JPH0653728A - 送信及び／又は受信アンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 アンテナ素子１１を設置する素子設置平面１
０Ａに対して各アンテナ素子１１を設置する素子設置平
面１０Ａに対して各アンテナ素子１１を所望の方向に傾
斜させて配置するガイド部材２１を設け、上記アンテナ
素子１１の素子設置平面１０Ａと主ビームの方向とが直
交させ、上記各アンテナ素子１１に位相差給電するため
に位相制御部２０を設けている。 【効果】 主ビームを傾斜させてもアンテナの利得を低
下させずに送受信することが可能なアンテナを実現させ
ることができ、傾斜角の可変範囲内における利得変化を
最小限に抑えることができ、アンテナの取り付け等にお
ける自由度も高めて主ビーム方向への調整も容易にでき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、衛星放送、あるいは衛
星通信用地上局側において使用する送信及び／又は受信
アンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、放送衛星（以下ＢＳという）を用
いたＳＨＦ放送が実施されている。このＳＨＦ放送は、
地上送信局から１４ＧＨｚ帯の電波を赤道上空３６，０
００ｋｍの軌道上に位置する静止衛星に送信し、この送
信電波を受信した放送衛星が１２ＧＨｚ帯に周波数変換
した後、地上に向けて再送信した電波を受信する放送シ
ステムを用いる放送方式である。

【０００３】この放送方式の電波を受信する受信システ
ムは、室外に設けたアンテナ側のユニットＩＤＵ（In D
oor Unit）と室内に設けた受信機本体側のユニットＯＤ
Ｕ（Out Door Unit）とで構成している。

【０００４】通常、このＢＳ放送を受信するための室外
ユニットＯＤＵの部分的な上面１０Ａ側から見た平面図
は、マイクロストリップアンテナ１が図４（ａ）に示す
ように電波の受信側にテフロン等の誘電体基板１０にア
ンテナ素子１１をこのアンテナ素子の中心間隔ｄ毎に形
成している。この受信側の反対側に当たる誘電体基板１
０とグランド基板１２を一体的にしている。このように
して円形マイクロストリップアンテナ１を構成してい
る。このマイクロストリップアンテナ１は、図４（ｂ）
の破断線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図から明かなように誘電
体基板１０上にアンテナ素子１０を平面的に配置するこ
とにより、アレイアンテナとしている。

【０００５】また、図４（ｃ）は、上記マイクロストリ
ップアンテナ１のグランド面１０Ｂ側から見た平面図の
一部を示している。マイクロストリップライン１３は、
このグランド基板１２の下方に誘電体基板１０を張り合
わせたマイクロストリップを構成し、このマイクロスト
リップライン１３を介して各アンテナ素子１０への給電
を行っている。

【０００６】このマイクロストリップアンテナ１の回路
構成を図５に示す。各アンテナ素子１１ａ、１１ｂ、１
１ｃ、・・・で受信した信号は、結合器１４を介してロ
ーノイズアンプ（ＬＮＡ）１５で増幅されて移相器１６
に供給される。複数のアンテナ素子毎に受信した信号は
結合されて移相器に供給されている。複数の移相器１６
ａ、１６ｂ、１６ｃ、・・・はそれぞれ位相制御回路１
７からの制御信号に応じた位相の制御を供給された信号
に対して行って結合器１８に供給している。この結合器
１８からの出力信号は、ダウンコンバータに供給されて
周波数変換されたＲＦ信号が室内ユニットＩＤＵを構成
するＢＳチューナに供給される。

【０００７】このようなアレイアンテナにおいて、すべ
てのアンテナ素子１１に同相の給電を行うと、アレイア
ンテナの放射ビームはアンテナに対して鉛直方向に最大
の利得を持つようになる。このアレイアンテナに移相器
１６を介して適当な位相差を与えると、上記アンテナの
放射ビーム（主ビーム）は、アンテナに対して傾斜させ
ることができる。これがフェーズドアレイアンテナを用
いて主ビームを傾斜させる基本原理である。

【０００８】そこで、実際に改善方法としては、特開平
３−１５７００３号の公報に示すマイクロストリップア
ンテナは、誘電体基板の一方の面には地導体を設け、他
方の面には対称軸を有する形状の放射導体を設けて上記
地導体と共に放射素子を形成し、放射導体の対称軸に沿
う位置を接地状態として対称軸の両側にそれぞれこの対
称軸に垂直な方向の共振器と成し、上記対称軸に対して
対称に２つの給電点を配し、２つの給電点間に電波の放
射方向に応じた位相差を発生させる手段を設け、主ビー
ムの方向を可変として指向性を変化させている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した特
開平３−１５７００３号の公報に示すマイクロストリッ
プアンテナでは、直線偏波だけに対応するもので、例え
ば通信衛星（ＣＳ）において垂直方向と水平方向を使用
している。

