JP6598727B2 - Reflect array antenna - Google Patents

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Description

この発明は、例えば、人工衛星搭載アンテナなどに用いられる、一次放射器と反射板とからなるリフレクトアレーアンテナに関するものである。     The present invention relates to a reflectarray antenna composed of a primary radiator and a reflector, for example, used for an antenna mounted on a satellite.

従来、人工衛星搭載用アンテナとして、ホーンアンテナなどからなる一次放射器と放物曲面状の反射板とを対向させたパラボラアンテナが用いられている。衛星搭載される一般的なパラボラアンテナの反射板は、折り畳まれた状態で宇宙に打ち上げられ、宇宙空間で反射板を展開する。そのため、反射板を展開する構造が複雑であり、動作時の信頼性が低いという問題点がある。
そこで、放物曲面状の反射板に代えて平板状の反射板を用いたリフレクトアレーアンテナが開発されている(例えば、非特許文献1参照)。リフレクトアレーアンテナは平板状の反射板を用いるため構造が簡単になり、コストの削減及び信頼性の向上を図ることができる。
Conventionally, as a satellite-mounted antenna, a parabolic antenna is used in which a primary radiator composed of a horn antenna or the like and a parabolic curved reflector are opposed to each other. A reflector of a general parabolic antenna mounted on a satellite is launched into space in a folded state, and the reflector is deployed in outer space. Therefore, there is a problem that the structure for deploying the reflector is complicated and the reliability during operation is low.
Thus, a reflectarray antenna using a flat reflector instead of a parabolic curved reflector has been developed (see Non-Patent Document 1, for example). Since the reflectarray antenna uses a flat reflector, the structure is simplified, and the cost can be reduced and the reliability can be improved.

リフレクトアレーアンテナの反射板は、複数の共振素子で構成されており、一次放射器が放射した球面波面を有する電磁波は、反射板によって位相の補正が行われ、所定の方向に平面波として反射される。このような反射波を実現するために、リフレクトアレーアンテナの反射板は、位置に応じて異なる形状及び大きさの共振素子を有している。補正される位相量は、球面波で入射した電磁波を平面波に変換するための位相補正量と、電磁波の反射方向を所望の方向に向けるための位相補正量の和で表され、設計周波数に対して、その位相補正量を実現するように、共振素子の形状と大きさを決定する。   The reflector of the reflectarray antenna is composed of a plurality of resonant elements, and the electromagnetic wave having a spherical wavefront radiated from the primary radiator is corrected in phase by the reflector and reflected as a plane wave in a predetermined direction. . In order to realize such a reflected wave, the reflector of the reflectarray antenna has resonant elements having different shapes and sizes depending on the position. The phase amount to be corrected is expressed as the sum of the phase correction amount for converting the electromagnetic wave incident as a spherical wave into a plane wave and the phase correction amount for directing the reflection direction of the electromagnetic wave in a desired direction, and is relative to the design frequency. Thus, the shape and size of the resonant element are determined so as to realize the phase correction amount.

M. R. Chaharmir, J. Shaker,M. Cuhaci, and A. Ittipiboon, “Broadband reflectarray antenna with double cross loops,” Electron. Lett., vol. 42,no. 2, pp. 65-66, Jan. 2006.M. R. Chaharmir, J. Shaker, M. Cuhaci, and A. Ittipiboon, “Broadband reflectarray antenna with double cross loops,” Electron. Lett., Vol. 42, no. 2, pp. 65-66, Jan. 2006.

しかしながら、上記従来の方法で決められた位相補正量は、設計周波数に対しては最適であるが、他の周波数に対しては最適ではないため、補正量が過剰、もしくは不足し、反射波の方向が所望の方向からずれ、結果、リフレクトアレーアンテナが狭帯域になる課題がある。
一般的にリフレクトアレーアンテナは、狭帯域であるという課題があり、従来、非特許文献1に示されているように共振素子の形状を工夫することで、広帯域化を図る手法が考案されているものの、光路長の補正に注目して、反射板と一次放射器の位置とを決定する技術は実現されていなかった。
However, the phase correction amount determined by the above-described conventional method is optimal for the design frequency, but not optimal for other frequencies. Therefore, the correction amount is excessive or insufficient, and the reflected wave There is a problem that the direction is deviated from a desired direction, and as a result, the reflect array antenna becomes narrow band.
In general, a reflectarray antenna has a problem that it has a narrow band. Conventionally, as shown in Non-Patent Document 1, a method for increasing the bandwidth by devising the shape of a resonant element has been devised. However, focusing on the correction of the optical path length, a technique for determining the position of the reflector and the primary radiator has not been realized.

