JPH02239703A - 成形ビーム反射鏡アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、レーダや通信ならびに放送などに応用される
成形ビーム反射鏡アンテナ装置に関するものである。

（従来技術） 反射鏡を複数の一次放射器により給電し、成形ビームを
形成するには、反射鏡としてパラボラ（回転放物面）譚
を用いる技術がある。

第６図は、従来の成形ビーム反射鏡アンテナ装置の構成
図であり、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は一次放射
器の配列を示す断面図、同図（Ｃ）はビームの形状を二
次元角度空間上で表した等レベル線図である。

図において、１は反射鏡、２ａ，　２ｂ，・・，２ｙは
一次放射器、３ａ，　３ｂ，・・，３ｙは給電線、４は
ビーム合成回路、５ａ，５ｂ，　・・，５ｙは素ビーム
、６ａ，６ｂ，　・・，６ｙは素ビームの等レベル線、
７は合成された成形ビームの等レベル線である。反射鏡
１は、その反射面が回転放物面の一部から構成されたパ
ラボラ鏡であり、一次放射器２は、上記回転放物面の焦
点あるいはその近傍に５×５個（ｙ＝２５）配置された
例を図示している。このため、１つの一次放射器２を独
立に励振した場合に形成される放射ビーム、すなわち、
素ビーム５ａ，　５ｂ，５ｃ，　　・・，５ｙは、一方
向に鋭く絞られた形状のいわゆるペンシル（ｐｅｎｃｉ
ｌ）ビームとなり、これらを二次元角度空間上の等レベ
ル線で示すと、６ａ，　６ｂ，・・，６３１のような小
さな円（スポット）で表される。ここで、例えば、ビー
ム合成回路４により、一次放射器５ａ〜５ｙを同時に励
振すると、素ビーム６８〜６ｙの重ね合わせとして、成
形ビーム７を合成することができる。この例で示された
合成ビーム７は、最も基本的な成形ビームに相当する。

合成回路から各一次放射器に給電される電気信号の振幅
および位相を制御してやれば、原理的に多種多様な成形
ビームを合成することができるため、衛星搭載用の成形
ビーム反射鏡アンテナ装置などの実用に供されている。

（発明が解決しようとする課題） 上述した従来技術による成形ビーム反射鏡アンテナ装置
は、原理的にさまざまな成形ビームを合成することがで
きる。しかし、成形ビームの形状によっては、多くの一
次放射器が必要となり（第６図では５×５＝２５個）、
これにともなって給電線３や合成回路４の構成が複雑と
なるという問題点がある。また、複数の一次放射器２ａ
〜２ｙを並べて配置するのに、その間隔は一次放射器２
の物理的大きさより小さくすることができない。従って
、隣接する素ビームの最小間隔は、一次放射器２の物理
的大きさによって決定され、これよりも狭《することは
できない。隣接する素ビームの間隔が大きいと、重ね合
わせにより合成されたビームの放射強度が素ビームの隙
間で低下してしまうことから、上述した従来技術では、
放射強度の平坦度が優れたビームを合成することが困難
であるという問題点があった。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するために
なされたもので、比較的少ない一次放射器で、放射強度
の平坦度が優れた成形ビームを形成する成形ビーム反射
鏡アンテナ装置を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明の特徴は、反射鏡を複数の一次放射器で励振する
ことによって成形ビームを放射する成形ビーム反射鏡ア
ンテナ装置において、１つの一次放射器を励振したとき
にできる放射ビーム（素ビーム）の形状が扇形となるよ
うに反射器が構成されていることにある。

以下に、図面を用いて本発明を詳細に説明する。

（実施例１） 第１図は、本発明による第１の実施例を示すもので、同
図（ａ）は成形ビーム反射鏡アンテナ装置斜視図、同図
（ｂ）は一次放射器の配列を示す断面図、同図（Ｃ）は
ビームの形状を二次元角度空間上で表した等レベル線図
である。

図において、ｌ１は反射鏡、１２ａ，１２ｂ，　・・，
１２ｎ　（但し、図ではｎ＝５）は一次放射器、１３ａ
，１３ｂ，　・・，１３ｎは給電線、ｌ４はビーム合成
回路、１５ａ，１５ｂ，　・・，１５ｎは素ビーム、１
６ａ，　１６ｂ，・・，１６ｎは素ビームの等レベル線
、１７は合成された成形ビームの等レベル線である。

