JPH0586682B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、アンテナ、特に走査型レンズアン
テナに関する。 放射源や反射物を走査することは困難な、か
つ、時間の要する処理である。信号が非常に短か
い期間しか放射されず、また、受信装置がそのよ
うな信号を検出するのに充分な応答性を持つてい
ないために、信号が受信されない事態がしばしば
起る。受信装置が広範囲にわたつて周波数の変化
する信号を検出するのに充分な帯域幅を持つてい
ない場合は、さらに他の問題が生じる。放射源や
反射物を検出するために使われるアンテナシステ
ムを構成するときに必要な要件は次のとおりであ
る。それらは、可能な限り広い範囲を走査するた
めの広走査角と、短期間の放射を検出するための
高速の走査速度と、可能な限り広い周波数幅の放
射信号を検出するための広周波数帯域幅と、低レ
ベルの信号を検出するための低い内部損失と、全
走査角にわたつて高検出確率を保つための高性能
動作と一定のビーム形状である。この発明に関連
してこれらの要件を以下に説明する。 レーダの分野やアンテナが受信モードにのみあ
る場合には、全走査角にわたる一定のビーム形状
と一定の性能は、未知の物体を検出しその位置を
正確に表わすために要求されている。未知の物体
はどこにでも存在し得るので、最良の性能が得ら
れる特定の方位角（アジマス角）はない。このた
め、一定形状のビームを可能な限り広い方位角範
囲にわたつてすばやく走査する要件が最も重要で
ある。 広帯域にわたる信号を受信し処理する要件も重
要である。一連の受信信号処理システムの中でア
ンテナは第１番目の装置であるので、アンテナの
帯域幅はシステムの帯域幅を決定する。このた
め、可能な限り広帯域の信号を受信するアンテナ
は未知の周波数の物体を検出する性能を向上する
ために必要である。帯域幅の問題は、電力分配
器、結合器、ハイブリツド回路等を含むマイクロ
波回路技術と、拘束伝送線路を応用する従来のア
ンテナシステムにおいて特に顕著である。広帯域
のアンテナシステムを実現するために各素子、各
接続点と各インターフエースが電気的に整合され
ていて、かつ、広帯域特性を持たなければならな
い。各素子の電気的特性の差や相互作用によつ
て、広帯域のアンテナシステムを実現することは
困難であることが知られている。 上述したように、目的物を走査して検出する際
に考慮しなければならないことはアンテナシステ
ムの固有の損失である。低レベルの信号を検出す
るためには、比較的効率の高い、かつ低損失アン
テナが必要である。これにより、信号がアンテナ
以外の残りの機器に供給される以前にアンテナで
消散されることが防止される。拘束技術、マイク
ロ波素子、結合器、高損失誘電体を使つた従来の
アンテナシステムは固有損失によりしばしば許容
されない量の信号を消散する。固有損失として
は、挿入損、素子の相互作用による損失、種々の
干渉により生じる定在波による損失等がある。こ
のため、低損失アンテナを設計するには、広帯域
特性のアンテナを設計する際と同様な問題に対処
しなければならない。 走査速度に関して言えば、Ｋバンド周波数帯域
で動作する従来システムとしては、機械的に走査
可能なアンテナや、コンピユータ制御可能な狭ビ
ームアンテナがある。アンテナビームはアンテナ
の機械的な動きによつて走査されるので、走査速
度は遅く、その結果、短期間の信号を検出する可
能性は比較的低い。 他の従来システムとして、フエイズドアレーア
ンテナがある。このアンテナにおいては、コンピ
ユータ制御と電気的走査のために、走査速度は機
械的アンテナシステムに比べて速い。しかしなが
ら、フエイズドアレーアンテナの帯域幅は比較的
低いとともに走査速度によつて変わるという欠点
がある。加えて、この種のアンテナはビーム位置
が周波数によつて偏移するという周波数応答型ア
ンテナである。フエイズドアレーアンテナは走査
することなく、広い角度の扇状領域を送受信領域
に持つが、この場合の帯域幅は走査モード時に比
べてさらに狭い。したがつて、従来のアンテナシ
ステムは広範囲を送受信領域にし、かつ、走査す
ることについては性能が不充分である。 光学の原理を用いて設計されたアンテナは高速
走査に関する要求は満足する。光学的アンテナシ
ステムにおいては、電磁波の伝播は幾何光学の原
理に基づいて決定される。そのため、ミリ波にお
いて広帯域動作が容易である。電波伝播は伝搬角
と光路長によつて決まり、動作周波数には無関係
である。空気が充満された非拘束の伝搬路が存在
するために、信号の消散は比較的少ない。従来の
光学的アンテナの一例としてラインハート
（Rinehart）アンテナがある。このアンテナは理
