JP2012165178A

JP2012165178A - 球面鏡アンテナ

Info

Publication number: JP2012165178A
Application number: JP2011023900A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Yamamoto; 伸一山本; Izuru Naito; 出内藤; Shuji Urasaki; 修治浦崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Tsuru Gakuen
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Tsuru Gakuen
Priority date: 2011-02-07
Filing date: 2011-02-07
Publication date: 2012-08-30

Abstract

【課題】一次放射器によるブロッキングを回避することができる球面鏡アンテナを得る。
【解決手段】補助レンズ３は、補助レンズ３を補助反射鏡とした場合における、一次放射器の位相中心から補助反射鏡までの光路長と、一次放射器４の位相中心から補助レンズ３までの光路長とが等しく、補助レンズ３を補助反射鏡とした場合における、補助反射鏡から一次放射器の開口面に向かう光線と、補助レンズ３で屈折して放射され開口面に向かう光線とが、等しい傾きでかつ開口面において同一の位置で交差するように配置され、一次放射器４は、補助レンズ３の反副反射鏡２側に配置されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、球面鏡である主反射鏡の鏡軸と平行に入射した入射光線を、一次放射器の位相中心に集束させる球面鏡アンテナに関する。

従来の球面鏡アンテナは、球面鏡である主反射鏡、主反射鏡の収差（球面収差）を補正する副反射鏡、および光線を入放射する一次放射器を備えている。この球面鏡アンテナにおいては、主反射鏡の鏡軸と平行に入射した入射光線が、主反射鏡で反射して副反射鏡に入射し、副反射鏡で反射した光線が一次放射器の位相中心に集束する。

また、このような球面鏡アンテナをビーム走査する（光線を偏向させる）場合には、主反射鏡を固定した上で、副反射鏡および一次放射器を主反射鏡の中心点周りに回転させればよい。ここで、主反射鏡の開口面の振幅分布が、一次放射器の変位による、メインビーム偏向時の放射特性劣化を小さくする分布、すなわち正弦条件を満たすために、２枚の補助反射鏡を用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１に記載された球面鏡アンテナでは、主反射鏡の開口分布が逆テーパ分布となるので、利得の低下やサイドローブレベルの上昇等、放射特性が劣化するという問題があった。そこで、補助反射鏡を１枚追加することにより、設計の自由度を増し、位相分布の制御ばかりでなく、振幅分布の制御も可能にする方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開昭６３−２９６５０３号公報特開２００９−２７３２２号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献２に記載された球面鏡アンテナでは、一次放射器が二次曲線群による副反射鏡と補助反射鏡との間に配置されるので、一次放射器によるブロッキングが生じるという問題がある。なお、特許文献２に記載されたように、バックファイア形の一次放射器を用いた場合には、ブロッキングを低減することができるものの、完全にはブロッキングを回避することができない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、一次放射器によるブロッキングを回避することができる球面鏡アンテナを得ることを目的とする。

この発明に係る球面鏡アンテナは、球面鏡である主反射鏡の鏡軸と平行な入射光線が、主反射鏡で反射して副反射鏡に入射し、副反射鏡で反射した光線が補助レンズに入射し、補助レンズで屈折した光線が一次放射器の位相中心に集束する球面鏡アンテナであって、補助レンズを補助反射鏡とした場合に、副反射鏡は、鏡面上の位置により離心率が異なる楕円面群または双曲面群をなし、補助反射鏡は、鏡面上の位置により離心率が異なる双曲面群または楕円面群をなし、主反射鏡の鏡軸上の焦点群と副反射鏡の楕円面群または双曲面群の一方の焦点群とを一致させ、副反射鏡の楕円面群または双曲面群の他方の焦点群と補助反射鏡の双曲面群または楕円面群の一方の焦点群とを一致させ、補助反射鏡の双曲面群または楕円面群の他方の焦点群と一次放射器の位相中心とを一致させ、副反射鏡の楕円面群または双曲面群の包絡面および補助反射鏡の双曲面群または楕円面群の包絡面を、要求する任意の入射光線の振幅分布が得られるように選択し、補助レンズを、一次放射器の位相中心から補助反射鏡までの光路長と、一次放射器の位相中心から補助レンズまでの光路長とが等しく、補助反射鏡から一次放射器の開口面に向かう光線と、補助レンズで屈折して放射され開口面に向かう光線とが、等しい傾きでかつ開口面において同一の位置で交差するように配置し、一次放射器を、補助レンズの反副反射鏡側に配置したものである。

