JP7395071B1 - 反射鏡アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

放射する電波の位相中心の位置を、放射する電波の周波数に応じて、電波の放射軸に沿って前後に調整して電波を放射する一次放射器（１）と、平板状の誘電体板（２１）、及び、電波を反射する反射面となる誘電体板（２１）の表面に配列され、それぞれが入射された電波の反射波の位相を調整する複数の共振素子（２２）を有し、一次放射器（１）から放射された電波を入射し、入射した電波を反射する反射器（２）と、を備える。

Description

本開示は、一次放射器と平板状の反射器とを備える反射鏡アンテナ装置に関する。

近年、無線通信及びレーダのアンテナとして、構造が簡単な平板状の反射板を用いたリフレクトアレーが開発されている。
例えば、特許文献１には、平板状の反射板の表面に配列された共振素子の配置間隔を適正化してグレーティングローブの発生を防いだリフレクトアレーアンテナが示されている。
また、特許文献２には、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が示されている。

特開２０１６－９２６３３号公報 特開２０１７－７９４６０号公報

しかし、特許文献１及び特許文献２により、広帯域化を図る提案がなされているものの、設定周波数以外において発生する残留収差によって利得低下が生じ、ホーンアンテナ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と比較して、依然、狭帯域な特性であり、更なる広帯域化が望まれている。

本開示は上記した点に鑑みてなされたものであり、広い周波数帯域で高い開口能率をもつ反射鏡アンテナ装置を得ることを目的とする。

本開示に係る反射鏡アンテナ装置は、放射する電波の位相中心の位置を、放射する電波の周波数に応じて、電波の放射軸に沿って前後に調整して電波を放射する一次放射器と、平板状の誘電体板、及び、電波を反射する反射面となる誘電体板の表面に配列され、それぞれが入射された電波の反射波の位相を調整する複数の共振素子を有し、設定周波数の電波の位相中心から一次放射器が放射された電波が入射され、当該入射された電波による球面波を開口面上で平面波に変換して反射する反射器と、を備える。

本開示によれば、一次放射器が放射する電波の位相中心の位置を、放射する電波の周波数に応じて、電波の放射軸に沿って前後に調整するので、設定周波数以外の周波数に対しても、広い周波数帯域で高い開口能率を持つことができる。

実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置を横から見た構成図である。 実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置における反射器を示す正面図である。 実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置における共振素子の一例を示す平面図である。 実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置における共振素子の他の例を示す平面図である。 実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置における共振素子の他の例を示す平面図である。 実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置における共振素子の他の例を示す平面図である。 実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置における共振素子の他の例を示す平面図である。 実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置における共振素子の他の例を示す平面図である。 実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置における反射器の他の例を示す側面図である。 実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置において、一次放射器と反射器との配置関係を説明する図である。 反射鏡アンテナ装置において、残留収差を有する波面について説明する図である。 実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置において、低い周波数ｆ_Ｌの電波による波面と残留収差を有する波面との関係を説明する図である。 周波数に対する利得のシミュレーション結果を示す図である。 実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置において、一次放射器としてのホーンアンテナのシミュレーションモデルを示す斜視図である。 周波数に対する位相中心のシミュレーション結果を示す図である。 周波数に対する位相誤差による利得低下のシミュレーション結果を示す図である。 周波数に対する位相中心の第２のシミュレーション結果を示す図である。 周波数に対する利得のシミュレーション結果を示す図である。 周波数に対する能率のシミュレーション結果を示す図である。 周波数に対する位相誤差による利得低下の第２のシミュレーション結果を示す図である。

実施の形態１．
実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置を図１から図２０に基づいて説明する。
反射鏡アンテナ装置は一次放射器１と反射器２とを備える。
一次放射器１は、一次放射器１における設定周波数ｆ_０が放射される位相中心の位置ＰＣ_０に対する虚像の位置と反射器２の中心点２（Ｏ）を結ぶ線分と反射器２の中心点２（Ｏ）を通る水平面とのなす角度、いわゆるイメージホーン角がθである位置関係に、一次放射器１と反射器２が配置される。

一次放射器１は、一次放射器１から放射する電波の周波数ｆに応じて、一次放射器１における位相中心の位置ＰＣから反射器２の反射面における中心点２（Ｏ）までの経路長を調整する電波経路長調整器を内蔵する。
すなわち、一次放射器１は、低い周波数ｆ_Ｌから高い周波数ｆ_Ｈまでの広帯域である設定された周波数帯域の異なる複数の電波に対して、放射する電波の位相中心の位置ＰＣを、放射する電波の周波数ｆに応じて、電波の放射軸ＲＡに沿って前後に調整して電波を放射する。

一次放射器１は、低い周波数ｆ_Ｌの電波の位相中心の位置ＰＣ_Ｌに対して、図１に示すように、高い周波数ｆ_Ｈの電波の位相中心の位置ＰＣ_Ｈを電波の放射軸ＲＡに沿って後方に位置させる。
要するに、一次放射器１は、低い周波数ｆ_Ｌから高い周波数ｆ_Ｈまでの周波数帯域の電波に対して、周波数ｆに応じて位相中心の位置ＰＣを位相中心の位置ＰＣ_Ｌから位相中心の位置ＰＣ_Ｈまで連続的に調整する。

