JP3655191B2

JP3655191B2 - 鏡面修整アンテナ

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Publication number: JP3655191B2
Application number: JP2000399221A
Authority: JP
Inventors: 敬義伊藤; 裕樹庄木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2020-12-27
Also published as: JP2002198730A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定無線アクセスや移動通信などの基地局に用いられる、セクタビームを形成する鏡面修整アンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固定無線アクセスや移動通信などの基地局に備えられるアンテナとして、水平面内での照射領域を限定して、セクタ状のアンテナビームを形成するセクタビームアンテナが用いられている。セクタビームアンテナを用いてカバレッジエリアをセクタ化し、セクタ状の各エリア間で同一周波数を用いて通信を行う、いわゆる周波数繰り返し利用を実施することにより、周波数の利用効率が向上し、結果的にユーザの収容能力を向上させることができる。
【０００３】
この場合、隣接するセクタ状のエリア間で互いに電波が干渉しないようにすることが必要であり、そのためにはセクタビームアンテナの放射パターンを高度に成形する必要がある。具体的には、垂直面内の放射パターンについては所望の放射エリア内で均一の電界強度となるように、伝搬距離に応じて利得を変化させるコセカント二乗特性とし、放射エリア外へはオーバリーチ干渉を防ぐために低サイドローブ化を行う。水平面内についても、やはり所望の放射エリア内のみ均一の電界強度となるように、放射パターンが一定の利得になるようにし、放射エリア外には電波が漏れないように低サイドローブ化を行う。
【０００４】
このようなセクタビームアンテナを実現するために、反射鏡アンテナを用いる方法が知られている。反射鏡アンテナは、特に周波数が高い場合に低損失化できる利点があり、基地局アンテナとして最適である。反射鏡アンテナにおいては、反射面の形状をいかに設計するかが重要である。従来の反射鏡アンテナの反射面形状の設計手法は、例えば「端末系広帯域無線基地局用成形ビームアンテナ」（野本真一、渡辺文夫、電子情報通信学会、研究技術報告、A・P88-42、1988年）に開示されている。この文献では、幾何光学的手法により反射鏡の反射面を決定する方法と、放射パターンの改善を行うために、反射面の特定の一部分を更に修整する方法を提案している。これらの方法を採用することにより、所望のセクタビームを実現できる。
【０００５】
反射鏡アンテナでセクタビームを実現する上述した従来の方法には、次のような問題点が存在する。まず、反射面の形状を決定するのに幾何光学的な手法を用いているために、設計どおりの特性を得るためには、どうしても反射鏡の大きさを大きくする必要があった。そのため、アンテナの設置構造が複雑になったり、コストが高くなるという問題がある。また、従来の反射鏡アンテナでは、広角領域において非常に高いレベルの交差偏波成分が発生するという問題もある。周波数有効利用の観点から直交偏波を同時に利用する必要が生じる場合があるが、上述した従来のセクタビームアンテナでは、交差偏波成分の発生により、このような要求に対応ができない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、従来の反射鏡アンテナを用いて構成されるセクタビームアンテナでは、アンテナが大型化してしまい、また交差偏波成分の発生により周波数有効利用に不利となるという問題があった。
【０００７】
本発明は、小型かつ低コストで良好なセクタビーム特性を実現でき、さらに交差偏波成分を十分に抑圧できる鏡面修整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】
上記課題を解決するため、本発明は修整反射鏡とその反射面に対向して配置された一次放射器とからなる鏡面修整アンテナにおいて、反射面の垂直断面形状を全体として凹面状とすることで、垂直面内の放射パターンについてコセカント二乗特性を実現し、また反射面の水平断面形状を全体として凸面状とすることで、水平面内の放射パターンを所望のセクタビーム特性とする。さらに、反射面に１波長以内の凹凸を形成することによって、垂直面内及び水平面内の放射パターンを低サイドローブ化するなど、高度に最適化した放射パターンを実現することができる。
【０００９】
本発明の好ましい態様によると、修整反射鏡は電波透過性の材質によって作られる。この修整反射鏡の反射面上に、互いに交差しないように配置された金属グリッドが配置される。このようにすると、金属グリッドの長手方向と平行な偏波成分の電波のみが反射され、金属グリッドと垂直な偏波成分の電波は修整反射鏡を透過する。
【００１０】
この金属グリッドは、例えば該金属グリッドを特定の方向に対して垂直な面に投影したときに形成される投影像におけるグリッドの長手方向とアンテナが放射する電波の偏波方向がほぼ一致するように構成される。これにより特定の方向へ放射する電波の偏波成分を金属グリッドの長手方向と一致する方向の偏波成分のみとして、交差偏波を抑圧することができる。また、この金属グリッドを複数の異なる特定の方向に対して垂直な面内に形成された仮想グリッドを反射面にそれぞれ投影したときに形成される複数の投影像におけるグリッドの平均的な位置に配置すれば、複数の異なる方向での交差偏波特性を同時に改善することが可能となる。
