JPH01503429A - マイクロ波レンズ及びアレイ・アンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロ波レンズ及びアレイ・アンテナ本発明は広くはマイクロ波レンズに関し 、より詳細には、ただしそれに限定されるものではないが、アレイ・アンテナと 共に使用するためのマイクロ波レンズに関する。 本発明はいかなる特定の用途にも限定されるものではないが、しかしながら本発 明の着想を得たのは、ＤＢＳ（ｄｉｒｅｃｔ　ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ　ｂｙ 　５ａｔｅｌｌｉｔｅ　：直接衛星放送）受信機の受信用アンテナを提供せんと する過程においてである。現在のところこの用途には、殆どパラボラ形状の皿形 アセンブリだけが使用されている。この種のアセンブリには幾つかの不都合な点 がある。原理的にそれらのアセンブリは全方向に大きな寸法を持ち、それゆえ好 ましいものではない、それらが住宅地に蔓延すると環境を著しく悪化させる。加 えて、フィード・ホーンがストラットに支持されている構造は、本来的に壊れ易 い構造である。 パラボラ皿形アセンブリに替わるものとして、平板アンテナ・システムが提案さ れている。平板アンテナは２つの基本要素から成っており、それらは放射構造と 給電構造とである。 このアンテナを物理的に保護するためにレードームが使用されることもあり、レ ードームはある程度の機械的な剛性並びに安定性をも付与し得るものである。更 にし一ドームには、円偏波信号を直線偏波信号に変換する偏波変換器を組込むこ ともできる。この偏波変換器の利点は、それによって放射構造が単純化されるこ とにあり。 即ち、直線偏波用の構造は円偏波用の構造よりも設計が容易なのである。レード ームは例えばカプトン等のプリント配線板材料の薄板から製作することができる 。これは、壁面上に平らに載置されるため、そこに加えられる外力に耐えるよう にそれを支持することは容易である。 放射構造は、関連するゲインや放射パタンについての適切な仕様書性能を満たす ように設計される。別の言い方をするならば、この仕様書性能は国際規格によっ て規定されているテンプレートのうちの１つに適合していなければならない、こ の仕様書性能は、メイン・ビームが放射構造のブロードサイドからずれた方向（ 即ち平板の面に対して垂直な方向からずれた方向）に向けられているときにも、 満たされていなければならない。 給電構造は、各素子のエネルギを集めて単一の出力を作り出すものである。自明 のことながら、この給電構造は低損失のものでなければならず、どれは放射を阻 止する対人構造によって達成されている。 給電構造が、ある角度範囲に亙ってメイン・ビームを方向操作できるようにして いるということは、重要なことである。ビームの方向操作によって、アンテナを １つの方向に向けて取付けたまま、このアンテナを電子的に方向操作して別の方 向からの放射を受信することが可能となる。この能力を備えることによって、環 境に与える影響が最小になるようにアンテナを慎重に取付けることが可能となる 。 ビームの方向操作は、放射構造の各素子からの信号を特定の組み合わせ方で合成 することによって、達成することができる。それらの信号を加え合わせる前にそ れらの信号の位相を調節し、特定の方向からの放射の位相が互いに一致するよう にすることによって、最大指向性の方向を選択することができる。従って１個々 の素子からの信号を加え合わせる前にそれらの信号の位相を変化させることによ り、ビームの方向操作が行なわれる。 メイン・ビームは、各素子を共通給電点に接続する給電線の長さを不等にして位 相のずれを生じさせることによって、ブロードサイドに対する角度（スキント角 ：５ｑｕｉｎｔ　ａｎｇｌｅ）が一定となるように、その方向を定めることがで きる。給電線の余分な長さによってもたらされる遅延が周波数と共に変化しなけ れば、スキント角は一定に保たれる。 ビームを１次元的に方向操作することは比較的容易であるが、ビームの２次元的 な（水平方位及びと垂直方位の）方向操作には、複雑且つ高価な給電構造が必要 とされる。 従来の平板アレイに対して位相制御を行なうことによってビームの方向操作をす るためには、更に能動素子を使用する必要もある。 可変的に位相推移を生じる信号を得るための平板レンズ、即ちマイクロ波レンズ が、これまでに提案されている。