JP4113827B2

JP4113827B2 - 反射鏡アンテナ

Info

Publication number: JP4113827B2
Application number: JP2003360393A
Authority: JP
Inventors: 進中澤; 祥次田中; 和典横畑; 孝夫九鬼; 孝雄村田
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2003-10-21
Filing date: 2003-10-21
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2023-10-21
Also published as: JP2005130003A

Description

本発明は、反射鏡アンテナに関し、給電部の一次放射器から放射される電波を反射鏡で反射して放射する反射鏡アンテナに関する。

アンテナの放射パターンが設計した通りの放射パターンとなっているかどうかを確かめることは、アンテナの性能を維持するとともに、他の無線を活用した装置に干渉を与えないために重要である。

しかし、例えば、通信・放送衛星が形成する放射パターンをサービスエリア内全域にわたって観測するためには、膨大な数の観測地点が必要となる。その上、それぞれの地点において降雨等による電波減衰の影響を推定しなければ、正確な放射パターンの測定はできない。

また、フェーズドアレーアンテナのように、放射パターンを状況に応じて変化させる場合には、形成した放射パターンを常に観測し、設計した放射パターンとなるようにＢＦＮ（ＢｅａｍＦｏｒｍｉｎｇＮｅｔｗｏｒｋ：ビーム形成回路）を適切に制御する必要がある。

ＢＦＮの励振係数をモニタするために方向性結合器を用いる方法は、例えば非特許文献１に記載されている。図１に従来の方向性結合器を用いたＢＦＮの励振係数モニタ装置の一例のブロック構成図を示す。同図中、端子１０から供給される送信信号は分配器１１で複数系統に分配され、ビーム形成回路１２に供給される。ビーム形成回路１２は、放射パターンに応じた複数系統の送信信号それぞれに対する励振係数を基に生成された制御信号をＢＦＮ制御部１３から供給されており、各系統の送信信号それぞれの位相及び振幅を制御する。ビーム形成回路１２の出力する各系統の複数系統の送信信号は増幅装置１４で各別に増幅されたのち、フェーズドアレー給電部の一次放射器１５に供給され、反射鏡２０に向けて放射される。放射された送信信号は、反射鏡２０を介してビーム形成され、地上へ送信される。

フェーズドアレー給電部の一次放射器の直前には送信信号毎に方向性結合器１６が設置されており、方向性結合器１６で分岐した送信信号をモニタ装置１７に供給して検出し、それぞれの放射素子に与えられた励振係数の値を観測することにより、フェーズドアレー給電型反射鏡アンテナが作成する放射パターンを計算して求める。

図２に従来のニアフィールド（近傍界）電界測定用素子アンテナを用いたＢＦＮの励振係数モニタ装置のブロック構成図を示す。同図中、端子１０から供給される送信信号は分配器１１で複数系統に分配され、ビーム形成回路１２に供給される。ビーム形成回路１２は、放射パターンに応じた複数系統の送信信号それぞれに対する励振係数を基に生成された制御信号をＢＦＮ制御部１３から供給されており、各系統の送信信号それぞれの位相及び振幅を制御する。ビーム形成回路１２の出力する各系統の複数系統の送信信号は増幅装置１４で各別に増幅されたのち、フェーズドアレー給電部の一次放射器１５に供給され、反射鏡２０に向けて放射される。放射された送信信号は、反射鏡２０を介してビーム形成され、地上へ送信される。

フェーズドアレー給電部の一次放射器の近傍に、ニアフィールド（近傍界）測定用アンテナ１８を設置して送信信号毎に近傍界測定を行う。モニタ装置１９は測定した近傍界データより遠方界データを計算することにより、フェーズドアレー給電型反射鏡アンテナが作成する放射パターンを求める。
ＪＯＨＮＬＩＴＶＡ，ＴＩＴＵＳＫＷＯＫ−ＹＥＵＮＧＬＯ， "ＤＩＧＩＴＡＬＢＥＡＭＦＯＲＭＩＮＧＩＮＷＩＲＥＬＥＳＳＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ" ＡｒｔｅｃｈＨｏｕｓｅＰｕｂｌｉｓｈｅｒｓＰＰ．２４５〜２４６

フェーズドアレー給電型反射鏡に用いる一次給電部は多数の放射素子により構成されているので、これらの放射素子間の相互結合の影響を考慮する必要がある。

しかし、方向性結合器を用いたＢＦＮの励振係数モニタ装置では、方向性結合器１６以降で生じる誤差の影響、放射素子間に発生する素子間結合の影響を受けてしまい、正確な励振係数の測定を行うことができない。また、反射鏡面２０の歪により生じる誤差の影響を考慮することができないという問題があった。

