JPH0797723B2

JPH0797723B2 - マイクロ波指向性アンテナ

Info

Publication number: JPH0797723B2
Application number: JP60129106A
Authority: JP
Inventors: ダビツト・ジヨン・エドワーズ; バーリイ・ケネス・ワトソン
Original assignee: ブリテイシユ・テレコミユニケーシヨンズ・パブリツク・リミテツド・カンパニ
Priority date: 1984-06-12
Filing date: 1985-06-12
Publication date: 1995-10-18
Anticipated expiration: 2010-10-18
Also published as: US4704611A; CA1252195A; EP0171149B1; IN163795B; EP0171149A1; DE3583555D1; AU583276B2; AU4349485A; JPS6175604A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はマイクロ波アンテナに関する。特に、マイクロ
波アンテナの指向方向制御に関する。

〔概要〕

本発明は、マイクロ波指向性アンテナにおいて、受信信号を伝搬する主導波管内で伝搬モードを電子的に
偏向することにより指向方向を電気的に変化させるものである。

〔従来の技術〕

初期の衛星通信では、衛星の軌道が低く、短時間で空を
通過していた。このため、この速度と等速度でアンテナ
を移動させる追尾装置が必要であった。

このような追尾装置としては、アンテナを機械的に円錐
状に走査する装置が多数提案され実施されてきた。アメ
リカ合衆国特許明細書第3423756号には、電子的に円錐
状の走査を行う追尾装置とその通信衛星への応用例が開
示されている。

さらに、キツレガワ（Kitsuregawa）およびタチカワ（T
achikawa）は、1962年のIEEEウェスタンコンファレンス
の論文に、方形の開口部でTE01およびTE20モードにより
生成されるアンテナビーム走査に関する理論を発表して
いる。またこの中には長距離レーダアンテナおよび三次
元レーダアンテナへの応用も述べられている。しかし、
実際にアンテナをこの理論にしたがって走査する技術
は、その固有の複雑性のため、一般には実施が困難であ
った。

最近では、ロケットの進歩により、静止軌道に衛星を載
せることができるようになり、アンテナの追尾が容易に
なった。特に、ステップ追尾装置を用いて、アンテナ全
体の移動により追尾情報を得ている。しかし、ステップ
追尾装置は通常は有効であるが、速度が遅い傾向があり
追尾ギアが消耗する欠点がある。「インターナショナル
・ジャーナル・オブ・サテライト・コミュニケーション
（International Journal of Satellite Communication
s）」第１巻（1983年）第133頁ないし第139頁に、ディ
ー・ジェー・エドワード（D.J.Edwards）およびピィー
・エム・テレル（P.M.Terrell）の「滑らかなステップ
追尾アンテナ制御装置（The Smooth Step−Track Anten
na Controller）」と題する論文で、このような装置に
ついての説明が掲載されている。

さらに、アンテナの指向方向が目的物からずれていると
きに、導波管に基本モードの他に高次モードが生成され
ることを用いて追尾情報を得る技術が知られている。こ
のような追尾装置は、適当に選択した高次モードを導波
路から連続的に抽出し、抽出されたモードの強度を測定
することにより方向の誤りを計算することができる。

〔発明が解決しようとすうる問題点〕

上述の従来例追尾装置、すなわち円錐走査追尾装置、ス
テップ追尾装置およびモード抽出追尾装置は、十分に利
用され、現在でも利用されているものもある。しかし、
信号が急速に変動する場合に問題になる。このような信
号の変動は、衛星が水平線上の低い角度になるときに発
生する。また、モード抽出追尾装置は有効であるが装置
が複雑である。したがって、外部装置が必要であり重量
も増加するため衛星で用いるには適していない。

本発明は、以上の問題点を解決し、短時間で追尾情報を
得ることが可能であり、しかも装置が簡単かつ軽量であ
るマイクロ波指向性アンテナおよびそれを用いた自動追
尾装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のマイクロ波指向性アンテナは、受信信号を伝搬
する主導波管と、この主導波管に連結され、この主導波
管に伝搬する信号の少なくとも一部の伝搬モードを他の
モードに変換することにより信号受信方向を変化させる
複数のモード変換用空胴共振器と、各モード変換用空胴
共振器の共振状態を変化させる電気的手段とを備えたマ
イクロ波指向性アンテナにおいて、主導波管は、指向方
向の受信信号を基本伝搬モードで伝搬し、この指向方向
からずれた方向の受信信号をその方向に対応する離散的
な高次伝搬モードで伝搬する構造であり、モード変換用
空胴共振器は、主導波管の伝搬モードに実質的な影響を
与えないデセーブル状態と、高次伝搬モードを基本モー
ドに変換することにより信号受信方向をあらかじめ定め
られた方向に変化させるエネーブル状態とを切り替え可
能な構造であり、電気的手段は、複数のモード変換用空
胴共振器のそれぞれのデセーブル状態とエネーブル状態
とを電気的に切り替えることにより、少なくともひとつ
の信号周波数に対し、指向方向からずれた信号受信方向
に対応する複数の異なる受信状態を設定する構成である
ことを特徴とする。

