JP2011239281A - 複反射鏡アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】
従来のＡＤＥアンテナ、副反射鏡の中心部に頂点整合円錐を有する複反射鏡アンテナ、あるいは鏡面修整することで副反射鏡の中心部を尖らせた複反射鏡アンテナでは反射特性を改善することができても、副反射鏡で反射した電波は主反射鏡にあたらず漏れてスピルオーバーのレベルが増大する。
【解決手段】
給電導波管にＴＥ１１とＴＭ１１を同時に伝搬させ、副反射鏡で反射した後に主反射鏡にあたらずに漏れていく方向で、両モードから放射した電波の位相を逆相にし、振幅を等しくすることで、漏れた電波を相殺しスピルオーバーのレベルを小さくするアンテナを得る。
【選択図】図１５

Description

本発明は、主反射鏡と、主反射鏡から突出する１次放射器と、１次放射器の前方位置に保持された副反射鏡とからなる複反射鏡アンテナの技術分野に属する。

反射鏡アンテナとして、現在最も広く使われているのが図１に示すようなカセグレンアンテナである。主反射鏡１０１の中心に設置した給電導波管１０３から副反射鏡１０５に照射される電波は、該副反射鏡で反射され、前記主反射鏡へ照射される。

前記主反射鏡に照射された電波は、さらに主反射鏡で反射され、アンテナ構造の外へ電波を放射する。特徴としては、主反射鏡の反射面が放物面であり、副反射鏡の反射面が双曲面になっている点である。これらの形状により、該アンテナの開口の位相分布を一定にし、利得を最大にすることができる。

ここで、給電導波管１０３の径は、アンテナの指向性を図３のＺ軸に対して対称、つまり軸対称にするために、１λ程度に設定することはよく知られている方法である（非特許文献１参照)。

一般に、円形導波管の径が０．６λ〜１．２λの場合には、図２の２０１に示すような基本モード（ＴＥ１１）のみが伝搬する。従って、径が１λ程度の従来の給電導波管１０３にはＴＥ１１のみが伝搬することになる。

図３は図１をさらに簡略化したものである。図３の副反射鏡１０５に関して、その形状に起因する問題点を解決するために、図４の４０１に示すように、中心部を主反射鏡に近づけたアンテナがある。これをＡＤＥ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｄｉｓｐｌａｃｅｄ Ｅｌｌｉｐｓｅ）アンテナという（非特許文献２）。また図５の５０１に示すように副反射鏡の中心部に円錐形状の突起物を設けたアンテナ（非特許文献３）や、あるいは図６の６０１に示すように副反射鏡の反射面を鏡面修整することで副反射鏡の中心部を尖らせたアンテナがある（非特許文献４）。

副反射鏡１０５の形状が図１に示すような凸状である場合の問題点を図７に示す。すなわち、給電導波管が放射した電波のうち、副反射鏡１０５の中心部によって反射される成分は、反射波７０１のように給電導波管１０３に戻ってしまい、反射特性が劣化するのである。

しかるに、副反射鏡を図８の３０１に示すような形状にしたり、または図９の１０５に示すように副反射鏡に頂点整合円錐(５０１）を設置する場合や、あるいは図１０の６０１に示すように副反射鏡の中心部を尖らせた場合には、前記のような給電導波管１０３に戻る成分が著しく減少するため、反射特性の劣化を抑えることができる。

次に、図７の７０３に示すような、給電導波管１０３からの電波のうち、副反射鏡１０５に反射されず、そのまま空間に放射される放射波を副反射鏡のスピルオーバーと言う。該副反射鏡のスピルオーバーによって、サイドローブ上昇の原因になる。

また、図７の７０５に示すような、副反射鏡１０５から反射された電波のうち、主反射鏡１０１に反射されず、そのまま空間に放射される放射波を主反射鏡のスピルオーバーと言う。該主反射鏡のスピルオーバーによってもまた、サイドローブ上昇の原因になる。

一般に副反射鏡のスピルオーバーを減少させるために、給電導波管１０３と副反射鏡１０５の距離を短くするのであるが、従来のカセグレンアンテナでは、該距離を短くすると、給電導波管１０３に戻ってくる電波（７０１）が増大してしまうという問題点があった。

このような問題点に関して、ＡＤＥアンテナ、または副反射鏡の中心部に円錐形状の突起物を設けたアンテナ、あるいは鏡面修整をして副反射鏡の中心部を尖らせたアンテナは特に効果的であった。

