JPH0951211A - マルチビームアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 反射鏡を有するマルチビームアンテナの構成
に関し、反射鏡の鏡面収差の影響によるビーム指向特性
の劣化や、サイドローブレベルの増加、アンテナ利得の
低下等の問題を解決することを課題とする。 【解決手段】 反射鏡を有し、１つのアンテナから複数
方向にビームを放射するマルチビームアンテナにおい
て、ビーム方向に垂直な面を開口面、開口面における電
界分布を開口面電界分布、開口面電界分布において反射
鏡のある一点に対応する位相を基準位相とし、開口面電
界分布の位相と基準位相との偏差を開口面位相偏差とす
るとき、反射鏡面をなす面上の点において対応する開口
面位相偏差を各ビーム方向毎に加重平均し、この値を反
射鏡面をなす面全体について求めて等高線を描き、反射
鏡の輪郭線の形状をここで得られた等高線に沿ったもの
とするように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は反射鏡を有するマル
チビームアンテナに関し、特に、指向特性やサイドロー
ブ特性の改善を図ることの可能な輪郭形状の反射鏡を有
するマルチビームアンテナに係る。

【０００２】

【従来の技術】図１はマルチビームアンテナを説明する
図である。同図において、数字符号１は反射鏡、２ａ，
２ｂ，２ｃは一次放射器、３ａ，３ｂ，３ｃはそれぞれ
一次放射器２ａ〜２ｃから放射されるビームの軌跡を示
している。このようにマルチビームアンテナは１つのア
ンテナから複数のビームを放射するもので、一般には各
ビームが各々に対応した給電点Ａ〜Ｃを有している。

【０００３】アンテナの指向特性を劣化させる要因の１
つにブロッキング（アンテナ構造物の一部分が反射鏡か
らの放射電波を遮ること）がある。マルチビームアンテ
ナは複数の一次放射器を有するため、一次放射器やその
支持柱などによるブロッキングが存在すると、設計が難
しくなるだけでなく実現可能な放射パターンが限定さ
れ、損失も無視できなくなる。

【０００４】従って、一次放射器系（一次放射器及びそ
の周辺回路）が反射鏡前面の電波通路内に存在しないオ
フセット形式が一般的である。反射鏡の輪郭は、限られ
た開口面積で一次放射器からの照射ビームを効果的に受
けて、スピルオーバーする電力（反射鏡に当たらずに漏
れてしまう電力）が少なくなるように決定されており、
円または楕円に近い形状となっている。

【０００５】シングルビームの反射鏡アンテナにおいて
一次放射器からの放射ビームを同一方向に正しく反射す
る鏡面形状はパラボラであることが良く知られている。
この場合はどの鏡面位置で反射されたビームも同一の行
路長を有し、ビーム反射方向に垂直な面（開口面）にお
ける電界位相が一致している。

【０００６】一方、マルチビームアンテナは複数ビーム
が同じ反射鏡を共有することから、ビーム方向によって
は開口面の電界位相に誤差が生じることになる。開口面
電界の位相に乱れがあるということは、所望するビーム
方向以外に反射されるビーム成分が在ることを意味して
おり、アンテナ指向特性を大きく劣化させる。

【０００７】実際に開口面電界を求めるには、一次放射
器から放射された電磁波がアンテナ鏡面によってどのよ
うに反射されるかが分かれば良く、通常は物理光学近似
によって求める。物理光学近似は、一次放射器から放射
された電磁波によってアンテナ鏡面上に生じる電流分布
を近似的に求めて、この電流によって生じる放射電磁界
を求めるという手法である。

