JPH07123204B2 - マイクロ波偏波レンズ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロ波アンテナにお
いてマイクロ波信号を変換するマイクロ波偏波レンズ装
置に関し、より詳しくは、移動体衛星通信システムにお
いて移動体用マイクロ波アンテナに用いるためのマイク
ロ波偏波レンズ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】移動体衛星通信システムにおいては、従
来、衛星局からの信号はファラディ回転の効果に打ち勝
ちかつ地球局における偏波変換を簡単化するために、円
偏波の信号に変換される。移動体の指向性アンテナは、
当該アンテナが設置されるホストの移動体のすべての動
的な条件のもとで、上記衛星局を追尾する必要がある。
地球静止軌道上の衛星局を用いる通信システムの場合に
おいては、上記移動体から衛星局を見たときの仰角は、
上記移動体の緯度と、上記地球静止軌道のアーク上の衛
星局の位置の関数で表される。上記衛星局が最適の位置
に位置しているときに、北緯７０゜、４５゜、及び２０
゜である移動体の各緯度における衛星局の仰角はそれぞ
れ約１０゜、約４５゜、及び６５゜である。地球静止軌
道上の衛星局を用いる移動体衛星通信システムにおける
信号強度のマージンは比較的小さく、要求される角度の
範囲にわたって移動体アンテナの利得は良好な通信を保
持するのに十分に高い値である必要がある。

【０００３】そのようなアンテナがアール・ミルネによ
って発明され、１９８７年１０月１３日に付与された米
国特許第４，７００，１８６号において記述されてい
る。このアンテナは極めて構造が簡単であり、製造コス
トが安価であって、高周波損失を無視することができる
ものである。当該アンテナは電気的に所定の方位角と所
定の仰角で所定数のビームを発生することができ、例え
ば北アメリカ大陸をカバーするような所定の地域のカバ
ーを提供する移動体衛星通信システムの必要条件を満足
するように設計する必要がある。しかしながら、当該ア
ンテナは直線偏波のアンテナであって、もし円偏波のマ
イクロ波信号を受信するときに動作する際の利得におい
て、公称で３ｄＢの損失が存在する。より高いアンテナ
利得のために、グローバルな地球規模の移動体衛星通信
システムにおいては、ある１つの必要条件が存在する。
アンテナによって放射された直線偏波の信号を円偏波信
号に変換するとともに、仰角の角度的なカバー範囲を拡
張するある偏波レンズ装置が発明されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】米国特許第３，０８
９，１４２号は、差動的な９０゜の位相シフトを実現す
るとともに反射量を最小化するために、複数の層のワイ
ヤとダイポールとを開示している。米国特許第２，９７
８，７０２号と米国特許第３，２６７，４８０号は、動
作帯域幅を広くするために、異なった反射係数を有する
多層のダイポール、ワイヤ、又は平面の組み合わせを開
示している。上記偏波装置の性能は、周波数に対する屈
折率又は帯域幅に対する差動的な位相シフトの形式で記
述されている。当該偏波装置はアンテナと組み合わせら
れて機能する。しかしながら、これらの特許は、共通の
興味の対象であるアンテナのパラメータ、すなわち平面
でない構造；その結果生じる、サイドローブレベルやビ
ーム幅、ポインティングに関する放射パターン；楕円の
軸比及びアンテナの反射損失などの、アンテナのパラメ
ータの広い範囲を提供することはできない。それらは本
質的には偏波装置であり、そのような構造の所定のポテ
ンシャルのビーム成形特性を提供することはできない。

【０００５】本発明の目的は以上の問題点を解決し、ア
ンテナと組み合わせて用いたときに当該アンテナの利得
を増大させることができるとともに、アンテナのパラメ
ータの広い範囲をカバーすることができ、放射される直
線偏波の信号を円偏波の信号に変換することができるマ
イクロ波偏波レンズ装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るマイクロ波
偏波レンズ装置は、直線偏波のマイクロ波信号を円偏波
のマイクロ波信号に変換するマイクロ波偏波レンズ装置
であって、それぞれ互いに分離された、線状の複数の金
属ダイポール素子の２個の同心のアレイを備え、上記２
個のアレイは上記２個のアレイの反射量が所定の中心周
波数において相殺されるような間隔だけ離れて設けら
れ、上記各ダイポール素子は、上記マイクロ波偏波レン
ズ装置を通過するマイクロ波信号の２つの直交するベク
トルに対して９０度の差動的な位相シフトを生じさせ、
かつ上記アレイのアンテナ利得を増大させて位相シフト
を生じさせるように、所定の長さと、所定の間隔とを有
して設けられたことを特徴とする。