【００１０】ところが放送衛星（ＢＳ）は円偏波を使用
しているため、このマイクロストリップアンテナは、放
送衛星に対して用いることができない。

【００１１】このようにアンテナ素子の素子面と送信す
る衛星方向との不一致が多く、この方向の不一致の改善
は、例えば電波の到来方向にアンテナを向ければよい。
しかしながら、アンテナの取り付けは、個々の取り付け
環境によって取り付けの自由度が少なく、限定されてし
まう。

【００１２】また、通常このようなアレイアンテナに用
いられる各アンテナ素子単体の指向特性は、図６に示す
ように主ビームの指向特性が水平面１９に配設したアン
テナ素子１０の単体に対して鉛直方向にあるため傾斜角
を大きくしようとするとアレイアンテナとしての主ビー
ムの利得が低くなり、逆にサイドローブのレベルを高く
してしまうという欠点があった。

【００１３】さらに、円偏波の場合、円偏波の軸比もア
ンテナに対して鉛直方向で最小となり、傾斜させた主ビ
ーム方向に傾斜角を大きくするほど円偏波の軸比は悪く
なってしまう。

【００１４】そこで、本発明は、このような実情に鑑み
てなされたものであり、ビームを傾斜させても主ビーム
方向の利得を低下させることなく、主ビームの軸比を最
小とすることが可能な送信及び／又は受信アンテナの提
供を目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る送信及び／
又は受信アンテナは、アンテナ素子がアレイ状に配列さ
れてなる送信及び／又は受信アンテナにおいて、上記ア
ンテナ素子を設置する素子設置平面に対して各アンテナ
素子を所望の方向に傾斜させて配置する手段と、上記各
アンテナ素子に位相差給電するための位相制御手段とを
有してなることにより、上述の課題を解決する。

【００１６】ここで、上記位相制御手段は、上記アンテ
ナ素子をアレイ状に配列して上述したように傾斜設置し
た配置角度を中心として主ビームの指向特性の方向を変
化ささせている。

【００１７】

【作用】本発明の送信及び／又は受信アンテナは、アン
テナ素子を設置する素子設置平面に対して各アンテナ素
子を所望の方向に傾斜させて配置する手段によって、所
望の方向に主ビームの指向特性を向けることができる。
すなわち上記主ビームの向きは、傾斜配置されたアンテ
ナ素子面に対して鉛直方向に一致する。位相制御手段
は、この位相制御手段からの出力信号で、上記主ビーム
の向きを中心にしてビームを振らせることができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明に係る送信及び／又は受信アン
テナの一実施例について、図面を参照しながら説明す
る。

【００１９】本発明に係る送信及び／又は受信アンテナ
における平面型アンテナを一例に挙げて、図１に示す平
面型アンテナの構成を参照しながら簡単に説明する。図
１（ａ）は、平面型アンテナを上面から見た平面図であ
る。また、図１（ｂ）は、上記平面型アンテナを破断線
Ａ−Ａ’で切断した際の断面図である。

【００２０】平面型アンテナは、図１（ａ）に示すアン
テナ素子１１を設置する素子設置平面１０Ａに対して各
アンテナ素子１１を図１（ｂ）に示すアンテナ素子１１
を設置する素子設置平面１０Ａに対して各アンテナ素子
１１を所望の方向に傾斜させて配置する手段であるガイ
ド部材２１を設け、上記アンテナ素子１１の素子設置平
面１０Ａと主ビームの方向とが直交する関係にできる。
また、平面型アンテナは、上記各アンテナ素子１１に位
相差給電するために位相差制御する位相制御手段である
位相制御部２０を有している。

【００２１】ここで、図１（ａ）、（ｂ）に示したガイ
ド部材２１は、上述したように所望の方向にアンテナ素
子１１を傾斜させるための支持部材である。この他、平
面型アンテナの特徴は、従来と同様にアンテナ素子１１
のアレイ配置を平面的に展開していることから、各アン
テナ素子１１に対する位相の条件は同じになっている。
従って、アンテナ素子間隔ｄもそのままである。

