JP2545742B2 - 移動地球局用アンテナ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は移動体衛星通信システム
で自動車や船舶等の移動体に搭載される移動地球局用ア
ンテナ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】指向性アンテナを使った移動地球局用ア
ンテナ装置では、常に静止衛星方向にアンテナのビーム
を向けて追尾する必要がある。そのため、従来、アンテ
ナ本体とは別に、仰角方向と方位角方向とを別々に駆動
制御できる追尾機構を設け、アンテナをその上に設置し
て衛星を追尾する技術が用いられてきた。ただし、アン
テナのビーム幅の角度の広さから見て静止衛星に対する
仰角の変化範囲が小さく、ほぼ一定とみなせるような移
動範囲の限られた移動体では、方位角方向の追尾のみに
限定して追尾機構の簡素化がはかられてきた。その追尾
機構は、移動体の方位方向の動きを検知し、その反対の
回転動作をする事によって移動体の方位方向の動きを相
殺し、アンテナが常に衛星方向に向くよう保持するもの
なので、移動体が一方向に回転を続けた場合にもアンテ
ナからの信号線が回転軸に絡みつかない様にするため、
従来は、ロータリージョイント（回転部分に高周波信号
を通す部品）を使用していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のような
アンテナと追尾機構を分離した構成では、アンテナ装置
全体が大きく複雑となり、小型の移動体には搭載が困難
で、価格も高くなる問題点があった。また、追尾機構に
は精密なロータリージョイントが必要なため、信頼性の
点及び高周波信号の通過損失による信号品質劣化の点で
も問題があった。

【０００４】そこで、本発明は、仰角方向の追尾が必要
のない移動地球局のアンテナにおいて、アンテナ自体に
追尾機構を持たせ、さらに、ロータリージョイントを使
うことなく衛星方位追尾を可能として、装置の小型軽量
化、低価格化、高信頼化を期せる移動地球局用アンテナ
装置の提供を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明に係る移動地球局用アンテナ装置では、アン
テナ基台の表面に垂直でその中心を通る中心軸の回りに
放物線を回転させることにより得られる回転放物面を、
その中心軸に垂直な２つの平面で輪切りに切り取ったト
ーラス（円環体）表面の部分形状に近似した内曲面を有
する主反射鏡と；回転楕円体の一部を切り取った形状の
表面を持ち、その回転軸がトーラス中心軸から一定の傾
きを持って設置され、それがトーラス中心軸回りに回動
する構造を有する副反射鏡と；上記副反射鏡の回動量を
制御することにより、アンテナのビーム方位角と衛星方
向の方位角を常に一致させる追尾制御手段と；トーラス
中心軸上で上向きに副反射鏡を照射する様にアンテナ基
台に対して固定された構造を有する一次放射器と；を備
える構造とした。

【０００６】

【実施例】次に本発明に係る移動地球局用アンテナ装置
の実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。

【０００７】まず、本発明のアンテナ装置の原理を図１
〜図３により説明する。図１は、主反射鏡１と副反射鏡
２と一次放射器３とからなるアンテナ構造の概略斜視図
であって、衛星方向からの電波が主反射鏡１および副反
射鏡２を通して一次放射器３に焦点を結ぶ様子を示して
いる。この基本原理は、トーラス中心軸を含む縦断面と
トーラス中心軸に直交する横断面とにおける電波の反射
状態を把握することで容易に理解できる。これら縦断面
および横断面を各々図２、図３に示す。

【０００８】トーラス中心軸を含む縦断面上での電波の
進む様子を幾何光学的に描いたものが図２である。衛星
からの電波は波源が遠いので平面波となりＸ−Ｙ方向か
ら入射するものとする。主反射鏡の断面は放物線である
から、主反射鏡の表面Ｐ−Ｑで反射し、反射波は球面波
となり焦点Ｆに集まるように進む。放物線は、焦点Ｆの
位置が主反射鏡面とトーラス中心軸の真ん中にくるよう
に、また、放物線の軸の傾きが衛星仰角と一致するよう
に設定する。いったんＦに集まった電波は再度広がり、
副反射鏡の表面Ｐ’−Ｑ’で再度反射される。副反射鏡
は回転楕円体の一部であり、その縦断面は楕円である。
楕円には２つの焦点があり、一方の焦点から出た光は他
の焦点に集まることが幾何光学上よく知られている。従
って、その楕円の一方の焦点をＦに一致するようにし、
他方の焦点をトーラス中心軸上に置くような楕円とすれ
ば、副反射鏡で反射された電波は第２の焦点Ｆ’に集ま
る。ここを一次放射器の位相中心位置とすれば、オフセ
ットグレゴリアンアンテナ（主反射鏡と副反射鏡の間に
実焦点が存在し、２つの反射鏡の中心軸が一致しない複
反射鏡式アンテナ）と同等となる。

