(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸対称回転放物面に成形され、かつ、鏡面修正された主反射鏡と、第一の周波数帯用一次放射器と、前記主反射鏡の焦点と前記第一の周波数帯用一次放射器の設置位置を焦点とする軸対称回転双曲面に成形され、かつ、鏡面修正された副反射鏡と、第二の周波数帯用一次放射器と、前記第一、第二の周波数帯用一次放射器の設置位置を焦点とする軸対称回転双曲面に成形された周波数選択鏡面とを備え、前記第一の周波数帯用一次放射器の放射パターンの形状と前記第二の周波数帯用一次放射器から照射された電波による周波数選択鏡面の反射波の放射パターンの形状が、概ね一致するように該第一、第二の周波数帯用一次放射器の寸法が与えられていることを特徴とする多周波数帯共用アンテナ。
【請求項２】
周波数選択鏡面を第一の周波数帯用一次放射器の開口面保護材と併用することを特徴とする請求項１記載の多周波数帯共用アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は通信等で用いられる多周波数帯共用アンテナ、特に異なる周波数で動作する二つの一次放射器を備えた多周波数帯共用アンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の多周波数帯共用アンテナとして、図８に示すようなものがあった。図８は本間他、“曲面形状の周波数選択鏡面を用いた複反射鏡アンテナ、” 信学技報、AP95-74、pp．67-72、Oct．1995に示された従来の多周波数帯共用アンテナの構成を示す図である。
【０００３】
この図において、１は軸対称回転放物面に成形された主反射鏡、３は第一の周波数帯用一次放射器、４は第二の周波数帯用一次放射器、１２は主反射鏡１の焦点と第一の周波数帯用一次放射器３の設置位置を焦点とする軸対称回転双曲面に成形された周波数選択鏡面である。
【０００４】
この周波数選択鏡面１２は、これに二つの周波数帯ｆ１および周波数帯ｆ２の電波が入射した場合、第一の周波数帯ｆ１の電波を反射し、第二の周波数帯ｆ２の電波を透過するフィルタとして動作する。
【０００５】
次に動作について説明する。
第一の周波数帯用一次放射器３から放射された周波数帯ｆ１の電波は、周波数選択鏡面１２に反射され主反射鏡１より放射される。一方、第二の周波数帯用一次放射器４から放射された周波数帯ｆ２の電波は周波数選択鏡面１２を透過して直接に主反射鏡１から放射される。
【０００６】
従って、この従来の多周波数帯共用アンテナは、第一の周波数帯ｆ１では周波数選択鏡面１２を副反射鏡とするカセグレン形式の複反射鏡アンテナとして動作し、第二の周波数帯ｆ２ではパラボラ形式の単一反射鏡アンテナとして動作する。
【０００７】
また、第一の周波数帯用一次放射器３、第二の周波数帯用一次放射器４には、軸対称な放射パターンを有するコルゲートホーンや複モードホーン等がよく用いられ、それぞれコルゲートモードあるいは高次モードを利用するために、その開口径が波長に比べてある程度大きいことが要求される。ここで、それぞれの周波数帯で主反射鏡１の開口面振幅分布による損失と反射鏡の漏れ電力（スピルオーバ）による損失の和が最小となるように開口径が決定される。一般に第一、第二の周波数帯用一次放射器３，４に対向する主反射鏡１の端部を該第一、第二の周波数帯用一次放射器から見込んだ角が大きくなるほど、第一、第二の周波数帯用一次放射器３，４の開口径は小さくする必要がある。
【０００８】
なお、従来の多周波数帯共用アンテナにおいては、高能率化・低サイドローブ化等のために、第一の周波数帯ｆ１においてのみ主反射鏡１と周波数選択鏡面１２に鏡面修正を行う事ができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の多周波数帯共用アンテナは以上のように構成されているので、主反射鏡が非常に大きい地球局用アンテナなどでは、主，副反射鏡を支持する構造物による機構的な制約から、主反射鏡の焦点距離を小さくしなくてはならない場合がある。この場合、主反射鏡の焦点から該主反射鏡の端部を見込む角度が非常に大きくなってしまい、従って主反射鏡の焦点に設置された第二の周波数帯用一次放射器の開口径を非常に小さくしなくてはならない。ここで、この第二の周波数帯用一次放射器の開口径が波長に比べて十分な大きさが確保できない場合には、上記コルゲートホーンや複モードホーンを適用できなくなる課題があった。
