JPS6133401B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は整形ビームアンテナに関し、特に希望
する地域のみを効率よく照射するビームを持ち静
止衛星に搭載されるアンテナに関する。

一般に複数の地上局を相手とする静止衛星用ア
ンテナには、散在している地上局がある特定の地
域を効率よく照射するようにビームの断面形状が
整形された放射特性を持ついわゆる整形ビームア
ンテナが望まれる。従来、この種の整形ビームア
ンテナとしては、たとえば反射面が回転放物面の
１部である主反射鏡に複数の給電ホーンで給電す
る構成のアンテナがあつた。また、反射面が回転
放物面の１部分である部分反射鏡を複数個組み合
わせてなる主反射鏡を１個の給電ホーンで給電す
る構成のアンテナ（たとえば昭49年度電子通信学
令全国大会S6―８「組合せ鏡面オフセツトアン
テナの放射特性」）があつた。

しかしながら、このような従来の整形ビームア
ンテナは、前者の構成では、複数の給電ホーンを
所望の振幅比と位相差で給電するための合成回路
が複雑なものとなり、給電損失も大きく、しかも
複数の整形ビームが望まれる場合のように多数の
給電ホーンを主反射鏡の焦点近傍に配置する必要
があるときには、給電ホーンの配置が物理的に困
難になる場合が生じる欠点があつた。また後者の
構成では、面積の大きな主反射鏡面を通常用いら
れている回転放物面反射鏡とは異なつた形状にし
なければならないので、製造が困難であり、反射
面の精度も出しにくく、しかも経済的にも高価な
ものになる欠点があつた。

本発明の目的は、上記従来の欠点を除去するた
めに到来球面波の位相中心点が変化する部分レン
ズを複数個組み合わせてなる電波レンズを使用し
た整形ビームアンテナを提供することにある。

本発明は、回転放物面の１部分よりなる主反射
鏡と、この主反射鏡を給電する球面波波源の給電
ホーンと、前記給電ホーンの前面に配置され電波
レンズを有するアンテナにおいて、入射球面波を
複数のそれぞれ異なつた位相中心点を有する球面
波群に変換しかつ該複数の球面波群の各位相中心
点が前記主反射鏡の焦点近傍にあるように前記電
波レンズを構成したことを特徴とする整形ビーム
アンテナを提供することにある。

次に本発明の実施例について図面を参照して説
明する。

第１図は本発明に用いる第１実施例の電波レン
ズの構成と動作を説明するための側断面図であ
る。第１図において、電波レンズ１０は、ここで
は説明の便宜のため誘電体材料よりなる部分レン
ズ１１，１２からなり、点ＰはＺ軸上にある点波
源の中心位置を示し、部分レンズ１１は軸Z₁₁に
関し、また部分レンズ１２は軸Z₁₂に関しそれぞ
れ回転対称な構造である。前記部分レンズ１１
は、点Ｐよりの球面波光線をたとえば実線２０を
軸Z₂₁上の点F₁₁を中心とする球面波光線たとえば
実線２１に変換し、また前記レンズ１２は、点Ｐ
よりの球面波線たとえば実線２２を軸Z₁₂上の点
F₁₂を中心とする球面波光線たとえば実線２３に
変換する。このような部分レンズ１１，１２は、
たとえば部分レンズ１１の境界線１３，１４をそ
れぞれ点Ｐと点F₁₁を焦点としZ₁₁軸を截軸とする
双曲線の１部分とし、部分レンズ１２の境界線１
５，１６をそれぞれ点Ｐと点F₁₂を焦点としZ₁₂軸
を截軸とする双曲線の１部分とすることにより容
易に実現できる。すなわち、たとえば点Ｐより部
分レンズ１１に入射した各球面波光線は、境界線
１３でスネルの定理に従つて屈折を受けるが、境
界線１３が点Ｐを焦点とし軸Z₁₁を截軸とする双
曲線である場合には、周知のように屈折後の各光
線で総て軸Z₁₁に平行な光線となる。この各平行
線は境界線１４で再び屈折を受けるが、境界線１
４が点F₁₁を焦点とし軸Z₁₁を截軸とする双曲線で
ある場合には、周知のように軸Z₁₁方向に進行す
る平行光線を総て点F₁₁を中心とする球面波光線
に変換する。同様に点Ｐより部分レンズ１２に入
射した各球面波光線は、部分レンズ１２を透過後
点F₁₂を中心とする球面波光線に変換される。な
お、点F₁₁と点F₁₂の軸Ｚからの距離をそれぞれ△
₁₁と△₁₂とし、軸Z₁₁と境界線１３，１４の支点を
Q₁₁とR₁₁とし、軸Z₁₂と境界線１５，１６の交点
をQ₁₂とR₂とする。

