WO2023157214A1 - 反射鏡アンテナ装置 - Google Patents

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WO2023157214A1
WO2023157214A1 PCT/JP2022/006562 JP2022006562W WO2023157214A1 WO 2023157214 A1 WO2023157214 A1 WO 2023157214A1 JP 2022006562 W JP2022006562 W JP 2022006562W WO 2023157214 A1 WO2023157214 A1 WO 2023157214A1
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WO
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frequency
reflector
primary radiator
radio wave
radiated
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/006562
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English (en)
French (fr)
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滋 牧野
宏昌 中嶋
伸一 山本
泰弘 西岡
Original Assignee
三菱電機株式会社
学校法人金沢工業大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to JP2023537231A priority patent/JP7395071B1/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures
    • 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
    • H01Q19/10—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 reflecting surfaces

Definitions

  • the present disclosure relates to a reflector antenna device including a primary radiator and a planar reflector.
  • Patent Literature 1 discloses a reflect array antenna in which grating lobes are prevented from occurring by optimizing the arrangement intervals of resonant elements arranged on the surface of a flat reflector.
  • Patent Document 2 discloses a reflect array antenna capable of widening the band by determining the positions of the reflector and the primary radiator.
  • patent document 1 and patent document 2 propose to widen the band, a gain reduction occurs due to residual aberration occurring at frequencies other than the set frequency, and a primary radiator consisting of a horn antenna and a parabolic curved reflector Compared with the parabolic antenna with the plates facing each other, the characteristics are still narrow band, and further broadening of the band is desired.
  • the present disclosure has been made in view of the above points, and aims to obtain a reflector antenna device having high aperture efficiency in a wide frequency band.
  • a reflector antenna device includes a primary radiator that adjusts the position of the phase center of a radio wave to be radiated back and forth along the radiation axis of the radio wave according to the frequency of the radio wave to radiate the radio wave; A flat dielectric plate and a plurality of resonant elements arranged on the surface of the dielectric plate serving as a reflecting surface for reflecting radio waves, each having a plurality of resonant elements for adjusting the phase of the reflected wave of the incident radio wave. and a reflector that receives radio waves emitted from the device and reflects the incident radio waves.
  • the position of the phase center of the radio wave radiated by the primary radiator is adjusted back and forth along the radiation axis of the radio wave according to the frequency of the radiated radio wave.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of the reflector antenna device according to Embodiment 1 as viewed from the side; 2 is a front view showing a reflector in the reflector antenna device according to Embodiment 1; FIG. 2 is a plan view showing an example of a resonant element in the reflector antenna device according to Embodiment 1; FIG. 4 is a plan view showing another example of a resonant element in the reflector antenna device according to Embodiment 1; FIG. 4 is a plan view showing another example of a resonant element in the reflector antenna device according to Embodiment 1; FIG. 4 is a plan view showing another example of a resonant element in the reflector antenna device according to Embodiment 1; FIG. 4 is a plan view showing another example of a resonant element in the reflector antenna device according to Embodiment 1; FIG.
  • FIG. 4 is a plan view showing another example of a resonant element in the reflector antenna device according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a plan view showing another example of a resonant element in the reflector antenna device according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a side view showing another example of a reflector in the reflector antenna device according to Embodiment 1;
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the arrangement relationship between a primary radiator and a reflector in the reflector antenna device according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a wavefront having residual aberration in a reflector antenna device;
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between the wavefront of a radio wave with a low frequency fL and the wavefront having residual aberration in the reflector antenna device according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is a diagram showing simulation results of gain versus frequency;
  • 2 is a perspective view showing a simulation model of a horn antenna as a primary radiator in the reflector antenna device according to Embodiment 1;
  • FIG. 10 is a diagram showing simulation results of phase center versus frequency;
  • FIG. 10 is a diagram showing a simulation result of gain reduction due to phase error with respect to frequency;
  • FIG. 11 shows a second simulation result of phase center versus frequency;
  • FIG. 4 is a diagram showing simulation results of gain versus frequency;
  • FIG. 4 is a diagram showing simulation results of efficiency with respect to frequency;
  • FIG. 11 shows a second simulation result of gain reduction due to phase error versus frequency;
  • Embodiment 1 A reflector antenna apparatus according to Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. 1 to 20.
  • FIG. The reflector antenna device comprises a primary radiator 1 and a reflector 2 .
  • the primary radiator 1 has a line segment connecting the position of the virtual image with respect to the position PC 0 of the phase center where the set frequency f 0 is radiated from the primary radiator 1 and the center point 2 (O) of the reflector 2, and the center of the reflector 2.
  • the primary radiator 1 and the reflector 2 are arranged in a positional relationship such that the angle formed with the horizontal plane passing through the point 2(O), the so-called image horn angle, is ⁇ .
  • the primary radiator 1 has a path length from the phase center position PC in the primary radiator 1 to the center point 2 (O) on the reflecting surface of the reflector 2 in accordance with the frequency f of the radio waves radiated from the primary radiator 1.
  • Built-in radio path length adjuster to adjust That is, the primary radiator 1 radiates a plurality of radio waves with different set frequency bands, which is a wide band from a low frequency fL to a high frequency fH , at the position PC of the phase center of the radiated radio waves. radiates radio waves while being adjusted back and forth along the radiation axis RA of the radio waves according to the frequency f.
  • the primary radiator 1 places the phase center position PCH of the high frequency fH radio wave on the radio wave radiation axis RA with respect to the phase center position PCL of the low frequency fL radio wave. Position it backward along the In short, the primary radiator 1 shifts the phase center position PC from the phase center position PC L to the phase center position PC L according to the frequency f for radio waves in a frequency band from a low frequency fL to a high frequency fH . Adjust continuously up to H.
  • the low frequency f L indicates the lower end frequency of the set frequency band of the radio waves radiated from the primary radiator 1
  • the high frequency f H indicates the set frequency band of the radio waves radiated from the primary radiator 1.
  • the primary radiator 1 radiates horizontally and vertically polarized radio waves.
  • the primary radiator 1 may be a horn antenna, or may be another antenna. An example in which the primary radiator 100 is a horn antenna will be described below.
  • the reflector 2 includes a dielectric plate 21, a plurality of resonant elements 22 arranged on the surface of the dielectric plate 21 serving as a reflecting surface for reflecting radio waves, and a metal plate 23 provided on the back surface of the dielectric plate 21.
  • the reflector 2 is a so-called reflect array using a flat reflector.
  • the dielectric plate 21 is flat as shown in FIG.
  • Each resonant element 22 adjusts the phase of the reflected wave of the incident radio wave (hereinafter referred to as the reflected phase).
  • Each resonant element 22 has a circular ring shape as shown in FIG. It is ring shaped.
  • a circular patch type as shown in FIG. 5 a rectangular ring type as shown in FIG. 6, a cross type as shown in FIG.
  • it may be of any shape such as a rectangular patch shape composed of a plurality of pieces, or may be a shape combining a plurality of shapes.
  • the plurality of resonant elements 22 are not limited to being arranged in one layer on the same plane on the surface of the dielectric plate 21. As shown in FIG. It may be arranged in two layers on the surface, or may be arranged in three or more layers.
  • the reflection phase by the reflector 2 is determined by the shape and size of each resonant element 22 , the spacing between the multiple resonant elements 22 , and the dielectric constant and thickness of the dielectric plate 21 .
  • the reflection phase by the reflector 2 depends on the path length from the position PC of the phase center of the primary radiator 1 to the reflecting surface, which is the surface of the dielectric plate 21 , according to the position on the surface of the dielectric plate 21 .
  • the reflector 2 can control the value of the reflection phase by arranging the resonant elements 22 of different shapes and sizes on the surface of the dielectric plate 21 depending on the position on the surface of the dielectric plate 21.
  • the shape and size of the resonant element 22 are determined so that the spherical wave incident on the surface of the reflector 2 becomes a plane wave PW on the aperture of the reflector 2, and the spherical wave is generated on the aperture of the reflector 2 as a plane wave PW. reflect to transform into
  • the primary radiator 1 transforms a spherical wave incident on the reflector 2 by an electric wave of a set frequency f0 radiated from the position PC0 of the phase center into a plane wave on the aperture surface.
  • each of the plurality of resonant elements 22 in the reflector 2 is arranged on the surface of the dielectric plate 21 with its shape and size determined according to the position on the surface of the dielectric plate 21. .