【００１０】
また、上記のような多周波数帯共用アンテナにおいて、周波数選択鏡面は入射した電波の透過量・反射量には入射角特性があり、一般に入射角が大きくなるほど特性が劣化する。従って、主反射鏡の焦点から該主反射鏡の端部を見込む角度が大きい場合には、周波数選択鏡面に入射する電波の入射角範囲が大きくなり、これによる損失が増加してしまう課題があった。
【００１１】
さらに、上記のような多周波数帯共用アンテナにおいて、高能率化あるいは低サイドローブ化等のために主反射鏡と周波数選択鏡面を第一の周波数帯において鏡面修正した場合、第二の周波数帯用一次放射器により生じる主反射鏡の開口面位相分布が一様にならないため、第二の周波数帯ｆ２においては却ってアンテナの利得が低下してしまう課題があった。
【００１２】
この発明は上記のような従来の課題を解決するためになされたもので、主反射鏡の焦点距離が小さく、この主反射鏡の焦点から該主反射鏡の端部を見込む角度が非常に大きくしなくてはならない場合においても、第一、第二の周波数帯用一次放射器にコルゲートホーンや複モードホーンを適用でき、また周波数選択鏡面に入射する電波の入射角範囲を小さく抑えて周波数選択鏡面による損失を抑制でき、さらに一方の周波数帯で鏡面修正を用いる場合に他方の周波数帯域でアンテナ利得が劣化してしまう課題を払拭できる多周波数帯共用アンテナを得ることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る多周波数帯共用アンテナは、軸対称回転放物面に成形され、かつ、鏡面修正された主反射鏡と、第一の周波数帯用一次放射器と、前記主反射鏡の焦点と前記第一の周波数帯用一次放射器の設置位置を焦点とする軸対称回転双曲面に成形され、かつ、鏡面修正された副反射鏡と、第二の周波数帯用一次放射器と、前記第一、第二の周波数帯用一次放射器の設置位置を焦点とする軸対称回転双曲面に成形された周波数選択鏡面とを備え、前記第一の周波数帯用一次放射器の放射パターンの形状と前記第二の周波数帯用一次放射器から照射された電波による周波数選択鏡面の反射波の放射パターンの形状が、概ね一致するように該第一、第二の周波数帯用一次放射器の寸法が与えられたものである。
【００１４】
この発明に係る多周波数帯共用アンテナは、周波数選択鏡面を第一の周波数帯用一次放射器の開口面保護材と併用するものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る多周波数帯共用アンテナの構成を示す図である。図において、１は軸対称回転放物面に成形された主反射鏡、３は第一の周波数帯用一次放射器、４は第二の周波数帯用一次放射器、２は主反射鏡１の焦点と第一の周波数帯用一次放射器３の設置位置を焦点とする軸対称回転双曲面に成形された副反射鏡、５は第一、第二の周波数帯用一次放射器３，４の設置位置を焦点とする軸対称回転双曲面に成形された周波数選択鏡面である。
【００１６】
この周波数選択鏡面５は、二つの周波数帯ｆ１および周波数帯ｆ２の電波が入射した場合、第一の周波数帯ｆ１の電波を透過し、第二の周波数帯ｆ２の電波を反射するフィルタとして動作する。
【００１７】
次に動作について説明する。
第一の周波数帯用一次放射器３から放射された周波数帯ｆ１の電波は周波数選択鏡面５を透過し、副反射鏡２を介して主反射鏡１から放射される。一方、第二の周波数帯用一次放射器４から放射された周波数帯ｆ２の電波は周波数選択鏡面５で反射され、副反射鏡２を介して主反射鏡１より放射される。
【００１８】
よって、周波数帯ｆ１ではカセグレン形式の複反射鏡アンテナとして動作し、周波数帯ｆ２ではカセグレン形式に周波数選択鏡面５を追加した三枚反射鏡アンテナとして動作する。
