JP2014017708A - 空間合成アンテナ装置及び鏡面修整反射鏡の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放射電力パターンを可変とする空間合成アンテナ装置及び鏡面修整反射鏡の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の空間合成アンテナ装置１０は、放射利得が３種類以下の複数の放射素子１４が規則的に配列されたフェーズドアレー給電部１３と、複数の放射素子１４から放射される放射ビームを空間合成して所定の放射電力パターンを形成する固定形状の鏡面修整反射鏡１１とを備える。本発明の鏡面修整反射鏡１１の製造方法は、放射素子１４の励振振幅値及び励振位相値の制御により当該サービスエリア内の特定地域における放射利得を所定の範囲で変更可能か否かを検査しながら、複数の放射素子１４から放射される放射ビームを空間合成して得られる放射電力パターンが目標利得の値を達成するよう、当該鏡面修整反射鏡１１に関して修整基準のパラボラ面から鏡面形状を修整して最適化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、衛星搭載型のアンテナ装置に関し、特に、サービスエリア内の放射電力パターンを可変とする空間合成アンテナ装置及び鏡面修整反射鏡の製造方法に関する。

衛星放送や衛星通信などに利用される衛星搭載型のアンテナ装置としては、我が国の形状に合わせてビーム形状を成形し、効率良く電波を放射することが要求されている。従来からのアンテナ装置は、複数の放射素子により構成される一次放射器（又はフェーズドアレー給電部）を用い、その励振分布を調整して我が国の形状に合う放射電力パターンを形成している。

一方、鏡面修整反射鏡によりビーム形状を成形する技術が開示されている（例えば、特許文献１，２参照）。特許文献１では、一次放射器から放射されるビームを反射して所望形状のビーム成形を行う鏡面修整反射鏡として、当該所望形状のビーム成形の各方向に適した微少平面鏡をそれぞれ算出し、算出したこれらの微少平面鏡を隣接するように一定方向に平行移動させ、その後、連続する面となるように滑らかな鏡面とすることが示されている。また、特許文献２においても、一次放射器から放射されるビームを反射して所望形状のビーム成形を行うために、複数個の微小鏡面に分割したパラボラ面を有する鏡面修整反射鏡が開示されている。鏡面修整反射鏡によりビーム形状を成形するアンテナ装置は、複雑な形状の放射電力パターンを簡易に形成することができ、衛星放送や衛星通信において多数の実用例があるが、サービスエリア内の放射電力パターンを可変とすることはできていない。

近年では、我が国の形状に合わせてビーム形状を成形するだけでなく、電波降雨減衰に起因する放送・通信遮断時間をより短縮するためサービスエリア内の放射電力パターンを可変とすることが要求されている。このようなサービスエリア内の放射電力パターンを可変とするアンテナ装置の実施例として、フェーズドアレー給電部における各放射素子の励振振幅値及び励振位相値を制御する方法と、鏡面形状をアクチュエータなどで機械的に修整可能な反射鏡を用いて制御する方法が開示されている（例えば、特許文献３，４参照）。

例えば、複数の放射素子により構成されるフェーズドアレー給電部と一定の曲率を有するパラボラ反射鏡を用いて、サービスエリアを日本として、日本列島を均一な電力分布で覆いながら、降雨地域に電力を増力した放射ビームを成形するべく可変にし、さらに他の衛星との干渉を考慮してサイドローブレベルが低くなるように放射電力パターンを形成する場合には、６１個を超える放射素子が必要となることが検討されている（例えば、非特許文献１参照）。図７に、１８８個の放射素子１１４から構成されるフェーズドアレー給電部１１３と、放射ビームを反射して空間合成する２枚のパラボラ反射鏡（主鏡１１１及び副鏡１１２）とを備える空間合成アンテナ装置１００の構成例を示す。また、図８（Ａ）に、図７に示す空間合成アンテナ装置１００の設計例を示し、図８（Ｂ）に、図７に示す空間合成アンテナ装置におけるフェーズドアレー給電部１１３の各放射素子１１４の励振振幅分布を示している。

サービスエリア内の放射利得を高め、且つサービスエリア外へのサイドローブレベルが低下するように日本列島を均一な電力分布で覆いながら、降雨地域に電力を増力したビームを可変に成形するためには、図８（Ｂ）に示すように、少なくとも４種類以上の放射利得の複数の放射素子１１４（０ｄＢ素子、−３ｄＢ素子、−６ｄＢ素子及び−１０ｄＢ素子）について１００個を超える素子数を用意する必要があり、低サイドローブ化を考慮しない場合でも少なくとも６１個を超える素子数にて日本列島の形状に合わせた励振振幅分布で配列する必要があった。図９に、１８８個の放射素子１１４からなるフェーズドアレー給電部１１３と２枚のパラボラ反射鏡（主鏡１１１及び副鏡１１２）とを備える空間合成アンテナ装置１００による放射電力パターン例を示す。一定の曲率を有するパラボラ反射鏡を用いて１８８個の放射素子のそれぞれについて励振振幅値及び／又は励振位相値を調整することで、電波降雨減衰に起因する放送・通信遮断時間をより短縮するためサービスエリア内の放射電力パターンを可変とすることができる。

