JP3882370B2 - アンテナ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、誘電体レンズとアレーアンテナを複合させたアンテナ装置に係り、特に、低軌道衛星に搭載して地球との通信などを行うのに適した天頂方向より広角方向での利得の高いビーム走査特性を有するアンテナ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は例えば公開実用新案公報（昭６４−４７１０９）に示された従来の誘電体レンズ付き平面アレーアンテナ装置の構成を説明する断面図である。図において、１は放射素子が配置されている平面（構造用基体）、２は平面１上に配置された複数の放射素子、３は平面アレー、４は誘電体レンズ（所望の屈折率を有する電波レンズ）、５は座標系でｚ方向が天頂方向、６は天頂方向からの離角θ、７は平面アレー３の開口径ｄ0 、８はθ2 方向から見た平面アレー３の開口径ｄ1 、９はθ2 方向から見た誘電体レンズ３上の等価的な波源開口径ｄ2 である。複数の放射素子２には移相器や増幅器が接続しており、その励振振幅と励振位相を変化させることができる。また、誘電体レンズ４はｚ軸を回転軸にした回転対称構造で、平面アレー３の上方を半球状に覆っている。
【０００３】
次に動作について説明する。平面１上の複数の放射素子２を天頂から離れたθ1 方向で概ね位相が合うように励振する。平面アレー３からθ1 方向に放射された電波は誘電体レンズ４で屈折し、ｚ軸からさらに離れたθ2 方向にビームを形成する。誘電体レンズが回転対称な構造であるので周方向のビーム走査では対称な放射特性を有している。
【０００４】
この従来の誘電体レンズ付き平面アレーアンテナ装置の効果を説明する。上記の誘電体レンズ付き平面アレーアンテナにおいて、誘電体レンズ４なしで、平面アレー３のみで θ2 方向にビームを形成する場合を示す。この場合、θ2 方向から見た平面アレー３の開口径ｄ1 は、天頂方向（ｚ軸方向）から見た開口径ｄ0 より小さくなるため、天頂方向より利得が減少するという問題が発生する。平面アレー３のみでθ2 方向の利得を増加するためには平面アレー３の開口を大きくするしかなく、アンテナの大きさ増大と放射素子数増加の問題がある。しかし、上記のように誘電体レンズ４を介した場合には誘電体レンズ４上に、θ1 方向に平面アレー３を投影したものが概ね波源と目せ、θ2 方向から見た開口径はｄ2 となってｄ1 より大きくなるため、利得の減少は平面アレー３のみでビーム走査する場合より小さくなる。すなわち、誘電体レンズ４を装荷すれば平面アレーのみの場合に比べて、より小さい平面アレー、より少ない放射素子数で広角において同等の利得を得る効果を有する。
なお、この従来例のアンテナ装置では天頂から広角までのビーム走査で利得の変動を小さく抑えることが目的であり、誘電体レンズ４の焦点から比較的離れた位置に放射素子を配置する必要がある。焦点の近くに配置すると集光特性がよくなり、レンズの光軸方向で利得が急激に高くなるためである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のアンテナ装置は以上のように、平面アレーのみの場合に比べてより小さい平面アレー、より少ない放射素子数で広角において同等の利得を得、天頂から広角までのビーム走査で利得の変動を小さく抑える効果を有している。しかし、広角で利得を高くし、天頂方向では利得を低くするようなビーム走査には不向きであるという課題を有する。例えば近年盛んに研究・実用化されている低軌道衛星では、衛星と地球中心を結ぶ軸から観測方向が離れると、衛星と地球表面の距離が急速に大きくなる。すなわち、スパンロスが増加するため、低軌道衛星搭載のアンテナでは、天頂方向よりも広角の方で利得が高くなるビーム走査特性が要求される。
【０００６】
この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、通常の平面アレーに比べてより小さい平面アレー開口径、より少ない放射素子数で、広角方向で同等以上の利得を得られ、かつ、従来の電波レンズ付きアレーアンテナに比べて、天頂方向よりも広角での利得が高くなるビーム走査特性を有するアンテナ装置を得ることを目的とする。
【０００７】
さらに、誘電体レンズが薄くて軽量・低損失になるアンテナ装置、放射素子の背面に移相器や増幅器等のモジュールの配置が容易になるアンテナ装置、広角におけるビーム成形自由度が高いアンテナ装置、天頂方向の放射レベルがより高いアンテナ装置、放射素子数がより少く構造が簡単なアンテナ装置、誘電体レンズからの反射を軽減したアンテナ装置を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明のアンテナ装置においては、天頂方向の軸から所定の角度離角した広角方向を光軸とする凸レンズ形状の断面を、上記軸の周りに回転させて形成される回転対称形で、かつ、上記天頂方向に開口部を有する形状の誘電体レンズと、上記誘電体レンズの焦点の内側に上記天頂方向の軸に垂直に設置され、上記誘電体レンズの焦点から上記誘電体レンズを見込む角度範囲内に概ね配置された複数の放射素子から形成される平面アレーアンテナとを備え、上記平面アレーアンテナでのビーム走査に対して、上記広角方向の利得を上記天頂方向の利得より高くしたものである。
【０００９】
また、天頂方向の軸から所定の角度離角した広角方向を光軸とする凸レンズ形状の断面を、上記軸の周りに回転させて形成される回転対称形で、かつ、上記天頂方向に開口部を有する形状の誘電体レンズと、上記誘電体レンズの焦点の内側近傍に設置され、上記天頂方向の軸に対して回転対称な上記開口部に対する凹面の上記開口部に対向する底部に概ね配置された複数の放射素子および上記誘電体レンズの焦点からその焦点に対応する上記凸レンズ形状の断面を見込む角度範囲内の上記凹面に概ね配置された複数の放射素子から形成されるコンフォーマルアレーアンテナとを備え、上記コンフォーマルアレーアンテナでのビーム走査に対して、上記広角方向の利得を上記天頂方向の利得より高くしたものである。
【００１０】
また、天頂方向の軸から所定の角度離角した広角方向を光軸とする凸レンズ形状の断面を、上記軸の周りに回転させて形成される回転対称形で、かつ、上記天頂方向に開口部を有する形状の誘電体レンズと、上記誘電体レンズの焦点の内側に設置され、上記天頂方向の軸に対して回転対称な上記開口部に対する凸面の上記開口部に対向する天部に概ね配置された複数の放射素子および上記誘電体レンズの焦点からその焦点に対応する上記凸レンズ形状の断面を見込む角度範囲内の上記凸面に概ね配置された複数の放射素子から形成されるコンフォーマルアレーアンテナとを備え、上記コンフォーマルアレーアンテナでのビーム走査に対して、上記広角方向の利得を上記天頂方向の利得より高くしたものである。
【００１１】
さらに、上記誘電体レンズに接続して上記開口部に設けられ、上記誘電体レンズの開口部端に続けて厚みをなめらかに連続的に変化させると共に、上記天頂方向の軸に直交する厚み一定の平板部分が形成された上記誘電体レンズと同一誘電率の誘電体層を有するようにすると良い。
【００１２】
また、上記平面アレーアンテナまたは上記コンフォーマルアレーアンテナの上記開口部に対向する部位の複数の放射素子を除去すると共に、上記部位よりも上記開口部により近い位置に配置された複数の放射素子から成り、上記開口部近傍に設置されたアレーアンテナを備えても良い。
【００１３】
また、上記平面アレーアンテナまたは上記コンフォーマルアレーアンテナの上記開口部に対向する部位の複数の放射素子を除去すると共に、上記誘電体レンズの開口部に放射開口を配置した単数の放射素子を備えても良い。
【００１４】
さらに、上記誘電体レンズにゾーニングを施して軽量にできる。
【００１５】
