3号電波探信儀1型(31号)のブロックダイヤグラムによる動作概念の解説について
米軍へ提出されたブロックダイヤグラムのタイトルには、TYPE 220 (TYPE 31)とある
製造会社は日本無線株式会社である。
日本側での制式呼称は、3号電波探信儀1型(31号)である。
ブロックダイヤグラムでは、次の13のブロックの機能で構成されている。
Antenna Unit Receiver Range Unit Indicator for waring Synchronizer Transmitter Modulator Attachment
Indicating parts:Constant voltage rectifier Constant voltage apparatus
Receiving parts:Control box
Transmitter parts:Control box Rectifier
空中線(Antenna Unit)
パラボラアンテナ(口径1.8m、アンテナ利得25db)、2重同軸ケーブル(concentric feeder)及び矩形導波管で構成されており、従来の円形導波管と電磁ラッパは廃止されている。
ダイポールアンテナは固定されており、ウルツブルグレーダーのような偏心ダイポールによる等感度方式は採用されていない。
なお、なお、パラボラの反射板は、ブロックダイヤグラムにDia of Parabolic Reflection(パラボラ反射口径)1.8mと記載されている。
2号電波探信儀2型系列のセンチ波レーダーを開発しているなか、最大の課題が残ったのは、アンテナの問題である。
この問題の抜本的な改善策として、パラボラアンテナの送受信共用による1本化した点と給電方式として円形導波管から矩形導波管に変更した2点である。
① パラボラアンテナの送受信共用による1本化について
2号電波探信儀2型系列のレーダーでは、艦橋上に大きなパラボラアンテナを送信用と受信用の2つ用意して回転させるような場所を確保することができず、小型の電磁ホーン型アンテナを設置するに留まっていた。
このため、アンテナ利得、方位角や測距測定での測定精度をこれ以上向上することができなかった。
また、メートル波レーダーについては、日米開戦直後のフィリピン占領により米軍のSCR-271を鹵獲したことにより、アンテナの送受共用技術として放電管(TR菅)を利用していることが分かり、これは容易に国産化が可能となった。
しかしながら、センチ波に適用する技術開発ができなかったが、昭和19年後半になって、単一導波管方式が実用化されことにより、米国とは異なった独自技術でこの問題をブレークスルーすることができた。
最初に2号電波探信儀2型改3の円形導波管の単一導波管方式を開発し、更に3号電波探信儀1型(31号)では導波管を全て矩形導波管に変更するとともに、送信波を垂直偏波、受信波を水平偏波の矩形導波管と分波器(duplexer)を用意し、送信波が受信側へ流れる込むことを防止するとともに、受信用の引き込み導波管で45°の位相シフト配管で接続することにより、受信側へ受信信号を引き込むことが可能となった。
3号電波探信儀1型(31号)のパラボラアンテナへの改良について
(参考資料)2号電波探信儀2型改3の円形導波管による単一導波管方式について
Reports of the U.S. Naval Technical Mission to Japan, (1945-1946) E-20
日本R.F.伝送路、導波管、導波管継手、誘電体材料より抜粋
潜水艦で使用された2号電波探信儀2型改3レーダーの分波器方式は、特に興味深いものである。この機器は、1本のホーンからなるアンテナがある。
図4は、この分波器のスケッチである。
送信機とアンテナの間の分枝パイプの上部に、円形導波管に45°の位相シフト配管が配置されている。 この位相シフト配管は、両端が円形で、中央が楕円形になっている。 送信機から位相シフト部までの間の導波管には垂直偏波が存在する。分枝パイプから受信機までの導波管は水平偏波である。