論的には完全に走査を行なうアンテナとして知ら
れている。 このラインハートアンテナは配置型のアンテナ
でありR.F.Rinehartの文献「レーダアンテナに
ついて高速走査についての問題に対する解法（Ａ
Solution of the Problem of Rapid
Scanning for Radar Antenna）」，“Journal of
Applied Physics”，vol 19，1948年９月、に記
載されている。このアンテナは可変誘導体ルーネ
ベルグレンズに類似した開放型導波管である。ド
ーム形状の２枚の平行な導電板が設けられる。２
枚の導電板の間を伝搬する電磁波はそれらの間の
等差平均面を伝搬する。２枚の導電板をドーム状
にする目的はこの等差平均面をつくることであ
る。これにより、導電板の周辺上の一点から２板
の間に揺動される電磁波は、上記点と直径方向に
対向する点において平面波となる。同様に外から
平面波としてラインハートアンテナに入射される
電磁波は、アンテナに接し、かつ、入射平面波に
直交するラインと直径方向の反対側の周辺上の一
点に収束される。 ラインハートアンテナや他の測地線（ジオデジ
イツク）アンテナの動作の原理はフエルマ
（Fermat）の最小原理である。すなわち、電磁波
は２枚の平行導電体の間の等差平均面上の測地線
に沿つて伝搬される。ラインハートアンテナは等
差平面をドーム形状にすることにより、光路長を
変える。この結果、アンテナの周辺上の一点から
この点とアンテナをはさんで反対側にありアンテ
ナの接線上の全ての点までの光路長の等しい伝搬
路が多数存在する。ラインハートアンテナは理論
的には充分な走査性能を持つているが、周辺での
ビーム方向はドーム形状の回転中心軸と平行であ
る。中心軸と直交する平面内でのビーム方向は広
範囲の走査範囲を有するように設定されるのが好
ましい。周辺には、電磁波を指向するが、電磁波
の反射や収束を行なわせない反射器やへりが必要
である。これを実現した従来例に、米国特許第
2814037号「走査型アンテナ」（Warren et al）
がある。 この米国特許はラインハートアンテナの変形例
に関する。この変形例は中心軸の角度で外へ向か
つた方向へ電磁波を意図的に指向させる。ライン
ハートの理論によつて走査面内で理論的に充分な
収束特性を保つために、この米国特許においては
測地線ドームにへりが付け加えられた。この結
果、このアンテナは広い方位角にわたつて走査可
能であり、方位角において狭いビーム幅を有す
る。しかしながら、仰角においてはビーム幅はか
なり広い。方位角とは水平面内の角であり、仰角
とは垂直面内の角である。 仰角方向においてビーム幅が広いことが好まし
くない場合がある。たとえば、目標物検出や追尾
の分野においては、方位角、仰角方向において狭
いビーム幅が好ましい。この理由の一つは電磁波
の集中により、遠距離まで走査することができる
からである。従来の測地線アンテナはパラボラ反
射鏡、給電系、パラボラ円筒反射鏡を用いて仰角
方向においてビームを収束あるいは圧縮する手段
を有する。この一例としては、米国特許第
3343171号「走査型測地線レンズアンテナ」
（Goodman）がある。 この米国特許では、反射鏡によつて垂直面内の
ビーム幅が圧縮される。しかしながら、垂直面内
の指向性を制御する際に、種々の問題が生じる。
一つには、反射鏡は一般にドームアンテナより大
きいので、システムが大きくなり、風等の種々の
物理的干渉の影響が大きいことである。二つに
は、反射鏡が大きく、かつ、反射鏡の全ての鏡面
にビームがあたるわけではないということによ
り、開口能率が悪いことである。三つには、反射
鏡を使うためにシステム全体が対称ではないの
で、ビーム幅が走査角度によつて変わつてしまう
ことと、広方位角を走査するには数枚の反射鏡が
必要となることである。 このように従来の光学的原理に基づいたアンテ
ナシステムは広範囲にわたる走査あるいは受信性
能が低いことが欠点である。 したがつて、この発明の目的は上述した従来ア
ンテナの全部ではないにしても大部分の欠点を克
服した新規で改良された走査型アンテナを提供す
ることである。 この発明の第２の目的は、一平面内の走査を高
速かつ広範囲に行ない、それと直交する平面内の
ビーム形状は一定に保つアンテナを提供すること
である。 この発明の第３の目的は、走査面と直交する平
面内のビーム幅が狭い測地線レンズアンテナを提
供することである。 この発明の第４の目的は、ミリ波帯を含む全て
のマイクロ波帯域で動作する広帯域、高開口能率
のアンテナを提供することである。 この発明の第５の目的は、機械的強度が高く、
簡単な構成で、小型、かつ、製造の容易な測地線
ドームアンテナを提供することである。 この発明によればこれらの目的は、２枚の同心
