JP3777458B2 - Antenna optimized for reflecting mirror surface and method for determining its focal position - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は例えば通信衛星に搭載されるアンテナ主反射鏡、副反射鏡、各種給電装置、ビーム指向方向制御装置を含むアンテナシステムに関するものである。また、一般的に地上で用いられる比較的大型の反射鏡面構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図5は従来法による仮想パラボラ面の設定を示したものである。1は実際の主反射鏡上に分布した離散的な形状測定のための計測点、2は真に電気的に等価でない従来法による仮想パラボラ鏡面、3は2のパラボラ軸、4は1の各計測点と2の仮想パラボラとのパラボラ軸方向の誤差である。1の計測点群があったときに、そのパラボラ軸方向(ボアサイト方向)での誤差の全計測点についての自乗和が最小になるように計算されたのが2の仮想パラボラである。従来のアンテナシステムは2の仮想パラボラを想定して構築される。
【0003】
図6に従来法に従って設計されたパラボラ主反射鏡を含むアンテナシステムの例を示す。5は2の仮想パラボラの焦点位置、6は2のパラボラに対する給電系で、7は2の仮想パラボラで反射したビームの照射方向、8は実際のビーム放射方向を表す。すなわち、このアンテナシステムの設計者は真に電気的に等価なパラボラではなく2のパラボラに対して給電系を配置しているために実際に電波が放射される方向8と、設計者が想定した放射方向7が一致しない。
【0004】
これに対して、1の計測点が分布する実際の主反射鏡の電気的に等価な仮想パラボラ面が9であり、10はそれに対する焦点位置を表す。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記のパラボラ曲面構造を含んだアンテナシステムでは、各計測点とのボアサイト方向のみに注目した誤差の自乗和を最小とするような仮想パラボラ曲面を想定して給電位置が決められ、また電波の指向方向制御等が行われるため、電波の伝搬経路を正確に最適化したものではなく所望の電気特性を得られない可能性があるという欠点をもつ。特に目標とするパラボラの焦点距離が短くしかもパラボラ軸から離れたオフセット位置を使った鏡面においては、ボアサイト方向の誤差と電波伝搬路の誤差との差が大きくなるために電気的に等価な反射面と従来技術で想定する電気的に等価でない仮想パラボラ面が全く違ったものになる可能性がある。
【0006】
本発明の目的は、パラボラ曲面または双曲面または楕円曲面構造に対して電気的および光学的に最適なアンテナシステムを構成するためのものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、真に電気的に等価な仮想パラボラ曲面と、該仮想パラボラ曲面の焦点位置に取り付けられた波源素子とを有するアンテナであって、
実際の計測点から、当該計測点と波源素子とを結ぶ線が仮想パラボラ曲面と交差する第1の点までの線分と、実際の計測点から、当該計測点を通るパラボラ軸に平行な線に対し第1の点から垂線を引いたときの交点である第2の点までの線分との和である経路差について、全ての計測点における経路差の自乗の総和が最小となるように、仮想パラボラ曲面が決定されていることを特徴とする。
また、本発明は、真に電気的に等価な仮想パラボラ曲面を決定する第1のステップと、仮想パラボラ曲面の焦点位置を基準として波源素子の取り付け位置を決定する第2のステップとを有するアンテナの焦点位置決定方法であって、
第1のステップは、実際の計測点から、当該計測点と波源素子とを結ぶ線が仮想パラボラ曲面と交差する第1の点までの線分と、実際の計測点から、当該計測点を通るパラボラ軸に平行な線に対し第1の点から垂線を引いたときの交点である第2の点までの線分との和である経路差について、全ての計測点における経路差の自乗の総和が最小となるように、仮想パラボラ曲面を決定することを特徴とする。
【0008】
従来のアンテナシステムとは、電波の伝搬路の経路差が最小になるような仮想曲面(パラボラ、双曲面、楕円面)を想定してアンテナシステムが配置されるという点が異なる。
【0009】
本発明は上記のような構成になっているので、反射鏡面に対して電気的光学的に最適なアンテナシステムを組むことができるという効果がある。
【0010】
【発明の実施の形態】
図1は本発明による仮想パラボラ面の設定を示したものである。11は本発明による仮想パラボラ鏡面、12は11のパラボラ軸、13は11のパラボラ鏡面の焦点である。図中の線分Aと線分Bの和が、1の計測点と仮想パラボラ鏡面との電波の伝搬経路差あるいは光路差となる。
【0011】
1の計測点群があったときに、その電波の伝搬経路差あるいは光路差の全計測点についての自乗和が最小になるように計算されたのが11の仮想パラボラ鏡面である。本発明によるアンテナシステムは11の仮想パラボラを想定して構築される。
【0012】
図2は本発明に従って設計されたパラボラ主反射鏡を含むアンテナシステムの例を示したものである。11は上記のような計測点に対して電波の伝搬経路差あるいは光路差の自乗和が最小になるような仮想パラボラ鏡面であり、9の真に電気的に等価なパラボラ鏡面とほぼ一致する。14は11のパラボラ鏡面に対して設定された給電装置である。
【0013】
測定データの例として、図3A〜図3Dのテストデータを得たとする。左側から計測点の番号、およびX、Y、Z方向の座標値を示す。合計197個の測定ポイントに対して本発明に基づいた仮想パラボラと従来技術による仮想パラボラを比較したのが図4である。焦点距離にして約5mmの差があり並進位置にも若干の違いが出る。その結果、電気的に等価と考えられるパラボラからの鏡面誤差は本発明による仮想パラボラが0.286mmRMSなのに対して、従来法による仮想パラボラの鏡面誤差は1.35mmRMSとなる。
【0014】
ところで、アンテナ鏡面に要求される形状条件として鏡面の誤差が扱う電波の波長の50分の1以下であることが一応の目安とされている。これよりCバンド(波長50mm)に対する要求精度は1mmRMS以下、Kuバンド(波長21.4mm)に対する要求精度は0.4mmRMS以下ということになる。したがって、上記の測定データに対応する鏡面を用いて従来法による等価パラボラを想定してアンテナ系を組んだ場合には、Cバンド、Kuバンドに対しては所望の電気特性を期待することはできないと考えられる。