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、反射板と一次放射器の位置を決定することで広帯域化を図ることの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。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a reflectarray antenna capable of widening the bandwidth by determining the positions of the reflector and the primary radiator.

この発明に係るリフレクトアレーアンテナは、複数個の共振素子を有する平板状の反射板と、オフセットアンテナを形成する位置関係で反射板に対向して配置され、反射板の表面に対する鏡像が電磁波の反射方向を向き、かつ、電磁波の反射方向と平行で電磁波の反射方向から見た反射板の中央を通る直線上または直線からの離隔距離が半波長以内に位置するように配置され、反射板の中心方向に電磁波を放射する一次放射器とを備え、複数個の共振素子の反射位相を決定する際の基準となる点を反射板の開口中心とは異なる位置としたものである。 The reflectarray antenna according to the present invention is arranged so as to face a reflecting plate in a positional relationship to form an offset antenna and a flat reflecting plate having a plurality of resonant elements, and a mirror image of the reflecting plate surface reflects electromagnetic waves. The center of the reflector is positioned so that the distance from the straight line passing through the center of the reflector as seen from the reflection direction of the electromagnetic wave and the distance from the straight line is within half a wavelength. A primary radiator that radiates electromagnetic waves in the direction, and a point serving as a reference when determining the reflection phase of the plurality of resonant elements is set to a position different from the opening center of the reflector .

この発明のリフレクトアレーアンテナは、一次放射器の位置として、反射板の表面に対する一次放射器の鏡像が電磁波の反射方向を向き、かつ、電磁波の反射方向と平行で電磁波の反射方向から見た反射板の中央を通る直線上または直線からの離隔距離が半波長以内に位置するように配置され、反射板の中心方向に電磁波を放射するようにし、複数個の共振素子の反射位相を決定する際の基準となる点を反射板の開口中心とは異なる位置としたので、設計周波数と異なる周波数における2次の収差の影響を低減することができ、リフレクトアレーアンテナの広帯域化を図ることができる。 In the reflectarray antenna of the present invention, the position of the primary radiator is such that the mirror image of the primary radiator with respect to the surface of the reflecting plate faces the reflection direction of the electromagnetic wave and is parallel to the reflection direction of the electromagnetic wave and viewed from the reflection direction of the electromagnetic wave. When determining the reflection phase of a plurality of resonant elements , arranged so that the distance from the straight line passing through the center of the plate is within half a wavelength, radiating electromagnetic waves toward the center of the reflector Since the reference point is set at a position different from the aperture center of the reflector, the influence of secondary aberration at a frequency different from the design frequency can be reduced , and the bandwidth of the reflectarray antenna can be increased.

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説明図である。It is explanatory drawing which shows the reflectarray antenna by Embodiment 1 of this invention. 一次放射器の反射の鏡像を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the mirror image of reflection of a primary radiator. 反射板で補正する収差を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the aberration correct | amended with a reflecting plate. 2種類の収差を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows two types of aberrations. 図5A,図5B,図5Cは、設計周波数よりも低い周波数における波面を示す説明図である。FIG. 5A, FIG. 5B, and FIG. 5C are explanatory views showing wavefronts at frequencies lower than the design frequency. 図6A,図6B,図6Cは、設計周波数よりも高い周波数における波面を示す説明図である。6A, 6B, and 6C are explanatory diagrams showing wavefronts at a frequency higher than the design frequency. 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の一次放射器と反射板の位置関係を決めるパラメータの他の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the other example of the parameter which determines the positional relationship of the primary radiator and reflector of the reflectarray antenna by Embodiment 1 of this invention. 一般的な共振素子(矩形状素子)の反射位相を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the reflection phase of a general resonant element (rectangular element). 反射位相の基準を反射板の開口中心に取った場合の波面と収差とを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the wave front and aberration at the time of taking the reference | standard of a reflection phase in the opening center of a reflecting plate. 図9の構成における開口中心からの距離と共振素子の所望の反射位相との関係を示す説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram showing the relationship between the distance from the center of the opening and the desired reflection phase of the resonant element in the configuration of FIG. 9. 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の反射位相の基準を反射板の開口中心とは異なる位置に取った場合の波面と収差とを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the wave front and aberration at the time of taking the reference | standard of the reflection phase of the reflectarray antenna by Embodiment 1 of this invention in the position different from the opening center of a reflecting plate. 図11の構成における開口中心からの距離と共振素子の所望の反射位相との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the distance from the opening center in the structure of FIG. 11, and the desired reflection phase of a resonant element. 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の設計周波数に対する利得低下量を従来と比較して示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the gain fall amount with respect to the design frequency of the reflectarray antenna by Embodiment 1 of this invention compared with the past.