また、ニアフィールド電界測定用素子アンテナを用いたＢＦＮの励振係数モニタ装置では、ニアフィールド測定用アンテナ１８とフェーズドアレー給電部の一次放射器１５との間に発生する素子間結合の影響を受けてしまい、正確な励振係数の測定を行うことができない。また、反射鏡面２０の歪により生じる誤差の影響を考慮することができないという問題があった。

さらに、衛星搭載用のフェーズドアレー給電型反射鏡アンテナでは、電力効率の観点から、直径１０ｍ級の大型反射鏡が検討されている。こういった大型反射鏡は、反射鏡を部分分割してロケットに搭載、あるいは、鏡面を金属メッシュ膜面で形成し折りたたんでロケットに搭載し、静止軌道上で展開する方法が考案されているが、高い工作精度が要求され誤差が生じる可能性が大きい。また、宇宙空間の温度差等の影響により、反射鏡鏡面に歪が生じる可能性も大きい。こういった反射鏡の歪は、放射パターンの乱れとなって現れる。しかし、放射素子の直前に方向性結合器を設置した場合には、反射鏡の歪の影響を観測することができないという問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、放射素子間の相互結合や、反射鏡面の歪みを含んだ励振係数を正確に測定でき、放射パターンの劣化を低減することができる反射鏡アンテナを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、反射鏡の電波を反射する反射面の裏面に配置され、前記反射鏡を透過した電波を受信する複数の微少アンテナを有し、
前記給電部は、同一の送信信号を分配した複数系統の送信信号の位相及び振幅それぞれを放射パターンに応じた励振係数で制御してビーム形成を行い、複数の放射素子よりなる前記一次放射器から前記反射鏡に向けて放射するフェーズドアレー給電型であり、
前記複数の微少アンテナで受信した受信電界である前記反射鏡面上の電界分布から前記複数の放射素子面上での励振分布を計算する励振分布計算手段と、
前記複数の放射素子面上での励振分布と前記放射パターンに応じた励振係数を比較して前記ビーム形成を補正するビーム形成補正手段を
有することにより、
反射鏡の歪み測定または反射鏡面上の電界分布の測定を行うことができ、また、放射素子間の相互結合の影響を含んだ励振係数を正確に測定でき、放射パターンの劣化を低減することができる。

請求項１に記載の発明によれば、反射鏡の歪み測定または反射鏡面上の電界分布の測定を行うことができ、また、放射素子間の相互結合の影響を含んだ励振係数を正確に測定でき、放射パターンの劣化を低減することができる。

図３は、本発明の衛星搭載型の反射鏡アンテナの第１実施形態のブロック構成図を示す。同図中、端子３０から供給される送信信号は分配器３１で複数系統に分配され、ビーム形成回路３２に供給される。ビーム形成回路３２は放射パターンに応じた複数系統の送信信号それぞれに対する励振係数を基に生成された制御信号をＢＦＮ制御部３３から供給されており、各系統の送信信号それぞれの位相及び振幅を制御する。ビーム形成回路３２の出力する各系統の複数系統の送信信号は増幅装置３４で各別に増幅されたのち一次放射器３５に供給され、反射鏡４０に向けて放射される。放射された送信信号の大半は、反射鏡４０を介してビーム形成され、地上へ送信される。上記の分配器３１，ビーム形成回路３２，ＢＦＮ制御部３３，増幅装置３４，一次放射器３５がフェーズドアレー給電部を構成している。

図４は、反射鏡４０の一実施形態の平面図を示す。この反射鏡４０は、金属メッシュ反射鏡である。トラス構造の構造材４１で形成される多数の多角形（ファセット）により金属メッシュ４２を支持し鏡面を形成している。なお、反射鏡４０及び一次放射器３５は支持部材４３によって衛星本体に支持されている。

一次放射器３５に対向する反射鏡４０の面を表面とすると反射鏡４０の裏面には、例えば各ファセットに一つのマイクロストリップパッチアンテナ４４が設置されている。この複数のマイクロストリップパッチアンテナ４４で金属メッシュ４２を通過した電波の一部を受信する。マイクロストリップパッチアンテナ４４の総数は、反射鏡４０の鏡面上で受信した受信電界のデータから一次放射器３５の各放射器の出力を推定するために少なくとも一次放射器３５の放射器の総数以上とされている。

なお、反射鏡４０としては金属メッシュ反射鏡の他に、炭素繊維セミリジット反射鏡を用いても良い。炭素繊維セミリジット反射鏡の場合にも反射鏡４０の裏面にマイクロストリップパッチアンテナ４４を一様に分布して設置し、炭素繊維セミリジットの鏡面を透過した電波の一部をマイクロストリップパッチアンテナ４４で受信する。

