JP5317821B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば人工衛星等に設けられ、マルチビームを出力するアンテナ装置に関する。

例えば、特許文献１に示すような従来のアンテナ装置では、複数のビーム形成回路は、それぞれ複数のビームに対してそれぞれ独立に励振振幅及び励振位相を調整する手段を有しており、異なる方向へ向けた複数のビームを形成可能となっている。そして、複数のビーム形成回路からの信号が、複数の増幅器を介して、フィードアレーの複数のアンテナ素子へ送られ、複数のアンテナ素子からマルチビームが放射される。なお、アンテナ素子及び増幅器は、その全てのビームについて共通化されており、全てのビームについて合成された信号を受ける。

また、例えば、特許文献２に示すような従来のアンテナ装置では、基本構成は特許文献１に示すような従来のアンテナ装置と同様であるが、各アンテナ素子の励振振幅が等振幅となるように構成されている。

特開平１０−２４２７４９号公報 特開平１０−９３３３７号公報

特許文献１に示すような従来のアンテナ装置では、マルチビームを同時に形成する場合、各アンテナ素子に与える励振振幅の分布はビーム毎に異なる。具体的に、ビーム方向と幾何光学的に概ね対応する位置に存在するアンテナ素子の励振振幅値は、比較的大きく、その幾何光学的に対応する位置から離れるに従って、アンテナ素子の励振振幅値が小さくなる。

ここで、アンテナ素子及び増幅器は、全てのビームについて共通化されているため、これらの励振振幅分布の全てを足し合わせた分布が、最終的な各アンテナ素子の放射電力の分布、即ち増幅器の送信電力分布となる。これにより、マルチビームを密に配置した場合には、各増幅器の送信電力がフィードアレーの開口中心付近で比較的大きく、開口端部側へ離れるに従って小さくなる分布となる。このため、全ての増幅器の最大出力を同一とした場合には、フィードアレーの開口端部の増幅器の電源効率が著しく低下するという課題があった。

なお、この課題を回避するために送信電力分布に従い最大出力の異なる増幅器を複数種類用いることも考えられるが、ビーム間の送信電力制御に対応できなかったり、アンテナ装置の製造コストが増加したりする等の別の問題が生じる。

また、特許文献２に示すような従来のアンテナ装置では、各アンテナ素子の励振振幅値が等振幅とされており、マルチビーム形成時のトータルの送信電力分布も等振幅分布となるので、上記した増幅器の電源効率低下の問題は発生しない。しかしながら、励振振幅分布を等振幅にしたことにより、アンテナ利得が低下するという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、単一種類の複数の増幅器を用いた場合に、各アンテナ素子の励振振幅分布を等振幅としないときにも、増幅器の電源効率を向上させることができるアンテナ装置を得ることを第１の目的とする。

また、この発明は、増幅器の電源効率を向上させるために各増幅器の送信電力分布を等振幅とした場合に、アンテナ利得を向上させることができるアンテナ装置を得ることを第２の目的とする。

この発明に係るアンテナ装置は、反射鏡導体と、前記反射鏡導体の焦点から離れた位置に配置され、複数のアンテナ素子からなるフィードアレーと、前記複数のアンテナ素子に接続された複数の増幅器と、前記複数の増幅器を介して前記複数のアンテナ素子に接続され、前記複数のアンテナ素子への励振振幅及び励振位相をそれぞれ調整可能であり、励振振幅及び励振位相を調整することにより互いに異なるビーム幅の複数のビームを前記複数のアンテナ素子から放射させるビーム形成ユニットとを備え、前記ビーム形成ユニットの振幅調整量及び移相量は、所定のカバレッジエリアの中央部領域へ向けて前記複数のビームのうちビーム幅の狭い狭ビームを放射するとともに、前記カバレッジエリアの端部領域へ向けて前記複数のビームのうちビーム幅の広い広ビームを放射するように設定され、かつ前記広ビームの送信電力を前記狭ビームの送信電力よりも高くすることで、前記複数のビームの全ての等価等方放射電力が同一となるように設定されているものである。

この発明に係るアンテナ装置によれば、前記ビーム形成ユニットの振幅調整量及び移相量は、前記複数のビームのうちビーム幅の狭い狭ビームを所定のカバレッジエリアの中央部領域へ向けて前記複数のアンテナ素子から放射させるとともに、前記複数のビームのうちビーム幅の広い広ビームを前記カバレッジエリアの端部領域へ向けて前記複数のアンテナ素子から放射させるように設定され、かつ前記複数のビームの全ての等価等方放射電力が同一となるように設定されているので、単一種類の複数の増幅器を用いた場合に、各アンテナ素子の励振振幅分布を等振幅としないときにも、増幅器の電源効率を向上させることができる。

