。一般情況下，會將傾角調整為開口中心 位置處最大，越往兩端越小。如圖11所示的開口分布，例如、在從波導管的端部饋電時，饋電側的縫隙傾角小， 在中心位置附近逐漸增大傾角，最后再縮小傾角。但是，縫隙自身的電納設定為0。且各縫 隙的總電導為1，以使所有微波均從各縫隙發射，應結合考慮向波導管寬面側切入的切口深 度，決定相對于管軸垂直方向傾斜的傾角。圖12表示假定在上述本實施方式的開口分布中，縫隙之間的間距均相等，相位分 布相對于管軸方向呈直線狀(線性形狀)變化后的情況下的波束形狀。如上所述，當將從 開口中心位置開始的約2/3部分的開口分布設定為-20dB切比雪夫分布，其余的約1/3部 分設定為_40dB切比雪夫分布時，融合后的波束在中心位置附近擁有_20dB切比雪夫分布 的主瓣和第1旁瓣，在其它部分擁有_40dB切比雪夫分布的旁瓣。即，其波束形狀為，融合 旁瓣電平較高、主瓣的指向性強的_20dB切比雪夫分布的波束，和旁瓣電平較低、主瓣的指 向性弱的_40dB切比雪夫分布的波束后的波束形狀。其中，本實施方式的波導管縫隙天線，具有縫隙間距窄的位置和縫隙間距寬的位 置，可使相位面在管軸方向的途中彎曲呈凸形(改變在開口位置的相位變化度)，使第1旁 瓣內包在主瓣中。圖13表示具有上述縫隙排列的波導管的相位分布的圖。圖13㈧是以波導管的 管軸方向中心位置為X方向原點的相位分布。另一方面，圖13(B)是表示波面前進的模式 圖。同圖中，為便于說明，給出了假設在波導管上僅存在上述8個縫隙的情況為例。
本實施方式中，圖13(A)和圖13⑶所示，縫隙12A 12E之間的間距均相等，因 此相位會從波導管的左側開始依次沿管軸方向呈直線狀(線性形狀)變化。另一方面，從 縫隙12E開始的右面側間距會逐漸變窄，因此相位面會偏離上述直線，沿開口位置的相位 變化度會變小。因此，整個相位分布會呈上凸形(沿管軸方向呈非線性形狀)。如圖13所示，波面的前進方向從垂直方向向左面側傾斜，但其波面前進方向也可 與垂直方向保持一致，當然，也可向右面方向傾斜。例如，當波面前進方向向右面方向傾斜 時，只要使沿開口位置的相位變化度在途中變大即可。無論如何，只要整個相位分布向上面 方向呈上凸形(在開口位置途中抑制)即可。上述例中，雖然給出的是相位面從垂直于管軸方向的中心位置開始彎曲(相鄰的 多個縫隙之間的間距在中心位置的兩側互不相同)的例子，但相位面彎曲位置(間距變化 的位置)并不僅限于中心位置。圖14(A)以及圖14(B)是采用上述相位分布的波束形狀圖。一般情況下，當縫隙的 間距為Xg/2(Xg:管內波長)時，各縫隙的相位在平行于波導管頂面的平面上保持一致。 此時，相位分布在管軸方向方向上保持均勻，電場強度在垂直于波導管頂面的方向上最強。當使縫隙的間距偏離λ g/2 (并且使各縫隙的間距相等)時，相位在從波導管頂面 平行的面傾斜后的面上保持一致。因此，當改變縫隙間距時，相位分布會在管軸方向上發生 變化(傾斜度變化)，電場強度在從垂直于波導管頂面的方向傾斜后的位置處增強。本實施方式中，如圖14(A)所示，相位分布呈上凸形(非線性形狀)，電場強度的 增強位置僅少量出現在波面前進方向以外的周邊位置，主瓣形狀變為內包有第一旁瓣的形 狀。此時，該主瓣的形狀呈3dB波束寬度較窄，其它20dB波束寬度變寬的形狀(三角形波 束形狀)。即，與傳統的_40dB切比雪夫分布的波束形狀相比，3dB波束寬度較窄，而其它部 分的波束寬度會變寬。下面，舉更詳細的例子，說明關于適用本發明的天線的雷達裝置的回波顯示。針對配置有基于本實施方式的天線裝置發射的電波處理回波信號的接收回路的 雷達裝置，返回圖7，對用本發明的雷達裝置顯示如圖7所示的大小(一大一小)的兩個反 射體的回波，加以說明。在此，考察排水量為5t、長度為IOm的船舶(RCS = IOm2)和排水量為100t、長度為 50m的船舶(RCS = IOOOm2)的回波。假設長度為IOm的船舶，其相對的反射強度為3dB，長 度為50m的船舶，其反射強度為23dB。本實施方式的主瓣，如圖14(B)所示，3dB波束寬度約為1. 8度左右，23dB波束寬 度約為7度左右。因此，如圖8所示，上述雷達裝置的雷達畫面上，會分別顯示寬度為1. 