JP5846970B2 - 反射鏡アンテナ、反射鏡アンテナにおける光線放射方法 - Google Patents

Description

この発明は、一次放射部から放射された光線を、反射鏡で反射して外部に放射する反射鏡アンテナ等に関する。

近年、衛星搭載用アンテナにおいては、多種多様なサービスの実現に向けて、リコンフィギュラブル(再構成可能)なアンテナの要求が高まっている。このようなアンテナを実現するためには、フェーズドアレーアンテナを用いて、振幅と位相を制御し、ビームを変更することが行われることがあるが小型の衛星においては、重量の面で不利が生じる。収納性を含めた小型、軽量化の観点から反射鏡アンテナを適用するほうがよい。アレーアンテナのような平面波を放射する一次放射器を有し、効率的にビーム形成が可能な反射鏡アンテナとして、非特許文献１に記載されているようなイメージングリフレクタがある。

Dragon,C. and Gans,M.J.著、"Imaging reflector arrangements to form a scanning beam using a small array"、Bell System Technical Journal,vol.58、no.2、pp.501-515、１９７９年２月

非特許文献１記載のアンテナは、配列された波源からの平行光線を集束光線に変換する副反射鏡と、変換された集束光線が集束点を通過して発散光線となった光線を、再び平行光線に変換する主反射鏡を備えた反射鏡アンテナである。このアンテナでは、副反射鏡において、波源からの平行光線を集束光線に変換し、変換された集束光線が集束点を通過して発散光線となった光線を主反射鏡に放射して平行光線を得ているため、主反射鏡と副反射鏡との間に光線が集束してから発散するまでの距離が必要で、反射鏡アンテナの厚みや径が大きくなり、軽量、コンパクト化には不向きであるとうい問題があった。

この発明は、前記のような問題を解決するためになされたもので、より軽量、コンパクトな反射鏡アンテナ、およびそのための反射鏡アンテナにおける光線放射方法を提供することを目的とする。

この発明は、主反射鏡、一次放射部、副反射鏡が前記主反射鏡の鏡軸に平行な中心軸に沿って順に配置され、前記一次放射部が、前記副反射鏡に複数の種類の平面波を放射し、前記副反射鏡が、前記一次放射部からの各平面波を前記主反射鏡に発散光線として反射し、前記主反射鏡が、前記副反射鏡からの各発散光線を前記中心軸に沿った平行光線として反射し、前記主反射鏡が、前記一次放射部と反対側に凸状の放物線を前記中心軸周りに回転させた形状の反射鏡からなり、前記副反射鏡が、前記放物線と相似形の前記一次放射部側に凸状の放物線を前記中心軸周りに回転させた形状の反射鏡からなり、前記主反射鏡および副反射鏡がそれぞれの放物線の集束点が前記中心軸の反対側になる形状を有するリングフォーカス形式のアンテナであり、前記一次放射部は、複数のエリアを上記中心軸の周りに配置し、各エリアからそれぞれ異なる励振位相の前記複数の種類の平面波を発生する、ことを特徴とする反射鏡アンテナ等にある。

この発明では、副反射鏡での反射方法を工夫することで、より軽量、コンパクト化が可能な反射鏡アンテナ、およびそのための反射鏡アンテナにおける光線放射方法を提供できる。

この発明の実施の形態１における反射鏡アンテナの概略的な構成を示す側面斜視図である。 この発明の実施の形態１における反射鏡アンテナの図１に示す座標系のＸＺ面に沿った断面図である。 この発明の実施の形態２における反射鏡アンテナの概略的な構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態３における反射鏡アンテナの構成を説明するための図である。 この発明の実施の形態４における反射鏡アンテナの構成を説明するための図である。 この発明の実施の形態５における反射鏡アンテナの概略的な構成を示す側面斜視図である。 この発明の実施の形態６における反射鏡アンテナの概略的な構成を示す側面斜視図である。 この発明の実施の形態７における反射鏡アンテナの概略的な構成を示す側面斜視図である。 一般的なイメージングリフレクタを説明するための図である。

