WO2005062425A1 - 電波レンズアンテナ装置 - Google Patents

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WO2005062425A1
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lens
antenna device
antenna
primary radiator
radio wave
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French (fr)
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Masatoshi Kuroda
Katsuyuki Imai
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries, Ltd.
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/02—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical movement of antenna or antenna system as a whole
    • H01Q3/04—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical movement of antenna or antenna system as a whole for varying one co-ordinate of the orientation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—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
    • 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
    • H01Q19/062—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 focusing
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    • H01Q3/12—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical relative movement between primary active elements and secondary devices of antennas or antenna systems
    • H01Q3/14—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical relative movement between primary active elements and secondary devices of antennas or antenna systems for varying the relative position of primary active element and a refracting or diffracting device

Definitions

  • the present invention relates to a high gain, low side lobe lens antenna device configured by combining a radio wave lens having a Luneberg lens as a basic form and a primary radiator.
  • a radio wave lens having a Luneberg lens as a basic shape has a radio wave bending characteristic similar to that of a Luneberg lens, and the distance from the lens surface to the focal point of the lens is defined as a and the lens radius as Refers to a lens designed to satisfy the condition 0 ⁇ a ⁇ r (hereafter referred to as an approximate Luneberg lens).
  • An antenna device using a Luneberg lens is known to be effective as a multi-beam antenna, and is expected as an antenna for transmitting and receiving radio waves to and from satellites.
  • the optimization of the feed is indispensable and important.
  • a novola antenna is composed of a reflector and an LNB (low noise block). Radio waves are reflected by a parabolic reflection surface of the reflector and converge to a focal point, whereas a lens antenna is composed of a lens and an LNB. The radio wave is refracted inside the lens and converges on the focal point.
  • LNB low noise block
  • Non-Patent Document 1 describes a primary radiator.
  • Non-Patent Document 1 Antenna Engineering Handbook, 3rd Edition, 17—17—17 -21
  • Non-Patent Document 1 generally states that when the angle from the primary radiator to the reflector (dish) end is ⁇ 1, the gain drop at the angle ⁇ 1 from the main gain is 10 dB. That the primary radiator with excellent directivity has excellent gain and side lobe Yes.
  • the side lobe of the antenna decreases as the beam width of the primary radiator of the antenna increases. It is generally known that when the power at the end of the opening of a parabolic antenna is reduced to taper the power distribution, the side lobe decreases, but on the other hand, the gain of the antenna gradually decreases, and the primary radiation decreases. When the beam width of the detector narrows to a certain point, the gain drops sharply.
  • a lens antenna can reduce the side lobe by reducing the half-width of the primary radiator combined with the lens.
  • the gain of the antenna is also because the aperture of the lens cannot be used effectively.
  • the half-width position force of the primary radiator drops sharply, so it is not easy to achieve both high gain and low sidelobe.
  • an antenna using an approximate Luneberg lens can form a physically ideal curved surface, and unlike a parabolic antenna whose focal position is determined by the curvature of the curved surface, the characteristics of the lens deviate from ideal. For example, the discontinuity of the relative dielectric constant due to the structure and the variation of the radio wave bending factor that occur during actual lens manufacturing are inevitable, and this variation causes a higher side lobe. It is difficult to achieve both high gain and low side groove.
  • a distance from the lens surface to the focal point of the lens is defined as a, and a lens radius is defined as r.
  • the obtained radio lens approximately Luneberg lens
  • A 0 Z2 X (l + 2aZr)
  • 10 dB beam width refers to the width of a beam at a position 10 dB below the maximum gain of a radio wave, as shown in FIG.
  • the primary radiator is preferably one in which ⁇ is set so that the value of A is 50 or more and 70 or less.
  • the lens antenna device of the present invention constitutes a radio wave lens by combining a hemispherical lens and a reflector having a part of the reflection surface protruding outside the lens toward the direction of arrival of radio waves,
  • a combination of the radio wave lens, the primary radiator, and a holding means for holding the primary radiator in a fixed position can be considered as one form, which is suitable for transmitting to and receiving from a geostationary satellite. I have.
  • FIG. 1 is a side view showing an example of a lens antenna device of the present invention.
  • FIG. 2 is a side view showing another example of the lens antenna device of the present invention.
  • FIG. 3 Diagram showing the relationship between the distance from the lens surface to the focal point and the lens radius.