この発明に係る球面鏡アンテナによれば、補助レンズは、一次放射器の位相中心から補助反射鏡までの光路長と、一次放射器の位相中心から補助レンズまでの光路長とが等しく、補助反射鏡から一次放射器の開口面に向かう光線と、補助レンズで屈折して放射され開口面に向かう光線とが、等しい傾きでかつ開口面において同一の位置で交差するように配置され、一次放射器は、補助レンズの反副反射鏡側に配置されている。
そのため、一次放射器によるブロッキングを回避することができる球面鏡アンテナを得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る球面鏡アンテナを示す概略構成図である。従来の球面鏡アンテナを示す概略構成図である。図２に示した球面鏡アンテナの反射鏡系を抜粋して示す概略構成図である。図１に示した球面鏡アンテナのレンズ系を抜粋して示す概略構成図である。この発明の実施の形態２に係る球面鏡アンテナを示す概略構成図である。この発明の実施の形態３に係る球面鏡アンテナを示す概略構成図である。

以下、この発明に係る球面鏡アンテナの好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る球面鏡アンテナ１０を示す概略構成図である。図１において、球面鏡アンテナ１０は、球面鏡である主反射鏡１、球面収差を補正する副反射鏡２、入射した光線を屈折する補助レンズ３、および光線を入放射する一次放射器４を備えている。

主反射鏡１は、その鏡軸５上に中心点Ｃを有している。また、鏡軸５上には、一次放射器４が設けられている。また、主反射鏡１に対応して副反射鏡２が設けられ、副反射鏡２に対応して補助レンズ３が設けられている。

この球面鏡アンテナ１０においては、主反射鏡１の鏡軸５と平行な入射光線が、主反射鏡１で反射して副反射鏡２に入射し、副反射鏡２で反射した光線が補助レンズ３に入射し、補助レンズ３で屈折した光線が一次放射器４の位相中心に集束する。

ここで、この発明の実施の形態１に係る補助レンズ３を備えた球面鏡アンテナ１０の詳細な説明をするにあたり、まず、球面鏡アンテナ１０の原型となる、上記特許文献２に記載された補助反射鏡を備えた球面鏡アンテナについて説明する。

図２は、特許文献２に記載された従来の球面鏡アンテナ１００を示す概略構成図である。図２において、球面鏡アンテナ１００は、球面鏡である主反射鏡５１、球面収差を補正する副反射鏡５２、入射した光線を反射する補助反射鏡５３、および光線を入放射する一次放射器５４を備えている。

なお、図１に示した球面鏡アンテナ１０は、図２に示した球面鏡アンテナ１００の補助反射鏡５３および一次放射器５４からなる反射鏡系を、補助レンズ３および一次放射器４からなるレンズ系に置き換えたものである。

図１に示した球面鏡アンテナ１０と同様に、主反射鏡５１は、その鏡軸５５上に中心点Ｃを有している。また、鏡軸５５上には、一次放射器５４が設けられている。また、主反射鏡５１に対応して副反射鏡５２が設けられ、副反射鏡５２に対応して補助反射鏡５３が設けられている。

この球面鏡アンテナ１００においては、主反射鏡５１の鏡軸５５と平行な入射光線が、主反射鏡５１で反射して副反射鏡５２に入射し、副反射鏡５２で反射した光線が補助反射鏡５３に入射し、補助反射鏡５３で反射した光線が一次放射器５４の位相中心に集束する。

