JPH05267928A - 反射鏡アンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 反射鏡アンテナにおいて一次放射器が複数の
アンテナ素子により構成される場合に、反射鏡焦点から
離れて配置されるアンテナ素子から送受信される電波が
反射鏡からスピルオーバーしてアンテナ全体の放射効率
を低減させることを防ぐ。 【構成】 一次放射器５を構成するアンテナ素子３を同
一の球面上に並ぶように配列した。 【効果】 アンテナ全体の放射効率の劣化を防ぐことが
できる。また、各アンテナ素子の励振分布の測定、調整
が容易に行え、成形ビームや低サイドローブの放射パタ
ーンを形成するために必要な励振分布の設定が精度良く
行える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は複数のアンテナ素子を有
する一次放射器に対し、反射鏡を介して電波を送信或い
は受信する反射鏡アンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】衛星搭載用の反射鏡アンテナでは一次放
射器に複数のアンテナ素子を用いることにより形成ビー
ムやマルチビームを形成することができる。例えば、従
来の反射鏡アンテナは図７に示すような構成が考えられ
る。この図７において、鏡面系は主反射鏡１および副反
射鏡２により構成されるオフセットカセグレン方式であ
り、一次放射器は複数のアンテナ素子３により構成さ
れ、各アンテナ素子はビーム形成回路４に接続されてい
る。ここで例えばアンテナ素子としてはホーンアンテナ
を考える。ビーム形成回路により各アンテナ素子に適当
な励振振幅および励振位相を考えることにより、サービ
スエリア形状に合った成形ビームを形成したり、複数の
ビームでカバーするマルチビームを形成したりすること
ができる。さて、ここで一般的に一次放射器を構成する
複数のアンテナ素子は各開口面が平面上に配置されてい
ることが普通である。この場合、給電系コンポーネント
の接続などビーム形成回路を構成する上では都合が良
い。しかし、平面上に配置した場合、副反射鏡の焦点Ａ
から離れた位置にあるアンテナ素子は副反射鏡の中心か
ら離れた方向を向いているので、電波は副反射鏡からス
ピルオーバーしてしまい、アンテナ全体の放射効率を著
しく低下させることになる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来の成形ビームやマルチビームを放射する反射鏡アンテ
ナにおいては、その一次放射器の副反射鏡焦点から離れ
た位置に置かれるアンテナ素子からのスピルオーバーが
大きく、アンテナ全体の放射効率を著しく低下させる欠
点があった。

【０００４】本発明では、以上のような問題点を解決
し、成形ビームやマルチビームを放射する反射鏡アンテ
ナにおいて、一次放射器を構成するアンテナ素子が副反
射鏡焦点から離れた位置に置かれた場合についてもアン
テナの放射効率を低下させることの無い反射鏡アンテナ
を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、複数のアンテ
ナ素子を有する一次放射器に対し、反射鏡を介して電波
を送信或いは受信する反射鏡アンテナにおいて、前記複
数のアンテナ素子は各開口面の中心から前記反射鏡付近
の１点までの間隔を半径とする同一の球の表面上に配置
され、且つ前記１点を最大方向として電波を送信或いは
受信することを特徴とする反射鏡アンテナに関する。

【０００６】

【作用】本発明では、一次放射器を構成するアンテナ素
子を各開口面が全て同一の球の表面上に並ぶように配置
することにより、副反射鏡焦点から離れた位置に置かれ
たアンテナ素子についても副反射鏡および主反射鏡から
スピルオーバーする電波を少なくすることができ、アン
テナ効率を低下させないことができる。

