JPH0685534A - 反射鏡マルチビームアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 周波数利用効率を改善し、システムの周波数
割り当てに柔軟性を与えることのできるマルチビームア
ンテナ装置を提供することにある。 【構成】 反射鏡と、円偏波を発生する複数個の一次放
射器と、前記一次放射器への信号を分配する分配回路か
ら構成されるクラスターフィードを複数個有する反射鏡
マルチビームアンテナ装置において、前記一次放射器は
疎結合特性を有する２個の給電ポートを具備し、前記一
次放射器が２個の前記クラスターフィード間で共用する
場合は、前記２個の給電ポートを前記２個のクラスター
フィードの分配回路ポートに夫々接続し、前記一次放射
器が１個のクラスターフィードのみで用いられる場合に
は、前記一次放射器の第１の給電ポートを無反射終端
し、前記第２の給電ポートを前記分配器に接続したこと
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、衛星通信や衛星放送
を行うための衛星搭載用の反射鏡マルチビームアンテナ
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、衛星通信や衛星放送の普及に伴
い、これら通信・放送を実現するための衛星搭載用アン
テナの高性能化の研究開発が精力的に行われる。衛星通
信や衛星放送においては、（１）有限の資源である周波
数をいかに効率的に使用するか、（２）小形低価格の地
上局を普及させるために、通信・放送を行うサービスエ
リアでの衛星搭載アンテナの利得をいかに高利得化する
か、ということが大きな技術課題となっている。これを
解決する手段として、１台のアンテナで複数個のビーム
を同時に形成できる反射鏡マルチビームアンテナが、衛
星搭載性、実現性の観点から最も有望である。

【０００３】図５は、一般的な反射鏡マルチビームアン
テナの構成図で、パラボラ鏡面１００、一次給電系１０
１から構成される。同図において、一次給電系１０１
は、パラボラ反射鏡１００の焦点近傍に配置され、一次
給電系１０１から発射された電波は、パラボラ反射鏡１
００で反射し、サービスエリアの方向に伝搬する。

【０００４】ここで、図６で示す様なサービスエリアを
３つのビームでカバーする最も簡単なマルチビーム構成
を例に取り、従来の反射鏡マルチビームアンテナの動作
原理、その効果及び問題点に関して説明する。図６で
は、サービスエリアをビーム１０２、１０３、１０４の
３つのビームでカバーし、各々のビームには、周波数ｆ
１、ｆ２、ｆ１が割り当てられているものと仮定してい
る。この様なマルチビーム構成の利点としては、まず第
１に、サービスエリア全体を１つのビームで覆う場合に
比較して高利得化が図れることにある。これは、マルチ
ビームの各々のビームの大きさが、サービスエリア全体
を１つのビームで覆う場合に比して小さいため、エネル
ギーを集中できる事によっている。第２の利点は、ビー
ム１０２と１０４を低サイドローブ化することにより、
ビーム１０２と１０４間の干渉を低減し、同一周波数を
有効に再利用できる事である。

【０００５】この様な３つのマルチビームを形成するた
めの一次給電系の例を図７、図８に示す。図７は、一次
給電系１０１の電波を放射する面を示しており、複数個
の一次放射器１０５、１０６、１０７から構成される。
ここで、１つのビームは、点線で示すように３つの一次
放射器で構成されるクラスターフィード１０８、１０
９、１１０を用いて形成される。即ち、クラスターフィ
ード１０８、１０９、１１０が図６のビーム１０２、１
０３、１０４に対応する。クラスターフィード形成を用
いる理由は、それを構成する複数個の一次放射器の励振
振幅位相を最適化することにより、アンテナの低サイド
ローブ化が図れ、周波数の再利用が実現できることにあ
る。上記理由により、クラスターフィード形式は、周波
数再利用型反射鏡マルチビームアンテナの基本となって
いる。