8 度的回波圖像和寬度為7度的回波圖像。因此，雷達畫面上會顯示出約4倍左右的差距，能 夠辨別出較現有天線裝置更接近實體大小差距的回波。因此，減小了低估反射體大小的可 能性。這表示與根據現有的天線的雷達畫面上的顯示相比的優勢。如果能將第1旁瓣內包在主瓣中，相位分布就不僅限于圖15所示的例子。例如， 也可以如圖15所示，可通過沿管軸方向逐漸改變縫隙的間距，使整個相位分布呈非線性形 狀。另外，即使朝向上面方向相位分布呈凹形，也能使第1旁瓣內包在主瓣中。另外，代替設置縫隙間距不同的位置，也可以用在縫隙的開口側設置介電常數不 同的多個介電質，或者在縫隙的開口側沿管軸方向設置寬度不同的多個波導管，據此，使相位分布呈非線性形狀。圖16是在縫隙的開口側設置介電常數不同的多個介電質的立體圖。圖17是表示 從垂直于管軸方向和電磁波的放射方向的兩方向看的結構的圖。如圖所示，代替改變縫隙 的傾斜和間距，可以配置互不相同的介電常數的物質，也能夠獲得同樣效果。該波導管縫隙天線，具有方形斷面的中空(或內包介電質)波導管21、以及設在該 波導管21的頂面側的多個縫隙(縫隙22A 22G)。即使在同圖中，為了便于說明，僅標示 有部分縫隙(本例中為7個)，實際擁有的縫隙更多。同圖所示，從波導管的頂面俯視，各縫隙也相對于垂直方向傾斜，相鄰縫隙分別向 反方向傾斜。因此，同圖例中的波導管21，其開口分布也如圖14所示，將從開口中心位置開 始的約2/3部分的開口分布設定為_20dB切比雪夫分布的特征分布，其余的約1/3部分設 定為_40dB切比雪夫分布的特征分布。其中，縫隙22A 22G均為等間距排列。因此，在縫隙開口面上的相位分布沿管軸 方向呈線性形狀。但是，在同圖例中，通過在縫隙22A 22G的開口側分別設置介電常數不 同的多個介電質15A 15G (介電常數ε 1 ε 7)，將整體相位分布設定為非線性形狀。 即，通過在各縫隙設置介電常數不同的介電質，改變相位，形成如圖14所示的、朝向上面方 向的凸形的相位分布。另外，該例中，也可僅在部分縫隙的開口面側設置介電質，也可以使 相位面在開口位置的途中彎曲為凸形。下面，代替配置有互不相同的介電質的物質，說明沿管軸方向配置寬度不同的多 個波導管的結構的實施方式。圖18表示在縫隙的開口側沿管軸方向設置寬度不同的多個波導管的天線的構成 的一部分。圖19、20分別表示從垂直于管軸方向和電磁波的放射方向的方向看如圖18所示 的天線的圖，以及從電磁波的放射方向看的正面圖。在任意圖中，只表示放射用的波導管、 導入用的波導管等、省略其他的結構。本實施方式的波導管縫隙天線，在各縫隙的開口面上設置多個波導管17Α 17G 代替圖16所示的介電質15Α 15G。波導管17Α 17G沿管軸方向的寬度b和高度c均相 同。但是，管軸垂直方向的寬度不同(al a7)。具體而言，從波導管17A到波導管17D，其沿垂直方向的寬度依次逐漸增大(al < a2 < a3 < a4)；從波導管17D到波導管17G，其沿垂直方向的寬度依次逐漸減小(a4 > a5 > a6 > a7)。管內波長λ g的數學表達式為數1因此，從波導管17A到波導管17D，管內波長會逐漸變短；從波導管17D到波導管 17G，管內波長會逐漸變長。最終的傳輸相位p，其數學表達式為P = c/ λ g。因此，相位面從波導管17D到波 導管17G彎曲為凸形。整個波導管縫隙天線的相位分布，向上面方向呈凸形(沿管軸方向呈非線性形狀)。本實施方式的波導管縫隙天線，其通過在縫隙22k 縫隙22G的開口側沿管軸方 向設置管內波長不同的多個波導管17A 17G，如圖13所示的、朝向上面方向實現凸形的相 位分布。即使在本實施方式，也可僅在部分縫隙的開口面側設置波導管，使相位面在開口位 置的途中彎曲為凸形。在如圖9、16、18所示的任意的實施方式，盡管給出的是在波導管11的頂面側(窄 面側)形成多個縫隙的例子，但也可在波導管的正面側(寬面側)形成多個縫隙。另外，多 個縫隙(縫隙陣列)不僅限于1層，也可在與管軸方向垂直的方向排列多層。根據該結構， 能夠將電磁波的垂直方向的放射更好地整形。
權利要求
1.一種天線裝置，該天線裝置具有至少在一側面形成多個縫隙的波導管，其特征在于所述多個縫隙中的至少一個從垂直于所述波導管的管軸方向的面以規定的傾角傾斜。