のドーム形状の導電板と、導電板の周辺の間に接
続される誘電体の充満されたフレア型導波管を具
備する走査型測地線レンズアンテナにより実現さ
れる。２枚の導電板はトランスバース・エレクト
ロマグネテイツク・モード（以下、TEMモード
と称する）の導波管として働き、位相速度は動作
周波数に無関係である。導電板は中心を通る軸に
ついての回転体であり、正確な形状は独特であ
る。 この明細書で「ドーム」とはこの導電板の形状
を示すために使われるが、この語は便宜的に使わ
れるものであり、限定的ではない。導電板の正確
な形状は後述するように、多くのパラメータによ
り決定される。この形状は一般にいうドームに似
ているので「ドーム」という語が使われる。 フレアホーンは環状であり、導電板の周囲に固
定されている。垂直面内のビームを制限するため
に、フレアホーンは中心軸に対して適当な関係を
持つて設けられる。これらの同心導電板の環状の
周辺部はそれらの間に電磁波が入射され、それら
の間から電磁波が取出されるので、一般に「給電
環」と呼ばれる。給電環中のフレアホーンが接続
される個所の面積はアンテナの走査角に比例す
る。フレアホーンの一側面は直接に外側の導電板
の周辺部に接続される。フレアホーンの残りの一
側面は内側の導電板の周辺部の一部である「整合
90°ベンド」に接続される。この整合ベンドはフ
レアホーンの指向する方向を導電板の周辺部の伝
搬路の軸方向に移すために電磁波の向きを変え
る。フレアホーンの内の充満される誘電体は特定
の断面形状を有し、通過する電磁波が垂直面内で
収束される。この実施例では、フレアホーンと接
続していない給電環の部分は、導電体の間に電磁
波を入射し、また、それらの間から電磁波を取出
すための給電手段に接続される。給電手段として
は通常の矩形導波管が一般的である。 前述したように、従来の測地線レンズアンテナ
は理論的には走査面内においては狭ビームを走査
するが、走査面と直交する面内ではビーム幅は広
い。直交面内のビーム幅を狭くするために、この
発明では誘電体充満フレア型導波管を給電ホーン
として用いる。このホーンは環形のＥ面ホーンで
ある。ホーンの寸法は波長と所望のビーム幅に応
じて決定される。ホーンの内に充満される誘電体
の種類もホーンの寸法を決定する。このフレアホ
ーンは走査面と直交する面内で電磁波を収束させ
るがこれにより光路長が変わるので、従来の測地
線レンズアンテナがビームを走査面内で収束させ
ることができなくなる。 フレアホーンの効果を取入れた新しいドーム形
状が生まれ、同心導電板をつくるのにこの形状が
用いられる。この独特なドーム形状と、これに取
付けられた誘電体充満フレアホーンにより、この
発明によれば、走査面内のビーム幅を狭くすると
ともに、直交面内のビーム幅を狭くすることがで
きる。このアンテナシステムは回転対称であるの
で、一定形状のビームの広範囲走査が可能であ
る。この発明によれば、同心導電体の形状を決定
するのにフエルマの原理を用いているので、走査
面内のビームは収束され、ビーム幅は狭い。フレ
アホーンおよびフオーカシングレンズとして働く
誘電体の使用により、直交面内のビーム幅は狭
い。このレンズは導電体の中心軸に関してほとん
ど回転対称であるので、全走査角度にわたつてビ
ーム形状は一定である。 このように、この発明は大規模な従来のパラボ
ラ反射鏡や同様のものを用いずに、走査面かつ直
交面における所望の指向性を実現できる。このシ
ステムは回転対称であり、電気的スイツチングに
より高速走査が可能でるので、機械的な動作は全
く必要とされない。さらに、受信機を給電環の
種々の個所へ接続することにより、走査すること
なく扇形領域の監視や受信が行なえる。これらの
個所へ収束された電磁波を比較することにより、
扇形領域内の目標物の位置が決定される。 この発明は構成要素が少ないので従来システム
より簡単である。使われる部品は、汎用品でよ
く、かつ、許容誤差が大きくてもよい。したがつ
て、この発明は製作が容易で安価である。 以下、図面を参照してこの発明によるレンズア
ンテナの一実施例を説明する。第１図ないし第６
図に測地線ドーム型レンズアンテナの一実施例が
示される。この実施例は、２枚のドーム形状の同
心の導電板１０，１１と、内側のドーム形状導電
板１１に斜め継ぎされたベンド１２と、誘電体２
１が充満された金属のフレアホーン２０とを有す
る。 導電板１０，１１の正確な形状は、水平面内で
フアーフイールドからこのアンテナに入射される
平面波が給電環１５上の一点に収束され、同様に
給電環１５の一点からこのアンテナに供給される
電磁波がフアーフイールドで収束されるように設
定される。第２図、第６図に示すように、ベンド