この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の概略構成を示す斜視図である。 図１のフィードアレー及びビーム形成ユニットを示す構成図である。 従来のアンテナ装置のマルチビーム配置を説明するための説明図である。 図３のマルチビーム配置に対応する各アンテナ素子の励振振幅値の分布を説明するための説明図である。 従来のアンテナ装置の各増幅器の送信電力分布を説明するための説明図である。 この発明の実施の形態１のアンテナ装置のマルチビーム配置を説明するための説明図である。 図６のマルチビーム配置に対応する各アンテナ素子の励振振幅値の分布を説明するための説明図である。 実施の形態１のアンテナ装置の各増幅器の送信電力分布を説明するための説明図である。 この発明の実施の形態２によるアンテナ装置のマルチビーム配置の一例を説明するための説明図である。 この発明の実施の形態３によるアンテナ装置の一部を示す構成図である。 図１０のアンテナ装置の諸元を説明するための説明図である。 図１０のアンテナ装置のＥＩＲＰ及びアンテナ利得を示すグラフである。 この発明の実施の形態４によるアンテナ装置のＥＩＲＰ及びアンテナ利得を示すグラフである。 この発明の実施の形態５によるアンテナ装置の一部を示す構成図である。 図１４のアンテナ装置の基準ビーム方向と所望ビーム方向との関係を説明するための説明図である。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の概略構成を示す斜視図である。
図１において、実施の形態１のアンテナ装置は、マルチビームを放射可能な離焦点アレー給電反射鏡形式のマルチビームアンテナである。また、実施の形態１のアンテナ装置は、導体からなる反射鏡導体１、フィードアレー２、及びビーム形成ユニット３を有している。反射鏡導体１は、例えば、回転放物面形状の反射鏡である。また、反射鏡導体１の焦点は、図１のＦ点に設定されている。

図２は、図１のフィードアレー２及びビーム形成ユニット３を示す構成図である。図２では、アンテナ素子数がＭであり、ビーム数がＮである場合の機能ブロック図を示している。図２において、フィードアレー２は、複数のアンテナ素子４−１〜４−Ｍによって構成されている。なお、例えば４−ｍと表した場合には、ｍ番目のアンテナ素子４を表す。

ビーム形成ユニット３は、複数の増幅器５−１〜５−Ｍと、複数の合成回路６−１〜６−Ｍと、複数のビーム形成回路７−１〜７−Ｎと、位相制御部としての位相振幅制御回路８とを有している。増幅器５−１〜５−Ｍは、それぞれアンテナ素子４−１〜４−Ｍに接続されている。また、増幅器５−１〜５−Ｍは、アンテナ素子４−１〜４−Ｍへの信号を増幅する。合成回路６−１〜６−Ｍは、それぞれ増幅器５−１〜５−Ｍに接続されている。

なお、増幅器５−１〜５−Ｍの個数、及び合成回路６−１〜６−Ｍの個数は、それぞれアンテナ素子数Ｍに対応した個数である。また、例えば５−ｍと表した場合には、ｍ番目のアンテナ素子４に対応する増幅器５を表し、例えば６−ｍと表した場合には、ｍ番目のアンテナ素子４に対応する合成回路６を表す。

ビーム形成回路７−１〜７−Ｎは、入力端子９−１〜９−Ｎと、分配回路１０−１〜１０−Ｎと、複数の移相器１１−１−１〜１１−Ｎ−Ｍと、複数の減衰器１２−１−１〜１２−Ｎ−Ｍとを有している。ビーム形成回路７−１〜７−Ｎの個数、入力端子９−１〜９−Ｎの個数、及び分配回路１０−１〜１０−Ｎの個数は、それぞれビーム数Ｎに対応した個数である。例えば７−ｎと表した場合には、ｎ番目のビームに対応するビーム形成回路７を表し、例えば９−ｎと表した場合には、ｎ番目のビームに対応する入力端子９を表し、例えば１０−ｎと表した場合には、ｎ番目のビームに対応する分配回路１０を表す。

また、移相器１１−１−１〜１１−Ｎ−Ｍの個数、及び減衰器１２−１−１〜１２−Ｎ−Ｍの個数は、それぞれビーム数Ｎとアンテナ素子数Ｍとの積に対応した個数である。例えば１１−ｎ−ｍと表した場合には、ｎ番目のビームに対応し、かつｍ番目のアンテナ素子４−ｍに対応する移相器１１を表す。また、例えば１２−ｎ−ｍと表した場合には、ｎ番目のビームに対応し、かつｍ番目のアンテナ素子４−ｍに対応する減衰器１２を表す。