境界線１３の式は、 r₁₃＝（ｎ―１）｜ＰＱ_１１｜／ｎｃｏｓＱ_１３―
１…(1) 境界線１４の式は、 r₁₄＝（ｎ―１）｜Ｆ_１１Ｒ_１１｜／ｎｃｏｓＱ_１
４―１…(2) であり、これらの式(1)，(2)において、r₁₃は点Ｐ
より境界線１３までの距離、r₁₄は点F₁₁より境界
線１４までの距離、θ₁₃とθ₁₄はそれぞれ点Ｐと
点F₁₁を原点とした軸Z₁₁からの角度、ｎはレンズ
の屈折率で誘電体材料の誘電率をεとするとｎ＝
√である。

境界線１５の式は、 r₁₅＝（ｎ―１）｜ＰＱ_１２｜／ｎｃｏｓθ_１５―
１…(3) 境界線１６の式は、 r₁₆＝（ｎ―１）｜Ｆ_１２Ｒ_１２｜／ｎｃｏｓθ_１
６―１…(4) であり、これらの式(3)，(4)において、r₁₅は点Ｐ
より境界線１５までの距離、r₁₆は点F₁₁より境界
線１６までの距離、θ₁₅とθ₁₆はそれぞれ点Ｐと
点F₁₂を原点とした軸Z₁₂からの角度である。

また部分レンズ１１を透過する各球面波光線の
光路長は、｜PQ₁₁｜＋ｎ（｜F₁₁R₁₁｜―｜PF₁₁
｜）＋S₁₁―｜F₁₁R₁₁｜＝一定……(5)で、部分レン
ズ１２を透過する光線の点Ｐからの光路長は、｜
PQ₁₂｜＋ｎ（｜F₁₂R₁₂｜−｜PF₁₂｜）＋S₁₂＝｜
F₁₂R₁₂｜＝一定……(6)である。これらの式(5)，(6)
において、S₁₁，S₁₂はそれぞれ点F₁₁と点F₁₂を原
点とする球の半径である。

したがつて、上記のような部分レンズ１１，１
２で構成されている電波レンズ１０に入射した点
Ｐからの球面波光線は、電波レンズ１０を透過後
に点F₁₁と点F₁₂をそれぞれ中心とする２つの球面
波光線群に分割される。

第２図は第１図に示した電波レンズ１０の正面
図であり、部分レンズ１１と部分レンズ１２は軸
Ｚを含む平面上で交わる。

第３図は本発明に係る整形ビームアンテナの構
成を示す側面図である。第３図において、１はＺ
軸を回転対称軸とした点Ｆを焦点とする回転放物
面の１部よりなる主反射鏡で、この主反射鏡１の
Ｚ軸上には、第１図で説明した部分レンズ１１，
１２より構成されている電波レンズ１０および点
Ｐを放射球面波の位相中心点とする給電ホーン２
が配置されている。また、２４，２５は、光線の
進行方向を示す実線、２６，２７は、主反射鏡１
で反射後の平行光線の向きを示す軸F₁₁，F₁₂は点
Ｆ，Ｐは焦点、Ψ₁₁，Ψ₁₂は定角を示している。

