JP3668913B2 - 反射鏡アンテナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は低交差偏差レベルを実現する通信用／コンパクトレンジ用反射鏡アンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば文献（古野ほか：波動的交差偏波消去条件を満足する三枚反射鏡オフセットアンテナ、信学論（Ｂ）、ｖｏｌ．Ｊ７８−Ｂ−ＩＩ、ｎｏ．９、ｐｐ．５８５−５９２、１９９５）に示す従来の反射鏡アンテナは図１０のように、一次放射器１からの放射電波を非回転対称に配置された第１と第２副反射鏡３と４で反射後、主反射鏡５から放射する鏡面系に対し各鏡面で電波が反射された後に発生し重畳して得られる主反射鏡５上での交差偏差が０になるように構成する。各鏡面で発生する交差偏差レベルは、交差偏差に最も寄与するモードだけを考慮しビームモード展開法で近似的に表され、波動的交差偏波消去条件を満足する範囲で各鏡面に入射する光線中心軸の反射角度σ₁ とσ₂ とσ₃ の制限はない。
【０００３】
上記従来の反射鏡アンテナは、一次放射器に続く非回転対称な３枚の反射鏡二次曲面系で各鏡面に入射する光線中心軸反射角度σ₁ とσ₂ とσ₃ の制限がなく、ビームモード近似式で導出される波動的交差偏差消去条件を満足するように構成する方式（ビームモード展開法による波動的交差偏波消去方式）を採る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の反射鏡アンテナでは、ビームモード展開法による波動的交差偏差消去方式を採るから、垂直偏波で励振をするとき鏡面上の鏡軸方向電流成分と考慮されていない高次ビームモードの寄与とにより発生する交差偏波成分を抑圧できない問題点があった。
【０００５】
この発明が解決しようとする課題は、反射鏡アンテナで一次放射器に続く非回転対称な複数の反射鏡二次曲面系でビームモード展開法による波動的交差偏波消去条件を満足し、かつ低交差偏差レベルを実現するように構成する方式（低交差偏差レベルを実現する波動的交差偏波消去方式）を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の反射鏡アンテナは、コルゲートホーン、複モードホーン、角錐ホーンまたはグリッド付円錐ホーンその他の一次放射器からの放射電波を非回転対象な３枚もしくは複数または２枚の反射鏡で反射後放射する鏡面系に対し、波動的または幾何的交差偏波消去条件の関係を満足しかつクリアランスを満たす範囲内で各鏡面に入射する光線中心軸の反射角度σを最小にする配置にする、またはさらにクリアランスを満たす範囲内で（ω／ｆ）ｔａｎ（σ／２）（ｆはレンズ系焦点、ωはビーム半径）を最小にするような構成で配置をする、または非回転対象な３枚の反射鏡で反射後放射する鏡面系で上記条件のほかさらに最初と２枚目および２枚目と３枚目の各鏡面間に焦点をもつような構成で配置をするもので、上記課題を解決するため、低交差偏差レベルを実現する波動的または幾何的交差偏波消去方式を採ることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の一形態を示す反射鏡アンテナは図１のように、一次放射器１からの放射電波を非回転対称に配置された１〜Ｎ−１番目の反射鏡２で反射後、Ｎ番目の反射鏡２から放射する鏡面系に対し波動的交差偏波消去条件の関係を満足し、かつクリアランスを満たす範囲内で各鏡面に入射する光線中心軸の反射角度σ_n （ｎ＝１〜Ｎ）を最小にするように構成する。鏡面上の鏡軸方向電流成分により発生する交差偏波成分を低減できる。