送信されたエネルギーは、位相シフト配管で45°円偏波にシフトされ、放射される。 円偏波であった受信エネルギーは、水平偏波に45°シフトされ、矩形の配管から受信機へと受け渡される。 このように、ガス放電管やスパークギャップを使用することなく、分波機能を実現している。
② 円形導波管から矩形導波管への転換について
戦前からセンチ波による導波管に関する研究は盛んに行われており、当時の導波管の資料の一部を下図に示す。
この資料のとおり、研究レベルであれば、円形導波管、楕円導波管及び矩形導波管いずれも使用可能であるとの知識は認識されているようである。
それでは、日本海軍は何故円形導波管を選択したかというと、導波管から最終的にアンテナである電磁ラッパで電波を放出するが、レーダーの特質としては、電磁ラッパの方位角を任意に変更する必要がある。
この機能を実現するのであれば、円形導波管であれば、電磁ラッパとの接続点で回転させても放出する偏波面が崩れることはない。
一方、矩形導波管を選択すれば、アンテナの回転のためには、矩形から円形導波管にいったん変換する必要であるが、昭和16年から17年の日本の技術陣にはこれに対応する技術を保有していなかったのだろう。
このため、最初に製作したセンチ波の2号電波探信儀2型では、円形導波管と電磁ラッパの組合せが選択された。
この円形導波管を選択したことによる致命的な問題として指摘できるのが、円形導波管を実験目的で利用することは構わないが、実用レーダー技術として円形導波管を採用する精密加工された円形導波管でなければ電波の偏波面が崩れやすく、また艦内の配管として円形導波管の曲げ加工の難しさなどが表面かし、結果しと受信利得の大幅な悪化を招くことになってしまった。
現代になっても、円形導波管の採用は避けられているのが実態である。
日本が円形導波管から矩形導波管への切換えを考慮した契機は、昭和18年早期のニューギニア戦線の米軍かオーストラリアのB24の搭載されていたASV用のSCR 717-Bの鹵獲(但し鹵獲に関する公式資料はない)による技術情報の獲得と思われる。
矩形から円形導波管変換と円形導波管による回転ジョイント部の事例
更に、ドイツからの英国H2S、H2Xの技術情報及び昭和19年末のB-29のWestern Electric社製のAN/APQ13や米潜Darter搭載のSJレーダーなどにより、マイクロ波技術情報の知見を高めている。
※米軍レーダーの導波管伝送路の仕組みの紹介
米国や英国では下図のとおり、TR管とATR管なる放電管を使用して、単一導波管方式によるアンテナの送受信共用を実現している。
海軍の22号レーダーと比較すると米国では送信と受信の制御には、TR管とATR管を使用している点が日本側の考え方と相違がある。
3号電波探信儀1型(31号は、空中線(Antenna Unit)の構造は根本的な改良が図られたが、受信機(Receiver Unit)、送信機(Transmitter Unit)及び同期発振機(synchronizer)、測距儀(Range Unit)及び見張用指示機(Indicator for waring)については、既存の2号電波探信儀2 型 改4の機能を踏襲している。
したがって、各部の機能説明については、下記のURLを参照願います。
2号電波探信儀2 型 改4のブロックダイヤグラムによる動作概念の解説について
※参考情報
受信機(Receiver Unit)
受信信号の流れを以下に示す。
送信機(Transmitter Unit)
送信信信号の流れを以下に示す。
従来艦船用の2号電波探信儀2型改4に採用している送信機構成にアタッチメントとして、変調度を強化するため機構を用意している。
同期発振機(synchronizer)、測距儀(Range Unit)及び見張用指示機(Indicator for waring)について
3号電波探信儀1型(31号)の同期発振機(synchronizer)、測距儀(Range Unit)及び見張用指示機(Indicator for waring)については、2号電波探信儀2型のシステムと同型なものを採用している。
A short survey of japanese radar Volume 3に22号の各種指示機の操作方法が具体的に記載される文書があった。