【００１１】
本発明に係る他の修整反射鏡アンテナによると、電波透過性の材質によって作られた修整反射鏡は、垂直断面形状が全体として凹面状、水平断面形状が全体として凸面状であり、さらに１波長以内の凹凸が形成された第１の反射面と、垂直断面形状が全体として凸面状、水平断面形状が全体として凹面状であり、さらに１波長以内の凹凸が形成された第２の反射面を有する。この修整反射鏡の第１の反射面に対向して、垂直偏波及び水平偏波の両方で動作可能な一次放射器が配置される。修整反射鏡の第１の反射面上に、互いに交差しないように第１の金属グリッドが配置され、修整反射鏡の第２の反射面上に、互いに交差せず、かつ第１の金属グリッドと交差するように第２の金属グリッドが配置される。
【００１２】
より詳しくは、第１の金属グリッドは第１の金属グリッドを水平偏波成分を抑圧したい方向に対して垂直な面に投影したときに形成される投影像におけるグリッドがほぼ垂直方向を向くように構成され、第２の金属グリッドは第２の金属グリッドを垂直偏波成分を抑圧したい方向に対して垂直な面に投影したときに形成される投影像におけるグリッドがほぼ水平方向を向くように構成される。このような構成によって、偏波成分により独立に最適な反射鏡形状を実現することができ、偏波毎に異なる放射パターン特性を実現することも可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１に、本発明の第１の実施形態に係る鏡面修整アンテナの構成を示す。この実施形態の鏡面修整アンテナは垂直偏波で動作するアンテナであり、垂直面内でコセカント二乗の放射パターン特性、水平面内でセクタビームの放射パターン特性をそれぞれ形成する。これらの放射パターン特性については、後に詳しく説明する。
【００１４】
図１において、修整反射鏡１１は誘電体やプラスチックのような電波透過性の材質によって作られ、表面に反射面１２を有する。この反射面１２上に、垂直方向に延びた多数の金属細線からなる金属グリッド１３が設けられている。この金属グリッド１３はアンテナから放射される交差偏波成分（この例では水平偏波成分）を抑圧するためのものであり、エッチングや導体吹き付けなどの方法により反射面１２上に被着形成される。
【００１５】
修整反射鏡１１の反射面１２に対向して、一次放射器であるホーンアンテナ１４が配置されている。ホーンアンテナ１４には、円形−矩形導波管変換器１５を介して矩形導波管１６の一端が接続され、導波管１６の他端には導波管インタフェース１７が接続される。修整反射鏡１１の背面は、支え（治具）１８によって支持されている。導波管１６は導波管インタフェース１７に近い箇所で支え１８に結合され、これによってホーンアンテナ１４、円形−矩形導波管変換器１５、導波管１６及び導波管インタフェース１７が支え１８によって支持されている。
【００１６】
本実施形態の鏡面修整アンテナは、修整反射鏡１１の反射面１２の形状と、金属グリッド１３が反射面１２上に設けられている点に特徴を有する。以下、修整反射鏡１１と金属グリッド１３の詳細について述べる。
【００１７】
図２（ａ）には、修整反射鏡１１の反射面１２側から見た正面図（図１のアンテナ正面方向、すなわちｘ−ｙ面に対応する面の図）を示す。金属グリッド１３は、図２（ｂ）に示されるように、図１に示した交差偏波成分である水平偏波成分を抑圧したい方向に対して垂直な面に金属グリッド１３を投影したとき、その投影像２３におけるグリッドの方向が垂直方向を向くように構成される。
【００１８】
図３には、垂直面（ｘ−ｚ面）における修整反射鏡１１の断面を示す。この図に示されるように、修整反射鏡１１の反射面１２は、垂直断面形状が全体的にｚ軸方向に対して凹面状となるように形成されている。言い換えれば、反射面１２の設計上の基準面（これを初期鏡面という）２０が垂直面内において全体的に凹面をなすように形成される。
【００１９】
反射面１２は、さらに垂直面内において初期鏡面２０を基準とした凹凸を有する。これらの凹凸は、反射面１２で反射された電波の位相を調節して最適化するために形成される。電波の位相は１波長で一周、つまり３６０°変化するので、初期鏡面２０に対する凹凸の寸法（初期鏡面２０を基準とした凹部の深さと凸部の高さ）は、高々１波長の範囲内とされる。この凹凸の詳細な形状は、後述の方法によって決定される。このような垂直面内の凹凸を反射面１２に形成することによって、垂直面内の放射パターンを最適化できる。具体的には、放射パターンをコセカント二乗特性により精度良く合わせ、また放射エリア外で放射パターンを低サイドローブ化することができる。
【００２０】
図４には、同様に水平面（ｙ−ｚ面）における修整反射鏡１１の断面を示す。この図に示されるように、修整反射鏡１１の反射面１２は、水平断面形状が垂直断面形状とは逆に、全体的にｚ軸方向に対して凸面状となるように形成されている。言い換えれば、初期鏡面２０が水平面内において全体的に凸面をなすように形成される。
【００２１】
さらに、反射面１２は水平面内においても初期鏡面２０を基準として凹凸を有している。水平面内の凹凸も図３で示した垂直面内の凹凸と同様に、反射面１２で反射された電波の位相を調節して最適化するために形成され、その凹凸の寸法（初期鏡面２０を基準とした凹部の深さと凸部の高さ）は、高々１波長の範囲内とされる。この凹凸の詳細な形状も、後述の方法によって決定される。このような水平面内の凹凸を反射面１２に形成することによって、水平面内の放射パターンを最適化することができ、具体的には放射パターンを放射エリア内でより平坦化し、また放射パターンを放射エリア外で低サイドローブ化することができる。
