JP3547929B2

JP3547929B2 - マルチビーム用パラボラ反射鏡

Info

Publication number: JP3547929B2
Application number: JP04704597A
Authority: JP
Inventors: 宜一松井
Original assignee: Ｄｘアンテナ株式会社
Priority date: 1997-02-14
Filing date: 1997-02-14
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2017-02-14
Also published as: JPH10229309A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異なる方向へ複数の電波を送受信可能なマルチビーム用パラボラ反射鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
１台のオフセットパラボラアンテナまたは通常のパラボラアンテナにおいて、異なる方向からそれぞれ到来する複数の電波を受信することがある。例えば静止軌道上の異なる位置にある複数の放送衛星や通信衛星からの電波を、１台のオフセットパラボラ反射鏡または通常のパラボラ反射鏡によって受信することがある。
【０００３】
この場合、少なくとも１波の電波は、アンテナの正面方向とは異なる方向から反射鏡に入射する。そのため、この電波のオフセットパラボラ反射鏡への進行方向に直交する面へのオフセットパラボラ反射鏡の投影面積が、アンテナの正面方向から電波が入射する場合よりも小さくなる。さらに、収差によって、オフセットパラボラ反射鏡が反射した電波の等位相の点が、一点に集中せず拡散する。これらの原因によって、利得の低下が起こる。また、オフセットパラボラ反射鏡に限らず、通常のパラボラ反射鏡の場合にも同様である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この利得の低下を補正するため、送信出力を上げたり（送信アンテナの場合）、オフセットパラボラ反射鏡のＦ／Ｄ（Ｆはオフセットパラボラ反射鏡の焦点距離、Ｄはオフセットパラボラ反射鏡の開口径）を大きくしたり、オフセットパラボラ反射鏡のアンテナ径を大きくしたり、また、アンテナ全体で受信性能を補償する手段としてオフセットパラボラに付属するコンバータのＮＦ性能を向上させる等の対策が必要である。しかし、これらの対策をとるにはコストが高くなり、技術的及び設置上の制約を受ける。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決したマルチビーム用パラボラ反射鏡を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、反射鏡の開口面における左右方向をＸ軸とし、上下方向をＹ軸とし、前後方向をＺ軸とする座標系において、上記反射鏡の鏡面を表す関数を、数１としたものである。
【０００７】
【数１】
ｘ^２＋ｙ^２＝４（Ｆ＋ｇ（ｘ、ｙ））ｚ
【０００８】
但し、ｇ（ｘ、ｙ）は、数２で表される。
【０００９】
【数２】
ｇ（ｘ、ｙ）＝ｋ１（ｙ＋α）＋ｋ２（｜ｘ｜＋β）
【００１０】
αは−（ｏｆ＋Ｄ）以上かつ（ｏｆ＋Ｄ）以下の値であり、βは−（Ｄ／２）以上かつ（Ｄ／２）以下の値であり、ｏｆは反射鏡のオフセット量で０以上の値、Ｄは反射鏡をＸ−Ｙ平面に投影した円の直径（開口径）、Ｆは反射鏡の焦点距離、ｋ１、ｋ２は係数である。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のマルチビーム用パラボラ反射鏡において、ｋ２＝０、ｋ１＜０、α＝−（ｏｆ＋Ｄ／２）としたものである。即ち、ｇ（ｘ、ｙ）は数３で表される。
【００１２】
【数３】
