JPS63203003A - パラボラアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ａ、産業上の利用分野 本発明はマイクロ波通信用に用いられるパラボラアンテ
ナ装置に関する。

ｂ、従来の技術 この種のアンテナ装置として回転放物面からなる主反射
鏡と双曲面からなる副反射鏡および一次放射器からなる
カセグレンアンテナ、および副反射鏡が楕円面からなる
ダレゴリアンアンテナが知られている。しかしいずれの
場合においても、主反射鏡の開口面照度分布を自由にコ
ントロールすることができないことが欠点である。

この種のアンテナにおいて開口面照度分布をコントロー
ルするためには一次放射器の指向性をコントロールする
必要があるが、一般的に一次放射器は開口面積が小さい
のでそのコントロールは困難である。

開口照度分布はアンテナ効率、アンテナ指向性等のアン
テナ特性に関係し、開口照度分布をコントロールできな
いことはこれらの特性をコントロールすることができな
いことを意味する。

上記問題点を解決するために、一次放射器の指向特性お
よび開口分布に応じて、副反射鏡と主反射鏡の鏡面形状
を修整する方法が知られている。

この場合は一次放射器として、より良い指向性を得るた
めに、電界面、磁界面の指向性ができるだけ等友釣であ
るものを用い、副反射鏡と主反射鏡は、ａ）反射の条件
、　ｂ）電力保存の法則、　ｃ）光路長一定の法則を満
足する曲面をいわゆる修整曲面の技法を用いて求めたも
のを用いる。

副反射鏡は具体的には次の微分方程式を満足する。

ｄθ　　　　ｄθ　　　　２ ｄθ　　　　　　　　　　　　２ ｄφ　　ｌ　　Ｈｐ（θ）ｌ”ｓｉｎθ　　Ｉ２ｄθ　
　ＩＥｄ（ρ）１２ρ　　　■ＩＩｚ＝ｊＩＥｄ（ρ）
じρｄρ ρ０ θ。

Ｉ＋　＝　ｆ　　　ｌ　Ｅｐ（θ）　　１２ｓｉｎθｄ
θθ０ ここにおいて座標は第８図に示すように、パラボラアン
テナ装置の光軸をＺ軸、一次放射器１の位相中心Ｆｔ−
Ｚ軸上のｚ＝ａの点とし、Ｚ軸と副反射鏡２の一点Ｓと
のなす角度および原点がらの距離をそれぞれθ、ｒ、副
反射鏡２から主反射鏡に反射した電磁波が反射してＺ軸
に平行な反射波となる主反射鏡の上の点ＭのＺ軸からの
距離をρ、その点のＺ座標をＺ、直線ＳＭがＺ軸となす
角度をφとしたものである。Ｅｐ　（θ）は予め与えら
れた電界指向特性であり、Ｅｄ　（ρ）は予め与えられ
た電界開口分布である。

ρ、は主反射鏡の外径、ρ。はρの下限値、θ、はＦ点
から副反射鏡の外周を見込む角度、θ。はθの下限値で
ある。β＝ｒ＋ＳＭ＋ｚである。

さらに主反射鏡として回転放物面を用い副反射鏡を特殊
な鏡面形状にした反射鏡アンテナ装置が特公昭６０−４
６０５に開示されている。この場合、副反射鏡の形状は
次のような形状を有する。

第９図は主反射鏡の鏡軸を含む面内におけるこのアンテ
ナ装置の断面図である。

一次放射器である給電ホーン１ａの給電ホーンの位相中
心Ｆｌａから副反射鏡２ａに入射した電磁波は放物面鏡
である主反射鏡３ａで再び反射され、空間に放射される
。副反射鏡２ａの中心部は双曲面鏡または楕円面鏡であ
る。しかし周辺部は、主反射鏡３ａの外縁Ｍ、を通り主
反射鏡鏡軸に平行な直線上の一点Ｏａを中心とし外縁Ｍ
ｌｌｌを通る円の円弧をＣａとするとき、位相中心Ｆｌ
１１から放射された波動が副反射鏡２の１点Ｓａで反射
され、主反射鏡３の１点Ｍａで再び反射されたとき、上
記円弧Ｃａ上で位相が一致する形状を有する。

