JPH023562B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、小中容量マイクロ波多方向多重通信
用として好適な扇形ビームアンテナに関する。 小中容量マイクロ波多方向多重通信方式は、親
局に広角度の扇形ビームアンテナ（2GHz帯でビ
ーム幅Θ_1/2＝50゜）を設置して、サービスエリヤ
内に分散する数局の子局と均等に同時通信する方
式であつて、通信回線をより経済的に構成しうる
という利点をもつ。なお上記子局側には、一般マ
イクロ波多重通信用のペンシルビームアンテナが
使用される。 この通信方式において、親局に１個の広角度の
扇形ビームアンテナを使用するのは標準的なサー
ビスエリヤの場合であつて、サービスエリヤがさ
らに広くなると、広角度の扇形ビームアンテナと
複数個のペンシルビームアンテナとを組合せた
り、または広角度の扇形ビームアンテナを複数個
組合せることが行なわれる。しかるに前者では、
アンテナの総受風面積の増加にともなつてアンテ
ナ支持鉄塔の風圧荷重が増大するため、強固な鉄
塔が要求され、回線全体の経済性が損なわれる。
また後者では、合成指向性がサービスエリヤより
広くなり過ぎて不要方向に電波を放射することが
多く、そのため他回線との間に干渉妨害波の授受
が生じて通信の品位を低下させる虞れがある。 一方、サービスエリヤが標準より狭い場合に広
角度の扇形ビームアンテナを使用すると、上記し
た後者の場合と同様に、不要方向への放射波によ
り自、他回線の通信の品位に影響が生ずる。 かかる理由から上記方式を実施する場合には、
サービスエリヤに応じた単体または合成の指向性
が得られるようにアンテナを組合せる必要があ
り、かつアンテナの数は最小限にすべきである。 以上を考慮すると、個々のアンテナとしては、
ビームの立上りが急峻でＦ／Ｂ特性が良好である
とともに、任意角度のビーム幅を持つ扇形ビーム
を放射しうるものが好適である。 任意角度のビーム幅を持つ扇形ビームアンテナ
として比較的容易に実現できるものとしてレーダ
ー用アンテナがある。すなわち回転放物面反射鏡
を光軸（ｚ軸）に並行な２つの平面で切断して、
ｚ軸に直交する平面への投影面の形状が長方形ま
たは偏平楕円形をなすように構成した反射鏡を有
するアンテナ、あるいは同形状の放物筒面反射鏡
を用いたアンテナ、およびアレーアンテナがあ
る。しかるに前記２者は主ビーム指向性の立上り
が鈍く、かつ切欠部より反射鏡励振波のスピルオ
ーバー量が広角指向性に重畳されてＦ／Ｂ特性が
劣化するため、多方向多重通信用には利用できな
い。また、後者のアレーアンテナは希望する指向
性の整形は可能であるが、使用比帯域（使用周波
数帯域幅と中心周波数との比）が狭いため、本通
信目的のアンテナには向かない。 本発明の目的は、上記する不都合を伴なうこと
なくペンシルビームからビーム幅Θ_1/2≒50゜のビ
ームまでの任意の必要ビーム幅の扇形ビームを得
ることができる。小中容量マイクロ波多方向多重
通信用として好適な扇形ビームアンテナを提供す
ることにある。 以下、図面に示す実施例を参照しながら本発明
を詳細に説明する。本発明に係るアンテナの実施
例においては、原形の反射鏡として低サイドロー
ブ設計のアンテナに使用するｆ／Ｄ（焦点距離と
直径との比）＝0.25の深形軸対称回転放物面反射
鏡（焦点が開口面上にある反射鏡）を使用してい
る。 第１図に示す上記深形反射鏡１は、マイクロ波
多重通信方式のペンシルビームアンテナ用として
