特許 7428324 アンテナ，レーダー装置及び物体探索装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-29

(45)【発行日】2024-02-06

(54)【発明の名称】アンテナ，レーダー装置及び物体探索装置

(51)【国際特許分類】

   H01Q 5/371 20150101AFI20240130BHJP

   H01Q 9/42 20060101ALI20240130BHJP

   H01Q 1/38 20060101ALI20240130BHJP

   G01S 13/88 20060101ALI20240130BHJP

【ＦＩ】

H01Q5/371

H01Q9/42

H01Q1/38

G01S13/88 200

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021058341

(22)【出願日】2021-03-30

(65)【公開番号】P2022155025

(43)【公開日】2022-10-13

【審査請求日】2022-12-02

(73)【特許権者】

【識別番号】504237050

【氏名又は名称】独立行政法人国立高等専門学校機構

(73)【特許権者】

【識別番号】510100140

【氏名又は名称】ハマダベンディングサービス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105175

【弁理士】

【氏名又は名称】山広 宗則

(74)【代理人】

【識別番号】100105197

【弁理士】

【氏名又は名称】岩本 牧子

(72)【発明者】

【氏名】黒木 太司

(72)【発明者】

【氏名】浜田 一三

【審査官】白井 亮

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６０－１７３４９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－１２６３０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－２０７００４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１５６６０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－００５４４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－３２０４９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／３８３９３３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｑ ５／３７１

Ｈ０１Ｑ ９／４２

Ｈ０１Ｑ １／３８

Ｇ０１Ｓ １３／８８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

パルス発生器と、
一端側が給電線で接続され他端側が開放され、離散的に配列された長さの異なる複数の放射器列を備え、
前記パルス発生器から出力された信号を、１ＧＨｚ以下の基本周波数及びその高調波周波数成分に分けて、それぞれ対応する前記放射器から送受信されるように、前記放射器列の長さを設定してなることを特徴とするアンテナ。

【請求項2】

前記放射器列は、平板上に、コ字型に折り曲げられるとともに前記コ字型の開口部を同じ向きにして内側から外側に長さの短いもから長いものになるように間隔をあけて配列されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。

【請求項3】

前記平板の大きさを縦×横を４０００ｃｍ²以内になるようにしたことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ。

【請求項4】

前記請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載のアンテナを利用して物標をとらえることを特徴とするレーダー装置。

【請求項5】

前記請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載のアンテナを利用して土中又は水中に存在する物体の位置を検出することを特徴とする物体探索装置。

【請求項6】

前記物体は土中に存在する筍であり、前記基本周波数を１００ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下にしたことを特徴とする請求項５に記載の物体探索装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アンテナ，レーダー装置及び物体探索装置に関する。より詳細には、例えば、電波の反射を利用して土中や水中などに存在する物体の位置を検出する物体探索装置に使用可能なアンテナ及びそのアンテナを利用したレーダー装置及び物体探索装置に関する。

【背景技術】

【0002】

一般的に、土中や水中などの電波にとって損失の大きい媒質における物体探索に用いるパルスレーダではインパルス波や周期性パルス波の基本周波数を損失の影響を低減させるため１ＧＨｚ以下と低く設定する必要がある。
図１に、比誘電率２．６、誘電正接０．０６４の土中を伝播する電磁波の単位長さ当たりの損失を示す。電磁波の波長がセンチオーダーになる１０ＧＨｚ（１００００ＭＨｚ）では、１ｍ当たり１００ｄＢ、すなわち電磁波電力のほとんどが土の損失で熱として消滅し、１億分の１パーセント（％）の電力しか残らない。
これに対して周波数１ＧＨｚ（１０００ＭＨｚ）の電磁波では電磁波の１ｍ当たりの損失は１０ｄＢ、すなわち電磁波の電力のうち１０パーセント（％）の電力が残るので、損失性媒質中の物体検知には周波数１ＧＨｚ以下の電磁波の利用が好都合になる。

