JPH07212126A

JPH07212126A - ガウシアンビーム型アンテナ装置

Info

Publication number: JPH07212126A
Application number: JP6012179A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Matsui; 松井敏明; Masahiro Kiyokawa; 清川雅博
Original assignee: Communications Research Laboratory
Current assignee: Communications Research Laboratory
Priority date: 1994-01-10
Filing date: 1994-01-10
Publication date: 1995-08-11
Anticipated expiration: 2011-10-23
Also published as: US5581267A; JP2545737B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ガウシアンビーム型開口面分布を持つことに
よる、高い軸対称性と、極めて低いサイドローブ特性
と、高い放射効率を持つ平面構造のアンテナの実現【構成】球面鏡と平面鏡からなる一対の反射鏡を、双
方の鏡面での反射波が繰り返し重畳されるように対向さ
せ共振器を構成し、一方の反射鏡面に当該共振器の光軸
を中心とする円形の部分透過性の鏡面領域を設け自由空
間との電磁波結合部を成し、当該部分透過性の鏡面領域
が波長に比較して細かな格子状の導体パターンからなる
反射鏡面であり、当該共振器を構成する他方の反射鏡は
導体反射鏡面からなり、該反射鏡面の部分を成すストリ
ップ素子と、該ストリップ素子の裏面に高周波信号の導
波路との結合部を備え、上記一対の反射鏡面が同じ反射
損失を持つ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、マイクロ波〜サブミ
リ波帯のガウシアンビーム型開口面電力分布を持つ準平
面型構造の共振型開口面アンテナ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電磁波を空間に放射したり、受電するた
めのアンテナ装置は、振動する電磁エネルギーを、導波
路から空間を伝搬する電磁波へ効率よく変換し、目的と
するように放射するか、それとは逆に空間を伝搬する電
磁波を導波路中を伝送されるエネルギーに効率よく変換
する装置である。アンテナの放射電磁界が、空間的に広
がりのある面上の電磁界によって生じていると考えられ
る場合、そのアンテナを開口面アンテナと呼ぶ。開口面
アンテナとしては、ホーンアンテナ、リフレクタアンテ
ナ、レンズアンテナ等がある。

【０００３】ホーンアンテナは、方形や円形の導波管の
断面を徐々に広げて所要の開口をもたせたものである。
開口での波面は曲面であり、この平面からのずれを波長
に対し小さな値とするためにホーンの開き角を適当な角
度にとる必要が生じる。ホーンアンテナは利得２０ｄＢ
程度のアンテナとして単独に用いられるほか、反射鏡ア
ンテナやレンズアンテナの１次放射器として用いられ
る。ホーンアンテナは、広い周波数帯域わたってインピ
ーダンス特性が良い特徴がある。

【０００４】角錘ホーンアンテナは、方形導波管を徐々
に広げたアンテナで、方形導波管の基本モードであるＴ
Ｅ₀₁モードで励振される。開口面の振幅分布はＴＥ₀₁モ
ードがそのまま現れると考えられ、位相分布は波面のず
れとして求められる。角錘ホーンアンテナの放射パター
ンは、Ｅ面、Ｈ面で違いが生じる。

【０００５】ダイアゴナルホーンアンテナは、開口が正
方形で方形導波管のＴＥ₀₁およびＴＥ₁₀モードを合成し
た波で励振されるホーンで、各モードで水平・垂直面内
の分布が等しいので、等ビームが得られる。また、水平
・垂直面内のサイドローブが低い。

【０００６】円錐ホーンアンテナは、円形導波管を徐々
に広げたもので、円形導波管の基本モードであるＴＥ₁₁
モードで励振される。円錐ホーンは回転対称であるため
偏波面が変わる場合に有用である。開口面の振幅分布は
ＴＥ₁₁モードと同じと見なすことが出来、位相分布は円
錐の頂点を中心とする球面波として求められる。

【０００７】回転放物面反射鏡アンテナは、通常パラボ
ラアンテナと呼ばれ回転放物面の一部を反射鏡として用
いるアンテナである。このアンテナは、３０〜５０ｄＢ
の高利得アンテナとして用いられるのが普通であり、放
物面の焦点Ｆに置かれる一次放射器と組み合わせて用い
られる。反射鏡面は球面波を平面波に変換する働きを持
つ。一次放射器としては、小開口角錐ホーン、小開口円
錐ホーン、反射板付きダイポール等が用いられる。

【０００８】主反射鏡と副反射鏡の２枚の反射鏡と、一
次放射器で構成されたアンテナは複反射鏡アンテナと呼
ばれる。カセグレン式光学望遠鏡と同じ様に、主反射鏡
に放物面、副反射鏡に双曲面を用いたものは、カセグレ
ンアンテナと呼ばれる。一次放射器には、ホーンアンテ
ナが通常用いられる。副反射鏡は、その二つの焦点のう
ちの一つが、主反射鏡の焦点と一致し、他方は一次放射
器の位相中心と一致するように配置される。