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説明図である。
図1に示すリフレクトアレーアンテナは、一次放射器1と反射板2からなり、反射板2は、複数個の共振素子を有する平板状の反射板である。一次放射器1は、オフセットアンテナを形成する位置関係で反射板2に対向して配置され、反射板2の表面に対する一次放射器の鏡像3が電磁波の反射方向4を向き、かつ、電磁波の反射方向4と平行で電磁波の反射方向4から見た反射板2の中央を通る直線上に位置するように配置され、また、反射板2の中心方向に電磁波を放射するよう形成されている。なお、波面5は、後述する1次の収差に関する波面を表している。以下、一次放射器1と反射板2との位置関係について説明する。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a reflectarray antenna according to Embodiment 1 of the present invention.
The reflectarray antenna shown in FIG. 1 includes a primary radiator 1 and a reflector 2, and the reflector 2 is a flat reflector having a plurality of resonant elements. The primary radiator 1 is disposed opposite to the reflector 2 in a positional relationship forming an offset antenna, the mirror image 3 of the primary radiator with respect to the surface of the reflector 2 is directed in the electromagnetic wave reflection direction 4, and the electromagnetic wave is reflected. It is arranged so as to be positioned on a straight line passing through the center of the reflection plate 2 as viewed from the reflection direction 4 of the electromagnetic wave parallel to the direction 4 and to radiate the electromagnetic wave toward the center of the reflection plate 2. The wavefront 5 represents a wavefront related to a first-order aberration described later. Hereinafter, the positional relationship between the primary radiator 1 and the reflecting plate 2 will be described.

先ず、位相補正を行わない場合について説明する。図2はその説明図である。
図2に示すような位相補正を行わない反射板2を考えた場合、一次放射器1から放射された電磁波6は、反射板2で反射され、反射波7として空間を伝搬する。このときの反射波7は、反射板面に対する一次放射器の鏡像3から放射された電磁波と等価であるとみなすことができる。一次放射器の鏡像3から放射された電磁波の波面は、図3に示すような波面8となる。この波面8を所望の波面9とするためには、図4に示す収差10を補正する必要がある。収差10は、波面が所望の波面9に対して傾いていることで生じる1次の収差11と、一次放射器1から放射される電磁波が球面波であることによって生じる2次の収差12の二つに分けて考えることができる。その収差は以下の式(1)に基づいて補正される。

Figure 0006598727
First, a case where phase correction is not performed will be described. FIG. 2 is an explanatory diagram thereof.
When the reflector 2 that does not perform phase correction as shown in FIG. 2 is considered, the electromagnetic wave 6 radiated from the primary radiator 1 is reflected by the reflector 2 and propagates in space as a reflected wave 7. The reflected wave 7 at this time can be regarded as equivalent to the electromagnetic wave radiated from the mirror image 3 of the primary radiator with respect to the reflector surface. The wavefront of the electromagnetic wave radiated from the mirror image 3 of the primary radiator becomes a wavefront 8 as shown in FIG. In order to make the wavefront 8 a desired wavefront 9, it is necessary to correct the aberration 10 shown in FIG. The aberration 10 includes a first-order aberration 11 generated when the wavefront is inclined with respect to the desired wavefront 9 and a second-order aberration 12 generated when the electromagnetic wave radiated from the primary radiator 1 is a spherical wave. It can be divided into two parts. The aberration is corrected based on the following equation (1).
Figure 0006598727

ここで、φは位相補正量を表し、Δで表される1次の収差11を補正する項と、Δで表される2次の収差12を補正する項の和で表される。λは設計周波数fにおける波長を表す。その位相補正量φを与えられるような反射板2を設計することとなる。
一方、位相補正量φで設計された反射板2で、設計周波数と異なるある周波数fの電磁波が反射される場合を考える。位相補正量φで補正されたときの収差の補正量Δ′を考えると、その値は以下の式(2)にて表される。

Figure 0006598727
Here, φ 0 represents the amount of phase correction, and is represented by the sum of a term for correcting the primary aberration 11 represented by Δ 1 and a term for correcting the secondary aberration 12 represented by Δ 2. . λ 0 represents the wavelength at the design frequency f 0 . The designing the phase correction amount phi 0 reflector 2 as given.
On the other hand, let us consider a case where an electromagnetic wave having a frequency f 1 different from the design frequency is reflected by the reflector 2 designed with the phase correction amount φ 0 . Considering the aberration correction amount Δ ′ when corrected with the phase correction amount φ 0 , the value is expressed by the following equation (2).
Figure 0006598727

