JPS60196003A - 低サイドロ−ブマルチビ−ムアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明はビーム間干渉量が小さくかつ各ビームのビーム
内利得が高いマルチビームアンテナに関するものである
。

（従来技術と問題点） 第１図はオフセットパラボラ反射鏡を焦点近傍に置いた
３個のホーンで給電するアンテナの構成例で）このよう
な構成のアンテナは一般にクラスタ給電反射鏡アンテナ
と呼ばれている。またホーンの集りはクラスタと呼ばれ
ている。第１図において、１は反射鏡、２．３．４は１
次放射器であるホーン、５は電力分配回路（又は電力合
成回路）、６．７．８はそれぞれホーン２．３．４から
放射される放射ビームの方向である。また９は仰角で上
方を正にとっている。第１図のクラスタ給電アンテナは
、反射鏡の垂直断面内にホーンｚ１３．４を配列してお
り、各ホーンの励振強度を適当に選択することにより垂
直面内においてサイドロープレベルの低い放射パターン
を美男できる。

第２図は、第１図に示したクラスタ給電アンテナが低サ
イドローブ特性となる原理を説明するためのもので、１
０、工１．１ｚはそれぞれホーン３．２．４のみを動作
させたときの放射パターンである。また１３は、すべて
のホーンを動作させたときの合成パターンである。

放射パターン１１．１２は放射パターン１０にヌ・Ｌ１
θ軸に関しそれぞれ左又は右に平行移動したものとなっ
ている。低サイドローブなパターンを実現するためには
１１．１２は１０に対しサイドロープ１個分左又は右に
ずれている必要があり、このずれ量からホー７２％３．
４の大きさが決定される。従来の昶 報告によるとホーンを台形ホーンとすると、その−辺ｄ
は近似的に次式で与えられる。

ここで、Ｆは／ぐラボラ反射鏡の焦点距離、Ｄはアンテ
ナの開口径、θ０はオフセット角、λは波長である。

式（１）のようにホーンの大きさを選び各ホーンの励振
強度を適当に選ぶと１個のホーンで励振したときに比べ
大幅にサイドロープの低減を図ることができる。しかし
、Ｆ／Ｄが２以上になったり、０．８より小さくなると
最適なホーンの大きさけ式（１）からずれてきてサイド
ロープレベルが劣化する。

第３図は、マルチビームの配列の例を示す図で、ここで
は簡単のために一次元配列の場合を示している。第３図
において、１４はサービスエリア、１５は同一のアンテ
ナの同一給電面から放射されるビーム、１６は他のアン
テナ又は同一のアンテナの他の給電面から放射されるビ
ーム、１７はビーム中心・１８は隣接ビーム中心間隔で
ある。クラスタ給電アンテナをマルチビームアンテナと
して使用する場合、第３図に示すように複数個のビーム
を放射するため複数個のクラスタが必要になる。クラス
タを構成する個々のホーンの大きさｕ、ｙ／Ｄやオフセ
ット角θ。Ｋよ−）７近似的に式（１）でめられる。ゆ
えに複数個のクラスタをホーン開口部において重なりが
生しないよう配列した場合、複数個のビーム中心間隔は
アンテナ開口径が決まると、一意的に決定される。とこ
ろで衛星搭載アンテナのように搭載スペースの点から大
きさの制限を受ける場合は、アンテナの大きさはその制
限内に次められなけれはならない。一方第３図のような
ビーム配置のとき、例えばビームＩ５の周辺（視半径Σ
のビームの円周上）の利得を最大にするための最適な開
口径が存在することは従来から知られている。第４図は
ビーム直径とビームの周辺における利イセの関係を示し
たもので、１９は視直径、２０は利得曲線、２１は最適
開口径であるっ第４図に示すように、各視直径に対し最
適な開口径を洪べはビーム周辺の利得を最大にすること
ができる。ゆえに搭載スペース等の制限がない場合、第
３図のビーム配置に対し第４図に示すような開り径を選
んでいた。しかし、このようにして決定された開口径を
用いると、ビーム方向が必ずしも目的とする方向とは一
致しなくなる。ゆえに実際にはホーンの大きさを修正し
てビーム方向が目的の方向と一致するように選ぶか又は
ビーム配置を修正する必要が生じ、十分なビーム間干渉
抑圧ができない欠点があった。