電気的手段として、複数のモード変換用空胴共振器のそ
れぞれの内部に、マイクロ波周波数で動作し、オン状態
とオフ状態とを切り替えることによりそのモード変換用
空胴共振器のエネーブル状態とデセーブル状態とを切り
替えるダイオードを備えることがよい。ダイオードが
「オフ」のときにはモード変換用空胴共振機は受信信号
に対してほとんどまたは完全に影響しない。すなわち
「オフ」はデセーブル状態に対応し、これと反対に「オ
ン」がエネーブル状態に対応する。ダイオードとしてPI
Nダイオードを用いることが望ましい。モード変換用空
胴共振器はビーコン周波数の信号の伝搬モードのみを変
換する構造であることがよい。異なる受信状態の数は４
であることがよい。

使用時には、モード変換用空胴共振器のひとつを選択
し、これをエネーブル状態とする。これにより、アンテ
ナの受信方向がその空胴共振器に対応する固有の方向に
向く。このときの受信強度から、目的物の方向を求める
ための情報が得られる。

本発明のマイクロ波指向性アンテナは、衛星通信の衛星
局または地上局のアンテナとして用いることができる。
衛星局および地上局は、トラフィックのための信号とは
別のビーコン信号を送受信し、受信局ではそのビーコン
信号を受信することでアンテナの方向を修正する。この
ような用途で用いる場合には、モード変換用空胴共振器
がビーコン信号だけに動作し、トラフィック信号に対し
ては影響しないようにすることがよい。このようにする
と、共通のアンテナンで方向制御のためのビーコン信号
の受信とトラフィック信号の受信とを行うことができ
る。

本発明では、従来のモード抽出装置と同様に、目的物が
指向方向からずれたときに高次伝搬モードが発生する。
しかし、モード抽出装置では、選択された高次モードを
連続的に分離し、この高次モ−ドを受信するために付加
的な受信機がトラフィック用と別に必要となる。このた
め、構成が複雑になり、アンテナ装置が高価で重いもの
となる。このような重い装置は衛星で用いるには適して
いない。

これに対し本発明では、高次モードを基本モードに変換
するので、信号強度の測定のためにトラフィック用の受
信機を共用できる。このため、アンテナおよびその追尾
装置の構造が比較的単純となり、安価で軽量のものとな
る。

本発明のマイクロ波指向性アンテナは、主導波管が円形
導波管であり、モード変換用空胴共振器は、エネーブル
状態でTE01,TM01、TE21（Ｈ）およびTE21（Ｖ）モード
から選択される少なくともひとつの高次モードを基本モ
ードに変換する構成であることがよい。特に、モード変
換用空胴共振器としてTM01モードを基本モードに変換す
る一対のTM01変換器とTE21（Ｈ）モードを基本モードに
変換する一対のTE21（Ｈ）変換器を備え、一対のTM01変
換器は互いに主導波管の直径方向に対して反対側に配置
され、一対のTE21（Ｈ）変換器は、一対のTM01変換器か
ら主導波管の長手方向に離れた位置で、一対のTM01変換
器と直角で互いに主導波管の直径方向に対して反対側に
配置されることがよい。この場合に、ひとつの偏波でし
かモード変換を行うことができないが、十分な方向情報
を得ることができる。二つの偏波で方向情報を得るに
は、４個のTM01モード変換器と４個のTE21（Ｈ）モード
変換器とを用いる。すなわち、上述の構成を二つ組み合
わせることにより、二つの偏波に対してモード変換を行
うことができる。

モード変換用空胴共振器による変換効率は100％ではな
く、変換されないモードが強度測定に混乱を生じさせる
可能性がある。そこで、モード変換用空胴共振器にそれ
ぞれ、ビーコン周波数を通過させ他の周波数を除去する
フィルタ手段を含むことがでる。また、主導波管に、高
次モードが無線受信機に伝達されることを防止するため
のモードフィルタを含むこともできる。

自動的に方向を決定することのできない既存の装置を変
更して本発明を実施する場合には、アンテナ近傍にくモ
ード変換用空胴共振器を配置し、信号監視および制御装
置を受信機ベースバンドに配置する。このようにする
と、装置を簡単かつ軽量にできる。

最良の効果を得るためには、送受信の開口（給電部の終
端）で正しい位相関係で動作することが重要である。基
本モードと高次モードとの相互作用によりビーム方向の
偏向が生じるので、その偏向があらかじめ定められたと
おりとなるように高次モードを選択する。モードの関係
は、高次モードが基本モードに対して位相直交するよう
に（およびモード変換用空胴共振器がそのような関係を
生じるように）設定される。モードの相互作用により強
度が影響を受けず、かつビーム方向が傾斜することが理
想である。このような関係では、一次ビームは影響を受
けず、アンテナの反射鏡の作用により偏向が生じる。

主導波管中を伝搬する高次モードの強度はそのモードに
より当然に異なり、さらに高次モードを変換して得られ
る基本モードの強度はその高次モードに依存する。した
がって、アンテナの指向方向を求めるには、あらかじめ
定められた値と測定値とから演算を行う。

本発明のマイクロ波指向性アンテナは、衛星通信用の地
上局アンテナまたは軌道上に打ち上げられるアンテナと
して用い、ビーコン信号を受信してその方向を求めるた
めに用いることができる。