反射鏡１ｌは、パラボラ鏡ではなく、曲面を構成する放
物線の頂点が直線に添うように平行移動させてできた放
物柱面の２重曲面反射鏡である。このため、１つの一次
放射器１２を独立に励振した場合に形成される放射ビー
ム、すなわち素ビーム１５は、薄い平板状のいわゆる扇
形（ｆａｎ）ビームである。第１図（ａ）では、同図（
ｂ）のように一次放射器１２ａ〜１２ｎを一列に配置す
ることにより、複数の素ビーム１５ａ〜１５ｎが横方向
に形成されている。これらを二次元角度空間上の等レベ
ル線で示すと、同図（Ｃ）の１６ａ，１６ｂ，　・・，
１６ｎのような細長い図形（小さな円を直線に沿って動
かしてできる包絡線のような図形）の並びで表される。

ここで、ビーム合成回路１４により、横一列に配置され
た例えば、５個（ｎ＝５）の一次放射器１２ａ　ｘｌ２
ｅを同時に励振すると、素ビーム１５ａ〜１５ｅの重ね
合わせとして、成形ビーム１７を合成することができる
。

このように、本発明は、１つの一次放射器１２を励振し
たときにできる放射ビーム（素ビーム）１５の形状が扇
形となるように反射器１１を構成することにより、比較
的少ない一次放射器ｌ２で、放射強度の平坦度が優れた
成形ビーム１７を形成することができる。

（実施例２） 第２図は、本発明による第２の実施例を示すもので、同
図（ａ）は成形ビーム反射鏡アンテナ装置の斜視図、同
図（ｂ）は一次放射器の配列を示す断面図、同図（Ｃ）
はビームの形状を二次元角度空間上で表した等レベル線
図である。

実施例２では、前述の第１図に示した実施例１例と異な
り、一次放射器１２ａ，１２ｂ，　・・，１２ｎ　（但
し、図ではｎ＝５）が第２図（ｂ）に示すようにジグザ
グに配置されていることが特徴である。このように配置
すると、素ビーム１５ａ，１５ｂ，　・・，１５ｎの等
レベル線は１６ａ，　１６ｂ，・・，１６ｎのようにジ
グザグとなる。従って、一次放射器１２ａ〜１２ｎをジ
グザグに配置すると、横一列に配置した実施例１の場合
と比べて、隣接した素ビームの間隔を狭《することがで
きる。

（実施例３） 第３図は、本発明による第３の実施例であり、同図（ａ
）は成形ビーム反射鏡アンテナ装置の斜視図、同図（ｂ
）は一次放射器の配列を示す断面図、同図（Ｃ）はビー
ムの形状を二次元角度空間上で表した等レベル線図であ
る。

図において、２１は曲率をもった広義の扇形ビームを放
射する反射鏡、２５ａ，２５ｂ，　・・，２５ｎは素ビ
ーム、２６ａ，２６ｂ，・・，２６ｎは素ビームの等レ
ベル線、２７は合成された成形ビームの等レベル線であ
る。他の構成は実施例１及び実施例２と同じである。実
施例３は、図のように、素ビーム２５ａ〜２５ｎの等レ
ベル線２６ａ〜２６ｎは、曲がった形状（小さな円をあ
る曲線に沿って動かしてできる包絡線のような図形）と
なっているため、２７のような複雑な形状の成形ビーム
を合成することができるようにしたものである。

なお、実施例３で用いる反射鏡２１は、本出願人が同日
で特許出願している「反射器」を適用して成形ビーム反
射鏡アンテナ装置を構成したものである。以下に、実施
例３で用いる反射鏡２１の構成について説明する。

第４図は、本発明による反射鏡２ｌの構成図であり、同
図（ａ）は反射鏡の斜視図、同図（ｂ）は反射鏡の正面
図である。

反射鏡２１の反射面３２は、放物線３３ａの稠密な集合
である無限に広がった曲面３３の、縁３２ａで囲まれた
有限部分で構成されている。放物線３３ａの頂点３４ａ
の集合である曲線３４が、一平面上になく空間曲線とな
っている。一次波源３５から放射された波は、反射面３
２によって反射され二次放射ビームを形成する。このと
き、放物線３３ａの頂点３４ａの集合が２重曲率をもっ
た空間曲線であるため、反射波は曲率なもった広義のフ
ァンビームを形成する。

