JP3021480B2

JP3021480B2 - ２周波数共用アレイフィード

Info

Publication number: JP3021480B2
Application number: JP1244035A
Authority: JP
Inventors: 裕樹庄木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-09-19
Filing date: 1989-09-19
Publication date: 2000-03-15
Anticipated expiration: 2015-03-15
Also published as: JPH03106103A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）この発明は、反射鏡アンテナの一次放射器として利用
されるアレイフィードの２周波数共用化に関する。

（従来の技術）衛星搭載用の反射鏡アンテナなどではアンテナ重量の
軽減などの必要性からひとつの反射鏡をいくつかの異な
る周波数帯で共用したという要求がある。また、衛星搭
載用アンテナとしては、放射パターンをサービスエリア
の形状に応じて成形したり、不要放射の低減や周波数再
利用のために低サイドローブの放射パターンをつくるこ
とが要求されている。

ビーム成形や低サイドローブ化の方法としては、反射
鏡アンテナの一次放射器として複数のホーンアンテナで
ひとつのビームを形成するアレイフィード（クラスター
フィード）を構成し、各エレメントのホーンアンテナの
励振分布を適当に設定することにより所望の放射パター
ンを実現する方法がある。この方法は、マイクロストリ
ップアンテナなど他のアンテナに比較して広帯域、高高
率なホーンアンテナをエレメントとして用いているので
良好なアンテナ特性を維持したまま、所望の指向性合成
が可能である。

このようなアレイフィードを利用した場合に、異なる
ふたつの比較的離れた周波数で共用する反射鏡アンテナ
を実現する方法として第８図や第９図の構成例が考えら
れている。

第８図に示す反射鏡アンテナシステムは、低周波数用
の一次放射器201と高周波数用の一次放射器202、周波数
選択板203およびパラボラ反射鏡204からなる。

低周波数用の一次放射器201は、給電部205およびホー
ンアンテナ206を有し、高周波数用の一次放射器202は、
給電部207およびホーンアンテナ208を有する。

この反射鏡アンテナシステムでは一次放射器を低周波
数用と高周波数用で完全に分離して配置し、高周波数を
透過させ、低周波数を反射させる性質の周波数選択板20
3を用いることで同一のパラボラ反射204に電波を吹付け
るものである。

この反射鏡アンテナシステムは、一次放射器が独立で
あることからホーンアンテナの構成や励振分布の設定が
ふたつの周波数において独立に行え、各周波数帯で最適
なパターンが実現できる利点がある。しかし、ふたつの
一次放射器201、202と周波数選択板203が必ず必要にな
るため重量やアンテナ全体の大きさの点で問題がある。
また、ふたつの一次放射器201、202が離れて存在してい
ることは電力を供給するための導波管等を長くすること
になり給電系における電力損失も大きくなってしまうこ
とになる。

第９図の反射鏡アンテナシステムは、高周波用給電部
211、低周波用給電部212、分波器213、ホーンアンテナ2
14、パラボラ反射鏡215を有する。

この反射鏡アンテナシステムでは、一次放射器のアン
テナをふたつの周波数で共用し、分波器213によりふた
つの周波数に分離して給電系を独立に構成するものであ
る。

この反射鏡アンテナシステムは、第８図の方法に比べ
て大きさと重量を小さくすることができ、励振条件も独
立に設定できる。しかし、この場合には分波器213を含
む給電系が複雑になり、電力損失が大きいという欠点が
ある。また、ふたつの離れた周波数帯で所望の電気特性
を維持したホーンアンテナ214を構成することは難し
い。さらに、アンテナエレメントを共用しているという
制約により、所望の放射パターンを得ることが困難にな
る。

その一例について以下に説明する。第10図は低周波数
帯のパターン合成の例について示す。図に示すように、
コンポーネントビームのクロスオーバー点を−3dB程度
になるようにエレメントを配置することにより、広いカ
バレッジに対応する合成パターンを形成することができ
る。しかし、この場合に高周波数帯の合成パターンは第
11図に示すようにカバレッジ内にレベルの低い部分が生
じてしまう。この原因は、コンポーネントビームのビー
ム間隔が周波数で変わらないのに対して、コンポーネン
トビームのビーム幅は同じ鏡面を共用しているため高い
周波数ほど狭くなりクロスオーバー点におけるレベルが
極端に小さくなるためである。第９図のようにアンテナ
エレメントを共用する場合には、このようなパターン合
成における問題を解決することは不可能である。