なお、図２では、分配回路１０−１〜１０−Ｎのうち分配回路１０−１のみを示し、移相器１１−１−１〜１１−Ｎ−Ｍのうち移相器１１−１−１〜１１−１−Ｍのみを示し、減衰器１２−１−１〜１２−Ｎ−Ｍのうち減衰器１２−１−１〜１２−１−Ｍのみを示す。

入力端子９−１〜９−Ｎには、それぞれ通信装置（図示せず）から、ビーム数Ｎに対応した数の信号が入力される。入力端子９−１〜９−Ｎに入力された信号は、分配回路１０−１〜１０−Ｎによって、移相器１１−１−１〜１１−Ｎ−Ｍへ分配される。移相器１１−１−１〜１１−Ｎ−Ｍは、入力端子９−１〜９−Ｎから受けた信号の位相を調整可能になっている。即ち、移相器１１−１−１〜１１−Ｎ−Ｍは、複数のアンテナ素子４−１〜４−Ｍのそれぞれの励振位相を調整可能になっている。

減衰器１２−１−１〜１２−Ｎ−Ｍは、それぞれ移相器１１−１−１〜１１−Ｎ−Ｍに直列に接続されている。また、減衰器１２−１−１〜１２−Ｎ−Ｍは、移相器１１−１−１〜１１−Ｎ−Ｍから受けた信号の振幅を調整可能になっている。即ち、減衰器１２−１−１〜１２−Ｎ−Ｍは、複数のアンテナ素子４−１〜４−Ｍのそれぞれの励振振幅を調整可能になっている。

さらに、減衰器１２−１−１〜１２−Ｎ−Ｍは、それぞれ合成回路６−１〜６−Ｍに接続されている。合成回路６−１〜６−Ｍは、ビーム形成回路７−１〜７−Ｎのそれぞれからの信号を合成（合波）し、その合成した信号を増幅器５−１〜５−Ｍへ送る。従って、アンテナ素子４−１〜４−Ｍ及び増幅器５−１〜５−Ｍは、合成回路６−１〜６−Ｍから、全てのビームについての合成された信号を受ける。即ち、アンテナ素子４−１〜４−Ｍ及び増幅器５−１〜５−Ｍは、その全てのビームについて共通化されている。

ここで、移相器１１−１−１〜１１−Ｎ−Ｍのそれぞれの移相量と、減衰器１２−１−１〜１２−Ｎ−Ｍのそれぞれの減衰量とは、位相振幅制御回路８によって制御される。ここで、図２では、位相振幅制御回路８が移相器１１−１−Ｍ及び減衰器１２−１−Ｍにのみ接続された構成を示すが、位相振幅制御回路８は、他の移相器１１及び減衰器１２にも接続されている。位相振幅制御回路８は、移相器１１−１−１〜１１−Ｎ−Ｍの移相量と減衰器１２−１−１〜１２−Ｎ−Ｍの減衰量とを設定することにより、互いに異なるビーム幅の複数のビーム、即ちマルチビームをアンテナ素子４−１〜４−Ｍから放射させる。

次に、動作について説明する。例えば、複数のビームのうち１番目のビームに対応する信号は、ビーム形成回路７−１の入力端子９−１に入力され、分配回路１０−１によりＭ個に分配される。そして、分配された信号は、所望の方向にビームを形成するように、減衰器１２−１−１〜１２−１−Ｍにより振幅値を調整され、その後に移相器１１−１−１〜９−１−Ｍにより位相値を調整されてビーム形成回路７−１から出力される。これと同様に、２番目〜Ｎ番目のビームに対応する信号も、減衰器１２−２−１〜１２−Ｎ−Ｍ及び移相器１１−２−１〜１１−Ｎ−Ｍを介して、ビーム形成回路７−２〜７−Ｎから出力される。

このビーム形成回路７−１〜７−Ｎから出力された信号は、合成回路６−１〜６−Ｍによって、対応するアンテナ素子４毎に合成される。そして、合成回路６−１〜６−Ｍからの信号は、増幅器５−１〜５−Ｍを介して、アンテナ素子４−１〜４−Ｍに伝わる。これにより、アンテナ素子４−１〜４−Ｍが信号によって励振されて、アンテナ素子４−１〜４−ＭからＮ本のビーム、即ちマルチビームが反射鏡導体１に向けて放射される。

次に、マルチビーム配置と、それを形成するための各アンテナ素子の励振振幅分布の関係について従来のアンテナ装置と対比して説明する。なお、従来のアンテナ装置の基本的な構成は、図１，２に示すアンテナ装置の構成と同様のものとする。図３は、従来のアンテナ装置のマルチビーム配置を説明するための説明図である。図３において、１００はマルチビームを配置するカバレッジエリアを示し、１０１はカバレッジエリア１００に配置する個々のビームを示す。