【００１９】
この実施の形態１によれば、主反射鏡１の焦点に一次放射器を配置する必要がなく、従って主反射鏡１の焦点から該主反射鏡の端部を見込む角度が非常に大きい場合でも、第一、第二の周波数帯用一次放射器３，４からこれに対向する主反射鏡１の端部を見こむ角を任意に選定することができ、第一、第二の周波数帯用一次放射器３，４の開口径として波長に比べて十分な大きさを確保できるので、コルゲートホーンや複モードホーンが適用できる。
【００２０】
また、周波数選択鏡面５に入射する第一、第二の周波数帯用一次放射器３，４からの電波の入射角範囲も任意に設定することができるので、これによる損失を抑制できる。
【００２１】
さらに、従来の多周波数帯共用アンテナの周波数選択鏡面１２に比べ、この実施の形態１に係る多周波数共用アンテナの周波数選択鏡面５は、開口径を小さくできることから、周波数選択鏡面５の製造が容易となる利点がある。
【００２２】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２に係る多周波数帯共用アンテナの構成を示す図である。図において、６は第一、第二の周波数帯用一次放射器３，４の設置位置を焦点とする軸対称回転双曲面に成形された周波数選択鏡面であり、上記実施の形態１と同様のものであるが設置位置が第一の周波数帯用一次放射器３の開口面に設置される。これ以外の構成は実施の形態１と同様であるから、同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００２３】
一般に第一、第二の周波数帯用一次放射器３，４の開口面には、防水・気密などのために誘電体等からなる開口面保護材が設置される。そこで、この実施の形態２では副反射鏡２の焦点位置に設置された第一の周波数帯用一次放射器３の開口面位置に周波数選択鏡面６を配置し、これを上記開口面保護材と併用させる。従って、この実施の形態２に係る周波数選択鏡面６は上記開口面保護材としての機能と第二の周波数帯用一次放射器４からの電波を反射する反射鏡としての機能を併せ持つ。
【００２４】
この発明の実施の形態２によれば、実施の形態１に係る多周波数帯共用アンテナの効果に加えて、第一、第二の周波数帯用一次放射器３，４の開口面を保護する専用の保護材が不要となるとともに、アンテナ内の電波の伝搬経路中に設置される周波数選択鏡面６を、第一の周波数帯用一次放射器３の開口面に取り付けることにより、周波数選択鏡面６を支持する為の構造材が不要となり、利得低下や広角での放射特性の劣化を避けることができる。
【００２５】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３に係る多周波数帯共用アンテナの構成を示す図である。図において、７は第一、第二の周波数帯用一次放射器３，４の設置位置を焦点とする軸対称回転双曲面に成形された周波数選択鏡面であり、上記実施の形態１と同様のものであるが設置位置が第一、第二の周波数帯用一次放射器３，４の中央に設置される。これ以外の構成は実施の形態１と同様であるから、同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００２６】
上記周波数選択鏡面７は第一、第二の周波数帯用一次放射器３，４の中央に設置されていることから、第一、第二の周波数帯用一次放射器３，４を焦点とする軸対称回転双曲面は平面となる。
【００２７】
この実施の形態３によれば、実施の形態１、２に係る多周波数帯共用アンテナの効果に加えて、周波数選択鏡面７が平面で与えられるため、その製造がより容易となる利点を有する。
【００２８】
実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４に係る多周波数帯共用アンテナの構成を示す図である。図において、８は鏡面修正された主反射鏡、９は鏡面修正された副反射鏡である。これ以外の構成は実施の形態１と同様であるから、同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００２９】
