JP3613282B2 - 電波レンズアンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数の通信相手、例えば複数の静止衛星から電波を受信したり、各静止衛星に向けて電波を送信したりするのに用いるルーネベルグレンズを使用した電波レンズアンテナ装置に関する。

電波レンズのひとつとして知られるルーネベルグレンズは、球を基本形とする誘電体製のレンズであり、各部の比誘電率εｒが、下式（１）に略従うものになっている。

εｒ＝２−（ｒ／ａ）² ……… 式（１）
但し ａ：球の半径
ｒ：球中心からの距離
このルーネベルグレンズを用いたアンテナ装置は、電波の焦点を半球上の任意の位置に定めてどの方向からの電波も捕捉でき、また、任意方向に電波を送り出すことができる。

かかるルーネベルグレンズアンテナ装置の中に、半球状のレンズを反射板と組合わせて球状レンズと等価な機能を持たせたものがある。その装置の概要を図８に示す。図中１は反射板、２は半球状ルーネベルグレンズ、３はアンテナ素子（一次放射器）である。

この構造のアンテナ装置について、周回衛星の追尾機能を付与して周回衛星との間で電波の送受信を行うものが既に考え出されている。

しかし、それはあくまでも周回衛星に対応させたアンテナ装置にすぎない。

例えば、日本には衛星放送用として複数の静止衛星が存在する。その静止衛星からの電波の受信にはパラボナアンテナが使用されているが、パラボナアンテナや前述の衛星追尾式電波レンズアンテナ装置では、ひとつの衛星又は同一地点にある衛星にしか対応できない。

また、パラボナアンテナは、電波を捕捉できる範囲が狭く、捕捉可能区域から外れた衛星に対しては、アンテナ数を増やして対応せざるを得ない。

そこで、この発明は、複数の静止衛星に対して独立的に送信又は受信が行える電波レンズアンテナ装置を提供することを目的としている。

また、その電波レンズアンテナ装置は、衛星数に対応した複数のアンテナ素子を備えたものになるが、複数のアンテナ素子を所望の衛星からの電波の焦点部にそれぞれ確実に位置合わせするのは決して容易でない。そこで、この問題の解決策も併せて提供する。

従来のパラボラアンテナの場合、電波の送受信方向を衛星の存在する方向に合わせる手法として、アンテナ設置点における球面座標系を考え、アンテナ設置点における衛星の方位角（アジマス角）φ、及び仰角（エレベーション角）θの直交する２変数を用いて方向を定める（図９参照）。

このときの方位角、仰角はアンテナの設置される地域（厳密には地点）によって大きく異なるため、例えば、ＢＳ、ＣＳ放送用のパラボラアンテナ等については、等方位角線、等仰角線が引かれた専用の地図を目安にして粗調を行い、その後、テレビ画面上に表示される受信感度数値を見ながら微調整を行って最適の方向を探す方法が採られている。

しかしながら、この方法による方向調整は、不慣れな人にとっては難しく、作業に手間取る。ルーネベルグレンズを用いたアンテナ装置は、アンテナそのものではなく、アンテナ素子の位置を調整することになるが、複数の静止衛星に対し、独立的送受信を可能ならしめようとするもの（マルチビーム対応型）は、複数のアンテナ素子を備えるので、煩雑な作業を繰り返す必要があり、調整に長い時間を要する。

我が国（日本）には、現在、東経１１０°〜１６２°の範囲に複数の静止衛星が存在する。このうち、ひとつのアンテナ素子で対応できるのは東経１１０°の位置にある３衛星だけであり、その他の衛星は少しずつ方位がずれた位置にあるため、全数の衛星を対象とする場合には現状では少なくとも１０個、半数の衛星を対象とする場合にも４〜６個のアンテナ素子を備える必要があり、調整が相当煩わしいものになる。

この発明は、複数のアンテナ素子の各衛星に対する位置合わせを、確実かつ容易に行えるようにする案も併せて提供する。

上記の課題を解決するため、この発明においては、静止衛星に対して電波の送信、受信もしくは送受信を行う固定設置される電波レンズアンテナ装置であって、電波の反射板と、球の２分断面を反射面に添わせて反射板上に設ける半球状ルーネベルグレンズと、前記ルーネベルグレンズを跨ぐアーチ型の支持アームと、この支持アームに設けられた前記ルーネベルグレンズの球面に沿う素子保持部と、前記支持アームを、前記ルーネベルグレンズの中心を通る軸を支点にして任意位置に回転させて回転位置にロックする仰角調整機とを有し、前記支持アームの素子保持部に、複数のアンテナ素子を取付けるホルダのセット位置を指定する手段を設けたのである。