【0015】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明はパラボラ曲面または双曲面または楕円曲面について、各位置測定可能な計測点データとの光路差および電波伝搬の経路差の自乗の総和を最小とするような仮想パラボラ曲面または双曲面または楕円曲面を想定して波源位置が決められるとともにビームの指向方向制御等が行われるため、反射鏡面に対して電気的光学的に最適なアンテナシステムを組むことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による仮想パラボラの設定を示した図である。
【図2】本発明の実施例を示すアンテナシステムである。
【図3A】本発明の効果を示すためのテストデータである。
【図3B】本発明の効果を示すためのテストデータである。
【図3C】本発明の効果を示すためのテストデータである。
【図3D】本発明の効果を示すためのテストデータである。
【図4】図3A〜図3Dのテストデータに対する本発明による仮想パラボラと従来法による仮想パラボラの比較を示す図である。
【図5】従来法による仮想パラボラ面の設定を示した図である。
【図6】従来方法によって設計されたアンテナシステムを示した図である。
【符号の説明】
1 実際の主反射鏡上の計測点
2 1の計測点群に対してパラボラ軸方向誤差を最小化した、真に電気的に等価でない仮想パラボラ
3 2のパラボラ軸
4 1の各計測点と2の仮想パラボラとのパラボラ軸方向の誤差
5 2のパラボラの焦点
6 2の焦点に置かれた給電装置
7 2の仮想パラボラに対する電波の放射方向
8 実際の電波の放射方向
に電気的に価なパラボラ鏡面
10 9のパラボラ鏡面の焦点
11 1の計測点群に対して電波の伝搬経路差あるいは光路差を最小にする、真に電気的に等価な仮想パラボラ
12 仮想パラボラ11のパラボラ軸
13 仮想パラボラ11の焦点
14 11の焦点位置に置かれた給電装置
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an antenna system including, for example, an antenna main reflecting mirror, a sub reflecting mirror, various power feeding devices, and a beam directing direction control device mounted on a communication satellite. The present invention also relates to a relatively large reflecting mirror structure generally used on the ground.
[0002]
[Prior art]
FIG. 5 shows the setting of the virtual parabolic surface by the conventional method. 1 is a measurement point for discrete shape measurement distributed on the actual main reflector, 2 is a virtual parabolic mirror surface by a conventional method which is not truly electrically equivalent , 3 is a parabolic axis of 2, 4 is each of 1 This is an error in the parabolic axis direction between the measurement point and the two virtual parabolas. When there is one measurement point group, the second virtual parabola is calculated so that the sum of squares of all measurement points of the error in the parabolic axis direction (boresight direction) is minimized. The conventional antenna system is constructed assuming two virtual parabolas.
[0003]
FIG. 6 shows an example of an antenna system including a parabolic main reflector designed according to the conventional method. Reference numeral 5 denotes a focal position of the second virtual parabola, 6 denotes a feeding system for the second parabola, 7 denotes an irradiation direction of the beam reflected by the second virtual parabola, and 8 denotes an actual beam radiation direction. In other words, the designer assumed that the antenna system designer is actually radiating the radio wave 8 because the power feeding system is arranged with respect to two parabolas rather than a truly electrically equivalent one. Radiation direction 7 does not match.