〔作用〕

本発明のマイクロ波指向性アンテナは、受信信号のモー
ドによりその指向方向がわずかに変化する性質を利用す
るものである。すなわち、本発明では、モード変換器を
異なるモードについて選択的にエネーブル状態にするこ
とにより、この後段に設けられた受信機に到達する信号
強度を変化させる。すなわち、機械的にアンテナンを移
動させることなく、モード変換器を電子的に制御するこ
とにより指向方向をわずかに移動させることができる。
したがって、複数の補助導波管を順次のエネーブル状態
にすれば、最適な指向方向を得るための情報が得られ
る。

本発明のマイクロ波指向性アンテナで変化できる指向方
向はわずかであるから、これにより得られた方向情報を
帰還して機械的な移動装置を制御することが望ましい。

〔実施例〕

第１図は本発明第一実施例マイクロ波指向性アンテナの
斜視図である。このアンテナは、鉛直方向の直線偏波信
号の高次TM01およびTE21（Ｈ）モードから、完全な方向
情報を得るに適する。

マイクロ波指向性アンテナは、円形の主導波管１を備え
ている。この主導波管１は、アンテナのホーンに接続さ
れる第一の部分２と、この第一の部分２より直径の小さ
い第二の部分３と、これらの部分を互いに分離するモー
ド反射フィルタ部４と、第二の部分３の終端部に設けら
れたモード反射フィルタ部５とを備えている。第一の部
分２は、アンテナの動作周波数で基本TE11モードと、少
なくとも高次TM01、TE21モードとを伝搬する。第二の部
分３は、動作周波数で基本TE11モードおよび高次TM01モ
ードだけを伝搬する。モード反射フィルタ部４は、管壁
が傾斜構造であることが望ましく、TE21モードをホーン
の方向に反射させる。モード反射フィルタ部５は、動作
周波数でTE01モードを反射し、基本TE11モードだけをこ
のモード反射フィルタ部５から出力する。

主導波管１の第一の部分２には、同一の水平面内で互い
に反対の位置に、補助導波管６が連結されている。補助
導波管６は、主導波管１の長さ方向に平坦なブラインド
方形導波管である。主導波管１の第３の部分には、同一
の鉛直面内で互いに反対の位置に、補助導波管７が連結
されている。補助導波管７もまたブラインド方形導波管
であり、その断面形状は主導波管１を横切る方向に平坦
な長方形である。４個の補助導波管６、７は、それぞ
れ、隣接した連結開口を備えた帯域通過フィルタ８と、
導波管を横切るように取り付けられたPINダイオード９
を備えている。この帯域通過フィルタ８は、アンテナの
動作周波数のうち、ビーコン周波数以外のものをすべて
除去する構造である。PINダイオード９は、それぞれの
補助導波管６、７のブラインドになった終端部から所定
の距離の位置に配置される。この位置は、そのPINダイ
オード９がオフ（非導通）のときに、ビーコン周波数で
主導波管１を伝搬するモードに対して、そのPINダイオ
ード９が取り付けられた補助導波管６または７のインピ
ーダンスを「０」にし、オン（導通）になるとその補助
導波管６または７内に短絡面を形成する。これにより、
補助導波管６の場合には、主導波管１のビーコンTE21
（Ｈ）モードを基本TE11モードに変換し、補助導波管７
の場合には、主導波管１のビーコンTM01モードを基本TE
11モードに変換するように選択される。補助導波管６の
縦方向の連結開口は主導波管１のビーコンTM01モードで
は励起されないので、ビーコンTM01モードは補助導波管
６に影響を与えない。

補助導波管６、７の主導波管１に接続された開口部で
は、高次モードと基本モードとの間が正しい位相関係に
なっていることが重要である。この位相関係とは高次モ
ードが基本モードと直交位相になることであり、主導波
管１の軸に対する補助導波管６、７の位置は、この位相
関係を満たすように選択される。最適位置は、ホーンの
大きさや、モード変換を行う波長等の因子に依存する。
この最適位置はTM01モードとTE21（Ｈ）モードとで異な
り、これが補助導波管６が補助導波管７から軸方向に分
離されている理由である。

さらに、モード反射フィルタ部４は、補助導波管６から
離れた位置で、ビーコンTE21（Ｈ）モードを反射する反
射面となることが望ましい。これにより、補助導波管６
で定義された変換面に、入射および反射ビーコンTE21
（Ｈ）モードの間で強め合う干渉を生じさせることがで
きる。また、モード反射フィルタ部５はビーコンTM01モ
ードに対する反射面となり、補助導波管７に対してモー
ド反射フィルタ部４と同様に動作するように配置され
る。

すでに説明したように、PINダイオード９は、それぞれ
が取り付けられている補助導波管６、７の、一方の対が
エネーブル状態（PINダイオードがオン）で他方の対が
デセーブル状態になるように制御される。エネーブル状
態になっている一対の補助導波管６または７により生成
された基本モードは、ビーコン信号中に含まれる基本モ
ードに連結され、主導波管１を伝搬して出力側の無線受
信機に伝えらえる。この無線受信機はビーコンチャネル
を備え、アンテナの指向方向に関する方向決定情報を追
尾受信機に伝える。この方向決定情報は、補助導波管
６、７で高次モードから変換された基本モード中に含ま
れている。追尾受信機は、補助導波管６、７のスイチッ
グと同期して動作し、これにより、追尾情報を適切に認
識して処理する。鉛直に配置された補助導波管７は、仰
角方向（Δｙの上下）の追尾情報を出力し、横の補助導
波管６は、方位角方向（Δｘの左右）の追尾情報を出力
する。これらの追尾情報は、その信号強度とこれに対す
る指向方向の変位とが比例するものではなく、あらかじ
め定められたアルゴリズムにより最適な指向方向を決定
することができる。