この発明では、軽量で収納時にコンパクトな構成となる、イメージングリフレクタの原理を用いたリングフォーカス形式の反射鏡アンテナを提供する。さらに、複数のビームを一つのアンテナで生成可能な反射鏡アンテナを提供する。オフセットイメージングリフレクタアンテナをリングフォーカス形式とした反射鏡アンテナを構成し、またさらに、一次放射部を分割して使用することで、複数ビームの形成が１つの反射鏡アンテナで可能となる。

以下、この発明による反射鏡アンテナ等を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。

実施の形態１．
図１および図２を用いてこの発明の原理を説明する。図１はこの発明の実施の形態１における反射鏡アンテナの概略的な構成を示す側面斜視図である。１は一次放射部、２は副反射鏡、３は主反射鏡、４は座標系、５は座標系４におけるＺ軸と一致する回転対称軸、６は後述する図２に示す主反射鏡３の断面形状において生じる貫通穴である。

図２はこの発明の実施の形態１における反射鏡アンテナの図１に示す座標系４のＸＺ面に沿った断面図であり、前述の通り、回転対称を用いるため、対称となる部分のみを示している(副反射鏡２、主反射鏡３は、実線で示された放物線を主反射鏡３、一次放射部１、副反射鏡２が順に配置され、主反射鏡３の鏡軸に平行な中心軸である回転対称軸５を中心に回転させた形状となる)。７は一次放射部１からの平行光線、８は副反射鏡２及び主反射鏡３における光線の共通の集束位置(共通の集束点)、９は集束位置８を介した副反射鏡２からの発散光線、１０は主反射鏡３からの平行光線である。

図１、２に示す反射鏡アンテナは、アレーアンテナで構成されるような平面波を放射するような波源を一次放射部１とし、副反射鏡２と主反射鏡３から構成されるオフセット形式の反射鏡アンテナである。図１、２では、一次放射部１を直線状もしくは方形状の波源として示しているが、例えば円形でもよく、限定はされない。図９に示すような一般的なイメージングリフレクタでは副反射鏡２は一次放射部１から見て凹状の放物面となる。このとき副反射鏡２上端を通り、主反射鏡３の鏡軸方向に平行な軸で回転させることで、焦点が偏位したリングフォーカス形式の反射鏡とすることは可能であるが、一次放射部１が副反射鏡２からの光線を遮断してしまい、反射鏡アンテナとして成立しない(例えば、上記副反射鏡２上端を通り、主反射鏡３の鏡軸方向に平行な軸で回転させて、副反射鏡２が上側、主反射鏡３が下側にある場合、一次放射部１が副反射鏡２と主反射鏡３の間に入ってしまう)。一方、副反射鏡２下端を通り、主反射鏡３の鏡軸方向に平行な軸で回転させると副反射鏡の形状の問題から、良好なビームを得ることができない(副反射鏡２の下端を中心に回転するためからの集束光線が副反射鏡２下端を通り、主反射鏡３の鏡軸方向に平行な軸の外周方向に広く拡散してしまう)。

そこで、図２に示すように副反射鏡２は、一次放射部１から見て凸状の放物面とし、副反射鏡２の中心を通り、平行光線１０に平行な回転対称軸５の周りを放物線を３６０度まわした形状を有し、図２に示すような焦点の位置が偏位したリングフォーカス(軸偏位)形式の反射鏡アンテナとなる。このとき、イメージングリフレクタの原理を利用するため、副反射鏡２と主反射鏡３は相似形となる。

なお、オフセット形式を回転対称としているため、通常のセンターフィード形式のように一次放射部１が主反射鏡３に影を作ることがない、すなわち一次放射部１のブロッキングによる影響はない。このような形状の反射鏡アンテナとすることで、図９に示すイメージングリフレクタでの特性に影響なく動作も可能である。

