JPS63283206A - 反射鏡アンテナ - 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】 （産業上の利用分ｅ） 本発明は所定の励振ウェイトで励振される一次放射器ｔ
−備えた反射鏡型マルチビームアンテナに関する。

（従来の技術） マルチビームアンテナにおいては、限られた周波数帯域
をできるだけ有効に利用することが重要であり、そのた
めの手段として次のようなことがあげられる。第１の手
段ハ、アンテナの指向性のサイドロープを下げ、異なる
ビーム間で同一周波数、同−偏波を利用する方法であり
、窮２の手段は、アンテナの交さ偏波成分（逆偏波成分
）を下げ、直交偏波（または正逆円１ｉＫ＆）を利用す
る方法である。

反射鏡型マルチビームアンテナにおいて、第１の手段に
より周波数の有効利用を行うためにとられる方法は、一
次放射器ｔクラスタ化することである。クラスタとは一
次放射器を複数のアンテナ素子により構成することであ
り、各アンテナ素子の指向性に適当なウェイト（重み付
け）を与えたうえで指向性合成を行うことにより、低サ
イドロープの指向性を実現できるものである。このとき
のウェイトの決定方法にはい（つか考えられており、以
下に代表的なものについて説明する。

従来から考えられている励振ウェイトの決定法として、
アンテナの開口面における電流分布に注目する方法が一
般的である。この開口面の電流分布のエッヂレベルが低
い場合に、サイドロープの低い指向性が得られることは
よ（知られている事実であるので、エッヂレベルが低（
サイドロープを下げるような開口面分布が合成されるよ
うに、一次放射器を構成する各アンテナ素子の励損ウェ
イトを設定すればよい。この方法はメインロープを除（
全ての角度領域に渡って低サイドローブ化されるため、
同一の周波数を用−るビームが広範囲にいくつかある場
合には有効である。しかし、わが国のように細長く狭い
地域ｔ一点照射るマルチビームアンテナを考えた場合、
同一の周波数を用いるビームが少な（、低サイドローブ
化を必要とする領域も限られてしまう、この場合、上記
の方法により低サイドローブ化を行うと、不必要な領域
についてもサイドロープ抑圧がなされるので利得の低下
を招いたりすることがあり、効率的な方法と言えない。

これに対して、反射鏡を介した遠方界に注目し、直接的
な指向性合成を行い心安な角度領域だけについて低サイ
ドローブ化を行うという方法が考えられている。このひ
とつとして電子通信学会技術研究報告Ａ・Ｐ８５−１１
４　（１９８６年２月）、鈴木他＠２２ＧＨｚ帯域別衛
星放送用マルチビームアンテナの検討”の中で述べられ
ている方法があげられる。この方＠ハ、もともとアレイ
アンテナで考えられていた指向性合成法を反射４ｉＡ型
マルチビームアンテナの一次放射器の励振ウェイト決定
のために応用したものであり、メインロープの利得を下
げないための拘東条件を諌したうえで、仮想的にサイド
ロープ方向から入力させる妨害波の電力レベルを最小に
するように励振ウェイト金決定する方法である。この方
法は、メインロープの利得が維持されたｔｔ、任意の所
定方向のサイドロープ抑圧が行えるので、わが国のよう
に狭い地域に照射すれるマルチビームアンテナには有効
である。

次に直交偏波を利用して周波数の有効利用を行う第２の
手段について述べる。一般に衛星搭載用の反射鏡アンテ
ナでは放射電波をブロッキングすることの無いように、
オフセット型の反射鏡を用いるが、この場合例えば交さ
偏波消去系のカセグレンアンテナのように交さ偏波成分
の発生量の少ない鏡面系を用いることにより伝文さ偏波
の指向性が実現でき、直交偏波の共用が可能になる。し
かし％偏波グリッド板や周波数選択板を組み込んだとき
に交さ偏波特性が劣化することがあり、偏波共用による
周波数の再利用が困難になることがある。

ところで、前述したふたつの手段を同時に実現すること
により最も有効に周技数を利用できることは明らかなこ
とである。この場合、交さ１波消去系の鏡面系を用い、
クラスタ方式の一次放射器七用い、その励振ウェイトを
先に述べた遠方界に注目した手法で決定する方法が考え
られる。しかし、この場合交さｔｉｎ消去系の鏡面？用
いなければならないという制約があり、設計上の自由度
が制限されることがあったり、前述のように偏波グリッ
ド等による交さ偏波特性の劣化がある場合が考えられる
など問題点が多い。