低い周波数ｆ_Ｌは、一次放射器１から放射される電波の設定された周波数帯域の下端の周波数を示し、高い周波数ｆ_Ｈは、一次放射器１から放射される電波の設定された周波数帯域の上端の周波数を示す。
一次放射器１は水平及び垂直偏波の電波を放射する。一次放射器１はホーンアンテナであってもよいし、それ以外のアンテナであってもよい。
以下では一次放射器１００がホーンアンテナの例で説明する。

一次放射器１について、具体的に説明する前に、反射器２を説明する。
反射器２は、誘電体板２１と、電波を反射する反射面となる誘電体板２１の表面に配列された複数の共振素子２２と、誘電体板２１の裏面に設けられた金属板２３を備える。
反射器２は、いわゆる、平板状の反射板を用いたリフレクトアレーである。
誘電体板２１は、図２に示すように平板状である。

各共振素子２２は、入射される電波の反射波の位相（以下、反射位相という）を調整する。
各共振素子２２は、図３に示すように円形のリング形状であり、誘電体板２１の表面上の位置に応じた大きさ、つまり、誘電体板２１の表面上の位置に応じた直径のリング形状である。

なお、各共振素子２２は、図４に示すように矩形パッチ型、図５に示すように円形パッチ型、図６に示すように矩形リング型、図７に示すように十字型、図８に示すように複数本で構成された矩形パッチ型など任意の形状でもよく、また、複数の形状を組み合わせた形状でもよい。
また、複数の共振素子２２は誘電体板２１の表面上における同一平面の１層に配置したものに限られるものではなく、図９に示すように、複数の共振素子２２を誘電体板２１の表面上に２層に分けて配置してもよく、３層以上に配置したものでも良い。

反射器２による反射位相は、各共振素子２２の形状及び大きさ、複数の共振素子２２間の間隔、並びに誘電体板２１の比誘電率及び肉厚により決定される。
反射器２による反射位相は、誘電体板２１の表面上の位置に応じた、一次放射器１の位相中心の位置ＰＣから誘電体板２１の表面である反射面までの経路長に依存する。

従って、反射器２は、誘電体板２１の表面上の位置に応じて誘電体板２１の表面に異なる形状及び大きさの共振素子２２を配置することにより反射位相の値を制御でき、反射器２の表面に入射した球面波を反射器２の開口面上で平面波ＰＷを実現するように、共振素子２２の形状及び大きさを決定して球面波を反射器２の開口面上で平面波ＰＷに変換するように反射する。

実施の形態１では、図１に示すように、一次放射器１が位相中心の位置ＰＣ_０から放射された設定周波数ｆ_０の電波による反射器２に入射される球面波を開口面上で平面波ＰＷ_０を実現するように、反射器２における複数の共振素子２２それぞれを誘電体板２１の表面上の位置に応じた形状及び大きさに決定して誘電体板２１の表面に配置している。
設定周波数ｆ_０は、一次放射器１から放射される高い周波数ｆ_Ｈと低い周波数ｆ_Ｌとの中間の値である中間周波数ｆ_Ｍが好ましいが、高い周波数ｆ_Ｈと低い周波数ｆ_Ｌとの間の値の周波数であればよい。

一次放射器１は、設定周波数ｆ_０の電波の位相中心の位置ＰＣ_０を基準に、低い周波数ｆ_Ｌの電波から高い周波数ｆ_Ｈの電波までの周波数帯域の周波数ｆの電波に対して位相中心の位置ＰＣを決定する。
すなわち、一次放射器１は、設定周波数ｆ_０の電波の位相中心の位置ＰＣ_０を基準に、次式（１）に示すシフト量Δを加算又は減算することにより、周波数帯域の周波数ｆの電波に対して位相中心の位置ＰＣを決定する。

言い換えれば、一次放射器１は、低い周波数ｆ_Ｌの電波から高い周波数ｆ_Ｈの電波までの周波数帯域の周波数ｆの電波に対して、低い周波数ｆ_Ｌの電波に対する位相中心の位置ＰＣ_Ｌから高い周波数ｆ_Ｈの電波に対する位相中心の位置ＰＣ_Ｈまで位相中心の位置ＰＣを、一次放射器１からの電波の放射軸ＲＡの方向に沿って連続的にオフセットする。

Δ＝（（λ_０－λ）／λ_０）×（Ｒ_０／cos^３θ） ・・・（１）
式（１）中、λ_０は設定周波数ｆ_０の電波の波長、λは一次放射器１から放射される周波数ｆの電波の波長、Ｒ_０は一次放射器１から放射される設定周波数ｆ_０の電波に対する、位相中心の位置ＰＣ_０から反射器２の中心点２（Ｏ）を介した反射器２の開口面中心までの距離、θはイメージホーン角である。

