(57)【要約】【課題】副ビームに対応する位相分布を制御することにより、副ビームを任意形状に形成可能なアンテナ装置を得る。【解決手段】反射鏡２に対向配置された一次放射器を備え、主ビーム方向以外の所望の方向にペンシルビーム形状の副ビームを得るために、反射鏡２上に変形量Δｓの凹凸が設けられている。変形量Δｓは、一次放射器の位相中心Ｆから放射された電波が反射鏡２で反射した後に進行する方向に沿った長さが、Δｓ＝［１／｛２ｋ（ｅｍ・ｎ）｝］ｔａｎ−１［ａ０・ｓｉｎ（φ０＋φ）／｛１＋ａ０・ｃｏｓ（φ０＋φ）｝］で与えられ、位相φは、φ＝Ｃ＋ｋρ・（ｅＲ−ｅｋ）−Φで与えられる。【選択図】図２
2010177887.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射鏡と、前記反射鏡に対向配置された一次放射器とを備え、
主ビーム方向以外の所望の方向にペンシルビーム形状の副ビームを得るために、前記反射鏡上に変形量Δｓの凹凸が設けられ、
前記変形量Δｓは、前記一次放射器の位相中心から放射された電波が前記反射鏡で反射した後に進行する方向に沿った長さが、以下の式（１）
【数１】
2010177887.tif 000012
で与えられたアンテナ装置において、
前記変形量Δｓを表す式（１）に含まれる位相φは、以下の式（２）
【数２】
2010177887.tif 000013
で与えられることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記位相φを表す式（２）に含まれる位相分布Φは、前記反射鏡の変形前の鏡面による開口面での位相に設定されたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記主ビーム方向以外の複数の方向に前記副ビームを得るために、各副ビームの方向を示すベクトルｅｋに対して、以下の式（３）
【数３】
2010177887.tif 000014
で決まる変形量Δｓを、前記反射鏡上に設けたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記変形量Δｓを表す式（３）に含まれる位相分布Φｋは、前記反射鏡の変形前の鏡面による開口面での位相に設定されたことを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
反射鏡と、前記反射鏡に対向配置された一次放射器とを備え、
主ビーム方向以外の所望の方向にペンシルビーム形状の副ビームを得るために、前記反射鏡上に変形量Δｓの凹凸が設けられ、
前記変形量Δｓは、前記一次放射器の位相中心から放射された電波が前記反射鏡で反射した後に進行する方向に沿った長さが、以下の式（４）
【数４】
2010177887.tif 000015
で与えられたアンテナ装置において、
前記変形量Δｓを表す式（４）に含まれる位相φは、以下の式（５）
【数５】
2010177887.tif 000016
で与えられることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項６】
前記位相φを表す式（５）に含まれる位相分布Φは、前記反射鏡の変形前の鏡面による開口面での位相に設定されたことを特徴とする請求項５に記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記主ビーム方向以外の複数の方向に前記副ビームを得るために、各副ビームの方向を示すベクトルｅｋに対して、以下の式（６）
【数６】
2010177887.tif 000017
で決まる変形量Δｓを、前記反射鏡上に設けたことを特徴とする請求項５に記載のアンテナ装置。
【請求項８】
前記変形量Δｓを表す式（６）に含まれる位相分布Φｋは、前記反射鏡の変形前の鏡面による開口面での位相に設定されたことを特徴とする請求項７に記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一次放射器および反射鏡を備えたアンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、主ビームの方向以外の所望の方向に副ビーム形成するアンテナ装置が開発されている。