JPH0720010B2 - 円偏波変形ビ−ムアンテナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は円偏波の変形ビームを形成するアンテナに関す
る。

（従来の技術） 地上，海上、又は空中の目標物を探索するレーダーにお
いて、方位分解能を上げるために水平ビームは狭くし、
垂直ビームは目標物からの受信レベルを距離に対して一
定とするためにcosec2乗特性にする等の場合がある。

また、上記レーダーでは、降雨からの反射波を低減する
ために円偏波を使用することがある。この様な場合、降
雨からの反射波を有効に低減させるには、変形ビームの
及ぶ比較的広範囲の角度にわたって円偏波特性が維持さ
れていることが必要である。

従来の円偏波変形ビームアンテナを記載した文献として
は、 （１） 水沢、他「円偏波用ダブルカーブ形複反射鏡ア
ンテナ」，電子通信学会，宇宙航行エレクトロニクス研
究会，資料番号A.P74-81，PP25-32 （２） 謝、他「誘電体挿入Ｈ面扇型コセカントビーム
ホーンアンテナの設計とその放射特性」，電子通信学会
論文誌,'82/10vol.J−65B,No.10,PP1221-1228 がある。

第５図は上記文献（１）に記載されているアンテナの構
成の例を説明するための図である。第５図（ａ）は従来
の円偏波変形ビームアンテナの例を示す図であって、１
次ホーン１と変形ビーム（COSEC2乗特性）を形成させる
ために反射鏡の上部を変形した反射鏡２から構成された
アンテナでありL1,L2,及びL3は電波の進行方向を示し、
C1とC2はそれぞれ１次ホーン１の水平偏波と垂直偏波に
対する指向性を示している。

１次ホーン１は矩形開口ホーンであるため、水平と垂直
の偏波に対する開口分布が異なり、両偏波に対する指向
性も異なったものになる。このため変形ビーム内の特定
の角度方向（例えば水平方向）で円偏波が得られても、
他の角度方向では両偏波の相互の振幅関係が異なるよう
になり、円偏波が得られなくなる。

第５図（ｂ）は上記アンテナを改良したものであり、上
記文献（１）に記載されたアンテナと類似のアンテナを
示す図である。このアンテナは１次ホーン３、副反射鏡
４及び主反射鏡５から構成され、L4,L5,及びL6は電波の
進行方向を示している。このアンテナでは１次ホーンと
して円錐形ホーンを使用し、主，副２つの反射鏡を特殊
曲面で構成する事により、変形ビームの所定角度範囲内
で円偏波特性を得ているが、この様なアンテナにおいて
は変形ビームを形成するために、主，副２つの反射鏡を
特殊曲面にするため、設計，製作に高度な特殊技術を要
し、また、精度の確保が困難で、良好な指向性を得るこ
とが難しく、更に制作費も高くなる。

第６図は上記文献（２）に記載されている変形ビームア
ンテナの１例を示す図であり、扇形ホーン７の中に誘電
体８を挿入し、変形ビームを得るために開口面を特殊曲
面にしたものである。このアンテナに水平と垂直の２つ
の偏波の電波を加えても、扇形ホーン７内で両偏波の伝
播姿勢が異なるため、開口面上の両偏波の分布が異な
り、同様に変形ビームの所定角度範囲内で円偏波を得る
ことが出来ない。

（発明が解決しようとする問題点） この様に従来のアンテナでは変形ビーム内の所定の角度
範囲内で円偏波を得ることが出来ないか、又は所定の角
度範囲内で円偏波を得ることが出来ても、設計，製作が
困難、費用がかかる等の問題があった。

（問題点を解決するための手段） 本発明の目的は上述の従来アンテナの欠点を除去し、変
形ビーム内の所定の角度範囲内で円偏波が得られ、かつ
設計，製作が容易な円偏波変形ビームアンテナを実現す
ることである。

