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パラボラアンテナとは、放物線状の断面形状を持つ曲面である放物面反射鏡を用いて電波を指向させるアンテナです。最も一般的な形状は皿状で、一般的にディッシュアンテナまたはパラボラアンテナと呼ばれています。サーチライトや懐中電灯の反射鏡と同様に、電波を狭いビーム状に指向させたり、特定の方向からの電波のみを受信したりすることができます。
パラボラアンテナの主な利点は、指向性が高いことです。パラボラアンテナは、あらゆるアンテナタイプの中で最も高い利得を持ち、最も狭いビーム幅を生成できます。 [ 1 ] [ 2 ]狭いビーム幅を実現するには、パラボラ反射器は使用する電波の波長よりもはるかに大きくなければなりません。 [ 2 ] [ 3 ]そのため、パラボラアンテナは、波長が十分に小さいため、適切なサイズの反射器を使用できるUHFおよびマイクロ波（SHF ）周波数の無線スペクトルの高周波部分で使用されます。 [ 4 ] : p.302
パラボラアンテナは、ポイントツーポイント通信用の高利得アンテナとして、近隣都市間で電話やテレビの信号を伝送するマイクロ波中継リンク、データ通信用の無線WAN/LANリンク、衛星通信、宇宙船通信アンテナなどの用途で使用されています。また、電波望遠鏡にも使用されています。
パラボラアンテナのもう1つの大きな用途はレーダーアンテナです。[ 4 ] : p.302レーダーアンテナは、船舶、航空機、誘導ミサイルなどの物体の位置を特定するために、狭いビームの電波を送信する必要があります。また、気象観測にもよく使用されます。[ 2 ]家庭用衛星テレビ受信機の登場により、パラボラアンテナは現代の国の景観の一般的な特徴となっています。[ 2 ]
パラボラアンテナは、ドイツの物理学者ハインリヒ・ヘルツが1887年に電波を発見した際に発明された。彼は、歴史的な実験において、焦点に火花励起ダイポールアンテナを備えた円筒形のパラボラ反射鏡を、送受信の両方に使用した。
パラボラアンテナの動作原理は、導電性材料の放物面反射板の前の焦点にある点状の電波源が、反射板の軸に沿った平行平面波ビームに反射されるというものである。 [ 7 ]： p.481 [ 3 ]逆に、軸に平行な入射平面波は焦点の点に集束される。
典型的な放物面アンテナは、金属製の放物面反射鏡と、その焦点で反射鏡の前に吊り下げられ、反射鏡に向かって後方に向けられた小型の給電アンテナで構成されています。 [ 2 ] [ 3 ]反射鏡は、回転放物面に成形された金属面で、通常はアンテナの直径を形成する円形の縁で切り取られています。[ 2 ]送信アンテナでは、送信機からの無線周波数電流が伝送線路ケーブルを介して給電アンテナに供給され、給電アンテナがそれを電波に変換します。電波は給電アンテナによって皿に向かって放射され、皿で反射して平行ビームになります。受信アンテナでは、入射した電波が皿で反射され、給電アンテナで一点に集束され、給電アンテナがそれを電流に変換し、伝送線路を通って無線受信機に伝わります。
反射器は、板金、金属スクリーン、またはワイヤーグリルから構成でき、円形の皿状またはさまざまな形状にすることで、さまざまなビーム形状を作成できます。金属スクリーンは、穴が波長の 10 分の 1 より小さい場合、固体金属表面と同じくらい効果的に電波を反射するため、スクリーン反射器は、皿の重量と風荷重を軽減するためによく使用されます。[ 4 ]： p.302最大の利得を得るには、アンテナのさまざまな部分からの波が焦点に同位相で到達するように、皿の形状が波長のごく一部、約 16 分の 1 波長以内の精度である必要があります。[ 4 ]： p.302大きな皿は、必要な剛性を提供するために、その背後に支持トラス構造が必要になることがよくあります。
平行なワイヤーまたはバーを一方向に配置した格子状の反射器は、反射器としてだけでなく、偏波フィルタとしても機能します。格子素子に平行な電界を持つ直線偏波の電波のみを反射します。このタイプの反射器は、レーダーアンテナによく用いられます。直線偏波のフィードホーンと組み合わせることで、受信機におけるノイズを除去し、誤反射を低減するのに役立ちます。
光沢のある金属製の放物面反射鏡も太陽光を集光することができます。ほとんどのパラボラアンテナは、太陽に向けられた場合、給電構造に十分な太陽エネルギーを集中させてしまい、過熱させてしまう可能性があるため、固体反射鏡には必ずつや消し塗料が塗布されます。
