JP7387464B2

JP7387464B2 - 反射鏡アンテナ

Info

Publication number: JP7387464B2
Application number: JP2020011840A
Authority: JP
Inventors: 雅亀井; 真介横澤
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2020-01-28
Filing date: 2020-01-28
Publication date: 2023-11-28
Anticipated expiration: 2040-01-28
Also published as: JP2021118480A

Description

本発明は反射鏡アンテナに係り、特に反射鏡とホーンアンテナとを備えた反射鏡アンテナに関する。

例えば、衛星放送・通信衛星システムにおいて、地球上の受信局に設置する受信アンテナでは、送信された電波を効率的に得られる反射鏡（パラボラ）と、この反射鏡の焦点に受信部を設置する構成（パラボラアンテナ）が一般的である。この際、反射鏡を高い開口効率で使用するためには、受信部で生成する放射パターンを反射鏡の開口角に沿った放射パターン（エッジレベル）に合わせることが求められる。
ここで、同一の軌道位置の衛星から送信される異なる周波数を地球上で受信する場合、パラボラアンテナに使用される反射鏡の焦点に、各々の周波数において、反射鏡の開口角に沿った放射パターンを生成することが求められる。
非特許文献１には、衛星放送受信用１２／２１ＧＨｚ帯偏波共用給電アンテナが記載されている。このアンテナは、マイクロストリップアレーアンテナを受信部に使用し、１２ＧＨｚ帯の放射パターンを形成する基板と２１ＧＨｚ帯の放射パターンを形成する基板とを分け、これらを積層することで各々の周波数で所望の放射パターンを形成している。

「衛星放送受信用１２／２１ＧＨｚ帯偏波共用給電アンテナの試作」ＢＳ－５－６，２０１７年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会

ホーンアンテナは構造が簡単で、計算によって利得を高い精度で求められる利点があり、マイクロ波帯のアンテナとして多く用いられてきた。しかしながら、一般的なホーンアンテナでは、周波数が高くなるに従い、放射パターンがシャープになるため、単一のホーンアンテナにおいて、異なる周波数で、有効に反射鏡を使用するための所望の放射パターンを形成することは困難であった。

（１）本発明に係る反射鏡アンテナは、少なくとも一つの反射鏡と、ホーンアンテナとを用いて、複数の周波数を送信又は受信する反射鏡アンテナにおいて、
前記ホーンアンテナは、開口を有するホーン部と、該ホーン部の内壁に周波数選択性の電波吸収特性を有する電波吸収体とを備え、
前記複数の周波数のうちの第１の周波数の最大利得を得る、前記ホーンアンテナの内壁の斜面におけるホーン焦点からの長さをＬ_１、前記第１の周波数よりも高い第２の周波数の最大利得を得る、前記ホーンアンテナの内壁の斜面における前記ホーン焦点からの長さをＬ_２とした場合、長さＬ_１と長さＬ_２との間に、前記第２の周波数に周波数選択性を有する前記電波吸収体を配置した反射鏡アンテナである。

（２）上記反射鏡アンテナにおいて、前記第１の周波数は１２．０ＧＨｚ、前記第２の周波数は２１．７ＧＨｚとすることができる。

本発明によれば、複数の周波数を送信又は受信する反射鏡アンテナにおいて、周波数毎の放射パターンを調整することが可能となり、反射鏡を有効に使用する放射パターンの形成が可能となる。