本発明を適用したアンテナの構成は、平面波を発生する
チーズアンテナの開口面付近に平行金属板格子からなる
円偏波発生装置を設け、その前面に、開口面に直交する
方向の厚さが開口面内の垂直方向に沿って変化し、水平
方向には上記厚さ一定な誘電体を設けたことを特徴とす
る円偏波変形ビームアンテナであって、さらに詳細に述
べれば、前記平行金属板格子下端からの、水平で、前記
開口面に直交する前記誘電体の後端を零とした厚み方向
Ｘ軸、誘電体の後部下端を零とし、前記開口面に沿って
垂直に上方に延びる方向をＹ軸、屈折率をｎ、電波の傾
斜角をθ、前記誘電体の出力面が前記Ｘ軸と交わる点の
Ｘ座標値をx1とした時、前記誘電体の厚みのＸ軸方向の
変化がXY平面上において、 で表され、前記開口面に沿った水平方向には一様に延在
する円偏波変形ビームアンテナである。

（実施例） 第１図は本発明の実施例を示す図であって、いわゆるチ
ーズアンテナに本発明を応用した例である。同図（ａ）
は外観を示す斜視図、同図（ｂ）は上面断面図、同図
（ｃ）は同図（ａ）のAA断面図、同図（ｄ）はBB断面図
である。第１図の10は反射鏡部で、上部平面板10a、下
部平面板10b、及び放物円筒形の反射面10cの各金属導体
によって囲まれている。11は反射鏡部10に電波を給電す
るための１次ホーンであって、ホーン内部に放物円筒形
の反射面を持ったいわゆるホグホーン（HogHorn）型式
のもので、その開口は放物円筒形の反射面10cの焦点
（図示せず）付近に置かれ、反射面10cに対するライン
ソースとしての働きをする。同図中L10は１次ホーン11
内の電波の進行方向を示す。

第１図（ｄ）の12は円偏波発生装置であって、その構造
を第４図に示す。第４図（ａ）は上面断面図、同図
（ｂ）は正面図である。この円偏波発生装置12は発泡状
誘電体20に平行金属板格子21を上部平面板10aまたは下
部平面板10bに対し、45度の傾斜で埋めコンダ構造にな
っている。なお、第４図（ａ）のL20は入射する電波の
方向を示す。

第１図は13は誘電体であり、開口面14に直交する方向の
厚さが第１図に示す上方向に従って変化し、同図で紙面
に直交する方向には一定の厚みを持つ。第１図（ｄ）の
L11,L12,L13,L14は誘電体13で屈折した後の電波の進行
方向を示す。

第２図は前記誘電体13の作用を説明するための図であっ
て、第１図（ｄ）の断面と同一の面における誘電体13の
断面と座標系を表す。ＸとＹは前記断面内の座標を表
し、XY座標の原点を誘電体13の下端の角に設け、Ｘ軸を
開口面14に直交する方向に、Ｙ軸を開口面14に平行な方
向にそれぞれ設けている。

同図中、x1は誘電体13の前面の曲線ｗがＸ軸と交わる点
のＸ座標の値、y2は誘電体13の上部のＹ座標の値、Ｂは
曲線ｗのＹ軸に対する傾斜が非常に緩い部分（上部）と
傾斜が大きい部分との境界を定めるＹ軸上の点、Ｐは曲
線ｗ上の任意の点、ｈは前記点Ｐにおける法線、L21は
前記点Ｐに入射する電波の進行方向、L22は点Ｐで屈折
した外部に向かう電波の進行方向、αとβは点Ｐにおけ
る入射角と屈折角、θは電波の進行方向L22の水平方向
（Ｘ軸の正方向）からの角度、θ１とθ２は曲線ｗの下
部と上部の点における屈折電波の水平方向からの角度で
ある。

以下、第１図、第２図、第３図を用いて、本発明の動
作，作用を説明する。第１図の１次ホーン11からは、電
界が上部平面板10aまたは下部平面板10bに平行な水平偏
波で、かつ１次ホーン11の開口面上で位相が均一な電波
が放射される。この１次ホーン11からの放射電波は反射
面10cで反射し、反射後は反射面10cの放物面による集束
作用により平面波になって上部平面板10aと下部平面板1
0bとの間を開口面14に向かって伝播し、円偏波発生装置
12の直前ではその全範囲にわたって平面波となり、円偏
波発生装置12に入射する。

