JP2021002794A - 主反射鏡及びこれを含む周波数共用アンテナシステム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の周波数で共用される周波数共用アンテナシステムを提供する。【解決手段】複数の周波数で利用される周波数共用アンテナシステム１は、主反射鏡２と、主反射鏡２の放物面の一部を構成するように主反射鏡２に埋め込まれた、複数のアレイアンテナ２１、２２、２３、２４と、で構成する。複数の周波数の電波を反射する複数のアレイアンテナ２１、２２、２３、２４は、右旋偏波面送信用、左旋偏波面受信用、左旋偏波面送信用、及び右旋偏波面受信用に、それぞれ対応する。【選択図】図１

Description

本発明は、放物面である反射表面を含む主反射鏡と、該主反射鏡を含み、複数の周波数で共用される周波数共用アンテナシステムに関する。

複数の周波数の間でアンテナを共用することができる周波数共用アンテナの一例として、図４及び図５に示す４つの共用方式が知られている。ここで、図４Ａはホーン共用方式を示し、図４Ｂはホーン切替方式を示し、図５Ａは副反射鏡切替方式を示し、図５Ｂは副反射鏡透過方式を示している。

ここで、図４Ａのホーン共用方式とは、複数の周波数においてそれぞれ使用される一次放射器（以下、「ホーン」という）として１つのホーンを共用する方式であり、各周波数について垂直偏波又は水平偏波へと分波器を用いて分波する方式である。また、図４Ｂのホーン切替方式は、各周波数用のホーンの位置を入れ替えることによって、放物面を有するパラボラアンテナの主反射鏡２００の焦点位置や副反射鏡３００の焦点位置を複数のホーンで共用する方式である。
一方、図５Ａの副反射鏡切替方式は、複数のホーン（Ｋｕホーン及びＫａホーン）と副反射鏡３００との間に設けられた反射鏡の使用の有無によって、複数のホーンのうちのいずれかを使用するように切り替える方式である。また、図５Ｂの副反射鏡透過方式は、副反射鏡３００をメッシュ等の周波数選択性のある材料等で製作することによって、或る周波数用（例えばＫｕバンド用）のホーンは、副反射鏡３００の焦点位置に設置し、副反射鏡３００で反射させて主反射鏡２００に向かうようにし、別の周波数用（例えばＫａバンド用）のホーンは、主反射鏡２００の焦点位置に設置し、副反射鏡３００を透過させて主反射鏡２００に向ける構成を採用した方式である。

ここで、図５Ａに示す副反射鏡切替方式の一例として、特許文献１について以下に説明する。特許文献１には、主反射鏡の焦点に配置されたホーンと、その焦点の周波数選択板に対する影像点に配置された別のホーンを含む多周波数帯共用アンテナについての記載がある（特許文献１の図１を参照）。
また、図５Ｂに示す副反射鏡透過方式の一例として、特許文献２及び３について以下に説明する。特許文献２には、高周波数用のホーンと主反射鏡の焦点との間に周波数選択板を配置し、低周波数用のホーンを周波数選択板に対してその主反射鏡の焦点とは対称となるイメージ点に配置した周波数共用アンテナについての記載がある（特許文献２の第２図を参照）。さらに、特許文献３には、低周波数のホーンの放射パターンを基に副反射鏡を設計し直し、高域透過型の周波数選択反射板（ＦＳＲＳ）を副反射鏡の全体に付加した周波数共用アンテナや（特許文献３の図２ｂ）、高域透過型のＦＳＲＳを副反射鏡の一部に付加した周波数共用アンテナについての記載がある（特許文献３の図３を参照）。