すなわち経路Ｆ、、　Ｓａ　Ｍａ　Ｃａについての位相
変化はＳａ。

Ｍａの位置とは無関係に一定となるように副反射鏡の周
辺部４ａの形状が定められる。

この結果、副反射鏡の周辺部で反射された電磁波は、こ
の平面内では０８点から放射されたように空間に放射さ
れる。

このアンテナ装置は次のように動作する。高周波帯にお
いては、一次放射器から放射される電磁波の指向特性に
おけるメインローブの幅が狭いので、副反射鏡の周辺部
４ａにおける電界レベルが低く洩れ電力が少い。また低
周波帯においては一次放射器１ａがら放射される電磁波
のメインローブの幅が広く副反射鏡の周辺部４ａにも電
磁波が照射されるが、そこで反射されたものは０８点か
ら放射されたように空間に放射される。したがって低周
波帯においても洩れ電力を少くすることができる。この
ようにこの反射鏡アンテナは、広い帯域において洩れ電
力を少くすることによりアンテナの特性を改善すること
を可能とする。

Ｃ０発明が解決しようとする問題点 修整曲面の技法によって求めたパラボラアンテナは、主
反射鏡をも修整することを前提としているので、主反射
鏡が回転放物面でなくなる。第２図は修整曲面の技法に
よって求めた主反射鏡３を有するアンテナ装置の中心軸
を通る断面の上半面を概念的に示す。

第３図に誇張されて図示されているように主反射鏡３は
、実線で示された放物面ではなくなり破線で示された断
面を有する回転曲面となる。なお副反射鏡２も、この図
では分りにくいが、単純な２次曲線ではない曲面となっ
ている。

このような形状を有する主反射鏡は製作が困難で゛あり
、また一次放射器１毎に主反射鏡を変えなければならな
いので製作上の共用性を欠く。

他方、従来技術の欄の最後に言及した反射鏡アンテナ装
置は特定の周波数における開口面照度分布をコントロー
ルするという目的に不充分である。

本発明は主反射鏡に放物面鏡を用いながら、開口面照度
分布をコントロールすることができるパラボラアンテナ
装置を提供することを目的とする。

ｄ６問題点を解決するための手段 上記問題点は、一次放射器と、一次放射器から放射され
た電磁波を反射する副反射鏡と、副反射鏡で反射された
電磁波を再び反射する主反射鏡を備えるパラボラアンテ
ナ装置において、上記主反射鏡が放物面鏡であり、上記
副反射鏡が修整曲面の技法によって求められた中心部回
転曲面鏡と、一次放射器から放射された電磁波を反射し
反射波を上記主反射鏡に照射する外周部回転曲面鏡から
成り、上記主反射鏡の少くとも一領域には上記中心部回
転曲面鏡で反射された電磁波と上記外周部回転曲面鏡で
反射された電磁波が重ね合わせて照射され、この際一次
放射器の位相中心Ｆ１から上記中心部回転曲面鏡を経て
主反射鏡上の点Ｐ到達した電磁波の振幅９位相をそれぞ
れＡ、θ、とし、酸点Ｐに上記外周部回転曲面鏡を経て
到達した電磁波の振幅２位相をそれぞれＢ。

θ２とし、酸点Ｐから開口面に下した垂線の足と酸点Ｐ
の間の位相差をθ、とするとき、上記外周部回転曲面鏡
が次の関係を成立させる曲面であることを特徴とするパ
ラボラアンテナ装置によって解決された。

＾ｅｘｐｊθ、　＋　Ｂｅｘｐｊθ、＝Ｃｅｘｐｊ　　
θ３ここにおいてｊは虚数単位であり、Ｃは実数である
。

ｅ、　作用 修整曲面の技法で求められた副反射鏡はそれに対応する
主反射鏡を用いることによって開口面においで等位相と
なる。例えば第４（ａ）図において一次放射器ｌの位相
中心点Ｆから副反射鏡２を経て、破線で示された修整曲
面で反射された電磁波ＷＩＭ＋　ｗｚｗは開口面におい
て等位相である。

修整曲面の技法で求められた副反射鏡に代えて、第４（
ａ）図において実線で示された放物面鏡を主反射鏡とし
て用いると、開口面ＡＰにおいて等位相でなくなる。第
４（ａ）図において主反射鏡の中心部付近で反射された
電磁波ＷＩＦは上記電磁波ＨＩＭに対して位相が進み、
主反射鏡の中心部から外れた位置で反射された電磁波６
アは一□に対して位相が遅れる。

第６図の破線Ａｐ、　ｐｌ（ｐは主反射鏡として修整曲
面の技法で求めた曲面に代えて放物面鏡を用いたときの
開口面における電磁波の振幅と位相をそれぞれ示すグラ
フである。第６図において横軸は主反射鏡の半径りで規
格化した中心軸からの距離ρ／Ｄである。