続いて、特許文献２に記載された球面鏡アンテナ１００について詳細に説明する。
主反射鏡５１は、球面鏡であり、副反射鏡５２は、鏡面上の位置により離心率が異なる楕円面群をなし、補助反射鏡５３は、同じく鏡面上の位置により離心率が異なる双曲面群をなしている。なお、これに限定されず、副反射鏡５２が双曲面群をなし、補助反射鏡５３が楕円面群をなしてもよい。

また、主反射鏡５１は、球面鏡なので固定の焦点を有しないが、球面上の位置によって変化する焦点群を形成する。したがって、球面上の位置が与えられると、主反射鏡５１の鏡軸５５上に焦点が決まる。この球面鏡アンテナ１００では、主反射鏡５１の焦点と、主反射鏡５１に対応する副反射鏡５２の楕円面の一方の焦点とが一致している。

また、この球面鏡アンテナ１００では、副反射鏡５２の楕円面の他方の焦点と、副反射鏡５２に対応する補助反射鏡５３の双曲面の一方の焦点とが一致している。さらに、この球面鏡アンテナ１００では、補助反射鏡５３の双曲面の他方の焦点と、一次放射器５４の位相中心とが一致している。

このとき、主反射鏡５１の鏡軸５５と平行な入射光線が、主反射鏡５１の球面上の任意の点Ｍで反射し、反射した光線が鏡軸５５および副反射鏡５２と交差する点を、それぞれＦおよびＳとする。すなわち、点Ｆは、主反射鏡５１の焦点であり、かつ副反射鏡５２の楕円面の一方の焦点である。また、点Ｓは、副反射鏡５２の楕円面上の点である。

次に、副反射鏡５２の楕円面上の点Ｓで反射した光線が、鏡軸５５および補助反射鏡５３と交差する点を、それぞれＦｓおよびＤとする。すなわち、点Ｆｓは、副反射鏡５２の楕円面の他方の焦点であり、かつ補助反射鏡５３の双曲面の一方の焦点である。また、点Ｄは、補助反射鏡５３の双曲面上の点である。また、点Ｓを通る楕円面の焦点は、点ＦおよびＦｓとなり、点Ｄを通る双曲面の焦点は、点ＦｓおよびＦｄとなる。

ここで、主反射鏡５１の鏡軸５５と平行な光線が入射する主反射鏡５１の球面上の点Ｍの位置を変化させ、副反射鏡５２の楕円面上の点Ｓでの反射の条件、主反射鏡５１開口面から焦点Ｆｄまでの光路長一定の条件、および一次放射器５４からの放射パターンと要求する任意の主反射鏡５１開口面上の振幅分布とを規定する電力の条件を満たすように、副反射鏡５２を楕円面上の点Ｓに関する楕円面群の包絡面とし、補助反射鏡５３を双曲面上の点Ｄに関する双曲面群の包絡面としている。

続いて、図３、４を参照しながら、図２に示した球面鏡アンテナ１００の補助反射鏡５３および一次放射器５４からなる反射鏡系を、図１に示した球面鏡アンテナ１０の補助レンズ３および一次放射器４からなるレンズ系に置き換える手順について説明する。図３は、図２に示した球面鏡アンテナ１００の反射鏡系を抜粋して示す概略構成図であり、図４は、図１に示した球面鏡アンテナ１０のレンズ系を抜粋して示す概略構成図である。

図３において、一次放射器５４の位相中心Ｆｄから、鏡軸５５であるＺｄ軸とのなす角がθである光線が、補助反射鏡５３上の点Ｄで反射して、開口面と点Ａ（Ｘａ，０）で交差するとする。なお、開口面は、位相中心Ｆｄを含み、鏡軸５５であるＺｄ軸と垂直な面とする。

