JP6542242B2 - 地中レーダー用アンテナシステム - Google Patents

Description

本発明は、ジオレーダー用のアンテナシステムを含み、送信される電磁波は、主に地下に放射される。

ジオレーダーは地下に電磁波（電波）を送信するとともに地下のオブジェクトや成層からの反射を測定する一種のレーダーである。この種のレーダー用のアンテナにより、送信された信号は、最良の可能な方法で地下に確実に至る。従って、アンテナは地面に配置されるか、地面に近接するべきである。ジオレーダーの送信機と受信機との間を十分に絶縁するために、並んで取り付けられる個別の送信アンテナおよび受信アンテナが通常使用される。

いわゆる「蝶ネクタイ」型アンテナが、広い帯域幅が必要ないくつかの応用において使用されている。そのようなアンテナに関する最も典型的な記事がＧ．Ｈ．ブラウンおよびＯ．Ｍ．ウッドワードによって、１９５２年１２月に非特許文献１（ＲＣＡ調査の４２５乃至４５２ページ）に掲載された。その時以来、この種のアンテナの変形に関する多くの記事が公開されている。ジオレーダーにおいて、蝶ネクタイ型双極子を使用することが一般的であったが、これらが満足に作動するためにはいわゆるバラン（平衡不平衡）変成器が要求される。２０００年に、Ｅ．Ｓ．Ｅｉｄｅは、Ｖ字状のグラウンド層の下側に取り付けられる一対の蝶ネクタイ型単極を含む新しいアンテナシステムについて開示する記事を、非特許文献２（マイクロ波、アンテナ、および伝播のＩＥＥＥ会報の第１４７巻、のナンバー３）において公開した。アンテナシステムが双極子に代えて単極で構成されたので、アンテナにおける平衡に対する依存性はなかった。しかしながら、グラウンド層の形状により、グラウンド層とアンテナ素子との間の空間を満たすために比較的多くのレーダー吸収体（吸収性物質）の使用が要求される。アンテナの開発は特許文献１乃至３のように特許されている。ここで、送信アンテナおよび受信アンテナは、ヒンジによって接続される共通のグラウンド層に取り付けられるため、アンテナ間の角度αを最適値に調整することができる。この構造体の短所は、送信アンテナから送信されたレーダー信号の一部が、地面に進入する前に、送信アンテナのちょうど反対側に配置される受信アンテナによって反射されることにある。これにより望ましくない二重のパルスが生成され、互いに近接するオブジェクト間を区別するレーダーの能力が低減される。加えて、地面自体から上方に反射されたレーダー電波は、アンテナ構造体においてもう一度反射される。これは、接続されるグラウンド層がいわゆるコーナーリフレクターをなすことによる。反射された信号は再び地面に入り、レーダー画像の質を下げることに寄与するいわゆる多数の信号を生じさせるであろう。この構造体の第３の短所は、送信アンテナおよび受信アンテナが互いにちょうど向き合っていることにより、送信アンテナから受信アンテナに強力な直接波が向けられることにある。

特許文献４に更なる開発されたバージョンのアンテナが開示される。特許文献４において、アンテナ装置は、地面に向かって下方に配向されるポイントを備えたＶ字状のくさびを形成するように構成され、送信機および受信機への同軸ケーブルの接続ポイント（給電点）は、Ｖ字状のくさびのポイントから最も遠くに離間するように配置される。加えて、グラウンド層は、互いに電気的に接続されない。このアンテナ構造体により、特許文献１の構造体と比較して、実質的に改善された信号品質が得られた。

ここまで開示された構造体における共通の特徴は、これらの構造体が地面の方に水平に配置されるものではなく、これにより、地下に直接エネルギーを接続することにある。その短所は、この境界面で生じる反射により、電波が空気から地面への移動において実質的に損失を受けることにある。加えて、波は、空気および地面に対する波速度の差により反射（屈曲）にさらされるであろう。これにより、いわゆる地震の移動技術がデータ処理に使用される、続く画像の焦点合わせがより困難なものとなる。