第４（ａ）図の電磁波ＨＩＰ　＋　ＨｌＰに対応する直
線が第６図においてＨＩＰ　＋　Ｉｉｌ、ｐとして示さ
れている。電磁波ＷＩＦの位相は進み電磁波−２Ｆの位
相は遅れることが、破線ＰＨｐがＡＰ、のところでは正
であり、ＡＰ２のところでは負であることにより示され
ている。

本発明に係るパラボラアンテナ装置の副反射鏡は修整曲
面の技法による中心部回転曲面鏡の外側に外周部回転曲
面鏡を備え、外周部反射鏡で反射された電磁波も主反射
鏡に照射される。すなわち主反射鏡には中心部回転曲面
鏡からの電磁波と外周部回転曲面鏡からの電磁波が重ね
合わされて照射される。そして主反射鏡からの反射波は
両型磁波の重ね合せに対応する波である。

電磁波の波面は等位相面であり、電磁波は波面に対して
垂直方向に伝播する。したがって開口面に平行な等位相
面を作ると電磁波は光軸に平行に伝播する。本発明にお
いては外周部回転反射鏡の形状を、次の関係が成立する
ように定める。すなわち一次放射器の位相中心から上記
中心部回転曲面鏡を経て主反射鏡の１点に到達した電磁
波の振幅１位相をそれぞれＡ、θ、とし、その１点に上
記外周部回転曲面鏡を経て到達した電磁波の振幅９位相
をそれぞれＢ。

θ２とし、その１点から開口面に下した垂線の足とその
１点の間の位相差を０３とするとき、次式が成立するよ
うに定められる。

＾ｅｘｐｊθ、＋Ｂｅｘｐｊθｇ＝Ｃｅｘｐｊθ３この
関係は波動論的には次のように説明される。

第４（ｂ）図は、波動論的立場から本発明を説明するた
めの、パラボラアンテナ装置の断面図である。

一般に、曲面Ｓで反射された電磁波の空間上の一点にお
ける電磁波の電界の強度Ｅｓは曲面Ｓ上の微小部分ｄＳ
からの反射波の重ね合せである。具体的には、一次放射
器の指向性をＧ、一次放射器の位相中心から副反射鏡の
微小部分ｄＳへの位置ベクトルをρ（Ｓ）、副反射鏡の
当該微小部分にｄＳにおける入射波の偏波ベクトルを０
１副反射鏡の当該微小部分ｄＳの法線ベクトルをｎ、電
磁波の波数をｋ、副反射鏡の当該微小部分ｄＳから主反
射鏡の一点への位置ベクトルをＲ（Ｓ）、主反射鏡で反
射された電磁波の偏波ベクトルをｉとするとき、主反射
鏡の上記一点から主軸と平行に距離Ｒだけ離れた点の電
磁波の電界強度Ｅｓは次式で表現される。

Ｅｏ　：定数 本発明に係るパラボラアンテナ装置においては、副反射
鏡を形成する曲面Ｓは中心部回転曲面鏡を形成する曲面
Ｓ１と外周部回転曲面鏡を形成する曲面Ｓ２からなるの
で、上式の面積分は曲面Ｓ、と曲面Ｓ２における面積分
の和になる。曲面Ｓ＋、Ｓ２上における面積分をそれぞ
れＩ　（Ｓｌ）、Ｉ　（Ｓ２）とすると、放物面鏡Ｐ上
の点Ｐ２で反射された電磁波の電界強度Ｅアは次のよう
に表現される。

ピ ＝　ＥＦ（Ｓ　ｌ）　＋ＥＰ（Ｓ　２））Ｅ（Ｓｌ）、
　　Ｅ（ｓｚ）は複素数であるので、それぞれ次のよう
に表現することができる。

放物曲面からなる主反射鏡からＺ軸と平行に充分遠い点
、ＰＲ（図示せず）の放物面Ｐ上の点Ｐ２からの距離を
Ｒとするとき、その点の電界強度ＥＰは次式で与えられ
る。

他方修正曲面の技法で得られた副反射鏡の部分（曲面Ｓ
ｔ）で反射され、修正曲面の技法で得られた仮想的な主
反射鏡Ｍ上の点Ｍ２で反射された電磁波の上記点Ｐ、に
おける電界強度Ｅ１４は、点Ｐ２と点Ｍ２のＺ軸方向の
距離をβ２とするとき、Ｒ１２＃Ｒであることを考慮す
ると同様に次式で与えられる。

