JP2013201519A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ビーム走査角の範囲が制限されず、覆域や利得などの要求条件を満たしたまま、素子間隔を拡大して素子数を削減することが可能なアンテナ装置を提供する。
【解決手段】電子的にビーム走査するフェーズドアレーアンテナ２と、フェーズドアレーアンテナ２のビーム走査により送信されたビームを所定の覆域内のビーム照射エリアに反射する平面鏡２１と、平面鏡２１の角度を変更して所定の覆域を変更する機械駆動部２２とを備え、フェーズドアレーアンテナ２のビーム走査によりビーム照射エリアを走査するように構成したので、ビーム走査角の範囲が制限されず、覆域や利得などの要求条件を満たしたまま、フェーズドアレーアンテナに設置するアンテナ素子数を削減することができ、その結果、各アンテナ素子に付随する増幅器や振幅位相制御に必要となるコンポーネントの数を削減できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、フェーズドアレーアンテナによって指向制御されたビームを機械駆動の平面鏡により反射するアンテナ装置に関するものである。

衛星通信や移動体通信では、衛星は時々刻々と移動する移動体と通信を行う必要があり、衛星の主ビーム方向を常に移動体に向けるために、主ビーム方向を走査して移動体を追尾することが可能なビーム走査の手法が必要である。

従来のビーム走査の手法としては、第１の手法として、給電系を含むアンテナ装置全体が機械駆動することにより、ビームの電気性能を維持したままビーム走査する手法が挙げられるが、この手法は、アンテナ装置全体を駆動させる機械駆動部を追加することによってアンテナ装置が大掛かりになり、重量が重くなってしまい問題だった。そのような問題に対処するものとして、例えば特許文献１では、パラボラアンテナ等の反射鏡のみを駆動させてビームの方向を変えるマルチビームアンテナについて開示している。

また、第２の手法として、複数のアンテナ素子を有するフェーズドアレーアンテナを用いて、複数のアンテナ素子により送信される信号の振幅および位相を制御することによって、電子的にビームを走査する手法が挙げられる。

特開平１−１２９５０８号公報

しかしながら、例えば特許文献１に示すような、パラボラアンテナ等の反射鏡のみを駆動させてビームの方向を変える手法は、ビーム走査角が大きくなるとビームの電気性能を維持できずビーム走査角の範囲が制限されるという課題がある。

また、フェーズドアレーアンテナを用いるビーム走査の手法は、衛星にフェーズドアレーアンテナを搭載する場合、通信可能な領域を示す覆域の大きさや利得などの要求条件を満たすため、フェーズドアレーアンテナに配置する複数のアンテナ素子の間隔は一定値以上に大きくすることができず、これにより、アンテナ素子、アンテナ素子に付随する増幅器、振幅位相制御に必要となるコンポーネントが膨大な数必要になるという課題がある。

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、ビーム走査角の範囲が制限されず、覆域や利得などの要求条件を満たしたまま、素子間隔を拡大して素子数を削減することが可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。

この発明に係るアンテナ装置は、電子的にビーム走査するフェーズドアレーアンテナと、前記フェーズドアレーアンテナのビーム走査により送信されたビームを所定の覆域内のビーム照射エリアに反射する平面鏡と、前記平面鏡の角度を変更して前記所定の覆域を変更する機械駆動部とを備え、前記フェーズドアレーアンテナのビーム走査により前記ビーム照射エリアを走査することを特徴とする。

本発明のアンテナ装置によれば、ビーム走査角の範囲が制限されず、覆域や利得などの要求条件を満たしたまま、フェーズドアレーアンテナに設置するアンテナ素子数を削減することができ、その結果、各アンテナ素子に付随する増幅器や振幅位相制御に必要となるコンポーネントの数を削減することが可能となる。

