JPH0350443B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は主としてマイクロ波帯あるいは準ミリ
波帯の周波数を用いた無線通信用のレンズ付オフ
セツトアンテナに関するものである。

従来、無線通信用の開口面アンテナとして、反
射面が回転放物面よりなる主反射鏡を球面波波源
である一次放射器で給電する構成のパラボラアン
テナが主に用いられていた。しかし、このパラボ
ラアンテナは、アンテナから放射される電波の進
路にこれをさえぎる形で一次放射器を存在し、電
波に対しいわゆるブロツキング（妨害）となるた
め、利得の低下やサイドローブレベルの劣化等を
まねく欠点があつた。このブロツキングによる悪
影響を除去する手段として、アンテナから放射さ
れる電波の進路に電波をさえぎらないオフセツト
形パラボラアンテナが考えられる。

第１図はこのオフセツト形パラボラアンテナの
構成を示す側面図であり、１は反射面が点Ｆを焦
点とし、この点Ｆを回転軸とする回転放物面の一
部分よりなる主反射鏡であり、２は球面波源とな
る一次放射器でその位相中心点が点Ｆに一致し、
最大放射方向（以下単にビーム軸という）がＺ軸
と定角α（いわゆるオフセツト角度）をなす軸ｚ
に一致して配置される。また角度θ₀は主反射鏡１
の開口半角で、焦点Ｆより主反射鏡の外周を見込
んだｚ軸からの角度である。座標系Ｘ−Ｙ−Ｚと
座標系ｘ−ｙ−ｚは夫々点Ｆを中心とする直交座
標系で、軸Ｙと軸ｙは互いに逆向きで、紙面と直
交する軸である。この一次放射器２より放射され
た球面波は反射鏡１で反射後、Ｚ軸に垂直な平
面、例えばＸ−Ｙ平面内で波面のそろつた平面波
として放射される（以下、波面のそろつた平面を
開口平面という）。この構成のアンテナは電波の
進路に一次放射器などの妨害がないためパラボラ
アンテナで生ずる特性の劣化がないが、このアン
テナは主反射鏡が回転対称な構造でないため、一
次放射器より放射された球面電波の各放射線と点
Ｆを中心とする球面との交点群より成る球面上の
回転対称な座標系が開口平面上では回転対称とは
ならない欠点がある。

第２図、第３図は第１図の特性を説明する図で
あり、第２図は点Ｆを中心とし軸ｚを極軸とする
極座標系（ｒ、θ、）の変数θ（ｚ軸からの角
度）、（ｘ−ｙ平面上のｘ軸からの角度）を用い
て球面上の回転対称な座標系をｘ−ｙ平面上に表
わした図であり、一次放射器より放射された各電
波の放射線と点Ｆを中心とした半径ｒの球面との
各交点は変数θが一定の軌跡、同図の実積１１，
１２，１３と変数が一定の軌跡、同図の実線１
４，１５，１６との交点として表わされる。

第３図は前記放射線の主反射鏡から反射後の開
口平面との交点の軌跡を示した図であり、θが一
定の軌跡、第２図の実線１１，１２，１３は開口
平面上では第３図の実線１７，１８，１９のよう
に同心円とはならず、が一定の軌跡、第２図の
実線１４，１５，１６は第３図の実線２０，２
１，２２のように総てが直線とはならないで、全
体として回転非対称な座標系となる。なお、図で
点Ｃは実線１９の円、すなわちアンテナの開口円
の中心点であり、点C₀は第１図に示す通りｚ軸
と主反射鏡との交点ＯのＸ−Ｙ平面上への投影点
である。

従つて、主反射鏡への給電が、第４図の矢印８
で示すようにＸ軸方向に電界ベクトルのそろつた
直線偏波であつても、アンテナの開口平面上では
回転非対称な座標変換によつて、第５図の矢印９
に示すように電界ベクトルはｘ軸方向成分とＹ軸
方向成分を含んだ、いわゆる交差偏波成分を含ん
だ電界ベクトルとなる。このベクトル分布は、Ｘ
−Ｚ平面についてのみ対称であるため、反射鏡で
発生した交差偏波成分が互いに打ち消し合う平面
はこのＸ−Ｚ平面内のみとなり、この平面内以外
では交差偏波識別度を劣化させることになる。さ
らに、円偏波で用いる場合、この交差偏波成分の
影響で右旋円偏波の場合と左旋円偏波の場合とで
放射ビームの最大放射方向が異なる欠点があつ
た。

