WO2004109856A1 - 電波レンズアンテナ装置 - Google Patents

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WO2004109856A1
WO2004109856A1 PCT/JP2004/007613 JP2004007613W WO2004109856A1 WO 2004109856 A1 WO2004109856 A1 WO 2004109856A1 JP 2004007613 W JP2004007613 W JP 2004007613W WO 2004109856 A1 WO2004109856 A1 WO 2004109856A1
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dielectric
waveguide
radio wave
lens
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PCT/JP2004/007613
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Inventor
Katsuyuki Imai
Masatoshi Kuroda
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries, Ltd.
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    • H01Q19/06—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens
    • H01Q19/08—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens for modifying the radiation pattern of a radiating horn in which it is located
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    • H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
    • H01Q25/007—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns using two or more primary active elements in the focal region of a focusing device
    • H01Q25/008—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns using two or more primary active elements in the focal region of a focusing device lens fed multibeam arrays

Definitions

  • the present invention relates to a radio wave lens antenna device for wireless communication configured by combining a spherical or hemispherical Luneberg radio wave lens for converging a radio wave beam and a miniaturized antenna element (primary radiator).
  • FIG. 1 shows a conceptual diagram of an antenna device using a hemispherical Luneberg radio wave lens.
  • 1 is a hemispherical Luneberg radio lens (hereinafter simply referred to as a radio lens) that converges the radio beam
  • 2 is a radio lens that is attached to the bisection of the sphere of the radio lens 1 and directs the radio wave or target incident from the sky.
  • 3 is an antenna element (primary radiator) for transmitting or receiving radio waves.
  • the antenna element 3 is held by a not-shown arm of an arm type or the like so that the antenna element 3 can be arranged at an arbitrary radio wave convergence point of the radio wave lens 1.
  • this radio wave lens antenna device for example, when considering reception, a radio wave A arriving from a certain direction is bent by a radio wave lens 1 to reach a reflector 2, and then reflected by a reflector 2. Then, as shown in FIG. 1, the light is converged on the opposite side to the center of the lens, and can be received by the antenna element 3.
  • a radio wave arriving from an arbitrary direction above the reflector 2 can be received, in other words, any hemispherical point of the radio wave lens 1 can be a focal point.
  • Fig. 1 shows the force S with the focal point on the lens surface, and the focal point is actually slightly outside the lens surface (generally adjusted within the range of Omm-100mm). That many.
  • communication satellites are generally adjacent on the equator at intervals of 4 degrees (overseas, 2 degrees), and those satellites viewed from the surface of the earth (Communication Satellite: CS for short) Is about 4.4 degrees (2.2 degrees overseas).
  • the antenna elements are arranged at 4.4-degree intervals at the focal point near the surface of the radio lens.
  • the linear distance between adjacent antenna elements is 2 X (200 + 50) X (sin (4. It can be calculated in 4 2)), which is about 19.2 mm, and very small antenna elements are needed to meet the demand.
  • FIG. 14 shows an example of the directivity pattern of the antenna.
  • the signal S other than the M force S main lobe and main lobe in the figure is the side lobe.
  • the directivity pattern of the antenna element alone is narrowed, and the power entering the center of the lens is increased.
  • the power (amplitude) can be tapered at the radiation aperture surface.
  • narrowing down the directivity pattern is defined using the 3dB power width (half width) of the directivity pattern, and narrowing down is expressed in other words as narrowing the half width or narrowing the half width.
  • FIGS. 2 (a) and 2 (b) show a comparison of directivity patterns when the amplitude distribution is uniform and when the amplitude distribution is tapered.
  • Fig. 2 (a) when the amplitude distribution is uniform, the level of the side lobe S relative to the main lobe M becomes relatively high, while the amplitude distribution is tapered as shown in Fig. 2 (b). And side lobe S becomes smaller.
  • FIG. 14 shows the directivity pattern of the lens antenna when power is received by an antenna element having a wide half-width, and the sidelobe S exceeds the desirable envelope.
  • the level of the side lobe of the lens antenna increases, and when the half width of the antenna element is reduced to reduce the side lobe of the lens antenna, the size of the antenna element increases.
  • downsizing the antenna element and reducing the side lobe of the lens antenna are incompatible.
  • the focal point is located farther away than the lens antenna, the distance between the physical antenna elements for communicating independently with the P-contact satellite can be increased. For this reason, there is no particular limitation in the design of the antenna element. In general, a circular horn antenna (a conical horn antenna with an opening size of 30 mm or more) is used, but a parabolic antenna supports a large number of satellites. Can not do it. Also, this parabolic antenna has a problem in that since the focal length is long, the mechanism such as the elbow of the antenna element becomes large accordingly, and a bulky image is given.
  • the present invention provides an antenna device using a Luneberg radio wave lens.
  • the objective is to reduce the size of the antenna element to a size that can be used for satellites with a small angle of separation while keeping the idrobe below the desirable envelope level. By solving this problem, it is possible to realize a compact and well-formed multi-beam antenna device.
