JP2014143525A - 空間合成アンテナ装置、並びに、主鏡及び副鏡に関する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、並びに、主鏡及び副鏡に関する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、放射利得が同一である複数の放射素子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反射する鏡面修整反射鏡からなる副鏡１２と、副鏡１２によって反射した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鏡面修整反射鏡からなる主鏡１１とを備える。本発明の主鏡１１及び副鏡１２に関する鏡面修整反射鏡の製造方法は、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、主鏡１１及び副鏡１２のそれぞれに設定した目標利得の値を達成するよう、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、並びに、主鏡及び副鏡に関する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９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１０（Ａ）に、図９に示す空間合成アンテナ装置１００の設計例を示し、図１０（Ｂ）に、図９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の励振振幅分布を定める配置例を示している。

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、従来技術においては、図１０（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１１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、或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放射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場合の例として、図１２（Ａ），（Ｂ）に、３２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。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１１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。

また、複数種の放射素子を持つフェーズドアレー給電部を実現するためには、種類の異なる増幅器を用意する必要があり、例えば０ｄＢ素子と−６ｄＢ素子では、増幅器の出力レベルが大きく異なるため、同じ形状とすることが困難となり、衛星搭載時の増幅器等のレイアウトが複雑となる。換言すれば、ＴＷＴ増幅器などの衛星搭載用の増幅器を放射素子の数と同数で構成するにあたり、種類の異なる増幅器で構成するよりも同じ種類の増幅器により構成した方が、設計負担を減少させるとともに安価に構成することができる。

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、並びに、主鏡及び副鏡に関する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可変とする空間合成アンテナ装置であって、放射利得が同一である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反射する固定形状の鏡面修整反射鏡からなる副鏡と、前記副鏡によって反射した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からなる主鏡と、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、前記副鏡は、理想的な振幅テーパーを有する理想利得分布を基に定めた目標利得の値に従って修整基準のパラボラ面から修整された鏡面形状を有す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、前記主鏡は、前記副鏡の鏡面形状並びに前記複数の放射素子の素子数及び配置を固定して、サービスエリア内の放射利得を所定値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となるように定めた目標利得の値に従って修整基準のパラボラ面から修整された鏡面形状を有す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。

更に、本発明の主鏡及び副鏡に関する鏡面修整反射鏡の製造方法は、放射利得が同一である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主鏡及び副鏡に関する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、前記主鏡及び前記副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、励振振幅値を同一値に設定し、且つ励振位相値を一定値に設定するステップと、（Ｃ）前記副鏡に関して、理想的な振幅テーパーを有する理想利得分布を基に目標利得の値を設定するステップと、（Ｄ）前記副鏡に関して、前記主鏡の鏡面形状をパラボラ面として、前記複数の放射素子から放射される放射ビームを反射す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、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）前記主鏡に関して、前記副鏡の鏡面形状並びに前記複数の放射素子の素子数及び配置を固定して、サービスエリア内の放射利得を所定値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となるように目標利得の値を設定するステップと、（Ｆ）前記主鏡に関して、前記副鏡によって反射した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所定の放射電力パターンが当該目標利得の値を達成するよう、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、（Ｇ）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、（Ｈ）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、当該主鏡及び副鏡に関して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／又は配置、或いは、前記副鏡に関する目標利得の値を変更して、前記ステップ（Ａ）から前記ステップ（Ｇ）を繰り返すステップと、（Ｉ）前記主鏡及び副鏡に関する固定形状の鏡面修整反射鏡の鏡面形状パターンを基に、前記主鏡及び前記副鏡を成形するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、放射利得が同一である複数の放射素子の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。

