JP2006261994A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 一次放射器を固定したままビーム指向方向を簡単にかつ効率よく制御可能とする。
【解決手段】 一次放射器１２で第１の方向に電波ビームを形成し、この電波ビーム軸上に一定の曲率の反射面を有する電波収束ミラー１３を配置して、電波ビームを第１の方向とは異なる第２の方向に反射させると共にその反射ビームの広がりを収束させ、反射ビーム軸上に配置された平面ミラー１４により、反射ビームを第２の方向とは異なる方向に反射させ、平面ミラー１４の反射方向を駆動機構部１５によって指定方向に向ける。このように、電波収束ミラー１３によって一次放射器１２からの電波ビームの広がりを平面ミラー１４上に収束させ、当該平面ミラー１４を駆動することで、ビーム指向方向を自在に制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一次放射器の形成ビームを反射させてビーム指向方向を機械駆動により制御するアンテナ装置に関する。

従来より、車輌、船舶、航空機等の移動体に搭載されるアンテナ（一次放射器を含む）装置には、任意の地点で目標（地上のある場所、衛星など）にビームを指向させるために、一次放射器を含めてビーム形成部全体を機械駆動によって制御する機構を備えたものがある。また、固定した場所に設置されたアンテナ装置においても、移動体を目標（衛星、航空機など）とする場合には、移動体搭載のものと同様の機構を備えたものがある。

ところで、上記アンテナ装置において、アンテナビームの指向方向を駆動制御する場合には、基本的に、一次放射器を含めてビーム形成部全体を駆動するようにしている。このため、方向を変えるための駆動部分が大きく、駆動系が大型になり、全体の質量が増加してしまう。いずれも一次放射器と共に駆動するため、ビームを目的の方向に向けるためには、スリップリング、フレキブル導波管、ロータリージョイントなどの回転部連結機構が必要になり、機構系のトラブル、給電のロス等が発生しやすくなる。

一方、上記アンテナ装置の中には複数のアンテナを持つものがある。この場合、個々のアンテナを同一の目標に向けるために、一つのベース上に固定し全体を駆動しているものや、個々のアンテナを駆動可能とし、それぞれの方向を決定しているものがある。複数のアンテナを一つのベースに固定したアンテナ装置では、装置全体が大型になるため、航空機等の搭載には適していない。また、装置全体を駆動することから、各アンテナを個別に方向設定することはできず、ビーム毎にサービスエリアを変更することができない。これに対し、個々のアンテナを駆動可能とするものは、アンテナ数分の駆動機構や回転部連結機構が必要となり、機構系のトラブル、給電ロス等が発生しやすいという問題がある。

尚、特許文献１には、各一次放射器をそれぞれ反射鏡が形成される回転放物面の焦点位置に設置し、パラボラのオフセット量を最低運用仰角においてアンテナ利得が最大値となるように選択した２面のオフセットパラボラ型の反射鏡アンテナ装置の構成が記載されている。この文献１に記載によるアンテナ装置は、各アンテナの一次放射器が給電路に取り付けられて固定されるのに対し、反射鏡は一次放射器とは機械的に独立して、Ａｚ−ＥＬマウントによりＡｚ軸とＥＬ軸を中心として回転する可動構造となっている。

また、特許文献２には、非静止衛星からの受信ビームおよび非静止衛星への送信ビームを簡易な構成で効率よく指向させられる方法として、衛星と通信するアンテナから近傍界距離の範囲に平面反射板を設け、衛星の移動に伴って駆動機構により平面反射板の旋回駆動制御を行うことで、指向方向が固定されたアンテナのアンテナビームが衛星に指向するように角度を変えて行く構成が記載されている。

但し、上記特許文献１及び２に記載のアンテナ装置は、いずれも反射鏡、反射板が大型で、駆動制御が比較的困難であり、移動体搭載用、あるいは移動目標追尾用としては不向きである。
特開平１１−１８６８２７号公報 特開２００１−１４４５２９号公報