【０００６】また、前述したように、マルチビームアン
テナにおいてはビームの高利得化が必須であり、特にビ
ームが重なり合う領域での利得（一般にクロスオーバー
レベルと言われる。）向上が最も重要となる。これを実
現するためには、図７に示すように、一部の一次放射器
をクラスターフィード間で共用する必要がある。同図に
おいて、一次放射器１０７が、二つのクラスターフィー
ド１０８、１０９の両方で使われている。一般に、反射
鏡アンテナでは、クラスターフィードの物理的間隔が、
ビームの間隔に対応するため、一次放射器の共用を行わ
ないと隣接するビームの間隔が広がってしまい、その結
果、クロスオーバーレベルが低下してしまうという現象
が必ず生ずる。この事から、クロスオーバーレベルを向
上させるためには、一次放射器のクラスターフィード間
での共用が必須である。

【０００７】図８には、一次給電系１０１の一次放射器
と給電回路の一般的な構成を示す。以下、電波を送信し
た場合を例にとり、その構成及び動作原理を説明する。
（電波を受信した場合も同様であるので、ここでは省略
するものとする。）同図において、一次放射器１０５及
び１０６は、周波数ｆ１の送信信号を分配する分配器１
１１に接続されている。クラスターフィード間で共用す
る一次放射器１０７には、合波器１１２が接続されてい
る。合波器１１２は、分配器１１１からの周波数ｆ１の
信号と分配器１１３からの周波数ｆ２の信号を合成する
ものである。分配器１１１及び１１３は、入力された信
号にアンテナの低サイドローブ化のための振幅位相重み
付けを行い分配するものである。このように分配器１１
１及び１１３の振幅位相重み付けにより、アンテナビー
ムが低サイドローブ化され周波数再利用が可能となる。

【０００８】しかし、上述した従来の反射鏡マルチビー
ムアンテナでは、以下のような欠点が生ずる。まず第１
に、合波器１１２は、周波数ｆ１とｆ２を合成して出力
する必要があるため、周波数ｆ１、ｆ２間で必ずガード
バンド、即ち使用することができない周波数帯域が必ず
必要となることである。即ち、サービスエリア全体に割
り当てられた有限且つ貴重な周波数帯域を全てを使用す
ることができず、周波数の有効な利用が妨げられる結果
となる。

【０００９】第２の欠点は、合波器のバンドエッジ近傍
での通過振幅位相特性が平坦でないため、この周波数領
域においてクラスターフィードの励振振幅位相に誤差が
生じ、マルチビームアンテナの低サイドローブ化が達成
できなくなる。その結果、同一周波数を使用する他のビ
ームからの干渉量が増大し、通信や放送の品質に大きな
影響を及ぼすこととなる。これを回避するためには、合
波器の通過振幅位相特性が低サイドローブ化に影響を与
えない周波数領域のみを使用する方法が考えられる。こ
れは、使用できる周波数帯域がさらに狭まる結果とな
り、周波数有効利用の観点から大きな問題となる。

【００１０】第３の欠点は、合波器１１２の周波数帯域
が固定されているため、衛星通信・放送システムとし
て、周波数割り当てに対する柔軟性がなく、例えば、衛
星打ち上げ後、ビームの周波数割り当てを変更したいと
言うような要求を実現することができない。近年、衛星
の寿命が１０年以上と長期化する傾向にあり、マルチビ
ームアンテナシステムの設計段階で想定した通信需要を
基に周波数割り当てを行っても、１０年という長期の衛
星運用期間中に地域的な通信ニーズが変化し、周波数の
再割り当てを行う可能性が十分考えられる。このような
事情により、合波器で固定的に周波数を割り当てる方式
は、システムの柔軟性を大きく疎外する結果となる。