また、上記誘電体レンズの表面または上記誘電体レンズと上記誘電体層の表面に整合層を設けて、誘電体レンズなどからの反射を軽減できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構造を説明するための断面図、図２は上記アンテナ装置の構造を説明するためのを斜め上方から見た斜視図である。図３は上記アンテナ装置のビーム走査原理を説明するための説明図、図４は上記アンテナ装置でビーム走査をした場合のビームピークの包絡線を説明するための説明図である。図１において、１０は座標系、１１は座標系１０のｚ軸からの離角θ、１２は誘電体レンズ、１３は放射素子、１４は放射素子１３が配置されている平面基板、１５は放射素子１３と平面基板１４から成る平面アレー、１６は誘電体レンズ１２の光軸、１７は誘電体レンズ１２の焦点Ｆ、１８は誘電体レンズ１２の天頂に形成された開口部である。図３において、１９は光軸１６方向へのビーム、２０は光軸１６からずれた方向へのビーム、２１は天頂方向（ｚ方向）へのビーム、２２は平面アレー１５から放射され、光軸１６方向から誘電体レンズ１２に入射し、ビーム１９を形成する円筒波状の電波、２３は平面アレー１５から放射され、光軸１６からずれた方向から誘電体レンズ１２に入射し、ビーム２０を形成する円筒波状の電波である。図４において、２４は上記アンテナ装置でビーム走査をした場合のビームピークの包絡線、２５は上記アンテナ装置から放射されるビームである。なお、図１〜４で同一または相当のものは同じ符号で示す。
【００１７】
ここで、誘電体レンズ１２の光軸１６は所望の広角方向のビーム走査特性を得られるように、ｚ軸から所定の角度離角した方向に設定する。また、誘電体レンズ１２の光軸１６はｚ軸を含む平面内に含まれ、誘電体レンズ１２は円筒波状の電波を平面波状の電波に変換する凸レンズ形状の断面をｚ軸の周りに回転させて形成される回転対称な形状になっている。なお、ｚ軸は平面基板１４に垂直である。図１に示すように、ｚ軸を含む面内において、放射素子１３の大半を誘電体レンズ１２の焦点Ｆと誘電体レンズ１２の有効径両端を結ぶ２直線のなす角度範囲内で、平面アレー１５から放射される円筒波状の電波を誘電体レンズ１２で平面波に変換できるように焦点Ｆの比較的近傍に配置し、誘電体レンズ１２によるより鮮明な（ピントの合った）ビームを形成させる。
また、平面アレー１５は、放射素子１２に移相器などを接続し、励振位相を変化させることができるフェーズドアレーとしている。なお、放射素子１２に可変増幅器などを接続し、励振振幅を変化させられるアクティブフェーズドアレーとしても良い。
【００１８】
次に図３を用いて動作について説明する。以下ではアンテナ装置の送信時の動作を述べるが、アンテナは送受可逆であり、受信時においても同様の特性を有する。まず、光軸１６方向にビームを形成する場合は、光軸１６の方向から誘電体レンズ１２に入射する円筒波状の電波２２を平面アレー１５から放射する。円筒波状の電波２２は誘電体レンズ１２を通過すると光軸１６方向に進む平面波状の電波に変換され、光軸１６方向にビーム１９を形成する。光軸１６に対して斜めに入射する円筒波状の電波２３を平面アレー１５から放射すると、誘電体レンズ１２を通過した後は光軸１６からずれた方向にビーム２０が形成され、ビーム走査を行うことができる。
【００１９】
この実施の形態のアンテナ装置における天頂方向近傍のビーム走査では、平面アレー１５が開口部１８から離れた位置に設置されているため、開口部１８を通じての平面アレー１５からの直接放射と誘電体レンズ１２を介しての放射の合成でビームが形成される。より広角では上記のように主として誘電体レンズ１２からの放射でビームが形成される。
【００２０】
なお、上記説明では断面的に示したが、この実施の形態のアンテナ装置は誘電体レンズ１２および平面アレー１５などが座標系１０のｚ軸について回転対称な構造であるので、ｚ軸からの離角θが同じであればｚ軸を中心とする周方向のビーム走査では対称な放射特性を有しており、上記説明と同様である。
【００２１】
この実施の形態では、誘電体レンズ１２によって所望の広角方向から見たアンテナ開口径が拡大するので、平面アレー１５のみの場合より広角でより高い利得を得ることができる。また、平面アレーのみで同等の利得を得る場合に比べて、より小さい平面アレー、より少ない放射素子数で済む利点がある。さらに、誘電体レンズ１２の焦点Ｆの近傍に放射素子１３を配置しているのでピントが合うため、図４に例示したように、従来のレンズ付きアレーアンテナに比べて、広角においてよりビーム幅の狭い、利得の高いビームが形成できる。天頂方向では開口部１８が設けてあるため等価的な波源開口径が広角方向より小さいので、広角方向に比べて低い利得のビームが形成される。この実施の形態のアンテナ装置でビーム走査を行った場合は図４に示すビームピークの包絡線のように広角方向で利得が高く、天頂方向で利得が低くなる。従って、低軌道衛星に搭載して地球との通信などを行うのに適したビーム走査特性を有するアンテナ装置を得ることができる。
【００２２】
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２によるアンテナ装置の構造を説明するための断面図である。図において、１３ａ、１３ｂ、１３ｃは放射素子、１６ａ、１６ｂは光軸、３０は誘電体レンズ１２の光軸１６ａ、１６ｂに直交する側線から成る概ね円錐台形状の凹面、放射素子１３ｃは上記凹面の底の面に配置される放射素子である。３１は放射素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃと凹面３０から成るコンフォーマルアレー、３２は各放射素子と接続し、移相器・増幅器・フィルタ等を備えた送受信機モジュールである。なお、同一または相当のものは同じ符号で示す。
【００２３】
この実施の形態の動作は実施の形態１のアンテナ装置とほぼ同様であるが以下の特長を有する。光軸１６ａ方向近傍への放射には主として放射素子１３ａが寄与する。放射素子１３ｂ、１３ｃは光軸１６ａ方向近傍以外のサイドローブ抑制の役割を担う。逆に光軸１６ｂ方向近傍への放射には主として放射素子１３ｂが寄与し、放射素子１３ａ、１３ｃは光軸１６ｂ方向近傍以外のサイドローブ抑制の役割を担う。天頂方向近傍への放射には主として放射素子１３ｃが寄与し、放射素子１３ａ、１３ｂは天頂方向近傍以外のサイドローブ抑制の役割を担う。
【００２４】
この実施の形態では、コンフォーマルアレー３１と同じ大きさの間口の平面アレーを用いた場合に比べて放射素子１３ａ、１３ｂをより焦点Ｆに近い位置に配置できるのでピントが合い、所望の広角でよりビーム幅が狭くて利得の高いビームを形成できる利点がある。また、一般に放射素子に用いられるマイクロストリップアンテナやホーンアンテナはその正面方向に強い放射を行うので、誘電体レンズ１２の光軸１６ａ、１６ｂに直交する側線から成る概ね円錐台形状の凹面に設けられた放射素子１３ａ、１３ｂのような配置により広角方向に強い放射を行うことができる。この点からも、この実施の形態のアンテナ装置では平面アレーを用いた場合に比べて広角方向でより利得の高いビームを形成できる。
【００２５】
また、実施の形態１で示した平面アレーを用いた場合と同程度の利得で良い場合には、放射素子１３ａ、１３ｂと焦点Ｆの距離を、平面アレーを用いた場合と同じ程度にできるので、誘電体レンズ１２の焦点距離をより長くすることができる。この場合、誘電体レンズ１２の厚みが薄くなるので、誘電体レンズ１２の軽量化を図れる利点がある。また、誘電体レンズ１２の薄形化により、誘電体レンズ内の通過損失を低減できる利点を有する。
【００２６】
さらに、平面アレーに比べてコンフォーマルアレー３１の裏面は広く開かれているので、モジュール３２の装着がより容易になるという利点を有する。
【００２７】
実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３によるアンテナ装置の構造を説明する断面図である。図において、４０は誘電体レンズ１２の光軸１６ａ、１６ｂに直交する側線から成る概ね円錐台形状の凸面、放射素子１３ｃは上記凸面４０の天面に配置される放射素子である。４１は放射素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃと凸面４０から成るコンフォーマルアレーである。なお、同一または相当のものは同じ符号で示す。