（発明が解決しようとする問題点） 以上述べてきたように、反射鏡型アンテナでは低サイド
ロープと伝文さ偏波を同時に実現することは従来の方法
では問題点が多−０本発明は、大きな効率の低下を招か
ず、鏡面系の制約なしに、低サイドローブ化と伝文さ１
波化を同時に効果的に実現する指向性１−、一次放射器
を構成するアンテナ素子の励振分布を所定の式により設
定することにより実現できるマルチビームアンテナを提
供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するための本発明のマルチビームアンテ
ナは％反射鏡と、複数のアンテナ素子により構成された
一次放射器と、アンテナ素子の励振を行う給電部により
構成される。この給電部は各アンテナ素子を励振ウェイ
トベクトルＷｌ−Ｂ＊ｘＣ（ＣＩＲｘｆ’Ｃ）−’ＩＢ
　　によりて決定される励損ウェイ）Ｗｎｔ−はぼ満足
するように励振することを特徴とする特 （作用） 本マルチビームアンテナにおいて、−久放射器を構成し
ている複数のアンテナ素子七励撮ウェイトペクトｋ　Ｗ
ｌ　＝Ｂｘｘ　Ｃ（Ｃ”ＩＲｘ　ｘ”　Ｃ）−１Ｂ　に
よって決定される励振ウェイ）Ｗｎｆはぼ満足させるよ
うに励振させる給電部ｔ−ｉすることで、任意の所定方
向のサイドロープ抑圧と、任意の所定方向の交さ偏波抑
圧が同時に行え、その抑圧の程度を自由に設定できる。

（実施例） 本発明の一実施例を以下に図面を参照して説明する。

第１図には、本発明の原理をあられす一次放射器の給電
系のブロック図を示す、ここでアンテナ素子となるホー
ンｌ乃至９には各々重み付は器により励振ウェイトＷ１
乃至Ｗ、がかかり、各ホーンに入力した電液は重み付け
されて合成器ｌＯにより合成される。ここで重み付は金
する目的について開傘な例をあげて説明する。

いま、第３図に示すように、オフセットパラボラ反射鏡
５１と一次放射器５２によって構成されるアンテナによ
り、例えば地球の静止軌道上から地上へ第４図に示すよ
うなエリア２１乃至２４にビームを放射する場合金考え
る。ここで同一周波数をエリア２つ置きに（例えばエリ
ア２１と２４が同一１波同−周波数）用い、さらに同一
のエリア内で直交偏ｔｌＬを用いるという周波数の再利
用を考える。これを実現するために必安なアンテナの特
性は、その放射指向性が、例えばエリア２１に放射する
ビームについて言えば、エリア２４の領域内においてサ
イドロープが充分低（、かつ、エリア２１の領域内にお
いて交さ偏波成分の少ないことが安水される０重み付け
はこのような特性の指向性を得るために行なわれ、以下
に本発明による励損ウェイト（重み付け）の決定方法を
示す。

任意の角度領域の中で低サイドロープ、伝文さ偏波の指
向性ｔ−冥現するような励振ウェイトを求めると、この
励振ウェイトにより合成される指向性はメインビームの
利得の下がったものになる可能性がある。したがって、
これを避けるために、メインビームにおける利得を常に
一定に保つことが心安になる。

いま、メインビーム方向θｉにおいて常にｂｌなる送信
（ｔたは受（１りレベルになるものとする。

このとき励損ウェイトは 七満足していることになる。ここで９ｃｓ（ｆ）Ｌ）は
θ１方向におけるｎ番目のホーンの指向性であり、Ｎは
ホーン数、工は送信レベルを拘束する方向の数である。

いま、 なるベクトル表示を用いると、式（１）は、（ＣＭ＝ｌ
Ｂ　　　　　　　　　　　　　（５）とあられされる、
（Ｔは複素共役転置を示す）式（５）に示したような拘
東条件を励損ウェイトＷＩは課したうえで、低サイドロ
ープ、伝文さ１波である指向性を合成するような励振ウ
ェイトを決定するが、そのときの方法は次のような考え
方に基づいている。