  • the set frequency f0 is preferably an intermediate frequency fM that is an intermediate value between the high frequency fH and the low frequency fL radiated from the primary radiator 1, but is between the high frequency fH and the low frequency fL It is sufficient if the frequency is the value of
  • the primary radiator 1 determines the phase center of the radio wave of frequency f in the frequency band from the radio wave of low frequency f L to the radio wave of high frequency f H with reference to the position PC 0 of the phase center of the radio wave of set frequency f 0 .
  • Determine the position PC of That is, the primary radiator 1 adds or subtracts the shift amount ⁇ shown in the following equation ( 1) with respect to the position PC 0 of the phase center of the radio wave of the set frequency f 0 to obtain the radio wave of the frequency f of the frequency band.
  • the primary radiator 1 for radio waves of frequency f in a frequency band from radio waves of low frequency f L to radio waves of high frequency f H , emits high frequency waves from phase center position PC L with respect to radio waves of low frequency f L .
  • the phase center position PC for the radio wave of frequency fH is continuously offset along the direction of the radiation axis RA of the radio wave from the primary radiator 1 to the phase center position PCH.
  • ⁇ 0 is the wavelength of the radio wave with the set frequency f 0
  • ⁇ is the wavelength of the radio wave with the frequency f radiated from the primary radiator 1
  • R 0 is the set frequency f 0 radiated from the primary radiator 1 is the distance from the phase center position PC0 to the center of the aperture plane of the reflector 2 via the center point 2(O) of the reflector 2
  • .theta. is the image horn angle.
  • the image horn angle .theta It is the angle between the center point 2 (O) of the container 2 and the horizontal plane.
  • the virtual image position VI 0 with respect to the phase center position PC 0 in the primary radiator 1 is the virtual image position VI 0 with respect to the phase center position PC 0 set for the radio wave of the set frequency f 0 radiated from the primary radiator 1. position.
  • the center point 2 (O) of the reflector 2 that is, the line segment LP0 connecting the center position on the surface of the dielectric plate 21 and the position PC0 of the phase center in the primary radiator 1, and the center of the reflector 2
  • the line segment LV 0 connecting the point 2(O) and the position VI 0 of the virtual image with respect to the position PC 0 of the phase center of the primary radiator 1 has the same length L 0 .
  • the diameter of the reflector 2 at the opening surface is indicated as D.
  • the thickness of each resonance element 22 is extremely thin, the thickness is schematically drawn to be large.
  • the center point 2 (O) of the reflector 2 is depicted as if it exists on the surface of the resonant element 22 located at the center position on the surface of the dielectric plate 21. 2(O) is the center position in the plane of the dielectric plate 21 .
  • Primary radiator 1 radiates radio waves of frequency f toward reflector 2 from position PC of the phase center corresponding to frequency f of the radio waves to be radiated, using the above equation (1).
  • a plane wave PW can be realized on the aperture plane of the reflector 2 even for radio waves having a frequency f other than the set frequency f0 , and a decrease in gain due to residual aberration can be reduced. The reason why the gain reduction due to residual aberration can be reduced even at frequencies f other than the set frequency f0 will be described below.
  • the primary radiator 1 radiates a radio wave with a set frequency f 0 toward the reflector 2 with reference to the position PC 0 of the phase center, it is reflected by the reflective surface of the reflector 2 and the opening of the reflector 2 A reflector 2 is set to achieve a plane wave PW 0 on the surface.
  • the primary radiator 1 emits radio waves of a frequency f other than the set frequency f 0 from the position PC 0 of the phase center. , a residual aberration with a phase error of the spherical wave SR with a radius of curvature R1 from the position ROC of the center of curvature is generated due to the gain reduction for the radio wave of frequency f.
  • the wavefront can be approximated to a spherical wave SR L whose center of curvature position ROC L is located on the right side of the reflector 2 in the figure and whose radius of curvature is R1 .
  • the frequency f of the radio wave radiated from the position PC 0 of the phase center by the primary radiator 1 exceeds the set frequency f 0 (f>f 0 ), as shown in FIG.
  • the wavefront at the top can be approximated by a spherical wave SR H with the center of curvature position ROC H located on the left side of the reflector 2 in the figure and the radius of curvature R1 .
  • the wavefront on the aperture surface of the reflector 2 has a radius of curvature radiated from the curvature center position ROC It can be regarded as a spherical wave SR of R1 .
  • the wavefront is a spherical wave SR with a radius of curvature R1
  • a residual aberration with a phase error based on the spherical wave SR with a radius of curvature R1 is generated.
  • the radio wave radiated from the position PC 0 of the phase center by the primary radiator 1 is a radio wave with a frequency other than the set frequency f 0
  • the wavefront on the aperture plane of the reflector 2 is transformed into a plane wave PW 0 by the reflector 2.
  • the wavefront can be approximated to a spherical wave SR with a radius of curvature R1 .
  • a residual aberration is generated based on the spherical wave SR with the radius of curvature R1 .
  • the residual aberration can be represented by a spherical wave SR of radius of curvature R1 .
  • the curvature radius R1 of the spherical wave SR can be expressed by the following equation (2).
  • ⁇ 0 is the wavelength of the radio wave with the set frequency f0
  • ⁇ is the wavelength of the radio wave with the frequency f emitted from the primary radiator 1
  • ⁇ is the image horn angle.
  • the radius of curvature R 1 of the spherical wave SR is the distance from the position PC 0 of the phase center of the radio wave of the set frequency f 0 radiated from the primary radiator 1 to the center point 2 (O) of the reflector 2 . It is determined by two parameters, the distance R to the center of the aperture plane and the image horn angle ⁇ .
  • the radio wave of the set frequency f0 has an infinite radius ⁇ .
  • ⁇ in the above equation (2) is a finite value, and the aperture surface of the reflector 2
  • the wavefront at the top becomes a spherical wave SR with a radius of curvature R1 , and residual aberration occurs.
  • the primary radiator 1 adds the shift amount ⁇ shown in the above equation (1) with reference to the position PC 0 of the phase center of the radio wave of the set frequency f 0 .
  • the position of the phase center PC of the primary radiator 1 is determined according to the frequency f of the radio wave radiated from the primary radiator 1 by subtraction, the residual aberration for the radio wave of the frequency f other than the set frequency f0 is Cancellation and gain reduction can be reduced.
  • the primary radiator 1 radiates a radio wave of a low frequency f L (f L ⁇ f 0 ) from the phase center position PC L toward the reflector 2, the wave surface (spherical surface) of the radio wave of the low frequency f L wave SP L ) and a wavefront (spherical wave SR L ) when a radio wave with a low frequency f L is radiated from the position PC 0 of the phase center toward the reflector 2 is shown in FIG.
  • the phase center position PC L is obtained by shifting the shift amount ⁇ calculated based on the above formula ( 1 ) with respect to the frequency f L in the direction of the radiation axis RA of the primary radiator 1 with the phase center position PC 0 as a reference. It is a position offset forward from the phase center position PC 0 along the line.
  • phase center position PC L When primary radiator 1 radiates a radio wave of low frequency f L from phase center position PC L toward reflector 2 , as shown in FIG.
  • a spherical wave SPL having a curvature radius RL radiated from the curvature center position FL is generated.
  • a spherical wave SR L having a radius of curvature R 1 is also generated when a radio wave of a low frequency f L is radiated from the position PC 0 of the phase center toward the reflector 2 and causes residual aberration.
  • the position PC of the phase center of the primary radiator 1 that radiates the frequency f is offset from the position PC 0 of the phase center by the shift amount ⁇ calculated based on the above equation (1). Therefore, the spherical wave SP when the radio wave of frequency f is radiated toward the reflector 2 from the position PC of the phase center corrects each other with the spherical wave SR that generates the residual aberration, and the plane wave PW can be realized. Depends on.
  • R2 is the radius of curvature of the spherical wave SP that forms the wavefront on the aperture plane of the reflector 2 when the phase center PC moves.
  • the curvature radius R2 is given by the following formula (5) from the above formula (4).
  • R 2 -(R 0 2 / ⁇ ) (5)
  • a spherical wave SR with a radius of curvature R1 that causes residual aberration due to radio waves with a frequency f and a phase
  • the condition under which the spherical waves SP having a radius of curvature R2 generated by shifting the center position PC from the phase center position PC0 by the shift amount ⁇ is given by the following equation (6).