【０００８】
上記実施の形態の反射鏡アンテナは、一次放射器に続く非回転対称な複数の反射鏡二次曲面系でビームモード展開法による波動的交差偏波消去条件を満足し、かつ低交差偏波レベルを実現するように構成する方式（低交差偏波レベルを実現する波動的交差偏波消去方式）を採る。
【０００９】
図２（ａ）のようにｎ番目の反射鏡２で入射と反射側焦点Ｆ_n とＦ_n+1 および中心光線と鏡面との交点間の距離をＲ_n とＲ´_n とし、１／ｆ_n ＝１／Ｒ_n −１／Ｒ´_n で表される焦点距離ｆ_n 、ビーム半径ω_n 、ｎとｎ＋１番目の鏡面間距離と各鏡面に入射する光線中心軸間角度σ_n を定義すると、Ｎ番目の鏡面で発生する主偏波の最大値で規格化された交差偏波の最大値Ｃは、ビームモード展開法により下記数１のようになる。
【００１０】
【数１】

【００１１】
【数２】

【００１２】
鏡面上の鏡軸方向電流成分による二次パターンは、鏡面上の電流Ｊの鏡軸方向成分（Ｊ・ｋ₂ ）を用い電流分布法で表される。
無限遠方交差偏波成分Ｆ_z 、ｘ_pol は、垂直偏波励振時次式のようになり、水平偏波励振時はＦ_z 、ｘ_pol に比べ無視できる程小さくなる。
Ｆ_z 、ｘ_pol （θ₂ ，φ₂ ）
≒−ｔａｎα／２ ｓｉｎθ₂ ｓｉｎφ₂ Ｆ_copol （θ₂ ，φ₂ ）
ここで、αはオフセット角度、Ｆ_copol は垂直偏波励振時放射パターンの主偏波成分を表す。
一様の開口面照度分布時鏡面上の鏡軸方向電流成分により発生する交差偏波成分のピーク電力Ｐ_z 、ｘ_pol （ｄＢｉ）は、次式のようになり、そのオフセット角度αだけに依存する量になる。
Ｐ_z 、ｘ_pol ≒１．４＋２０ Lｏｇ₁₀（ｔａｎα／２）
従って、交差偏波成分を低減するには、クリアランスを満たす範囲で一次放射器のオフセット角度αを小さくしてやればよい。
なお上記図２（ｂ）に示す実施の形態によるパラボラアンテナ２ａのほかの非回転対称な複数の反射鏡二次曲面上の鏡軸方向電流成分により発生する交差偏波成分も、各鏡面に入射する光線中心軸の反射角度を小さくすれば、低交差偏差レベルを実現できることは容易に類推される。
【００１３】
なお上記図１に示す発明の実施の形態で非回転対称な複数の反射鏡２は波動的交差偏波消去条件の関係を満足し、かつクリアランスを満たす範囲内で各鏡面に入射する光線中心軸の反射角度σ₁ とσ₂ とσ₃ を最小にするような構成で配置をするとして説明したが、図３のように上記従来例の図１０に示す非回転対称な３枚の第１と第２副反射鏡３と４と主反射鏡５を用い、上記式Ｃ＝｜Ｘ_N ｜／（２ｅ）^1/2 で鏡面数Ｎを３とすることにより得られる下記の波動的交差偏波消去条件の関係を満足し、かつクリアランスを満たす範囲内でσ₁ とσ₂ とσ₃ を最小にするような構成で配置をしてもよい。上記と同じに鏡面上の鏡軸方向電流成分により発生する交差偏波成分を低減できる。
ｔａｎσ₁ ／２＝（Δ₃ ｆ₁ ｄ₂ ／Δ₁ ｆ₃ ｄ₁ ）ｔａｎσ₃ ／２
ｔａｎσ₂ ／２
＝｛−ｆ₂ ｄ₂ （１／ｄ₁ ＋１／ｄ₂ −１／ｆ₂ ）ｔａｎσ₃ ／２｝／ｆ₃
ここで、ｆ₁ とｆ₂ とｆ₃ およびω₁ とω₂ とω₃ は、第１と第２副反射鏡３と４と主反射鏡５のレンズ系焦点距離およびビーム半径、ｄ₁ およびｄ₂ は、光線中心軸上の第１と第２副反射鏡間距離および第２副反射鏡と主反射鏡間距離を表す。
【００１４】