いま、仮想的にメインロープの方向θ１（ｋ＝１・・・
工）からαｉなる電力をもつ所望波が到来し、サイドロ
ープ方向θ’ｊ（Ｊ−１・・・Ｊ）からβｊなる電力を
もつ所望波と同偏波である妨害波、方向θ’ｋ（ｋ＝１
・・・Ｋ）からｒｋなる電力ｔもつ所望波と逆偏波であ
る妨害波が各々到来し、ｎ番目のホーンにおいてｐｎ口
なる雑音が生じるものとする。このときアンテナ全体で
の出力電力ｐｏｕｔは次のようにあられされる。

ｐ　ｇｕ＠　−ＷＩ　ＲＸ　Ｘ　ｗ１６）ここで いま、所望波、正ｔｉ彼の妨害波、！偏波の妨害波。

雑音が各々お互いに相関の無いものであることを仮定す
るとＲＸＸの要素Ｒａｍは ＋ｐｎｍ　　（ただしローｍのとき ｐｎｍ＝ｚＱ） のようにあられされる。ここで＃ｎ（５Ｆ）はｎ番目の
ホーンの正偏彼の指向性％ｈｎ（θ）はｎ番目のホーン
の逆襲波（交さ１波）Ｏ指向性であり、添字＊は複素共
役をあられす。

このとき式（５）の拘東条件のもとで出力電力ｐｏｕｔ
を最小にするように励振ウェイトを求めれば、結果とし
て出力電力の中には、所望波の成分のみ残り、妨害波成
分は打ち消されることになる。ｐｏｕｔを最小にする励
振ウェイトベクトルＷは解析的に次のように求められる
。

Ｗｌ　ｍＩＲｘｒ’　Ｃ（Ｃ”１ＲｘｘＣ）−’　ＩＢ
（９）ここで−１は逆行列を意味する。

ここまでの説明において、式（９）の励振ウェイトは、
仮想的に所望波拳妨害波ｔ−受信した際に所望波成分の
み残し、妨害波成分を打ち消すような出力を与えること
を示した。このことは言いかえると式（９）の励振ウェ
イトで各ホーンを励損した場合に合成される放射指向性
が、所望［１に設定した方向には利得が維持されており
、妨害ｔｌＬを設定したサイドロープと交さ１波成分の
方向には零点が形成されるものになるということである
。この考え方を応用し、所望波方向として利得を下げた
くないメインロープの方向、正偏波の妨害波の方向とし
てサイドロープ抑圧を行う方向、逆偏波の妨害波の方向
として交さ偏波抑圧を行う方向を各々選んで励振ウェイ
トを求めることにより、所定の角度領域において低サイ
ドロープ、伝文さ偏波である指向性が１合成される。

本発明における励振ウェイトの決定法は、前述の従来の
低サイドローブ化のために用いられていた励振ウェイト
決定法を交さ偏波の抑圧を同時に行えるように改良した
ものであり、従来鏡面系により交さ偏波成分を低くしよ
うとしていたものを一次放射器の励振分布により、サイ
ドロープと同時に抑圧するところが特徴である。また、
これは式（８）に示すようにＲＸＸｔの成分の中に逆偏
波の妨害波を組み込むことにより行なわれ、現実には合
成が難しいところの正ＩＪｍ波と逆１波の電力を仮想的
に合計して全体の電力を求め、これを最小にするような
励振ウェイトを求めたところも特徴である。

第５図、第６図には本発明による励振ウェイトにより一
次放射器ｔＩ！！ｌ損した際に合成される放射指向性の
一例を示す。第５図には正偏波、第６図には逆偏波の指
向性を各々示し、実線７１が本発明の励損ウェイトによ
り合成される指向性をあられす、この例では、メインロ
ーブを拘束する方向としてエリア２１内の矢印４０の方
向、サイドロープ抑圧の方向として、エリア２１と同じ
周波数を用いるエリア２４内の矢印４１．４２の方向、
交さ偏波抑圧の方向として、メインローブと同じエリア
２１内の矢印４３．４４の方向を選ぶ。第５図ｔ　９６
図には比較のために、従来の開口面分布により励振ウェ
イトを決定する方法により得られる指向性を点線７２で
、遠方界に注目して低サイドローブ化だけを抑圧する方
法による指向性を破線７３で示しているが、これらに比
較し本発明による指向性が低サイドロープと伝文さ偏波
が同時に実現できる点で優れている。

以上示したように１本発明による励振ウェイトを設定し
た一次放射器を用いることにより、任意の所定方向につ
いて低サイドローブ化、伝文さ１波化させる放射指向性
を実現できる。ｔた式（８）における定数αＩ、βｊ　
ｅ　ｒ　ｋ　ｅ　Ｐ　ａ口の設定により、サイドロープ
、交さ偏波の各々の抑圧量を自由に調整できる利点があ
る。これはマルチビームアンテナの設計のうえで非常に
重要である。

