JP2015231203A - 反射鏡アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反射鏡開口分布を矩形状の一様な分布にすることができ、かつスピルオーバを低減することができる反射鏡アンテナ装置を提供する。
【解決手段】一時放射器１の開口部２と対向するようにして、矩形の鏡面４を有する反射鏡３が配置されている。一次放射器１の開口部２の電磁波の分布（放射器開口分布）は、反射鏡３の鏡面４上の電磁波の分布（反射鏡開口分布）のフーリエ変換であるいわゆる「ｓｉｎｃ関数」状の分布に設定されている。これにより、矩形の鏡面４上で電磁波の振幅及び位相がともに一様となり、スピルオーバを抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置に関するものであり、特に反射鏡アンテナ装置に関する。

従来、電磁波を放射する一次放射器と、一次放射器に対向して配置され、電磁波を反射する反射鏡とを有する反射鏡アンテナが用いられている。反射鏡アンテナの一次放射器には、逆錐台形状のホーンを有するホーンアンテナが用いられている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

特許文献１のホーンアンテナは、断面が四角形状のホーン（いわゆる「角錐ホーン」）の内面部の四隅に切り欠きを設けることで、開口部から放射する電磁波のパターン（以下「放射パターン」と記す）をホーンの管軸に対して軸対称なパターンに近づけて、軸対称性を改善している。特許文献２のホーンアンテナは、角錐ホーンの内面部の四隅にコルゲート状の凹凸を設けることで、放射パターンをホーンの管軸に対して軸対称なパターンに近づけて、軸対称性を改善している。

特開昭５５−１４５４０２号公報 特開昭５６−１６５４０３号公報

人工衛星に搭載する反射鏡アンテナは、人工衛星に搭載するための条件を満たし、かつアンテナの開口面積を最大限活用するために、矩形の外形形状の鏡面を有する反射鏡を用いている。この反射鏡に電磁波を効率よく照射するためには、反射鏡の鏡面上の電磁波の分布（以下「反射鏡開口分布」と記す）を矩形状の一様な分布に近づけるとともに、一次放射器が反射鏡の外部に向けて放射する電磁波、いわゆる「スピルオーバ」を低減することが重要となる。

断面が円形状のホーン（いわゆる「円錐ホーン」）を用いた一次放射器は、放射パターンがホーンの管軸に対して軸対称なパターンとなり、一次放射器の開口部の電磁波の分布（以下「放射器開口分布」と記す）が円形状の分布になるようにしている。すなわち、スピルオーバは抑制できるが、反射鏡開口分布が矩形状の分布にならず、鏡面の四隅部で電磁波の振幅分布の強度が弱くなる課題があった。

通常の角錐ホーンを用いた一次放射器は、放射器開口分布が矩形状に近い分布となるが、開口部で電磁波の電界に沿う面（いわゆる「Ｅ面」）に沿って不要な電磁波が放射されて、放射パターンにいわゆる「サイドローブ」が生じる。このため、スピルオーバが大きくなる課題があった。

特許文献１の角錐ホーンを用いた一次放射器は、内面部の四隅に切り欠きを設けることで放射パターンの軸対称性を改善している。しかしながら、この切り欠きにより放射器開口分布が矩形状の分布にならない課題があった。また、特許文献２の角錐ホーンを用いた一次放射器は、内面部の四隅にコルゲート状の凹凸を設けることで放射パターンの軸対称性を改善している。しかしながら、この凹凸により放射器開口分布が矩形状の分布にならない課題があった。

本発明は、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、反射鏡開口分布を矩形状の一様な分布にすることができ、かつスピルオーバを低減することができる反射鏡アンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明の反射鏡アンテナ装置は、矩形の外形形状を有する鏡面と、鏡面に対向して配置された一次放射器とを具備し、一次放射器から放射した電磁波を鏡面で反射させる反射鏡アンテナ装置において、一次放射器は、鏡面上で電磁波の振幅及び位相が一様な分布となるように鏡面の反射鏡開口分布をフーリエ変換した放射器開口分布に設定したものである。