しかしながら、上記の４つの周波数共用方式の場合には、以下の課題が指摘されている。
図４Ａのホーン共用方式の場合、各周波数用のホーンの最適化が必要である。また、両バンドを共用したホーンは、一般的に、単一バンド用のホーンよりも特性が劣化する傾向にある。
また、図４Ｂのホーン切替方式の場合には、給電部等も切り替えによる駆動が発生し、駆動部が大型化し、バンドの切替に時間がかかる。また、図４Ｂのホーン切替方式では、高周波数と低周波数との両方を同時に使用することができない。加えて、図４Ｂのホーン切替方式では、送信アンプや受信アンプの配置次第で実現性が異なる（配置に制約が生じる場合がある）。
さらに、図５Ａの副反射鏡切替方式の場合には、可動反射鏡の配置次第ではアンテナ性能に影響を与える可能性があることに加えて、高周波数と低周波数との両方の周波数を同時に使用することができない。
最後に、図５Ｂの副反射鏡透過方式の場合には、副反射鏡３００を透過する際の透過率による損失が発生することに加えて、副反射鏡３００の前面にホーンを配置するためにアンテナ全体の外形が大型化することに加えて、副反射鏡を透過するホーンの位置が副反射鏡３００の配置により主反射鏡２００の焦点からずれることおよび、副反射鏡３００によってアンテナ特性に影響を与える可能性がある。

このように、上記した従来の周波数共用方式によれば、各周波数におけるアンテナ性能を保持しつつ、高周波数と低周波数との両方の周波数を同時に使用することができ、構成や製造が比較的に容易な周波数共用アンテナを得るのは困難である（表１を参照）。
また、複数の周波数でアンテナを共用するためには、ホーンの放射特性や周波数選択性などを最適化して、各周波数の差による反射鏡への輻射特性を最適化する必要がある。

特開昭５８−３０２１０号公報 特開昭６０−１８００３号公報 特開昭６０−１３９００５号公報

単一周波数アンテナで得られた最適設計を変更することなく、複数の周波数での同時利用が可能な周波数共用アンテナを実現することが望まれる。

本発明は、複数の周波数で利用可能な周波数共用アンテナ用の主反射鏡と、これを用いた周波数共用アンテナシステムとを提供する。
具体的には、本発明は、
複数の周波数で利用される周波数共用アンテナ用の主反射鏡であって、
前記主反射鏡の放物面の一部を構成するように前記主反射鏡に埋め込まれた、少なくとも１つのアレイアンテナを備えており、
前記少なくとも１つのアレイアンテナは、前記複数の周波数のうち、高周波数に対応する電波を反射するものである、主反射鏡を提供する。

ここで、前記少なくとも１つのアレイアンテナは、前記放物面の一部を構成する面上に複数の放射素子を備えており、該複数の放射素子は、前記高周波数に対応する電波の波長をλとした場合、隣り合う放射素子同士の隙間の距離がおおむねλ／１６よりも小さい態様であることが好ましい。また、前記主反射鏡の放物面で反射される電波の周波数帯が例えばＫｕバンドであり、前記高周波数に対応する電波の周波数帯が例えばＫａバンドである態様であってもよい。

さらに、前記アレイアンテナは、４つのアレイアンテナなど複数配置も可能であって、該４つのアレイアンテナは、右旋偏波面用と左旋偏波面用と送信用と受信用とにそれぞれ分離され、前記主反射鏡の異なる場所にそれぞれ埋め込まれている態様であってもよい。ここで、前記放射素子等は銅又はアルミニウム等の金属を含む態様であることが好ましい。
加えて、上記のいずれかに記載した主反射鏡を含む周波数共用アンテナシステムについても提供する。

本発明の主反射鏡を既存のアンテナの主反射鏡と交換することによって、比較的容易に周波数共用アンテナに変更することができる。例えば、既存のＫｕバンドのみに対応するアンテナシステムの主反射鏡を本願の一実施態様の主反射鏡へと交換することによって、Ｋｕバンドと同時にＫａバンドも利用可能な周波数共用アンテナを実現することができる。
また、主反射鏡の表面に共用するアンテナを設ける構成を採用しているので、一体化による小型化や省スペース化された周波数共用アンテナを実現することができる。
さらに、主反射鏡が複数のアレイアンテナを含む場合には、複数のアレイアンテナについて各成分（右旋偏波面送信用、左旋偏波面受信用、左旋偏波面送信用及び右旋偏波面受信用など）を分離して割り当てることができるので、空間による結合をとることが容易となる。
加えて、高周波数に対応するアレイアンテナについては、アレイアンテナを構成する放射素子同士の隙間の距離を高周波数に対応する波長との対比にして、反射が可能な十分な狭い放射素子等の間隔を決定すればよく、アンテナの素子径と配置の決定が容易である。