（発明の目的） 本発明はクラスタ給電マルチビームアンテナにおいて、
放射すべきビームのビーム中心間隔に応じて、ホーンの
大きさ及びアンテナ開口径を最適に設定するものであり
、ビーム間干渉ｉｔが小さく、かつ・各ビーム内の利得
の高いアンテナを提供することを目的としている。以下
、本発明の構成について実施例に基づいて説明する。

（発明の実施例） 第５１’Ｊは本発明の一実施例を示す図で、２２は反射
鏡、２３Ｓ２３’はクラスタ）２４．２４’、２４“、
２５．２５／、２５“はクラスタを構成するホーン、２
６．２６’は電力分配回路、２７．２７′　は同−給電
物面からの放射ビームで、それぞれクラスタ２３．２３
／による放射ビーム、２８は他のアンテナ又は同一アン
テナの他の給電面におかれたクラスタによる放射ビーム
、２９はアンテナ開口径、３０はオフセット角（ａｏ）
、３１ｉ１：反射鏡の焦点距離（ｆ）、３２はクラスタ
を構成するホーンの一辺の長さく但しここではホーンは
一辺ｄの正方形とする）、３３は同一アンテナの同一給
電面におかれたクラスタによる放射ビームの隣接ビーム
中心間隔（２ψ゛）である。第６図は本発明のクラスタ
を正面から見た図で、ａｏ−ａｇ　は各ホーンの励振強
度である。さらに第７図はビームの配置及び放射パター
ンを示す図で、クラスタ給電マルチビームアンテナの放
射ビームのビーム中心位置が規定された方向と一致する
よう配置されたときの放射パターンを示しており、３４
はサイドローブレベル（Ｓ、Ｌ）　、３５はビーム間干
渉レベル（Ｄ／Ｕ）である。

本アンテナの動作は次のとおりである。すなわち送信機
から送られてきた電波は電力分配回路２６．２６′　に
よってクラスタを構成する各ホーンが適当な振幅、位相
となるように励振される。すなわち、ａ（１〜ａ９　の
値が決定される。クラスタの中心が焦点上にある場合は
ａ　６　”＝　ｌ　）ａｌ＝＝　ａ２　：′：ａ３　”
”　１１４２ＥＬ’）ａ５−ａ６−ａ７＝ａ８−１Ｌ〃
とし、ａ’＝＝−８，３ｄＢＳ＆’　””−１６，６ｄ
Ｉｌ　ノときｆイドｏ−プは最も低くなる。クラスタが
焦点からずれるとそれにともなって励振分布も変更する
必要があるが、ずれが大きくないときは、＆／＝　−８
，３６Ｂ　％ａ’　＝−１６，６ｅＬ　Ｂとほぼ同程度
の値となる。このとき各ホーンの一辺の大きさは次のよ
うにして定められる。

第５図に示すオフセットパラボラアンテナにおいて、焦
点面で焦点からｄだけホーン位置をずらしたときのビー
ム中心方向を０とすると、θは式（２）で表わされる。

但し、ＢＤＦはビーム偏向係数で近似的に次式で表わさ
れる。

ＢＤＦ＝１−＆／　（ｒ／Ｄ）−ｂ／　（ｆ／Ｄ）”　
（３）ここにａ　＝２．２５　Ｘ　Ｉ　Ｏ”　、１）＝
３．３８　×１０　である。

式（２）の両辺にπＤ／λを掛けると、左辺はパターン
変位置の条件（第２図において、低サイドローブとする
ための変位量はサイドロア′ｒＤ　。

一１１個分で、角度を２　５ｉｎθの形で表わすとサイ
ドローブ１個分はπとなる）からπとなるため次式が得
られる。

式（４）をｄ／λについて解くと、次式によりホーン形
状が円形の場合は、直径を式（５）で与えられる値とす
れはよい。

次に式（５）の寸法のホーンを構成要素とするｍＸｍ個
のクラスタを密に並べ、第５図又は第７図に示したよう
に１個おきのビームを合成すると次隣接ビームとの間隔
２Ｆは次式で与えられる。

