JPH1041742A - 反射鏡アンテナ給電用アレー装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アンテナの利得低下とサイドローブ上昇を解
決した給電用アレー装置を提供する。 【解決手段】 給電用アレー素子の方向を、反射鏡の焦
点から反射鏡周辺を見込む円錐の中心軸を回転中心とし
反射鏡の焦点を焦点とし、給電用アレー素子の位置を通
過する仮想的なパラボラ面に垂直な方向とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は反射鏡アンテナの給
電装置の構成に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１０は従来の反射鏡アンテナ給電用ア
レー装置であって、文献「江上俊一郎：“トラフィック
変動に柔軟な能動アレイマルチビーム衛星通信方式の提
案”、電子情報通信学会技術報告、ＣＳ８３−１２８、
１９８３年１１月」に記載されたものである。１はパラ
ボラ面を有する反射鏡、１−１は反射鏡の焦点から反射
鏡周辺を見込む円錐の中心軸で図１のようなオフセット
反射鏡の場合はオフセット軸といわれ、１−２はパラボ
ラの回転中心軸、１−３は反射鏡の焦点、２は給電用ア
レー装置、２−１はアレー素子、３−１は移相器、３−
２はビーム形成回路、３−３は入出力端子である。図１
０において、反射鏡はオフセット形式であるが軸対称の
場合であっても動作に支障はない。

【０００３】図１０の装置の動作は、送信アンテナとみ
なした場合は、入出力端子３−３から入力された電波信
号がビーム形成回路３−２にてアレー素子２−１の数に
応じて分配され３−１にて位相を制御し２−１から反射
鏡に放射される。すべてのアレー素子２−１からの電波
は空間で合成され、その波面が球面波となるように移相
器３−１が設定される。球面波の位相中心は移相器３−
１により制御でき、位相中心をパラボラ反射鏡の焦点１
−３と合致させた場合はパラボラ反射鏡１から放射され
る２次放射ビームがパラボラ面の回転中心軸１−２と同
じ方向となり、また焦点からずらした場合はずらした量
によりビーム方向が変位するのは反射鏡アンテナにおい
て個別の一次放射器を使用する場合と同様に考えられ
る。受信アンテナと考えた場合は信号の入力出力の向き
を変えるだけで送信アンテナと同様な動作をすることは
アンテナの動作の可逆性から自明である。

【０００４】図１１は従来の別の反射鏡アンテナ給電用
アレー装置であって、文献「Ｓｔｉｒｌａｎｄ Ｓ．
Ｊ．，Ｊｏｓｈｉ Ｊ．Ｓ．，Ｒｏｅｄｅｒｅｒ Ａ．
ａｎｄＧｒａｈａｍ Ｒ．：“Ａｃｔｉｖｅ ａｎｄ
ｓｅｍｉ−ａｃｔｉｖｅ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ａｎｔ
ｅｎｎａ ｂｅａｍ ｆｏｒｍｉｎｇ ｆｏｒ ｍｕｌ
ｔｉｂｅａｍ ｅｕｒｏｐｅａｎ ｃｏｖｅｒａｇ
ｅ”，１９９１ ＥＳＡＷｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ａｄ
ｖａｎｃｅｄ Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｎｅｔｗｏ
ｒｋ ｆｏｒ Ｓｐａｃｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ｓ， ＥＳＡ ＷＰＰＯ３０，ｐａｐｅｒ ２．２．
１．」に記載されたものである。１はパラボラ面を有す
る反射鏡、１−１はオフセット軸、１−２はパラボラの
回転中心軸、４は給電用アレー装置、４−１はアレー素
子であり、図１０の給電用アレー装置２との違いはアレ
ー素子が球面上に配置され、その球面の中心が反射鏡の
焦点に合致していることである。図１１の装置の動作
は、４のアレー配列面が球面であるからすべてのアレー
素子４−１を同相で励振することによりアレー装置４か
らの放射波の波面を反射鏡１の焦点を中心とする球面と
することが出来るので図１０の場合とまったく同じに説
明できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図１０において給電用
アレー装置から所定の位相中心を有する球面波を放射で
きる旨の説明をしたが、アンテナとしての特性を考える
と反射鏡を含めた素子ごとのパターンが重要である。