以上述べたように、従来のビーム指向制御を行う機械駆動型のアンテナ装置では、基本的に一次放射器を含むビーム形成部全体でビーム指向方向を制御しているため、方向を変えるための駆動部分が大きく、駆動系が大型になり、全体の質量が増加してしまうと共に、回転部連結機構が必要になり、機構系のトラブル、給電のロス等が発生しやすくなる。複数のアンテナを備える場合には、質量軽減、個別指向制御がさらに困難になる。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、一次放射器を固定したままビーム指向方向を簡単にかつ効率よく制御可能で、これによって駆動系の小型軽量化、回転部連結機構の排除、複数アンテナ搭載の場合の質量軽減、容易な個別指向制御を実現することのできるアンテナ装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明に係るアンテナ装置は、第１の方向に電波ビームを形成する一次放射器と、前記一次放射器による電波ビーム軸上に配置され、前記電波ビームを前記第１の方向とは異なる第２の方向に反射させると共にその反射ビームの広がりが収束するように一定の曲率の反射面を有する電波収束ミラーと、前記電波収束ミラーによる反射ビーム軸上に配置され、前記反射ビームを前記第２の方向とは異なる方向に反射させる平面ミラーと、前記平面ミラーの反射方向を指定方向に向ける駆動機構とを具備することを特徴とする。

上記構成による本発明のアンテナ装置では、電波収束ミラーによって一次放射器からの電波ビームの広がりを平面ミラー上に収束させ、当該平面ミラーを駆動することで、ビーム指向方向を自在に制御することが可能となる。よって、本発明によれば、一次放射器を固定したままビーム指向方向を簡単にかつ効率よく制御可能で、これによって駆動系の小型軽量化、回転部連結機構の排除、複数アンテナ搭載の場合の質量軽減、容易な個別指向制御を実現することのできる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。

（第１の実施形態）
図１は本発明に係る実施形態のアンテナ装置の基本構造を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上から見た平面図、（ｃ）は（ａ）図中Ａ方向から見た側面図、（ｄ）は（ａ）図中Ｂ方向から見た側面図である。図１において、１１はＲＦ（高周波）モジュールであり、内部に給電装置が組み込まれている。このＲＦモジュール１１は導波管を通じて一次放射器としてのホーンアンテナ１２に結合される。

上記ホーンアンテナ１２は、ホーン前方に所定の広がりを持って電波ビームを形成する。この電波ビームの軸上には電波収束ミラー１３が配置される。この電波収束ミラー１３は、例えば楕円の曲率による椀状面を有し、ホーンアンテナ１２からの電波ビームを略垂直方向に反射させ、その反射ビームを収束させる。この反射ビームの軸上には平面ミラー１４が配置される。この平面ミラー１４はその反射面のほぼ中央に電波収束ミラー１３からの反射ビームが当たるように調整され、駆動機構部１５により略垂直方向を中心にして任意に反射ビームの形成方向を制御可能と成されている。

尚、実際の運用に際しては、ビーム形成部分で電波の漏れが生じると干渉等の問題が生じるため、図２に示すように、ホーンアンテナ１２、電波収束ミラー１３、平面ミラー１４及び駆動機構部１５を覆って電波の漏れを防ぐアンテナカバー１６が装着される。尚、アンテナカバー１６は、詳細は図示しないが、電波収束ミラー１３、駆動機構部１５を固定するための支持構造を備えているものとする。

上記ホーンアンテナ１２、電波収束ミラー１３、平面ミラー１４の配置関係について、図３を参照して説明する。

まず、上記電波収束ミラー１３は、図３に示すように、焦点Ａ，Ｂの二点で長軸と短軸を決定した楕円面の一部を切り出したもので、一方の焦点Ａにはホーンアンテナ１２の位相中心が配置されるようにし、他方の焦点Ｂには平面ミラー１４の反射面中央が配置されるようにしている。この構成によれば、ホーンアンテナ１２で形成される電波ビームの広がりが電波収束ミラー１３でいったん収束されて平面ミラー１４に入射される。そして、平面ミラー１４からホーンアンテナ１２とほぼ同様の広がり（楕円面のパラメータの選び方により広がりの程度は変化する）を有する電波ビームが指向方向を変えて形成されることになる。この場合、平面ミラー１４に入射されるビームは収束されているため、電波収束ミラーを使用せず直接ホーンアンテナの広がりを持った電波ビームを反射される場合のような大型の反射ミラーは不要であり、これによって駆動装置１５の負担を軽減し、かつ全体の重量を低減することが可能となる。