また、図４は、図３のマルチビーム配置に対応する各アンテナ素子の励振振幅値の分布を説明するための説明図である。図４において、１０２−１〜１０２−Ｎは、各ビームを形成するために各アンテナ素子の励振振幅値の分布パターンを示したものである。例えば、１０２−ｎと表した場合にはｎ番目のビームを形成するための励振振幅値の分布パターンを表している。

ここで、図４では、各アンテナ素子の励振振幅値をビーム毎に示したが、アンテナ素子及び増幅器は、全てのビームについて共通化されているので、最終的な各アンテナ素子からの放射電力の分布、即ち各増幅器の送信電力分布は、図４における励振振幅値１０２−１〜１０２−Ｎを足し合わせたものになる。

図５は、従来のアンテナ装置の各増幅器の送信電力分布を説明するための説明図である。図５において、１０３は各増幅器の送信電力分布である。送信電力分布１０３は、フィードアレーの開口中心付近の送信電力が大きく、フィードアレーの開口端部付近での送信電力が小さくなる分布となる。つまり、図５によれば、従来のアンテナ装置では、単一種類の増幅器を用いた場合に、フィードアレーの開口端部付近の増幅器の電源効率が開口中心部分よりも大きく低下していることがわかる。

図６は、実施の形態１のアンテナ装置のマルチビーム配置を説明するための説明図である。図６において、１１１はカバレッジエリア１００の中央部領域に配置されたビーム幅の狭いビームを示し、１１２はカバレッジエリア１００の端部領域に配置されたビーム幅の広いビームを示す。

ここで、各移相器１１の移相量、及び各減衰器１２の減衰量（振幅調整量）は、狭ビーム１１１をカバレッジエリア１００の中央部領域へ向けて各アンテナ素子４から放射させるとともに、広ビーム１１２をカバレッジエリア１００の端部領域へ向けて各アンテナ素子４から放射させるように、振幅位相制御回路８によって設定されている。また、各移相器１１の移相量、及び各減衰器１２の減衰量は、複数のビームの全ての等価等方放射電力が同一となるように、振幅位相制御回路８によって設定されている。

次に、図６に示すようなマルチビームを形成し、かつ全てのビームに対してＥＩＲＰ（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃａｌｌｙ Ｒａｄｉａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ：等価等方放射電力）を同一にするために、各アンテナ素子４に与える励振振幅値は、図７に示すようになる。

図７において、１１３は狭ビーム１１１を形成するための励振振幅分布であり、１１４は広ビーム１１２を形成するための励振振幅分布である。広ビーム１１２は狭ビーム１１１に比べるとビーム幅が狭いので、広ビーム１１２のアンテナ利得は狭ビーム１１１に比べると低くなる。このため、全てのビームに対してＥＩＲＰを同一にするためには、広ビーム１１２の送信電力を高くし、狭ビーム１１１の送信電力を低くする必要がある。また、広ビーム１１２を形成するための励振振幅分布は、狭ビーム１１１を形成するための励振振幅分布と比べると振幅値が大きいアンテナ素子４が少なくなる。

以上のことから、実施の形態１のアンテナ装置では、各アンテナ素子４−１〜４−Ｍに与える励振振幅分布をビーム毎に示すと図７のようになる。即ち、フィードアレー２の端部のアンテナ素子４の励振振幅値がフィードアレー２の中央部のアンテナ素子４に比べると大きくなる。

ここで、図７では、ビーム毎に各アンテナ素子４の励振振幅値を示したが、アンテナ素子４及び増幅器５は、全てのビームについて共通化されているので、最終的な各アンテナ素子４からの放射電力、即ち各増幅器５の送信電力は、図７に示した励振振幅値を足し合わせたものになる。

図８は、実施の形態１のアンテナ装置の各増幅器５の送信電力分布を説明するための説明図である。図８において、１０３は従来のアンテナ装置での送信電力分布（図５の分布）を示し、１１５は実施の形態１のアンテナ装置での送信電力分布を示す。この図８に示すように、実施の形態１のアンテナ装置の送信電力は、従来のアンテナ装置と比べると均一な分布となることがわかる。

