JPWO2006064536A1 - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

円形導波管１の開口面１ａから放射された電波を反射する円盤状の反射板３を円形導波管１の開口面１ａと正対する位置に配置する他に、その円盤状の反射板３に反射された電波の放射特性を回転対称な放射特性に成形する環状の導波路４を円盤状の反射板３の周囲に設ける。これにより、回転対称な放射特性を得るために、数多くの溝４ａを施す必要がある場合でも、円盤状の反射板３の径方向を大きくする必要がない。このため、副反射鏡の存在がサイドローブレベルの上昇と利得劣化の原因にならず、高利得化や低交差偏波化や低サイドローブ化を図ることができる。

Description

この発明は、主としてＶＨＦ帯、ＵＨＦ帯、マイクロ波帯及びミリ波帯の電波を送受信するアンテナ装置に関するものである。

従来のアンテナ装置は、導波管の開口面から放射された電波を反射する円盤状の副反射鏡を導波管の開口面と正対する位置に配置し、その副反射鏡により反射された電波を反射する主反射鏡を副反射鏡と正対する位置に配置するようにしている。
しかし、導波管の開口面から放射された電波の放射特性は、電気壁である導波管の影響を受けて歪みを生じている。
そこで、電波の放射特性を回転対称な放射特性に成形するために、その副反射鏡の反射面に、電波の４分の１波長に相当する深さの溝を施すようにしている（例えば、特許文献１参照）。

したがって、このアンテナ装置によれば、ほぼ回転対称な放射特性が得られるため、高利得化や低交差偏波化や低サイドローブ化が可能になっている。
ただし、電波の周波数によっては、回転対称な放射特性を得るために、数多くの溝を施す必要がある場合があり、この場合には、副反射鏡の径方向が大きくなる。
副反射鏡の径方向が大きくなると、主反射鏡に反射された電波の多くが副反射鏡に当ってしまうため、サイドローブレベルの上昇と利得劣化の原因となる。

なお、上記従来例の他に、中心部より周辺部が下がっている傘状の副反射鏡を用いているアンテナ装置が以下の非特許文献１に開示されている。
このアンテナ装置も、副反射鏡の反射面に垂直方向の溝を施している点で共通している。
よって、電波の周波数によっては、回転対称な放射特性を得るために、数多くの溝を施す必要がある場合があり、この場合には、副反射鏡の径方向が大きくなる。

また、下記の特許文献２に記載されているアンテナ装置では、回転対称な放射特性を得るため導波管の端部に電波の周波数の４分の１波長の深さの溝が設けられた平行平板ラジアル導波路を設けている。
したがって、電波の周波数によっては、回転対称な放射特性を得るために、数多くの溝を施す必要がある場合があり、この場合には、一次放射器の径方向が大きくなる。この特許文献２には、中心部より周辺部が下がっている傘状のラジアル導波路を用いているアンテナ装置についても示しているが、ラジアル導波路の片方の平板である導波管の外側にも電波の周波数の４分の１波長の深さの溝を設ける必要があり、必然的にラジアル導波路が径方向に大きくなる。

特表平１−５００７９０号公報（第３頁から第４頁、図６） 米国特許第３１６２８５８号 "ＦＤＴＤ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｈａｔ ｆｅｅｄ ｆｏｒ ｓｈａｌｌｏｗ ｍｍ−ｗａｖｅ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ａｎｔｅｎｎａｓ"，Ｙａｎｇ，Ｊ．；Ｋｉｌｄａｌ，Ｐ．−Ｓ著、Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，１９８８．ＩＥＥＥ ，Ｖｏｌｕｍｅ：４，２１−２６ Ｊｕｎｅ １９９８，Ｐ２０４６−２０４９ ｖｏｌ．４

従来のアンテナ装置は以上のように構成されているので、回転対称な放射特性を得るために、数多くの溝を施す必要がある場合には、副反射鏡の径方向が大きくなる。そのため、主反射鏡に反射された電波の多くが副反射鏡に当り、サイドローブレベルの上昇と利得劣化の原因となるなどの課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、高利得化や低交差偏波化や低サイドローブ化を図ることができるアンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るアンテナ装置は、第１の導波路の開口面から放射された電波を反射する円盤状の反射板を第１の導波路の開口面と正対する位置に配置する他に、その円盤状の反射板に反射された電波の放射特性を回転対称な放射特性に成形する環状の第２の導波路を円盤状の反射板の周囲に設けるようにしたものである。