【０００９】カセグレンアンテナの副反射鏡は、一次放
射器と主反射鏡との間で球面波の変換器として用いられ
ている。このアンテナの特徴としては、電磁波ビームを
副反射鏡で折り返すことで一次放射器を主反射鏡の頂点
近くに配置でき、給電線を短くできること、二枚の
反射鏡に鏡面修正を加えアンテナ全体としての高効率化
や低雑音化が可能であること、副反射鏡を用いることで
合成焦点距離が大きく取れ、反射鏡系によって生じる
交叉偏波成分が小さくできること、開口の大きな一次
放射器が使え広帯域であること等が上げられる。

【００１０】副反射鏡の直径は、大きすぎるとブロッキ
ングの影響が大きくなり、小さすぎると反射鏡としての
性能が悪くなるため、最適径が存在する。通常、この最
適径は主反射鏡の１／１０前後にある。反射鏡として用
いるために副反射鏡の直径は約１０波長が必要であり、
カセグレンアンテナは、通常１００波長以上の直径のア
ンテナに用いられる。５０〜７０ｄＢの高利得アンテナ
に適しており、開口能率は６０％前後であり、鏡面修正
による高能率型では７０〜８０％が得られる。

【００１１】副反射鏡に楕円鏡面を用いた副反射鏡アン
テナはグレゴリアンアンテナと呼ばれる。このアンテナ
は、基本的にカセグレンアンテナと同様である。

【００１２】回転対称な放物面反射鏡を主反射鏡に用い
るパラボラアンテナや、カセグレンアンテナ、グレゴリ
アンアンテナでは、それぞれ反射鏡の前面に一次放射器
やその給電線路、あるいは副反射鏡を設ける必要があ
る。それらが、電波の通路を妨害し放射特性の劣化原因
となる。これを避ける方法として軸外しの放物面鏡を用
い一次放射器あるいは、副反射鏡が開口の外に位置する
ようにするオフセット形式のアンテナがあり、オフセッ
トパラボラアンテナや、オフセットカセグレンアンテ
ナ、オフセットグレゴリアンアンテナと呼ばれる。これ
らは、低サイドローブアンテナ化のために用いられる。

【００１３】各種のホーンアンテナは、広い周波数帯域
にわたってインピーダンス特性が良いが、サイドローブ
特性、軸対称性においては改善するための技術が開発さ
れている。円錐状のホーン内壁に薄いフィンを同心状に
多数設けたいわゆるコルゲートホーンは、約１オクター
ブの周波数帯域にわたって軸対称ビームと良好な交差偏
波特性を持つ。このホーンはコルゲート円形導波管のハ
イブリッドモードの一つＥＨ₁₁モードを伝搬させるもの
で、コルゲート導波管の歯の高さが約１／４波長となる
とき、ＥＨ₁₁モードの開口電界分布は、半径方向にガウ
ス分布状となり、周回方向に変化のない軸対称な形とな
るのでこれで励振されたコルゲートホーンの指向性は低
サイドローブで交差偏波成分の少ないものとなる。しか
し、構造上の複雑さがあり大口径のコルゲートホーンは
重く、製作技術上もコスト上も問題が多く特殊目的に限
って使われている。また、アンテナが小型化するミリ波
帯では、加工技術上の困難があり、短ミリ波以上の周波
数では実用的ではない。

【００１４】一方、薄膜平面回路技術はマイクロ波から
ミリ波技術領域へ拡張されようとしている。平面アンテ
ナにより高い利得を得ようとする場合、アレーアンテナ
の技術が、マイクロ波帯で広く用いられている。しか
し、数十ＧＨｚ以上のミリ波・短ミリ波帯の多素子アン
テナアレーでは、給電線の伝送損失が原因となり鋭い指
向特性を得るための多素子化が、伝送損失の増加を伴い
実用に成らない困難な状況にある。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】以上に述べた従来技術
によっては、鋭い指向性と低いサイドローブの特性と高
いアンテナ放射効率を達成することは困難である。特
に、ミリ波以上の周波数では、準光学的ビームとしての
扱いが有利である場合が多く、そのような場合、導波路
モードから空間ビームに変換するためのアンテナの効率
（放射効率）は非常に重要になっている。また、リフレ
クタアンテナと組み合わせて用いられる一次放射器の指
向特性の非対称性やサイドローブは、アンテナ全体の効
率や雑音特性を悪化させる直接的な要因となる。一方、
最新の薄膜デバイス技術によるマイクロ波集積回路技術
と組合せた機能的なミリ波利用技術を実現するための新
しいアンテナ装置が求められている。