  • R1 + R2 0 (6)
  • the shift amount ⁇ of the above equation (1) is obtained. That is, the shift amount ⁇ is calculated using the above equation (1) for the frequency f, and the phase center position PC of the primary radiator 1 is shifted from the phase center position PC 0 by the shift amount ⁇ to a position PC 0 .
  • + ⁇ is set and a radio wave of frequency f is radiated from the primary radiator 1 , a plane wave PW can be realized on the opening surface of the reflector 2 .
  • the primary radiator 1 calculates and determines the position PC of the phase center with respect to the frequency f based on the above equation (1).
  • Primary radiator 1 radiates radio waves of frequency f toward reflector 2 from the determined phase center position PC with respect to frequency f.
  • the frequency f of the radiated radio wave is the set frequency f0
  • the reflection phase is adjusted by the plurality of resonant elements 22 in the reflector 2, and the reflector 2 receives the set frequency f radiated from the incident primary radiator 1.
  • 0 is converted into a plane wave PW 0 on the opening surface of the reflector 2 and reflected.
  • the frequency f of the radio wave to be radiated is a frequency other than the set frequency f0
  • a simulation was performed on the gain frequency characteristic of the gain with respect to the frequency f of the radio waves radiated from the primary radiator 1 .
  • a plane wave PW is generated on the aperture surface of the reflector 2, that is, residual aberration is generated from the lower end frequency fL to the upper end frequency fH by canceling or reducing the residual aberration. This was done in order to verify that the gain does not decrease without
  • the gain frequency characteristic takes into consideration the gain reduction due to the residual aberration, and the reflection phase of each resonator element 22 has no frequency characteristic, and the loss caused by the phase error caused by the frequency characteristic of each resonator element 202 is
  • the simulation was performed under the condition that it does not occur.
  • the above conditions also mean that there is no loss such as spillover loss, reflection loss, or loss due to amplitude distribution.
  • the setting conditions for the simulation are as follows: the set frequency f 0 is 28 GHz, the aperture diameter D is 500 mm, and the phase center position PC 0 for the radio wave with the set frequency f 0 radiated from the primary radiator 1 is shifted from the center point of the reflector 2 to 2(O) to the center of the opening of the reflector 2 is 450 mm, the image horn angle ⁇ is 0 deg, and the lower end frequency f L of the set frequency band of the radio wave radiated from the primary radiator 1 is set. is 26 GHz, and the frequency fH at the upper end of the frequency band is 30 GHz.
  • the shift amount ⁇ when the primary radiator 1 continuously changes the frequency f of the frequency band from the lower end frequency f L to the upper end frequency f H is calculated by the above formula (1),
  • the lower end frequency f L corresponding to the phase center position PC from the phase center position PC offset by the shift amount ⁇ from the phase center position PC 0 according to the frequency f of the radio wave radiated by the primary radiator 1 13, the gain frequency characteristic indicated by the solid line GE in FIG . 13 was obtained.
  • the primary radiator 1 radiates radio waves of frequency f from the lower end frequency fL to the upper end frequency fH without moving the phase center position from the phase center position PC0 , 13 obtained the gain frequency characteristic indicated by the dashed line GR.
  • the reflector antenna apparatus can not only respond to radio waves of the set frequency f0 , but also A plane wave PW is obtained on the aperture surface of the reflector 2 for radio waves up to H , and no gain reduction occurs. As a result, the aperture efficiency is constant for radio waves from the lower end frequency fL to the upper end frequency fH .
  • the dashed line GR shown in FIG. 13 in the reference example, although it is the same as the reflector antenna device according to the first embodiment for the radio wave of the set frequency f0 , As the distance from the set frequency f0 , that is, the frequency fL at the lower end and the frequency fH at the upper end, residual aberration occurs and the gain decreases. As a result, the aperture efficiency decreases as the frequency fL at the lower end and the frequency fH at the upper end are approached.
  • the reflector antenna device has the following characteristics on the opening surface of the reflector 2 for radio waves from the lower end frequency f L to the upper end frequency f H as compared with the reference example. Since a plane wave PW is obtained and no gain reduction occurs, it can be seen that the aperture efficiency is constant for radio waves from the lower end frequency fL to the upper end frequency fH .
  • the primary radiator 1 aligns the position PC of the phase center of the radio wave along the radiation axis RA of the radio wave according to the frequency f of the radio wave to be radiated. Since radio waves are radiated after being adjusted back and forth, the radius of curvature R for generating residual aberration by radio waves of frequency f with respect to radio waves from the lower end frequency f L to the upper end frequency f H other than the radio wave of the set frequency f 0
  • the adjustment of the phase center position PC of the radio wave radiated from the primary radiator 1 is performed with reference to the phase center position PC 0 of the radio wave of the set frequency f 0 . Since it is determined by the shift amount ⁇ obtained by the above formula (1) for the frequency f of the frequency band from the frequency f L to the high frequency f H , the lower frequency f L other than the radio wave of the set frequency f 0 to the upper end frequency fH , the spherical wave SR with a radius of curvature R1 that generates residual aberration by the radio wave of frequency f, and the phase center position PC are shifted from the phase center position PC 0 by a shift amount ⁇ Spherical waves SP having a radius of curvature R2 generated by moving the reflector 2 cancel each other out, and a plane wave PW is obtained on the aperture surface of the reflector 2, and no gain reduction occurs. As a result, the frequency band of radio waves radiated from the
  • the position PC of the phase center of the radio wave radiated from the primary radiator 1 is set to be lower than the position PC 0 of the phase center of the radio wave of the set frequency f 0 as a reference.
  • the shift amount ⁇ is determined stepwise for a plurality of different frequencies, and is stepwise along the direction of the radiation axis RA of the primary radiator 1 with reference to the position PC 0 of the phase center.
  • An offset may be used.
  • the shift amount ⁇ L for the radio waves of the low frequency fL is calculated by the following equation (7)
  • the shift amount ⁇ H for the radio waves of the high frequency fH is calculated by the following equation (8).
  • ⁇ L (( ⁇ 0 ⁇ L )/ ⁇ 0 ) ⁇ (R 0 /cos 3 ⁇ )
  • ⁇ H (( ⁇ 0 ⁇ H )/ ⁇ 0 ) ⁇ (R 0 /cos 3 ⁇ ) (8)
  • ⁇ L is the wavelength of the low frequency fL radio wave radiated from the primary radiator 1
  • ⁇ H is the high frequency fH radio wave radiated from the primary radiator 1. is the wavelength of
  • the primary radiator 1 calculates and determines the position PC L of the phase center with respect to the low frequency f L based on the above equation (7).
  • Primary radiator 1 radiates radio waves of low frequency f L toward reflector 2 from determined phase center position PC L .
  • the primary radiator 1 calculates the position PCH of the phase center with respect to the high frequency fH based on the above equation (8), decide.
  • the primary radiator 1 radiates radio waves of a high frequency fH toward the reflector 2 from the determined phase center position PCH .
  • the primary radiator 1 shifts each of the plurality of different frequency radio waves from the position PC of the phase center determined for each of the plurality of different frequency radio waves. may be used.
  • the results of the gain frequency characteristics shown in FIG. 13 take into consideration the gain reduction due to residual aberration, and the loss, spillover loss, reflection loss, and amplitude distribution caused by the phase error caused by the frequency characteristics of each resonator element 22.
  • the simulation was performed under ideal conditions with no loss such as loss due to Therefore, an ideal horn antenna with no specific shape was used.
  • the horn antenna shown in FIG. 14 which has a more realistic configuration, was used to verify the effect of the reflector antenna apparatus according to the first embodiment.
  • the horn antenna shown in FIG. 14 is a horn antenna having a rectangular opening with a size of 98.5 mm ⁇ 75.6 mm and an axial length of 400 mm.
  • the setting condition (I) of the simulation is as follows: the set frequency f 0 is 13.75 GHz, the aperture diameter D is 330 mm, and the radio wave with the set frequency f 0 radiated from the primary radiator 1 is reflected from the phase center position PC 0 .
  • the distance R 0 from the center point 2 (O) of the reflector 2 to the center of the opening surface of the reflector 2 is 680 mm, the image horn angle ⁇ is 0 deg, and the frequency band of the radio wave radiated from the primary radiator 1 is set.
  • the frequency fL at the lower end is 12.5 GHz, and the frequency fH at the upper end of the frequency band is 15 GHz.