また、金属メッシュ反射鏡については、織笠光明，内丸清隆，辻畑昭夫，宮坂明宏：“ＥＴＳ−VIII搭載大型展開アンテナの開発、電気性能評価について”，電子情報通信学会技法Ａ・Ｐ２００１−１３８，ＳＡＮＥ２００１−８４，ｐｐ．６５−７２，２００１年１１月（参考文献１）等に記載されており、炭素繊維セミリジット反射鏡については、末定新治，西方敦博：“炭素繊維三軸織物のマイクロ波反射特性の解析”，電子情報通信学会論文誌Ｂ，Ｖｏｌ．Ｊ８５−Ｂ，Ｎｏ．２，ｐｐ．２４１−２４９（参考文献２）等に記載されている。

金属メッシュ反射鏡あるいは炭素繊維セミリジット反射鏡には損失があることが知られており、その損失の大半は通過損失である。金属メッシュ反射鏡では参考文献１に記載されているように、通過損失の値は例えば−２２ｄＢ程度であるが、衛星搭載用の反射鏡アンテナでは近距離で大きな電力が放射されているので通過電波も測定するに充分な大きさとなる。

図３に示す反射鏡４０の裏面に設置した各マイクロストリップパッチアンテナ４４で受信した通過電波の受信電界は、各マイクロストリップパッチアンテナ４４の近傍に配置されたダウンコンバータ（Ｄ／Ｃ）４５で周波数を低域変換されたのち、同軸ケーブル４６を通してモニタ信号検出部４７に伝送される。ダウンコンバータ４５で周波数を低域変換するのは伝送損失を低減するためである。

モニタ信号検出部４７では、複数のマイクロストリップパッチアンテナ４４それぞれで受信した受信電界の位相及び振幅、即ち反射鏡面上の電界分布としての放物面電界測定値を得て、ｕｖ座標変換部５０に供給する。

ｕｖ座標変換部５０では、放物面電界測定値（遠方界データ）を補間してｕｖ座標系電界値に変換する。更に、２次元逆ＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）部５１でｕｖ座標系電界値を２次元逆ＦＦＴ変換することにより、一次放射器３５の放射素子面上における電界（近傍界データ）を得る。

ここで、近傍界ｆ（ｘ，ｙ）と遠方界Ｆ（ｕ，ｖ）の関係は（１），（２）式で表される。但し、ｘはｘ座標、ｙはｙ座標、ｕは水平空間周波数、ｖは垂直空間周波数である。

Ｆ（ｕ，ｖ）＝∫∫ｆ（ｘ，ｙ）ｅ^{−２π（ｕｘ＋ｖｙ）}ｄｘｄｙ ‥（１）
ｆ（ｘ，ｙ）＝∫∫Ｆ（ｕ，ｖ）ｅ^{ｊ２π（ｕｘ＋ｖｙ）}ｄｕｄｖ ‥（２）
上記（２）式はフーリエ変換の形をしており、ｕｖ座標変換部５０及び２次元逆ＦＦＴ部５１は、上記の（２）式を用いて遠方界データを近傍界データに変換している。

誤差比較部５２は、２次元逆ＦＦＴ部５１から供給される一次放射器の放射素子面上の電界より励振位相・振幅分布（励振分布）を計算し、得られた励振分布とＢＦＮ制御に用いた励振係数（励振位相・振幅分布）とを比較ことにより、両者の差をなくすような補正値を得る。この補正値はＢＦＮ制御部３３に供給され、励振係数を基に生成された制御信号を上記補正値に応じて補正してビーム形成回路３２に供給する。

このように、反射鏡面上の電界分布から放射素子面上の電界を求め、更に、放射素子面上の電界から励振位相・振幅分布求め、これをＢＦＮ制御の励振係数と比較してフィードバックすることにより、放射素子間の相互結合の影響を含んだ励振係数を正確に測定でき、正確な励振係数の制御により放射パターンの劣化を低減することができる。

図５は、本発明の衛星搭載型の反射鏡アンテナの第２実施形態のブロック構成図を示す。同図中、図３と異なる部分は、ダウンコンバータ４５の代りに、電気−光変換器（Ｅ／Ｏ）５５を設け、光信号を光ファイバ５６によりモニタ信号検出部５７に伝送する点である。モニタ信号検出部５７では、複数のマイクロストリップパッチアンテナ４４それぞれで受信した受信電界の位相及び振幅を基に放物面測定電界値を得て、ｕｖ座標変換部５０に供給する。

図６は、本発明の衛星搭載型の反射鏡アンテナで鏡面歪みを測定する第３実施形態のブロック構成図を示す。同図中、図３と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。

