幾何学
主反射鏡は放物面であり、凸型の副反射鏡の形状は双曲面である。平行な平面波ビームを放射するための幾何学的条件は、給電アンテナが双曲面の遠方焦点に位置し、主反射鏡の焦点が双曲面の近方焦点と一致することである。[ 1 ] 通常、副反射鏡と給電アンテナはディッシュの中心軸上に配置される。しかし、オフセットカセグレン構成では、主ディッシュ反射鏡は非対称であり、その焦点と副反射鏡はディッシュの片側に配置されるため、副反射鏡がビームを部分的に遮ることはない。
利点
この設計は、最も一般的なパラボラアンテナ設計である「フロントフィード」または「プライムフォーカス」の代替案です。フロントフィードでは、給電アンテナ自体がパラボラアンテナの焦点位置の前面に吊り下げられ、パラボラアンテナの方を向いています。カセグレン式はより複雑な設計ですが、特定の用途においては、フロントフィード式に比べてその複雑さを正当化できる利点があります。
- 給電アンテナと関連する導波管および「フロントエンド」電子機器は、送信ビームの一部を遮ってしまう前面に吊り下げるのではなく、ディッシュの上または後ろに配置できます。[ 1 ] [ 2 ]そのため、この設計は、衛星通信地上アンテナ、電波望遠鏡、および一部の通信衛星のアンテナなど 、かさばるまたは複雑な給電部を持つアンテナに使用されます。[ 1 ]
- 衛星地上アンテナや電波望遠鏡において重要なもう1つの利点は、給電アンテナが前方給電アンテナのように後方からディッシュに向かってではなく前方に向けられているため、二次反射鏡を外れたビームの部分によって生じる余剰サイドローブが、下向きに暖かい地球に向かってではなく、上向きに冷たい空に向かって向けられることです。[ 2 ] 受信アンテナでは、これにより地上ノイズの受信が低減され、結果としてアンテナノイズ温度が低くなります。
- デュアルリフレクタシェーピング：信号経路に2つ目の反射面が存在することで、放射パターンを最適化して最高のパフォーマンスを実現するための選択肢が広がります。例えば、通常のパラボラアンテナでは、給電アンテナの放射がパラボラの外側に向かって減衰するため、その部分の「照射」が低下し、ゲインが低下します。「デュアルリフレクタシェーピング」では、二次リフレクタの形状を変更して、より多くの信号電力をパラボラの外側に向け、一次リフレクタの照射をより均一にすることで、ゲインを最大化します。しかし、この方法では二次リフレクタの形状が厳密には双曲線ではなくなり（それでも非常に近い形状ではありますが）、位相一定性が失われます。ただし、この位相誤差は、一次ミラーの形状を微調整することで補正できます。結果として、ゲイン、またはゲイン/スピルオーバー比は向上しますが、表面の製造とテストがより困難になります。[ 3 ] [ 4 ]他にも、サイドローブのスピルオーバーを 極限まで低減するためにディッシュエッジでテーパーを高くしたパターンや、フィードシャドウイングを低減するために中央に「穴」を設けたパターンなど、ディッシュ照明パターンを合成することもできます。
- カセグレン設計を使用するもう1つの理由は、アンテナの焦点距離を長くし、サイドローブを低減するなど、他の利点がある。 [ 2 ] [ 5 ] ディッシュアンテナで使用される放物面反射鏡は、曲率が大きく焦点距離が短い。焦点はディッシュの開口部付近に位置し、給電構造または二次反射鏡を保持するために必要なサポートの長さを短縮する。一般的な放物面アンテナの焦点比（f値、焦点距離とディッシュ直径の比）は0.25～0.8であり、望遠鏡などの光学システムで使用される放物面鏡の3～8と比較すると小さい。前面給電アンテナでは、焦点距離の長い「平坦な」放物面ディッシュでは、給電部をディッシュに対して固定するために、非現実的に複雑なサポート構造が必要になる。しかし、この小さな焦点比の欠点は、アンテナが焦点からのわずかなずれに敏感であることである。つまり、効果的に焦点を合わせることができる角度幅が小さい。電波望遠鏡や通信衛星に用いられる現代のパラボラアンテナは、焦点付近に多数のフィードホーンを配置することで、特定のビームパターンを作り出すことが多い。そのためには、大きな焦点比による優れた軸外集束特性が必要であり、カセグレンアンテナの凸型二次反射鏡は焦点比を大幅に向上させるため、これらのアンテナは通常カセグレン式設計を採用している。
- 焦点距離が長くなると、軸外給電の交差偏波弁別も向上します[ 2 ]。これは、2つの直交偏波モードを使用して別々の情報チャネルを送信する衛星アンテナにとって重要です。
