JP2011087060A - カナッペ構造のレドーム - Google Patents

Abstract

【課題】サンドイッチ構造ではなく、カナッペ構造をとるレドームであって、電波特性が良好で、更には機械的強度に優れたカナッペ構造のレドームを得ることを目的とする。
【解決手段】スキン層４のレドーム２内部側に整合層５を設ける。スキン層４はガラス繊維クロス６の積層と、含侵した樹脂７よりなる。ガラス繊維クロス６の積層はガラス繊維マットによって代替することができる。また、整合層５には、誘電率の低いウレタン材のような発泡材料や、樹脂含浸性のあるコア材を用いることができる。このスキン層４と整合層５によりカナッペ構造のレドームが得られる。
【選択図】図２

Description

この発明は、スキン層と整合層からなるカナッペ構造を有し、アンテナ装置を内部に収納するカナッペ構造のレドームに関するものである。

風雨や雪、塵埃等の外部環境から保護する必要のあるアンテナ装置は、通常、レドームに収納されて運用に供されている。アンテナ装置を保護するレドームは、アンテナからの放射電波の伝播路にあるので、透過性が良く、反射が小さいことが要求される。特許文献１には、２つのスキン材によってコア材を挟んだサンドイッチ構造のレドームが開示されており、スキン材には繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）、コア材にはウレタン製のものが用いられている。この特許文献１に記載されたレドームにおいては、スキン材の間に１／４波長あるいは３／４波長の厚みをもつコア材を接着することにより、レドームによる電波の透過率損失を軽減することが記載されている。

また、特許文献２には、主として航空機等に搭載され、空気抵抗が小さくなるように流線形状をしたレドームが開示されている。この特許文献２には、アンテナ通信方向とレドーム壁面の法線方向とのなす角度が、低仰角のときに大きくなり、電力損失が大きくなってしまうという問題点が指摘されている。特許文献２に記載されたレドームでは、コア材を表皮材で挟んだサンドイッチ構造のレドームの内壁に多層の誘電体からなるアンテナ装置を接触させて配置し、一種のサンドイッチ板として機能させ、レドーム壁からの反射波を打ち消して、通信電力の透過特性を改善させている。

特開平７―１４２９１７号公報 特開２００４―２００８９５号公報

特許文献１および特許文献２に記載されたレドームは、いずれもコア材をスキン材で挟んだサンドイッチ構造を有し、スキン材により強度を保ちつつ、スキン材の誘電率、コア材の誘電率、及び厚みを適切に設定することにより電波の透過特性を良好とするものである。しかし、球状或いは流線形状のサンドイッチ構造レドームを、スキン材でコア材を挟んで接着して製作する場合、コア材、及び２つのスキン材をそれぞれ精度良く形成しなければならず、製造コストが高くなり、製造工程も煩雑になるという問題があった。さらに、アンテナによる通信周波数が例えばＫｕ帯（約１２ＧＨｚ付近）のように高くなればなるほどその波長は短くなり、所望の透過特性を得るためには、レドームの厚み寸法に対する要求精度は厳しくなり、サンドイッチ構造レドームの製造の困難性が増すという問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、サンドイッチ構造ではなく、カナッペ構造をとるレドームであって、電波特性が良好で、さらには機械的強度に優れたカナッペ構造のレドームを得ることを目的とする。

この発明に係るカナッペ構造のレドームは、 ガラス繊維クロスまたはガラス繊維マットを強化繊維とし、該強化繊維に樹脂を含浸したドーム形状のスキン層と、このスキン層と一体にドームの内側に設けられ、前記スキン層より誘電率の低い誘電体材料からなる整合層とを備えたものである。

この発明によれば、レドームを、ドーム形状のスキン層と、そのドーム内側に設けられスキン層より誘電率の低い誘電体材料からなる整合層とにより形成したカナッペ構造としたので、レドームの製造を容易にし、また、電波透過特性を向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係るレドームを用いたアンテナ装置の全体構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係るレドームの部分断面斜視図である。 実施の形態１の整合層として発泡材を用いたレドームの部分断面斜視図である。 実施の形態１のスキン層に複数種類の繊維を用いたレドームの部分断面斜視図である。 実施の形態１の整合層に用いる樹脂含浸性コア材としての不職布複合材を示し、（ａ）は全体の断面図、（ｂ）は一つのセル構造体としての発泡体の一部破断斜視図である。 実施の形態１の実施例１に係るレドームの物性値を表すリストである。 実施の形態１の実施例１に係るレドームの透過特性を表すグラフである。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るカナッペ構造のレドームを図１乃至図５に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係るレドームを用いたアンテナ装置の全体構成を示す断面図である。図１において、アンテナ装置１は反射鏡アンテナ１ａやその支持及び駆動構造１ｂを含み、その全体がレドーム２で覆われている。アンテナ装置１とレドーム２はレドーム台３上に設置されている。アンテナ装置１は、その反射鏡アンテナ１ａが支持及び駆動構造１ｂによって方位軸・仰角軸周りに駆動される。この反射鏡アンテナ１ａの可動範囲に機械的に干渉しないように、レドーム２の形状は、天蓋部分２０が略半球面形状に、胴体部分３０が円筒ないし円錐形状に形成される。以下、レドーム２の、アンテナ装置１を収納している側をレドーム２の内部側、その反対側をレドーム２の外部側と呼ぶ。