【００２８】
この実施の形態の動作は前記実施の形態２のアンテナ装置とほぼ同様である。この実施の形態のアンテナ装置では凸面のコンフォーマルアレー４１を用いているため、実施の形態１、２に比べて誘電体レンズ１２や開口部１８の近くに放射素子を配置しやすい。このため、焦点Ｆの近傍に配置できる放射素子１３ａ、１３ｂの数が増加する。すなわち放射素子１３ａ、１３ｂを増加できるので広角方向におけるビーム成形の自由度が増し、サイドローブレベルの制御が容易になる等の利点を有する。
【００２９】
また、開口部１８の近くにも放射素子１３ｃを配置できるため、開口部からの直接放射が強くなり、天頂方向近傍のビームの利得を増加できる利点を有する。
【００３０】
なお、誘電体レンズ１２はその厚みが光軸付近で最も厚く、光軸から離れるにしたがって薄くなる形状であれば、円筒波状の電波を平面波状の電波に変換できる。したがって、実施の形態１〜３において、誘電体レンズ１２は様々な形状が考えられる。例えば、両面が凸状のもの、片面が平面でもう片面が凸面状のもの、片面が凸面でもう片面が凹面状のもの等である。
【００３１】
また、実施の形態１〜３において天頂方向近傍への放射が重要でない場合には、誘電体レンズ１２上部の開口部１８を必ずしも設ける必要はない。
【００３２】
また、実施の形態２、３において、放射素子を配置する凹面、凸面も、必ずしも円錐台形状である必要はなく、回転対称な半球面、円錐面、多面の角錐台面、多面の角錐面など、周方向の略回転対称的なビーム走査にも適した形状であれば良い。
【００３３】
実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４によるアンテナ装置の誘電体レンズ部分を説明する断面図である。図において、５０は開口部１８と接する誘電体レンズ１２の端部、５１は誘電体レンズ１２の上部開口部を覆い、かつ誘電体レンズ１２の端部となめらかに接続する誘電体層である。なお、同一または相当のものは同じ符号で示す。誘電体層５１は誘電体レンズ１２と接続する部分以外は厚みが均一でレンズ作用のないものであり、誘電体レンズ１２と同一誘電率の材質が用いられる。
【００３４】
前記実施の形態１〜３のように誘電体レンズ１２の上部に誘電体のない開口部１８を設けた場合、誘電体レンズの端部５０で電波の散乱が発生する。この散乱は利得低下やサイドローブ上昇等、放射パターン形成に望ましくない影響を与える。そこでこの実施の形態のように誘電体レンズの端部５０で緩やかに厚みが変化するように誘電体レンズ１２に接続された厚みの均一な誘電体層５１を開口部１８を覆うように設けたことにより、上記電波の散乱が減少し、放射パターンの乱れを軽減できる。
【００３５】
実施の形態５．
図８はこの発明の実施の形態５によるアンテナ装置の構成を説明する断面図である。図において、６０は開口部１８に設置した平面アレー、６１は平面アレー６０を送受信機と電気的に接続する電気的接続手段である。なお、同一符号は同一または相当のものを示す。平面アレー６０は柱等の物理的支持手段または誘電体レンズ１２と共に支持される。
【００３６】
この実施の形態は、前記実施の形態３で示したアンテナ装置の構成において、円錐台状の凸面４０の上部に設けた放射素子１３ｃを開口部１８に移動した形になっている。このような構造により、放射素子１３ｃからの放射は誘電体レンズ１２に遮られることなく直接空間に放射される。従って、この実施の形態のアンテナ装置では実施の形態１〜３に比べて天頂方向近傍のビームの利得を高くできる利点を有する。なお、放射素子１３ｃ部分を小形化しても実施の形態１〜３と同一利得を得られる利点を有する。
【００３７】
実施の形態６．
図９はこの発明の実施の形態６によるアンテナ装置の構成を説明する断面図である。図において、７０はそのアンテナ開口を開口部１８に設置したホーンアンテナである。なお、同一符号は同一または相当のものを示す。
【００３８】
ここで、この発明のアンテナ装置の適用例である低軌道衛星通信では、地球上を同じ大きさのカバレージエリアで区切っているので、衛星から見たカバレージエリアは天頂方向が最も大きく、広角になるほど小さくなる。従って、天頂方向近傍ではビーム幅の広いビームが必要になる。また、天頂方向近傍ではカバレージエリアが大きく見えるので広角方向ほど細かいビーム成形を必要としない。そこで、この実施の形態では複数の放射素子に代えて誘電体レンズの開口部に放射開口を配置した単数の放射素子であるホーンアンテナ７０を用いることで天頂方向近傍にビーム幅の広いビームを形成する構成としたものである。なお、天頂方向近傍においては誘電体レンズ１２を通した放射素子１３ａ、１３ｂからの寄与分によりある程度のビーム成形を行うことも可能である。この実施の形態では誘電体レンズ１２に遮られないので天頂方向近傍に損失の少ない放射を行える利点がある。また、実施の形態６に比べて放射素子数を低減でき、アレーを用いないため構造も簡単になる利点がある。
【００３９】
実施の形態７．
図１０はこの発明の実施の形態７による誘電体レンズ部分を説明する断面図である。図において、８０は誘電体レンズ１２の周囲に設けた整合層である。なお、同一または相当のものは同じ符号で示す。
【００４０】
整合層８０の構成方法は様々であるが、例えば誘電体レンズ１２の屈折率をｎ、誘電体レンズ１２の外部媒質の屈折率を１（空気や真空）とした場合、√ｎの屈折率を有する誘電体層を、１／４λg （λg ：整合層誘電体内における、使用する電波の波長）の厚みで誘電体レンズ１２の表面に設置する方法が上げられる。
【００４１】
整合層のない誘電体レンズに電波が入射すると、誘電体レンズの表面で反射が起きる。反射した電波は損失や不要な放射となりアンテナ装置の性能を劣化させる。この実施の形態では誘電体レンズ１２の表面に整合層８０を設けることで上記反射を軽減し、アンテナ装置の性能劣化を軽減できる利点を有する。この実施の形態は前記の実施の形態１〜６に適用できる。
【００４２】
実施の形態８．
図１１はこの発明の実施の形態８による誘電体レンズ部分を説明する断面図である。図において、９０は誘電体レンズの彫り込みであり、９１は彫り込み幅ｈである。なお、同一または相当のものは同じ符号で示す。
【００４３】
図１１のように誘電体レンズ１２に彫り込み９０を設けることをゾーニングと言う。９１は彫り込み幅ｈであり、誘電体レンズ１２の屈折率をｎ、使用する電波の自由空間中の波長をλ0 とすると、ｈ＝λ0 ／（ｎ−１）で表される。なお、ゾーニングを施しても、誘電体レンズ１２はゾーニングを施す前とほぼ同等の性能を有する。
【００４４】
この実施の形態では誘電体レンズ１２にゾーニングを施すことで、誘電体レンズ１２を薄くでき、性能に影響を与えずに重量を軽減できる利点を有する。また、誘電体レンズ１２の薄形化により誘電体レンズの通過損失を低減できる利点を有する。この実施の形態は前記の実施の形態１〜７に適用できる。
【００４５】
【発明の効果】
この発明の請求項１のアンテナ装置によれば、天頂方向の軸から所定の角度離角した広角方向を光軸とする凸レンズ形状の断面を、上記軸の周りに回転させて形成される回転対称形で、かつ、上記天頂方向に開口部を有する形状の誘電体レンズと、上記誘電体レンズの焦点の内側に上記天頂方向の軸に垂直に設置され、上記誘電体レンズの焦点から上記誘電体レンズを見込む角度範囲内に概ね配置された複数の放射素子から形成される平面アレーアンテナとを備えたので、ビーム走査を行った場合に、天頂方向の軸から所定の角度離角した方向を主とする広角方向の利得を天頂方向の利得より高くでき、低軌道衛星に搭載して地球との通信などを行うのに適したビーム走査特性のアンテナ装置を得ることができる。
【００４６】
