JPH06252634A - 誘電体レンズアンテナ - Google Patents

誘電体レンズアンテナ

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JPH06252634A
JPH06252634A JP5033195A JP3319593A JPH06252634A JP H06252634 A JPH06252634 A JP H06252634A JP 5033195 A JP5033195 A JP 5033195A JP 3319593 A JP3319593 A JP 3319593A JP H06252634 A JPH06252634 A JP H06252634A
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JP
Japan
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point
lens
plane
incident
radio wave
Prior art date
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Pending
Application number
JP5033195A
Other languages
English (en)
Inventor
Nozomi Hasebe
望 長谷部
Tetsujiro Izumi
哲次郎 泉
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ROBOTEC KENKYUSHO KK
Original Assignee
ROBOTEC KENKYUSHO KK
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 一次放射器によるブロッキング効果なしに受
信するレンズアンテナを得ること 【構成】 後方に平面状の反射板を有する誘電体薄肉レ
ンズにおいて、反射板と直交する中心軸に対して斜めに
平面波が入射することを条件としてその焦点位置を与え
てレンズ曲面を決定する。 【効果】 大体の形状が平板状であるレンズアンテナを
得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、大体の形状が平
板状であって電波がそれほど大きくない入射角で斜めに
入射する場合に適合する誘電体レンズアンテナに関す
る。
【0002】
【発明の背景】衛星通信分野でのマイクロ波の領域にお
いて、開口面アンテナが多用されている。
【0003】また、ブロキッキング効果の除去、開口効
率の向上等のために、近年オフセットパラボラアンテナ
が採用されている。
【0004】この領域における代表的な開口面アンテナ
としてレンズアンテナがある。
【0005】また、近年マイクロストリップアンテナア
レーで構成される平面アンテナが用いられるようになっ
ている。
【0006】これらの各アンテナを比較する。
【0007】パラボラアンテナ、レンズアンテナともそ
の電波集束系は周波数特性を殆ど示さず広帯域特性を有
し、開口面を励振する一次放射器によってその帯域幅が
決定され、一般に広帯域である。
【0008】これに対してマイクロストリップアンテナ
アレーの場合は、放射器自体が狭帯域であるため周波数
特性が顕著となる難点がある。
【0009】パラボラアンテナはその構造上アンテナ背
面が平面でないため建築物への取付に工夫を要する。
【0010】またレンズアンテナの場合も立体構造をと
り、一次放射器がレンズ後方に位置するため、アンテナ
の設置に3次元の大きな空間を必要とする難点がある。
【0011】これらのパラボラアンテナ又はレンズアン
テナの構造上の難点は平面構造であるマイクロストリッ
プアンテナアレーでは解消されている。
【0012】またアンテナアレーの場合はビームを偏向
することも可能である。
【0013】レンズアンテナは開口寸法が波長に比して
充分大きくなると構造の単純さの故に取扱いが容易とな
り、利用度が高まるが、誘電体重量の増加、3次元専有
空間の大きさの故に、パラボラアンテナに比してあまり
実用されていない。
【0014】
【従来の技術】このような難点を解消する方策の1つと
して、クラウス(J.D.Kraus)によって提案さ
れた反射板付レンズアンテナがあり、これによると、ア
ンテナ背面が平板状となる点及びレンズの厚さが透過形
のものに比べて略1/2であるために材料の節約、重量
の低減がはかれる利点がある。
【0015】しかし、このアンテナはレンズに入射した
のち後方に位置した反射板で反射された電波が再び誘電
体内を通過した後その前方にある一次放射器に集束され
るため、この放射器が軸対称パラボラアンテナの場合と
同様ブロッキング効果を起し、効率が低下するとともに
開口面上の照度分布を乱す難点がある。
【0016】
【発明の目的】この発明はこのような難点を解消するこ
とを目的とするものであって、レンズ本体の重量の軽
減、材料の低減を維持し、且つブロッキング効果を除去
し、開口面上の照度分布の乱れが生ずることがない反射
形の誘電体レンズアンテナを得ることを目的とする。
【0017】
【発明の概要】この目的を達成するため、この発明は誘
