JP4275645B2 - Beam scanning reflector antenna - Google Patents
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Description
本発明は、円錐状の領域、あるいは軸を共有し、頂角の異なる二つの円錐に挟まれた領域にビーム走査する反射鏡アンテナで、主反射鏡のみを駆動する形式のビーム走査反射鏡アンテナに関する。 The present invention is a reflector antenna that scans a beam in a conical region or a region that shares an axis and is sandwiched between two cones having different apex angles, and is a beam scanning reflector antenna that drives only the main reflector. About.
従来、主反射鏡のみを駆動する形式のビーム走査反射鏡アンテナには、特許文献1に示されたものがあった。このビーム走査反射鏡アンテナは、低軌道衛星を用いた移動体通信システムの地上局で用いられるアンテナ装置に適用することを目的とし、最低運用仰角にてアンテナ利得が最大となるように設定されている。低軌道衛星通信システムでは衛星仰角が低いほど伝搬損失が大きくなるため、アンテナ利得を最低運用仰角で最大とすることにより、伝搬損失の仰角特性をアンテナ利得の仰角特性で補償することができ、伝搬損失を含めたシステム全体での利得を最大化できる効果がある。
Conventionally, there has been a beam scanning reflector antenna of a type that drives only a main reflector as disclosed in
静止衛星や準天頂衛星を用いた移動体衛星通信システムでは、低軌道衛星通信システムと異なり、運用状態での衛星と地上局との間の距離は一定であるため、衛星仰角によらず伝搬損失は一定である。このため、運用時のビーム走査範囲内でのシステムの利得を最大とするためには、運用時のビーム走査範囲内でのアンテナの最低利得を最大とする必要がある。 In mobile satellite communication systems using geostationary satellites and quasi-zenith satellites, unlike low-orbit satellite communication systems, the distance between the satellite and the ground station in the operating state is constant. Is constant. Therefore, in order to maximize the system gain within the beam scanning range during operation, it is necessary to maximize the minimum gain of the antenna within the beam scanning range during operation.
しかしながら、従来、円錐状の領域、あるいは軸を共有し、頂角の異なる二つの円錐に挟まれた領域にビーム走査する反射鏡アンテナで、主反射鏡のみを駆動する形式のビーム走査反射鏡アンテナにおいて、ビーム走査範囲内でのアンテナの最低利得を最大とするアンテナ構成は明確にされていなかった。 Conventionally, however, a reflector antenna that scans a conical region or a region that shares an axis and is sandwiched between two cones with different apex angles, and that only drives the main reflector. However, the antenna configuration that maximizes the minimum gain of the antenna within the beam scanning range has not been clarified.
本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、主反射鏡のみを駆動する形式のビーム走査反射鏡アンテナにおいて、ビーム走査範囲内でのアンテナの最低利得を最大とするアンテナ構成を得ることを目的とするものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and in the beam scanning reflector antenna of the type that drives only the main reflector, an antenna configuration that maximizes the minimum gain of the antenna within the beam scanning range. The purpose is to obtain.
この発明によるビーム走査反射鏡アンテナは、一次放射器を含む一次放射部と、駆動可能な主反射鏡とを備え、上記一次放射部を鉛直下向きに一次放射パターンを放射するように設置し、上記主反射鏡の鏡面中心を上記一次放射部の鉛直下方に設置し、上記一次放射部の位相中心を通る鉛直軸周りに回転することによって方位角方向にビームを走査し、上記一次放射部の位相中心が上記主反射鏡の対称面内に含まれるように上記主反射鏡を傾けることによって仰角方向にビームを走査するビーム走査反射鏡アンテナにおいて、上記主反射鏡をパラボラ反射鏡とし、その焦点から上記主反射鏡の鏡面中心への光線の入射角(法線に対する角度)を、ビーム走査範囲内で収差による利得低下の最大値が最小となる角度とし、上記一次放射部の位相中心と上記主反射鏡の鏡面中心との距離を、ビーム走査方向で収差による利得低下の最大値が最小となる距離としたものである。 Beam scanning reflector antenna according to the invention, installed to emit the primary radiation portion including a primary radiator, and a drivable main reflector, the primary radiation pattern vertically downward the primary radiator, the The mirror surface center of the main reflector is installed vertically below the primary radiation section, and the beam is scanned in the azimuth direction by rotating around the vertical axis passing through the phase center of the primary radiation section, and the phase of the primary radiation section In a beam scanning reflector antenna that scans a beam in an elevation angle direction by tilting the main reflector so that the center is included in the symmetry plane of the main reflector , the main reflector is a parabolic reflector, and from its focal point. The incident angle (angle with respect to the normal line) of the light beam to the mirror surface center of the main reflecting mirror is set to an angle that minimizes the maximum gain reduction due to aberration within the beam scanning range, and the phase of the primary radiation section The distance between the mirror center heart and the main reflector, is obtained by the distance that the maximum value of the gain reduction due to the aberration in the beam scanning direction is minimized.