2.根據權利要求1所述的天線裝置，其特征在于相鄰的所述多個縫隙間的在所述管 軸方向上的間距中，至少一個間距和其他的間距不同。
3.根據權利要求2所述的天線裝置，其特征在于在垂直于所述管軸方向的中心軸的兩側，在所述管軸方向上的相鄰的所述多個縫隙間 的間距不相同。
4.根據權利要求2所述的天線裝置，其特征在于 所述天線裝置，具有相鄰的所述各縫隙之間以第1間距等間隔排列的所述縫隙；相鄰的所述各縫隙之間以比所述第1間距大的第2間距等間隔排列的所述縫隙。
5.根據權利要求2所述的天線裝置，其特征在于在所述各縫隙中，相對于垂直所述管軸方向的面、相鄰的縫隙的傾斜方向相反。
6.根據權利要求2所述的天線裝置，其特征在于所述各縫隙的所述傾角，在垂直于所述波導管的所述管軸方向的中心軸附近和在所述 波導管的兩端部附近不同。
7.根據權利要求6所述的天線裝置，其特征在于所述中心軸附近的所述傾角比所述兩端部附近的所述傾角大。
8.根據權利要求2所述的天線裝置，其特征在于所述多個縫隙，形成在平行于所述波導管的所述管軸方向的側面中較窄的側面上。
9.根據權利要求3所述的天線裝置，其特征在于所述多個縫隙，形成在平行于所述波導管的所述管軸方向的側面中較寬的側面上。
10.根據權利要求2所述的天線裝置，其特征在于所述多個縫隙，在垂直于所述管軸方向的方向上形成多層。
11.根據權利要求2所述的天線裝置，其特征在于從所述縫隙放射的電磁波的波束是具有互不相同的多個旁瓣電平的開口分布的波束 融合后的波束，其在所述多個縫隙的管軸方向上的相位分布是非線性。
12.根據權利要求11所述的天線裝置，其特征在于所述相位分布，在所述管軸方向上，有線性部分和非線性部分。
13.根據權利要求1所述的天線裝置，其特征在于 在各縫隙的開口側設有介電常數不同的多個電介質。
14.根據權利要求13所述的天線裝置，其特征在于從所述縫隙放射的電磁波的波束是具有互不相同的多個旁瓣電平的開口分布的波束 融合后的波束，其在所述多個縫隙的管軸方向上的相位分布是非線性。
15.根據權利要求14所述的天線裝置，其特征在于所述相位分布，在所述管軸方向上，有線性部分和非線性部分。
16.根據權利要求2所述的天線裝置，其特征在于寬度不同的多個波導管，沿所述管軸方向設置在所述各縫隙的開口側。
17.根據權利要求16所述的天線裝置，其特征在于所述各縫隙的所述傾角，在垂直于所屬波導管的所述管軸方向的中心軸附近、和所述 波導管的兩端部附近不同。
18.根據權利要求17所述的天線裝置，其特征在于所述中心軸附近的所述傾角，比所述兩端部附近的所述傾角大。
19.一種雷達裝置，其特征在于，具有天線裝置，多個縫隙的中的至少一個，以規定的傾角從垂直于所述波導管的管軸方向 的垂直方向傾斜，在相鄰的所述各縫隙間的所述管軸方向上的間距中至少一個間距和其他 任意一個間距不同；接收回路，基于因從所述天線裝置放射的電磁波而形成的回波信號的電平探知目標的 位置；顯示畫面，顯示所述目標。
20.根據權利要求19所述的雷達裝置，其特征在于從所述縫隙放射的電磁波的波束是具有互不相同的多個旁瓣電平的開口分布的波束 融合后的波束，其在所述多個縫隙的管軸方向上的相位分布是非線性。
全文摘要
本發明提供一種天線裝置和使用該天線裝置的雷達裝置，其對于較大反射體和較小反射體，可獲得較傳統天線裝置更接近反射體實體大小差距的回波。將從波導管11的開口中心位置開始的約2/3部分的開口分布設定為-20dB切比雪夫分布的特征分布，其余的約1/3部分設定為-40dB切比雪夫分布的特征分布。并且，通過設置縫隙間距較小的位置(縫隙12A～12E)和較大的位置(縫隙12E～12工)，使相位面在管軸方向的途中向頂面方向彎曲為凸形，使第1旁瓣內包在主瓣中。這種天線裝置具有同等大小的旁瓣比，與切比雪夫分布相比，在3dB點的寬度窄、在20dB點的寬度寬。大的反射體和小的反射體的回波信號的電平差(比率)，比現有更接近實體。
文檔編號G01S13/02GK102142614SQ20101054511
公開日2011年8月3日 申請日期2010年11月5日 優先權日2009年11月6日
發明者箟耕治 申請人:古野電氣株式會社