JPH11317617A

JPH11317617A - 球面鏡アンテナ装置

Info

Publication number: JPH11317617A
Application number: JP12222398A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Deguchi; 博之出口; Norio Miyahara; 典夫宮原; Shuji Urasaki; 修治浦崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-05-01
Filing date: 1998-05-01
Publication date: 1999-11-16

Abstract

(57)【要約】【課題】高い利得を実現することができる球面鏡アン
テナ装置を得る。【解決手段】曲率中心を一致させ、かつ同一中心軸に
対して軸対称に配置された球面鏡からなる主反射鏡１と
副反射鏡２を有し、主反射鏡１および副反射鏡２を介し
て電波を送受信する一次放射器５とを有する球面鏡アン
テナ装置において、一次放射器５と副反射鏡２の間の電
波経路に配置され、一次放射器５から放射された球面波
を円錐状に反射させて、副反射鏡２に中心方向がヌルと
なるようなリング状電力パターンで、かつ主反射鏡１と
副反射鏡２によって発生する波面収差を補正する位相パ
ターンを有する補助反射鏡７を設けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、衛星通信や電波
天文などの分野で使用される可動ビーム特性やマルチビ
ーム特性を得るための球面鏡アンテナ装置に関するもの
であり、特に高い利得が要求される大口径の球面鏡アン
テナ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の装置として、図９に示す
ようなものがあった。この図は、A.Ishimaru，H.Sreeni
vasiah，and V.K.Wong，”Double Spherical Cassegrai
n Reflector Antennas”，IEEE Antennas Propagat.,vo
l.AP-21，no.6，Nov． 1973年に示されたものである。
図９において、１は凹面を用いた曲率半径Ｒの球面鏡か
らなる主球面鏡、２は凸面を用いた曲率半径ｒの球面鏡
からなる副球面鏡、３は軸対称球面鏡アンテナ装置にお
ける中心軸、４は主球面鏡１および副球面鏡２で発生す
る波面収差を補正する補助反射鏡である。５は主反射鏡
１および副反射鏡２の間に設けられ、主反射鏡１および
副反射鏡２を介して電波を送受信する一次放射器であ
る。

【０００３】Ｏは主球面鏡１および副球面鏡２の曲率中
心であり中心軸３上に存在する。Ｆ_mは図９の右方向か
ら入射した中心軸３に平行な光線が、主球面鏡１に反射
した後集束するビームウエスト位置を示す。主球面鏡１
の曲率半径Ｒが主球面鏡１の開口半径に比べて十分大き
い場合、点Ｆ_mは近似的に点Ｏから中心軸３上にＲ／２
だけ離れた位置となる。一方、Ｆ_sはさらにこの主球面
鏡１に反射した光線が、副球面鏡２に反射した後集束す
るビームウエスト位置を示す。そして、副球面鏡２の曲
率半径ｒが主球面鏡１の曲率半径Ｒに比べて十分小さい
場合、点Ｆ_sは近似的に点Ｏからビームの中心軸上に
（ｒ／Ｒ）／２／［１−（ｒ／Ｒ）］だけ離れた位置と
なる。

【０００４】図１０は図９の球面鏡アンテナ装置の光線
の軌跡を示す図である。図１０に従って従来の球面鏡ア
ンテナ装置の受信の場合の動作原理を説明する。図１０
の右方向から主球面鏡１に入射した中心軸３に平行な光
線６は、主球面鏡１で反射され点Ｆ_mに向かって伝搬す
る。その後、光線６は、副球面鏡２で反射され、点Ｆ_s
に向かって伝搬する。その後光線６は、点Ｆ_sを通過し
補助反射鏡４に入射する。光線６は、補助反射鏡４で反
射されて、一次放射器５に入射する。光線６は、補助反
射鏡４で反射される際に、主球面鏡１および副球面鏡２
で発生した波面収差が除去（補正されて球面波に変換）
される。

【０００５】このように構成された球面鏡アンテナ装置
においては、球面鏡の点対称の性質から主球面鏡１およ
び副球面鏡２を固定した状態で、補助反射鏡４および一
次放射器５を点Ｏを中心として回転させることにより、
波面収差による劣化が全くない可動ビームを得ることが
できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
球面鏡アンテナ装置の補助反射鏡４の幾何光学的設計に
おいては、副球面鏡２によるブロッキングの影響を無視
した光線追跡を基にしている。そのため、副球面鏡２に
よって電波が遮られブロッキングにより利得が低下す
る。仮に、主球面鏡１の開口面での照度分布が一様の場
合、副球面鏡２によるブロッキングにて生じるボアサイ
ト方向における利得低下量Ｌ_bは、副球面鏡２によるブ
ロッキングがない場合の利得と副球面鏡２によるブロッ
キングがある場合の利得との比をとって次のようにな
る。