【００１６】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、高いアンテナ効率と高い軸対称性と、低いサイド
ローブ特性とを持ち、高いアンテナ利得が容易に達成で
きる他、準平面的な構造を持ち薄膜集積回路と組み合わ
せコンパクトな送受信機の構成に適し、マイクロ波〜サ
ブミリ波帯で用いることの出来る新しいガウシアンビー
ム型アンテナ装置を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明によるガウシアンビーム型アンテナ装置は、
球面鏡と平面鏡叉は、２つの球面鏡からなる一対の反射
鏡を、双方の鏡面での反射波が繰り返し重畳されるよう
に対向させ共振器を構成し、一方の反射鏡面に当該共振
器の光軸を中心とする円形の部分透過性の鏡面領域を設
け自由空間との電磁波結合部を成し、当該部分透過性の
鏡面領域が波長に比較して細かな格子状の導体パターン
からなる反射鏡面であり、当該共振器を構成する他方の
反射鏡は導体反射鏡面からなり、該反射鏡面の部分を成
すストリップ素子と、該ストリップ素子裏面には高周波
信号の導波路との結合部を備え、上記一対の反射鏡面が
同じ反射損失を持つ。

【００１８】また、本発明によるガウシアンビーム型ア
ンテナ装置は、該一対の反射鏡の一方の反射鏡面に、自
由空間との電磁波結合部として設ける円形の部分透過性
の鏡面領域が、波長に比較して細かな二次元格子状の導
体パターンからなる反射鏡面であり、他方の反射鏡面の
部分を成すストリップ素子の裏面には直交する二つの偏
波成分に対応する高周波信号の導波路との結合部を備
え、該結合部は二系統の導波路に接続され、当該結合部
と該二系統の導波路が単一の導波路に変換される分岐点
との間の電気長が、当該二系統の高周波信号相互の位相
角に９０度の差を生じる長さを持つものでもよい。

【００１９】また、本発明によるガウシアンビーム型ア
ンテナ装置は、該一対の反射鏡面間に低損失誘電体を充
填したものと等価な構造を持つものでもよい。また、該
一方の反射鏡面に設ける高周波電磁界の導波路との結合
部は、金属導波管、同軸伝送路、ストリップライン型及
びコプレーナ型の平面導波路のいずれとの結合であって
もよい。

【００２０】

【作用】上記構成のアンテナ装置によれば、導波路を伝
送された高周波信号は一方の反射鏡面の部分を成す導体
反射鏡面領域（ストリップ素子）の裏面にある高周波信
号の導波路との結合部を経て該一方の反射鏡面の部分を
成すストリップ素子に高周波電流を誘起し、該ストリッ
プ素子上の高周波電流は、球面鏡と平面鏡からなる一対
の反射鏡を、双方の鏡面での反射波が繰り返し重畳され
るように対向させ構成された共振器内に放射され、当該
一対の反射鏡面の間隔が２πの整数倍の位相差を生じさ
せるとき、球面鏡の集光作用により軸に沿った安定な電
磁界分布が形成され、電磁波のエネルギー分布は電磁波
の伝搬する方向の中心軸付近で高くその軸から離れるに
従って急激に低下するガウシアンビーム（基本モードＴ
ＥＭooq ；ｑは縦モード数を表す整数）で表現される共
振器モードが励振され、大きな高周波電磁界エネルギー
として蓄積され、その一部として、導波路から結合部を
経て供給される高周波信号と等しい電力を、当該共振器
を形成する他方の反射鏡面に設けられ自由空間との電磁
波結合部を成す円形の部分透過性の鏡面領域から染みだ
しガウシアンビームの形で空間へ放射し、開口面電力分
布がガウシアンであることから原理的に低サイドローブ
アンテナ装置となり、また、逆に空間から当該部分透過
性の鏡面領域に入射する電磁波が当該共振器の共振周波
数と一致する周波数であり、共振器内にガウシアンビー
ムモードを励振できる角度方向からの入射であるとき、
入射するビームを導波路モードに変換する受信アンテナ
として作用する低サイドローブアンテナ装置が実現でき
る。

【００２１】また、上記構成のアンテナ装置によれば、
直交偏波成分相互の位相角を９０度に設定し、右回り或
いは左回りの円偏波を選択的に送信或いは受信するアン
テナ装置が実現できる。

【００２２】

【実施例】以下、この発明の実施例について、図面を参
照して詳細に説明する。

【００２３】本発明によるガウシアンビーム型アンテナ
装置では、球面鏡と平面鏡あるいは二つの球面鏡からな
る一対の反射鏡を双方の鏡面での反射波が繰り返し重畳
されるように対向させファブリ・ペロー共振器を構成す
る。図１は、本発明によるガウシアンビーム型アンテナ
装置の一つの構成を示す図である。球面反射鏡１の鏡面
上に部分透過性の鏡面領域２が設けられ、それと対向し
て配置される平面反射鏡３は金属反射鏡面４と反射鏡３
の一部分を成すストリップ素子５と、ストリップ素子５
の背面に設けられる高周波信号の導波路との結合部６が
あり、背面の他の部分は導体面７で構成する。導波路中
を伝送され結合部６からストリップ素子５を介して共振
器に放射され、或いは共振器内のエネルギーはストリッ
プ素子５と結合部６を経て導波路中へとりだされる。部
分透過性鏡面領域２あるいはストリップ素子５を経て共
振器内に入った高周波信号波の周波数がファブリ・ペロ
ー共振器の共振周波数と等しいとき、一対の反射鏡の間
の繰り返し反射波は２πの整数倍の位相差となり、双方
の鏡面での反射波は繰り返し重畳され、球面鏡１の集光
作用により軸に沿った安定な電磁界分布が形成され、高
周波エネルギーとして蓄積される。