上記のような実施の形態１のアンテナ装置によれば、各移相器１１の移相量、及び各減衰器１２の減衰量（振幅調整量）は、狭ビーム１１１をカバレッジエリア１００の中央部領域へ向けて各アンテナ素子４から放射させるとともに、広ビーム１１２をカバレッジエリア１００の端部領域へ向けて各アンテナ素子４から放射させるように設定されている。また、各移相器１１の移相量、及び各減衰器１２の減衰量は、複数のビームの全ての等価等方放射電力が同一となるように設定されている。この構成により、単一種類の複数の増幅器５を用いた場合に、各アンテナ素子４の励振振幅分布を等振幅としないときにも、増幅器５の電源効率を向上させることができる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２のアンテナ装置では、カバレッジエリアのうちユーザ密度が小さく、通信トラフィックが低い領域に、広ビーム１１２が配置されている。また、実施の形態２のアンテナ装置では、カバレッジエリアのうちユーザ密度が大きく、通信トラフィックが高い領域に、狭ビーム１１１が配置されている。即ち、実施の形態２の各移相器１１の移相量、及び各減衰器１２の減衰量は、広ビーム１１２をカバレッジエリアのうちユーザ密度が小さく、通信トラフィックが低い領域へ向けて各アンテナ素子４から放射させるように設定されている。

図９は、この発明の実施の形態２によるマルチビーム配置の一例を説明するための説明図である。図９に示すように、例えば、日本列島のように周囲を海で囲まれている地域をカバレッジエリアとする場合には、広ビーム１１２を海上領域に配置し、狭ビーム１１１を地上領域に配置する。海上領域は、地上領域に比べるとユーザ密度が小さく通信トラフィックが低い領域である。他の構成及び動作は、実施の形態１と同様である。

上記のような実施の形態２のアンテナ装置によれば、カバレッジエリアのうちユーザ密度が小さく、かつ通信トラフィックが低い海上領域に広ビーム１１２が配置されている。この構成によって、より効率的なビーム配置を実現できる。即ち、実施の形態２のアンテナ装置は、実施の形態１のアンテナ装置と同様の効果を得ることができるとともに、より効率的なビーム配置を実現することができる。

実施の形態３．
実施の形態１，２では、各増幅器５の励振振幅分布を等振幅としない場合のアンテナ装置について説明した。これに対して、実施の形態３では、各増幅器５の電源効率を向上させるために各増幅器５の送信電力分布を等振幅とした場合のアンテナ装置について説明する。

図１０は、この発明の実施の形態３によるアンテナ装置の一部を示す構成図である。図１０において、実施の形態３のアンテナ装置の構成は、実施の形態１のアンテナ装置における減衰器１２−１−１〜１２−Ｎ−Ｍが省略された構成となっている。実施の形態３のアンテナ装置は、実施の形態１のアンテナ装置における位相振幅制御回路８に代えて、位相制御回路３８を位相制御部として有している。位相制御回路３８は、複数の移相器１１−１−１〜１１−Ｎ−Ｍのそれぞれの移相量を制御する。他の構成は、実施の形態１のアンテナ装置と同様である。

次に、図１１は、図１０のアンテナ装置の諸元を説明するための説明図である。図１１において、Ｄは、反射鏡導体１の開口径である。Ｒは、焦点Ｆから反射鏡導体１までの距離である。Ａは、フィードアレー２の開口半径である。ｚｄは、焦点Ｆからフィードアレー２の開口までの離焦点距離である。Ｘａ・Ｙａ・Ｚａは、反射鏡導体１の位置を示すための座標系定義を示しており、ここではアンテナ座標系と称する。Ｘｆ・Ｙｆ・Ｚｆは、フィードアレー２を構成する各アンテナ素子の位置を示すための座標系定義を示しており、ここではフィード座標系と称する。

ここで、図１０に示すように、実施の形態３のアンテナ装置では、実施の形態１，２のアンテナ装置における減衰器１２−１−１〜１２−Ｎ−Ｍが省略されており、各アンテナ素子４の励振振幅は全てのビームに対して等振幅となっている。このときの実施の形態３のアンテナ装置によるＥＩＲＰは、近似的に、次の式（１）で求められ、アンテナ利得（＝Ｇ）は次の式（２）で求められる。

但し、Ｎはフィードアレー２を構成するアンテナ素子数、Ｎｂはビーム数であり、ηは開口効率であり一定の係数である。また、Ｐｔは各増幅器の最大送信電力であり、λは動作周波数における波長である。これ以外のパラメータについては、次の式（３）〜式（６）、及び図１１のアンテナ装置の諸元により定義する。

次に、図１２は、図１０のアンテナ装置のＥＩＲＰ及びアンテナ利得を示すグラフである。図１２では、開口径Ｄを１２１．７λとし、焦点Ｆと反射鏡導体１との間の距離Ｒを１１５．７λとし、各増幅器５の送信電力を１０Ｗとし、ビーム数を１０とした場合の式（１）及び式（２）に基づくＥＩＲＰ及びアンテナ利得を示す。また、図１２は、フィードアレー２の離焦点距離ｚｄを１８．３λで固定値とし、フィードアレー２の開口半径Ａを変化させたときのアンテナ装置のＥＩＲＰ及びアンテナ利得の変化を示している。