また、この発明の請求項２のアンテナ装置によれば、天頂方向の軸から所定の角度離角した広角方向を光軸とする凸レンズ形状の断面を、上記軸の周りに回転させて形成される回転対称形で、かつ、上記天頂方向に開口部を有する形状の誘電体レンズと、上記誘電体レンズの焦点の内側近傍に設置され、上記天頂方向の軸に対して回転対称な上記開口部に対する凹面の上記開口部に対向する底部に概ね配置された複数の放射素子および上記誘電体レンズの焦点からその焦点に対応する上記凸レンズ形状の断面を見込む角度範囲内の上記凹面に概ね配置された複数の放射素子から形成されるコンフォーマルアレーアンテナとを備えたので、コンフォーマルアレーと同じ大きさの間口の平面アレーを用いた場合に比べて、放射素子をより誘電体レンズの焦点に近い位置に配置できるのでピントが合い、所望の広角でよりビーム幅が狭くて利得の高いビームを形成できる。また、上記コンフォーマルアレーアンテナを用いることにより誘電体レンズの焦点距離を長くしても利得を下げずに放射素子を配置でき、誘電体レンズの厚みが薄くなるので、誘電体レンズの軽量化および誘電体レンズ内の通過損失を低減できる利点を有する。さらに、コンフォーマルアレーアンテナの裏面は広く開かれているので、モジュールの装着が容易になるという利点を有する。
【００４７】
また、この発明の請求項３のアンテナ装置によれば、天頂方向の軸から所定の角度離角した広角方向を光軸とする凸レンズ形状の断面を、上記軸の周りに回転させて形成される回転対称形で、かつ、上記天頂方向に開口部を有する形状の誘電体レンズと、上記誘電体レンズの焦点の内側に設置され、上記天頂方向の軸に対して回転対称な上記開口部に対する凸面の上記開口部に対向する天部に概ね配置された複数の放射素子および上記誘電体レンズの焦点からその焦点に対応する上記凸レンズ形状の断面を見込む角度範囲内の上記凸面に概ね配置された複数の放射素子から形成されるコンフォーマルアレーアンテナとを備えたので、上記誘電体レンズの焦点からその焦点に対応する上記凸レンズ形状の断面を見込む角度範囲内の上記凸面に概ね配置された複数の放射素子を増加でき、広角方向におけるビーム成形の自由度が増し、サイドローブレベルの制御が容易になるという利点を有する。また、開口部からの直接放射が強くなり、天頂方向近傍のビームの利得を増加できる利点を有する。
【００４８】
さらに、この発明の請求項４のアンテナ装置によれば、誘電体レンズに接続して開口部に設けられ、上記誘電体レンズの開口部端に続けて厚みをなめらかに連続的に変化させると共に、天頂方向の軸に直交する厚み一定の平板部分が形成された上記誘電体レンズと同一誘電率の誘電体層を設けるので、誘電体レンズの端部での電波の散乱が減少し、放射パターンの乱れを軽減できる。
【００４９】
また、この発明の請求項５のアンテナ装置によれば、開口部近傍に設置されたアレーアンテナからの放射は誘電体レンズに遮られることなく直接空間に放射されので、天頂方向近傍のビームの利得を高くできる利点を有する。
【００５０】
さらに、この発明の請求項６のアンテナ装置によれば、誘電体レンズの開口部に放射開口を配置した単数の放射素子を用いる構成のため、ホーンアンテナ等を用いる簡単な構造で天頂方向近傍にビーム幅の広いビームを形成でき、カバレージエリアが天頂方向が最も大きく、広角になるほど小さくなるというビーム走査特性のアンテナ装置を得られ、低軌道衛星通信などに要求される特性に適したアンテナ装置を得られる利点が有る。
【００５１】
また、この発明の請求項７のアンテナ装置によれば、誘電体レンズの性能をぼぼ維持しながら誘電体レンズを薄くでき、重量を軽減できると共に通過損失を低減できる利点がある。
【００５２】
また、この発明の請求項８のアンテナ装置によれば、誘電体レンズの表面または誘電体レンズと誘電体層の表面に整合層を設けたので、誘電体表面での電波の反射による損失や不要放射を低減でき、アンテナ装置の性能劣化を軽減できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構造を説明するための断面図である。
【図２】 この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構造を説明するための斜視図である。
【図３】 この発明の実施の形態１によるアンテナ装置のビーム走査原理を説明するための説明図である。
【図４】 この発明の実施の形態１によるアンテナ装置でビーム走査をした場合のビームピークの包絡線を説明するための説明図である。
【図５】 この発明の実施の形態２によるアンテナ装置の構造を説明するための断面図である。
【図６】 この発明の実施の形態３によるアンテナ装置の構造を説明する断面図である。
【図７】 この発明の実施の形態４によるアンテナ装置の誘電体レンズ部分を説明する断面図である。
【図８】 この発明の実施の形態５によるアンテナ装置の構成を説明する断面図である。
【図９】 この発明の実施の形態６によるアンテナ装置の構成を説明する断面図である。
【図１０】 この発明の実施の形態７による誘電体レンズ部分を説明する断面図である。
【図１１】 この発明の実施の形態８による誘電体レンズ部分を説明する断面図である。
【図１２】 従来の誘電体レンズ付き平面アレーアンテナ装置の構成を説明する断面図である。
【符号の説明】
１ 平面（構造用基体）、２ 放射素子、３ 平面アレー、４ 誘電体レンズ（所望の屈折率を有する電波レンズ）、５ 座標系、６ 天頂方向からの離角θ、７ 開口径ｄ0 、８ 開口径ｄ1 、９ 等価的な波源開口径ｄ2 、１０ 座標系、１１ ｚ軸からの離角θ、１２ 誘電体レンズ、１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 放射素子、１４ 平面基板、１５ 平面アレー、１６、１６ａ、１６ｂ 光軸、１７ 焦点Ｆ、１８ 開口部、１９、２０ 、２１ ビーム、２２、２３円筒波状の電波、２４ ビームピークの包絡線、２５ ビーム、３０ 円錐台形状の凹面、３１ コンフォーマルアレー、３２ 送受信機モジュール、４０ 円錐台形状の凸面、４１ コンフォーマルアレー、５０ 端部、５１ 誘電体層、６０ 平面アレー、６１ 電気的接続手段、７０ ホーンアンテナ、８０ 整合層、９０ 彫り込み、９１ 彫り込み幅ｈ。
【発明の属する技術分野】
この発明は、誘電体レンズとアレーアンテナを複合させたアンテナ装置に係り、特に、低軌道衛星に搭載して地球との通信などを行うのに適した天頂方向より広角方向での利得の高いビーム走査特性を有するアンテナ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は例えば公開実用新案公報（昭６４−４７１０９）に示された従来の誘電体レンズ付き平面アレーアンテナ装置の構成を説明する断面図である。図において、１は放射素子が配置されている平面（構造用基体）、２は平面１上に配置された複数の放射素子、３は平面アレー、４は誘電体レンズ（所望の屈折率を有する電波レンズ）、５は座標系でｚ方向が天頂方向、６は天頂方向からの離角θ、７は平面アレー３の開口径ｄ0 、８はθ2 方向から見た平面アレー３の開口径ｄ1 、９はθ2 方向から見た誘電体レンズ３上の等価的な波源開口径ｄ2 である。複数の放射素子２には移相器や増幅器が接続しており、その励振振幅と励振位相を変化させることができる。また、誘電体レンズ４はｚ軸を回転軸にした回転対称構造で、平面アレー３の上方を半球状に覆っている。
【０００３】
次に動作について説明する。平面１上の複数の放射素子２を天頂から離れたθ1 方向で概ね位相が合うように励振する。平面アレー３からθ1 方向に放射された電波は誘電体レンズ４で屈折し、ｚ軸からさらに離れたθ2 方向にビームを形成する。誘電体レンズが回転対称な構造であるので周方向のビーム走査では対称な放射特性を有している。
【０００４】