この種の従来のアンテナ装置は、反射鏡と給電ホーンとから構成されており、反射鏡に規則的な凹凸を設けることにより、副ビームを形成していた（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５９−１６１１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のアンテナ装置においては、副ビームを形成するために、鏡面に規則的な凹凸が設けられていることから、副ビームは、主ビームを形成する開口分布と同様の位相分布を持つことになるので、主ビームが成形ビームの場合には、副ビームも主ビームと同等形状の成形ビームとなるという課題があった。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、副ビームに対応する位相分布を制御することにより、副ビームを任意形状に形成することのできるアンテナ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るアンテナ装置は、反射鏡と、反射鏡に対向配置された一次放射器とを備え、主ビーム方向以外の所望の方向にペンシルビーム形状の副ビームを得るために、反射鏡上に変形量Δｓの凹凸が設けられ、変形量Δｓは、一次放射器の位相中心から放射された電波が反射鏡で反射した後に進行する方向に沿った長さが、以下の式
Δｓ＝［１／｛２ｋ（ｅｍ・ｎ）｝］ｔａｎ−１［ａ０・ｓｉｎ（φ０＋φ）／｛１＋ａ０・ｃｏｓ（φ０＋φ）｝］
で与えられたアンテナ装置において、変形量Δｓを表す式に含まれる位相φは、以下の式
φ＝Ｃ＋ｋρ・（ｅＲ−ｅｋ）−Φ
で与えられるものである。
【０００７】
ただし、ａ０は副ビームの振幅から定まる定数、φ０は副ビームの位相から定まる定数、ｎは反射鏡上の各点における単位法線ベクトル、ｅｍは反射鏡の焦点から反射鏡上の各点へ向かう方向を示す単位ベクトル、ｋは波数、Ｃは定数、ｅＲは主ビームの方向を示す単位ベクトル、ｅｋは副ビームの方向を示す単位ベクトル、ρは反射鏡の基準点から各任意点に向かうベクトル、Φは副ビームを所望形状にするための位相分布である。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、反射鏡の設計製作段階において、副ビームに対応する位相分布を制御することにより、副ビームを任意形状に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の動作原理を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の好適な実施の形態について説明する。
図１はこの発明に係るアンテナ装置を示す構成図であり、反射鏡アンテナの全体構成を示している。また、図２は図１の動作原理を示す説明図である。なお、反射鏡２の内面にあらかじめ形成された変形量Δｓの凹凸は、非常に小さいので図示されていない。
【００１１】
図１において、一次放射器１は、反射鏡２の内面に対向配置されており、反射鏡２に対して球面波状の電波を放射する。なお、一次放射器１は、ホーンアンテナにより構成されることが多いが、ホーンアンテナに限らず、ヘリカルアンテナ、ダイポールアンテナ、パッチアンテナなどにより構成されてもよい。
【００１２】
反射鏡２は、一次放射器１からの球面波を反射させ、所望の形状のビームを得るためのものである。なお、反射鏡２は、特定の方向に電波を集中させるペンシルビーム（平面波）を得るような鏡面形状（パラボラ形状）で構成されてもよいし、特定の範囲を覆うような成形ビームを得るような鏡面形状で構成されてもよい。
【００１３】
次に、図２を参照しながら、図１に示したこの発明の実施の形態１による動作原理について説明する。
図２において、反射鏡２の元の鏡面上の基準点をＭ０、鏡面上の任意点をＭ、一次放射器１の位相中心をＦ（複反射鏡形式の場合は、「共焦点」）とする。
また、位相中心点Ｆから任意点Ｍに向かう単位ベクトルをｅｍ、位相中心点Ｆから任意点Ｍまでの距離をｌ、基準点Ｍ０を基準とした任意点Ｍへのベクトルをρとする。
さらに、主ビーム（元のビーム）の方向を表す単位ベクトルをｅＲ、形成したい副ビームの方向を表す単位ベクトルをｅｋ、任意点Ｍでの単位法線ベクトルをｎとする。
【００１４】
ここで、反射鏡２の鏡面上の任意点Ｍにおける電界（強度）をＥ１とし、これに対して形成する副ビームの放射電界をａ・ｅｘｐ（ｊφ０）とすると、形成される副ビームに対する電界Ｅ２は、任意点Ｍの電界Ｅ１と関連して、以下の式（１）、式（２）で表される。