ここで、λは周波数fにおける波長を表し、φ01は式(1)の右辺の第1項で表される1次の収差に対する位相補正量を、φ02は式(1)の右辺の第2項で表される2次の収差に対する位相補正量を表す。式(2)の右辺のφ01,φ02に関する項は、それぞれの収差に対する収差の補正量を示す。この式から、補正される収差はλに比例することがわかる。すなわち、位相補正量φで補正される場合、λ=λの電磁波にとっては最適な位相補正量であるが、λ>λの電磁波にとっては過剰に補正することとなり、λ<λの電磁波にとっては補正量が不足することとなる。 Here, λ represents the wavelength at the frequency f 1 , φ 01 is the phase correction amount for the first-order aberration expressed by the first term on the right side of Equation (1), and φ 02 is the right side of Equation (1). This represents the phase correction amount for the second-order aberration expressed by the second term. The terms related to φ 01 and φ 02 on the right side of Equation (2) indicate the correction amount of the aberration with respect to each aberration. From this equation, it can be seen that the corrected aberration is proportional to λ. That is, when correction is performed with the phase correction amount φ 0 , the phase correction amount is optimal for an electromagnetic wave with λ = λ 0 , but is excessively corrected for an electromagnetic wave with λ> λ 0 , and λ <λ 0 . For electromagnetic waves, the amount of correction is insufficient.

例として、図5に、位相補正量φで設計された反射板を用いたとき、λ>λの波長を持つ電磁波の位相補正後の波面を示す。図5Aは1次の収差に対して収差の補正を行った際の説明図である。1次の収差によって生じた波面13は、式(2)で表される収差の補正量14によって、λ>λの電磁波に対しては、過剰に補正されるため、波面15のような波面となり、所望の波面16から波面が傾くこととなる。これは、電磁波の反射方向が所望の方向から傾くことを意味する。図5Bは2次の収差に対して収差の補正を行った際の模式図である。2次の収差によって生じた波面17は、1次の収差と同様に式(2)で表される収差の補正量18により、λ>λの電磁波にとっては過剰に補正されるため、波面19のような曲率を持った波面となり所望の波面20が得られなくなる。以上2種類の収差を合成して、λ>λの電磁波における反射波は、図5Cの波面22で示されるように、所望の波面21から傾き、曲率を持った波面となる。 As an example, FIG. 5 shows a wavefront after phase correction of an electromagnetic wave having a wavelength of λ> λ 0 when a reflector designed with a phase correction amount φ 0 is used. FIG. 5A is an explanatory diagram when the aberration is corrected for the primary aberration. Wavefront 13 caused by the primary aberrations by the aberration correction amount 14 of the formula (2), because for the electromagnetic waves of lambda> lambda 0, which is excessively corrected wavefront as the wavefront 15 Thus, the wavefront is inclined from the desired wavefront 16. This means that the reflection direction of electromagnetic waves is inclined from a desired direction. FIG. 5B is a schematic diagram when the aberration is corrected for the secondary aberration. Since wavefront 17 caused by second order aberrations by the aberration correction amount 18 which is represented by first-order aberrations as well as the formula (2), which is excessively corrected for the electromagnetic waves of lambda> lambda 0, the wavefront 19 Therefore, the desired wavefront 20 cannot be obtained. By combining the two types of aberrations as described above, the reflected wave in the electromagnetic wave of λ> λ 0 becomes a wavefront having a curvature and a curvature from the desired wavefront 21 as indicated by the wavefront 22 in FIG. 5C.

また、λ<λの電磁波の補正後の波面を図6に示す。図6Aは1次の収差に対して収差の補正を行った際の模式図である。1次の収差によって生じた波面13は、式(2)で求めたΔ′で表される収差の補正量14で補正されるが、λ<λの電磁波に対しては補正量が不足するため、波面15のような波面となり、所望の波面16から傾くこととなる。図6Bは2次の収差に対して収差の補正を行った際の波面を模式的に示す説明図である。2次の収差によって生じた波面17は、収差の補正量18によって補正されるが、λ<λの電磁波にとっては補正量が不足し、波面19のような曲率を持った波面となり、所望の波面20が得られなくなる。以上2種類の収差を合成して、λ<λの電磁波における反射波は、図6Cの波面22で示されるように、所望の波面21から傾き、曲率を持った波面となる。 Also shows the wavefront corrected of an electromagnetic wave lambda <lambda 0 in FIG. FIG. 6A is a schematic diagram when the aberration is corrected for the primary aberration. Wavefront 13 caused by the primary aberrations, but is corrected by the aberration correction amount 14 of the formula (2) Δ determined ', insufficient correction amount with respect to the electromagnetic waves of lambda <lambda 0 Therefore, the wave front becomes a wave front 15 and tilts from the desired wave front 16. FIG. 6B is an explanatory diagram schematically showing a wavefront when the aberration is corrected for the secondary aberration. The wavefront 17 caused by the secondary aberration is corrected by the aberration correction amount 18, but the correction amount is insufficient for the electromagnetic wave of λ <λ 0 , and the wavefront has a curvature like the wavefront 19, and is desired. The wavefront 20 cannot be obtained. By combining the above two types of aberrations, the reflected wave in the electromagnetic wave of λ <λ 0 becomes a wavefront having a curvature and a tilt from the desired wavefront 21 as shown by the wavefront 22 in FIG. 6C.