電体を用いた反射形のレンズアンテナにおいて、一次放
射器をレンズ中心(軸)よりオフセットした位置に設け
た。
【0018】この場合、レンズはその材質の比誘電率ε
r が略2以下であり、また開口角が略60度以下の薄肉
のものであることを前提とする。
【0019】即ち入射電波の入射角対屈折角で得るスネ
ルの法則による比があまり大きくないことを前提として
光線近似を行い、レンズの曲面の所要形状を求めた。
【0020】
【発明の効果】(1)一次放射器をオフセットしたこと
によってブロッキング効果が除去され、開口面の高効率
使用が維持できる。
【0021】(2)レンズ面形状を球面でない曲面とし
て形成したことによって焦点ずれが補正されている。
【0022】(3)反射形なので、レンズ重量の軽減、
材料の節約が維持できる。
【0023】(4)背面が平板状であるので、建築物へ
の取付が容易(水平面でも同様)である。
【0024】等の利点がある。
【0025】
【実施例】図1に透過形レンズの座標を示す。図1にあ
るように、直交するX、Y、Z3軸により右手系の直交
座標(x、y、z)を考える。
【0026】レンズの中心軸をZ軸に一致させて、主点
を座標原点(0、0、0)にとる。最終的には薄肉レン
ズの主平面に相当する個所に反射面Rを設けて、反射し
た電波が再び前方(入射側領域)に戻る反射形のレンズ
を求めるが、考察の過程では便宜のため、透過形のレン
ズとして後方(Z軸の正側)の像空間を考えて、入射面
と出射面が主平面に関して対称で且つ共軸系の面からな
るレンズであるとする。
【0027】図1において、電波はコヒーレントな平行
線束となってZ軸の負側(図1の左側)の領域から正側
の領域に向ってX−Z面に平行な面に沿って入射角(Z
軸との間の角)θで入射して来るものとする。
【0028】レンズの実効開径をDとすると、レンズの
Y軸上の外端の点Bは座標(0、±D/2、0)で表わ
される。この点を入射電波の位相を考察する規準点にと
る。
【0029】レンズの像側焦点fのZ軸座標を+zf
するとき、像側焦平面上のy=0の線上に、X軸座標が
Z軸に近くない点(以下「点F1 」という。)をとり、
その座標を(xf 、o、+zf )とする。この点F1
入射電波が開口面に対してブロッキングを発生しない点
に選ぶ。またこの点F1 は反射形レンズアンテナにおい
てオフセットした一次放射器のX−Y面に関する対称点
に相当する。
【0030】図2(a)、(b)に示すように、点A0
(x、y、o)を通って点F1 に到達する電波の軌跡C
1Aと、点B(0、+D/2、0)を通って点F1 に到
達する電波の軌跡C2とを考える。
【0031】図2(a)は軌跡C1A、C2をY−Z面
に投影したものであり、図2(b)は軌跡C1A、C2
をX−Z面に投影して描いたものである。
【0032】図3は軌跡C1A、C2をX−Z面で見た
ものである。
【0033】電波は、図3に示すように、軌跡C1に沿
って入射角θでレンズ面の点A1 に入射し、屈折してレ
ンズ内の主平面上の点A0 (x、y、o)を通った後点
2で出射し、屈折した後点F1 (xf 、o、+zf
に到達する。
【0034】ここで、この電波の軌跡C1を、図3に示
すように、入射側空間においては軌跡C1に平行に入射
して屈折しないでレンズ内に入射し、主平面上の点A0
(x、y、o)で屈折した後はレンズから出射するとき
には屈折しないで点F1(xf 、o、+zf )に到達す
る軌跡C1Aとして近似する。
【0035】軌跡C2は軌跡C1に平行にレンズに入射
して点B(0、+D/2、0)で屈折した後点F1 (x
f 、o、+zf )に集束する。
【0036】図3のように、点A0 (x、y、o)を通
る軌跡C1によって切取られるレンズ内の線分A1 2
の幾何学距離(以下「G距離」という。)をLA とし、
この線分LA を点A0 で分けて線分A1 0 と線分A0
2 とに分割し、その各々の長さが近似的にLA /2に
等しいとする。
【0037】入射側空間において軌跡C1A、C2に垂
直な任意の線(任意の面)の位置で同じ位相であった電
波が軌跡C1A、C2を辿って点F1 に到達したときに
同じ位相であることの要請に対して、軌跡C1A、C2
の光路長が等しいことから次の関係が得られる。
【0038】
【数1】
【0039】但し、nは材質によって決まるレンズの屈
折率であり、またrA は点A0 と点F1 との間のG距
離、rB は点Bと点F1 との間のG距離であって、それ
ぞれ rA ={(x−xf 2 +y2 +zf 2 1/2 ……(2) rB ={xf 2 +(D/2)2 +zf 2 1/2 ……(3) である。
【0040】この場合、点A0 (x、y、o)における
レンズ肉厚t1 は、このレンズ面の局所傾斜と通過光線
についての幾何学的考察から、入射電波の軌跡C1(C
1A)の傾きがあまり大きくない範囲(入射角θが略3
0度以内の範囲)では次の(4)式の近似が成立つこと
が確められる。即ち t1 ≒LA ……(4) 従って、(1)式により求まる光路長LA の値をそのま
まこの場合のレンズの肉厚t1 として採用することがで
き、点A0 を通る光線がレンズ面を切る点の座標は
(x、y、±LA /2)となる。
【0041】実用のレンズとしては、主平面(X−Y面