特許第３０４３７６８号明細書 特許第３３２２８９７号明細書 特開平7−１８３８４２号公報 特開２００１−２４４８６７号公報

S. Tanaka and T. Murata, "Shaped Power Pattern Using An Onboard Array-fed Reflector Antenna for Advanced Direct Broadcasting Satellites," IEEE Int. Symposium on Phased Array Systems and Technology, pp.64-69, Oct. 2003(Boston, USA)

特許文献１，２による技術では、所望形状のビーム成形の各方向に適した微少平面鏡を形成するためには衛星放送又は衛星通信時においても励振振幅値及び／又は励振位相値について固定値を有する放射器からの放射ビームを想定する必要があるが、このような放射器からの放射ビームを想定して形成した鏡面修整反射鏡を有するアンテナ装置では、特定地域の放射電力を可変にすることを考慮した鏡面修整反射鏡とはなっておらず、特に、電波降雨減衰に起因する電力補償特性の改善に課題が残っていた。

また、特許文献３，４による実施例では、フェーズドアレー給電部における各放射素子の励振振幅値及び励振振幅値を制御する方法と、鏡面形状をアクチュエータなどで機械的に修整可能な反射鏡を用いて制御する方法が示されているが、これらの方法により放射電力パターンを変化させる機能を実現しようとすると極めて多くの放射素子、あるいは極めて多くの鏡面形状を機械的に修整するためのアクチュエータが必要となる。したがって、アンテナ装置の重量が重くなる故に衛星打ち上げの負担が増大するとともに、機械的機構の複雑さ故に故障率が増大する点で、アンテナ装置の信頼性に課題が残る。

特に、非特許文献１に示すように、従来技術においては、サービスエリア内の放射利得を高め、且つサービスエリア外へのサイドローブレベルが低下するように日本列島を均一な電力分布で覆いながら、降雨地域に電力を増力したビームを成形するべく可変にするためには、少なくとも４種類以上の放射利得の複数の放射素子について６１個を超える素子数を用意して、日本列島の形状に合わせて配列する必要がある。したがって、アンテナ装置の重量が重くなる故に衛星打ち上げの負担が増大し、アンテナ装置の信頼性に課題が残る。

そこで、フェーズドアレー給電部の素子数を少なくするために、素子の配置間隔を広げることや、パラボラ反射鏡による拡大係数を大きくすることが考えられる。しかしながら、フェーズドアレー給電部の素子数を少なくした場合、形成される放射電力パターンのサービスエリア内の放射利得が低下し、サービスエリア外へのサイドローブレベルが上昇する。

例えば、フェーズドアレー給電部の素子数を少なくした例として、図１０に、３２個の放射素子１４ａから構成されるフェーズドアレー給電部１３ａと、放射ビームを反射して空間合成する２枚のパラボラ反射鏡（主鏡１１ａ及び副鏡１２ａ）とを備える空間合成アンテナ装置１０ａの構成例を示す。また、図１１（Ａ）に、図１０に示す空間合成アンテナ装置１０ａの設計例を示し、図１１（Ｂ）に、図１０に示す空間合成アンテナ装置１０ａにおけるフェーズドアレー給電部１３ａの各放射素子１４ａの励振振幅分布を示している。また、図１２（Ａ），（Ｂ）に、３２個の放射素子１４ａからなるフェーズドアレー給電部１３ａと２枚のパラボラ反射鏡（主鏡１１ａ及び副鏡１２ａ）とを備える空間合成アンテナ装置１０ａによる放射電力パターン例を示す。図１２（Ａ）は、広域図であり、図１２（Ｂ）は、近軸図である。

図１２（Ｂ）に示すように、図９に示す例と比較して、形成される放射電力パターンのサービスエリア内の放射利得が低下し、サービスエリア外へのサイドローブレベルが上昇することが分かる。

また、電波降雨減衰の影響が大きくなる１０ＧＨｚ以上の周波数帯では、波長が３ｃｍ以下となる。鏡面形状をアクチュエータなどで機械的に制御するためには、１波長以下の間隔に配置され、１／（数波長）以下の精度で制御可能な多数のアクチュエータが必要となり、その製造及び制御の実現は容易ではない。

さらに、近年では伝送する信号の広帯域化が求められており、帯域を広げても従来と同等の伝送品質（Ｃ／Ｎ）を保つためには、高出力化する必要がある。衛星放送や衛星通信で用いられている増幅器の出力は、通常は１００〜２００Ｗ程度であり、より高出力とするためには合成器を用いて電力合成する方法があるが、この合成器による損失が大きい。また、高周波信号を単一の機器（例えば、放射素子、増幅器、帯域制限フィルタなど）に集中させると、放電が発生し、故障する可能性がある。