マイクロ波レンズは、レンズの夫々の側に複数 の第１ボート並びに第２ボートを備え、これらの第１ボートと第２ボートとはレ ンズ・キャビティによって隔てられている。これらのポートは夫々のレンズ輪郭 に沿って配列されている。 第ルンズ・ポートのうちの１つのポートを介Ｉ７て供給される信号が、複数の第 ２ボートの間に亙って出力を発生させ、この出力は、第１ポート側レンズ輪郭上 におけるその第１ボートの位置に応じて定まるところの位相及び振幅の分布を有 する。その他のレンズと同様、作用は交替的に逆方向にも働き、所与の位相及び 振幅の分布を有する信号が複数の第２ボートに供給されることによって、第１ボ ートのうちの１つのポートに信号が供給されるようにすることも可能である。 本発明は主に平板アレイ・アンテナに関連させて説明されるため、第２ボートに ついては、それらが給電線を介してアレイの放射器の夫々のコラムに接続され得 ることから、それらをアレイ・ポートと呼称するのが好都合である。更に第１ボ ートについては、それらのポートの各々がアンテナ・ビームの異なった１つの方 向に対応していることから、それらをビーム・ポートと呼称することにする。マ イクロ波レンズは安価であり、しかも能動素子を必要としないという点において 優れたものであるが、しかしながら、多重反射が合焦の純度を低下させるという 短所が、その弱点となっている。更には、客々が特定の１つの方向からのエネル ギを受信している複数の出力を発生することは可能であるにしても、実際に可変 な位相分布を作り出すことは、それよりはるかに困難なことである。 本出願人の同時係属英国出願第８７１１２７０号には、複数の列に配列されてい る放射素子によって構成された平板アンテナが開示されている。マイクロ波レン ズは、それらの素子の列に夫々に接続されている複数のアレイ・ポートと、複数 のビーム・ポートとを有している。アンテナへの給電に使用するビーム・ポート を選択するということは、アンテナのスキント角を相選択するという作用を持っ ている０本発明は、マイクロ波レンズに関連して述べたこれらの諸問題を緩和す ることを目的としており、従って、請求の範囲に明記されているマイクロ波レン ズを提供することを目的としている。 本発明は更に、請求の範囲に明記されているマイクロ波レンズを備えたアレイ・ アンテナをも、提供するものである。 添付図面に関連付けて記載されている以下の好適実施例の説明によって、本発明 並びに本発明の利点についてのより良い理解が得られよう、尚、添付図面におい て、第１図は公知のマイクロ波レンズによって給電されているアンテナ争アレイ を示しており、 第２図及び第３図はＲｕｚｅ型のマイクロ波レンズのためのビーム・ポート並び にアレイ・ポートの位置を模式％式％ 第４図はＲｏｔｍａｎレンズの模式図であり、そして、第５図は、本発明の実施 例であるレンズに関する、第２図〜第４図と同様の図である。 本発明の理解を助けるために、以下に第１図〜第４図を参照しつつ、２種類の従 来のマイクロ波レンズについて説明する。 マイクロ波レンズ２０は、幾つかの第１ビーム−ポート即ちビーム・ポート１（ 第１図）のうちの１つのポートへ給電された信号が、一群の第２ポート３の間に 亙って位相及び振幅の分布を発生させるようにした、装置である０位相テーパを 利用してアンテナ素子５の７レイを励振することができ、これによって、選択さ れたビーム・ポートの、ビーム側輪郭６上における位置に応じて定まる特定の一 方向への、ビームが発生される。これらのビーム・ポート１は、各々のビーム方 向について、信号の送信ないし受信を行なう０合焦（ブオーカシング）はレンズ ・キャビティ領域７の内部で行なわれ、また、夫々のアレイ・ポートは同軸線９ を介してアンテナ５の個々の７レイ素子に接続されている。これらのアレイボー トはアレイ側輪郭８上に配列されている。 このレンズはトリプレート構造を用いて好適に作成することができる。これ以外 の構造としては、プローブないしレンズ・ポートとしてのフレア形導波管を備え た、マイクロストリップまたは平行板がある。トリプレート構造は、２層の発泡 材と２枚の接地板とで挟まれた、カプトン村上に銅板を貼ったシートに、エツチ ングを施すことにより形成することができる。トリプレート・ランチャ−が、同 軸線９とレンズ内部のトリプレート・ラインとの間のインタフェースを形成して いる。ビーム参ポートとアレイ・ポートとは、同軸線のインピーダンスに相当す る幅からポートに必要とされる口径へと変化するようにテーパを付けられた伝送 ラインによって構成されている。