【０００７】

【実施例】本発明の実施例を以下に示す。

【０００８】図１は本発明による反射鏡アンテナの構成
を示す図である。反射鏡アンテナは、主反射鏡１、副反
射鏡２および一次放射器５により構成され、一次放射器
からの電波は図に示すように主反射鏡および副反射鏡を
介して送受信される。この実施例では、主反射鏡をパラ
ボラ、副反射鏡を双曲面とするオフセットカセグレンア
ンテナを例にとっている。ここで、主反射鏡の焦点０を
原点とする直交座標系を定義して、主反射鏡の回転対称
軸をｚ軸、オフセット方向をｘ軸とするように選ぶ。一
次放射器５は複数のアンテナ素子３およびビーム形成回
路４によって構成され、この例ではアンテナ素子として
ホーンアンテナを用いる。ビーム成形回路は、成形ビー
ムもしくはマルチビームを形成するために必要な励振振
幅および励振位相を各アンテナ素子へ与えるものであ
り、電力分配器や移相器などの給電系コンポーネントで
構成されている。ここで一次放射器の座標系を定義する
にあたり、副反射鏡の焦点Ａからその開口面より垂直な
光軸の方向をｚ_f とする直交座標系（ｘ_f ，ｙ_f ，
ｚ_f ）を図１のように決める。一次放射器５を構成する
アンテナ素子は、ｚ_f 軸上にある点Ｑを中心とする半径
Ｒ（Ｒは副反射鏡の焦点Ａと球の中心Ｑの間の距離）の
球面上にその開口が並ぶように配置され、各アンテナ素
子の最大放射方向が球の中心Ｑを向くようになる。一次
放射器を以上のように構成することにより、アンテナ素
子が副反射鏡の焦点Ａから離れて配置されていてもアン
テナ素子からの電波が副反射鏡および主反射鏡からスピ
ルオーバーする量を小さくすることができる。このた
め、成形ビームやマルチビームを形成する場合にアンテ
ナ効率を低下させることがなくなる。特に、小さな副反
射鏡を有する２枚反射鏡アンテナに対して有効である。

【０００９】次に、この実施例における一次放射器につ
いてさらに詳しく説明する。図２には一次放射器を開口
前方より見た図を示す。この図はｘ_f −ｙ_f 平面での投
影図を示し、点Ａは副反射鏡の焦点である。この例では
３つのビーム２１、２２、２３を放射するマルチビーム
アンテナの一次放射器を示し、各ビームは７個のホーン
アンテナで形成され、隣接するビーム間でホーンアンテ
ナの幾つかを共用する方式とする。例えば、ビーム２１
はホーンアンテナ１１〜１７により形成され、この中で
ホーンアンテナ１３はビーム２２と共用される。ここで
全てのホーンアンテナはその開口の中心が同一の球面上
に並ぶように配置される。図３はビーム１の一次放射器
の構成を示すブロック図である。各ホーンは伝送線路で
ある導波管２１〜２７により点線で示したフランジ面Ｌ
までひかれ、このフランジ面Ｌ以降にあるビーム形成回
路において各ホーンアンテナへの励振振幅、励振位相が
与えられる。ここで導波管２１〜２７は全てフランジ面
Ｌに対して垂直である。ビーム形成回路は移相器３１〜
３７、電力分配器４１〜４４（４１、４３は２電力分配
器、４２、４４は３電力分配器）により構成される。２
０は分波器であり、ビーム１とビーム２の電波を分離す
る。ここで励振位相は移相器により、励振振幅は電力分
配器の分配比により設定できる。移相器としては、導波
管長を変化させたり、導波管の大きさを変えて管内波長
を変えたり、導波管に金属ビスを挿入させたりする方式
により所望の位相が設定できる。また、電力分配器とし
ては、一般的な方向性結合器を用いたり、セプタム方式
などを利用することができる。図３の中では、４１、４
３が２分配、４２、４３が３分配の電力分配器であり、
どちらも以上の方式により容易に製作できる。以上のよ
うな構成にすることにより、まずフランジ面Ｌの前段に
おいて各ホーンの電気長を一致させるように導波管長を
設定し、フランジ面以降のビーム形成回路を簡単かつコ
ンパクトに構成しやすくすることができる。ここで、各
ホーンアンテナは球面上に配置され、各ホーンアンテナ
と導波管の接続面がさまざまな方向に向いているので、
このような構成を用いることは一次放射器の製作、調整
を簡単に行う上で重要である。励振振幅と励振位相は、
ホーンアンテナ部とは独立にビーム形成回路部で設定で
きる。以上から、この一次放射器の構成は、ビーム形成
回路とホーンアンテナ部の製作、調整が独立に行え、広
帯域で良好な特性を実現する上で都合が良い。次に、本
発明の調整上の効果について説明する。