本発明の一実施形態の反射鏡アンテナの構成図である。一般的な円錐状のホーンアンテナの一例を示す構成図である。本実施形態の反射鏡アンテナに用いるホーンアンテナの一例を示す構成図である。図３のホーンアンテナで用いられる電波吸収体を示す構成図である。電波吸収体の周波数に対する反射特性を示す特性図である。本実施形態に用いるホーンアンテナにおける１２．０ＧＨｚと２１．７ＧＨｚでの角度と利得との関係を示す特性図である。電波吸収シートを用いない場合のホーンアンテナにおける１２．０ＧＨｚと２１．７ＧＨｚでの角度と利得との関係を示す特性図である。１つのホーンアンテナで３つの周波数を利用する場合に用いられる２つの電波吸収体を示す分解斜視図である。１つのホーンアンテナで３つの周波数を利用する場合に用いられる２つの電波吸収体を組み合わせた状態を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態の反射鏡アンテナの構成図である。
図１に示す反射鏡アンテナ１０は、円錐状のホーンアンテナ１１と、ホーンアンテナ１１の開口の前方に配置され、凹状の反射面が形成された反射鏡１２とを備えている。反射鏡１２の反射面で反射された電波は、ホーンアンテナ１１の開口に入射して受信される。また、ホーンアンテナ１１から出力された電波は反射鏡１２の反射面で反射されて送信される。なお、反射鏡アンテナ１０は、ホーンアンテナ１１と反射鏡１２とを支持する支持体を備えるがここでは説明を省略する。

本実施形態の反射鏡アンテナで用いるホーンアンテナ１１の説明に先立って、図２を用いて、一般的な円錐状のホーンアンテナ１１Ａについて説明する。図２は一般的な円錐状のホーンアンテナの一例を示す構成図である。
開口径に対する利得が最大となる最適な円錐状のホーンアンテナ１１Ａの利得Ｇは、波長をλ［ｍ］とし、図２に示すように、開口面の直径（開口径）をＤ［ｍ］、内壁の斜面におけるホーン焦点から開口面のエッジまでのスラントをＬ［ｍ］とすると、数式１（以下の数１）で求められる。数式１は例えば、電子情報通信学会『知識の森』（http://www.ieice-hbkb.org/）4 群－2 編－6 章に記載されている。数式１において、ｄＢｉは等方性アンテナを基準とした場合のゲインの単位を示す。なお、スラントとは、ホーンアンテナの斜面における、ホーン焦点から開口面のエッジに至るまでの長さをいう。

放送衛星のダウンリンクでは、１２ＧＨｚ帯（１１．７～１２．２ＧＨｚ）と２１ＧＨｚ帯（２１．４～２２．０ＧＨｚ）が使用される。以下の説明では電波の周波数として、一例として、１２ＧＨｚ帯の１２．０ＧＨｚ、２１ＧＨｚ帯の２１．７ＧＨｚを用いる場合について説明する。１２．０ＧＨｚは第１の周波数、２１．７ＧＨｚは第１の周波数よりも高い第２の周波数となる。
衛星放送用周波数として１２ＧＨｚを用いる場合、周波数１２．０ＧＨｚの波長λが０．０２５［ｍ］で１６．０ｄＢｉの最大利得とするには、上記の数式１から、開口径Ｄが０．０６９４［ｍ］、スラントＬが０．０６４３［ｍ］と算出される。この形状におけるホーンアンテナ１１Ａの開口角をαとすると、開口角α、開口径Ｄ、スラントＬの関係は数式２（以下の数２）で得られる。

ここで、開口径Ｄが０．０６９４［ｍ］、スラントＬが０．０６４３［ｍ］のとき、開口角αは６５．３度となる。

次に、同じ開口角αのホーンアンテナ１１Ａで、衛星放送用周波数として２１．７ＧＨｚを用いる場合、周波数２１．７ＧＨｚの波長λが０．０１４［ｍ］で１６．０ｄＢｉの最大利得とするには、まず上記数式２から開口径ＤとスラントＬの関係（比率）を求める。次に、数式１において、２１．７ＧＨｚの波長λ０．０１４［ｍ］との関係から、開口径Ｄが０．０３８４［ｍ］、スラントＬが０．０３５６［ｍ］と算出される。

以上の計算結果より、開口角αのホーンアンテナ１１Ａで、衛星放送用周波数として周波数１２．０ＧＨｚを用いるには、開口径Ｄを０．０６９４［ｍ］、スラントＬを０．０６４３［ｍ］とし、衛星放送用周波数として２１．７ＧＨｚを用いるには、開口径Ｄを０．０３８４［ｍ］、スラントＬを０．０３５６［ｍ］とすれば、１６．０ｄＢｉの最大利得が得られることが分かる。