本発明は、上述の問題を鑑みて為されたものであり、製造及び制御の観点からも容易に実現可能なサービスエリア内の放射電力パターンを可変とする空間合成アンテナ装置及び鏡面修整反射鏡の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の空間合成アンテナ装置は、放射電力パターンを変化させるアンテナを比較的低コストで実現させるため、６１個以下（例えば、数十個程度）の放射素子が規則的に配列されたフェーズドアレー給電部と、予め形状が設計された鏡面修整反射鏡とを組み合わせた構成とする。これにより、サービスエリア内における放射利得を高くするとともに、サービスエリア外へのサイドローブレベルを低くする。

さらに、本発明の空間合成アンテナ装置において、各放射素子の出力は従来のものと同等レベル以下とすることができ、特に、放射利得が３種類以下の複数の放射素子について、各放射素子を三角配列で規則的に配列し、且つ当該フェーズドアレー給電部の中心から放射利得が高い放射素子から順に規則的に所定形状で配列することにより、フェーズドアレー給電部を構成する。好適には、放射利得が高い放射素子から順に規則的に所定形状で配列するようにする。これにより、高周波放電が発生することなく、空間合成により広帯域化に十分な高出力を達成可能となる。

さらに、本発明の空間合成アンテナ装置において、基地局設備から送信された各放射素子に関する励振振幅値及び／又は励振位相値からなる励振情報によりフェーズドアレー給電部を制御する制御部を備える。これにより、比較的に少ない個数の放射素子で複雑なサービスエリアの形状に合わせた放射電力パターンを形成し、且つ、降雨地域の形状やサービスエリア内の人口密度などに合わせて任意の形状の放射電力パターンを形成することができるようになる。

つまり、従来技術におけるフェーズドアレー給電部とパラボラ反射鏡の組合せや鏡面形状をアクチュエータなどで機械的に修整可能な反射鏡を用いて制御する放射電力パターンを変化させるアンテナ装置よりも、信頼性の高い装置を比較的安価に実現することができる。さらに、各放射素子あたりの出力は高周波放電が避けられる程度の出力であるにも関わらず、複数の放射素子からの放射ビームを空間合成して得られる放射電力パターンとすることにより、広帯域化に必要な高出力を達成することができる。

即ち、本発明の空間合成アンテナ装置は、放射電力パターンを可変とする空間合成アンテナ装置であって、放射利得が３種類以下の複数の放射素子が規則的に配列されたフェーズドアレー給電部と、前記複数の放射素子から放射される放射ビームを空間合成して所定の放射電力パターンを形成するための固定形状の鏡面修整反射鏡と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の空間合成アンテナ装置において、基地局設備から送信された各放射素子に関する励振振幅値及び／又は励振位相値からなる励振情報を基に前記フェーズドアレー給電部における各放射素子の放射ビームを制御する制御部を更に備えることを特徴とする。

また、本発明の空間合成アンテナ装置において、前記複数の放射素子は、各放射素子が三角配列で規則的に配列され、且つ放射利得が高い放射素子から順に前記フェーズドアレー給電部の中心から規則的に所定形状で配列されていることを特徴とする。

また、本発明の空間合成アンテナ装置において、前記複数の放射素子は、放射利得が高い放射素子から順に前記フェーズドアレー給電部の中心から規則的に正六角形配列で配列されていることを特徴とする。

また、本発明の空間合成アンテナ装置において、６１個以下の放射素子からなることを特徴とする。

さらに、本発明の鏡面修整反射鏡の製造方法は、放射利得が３種類以下の複数の放射素子が規則的に配列されたフェーズドアレー給電部と鏡面修整反射鏡とを備える空間合成アンテナ装置に関する固定形状の鏡面修整反射鏡の製造方法であって、（Ａ）前記フェーズドアレー給電部及び前記鏡面修整反射鏡を予め定めた配置位置に設定するステップと、（Ｂ）各放射素子について、励振振幅値を固定値に設定し、且つ励振位相値を一定値に設定するステップと、（Ｃ）所定のサービスエリア内の放射利得が所定値より高く、当該サービスエリア外へのサイドローブレベルが当該所定値よりも低くなるように目標利得の値を設定するステップと、（Ｄ）前記複数の放射素子から放射される放射ビームを空間合成して得られる放射電力パターンが前記目標利得の値を達成するよう、当該鏡面修整反射鏡に関して修整基準のパラボラ面から鏡面形状を修整して最適化するステップと、（Ｅ）各放射素子の励振振幅値及び励振位相値の制御により当該サービスエリア内の特定地域における放射利得を所定の範囲で変更可能か否かを検査するステップと、（Ｆ）前記特定地域における放射利得を所定の範囲で変更可能である場合には、当該修整した鏡面形状を当該鏡面修整反射鏡の固定形状として決定し、前記特定地域における放射利得を所定の範囲で変更可能でない場合には、当該複数の放射素子の素子数及び／又は放射利得の種類数を変更して、前記ステップ（Ａ）から前記ステップ（Ｅ）を繰り返すステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、より少ない放射素子の励振振幅値や位相値を制御するだけで複雑なサービスエリア形状に合わせた放射電力パターンを形成し、且つ、降雨地域の形状やサービスエリア内の人口密度などに合わせて所望の値に変化させた放射電力パターンを形成することが可能となる。