この従来の誘電体レンズ付き平面アレーアンテナ装置の効果を説明する。上記の誘電体レンズ付き平面アレーアンテナにおいて、誘電体レンズ４なしで、平面アレー３のみで θ2 方向にビームを形成する場合を示す。この場合、θ2 方向から見た平面アレー３の開口径ｄ1 は、天頂方向（ｚ軸方向）から見た開口径ｄ0 より小さくなるため、天頂方向より利得が減少するという問題が発生する。平面アレー３のみでθ2 方向の利得を増加するためには平面アレー３の開口を大きくするしかなく、アンテナの大きさ増大と放射素子数増加の問題がある。しかし、上記のように誘電体レンズ４を介した場合には誘電体レンズ４上に、θ1 方向に平面アレー３を投影したものが概ね波源と目せ、θ2 方向から見た開口径はｄ2 となってｄ1 より大きくなるため、利得の減少は平面アレー３のみでビーム走査する場合より小さくなる。すなわち、誘電体レンズ４を装荷すれば平面アレーのみの場合に比べて、より小さい平面アレー、より少ない放射素子数で広角において同等の利得を得る効果を有する。
なお、この従来例のアンテナ装置では天頂から広角までのビーム走査で利得の変動を小さく抑えることが目的であり、誘電体レンズ４の焦点から比較的離れた位置に放射素子を配置する必要がある。焦点の近くに配置すると集光特性がよくなり、レンズの光軸方向で利得が急激に高くなるためである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のアンテナ装置は以上のように、平面アレーのみの場合に比べてより小さい平面アレー、より少ない放射素子数で広角において同等の利得を得、天頂から広角までのビーム走査で利得の変動を小さく抑える効果を有している。しかし、広角で利得を高くし、天頂方向では利得を低くするようなビーム走査には不向きであるという課題を有する。例えば近年盛んに研究・実用化されている低軌道衛星では、衛星と地球中心を結ぶ軸から観測方向が離れると、衛星と地球表面の距離が急速に大きくなる。すなわち、スパンロスが増加するため、低軌道衛星搭載のアンテナでは、天頂方向よりも広角の方で利得が高くなるビーム走査特性が要求される。
【０００６】
この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、通常の平面アレーに比べてより小さい平面アレー開口径、より少ない放射素子数で、広角方向で同等以上の利得を得られ、かつ、従来の電波レンズ付きアレーアンテナに比べて、天頂方向よりも広角での利得が高くなるビーム走査特性を有するアンテナ装置を得ることを目的とする。
【０００７】
さらに、誘電体レンズが薄くて軽量・低損失になるアンテナ装置、放射素子の背面に移相器や増幅器等のモジュールの配置が容易になるアンテナ装置、広角におけるビーム成形自由度が高いアンテナ装置、天頂方向の放射レベルがより高いアンテナ装置、放射素子数がより少く構造が簡単なアンテナ装置、誘電体レンズからの反射を軽減したアンテナ装置を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明のアンテナ装置においては、天頂方向の軸から所定の角度離角した広角方向を光軸とする凸レンズ形状の断面を、上記軸の周りに回転させて形成される回転対称形で、かつ、上記天頂方向に開口部を有する形状の誘電体レンズと、上記誘電体レンズの焦点の内側に上記天頂方向の軸に垂直に設置され、上記誘電体レンズの焦点から上記誘電体レンズを見込む角度範囲内に概ね配置された複数の放射素子から形成される平面アレーアンテナとを備え、上記平面アレーアンテナでのビーム走査に対して、上記広角方向の利得を上記天頂方向の利得より高くしたものである。
【０００９】
また、天頂方向の軸から所定の角度離角した広角方向を光軸とする凸レンズ形状の断面を、上記軸の周りに回転させて形成される回転対称形で、かつ、上記天頂方向に開口部を有する形状の誘電体レンズと、上記誘電体レンズの焦点の内側近傍に設置され、上記天頂方向の軸に対して回転対称な上記開口部に対する凹面の上記開口部に対向する底部に概ね配置された複数の放射素子および上記誘電体レンズの焦点からその焦点に対応する上記凸レンズ形状の断面を見込む角度範囲内の上記凹面に概ね配置された複数の放射素子から形成されるコンフォーマルアレーアンテナとを備え、上記コンフォーマルアレーアンテナでのビーム走査に対して、上記広角方向の利得を上記天頂方向の利得より高くしたものである。
【００１０】
また、天頂方向の軸から所定の角度離角した広角方向を光軸とする凸レンズ形状の断面を、上記軸の周りに回転させて形成される回転対称形で、かつ、上記天頂方向に開口部を有する形状の誘電体レンズと、上記誘電体レンズの焦点の内側に設置され、上記天頂方向の軸に対して回転対称な上記開口部に対する凸面の上記開口部に対向する天部に概ね配置された複数の放射素子および上記誘電体レンズの焦点からその焦点に対応する上記凸レンズ形状の断面を見込む角度範囲内の上記凸面に概ね配置された複数の放射素子から形成されるコンフォーマルアレーアンテナとを備え、上記コンフォーマルアレーアンテナでのビーム走査に対して、上記広角方向の利得を上記天頂方向の利得より高くしたものである。
【００１１】
さらに、上記誘電体レンズに接続して上記開口部に設けられ、上記誘電体レンズの開口部端に続けて厚みをなめらかに連続的に変化させると共に、上記天頂方向の軸に直交する厚み一定の平板部分が形成された上記誘電体レンズと同一誘電率の誘電体層を有するようにすると良い。
【００１２】
また、上記平面アレーアンテナまたは上記コンフォーマルアレーアンテナの上記開口部に対向する部位の複数の放射素子を除去すると共に、上記部位よりも上記開口部により近い位置に配置された複数の放射素子から成り、上記開口部近傍に設置されたアレーアンテナを備えても良い。
【００１３】
また、上記平面アレーアンテナまたは上記コンフォーマルアレーアンテナの上記開口部に対向する部位の複数の放射素子を除去すると共に、上記誘電体レンズの開口部に放射開口を配置した単数の放射素子を備えても良い。
【００１４】
さらに、上記誘電体レンズにゾーニングを施して軽量にできる。
【００１５】
また、上記誘電体レンズの表面または上記誘電体レンズと上記誘電体層の表面に整合層を設けて、誘電体レンズなどからの反射を軽減できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構造を説明するための断面図、図２は上記アンテナ装置の構造を説明するためのを斜め上方から見た斜視図である。図３は上記アンテナ装置のビーム走査原理を説明するための説明図、図４は上記アンテナ装置でビーム走査をした場合のビームピークの包絡線を説明するための説明図である。図１において、１０は座標系、１１は座標系１０のｚ軸からの離角θ、１２は誘電体レンズ、１３は放射素子、１４は放射素子１３が配置されている平面基板、１５は放射素子１３と平面基板１４から成る平面アレー、１６は誘電体レンズ１２の光軸、１７は誘電体レンズ１２の焦点Ｆ、１８は誘電体レンズ１２の天頂に形成された開口部である。図３において、１９は光軸１６方向へのビーム、２０は光軸１６からずれた方向へのビーム、２１は天頂方向（ｚ方向）へのビーム、２２は平面アレー１５から放射され、光軸１６方向から誘電体レンズ１２に入射し、ビーム１９を形成する円筒波状の電波、２３は平面アレー１５から放射され、光軸１６からずれた方向から誘電体レンズ１２に入射し、ビーム２０を形成する円筒波状の電波である。図４において、２４は上記アンテナ装置でビーム走査をした場合のビームピークの包絡線、２５は上記アンテナ装置から放射されるビームである。なお、図１〜４で同一または相当のものは同じ符号で示す。
【００１７】
ここで、誘電体レンズ１２の光軸１６は所望の広角方向のビーム走査特性を得られるように、ｚ軸から所定の角度離角した方向に設定する。また、誘電体レンズ１２の光軸１６はｚ軸を含む平面内に含まれ、誘電体レンズ１２は円筒波状の電波を平面波状の電波に変換する凸レンズ形状の断面をｚ軸の周りに回転させて形成される回転対称な形状になっている。なお、ｚ軸は平面基板１４に垂直である。図１に示すように、ｚ軸を含む面内において、放射素子１３の大半を誘電体レンズ１２の焦点Ｆと誘電体レンズ１２の有効径両端を結ぶ２直線のなす角度範囲内で、平面アレー１５から放射される円筒波状の電波を誘電体レンズ１２で平面波に変換できるように焦点Ｆの比較的近傍に配置し、誘電体レンズ１２によるより鮮明な（ピントの合った）ビームを形成させる。