図１２において、３００は式（１）により計算したＥＩＲＰを示し、３０１は高精度な解析法である物理光学法により計算したＥＩＲＰを示している。また、３１０は式（２）により計算したアンテナ利得を示し、３１１は物理光学法により計算したアンテナ利得を示している。また、図１２の横軸はフィードアレー２の開口半径Ａの変化を式（４）で与えられるωに対する比を示しており、図１２の縦軸はＥＩＲＰ及びアンテナ利得を示している。

図１２によれば、式（１）及び式（２）による計算結果は、高精度な解析法である物理光学法による計算結果と良く対応しており、実施の形態３のアンテナ装置の性能を良く表現していることがわかる。このことから、式（１）及び式（２）に基づいて、実施の形態３のアンテナ装置の性能を分析すると、フィードアレー２の離焦点距離ｚｄを一定とした場合に、ＥＩＲＰは、フィードアレー２の開口半径Ａにより単調増加し、ある一定値に収束することがわかる。

そして、図１２に示すように、アンテナ利得は、フィードアレー２の開口半径Ａに対してＡ＝１．１２ωとなる場合に極大値を有することがわかる。従って、実施の形態３では、フィードアレー２の開口半径を１．１２ωとする。これにより、効率的なアンテナ装置を得ることができる。そして、式（３）から式（５）に基づいて変数ωを展開すると、アンテナ利得が極大値となるフィードアレー２の開口半径は、次の式（７）となる。

従って、実施の形態３のアンテナ装置では、フィードアレー２の開口半径が式（７）で与えられる寸法となるように設定されている。

上記のような実施の形態３のアンテナ装置では、各アンテナ素子４の励振振幅を全てのビームに対して等振幅としており、その結果として各増幅器５の送信電力も等振幅となるので、増幅器５の電源効率を向上させることができる。

また、フィードアレー２の開口半径Ａが式（７）で与えられる寸法となるように設定されている。この構成により、アンテナ利得を極大とすることができ、アンテナ利得を向上させることができる。従って、効率的なアンテナ装置を得ることができる。

実施の形態４．
実施の形態３のアンテナ装置では、フィードアレー２の離焦点距離ｚｄを固定し、フィードアレー２の開口半径Ａを変化させた場合のＥＩＲＰ及びアンテナ利得について説明した。これに対して、実施の形態４のアンテナ装置では、フィードアレー２の開口半径Ａを固定し、フィードアレー２の離焦点距離ｚｄを変化させた場合のＥＩＲＰ及びアンテナ利得について説明する。なお、実施の形態４のアンテナ装置の構成は、フィードアレー２の開口半径Ａとフィードアレー２の離焦点距離ｚｄとの関係を除いて、実施の形態３のアンテナ装置の構成と同様である。

図１３は、この発明の実施の形態４のアンテナ装置のＥＩＲＰ及びアンテナ利得を示すグラフである。図１３では、例えばフィードアレー２の開口半径Ａ＝７．５λで固定し、フィードアレー２の離焦点距離ｚｄを変化させたときのアンテナ装置のＥＩＲＰ及びアンテナ利得の変化を示している。図１３の横軸は、フィードアレー２の離焦点距離ｚｄの変化を焦点Ｆと反射鏡導体１との間の距離Ｒに対する比を示しており、図１３の縦軸はＥＩＲＰ及びアンテナ利得を示している。なお、図１３に示す特性の他の条件は、実施の形態３の図１２の場合と同様である。

図１３において、４００は式（１）により計算したＥＩＲＰを示し、４０１は高精度な解析法である物理光学法により計算したＥＩＲＰを示している。また、４１０は式（２）により計算したアンテナ利得を示し、４１１は物理光学法により計算したアンテナ利得を示している。また、図１３の横軸はフィードアレー２の開口半径Ａの変化を式（４）で与えられるωに対する比を示しており、図１３の縦軸はＥＩＲＰ及びアンテナ利得を示している。

図１３によれば、先の式（１）及び式（２）による計算結果は、実施の形態３の場合と同様に、物理光学法による計算結果と良く対応しており、実施の形態４のアンテナ装置の性能を良く表現していることがわかる。このことから、式（１）及び式（２）に基づいて、実施の形態４のアンテナ装置の性能を分析すると、フィードアレー２の開口半径Ａを一定とした場合に、実施の形態３と同様に、ＥＩＲＰ及びアンテナ利得はＡ＝１．１２ωとなる場合に極大値を有することがわかる。

ここで、ωは式（３）から（５）に示すようにフィードアレー２の離焦点距離ｚｄの関数であるので、Ａ＝１．１２ωとなる離焦点距離において、ＥＩＲＰ及びアンテナ利得は極大値となる。また、Ａ＝１．１２ωとなる離焦点距離ｚｄの表現式を、先の式（３）から式（５）に基づいて求めると、次の式（８）となる。