本発明の反射鏡アンテナ装置は、反射鏡開口分布を矩形状の一様な分布にすることができ、かつスピルオーバを低減することができる。

本発明の実施の形態１の反射鏡アンテナ装置の構成を示す説明図である。 本発明の実施の形態１の一次放射器の開口部の振幅分布を示す説明図である。 本発明の実施の形態１の一次放射器の開口部の位相分布を示す説明図である。 本発明の実施の形態２の一次放射器の構成を示す説明図である。 本発明の実施の形態２の反射鏡アンテナ装置の構成を示す説明図である。 本発明の実施の形態３の一次放射器の構成を示す説明図である。 本発明の実施の形態３の反射鏡アンテナ装置の構成を示す説明図である。 本発明の実施の形態４の一次放射器の構成を示す説明図である。 本発明の実施の形態４の反射鏡アンテナ装置の構成を示す説明図である。 本発明の実施の形態５の一次放射器の構成を示す説明図である。 本発明の実施の形態５の反射鏡アンテナ装置の構成を示す説明図である。

実施の形態１．
図１〜図３を参照して、本発明の実施の形態１の反射鏡アンテナ装置について説明する。
図中、１は一次放射器である。一次放射器１は、例えば、逆錐台形状のホーンを有する複数のアンテナ素子を所定の間隔で配列したアレーアンテナにより構成されている。一次放射器１は、開口部２から電磁波を放射するものである。

一次放射器１の開口部２と対向するようにして、反射鏡３が配置されている。反射鏡３は、矩形の外形形状の鏡面４を有しており、一次放射器１の開口部２から照射された電磁波を所定の方向に反射するものである。一次放射器１及び反射鏡３により、反射鏡アンテナ装置１００が構成されている。

ここで、理想的な一次放射器１の開口部２の電磁波の分布（放射器開口分布）は、矩形の鏡面４上で電磁波の振幅及び位相がともに一様となる関数である。このため、一次放射器１の放射器開口分布は、反射鏡３の鏡面４上の電磁波の分布（反射鏡開口分布）のフーリエ変換であるいわゆる「ｓｉｎｃ関数」状の分布となる。すなわち、一次放射器１の開口部２の電磁波の振幅分布は、ｓｉｎｃ関数状の分布に設定されている。また、一次放射器１の開口部２の電磁波の位相分布は、矩形状の概ね一様な分布を有する分布に設定されている。

図２は、一次放射器１の開口部２の電磁波の振幅分布を示している。図中、Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ線で囲まれた矩形Ｉは、鏡面４に対応する矩形状の領域、すなわち放射した電磁波が鏡面４に照射される領域を示している。図２に示す如く、矩形Ｉの内部の振幅分布は、中心部Ｏの振幅が約−２０デシベル（ｄＢ）で最も大きく、かつ中心部ＯからＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ線に近づくにつれて次第に（すなわちｓｉｎｃ関数状に）振幅が小さくなっている。また、矩形Ｉの４辺の外側には、中心部Ｏよりも振幅が１５ｄＢ程度小さい領域ＩＩが形成されている。

図３は、一次放射器１の開口部２の電磁波の位相分布を示している。図中、Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ線で囲まれた矩形Ｉは、鏡面４に対応する矩形状の領域を示している。図３に示す如く、矩形Ｉの内部の領域ＩＩＩの位相分布は、概ね一様な分布になっている。また、領域ＩＩＩの位相に対して、矩形Ｉの四辺の外側の領域ＩＶの位相が概ね逆位相となっている。

一次放射器１は、アンテナ素子間の間隔が十分に小さくなっている。また、各アンテナ素子の開口部の振幅分布は図２に示す分布をサンプリングした分布に各々設定されており、各アンテナ素子の開口部の位相分布は図３に示す分布をサンプリングした分布に各々設定されている。これにより、有限の開口径を有する一次放射器１を用いて、無限の開口径を有する理想的な一次放射器と同様に、一次放射器１の放射器開口分布を図２及び図３に示す分布にすることができる。

次に、図１〜図３を参照して、反射鏡アンテナ装置１００の動作について説明する。
まず、一次放射器１が開口部２から電磁波を放射する。次いで、反射鏡３が、鏡面４に照射された電磁波を所定の方向に反射する。

このとき、一次放射器１の開口部２の電磁波の振幅分布が図２に示す分布であるため、鏡面４上の電磁波の振幅分布は矩形状の一様な分布となる。また、一次放射器１の開口部２の電磁波の位相分布が図３に示す分布であるため、鏡面４上の電磁波の位相分布は矩形状の一様な分布となる。すなわち、矩形の鏡面４上で電磁波の振幅及び位相がともに一様となり、スピルオーバを抑制することができる。

なお、反射鏡アンテナ装置１００は、いわゆる「アンテナの可逆定理」により、電磁波を受信する場合も同様に動作する。すなわち、矩形の鏡面４上に一様な分布で照射された電磁波は、一次放射器１に向けて反射される。このとき、一次放射器１の放射器開口分布は図２及び図３に示す分布となる。