【００１０】成形ビームを形成する場合や、マルチビー
ムで各ビームを低サイドローブにする場合には一次放射
器を構成するアンテナ素子の励振分布（振幅と位相）を
高精度に設定する必要がある。図７に示した従来の方式
において、一次放射器を全て組み上げた場合に各アンテ
ナ素子での励振分布を測定したり、調整することは非常
に困難である。各アンテナ素子の開口のすぐ近くまでプ
ローブを近づけて各素子の励振分布を測定する方法はあ
るが、アンテナ素子とプローブ間の結合やプローブの位
置精度などが微妙に影響し、特に位相の調整を行うよう
な場合には問題がある。一般的には、ホーンアンテナを
除いたビーム形成回路だけで励振分布の調整を行う場合
が多い。この場合、ホーンアンテナが全て同じ特性をも
っている場合には問題が無いが、製作精度が良くなく特
性に差が生じたり、各ホーンアンテナが違っていたりす
る場合には調整が非常に難しい。しかし、本発明の構成
によれば、励振分布の調整が非常に容易に行える。以下
に、その方法について説明する。

【００１１】先の実施例で説明したように、一次放射器
はホーンアンテナ部とビーム形成回路部に分離でき、ビ
ーム形成回路は導波管系で構成されているのでネットワ
ークアナライザなどを用いることにより容易に調整、測
定が行える。そこで、ここではホーンアンテナ部におけ
る、振幅および位相の調整を簡単に行う方法について示
す。図４には、本発明の一次放射器の調整を行うための
設備および装置を示す。これは基本的に電波暗室５１内
で信号源や受信機を用いて行う放射パターンの測定装置
であり、ここで本発明の実施例における一次放射器のホ
ーンアンテナ部を電波暗室の中に置き、ホーンアンテナ
の配置を決定している球の中心Ｑ´の位置に送信アンテ
ナ５２を設置する。Ｑ´は送信アンテナの位相中心と一
致する位置に置く。このように設置することにより、送
信アンテナと一次放射器を構成する各ホーンアンテナ５
３との距離が全てＲ（Ｒは球の半径）となる。ここで、
送信アンテナの開口が小さくてビーム幅が十分広く、一
次放射器の各ホーンアンテナに対して位相、振幅とも変
化しない放射パターンをもたせ、距離Ｒが各ホーンアン
テナに対して遠方界の領域にあれば、受信機と接続され
る各ホーンアンテナを切り換えることにより各ホーンア
ンテナの振幅、位相の差を厳密に測定できる。つまり受
信機は各ホーンアンテナを順次切り換えて夫々の受信信
号を入力する。これと信号源より送信され、カップラー
５４により２分された基準信号とを比較することによ
り、各ホーンアンテナの位相のズレを検出する。この方
法により、各ホーンアンテナからフランジ面まで至る電
気長を全てのホーンアンテナの位相のズレに基づいて一
致させることが容易に行える。電気長の調整は、導波管
スペーサなどを用いることにより簡単に行える。この測
定、調整の方法は、偏波などによらず容易に行え、例え
ばホーンアンテナが円偏波の場合には送信アンテナを円
偏波にするだけで簡単に行える。また、開口や形状か違
ったホーンがある場合にも容易に測定、調整ができる。
通常、このように開口や形状が違ったホーンがある場合
には、ホーンアンテナの位相中心が違う位置にあり、開
口面が同一の球面に並んでいても位相中心が全てのホー
ンアンテナについて同一の球面上にあるとは限らない
が、この方法によれば位相中心が同一の球面上に無くて
も、その差を考慮して電気長を合わせることが容易であ
る。アンテナ設計においては通常ホーンアンテナの位相
中心を理想的な位置において考えるが、このように位相
中心に差がありその差がわからなくとも、このような調
整方法によれば最終的に全てのアンテナ素子の電気長合
わせが容易に行える。大きさの違うホーンを用いた例を
図５と図６に示す。ここで、図５は反射鏡を含めたアン
テナの構成を示す図、図６は一次放射器を正面から見た
図であり、この場合にはビーム６１、６２、６３が各々
大小３個のホーンアンテナにより構成される。この方式
は各ビームの利得を高く維持したまま、所望の方向のみ
に低サイドローブ化をはかる場合に有効である。また、
この例では、各ビームの一次放射器はホーンアンテナの
一部を共用すること無く独立に構成でき、ホーンアンテ
ナを全て同一の球面上に並べることもできるし、各ビー
ム毎に最適な球面を設定することもできる。