【００２２】このようにアンテナ素子１１を傾斜させて
配置する理由は、前述したように各アンテナ素子１１の
単体の主ビームが平面アンテナの設置平面１０Ａに対し
て鉛直方向を向いていることによる。このため、平面ア
ンテナのビームを傾斜させた場合に主ビームの利得が低
下し、また、サイドローブのレベルも高くなる。この問
題点を解決するために図１（ｂ）に示すように予め傾斜
させたい方向に各アンテナ素子１１を例えばθ゜だけ傾
斜させている。このように配置すれば、ビームを傾斜さ
せたい方向とアンテナ素子１１の単体における各主ビー
ムの方向を一致させることができるからである。

【００２３】上述した原理を図２に示して説明する。例
えばアンテナ素子単体の主ビームをθ゜だけ傾斜させる
ことにより、図２のアンテナ素子１１ａと１１ｂの間の
行路差ｕは ｕ＝ｄsinθ （１） となる。この行路差ｕに対して位相が一致するために
は、この電波波長をλとすると、 ２πｕ／λ＝２πｄsinθ／λ （２） だけずらせばよい。

【００２４】さらに一般に、各アンテナ素子間の位相差
Δφはφn−φn+1（ここで、ｎは整数）で表される。こ
のとき使用する電波の波長λ、アンテナ素子間隔ｄとす
ると、位相差は、 Δφ＝２πｄsinθ／λ （３） を満足すればよい。従って、この関係を満足するため、
位相制御部２０は、前述したように図５に示した位相制
御回路１７から位相を制御する信号を出力し、この位相
制御信号に応じて移相器１６を介する給電を制御する。
この平面型アンテナの給電は、例えばマイクロストリッ
プライン給電に限定されるものでなく、この他にスロッ
ト給電や導波管給電等の給電回路を用いて行ってもよ
い。

【００２５】次に、円偏波の場合、この円偏波の軸比に
ついて検討すると、前述したようにアンテナ素子１１に
おける単体の軸比最小方向は、アンテナに対して鉛直方
向であるから、本発明の送信及び／又は受信アンテナに
おける平面型アンテナのように予めアンテナ素子１１を
傾斜させておけば、平面型アンテナは、平面型アンテナ
の主ビームと最小軸比とが得られる方向を一致させるこ
とができることになる。

【００２６】本発明の送信及び／又は受信アンテナにお
ける平面型アンテナと従来例の平面型アンテナの指向特
性に関するシミュレーション結果を図３に示す。この両
者のシミュレーションに使用するパラメータは、 誘電体基板の厚さ：１．６ｍｍ 比誘電率 ：１．７７ 導体導伝率 ：５６，５００，０００Ｓ／ｍ アンテナ素子半径：５．５３ｍｍ 共振周波数 ：１１．９５ＧＨｚ アンテナ素子間隔：０．７λ 傾斜角 ：３０゜ アンテナ素子数 ：２５６（１６×１６） を用いている。

【００２７】本発明の送信及び／又は受信アンテナにお
ける平面型アンテナにおいて図３から明かなように傾斜
角３０゜における主ビームの利得（破線Ａ）は、従来例
の平面型アンテナ（実線Ｂ）よりも約１．５ｄＢ高くな
っている。このレベルは、従来例における同相給電した
場合、すなわち傾斜させていないときの主ビームの利得
（破線Ｃ）と同じレベルになっている。

【００２８】また、サイドローブのレベルは、傾斜角３
０゜以下の領域について明かに従来のレベルよりも低く
なっているが、傾斜角３０゜以上の領域では従来のレベ
ルよりも高くなっている。しかしながら、これはアンテ
ナ素子単体の指向特性が比較的広いことによって発生し
ているので、アンテナ素子として鋭い指向特性を有する
アンテナ素子を用いればサイドローブレベルを低く抑え
ることが可能である。

【００２９】ところで、上述した鋭い指向特性を有する
アンテナ素子１０を用いて従来例のようなアレイ化を図
ってビームを傾斜させようとした場合、傾斜角に対する
アンテナ素子単体の利得低下が鋭い指向特性のため激し
い変化を起こしてしまい、平面型アンテナの主ビームの
利得が極端に低くなってしまう可能性がある。平面型ア
ンテナは、この指向特性とサイドローブの関係を加減す
る必要がある。

【００３０】このように、各アンテナ素子１１に位相差
を付けた給電を行い、アレイ化したアンテナ素子１１が
形成する主ビームを傾斜させた比較的に平らな平面型ア
ンテナを構成することにより、主ビームを傾斜させても
アンテナの利得を低下させずに送受信することが可能な
アンテナを実現させることができる。