  • FIG. 4 Diagram showing the method for evaluating the performance of the lens antenna device.
  • FIG. 5 is a diagram showing performance evaluation results of a lens antenna device
  • the lens antenna apparatus shown in FIG. 1 includes a radio wave lens 1, a primary radiator 2 arranged at a focal point of the radio wave lens 1 (a focal point corresponding to a stationary satellite of a communication partner), and a primary radiator 2. And holding means 3 for holding 2 in a fixed position.
  • the illustrated radio wave lens 1 is configured by combining a hemispherical lens 4 made of a dielectric material and a reflector 5 attached to a bisecting portion of the sphere of the lens 4.
  • the radio wave lens 1 may be a spherical lens 4 shown in FIG. 2 or a combination of a 1Z4 hemispherical lens and a reflector.
  • the lens 4 in FIG. 2 may be a spherical lens 4 shown in FIG. 2 or a combination of a 1Z4 hemispherical lens and a reflector.
  • the lens 4 in FIG. 2 may be a spherical lens 4 shown in FIG. 2 or a combination of a 1Z4 hemispherical lens and a reflector.
  • the lens 4 is an approximate Luneberg lens formed by laminating layers having different relative dielectric constants, and bends radio waves having an arbitrary directional force to converge on a focal point.
  • the lens 4 is formed of a dielectric material that satisfies the condition 0 ⁇ a ⁇ r, where a is the distance from the lens surface to the focal point S of the lens in FIG.
  • the primary radiator 2 is not particularly limited, and may be any of a co-calhoun antenna, a pyramidal horn antenna, a corrugated horn antenna, a dielectric rod antenna, a dielectric mounted horn antenna, a patch antenna, and the like.
  • the size of the reflecting plate 5 is larger than that of the lens 4 so that a part of the reflecting surface protrudes outside the lens in the direction of arrival of radio waves.
  • the holding means 3 employs an arch-shaped arm that can adjust the elevation angle in the antenna device of FIG. 1, but may be a fixed stand or the like.
  • Example A more detailed example will be described below. The following were prepared as approximate Luneberg lenses.
  • Lens diameter 370mm, hemispherical shape, total 8 layers
  • a / r 0.005, 0.004, 0.09, 0.14, 0.25, 0.35, 0.51, 0.71 and 0.93.
  • a lens antenna device is constructed by combining each of the above lenses combined with a reflector and the corrugated horn antenna C H-1—CH-9 shown in Table 1, and each lens antenna at 12.7 GHz The over rate of the gain and side lobe of the device from the following criteria was calculated.
  • Figure 5 is an overlay of the data in Figures 6-14. The gain and side lobe over ratio of each antenna device are both concentrated on the position where they are almost on one curve. From this, it can be seen that the optimum feed of the antenna device can be obtained by using A in the above equation as a parameter.
  • the antenna device can be used as long as it has an antenna aperture efficiency of 50% (gain 31dB) or more and a side lobe of 20% or less, so that the condition of 40 ⁇ A ⁇ 80 is derived. Also, if the antenna aperture efficiency is 65% (gain 32dB) or more and the side lobe is 10% or less, a more favorable antenna device will be obtained, so a numerical value of 50 ⁇ A ⁇ 70 is derived as a more preferable numerical value of A.