イメージホーン角θは、図１０に示すように、一次放射器１における位相中心の位置ＰＣ_０に対する虚像の位置ＶＩ_０と反射器２の中心点２（Ｏ）を結ぶ線分ＬＶ_０と、反射器２の中心点２（Ｏ）を通る水平面とのなす角度である。

この時、一次放射器１における位相中心の位置ＰＣ_０に対する虚像の位置ＶＩ_０は、一次放射器１から放射される設定周波数ｆ_０の電波に対して設定した位相中心の位置ＰＣ_０に対する虚像の位置である。
また、反射器２の中心点２（Ｏ）、つまり、誘電体板２１の表面における中心の位置と一次放射器１における位相中心の位置ＰＣ_０を結ぶ線分ＬＰ_０と、反射器２の中心点２（Ｏ）と一次放射器１の位相中心の位置ＰＣ_０に対する虚像の位置ＶＩ_０を結ぶ線分ＬＶ_０は同じ長さＬ_０である。

なお、図１０において、反射器２の開口面における径をＤとして示している。
また、図１０において、各共振素子２２の厚みは極めて薄いものであるが、模式的に厚さを大きくして描いている。また、反射器２の中心点２（Ｏ）が、誘電体板２１の表面における中心の位置に存在する共振素子２２の表面に存在しているように描いているが、反射器２の中心点２（Ｏ）が、誘電体板２１の平面における中心の位置である。

一次放射器１は、上式（１）を用いて、放射する電波の周波数ｆに応じた位相中心の位置ＰＣから、反射器２に向けて周波数ｆの電波を放射する。その結果、設定周波数ｆ_０以外の周波数ｆの電波においても反射器２の開口面上で平面波ＰＷを実現することができ、残留収差による利得低下を低減することができる。
設定周波数ｆ_０以外の周波数ｆにおいても残留収差による利得低下を低減することができる理由について、以下に説明する。

まず、図１１を用いて残留収差について説明する。
今、一次放射器１が、設定周波数ｆ_０の電波を、位相中心の位置ＰＣ_０を基準にして反射器２に向けて放射すると、反射器２の反射面によって反射され、反射器２の開口面上で平面波ＰＷ_０を実現するように、反射器２が設定されている。

反射器２における各共振素子２２の反射位相が周波数特性を持たない理想的なものを用いたとしても、一次放射器１が、位相中心の位置ＰＣ_０から設定周波数ｆ_０以外の周波数ｆの電波を放射した場合、周波数ｆの電波に対しての利得低下に起因する、曲率中心の位置ＲＯＣから曲率半径Ｒ_１の球面波ＳＲの位相誤差を持った残留収差が発生する。

例えば、一次放射器１が位相中心の位置ＰＣ_０から放射する電波の周波数ｆが設定周波数ｆ_０未満の場合（ｆ＜ｆ_０）、図１１に示すように、反射器２の開口面上における波面が、曲率中心の位置ＲＯＣ_Ｌが反射器２の図示右側に位置し、曲率半径Ｒ_１である球面波ＳＲ_Ｌに近似できる。
また、一次放射器１が位相中心の位置ＰＣ_０から放射する電波の周波数ｆが設定周波数ｆ_０を超えている場合（ｆ＞ｆ_０）、図１１に示すように、反射器２の開口面上における波面が、曲率中心の位置ＲＯＣ_Ｈが反射器２の図示左側に位置し、曲率半径Ｒ_１である球面波ＳＲ_Ｈに近似できる。

すなわち、一次放射器１が位相中心の位置ＰＣ_０から放射する電波の周波数ｆが設定周波数ｆ_０以外の場合、反射器２の開口面上における波面が曲率中心の位置ＲＯＣから放射される曲率半径Ｒ_１の球面波ＳＲと見做せる。
波面が曲率半径Ｒ_１の球面波ＳＲであると見做せることにより、曲率半径Ｒ_１の球面波ＳＲに基づく位相誤差を持った残留収差が発生する。

言い換えれば、一次放射器１が位相中心の位置ＰＣ_０から放射する電波が設定周波数ｆ_０以外の周波数の電波である場合、反射器２の開口面上における波面が、反射器２により平面波ＰＷ_０に変換されず、曲率半径Ｒ_１の球面波ＳＲに近似できる波面となる。
その結果、曲率半径Ｒ_１の球面波ＳＲに基づく残留収差が発生することになる。
要するに、残留収差は、曲率半径Ｒ_１の球面波ＳＲによって現わすことができる。

球面波ＳＲの曲率半径Ｒ_１は、次式（２）により現わすことができる。
Ｒ_１＝（Ｒ_０／α）cos^３θ ・・・（２）
α＝（λ_０－λ）／λ_０ ・・・（３）
式（２）及び式（３）中、λ_０は設定周波数ｆ_０の電波の波長、λは一次放射器１から放射される周波数ｆの電波の波長、θはイメージホーン角である。

