JP4221155B2 - 衛星信号受信用の導波路型アンテナ - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、いくつかの静止衛星との間で行われる信号の送受信に特に適する導波路型アンテナと、その製造方法に関するものである。
【０００２】
（背景）
現在、いわゆる静止衛星軌道の固定位置に多数の衛星が配置されている。それらの衛星は上空の実質上の固定点、すなわち赤道上の固定点の真上に配置されている。これらの衛星は、テレビ視聴個所のごく近くに置かれたパラボラアンテナによって受信される個人住宅、店舗またはアパート向けのテレビの信号や、その他の情報を送信または中継する。
【０００３】
一般にパラボラ反射器または衛星ディッシュ（ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｄｉｓｈ）と呼ばれる様々なサイズのパラボラアンテナを利用することができる。例えば１０〜１２ＧＨｚの周波数範囲で送信する２つの衛星間の角距が受信機から見て３°である場合にそれらを判別するためには、２つの衛星からの受信信号の相互干渉を排除するために直径６０ｃｍのパラボラアンテナが必要である。 このサイズのパラボラアンテナでは、２つの隣接衛星が結像する２つの焦点上にそれぞれの受信ホーンを配置する物理的スペースが２つの焦点間にないことが大きな問題である。この場合の受信ホーンの直径は３６〜４２ｍｍになるはずで、互いに非常に近接した衛星から信号を受信するときに得られる焦点間の距離がホーンの好適最少直径よりもかなり短くなる。したがって、互いにこのような角距のある衛星からの信号受信に適するパラボラアンテナは、焦点距離すなわち各焦点からパラボラアンテナの中心までの距離を延長する必要がある。また、すべてのパラボラアンテナは、受信信号間の相互干渉が生じないように単に信号分離するのに必要な焦点上の信号強度を得るためのサイズよりも、かなり大きくする必要がある。
【０００４】
パラボラアンテナの代替手段として、例えば国際公開番号第ＷＯ ９４／１１９２０Ａ１号および米国特許第２，５９９，７６３号には、レンズ特性または導波路タイプのアンテナが開示されている。受信機から見て互いにある程度の角距が生じる位置にある２つの衛星から受信する時にこの種のアンテナを使用する場合、これらの衛星の結像焦点はアンテナの中心から見たときと同じ角距に定められる。しかし、この場合も、２個のマイクロ波ホーンを相互に配置するための十分スペースが取れるように、焦点距離を十分に長くする必要がある。例えば周波数１１ＧＨｚの信号を受信するマイクロ波ホーンは、その直径が４０ｍｍ以下であると効率が低いので、相互間の角距が３°である２つの衛星からの信号を受信するときの結像点は、互いに少なくとも４０ｍｍ離れていることが好ましい。しかし、その場合、アンテナの焦点距離は８００ｍｍ以上になるだろう。
【０００５】
（発明の概要）
本発明の目的は、例えば互いに２〜３°離れた方向からの複数信号の同時受信を可能にする衛星からのマイクロ波信号を比較的小さいアンテナで受信する受信機装置を提供することである。
【０００６】
到来信号の入射角を増減することができるように特別に設計されたアンテナによって上記目的とその他の目的が達成される。
【０００７】
静止軌道上の固定位置に配置された少なくとも２つの衛星との間で行われる電磁波信号の送受信に適する導波路特性を備えたアンテナには、一般に導波路が設けられる。これらの導波路は比較的短い焦点距離で信号分離が達成されるような形状を備えており、これは受信時における入射角の増加を意味する。これにより、隣接衛星からの信号に対して焦点間の相互距離が増加する。また、必要に応じて、入射角が減少するようにアンテナの導波路を設計することも可能である。
【０００８】