式（６）に式（５）を代入し、ｓｉｎ　２　ｖ（１であ
ることを考慮すると、−口径Ｄ／λは次のようになる。

今、ｆ／Ｄ１オフセット角θ０　を一定に保ったまま式
（７）で与えられる開口径をα倍した値を］）／とする
と、隣接ビーム間隔を変えない条件において、式（６）
、式（５）を用いてホーンサイズをめると、式（５）で
与えられる値のα倍となる。すなわち、ビーム中心間隔
を不変にしたままアンテナ開口径りをα倍にすると、ク
ラスタを６４成するホーンの大きさもα倍にすることが
必要である。

第８図、第９図は本発明のアンテナのサイドローブレベ
ル及びビーム曲干渉量を示す図で、ｉｉ＋４０径Ｄ１ホ
ーンサイズｄを式（７）、式（５）で与えられる値のα
倍とし、各ホーンの励振係数を変えたときのサイドロー
ブレベルＳ１Ｌ及びビーム間干渉ｉ　Ｄ　／　ｕを示し
たものである（ｍ−３の場合）。第８図、第９図におい
て、３６はα、３７は励振係数＆／　（ａ’＝２ａ′　
としている）、３８はサイドロープ高等線、３９はビー
ム間干渉量等脇線である。

これらの図からサイドローブ、ビームｌＴｈ　干渉量と
もα＝１のとき最小となり、開口径が小さい場合はもち
ろん、開口径を大きくしても特性が劣化するＣとがわか
る。開口径を大きくする場合は、ホーンの大きさを一定
にしたまま、クラスタとクラスタの間隔を大きくするこ
とにより、隣接ビームｊ１↓」隔を不変に保つことがで
きる。しかしこの場合はサイドローブレベルやビーム間
干渉量が改善できないぼ局）すでなく、ビーム１ｉｊｌ
クロスオーバレベルが減少し、ビーム内の利得が低下す
る。ゆえに第７図のようにビーム配置を与えた場合１開
口径、ホーンの大きさを式（７）、式（５）のように決
めればビーム内の利得を高く維持したままビーム間干渉
量の小さいアンテナを実境できる。なお式（７）で決ま
る開口径は、第４図で決まる開口径より約１０％大きい
値となる。

第１０図は本発明の他の実施例を示す図で、４０ｉ１、
主反射鏡、４１は複反射鏡、４２は主反射鏡の鏡軸と副
反射鏡の２つの焦点を結ぶ直線がなす角、４３はオフセ
ット角、４４は主反射鏡の焦点距離であり、２４〜３３
は第５図の同じ番号のものと同一のものを示している。

第１Ｑ図はいわゆるオフセットカセグレン形式の場合で
、等価パラボラ変換が可能である。等価パラボラ変換し
たときの焦点距離ｆ、オフセット角θ。け第１０図の記
号を用いて次のように表わせる。

２−１ 但し、ｅは副反射鏡の離心率である。式（ｇ）式（７）
式（１０）で与えられる等価焦点距離、等価オフセット
角を式（５）、式（７）に代入すれば、オフセットパラ
ボラの場合と同様に最適ホーンサイズ、最適開口径をめ
ることができる。なお第１０図はオフセットカセグレン
形式の場合であるが、オフセットダレゴリアン形式の場
合も同様に等価パラボラ近似を用い、クラスタを構成す
るホーンの最適の大きさや最適開口径をめることができ
る。

（発明の効果） 以上説明したように、クラスタ給電マルチビームアンテ
ナにおいて、ホーン寸法及びアンテナ開口径を式（５）
、式（７）で与えらＡする値とすることにより、各ビー
ムのサイドローブを極めて低（することができると同時
に、各ビームのビーム周辺利得を高くすることかできる
。ゆえに本発明のアンテナをマルチビーム通信に適用す
れば、はぼ１１１ＩＩ！１おきのビームにおいて、同一
周波数を使用することができるから周波数の有効利用上
大きな利点がある。