反射鏡の焦点に設置される給電アンテナは、一般的には低利得タイプで、例えば半波長ダイポールアンテナや（より一般的には）給電ホーンと呼ばれる小型ホーンアンテナが用いられます。カセグレン式やグレゴリアン式などのより複雑な設計では、二次反射鏡を用いて、主焦点から離れた位置にある給電アンテナから放物面反射鏡へエネルギーを導きます。給電アンテナは、同軸ケーブル伝送線路または導波管を介して、関連する無線周波数（RF）送受信機器に接続されます。
多くのパラボラアンテナで使用されるマイクロ波周波数では、給電アンテナと送信機または受信機の間でマイクロ波を伝送するために導波管が必要です。導波管の敷設コストが高いため、多くのパラボラアンテナでは、受信機のRFフロントエンド回路が給電アンテナに配置され、受信信号はより低い中間周波数（IF）に変換されて、より安価な同軸ケーブルを通して受信機に伝送されます。これは低雑音ブロックダウンコンバータと呼ばれます。同様に、送信パラボラアンテナでは、マイクロ波送信機が給電点に配置される場合があります。
パラボラアンテナの利点は、アンテナの構造の大部分（給電アンテナを除くすべて）が非共振であるため、広い周波数範囲（つまり広い帯域幅）で機能できることです。[ 3 ]動作周波数を変更するには、給電アンテナを目的の周波数で動作するものに交換するだけで済みます。一部のパラボラアンテナは、焦点に複数の給電アンテナを近接して配置することで、複数の周波数で送受信を行います。
パラボラアンテナは、その形状によって区別されます。
パラボラアンテナは、給電方式、つまり電波がアンテナにどのように供給されるかによっても分類されます。[ 8 ]
給電アンテナの放射パターンは、アンテナ利得を決定する開口効率に大きく影響するため、ディッシュの形状に合わせて調整する必要があります（利得の項を参照）。[ 3 ] ディッシュの端から外れた給電からの放射はスピルオーバーと呼ばれ、無駄になり、利得を低下させ、バックローブを増加させ、干渉を引き起こしたり、（受信アンテナでは）地盤ノイズに対する感受性を高めたりする可能性があります。ただし、最大利得は、ディッシュの端まで一定の電界強度で均一に「照明」されている場合にのみ達成されます。したがって、給電アンテナの理想的な放射パターンは、ディッシュの立体角全体で一定の電界強度であり、端で急激にゼロに低下します。しかし、実際の給電アンテナの放射パターンは、端で徐々に低下するため、給電アンテナは許容できる低いスピルオーバーと適切な照明の間の妥協点となります。ほとんどのフロント給電ホーンでは、給電ホーンから放射される電力がディッシュの端でディッシュの中心での最大値より10 dB低いときに最適な照明が達成されます。 [ 3 ] [ 10 ]
パラボラアンテナの開口部における電界と磁界のパターンは、給電アンテナから放射される電界を拡大した画像にすぎないため、偏波は給電アンテナによって決定されます。最大の利得を得るには、給電アンテナ（送信側と受信側）の両方が同じ偏波である必要があります。[ 11 ]例えば、垂直ダイポール給電アンテナは、電界が垂直な電波ビームを放射します。これを垂直偏波と呼びます。受信側の給電アンテナも、電波を受信するために垂直偏波である必要があります。給電が水平（水平偏波）の場合、アンテナの利得は著しく低下します。
データレートを向上させるため、一部のパラボラアンテナは、別々の給電アンテナを使用して、直交偏波で同じ周波数の2つの別々の無線チャネルを送信します。これは二重偏波アンテナと呼ばれます。たとえば、衛星テレビ信号は、右円偏波と左円偏波を使用して、同じ周波数の2つの別々のチャネルで衛星から送信されます。家庭用衛星アンテナでは、これらは給電ホーン内の2つの小型モノポールアンテナによって受信され、これらのアンテナは直角に配置されています。各アンテナは別々の受信機に接続されています。
一方の偏波チャネルからの信号が反対の偏波アンテナで受信されると、クロストークが発生し、信号対雑音比が低下します。これらの直交チャネルを分離するアンテナの能力は、クロス偏波弁別（XPD）と呼ばれるパラメータで測定されます。送信アンテナでは、XPDは、一方の偏波のアンテナから放射される電力のうち、もう一方の偏波で放射される電力の割合です。たとえば、わずかな不完全性により、垂直偏波給電アンテナを備えたパラボラアンテナは、電力のごく一部を水平偏波で放射します。この割合がXPDです。受信アンテナでは、XPDは、同じアンテナに等しい電力の2つの直交偏波電波が照射されたときに、反対の偏波で受信される信号電力と、正しい偏波で受信される信号電力の比です。アンテナシステムのXPDが不十分な場合、クロストークを低減するために、クロス偏波干渉除去（XPIC）デジタル信号処理アルゴリズムがよく使用されます。
