JP2018137743A - リフレクトアレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】放物曲面状の反射板を用いる場合よりも、動作時の信頼性を高めることができるとともに、必要な反射板の枚数を削減することができるようにする。【解決手段】反射板２が平板状の誘電体３と、電磁波の反射位相を調整する複数の共振素子４とを備えており、一次放射器１の鏡像の位置１２と反射板２の中心点１３とを結ぶ線分１４と、反射板２の中心点１３を通る水平面１５とのなす角度θが、一次放射器１から放射される電磁波の複数の中心周波数及び反射板２の開口径Ｄから決定され、一次放射器１が、決定された角度θを満たす位置１１に設置されている。【選択図】図２

Description

この発明は、一次放射器と反射板を備えるリフレクトアレーアンテナに関するものである。

近年、カバレッジ範囲内を高利得な複数のスポットビームで覆うことで、高速な通信を可能とするマルチビームアンテナが注目されている。
人工衛星搭載用のマルチビームアンテナとして、１つの一次放射器で１つのビームを形成するＳＦＰＢ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｆｅｅｄ Ｐｅｒ Ｂｅａｍ）方式と、複数の一次放射器で１つのビームを形成するＭＦＰＢ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｆｅｅｄ Ｐｅｒ Ｂｅａｍ）方式とが知られている。

ＳＦＰＢ方式では、例えば、搭載する反射板が１枚の場合、高能率な複数のビームを密に配置しようとすると、一次放射器が物理的に干渉してしまうため実現が困難である。そのため、複数の反射板を搭載することで、隣接するビームを異なる反射板で形成する必要がある。
例えば、２つの周波数と２つの偏波を組み合わせることで、４種類のビームを形成する場合、４つの反射板を人工衛星などに搭載する必要がある。

以下の非特許文献１には、放物曲面状の反射板の表面に矩形のパッチ型共振素子を配列しているリフレクトアレーアンテナを用いることで、必要な反射板の枚数を削減しているマルチビームアンテナが開示されている。
このリフレクトアレーアンテナを用いる場合、３つの反射板を搭載すれば、４種類のビームを形成することができる。

Min Zhou，Stig B. Sorensen，and Hans-Henrik Viskum，"Multiple Spot Beam Reflectarrays for High Throughput Satellite Applications,"Antennas and Propagation Society International Symposium（APSURSI），2016 IEEE.，pp. 1213-1214，July. 2016.

従来のリフレクトアレーアンテナが備える反射板は、形状が放物曲面状であるため、製造が難しく、設計通りに製造することが困難である。このため、動作時の信頼性が低くなってしまうという課題があった。

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、放物曲面状の反射板を用いる場合よりも、動作時の信頼性を高めることができるとともに、必要な反射板の枚数を削減することができるリフレクトアレーアンテナを得ることを目的とする。

この発明に係るリフレクトアレーアンテナは、中心周波数が異なる複数の電磁波を放射する一次放射器と、一次放射器から放射された電磁波を反射する反射板とを備え、反射板が、平板状の誘電体と、誘電体における２つの平面のうち、一次放射器から放射される電磁波が照射される側の平面に設けられ、その電磁波の反射位相を調整する複数の共振素子と、誘電体における２つの平面のうち、一次放射器から電磁波が照射されない側の平面に設けられている金属板とを備え、一次放射器の鏡像の位置と反射板の中心点とを結ぶ線分と、反射板の中心点を通る水平面とのなす角度が、一次放射器から放射される電磁波の複数の中心周波数及び反射板の開口径から決定され、一次放射器が、決定された角度を満たす位置に設置されているようにしたものである。

この発明によれば、反射板が、平板状の誘電体と、誘電体における２つの平面のうち、一次放射器から放射される電磁波が照射される側の平面に設けられ、その電磁波の反射位相を調整する複数の共振素子と、誘電体における２つの平面のうち、一次放射器から電磁波が照射されない側の平面に設けられている金属板とを備え、一次放射器の鏡像の位置と反射板の中心点とを結ぶ線分と、反射板の中心点を通る水平面とのなす角度が、一次放射器から放射される電磁波の複数の中心周波数及び反射板の開口径から決定され、一次放射器が、決定された角度を満たす位置に設置されているように構成したので、放物曲面状の反射板を用いる場合よりも、動作時の信頼性を高めることができるとともに、必要な反射板の枚数を削減することができる効果がある。