【００２２】
次に、本実施形態に係る鏡面修整アンテナの動作について図１を用いて説明する。以下では送信の場合を例にとり説明するが、この鏡面修整アンテナは受信の場合も適用可能であり、その場合は電波の伝搬経路が逆になるだけである。
【００２３】
図示していない送信機から送られた送信信号は、導波管インタフェース１７に入力され、導波管１６及び円形−矩形導波管変換器１５を経由してホーンアンテナ１４に導かれる。これにより、ホーンアンテナ１４から修整反射鏡１１の反射面１２へ向けて送信電波が放射される。この例では、一次放射器として円形のホーンアンテナ１４を用いているため、通常の導波管１６の断面形状である矩形を円形に変換するために円形−矩形導波管変換器１５が使用されている。
【００２４】
ホーンアンテナ１４から放射された送信電波は、修整反射鏡１１の反射面１２で反射され、遠方へ放射される。ここで、反射面１２を図示のような形状とすることにより、垂直面内の放射パターンは、図５に示すように放射エリア内ではコセカント二乗特性、放射エリア外では低サイドローブの特性となる。水平面内の放射パターンは、図６に示すように放射エリア内で均一の電磁界強度の特性となり、それ以外では低サイドローブの特性となる。さらに、これら垂直面内及び水平面内の放射パターンは、修整反射鏡１１の反射面１２に形成された凹凸によって最適化される。
【００２５】
このような本実施形態の修整反射鏡アンテナによると、所望の放射エリア内において受信される電波はどこでも均一の電磁界強度になり、また放射エリア外には不要な電波を放射しなくなる。すなわち、放射パターンは垂直面内においてはエリアの端へ向けた電波の伝搬距離が最も遠くなるために最大利得をもち、エリアの内側に近づくに従って伝搬距離が短くなるために利得が小さくなるようなコセカント二乗パターンとなり、水平面内においてはセクタビームのエリア内で均一の利得をもつ放射パターンとなる。
【００２６】
このような放射パターンを実現することにより、所望の放射エリアに効率良く電波を放射できるためにアンテナ利得が向上し、この効果を利用してカバレッジエリアを広げることも可能となる。また、放射エリア外へ漏れ込む不要電波の放射を抑圧することができるため、放射エリア外にいるユーザ端末に与える干渉を低減できる。従って、同一周波数を近接するエリアで再利用して、限られた周波数資源を有効活用できる効果があり、許容するユーザ数を増加させることが可能となる。
【００２７】
さらに、本実施形態では修整反射鏡１１の反射面１２上に、垂直方向の金属グリッド１３が設けられていることにより、反射面１２においては垂直偏波成分の電波のみ反射し、水平偏波成分の電波は誘電体等の電波透過性材質で作られた修整反射鏡１１の内部を通過していく。このため、修整反射鏡１１から放射される電波は、交差偏波成分（本実施形態では水平偏波成分）が抑圧され、ほとんどが主偏波成分（本実施形態では垂直偏波成分）のみとなる。特に、修整反射鏡を金属により形成した場合に、交差偏波成分が最も強く発生する方向から見て、その方向に向けた交差偏波成分を抑圧するように金属グリッド１３を形成することによって、より効果的に交差偏波成分を抑圧することができる。
【００２８】
このように金属グリッド１３を修整反射鏡１１の反射面１２上に形成することにより、交差偏波識別度の良好な鏡面修整アンテナを実現できる。従って、この鏡面修整アンテナを用いることによって、同一セクタ内において直交偏波の利用による周波数再利用が可能となり、限られた周波数資源を有効活用する上での効果は更に大きくなる。
【００２９】
なお、第１の実施形態に対して以下のような変更を行っても、本発明の効果は変わらない。
一次放射器としてホーンアンテナ１４を用いた例を説明したが、他の方式のアンテナ、例えばマイクロストリップアンテナのような平面アンテナ、ダイポールアンテナのような線状アンテナを用いてもよい。
電波伝送路として導波管１６を用いた例を示したが、同軸線路あるいはマイクロストリップ線路のような平面線路を用いてもよい。アンテナの動作周波数が例えば１０ＧＨｚ帯以下の低い周波数帯の場合、これらの平面線路と上述した平面アンテナを組み合わせて用いることにより、低損失でコンパクト・軽量の一次放射系を実現できるという利点がある。
【００３０】
修整反射鏡１１の組成及び材質については、電波を透過させることができれば基本的に何を用いても構わない。金属グリッド１３についても同様である。さらに、金属グリッド１３を通過した交差偏波成分が反射鏡１１の後ろの金属などの散乱体により反射することを防ぐために、反射鏡１１の裏面や反射鏡１１の後に電波吸収体を設けてもよい。
【００３１】
次に、図１の修整反射鏡１１における反射面１２の形状を決定する方法について説明する。
（ステップ１）最初に、反射面１２の凹凸を形成する前の形状である初期鏡面２０の決め方について図７を用いて説明する。なお、図７では反射鏡１１、反射面１２をそれぞれ符号１０１，１０２で表している。
（ステップ１−１）まず、垂直中心断面（反射面１０２の中心を通る垂直断面）における初期鏡面形状を決定する。放射エリア内において、水平方向の電界強度が一定となるようなコセカント二乗ビームを放射する反射面形状を決定するために、以下の二つの条件を課す。
【００３２】
［１］反射の法則
図７（ａ）（ｂ）に示すように、反射鏡１０１の反射面１０２に対して給電点１０３に置かれた一次放射器（図７では図示せず）から電波を放射する場合、図７（ｂ）に示す反射面１０２での入射波と反射波との光路の関係から、次式を得る。
【数１】