このように周波数によって、反射方向が異なることと平面波でなくなることに起因して、リフレクトアレーアンテナが狭帯域になるという課題がある。そこで、一次放射器1と反射板2の配置を図1に示すような配置とすることで、上記2種類の収差のうち、1次の収差を0にすることができる。すなわち、一次放射器1の位置は、一次放射器の鏡像3が電磁波の反射方向4を向き、電磁波の反射方向4から見た反射板の中央を通る電磁波の反射方向4の直線上に位置するように決定する。これにより、波面5は、図5及び図6における所望の波面16と同等となり、1次の収差に対する補正量Δを0とすることができるため、電磁波の放射方向が周波数にかかわらずに正面方向を向くことになり、広帯域な特性を得ることができる。 As described above, there is a problem that the reflect array antenna becomes narrow band due to the fact that the reflection direction differs depending on the frequency and the plane wave is not generated. Therefore, by arranging the primary radiator 1 and the reflector 2 as shown in FIG. 1, the primary aberration among the two types of aberrations can be reduced to zero. That is, the position of the primary radiator 1 is located on the straight line of the reflection direction 4 of the electromagnetic wave passing through the center of the reflector as seen from the reflection direction 4 of the electromagnetic wave, with the mirror image 3 of the primary radiator facing the reflection direction 4 of the electromagnetic wave. To be determined. Thus, the wavefront 5 becomes equal to the desired wavefront 16 in FIGS. 5 and 6, since the correction amount delta 1 to the primary aberration can be 0, the front regardless radial direction of the electromagnetic wave frequency It will turn in the direction, and broadband characteristics can be obtained.

なお、一次放射器1の位置は、一次放射器の鏡像3が電磁波の反射方向4の直線上に位置するようにしたが、反射板2の中央を通る直線からの離隔距離が半波長以内に位置するように配置されていれば実用上リフレクトアレーアンテナとして広帯域な特性を得ることができる。   The primary radiator 1 is positioned such that the mirror image 3 of the primary radiator is positioned on a straight line in the reflection direction 4 of the electromagnetic wave, but the separation distance from the straight line passing through the center of the reflector 2 is within half a wavelength. If it is arranged so as to be positioned, a wide band characteristic can be obtained practically as a reflectarray antenna.

また、一次放射器1と反射板2との位置関係を以下のように決定してもよい。
図7のように、電磁波の反射方向から見た際の反射板2の表面の中心を原点23とし、電磁波の反射方向をz軸の正の方向、原点からz>0を満たすz軸上の任意の点から反射板表面に下した垂線とz=0を満たす平面の交わる点に引いた線をx軸の正の方向とする。一次放射器1の位相中心の座標を(z,x)、原点から一次放射器1までの距離をr、x軸からの反射板面の傾きをθ、設計周波数の波長をλとし、0≦α<2πを満たす任意の数をαとするとき、以下の式(3)を満たすような配置で、一次放射器の位置を決定する。一次放射器の位置は、図7の中で点24に示す(rcos2θ,−rsin2θ)が理想的であるが、原点と点24を結ぶ直線からの離隔距離が半波長以内に位置するように配置されていれば実用上リフレクトアレーアンテナとして広帯域な特性を得ることができる。

Figure 0006598727
このような構成とすることで、1次の収差に対する補正量Δを0とすることができるため、電磁波の放射方向が周波数にかかわらずに正面方向を向くことになり、広帯域な特性を得ることができる。なお、x軸からの反射板面の傾きθは、0゜<θ<90゜の範囲であるとする。 Moreover, you may determine the positional relationship of the primary radiator 1 and the reflecting plate 2 as follows.
As shown in FIG. 7, the center of the surface of the reflecting plate 2 when viewed from the reflection direction of the electromagnetic wave is the origin 23, the reflection direction of the electromagnetic wave is the positive direction of the z axis, and the z axis satisfies z> 0 from the origin. A line drawn from an arbitrary point to a point where a perpendicular line dropped on the reflecting plate surface and a plane satisfying z = 0 intersect is defined as a positive direction of the x axis. The coordinate of the phase center of the primary radiator 1 is (z f , x f ), the distance from the origin to the primary radiator 1 is r, the inclination of the reflector surface from the x axis is θ, and the wavelength of the design frequency is λ 0. When the arbitrary number satisfying 0 ≦ α <2π is α, the position of the primary radiator is determined in an arrangement satisfying the following expression (3). The ideal position of the primary radiator is (rcos 2θ, −rsin 2θ) indicated by a point 24 in FIG. 7, but the primary radiator is arranged so that the separation distance from the straight line connecting the origin and the point 24 is within a half wavelength. If so, a wide band characteristic can be obtained practically as a reflectarray antenna.
Figure 0006598727
With such a configuration, since the correction amount delta 1 to the primary aberration can be 0, the radiation direction of the electromagnetic wave is to face the front direction regardless of the frequency, to obtain a wide band characteristic be able to. The inclination θ of the reflecting plate surface from the x-axis is assumed to be in the range of 0 ° <θ <90 °.