本発明の一実施態様である主反射鏡２を含む周波数共用アンテナ１を示す概略図である。 図１の周波数共用アンテナ１の側面図である。 Ａは、図１の主反射鏡２に埋め込まれたアレイアンテナ２１〜２４のうち、アレイアンテナ２１の全体の形状を示す斜視図である。Ｂは、放射素子２１０がｘ方向及びｙ方向に複数個配列されたアレイアンテナ２１の表面の部分拡大図である。 Ａは、従来の周波数共用システムにおけるホーン共用方式の構成を示す図である。Ｂは、従来の周波数共用システムにおけるホーン切替方式の構成を示す図である。 Ａは、従来の周波数共用システムにおける副反射鏡切替方式の構成を示す図である。Ｂは、従来の周波数共用システムにおける副反射鏡透過方式の構成を示す図である。

図１に、複数の放射素子を有するアレイアンテナ２１、２２、２３及び２４が埋め込まれた主反射鏡２を用いた周波数共用アンテナシステム１を示す。主反射鏡２は、低周波数での通信において利用されるものである。また、図１に示す主反射鏡２は、主反射鏡２の反射面である放物面の一部を形成する表面を有している４つのアレイアンテナを含んでいる。

図１の主反射鏡２の大きさは、ｙ方向が約１２５０ｍｍであり、ｘ方向が約１４００ｍｍである。また、図１の各アレイアンテナ２１、２２、２３及び２４の一辺の長さ及び幅は約３００ｍｍである。図１に示すように、４つのアレイアンテナ２１、２２、２３及び２４は、主反射鏡２の中心付近からの距離は自由に設置することが可能である。

図１の４つのアレイアンテナ２１、２２、２３及び２４は、いずれも、主反射鏡２で利用される低周波数よりも高周波数での通信において利用される。ここで、４つのアレイアンテナ２１、２２、２３及び２４は、右旋偏波面送信用、左旋偏波面受信用、左旋偏波面送信用及び右旋偏波面受信用にそれぞれ対応するように分離されている。

図２に、図１の主反射鏡２を含む周波数共用アンテナシステム１の側面図を示す。ここでの周波数共用アンテナシステム１の低周波数に対応したホーン４を使用する。例えば、低周波数で使用する場合には、低周波数に対応する電波をホーン４から放出し、副反射鏡３で反射し、主反射鏡２の放物面へと向ける。一方、高周波数で送信する場合には、主反射鏡２の放物面の一部を形成している４つのアレイアンテナ２１〜２４から空間に放射される。

なお、図１及び図２の周波数共用アンテナシステム１として、主反射鏡２及び副反射鏡３を有し、ホーン４に対して副反射鏡３が凹となる楕円面を有するグレゴリアン・タイプのものについて説明している。しかしながら、本願の一実施態様である周波数共用アンテナシステム１は、そのようなタイプに限定されるものではなく、例えば、ホーン４に対して副反射鏡３が凸となる双曲面を有するカセグレン・タイプのものや、主反射鏡２の焦点位置にホーンが配置されているオフセット・タイプのものであってもよい。

図３Ａに、図１の主反射鏡に埋め込まれたアレイアンテナ２１の全体の形状を示す。アレイアンテナ２１の表面は、主反射鏡２の表面と同じ曲面（曲率）になるように形成されている。また、図３Ｂに、アレイアンテナ２１の表面に形成されている放射素子２１０の複数の配列を示す。アレイアンテナ２１の表面には、ほぼ正方形で示される放射素子２１０が、ｘ方向とｙ方向とに隙間ｄだけ離間して複数個配置されている。ここで、この隙間ｄは、高周波数に対応する波長をλとすると、低周波数がアレーアンテナでも反射される離間で形成され、おおむねｄ＜λ／１６となるように形成されている。低周波数の電波が、アレイアンテナ２１をすり抜けることなく放射素子２１０で反射される。なお、ここでの隙間ｄは、（放射素子同士のピッチに対応する距離ではなく）放射素子同士の隙間の距離（放射素子という反射物の無い部分の距離）であることに注意されたい。高周波数に対応する電波が放射素子をすり抜けないようにするためである。また、この離間を成形されるものは、放射素子と同等な反射素子等であってもよい。