このことによって、回転対称な放射特性を得るために、数多くの溝を施す必要がある場合でも、反射板の径方向を大きくする必要がない。このため、反射鏡の存在がサイドローブレベルの上昇と利得劣化の原因にならず、高利得化や低交差偏波化や低サイドローブ化を図ることができる効果がある。
この点で電波が反射板で反射する際に回転対称なパターンを成形する特許文献１や非特許文献１に記載されている従来のアンテナ装置と大きく異なり、径方向に大きくすることなく、回転対称な放射パターンを得ることができる。また、特許文献２と比べて、導波管の外側に電波の周波数の４分の１波長の溝を設ける必要がないため、反射板を径方向に大きくすることなく、回転対称な放射パターンを得ることができる。このため、反射鏡の存在がサイドローブレベルの上昇と利得の劣化の原因にならず、高利得化や低交差偏波化や低サイドローブ化を図ることができる効果がある。

この発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１によるアンテナ装置のアンテナ一次放射器を示す構成図である。 円形導波管を側面又は上面から見たときの電界方向を示す説明図である。 磁気壁の作用を示す説明図である。 回転対称な放射特性の成形を示す説明図である。 溝の深さと磁気壁の作用の関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態２によるアンテナ装置のアンテナ一次放射器を示す構成図である。 この発明の実施の形態３によるアンテナ装置のアンテナ一次放射器を示す構成図である。 この発明の実施の形態３によるアンテナ装置のアンテナ一次放射器を示す上面図である。 この発明の実施の形態４によるアンテナ装置のアンテナ一次放射器を示す構成図である。 この発明の実施の形態４によるアンテナ装置のアンテナ一次放射器を示す構成図である。 この発明の実施の形態５によるアンテナ装置を示す構成図である。 円形導波管の要部を示す拡大構成図である。 円形導波管の要部を示す拡大構成図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す構成図であり、図２はこの発明の実施の形態１によるアンテナ装置のアンテナ一次放射器を示す構成図である。なお、図１及び図２は構成を説明するための断面図である。

図において、第１の導波路である円形導波管１は端子Ｐ１から例えば基本モード（円形導波管ＴＥ_１１モード）の電波を入力すると、その電波を伝送して開口面１ａから当該電波を放射する。
誘電体２は一部が円形導波管１の内部に挿入され、その円形導波管１に挿入されていない非挿入部位の端部が円盤状の反射板３に取り付けられている。

円盤状の反射板３は円形導波管１の開口面１ａと正対する位置に配置され、円形導波管１の開口面１ａから放射された電波を主反射鏡５に向けて反射する。反射板３の反射面の中心部には金属の突起３ａが設けられている。
第２の導波路である環状の導波路４は円盤状の反射板３の周囲に設けられ、その反射板３に反射された電波の放射特性を回転対称な放射特性に成形する。
環状の導波路４の内周面には径方向の溝４ａが施され、その溝４ａの深さは用いている電波の周波数において４分の１波長に相当する長さである。
なお、円盤状の反射板３と金属の突起３ａ及び環状の導波路４から一次放射器の放射導波路が構成されている。
主反射鏡５は円盤状の反射板３と正対する位置に配置され、環状の導波路４により放射特性が成形された電波を反射する。

次に動作について説明する。
まず、円形導波管１の端子Ｐ１から例えば基本モードの電波が入力されると、その電波が円形導波管１の内部を伝搬して、円形導波管１の開口面１ａから円盤状の反射板３に向けて放射される。
この際、円形導波管１は金属で構成されているので、円形導波管１の内部に電波が入力されると、円形導波管１が電波に対して電気壁の作用を施すことになる。
電気壁の作用により、円形導波管１の内部を伝搬する電波の電界方向には図３に示すような歪が生じる。ただし、図３（ａ）は円形導波管１を側面から見たときの電界方向を示し、図３（ｂ）は円形導波管１を上面から見たときの電界方向を示している。