導波路型のアンテナの特色は、電磁波によるアンテナ透過が、光による光学レンズ透過と類似していることである。この種のアンテナでは、前述の国際公開番号第ＷＯ ９４／１１９２０号およびそこに記載または引用される従来技術に見られるように、従来技術による複数の導波路が設けられ、それらはアンテナの光学軸に平行で、長さ、直径および壁部分の傾斜がそれぞれ異なる。引用された米国特許では、いくつかのチャンネルは軸に平行でないといえるが、それらも軸に平行なチャネルと同等に機能する。導波路型またはここでレンズ型とみなされるアンテナの第１実施例では、導波路はアンテナの光軸に対して対称に配置され、軸から等距離にあるチャンネルは同じ長さである。すなわち、アンテナは基本的に回転対称である。また、第２の実施例では、導波路型アンテナは同じ基本形式の導波路を含むが、回転対称に配置されておらず、このアンテナは入射角の増減などに関する同等の効果をもつように適合させることができる。
【０００９】
導波路は一般に、アンテナの軸の周囲に配置され、アンテナが電磁信号の受信に使用されるとき、焦点平面に位置する焦点上に遠隔物体の像を作る。なお、アンテナの真焦点はアンテナ軸上の焦点である。遠隔物体からの電磁波信号が軸に対して第１の角度を形成する方向からアンテナに入射し、アンテナ内部で屈折した後、軸に対して第１の角度とは異なる第２の角度で出射するように、すべての導波路の軸に対する角度が調整される。遠隔物体からの信号の方向は信号の平坦波面に垂直である。信号はアンテナを通過後、ほぼ球状波面になり、信号の方向は波面の中心あるいは対称線として定義される。導波路はすべて実質的に同一断面をもつ。導波路は全長にわたって実質的に一様な断面をもつが、ホーン構造を形成するため入射口と出射口だけはテーパーをつけることがある。導波路の方向は導波路の中心線、特に、ほぼ一様な断面をもつ導波路の領域の中心線によって与えられる。導波路の角度は、導波路の入射開口の中心と出射開口の中心を結ぶ直線によって画定されるように決めることができる。
【００１０】
導波路は湾曲していてもよく、その場合、例えばその中心線はすべて凸状多角形になる。一般に、そのような中心線はアンテナ軸を通る平面内に位置するであろう。出射側の導波路開口、すなわち出射側に近い導波路部分はアンテナの真焦点に向かう方向に実質的に向けられる。したがって、導波路の前記中心線は出射側において焦点を指す方向に向けることができる。導波路、すなわち主にその中心線は、アンテナ内の信号屈折を経てアンテナを通過する信号の主要部の経路にほぼ沿って延在する。
【００１１】
付図にしたがって以下に非限定的な実施例を通して本発明の説明を行う。
【００１２】
（好ましい実施例の説明）
導波路型アンテナは複数の導波路を含み、特に、それらは互いに位置決めされて入射電磁波を焦点に導入するように設計される。そのようなアンテナが図１、図２に示され、これは上述の国際公開出願で記述された基本的な回転対称タイプである。図示されるアンテナは６個の同心リング１を含んでおり、横方向にほぼ等しい大寸法の比較的多数の導波路７を形成するために、各リングは順々に外側に配置され、アンテナ軸５から半径に沿って置かれた隔壁３によって分離されている。リング１および隔壁３は金属、特に、少なくとも表面は良好な導電材料で形成される。好ましい材料として金属化合成樹脂材料がある。各導波路７の入射側開口および出射側開口にはホーン、すなわち、半径方向に向かって狭くまたは広くなるように適切に設計されたテーパー領域９、１１を設けることができる。これは、隣接導波路間の距離が幾分増加して後述の特別な設計が可能になるように、リング１および隔壁３の材料が適当な厚さをもつことを前提とする。
【００１３】
図１に示されるアンテナは平坦面を備えた凹形であって、通常、そこに電磁波が入射するので、アンテナの入射側と呼ぶことができる。アンテナの反対側は出射側と呼ばれ、凹形であるから、アンテナの出射面はカップ形である。したがって、アンテナ全体は、中央領域で狭く、２つのリング１の間における導波路７は、アンテナ軸５に近い導波路より長い。
【００１４】
同じ軸５をもつ複数の直円錐から適切に選んで切り取った錐台の包絡面としてリング１の内面および外面を設計することによって、各導波路７をアンテナの幾何学的軸でもある光軸、すなわちリング１の幾何学的軸５に対して傾けることができる。したがって、導波路の中心線は対称軸５に平行ではなく、互いにそうなっている。アンテナの一方の側または表面における導波路７の開口は軸５から第１の距離にあり、アンテナの他方すなわち反対側の面における同じ導波路の開口は軸５から第２の距離にある。なお、第１の距離と第２の距離は等しくない。
【００１５】