補助導波管６、７の位置が反転した場合、すなわち、TE
21（Ｈ）モードを変換する補助導波管６が主導波管１の
軸に沿って鉛直面に配置され、TM01モードを変換する補
助導波管７が水平になるように配置された場合には、マ
イクロ波指向性アンテナは、水平方向の直線偏波信号に
対する追尾情報を出力する。この場合には、補助導波管
６が仰角方向面の追尾情報を出力し、補助導波管７が方
位角方向の追尾情報を出力する。

第２図は本発明第二実施例マイクロ波指向性アンテナの
斜視図である。このアンテナは円偏波信号に対する追尾
情報を得ることができる。

本実施例のマイクロ波指向性アンテナは、第一実施例で
示した鉛直方向の直線偏波に対するアンテナと、上述し
たこれと同等の水平方向の直線偏波に対するアンテナと
を、実質的に連結したものである。このため、その構成
および動作はほぼ第一実施例と同等であり、第一実施例
のアンテナに、TE21（Ｈ）モードを変換する一対の補助
導波管６がさらに鉛直方向に設けられ、TM01モードを変
換する一対の補助導波管７がさらに水平方向に設けられ
ている。このようなアンテナは、適当な補助導波管の動
作により、鉛直または水平のどちらの方向の直線偏波で
も追尾情報を得ることができる。例えばTM01モードを変
換する補助導波管７は、鉛直偏波で仰角方向の情報を提
供し、水平偏波で方位角方向の情報を提供することがで
きる。また、TE21（Ｈ）モードを変換する補助導波管６
は、鉛直偏波で方位角方向の情報を提供し、水平偏波で
仰角方向の情報を提供することができる。

以上の実施例では、所望の追尾情報を得るために用いら
れる変換された基本モードの電界パターンは、それぞれ
変換される前の高次モードの電界パターンに対応して、
干渉偏波成分を含んでいる。これはある種のアンテナ装
置には許容できない。

第３図は本発明第三実施例マイクロ波指向性アンテナの
斜視図を示し、第４図は第３図のＡ−Ａの部分の断面図
を示し、第５図は第３図のＢ−Ｂの部分の断面図を示
す。本実施例は、円偏波の高次TM01およびTE21（Ｖ）モ
ードから干渉偏波成分を相殺した追尾情報を得るに適す
る。本実施例は干渉偏波成分による悪影響を除去して、
Δx/Δｙの追尾情報を出力することができる。主導波管
１は第一実施例と同様の構造である。主導波管１の第二
の部分３には、第一実施例実施例と同様に、TM01モード
を変換する一対のブラインド方形導波管、すなわち補導
波管７が、第一実施例と同様の方法により連結される。
これに対して、主導波管１の第一の部分２には、一つの
ブラインド方形導波管、すなわち補助導波管10が連結さ
れる。この補助導波管10は、主導波管１の長さ方向に、
上側の補助導波管７に対して45度の角度だけ傾いて連結
される。補助導波管10は、他の補助導波管と同様に、ビ
ーコン周波数の帯域通過フィルタ８と、この補助導波管
10のエネーブル状態、デセーブル状態を選択するPINダ
イオード９とを備え、TE21（Ｖ）モードにより励起され
る位置に配置される。この場合に、TE21（Ｖ）モードを
変換する補助導波管10は、TM01モードを変換する補助導
波管７と同期して、交互にエネーブル状態（PINダイオ
ード９がオン）となり、基本モードのビーコンビームを
鉛直方向または横方向に選択的に移動させる。鉛直方向
に移動したビームは鉛直偏波の仰角追尾情報を供給し、
水平方向に移動したビームが水平偏向の方位角追尾情報
を供給する。第６図はTE21（Ｖ）およびTM01モードの放
射パターンによる干渉偏波成分を除去するようすを示
す。

第７図は本発明第四実施例マイクロ波指向性アンテナの
斜視図であり、第８図は第７図のＡ−Ａの部分の断面図
であり、第９図はＢ−Ｂの部分の断面図である。本実施
例は第三実施例の変形である。本実施例は、TM01モード
を変換する補助導波管７が一個であり、TE21（Ｖ）モー
ドを変換する補助導波管10が、主導波管１の第一の部分
２に、互いに向き合って長手方向に連結される。TE21
（Ｖ）モードを変換する補助導波管10のそれぞれに同期
するTM01モードを変換する補助導波管７は、鉛直偏波に
よる仰角方向の追尾情報と、水平偏波による方位角の追
尾情報とを、選択的に生成する。これらの追尾情報は、
干渉偏波成分が第10図に示すように除去されている。

