JP4579951B2

JP4579951B2 - 反射鏡アンテナ

Info

Publication number: JP4579951B2
Application number: JP2007198994A
Authority: JP
Inventors: 徹也大庭; 直久上原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-07-31
Filing date: 2007-07-31
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2027-07-31
Also published as: JP2009038459A

Description

この発明は反射鏡アンテナに関し、特におもて面と裏面の反射位相差により偏波回転機能を有する主反射鏡と、偏波選択機能を有する副反射鏡とで構成された反射鏡アンテナに関する。

ツイストリフレクタアンテナと呼ばれるこの種の反射鏡アンテナとして例えば、第１及び第２の放物面を持つ第１の誘電体と、上記第１の放物面上に互いに間隔をおいて平行に設けられ電波を反射する複数の第１の直線導体と、上記第２の放物面上に設けられ上記第１の直線導体間を通り上記第１の誘電体を透過した電波を反射する裏面導体とを有している放物面反射鏡(主反射鏡)、上記第１の放物面に対向する対向面を持つ平板状の第２の誘電体と、上記対向面上に互いに間隔をおいて平行に設けられ上記放物面反射鏡へ向けて電波を反射する複数の第２の直線導体とを有し、上記放物面反射鏡で反射された電波を透過する平面反射鏡(副反射鏡)、この平面反射鏡へ向けて電波を放射する１次放射器、及び上記放物面反射鏡を動かし、反射角度を変える駆動手段を備えたものがある(例えば特許文献１参照)。

放射電波の偏波方向を水平とする場合、１次放射器から垂直方向の偏波で放射された電波は、第２の直線導体で反射され、第２の直線導体に対して４５°に配置された第１の直線導体、即ち偏向ねじり反射手段により、偏波方向が９０°変えられて水平偏波となり、かつ平行なビームとなり、第２の直線導体間を通過して空中に放射される。ビームの方向を変えるには、偏向ねじり反射手段を持つ放物面反射鏡をアクチュエータにより駆動する。

特開２００１−２７６４６号公報

一般に、反射鏡アンテナに限らず、通信、及びレーダ用に用いられるアンテナが備える放射特性としては、通信を妨害する電波の受信、及びクラッタの受信を防ぐため、とりわけメインローブレベルに対するサイドローブレベルは、十分に低いことが要求される。サイドローブレベルを低減させるためには、例えば１次放射器照射による主反射鏡の開口(振幅、及び位相)分布を最適化する手法があるが、アンテナ装置によっては、１次放射器による電磁波の照射を、アンテナ装置における機構的制約内で最適化されなければならず、このような機構的制約内で１次放射器と主反射鏡の位置関係を最適化し、サイドローブレベルを十分なレベルにまで抑圧することは困難である。

さらに上記従来例のように、反射鏡アンテナとして最大の放射効率を得るため、通常、１次放射器の位相中心を焦点、またはその近傍に配置されるように配置するが、このような構成では、反射鏡アンテナとしての放射特性は、反射鏡アンテナ特に主反射鏡の構造に対して固有となり、同一の構造では１次放射器照射による主反射鏡の開口(振幅、及び位相)分布を調整しても、サイドローブレベルを所望レベルにまで抑圧することは困難という問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、反射鏡アンテナにおける機構的制約内でサイドローブレベルを十分なレベルにまで抑圧することができる反射鏡アンテナを得ることを目的とする。

この発明は、直線偏波の電波を放射する１次放射器と、誘電体板に、複数の導体ストリップが並行に形成されてなる導体グリッドが設けられ、入射した電波を入射軸を軸とした偏波角度に従って選択的に透過又は平面波として反射する、前記１次放射器から放射された電波を反射するように設けられた副反射鏡と、前記副反射鏡で反射された平面波の電波を受けて反射するように副反射鏡と間隔を開けて対向して設けられ、厚さが内部での使用周波数の波長の約１／４の奇数倍の誘電体板の、前記副反射鏡に面するおもて面に前記副反射鏡の導体グリッドとは鏡軸を軸として４５°傾いた複数の導体ストリップが並行に形成されてなる導体グリッドが設けられ、裏面が導体膜で覆われ、おもて面及び裏面で反射され合成された電波を前記副反射鏡で透過するように偏波角度を変えて前記副反射鏡に反射する主反射鏡と、を備え、前記主反射鏡のおもて面及び裏面がそれぞれ、面に入射する平面波が反射してそれぞれ異なる位置に集束する回転２次曲面又はその一部からなる異なる面形状を有することを特徴とする反射鏡アンテナにある。