このテーパは、ポートに沿ったインピーダンス の変化が緩やかでありさえすれば、指数関数的なテーパでも、また直線的なテー パでも良い、直線的テーパの場合には、１２度のフレア角を用い得ることが判明 している。レンズ中キャビティ７は、塩出したエネルギを吸収器へ移送すること によってこの塩出エネルギがレンズへ反射して戻り位相誤差を生じるということ がないようにするための銅製の余部領域７ａを、両方の輪郭の間に備えている。 マイクロ波吸収材料を用いて、アレイ・ポート側輪郭に入射していないあらゆる エネルギを吸収できるようになっている。 平板アンテナにおいて、各素子への給電線が互いに異なった長さとされれば、ア ンテナのビームはスキ７ト、即ち旋回されることになる。各アンテナ素子に相対 的な位相推移を与えても、これと同一の効果が得られる０位相テーバの程度によ って、ビームのスキント角即ち旋回角が定まる。 マイクロ波レンズは、各アンテナ素子へ接続される異なった長さの給電ｍｔｐ、 代替物であると考えることができる。しかしながらこのレンズは、全ての入力か らの、各アンテナ・アレイ素子への正確な給電経路長さを与える。その結果、こ のレンズは、存在しているビーム・ボートの数と同数のビームを形成することが できる。従って、第１図に示されている具体例においては、３木の゛ビームを形 成することが可能となっている。ビームの方向は周波数に対しては一定しており 、その理由は、マイクロ波レンズはビームを偏向させる位相テーバを、経路の長 さの差を利用して作り出しているからである。 夫々のビーム・ボートはビーム側輪郭６上に配列されており、このビーム側輪郭 ６はレンズ２０の焦点円弧であり、また、夫々のレンズの輪郭はビーム・ボート 並びにアレイ・ボートの中心を通って引かれた線であり、ビームをスキフトする ための位相テーバを作り出すのに必要な経路の長さによって、特定されるもので ある。 理想状態においては、特定の１つのビーム・ボートを介してレンズの内部へ供給 された信号が、夫々のアレイ・ボートを介して複数のアレイ素子へ至る一群の経 路長さを与え、これによりアレイが励振されて特定の一方向へのビームが発生さ れる。直線状アレイに対応するには、ビームをスキフトするために夫々の素子の 間に線形の位相変化が存在しなければならない、理想的には。 入力側ボートは、アンテナ・アレイの間に厳密に線形の位相変化をもたらす入力 側輪郭上の点である、完全焦点ＰＦ（第２図、第３図）上に配設される。これま でに研究された、２つないし３つの完全焦点を持つレンズ構造が幾つか存在して いる。第１図〜第３図に示されているレンズはそのような点を２つ持つものであ り、ｒ　Ｒｕｚｅレンズ」として知られている。完全焦点上にはないビームポ− トは、アレイまでの経路長さに誤差があり、そのため位相テーバが線形にならず 、その結果、位相収差がレンズの性能を限られたものとすることがある０位相並 びに振幅の収差は通常、アレイから発射されるビームの中に現われるサイド・ロ ーブのレベルを上昇させる。 Ｒｕｚｅレンズは第２図及び第３図に模式的に図示されている。このレンズは、 楕円形のアレイ・ポート側輪郭８を有しており、一方、ビーム・ボート側輪郭６ は中心軸のまわりに対称的に位置付けられた２つの焦点を通る真円の円弧である 。この種のレンズのうちで最も構造が単純なものは、ビーム争ボート側輪郭が、 アレイ・ボート側輪郭の中心点上に、その中心を合わせられている（第１図及び 第２図）ものであるが、ただし通常はそのようにはなっていない、この構成につ いて説明するためにパラメータｆを導入することにする。ｆはＦ／Ｇに等しく、 ここで、 Ｆ＝無焦点での距離、 Ｇ＝双方の輪郭の間の距離、 であり、これは第３図に示されているとおりである。 第３図から明らかな如く、ｆ＝ｃｏｓａであり、この式においてａは直ｍＦと直 線Ｇとの間の角度である。 Ｒｕｚｅレンズの１つの特徴は、アレイ・ボートからアンテナの７レイ素子まで を接続している同軸線の各々の長さが互いに同一だということである。 Ｒｕｚｅレンズによって生じる位相収差と比較して、より小さな位相収差を持つ レンズを作成することも可能であり、その−例はＲｏｔ■ａｎレンズである。　 Ｒｏｔｍａｌｚンズは３つの焦点を有しており、３番目の焦点は中心軸上に位置 している。 Ｒｕｚｅレンズが、楕円形のアレイ・ボート側輪郭と真円形のビーム・ボート側 輪郭とを有し、更に出力側輪郭からアレイまでの夫々のライン長さが互いに同一 であるのに対し、Ｒｏｔｍａｎレンズはアレイ・ボートからアレイ素子までのラ イン長さを変えられるようにしている。