JPH0352242B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この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て行なわれる無線通信用の
開口面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は反射
面が回転放物面よりなる主反射鏡を、球面波波源
である１次放射器で給電する構成のアンテナ、い
わゆるパラボラアンテナが主に用いられていた。
しかしながらこのパラボラアンテナはその構成上
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１次放射器が存在し電波に対し、いわ
ゆるブロツキングとなるための利得の低下やサイ
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一手
段としてアンテナから放射される電波の進路に、
電波をさえぎるものがない構造の、いわゆるオフ
セツト形パラボラアンテナが提案されている。第
１図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、主反射鏡１は反射面が点Ｆを
焦点とし、軸Ｚを回転軸とする回転放物面の一部
分より成る。その焦点下に位相中心点が一致し最
大放射方向（以後単にビーム軸と呼ぶ）がＺ軸と
定角α（いわゆるオフセツト角度）をなす軸ｚに
一致して球面波波源の１次放射器２が配置され
る。角度θ₀は主反射鏡１の開口半角で、焦点Ｆよ
り主反射鏡１の外周を見込んだｚ軸よりの角度で
ある。座標系Ｘ−Ｙ−Ｚと座標系ｘ−ｙ−ｚとは
夫々点Ｆを中心とする直交座標系であり、軸Ｙと
軸ｙと互に逆向き紙面と直交する軸である。

１次反射器２より放射された球面波は周知のよ
うに反射鏡１で反射後、Ｚ軸に垂直な平面例えば
第１図のＸ−Ｙ平面内で波面のそろつた平面波と
して放射される。以後この波面のそろつた平面を
開口平面と呼ぶ。この構成のアンテナでは第１図
からも明らかなようにアンテナから放射される電
波の進路に１次放射器２のブロツキングがないた
めパラボラアンテナで生ずるような特性の劣化は
ない。しかしながらのアンテナでは主反射鏡１が
回転反称な構成でないため、１次放射器２より放
射された球面波の各光線と、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図及び第３図はこの欠点を説明するための
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（γ，θ，）の変数θ及びを用い
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、１次放射器２より放射された各
光線と、点Ｆを中心とした半径γの球面との各交
点は、変数θが一定の軌跡１１，１２，１３と、
変数が一定の軌跡２１，２２，２３との交点と
して表わされる。なお変数θはｚ軸からの角度で
あり、変数はｘ−ｙ平面上のｘ軸からの角度で
ある。

第３図は前記した各光線の主反射鏡で反射後の
開口平面との交点の軌跡を示した図であり、θが
一定の軌跡例えば第２図の実線１１，１２，１３
は開口平面上では第３図の実線３１，３２，３３
のように同心円とならず、が一定の軌跡、例え
ば第２図の実線２１，２２，２３は第３図の実線
４１，４２，４３のように総てが直線とはならな
いで全体として非回転対称な座標系を構成してし
まう。なお第３図で点Ｃは実線３３の円、即ちア
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１との交点０のＸ−Ｙ
平面上への投影点である。

従つて例えば第４図の矢印８で示すようにｘ軸
方向に電界ベクトルが完全にそろつた直線偏波で
主反射鏡１を給電してもアンテナの開口平面上で
は前記した非回転対称な座標変換のため、第５図
に示す矢印９の電界ベクトルに変換され、電界ベ
クトルＸ軸方向成分とＹ軸方向成分を含んだもの
となり、いわゆる交差偏波成分を含んだ電界ベク
トルの分布となる。しかしその分布も第５図に示
すようにＸ−Ｙ平面についてのみ対称であるため
反射鏡１で発生した交差偏波成分が互に打ち消し
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。

さらに第１図に示したアンテナを例えば円偏波
で用いる場合には前記した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等の欠点があつた。

この発明の目的は直線偏波を給電した場合に交
差偏波成分が発生せず、また右旋円偏波と左旋円
偏波とで放射ビームの最大放射方向が一致するオ
フセツトアンテナを提供することにある。

この発明によれば主反射鏡と１次放射器との間
に誘電体レンズ系を配置し、１次放射器より放射
された光線に対する誘電体レンズ表面での屈折効
果と光線の誘電体レンズ内での光路長差とを利用
して１次放射器の位相中心点よりアンテナの開口
面迄の光路長が一定であるという条件を満足しつ
つ、第２図の回転対称な座標を開口平面上でも回
転対称に近い座標系に変換するようにする。