鏡面修正された主反射鏡８と鏡面修正された副反射鏡９は、高能率化や低サイドローブ化等を実現する主反射鏡の開口面分布と第一の周波数帯用一次放射器３の一次放射パターンを基に鏡面修正された形状が与えられている。
【００３０】
この実施の形態４に係る多周波数帯共用アンテナでは、第一の周波数帯用一次放射器３の放射特性に関するパラメータｔ、ｕと、第二の周波数帯用一次放射器４の周波数選択鏡面５によるイメージホーンの放射特性に関するパラメータｔ、ｕが一致するように第二の周波数帯用一次放射器４の寸法を与える。
【００３１】
以下具体的に説明する。まず、第一、第二の周波数帯用一次放射器３，４に用いられるホーンアンテナの性質について説明する。図５に示す座標系において、任意の観測点Ｐにおけるホーンアンテナの放射界Ｅは、以下のとおりホーンアンテナの開口径Ｄ、長さＬ、開口面から観測点までの距離ｒ、観測点Ｐの方向θ、および使用波長λから決まるパラメータｔ、ｕの関数として表すことができる。
【数１】
0004080137.tif 000002
ただし、Ｅaはホーンアンテナ開口面上の励振モードに応じた電界分布、ρはホーン開口面上の任意の点の極座標成分を表示する同径方向成分、φ’はホーン開口面上の任意の点の極座標成分を表示する周回方向成分，ｒ1はホーン開口面上の任意の点から観測点Ｐまでの距離、φは任意の観測点Ｐの座標を極座標表示したときの周回方向成分である。従って、異なる諸元を有するホーンアンテナでも上記放射特性に関するパラメータｔ、ｕが等しければ、それぞれの放射パターンの形状を一致させることができる。
【００３２】
次にイメージホーンについて説明する。ホーンアンテナの反射鏡による鏡像をイメージホーンと称する。イメージホーンの導出にあたっては、まず図６に示す実際の鏡面系の周波数選択鏡面５を図７に示すように等価なレンズ１０に置きかえた系について考える。このレンズ１０は直径が周波数選択鏡面５と等しく、第二の周波数帯用一次放射器４の開口面とレンズ１０の中心までの距離は、元の系における第二の周波数帯用一次放射器４の開口面と周波数選択鏡面の頂点までの距離に等しく与えられる。
【００３３】
レンズの焦点距離ｆは周波数選択鏡面５に入射する波面の曲率半径をＲ1、反射する波面の曲率半径をＲ2とするとき次のように定義する。
【数２】
0004080137.tif 000003
ただし鏡面上の頂点をＭ0とするとき、各曲率半径Ｒ1、Ｒ2は、Ｍ0に入射あるいはＭ0から反射した光線の進行方向に焦点Ｆ1、Ｆ2がある場合は−、逆の場合は＋の符号を持つ。
【００３４】
このようにして周波数選択鏡面５をレンズ１０に置き換えた場合、第二の周波数帯用一次放射器４の開口面からレンズ１０の中心までの距離ａ、開口径をＤ、長さをＬとし、イメージホーン１１の開口面からレンズ１０の中心までの距離ａ’、開口径をＤ’、長さをＬ’とすると、第二の周波数帯用一次放射器４とイメージホーン１１には以下の関係が与えられる。
【数３】
0004080137.tif 000004
以上により、第二の周波数帯用一次放射器４による周波数選択鏡面５の放射特性を与えるイメージホーン１１の寸法が求められる。このようにして与えられたイメージホーン１１の放射パターンは、第二の周波数帯用一次放射器４から照射された電波による周波数選択鏡面５の反射波の放射パターンと一致することが知られている（浦崎他、“集束ビーム給電系のレンズ置き換えによる設計法、”信学論、Vol．J64-B、No．5、pp．441-448、May 1981）。
【００３５】
従って、第一の周波数帯用一次放射器３の放射特性に関するパラメータｔ、ｕと、第二の周波数帯用一次放射器４の周波数選択鏡面５によるイメージホーン１１の放射特性に関するパラメータｔ、ｕが一致するようにイメージホーン１１の寸法を設計し、上記の関係を基に第二の周波数帯用一次放射器４の寸法を与えれば、第一の周波数帯用一次放射器３の放射パターンの形状と第二の周波数帯用一次放射器４から照射された電波による周波数選択鏡面５の反射波の放射パターンの形状が一致する。