上記構成の本発明に係る整形ビームアンテナに
おいては、点F₁₁と点F₁₂は、点Ｆを通りＺ軸と直
交するいわゆる焦点面内にあり、｜FF₁₁｜＝△
₁₁，｜FF₁₂｜＝△₁₂とする。したがつて、焦点Ｐ
より放射された球面波のうち部分レンズ１１を透
過したものは、点F₁₁を中心とする球面波とし
て、また部分レンズ１２を透過したものは、点
F₁₂を原点とする球面波としてそれぞれ主反射鏡
１に入射する。しかし、点F₁₁と点F₁₂が主反射鏡
１の焦点Ｆより偏位しているので、主反射鏡１で
反射後の各光線のうち点F₁₁からの光線は、すべ
てたとえば実線２４で示すようにＺ軸に対し定角
Ψ₁₁をなす軸２６の方向に進む光線となり、点
F₁₂からの光線は、すべてたとえば実線２５で示
すようにＺ軸に対し定角Ψ₁₂をなす軸２７の方向
に進む光線となる。このような定角Ψ₁₂と定角Ψ
_２は、点F₁₁と点F₁₂の点Ｆに対する偏位差量△
C₁₁と偏位量△C₁₂に対し次式(7)，(8)で求まる。

Ψ₁₁＝Ｋ△C₁₁／FL ……(7) Ψ₁₂＝Ｋ△C₁₂／FL ……(8) このような式(7)，(8)において、FLは主反射鏡
１の焦点距離、Ｋは主反射鏡１の偏向角係数であ
る。

したがつて、このアンテナの放射特性は、一般
に次式の(9)で求まる指向特性〓を示す。

〓＝∫_s〓₁₁e^jpsds＋∫_s〓₁₂e^jpsds …(9) このような式(9)において、Ｓは主反射鏡１の反
射面の表面積、〓₁₁と〓₁₂はそれぞれ給電ホーン
２より放射され部分レンズ１１，１２を透過後に
主反射鏡１への結電された電波により主反射鏡１
上に誘起される電流を示すベクトル関数、PSは
主反射鏡１の反射面の位置と放射特性を観測する
位置とで定まる位相項、∫は積分記号、j²＝−１
である。

前記式(9)の第１項は、前記したＺ軸から定角Ψ
₁₁方向に進むビームを表わし、第２項は、定角Ψ
₁₂方向に進むビームを表わしている。したがつ
て、指向特性〓は、式(5)の第１項と第２項の振幅
比、位相差およびビームの進行方向により種々の
特性を示すことになる。このような第１項と第２
項の振幅比、位相差は、主として給電ホーン２よ
り放射される部分レンズ１，１２を通過する電波
のエネルギー比と光路長差により、またビームの
進行方向は、式(7)，(8)からも明らかなように△
C₁₁と△C₁₂によつて定まる。

第４図は第３図に示した整形ビームアンテナの
放射特性を観測球面上の等利得線図である。第４
図において、点２８，２９は、観測球面と第３図
の軸２６，２７の交点であり、式(9)の第１項と第
２項の等利得線がそれぞれ２８，２９を中心とす
る同心円であるので、定角Ψ₁₁，Ψ₁₂を第３図と
ほぼ等しく選び、第１図および第２図に示すよう
に部分レンズ１１，１２を透過するエネルギー比
もほぼ等しくなるようにすると、このアンテナの
等利得線は第４図の破線３０で示すような楕円に
近い形状とすることができる。

第５図は本発明に用いる第２実施例の電波レン
ズの構成と動作を説明するための側断面図であ
る。第５図において、電波レンズ４０の部分レン
ズ４１は、誘電体材料よりなり、４３，４４は境
界線を示している。また５０，５１は、光線の進
行方向を示す実線、C₄₃は部分レンズ４１の境界
線４３が円の１部分である場合の中心点、F₄₁は
部分レンズ４１を透過後の球面波光線の中心点、
Q₄₁とR₄₁は軸Z₄₁と部分レンズ４１の両境界線４
３，４４との各支点を示す。

