JPS6135721B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、マイクロ波リフレクタアンテナに
関し、とくに放射線パターンの主ローブが、楕円
形状の横断面を有するようになるアンテナのパラ
ボラー楕円面リフレクタ（反射器）に関する。

楕円形状の放射線パターンを有するリフレクタ
アンテナは、とくに衛星通信に有用である。

事実きわめてしばしば作用区域は、十分に楕円
で等高線様に輪郭づけでき、そしてその楕円は周
知のように個所に両方の楕円軸に作用することに
より適正に変化するようになる。

衛星により照射されたエネルギーを作用すべき
区域だけへ輸送する必要性は、厳密に送信電力の
有効利用度および宇宙空間の電磁的非汚染性に依
存する。

実際に作用すべきでない区域への放射は、必然
的におそらくその区域においてかつ同じ周波数帯
域にわたつて動作する他の無線サービスとの妨害
により無用なエネルギー浪費およびいずれの場合
にも複雑さを伴なう。

容易に形成区分（とくに楕円形）の無線ビーム
をうるため、異なつた方法が周知である；そのよ
うな方法は、下記の３つに集約される。

１ 給電アンテナの放射線パターンに作用するこ
と； ２ 適正にアンテナリフレクタを形成すること； ３ リフレクタに適正に形成された放射線開口を
実現させる； 第１の方法は、もしより複雑で、しかも必ずし
も費用の点で割の合わない次の様な解決法を使用
するのでなければ、いつも所望の成果を達成でき
るとは限らず、そしてそれらの解決法は； ―多モード給電励振（多モード給電）、 ―機械的に実現困難な特別な形状の給電装置の
放射線開口、 適正に位相および振幅励振された１組の給電装
置よりなる給電システム などである。

リフレクタの形状を決定するのに使用する計算
方法は、一般に幾何学的光学理論に基づく。これ
等の原理は電波の分野では殆んどそのまま応用で
きないので、最適のリフレクタ形状を構成するた
め長くかつ反復的なプロセスを必要とする。

この第２の方法によると、反射表面は、解析関
数ではなくて、不連続な様式たとえば点または線
により示される。

周知のように、不連続様式による表面のきめ方
は、たとえば機械的なプロツト要求と電磁的なプ
ロツト要求との間の差異のため必然的に高価とな
る；たとえばアンテナの電磁特性を精密に計算す
るという見地からすると、多数の点よりなる表面
を知ることが必要であり、そして、その多数の点
は、上記記載の精密さ要求の範囲内で機械的に実
現するため必要な点よりも少ない。

この場合には、上記の機械的要求を満たすため
より多数の点の表面を計算することが必要とな
り、従つて必然的に構成費の増加を伴なうように
なる。

第３の方法は、それだけで用いると通常は不十
分である；それが上記記載の２つの方法と関連し
てこの方法を用いる所以である。

楕円形状ビームを有するリフレクタアンテナの
場合には、この発明によると、一致した頂点と、
一致した軸（共通軸）と、前記共通軸の一部中に
位置しているそれぞれの焦点とを有するパラボラ
包絡面としてえられるパラボラー楕円表面リフレ
クタを用いることにより克服される。焦点が（相
互に）偏位している態様は、放射線開口において
２次位相誤差を発生し、開口縁部における該２次
位相誤差の振幅（主ビームの放射線パターン）が
楕円形状となる様なものとされている。

この発明により提案される解決法は、たとえそ
れが理論的に上記記載の方法のうちの第２の方法
に依存すると考えても、なおその周知の方法に比
べ、多くの利点を提供する。そのおもなものは下
記のとおりである；すなわち ― 点によりえられる表面に比べ、解析的に表現
されかつ機械的により容易に実現できる表面の
使用； ― 構成段階中に、リフレクタ焦点の変化範囲に
作用するだけで、放射線の主ローブの楕円形横
断面の軸比（等価的に給電源）を変化できる可
能性；そして、放射ビームの楕円率（第５図中
のｅ_fはパラボラの楕円率の関数、即ち複数の
焦点が相互に偏位している範囲における最大値
と最小値の比（第５図におけるf2／f1）の関数
なので、上記軸比を変化できる可能性は合成曲
線を容易に得る事を許容する。