【００３３】
［２］電力の条件
給電点１０３に置かれた一次放射器の一次放射パターンの電力をＰ_F(θ)、所望の一次放射パターンの電力をＰ_D(θ)とする。
一次放射器のθ₁〜θの角度範囲内とθ₁〜θ₂の角度範囲内との一次放射パターンの電力比は、反射面１０２からの二次放射パターンのφ₁〜φ内とφ₁〜φ₂内との電力比に等しいことから、次式が得られる。
【数２】

【００３４】
式（１）からθとφとの関係が得られ、式（２）を整理して次の微分方程式を得ることができる。
【数３】

【００３５】
これを初期条件θ₀のときｒ₀を与えて、初期値問題として数値的に解くことができる。
【００３６】
（ステップ１−２）次に、水平断面内の初期鏡面形状を以下のようにして決定する。
まず、上記（ステップ１−１）の手順により形状が決定された垂直中心断面を波長に対して十分小さく分割する。この分割された各領域において各領域と給電点１０３を含む面に注目し、この面内においてセクタビームを放射するような初期鏡面形状を、垂直中心断面内の初期鏡面形状を決める場合と全く同様な手順により求める。これを近似的に、注目した垂直中心断面上の点を通る水平断面形状とする。
【００３７】
これら水平及び垂直断面内の初期鏡面形状を組み合わせて形成される鏡面は、既にある程度良好な放射特性を有していると考えられ、これを初期鏡面２０とする。図８は、このようにして決定される初期鏡面２０の一例を示している。
【００３８】
（ステップ２）次に、図１において修整反射鏡１１の反射面１２上に凹凸を形成する方法について、図９〜図１２を用いて説明する。
初期鏡面２０を複数の微小平面鏡に分割し、各微小平面鏡毎に修整量を与えて、所望パターンにより近い最適な鏡面形状を決めることにより、結果的に反射面１２上に凹凸ができる。ここで、各微小平面鏡からの寄与を合成して所望の放射界を得るときに、反射面１２上の凹凸によって各微小平面鏡からの放射界の位相を調整する。これらの凹凸の寸法は、前述したように１波長以内である。以下、反射面１２に凹凸を形成するために初期鏡面２０の各微小平面鏡に与える具体的な修整量の決定手順について述べる。この修整量決定方法は、例えば特開平３−１７９９０３に記載された方法を用いることができる。
図９は、初期鏡面１０６のｘ−ｙ平面図を示している。この図９に示されるように、初期鏡面１０６はｚ軸に対して垂直な波長に対して十分小さい微小平面鏡１０５に分割される。これらの各微小平面鏡１０５は、さらにｘ−ｚ平面を見込んだ図１０に示されるように、ｚ方向への修整量１０９が与えられることにより初期鏡面１０６に対して修整された鏡面（修整鏡面）１０７を形成する。
【００３９】
次に、修整量１０９の決定方法について説明する。
図９に示した微小平面鏡１０５を図１０のようにｚ方向に修整することは、各微小平面鏡１０５を微小アンテナと考えたとき、近似的にアンテナの励振位相を変化させることと等価である。すなわち、図１０の修整鏡面１０７は図１１に示すアレーアンテナと等価であるといえる。図１１のアレーアンテナは、電力分配器１１１によって複数に分配された送信電力をそれぞれ移相器１１２を介してエレメントアンテナ１１３に供給する構成となっている。
【００４０】
このアレーアンテナのエレメントアンテナ１１３を初期鏡面１０６であるコセカント２乗曲面１０８に沿って配置し、電力分配器１１１の出力に対して修整量に対応したシフト量の位相シフトを移相器１１２により与える。エレメントアンテナ１１３の放射界は、修整前の微小平面鏡１０５上に一次放射器によって誘起される電流を求め、この電流から放射界への寄与を微小平面鏡上に対して積分することにより容易に求められる。このエレメントアンテナ１１３の放射界に移相器１１２によって所定の励振位相を与えた後、各エレメントアンテナ１１３からの寄与を合成することによって得られるアレーアンテナの放射界は、修整鏡面アンテナの放射界と一致する。
【００４１】
以上のことから、修整鏡面アンテナにより所望の成形ビームを作ろうとする問題は、アレーアンテナの励振位相の調整により所望の成形ビームを作る問題に帰着する。
【００４２】
以下、数式を用いて修整量の設定方法の具体的な手順を示す。
微小平面鏡１０５が全部でＮ個あり、この中で図１２に示すＩ番目の微小平面鏡１０５−１が初期鏡面１０６にある場合の任意の方向（ｓ方向）への放射界をｘ_I(s)とし、励振位相をθ_Iとすると、アレーアンテナの合成放射界Ｅ_x(s)は次式のようになる。
【数４】