に相当)に反射面Rを設けるとともに点F1 の主平面R
に関する対称点F2 (xf 、o、−zf )に一次放射器
を設けることにより、図4に示すように入射側空間で電
波を集束受信する。図4において、点A3 は図3におけ
る点A2 の主平面に関する対称点である。
【0042】主平面上の座標が(x、y、o)の点A0
におけるこの場合のレンズの肉厚t2 の値は、 t2 =t1 /2≒LA /2……(5) であり、これをZ軸の負側にとって(x、y、−LA
2)がその個所のレンズ面の座標である。
【0043】(5)式による肉厚t2 の値から使用波長
λの整数倍を減じて所謂ゾーニングにより段差を有する
入射面形状として全体的に厚さを薄くして軽くすること
は、必要により適宜行えばよい。
【0044】なお、実施の都合により透過形のレンズと
する場合は、図3に従って、(4)式によるt1 の値を
そのまま使用するが、主平面からZ軸の正側及び負側に
それぞれ±LA /2の値を取って肉厚形状を決定する。
【0045】
【数値例】図5及び図6にこの発明を実施して具体的な
数値を用いた場合の例を示す。
【0046】図5はこのレンズアンテナをy=0のX−
Z面で切った外郭形状である。
【0047】図6はこのレンズアンテナのレンズ面を光
線の入射側からZ軸に平行な視線で見た形状を等高線に
よって表わしたものである。図6にはY軸の負領域側の
みを示してあるが、正領域側はX軸に関して対称に表わ
れる。
【0048】図5及び図6を通じて次の(1)〜(5)
の諸元が共通である。
【0049】 (1)入射角θ(設定値)=30度 (2)点F1 に相当する点のZ軸座標値(透過形として正領域:設定値) zf =40.0cm (3)点F1 に相当する点のX軸座標値(この例では負領域)≒23.1cm (4)Y軸との接点(図1、2(a)、(b)、3、4の点Bに相当する点:設 定点) 20.0cm (5)使用部材の比誘電率(採択値)εr =1.954 得られた結果は、形状の外郭について (6)X軸正方向最大値 26.4cm (7)X軸負方向最大値 20.1cm (8)Z軸方向最大値(x=+0.0cm) 5.93cm (9)Z軸との接点 5.93cm である。また (10)等高線間隔 2.3mm で描いてある。
【0050】図5、図6のレンズを、入射側空間におい
て設定した電波軌跡の入射角θ=30度に垂直な面に投
影すると、その外郭が半径が略20.0cmの円にな
る。これは、さきの(4)においてY軸との接点の座標
値を20.0cmとして設定したことに照応する。
【0051】図5、図6のレンズを使って実測したデー
タを表1に示す。
【0052】
【表1】
【0053】実測の結果はかなり良好な特性が得られ
た。
【0054】図7に、このレンズアンテナについて表1
に示したH面内、E面内の指向性を示す。測定の諸元は
表1のものが援用される。メインローブの指向方位の中
心を90度として示してあるが、これは便宜上のもので
ある。
【0055】メインローブのH面内、E面内の電界を正
規化してその最大値を0dBにとって示してある。
【0056】メインローブはH面内、E面内ともに期待
されるビーム幅に近く、且つ裾の部分の広がりが少く、
極めて鋭い指向性を持っている。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例を説明する座標系を示す斜視
【図2】この発明の実施例を説明するもので、(a)は
電波の集束をY−Z面に投影した図、(b)はX−Z面
に投影した図
【図3】この発明の実施例を説明するもので、透過形レ
ンズの場合の電波の集束を示す図
【図4】この発明の実施例を説明するもので、反射形レ
ンズの場合の電波の集束を示す図
【図5】この発明の実施例を示すもので、数値を用いた
具体例の外郭側面図
【図6】この発明の実施例を示すもので、数値を用いた
具体例の等高線による正面図
【図7】この発明の実施例を示すもので、図5、図6に
示す具体例の指向性を示す図
【符号の説明】
θ…電波の入射角 F1 …透過形レ
ンズの一次放射器 F2 …反射形レンズの一次放射器 R…反射面 A0 …主平面内の点 B…Y軸上の外
端の点 C1…点A0 を通る電波の軌跡 C1A…軌跡C
1の近似軌跡 C2…点Bを通る電波の軌跡 rA …点A0 と点F1 との間並びに点A0 と点F2 との
間のそれぞれの幾何学距離 rB …点Bと点F1 との間並びに点Bと点F2 との間の
それぞれの幾何学距離

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 誘電体を用いたレンズアンテナにおい
    て、レンズの主平面に反射面を設け、中心軸からオフセ
    ットした位置に一次放射器を設け、上記中心軸に対する
    斜めの入射角を条件に入れて入射面形状を決定してある
    誘電体レンズアンテナ。
  2. 【請求項2】 一次放射器が受信用の部材である請求項
    1に記載の誘電体レンズアンテナ。
JP5033195A 1993-02-23 1993-02-23 誘電体レンズアンテナ Pending JPH06252634A (ja)

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