【００２４】図２は、上記の球面鏡１と平面鏡３からな
る他の構成を示す図であり、鏡面相互の役割を入れ換え
た構成である。図３は、本発明によるガウシアンビーム
型アンテナ装置の二つの球面反射鏡１、１０からなる構
成を示す図である。また、図４は、本発明によるガウシ
アンビーム型アンテナ装置の反射鏡面間に低損失誘電体
１１を充填したものと等価な構成を示す図である。図４
の構成では、金属鏡面部分２、４及び５の全部及び一部
が、低損失誘電体８の表面に金属プレーティング、蒸
着、スパッタ等の真空成膜法、あるいメッキ法等により
一体化されて形成されていても良い。本発明によるガウ
シアンビーム型アンテナ装置の内部に蓄積される電磁波
のエネルギー分布は電磁波の伝搬する方向の中心軸で高
くその軸から離れるに従って急激に低下するガウシアン
ビーム（基本モードＴＥＭooq ；ｑは縦モード数を表す
整数）となる。本発明によるガウシアンビーム型アンテ
ナ装置の開口面電力分布１２を模式的に示したのが図５
である。導波路との結合部６とストリップ素子５の領域
で導波路中のモード１４から共振器内の基本ガウシアン
ビームモード１３へ、或いは基本ガウシアンビームモー
ド１３から導波路中のモード１４へと変換される。ガウ
シアンビーム型アンテナ装置を構成する反射鏡の一方は
平面鏡及び球面鏡のいずれでもよく、図に示すようにい
ずれか一方が球面鏡であればよい。

【００２５】共振器中に蓄積された電磁波エネルギーを
ビームとして取り出す側の反射鏡の表面には、自由空間
との電磁波結合部を成す円形の部分透過性鏡面領域２と
して波長に比較し細かな格子状の導体パターンからなる
反射鏡面を設ける。発明者らの研究の結果、上記のごと
き反射鏡面では、高い反射率を持つ鏡面の微小な透過率
が格子状の導体パターンの寸法を変化することで選択調
整できることが実証されている（米国特許 "Open Reson
ator for Electromagnetic Waves Having aPolarized C
oupling Region"，登録番号第5,012,212 号、1991.
4.30 登録）。共振器内に蓄積された電磁波エネルギー
は、この部分透過性の鏡面領域を通じて、ガウシアンビ
ームとして自由空間へ放射される。

【００２６】本発明によるガウシアンビーム型アンテナ
装置の部分透過性鏡面領域２については、鏡面透過にお
ける吸収損失を微小量に抑えることが高いアンテナ放射
効率得る上で必要である。高い導伝率を持つ良質な金属
鏡面を素材として用い、有限な高周波表面抵抗による損
失の効果を最小限にとどめ且つ、部分透過性鏡面領域２
の表面に設ける金属膜による格子パターンを波長の１／
４〜１／２５程度の空間周期の範囲のサイズに選ぶこと
で、電磁波が金属格子領域を染みでる効果が反射率を支
配しするように設計し、透過率数パーセントの鏡面領域
として用いることで金属格子での透過吸収の効果は無視
できる微小量にできる。図６は、部分透過性鏡面領域２
を形成する金属格子パターンを模式的に示した図であ
る。一次元格子パターン１５と二次元格子パターン１６
の概念を示しており、これらの変形がパターンとして利
用可能なことはもちろんである。

【００２７】反射鏡表面が高い導電性を持つ高純度の銅
やアルミニウム、金、或いは銀のような金属導体による
滑らかな鏡面でできている場合、表面抵抗損失による鏡
面反射損失は、短ミリ波帯で0.1〜0.2％程度以下が達成
できる。これらの高品質な金属薄膜素材を用い薄膜微細
加工技術を適用する事で、サブミリ波帯までの高効率な
部分透過性鏡面２が実現できる。

【００２８】本発明によるガウシアンビーム型アンテナ
は、二つのポートを持つ共振器とみなすことができる。
一対の凹球面反射鏡あるいは凹球面反射鏡と平面鏡から
構成される上記のごとき、ファブリ・ペロー共振器で
は、反射鏡の開口径を大きく採る事で鏡面間での繰り返
し反射の際に反射鏡の縁から漏れ共振器外部へ失われる
回折損失の影響を鏡面反射に伴うその他の損失に比べ、
相対的に無視できる微小量に設定できる。

