JPH10322121A - アレイ給電反射鏡アンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単かつ制御の容易な構成により、フェイズド
アレイアンテナのマルチビーム化を実現し、全てのビー
ム方向を共通に変化させる機能を有するアレイ給電反射
鏡アンテナを提供する。 【解決手段】反射鏡アンテナの一次放射器として使用さ
れるフェイズドアレイアンテナにおいては、アンテナ素
子２１毎に可変移相器２３および合成器／分配器２４が
接続され、アンテナ素子２１に所定の励振ウェイトを設
定する複数のビーム形成回路２５を有し、合成器／分配
器２４には異なる複数のビーム形成回路２５が接続され
ている。これにより、全てのビームについて共通にビー
ム方向を変化させる場合に、可変移相器の数が少ない簡
単な構成で、しかもその制御も容易な構成で実現でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はアレイ給電反射鏡
アンテナに関し、特に衛星に搭載して用いられ、複数の
ビームを形成するアレイ給電反射鏡アンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、衛星搭載用のアンテナとして、１
次放射器にフェイズドアレイアンテナ（phased array a
ntenna）を用いたアレイ給電反射鏡アンテナが注目され
ている。従来のフェイズドアレイアンテナの構成を図８
に示す。

【０００３】このフェイズドアレイアンテナは、複数の
アンテナ素子１１により構成され、各アンテナ素子１１
は各々増幅器１２、移相器１３に接続される。このよう
な構成により、各アンテナ素子１１により受信された電
波は、増幅され、そして移相器１３で予め決められた固
定の位相量が設定された後、合成器１４により合成され
る。送信時にもその構成は全く同じであり、この場合、
合成器１４は分配器として動作する。

【０００４】図８で点線で囲んだ部分はアンテナの励振
分布を決めるビーム形成回路（ＢＦＮ）１５であり、こ
こで各アンテナ素子の励振位相分布を制御することで、
予め決められた所望のビーム方向を得ることができる。

【０００５】ところで、衛星搭載用アンテナにおいて
は、一つのアンテナで複数のビームを形成するいわゆる
マルチビームアンテナが衛星の効率的利用の観点から有
効である。図８に示したフェイズドアレイアンテナにお
いて、アンテナ素子を共用しマルチビーム化をはかる場
合には、各ビーム毎にビーム形成回路を設ける必要があ
る。

【０００６】すなわち、図９に示すように、各アンテナ
素子１１は、増幅器１２、分配器１９に接続された後、
各ＢＦＮ１６，１７，１８に接続される。このような構
成により、ビーム毎に設けられた各ＢＦＮ１６，１７，
１８により独立に励振分布を設定でき、複数のビーム
（ここでは、３ビーム）それぞれの方向を所望の方向に
設定することができる。

【０００７】ところで、静止衛星の搭載用アンテナ等と
して利用する場合には、衛星の姿勢変動によるビーム方
向のずれを補償することが必要となるが、図９の構成で
は、全てのビームを共通に制御することはできないた
め、ビーム毎に個々にその方向制御を行わなければなら
ない。このため、各ＢＦＮ１６，１７，１８毎にアンテ
ナ素子数だけの可変移相器を設けることが必要となる。
しかし、このように可変制御のためのデバイス多数設け
ることは、アンテナ給電回路系の構成を著しく複雑にす
るばかりでなく、その制御手順や方法も複雑になってし
まう欠点がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来方式によりフェイズドアレイアンテナのマルチビー
ム化を行う場合には、衛星の姿勢変動によるビーム方向
のずれを補償するための機構として、ビーム毎に個々に
その方向制御を行うための機構を設けなければ成らず、
これによってアンテナ給電回路系の構成が著しく複雑に
なり、またその制御手順や方法も複雑になってしまうと
いう欠点がある。

