JP2712922B2 - 複反射鏡アンテナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は１つのアンテナで多数の
放射ビームを形成する複反射鏡アンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】１つの反射鏡アンテナで多数の放射ビー
ムを形成するには、反射鏡に対向させて配置する一次放
射器を、それぞれのビーム方向に対し最適な位置に設定
する必要がある。反射鏡に回転放物面を用いたパラボラ
アンテナでは、回転放物面の焦点上に一次放射器を設定
した場合には回転放物面の主軸方向に収差（位相誤差）
の無い良好なビームが形成される。しかし、ビーム方向
の回転放物面の主軸からの偏りが大きくなるにつれて、
収差が大きくなり開口能率低下の主要因となるため、パ
ラボラアンテナでは広い角度範囲にわたって良好なマル
チビームを形成することが困難である。

【０００３】また、広い角度範囲にわたってマルチビー
ムを形成する従来技術として、反射鏡に環状面（ある平
面曲線を同一平面内にある１つの軸のまわりに回転して
できる曲面）の一部を用いたいわゆるトーラスアンテナ
がある。このトーラスアンテナを示す図７において、１
は主反射鏡、４は主反射鏡１の環状面の回転軸、５ａ〜
５ｃは一次放射器、８ａ〜８ｃはそれぞれ一次放射器５
ａ〜５ｃを励振した時に主反射鏡１から放射されるビー
ムの方向である。同図からもわかるようにトーラスアン
テナの反射鏡の回転対称性により、その回転軸に関し回
転対称な位置に配置された一次放射器に対しては、同等
性能のビームを放射することができる。しかし、一般の
環状面は回転放物面と異なり、本質的に収差を有してお
り、その収差は主反射鏡と一次放射器との間の距離が短
いほど、またオフセット角が大きいほど大きくなる。従
って、高性能でコンパクトな広角マルチビームアンテナ
を提供することは困難である。

【０００４】更に、別の従来技術である球面二重反射器
アンテナ（特開昭50-47542号公報）は、環状面の１種で
ある球面を用い、主反射鏡および副反射鏡を同心球面の
一部で構成している。副反射鏡の追加により収差の低減
とアンテナのコンパクト化が図られているが、オフセッ
ト構成が困難であるため、広い角度に渡ってビームを形
成する場合には副反射鏡による放射ビームのブロッキン
グが大きくなり性能劣化が避けられないという問題点を
有している。

【０００５】また、別の従来技術である複反射鏡アンテ
ナ（特開昭57-62522号公報）を示す図８において、１は
主反射鏡、４は主反射鏡１の環状面の回転軸、５ａ〜５
ｃは一次放射器、１１ａ〜１１ｃはそれぞれ一次放射器
５ａ〜５ｃに対応した第２の副反射鏡、１０ａ〜１０ｃ
はそれぞれ第２の副反射鏡１１ａ〜１１ｃに対応した第
１の副反射鏡、８ａ〜８ｃはそれぞれ一次放射器５ａ〜
５ｃを励振した時に主反射鏡１から放射されるビームの
方向である。この複反射鏡アンテナでは、２枚ないしそ
れ以上の副反射鏡を一次放射器と環状面の一部からなる
主反射鏡との間に配置することによって収差を補正する
とともにオフセット構造に起因する開口面電界分布の歪
みを低減しており、高性能なビームを実現している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の複反射鏡アンテナをマルチビーム化した場合、ビー
ム毎に独立した２枚の副反射鏡が必要であり、隣接ビー
ム分離角の最小値は隣り合う２つのビームに対する第１
の副反射鏡１０ａ〜１０ｃおよび第２の副反射鏡１１ａ
〜１１ｃがぶつかり合わずに配置できる間隔で制限され
るため、隣接ビーム分離角を副反射鏡を用いない場合ほ
ど小さくできない、即ち、近接した２つの方向に同時に
ビームを形成できないという欠点がある。