このような第５図に示す電波レンズ４０におい
ては、部分レンズ４１は軸Z₄₁に関し回転対称な
構造であり、点Ｐよりの到来球面波光線たとえば
実線５０を点F₄₁からの球面波光線たとえば実線
５１に変換する作用をし、光学におけるいわゆる
発散レンズを応用したものである。この場合、説
明を容易にするために、まず光学におけると同様
に部分レンズ４１に入射する到来球面波光線は、
軸Z₄₁からの角度が小さな近軸光線のみを考える
とする。第５図における境界線４３，４４は、そ
れぞれ点C₄₃と点F₄₁を中心とし、長さ｜C₄₃Q₄₁｜
と｜F₄₁R₄₁｜を半径とする円の１部であるとす
る。この場合、点Ｐより放波された球面波光線
は、境界線４３でスネルの法則に従つて屈折を受
けるが、前記した仮定により屈折後の光線は近似
的に総て点F₄₁を中心とする球面波光線に変換さ
れ、境界線４４が点F₄₁を中心とする円であるこ
とにより境界線４４では屈折を受けずに直線する
ので、部分レンズ４１を透過後の光線は点F₄₁を
中心とする球面波光となる。前記の境界線４３
は、周知のように次の式(10)により求まる。

ｎ―１／｜Ｃ_４３Ｑ_４１｜＝ｎ／｜Ｆ_４１Ｑ_４１｜−
１／｜ＰＱ_４１｜……(10) このような式(10)においては、ｎはレンズの屈折
率であり、誘電体材料の誘電率をεとするとｎ＝
√である。

第６図は本発明に用いる第３実施例の電波レン
ズの構成と動作を説明するための側断面図であ
る。第６図において、電波レンズ６０の部分レン
ズ６１は、誘電体材料よりなり、６３，６４は境
界線を示している。また、７０，７１は、光線の
進行方向を示す実線、C₆₃，C₆₄は部分レンズ６１
の境界線６３，６４が円の一部分である場合の中
心点、F₆₁は部分レンズ６１を通過後の球面波光
線の中心点、Q₆₁とR₆₁は軸Z₆₁と部分レンズ６１
の両境界線６３，６４との各交点を示す。

このような第６図に示す電波レンズ６０におい
ては、部分レンズ６１は軸Z₆₁に関し回転対称な
構造であり、点Ｐよりの到来球面光波たとえば実
線７０を点F₆₁からの球面波光線たとえば実線７
１に変換する作用をし、光学におけるいわゆる発
散レンズを応用したものである。この場合、説明
を容易にするために、まず光学におけると同様に
部分レンズ６１に入射する到来球面波光線は、軸
Z₆₁からの角度が小さな近軸光線のみを考えると
する。第６図における境界線６３，６４は、それ
ぞれ点C₆₃，C₆₄を中心とし、長さ｜C₆₃Q₆₁｜と｜
C₆₄R₆₁｜を半径とする円の１部であるとする。こ
の場合、点Ｐより放射された球面波光線は、境界
線６３，６４で共にスネルの法則に従つた屈折を
受けるが、ここでも到来球面波光線が近軸光線で
あり長さ｜Q₆₁R₆₁｜が小さいとするという仮定に
より、レンズを透過後の光線は近似的に総て点
F₆₁を中心とする球面波光線に変換される。前記
の境界線６３，６４は、周知のように次の式(11)に
より求まる。

（ｎ―１）・（１／｜Ｃ_６３Ｑ_６１｜−１／｜Ｃ_６４
Ｒ_６１｜） ＝１／｜ＰＱ_６１｜−１／｜Ｆ_６１Ｑ_６１｜……(11) このような式(11)においては、ｎはレンズの屈折
率であり、誘電体材料の誘電率をεとするとｎ＝
√である。