ここで、頂点３４ａの集合である曲線３４の具体的な求
め方について説明する。

反射鏡アンテナの設計・解析に有効な幾何光学近似を用
いると、曲線３４に関する常微分方程式を導くことがで
きる。すなわち、曲線３４は、頂点３４ａを通る放物線
３３ａ上での光線の反射に関する「スネル（ＳＮＥＬＬ
）の反射の法則」と、入射及び反射光線に添って運ばれ
るエネルギーに関する「エネルギー保存の法則」とを用
いることによって、一般的に次の方程式が与えられる。

Ｐ＋ｄｗ＝Ｐｚｄψ−−−−（１） ここで、Ｐｌは一次波源３５の放射電力パターン、Ｐ２
は反射鏡２１の二次放射電力パターン、ｄｗは一次波源
３５に対し放物線３３ａの縁３２ａ内にある部分が作る
立体角素、ｄψは一次波源３５からの光線が放物線３３
ａで反射されて向かう角度に関する平面角素である。

（１）式は、曲線３４に関する常微分方程式であるため
、Ｒｕｎｇｅ−Ｋｕｔｌａ法により、正確な数値解を得
ることができる。なお、必ずしも上述の方法を用いなく
とも、曲線３４はその座標値を変数とし、放射ビームの
形状によって定義される目的関数を持った最適化問題と
考え、各種最適化手法を用いた計算機シュミレーション
によって、有効な解を得ることが可能である。

第５図は、本発明について、さらに放物線３３ａの焦点
（３４ｃ）および頂点Ｑ　（３４ａ）の関係を説明する
ための反射鏡２１の縦断面図である。

焦点距離ＱＲは、次式を満足している。

ただし、点Ｐ（６）はすべての放物線に共通な定点であ
る。

この（２）式の条件を満足している場合、一次波源３５
を、その位相中心点が点Ｐと一致する位置に配置すると
、放物線３３ａの近傍により反射される波は、軸３３ｂ
の方向に関して位相が揃うため、不要な方向への波の反
射が少な《なり、鋭くて薄く、かつ曲率をもった広義の
ファンビームを形成することができる。すなわち、本発
明では、この等レベル線２６の形状を任意に変えること
ができるファンビームを形成することを可能としたもの
で有る。なお、本発明の特徴であるファンビームの形状
は、曲線３４と局部的には若干異なるものの概ね相似形
である。従って、本発明では、所望のファンビームの形
状に応じて曲線３４を設定すれば良い。

また、放物線３３ａの頂点３４ａの曲線３４が、縁３２
ａで囲まれた部分に含まれないように構成したオフセッ
ト構造の反射鏡（以下、「オフセット反射鏡」と称す）
にも本発明を適用できる。即ち、一次波源３５自身は、
反射面３２からの反射波を遮ること（プロツキング）が
ないように配置することができる。

上述の説明では、反射面３２を稠密な面構造で構成する
場合を例に取り説明したが、本発明は面構造に限定され
ることな《、例えば線状格子（ｗｉｒｅ　ｇｒｉｄ）で
構成しても、格子間隔が波長に比べて狭く、実質的に第
４図に示された反射鏡２１の反射面３２と同等な反射面
を形成していれば、波に対して原理的に同じ作用を有す
る。同様に、網（メッシュ）状あるいは穴の空いた板の
ような構造によってもこれに準じた反射鏡を構成するこ
とが可能である。

（発明の効果） 以上の．ように、本発明は成形ビーム反射鏡アンテナ装
置において、素ビーム形状を広義の扇形（曲率をもった
扇形を含む）ビームとすることにより、従来技術より少
数の一次放射器で、放射強度の平坦度に優れた成形ビー
ムを合成することができる。即ち、従来技術ではｎ　（
ｍ）Ｘｎ個の一次放射器を必要としていたものが、本発
明ではｎ　（ｍ）個の一次放射器でほぼ同等の効果を得
ることができる。従って、従来技術では多数の一次放射
器を必要としていた成形ビーム反射鏡アンテナ装置に応
用する場合ほど、本発明は効果的である。反射鏡を、放
物柱面からなる曲面の一部で構成することにより、扇形
ビームを形成することができる。

反射鏡を、放物線の稠密な集合で構成された曲面の一部
で有り、かつ放物線の頂点の集合が空間曲線で構成する
ことにより、空間曲線の形状とほぼ等しい任意の扇形ビ
ームを形成することができる。