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、本発明による一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定める配置例を示す図である。 本発明による一実施例の主鏡及び副鏡に関する鏡面修整反射鏡の製造方法を説明する設計フロー図である。 本発明による一実施例の副鏡に関する鏡面修整反射鏡にて、３１個の放射素子を全て０ｄＢ素子としたフェーズドアレー給電部による副鏡の鏡面修整前のカットパターン（主鏡及び副鏡を介する放射電力の一方位における利得分布）、サイドローブの理想利得及び目標利得を示す図である。 本発明による一実施例の副鏡に関する鏡面修整反射鏡にて、３１個の放射素子を全て０ｄＢ素子としたフェーズドアレー給電部による副鏡の鏡面修整後のカットパターン（主鏡及び副鏡を介する放射電力の一方位における利得分布）及びサイドローブの目標利得を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は、本発明による一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、本発明による一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定める配置例を示す図である。 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。 （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、例えば３１個の放射素子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、同じく鏡面修整反射鏡による副鏡１２とを備える。本発明に係る鏡面修整反射鏡による主鏡１１及び副鏡１２は、修整基準のパラボラ面から鏡面形状を修整し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、例えば３１個の放射素子１４からなるフェーズドアレー給電部１３であっても、固定形状の鏡面修整反射鏡による主鏡１１と副鏡１２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。

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、それぞれ放射利得が同じであり、各放射素子を三角配列で規則的に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することもできる。

（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の励振振幅分布を定める配置例を示している。図２に示す例では、フェーズドアレー給電部１３の各放射素子１４として、０ｄＢ素子として放射利得が同じである３１個の放射素子１４を三角配列で規則的に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に基づいて、本発明に係る主鏡１１及び副鏡１２に関する鏡面修整反射鏡の製造方法について説明する。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、設計した鏡面修整反射鏡の鏡面形状パターンを基に、成形型を利用して鏡面修整反射鏡を形成することや修整基準のパラボラ面を有する実際の反射鏡から削り出し等の形状修整を行って鏡面修整反射鏡を形成することもできる。

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及び主鏡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の励振振幅値を同一値に設定する（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、副鏡１２に関して、修整基準のパラボラ面から鏡面形状を修整するために、副鏡用のサイドローブレベルとメインビーム利得及びビーム幅に関する目標利得の値を設定する（ステップＳ４）。例えば、主鏡及び副鏡を修整基準のパラボラ面として、図４に示すように、０ｄＢ素子として励振振幅値を同じ値に設定した場合のカットパターン（主鏡及び副鏡を介する放射電力の一方位における利得分布）と、理想的なパラボラアンテナのカットパターン（主鏡及び副鏡を介する放射電力の一方位における理想的な振幅テーパーを有する理想利得分布）とを比較すると、サイドローブレベルが高くなっており、メインビームの幅が狭く、利得が低くなっている。そこで、副鏡１２の鏡面修整に関して、０ｄＢ素子として励振振幅値を同じ値に設定した場合のカットパターンにおけるサイドローブレベルを理想利得に近づける方向に、サイドローブレベルとメインビーム利得及びビーム幅に関する目標利得の値を設定する。目標利得の値は、全周方向に満たすように設定する。尚、理想的な振幅テーパーを有する理想利得分布とは、複数の放射素子の素子数や種類又は配置に依らずアンテナの目的に合わせて高利得と低サイドローブが得られる利得分布を云う。例えば、チェビシェフ指向性は与えられたサイドローブレベルに対してビーム幅が最も狭くなる指向性であり、またテイラー指向性は与えられたサイドローブレベルに対して利得が最大となる指向性などが挙げられる。

次に、副鏡１２に関して、図５に示すように、主鏡１１の鏡面形状をパラボラ面として、複数の放射素子１４から放射される放射ビームを反射す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、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、主鏡１１に関して、副鏡１２の鏡面形状並びに複数の放射素子１４の素子数及び配置を固定して、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Ｓ６）。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、主鏡１１に関して、副鏡１４によって反射した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所定の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鏡面形状を修整して最適化する（ステップＳ７）。最適化技法についてはステップS５と同様である。

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Ｓ８）。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Ｓ８：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Ｓ８：Ｎｏ）、ステップＳ９に移行する。