ｇ（ｘ、ｙ）＝ｋ１（ｙ−ｏｆ−Ｄ／２）
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１記載のマルチビーム用パラボラ反射鏡において、ｋ１＝０、ｋ２＞０、β＝０としたものである。即ち、ｇ（ｘ、ｙ）は、数４で表される。
【００１４】
【数４】
ｇ（ｘ、ｙ）＝ｋ２｜ｘ｜
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項１記載のマルチビーム用パラボラ反射鏡において、ｋ１＝０としたものである。即ち、ｇ（ｘ、ｙ）は、数５で表される。
【００１６】
【数５】
ｇ（ｘ、ｙ）＝ｋ２（｜ｘ｜＋β）
【００１７】
請求項５記載の発明は、請求項１記載のマルチビーム用パラボラ反射鏡において、ｋ１＝ｋ２、α＝−（ｏｆ＋Ｄ／２）、β＝０としたものである。即ち、ｇ（ｘ、ｙ）は数６で表される。
【００１８】
【数６】
ｇ（ｘ、ｙ）＝ｋ（ｙ−（ｏｆ＋Ｄ／２）＋｜ｘ｜）
【００１９】
但しｋ＝ｋ１＝ｋ２である。
【００２０】
請求項６記載の発明は、請求項１記載のマルチビーム用パラボラ反射鏡において、ｋ１、ｋ２が−０．２以上でかつ０．２以下であるものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、オフセットパラボラ反射鏡２の鏡面の左右方向をＸ軸、同上下方向をＹ軸、同前後方向をＺ軸とし、オフセットパラボラ反射鏡２の鏡面とＺ軸との交点を原点とし、電波Ｅの方向をＸ−Ｚ平面に投影した場合に、Ｚ軸となすビーム偏向角をθｂとする。なお、反射鏡２の鏡面は、ｘ^２＋ｙ^２＝４Ｆｚで表される。
【００２２】
電波ベクトルＥに直交する面にオフセットパラボラ反射鏡を投影した投影面Ｍを考えると、投影面Ｍは反射鏡２の開口面に対応する電波Ｅの等位相面と考えられる。
【００２３】
反射鏡２のＹ方向の上端を点Ｐａ、下端をＰｕ、Ｘ方向の正側端をＰｒ、負側端をＰｌとすると、各点に対応する等位相面Ｍ上の点をＭａ、Ｍｕ、Ｍｒ、Ｍｌを考えることができる。点Ｍａ、Ｍｕ、Ｍｒ、Ｍｌは等位相面Ｍ上の点であるので、これらの点での電界の位相は等しい。
【００２４】
等位相面Ｍの任意の点、例えばＭａを通過した電界は、電波Ｅの方向に平行に伝播し、反射鏡２上の点、例えばＰａで反射し、反射鏡２の焦点Ｆの付近へ向かう。
【００２５】
等位相面Ｍから伝播路に沿って等距離の点の集合は、等位相点の集合となる。等位相面Ｍ上の各点Ｍａ、Ｍｕ、Ｍｒ、Ｍｌに対応し、かつ焦点Ｆの近傍にある等位相点をＦａ、Ｆｕ、Ｆｒ、Ｆｌとする。また、等位相面Ｍの中心点をＭｃとすると、Ｍｃを通過した電界は、反射鏡２の中心点Ｐｃに到達し、Ｅ′の方向に反射される。また、Ｅ′方向における点Ｍｃ、Ｐｃに対応する等位相点をＦｃとすると、原点０とＦｃとを結ぶ線がＺ軸となす角度をθｂ′（フィード偏位角）とする。このとき、等位相点Ｆｃ、Ｆａ、Ｆｕ、Ｆｒ、Ｆｌが最も集密化する状況は、Ｘ−Ｚ平面に投影すれば、Ｆｃを中心として広がりを持ち、Ｙ−Ｚ平面に投影すれば、概ねＥ′方向に直交する曲面状に拡散する。また、ＰｃとＦとを結ぶ線とＺ軸とのなす角度をθｏ（オフセットパラボラアンテナのオフセット角）とする。
【００２６】
反射鏡２の右半面を代表する点としてＰｒ、反射鏡の左半面を代表する点としてＰｌを選んだとき、線分ＭｒＰｒと線分ＭｌＰｌとは平行で、図１（ａ）に示すようにＸ、Ｚ軸の値がそれぞれ正の値である方向から電波Ｅが到来する場合、線分ＭｒＰｒ＜線分ＭｌＰｌであるので、線分ＰｒＦｒ＞線分ＰｌＦｌとなる。何故なら、線分ＭｒＦｒは線分ＭｌＦｌと等しく、線分ＭｒＦｒは線分ＭｒＰｒと線分ＰｒＦｒとからなり、線分ＭｌＦｌは線分ＭｌＰｌと線分ＰｌＦｌとからなるからである。
【００２７】