【００３１】なお、上述した実施例はアンテナ素子１１
としてマイクロストリップタイプの平面型アンテナにつ
いて説明したが、平面型アンテナに限定されるものでな
く、ヘリカルアンテナのように立体的な構造を有するア
ンテナを用いても同様の効果が得られる。また、上述し
た実施例は受信アンテナとして説明したがローノイズア
ンプを送信用のパワーアンプに置き換えれば受信用アン
テナと全く同様の効果を有する送信用アンテナを構成す
ることもできる。

【００３２】このように構成することにより、衛星を自
動的に追尾させることを目的とした例えば受信アンテナ
において、主ビームを２０゜≦θ≦４０゜の範囲でスキ
ャンさせる必要がある場合、従来例の受信アンテナは、
傾斜角が大きくなるほど主ビームの利得は低下するた
め、θ＝２０゜とθ＝４０゜ではθ＝４０゜での利得が
低くなり、大きな利得差を生じてしまう。

【００３３】ところが、本発明の送信及び／又は受信ア
ンテナのように予めアンテナ素子を３０゜水平面に対し
て傾斜させて配置し、この傾斜角３０゜を中心にして±
１０゜の範囲でスキャンさせれば上記θの可変範囲内に
おける利得変化を最小限に抑えることができ、かつ利得
も従来のアンテナより高くすることができるようにな
る。

【００３４】実際、通信衛星の場合、θの可変範囲は１
５゜程度であるから、±８゜ずつスキャンできればよい
ことになる。

【００３５】また、この構成により、送信及び／又は受
信アンテナは、取り付けにおける自由度を上げることが
できるようになる。例えば、取り付けにおいて送信及び
／又は受信アンテナは、軌道上の静止衛星に対して予め
大体の仰角あるいは方位角のいずれか一方を設定をで
き、取り付け環境に対するアンテナの取り付け設置面に
対する自由度を上げて、放送衛星等の衛星からの電波を
送受信を容易に行うことも可能になる。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明の送信及び／又は受信アンテナによれば、アンテナ素
子がアレイ状に配列されてなる送信及び／又は受信アン
テナにおいて、上記アンテナ素子を設置する素子設置平
面に対して各アンテナ素子を所望の方向に傾斜させた配
置すると共に、上記各アンテナ素子に位相差給電するた
めに位相差制御する位相制御手段を有し、該位相制御手
段からの制御信号に応じて送受信アンテナが形成する主
ビームの向きを傾けることにより、主ビームを傾斜させ
てもアンテナの利得を低下させずに送受信することが可
能なアンテナを実現させることができ、傾斜角の可変範
囲内における利得変化を最小限に抑えることができ、か
つ利得も従来のアンテナより高くすることができるよう
になる。

【００３７】また、アンテナの指向特性を鋭くすれば、
発生するサイドローブのレベルも低く抑えることができ
る。

【００３８】この送信及び／又は受信アンテナは、アン
テナの取り付け等における自由度も高めて主ビーム方向
への調整も容易にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の送信及び／又は受信アンテナにおける
一実施例である平面型アンテナの構成を示す図であり、
（ａ）は上面側から見た部分的な平面図、（ｂ）は破断
線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。

【図２】図１に用いた平面型アンテナの行路差を説明す
るための原理図である。

【図３】本発明の送信及び／又は受信アンテナの一実施
例である平面型アンテナと従来の平面型アンテナとの傾
斜角に対するシミュレーションによる主ビーム及びサイ
ドローブの信号レベル特性を示す図である。

【図４】従来の平面型アンテナの構成を示す図であり、
（ａ）は上面側から見た部分的な平面図、（ｂ）は破断
線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図、（ｃ）は背面側から見た部
分的な平面図である。

【図５】従来の平面型アンテナにおけるブロック回路構
成を示す図である。

【図６】従来の平面型アンテナにおける主ビームの指向
特性を示す図である。

【符号の説明】

１０・・・・・・・・・・・・誘電体基板 １１・・・・・・・・・・・・アンテナ素子 １２・・・・・・・・・・・・グランド基板 １３・・・・・・・・・・・・マイクロストリップライ
ン １４、１８・・・・・・・・・結合器 １５・・・・・・・・・・・・ローノイズアンプ １６・・・・・・・・・・・・移相器 １７・・・・・・・・・・・・位相制御回路 ２０・・・・・・・・・・・・位相制御部 ２１・・・・・・・・・・・・ガイド部材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アンテナ素子がアレイ状に配列されてな
   る送信及び／又は受信アンテナにおいて、 上記アンテナ素子を設置する素子設置平面に対して各ア
   ンテナ素子を所望の方向に傾斜させて配置する手段と、
   上記各アンテナ素子に位相差給電するための位相制御手
   段とを有してなることを特徴とする送信及び／又は受信
   アンテナ。