球面波ＳＲの曲率半径Ｒ_１は、一次放射器１から放射される設定周波数ｆ_０の電波に対する、位相中心の位置ＰＣ_０から反射器２の中心点２（Ｏ）を介した反射器２の開口面中心までの距離Ｒとイメージホーン角θの２つのパラメータで決定される。

なお、図１１に示すように、上式（２）で示した曲率半径Ｒ_１が負の時（Ｒ_１＜０）、曲率半径Ｒ_１の球面波ＳＲ_Ｌの曲率中心の位置ＲＯＣ_Ｌは反射器２の右側にくるものとし、曲率半径Ｒ_１が正の時（Ｒ_１＞０）、曲率半径Ｒ_１の球面波ＳＲ_Ｈの曲率中心の位置ＲＯＣ_Ｈは反射器２の左側にくるものとして定義している。

設定周波数ｆ_０の電波に対しては半径が無限大∞であり、反射器２から放射された設定周波数ｆ_０の電波が反射器２によって反射された電波は、反射器２の開口面上で平面波ＰＷ_０になるように変換される。
反射器２から放射された設定周波数ｆ_０以外の周波数ｆの電波に対して位相中心の位置ＰＣ_０から放射すると、上式（２）におけるαが有限の値であり、反射器２の開口面上での波面が曲率半径Ｒ_１の球面波ＳＲとなり、残留収差が生ずる。

しかし、実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置においては、一次放射器１が、設定周波数ｆ_０の電波の位相中心の位置ＰＣ_０を基準に、上式（１）に示すシフト量Δを加算又は減算して一次放射器１から放射される電波の周波数ｆに応じて一次放射器１の位相中心ＰＣの位置を決定するので、設定周波数ｆ_０以外の周波数ｆの電波に対して残留収差を打ち消し、利得低下を低減できる。

例えば、一次放射器１が、位相中心の位置ＰＣ_Ｌから低い周波数ｆ_Ｌ（ｆ_Ｌ＜ｆ_０）の電波を反射器２に向けて放射した時の、低い周波数ｆ_Ｌの電波による波面（球面波ＳＰ_Ｌ）と、位相中心の位置ＰＣ_０から低い周波数ｆ_Ｌの電波を反射器２に向けて放射した時の波面（球面波ＳＲ_Ｌ）を、図１２に示す。
位相中心の位置ＰＣ_Ｌは、位相中心の位置ＰＣ_０を基準に、周波数ｆ_Ｌに対して上式（１）に基づいて算出されたシフト量Δを一次放射器１の放射軸ＲＡの方向に沿って位相中心の位置ＰＣ_０から前方にオフセットさせた位置である。

一次放射器１が、位相中心の位置ＰＣ_Ｌから低い周波数ｆ_Ｌの電波を反射器２に向けて放射すると、図１２に示すように、低い周波数ｆ_Ｌを放射する位相中心の位置ＰＣ_Ｌを位相中心の位置ＰＣ_０からシフト量Δ移動させたことにより、曲率中心の位置Ｆ_Ｌから放射される曲率半径Ｒ_Ｌの球面波ＳＰ_Ｌが発生する。
また、残留収差を発生させる、位相中心の位置ＰＣ_０から低い周波数ｆ_Ｌの電波を反射器２に向けて放射した時の曲率半径Ｒ_１の球面波ＳＲ_Ｌも発生する。

その結果、一次放射器１が、位相中心の位置ＰＣ_Ｌから低い周波数ｆ_Ｌの電波を反射器２に向けて放射した時の球面波ＳＰ_Ｌが、残留収差を発生させる球面波ＳＲ_Ｌと互いに補正しあい、反射器２の開口面上に平面波ＰＷ_Ｌが実現される。

このように、周波数ｆが放射される一次放射器１の位相中心の位置ＰＣを上式（１）に基づいて算出されたシフト量Δを位相中心の位置ＰＣ_０からオフセットさせた位置にすることにより、位相中心の位置ＰＣから周波数ｆの電波を反射器２に向けて放射した時の球面波ＳＰが、残留収差を発生させる球面波ＳＲと互いに補正しあい、平面波ＰＷが実現できる理由は、次のことによる。

すなわち、一次放射器１の位相中心の位置ＰＣを、位相中心の位置ＰＣ_０から一次放射器１の放射軸ＲＡの方向に沿ってシフト量Δ移動させた時、反射器２は焦点距離Ｆのレンズと近似しており、次式（４）が成立する。
（１／Ｒ_０）－（１／∞）＝（１／（Ｒ_０＋Δ））－（１／Ｒ_２）＝１／Ｆ・・（４）
式（４）中、Ｒ_２は位相中心ＰＣが移動した時の反射器２の開口面上での波面となる球面波ＳＰの曲率半径である。図１２に示した、位相中心の位置ＰＣ_Ｌから低い周波数ｆ_Ｌの電波を反射器２に向けて放射した時の球面波ＳＰ_Ｌの曲率半径Ｒ_Ｌが上式（４）中のＲ_２の値に相当する。