図６において、放射パターン制御部６０は、例えば降雨地域に対する送信電力を他の地域に対する送信電力より増大させ、降雨地域においても降雨の影響を受けていない地域と同程度の受信レベルが得られるよう放射パターンのＢＦＮ励振係数を生成する。但し、鏡面歪みを測定する際には、放射パターン制御部６０は、フェーズドアレー給電部の一次放射器３５のうち中心に位置する１つの一次放射素子だけから送信信号が放射されるような放射パターンのＢＦＮ励振係数を生成してビーム形成回路３２に供給する。

これにより、増幅装置３４で増幅された送信信号が一次放射器３５のうち中心に位置する１つの一次放射素子だけから反射鏡４０に向けて放射される。反射鏡４０の裏面に設置した各マイクロストリップパッチアンテナ４４で受信した受信電界は、各マイクロストリップパッチアンテナ４４の近傍に配置されたダウンコンバータ（Ｄ／Ｃ）４５で周波数を低域変換されたのち、同軸ケーブル４６を通して鏡面歪測定部６１に伝送される。

鏡面歪測定部６１には、反射鏡４０が理想的な放物面であるときの各マイクロストリップパッチアンテナ４４で受信した受信電界の位相及び振幅が基準値として予め記憶されており、鏡面歪測定部６１は実際に各マイクロストリップパッチアンテナ４４で受信した受信電界の位相及び振幅と上記基準値との差、即ち歪測定値を求め、放射パターン制御部６０に供給する。

放射パターン制御部６０では、放射パターンのＢＦＮ励振係数を生成する際に、
歪み測定値が０となるような鏡面歪補正値を生成し、鏡面歪補正値を用いて放射パターンのＢＦＮ励振係数を補正することにより、歪みのない理想的な放物面の反射鏡を使用した場合と同等の放射パターンを得ることができる。

ところで、図６におけるｕｖ座標変換部５０，２次元逆ＦＦＴ部５１，誤差比較部５２，放射パターン制御部６０，鏡面歪測定部６１は衛星施設と地上施設のいずれであっても良い。

このように、反射鏡の裏面に設置したマイクロストリップパッチアンテナで反射鏡面上の電界分布を観測して鏡面歪を測定し、これを放射パターンにフィードバックしビーム形成回路に与える励振係数を補正することで、反射鏡面の温度変化等による反射鏡面の歪を補正することが可能となる。また、大型反射鏡のように、打ち上げの際に折りたたんでロケットに搭載するような場合にも構造上の制限がなくなる。

なお、モニタ信号検出部４７，ｕｖ座標変換部５０，２次元逆ＦＦＴ部５１，誤差比較部５２が請求項記載の励振分布計算手段に対応し、誤差比較部５２がビーム形成補正手段に対応し、モニタ信号検出部４７，鏡面歪測定部６１が歪測定手段に対応し、放射パターン制御部６０が放射パターン補正手段に対応する。

従来の方向性結合器を用いたＢＦＮの励振係数モニタ装置の一例のブロック構成図である。従来のニアフィールド電界測定用素子アンテナを用いたＢＦＮの励振係数モニタ装置のブロック構成図である。本発明の衛星搭載型の反射鏡アンテナの第１実施形態のブロック構成図である。反射鏡の一実施形態の平面図である。本発明の衛星搭載型の反射鏡アンテナの第２実施形態のブロック構成図である。本発明の衛星搭載型の反射鏡アンテナで鏡面歪みを測定する第３実施形態のブロック構成図である。

符号の説明

３１分配器
３２ビーム形成回路
３３ＢＦＮ制御部
３４増幅装置
３５一次放射器
４０反射鏡
４１構造材
４２金属メッシュ
４３支持部材
４４マイクロストリップパッチアンテナ
４５ダウンコンバータ
４６同軸ケーブル
４７モニタ信号検出部
５０ｕｖ座標変換部
５１２次元逆ＦＦＴ部
５２誤差比較部
５５電気−光変換器
５６光ファイバ
５７モニタ信号検出部
６０放射パターン制御部
６１鏡面歪測定部

Claims

給電部の一次放射器から放射される電波を反射鏡で反射して放射する反射鏡アンテナにおいて、
前記反射鏡の電波を反射する反射面の裏面に配置され、前記反射鏡を透過した電波を受信する複数の微少アンテナを有し、
前記給電部は、同一の送信信号を分配した複数系統の送信信号の位相及び振幅それぞれを放射パターンに応じた励振係数で制御してビーム形成を行い、複数の放射素子よりなる前記一次放射器から前記反射鏡に向けて放射するフェーズドアレー給電型であり、
前記複数の微少アンテナで受信した受信電界である前記反射鏡面上の電界分布から前記複数の放射素子面上での励振分布を計算する励振分布計算手段と、
前記複数の放射素子面上での励振分布と前記放射パターンに応じた励振係数を比較して前記ビーム形成を補正するビーム形成補正手段を
有することを特徴とする反射鏡アンテナ。