  • the antenna element is configured by a dielectric-loaded waveguide antenna (dielectric-loaded feed) in which a dielectric is loaded in the opening at the front end of the waveguide. Then, this antenna element was combined with a hemispherical Luneberg radio wave lens or a spherical Luneberg radio wave lens having a reflector attached to the bisection of the sphere to form a radio wave lens antenna device.
  • the waveguide forming the antenna element may have a taper that slightly expands in consideration of the dielectric insertability and mold release during manufacturing, but is basically a straight tube. The shape is different from the waveguide for the horn antenna.
  • the dielectric-loaded waveguide antenna used in this radio lens antenna device has a more dielectric material in the opening at the tip end of the rectangular waveguide than a circular waveguide or a waveguide using an elliptical cross section.
  • a loaded one square dielectric loaded waveguide antenna
  • the rectangular waveguide here basically refers to a tube having a rectangular cross section. However, a rectangular cross section may be used to adjust the directivity pattern of the E-plane and the H-plane. It is also preferable to use a dielectric-loaded waveguide antenna with a choke structure in which a waveguide is provided with a groove extending around the front surface of the waveguide.
  • the dielectric loaded in the opening at the tip of the waveguide may be in the form of a column. Preferred forms of the dielectric are listed below.
  • the center of the tip of the dielectric is located off the extension of the waveguide axis and the tip of the dielectric is non-rotationally symmetric.
  • a part of the outer periphery of the protrusion of the dielectric material forward of the waveguide is taken as the waveguide section (perpendicular to the axis). Removed along the plane in the direction of intersection.
  • the dimension of the projection of the dielectric material in front of the waveguide in the antenna element arrangement direction is smaller than the dimension perpendicular to the antenna element arrangement direction in the plane including the cross section of the projection.
  • the tip of the protrusion of the dielectric from the waveguide is cut so that the tip of the dielectric is flat or rounded.
  • the shape of the dielectric does not necessarily have to match the shape of the waveguide, and a structure in which a convex lens-shaped dielectric is loaded into the opening at the distal end of the waveguide can also be used.
  • the antenna element (dielectric-loaded waveguide antenna) employed in the radio wave lens antenna device of the present invention increases the power entering the center of the lens by the action of the dielectric loaded at the opening at the tip of the waveguide.
  • the effect of reducing the power increases as the lens approaches the surface of the lens, and the half width can be reduced without increasing the aperture of the antenna.
  • a rectangular waveguide has a lower lower limit (cutoff point) of the frequency of a radio wave that can pass than a circular waveguide of the same size, and thus a desired frequency band is smaller than a circular waveguide. Can be secured. For this reason, the one using the antenna element composed of the rectangular dielectric loaded waveguide antenna can meet the demand for further compactness required for the antenna element combined with the radio wave lens.
  • the antenna element is constituted by the dielectric loaded waveguide antenna and combined with the hemispherical Luneberg radio wave lens, the antenna element can be downsized. It is possible to reduce the side lobe of the lens antenna at the same time, and it is possible to realize a high-performance multi-beam antenna with a large number of satellites with small separation angles as communication partners.
  • the one in which the tip of the dielectric protrusion from the waveguide is cut can shorten the length of the antenna element and further reduce the size of the antenna device.
  • the dielectric with the rounded tip after cutting has excellent drainage properties.
  • FIGS. 3 to 13 show an embodiment of the present invention.
  • the basic structure of the radio wave lens antenna device of the present invention is the same as that shown in FIG. 1 (some use a spherical Luneberg radio wave lens and do not use a reflector), and only antenna elements have been conventionally considered. Different from the ones. Therefore, the embodiment shows only the structure of the antenna element.
  • the antenna element 3 of FIG. 3 is configured by loading a rectangular dielectric 4 with a prismatic dielectric 6 in the opening at the tip end of the rectangular waveguide 4.
  • the antenna element 3 in FIG. 4 is configured by loading a circular cylindrical waveguide (or an elliptical waveguide) 5 with a cylindrical dielectric material 6 at the opening of the tip. .
  • the material of the waveguides 4 and 5 may be die cast excellent in mass productivity as long as the material is a metal such as brass or aluminum.
  • the size of the waveguides 4 and 5 can be set to, for example, 18 mm or less on one side of a rectangular waveguide in the frequency band of 12 GHz (both a and b in FIG. 3A are 18 mm or less). Even when the spacing between the antenna elements is 19.2 mm as described above, the antenna elements can be arranged at a desired position without interfering with each other.
  • the dielectric 6 is preferably made of a material such as polyethylene having a relatively low dielectric constant and a small dielectric loss tangent (tan ⁇ ).
  • the length of the dielectric 6 (L in FIG. 5) is determined based on the half width of the antenna element 3.
  • FIG. 6 shows that the antenna element 3 has a choke structure by providing a groove 7 around the front surface of the waveguide 4.
  • this choke structure is used together, the effect of reducing the side lobe of the antenna element alone is obtained, and the side lobe level is further reduced.
  • This chalk structure The structure is also effective for an antenna element using a waveguide other than a rectangular waveguide.
  • the shape of the dielectric 6 loaded on the waveguide is not limited to a columnar shape.
