JP2005510162A - 放物面反射器及びこれを組み入れたアンテナ - Google Patents

Abstract

アンテナのための放物面反射器（２０）は、反射器の中心軸線（４０）に最も近い第１環状区分（２０ａ、３０ａ）から反射器の外側周辺部（４５）を定める最後の環状区分（２０ｅ、３０ｅ）まで順に配置された複数（Ｎ）の同軸環状区分（２０ａ−２０ｅ、３０ａ−３０ｅ）を有する。各区分（２０ａ−２０ｅ）は、内側周辺部と外側周辺部との間の放物反射面を有する。区分（２０ａ−２０ｅ）は、少なくとも最後の区分（２０ｅ、３０ｅ）に関連する焦点（４１）又は焦点リング（４７）が、反射器の内部体積（４２）の内部にあって、互いに中心軸線に沿って配置され、それにより反射器の全体的な深さが最小になるか又は最小に近くなるように構成される。全ての区分（２０ａ−２０ｅ）の内側周辺部は、中心軸線（４０）に対して垂直な平面（２９）上に実質的におかれるように配置されることが好ましい。最後の区分を除く各区分（２０ａ−２０ｄ）の外側周辺部は、環状ストリップ（２８）により後続する区分の内側周辺部に接続されることが好ましい。ストリップ（２８）は、各々が反射器の中心軸線に対して０から３度までの間の傾斜角度をもってもよいし、それらが接合されるそれぞれの区分の内側周辺部から最も遠くに位置する焦点又はリングまで延在するそれぞれのコーン上におかれてもよい。

Description

発明の詳細な説明

（背景技術）
多くの通信システムにおいては、スペースが重要視されており、したがって、適切な性能特性を保ちながらアンテナをできるだけ小さくする試みがなされている。ポイント対マルチポイント（ＰＭＰ）マイクロ波無線リンクにおいては、特に、それらのコンパクトな設計により、平面アンテナが端末ユニットに設置される場合が多い。それらは、都市環境の質を落とすことなく、室外ユニットの電子装置を収容したボックスの中に簡単に組み込むことができる。中位のゲインの要望に対しては、プリントアンテナが好ましい。これらは、関連する給電ネットワークにおける導体損失がアンテナ寸法の増加に伴いかなり増加するという事実のために、約３０ｄＢのゲイン上限を有する。より高いゲインのための別の解決策は、低損失であるが製造コストが高い、導波管スロットアレイである。マイクロストリップ・サブアレイと中央導波管給電ネットワークとの混成設計を用いるハイブリッド構成も実行可能である。二重偏波の場合には、２つの単一偏波アンテナの積み重ね型の設計か又は並列設計のいずれかが必要とされる。これらのアンテナの全ては、単純なプリントアレイより複雑であり、付加的な体積及び厚みを要求し、これらは、アンテナより上でアレイ表面に平行に、およそ１波長の距離をおいて配置される平坦な誘電板であるレードームの存在によりさらに増加される。

既存の文献において、金属表面よりλ／４上に平行金属リングが配置される平面又は放物面反射器の例が示されており、例えば、Ｌ．Ｆ．ｖａｎ Ｂｕｓｋｉｒｋ及びＣ．Ｅ．Ｈｅｎｄ著、「Ｔｈｅ Ｚｏｎｅ Ｐｌａｔｅ ａｓ ａ Ｒａｄｉｏ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｆｏｃｕｓｉｎｇ Ｅｌｅｍｅｎｔ」、ＩＲＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ、第ＡＰ−９巻、Ｎｏ．３、１９６１年３月、ｐ３１９−３２０と、Ｐ．Ｃｏｕｓｉｎ、Ｇ．Ｌａｎｄｒａｃ、Ｓ．Ｔｏｕｔａｉｎ及びＪＪ．Ｄｅｌｍａｓ著、「Ｃａｌｃｕｌ ｄｅ ｌａ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｄｅ Ｃｈａｍｐ Ｆｏｃａｌ ｅｔ ｄｕ Ｄｉａｇｒａｍｍｅ ｄｅ Ｒａｙｏｎｎｅｍｅｎｔ ｄ’ｕｎｅ Ａｎｔｅｎｎｅ Ｐａｒａｂｏｌｉｑｕｅ ａ Ｚｏｎｅｓ ｄｅ Ｆｒｅｓｎｅｌ」、Ｊｏｕｒｎｅｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｅｓ ｄｅ Ｎｉｃｅ ｓｕｒ ｌｅｓ Ａｎｔｅｎｎｅｓ、Ｎｉｃｅ、１９９４年１１月、ｐ４８９−４９２と、Ｙ．Ｊ．Ｇｕｏ、Ｓ．Ｋ．Ｂａｒｔｏｎ著、「Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｏｎｅ-Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｚｏｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ、第ＡＰ−３巻、Ｎｏ．４、１９９５年４月、ｐ３８５−３８９を参照されたい。また、プリントされた平面反射器は、例えば、Ｙ．Ｊ．Ｇｕｏ及びＳ．Ｋ．Ｂａｒｔｏｎ著、「Ａ Ｈｉｇｈ−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｑｕａｒｔｅｒ−Ｗａｖｅ Ｚｏｎｅ−Ｐｌａｔｅ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ」、ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ Ｇｕｉｄｅｄ−Ｗａｖｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第２巻、Ｎｏ．１２、１９９２年１２月、ｐ４７０−４７１から公知である。