【００１５】
【数１】
2010177887.tif 000003
【００１６】
ただし、式（１）、式（２）において、ｋは波数である。
また、位相φは、以下の式（３）を満たす必要がある。
【００１７】
【数２】
2010177887.tif 000004
【００１８】
ただし、式（３）において、Φは副ビーム形状を決めるために与える位相分布である。
電界Ｅ１と電界Ｅ２とを合成した電界Ｅを、反射鏡２の鏡面上に実現できれば、主ビームと副ビームとからなる所望の副ビームを得ることができる。
このとき、合成電界Ｅは、以下の式（４）で表される。
【００１９】
【数３】
2010177887.tif 000005
【００２０】
一方、反射鏡２の形状を任意点ＭからΔｒだけ変形して得られる電界Ｅ’は、以下の式（５）のようになる。
【００２１】
【数４】
2010177887.tif 000006
【００２２】
ただし、式（５）において、ｎは任意点Ｍでの単位法線ベクトルである。
ここで、任意点Ｍからの変形量Δｒを、以下のように、単位ベクトルｅｍに沿ったベクトルで表すものとする。
【００２３】
【数５】
2010177887.tif 000007
このとき、変形後の電界Ｅ’を表す式（５）は、以下の式（６）のようになる。
【００２４】
【数６】
2010177887.tif 000008
【００２５】
以下、鏡面の微少変化では、開口分布の振幅を変化させることができないので、位相変化のみで所望のビームを形成することとする。
すなわち、式（４）および式（６）の位相を比較することにより、所望の変形量Δｓは、位相φと関連して、以下の式（７）、式（８）のようになる。
【００２６】
【数７】
2010177887.tif 000009
【００２７】
このように、位相φから計算される式（７）のような変形量Δｓを元の鏡面を与えることによって、主ビーム方向以外のベクトルｅｋ方向に、任意形状の副ビームを得ることができる。
【００２８】
以上のように、この発明の実施の形態１によれば、反射鏡２と、反射鏡２に対向配置された一次放射器１とを備え、主ビーム方向以外の所望の方向にペンシルビーム形状の副ビームを得るために、反射鏡上に変形量Δｓの凹凸が設けられ、変形量Δｓは、一次放射器の位相中心から放射された電波が反射鏡で反射した後に進行する方向に沿った長さが、以下の式
Δｓ＝［１／｛２ｋ（ｅｍ・ｎ）｝］ｔａｎ−１［ａ・ｓｉｎ（φ０＋φ）／｛１＋ａ・ｃｏｓ（φ０＋φ）｝］
で与えられたアンテナ装置において、変形量Δｓを表す式に含まれる位相φは、以下の式
φ＝Ｃ＋ｋρ・（ｅＲ−ｅｋ）−Φ
で与えられるので、副ビームに対応する位相分布を制御することができ、副ビームを任意形状に形成することができる。
なお、上記式に基づいて決定される変形量Δｓは、要求に応じて反射鏡２の内面に形成され、これにより所望の副ビームが得られることは言うまでもない。
【００２９】
また、この発明の実施の形態１によれば、主ビームと離れた位置に副ビームを形成すれば、たとえば、主ビームの日本本土の形状に沿った成形ビームとして、副ビームは離島を覆うビームとすることも可能である。
さらに、主ビームの形状によらず、副ビームの形状を決められるので、効率よく本土および離島を覆うことが可能になる。
【００３０】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１では、副ビームが任意形状の場合を示したが、位相φを表す式（３）に含まれる位相分布Φを、反射鏡２の変形前の鏡面による開口面での位相に設定して、副ビームをペンシルビーム形状に限定してもよい。
以下、副ビームをペンシルビームとしたこの発明の実施の形態２について説明する。
【００３１】
この場合、前述の式（３）において、副ビームに対して与える位相分布Φとして、主ビームに対応する開口分布の位相（開口面での位相）を設定する。
これにより、副ビームは、平面の波面が得られるので、ペンシルビーム（平面波）となる。
【００３２】
このように、主ビームの成形ビーム内に副ビームを形成すれば、主ビームの特定箇所の利得を上げることができる。その際、副ビームをペンシルビームにしておくことにより、所望方向にビームが集中しているので、利得を上げたい点以外の点での影響を極小にすることができる。