Abstract

　近似ルーネベルグレンズを用いたアンテナ装置について、高ゲイン、低サイドローブを両立させる。 　レンズ４の表面からレンズの焦点までの距離をａ、レンズの半径をｒとして、０＜ａ≦ｒの条件を満たす誘電体で形成された電波レンズ１と、Ａ＝θ／２×（１＋２ａ／ｒ）の式で求まるＡが、４０以上、８０以下、より好ましくは５０以上、７０以下になる１０ｄＢビーム幅θを有する一次放射器２とを組み合わせてレンズアンテナ装置を構成した。

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、ルーネベルグレンズを基本形にした電波レンズと一次放射器を組み 合わせて構成される高ゲイン、低サイドローブのレンズアンテナ装置に関する。
[0002] なお、ルーネベルグレンズを基本形にした電波レンズとは、ルーネベルグレンズに 近似した電波の屈曲特性を有し、レンズ表面カゝらレンズの焦点までの距離を a、レン ズ半径 として、 0< a≤rの条件を満たすように設計されたレンズを指す (以下では これを近似ルーネベルグレンズと言う）。
背景技術
[0003] ルーネベルグレンズを用いたアンテナ装置は、マルチビームアンテナとして有効な ことが知られており、衛星との間で電波を送受信するためのアンテナとして期待され ている。
[0004] ところで、アンテナ装置の性能 (例えば高ゲイン、低サイドローブ)を最大限に引き 出すためにはフィードの最適化が不可欠であり、また重要となる。
[0005] ノ ボラアンテナは、反射板と LNB (低ノイズブロック）とからなり、電波は反射板の 放物線状反射面で反射されて焦点に収束するのに対し、レンズアンテナは、レンズと LNBとからなり、電波はレンズの内部で屈折して焦点に収束する。
[0006] このように、パラボラアンテナと近似ルーネベルグレンズを用いたアンテナは、その 原理'条件が異なり、両者の最適フィードは必ずしも一致しない。
[0007] ノ ボラアンテナについては、例えば、下記非特許文献 1に一次放射器に関する 記載がある。
非特許文献 1 : Antenna Engineering Handbook, 3rd Edition, 17— 17— 17 -21
[0008] この非特許文献 1は、一般的に、一次放射器から反射板 (ディッシュ)端に対する角 度を θ 1とすると、メインゲインからの角度 θ 1の位置におけるゲイン低下が 10dBに なるような指向性をもつ一次放射器がゲイン、サイドローブに優れていることを述べて いる。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0009] 近似ルーネベルグレンズにっ 、ては実用面で満足できるものが既にできて!/、るが、 レンズの性能カ^、かに優れて 、ても、フィードが適切でなければアンテナの性能は高 まらない。
[0010] ノ ラボラアンテナは、一次放射器のビーム幅を変化させるとアンテナのゲインが変 化する。ビーム幅が広すぎると電波の漏れが発生してゲインが低下し、一方、ビーム 幅が狭すぎるとパラボラ反射板に未使用部位が発生してゲインが低下する。
[0011] また、ノ ラボラアンテナの一次放射器のビーム幅を狭めるほどアンテナのサイドロー ブは低下する。一般にパラボラアンテナの開口面端部の電力を低下させて電力分布 にテーパをつけるとそのサイドローブが低下することが知られて 、るが、一方でアンテ ナのゲインが徐々に低下し、一次放射器のビーム幅があるところまで狭まるとゲイン は急激に低下する。
[0012] レンズアンテナも同様に、レンズと組み合わせる一次放射器の半値幅を狭めること によりサイドローブを低下させることができる力 一方で、アンテナのゲインもレンズの 開口面を有効に使用できないため、ある一次放射器の半値幅の位置力 急激に低 下し、従って、高ゲインと低サイドローブを両立させるのは簡単でない。
[0013] 特に、近似ルーネベルグレンズを用いたアンテナは、物理的に理想的な曲面を形 成でき、その曲面の曲率によって焦点位置が定まるパラボラアンテナと違ってレンズ の特性が理想からずれしまう。例えば、構造に起因する比誘電率の非連続性や、実 際のレンズ製造時に発生する電波屈曲率のばらつきが避けられず、このばらつきが 原因でサイドローブが高くなるため、パラボラアンテナよりも更に高ゲインと低サイド口 ーブを両立させるのが困難となる。