そのような関数から図式表示を作れるので、ア
ンテナの合成過程が極めて簡略化されるようにな
る。

この発明の目的であるリフレクタの使用と関連
して考えられる別の利点は、種々のビームに対し
異なつた楕円率を有する多ビームアンテナを実現
できることであり、換言すると異なつた方向へ同
時に複数個の楕円ビームを照射できかつそのおの
おのの楕円ビームの横断面が、おのおのの特性を
示す既定の楕円率値を有するようになるアンテナ
を実現できることである。

従つてこの発明の特別の目的は、放射線パター
ンの主ローブが楕円形状の横断面を有するように
なるアンテナのパラボラー楕円面リフレクタ（反
射器）を提供することであり、そのパラボラー楕
円面リフレクタの表面は、同じ点に一致する頂点
と同じ軸に一致する主軸と上記の同じ軸のセグメ
ントに沿つて配置された焦点とを有するパラボラ
群の包絡面よりなり、そして上記のセグメント
は、上記の焦点の幾何学的軌跡を形成するように
なる。

この発明の別の目的は、上記のパラボラー楕円
面リフレクタの合成過程を提供することである。

この発明の代表的な実施例について添付図面を
参照して説明する。この発明に従つてアンテナリ
フレクタを誘導するパラボラー楕円表面の周知の
方程式は、その一般公式で下記のように示され
る： Ｘ^２／ｐ＋Ｙ^２／ｑ＝2Z (1) ここに：Ｘ、Ｙ、Ｚは３つの直交軸で、そして
その原点に、表面の頂点が配置される；ｐ／２
は、上記の表面を平面XZ（Ｙ＝０）と交ささせ
ることによりえられるパラボラの焦点（Ｆ２）に
関する焦点距離であり、そしてｑ／２は、上記の
表面を平面YZ（Ｘ＝０）と交ささせることによ
りえられるパラボラの焦点（Ｆ１）に関する焦点
距離である。

第１図において、参照符号Ｐは、幾何学的表面
を示し、そしてそれから前面給電形リフレクタが
えられる。

参照符号Ｇ１とＧ２とは、それぞれ平面YZ
（Ｘ＝０）およびXZ（Ｙ＝０）に位置ぎめられる
表面Ｐの２つの母線を示す；それらの母線Ｇ１と
Ｇ２とは、表面Ｐの軸ξ上に、それぞれ焦点Ｆ１
とＦ２とを有するパラボラのアークよりなる。

参照記号Ｆは、給電位相中心が位置しているポ
イントを総括的に表示する。Ｆの位置が変化する
範囲は、２つの同心球によつて境界づけられる球
面セグメントの軸ξ近傍の部分よりなり、該２つ
の同心球は頂点Ｖにおける（該同心球の）中心と
（各々の）半径とを有しており、該（各々の）半
径はＶからＦ１までの距離及びＶからＦ２までの
距離にそれぞれ等しい。参照符号α１及びα２
は、これ等２つの同心球の表面の平面Ｘ＝０にお
ける部分的な軌跡である。

もし点Ｆが焦点Ｆ１とＦ２との間の閉鎖した区
間内にあるとすれば、明らかに放射ビームの方向
は軸ξに沿うであろう；他のすべての場合におい
ては、周知の反射法則に基づいた種々の異なつた
放射線の方向が存在する。

さらに、アンテナ形状が等しいとき、一般的に
焦点Ｆ１とＦ２とに対する点Ｆの位置は、放射線
パターンの主ビームの楕円区分の軸比およびアン
テナ効率に影響を与える。

効率に関する給電放射線の最適位置ぎめ状態
は、その給電放射線の位相中心が焦点Ｆ１と一致
するときである；この特別な状態については下記
を参照されたい。

下記の説明において、参照符号ｆ１とｆ２とは
それぞれ焦点Ｆ１とＦ２との表面Ｐの頂点Ｖから
の距離を示す。

焦点Ｆ１を頂点とする既定の開口θｎの円錐状
表面と楕円状放物線面の表面Ｐとの交さにより、
平面ではない曲線が形成され、そしてその曲線
が、リフレクタのエツジ部分を輪郭づけする。従
つて開口θ_Mは、リフレクタが焦点Ｆ１から見る
角度を示す。