B.Toland, C.C. Liu,and P.G. Ingerson "Design and Analysis ofArbitrarily Shaped Dielectric Antennas" Microwave Journal, 1997. Aluizio Prata,Jr., Fernando J.S.Moreira,and Luis R.Amaro "Displaced-Axis-EllipseReflector Antenna for Spacecraft Communications" IEEE Microwave andOptoelectronics Conference, 2003. 夏原, 谷口 "頂点整合円錐を用いた小開口低姿勢軸対称カセグレンアンテナ" 電子情報通信学会ソサイエティ大会,2004. YoshioINASAWA, Shinji KURODA, Kenji KUSAKABE, Izuru NAITO,Yoshihiko KONISHI, Shigeru MAKINO, Makio TSUCHIYA"Desgin Method for a Low-Profile Dual-ShapedReflector Antenna with an Elliptical Aperture by the Suppression of UndesiredScattering" IEICE TRANS. ELECTRON., VOL.E91-C,NO.4 APRIL 2008.

しかるに前記手段によれば、前記のようないずれかの方法で副反射鏡の中心部を尖らせた場合、給電導波管からの放射の中で最もレベルが高い正面の方向の放射が、副反射鏡の中心部付近の尖ったところで反射されるため、図８の７０５、図９の７０５、図１０の７０５に示すような主反射鏡のスピルオーバーのレベルが増大してしまうという課題が残る。

前記主反射鏡のスピルオーバーを軽減するという課題達成のために、本発明は、次のような手段を実施する。

本発明の第１の構成は、径が１．２λ〜１．７λである給電導波管を有することを特徴とする複反射鏡アンテナである。ここで給電導波管の径を１．２λ〜１．７λとすることでＴＥ１１に加えて図１１の１１０１に示すような高次モード（ＴＭ１１）が伝搬する。

本発明の第２の構成は、給電導波管の根元に、径が給電導波管と同じでその長さＬが数１で示されるところの位相調整用の円形導波管を有することを特徴とする複反射鏡アンテナである。ここでλ_ＴＥ１１、λ_ＴＭ１１はそれぞれＴＥ１１、ＴＭ１１の位相調整用の円形導波管内の管内波長である。
（数１）
０≦Ｌ≦（λ_ＴＥ１１−λ_ＴＭ１１）／２（λ_ＴＥ１１λ_ＴＭ１１）

本発明の第３の構成は、位相調整用の円形導波管の根元に、ＴＭ１１を発生させるために、位相調整用の円形導波管と同じ径から０．６λ〜１．２λに変わるＴＭ１１発生用の導波管を有することを特徴とする複反射鏡アンテナである。

主反射鏡のスピルオーバーは、給電導波管にＴＥ１１のみが伝搬した時に、給電導波管から放射した電波が副反射鏡で反射し、主反射鏡に照射される他に、主反射鏡にあたらずに漏れていく電波が存在するために増加する。一方、ＴＭ１１のみが伝搬した時にも同様に主反射鏡にあたらずに漏れていく電波が存在する。

ＴＥ１１とＴＭ１１を同時に伝搬させ、副反射鏡で反射した後に主反射鏡にあたらずに漏れていく方向で、両モードから放射した電波の位相を逆相にし、振幅を等しくすれば、漏れた電波は相殺し合ってゼロということになる。完全にゼロにすることは困難であるとしても、実用上はゼロにはならなくとも現状より主反射鏡のスピルオーバーのレベルを小さくすることができれば有用である。本発明は、この点に着眼したものである。

本発明は、径が１．２λ〜１．７λである給電導波管の根元に同じ径の位相調整用の円形導波管を設け、さらに位相調整用の円形導波管の根元にＴＭ１１発生用の導波管を設けることにより、主反射鏡のスピルオーバーを軽減することができる。

給電導波管の径、位相調整用の円形導波管の長さ、ＴＭ１１発生用の導波管の長さ等は、理論計算によって求めてもよいが、数値を変えてゆく実験や調整によってスピルオーバーができるだけ軽減する態様にするのが実際的である。