以上のように、この実施の形態１の反射鏡アンテナ装置１００は、一次放射器１の放射器開口分布が図２及び図３に示す分布に設定されているので、反射鏡３の反射鏡開口分布を矩形状の一様な分布とすることができ、かつスピルオーバを抑制することができる。この結果、一次放射器１から矩形の鏡面４に電磁波を効率よく照射することができる。

実施の形態２．
図４及び図５を参照して、一次放射器に円錐ホーンを用いた反射鏡アンテナ装置について説明する。なお、図１に示す実施の形態１の反射鏡アンテナ装置１００と同様の構成部材には同一符号を付して説明を省略する。

図中、５は円錐ホーンである。円錐ホーン５のホーン開口部６には、断面が方形状の主キャビティ（方形キャビティ）７が設けられている。主キャビティ７は、ホーン開口部６と連通した中空部を有しており、円錐ホーン５と電磁気的に結合する結合孔からなる結合部８が形成されている。

主キャビティ７の側部に隣接して、断面が方形状の２つの補助キャビティ９，１０が設けられている。補助キャビティ９，１０は、ホーン開口部６と連通した中空部を有しており、円錐ホーン５と電磁気的に結合する結合孔からなる結合部１１，１２が形成されている。主キャビティ７及び補助キャビティ９，１０によって、一次放射器開口部が構成されている。

円錐ホーン５の管軸方向に沿う主キャビティ７の長さＬは、放射する電磁波の４分の１波長と同等の長さになっている。２つの補助キャビティ９，１０は、放射する電磁波の電界に沿う面であるＥ面内に対称となるように配置されている。補助キャビティ９，１０は、主キャビティ７から放射する電磁波に対して逆位相の電磁波を放射するように設定されている。このようにして、一次放射器２００が構成されている。

図５に示す如く、一次放射器２００の一次放射器開口部と対向するようにして、矩形の鏡面４を有する反射鏡３が配置されている。一次放射器２００及び反射鏡３によって、反射鏡アンテナ装置１０１が構成されている。

図４に示す如く、主キャビティ７の断面が方形状であるため、一次放射器開口部の形状は図中Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｈ線で囲まれた矩形Ｖに近い形状となっている。一次放射器開口部の電磁波の振幅分布が、図２に示すｓｉｎｃ関数状の分布に近い分布となるように、主キャビティ７の寸法が設定されている。

次に、図４及び図５を参照して、反射鏡アンテナ装置１０１の動作について、一次放射器２００の動作を中心に説明する。
円錐ホーン５内を伝搬してホーン開口部６に到達した電磁波は、結合部８を介して主キャビティ７から放射される。また、ホーン開口部６に到達した電磁波は、結合部１１，１２を介して補助キャビティ９，１０から放射される。このとき、補助キャビティ９，１０は、主キャビティ７から放射する電磁波に対して逆位相の電磁波を放射する。

一次放射器開口部の形状が矩形Ｖに近い形状となっているため、一次放射器２００の一次放射器開口部の電磁波の分布である放射器開口分布は概ね矩形状の分布となり、反射鏡３の鏡面４上の電磁波の分布である反射鏡開口分布も概ね矩形状の分布となる。また、Ｅ面内に対称に配置した補助キャビティ９，１０が主キャビティ７とは逆位相の電磁波を放射することにより、Ｅ面に沿って生じる不要なサイドローブを抑制することができる。

また、主キャビティ７の長さＬが長いと、主キャビティ７内で電磁波のモードが方形導波管のモードに変換されて、一次放射器２００の放射器開口分布が角錐ホーンの開口分布と同じ分布になる。一方、長さＬが短いと、一次放射器２００の放射器開口分布が円錐ホーン５の開口分布と同じ分布になる。これに対し、一次放射器２００は、主キャビティ７の長さＬが、放射する電磁波の４分の１波長と同等の長さに設定されている。これにより、一次放射器開口部の電磁波の振幅分布は円錐ホーンや角錐ホーンの開口部の振幅分布にはならず、図２に示すｓｉｎｃ関数状の分布となる。