【０００６】図１２（ａ）はアレー素子と反射鏡から放
射される電波ビームの関係を示す。例えばアレー素子の
内、中心に位置する素子ａから反射鏡を介して放射され
る電波ビームのビーム中心はパラボラの回転中心軸１−
２と同じ方向に向かうが、周辺に位置する素子ｂから反
射鏡を介して放射されるビームはΔθだけパラボラの回
転中心軸からずれた方向に向かう。これは、パラボラ面
の性質上、焦点から発して反射鏡で反射する光線は常に
パラボラの回転中心軸に平行になるのに対して、素子ｂ
から点Ｂに向かう光線は焦点から点Ｂに向かう光線に対
しΔθだけ角度を有し、結果として点Ｂで反射した後は
パラボラ回転中心軸に対してΔθだけ傾くことになる。
傾きの角度および方向はアレー素子の位置に依存する。
即ち反射鏡を介して放射される電波ビームは、それぞれ
の素子の位置に応じた互いに異なる方向に放射されるこ
とになる。

【０００７】図１２（ｂ）はアレー素子ａ、ｂから反射
鏡を介して放射される電波ビームの形状を示したもの
で、横軸のエレベーション角度のゼロがパラボラ回転中
心軸１−２の方向を示す。アレー素子ｂに対応する電波
ビームの中心はエレベーション角度ゼロからずれ、パラ
ボラ回転中心軸１−２の方向への利得が低くなることを
示している。このために、反射鏡アンテナとして特定の
方向に鋭い指向性を得ようとするとその方向に略等しい
電波ビームを放射するわずかな数のアレー素子しか有効
に使用できず、結果として重大な利得低下をまねくこと
になる。また、反射鏡を介して放射される個別の電波ビ
ームがパラボラ回転中心軸方向からそれぞれ離れた方向
に向かうため、これらを合成して得られるアレー給電反
射鏡アンテナとしての電波ビームのパターンには不要方
向への放射即ちサイドローブレベルの上昇が生ずること
になる。

【０００８】一方、図１１の場合はアレー素子の向きが
パラボラの焦点からの放射方向と一致するため、反射鏡
を介して放射される電波ビームの方向はパラボラ回転中
心軸１−２と一致する。従って、図１０のようにアレー
素子に対応して反射鏡から放射される電波ビームがそれ
ぞれ異なる方向を向くという問題は発生しない。

【０００９】しかし、図１３に示すように周辺に位置す
るアレー素子ｂから反射鏡に至る電波ビームについては
その電波エネルギーのほぼ半分が反射鏡に当たらず背後
の空間に漏出するという問題がある。故に、給電用アレ
ー装置を構成する素子の内、周縁部に配置された素子に
ついては有効に利用できず、結果として利得低下を引き
起こすことになる。また、背後に漏出した電波ビームは
そのまま不要なサイドローブの上昇になる。

【００１０】本発明の目的は、各アレー素子に対応して
反射鏡を介して放射される電波ビームの方向のバラつき
に起因する、また電波エネルギーが反射鏡に当たらず背
後へ直接漏出することに起因する利得低下及びサイドロ
ーブ上昇を同時に解決した給電用アレー装置を提供する
ことにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のひとつの特徴
は、給電用アレー装置を構成するアレー素子の向きが反
射鏡のオフセット軸を回転中心軸とし反射鏡の焦点を焦
点とし該アレー素子を通過する仮想的なパラボラ面に垂
直でかつ反射鏡の方向を向くことにある。