  • the loss due to the amplitude distribution and the spillover loss are also considered in the calculation.
  • FIG. 15 shows the result of comparing the frequency characteristic of the phase center of the horn antenna shown in FIG. 14 with the ideal frequency characteristic of the phase center that satisfies the above equation (1) under the above simulation setting conditions.
  • the solid line indicates the frequency characteristic of the phase center of the horn antenna shown in FIG. 14, and the dashed line indicates the ideal frequency characteristic of the phase center that satisfies the above equation (1).
  • the reflector antenna apparatus according to Embodiment 1 using the horn antenna shown in FIG. 14 achieves an ideal phase center position at frequencies from 12.5 GHz to 15 GHz.
  • FIG. 16 shows the result of calculating the loss due to the phase error with respect to the frequency, that is, the gain reduction under the setting conditions of the simulation (I) described above.
  • the loss due to the phase error is 0.1 dB or less at frequencies from 12.5 GHz to 15 GHz, which is sufficiently small. That is, even in the reflector antenna apparatus according to Embodiment 1 using the horn antenna shown in FIG. can be reduced.
  • the verification result shown in FIG. 16 shows the result of examination under ideal conditions in which the phase center of the horn antenna shown in FIG. 14 satisfies the above equation (1).
  • the horn antenna is not limited to a horn antenna whose phase center satisfies the above formula (1), and it is effective to bring the phase center of the horn antenna closer to the above formula (1).
  • Simulation setting conditions (II) are set frequency f 0 to 12.5 GHz, aperture diameter D to 500 mm, and phase center position PC 0 to reflector 2 for radio wave of set frequency f 0 radiated from primary radiator 1 . 845 mm, the image horn angle ⁇ is 0 deg, the lower end of the set frequency band of the radio wave radiated from the primary radiator 1
  • the frequency f L is 10 GHz, and the frequency f H at the upper end of the frequency band is 15 GHz.
  • FIG. 17 shows the result of comparing the frequency characteristics of the phase center of the horn antenna shown in FIG. 14 and the ideal frequency characteristics of the phase center satisfying the above equation (1) under the above simulation setting conditions (II). .
  • the solid line indicates the frequency characteristic of the phase center of the horn antenna shown in FIG. 14, and the dashed line indicates the ideal frequency characteristic of the phase center that satisfies the above equation (1).
  • the reflector antenna apparatus according to Embodiment 1 using the horn antenna shown in FIG. The phase center is closer to the ideal value compared to the fixed horn.
  • FIG. 18 shows gain with respect to frequency
  • FIG. 19 shows efficiency with respect to frequency
  • FIG. 20 shows loss due to phase error with respect to frequency.
  • the solid line shows the characteristics of the reflector antenna apparatus according to Embodiment 1 using the horn antenna shown in FIG. The characteristics using a horn antenna are shown, and the one-dot chain line shows the characteristics using a horn antenna with a fixed phase center.
  • a reflector antenna device is suitable for a reflect array antenna including a primary radiator and a planar reflector.

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Abstract

放射する電波の位相中心の位置を、放射する電波の周波数に応じて、電波の放射軸に沿って前後に調整して電波を放射する一次放射器（１）と、平板状の誘電体板（２１）、及び、電波を反射する反射面となる誘電体板（２１）の表面に配列され、それぞれが入射された電波の反射波の位相を調整する複数の共振素子（２２）を有し、一次放射器（１）から放射された電波を入射し、入射した電波を反射する反射器（２）と、を備える。

Description

反射鏡アンテナ装置
　本開示は、一次放射器と平板状の反射器とを備える反射鏡アンテナ装置に関する。
　近年、無線通信及びレーダのアンテナとして、構造が簡単な平板状の反射板を用いたリフレクトアレーが開発されている。
　例えば、特許文献１には、平板状の反射板の表面に配列された共振素子の配置間隔を適正化してグレーティングローブの発生を防いだリフレクトアレーアンテナが示されている。
　また、特許文献２には、反射板と一次放射器の位置を決定することで広帯域化を図ることのできるリフレクトアレーアンテナが示されている。
特開２０１６－９２６３３号公報 特開２０１７－７９４６０号公報
　しかし、特許文献１及び特許文献２により、広帯域化を図る提案がなされているものの、設定周波数以外において発生する残留収差によって利得低下が生じ、ホーンアンテナからなる一次放射器と放物曲面状の反射板とを対向させたパラボラアンテナと比較して、依然、狭帯域な特性であり、更なる広帯域化が望まれている。
　本開示は上記した点に鑑みてなされたものであり、広い周波数帯域で高い開口能率をもつ反射鏡アンテナ装置を得ることを目的とする。