本発明は、以上のように構成されているので、ビーム走査反射鏡アンテナにおいて、方位角方向にビーム走査する際に利得低下がなく、仰角方向にビーム走査する際に、利得低下の主要因である非点収差の発生を抑制でき、利得低下を抑制できる。 Since the present invention is configured as described above, in the beam scanning reflector antenna, there is no gain reduction when the beam is scanned in the azimuth direction, and the main factor of the gain reduction is when the beam is scanned in the elevation direction. Occurrence of certain astigmatism can be suppressed, and a decrease in gain can be suppressed.
実施の形態1.
図1は、本発明のビーム走査反射鏡アンテナに関わる実施の形態1の概略構成を示す図である。図において、1は一次放射部を構成する一次放射器、2は一次放射器の位相中心、3は主反射鏡であるパラボラ反射鏡、4はパラボラ反射鏡3の焦点、5は主反射鏡であるパラボラ反射鏡3の鏡面中心、6はパラボラ反射鏡3のパラボラ軸、7はビーム方向、8は主反射鏡駆動機構、9は方位角回転軸である。
図1(a)は一次放射器1の位相中心2がパラボラ反射鏡3の焦点4と一致した、オンフォーカスの場合、同(b)は天頂からの角度が最も小さいΘ1方向にビームを走査した場合、(c)は天頂からの角度が最も大きいΘ2方向にビームを走査した場合を、それぞれ示している。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of the first embodiment related to the beam scanning reflector antenna of the present invention. In the figure, 1 is a primary radiator constituting the primary radiation section, 2 is a phase center of the primary radiator, 3 is a parabolic reflector which is a main reflector, 4 is a focal point of the
FIG. 1A shows a case where the
一次放射部を構成する一次放射器1は鉛直下向きに一次放射パターンを放射するように設置されている。主反射鏡であるパラボラ反射鏡3は、その鏡面中心5が一次放射器1の鉛直下方となるように設置されており、焦点4から鏡面中心5への光線の入射角(法線
nに対する角度)はθ0である。方位角回転軸9は一次放射器1の位相中心2と鏡面中心5とを通る鉛直軸である。
The
次に、図1を用いてビーム走査の概略動作を説明する。説明の便のため、送信の場合を例に説明するが、アンテナは送受可逆であるため、受信の場合も同様に動作することは自明である。まず、図1(a)を用いて、一次放射器1の位相中心2がパラボラ反射鏡3の焦点4にある、オンフォーカスの場合を説明する。一次放射部として動作する一次放射器1から鉛直下向きに放射された電波は、主反射鏡として動作するパラボラ反射鏡3で反射され、パラボラ軸6方向にビームを放射する。この時、対称性より、パラボラ反射鏡3を方位角回転軸9を軸に回転させることによって、性能劣化なく半頂角2θ0の円錐面上にビーム走査することができる。
Next, a schematic operation of beam scanning will be described with reference to FIG. For convenience of explanation, the case of transmission will be described as an example, but it is obvious that the antenna operates in the same manner also in the case of reception because the antenna is reversible. First, with reference to FIG. 1A, the case of on-focus where the
次に、図1(b)を用いて、オンフォーカスの場合からビームの仰角を天頂方向に走査し、天頂からのビーム走査角を最小値Θ1とする場合を説明する。この時、主反射鏡駆動機構8は、パラボラ反射鏡3を、鏡面中心5が一次放射器1の位相中心2の鉛直下方にあり、パラボラ反射鏡3の対称面上に位相中心2が含まれるように駆動する。
Next, a case where the beam elevation angle is scanned in the zenith direction from the case of on-focus and the beam scanning angle from the zenith is set to the minimum value Θ 1 will be described with reference to FIG. At this time, the main
一般に、主反射鏡をパラボラ反射鏡とし、主反射鏡のみを駆動してビーム走査するアンテナでは、ビーム走査時にはパラボラ反射鏡を離焦点給電することとなるため、収差が発生し利得が低下する。パラボラ反射鏡を離焦点給電した場合の利得低下は、文献「内藤、他、“単一反射鏡形式大ビーム分離角マルチビームアンテナ”、信学論(B−II)、vol. J77−B−II、no. 10、pp.528−538、Oct. 1994」に示されている。本文献より、利得低下の主要因である非点収差は、パラボラ反射鏡の対称面内から給電した場合に最小となることがわかる。図1(b)では、パラボラ反射鏡3の対称面上に一次放射器1の位相中心2が含まれるように駆動しているので、パラボラ反射鏡3の対称面内から給電することとなり、ビーム走査時の利得低下を最小とできる。なお、方位角方向にビームを走査する場合は、図1(a)のオンフォーカスの場合と同様、パラボラ反射鏡3を方位角回転軸9を軸に回転させることによって、方位角方向のビーム走査による性能劣化なく、ビーム走査することができる。
In general, in an antenna that scans a beam by driving only the main reflecting mirror as the main reflecting mirror, the parabolic reflecting mirror is defocused and fed during beam scanning, so that aberration occurs and the gain decreases. Gain reduction when a parabolic reflector is defocused is described in the literature “Naito, et al.,“ Single-reflector-type large beam separation angle multi-beam antenna ”, Science theory (B-II), vol. J77-B- II, no. 10, pp. 528-538, Oct. 1994 ”. From this document, it can be seen that astigmatism, which is the main cause of gain reduction, is minimized when power is supplied from within the plane of symmetry of the parabolic reflector. In FIG. 1B, the
図1(c)に示した、オンフォーカスの場合からビームの仰角を水平方向に走査し、天頂からの走査角を最大値Θ2とする場合も、図1(b)の場合と同様に動作することは自明である。 As shown in FIG. 1C, when the beam elevation angle is scanned in the horizontal direction from the on-focus case and the scanning angle from the zenith is set to the maximum value Θ 2 , the operation is the same as in FIG. It is obvious to do.