この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置が衛星筐体に搭載された状態の概略外観図である。 この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置におけるビーム照射エリアと覆域について示す説明図である。 フェーズドアレーアンテナの開口面のアンテナ素子の数を示す図である。 この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置が衛星筐体に搭載された状態の概略外観図である。 この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置が衛星筐体に搭載された状態の概略外観図である。図１に示すように、太陽電池パドル４１，４２を備えた静止衛星等の衛星筐体１に搭載されたアンテナ装置は、アンテナ素子３を有するフェーズドアレーアンテナ２、平面鏡２１、機械駆動部２２、アンテナ支持機構２３により構成されている。矢印Ａは地球指向方向を示している。
ここでは、説明を簡単にするため、図１に示す太陽電池パドル４１が設置された面を地球指向方向Ａに対して北面であると仮定する。このとき、太陽電池パドル４２が設置された衛星筐体１の面は地球指向方向Ａに対して南面となる。

フェーズドアレーアンテナ２は、衛星筐体１の地球指向方向Ａに対して東方向を向く面に配置され、表面に四角配列状に所定の間隔で配置された複数のアンテナ素子３を有し、アンテナ素子３から送信する信号の振幅および位相に応じ、電子的にビームを走査する。

機械駆動部２２は、衛星筐体１の地球指向方向Ａの反対方向を向いた面に設置されており、地球指向方向Ａに対して東方向に伸びる棒状のアンテナ支持機構２３と接続されている。

平面鏡２１は、アンテナ支持機構２３を介して機械駆動部２２と接続されており、衛星筐体１の地球指向方向Ａに対して東方向を向く面側に配置されている。機械駆動部２２が駆動することにより、アンテナ支持機構２３を中心として平面鏡２１は回転され、平面鏡２１の設置角度は変更され、フェーズドアレーアンテナ２により送信されたビームを設置角度に応じた方向へ反射する。
なお、反射鏡として平面鏡を用いる理由は、フェーズドアレーアンテナ２から走査されるビームは所定方向に対して等位相となっているためであり、パラボラアンテナのように曲率を持った反射鏡を用いる必要はない。

図２は、この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示すブロック図であり、図２に示すように、このアンテナ装置は制御部５を有し、制御部５は、フェーズドアレーアンテナ２によるビーム走査および機械駆動部２２による平面鏡２１の角度の変更を制御する。

図３は、この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置におけるビーム照射エリアと覆域について示す説明図である。ビーム照射エリア６１は、アンテナ装置が実際にビームを照射する領域であり、実際に衛星と通信することが可能な領域である。ビーム照射エリア６１の走査はフェーズドアレーアンテナ２のビーム走査により行い、これにより、ビーム照射エリア６１を走査する際に、平面鏡２１が駆動する場合に発生する振動の影響を受けない。

一方、覆域６２は、平面鏡２１の角度を一定に保った状態において所定のビーム性能を維持したまま照射可能な地球上の領域を示す。覆域６２−１〜６２−４は平面鏡２１の設置角度が異なる場合における覆域６２を示しており、例えば、覆域６２−１から覆域６２−２へ変更する場合は平面鏡２１の角度を変更する。

このように、このアンテナ装置は、平面鏡２１の設置角度を調整することにより覆域を変化させることができるため、フェーズドアレーアンテナを衛星筐体の地球指向方向Ａを向く地球指向面に設置した従来のアンテナ装置のように地球視野全体を覆域とする必要はなく、覆域の大きさを小さくすることが可能となる。例えば、覆域の大きさを地球視野全体の１／４としても、平面鏡２１の設置角度を４段階に調整することによって得られる４つの覆域によって、地球視野全体をアンテナ装置としての覆域とすることが可能となる。

ここで、覆域の大きさとフェーズドアレーアンテナ２の開口面のアンテナ素子３の数の関係について図４を用いて説明する。図４は、フェーズドアレーアンテナ２の開口面のアンテナ素子３の数を示す図である。
なお、図４を用いた説明において、フェーズドアレーアンテナ２のビーム照射エリアが所定の覆域の中央になるときのビーム照射角を０［ｄｅｇ］と設定する。

図４（ａ）は、フェーズドアレーアンテナ２を衛星筐体の地球指向方向Ａの方向を向く面に設置した従来のアンテナ装置において、覆域の大きさを地球視野全体とする場合について示している。図４（ａ）に示されたフェーズドアレーアンテナ２の開口面には、アンテナ素子３１−１，３１−２，・・・，３１−ＮのＮ個のアンテナ素子３１が配置されている。ここで、このフェーズドアレーアンテナ２にＮ個のアンテナ素子３１が設置されているのは、所望の利得により地球視野全体を覆域とし、また、地球視野内におけるグレーティングローブの発生を防ぐためであり、このときの最大ビーム走査角をθ［ｄｅｇ］とする。

