放物面アンテナからフェーズドアレイアンテナへ：航空機搭載レーダーアンテナ開発の簡潔な歴史

戦争のニーズの変化と科学技術の進歩に伴い、航空戦の「価値」はますます高まっている。戦闘機搭載レーダーの開発はその典型的な例である。外観上、レーダー機器の「進化」で最も直感的に理解できる部分はアンテナの変化である。ここでは、搭載レーダーアンテナの開発について簡単に説明しよう。

航空レーダーは、初期の頃の単純な空中捜索および測距機能から、現在では広範囲での捜索、追跡、射撃管制誘導だけでなく、地上の測量およびマッピング、SAR画像処理などの多機能も考慮に入れるように進化しました。一般的に、航空レーダーには、高利得（検出範囲を拡大するため）、狭ビーム（角度測定精度を高めるため）、低サイドローブ（干渉に強いため）などの特性を持つアンテナが必要です。高利得と狭ビームを実現する最も簡単な方法は、八木アンテナやパラボラ（単一反射鏡）アンテナなどの指向性アンテナを使用することです。八木アンテナは大きすぎ、パラボラアンテナは八木アンテナよりも低サイドローブを実現しやすいです。そのため、冷戦後の初期の航空レーダーは、一般的にパラボラアンテナの形式を採用しました。

パラボラアンテナ（単一反射鏡アンテナ）。このタイプのアンテナは、主面として大きな放物面を用い、主面の前面中央にあるホーンを給電源（前方給電）としています（ホーンは中央位置からずらすことも可能で、これをオフセット給電と呼びます）。その動作原理は、光学における放物面鏡の動作原理と非常によく似ています。動作原理は、アンテナが放射モードで動作しているとき、ホーンから放射された球面波が放物面に当たり、放物面がホーンから入射した球面波を平面波に変換し、自由空間に放射するというものです。受信モードでは、主反射面が自由空間を伝搬した平面波（球面波と呼ばれる）を収束させ、給電スピーカーに「反射」させます。このタイプのアンテナは、Xバンド以下の周波数帯では加工が容易で、構造がシンプルで低コストです。しかし、欠点も明らかです。放物面アンテナは、焦点径比（ホーンから反射面までの距離と主反射面の大きさの比）が高いほど高性能になりやすいため、アンテナ全体の形状が高くなり、体積も大きくなります。特にアンテナ全体を回転させて走査する場合、マシンヘッド内で多くのスペースを占有するため、走査角度も比較的制限されます。これらの問題を解決するために、「カセグレン型」と呼ばれる二重反射面が開発されました。

パラボラアンテナの基本構成と動作図

パラボラアンテナの基本構成と動作図

J-5A全天候型を搭載したSL1レーダー（ソ連のРП-1/5型を模倣したもの）のアンテナ

カセグレン式アンテナ。これは、単一反射鏡アンテナの形状を改良したアンテナです。単一反射鏡アンテナと比較して、追加されたサブ反射鏡は、スピーカーから放射される電磁波を最初に最適化し、より理想的な分布を与え、それを主反射鏡に反射させることができます。主反射鏡は、整形された球面波を平面波に変換し、自由空間に放射します。この利点は、アンテナ開口部の効率を向上させ、ゲインを増加させ、焦点径比を大幅に低減し、アンテナ全体の形状を縮小し、サイズを小さくできることです。受信機と給電部も主面に配置されているため、システム配線レイアウトが容易になり、システムノイズが低減されます。ただし、サブ反射鏡の導入は、主面の遮蔽が増加するという問題も引き起こし、結果としてアンテナ全体のゲインが低下し、サイドローブレベルが上昇します。

カセグレンアンテナの基本構成と動作原理

Su-15迎撃機（РП-11）の「イーグル」レーダー

Su-15迎撃機（РП-11）の「イーグル」レーダー

サブリフレクタの遮蔽問題を解決するために、逆カセグレンアンテナと呼ばれるアンテナが提案され、航空レーダーで広く使用されています。逆カセグレンアンテナは、変形カセグレンアンテナとも呼ばれます。カセグレンアンテナをベースに、サブリフレクタの位置を偏波グリッド放物面に、主面の位置を偏波ツイストプレートに変更します。（実際には、逆カードアンテナでは、主面と副面の位置は通常のカセグレンアンテナとは明らかに異なります。）動作原理はカセグレンアンテナとはかなり異なります。偏波ツイストバージョンに配置されたホーンフィードは、前方の偏波グリッドでほぼ完全に反射され、球面波を平面波に変換し、後方の偏波ツイストプレートに当たり、水平偏波を垂直直線偏波電磁波に「ねじり」、前方の偏波グリッドから送信され、自由空間に放射されます。要するに、反転カード給電部から放射されるビームは2回反射されるものの、中間部に偏波ねじり処理が施されている点で、通常のカセグレンアンテナとは異なります。アンテナ前面に配置された偏波グリッドは水平偏波電磁波のみを遮断し、垂直直線偏波にはほとんど影響を与えません。ちなみに、地上のクラッター対策として、航空機搭載レーダーアンテナは主に垂直直線偏波アンテナです。偏波ねじり板を適切に回転させることでビーム走査を実現しています。したがって、フリップカードアンテナはサブリフレクターの遮蔽問題を解決し、給電部と偏波グリッドをわずかにずらすことで、アンテナ全体の形状をさらに小型化できます。こうした独自の利点から、フリップアップアンテナは第2世代の携帯電話で非常に人気があります。