（発明が解決しようとする課題）以上述べたように従来のアレイフィードを一次放射器
とする２周波数共用反射鏡アンテナでは、アンテナ系の
重量や大きさが大きくなったり、給電系が複雑になり電
力損失が大きくなる欠点があった。また、アンテナエレ
メントを２周波数で共用することに起因するパターン合
成上の制約を解決することは困難である。

本発明は、上記問題点を解決し、簡単で電力損失が小
さくな構成で、アンテナ系の大きさや重量を大きくする
ことなく、ふたつの周波数帯で独立のパターン合成が可
能で所望の合成パターンを実現する反射鏡アンテナのア
レイフィードを提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）上記問題点を解決するために本発明は、円形導波管か
らなる高周波数用の第１の円形ホーンアンテナの外側
に、第１の円形ホーンアンテナと同心で同軸導波管から
なる低周波数用の同軸ホーンアンテナを配設した複数の
２周波数共用ホーンアンテナと、前記２周波数共用ホー
ンアンテナの周囲に配設される円形導波管からなる高周
波数用の第２の円形ホーンアンテナであって、前記第１
の円形ホーンアンテナの中心軸と該第２のホーンアンテ
ナの中心軸との間隔が前記同軸ホーンアンテナ同志の中
心軸間の間隔よりも狭く配設された第２の円形ホーンア
ンテナとを具備する。

（作用）低周波数帯には２周波数共用ホーンアンテナの中の同
軸ホーンアンテナ、高周波数帯には２周波数共用ホーン
アンテナの中の円形ホーンアンテナと２周波数共用ホー
ンアンテナの間に配列された第２の円形ホーンアンテナ
が設けられ、各周波数に対応する電波の送受が行われ
る。ふたつの周波数帯で独立にエレメントアンテナが構
成され、励振条件が独立に設定できる。また、低周波数
帯のエレメントの配列間隔に比べ高周波数帯のエレメン
ト間隔が狭くなっているので、ふたつの周波数帯で広い
カバレッジに対するビームを合成できる。

（実施例）次に図面に基づいて本発明の実施例を説明する。

第１図は本発明のアレイフィードの外観を示す図であ
る。アレイフィードを構成するエレメントアンテナは、
２周波共用ホーンアンテナ１、２、３、４、５、６、７
と、第２の円形ホーンアンテナ８、９、10、11、12、13
である。ここで隣接する３個の２周波共用ホーンアンテ
ナの中央に必ず第２の円形ホーンアンテナが存在するよ
うに配置する。２周波共用ホーンアンテナは高周波数帯
用の円形ホーンアンテナ21、22、23、24、25、26、27
と、低周波数帯用同軸ホーンアンテナ31、32、33、34、
35、36、37により各々構成される。ここで２周波共用ホ
ーンアンテナの中の円形ホーンアンテナ21、22、23、2
4、25、26、27と第２の円形ホーンアンテナ８、９、1
0、11、12、13は同じ周波数で動作させる。２周波共用
ホーンアンテナ１、２、３、４、５、６、７は同軸導体
を円形導波管に置き換えた同軸導波管42の一端を開放し
たものであり、同軸導波管42の外導体と同軸導体の径を
変えた第２の同軸導波管52に接続される。第２の同軸導
波管52の中に設ける励振プローブを給電するための平面
回路は低周波給電部30の中に納められる。円形ホーンア
ンテナ21、22、23、24、25、26、27と第２の円形ホーン
アンテナ８、９、10、11、12、13は円形導波管62の一端
を開放したものである。円形導波管62は円形ホーンアン
テナ22に接続しており、このような円形導波管の中に設
ける励振プローブを給電するための平面回路は高周波給
電部40の中に納められる。

このようにアレイフィードを構成することにより、低
周波数用アンテナの配置間隔より高周波数用のアンテナ
の配置間隔を狭くすることができる。このアレイにより
ビームを合成する場合、低周波数帯では第10図に示すよ
うなエレメントパターンに対して実線に示すような合成
パータンが得られ、高周波数帯では第２図に示すように
エレメントパターンが低周波数帯に比較して密に配置さ
れるのでビームが細くなるにもかかわらず広いカバレッ
ジに対して有効なビームが合成できる。このように比較
的広いビームをふたつの周波数帯で実現することが可能
になる。

また、アンテナエレメント、給電系はふたつの周波数
帯において全く独立に構成されており、各々の周波数に
おいて独立の励振分布を与え任意の形状のビームを成形
することが可能である。