ここで、球面鏡アンテナ１００の設計により、角度θに対するＸｄ軸上の座標Ｘａ、および光路長｜ＦｄＤＡ｜が決定されている。また、角度θが零である場合、補助反射鏡５３上の点Ｄで反射した光線は、開口面において位相中心Ｆｄと交差する。この角度θが零である場合を初期値として与え、この光線を基準として、角度θに対する図１に示した補助レンズ３の形状が算出される。

図４において、補助レンズ３の左側に一次放射器４が配置される。このとき、一次放射器４の位相中心をＦｐとし、位相中心Ｆｐから、鏡軸５であるＺｄ軸とのなす角がθである光線が、補助レンズ３の点Ｃ、Ｂで屈折して、最終的に開口面と点Ａ（Ｘａ，０）に向かうものとする。

この場合に、反射鏡系からレンズ系への置き換え条件は、以下の（１）〜（３）のようになる。
（１）図３において点Ｄから点Ａに向かう光線の傾きと、図４において点Ｂから点Ａに向かう光線の傾きとを互いに等しくする。
（２）図３における光路長｜ＦｄＤＡ｜と、図４における光路長｜ＦｐＣＢＡ｜とを互いに等しくする。
（３）図４において、補助レンズ３で屈折して点Ｂから放射された光線が、開口面と点Ａ（Ｘａ，０）で交差する。

特許文献２に記載された補助反射鏡５３を備えた球面鏡アンテナ１００では、副反射鏡５２と補助反射鏡５３との間に一次放射器５４が配置する必要があるので、一次放射器５４がブロッキングとなる。また、一次放射器５４への給電線路も同様にブロッキングとなる。これに対して、補助レンズ３を備えたこの発明の実施の形態１に係る球面鏡アンテナ１０では、補助レンズ３の背面に一次放射器４が配置されるので、特許文献２に記載された球面鏡アンテナ１００と同様の効果を得ながらも、ブロッキングを回避することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、補助レンズは、一次放射器の位相中心から補助反射鏡までの光路長と、一次放射器の位相中心から補助レンズまでの光路長とが等しく、補助反射鏡から一次放射器の開口面に向かう光線と、補助レンズで屈折して放射され開口面に向かう光線とが、等しい傾きでかつ開口面において同一の位置で交差するように配置され、一次放射器は、補助レンズの反副反射鏡側に配置されている。
そのため、一次放射器によるブロッキングを回避することができる球面鏡アンテナを得ることができる。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２に係る球面鏡アンテナ１０Ａを示す概略構成図である。図５において、球面鏡アンテナ１０Ａは、図１に示した一次放射器４に加えて、２枚の平面鏡６ａ、６ｂおよび２枚の二次鏡面７ａ、７ｂからなる集束ビーム給電系を備えたものである。

ここで、図５において、主反射鏡１の鏡軸５と平行な入射光線が、主反射鏡１で反射して副反射鏡２に入射し、副反射鏡２で反射した光線が補助レンズ３に入射し、補助レンズ３で屈折した光線が、平面鏡６ａ、２枚の二次鏡面７ａ、７ｂ、平面鏡６ｂの順に反射して、一次放射器４の位相中心に集束する。

集束ビーム給電系は、例えば、主反射鏡が大きな地球局アンテナに適している。一般的に、大規模な主反射鏡では、パネル分割して１枚の鏡面を製作する。主反射鏡が放物面（パラボラ面）である場合、周方向に対称な形状となるが、径方向にパネル分割した場合には、パネル毎に異なる形状となり、複数の型を用意する必要がある。このとき、主反射鏡が球面鏡であれば、１種類の六角形鏡面パネルで大型鏡面を形成することができる。

実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３に係る球面鏡アンテナ１０Ｂを示す概略構成図である。図６において、球面鏡アンテナ１０Ｂは、図１に示した補助レンズ３に代えて、２枚の平面鏡６ａ、６ｂおよび２枚の修整鏡面８ａ、８ｂからなる集束ビーム給電系を備えたものである。ここでは、図５に示した二次鏡面７ａ、７ｂを修整鏡面８ａ、８ｂとすることにより、補助レンズ３を省略している。