  • Fig. 7 shows a rectangular waveguide 4 (or circular waveguide 5) loaded with a convex lens-shaped dielectric 6 at the tip opening, and a dielectric 6 having such a shape can also be used. .
  • FIG. 8 to FIG. 13 show an antenna element that is effective when the distance between the elements is narrow and there is a concern about coupling.
  • Fig. 8 (a) shows a state in which two antenna elements 3 using the circular waveguide 5 and two antenna elements 3 using the rectangular waveguide 4 are arranged at an interval P corresponding to the interval between the geostationary satellites. ) And (b).
  • a rectangular waveguide is smaller than a circular waveguide when dealing with radio waves of the same frequency.Therefore, if a rectangular waveguide 4 is used, two antenna elements 3 are separated by a distance P. The distance P between the dielectrics 6 of both antenna elements when a rectangular waveguide 4 is used.
  • the degree of coupling is smaller than that using the waveguide 5, and the degree of coupling is smaller.
  • FIG. 9 shows an example of the cross-sectional shape of the protrusion.
  • the width w short side in the case of an elliptical cross section
  • the dimension d the long side in the case of an elliptical cross section
  • the width direction corresponds to the arrangement direction of the antenna elements.
  • FIG. 10 shows an example in which the protrusion of the dielectric 6 from the waveguide is tapered.
  • FIG. 10 (a) shows the projection of the dielectric 6 from the waveguide formed into an elliptical cone or polygonal pyramid, and the apex of the cone is on the central axis of the bottom surface of the cone.
  • the tip of this protruding part is cut as shown in Fig. 10 (b) and Fig. 10 (c)
  • the axial dimension of the antenna element is shortened, and the distance from the surface of the radio wave lens to the focal point is shortened.
  • the device can be made more compact.
  • tip of the dielectric 6 after the cut is desirably set to the R-plane in FIG. 10 (c) rather than the plane in FIG. 10 (b) in consideration of drainage when rainwater is strong. I like it.
  • the vertex When the protrusion of the dielectric 6 is formed into a conical shape, the vertex may be located off the center axis of the bottom surface of the cone as shown in FIG. 10 (d).
  • the antenna element 3 in which the protrusion of the dielectric 6 has a non-rotationally symmetric shape is an antenna in which two antenna elements are arranged close to each other. Can be used effectively for That is, when two antenna elements are arranged close to each other, a coupling phenomenon occurs, and the radio wave captured by each antenna element is distorted.
  • the force S can be reduced by distributing the distortion by biasing the tips of the protrusions of the dielectric 6 away from each other as shown in FIG.
  • a part of the outer periphery of the protrusion of the dielectric 6 is cut along a surface in a direction intersecting the cross section perpendicular to the axis of the waveguide, and the dielectric 6 is cut along the outer periphery. Coupling can also be reduced by a structure in which the waveguides of adjacent antenna elements are loaded so that they face each other.
  • the cut surface on the outer periphery of the dielectric 6 may not be perpendicular to the force perpendicular to the cross section perpendicular to the axis.
  • FIG. 13 shows a directivity pattern when the degree of coupling is small by a solid line, and a directivity pattern when the degree of coupling is large by a dashed line. If a rectangular waveguide is used and the shape of the dielectric is devised to suppress coupling, radio wave distortion will be reduced and communication sensitivity with geostationary satellites will be increased.
  • a substrate circuit is coupled to the base of the waveguide loaded with a dielectric, and a low noise amplifier (LNA), a frequency converter (converter), a transmitter, and the like are mounted on the substrate circuit.
  • the antenna element 3 may be configured as a low noise block (LNB) for a satellite broadcast antenna.
  • Each of the above-described antenna elements satisfies the following basic requirements 1) to 4) required for the element for the radio lens antenna apparatus of FIG. 1, and as a result, has the overall characteristics with the Luneberg radio lens. In addition, it can satisfy the requirement of low side lobe that enables independent communication with adjacent satellites.
  • the size is less than 0.8 ⁇ ( ⁇ : wavelength, for example, about 25 mm for 12.5 GHz frequency).
  • a half-value width of, for example, about 50 degrees can be realized.
  • the side lobe S is smaller than the preferable envelope (dotted line in the figure), and the separation angle is small (for example,
  • the size of the antenna element can be reduced, and installation restrictions on the space of the antenna element are relaxed, so that communication with a large number of satellites becomes possible.
  • FIG. 1 A conceptual diagram of an antenna device using a hemispherical Luneberg radio wave lens
  • FIG. 2 (a) A diagram showing the directivity pattern of the antenna when the amplitude distribution is uniform, and (b) a diagram showing the directivity pattern of the antenna when the amplitude distribution is tapered.
  • FIG. 3 (a) is a perspective view of a main part showing an example of the antenna element of the present invention, and (b) is a view showing a cross section of a rectangular waveguide.
  • FIG. 4 is a perspective view of a main part showing another example of the antenna element of the present invention.
  • FIG. 5 is a side view of a main part showing a basic form of the antenna element of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a main part of an antenna element loaded with a dielectric having a convex lens shape.