すなわち、主反射鏡３は一次放射部１と反対側に凸状の放物線を中心軸(５)すなわち回転対称軸５周りに回転させた形状の反射鏡からなり、副反射鏡２は、上記放物線と相似形の一次放射部側１に凸状の放物線を上記中心軸周りに回転させた形状の反射鏡からなり、主反射鏡３および副反射鏡２がそれぞれの放物線の共通の集束点(８)が中心軸の反対側になる形状を有するリングフォーカス形式のアンテナである。

また、共通の集束点(８)は副反射鏡２により近付けることにより一次放射部１が副反射鏡２からの光線を遮断することを防止できるが、その分、副反射鏡２からの光線が中心軸の外側に拡散し良好なビームを得ることができず、一次放射部１による光線の遮断防止とビームの質のトレードオフにより共通の集束点(８)を中心軸の反対側の副反射鏡２からの所望の距離の位置に設定する。

また、副反射鏡２は、一次放射部１からの平行光線７を発散光線９として主反射鏡３に放射しているため、主反射鏡３と副反射鏡２との間の距離が短く、反射鏡アンテナの厚みや径の大きさが小さくでき、軽量、コンパクト化が可能となる。

また、一次放射部１の開口を要求に応じて分けて使用することにより、複数のビームの形成が１つの反射鏡アンテナで使用することができる(すなわち一次放射部１は以降の実施の形態で説明するように、例えば複数の開口を回転対称軸５の周りに配置し、各開口からそれぞれ異なる励振分布の平面波を発生することができる)。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２における反射鏡アンテナの概略的な構成を示す断面図であり、図１に示す座標系４のＸＺ面に沿った断面図である。実施の形態１における一次放射部１を複数の開口を有するフェーズドアレーアンテナとしたものである。ここでフェーズドアレーはどんな方式のものでもよい。またその形状も限定するものではない。

従来のように反射鏡アンテナ全体をフェーズドアレーアンテナで構成する場合に比べて一次放射部１をフェーズドアレーアンテナとする場合、例えば主反射鏡３と比べてみても分かるように一次放射部１は全体が小さく、開口数も少ないため、付随する装置を含めて、重量や容積の増加は非常に少ない。

一次放射部１をフェーズドアレーアンテナとした場合、ビーム走査や所望のビーム形成が可能となる。特にビーム走査のためには、図３に示すように副反射鏡２は一次放射部１よりも若干大きくして、副鏡のスピルオーバを抑圧することを行う。これについては、通常のイメージングリフレクタでも実施する構成である。

実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３における反射鏡アンテナの構成を説明するための図であり、図４の左側半分が図１に示す座標系４のＸＺ面に沿った断面図、右側半分がＸＹ面の透視正面図である。実施の形態１および２における一次放射部１を図４の右側のＸＹ面に示すように回転対称軸５の周りに複数のエリアに分けて配置し、各々のエリアに応じたビームを作る(異なる励振位相の平面波を発生する)ことが可能となる。このようにすることでオフセット形式のイメージングリフレクタが複数あるような動作が１つのアンテナで動作可能となる。図４では円形のエリアに分けているが、その形状は限定しない。

実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４における反射鏡アンテナの構成を説明するための図であり、図５の左側半分が図１に示す座標系４のＸＺ面に沿った断面図、右側半分がＸＹ面の透視正面図である。実施の形態１から３における一次放射部１の後ろ(主反射鏡３側)に制御装置１１を接続する。この制御装置１１で各々の一次放射部１(又は上記各エリア)の振幅位相を変化させることにより、ビームの変更が可能となる。

実施の形態５．
図６はこの発明の実施の形態５における反射鏡アンテナの概略的な構成を示す側面斜視図である。但し副反射鏡２の向きは正確なものではない。実施の形態１〜４における副反射鏡２をリフレクトアレー形式のものに変更したものである。リフレクトアレー形式にしても同様の効果が得られる。ここでリフレクトアレーは、実施の形態１〜４の動作が可能であればどんな形状でもよい。