【００４３】
ここで周波数ｆ_xとする。このときのｓ方向の放射界の電力Ｐ_x(s)は、次式となる。
【数５】

【００４４】
ここで、＊は複素共役を表す。このＰ_x(s)が所望の放射電力Ｈ_x(s)に等しくなるように励振位相{θ_J}を選ぶことにより、要求する成形ビームが構成される。
【００４５】
次に、最適な励振位相を求めるため、次のような評価関数Φを定義する。
【数６】

【００４６】
このΦをθ_Dで微分すると、次式となる。
【数７】

【００４７】
従って、次式が得られる。
【数８】

【００４８】
ここで、位相ベクトルΩを次のように定義する。
【数９】

【００４９】
そして、次のような繰り返し計算を行うことにより、式（６）の評価関数Φを最小もしくは極小とするΩに近づけることができる。
【数１０】

【００５０】
以上の方法により、評価関数Φを最小または極小にする励振位相{θ_I}が求められる。この各微小平面鏡１０５に対応する励振位相θ_Iを光路長Ｒ_Iに換算すると、次式となる。
【数１１】

【００５１】
従って、図１２を参照すると、式（１１）の光路長Ｒ_Iと微小平面鏡１０５の修整量（ｚ方向の平行移動量）Ｗ_Iとの間には、次のような関係がある。
【数１２】