【００１２】本発明の別の特徴は、各給電用アレー素子
を配列した面の形状が、反射鏡の焦点から見て凹型の球
面で、その球面の中心が反射鏡の焦点から反射鏡周辺を
見込む円錐の中心軸上にあり、その球面の半径が該中心
軸上の反射鏡の焦点と該球面との間の距離の２倍であっ
て、各給電用アレー素子の方向が該球面に垂直な方向で
あることにある。

【００１３】本発明は、給電用アレー装置の個々のアレ
ー素子からの電波ビームがアレー素子の位置に応じてオ
フセット軸に対して傾きを有するとともに最周辺のアレ
ー素子であってもその電波ビームは反射鏡の周辺部より
は内側を照射し背後への漏出を小さくすることが可能で
あり、この両方の相乗効果のため利得上昇及びサイドロ
ーブ低減の効果が得られる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施例で、１は給
電すべき反射鏡で、５が給電用アレー装置、５−１がア
レー素子である。給電用アレー装置のアレー配列面は任
意の曲面であり、各アレー素子は図２に示すように向き
が規定されている。

【００１５】図２は各アレー素子の向きを規定する図
で、任意のアレー素子ｃに注目すると、反射鏡の焦点１
−３を焦点とし反射鏡のオフセット軸１−１を回転中心
軸としかつアレー素子ｃを通過する一義的に定まる仮想
的なパラボラ面５−２を考え、点ｃでのパラボラ面に垂
直な方向をアレー素子の向きとする。この向きを幾何学
的に説明すると次のようになる。焦点１−３から点ｃに
向かった光線が点ｃにてパラボラ面５−２から反射する
とその向きはパラボラ面の性質上回転中心軸（今の場合
は反射鏡のオフセット軸と一致）と平行となる。この入
射と反射の２等分線が点ｃにおけるパラボラ面の垂直方
向である。即ち、このようなアレー素子の向きは、オフ
セット軸と平行にした場合と焦点１−３からの放射状方
向に向けた場合との中間の向きであるということができ
る。定性的には、素子の向きがオフセット軸方向よりは
焦点１−３からの放射状方向に近いので、各アレー素子
に対応して反射鏡を介して放射される電波ビームはパラ
ボラ回転中心軸１−２の方向に接近すること、また素子
の向きが焦点１−３からの放射状方向よりはオフセット
軸方向に近いので周辺部のアレ−素子であっても背後へ
の漏出を低減することができる。

【００１６】図３は周辺に位置するアレー素子ｂに注目
し、その向きと反射鏡を介して放射された電波ビームの
パラボラ回転中心軸１−２方向の指向性による利得低下
及び鏡面背後への漏出による利得低下および指向性と漏
出の積で表される相対利得との関係を示す。アレー素子
の向きの０とはアレー素子がオフセット軸と平行な場合
で、θ_a とは焦点１−３からの放射状方向と一致させた
場合を示す。向きが０の場合は、鏡面背後への漏出によ
る利得低下は小さいが指向方向の傾きによる利得低下が
大きいことを示す。向きがθ_a の場合は、逆に指向方向
の傾きによる利得低下は少ないが背後への漏出による利
得低下が大きいことを示している。結局、パラボラ回転
中心軸方向の相対利得はアレー素子の向きを０とθ_a の
中央に設定した時即ち本発明の実施により最大となるこ
とがわかる。なお、図３では周辺部のアレー素子のみに
注目して説明したが、中心部の素子についてはθ_a がゼ
ロになるため従来の方法でも本実施例でも素子の方向は
同じとなり、パラボラ回転中心軸１−２方向の相対利得
に関しては違いがない。しかし、アレー給電のアンテナ
として放射される電波ビームは、各アレー素子から反射
鏡を介して放射された個々の電波ビームの合成であるか
ら、個々の電波ビームの相対利得を高めることにより合
成した電波ビームの利得を高めることができる。

【００１７】したがって、本実施例によれば各アレー素
子から反射鏡を介して放射される電波ビームの相対利得
は従来の方法に比べ同等あるいはそれ以上となるので、
アレー給電アンテナ全体としては利得の向上を図ること
ができる。