第11図は本発明第五実施例マイクロ波指向性アンテナの
斜視図である。本実施例は高次TM01およびTE21（Ｖ）モ
ードから円偏波信号に対する低干渉偏波成分の追尾情報
を得るために用いられる。本実施例では、主導波管１の
第一の部分２は上述の実施例と同じであるが、これにテ
ーパの付いたモード反射フィルタ部11が連結される。こ
のモード反射フィルタ部11は、動作周波数で全ての高次
モードを反射し、基本TE11モードだけを通過させる。４
個の同等なブラインド方形導波管、すなわち補助導波管
12が、主導波管１の第一の部分２の周辺に横方向に連結
され、それぞれの補助導波管12は互いに直角だけずれ
て、主導波管１の軸に直交する面内に配置される。それ
ぞれの補助導波管12は、上述の実施例と同様に、ビーコ
ン周波数の帯域通過フィルタ８および補助導波管12のエ
ネーブル状態、デセーブル状態を選択するためのPINダ
イオードを備えている。本実施例では、補助導波管12の
動作時に、それぞれの補助導波管12の結合開口が、ビー
コン周波数のTM01およびTE21（Ｖ）の双方のモードで励
起され、それぞれから基本TE11モードが生成される。上
述の実施例と同様に、適当な位置に配置されたTE21およ
びTM01モード反射面13および14は、それぞれモード反射
フィルタ部11により供給され、ビーコン周波数において
補助導波管12の面でこれらの変換効率を改善する。

上側および右側の補助導波管12は同時に動作し、このと
き他の二つの補助導波管12は動作せず、鉛直偏波で仰角
（上）および水平偏波で方位角（右）の追尾情報を供給
する。この追尾情報は干渉偏波成分が少ない。

第12図は本発明第六実施例マイクロ波指向性アンテナの
斜視図である。本実施例は、TE01およびTE21（Ｈ）モー
ドから円偏波信号に対する低干渉偏波成分の追尾情報を
得るように構成される。主導波管１は、基本TE11モード
および高次TE21、TM01モードに加えて、高次TE01モード
を伝搬する円筒部15を備え、モード反射フィルタ部16は
動作周波数ですべての高次モードを反射するように構成
され、主導波管１の円筒部15に連結された補助導波管19
に対応して、適当に配置されたビーコンTE01およびTE21
モードに対する反射面17、18を備えている。これらの補
助導波管19は互いに同等であり、ビーン周波数に対して
帯域フィルタ８およびPINダイオード９を上述の実施例
と同様に備え、主導波管１に対して長手方向に、等角度
ごとに連結され、主導波管１の軸を通過する水平面およ
び鉛直面に連結される。この配列により、TE21（Ｖ）お
よびTM01モードは補助導波管19の連結開口で励起されな
いが、それぞれの補助導波管19が動作したときには、主
導波管１のTE01およびTE21（Ｈ）モードから、基本TE11
モードが生成される。使用時には、補助導波管12は、第
五実施例の補助導波管12と同様に動作し、上および右側
の補助導波管19が、水平偏波で仰角（上）および鉛直偏
波で位相角（右）の追尾情報を供給し、下および左側の
補助導波管は、水平偏波で仰角（下）および鉛直偏波で
方位角（左）の追尾情報を供給する。

第13図は本発明第七実施例マイクロ波指向性アンテナの
斜視図である。本実施例は、下側および右側の補助導波
管19が、ビーコン周波数の半波長と同じ長さだけ他の補
助導波管19より長くなっている。本実施例は、すべての
補助導波管19が同時に動作し、水平偏波で仰角方向の、
鉛直偏波で方位角方向の追尾情報を、低干渉偏波成分で
供給する。二つの長い補助導波管は、変換されたモード
の強度を増加させる。

上述の実施例は、モード変換を行う補助導波管が主導波
管１の一つまたはそれ以上の円筒形部分に連結され、一
つまたはそれ以上のモード反射フィルタから離れて配置
されていた。しかし、本発明のマイクロ波指向性アンテ
ナは、補助導波管を、主導波管の一つまたは複数のモー
ド反射フィルタ部に連結して、微少モード変換装置とし
て構成することもできる。これは、必要な場合には、上
述の実施例でも実施できる。

第14図は本発明第八実施例マイクロ波指向性アンテナの
斜視図を示し、第15図は側面図を示す。

この実施例は、主導波管１のテーパになったモード反射
フィルタ部21が、下流の円筒部23から上流の円筒部22を
分離している。上流の円筒部22は、動作周波数で基本TE
11モードおよび高次TM01モードとを伝搬し、下流の円筒
部23は基本TE11モードのみを伝搬する。一つの補助導波
管24はブラインド方形導波管であり、モード反射フィル
タ部21に対して横方向に連結されている。すなわち、モ
ード反射フィルタ部のテーパの角度と同じ角度αだけ傾
いている。補助導波管24の連結開口は、ビーコン周波数
のTM01モードに対してカットオフ面25に配置される。そ
の位置に到達するまえにTM01モードが完全に減衰しなけ
れば、この面の後方に配置してもよい。補助導波管24
は、前述の実施例の対応する補助導波管７と同様に構成
される。すなわちビーコン周波数帯域フィルタ（図示せ
ず）および補助導波管のエネーブル状態、デセーブル状
態を選択するPINダイオード（図示せず）を備えてい
る。また動作時には、補助導波管24は、ビーコン周波数
の鉛直偏波のTM01モードを基本TE11モードに変換し、上
方向のビームシステムを発生させ、上側の四半円で鉛直
偏波の仰角方向の追尾情報を供給する。実際には、所望
の追尾可能性に依存して、一つまたは複数の付加的TM01
モードを変換する補助導波管24を、モード反射フィルタ
部21の同じ面に連結する。