また、Reports of the U.S. Naval Technical Mission to Japanにこれに関連した技術資料があったので、この2点の資料をもとに、この関連機能(同期発振機、測距儀、見張用指示機)に関する技術的な検討を行う。
A short survey of japanese radar Volume 3からの抜粋
ディスプレイは2本のA型ブラウン管を使用する。「見張用指示機」と呼ばれる1本のブラウン管は、60kmまでのすべてのターゲットエコーを表示し、5kmごとに距離目盛が表示される。測距調整用クランクを回すと、3マイクロ秒幅の距離パルスが移動する。2番目のスコープ(測距儀担当オペレーター用)は、測距調整用クランクで選択された距離の約1000mを拡大表示する。スコープの前には拡大鏡があり、5インチブラウン管に相当する大きさになっている。目標物の輝線の先端がスコープに刻まれた垂直線とちょうど重なるようにセットすると、真の測距距離がダイアルで読み取れる。
22号セットの詳細な回路図は付録IIに含まれている。
22号セットのいく分か簡略化されたバージョンである改3は、潜水艦の艦橋内に設置されている。下の写真の1つに示されているように、並べて取り付けられた2つのホーンが使用されている。表示は75 mmの単一のスコープでA型のものである。潜水艦からの測定距離は戦艦に対して約10 kmである。
Reports of the U.S. Naval Technical Mission to Japan, 1945-1946からの抜粋
音叉と、発振器と緩衝器として使用される2つのRH-2真空管は、2.5Khzの周波数の正弦波を同期回路、掃引回路、および測距装置の位相調整回路に供給するためのものでした。
同期回路は変調器を制御するためのマイナス120ボルトのパルスを正弦波から生成した。
掃引回路は、指示機用掃引電圧と30Khzの電子距離目盛を生成した。
音叉型発振器の正弦波出力も位相調整回路で矩形波に変換し、ブラウン管の輝点パルスとして使用された。
Reports of the U.S. Naval Technical Mission to Japan の資料には、2号電波探信儀2型改4の同期発振機(synchronizer)、測距儀(Range Unit)及び索敵用(見張用)指示機(Indicator for waring)に関する回路図が何故か提供されていないので、2号電波探信儀2型改3(潜水艦用)の同機能部の回路図を参考のため提示する。
なお、改3は潜水艦搭載のため機器をコンパクト化しており指示機と同期発振機は同一機器内に収容されている。
【捕捉説明】
指示機の仕組みを理解するためには、本機レーダーが使用するパルス繰返し周波数が重要である。
本機のマスター発振器の正弦波によるパルス繰返し周波数の仕様は、2500Hz を使用している。
反射パルスによる理論的な最大測定可能距離は、(光の速度÷反射パルスの繰返し周波数)÷2で定義される。
パルス繰返し周波数2500Hzを採用すると、理論的な最大測定可能距離は60Kmとなる。
指示機に必要なブラウン管の水平軸用の「のこぎり波」の掃引周波数とパルス繰返し周波数との関係は以下のとおりである。
「のこぎり波」の掃引周波数 = パルス繰返し周波数 ÷ 2
このため、「のこぎり波」掃引方式ではこの関係式は成立させるためにパルス繰返し周波数から1/2の周波数を分周する仕組みが必要となる。
【総合コメント】
・使用真空管の違和感について
日米開戦初期には、レーダーの受信機、送信機については、戦前のラジオやテレビジョンで開発されていた既存のST管ベースのものや一部には金属管(メタルチューブ)が使用された。
昭和18年12月29日「陸海軍真空管生産委員会」を設け、電波兵器の心臓部は真空管あり、従って、真空管の質を飛躍的に向上させ、その量産を図ることが先決となった。
これに呼応し、東芝はH管を、日本無線は万能管としてFM2A05Aを開発/製造し、全ての電波兵器(通信機器を含む)の新型管への換装を行っている。
たとえば、日本無線が設計した航空機用3式空6号無線電信機4型(H-6) では、受信機や送信機にはFM2A05Aが使用されているが、指示機だけはUY-76といった旧態のST管が使用されている。