また、フェーズドアレー給電方式のアンテナ装置では、アレー状に配置された放射素子の素子間隔を１波長以上としたとき、規則的なアレー配置に起因するグレーティングローブが発生することが知られている。グレーティングローブが発生する位置は素子間隔を広くするほど、メインビームに近づく性質がある。本発明によれば、一定の曲率を有するパラボラ反射鏡の代わりに鏡面修整反射鏡を使用することにより、アレー配置の規則性の影響が小さくなることが確認できており、即ち、グレーティングローブの影響を小さくすることができる。

また、従来技術である鏡面形状をアクチュエータなどで機械的に修整可能な反射鏡を用いて制御する方法を電波降雨減衰の影響が大きくなる１０ＧＨｚ以上の周波数帯で実現するのは困難であるが、本発明では予め鏡面形状が固定された鏡面修整反射鏡を用いるので、アクチュエータなどの機械的機構が不要となり、比較的安価に放射電力パターンを可変とした空間合成アンテナ装置を実現することが可能となる。

さらに、単一の放射素子に高い電力が加えられると高周波放電により故障する恐れがあるが、本発明の空間合成アンテナ装置によれば、６１個以下の複数の放射素子を用いることにより、各放射素子あたりの出力を小さくすることができるので高周波放電が発生するのを避けつつ、広帯域化に必要な高出力が達成可能である。また、本発明の空間合成アンテナ装置のようなフェーズドアレー給電方式のアンテナ装置は、仮に放射素子の素子故障が発生した場合においても、故障していない残りの放射素子の励振振幅値や励振位相値を制御することにより、放射電力パターンを任意の形状に成形することが可能であり、素子故障による影響を軽減することができる。

本発明による一実施形態の空間合成アンテナ装置の構成を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は、本実施形態の空間合成アンテナ装置における一実施例の設計例及びフェーズドアレー給電部の各放射素子の励振振幅分布を示す図である。 本発明による一実施例の鏡面修整反射鏡の製造方法を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は、本実施形態の空間合成アンテナ装置における放射電力パターン例を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は、本実施形態の空間合成アンテナ装置における別の放射電力パターン例を示す図である。 本発明による一実施形態の空間合成アンテナ装置が備える制御部のブロック図である。 従来技術から想定される１８８個の放射素子から構成されるフェーズドアレー給電部と、放射ビームを反射して空間合成する２枚のパラボラ反射鏡（主鏡及び副鏡）とを備える空間合成アンテナ装置の構成例を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は、従来技術から想定される１８８個の放射素子から構成されるフェーズドアレー給電部と、放射ビームを反射して空間合成する２枚のパラボラ反射鏡（主鏡及び副鏡）とを備える空間合成アンテナ装置における設計例及びフェーズドアレー給電部の各放射素子の励振振幅分布を示す図である。 従来技術から想定される１８８個の放射素子が規則的に配列されたフェーズドアレー給電部と２枚のパラボラ反射鏡（主鏡及び副鏡）とを備える空間合成アンテナ装置による放射電力パターン例を示す図である。 従来技術から想定される３１個の放射素子が規則的に配列されたフェーズドアレー給電部と２枚のパラボラ反射鏡（主鏡及び副鏡）とを備える空間合成アンテナ装置の構成例を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）従来技術から想定される１８８個の放射素子から構成されるフェーズドアレー給電部と、２枚のパラボラ反射鏡（主鏡及び副鏡）とを備える空間合成アンテナ装置における設計例及びフェーズドアレー給電部の各放射素子の励振振幅分布を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）従来技術から想定される３１個の放射素子が規則的に配列されたフェーズドアレー給電部と２枚のパラボラ反射鏡（主鏡及び副鏡）とを備える空間合成アンテナ装置による放射電力パターン例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明による一実施形態の空間合成アンテナ装置及び鏡面修整反射鏡の製造方法について説明する。

