JP2005167402A

JP2005167402A - レンズアンテナ装置

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Publication number: JP2005167402A
Application number: JP2003400579A
Authority: JP
Inventors: Takanari Ogawa; 隆也小川; Nobufumi Saruwatari; 信文猿渡
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2023-11-28
Also published as: JP4119352B2; DE602004011001D1; EP1536517B1; EP1536517A1; US20050212711A1; US7212169B2; DE602004011001T2

Abstract

【課題】マルチビーム化を簡易かつ安定した構造で実現し、移動体搭載用として好適なレンズアンテナ装置を提供する。
【解決手段】半球型レンズアンテナ１００の半球レンズ１２０周面に沿ってガイドレール１３０を平行に架設し、ガイドレール１３０上に複数の放射器１４０〜１６０を位置決め固定して、運用時には、複数の放射器それぞれの電波ビームを、ＡＺ軸回転機構２２０、ＥＬ軸回転機構２３０、ｘＥＬ軸回転機構２４０の調整によって指向制御する構成となっているので、小型軽量、低コスト、高精度な衛星追尾性能が実現され、特にガイドレール１３０上の駆動部がないことから、隣接衛星へのマルチビームでも、駆動部の干渉がなく、複数の放射器の配置が可能となり、これによってマルチビーム化を簡易かつ安定した構造で実現し、移動体搭載用として好適な構成とすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、衛星通信システムの地上局に用いられ、電波ビームを集束させる球体レンズを利用したレンズアンテナ装置に係り、特に移動体搭載用として好適な構造を有するものに関する。

従来より、電波ビームを集束可能な球体レンズを利用して、球体レンズの下半球面上の所定位置に放射器を配置し、球体レンズの中心方向に放射器の指向性を合わせることで、所定方向に電波ビームを形成するレンズアンテナ装置の開発が進められている。この種のアンテナ装置は、放射器の位置を球体レンズの下半球面上で任意に移動させるだけで、天球上のどこにでも電波ビームを指向させることができるので、パラボラアンテナ装置等のように全体を回転駆動させる必要がなく、駆動系の小型化が容易であるという利点を有する。

しかしながら、レンズアンテナ装置では、球体レンズそのものが小型化の制約となっているため、もはや全体の小型化が困難な状況にある。また、球体形状のため、組立時の取り扱いが容易でないという問題があった。そこで、特許文献１、２に示すように、球体レンズを二分した上側半球レンズを電波反射板上に載置して、天球上からの電波を半球レンズで集束させつつ、電波反射板で反射させることで、半球レンズ周面側で電波捕捉を可能とした半球型のレンズアンテナ装置が提案されている。

この半球型レンズアンテナ装置は、その小型化が容易であることから、移動体搭載用として注目されている。一方で、静止軌道上の複数の静止衛星との通信が要望されている。そこで、レンズアンテナ装置のマルチビーム化を簡易かつ安定した構造で実現することが望まれている。
特開２００１−０２５７３２号公報特開２００３−１１０３５２号公報

以上述べたように、従来よりレンズアンテナ装置のマルチビーム化を簡易かつ安定した構造で実現することが望まれている。

本発明は上記の状況に鑑みてなされたもので、マルチビーム化を簡易かつ安定した構造で実現し、移動体搭載用として好適なレンズアンテナ装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明に係るレンズアンテナ装置は、設置位置に水平に配置される固定ベースと、この固定ベースにアジマス軸周りに回転自在に搭載される回転ベースと、前記回転ベース上に搭載され、電波ビームを集束する球体レンズを二分した半球レンズを電波反射板上に載置してなる半球型レンズアンテナと、前記半球レンズの中心点を通る、前記アジマス軸に直交するエレベーション軸を支点とし、前記半球レンズの周面に沿って平行に架設されるガイドレールと、それぞれ前記ガイドレール上の任意の位置で前記半球レンズに対向配置され、前記半球レンズによって集束される電波ビームを形成するアンテナ素子を備える複数の放射器と、前記回転ベースを前記アジマス軸周りに回転させるＡＺ軸回転機構と、前記ガイドレールを前記エレベーション軸周りに回転させるＥＬ軸回転機構と、前記ガイドレール上の複数の放射器を互いに間隔一定の状態でガイドレールに沿って移動させる放射器移動機構とを具備し、前記複数の放射器それぞれの電波ビームを、前記ＡＺ軸回転機構、前記ＥＬ軸回転機構、前記放射器移動機構の調整によって指向制御することを特徴とする。