図２（ａ）の例では、円形導波管１の内部には誘電体２が挿入されているので、円形導波管１の端子Ｐ１から入力された電波は、円形導波管１の内部の誘電体２を通じて伝搬されることになるが、円形導波管１の内部が空洞である場合よりも、円形導波管１の管径を細くすることができる。

円形導波管１の開口面１ａから放射された電波は、円盤状の反射板３に反射されて、その大部分が主反射鏡５に放射される。
反射板３の中心部には金属の突起３ａが設けられているので、円形導波管１の開口面１ａから放射された電波が反射板３に反射されて円形導波管１に戻る電波は、ほとんど存在しない。

円盤状の反射板３に反射された電波は、電界方向が歪んだままであるが、円盤状の反射板３の周囲に環状の導波路４が設けられているので、環状の導波路４により電界方向の歪みが解消されて、その電波の放射特性が回転対称な放射特性に成形される。

即ち、環状の導波路４の内周面には径方向の溝４ａが施されており、その溝４ａの深さが用いている電波の周波数において４分の１波長に相当する長さであるので、図４（ａ）に示すように、環状の導波路４の内周面には、電流が流れない磁気壁が形成される。
この磁気壁の作用により、環状の導波路４の内側を通る電波に対して、電気壁の作用による歪を打ち消すような反対方向の歪が加えられる（図４（ｂ）を参照）。
この結果、電気壁の作用と磁気壁の作用が中和されるため、図５に示すように、電界方向の歪みが解消されて、その電波の放射特性が回転対称な放射特性に成形される。

なお、この実施の形態１では、溝４ａの深さが用いている電波の周波数において４分の１波長に相当する長さであるが、図６に示すように、溝４ａの深さがλ／４，３λ／４，５λ／４，・・・のとき、即ち、（２ｎ−１）×λ／４（ただし、ｎ＝１，２，３，・・・）のとき、磁気壁の作用が最大になるので、溝４ａの深さは必ずしも電波の周波数の４分の１波長である必要はなく、（２ｎ−１）×λ／４であればよい。ただし、λは波長である。

環状の導波路４により回転対称な放射特性に成形された電波は、主反射鏡５により反射されて、所定の方向に放射される。
なお、主反射鏡５により反射される電波の放射特性は、回転対称な放射特性である。

逆に、受信動作の場合は、アンテナの可逆性により、所定の方向から放射特性が回転対称な電波（受信電波）が主反射鏡５に放射されると、その電波は主反射鏡５に反射されて円盤状の反射板３に放射される。
この際、その電波が環状の導波路４の内側を通ると、磁気壁の作用により、その電波に対して歪が加えられる。

環状の導波路４により歪が加えられた電波は、円盤状の反射板３に反射されて、円形導波管１の開口面１ａに向けて放射される。
円形導波管１の開口面１ａから入射された電波は、その円形導波管１の内部を伝搬して端子Ｐ１から放射される。
この際、その電波が円形導波管１の内部を伝搬すると、電気壁の作用により、その電波に対して磁気壁の作用による歪を打ち消すような反対方向の歪が加えられる。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、円形導波管１の開口面１ａから放射された電波を反射する円盤状の反射板３を円形導波管１の開口面１ａと正対する位置に配置する他に、その円盤状の反射板３に反射された電波の放射特性を回転対称な放射特性に成形する環状の導波路４を円盤状の反射板３の周囲に設けるように構成したので、回転対称な放射特性を得るために、数多くの溝４ａを施す必要がある場合でも、円盤状の反射板３の径方向を大きくする必要がない。このため、副反射鏡の存在がサイドローブレベルの上昇と利得劣化の原因にならず、高利得化や低交差偏波化や低サイドローブ化を図ることができる効果を奏する。

また、この実施の形態１によれば、環状の導波路４の内周面に径方向の溝４ａが施され、その溝４ａの深さが電波の４分の１波長に相当する長さであるので、環状の導波路４の径方向の幅を小さくすることができる効果を奏する。