また上記図１に示す発明の実施の形態で非回転対称な複数の反射鏡２は図４のように、非回転対称な２枚の反射鏡２を用い、下記の幾何光学的交差偏波消去条件の関係を満足し、かつクリアランスを満たす範囲内で各鏡面に入射する光線中心軸の反射角度σ₁ とσ₂ を最小にするような構成で配置をしてもよい。上記と同じに鏡面上の鏡軸方向電流成分により発生する交差偏波成分を低減できる。
δｐｅ＝ｓｉｎ（β／２）／ｓｉｎ（α−β／２）
ここで、ｅは反射鏡２の離心率、δおよびｐは１と−１のとき、それぞれ凹と凸面鏡および回転楕円を非楕円面鏡を表す。また図４のようにαは線分ＯＦと単位ベクトルｋとのなす角度、βは点０を頂角として反射鏡２を見込む円錐の軸とＺ軸とのなす角度を表す。
【００１５】
また上記図１と３と４に示す発明の実施の形態でクリアランスを満たす範囲内で各鏡面に入射する光線中心軸の反射角度σを最小にするとして説明したが、さらに（ω／ｆ）ｔａｎ（σ／２）（ｆはレンズ系焦点距離、ωはビーム半径）に対しクリアランスを満たす範囲内で最小にしてもよい。上記式Ｃ＝｜Ｘ_N ｜／（２ｅ）^1/2 は項（ω_n ／ｆ_n ）ｔａｎ（δ_n ／２）の値が十分小さいものとし当該２次項以上を無視して得られる結果だから、当該項が大きくなると各鏡面で発生する高次ビームモードの影響により交差偏波誤差も大きくなり、全鏡面系での交差偏波の劣化を招く。従って、当該誤差を小さくするために当該項を十分小さくする必要がある。
たとえば図３に示す第１副反射鏡３と主反射鏡５で発生する交差偏波Ｃ₁ とＣ₃ は、次式のようになる。ここで、Ｌ_e3は主反射鏡５でのエッジレベルを表す。Ｃ₁＝｛ω₀ （１−η₂ ω₂ ／ω₃ ）（１＋ｄ₀ ／Ｒ₀ ）ｔａｎ（σ₃ ／２）｝ ／｛（２ｅ）^1/2 ｄ₁ ｝
Ｃ₃＝｛Ｄ₃ （８．６９／Ｌ_e3）ｔａｎ（σ₃／２）｝／｛２（２ｅ）^1/2 ｆ₃｝
低交差偏波レベルを実現するには、Ｃ₁ とＣ₃ が十分低くなるようにパラメータを決定する必要があるが、各鏡面に入射する光線中心軸の反射角度σ₃ を小さくすることで各鏡面で発生する高次ビームモードによる交差偏波を低減できる。このとき図３に示す第２副反射鏡４で発生する交差偏波も上記Ｃ₁ とＣ₃ が小さいから低く抑えられる。
【００１６】
また上記図３に示す発明の実施の形態で非回転対称な３枚の第１と第２副反射鏡３と４と主反射鏡５は図５のように、第１と第２副反射鏡３と４との間および第２副反射鏡４と主反射鏡５との間に焦点をもち、波動的交差偏波消去条件の関係を満足し、かつクリアランスを満たす範囲内で各鏡面に入射する光線中心軸の反射角度σ₁ とσ₂ とσ₃ を最小にするような構成で配置をしてもよい。σ₁ とσ₂ とσ₃ を最小にしてもクリアランスを十分にとれ、上記と同じに鏡面上の鏡軸方向電流成分により発生する交差偏波成分を低減できる。
【００１７】
また上記図１に示す発明の実施の形態で一次放射器１は図６、図７、図８または図９のように、コルゲートホーン１ａ、複モードホーン１ｂ、角錐ホーン１ｃまたはグリッド付円錐ホーン１ｄを用いてもよい。コルゲートホーン１ａは、交差偏波が低いから、一次放射器１としての交差偏波特性も含め、低交差偏波反射鏡アンテナを実現できる。また周波数に依存しない交差偏波消去条件で周波数に対応したコルゲートホーンを用いることにより、広帯域かつ低交差偏波を実現できる。複モードホーン１ｂは、交差偏波が低くかつコルゲートホーンに比べ加工が容易だから、高加工精度が要求される高周波でも使用できる。角錐ホーン１ｃは、交差偏波がなく、かつ加工が容易だから、一次放射器１としての交差偏波特性も含め低交差偏波反射鏡アンテナを実現できる。グリッド付円錐ホーン１ｄは、交差偏波が低くかつ加工が容易だから、複モードホーン１ｂと同じ効果が得られる。また当該ホーン１ｄを回転させることにより、垂直・水平両偏波を送受信できる。