アンテナ装置１はレドーム２に収納されることによって、風雨や雪、塵埃等の外部環境から保護されるが、レドーム２がアンテナ装置１からの放射電波の伝播路にあるため、レドーム２は電波の透過性が良く、反射が小さいことが要求される。また、レドーム２は外部環境から受ける荷重（風荷重など）や衝撃力（鳥類等の激突など）に耐える機械的強度を有することが要求される。

図２は図１に示すレドーム２のＡ部分を拡大して示す断面斜視図である。図２において、レドーム２は、スキン層４と整合層５が重ね合わされた構造であり、スキン層４をレドーム２の基板と考えると、この基板たるスキン層４の一方の面に整合層５が設けられていることから、このレドーム２の構造を、サンドイッチ構造と区別して、カナッペ構造と呼ぶこととする。この構成は従来のサンドイッチ構造のレドームとは異なるものである。サンドイッチ構造のレドームは、図２の構成にさらに、スキン層４とほぼ同一の構成のスキン層を整合層５のレドーム２の内部側に設けるものであり、２つのスキン層によって、コア層を挟んでいるという意味でサンドイッチ構造と呼ばれている。

カナッペ構造のレドームという場合、スキン層４と整合層５のいずれが先に形成されても、或いは、スキン層４と整合層５とが同時に形成されても、製造後の最終状態で、図２のような構造となっているものをすべて含むものとする。また、整合層５のレドーム２の内部側の面は空気に暴露されるので、これを保護するために塗装したり、薄いフィルムが張り付けられて表面層を形成したりしてもよいが、この表面層は付加的なものであるので、整合層５に表面層が形成されているレドーム構造も、サンドイッチ構造とはいわず、カナッペ構造のレドームに含まれるものとする。

スキン層４は整合層５に対してレドーム２の外部側に設けられている。スキン層４は、強度の高いガラス繊維クロス６を強化繊維として、これに樹脂７を含浸したもので構成される。スキン層４に用いるガラス繊維クロス６は、機械的強度が高く、レドーム２の外部環境に接するスキン層４を形成する材料として適している。ただし、誘電率は高いので、ガラス繊維クロス６の含有量を増加させると、一般に電波の透過率が低下する。スキン層でのガラス繊維の含有率は30〜60重量％であることが好ましい。さらに、通常のガラス繊維はEガラス組成であり、この誘電率（１MHｚ）は、６．６である。本発明のレドームにおいては、ガラス繊維クロスのガラス組成物の誘電率（１MHｚ）は、６以下、さらに５以下であることが好ましい。このような、ガラス組成のガラス繊維としては、日東紡株式会社製の商品名「ＮＥガラス」がある。このガラス組成の誘電率（１MHｚ）は、４．６である。図２は、ガラス繊維クロス６を３層設けたものを図示しているが、積層数は３層に限られるものではないし、また、図のようにガラス繊維クロス６と含浸された樹脂７がはっきりと層状を成しているとは限らない。さらに、ガラス繊維クロス６は、ガラス繊維マットによって代替することができ、これを1枚。または複数積層して用いればよい。一方、整合層５には、誘電率の低いウレタン材のような発泡材料や、樹脂含浸性のあるコア材を用いる。図３は整合層５として発泡材８を用いたレドーム２を示している。

図３に示す構成を有するレドーム２の製造には種々の方法が考えられる。その１つは、スキン層４と、発泡材８による整合層５とを別々に、図１に示すようなドーム形状に成形しておき、これらを接着する方法である。この場合、従来のコア材を２つのスキン材で挟んで接着するサンドイッチ構造のレドームに比較して、スキン層が一層分減少するので、製造工程を簡略化することができる。別の製造方法は、まず発泡材８による整合層５をドーム形状に成形し、この外側の表面にガラス繊維クロス６またはガラス繊維マットを積層し、これをシート等で覆い、樹脂を加圧含浸または真空吸引含浸して、スキン層４を形成して製造する方法である。さらに別の製造方法は、ドーム形状の凹状成形型に、ガラス繊維クロス６またはガラス繊維マット７を含浸したプリプレグを配置し、ドーム形状に形成した発泡材８を載せ、オートクレープ成形し樹脂を加熱硬化させて樹脂含浸させてスキン層及び整合層を形成し製造する方法である。