また、この実施の形態１によれば、円形導波管１の内部に誘電体２の一部が挿入され、その円形導波管１に挿入されていない誘電体２の非挿入部位の端部が円盤状の反射板３に取り付けられているので、円形導波管１の内部が空洞である場合よりも、円形導波管１の電波の伝搬率が高められ、円形導波管１の管径を細くすることができる効果を奏する。
また、円盤状の反射板３が誘電体２を介して円形導波管１と固定されているため、金属支柱などの支持構造が不要となる。金属支柱により円盤状の反射板３が固定される場合と比較して、金属支柱からの散乱等による影響がなくなるため、高利得化や低サイドローブ化や低サイドローブ化が可能になる。

さらに、この実施の形態１によれば、反射板３の反射面の中心部に金属の突起３ａが設けられているので、円形導波管１の開口面１ａから放射された電波が円形導波管１にほとんど戻ることなく空間に放射され、電波の放射効率を高めることができる効果を奏する。

なお、この実施の形態１では、導波管が円形導波管１であるものについて示したが、方形導波管であってもよく、同様の効果を奏することができる。
ここでは、環状の導波路４に設けられた溝４ａが複数あり、さらに、金属突起３ａが環状の導波路４の端部よりも反射板３側に配置された場合の構成図を例示して説明したが、これに限らず、図２（ｂ）に示すように、溝４ａが１つである場合、また、金属突起３ａが環状の導波路４の端部よりも円形導波管１側に伸びている構成でもよく、上記同様の動作により同様の効果を奏することができる。

実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す構成図であり、図８はこの発明の実施の形態２によるアンテナ装置のアンテナ一次放射器を示す構成図である。
図において、図１及び図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
円盤状の反射板６は円形導波管１の開口面１ａと正対する位置に配置され、円形導波管１の開口面１ａから放射された電波を主反射鏡５に向けて反射する。反射板６の反射面の中心部には金属の突起６ａが設けられている。
また、反射板６の反射面には垂直方向の溝６ｂが施され、その溝６ｂの深さは電波の周波数の４分の１波長に相当する長さである。

次の動作について説明する。
上記実施の形態１では、環状の導波路４の内周面に径方向の溝４ａを施すことにより、磁気壁を形成するものについて示したが、円盤状の反射板６の反射面に垂直方向の溝６ｂを施しても、磁気壁を形成することができる。

このように、円盤状の反射板６の反射面に垂直方向の溝６ｂを施せば、環状の導波路４の内周面に施す径方向の溝４ａの個数を減らすことができる。
環状の導波路４の長さを長くすると、主反射鏡５に放射する電波のビーム径が小さくなり、環状の導波路４の長さを短くすると、主反射鏡５に放射する電波のビーム径が大きくなる。
したがって、例えば、環状の導波路４の長さを長くしたくないが、多くの溝を施す必要があるような場合には（電波の周波数によって必要とする溝の個数が異なる）、円盤状の反射板６の反射面に垂直方向の溝６ｂを施すようにする。

以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、円盤状の反射板６の反射面に垂直方向の溝６ｂを施すようにしているので、主反射鏡５に放射する電波のビーム径を必要以上に小さくすることなく、所望の個数の溝を施すことができる効果を奏する。

実施の形態３．
上記実施の形態１，２では、円形導波管１に挿入されていない誘電体２の非挿入部位の端部が円盤状の反射板３に取り付けられている（例えば、接着剤などにより取り付けられる）ものについて示したが、図９及び図１０に示すように、円盤状の反射板６と誘電体２と円形導波管１が誘電体ネジ７によって固定されるようにしてもよい。

これにより、円盤状の反射板６と円形導波管１を確実に固定することができるが、誘電体ネジ７が電波に与える影響を軽減するため、４本の誘電体ネジ７を使用する場合、４本の誘電体ネジ７が偏波の向きと４５度異なる位置に配置されるようにしている。
なお、この実施の形態３では、誘電体ネジ７を偏波の向きと４５度の異なる位置に配置されるようにしているが、誘電体ネジ７を偏波の向きと０度の位置に配置してもよく、同様の効果を奏することができる。