一次放射器を、一次放射器の放射方向から見て直線状に
複数配置することにより、ほぼ四角形の成形ビームを構
成することができる。

一次放射器を、一次放射器の放射方向から見てジグザグ
状に配置することにより、隣接する素ビームの間隔をよ
り小さくすることが可能であるから、放射強度の平坦度
に優れた成形ビームを合成することが可能となる。

一次放射器を、反射鏡をオフセット給電するように配置
することにより、不要な方向への散乱波が抑圧され、よ
り優れた成形ビームを放射することが可能となる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による第１の実施例で、同図（ａ）は成
形ビーム反射鏡アンテナ装置の斜視図、同図（ｂ）は一
次放射器の配列を示す断面図、同図（Ｃ）はビームの形
状を二次元角度空間上で表した等レベル線図、第２図は
本発明による第２の実施例で、同図（ａ）は成形ビーム
反射鏡アンテナ装置の斜視図、同図（ｂ）は一次放射器
の配列を示す断面図、同図（Ｃ）はビームの形状を二次
元角度空間上で表した等レベル線図、第３図は本発明に
よる第３の実施例で、同図（ａ）は成形ビーム反射鏡ア
ンテナ装置の斜視図、同図（ｂ）は一次放射器の配列を
示す断面図、同図（Ｃ）はビームの形状を二次元角度空
間上で表した等レベル線図、第４図（ａ）及び（ｂ）は
本発明による反射鏡の斜視図及び正面図、第５図は本発
明による反射鏡の構成を説明するための斜視図、第６図
は従来の成形ビーム反射鏡アンテナ装置の構成図で、同
図（ａ）は成形ビーム反射鏡アンテナ装置の斜視図、同
図（ｂ）は一次放射器の配列を示す断面図、同図（ｃ）
はビームの形状を二次元角度空間上で表した等レベノレ
糸泉図である。 １　，１１．２１・・・反射鏡、 ２，２ａ〜２ｙ，　１２．　１２ａ〜１２ｎ　・・・一
次放射器、３．３ａ〜３ｙ，１３，ｌ３ａ〜１３ｎ・・
・給電線、４，１４・・・ビーム合成回路、 ５，５ａ〜５ｙ，　１５ａ〜１５ｎ，２５ａ〜２５ｎ　
・・・素ビーム、６ａ〜６ｙ，　１６ａ〜１６ｎ　・・
・素ビームの等レベル線、７，１７．２７・・・合成さ
れた成形ビームの等レベル線，３２・・・反射面、　　
　　３２ａ・・・反射面３２の縁、３３・・・反射面３
２を構成する曲面、３３ａ　・・・曲面３３を構成する
放物線、３３ｂ　・・・放物線３３ａの軸、 ３３Ｃ（点Ｒ）・・・軸３３ｂ上の焦点、３４・・・放
物線３３ａの頂点の集合曲線、３４ａ（点Ｑ）・・・放
物線３３ａの頂点、３５・・・一次波源、　　　３６（
点Ｐ）・・・定点。 （ｂ冫 （Ｃ） ＃２圀 禅， （ｃ） ＜（１） （ｂ） 孤 図 ＜ｂ） （促未技ｔカ （ｃ）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）反射鏡を複数の一次放射器で励振することによっ
   て成形ビームを放射する成形ビーム反射鏡アンテナ装置
   において、 １つの前記一次放射器を励振したときにできる放射ビー
   ムの形状が扇形となるように反射器を構成することを特
   徴とする成形ビーム反射鏡アンテナ装置。
2. （２）前記反射鏡が、放物柱面からなる曲面の一部で構
   成されていることを特徴とする請求項１記載の成形ビー
   ム反射鏡アンテナ装置。
3. （３）前記反射鏡が、放物線の稠密な集合で構成された
   曲面の一部で有り、かつ該放物線の頂点の集合が空間曲
   線で構成されていることを特徴とする請求項１記載の成
   形ビーム反射鏡アンテナ装置。
4. （４）前記一次放射器が、前記一次放射器の放射方向か
   ら見て直線状に複数配置されていることを特徴とする請
   求項１記載の成形ビーム反射鏡アンテナ装置。
5. （５）前記一次放射器が、前記一次放射器の放射方向か
   ら見てジグザグ状に配置されていることを特徴とする請
   求項１記載の成形ビーム反射鏡アンテナ装置。
6. （６）前記一次放射器が、前記反射鏡をオフセット給電
   するように配置されていることを特徴とする請求項１記
   載の成形ビーム反射鏡アンテナ装置。