この発明では、反射鏡アンテナにおける機構的制約内でサイドローブレベルを抑圧することができる。

特に、主反射鏡のおもて面及び裏面の形状を、それぞれの面に入射する平面波が反射後に集束する位置をずらすように形成して集束位置と１次放射器の位相中心との位置関係が、主反射鏡のおもて面及び裏面との間で異ならせることにより、１次放射器の放射した電波を主反射鏡が反射したことにより得られる２次的な放射の位相パターンを主反射鏡のおもて面及び裏面との間で異ならせることができる。これにより、主反射鏡のおもて面と裏面とで、上記２次的な放射の位相パターンを異ならすことで、入射する偏波の方向において、おもて面、裏面における反射位相を同相とすることができるため、主反射鏡のおもて面、裏面のそれぞれにおいては不要な放射レベルが存在する方向があったとしても、それを抑圧することができる。

以下、この発明を実施の形態に従って説明するが、アンテナの動作に関しては、アンテナ可逆の定理により、送信または受信のどちらに用いても同一の特性となるため、ここでは電波を放射する送信アンテナとしてのみ説明する。また、以下の各図中において同一もしくは相当部分は同一符号で示し、かつ受信アンテナの動作の中では逆の方向の同様または相当の動作をするものとする。

実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態による反射鏡アンテナの概略的な構成図である。最初に概要を説明する。図１において、反射鏡アンテナ１のケース２の送受信面側には、副反射鏡３がケース２の一部として一体に形成されている。また、ケース２内には、副反射鏡３に対向するように主反射鏡４が設置されている。主反射鏡４は、例えば点Ｆ１を焦点とする回転方物面の形状に形成されおり(詳しくは後述する)、その中央部分には、副反射鏡３へ向けて電波を放射する１次放射器５が配置されている。１次放射器５は、直線偏波を放射するアンテナで、ここでは角錐ホーンアンテナである。副反射鏡３は、主反射鏡４から主反射鏡４の焦点Ｆ１までの距離の半分の位置またはその近傍に設置されている。また、１次放射器５は、主反射鏡４の焦点Ｆ１の、副反射鏡３に対する鏡像の位置Ｆ１ｒ、またはその近傍に配置されている。このように、反射鏡アンテナ１は、１次放射器５、副反射鏡３、主反射鏡４から構成されている。

図２は副反射鏡３の構造の一例を概略的に示した(ａ)上面図、(ｂ)側面図である。副反射鏡３は、図２に示すように、平面の誘電体板３０で構成されたケース２の送受信面側の内面に、金属等の導体で構成された、複数の細い導体ストリップを並行に並べて構成される導体グリッド３１を設けたものである。その導体グリッド３１の導体の伸張方向は、１次放射器５の偏波の電波を反射し、逆にこれと直交する偏波の電波を透過するように設置する。なお、導体グリッド３１は誘電体板３０の外面又は内部に設けてもよい。また導体グリッド３１は、使用周波数の波長と比べて十分に狭い幅の複数の導体ストリップが上記波長と比べて十分に狭い間隔で並行に設置されてなる。

図３は主反射鏡４の構造の一例を概略的に示した(ａ)上面図、(ｂ)側面図である。主反射鏡４は、上述したように例えば点Ｆ１を焦点とする回転放物面(放物線を回転させた面形状)の形状に誘電体板４０を成型して構成する(詳しくは後述する)。ここで誘電体板４０の厚さは、アンテナの使用周波数(電波の周波数)に対する誘電体板４０内における波長の約１／４の奇数倍に選ぶ。さらに、主反射鏡４には、図３に示すように、誘電体板４０のおもて面(電波が入射する側の面)に、副反射鏡３の導体グリッド３１とは鏡軸を軸にして４５°だけ傾いた方向に、金属等の導体で構成された複数の細い導体ストリップを並行に設けた導体グリッド４１が設置され、かつ誘電体板４０の裏面(おもて面と対向する反対側の面)全体に導体膜４２が設置される。導体グリッド４１は、アンテナの使用周波数(電波の周波数)に対する誘電体板４０内における波長と比べて十分に狭い幅の複数の導体ストリップが、上記波長と比べて十分に狭い間隔で並行に、かつ上述のように副反射鏡の導体ストリップとは鏡軸を軸にして４５°傾いた方向に設置されてなる。また誘電体板４０の中心には、１次放射器５の放射口となる開口４３が形成されている。