【０００９】本発明は、以上のような問題点を解決する
ためになされたもので、簡単かつ制御の容易な構成によ
り、フェイズドアレイアンテナのマルチビーム化を実現
し、且つ全てのビーム方向を共通に制御することができ
るアレイ給電反射鏡アンテナを提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、反射鏡と、この反射鏡に対向して設けら
れ、複数のアンテナ素子により構成されるアレイ給電一
次放射器とから構成されるアレイ給電反射鏡アンテナに
おいて、前記アンテナ素子毎に接続された可変移相器お
よび合成器／分配器と、前記複数のアンテナ素子に所定
の励振ウェイトをそれぞれ設定する複数のビーム形成回
路とを具備し、前記各合成器／分配器には前記複数のビ
ーム形成回路が接続されていることを特徴とする。

【００１１】このような構成により、反射鏡に電波を放
射させる一次放射器において、各アンテナ素子をマルチ
ビーム化に共通に利用して複数のビームを形成し、且つ
アンテナ素子毎に設けられた可変移相器によってそれら
複数のビーム全てに対して共通に励振位相分布を変化さ
せることができる。したがって、全てのビームについて
共通にビーム方向を変化させることが可能となるため、
ビーム毎に個々にその方向制御を行う構成に比し可変移
相器の数を低減でき、簡単な構成で、しかもその制御も
容易な構成を実現できる。

【００１２】また、本発明は、前記可変移相器を制御す
るための制御器を有し、前記制御器にはアンテナ指向方
向誤差信号が入力される。この構成により、制御器によ
り、アンテナ指向方向の誤差に応じてその誤差を低減す
るようにアンテナ指向方向を変えるような位相量を各ア
ンテナ素子に接続された可変移相器に設定することがで
きるようになる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。図１には、本発明の一実施形態に係
るアレイ給電反射鏡アンテナの１次放射器として用いら
れるフェイズドアレイアンテナの構成例を示す。本発明
は、送信、受信に関係なく、効果が得られるものである
が、ここでは先ず送信を例にとり説明する。

【００１４】図１において、フェイズドアレイアンテナ
は、複数のアンテナ素子２１により構成され、各アンテ
ナ素子２１には各々増幅器２２、可変移相器２３および
合成器（受信時は分配器として機能する）２４が接続さ
れている。各アンテナ素子２１に所定の励振分布（励振
振幅と励振位相）を設定するためのビーム形成回路（Ｂ
ＦＮ）２５は形成するビーム毎に構成される。図１の例
では、４つのビームを形成する。

【００１５】各ＢＦＮ２５には、励振する全てのアンテ
ナ素子２１に対応する出力ポートがあり、このポート
が、各アンテナ素子に接続されている合成器２４と接続
される。

【００１６】図２に、ＢＦＮ２５の構成例を示す。送信
機から入力した信号は、分配器２７により分配され、分
配された信号は移相器２６により予め決められた固定の
位相量が設定され、各アンテナ素子２１へ出力される。
ここで、分配器２７においてその分配比を適当に設定す
ることにより、各アンテナ素子２１で励振される信号の
励振振幅を所定の値に設定できる。また、移相器２６に
より各アンテナ素子２１に励振される信号の励振位相を
所定の値に設定できる。

【００１７】次に、このフェイズドアレイアンテナの動
作について説明する。複数設けられたＢＦＮ２５により
複数のビームに対応した励振分布を独立に形成し、これ
を全てのビームに対して共通に使われるアンテナ素子２
１から放射することにより、複数のビームを同時に送信
することができる。ここで、各ビームの形状、放射方向
はビーム毎に独立に形成することが可能である。また、
各アンテナ素子２１毎に設けられた可変移相器２３によ
り、アンテナ素子２１毎に全てのビームに対して共通に
所定の励振位相量を加えて、この量を自由に可変するこ
とができる。この可変移相器２３により設定する励振位
相は全てのビームについて共通に与えられるものであ
り、全てのビームをその形状、相対位置関係を維持した
まま全体的に放射方向を偏位させることが可能になる。

【００１８】図１のフェイズドアレイアンテナは全ての
ビームについて共通にビーム方向を変化させる場合に、
可変移相器の数が少ない簡単な構成で、しかもその制御
も容易な構成で実現できるので有効である。その利用価
値の高い例として、静止衛星の搭載用アンテナとして利
用した場合の衛星の姿勢変動によるビーム方向のずれが
生じる場合に、このずれを補正する手段として大きな効
果を発揮する。