　本開示に係る反射鏡アンテナ装置は、放射する電波の位相中心の位置を、放射する電波の周波数に応じて、電波の放射軸に沿って前後に調整して電波を放射する一次放射器と、平板状の誘電体板、及び、電波を反射する反射面となる誘電体板の表面に配列され、それぞれが入射された電波の反射波の位相を調整する複数の共振素子を有し、一次放射器から放射された電波を入射し、入射した電波を反射する反射器と、を備える。
　本開示によれば、一次放射器が放射する電波の位相中心の位置を、放射する電波の周波数に応じて、電波の放射軸に沿って前後に調整するので、設定周波数以外の周波数に対しても、広い周波数帯域で高い開口能率を持つことができる。
実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置を横から見た構成図である。 実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置における反射器を示す正面図である。 実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置における共振素子の一例を示す平面図である。 実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置における共振素子の他の例を示す平面図である。 実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置における共振素子の他の例を示す平面図である。 実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置における共振素子の他の例を示す平面図である。 実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置における共振素子の他の例を示す平面図である。 実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置における共振素子の他の例を示す平面図である。 実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置における反射器の他の例を示す側面図である。 実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置において、一次放射器と反射器との配置関係を説明する図である。 反射鏡アンテナ装置において、残留収差を有する波面について説明する図である。 実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置において、低い周波数ｆＬの電波による波面と残留収差を有する波面との関係を説明する図である。 周波数に対する利得のシミュレーション結果を示す図である。 実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置において、一次放射器としてのホーンアンテナのシミュレーションモデルを示す斜視図である。 周波数に対する位相中心のシミュレーション結果を示す図である。 周波数に対する位相誤差による利得低下のシミュレーション結果を示す図である。 周波数に対する位相中心の第２のシミュレーション結果を示す図である。 周波数に対する利得のシミュレーション結果を示す図である。 周波数に対する能率のシミュレーション結果を示す図である。 周波数に対する位相誤差による利得低下の第２のシミュレーション結果を示す図である。
実施の形態１．
　実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置を図１から図２０に基づいて説明する。
　反射鏡アンテナ装置は一次放射器１と反射器２とを備える。
　一次放射器１は、一次放射器１における設定周波数ｆ０が放射される位相中心の位置ＰＣ０に対する虚像の位置と反射器２の中心点２（Ｏ）を結ぶ線分と反射器２の中心点２（Ｏ）を通る水平面とのなす角度、いわゆるイメージホーン角がθである位置関係に、一次放射器１と反射器２が配置される。
　一次放射器１は、一次放射器１から放射する電波の周波数ｆに応じて、一次放射器１における位相中心の位置ＰＣから反射器２の反射面における中心点２（Ｏ）までの経路長を調整する電波経路長調整器を内蔵する。
　すなわち、一次放射器１は、低い周波数ｆＬから高い周波数ｆＨまでの広帯域である設定された周波数帯域の異なる複数の電波に対して、放射する電波の位相中心の位置ＰＣを、放射する電波の周波数ｆに応じて、電波の放射軸ＲＡに沿って前後に調整して電波を放射する。
　一次放射器１は、低い周波数ｆＬの電波の位相中心の位置ＰＣＬに対して、図１に示すように、高い周波数ｆＨの電波の位相中心の位置ＰＣＨを電波の放射軸ＲＡに沿って後方に位置させる。
　要するに、一次放射器１は、低い周波数ｆＬから高い周波数ｆＨまでの周波数帯域の電波に対して、周波数ｆに応じて位相中心の位置ＰＣを位相中心の位置ＰＣＬから位相中心の位置ＰＣＨまで連続的に調整する。
　低い周波数ｆＬは、一次放射器１から放射される電波の設定された周波数帯域の下端の周波数を示し、高い周波数ｆＨは、一次放射器１から放射される電波の設定された周波数帯域の上端の周波数を示す。
　一次放射器１は水平及び垂直偏波の電波を放射する。一次放射器１はホーンアンテナであってもよいし、それ以外のアンテナであってもよい。
　以下では一次放射器１００がホーンアンテナの例で説明する。
　一次放射器１について、具体的に説明する前に、反射器２を説明する。
　反射器２は、誘電体板２１と、電波を反射する反射面となる誘電体板２１の表面に配列された複数の共振素子２２と、誘電体板２１の裏面に設けられた金属板２３を備える。
　反射器２は、いわゆる、平板状の反射板を用いたリフレクトアレーである。
　誘電体板２１は、図２に示すように平板状である。
　各共振素子２２は、入射される電波の反射波の位相（以下、反射位相という）を調整する。
　各共振素子２２は、図３に示すように円形のリング形状であり、誘電体板２１の表面上の位置に応じた大きさ、つまり、誘電体板２１の表面上の位置に応じた直径のリング形状である。
　なお、各共振素子２２は、図４に示すように矩形パッチ型、図５に示すように円形パッチ型、図６に示すように矩形リング型、図７に示すように十字型、図８に示すように複数本で構成された矩形パッチ型など任意の形状でもよく、また、複数の形状を組み合わせた形状でもよい。
　また、複数の共振素子２２は誘電体板２１の表面上における同一平面の１層に配置したものに限られるものではなく、図９に示すように、複数の共振素子２２を誘電体板２１の表面上に２層に分けて配置してもよく、３層以上に配置したものでも良い。
　反射器２による反射位相は、各共振素子２２の形状及び大きさ、複数の共振素子２２間の間隔、並びに誘電体板２１の比誘電率及び肉厚により決定される。
　反射器２による反射位相は、誘電体板２１の表面上の位置に応じた、一次放射器１の位相中心の位置ＰＣから誘電体板２１の表面である反射面までの経路長に依存する。
　従って、反射器２は、誘電体板２１の表面上の位置に応じて誘電体板２１の表面に異なる形状及び大きさの共振素子２２を配置することにより反射位相の値を制御でき、反射器２の表面に入射した球面波を反射器２の開口面上で平面波ＰＷを実現するように、共振素子２２の形状及び大きさを決定して球面波を反射器２の開口面上で平面波ＰＷに変換するように反射する。
　実施の形態１では、図１に示すように、一次放射器１が位相中心の位置ＰＣ０から放射された設定周波数ｆ０の電波による反射器２に入射される球面波を開口面上で平面波ＰＷ０を実現するように、反射器２における複数の共振素子２２それぞれを誘電体板２１の表面上の位置に応じた形状及び大きさに決定して誘電体板２１の表面に配置している。
　設定周波数ｆ０は、一次放射器１から放射される高い周波数ｆＨと低い周波数ｆＬとの中間の値である中間周波数ｆＭが好ましいが、高い周波数ｆＨと低い周波数ｆＬとの間の値の周波数であればよい。
　一次放射器１は、設定周波数ｆ０の電波の位相中心の位置ＰＣ０を基準に、低い周波数ｆＬの電波から高い周波数ｆＨの電波までの周波数帯域の周波数ｆの電波に対して位相中心の位置ＰＣを決定する。
　すなわち、一次放射器１は、設定周波数ｆ０の電波の位相中心の位置ＰＣ０を基準に、次式（１）に示すシフト量Δを加算又は減算することにより、周波数帯域の周波数ｆの電波に対して位相中心の位置ＰＣを決定する。
　言い換えれば、一次放射器１は、低い周波数ｆＬの電波から高い周波数ｆＨの電波までの周波数帯域の周波数ｆの電波に対して、低い周波数ｆＬの電波に対する位相中心の位置ＰＣＬから高い周波数ｆＨの電波に対する位相中心の位置ＰＣＨまで位相中心の位置ＰＣを、一次放射器１からの電波の放射軸ＲＡの方向に沿って連続的にオフセットする。
　Δ＝（（λ０－λ）／λ０）×（Ｒ０／cos３θ）　　・・・（１）
　式（１）中、λ０は設定周波数ｆ０の電波の波長、λは一次放射器１から放射される周波数ｆの電波の波長、Ｒ０は一次放射器１から放射される設定周波数ｆ０の電波に対する、位相中心の位置ＰＣ０から反射器２の中心点２（Ｏ）を介した反射器２の開口面中心までの距離、θはイメージホーン角である。
　イメージホーン角θは、図１０に示すように、一次放射器１における位相中心の位置ＰＣ０に対する虚像の位置ＶＩ０と反射器２の中心点２（Ｏ）を結ぶ線分ＬＶ０と、反射器２の中心点２（Ｏ）を通る水平面とのなす角度である。