【００２９】回折損失が無視できる場合のアンテナＱ
値、Ｑ_Aは、次式のように与えられる。

【数１】

【００３０】ここで、Ｑ₀ は共振器を形成する二つの反
射鏡面が有限な導電性を持つ導体面で形成されることに
伴う表面抵抗損失に対応する無負荷Ｑであり、一方、共
振器を外部から励振し、また共振器内部のエネルギーを
外部に取り出すために反射鏡面に結合部が設けられた場
合、結合部を通じてての信号の取り出し自体が共振器内
部から見れば蓄積された電磁波エネルギーの損失であ
り、Ｑ₁、Ｑ₂はそれぞれの鏡面に結合部を設けた事によ
る損失の増加分（結合損失と呼ばれる）に対応したＱ値
である結合Ｑ値を表している。

【００３１】反射鏡面のそれぞれに設けた結合部に対応
して、結合係数β₁、β₂は、β₁＝Ｑ₀／Ｑ₁、β₂＝Ｑ₀
／Ｑ₂とおくことができる。本発明によるガウシアンビ
ーム型アンテナ装置では、双方の反射鏡面の透過率を高
めにとりアンテナＱ値、Ｑ_Aが結合Ｑ値、Ｑ₁、Ｑ₂で支
配される様に設定する。Ｑ₁、Ｑ₂は、それぞれ反射鏡面
の反射率Ｒ₁、Ｒ₂を用いて次式の様に表せる。

【００３２】

【数２】

【００３３】ここで、ｋ＝１及び２であり、Ｄは反射鏡
面間隔である。このときの、基本モードＴＥＭooqの共
振周波数ｆqは、

【００３４】

【数３】

【００３５】で表される。ここで、ｃは共振器内媒質中
の光速度であり、ｑ＝０，１，２・・・であり、δは共
振器内部の電磁波の伝搬が平面波では無くガウシアンビ
ームである事による補正量である。δは反射鏡の組み合
わせに依存し、平面鏡と球面鏡の組み合わせのとき、δ
＝（１／２π）arccos（１−２Ｄ／Ｒ₀）であり、二つ
の球面鏡の組み合わせのとき、δ＝（１／π）arccos
（１−Ｄ／Ｒ₀）で与えられる。ここで、Ｒ₀は球面反射
鏡の曲率半径である。

【００３６】δは、通常小さな量であり反射鏡面間隔Ｄ
は、ほぼ１／２波長の整数倍の大きさである。鏡面反射
率を90〜98％程度に設定し、共振器内部の縦モード数を
１〜５（ｑ＝0,1,2,3,4）とすることを想定すれば、Ｑ_A
は、30〜1500が実現できる。

【００３７】次に、アンテナとして重要な特性である放
射効率について述べる。二つのポートを持つ共振器にお
ける電力透過率Ｔは、結合係数β₁、β₂を用いて次式で
与えられる

【００３８】

【数４】

【００３９】アンテナとしての高い透過率を確保するた
めには、二つの反射鏡面の反射率Ｒ₁、Ｒ₂を等しくし、
結果として結合係数βが等しくβ₁＝β₂＝βとなるよう
にし、大きな値となるようにする必要がある。

【００４０】反射鏡面を形成する導体として高い導電性
の金属材料を用いた場合、無負荷Ｑ値、Ｑ₀ は大きな値
となり、式２で与えられる結合係数は10〜100の大きな
値となり、共振時の電力透過率Ｔとして高い効率が実現
できる。β＞＞１にした場合、電力透過率Ｔは１とな
る。アンテナＱ値、Ｑ_A＝30〜1500に対し、95％以上の
アンテナ放射効率が得られる。

【００４１】ガウシアンビームの形状とビーム広がりは
図５に模式的に示されているが、一般に基本ガウシアン
ビームの形状は最小スポットサイズｗ₀ とその位置とに
より特定される。本発明によるガウシアンビーム型アン
テナ装置では、最小スポットサイズｗ₀ は、球面反射鏡
の曲率半径Ｒ₀ と反射鏡面間隔Ｄを適当に選択すること
で自由に設定できる。平面反射鏡面に得られる最小スポ
ットサイズｗ₀ は、

【００４２】

【数５】

【００４３】で与えられる。広く知られた回折広がりの
関係として、半径ｗ₀ の開口内に閉じ込められた波動の
遠方界での半頂角は

【００４４】

【数６】

【００４５】で与えられる。このように、本発明による
ガウシアンビーム型アンテナ装置では、最小ビームスポ
ットサイズを設計し、アンテナの放射パターンを設定で
きる。