【０００７】

【作用】本発明に係るマイクロ波偏波レンズ装置は、発
明されたアンテナによって放射された直線偏波のマイク
ロ波信号を円偏波のマイクロ波信号に変換し、その仰角
のカバー範囲の上限と下限とを拡張する。さらに、本発
明に係るマイクロ波偏波レンズ装置は、高周波損失はゼ
ロであり、従って、アンテナの雑音温度を増大させるこ
とはなく、アンテナの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）又は反
射損失において顕著な増加をもたらすことはなく、アン
テナのサイドローブレベルにおける顕著な増加はない。

【０００８】

【発明の効果】本発明によれば、マイクロ波偏波レンズ
装置は当該装置内にアンテナを載置することによって、
当該アンテナの利得を増大させることができる。本発明
の好ましい態様は薄い壁の誘電体シェル又は曲面板によ
って支持された線状の金属ダイポール素子の半球形状の
２個のアレイを備える。これらのダイポール素子の長さ
と、それらの物理的な間隔と、設置方向とは、当該アン
テナによって放射される２個の等しい互いに直交する電
磁波のベクトル間で、９０゜の差動的な位相シフトを生
成するように決定される。

【０００９】その結果、上記アンテナの直線偏波の信号
は円偏波の信号に変換される。この装置はまた、当該装
置の構造を通過する信号における正味の位相シフトを制
御することによって、仰角平面におけるアンテナパター
ンを成形する。２個の半球形状のシェル間の放射状の間
隔が、それらの反射量が相殺され、これによって当該ア
ンテナのＶＳＷＲによる効果を減少させるように調整さ
れる。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明に係る一実施例
について説明する。

【００１１】図１は本発明に係る一実施例であるマイク
ロ波偏波レンズ装置とアンテナ装置の一部破断斜視図で
あり、図１において、半球形状の内部曲面板又は内部シ
ェル（ｓｈｅｌｌ）１が図示されている。さらに、内部
曲面板１と同心となりかつ内部曲面板１よりも大きな径
を有して内部曲面板１と所定間隔だけ離れて内部曲面板
１を覆う半球形状の外部曲面板又は外部シェル２が設け
られ、図１においては説明の簡単化のために、外部曲面
板２については一部破断を行い、半球の半分部分とその
断面が示されている。これらの曲面板１，２は例えばＡ
ＢＳ樹脂又はＰＶＣプラスチック樹脂などの誘電体材料
にてなる。また、これらの曲面板１，２の厚さは、１０
゜よりも小さい比較的小さい位相シフトが生じるよう
に、十分に小さくされる。複数の線状又は帯状のダイポ
ール素子３のアレイが内部曲面板１の外表面上及び外部
曲面板２の外表面上に載置される。当該アレイにおける
各ダイポール素子３の間隔は、これらのダイポール素子
３からの反射量が当該アンテナの動作周波数帯域の中心
周波数において相殺され、当該アンテナの電圧定在波比
（ＶＳＷＲ）において当該反射量の効果を最小化するよ
うな値に設定される。これらのダイポール素子３は、当
該アンテナを通過するマイクロ波信号の２つの等しい直
交する電磁波のベクトルが互いに９０゜の差動的な位相
シフト、すなわちその位相差を有するような所定の位置
に固定される。当該アンテナ装置によって放射される直
線偏波信号は上記のダイポール素子３のアレイによっ
て、円偏波信号に変換される一方、衛星局からの円偏波
信号は直線偏波信号に変換され、これによって、アンテ
ナ利得を増大させる。

【００１２】次いで、図２に参照すれば、米国特許第
４，７０１，９１７号において開示されたアンテナが以
下のように設けられる。しかしながら、他のアンテナを
設けることも可能である。放射素子４と電気的にイネー
ブルされた反射素子５は、上記米国特許において記載さ
れているように、平板形状の接地面６上に設けられ、レ
ドーム７によって覆われて保護される。この接地面６は
典型的には、波長の２倍と４倍の間の直径を有し、当該
アンテナ装置は上述された偏波レンズ装置内に載置され
て含まれる。

【００１３】次いで、図１と図２の実施例において用い
られる座標系を示す図３を参照して、当該装置の動作原
理について以下に説明する。これらのダイポール素子３
のアレイにおいて生じる差動的な位相シフトはダイポー
ル素子３の長さ、幅と間隔の関数である。各半球形状の
アレイは、所定の中心周波数において４５゜の公称の差
動的な位相シフトを生じさせ、その結果として、９０゜
の全体の差動的な位相シフトを生じさせる。要求された
差動的な位相シフトを実現するために、上記複数のダイ
ポール素子３は、図３に示すように、経線のローカルラ
インに対して４５゜だけ傾斜するように設けられる。こ
の条件を実現するための位置の軌跡は、次式によって与
えられる。