【０００９】次に、トーラス中心軸に直交する横断面と
その断面上に電波の進む様子を投影したものを幾何光学
的に描いたものが図３である。上述したように、平面波
がＸ−Ｙ方向から入射する。今度の場合、主反射鏡の断
面は円であるが、円周の大きくない範囲は放物線に近似
し、その焦点は円周とその中心のちょうど真ん中となる
ことは幾何光学上よく知られており、反射望遠鏡等にも
広く応用されている。Ｘ−Ｙ方向から入射波はトーラス
断面の円周の一部の範囲Ｐ−Ｑで反射される。従って、
主反射鏡で反射された電波は球面波となり、円周と中心
との真ん中である焦点Ｆに集まるように進む。いったん
Ｆに集まった電波は再度広がり、副反射鏡の表面Ｐ’−
Ｑ’で再度反射される。副反射鏡は回転楕円体の一部で
あるので、縦断面の時と同様、一方の焦点を通り副反射
鏡で反射された電波は他方の焦点Ｆ’に集まる。ここを
一次放射器の位相中心位置とすれば、主反射鏡および副
反射鏡で反射された電波は、すべて一次放射器の位置に
集まる。

【００１０】以上は、このアンテナが衛星からの電波を
受信する場合の電波の進み方について述べたが、送信時
は電波の進行方向が逆になるだけで、完全な可逆性が成
立する。このような構造で、副反射鏡のみをトーラス中
心軸回りに回転させると、アンテナビームはすべての方
位角方向に向けることが可能となる。

【００１１】上に述べた説明では、横断面の時に円の大
きくない一部が放物線に近似しているとして考えたが、
どの程度の大きさの範囲でこの近似が使えるかを見積も
っておく必要がある。そのため、主反射鏡状の任意の点
Ｐで反射し焦点Ｆに到達する場合と基準点Ｒで反射し焦
点Ｆに到達する場合の経路差（単位：ｍｍ）を計算し
た。計算に用いたパラメータを図４に示し、計算結果の
表を表１に示す。

【００１２】

【表１】

【００１３】図４で、平面Ｓはアンテナと衛星を結ぶ仮
想線に直交する仮想平面で、この平面上では電波の位相
は全て揃っている。電波は、仰角４５゜方向から入射し
てくるものとする。点Ｑは、焦点Ｆを通りトーラス中心
軸に直交する線とトーラス面との交点で、ここを反射基
準点とする。点Ｐは、トーラス面上の任意の反射点で、
その位置を点Ｏから見た極座標で表示する。すなわち、
点Ｐの垂直方向の角度をθ、水平方向の角度をφとす
る。表の計算結果は、トーラス表面の基準点Ｒを通りト
ーラス中心軸に直交する円の半径ＯＲを１００ｍｍとし
たときの経路Ｘ−Ｐ−Ｆと経路Ｚ−Ｒ−Ｆとの差をｍｍ
単位で表したもので、θおよびφについてそれぞれ２゜
おきに計算した結果である。経路差は、波長の１０分の
１程度ならば実用上許容範囲といえる。

【００１４】この表から、例えば、トーラスの中心軸に
対する半径を１００ｍｍとし、電波の周波数を３０ＧＨ
ｚ（波長１０ｍｍ）としたときには、θおよびφがそれ
ぞれ−３０゜〜３０゜、−１２゜〜１２゜の範囲では十
分実用になることがわかる。周波数がもっと高いときに
は、経路差が波長に比べて大きくなるので、副反射鏡の
鏡面を回転楕円体から少し修正することにより実用上差
し支えない経路差に収めることができる。このような鏡
面修正技術は様々な反射鏡式アンテナですでに実用され
ている。また、必ずしも、、主反射鏡１の反射面たる内
曲面の形状を回転放物面とする必要はなく、円弧を回転
させたトーラス表面の部分形状に厳密に一致させた形状
としても、経路差の小さい範囲で十分実用に供し得る。

【００１５】次に、図５に示す具体的な本発明の実施例
について説明する。図中１はトーラス状の主反射鏡であ
る。トーラスの上下方向の幅は、一次放射器３から放射
され副反射鏡２で反射され主反射鏡１へ向かう送信電波
が外側に漏れる量が十分少なくなるように幅を設定す
る。この幅が大きければ、アンテナの利得は大きくなる
が仰角方向のビーム幅がせばまり、小さければ、利得は
小さくなるが仰角方向のビーム幅は大きくなる。車載の
移動地球局の場合には、主要道路の勾配はほぼ５°以内
なので、仰角方向のビーム幅は１０°程度に設定するの
が適切と考えられる。

【００１６】図中２は回転楕円体の一部を切り取った形
状を持つ副反射鏡である。一次放射器３からの送信電波
を主反射鏡１の上下の幅の中に入るように反射させるた
めに適当な傾斜をもって設置される。一次放射器３の指
向性は中心軸に対して回転対称であることが必要なので
真上方向から見て円形になるように楕円体を切り取るの
が無駄の無い形となる。