【０００８】しかし、物理光学近似は大量の計算を必要
とすることから、より簡単に開口面電界を求めるために
は、幾何光学近似が用いられる。幾何光学近似はアンテ
ナ構造物の大きさに対して電磁波の波長の大きさが無視
できると仮定して、電磁波をアンテナ鏡面によって光学
的に反射させて求めるという手法である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】反射鏡の輪郭は、スピ
ルオーバーする電力が少なくなるように決定されている
が、シングルビームアンテナの場合と異なり、マルチビ
ームアンテナは、複数ビームが同じ反射鏡を共有するこ
とから本質的に鏡面収差（鏡面における反射位置の違い
による行路差）が存在する。

【００１０】そのため、一次放射器からの照射ビームの
全てが所望方向に反射されるわけではないので、スピル
オーバーを最も少なくする鏡面輪郭が放射ビームの指向
特性を最も良くする鏡面輪郭とは限らない。

【００１１】さらに、鏡面のうち収差の大きな部分に照
射された一次放射器からの照射ビームは指向特性を劣化
させ、サイドローブレベルを増加させるだけでなく、ア
ンテナ利得を低下させる要因にもなる。なお、鏡面収差
による開口面電界の位相誤差は、アンテナ開口径やビー
ム放射角度範囲が大きな場合ほど大きくなる。

【００１２】従来の技術では、反射鏡のそれぞれの位置
毎の鏡面収差が有るにもかかわらず、これが考慮されて
いなかったので、鏡面収差の影響が無視できない条件の
ときには、ビーム収束性能が劣化し、サイドローブ特性
が大きく劣化する。

【００１３】このように、従来のマルチビームアンテナ
は、鏡面収差の影響が十分に考慮されていないことか
ら、アンテナ開口径やビーム放射角度範囲が大きな場合
にサイドローブ特性が大きく劣化するという問題があっ
た。

【００１４】本発明は上述のような従来の課題を解決す
るため、サイドローブ特性を改善することが可能で、広
範囲にわたって良好な指向特性を有するマルチビームア
ンテナを提供することを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上述の
課題は前記特許請求の範囲に記載した手段により解決さ
れる。

【００１６】すなわち、請求項１の発明は、反射鏡を有
し、１つのアンテナから複数方向にビームを放射するマ
ルチビームアンテナにおいて、

【００１７】ビーム方向に垂直な面を開口面、開口面に
おける電界分布を開口面電界分布、開口面電界分布にお
いて反射鏡のある一点に対応する位相を基準位相とし、
開口面電界分布の位相と基準位相との偏差を開口面位相
偏差とするとき、

【００１８】反射鏡面をなす面上の点において対応する
開口面位相偏差を各ビーム方向毎に加重平均し、この値
を反射鏡面をなす面全体について求めて等高線を描き、
ここで得られた等高線に沿って輪郭を決定した反射鏡を
有するマルチビームアンテナである。

【００１９】請求項２の発明は、反射鏡を有し、１つの
アンテナから複数方向にビームを放射するマルチビーム
アンテナにおいて、

【００２０】ビーム方向に垂直な面を開口面、開口面に
おける電界分布を開口面電界分布、開口面電界分布にお
いて開口面電界のベクトル和の位相を基準位相とし、開
口面電界分布の位相と基準位相との偏差を開口面位相偏
差とするとき、

【００２１】反射鏡面をなす面上の点において対応する
開口面の電界振幅の大きさと開口面位相偏差との積を各
ビーム方向毎に加重平均し、この値を反射鏡面をなす面
全体について求めて等高線を描き、ここで得られた等高
線に沿って輪郭を決定した反射鏡を有するマルチビーム
アンテナである。

【００２２】請求項３の発明は、上記請求項１または請
求項２記載のマルチビームアンテナにおいて、反射鏡の
反射面の周囲の少なくとも一部に電波吸収体を係着し
て、反射鏡の実質的な反射面の輪郭線を反射鏡の輪郭線
とするように構成したものである。

【００２３】

【作用】従来の鏡面輪郭の設計方法は、反射鏡からスピ
ルオーバーする一次放射器からの照射ビームを最小限に
するというものであり、それぞれの鏡面位置におけるビ
ーム収束性能の違いは考慮されていなかった。