図４は副反射鏡３の導体グリッド３１の導体の伸張方向に対する電界の向きを示す。Ｅ１は、１次放射器５から放射される電波の電界の向きを表す。添え字のｉｎは導体グリッド３１で反射する電波の電界の向きを示す。添え字のｏｕｔは導体グリッド３１を透過する電波の電界の向きを示す。

そして１次放射器５から放射された電波は、その電界の方向がＥ１ｉｎであるので、導体グリッド３１すなわち副反射鏡３で反射する。そしてこの反射波は、主反射鏡４に入射する。主反射鏡４は、この導体グリッド３１の方向、及び、反射鏡おもて面と裏面との間隔(誘電体板４０の厚み)により、入射波の偏波を入射軸周りに９０°回転して反射するという、偏波回転機能構造を有している。主反射鏡４で偏波方向を９０°回転された電波は、その電界の方向がＥ１ｏｕｔとなり、副反射鏡３に達する。この電界の方向Ｅ１ｏｕｔは、導体グリッド３１の導体の伸張方向と直角するため、そのまま導体グリッド３１を透過する。すなわち、副反射鏡３で反射することなく、空間へ放射される。

そして従来の反射鏡アンテナでは、主反射鏡４のおもて面及び裏面がともに、例えば図１の点Ｆ１を焦点とする回転放物面であり、上記点Ｆ１の副反射鏡３に対する鏡像の位置Ｆ１ｒに、１次放射器５を設置することによって、センターフィードパラボラアンテナを鏡軸の方向に折り返した反射鏡アンテナとして機能する。

図５は本実施の形態の動作概念を示す図である。また図６は本実施の形態を説明する副反射鏡３及び主反射鏡４を介した反射鏡アンテナの放射パターン特性を示す図で、横軸は主放射方向(ビーム方向)からの角度、縦軸は主放射方向の放射電力値で規格化した各方向への放射電力値を示す。そして(ａ)が位相パターン、(ｂ)が振幅パターンを示し、それぞれＡがおもて面パターン、Ｂが裏面パターン、(ｂ)のＣが合成パターンを示す。

以下、本実施の形態における反射鏡アンテナの動作を説明する。図５において、１次放射器５から放射された電波は、副反射鏡３で反射され、さらに主反射鏡４で反射されると上述の反射鏡４の偏波回転機能により、電界の方向が図４に示すＥ１ｉｎからＥ１ｏｕｔとなって副反射鏡３に達する。これにより電界の方向Ｅ１ｏｕｔの電波は、副反射鏡３で反射することなく導体グリッド３１を透過して空間へ放射される。

ここで、本実施の形態における反射鏡アンテナでは、誘電体板４０のおもて面、裏面に設置される導体グリッド４１及び導体膜４２はともに回転放物面の形状であるが、図５に示すように、おもて面に設置される導体グリッド４１の焦点位置Ｆ１と、裏面に設置される導体膜４２の焦点位置Ｆ２とが異なるように導体グリッド４１、導体膜４２が形成される(例えば主反射鏡４のおもて面及び裏面ひいては導体グリッド４１及び導体膜４２の面の曲率を変えた面形状とする)。従って図５に示すように、導体グリッド４１の焦点位置Ｆ１及び導体膜４２の焦点位置Ｆ２を積極的にずらして異ならせることにより、上記焦点位置Ｆ１、Ｆ２の副反射鏡３に対しての鏡像の位置Ｆ１ｒ、Ｆ２ｒと１次放射器５の位相中心Ｏとの位置関係を異ならせることができる。これにより、主反射鏡４のおもて面(つまりは導体グリッド４１)と裏面(つまりは導体膜４２)とにより形成される放射パターンの、特に位相パターンを積極的に異なる形状とさせることにより、これらおもて面及び裏面の合成による放射パターンとして所望の角度方向への放射を抑制することを可能とする。