【００１９】図３には、本発明の一実施形態に係るアレ
イ給電反射鏡アンテナの構成図を示す。このアンテナは
パラボラ面で形成される主反射鏡３１と同じくパラボラ
面で形成される副反射鏡３２とにより鏡面系が構成され
る。

【００２０】二つの反射鏡の焦点位置は共通である。副
反射鏡３２に対向する一次放射器３３として図１のフェ
イズドアレイアンテナが配置される。この一次放射器の
構成は図１で説明したとおりであり、複数のビームが各
々独立に設けられたＢＦＮ２５により形成され、各アン
テナ素子２１は複数のビームに共用される。各アンテナ
素子２１毎に可変移相器２３が接続され、共用するビー
ムについて共通に励振位相を変化させることができる。

【００２１】図３のアンテナでは、二つの反射鏡の存在
により、等価的に一次放射器３３のフェイズドアレイア
ンテナが主反射鏡の開口面に拡大されることになる。従
って、一次放射器としてビーム方向を変化させれば、あ
る関係に基づき比例的に主反射鏡からの２次放射界にお
けるビーム方向が変化する。したがって、形成する全て
のビームについて共通にビーム方向が変化できることに
なる。

【００２２】この実施形態についての効果は以下の通り
である。図１のフェイズドアレイアンテナを１次放射器
として使用することにより、可変移相器の数が少ない簡
単な構成で、しかもその制御も容易な構成で、全てのビ
ームを共通にビーム方向制御ができる。したがって静止
衛星の搭載用アンテナとして利用した場合の衛星の姿勢
変動によるビーム方向のずれの補償に有効である。

【００２３】また、この他に、全てのビームに共通に作
用する制御に関して、本発明の構成は効果がある。例え
ば、反射鏡面形状やその位置が軌道上で振動や熱による
変形が生じた場合にアンテナ放射特性が劣化（放射方向
のずれやサイドローブレベルの上昇など）することが考
えられるが、このような場合に可変移相器２３の調整に
よりアンテナ特性を修正することができ、その構成およ
び制御も簡単である。

【００２４】また、反射鏡などアンテナを構成する部品
の取り付け誤差（アライメント誤差）が原因でビーム方
向のずれが生じた場合についても、同様にビーム方向の
修正が容易になる。

【００２５】以上説明した実施形態において、次のよう
な変更を行っても本発明の効果は同様である。 （１）以上の実施形態において、送信の場合を例にとり
説明したが、本発明は受信の場合にも全く同様の効果が
得られる。受信の場合には、構成および構成部品は同一
で信号の流れが反対になるだけである（分配器は合成器
になる）。 （２）図３に示した実施形態における鏡面系として図４
に示すようなパラボラ反射鏡３４を一枚だけ用いた構成
としても同様の効果が得られる。この場合、一次放射器
３３は図４のように焦点と反射鏡３４の間に反射鏡３４
に対向して配置してもよいし、図５のように反射鏡２４
から見て焦点の後ろ側に一次放射器３３を配置してもよ
い。どちらの場合にも反射鏡を見込む電波の伝播経路の
範囲内に一次放射器が存在する。 （３）図６に示すように、各アンテナ素子２１毎に共通
に可変移相器２３および可変減衰器２９を接続する。図
１との違いは、アンテナ素子２１毎に励振振幅を変化さ
せるための可変減衰器２９を挿入していることである。

【００２６】可変減衰器２９の代わりに可変利得増幅器
を用いてもよい。このような構成にすることにより、各
ビームに設定された励振分布において、励振位相および
励振振幅の両方について所定の位相量、所定の振幅量を
加える（もしくは減ずる）ことができ、その設定量を変
化させることもできる。この構成例では、前述した効果
である全ビーム方向を共通に偏位させることが簡単な構
成でできることの他に、励振振幅の共通可変化によりビ
ーム形状の共通可変も可能になる。例えば、通信状況な
どに応じてサイドローブレベルを可変させたりすること
が容易になる。また、反射鏡アンテナの一次放射器とし
て利用することにより、鏡面誤差などの影響を補償する
ために励振振幅を全ビーム共通に変えることができる。 （４）図７には、衛星搭載用アンテナとして利用した場
合に、指向方向誤差を軽減するために構成例を示す。こ
こでは、図１の構成に加え可変移相器２３を制御するた
めの制御器３０を設けている。