次に、上記の主反射鏡に埋め込まれたアレイアンテナを作成する方法について簡単に説明する。まず、主反射鏡の表面の曲面の曲率に一致した曲面または、平面の基板等（成形品）の表面上に、例えば、銅箔（金属）を成形する。次に、この基板の表面上に堆積した銅箔（金属）の一部をエッチングすることによって、複数の放射素子を含むアレイアンテナを作成する。このような銅箔（金属）のエッチングには、フォトリソグラフィ及びウェットエッチング等を利用することができる。ここで、上記のように、放射素子同士の隙間の距離は、低周波数に対応する波長をλとした場合におおむねλ／１６よりも小さくなるように作成される。そして、主反射鏡の表面の一部をくり貫いて形成された凹部に、複数の放射素子を含むアレイアンテナを埋め込む。このとき、主反射鏡に埋め込まれたアレイアンテナの表面は、主反射鏡の表面と同じ高さとなるように、例えば、基板の裏面側のスペーサによる調整する等をした上で埋め込まれる。

上記のように、本明細書では、主反射鏡に埋め込まれるアレイアンテナとして、外形が矩形である４つのアレイアンテナの場合を例として説明している。しかしながら、この場合に限られず、例えば、アレイアンテナの外形は三角形や円形であってもよい。また、主反射鏡に埋め込まれるアレイアンテナの場所や数についても、上記の４つの場合に限られず、例えば、埋め込まれるアレイアンテナの数が６つや８つであってもよい。そのため、各アレイアンテナに給電するための配線等に応じて、アレイアンテナを主反射鏡に柔軟に配置することができる。ここで、アレイアンテナへの給電は、主反射鏡の背面側から行われる。また、アレイアンテナの故障時には、主反射鏡を取り換えることによって短時間での復旧が可能である。

上記のように、本明細書では、主反射鏡の放物面で低周波数の電波を反射し、アレイアンテナの表面で高周波数の電波を反射する構成について説明してきた。しかしながら、そのような構成に限らずに、例えば、主反射鏡の放物面で高周波数の電波を反射し、アレイアンテナの表面で低周波数の電波を反射する別の構成を採用することもできる。ただし、その場合には、主反射鏡の放物面から深さ方向に侵入した高周波数に対応する電波の反射と位相遅れ等を補償する装置が別途必要となる。

１ 周波数共用アンテナシステム
２、２００ 主反射鏡
２１、２２、２３、２４ アレイアンテナ
３、３００ 副反射鏡
４ ホーン

Claims (7)

1. 複数の周波数で利用される周波数共用アンテナの主反射鏡であって、
   前記主反射鏡の放物面の一部を構成するように前記主反射鏡に埋め込まれた、少なくとも１つのアレイアンテナを含み、
   前記少なくとも１つのアレイアンテナは、前記複数の周波数のうち、高周波数に対応する電波を反射するものである、主反射鏡。
2. 前記少なくとも１つのアレイアンテナは、前記放物面の一部を構成する面上に複数の放射素子を備えており、該複数の放射素子は、前記高周波数に対応する電波の波長をλとした場合、隣り合う放射素子同士の隙間の距離がλ／１６よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の主反射鏡。
3. 前記主反射鏡の放物面で反射される電波の周波数帯がＫｕバンドであり、前記高周波数に対応する電波の周波数帯がＫａバンドである、請求項２に記載の主反射鏡。
4. 前記少なくとも１つのアレイアンテナは４つのアレイアンテナであって、該４つのアレイアンテナは、右偏波面用と左偏波面用と送信用と受信用とにそれぞれ分離されて、前記主反射鏡の異なる場所にそれぞれ埋め込まれている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の主反射鏡。
5. 前記複数の放射素子の形状は矩形である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の主反射鏡。
6. 前記放射素子は、銅又はアルミニウムを含む金属である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の主反射鏡。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の主反射鏡を含む周波数共用アンテナシステム。

Images