次に、上記平面ミラー１４による反射ビームの指向制御について説明する。

図４は、（ａ）図に示すように、水平方向にビーム形成するホーンアンテナ１２を背面から見たときに、平面ミラー１４が図示矢印のように回動されることで電波ビームをピッチ方向に振る様子を示しており、（ｂ）はピッチ：４５°、（ｃ）はピッチ：０°、（ｄ）はピッチ：−４５°の場合を示している。

図５は、（ａ）図に示すように、水平方向にビーム形成するホーンアンテナ１２を側面から見たときに、平面ミラー１４が図示矢印のように回動されることで電波ビームをロール方向に振る様子を示しており、（ｂ）はロール：４５°、（ｃ）はロール：０°、（ｄ）はロール：−４５°の場合を示している。

以上のことから、平面ミラー１４に対し、駆動機構部１５によってピッチ軸、ロール軸の２軸について駆動制御することにより、反射ミラー１４を自在に指定方向に向けることができる。

（第２の実施形態）
上記実施形態では、電波収束ミラー１３の反射面を２つの焦点を持つ楕円面としたが、図６に示すように、１つの焦点を持つ放物面としても実施可能である。図６において、電波収束ミラー１３は、焦点Ｃで決定した放物面の一部を切り出したもので、焦点Ｃにはホーンアンテナ１２の位相中心が配置される。この場合、ホーンアンテナ１２から放射されるビームは電波収束ミラー１３によって略平行に収束されて別方向に反射される。そこで、この反射ビームの軸上に平面ミラー１４を配置して、入射方向に対して略垂直方向に反射させる。尚、図では平面ミラー１４にて図中下方に反射するように示しているが、実際には紙面裏または表方向に反射させ、ビーム経路における干渉を抑制する。

上記構成によれば、ホーンアンテナ１２で形成される電波ビームの広がりが電波収束ミラー１３でいったん略平行に収束されて平面ミラー１４に入射されるため、平面ミラー１４の反射面は、広がりを持つビームを反射させていた従来のものに比して十分小さい面積で対応可能である。これによって駆動装置１５の負担を軽減し、かつ全体の重量を低減することが可能となる。

（第３の実施形態）
航空機等では、複数のアンテナを搭載して個々のアンテナを地上の任意の方向（同一方向を含む）に指向させる場合がある。このようなアンテナ装置に、第１又は第２の実施形態で説明した本発明のアンテナ構造を個々のアンテナに適用して、効率よく配置したアンテナ装置の構造を図７に示す。

図７は、基台２０に６台のアンテナ２１〜２６を配置した様子を示しており、（ａ）は上方から見た平面図、（ｂ）はその斜視図である。図に示すように、各アンテナ２１〜２６は、それぞれ図１、図２に示したＲＦモジュール１１、ホーンアンテナ１２、電波収束ミラー１３、平面ミラー１４、駆動機構部１５、レドーム１６で構成され、ホーンアンテナ１２で水平方向に形成されるビームを電波収束ミラー１３によって同一水平面の略垂直方向に反射させ、その収束焦点に配置された平面ミラー１４でさらに略垂直方向に反射させ、駆動機構部１５により平面ミラー１４をピッチ軸、ロール軸周りに駆動制御することで、電波ビームを指定方向に指向させることができる。

上記構造によるアンテナ２１〜２６を基台２０に配置する場合、個々のアンテナ２１〜２６がＬ字型になっていることを利用して、図に示すように、それぞれのホーンアンテナ１２が隣接間で互いに逆方向を向くように個々のアンテナ２１〜２６のＲＦモジュール１１及びホーンアンテナ１２を固定配置する。このように配置を工夫することで、比較的小さい面積の基台に多数のアンテナを装備することが可能となり、しかも高さ方向の寸法も少なくて済み、さらにアンテナの重心部分は基台に固定されるため、強度の面でも安定する。さらに、各アンテナがそれぞれ個別にビームを指向制御可能であるにもかかわらず、それぞれが比較的軽量な平面ミラーのみを駆動すればよいので、ビーム指向制御時に発生する振動はほとんど影響しない。