本実施形態の反射鏡アンテナ１０では、１つのホーンアンテナで周波数１２．０ＧＨｚと２１．７ＧＨｚとが利用できるように、ホーンアンテナ１１のスラントＬのうち、２１．７ＧＨｚで０．０３５６～０．０６４３［ｍ］を不要とするように、ホーンアンテナ１１の斜面における、ホーン焦点からの長さが０．０３５６～０．０６４３［ｍ］の間に、２１ＧＨｚ帯の電波を吸収する電波吸収体を配置する。

図３は本実施形態の反射鏡アンテナに用いるホーンアンテナの一例を示す構成図である。図４は図３のホーンアンテナで用いられる電波吸収体を示す構成図である。図５は電波吸収体の周波数に対する反射特性を示す特性図である。
図３に示すように、ホーンアンテナ１１は、開口を有するホーン部１１０と電波吸収体１２０とを備えている。ホーン部１１０は図２に示したホーンアンテナ１１Ａと同じ構成である。ホーン部１１０は円錐状をなし、ホーン焦点から開口に向かって広がる形状となっている。電波吸収体１２０は周波数選択性の電波吸収特性を有し、ホーン部１１０の内壁に配置されている。
図３において、長さＬ_１は図２におけるホーンアンテナ１１Ａの周波数１２．０ＧＨｚにおけるスラントＬ＝０．０６４３［ｍ］に対応し、長さＬ_２は図２におけるホーンアンテナ１１Ａの周波数２１．７ＧＨｚにおけるスラントＬ＝０．０３５６［ｍ］に対応する。間隔Ｌ_３は長さＬ_２と長さＬ_１との間の間隔を示す。
ホーン部１１０の内壁のスラントの０．０３５６～０．０６４３［ｍ］の間（図３及び図４において間隔Ｌ_３で示す）に電波吸収体１２０を配置する。

電波吸収体１２０としては図５に示す反射特性の電波吸収シートを用いることができる。図５に示すように、電波吸収シートは２１．７ＧＨｚを中心とした２１ＧＨｚ帯の範囲で電波が吸収され、反射が低下する。この電波吸収シートをホーン部１１０の間隔Ｌ_３に設置することで、ホーンアンテナ１１を作製することができる。

電波吸収シートをホーン部１１０に設置したホーンアンテナ１１における１２．０ＧＨｚと２１．７ＧＨｚの放射パターンを評価した。図６は本実施形態に用いるホーンアンテナ１１における１２．０ＧＨｚと２１．７ＧＨｚでの角度と利得との関係を示す特性図である。図７は電波吸収シートを用いない場合のホーンアンテナにおける１２．０ＧＨｚと２１．７ＧＨｚでの角度と利得との関係を示す特性図である。
図６の特性図から、１２．０ＧＨｚと２１．７ＧＨｚでほぼ同一の放射パターンが得られることがわかる。
なお、同一形状のホーンアンテナにおいて、電波吸収シートを使用しない場合には、図７に示すように２１．７ＧＨｚが最適ホーンの条件には合致しなくなるため、放射パターンが劣化することが分かる。

電波吸収シートを用いることで、図６に示すように、単一のホーンアンテナにおいても、異なる周波数において、ほぼ同一の放射パターンが得られるため、反射鏡との組み合わせで所望の放射パターンを形成することが可能となる。
これにより、異なる周波数を対象とする場合においても、一つのホーンアンテナと反射鏡（パラボラ）で構成するアンテナが可能となるため、低廉化が求められる一般家庭用受信アンテナにも適用することが可能となる。

上述した実施形態は、本発明の好適な実施形態ではあるが、上記実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。