【０００７】本発明は、これらの従来のトーラスアンテ
ナの欠点を解決し、広い角度範囲に渡り、狭い分離角で
多数の高性能なビームを放射できるコンパクトな複反射
鏡アンテナを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は前記問題点を解
決するために、主反射鏡と、この主反射鏡の反射面に対
向して配置される第１の副反射鏡と、この第１の副反射
鏡の反射面に対向して配置される第２の副反射鏡と、こ
の第２の副反射鏡の反射面に対向して配置される１つ以
上の一次放射器とを備え、主反射鏡、前記第１の副反射
鏡及び前記第２の副反射鏡が共通の回転軸をもつ環状面
の一部より構成されており、さらに一次放射器の位相中
心点から前記回転軸までの距離をＺｆ［ｍ］、一次放射
器の放射ビーム幅の半値をθｍ［度］、一次放射器の位
相中心から一次放射器の中心軸と角度θｍ［度］をなす
方向に放射された電波が第２の副反射鏡、第１の副反射
鏡で反射されたのち、主反射鏡上につくる写像の前記回
転軸に垂直な方向の長さの半値をρｍ［ｍ］、０. ０１
７〜０. ０１８の範囲内の数値をＫとし、ρｍ／Ｚｆ／
θｍ ＝ Ｋを満たすように前記Ｚｆが決定されること
に主に特徴がある。

【０００９】

【作用】以上のような構成を有する本発明によれば、反
射鏡系全体としての回転対称性を損なうことなく、個々
の環状面で発生する収差（位相誤差）および開口面電界
分布の歪みを相殺させ、その効果として、反射鏡の共有
度が高く、コンパクトでしかも良好な放射特性を有する
複数のビームを形成可能とする。また、複数のビームに
対応する複数の一次放射器の中心軸をすべて平行とする
ことが容易であり一次放射器相互間の不要な電磁結合の
抑制と無線装置等の近接配置を両立させる。さらに副反
射鏡の物理的干渉の問題が発生しないため、隣接ビーム
の分離角の小さいマルチビームアンテナを実現できる。

【００１０】

【実施例】図１は本発明の第１の実施例に係る複反射鏡
アンテナの実施例を示す概略斜視図であり、１は主反射
鏡、２は第１の副反射鏡、３は第２の副反射鏡、４は主
反射鏡１、第１の副反射鏡２および第２の副反射鏡に共
通の回転軸、５ａ〜５ｃは一次放射器、６ａ〜６ｃはそ
れぞれ一次放射器５ａ〜５ｃの中心軸、７ａ〜７ｃはそ
れぞれ一次放射器５ａ〜５ｃの位相中心、８ａ〜８ｃは
それぞれ一次放射器５ａ〜５ｃを励振した時に主反射鏡
１から放射されるビームの方向である。ここで、主反射
鏡１、第１の副反射鏡２および第２の副反射鏡３の曲面
形状は、すべて回転軸４を共通の回転軸とする環状面の
一部で構成されていることが基本的特徴の１つである。

【００１１】従って、回転軸４に関し回転対称な位置に
配置された複数の一次放射器５ａ〜５ｃから放射された
電波は、それぞれ方向８ａ〜８ｃに対し、その放射方向
の違いを除いて全く同等な性質を有するビームを形成す
る。第１の副反射鏡２および第２の副反射鏡３を設ける
ことにより電波の通路が折り返される構成となっており
全体としてコンパクトな構造を実現している。

【００１２】また第１の副反射鏡２および第２の副反射
鏡３は両者の相互作用によって、主反射鏡１で発生する
収差（位相誤差）および開口面電界分布の歪みを低減
し、主反射鏡１のみを介して形成されるビームに比べ優
れた放射特性をもつビームを形成することができる。さ
らに複数のビーム形成に対し、主反射鏡１のみならず、
第１の副反射鏡２および第２の副反射鏡３が共有されて
いるため、一次放射器を増設するだけで簡単に放射ビー
ムを追加することができる。また第１の副反射鏡２およ
び第２の副反射鏡３が複数のビームで共有されているこ
とは、ビーム毎の独立な副反射鏡系を備えた場合に問題
となる副反射鏡の物理的干渉が起こりえないため、分離
角の小さいマルチビームを形成できるという利点を有し
ている。