第16図は本発明第九実施例マイクロ波指向性アンテナン
の斜視図を示し、第17図は側面図を示す。本実施例はTE
21（Ｈ）モードを変換する。このマイクロ波指向性アン
テナは、円形の主導波管30の二つの円筒部28、29の管の
テーパの付いたモード反射フィルタ部27に、長手方向が
主導波管30の方向と一致しているブラインド方形導波
管、すなわち補助導波管26が連結される。円筒部28は基
本TE11モードおよび少なくとも高次TE21およびTM01モー
ドと伝搬する。補助導波管26の連結開口は、ビーコン周
波数でTE21モードに対するカットオフ面31上またはその
直後に配置される。この補助導波管26は、上述の実施例
の補助導波管６と同様の構造であり、動作時には、ビー
コン周波数で水平偏波TE21（Ｈ）モードを基本TE11モー
ドに変換し、上方向のビームシフトを生成し、水平偏波
により仰角方向の追尾情報を、上四半面で供給する。本
実施例でも、一つまたはそれ以上の付加的なTE21（Ｈ）
モード変換用の補助導波管26を、モード反射フィルタ部
27の同一の面上に、所望の追尾情報が得られるように連
結する。

第八実施例および第九実施例では、主導波管の円筒部29
を円筒部22に連結させることもできる。反対に、円筒部
29を円筒部23に連結してもよい。これは動作周波数で基
本TE11モードだけを伝搬する。この場合に、モード反射
フィルタ部27は、TE21およびTM01モードの双方に対して
カットオフ面を含み、TE21モードを変換する補助導波管
26およびTM01モードを変換する補助導波管24の双方は、
上述のように連結される。

第一実施例ないし第九実施例では、本発明を実施するた
めに必要な部分だけを説明した。それぞれのマイクロ波
指向性アンテナは、３、４または８個の補助導波管を備
え、この補助導波管にはPINダイオードを含んでいる。P
INダイオードが「オフ」のときには、補助導波管は導波
管の伝搬に影響しない。すなわちデセーブル状態とな
る。またPINダイオードが「オン」のときには、その補
助導波管は有効になり、高次モードの少なくとも一部が
基本モードに変換される。すなわちエネーブル状態とな
る。この変換により、アンテナの最適指向方向を約0.05
°（３分）変化させる。この変化を「スクウィント」と
いう。アンテナが目的の方向を完全に向いた場合の通常
動作とスクウィント動作とは、秒単位以下で急速に切り
替えることができる。このマイクロ波指向性アンテナに
接続される受信機では、基本モードの強度から指向方向
からのずれに関する情報を得ることができる。

第18図は本発明の第二の発明の実施例自動追尾装置のブ
ロック構成図である。

第一実施例のマイクロ波指向性アンテナは、四個の補助
導波管を備え、指向方向に加えて四方向の追尾情報を提
供する。装置を動作させるために、PINダイオード９を
制御部に接続する。この制御部は、PINダイオードを動
作させ、ビーコン信号の変化の測定値を受け取る。

地上局または衛星の受信装置は、主導波管１により受信
機101に接続されたアンテナ100を備えている。受信機は
復調してチャネル32のトラフィクを得る。「スクウィン
ト」している場合にもトラフィックに影響しないように
構成されている。トラフィックに加えて、受信機101
は、ビーコン信号を「復調」して定常信号を得る。定常
信号が得られるのは、ビーコンが変調されていないから
である。この信号をアナログ・ディジタル変換器33でデ
ィジタル信号に変換し、マイクロプロセッサ34に与え
る。マイクロプロセッサ34は、これにより得られたビー
コン信号に従って方向制御装置35を制御する。本発明の
装置は、上述のように複数対の補助導波管６、７を含
む。PINダイオード９はマイクロプロセッ34に接続され
る。

マイクロプロセッサ34は、一つの補助導波管をエネーブ
ル状態にし、このときのビームの強度をアナログ・ディ
ジタル変換器33と介して測定する。これにより、マイク
ロプロセッサ34がビーコン信号の方向を判定することが
できる。この方向に関する情報は、指向方向に対する誤
り信号として得られ、帰還回路を介して方向制御装置35
を制御し、アンテナの指向方向がビーコン信号の方向に
向くように制御する。

この装置の動作をさらに第19図を用いて説明する。第19
図は指向方向に関する方向位置を示す図である。この図
は円の形状をしている。中心40は指向方向を示し、周囲
は指向方向から３分の角度のずれを示す。四つの「スク
ウィント」軸41、42、43および44は、中心40の周りに90
℃間隔で配置される。これらの軸41、42、43のおよび44
は、それぞれ上側、右側、下側および左側のPINダイオ
ロードに対応する。第五実施例で示した軸方向が、最大
受信方向に関連していることが明らかである。軸から離
れたビームを受信することもできるが、受信強度は弱
い。

衛星または地上局からのビーコン信号が第19図の位置Ｘ
にあるとし、この位置は受信局ではわからないとする。
この位置を検出するため、マイクロプロセッサ34は、ビ
ーコン信号の受信方向を、ボアサイト40からそれぞれ位
置41、42、43および44と順に切り替え、パターン捜しを
行う。それぞれの位置でのビーコン信号の強度がアナロ
グ・ディジタル変換器33により測定され、それぞれの測
定値はマイクロプロセッサ34に送られ、ここでその方向
とともに記憶される。切り替え・測定のシーケンスは、
１秒以下ですべてのパターン捜しを実効することができ
る。ビーコン信号、すなわち第19図の位置Ｘは、このよ
うな短い時間では実質的に変化しない。したがって、パ
ターン捜しの四つの測定は、同時に行うことができると
みなすことができる。