一方、この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置において、覆域の大きさを地球視野全体の１／４とし、平面鏡２１の設置角度を４段階に調整して変化させた４つの覆域によって、地球視野全体をアンテナ装置としての覆域とする場合について考える。この場合、覆域を円形と仮定すると覆域の大きさを１／４にすると最大ビーム走査角は１／２倍のθ／２［ｄｅｇ］となる。ここで、最大ビーム照射角の大きさはアンテナ素子３の数によって決まり、アンテナ素子３の配列は四角配列としているため、素子数は１／４倍（１／２の２乗）、すなわちＮ／４個にすることができる。

図４（ｂ）は、このときのアンテナ装置におけるフェーズドアレーアンテナ２の開口面を示したものであり、アンテナ素子３２−１，３２−２，・・・，３２−ＭのＭ個が配置されている。図４（ａ），（ｂ）を比較すると、アンテナ素子３１が４個設置される範囲にアンテナ素子３２は１個しか配置されておらず、アンテナ素子３２の数がＮ／４（＝Ｍ）に減少していることが分かる。なお、ビーム照射エリアの大きさを維持するため、アンテナ素子３２の数は減少しているものの、素子間の距離を広げて配置することにより、アンテナ素子３２を配置する範囲は変更しない。

そして、この際、実施の形態１に係る発明における地球視野全体の１／４の大きさにした各覆域内において、従来のアンテナ装置における地球視野全体の大きさとした覆域と同等のビーム性能を得ることが可能となる。

なお、図４（ｂ）においては、覆域の大きさを地球視野全体の１／４とする場合について示したが、覆域の大きさは１／４に限らず、小さくするのであればどの大きさであってもよい。

このように、アンテナ素子３の数を削減すると、アンテナ素子３の素子間隔が広くなるためグレーティングローブの発生角度が狭まり覆域外の地球視野内にグレーティングローブが発生する場合があるが、このような場合は、平面鏡２１の大きさをフェーズドアレーアンテナ２により送信されるビームのうちメインビームのみを反射する大きさに調整することにより、平面鏡２１がフェーズドアレーアンテナ２のメインビームのみを反射し、グレーティングローブを地球視野外にすることができ、干渉の低減が可能となる。

また、上述のように、覆域の大きさを小さくすることにより最大ビーム走査角が小さくなるため、ビーム走査角が大きくなってビームの電気性能が維持できなくなり、ビーム走査角の範囲が制限されることはない。

なお、実施の形態１においては、フェーズドアレーアンテナ２および平面鏡２１を衛星筐体１の地球指向方向Ａに対して東方向を向く面側に配置する場合について説明しているが、フェーズドアレーアンテナ２および平面鏡２１を配置するのは衛星筐体１の地球指向面側以外であればどの方向を向く面側であってもよい。ただし、これらは同一方向を向く面側に配置するものとする。

なお、実施の形態１では、アンテナ素子３を四角配列に配置する場合について説明しているが、これに限らず、覆域や利得などの要求条件を満たせば、アンテナ素子３をどのように配置してもよい。

以上のように、実施の形態１によると、電子的にビーム走査するフェーズドアレーアンテナ２と、フェーズドアレーアンテナ２のビーム走査により送信されたビームを所定の覆域内のビーム照射エリアに反射する平面鏡２１と、平面鏡２１の角度を変更して所定の覆域を変更する機械駆動部２２とを備え、フェーズドアレーアンテナ２のビーム走査によりビーム照射エリアを走査するように構成したので、ビーム走査角の範囲が制限されず、覆域や利得などの要求条件を満たしたまま、フェーズドアレーアンテナ２に設置するアンテナ素子３の数を削減することができ、その結果、各アンテナ素子３に付随する増幅器や振幅位相制御に必要となるコンポーネントの数を削減することが可能となる。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置が衛星筐体に搭載された状態の概略外観図であり、実施の形態１の図１に示すアンテナ装置の外観に対して、フェーズドアレーアンテナ７（図示せず）、平面鏡７１、機械駆動部７２（図示せず）およびアンテナ支持機構７３を追加で有する点で異なる。なお、実施の形態１と同様の構成には同一の符号を付して重複した説明を省略する。