また、平面アレー１５は、放射素子１２に移相器などを接続し、励振位相を変化させることができるフェーズドアレーとしている。なお、放射素子１２に可変増幅器などを接続し、励振振幅を変化させられるアクティブフェーズドアレーとしても良い。
【００１８】
次に図３を用いて動作について説明する。以下ではアンテナ装置の送信時の動作を述べるが、アンテナは送受可逆であり、受信時においても同様の特性を有する。まず、光軸１６方向にビームを形成する場合は、光軸１６の方向から誘電体レンズ１２に入射する円筒波状の電波２２を平面アレー１５から放射する。円筒波状の電波２２は誘電体レンズ１２を通過すると光軸１６方向に進む平面波状の電波に変換され、光軸１６方向にビーム１９を形成する。光軸１６に対して斜めに入射する円筒波状の電波２３を平面アレー１５から放射すると、誘電体レンズ１２を通過した後は光軸１６からずれた方向にビーム２０が形成され、ビーム走査を行うことができる。
【００１９】
この実施の形態のアンテナ装置における天頂方向近傍のビーム走査では、平面アレー１５が開口部１８から離れた位置に設置されているため、開口部１８を通じての平面アレー１５からの直接放射と誘電体レンズ１２を介しての放射の合成でビームが形成される。より広角では上記のように主として誘電体レンズ１２からの放射でビームが形成される。
【００２０】
なお、上記説明では断面的に示したが、この実施の形態のアンテナ装置は誘電体レンズ１２および平面アレー１５などが座標系１０のｚ軸について回転対称な構造であるので、ｚ軸からの離角θが同じであればｚ軸を中心とする周方向のビーム走査では対称な放射特性を有しており、上記説明と同様である。
【００２１】
この実施の形態では、誘電体レンズ１２によって所望の広角方向から見たアンテナ開口径が拡大するので、平面アレー１５のみの場合より広角でより高い利得を得ることができる。また、平面アレーのみで同等の利得を得る場合に比べて、より小さい平面アレー、より少ない放射素子数で済む利点がある。さらに、誘電体レンズ１２の焦点Ｆの近傍に放射素子１３を配置しているのでピントが合うため、図４に例示したように、従来のレンズ付きアレーアンテナに比べて、広角においてよりビーム幅の狭い、利得の高いビームが形成できる。天頂方向では開口部１８が設けてあるため等価的な波源開口径が広角方向より小さいので、広角方向に比べて低い利得のビームが形成される。この実施の形態のアンテナ装置でビーム走査を行った場合は図４に示すビームピークの包絡線のように広角方向で利得が高く、天頂方向で利得が低くなる。従って、低軌道衛星に搭載して地球との通信などを行うのに適したビーム走査特性を有するアンテナ装置を得ることができる。
【００２２】
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２によるアンテナ装置の構造を説明するための断面図である。図において、１３ａ、１３ｂ、１３ｃは放射素子、１６ａ、１６ｂは光軸、３０は誘電体レンズ１２の光軸１６ａ、１６ｂに直交する側線から成る概ね円錐台形状の凹面、放射素子１３ｃは上記凹面の底の面に配置される放射素子である。３１は放射素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃと凹面３０から成るコンフォーマルアレー、３２は各放射素子と接続し、移相器・増幅器・フィルタ等を備えた送受信機モジュールである。なお、同一または相当のものは同じ符号で示す。
【００２３】
この実施の形態の動作は実施の形態１のアンテナ装置とほぼ同様であるが以下の特長を有する。光軸１６ａ方向近傍への放射には主として放射素子１３ａが寄与する。放射素子１３ｂ、１３ｃは光軸１６ａ方向近傍以外のサイドローブ抑制の役割を担う。逆に光軸１６ｂ方向近傍への放射には主として放射素子１３ｂが寄与し、放射素子１３ａ、１３ｃは光軸１６ｂ方向近傍以外のサイドローブ抑制の役割を担う。天頂方向近傍への放射には主として放射素子１３ｃが寄与し、放射素子１３ａ、１３ｂは天頂方向近傍以外のサイドローブ抑制の役割を担う。
【００２４】
この実施の形態では、コンフォーマルアレー３１と同じ大きさの間口の平面アレーを用いた場合に比べて放射素子１３ａ、１３ｂをより焦点Ｆに近い位置に配置できるのでピントが合い、所望の広角でよりビーム幅が狭くて利得の高いビームを形成できる利点がある。また、一般に放射素子に用いられるマイクロストリップアンテナやホーンアンテナはその正面方向に強い放射を行うので、誘電体レンズ１２の光軸１６ａ、１６ｂに直交する側線から成る概ね円錐台形状の凹面に設けられた放射素子１３ａ、１３ｂのような配置により広角方向に強い放射を行うことができる。この点からも、この実施の形態のアンテナ装置では平面アレーを用いた場合に比べて広角方向でより利得の高いビームを形成できる。
【００２５】
また、実施の形態１で示した平面アレーを用いた場合と同程度の利得で良い場合には、放射素子１３ａ、１３ｂと焦点Ｆの距離を、平面アレーを用いた場合と同じ程度にできるので、誘電体レンズ１２の焦点距離をより長くすることができる。この場合、誘電体レンズ１２の厚みが薄くなるので、誘電体レンズ１２の軽量化を図れる利点がある。また、誘電体レンズ１２の薄形化により、誘電体レンズ内の通過損失を低減できる利点を有する。
【００２６】
さらに、平面アレーに比べてコンフォーマルアレー３１の裏面は広く開かれているので、モジュール３２の装着がより容易になるという利点を有する。
【００２７】
実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３によるアンテナ装置の構造を説明する断面図である。図において、４０は誘電体レンズ１２の光軸１６ａ、１６ｂに直交する側線から成る概ね円錐台形状の凸面、放射素子１３ｃは上記凸面４０の天面に配置される放射素子である。４１は放射素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃと凸面４０から成るコンフォーマルアレーである。なお、同一または相当のものは同じ符号で示す。
【００２８】
この実施の形態の動作は前記実施の形態２のアンテナ装置とほぼ同様である。この実施の形態のアンテナ装置では凸面のコンフォーマルアレー４１を用いているため、実施の形態１、２に比べて誘電体レンズ１２や開口部１８の近くに放射素子を配置しやすい。このため、焦点Ｆの近傍に配置できる放射素子１３ａ、１３ｂの数が増加する。すなわち放射素子１３ａ、１３ｂを増加できるので広角方向におけるビーム成形の自由度が増し、サイドローブレベルの制御が容易になる等の利点を有する。
【００２９】
また、開口部１８の近くにも放射素子１３ｃを配置できるため、開口部からの直接放射が強くなり、天頂方向近傍のビームの利得を増加できる利点を有する。
【００３０】
なお、誘電体レンズ１２はその厚みが光軸付近で最も厚く、光軸から離れるにしたがって薄くなる形状であれば、円筒波状の電波を平面波状の電波に変換できる。したがって、実施の形態１〜３において、誘電体レンズ１２は様々な形状が考えられる。例えば、両面が凸状のもの、片面が平面でもう片面が凸面状のもの、片面が凸面でもう片面が凹面状のもの等である。
【００３１】
また、実施の形態１〜３において天頂方向近傍への放射が重要でない場合には、誘電体レンズ１２上部の開口部１８を必ずしも設ける必要はない。
【００３２】
また、実施の形態２、３において、放射素子を配置する凹面、凸面も、必ずしも円錐台形状である必要はなく、回転対称な半球面、円錐面、多面の角錐台面、多面の角錐面など、周方向の略回転対称的なビーム走査にも適した形状であれば良い。
【００３３】