【００４６】ここで導波路モードと、共振器モードの変
換に重要な役割を果たす、ストリップ素子５の各種につ
いてふれる。図７は、本発明におけるガウシアンビーム
型アンテナ装置の導波路との結合部を備える金属４反射
鏡面の一部を成すストリップ素子５として直線偏波用に
適用できる各種の形態を模式的に示す図である。１７は
方形パッチ、１８は、１７の形状に変形を加えた広帯域
化のためのパッチ、１９は導体グリッド型、２０は１９
の広帯域化の導体グリッド型、２２は円形パッチであ
り、２１は広帯域化のための楕円パッチである。これら
は使用周波数に応じて最適化が必要である。

【００４７】次に、本発明によるガウシアンビーム型ア
ンテナ装置を円偏波アンテナ装置として用いるときに採
用可能な各種のストリップ素子５について図８に示す。
２３は一対の直交偏波用方形パッチで、２４は同様に一
対の直交偏波用円形パッチである。２５は一個の円形パ
ッチを直交偏波で共用するタイプであり、２６は同様に
正方形パッチで独立した励振をして共用している。２３
〜２６はいずれも直交偏波成分に関して９０度の位相差
を保持する必要がある。これに対し、２７、２８、２
９、及び３０に示した変形パッチは一点給電によりパッ
チ上の電流分布が直交方向成分に関して９０度の位相差
を生じるように工夫された素子である。円偏波用のこれ
らのストリップ素子５にたいしては、対向する部分透過
性鏡面領域２の導体格子は二次元格子１６と組み合わせ
る必要がある。

【００４８】図７及び図８に示したストリップ素子の他
に、渦巻状導体膜パターン等も円偏波アンテナ装置用の
ストリップ素子として利用できる。また、これらのすべ
てのストリップ素子は、一方の反射鏡面上複数個配置す
ることができる。大口径のガウシアンビーム型アンテナ
装置の場合、導波路との結合が総体的に弱くなるため複
数箇所での給電が有効となる。

【００４９】図９、図１０、図１１及び図１２は、本発
明によるガウシアンビーム型アンテナ装置と接続される
各種の導波路の場合について、ストリップ素子５と結合
部６の接続構成を示す説明図である。

【００５０】図１３は、本発明によるガウシアンビーム
型アンテナ装置の一実施例を示す構成図である。球面反
射鏡面上に設ける部分透過性の結合領域を高反射率で低
い透過吸収損失の反射鏡面とするために金属格子を用い
ている。Ｘバンドでの実験のため球面鏡は直径２５０mm
に成形した銅張りテフロンクロス基板を用い、曲率半径
２ｍの球面に熱成形したものを用いている。部分透過性
の円形結合領域の直径は、２００mmである。球面反射鏡
の構造パラメータを表１にまとめて示す。

【００５１】

【表１】

【００５２】本発明のガウシアンビーム型アンテナ装置
の導波管スロット結合部で励振されるストリップ素子５
として図７の導体グリッドパターン１９を使用した。平
面反射鏡面として銅張りテフロンクロス基板を用い、平
面鏡の裏面のＸバンド導波管（WR-90：内寸10.16mm×2
2.86mm）端面にスロット結合部を設け、導波管端面に設
けたスロット結合部の正面に接近させ電界方向に半波長
に近い長さ１５mm、幅２mmの銅のグリッドを４mm周期で
７本平行に配置し、スロット結合部からの電磁波により
銅のグリッド領域を励振し導波路と共振器とのモード変
換結合領域を成す導体反射鏡面領域を設け、導波管スロ
ットの背後に回路との整合を取るために導波管スタブチ
ューナを用いた。ネットワークアナライザ（HP8510B）
を用いてアンテナのリターンロスの測定した結果を図１
４に示す。

【００５３】図１５は、本発明のガウシアンビーム型ア
ンテナ装置の平面導波路結合による一実施例を示す図で
あり、部分透過性鏡面領域は球面反射鏡に設けられてい
る点は図１３の場合と同様であり、導波路をマイクロス
トリップラインとした場合の構成で、導波路と共振器と
の間のモード変換を金属反射鏡面の一部を形成するスト
リップ素子５として図７の方形パッチ１の形状を用い、
縦8mm、横12mmの大きさである。結合部６は、１／２実
効波長に近い長さのスロットである。マッチング回路
は、長さ約１／４実効波長の開放スタブを用いた。ネッ
トワークアナライザ（HP8510B）を用いてアンテナのリ
ターンロスの測定した結果を図１６に示す。