さらに、適切な寸法にするため、別のリング１間に形成された導波路７について、アンテナの片側における導波路の開口中心からレンズ軸５までの距離と反対側における対応する開口から距離の比を一定にすることができる。これは、特に凹形アンテナの場合は容易であり、導波路７の長さはレンズ軸５から距離に従って増加する。また、特にこの状態は、リング１の材料を過度に薄くしなければ容易に得られる。
【００１６】
これにより、アンテナに対して少し傾斜した方向の遠隔点からビームとして到来する信号は、アンテナに入射するときにある角度の偏向を伴う。その結果、アンテナの軸に対する入射ビームの角度は出射ビームの角度とは異なる。この角度の変化量は、前述の一方側と他方側の半径方向位置の比に比例する。例えば焦点が位置する辺の半径方向の短い距離に導波路の開口が設けられている場合、幾何学および物理学における既知の法則にしたがう大きさの角度が得られる。
【００１７】
したがって、アンテナの平坦側に平坦波面２１が到来すると、その入射方向とアンテナの軸５との間の角度はかなり小さくなる。波面は最初に、最外周リングの間に位置するチャンネル７’に到達する。その瞬間において、最外周リング１間における直径上の反対側にある導波路７” の開口から波面までの距離をａで表すことができる。電磁波は導波路７を通過してアンテナ内で屈折し、アンテナの出射側におけるアンテナの反対の凹面でほぼ球状波面２３になる。この球状波面がアンテナから完全に出射する瞬間、すなわち直径方向の反対側に位置する導波路７”から前記波面が出射する正確な瞬間には、上記導波路７’すなわち最初に平坦波面が到達する導波路の出射開口からの距離は同様にａとなる。しかし、出射側における出射開口間距離は入射側の距離とは異なっているので、入射角が小さい場合、偏向角はこれらの距離の比に比例する。波面の入射角をα_in、波面の出射角をα_ut、同じリング間における直径上で対向する２つの導波路の入射開口中心間距離をｕ_in、それに対応する出射開口間距離をｕ_utとすると、波面の出射角、すなわちアンテナ軸に対する波面方向の角度は近似的に下記の式で与えられる。
α_ut=α_in*( ｕ _in ／ｕ _ut )
したがって、ｕ_utがｕ_inよりも小さいときは増大する。例えば、ｕ_ut＝２００、ｕ_in＝２２０とすれば、角度は３°から約３．５°に増加する。
【００１８】
また、図１に示されるアンテナは当然、角度の減少効果を得るためにも使用することが可能であり、その場合、波面は上述で出射側と呼ばれたに到達する。また、焦点域に送信装置を備えたアンテナとして使用することもできる。
【００１９】
個々の導波路の放射特性を高めてアンテナの総合効率を高めるために、導波路の端部およびホーン状開口を所望の放射方向に向けることができる。これは実質的に導波路がアンテナの個々のビーム経路に沿った湾曲形状に設計されることを意味する。図１に示されるように２つの直円錐台に属する相互結合された２つの隣接包絡面から各円形のリングの内側および外側を形成することによって、代替的に達成することができる。この場合、２つの円錐の頂角は互いにいくらか異なる。もちろん、このタイプの包絡面を更に多く使って導波路の内壁および外壁を構成することも可能である。
【００２０】
上述の導波路特性を備えたアンテナを製造するために、アンテナはセクタ３１、例えば図２に示されるような６つの対称セクタに分割される。各セクタ３１はその放射状に延在する中心面に関して対称であり、さらに、仮想隔離面３５に沿って２つの半体３３に分割することができる。この隔離面は円錐台の包絡面のセクタであって、アンテナの一方側における導波路の部分を他方側の部分から分離する。セクタ３３の各半体は、並列に延在する導波路で構成されるので、例えば合成樹脂装置によって容易に連続製造することができる。また、アンテナ全体を構成する複数のセクタの取り付けを容易にするために、各セクタ３１の一方の表面は平坦にされる。
【００２１】
導波路入射開口から軸までの距離とその導波路の出射開口から軸までの距離との比は、上述の通りほぼ一定である。しかし、セクタ３３の半体間にある隔壁表面が直円錐台の包絡面の形をしていることから、小さい変化が生じることはある。また、単一導波路およびその導波路上と近辺に位置する部材だけを含む小さいセクタを用いてレンズを構成することができる。平坦な前後面を備えた小さいセクタでレンズを構成すると、レンズの後面はファセット（ｆａｃｅｔｓ）を含む形状になる。