リフレクタのエツジ部分をきめる曲線の平面
XY（Ｚ＝Ｏ）への投影は、第１図で参照符号Ａ
で示す擬似楕円であり、そしてその擬似楕円Ａの
軸Ｙと軸Ｘとに沿つた直径を、それぞれ参照符号
Ｄ１とＤ２とで示した。

第２図において、参照符号Ｐは、第１図と同じ
幾何学的表面を示し、そしてこのときはその幾何
学的表面からオフーセツト形のリフレクタが、え
られるようになる；参照符号Ｇ１，Ｇ２、Ｆ、Ｆ
１，Ｆ２、ｆ、ｆ１，ｆ２、ξ、θ_Mに対しても
第１図と同じと考えてよい。

とくに第２図において、点Ｆは、焦点Ｆ１と一
致する；参照符号θ_pは、最大給電放射線の方向
と表面Ｐの軸ξとの間の角度を示す；参照符号ｄ
は、その軸ξとオフーセツト形リフレクタの底エ
ツジ部分との間の距離を示す。

この場合には、リフレクタのエツジ部分は、表
面Ｐを、開口θ_M＝θ_p−θ_nおよび点Ｆ＝Ｆ１に
頂点を有する円錐と交ささせることによりえられ
る。

参照符号θ_nは、軸ξと点Ｆをリフレクタの底
エツジ部分と結合させる線との間の角度である；
参照符号A′は、第１図において、参照符号Ａと
Ｄ１とＤ２とに対して示されるものと同じよう
に、リフレクタを輪郭づける一般的に非平面の曲
線の平面XY（Ｚ＝Ｏ）への投影としてえられる
直径D′１とD′２とを有する擬似楕円である。

上記記載のほかに、この発明によるアンテナリ
フレクタの機械的実施例については、この技術分
野において通常の知識を有するものにとつて問題
ではない。

事実、前面給電形アンテナの場合には角度θ_M
の値およびオフ―セツト形アンテナの場合には角
度θ_pとθ_nとの値と一緒に、方程式(1)が、リフレ
クタ表面を十分正確に定義し、そしてそのリフレ
クタ表面の実際の実施例は、たとえばデイジタル
制御設備により実現できるものである。

簡単のため下記にオフ―セツト形アンテナを参
照して説明する。

第３図は、ｄ＝４cmの値およびf1／D′1の異な
つた値に対し、直径比D′2／D′1と焦点比f2／f1間
の関係を確立する曲線群を示す。

この特定の場合において、開口の楕円率
（D′2／D′1）は通常１に非常に近い値である事が
明らかであり、この事は、主放射線ローブの楕円
率は主として開口における位相分布によつて生ず
るものであり、開口の形状によつて生ずるもので
はない旨を意味している。第３図において、焦点
距離の比f2／f1が通常の範囲にある場合ならば、
開口の形状は一定であり（比D′2／D′1は0.98−
1.02の範囲内にあり）、この事は、主照射ローブ
の楕円率ｅ_fは開口の形状には依存せず、５図か
ら更に明らかとなるであろう様に、開口における
位相誤差の分布、即ち比f2／f1に依存するもので
ある旨を意味している。

第４図は、レベル曲線により、楕円状の横断面
を有する主ローブの間隔の傾向を示す１例を示
し、そして上記の楕円状横断面は、第２図に記載
した形式のオフ―セツト形アンテナによりえられ
るようになる。

第４図において、曲線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ
４，Ｃ５は、それぞれ最大放射線に対するレベル
−１，−２，−３，−４，−５dBにおけるローブ区
分である。