〔空間合成アンテナ装置〕
図１に、本発明による一実施形態の空間合成アンテナ装置１０の構成を示す。本実施形態の空間合成アンテナ装置１０は、放送衛星に搭載する反射鏡アンテナとして用いて、降雨による電波減衰を補償するため、晴天地域には一定の電力で覆う放射電力パターンを形成しつつ、降雨地域には通常より増力した放射電力パターンを形成可能にする装置であり、６１個以下の放射素子１４から構成されるフェーズドアレー給電部１３と、放射ビームを反射して空間合成するための本発明に係る鏡面修整反射鏡による主鏡１１と、一定の曲率を有するパラボラ反射鏡による副鏡１１２とを備える。本発明に係る鏡面修整反射鏡による主鏡１１は、詳細に後述する製造方法により修整基準のパラボラ面から形状が予め修整された滑らかな面を有する。

本実施形態の空間合成アンテナ装置１０では、６１個以下（例えば、数十個程度）の放射素子１４からなるフェーズドアレー給電部１３であっても、予め形状が設計された鏡面修整反射鏡による主鏡１１を組み合わせることで、サービスエリア内の放射利得を高め、且つサービスエリア外へのサイドローブレベルが低下するように日本列島を均一な電力分布で覆いながら、特定地域（例えば、降雨地域）に電力を増力した放射ビームを成形するべく可変にすることができる。尚、本発明に係る鏡面修整反射鏡による主鏡１１は、複数の放射素子１４からの放射ビームを空間合成し可変の放射電力パターンを形成することを考慮している点で、既存の技術で用いられるマルチビームの鏡面修整反射鏡とは異なることに留意する。マルチビームの鏡面修整反射鏡の場合、各放射素子を設置した位置に応じて、各ビームがカバーするエリアが決められており、各ビーム間の重なりが小さい。したがって、特定の放射素子の電力を増力すれば、そのエリアの電力を増力したビーム形成をすることができるが、任意の位置に増力したビームを形成することは出来ない。一方、本発明に係るフェーズドアレー給電部の各放射素子が形成するビームは大きく重なりあっており、主に位相を制御することにより、ビーム形状を変化しているので、任意の位置に増力したビームを動かすことが可能となっている。

また、フェーズドアレー給電部１３における各放射素子１４は、放射利得が３種類以下の複数の放射素子１４について、各放射素子を三角配列で規則的に配列するとともに、当該フェーズドアレー給電部１３の中心から放射利得が高い放射素子から順に規則的に所定形状で配列とした構成とする。例えば、サービスエリアが細長い形状をしている場合には、対象とする形状に合わせ正六角形配列の一部を変更して細長い形状に配置したり、放射利得の高い素子を細長い形状に配置することもできる。尚、上記の「所定形状での配列」に関して、図２（Ｂ）の実施例で示すように正六角形配列として固定することで、鏡面修整反射鏡における修整最適化に係る放射素子の素子数・種類数の削減効果に有利に寄与することが分かっている。ここで云う正六角形配列とは、放射利得の違いによって種類が異なる放射素子を正六角形状に配列することを云う。

（空間合成アンテナ装置の実施例）
図２（Ａ）に、本実施形態の空間合成アンテナ装置１０における一実施例の設計例を示し、図２（Ｂ）に、本実施形態の空間合成アンテナ装置１０における一実施例のフェーズドアレー給電部１３の各放射素子１４の励振振幅分布を示している。図２に示す、この実施例では、フェーズドアレー給電部１３の各放射素子１４として、３種類（従来と同等の０ｄＢ素子、−３ｄＢ素子及び−６ｄＢ素子）の放射利得で３１個の放射素子１４について、各放射素子を三角配列で規則的に配列するとともに、フェーズドアレー給電部１３の中心から放射利得が高い放射素子から順に規則的に所定形状で配列した構成とした。尚、各放射素子１４について、送信用の放射素子について特に説明するが、送受信共用の放射素子とすることができるし、受信用の放射素子を別途設けてもよい。

（鏡面修整反射鏡の製造方法）
続いて、図３を参照して、本発明に係る鏡面修整反射鏡による主鏡１１の製造方法について説明する。図３は、本発明による一実施例の鏡面修整反射鏡の製造方法を示す図である。以下に説明する鏡面修整反射鏡の設計手順は、コンピュータを用いて形状演算を実行することができるし、実際の反射鏡を用いて形状修整を実行することもできる。

まず、フェーズドアレー給電部１３、主鏡１１及び副鏡１２を予め定めた配置位置（例えば、図２に示した値）に設定する（ステップＳ１）。ここで、副鏡１２は一定の曲率を有するパラボラ反射鏡とし、主鏡１１は一定の曲率を有する修整基準のパラボラ面から以下の手順で鏡面形状を修整して滑らかな面を形成する例について説明する。

次に、各放射素子１４の励振振幅値を固定値（例えば、図２に示した値）に設定する（ステップＳ２）。

次に、各放射素子１４の励振位相値を一定値（例えば、同位相値）に設定する（ステップＳ３）。

次に、サービスエリアに関する目標利得の値を設定する（ステップＳ４）。例えば、サービスエリア内の放射利得を所定値（例えば、４０ｄＢｉ）より高く、サービスエリア外へのサイドローブレベルは当該所定値以下（好適には、当該所定値の１／２以下）となるように（例えば、２０ｄＢｉ）、目標利得の値を設定する。