従って、実施の形態４のアンテナ装置では、反射鏡導体１の焦点Ｆからの距離である離焦点距離ｚｄが式（８）で与えられる距離となるように、フィードアレー２が配置されている。

上記のような実施の形態４のアンテナ装置では、反射鏡導体１の焦点Ｆからの距離である離焦点距離ｚｄが式（８）で与えられる距離となるように、フィードアレー２が配置されている構成であっても、実施の形態３と同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
この発明の実施の形態５では、任意のビーム方向である所望ビーム方向へビームを向けるための構成について説明する。図１４は、この発明の実施の形態５のアンテナ装置の一部を示す構成図である。図１４において、実施の形態５のアンテナ装置は、実施の形態３又は実施の形態４のアンテナ装置の構成に加えて、ビーム走査位相演算部としてのビーム走査位相演算回路５０、ビーム指令部としてのビーム方向指令回路５１、及び励振位相記憶部としての励振位相記憶装置５２をさらに有している。

ビーム走査位相演算回路５０は、所望ビーム方向にビーム走査するために、複数のアンテナ素子４のそれぞれについての励振位相目標値（励振位相の目標値）を演算する。ビーム方向指令回路５１は、所望ビーム方向を決定し、その決定した所望ビーム方向についてのビーム出力指令をビーム走査位相演算回路５０に送る。励振位相記憶装置５２は、それぞれ異なる方向である所定の複数の基準ビーム方向へ向けたビームを形成するための複数のアンテナ素子４の励振位相の情報を予め記憶している。

ここで、複数の基準ビーム方向とは、例えば、図１５の黒点及び白点のように図１５の上下左右に等間隔となるようにマトリクス状（格子状）に設定された方向である。この例では、図１５の１つの点が１つの基準ビーム方向を示している。つまり、この例では、励振位相記憶装置５２が記憶している励振位相の情報は、図１５の黒点及び白点のそれぞれへ向けたビームを形成するための複数のアンテナ素子４の励振位相の情報である。

次に、動作について説明する。ビーム走査位相演算回路５０は、ビーム方向指令回路５１からビーム出力指令を受けると、そのビーム出力指令に含まれる図１５に示すような所望ビーム方向５００の位置情報（例えば座標情報）に基づいて、所望ビーム方向５００の周囲に位置する基準ビーム方向５０１ａ，５０１ｂ，５０１ｃ，５０１ｄについての励振位相の情報を励振位相記憶装置５２から抽出する。

そして、ビーム走査位相演算回路５０は、基準ビーム方向５０１ａ，５０１ｂ，５０１ｃ，５０１ｄと所望ビーム方向５００との位置関係に基づき、基準ビーム方向５０１ａ，５０１ｂ，５０１ｃ，５０１ｄのそれぞれの励振位相を線形補間する。これにより、ビーム走査位相演算回路５０は、励振位相目標値を算出する。この後、ビーム走査位相演算回路５０は、算出した励振位相目標値の情報を移相制御回路３８に送る。そして、移相制御回路３８は、励振位相目標値に対応するように、各移相器１１の移相量を設定する。

従って、上記のような実施の形態５のアンテナ装置によれば、ビーム走査位相演算回路５０は、ビーム方向指令回路５１によって決定された所望ビーム方向と、励振位相記憶装置５２の励振位相の情報に含まれる複数の基準ビーム方向との関係に基づき、複数の基準ビーム方向についての励振位相を補間して、励振位相目標値を算出する。この構成により、実施の形態３又は実施の形態４のアンテナ装置と同様の効果を得ることができるとともに、任意の方向にビーム走査を行うことができる。

なお、実施の形態５では、複数の基準ビーム方向がマトリクス状に配置されていたが、この例に限るものではない。複数の基準ビーム方向が、同心円状に（各円の円周上の任意の点として）配置されていてもよい。また、実施の形態５では、複数の基準ビーム方向が等間隔に配置されていたが、不等間隔に配置されていてもよい。

また、実施の形態５では、ビーム走査位相演算回路５０による補間方法として線形補間を用いた。しかしながら、ビーム走査位相演算回路５０による補間方法は、線形補間に限定するものではなく、例えばスプライン補間等の他の補間方法を用いた場合でも同様の効果を得ることができる。

さらに、実施の形態５では、ビーム走査位相演算回路５０による励振位相目標値の演算方法として補間による方法を示した。しかしながら、ビーム走査位相演算回路５０による励振位相目標値の演算方法は、この補間による方法に限定するものではない。例えば、ビーム走査位相演算回路５０が、所望ビーム方向と基準ビーム方向との関係から、基準ビーム方向へ向けたビームの波面に傾きを与えるための励振位相を算出し、その算出した励振位相と基準ビーム方向についての励振位相とを足し合わせて、励振位相目標値を算出することもできる。