−3dBにおける区分Ｃ３の半軸間の比oA／oB
を、主ローブの楕円率値ｅ_fと仮定する。

ｅ_f＝ｏＡ／ｏＢ 第５図の曲線は、主ローブの楕円率と比f2／f1
間の関係を示し、とくに ｄ＝６cm f1／D′1＝１ Ｆ≡F1 の場合である。

この図から、主放射線ローブの楕円率を発生さ
せる原因に関し、第３図を参照して説明したこと
が確認される。

事実、たとえば開口の楕円率D′2／D′1＝0.994
となるf2／f1＝0.9に対し、主ローブの楕円率ｅ_f
は、 ｅ_f＝0.74 となり、そしてこの楕円率は、本願発明の対象で
あるアンテナの構造から導びかれる開口における
位相分布の効果により、高い楕円率は略々円形の
開口と対応する事になる。

第６図の曲線は、第５図と同じ特別な状態下で
のアンテナの楕円率および比f2／f1と関連する。
第６図の利用については、構成の説明の際に検討
する。

第７図の曲線は、主ローブの楕円率ｅ_fおよび
給電装置の位相中心が配置される点の焦点距離ｆ
と軸Ｙ（第２図）に沿つた直径D′１間の比ｆ／
D′1に関連する。

この図から、既定のアンテナの幾何学的構成に
対し、単に焦点Ｆ１とＦ２とに対して給電位置を
変えるだけで主ローブの楕円率比ｅ_fを変化でき
る方法が理解できる；より詳細には、楕円形状横
断面を伴う主ローブを有している前述された構造
の様なアンテナ構造から（給電位置を変化させる
事を）開始した場合においても、円形横断面を伴
う主ローブ（ｅ_f＝１）が得られるであろう旨が
明らかである。特定の場合として、本発明のアン
テナのパラメータの特定の組を選択する事、即ち
ｅ_f＝１が得られる様に第７図におけるｆ／D′1の
特定の値を選択する事により、本出願人は円形の
主照射ローブを得る事が出来た。つぎに上記に説
明の簡略化のために選択しかつ検討した図面と関
連する特別の状態下におけるこの発明の目的であ
るアンテナ構成の例について記載する。

使用すべき所望区域を網羅するよう、主ローブ
の既定の楕円率ｅ_fをうるため、曲線５から正し
い焦点比f2／f1を導く。

楕円率ｅ_fのおのおのと対応する２つの値f2／
f1の間で、第６図の曲線に基づいて、より効率的
な曲線を満足する値が選択される；従つて第６図
から効率的な値ηを導くことができる。

周知の関係式 Ｇ＝４πηＳ／λ^２ （ここにＳは、穴面積を示し、そしてそれは明
らかに直径D′１とD′２との関数である；λは、
波長を示す；Ｇはアンテナ利得を示す）から、η
は既定値のＧに対して周知であるので、面積Ｓの
値がえられる。

第３図の曲線から焦点比f2／f1に対し選択され
た値に基づいて直径比D′2／D′1に対する異なつ
た可能な値がえられる；焦点比f2／f1はまた、面
積Ｓに対し見出された値により賦課される状態を
満足するよう選択され、そして面積Ｓの値は、直
径D′１とD′２との積に依存する。従つて直径
D′１とD′２とに対し与えられるべき値を見出す
ことができる。

この様な態様において、楕円率ｅ_f、比f2／
f1、効率η、アンテナ利得Ｇ、面積Ｓ、直径D′１
及びD′２が知られ、上記の記載における様な考
慮に基づけば、アンテナリフレクタを設定するの
に必要な総ての幾何学的パラメータが決定され
る。そして、所望の特定照射パターンを有する既
知のタイプの給電（給電アンテナ）を見い出す事
も可能である。

この発明の目的にとつて、これまでに記載した
過程に従つて合成されるリフレクタと関連して使
用すべき給電装置の種類は、とくに関係ない；従
つて使用すべき給電装置の形式の説明は、必要と
思われなかつた。

いずれにしても、アンテナの高効率ηをうるた
めおよびそのアンテナにより放射される干渉偏波
の貢献を低減するため、たとえばコルゲート（波
形）された内部表面を有する円筒状または円錐状
給電装置などの円形対称を備える放射線パターン
の給電装置を用いることが適当なことは、強調し
て置かねばならない。