この発明の実施の形態１によるリフレクトアレーアンテナを示す構成図である。 図１のリフレクトアレーアンテナにおける一次放射器１と反射板２の配置関係を示す説明図である。 誘電体３の平面３ａに貼り付けられているパッチ型の共振素子４の一例を示す説明図である。 誘電体３の平面３ａに貼り付けられているパッチ型の共振素子４の一例を示す説明図である。 誘電体３の平面３ａに貼り付けられているパッチ型の共振素子４の一例を示す説明図である。 発生するビームシフトΔθを示す説明図である。 電力半値幅θ_３が１０［ｄｅｇ．］である場合のアンテナの放射パターンを示す説明図である。 電力半値幅θ_３が０．１［ｄｅｇ．］である場合のアンテナの放射パターンを示す説明図である。 一次放射器１が設置されている位置１１と反射板２の中心点１３との距離Ｒを示す説明図である。 周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂの電磁波によるビームの反射方向のシミュレーション結果を示す説明図である。 ４種類のビームの一例を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による他のリフレクトアレーアンテナを示す構成図である。 この発明の実施の形態２によるリフレクトアレーアンテナを示す構成図である。 誘電体３の平面３ａに施されているスロット型の共振素子３２の一例を示す説明図である。 誘電体３の平面３ａに施されているスロット型の共振素子３２の一例を示す説明図である。 誘電体３の平面３ａに施されているスロット型の共振素子３２の一例を示す説明図である。 この発明の実施の形態３によるリフレクトアレーアンテナを示す構成図である。 この発明の実施の形態３によるリフレクトアレーアンテナが備える５つの一次放射器１０−１〜１−５の開口部４０−１〜４０−５の配置を示す説明図である。 この実施の形態３によるリフレクトアレーアンテナによって、所望のサービスエリアをカバーするために形成される複数のビームの配置を示す説明図である。 ビーム（２）の周辺を拡大したビーム配置を示す説明図である。 ビーム（２）の周辺を拡大したビーム配置を示す説明図である。 図１９及び図２０に示すカット面７１における利得の周波数特性を示す説明図である。 図１９に示すカット面７２の詳細を示す説明図である。 図１９に示す実施の形態３のビーム配置との比較対象のビーム配置を示す説明図である。 ビーム９１〜９４の周辺の詳細を示す説明図である。 図１９に示す実施の形態３のビーム配置との比較対象のビーム配置を示す説明図である。 ビーム１０１〜１０３の周辺の詳細を示す説明図である。 マルチビームにおける隣り合うビームの間隔と、サービスエリア内の最大の利得低下量との関係をシミュレーションした結果を示す説明図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるリフレクトアレーアンテナを示す構成図であり、図２は図１のリフレクトアレーアンテナにおける一次放射器１と反射板２の配置関係を示す説明図である。
図１及び図２において、Ｘは仰角方向、Ｚは水平方向である。
一次放射器１は中心周波数が異なる複数の電磁波を放射する。
この実施の形態１では、一次放射器１は、周波数ｆ_Ａ（第１の周波数）の電磁波と、周波数ｆ_Ｂ（第２の周波数）の電磁波とを放射する例を説明する。周波数ｆ_Ａ＜周波数ｆ_Ｂであるとする。
また、この実施の形態１では、一次放射器１は、水平偏波と垂直偏波の電磁波を同時に放射する例を説明する。
したがって、この実施の形態１では、一次放射器１が、周波数ｆ_Ａの水平偏波、周波数ｆ_Ａの垂直偏波、周波数ｆ_Ｂの水平偏波及び周波数ｆ_Ｂの垂直偏波を空間に放射する。

反射板２は、誘電体３、共振素子４及び金属板５を備えており、一次放射器１から放射された電磁波を反射する。
誘電体３は平板状の誘電体である。
共振素子４は誘電体３における２つの平面３ａ，３ｂのうち、一次放射器１から放射される電磁波が照射される側の平面３ａに設けられ、その電磁波の反射位相を調整する金属板である。
図１及び図２は、誘電体３の平面３ａに共振素子４が貼り付けられているパッチ型の共振素子を例示している。この実施の形態１では、複数の共振素子４が２次元状に配置されている。
一次放射器１から反射板２に照射された電磁波は、所望の波面に対して収差を有する。
この収差は、反射板２の平面３ａにおける各々の位置での電磁波の反射位相を調整することで、補正することができる。電磁波の反射位相は、誘電体３の平面３ａに貼り付けられる共振素子４の寸法によって決定される。
金属板５は誘電体３における２つの平面３ａ，３ｂのうち、一次放射器１から放射される電磁波が照射されない側の平面３ｂに設けられている。

一次放射器１は位置１１に設置されており、位置１２は一次放射器１の鏡像の位置である。
１３は反射板２の中心点であり、反射板２の中心点１３は、誘電体３の平面３ａにおける中心の位置に存在する。反射板２の開口径はＤである。
この実施の形態１における一次放射器１と反射板２の配置関係は、以下の通りである。
一次放射器１の鏡像の位置１２と反射板２の中心点１３とを結ぶ線分１４と、反射板２の中心点１３を通る水平面１５とのなす角度θが、一次放射器１から放射される電磁波の複数の中心周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂ及び反射板２の開口径Ｄから決定され、一次放射器１は、角度θを満たす位置に設置されている。
図２の例では、共振素子４の実際の厚みは、極めて薄く、デフォルメして描かれている。また、反射板２の中心点１３が、１つの共振素子４の表面に存在しているように描かれているが、反射板２の中心点１３は、あくまでも、誘電体３の平面３ａにおける中心の位置である。

図３、図４及び図５は誘電体３の平面３ａに貼り付けられているパッチ型の共振素子４の一例を示す説明図である。
図３の共振素子４は、形状が矩形の共振素子であり、図４の共振素子４は、形状が十字形の共振素子である。
また、図５の共振素子４は、形状が楕円形の共振素子である。
一次放射器１から放射される垂直偏波の反射位相は、共振素子４における寸法ａ（縦寸法）によって決定され、一次放射器１から放射される水平偏波の反射位相は、共振素子４における寸法ｂ（横寸法）によって決定される。
したがって、共振素子４における寸法ａ，ｂを調整することで、垂直偏波の反射位相及び水平偏波の反射位相を調整することができる。
なお、図３、図４及び図５は、誘電体３の平面３ａを正面から見ている図であり、一例として、１つの共振素子４だけを図示しているが、実際には、誘電体３の平面３ａには複数の共振素子４が２次元状に配置されている。

次に動作について説明する。
この実施の形態１では、反射方向が異なる４種類のビームとして、周波数ｆ_Ａの水平偏波、周波数ｆ_Ａの垂直偏波、周波数ｆ_Ｂの水平偏波及び周波数ｆ_Ｂの垂直偏波を放射する例を説明する。