【００５２】
ここで、Ｖ_Iは初期鏡面１０６におけるＩ番目の微小平面鏡１０５−１の中心と一次放射器１０４との間の距離、Ｕ_Iは修整鏡面１０７におけるＩ番目の微小平面鏡１０５−２の中心と一次放射器１０４との間の距離、Ｗ_Iは修整前後での微小平面鏡１０５−１，１０５−２間の距離（修整量）、Ｔ_Iは修整鏡面１０７におけるＩ番目の微小平面鏡１０５−２の中心と観測点１１０との間の距離である。
【００５３】
以上の手順により微小平面鏡１０５に対する修整量Ｗ_Iが求められ、この修整量Ｗ_Iを設定することにより、所望の成形ビームを放射する修整反射鏡アンテナが実現される。
【００５４】
ところで、修整前後において微小平面鏡毎のエレメントパターンが多少変化するので、修整鏡面１０７は最適な鏡面には近くとも、必ずしも最適であるとはいえない。そこで修整鏡面１０７を新たな初期鏡面と考えて、エレメントパターンを計算し直し、前述した方法でもう一度微小鏡面の修整量を求めてこれを設定することにより、初期鏡面を真に最適な鏡面へと近づけることができる。また、微小平面鏡を更に小さくすることによって、より成形度の高いビームを放射する鏡面修整アンテナを提供することができる。
【００５５】
以上の手順により、修整鏡面１０７の凹凸が最適化される。この場合、修整量１０９は微小鏡面１０５単位で決定されるので、単に微小鏡面１０５を平行移動させただけでは、反射鏡１０１の反射面１０２に段差ができる。段差が生じると鏡面形成が困難になる場合があるので、修整鏡面１０７の表面を滑らかにする。修整鏡面１０７を滑らかにする手段としては、微小鏡面１０５の中心で決定された修整量１０９と周囲の微小鏡面の修整量から、その間の点の座標を内挿により求める方法をとることができる。この場合、線形近似（１次関数）の内挿でも、多次関数による内挿でも構わない。
【００５６】
次に、金属グリッド１３の形状決定法について説明する。
反射鏡アンテナにおいて交差偏波成分を抑圧する有効な手段の一つとして、交差偏波の方向に対して平行な方向に長いスリットが切られた金属グリッド板を使用することが挙げられる。これは、十分に細く形成されたスリットの長軸方向には電界が生じないことを利用している。本発明による鏡面修整アンテナでの交差偏波成分抑圧にも、このような金属グリッド板を使用することが考えられる。しかし、前述したように修整鏡面１０７は複雑な起伏があるため、垂直偏波においてはスリットの短軸方向が水平成分を持ってしまい、交差偏波成分を十分に抑圧することが難しい。
【００５７】
本実施形態においては、図８に示されるように反射鏡１０１がｚｘ面に対して対称であり、光線工学的に見るとアンテナの右半面が主にセクタ状カバレッジエリアの右半面、アンテナの左半面がカバレッジエリアの左半面を照射していると考えられる。そこで、反射鏡１０１の右半面については、カバレッジエリアの右半面内での交差偏波のピーク方向に対して有効なグリッドの方向を各微小平面鏡１０５毎に求め、反射鏡１０１の左半面についても同様にしてグリッドの方向を求める。
【００５８】
具体的には、金属のみでできた修整鏡面１０７において発生する最大の交差偏波の方向から修整反射鏡１１を見たとき、修整反射鏡１１の方向に垂直な平面内において抑圧すべき偏波に対応するグリッドを仮想的に平面上に設ける。この仮想的に設けたグリッドを実際の修整鏡面１０７へ投影させることにより、実際に形成すべき金属グリッド１３の形状が決定される。
【００５９】
また、交差偏波成分が大きくなる方向が二つ以上ある場合には、それぞれの方向に対して垂直な面に形成する仮想的なグリッドを修整反射鏡１０７へ各々投影し、この投影像におけるグリッドの平均的な位置に実際の金属グリッド１３を配置する。この場合、放射方向への寄与の大きさにより投影像におけるグリッドの位置を重み付けして平均化してもよい。
【００６０】
このようにして形状が決定された金属グリッド１３を修整鏡面１０７上、すなわち修整反射鏡１１の反射面１２上に配置することにより、交差偏波成分をより効果的に抑圧することができる。
【００６１】
（第２の実施形態）
図１３に、本発明の第２の実施形態に係る鏡面修整アンテナの構成を示す。この実施形態の鏡面修整アンテナは、水平偏波で動作するアンテナであり、第１の実施形態と同様に垂直面内では図５に示したようなコセカント二乗の放射パターン特性、水平面内では図６に示したようなセクタビームの放射パターン特性をそれぞれ形成する。
【００６２】
図１と同一部分に同一符号を付して説明すると、本実施形態は修整反射鏡１１の反射面１２上に配置された金属グリッド２３の方向が水平方向になっている点が第１の実施形態と異なる。このように構成することにより、水平偏波で動作するアンテナにおいて第１の実施形態で示した効果と同様の効果が期待できる。また、第１の実施形態で説明したような変更は、第２の実施形態についても同様に施すことできる。
【００６３】
（第３の実施形態）
図１４は、本発明の第３の実施形態に係る鏡面修整アンテナの構成を示している。本実施形態の鏡面修整アンテナは、垂直偏波、水平偏波の両方で動作するアンテナであり、第１、第２の実施形態と同様に、垂直面内で図５に示すようなコセカント二乗の放射パターン特性、水平面内で図６に示すようなセクタビームの放射パターン特性を形成する。
【００６４】
本実施形態の鏡面修整アンテナにおける修整反射鏡３１は、基本的に第１、第２の実施形態と同様の形状であるが、表裏両面に第１の反射面３２−１、第２の反射面３２−２をそれぞれ有する。すなわち、第１の反射面３２−１は垂直断面形状が全体として凹面状、水平断面形状が全体として凸面状となっている。第１の反射面３２−２は、第２の反射面３２−２とは逆に、垂直断面形状が全体として凹面状、水平断面形状が全体として凸面状となっている。また、反射面３２−１，３２−２には、放射されるエリアのパターンを最適化するための凹凸が形成されており、その形状は後述の方法により決定される。そして、これらの反射面３２−１，３２−２上には、エッチングや導体吹き付けなどの方法により形成された第１、第２の金属グリッド３３−１，３３−２がそれぞれ配置される。
【００６５】
一次放射器であるホーンアンテナ１４は、ＯＭＴ(ortho-mode transducer)３４の一端に接続される。ＯＭＴ３４の他端側は二分岐され、一方は円形−矩形導波管変換器１５−１、導波管１６−１、導波管インタフェース１７−１を介してＶ偏波（垂直偏波）用ポートに、他方は円形−矩形導波管変換器１５−２、導波管１６−２、導波管インタフェース１７−２を介してＨ偏波（水平偏波）用ポートにそれぞれ至る。
【００６６】