さらに、一次放射器全体が非常にコンパクトになる重
量も小さくでき、衛星搭載などを考えた場合、大変都合
が良い。特に、給電系は平面回路により構成しているた
め、任意の励振分布を与える給電回路が薄型で小さくな
る。ふたつの周波数帯の給電系が完全に分離されるため
分波器やフィルタなど電力損失の大きなコンポーネント
が給電系に不要になり、給電系全体の電力損失が著しく
低減できる。

第３図には第１図の実施例の上面図、第４図には第１
図の実施例において第２図のＡ−Ｂで切断した場合の断
面図をそれぞれ示したものである。ここで、第２のホー
ンアンテナ９、12と、円形ホーンアンテナ27と同軸ホー
ンアンテナ37により構成される２周波共用ホーンアンテ
ナ７を例にとり説明する。

第２の円形ホーンアンテナ９、12は、円形導波管62
a、62bの一端を開放したものであり、円形ホーンアンテ
ナ27は円形導波管62cの一端を開放したものであり、同
軸ホーンアンテナ37は円形導波管62cを同軸導体とみな
して形成される同軸導波管42aの一端を開放したもので
ある。ここで同軸導波管42aは外導体、同軸導体の径の
違う第２の同軸導波管52aに接続される。外導体の内径
と同軸導体の外径の和が同軸導波管42aと第２の同軸導
波管52aにおいて同じであれば、このふたつの同軸導波
管内の特性インピーダンスは一定となり、ふたつの導波
管における電波の伝達が整合良く行える。

同軸導波管52aを励振するために低周波給電部30を設
ける。低周波給電部30の中には、ふたつの誘電体基板8
1、82にエッチングにより導体膜のパターンを形成し、
重ねることによりトリプレートラインによる平面回路を
形成する。同様に円形導波管62a、62b、62cを励振する
ための高周波給電部40の中には、ふたつの誘電体基盤8
3、84にエッチングにより導体膜のパターンを形成し、
重ねることによりトリプレートラインによる平面回路を
形成している。

第５図、第６図には各々低周波給電部30、高周波数給
電部40の平面回路の様子を示す図である。第５図におい
て62a、…、62mは円形導波管であり、92はトリプレート
ラインの中心導体のパターンを示す。点93にコネクタな
どを接続することにより外部への入出力を行う。

この平面回路により分配・合成が行われ、各エレメン
トへの励振が行われる。ここで各エレメントへ分配され
た線路の先端近くで同軸導波管内に線路を電気的に露出
させることにより同軸導波管内への電波の伝達を行え
る。この平面回路の中には任意の分配比（合成比）を与
える電力分配器（電力合成器）や移相器などが容易にで
き、ビーム形成や低サイドローブ化のために任意の励振
分布をアンテナに設定できる。

また、同軸導波管内に電気的に露出する励振プローブ
を互いに垂直になるようにふたつ設け、90度の位相差で
励振することにより、容易に円偏波化が行える。さら
に、第２の同軸導波管52aで外導体の径を小さくし同軸
導体の径を大きくしたことにより、低周波給電部30の平
面回路の配置するスペースが大きくなる利点がある。励
振プローブにおける整合性については、オープンスタブ
により励振点のリアクタンス成分が調整でき、線路幅を
変えた1/4波長変成器を設けることにより励振点におけ
る入力インピーダンスの大きさを調整できるので非常に
整合がとりやすい。

第６図に示す高周波用給電部40の平面回路についても
低周波用給電部30の平面回路と同様にトリプレートライ
ンにより構成される。ここで95は入出力コネクタの位
置、94はトリプレートラインの中心導体である。この線
路の先端は円形導波管62内に電気的に露出し、円形導波
管内に電波が励起される。

以上に述べたように給電系はふたつの周波数とも薄型
に構成でき、任意の励振条件が設定できる。この平面回
路はトリプレートラインにより構成されているので、MM
IC化した移相器やLNA（低雑音増幅器）、HPA（高出力増
幅器）を平面回路内に組込むことが可能である。この結
果、電気信号によりビームを走査したり、ビームの形状
を状況に応じて変化させたりするなどの高度な機能をコ
ンパクトな状態のまま実現できる。なお、ここまでの説
明において、平面回路に誘電体基板を用いたが、この代
りにハニカムなどの構造物を用いても全く同様の効果が
ある。また、トリプレートラインの代りにサスペンデッ
トラインを用いてもかまわない。

以上、反射鏡アンテナにおいて、ビーム成形、低サイ
ドローブ化などの要求に対して有効な一時放射機である
アレイフィードについて説明したが、本発明の構成は直
接放射型のアレイアンテナとして有効である。