図６の(ａ)に、主反射鏡４のおもて面と裏面のそれぞれの反射面で空間に電波を放射させた場合の放射位相パターンであるおもて面パターンＡと裏面パターンＢを示す。但し、これら図６の(ａ)に示すおもて面、裏面での放射位相パターンは共に１次放射器５の偏波方向での特性であり、共通の偏波方向にそろえて表示している。図６の(ａ)において、おもて面パターンＡと裏面パターンＢの位相差が正面方向(θ＝０°方向)で１８０°程度となっているのは、裏面による反射波がおもて面による反射波と比べ、誘電体板４０内を余計に往復伝搬することにより、１８０°だけ多く位相が回転するため、おもて面、裏面の反射波の合成として入射波の偏波方向が入射軸周りに９０°回転して反射するという、偏波回転のそのものを表している。すなわち、上記おもて面、裏面での反射位相差が１８０°の整数倍となっていれば偏波回転が機能するため(偏波回転機能構造)、所望の偏波方向における利得を得ることができる。

一方で上述のものとは逆に、上記おもて面、裏面での反射位相差が０°または３６０°の整数倍だけである場合(つまり同相の場合)には、偏波回転が完全に機能しないため、所望の偏波方向における利得を得ることはできない。本実施の形態においては、任意の所望の方向において、積極的におもて面、裏面での反射位相が同相となるようにすることにより、その放射方向における不要な放射レベルを抑圧することができるようにするものである。

図６の(ｂ)に、主反射鏡４のおもて面と裏面のそれぞれの反射面で空間に電波を放射させた場合の放射振幅パターンであるおもて面パターンＡ、裏面パターンＢ、並びにこれらの合成パターンＣを示す。図６の(ｂ)に示すように、主反射鏡４のおもて面及び裏面によるおもて面パターンＡ、裏面パターンＢにおいて、共に０°方向を最大放射方向とするようなメインローブが存在することがわかる。

また、おもて面、及び裏面のみの放射パターンにおいては、このメインローブの両側の裾野となる角度方向(±５°方向)に比較的放射レベルの高い部分(＝以降、ショルダと呼ぶ)が発生している。このように発生したショルダは、本実施の形態の反射鏡アンテナをレーダ機能などに適用する場合において、レーダ機能の中でも特に測角性能を悪化させる要因となる。

しかしながら、図６の(ｂ)に示す本実施の形態においては、図６の(ａ)の位相パターンの説明で述べたように、主反射鏡４のおもて面、つまりは導体グリッド４１の焦点位置Ｆ１、及び主反射鏡４の裏面、つまりは導体膜４２の焦点位置Ｆ２を積極的に異ならせることにより、おもて面、裏面だけではショルダが発生してしまう角度方向であっても、その方向で反射位相を同相となるようにすれば、図６の(ｂ)の合成パターンＣで示すように、ショルダが発生している角度方向の放射を低減させることができる。

このように、本実施の形態においては、主反射鏡４のおもて面及び裏面の焦点位置を積極的に異ならせることにより、主反射鏡４のおもて面、裏面のそれぞれにおいては不要な放射レベルが存在していても、両面による反射波の合成パターン、つまりは本実施の形態における反射鏡アンテナの放射パターンとしては、この不要放射を抑圧することができる。

なお、主反射鏡４のおもて面、裏面による反射振幅パターンを異なるように主反射鏡４のおもて面及び裏面の焦点位置を積極的に異ならせるように構成することにより不要放射を抑圧することに関し、特に、おもて面及び裏面の一方の面で不要放射が発生している方向に対し、他方の面でヌル(指向性における出力低下方向領域)が発生するように構成することにより、不要放射を抑圧することができる。

また上記説明では、主反射鏡４のおもて面及び裏面の形状が回転放物面であるとして記述してきたが、この形状は、おもて面及び裏面の少なくとも一方が回転放物面の一部であってもよく、さらには形状は、任意の所望の反射特性を有する回転２次曲面(二次曲線を回転させた面形状)又はその一部であってもよい。形状が任意の回転２次曲面である場合には、回転放物面の場合のように焦点位置が１点に定まらない場合もあり、この場合は各面に入射した平面波が異なる位置に集束するように、すなわち集束する位置(領域)をズラすようにすればよい。