以上は、光学におけると全く同様の仮定から出
発したため、実際に電波に対するレンズとして用
いる場合には、仮定による誤差のため点６１の位
置は、軸Ｚ上で多少の変化をするが、このような
場合には境界線６３，６４の曲線を円より多少修
正することにより点６１の位置の変化の影響を小
さくすることは可能である。

なお、本発明は上記実施例に限定されるもので
はなく種々の応用例および変形例があり、たとえ
ば第１図および第３図の説明では、電波レンズ１
０を構成する部分レンズの数は２個としたが、３
個以上の場合も原理は全く同様である。また、前
記の説明では電波レンズは、総て誘電体材料より
なるとしたが、周知のように自由空間の位相定数
とは異なつた位相定数を有し、使用する電波の周
波数に対して低損失のものであれば電波レンズの
材料となり、たとえば金属板を平行に配置するこ
とにより構成されるいわゆる人工誘電体よりなる
レンズも本発明に適用できる。さらに第３図の実
施例では、主反射鏡は回転対称な放物面鏡を回転
対称軸と直交する平面で切り取つた回転対称な構
造のものとしたが、回転対称な放物面鏡を回転対
称軸とは直交しない平面で切り取つたいわゆるオ
フセツト形のパラボラ反射鏡の主反射鏡として用
いても第３図の場合と同様の効果がある。さらに
前記の説明においては、アンテナを総て送信用ア
ンテナとして説明したが、アンテナの相反性から
受信アンテナについても全く同様の説明が成り立
つことは明らかである。

本発明は以上説明したように到来球面波の位相
中心点を変化するレンズを複数個組み合わせてな
る電波レンズを１個の給電ホーンと主反射鏡の間
に配置することにより、給電系を簡略化すること
ができるとともに、製造も容易にある。また、電
波レンズのみを取り換えることによりアンテナ全
体の構成を変えることなく種々の断面形状を有す
る整形ビームを合成することができるので、たと
えば衛星搭載用アンテナとして用いる場合には衛
星本体の大きさなどを変えないでよいなどの効果
を有する。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る整形ビームアンテナの実施
例を示し、第１図は本発明に用いる第１実施例の
電波レンズの構成と動作を説明するための側断面
図、第２図は第１図に示した電波レンズの正面
図、第３図は本発明に係る整形ビームアンテナの
構成を示す側面図、第４図は第３図の等利得線
図、第５図および第６図は本発明に用いる第２実
施例および第３実施例の電波レンズの構成と動作
を説明するための側断面図である。 １…主反射鏡、２…給電ホーン、１０，４０，
６０…電波レンズ、１１，１２，４１，４２，６
１，６２…部分レンズ、１３〜１６，４３〜６
６，６３〜６４…境界線、３０…放射特性の利等
得線、C₄₃，C₆₃，C₆₄…点、F₁₁，F₁₂，F₄₁，F₆₁
…点、Q₁₁，Q₁₂，Q₄₁，Q₆₁…交点、Ｐ…球面波
光線の中心点、R₁₁，R₁₂，R₄₁，R₆₁…交点、Ｚ…
主反射鏡の回転対称軸、Z₁₁，Z₁₂，Z₄₁，Z₆₁…部
分レンズの回転対称軸。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 回転放物面の１部分よりなる主反射鏡と、こ
   の主反射鏡を給電する球面波波源の給電ホーン
   と、前記給電ホーンの前面に配置され電波レンズ
   を有するアンテナにおいて、入射球面波を複数の
   それぞれ異なつた位相中心点を有する球面波群に
   変換しかつ該複数の球面波群の各位相中心点が前
   記主反射鏡の焦点近傍にあるように前記電波レン
   ズを構成したことを特徴とする整形ビームアンテ
   ナ。