　この時、一次放射器１における位相中心の位置ＰＣ０に対する虚像の位置ＶＩ０は、一次放射器１から放射される設定周波数ｆ０の電波に対して設定した位相中心の位置ＰＣ０に対する虚像の位置である。
　また、反射器２の中心点２（Ｏ）、つまり、誘電体板２１の表面における中心の位置と一次放射器１における位相中心の位置ＰＣ０を結ぶ線分ＬＰ０と、反射器２の中心点２（Ｏ）と一次放射器１の位相中心の位置ＰＣ０に対する虚像の位置ＶＩ０を結ぶ線分ＬＶ０は同じ長さＬ０である。
　なお、図１０において、反射器２の開口面における径をＤとして示している。
　また、図１０において、各共振素子２２の厚みは極めて薄いものであるが、模式的に厚さを大きくして描いている。また、反射器２の中心点２（Ｏ）が、誘電体板２１の表面における中心の位置に存在する共振素子２２の表面に存在しているように描いているが、反射器２の中心点２（Ｏ）が、誘電体板２１の平面における中心の位置である。
　一次放射器１は、上式（１）を用いて、放射する電波の周波数ｆに応じた位相中心の位置ＰＣから、反射器２に向けて周波数ｆの電波を放射する。その結果、設定周波数ｆ０以外の周波数ｆの電波においても反射器２の開口面上で平面波ＰＷを実現することができ、残留収差による利得低下を低減することができる。
　設定周波数ｆ０以外の周波数ｆにおいても残留収差による利得低下を低減することができる理由について、以下に説明する。
　まず、図１１を用いて残留収差について説明する。
　今、一次放射器１が、設定周波数ｆ０の電波を、位相中心の位置ＰＣ０を基準にして反射器２に向けて放射すると、反射器２の反射面によって反射され、反射器２の開口面上で平面波ＰＷ０を実現するように、反射器２が設定されている。
　反射器２における各共振素子２２の反射位相が周波数特性を持たない理想的なものを用いたとしても、一次放射器１が、位相中心の位置ＰＣ０から設定周波数ｆ０以外の周波数ｆの電波を放射した場合、周波数ｆの電波に対しての利得低下に起因する、曲率中心の位置ＲＯＣから曲率半径Ｒ１の球面波ＳＲの位相誤差を持った残留収差が発生する。
　例えば、一次放射器１が位相中心の位置ＰＣ０から放射する電波の周波数ｆが設定周波数ｆ０未満の場合（ｆ＜ｆ０）、図１１に示すように、反射器２の開口面上における波面が、曲率中心の位置ＲＯＣＬが反射器２の図示右側に位置し、曲率半径Ｒ１である球面波ＳＲＬに近似できる。
　また、一次放射器１が位相中心の位置ＰＣ０から放射する電波の周波数ｆが設定周波数ｆ０を超えている場合（ｆ＞ｆ０）、図１１に示すように、反射器２の開口面上における波面が、曲率中心の位置ＲＯＣＨが反射器２の図示左側に位置し、曲率半径Ｒ１である球面波ＳＲＨに近似できる。
　すなわち、一次放射器１が位相中心の位置ＰＣ０から放射する電波の周波数ｆが設定周波数ｆ０以外の場合、反射器２の開口面上における波面が曲率中心の位置ＲＯＣから放射される曲率半径Ｒ１の球面波ＳＲと見做せる。
　波面が曲率半径Ｒ１の球面波ＳＲであると見做せることにより、曲率半径Ｒ１の球面波ＳＲに基づく位相誤差を持った残留収差が発生する。
　言い換えれば、一次放射器１が位相中心の位置ＰＣ０から放射する電波が設定周波数ｆ０以外の周波数の電波である場合、反射器２の開口面上における波面が、反射器２により平面波ＰＷ０に変換されず、曲率半径Ｒ１の球面波ＳＲに近似できる波面となる。
　その結果、曲率半径Ｒ１の球面波ＳＲに基づく残留収差が発生することになる。
　要するに、残留収差は、曲率半径Ｒ１の球面波ＳＲによって現わすことができる。
　球面波ＳＲの曲率半径Ｒ１は、次式（２）により現わすことができる。
　Ｒ１＝（Ｒ０／α）cos３θ　　　　　　　　　　・・・（２）
　α＝（λ０－λ）／λ０　　　　　　　　・・・（３）
　式（２）及び式（３）中、λ０は設定周波数ｆ０の電波の波長、λは一次放射器１から放射される周波数ｆの電波の波長、θはイメージホーン角である。
　球面波ＳＲの曲率半径Ｒ１は、一次放射器１から放射される設定周波数ｆ０の電波に対する、位相中心の位置ＰＣ０から反射器２の中心点２（Ｏ）を介した反射器２の開口面中心までの距離Ｒとイメージホーン角θの２つのパラメータで決定される。
　なお、図１１に示すように、上式（２）で示した曲率半径Ｒ１が負の時（Ｒ１＜０）、曲率半径Ｒ１の球面波ＳＲＬの曲率中心の位置ＲＯＣＬは反射器２の右側にくるものとし、曲率半径Ｒ１が正の時（Ｒ１＞０）、曲率半径Ｒ１の球面波ＳＲＨの曲率中心の位置ＲＯＣＨは反射器２の左側にくるものとして定義している。
　設定周波数ｆ０の電波に対しては半径が無限大∞であり、反射器２から放射された設定周波数ｆ０の電波が反射器２によって反射された電波は、反射器２の開口面上で平面波ＰＷ０になるように変換される。
　反射器２から放射された設定周波数ｆ０以外の周波数ｆの電波に対して位相中心の位置ＰＣ０から放射すると、上式（２）におけるαが有限の値であり、反射器２の開口面上での波面が曲率半径Ｒ１の球面波ＳＲとなり、残留収差が生ずる。
　しかし、実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置においては、一次放射器１が、設定周波数ｆ０の電波の位相中心の位置ＰＣ０を基準に、上式（１）に示すシフト量Δを加算又は減算して一次放射器１から放射される電波の周波数ｆに応じて一次放射器１の位相中心ＰＣの位置を決定するので、設定周波数ｆ０以外の周波数ｆの電波に対して残留収差を打ち消し、利得低下を低減できる。
　例えば、一次放射器１が、位相中心の位置ＰＣＬから低い周波数ｆＬ（ｆＬ＜ｆ０）の電波を反射器２に向けて放射した時の、低い周波数ｆＬの電波による波面（球面波ＳＰＬ）と、位相中心の位置ＰＣ０から低い周波数ｆＬの電波を反射器２に向けて放射した時の波面（球面波ＳＲＬ）を、図１２に示す。
　位相中心の位置ＰＣＬは、位相中心の位置ＰＣ０を基準に、周波数ｆＬに対して上式（１）に基づいて算出されたシフト量Δを一次放射器１の放射軸ＲＡの方向に沿って位相中心の位置ＰＣ０から前方にオフセットさせた位置である。
　一次放射器１が、位相中心の位置ＰＣＬから低い周波数ｆＬの電波を反射器２に向けて放射すると、図１２に示すように、低い周波数ｆＬを放射する位相中心の位置ＰＣＬを位相中心の位置ＰＣ０からシフト量Δ移動させたことにより、曲率中心の位置ＦＬから放射される曲率半径ＲＬの球面波ＳＰＬが発生する。
　また、残留収差を発生させる、位相中心の位置ＰＣ０から低い周波数ｆＬの電波を反射器２に向けて放射した時の曲率半径Ｒ１の球面波ＳＲＬも発生する。
　その結果、一次放射器１が、位相中心の位置ＰＣＬから低い周波数ｆＬの電波を反射器２に向けて放射した時の球面波ＳＰＬが、残留収差を発生させる球面波ＳＲＬと互いに補正しあい、反射器２の開口面上に平面波ＰＷＬが実現される。
　このように、周波数ｆが放射される一次放射器１の位相中心の位置ＰＣを上式（１）に基づいて算出されたシフト量Δを位相中心の位置ＰＣ０からオフセットさせた位置にすることにより、位相中心の位置ＰＣから周波数ｆの電波を反射器２に向けて放射した時の球面波ＳＰが、残留収差を発生させる球面波ＳＲと互いに補正しあい、平面波ＰＷが実現できる理由は、次のことによる。
　すなわち、一次放射器１の位相中心の位置ＰＣを、位相中心の位置ＰＣ０から一次放射器１の放射軸ＲＡの方向に沿ってシフト量Δ移動させた時、反射器２は焦点距離Ｆのレンズと近似しており、次式（４）が成立する。
　（１／Ｒ０）－（１／∞）＝（１／（Ｒ０＋Δ））－（１／Ｒ２）＝１／Ｆ・・（４）
　式（４）中、Ｒ２は位相中心ＰＣが移動した時の反射器２の開口面上での波面となる球面波ＳＰの曲率半径である。図１２に示した、位相中心の位置ＰＣＬから低い周波数ｆＬの電波を反射器２に向けて放射した時の球面波ＳＰＬの曲率半径ＲＬが上式（４）中のＲ２の値に相当する。
　曲率半径Ｒ２は、上式（４）より、次式（５）として現わせる。
　　Ｒ２＝－（Ｒ０ ２／Δ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（５）
　設定周波数ｆ０以外の周波数ｆの電波に対して反射器２の開口面上で平面波ＰＷを実現させるために、周波数ｆの電波により残留収差を発生させる曲率半径Ｒ１の球面波ＳＲと、位相中心の位置ＰＣを、位相中心の位置ＰＣ０からシフト量Δ分移動させることにより生ずる曲率半径Ｒ２の球面波ＳＰが互いに打ち消しあう条件は、次式（６）である。
　Ｒ１＋Ｒ２＝０　　　　　　　　　・・・（６）
　上式（２）と上式（５）を上式（６）に代入することにより、上式（１）のシフト量Δが得られる。
　すなわち、周波数ｆに対して上式（１）を用いてシフト量Δを算出し、一次放射器１の位相中心の位置ＰＣを位相中心の位置ＰＣ０からシフト量Δ分移動させた位置ＰＣ０＋Δにして、周波数ｆの電波を一次放射器１から放射すると、反射器２の開口面上に平面波ＰＷが実現できる。
　次に、実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置の動作について説明する。
　まず、一次放射器１から放射される電波の周波数ｆが設定されると、一次放射器１は周波数ｆに対する位相中心の位置ＰＣを上式（１）に基づいて算出し、決定する。
　一次放射器１は、周波数ｆに対する決定した位相中心の位置ＰＣから周波数ｆの電波を反射器２に向けて放射する。
　放射する電波の周波数ｆが設定周波数ｆ０であると、反射器２における複数の共振素子２２により反射位相が調整され、反射器２は、入射された一次放射器１から放射された設定周波数ｆ０の電波を設定周波数ｆ０の電波の球面波を反射器２の開口面上で平面波ＰＷ０になるように変換して反射する。