【０００７】

【数１】

【０００８】ただし、ここでＳは主球面鏡１の開口面の
面積、Ｓ_sは副球面鏡２の開口面の面積、Ｄは主球面鏡
１の開口面の直径、Ｄ_sは副球面鏡２の開口面の直径を
示す。

【０００９】さらに、副球面鏡２の曲率半径ｒが主球面
鏡１の曲率半径Ｒに比べて小さい場合、

【００１０】

【数２】

【００１１】となる。よって、ｒ／Ｒが十分小さくない
場合には利得低下が大きくなるという問題があった。一
方、利得低下を抑えるためにｒ／Ｒを小さくとると、副
球面鏡２の位置が主球面鏡１から離れ、アンテナ装置の
構造としては大型となり、指向精度を上げるのが困難と
なるだけでなく、構造的な強度を得るために製造コスト
が高くなるという問題があった。

【００１２】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、照度分布による利得低下を抑
え、高い利得を実現することができる球面鏡アンテナ装
置を得ることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明に係る球面鏡ア
ンテナ装置においては、曲率中心を一致させ、かつ同一
中心軸に対して軸対称に配置された球面鏡からなる主反
射鏡と副反射鏡を有し、主反射鏡および副反射鏡を介し
て電波を送受信する一次放射器とを有する球面鏡アンテ
ナ装置において、一次放射器と副反射鏡の間の電波経路
に配置され、一次放射器から放射された球面波を円錐状
に反射させて、副反射鏡に中心方向がヌルとなるような
リング状電力パターンで、かつ主反射鏡と副反射鏡によ
って発生する波面収差を補正する位相パターンを有する
補助反射鏡を設けている。

【００１４】また、副反射鏡は、中心軸を中心にして電
波が透過する開口を有する。

【００１５】また、主反射鏡と副反射鏡との間の中心軸
上で、一次放射器から放射され副反射鏡で反射された電
波と干渉しない位置に、主反射鏡の方向に向けた第２の
一次放射器を設けている。

【００１６】さらに、一次放射器および一次放射器に対
応する補助反射鏡は、複数設けられている。

【００１７】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は本発明の球
面鏡アンテナ装置の概略構成図である。図において図９
に示した従来の球面鏡アンテナ装置と同一または相当部
分には同一符号を付し、その説明を省略する。図１にお
いて、７は一次放射器５の放射した電波を入射し、リン
グ状電力パターンとして放射する補助反射鏡である。

【００１８】図２は図１の球面鏡アンテナ装置の光線の
軌跡を示す図である。図２に従って従来の球面鏡アンテ
ナ装置の受信の場合の動作原理を説明する。図２の右方
向から主球面鏡１に入射した中心軸３に平行な光線６
は、主球面鏡１で反射され点Ｆ_mに向かって伝搬する。
その後、光線６は、副球面鏡２で反射され、点Ｆ_sに向
かって伝搬する。その後光線６は、点Ｆ_sを通過し補助
反射鏡７に入射する。光線６は、補助反射鏡７で反射さ
れて、一次放射器５の位相中心に集束する。光線６は、
補助反射鏡４で反射される際に、主球面鏡１および副球
面鏡２で発生した波面収差が除去（補正されて球面波に
変換）される。尚、図２において、副球面鏡２で遮られ
る光線については同図には示していない。

【００１９】一方、球面鏡アンテナ装置が電波を送信す
る場合には、一次放射器５から放射された球面波の電波
は、補助反射鏡７で反射された後、中心部分がヌルとな
るリング状電力パターンで円錐状に広がり副反射鏡２方
向に伝播する。すなわち、副反射鏡２はリング状ビーム
を放射させる。そして、電波は副反射鏡２に中心部分を
ヌルとしたリング状の電力パターンにて入射する。電波
はその後、副反射鏡２で反射され、さらに主球面鏡１に
入射して反射され、中心軸３に平行な光線となって図２
の右方向に向かって送信される。このとき、電波は同図
の光線のごとく副球面鏡２で遮られることなく空間に放
射される。そのため、一次放射器５における電力を有効
に使った放射が行われ、高い利得を実現することができ
る。