【００１８】本実施例ではアレー素子として具体的なア
ンテナを示していないが、ホーン、ヘリカル、ダイポー
ル、パッチ等のアンテナの給電素子として使えるものは
どれでも使用可能であり動作に違いはない。

【００１９】図４は本発明の第２の実施例で、給電用ア
レー装置６のアレー配列面が反射鏡の焦点１−３を焦点
とするパラボラ面であり、アレー素子６−１はこの配列
面上の該当する場所にその接平面に沿って固定される。
従って、アレー素子の向きは反射鏡の焦点１−３を焦点
とするパラボラ面に垂直な方向であり、先に示した最適
な素子の向きの条件を満足している。また製造上、各ア
レー素子を配列面上に固定するに当たり素子の取付け場
所がほぼ平面であり、何等の角度調整を経ずに最適の方
向を向かせることができ、しかも配列面が軸対称な連続
した曲面であるため加工も容易であるという利点があ
る。

【００２０】図５は本発明の第３の実施例で、給電用ア
レー装置７のアレー配列面が球面となっており、アレー
素子７−１は配列面に固定され、その向きは配列面に垂
直である。球面の中心Ｘは反射鏡のオフセット軸上にあ
って、その半径は反射鏡の焦点１−３からアレー配列面
に至る距離の２倍とする。即ち、反射鏡の焦点に関しア
レー配列面とオフセット軸の交点は球面の中心と対称な
位置関係にある。このような構造となっているため、ア
レー配列面は近似的に図４のパラボラ面と等しくなり、
アレー素子７−１は近似的に最適な方向を向きしかも特
段の角度調整が不要であることに変わりはない。更に、
配列面が球面であるからパラボラ面よりは更に製造加工
が容易になる。なお、パラボラ面は焦点から見た開口角
が比較的小さい場合には焦点距離の２倍を半径とする球
面とほぼ一致することは幾何学的には一般的に言われて
おり、例えば文献「赤川、横井：“球面鏡アンテナに関
する考察”，国際通信の研究，Ｎｏ．８４，ｐｐ．３０
−３９，Ａｐｒｉｌ １９７５」で確認することができ
る。

【００２１】図６は本発明の第４の実施例で、８の給電
用アレー装置が反射鏡の焦点１−３から反射鏡より離れ
た位置に置かれた場合で、８−１がアレー素子である。
給電用アレー装置のアレー配列面は任意の曲面であり、
各アレー素子は図７に示すように向きが規定されてい
る。

【００２２】図７は各アレー素子の向きを規定する図
で、任意のアレー素子ｃに注目すると、反射鏡の焦点１
−３を焦点とし反射鏡のオフセット軸１−１を回転中心
軸としかつアレー素子ｃを通過する一義的に定まる仮想
的なパラボラ面８−２を考え、点ｃでのパラボラ面に垂
直な方向をアレー素子の向きとする。この向きを幾何学
的に説明すると次のようになる。焦点１−３から点ｃに
向かった光線が点ｃにてパラボラ面８−２から反射する
とその向きはパラボラ面の性質上回転中心軸（今の場合
は反射鏡のオフセット軸と一致）と平行となる。この入
射と反射の２等分線が点ｃにおけるパラボラ面の垂直方
向である。即ち、このようなアレー素子の向きは、オフ
セット軸と平行にした場合と焦点１−３からの放射状方
向に向けた場合との中間の向きであるということができ
る。定性的には、素子の向きがオフセット軸方向よりは
焦点１−３からの放射状方向に近いので、各アレー素子
に対応して反射鏡を介して放射される電波ビームはパラ
ボラ回転中心軸１−２の方向に接近すること、また素子
の向きが焦点１−３からの放射状方向よりはオフセット
軸方向に近いので周辺部のアレー素子であっても背後へ
の漏出を低減することができる。