多用されているものであつて、絞り加工、プレス
加工等で成形され、比較的低廉でかつ容易に入手
可能である。いま、座標系を第１図のようにと
り、焦点距離F₀O（但し、F₀は深形反射鏡１の焦
点、Ｏは深形反射鏡１の最深点）をf₀で表わせ
ば、この反射鏡１の曲面の方程式は 4f₀（ｚ＋f₀）＝x²＋y² ……(1) となる。そして、曲面構造からｚが一定な平面に
よるこの反射鏡１の断面形状は円形であり、また
開口直径が（ｘ軸方向の直径）＝（ｙ軸方
向の直径）であることから、ｘ−ｚ平面、ｙ−ｚ
平面と鏡面との交線２，３の長さは AOB＝COD＝L₀ ……(2) である。 本発明に係る扇形ビームアンテナは、かかる構
成を有する原形の深形反射鏡１を下記する態様で
加圧変形してなる反射鏡を使用している。いま、
上記反射鏡１の開口周縁部に対し、ｘ軸の一端お
よび他端方向から焦点F₀に向かう均等な圧力を
各々加えると、上記反射鏡１が偏平球殻と見做さ
れ、かつその周辺部が完全自由ではないことか
ら、第２図に示すような変形された反射鏡４が形
成される。この反射鏡４は、ｚが一定の平面（図
では、F₀を通る平面をとつた）との交線が、
A′B′（＜AB）を短軸、C′D′（＞CD）を長軸とす
る楕円形５をなす。しかして実際の開口面は、
A′，B′点が持ち上げられてA″，B″点の位置
（A′A″＝B′B″）に、また加圧方向と直交するｙ
軸方向のC′，D′点が引き下げられ、C″，D″点の
位置（C′C″＝D′D″）にくる。そしてA″，B″，
C″及びD″点を含む面の形状は円筒面となる。す
なわち、これら各点を第２図のｘ−ｚ平面に投影
すると、第５図に示す如く円になるので、A″，
B″，C″及びD″点は円筒上に存在し、円筒面を形
成する。 上記反射鏡４において、A″B″，C″D″を各
x′軸、y′軸とすれば、x′−ｚ平面およびy′−ｚ平
面とこの反射鏡の曲面との交線６および７の各長
さA″OB″＝L₁およびC″OD″＝L₂には変化がない。
すなわち、 L₁＝L₂≡L₀（常数） ……(3) である。いま、x′軸とｚ軸との交点をFy、y′軸と
ｚ軸との交点をFxとすれば、 ＝fx ［ここで、fxは、加圧変形された反射鏡４のｙ−
ｚ平面の放物線すなわちA″、Ｏ及びB″点を通る
放物線の焦点距離］ ＝fy ［ここで、fyは、加圧変形された反射鏡４のｘ−
ｚ平面の放物線すなわちC″、Ｏ及びD″点を通る
放物線の焦点距離］ である。そして、上記反射鏡４の曲面の方程式
は、 ４（ｚ＋f₀）＝x²／fx＋y²／fy ……(4) ［ここで、f₀は加圧変形される前の反射鏡１の焦
点距離］ で表わされる。 上記(4)式で定められる形状は双放物線とでもい
うべき曲面であつて、この曲面をｚ軸を含む平面
で表わした場合ｘ軸よりｙ軸に角度θだけ回転し
た形で表わされる。新座標系をξ、ηとすると、
上記(4)式は、 ４（ｚ＋f₀）＝（ξcosθ＋ηsinθ）²／fx＋
（ξsinθ＋ηcosθ）²／fy……（4′） で表わされる。 η＝０のｚ−ξ平面でみると、 ４（ｚ＋f₀）＝ξ²cos²θ／fx＋ξ²sin²θ／fy ＝（cos²θ／fx＋sin²θ／fy）ξ²……
（4″） となり、放物線である。 一方、上記(4)式において、ｙ＝０のとき 4fx（ｚ＋f₀）＝x² ……(5) また、ｙが一定（＝Ｃ）のとき 4fx（ｚ＋f₀−C²／fy）＝x² ……(6) となりC₂／fyは常数であるから、(6)式は(5)式を
C²／fyだけｚ軸の正側に平行移動した曲線であ