【００１１】さらに、合波器１１２を３ｄＢハイブリッ
ドに置き換えた一次給電系も考えられるが、この場合に
は、周波数割り当ての柔軟性や周波数有効利用が合波器
に比較して図られるが、３ｄＢハイブリッドに接続され
た一次放射器への入力電力が３ｄＢ減少してしまう結果
となる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】以上述べてきたよう
に、従来の反射鏡マルチビームアンテナにおいては、周
波数再利用を行うための低サイドローブ化とクロスオー
バーレベルの向上を同時に行おうとすると、合波器を用
いたクラスターフィードを使用する必要があり、その結
果、割り当てられた周波数を有効に使用することができ
ず、また、同一周波数を用いる他のビームからの干渉を
受けやすいという問題があった。また、合波器が固定的
に周波数帯域を決定しているため、システム全体の柔軟
性が疎外されると同時に、３ｄＢハイブリッドを合波器
の代わりに用いた場合には、３ｄＢの損失を被るという
問題があった。

【００１３】本発明は、上記従来例の問題を改善するた
めに創案されたもので、有限なリソースである周波数の
利用効率を改善でき、干渉波の軽減により通信・放送の
高品質化を達成し、システムに周波数割り当てに対する
柔軟性を与えることができると同時に３ｄＢハイブリッ
ドを用いた場合よりも損失を低減できる反射鏡マルチビ
ームアンテナ装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、第１の発明は、反射鏡と、複数個の一次放射器
と前記一次放射器への信号を分配する分配回路から構成
されるクラスターフィードを複数個有する反射鏡マルチ
ビームアンテナ装置において、前記一次放射器は疎結合
特性を有する２個の給電ポートを具備し、前記２個の給
電ポートからは同一旋回の円偏波を発生することがで
き、前記一次放射器を２個の前記クラスターフィード間
で共用する場合は、前記２個の給電ポートを前記２個の
クラスターフィードの分配回路ポートに夫々接続し、前
記一次放射器が１個のクラスターフィードのみで用いら
れる場合には、前記一次放射器の第１の給電ポートを無
反射終端し、前記第２の給電ポートを前記分配器に接続
したことを特徴とする反射鏡マルチビームアンテナ装置
である。

【００１５】第２の発明は、前記クラスターフィード間
での一次放射器の共用数と前記一次放射器の給電ポート
数を同一にしたことを特徴とする反射鏡マルチビームア
ンテナ装置である。

【００１６】

【作用】本発明によれば、クラスターフィードを構成す
る円偏波一次放射器が２個の給電ポートを具備し、且つ
２個の給電ポート間で疎結合特性を有するので、クラス
ターフィード間で共用される一次放射器を合波器を介し
て接続する必要がなくなり、その結果、上記従来例で問
題となっていた周波数の利用効率の向上が図られる。ま
た、一次放射器の振幅位相通過特性は、合波器に比して
平坦であるため、励振振幅位相誤差が少なく、ビームの
低サイドローブ特性を維持することができる。その結
果、同一周波数を用いる他のビームからの干渉波の影響
が軽減され、通信・放送の高品質化を達成することがで
きる。さらに、一次放射器の周波数に対する制限が合波
器より少ないため、システムの周波数割り当てに柔軟性
が出てくる。また、２個の給電ポート間で疎結合特性を
有する一次放射器を用いているため、３ｄＢハイブリッ
ドを用いた場合よりも損失を低減することができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。

【００１８】図１は、本発明の一実施例であるマルチビ
ームアンテナ装置の一次給電系の概略構成図である。同
図において、１、２及び３は夫々２個の給電ポートを有
する一次放射器、４は一次放射器１の第２のポートに接
続された無反射終端、５及び６はクラスターフィードの
励振振幅位相を設定すると同時に、周波数ｆ１の信号を
一次放射器に分配する分配器である。反射鏡と一次給電
系の関係は、従来例で示した図５と同様であり、ここで
は簡単のため省略する。さらに、図１においては、上述
した従来例と同様に、３つの一次放射器でクラスターフ
ィードを構成し、且つクラスターフィード間で一次放射
器３を共用する最も簡単な場合を記している。