[0004]
On the other hand, the electrically equivalent virtual parabolic surface of the actual main reflecting mirror in which one measurement point is distributed is 9, and 10 represents the focal position.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the antenna system including the above parabolic curved surface structure, the feeding position is determined assuming a virtual parabolic curved surface that minimizes the sum of squares of errors focusing only on the boresight direction from each measurement point. Since directivity direction control and the like are performed, the radio wave propagation path is not accurately optimized, and there is a possibility that desired electrical characteristics may not be obtained. In particular mirror focal length of the parabolic having a target using the shortened yet offset position away from the parabola axis, to the difference between the error of the error and the radio propagation in the boresight direction increases, electrical equivalent There is a possibility that the reflection surface and the virtual parabolic surface which is not electrically equivalent as assumed in the prior art are completely different.
[0006]
An object of the present invention is to configure an antenna system that is electrically and optically optimal for a parabolic curved surface, a hyperbolic surface, or an elliptic curved surface structure.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is an antenna having a truly electrically equivalent virtual parabolic curved surface and a wave source element attached to a focal position of the virtual parabolic curved surface,
A line segment from the actual measurement point to the first point where the line connecting the measurement point and the wave source element intersects the virtual parabolic curved surface, and a line parallel to the parabolic axis passing through the measurement point from the actual measurement point For the path difference that is the sum of the line segment from the first point to the second point that is the intersection when the perpendicular is drawn, the sum of the squares of the path differences at all measurement points is minimized. The virtual parabolic curved surface is determined .
The present invention also includes an antenna having a first step of determining a truly electrically equivalent virtual parabolic curved surface and a second step of determining a mounting position of the wave source element with reference to a focal position of the virtual parabolic curved surface. The focal position determination method of
In the first step, the line from the actual measurement point to the first point where the line connecting the measurement point and the wave source element intersects the virtual parabolic curved surface and the actual measurement point pass through the measurement point. For the path difference that is the sum of the line segment to the second point that is the intersection when the perpendicular is drawn from the first point to the line parallel to the parabolic axis, the sum of the squares of the path differences at all measurement points The virtual parabolic curved surface is determined so that is minimized .
[0008]
The antenna system is different from the conventional antenna system in that the antenna system is arranged assuming a virtual curved surface (parabola, hyperboloid, elliptical surface) that minimizes the path difference of the radio wave propagation path.
[0009]
Since the present invention is configured as described above, there is an effect that an optimal antenna system can be assembled electro-optically with respect to the reflecting mirror surface.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows the setting of a virtual parabolic surface according to the present invention. 11 is the virtual parabolic mirror surface according to the present invention, 12 is the 11 parabolic axes, and 13 is the focal point of the 11 parabolic mirror surfaces. The sum of line segment A and line segment B in the figure is the propagation path difference or optical path difference of radio waves between one measurement point and the virtual parabolic mirror surface.
[0011]
Eleven virtual parabolic mirror surfaces are calculated such that when there is one measurement point group, the sum of squares of all the measurement points of the propagation path difference or optical path difference of the radio wave is minimized. The antenna system according to the present invention is constructed assuming 11 virtual parabolas.
[0012]
FIG. 2 shows an example of an antenna system including a parabolic main reflector designed according to the present invention. Reference numeral 11 denotes a virtual parabolic mirror surface that minimizes the sum of squares of the propagation path difference or optical path difference of the radio wave with respect to the measurement point as described above, and substantially coincides with the truly electrically equivalent parabolic mirror surface of 9. Reference numeral 14 denotes a power feeding device set for 11 parabolic mirror surfaces.
[0013]
As an example of measurement data, it is assumed that the test data of FIGS. 3A to 3D is obtained. The number of the measurement point and the coordinate values in the X, Y, and Z directions are shown from the left side. FIG. 4 shows a comparison between the virtual parabola based on the present invention and the virtual parabola according to the prior art for a total of 197 measurement points. There is a difference of about 5 mm in the focal length, and there is a slight difference in the translation position. As a result, the mirror surface error from the parabola considered to be electrically equivalent is 0.286 mm RMS for the virtual parabola according to the present invention, whereas the mirror surface error of the virtual parabola according to the conventional method is 1.35 mm RMS.
[0014]
By the way, as a shape condition required for the mirror surface of the antenna, it is assumed that the error of the mirror surface is 1/50 or less of the wavelength of the radio wave handled. Accordingly, the required accuracy for the C band (wavelength 50 mm) is 1 mm RMS or less, and the required accuracy for the Ku band (wavelength 21.4 mm) is 0.4 mm RMS or less. Therefore, when an antenna system is constructed assuming an equivalent parabola according to the conventional method using a mirror surface corresponding to the above measurement data, desired electrical characteristics cannot be expected for the C band and Ku band. it is conceivable that.