一方、2次の収差に関しては、完全に0にすることはできないが、各共振素子の反射位相を以下のように決定することで減少させることができる。
図8に一般的な共振素子の反射位相を示す。図8から明らかなように、共振素子の反射位相は、周波数が高くなるにつれて遅れる傾向にある。
一方、各共振素子の所望の反射位相の周波数特性は、設計周波数における反射位相の決定方法によって、周波数が高くなるに応じて進む場合と遅れる場合とがある。図9のように反射位相の基準25を開口中心に取った場合を考える。位相補正がないと仮定した反射板2で反射された電磁波の波面26を所望の波面27とするためには、開口中心以外のすべての素子は位相を進ませるように補正しなければならない。このときの各共振素子の所望の反射位相の大きさは式(1)右辺の第2項で表される。開口中心からある距離の位置にある共振素子の所望の反射位相を図10に示す。ここで、Δfは設計周波数fを基準とした周波数の差分を示し、正の値である。周波数が高くなるにつれて、所望の反射位相はより進める方向に補正しなければならないことがわかる。すなわち、上述のとおり共振素子の反射位相は周波数の増加とともに遅れていくことを考慮すると、周波数が高くなるにつれて、所望の反射位相と共振素子から実際に反射される電磁波の位相とのかい離が大きくなることがわかる。
On the other hand, the secondary aberration cannot be completely reduced to 0, but can be reduced by determining the reflection phase of each resonance element as follows.
FIG. 8 shows a reflection phase of a general resonant element. As is apparent from FIG. 8, the reflection phase of the resonant element tends to be delayed as the frequency increases.
On the other hand, the frequency characteristic of the desired reflection phase of each resonant element may be delayed or delayed as the frequency increases depending on the method of determining the reflection phase at the design frequency. Consider the case where the reference 25 of the reflection phase is set at the center of the aperture as shown in FIG. In order to make the wavefront 26 of the electromagnetic wave reflected by the reflector 2 assumed to have no phase correction to be a desired wavefront 27, all elements other than the center of the aperture must be corrected so as to advance the phase. The magnitude of the desired reflection phase of each resonant element at this time is expressed by the second term on the right side of Equation (1). FIG. 10 shows a desired reflection phase of the resonant element located at a certain distance from the center of the opening. Here, Δf indicates a frequency difference with reference to the design frequency f 0 and is a positive value. It can be seen that as the frequency increases, the desired reflection phase must be corrected in a more advanced direction. That is, considering that the reflection phase of the resonance element is delayed as the frequency increases as described above, the difference between the desired reflection phase and the phase of the electromagnetic wave actually reflected from the resonance element increases as the frequency increases. I understand that

次に、図11のように反射位相の基準25を開口中心とは異なる位置に取った場合を考える。波面26を所望の波面27とするためには、各共振素子の反射位相を決める際に基準とする共振素子よりも開口中心に近い共振素子の所望の反射位相は、遅れさせるように補正しなければならない。各共振素子の所望の反射位相を図12に示す。周波数が高くなるにつれて、所望の反射位相はより遅らせる方向に補正しなければならないことがわかる。よって、共振素子から実際に反射される電磁波の位相の周波数特性は、所望の周波数の特性に沿うことになり、設計周波数と異なる周波数における2次の収差の影響を低減することができる。   Next, consider a case where the reference 25 of the reflection phase is set at a position different from the center of the aperture as shown in FIG. In order to make the wavefront 26 the desired wavefront 27, the desired reflection phase of the resonance element closer to the center of the opening than the reference resonance element when determining the reflection phase of each resonance element must be corrected so as to be delayed. I must. FIG. 12 shows a desired reflection phase of each resonance element. It can be seen that as the frequency increases, the desired reflection phase must be corrected in a more delayed manner. Therefore, the frequency characteristic of the phase of the electromagnetic wave actually reflected from the resonant element follows the desired frequency characteristic, and the influence of secondary aberration at a frequency different from the design frequency can be reduced.