ここで、図６において、主反射鏡１の鏡軸５と平行な入射光線が、主反射鏡１で反射して副反射鏡２に入射し、副反射鏡２で反射した光線が、平面鏡６ａ、２枚の修整鏡面８ａ、８ｂ、平面鏡６ｂの順に反射して、一次放射器４の位相中心に集束する。

実施の形態２に示した集束ビーム給電系の二次鏡面７ａ、７ｂを修整鏡面８ａ、８ｂにすることにより、補助レンズ３と同等の機能を得ることができる。このとき、修整鏡面８ａ、８ｂは、実施の形態１における補助レンズ３の設計と同様に、集束ビーム給電系から副反射鏡２に入射する光線を、実施の形態１、２と等価になるように設計する。

また、上記実施の形態１、２では、球面鏡アンテナの一部にレンズが使用されているので、光線がレンズを透過する際に損失が生じる。この実施の形態３では、レンズを使用しないので、低損失な球面鏡アンテナを構成することができる。

１主反射鏡、２副反射鏡、３補助レンズ、４一次放射器、５鏡軸、６ａ、６ｂ平面鏡、７ａ、７ｂ二次鏡面、８ａ、８ｂ修整鏡面、１０、１０Ａ、１０Ｂ球面鏡アンテナ。

Claims

球面鏡である主反射鏡の鏡軸と平行な入射光線が、前記主反射鏡で反射して副反射鏡に入射し、前記副反射鏡で反射した光線が補助レンズに入射し、前記補助レンズで屈折した光線が一次放射器の位相中心に集束する球面鏡アンテナであって、
前記補助レンズを補助反射鏡とした場合に、
前記副反射鏡は、鏡面上の位置により離心率が異なる楕円面群または双曲面群をなし、前記補助反射鏡は、鏡面上の位置により離心率が異なる双曲面群または楕円面群をなし、前記主反射鏡の鏡軸上の焦点群と前記副反射鏡の楕円面群または双曲面群の一方の焦点群とを一致させ、前記副反射鏡の楕円面群または双曲面群の他方の焦点群と前記補助反射鏡の双曲面群または楕円面群の一方の焦点群とを一致させ、前記補助反射鏡の双曲面群または楕円面群の他方の焦点群と前記一次放射器の位相中心とを一致させ、
前記副反射鏡の楕円面群または双曲面群の包絡面および前記補助反射鏡の双曲面群または楕円面群の包絡面を、要求する任意の入射光線の振幅分布が得られるように選択し、
前記補助レンズを、
前記一次放射器の位相中心から前記補助反射鏡までの光路長と、前記一次放射器の位相中心から前記補助レンズまでの光路長とが等しく、
前記補助反射鏡から前記一次放射器の開口面に向かう光線と、前記補助レンズで屈折して放射され前記開口面に向かう光線とが、等しい傾きでかつ前記開口面において同一の位置で交差するように配置し、
前記一次放射器を、前記補助レンズの反副反射鏡側に配置した
ことを特徴とする球面鏡アンテナ。
２枚の平面鏡および２枚の二次鏡面からなる集束ビーム給電系をさらに備え、前記補助レンズで屈折した光線が、前記平面鏡、前記二次鏡面、前記二次鏡面、前記平面鏡の順に反射して、前記一次放射器の位相中心に集束することを特徴とする請求項１に記載の球面鏡アンテナ。
前記補助レンズに代えて、２枚の平面鏡および２枚の修整鏡面からなる集束ビーム給電系をさらに備え、前記副反射鏡で反射した光線が、前記平面鏡、前記修整鏡面、前記修整鏡面、前記平面鏡の順に反射して、前記一次放射器の位相中心に集束するように、前記２枚の修整鏡面を修整したことを特徴とする請求項１に記載の球面鏡アンテナ。