フェーズドアレイレーダー
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2023/12/02 13:16 UTC 版)
動作原理
AN/SPS-39のような従来の3次元レーダーでは、ビーム走査方式として周波数走査（frequency scanning, FRESCAN）方式を採用していた。これは周波数を変化させることで各アンテナ素子の位相を擬似的に変化させてビームを走査するものであり、ビームの指向については比較的自由度が低かったため、多くの場合、垂直方向の走査のみをFRESCANとして、水平方向の走査はアンテナを直接指向する機械式としていた[2]。
これに対し、フェーズドアレイ・アンテナにおいては、その名の通り、位相そのものの制御による位相走査（phase scanning）方式が採用されている。これは、各アンテナ素子（放射素子）に移相器を接続し、移相量を制御することでビーム走査を行う方式である。移相器によって移相量を任意に設定できることから、FRESCAN方式と比して自由度が極めて大きくなっている[1]。
原理的にはかなり早期から提唱されていたが、移相器に代表される微細加工技術・半導体技術と、信号処理・高速電子計算機技術の進歩によって、1970年代より急速に3次元レーダーの主流として台頭した[3]。
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位相走査による指向性の制御の模式図。
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放射パターン制御の自由度を表したアニメーション。
アンテナ方式
フェーズドアレイ・アンテナでは、アンテナ素子・移相器と送信機・受信機の関係に応じて、パッシブ式とアクティブ式に大別できる[4]。また広義には、移相器を用いないロットマンレンズ方式も含められる場合もある[3]。
パッシブ式
パッシブ式（パッシブ・フェーズドアレイ式、あるいはパッシブ電子走査アレイ（passive electronically scanned array, PESA）式）は、アンテナ素子の部分には移相器のみを内蔵する方式であり、発振器や増幅器のようなアクティブな回路を含まないことからこの名前がある[3]。
送信機と受信機はアンテナ全体で1組しか備えられず、この送信機によるレーダー出力が、導波管によってそれぞれのアンテナ素子・移相器に分配されてゆく[4]。このため、大出力の送信マイクロ波が移相器中を直接に伝播することになることから、耐電力性の観点から、フェライト移相器が用いられる事が多い[3]。この移相器や給電分配回路の損失の影響を受けて、送信出力の減少や受信信号の減少が生じるという制約がある[3]。またアンテナ全体を賄うために送信機はかなりの大出力となっており、この送信機に故障が生じるとレーダーとしての機能の喪失に直結する[4]。
アクティブ式
アクティブ式（アクティブ・フェーズドアレイ式、あるいはアクティブ電子走査アレイ（Active electronically scanned array, AESA）式）は、アンテナ素子ごとに分散した送信機・受信機・位相器を備える方式である[4]。それぞれのアンテナ素子からの送信電力は小さくても済むことから、半導体化されていることが多い[4]。
この場合、アンテナ素子が多数であるので、素子ごとか数個単位で、送信パス・受信パスそれぞれの位相を任意に調整できる位相器を含む送受信モジュール（T/Rモジュール）を配列する[5]。これによってビームの指向制御を行うとともに、空間的に電力合成することによって等価的に大きな送信出力を得ることができる[5]。
AESA式の場合、幾つかのT/Rモジュールが故障しても、レーダ全体への影響は軽微である。また半導体化によって個々のT/Rモジュールの信頼性も向上している[4][5]。
ロットマンレンズ式
上記のパッシブ式とアクティブ式は、いずれも移相器の移相量を制御してビーム走査を行うのに対して、ロットマンレンズ式では誘電体レンズ (Rotman lens) 内の電波の行路差を利用して位相を制御するのが特色である[3]。電子戦装置のように広帯域特性が要求される場合に有利な方式であり[3]、アメリカ海軍のAN/SLQ-32でも採用されている[6]。
ビーム走査方式
一般的なビーム形成方式はABF（Analog beam forming）と称される[7]。これは送・受信ともにアナログ信号のままでビームを形成する方式であり、1度に1方向にしかビームを形成できない[7]。
これに対し、1990年代以降は、DBF（Digital beam forming）によるマルチビーム走査の時代に入ってきた[3]。これは所定方位・仰角範囲について同時に多数の受信ビームを形成することで、データレートの向上や超低サイドローブ化によるクラッタ抑圧性能の向上や多機能性の向上などが期待できるものである[3]。一方、複数の受信マルチビームが覆う領域に送信波が届くように送信ビームは広く形成する必要があり、このため送信電力密度は小さくなる[7]。
注釈
出典
- ^ a b 吉田 1996, 第4章 アンテナ.
- ^ a b Friedman 1981, p. 165.
- ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y 西本, 山岸 & 篠原 1995.
- ^ a b c d e f 吉田 1996, 第11章 特殊なレーダ技術.
- ^ a b c 吉田 1996, 第5章 レーダ送信機.
- ^ Friedman 1997, pp. 549–552.
- ^ a b c 防衛技術ジャーナル編集部 2017, pp. 104–114.
- ^ 坂本 & おちあい 2013, pp. 72–73.
- ^ 予算執行事前審査等調査（平成22年度第4四半期） 防衛省予算監視・効率化チーム
- ^ 技術研究本部50年史 P278
- ^ MAMOR 2013年11月号
- ^ 日本初 「フェーズドアレイ気象レーダ」を開発 情報通信研究機構 2013年8月31日
- ^ “日本初 「フェーズドアレイ気象レーダ」を開発”. 大阪大学 (2012年8月31日). 2022年6月20日閲覧。
- ^ レーダー、竜巻検知早く 積乱雲精密に観測日本経済新聞 2013年9月17日（有料記事）
- ^ “「ゲリラ豪雨」襲来の兆候をつかめ！ 進化した気象レーダの今に迫る”. 東芝 (2018年8月1日). 2022年6月20日閲覧。
- 1 フェーズドアレイレーダーとは
- 2 フェーズドアレイレーダーの概要
- 3 特徴
- 4 機種一覧
- 5 脚注
- フェーズドアレイレーダーのページへのリンク