このように、開口中心から離れた位置に反射位相の基準を取り、各共振素子の反射位相を決定することで、リフレクトアレーアンテナの周波数特性の改善を図ることができる。図13に設計周波数における指向性利得を基準とした時の利得の低下量の周波数特性を示す。実線が開口中心から離れた位置の共振素子を基準として反射位相を決定した場合の特性を示し、破線が従来のリフレクトアレーアンテナの特性を示す。図示のように、開口中心から離れた位置の共振素子を基準として反射位相を決定することで、リフレクトアレーアンテナの広帯域化が図れることがわかる。   Thus, by taking the reference of the reflection phase at a position away from the center of the aperture and determining the reflection phase of each resonant element, the frequency characteristics of the reflectarray antenna can be improved. FIG. 13 shows the frequency characteristics of the amount of decrease in gain when the directivity gain at the design frequency is used as a reference. The solid line shows the characteristic when the reflection phase is determined with reference to the resonant element at a position away from the center of the aperture, and the broken line shows the characteristic of the conventional reflectarray antenna. As shown in the figure, it is understood that the reflection array antenna can be widened by determining the reflection phase with reference to the resonant element located away from the center of the aperture.

以上説明したように、実施の形態1のリフレクトアレーアンテナによれば、複数個の共振素子を有する平板状の反射板と、オフセットアンテナを形成する位置関係で反射板に対向して配置され、反射板の表面に対する鏡像が電磁波の反射方向を向き、かつ、電磁波の反射方向と平行で電磁波の反射方向から見た反射板の中央を通る直線上または直線からの離隔距離が半波長以内に位置するように配置され、反射板の中心方向に電磁波を放射する一次放射器とを備えたので、リフレクトアレーアンテナの広帯域化を図ることができる。   As described above, according to the reflectarray antenna of the first embodiment, the flat reflector having a plurality of resonance elements and the reflector formed in a positional relationship to form the offset antenna are arranged and reflected. The mirror image on the surface of the plate faces the reflection direction of the electromagnetic wave, and is parallel to the reflection direction of the electromagnetic wave, and the distance from the straight line passing through the center of the reflection plate viewed from the reflection direction of the electromagnetic wave is within half a wavelength. Since the primary radiator that radiates electromagnetic waves in the center direction of the reflector is provided, the bandwidth of the reflect array antenna can be increased.

また、実施の形態1のリフレクトアレーアンテナによれば、複数個の共振素子を有する平板状の反射板と、オフセットアンテナを形成する位置関係で反射板に対向して配置された一次放射器とを備え、一次放射器と反射板の配置が、電磁波の反射方向から見た際の反射板の表面の中心を原点として、電磁波の反射方向をz軸の正の方向、原点からz>0を満たすz軸上の任意の点から反射板の表面に下した垂線とz=0を満たす平面の交わる点に引いた線をx軸の正の方向とし、一次放射器の座標を(z,x)、原点から一次放射器までの距離をr、x軸からの反射板の表面の傾きをθ、設計周波数の波長をλとし、0≦α<2πを満たす任意の数をαとするとき、以下の式

Figure 0006598727
を満たす配置としたので、リフレクトアレーアンテナの広帯域化を図ることができる。 Further, according to the reflectarray antenna of the first embodiment, a flat reflector having a plurality of resonant elements, and a primary radiator disposed to face the reflector in a positional relationship to form an offset antenna. The primary radiator and the reflector are arranged such that the center of the surface of the reflector when viewed from the reflection direction of the electromagnetic wave is the origin, the reflection direction of the electromagnetic wave is the positive direction of the z axis, and z> 0 from the origin. A line drawn from an arbitrary point on the z-axis to a point where a perpendicular line dropped on the surface of the reflector and a plane satisfying z = 0 intersect is defined as the positive direction of the x-axis, and the coordinates of the primary radiator are (z f , x f), the distance from the origin to the primary radiator r, the inclination of the surface of the reflector from the x-axis theta, the wavelength of the design frequency and lambda 0, any number and alpha that satisfies 0 ≦ α <2π When the following formula
Figure 0006598727
Since the arrangement satisfies the above, it is possible to increase the bandwidth of the reflect array antenna.

また、実施の形態1のリフレクトアレーアンテナによれば、反射板の表面の傾きθが、0゜<θ<90゜を満たすようにしたので、式(3)を満たすことができ、リフレクトアレーアンテナの広帯域化を図ることができる。   In addition, according to the reflectarray antenna of the first embodiment, since the inclination θ of the surface of the reflector satisfies 0 ° <θ <90 °, the formula (3) can be satisfied, and the reflectarray antenna Can be widened.