また、パラボラ反射鏡3は、ビーム走査範囲内での収差による利得低下の最大値が最小となるように、焦点4から鏡面中心5への光線の入射角(法線nに対する角度)θ0が設計されており、位相中心2と鏡面中心5との距離l(スモールエル)は、収差による利得低下が最小となるように、ビーム走査方向に応じて設定されている。
In addition, the
一般に、先に示した文献「内藤、他、“単一反射鏡形式大ビーム分離角マルチビームアンテナ”、信学論(B−II)、vol. J77−B−II、no. 10、pp.528−538、Oct. 1994」より、ビーム走査時の利得低下の主要因は非点収差と像面湾曲であり、非点収差は角度θ0、像面湾曲は距離lにより、それぞれ独立に決定される。したがって、ビーム走査範囲内での非点収差の発生量の最大値を最小とするように角度θ0を設計し、ビーム走査方向に応じて像面湾曲が最小となるように距離lを設定することができる。しかしながら、現実には、非点収差、像面湾曲以外の収差が発生し、これによる利得低下が生じるため、非点収差、像面湾曲のみを考慮して設計した角度θ0、距離lでは、利得低下を最小とする値からのずれが生じる。このずれは、角度θ0で最大5度程度、距離lで最大5%程度である。したがって、非点収差、像面湾曲のみを考慮して設計した角度θ0、距離lを初期値とし、予測されるこれらのずれの範囲で角度θ0、距離lを変化させ、収差による利得低下が最小となる最適な値を決定することとなる。 In general, the above-mentioned document “Naito, et al.,“ Single-reflector-type large beam separation angle multi-beam antenna ”, Theological theory (B-II), vol. J77-B-II, no. 10, pp. 528-538, Oct. 1994 ", the main causes of gain reduction during beam scanning are astigmatism and field curvature. Astigmatism is determined independently by angle θ 0 and field curvature by distance l. Is done. Therefore, the angle θ 0 is designed so as to minimize the maximum amount of astigmatism generated within the beam scanning range, and the distance l is set so that the curvature of field is minimized according to the beam scanning direction. be able to. However, in reality, aberrations other than astigmatism and field curvature occur, resulting in a decrease in gain. Therefore, at an angle θ 0 and a distance l designed only considering astigmatism and field curvature, Deviation from the value that minimizes the gain drop occurs. This deviation is about 5 degrees at the maximum at the angle θ 0 and about 5% at the distance l. Therefore, the angle θ 0 and the distance l designed in consideration of only astigmatism and field curvature are set as initial values, and the angle θ 0 and the distance l are changed within the predicted range of deviation, thereby reducing the gain due to the aberration. The optimum value that minimizes is determined.
