JP2006324964A - マルチビームフィードホーン、給電装置及びマルチビームアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 接近して配置されている静止衛星からの電波をそれぞれ受信可能なマルチビーム一次放射器を提供する。
【解決手段】 第１及び第２の一次ホーン１６、１８、２０を有し、第１の一次ホーン１６は、基端部にほぼ円形の基端開口２２を有し、この基端開口２２よりも大径のほぼ円形の先端開口２４を先端部に有している。第２の一次ホーン１８、２０は、基端部にほぼ円形の基端開口２６、２８を有し、この基端開口よりも大きい先端開口３０、３２を先端部に有している。第１及び第２の一次ホーン１６、１８、２０は、それぞれの基端開口の中心軸がほぼ平行になるように配置され、かつこれら両中心軸の間隔が、第１の一次ホーン１６の基端開口の直径よりも短くされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、１基の反射鏡に設けられ、複数の衛星に対応して複数のホーンを有し、これらホーンが対応する衛星からの電波を受信するマルチビームフィードホーン、このマルチビームフィードホーンと一体に形成された周波数変換器及びこのマルチビームフィードホーン若しくは周波数変換器を備えたマルチビームアンテナに関する。

近年、複数の通信衛星が接近して同一軌道上に打ち上げられている。これら接近した通信衛星からの電波を、１つの反射鏡と複数のホーンとを備えたアンテナで受信することが行われている。このようなアンテナの例が、例えば特許文献１に開示されている。

特許文献１の技術では、反射鏡の焦点位置の近傍にマルチビーム一次放射器が配置されている。このマルチビーム一次放射器では、２本の導波管が平行に配置され、これら導波管それぞれの先端にホーンが取り付けられている。これらホーンは、いずれも先端及び基端の開口が円形のものである。

特開２００２−１２４８２０号

特許文献１の技術では、接近した２基の通信衛星からの電波を受信することが可能である。しかし、近年、２基の通信衛星が更に接近して打ち上げられるようになっており、例えば１．９度間隔で打ち上げられている。このような通信衛星に対応して、先端及び基端の開口が共に円形であるホーンを接近して配置することが困難になっている。

本発明は、接近して配置されている静止衛星からの電波をそれぞれ受信可能なマルチビーム一次放射器を提供することを目的とする。また、本発明は、このようなマルチビーム一次放射器を備えた給電装置、この給電装置または上述したようなマルチビーム一次放射器を備えたマルチビームアンテナを提供することを目的とする。

本発明の一態様のマルチビーム一次放射器は、 少なくとも第１及び第２のホーンを有している。第１のホーンは、基端部にほぼ円形の基端開口を有し、この基端開口よりも大きいほぼ円形の先端開口を先端部に有している。例えば概略円錐台状に第１のホーンは形成されている。第２のホーンは、基端部にほぼ円形の基端開口を有し、この基端開口よりも大きい先端開口を先端部に有している。第１及び第２のホーンは、それぞれの基端開口の中心軸がほぼ平行になるように配置され、かつこれら両中心軸の間隔が、第１のホーンの基端開口の直径よりも短くされている。即ち、第１及び第２のホーンは接近して配置されている。第２のホーンの先端開口は、第２のホーンの基端開口の直径よりも大きい直径の半円状部を第１のホーンと反対側に有し、この半円状部に連なった半楕円状部を第１のホーン側に有し、この半楕円状部は、その長軸が前記半円状部に連なり、この半楕円状部が第１のホーンの先端開口の一部を欠除させて位置し、その短軸の先端が第１のホーンの基端開口よりも外方側に位置している。

このように構成すると、特に、第２のホーンの先端開口を半円状部と、半楕円状部とのよって構成することによって、第１のホーンの先端開口とを非常に接近して配置することができる。しかも、半楕円状部の短軸の先端は、第１のホーンの基端開口よりも外方に位置しているので、第１のホーンの基端開口の径を所望の径に維持することができ、これに結合される導波管の形状も円形導波管とすることができる。

第２のホーンと同一構成の第３のホーンを、第１のホーンを挟んで第２のホーンと反対側に設けることができる。例えば第２のホーンと第３のホーンとを、第１のホーンの基端開口の中心軸を対称軸として線対称に配置することができる。