以上のような励損ウェイトを一次放射器の各アンテナ素
子に与えるような給電系の一構成例を第２図に示す。励
振ウェイトは複素数で与えられ、これｔ励振振幅と励振
位相のふたつに分けて考えることができる。励振位相は
ホーンｌ乃至９に各々直接接続されている移相器１１乃
至１９により設定され、励振振幅は３電力分配器３１乃
至３４の分配比の設定により行なわれる。ここで導波管
による構成を考えた場合、移相器としては金礪棒挿入型
など管内波長ｔ−変える方式などで、電力分配器として
は、方向性結合型やセプタム型などの方式で容易に実現
できる０以上の例より励振位相、励振振幅を任意に設定
することは比較的Ｇ５に行えることがわかる。

ところで式（９）の励振ウェイトベクトルＷ１が解析的
に得られる解であるとすれば、ある初期値からこの■　
に遂次的に収束していく遂次解が次のように与えられる
。

ただし Ｔ　　　　　Ｔ ＩＰ＝ｌｌ−（Ｃ１Ｃ）−’ＣαＤ であり、■は単位行列、μは解の収束速度を制御れる指
向性は、遂次回数ｍｔ−増やすに従い徐々にサイドロー
プ抑圧量と交さｔｌｌ＆抑圧量が増え５ｍ２ｇ限大にす
ると式（９）に示した励振ウェイトによる合成指向性に
一致する。したがって、式（９）に示した励振ウェイト
の場合と同様の効果がある池にサイドロープ抑圧、交さ
ｍｔｌＬ抑圧金必要以上に行、うことを避け、指向性合
成によりメインローブヘの悪影響が生じるのを甑力防止
することができる。

つまり、遂次、励振ウェイトによる合成指向性を計算に
より確認していき、サイドロープ、交さ１波のレベルが
所定の値以下になったところの励振ウェイトを一次放射
器の励振分布として用いることにより、心安以上にサイ
ドロープ、交さ偏波の抑圧を行い、メインロープの利得
が低下したりする悪影響が無いようにすることができる
。

なお、ここまでは、アンテナ素子としてホーンアンテナ
を用いて説明？行ってきたが、バッチアンテナなど他の
アンテナ素子でも構わないし、その数も任意に選んでよ
い。また励１ウェイトを決定する利得の拘束方向の数工
、サイドロープ抑圧の方向の数Ｊ、交さ１波の抑圧の方
向にも各々状況に応じて自由に選んでも本発明による効
果は損なわれない、また、いままでの説明では正偏波と
通園＊１−直交するＩＩ直線波を考えていたが、これを
右旋９左旋の円１波を考えても同様の効果が得られる。

以上の説明においてオフセットパラボラ反射鏡を用いた
場合についズ述ぺてきたが、本発明は他の反射鏡を用い
ても同様の効果が得られる。

一枚にカセグレンアンテナなどにおいては、その鏡面系
に発生する交さ偏波成分が小さいため交さ１波抑圧は特
に考えな（てもよいが、第７因のように偏波グリッド板
６０（直交する直線−波のうちのひとつは通過、もうひ
とつは反射する性質をもつ）などを組み込んだ場合に交
さ１波特性を劣化させることが多い。仁のような場合に
も本発明は有効であり、式（８）に示した指向性Ｉｎ（
θ）、ｈａ（θ）に各々偏波グリッド板６０の影響を含
めたものを用いて励損ウェイトを求めればオフセラトノ
（ラボラ反射鏡の場合と同様に低サイドロープ、伝文さ
偏波の指向性が得られる。これは偏波グリッド板６０以
外に周数数選択板（低周彼数七反射し、高周波数を通過
させる性質をもつ）など池の構造物が、第７図の斜線部
に示されるような幾何光学的に電波が通過している領域
内に存在している場合についても同様なことが言える。

〔発明の効果〕

以上詳述してきたように、本発明によれば、主ロープの
利得の低下を招（ことなく任意の角度領域におけるサイ
ドロープの抑圧、交さ１波の抑圧を行い、放射指向性を
改善することができる。また、サイドロープ及び交さ１
波の抑圧領域、抑圧レベルを自由に設電できる。