スキン層４は、複数種類の繊維材料を積層したもので構成することができる。この構造を図４により説明する。図４においては、スキン層４は、超高分子オレフィン繊維等のような有機強化繊維９（以下、オレフィン繊維クロス９と呼ぶ）にガラス繊維クロス６を重ね、これに樹脂７を含浸させたものが用いられる。オレフィン繊維クロス９には、ガラス繊維クロス６より誘電率が低く、レドーム２の電波透過性が良好となるものを選ぶことができる。

整合層５がなくスキン層４のみからなるレドームを想定すると、スキン層４は上述のように積層された繊維材料で構成されており、その比誘電率εｒは１以上となる。一方、真空中（ほぼ空気中も同じ）の比誘電率は１であり、スキン層４と空気層の界面で電波の反射が生じる。カナッペ構造のレドーム２は、このスキン層４での反射を抑制するよう整合層５が設けられている。従来のサンドイッチ構造のレドームにおける整合層（２つのスキン材に挟まれたコア材）は、レドームでの反射を抑圧するため、レドーム自体の比誘電率の１／２乗の誘電率の材料を用いるなどの手法がとられてきた。この場合、所望の比誘電率を得るために発泡材料で発泡率を変えたり、別の材料を混合したり、孔または溝を設けていた。このため、重量、機械的強度、製造性、コスト等の観点から、整合層に使える材料は限定されていた。本発明によるカナッペ構造のレドームは、このような問題点を解決するものであり、例えば、コスト低減や製造性向上の要求から整合層５の材料が決定される（整合層の比誘電率も決定される）場合であっても、スキン層４のレドーム内部側に整合層５を設け、整合層５の厚さをその比誘電率の他、通信周波数等の条件に基づいて、所定の厚みに設定することにより、レドームでの反射を抑制することができるものである。

整合層５には、コア材に樹脂を含浸硬化させて形成することができる。コア材としては、
図５（ａ）に示すような樹脂含浸性コア材１０を用いることができる。この樹脂含浸性コア材１０は、ポリエチレンテレフタレートなどの有機繊維からなる不職布１１の内部にセル構造体１２を、間隙を有するように配置した構造の不織布複合材である。セル構造体１２は、隔壁により内部に１個または複数個の空隙部１２ａを有し、不織布複合体の厚み方向に圧縮抵抗性を有する。セル構造体１２は、図５（ｂ）に示すような発泡体１３であることが好ましい。この発泡体は、発泡ポリウレタンや発泡ポリアクリルニトリルであり、樹脂部分が隔壁にあたり、空隙１２ａとして内部に１個または複数個の独立気泡１３ａを有する。ここで独立気泡とは、発泡体内部の気泡であり、且つセル構造体の表面に連通していない気泡をいう。なお、セル構造体１２はこの発泡体１３の集合体であってもよく、その形状は六角柱形状などの多角形形状や円柱形状などを用いることができる。

樹脂含浸性コア材１０としての不織布複合材は、不織布に発泡体をセル構造体として埋め込んで作製してもよく、不織布内に発泡剤入り樹脂を注入し発泡剤を発泡させた発泡体をセル構造体として形成してもよく、さらに、発泡体をセル不織布表面に貼り付けてもよく、発泡体をセル構造体として２枚の不織布で挟み込んで作製したものでもよい。この樹脂含浸性コア材１０に樹脂を含浸させて整合層５を形成する。セル構造体としての発泡体はその内部に独立気泡を有するため、発泡体には樹脂が含浸していない空隙部を形成し、それぞれのセル構造体間の間隙部は樹脂が含浸されている樹脂含浸部を形成する。

図５に示す樹脂含浸性コア材１０を整合層５に用いた場合のカナッペ構造のレドーム２の製造方法は、さらに簡単化されたものとなる。即ち、ドーム形状の凹状成形型にガラス繊維クロス６またはガラス繊維マットを積層し、これに樹脂含浸前の樹脂含浸性コア材１０を積層し、レドーム内部側をシート等で覆って樹脂を真空吸引含浸して、スキン層４と、整合層５とをインフージョン成形して一体成形する製造方法を用いることができる。この場合、スキン層４と整合層５の樹脂含浸が一挙に行えるから、製造が容易になる。なお、スキン層４は、図４に示すような多種類の繊維材料を積層したものとしてもよい。このインフージョン成形でスキン層と整合層とを一体成形できるのは、樹脂含浸性コア材は、セル構造体により厚み方向に圧縮抵抗性があり、しかもそれぞれのセル構造体の間に間隙を有するので、曲面に対して賦形性に優れ，しかも整合層を形成するための成形時の樹脂流れの流路を確保できるためである。この特性を効果的に発揮させるためには、不織布複合材の表面から見た際、セル構造体は全体の４０〜８０％を占めていることが好ましく、一つのセル構造体の面積は１ｃｍ平方以上であることが好ましい。さらにそれぞれのセル構造体１３の間の間隔は１ｍｍ以上であることが好ましい。なお、スキン層４の厚さは１〜４ｍｍ、整合層５の厚さは２〜２０ｍｍ、スキン層と整合層の合計の厚さ（カナッペ構造のレドームの厚さ）は４〜２２ｍｍであることが好ましい。