（へり）１２は内側導電板１１から形成される。
標準の導波管技術を用いて設計されるベンド１２
は導電板１０，１１の間の方向からフレアホーン
２０の方向へ、あるいはその逆へ、最小の整合損
失で電磁波の向きを変える。走査面に直交する面
内でビームはフレアホーン２０と誘電体２１から
なる電波レンズによつて収束される。しかしなが
ら、このレンズを付加することにより、光路長が
変化するので、走査面内で完全な収束性を持たせ
るには新規なドーム形状が要求される。 新規なドーム形状はレンズ２０，２１の効果を
考慮した走査面内の収束条件から得られた積分方
程式を解くことにより求められ、それはＺ軸を中
心とした回転体である。導電板１０，１１の間の
領域を伝搬する電磁波はそれらの間の等差平均面
１４上を伝搬することが知られている。この等差
平均面１４の形状が積分方程式を解くことにより
求められる。ここでは、導電板１０，１１の間の
距離は最高動作周波数における半波長よりも短か
く設定されているが、これに限定されない。等差
平均面１４の形状がこの測地線ドームレンズアン
テナが走査面で収束性を持つかどうか決定する。 等差平均面１４を伝搬する全てのビームはこの
平均面１４の接線方向に伝搬するとする。この等
差平均面１４は以下の説明において基準の平面と
なる。第４図に示すように、φ＝πの点で給電さ
れると、角度Ψをもつて平面１４の接線上をビー
ムが伝搬する。ビームはφが減少しながら進み、
角度φ_eで給電環１５に入射する。この２点の間
の光路長は次式で与えられる。 −∫〓^e〓√（）²＋（）²＋（）² ＝−∫〓^e〓√²＋（′〓）²dφ ……(1) ここでρ〓＝dρ／dφ（光路上の）であり、ドームは ρの関数であるアーク長ｌにより定義されてい
る。 （dρ）²＋（dZ）²＝（dl）²＝（dl／dρdρ／dφdφ
）² ＝（l′ρ〓）²（dφ）² ……(2) ここでρはＺ軸と等差平均面との距離である。
フエルマの原理によれば、２つの固定角π，φ_e
との間の積分は最小（測地線）となる。 被積分関数Ｉはオイラの公式を満たす。 ｄ／dφ（∂I／∂ρ〓）＝∂I／∂ρ ……(3) ρ〓ｄ／dρ〔（l′））²ρφ／Ｉ〕＝〔ρ＋l′l″
ρ〓²／Ｉ〕……(4) ここで、Ｉは(1)式の被積分関数の２乗平均値で
ある。これはｌ（ρ）を既知とすると、変数ρ〓と
ρによる１次の微分方程式である。これを解くた
めに、誘電体ルーネルベルグレンズの解法と同様
に変数変換を行なう。 Ｋ＝ρ²／Ｉ ……(5) ρ〓をρとＫで表わすと ρ〓＝±ρ／Kl′√²−² ……(6) (6)式を(4)式に代入すると、微分方程式は次のよ
うに簡単になる。 dK／dρ＝０ ……(7) これを解くと次のようになる。 Ｋ＝定数 ……(8) (6)式から明らかなように、定数Ｋはρ〓＝０のと
きのρの値であり、あるいは、Ｚ軸から測つた軌
跡の最も近い距離である。このように、(6)式はρ
とφについて簡単に解けた。ρ〓の第１項は正であ
ると、φとρは次の積分を満足する。 π−φ＝∫^a〓Kl′（ｕ）du／ｕ√u²−K²……(9) ρがＫと等しいときは、φ＝φ_Kとすると π−φ_K＝K∫^a _Kl′（ｕ）du／ｕ√u²−K² ……(10) （K.φ_K）点を過ぎると、φはφ_Kより小さくな
り、(6)式の解は次のようになる。 φ_K−φ＝K∫〓_Kl′（ｕ）du／ｕ√u²−K² ……(11) 軌跡は（K.φ_K）点を中心に対称である。さら
に、次の関係が成立する。 Ｋ＝ρ²／Ｉ＝ρ・ρdφ／√（ρdφ）²＋（dl）² ＝ρ・ρdφ／dS＝ρsinθ ここで、θは軌跡とφ＝一定の平面とのなす角
である。したがつて、パラメータＫが最短距離に
等しいのみならず、次のように、給電点から角Ψ
で放射されたビームの軌跡と関係がある。 Ｋ＝ρ sinθ＝ａ sinΨ ……(12) このビームはドームからも同じ角度Ψで放射さ
れる。軌跡の対称性から、方位方向の出力角φ_e
とφ_Kは次のような関係にある。 φ_e＝2φ_K−π ……(13) 上述の説明はドーム面ｌ（ρ）が特定されたと
きの軌跡とビーム特性に関する。このドーム面ｌ
（ρ）は誘電体レンズが出力端に接続されたき、
全ての出力ビームがＺ＝０の平面に収束するよう
に決定されるべきである。 出力角φ_eは第４図に示すようにＺ＝０の平面
の放射ビームがｘ軸に平行となるように決定され
るべきである。第４図中の角φ₁，φ₂，φ₃，φ_eは
次の関係を満す。 Ｋ＝asinΨ＝aη₀sinφ₃（スネルの法則） ……(14) ｂ／sin（π−φ₃）＝ａ／sinφ₂（正弦の法則）……
(15) η₀sinφ₂＝sinφ₁（スネルの法則） ……(16) φ₃−φ₂＋φ₁＝φ_e（収束条件） ……(17) ここで、η₀は誘電体の反射係数でありεに関係