本発明の目的は、これらの欠点を除去し、オフ
セツトパラボラ反射鏡と一次放射器との間に誘電
体レンズを配置することにより、一次放射器の位
相中心点よりアンテナの開口平面迄の通路長を一
定とさせて、回転対称な座標系の各点を開口平面
上でも回転対称な座標系の点に変換するようにし
たレンズ付オフセツトアンテナを提供することに
ある。

以下図面により本発明を詳細に説明する。

第６図は本発明の実施例の構成図である。すな
わち、この実施例はオフセツト型パラボラアンテ
ナ１と一次放射器２との間に誘電体からなる電波
レンズ３を挿入して構成されるが、この電波レン
ズ３にこの発明の特徴がある。

第７図は本発明に用いる電波レンズの微少部分
４の側面図である。この電波レンズの微少表面
S₁，S₂はそれぞれ焦点距離f₁，f₂（焦点F₁，F₂）
とし、互に平行な軸z₁，z₂を回転軸とする回転双
曲面の一部である。このため距離｜F₁P₁｜と｜
F₂P₂｜とは次式により求められる。

｜F1P1｜＝（ｎ−１）f₁／ncosΘ₁−１ ｜F2P2｜＝（ｎ−１）f₂／ncosΘ₂−１ ｎ＝√〓
……(1) 但し、ε〓は誘電体の比誘電率である。

この電波レンズの微少部分４の配置において、
焦点Ｆ１から微少表面Ｓ１へ入射した電波の放射
線２３は屈折され、｜F₁P₁｜、｜F₂P₂｜が式(1)の
関係にある場合、屈折後の放射線は軸ｚ１と平行
な放射線となり他方の微少表面Ｓ２へ到達し、こ
こで再び屈折を受け、屈折後の放射線は焦点Ｆ２
を中心とする球面波放射線２４として進行する。
従つて、焦点Ｆ２を中心とした半径Ｒの球面Ｓ３
迄の焦点Ｆ１からの通路長は次式で求められる。

通路長＝Ｒ＋nL＋（ｎ−１）（f2−f1） ……(2) 以上からも明らかなように、第７図に示す電波
レンズの微少部分４は焦点Ｆ１より到来した球面
波放射線を焦点Ｆ２を中心とした球面波放射線に
変換する作用を持ち、その通路長は式(2)で求ま
る。本発明の電波レンズは第７図に示す微少部分
４が集合したものであり、次にこの集の仕方につ
いて説明する。

第９図、第１０図は座標系の説明図で、第９図
の直交座標系x₁′−y₁′−z₁′、x₂′−y₂′−z₂′は第
７
図に示した直交座標系x₁−y₁−z₁、x₂−y₂−z₂を
夫々軸x₁、x₂を中心に角度ωだけ回転した座標系
であり、x₁′、z₁′、x₂′、z₂′および点Ｆ１，Ｆ２は
同一平面上にある。第１０図において、直交座標
系x₁″−y₁″−z₁″、X₂″−y₂″−z₂″は第９図に示し
た直交座標系x₁′−y₁′−z₁′、x₂′−y₂′−z₂′を夫
々
軸y₁′、y₂′を中心に角度β、α′だけ回転した座標
系である。直交座標系x₁″−y₁″−z₁″において点
Ｆ１を中心、軸z₁″を極細とする極座標系（r1、
θ1、1）の変数θ₁および₁と直交座標系x₂″−
y₂″−z₂″において点Ｆ２を中心、軸z₂″を極軸とす
る極座標系（r2、θ2、2）の変数θ₂および₂の関
係は次式で求められる。