この発明のアンテナ装置は、反射板を例えば水平配置にして使用する場合、反射板よりも上方からの電波にしか対応できないが、赤道を含む面内に存在する複数の静止衛星に対し、捕捉対象衛星数と同数のアンテナ素子を単一の装置でそれぞれの静止衛星に対し、独立的に受信又は送信することができる。これが、本アンテナ装置の大きな利点である。

また、上記のアンテナ装置は、素子取付け手段を利用してアンテナ素子を静止衛星の間隔に対応した間隔で支持アームの素子保持部に先ず取付ける。

次に、アンテナ設置点の緯度、経度をもとに予め作成した表やマップより仰角を決定し、その角度になるところに支持アームを回転させてその位置をロックする。

その後、アンテナ装置を指定された方向に向けて据え付ける。これにより、各アンテナ素子の方位合わせが一括してなされ、各素子が衛星と対応した間隔で対応した位置に置かれる。

以上で、対象衛星の総てが概ね捕捉できる位置にアンテナ素子が位置決めされる。

衛星からの電波の焦点は、支持アームの円弧の素子保持部に概ね沿っているので、アンテナ素子は、電波の焦点近傍にほぼ揃う。ここで、概ねと述べたのは、赤道上に観測点がある場合のみ円弧の素子保持部に焦点が完全に沿い、緯度が変われば焦点と保持部の円弧との間にずれが生じるからである。この緯度の変化による素子の焦点からのずれは、あまり大きいものではなく、無視できる。例えば、直径が４０ｃｍ程度のレンズアンテナ（市販のＢＳ、ＣＳ放送用パラボラアンテナは直径４５ｃｍ程度）を使用する場合、電波ビームの半値幅は４度程度であり、１度程度のずれは、十分に使用に耐え得る範囲内である。勿論、そのずれは無い方がよく、各アンテナ素子毎に仰角及び方向角の微調整機構を設ければ、そのずれの補正が行える。

また、アンテナ設置点から見た衛星の方位角や仰角はアンテナの設置点によって変化するが、方位角と偏波調整用回転角の微調整機構を備えていれば、設置点の違いによる角度変化にも対応できる。

素子の取付け間隔を各地域での衛星間隔に合わせた地域別アームを用意し、それを使うことでも誤差を小さくすることができる。

このように、この発明のアンテナ装置は、複数の衛星に対応した複数のアンテナ素子の位置合わせを一括して行え、調整の容易化、確実化、迅速化が図れる。

なお、素子間間隔が狭くなると、素子の相互干渉の問題が生じる。支持アームを複数設けた装置は、各支持アームに素子を分けて取付けることで同一アーム上の素子間隔を広げることができ、相互干渉による取付け規制を緩和できる。

また、静止衛星は、例えば、日本においては、東経１１０度〜１６２度の限られた範囲にある。従って、支持アームは、コンパクト化のために両端をストレートにして両端間の距離を縮めたもの、或いは側面視で両端を屈曲させて素子保持部をアンテナ素子の位置決め点に沿わせ易くしたものを用いても差し支えない。これ等のアームを半円のアームと区別するために変形アームと云う。

さらに、下記のポインティングマップがあると、アンテナ素子の設置点をマップによって確認できる。また、確認した位置にマークをつけることもでき、そこに素子を位置決めすればよいので、ほぼ確実な位置合わせが容易に行え、各素子の位置合わせを個別に行うアンテナ装置についても調整が簡単になる。
上記のポインティングマップは、次に記載の（１）、（２）である。
（１）半球状ルーネベルグレンズに被せるカバーを有し、そのカバーの表面に、アンテナ素子の位置合わせの指標となす下記等緯度線及び等経度差線と、レンズに対するカバー取付けの基準方位を示すポインティングマークを描いて成る電波レンズアンテナ装置用ポインティングマップ。
（記）
アンテナ設置点の経度をφ、緯度をθ、静止衛星の経度をφｓ、経度差Δφ＝φ−φｓとして、
等経度差線は、Δφを一定に保ちながらθを変化させて得られる半球面上の軌跡、
等緯度線は、θを一定に保ちながらΔφを変化させて得られる半球面上の軌跡。
（２）半球状ルーネベルグレンズの表面又はそのレンズの表面に貼り着けるフィルムに、アンテナ素子の位置合わせの指標となす下記等緯度線及び等経度差線を画いて成る電波レンズアンテナ装置用ポインティングマップ。
（記）
アンテナ設置点の経度をφ、緯度をθ、静止衛星の経度をφｓ、経度差Δφ＝φ−φｓとして、
等経度差線は、Δφを一定に保ちながらθを変化させて得られる半球面上の軌跡、
等緯度線は、θを一定に保ちながらΔφを変化させて得られる半球面上の軌跡。