がある。 η₀ ²＝ε／ε₀ (15)〜(17)の条件は周知である。Ｋをパラメー
タとしてこれらの式と解くと、次のようになる。 φ₃＝sin^-1Ｋ／aη₀ ……(18) φ₂＝sin^-1Ｋ／bη₀ ……(19) φ＝sin^-1Ｋ／ｂ ……(20) (13)，(17)式により次式が得られる。 π−φ_K＝π／２−φ_e／２＝π／２−φ／１（φ₃−φ₂
＋φ₁） ドーム形状のための積分方程式は(10)式の左辺に
（１８），(19)，(20)式の右辺を代入すれば得られる。 ４／π∫^a _KKl′（ｕ）du／ｕ√u²−K²＝１＋２／
π（cos^-1Ｋ／ｂ＋cos^-1Ｋ／aη₀−cos^-1Ｋ／bη₀）＝
ｇ（Ｋ）……(21) (21)式はＫの全ての値（０〜ａ）に対して満足
される未知変数l′（ρ）についてのアーベル
（Abel）の積分方程式である。アーベルの方程式
は周知である。表面座標Ｚ（ρ）は(2)式を変形し
た式に関連があるので、関数l′（ρ）は一義的に
表面を定義する。 Ｚ（ρ）＝∫^a〓√l′²（ｕ）−1du ……(22) (22)式はドーム形状を与えるが、まず、l′が求
められなければならない。 (21)式をｌについて解くために、(21)式にdK／K² −ρ²をかけて、Ｋについてρからａまで積分す
る。(21)式の左辺（LM）は次のようになる。 LM＝∫^a〓dK／√K²−ρ²・４／π∫^a _KKl′（ｕ）
du／ｕ√u²−K²＝ 2∫^a〓l′（ｕ）du／ｕ・２／π∫^u〓KdK／√（K²−ρ²
）（u²−K²） 最後のＫについての積分は１であるので、 LM＝2∫^a〓l′（ｕ）du／ｕ ……(23) 同様に(21)式の右辺（RM）を求めると、 RM＝∫^a〓ｇ（Ｋ）dK／√K²−ρ²＝ｇ（ρ）∫^a
〓dK／√K²−ρ²＋∫^a〓〔ｇ（Ｋ）−ｇ（ρ）〕dK／√
K²−ρ² ＝ｇ（ρ）cosh^-1ａ／ρ＋∫^a〓〔ｇ（Ｋ）−
ｇ（ρ）〕／√K²−ρ²dK……(24) 関数l′（ρ）は(23)式と(24)式を等しいとして両
辺をρについて微分すれば得られる。 2l′（ρ）＝ag(a)／√a²−ρ²−∫^a〓Kg′（Ｋ）dK／
√K²−ρ² (21)式にあるようにｇ（Ｋ）を表わすと 2l′（ρ）＝ａ／√a²−ρ²＋１＋ｑ（ｂ，ρ）
＋ｑ（aη₀，ρ）−ｑ（bη₀，ρ）……(25a) ここで、

【化】 ｖ＝ｂまたはaη₀またはbη₀ Ｚ（ρ）の解は(25)式を(22)式に代入すれば得ら
れる。しかし、(22)式は閉微分方程式ではなく、
数値積分が必要である。ここで、ａ＝ｂまたはη₀
＝１であれば次のようになる。 2l′＝ａ／√a²−ρ²＋１ ……(26) これにより、ラインハートの結果が利用され
る。 上述の説明は走査面内で電磁波を収束すること
ができる等差平均面の正確な形状を導出するため
の説明である。次に、フレアホーン２０のサイズ
を考慮する。フレアホーン２０は環状のＥ面ホー
ンである。走査面と直交する平面内のビーム幅
Δθは開口サイズλ／Δθを必要とする。光路長の
長さ誤差がλ／４より小さいとすると、ホーンの
長さＬは次のようになる。 Ｌλ／Ｌ（Δθ）² 一般に、ホーンの長さはドームの径より長いの
で、アンテナの形状が大きくなる。この開口能率
の問題は、ビームを走査面とほぼ平行に収束させ
る誘電体レンズ２１をホーンの中に入れることに
より解決される。空気との接触面の誘電体の形状
は、ビームが直交面内で収束するように決定され
る。誘電体２１をフレアホーンに充満させること
により、小さなサイズのホーン２０が実現され
る。第６図に示すように、誘電体はパイの周辺の
ような形をしている。 レンズ２１の形状は、（−ａ，０，０）（第４
図）で給電され、ｙ＝０のレンズ面に現われるビ
ームが全て無限遠で収束するように設計される。
これには、第５図に示すように、ドームの出力端
（ρ＝ａ）とホーンとの接続点（ρ＝ｂ）との間
の光路長が全てのビームに対して一定となること
が必要である。 η₀√（−）²＋²＋（ｂ−ρ） ＝η₀（ｂ−ａ）＝（定数） ……(27) このレンズ表面についての条件は橢円について
の条件と同様に変形すると、 〔ρ−ｂ＋η₀a／１＋η₀〕²＋η₀ ²Z²／η₀ ²−１＝η₀ ²
（ｂ−ａ）²／（η₀＋１）² ……(28) (28)式からρは次のように求められる。

【化】 ここで、ρはＺ軸から誘電体２１の外側表面ま
での距離である。 すでに得られた等差平均面の形状に関する条件
（(25a)，(25b)，(22)式）に、このレンズ形状の条
件を組合わせると、ビームは走査面内および直交
面内ともに収束される。ドーム形等差平均面１４
はレンズ２０，２１とともに高指向性、狭ビーム
幅、低サイドローブをもたらす。 第２図、第６図からわかるように、ベンド１２