Ｅ、４＝　−ｅｘｐｊ　ｋ　（Ｒ−ｊ！　２）　ｅｘｐ
ｊθ。

ＥＰは開口面と平行な等位相面を介するので、Ｅ。

＝Ｅ、４のときＥ。は開口面と平行な等位相面を有する
。

上式においてＣｅｘｐ−ｊｋ　ｌ　２を改ためてＣと書
き変えると、次式が得られる。

＾ｅｘｐｊθ、＋Ｂｅｘｐｊθ、　＝　Ｃｅｘｐｊθ３
上式のＣｅｘｐｊθ３は複素平面上では第５図に示すよ
うに、複素数Ａｅにｐｊθ１とＢｅｘｐｊθ２の和とし
て求められる。和である複素数Ｃｅｘｐｊθ３の位相θ
３が、放物面回転鏡３から開口面へ下した垂線に沿った
位相変化に等しいので、放物面回転鏡３からの反射波の
波面は開口面に平行になる。

電磁波ＨＩＦは位相が進んでいるので、位相が遅れてい
る電磁波を重ね合せることにより位相変化を相殺するこ
とができる。また電磁波質２．は位相が進んでいるので
位相が遅れている電磁波を重ね合わせることにより位相
変化を相殺することができる。すなわち外周部回転曲面
鏡は、第６図の破線ＰＲ，を平ｄにするために放物面鏡
の中心部には位相が遅れている電磁波を照射する。外周
部には位相が進んでいる電磁波を照射する。

この結果、パラボラアンテナ装置の振幅特性と位相持性
はそれぞれ第７図の曲線Ａ、ＰＨのようになるすなわち
位相特性がかなり平坦になり、主反射鏡からの反射波は
開口面と平行な等位相面を持つ。

ｆ、実施例 第１図は本発明に係るパラボラアンテナ装置の概念的断
面図、第２図は修整曲面の技法によって求められたパラ
ボラアンテナ装置の概念的断面図、第３図は第２図のパ
ラボラアンテナ装置の主反射鏡を放物面鏡に代えたパラ
ボラアンテナ装置の概念的断面図である。

第２図において一次放射器１から放射される電磁波は、
修整曲面の技法で求められた曲面を有する副反射鏡２で
反射され、主反射鏡３でさらに反射される。主反射鏡３
もまた修整曲面の技法で求められた曲面であり、主反射
鏡で反射された電磁波の進行方向はアンテナの主軸方向
と平行となる。

第３図の破線は第２図の主反射を放物面鏡に代えたとき
の電磁波の進行方向を示す。放物面鏡は第２図の主反射
面との誤差が最も小さくなる放物面形状に選ばれるが、
完全には一致しない。したがって波線で示される放物面
と実線で示された修整曲面の傾斜が異なる部分で反射さ
れた電磁波の進行方向はアンテナの主軸方向に対して平
行な方向からずれる。

なお修整曲面の方法で求められた曲面と放物面の誤差お
よび電磁波の進行方向のずれは第３図においては少し誇
張して拡大されて示されている。

第１図の副反射鏡は、区間へＢで示される修整曲面の技
法で求められた中心部回転曲面鏡の外側に区間ＢＣで示
される楕円面鏡からなる外周部回転曲面鏡を備える。楕
円面はアンテナの主軸Ｚ軸を回転軸とする回転楕円面で
あって、中心軸を通る平面による断面図に現れる楕円の
第１の焦点は一次放射器１の位相中心点Ｆ、であり、第
２の焦点Ｆ２は外周部回転曲面鏡で反射された電磁波が
照射されるべき主反射鏡の位置に応じて選ばれる。第１
図においては楕円上のＢ点、０点は主反射鏡上の８２点
、　Ｃｍ点にそれぞれ照射される。この場合、楕円の第
２の焦点は図中のＦ２点である。すなわち主反射鏡上の
区間Ｃ２Ｂ２には中心部回転曲面鏡で反射された電磁波
と外周部回転曲面鏡で反射された電磁波が重ね合わせて
照射される。