この実施の形態１では、図２に示すように、一次放射器１が、角度θを満たす位置に設置されている。
この場合、一次放射器１から放射される電磁波の波面は、図６に示すように、所望の波面２１に対して傾斜していることで生じる１次の収差２２と、一次放射器１から放射される電磁波が球面状に広がることで生じる２次の収差とを有する。２次の収差については、図６に示されていない。
図６は発生するビームシフトΔθを示す説明図である。
図６では、１次の収差２２が、所望の波面２１に対して角度θだけ傾斜している直線として描かれている。

以下、一次放射器１から放射される電磁波の周波数によって、電磁波の反射方向が異なることを説明する。
反射板２の開口径Ｄにおける仰角方向Ｘの下端の位置では、図６に示すように、１次の収差２２による経路長差Ｌは、以下の式（１）で表される。１次の収差２２による経路長差Ｌは、所望の波面２１の位置と、１次の収差２２の位置との間隔である。

このとき、反射板２の中心点１３において、周波数ｆ_Ａと周波数ｆ_Ｂの中心周波数ｆ_０における位相補正量φ_ｍｏｄは、以下の式（２）で表される。

式（２）において、λ_０は中心周波数ｆ_０の自由空間波長である。
式（３）において、λ_Ａは周波数ｆ_Ａの自由空間波長、λ_Ｂは周波数ｆ_Ｂの自由空間波長である。

一次放射器１から周波数ｆ_Ａの電磁波（水平偏波、垂直偏波）が放射されるとき、当該電磁波が補正される経路長Ｌ_ｍｏｄは、以下の式（４）で表される。

周波数ｆ_Ａの電磁波が反射板２に反射された後に残留する収差２３についての経路長をΔＬとすると、ΔＬは、以下の式（５）で表される。

周波数ｆ_Ａの電磁波については、この残留する収差２３についての経路長ΔＬによって、以下の式（６）で表されるビームシフトΔθが発生する。

また、一次放射器１から周波数ｆ_Ｂの電磁波（水平偏波、垂直偏波）が放射されるとき、当該電磁波が補正される経路長Ｌ_ｍｏｄは、以下の式（７）で表される。

周波数ｆ_Ｂの電磁波が反射板２に反射された後に残留する収差２３についての経路長ΔＬは、以下の式（８）で表される。

周波数ｆ_Ｂの電磁波については、この残留する収差２３についての経路長ΔＬによって、以下の式（９）で表されるビームシフトΔθが発生する。

式（６）及び式（９）と式（３）より、一次放射器１の設置角である角度θは、以下の式（１０）で表される。

この実施の形態１では、例えば、隣接するビーム同士が、最大の利得から３ｄＢ低下している利得に対応する角度である電力半値幅で重なるようにビームシフトΔθが決定されるものとする。
電力半値幅がθ_３であるとすると、ビームシフトΔθは、以下の式（１１）で表される。

また、電力半値幅θ_３は、以下の式（１２）に示すように、反射板２の開口面での振幅分布で決定される係数Ｋ、中心周波数ｆ_０の自由空間波長及び開口径Ｄによって決定される。

ここで、振幅分布で決定される係数Ｋは、一般的に６０〜７０が用いられる。
このため、Ｋ＝６０である場合の角度θをθの最小値、Ｋ＝７０である場合の角度θをθの最大値とすると、式（１）及び式（１０）〜（１２）より、角度θの範囲は、以下の式（１３）で表される。

式（１３）は、周波数ｆ_Ｂの電磁波によるビームが、周波数ｆ_Ａの電磁波によるビームよりも、仰角方向Ｘの正方向側（＋Ｘ側）に形成される例を示している。
周波数ｆ_Ｂの電磁波によるビームが、周波数ｆ_Ａの電磁波によるビームよりも、仰角方向Ｘの負方向側（−Ｘ側）に形成される場合、以下の式（１４）で表される。

ここでは、隣接するビーム同士が、最大の利得から３ｄＢ低下している利得に対応する電力半値幅θ_３で重なるようにビームシフトΔθが決定される例を示しているが、これに限るものではない。
したがって、隣接するビーム同士が、最大の利得から３ｄＢ低下している利得以外の利得に対応するビーム幅で重なるようにビームシフトΔθが決定されるものであってもよい。
図７は電力半値幅θ_３が１０［ｄｅｇ．］である場合のアンテナの放射パターンを示す説明図である。
図８は電力半値幅θ_３が０．１［ｄｅｇ．］である場合のアンテナの放射パターンを示す説明図である。
図７及び図８に示しているアンテナの放射パターンは、ｃｏｓ^ｎ（θ）で近似されており、ｎの値は、θ_３＝１０［ｄｅｇ．］またはθ_３＝０．１［ｄｅｇ．］となるように決定される。

最大の利得から１ｄＢ低下している利得に対応するビーム幅θ_１は、電力半値幅θ_３が１０［ｄｅｇ．］である場合、図７に示すように０．５７θ_３であり、電力半値幅θ_３が０．１［ｄｅｇ．］である場合、図８に示すように０．５８θ_３である。
また、最大の利得から１０ｄＢ低下している利得に対応するビーム幅θ_１０は、電力半値幅θ_３が１０［ｄｅｇ．］である場合、図７に示すように１．８２θ_３であり、電力半値幅θ_３が０．１［ｄｅｇ．］である場合、図８に示すように１．８２θ_３である。