【００１４】

【数１】φ＝ｌｏｇ_e（ｔａｎ（θ／２＋π／４）） ここで、φとθはそれぞれ、ダイポール素子３の位置を
角度で表した方位角［ラジアン：ｒａｄ］と仰角［ラジ
アン：ｒａｄ］である。

【００１５】偏波装置の構造が曲面でありかつその偏波
装置の構造を含んでいる当該アンテナの近傍電界内に載
置されているので、アンテナ利得に関する相対的な改善
は約２ｄＢに制限される。複数のダイポール素子３の好
ましい長さと幅はそれぞれ、波長の１／３倍、波長の１
／４０倍である。誘電体の曲面板２，３の各厚さは波長
の１／６０倍よりも小さい。好ましい１つの実施例にお
いて、ダイポール素子３のアレイの位置は、位置の軌跡
を方位角で２２．５゜だけ増加させ、これによって全体
で１６個の軌跡の位置を発生することによって決定する
ことができる。４列のダイポール素子３の位置はそれぞ
れ、θ＝１０゜，３０゜，５０゜及び７０゜においてそ
れらの中心となるように決定される。仰角θ＝７０゜で
ダイポール素子３間で同一の物理的な間隔を保持するた
めに、ただ単に８個のダイポール素子３が、方位角で４
５゜毎の間隔が置かれて用いられる。

【００１６】ダイポール素子３のアレイからの反射量は
当該アンテナのサイドローブレベルと、反射損失に対し
て十分に影響を与えないということが重要である。低い
反射量を実現するために、ダイポール素子３のアレイは
波長の１／８倍の間隔で分離されて設けられる。各アレ
イからの反射量は十分に相殺される。

【００１７】図４は、上記米国特許に記述されたアンテ
ナと上記ダイポール素子３のアレイの構造とを組み合わ
せたときの反射損失のグラフである。図４において、当
該アンテナ自身と、短絡回路の基準と、アンテナと１個
のアレイと、アンテナと２個のアレイに対するアンテナ
反射損失のグラフが図示されている。図４から明らかな
ように、１個のアレイを加えたときに反射損失において
顕著な増加が生じることがわかる。第２のアレイを加え
ることによって、当該反射が相殺され、当該反射損失
は、当該アンテナ自身のそれよりも少し大きいだけであ
る。

【００１８】前述の米国特許において記述されたアンテ
ナは２つの設計における制限事項が存在する。アンテナ
の放射素子の基本的な制限のために、アンテナ利得は６
５゜の仰角よりも上で、急速に低下し、９０゜の仰角で
ゼロとなる。３０゜の仰角と０゜の仰角との間で、アン
テナの接地面の有限の大きさのために、アンテナ利得に
おいて６ｄＢの減少を生じさせる。動作可能な仰角の角
度的なカバー範囲を拡張するために、これらの領域にお
ける利得を高めることが好ましい。

【００１９】直線偏波信号の楕円の軸比をいくらか増加
させることによって利得を増大させることができる。ア
ンテナ利得は楕円の軸比に対して相対的に依存しない。
６ｄＢの楕円の軸比はただ０．５ｄＢの利得の損失をも
たらす。０ｄＢの楕円の軸比を有する完全な偏波装置
は、−４５゜すなわち−９０゜と０゜との平均値である
正味の位相シフトをもたらす。当該装置の構造を用いる
ことによって正味の位相シフトを制御することによっ
て、仰角の角度的なカバー範囲の上限と下限とを拡張す
ることができる。

【００２０】図５に、偏波レンズ装置の構造が加えられ
たときにおける、直線偏波のアンテナの低い仰角のビー
ムと高い仰角のビームと、その結果得られる放射パター
ンとを示す。７０゜の仰角において、偏波装置のみによ
って実現することができるアンテナ利得よりも約２ｄＢ
だけ高い、アンテナ利得における４ｄＢの改善が実現さ
れる。０゜の仰角において、アンテナ利得における改善
が３．５ｄＢである。偏波装置の設計における制限と接
地面６によって生じる境界条件のために、約２ｄＢの改
善をビーム成形のみに寄与させることができる。

【００２１】本発明は半球形状の曲面板２，３に制限さ
れず、一般的な設計の基準が保持されている限り、楕円
形状、円筒形状、円錐形状及び円錐台形状、並びにそれ
らの断面を有する曲面板又はシェルをまた用いることが
できる。本発明は、直線偏波のアンテナ設計におけるア
ンテナ利得を極めて高めることができ、その仰角の角度
的なカバー範囲を拡張させることができる。衛星局から
地球局端末へのダウンリンクのシステムの信号強度のマ
ージンは、地球局端末から衛星局へのアップリンクのそ
れよりもよりクリティカルであり、当該偏波装置の構造
は例えば１５３０乃至１５６０ＭＨｚのダウンリンクの
周波数に対して最適化される。