本機3号電波探信儀1型(31号)の受信機と送信機については旧式のST管を採用し続けおり、指示機については、日本無線にもかかわらず自社製のFM2A05Aを採用せず、東芝の新型のH管に換装されており、ブラウン管については型式すら明示されていない。
どうも測距儀を含む指示機関係構成品の真空管の採用方針を考慮すれば、日本電気のOEM製品の可能性が高いと判断される。
この根拠として下記の資料を提示する。
<参考資料>
続日本無線史<第一部> 昭和47年2月発行からの抜粋
日本電気株式会社(住友通信工業株式会社)
M-22号、M-130号、M-213号指示器 電波探信儀用指示器各種
R金物、β金物 電波探信儀用精密測距器
・測定精度について
本機3号電波標定機1型の測定精度については、測距±100m 方位角±40分(0.67°)とある。
ブロックダイヤグラムを見る限り、偏心ダイポールの回転による等感度方式は採用されていないので、測定精度の向上はパラボラアンテナの効果のみのようだ。
従って、従来の2号電波探信儀2型の精度が測距±500m、方位角2°から3°であることから、測定精度は、測距及び方位角精度は大幅に向上していることがわかる。
・方位角表示について
測距用指示機については、本来の目的は目標物の距離を測定することだが、下記の資料により方位角指示機(±15°の範囲内)の機能も併せて表示可能であることが説明されている。
これはパラボラアンテナの水平軸の鏡面を加工した効果と思われる。
これが末尾に添付した資料の中の“ direct indicating maximum method”「直接指示最大法」というものだろうか。
Reports of the U.S. Naval Technical Mission to Japan
E-20 Japanese Centimeter Wave Technique
方位角表示 試作機220型
ほとんどの運用型10センチレーダーは電磁ホーンを採用しており、レーダーは精力的な実験が行われていたが、試作機220型はパラボラアンテナ1個、矩形導波管、デュプレクサを使用した10センチ装置であった。このアンテナのビーム幅は半出力点間で14度、方位精度は±40分(0.667°)とされていた。 レンジと方位の表示は正弦波掃引であった。 図2は方位角表示図である。 ちなみに方位識別は±15度とされていた。
大阪帝国大学で行われた伊藤淳一博士の実験について簡単に報告する。 いずれの場合も波長は10センチで、長方形の導波管は7.0×4.5センチであった。 この導波管のモード波はH10(基本モードのこと)であった。
参考資料 終戦時の第二海軍技術廠の組織体制について
第4班:「センチメートル波」レーダーの研究
105-S2型と220型レーダーは海軍の艦艇用で、船舶の探知と位置確認を目的としたものである。 2号2型と105-S2型レーダーは送信用と受信用の2つの電磁ホーンを持つもので、その改良を試みた。 この装置は陸上用だけでなく、大型の艦船への搭載も想定されている。 方位角測定は比較法によって得られる。 220型レーダーは放物面反射鏡(直径1.7m)を持ち、最大法で方位を測定する。 中型船、大型船での使用を想定している。 テストでは次のような結果が得られた。
戦艦から戦艦へ
型式 範囲(Km) △R(meter) △e(degrees)
105-S2 35 100 0.5
220 40 100 0.6
注 連続トラッキング ポイント・バイ・ポイント測定
△Rはレンジの誤差(メートル)
△eは方位の誤差(度)
しかし、終戦間際には大型艦が少なくなったため、レーダーは設置されなかった。 220型では、連続追尾が可能な「直接指示最大法」の取得に取り組んだが、実験は未完成であった。
・日本の射撃用レーダーの問題点について
東芝の射撃用レーダーはウルツブルグ式を採用して、測距及び方位角精度を飛躍的に改善したが、如何せん使用周波数500Mhzの従来の三極管真空管を使用したため、受信及び送信能力も重大な問題を抱えたままとなり、探索距離が短く水上及び対空射撃レーダーとしての採用の是非に問題を残している。