[0014] この近似ルーネベルグレンズを用いたアンテナ装置の性能を最大限に引き出すた めにフィードの最適化を図る必要がある力 近似ルーネベルグレンズを用いたアンテ ナ装置は、最近になって実用性のあるものが出現したアンテナ装置であり、その最適 フィードを求めるためのパラメータは見い出されて 、なかった。 [0015] 上述したように近似ルーネベルグレンズを用いたアンテナは、パラボラアンテナとは 原理 '条件が異なり、構造に起因する比誘電率の非連続性やレンズ製造に伴う電波 屈曲率のばらつきなどの問題もあることから、パラボラアンテナの思想をそのまま適用 して一次放射器の性能を決めることはできない。このため、フィードの最適化が不十 分でアンテナ装置の性能が十分に引き出されておらず、この問題の解決策が望まれ ていた。
課題を解決するための手段
[0016] 上記の課題を解決するため、この発明においては、レンズ表面カゝらレンズの焦点ま での距離を a、レンズ半径を rとして、 0< a≤rの条件を満たす誘電体で形成された電 波レンズ（近似ルーネベルグレンズ）と、
一次放射器の 10dBビーム幅を Θとして、 A= 0 Z2 X (l + 2aZr)の式で求まる A 力 40以上、 80以下になる 10dBビーム幅 Θを有する一次放射器とを組み合わせた
[0017] ここで云う 10dBビーム幅とは、図 15に示すように、電波のゲイン最大部から 10dB 下がった位置のビームの幅を指す。
[0018] 一次放射器は、前記 Aの値が 50以上、 70以下になるように前記 Θを設定したもの が好ましい。
[0019] この発明のレンズアンテナ装置は、半球状のレンズと、反射面の一部を電波の到来 方向に向けてレンズの外側にはみ出させた反射板とを組み合わせて電波レンズを構 成し、この電波レンズと、一次放射器と、この一次放射器を定位置に保持する保持手 段とを組み合わせたものが一形態として考えられ、これは静止衛星との間で送受信を 行うのに適している。
発明の効果
[0020] 近似ルーネベルグレンズと組み合わせる一次放射器の 10dBビーム幅 Θを上記の 通りに規定すると、サイドローブがより低くてゲインが大幅に低下しない電波レンズァ ンテナが得られる。
[0021] このパラメータを見いだしたことにより、高ゲイン、低サイドローブの高性能アンテナ 装置を、開発に要する手間と期間を少なくして提供することも可能になった。 図面の簡単な説明
[図 1]この発明のレンズアンテナ装置の一例を示す側面図
[図 2]この発明のレンズアンテナ装置の他の例を示す側面図
[図 3]レンズ表面カゝら焦点までの距離とレンズ半径の関係を示す図 [図 4]レンズアンテナ装置の性能評価の方法を示す図
[図 5]レンズアンテナ装置の性能評価結果を示す図
圆 6]a/ =0. 005のときのデ、ータを示す図
[図 7]a/ =0. 04のときのデー -タを示す図
[図 8]a/ 'r=0. 09のときのデー -タを示す図
圆 9]a/ 'r=0. 14のときのデー -タを示す図
[図 10]a, /r=0. 25のときのデ -タを示す図
園 ll]a, /r=0. 35のときのデ、 -タを示す図
圆 12]a, /r=0. 51のときのデ -タを示す図
圆 13]a, /r=0. 71のときのデ -タを示す図
圆 14]a, /r=0. 93のときのデ -タを示す図
[図 15]—次放射器の 10dBビーム幅の定義を示す図
符号の説明
1 電波レンズ
2 一次放射器
3 保持手段
4 レンズ
5 反射板
6 レドーム
7 スペクトルアナライザー
S 隹占
O レンズ中心
a レンズ表面から焦点までの距離
r レンズの半径 発明を実施するための最良の形態
[0024] 以下、添付図に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。図 1に示すレ ンズアンテナ装置は、電波レンズ 1と、この電波レンズ 1の焦点部（通信相手の静止衛 星に対応した位置の焦点部）に配置する一次放射器 2と、この一次放射器 2を定位 置に保持する保持手段 3とで構成されている。
[0025] 図示の電波レンズ 1は、誘電体で形成された半球状のレンズ 4と、そのレンズ 4の球 の 2分断面部に取り付ける反射板 5とを組み合わせて構成される。
[0026] 電波レンズ 1は、図 2に示す球状のレンズ 4や、 1Z4半球状のレンズと反射板を組 み合わせたものも考えられる。図 2のレンズ 4はレドーム 6で保持している。
[0027] レンズ 4は、比誘電率の異なる層を積層して構成された近似ルーネベルグレンズで あり、任意方向力 の電波を屈曲させて焦点に収束させる。このレンズ 4は、図 3にお いてレンズ表面からレンズの焦点 Sまでの距離を a、レンズ半径 ¾τとして、 0< a≤rの 条件を満たす誘電体で形成されて ヽる。
[0028] また、一次放射器 2は、その一次放射器の 10dBビーム幅を Θとして、 A= 0 Z2 X