一般に楕円は２焦点の位置だけでは形状は定まらず、さ
らに長軸の長さを定めることにより形状が定まる。この
長軸の長さについての自由度　を用いて位相差を調整す
る。この際Ｂ点で両画面を滑らかに接続することが好ま
しい。例えば放物面主反射鏡のＤ２点に副反射鏡中央部
から照射される電磁波は修整曲面の技法による曲面から
なる主反射鏡に照射された場合に比較して位相が遅れて
いるので、副反射鏡周辺部のＤ点から放物面主反射鏡の
Ｄ２点に照射される電磁波の位相が進むように長軸の長
さが選ばれた楕円面が外周部回転曲面鏡として用いられ
る。

主反射鏡のｃｚｏｚの区間の全ての点について位相を調
整することは電磁波の回折等によって困難である。

しかし、主反射上の位相差の大きい部分にのみ副反射鏡
からの反射位置を照射することによっても、等位相面を
比較的平坦にすることについて一定の効果を得ることも
できる。

楕円面の第２の焦点Ｆ２の位置を選ぶことにより、楕円
面から照射される主反射鏡の部分を変えることができる
。例えば第２の焦点Ｆ２を主反射鏡のＤ２点の近傍に設
定すると、Ｄｔ点近傍から反射される電磁波の位相のみ
が調整される。

なお副反射鏡の外周部回転曲面鏡は楕円面に限られない
。

ｇ、　発明の効果 ｉ）予め与えられた指向性および開口分布に応じて形状
を修整曲面の技法を用いて求められた形状を有する副反
射鏡を用いながら、主反射鏡としては放物面鏡を用いる
ことができる。

ｉｉ）主反射鏡を型式の異なる一次放射器に対して共有
することができるので、生産工程を簡略化し、その結果
生産コストを低廉化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るパラボラアンテナ装置の概念的断
面図、第２図は修整曲面の技法で求められたアンテナ装
置の概念的断面図、第３図は第２図のアンテナ装置の主
反射鏡だけを放物面鏡の概念的断面図、第４（ａ）図は
第３図のアンテナにおける電磁波の位相と第２図のアン
テナにおける電磁波の位相の差を示すためのアンテナの
断面図、第４（ｂ）図は波動的に説明するための第４（
ａ）図に対応するアンテナの断面図、第５図は振幅と位
相が異なる電磁波を重ね合せて主反射鏡に照射すること
により反射波の振幅と位相を調整することができること
を示す説明図、第６図は第３図のアンテナからの電磁波
の振幅特性および位相特性を示すグラフ、第７図は本発
明に係るアンテナ装置からの電磁波の振幅特性および位
相特性を示すグラフ、第８図は修整曲面の技法で曲面を
求めるときの方程式の変数を意味を示すためのアンテナ
の断面図、第９図は主反射鏡として放物面鏡を用いたア
ンテナ装置の従来技術の一例の断面図である。 １・・・一次放射器、　　　２・・・副反射鏡、３・・
・主反射鏡、 第１図の副反射鏡２の区間ＡＢ・・・中心部回転曲面鏡
第１図の副反射鏡の区間ＢＣ・・・外周部回転曲面鏡。 第２図 第３図 四枳卸四 Ｓ！！！！ 巽状阜四 騨υ 寸 綜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 一次放射器と、一次放射器から放射された電磁波を反射
   する副反射鏡と、副反射鏡で反射された電磁波を再び反
   射する主反射鏡を備えるパラボラアンテナ装置において
   、上記主反射鏡が放物面鏡であり、上記副反射鏡が修整
   曲面の技法によって求められた中心部回転曲面鏡と、一
   次放射器から放射された電磁波を反射し反射波を上記主
   反射鏡に照射する外周部回転曲面鏡から成り、上記主反
   射鏡の少くとも一領域には上記中心部回転曲面鏡で反射
   された電磁波と上記外周部回転曲面鏡で反射された電磁
   波が重ね合わせて照射され、この際一次放射器の位相中
   心Ｆ＿１から上記中心部回転曲面鏡を経て主反射鏡上の
   点Ｐ＿２に到達した電磁波の振幅、位相をそれぞれＡ、
   θ＿１とし、該点Ｐ＿２に上記外周部回転曲面鏡を経て
   到達した電磁波の振幅、位相をそれぞれＢ、θ＿２とし
   、該点Ｐ＿２から開口面に下した垂線の足と該点Ｐの間
   の距離に対応する位相をθ＿３とするとき、上記外周部
   回転曲面鏡が次の関係を成立させる曲面であることを特
   徴とするパラボラアンテナ装置。 Ａｅｘｐｊθ＿１＋Ｂｅｘｐｊθ＿２＝Ｃｅｘｐｊθ＿
   ３ここにおいてｊは虚数単位であり、ｃは実数である。