カセグレンアンテナとグレゴリアンアンテナでは、信号経路に 2 つの反射面が存在することで、性能を向上させるための追加の可能性が生まれます。最高の性能が求められる場合、デュアルリフレクタ シェイピングと呼ばれる技術が使用されることがあります。これは、サブリフレクタの形状を変更して、より多くの信号パワーをディッシュの外側領域に向け、フィードの既知のパターンをプライマリの均一な照明にマッピングして、ゲインを最大化するものです。ただし、この結果、セカンダリはもはや正確には双曲線ではなくなり (非常に近いですが)、定位相特性が失われます。しかし、この位相誤差は、プライマリミラーの形状をわずかに調整することで補償できます。その結果、ゲインまたはゲイン/スピルオーバー比は高くなりますが、表面の製造とテストがより難しくなります。[ 12 ] [ 13 ]また、ディッシュのエッジでテーパーが高く、スピルオーバーサイドローブが極めて低いパターンや、フィードのシャドウイングを減らすために中央に「穴」があるパターンなど、他のディッシュ照明パターンも合成できます。
アンテナの指向性は、ゲインと呼ばれる無次元パラメータによって測定されます。ゲインとは、ビーム軸に沿ったソースからアンテナが受信する電力と、仮想的な等方性アンテナが受信する電力の比です。放物面アンテナのゲインは次のとおりです。[ 3 ] [ 14 ]
どこ：
あらゆる開口アンテナと同様に、波長に比べて開口が大きいほど利得が高くなることがわかります。利得は開口幅と波長の比の二乗に比例して増加するため、宇宙船通信や電波望遠鏡などに使用されるような大型パラボラアンテナは非常に高い利得を持つことができます。電波望遠鏡アレイや衛星地上アンテナでよく使用される直径25メートルのアンテナに、波長21cm （1.42GHz 、一般的な電波天文学の周波数）で上記の式を適用すると、最大利得は約14万倍、つまり約52dBi（等方性レベルよりデシベル上）になります。世界最大のパラボラアンテナは、中国南西部の500メートル開口球面電波望遠鏡で、有効開口は約300メートルです。このアンテナの1.42GHzでの利得は約9000万倍、つまり80dBiです。
開口効率e Aは、与えられた開口で達成できる最大値からアンテナの利得を低下させるさまざまな損失を考慮した包括的な変数です。放物面アンテナの開口効率を低下させる主な要因は次のとおりです。[ 15 ]
相互干渉の理論的考察（2～約30GHzの周波数帯 、通常は固定衛星サービス）において、特定のアンテナ性能が定義されていない場合、ITU-R勧告S.465に基づく基準アンテナを使用して干渉を計算します。この計算には、軸外効果による可能性のあるサイドローブが含まれます。
パラボラアンテナでは、放射される電力のほぼすべてが、アンテナ軸に沿った狭い主ローブに集中します。残りの電力は、通常はるかに小さいサイドローブとして、他の方向に放射されます。パラボラアンテナの反射鏡の開口部は波長よりもはるかに大きいため、回折によって多くの狭いサイドローブが発生し、サイドローブパターンは複雑になります。また、通常、主ローブとは反対方向にバックローブが発生します。これは、給電アンテナから反射鏡を外れた余剰放射によるものです。
高利得アンテナから放射されるビームの角度幅は、半値幅ビーム幅（HPBW）で測定されます。これは、アンテナ放射パターン上で電力が最大値の半分（-3 dB）に低下する点間の角度分離です 。放物面アンテナの場合、HPBW θは次のように与えられます。[ 10 ] [ 16 ]
ここで、kは反射鏡の形状と給電照明パターンによってわずかに変化する係数です。理想的な均一照明放物面反射鏡とθが度の場合、k は57.3 (ラジアンの度数) になります。一般的な放物面アンテナの場合、kは約 70 です。 [ 16 ]
Cバンド（4GHz ）で動作する一般的な2メートル衛星アンテナの場合、この式ではビーム幅は約2.6°となります。2.4GHzのアレシボアンテナの場合、ビーム幅は0.028°でした。パラボラアンテナは非常に狭いビームを生成するため、方向を合わせるのが難しい場合があります。一部のパラボラアンテナには、もう一方のアンテナに正確に向けられるように、ボアサイトが装備されています。
利得とビーム幅の間には逆相関関係があります。ビーム幅の式と利得の式を組み合わせると、次の関係が得られます。[ 16 ]
均一に照明された開口部を持つ大きな放物面からの放射は、同じ直径の円形開口部からの放射と本質的に同等である。無限金属板に均一な平面波が入射する場合。[ 17 ]
放射場パターンは、長方形開口部と同様の方法でホイヘンスの原理を適用することにより計算できます。電場パターンは、円形開口部上のフラウンホーファー回折積分を評価することにより求めることができます。また、フレネルゾーン方程式によって決定することもできます。[ 18 ]