隣接するビーム同士が、最大の利得から３ｄＢ低下している利得以外の利得に対応するビーム幅で重なるようにビームシフトΔθが決定される場合には、Ｋ＝６０に係数ｇを乗算し、Ｋ＝７０に係数ｈを乗算する。
例えば、ｇ＝０．５、ｈ＝１．９であるとすれば、式（１３）で表される角度θの範囲は、以下の式（１５）のようになる。

また、式（１４）で表される角度θの範囲は、以下の式（１６）のようになる。

図９は一次放射器１が設置されている位置１１と反射板２の中心点１３との距離Ｒを示す説明図である。
図９において、クリアランスＣは、反射板２により反射された電磁波が一次放射器１によってブロッキングされることに伴う放射特性の劣化を避けるために設けられている仰角方向Ｘにおける反射板２と一次放射器１の設置間隔である。
即ち、クリアランスＣは、反射板２の開口径Ｄにおける仰角方向Ｘの下端の位置と、一次放射器１が設置されている位置１１との間の仰角方向Ｘの距離であり、クリアランスＣの算出処理自体は公知の技術であるため詳細な説明を省略する。

以上より、一次放射器１は、反射板２の開口径Ｄにおける仰角方向Ｘの下端の位置から、仰角方向ＸにクリアランスＣだけ離れた位置に設置される。
このとき、一次放射器１の鏡像の位置１２と反射板２の中心点１３とを結ぶ線分１４と、反射板２の中心点１３を通る水平面１５とのなす角度がθとなるように、一次放射器１が設置される。
図９の例では、反射板２の中心点１３から距離Ｒの位置１１に一次放射器１が設置されている。
なお、反射板２の中心点１３から一次放射器１の鏡像の位置１２までの距離も距離Ｒである。

図１０は周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂの電磁波によるビームの反射方向のシミュレーション結果を示す説明図である。
図１０は、周波数ｆ_Ａが１２．３ＧＨｚ、周波数ｆ_Ｂが１２．７ＧＨｚ、中心周波数ｆ_０が１２．５ＧＨｚ、開口径Ｄが１０００ｍｍ、距離Ｒが１０００ｍｍ、クリアランスＣが５０ｍｍであるときのシミュレーション結果を示している。
図１０の例では、周波数ｆ_Ａの電磁波によるビームの反射方向と、周波数ｆ_Ｂの電磁波によるビームの反射方向との角度差が約１．６８［ｄｅｇ．］となっている。
これにより、一次放射器１から放射される電磁波の周波数毎に、ビームの反射方向を切り替えることができる。

また、上述したように、共振素子４における寸法ａ，ｂを調整することで、垂直偏波の反射位相及び水平偏波の反射位相を調整することができる。
このため、寸法ａと寸法ｂが異なる共振素子４を誘電体３の平面３ａに配列することで、垂直偏波によるビームの反射方向と、水平偏波によるビームの反射方向とが異なるようになる。
よって、一次放射器１が、周波数ｆ_Ａの水平偏波、周波数ｆ_Ａの垂直偏波、周波数ｆ_Ｂの水平偏波及び周波数ｆ_Ｂの垂直偏波を放射することで、反射方向が異なる４種類のビームを空間に放射することができる。
図１１は４種類のビームの一例を示す説明図である。
図１１の例では、Ａは周波数ｆ_Ａの水平偏波、Ｂは周波数ｆ_Ａの垂直偏波、Ｃは周波数ｆ_Ｂの水平偏波、Ｄは周波数ｆ_Ｂの垂直偏波である。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、反射板２が、平板状の誘電体３と、誘電体３における２つの平面３ａ，３ｂのうち、一次放射器１から放射される電磁波が照射される側の平面３ａに設けられ、その電磁波の反射位相を調整する複数の共振素子４と、誘電体３における２つの平面３ａ，３ｂのうち、一次放射器１から電磁波が照射されない側の平面３ｂに設けられている金属板５とを備え、一次放射器１の鏡像の位置１２と反射板２の中心点１３とを結ぶ線分１４と、反射板２の中心点１３を通る水平面１５とのなす角度θが、一次放射器１から放射される電磁波の複数の中心周波数及び反射板２の開口径Ｄから決定され、一次放射器１が、決定された角度θを満たす位置１１に設置されているように構成したので、放物曲面状の反射板を用いる場合よりも、動作時の信頼性を高めることができるとともに、必要な反射板２の枚数を削減することができる効果がある。

即ち、この実施の形態１によれば、反射板２が、平板状の誘電体３を備える平板状の反射板であるため、形状が放物曲面状の反射板よりも製造が容易である。このため、放物曲面状の反射板を備えるリフレクトアレーアンテナよりも、動作時の信頼性を高めることができる。
また、非特許文献１に記載されているように、放物曲面状の反射板を備えるリフレクトアレーアンテナの場合、４種類のビームを形成するには、３つの反射板を搭載している必要がある。この実施の形態１のリフレクトアレーアンテナの場合、１つの反射板２を搭載するだけで、４種類のビームを形成することができる。

また、この実施の形態１によれば、一次放射器１から放射される複数の中心周波数の電磁波が、第１の周波数ｆ_Ａの電磁波と、第１の周波数ｆ_Ａよりも高い第２の周波数ｆ_Ｂの電磁波とであり、第１の周波数ｆ_Ａの自由空間波長がλ_Ａ、第２の周波数ｆ_Ｂの自由空間波長がλ_Ｂ、反射板２の開口径がＤであれば、角度θが、条件式（１）または条件式（２）として、上記の式（１５）または式（１６）を満たす値であるように構成したので、隣接するビームの反射方向を決定することができる効果を奏する。