角度θ0の設計の初期値となる、ビーム走査範囲内で非点収差を最小とする角度は以下のように与えられる。図2は、先に示した文献「内藤、他、“単一反射鏡形式大ビーム分離角マルチビームアンテナ”、信学論(B−II)、vol. J77−B−II、no. 10、pp.528−538、Oct. 1994」中の、パラボラ反射鏡を離焦点給電した場合の座標系とパラメーター示す図である。本文献より、離焦点の角度を一定とした場合、利得低下の主要因である非点収差は、パラボラ反射鏡の対称面内から給電した場合に最小となる。
今、仰角のビーム走査に対応して、θをθ1からθ2の角度範囲にわたって変化させる。このとき、非点収差の係数C2の最大値を最小とすることが、ビーム走査範囲内の最低利得を最大とすることになる。この条件は、次式で与えられる。
次に、一次放射器1の位相中心2から鏡面中心5への入射角角θ(θ1〜θ2)と天頂からのビーム走査角角Θ(Θ1〜Θ2)との関係を、図3を用いて説明する。図において、1〜9は、図1に示したものと同一のものであり、同一の働きをする。θ0はパラボラ反射鏡3の焦点4から鏡面中心5への入射角、nは鏡面中心5における法線ベクトルである。図より、天頂からのビーム走査角Θは、一次放射器1の位相中心2から鏡面中心5への入射角θ、鏡面中心5における法線ベクトルとパラボラ軸6とのなす角θ0、パラボラ軸6とビーム方向7とのなす角α(θ−θ0)との和で、Θ=θ+θ0+α(θ−θ0)となる。したがって、θは天頂からのビーム走査角Θを用いて次式で与えられる。
次に、以上で説明した関係を用いて構成した実施の形態1の効果を図5,図6を用いて説明する。図5は、実施の形態1のビーム走査時の非点収差と、非点収差による利得低下量を示す図である。ここでは、Θ1=30°,Θ2=60°,l0(スモールエル・セ゛ロ)=250mm、ビーム偏向係数α=0.9として設計している。また、利得低下は周波数12GHzで評価している。実線でこの発明により得えられたθ0をθ0=23.9195deg.とした場合の特性Aを、また、比較のため、本発明とは異なるθ0とした場合の特性B,C,Dを破線で示している。本発明によるθ0とすることによって、ビーム走査範囲内での非点収差発生量の最大値を最小とし、非点収差による利得低下の最悪値を最小とできていることが分かる。なお、図5は非点収差のみを考慮して評価したものであるため、これ以外の収差が発生する場合にはθ0は最大5度程度ずれが生じることは、既に述べた通りである。 Next, the effect of the first embodiment configured using the relationship described above will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a diagram showing astigmatism during beam scanning and the amount of gain reduction due to astigmatism in the first embodiment. Here, Θ 1 = 30 °, Θ 2 = 60 °, l 0 (Small L Zero) = 250 mm, and the beam deflection coefficient α = 0.9. Gain reduction is evaluated at a frequency of 12 GHz. Θ 0 obtained by the present invention with a solid line is θ 0 = 23.9195 deg. For comparison, the characteristics B, C, and D when θ 0 different from that of the present invention are indicated by broken lines. It can be seen that by setting θ 0 according to the present invention, the maximum value of the amount of astigmatism generated within the beam scanning range is minimized, and the worst value of gain reduction due to astigmatism is minimized. Since FIG. 5 is evaluated in consideration of only astigmatism, as described above, θ 0 shifts by about 5 degrees at the maximum when other aberrations occur.