ノルウェイ特許第３１６６５８号明細書 欧州特許第１５５８９４６号明細書 米国特許第７１７０４４９号明細書 国際公開第２０１３／０５１９４５号明細書

RCA Review, pp 425-452, in December 1952 IEE Transactions on Microwave, Antennas and Propagation, Vol. 147, No. 3

アンテナは本発明により新しいアンテナシステムに更に開発され、これは、新規であり、上記に対する改善された解決策である。
本発明の課題は、従来のアンテナシステムと比較して、地下にエネルギーをよりよく接続できる無線信号を放つアンテナを形成することにある。加えて、課題は、レーダー信号がよりリンギング（ｒｉｎｇｉｎｇ）を有さないようにアンテナ構造体からの多重反射を低減することにある。

本発明により、実質的にリンギングが低減され、地下へのレーダー信号の浸透する深さが増す。これにより、地下のより深いオブジェクトの検知が可能となる。アンテナは地面に対して水平に配置されるように構成され、これにより空中から地面までの信号の通路が低減される。これにより、いわゆる地震の移動技術によってデータ分析に一層好適なレーダーデータが得られる。

本発明によるアンテナシステムの特性は、独立項１に示される。付加的な特徴が従属項に示される。
本発明の第１の実施形態によれば、ジオレーダー用のアンテナシステムは、２つの平板状のアンテナ装置を含み、アンテナ装置は、少なくとも１本の送信アンテナと、少なくとも１本の受信アンテナとをそれぞれ含む。各アンテナ装置のアンテナは単極を含み、単極は、電波吸収材料の層の下側に配置される電気的に絶縁するプレート・ベースを金属面に適用することにより構成される。材料層の頂面は、金属製のグラウンド層によって覆われる。アンテナ装置は地面に対して水平に配置されるように構成される。電波吸収材料の層は、グラウンド層の頂面上に設けられ、グラウンド層は電気的に接続されない。

グラウンド層の頂面上の電波吸収材料は、アンテナの給電点に配置されるケーブル・コネクタ近傍の領域を効果的に覆う。
送信アンテナおよび受信アンテナ用のアンテナ装置は一体的に平坦な構造体を効果的に含み、アンテナは、アンテナ給電点がアンテナの対称軸に近接するように配向される。

アンテナは主にＶ字状にあり、レーダー吸収材料は１つ以上の抵抗性を備える層から構成される。
アンテナの終端ポイントは抵抗器およびスペーサを介してグラウンド層に接続される。平板状基部は積層体であり、特に回路基板積層体であり、好ましくはガラス繊維基板を含む。

レーダー送信機およびレーダー受信機をそれぞれ備える送信アンテナおよび受信アンテナの給電点を接続する同軸ケーブルは、その上にフェライト材料のスリーブが、同軸ケーブルのスクリーンの表面の外側上に装着されている。

１本以上の送信アンテナおよび一群の受信アンテナを備えるアンテナシステムは、２つのアンテナ装置間の対称軸に沿って配置されたアンテナの線形の列を形成する、２本以上の受信アンテナから構成される。

アンテナシステムは、各々が１本以上の受信アンテナからなる２群の受信アンテナを備え、その群のうちの１つは、通常の受信アンテナの反対側に配置される追加の列の受信アンテナを形成する。

各グループにおける受信アンテナの数は送信アンテナの数よりも多く、各送信アンテナは、受信アンテナに従って対称軸に沿ってアンテナの距離の半分をジグザグに配置される。

アンテナシステムを示す側面断面図。 本発明の実施形態によるアンテナシステムを下側から見た図。 下側から見た本発明の実施形態によるアンテナシステムであって、いくつかの送信アンテナおよびいくつかの受信アンテナがアンテナシステムの対称軸に沿って配置される、アンテナシステムを示す図。 下側から見た本発明の実施形態によるアンテナシステムであって、追加の列の受信アンテナが、送信アンテナの列の対向面に配置され付加されたアンテナシステムを示す図。