給電装置の位相中心Ｆ（第１図および第２図）
の位置を、主ローブの所要の楕円率ｅ_fおよび所
要の効率ηの関数としてきめる規準については、
既に上記に検討した。

同じアンテナにより、主ビームの放射線だけで
なく、おのおのそれ自身の主ローブの楕円率ｅ_f
を有する異なつた方向への既定数の付加のビーム
の放射線までも要求するときは、表面α１とα２
とで境界づけられる球面状帯域の内部に、同数の
２次給電装置を配置しなければならない。

そのおのおのの２次給電装置の正確な位置は、
つぎの２次ビームを送る必要がある方向と第７図
の曲線に基づいた上記の２次ビームに所要の楕円
率ｅ_fとの両方に依存する；しかしこのことは、
この技術分野において通常の知識を有するものに
とつて問題ではない。

【図面の簡単な説明】

第１図はパラボラー楕円面リフレクタを有する
前面給電形アンテナの幾何学的構成を示す；第２
図は、パラボラー楕円面リフレクタを有するオフ
―セツトアンテナの幾何学的構成を示す；第３図
は、第２図のオフ―セツトアンテナにおいて、放
射線開口の比D′2／D′1を、パラボラー楕円面リ
フレクタの焦点比f2／f1と比較する曲線群を示
す；第４図は、最大放射線に対する異なつたレベ
ルでプロツトされた主放射線ローブの横断面の計
算した輪郭（コンタ）を示す；第５図は、オフ―
セツトアンテナの場合で、焦点比f1／D′1＝１に
対する主放射線ローブの楕円率ｅ_fとリフレクタ
の焦点比f2／f1との間の関係を示す；第６図は、
第５図の状態に対するリフレクタのアンテナ効率
ηとリフレクタの焦点比f2／f1との間の関係を示
す；第７図は、主放射線ローブの楕円率ｅ_fと給
電装置の位相中心の位置ｆ／D′1との間の関係を
示す；Ｐ；パラボラー楕円表面、Ｇ１，Ｇ２…；
パラボラ群、Ｆ１，Ｆ２，…；焦点群、ξ；軸
（Ｚ）、Ｖ；頂点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 概略楕円形横断面の主ローブを伴う放射線パ
   ターンを有するアンテナにおいて： 凹部表面を伴つたリフレクタを含み、該凹部表
   面の２つの共通の直交する平面における横断面は
   ｐ≠ｑである異なつた２つの焦点ｐ／２及びｑ／
   ２のそれぞれのパラボラのセグメントを実質的に
   画定し、前記パラボラは共通の頂点及び該頂点を
   貫いて通つている共通の軸上の異なつた複数の焦
   点とを有しており、前記凹部表面は前記共通の軸
   を横断する平面と概略楕円形の曲線にて交差して
   おり；そして 前記凹部表面上に向けられたマイクロ波源を含
   み、該マイクロ波源は、前記共通の軸の近傍にあ
   り且つ２つの仮想球面により境界付けられた区域
   内に放射線の位相中心を有する様に配置されてお
   り、該２つの仮想球面はそれぞれの半径がｐ／２
   及びｑ／２であつて前記頂点上に中心を有し且つ
   前記焦点を通過しており、それにより概略楕円形
   横断面の主ロープを伴う放射線パターンを確立す
   ることを特徴とするアンテナ。 ２ 前記位相中心は、前記複数の焦点を相互接続
   する線上に位置している特許請求の範囲第１項記
   載のアンテナ。 ３ 前記位相中心は、前記頂点からより遠方にあ
   る焦点と同一箇所にある特許請求の範囲第２項記
   載のアンテナ。 ４ 前記凹部表面は連続的な関係により画定され
   る特許請求の範囲第１項、第２項、第３項のいず
   れか１項に記載のアンテナ。 ５ 前記関数は方程式 （X²／ｐ）＋（V²／ｑ）＝2Z と実質的に一致し、該方程式においてＸ、Ｙ及び
   Ｚは、前記頂点においてその原点を有する座標系
   の軸であり、前記共通軸は前記座標系のＺ軸であ
   る特許請求の範囲第４項記載のアンテナ。 ６ 前記マイクロ波源は、前記Ｚ軸からオフセツ
   トされた前記凹部表面の区域を照射する放射線の
   円錐を有する特許請求の範囲第５項記載のアンテ
   ナ。