【００２７】この制御器３０には、モノパルスセンサな
どの手段により得られた指向方向誤差信号を入力し、こ
の制御器３０内部においてこの誤差を軽減するような励
振位相を求めて、その位相量を各可変移相器２３に設定
する。このような構成にすることにより、リアルタイム
のアンテナ指向方向の誤差を検出し、制御できるので、
衛星の姿勢変動による指向方向誤差を補償するものとし
て、効果は絶大である。

【００２８】以上のように、本実施形態においては、ア
レイ給電アンテナの１次放射器として使用されるフェイ
ズドアレイアンテナの各アンテナ素子２１をマルチビー
ム化に共通に利用して複数のビームを形成し、且つアン
テナ素子毎に設けられた可変移相器２３によってそれら
複数のビーム全てに対して共通に励振位相分布を変化さ
せることができる。したがって、全てのビームについて
共通にビーム方向を変化させることが可能となるため、
ビーム形成のための各ＢＦＮ２５には固定の移送器を設
けるだけで済み、ビーム毎に個々にその方向制御を行う
従来の構成に比し可変移相器の数を低減でき、簡単な構
成で、しかもその制御も容易な構成を実現できる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のアレイ給
電反射鏡アンテナによれば、全てのビームについて共通
にビーム方向を変化させる場合に、可変移相器の数が少
ない簡単な構成で、しかもその制御も容易な構成で実現
できるので有効である。特に、静止衛星の搭載用アンテ
ナとして利用した場合の衛星の姿勢変動によるビーム方
向のずれを補正する手段として大きな効果を発揮する。
さらに、軌道上での振動や熱を原因とする反射鏡などの
変形によるアンテナ放射特性が劣化や、取り付け誤差に
よるビーム方向のずれなどを補償する方法として有効で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るアレイ給電反射鏡ア
ンテナに用いられるアレイアンテナの構成図。

【図２】図１のアレイアンテナのビーム形成回路の構成
例を示す図。

【図３】本発明の一実施形態に係るアレイ給電反射鏡ア
ンテナの構成図。

【図４】本発明の実施形態に係る他のアレイ給電反射鏡
アンテナの構成図。

【図５】本発明の実施形態に係るさらに別のアレイ給電
反射鏡アンテナの構成図。

【図６】図１のアレイアンテナの他の構成例を示す図。

【図７】図１のアレイアンテナのさらに他の構成例を示
す図。

【図８】従来のアレイアンテナの構成図。

【図９】従来のアレイアンテナの構成図。

【符号の説明】

１１，２１…アンテナ素子 １２，２２…増幅器 １３，２３…可変移相器 １４，２８…分配器 １９，２４…合成器 １５，１６，１７，１８，２５…ビーム形成回路 ２６…移相器 ２９…可変減衰器 ３０…制御器 ３１，３２，３４…反射鏡 ３３…一次放射器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井出 俊行 東京都小金井市貫井北町４丁目２番１号 郵政省通信総合研究所内 (72)発明者 庄木 裕樹 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反射鏡と、この反射鏡に対向して設けら
   れ、複数のアンテナ素子により構成されるアレイ給電一
   次放射器とから構成されるアレイ給電反射鏡アンテナに
   おいて、 前記アンテナ素子毎に接続された可変移相器および合成
   器／分配器と、 前記複数のアンテナ素子に所定の励振ウェイトをそれぞ
   れ設定する複数のビーム形成回路とを具備し、 前記各合成器／分配器には前記複数のビーム形成回路が
   接続されていることを特徴とするアレイ給電反射鏡アン
   テナ。
2. 【請求項２】 前記可変移相器を制御するための制御器
   を有し、前記制御器にはアンテナ指向方向誤差信号が入
   力されることを特徴とする請求項１記載のアレイ給電反
   射鏡アンテナ。