本発明によれば、半球型レンズアンテナの半球レンズ周面に沿ってガイドレールを平行に架設し、ガイドレール上に複数の放射器を位置決め固定して、運用時には、複数の放射器それぞれの電波ビームを、ＡＺ軸回転機構、ＥＬ軸回転機構、放射器移動機構の調整によって指向制御する構成となっているので、小型軽量、低コスト、高精度な衛星追尾性能が実現され、特にガイドレール上の駆動部がないことから、隣接衛星へのマルチビームでも、駆動部の干渉がなく、複数の放射器の配置が可能となり、これによってマルチビーム化を簡易かつ安定した構造で実現し、移動体搭載用として好適なレンズアンテナ装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるレンズアンテナ装置の基本構造を示す構成概略図であり、（ａ）は斜め上方から見た斜視図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）は斜め下方から見た斜視図を示している。また、図２は図１に示す構造において、各構成要素の結合関係を示す概念図である。ここでは、移動体に搭載され、静止軌道上にある３個の通信衛星（図示せず。以下、静止衛星と称する。）との間でそれぞれ通信を行う場合を想定する。

図１に示すレンズアンテナ装置のアンテナ部１００は、平面状の電波反射板１１０上にルーネベルクと称される球体レンズを二分した半球レンズ１２０を載置し、この半球レンズ１２０の周面上に沿って半円弧状に形成配置されるガイドレール１３０に３個の放射器１４０〜１６０を固定配置した構成となっている。

ここで、電波反射板１１０は、理想的には無限大に広がる平面であることが望ましいが、実際にはアンテナ特性（利得、サイドローブ等）の許容範囲からその大きさを決定する。

また、球体レンズは、球状誘電体レンズとも呼ばれ、同心の球面に誘電体が積層されて構成され、これを通過する略平行な電波を一点に集束させることができる。一般に、積層される誘電体の各誘電率は、外側にいくほど低くなっている。本実施形態で用いる半球レンズ１２０は、この球体レンズをその球中心を通る面で二分したもので、その断面下に電波反射板１１０が配置されるため、実質的に球体レンズとして取り扱うことができる。

すなわち、上記構成によるアンテナ部１００では、静止衛星からの電波は半球レンズ１２０の側方周面から入射される。このとき、球体レンズならば、電波はレンズ内で集束するが、本実施形態では、球体レンズを二分した半球レンズ１２０を使用し、電波反射板１１０上に載置しているため、半球レンズ１２０で集束される電波は電波反射板１１０により半球レンズ１２０の断面で反射される。よって、半球レンズ１２０の入射電波は、球体レンズの場合とは面対称な経路をとる。そこで、放射器１４０〜１６０を半球レンズ１２０の側方周面上に形成される電波ビームの集束位置、すなわち焦点に配置する。これにより、放射器１４０〜１６０にて、３個の静止衛星からの電波を受信することができ、逆に各静止衛星へ電波を送信することも可能となる。

上記構成によるアンテナ部１００は、固定ベース２００上にＡＺ軸周りに回転自在に配置された回転ベース２１０に搭載される。回転ベース２１０の裏面には、固定ベース２００上で回転ベース２１０をＡＺ軸周りに回転させるためのＡＺ駆動機構２２０が設けられている。

ここで、通常は、アンテナ部１００を略水平となるようにして、通信相手先となる静止衛星の方位及び仰角に合わせて放射器１４０〜１６０を配置させる。但し、例えば赤道近くや山間部の傾斜地等で使用すると、半球レンズ１２０における電波入射角と出射角が鋭角となり、放射器１４０〜１６０がブロッキングの対象となってしまう。そこで、図に示すように、固定ベース２００に対して回転ベース２１０上のアンテナ部１００を水平面から適度に傾けておく。これにより、放射器１４０〜１６０をブロッキングの範囲から外すことができる。

また、上記ガイドレール１３０は、回転ベース２１０に、半球レンズ１２０の中心点を通る、ＡＺ（アジマス）軸に直交するＥＬ（エレベーション）軸を支点として回転自在とし、半球レンズ１２０の周面に沿って平行となるように形成され、架設される。ガイドレール１３０の一方の端部に対し、回転ベース２１０側にガイドレール１３０をＥＬ軸周りに回転させるためのＥＬ駆動機構２３０が設けられている。

上記ガイドレール１３０上には、半球レンズ１２０によって集束される電波ビームを形成するアンテナ素子を備える３個の放射器１４０〜１６０がそれぞれ任意の位置で半球レンズ１２０に対向配置される。各放射器１４０〜１６０の位置及び偏波軸は、初期設定時に、それぞれに対応する静止衛星の方向に応じて決定される。いずれも通信相手が静止衛星であることから、同一のガイドレール１３０上に配置可能である。