オフセット角θｏ＞ビーム偏向角θｂの条件下では、線分ＰｒＦｒと線分ＰｌＦｌとはＥ′方向（線分ＰｃＦｃ方向）に対して概ね対称であるので、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、点Ｆｒ、ＦｌのＸ−Ｚ面投影のＸ方向の拡散は小さく、Ｙ−Ｚ面投影のＹ−Ｚ方向、特にＹ方向の拡散が大きくなる。
【００２８】
同様に反射鏡２の上半面を代表とする点としてＰａ、下半面を代表する点としてＰｕを選んだとき、線分ＰａＦ−線分ＰａＦａ＞線分ＰｕＦ−線分ＰｕＦｕとなり、かつ図１（ａ）、（ｂ）に示すように点Ｐｃ、Ｐａ、Ｐｕ、Ｆｃ、Ｆａ、Ｆｕは同一曲面上にあって、点Ｆａ、Ｆｕは図１（ａ）、（ｂ）の例では、線分ＰｃＦｃを挟んで、線分ＰＣを基準としてみるとＦｕはＹ方向、Ｘ方向ともに−側に、ＦａはＹ方向、Ｘ方向共に＋側にある。
【００２９】
従って、Ｆａ、Ｆｃ、Ｆｕの拡散は、Ｘ、Ｙ、Ｚ各方向に広がりを持つ直線に近い或る曲線となる。この等位相点の拡散の状態を図２（ａ）、（ｂ）に示す。
【００３０】
このような等位相点の拡散を減少させるため、例えば修整関数ｇ（ｘ、ｙ）として数７を使用する場合を考える。
【００３１】
【数７】
ｇ（ｘ、ｙ）＝ｋ｜ｘ｜
【００３２】
但し、ｋは０よりも大きい。この場合、鏡面を表す関数は、数８で表される。
【００３３】
【数８】
ｘ^２＋ｙ^２＝４（Ｆ＋ｋ｜ｘ｜）ｚ
【００３４】
但し、ｋは正の値の係数である。この場合、鏡面は、図１（ａ）に点線で示すように鏡面の中心Ｐｃを基点として、ｘの値が大きい程通常のパラボラ反射鏡に比較してｚの値が小さい（全体として浅い）関数となる。反射鏡の右端Ｐｒ′とこれに対応する等位相面上の点との距離、反射鏡の左端Ｐｌ′とこれに対応する等位相面上の点との距離が、それぞれ大きくなっており、かつＰｒ′、Ｐｌ′の法線が、Ｐｒ、Ｐｌの法線よりもＺ軸、即ちＰｃの法線に近くなっているので、Ｆｒ′、Ｆｌ′はＦｃ′に近づくことになり、Ｆｃ′付近の等位相点の密度が高くなる。従って、利得が向上する。
【００３５】
修整関数ｇ（ｘ、ｙ）を数９とすると、Ｘ軸方向に鏡面が広がる時の基点をずらすことができる。
【００３６】
【数９】
ｇ（ｘ、ｙ）＝｜ｘ｜＋β
【００３７】
但し、｜β｜≦Ｄ／２である。従ってβを適切に選択することによってＦｃ′付近の等位相点の密度をさらに高くしたり、例えば２つの異なる方向から到来する電波に対応することができる。
【００３８】
また、修整関数ｇ（ｘ、ｙ）として数１０を使用する場合について考える。
【００３９】
【数１０】
ｇ（ｘ、ｙ）＝ｋ（ｙ−ｏｆ−Ｄ／２）
【００４０】
ただし、ｋは０よりも小さい値である。上述したように、図１（ａ）、（ｂ）の例では、ＰｃＦｃを基準として、ＦｕはＦｃよりＸ方向、Ｙ方向共に−側の位置にあり、ＦａはＦｃよりもＸ方向、Ｙ方向共に＋側の位置にある。これを反射鏡面全体について考えると、反射鏡２の下半面の各点（Ｐｕを含む。）に対応する等位相点の集合はＦｃよりもＸ方向、Ｙ方向共−側の位置にあり、反射鏡２の上半面の各点（Ｐａを含む。）に対応する等位相点の集合はＦｃよりもＸ方向、Ｙ方向共＋側の位置にある。
【００４１】
修整関数ｇ（ｘ、ｙ）を含むパラボラ関数は、ｘ^２＋ｙ^２＝４（Ｆ＋ｇ（ｘ、ｙ））ｚによって表される。ここで、特定の（ｘ、ｙ）に対してｇ（ｘ、ｙ）＞０なら、ｚの値は、ｘ^２＋ｙ^２＝４Ｆｚの場合よりも小さくなり、ｇ（ｘ、ｙ）＜０なら、ｚの値はｘ^２＋ｙ^２＝４Ｆｚの場合よりも大きくなる。
【００４２】