はその表面に入射されるビームの方向を変える。
この発明の実施例によれば、標準的な導波管の斜
め継ぎが行なわれている。この斜め継ぎは周知で
あり、２枚のドーム板１０，１１の間がλ／２よ
り小さい場合、特に効果的である。実施例では斜
め継ぎが行なわれたが、同様の効果のある他の手
段が用いられてもよい。この発明は斜め継ぎに限
定されない。この斜め継ぎの一つの目的は、入射
エネルギとの効率的な整合をとるためである。標
準的な導波管技術においては、整合のとれたイン
ターフエイスは最大の電力を通過する。 この発明のアンテナは対称であるので、放射ビ
ーム形状は走査角ん関係なく一定であり、広角走
査が実現される。第３図に示した実験結果によれ
ば走査角は約20°（±10°）である。フレアホーン
は200°にわたつて給電環に接続される。給電環の
残りの部分は、アンテナのインターフエイス部に
接続される。この例では走査角は20°であるが、
これに限定されない。フレアホーンの接続角度も
自由に変更できるが、270°以上になると、給電円
のどの部分を入射開口とするかによつて、放射開
口と入射開口との間で干渉が生じる。しかし、こ
れは、他の手段、たとえば、３ポートサーキユレ
ータをドームとレンズの間に入れることにより解
決される。 この発明によれば、走査面内のビーム幅はドー
ムの径と等しいので開口能率がよい。この高開口
能率はアンテナが対称であるので全走査角におい
て保たれる。 第１図、第２図からわかるように、給電ホーン
１３が給電環の間に接続される。給電環は受信機
や信号信理回路に接続される導波管に接続されて
もよい。こうすればアンテナの全視野が走査する
ことなく監視される。アンテナの視野内に入つて
きた物体を検出するには、給電環に接続された異
なる導波管（給電ホーン）の出力を比較すること
により相対位置を検出すればよい。レーダの場合
には、各導波管は所定のシーケンスにしたがつて
送信モードから受信モードに切換えられる。この
ため、高分解能、高感度で多くの目標を追跡する
のに必要な正確なビームが得られる。 この実施例では給電ホーン１３として導波管を
用いたが、他の給電手段、たとえば、同軸線でも
よい。さらに、このアンテナは送信、受信のいず
れに使つてもよい。上述の説明では一つのモード
でしか使われないが、このモードに限定されな
い。上述の説明はあくまでもこの発明を説明する
ための特定の説明である。 このアンテナを電磁波をフアーフイールドへ送
信するために使うには、導波管１３のような給電
手段を介して測地線ドーム型の等差平均面１４の
給電環１５の所に電磁波が供給される。電磁波は
フエルマの原理にしたがつて、２枚の導電板１
０，１１の間の等差平均面１４に沿つて伝搬され
る。等差平均面の独特の形状によつて、電磁波は
給電点と反対側の導電板１０，１１の所から放出
され、フレアホーン２０内の誘電体２１内に入射
される。誘電体２１から放出されると、電磁波は
方位角、仰角方向とも収束される。 この実施例においては、導電板１０，１１の間
には空気が入つているが、空気以外の他の誘電体
が入つていてもよい。ホーンの内の誘電体２１と
しては低損失の同一種の泡、たとえば石英泡が用
いられるが、泡以外のものでもよい。しかしなが
ら、フレアホーンの内に低損失の泡を入れ、導電
板１０，１１の間に空気を入れることにより、高
効率、低損失が実現される。この低損失の泡を用
い、光学原理を応用したことにより、ミリ波領域
の動作が可能となる。 ２枚の導電板１０，１１をつくる際に、回転、
打ち抜き、電気形成等の手段を用いてアルミ板の
かたまりがつくられる。システムは拘束されない
ので、耐性は不必要である。部品数が少なく耐性
が不要なので、構造が簡単であり誤差が影響を及
ぼさない。一般的な製造方法と低価格の材料が用
いられ、ドームは完全に回転体であるので、従来
システムよりもこの発明によるアンテナシステム
の価格は安く、かつ、機械的な強度は高い。 上述した原理、式、他の諸要素を用いてアンテ
ナを構成すればK_Aバンド帯でも動作する。２枚
の導電板１０，１１の間隔は0.070インチに設定
される。レンズは第２図、第３図に示すように給
電円１５の200°の範囲に接続される。 測地線ドーム導電板１０，１１はアルミニウム
のブロツクからつくられる。トレーサ旋盤がドー
ム部分やレンズの放射面となるフレア部をつくる
のに用いられる。トレーサ型板が、ドームの等高
線とベンドとフレアホーンを正確に表わすために
用いられる。バルクブロツクからドームとフレア
ホーンをつくることは、多数の独立した製造部品
を組立てて機械的に固定するときに非接触面の不
精密さと不確定さを生じさせないのでこの実施例
のプロセス中の特徴である。 フレアホーン２０と接続される誘電体レンズ２