【００２４】そのため、一次放射器からビーム収束性能
が低い（位相誤差が大きい）鏡面部分にもビームが照射
されることになり、アンテナ開口径やビーム放射角度範
囲が大きな場合など、鏡面収差の影響が無視できない場
合には、ビームの収束が悪くなり、サイドローブ特性が
劣化する。

【００２５】図２及び図３はビーム方向に±２０度の角
度範囲を想定したマルチビームアンテナにおいて、それ
ぞれ、ビーム方向０度のＢ場合と２０度の場合の開口面
位相偏差分布の等高線を示す図である。アンテナ鏡面は
２焦点パラボラ鏡面であり、鏡面座標は鏡軸方向が異な
る２つのパラボラの平均値によって表わされている。
（文献「近藤、鹿子嶋、比嘉、“多焦点パラボラアンテ
ナの鏡面設計”１９９２信学秋季全大、Ｂ−５３」参
照）

【００２６】また、２焦点パラボラ鏡面の焦点はＹ−Ｚ
面内に存在しており、焦点距離は６０λ、２つのパラボ
ラの鏡軸方向のなす角度は４０度である。このことか
ら、ビーム方向が±２０度の場合以外は離焦点位置から
給電することになる。なお、アンテナのビーム方向はＹ
−Ｚ面に平行である。

【００２７】図２及び図３の位相偏差を求めるにあたっ
て鏡面開口領域はＸ＝０〜４４λ，Ｙ＝−３４λ〜３４
λとし、位置Ｘ＝１６λ，Ｙ＝０の位相値を基準とし
た。横軸及び縦軸の座標値は対応する反射鏡位置のＸ軸
及びＹ軸の座標値である。

【００２８】なお、位相偏差Δφ（Ｘ，Ｙ）は光路長Ｌ
（Ｘ，Ｙ）を用いて幾何光学的に求めることができ、こ
の場合は“数１”のように表わされる。

【００２９】

【数１】

【００３０】光路長Ｌ（Ｘ，Ｙ）は一次放射器（給電
点）から放射されたビームが、位置Ｘ＝Ｘ，Ｙ＝Ｙのア
ンテナ鏡面で反射されて開口面にいたるまでの距離であ
る。Ｌ（Ｘ，Ｙ）−Ｌ（１６λ，０）は位相基準とする
位置での光路長と、着目している位置での光路長との差
であり、着目している位置の位相偏差Δφ（Ｘ，Ｙ）は
この光路長の差に２π／λを掛けたものとなる。

【００３１】図２及び図３に示されるように２焦点パラ
ボラ鏡面を用いたマルチビームアンテナでは開口面位相
偏差分布の等高線はビーム方向によって異なっているの
が分かる。

【００３２】一般的に、トーラス鏡面の場合を除いて開
口面位相偏差の分布形状はビーム方向によって異なる。
また、オフセット給電を行なうマルチビームアンテナに
おいて、反射鏡からスピルオーバーする電力を最小限に
するように決定される従来の鏡面輪郭形状は開口面位相
偏差の等高線形状と大きく異なるのが普通である。

【００３３】請求項１に記載のマルチビームアンテナ
は、開口面電界分布において反射鏡のある一点に対応す
る位相を基準位相とし、開口面電界分布の位相と基準位
相との偏差を開口面位相偏差とするとき、反射鏡の輪郭
が各ビーム方向において対応する反射鏡位置の開口面位
相偏差の加重平均値の等高線より決定されることを最も
大きな特徴とする。この構成によって、一次放射器から
の照射ビームは収束性能の良い鏡面部分を優先的に用い
ることが可能となる。