上記ガイドレール１３０には、搭載される放射器１４０〜１６０を、衛星追尾に際し、互いに位置関係を保持したまま、ガイドレール１３０に沿って移動制御するための機構２４０が設けられている。この機構を以下、ｘＥＬ（クロス・エレベーション）駆動機構と称する。

以上のように、本発明のレンズアンテナ装置では、図３に示すように、ＡＺ軸周り、ＥＬ軸周り、ｘＥＬ軸周りの３つの駆動機構により、放射器１４０〜１６０の位置を、互いの間隔を維持させたまま、半球レンズ１２０の周面に沿って自由に調整することが可能であり、これによって常に３個の静止衛星の方向を追尾させることができる。

尚、ガイドレール１３０には、放射器１４０〜１６０、ｘＥＬ駆動機構２４０等により回転軸より上側に過大な加重がかかっているため、ＥＬ軸周りの回転時に微調整が困難になる。そこで、ガイドレール１３０の回転軸付近にバランスウェイト２５０を設け、上部加重を軽減することが望ましい。

以下、各機構部の具体的な構成を説明する。

図４は上記ｘＥＬ駆動機構２４０を実現するワイヤー方式の構造を示すもので、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は一部断面で示す詳細斜視図、（ｃ）は断面図である。この方式では、ガイドレール１３０を中空とし、中空内部に環状のワイヤー２４１を通して、ガイドレール両端内部のプーリ２４２，２４３にかけ、一方のプーリ２４２を減速器付モータ２４４で正逆方向に回転させることで、ワイヤー２４１を前後に移動させるようにし、ワイヤー２４１の一方側に放射器１４０〜１６０をそれぞれ固定するようにしたものである。

ここで、ガイドレール１３０は、図４（ｂ）に示すように、半球レンズ１２０の周面側が一部開口しており、両側面部にガイド枠１３１，１３２が形成されている。一方、放射器（ここでは１４０を代表して示す）の基部１４１には、ガイドレール１３０のガイド枠１３１，１３２と係合するプーリ１４２，１４３が設けられ、中央部にガイドレール１３０の開口部分から挿入されて、内部のワイヤー２４１と結合するための凸片１４４が形成されている。このような構造とすることで、ワイヤー２４１の移動に伴い、放射器１４０〜１６０がガイドレールに沿って同時にかつ滑らかに移動させることができる。

図５は上記ｘＥＬ駆動機構２４０の他の方式として、Ｖローラ・ギア方式の場合を示すものである。この方式では、ガイドレール１３０の長さを半円より長く伸ばすと共に、一方の端部の内側と外側の面を凹状とし、他方の端部の内側の面を凹状に、外側の面にギア溝を形成しておく。そして、回転ベース２１０上において、ＥＬ軸より下側で、ガイドレール１３０の一方の端部の内側と外側をＶローラ２４５Ａ，２４５Ｂ，２４５Ｃでスライド自在に３点支持し、他方の端部の内側をＶローラ２４６Ａ，２４６Ｂで保持しつつ、その外側のギア溝にギア２４７を噛ませ、ギア２４７が結合された駆動モータ２４８を正逆方向に回転させるようにしたものである。この構成の場合、ガイドレール全体を半球レンズ１２０の周面に沿って回転させることができるので、放射器１４０〜１６０はガイドレール１３０に直接固定すればよい。この方式は、構造的に複雑となるが、ガイドレール全体の重心が下がるため、比較的安定したＥＬ駆動が期待できる。

ところで、アンテナ開口が大きくなり、ビームが鋭くなって、追尾精度に対して、上記ＡＺ，ＥＬ，ｘＥＬ３軸での駆動精度が足りなくなった場合には、これらの軸に加えて、図６に示すように、放射器１４０〜１６０の支持部に、レンズ中心からの半径方向を一定とするような部分球面上または、疑似球面をなすビームに垂直な平面上に、高精度な駆動を行うＸ／Ｙテーブル１４０Ａ，１５０Ａ，１６０Ａを設けるとよい。この構成によれば、粗調整（低周波、大振幅）はＡＺ軸、ＥＬ軸、ｘＥＬ軸の３軸で行い、微調整（高周波、小振幅）をＸ／Ｙテーブルで行って、調整の分担を分けることで、衛星追尾を確実に行える。本来は、粗調整に３軸、微調整においてもＸ／Ｙテーブルの２軸プラス偏波軸方向にもう１軸足して３軸必要であるが、図６に示した軸構成を取ることにより、追尾精度上あまり敏感でない、偏波軸周りの駆動部のみが、残り２軸に合成されず独立に分離できるので、駆動を省略させている。