図１５には、修整反射鏡３１の正面図（図１４のｚ軸正方向から見たｘ−ｙ面に対応する面の図）を示す。図１６には、修整反射鏡３９の裏面図（図１４のｚ軸負方向から見たｘ−ｙ面に対応する面の図）を示す。金属グリッド３３−１，３３−２はアンテナから放射される交差偏波を抑圧するためのものであり、後述する方法により金属グリッド３３−１はほぼ垂直方向、金属グリッド３３−２はほぼ水平方向に形成されている。すなわち、第１の金属グリッド３３−１は、これを水平偏波成分を抑圧したい方向に対して垂直な面に投影したときに形成される投影像におけるグリッドがほぼ垂直方向を向くように構成され、第２の金属グリッド３３−２は、これを垂直偏波成分を抑圧したい方向に対して垂直な面に投影したときに形成される投影像におけるグリッドがほぼ水平方向を向くように構成される。
【００６７】
本実施形態の鏡面修整アンテナの動作について説明する。以下、送信の場合を例にとり説明するが、本発明は受信の場合も適用可能であり、その場合は電波の伝搬経路が逆になるだけである。
【００６８】
図示していない送信機から送られた垂直偏波の送信信号は、導波管インタフェース１７−１に入力され、導波管１６−１、円形−矩形導波管変換器１５−１及びＯＭＴ３４を経由してホーンアンテナ１４に導かれる。これにより、ホーンアンテナ１４から修整反射鏡３１へ向けて垂直偏波の送信電波が放射される。同様に、図示していない送信機から送られた水平偏波の送信信号は、導波管インタフェース１７−２に入力され、導波管１６−２、円形−矩形導波管変換器１５−２及びＯＭＴ３４を経由してホーンアンテナ１４に導かれることにより、ホーンアンテナ１４から修整反射鏡３１へ向けて水平偏波の送信電波が放射される。
ＯＭＴ３４は、送信の際には垂直偏波成分と水平偏波成分を合成するために用いられ、また受信の際には垂直偏波成分と水平偏波成分を分離するために用いられる。
【００６９】
ホーンアンテナ１４から修整反射鏡３１に向けて放射された送信電波のうち、垂直偏波成分は修整反射鏡３１の表面の反射面３２−１上に設けられた金属グリッド３３−１によって反射される。一方、修整反射鏡３１に向けて放射された送信電波のうち、水平偏波成分は反射面３２−１から入射して電波透過性の材質からなる修整反射鏡３１を透過した後、修整反射鏡３１の裏面の反射面３２−２上に設けられた金属グリッド３３−２によって反射される。
【００７０】
これによって、水平・垂直両偏波成分に対して、垂直面内においては図５に示すようにコセカント二乗特性とエリア外での低サイドローブ特性、水平面内においては図６に示すようなセクタエリア内で均一の電磁界強度となり、それ以外では低サイドローブとなる特性の放射パターンが得られる。修整鏡面３１の表裏の反射面３２−１，３２−２につけられた凹凸は、ここで実現した反射鏡アンテナの放射パターンを最適化するように作用する。
【００７１】
従って、本実施形態の修整反射鏡アンテナによると、第１の実施形態と同様の効果が得られるほか、金属グリッド３３−１，３３−２の作用により、効果的に交差偏波を抑圧することができる。すなわち、修整反射鏡３１の表裏両方の反射面３２−１，３２−２上に金属グリッド３３−１，３３−２を形成することにより、良好な偏波共用鏡面修整アンテナを実現できる。このアンテナを用いることによって、同一セクタ内において直交偏波の利用による周波数再利用が可能となり、限られた周波数資源を有効活用する上での効果はさらに大きくなる。また、一つの修整反射鏡３１で共に最適化された水平偏波、垂直偏波の電波を放射できるため、製造コストや設置スペースの面で有利となり、メンテナンスの手間も半減される。
【００７２】
また、修整反射鏡３１の表裏両方の反射面３１−１，３１−２の凹凸形状をそれぞれ変えて構成することも可能である。これにより、修整反射鏡３１の形状を偏波毎に独立に最適化できるという利点がある。例えば、ホーンアンテナ１４の指向性は一般的に偏波により微妙に異なる性質があるので、このような性質を加味した最適な鏡面が実現できる。さらに、偏波毎に異なるアンテナ特性（例えば、セクタビーム幅）を実現することができ、偏波共用によるコンパクトなアンテナの実現のみでなく、柔軟な設計や仕様の実現ができるという効果がある。
【００７３】
なお、ここまで説明した第３の実施形態において、第１の実施形態の述べた変更があっても本発明の効果は変わらないことは言うまでもない。修整反射鏡３１の反射面３２−１，３２−２の形状の選び方及び金属グリッド３３−１，３３−２の形状の決め方については、第１の実施形態で述べたのと同様の方法を用いることができる。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の鏡面修整アンテナによれば小型かつ低コストでセクタビーム特性を実現できる。これにより所望のエリアに効率良く電波を放射できるためにアンテナ利得が向上し、この効果を利用してカバレッジエリアを広げることも可能となり、またエリア外へ漏れ込む不要電波の放射を抑圧することでエリア外にいるユーザに与える干渉を低減できる。従って、同一周波数を近接するエリアで再利用することが可能となり、限られた周波数資源を有効に活用して、許容するユーザ数を増加させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る鏡面修整アンテナの構成を示す図
【図２】同実施形態におけるにおける修整反射鏡の正面図及び該修整反射鏡の交差偏波を抑圧したい方向に対して垂直な面への投影図
【図３】同実施形態における修整反射鏡の垂直断面図
【図４】同実施形態における修整反射鏡の水平断面図
【図５】同実施形態に係る鏡面修整アンテナにより実現される垂直面内の放射パターンを示す図
【図６】同実施形態に係る鏡面修整アンテナにより実現される水平面内の放射パターンを示す図
【図７】同実施形態に係る鏡面修整アンテナの初期鏡面の設計方法を説明する図
【図８】同実施形態に係る鏡面修整アンテナの初期鏡面を示す図
【図９】同実施形態に係る鏡面修整アンテナの鏡面最適化のための微小平面鏡の正面図
【図１０】同実施形態に係る鏡面修整アンテナの鏡面最適化に係る微小平面鏡の垂直断面図
【図１１】同実施形態に係る鏡面修整アンテナの鏡面最適化の手法を示す図
【図１２】同実施形態に係る鏡面修整アンテナの鏡面最適化に係る微小平面鏡の修整量を示す図
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る鏡面修整アンテナの構成を示す図
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る鏡面修整アンテナの構成を示す図
【図１５】同実施形態に係る鏡面修整アンテナにおける修整反射鏡の表面側から見た正面図
【図１６】同実施形態に係る鏡面修整アンテナにおける修整反射鏡の裏面側から見た正面図
【符号の説明】
１１…修整反射鏡
１２…反射面
１３…金属グリッド
１４…ホーンアンテナ（一次放射器）
１５，１５−１，１５−２…円形−矩形導波管変換器
１６，１６−１，１６−２…導波管
１７，１７−１，１７−２…導波管インタフェース
１８…支え（冶具）
２０…初期鏡面
２３…金属グリッド
３１…修整反射鏡
３２−１，３２−２…反射面
３３−１，３３−２…金属グリッド
３４…ＯＭＴ