次に、複数の放射素子１４から放射される放射ビームを空間合成して得られる放射電力パターンが当該目標利得の値を達成するよう、主鏡１１に関して、修整基準のパラボラ面から修整した鏡面形状を最適化する（ステップＳ５）。例えば、設定した目標利得の値を達成するように、パラボラ面からＭｉｎＭａｘ法、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）、又は最急降下法などの最適化技法を用いて鏡面形状を修整し、滑らかな面を形成する。

次に、各放射素子１４の励振振幅値及び励振位相値を制御することで、当該サービスエリア内の特定地域における放射利得を所定の範囲（例えば、±１０ｄＢ）で変更可能か否かを検査する（ステップＳ６）。特定地域における放射利得を所定の範囲で変更可能であれば（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、主鏡１１についての鏡面修整形状を決定する。特定地域における放射利得を所定の範囲で変更可能でなければ（ステップＳ６：Ｎｏ）、ステップＳ７に移行する。

ステップＳ７では、当該複数の放射素子１４の素子数及び／又は放射利得の種類数を変更して、再度、ステップＳ１以降の手順を所定のループ回数以下で収束するまで繰り返す。尚、複数の放射素子１４の素子数及び／又は放射利得の種類数を変更するにあたり、放射素子１４の素子数は６１個以下とし、各放射素子１４が三角配列で規則的に配列され、且つ放射利得が高い放射素子１４から順にフェーズドアレー給電部１３の中心から規則的に所定形状の配列（好適には、正六角形配列）で配列されているものとする（図２（Ｂ）参照）。

上記の手順で設計又は製造された鏡面修整反射鏡を主鏡１１として空間合成アンテナ装置１０に用いることにより、各放射素子１４の励振振幅値及び／又は励振位相値の制御のみで、比較的に少ない個数の放射素子で複雑なサービスエリアの形状に合わせた放射電力パターンを形成し、且つ、降雨地域の形状やサービスエリア内の人口密度などに合わせて任意の形状の放射電力パターンを形成することができるようになる。

また、フェーズドアレー給電部１３の向きを制御する制御装置（図示せず）に電源供給していない状態のときに励振位相値を一定値（例えば、同位相）となるようにフェーズドアレー給電部１３における各放射素子１４への給電線路長（位相値）を調整しておくことが好適である。これにより、当該制御装置が故障した場合でも、設定した目標利得を達成するような放射電力パターンを形成することができる。

図４（Ａ），（Ｂ）に、図２に示す実施例で形成した本実施形態の空間合成アンテナ装置１０における一実施例として、３１個の放射素子１４からなるフェーズドアレー給電部１３、主鏡１１（本発明に係る鏡面修整反射鏡）及び副鏡１２（一定の曲率を有するパラボラ反射鏡）を備える空間合成アンテナ装置１０による放射電力パターン例を示す。図４（Ａ）の広域図では、図１２（Ａ）と比較して、サービスエリア外のサイドローブレベルが低くなっていることが分かる。また、図４（Ｂ）の近軸図では、図１２（Ｂ）と比較して、絶対放射利得値として、サービスエリアである日本国内での放射利得が高くなっていることが分かる。更に、図４（Ｂ）の近軸図では、６１個を超える放射素子を用いて得られていた従来技術から想定される空間合成アンテナ装置１００に関する図９と比較しても、放射電力パターンとして実用レベルが得られていることが分かる。

また、図４（Ａ）を参照するに、主鏡１１として、一定の曲率を有するパラボラ反射鏡の代わりに本発明に係る鏡面修整反射鏡を使用することにより、放射素子１４のアレー配置の規則性の影響が小さくなることが確認でき、即ち、グレーティングローブの影響を小さくすることができる。図１２（Ａ）を参照すると、放射素子１４の規則的なアレー配置に起因するグレーティングローブが生じているのが分かる。一方、図４（Ａ）を見ると、規則的なアレー配置に起因するグレーティングローブの影響は見られない。これは、主鏡１１としてパラボラ反射鏡の代わりに鏡面修整反射鏡としたことにより、アレー配置の規則性の影響が小さくなったことが原因と考えられる。また、放射利得が３種類以下の複数の放射素子１４について、各放射素子を三角配列で規則的に配列するとともに、フェーズドアレー給電部１３の中心から放射利得が高い放射素子から順に規則的に所定形状で配列した構成とすることにより、反射鏡の照射する電力分布が端部にいくほど小さくなるようにすることで、サイドローブレベルが小さくなるような電力分布を形成していることが原因と考えられる。