実施の形態６．
図７はこの発明の実施の形態６における反射鏡アンテナの概略的な構成を示す側面斜視図である。実施の形態１〜４における主反射鏡３をリフレクトアレーに変更したものである。リフレクトアレーに変更しても同様の効果が得られる。ここでリフレクトアレーは、実施の形態１〜４の動作が可能であればどんな形状でもよい。

実施の形態７．
図８はこの発明の実施の形態７における反射鏡アンテナの概略的な構成を示す側面斜視図である。但し副反射鏡２の向きは正確なものではない。実施の形態１〜４における副反射鏡２および主反射鏡３をリフレクトアレーに変更したものである。リフレクトアレーに変更しても同様の効果が得られる。ここでリフレクトアレーは、実施の形態１〜４の動作が可能であればどんな形状でもよい。

なお、この発明は上記の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の可能な組み合わせを全て含むことは云うまでもない。

１ 一次放射部、２ 副反射鏡、３ 主反射鏡、４ 座標系、５ 回転対称軸、６ 主反射鏡上の貫通穴、７，１０ 平行光線、８ 集束位置、９ 発散光線、１１ 制御装置。

Claims (4)

1. 主反射鏡、一次放射部、副反射鏡が前記主反射鏡の鏡軸に平行な中心軸に沿って順に配置され、
   前記一次放射部が、前記副反射鏡に複数の種類の平面波を放射し、
   前記副反射鏡が、前記一次放射部からの各平面波を前記主反射鏡に発散光線として反射し、
   前記主反射鏡が、前記副反射鏡からの各発散光線を前記中心軸に沿った平行光線として反射し、
   前記主反射鏡が、前記一次放射部と反対側に凸状の放物線を前記中心軸周りに回転させた形状の反射鏡からなり、
   前記副反射鏡が、前記放物線と相似形の前記一次放射部側に凸状の放物線を前記中心軸周りに回転させた形状の反射鏡からなり、
   前記主反射鏡および副反射鏡がそれぞれの放物線の集束点が前記中心軸の反対側になる形状を有するリングフォーカス形式のアンテナであり、
   前記一次放射部は、複数のエリアを上記中心軸の周りに配置し、各エリアからそれぞれ異なる励振位相の前記複数の種類の平面波を発生する、
   ことを特徴とする反射鏡アンテナ。
2. 前記副反射鏡と主反射鏡の少なくとも一方が、前記放物線形状の場合と同じ特性を有するリフレクトアレーからなることを特徴とする請求項１に記載の反射鏡アンテナ。
3. 前記一次放射部が、励振位相を制御する制御装置を有することを特徴とする請求項１または２に記載の反射鏡アンテナ。
4. 主反射鏡、一次放射部、副反射鏡を前記主反射鏡の鏡軸に平行な中心軸に沿って順に配置し、
   前記主反射鏡は、前記一次放射部と反対側に凸状の放物線を前記中心軸周りに回転させた形状を有し、
   前記副反射鏡は、前記一次放射部側に凸状の前記放物線と相似形の放物線を前記中心軸周りに回転させた形状を有し、
   前記主反射鏡および副反射鏡のそれぞれの前記放物線が共通の集束点が前記中心軸の反対側になる形状を有するリングフォーカス形式のアンテナとし、
   前記一次放射部で、前記副反射鏡に複数の種類の平面波を放射し、
   前記副反射鏡で、前記一次放射部からの各平面波を前記主反射鏡に発散光線として反射し、
   前記主反射鏡で、前記副反射鏡からの各発散光線を前記中心軸に沿った平行光線として反射し、
   前記一次放射部で、複数のエリアを上記中心軸の周りに配置し、各エリアからそれぞれ異なる励振位相の前記複数の種類の平面波を発生する、
   ことを特徴とする反射鏡アンテナにおける光線放射方法。

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