また、図6はこの発明のビーム走査反射鏡アンテナに関わるビーム走査時の非点収差と利得低下量の他の例を示す図である。ここでは、Θ1=0°,Θ2=30°,l0=250mm,ビーム偏向係数α=0.9として設計している。また、利得低下は周波数12GHzで評価している。実線でこの発明により得えられたθ0をθ0=10.795deg.とした場合の特性Aを、また、比較のため、本発明とは異なるθ0とした場合の特性B,C,Dを破線で示している。本発明によるθ0とすることによって、ビーム走査範囲内での非点収差発生量の最大値を最小とし、利得低下の最悪値を最小とできていることが分かる。なお、図6は非点収差のみを考慮して評価したものであるため、これ以外の収差が発生する場合にはθ0は最大5度程度ずれが生じることは、既に述べた通りである。 FIG. 6 is a diagram showing another example of astigmatism and gain reduction during beam scanning related to the beam scanning reflector antenna of the present invention. Here, Θ 1 = 0 °, Θ 2 = 30 °, l 0 = 250 mm, and the beam deflection coefficient α = 0.9 are designed. Gain reduction is evaluated at a frequency of 12 GHz. Θ 0 obtained by the present invention with a solid line is θ 0 = 10.795 deg. For comparison, the characteristics B, C, and D when θ 0 different from that of the present invention are indicated by broken lines. It can be seen that by setting θ 0 according to the present invention, the maximum value of the astigmatism generation amount within the beam scanning range can be minimized and the worst value of gain reduction can be minimized. Since FIG. 6 is evaluated only considering astigmatism, as described above, θ 0 shifts by about 5 degrees at the maximum when other aberrations occur.
実施の形態2.
図7は、本発明のビーム走査反射鏡アンテナに関わる実施の形態2の概略構成を示す図である。図において、1〜9は、図1に示したものと同一のものであり、同一の働きをする。10は主鏡の仰角回転軸で、主反射鏡であるパラボラ反射鏡3の鏡面中心5を通り、パラボラ反射鏡3の対称面に垂直な軸である。この実施の形態では、一次放射器1の位相中心2とパラボラ反射鏡3の鏡面中心5との距離を一定値l0とし、パラボラ反射鏡3の仰角方向の駆動を、仰角回転軸10を中心とする回転駆動としているので、主反射鏡駆動機構8を簡素化できる。
FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of the second embodiment related to the beam scanning reflector antenna of the present invention. In the figure, 1 to 9 are the same as those shown in FIG. 1 and function in the same manner.
次に、図8を用いて、一次放射器1の位相中心2とパラボラ反射鏡3の鏡面中心5との距離を一定値l0としても実質的に不都合が生じないことを説明する。図8は、実施の形態1において、一次放射器1の位相中心2とパラボラ反射鏡3の鏡面中心5との距離l(スモールエル)を、パラボラ反射鏡3の焦点4と鏡面中心5との距離l0で規格化した値を、天頂からのビーム走査角に対して示したグラフである。このグラフより、天頂からの角度が30〜60°のビーム走査範囲内において、距離lの距離l0からの差は0.2%以下と非常に小さく、距離lを一定値l0としても実質的に不都合が生じないことがわかる。
Next, it will be described with reference to FIG. 8 that even if the distance between the
実施の形態3.