これにより、軸上に焦点を設定すること が達°成されている０図式的に示されたＲｏｔｍａｍレンズの一例が、第４図に 図示されている。軸上焦点の焦点距離の軸外焦点の焦点距離に対する比はＧ／Ｆ ＝ｇであり、このｇを変えることによってレンズの輪郭を変化させることができ る０ｇが増加するにつれてアレイ・ボート側輪郭（内側輪郭）の曲がり方の度合 が少なくなり、一方ビーム・ボート側輪郭の曲がり方はきつくなる０ｇの値は、 ビーム・ポート側輪郭上の任意の点における位相収差を最小とするように位相誤 差の解析を行なうことによって得られる。 ｇ　＝　ｌ　／　（ｃｏｓ　ａ）という値は、この最小の位相収差のための、か なり良好な近似値を与える。ａ＝２７度であればｇ　＝　１．１１１である。 典型的には、個々のアレイ・ボートの巾は波長の半分であり、即ち、　１２ギガ ヘルツの信号の場合には約１．２５センチメートル程度である。 Ｒｕｚｅレンズ並びにＲｏｔｍａｎレンズ等のマイクロ波レンズの使用に附随す る最も重要な問題は、それらのマイクロ波レンズが、各々がアンテナに異なった 角度からの受信を行なわせる一組の固定されたビーム方向を、持っているという ことである０分離角度は設計パラメータのうちの１つであり、ＤＢＳレンズの場 合では約５度とされることがある。放送を受信するためには任意の方向へ正確に 向けられなければならないアンテナでは、スキント角の精密な調整を行なうため にはなんらかの機械的なアンテナ調ＷＪ機構が必要とされ、ビーム・ボート１の 選択によって行なわれるのは粗調節のみである。上記の調節は小さな調節ネジに よって行なわれる。 本発明は１以上に説明したマイクロ波レンズの構成を以下のように改変すること を提案するものである。即ちこの改変に拠れば、複数の固定されたビームボート を備える替わりに単一のビーム・ボート１１（第５図）が用いられ、このビーム ・ポートは設計上は従来のビーム・ポートと同一であるが、しかしながら機械的 に調節自在であり、この調節によりビーム・ボート側輪郭に沿って移動すること ができ１．それによって、連続した角度範囲に亙ってビームの方向操作が行なえ るようにしている。 これができる理由は、夫々のアレイ・ポートの間に亙る位相テーパが、このビー ム・ボー）１１の移動に伴なって変化し、そのためにアンテナ・ビームの旋回角 が変化するからである。 このアンテナによって得られるビームの旋回移動は２次元の円弧を描く、従って ３次元的なビームの方向操作を行なえるようにするためには、アンテナと給電構 造との全体をこのアンテナの中心軸（第５図に点線で示す）の周りに回転自在と されている必要がある。これによって、アンテナのビームは、第５図の点線を中 心とし、このレンズの最大旋回角を限界とする円錐形の空間の内部の、任意の方 向へも向けることが可能となっている。 斯かるアンテナのビーム・ポートが満たさねばならない要件が２つある。第１に は、ビーム・ポートの移動は従来のビーム・ポート側輪郭６の上に限られていな ければならない、この輪郭６に密着していなかったならば、アレイ争ボートから のエネルギがビーム・ポートにおいて不正確な位相遅れを持つことになってしま う、第２には、ビーム拳ボート１１はアレイ・ポートの中心へ向かう方向、ない しはこの方向に近似した方向に向けられていなければならない、この中心は第４ 図の点Ｏに鞘当する点である。 固定されたビーム・ポートについての先の説明は、トリプレート・ストリップラ イン構造に関して述べられたものである。その他の構造１例えばマイクロストリ ップや平行板等の構造も、利用できることが理解されよう。 マイクロストリップ構造またはトリプレート構造を利用する場合には、レンズの 導体と移動ポートの導体とが近接して並置されているということが重要である。 更に、レンズとポートとの境界を貫通している誘電体には、動揺があってはなら ない、いかなる動揺も、合焦誤差を生じさせ、また位相テーパを変化させるおそ れがある。平行板レンズの場合には、フレア型導波管のビーム・ポートを用いる こともできる。 ビーム・ポート１１は案内装置により、ビーム側輪郭に沿って案内される。この 案内装置は、ビーム・ポート上に形成された一対の突起ないし担持部がそこに位 置決めされる、一対のトラック１０．１２を備えたものとすることができる。