ｇ（ｘ、ｙ）を数１０とした場合、ｙ＜（ｏｆ＋Ｄ／２）のとき、ｇ（ｘ、ｙ）＞０）ｙ＞ｏｆ＋Ｄ／２のとき、ｇ（ｘ、ｙ）＜０となるので、数１０の関数は、ｙ＝ｏｆからｙ＝ｏｆ＋Ｄ／２に向かってｙの値に応じて徐々にかつ滑らかに焦点が小さくなるパラボラ面を積み重ねた形状となる。従って、ｙ＝ｏｆ＋Ｄ／２の場合、ｇ（ｘ、ｙ）＝０となり、通常のパラボラと同じになる。ｙ＞ｏｆ＋Ｄ／２のとき、ｇ（ｘ、ｙ）＜０となり、ｙが大きくなるにつれて、徐々に焦点距離が小さくなり、かつ通常のパラボラよりもＥと各点の法線のなく角度が大きくなって、等位相点がパラボラの場合よりもＦｃ′に近づく。即ち、焦点距離の変更開始点はｙ＝ｏｆ＋Ｄ／２である。ｙ＜ｏｆ＋Ｄ／２のとき、ｇ（ｘ、ｙ）＞０となり、ｙが大きくなるにつれて、徐々に焦点距離が小さくなり、かつ通常のパラボラよりも電波Ｅと各点の法線とがなす角度が小さくなって、等位相点がパラボラの場合よりもＦｃ′に近づく。このときの鏡面の形状を図１（ｂ）に一点鎖線で示し、この場合のパラボラの上端Ｐａ′に対応する等位相点をＦａ′で、パラボラの下端Ｐｕ′に対応する等位相点をＦｕ′で示す。従って、等位相点の集合の拡散範囲が狭くなり、集密度が上がり、利得を向上させることができる。数１０におけるｋを−０．０２とした場合の等位相点の拡散の状況を図２（ｃ）、（ｄ）に示す。図２（ａ）と（ｃ）との比較、図２（ｂ）、（ｄ）の比較とから、修整関数ｇ（ｘ、ｙ）に数１０を使用した場合の方が等位相点の集中度が向上していることが分かる。
【００４３】
修整関数ｇ（ｘ、ｙ）を、数１１とした場合について考える。
【００４４】
【数１１】
ｇ（ｘ、ｙ）＝ｋ（ｙ＋α）
【００４５】
但し、｜α｜≦ｏｆ＋Ｄである。α＝−ｏｆ−Ｄ／２とすると、数１０と同じになる。従って、αの値を｜α｜≦ｏｆ＋Ｄの範囲で変更すると、焦点距離の変更開始位置を鏡面の任意の位置とすることができ、αを適切に選択すると、等位相点の集合の拡散範囲を更に狭くすることができ、集密度をさらに高くしたり、例えば２つの異なる方向から到来する電波に対応することができる。
【００４６】
上述した２種類の修整関数を組み合わせて、即ち修整関数ｇ（ｘ、ｙ）として数１２を使用することができる。
【００４７】
【数１２】
ｇ（ｘ、ｙ）＝ｋ（ｙ−ｏｆ−Ｄ／２＋｜ｘ｜）
【００４８】
この場合、電波到来方向に対応した適当なｋの値を選ぶことにより、Ｆｒ、Ｆｌ、Ｆａ、Ｆｕの全てをＦｃの近傍に集中させることができる。
【００４９】
数７、数１０、数１２において、θｂ＝１０°として、ｋを−０．２付近から０．２付近まで変更させた場合の等位相面の集密度を図３に示す。図３の縦軸は、アンテナ効率に換算した等位相点の密度を表し、単位は倍である。縦軸が１の場合が、通常のパラボラアンテナに正面から電波が到来した場合に相当する。図３から明らかなように、概ね−０．２付近から０．２付近にｋを選択することによって、良好な結果が得られた。特に、θｂ＝１０°の場合、ｋが−０．１付近から＋０．１付近の範囲にピークが存在する。また、その最大ピークは、数１０、１２の場合、−０．０５付近にあり、数１０の場合、＋０．０５付近にあり、それぞれ集約密度は約０．６４である。
【００５０】
数１０においてＤ＝７５５ｍｍ、Ｆ＝４５３ｍｍ、ｏｆ＝０、ｋ＝−０．０２とした場合の反射鏡の正面から電波が到来した場合の周波数対利得特性を図４に示し、同反射鏡に１０°変更した電波が到来した（ビーム偏向角θｂ＝１０°）場合の直線偏波の周波数対利得特性を図５に示す。なお、Ｈは水平偏波を、Ｖは垂直偏波の電波を受信した場合をそれぞれ表している。図４から正面方向から電波が到来する場合には、利得が３８乃至３９ｄＢであることが分かる。図５から１０°偏向の場合、利得は３５．６乃至３６．１ｄＢである。両図から、ビーム偏向角１０°の場合、Ｄが６０ｃｍｍのパラボラ反射鏡と同様な性能が得られることが分かり、経済効率を大幅に下げることなく、充分な性能が得られる。
【００５１】
図６は、図４及び図５の測定に使用した同じアンテナと、通常の同じ大きさのパラボラアンテナにおいて、ビーム偏向角を０°から変更した場合の相対利得の変化を示したものである。これによって、ビーム偏向角が１０°の場合、通常のパラボラアンテナと比較して、約１．８ｄＢの利得の改善が得られた。
【００５２】
上述した数７、９、１０、１１、１２を包含した式は、数１３によって表される。
【００５３】
【数１３】
ｇ（ｘ，ｙ）＝ｋ１（ｙ＋α）＋ｋ２（｜ｘ｜＋β）