図７は、上記ガイドレール１３０のＥＬ駆動に対するバランスウェイト機構２５０を平歯車方式で実現した構造を示すものである。この方式では、ＥＬ軸に径大の第１ギア２５１を装着し、ＥＬ軸より上側で、第１ギア２５１に径小の第２ギア２５２を噛ませ、その第２ギア２５２の軸を回転ベース２１０に固定する。第２ギア２５２の回転軸には所定方向に向けてバランスウェイト（重り）２５３が延設される。

この構造は、ガイドレール１３０が概略運用される３０°〜６０°のうち、例えば位置４５°近傍において、ガイドレール１３０とガイドレール１３０に搭載される物に対し、ＥＬ軸周りに生じるアンバランスをバランスウェイト２５３によって概略打ち消すことができる。すなわち、ウェイト側の角度は、ガイドレール１３０が概略４５°時に４５°となり、概略カウンタバランスがとれる。この場合、ＥＬ軸上で減速機を介して、概略減速比倍のウェイトをもち、全体としての質量を削減して、かつ、ＥＬ軸上で概略バランスをとり、外乱（並進振動）におけるモータトルクへの影響を極力抑えることを目的としている。また、減速機においては、アンチバックラッシ、また構造部については、制御周波数に対して、十分な剛性を持つ物が望ましい。

図８はバランスウェイト機構２５０の他の構成として傘歯車方式で実現した構造を示すものである。この方式では、ＥＬ軸に第１傘歯車２５４Ａが装着され、この第１傘歯車２５４Ａに第２傘歯車２５４Ｂが噛まされ、この第２傘歯車２５４Ｂと同軸でかつ径大の第３傘歯車２５４Ｃに第４傘歯車２５４Ｄを噛ませ、この第４傘歯車２５４Ｄの回転軸から直交する方向にバランスウェイト２５５を延設するようにしたものである。この方式による構造によっても、ガイドレール１３０とガイドレール１３０に搭載される物に対し、ＥＬ軸周りに生じるアンバランスをバランスウェイト２５５によって概略打ち消すことができる。

尚、上記実施形態において、静止衛星の追尾アルゴリズムは、ｘＥＬ軸上のガイドレール１３０を、天の赤道（以後赤道と呼ぶ）に一致させるように、ＡＺ，ＥＬ軸を駆動、かつ、ｘＥＬ軸に沿って赤道上の衛星位置が合致するように制御する。赤道上の衛星同士の離隔、及び、赤道に対する衛星の偏波角は一定なので、以上の制御のみで全ての衛星に対して同時にマルチビームが確立する。

非運用時には、大きな外乱を受けることも想定されるので、各軸には、ストーロックまたは無励時動作ブレーキにて、外乱の付加が駆動部や構造部にからないような待避モードを持つことが望ましい。

マルチビームとして使用する場合、そのうちのいくつかの受信専用ビームにおいて、アンテナ開口をそのまま使用すると、利得に余裕があり、ビーム追尾精度の緩和が可能なものについては、例えばレンズの焦点から放射器をずらす等してビームを広くすることで、微調整用の駆動部を省略するようにしてもよい。

その他、本発明は上記実施形態の構成に限定されず、種々の変形が可能である。

本発明の一実施形態によるレンズアンテナ装置の基本構造を示す構成概略図。図１に示す構造において、各構成要素の結合関係を示す概念図。図１に示すＡＺ軸周り、ＥＬ軸周り、ｘＥＬ軸周りの３つの駆動機構を概略的に示す斜視図。図１に示す構造において、ｘＥＬ駆動機構を実現するワイヤー方式の構造を示す図。図１に示す構造において、ｘＥＬ駆動機構を実現するＶローラ・ギア方式の構造を示す図。図１に示す構造において、追尾微調整用に各放射器にＸ／Ｙテーブルを設けた様子を示す斜視図。図１に示す構造において、ガイドレールのＥＬ駆動に対するバランスウェイト機構を平歯車方式で実現した構造を示す側面図。図１に示す構造において、ガイドレールのＥＬ駆動に対するバランスウェイト機構を傘歯車方式で実現した構造を示す側面図。