【００１９】以下、図１を用いて本発明の一実施例の動
作原理を詳細に説明する。但し、２つの給電ポートを具
備し、且つポート間が疎結合となる一次放射器の動作原
理に関しては、後述する。

【００２０】図１において、分配器５は、入力された周
波数ｆ１の信号に低サイドローブ化のための励振振幅位
相重み付けを行い、３つの出力ポートに供給する。この
出力ポートは、一次放射器１、２、３の第１の給電ポー
トに接続されており、分配器５で分配された周波数ｆ１
の信号は、一次放射器１、２、３に供給される。その結
果、一次放射器１、２、３及び分配器５でクラスターフ
ィードが構成される。このクラスターフィードにより、
低サイドローブの周波数ｆ１のビームが形成される。ま
た、一次放射器１、２の分配器５と接続されていない給
電ポートは、反射波を軽減するために無反射終端が接続
されている。さらに、一次放射器３は、隣接するクラス
ターフィードの間で共用しているため、従来例と同様に
クロスオーバーレベルを高く設定することができる。一
方、分配器６とそれに接続された一次放射器からなるク
ラスターフィードと、分配器５及び一次放射器１、２、
３で構成されたクラスターフィードは同一周波数のビー
ムを形成するが、分配器５、６の励振振幅位相重みによ
り、低サイドローブ化が図られているため、両ビーム間
の干渉が軽減される。また、一次放射器の振幅位相通過
特性は、従来例で述べた合波器に比して平坦であるた
め、励振誤差が少なく周波数によらず低サイドローブ特
性を維持することができる。さらに、クラスターフィー
ド内で同一の一次放射器を用いているため、すべての一
次放射器の振幅位相通過特性が製造誤差を除いて一致し
ており、励振振幅位相付けの設計及び分配器の製造が容
易になると同時に、一次放射器間の周波数による振幅位
相通過特性偏差も小さいため、広い帯域に渡って低サイ
ドローブ化が可能となる。この結果、他ビームからの同
一周波数干渉波の影響が軽減され、通信及び放送の高品
質化が達成される。

【００２１】さらに、一次放射器はサービスエリア全体
に割り当てられた全周波数帯域をカバーするように動作
させることができるため、ビームの周波数割り当てに対
する制限がない。この結果、衛星運用期間中にビームの
周波数割り当ての変更が容易になりシステムの柔軟性を
増すことができる。

【００２２】図２は、上記実施例においてクラスター間
で共用しない一次放射器に対しては、２給電ポートを有
しない一般的な一次放射器７を用いていることを特徴と
している。この様な構成にすると、クラスターフィード
内で異なる一次放射器を用いているため、図１の実施例
で説明した励振振幅位相付けの設計の容易さや一次放射
器間の周波数による振幅位相通過特性偏差の縮小はでき
ないが、他の効果は図１に示した実施例と同様であり、
さらに、無反射終端を削減でき構成が単純化されるとい
う利点を有する。

【００２３】次に、図１及び図２の実施例における一次
放射器に関して説明する。一次放射器は、２つの給電ポ
ートを有し、且つこの２つの給電ポート間の結合が疎結
合特性を有するものである。この様な一次放射器として
は、例えば、特開平３−３０９１３５号公報に記載され
たものがある。上記公開特許では、直交した２つの直線
偏波プローブで給電されたアンテナ素子を４素子用いこ
れらを２つのシーケンシャル給電回路で合成し、２つの
同一円偏波を発生できる給電ポートを有している。さら
に、この公開公報では、アンテナ素子の２つのプローブ
は、異なる周波数で整合が取れていることを前提として
おり、この場合、給電ポート間の結合は、−３０ｄＢと
疎結合となっており、どちらかの給電ポートから入力さ
れた電波は、他のポートにはそれ程結合せず、入力され
た電波のほとんどは放射されることが分かる。