したがって、上記各実施形態のアンテナ装置は、電波収束ミラーによってホーンアンテナからの電波ビームの広がりを平面ミラー上に収束させ、比較的軽量な平面ミラーだけを駆動することで、ビーム指向方向を自在に制御することが可能となる。この結果、ホーンアンテナを固定したままビーム指向方向を簡単にかつ効率よく制御可能で、これによって従来問題となっていた駆動系の小型軽量化、回転部連結機構の排除、複数アンテナ搭載の場合の質量軽減、容易な個別指向制御を実現することができる。

尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、上記実施形態では一次放射器としてホーンアンテナを用いた場合について説明したが、他の方式のアンテナであっても同様に実施可能である。また、電波収束ミラーの曲率については、楕円面、放物面が代表的であるが、配置関係によっては他の曲率を利用してもよい。

また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明に係る実施形態のアンテナ装置の基本構造を示す斜視図、平面図及び側面図。 図１に示すアンテナ装置にレドームを装着した構造を示す斜視図。 図１に示すアンテナ装置の電波収束ミラーの楕円面を有する構造と、ホーンアンテナ及び平面ミラーの配置関係を示す概念図。 図１に示すアンテナ装置の平面ミラーによるピッチ方向のビーム指向制御について説明するための図。 図１に示すアンテナ装置の平面ミラーによるロール方向のビーム指向制御について説明するための図。 図１に示すアンテナ装置の電波収束ミラーの放物面を有する構造と、ホーンアンテナ及び平面ミラーの配置関係を示す概念図。 図１に示すアンテナ構造を有する複数のアンテナを搭載するアンテナ装置の全体構成を示す斜視図及び平面図。

符号の説明

１１…ＲＦモジュール
１２…ホーンアンテナ
１３…電波収束ミラー
１４…平面ミラー
１５…駆動機構部
１６…アンテナカバー
２０…基台
２１〜２６…アンテナ装置

Claims (8)

1. 第１の方向に電波ビームを形成する一次放射器と、
   前記一次放射器による電波ビーム軸上に配置され、前記電波ビームを前記第１の方向とは異なる第２の方向に反射させると共にその反射ビームの広がりが収束するように一定の曲率の反射面を有する電波収束ミラーと、
   前記電波収束ミラーによる反射ビーム軸上に配置され、前記反射ビームを前記第２の方向とは異なる方向に反射させる平面ミラーと、
   前記平面ミラーの反射方向を指定方向に向ける駆動機構と、
   を具備することを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記電波収束ミラーの反射面は楕円の曲率で形成されることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記電波収束ミラーの反射面が２つの焦点を有する楕円面であるとき、一方の焦点に前記一次放射器の位相中心を配置させ、他方の焦点に前記平面ミラーの反射面を配置することを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
4. 前記電波収束ミラーの反射面は放物線の曲率で形成されることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
5. 前記電波収束ミラーの反射面が１つの焦点を有する放物面であるとき、前記焦点に前記一次放射器の位相中心を配置させ、前記電波収束ミラーで略平行ビームにして前記平面ミラーに向けて反射させることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
6. さらに、前記一次放射器、電波収束ミラー及び平面ミラーを、それぞれの形成ビームが外部に漏れないように覆うアンテナカバーを備えることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
7. 前記電波収束ミラーは、前記一次放射器からの電波ビームを直交する方向に反射させ、
   前記平面ミラーは、前記電波収束ミラーからの反射ビームをさらに直交する方向を中心にして任意の開きで反射させることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
8. 複数個のアンテナを基台に並べて配置するアンテナ装置において、
   前記複数個のアンテナのそれぞれは、第１の方向に電波ビームを形成する一次放射器と、前記一次放射器による電波ビーム軸上に配置され、前記電波ビームを前記第１の方向とは異なる第２の方向に反射させると共にその反射ビームの広がりが収束するように一定の曲率の反射面を有する電波収束ミラーと、前記電波収束ミラーによる反射ビーム軸上に配置され、前記反射ビームを前記第２の方向とは異なる方向に反射させる平面ミラーと、前記平面ミラーの反射方向を指定方向に向ける駆動機構とを備えて、互いに電波ビーム形成部分をＬ字型にした同一構造を有し、
   前記基台には、それぞれの一次放射器が隣接間で互いに逆方向を向くように前記複数個のアンテナを配置することを特徴とするアンテナ装置。

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