ビ ーム側輪郭は真円の円弧であるため、これらのトラックは、このポートの運動が 確実にビーム側輪郭の上に限られるような、しかもこのポートが確実に７レイ側 輪郭の中心に向けられるような、形状とされることが理解されよう、一実施例に おいては、突起ないし担持部材の間隔はトラックの間隔と同一とされており、更 に、トラックの一方を実際にビーム側輪郭上に位置させることによって、ポート がビーム側輪郭に沿って案内され得るように、且つ、このポートが７レイ・ポー ト側輪郭の中心を向くように正しく姿勢が定めるられ得るようになっている。 注意を払わねばならない最後の事項は、ビーム・ポートによって拾われなかった エネルギを、何らかの方法を用いて吸収し、それによってレンズ・キャビティの 内部における多重反射の発生を防止しなければならないということである０例を 挙げれば、これは負荷を接続したダミー・ポートを用いることによっても達成す ることができ、また、マイクロ波吸収材料をレンズの周囲に配設しても良い。 以上のレンズの構成は、平板アンテナのビームの方向操作に関連して説明されて いる。しかしながら、これは確かに本発明の１つの局面ではあるものの、本発明 に係るこの改変したレンズは、その他の分野、例えば移相器が非常に広く使用さ れているレーダーの分野等においても、多くの用途を持ち得るものである。 国際調査報告 ＋１＋１＃ＦＲｅｌｌｌ１ＭＩ　Ａｍ＠１ｋ１１１６、Ｎａ、ＰＣＴ／ＧＢ　８ ８１００３７４　２国際調査報告 ＧＢ　８８００３７４

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．レンズ・キャビティと、 第１輪郭並びに第２輪郭とを備え、 前記第２輪郭は該第２輪郭上に配列された複数の第２ポートを有し、且つ、前記 第１輪郭は該第１輪郭に沿って任意の位畳へ移動自在な第１ポートを有し、前記 第１ポートを介してレンズへ導入された信号が、該第１ポートの前記第１輪郭上 における位置に応じてその大きさが定まる位相テーパを、前記第２ポートにおい て発生させる、 マイクロ波レンズ。
2. ２．前記第１ポートが、略々前記第２輪郭の中心を向くように構成されているこ とを特徴とする、請求項１記載のマイクロ波レンズ。
3. ３．前記第１ポートが、案内手段により前記第１輪郭に沿って案内されることを 特徴とする、請求項１または２記載のマイクロ波レンズ。
4. ４．前記案内手段が一対のトラックを備え、且つ、前記第１ポートが、その各々 が夫々のドラックに追従する一対の位置決め部材を有していることを特徴とする 、請求項３記載のマイクロ波レンズ。
5. ５．前記トラックの一方が前記第１輪郭と一致していることを特徴とする、請求 項４記載のマイクロ波レンズ。
6. ６．前記レンズがマイクロストリップ構造であることを特徴とする、請求項１な いし５のいずれか記載のマイクロ波レンズ。
7. ７．前記レンズがトリプレート構造であることを特徴とする、請求項１ないし５ のいずれか記載のマイクロ波レンズ。
8. ８．前記レンズが平行板構造であることを特徴とする、請求項１ないし５のいず れか記載のマイクロ波レンズ。
9. ９．複数の放射素子と給電構造とを備え、該給電構造が請求項１ないし８のいず れか記載のマイクロ波レンズを含み、前記第２ポートの各々が夫々の放射素子に 接続されている、アレイ・アンテナ。
10. １０．前記放射素子が、素子の複数の列として配列された２次元アレイを形成し ており、且つ、前記マイクロ波レンズの前記第２ポートが、前記放射素子の前記 複数の刻に夫々に接続されていることを特徴とする、請求項９記載のアレイ・ア ンテナ。
11. １１．前記第２ポートが、異なった長さの給電線を介して夫々の放射素子に接続 されていることを特徴とする、請求項９または１０記載のアレイ・アンテナ。
12. １２．前記第２ポートが給電線を介して夫々の放射素子に接続されており、個々 の給電線の、その他の結電線の長さに対する長さが、前記第２ポートの前記第２ 輪郭上における位置に応じて定められていることを特徴とする、請求項９または １０記載のアレイ・アンテナ。
13. １３．請求項９ないし１２のいずれか記載のアレイ・アンテナを空間中の所定の 点へ照準を合わせる方法であって、前記第１ポートを調節してスキント角を選択 するステップと、該アンテナを該アンテナ自身の平面内で回転させるステップと を含む、方法。
14. １４．実質的に、添付図面の第５図に関して本明細書中に記載されているとおり の、マイクロ波レンズ。
15. １５．実質的に、添付図面の第５図に関して本明細書中に記載されているとおり の、アレイ・アンテナ。