位置Ｘに対して、軸41および42に対応する補助導波管を
エネーブル状態にすると、軸43および44に対応する補助
導波管をエネーブル状態にしたときより強い信号が得ら
れる。また、軸41に対応する補助導波管をエネーブル状
態にすると、軸42に対応する補助導波管をエネーブル状
態にしたときより強い信号が得られる。それぞれの軸に
より最適指向方向を変化させたときの信号強度のデータ
を用いて位置Ｘの方向を計算し、方向制御装置35に誤り
信号を供給する。ただし、軸４、43と軸42、44とでは、
得られる信号強度がそのまま指向方向からのずれを示す
ものではなく、あらかじめ定められた値と比較して補正
する必要がある。

「スクウィント」状態を急速に変化させることができる
ので、短い時間間隔でアンテナの方向を検出するための
測定ができ、位置推定アルゴリズムに用いるデータを多
量に得ることができる。したがって、地上局の場合に
は、衛星の軌道に関する情報を得ることができ、この情
報に基づいてあらかじめ定められたアルゴリズムで衛星
の方向を予測する。このアルゴリズムは、発生する高次
モードの強度や、それを変換して得られる基本モードの
モード依存性等の補正を含む。これはまた、方向制御動
作に必要な時間を推定し、方向制御動作の最終時点にお
ける衛星の位置を知ることができる。予想される位置は
特に帰還回路の入力に適する。

位置推定アルゴリズムは、必要な位置情報を得るために
移動可能なアンテナ装置で、すでに用いられている。た
だし、従来のアンテナ装置では、パターン捜しのための
動作を必要とする。このような従来例は、位置決定に時
間がかかり、実質的に位置制御モータを無駄に使ってい
た。

本発明は電子的な方法を用いてデータを得ることができ
る。これは方向制御モータの使用を削減し、短い時間で
より多くのデータを得ることができ、位置推定アルゴリ
ズムの実行回数を増加させることができる。データの収
集と位置推定アルゴリズムの実行とは、基本的に異なる
装置で行うので、方向制御に必要なパターン捜しを簡単
化できる。

本発明の自動追尾装置は、地上局および衛星に取り付け
ることができる。衛星に取り付ける場合には、方向制御
は、衛星の状態制御および衛星の静止状態に関するアン
テナの方向を制御することにより実行できる。本発明の
装置は比較的軽量である。これは衛星で使用するに重要
な利点である。