図１に図示される別の例は、サブ反射器１１、誘電体コーン１２及び導波管給電区分１３と組合わせて放物面反射器１０を使用することに関係している。使用に際しては、アンテナから送信される信号が、反射器の頂点１４において導波管１３に送り込まれ、該導波管に沿って伝播されて、誘電体コーン１２を通ってサブ反射器１１の反射面１５に搬送され、そこでそれらはコーン１２の誘電体を通って主反射器１０の内表面上に反射されて、最終的に該表面から、最初に給電波が頂点１４に入ったのと同じ方向に自由空間の中に反射される。誘電体コーン１２は、主反射器１０における正確な照射パターンを保証する一助となる。導波管１３に沿った望ましくない後方反射を最小にするために、ステップ変圧器１６を含むこともできる。

この公知の設計におけるさらに別の２つの態様により、紙面の平面内におけるアンテナ全体の厚みがかなり大きくなる。第１に、レードーム１７が含まれており、このレードーム１７は、平面アレイに関しては、主反射器１０から遠ざかる方向に必ず或る距離、すなわち少なくともλ／２の距離をおかれる。（図１に示された例は、ポイント対ポイントリンクを意図しており、このリンクは、ＰＭＰ用途の端末アンテナより大きい角度域における放射電力の、より厳密な制限に合致しなければならないものである。これは、内面が吸収性物質で被覆された深いリムの助けにより達成される。結局、図１における反射器からレードームまでの非常に大きな距離は、今考察されているＰＭＰ設定においては要求されない。）
第２に、反射器１０の焦点距離は、サブ反射器１１が頂点１４から遠ざかる方向に同じ距離をおいて位置されることを必要とするものであり、さらなる結果として、給電導波管１３の長さが非常に大きくなる。したがって、その結果として、アンテナ全体の厚さは、合計でおよそ１６λとなる（動作周波数が３２ＧＨｚ付近であると仮定して）。さらに、導波管の大きな長さは、ブロードバンドシステムにおける全体的な反射減衰量を増加させることになる。

（発明の開示）
本発明の第１の態様によれば、反射器の中心軸線に最も近い第１環状区分から反射器の外側周辺部を定める最後の環状区分まで順に配置された複数の同軸環状区分を備え、各区分が内側周辺部と外側周辺部との間の放物反射面を有する、アンテナのための放物面反射器であって、少なくとも最後の区分に関連する焦点又は焦点リングが、反射器の内部体積の内部にあって、互いに中心軸線に沿って配置され、それにより反射器の全体的な深さが最小になるか又は最小に近くなるように区分が構成されたことを特徴とする反射器が提供される。反射器の焦点がその内部体積の内部におかれることを保証することにより、焦点に位置されるアンテナサブ反射器が反射器の体積内におかれるので、こうした反射器を組み入れるアンテナの全体的な深さが最小になることが保証される。