【００２４】図１及び図２の示した本発明の実施例にお
ける一次放射器として、上記公開公報の述べられている
アンテナを用いることができる。その結果、合波器を用
いた従来例に比較して、励振振幅誤差の軽減は可能であ
るが、給電ポートが異なる周波数に固定されているた
め、周波数再割り当ての柔軟性や周波数利用効率の向上
には難点がある。

【００２５】そこで、前記公開公報で述べられているア
ンテナ素子の直交した２つの直線偏波プローブが同一の
周波数帯で整合が取れており、さらに、４つのアンテナ
素子を給電するシーケンシャル給電回路が９０°及び１
８０°ハイブリッドで構成されている場合を考える。

【００２６】図３に、本発明における一次放射器の概略
構成図を示す。同図において、１０はアンテナ素子、１
１は第１の直線偏波プローブ、１２は第２の直線偏波プ
ローブである。アンテナ素子１０は、直交する２つの直
線偏波プローブ１１、１２を有し、両者のプローブ１
１、１２からは、直交した直線偏波がアンテナ素子１０
を介して放射される。また、前記２つの直線偏波プロー
ブ１１、１２からアンテナ素子側をみたインピーダンス
は、同一周波数帯で整合が取れている。また、前記アン
テナ素子１０は物理的に９０°毎づつ回転して配列され
ている。

【００２７】次に、図４は、図３の４つのアンテナ素子
１０を用いて円偏波を発生させるためのシーケンシャル
給電回路を示す。同図において、１３及び１４は９０°
ハイブリッド回路、１５は１８０°ハイブリッド回路、
１６は最終的な一次放射器の給電ポートである。図４
は、図３のＡ１〜Ａ４のプローブと接続されるシーケン
シャル給電回路を示したが、Ｂ１〜Ｂ４のプローブに接
続されるシーケンシャル給電回路も同様の構成となるの
でここでは省略してある。

【００２８】以下、上記図３及び図４を用いてその動作
原理を説明する。まず、図４に示す給電ポートに信号が
印加されているものとする。信号は、１８０°ハイブリ
ッド回路１５により、９０°ハイブリッド回路１３へ
は、０°位相で、一方、９０°ハイブリッド回路１４へ
は、−１８０°位相で分配される。９０°ハイブリッド
回路１３は、１８０°ハイブリッド回路１５からの信号
をＡ１ポートへは−９０°位相で、Ａ２ポートへは、０
°位相で分配する。同様に、９０°ハイブリッド回路１
４は、１８０°ハイブリッド回路１５からの信号をＡ３
ポートへは−９０°位相で、Ａ４ポートへは、０°位相
で分配する。その結果、図３に示すＡ１〜Ａ４へ給電さ
れる信号の位相は、Ａ１…−９０°、Ａ２…０°、Ａ３
…−２７０°、Ａ４…−１８０°となる。また、図３に
示すようにＡ１〜Ａ４のプローブは空間的に９０°づつ
回転している。この様に、シーケンシャル給電系で設定
された位相と、アンテナ素子１０の物理的回転により、
円偏波が発生する。上記の例では、左旋偏波となる。プ
ローブＢ１〜Ｂ４に対しても同様のシーケンシャル給電
構成で同一の円偏波を発生させることができる。