このように構成することによって、接近して打ち上げられている３基の静止衛星からの電波をそれぞれ受信することができる。

さらに、第２及び第３のホーンの一方または双方の外方に、第４のホーンを設けることもできる。例えば、第４のホーンも第２のホーンと同様に半円状部と半楕円状部とから先端部開口を構成し、半楕円状部が、第２及び第３のホーンの一方または双方の半円状部の一部を欠除する構成とすることができる。

このように構成することによって、接近して打ち上げられた４基または５基の静止衛星からの電波を受信することができる。

上述したようないずれかのマルチビーム一次放射器と一体にコンバータを形成して、給電装置を構成することもできる。例えば、第１及び第２のホーンの基端部に円形導波管を結合し、これら導波管内を伝送された電波を、これら導波管に一体に設けたコンバータに導入し、所定の中間周波信号に周波数変換する。この給電装置を例えばパラボラ反射鏡やオフセットパラボラ反射鏡や円筒パラボラ反射鏡のような反射鏡の焦点位置の近傍に配置してマルチビームアンテナを構成することもできる。或いは、上述したいずれかのマルチビーム一次放射器を、例えばパラボラ反射鏡やオフセットパラボラ反射鏡や円筒パラボラ反射鏡のような反射鏡の焦点位置の近傍に配置してマルチビームアンテナを構成することもできる。この場合にも、第１及び第２のホーンの基端部にはそれぞれ円形導波管を結合することが望ましい。

以上のように、本発明によるマルチビーム一次放射器によれば、非常に接近して打ち上げられている複数の静止衛星からの電波をそれぞれ受信することができる。

本発明の一実施形態のマルチビーム一次放射器２は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、複数、例えば３つの一次放射器４、６、８を有し、これらは静止軌道上に非常に接近して打ち上げられた、例えば１．９度間隔で打ち上げられた３基の静止衛星、例えば通信衛星からの電波を受信するためのものである。これら通信衛星は、Ｋｕバンド（１１．７ＧＨｚ乃至１２．２ＧＨｚ）用の通信衛星が打ち上げられ、その両側にそれぞれ１．９度の間隔でＫａバンド（１８．３ＧＨｚ乃至２０．２ＧＨｚ）用の通信衛星が打ち上げられている。中央に位置する一次放射器４は、Ｋｕバンド受信用のもので、その両側の一次放射器６、８はＫａバンド受信用のものである。

一次放射器４は、円形導波管１０を有し、一次放射器６、８も円形導波管１２、１４を有している。これら円形導波管１０、１２及び１４では、伝送周波数の関係上、円形導波管１０の直径が、円形導波管１２及び１４の直径よりも大きい。円形導波管１２及び１４の直径は等しい。例えば円形導波管１０の直径は１７．４８ｍｍ、円形導波管１２、１４の直径は、１１.１３ｍｍである。これら円形導波管１０、１２及び１４は、それぞれの中心軸が互いに平行にかつ同一直線上に位置するように配置され、かつ互いに接近して配置されている。両外側に位置する円形導波管１２、１４の中心軸間の距離は、例えば３５ｍｍに設定されている。また中央の円形導波管１０の中心軸と外側の円形導波管１２、１４の中心軸との距離は、例えば１７．５ｍｍと後述する第１の一次ホーン１６の先端開口２４の半径よりも短く設定されている。

円形導波管１０の先端に第１の一次ホーン１６が結合され、円形導波管１２、１４の先端に第２の一次ホーン１８、２０が結合されている。

第１の一次ホーン１６は、円形導波管１０の先端開口と同一径の基端円形開口２２を有し、先端に先端開口２４を有している。

第２の一次ホーン１８、２０も、円形導波管１２、１４の先端開口と同一径の基端円形開口２６、２８を有し、先端に先端開口３０、３２を有している。

基端円形開口２２は、他の基端円形開口２６、２８よりも内側に位置し、各先端開口２４、３０、３２は、同一面上に位置している。

第１の一次ホーン１６の先端開口２４は、基端開口２２よりも大きい直径、例えば３１ｍｍ（受信しようとする波長の例えば１．３倍）の円形開口が原形であり、この原形の一部が一次ホーン１８、２０の先端開口３０、３２と重複することによって欠除されている。図１（ｂ）に破線で示すのが、先端開口２４が原形の場合の一次ホーン１６の形状である。