フリップカードアンテナの動作原理は、前面の水平バーが偏波グリッドであり、背面には偏波ツイストプレートが45度の角度で配置されているという点にある。

MiG-21BISに搭載されたサファイア-21レーダーで使用される逆向きカードアンテナ。偏波グリッドは取り付けられていないことに注意。

トーネード戦闘機のAI-24レーダーシステムで使用されている逆カセグレンアンテナ

MiG-25トーネードAのレーダーで使用されている逆向きカードアンテナには、偏波グリッドは取り付けられていない。

Su-27のn001レーダーで使用されている逆向きカードアンテナは、偏波グリッド面が設置されていない点も注目に値する。

Su-27のn001レーダーで使用されている逆向きカードアンテナ。偏波グリッドが取り付けられた完全な状態であることに注目してください。

上述のアンテナの基本的な動作原理はすべて反射面の形状に基づいており、単一反射面か二重反射面か、偏波のねじれがあるかないかなど、細部が異なります。スピーカーと主面との距離を制御したり、照射テーパーを調整したりすることで、高利得と低サイドローブを容易に実現できます。初期段階でも満足のいく性能が得られます。とはいえ、反射面形状で動作するアンテナの加工要件は高くなく（Xバンドは比較的良好ですが、高周波数帯域では難易度が急激に上昇します）、コストも許容範囲内です。しかし、航空機搭載レーダーの性能向上に伴い、走査角の拡大、サイドローブの低減、ビーム形状の実現など、アンテナ部に対する新たな要求も出てきました。フリップカードアンテナの固有の欠点としては、常にエネルギー漏れが発生すること（開口効率の低下と利得の損失につながる）、スキャン中に深刻なビーム歪みが発生すること（主ローブ利得が低下し、主ビームが広がり、サイドローブが上昇する）、そして常にアンテナ重量が重いという問題があることが挙げられます。そのため、制空権を奪取しようとする第3世代航空機であるMiG-29とSu-27は、初期にはどちらも逆カセグレンアンテナを使用していたが、これは少々みすぼらしいと誰もが考えています。

高利得、狭ビーム、低サイドローブといった航空レーダーの要求を満たすために、以前は構造が単純な放物面アンテナが用いられていました。しかし、形状はやや複雑ながら性能に優れたアンテナとして、平面アレイアンテナがあります。平面アレイアンテナは、典型的なアレイアンテナです。数十個から数百個、あるいは数千個もの小型ユニットアンテナが、一定の規則と間隔に従ってアレイ表面に均等に配置されています。単体のユニットアンテナはビーム幅が広く利得が低い場合もありますが、アレイ上の多数のユニットアンテナが連携することで、非常に高い利得、狭ビーム、そして極めて低いサイドローブを実現できます（さらに、後に平面フェーズドアレイにアップグレードすることも可能です）。そのため、優れた性能を持つ平面アレイアンテナは、反射面アンテナに取って代わり、第3世代、第3世代改良型、第4世代など様々な航空レーダーシステムの主流となりました。今日の先進的な航空レーダー、フェーズドアレイレーダーは、ほぼ全て平面アレイアンテナを採用しています。

一般的な平面アレイアンテナには、導波管（平板）スロットアレイ、オープン導波管アレイ、ダイポールアレイ、ビバルディアンテナアレイ、マイクロストリップパッチアンテナアレイなどがあります。

導波管スロットアレイは、マイクロ波伝送において一般的な構造です。導波管の表面にスリット（スロット）が設けられており、この小さなスロットがアンテナとして機能し、電磁波を放射します。給電構造との整合が容易で、大きな電力容量を持つという利点があります。空中導波管スロットは、平板に切り込みを入れたように見えるため、フラットスロットアレイと呼ばれることもあります。