さらに、補助キャビティ９，１０の断面が方形状になっているため、一次放射器開口部を含む一次放射器２００の製造が容易になる。

以上のように、この実施の形態２の反射鏡アンテナ装置１０１は、一次放射器２００が円錐ホーン５を有しており、ホーン開口部６に断面が方形状の主キャビティ７を設けている。一次放射器開口部の電磁波の振幅分布が図２に示すｓｉｎｃ関数状の分布に近づくように、主キャビティ７の寸法が設定されている。これにより、反射鏡３の反射鏡開口分布を矩形状の一様な分布にすることができ、かつスピルオーバを抑制することができる。この結果、一次放射器２００から矩形の鏡面４に電磁波を効率よく照射することができる。

実施の形態３．
図６及び図７を参照して、一次放射器に円弧状の補助キャビティを設けた反射鏡アンテナ装置について説明する。なお、図４及び図５に示す実施の形態２の反射鏡アンテナ装置１０１と同様の構成部材には同一符号を付して説明を省略する。

主キャビティ７の側部に隣接して、断面が円弧状の２つの補助キャビティ９ａ，１０ａが設けられている。補助キャビティ９ａ，１０ａは、ホーン開口部６と連通した中空部を有しており、円錐ホーン５と電磁気的に結合する結合孔からなる結合部１１，１２が形成されている。主キャビティ７及び補助キャビティ９ａ，１０ａによって、一次放射器開口部が構成されている。

２つの補助キャビティ９ａ，１０ａは、放射する電磁波の電界に沿う面であるＥ面内に対称に配置されている。補助キャビティ９ａ，１０ａは、主キャビティ７が放射する電磁波に対して逆位相の電磁波を放射するように設定されている。このようにして、一次放射器２０１が構成されている。

図７に示す如く、一次放射器２０１の一次放射器開口部と対向して、矩形の鏡面４を有する反射鏡３が配置されている。一次放射器２０１及び反射鏡３によって、反射鏡アンテナ装置１０２が構成されている。

一次放射器２０１は、実施の形態２の一次放射器２００と同様に以下のとおり動作する。
すなわち、円錐ホーン５内を伝搬してホーン開口部６に到達した電磁波は、結合部８を介して主キャビティ７から放射される。また、ホーン開口部６に到達した電磁波は、結合部１１，１２を介して補助キャビティ９ａ，１０ａから放射される。このとき、補助キャビティ９ａ，１０ａは、主キャビティ７から放射する電磁波に対して逆位相の電磁波を放射する。

補助キャビティ９ａ，１０ａの断面が円弧状であるため、一次放射器開口部の電磁波の振幅分布が図２に示すｓｉｎｃ関数状の分布により近い分布となる。これにより、反射鏡３の鏡面４上の電磁波の分布である反射鏡開口分布を矩形状の一様な分布にしやすくなり、スピルオーバを抑制しやすくなる。

実施の形態４．
図８及び図９を参照して、一次放射器に断面が楕円形状のホーン（いわゆる「楕円錐ホーン」）を用いた反射鏡アンテナ装置について説明する。なお、図４及び図５に示す実施の形態２の反射鏡アンテナ装置１０１と同様の構成部材には同一符号を付して説明を省略する。

図中、５ａは楕円錐ホーンである。楕円錐ホーン５ａのホーン開口部６には、断面が方形状の主キャビティ７が設けられている。主キャビティ７の側部に隣接して、２つの補助キャビティ９，１０が設けられている。主キャビティ７及び補助キャビティ９，１０によって、一次放射器開口部が構成されている。このようにして、一次放射器２０２が構成されている。

図９に示す如く、一次放射器２０２の一次放射器開口部と対向して、矩形の鏡面４を有する反射鏡３が配置されている。一次放射器２０２及び反射鏡３によって、反射鏡アンテナ装置１０３が構成されている。

一次放射器２０２は、実施の形態２の一次放射器２００と同様に以下のとおり動作する。
すなわち、楕円錐ホーン５ａ内を伝搬してホーン開口部６に到達した電磁波は、結合部８を介して主キャビティ７から放射される。また、ホーン開口部６に到達した電磁波は、結合部１１，１２を介して補助キャビティ９，１０から放射される。このとき、補助キャビティ９，１０は、主キャビティ７から放射する電磁波に対して逆位相の電磁波を放射する。

楕円錐ホーン５ａの断面が楕円形状であるため、放射する電磁波の電界に沿う面であるＥ面のビーム幅と、磁界に沿う面であるＨ面のビーム幅とを揃えることができる。また、一次放射器２０２の設計パラメータが多くなるため、一次放射器開口部の電磁波の振幅分布を図２に示すｓｉｎｃ関数状の分布により近づけることができる。

