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気象レーダーのレドームの事例

局地的豪雨や集中豪雨の被害を軽減するために、国土交通省は高分解能で準リアルタイム観測が可能なXバンドレーダ(8～12GHz)のXRAINを設置しています。
Cバンドレーダ(4～8GHz)が広域観測に適しているのに対し、XRAINは局地的な豪雨を詳細かつリアルタイムに観測することができます^*1。
しかしながら、周波数が高いXバンドの方が、レドーム表面に着く水膜により電波減衰量が大きくなります。

雨によってドーム表面に水膜が発生

即使是小雨也會導致天線罩表面形成水膜，從而減弱訊號。水膜的厚度依降雨強度、天線罩材料、表面狀況等而變化。
圖 1 顯示了在均勻、光滑、未經處理的直徑 5 m 的天線罩表面上形成的水膜的估計厚度。例如，每小時30毫米的降雨量可導致表面形成0.2毫米厚的水膜。

水膜対策をしないと、水膜減衰^*3により動作範囲が極端に狭くなる

事實上，在大雨期間，由於天線罩上有水膜，訊號明顯減弱，觀測範圍變得極為狹窄。
例如，每小時30毫米的降雨可以在天線罩表面形成0.2毫米厚的水膜，導致5.0分貝的衰減。
如圖2所示，觀測範圍從正常的80公里縮小到10公里。

水膜対策のポイント

レドーム表面に接触角140度以上の撥水材^*3をコーティングすることで水膜発生を抑えることができます。
超撥水性と耐久性を兼ね備えたHIREC^®は、表面と水滴の接触角を150度にすることができます。
さらに、セルフクリーニング機構を備えているため、約3年間の撥水性能を保持することができます。

HIREC ®在XRAIN的X波段MP雷達反射器中採用了防水膜衰減技術。

*1) "Radar Observation of Precipitation for River Management in Japan"、国土交通省、2013年9月30日、http://www.mlit.go.jp/river/pamphlet_jirei/pdf/xrain_en.pdf　(1.7MB)<
*2) 「9GHz帯気象レーダレドームの減衰低減技術向上に関する研究報告」、財団法人高度通信技術研究支援センター、2009年3月
*3) 「9GHz帯気象レーダにおけるレドーム減衰対策の検討」、財団法人高度通信技術研究支援センター

BSアンテナの事例

降雨時天線的電波衰減

①衛星とアンテナ間の降雨による減衰
➁アンテナに降った雨にで生じる水膜による減衰

↓

HIRECは水膜による電波減衰を大幅に低減！

圖3是以BS天線為例的模式圖，顯示了因雨導衹電波衰減的情況。

降雨時の電波の減衰は、衛星とBSアンテナ間の降雨、つまり空間中の雨滴で生じる減衰だけではありません。
水膜減衰というものがあります。
水膜減衰とは、BSアンテナに雨が付着してできた水膜による電波減衰のことです。
超撥水材料HIRECをBSアンテナの表面に塗装すると、表面に水膜がほとんどできませんので水膜減衰を大幅に低減することが可能となります。

圖1降雨強度與降雨衰減的關係 — 東京で衛星の仰角が45°の場合　「電子情報通信学会誌(Vol.79, 1996-1)」より引用
図4　降雨強度と降雨減衰量の関係

>図4は降雨強度と降雨減衰量の関係を示しています。
利用周波数が10GHz以上になると降雨減衰が生じ、周波数が高くなるほど減衰量は大きくなります。また、降雨が多くなるほど減衰量は増加しています。
例えば、BSの周波数帯である12GHz周波数帯において、降雨強度が5ｍｍ/h，10ｍｍ/hで、降雨減衰量はそれぞれ約1dB、約2dBとなっています。

上図は水膜の厚さをパラメータとして周波数と水膜減衰量の関係を示します。（気象研究ノート112号における水膜減衰の式および水の複素誘電率データを元に算出）
周波数が数GHz程度でも水膜減衰が生じることがわかり、周波数が高くなるほど、また、水膜が厚くなるほど減衰量は大きくなります。
なお、ある降雨強度における水膜の厚さは、アンテナのサイズや形状などで異なりますが、気象研究ノート139号に掲載されている例を紹介します。
10℃で直径5ｍのレドーム形状において、降雨強度が10mm/hrで、水膜厚さは約0.16ｍｍとなっております。この例から、0.1-0.2ｍｍ厚の水膜は、通常の降雨でも生じうるものと思われます。
また、アンテナ表面の紫外線による劣化を考慮すると、同じアンテナでも屋外設置期間が長くなるほど、同じ降雨量でも水膜はより厚くなるものと思われます。