cosβ ０ −sinβ， ， ，０， １， ０，sinβ ０ cosβ r₁sinθ₁sin₁ r₁sinθ₁sin₂ r₁cosθ₁＝cosα′ ０ sinα′， ， ，０， １， ０，sinα′ ０ cosα′r₂sinθ₂cos₂ r₂sinθ₂sin₂ r₂cosθ₂−ε_x2 ε_y2 ε_z2 …(3) 但し r₁＝｜F1P1｜、r₂＝｜F2P2｜ cosΘ₁＝cosθ₁cosβcosω＋sinθ₁sin₁sinω −sinθ₁cos₁cosωsinβ cosΘ₂＝cosθ₂cosα′cosω＋sinθ₂sin₂sinω −sinθ₂cos₂cosωsinα′ ε_x2、ε_y2、ε_z2は点Ｆ２を原点とした点Ｆ１の座
標で第７図からε_y2＝０、ε_z2＝−Ｌである。

第１１図、第１２図も座標系の説明図である。
第１１図において、直交座標系Ｘ−Ｙ−Ｚは主反
射鏡の焦点と一致して配置された点Ｆ２を中心と
し、Ｚ軸を主反射鏡１の回転対称軸と一致した座
標系で、第１図の直交座標系Ｘ−Ｙ−Ｚと同一の
座標系である。従つて、第１１図の点Ｆ２と直交
座標系x₂″−y₂″−z₂″は第１図の点Ｆと直交座標
系ｘ−ｙ−ｚに一致する。また、第１１図の点Ｆ
１は一次放射器２の位相心点に一致して配置さ
れ、軸z₁″は一次放射器２のビーム軸と一致して
配置されているとする。

第１２図において、主反射鏡１の開口円１９の
中心点Ｃ、直径がＤであり、開口円上の任意の点
Ａは点Ｃよりの距離ｒと軸Ｘよりの角度ξで表わ
されるとする。これら第１１図、第１２図に示す
各変数の間には次式の関係がある。

ｒ／2fcosξ＝sinαcosθ₂＋cosαsinθ₂cos₂／１＋c
osαcosθ₂−sinαsinθ₂cos₂ −sinα／cosα＋cosθ₀−ｒ／2fsinξ ＝sinθ₂sin₂／１＋cosαcosθ₂−sinαsinθ₂cos
₂……(4) 但し、ｆは主反射鏡１の焦点距離、 ｆ＝Ｄ／４ cosα＋cosθ₀／sinθ₀である。

本発明では、通路長一定の条件のもとで、一次
放射器の位相中心点Ｆ１を中心とした極座標系の
θ₁、₁により表わされる軌跡が、主反射鏡の開口
面上において、点Ｃからの距離ｒ、軸Ｘに対する
角度ξにより表される円（軌跡）に変換されるよ
うに、前述の関係式において変数ｎ、f₁、f₂、
ε_x2、ε_z2、ω、β、αおよびγを定める必要があ
るが、一般的にこれらの変数をレンズ系全体につ
いて解析的に求めることは困難である。従つて第
７図に示すような電波レンズの微少部分の夫々に
ついて数値計算を行つて各変数を定める。以下こ
の手順を説明する。

（手順１）ｒ／2fとθ₁との関係を定める。第１１ 図のＸ−Ｚ平面内ではｒ／2fが一定（ξ＝0゜又は 180゜）の点がθ₁が一定（₁＝0゜又は180゜）に変換
される条件は次式で近似される。

sin（δ＋γ）／１＋cos（δ＋γ）＝sinα／cosα＋
cosθ₀……(5) 但し、角度δは条件次式(6)により式(7)のように
求まる。

r₁sinβ＋ε_x2＝r₂sinδ ……(6) tanδ＝ａ｛n1＋a²（n²−１）−１｝／na²＋１＋a²（
n²−１） ａ＝sinβ／ncosβ×f1／f2＋１／ｎ−１×ε_x2／f2
……(7) 式(5)を満足するように変数ｎ、f1／f2比、
ε_x2／f2比、角度βとγを調整することによりＸ
−Ｚ平面内での電波レンズ形状は両表面とも双曲
面として定まる。従つて、Ｘ−Ｚ平面とその近傍
では第７図の電波レンズの微少部分の夫々は前記
した両双曲面を軸z₁′と軸z₂′回りに回転して成る
回転双曲面の一部分より構成され、式(3)と式(4)よ
りこの時のｒ／2fとθ₁の関係が定まる。