実施の形態４．
上記実施の形態１〜３では、環状の導波路４を円盤状の反射板３の周囲に設けているものについて示したが、図１１及び図１２に示すように、内周面がラッパ状に形成されている環状の導波路４を円盤状の反射板３の周囲に設けるようにしてもよい。
このように、環状の導波路４の内周面をラッパ状に形成、即ち、環状の導波路４の内周面を所定の角度をもって形成することにより、主反射鏡５に放射する電波のビーム径を所望のビーム径にすることができる効果を奏する。

実施の形態５．
図１３はこの発明の実施の形態５によるアンテナ装置を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
円形導波管１の外周面に溝１ｂが施され、その溝１ｂの深さは電波の周波数の４分の１波長に相当する長さである。

上記実施の形態１〜４では、円形導波管１の外周面に溝１ｂが施されていないので、円盤状の反射板３，６に反射された電波が、円形導波管１の電気壁の作用を受けながら主反射鏡５に放射される。
しかし、この実施の形態５では、円形導波管１の外周面に溝１ｂを施して磁気壁を形成しているので、円形導波管１の外周面に電流が流れなくなる。そのため、円形導波管１からの再放射がなくなるので、円形導波管１からの不要な放射がなくなる。

ただし、図１４のように、溝１ｂを円形導波管１の外周面に形成すると、円盤状の反射板３に反射された電波が、溝１ｂの側面に反射されて円盤状の反射板３に戻ることがある。
そこで、この実施の形態５では、図１５に示すように、円盤状の反射板３側に位置する溝１ｂの側面にテーパー１ｃを形成するようにしている。
これにより、円盤状の反射板３に反射された電波が、溝１ｂの側面に反射されて円盤状の反射板３に戻ることを防止することができる効果を奏する。

以上のように、この発明に係るアンテナ装置は、主としてＶＨＦ帯、ＵＨＦ帯、マイクロ波帯及びミリ波帯の電波を送受信するに際して、電波の放射特性を回転対称な放射特性に成形する必要があるものに適している。

Claims (13)

1. 電波を伝送する第１の導波路と、上記第１の導波路の開口面から放射された電波を反射する円盤状の反射板と、上記反射板の周囲に設けられ、上記反射板に反射された電波の放射特性を回転対称な放射特性に成形する環状の第２の導波路とを備えたアンテナ装置。
2. 第２の導波路の内周面に径方向の溝が施され、その溝の深さが電波の周波数の４分の１波長に相当する長さであることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 第１の導波路が円形導波管であることを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
4. 第１の導波路の内部に誘電体の一部が挿入され、その第１の導波路に挿入されていない誘電体の非挿入部位の端部が円盤状の反射板に取り付けられていることを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
5. 円盤状の反射板と誘電体と第１の導波路が誘電体ネジによって固定されていることを特徴とする請求項４記載のアンテナ装置。
6. ２ｎ本（ｎ＝１，２，３・・・）の誘電体ネジが使用され、２ｎ本の誘電体ネジが偏波の向きに対して対称となる位置に配置されていることを特徴とする請求項５記載のアンテナ装置。
7. 円盤状の反射板の反射面に溝が施され、その溝の深さが電波の周波数の４分の１波長に相当する長さであることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
8. 第２の導波路の内周面がラッパ状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
9. 円盤状の反射板の反射面に金属の突起が設けられていることを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
10. 電波を伝送する第１の導波路と、上記第１の導波路の開口面と正対する位置に配置され、上記第１の導波路の開口面から放射された電波を反射する円盤状の反射板と、上記反射板の周囲に設けられ、上記反射板に反射された電波の放射特性を回転対称な放射特性に成形する環状の第２の導波路と、上記円盤状の反射板と正対する位置に配置され、上記環状の反射板により放射特性が成形された電波を反射する主反射鏡とを備えたアンテナ装置。
11. 第２の導波路の内周面に径方向の溝が施され、その溝の深さが電波の周波数の４分の１波長に相当する長さであることを特徴とする請求項１０記載のアンテナ装置。
12. 第１の導波路の外周面に溝が施され、その溝の深さが電波の周波数の４分の１波長に相当する長さであることを特徴とする請求項１０記載のアンテナ装置。
13. 円盤状の反射板側に位置する溝の側面にテーパーが形成されていることを特徴とする請求項１２記載のアンテナ装置。

Images