図4の降雨減衰データと図5の水膜減衰計算結果をまとめて図6に示します。
これより、水膜減衰の影響が小さくないことがわかります。特に、10GHz前後およびそれ以下では水膜対策が重要となります。
アンテナ表面に撥水加工して水を強力に弾くと、10GHz以下では水膜起因の電波減衰はほとんど生じなくなります。
10GHz以上では降雨減衰は生じますが、水膜減衰分をなくすことができるため全体での減衰の軽減が期待できます。

アンテナへの雨対策事例

圖5 BS天線 (12 GHz頻段) 的無線電接收特性 — 圖7 BS天線的電波接收特性（12GHz頻段）

図7はBSアンテナ（12GHz帯）での電波受信特性の実測例です。
超撥水材料HIRECの有無で比較したところ、降雨時（17時～19時）にHIRECを塗装していないアンテナでは約3-4dBの減衰が発生しているのに対して、HIRECを塗装したアンテナでは減衰が生じていません。
降雨強度は不明ですが、 HIRECを塗装したアンテナにおいて減衰が生じていませんので、降雨強度と降雨減衰量のグラフから5ｍｍ/h以下と推定されます。
また、降雨強度と降雨減衰量のグラフにおいて5ｍｍ/hの降雨強度時の12GHz帯での降雨減衰は約1dBですので、図7の3-4dBの減衰は、降雨減衰ではなく、水膜減衰と解釈できます。
さらには、雨があがったのちの19時以降でも減衰が生じていることは、アンテナ表面にまだ水膜が存在していることによる水膜減衰であることを裏付けています。
すなわち、アンテナに雨が降った場合は、雨があがったのちもしばらくは水膜減衰が生じることを示しています。一方、超撥水材料HIRECを塗装したアンテナでは減衰が生じていませんので、アンテナ表面に水膜がほとんど生じていないことを示しています。
以上により、超撥水材料HIRECは、水膜減衰の有力な対策の１つといえます。
最後に、水膜減衰は10GHz以下の周波数でも生じるとの話がありますが、現在、未確認ですので、状況がわかり次第、最新情報を追加していきます。

アンテナへの撥水シートによる雪対策事例

防水油佈的對策在冬季也可以安裝。

従来、アンテナ等に直接施工して雪対策を行うことがほとんどで、冬季には気温が下がり現場施工ができないのが課題でした。
そこで、冬季でも現場設備への雪対策が可能となる撥水シートの事例を紹介します。

撥水シートのメリット: 冬季也可安裝←不能在5°C以下對天線進行現場塗裝

1可在-2小時內安裝←天線現場施工至少需要兩天
撥水シートのデメリット: 壽命約為1年 (取決於薄片材料的耐候性) ←傳統現場繪畫的情況下約3年

※撥水シートの材質：ポリエチレン（PE)」あるいはポリエステル
※撥水カバーは特注で作製します。ご相談ください。

撥水シートの構造と実際

反射鏡：撥水シート: ポリエチレンあるいはポリエステルのシート（青色部）に超撥水材料【HIREC下塗り（薄緑色部）とHIREC100(赤色部）】を塗布。
右写真は撥水シートをアンテナの反射鏡部へ装着した様子。
コンバータ（電波集光部）：HIREC100（赤色部）のみを刷毛で塗装: HIREC100は機能材料であり、塗料ではないため、刷毛でぬると刷毛目（凹凸）が生じます。白い凹凸は、良好な撥水性の証拠です。（コンバータ拡大図）

※HIREC100是HIREC-R的先行品。兩種產品的性能相同。

降雪時における撥水有無による電波受信状況の比較

我將介紹降雪時進行的比較實驗。

撥水未加工アンテナ: 水膜発生→受信不良
HIRECによる撥水加工アンテナ: 水膜の発生を抑制→正常受信

降雪時有無防水信號接收狀況的比較 — 2008年2月16日8時　新潟湯沢
（8時までの半日間で、約40cmの降雪）

降雪時BS天線的電波接收狀況 (BS天線安裝約14個月後的狀況)

降雪時BS天線的電波接收狀況 (天線安裝約14個月後的狀況) — 降雪時におけるBSアンテナ受信状況
（2009年1月1日19時～2009年1月3日12時場所　新潟湯沢）

撥水未加工アンテナでは、受信断（チューナ受信レベル20以下）が数回生じましたが、
撥水カバーを装着したアンテナ（コンバータにも撥水施工）ではレベルの低下は生じるが、正常に受信できました。

降雪時BS天線的電波接收狀況 (天線安裝後約26個月)

撥水未加工BSアンテナ: 撥水未加工BSアンテナでは録画期間54日間のうち、1日当たり数10分から9時間近くに渡って受信不能（受信レベルが20以下）、あるいは、映像の乱れが観測された。
その頻度は15回。
撥水加工BSアンテナ: 撥水加工BSアンテナでは受信レベルが25以下の頻度はなかった。