以上述べたように、この発明の電波レンズアンテナ装置は、複数のアンテナ素子を備えているので、複数の静止衛星に対して独立的に送受信を行え、アンテナ数を増やす必要がない。また、回転式支持アームを有するものはその支持アームに複数のアンテナ素子を衛星間隔に対応した間隔で取付け、その後、支持アームを必要角度回転させるので、複数のアンテナ素子の各静止衛星に対する位置合わせが一括して行え、調整作業が非常に簡単になる。

また、この発明のポインティングマップ及びそれを用いたアンテナ装置は、アンテナ素子の位置決め点（衛星捕捉点）を目視確認して素子の位置合わせを行うことができ、衛星を確実に容易に捕捉できる。また、方位調整用の特別な用具を必要とせず、経済面でも有利になる。

以下、この発明のアンテナ装置及びポインティングマップの実施形態を図１乃至図７に基づいて説明する。

図１〜図３の電波レンズアンテナ装置は、反射板１上に半球状のルーネベルグレンズ２を固定し、さらに、複数のアンテナ素子３を反射板１上に設けた支持アーム４に取付けて構成される。

ルーネベルグレンズ２は、誘電体で形成されており、全体を多層構造にする等して各部の比誘電率を前述の式（１）で求まる値に近似させている。

アンテナ素子３は、アンテナのみであってもよいし、低雑音増幅器や周波数変換部、発振器等で構成された回路基板とセットになったものでもよい。

支持アーム４は、レンズ２を跨ぐ、アーチ型アームであり、レンズ２の円弧面に沿った素子保持部４ａを有し、さらに、回転支点となる支軸４ｂを両端に有する。この両端の支軸４ｂを角度調節器５に回転可能に取付けている。なお、図の装置は、支軸４ｂがレンズ中心を通る軸線上にあるが、素子の位置決め精度を高めるためにアームの回転中心をレンズ中心を通る軸線上から意図的にずらすこともある。

角度調節器５は、角度目盛５ａを付したブラケット５ｂで支軸４ｂを支えるものを示した。この調節器５は、支持アーム４を回転の各位置に固定するロック機構（図示せず）を有する。そのロック機構は、ブラケットに支軸４ｂと同心の円弧の長孔を設け、そこに支軸４ｂに取付けたねじを通し、蝶ナットで締付けるものなどでよい。

支持アーム４の素子保持部４ａには、素子取付け手段６が設けられている。その素子取付け手段６は、支持アーム４にホルダのセット位置を指定する凹部、凸部、マークなどを設けて指定された位置に嵌め込み嵌合式のホルダやスライド式ホルダを位置決めし、そのホルダにアンテナ素子３を取付ける構造のものなどが考えられ、この素子取付け手段６を利用してアンテナ素子間の間隔を衛星の間隔に対応したものとなす。

素子取付け手段６によるアンテナ素子３の取付け間隔は、以下のようにした定める。例えば、日本の場合、主に利用されている静止衛星は、東経１１０度、１２４度、１２８度、１３２度、１３６度、１４４度、１５０度、１５４度、１５８度、１６２度の各地点にある。このうち、例えば、東経１２４度と１２８度の衛星を捕捉する場合、２つの衛星の経度差は４度であるが、日本国内のアンテナ設置点から見れば、衛星間隔はおよそ４．４度となるので、この場合には、素子保持部４ａ上に４．４度（必要ならば＋補正角）の間隔でアンテナ素子３を取付けられるようにしておく。

また、既に述べたように、支持アーム４の回転による緯度の変化によって電波の焦点が素子保持部と同心の円弧上からずれ、アンテナの設置点によって衛星を臨む方位にもずれが出るので、アンテナ素子３と支持アーム４との間に方位角と偏波調整用回転角の微調整機構を設けておくのが望ましい。或いは、各地域での平均的な衛星間隔に合致した間隔でアンテナ素子を位置決めして取付けられる構造にした地域別支持アームを用意して、そのアームを使い分けるようにしてもよい。ここで云う地域別支持アームには、アームの一部を交換可能となし、その一部のみを交換してアンテナ素子を地域毎の最適点に位置決めするものも含まれる。