る。すなわち、x′−ｚ平面に平行な各平面と上記
曲面との交線は、各々等しい焦点距離fx（(5)、(6)
式のfxは(4)式のｙをＯ又はＣ（常数）とした場合
であり、(4)式におけるfxと同じ）を有する全く同
じ放物線となる。また、y′−ｚ平面に平行な各平
面と上記曲面との交線は、いずれも焦点距離fyの
全く同じ放物線となる。それ故、アンテナの反射
鏡として使用する場合にこの性質を利用すれば背
面補強枠の設計が容易であり、またテンプレート
（ゲージ板）をｘ軸またはｙ軸方向に平行移動す
ることによつて鏡面精度の測定も容易に行なうこ
とができる。 上記反射鏡４は、その最短焦点距離に位置する
Fx点（＝fx）に適切な照度分布を有する一
次ホーン（図示せず）を配置することによつて、
扇形ビームアンテナとして作用する。すなわち、
y′＝Ｏの場合、x′−ｚ平面でみると、一次ホーン
は正規の位置にあり、放物面によるペンシルビー
ムとなる。従つて、上記一次ホーンで上記反射鏡
４を励振すると、x′−ｚ平面内の主ビーム指向性
は、加圧変形前の反射鏡に比べて大きな変化はな
い。これに対し、y′＝Ｃ（常数）の場合、上述と
同様にペンシルビームとなるが、位相のづれた分
だけ利得が低下する。 また、y′−ｚ平面内の主ビーム指向性は、ビー
ム軸の偏位はないものの、ビーム幅は急激にブロ
ードとなる。その理由を次に述べるが、簡単のた
めに、ｘ−ｚ平面の放物線（第２図においてA″，
Ｏ，B″点を通る放物線）とｙ−ｚ平面の放物線
（第２図においてC″，Ｏ，D″点を通る放物線）に
ついて説明する。まず、焦点Fxより出た電波は、
第６図に示すようにｘ−ｚ平面内ではｚ軸に平行
な方向に進行する。一方、ｙ−ｚ平面において
は、Fy点を焦点とした場合にｚ軸に平行な方向
に進行するような曲面となつているため、第７図
に示すように電波の発射点がFy点よりも反射鏡
４側（図中において左側）にある場合には、電波
の主進行方向はスネルの法則によりｚ軸とは平行
にならず、拡がりを持つこととなる。なお、上述
したｘ−ｚ平面おびｙ−ｚ平面以外における主ビ
ーム指向性については角度〓（第８図参照）が0゜
の方向では大きな変化はないが、角度〓が90゜の
方向では大きな変化が生じる。 第３図は、第２図の座標を第８図に示す如き極
座表で表わした場合に〓＝90゜で観測点（Θ，〓）
が角度Θの変化につれてｚ軸よりｙ軸に向うもの
の指向性を示しており、開口面直径3.0mφ（焦点
距離f₀＝750mm）の深形反射鏡を原形の反射鏡と
して使つた本発明によるアンテナの、2GHz帯に
おけるfx，fyの変化に対する各主ビーム指向性を
示す。なお同図中に示す各指向性８〜13について
の曲面構造の諸元は、下記の第１表に示すとおり
である。

【表】 このアンテナにおける利得とビーム幅は、回線
設計の要求により決められ、これに基づき原形と
なる深形反射鏡１の大きさ、および変形量を容易
に算出することができる。たとえば、第４図（諸
条件は第３図の場合と同じ）の指向性曲線14〜18
に示すように利得一定の条件下でビーム幅を変え
たい場合には、下記第２表に示す諸元に基づいて
設計すればよい。

【表】 かくして得られた扇形ビームアンテナは、ビー
ムの先端が平坦で、かつビームの立上りは相当す
る利得のペンシルビームアンテナと同等で急峻で
ある。また第２図に示したごとく、反射鏡の開口
面最低部（第２図にC″点およびD″点）の位置と
励振用一次ホーンの開口面が一致しているので、
そのＦ／Ｂ特性は低サイドローブ設計のアンテナ