実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４によるアンテナ装置の誘電体レンズ部分を説明する断面図である。図において、５０は開口部１８と接する誘電体レンズ１２の端部、５１は誘電体レンズ１２の上部開口部を覆い、かつ誘電体レンズ１２の端部となめらかに接続する誘電体層である。なお、同一または相当のものは同じ符号で示す。誘電体層５１は誘電体レンズ１２と接続する部分以外は厚みが均一でレンズ作用のないものであり、誘電体レンズ１２と同一誘電率の材質が用いられる。
【００３４】
前記実施の形態１〜３のように誘電体レンズ１２の上部に誘電体のない開口部１８を設けた場合、誘電体レンズの端部５０で電波の散乱が発生する。この散乱は利得低下やサイドローブ上昇等、放射パターン形成に望ましくない影響を与える。そこでこの実施の形態のように誘電体レンズの端部５０で緩やかに厚みが変化するように誘電体レンズ１２に接続された厚みの均一な誘電体層５１を開口部１８を覆うように設けたことにより、上記電波の散乱が減少し、放射パターンの乱れを軽減できる。
【００３５】
実施の形態５．
図８はこの発明の実施の形態５によるアンテナ装置の構成を説明する断面図である。図において、６０は開口部１８に設置した平面アレー、６１は平面アレー６０を送受信機と電気的に接続する電気的接続手段である。なお、同一符号は同一または相当のものを示す。平面アレー６０は柱等の物理的支持手段または誘電体レンズ１２と共に支持される。
【００３６】
この実施の形態は、前記実施の形態３で示したアンテナ装置の構成において、円錐台状の凸面４０の上部に設けた放射素子１３ｃを開口部１８に移動した形になっている。このような構造により、放射素子１３ｃからの放射は誘電体レンズ１２に遮られることなく直接空間に放射される。従って、この実施の形態のアンテナ装置では実施の形態１〜３に比べて天頂方向近傍のビームの利得を高くできる利点を有する。なお、放射素子１３ｃ部分を小形化しても実施の形態１〜３と同一利得を得られる利点を有する。
【００３７】
実施の形態６．
図９はこの発明の実施の形態６によるアンテナ装置の構成を説明する断面図である。図において、７０はそのアンテナ開口を開口部１８に設置したホーンアンテナである。なお、同一符号は同一または相当のものを示す。
【００３８】
ここで、この発明のアンテナ装置の適用例である低軌道衛星通信では、地球上を同じ大きさのカバレージエリアで区切っているので、衛星から見たカバレージエリアは天頂方向が最も大きく、広角になるほど小さくなる。従って、天頂方向近傍ではビーム幅の広いビームが必要になる。また、天頂方向近傍ではカバレージエリアが大きく見えるので広角方向ほど細かいビーム成形を必要としない。そこで、この実施の形態では複数の放射素子に代えて誘電体レンズの開口部に放射開口を配置した単数の放射素子であるホーンアンテナ７０を用いることで天頂方向近傍にビーム幅の広いビームを形成する構成としたものである。なお、天頂方向近傍においては誘電体レンズ１２を通した放射素子１３ａ、１３ｂからの寄与分によりある程度のビーム成形を行うことも可能である。この実施の形態では誘電体レンズ１２に遮られないので天頂方向近傍に損失の少ない放射を行える利点がある。また、実施の形態６に比べて放射素子数を低減でき、アレーを用いないため構造も簡単になる利点がある。
【００３９】
実施の形態７．
図１０はこの発明の実施の形態７による誘電体レンズ部分を説明する断面図である。図において、８０は誘電体レンズ１２の周囲に設けた整合層である。なお、同一または相当のものは同じ符号で示す。
【００４０】
整合層８０の構成方法は様々であるが、例えば誘電体レンズ１２の屈折率をｎ、誘電体レンズ１２の外部媒質の屈折率を１（空気や真空）とした場合、√ｎの屈折率を有する誘電体層を、１／４λg （λg ：整合層誘電体内における、使用する電波の波長）の厚みで誘電体レンズ１２の表面に設置する方法が上げられる。
【００４１】
整合層のない誘電体レンズに電波が入射すると、誘電体レンズの表面で反射が起きる。反射した電波は損失や不要な放射となりアンテナ装置の性能を劣化させる。この実施の形態では誘電体レンズ１２の表面に整合層８０を設けることで上記反射を軽減し、アンテナ装置の性能劣化を軽減できる利点を有する。この実施の形態は前記の実施の形態１〜６に適用できる。
【００４２】
実施の形態８．
図１１はこの発明の実施の形態８による誘電体レンズ部分を説明する断面図である。図において、９０は誘電体レンズの彫り込みであり、９１は彫り込み幅ｈである。なお、同一または相当のものは同じ符号で示す。
【００４３】
図１１のように誘電体レンズ１２に彫り込み９０を設けることをゾーニングと言う。９１は彫り込み幅ｈであり、誘電体レンズ１２の屈折率をｎ、使用する電波の自由空間中の波長をλ0 とすると、ｈ＝λ0 ／（ｎ−１）で表される。なお、ゾーニングを施しても、誘電体レンズ１２はゾーニングを施す前とほぼ同等の性能を有する。
【００４４】
この実施の形態では誘電体レンズ１２にゾーニングを施すことで、誘電体レンズ１２を薄くでき、性能に影響を与えずに重量を軽減できる利点を有する。また、誘電体レンズ１２の薄形化により誘電体レンズの通過損失を低減できる利点を有する。この実施の形態は前記の実施の形態１〜７に適用できる。
【００４５】
【発明の効果】
この発明の請求項１のアンテナ装置によれば、天頂方向の軸から所定の角度離角した広角方向を光軸とする凸レンズ形状の断面を、上記軸の周りに回転させて形成される回転対称形で、かつ、上記天頂方向に開口部を有する形状の誘電体レンズと、上記誘電体レンズの焦点の内側に上記天頂方向の軸に垂直に設置され、上記誘電体レンズの焦点から上記誘電体レンズを見込む角度範囲内に概ね配置された複数の放射素子から形成される平面アレーアンテナとを備えたので、ビーム走査を行った場合に、天頂方向の軸から所定の角度離角した方向を主とする広角方向の利得を天頂方向の利得より高くでき、低軌道衛星に搭載して地球との通信などを行うのに適したビーム走査特性のアンテナ装置を得ることができる。
【００４６】
また、この発明の請求項２のアンテナ装置によれば、天頂方向の軸から所定の角度離角した広角方向を光軸とする凸レンズ形状の断面を、上記軸の周りに回転させて形成される回転対称形で、かつ、上記天頂方向に開口部を有する形状の誘電体レンズと、上記誘電体レンズの焦点の内側近傍に設置され、上記天頂方向の軸に対して回転対称な上記開口部に対する凹面の上記開口部に対向する底部に概ね配置された複数の放射素子および上記誘電体レンズの焦点からその焦点に対応する上記凸レンズ形状の断面を見込む角度範囲内の上記凹面に概ね配置された複数の放射素子から形成されるコンフォーマルアレーアンテナとを備えたので、コンフォーマルアレーと同じ大きさの間口の平面アレーを用いた場合に比べて、放射素子をより誘電体レンズの焦点に近い位置に配置できるのでピントが合い、所望の広角でよりビーム幅が狭くて利得の高いビームを形成できる。また、上記コンフォーマルアレーアンテナを用いることにより誘電体レンズの焦点距離を長くしても利得を下げずに放射素子を配置でき、誘電体レンズの厚みが薄くなるので、誘電体レンズの軽量化および誘電体レンズ内の通過損失を低減できる利点を有する。さらに、コンフォーマルアレーアンテナの裏面は広く開かれているので、モジュールの装着が容易になるという利点を有する。
【００４７】
また、この発明の請求項３のアンテナ装置によれば、天頂方向の軸から所定の角度離角した広角方向を光軸とする凸レンズ形状の断面を、上記軸の周りに回転させて形成される回転対称形で、かつ、上記天頂方向に開口部を有する形状の誘電体レンズと、上記誘電体レンズの焦点の内側に設置され、上記天頂方向の軸に対して回転対称な上記開口部に対する凸面の上記開口部に対向する天部に概ね配置された複数の放射素子および上記誘電体レンズの焦点からその焦点に対応する上記凸レンズ形状の断面を見込む角度範囲内の上記凸面に概ね配置された複数の放射素子から形成されるコンフォーマルアレーアンテナとを備えたので、上記誘電体レンズの焦点からその焦点に対応する上記凸レンズ形状の断面を見込む角度範囲内の上記凸面に概ね配置された複数の放射素子を増加でき、広角方向におけるビーム成形の自由度が増し、サイドローブレベルの制御が容易になるという利点を有する。また、開口部からの直接放射が強くなり、天頂方向近傍のビームの利得を増加できる利点を有する。