【００２３】以上の説明は、図１、図２での実施例の説
明と同一である。従って、本実施例においても周辺部の
アレー素子から反射鏡を介して放射される電波ビームの
パラボラ回転中心軸方向の相対利得はアレー素子の向き
を本実施例のように設定することにより最大とすること
ができる。また同時に、各アレー素子から反射鏡を介し
て放射される電波ビームの相対利得は従来の方法に比べ
同等あるいはそれ以上となるので、アレー給電アンテナ
全体としても利得の向上を図ることができる。

【００２４】図８は本発明の第５の実施例で、給電用ア
レー装置９のアレー配列面が反射鏡の焦点１−３を焦点
とするパラボラ面であり、アレー素子９−１はこの配列
面上の該当する場所にその接平面に沿って固定される。
従って、アレー素子の向きは反射鏡の焦点１−３を焦点
とするパラボラ面に垂直な方向であり、先の実施例４に
示した最適な素子の向きの条件を満足している。また製
造上、各アレー素子を配列面上に固定するに当たり素子
の取付け場所がほぼ平面であり、何等の角度調整を経ず
に最適の方向を向かせることができ、しかも配列面が軸
対称な連続した曲面であるため加工も容易であるという
利点がある。

【００２５】図９は本発明の第６の実施例で、給電用ア
レー装置１０のアレー配列面が球面となっており、アレ
ー素子１０−１は配列面に固定され、その向きは配列面
に垂直である。球面の中心は反射鏡のオフセット軸上に
あって、その半径は反射鏡の焦点１−３からアレー配列
面に至る距離の２倍とする。即ち、反射鏡の焦点に関し
アレー配列面とオフセット軸の交点は球面の中心と対称
な位置関係にある。このような構造となっているため、
アレー配列面は近似的に図８のパラボラ面と等しくな
り、アレー素子１０−１は近似的に最適な方向を向きし
かも特段の角度調整が不要であることに変わりはない。
更に、配列面が球面であるからパラボラ面よりは更に製
造加工が容易になる。

【００２６】

【発明の効果】本発明は上記構成によって、反射鏡背面
への電波の漏洩を軽減するとともに各アレー素子毎に反
射鏡から放射される電波ビームの向きがアンテナ正面か
ら極端に離れることを防ぎ、アンテナ利得の向上、サイ
ドローブ低減に効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例である。

【図２】本発明におけるアレー素子の向きの説明図であ
る。

【図３】本発明の電気特性の説明図である。

【図４】本発明の第２の実施例である。

【図５】本発明の第３の実施例である。

【図６】本発明の第４の実施例である。

【図７】第４の実施例におけるアレー素子の向きの説明
図である。

【図８】本発明の第５の実施例である。

【図９】本発明の第６の実施例である。

【図１０】従来のアレー給電装置の構成図である。

【図１１】従来のアレー給電装置の別の構成図である。

【図１２】従来の構成において個別のアレー素子に対応
して反射鏡から放射される電波ビームの説明図である。

【図１３】従来の構成における周辺のアレー素子からの
鏡面背後への電波漏出の説明図である。

【符号の説明】

１ パラボラ反射鏡 １−１ オフセットパラボラ反射鏡のオフセット軸 １−２ パラボラの回転中心軸 １−３ パラボラ反射鏡の焦点 ２ 従来の給電用アレー装置 ２−１ アレー素子 ３−１ 移相器 ３−２ ビーム形成回路 ３−３ 入出力端子 ４ 従来の別の給電用アレー装置 ４−１ アレー素子 ５ 本発明の給電用アレー装置 ５−１ アレー素子 ５−２ 仮想的なパラボラ面 ６ 本発明の第２の給電用アレー装置 ６−１ アレー素子 ７ 本発明の第３の給電用アレー装置 ７−１ アレー素子 ８ 本発明の第４の給電用アレー装置 ８−１ アレー素子 ８−２ 仮想的なパラボラ面 ９ 本発明の第５の給電用アレー装置 ９−１ アレー素子 １０ 本発明の第６の給電用アレー装置 １０−１ アレー素子