円偏波発生装置12は平行金属板格子21の板の幅と板の間
隔を適当な値に選ぶことにより板に平行な電界と板に垂
直な電界との位相差を板の出力側で90度にして、円偏波
発生装置12の出力側に円偏波（右旋円偏波）を発生す
る。

この円偏波となった平面波は誘電体13に入射する。誘電
体13の入力面、即ち円偏波発生装置12に向いている方の
面は開口面14に平行な平面になっているので、円偏波発
生装置12から出力した円偏波の平面波は誘電体13の入力
面に垂直入射する。誘電体13に入射した電波は垂直入射
であるので、誘電体により進行方向を曲げられることな
く、水平，垂直偏波成分とも開口面14に直角な方向に進
行し、誘電体13の出力面に到達する。この出力面は第２
図に示したようにXY平面内で曲線ｗを呈する断面を有し
ているので、該出力面に到達した電波は外部へ出るとき
に屈折現象を生じ、その進行方向はXY平面内で変えられ
る。即ち、進行方向の角度は曲線ｗの傾斜に依存するの
で、曲線ｗの形を変えることにより、垂直指向性を変え
る事が出来るのである。

この点について電波を光学的に近似し、式を用いて説明
する。

第２図の点Ｐにおいて屈折の法則により、垂直，水平の
両偏波成分に対して次の式が成立する。

ここにｎは誘電体13の屈折率で、誘電体13の空気に対す
る比誘電率をεとすると である。点Ｐにおける幾何学的条件より次の式が偏波面
に関係なく成立する。

β−θ＝α …………（３） 次にＱ（ｙ）を誘電体13の内部でＹ軸に接する部分のＹ
軸に沿っての水平または垂直の偏波成分の電力分布とす
ると、前述の説明により誘電体13への入射時の水平と垂
直の両偏波に対する反射は等しいので、電力分布Ｑ
（ｙ）は両偏波に対して等しくなる。またＧ（θ）を水
平または垂直の偏波成分に対する垂直電力指向性とする
と、曲線ｗの境界での反射は曲線ｗのＹ軸に対する傾斜
があまり大きくない所では偏波面及び傾斜角に無関係に
ほぼ一定となるので、垂直電力指向性Ｇ（θ）は両偏波
成分に対して等しくなる。さらに誘電体13内の吸収損失
を小さいものとして無視すると、電力保存則より水平と
垂直の両偏波成分に対し、次の式が成立する。

上記の電力分布Ｑ（ｙ）は１次ホーン11の開口における
Ｙ方向の電力分布と反射鏡部11内の伝播条件（上部平面
板10aと下部平面板10bの間隔が１次ホーン11から放射さ
れる電波の波長より十分大きい場合には、１次ホーンの
開口におけるＹ方向の電力分布はほぼそのままの形で上
部平面板10aと下部平面板10bとの間を伝播する。）から
求まるので、これを前記式（４）に代入し、さらに垂直
電力指向性Ｇ（θ）に変形ビームとして所望する指向性
を与えて同じく式（４）に代入すると、式（４）に左辺
は座標ｙの関数となり、そして式（４）の右辺は角度θ
の関数となるので、式（４）から角度θと座標ｙの関係
が求まる。

次に成（１），（２），（３）から なる式が得られるので、この式の両辺を積分することに
より次の式を得る。

前記式（６）の右辺の被積分関数に前記式（４）から求
まる角度θと座標ｙの関係を用いると、式（６）の左辺
は座標ｘの関数であり、式（６）の右辺は座標ｙの関数
となるので、式（６）から座標ｘと座標ｙとの関係、即
ち曲線ｗの形状が求まる。なお、この計算の実際の方法
としては図式手法を用いると比較的簡単に計算を行なう
ことができる。