なお、図８に示す方形状の補助キャビティ９，１０に代えて、図６に示す円弧状の補助キャビティ９ａ，１０ａを設けたものとしても良い。

実施の形態５．
図１０及び図１１を参照して、一次放射器に角錐ホーンを用いた反射鏡アンテナ装置について説明する。なお、図４及び図５に示す実施の形態２の反射鏡アンテナ装置１０１と同様の構成部材には同一符号を付して説明を省略する。

図中、５ｂは角錐ホーンである。角錐ホーン５ｂのホーン開口部６には、断面が方形状の主キャビティ７が設けられている。主キャビティ７の側部に隣接して、２つの補助キャビティ９，１０が設けられている。主キャビティ７及び補助キャビティ９，１０によって、一次放射器開口部が構成されている。このようにして、一次放射器２０３が構成されている。

図１１に示す如く、一次放射器２０３の一次放射器開口部と対向して、矩形の鏡面４を有する反射鏡３が配置されている。一次放射器２０３及び反射鏡３によって、反射鏡アンテナ装置１０４が構成されている。

一次放射器２０３は、実施の形態２の一次放射器２００と同様に以下のとおり動作する。
すなわち、角錐ホーン５ｂ内を伝搬してホーン開口部６に到達した電磁波は、結合部８を介して主キャビティ７から放射される。また、ホーン開口部６に到達した電磁波は、結合部１１，１２を介して補助キャビティ９，１０から放射される。このとき、補助キャビティ９，１０は、主キャビティ７から放射する電磁波に対して逆位相の電磁波を放射する。

このとき、一次放射器開口部の電磁波の振幅分布が図２に示すｓｉｎｃ関数状の分布に近づくように、主キャビティ７の寸法が設定されている。これにより、反射鏡３の反射鏡開口分布を矩形状の一様な分布にすることができ、かつサイドローブを抑制してスピルオーバを抑制することができる。この結果、一次放射器２０３から矩形の鏡面４に電磁波を効率よく照射することができる。

なお、図１０に示す方形状の補助キャビティ９，１０に代えて、図６に示す円弧状の補助キャビティ９ａ，１０ａを設けたものとしても良い。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 一次放射器、２ 開口部、３ 反射鏡、４ 鏡面、５ 円錐ホーン、５ａ 楕円錐ホーン、５ｂ 角錐ホーン、６ ホーン開口部、７ 主キャビティ（方形キャビティ）、８ 結合部、９，９ａ，１０，１０ａ 補助キャビティ、１１，１２ 結合部、１００，１０１，１０２，１０３，１０４ 反射鏡アンテナ装置、２００，２０１，２０２，２０３ 一次放射器。

Claims (8)

1. 矩形の外形形状を有する鏡面と、前記鏡面に対向して配置された一次放射器とを具備し、前記一次放射器から放射した電磁波を前記鏡面で反射させる反射鏡アンテナ装置において、
   前記一次放射器は、前記鏡面上で前記電磁波の振幅及び位相が一様な分布となるように前記鏡面の反射鏡開口分布をフーリエ変換した放射器開口分布に設定した
   ことを特徴とする反射鏡アンテナ装置。
2. 前記一次放射器は、
   逆錐台形状のホーンの開口部に方形キャビティを設置し、
   前記電磁波の電界に平行な面内に対称となるように、前記方形キャビティに隣接した２つの補助キャビティを設置し、
   前記方形キャビティ及び前記補助キャビティと前記ホーンとの間に結合部を形成した
   ことを特徴とする請求項１記載の反射鏡アンテナ装置。
3. 前記補助キャビティの形状を方形状にしたことを特徴とする請求項２記載の反射鏡アンテナ装置。
4. 前記補助キャビティの形状を円弧状にしたことを特徴とする請求項２記載の反射鏡アンテナ装置。
5. 前記ホーンの管軸方向に沿う前記方形キャビティの長さを前記電磁波の４分の１波長の長さにしたことを特徴とする請求項２から請求項４のうちのいずれか１項記載の反射鏡アンテナ装置。
6. 前記ホーンは、円錐ホーンで構成したことを特徴とする請求項２から請求項５のうちのいずれか１項記載の反射鏡アンテナ装置。
7. 前記ホーンは、楕円錐ホーンで構成したことを特徴とする請求項２から請求項５のうちのいずれか１項記載の反射鏡アンテナ装置。
8. 前記ホーンは、角錐ホーンで構成したことを特徴とする請求項２から請求項５のうちのいずれか１項記載の反射鏡アンテナ装置。

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