曲率半径Ｒ_２は、上式（４）より、次式（５）として現わせる。
Ｒ_２＝－（Ｒ_０ ^２／Δ） ・・・（５）
設定周波数ｆ_０以外の周波数ｆの電波に対して反射器２の開口面上で平面波ＰＷを実現させるために、周波数ｆの電波により残留収差を発生させる曲率半径Ｒ_１の球面波ＳＲと、位相中心の位置ＰＣを、位相中心の位置ＰＣ_０からシフト量Δ分移動させることにより生ずる曲率半径Ｒ_２の球面波ＳＰが互いに打ち消しあう条件は、次式（６）である。
Ｒ_１＋Ｒ_２＝０ ・・・（６）

上式（２）と上式（５）を上式（６）に代入することにより、上式（１）のシフト量Δが得られる。
すなわち、周波数ｆに対して上式（１）を用いてシフト量Δを算出し、一次放射器１の位相中心の位置ＰＣを位相中心の位置ＰＣ_０からシフト量Δ分移動させた位置ＰＣ_０＋Δにして、周波数ｆの電波を一次放射器１から放射すると、反射器２の開口面上に平面波ＰＷが実現できる。

次に、実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置の動作について説明する。
まず、一次放射器１から放射される電波の周波数ｆが設定されると、一次放射器１は周波数ｆに対する位相中心の位置ＰＣを上式（１）に基づいて算出し、決定する。

一次放射器１は、周波数ｆに対する決定した位相中心の位置ＰＣから周波数ｆの電波を反射器２に向けて放射する。
放射する電波の周波数ｆが設定周波数ｆ_０であると、反射器２における複数の共振素子２２により反射位相が調整され、反射器２は、入射された一次放射器１から放射された設定周波数ｆ_０の電波を設定周波数ｆ_０の電波の球面波を反射器２の開口面上で平面波ＰＷ_０になるように変換して反射する。

また、放射する電波の周波数ｆが設定周波数ｆ_０以外の周波数であると、周波数ｆの電波により残留収差を発生させる曲率半径Ｒ_１の球面波ＳＲと、位相中心の位置ＰＣを位相中心の位置ＰＣ_０からシフト量Δ分移動させることにより生ずる曲率半径Ｒ_２の球面波ＳＰが互いに打ち消しあい、反射器２は、入射された一次放射器１から放射された周波数ｆの電波を反射器２の開口面上で平面波ＰＷになるように反射する。

実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置において、一次放射器１から放射される電波の周波数ｆに対する利得の利得周波数特性についてシミュレーションを行った。
このシミュレーションは、反射器２の開口面上で平面波ＰＷになっている、つまり、残留収差を打ち消す又は低減していることにより、下端の周波数ｆ_Ｌから上端の周波数ｆ_Ｈまで残留収差が発生せずに利得低下が生じないことを検証するために行ったものである。

従って、利得周波数特性は残留収差による利得低下を考慮したものであり、各共振素子２２の反射位相が周波数特性をもたない、各共振素子２０２の周波数特性に起因する位相誤差によって発生する損失が生じない条件のもとでシミュレーションを行った。
また、上記条件は、スピルオーバ損失、反射損失及び振幅分布による損失などの損失を持たないことを意味している。

また、シミュレーションの設定条件は、設定周波数ｆ_０を２８GHz、開口径Ｄを５００mm、一次放射器１から放射される設定周波数ｆ_０の電波に対する、位相中心の位置ＰＣ_０から反射器２の中心点２（Ｏ）を介した反射器２の開口面中心までの距離Ｒ_０を４５０mm、イメージホーン角θを０deg、一次放射器１から放射される電波の設定された周波数帯域の下端の周波数ｆ_Ｌを２６GHz、周波数帯域の上端の周波数ｆ_Ｈを３０GHzである。

上記した条件の下、一次放射器１が、周波数帯域の周波数ｆを下端の周波数ｆ_Ｌから上端の周波数ｆ_Ｈまで連続的に変化させ時のシフト量Δを上式（１）により算出し、一次放射器１が、放射する電波の周波数ｆに応じて、位相中心の位置ＰＣ_０からシフト量Δ分オフセットさせた位相中心の位置ＰＣから、位相中心の位置ＰＣに対応した下端の周波数ｆ_Ｌから上端の周波数ｆ_Ｈまでの周波数ｆの電波を放射すると、図１３に実線ＧＥにて示す利得周波数特性が得られた。

また、参考例として、位相中心の位置を位相中心の位置ＰＣ_０から移動させずに、一次放射器１が下端の周波数ｆ_Ｌから上端の周波数ｆ_Ｈまでの周波数ｆの電波を放射すると、図１３に破線ＧＲにて示す利得周波数特性が得られた。

図１３に示した実線ＧＥから理解されるように、実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置は、設定周波数ｆ_０の電波に対してはもちろんのこと、下端の周波数ｆ_Ｌから上端の周波数ｆ_Ｈまでの電波に対して反射器２の開口面上で平面波ＰＷが得られ、利得低下が生じていない。
その結果、下端の周波数ｆ_Ｌから上端の周波数ｆ_Ｈまでの電波に対して開口能率が一定である。