  • FIG. 8 (a) Diagram showing a state where two antenna elements using a circular waveguide are arranged. (B) Diagram showing a state where two antenna elements using a square waveguide are arranged.
  • FIG. 9 is a diagram showing a specific example of a cross-sectional shape of a (a)-(f) dielectric protrusion.
  • FIG. 10 (a) One (d) a diagram showing a specific example of the side surface shape of the dielectric protrusion.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of suppressing coupling by using an antenna element loaded with a dielectric material having a non-rotationally symmetrical tip.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example in which a part of a protrusion of a dielectric from a waveguide is cut to suppress coupling.
  • FIG. 13 A diagram showing a comparison of directivity patterns when the coupling is small and a large one.
  • FIG. 14 A diagram showing the directivity pattern of an antenna when the half width is wide.
  • FIG. 15 is a diagram showing an antenna directivity pattern when a dielectric-loaded waveguide antenna is used as an antenna element Explanation of reference numerals

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

　小さな離角で並んだ衛星との独立通信が可能なマルチビームレンズアンテナを実現する。 　導波管の先端開口部に誘電体６を装荷してこれをアンテナ素子３となし、このアンテナ素子３と、半球状のルーネベルグ電波レンズと、この電波レンズの球の２分断面に取り付けられて天空から入射される電波または標的に向けて放射される電波を反射させる反射板とを組み合わせて電波レンズアンテナ装置を構成した。導波管は円形導波管５よりも角形導波管４が好ましい。また、誘電体６は先細テーパ状のものが好ましい。

Description

明 細 書
電波レンズアンテナ装置
技術分野
[0001] この発明は、電波ビームを収束する球状或いは半球状のルーネベルグ電波レンズ と小型化されたアンテナ素子（一次放射器）とを組み合わせて構成される無線通信用 の電波レンズアンテナ装置に関する。
背景技術
[0002] 半球状のルーネベルグ電波レンズを用いたアンテナ装置の概念図を図 1に示す。
図中 1は電波ビームを収束する半球状のルーネベルグ電波レンズ (以下単に電波レ ンズと言う）、 2は電波レンズ 1の球の 2分断面に取り付けられて天空から入射される 電波または標的に向けて放射される電波を反射させる反射板、 3は電波を送信また は受信するアンテナ素子（一次放射器)である。アンテナ素子 3は、図示しないァー チ型のアームなどで保持して、電波レンズ 1の任意の電波収束点に配置できるように してある。
[0003] この電波レンズアンテナ装置は、例えば受信を考えたとき、ある方向から到来した 電波 Aは、電波レンズ 1によりその進行方向が曲げられて反射板 2に至り、次に反射 板 2で反射されて図 1に示すようにレンズの中心に対して反対側に収束されるので、 これをアンテナ素子 3で受信することができる。このことは、反射板 2よりも上の任意の 方向から到来した電波を受信できる、換言すれば、電波レンズ 1の半球状の任意の 点が焦点に成り得ることを意味している。
[0004] なお、送信の場合は上記とは逆であり、可逆性が成立する。
[0005] また、図 1はレンズの表面上に焦点がある状態にした力 S、焦点は実際にはレンズ表 面よりも少し外側（一般には Omm— 100mm程度の範囲で調整される）にあることが 多レ、。
[0006] 上記の特性を考慮すれば、赤道を含む面内に存在する複数 (N個）の静止衛星に 対し、独立的に受信あるいは送信するためには、アンテナ素子 3を複数 (N個）用意し 、各静止衛星に対する焦点にアンテナ素子を設置すればよぐひとつの電波レンズ で N個の衛星に対応できると言うの力 本電波レンズアンテナ装置の大きな利点であ る。