【００１３】ここで、収差（位相誤差）の低減につい
て、さらに詳しく説明する。図１で、９は一次放射器５
ｂの位相中心７ｂから一次放射器５ｂの中心軸６ｂとな
す角がθｍなる方向に放射された電波が第２の副反射鏡
３、第１の副反射鏡２で反射されたのち、主反射鏡上に
つくる写像を表したものである。この写像９の回転軸４
に垂直な長さを２ρｍで、また一次放射器の位相中心７
ａ〜７ｃから回転軸までの距離をＺｆで、それぞれ表す
と、本発明による複反射鏡アンテナの構成においては、
θｍ、ρｍ、および、Ｚｆとの間に次式の関係が成立す
る場合に収差が最小となることが見いだされた。 Ｋ ＝ ρｍ ／ Ｚｆ ／ θｍ ＝ ０. ０１７〜０. ０１８ 但し、ρｍとＺｆの単位は［ｍ］であるとし、θｍの単
位は［度］であるとする。図２は、上式のＫと収差の実
効値（ｒ. ｍ. ｓ. 値）の関係を示しており、Ｋが概略
０. ０１７４のときに、収差が最小となることが明かと
なっている。

【００１４】次に、図３は図１に示した第１の実施例に
よる複反射鏡アンテナの主反射鏡１、第１の副反射鏡２
および第２の副反射鏡に共通の回転軸４を含む平面内の
断面形状を示す断面図であり、１ａは主反射鏡１の断面
曲線、２ａは第１の副反射鏡２の断面曲線、３ａは第２
の副反射鏡３の断面曲線、５は一次放射器（の断面）、
６は一次放射器５の中心軸、７は一次放射器５の位相中
心、８は主反射鏡からの放射ビームの方向である。第１
図における主反射鏡１、第１の副反射鏡２および第２の
副反射鏡３の曲面形状は、それぞれ第３図の１ａ、２ａ
および３ａを回転軸４の回りに回転させてできる曲面
（環状面）に等しい。

【００１５】図４は本発明の第２の実施例に係る複反射
鏡アンテナを示す断面図であり、本実施例では一次放射
器５の中心軸６が主反射鏡１、第１の副反射鏡２および
第２の副反射鏡に共通の回転軸４と平行であるように構
成されている。従って、本複反射鏡アンテナの回転軸４
に関する回転対称性より、複数のビーム形成のために配
置された複数の一次放射器は、すべてそれらの中心軸が
互いに平行であるようになる。その結果、放射特性に悪
影響を及ぼす一次放射器相互間の電磁結合の抑圧と一次
放射器に接続される回路や無線装置の物理的干渉の回避
が同時に可能となる。

【００１６】図５は本発明の第３の実施例に係る複反射
鏡アンテナを示す断面図であり、本実施例では図３に示
した第１の実施例と同様、一次放射器５の中心軸６が主
反射鏡、第１の副反射鏡および第２の副反射鏡に共通の
回転軸４と平行であるように構成されている。図３に示
した第１の実施例との違いは、一次放射器５の中心軸６
の向きが図３では主反射鏡の断面曲線１ａに近づく向き
であるのに対し、図５ではこれと離れる向きとなってい
る点で、基本的作用および効果については図４の第２の
実施例と変わらない。図５の第３の実施例では、一次放
射器に接続される回路や無線装置を主反射鏡の裏側のス
ペースに配置可能であり、アンテナシステムの全高を図
４の第２の実施例よりも小さくすることができる。

【００１７】なお、図４および図５に示した第２及び第
３の実施例は本発明の複反射鏡アンテナの実施例では、
主反射鏡の断面曲線１ａは放物線の一部であり、第１の
副反射鏡の断面曲線２ａは楕円の一部であり、また、第
２の副反射鏡の断面曲線３ａは直線の一部である。（第
２の副反射鏡の断面曲線３ａが直線状であることから、
第２の副反射鏡の曲面形状は円錐面となる。）このよう
に断面曲線を単純なもので構成することにより、反射鏡
の製造方法や機械的精度検査方法のの簡易化を図ること
が可能となる。