この実施の形態１では、一次放射器１が、周波数ｆ_Ａの電磁波と周波数ｆ_Ｂの電磁波とを放射する例を示したが、３つ以上の周波数の電磁波を放射するようにしてもよい。これにより、更に多くのビームを形成することができる。

この実施の形態１では、１つの一次放射器１を備えるリフレクトアレーアンテナが、４種類のビームを形成する例を示したが、リフレクトアレーアンテナが、複数の一次放射器１を備えることで、更に多くのビームを形成することができる。
図１２はこの発明の実施の形態１による他のリフレクトアレーアンテナを示す構成図である。
図１２の例では、４つの一次放射器１−１，１−２，１−３，１−４を備えており、４つの一次放射器１−１，１−２，１−３，１−４の設置位置が異なるため、反射方向が異なる１６（＝４×４）種類のビームを形成することができる。

図１２において、Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３，Ａ_４は周波数ｆ_Ａの水平偏波、Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，Ｂ_４は周波数ｆ_Ａの垂直偏波、Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３，Ｃ_４は周波数ｆ_Ｂの水平偏波、Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３，Ｄ_４は周波数ｆ_Ｂの垂直偏波である。
また、Ａ_１，Ｂ_１，Ｃ_１，Ｄ_１は一次放射器１−１から放射された電磁波によって形成されるビーム、Ａ_２，Ｂ_２，Ｃ_２，Ｄ_２は一次放射器１−２から放射された電磁波によって形成されるビーム、Ａ_３，Ｂ_３，Ｃ_３，Ｄ_３は一次放射器１−３から放射された電磁波によって形成されるビーム、Ａ_４，Ｂ_４，Ｃ_４，Ｄ_４は一次放射器１−４から放射された電磁波によって形成されるビームである。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、パッチ型の共振素子４が誘電体３の平面３ａに貼り付けられている例を示している。
この実施の形態２では、スロット型の共振素子３２が誘電体３の平面３ａに施されている例を説明する。

図１３はこの発明の実施の形態２によるリフレクトアレーアンテナを示す構成図であり、図１３において、図１と同一符号は同一または相当部分を示している。
図１４、図１５及び図１６は誘電体３の平面３ａに施されているスロット型の共振素子３２の一例を示す説明図である。
図１３〜図１６において、反射板３０は、誘電体３、共振素子３２が施されている金属板３１及び金属板５を備えており、一次放射器１から放射された電磁波を反射する。
金属板３１は誘電体３における２つの平面３ａ，３ｂのうち、一次放射器１から放射される電磁波が照射される側の平面３ａに設けられている。
共振素子３２は金属板３１に施されており、一次放射器１から放射される電磁波の反射位相を調整する。
なお、共振素子３２は、誘電体３が見えるように、金属板３１の一部が除かれた領域として形成されている。

図１４の共振素子３２は、金属板３１の一部が矩形状に除かれることで形成されている矩形の共振素子であり、図１５の共振素子３２は、金属板３１の一部が十字状に除かれることで形成されている十字形の共振素子である。
また、図１６の共振素子３２は、金属板３１の一部が楕円状に除かれることで形成されている楕円形の共振素子である。
図１４、図１５及び図１６は、金属板３１を正面から見ている図であり、一例として、１つの共振素子３２だけを図示しているが、実際には、金属板３１には複数の共振素子３２が２次元状に配置されている。

共振素子３２の作用は、上記実施の形態１における共振素子４の作用と同様である。
一次放射器１から放射される垂直偏波の反射位相は、共振素子３２における寸法ａによって決定され、一次放射器１から放射される水平偏波の反射位相は、共振素子３２における寸法ｂによって決定される。
したがって、共振素子３２における寸法ａ，ｂを調整することで、垂直偏波の反射位相及び水平偏波の反射位相を調整することができる。
これにより、この実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様に、放物曲面状の反射板を用いる場合よりも、動作時の信頼性を高めることができるとともに、必要な反射板２の枚数を削減することができる効果を奏する。

実施の形態３．
この実施の形態３では、複数の一次放射器からそれぞれ放射された電磁波によるビームのうち、隣り合うビームについては、互いに一部が重なる位置に配置されているリフレクトアレーアンテナについて説明する。
この実施の形態３では、５つの一次放射器を備えているリフレクトアレーアンテナの例を説明する。
図１７は、この発明の実施の形態３によるリフレクトアレーアンテナを示す構成図である。
図１７において、図１と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
図１７の例では、５つの一次放射器１−１，１−２，１−３，１−４，１−５を備えており、５つの一次放射器１−１，１−２，１−３，１−４，１−５の設置位置が異なっている。

図１８は、この発明の実施の形態３によるリフレクトアレーアンテナが備える５つの一次放射器１−１〜１−５の開口部４０−１〜４０−５の配置を示す説明図である。
図１８の例では、開口部４０−１〜４０−５の配置は、いわゆる三角配列であり、開口部４０−１〜４０−５の配置間隔がＭである。
具体的には、開口部４０−２は、開口部４０−１、開口部４０−３、開口部４０−４及び開口部４０−５のそれぞれとの配置間隔がＭである。

図１９は、この実施の形態３によるリフレクトアレーアンテナによって、所望のサービスエリアをカバーするために形成される複数のビームの配置を示す説明図である。
図２０及び図２１は、ビーム（２）の周辺を拡大したビーム配置を示す説明図である。
図１９〜図２１では、複数の区画を含むサービスエリアの１区画は、０．５ビーム幅×０．５ビーム幅の大きさである。
図２２は、図１９及び図２０に示すカット面７１における利得の周波数特性を示す説明図である。