一方、日本無線は磁電管(マグネトロン)による3Ghzを使用したことで、受信機の鉱石検波器採用のスーパーヘテロダイン方式が完成する昭和19年7月まで性能を発揮することができなかった。
ただし、スーパーヘテロダイン方式採用以降では、米軍のマイクロ波レーダーの実物入手もあり、マイクロ波技術への対応には飛躍的技術向上が図られた。
たとえば、円形導波管から矩形導波管への切換え、導波管と回転するパラボラアンテナ管の接続インターフェースの改善がみられる。
また、米国の仕様していた放電管(TR管)を使用しない独自のアンテナの送受共用技術も開発している。
ただし、終戦まで問題が残ったことは、磁電管(マグネトロン)の送信出力が貧弱であったままであったことである。
・海軍のレーダー開発のトータルコーディネータは誰だったのか
31号の機能を見る限り、メーカー側はそれなりの成果を示しているが、問題は海軍技術研究所の技官がレーダーのあるべき姿を明確してから開発を行うべき基本的な姿勢が全く見られない点にある。
31号も日本無線としては最大限の技術を発揮しているのはよく分かるが、本質的な問題改善のための精度向上にはこのシステムにはウルツブルグの測距技術を導入する必要があった。
東芝のウルツブルグ技術を導入した23号(S8、S8A)の成果と問題点をもとに、31号に何故展開できなかったのだろうか。
やはり海軍技術研究所の技官のシステム構築に関する総合的なマネージメントが完全に欠落していた結果をみるのが妥当ではないだろうか。
海軍技術研究所の技官がメーカーの技術者と同じようなレベルの細かな技術的な課題を考えて居たり、逆に陸軍技術研究所のようにメーカー任せきりにしたのも困ったものだ。
・ウルツブルグレーダーとの関係について
日本無線は主管製作会社として陸軍のタチ24でウルツブルグレーダーのコピー品の製作をおこなっているのであれば、精度向上のためはウルツブル式測距儀を採用すべてきであるが、2号電波探信儀2型系列の測距儀は従来品のゴニオメーター方式のままである。
陸軍の開発成果を海軍へは反映できない取り決めを真面目に貫いた結果かもしれないが、日本電気は、ウルツブル式測距儀に関する知見は全くなかった。
しかも、ウルツブル式測距儀を日本でコピー生産したのは東芝の可能性が高い。
というのも、東芝は海軍用の射撃レーダーに、このウルツブル式測距儀技術を活用して各種射撃用レーダーを開発している。
・アンテナ送受信共用システム(単一導波管方式)の更なる改善による開発について
2号電波探信儀2型改3の単一導波管方式を、更に改善して、円形導波管を廃止して、すべて矩形導波管で構成している。
矩形導波管を採用することにより、偏波面の整形もスムーズに行われたものと思われる。
・Gyrostabilizer( ジャイロスタビライザー)の導入について
ブロクダイヤグラムにはGyrostabilizer(船舶揺れ減揺装置)、Amender for trembling
Contents and Amender for revaluingと明記されている箇所があることは、本機は実戦を想定した設置を検討していたことの根拠である。
下図は、戦後の護衛艦のスタビライザープラットホームの設置状況とその機構である。
参考文献
Reports of the U.S. Naval Technical Mission to Japan, 1945-1946
「日本無線史」10巻 1951年 電波管理委員会
日本海軍エレクトロニクス秘史 田丸直吉 昭和54年11月 原書房
A short survey of japanese radar Volume 1 1945年11月20日
A short survey of japanese radar Volume 3 1945年11月20日
真空管物語 http://kawoyama.la.coocan.jp/tubestory.htm
無線工学ハンドブック 昭和29年11月 社団法人日本電波協会
アマチュアのオシロスコープ技術 榎並利三郎 昭和44年6月 オーム社
My Home Page(T.Higuchi) http://home.catv.ne.jp/ss/taihoh/
フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』