【００１８】図６は本発明の第４の実施例に係る複反射
鏡アンテナを示す断面図であり、本実施例では、主反射
鏡から放射されるビーム方向８が回転軸４と９０°でな
い角度αをなすように斜めに交差している。このように
構成することにより、複数の同等性能のビームを一平面
内に限られた方向ではなく、円錐面に沿うような方向に
対して形成する複反射鏡アンテナを提供することができ
る。例えば、地表上から静止衛星軌道上に並んだ複数の
通信衛星と交信するマルチビーム地球局アンテナを考え
ると、高緯度地方になるほど静止衛星軌道は平面からの
ずれの大きな円錐面上に見えるから、角度αを９０°か
らずらしたアンテナが適している。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
主反射鏡のみならず第１の副反射鏡および第２の副反射
鏡を回転対称性をもった環状面の一部で構成し、しかも
それらの回転軸を共通にすることにより、反射鏡系全体
としての回転対称性を損なうことなく、個々の環状面で
発生する収差（位相誤差）および開口面電界分布の歪み
を相殺させ、その効果として、反射鏡の共有度が高く、
コンパクトでしかも良好な放射特性を有する複数のビー
ムを形成可能な複反射鏡アンテナを実現することができ
る。また、複数のビームに対応する複数の一次放射器の
中心軸をすべて平行とすることが容易であり一次放射器
相互間の不要な電磁結合の抑制と無線装置等の近接配置
を両立させることができる。さらに副反射鏡の物理的干
渉の問題が発生しないため、隣接ビームの分離角の小さ
いマルチビームアンテナを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る複反射鏡アンテナ
の構成概念を示す斜視図である。

【図２】第１の実施例による複反射鏡アンテナにおける
パラメータＺｆの選定により収差が最小化される効果を
定量的に説明する特性図である。

【図３】第１の実施例による複反射鏡アンテナの断面図
である。

【図４】本発明の第２の実施例に係る複反射鏡アンテナ
の断面図である。

【図５】本発明の第３の実施例に係る複反射鏡アンテナ
の断面図である。

【図６】本発明の第４の実施例に係る複反射鏡アンテナ
の断面図である。

【図７】従来例のトーラスアンテナの基本概念を示す斜
視図である。

【図８】別の従来例の複反射鏡アンテナの構成概念を示
す斜視図である。

【符号の説明】

１ 主反射鏡 1a,2a,3a 断面曲線 ２，10a 〜 10c，11a 〜 11c 第１の副反射鏡 ３ 第２の副反射鏡 ４ 回転軸 ５（5a〜5c） 一次放射器 ６（6a〜6c） 中心軸 ７（7a〜7c） 位相中心 8a〜8c ビームの方向 ９ 写像

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主反射鏡と、該主反射鏡の反射面に対向
   して配置される第１の副反射鏡と、該第１の副反射鏡の
   反射面に対向して配置される第２の副反射鏡と、該第２
   の副反射鏡の反射面に対向して配置される１つ以上の一
   次放射器とを備え、 前記主反射鏡、前記第１の副反射鏡及び前記第２の副反
   射鏡が共通の回転軸をもつ環状面の一部より構成されて
   おり、 前記一次放射器の位相中心点から前記回転軸までの距離
   をＺｆ［ｍ］、前記一次放射器の放射ビーム幅の半値を
   θｍ［度］、前記一次放射器の位相中心から前記一次放
   射器の中心軸と角度θｍ［度］をなす方向に放射された
   電波が前記第２の副反射鏡、前記第１の副反射鏡で反射
   されたのち、前記主反射鏡上につくる写像の前記回転軸
   に垂直な方向の長さの半値をρｍ［ｍ］、０. ０１７〜
   ０. ０１８の範囲内の数値をＫとし、 ρｍ ／ Ｚｆ ／ θｍ ＝ Ｋ を満たすように前記Ｚｆが決定されることを特徴とする
   複反射鏡アンテナ。
2. 【請求項２】 前記一次放射器の中心軸が、前記回転軸
   と平行である請求項１に記載の複反射鏡アンテナ。
3. 【請求項３】 前記主反射鏡の前記回転軸を含む平面内
   における断面曲線が放物線の一部である請求項１または
   ２に記載の複反射鏡アンテナ。
4. 【請求項４】 前記第１の副反射鏡の前記回転軸を含む
   平面内における断面曲線が楕円の一部である請求項１〜
   ３のいずれかに記載の複反射鏡アンテナ。
5. 【請求項５】 前記第２の副反射鏡が円錐面の一部であ
   る請求項１〜４のいずれかに記載の複反射鏡アンテナ。
6. 【請求項６】 前記回転軸が前記主反射鏡からの放射ビ
   ーム方向と斜めに交差している請求項１〜５のいずれか
   に記載の複反射鏡アンテナ。