ビーム群５１，５３は、例えば水平偏波が集まっているビーム群である。
ビーム群５２，５４は、例えば垂直偏波が集まっているビーム群である。
ビーム群５１，５２に含まれるビーム（１）は、一次放射器１−１から放射された複数の電磁波によるそれぞれのビームである。
ビーム群５１，５２に含まれるビーム（２）は、一次放射器１−２から放射された複数の電磁波によるそれぞれのビームである。
ビーム群５１，５２に含まれるビーム（３）は、一次放射器１−３から放射された複数の電磁波によるそれぞれのビームである。
ビーム群５３，５４に含まれるビーム（４）は、一次放射器１−４から放射された複数の電磁波によるそれぞれのビームである。
ビーム群５３，５４に含まれるビーム（５）は、一次放射器１−５から放射された複数の電磁波によるそれぞれのビームである。
ビーム群５１〜５４に含まれている各々のビームの直径は、１ビーム幅である。

ビーム群５１とビーム群５２との間隔は、√３／２ビーム幅であり、ビーム群５２とビーム群５３との間隔は、√３／２ビーム幅であり、ビーム群５３とビーム群５４との間隔は、√３／２ビーム幅である。
したがって、ビーム群５１とビーム群５２は、互いに一部が重なる位置に配置されており、ビーム群５２とビーム群５３は、互いに一部が重なる位置に配置されている。
また、ビーム群５３とビーム群５４は、互いに一部が重なる位置に配置されている。

ビーム６１〜６５は、一次放射器１−２から放射された複数の電磁波によるそれぞれのビームであり、ビーム６１〜６５は、実施の形態１，２と同様に、異なる周波数によって、ビーム方向が互いにシフトされている。
ビーム６６は、一次放射器１−４から放射された複数の電磁波によるそれぞれのビームの中の１つのビームである。
ビーム６７は、一次放射器１−５から放射された複数の電磁波によるそれぞれのビームの中の１つのビームである。
ビーム６１は、周波数ｆ_Ｂのビームであり、ビーム６２は、周波数（ｆ_０＋ｆ_Ｂ）／２のビームである。
ビーム６３，６６，６７は、それぞれ周波数ｆ_０のビームである。
ビーム６４は、周波数（ｆ_０＋ｆ_Ａ）／２のビームであり、ビーム６５は、周波数ｆ_Ａのビームである。
ここでは、周波数ｆ_Ａは、一次放射器１−２から放射される複数の電磁波の周波数の中で最低の周波数、周波数ｆ_Ｂは、一次放射器１−２から放射される複数の電磁波の周波数の中で最高の周波数、周波数ｆ_０は、周波数ｆ_Ａと周波数ｆ_Ｂの中心周波数である。
ビーム６１〜６５とビーム６６，６７とにおけるＡＺ（Ａｚｉｍｕｔｈ）方向の間隔は、√３／２ビーム幅である。
また、ビーム６３とビーム６６との間隔は、２ビーム幅であり、ビーム６６とビーム６７との間隔は、２ビーム幅であり、ビーム６７とビーム６３との間隔は、２ビーム幅である。

複数のビームを含んでいるマルチビームにおいて、各々のビームは、ガウス分布で近似的に表現することができる。
各々のビームにおいて、ビームの中心からのオフセット量θ_Offと、利得の低下量Ｇ（θ）との関係は、以下の式（１７）で表される。

式（１７）において、θ_３は、電力半値幅（＝０．５ビーム幅）である。

ここでは、説明の便宜上、図２０に示すように、ビーム６３の中心位置６３ａをＥＬ（Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）方向及びＡＺ方向の基準位置とする。
例えば、ビーム６３の照射範囲内に存在しているユーザは、（ｆ_０＋ｆ_Ａ）／２〜（ｆ_０＋ｆ_Ｂ）／２の周波数を利用することができ、利用可能な周波数帯域は、（ｆ_Ｂ−ｆ_Ａ）／２である。ビーム６３の照射範囲内での利得低下は、利用する周波数によって異なるが、最大の利得から０〜３ｄＢの低下である。
また、ビーム６４の照射範囲内に存在しているユーザは、ｆ_Ａ〜ｆ_０の周波数を利用することができ、利用可能な周波数帯域は、ビーム６３の照射範囲内と同様に、（ｆ_Ｂ−ｆ_Ａ）／２である。ビーム６４の照射範囲内での利得低下は、利用する周波数によって異なるが、ビーム６３の照射範囲内と同様に、最大の利得から０〜３ｄＢの低下である。
また、ビーム６５の照射範囲内に存在しているユーザは、（ｆ_０−ｆ_Ａ）／２〜（ｆ_０＋ｆ_Ａ）／２の周波数を利用することができ、利用可能な周波数帯域は、ビーム６３の照射範囲内と同様に、（ｆ_Ｂ−ｆ_Ａ）／２である。ビーム６５の照射範囲内での利得低下は、利用する周波数によって異なるが、ビーム６３の照射範囲内と同様に、最大の利得から０〜３ｄＢの低下である。
したがって、ビーム６３の中心位置６３ａを基準にして、−ＥＬ方向に１ビーム幅だけずれている位置から、＋ＥＬ方向に１ビーム幅だけずれている位置の範囲に存在しているユーザは、何処にいても、３ｄＢ以下の利得低下量で、（ｆ_Ｂ−ｆ_Ａ）／２の周波数帯域を利用することができる。