【００２２】
このファセット形状のために、入射して屈折した平坦波面が到達する焦点までの距離が多少長くなるが、この偏差は焦点距離に大きく影響するわけでなく、角度増加の程度にわずかな変化が生じるだけである。ファセット縁が焦点から著しく離れることに対する補償が必要であれば、これらの縁に最も近い導波路を適切な寸法にすることで対処することができる。
【００２３】
正確な寸法のアンテナあるいはレンズでは、図２に示されるようにセクタ３１の２つの半体３３は設計の差がある。全体のセクタは成型工程、例えば射出成型によって作ることができる。各導波路について、１対の可動コアを含む成型ツールが使用され、一方のコアは前面から延在し、他方のコアは同じ導波路を形成するために後面から延在する。１つの成型品ができると、コアが取り出され、その後、他の部分も取り出される。円錐面の一部であるセクタ側のコアが取り出されるとき、それらが互いに衝突する場合があって、問題が起こるかもしれない。しかし、最初に比較的長い距離で１つおきにコアを取り出し、次に比較的短い距離で他のコアを取り出すことができる。そうすれば、円錐側の穴のコアは１つおきに取り除かれ、内側方向すなわち互いに向かい合う方向に移動するスペースができる。
【００２４】
図３は、導波路特性を備えた回転非対称アンテナの正面図を示しており、背面から見た場合はスケールが異なる。図では長方形パターンに配列された複数の導波路で構成されている。例えば互いにわずかに傾斜した２つの部分を含む導波路がアンテナの光軸に対してある角度で配置され、各導波路は上述のように、入射波を偏向させて焦点方向に送出するように設計される。製造時、このアンテナは、例えば垂直面において互いに真上に位置する導波路を１列づつ含む別々のセクションで製作することができる。隣接する２列の導波路における導波路のほぼ中央に延在する２つの平行平面に挟まれた領域によってセクションを形成することができる。アンテナは水平な中央面および垂直な中央面に関して対称であるから、垂直な中央面から等距離にある別々のセクションは同等である。このようなセクションの典型例が図４の透視図で示される。導波路は切り込まれてアンダーカットを含まず、したがって可動コアを必要としないので、成型ツールで容易にセクションを作ることができる。
【００２５】
以上の説明では、主として信号受信のための装置について述べた。しかし、物理学の法則によれば電磁波のビーム経路は可逆的であるので、ホーンの位置を保持したままで受信マイクロ波ホーンを送信ホーンに置き換えることにより、容易に信号送信装置に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 導波路特性をもつ回転対称アンテナの断面図。
【図２】 図１に示されるアンテナの正面図。
【図３】 導波路特性をもつ回転非対称アンテナの正面図。
【図４】 図３に示されるタイプのアンテナを組立てに使用される透視図。

Claims (16)

1. アンテナ軸の周囲に配置された複数の導波路を有し、電磁波信号の送受信、特に、静止軌道上の固定点に配置された少なくとも２つの衛星との間で伝送される電磁波信号の送受信に使用される導波路型かつレンズ型アンテナであって、アンテナが受信用に使用される場合に焦点上に遠隔物体の像を作るためにすべての導波路がアンテナ軸に対して傾斜することで、遠隔物体から伝送される平坦波面の電磁波信号はアンテナ軸に対して第１の角度を形成する方向からアンテナに入射し、アンテナ内部で屈折した後でアンテナ軸に対して第１の角度より大きな第２の角度で信号が出射することを特徴とする前記アンテナ。
2. 第１の角度の値が小さいとき、第１の角度の値と第２の角度の値との比が実質的に一定になるように、アンテナ軸に対する導波路の角度および導波路の形状が決められることを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
3. 各導波路が第１開口および第２開口を有し、すべての第１開口がアンテナの一方側に位置し、すべての第２開口がアンテナの他方側に位置し、すべての導波路について、導波路の第１開口からアンテナ軸までの距離と導波路の第２開口からアンテナ軸までの距離との比が実質的に等しい値になることを特徴とする請求項２記載のアンテナ。