【００１２】以上、本発明の効果について説明したが、
ここで図４に示した測定、調整において受信機を用いる
方式の換わりにネットワークアナライザを用いる方式を
用いても全く同様の効果がある。ここまで本発明の実施
例について説明したが、実施例において次のような変更
を行っても全く同様な効果が得られる。

【００１３】鏡面系としてオフセットカセグレンの場合
について説明したが、グレゴリアンやパラボラなどの他
の鏡面系を用いてもよいし、センターフィード系であっ
てもよいし、反射鏡を修整したような場合についても本
発明の効果は同様である。

【００１４】球の中心を一次放射器の座標系ｚ_f 軸上に
設定したが、この軸上に中心が無くてもよい。例えば、
オフセットカセグレンアンテナなどで副反射鏡を駆動し
てビームポインティングなど行う場合などにおいて、副
反射鏡の駆動を考慮して最適な球の中心を設定した場合
にｚ_f 軸上からずれる場合がある。また、先に述べたよ
うに、ビーム毎に独立に球面を設定できる場合には各ビ
ームの最適の球の中心は違ってくる。また、図では球の
中心が副反射鏡と一次放射器の間にあるが、球の中心の
最適な位置が一次放射器から見て副反射鏡の後方にある
場合もある。球の最適位置の設定は幾何光学法や光線追
跡法により容易に行える。

【００１５】一次放射器としては、送信のみ、受信の
み、送信と受信を共用する場合が考えられるが、本発明
はこの全ての場合について有効である。特に、ホーンア
ンテナ部を独立にして電気長を容易に合わせられるので
広帯域にわたって位相を調整することができる。

【００１６】アンテナ素子としてホーンアンテナを用い
た例について説明したが、他の方式のアンテナを用いて
も全く同様の効果が得られる。例えば、マイクロストリ
ップアンテナなどのような平面アンテナを用いた場合に
は球面上にアンテナ素子を構成すればよい。同様に伝送
線路、給電系コンポーネントについても導波管に限ら
ず、同軸線路やマイクロストリップ線路のような平面線
路を用いたものであってもよい。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、複数のアンテナ素子に
より構成される一次放射器をもつ反射鏡アンテナにおい
て、焦点から離れた位置にアンテナ素子が配置されても
反射鏡からのスピルオーバーによりアンテナの放射効率
を低減することがない。また、成形ビームや低サイドロ
ーブの放射パターンを形成する際に要求される高精度の
励振分布の設定する必要があるが、その測定および調整
が非常に簡単に行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例を示す反射鏡アンテナの構成
図。

【図２】 本発明の実施例における反射鏡アンテナの一
次放射器の正面図。

【図３】 本発明の実施例における反射鏡アンテナの一
次放射器の構成図。

【図４】 本発明の実施例における反射鏡アンテナの一
次放射器の測定および調整の方法を示す図。

【図５】 本発明の他の実施例を示す反射鏡アンテナの
構成図。

【図６】 本発明の他の実施例における反射鏡アンテナ
の一次放射器の正面図。

【図７】 従来の反射鏡アンテナの構成図。

【符号の説明】

１…主反射鏡 ２…副反射鏡 ３…アンテナ素子 ４…ビーム形成回路 ５…一次放射器 １１〜１７…ホーンアンテナ ２１〜２７…導波管 ３１〜３７…移相器 ４１〜４４…電力分配器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のアンテナ素子を有する一次放射器
   に対し反射鏡を介して電波を送信或いは受信する反射鏡
   アンテナにおいて、前記複数のアンテナ素子は各開口面
   の中心から前記反射鏡付近の１点までの間隔を半径とす
   る同一の球の表面上に配置され、且つ前記１点を最大方
   向として電波を送信或いは受信することを特徴とする反
   射鏡アンテナ。
2. 【請求項２】 前記複数のアンテナ素子は、位相中心の
   異なる少なくとも２種類のホーンアンテナで構成されて
   いることを特徴とする請求項１記載の反射鏡アンテナ。
3. 【請求項３】 前記一次放射器は、前記複数のアンテナ
   素子を夫々導波管を介してビーム形成回路に接続したも
   のであり、前記複数のアンテナ素子で送信或いは受信す
   る夫々の電波に対し当該アンテナ素子及び導波管を経由
   する電気長が同一となることを特徴とする請求項１記載
   の反射鏡アンテナ。