なお、この時の通路長は式(2)により求まるので
θ₁すなわちｒ／2fに関係なく一定である。

（手順２）通路長一定の条件のもとで各放射線
に対してξ＝−₁となるように電波レンズの各
微少部分のf₁、f₂、角度β、γとωを定める。こ
の際、通路長一定の条件に対して式(2)より各微少
部分でf₁−f₂が一定となるようにし、ξ＝−₁に
対しては式(3)と式(4)の関係と（手順１）で求めた
θ₁とｒ／2fの関係を用いる。

以上の手順により構成された電波レンズは、各
微少部分の微少表面Ｓ１，Ｓ２がすべて回転双曲
面の１部分より成るため、各微少部分でf1−f2が
一定であれば通路長は総て一定である。ただし、
各微少部分の変数は（手順１）と（手順２）だけ
で定められているために各微少部分間の曲面の連
続性は保たれていない。従つて電波レンズ全体で
見るとレンズの両表面は一般的には非２次曲面と
なる。

ここで再び第６図により、この実施例の動作の
説明をする。同図で主反射鏡１の開口円１９上の
点Ａ１，Ａ３，Ａ５，Ａ７は開口円の中心点Ｃよ
り半径ｒが一定でξ＝0゜、45゜、90゜、180゜の点で
あり、各点を通る電波の放射線を夫々３１〜３４
で示す。この放射線３１〜３４は主反射鏡１に点
Ｒ１，Ｒ３，Ｒ５，Ｒ７で反射され夫々電波レン
ズ３の微少部分４，５，６，７へ入射する。前記
手順によれば主反射鏡１の変数α、ｆ／Ｄに対し
まず微少部分４，７の微少表面Ｓ１，Ｓ２および
微少表面Ｓ７，Ｓ８の曲面を定める変数ｎ、f1／
f2比、ε_x2／f2比、角度βとγを定めて、放射線
２３，３０が一次放射器２の開口と交わる点Ｂ
１，Ｂ７が開口の中心に対し対称な位置に、すな
わちθ₁が一定で₁が0゜、180゜の位置にくるように
する。次に微少部分５の微少表面Ｓ３，Ｓ４の曲
面を定める変数ｆ１，ｆ２、角度β、γとωを通
路長が一定、すなわちｆ２−ｆ１が一定の条件の
もとに定めて放射線２５が一次放射器２の開口と
交わる点B3がθ₁が一定で₁が−45゜の位置にする
ようにする。同様に微少部分７の微少表面Ｓ７，
Ｓ８を定めて放射線３０が一次放射器２の開口と
交わる点Ｂ７がθ₁が一定で₁が90゜の位置にくる
ようにする。以上のようにして各微少部分を定め
ていくことにより連続的でないにしてもｒ／2fが一 定の点を通る各電波の放射線はθ₁が一定の放射線
群へ、ξが一定の点を通る各放射線は₁が一定
の放射線群へ変換されることになる。

この具体例として、オフセツト角度α＝42.5゜、
ｆ／Ｄ比＝1.0、開口半角θ₀＝24゜の主反射鏡に対
し、まずＹ−Ｚ面内ではβ＝０、角度θ₁の最大角
度30゜とした時、式(5)の条件はｎ＝1.5、f1／f2＝
0.67、ε_x2／f2＝0.07、γ＝40.8゜、δ＝3.8゜で満足
し、ｒ＝0.5Dでθ₁＝30゜、ｒ＝0.3Dでθ₁＝20゜、ｒ
＝0.13Dでθ₁＝10゜となる。次にＹ−Ｚ平面以外で
は角度ξの変化にあわせて各微少部分で変数ｆ
１，ｆ２、角度β、γとωを前記した値より徐々
に変化してゆくことになる。

以上の説明では電波レンズの微少部分の両表面
はいずれも回転双曲面の１部分であるとしたが、
前記説明からも電波レンズの微少部分は到来球面
波を中心点の異なつた球面波に変換するレンズで
あればよい事は明らかである。