【００１８】
【発明の効果】
上記のようなこの発明の反射鏡アンテナでは、一次放射器に続く非回転対象な複数の反射鏡二次曲面系でビームモード展開法による波動的交差偏波消去条件を満足し、かつ低交差偏差レベルを実現するように構成する方式を採るから、従来のように各鏡面に入射する光線中心軸反射角度の制限がなく、ビームモード近似式で導出される波動的交差偏差消去条件を満足するように構成する方式に比べ、鏡面上の鏡軸方向電流成分や高次ビームモードにより発生する交差偏波成分の劣化を考慮した低交差偏波レベルの反射鏡アンテナを実現できる効果がある。また非回転対称な２枚の反射鏡を用いるときは、幾何光学的交差偏差消去条件を満足し、かつクリアランスを満たす範囲内で各鏡面に入射する光線中心軸の反射角度を最小にするような構成で配置する方式を採り、同じ効果を得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の一形態を示す反射鏡アンテナの構成図。
【図２】 図１に示す反射鏡のパラメータと鏡軸方向電流成分による交差偏波とを説明する図。
【図３】 この発明の実施の他の一形態を示す構成図。
【図４】 この発明の実施の他の一形態を示す構成図。
【図５】 この発明の実施の他の一形態を示す構成図。
【図６】 この発明の実施の他の一形態を示す構成図。
【図７】 この発明の実施の他の一形態を示す構成図。
【図８】 この発明の実施の他の一形態を示す構成図。
【図９】 この発明の実施の他の一形態を示す構成図。
【図１０】 従来の技術を示す反射鏡アンテナの構成図。
【符号の説明】
１ 一次放射器、１ａ コルゲートホーン、１ｂ 複モードホーン、１ｃ 角錐ホーン、１ｄ グリッド付円錐ホーン、２ 反射鏡、２ａ パラボラアンテナ、３ 第１副反射鏡、４ 第２副反射鏡、５ 主反射鏡。
なお図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (6)

1. 一次放射器からの放射電波を非回転対称な複数の反射鏡で反射後放射する反射鏡アンテナにおいて、波動的交差偏波消去条件の関係を満足しかつ各反射鏡間でクリアランスを満たす範囲内で、各鏡面に入射する光線中心軸の反射角度を最小にするような構成で各反射鏡を配置する反射鏡アンテナ。
2. 非回転対称な複数の反射鏡は非回転対称な３枚の反射鏡であることを特徴とする請求項１記載の反射鏡アンテナ。
3. 非回転対称な複数の反射鏡は非回転対称な２枚の反射鏡であり、波動的交差偏波消去条件に代えて幾何的交差偏波消去条件の関係を満足することを特徴とする請求項１記載の反射鏡アンテナ。
4. 各鏡面に入射する光線中心軸の反射角度をσ、レンズ系焦点距離をｆ、ビーム半径をωとし、（ω／ｆ）ｔａｎ（σ／２）に対しさらにクリアランスを満たす範囲内で最小にするような構成で各反射鏡を配置をすることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の反射鏡アンテナ。
5. 最初と２枚目および２枚目と３枚目の各鏡面間に焦点をもつような構成で配置をすることを特徴とする請求項２または４記載の反射鏡アンテナ。
6. 一次放射器はコルゲートホーン、複モードホーン、角錐ホーンまたはグリッド付円錐ホーンの何れか一を用いることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の反射鏡アンテナ。

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