JP3867713B2 - 電波レンズアンテナ装置 - Google Patents

Description

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。

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、図示しないア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。

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。

なお、送信の場合は上記とは逆であり、可逆性が成立する。

また、図１はレンズの表面上に焦点がある状態にしたが、焦点は実際にはレンズ表面よりも少し外側（一般には０ｍｍ〜１００ｍｍ程度の範囲で調整される）にあることが多い。

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く、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が、本電波レンズアンテナ装置の大きな利点である。

しかしながら、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。

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×（２００＋５０）×（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。

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。

図１４に、アンテナの指向性パターンの一例を示す。図のＭがメインローブ、メインローブ以外の信号Ｓがサイドローブである。

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。
２９−２５ｌｏｇθｄＢｉ（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。

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ってレンズの中心部に入る電力を高く、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。

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。

しかしながら、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。

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。

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、隣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ができる。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。

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。

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。

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ベ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つくことがあるが、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。

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。

導波管の先端開口に装荷する誘電体は、柱状にしてもよい。その誘電体のより好ましい形態を以下に列挙する。
・導波管の先端から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。

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く、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。

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く、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。

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ア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。

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。

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ってカップリング現象の抑制効果が高まる。

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。

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。

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。

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いる。

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く、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。

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く、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。

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かも誘電正接（ｔａｎδ）の小さい材料が望ましい。

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。

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をチョ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。

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。

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。

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く、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Ｐ₁ が円形導波管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。

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、いずれも幅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。

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。

なお、カット後の誘電体６の先端は、雨水がかかったときの水切り性を考えると、図１０（ｂ）の平面よりも図１０（ｃ）のＲ面にするのが好ましい。
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い。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ができる。

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が、垂直でなくてもよい。

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、カッ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。

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い。

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）〜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）０．８λ（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）半値幅について例えば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。

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。

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。

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。

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 （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 （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 この発明のアンテナ素子の他の例を示す要部の斜視図 この発明のアンテナ素子の基本形を示す要部の側面図 チョーク構造を併用したアンテナ素子の要部の側面図 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 （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 （ａ）〜（ｆ）誘電体の突出部の断面形状の具体例を示す図 （ａ）〜（ｄ）誘電体の突出部の側面形状の具体例を示す図 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 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 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 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 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 ル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 (1)

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、さらに、前記誘電体が導波管の前方に突出し、その突出部の外周の一部が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され、そのカット面が互いに向き合うように誘電体が隣り合うアンテナ素子の導波管に装荷された電波レンズアンテナ装置。
   

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