【００５４】本発明によるガウシアンビーム型アンテナ
装置のアンテナ放射パターンの測定を電波無響室で行っ
た。被測定アンテナは、受信アンテナとして回転台にセ
ットされ角度を変えながらホーンアンテナからの送信信
号を受信し受信電力の角度依存性を測定した。図１７
は、8.27GHzでのアンテナパターンの測定結果で縦軸は
相対利得を、横軸は回転角度を表す。この測定での縦モ
ードはｑ＝１に対応し、鏡面間隔はほぼ一波長である。
ガウシアンビームの特徴として低サイドローブ特性が得
られている。球面鏡の曲率半径Ｒ₀、鏡面間隔Ｄ、波長
λの値を式５及び式６に代入して得られる理論値とアン
テナパターン測定値の結果は、良い一致を示し共振器内
にガウシアンビームが形成され部分透過性の鏡面領域か
ら取り出され開口面上でガウス強度分布する波源として
放射されていることが実証できた。球面鏡上の部分透過
性鏡面領域の径に対するビームスポットサイズの比は、
1.7であった。アンテナデータを表２にまとめて示す。

【００５５】

【表２】

【００５６】

【発明の効果】本発明によるガウシアンビーム型アンテ
ナ装置の技術によって、アンテナ開口面上でガウシアン
分布する電磁場を任意に実現できる様になった。その結
果、本発明によるガウシアンビーム型アンテナ装置の持
つ、高い軸対称性、と超低サイドローブ特性は、大
型アンテナと組み合わせる一次ホーンとして全体の性能
向上に有効であると考えられる他、ミリ波以上の周波数
帯での準光学的ビーム技術に非常に有効である。さら
に、本発明が、導波路モードから共振器モードへの変換
を行う方式であるため実効開口面を大きくすることが容
易であり、ミリ波サブミリ波帯での高利得アンテナの
実現が可能となった。さらに、本発明によれば、準平
面的構造を、持つ高利得アンテナが実現可能であり、ミ
リ波帯の平面回路と一体化したコンパクトな送信器受信
機の構成に適している。さらに、本発明によるガウシア
ンビーム型アンテナは、低挿入損失の共振型アンテナ
であり高出力送信機用アンテナとして用いれば不要なス
プリアスに対し強力な抑圧効果が期待できる。受信機の
局発信号が不要波としてアンテナから漏れ出て空間に輻
射されることを防止する超低スプリアス低雑音アンテナ
が実現できる。上記のように、本発明によれば、従来不
可能であった多くの技術困難が克服できた他、新しい多
くの分野への利用が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるガウシアンビーム型アンテナ装置
の平面鏡と球面鏡からなる一つの構成を示す説明図。