【００３４】請求項２に記載のマルチビームアンテナ
は、開口面電界分布において開口面電界の和の位相を基
準位相とし、反射鏡の輪郭が各ビーム方向において対応
する反射鏡位置の開口面電界振幅の大きさと開口面位相
偏差との積の加重平均値の等高線より決定されることを
最も大きな特徴とする。この構成によって、一次放射器
からの照射ビームは各ビーム方向について収差が小さく
収束性能の良い鏡面部分を優先的に用いることが可能と
なる。

【００３５】このように、本発明のマルチビームアンテ
ナは反射鏡の鏡面輪郭をビーム収束性能の良い鏡面部分
を優先的に用いるようにしているので、アンテナ開口径
や、ビーム放射角度範囲が大きな場合など、鏡面収差の
影響が無視できない場合においても、指向特性及びサイ
ドローブ特性の劣化を抑えることができる。また、任意
方向の指向特性を重点的に改善することにより、広範囲
にわたって良好な指向特性を有するマルチビームアンテ
ナを実現することができる。

【００３６】なお、請求項１に記載の手法及び請求項２
に記載の手法とも、アンテナ開口径が比較的小さな高効
率アンテナの場合には、ほぼ同様な反射鏡輪郭形状が得
られるが、請求項１の手法の方が、計算量が少なく簡単
である。しかし、アンテナ開口径が大きく、一次放射器
から反射鏡への照射領域がビーム方向によって大きく異
なる場合等では、一次放射器の指向特性も考慮した請求
項２の手法の方が良い結果が得られる。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下、広角マルチビームアンテナ
へ本発明を適用する場合について説明する。アンテナの
ビーム方向は連続的に−２０度〜２０度とし、反射鏡は
焦点距離６０λの２焦点パラボラとした。

【００３８】図４はビーム方向０度、±５度、±１０
度、±１５度、±２０度の場合における開口面位相偏差
分布の加重平均値の等高線を示したものである。これは
各ビーム方向θ（θ＝０度、±５度、±１０度、±１５
度、±２０度）毎に対応する反射鏡位置（Ｘ，Ｙ）での
位相偏差Δφθ（Ｘ，Ｙ）を求めて、これを各ビーム方
向毎に加重平均したものであり、“数２”で表わされ
る。

【００３９】

【数２】

【００４０】図４に示す等高線から、反射鏡の下部の方
が上部よりも全体的に位相偏差が少ないことが分かる。
従って、請求項１の手法により、図４の位相偏差分布の
等高線に沿って末広がりの鏡面輪郭を採用すれば、ビー
ム収束性能を向上させることができる。

【００４１】位相偏差約４０度の等高線を用い、一次放
射器によるブロッキングを避けるために反射鏡の下方を
調整して得られた鏡面輪郭は、図５に数字符号５で示す
ごとくになる。図５において数字符号５で示す実線は本
発明のアンテナの鏡面輪郭、数字符号４で示す点線はス
ピルオーバーを最小にするように求められた従来技術に
よる鏡面輪郭であり、両者とも開口面積が等しくなるよ
うにしてある。

【００４２】なお、請求項２の手法によっても、請求項
１の手法によるものとほぼ同様な輪郭が得られる。図７
は請求項２の手法によって求められる鏡面輪郭を説明す
るものであり、開口面の電界振幅の大きさと開口面位相
偏差の積の加重平均の等高線を示したものである。

【００４３】図７において一次放射器からの照射ビーム
の半値幅は１７度を想定している。この図における等高
線はａ，ｂ，ｃ，ｄで示した順番で値が大きくなる。こ
れより一次放射器からの照射ビームがあまりあたらない
領域での等高線間隔が広がっているものの、図４と同様
に末広がりの等高線形状が得られていることが確認でき
る。

【００４４】図６は本発明のアンテナと従来のアンテナ
との指向特性を比較する図であって、図６（ａ）〜
（ｃ）に示された実線及び点線は、それぞれビーム方向
が０度、１０度、２０度の場合の本発明のアンテナ及び
従来のアンテナの指向特性を示したものである。同図に
示されるように本発明のアンテナは従来のアンテナと比
較して利得をほとんど劣化させずにサイドローブ特性を
大幅に改善することができる。