【００２０】図３(a)は本実施の形態の補助反射鏡７の
断面形状を説明する図である。図３(a)は副球面鏡２に
よるブロッキングを無視して光線追跡し、幾何光学的に
求めた反射点を連ねた面であり、図中符号８部分は、副
球面鏡２によってブロッキングされる部分であって、本
実施の形態の補助反射鏡７において、実際には鏡面とし
て用いていない部分である。

【００２１】一方、図３(b)は図９に示した従来の補助
反射鏡４の断面形状を示している。この補助反射鏡４の
鏡面形状は、副球面鏡２によるブロッキングを無視し、
図１０に示したように主球面鏡１に入射する光線を全て
考慮して幾何光学的に決められる面である。すなわち、
副球面鏡２によるブロッキングを考慮しないで鏡面が構
成されている。

【００２２】一般に、放物面鏡、楕円面鏡あるいは双曲
面鏡においては、いずれも焦点があるので、これらを組
み合わせた多数枚の鏡面においも、幾何光学的に求めた
反射点の連なる面は、図３(a)のように面が折り返すこ
とはない。しかし、球面鏡の場合には、波面収差を有す
るので鏡面を配置する位置によって、ビームウエスト位
置から十分離れた位置では図３(b)のように曲面となる
が、ビームウエスト位置近傍では、図３(a)のように反
射点の連なる面は折り返す。

【００２３】図４は本実施の形態の利得低下量と従来例
の利得低下量との比較を示す図である。図９において、
縦軸は、利得低下量を表す、横軸は主球面鏡１の曲率半
径Ｒと副球面鏡２の曲率半径ｒの比ｒ／Ｒを表す。図９
中、実線９はリング状ビームを放射させる補助反射鏡７
を用いたときの利得低下量を示し、一方点線１０は従来
例の補助反射鏡４を用いたときの利得低下量を示す。こ
の図から解るように、本実施の形態の利得低下量は従来
例の利得低下量に比べて小さい。

【００２４】さらに、主球面鏡１の開口面での照度分布
が、副球面鏡２でブロッキングにならない領域において
一様の場合、副球面鏡２によるブロッキングで生じるボ
アサイト方向における利得低下量Ｌ_aは、

【００２５】

【数３】

【００２６】で表され、先に示した従来例の利得低下量
Ｌ_bに比べて小さく抑えることができる。

【００２７】このような構成の球面鏡アンテナ装置にお
いては、従来例と同じように、主球面鏡１および副球面
鏡２を固定した状態で、補助反射鏡７および一次放射器
５を点Ｏを中心として回転させることにより、ビームの
方向を可変とする可動ビームを得ることができる。そし
て、この可動ビームにおいては、補助反射鏡７におい
て、波面収差を補正されているので、波面収差による劣
化が全くない。そしてさらに、上述したように、ｒ／Ｒ
が十分小さくない場合にも利得低下を抑えることができ
るので、ｒ／Ｒを大きくして副球面鏡２の位置を主球面
鏡１に近づけることができ、アンテナ装置をコンパクト
にして製造コストを下げることができる。また、一次放
射器５の電力を有効に使って利得低下を抑えることによ
り可動ビームを高い利得で得ることができる。

【００２８】実施の形態２．図５は本発明の球面鏡アン
テナ装置の他の例を示す概略構成図である。図５におい
て、補助反射鏡７ａは図１に示した実施の形態１の補助
反射鏡７と同形状のものであるが、配設される位置が異
なっている。１１はビームウエスト位置Ｆ_s近傍に配置
した反射鏡である。反射鏡１１は開口径をスピルオーバ
しない程度の大きさとされた平面鏡である。反射鏡１１
は、副球面鏡２で反射された電波を概略直角に反射し、
補助反射鏡７ａに入射する。反射鏡１１は平面鏡である
ので、電気性能は図１に示した実施の形態１と同様とな
る。

【００２９】このような構成の球面鏡アンテナ装置にお
いては、一次放射器５の放射方向を副球面鏡２方向とす
ることができる。そして逆に一次放射器５の給電回路は
主球面鏡１側となるので、図示しない給電回路を構成す
るのに都合がよい。すなわち、本実施の形態において
は、実施の形態１と同様の効果を得られるとともに、給
電回路を容易に構成することができ、製造コストを下げ
ることができる。

【００３０】実施の形態３．図６は本発明の球面鏡アン
テナ装置の他の例を示す概略構成図である。図６におい
て、１２は中心軸３を中心にして電波が透過する開口１
２ａが設けられた副球面鏡である。開口１２ａは、補助
反射鏡７方向から入射した電波をすべて反射できるよう
に考慮して、入射しない部分が穿孔されて形成されてい
る。副球面鏡１２の曲率半径ｒおよび曲率中心Ｏが主球
面鏡１の曲率中心と一致していることは、実施の形態１
の副球面鏡２と同様である。また、その他の構成は、実
施の形態１と同様である。