ステップＳ９では、当該複数の放射素子１４の素子数及び／又は配置、或いは副鏡の鏡面修整に関する目標利得の値を変更して、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、上記の手順でコンピュータを用いて主鏡１１及び副鏡１２に関する鏡面形状パターンを自動演算するように構成するには、例えば、フェーズドアレー給電部１３、主鏡１１及び副鏡１２に関する配置位置や複数の放射素子１４の励振振幅値及び励振位相値、並びにサービスエリアの範囲及び当該特定地域の範囲等を固定値に設定し、複数の放射素子１４の素子数及び／又は配置、或いは副鏡の鏡面修整に関する目標利得の値をそれぞれ変数として自動演算するように構成すればよい。ただし、複数の放射素子１４の素子数及び／又は配置を変更するにあたり、フェーズドアレー給電部１３の放射素子数を少なくして重量軽減する観点から放射素子１４の素子数は６１個以下とし、同じ放射利得値である各放射素子１４が三角配列で規則的に配列するものとする（図２（Ｂ）参照）。

上記の手順で設計した鏡面形状パターンにより主鏡１１及び副鏡１２を成形する。このように製造した鏡面修整反射鏡による主鏡１１及び副鏡１２を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６（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（本発明に係る鏡面修整反射鏡）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。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６（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。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放射素子１４に関するアレー配置の規則性の影響を小さくすることができたことと、放射利得が同一である複数の放射素子１４について、各放射素子を三角配列で規則的に配列し、副鏡の鏡面形状を修整することで、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できたことが効果要因として考えられる。

また、図７（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（本発明に係る鏡面修整反射鏡）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７（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７（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７（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７（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。

さらに、図２（Ｂ）における各放射素子の励振振幅分布を定める配置例に関して、例えば、０ｄＢ素子を６０Ｗ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１８６０Ｗ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１８６０Ｗ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６０Ｗ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。

各放射素子１４の励振振幅値及び励振位相値の制御に関して、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８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の素子数や種類の削減は、増幅器５１、移相器５２及び帯域制限フィルタ５３の個数や種類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（鏡面修整反射鏡）
１３ フェーズドアレー給電部
１４ 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、
   放射利得が同一である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反射する固定形状の鏡面修整反射鏡からなる副鏡と、
   前記副鏡によって反射した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からなる主鏡と、
   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. 前記副鏡は、理想的な振幅テーパーを有する理想利得分布を基に定めた目標利得の値に従って修整基準のパラボラ面から修整された鏡面形状を有す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. 前記主鏡は、前記副鏡の鏡面形状並びに前記複数の放射素子の素子数及び配置を固定して、サービスエリア内の放射利得を所定値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となるように定めた目標利得の値に従って修整基準のパラボラ面から修整された鏡面形状を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項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. 放射利得が同一である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主鏡及び副鏡に関する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、前記主鏡及び前記副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、励振振幅値を同一値に設定し、且つ励振位相値を一定値に設定するステップと、
   （Ｃ）前記副鏡に関して、理想的な振幅テーパーを有する理想利得分布を基に目標利得の値を設定するステップと、
   （Ｄ）前記副鏡に関して、前記主鏡の鏡面形状をパラボラ面として、前記複数の放射素子から放射される放射ビームを反射す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、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）前記主鏡に関して、前記副鏡の鏡面形状並びに前記複数の放射素子の素子数及び配置を固定して、サービスエリア内の放射利得を所定値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となるように目標利得の値を設定するステップと、
   （Ｆ）前記主鏡に関して、前記副鏡によって反射した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所定の放射電力パターンが当該目標利得の値を達成するよう、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、
   （Ｇ）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、
   （Ｈ）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、当該主鏡及び副鏡に関して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／又は配置、或いは、前記副鏡に関する目標利得の値を変更して、前記ステップ（Ａ）から前記ステップ（Ｇ）を繰り返すステップと、
   （Ｉ）前記主鏡及び副鏡に関する固定形状の鏡面修整反射鏡の鏡面形状パターンを基に、前記主鏡及び前記副鏡を成形するステップと、
   を含むことを特徴とする、主鏡及び副鏡に関する鏡面修整反射鏡の製造方法。