【0003】

このような土中にパルス波を伝搬させて物体を検知する場合、図２のような周期性パルス波の周波数成分は式（１）に示すようにパルス繰りかえし周波数ｆ₀（＝１／Ｔ₀）を持つ基本波、及び周波数ｎｆ₀（ｎ＝２，３，４・・・・）をもつ高調波の無限の重ね合わせで構成され、広帯域であることから、アンテナ素子の周波数帯域も広帯域性が必要となる。
式（１）
ｆ（ｔ）＝Ａ₀＋
Ａ₁（ｆ₀）ｃｏｓ｛２πｆ₀ｔ｝＋
Ａ₂（２ｆ₀）ｃｏｓ｛２π（２ｆ₀）ｔ｝＋
Ａ₃（３ｆ₀）ｃｏｓ｛２π（３ｆ₀）ｔ｝＋
Ａ₄（４ｆ₀）ｃｏｓ｛２π（４ｆ₀）ｔ｝＋・・・

【0004】

インパルス波や周期性パルス波を扱うアンテナは、一般的に知られている（例えば、特許文献１，２など）。
特許文献１に記載の発明は、スロットラインのスロット幅がテーパー状に広がった構造を備え、スロットラインの進行方向の電磁波を放射するもので、そのテーパーの形状を所定の関数形に決定するものである。
また、特許文献２に記載の発明は、コルゲート付フェルミアンテナのテーパー関数であるフェルミディラック関数の変曲点を変化させて、Ｈ面のビーム幅を目標の指向性を有するビーム幅に設定するとともに、フェルミアンテナの開口幅を変化させてＥ面のビーム幅を目標の指向性を有するビーム幅に設定するものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開平１０－１３１４３号公報

【文献】特開２００７－１１６２０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１，２に記載されたアンテナは、いずれも利用周波数帯域は１０ＧＨｚ以上（特許文献１のものは６０ＧＨｚ，特許文献２のもの３０ＧＨｚ）、波長に換算して３ｃｍ以下のものであるので、これをパルス繰りかえし周波数２００ＭＨｚ付近あるいは２００ＭＨｚ以下のインパルスレーダに用いようとすると、その形状は１～２ｍと大型になるといった問題がある。

【0007】

そこで本発明の目的とするところは、１ＧＨｚ以下の基本周波数及びその高調波周波数成分を利用したパルス繰りかえし周波数からなるパルス波を送受信するもので小型化を図ったアンテナ，レーダー装置及び物体探索装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の目的を達成するために、本発明のアンテナ（１０）は、パルス発生器（１）と、一端側が給電線（２）で接続され他端側が開放され、離散的に配列された長さの異なる複数の放射器列（１１～１７）を備え、前記パルス発生器（１）から出力された信号を、１ＧＨｚ以下の基本周波数及びその高調波周波数成分に分けて、それぞれ対応する前記放射器（１１～１７）から送受信されるように、前記放射器列（１１～１７）の長さを設定してなることを特徴とする。

【0009】

また本発明は、前記放射器列（１１～１７）は、平板（２０）上に、コ字型に折り曲げられるとともに前記コ字型の開口部を同じ向きにして内側から外側に長さの短いもから長いものになるように間隔をあけて配列されていることを特徴とする。

【0010】

また本発明は、前記平板（２０）の大きさを縦×横を４０００ｃｍ²以内になるようにしたことを特徴とする。

【0011】

また本発明のレーダー装置は、前記請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載のアンテナを利用して物標をとらえることを特徴とする。

【0012】

また本発明の物体検索装置は、前記請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載のアンテナを利用して土中又は水中に存在する物体の位置を検出することを特徴とする。

【0013】

ここで、上記括弧内の記号は、図面および後述する発明を実施するための形態に掲載された対応要素または対応事項を示す。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、一端側が給電線で接続され他端側が開放され、離散的に配列された長さの異なる複数の放射器列を設け、パルス発生器から出力された信号を、１ＧＨｚ以下の基本周波数及びその高調波周波数成分に分けて、それぞれ対応する放射器から送受信されるように、放射器列の長さを設定することで、アンテナの全体を小型化して軽量化を図ることができる。