また、図３に示すステップＳ４の目標利得の設定に関して、サービスエリア内の放射利得を均一とし、サービスエリア外へのサイドローブレベルを均一に低くなるように目標利得を設定している一方で、ステップＳ６にて各放射素子１４の励振振幅値及び／又は励振位相値の制御による当該サービスエリア内の特定地域における放射利得を所定の範囲で変更可能にすることを考慮して鏡面修整反射鏡による主鏡１１を形成していることから、ステップＳ４の目標利得の設定値を降雨による不稼働時間がサービスエリア内で均一となるように降雨が多い地域には予め高い放射利得とすることや、人口密集地域が高い放射利得となるようにするなど、があり得る。

例えば、図５（Ａ），（Ｂ）に、図２に示す実施例で形成した本実施形態の空間合成アンテナ装置１０に関して、３１個の放射素子１４からなるフェーズドアレー給電部１３、主鏡１１（本発明に係る鏡面修整反射鏡）及び副鏡１２（一定の曲率を有するパラボラ反射鏡）を備える空間合成アンテナ装置１０による別の放射電力パターン例を示す。図５（Ａ），（Ｂ）は、降雨電波減衰による受信電力低下を補償するため、増力したビームを形成した放射電力パターンの設計例である。図５（Ａ）には、東京に約７ｄＢ増力したビームを形成した場合の例を示し、図５（Ｂ）には、福岡に約７ｄＢ増力したビームを形成した場合の例を示している。

図５（Ａ），（Ｂ）に示す例は、フェーズドアレー給電部１３の各放射素子１４の励振振幅値を図２（Ｂ）に示した値に固定し、各放射素子１４の励振位相値のみを変化させることにより得られる放射電力パターン例である。このように、各放射素子１４の励振振幅値及び励振位相値の制御によって、特定地域における放射電力パターンを可変にすることができる。

尚、上述の実施形態では、主鏡１１を鏡面修整反射鏡とし、副鏡１２をパラボラ反射鏡とした例を説明したが、主鏡１１をパラボラ反射鏡として副鏡１２を鏡面修整反射鏡とすることもでき、あるいは主鏡１１及び副鏡１２の双方を鏡面修整反射鏡としてもよい。また、空間合成アンテナ装置１０を１枚の修整鏡面反射鏡とフェーズドアレー給電部１３との組み合わせとしてもよい。

さらに、図２（Ｂ）における各放射素子の励振振幅分布に関して、例えば、０ｄＢ素子を１２０Ｗの放射利得の素子とし、−３ｄＢ素子を６０Ｗの放射利得の素子とし、−６ｄＢ素子を３０Ｗの放射利得の素子としたとき、３１個の放射素子１４を空間合成することにより、フェーズドアレー給電部１３の全体で１９２０Ｗの高出力を達成することができる。仮に、単一の放射素子１４又は単一の帯域制限フィルタに１９２０Ｗもの出力を加えると高周波放電により機器が破壊される恐れがあるが、本実施例によれば、各放射素子１４あたりでは、最大１２０Ｗの電力がかかるだけなので、高周波放電による機器破壊を避けることができる。

また、本実施形態の空間合成アンテナ装置１０は、フェーズドアレー給電部１３における各放射素子１４の励振振幅値及び／又は励振位相値を制御する制御部５０を備える。図６は、本発明による一実施形態の空間合成アンテナ装置１０が備える制御部５０のブロック図である。制御部５０は、基地局設備から送信された各放射素子１４に関する励振振幅値及び／又は励振位相値からなる励振情報を基に、フェーズドアレー給電部１３における各放射素子１４の励振振幅値及び／又は励振位相値を制御する機能を有し、増幅器５１と、移相器５２と、帯域制限フィルタ５３と、励振情報入力部５４と、励振振幅・位相設定部５５とを備える。ここで、増幅器５１、移相器５２及び帯域制限フィルタ５３は、放射素子１４の素子数分を有していることから、放射素子１４の素子数の削減は、増幅器５１、移相器５２及び帯域制限フィルタ５３の個数の削減効果にも寄与することに留意する。

増幅器５１は、基地局設備から得られる当該サービスエリアへと送信するサービス情報の信号を入力して増幅し、移相器５２に送出する。このような励振情報の信号は、例えば放射素子１４が送受信共用の素子であれば、主鏡１１及び副鏡１２を介して受信し、送受分離部（図示せず）により分離して抽出し、各放射素子１４向けの増幅器５１に分配することができる。

移相器５２は、当該サービス情報に関する信号の位相値を調整し、帯域制限フィルタ５３に送出する。

帯域制限フィルタ５３は、移相器５２からの位相値調整後の信号をフェーズドアレー給電部１３における各放射素子１４に送出する。

励振情報入力部５４は、基地局設備から送信された各放射素子１４に関する励振振幅値及び／又は励振位相値からなる励振情報を入力して、励振振幅・位相設定部５５に送出する。