第６図はこの発明の原理を説明するための図で
あり、４及び５は誘電体より成る電波レンズであ
りレンズ４及び５は、いわゆる双曲線レンズと呼
ぱれるレンズであり、レンズ４及び５の各一方の
表面Ｓ１及び２はそれぞれ点Ｆ１及びＦ２を焦
点、、ｆ１及びｆ２を焦点距離、軸６及び７をそ
れぞれ回転軸とする回転双曲面の一部分である。
軸６及び７は同一平面上で距離ｄだけ離れて互に
平行であり、レンズ４及び５の各他方の面Ｂ１及
びＢ２は夫々軸６及び７に垂直な平面の一部分で
形成される。従つて焦点Ｆ１及びＦ２よりレンズ
表面Ｓ１及びＳ２迄の各距離11及び22は式
(1)により求まる。

11＝（ｎ−１）f1／ncosθ₁−１ 22＝（ｎ−１）f2／ncosθ₂−１ ｎ＝√〓…
…(1) 但しε〓はレンズ４，５の各誘電体の比誘電率で
あり、θ₁及びθ₂はそれぞれ11，22と軸６，
７との各なす角度である。

第６図に示した電波レンズ４及び５の配置では
焦点Ｆ１よりレンズ４へ入射した光線は屈折の法
則に従つて屈折されるが11が式(1)で示される
関数の場合は屈折後の光線は総て軸６と平行な光
線となり、従つて軸６に垂直な表面Ｂ１及びＢ２
では屈折を受けずに直進しレンズ５の表面Ｓ２に
到達し、ここで再び屈折の法則に従つて屈折を受
ける。ここでＦ２Ｐ２が式(1)で示される関数の場
合には屈折後の光線は総て焦点Ｆ２を中心とする
球面波として進行する。従つて焦点Ｆ２を中心と
した半径Ｒの球面Ｓ３迄の焦点Ｆ１からの光路長
は総て一定で式(2)で求まる。

光路長＝Ｌ＋Ｒ＋（ｎ−１）（T1＋T2） ……(2) 以上からも明らかなように第６図に示した電波
レンズ４及び５焦点Ｆ１を中心とする球面波を平
面波に変換後、再び焦点Ｆ２を中心とする球面波
に変換する作用を持つ。

第７図はこの発明に用いる電波レンズ系３の構
成例と動作の説明図であり、電波レンズ系３は第
６図に示したレンズ４，５の互に対向する表面Ｂ
１，Ｂ２間を同一誘電体で埋めて互に一体の構成
とされる。このように構成しても第６図に示した
電波レンズ４及び５の組合せと同じ作用を持つこ
とは無論である。第７図１次放射器２はそのビー
ム軸が軸６に対し角度βだけ傾て配置されてい
る。１次放射器２のビーム軸を通る光線５０とこ
の光線に対し角度θをなす光線５１及び５２は電
波レンズ系３を通過後、光線５０は軸７と角度δ
をなす光線５３へ、光線５１及び５２は夫々光線
５４及び５５に変換される。この場合光線５３に
対し光線５４及び５５のなす角度を夫々θ₁及びθ₂
とする。

第２図及び第３図を参照して述べたように、第
２図の回転対称な座標系が第３図のように非回転
対称となる原因の一つは、第１図のｚ軸からの角
度θが一定の軌跡が開口面上では同心円となら
ず、円の中心がθの増加と共に第３図の点C₀よ
り点Ｃの方向へ移動してしまうことである。この
発明では第７図の角度θ₁及び角度θ₂が一般的には
等しくならないことを逆に利用してこのような光
線でオフセツトパラボラ反射鏡に給電することに
より角度θが一定の光線の軌跡を開口平面上で同
心円に近ずけるようにする。角度θに対する角度
δ，θ₁，θ₂を調整する変数としては電波レンズ系
３の焦点距離ｆ１とｆ２、屈折率ｎと角度β及び
距離ｄがある。