また、実施の形態５では、実施の形態３又は実施の形態４のビーム形成回路７に、回路５０，５１及び装置５２を追加した構成を示したが、実施の形態１又は実施の形態２のビーム形成回路に、回路５０，５１及び装置５２を追加してもよく、この場合でも、実施の形態５と同様の効果を得ることができる。

さらに、実施の形態１〜５では、反射鏡導体１の形状は、回転放物面形状を例として説明した。しかしながら、反射鏡導体１の形状は、この例に限定するものではない。例えば、反射鏡導体１の形状は、回転楕円面形状若しくは回転双曲面形状、又は所望のアンテナパターンを実現するように鏡面修整が施された形状でもよい。

１ 反射鏡導体、２ フィードアレー、３ ビーム形成ユニット、４−１〜４−Ｍ アンテナ素子、５−１〜５−Ｍ 増幅器、７−１〜７−Ｎ ビーム形成回路、８，３８ 位相振幅制御回路（位相制御部）、１１−１−１〜１１−Ｎ−Ｍ 移相器、１２−１−１〜１２−Ｎ−Ｍ 減衰器、５０ ビーム走査位相演算回路（ビーム走査位相演算部）、５１ ビーム方向指令回路（ビーム指令部）、５２ 励振位相記憶装置（励振位相記憶部）、１００ カバレッジエリア、１１１ 狭ビーム、１１２ 広ビーム、５００ 所望ビーム方向、５０１ａ，５０１ｂ，５０１ｃ，５０１ｄ 基準ビーム方向。

Claims (5)

1. 反射鏡導体と、
   前記反射鏡導体の焦点から離れた位置に配置され、複数のアンテナ素子からなるフィードアレーと、
   前記複数のアンテナ素子に接続された複数の増幅器と、
   前記複数の増幅器を介して前記複数のアンテナ素子に接続され、前記複数のアンテナ素子の励振振幅及び励振位相をそれぞれ調整可能であり、励振振幅及び励振位相を調整することにより互いに異なるビーム幅の複数のビームを前記複数のアンテナ素子から放射させるビーム形成ユニットと
   を備え、
   前記ビーム形成ユニットの振幅調整量及び移相量は、
   前記複数のビームのうちビーム幅の狭い狭ビームを所定のカバレッジエリアの中央部領域へ向けて前記複数のアンテナ素子から放射させるとともに、
   前記複数のビームのうちビーム幅の広い広ビームを前記カバレッジエリアの端部領域へ向けて前記複数のアンテナ素子から放射させるように設定され、
   かつ前記広ビームの送信電力を前記狭ビームの送信電力よりも高くすることで、前記複数のビームの全ての等価等方放射電力が同一となるように設定されている
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記ビーム形成ユニットの振幅調整量及び移相量は、前記カバレッジエリア全体の中で、ユーザ密度が小さく、かつ通信トラフィックが低い領域へ向けて前記広ビームを前記複数のアンテナ素子から放射させるように設定されている
   ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 所望ビーム方向を決定するビーム指令部と、
   それぞれ異なる方向である所定の複数の基準ビーム方向へ向けたビームを形成するための前記複数のアンテナ素子の励振位相の情報を予め記憶している励振位相記憶部と、
   前記励振位相記憶部に記憶された前記励振位相の情報を用いて、前記ビーム指令部によって決定された前記所望ビーム方向にビームを形成するための励振位相目標値を算出するビーム走査位相演算部と、
   前記ビーム形成ユニットの移相量を制御し、その移相量を、前記ビーム走査位相演算部によって算出された前記励振位相目標値に対応する移相量に設定する位相制御部と
   をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 前記ビーム走査位相演算部は、前記ビーム指令部によって決定された前記所望ビーム方向と、前記励振位相記憶部に記憶された前記励振位相の情報に含まれる前記複数の基準ビーム方向との関係に基づき、前記複数の基準ビーム方向についての前記励振位相を補間して、前記励振位相目標値を算出する
   ことを特徴とする請求項３記載のアンテナ装置。
5. 前記ビーム走査位相演算部は、前記ビーム指令部によって決定された前記所望ビーム方向と、前記励振位相記憶部に記憶された前記励振位相の情報に含まれる前記基準ビーム方向との関係に基づき、前記基準ビーム方向へ向けたビームの波面の傾きを与えるための励振位相を算出し、その算出した励振位相と前記基準ビーム方向についての励振位相とを足し合わせて、前記励振位相目標値を算出する
   ことを特徴とする請求項３記載のアンテナ装置。

Images