独立なビーコン信号を用いる利点がない場合には、他の
便利な信号、例えばトラフィックの一部を用いても本発
明を同様に実施できる。

〔発明の効果〕以上説明したように、本発明のマイクロ波指向性アンテ
ナは、機械的手段によらず、簡単な電気的手段によりア
ンテナの指向方向をわずかにずらすことができる。電気
的手段によるために、指向方向の偏向はきわめて高速で
ある。これを利用することにより、アンテナの方向を最
適にするための追尾情報を、アンテナ指向方向を機械的
に移動させずに得ることができる。このマイクロ波指向
性アンテナを備えた自動追尾装置は、装置が簡単で軽量
であり、アンテナを移動させるためのモータの使用を最
小限にすることができる。したがって、本発明はアンテ
ナの自動追尾装置に用いて効果があり、特に衛星に搭載
するアンテナ装置に用いて効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明第一実施例マイクロ波指向性アンテナの
斜視図。第２図は本発明第二実施例マイクロ波指向性アンテナの
斜視図。第３図は本発明第三実施例マイクロ波指向性アンテナの
斜視図。第４図は断面図。第５図は断面図。第６図は干渉偏波の除去の説明図。第７図は本発明第四実施例マイクロ波指向性アンテナの
斜視図。第８図は断面図。第９図は断面図。第10図は干渉偏波の除去の説明図。第11図は本発明第五実施例マイクロ波指向性アンテナの
斜視図。第12図は本発明第六実施例マイクロ波指向性アンテナの
斜視図。第13図は本発明第七実施例マイクロ波指向性アンテナの
斜視図。第14図は本発明第八実施例マイクロ波指向性アンテナの
斜視図。第15図は側面図。第16図は本発明第九実施例マイクロ波指向性アンテナの
斜視図。第17図は側面図。第18図は自動追尾装置のブロック構成図。第19図は方向位置を示す図。１……主導波管、２……第一の部分、３……第二の部
分、４、５……モード反射フィルタ部、６、７……補助
導波管、８……帯域通過フィルタ、９……PINダイオー
ド、10……補助導波管、11……モード反射フィルタ部、
12……補助導波管、15……円筒部、16……モード反射フ
ィルタ、17、18……反射面、19……補助導波管、21……
モード反射フィルタ部、22、23……円筒部、24……補助
導波管、25……カットオフ面、27……モード反射フィル
タ部、28、29……円筒部、32……チャネル、33……アナ
ログ・ディジタル変換器、34……マイクロプロセッサ、
35……方向制御装置、100……アンテナ、101……受信
機。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献米国特許4387378（ＵＳ，Ａ) 米国特許3423756（ＵＳ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アンテナにより受信された信号を、ボアサ
イトに相当する基本伝搬モードとボアサイトからずれた
方向に相当する離散的な高次伝搬モードとで伝搬する主
導波管と、この主導波管に連結され、それぞれが、この主導波管の
伝搬モードにほとんど影響を与えない第一の共振状態
と、高次伝搬モードを前記基本伝搬モードに変換するこ
とにより受信方向を前記ボアサイトからずれたあらかじ
め定められた方向に変位させる第二の共振状態とを有す
る複数のモード変換用空胴共振器と、この複数のモード変換用空胴共振器に対応して設けら
れ、それらのモード変換用空胴共振器の第一の共振状態
と第二の共振状態とを電気的に切り替えることにより、
少なくともひとつの信号周波数に対し、ボアサイトから
ずれた信号受信方向に対応する複数の異なる受信状態を
生成する電気的手段とを備えたマイクロ波指向性アンテナ。
【請求項２】前記電気的手段は、前記複数のモード変換
用空胴共振器のそれぞれの内部に、そのモード変換用空
胴共振器を第１の共振状態にするオフ状態と、そのモー
ド変換用空胴共振器を第二の共振状態にするオン状態と
に切り替え可能なダイオードを含む特許請求の範囲第
（１）項に記載のマイクロ波指向性アンテナ。
【請求項３】前記ダイオードはPINダイオードである特
許請求の範囲第（２）項に記載のマイクロ波指向性アン
テナ。
【請求項４】前記モード変換用空胴共振器はひとつの信
号周波数のみの伝搬モードを変換する構造である特許請
求の範囲第（１）項に記載のマイクロ波指向性アンテ
ナ。
【請求項５】前記複数のモード変換用空胴共振器は４つ
の異なる受信状態を生成するように切り替え可能である
特許請求の範囲第（１）項に記載のマイクロ波指向性ア
ンテナ。
【請求項６】前記主導波管は円形導波管であり、前記モード変換用空胴共振器は、前記第二の共振状態の
とき、TE01、TM01、TE21（Ｈ）およびTE21（Ｖ）モード
から選択される少なくともひとつの高次伝搬モードを基
本伝搬モードに変換する構成である特許請求の範囲第（１）項ないし第（５）項のいずれか
に記載のマイクロ波指向性アンテナ。
【請求項７】前記モード変換用空胴共振器としてTM01モ
ードを基本伝搬モードに変換する一対のTM01変換器とTE
21（Ｈ）モードを基本モードに変換する一対のTE21
（Ｈ）変換器とを備え、前記一対のTM01変換器は互いに前記主導波管の直径方向
に対して反対側に配置され、前記一対のTE21（Ｈ）変換器は、前記一対のTM01変換器
から前記導波管の長手方向に離れた位置で、前記一対の
TM01変換器と直角で互いに前記主導波管の直径方向に対
して反対側に配置された特許請求の範囲第（６）項に記載のマイクロ波指向性ア
ンテナ。
【請求項８】前記複数のモード変換用空胴共振器はそれ
ぞれ、ビーコン周波数を通過させ他の周波数を除去する
フィルタ手段を含む特許請求の範囲第（１）項ないし第
（７）項のいずれかに記載のマイクロ波指向性アンテ
ナ。
【請求項９】前記主導波管は、高次伝搬モードが後段の
無線受信機に伝達されることを防止するためのモードフ
ィルタを含む特許請求の範囲第（１）項ないし第（７）
項のいずれかに記載のマイクロ波指向性アンテナ。
【請求項１０】前記主導波管の入力端が方向性ビームを
生成するためのリフレクタの焦点位置に配置された一時
放射器に接続された特許請求の範囲第（１）項に記載の
マイクロ波指向性アンテナ。
【請求項１１】前記複数のモード変換用空胴共振器はそ
れぞれ、その変換する伝搬モードが前記一次放射器の放
射開口部で基本モードと直交位相となるように、前記放
射開口部から離れた位置に配置された特許請求の範囲第
（10）項に記載のマイクロ波指向性アンテナ。
【請求項１２】指向性アンテナと、この指向性アンテナにより受信された信号を、ボアサイ
トに相当する基本伝搬モードとボアサイトからずれた方
向に相当する離散的な高次伝搬モードとで伝搬する主導
波管と、この主導波管に連結され、それぞれが、この主導波管の
伝搬モードにほとんど影響を与えないデセーブル状態
と、高次伝搬モードを前記基本伝搬モードに変換するこ
とにより受信方向を前記ボアサイトからずれたあらかじ
め定められた方向に変位させるイネーブル状態とを切り
替え可能な複数のモード変換用空胴共振器と、この複数のモード変換用空胴共振器に対応して設けら
れ、それらのモード変換用空胴共振器のデセーブル状態
とイネーブル状態とを電気的に切り替えることにより、
少なくともひとつの信号周波数に対し、ボアサイトから
ずれた信号受信方向に対応する複数の異なる受信状態を
生成する電気的手段と、受信信号の強度を測定する無線受信機と、この無線受信機の測定強度を前記電気的手段により生じ
た信号受信方向の変化と比較して前記指向性アンテナに
よる信号受信の方向を示すデータを求める制御部とを備え、前記制御部は前記複数の異なる受信状態のひとつを選択
するように前記電気的手段を制御する手段を含むマイクロ波指向性アンテナ。