また、実施の形態1のリフレクトアレーアンテナによれば、複数個の共振素子の反射位相を決定する際の基準となる点を反射板の開口中心とは異なる位置としたので、設計周波数と異なる周波数における2次の収差の影響を低減することができ、リフレクトアレーアンテナの広帯域化を図ることができる。   Further, according to the reflectarray antenna of the first embodiment, the reference point for determining the reflection phase of the plurality of resonant elements is set at a position different from the opening center of the reflector, and therefore a frequency different from the design frequency. 2 can be reduced, and the bandwidth of the reflectarray antenna can be increased.

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。   In the present invention, any constituent element of the embodiment can be modified or any constituent element of the embodiment can be omitted within the scope of the invention.

1 一次放射器、2 反射板、3 一次放射器の鏡像、4 電磁波の反射方向、5 波面、23 原点、24 一次放射器の位相中心、25 反射位相の基準、26 位相補正がないと仮定した反射板で反射された電磁波の波面、27 所望の波面。   1 primary radiator, 2 reflector, 3 mirror image of primary radiator, 4 electromagnetic wave reflection direction, 5 wavefront, 23 origin, 24 phase center of primary radiator, 25 reference of reflection phase, 26 assumed no phase correction The wavefront of the electromagnetic wave reflected by the reflector, 27 the desired wavefront.

Claims (3)

複数個の共振素子を有する平板状の反射板と、
オフセットアンテナを形成する位置関係で前記反射板に対向して配置され、前記反射板の表面に対する鏡像が電磁波の反射方向を向き、かつ、当該電磁波の反射方向と平行で前記電磁波の反射方向から見た前記反射板の中央を通る直線上または当該直線からの離隔距離が半波長以内に位置するように配置され、前記反射板の中心方向に電磁波を放射する一次放射器とを備え
前記複数個の共振素子の反射位相を決定する際の基準となる点を前記反射板の開口中心とは異なる位置としたリフレクトアレーアンテナ。
A flat reflector having a plurality of resonant elements;
An offset antenna is disposed so as to be opposed to the reflecting plate, and a mirror image on the surface of the reflecting plate faces the reflection direction of the electromagnetic wave and is parallel to the reflection direction of the electromagnetic wave and viewed from the reflection direction of the electromagnetic wave. And a primary radiator that radiates electromagnetic waves in the direction of the center of the reflector, arranged so as to be located on a straight line passing through the center of the reflector or within a half-wave distance from the straight line ,
A reflectarray antenna in which a reference point for determining a reflection phase of the plurality of resonance elements is set at a position different from an opening center of the reflection plate .
複数個の共振素子を有する平板状の反射板と、
オフセットアンテナを形成する位置関係で前記反射板に対向して配置された一次放射器とを備え、
前記一次放射器と前記反射板の配置が、電磁波の反射方向から見た際の前記反射板の表面の中心を原点として、前記電磁波の反射方向をz軸の正の方向、原点からz>0を満たすz軸上の任意の点から前記反射板の表面に下した垂線とz=0を満たす平面の交わる点に引いた線をx軸の正の方向とし、前記一次放射器の座標を(zf,xf)、原点から前記一次放射器までの距離をr、x軸からの前記反射板の表面の傾きをθ、設計周波数の波長をλ0とし、0≦α<2πを満たす任意の数をαとするとき、以下の式
Figure 0006598727

Figure 0006598727
を満たす配置であり、
前記複数個の共振素子の反射位相を決定する際の基準となる点を前記反射板の開口中心とは異なる位置としたリフレクトアレーアンテナ。
A flat reflector having a plurality of resonant elements;
A primary radiator disposed facing the reflector in a positional relationship to form an offset antenna;
The primary radiator and the reflector are arranged such that the center of the surface of the reflector when viewed from the reflection direction of the electromagnetic wave is the origin, the reflection direction of the electromagnetic wave is the positive direction of the z axis, and z> 0 from the origin. A line drawn from an arbitrary point on the z-axis satisfying a perpendicular line drawn on the surface of the reflector to a point where a plane satisfying z = 0 intersects is defined as the positive direction of the x-axis, and the coordinates of the primary radiator are ( zf, xf), r is the distance from the origin to the primary radiator, θ is the inclination of the surface of the reflector from the x-axis, θ is the wavelength of the design frequency, and any number satisfying 0 ≦ α <2π. where α is
Figure 0006598727

Figure 0006598727
Arrangement der to meet the is,
A reflectarray antenna in which a reference point for determining a reflection phase of the plurality of resonance elements is set at a position different from an opening center of the reflection plate .
前記反射板の表面の傾きθが、0゜<θ<90゜を満たすことを特徴とする請求項2記載のリフレクトアレーアンテナ。   3. The reflectarray antenna according to claim 2, wherein the inclination [theta] of the surface of the reflector satisfies 0 [deg.] <[Theta] <90 [deg.].
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