【００２９】ここで、Ａ１〜Ａ４のプローブと接続され
たシーケンシャル給電回路の給電ポートをＡポート、Ｂ
１〜Ｂ４のプローブと接続されたシーケンシャル給電回
路の給電ポートをＢポートと呼ぶことにする。このＡ及
びＢポート間の結合は、疎結合であることが以下のよう
に説明される。まず第１に、アンテナ素子１０内でのＡ
ｉとＢｉ（ｉ＝１、４）の結合は、直線偏波プローブ１
１、１２が直交しているためほとんど結合がない。次に
ＡｉとＢｊ（ｉ、ｊは異なる）の結合であるが、これは
放射素子間の相互結合であり、アンテナ素子間隔によっ
て異なるが、一般的に使用される素子間隔が０．６波長
以上であれば、−１５ｄＢ程度であり、それ程の結合は
ない。このような事から、Ａ及びＢポート間の結合は、
疎結合であることがわかる。この結果、給電ポートに入
力された電力は、Ａ、Ｂの給電ポートが同一周波数で整
合していても効率的に放射されていることが分かる。ま
た、従来例で説明したような合波器の代わりに３ｄＢハ
イブリッドを使用した場合に比較して、損失を少なくす
る事ができる。さらに、周波数帯域内での合波器に見ら
れるような振幅位相通過特性もないため、励振誤差の発
生が少ない。

【００３０】本発明は、上記実施例に限定されるもので
はない。例えば、図４に示したアンテナ素子としては、
パッチアンテナ、導波管、ホーン等を使用することがで
きる。また、図２及び図３の実施例では、１つのクラス
ターフィードを３個の一次放射器で構成する場合を記し
たが、３個に限定したわけではなく、複数個の一次放射
器から構成されるクラスターフィードに対しても本発明
を適用することができる。さらに、図２及び図３の実施
例では、クラスターフィード間で１個の一次放射器を共
用する例を示したが、複数個でも良い。その他、本発明
の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して用いることがで
きる。

【００３１】

【発明の効果】本発明の反射鏡マルチビームアンテナ装
置によれば、周波数に対する制約が緩和された一次放射
器系を構築できることにより、周波数利用効率の向上、
周波数再割り当ての柔軟性、通信放送の高品質化及び損
失の低減を図った反射鏡マルチビームアンテナを提供す
ることができ絶大なる効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るマルチビームアンテナ装置の一
次給電系の一実施例を示す概念構成図

【図２】 マルチビームアンテナ装置の一次給電系にお
いて、無反射終端を削減した場合を示す概念構成図

【図３】 本発明に係る一次放射器のアンテナ面の構成
を示した図

【図４】 本発明に係る一次放射器のシーケンシャル給
電系の構成を示した図

【図５】 反射鏡マルチビームアンテナの構成を示した
図

【図６】 反射鏡マルチビームアンテナの原理を説明す
るためのマルチビームの空間的な配置と周波数の割り当
てを示した図

【図７】 反射鏡マルチビームアンテナの一次放射器の
構成を示した図

【図８】 反射鏡マルチビームアンテナの一次給電系の
従来例を示した図

【符号の説明】

１，２，３…２給電ポートを有する一次放射器 ４…無反射終端 ５，６…分配器 ７…１給電ポートを有する一次放射器 １０…アンテナ素子 １１…第１の直線偏波プローブ １２…第２の直線偏波プローブ １３，１４…９０°ハイブリッド回路 １５…１８０°ハイブリッド回路 １６…給電ポート

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反射鏡と、複数個の一次放射器及びこの
   一次放射器への信号を分配する分配回路から構成される
   複数個のクラスターフィードとを有する反射鏡マルチビ
   ームアンテナ装置において、前記一次放射器は疎結合特
   性を有し同一旋回の円偏波を発生する２個の給電ポート
   を具備し、前記一次放射器を２個の前記クラスターフィ
   ード間で共用する場合は、該一次放射器の２個の給電ポ
   ートを該２個のクラスターフィードの分配回路に夫々接
   続し、前記一次放射器を１個のクラスターフィードのみ
   で用いる場合は、該一次放射器の一方の給電ポートを無
   反射終端し、他方の給電ポートを該１個のクラスターフ
   ィードの分配回路に接続したことを特徴とする反射鏡マ
   ルチビームアンテナ装置。
2. 【請求項２】 前記クラスターフィード間での一次放射
   器の共用数と前記一次放射器の給電ポート数を同一にし
   たことを特徴とする請求項１記載の反射鏡マルチビーム
   アンテナ装置。