この様に所望の垂直電力指向性Ｇ（θ）を与える曲線ｗ
の形状を決定することが出来る。

また誘電体13の中では水平と垂直の偏波成分に対する伝
播位相は同一となるので、水平と垂直の両偏波成分間の
位相関係は誘電体13への入力前と誘電体13を通過した後
で変わらない。従って開口面14から十分遠方の点での水
平と垂直の偏波成分間の位相関係も誘電体13への入力前
の円偏波としての位相関係が維持されることになる。さ
らに前記説明により垂直電力指向性Ｇ（θ）は水平と垂
直の両偏波成分に対し等しいので、前記十分遠方の点に
おいて水平と垂直の偏波成分の電界レベルは等しい。

このことから所定の角度範囲内で、垂直電力指向性Ｇ
（θ）を持つ円偏波として必要な水平と垂直の両偏波成
分の位相と振幅の関係が維持されることになり、円偏波
変形ビームを得ることがわかる。

なお、本実施例においては、希望する変形ビームとして
主ビームの片側だけcosec2乗特性にした指向性にする場
合には、曲線ｗの形としては第２図に示す主ビームに対
応するＹ軸に対する傾斜が非常に緩い、点Ｂから上の部
分と、cosec2乗特性ビームに対応し、Ｙ軸に対する傾斜
がある程度大きい、点Ｂから下の部分に分かれたものと
なる。この様な場合には点Ｂから上の部分は取り去って
も指向性にはあまり関係しないので、この部分を取り去
ることも可能である。

第３図（ａ）は上述の場合の誘電体13の断面を表す。さ
らにこの場合には曲線ｗの傾斜は緩やかに変化するの
で、折れ線で近似することも可能である。第３図（ｂ）
は同図（ａ）の曲線を直線C,Dで近似した場合の誘電体1
3の断面形状を示す。この様に、本実施例では変形ビー
ムによっては開口面14付近に設ける誘電体の断面形状を
簡単にすることも可能である。

（発明の効果） 以上、実施例を用いて説明したように本発明によれば、
開口アンテナの開口付近に平行金属板からなる円偏波発
生装置と誘電体を設けるだけで、前記誘電体の厚さが変
化している面内における変形ビーム内の所定の角度範囲
内で円偏波を得ることができる。

また上記誘電体は開口面内の厚さが開口面内の一方向に
沿ってのみ変化し、該方向に直交する方向には厚みが一
定のほぼ板状を成しているので、設計，製作も容易でコ
スト的にも有利である。

従って本発明は地上，海上，空中における目標物を探索
する各種のレーダーに応用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の円偏波変形ビームアンテナの実施例を
示す図、第２図は第１図の誘電体13の動作を説明するた
めの図、第３図は第２図の曲線ｗを直線で近似した例を
示す図、第４図は第１図の円偏波発生装置の構造を説明
するための図、第５図および第６図は各々従来の円偏波
変形ビームアンテナを説明するための図である。 10……反射鏡部、11……１次ホーン、12……円偏波発生
装置、13……誘電体、14……開口面。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平面波を発生する開口アンテナの開口面を
   前面とし、前記開口面後部の下部平面板を水平にした場
   合、前記開口面付近に、前記平面波が垂直入射する平行
   金属板格子からなる円偏波発生装置を設け、前記円偏波
   発生装置の前記開口面側に、前記開口面に直交する方向
   の厚さＸが前記開口面に平行な上下方向に沿い、誘電体
   の高さＹに応じて、以下に示す式 （ただし、 Y :誘電体の後部下端を零とし、前記開口面に沿って垂
   直に上方に延びる方向をＹ軸とした場合の誘電体の高さ
   を示す値。 X :前記平行金属板格子下端からの、水平で、前記開口
   面に直交する前記誘電体の後端を零とした厚み方向をＸ
   軸とした場合の前記誘電体の高さＹにおける厚みを示す
   値。 X1:誘電体の下端におけるＸ軸方向の厚み。 θ：誘電体の高さＹにおける開口面に直交する水平に対
   するビーム希望角度 n :誘電体の屈折率） に従って変化し、前記開口面に沿った水平方向には前記
   厚さが一定な誘電体を設けたことを特徴とする円偏波変
   形ビームアンテナ。
2. 【請求項２】開口アンテナとして、チーズアンテナを使
   用した特許請求の範囲第１項記載の円偏波変形ビームア
   ンテナ。