全ての区分の内側周辺部は、中心軸線に対して垂直な平面上に実質的におかれるように配置されることが有利である。こうした配置は、反射器の深さを最小にする一助となる。
最後の区分を除く各区分の外側周辺部は、環状ストリップにより後続する区分の内側周辺部に接続されることが好ましい。
１つの配置においては、環状ストリップは、中心軸線に対して或る傾斜角度を有し、この傾斜角度は全てのストリップについてほぼ同じである。傾斜角度は、０から３度までの間の値にされることが好ましい。
別の好ましい配置においては、各ストリップは、それぞれの仮想コーン又は円錐台コーン上におかれ、ストリップが取り付けられるそれぞれの区分の内側周辺部を、反射器の焦点又は焦点リングに接合する。
放物面区分の焦点距離（ｆ_i）は、以下の規則、
ｆ_i＝ｆ_i-1＋ｋ．ｌ／２
式中、ｆ_i＝焦点距離、ｋ＝１、２、３．．．、ｉ＝２、．．．Ｎ、ｌ＝反射器の動作波長の平均長さである、
に従うことが好ましい。

本発明の第２の態様によれば、上述の反射器、反射器の共通軸線に沿っておかれる誘電体コーン及びサブ反射器と、第１区分の内側周辺部により定められる反射器の頂点を通り、誘電体コーンと通信する導波管給電区分と、レードームと、を備えたアンテナが提供される。
反射器の焦点又は焦点リングは、サブ反射器の反射面上におかれ、サブ反射器は、反射器の内部体積の内部におかれ、レードームは反射器の最も外側の周辺部に当接することが好ましい。
アンテナはさらに、反射器頂点と誘電体コーンとの間に配置される変圧器区分を備えることが有利である。
次に、本発明の実施形態を、制限する意味ではない単なる例として、図面を参照しながら説明する。

（発明を実施するための最良の形態）
次に図２を参照すると、既に述べたように主反射器２０と、サブ反射器２１と、誘電体コーン２２と、導波管区分２３と、レードーム２７とを備えた本発明に係るアンテナの実施形態が示されている。しかしながら、ここでは、反射器２０は、同軸環状ストリップ２８を介して互いに接続された複数Ｎの同軸環状区分２０ａ−２０ｅ（この例ではＮ＝５）からなる多段アンテナである。区分２０ａ−２０ｅの各々は、半径方向に放物線状である反射面を有する。ストリップ２８は、種々の区分（最後の区分２０ｅを除く）の外側周辺部を、後続する区分の内面に接続し、それにより、そこに主反射器２０の連続する内側の反射面が形成される。第１区分２０ａの内側周辺部は、反射器２０の頂点の一部を形成し、一方、最後の区分２０ｅの外側周辺部は、反射器２０全体の外側周辺部を形成する。

図示された好ましい実施形態においては、環状区分２０ａ−２０ｅの全ての内側周辺部は、アンテナの中心軸線４０に対して垂直に延在する平面２９上におかれる。しかしながら、実際には、区分の各々は、アンテナの性能に過度に悪影響を及ぼすことなく、軸方向４０に沿って配置された多数の平面の１つの上におかれることができる。もちろん、それらが１つの平面上におかれない場合には、その結果として、アンテナの（軸方向の）深さがそれ相応に大きくなり、これは明らかに望ましくないが、アンテナ孔に向かう内側周辺部平面の僅かな前方傾斜によって、ストリップのシャドウイング効果を低減させ、それにより性能を若干向上させることができる。図示された実施形態における種々の放物面区分は、最後の区分２０ｅが最も大きい焦点距離を有し、最初の区分２０ａが最も小さい焦点距離を有するというように、僅かに異なる焦点距離を有することが好ましい。より正確には、焦点距離は以下の規則に従うことが好ましく、
ｆ_i＝ｆ_i-1＋ｋ．λ／２
式中ｆ_i＝焦点距離であり、ｋ＝１、２、３．．．であり、ｉ＝２、．．．Ｎであり、λ＝反射器の動作波長の平均長さである。図２においては、ｋ＝１であり、最後の区分２０ｅの焦点リングが４１で示されている。理想的には、放物面区分の全ての焦点が４１に合わせられるが、設計の最適化においては、放射要素の近距離場における非球面効果を考慮に入れるために、個々の焦点に小さな偏差をもたせることができる。