【００１７】副反射鏡２の縁は支柱で支えられ、アンテ
ナ基台６上に取り付けられた回転リング４に固定され
る。この支柱は、図では棒状だが、電波の通る部分だけ
くり抜いた円筒状の物でもよい。円筒の場合には、回転
リングと一体に部品を製作することができる。回転リン
グ４は駆動モータ５によりトーラス中心軸回りに回動す
るようになっている。従って、この回転機構により、副
反射鏡２もトーラス中心軸回りに回動する。なお、本図
に示す駆動機構は、駆動モータ５の回転力を回転リング
４に直接伝達して回転リング４を従動回転させるものと
したが、駆動機構はこれに限定されるものではない。例
えば、駆動モータ５の回転軸をトーラス中心軸と平行に
設置し、プーリーとベルト等の動力伝達手段を介して回
転リング４を間接的に従動回転させるようにしても良
い。

【００１８】図中３は一次放射器で、副反射鏡２がどの
方向を向いてもアンテナの利得とビーム形状が同じにな
るために、その指向性は中心軸に対して対称となるよう
なペンシル型の指向特性を持つ必要がある。具体的に
は、ホーンアンテナ、パッチアンテナ等、ペンシル型の
指向特性を持つアンテナ素子ならば何でもよい。ホーン
アンテナの場合には帯域幅が大きくとれる利点がある
が、長細い形状のためにアンテナ全体の高さが大きくな
る。パッチアンテナの場合には非常に薄いので、アンテ
ナ全体の高さを小さくすることができるが、帯域幅は狭
くなるので送受の周波数差が大きい場合には送受兼用が
困難な場合も生ずる。

【００１９】図中６は基台で、全体を支えると共に、こ
れを移動体の表面、例えば自動車の屋根に固定する。図
ではわかりやすいように主反射鏡１よりも大きくなって
いるが、実際には主反射鏡を支えるだけの大きさがあれ
ばよい。

【００２０】ここには図示していないが、移動地球局用
アンテナ装置として動作するためには、移動体の内部に
追尾制御手段となる追尾装置が必要である。追尾装置
は、アンテナからの受信信号、又は、移動体の進行方向
を検出するセンサーからの信号、もしくはその両方の信
号を使ってアンテナのビームの方位が常に衛星の方位方
向に一致するよう駆動モータ５を制御するための装置で
ある。

【００２１】このほか、移動地球局として通信をするた
めには、送受信装置を移動体の内部に持つことが必要で
ある。また、本装置は、送受信両用の通信アンテナ装置
として使えるほか、衛星放送の受信装置のような受信専
用のアンテナ装置としても利用できる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る移動
地球局用アンテナ装置によれば、回動できる副反射鏡と
トーラス形状の主反射鏡を設ける構造としたので、衛星
方位追尾が可能な追尾機構をアンテナ自身が持つことが
でき、さらにロータリージョイントも不要となる。従っ
て、移動地球局用アンテナ装置の小型化、軽量化、低価
格化、高信頼化を期せるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る移動地球局用アンテナ装置の基本
原理を示す概略斜視図である。

【図２】本発明に係る移動地球局用アンテナ装置の基本
原理を示す中心軸を含む断面上での電波の通路を示す図
である。

【図３】本発明に係る移動地球局用アンテナ装置の基本
原理を示す中心軸に垂直な断面と、その断面に電波の通
路を投影した図である。

【図４】本発明に係る移動地球局用アンテナ装置の主反
射鏡上の任意の点で反射した電波の経路と基準の経路と
の経路差の計算時のパラメータを説明するための図であ
る。

【図５】本発明の実施例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 主反射鏡 ２ 副反射鏡 ３ 一次放射器 ４ 回転リング ５ 駆動モータ ６ 基台

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アンテナのビーム方向を常に衛星方向に
   一致させる追尾機構を備え、陸上又は水上での移動体に
   搭載された状態で、静止衛星との通信を行う移動地球局
   用アンテナ装置において、 アンテナ基台の表面に垂直でその中心を通る中心軸の回
   りに放物線を回転させることにより得られる回転放物面
   を、その中心軸に垂直な２つの平面で輪切りに切り取っ
   たトーラス表面の部分形状に近似した内曲面を有する主
   反射鏡と、 回転楕円体の一部を切り取った形状の表面を持ち、その
   回転軸がトーラス中心軸から一定の傾きを持って設置さ
   れ、それがトーラス中心軸回りに回動する構造を有する
   副反射鏡と、 上記副反射鏡の回動量を制御することにより、アンテナ
   のビーム方向の方位角と衛星方向の方位角を常に一致さ
   せる追尾制御手段と、 トーラス中心軸上で上向きに副反射鏡を照射する様にア
   ンテナ基台に対して固定された構造を有する一次放射器
   と、 を持つことを特徴とする移動地球局用アンテナ装置。