添付の図面を参照して本発明を後述する。
図１は、後述するように送信および受信それぞれのための２つのアンテナ装置を含むアンテナシステムを示す。送信アンテナ（１）および受信アンテナ（２）は、電気的に絶縁するプレート基部（３）上の電気的導体材料から形成される単極を含み、例えばＦＲ−４タイプの１．５５ｍｍ厚の回路カード積層体である。単極は、給電点（６）に適合する最適なインピーダンスのために例えば三角形状またはＶ字状にある。回路カード積層体（３）は、電波を減衰する材料（４）（電波吸収材料）の平板状層の下側に配置される。これは肉薄な抵抗性を備える層からなる材料であるか、レーダー吸収性材料である。吸収層は、背面に設けられるとともに金属からなるグラウンド層（５）上に配置される。送受信アンテナ（１，２）は同様に形成される。アンテナの各々は、給電点（６）に配置されるケーブル・コネクタを介して同軸ケーブルによって給電される。同軸ケーブルの中心線はアンテナ（１，２）に接続され、スクリーンはグラウンド層（５）に接続される。以下終端ポイントと呼ぶアンテナの外縁は、例えば５０オームの抵抗器（７）によってグラウンド層に接続され、例えばグラウンド層（５）上に取り付けられた金属製スペーサ（８）に接続される。スペーサ（８）は、グラウンド層（５）に対する回路カード積層体（３）の機械的な取り付けに寄与する。この例において、グラウンド層の２つの部分が、ガラス繊維構造体（９）の内部に取り付けられ、これにより、これらは互いに確実に電気的に接続されない。アンテナ装置は、アンテナ・パネルが地面（１０）に対して水平に配置されるように設けられる。本発明の基本的な特徴は、地上の放射を引き起こす、グラウンド層（５）の頂面の望ましくない電流を抑えるために、グラウンド層も頂面の吸収材料（４）によって覆われることにある。給電点（６）におけるコネクタ近傍の領域においてグラウンド層が、グラウンド層（５）の頂面に漏れる信号からのいわゆるリンギング（多重反射）を回避するために吸収材料（４）によって覆われることが特に重要である。形態の問題として、出願人は、頂面および底面側との表現は、例えば図１に示すようにシステムが通常の使用において地面に対して配置される場合に、地面から離間するように面するアンテナシステムの側、および地面に面する側をそれぞれ示すものとして記載する。

本発明の別の特徴は、スクリーンの外側からケーブルに高周波電流が流れ、これにより望ましくない放射が生じることを回避するために、アンテナの給電点（６）を対応するレーダー送信機およびレーダー受信機に接続するすべての同軸ケーブルの上にフェライトのスリーブ（１１）が同軸ケーブルのスクリーンの外側上に取り付けられることにある。フェライトの別の効果は、高周波の同軸ケーブルの電気的なスクリーンが、送信アンテナ（１）および受信アンテナ（２）のグラウンド層（５）間に、効果的な電気的接続を形成しないことにある。

図２は、下側から見た一実施形態によるアンテナシステムを示す。送受信アンテナ（１，２）は、Ｖ字状にあり、グラウンド層（５）への金属製スペーサ（８）に接続される抵抗器（７）を備える。スペーサ（８）は、給電点（６）からもっとも離間して配置される終端ポイントに配置される。

図３に本発明の別例によるアンテナシステムを示す。この図は、線形のアンテナシステムであって、同アンテナシステムの対称軸（１３）に沿って配置されるいくつかの送信アンテナ（１）およびいくつかの受信アンテナ（２）を含むアンテナシステムを示す。