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パラボラ面を有する反射鏡と該反射鏡の
   焦点と該反射鏡の間に配置された複数の給電用アレー素
   子を該反射鏡に向けて任意形状の面上に整列した給電用
   アレー装置とからなる反射鏡アンテナにおいて、 各給電用アレー素子の方向が前記反射鏡の焦点から反射
   鏡周辺を見込む円錐の中心軸を回転中心軸とし前記反射
   鏡の焦点を焦点としかつ該給電用アレー素子の位置を通
   過する仮想的なパラボラ面に垂直な方向であることを特
   徴とする、反射鏡アンテナ給電用アレー装置。
2. 【請求項２】 請求範囲１に示す反射鏡アンテナ給電用
   アレー装置において、 各給電用アレー素子を配列した面の形状が反射鏡の焦点
   から反射鏡周辺を見込む円錐の中心軸を回転中心軸とし
   反射鏡の焦点を焦点とするパラボラ面であり、各給電用
   アレー素子の方向が該パラボラ面に垂直な方向であるこ
   とを特徴とする、反射鏡アンテナ給電用アレー装置。
3. 【請求項３】 パラボラ面を有する反射鏡と該反射鏡の
   焦点と該反射鏡の間に配置された複数の給電用アレー素
   子を該反射鏡に向けて任意形状の面上に整列した給電用
   アレー装置とからなる反射鏡アンテナにおいて、 各給電用アレー素子を配列した面の形状が反射鏡の焦点
   から見て凹型の球面で、 その球面の中心が反射鏡の焦点から反射鏡周辺を見込む
   円錐の中心軸上にあり、 その球面の半径が該中心軸上の反射鏡の焦点と該球面と
   の間の距離の２倍であって、 各給電用アレー素子の方向が該球面に垂直な方向である
   ことを特徴とする、反射鏡アンテナ給電用アレー装置。
4. 【請求項４】 パラボラ面を有する反射鏡と該反射鏡の
   焦点から該反射鏡とは離れた位置に配置された複数の給
   電用アレー素子を該反射鏡に向けて任意形状の面上に整
   列した給電用アレー装置とからなる反射鏡アンテナにお
   いて、 各給電用アレー素子の方向が前記反射鏡の焦点から反射
   鏡周辺を見込む円錐の中心軸を回転中心軸とし前記反射
   鏡の焦点を焦点としかつ該給電用アレー素子の位置を通
   過する仮想的なパラボラ面に垂直な方向であることを特
   徴とする、反射鏡アンテナ給電用アレー装置。
5. 【請求項５】 請求範囲４に示す反射鏡アンテナ給電用
   アレー装置において、 各給電用アレー素子を配列した面の形状が、反射鏡の焦
   点から反射鏡周辺を見込む円錐の中心軸を回転中心軸と
   し反射鏡の焦点を焦点とするパラボラ面であり、各給電
   用アレー素子の方向が該パラボラ面に垂直な方向である
   ことを特徴とする、反射鏡アンテナ給電用アレー装置。
6. 【請求項６】 パラボラ面を有する反射鏡と該反射鏡の
   焦点から該反射鏡とは離れた位置に配置された複数の給
   電用アレー素子を該反射鏡に向けて任意形状の面上に整
   列した給電用アレー装置とからなる反射鏡アンテナにお
   いて、 各給電用アレー素子を配列した面の形状が反射鏡の焦点
   から見て凹型の球面で、 その球の中心が反射鏡の焦点から反射鏡周辺を見込む円
   錐の中心軸上にあり、その球の半径が該中心軸上の反射
   鏡の焦点と該球面との間の距離の２倍であって、 各給電用アレー素子の方向が該球面に垂直な方向である
   ことを特徴とする、反射鏡アンテナ給電用アレー装置。