【0015】

アンテナとしては様々の構造にすることができるが、平板上のアンテナにした場合、すなわち、放射器列を、平板上に、コ字型に折り曲げられコ字型の開口部を同じ向きにして内側から外側に長さの短いもから長いものになるように間隔をあけて配列することで、例えば、縦（Ｘ）２４ｃｍ、横（Ｙ）４１ｃｍの平面内に納まる小型化されたアンテンとすることができる。
また、これによれば、平板の大きさを縦×横を４０００ｃｍ²以内になるようにすることができる。

【0016】

また、本発明によれば、このようなアンテナを、物標をとらえるレーダー装置や、土中又は水中に存在する物体の位置を検出する物体探索装置に適用することができる。
特に、土中に存在する筍を探索する装置に適用した場合、基本周波数を１００ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下にすることで筍の位置をミリ単位で検出することができる。これによれば、筍までの深さを正確に把握することができるので、筍を傷つけることなく素早く採取することができる。

【0017】

なお、本発明のように、一端側が給電線で接続され他端側が開放され、離散的に配列された長さの異なる複数の放射器列を設け、パルス発生器から出力された信号を、インパルス波及び周期性パルス波を構成する１ＧＨｚ以下の基本周波数及びその高調波周波数成分に分けて、それぞれ対応する放射器から送受信されるように、放射器列の長さを設定したものは、上述した特許文献１及び２には全く記載されていない。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】周波数に対する土中電波伝搬損失を示すグラフである。

【図2】土中に伝搬させて物体を検知するために使用される周期性パルス波を示す波形である。

【図3】本発明の実施形態に係るアンテナの原理を示すブロック図である。

【図4】本発明の実施形態に係るアンテナの構成を示す平面図である。

【図5】パルス幅０．３８ｎｓ、パルス繰りかえし周期２．４７ｎｓからなるパルス波形の周波数スペクトラムを計算する式と、計算値を示すグラフである。

【図6】パルス幅０．３８ｎｓ、パルス繰りかえし周期２．４７ｎｓからなるパルス波形を示す波形図である。

【図7】図４に示したアンテナの反射特性と、周波数と反射係数との関係を示すグラフである。

【図8】図４に示したアンテナを二つ対向させて測定した送信パルス波と受信パルス波の波形を示すグラフである。

【図9】図４に示したアンテナを使用した土中筍検出インパルスレーダの概略構成を示すブロック図である。

【図10】図４に示したアンテナを使用した土中筍検出インパルスレーダを用いた筍検出実験時の波形である。

【図11】インパルスレーダの原理を示す波形と計算式である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

図３及び図４を参照して、本発明の実施形態に係るアンテナについて説明する。

【0020】

このアンテナの原理は、図３に示すように、パルス発生器１と、離散的に配列された複数（ｎ個）の放射器列１１～１７（ここでは、例えば、ｎ＝７とした場合を示す）を備えたもので、放射器列１１～１７の一端側は給電線２で接続されパルス発生器１からの信号が入力されるようになっているが他端側は開放端とされている。

【0021】

そして、パルス発生器１から出力された信号を、インパルス波及び周期性パルス波を構成する１ＧＨｚ以下の基本周波数及びその高調波周波数成分に分けて、それぞれ対応する放射器１１～１７から送受信されるように、放射器列１１～１７の長さを設定している。
放射器列１１は基本周波数に対応し、放射器列１２～１７は第２～７高調波に対応している。放射器列１２の長さが最も長く、以下、放射器列１２，１３，１４，１５，１６，１７にいくにしたがって長さが短くなっている。

【0022】

図４は、本発明の実施形態に係るアンテナ構造の一例であり、基本周波数及びその高調波周波数が動作する各１／４波長モノポールアンテナをコ字型に折り曲げ、これを平板２０上に配列し、かつこれらを１点で給電したものである。
基本周波数及びその高調波周波数に対応した放射器列１１～１７は、平板２０上に、コ字型の開口部を同じ向き、ここではパルス発生器１側に向けて、内側から外側に長さの短いもから長いものになるように間隔をあけて配列されている。