　また、放射する電波の周波数ｆが設定周波数ｆ０以外の周波数であると、周波数ｆの電波により残留収差を発生させる曲率半径Ｒ１の球面波ＳＲと、位相中心の位置ＰＣを位相中心の位置ＰＣ０からシフト量Δ分移動させることにより生ずる曲率半径Ｒ２の球面波ＳＰが互いに打ち消しあい、反射器２は、入射された一次放射器１から放射された周波数ｆの電波を反射器２の開口面上で平面波ＰＷになるように反射する。
　実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置において、一次放射器１から放射される電波の周波数ｆに対する利得の利得周波数特性についてシミュレーションを行った。
　このシミュレーションは、反射器２の開口面上で平面波ＰＷになっている、つまり、残留収差を打ち消す又は低減していることにより、下端の周波数ｆＬから上端の周波数ｆＨまで残留収差が発生せずに利得低下が生じないことを検証するために行ったものである。
　従って、利得周波数特性は残留収差による利得低下を考慮したものであり、各共振素子２２の反射位相が周波数特性をもたない、各共振素子２０２の周波数特性に起因する位相誤差によって発生する損失が生じない条件のもとでシミュレーションを行った。
　また、上記条件は、スピルオーバ損失、反射損失及び振幅分布による損失などの損失を持たないことを意味している。
　また、シミュレーションの設定条件は、設定周波数ｆ０を２８GHz、開口径Ｄを５００mm、一次放射器１から放射される設定周波数ｆ０の電波に対する、位相中心の位置ＰＣ０から反射器２の中心点２（Ｏ）を介した反射器２の開口面中心までの距離Ｒ０を４５０mm、イメージホーン角θを０deg、一次放射器１から放射される電波の設定された周波数帯域の下端の周波数ｆＬを２６GHz、周波数帯域の上端の周波数ｆＨを３０GHzである。
　上記した条件の下、一次放射器１が、周波数帯域の周波数ｆを下端の周波数ｆＬから上端の周波数ｆＨまで連続的に変化させ時のシフト量Δを上式（１）により算出し、一次放射器１が、放射する電波の周波数ｆに応じて、位相中心の位置ＰＣ０からシフト量Δ分オフセットさせた位相中心の位置ＰＣから、位相中心の位置ＰＣに対応した下端の周波数ｆＬから上端の周波数ｆＨまでの周波数ｆの電波を放射すると、図１３に実線ＧＥにて示す利得周波数特性が得られた。
　また、参考例として、位相中心の位置を位相中心の位置ＰＣ０から移動させずに、一次放射器１が下端の周波数ｆＬから上端の周波数ｆＨまでの周波数ｆの電波を放射すると、図１３に破線ＧＲにて示す利得周波数特性が得られた。
　図１３に示した実線ＧＥから理解されるように、実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置は、設定周波数ｆ０の電波に対してはもちろんのこと、下端の周波数ｆＬから上端の周波数ｆＨまでの電波に対して反射器２の開口面上で平面波ＰＷが得られ、利得低下が生じていない。
　その結果、下端の周波数ｆＬから上端の周波数ｆＨまでの電波に対して開口能率が一定である。
　これに対して、図１３に示した破線ＧＲから理解されるように、参考例においては、設定周波数ｆ０の電波に対しては実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置と同じであるものの、設定周波数ｆ０から遠ざかる、つまり、下端の周波数ｆＬ及び上端の周波数ｆＨに近づくにつれて残留収差が発生し、利得低下が生じている。
　その結果、下端の周波数ｆＬ及び上端の周波数ｆＨに近づくにつれて開口能率が低下している。
　以上の検証結果から、実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置は、参考例と比較して、下端の周波数ｆＬから上端の周波数ｆＨまでの電波に対して反射器２の開口面上で平面波ＰＷが得られ、利得低下が生じていないため、下端の周波数ｆＬから上端の周波数ｆＨまでの電波に対して開口能率が一定であることがわかる。
　以上のように、実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置は、一次放射器１が、電波の位相中心の位置ＰＣを、放射する電波の周波数ｆに応じて、電波の放射軸ＲＡに沿って前後に調整して電波を放射するので、設定周波数ｆ０の電波以外の下端の周波数ｆＬから上端の周波数ｆＨまでの電波に対して、周波数ｆの電波により残留収差を発生させる曲率半径Ｒ１の球面波ＳＲと、位相中心の位置ＰＣを前後に調整して移動させることにより生ずる曲率半径Ｒ２の球面波ＳＰが互いに打ち消しあい、反射器２の開口面上で平面波ＰＷが得られ、利得低下を低減できる。
　その結果、一次放射器１から放射される電波における周波数の広帯域化を図ることができる。
　特に、実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置は、一次放射器１における放射する電波の位相中心の位置ＰＣの調整を、設定周波数ｆ０の電波の位相中心の位置ＰＣ０を基準に、低い周波数ｆＬから高い周波数ｆＨまでの周波数帯域の周波数ｆに対して上式（１）に求められたシフト量Δにより決定しているため、設定周波数ｆ０の電波以外の下端の周波数ｆＬから上端の周波数ｆＨまでの電波に対して、周波数ｆの電波により残留収差を発生させる曲率半径Ｒ１の球面波ＳＲと、位相中心の位置ＰＣを、位相中心の位置ＰＣ０からシフト量Δ分移動させることにより生ずる曲率半径Ｒ２の球面波ＳＰが互いに打ち消しあい、反射器２の開口面上で平面波ＰＷが得られ、利得低下が生じていない。
　その結果、一次放射器１から放射される電波における周波数の広帯域化を図ることができる。
　なお、上記した実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置では、一次放射器１における放射する電波の位相中心の位置ＰＣを、設定周波数ｆ０の電波の位相中心の位置ＰＣ０を基準に、低い周波数ｆＬから高い周波数ｆＨまでの周波数帯域の周波数ｆに対して上式（１）に求められたシフト量Δにより決定して一次放射器１の放射軸ＲＡの方向に沿って連続的にオフセットするものとしたが、複数の異なった周波数に対してステップ状にシフト量Δを決定し、位相中心の位置ＰＣ０を基準に一次放射器１の放射軸ＲＡの方向に沿ってステップ状にオフセットするものでもよい。
　例えば、低い周波数ｆＬの電波に対するシフト量ΔＬを次式（７）により算出し、高い周波数ｆＨの電波に対するシフト量ΔＨを次式（８）により算出する。
　ΔＬ＝（（λ０－λＬ）／λ０）×（Ｒ０／cos３θ）（７）
　ΔＨ＝（（λ０－λＨ）／λ０）×（Ｒ０／cos３θ）（８）
　式（７）及び式（８）中、λＬは一次放射器１から放射される低い周波数ｆＬの電波の波長であり、λＨは一次放射器１から放射される高い周波数ｆＨの電波の波長である。
　一次放射器１から放射される電波が低い周波数ｆＬの電波であると、一次放射器１は低い周波数ｆＬに対する位相中心の位置ＰＣLを上式（７）に基づいて算出し、決定する。
　一次放射器１は、決定した位相中心の位置ＰＣLから低い周波数ｆＬの電波を反射器２に向けて放射する。
　また、一次放射器１から放射される電波が高い周波数ｆＨの電波であると、一次放射器１は高い周波数ｆＨに対する位相中心の位置ＰＣＨを上式（８）に基づいて算出し、決定する。
　一次放射器１は、決定した位相中心の位置ＰＣＨから高い周波数ｆＨの電波を反射器２に向けて放射する。
　上記した例示は、低い周波数ｆＬと高い周波数ｆＨの２つの周波数として説明したが、低い周波数ｆＬから高い周波数ｆＨまでの周波数帯域の複数の異なった周波数に対して、上記（１）を基に、複数の異なった周波数に対するシフト量Δを決定し、複数の異なった周波数の電波それぞれに対して決定された位相中心の位置ＰＣから一次放射器１が複数の異なった周波数の電波それぞれを放射するものでもよい。
　図１３に示した利得周波数特性の結果は、残留収差による利得低下を考慮したものであり、各共振素子２２の周波数特性に起因する位相誤差によって発生する損失、スピルオーバ損失、反射損失、及び振幅分布による損失などの損失を持たない理想的な条件のもとでシミュレーションを行った。そのため、ホーンアンテナも具体的な形状を持たない、理想的なものを使用した。
　そこで、一次放射器１として、より現実的な構成である図１４に示すホーンアンテナを用いて実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置における効果を検証した。
　図１４に示すホーンアンテナは、開口の形状を矩形としたホーンアンテナであり、開口のサイズは９８．５mm ×７５．６mm、軸長は４００mmである。
　また、シミュレーションの設定条件（Ｉ）は、設定周波数ｆ０を１３．７５GHz、開口径Ｄを３３０mm、一次放射器１から放射される設定周波数ｆ０の電波に対する、位相中心の位置ＰＣ０から反射器２の中心点２（Ｏ）を介した反射器２の開口面中心までの距離Ｒ０を６８０mm、イメージホーン角θを０deg、一次放射器１から放射される電波の設定された周波数帯域の下端の周波数ｆＬを１２．５GHz、周波数帯域の上端の周波数ｆＨを１５GHzである。
　なお、本シミュレーション（Ｉ）では、振幅分布による損失とスピルオーバ損失も考慮して計算している。
　図１５は、図１４に示すホーンアンテナの位相中心の周波数特性と、上記のシミュレーションの設定条件において上式（１）を満足する理想的な位相中心の周波数特性を比較した結果である。
　図１５において、実線が図１４に示すホーンアンテナの位相中心の周波数特性を示し、破線が上式（１）を満足する理想的な位相中心の周波数特性を示す。