以下に、図１の電波レンズアンテナ装置の設置方法を記す。
１）反射板１に装置設置時の方位合わせ用のマーク（例えば真南方向を示すＳや南半球で使用するものは真北を示すＮなど）を付ける。このマークは、予め付しておいてもよいが、そのマークとアンテナ素子の取付点は互いの位置関係が定まっている必要がある。
２）所望の衛星の数だけアンテナ素子を用意し、アーム上の該当個所に取り付ける。
３）アンテナ設置点の緯度、経度をもとに、表あるいはマップより仰角を決定し、その角度にアームを合わせる。
４）真南マークが南に向くようにアンテナを設置する。

この状態で、総ての衛星が概ね捕捉出来ている。
５）各衛星からの電波を受信しながらアンテナ素子の回転角を調整して、受信レベルが最大になるように設定する。更に、アンテナ素子の位置を微調整（方位、仰角）して、受信レベルが最大になるように設定固定する。総ての衛星アンテナ素子についてこの操作を行う。

こうすることで複数の衛星を一括して容易に捕捉でき、アンテナ素子の位置合わせを容易化することができる。

図２は、第２実施形態である。先に述べた４．４度の衛星間隔はかなり狭く、同一支持アームにその間隔でアンテナ素子を取付ける場合には、小型のアンテナ素子が必要になる。要求に応えられる小型化が実現できなければ、隣り合うアンテナ素子の相互干渉が起こり、一方の衛星の捕捉を断念せざるを得ない。図２の装置は、同一軸上に回転支点をもつ支持アーム４を２個設けている。このようにアームを複数設けて各支持アーム４にアンテナ素子３を分けて取付ければ隣り合うアンテナ素子間の間隔を広げることが可能であり、これによって上記の不具合を解消できる。

図３は、変形支持アームの使用例を示している。支持アームの素子保持部４ａをレンズ２と同心の円弧形状にするのは、電波の焦点距離を一定させるためである。素子保持部４ａから外れた領域は焦点距離には何ら影響を及ぼさず、従って、支持アーム４の両端部は図３のような形状にしてもよい。図３の形にするとアームの両端間の距離が縮み、コンパクト化が図れる。また、図３（ａ）に鎖線で示すように、アーム４の両端を側面視で屈曲させてもよく、この形は素子保持部４ａをアンテナ素子の位置決め点に理想的に沿わせるのに有効である。

次に、ポインティングマップの実施形態を図４に示す。

図４に示すような等緯度、及び等経度差の軌跡を描いた図をこの発明ではポインティングマップと言う。

例えばアンテナ設置点の経度をφ、緯度をθ、衛星の経度をφｓ、また経度差Δφ＝φ−φｓとすると、
等経度差線は、Δφを一定に保ちながらθを変化させて得られる半球面上の軌跡、
等緯度線は、θを一定に保ちながらΔφを変化させて得られる半球面上の軌跡、
を描いたものである。

このポインティングマップ７を、例えばレドーム８に描き、それを半球レンズに被せ、アンテナ設置点の緯度、及びアンテナ設置点の経度と、所望の衛星の存在する経度との差から、衛星捕捉位置を決定する。

図４のポインティングマップを使ったときの具体的なアンテナ素子設置方法を図５に基づいて説明する。
１）反射板１上にレンズアンテナ２を設置し、レドーム８を被せる。
２）レドームにはポインティングマップ７のほかにポインティングマーク９を描いておく。
３）レドーム８はポインティングマーク９が後述する方位マーク１０と合う向きにする。
４）反射板１には真南方向を示す方位マーク（ここではＳ）１０を付す（南半球に設置する場合は真北方向を示すマークＮを付す）。
５）必要ならＳ（Ｎ）を基準として、対象衛星の経度に応じて衛星方位をマークしておいてもよい。
６）その状態で当該衛星用アンテナ素子３（一次放射器）をポインティングマップ７上のアンテナ設置点に合せて仮止めする。
７）必要とする総ての衛星のアンテナ素子３について、同様の操作を行う。
８）ポインティングマーク９が方位マーク１０に合っていることを確認し、反射板１を動かして、方位マーク１０が南（北）を向くように設置する。
９）各衛星からの電波を受信しながらアンテナ素子の回転角を調整して、受信レベルが最大になるように設定する。更に、アンテナ素子の位置を微調整して、受信レベルが最大になるように設定固定する。総ての衛星アンテナ素子についてこの操作を行う。