第２の一次ホーン１８、２０の先端開口３０、３２は、第１の一次ホーン１６の先端開口２４とは反対側に半円状部３０ａ、３２ａを有している。これら半円状部３０ａ、３２ａの直径は、第１の一次ホーン１６の先端開口２４の直径よりも小さく、受信しようとする波長の例えば１．３倍に設定されている。例えば９．６５ｍｍである。これら半円状部３０ａ、３２ａに連なって半楕円状部３０ｂ、３２ｂが形成されている。これら半楕円状部３０ｂ、３２ｂは、その長軸の部分で半円状部３０ａ、３２ａに結合されている。即ち、半楕円状部３０ｂ、３２ｂの長軸は、半円状部３０ａ、３２ａの直径と同じ長さを有している。この半楕円状部３０ｂ、３２ｂの短軸の先端は、第１の一次ホーン１６の基端円形開口２２よりも外側に位置し、その長さは例えば７ｍｍである。即ち、半楕円状部３０ｂ、３２ｂは基端円形開口２２及び円形導波管１０には干渉していない。

第２の一次ホーン１８、２０の外周を包囲するように多重に、例えば三重にコルゲート３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３６ａ、３６ｂ、３６ｃが形成され、第１の一次ホーン１６の外周を包囲するように多重に、例えば二重にコルゲート３８ａ、３８ｂ、４０ａ、４０ｂが形成されている。

これら一次ホーン１６、１８、２０及びコルゲート３４ａ乃至３４ｃ、３６ａ乃至３６ｃ、３８ａ、３８ｂ、４０ａ、４０ｂは、一体に形成されている。

また、図示していないが、このマルチビーム一次放射器２には、周波数変換器が一体に形成され、給電装置を構成している。周波数変換器には、円形導波管１０、１２、１４を介して受信されたＫｕ及びＫａバンドの電波が伝播され、プローブを介して周波数変換器に供給され、ここで、それぞれ所定の周波数の中間周波信号に変換される。この給電装置は、例えばオフセットパラボラ反射鏡の焦点位置の近傍に配置され、マルチビームアンテナを構成する。

図２（ａ）、（ｂ）は、参考のために、上記マルチビーム一次放射器２における一次放射器６、８の第２のホーン１８、２０の先端開口を、先端円形開口３００、３２０によって構成した変形マルチビーム一次放射器２ａの場合を示す。これら先端円形開口３００、３２０の直径は、上記マルチビーム一次放射器２の第２の一次ホーン１８、２０の先端開口３０、３２の半円状部３０ａ、３２ａの直径に等しい。これに伴って第１の一次ホーン１６０の先端開口２４０の形状が大きく異なり、これに伴い第1の一次ホーン１６０に結合される導波管１００の形状が円形導波管よりもいびつな形状となる。他の部分は、上記マルチビーム一次放射器２の各構成部品と同一のものである。同一部分には同一符号を付して、その説明を省略する。ここで、先端円形開口３００、３２０の直径は、受信しようとする波長の例えば１．３倍である。第１の一次ホーン１６０の先端開口２４０の原形の直径は、受信しようとする波長の例えば１．３倍である。この場合、第２の一次ホーン１８０、２００の先端円形開口３００、３２０が第１の一次ホーン１６０の先端開口２４０に大幅に重なり、導波管１００にまで干渉し、その結果、上述したようにいびつな形状になっている。図２（ｂ）に破線で示すのが、先端開口２４０が原形のままである場合の第1の一次ホーン１６０及び導波管１００の形状である。

図３は、図２（ａ）、（ｂ）に示す変形マルチビーム一次放射器２ａにおける第２の一次ホーン１８０、２００の指向特性のシミュレーション結果を示す。Ｅ面及びＨ面共にほぼ同様な指向性であり、円偏波運用の場合でも、特に第２の一次ホーン１８０、２００の指向性に起因する円偏波特性劣化は無いと見込まれる。一次放射器４０については、第１の一次ホーン１６０及び導波管１００が複雑な形状になり、インピーダンス整合及び指向性共に大幅な劣化が見込まれる。

図４（ａ）、（ｂ）は、図１（ａ）、（ｂ）に示すマルチビーム一次放射器２の第２の一次ホーン１８、２０の水平偏波及び垂直偏波における指向特性図である、図４（ｂ）に示す水平偏波における指向性では、Ｅ面及びＨ面での指向性の差は殆どないが、図４（ａ）に示す垂直偏波では指向方向−３０度において約２ｄＢの差が生じており、反射鏡と組み合わせたとき、円偏波特性に対して若干の影響がでることが予想されるが、大幅な劣化はないと見込まれる。使用する反射鏡のＦ／Ｄ比を０．６５とすれば、第２の一次ホーン１８、２０から反射鏡の外周を見込む角度は概ね±３２．５度であり、この角度範囲が第２の一次ホーン１８、２０と反射鏡の整合を検討する範囲となる。