4. アンテナ軸に対するすべての導波路の傾斜角が実質的に等しいことを特徴とする請求項２記載のアンテナ。
5. 導波路が湾曲していることを特徴とする請求項３または４記載のアンテナ。
6. 各導波路がアンテナの入射側の第１部分およびアンテナ出射側の第２部分を含み、第１部分および第２部分がそれぞれ実質的に直線状の導波路を構成し、それら導波路の中心線すなわち軸のアンテナ軸に対する傾斜角がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１から４記載のいずれかのアンテナ。
7. 出射側における導波路の開口がアンテナのほぼ真焦点方向に向けられることを特徴とする請求項１から６記載のいずれかのアンテナ。
8. アンテナに入ってアンテナ内部で屈折した信号の基本ビーム経路に実質的に沿って導波路が延在することを特徴とする請求項１から７記載のいずれかのアンテナ。
9. アンテナ軸の周囲に配置された複数の導波路を有し、電磁波信号の送受信、特に、静止軌道上の固定点に配置された少なくとも２つの衛星との間で伝送される電磁波信号の送受信に使用される導波路型かつレンズ型アンテナを製造する方法であって、アンテナが受信用に使用される場合に焦点上に遠隔物体の像を作るためにアンテナ軸の周辺構成内で延在する複数の導波路を製作するステップを含み、前記製作ステップにおいて、遠隔物体から伝送される平坦波面の電磁波信号はアンテナ軸に対して第１の角度を形成する方向からアンテナに入射し、アンテナ内部で屈折した後でアンテナ軸に対して第１の角度より大きな第２の角度で信号が出射するように、すべての導波路のアンテナ軸に対する傾斜角度が調整されることを特徴とする前記方法。
10. 導波路がアンテナ軸に関して対称的に配置され、前記導波路製作ステップにおいて、アンテナ軸に対して傾斜角を形成する導波路を含むセクタが製作され、放射状に配置されたセクタ面でセクタが相互に結合されることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 各導波路が第１開口および第２開口を有し、すべての第１開口がアンテナの一方側に位置し、すべての第２開口がアンテナの他方側すなわち反対側に位置し、すべての導波路について、導波路の第１開口からアンテナ軸までの距離と導波路の第２開口からアンテナ軸までの距離との比が実質的に等しい値になるように、セクタが製作されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. アンテナ軸に対するすべての導波路の傾斜角が実質的に等しくなるように、セクタが製作されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
13. 導波路が湾曲するようにセクタが製作されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
14. 出射側における導波路の第２開口が、アンテナへの入射信号がアンテナに入ってアンテナ内部で屈折する方向に実質的に向くようにセクタが製作されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
15. アンテナに入ってアンテナ内部で屈折した入射信号の基本ビーム経路方向に実質的に沿って導波路が延在するようにセクタが製作されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
16. 導波路用コアを含む金型で成型することによってセクタが製作され、成型品の取り出しを容易にするため、アンテナの少なくとも円錐辺におけるコアは金型の他の部分に対して移動可能であって、円錐辺におけるコアは交互に取り外され、第１のステップでは第１コアは１つ置きに取り外されるが、第２コアは取り外されずに２つの第１コアの間で円周方向および半径方向に残り、第２のステップですべての第２コアが取り外されることを特徴とする請求項１０記載の方法。

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