また、１次放射器５の位相中心位置を、主反射鏡４のおもて面及び裏面を構成する回転放物面の焦点位置の副反射鏡３に対する鏡像のそれぞれの位置の間、または、主反射鏡４のおもて面及び裏面を構成する回転２次曲面に入射した平面波が集束する位置(領域)の副反射鏡３に対する鏡像のそれぞれの位置(領域)の間に設定することにより、両面により形成さる放射位相パターンを異ならせることができるため、反射位相が同相となる角度つまりは放射を抑制する角度を容易に制御することができる。

この発明の一実施の形態による反射鏡アンテナの概略的な構成図である。図１の副反射鏡の構造の一例を概略的に示す図である。図１の主反射鏡の構造の一例を概略的に示す図である。図１の副反射鏡の導体グリッドの導体の伸張方向と電界の向きとの関係を説明するための図である。この発明の一実施の形態による反射鏡アンテナの動作を説明するための図である。この発明の一実施の形態による反射鏡アンテナの放射パターン特性の例を示す図である。

符号の説明

１反射鏡アンテナ、２ケース、３副反射鏡、４主反射鏡、５１次放射器、３０誘電体板、３１導体グリッド、４０誘電体板、４１導体グリッド、４２導体膜、４３開口。

Claims

直線偏波の電波を放射する１次放射器と、
誘電体板に、複数の導体ストリップが並行に形成されてなる導体グリッドが設けられ、入射した電波を入射軸を軸とした偏波角度に従って選択的に透過又は平面波として反射する、前記１次放射器から放射された電波を反射するように設けられた副反射鏡と、
前記副反射鏡で反射された平面波の電波を受けて反射するように副反射鏡と間隔を開けて対向して設けられ、厚さが内部での使用周波数の波長の約１／４の奇数倍の誘電体板の、前記副反射鏡に面するおもて面に前記副反射鏡の導体グリッドとは鏡軸を軸として４５°傾いた複数の導体ストリップが並行に形成されてなる導体グリッドが設けられ、裏面が導体膜で覆われ、おもて面及び裏面で反射され合成された電波を前記副反射鏡で透過するように偏波角度を変えて前記副反射鏡に反射する主反射鏡と、
を備え、
前記主反射鏡のおもて面及び裏面がそれぞれ、面に入射する平面波が反射してそれぞれ異なる位置に集束する回転２次曲面又はその一部からなる異なる面形状を有することを特徴とする反射鏡アンテナ。
前記主反射鏡のおもて面及び裏面による電波の反射振幅パターンが異なることを特徴とする請求項１に記載の反射鏡アンテナ。
前記主反射鏡のおもて面及び裏面による電波の反射振幅パターンが一方におけるヌル発生方向が、他方の不要電波放射の発生方向となることを特徴とする請求項２に記載の反射鏡アンテナ。
前記主反射鏡のおもて面及び裏面による電波の反射位相パターンが異なることを特徴とする請求項１に記載の反射鏡アンテナ。
前記１次放射器の位相中心が、前記主反射鏡のおもて面及び裏面に入射する平面波が反射して集束するそれぞれの位置の前記副反射鏡に対する鏡像の位置と位置がズレていることを特徴とする請求項４に記載の反射鏡アンテナ。
前記１次放射器の位相中心が、前記主反射鏡のおもて面及び裏面に入射する平面波が反射して集束するそれぞれの位置の前記副反射鏡に対する鏡像の位置の間に位置することを特徴とする請求項５に記載の反射鏡アンテナ。
前記主反射鏡のおもて面及び裏面の少なくとも一方が回転放物面又はその一部からなる面形状を有することを特徴とする請求項１に記載の反射鏡アンテナ。
前記１次放射器の位相中心が、前記主反射鏡のおもて面及び裏面のそれぞれの入射する平面波が反射して集束する位置又は焦点位置の前記副反射鏡に対する鏡像のそれぞれの位置と位置がズレていることを特徴とする請求項７に記載の反射鏡アンテナ。
前記１次放射器の位相中心が、前記主反射鏡のおもて面及び裏面のそれぞれの入射する平面波が反射して集束する位置又は焦点位置の前記副反射鏡に対する鏡像のそれぞれの位置の間に位置することを特徴とする請求項８に記載の反射鏡アンテナ。
前記主反射鏡のおもて面及び裏面がそれぞれ面の曲率が異なる面形状を有することを特徴とする請求項１から９までのいずれか1項に記載の反射鏡アンテナ。