【0023】

ここで、パルス繰りかえし周波数を２０８ＭＨｚに設定した場合、基本周波数の１／４波長の長さは３６ｃｍになり、これをコ字型に折り曲げると給電線も含めて縦（Ｘ）２４ｃｍ、横（Ｙ）４１ｃｍの平面内に収まる小型化が達成された。またこの平面内に第２～７高調波に対応するコ字型のモノポールアンテナが配列された。
これによれば、パルス繰りかえし周波数の大きさに左右されるが、平板２０の大きさを縦×横を４０００ｃｍ²以内に抑え、小型化することができる。

【0024】

図５は、図６に示す周期性パルス波の各周波数スペクトラムを、図５の上に示した式で計算したもので、周期性パルス波全電力の９０％は第４高調波（周波数８３２ＭＨｚ）までの周波数スペクトラム中に含まれることが分かった。

【0025】

また、図７は、製作した図４のアンテナの反射特性測定値で、基本波周波数、高調波ともに反射係数は－６ｄＢ以上と反射が少なく、良好に動作した。

【0026】

さらに、図８は、図４のアンテナを二つ空中に立て、その平面同士をおよそ２０ｃｍの距離で対向させた状態に配置し、図６で示したパルス波を送受信した実験結果である。
これによれば、受信波のパルス波形（振幅の小さい方）は送信波のパルス波形（振幅の大きい方）と同じ周期の波形であり、本実施形態に示したアンテナの動作が確認された。

【0027】

次に、図４に示したアンテナを利用して土中又は水中に存在する物体の位置を検出する物体探索装置について説明する。
ここでは、土中の筍を検知するために物体探索装置を使用した例を示す。

【0028】

この物体探索装置は、図９のように方向性結合器３０を２基接続し、端子（Ａ）に図６に示したパルス波形を発生させるパルス発振器１を接続し、端子（Ｂ）に図４に示したアンテナを接続したものであり、端子（Ｃ）には送信パルス波の波形が出力され、端子（Ｄ）には筍からの反射パルス波の波形が出力されるようになっている。

【0029】

図１０は、土中に筍が存在しない土のみのときの反射波と、土中に筍が存在したときの反射波を測定したものである。
これによれば、両者の時間差は、０．５（ｎｓ）であることから換算した筍の位置は地面から４．３３（ｃｍ）と計算され、土中に筍の存在を検知することができた。
その計算方法については、図１１に示すインパルスレーダの原理に基づき、物体探索装置（レーダー）と検知物（筍）までの距離Ｒは、Ｒ＝（ν_S×Ｔ_R）／２から求められる。
ここで、ν_Sは土中の電磁波速度であり、ν_S＝（３×１０⁸）／√３（ｍ／ｓ）となり、Ｔ_R＝０．５ｎｓ＝０．５×１０^-9より、Ｒ＝（３×１０⁸×０．５×１０^-9）／２√３＝０．０４３３（ｍ）＝４．３３（ｃｍ）となる。

【0030】

これによれば、土中の筍の位置（深さ）をミリ単位まで正確に算出することができるので、筍を傷つけることなく素早く採取することができる。
しかも、アンテナは、縦（Ｘ）２４ｃｍ×横（Ｙ）４１ｃｍの平面内に収まる小型化されたものであるので軽量で作業者が手に持って筍の探索を行っても負担が少ない。
なお、ここでは基本周波数として２０８ＭＨｚのものを採用したが、土中の筍を探索することを専用にする物体探索装置としては、基本周波数を１００ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下にすることで装置を小型化することができしかも精度よく探索することができることがわかった。

【0031】

本実施形態では、図４に示した構成のアンテナを利用して土中の筍を探索するものであったが、土中に限らず水中に存在する物体の位置を検出する物体探索装置としたり、あるいは空中に在存する物標をとらえるレーダー装置とすることもでき、いずれも装置全体の大きさを小型化することができる。
また、アンテナの構成も図３に示した原理を踏まえたものであれば、図４に示した平面状のものに限定されるものではない。

【符号の説明】

【0032】

１ パルス発生器
２ 給電線
１０ アンテナ
１１～１７ 放射器列
２０ 平板
３０ 方向性結合器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】