１の開口をつくることもバルク誘電体材料からの
製造に基づいている。低損失石英泡、特に、誘電
率が1.4で消散係数が0.001以下の泡がレンズのた
めに使われる。この材質は、密接につくる際に理
想的なすぐれた機械的特性を有する。ドームの周
辺の200°をおおう環状部分はほぼ同じアーク長の
３つの環状の扇形からなる。 ドーム１０，１１と誘電体が充満されたホーン
２０の一体的な構造が第２図、第３図に示され
る。減少された高さのWR２８導波管からなる７
素子の給電ホーンが給電環において用いられる。
導電板１０，１１の間に0.070インチの一定の間
隔があるドームの周辺部に指向性を向けるため
に、給電ホーンは高さが0.070インチ減少されて
いる。 WR２８導波管の動作帯域と適合する26.5〜
40GHz帯で、このアンテナと誘電体レンズのK_A
バンド帯での評価が行なわれた。まず、減少高さ
のWR２８給電ホーンの収束性について試験が行
なわれる。給電ホーンとドームのフランジとの間
にスペーサを介して種々の給電点が測定される。
２次パターンの利得、サイドローブ、ヌル特性が
異なる給電点の関数として評価される。この実施
例においては最適給電点は導波管をスペーサを介
して給電円のなす平面より0.004インチ下に接続
したときに見出された。 単一の給電素子の単一のビームパターンは、
26.5〜40GHzにおいてアンテナのＥ面、Ｈ面に収
束された状態で調べられた。Ｈ面のパターンは主
サイドローブにおいて不均衡がみられた。これ
は、アンテナのドーム部、レンズ部の製造誤差に
関する不規則性によるものである。走査の関数と
してのパターン形成の均一性は５個の隣接するビ
ームのＨ面パターンを測定することにより得られ
る。主サイドローブの変化があつたが、利得とビ
ーム幅についての他のパターン特性は変わらな
い。走査角の関数としてのサイドローブレベルの
変化は上述したアンテナの不規則性に関係する。
40GHzでの測定ビーム幅はＥ面、Ｈ面においてそ
れぞれ10.7°と1.7°であり、予想値はそれぞれ10.8°
と1.4°である。 このアンテナの利得の措定値は約30.5dBであ
つた。利得は26.5GHzで29.3dBで40GHzでは
31.4dBに変化する。測定ビーム幅から得られた
アンテナの指向に対しては測定利得を比較する
と、アンテナの開口能率は60〜72％であることが
わかる。この高能率はオープンエンド導波管によ
り給電された実施例で実現された擬均一開口イル
ミネーシヨンによるものである。 低Ｈ面サイドローブのための開口イルミネーシ
ヨンについての給電方法の変形例が考えられる。
WR２８導波管の開口を0.280インチ長くしたＨ
面フレアホーンを使うことにより、サイドローブ
特性が改善される。26.5〜40GHzにおいて20dB以
上のサイドローブが得られた。しかしながら、こ
れに対応して、ビーム幅が広くなり利得が1.5dB
低くなる。 上述したように、この発明によれば上述の目的
を実現するアンテナが提供される。上述した実施
例はあくまでも一実施例であり、この発明はこれ
に限定されずに種々変形可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるレンズアンテナの一実
施例の斜視図、第２図はその断面図、第３図は電
磁波の伝搬を示すためのその平面図であり第４図
はドームとレンズを伝搬する軌跡を示すためのそ
の平面図、第５図は同じく伝搬軌跡を示すための
その断面図、第６図はフレアホーンとレンズの部
分の断面図である。 １０，１１……導電板、１３……導波管、１５
……給電環、２０……フレアホーン、２１……誘
電体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 中心軸の周囲に２つの同心の回転面を有する
   測地線レンズアンテナと、前記２つの回転面の間
   にエネルギを供給するとともに、そこからエネル
   ギを取り出すエネルギ供給手段と、一方の回転面
   の周辺部に接続される第１の環状導体、他方の回
   転面の周辺部に接続された第２の環状導体を有
   し、第１、第２の環状導体が互いに所定の角度で
   配置されてなる環状のフレアホーンと、前記第
   １、第２の環状導体の間に設けられ、中心軸に平
   行な平面内にくさび状の断面形状を有し、くさび
   の先端は中心軸の方に向いていて、くさびの外側
   表面は中心軸から離れる方向に向いている環状の
   誘電体レンズとを具備し、前記測地線レンズアン
   テナは、前記エネルギ供給手段から供給され前記
   測地線レンズアンテナと誘電体レンズを介して伝
   搬されるエネルギが中心軸に直交する平面で収束