これに対して、図１３に示した破線ＧＲから理解されるように、参考例においては、設定周波数ｆ_０の電波に対しては実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置と同じであるものの、設定周波数ｆ_０から遠ざかる、つまり、下端の周波数ｆ_Ｌ及び上端の周波数ｆ_Ｈに近づくにつれて残留収差が発生し、利得低下が生じている。
その結果、下端の周波数ｆ_Ｌ及び上端の周波数ｆ_Ｈに近づくにつれて開口能率が低下している。

以上の検証結果から、実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置は、参考例と比較して、下端の周波数ｆ_Ｌから上端の周波数ｆ_Ｈまでの電波に対して反射器２の開口面上で平面波ＰＷが得られ、利得低下が生じていないため、下端の周波数ｆ_Ｌから上端の周波数ｆ_Ｈまでの電波に対して開口能率が一定であることがわかる。

以上のように、実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置は、一次放射器１が、電波の位相中心の位置ＰＣを、放射する電波の周波数ｆに応じて、電波の放射軸ＲＡに沿って前後に調整して電波を放射するので、設定周波数ｆ_０の電波以外の下端の周波数ｆ_Ｌから上端の周波数ｆ_Ｈまでの電波に対して、周波数ｆの電波により残留収差を発生させる曲率半径Ｒ_１の球面波ＳＲと、位相中心の位置ＰＣを前後に調整して移動させることにより生ずる曲率半径Ｒ_２の球面波ＳＰが互いに打ち消しあい、反射器２の開口面上で平面波ＰＷが得られ、利得低下を低減できる。
その結果、一次放射器１から放射される電波における周波数の広帯域化を図ることができる。

特に、実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置は、一次放射器１における放射する電波の位相中心の位置ＰＣの調整を、設定周波数ｆ_０の電波の位相中心の位置ＰＣ_０を基準に、低い周波数ｆ_Ｌから高い周波数ｆ_Ｈまでの周波数帯域の周波数ｆに対して上式（１）に求められたシフト量Δにより決定しているため、設定周波数ｆ_０の電波以外の下端の周波数ｆ_Ｌから上端の周波数ｆ_Ｈまでの電波に対して、周波数ｆの電波により残留収差を発生させる曲率半径Ｒ_１の球面波ＳＲと、位相中心の位置ＰＣを、位相中心の位置ＰＣ_０からシフト量Δ分移動させることにより生ずる曲率半径Ｒ_２の球面波ＳＰが互いに打ち消しあい、反射器２の開口面上で平面波ＰＷが得られ、利得低下が生じていない。
その結果、一次放射器１から放射される電波における周波数の広帯域化を図ることができる。

なお、上記した実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置では、一次放射器１における放射する電波の位相中心の位置ＰＣを、設定周波数ｆ_０の電波の位相中心の位置ＰＣ_０を基準に、低い周波数ｆ_Ｌから高い周波数ｆ_Ｈまでの周波数帯域の周波数ｆに対して上式（１）に求められたシフト量Δにより決定して一次放射器１の放射軸ＲＡの方向に沿って連続的にオフセットするものとしたが、複数の異なった周波数に対してステップ状にシフト量Δを決定し、位相中心の位置ＰＣ_０を基準に一次放射器１の放射軸ＲＡの方向に沿ってステップ状にオフセットするものでもよい。

例えば、低い周波数ｆ_Ｌの電波に対するシフト量Δ_Ｌを次式（７）により算出し、高い周波数ｆ_Ｈの電波に対するシフト量Δ_Ｈを次式（８）により算出する。
Δ_Ｌ＝（（λ_０－λ_Ｌ）／λ_０）×（Ｒ_０／cos^３θ）（７）
Δ_Ｈ＝（（λ_０－λ_Ｈ）／λ_０）×（Ｒ_０／cos^３θ）（８）
式（７）及び式（８）中、λ_Ｌは一次放射器１から放射される低い周波数ｆ_Ｌの電波の波長であり、λ_Ｈは一次放射器１から放射される高い周波数ｆ_Ｈの電波の波長である。

一次放射器１から放射される電波が低い周波数ｆ_Ｌの電波であると、一次放射器１は低い周波数ｆ_Ｌに対する位相中心の位置ＰＣ_Lを上式（７）に基づいて算出し、決定する。
一次放射器１は、決定した位相中心の位置ＰＣ_Lから低い周波数ｆ_Ｌの電波を反射器２に向けて放射する。

また、一次放射器１から放射される電波が高い周波数ｆ_Ｈの電波であると、一次放射器１は高い周波数ｆ_Ｈに対する位相中心の位置ＰＣ_Ｈを上式（８）に基づいて算出し、決定する。
一次放射器１は、決定した位相中心の位置ＰＣ_Ｈから高い周波数ｆ_Ｈの電波を反射器２に向けて放射する。