（実施例１）
カナッペ構造のレドームの実施例１について説明する。図６は実施例１に係るカナッペ構造のレドームの物性値を表すリストである。この実施例１では、スキン層４には、ガラス繊維クロスである日東紡績株式会社製の商品名「ＮＥＡ２１１６」と、オレフィン繊維クロスである東洋紡績株式会社製の商品名「ダイニーマ」（登録商標）を用い、整合層５には、ＬＡＮＴＯＲ社製のポリエステル繊維不織布であるＬａｎｔｏｒ Ｓｏｒｉｃ（登録商標）を樹脂含浸性コア材として用いた。レドームの厚みは、スキン層４が約２ｍｍ、整合層５が約５ｍｍの仕上がりであり、通信周波数はＫｕ帯としている。Ｌａｎｔｏｒ Ｓｏｒｉｃは、図５に示す樹脂含浸性のコア材の一種であり、上述のように、スキン層４と整合層５を、同時にビニルエステル樹脂を真空含浸して、インフージョン成形にて一体形成したものである。

スキン層４は、ガラス繊維クロス２層、オレフィン繊維クロス２層、ガラス繊維クロス２層からなる。ガラス繊維クロス層は引張り及び曲げ強さに優れるが誘電率は高い。一方，オレフィン繊維クロス層の引張り強さは、ガラス繊維クロス層と同程度であり、曲げ強さはガラス繊維クロス層より低くなるが、誘電率は低い。整合層５におけるＬａｎｔｏｒ Ｓｏｒｉｃは、単体での引張・曲げ強さは低いものの、樹脂が含浸されることにより、強度は増し、その厚み（上記のとおり、約５ｍｍ）により、剛性が高くなる。また、整合層５に用いるＬａｎｔｏｒ Ｓｏｒｉｃの誘電率は１．９５、含浸されるビニルエステル樹脂の誘電率は２．７２であるので、スキン層２に比べて、低誘電率の整合層５となる。

図７は前記実施例１に係るカナッペ構造のレドームの透過特性を表すグラフである。横軸に周波数、縦軸が透過損失である。整合層５を設けずにスキン層４のみからなるレドームの損失は図中の１５で示すものとなる。一方、実施例１によるスキン層４と整合層５からなるカナッペ構造のレドームの損失は図中の１６に示す実測値となり、より低損失の電波特性が広帯域（１０．９５ＧＨｚ〜１４．５ＧＨｚ）で得られることがわかり、このカナッペ構造のレドームの有効性が確認できる。

１ アンテナ装置、 １ａ 反射鏡アンテナ、
１ｂ 支持及び駆動構造、 ２ レドーム、
３ レドーム台、 ４ スキン層、
５ 整合層、 ６ ガラス繊維クロス、
７ 樹脂、 ８ 発泡材、
９ オレフィン繊維クロス、 １０ 不織布複合材（樹脂含浸性コア材）、
１１ 不織布、 １２ セル構造体、
１２ａ 空隙部、 １３ 発泡体、
１３ａ 独立気泡、 ２０ レドーム天蓋部分、
３０ レドーム胴体部分。

Claims (5)

1. ガラス繊維クロスまたはガラス繊維マットを強化繊維とし、該強化繊維に樹脂を含浸したドーム形状のスキン層と、このスキン層と一体にドームの内側に設けられ、前記スキン層より誘電率の低い誘電体材料からなる整合層とを備えたことを特徴とするカナッペ構造のレドーム。
2. 前記整合層は発泡材であることを特徴とする請求項１に記載のカナッペ構造のレドーム。
3. 前記スキン層と前記整合層を、樹脂を含浸して一体形成したことを特徴とする請求項１に記載のカナッペ構造のレドーム。
4. 前記整合層は、厚み方向に圧縮抵抗性を有する複数のセル構造体が不織布の内部または表面に間隙を有して配置された不織布複合材をコア材として、前記間隙部に樹脂が含浸されていることを特徴とする請求項１または請求項３に記載のカナッペ構造のレドーム。
5. 前記スキン層は、オレフィン繊維クロスの積層を含むものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のカナッペ構造のレドーム。