このアンテナと、例えば図１に示されたアンテナとの第２の違いは、この発明によるアンテナにおける反射器２０により境界される角度Ψは少なくとも９０度であり、図２においてはおよそ９５度であるということである。アンテナ及び反射器全体については、これは全部で１９０度の角度となる。こうした大きな角度は、サブ反射器／給電配置の全体を、反射器の内部体積４２内に十分に収容させ、それにより導波管給電部２３を短くすることを可能にする。更なる減少が、ストリップ２８の使用により生成され、ストリップを使用しない場合の普通の長さが付加的な導波管区分４３により示されており、この導波管区分４３は、ストリップを使用しない場合における通常の形態である一様な放物面アンテナ４４の頂点に出会うようになる（最後の区分２０ｅの破線延長部参照）。言い換えれば、本発明の反射器の頂点はＡに位置するが、従来のアンテナシステムではＢに位置する。明らかに、アンテナ全体の厚みの大きな節減があり、この効果は、さらに、給電ネットワークが反射器の体積４２内に完全に入り、リム４５自体のすぐそばに位置し、かつ当接するので、図１の公知の配置よりも、レードームを反射器リム４５に近接して位置させることができるという事実により一層強化される。（平面アレイに関連して先に述べた最小λ／２間隔は、単一給電反射器アンテナには適用されない。）
したがって、アンテナの厚みの二重の節減が本発明により可能とされ、第１に、そして最も基本的には、ストリップ２８の使用により、導波管Ｃの付加的な長さが節約（図２参照）され、第２に、サブ反射器をアンテナの内部体積４２内に完全に収容させることを可能にする非常に大きな境界角度Ψにより、反射器からレードーム２７までのスペースが減少させられる。

図２のアンテナの種々の寸法は以下の通りである。
外径（Ｄ）＝２４０ｍｍ、
内径（ｄ−導波管の外径に対応するもの）＝９．３０ｍｍ、
開口角度（２Ψ）＝１９０度、
深さ（ストリップなし）（Ｔｍａｘ＝（Ｄ−４）／４．ｔａｎ（Ψ／２））＝６２．９４ｍｍ、
深さ（ストリップあり）＝４４．９０ｍｍ、
導波管長さは、Ｌ＜（Ｄ／４−（Ｎ−１）λ₀／２）により与えられ、式中λ₀は、中心周波数における自由空間内の波長である（アンテナが後述の二重帯域アンテナである場合の低い帯域において）。

既述のように、段数Ｎは可変であり、ｋの値も同様であるが、所与の外径Ｄ、内径ｄ、及び開口角度２Ψにおいては、Ｎとｋの全ての組合せが可能なわけではない。以下の表１は、３つの作動周波数のＮ＝１−７及びｋ＝１又は２におけるゲイン図を与えるものである。全体的な深さも指定される。表から見られるように、ｋを倍加することにより、同じ全体的深さの５段の代わりに３段（ストリップ）のみが必要となるが、同じ深さにおいて、より少ない段が採用されたときには、選択される周波数に応じて０．４から０．９ｄＢまでの間が犠牲になる。深さの減少は、両方の場合において２９％である。効率は、ｋ＝１の場合には、等価な単純な一様な反射器設計における５６％ではなく、５３％付近である。両方の場合において、反射率は−１４ｄＢより小さい。

ストリップ２８について言えば、これらは、アンテナの中心軸線４０に対して非常に浅い傾斜角度を有し、実際には、角度はゼロとなる場合があるが、反射器本体がプレス又は成形プロセスにより製造されるときには、角度は合計で数度、例えば２ないしは３度とすれば良い。
この設計のさらなる利点は、遠距離場特性の第１サイドローブの振幅が、単純な一様な反射器を有する通常のアンテナの挙動に比べて減少されるが、この減少は、狭帯域にわたってのみ明瞭になり、周波数帯域全体には発生しないことである。

本発明の第２の実施形態が図３に示されている。図３においては、ストリップ２８がアンテナの中心軸線４０に本質的に平行にされる代わりに、それらは各場合においてサブ反射器上のそれぞれの内側周辺部３０ｂ’−３０ｅ’から焦点リング４７まで延びる仮想コーン（又は円錐台コーン）上に位置されるように角度をつけられる。ここでは、種々の放物面区分３０ａ−３０ｅが、それぞれ図２の区分２０ａ−２０ｅと同様の焦点距離をもつと仮定する。この手段の目的は、サブ反射器３１から反射された放射に対して起こる、区分のシャドウイング又は不明瞭化が少なくなることを確実にすることである。対照的に、図２の実施形態は、多くの量のシャドウイングを含み、このシャドウイング自体がアンテナの性能を減じるものとなる。しかし、ゲインに影響を及ぼす他の因子が入り込み、理論的にこの実施形態が達成する筈の利点を減少させる場合があり、例えば、図２に示されたストリップにおいては波動の回折が生じ、これが実際にはゲインを良好に持ち上げ、それにより大きいシャドウイングによってもたらされるゲインの不利益が相殺されることになる。