第８図は電波レンズの微少部分の他の構成図で
あり、４は一方の微少表面Ｄ１が点Ｆ１を中心と
した球面の１部分で他方の微少表面Ｓ１は点Ｆ１
を焦点とし軸ｚ１を回転軸とする回転楕円面より
なる誘電体レンズ部であり、｜F1P1｜は次式によ
り定まる。

｜F1P1｜＝（ｎ−１）ｆ１／ｎ−cosΘ1 ……(8) 点Ｆ１よりレンズ４へ入射した放射線２３は微
少表面Ｄ１が点Ｆ１を中心とした球面であるため
屈折せずに直進し表面Ｓ１に到達し、｜F1P1｜が
式(8)で示される関数の場合は屈折後の放射線は軸
ｚ１を平行な放射線として入射する。５は一方の
微少表面Ｄ２が軸ｚ１と平行な軸ｚ２に直交する
平面の１部分で、他方の微少表面Ｓ２は点Ｆ２を
焦点とする回転双曲面よりなる誘電体レンズ部で
あり、｜F2P2｜は式(1)で定まる。従つて、微少表
面Ｄ２に垂直に入射した放射線や微少表面Ｓ２で
屈折後は点Ｆ２を中心とした球面波放射線２４と
なる。焦点Ｆ２を中心とした半径Ｒの球面Ｓ３迄
の焦点Ｆ１からの通路長は式(9)で求める。

通路長＝Ｒ＋Ｌ＋（ｎ−１）（T1＋T2） ……(9) この図の構成では誘電体レンズ部４，５が一組
で電波レンズの微少部分を構成することになり、
通路長一定の条件が式(2)の場合はf2−f1が一定で
あつたのがT1＋T2が一定と変わることになる。