[0007] し力 ながら、この電波レンズアンテナ装置を真のマルチビームレンズアンテナとし て使用するためには、以下の問題を解決しなければならない。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] 例えば、 日本国内では、一般に通信衛星は赤道上に 4度 (海外では 2度）間隔で隣 接しており、地球表面上から見たそれらの通信衛星（Communication Satellite : 略して CSと称されている）の離角はおおよそ 4. 4度 (海外では 2. 2度）である。上述 した電波レンズアンテナ装置の利点を活かしてその 4. 4度間隔の衛星と各々独立し て通信するためには、アンテナ素子を電波レンズの表面近くにある焦点位置に 4. 4 度間隔で並べる必要がある。この要求に対し、例えば、半径 200mmのレンズアンテ ナで焦点が表面から 50mmの位置にあるとすれば、隣接するアンテナ素子間の直線 距離は、 2 X (200 + 50) X (sin (4. 4 2) )で計算でき、約 19. 2mmとなって要求 に応えるには非常に小さなアンテナ素子が必要になる。
[0009] また、 4. 4度間隔を保って隣接する衛星は、同一周波数の電波を用いるために、 独立して通信する必要がある。そのためには、他の衛星からの干渉ノイズ (雑音）が 小さいこと、言い換えれば、各々のアンテナ素子によるレンズアンテナ全体の指向性 パターンにおいて、 4. 4度ずれた (4· 4度離角した)方向からの信号 (雑音となるサイ ドローブ）のレベルが、メイン方向信号（メインローブ）のレベルに比べて十分に小さい ことが必要である。
[0010] 図 14に、アンテナの指向性パターンの一例を示す。図の M力 Sメインローブ、メイン口 ーブ以外の信号 Sがサイドローブである。
[0011] 通信衛星の近辺には、 4. 4度離れた通信衛星のみならず、他の衛星も多数存在 することから、例えば ITU勧告（ITU— R B. O. 1213)では、下式で表される包絡線
(図 14に点線で示す線）よりも下側にサイドローブレベルが収まることが望ましいとさ れている。
29-251og Θ dBi ( Θ 離角〔度〕） アンテナのサイドローブレベルを下げる方法は、これまでも多く報告されているが、 一般的にアンテナの開口分布（主に振幅分布）にテーパをつける方法で実現できる ことが知られている。
[0012] これをレンズアンテナで実現するには、アンテナ素子単体の指向性パターンを絞つ てレンズの中心部に入る電力を高ぐレンズの表面に近づくにつれて電力を小さくす れば、レンズアンテナの放射開口面で電力（振幅）のテーパ化を実現できる。以下、 指向性パターンを絞ることを、その指向性パターンの 3dB電力幅（半値幅）を用いて 定義し、絞ることを半値幅が狭い、または、半値幅を狭くすると言い換えて表現する。
[0013] 図 2 (a)、 (b)に振幅分布が一様な場合と、その振幅分布にテーパがついている場 合の指向性パターンを比較して示す。図 2 (a)のように、振幅分布が一様であるとメイ ンローブ Mに対するサイドローブ Sのレベルが相対的に高くなり、一方、図 2 (b)のよう に振幅分布にテーパがついているとサイドローブ Sは小さくなる。
[0014] し力 ながら、一般的にアンテナはその開口が大きいほど半値幅が狭くなり、開口 が逆に小さくなれば半値幅は広くなることが理論的に証明されている。図 14は、半値 幅が広いアンテナ素子で受電した場合のレンズアンテナの指向性パターンを示して おり、サイドローブ Sが望ましいとされる包絡線を越えている。
[0015] アンテナ素子を小さくするために開口を小さくするとレンズアンテナのサイドローブ のレベルが高くなり、また、レンズアンテナのサイドローブを下げるためにアンテナ素 子の半値幅を狭くするとアンテナ素子が大きくなり、このように、アンテナ素子の小型 化とレンズアンテナのサイドローブの低減は相容れない面がある。
[0016] なお、現状のパラボラアンテナでは、その焦点がレンズアンテナに比べて遠くに存 在するため、 P 接衛星と独立に通信するための物理的アンテナ素子間隔を大きくと ること力 sできる。そのため、アンテナ素子の設計においては特に制約を受けることがな く、一般的に円形のホーンアンテナ（開口寸法が 30mm以上の円錐ホーンアンテナ） が用いられているが、パラボラアンテナでは多数の衛星に対応することができない。 また、このパラボラアンテナは、焦点距離が遠いためにその分アンテナ素子の肘部な どの機構が大きくなり、嵩張ったイメージを与えることも問題となっている。
[0017] そこで、この発明は、ルーネベルグ電波レンズを用いたアンテナ装置において、サ イドローブを望ましいとされる包絡線レベル以下に抑えつつ、アンテナ素子を離角の 小さな衛星にも対応できるサイズに小型化することを課題としている。この課題を解決 すれば、小型で体裁の良いマルチビームアンテナ装置を実現することができる。
[0018] また、小型化したアンテナ素子を可及的に接近させて配置すると、所謂カップリング 現象を引き起し、隣り合うアンテナ素子の単体特性 (指向性)が大きく変化してアンテ ナの性能が悪くなる。従って、このカップリング現象の影響を極力小さくすることも重 要であり、その要求に応えることも課題としている。