一般的なカセグレンアンテナである。 ＴＥ１１モードである。 カセグレンアンテナの概略図である。 ＡＤＥアンテナの概略図である。 副反射鏡の中心部に頂点整合円錐を有する複反射鏡アンテナの概略図である。 鏡面修整することで副反射鏡の中心部を尖らせた複反射鏡アンテナの概略図である。 カセグレンアンテナの反射波の様子である。 ＡＤＥアンテナの反射波の様子である。 副反射鏡の中心部に頂点整合円錐を有する複反射鏡アンテナの反射波の様子である。 鏡面修整することで副反射鏡の中心部を尖らせた複反射鏡アンテナの反射波の様子である。 ＴＭ１１モードである。 本発明にかかる複反射鏡アンテナの実施例である。 本発明にかかる複反射鏡アンテナのうち主反射鏡を除いた指向性図をモード毎に示した図である。 本発明にかかる複反射鏡アンテナのうち主反射鏡を除いた指向性図である。 アンテナの形態の例１である。 アンテナの形態の例２である。 本発明にかかる複反射鏡アンテナの指向性図である。 本発明の複反射鏡アンテナについての指向性と、従来の場合の指向性を比較のために併記した指向性図である。

本発明の好適な実施例について、以下、図面を参照して説明する。

図１２は本発明の複反射鏡アンテナを示す図である。図４に示したように、径が１λ程度の従来の給電導波管との違いは、１２０１に示す給電導波管の径が１．３λ程度となっていること、さらに１２０３に示すように給電導波管と同じ径で長さが３λ程度の位相調整用の円形導波管をもつこと、さらに１２０５に示すように径が位相調整用の円形導波管の径から１λ程度に変わり、長さが２．５λ程度のＴＭ１１発生用のテーパーの円形導波管が設けられていることである。

本発明にかかる動作を説明する。図１２の１２０５に示す円形導波管の１λの径の部位からＴＥ１１がＺ方向に伝搬してくると、該１２０５内でＴＭ１１が発生し、位相調整用の円形導波管１２０３と給電導波管１２０１にはＴＥ１１とＴＭ１１の両モードが伝搬する。該給電導波管１２０１から放射された電波は副反射鏡３０１によって反射され、主反射鏡１０１で再度反射し、空間に放出される。

さらに、図１２の１２０５に示すＴＭ１１発生用のテーパーの円形導波管の長さを調節することでＴＭ１１の発生量を制御し、位相調整用の円形導波管１２０３の長さを調節することでＴＥ１１とＴＭ１１の位相関係を制御し、副反射鏡３０１で反射した後に、主反射鏡のスピルオーバーとなる方向への放射レベルを抑えている。

ここで、図面を参照して、主反射鏡のスピルオーバーとなる方向への放射レベルを抑える原理について説明する。

図１３は給電導波管１２０１と副反射鏡３０１を組み合わせた時の指向性図である。（ａ）は振幅指向性、（ｂ）は位相指向性であり、それぞれ実線は給電導波管１２０１にＴＥ１１のみを伝搬させた場合、破線は給電導波管１２０１にＴＭ１１のみを伝搬させた場合である。主反射鏡１０１のスピルオーバーとなる０°＜θ＜６０°の範囲で（ａ）に示すようにＴＥ１１とＴＭ１１のレベルをあわせている。

その手段は、前記したように、ＴＭ１１発生用のテーパーの円形導波管１２０５の長さを調節することでＴＭ１１の発生量を制御する。さらに（ｂ）に示すように主反射鏡のスピルオーバーとなる０°＜θ＜６０°の範囲で両モードから放射した電波の位相を逆相とする。その手段は、前記したように、位相調整用の円形導波管１２０３の長さでＴＥ１１とＴＭ１１の位相関係を調節する。

このようにした時の給電導波管１２０１と副反射鏡３０１を組み合わせた時の指向性図を図１４の実線に示す。図中、破線は径が1λ程度の給電導波管にＴＥ１１のみを伝搬させた場合であり、これが従来採用されていた手法によるものである。このように、破線に比べて実線は０°＜θ＜６０°の範囲の放射レベルを抑圧できていることがわかる。

本発明にかかる装置において、図１５に示すように副反射鏡３０１は例えば主反射鏡１０１に設置された１個あるいは複数個のストラット１５０１が支持する。なお、ストラットの設置方法は図１５の形態に限定しない。

さらに、給電導波管１２０１と副反射鏡３０１に着目した場合、ストラット１５０１を使わない設置方法であるところの図１６のような形態も考えられる。これは前記ストラットの代わりに誘電体１６０１によって副反射鏡３０１を固定したもので、副反射鏡３０１と給電導波管１２０１を任意の誘電体１６０１が固定しているものである。該手段においても、誘電体１６０１の形態はこれをなんら限定するものではない。