フェーズドアレーアンテナ７は、衛星筐体１の地球指向方向Ａに対して西方向を向く面に配置され、表面に四角配列状に所定の間隔で配置された複数のアンテナ素子８（図示せず）を有し、アンテナ素子８から送信する信号の振幅及び位相に応じ、電子的にビームを走査する。

機械駆動部７２は、衛星筐体１の地球指向方向Ａの反対方向を向いた面に設置されており、地球指向方向Ａに対して西方向に伸びる棒状のアンテナ支持機構７３と接続されている。

平面鏡７１は、アンテナ支持機構７３を介して機械駆動部７２と接続されており、衛星筐体１の地球指向方向Ａに対して西方向を向く面側に配置されている。機械駆動部７２が駆動することにより、アンテナ支持機構７３を中心として平面鏡７１は回転され、平面鏡７１の設置角度は変更され、フェーズドアレーアンテナ７により送信されたビームを設置角度に応じた方向へ反射する。

図６は、この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図６に示すように、このアンテナ装置は制御部９を有し、制御部９は、ビームを送信するフェーズドアレーアンテナ２，７の切り替え、フェーズドアレーアンテナ２，７によるビーム走査および機械駆動部２２，７２による平面鏡２１，７１の角度の変更を制御する。

２つのフェーズドアレーアンテナ２，７を備えることにより、１つのフェーズドアレーアンテナ２のみを備える場合と比べ、平面鏡２１，７１の角度を一定に保った状態における覆域の大きさを２倍の大きさにすることができるため、平面鏡２１，７１の駆動範囲を狭めることが可能となる。

なお、実施の形態２においては、フェーズドアレーアンテナ２と平面鏡２１を組として衛星筐体１の地球指向方向に対して東方向を向く面側に配置し、また、フェーズドアレーアンテナ７と平面鏡７１を組として衛星筐体１の地球指向方向に対して西方向を向く面側に配置する場合について説明しているが、組とするフェーズドアレーアンテナと平面鏡を配置するのは、衛星筐体１の地球指向面側以外であればどの方向を向く面側であってもよい。ただし、組とするフェーズドアレーアンテナと平面鏡は同一の方向を向く面側に配置するものとする。

以上のように、実施の形態２によれば、実施の形態１の構成に加えて、電子的にビームを走査するフェーズドアレーアンテナ７と、フェーズドアレーアンテナ７のビーム走査により送信されたビームを所定の覆域内のビーム照射エリアに反射する平面鏡７１と、平面鏡７１の角度を変更して所定の覆域を変更する機械駆動部７２とを備え、フェーズドアレーアンテナ７のビーム走査によりビーム照射エリアを走査するように構成したので、実施の形態１と同様の効果に加え、実施の形態１に係るアンテナ装置よりも覆域の大きさを大きくすることができるため、機械駆動部２２，７２による平面鏡２１，７１の駆動範囲を狭めることが可能となる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 衛星筐体、２ フェーズドアレーアンテナ、２１ 平面鏡、２２ 機械駆動部、２３ アンテナ支持機構、３，３１，３２ アンテナ素子、４１，４２ 太陽電池パドル、５ 制御部、６１ ビーム照射エリア、６２ 覆域、７ フェーズドアレーアンテナ、７１ 平面鏡、７２ 機械駆動部、７３ アンテナ支持機構、８ アンテナ素子、９ 制御部。

Claims (4)

1. 電子的にビーム走査するフェーズドアレーアンテナと、
   前記フェーズドアレーアンテナのビーム走査により送信されたビームを所定の覆域内のビーム照射エリアに反射する平面鏡と、
   前記平面鏡の角度を変更して前記所定の覆域を変更する機械駆動部とを備え、
   前記フェーズドアレーアンテナのビーム走査により前記ビーム照射エリアを走査する
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 衛星に設置される
   ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記フェーズドアレーアンテナおよび前記平面鏡は、前記衛星の地球指向方向以外の方向を向く面側に配置される
   ことを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
4. 前記衛星が静止衛星である
   ことを特徴とする請求項２または請求項３記載のアンテナ装置。

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