Claims

垂直断面形状が全体として凹面状、水平断面形状が全体として凸面状であり、反射する電波の１波長以内の凹凸が形成された反射面を有する修整反射鏡と、
前記修整反射鏡の反射面に対向して配置された一次放射器と
を具備する鏡面修整アンテナ。
垂直断面形状が全体として凹面状、水平断面形状が全体として凸面状であり、反射する電波の１波長以内の凹凸が形成された反射面を有する、電波透過性の材質によって作られた修整反射鏡と、
前記修整反射鏡の反射面に対向して配置された一次放射器と、
修整反射鏡の反射面上に、互いに交差しないように配置された金属グリッドとを具備する鏡面修整アンテナ。
前記金属グリッドは、該金属グリッドを特定の方向に対して垂直な面に投影したときに形成される投影像におけるグリッドの長手方向と、前記アンテナが放射する電波の偏波方向がほぼ一致するように構成される請求項２記載の鏡面修整アンテナ。
前記金属グリッドは、該金属グリッドを複数の異なる特定の方向に対して垂直な面内に投影したときに形成される投影像におけるグリッドの長手方向と前記アンテナが放射する電波の偏波方向がほぼ一致するように形成された仮想グリッドを前記修整反射鏡の反射面にそれぞれ投影したときに形成される複数の投影像におけるグリッドの平均的な位置に配置される請求項２記載の鏡面修整アンテナ。
垂直断面形状が全体として凹面状、水平断面形状が全体として凸面状であり、反射する電波の１波長以内の凹凸が形成された第１の反射面と、この第１の反射面の反対側に形成され、垂直断面形状が全体として凹面状、水平断面形状が全体として凸面状であり、反射する電波の１波長以内の凹凸が形成された第２の反射面を有する、電波透過性の材質によって作られた修整反射鏡と、
前記修整反射鏡の第１の反射面に対向して配置された垂直偏波及び水平偏波の両方で動作可能な一次放射器と、
前記修整反射鏡の第１の反射面上に、互いに交差しないように配置された第１の金属グリッドと、
前記修整反射鏡の第２の反射面上に、互いに交差せず、かつ前記第１の金属グリッドと交差するように配置された第２の金属グリッドと
を具備する鏡面修整アンテナ。
前記第１の金属グリッドは、該第１の金属グリッドを水平偏波成分を抑圧したい方向に対して垂直な面に投影したときに形成される投影像におけるグリッドがほぼ垂直方向を向くように構成され、
前記第２の金属グリッドは、該第２の金属グリッドを垂直偏波成分を抑圧したい方向に対して垂直な面に投影したときに形成される投影像におけるグリッドがほぼ水平方向を向くように構成される請求項５記載の鏡面修整アンテナ。