上記した例示は、低い周波数ｆ_Ｌと高い周波数ｆ_Ｈの２つの周波数として説明したが、低い周波数ｆ_Ｌから高い周波数ｆ_Ｈまでの周波数帯域の複数の異なった周波数に対して、上記（１）を基に、複数の異なった周波数に対するシフト量Δを決定し、複数の異なった周波数の電波それぞれに対して決定された位相中心の位置ＰＣから一次放射器１が複数の異なった周波数の電波それぞれを放射するものでもよい。

図１３に示した利得周波数特性の結果は、残留収差による利得低下を考慮したものであり、各共振素子２２の周波数特性に起因する位相誤差によって発生する損失、スピルオーバ損失、反射損失、及び振幅分布による損失などの損失を持たない理想的な条件のもとでシミュレーションを行った。そのため、ホーンアンテナも具体的な形状を持たない、理想的なものを使用した。

そこで、一次放射器１として、より現実的な構成である図１４に示すホーンアンテナを用いて実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置における効果を検証した。
図１４に示すホーンアンテナは、開口の形状を矩形としたホーンアンテナであり、開口のサイズは９８．５mm ×７５．６mm、軸長は４００mmである。

また、シミュレーションの設定条件（Ｉ）は、設定周波数ｆ_０を１３．７５GHz、開口径Ｄを３３０mm、一次放射器１から放射される設定周波数ｆ_０の電波に対する、位相中心の位置ＰＣ_０から反射器２の中心点２（Ｏ）を介した反射器２の開口面中心までの距離Ｒ_０を６８０mm、イメージホーン角θを０deg、一次放射器１から放射される電波の設定された周波数帯域の下端の周波数ｆ_Ｌを１２．５GHz、周波数帯域の上端の周波数ｆ_Ｈを１５GHzである。
なお、本シミュレーション（Ｉ）では、振幅分布による損失とスピルオーバ損失も考慮して計算している。

図１５は、図１４に示すホーンアンテナの位相中心の周波数特性と、上記のシミュレーションの設定条件において上式（１）を満足する理想的な位相中心の周波数特性を比較した結果である。
図１５において、実線が図１４に示すホーンアンテナの位相中心の周波数特性を示し、破線が上式（１）を満足する理想的な位相中心の周波数特性を示す。
図１５から明らかなように、図１４に示すホーンアンテナを用いた実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置は、周波数が１２．５GHｚから１５GHｚにおいて理想的な位相中心位置を実現できている。

図１６は、上記したシミュレーション（Ｉ）の設定条件において、周波数に対する位相誤差による損失、つまり利得低下を計算した結果である。
図１６から明らかなように、周波数が１２．５GHｚから１５GHｚにおいて、位相誤差による損失は０．１ｄB以下と、損失が十分小さいことが確認できる。
すなわち、図１４に示すホーンアンテナを用いた実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置においても、上式（１）を満たすことができ、リフレクトアレーの帯域を制限する要因である位相誤差による損失を低減することができる。

図１６に示した検証結果は、図１４に示すホーンアンテナの位相中心が上式（１）を満たす理想的な条件で検討した結果を示した。
しかし、位相中心が上式（１）を満たすホーンアンテナに限定されるものではなく、ホーンアンテナの位相中心を上式（１）に近づけるだけでも効果がある。

この点について、以下に示すシミュレーションにより検証する。
シミュレーションの設定条件（II）は、設定周波数ｆ_０を１２．５GHz、開口径Ｄを５００mm、一次放射器１から放射される設定周波数ｆ_０の電波に対する、位相中心の位置ＰＣ_０から反射器２の中心点２（Ｏ）を介した反射器２の開口面中心までの距離Ｒ_０を８４５mm、イメージホーン角θを０deg、一次放射器１から放射される電波の設定された周波数帯域の下端の周波数ｆ_Ｌを１０GHz、周波数帯域の上端の周波数ｆ_Ｈを１５GHzである。

図１７は、図１４に示すホーンアンテナの位相中心の周波数特性と、上記のシミュレーションの設定条件（II）において上式（１）を満足する理想的な位相中心の周波数特性を比較した結果である。
図１７において、実線が図１４に示すホーンアンテナの位相中心の周波数特性を示し、破線が上式（１）を満足する理想的な位相中心の周波数特性を示す。
図１７から明らかなように、図１４に示すホーンアンテナを用いた実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置は、周波数が１０GHｚから１５GHｚにおいて理想的な位相中心位置とはなっていないが、位相中心が固定されたホーンと比較して、位相中心が理想値に近づいている。

同様に、上記のシミュレーションの設定条件（II）において、図１４に示すホーンアンテナを用いた実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置と、上式（１）を満足する理想的な位相中心をもつホーンアンテナを用いたものと、位相中心が固定されたホーンアンテナを用いたものとを、周波数に対する利得、能率、位相誤差による損失を比較した。