【００４５】本発明では、開口面位相偏差分布の加重平
均値の等高線を求めるにあたって、重み係数を適当に選
ぶことにより任意方向の指向特性を重点的に改善するこ
とが可能である。

【００４６】また、電波吸収体を、反射鏡面（例えば反
射鏡面の左右両端部分等）に貼って、鏡面開口を調節す
る場合においても、本発明によるアンテナの鏡面輪郭に
沿って電波吸収体を貼るようにすれば、反射鏡そのもの
の輪郭形状を本発明によって設定した場合と同様の効果
が得られる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のマルチビ
ームアンテナは、ビーム収束性能の良い鏡面部分を優先
的に用いるので、アンテナ開口径やビーム放射角度範囲
が大きな場合など、鏡面収差の影響が無視できない場合
においても、指向特性及びサイドローブ特性の劣化を抑
えることができる。また、任意方向の指向特性を重点的
に改善することにより広範囲にわたって良好な指向特性
を有するマルチビームアンテナを提供することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】マルチビームアンテナの構成の例を示す図であ
る。

【図２】マルチビームアンテナの開口面位相偏差分布の
等高線の例を示す図である。

【図３】マルチビームアンテナの開口面位相偏差分布の
等高線の例を示す図である。

【図４】マルチビームアンテナの開口面位相偏差分布の
加重平均値の等高線の例を示す図である。

【図５】本発明のアンテナの反射鏡の輪郭の例を示す図
である。

【図６】本発明のアンテナと従来のアンテナとの指向特
性を比較する図である。

【図７】マルチビームアンテナの開口面の電界振幅と開
口面位相偏差分布の加重平均値の等高線の例を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ 反射鏡 ２ａ，２ｂ，２ｃ 一次放射器 ３ａ，３ｂ，３ｃ 一次放射器から放射されたビーム
の軌跡 ４ 従来技術による鏡面輪郭 ５ 本発明による鏡面輪郭

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水野 秀樹 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反射鏡を有し、１つのアンテナから複数
   方向にビームを放射するマルチビームアンテナにおい
   て、 ビーム方向に垂直な面を開口面、開口面における電界分
   布を開口面電界分布、開口面電界分布において反射鏡の
   ある一点に対応する位相を基準位相とし、開口面電界分
   布の位相と基準位相との偏差を開口面位相偏差とすると
   き、 反射鏡面をなす面上の点において対応する開口面位相偏
   差を各ビーム方向毎に加重平均し、この値を反射鏡面を
   なす面全体について求めて等高線を描き、ここで得られ
   た等高線に沿って輪郭を決定した反射鏡を有することを
   特徴とするマルチビームアンテナ。
2. 【請求項２】 反射鏡を有し、１つのアンテナから複数
   方向にビームを放射するマルチビームアンテナにおい
   て、 ビーム方向に垂直な面を開口面、開口面における電界分
   布を開口面電界分布、開口面電界分布において開口面電
   界のベクトル和の位相を基準位相とし、開口面電界分布
   の位相と基準位相との偏差を開口面位相偏差とすると
   き、 反射鏡面をなす面上の点において対応する開口面の電界
   振幅の大きさと開口面位相偏差との積を各ビーム方向毎
   に加重平均し、この値を反射鏡面をなす面全体について
   求めて等高線を描き、ここで得られた等高線に沿って輪
   郭を決定した反射鏡を有することを特徴とするマルチビ
   ームアンテナ。
3. 【請求項３】 反射鏡の反射面の周囲の少なくとも一部
   に電波吸収体を係着して、反射鏡の実質的な反射面の輪
   郭線を反射鏡の輪郭線とする請求項１または請求項２記
   載のマルチビームアンテナ。