【００４８】
さらに、この発明の請求項４のアンテナ装置によれば、誘電体レンズに接続して開口部に設けられ、上記誘電体レンズの開口部端に続けて厚みをなめらかに連続的に変化させると共に、天頂方向の軸に直交する厚み一定の平板部分が形成された上記誘電体レンズと同一誘電率の誘電体層を設けるので、誘電体レンズの端部での電波の散乱が減少し、放射パターンの乱れを軽減できる。
【００４９】
また、この発明の請求項５のアンテナ装置によれば、開口部近傍に設置されたアレーアンテナからの放射は誘電体レンズに遮られることなく直接空間に放射されので、天頂方向近傍のビームの利得を高くできる利点を有する。
【００５０】
さらに、この発明の請求項６のアンテナ装置によれば、誘電体レンズの開口部に放射開口を配置した単数の放射素子を用いる構成のため、ホーンアンテナ等を用いる簡単な構造で天頂方向近傍にビーム幅の広いビームを形成でき、カバレージエリアが天頂方向が最も大きく、広角になるほど小さくなるというビーム走査特性のアンテナ装置を得られ、低軌道衛星通信などに要求される特性に適したアンテナ装置を得られる利点が有る。
【００５１】
また、この発明の請求項７のアンテナ装置によれば、誘電体レンズの性能をぼぼ維持しながら誘電体レンズを薄くでき、重量を軽減できると共に通過損失を低減できる利点がある。
【００５２】
また、この発明の請求項８のアンテナ装置によれば、誘電体レンズの表面または誘電体レンズと誘電体層の表面に整合層を設けたので、誘電体表面での電波の反射による損失や不要放射を低減でき、アンテナ装置の性能劣化を軽減できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構造を説明するための断面図である。
【図２】 この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構造を説明するための斜視図である。
【図３】 この発明の実施の形態１によるアンテナ装置のビーム走査原理を説明するための説明図である。
【図４】 この発明の実施の形態１によるアンテナ装置でビーム走査をした場合のビームピークの包絡線を説明するための説明図である。
【図５】 この発明の実施の形態２によるアンテナ装置の構造を説明するための断面図である。
【図６】 この発明の実施の形態３によるアンテナ装置の構造を説明する断面図である。
【図７】 この発明の実施の形態４によるアンテナ装置の誘電体レンズ部分を説明する断面図である。
【図８】 この発明の実施の形態５によるアンテナ装置の構成を説明する断面図である。
【図９】 この発明の実施の形態６によるアンテナ装置の構成を説明する断面図である。
【図１０】 この発明の実施の形態７による誘電体レンズ部分を説明する断面図である。
【図１１】 この発明の実施の形態８による誘電体レンズ部分を説明する断面図である。
【図１２】 従来の誘電体レンズ付き平面アレーアンテナ装置の構成を説明する断面図である。
【符号の説明】
１ 平面（構造用基体）、２ 放射素子、３ 平面アレー、４ 誘電体レンズ（所望の屈折率を有する電波レンズ）、５ 座標系、６ 天頂方向からの離角θ、７ 開口径ｄ0 、８ 開口径ｄ1 、９ 等価的な波源開口径ｄ2 、１０ 座標系、１１ ｚ軸からの離角θ、１２ 誘電体レンズ、１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 放射素子、１４ 平面基板、１５ 平面アレー、１６、１６ａ、１６ｂ 光軸、１７ 焦点Ｆ、１８ 開口部、１９、２０ 、２１ ビーム、２２、２３円筒波状の電波、２４ ビームピークの包絡線、２５ ビーム、３０ 円錐台形状の凹面、３１ コンフォーマルアレー、３２ 送受信機モジュール、４０ 円錐台形状の凸面、４１ コンフォーマルアレー、５０ 端部、５１ 誘電体層、６０ 平面アレー、６１ 電気的接続手段、７０ ホーンアンテナ、８０ 整合層、９０ 彫り込み、９１ 彫り込み幅ｈ。
Claims (8)
- 天頂方向の軸から所定の角度離角した広角方向を光軸とする凸レンズ形状の断面を、上記軸の周りに回転させて形成される回転対称形で、かつ、上記天頂方向に開口部を有する形状の誘電体レンズと、上記誘電体レンズの焦点の内側に上記天頂方向の軸に垂直に設置され、上記誘電体レンズの焦点から上記誘電体レンズを見込む角度範囲内に概ね配置された複数の放射素子から形成される平面アレーアンテナとを備え、上記平面アレーアンテナでのビーム走査に対して、上記広角方向の利得を上記天頂方向の利得より高くしたことを特徴とするアンテナ装置。
- 天頂方向の軸から所定の角度離角した広角方向を光軸とする凸レンズ形状の断面を、上記軸の周りに回転させて形成される回転対称形で、かつ、上記天頂方向に開口部を有する形状の誘電体レンズと、上記誘電体レンズの焦点の内側近傍に設置され、上記天頂方向の軸に対して回転対称な上記開口部に対する凹面の上記開口部に対向する底部に概ね配置された複数の放射素子および上記誘電体レンズの焦点からその焦点に対応する上記凸レンズ形状の断面を見込む角度範囲内の上記凹面に概ね配置された複数の放射素子から形成されるコンフォーマルアレーアンテナとを備え、上記コンフォーマルアレーアンテナでのビーム走査に対して、上記広角方向の利得を上記天頂方向の利得より高くしたことを特徴とするアンテナ装置。
- 天頂方向の軸から所定の角度離角した広角方向を光軸とする凸レンズ形状の断面を、上記軸の周りに回転させて形成される回転対称形で、かつ、上記天頂方向に開口部を有する形状の誘電体レンズと、上記誘電体レンズの焦点の内側に設置され、上記天頂方向の軸に対して回転対称な上記開口部に対する凸面の上記開口部に対向する天部に概ね配置された複数の放射素子および上記誘電体レンズの焦点からその焦点に対応する上記凸レンズ形状の断面を見込む角度範囲内の上記凸面に概ね配置された複数の放射素子から形成されるコンフォーマルアレーアンテナとを備え、上記コンフォーマルアレーアンテナでのビーム走査に対して、上記広角方向の利得を上記天頂方向の利得より高くしたことを特徴とするアンテナ装置。
- 請求項１、２又は３記載のアンテナ装置において、上記誘電体レンズに接続して上記開口部に設けられ、上記誘電体レンズの開口部端に続けて厚みをなめらかに連続的に変化させると共に、上記天頂方向の軸に直交する厚み一定の平板部分が形成された上記誘電体レンズと同一誘電率の誘電体層を有することを特徴とするアンテナ装置。
- 請求項１、２又は３記載のアンテナ装置において、上記平面アレーアンテナまたは上記コンフォーマルアレーアンテナの上記開口部に対向する部位の複数の放射素子を除去すると共に、上記部位よりも上記開口部により近い位置に配置された複数の放射素子から成り、上記開口部近傍に設置されたアレーアンテナを備えたことを特徴とするアンテナ装置。
- 請求項１、２又は３記載のアンテナ装置において、上記平面アレーアンテナまたは上記コンフォーマルアレーアンテナの上記開口部に対向する部位の複数の放射素子を除去すると共に、上記誘電体レンズの開口部に放射開口を配置した単数の放射素子を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、上記誘電体レンズにゾーニングを施したことを特徴とするアンテナ装置。
- 請求項１〜７のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、上記誘電体レンズの表面または上記誘電体レンズと上記誘電体層の表面に整合層を設けたことを特徴とするアンテナ装置。
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