図２３は、図１９に示すカット面７２の詳細を示す説明図である。
図２３において、位置７３は、カット面７２に存在している位置であって、ビーム６３の中心位置６３ａから、ＡＺ方向に√３／４ビーム幅だけ離れている位置である。
位置７３は、ビーム６３の中心位置６３ａからＡＺ方向に√３／４ビーム幅だけ離れているため、位置７３での利得は、最も利得の高い周波数を利用するとしても、ビーム６３の中心位置６３ａでの利得よりも２．２５ｄＢだけ低下する。
また、ビーム６４の中心位置６４ａは、位置７３からＥＬ方向に０．５ビーム幅だけ離れており、位置７３からＡＺ方向に√３／４ビーム幅だけ離れている。
したがって、ビーム６４の中心位置６４ａと位置７３とは、０．６６ビーム幅だけ離れているため、位置７３での利得は、最も利得の高い周波数を利用するとしても、ビーム６４の中心位置６４ａでの利得よりも、５．２５ｄＢだけ低下する。
以上より、位置７３では、（ｆ_Ｂ−ｆ_Ａ）／２の周波数帯域において、２．２５ｄＢ〜５．２５ｄＢの利得低下が発生する。

ただし、位置７３に存在しているユーザは、ビーム６３，６４の他に、ビーム群５２に含まれているビーム８３も利用できるため、利用できる周波数帯域は、（ｆ_Ｂ−ｆ_Ａ）／２の２倍の（ｆ_Ｂ−ｆ_Ａ）となる。
例えば、ビーム８３及びビーム８４のそれぞれと重なっていないビーム６３の照射範囲内の位置と同様に、ユーザの利用可能な周波数帯域が、（ｆ_Ｂ−ｆ_Ａ）／２の周波数帯域でよければ、ビーム６３の周波数と（ｆ_Ｂ−ｆ_Ａ）／８だけ離れている周波数を利用すればよい。図２３では、説明の便宜上、ビーム６３の周波数と（ｆ_Ｂ−ｆ_Ａ）／８だけ離れている周波数による電磁波をビーム８５として表している。したがって、ビーム８５の中心位置８５ａは、ビーム６３の中心位置６３ａから（ｆ_Ｂ−ｆ_Ａ）／８の周波数だけ離れた位置である。
ビーム８５の中心位置８５ａは、位置７３からＥＬ方向に０．２５ビーム幅だけ離れており、位置７３からＡＺ方向に√３／４ビーム幅だけ離れている。
したがって、ビーム８５の中心位置８５ａと位置７３とは、０．５０ビーム幅だけ離れているため、位置７３での利得は、ビーム８５の中心位置８５ａでの利得よりも、３ｄＢだけ低下する。

図２４は、図１９に示す実施の形態３のビーム配置との比較対象のビーム配置を示す説明図である。
図２４に示すビーム配置は、いわゆる四角配列のビーム配置である。
図２４において、ビーム９１，９２は、それぞれ水平偏波のビームであり、ビーム９３，９４は、それぞれ垂直偏波のビームである。
図２５は、ビーム９１〜９４の周辺の詳細を示す説明図である。
図２５において、位置９５は、例えば、ビーム９１の中心位置９１ａから、√２／２ビーム幅だけ離れているので、位置９５での利得は、周波数に関わらず、ビーム９１の中心位置９１ａよりも、最大で６ｄＢだけ低下する。
したがって、図２５に示す位置９５での利得低下は、図２３に示す位置７３での利得低下よりも大きい。

図２６は、図１９に示す実施の形態３のビーム配置との比較対象のビーム配置を示す説明図である。
図２６に示すビーム配置は、いわゆる三角配列のビーム配置である。
図２６において、ビーム１０１，１０２は、それぞれ水平偏波のビームであり、ビーム１０３は、垂直偏波のビームである。
図２７は、ビーム１０１〜１０３の周辺の詳細を示す説明図である。
図２７において、位置１０４は、例えば、ビーム１０１の中心位置１０１ａから、√３／３ビーム幅だけ離れているので、位置１０４での利得は、周波数に関わらず、ビーム１０１の中心位置１０１ａよりも、最大で４ｄＢだけ低下する。
したがって、図２７に示す位置１０４での利得低下は、図２３に示す位置７３での利得低下よりも大きい。

この実施の形態３では、一次放射器１−１〜１−５におけるそれぞれの開口部４０−１〜４０−５の配置間隔Ｍは、以下のように設定される。
まず、電力半値幅θ_３は、上記の式（１２）で表され、反射板２の開口面での振幅分布で決定される係数Ｋは、一般的に６０〜７０が用いられる。
また、各々のビームの中心位置から２ビーム幅だけ離れている位置での利得低下量は、１２ｄＢであり、２ビーム幅であるθ_１２は、以下の式（１８）で表される。

一次放射器１−１〜１−５の位置がオフセットされることによるビームチルトθ_ｔは、簡易的に以下の式（１９）で表される。

式（１９）において、ｓは、開口部４０−１〜４０−５の中心位置Ｐから反射板２までの距離である。
例えば、開口部４０−１〜４０−５の配置が図１８に示す配置であるとすれば、開口部４０−１〜４０−５の中心位置Ｐにおける図中上下方向の位置は、開口部４０−１の上端と開口部４０−３の下端とから等距離の位置である。
また、開口部４０−１〜４０−５の中心位置Ｐにおける図中左右方向の位置は、開口部４０−１〜４０−３の左端と開口部４０−４〜４０−５の右端とから等距離の位置である。
図１８では、開口部４０−１〜４０−３が一直線上に並んでおり、また、開口部４０−４〜４０−５が一直線上に並んでいる例を示している。しかし、例えば、開口部４０−２だけが、開口部４０−１，４０−３よりも図中左側にずれているような配置であれば、一次放射器１−１〜１−５の中心位置Ｐにおける図中左右方向の位置は、左側にずれている開口部４０−２の左端と開口部４０−４〜４０−５の右端とから等距離の位置である。