どこ極座標を用いると、そして対称性を考慮すると、
そして、一次ベッセル関数を用いると、電場パターンが得られる。、
どこはアンテナ開口部の直径（メートル）です。波長はメートル単位で表されます。図に示すように、はアンテナの対称軸からのラジアン単位の角度であり、は一次ベッセル関数である。放射パターンの最初のヌル点を決定するとビーム幅が得られる。。 用語いつでも。 したがって、
。
開口部が大きい場合、角度とても小さいのでほぼ等しいこれにより、一般的なビーム幅の式が得られます。[ 17 ]
無線アンテナに放物面反射鏡を使用するというアイデアは光学から着想を得たもので、放物面鏡が光をビームに集束させる能力は古代から知られていた。カセグレン式やグレゴリアン式などの特定のタイプの放物面アンテナの設計は、15世紀に天文学者によって発明された、同様の名前の類似タイプの反射望遠鏡に由来する。 [ 19 ] [ 2 ]
ドイツの物理学者ハインリヒ・ヘルツは、 1888年に世界初の放物面反射アンテナを製作した。[ 2 ]このアンテナは、木製のフレームで支えられた亜鉛板金製の円筒形の放物面反射器で、焦点線に沿ってスパークギャップ励振式の26cmダイポールアンテナが給電アンテナとして設置されていた 。開口部は高さ2メートル、幅1.2メートル、焦点距離0.12メートルで、動作周波数は約450MHzであった 。ヘルツは、送信用と受信用の2つのアンテナを用いて、約22年前にジェームズ・クラーク・マクスウェルが予言していた電波の存在を実証した。 [ 20 ]しかし、初期の無線開発は放物面アンテナが不向きな低周波数帯に限られており、マイクロ波周波数が使用されるようになった第二次世界大戦まで広く普及することはなかった。
第一次世界大戦後、短波が使用されるようになると、通信範囲を拡大し、無線通信の傍受に対する安全性を高めるために、指向性アンテナへの関心が高まりました。イタリアのラジオのパイオニアであるグリエルモ・マルコーニは、1930年代に地中海で船からUHF送信を調査する際に放物面反射鏡を使用しました。[ 19 ] 1931年には、直径3.0メートル（10フィート） のパラボラアンテナを使用して、イギリス海峡を横断する1.7GHzマイクロ波中継電話リンクが実証されました。 [ 19 ]最初の大型放物面アンテナである直径9mのパラボラアンテナは、 1937年に電波天文学のパイオニアであるグロート・レーバーによって裏庭に建設され、 [ 2 ]彼がそれを使用して行った天体観測は、電波天文学の分野を確立した出来事の1つでした。[ 19 ]
第二次世界大戦中のレーダーの開発は、放物面アンテナの研究に大きな推進力をもたらしました。これにより、反射鏡の曲率が垂直方向と水平方向で異なり、特定の形状のビームを生成するように調整された、形状ビームアンテナが進化しました。[ 19 ]戦後、非常に大きな放物面アンテナが電波望遠鏡として建設されました。ウェストバージニア州グリーンバンクにある100メートルのグリーンバンク電波望遠鏡（最初のバージョンは1962年に完成）は、現在、世界最大の完全可動式放物面アンテナです。
1960年代には、パラボラアンテナが地上マイクロ波中継通信ネットワークで広く使われるようになり、大陸を越えて電話やテレビ番組が伝送されるようになった。[ 19 ]衛星通信に使用された最初のパラボラアンテナは、テルスター衛星との通信のために、1962年にイギリスのコーンウォールのグーンヒリーに建設された。カセグレンアンテナは、1963年にNTT、KDDI、三菱電機によって日本で開発された。[ 21 ] 1977年に打ち上げられたボイジャー1号宇宙船 は現在、地球から242億キロメートル離れた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（上の写真参照）は、今でも地上局と通信することができる。 1970年代にNECなどのコンピュータ設計ツールが登場し、放物面アンテナの放射パターンを計算できるようになったことで、近年では高度な非対称型、多重反射型、多重給電型アンテナの設計が開発されるようになった。
![{\displaystyle E(\theta )={\frac {2\lambda }{\pi D}}{\frac {J_{1}[(\pi D/\lambda )\sin \theta ]}{\sin \theta }}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4136cf695ad4f65bd9437bcc21fe550929ce8d27)
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