第８図はこの発明の実施例を示し、主反射鏡１
は点Ｆ２を焦点、Ｚ軸を回転対称軸とする回転放
物面の一部より成り、そのオフセツト角度はα、
開口半角はθ₀である。１次放射器２及び電波レン
ズ系３は第７図に示した構成をしており、主反射
鏡１に対しては電波レンズ系３の一方の焦点Ｆ２
を主反射鏡１の焦点に一致させ、軸７をＺ軸に対
して角度γだけ傾けて配置されている。１次放射
器２のビーム軸を通る光線５０と、この光線に対
し角度θをなす光線５１及び５２は電波レンズ系
３を通過後夫々光線５３と光線５４及び５５とな
り各光線は主反射鏡１で反射後、総てＺ軸方向に
進む光線となり、開口平面とはそれぞれ点Ｃ，
Ａ，Ｂで交わる。点Ｃが２点Ａ及びＢの中心にな
る条件は式(3)で定まる。

sin（δ＋γ）／１＋cos（δ＋γ）＝sinα／cosα＋
cosθ₀……(3) 「但し角度δは条件式(4)により式(5)で求まる
（第６図６参照）。

11sinβ＋ｄ＝22sinδ ……(4) 従つて第７図について述べた各変数ｆ１，ｆ
２，ｎ，β，ｄと、主反射鏡１に対する電波レン
ズ系３の配置を定める変数γとを式(3)の条件を満
足するように調整することにより、１次放射器２
のビーム軸に対し角度θが一定の光線の軌跡を開
口平面上で同心円に近ずけることができる。

具体的には第８図に示した構成で主反射鏡１の
焦点距離ｆに対する開口直径Ｄの比ｆ／Ｄ＝
0.73、オフセツト角度α＝56度、開口半角θ₀＝30
度、１次放射器２のビーム軸の傾き角度β＝10
度、角度θの最大角度を30度とした場合、式(3)の
条件はｎ＝1.5，f1／f2＝1.1，ｄ／f1＝0.1でγ＝
44度、δ＝16度の時ほぼ満足される。

点Ｆ１を中心とし１次放射器２のビーム軸を極
軸とする極座標系の変数θとが一定の軌跡は１
次放射器２のビーム軸に直交する平面に投影した
場合は、第２図について述べたように回転対称と
なり、θが一定の軌跡は第２図の実線１１，１
２，１３となり、が一定の軌跡は実線２１，２
２，２３となる。１次放射器２を点Ｆ２に置いて
通常のオフセツト形パラボラアンテナを構成した
場合と、第８図に示したこの発明によるレンズ付
オフセツトアンテナを構成した場合との開口平面
上でのθとが一定の軌跡を比較して第９図に左
半分と右半分とに示す。通常のオフセツト形パラ
ボラアンテナでの軌跡を示す実線３１，３２，３
３及び実線４１，４２，４３は第３図について述
べた通りであるが、この発明によるレンズ付オフ
セツトアンテナではθが一定の軌跡、即ち第２図
の実線１１，１２，１３と反応するものは第９図
の破線３４，３５，３６のようにほぼ同心円とな
り、が一定の軌跡、即ち第２図の実線２１，２
２，２３と対応するものは第９図の破線４４，４
５，４６となる。なお実線３３及び破線３６は点
Ｃを中心とした同一の円であり、実線４１及び４
４はＸ軸上の直線である。同図からも明らかなよ
うにこの発明を用いることにより、従来のオフセ
ツト形パラボラアンテナの非回転対称な軌跡が改
良され回転対称に近い軌跡となる。従つて例えば
第４図において矢印８で示した電界ベクトルは開
口平面上では、通常のオフセツト形パラボラアン
テナの場合の電界ベクトルが矢印９になつたのに
対して、この発明のレンズ付オフセツトアンテナ
では矢印１０のように交差偏波成分の少ないほぼ
Ｘ軸と平行な電界ベクトルとなる。

第１０図はこの発明の他の実施例であり、具体
的にはｆ／Ｄ＝0.74，α＝53度、開口半径30度、
β＝０度、角度θの最大角度を30度とした場合、
式(3)の条件はｎ＝1.5，ｆ１／ｆ２＝1.0，ｄ／ｆ
１＝0.1でγ＝51度、δ＝5.7度の時満足する。こ
の第１０図の実施例に対する第９図に示した開口
平面上での図と相当したものを第１１図に示す。
この場合も従来のオフセツト形パラボラアンテナ
の非回転対称な軌跡が改良されていることは明ら
かである。

以上の説明では電波レンズ系３として第６図に
示したようにレンズ部分４及び５がいずれも、い
わゆる双曲線レンズと呼ばれるレンズにより構成
したものを用いたが、電波レンズ４は１次放射器
から到来する球面波を平面波に変換するレンズで
あればよく、また電波レンズ５は平面波を球面波
に変換するレンズであればよいことは明らかであ
る。