   させるために前記誘電体レンズの存在を補償する
   ような形状とされ、ビームが直交する２平面で収
   束されることを特徴とするレンズアンテナ。 ２ 前記２つの回転面は動作する最高周波数の波
   長の半分よりも小さい間隔を有し、２つの回転面
   の間にTEMモードが存在することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載のレンズアンテナ。 ３ 前記回転面は中心軸を中心とした完全な１回
   転形状を有することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載のレンズアンテナ。 ４ 前記測地線レンズアンテナを通るエネルギ伝
   搬路の形状は、 2l′（ρ）＝ａ／√a²−ρ²＋１＋ｑ（ｂ，ρ） ＋ｑ（aη₀，ρ）−ｑ（bη₀，ρ） 【化】 ｖ＝ｂまたはaη₀またはbη₀，ｚ（ρ）は表面座
   標、η₀は誘電体レンズの反射係数、ａは測地線レ
   ンズアンテナの半径、ｂは誘電体レンズを含んだ
   アンテナの半径、ρは中心線からの距離とした場
   合、 Ｚ（ρ）＝∫^a〓√1′²（）−１ du により表わされることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載のレンズアンテナ。 ５ 前記誘電体レンズの断面形状は ρは中心線からの距離、η₀は誘電体レンズの反
   射係数、ａは測地線レンズアンテナの半径、ｂは
   誘電体レンズを含んだアンテナの半径、Ｚは誘電
   体レンズを区切る線から誘電体レンズの外側表面
   までの距離とした場合、 【化】 により表わされることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載のレンズアンテナ。 ６ 前記誘電体レンズは１以下の反射係数を有す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   のレンズアンテナ。 ７ 前記誘電体レンズの外側表面の断面形状は橢
   円であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載のレンズアンテナ。 ８ 中心軸の周囲に２つの同心の回転面を有する
   測地線レンズアンテナと、前記測地線レンズアン
   テナに接続され、中心軸に平行な平面でビームを
   収束させるために回転面の周辺部の所定の長さに
   沿つてエネルギを反射し、一方の回転面の周辺部
   に接続される第１の環状導体、他方の回転面の周
   辺部に接続された第２の環状導体を有し、第１、
   第２の環状導体が互いに所定の角度で配置されて
   なる環状のフレアホーンと、前記第１、第２の環
   状導体の間に設けられ、中心軸に平行な平面でく
   さび状の断面形状を有し、くさびの先端は中心軸
   の方に向いていて、くさびの外側表面は中心軸か
   ら離れる方向に向いているレンズ手段とを具備
   し、前記測地線レンズアンテナはビームが中心軸
   に直交する面で収束させるために前記レンズ手段
   による反射を補償するような形状とされ、ビーム
   が直交する２平面で収束されることを特徴とする
   レンズアンテナ。 ９ 前記誘電体レンズの外側表面の形状は橢円で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第８項に記
   載のレンズアンテナ。 １０ 互いに所定の角度で配置された２つの環状
   導体を有する環状フレアホーン、前記２つの環状
   導体の間に設けられ、くさび状の断面形状を有
   し、くさびの先端は環状導体の収束の方向に向い
   ていて、くさびの外側表面は先端と対向し、断面
   でビームを収束させるような形状とされる環状の
   誘電体レンズを有する環状のレンズ装置と、中心
   軸の周囲に２つの同心の表面を有し、周辺部で前
   記２つの環状導体に接続され、その結果、誘電体
   レンズのくさび形断面が中心軸に直交する平面に
   ある測地線レンズアンテナとを具備し、戦記測地
   線レンズアンテナは、測地線レンズアンテナの周
   辺部の１点から測地線レンズアンテナ、レンズ装
   置を介して伝搬されるエネルギが中心軸に直交す
   る平面で収束させるためにレンズ装置の存在を補
   償するような形状とされ、ビームが直交する２平
   面で収束されることを特徴とするレンズアンテ
   ナ。 １１ 前記誘電体レンズの外側表面の形状は橢円
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１０項
   に記載のレンズアンテナ。