【００３６】
この実施の形態４によれば、実施の形態１、２、３に係る多周波数帯共用アンテナの効果に加えて、いずれの周波数帯においても鏡面修正により所望の高能率化や低サイドローブ特性を実現できる。
【００３７】
なお、この実施の形態４に係る多周波数帯共用アンテナでは、修正された主反射鏡８、修正された副反射鏡９に、所望の主反射鏡の開口面分布と第一の周波数帯用一次放射器３の一次放射パターンを基に鏡面修正された形状が与えられていたが、これらが所望の主反射鏡の開口面分布と第二の周波数帯用一次放射器４から照射された電波による周波数選択鏡面５の反射波の放射パターンを基に鏡面修正された形状で与えられていても、同様の効果が得られる。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、第一、第二の周波数帯用一次放射器の設置位置を焦点とする軸対称回転双曲面に成形された周波数選択鏡面を有する構成としたので、主反射鏡の焦点に一次放射器を配置する必要がなく、従って主反射鏡１の焦点から該主反射鏡の端部を見込む角度が非常に大きい場合でも、第一、第二の周波数帯用一次放射器からこれに対向する主反射鏡の端部を見こむ角を任意に選定することができ、第一、第二の周波数帯用一次放射器の開口径として波長に比べて十分な大きさを確保できるので、コルゲートホーンや複モードホーンが適用できる。
また、周波数選択鏡面に入射する第一、第二の周波数帯用一次放射器からの電波の入射角範囲も任意に設定することができるので、これによる損失を抑制できる。
さらに、従来の多周波数帯共用アンテナの周波数選択鏡面に比べ、多周波数共用アンテナの周波数選択鏡面は、開口径を小さくできることから、周波数選択鏡面の製造が容易となる等の効果がある。
また、第一の周波数帯用一次放射器の放射パターンの形状と第二の周波数帯用一次放射器から照射された電波による周波数選択鏡面の反射波の放射パターンの形状が、概ね一致するように該第一、第二の周波数帯用一次放射器の寸法が与えられるように構成したので、いずれの周波数帯においても鏡面修正により所望の高能率化や低サイドローブ特性を実現できるという効果がある。
【００３９】
この発明によれば、周波数選択鏡面を第一の周波数帯用一次放射器の開口面保護材と併用するように構成したので、アンテナ内の電波の伝搬経路中に設置される周波数選択鏡面を支持する為の構造材が不要となり、利得低下や広角での放射特性の劣化を避けることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１に係る多周波数帯共用アンテナを示す構成図である。
【図２】  この発明の実施の形態２に係る多周波数帯共用アンテナを示す構成図である。
【図３】  この発明の実施の形態３に係る多周波数帯共用アンテナを示す構成図である。
【図４】  この発明の実施の形態４に係る多周波数帯共用アンテナを示す構成図である。
【図５】  ホーンアンテナの性質を説明する座標系図である。
【図６】  実際の鏡面系のイメージホーンの説明図である。
【図７】  実際の鏡面系の周波数選択鏡面を等価レンズに置き換えた系のイメージホーンの説明図である。
【図８】  従来の多周波数帯共用アンテナを示す構成図である。
【符号の説明】
１  主反射鏡、２  副反射鏡、３  第一の周波数帯用一次放射器、４  第二の周波数帯用一次放射器、５  周波数選択鏡面、６  周波数選択鏡面、７  周波数選択鏡面、８  主反射鏡、９  副反射鏡、１０  レンズ、１１  イメージホーン、１２  周波数選択鏡面。
【図１】
0004080137.tif 000005
【図２】
0004080137.tif 000006
【図３】
0004080137.tif 000007
【図４】
0004080137.tif 000008
【図５】
0004080137.tif 000009
【図６】
0004080137.tif 000010
【図７】
0004080137.tif 000011
【図８】
0004080137.tif 000012