図9は、本発明のビーム走査反射鏡アンテナに関わる実施の形態3の概略構成を示す図である。図において、2〜9は、図1に示したものと同一のものであり、同一の働きをする。11は一次放射部を構成するバックファイア一次放射器である。この実施の形態では、一次放射部として、支持構造が不要な自立するバックファイア一次放射器11を用いたことにより、ホーンなどの通常の一次放射器では必要不可欠となる支持構造部が不要になり、アンテナの構成を簡素化できる。
FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of the third embodiment related to the beam scanning reflector antenna of the present invention. In the figure, 2 to 9 are the same as those shown in FIG. 1 and function in the same manner. 11 is a backfire primary radiator which comprises a primary radiation part. In this embodiment, since the self-supporting backfire
実施の形態4.
図10は、本発明のビーム走査反射鏡アンテナに関わる実施の形態4の概略構成を示す図である。図において、3〜9は、図1に示したものと同一のものであり、同一の働きをする。1は鉛直上向きに放射する一次放射器、12は副反射鏡として動作する回転双曲面鏡で、一次放射器1と回転双曲面鏡12とでカセグレン形式の一次放射部を構成する。2は、このカセグレン形式の一次放射部の位相中心である。この実施の形態では、このようなカセグレン形式の一次放射部を構成したことにより、アンテナの高さを低くできる。
FIG. 10 is a diagram showing a schematic configuration of the fourth embodiment related to the beam scanning reflector antenna of the present invention. In the figure, 3 to 9 are the same as those shown in FIG. 1 and function in the same manner.
1 一次放射器
2 位相中心
3 パラボラ反射鏡
4 焦点
5 鏡面中心
6 パラボラ軸
7 ビーム方向
8 主反射鏡駆動機構
9 方位角回転軸
10 仰角回転軸
11 バックファイア一次放射器
12 回転双曲面鏡
DESCRIPTION OF
Claims (5)
上記一次放射部を鉛直下向きに一次放射パターンを放射するように設置し、
上記主反射鏡の鏡面中心を上記一次放射部の鉛直下方に設置し、
上記一次放射部の位相中心を通る鉛直軸周りに回転することによって方位角方向にビームを走査し、
上記一次放射部の位相中心が上記主反射鏡の対称面内に含まれるように上記主反射鏡を傾けることによって仰角方向にビームを走査するビーム走査反射鏡アンテナにおいて、
上記主反射鏡をパラボラ反射鏡とし、その焦点から上記主反射鏡の鏡面中心への光線の入射角(法線に対する角度)を、ビーム走査範囲内で収差による利得低下の最大値が最小となる角度とし、
上記一次放射部の位相中心と上記主反射鏡の鏡面中心との距離を、ビーム走査方向で収差による利得低下の最大値が最小となる距離とした
ことを特徴とするビーム走査反射鏡アンテナ。 A primary radiator including a primary radiator and a drivable main reflector ;
The primary radiation part is installed so as to emit a primary radiation pattern vertically downward,
The mirror surface center of the main reflecting mirror is installed vertically below the primary radiation part,
Scanning the beam in the azimuth direction by rotating around the vertical axis passing through the phase center of the primary radiation section,
In a beam scanning reflector antenna that scans a beam in an elevation angle direction by tilting the main reflector so that the phase center of the primary radiation portion is included in a symmetry plane of the main reflector ,
The main reflector is a parabolic reflector, and the incident angle of light rays from the focal point to the center of the mirror surface of the main reflector (the angle with respect to the normal line) is minimized within the beam scanning range. Angle and
The beam scanning reflection characterized in that the distance between the phase center of the primary radiating portion and the mirror surface center of the main reflecting mirror is a distance that minimizes the maximum gain reduction due to aberration in the beam scanning direction. Mirror antenna.
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