E3が使用するAPY1レーダーは導波管スロットアンテナアレイを使用している。

F-15戦闘機のAPG63レーダーで使用されている平板型スロットアレイには、周辺部から突き出たIFF素子アンテナ（アレイ）が備わっている。

 F-15戦闘機のAPG63レーダーで使用されている平板型スロットアレイには、周辺部から突き出たIFF素子アンテナ（アレイ）が備わっている。

F16A/BのAPG66レーダーで使用されている平板スロットアレイ

これと同様の方式として、開放型導波管アレイアンテナがあります。開放型導波管も導波管構造を用いますが、スロットやスリットの代わりに、導波管の開口部表面を直接利用して電磁波を放射します。このタイプの開放型導波管は断面積がやや大きく重量も重くなるため、地上レーダーや艦載レーダーでよく用いられ、航空機搭載レーダーではほとんど使用されません。

導波管を用いて給電と放射を行う上記の構造は、アンテナ整合に有利であり、その大きな電力容量が大きな利点である。しかしながら、アンテナ帯域幅が制限されることが多く、重量の制御も難しい。そのため、航空機搭載レーダーシステムでは、多くの斬新な設計が徐々に採用されるようになった。

実際、冷戦末期には、航空機搭載レーダーの走査速度の向上と性能強化（同時捜索、追跡、射撃管制、誘導、地上探知など）のために、技術者たちは航空機搭載レーダーにフェーズドアレイアンテナを採用し、これは今でも先進技術とみなされています。フェーズドアレイアンテナの外観は、一般的な平面アレイアンテナとそれほど変わりません。むしろ、通常の機械走査型平面アレイアンテナの給電構造を改良したものと簡単に理解できます（もちろん、バックエンドの送信機/受信機と信号処理アルゴリズムは大きく変わります）。アンテナユニットのバックエンドに位相シフターを追加することで、パッシブフェーズドアレイアンテナ（PESA）が得られます。位相シフターやTRコンポーネントの追加が気に入らない場合は、アクティブフェーズドアレイアンテナ（AESA）が得られます。アンテナ技術者にとっては、同じアンテナアレイをAESAとPESAの両方に使用できます。したがって、平面アレイアンテナはフェーズドアレイアンテナにアップグレードする大きな可能性を秘めています。

AESAアンテナにアップグレードされたレーダーは、送信出力の向上、探知範囲の拡大、ビーム走査感度の向上、ビーム整形機能の強化といった利点があります。また、平均サイドローブを-50dBまたは-60dBに抑えることも容易になります。

F22を例にとってみましょう。この新世代ステルス戦闘機のAESAレーダーは、ダイポールアレイを好んで使用します（図はF22のAPG77レーダーで使用されている傘型のダイポールアレイを示しています）。このユニットは広帯域特性を持つダイポールアンテナを使用しています。ユニットのパターンは広く、広角走査を容易に実現できます。

F22のAPG77レーダーアンテナ

前面に突き出ている部分は、TR部品と間違えやすい。厳密に言えば、それはアンテナの表面である。TR部品はアンテナの背面に接続されている（現在ではTR部品はアンテナと一体化して加工されることが多いが、ここでは別々に説明する）。

新型ラファール戦闘機に搭載されているRBE2 AESAレーダー（下図参照）は、ビバルディ型アンテナアレイを採用している。このタイプのアンテナユニットは特に広い帯域幅を特徴としており、アンテナアレイ全体の帯域幅を拡張することができる。

RBE2 AESA

RBE2 AESA

もちろん、より特殊なものもあります。例えば、後述のE2D早期警戒機で使用されているAPY9レーダーは、ユニットとして八木アンテナを使用しています。使用するUHF帯の電磁波の波長が長いため、アンテナのサイズには非常に制限があります。より理想的な狭ビームと高利得を得るためには、アンテナユニットのビームを狭める必要があり、そのため八木アンテナが理想的な選択肢となっています。ユニットとして、高利得の八木アンテナはアレイの利得を大幅に向上させることができます。しかし、物事は常に相対的なものです。八木アンテナの狭いユニットビームは、アレイの広角走査能力を大きく制限します。アンテナの走査角度が通常から大きくずれると、利得の低下と波形の歪みが非常に顕著になります。そのため、APY9は電気機械走査を組み合わせて、これらの欠点を補っています。

E2D APY9レーダーで使用される2×9ユニットの八木アンテナラインアレイ

航空アンテナを新たな段階へと導いたのは、フェーズドアレイ技術の開発である。

アンテナの開発は、レーダー技術全体の発展を象徴するものです。アンテナの外観からレーダー性能を判断したり、レーダー全体の性能を評価したりすることはできませんが、エンジニアリングにおいては、システム間の連携とバランスが重視されることがよくあります。レーダーシステムの総合性能が向上すれば、アンテナもそれに劣ることはありません。今後、エンジニアは、フェーズドアレイアンテナの広角走査（現在の走査範囲を+60度まで拡張）、超広帯域化、共通開口、コンフォーマル化などの課題を克服し、航空レーダーシステムの発展を促進していくでしょう。

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