このように本発明は、ＡＤＥアンテナにおいて、位相調整用の円形導波管とＴＭ１１発生用のテーパーの円形導波管が設けられていることに特徴があり、主反射鏡と副反射鏡および給電導波管の支持方法や設置方法については、これをなんら限定するものではない。

図１７は本発明の効果を示すもので、給電導波管１２０１と位相調整用の円形導波管１２０３とＴＭ１１発生用のテーパー円形導波管を図１２のように用いた時の指向性図である。同図に示すように、０°＜θ＜６０°の範囲で主反射鏡のスピルオーバーが大きく減衰した指向特性をもつことがわかる。

また、図１８は複反射鏡アンテナ（例えばＡＤＥアンテナ）に本発明にかかる構成を適用した場合の指向性と、図４のような従来の場合の指向性を比較のために併記した指向性図である。

この図によれば、まず主反射鏡を取り除いた場合について示すところの（ａ）において、０°≦θ≦６０°の範囲でスピルオーバーが軽減されており、つまり副反射鏡による反射波のうち、主反射鏡にあたらない成分が軽減されており、その結果主反射鏡を設置した場合について示すところの（ｂ）の指向性において、３０°≦θ≦６０°の範囲のサイドローブレベルが抑圧されていることがわかる。なお、図１８において縦軸は０ｄＢで正規化を行っている。

以上、本発明によれば、ＡＤＥアンテナ、または副反射鏡の中心部に頂点整合円錐を有する複反射鏡アンテナ、あるいは鏡面修整をすることで副反射鏡の中心部を尖らせた複反射鏡アンテナにおいて、径が１．２〜１．７λである給電導波管と、その根元にＴＥ１１との位相を調整するために径が給電導波管と同じ径の位相調整用の円形導波管を設け、さらに位相調整用の円形導波管の根元にＴＭ１１発生用のテーパーの円形導波管を設けることによって、その効果として、主反射鏡のスピルオーバーを軽減することができる。

ただし、前記のように、本発明では給電導波管の径が１．２〜１．７λの範囲であり、位相調整用の円形導波管の長さが０〜（λ_ＴＥ１１−λ_ＴＭ１１）／２（λ_ＴＥ１１λ_ＴＭ１１）の範囲であれば、給電導波管の径、位相調整用の円形導波管の長さ、ＴＭ１１発生用の導波管の長さ、あるいは給電導波管との結合方法に関して、これを限定しない。

また、前記のように、本発明では副反射鏡の設置方法については任意とし、これをなんら限定するものではない。

１０１…主反射鏡、 １０３…給電導波管、１０５…一般的な副反射鏡、
２０１…ＴＥ１１モード、 ４０１…ＡＤＥアンテナの副反射鏡、
５０１…頂点整合円錐、 ６０１…鏡面修整した副反射鏡、
７０１…給電導波管に戻る放射波、 ７０３…副反射鏡のスピルオーバー、
７０５…主反射鏡のスピルオーバー、 １１０１…ＴＭ１１モード、
１２０１…給電導波管、 １２０３…位相調整用の円形導波管
１２０５…ＴＭ１１発生用のテーパーの円形導波管
１５０１…ストラット、 １６０１…誘電体

Claims (3)

1. 一部が円錐でありその頂点が給電導波管方向を向いた副反射鏡を持つ複反射鏡アンテナにおいて、
   前記給電導波管を伝搬する信号の波長をλとした場合に、
   径が１．２λ以上でありなおかつ１．７λ以下の給電導波管と、
   前記給電導波管の根元に該給電導波管と同径でありなおかつ同じ軸方向を持つように接着する位相調整用円形導波管と、
   前記位相調整用円形導波管の根元に接着するＴＭ１１発生用導波管と、
   を有することを特徴とする複反射鏡アンテナ
2. 請求項１に記載の位相調整用円形導波管の長さに関して、
   該位相調整用円形導波管内のＴＥ１１の管内波長をＡとし同ＴＭ１１の管内波長をＢとした時に、
   ＡからＢを減じた結果をＡとＢを乗じた結果の２倍で除した値以下であり、０以上であることを特徴とする複反射鏡アンテナ。
3. 請求項１に記載のＴＭ１１発生用導波管の径は、前記位相調整用円形導波管との接着部においては該位相調整用円形導波管と同径であり、逆方向の端点においては０．６λ以上でありなおかつ１．２λ以下となるように長さ方向の位置に応じて変化するものであることを特徴とする複反射鏡アンテナ。