第１２図はいわゆる双曲線レンズ以外のレンズ
を用いた場合の電波レンズ系３の構成例であり、
第６図の電波レンズ４を、いわゆる楕円レンズで
置き換えた場合に相当する。この電波レンズ４は
レンズ５と反対側の表面Ｂ１は点Ｆ１を中心とし
た球面で形成され、レンズ５側の表面Ｓ１は点Ｆ
１を焦点とし軸６を回転軸とする回転楕円面より
成り、焦点Ｆ１よりレンズ表面Ｓ１迄の距離１
Ｐ１は式(6)により定まる。

11＝（ｎ−１）f1／ｎ−cosθ₁ ……(6) 焦点Ｆ１よりレンズ４へ入射した光線は表面Ｂ１
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、屈折の法則に従つて屈
折されるが１１が式(6)で示される関数の場合
は屈折後の光線は総て軸６と平行な光線として電
波レンズ５に入射する。電波レンズ５に入射後の
光線については第６図について述べた通りであ
り、焦点Ｆ２を中心とした半径Ｒの球面Ｓ３迄の
光路長を示す式(2)は第１２図の場合にも成立す
る。従つて第１２図に示す構成の電波レンズ系を
この発明に用いることは可能であり、第８図の説
明で用いた式(3)から式(4)も許離Ｆ１Ｐ１が式(6)で
示される以外はそのまま適用される。

なお説明の都合上のアンテは総て送信アンテナ
として説明したが、アンテナの相反性より受信ア
ンテナについてもこの発明が適用されることは無
論である。

以上説明したようにこの発明のオフセツトアン
テナによればオフセツト形パラボラアンテナの特
徴を失うことなく、主反射鏡による発生する交差
偏波成分を減少させることができ、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
実現でき、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
最大放射方向のいずれを減少することができるた
め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
を示す側面図、第２図及び第３図は変数θ，が
一定のｘ−ｙ平面上での軌跡及び開口平面上での
軌跡をそれぞれ示す図、第４図及び第５図はそれ
ぞれｘ−ｙ平面及び開口平面での電界ベクトル
図、第６図及び第７図はそれぞれこの発明に用い
る電波レンズ系３の構成例を示す側面図、第８図
はこの発明によるオフセツトアンテナの実施例を
示す側免面図、第９図はこの発明の効果を説明す
るための変数θ及びがそれぞれ一定の軌跡と電
界ベクトルの開口平面上での図、第１０図はこの
発明の他の実施例を示す側面図、第１１図は第１
０図に示したアンテナの第９図と対応する図、第
１２図はこの発明に用いられる電波レンズ系３の
他の例を示す側面図である。 １：主反射鏡、２：１次放射器、３：電波レン
ズ系、４，５：電波レンズ、６，７：電波レンズ
４と５の回転軸、８，９，１０：電界ベクトル、
１１，１２，１３：ｘ−ｙ平面上でのθが一定の
軌跡、２１，２２，２３：ｘ−ｙ平面上でのが
一定の軌跡、３１，３２，３３，３４，３５，３
６：開口平面上でのθが一定の軌跡、４１，４
２，４３，４４，４５，４６：開口平面上での
が一定の軌跡。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 反射面が回転放物面の一部分であり、オフセ
   ツト角α、開口半角θ₀のオフセツトパラボラ反射
   鏡と、その反射鏡に給電する点Ｆ１を中心とする
   球面波波源の１次放射器と、前記反射鏡と１次放
   射器の間に位置する誘電体より成る電波レンズ系
   とを具備し、 前記電波レンズ系は前記１次放射器の球面波中
   心点Ｆ１を焦点とし、その１次放射器の中心軸５
   ０と平行でない回転中心軸６を有する回転２次曲
   面よりなり、前記１次放射器から放射される球面
   波を前記回転軸６と平行な方向に進行する平面波
   に変換する第１のレンズ部分と、 前記反射鏡の焦点Ｆ２と焦点を共有し、前記回
   転中心軸６と平行な回転中心軸７を有し、その回
   転中心軸７と平行な方向に進行する平面波を前記
   焦点Ｆ２を中心とする球面波に変換する回転２次
   曲面より成る第２のレンズ部分より成り、 前記１次放射器のビーム中心軸５０を通る光線
   が下式 sin（δ＋γ）／１＋cos（δ＋γ）＝sinα／cosα＋
   cosθ₀ ただし、γは前記回転中心軸７が前記反射鏡の
   回転中心軸と成す角、δは前記中心軸５０を通る
   光線が前記第２のレンズ部分を通過後、前記レン
   ズ回転中心軸７と成す角である、 を満足するレンズ付オフセツトアンテナ。