(l + 2aZr)の式で求まる A力 40以上、 80以下になるもの、より好ましくは、 Aが 50 以上、 70以下になる 10dBビーム幅 Θを有するものを採用している。
[0029] なお、 a = 0では一次放射器 2がレンズと干渉するため一次放射器 2を設置できず、 また、 a >rでは一次放射器 2がレンズから離れすぎてアンテナが嵩高いものになるた め商品として成立し難い。その不具合を生じさせないようにするために、 0< a≤rの 条件を満足させた。
[0030] この一次放射器 2は、コ-カルホーンアンテナ、ピラミダルホーンアンテナ、コルゲ ートホーンアンテナ、誘電体ロッドアンテナ、誘電体装架ホーンアンテナ、パッチアン テナなど任意のものを利用でき特に限定されない。
[0031] 反射板 5は、レンズ 4よりも寸法を大きくして反射面の一部を電波の到来方向に向け てレンズの外側にはみ出させている。
[0032] 保持手段 3は、図 1のアンテナ装置では仰角調整ができるアーチ型のアームを採用 しているが、固定されたスタンドなどでもよい。
[0033] 実施例 以下により詳細な実施例について述べる。近似ルーネベルグレンズとして、下記の ものを準備した。
[0034] レンズ：直径 φ 370mm,半球形状、全 8層
a/r= 0. 005、 0. 04、 0. 09、 0. 14、 0. 25、 0. 35、 0. 51、 0. 71、 0. 93の全 9 種類。
[0035] また、一次放射器として、 10dBビーム幅の異なる下記のコルゲートホーンアンテナ
CH— 1から CH— 9を準備した。
[0036] [表 1]
Figure imgf000008_0001
[0037] 次に、反射板を組み合わせた上記の各レンズと表 1のコルゲートホーンアンテナ C H-1— CH-9をそれぞれ組合わせてレンズアンテナ装置を構成し、 12. 7GHzでの 各レンズアンテナ装置のゲインとサイドローブの下記基準からのオーバー率を求めた
[0038] そのゲインとサイドローブのオーバー率は、スペクトルアナライザー 7を使った図 4の 評価装置を用いて測定した。その結果を図 5に示す。この図 5は、前掲の Α= Θ /2 X ( l + 2aZr)の式で求まる Aとレンズアンテナ装置のゲインの関係を実線で、 Aとサ イドローブオーバ比率の関係を点線で各々示して 、る。
[0039] サイドローブ基準
1) 29-251og Θ (4. 4° ≤ Θ < 30° )
2) 8 (30° ≤ Θ < 90° )
3) 0 (90° ≤ Θ < 180° )
[0040] 図 6—図 14に、 aZr=0. 005、 0. 04、 0. 09、 0. 14、 0. 25、 0. 35、 0. 51、 0. 7 1、 0. 93の場合のデータを別々に示す。図 5は、図 6—図 14のデータを重ね合わせ たものになっている。各アンテナ装置のゲインとサイドローブオーバー比率は、それ ぞれが共に 1本の曲線上にほぼ乗る位置に集中している。これから、前式の Aをパラ メータにしてアンテナ装置の最適フィードを求め得ることが分かる。
[0041] アンテナの開口効率 50% (ゲイン 31dB)以上、サイドローブ 20%以下の性能を満 たせばアンテナ装置として使用可能であるので、 40≤A≤80の条件が導き出される 。また、アンテナの開口効率 65% (ゲイン 32dB)以上、サイドローブ 10%以下の性 能を満たせばより好ましいアンテナ装置になるので、 Aのより好ましい数値として 50≤ A≤ 70の数値が導き出される。

Claims

請求の範囲
[1] ルーネベルグレンズに近似した電波の屈曲特性を有し、レンズ表面からレンズの焦 点までの距離を a、レンズ半径 ¾τとして、 0< a≤rの条件を満たす誘電体で形成され た電波レンズと、
一次放射器の 10dBビーム幅を Θとして、 A= 0 Z2 X (l + 2aZr)の式で求まる A 力 40以上、 80以下になる 10dBビーム幅 Θを有する一次放射器とを組み合わせて 構成されるレンズアンテナ装置。
[2] 前記一次放射器の 10dBビーム幅 Θを、前記 Aの値が 50以上、 70以下になるよう に設定した請求項 1に記載のレンズアンテナ装置。
[3] 半球状のレンズと、反射面の一部を電波の到来方向に向けてレンズの外側にはみ 出させた反射板とを組み合わせて前記電波レンズを構成し、前記一次放射器を定位 置に保持する保持手段を備えさせて静止衛星との間で送受信を行うようにした請求 項 1又は 2に記載のレンズアンテナ装置。
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