符号の説明

１００…アンテナ部、１１０…電波反射板、１２０…半球レンズ、１３０…ガイドレール、１４０〜１６０…放射器、２００…固定ベース、２１０…回転ベース、２２０…ＡＺ駆動機構、２３０…ＥＬ駆動機構、２４０…ｘＥＬ駆動機構、２５０…バランスウェイト。

Claims

設置位置に水平に配置される固定ベースと、
この固定ベースにアジマス軸周りに回転自在に搭載される回転ベースと、
前記回転ベース上に搭載され、電波ビームを集束する球体レンズを二分した半球レンズを電波反射板上に載置してなる半球型レンズアンテナと、
前記半球レンズの中心点を通る、前記アジマス軸に直交するエレベーション軸を支点とし、前記半球レンズの周面に沿って平行に架設されるガイドレールと、
それぞれ前記ガイドレール上の任意の位置で前記半球レンズに対向配置され、前記半球レンズによって集束される電波ビームを形成するアンテナ素子を備える複数の放射器と、
前記回転ベースを前記アジマス軸周りに回転させるＡＺ軸回転機構と、
前記ガイドレールを前記エレベーション軸周りに回転させるＥＬ軸回転機構と、
前記ガイドレール上の複数の放射器を互いに間隔一定の状態でガイドレールに沿って移動させる放射器移動機構とを具備し、
前記複数の放射器それぞれの電波ビームを、前記ＡＺ軸回転機構、前記ＥＬ軸回転機構、前記放射器移動機構の調整によって指向制御することを特徴とするレンズアンテナ装置。
前記複数の放射器は、それぞれ通信相手が静止軌道上に配置される複数の通信衛星であって、初期設定時に対応する通信衛星の方向に合わせてガイドレール上に位置決めされ、偏波軸調整されることを特徴とする請求項１記載のレンズアンテナ装置。
前記複数の放射器は、初期設定時に前記ガイドレールに直接固定されるものとし、
前記放射器移動機構は、ガイドレール自体を円周方向に沿って移動させることを特徴とする請求項１記載のレンズアンテナ装置。
前記複数の放射器は、初期設定時に前記ガイドレールに沿って這わせたワイヤーに固定されるものとし、
前記放射器移動機構は、前記ワイヤーを前記ガイドレールに沿って移動させることを特徴とする請求項１記載のレンズアンテナ装置。
前記放射器は、固定支持部に前記アンテナ素子の電波集束点を調整するためのＸ−Ｙ軸調整機構を備えることを特徴とする請求項１記載のレンズアンテナ装置。
前記ガイドレールの少なくとも一方の端部に設けられ、前記ガイドレールの前記ＥＬ軸回転機構による回転時に発生するアンバランスを打ち消すためのバランスウェイトを備えることを特徴とする請求項１記載のレンズアンテナ装置。
前記ＡＺ軸回転機構、前記ＥＬ軸回転機構、前記放射器移動機構の調整による電波ビームの指向制御を通信相手の衛星を追尾するように自動制御する制御装置を備えることを特徴とする請求項１記載のレンズアンテナ装置。
前記ＡＺ軸回転機構、前記ＥＬ軸回転機構、前記放射器移動機構は、それぞれ非運用時に生じる外乱が駆動部及び構造部に負荷とならないように設定する待避モードを備えることを特徴とする請求項１記載のレンズアンテナ装置。
設置位置に水平に配置される固定ベースと、
この固定ベースにアジマス軸周りに回転自在に搭載される回転ベースと、
前記回転ベース上に、中心を通り前記アジマス軸に直交するエレベーション軸を支点として懸架され、電波ビームを集束する球体レンズと、
前記球体レンズの中心を通る、前記アジマス軸に直交するエレベーション軸を支点とし、前記球体レンズの下側周面に沿って平行に架設されるガイドレールと、
それぞれ前記ガイドレール上の任意の位置で前記球体レンズに対向配置され、前記球体レンズによって集束される電波ビームを形成するアンテナ素子を備える複数の放射器と、
前記回転ベースを前記アジマス軸周りに回転させるＡＺ軸回転機構と、
前記ガイドレールを前記エレベーション軸周りに回転させるＥＬ軸回転機構と、
前記ガイドレール上の複数の放射器を互いに間隔一定の状態でガイドレールに沿って移動させる放射器移動機構とを具備し、
前記複数の放射器それぞれの電波ビームを、前記ＡＺ軸回転機構、前記ＥＬ軸回転機構、前記放射器移動機構の調整によって指向制御することを特徴とするレンズアンテナ装置。