[0015]
【The invention's effect】
As described above, the present invention is a virtual parabolic curved surface that minimizes the sum of the squares of the optical path difference and the radio wave propagation path difference between each position-measurable measurement point data for a parabolic curved surface, hyperbolic surface, or elliptical curved surface. Alternatively, the wave source position is determined on the assumption of a hyperboloid or an elliptical curved surface, and the beam directing direction control is performed, so that there is an effect that an optimal electro-optical antenna system can be built on the reflecting mirror surface. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a setting of a virtual parabola according to the present invention.
FIG. 2 shows an antenna system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3A is test data for illustrating the effect of the present invention.
FIG. 3B is test data for illustrating the effect of the present invention.
FIG. 3C is test data for illustrating the effect of the present invention.
FIG. 3D is test data for illustrating the effect of the present invention.
4 is a diagram illustrating a comparison between a virtual parabola according to the present invention and a virtual parabola according to a conventional method with respect to the test data of FIGS. 3A to 3D. FIG.
FIG. 5 is a diagram illustrating setting of a virtual parabolic surface by a conventional method.
FIG. 6 shows an antenna system designed by a conventional method.
[Explanation of symbols]
To minimize the parabola axis error with respect to 1 the actual main reflector on the measurement point 2 1 measuring point group, truly each measurement point electrically not equivalent virtual parabola 3 2 parabolic shaft 4 1 and 2 virtual parabolic parabolic axis error 5 2 parabolic focus 6 2 of the placed power feeding apparatus 7 2 virtual radio wave radiation direction 8 actual radio wave radiation direction 9 true for parabolic to focus electrically equal the The parabolic mirror surface 10 9 The focal point 11 of the parabolic mirror surface 11 The virtual parabola 12 that is truly electrically equivalent to minimize the radio wave propagation path difference or optical path difference with respect to the measurement point group 1 1 The parabola axis 13 of the virtual parabola 11 Power feeding device placed at the focal point 14 11 of the virtual parabola 11

Claims (2)

真に電気的に等価な仮想パラボラ曲面と、該仮想パラボラ曲面の焦点位置に取り付けられた波源素子とを有するアンテナであって、
実際の計測点から、当該計測点と前記波源素子とを結ぶ線が前記仮想パラボラ曲面と交差する第1の点までの線分と、前記実際の計測点から、当該計測点を通る前記パラボラ軸に平行な線に対し前記第1の点から垂線を引いたときの交点である第2の点までの線分との和である経路差について、全ての計測点における前記経路差の自乗の総和が最小となるように、前記仮想パラボラ曲面が決定されていることを特徴とするアンテナ。
An antenna having a truly electrically equivalent virtual parabolic curved surface and a wave source element attached to the focal position of the virtual parabolic curved surface,
A line segment from an actual measurement point to a first point where a line connecting the measurement point and the wave source element intersects the virtual parabolic curved surface, and the parabolic axis passing through the measurement point from the actual measurement point The sum of the squares of the path differences at all measurement points with respect to the path difference that is the sum of the line segment to the second point that is the intersection when the perpendicular is drawn from the first point to the line parallel to The antenna is characterized in that the virtual parabolic curved surface is determined so that is minimized .
真に電気的に等価な仮想パラボラ曲面を決定する第1のステップと、前記仮想パラボラ曲面の焦点位置を基準として波源素子の取り付け位置を決定する第2のステップとを有するアンテナの焦点位置決定方法であって、
前記第1のステップは、実際の計測点から、当該計測点と前記波源素子とを結ぶ線が前記仮想パラボラ曲面と交差する第1の点までの線分と、前記実際の計測点から、当該計測点を通る前記パラボラ軸に平行な線に対し前記第1の点から垂線を引いたときの交点である第2の点までの線分との和である経路差について、全ての計測点における前記経路差の自乗の総和が最小となるように、前記仮想パラボラ曲面を決定することを特徴とするアンテナの焦点位置決定方法。
A method of determining a focal position of an antenna, comprising: a first step of determining a virtual parabolic curved surface that is truly electrically equivalent; and a second step of determining a mounting position of a wave source element with reference to a focal position of the virtual parabolic curved surface. Because
The first step includes a line segment from an actual measurement point to a first point where a line connecting the measurement point and the wave source element intersects the virtual parabolic curved surface, and the actual measurement point. About the path difference that is the sum of the line segment to the second point that is the intersection when the perpendicular line is drawn from the first point to the line parallel to the parabolic axis passing through the measurement point, at all measurement points The method of determining a focal position of an antenna , wherein the virtual parabolic curved surface is determined so that a sum of squares of the path differences is minimized .
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