励振振幅・位相設定部５５は、基地局設備から送信された各放射素子１４に関する励振振幅値及び／又は励振位相値からなる励振情報を基に、増幅器５１における励振振幅値、移相器５２における位相値調整量、及び、帯域制限フィルタ５３における帯域制限量のうち少なくとも１つ以上を制御する。尚、励振振幅・位相設定部５５は、増幅器５１の増幅量を固定とし、帯域制限フィルタ５３を減衰器として構成して各放射素子１４の放射利得を制御することもできる。

この制御部５０により、比較的に少ない個数の放射素子で複雑なサービスエリアの形状に合わせた放射電力パターンを形成し、且つ、降雨地域の形状やサービスエリア内の人口密度などに合わせて任意の形状の放射電力パターンを形成することができるようになる。

本発明によれば、より少ない放射素子の励振振幅値や励振位相値を制御するだけで複雑なサービスエリア形状に合わせた放射電力パターンを形成し、且つ、降雨地域の形状やサービスエリア内の人口密度などに合わせて所望の値に変化させた放射電力パターンを形成することが可能となるので、サービスエリア内の放射電力パターンを可変とする衛星搭載型のアンテナに有用である。

１０ 空間合成アンテナ装置
１１ 主鏡（鏡面修整反射鏡）
１２ 副鏡（パラボラ反射鏡）
１３ フェーズドアレー給電部
１４ 放射素子
１０ａ 空間合成アンテナ装置
１１ａ 主鏡（パラボラ反射鏡）
１２ａ 副鏡（パラボラ反射鏡）
１３ａ フェーズドアレー給電部
１４ａ 放射素子
５０ 制御部
５１ 増幅器
５２ 移相器
５３ 帯域制限フィルタ
５４ 励振情報入力部
５５ 励振振幅・位相設定部
１００ 空間合成アンテナ装置
１１１ 主鏡（パラボラ反射鏡）
１１２ 副鏡（パラボラ反射鏡）
１１３ フェーズドアレー給電部
１１４ 放射素子

Claims (6)

1. 放射電力パターンを可変とする空間合成アンテナ装置であって、
   放射利得が３種類以下の複数の放射素子が規則的に配列されたフェーズドアレー給電部と、
   前記複数の放射素子から放射される放射ビームを空間合成して所定の放射電力パターンを形成するための固定形状の鏡面修整反射鏡と、
   を備えることを特徴とする空間合成アンテナ装置。
2. 基地局設備から送信された各放射素子に関する励振振幅値及び／又は励振位相値からなる励振情報を基に前記フェーズドアレー給電部における各放射素子の放射ビームを制御する制御部を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の空間合成アンテナ装置。
3. 前記複数の放射素子は、各放射素子が三角配列で規則的に配列され、且つ放射利得が高い放射素子から順に前記フェーズドアレー給電部の中心から規則的に所定形状で配列されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の空間合成アンテナ装置。
4. 前記複数の放射素子は、放射利得が高い放射素子から順に前記フェーズドアレー給電部の中心から規則的に正六角形配列で配列されていることを特徴とする、請求項３に記載の空間合成アンテナ装置。
5. 前記フェーズドアレー給電部は、６１個以下の放射素子からなることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の空間合成アンテナ装置。
6. 放射利得が３種類以下の複数の放射素子が規則的に配列されたフェーズドアレー給電部と鏡面修整反射鏡とを備える空間合成アンテナ装置に関する固定形状の鏡面修整反射鏡の製造方法であって、
   （Ａ）前記フェーズドアレー給電部及び前記鏡面修整反射鏡を予め定めた配置位置に設定するステップと、
   （Ｂ）各放射素子について、励振振幅値を固定値に設定し、且つ励振位相値を一定値に設定するステップと、
   （Ｃ）所定のサービスエリア内の放射利得が所定値より高く、当該サービスエリア外へのサイドローブレベルが当該所定値よりも低くなるように目標利得の値を設定するステップと、
   （Ｄ）前記複数の放射素子から放射される放射ビームを空間合成して得られる放射電力パターンが前記目標利得の値を達成するよう、当該鏡面修整反射鏡に関して修整基準のパラボラ面から鏡面形状を修整して最適化するステップと、
   （Ｅ）各放射素子の励振振幅値及び励振位相値の制御により当該サービスエリア内の特定地域における放射利得を所定の範囲で変更可能か否かを検査するステップと、
   （Ｆ）前記特定地域における放射利得を所定の範囲で変更可能である場合には、当該修整した鏡面形状を当該鏡面修整反射鏡の固定形状として決定し、前記特定地域における放射利得を所定の範囲で変更可能でない場合には、当該複数の放射素子の素子数及び／又は放射利得の種類数を変更して、前記ステップ（Ａ）から前記ステップ（Ｅ）を繰り返すステップと、
   を含むことを特徴とする、鏡面修整反射鏡の製造方法。