【００３１】このような構成の球面鏡アンテナ装置にお
いては、実施の形態１と同様の効果を得られると共に、
副球面鏡１２に開口１２ａが形成されているので、軽量
化することができ、副球面鏡１２を支える構造を簡単と
することができるので、製造コストを下げることができ
る。

【００３２】実施の形態４．図７は本発明の球面鏡アン
テナ装置の他の例を示す概略構成図である。図７におい
て、１３は主反射鏡１と副反射鏡２との間に設けられた
第２の一次放射器である。第２の一次放射器１３は、主
球面鏡１に向けて直接電波を放射するために中心軸３上
に、放射口を主球面鏡１方向に向けて配設されている。
また、第２の一次放射器１３は、一次放射器５から放射
され副反射鏡２で反射された円錐状に広がるリング状ビ
ームと干渉しない位置に配設されている。そのため、一
次放射器５から放射される電波に影響を及ぼすことがな
い。

【００３３】そして、主球面鏡１で発生する波面収差に
比べて、使用波長が小さくない場合、主球面鏡１に向け
た第２の一次放射器１３から放射される球面波は、主球
面鏡１のみによってほぼ並行な平面波に変換されこの利
得は高い。その他の構成は、実施の形態１と同様であ
る。

【００３４】このような構成の球面鏡アンテナ装置にお
いては、副反射鏡２で反射された円錐状に広がるリング
状ビームと干渉しない位置に第２の一次放射器１３が設
けられている。そのため、実施の形態１と同様の効果を
得られると共に、主球面鏡１で発生する波面収差に比べ
て、使用波長が小さくない場合、主球面鏡１に向けた第
２の一次放射器１３から放射される球面波は、主球面鏡
１のみによってほぼ平面波に変換され高い利得が得られ
る。

【００３５】実施の形態５．図８は本発明の球面鏡アン
テナ装置の他の例を示す概略構成図である。図８におい
て、図中点線３ａは、中心軸３から点Ｏを中心に角度θ
だけ傾いた線である。１４は補助反射鏡７が概略点Ｏを
中心に回動した位置に補助反射鏡７と反対方向に向けて
配設された第２の補助反射鏡である。また、１５は一次
放射器５が概略点Ｏを中心に回動した位置に、第２の補
助反射鏡１４と対向するように設けられた第３の一次放
射器である。その他の構成は、実施の形態１と同様であ
る。

【００３６】第３の一次放射器１５から放射された電波
は、第２の補助反射鏡１４で反射された後、中心部分が
ヌルとなるように円錐状に広がり副反射鏡２方向に伝播
する。そして、電波は副反射鏡２に中心部分をヌルとし
てリング状の電力パターンにて入射し反射する。電波
は、その後主球面鏡１に入射して反射され、図中点線３
ａに平行な光線となって図８の右方向に向かって送信さ
れる。一方、一次放射器５から放射された電波は、実施
の形態１と同様に、中心軸３に平行な光線となって図８
の右方向に向かって送信される。

【００３７】第３の一次放射器１５と第２の補助反射鏡
１４は、１組に限らず順次角度をずらして複数設けられ
ても良い、このような構成とすることにより、マルチビ
ームの球面鏡アンテナ装置を構成するとことができる。
そしてさらに、これらの一次放射器５，１５および補助
反射鏡７，１４を点Ｏを中心として回転させることによ
り、ビームの方向を可変とする可動ビームを得ることが
できる。そして、この可動ビームは、補助反射鏡７，１
４において、波面収差を補正されているので、波面収差
による劣化が全くない。

【００３８】このような構成の球面鏡アンテナ装置にお
いては、複数の一次放射器５，１５を用いたマルチビー
ムの球面鏡アンテナ装置において、実施の形態１と同様
な効果を得ることができる。すなわち、ｒ／Ｒが十分小
さくない場合にも利得低下を抑えることができるので、
ｒ／Ｒを大きくして副球面鏡２の位置を主球面鏡１に近
づけることができ、アンテナ装置をコンパクトにして製
造コストを下げることができる。また、一次放射器５、
１５の電力を有効に使って利得低下を抑えることにより
可動ビームを高い利得で得ることができる。