このポインティングマップを用いると、衛星の捕捉を確実かつ容易に行え、アンテナ素子の位置合わせを簡単化できる。

また、ポインティングマップをレドーム等の表面に描くことにより、方位調整用の特別な用具が不要となり、経済面等でも有利になる。

なお、ここでは、レドーム８上にポインティングマップ７を描き、レドーム本来のアンテナカバーとしての機能を持ったものについて説明したが、アンテナ素子を位置合わせする際のみの一次的な治具であっても良い。その場合、アンテナ設置後そのポインティングマップカバーを取り除ける構造が必要であるので、例えば、マップの描かれている側のみを残した、１／４球のカバーにマップを描いたものが望ましい。

またレドームが不要なレンズであれば、レンズの表面にマップを印刷してもよく、また、マップが印刷されたシール等をレンズに貼りつけて使用することもできる。

また、図５には、一つのアンテナ素子３に対し、一つのアンテナ支持ポール１２が示されているが、図１〜図３の如きアーム方式を用いても良い。また、図６に示すように、支持ポール１２と、複数のアンテナ素子３を支える小アーム１３を組合わせた支持具を採用してもよい。この場合、アームの形状が、マップの軌跡と完全には一致しない場合があるので、個々のアンテナ素子は方位角と仰角の微調整機構を設けるのがよく、その方が、ポインティングマップの本来の利点である確実設置の目的に合致する。

さらに、図７に示す如く、ポインティングマップ７を網羅するサイズ、または当該アンテナ素子の存在範囲のみを含むぐらいのサイズの、レドーム８の表面に取り付け可能な又はレドームと一体に形成された素子フォルダ１４を含め、個々のアンテナ素子３をフォルダ１４内の任意の位置（マップにマークした位置と対応する位置）に固定する表面取付け型のレンズアンテナ装置であってもよい。フォルダ１４は、素子や素子取付具の差込み穴等を微小ピッチで多数設けておくと、任意位置の穴を選択して素子や素子取付具を所望位置に取付けることができる。この場合、素子取付具を用いるとそれに方位角と回転角の微調整機構を設けることができる。

なお、この発明のアンテナ装置は、アンテナ素子を個々に保持するもの、数個をまとめて保持するもののどちらでもよい。

（ａ）この発明の電波レンズアンテナ装置の実施形態の側面図、（ｂ）同上の装置の平面図 （ａ）電波レンズアンテナ装置の他の実施形態の側面図、（ｂ）同上の装置の平面図 （ａ）電波レンズアンテナ装置の更に他の実施形態の側面図、（ｂ）同上の装置の平面図 （ａ）ポインティングマップの実施形態の平面図、（ｂ）同上のマップの側面図 （ａ）図４のマップの使用例を示す平面図、（ｂ）同じく側面図 ポインティングマップの使用の他の例を示す斜視図 ポインティングマップの使用の更に他の例を示す斜視図 半球状ルーネベルグアンテナ装置の概念図 アンテナ設置点から見た衛星の方位角、仰角の説明図

符号の説明

１ 反射板
２ ルーネベルグレンズ
３ アンテナ素子
４ 支持アーム
４ａ 素子保持部
４ｂ 支軸
５ 角度調節器
６ 素子取付け手段
７ ポインティングマップ
８ レドーム
９ ポインティングマーク
１０ 方位マーク
１１ 衛星方位マーク
１２ アンテナ支持ポール
１３ 小アーム
１４ 素子フォルダ

Claims (2)

1. 静止衛星に対して電波の送信、受信もしくは送受信を行う固定設置される電波レンズアンテナ装置であって、電波の反射板と、球の２分断面を反射面に添わせて反射板上に設ける半球状ルーネベルグレンズと、前記ルーネベルグレンズを跨ぐアーチ型の支持アームと、この支持アームに設けられた前記ルーネベルグレンズの球面に沿う素子保持部と、前記支持アームを、前記ルーネベルグレンズの中心を通る軸を支点にして任意位置に回転させて回転位置にロックする仰角調整機とを有し、前記支持アームの素子保持部に、複数のアンテナ素子を取付けるホルダのセット位置を指定する手段を設けたことを特徴とする電波レンズアンテナ装置。
2. 前記支持アームを、両端が非円弧であり、その非円弧部間にレンズの球面との距離をほぼ一定に保った円弧状の素子保持部が存在する形の変形アームにした請求項１に記載の電波レンズアンテナ装置。

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