第７図は本発明を直接放射型のアレイアンテナとして
利用した場合の上面図を示す。ここで101は同軸ホーン
アンテナ、102は円形ホーンアンテナであり、このふた
つにより２周波共用アンテナが形成される。この２周波
共用アンテナを図に示すように規則正しく配列し、互い
に隣接する３個の２周波共用アンテナの中央に第２の円
形ホーンアンテナ103がくるように配置する。同軸ホー
ンアンテナは低周波数帯で、円形ホーンアンテナと第２
の円形ホーンアンテナは高周波数帯で動作し、低周波数
帯アンテナのアレイ間隔に対して高周波数帯アンテナの
アレイ間隔が狭くなる。グレーティングローブを出さな
いようにしたり、最適のアレイ利得を得ようとする場合
には、アレイのエレメント間隔をふたつの周波数で一定
の波長間隔にすることが要求される。本実施例の構成に
よりこのような要求を満足することが可能である。

［発明の効果］上記のような構成により、ふたつの周波数で動作する
反射鏡アンテナのアレイフィードを小型、軽量に構成で
き、アンテナ系全体の大きさを小さくできる。また、ア
レイフィードの各エレメントへの励振条件の設定がふた
つの周波数に関して独立に行え、低いサイドローブ化、
ビーム成形などの各周波数帯の要求に合う最適な合成パ
ターンが得られる。給電系は平面回路により構成され、
薄型、小型化になり、任意の励振条件をエレメントアン
テナに与える給電回路が容易に形成できる。また、ふた
つの周波数帯の給電系が分離されているため分波器など
が不必要になり、低損失な給電系を構成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る２周波数共用アレイフ
ィードの斜視図、第２図は実施例におけるアレイフィー
ドの合成パターンとエレメントパターンの関係を示す
図、第３図は２周波数共用アレイフィードの上面図、第
４図は第３図におけるＡ−Ｂによる断面図、第５図は低
周波給電部の給電回路の示す図、第６図は高周波給電部
の給電回路を示す図、第７図は本発明の他の実施例に係
る直接放射型アレイアンテナの構成を示す図、第８図お
よび第９図は従来の反射鏡アンテナシステムを示す図、
第10図および第11図は従来例におけるアレイフィードの
合成パターンとエレメントパターンの関係を示す図であ
る。１、２、３、４、５、６、７……２周波数共用ホーンア
ンテナ８、９、10、11、12、13……第２の円形ホーンアンテナ 21、22、23、24、25、26、27……高周波数帯用の円形ホ
ーンアンテナ 31、32、33、34、35、36、37……低周波数帯用の同軸ホ
ーンアンテナ 30……低周波給電部 40……高周波給電部 42……同軸導波管 52……第２の同軸導波管 62……円形導波管 101……同軸ホーンアンテナ 102……円形ホーンアンテナ 103……第２の円形ホーンアンテナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01Q 15/00 - 19/32

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】円形導波管からなる高周波数用の第１の円
形ホーンアンテナの外側に、第１の円形ホーンアンテナ
と同心で同軸導波管からなる低周波数用の同軸ホーンア
ンテナを配設した複数の２周波数共用ホーンアンテナ
と、前記２周波数共用ホーンアンテナの周囲に配設される円
形導波管からなる高周波数用の第２の円形ホーンアンテ
ナであって、前記第１の円形ホーンアンテナの中心軸と
該第２の円形ホーンアンテナの中心軸との間隔が前記同
軸ホーンアンテナの中心軸間の間隔よりも狭く配設され
た第２の円形ホーンアンテナと、を具備する２周波数共用アレイフィード。
【請求項２】前記同軸導波管の外導体の内径よりも小さ
な内径の外導体を有し、前記第１の円形ホーンアンテナ
をつくる円形導波管の外径よりも大きな外径の同軸導体
をもつ第２の同軸導波管を前記同軸導波管と接続し、前
記第２の同軸導波管内に低周波数用の励振手段を設けた
請求項第１項記載の２周波数共用アレイフィード。
【請求項３】前記低周波数用の励振手段は、サスペンデ
ッドラインもしくはトリプレートラインを用いた平面回
路により形成され、その一部が前記第２の同軸導波管内
に電気的に露出している請求項第２項記載の２周波数共
用アレイフィード。
【請求項４】前記円形導波管内に高周波数用の励振手段
を設け、前記高周波数用の励振手段はサスペンデッドラ
インもしくはトリプレートラインを用いた平面回路によ
り形成され、その一部が前記第２の同軸導波管内に電気
的に露出している請求項第１項記載の２周波数共用アレ
イフィード。