【００５４】
但し、｜α｜≦（ｏｆ＋Ｄ）、｜β｜≦Ｄ／２である。また、ｋ１、ｋ２は、任意の値の係数とすることができるが、図３に関連して説明したように−０．２乃至０．２の範囲とすることが望ましい。また、図３においてθｂ＝１０°の場合を例示したが、他のθｂに対してはα、β、ｋ１、ｋ２の値と、式を適当に選択して対応することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の発明によれば、あらゆるビーム偏向に対してパラボラまたはオフセットパラボラ反射鏡の収差に基づく等位相点の拡散を抑え、等位相点を集中させることができ、大幅な経済効率の低下を招くことなく、利得を向上させることができる。
【００５６】
請求項２記載の発明によれば、反射鏡の上下方向での反射における収差に基づく等位相点の拡散を防止することができる。
【００５７】
請求項３記載の発明によれば、反射鏡の左右方向での反射における収差に基づく等位相点の拡散を防止することができる。
【００５８】
請求項４記載の発明によれば、反射鏡の左右方向での反射における収差に基づく等位相点の拡散を防止する際に、βの値を適切に選択することによって、更に等位相点の拡散を防止したり、複数のビーム偏向に伴う等位相点の拡散を防止することができる。
【００５９】
請求項５記載の発明によれば、反射鏡の上下左右方向での反射における収差に基づく等位相点の拡散を防止することができる。
【００６０】
請求項６記載の発明によれば、ｋ１、ｋ２の値を約−０，２乃至約０．２に選択しているので、充分に実用となる利得が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるオフセットパラボラ反射鏡の１実施の態様と従来のオフセットパラボラ反射鏡のＸ−Ｚ平面及びＹ−Ｚ平面における電波の反射状態を示す図である。
【図２】同実施の形態と従来のオフセットパラボラ反射鏡のＹ−Ｚ平面及びＸ−Ｚ平面における等位相点の集中状態を示す図である。
【図３】同実施の形態における係数ｋの変化による等位相点の集中状態を示す図である。
【図４】同実施の形態におけるビーム偏向角０°の場合の利得対周波数特性図である。
【図５】同実施の形態におけるビーム偏向角１０°の場合の利得対周波数特性図である。
【図６】同実施の形態におけるビーム偏向角と相対利得との関係を示す図である。
【符号の説明】
２オフセットパラボラ反射鏡

Claims

パラボラ反射鏡の開口面における左右方向をＸ軸とし、上下方向をＹ軸とし、前後方向をＺ軸とする座標系において、上記反射鏡の鏡面を表す関数を、
ｘ^２＋ｙ^２＝４（Ｆ＋ｇ（ｘ、ｙ））ｚ
（但し、ｇ（ｘ、ｙ）は、
ｇ（ｘ、ｙ）＝ｋ１（ｙ＋α）＋ｋ２（｜ｘ｜＋β）
但し、αは−（ｏｆ＋Ｄ）以上かつ（ｏｆ＋Ｄ）以下の値、βは−（Ｄ／２）以上かつ（Ｄ／２）以下の値、ｏｆは０以上の値の上記反射鏡のオフセット量、Ｄは上記反射鏡をＸ−Ｙ平面に投影した円の直径、Ｆは上記反射鏡の焦点距離、ｋ１及びｋ２は係数
としたことを特徴とするマルチビーム用パラボラ反射鏡。
請求項１記載のマルチビーム用パラボラ反射鏡において、ｋ２＝０、ｋ１＜０、α＝−（ｏｆ＋Ｄ／２）としたことを特徴とするマルチビーム用パラボラ反射鏡。
請求項１記載のマルチビーム用パラボラ反射鏡において、ｋ１＝０、ｋ２＞０、β＝０としたことを特徴とするマルチビーム用パラボラ反射鏡。
請求項１記載のマルチビーム用パラボラ反射鏡において、ｋ１＝０としたことを特徴とするマルチビーム用パラボラ反射鏡。
請求項１記載のマルチビーム用パラボラ反射鏡において、ｋ１＝ｋ２、α＝−（ｏｆ＋Ｄ／２）、β＝０としたことを特徴とするマルチビーム用パラボラ反射鏡。
請求項１記載のマルチビーム用パラボラ反射鏡において、ｋ１、ｋ２が−０．２以上でかつ０．２以下であることを特徴とするマルチビーム用パラボラ反射鏡。