図４に本発明の別例によるアンテナシステムを示す。この図においては、送信アンテナ（１）の列の反対側に配置される追加の列の受信アンテナ（１２）が付加されている。この構成により、２列の受信アンテナ（２，１２）上の送信アンテナ（１）から信号を受信することができ、アンテナの給電点（６）間の距離（オフセット距離）は、異なる値を有する。いわゆるマルチ・オフセット配置により、地下の電波の波速度を評価できる他、異なるずれた距離でも評価できるため、異なる入射角でも評価できる。これは、地下の異なるオブジェクトおよび層化を強調するために効果的である。

Claims (11)

1. ２つの平板状のアンテナ装置を備えるジオレーダーのためのアンテナシステムであって、前記２つのアンテナ装置は、少なくとも１本の送信アンテナ（１）および少なくとも１本の受信アンテナ（２）を含み、前記アンテナ（１，２）は、各アンテナ装置において、レーダー吸収材料（４）の層の下側上に配置される電気的に絶縁するプレート基部（３）を金属面に適用することにより形成される単極を含み、前記材料の層の頂面は、金属製のグラウンド層（５）によって覆われ、前記アンテナシステムは、
   前記アンテナ装置が地面（１０）に向かって下方に水平に配置されるように構成され、前記レーダー吸収材料（４）の層は前記グラウンド層（５）の頂面上に配置され、前記グラウンド層（５）は、互いに電気的に接続されないことを特徴とするジオレーダー用のアンテナシステム。
2. 前記グラウンド層（５）の前記頂面上の前記レーダー吸収材料（４）は、前記アンテナの給電点（６）に配置されるケーブル・コネクタ近傍の領域を覆うことを特徴とする請求項１に記載のアンテナシステム。
3. 組み合わされる前記送信アンテナおよび受信アンテナ用の前記アンテナ装置は、平坦な構造体を構成し、前記アンテナ装置は、前記アンテナの給電点（６）が前記アンテナの対称軸（１３）に対して近接して水平に配置されるように配向されることを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナシステム。
4. 前記アンテナ（１，２）が主にＶ字状にあることを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれか一項に記載のアンテナシステム。
5. 前記レーダー吸収材料（４）は、１層以上の抵抗層から構成されることを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載のアンテナシステム。
6. 前記アンテナの終端ポイントは、抵抗器（７）およびスペーサ（８）を介して前記グラウンド層（５）に接続されることを特徴とする請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載のアンテナシステム。
7. 前記プレート基部（３）は積層体であり、ガラス繊維基板を含むことを特徴とする請求項１乃至６のうちのいずれか一項に記載のアンテナシステム。
8. レーダー送信機およびレーダー受信機をそれぞれ備える前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの給電点（６）を接続する同軸ケーブルを備え、前記同軸ケーブルは、その上にフェライト材料のスリーブ（１１）が、前記同軸ケーブルのスクリーンの前記外側上に装着されていることを特徴とする請求項１乃至７のうちのいずれか一項に記載のアンテナシステム。
9. １本以上の送信アンテナ（１）および一群の受信アンテナ（２）を備え、同一群の受信アンテナ（２）は、２つの前記アンテナ装置間の対称軸に沿って配置されるアンテナの線形の列を形成する、２本以上の受信アンテナから構成されることを特徴とする請求項１乃至８のうちのいずれか一項に記載のアンテナシステム。
10. １本以上の送信アンテナ、並びに各々が１本以上の受信アンテナ（２，１２）からなる２群の受信アンテナ（２，１２）を備え、前記群のうちの１つが通常の受信アンテナ（２）の列の反対側に配置される追加の列の受信アンテナ（１２）を形成することを特徴とする請求項１乃至９のうちのいずれか一項に記載のアンテナシステム。
11. 各群における前記受信アンテナ（２）の数は、前記送信アンテナ（１）の数よりも多く、各送信アンテナ（１）は、前記受信アンテナ（２）に対して対称軸（１３）に沿ってアンテナの半分の距離だけジグザグに配置されることを特徴とする請求項８または９に記載のアンテナシステム。
    

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