ビームの中心位置から２ビーム幅だけ離れている位置では、θ_１２＝θ_ｔであるため、式（１８）と式（１９）より、以下の式（２０）が成立する。

一次放射器１−１〜１−５におけるそれぞれの開口部４０−１〜４０−５の配置間隔Ｍは、式（２０）を変形することで、以下の式（２１）のように表される。

図２８は、マルチビームにおける隣り合うビームの間隔と、サービスエリア内の最大の利得低下量との関係をシミュレーションした結果を示す説明図である。
図２８では、サービスエリア内の最大の利得低下量を、サービスエリア内の最大利得で規格化している。
図２８に示している閾値は、ビーム配置が図２６に示す三角配列である際に発生する最大の利得低下量（＝４ｄＢ）に対応している。
したがって、サービスエリア内の最大の利得低下量が、閾値以下となるようにするには、図２８に示すように、隣り合うビームの間隔を１．２ビーム幅〜２．３ビーム幅とする必要がある。

隣り合うビームの間隔を１．２ビーム幅とするための開口部４０−１〜４０−５の配置間隔Ｍ_１．２は、以下の式（２２）で表される。

また、隣り合うビームの間隔を２．３ビーム幅とするための開口部４０−１〜４０−５の配置間隔Ｍ_２．３は、以下の式（２３）で表される。

したがって、サービスエリア内の最大の利得低下量が、閾値以下になるための開口部４０−１〜４０−５の配置間隔Ｍの範囲は、以下の式（２４）で表される。

式（２４）では、Ｋの値を具体的にしていないが、係数Ｋは、一般的に６０〜７０が用いられるため、例えば、開口部４０−１〜４０−５の配置間隔Ｍの範囲を以下の式（２５）〜（２７）のように定義してもよい。

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。

１，１−１，１−２，１−３，１−４，１−５ 一次放射器、２ 反射板、３ 誘電体、３ａ，３ｂ 平面、４ 共振素子、５ 金属板、１１ 一次放射器が設置されている位置、１２ 一次放射器の鏡像の位置、１３ 反射板の中心点、１４ 一次放射器の鏡像の位置と反射板の中心点とを結ぶ線分、１５ 反射板の中心点を通る水平面、２１ 所望の波面、２２ １次の収差、２３ 残留する収差、３０ 反射板、３１ 金属板、３２ 共振素子、４０−１〜４０−５ 開口部、５１〜５４ ビーム群、６１〜６７ ビーム、６３ａ，６４ａ 中心位置、７１，７２ カット面、７３ 位置、８３〜８５ ビーム、８５ａ 中心位置、９１〜９４ ビーム、９１ａ 中心位置、９５ 位置、１０１〜１０３ ビーム、１０１ａ 中心位置、１０４ 位置。

Claims (7)

1. 中心周波数が異なる複数の電磁波を放射する一次放射器と、
   前記一次放射器から放射された電磁波を反射する反射板とを備え、
   前記反射板は、
   平板状の誘電体と、
   前記誘電体における２つの平面のうち、前記一次放射器から放射される電磁波が照射される側の平面に設けられ、前記電磁波の反射位相を調整する複数の共振素子と、
   前記誘電体における２つの平面のうち、前記一次放射器から電磁波が照射されない側の平面に設けられている金属板とを備え、
   前記一次放射器の鏡像の位置と前記反射板の中心点とを結ぶ線分と、前記反射板の中心点を通る水平面とのなす角度が、前記一次放射器から放射される電磁波の複数の中心周波数及び前記反射板の開口径から決定され、前記一次放射器が前記角度を満たす位置に設置されていることを特徴とするリフレクトアレーアンテナ。
2. 前記一次放射器から放射される複数の中心周波数の電磁波が、第１の周波数の電磁波と、前記第１の周波数よりも高い第２の周波数の電磁波とであり、
   前記第１の周波数の自由空間波長がλ_Ａ、前記第２の周波数の自由空間波長がλ_Ｂ、前記反射板の開口径がＤであれば、前記角度であるθは、以下の条件式（１）または条件式（２）を満たす値であることを特徴とする請求項１記載のリフレクトアレーアンテナ。
   条件式（１）
   

   

   条件式（２）
   

   
3. 前記一次放射器は、前記電磁波として、水平偏波と垂直偏波を放射することを特徴とする請求項１記載のリフレクトアレーアンテナ。
4. 前記共振素子における縦寸法と横寸法が異なっていることを特徴とする請求項３記載のリフレクトアレーアンテナ。
5. 前記一次放射器が複数配置されていることを特徴とする請求項１記載のリフレクトアレーアンテナ。
6. 前記複数の一次放射器からそれぞれ放射された電磁波によるビームのうち、隣り合うビームについては、互いに一部が重なる位置に配置されていることを特徴とする請求項５記載のリフレクトアレーアンテナ。
7. 前記複数の一次放射器におけるそれぞれの開口部の配置間隔がＭ、前記反射板の開口径がＤ、前記複数の一次放射器における開口部の中心位置と前記反射板との距離がｓであれば、前記それぞれの開口部の配置間隔Ｍは、以下の条件式（３）を満たす値であることを特徴とする請求項６記載のリフレクトアレーアンテナ。
   条件式（３）
   

   

   条件式（３）において、Ｋは、６０から７０の範囲の係数である

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