課題を解決するための手段
[0019] 上記の課題を解決するため、この発明においては、アンテナ素子を、導波管の先 端開口部に誘電体を装荷した誘電体装荷導波管アンテナ (誘電体装荷フィード)で 構成し、このアンテナ素子を球の 2分断面に反射板を取り付けた半球状のルーネべ ルグ電波レンズ又は球状ルーネベルグ電波レンズと組み合わせて電波レンズアンテ ナ装置となした。アンテナ素子を構成する導波管は、誘電体の挿入性や、製造時の 型抜き性などを考慮すると若干外広がりのテーパがっくことがあるが、基本的にはスト レート管であり、ホーンアンテナ用の導波管とは形が異なる。
[0020] この電波レンズアンテナ装置に採用する誘電体装荷導波管アンテナは、円形導波 管や断面楕円形の導波管を使用したものよりも角形導波管の先端開口部に誘電体 を装荷したもの（角形誘電体装荷導波管アンテナ）が好ましい。ここで言う角形導波 管は、基本的には方形断面の管を指す。ただし、 E面、 H面の指向性パターンを調 整するために、矩形断面になることがあり得る。また、誘電体装荷導波管アンテナを、 導波管にその管の前面を一周する溝を設けたチョーク構造のアンテナにするのも好 ましい。
[0021] 導波管の先端開口に装荷する誘電体は、柱状にしてもょレ、。その誘電体のより好ま しい形態を以下に列挙する。
•導波管の先端力 突出させてその突出部を先細テーパ形状にしたもの。
•誘電体の先端中心を導波管の軸心の延長上から外れた位置に配置して誘電体の 先端側を非回転対称形状にしたもの。
•誘電体の導波管前方への突出部の外周の一部を導波管の断面 (軸直角断面）に 交差する方向の面に沿って除去したもの。
•誘電体の導波管前方への突出部のアンテナ素子配列方向寸法をその突出部の断 面を含む平面内においてアンテナ素子配列方向と直角方向の寸法よりも小さくしたも の。
•誘電体の導波管からの突出部の先端をカットして誘電体の先端を平面又は R面に したもの。
[0022] なお、誘電体の形状は、導波管の形状と必ずしも一致させる必要はなぐ導波管の 先端開口部に凸レンズ形状の誘電体を装荷した構造にすることもできる。
発明の効果
[0023] この発明の電波レンズアンテナ装置に採用したアンテナ素子 (誘電体装荷導波管 アンテナ）は、導波管の先端開口部に装荷した誘電体の働きによってレンズの中心 部に入る電力を高ぐレンズの表面に近づくにつれて電力を小さくする効果が高まり 、アンテナの開口を大きくせずに半値幅を狭くすることができる。
[0024] また、角形導波管は、同じサイズの円形導波管に比べて通過できる電波の周波数 の下限値 (カットオフ点）が低いので、円形導波管よりも小さな管で所望周波数帯域 を確保することができる。このため、角形誘電体装荷導波管アンテナで構成されるァ ンテナ素子を使用したものは、電波レンズと組み合わせるアンテナ素子に要求される より一層のコンパクト化の要求に応えることができる。
[0025] このように、この発明の電波レンズアンテナ装置は、アンテナ素子を誘電体装荷導 波管アンテナで構成し、これを半球状のルーネベルグ電波レンズと組み合わせたの で、アンテナ素子の小型化とレンズアンテナのサイドローブの低減を両立させること ができ、離角の小さい多数の衛星を通信相手にした性能の良いマルチビームアンテ ナを実現することが可能になる。
[0026] さらに、誘電体の導波管からの突出部を先細テーパ形状にしたもの、誘電体の先 端中心を非回転中心対称位置に配置したもの、誘電体の導波管前方への突出部の 外周の一部を導波管長手方向の面に沿って除去したもの、及び誘電体の突出部の アンテナ素子配列方向寸法をそれとは直角方向の寸法よりも小さくしたものは、近接 配置したアンテナ素子の誘電体間距離が大きくなつてカップリング現象の抑制効果 が高まる。
[0027] このほか、誘電体の導波管からの突出部の先端をカットしたものは、アンテナ素子 の長さを短縮してアンテナ装置をより小型化することができる。また、カット後の誘電 体先端を R面にしたものは水切り性に優れる。
発明を実施するための最良の形態
[0028] 図 3乃至図 13に、この発明の実施形態を示す。この発明の電波レンズアンテナ装 置の基本構造は図 1に示すもの（球状のルーネベルグ電波レンズを使用して反射板 を使用しないものもある）と同じであり、アンテナ素子のみが従来考えられているものと 異なる。従って、実施形態はアンテナ素子の構造のみを示す。
[0029] 図 3のアンテナ素子 3は、角形導波管 4の先端開口部に角柱状の誘電体 6を装荷し て構成されている。
[0030] また、図 4のアンテナ素子 3は、円形導波管 (楕円形の導波管でもよい） 5の先端開 口部に円柱状の誘電体 6を装荷して構成されてレ、る。
[0031] 導波管は、角形導波管、中でも断面方形の導波管がスペース効率が良ぐアンテ ナ素子の小型化の効果が最大限に発揮されるが、装荷する誘電体の性能によって は、円形、楕円形の管を用いても、アンテナ素子 3を要求サイズに縮小することがで きる。