【００３９】

【発明の効果】この発明に係る球面鏡アンテナ装置にお
いては、曲率中心を一致させ、かつ同一中心軸に対して
軸対称に配置された球面鏡からなる主反射鏡と副反射鏡
を有し、主反射鏡および副反射鏡を介して電波を送受信
する一次放射器とを有する球面鏡アンテナ装置におい
て、一次放射器と副反射鏡の間の電波経路に配置され、
一次放射器から放射された球面波を円錐状に反射させ
て、副反射鏡に中心方向がヌルとなるようなリング状電
力パターンで、かつ主反射鏡と副反射鏡によって発生す
る波面収差を補正する位相パターンを有する補助反射鏡
を設けている。そのため、主反射鏡と副反射鏡の距離を
短くすることができ、アンテナ装置をコンパクトにして
製造コストを下げることができる。また、一次放射器の
電力を有効に使って利得低下を抑えることにより可動ビ
ームを高い利得で得ることができる。さらに、波面収差
による劣化ない状態で電波を送受信することができる。

【００４０】また、副反射鏡は、中心軸を中心にして電
波が透過する開口を有する。そのため、副反射鏡を軽量
化することができ、副球面鏡を支える構造を簡単とする
ことができ、製造コストを下げることができる。

【００４１】また、主反射鏡と副反射鏡との間の中心軸
上で、一次放射器から放射され副反射鏡で反射された電
波と干渉しない位置に、主反射鏡の方向に向けた第２の
一次放射器を設けている。そのため、第２の一次放射器
から放射される球面波は、主球面鏡のみによってほぼ平
面波に変換され高い利得が得られる。

【００４２】さらに、一次放射器および一次放射器に対
応する補助反射鏡は、複数設けられている。そのため、
マルチビームが得られ、また主反射鏡と副反射鏡の距離
を短くすることができ、アンテナ装置をコンパクトにし
て製造コストを下げることができる。また、一次放射器
の電力を有効に使って利得低下を抑えることにより可動
ビームを高い利得で得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の球面鏡アンテナ装置の概略構成図で
ある。

【図２】図１の球面鏡アンテナ装置の光線の軌跡を示
す図である。

【図３】補助反射鏡の断面形状を説明する図である。

【図４】本発明の実施の形態の利得低下量と従来例の
利得低下量との比較を示す図である。

【図５】本発明の球面鏡アンテナ装置の他の例を示す
概略構成図である。

【図６】本発明の球面鏡アンテナ装置の他の例を示す
概略構成図である。

【図７】本発明の球面鏡アンテナ装置の他の例を示す
概略構成図である。

【図８】本発明の球面鏡アンテナ装置の他の例を示す
概略構成図である。

【図９】従来の球面鏡アンテナ装置の概略構成図であ
る。

【図１０】図９の球面鏡アンテナ装置の光線の軌跡を
示す図である。

【符号の説明】

１主球面鏡、２，１２副球面鏡、３中心軸、５
一次放射器、７，１４補助反射鏡、１１反射鏡、１
２ａ開口、１３第２の一次放射器、１４第２の補助
反射鏡（補助反射鏡）、１５第３の一次放射器（一次
放射器）、Ｒ主球面鏡の曲率半径、ｒ副球面鏡の曲
率半径、Ｏ主球面鏡および副球面鏡の曲率中心。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】曲率中心を一致させ、かつ同一中心軸に
対して軸対称に配置された球面鏡からなる主反射鏡と副
反射鏡を有し、該主反射鏡および該副反射鏡を介して電
波を送受信する一次放射器とを有する球面鏡アンテナ装
置において、上記一次放射器と上記副反射鏡の間の電波経路に配置さ
れ、該一次放射器から放射された球面波を円錐状に反射
させて、上記副反射鏡に中心方向がヌルとなるようなリ
ング状電力パターンで、かつ上記主反射鏡と上記副反射
鏡によって発生する波面収差を補正する位相パターンを
有する補助反射鏡を設けたことを特徴とする球面鏡アン
テナ装置。
【請求項２】上記副反射鏡は、上記中心軸を中心にし
て電波が透過する開口を有することを特徴とする請求項
１記載の球面鏡アンテナ装置。
【請求項３】上記主反射鏡と上記副反射鏡との間の上
記中心軸上で、上記一次放射器から放射され上記副反射
鏡で反射された電波と干渉しない位置に、上記主反射鏡
の方向に向けた第２の一次放射器を設けたことを特徴と
する請求項１または２記載の球面鏡アンテナ装置。
【請求項４】上記一次放射器および該一次放射器に対
応する上記補助反射鏡は、複数設けられていることを特
徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の球面鏡アン
テナ装置。