　図１５から明らかなように、図１４に示すホーンアンテナを用いた実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置は、周波数が１２．５GHｚから１５GHｚにおいて理想的な位相中心位置を実現できている。
　図１６は、上記したシミュレーション（Ｉ）の設定条件において、周波数に対する位相誤差による損失、つまり利得低下を計算した結果である。
　図１６から明らかなように、周波数が１２．５GHｚから１５GHｚにおいて、位相誤差による損失は０．１ｄB以下と、損失が十分小さいことが確認できる。
　すなわち、図１４に示すホーンアンテナを用いた実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置においても、上式（１）を満たすことができ、リフレクトアレーの帯域を制限する要因である位相誤差による損失を低減することができる。
　図１６に示した検証結果は、図１４に示すホーンアンテナの位相中心が上式（１）を満たす理想的な条件で検討した結果を示した。
　しかし、位相中心が上式（１）を満たすホーンアンテナに限定されるものではなく、ホーンアンテナの位相中心を上式（１）に近づけるだけでも効果がある。
　この点について、以下に示すシミュレーションにより検証する。
　シミュレーションの設定条件（II）は、設定周波数ｆ０を１２．５GHz、開口径Ｄを５００mm、一次放射器１から放射される設定周波数ｆ０の電波に対する、位相中心の位置ＰＣ０から反射器２の中心点２（Ｏ）を介した反射器２の開口面中心までの距離Ｒ０を８４５mm、イメージホーン角θを０deg、一次放射器１から放射される電波の設定された周波数帯域の下端の周波数ｆＬを１０GHz、周波数帯域の上端の周波数ｆＨを１５GHzである。
　図１７は、図１４に示すホーンアンテナの位相中心の周波数特性と、上記のシミュレーションの設定条件（II）において上式（１）を満足する理想的な位相中心の周波数特性を比較した結果である。
　図１７において、実線が図１４に示すホーンアンテナの位相中心の周波数特性を示し、破線が上式（１）を満足する理想的な位相中心の周波数特性を示す。
　図１７から明らかなように、図１４に示すホーンアンテナを用いた実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置は、周波数が１０GHｚから１５GHｚにおいて理想的な位相中心位置とはなっていないが、位相中心が固定されたホーンと比較して、位相中心が理想値に近づいている。
　同様に、上記のシミュレーションの設定条件（II）において、図１４に示すホーンアンテナを用いた実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置と、上式（１）を満足する理想的な位相中心をもつホーンアンテナを用いたものと、位相中心が固定されたホーンアンテナを用いたものとを、周波数に対する利得、能率、位相誤差による損失を比較した。
　図１８が周波数に対する利得を図１９が周波数に対する能率を、図２０が周波数に対する位相誤差による損失を示す。
　図１８から図２０において、実線が図１４に示すホーンアンテナを用いた実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置における特性を示し、破線が上式（１）を満足する理想的な位相中心をもつホーンアンテナを用いたもの特性を示し、一点鎖線が位相中心が固定されたホーンアンテナを用いたもの特性を示す。
　図１８から図２０から明らかなように、図１４に示すホーンアンテナを用いた実施の形態１に係る反射鏡アンテナ装置は、位相中心が固定されたホーンアンテナを用いたものに対して、周波数に対する位相誤差による損失が低減し、利得及び能率の周波数特性が改善されており、理想に近づいている。
　なお、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
　本開示に係る反射鏡アンテナ装置は、一次放射器と平板状の反射器とを備えるリフレクトアレーアンテナに好適である。
　１　一次放射器、２　反射器、２１　誘電体板、２２　共振素子、２３　金属板、ｆＬ、ｆＭ、ｆＨ、ｆ０　周波数、λ、λＬ、λＨ、λ０　波長、ＰＣＬ、ＰＣＨ、ＰＣ０　位相中心の位置、Ｒ０　一次放射器１から放射される設定周波数ｆ０の電波に対する、位相中心の位置ＰＣ０から反射器２の中心点を介した反射器２の開口面中心までの距離、θ　イメージホーン角。

Claims (9)

  1. 　放射する電波の位相中心の位置を、放射する電波の周波数に応じて、電波の放射軸に沿って前後に調整して電波を放射する一次放射器と、
    　平板状の誘電体板、及び、電波を反射する反射面となる前記誘電体板の表面に配列され、それぞれが入射された電波の反射波の位相を調整する複数の共振素子を有し、前記一次放射器から放射された電波を入射し、入射した電波を反射する反射器と、
    　を備えた反射鏡アンテナ装置。
  2. 　前記一次放射器における放射する電波の位相中心の位置の調整は、前記一次放射器が放射する周波数の電波により残留収差を発生させる曲率半径の球面波と、前記位相中心の位置を設定周波数の電波の位相中心の位置から前後に移動させることにより生ずる曲率半径の球面波が互いに打ち消しあう位相中心の位置に決定する請求項１に記載の反射鏡アンテナ装置。
  3. 　前記一次放射器における放射する電波の位相中心の位置の調整は、設定周波数ｆ０の電波の位相中心の位置を基準に、低い周波数から高い周波数までの周波数帯域の周波数ｆの電波に対して次式（１）に求められたシフト量Δにより決定する請求項１又は請求項２に記載の反射鏡アンテナ装置。
    　Δ＝（（λ０－λ）／λ０）×（Ｒ０／cos３θ）　　（１）
    　式（１）中、λ０は設定周波数ｆ０の電波の波長、λは前記一次放射器から放射される前記周波数帯域の周波数ｆの電波の波長、Ｒ０は前記一次放射器から放射される設定周波数ｆ０の電波の位相中心から前記反射器の中心点を介した前記反射器の開口中心までの距離、θはイメージホーン角である。
  4. 　前記一次放射器における放射する電波の位相中心の位置の調整は、設定周波数ｆ０の電波の位相中心の位置を基準に、
    　前記設定周波数ｆ０より低い周波数ｆＬの電波に対して次式（２）に求められた第１のシフト量ΔＬにより決定し、
    　前記設定周波数ｆ０より高い周波数ｆＨの電波に対して次式（３）に求められた第２のシフト量ΔＨにより決定する請求項１又は請求項２に記載の反射鏡アンテナ装置。
    　ΔＬ＝（（λ０－λＬ）／λ０）×（Ｒ０／cos３θ）（２）
    　ΔＨ＝（（λ０－λＨ）／λ０）×（Ｒ０／cos３θ）（３）
    　式（２）及び式（３）中、λ０は設定周波数ｆ０の電波の波長、λＬは前記一次放射器から放射される低い周波数ｆＬの電波の波長、λＨは前記一次放射器から放射される高い周波数ｆＨの電波の波長、Ｒ０は前記一次放射器から放射される設定周波数ｆ０の電波の位相中心から前記反射器の中心点を介した前記反射器の開口中心までの距離、θはイメージホーン角である。
  5. 　前記一次放射器は、水平及び垂直偏波の電波を放射する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の反射鏡アンテナ装置。
  6. 　前記一次放射器はホーンアンテナである請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の反射鏡アンテナ装置。
  7. 　前記複数の共振素子それぞれは、円形のリング形状である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の反射鏡アンテナ装置。
  8. 　前記複数の共振素子それぞれは、円形の形状である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の反射鏡アンテナ装置。
  9. 　前記複数の共振素子それぞれは、矩形のリング形状である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の反射鏡アンテナ装置。
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JPH0715234A (ja) * 1993-06-28 1995-01-17 Mitsubishi Electric Corp 複反射鏡アンテナ装置の改造方法
JP2016092633A (ja) * 2014-11-06 2016-05-23 三菱電機株式会社 リフレクトアレーアンテナ
JP2017079460A (ja) * 2015-10-20 2017-04-27 三菱電機株式会社 リフレクトアレーアンテナ

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0715234A (ja) * 1993-06-28 1995-01-17 Mitsubishi Electric Corp 複反射鏡アンテナ装置の改造方法
JP2016092633A (ja) * 2014-11-06 2016-05-23 三菱電機株式会社 リフレクトアレーアンテナ
JP2017079460A (ja) * 2015-10-20 2017-04-27 三菱電機株式会社 リフレクトアレーアンテナ

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