[0032] 導波管 4、 5の材質は真鍮やアルミニウムなどの金属であればよぐ量産性に優れ たダイキャストであってもよい。この導波管 4、 5のサイズは、例えば、周波数 12GHz 帯であれば角形導波管の場合、一辺 18mm以下（図 3 (a)の a、 bが共に 18mm以下 )に収めることができ、アンテナ素子間隔が既述の 19. 2mmの場合にも、アンテナ素 子を互いに干渉させずに所望の位置に配置することが可能になる。
[0033] また、誘電体 6は、ポリエチレン等、比較的誘電率が低くてし力 誘電正接 (tan δ ) の小さい材料が望ましい。
[0034] この誘電体 6の長さ（図 5の L)は、アンテナ素子 3の半値幅に基づいて決定される。
[0035] 図 6は、導波管 4の前面に、その前面を一周する溝 7を設けてアンテナ素子 3をチヨ ーク構造にしたものである。このチョーク構造を併用するとアンテナ素子単体でのサ イドローブ低減の効果も得られ、サイドローブレベルがさらに下がる。このチョーク構 造は、角形以外の導波管を用いたアンテナ素子にも有効である。
[0036] 導波管に装荷する誘電体 6の形状は柱状に限定されない。図 7は角形導波管 4 (ま たは円形導波管 5)の先端開口部に凸レンズ形状の誘電体 6を装荷したものであり、 このような形状の誘電体 6を使用することもできる。
[0037] 図 8—図 13は、素子間の間隔が狭くてカップリングが懸念されるときに有効なアン テナ素子を示している。
[0038] 円形導波管 5を使用したアンテナ素子 3と角形導波管 4を使用したアンテナ素子 3 を静止衛星の間隔に対応した間隔 Pをあけてそれぞれ 2個並べた状態を図 8 (a)、 (b )に示す。角形導波管は、同じ周波数の電波に対応する場合には円形導波管よりも 管サイズが小さくてよぐそのため、角形導波管 4を使用すると 2個のアンテナ素子 3 を間隔 Pをあけて配置したときの両アンテナ素子の誘電体 6、 6間の間隔 P が円形導
1 波管 5を使用するものよりも広がってカップリングの度合いが小さくなる。
[0039] 各アンテナ素子は電波レンズの中心に向けて配置されて隣り合うアンテナ素子の 間隔が素子の先端に行くほど狭くなるので、誘電体 6の導波管からの突出部は先細 テーパ状にするのがよい。突出部の断面形状の一例を図 9に示す。例示の突出部は 、レ、ずれも幅 w (楕円断面の場合短辺）が幅直角方向寸法 d (楕円断面の場合長辺） よりも小さく、幅方向がアンテナ素子の配列方向となるように誘電体 6の向きを設定す ることによって隣り合うアンテナ素子の誘電体間距離をより大きくすることができる。
[0040] 誘電体 6の導波管からの突出部を先細テーパ状にした例を図 10に示す。図 10 (a) は、誘電体 6の導波管からの突出部を楕円の錐や多角錐にしたものであって、錐の 頂点が錐の底面の中心軸上にある。この突出部の先端を、図 10 (b)や図 10 (c)に示 すようにカットすると、アンテナ素子の軸方向寸法が短縮され、電波レンズの表面から 焦点までの距離を小さくしてアンテナ装置のさらなるコンパクト化を図ることができる。
[0041] なお、カット後の誘電体 6の先端は、雨水が力かったときの水切り性を考えると、図 1 0 (b)の平面よりも図 10 (c)の R面にするのが好ましレ、。
誘電体 6の突出部を錐状にしたときの頂点は、図 10 (d)に示すように錐の底面の中 心軸上から外れた位置に配置されていてもよレ、。このように、誘電体 6の突出部を非 回転対称形状したアンテナ素子 3は、 2個のアンテナ素子を近接して配置するアンテ ナ装置に有効に使用できる。即ち、 2個のアンテナ素子を近接して配置するとカップ リング現象が起こって各アンテナ素子で捕捉した電波が歪む。その歪を誘電体 6の 突出部先端を図 11に示すように互いに離反する方法に偏在させることによって小さく すること力 Sできる。
[0042] 図 12に示すように、誘電体 6の突出部の外周の一部を導波管の軸直角断面と交差 する方向の面に沿ってカットし、この誘電体 6を外周のカット面が向き合うように隣り合 うアンテナ素子の導波管に装荷する構造でもカップリングを低減することができる。誘 電体 6の外周のカット面は軸直角断面に対して垂直になっている力 垂直でなくても よい。
[0043] 図 13に、カップリングの度合いが小さいときの指向性パターンを実線で、また、カツ プリングの度合いが大きくときの指向性パターンを一点鎖線でそれぞれ示す。角形 導波管を使用し、さらに、誘電体の形状を工夫してカップリングを抑制すれば電波の 歪が小さくなり、静止衛星との通信感度が高まる。
[0044] このほか、誘電体を装荷した導波管の根元部に基板回路を結合し、この基板回路 上に低ノイズ増幅器 (LNA)、周波数変換器 (コンバータ）、発信器等を搭載してアン テナ素子 3を衛星放送アンテナ用低ノイズブロック (LNB)として構成してもよレ、。
[0045] 上述したアンテナ素子は、いずれも図 1の電波レンズアンテナ装置用の素子に要 求される下記 1)一 4)の基本性能を満足し、結果としてルーネベルグ電波レンズとの 総合特性である、隣接衛星との独立通信が可能な低サイドローブの要求を満たすこ とができる。
1) 0. 8 λ ( λ：波長、例えば、周波数 12· 5GHzの場合、約 25mm)以下のサイズで ある。