ビーム導波管アンテナ（カセグレン型アンテナの一種）は、複雑な信号経路を示している。カセグレン式望遠鏡の欠点は、フロントフィード式のように広い主反射鏡ではなく、より小さな副反射鏡に放射を集中させるために、フィードホーンのビーム幅を狭く（ゲインを高く）する必要があることです。フィードホーンにおける副反射鏡の視野角は通常10～15°ですが、フロントフィード式では主反射鏡の視野角は120～180°です。そのため、特定の波長に対してフィードホーンはより長くする必要があります。
ビーム導波管アンテナ
ビーム導波管アンテナは、給電電子機器を地上に設置できるように、電波経路が長い複雑なカセグレンアンテナの一種です。給電電子機器が複雑すぎたり、大きすぎたり、あるいはメンテナンスや変更に手間がかかりすぎてアンテナ上に設置できない場合、例えば極低温冷却アンプを使用するような、非常に大型の可動式電波望遠鏡や衛星地上アンテナで使用されます。二次反射鏡から入射する電波ビームは、経緯台軸を通る長い曲がりくねった経路で追加のミラーによって反射されるため、ビームを遮ることなくアンテナを操縦でき、その後、アンテナタワーを通って地上の給電棟に送られます。
歴史
カセグレンアンテナの設計は、1672年頃に開発され、イングランドのフランス領の司祭ローラン・カセグレンに帰せられる反射望遠鏡の一種であるカセグレン望遠鏡から採用された。最初のカセグレンアンテナは、1952年にイングランドのボアハムウッドにあるエリオット・ブラザーズのコックランとホワイトヘッドによって発明され、特許が取得された。英国特許番号700868の特許はその後裁判で争われたが、勝訴した。[ 6 ] 1977年に打ち上げられたボイジャー1号宇宙船は、2024年9月現在、地球から246億キロメートル離れた場所にある[ 7 ]宇宙で最も遠い人工物であり、その3.7メートルのSバンドおよびXバンドのカセグレンアンテナ（下の写真）は地上局と通信することができる。
スウェーデンにあるカセグレン式衛星通信アンテナ。凸型の二次反射鏡がパラボラアンテナの上に吊り下げられており、
給電ホーンがパラボラアンテナの中央から突き出ているのが見える。
フランス、プルムール＝ボドゥにある大型衛星通信アンテナの凸型二次反射鏡のクローズアップ写真
カリフォルニア州ゴールドストーンにあるカセグレン式宇宙船通信アンテナ。NASA
の深宇宙ネットワークの一部である。カセグレン式設計の利点は、重くて複雑な給電構造
（下部）をパラボラアンテナの上に吊り下げる必要がないことである。
参考文献
- 1 2 3 Chatterjee, Rajeswari (2006).アンテナ理論と実践（第2 版）. ニューデリー：ニューエイジインターナショナル. p. 188. ISBN 978-81-224-0881-2。
- 1 2 3 4 Welch, WJ (1976). "天体アンテナの種類" . Methods of Experimental Physics . Vol. 12, Part B: Radio Telescopes . New York: Academic Press. pp. 13–14 . ISBN 0-12-475952-12012年1月14日に取得。
- ↑ Galindo, V. (1964). "任意の位相および振幅分布を持つデュアルリフレクタアンテナの設計". IEEE Transactions on Antennas and Propagation . 12 (4). IEEE: 403–408 . Bibcode : 1964ITAP...12..403G . doi : 10.1109/TAP.1964.1138236 .
- ↑ Willams, WF (1983). "共通開口XSフィードホーンを使用した将来の34メートル帯形状デュアルリフレクターアンテナシステムのRF設計と予測性能" (PDF) . Telecommunications and Data Acquisition Progress Report . 73 : 74– 84. Bibcode : 1983TDAPR..73...74W . 2022年10月9日にオリジナルからアーカイブ(PDF) 。
- ↑程静泉 (2009).天体望遠鏡設計の原理. ニューヨーク: Springer. pp. 359–360 . ISBN 978-0-387-88790-6。
- ↑ラヴィントン、サイモン（2011年5月19日）。『動く標的：エリオットの自動化と英国におけるコンピュータ時代の幕開け、1947年～1967年』（第1版）。ロンドン：シュプリンガー・フェルラーク・ロンドン社、376ページ。ISBN 978-1-84882-933-6。
- ↑ 「ボイジャー1号は地球からどれくらい離れているのか？」 。 2024年9月13日取得。