両方の実施形態は二重偏波に適しており、これを達成するには、直交モードトランデューサ（図示せず）を、図面（図２及び図３）に示された導波管給電部の入力に含めても良い。さらに、アンテナは、適切な給電配置が採用されるならば、二重帯域構成すなわち１オクターブ隔てられた２つの周波数帯域をもつ構成に用いられても良い。

（表１）

公知の放物面反射器アンテナの断面図（回転区分の半分のみ）である。 本発明に係る放物面反射器アンテナの実施形態の断面図である。 本発明に係る放物面反射器アンテナの実施形態の断面図である。

Claims (10)

1. 反射器の中心軸線（４０）に最も近い第１環状区分（２０ａ、３０ａ）から反射器の外側周辺部（４５）を定める最後の環状区分（２０ｅ、３０ｅ）まで順に配置された複数（Ｎ）の同軸環状区分（２０ａ−２０ｅ、３０ａ−３０ｅ）を備え、各区分が内側周辺部と外側周辺部との間の放物反射面を有する、アンテナのための放物面反射器（２０）であって、少なくとも最後の区分（２０ｅ、３０ｅ）に関連する焦点（４１）又は焦点リング（４７）が、反射器の内部体積（４２）の内部にあって、互いに中心軸線に沿って配置され、それにより反射器の全体的な深さが最小になるか又は最小に近くなるように前記区分（２０ａ−２０ｅ）が構成されたことを特徴とする反射器。
2. 全ての区分（２０ａ−２０ｅ、３０ａ−３０ｅ）の内側周辺部が、中心軸線（４０）に対して垂直な平面（２９）上に実質的におかれるように配置されたことを特徴とする請求項１に記載の反射器。
3. 最後の区分を除く前記各区分の外側周辺部が、環状ストリップ（２８）により後続する区分の内側周辺部に接続されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の反射器。
4. 前記環状ストリップ（２８）は、前記中心軸線（４０）に対する傾斜角度を有し、この傾斜角度は、全てのストリップ（２８）について実質的に同じであることを特徴とする請求項３に記載の反射器。
5. 前記傾斜角度は、０から３度までの間の値であることを特徴とする請求項４に記載の反射器。
6. 各ストリップは、該ストリップ（２８）が取り付けられるそれぞれの区分（３０ｂ−３０ｅ）の内側周辺部（３０ｂ’−３０ｅ’）を、反射器の焦点又は焦点リング（４７）に接合するそれぞれの仮想コーン又は円錐台の上におかれることを特徴とする請求項３に記載の反射器。
7. 前記環状区分の放物面の焦点距離（ｆ_i）が以下の規則、
   ｆ_i＝ｆ_i-1＋ｋ．λ／２
   式中、ｆ_i＝焦点距離であり、ｋ＝１、２、３．．．であり、ｉ＝２、．．．Ｎであり、λ＝反射器の動作波長の平均長さである、
   に従うことを特徴とする上記請求項のいずれか１項に記載の反射器。
8. 上記請求項のいずれか１項に記載の反射器（２０）と、前記反射器（２０）の共通軸線に沿っておかれた誘電体コーン（２２）及びサブ反射器（２１、３１）と、第１区分の内側周辺部により定められた反射器（２０）の頂点を通り、誘電体コーン（２２）と通信する導波管給電区分（２３）と、レードーム（２７）とを備えるアンテナ。
9. 前記反射器（２０）の焦点（４１）又は焦点リング（４７）は、前記サブ反射器（２１、３１）の反射面上におかれ、前記サブ反射器は、前記反射器の内部体積（４２）内におかれ、前記レードーム（２７）は前記反射器の最も外側の周辺部（４５）に当接することを特徴とする請求項８に記載のアンテナ。
10. 前記反射器頂点と前記誘電体コーン（２２）との間に配置された変圧器区分を備えることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のアンテナ。

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