2)半値幅にっレ、て例えば 50度程度が実現できる。
3)垂直 V、水平 Hの両直線偏波共用のため直線偏波アンテナである（この条件を満 足すれば円偏波アンテナにも適用可能)。
4) E面、 H面（図 3 (b)参照）の指向性パターンを極力同じにできる。
[0046] 上述した誘電体装荷導波管アンテナ（角形導波管を用いたもの）を図 1の電波レン ズアンテナ装置にアンテナ素子 3として採用したときのレンズアンテナの指向性パタ ーンにおけるサイドローブの低減効果を図 15に示す。
[0047] このように、この発明を特徴づける誘電体装荷導波管アンテナを使用すると、サイド ローブ Sが好ましいとされる包絡線（図の点線)よりも小さくなり、離角が小さい（例えば
4. 4度間隔)衛星との独立通信が可能になる。
[0048] また、同時にアンテナ素子の小型化が図れ、そのアンテナ素子のスペース面での 設置規制が緩和されて多数の衛星との通信が可能になる。
図面の簡単な説明
[0049] [図 1]半球状のルーネベルグ電波レンズを用いたアンテナ装置の概念図
[図 2] (a)振幅分布が一様な場合のアンテナの指向性パターンを示す図、（b)振幅分 布にテーパをつけた場合のアンテナの指向性パターンを示す図
[図 3] (a)この発明のアンテナ素子の一例を示す要部の斜視図、（b)角形導波管の断 面を示す図
[図 4]この発明のアンテナ素子の他の例を示す要部の斜視図
[図 5]この発明のアンテナ素子の基本形を示す要部の側面図
[図 6]チョーク構造を併用したアンテナ素子の要部の側面図
[図 7]凸レンズ形状の誘電体を装荷したアンテナ素子の要部の断面図
[図 8] (a)円形導波管を使用したアンテナ素子を 2個並べた状態を示す図、 （b)角形 導波管を使用したアンテナ素子を 2個並べた状態を示す図
[図 9] (a)一（f)誘電体の突出部の断面形状の具体例を示す図
[図 10] (a)一（d)誘電体の突出部の側面形状の具体例を示す図
[図 11]先端が非回転対称形状の誘電体を装荷したアンテナ素子を用いてカップリン グを抑制する例を示す図
[図 12]誘電体の導波管からの突出部の一部をカットしてカップリングを抑制する例を 示す図
[図 13]カップリングが小さい場合と大きい場合の指向性パターンを比較して示す図 [図 14]半値幅が広い場合のアンテナの指向性パターンを示す図
[図 15]アンテナ素子として誘電体装荷導波管アンテナを用いた場合のアンテナの指 向性パターンを示す図 符号の説明
1 ノレーネベルグ電波レンズ
2 反射板
3 アンテナ素子
4 角形導波管
5 円形導波管
6 誘電体
7 溝
A 電波
M メインローブ
S サイドローブ

Claims

請求の範囲
[1] 電波ビームを収束する半球状の電波レンズと、この電波レンズの球の 2分断面に取 り付けられて天空から入射される電波または標的に向けて放射される電波を反射さ せる反射板と、前記電波レンズの任意の電波収束点に配置されて電波を送信または 受信するアンテナ素子とを有し、
前記アンテナ素子が、導波管の先端開口部に誘電体を装荷した誘電体装荷導波 管アンテナで構成され、そのアンテナ素子が近接して複数個設けられてレ、る電波レ ンズアンテナ装置。
[2] 電波ビームを収束する球状の電波レンズと、この電波レンズの任意の電波収束点 に配置されて電波を送信または受信するアンテナ素子とを有し、
前記アンテナ素子が、導波管の先端開口部に誘電体を装荷した誘電体装荷導波 管アンテナで構成され、そのアンテナ素子が近接して複数個設けられてレ、る電波レ ンズアンテナ装置。
[3] 前記誘電体装荷導波管アンテナが、角形導波管の先端開口部に誘電体を装荷し た角形誘電体装荷導波管アンテナである請求項 1又は 2に記載の電波レンズアンテ ナ装置。
[4] 前記誘電体装荷導波管アンテナの誘電体を導波管の前方に突出させて設け、そ の突出部を先細テーパ形状にした請求項 1乃至 3のいずれかに記載の電波レンズァ ンテナ装置。
[5] 前記誘電体の先端中心を前記導波管の軸心の延長上から外れた位置に配置して 誘電体の先端側を非回転対称形状にした請求項 4に記載の電波レンズアンテナ装 置。
[6] 前記誘電体を導波管の前方に突出させ、その突出部の外周の一部を導波管の断 面に交差する方向の面に沿って除去した請求項 1乃至 3のいずれかに記載の電波レ ンズアンテナ装置。
[7] 前記誘電体の導波管前方への突出部のアンテナ素子配列方向寸法をその突出部 の断面を含む平面内においてアンテナ素子配列方向と直角方向の寸法よりも小さく した請求項 4乃至 6のいずれかに記載の電波レンズアンテナ装置。
[8] 前記誘電体の導波管からの突出部の先端をカットして誘電体の先端を平面又は R 面にした請求項 4乃至 7のいずれかに記載の電波レンズアンテナ装置。
[9] 前記誘電体装荷導波管アンテナが、導波管にその管の前面を一周する溝を設け たチョーク構造のアンテナである請求項 1乃至 8のいずれかに記載の電波レンズアン テナ装置。
[10] 前記誘電体装荷導波管アンテナが、導波管の先端開口部に凸レンズ形状の誘電 体を装荷した構造のアンテナである請求項 1乃至 3のいずれかに記載の電波レンズ アンテナ装置。
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