さらにビーム周辺においてもアンテナ利得を高くするこ
とができるので、送信電力の減少、通信容量の増大又は
通信相手のアンテナの小形化等を図ることができるので
効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従Ｘのクラスタ給電反射鏡アンテナの例を示す
図、第２図はクラスタ給電アンテナにおいて低サイドロ
ーブ特性となる原理を説明するための図、第３図はマル
チビームの配列の列を示す図、第４図はビーム直径とビ
ームの周辺における利得の関係を示す図、第５図は本発
明の一実施例を示す図、第６図は本発明のクラスタの正
面図、第７図はビームの配置及び放射パターンを示す図
、第８図、第９図は本発明のアンテナのサイドローブレ
ベル及びビーム間干渉量を示す図、第１０図は本発明の
他の実施例全示す図である。 １・・・・・・反射鏡、２．３．４・・・・−・１次放
射器であるホーン、５・・・・・・電力分配回路（又は
電力合成回路）、６．７．８・・・・・・放射ビームの
方向、９・・・・・・仰角、ユ０，１１，１２・・・・
・・放射パターン・１３・・・・・・合成放射パターン
、１４・・・・・・サービスエリア、１５・・・・・・
同一アンテナの同一給電面から放射されるビーム、１６
・・・・・・異なるアンテナ又は同一アンテナの異なる
給電面から放射されるビーム、１７・・山・ビーム中心
、１８・・・・・・隣接ビーム中心間隔、１９・・面ビ
ーム視直径、２０・”・・・・利得曲線、２１・・・・
・・最適開口径、２２・・・・・・反射鏡、２３．２３
／・・・・・・クラスタ、２４．２４′　翫２４″、２
５．２５ｔ　、２５Ｎ　、１．１．、クラスタを構成す
るホーン、２６．２５／・・・・・・電力分配回路、２
７．２７昌旧・・同一給電面からの放射ビーム、２８・
・・・・・異なる給電面からの放射ビーム、２９・・・
・・・アンテナ開口径、３ｏ・・・・・・オフセット角
、３１・・・・・・反射鏡の焦点距離、３２・・・・・
・ホーンの一辺の長さ、３３・・・・・・隣接ビーム中
心間隔、３４・・・・・・サイドローブレベル、３５・
・・・・・ビー　ム間千ｅレベル、３６・川・・α、３
７−・・・励振係数ａ’、３ａ・・・・・・サイドロー
プ等高線、３９・・・・・・ビーム間干渉量等烏線、４
ｏ・・・・・・主反射鏡、４１・・・・・・副反射鏡、
４２・・・・・・主反射鏡鏡軸と副反射鏡の２つの焦点
を結ぶ直線がなす角、４３・・・・・・オフセット角、
４４・・・・・・主反射鏡の焦点距離 代理人　弁理士　本　間　崇 第　１　＠ 第２　図 第３図 ノ ｌ′δ 第４図 ′“　／、７′ｌ）′／−ひ包 ｎθり 第５図 第６図 、？？ 第　７　図 第　２　図 ベーゝ−３６ 第１０　関

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 主反射鏡と複数個の１次放射器、又は主反射鏡と副反射
   鏡と複数個の１次放射器から構成される１枚反射鏡形式
   又は２枚反射鏡形式のマルチビームアンテナで、各１次
   放射器は複数個のホーンから構成され、かつその個数及
   び配列がｍ　Ｘ　ｍ個（ｍは正の整数）の正方形配列で
   あり、個々のホーンは一辺がｄの正方形、又は直径がｄ
   の円形で、アンテナ開口径がＤｌさらに１枚反射鏡形式
   の場合はそのオフセット角及び焦点距離、２枚反射鏡形
   式の場合は、等価パラボラ近似を用いてめられる等価オ
   フセット角及び等価焦点距離がそれぞれθいｆであり、
   かつ、放射すべき複数個のビームの中の任意の２個のビ
   ームの最小ビーム中心間隔を２Ｆとする反射鏡アンテナ
   であって、波長全１８ビーム偏向方同係数をＢＤＦとす
   るとき、ホーンの大きさｄつ１アンテナ開口径りが式Ｄ
   ／λ＝　ｍ／　２　ｓｉｎ　Ｆを満足する如き構造寸法
   であることを特徴とする低サイドロープマルチビームア
   ンテナ。