以上説明したように、本発明によれば、電波レ
ンズの構成要素である微少部分の微少表面Ｓ１と
Ｓ２は２次曲面であるが、隣り合う微少部分の微
少表面は一般に曲面の連続性が保たれていないた
めに電波レンズとしての両表面は非２次曲面とな
る。このような構成にすることにより、オフセツ
ト形パラボラアンテナの特徴を失う事なく、主反
射鏡により発生する交差偏波成分を減少させる事
が出来、高利得、低サイドローブで交差偏波識別
度の良好なアンテナが実現出来、特に左右両円偏
波を共用するアンテナに用いた場合には交差偏波
成分による偏波間の最大放射方向のずれを減少す
る事が出来るので、等価的には通信方向に対して
利得が向上し、交差偏波識別度も改善される等の
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のオフセツト形パラボラアンテナ
の側面図、第２図、第３図は第１図の特性を説明
する開口平面上のパターン図、第４図、第５図は
第２図、第３図の開口平面での電界ベクトル図、
第６図は本発明の実施例の構成図、第７図、第８
図は第６図に用いる電波レンズの微少部分の第１
および第２の構成例の側面図、第９図、第１０
図、第１１図および第１２図は本発明に用いる電
波レンズの微少部分の説明に用いる座標系と変数
を示す図である。図において、１……主反射鏡、
２……一次放射器、３……電波レンズ、４，５，
６，７……電波レンズ３微少部分、８，９……電
界ベクトル、１１，１２，１３……ｘ−ｙ平面上
でのθが一定の軌跡、１４，１５，１６……ｘ−
ｙ平面上でのが一定の軌跡、１７，１８，１９
……開口平面上でのθが一定の軌跡、２０，２
１，２２……開口平面上でのが一定の軌跡、２
３〜３４……電波の放射線、Ｆ……主反射鏡の焦
点、α……主反射鏡のオフセツト角度、ｆ……主
反射鏡の焦点距離、θ₀……主反射鏡の開口半角、
Ｄ……主反射鏡の開口直径、Ｏ……主反射鏡と軸
ｚとの交点、C₀……点ＯのＸ−Ｙ平面上への投
影点、Ｃ……アンテナの開口円の中心点、ｒ……
点Ａ、Ｃの距離、ξ……軸Ｘ、ACと角度、Ｆ１，
Ｆ２……Ｓ１，Ｓ２の焦点、Ｐ１，Ｐ２……Ｓ
１，Ｓ２上の点、ｆ１，ｆ２……Ｓ１およびＳ２
の焦点距離、Ｌ……点Ｆ１と点Ｆ２の軸ｚ１およ
び軸ｚ２方向の距離、Θ１，Θ２……点Ｆ１を中
心とする軸ｚ１からの角度と点Ｆ２を中心とする
軸ｚ２よりの角度、Ｔ１……Ｓ１とＤ１の軸ｚ１
上の間隔、Ｔ２……Ｓ２とＤ２の軸ｚ２上の間
隔、Ｓ３……点Ｆ２を中心とする球面、Ｒ……Ｓ
３の半径、ω……軸ｚ１と軸ｚ１′あるいは軸ｚ
２と軸ｚ２′のなす角度、β……軸ｚ１′と軸ｚ
１″のなす角度、α′……軸ｚ２′と軸ｚ２″のなす
角度、γ……角度α−α′である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 反射面が回転放物面の一部分からなるオフセ
   ツトパラボラ反射鏡と、この反射鏡に給電する球
   面波波源となる一次放射器と、前記反射鏡と前記
   一次放射器との間に配置された誘電体からなる電
   波レンズとを含むレンズ付オフセツトアンテナに
   おいて、前記電波レンズは微少電波レンズの集合
   体として構成され、各微少電波レンズは前記１次
   放射器の位相中心点を焦点とし、１次放射器から
   放射される球面波を平面波に変換する第１の焦点
   距離の回転双曲面の一部より成る第１の微少電波
   レンズ部と、前記反射鏡と焦点を共有し、前記第
   １の微少電波レンズ部を構成する回転双曲面の回
   転中心軸と平行な回転中心軸を有する第２の焦点
   距離の回転双曲面の一部より成る第２の微少電波
   レンズ部を含み、前記各微少電波レンズが共通し
   て、前記第１の焦点距離と前記第２の焦点距離の
   差を一定とすることより、前記波源を出て、前記
   各微少電波レンズを通過し、前記反射鏡開口に至
   る迄の電波の通路長を一定とすることにより、前
   記一次放射器から前記レンズに入射する前記各放
   射線と前記一次放射器の位相中心点を中心とする
   球面との交点群よりなる球面上の回転対称な座標
   系の各点を前記反射鏡で反射した各放射線と前記
   アンテナの開口平面との交点群よりなる平面上の
   回転対称な座標系の各点に変換することを特徴と
   するレンズ付オフセツトアンテナ。 ２ 反射面が回転放物面の一部分からなるオフセ
   ツトパラボラ反射鏡と、この反射鏡に給電する球
   面波波源となる一次放射器と、前記反射鏡と前記
   一次放射器との間に配置された誘電体からなる電
   波レンズとを含むレンズ付オフセツトアンテナに
   おいて、前記電波レンズは、それぞれ微少電波レ
   ンズの集合体である第１の電波レンズおよび第２
   の電波レンズとで構成されており、前記第１の電
   波レンズの各微少電波レンズは、前記波源側が球
   面から成り、前記球面と逆の面が回転楕円面から
   成る電波レンズの一部で構成され、前記第２の電
   波レンズの各微少電波レンズは、前記第１の電波
   レンズからの電波の入射側が平面から成り、前記
   平面と逆の面が回転双曲面から成る電波レンズの
   一部で構成され、各微少電波レンズは共通して、
   第１の電波レンズを構成している微少電波レンズ
   の母電波レンズの回転軸上の厚みT₁と第２の電
   波レンズを構成している微少電波レンズの電波レ
   ンズの回転軸上の厚みT₂との和を一定にするこ
   とにより、前記波源を出て、前記２枚の電波レン
   ズの各微少電波レンズを通過し、前記反射鏡開口
   に至る迄の電波の通路長を一定とすることによ
   り、前記一次放射器から前記レンズに入射する前
   記各放射線と前記一次放射器の位相中心点を中心
   とする球面との交点群よりなる球面上の回転対称
   な座標系の各点を前記反射鏡で反射した各放射線
   と前記アンテナの開口平面との交点群よりなる平
   面上の回転対称な座標系の各点に変換することを
   特徴とするレンズ付オフセツトアンテナ。