図１８が周波数に対する利得を図１９が周波数に対する能率を、図２０が周波数に対する位相誤差による損失を示す。
図１８から図２０において、実線が図１４に示すホーンアンテナを用いた実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置における特性を示し、破線が上式（１）を満足する理想的な位相中心をもつホーンアンテナを用いたもの特性を示し、一点鎖線が位相中心が固定されたホーンアンテナを用いたもの特性を示す。

図１８から図２０から明らかなように、図１４に示すホーンアンテナを用いた実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置は、位相中心が固定されたホーンアンテナを用いたものに対して、周波数に対する位相誤差による損失が低減し、利得及び能率の周波数特性が改善されており、理想に近づいている。

なお、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

本開示に係る反射鏡アンテナ装置は、一次放射器と平板状の反射器とを備えるリフレクトアレーアンテナに好適である。

１ 一次放射器、２ 反射器、２１ 誘電体板、２２ 共振素子、２３ 金属板、ｆ_Ｌ、ｆ_Ｍ、ｆ_Ｈ、ｆ_０ 周波数、λ、λ_Ｌ、λ_Ｈ、λ_０ 波長、ＰＣ_Ｌ、ＰＣ_Ｈ、ＰＣ_０ 位相中心の位置、Ｒ_０ 一次放射器１から放射される設定周波数ｆ_０の電波に対する、位相中心の位置ＰＣ_０から反射器２の中心点を介した反射器２の開口面中心までの距離、θ イメージホーン角。

Claims (9)

1. 放射する電波の位相中心の位置を、放射する電波の周波数に応じて、電波の放射軸に沿って前後に調整して電波を放射する一次放射器と、
   平板状の誘電体板、及び、電波を反射する反射面となる前記誘電体板の表面に配列され、それぞれが入射された電波の反射波の位相を調整する複数の共振素子を有し、設定周波数の電波の位相中心から前記一次放射器が放射された電波が入射され、当該入射された電波による球面波を開口面上で平面波に変換して反射する反射器と、
   を備えた反射鏡アンテナ装置。
2. 前記一次放射器における放射する電波の位相中心の位置の調整は、前記一次放射器が放射する周波数の電波により残留収差を発生させる曲率半径の球面波と、前記位相中心の位置を設定周波数の電波の位相中心の位置から前後に移動させることにより生ずる曲率半径の球面波が互いに打ち消しあう位相中心の位置に決定する請求項１に記載の反射鏡アンテナ装置。
3. 前記一次放射器における放射する電波の位相中心の位置の調整は、設定周波数ｆ_０の電波の位相中心の位置を基準に、低い周波数から高い周波数までの周波数帯域の周波数ｆの電波に対して次式（１）に求められたシフト量Δにより決定する請求項１又は請求項２に記載の反射鏡アンテナ装置。
   Δ＝（（λ_０－λ）／λ_０）×（Ｒ_０／cos^３θ） （１）
   式（１）中、λ_０は設定周波数ｆ_０の電波の波長、λは前記一次放射器から放射される前記周波数帯域の周波数ｆの電波の波長、Ｒ_０は前記一次放射器から放射される設定周波数ｆ_０の電波の位相中心から前記反射器の中心点を介した前記反射器の開口中心までの距離、θはイメージホーン角である。
4. 前記一次放射器における放射する電波の位相中心の位置の調整は、設定周波数ｆ_０の電波の位相中心の位置を基準に、
   前記設定周波数ｆ_０より低い周波数ｆ_Ｌの電波に対して次式（２）に求められた第１のシフト量Δ_Ｌにより決定し、
   前記設定周波数ｆ_０より高い周波数ｆ_Ｈの電波に対して次式（３）に求められた第２のシフト量Δ_Ｈにより決定する請求項１又は請求項２に記載の反射鏡アンテナ装置。
   Δ_Ｌ＝（（λ_０－λ_Ｌ）／λ_０）×（Ｒ_０／cos^３θ）（２）
   Δ_Ｈ＝（（λ_０－λ_Ｈ）／λ_０）×（Ｒ_０／cos^３θ）（３）
   式（２）及び式（３）中、λ_０は設定周波数ｆ_０の電波の波長、λ_Ｌは前記一次放射器から放射される低い周波数ｆ_Ｌの電波の波長、λ_Ｈは前記一次放射器から放射される高い周波数ｆ_Ｈの電波の波長、Ｒ_０は前記一次放射器から放射される設定周波数ｆ_０の電波の位相中心から前記反射器の中心点を介した前記反射器の開口中心までの距離、θはイメージホーン角である。
5. 前記一次放射器は、水平及び垂直偏波の電波を放射する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の反射鏡アンテナ装置。
6. 前記一次放射器はホーンアンテナである請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の反射鏡アンテナ装置。
7. 前記複数の共振素子それぞれは、円形のリング形状である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の反射鏡アンテナ装置。
8. 前記複数の共振素子それぞれは、円形の形状である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の反射鏡アンテナ装置。
9. 前記複数の共振素子それぞれは、矩形のリング形状である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の反射鏡アンテナ装置。

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