また、同様の方法により、特定方向の利得を逆に下げることもでき、たとえば、離れた位置でのサイドローブを抑圧することも可能である。
【００３３】
実施の形態３．
なお、上記実施の形態２では、１つの副ビームのみを考慮したが、複数の副ビームを考慮して、各副ビームの方向を示すベクトルｅｋに対応する式（７）により定まる複数個の変形量Δｓを、重ね合わせて反射鏡２上に与えることにより、主ビーム方向以外の複数の方向に副ビームを得るように構成してもよい。
【００３４】
以下、複数の方向に副ビームを得るようにしたこの発明の実施の形態３について説明する。
この発明の実施の形態３において、Ｎ個の副ビームを形成する場合の変形量Δｓは、位相φｋと関連して、以下の式（９）、式（１０）で表される。
【００３５】
【数８】
2010177887.tif 000010
【００３６】
ただし、式（９）において、ａｋ、φ０ｋは各副ビームの振幅および位相から定まる定数である。また、ｅｋは各副ビーム方向に対応する単位ベクトルであり、Φｋは各副ビームを所望の形状にするための位相分布である。なお、位相分布Φｋは、各副ビームで同一であってもよいし、副ビームごとに異なっていてもよい。
【００３７】
以上のように、この発明の実施の形態３によれば、主ビーム方向以外の複数の方向に副ビームを得るために、各副ビームの方向を示すベクトルｅｋに対して、式（９）で決まる変形量Δｓを反射鏡２上に設けたので、複数の副ビームを効果的に得ることができる。
【００３８】
また、たとえば、主ビームの日本本土の形状に沿った成形ビームとして、副ビームは複数の離島を覆うビームとすることも可能である。これにより、従来は離島を含む成形ビームとしていたのに対し、離島を副ビームとすることによって、効率よくビームを形成することができる。
【００３９】
実施の形態４．
なお、上記実施の形態３では、各副ビームを任意形状としたが、変形量Δｓに関連した式（１０）に含まれる位相分布Φｋを、反射鏡２の変形前の鏡面による開口面での位相に設定することにより、各副ビームをペンシルビーム形状に形成してもよい。
以下、複数の副ビームをペンシルビーム形状としたこの発明の実施の形態４について説明する。
【００４０】
この場合、式（１０）において、各副ビームに対して与えるすべての位相分布Φｋとして、主ビームに対応する開口分布の位相（開口面での位相）を設定する。
これにより、各副ビームは、平面の波面が得られるので、すべてがペンシルビーム（平面波）となる。
【００４１】
このように、主ビームの成形ビーム内に副ビームを形成することにより、主ビームの複数箇所の利得を同時に上げることができる。その際、副ビームをペンシルビームに形成しておくことにより、所望方向にビームが集中しているので、利得を上げたい点以外の点での影響を極小にすることができる。
また、同様の方法によって、特定方向の利得を逆に下げることもでき、離れた位置でのサイドローブを抑圧することも可能である。
【００４２】
実施の形態５．
なお、上記実施の形態１では、式（７）のように、係数１／｛２ｋ（ｅｍ・ｎ）２｝を用いて所望の変形量Δｓを決定したが、反射鏡２の鏡面上の各任意点Ｍにおけるｅｍ・ｎの変化は通常は小さいことを考慮して、式（７）内の係数１／｛２ｋ（ｅｍ・ｎ）２｝の値を、鏡面上の基準点Ｍ０で得られる値（定数Ａ）に置き換えてもよい。
すなわち、以下の式（１１）、式（１２）のように、定数Ａを用いて変形量Δｓを決定しても、同様に副ビームを得ることができる。
【００４３】
【数９】
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【００４４】
この場合、反射鏡２の鏡面上の各任意点Ｍにおける法線ベクトルｎの計算が不要となるので、計算時間を短縮することができるという効果がある。
また、上記実施の形態３における式（９）内の係数１／｛２ｋ（ｅｍ・ｎ）２｝を定数Ａに置き換えても、同様に複数の副ビームを得ることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１  一次放射器、２  反射鏡、ｅＲ  主ビームの方向を示す単位ベクトル、ｅｋ  副ビームの方向を示す単位ベクトル、Ｆ  一次放射器の位相中心、Ｍ０  基準点、Ｍ  任意点。
【図１】
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【図２】
2010177887.tif 000019