【図２】本発明によるガウシアンビーム型アンテナ装置
の平面鏡と球面鏡からなる他の構成を示す説明図。

【図３】本発明によるガウシアンビーム型アンテナ装置
の二つの球面鏡からなる構成を示す説明図。

【図４】本発明によるガウシアンビーム型アンテナ装置
の一対の鏡面間に低損失誘電体を充填したものと等価な
構成を示す説明図。

【図５】本発明によるガウシアンビーム型アンテナ装置
の開口面上の電力分布を模式的に示す説明図。

【図６】本発明によるガウシアンビーム型アンテナ装置
の一方の反射鏡面上に設ける部分透過性鏡面領域を形成
する金属格子パターンを模式的に示した図である。

【図７】本発明によるガウシアンビーム型アンテナ装置
の他方の反射鏡面の部分を成すストリップ素子の一分類
を模式的に示す説明図。

【図８】本発明によるガウシアンビーム型アンテナ装置
の他方の反射鏡面の部分を成すストリップ素子の他の分
類を模式的に示す説明図。

【図９】本発明によるガウシアンビーム型アンテナ装置
の金属導波管との結合部を模式的に示す説明図。

【図１０】本発明によるガウシアンビーム型アンテナ装
置の同軸伝送路との結合部を模式的に示す説明図。

【図１１】本発明によるガウシアンビーム型アンテナ装
置のマイクロストリップラインとの結合部を模式的に示
す説明図。

【図１２】本発明によるガウシアンビーム型アンテナ装
置のトリプレート型ストリップラインとの結合部を模式
的に示す説明図。

【図１３】本発明によるガウシアンビーム型アンテナ装
置の金属導波管結合による実施例の構成を示す説明図。

【図１４】本発明によるガウシアンビーム型アンテナ装
置の金属導波管結合による実施例のリターンロスの測定
結果を示す説明図。

【図１５】本発明によるガウシアンビーム型アンテナ装
置の平面導波路結合による一実施例の構成を示す説明
図。

【図１６】本発明によるガウシアンビーム型アンテナ装
置の平面導波路結合による一実施例のリターンロスの測
定結果を示す説明図。

【図１７】本発明によるガウシアンビーム型アンテナ装
置の一実施例のアンテナ放射パターンの測定結果を示す
説明図。

【符号の説明】

１：球面反射鏡２：部分透過性の鏡面領域３：平面反射鏡４：金属反射鏡５：ストリップ素子６：導波路との結合部７：導体面８：導波路給電９：送受信ビーム１０：球面反射鏡１１：低損失誘電体１２：開口面電力分布１３：基本ガウシアンビームモード１４：導波路中モード１５：一次元格子パターン１６：二次元格子パターン１７：方形パッチ１８：広帯域化パッチ１９：導体グリッド型パッチ２０：広帯域化導体グリッド型パッチ２１：広帯域化楕円パッチ２２：円形パッチ２３：一対の直交偏波用方形パッチ２４：一対の直交偏波用円形パッチ２５：二点給電円偏波用円形パッチ２６：二点給電円偏波用正方形パッチ２７：刻み目を用いた一点給電円偏波用円形パッチ２８：スロットを用いた一点給電円偏波用円形パッチ２９：刻み目を用いた一点給電円偏波用正方形パッチ３０：スロットを用いた一点給電円偏波用正方形パッチ３１：導波管３２：導波管スロット３３：同軸線路３４：ピンコンタクト３５：マイクロストリップライン３６：薄膜スロット３７：トリプレート型ストリップライン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】球面鏡と平面鏡または、二つの球面鏡から
なる一対の反射鏡を、双方の鏡面での反射波が繰り返し
重畳されるように対向させ共振器を構成し、一方の反射
鏡面に当該共振器の光軸を中心とする円形の部分透過性
の鏡面領域を設け自由空間との電磁波結合部を成し、当
該部分透過性の鏡面領域が波長に比較して細かな格子状
の導体パターンからなる反射鏡面であり、当該共振器を
構成する他方の反射鏡は導体反射鏡面からなり、該反射
鏡面の部分を成すストリップ素子と、該ストリップ素子
の裏面に高周波信号の導波路との結合部を備え、上記一
対の反射鏡面が同じ反射損失を持つことを特徴とするガ
ウシアンビーム型アンテナ装置。
【請求項２】該一対の反射鏡の一方の反射鏡面に、自由
空間との電磁波結合部として設ける円形の部分透過性の
鏡面領域が、波長に比較して細かな二次元格子状の導体
パターンからなる反射鏡面であり、他方の反射鏡面の部
分を成すストリップ素子の裏面には直交する二つの偏波
成分に対応する高周波信号の導波路との結合部を備え、
該結合部は二系統の導波路に接続され、当該結合部と該
二系統の導波路が単一の導波路に変換される分岐点との
間の電気長が、当該二系統の高周波信号相互の位相角に
９０度の差を生じる長さを持つことを特徴とする請求項
１のガウシアンビーム型アンテナ装置。
【請求項３】該一対の反射鏡面間に低損失誘電体を充填
したものと等価な構造を持つことを特徴とする請求項１
のガウシアンビーム型アンテナ装置。
【請求項４】該一方の反射鏡に設ける高周波電磁界の導
波路との結合部は、金属導波管との結合であることを特
徴とする請求項１、２、及び３のガウシアンビーム型ア
ンテナ装置。
【請求項５】該一方の反射鏡に設ける高周波電磁界の導
波路との結合部は、同軸伝送路との結合であることを特
徴とする請求項１、２、及び３のガウシアンビーム型ア
ンテナ装置。
【請求項６】該一方の反射鏡に設ける高周波電磁界の導
波路との結合部は、トリプレート型ストリップラインあ
るいはマイクロストリップラインとの結合であることを
特徴とする請求項１、２、及び３のガウシアンビーム型
アンテナ装置。
【請求項７】該一方の反射鏡に設ける高周波電磁界の導
波路との結合部は、コプレーナ型ラインとの結合である
ことを特徴とする請求項１、２、及び３のガウシアンビ
ーム型アンテナ装置。
【請求項８】該一対の反射鏡の鏡面導体は、アンテナと
して使用する周波数の電磁波に対し表面反射損失の小さ
い銅、アルミニウム、金、及び超伝導体等で出来ている
ことを特徴とする請求項１、２、及び３のガウシアンビ
ーム型アンテナ装置。
【請求項９】該一対の反射鏡面間の低損失誘電体として
サファイヤ、石英、酸化マグネシウム、シリコン、ガリ
ウムヒ素、インジウムリン、オレフィン、ポリエチレ
ン、テフロン、窒化アルミニウム等を用いることを特徴
とする請求項３のガウシアンビーム型アンテナ装置。
【請求項１０】該一対の反射鏡面間の間隔を直接変化さ
せるか、該一方の反射鏡面の一部を機械的に変化させる
ことで実効的に該一対の反射鏡面間の間隔を変化させる
ことにより、アンテナ共振周波数を選択調整する機構を
持つことを特徴とする請求項１、２、及び３のガウシア
ンビーム型アンテナ装置。
【請求項１１】該一方の反射鏡に、高周波電磁界の導波
路との結合部以外の副次的な結合部を設け、バラクター
ダイオード等の能動素子を装荷した回路と結合させ、素
子間の電圧を変化させることで、アンテナ共振周波数を
選択調整する機構を持つことを特徴とする請求項１、
２、および３のガウシアンビーム型アンテナ装置。