【００２２】本発明を理解する人は代替例の構造、上記
の実施例の変形例又はバリエーションを考えることがで
きるかもしれない。この明細書に添付の特許請求の範囲
内となるすベての実施例及び変形例は本願発明の一部で
あると考えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る一実施例であるマイクロ波偏波
レンズ装置を備えたアンテナ装置の一部破断斜視図であ
る。

【図２】 図１のマイクロ波偏波レンズ装置を備えたア
ンテナ装置の縦断面図である。

【図３】 図１と図２の実施例において用いられる座標
系を示す図である。

【図４】 図１のマイクロ波偏波レンズ装置を備えたア
ンテナ装置における反射損失の周波数特性を示すグラフ
である。

【図５】 図１のマイクロ波偏波レンズ装置を備えたア
ンテナ装置のアンテナ利得と仰角との関係を示すグラフ
である。

【符号の説明】

１…内部曲面板、 ２…外部曲面板、 ３…ダイポール素子、 ４…放射素子、 ５…反射素子、 ６…接地面、 ７…レドーム。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直線偏波のマイクロ波信号を円偏波のマ
   イクロ波信号に変換するマイクロ波偏波レンズ装置であ
   って、 それぞれ互いに分離された、線状の複数の金属ダイポー
   ル素子の２個の同心のアレイを備え、上記２個のアレイ
   は上記２個のアレイの反射量が所定の中心周波数におい
   て相殺されるような間隔だけ離れて設けられ、上記各ダ
   イポール素子は、上記マイクロ波偏波レンズ装置を通過
   するマイクロ波信号の２つの直交するベクトルに対して
   ９０度の差動的な位相シフトを生じさせ、かつ上記アレ
   イのアンテナ利得を増大させて位相シフトを生じさせる
   ように、所定の長さと、所定の間隔とを有して設けられ
   たことを特徴とするマイクロ波偏波レンズ装置。
2. 【請求項２】 上記ダイポール素子の２個のアレイはそ
   れぞれ、波長λの約１／６０よりも小さい厚さを有する
   誘電体シェルに固定されかつ支持されたことを特徴とす
   る請求項１記載のマイクロ波偏波レンズ装置。
3. 【請求項３】 上記各シェルは半球形状を有することを
   特徴とする請求項２記載のマイクロ波偏波レンズ装置。
4. 【請求項４】 上記各ダイポール素子は、上記各ダイポ
   ール素子を通過する経線を含む平面に対して４５度だけ
   傾斜されていることを特徴とする請求項２記載のマイク
   ロ波偏波レンズ装置。
5. 【請求項５】 上記各ダイポール素子の位置の軌跡は、
   次式によって決定され、 φ＝ｌｏｇ_e（ｔａｎ（θ／２＋π／４）） ここで、φは上記各ダイポール素子の位置を角度で表し
   たラジアンの単位での方位角であり、 θは上記各ダイポール素子の位置を角度で表したラジア
   ンの単位での仰角であることを特徴とする請求項４記載
   のマイクロ波偏波レンズ装置。
6. 【請求項６】 上記ダイポール素子の２個のアレイは波
   長の約１／８だけ離れて設けられたことを特徴とする請
   求項４記載のマイクロ波偏波レンズ装置。
7. 【請求項７】 請求項２乃至６のうちの一に記載のマイ
   クロ波偏波レンズ装置において、 上記各シェルは中心軸に対して対称であり、 上記２個のシェルの中心軸に沿って設けられた放射モノ
   ポールを有する適応型アレイアンテナと、 上記２個のシェルの中心軸に対して垂直な面上に設けら
   れかつ上記モノポールの下に位置して設けられ、波長の
   ２倍乃至４倍の直径を有する接地面とを備えたことを特
   徴とするマイクロ波アンテナ装置。
8. 【請求項８】 上記２個のシェルは、楕円体である請求
   項２記載のマイクロ波偏波レンズ装置。
9. 【請求項９】 上記２個のシェルは、円錐形状又は円錐
   台形状を有することを特徴とする請求項２記載のマイク
   ロ波偏波レンズ装置。
10. 【請求項１０】 上記２個のシェルは、同心の円筒形状
    を有することを特徴とする請求項２記載のマイクロ波偏
    波レンズ装置。
11. 【請求項１１】 上記各ダイポール素子の長さは波長λ
    の約１／３であり、上記各ダイポール素子の幅は波長λ
    の約１／４０であることを特徴とする請求項２記載のマ
    イクロ波偏波レンズ装置。