【図面の簡単な説明】

窮１図は、本発明の原理全表わすブロック図、第２図は
、本発明の一実施例である給電系構成例？示す図、第３
図は、オフセットパラボラ反射鏡アンテナを示す図、第
４図は、マルチビームの配置を示す図、第５図は正１波
の合成指向性を示す図、第６図は、交さ偏波の合成指向
性を示す図、第７図は、他の実施ＶｐＪｔ−示す図であ
る。 １ｅ２＝３−４，５ｅ６ｅ７−８＊９・・・アンテナ素
子。 Ｗ、乃至Ｗ、・・・重み付は器、１０・・・合成器。 代理人　弁理士　　則　近　Ｗｌ　　重囲　　　　　　
　　松　　山　　光　　２第　　１　図 第　　２　図 第　　３　図 第　　４　図 第　　５　図 第　　６　図 第　　７　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）反射鏡と複数の一次放射器とで構成されたマルチ
   ビームアンテナにおいて、前記一次放射器は、複数のア
   ンテナ素子により構成され、かつ前記複数のアンテナ素
   子を励振ウェイトベクトル■＝■ｘｘ＾−＾１¢（¢＾
   ＴＲｘｘ＾−＾１¢）＾−＾１■により決定される励振
   ウェイトＷｎをほぼ満足するように励振させる給電部を
   具備したことを特徴とするマルチビームアンテナ。 〔ただし ■＝▲数式、化学式、表等があります▼であり Ｗｎはｎ番目のアンテナ素子の励振ウェイトで表わす。 ■ｘｘは ■ｘｘ＝▲数式、化学式、表等があります▼であり ■ｘｘの行列成分Ｒｎｍは Ｒｎｍ＝Σ＾Ｉ＿ｉ＿＝＿１αｉｇｎ（θｉ）ｇｍ＾＊
   （θｉ）＋Σ＾Ｊ＿ｊ＿＝＿１βｊｇｎ（θｊ′）ｇｍ
   ＾＊（θｊ′）＋■＾Ｋ＿ｋ＿＝＿１γｒｋｈｎ（θｋ
   ″）ｈｍ＾＊（θｋ″）＋Ｐｎｍ（ただしｎ≠ｍのとき
   Ｐｎｍ＝０） ここで、ｉは放射界強度を拘束する範囲内のサンプリン
   グ点をあらわす番号（ｉ＝１、・・・Ｉ）であり、θｉ
   はそのサンプリングされた方向、ｇｎ（θ）はｎ番目の
   アンテナ素子の反射鏡を介して放射される指向性、αｉ
   は比例係数であり、＊は複素共役をあらわし、ｊはサイ
   ドロープ抑圧を必要とする範囲内のサンプリング点をあ
   らわす番号（ｊ＝１、・・・Ｊ）であり、θ′ｊはその
   サンプリングされた方向、βｊは比例係数であり、ｋは
   逆偏波抑圧を必要とする範囲内のサンプリング点をあら
   わす番号（ｋ＝１、・・・Ｋ）であり、θ′ｋはそのサ
   ンプリングされた方向、ｈｎ（θ）はｎ番目のアンテナ
   素子の反射鏡を介して放射される逆偏波（直線偏波の場
   合はｈｎ（θ）はｇｎ（θ）と直交する偏波、円偏波の
   場合はｈｎ（θ）はｇｎ（θ）と逆施の偏波である）の
   指向性、γｋは比例係数であり、Ｐｎｍは定数である。 また、 ¢＾Ｔ＝▲数式、化学式、表等があります▼ ■＝▲数式、化学式、表等があります▼ であり、ｂｉは放射界強度を拘束する方向θｉにおける
   複素拘束値である。 なお添字Ｔは行列の複素共役転置、−１は逆行列をあら
   わす。〕
2. （２）各アンテナ素子を励振ウェイトベクトルＷ／＾（
   ＾ｍ＾＋＾１＾）＝Ｗ／＾（＾ｍ＾）−μ（■■ｘｘ■
   Ｗ／＾（＾ｍ＾）＋■■ｘｘ■）により遂次的に決定さ
   れる励振ウェイトＷｎをほぼ満足するように励振される
   給電部を具備したことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のマルチビームアンテナ。 〔ただし ■＝■−¢（¢＾Ｔ¢）＾−＾１¢＾Ｔ ■＝¢（¢＾Ｔ¢）＾−＾１■ であり、■は単位行列、μは解の収束速度を制御する係
   数、ｍは遂次回数をあらわす。〕