例えば、上述した実施形態ではホーンアンテナ１１として、円錐状のホーンアンテナを取り上げて説明したが、他の形状、例えば角錐状のホーンアンテナを用いてもよい。角錐状のホーンアンテナについては、上述した、電子情報通信学会『知識の森』（http://www.ieice-hbkb.org/）4 群－2 編－6 章に記載されている。

また、反射鏡アンテナの形式は、図１に示した構成に限定されず他の形式であってもよい。例えば、非特許文献１に示したようなオフセットパラボラアンテナにおいて、給電部（マイクロストリップアレイアンテナ）を本実施形態のホーンアンテナ１１に替えて反射鏡アンテナを構成してもよい。また、主反射鏡と、主反射鏡の焦点近傍に配置され、主反射鏡よりも径の小さい副反射鏡との間に、副反射鏡に開口を向けた本実施形態のホーンアンテナ１１を配置して反射鏡アンテナを構成してもよい。

また、上述した実施形態では１つのホーンアンテナで周波数１２．０ＧＨｚと２１．７ＧＨｚとが利用できる例について説明したが、１つのホーンアンテナで３つ以上の周波数を利用する場合にも本発明は適応可能である。

図８は１つのホーンアンテナで３つの周波数を利用する場合に用いられる２つの電波吸収体を示す分解斜視図、図９は２つの電波吸収体を組み合わせた状態を示す斜視図である。
３つの周波数をそれぞれｆ_１、ｆ_２、ｆ_３（ｆ_１＞ｆ_２＞ｆ_３）で示すとき、図８に示すように、周波数ｆ_１に周波数選択性を有する電波吸収特性を持つ電波吸収体１２０Ａと、周波数ｆ_２に周波数選択性を有する電波吸収特性を持つ電波吸収体１２０Ｂと、を用意する。周波数ｆ_２と周波数ｆ_１とは第１の周波数と第２の周波数に対応し、電波吸収体１２０Ａは第２の周波数に周波数選択性を有する前記電波吸収体となる。また、周波数ｆ_３と周波数ｆ_２とは第１の周波数と第２の周波数に対応し、電波吸収体１２０Ｂは第２の周波数に周波数選択性を有する前記電波吸収体となる。
そして、ホーンアンテナの開口からホーン部の内壁の斜面に沿って、電波吸収体１２０Ａを配置し、さらに図９に示すように、電波吸収体１２０Ａの内壁の斜面に沿って電波吸収体１２０Ｂを配置することで、２つの電波吸収体を組み合わせたホーンアンテナを得る。このホーンアンテナを用いることで、反射鏡アンテナは周波数ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３において、ほぼ同一の放射パターンが得られるため、反射鏡との組み合わせで所望の放射パターンを形成することが可能となる。

また、電波吸収体の特性は図５に示した反射特性に限定されない。図３及び図４に示す電波吸収体１２０は少なくとも２１．７ＧＨ帯で電波が吸収されて反射が低下し、１２．０ＧＨｚ帯で電波が吸収されず反射が低下しなければよい。

１０反射鏡アンテナ
１１ホーンアンテナ
１１Ａホーンアンテナ
１２反射鏡
１１０ホーン部
１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ電波吸収体

Claims

少なくとも一つの反射鏡と、ホーンアンテナとを用いて、複数の周波数を送信又は受信する反射鏡アンテナにおいて、
前記ホーンアンテナは、開口を有するホーン部と、該ホーン部の内壁に周波数選択性の電波吸収特性を有する電波吸収体とを備え、
前記複数の周波数のうちの第１の周波数の最大利得を得る、前記ホーンアンテナの内壁の斜面におけるホーン焦点からの長さをＬ_１、前記第１の周波数よりも高い第２の周波数の最大利得を得る、前記ホーンアンテナの内壁の斜面における前記ホーン焦点からの長さをＬ_２とした場合、長さＬ_１と長さＬ_２との間に、前記第２の周波数に周波数選択性を有する前記電波吸収体を配置した反射鏡アンテナ。
前記第１の周波数は１２．０ＧＨｚ、前記第２の周波数は２１．７ＧＨｚである、請求項１に記載の反射鏡アンテナ。