第１の一次ホーン１６を楕円で近似した場合のシミュレーションの結果を図５（ａ）、（ｂ）に示す。図５（ａ）が水平偏波の特性で、同図（ｂ）が垂直偏波の特性である。水平偏波及び垂直偏波共に±３０度の方向でＥ面とＨ面とで約１ｄＢの指向性の差が生じている。その結果、反射鏡と組み合わせたときの円偏波特性の劣化が一次放射器６、８よりも大きいと予測されるが、指向性の差に起因する特性劣化は、軸比性能値１ｄＢであり、角度の範囲も限定されるので、反射鏡と組み合わせた場合の性能としては、実用上問題がないと見込まれる。

以上の結果、図１（ａ）、（ｂ）に示すマルチビーム一次放射器２によって、１．９度間隔で打ち上げられたＫａバンド−Ｋｕバンド−Ｋａバンド衛星が配置された場合に対応する３ビーム一次放射器を少ない性能劣化で実現することが可能となる。

上記の実施の形態では、２つの第２の一次ホーン１８、２０を設けたが、場合によっては、いずれか一方を除去することもできる。また、上記の実施の形態では、１つの第１の一次ホーン１６と２つの第２の一次ホーン１８、２０を設けたが、第２の一次ホーン１８、２０それぞれの外側あるいは一方の外側に第３の一次ホーンを設けることもできる。この場合、一体に設けることが望ましい。その場合、第３の一次ホーンは、第２の一次ホーンと同様に、ホーンの先端開口は、第２の一次ホーンから遠い外側が半円状部で、第２の一次ホーンに近い内側が半楕円状部に形成することが望ましい。

本発明の一実施形態のマルチビーム一次放射器の平面図及び縦断面図である。 図１のマルチビーム一次放射器の変形例の平面図及び縦断面図である。 図２のマルチビーム一次放射器の一次放射器６０、８０の指向特性図である。 図１のマルチビーム一次放射器の一次放射器６、８の指向特性図である。 図１のマルチビーム一次放射器の一次放射器４の指向特性図である。

符号の説明

２ マルチビーム一次放射器
４ 第１の一次放射器
６ ８ 第２の一次放射器
１６ 第１の一次ホーン
１８ ２０ 第２の一次ホーン
２２ 基端円形開口
２４ 先端開口
２６ ２８ 基端円形開口
３０ ３２ 先端開口
３０ａ ３２ａ 半円状部
３０ｂ ３２ｂ 半楕円状部

Claims (6)

1. 少なくとも第１及び第２のホーンを有し、
   第１のホーンは、基端部にほぼ円形の基端開口を有し、この基端開口よりも大きいほぼ円形の先端開口を先端部に有し、
   第２のホーンは、基端部にほぼ円形の基端開口を有し、この基端開口よりも大きい先端開口を先端部に有し、
   第１及び第２のホーンは、それぞれの基端開口の中心軸がほぼ平行になるように配置され、かつこれら両中心軸の間隔が、第１のホーンの基端開口の直径よりも短くされ、
   第２のホーンの先端開口は、第２のホーンの基端開口の直径よりも大きい直径の半円状部を第１のホーンと反対側に有し、この半円状部に連なった半楕円状部を第１のホーン側に有し、この半楕円状部は、その長軸が前記半円状部に連なり、この半楕円状部が第１のホーンの先端開口の一部を欠除させて位置し、その短軸の先端が第１のホーンの基端開口よりも外方側に位置するマルチビーム一次放射器。
2. 請求項１記載のマルチビーム一次放射器において、第２のホーンと同一構成の第３のホーンが、第１のホーンを挟んで第２のフィードホーンと反対側に設けられているマルチビーム一次放射器。
3. 請求項２記載のマルチビーム一次放射器において、第２及び第３のホーンの一方または双方の外方に、第４のホーンが設けられているマルチビーム一次放射器。
4. 請求項１乃至３いずれか記載のマルチビーム一次放射器と一体にコンバータが形成された給電装置。
5. 請求項４記載の給電装置が焦点位置の近傍に配置された反射鏡を備えるマルチビームアンテナ。
6. 請求項１乃至３記載のマルチビーム一次放射器が、焦点位置の近傍に配置された反射鏡を備えるマルチビームアンテナ。
   

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