と同等で良好である。 以上、本発明の一実施例に付き述べたが、本発
明は既述の実施例に限定されるものではなく、本
発明の技術的思想に基いて各種の変形および変更
が可能である。 例えば、既述の実施例では、深形反射鏡を用い
るようにしたが、浅形反射鏡（ｆ／Ｄ＜0.25であ
り、焦点が開口面の外側にある反射鏡）を用いて
もｘ−ｚ平面内とｙ−ｚ平面内の焦点距離が異な
る放物線を形成することができるので、この浅形
反射鏡の場合にも本発明を適用可能である。ただ
し、小中容量マイクロ波多方向多重通信用として
最適なのは深形反射鏡を用いる場合であり、浅形
反射鏡を用いた場合にはＦ／Ｂ特性が少し劣るこ
ととなるが、実用上大きな支障はない。 ところで、第２図に示した曲面反射鏡に対し、
励振用一次ホーンを最長の焦点距離となるFyの
位置に配設した場合でも、ほゞ同様の結果が得ら
れる。しかしながら、この場合には上記一次ホー
ンの開口面が反射鏡４の最低開口部C″，D″より
も上方に位置することになるので、すなわち浅形
反射鏡によるアンテナと同等の構成となるので、
該一次ホーンから励振波のスピルオーバー量が広
角度指向性に重畳され、Ｆ／Ｂ特性が劣ることに
なる。 また、上記反射鏡４は、プレレス加工などによ
つて形成することを可能であるが、経済性、設計
の容易さなどを考慮した場合、上記実施例に示し
たように原形の反射鏡１を押圧変形させて形成し
た方がはるかに有利である。 上記するように本発明に係る扇形ビームアンテ
ナは、主ビーム指向性の先端が平坦でかつビーム
の立上りが急峻な扇形ビームを得ることができ、
しかもＦ／Ｂ特性が良好である。また、前記最短
焦点距離fyを適切に選択することにより、任意角
度のビーム幅を得ることができる。したがつて、
単体または広角度の扇形ビームアンテナと組合せ
て使用することによつてマイクロ波多方向多重信
回線を高品位、高効率、かつ、より経済的に構成
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は深形の軸対称回転放物面反射鏡を示し
た斜視図、第２図は第１図に示した反射鏡を押圧
変形させて構成した本発明のアンテナに用いる反
射鏡の斜視図、第３図は第２図に示した反射鏡の
最短焦点距離および最長焦点距離を変化させた場
合における本発明アンテナの主ビーム指向性の変
化を示した特性図、第４図は利得一定の条件下で
反射鏡のサイズを変化させた場合における本発明
のアンテナの主ビーム指向性を示す特性図、第５
図はｘ−ｚ平面上におけるA″，B″，C″及びD″点
の投影点を示す図、第６図及び第７図は焦点Fx
から発せられた電波の進行方向を示す図、第８図
は極座標系を示す図である。 １…原形の軸対称回転放物面反射鏡、４…反射
鏡、Fx，Fy…焦点。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ｚ軸を回転中心としかつｘ−ｙ平面内に開口
   部を有する軸対称回転放物面反射鏡の開口部周縁
   を、上記周縁に沿つて互いに180゜異なる個所から
   上記開口部の直径方向に均等な押圧力を作用させ
   ることにより、上記反射鏡の横断面形状を楕円形
   に成形すると共に、この反射鏡の曲面とｘ−ｚ平
   面およびｙ−ｚ平面との各々の交線が、焦点距離
   が異なる放物線となるように成形し、上記反射鏡
   の２つの焦点のうち最短焦点位置に一次放射器を
   配置してなる扇形ビームアンテナ。