JPS62501326A - 高い利得１面積の積値を有するアンテナデザイン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、概してセクタビームアンテナに関するもので、特に、デュアルモード アンテナ給電エレメントから放射された電磁信号のメインロープ（主ロープ）オ ヨヒサイドローｆ（副ロープ）の両方を利用することによって、局所領域をほぼ 均一なｒイン（利得）でカバー（包囲）すると共に高い利得／面積の積値を得る 方法および装置に関するものである。

背景技術 人工衛星による通信システムの出現以来、地球に対する成る角度を持つ扇形部分 をカバーする信号を得て、放射された信号強度を増大させると共に、目的とする 局所領域を均一にカバーするための種々の方策が模索されている。

例えば、地球と同期した軌道で単一の通信用衛星（ａｉｎｇｌｓ　ｔｅｌｓｃｏ ｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｍ　５ａｔｅｌｌｉｔｅ　）を打上げ、１本のアンテナ よシ均一な信号♂−ムを米国大陸全体に亘って放射させるようにできれば好適で ある・一般に通信衛星用／４ラゲラ反射アンテナを用いて、セクタ（扇形）ビー ムを発生させる、即ち、地球表面上の成る角度を持った領域（ａｎｇｕｌａｒ　 ｒｅｇｉｏｎ　）　ｔ−カバーする利得を得ている。他の多くの応用としてリフ レクタアンテナ（例えば地上局、地上リレー等）を用い、軸線に沿った状態でア ンテナのメアサイト利得のみ重要とする利用法がある。光景の線（即ち、？アサ イド）に沿って高い利得を実現するために、従来よシアイテナリフレクタにおけ るエネルギ分布は、給電エレメントから放射された開口分布・母ターン（フーリ エ変換）のメインロープの一部分のみ包含するように設計されている。文献から 得られるリフレクタアンテナに関する分析の殆んどが、放射軸に沿ってピーク利 得を最高値にもっていくためのものである。

従来において、デュアルモードｉｔエレメント、特に、／ターホーン（Ｐｏｔｔ ｅｒ　ｈｏｒｎ　）を用いて、Ｅ面およびＨ面ビーム幅を等価している。基本的 に、ボタ−ホーン給電エレメントは、デエアルモードを利用シて電界面分布を変 形して磁界面分布のように見えるようにしている。このような方法におけるプー アルモードホーンの動作原理に関する文献として、“Ａ　ＮｅｗＨｏｒｎ　Ａｎ ｔｅｎｎａ　ｗｉｔｈ　５ｕｐｐｒｅｓｓｅｄ　５ｉｄｅｌｏｋ＠ｓ　ａｎｄ　 ＥｐｕａｌＢｅａｍｗｉｄｔｈａ　’、　Ｐ、Ｄ、Ｐｏｔｔｅｒ著、Ｔｈｅ　Ｍ ｌｃｒｏｖａｖｅＪｏｕｒｎａｌ　ｒ　１９６３年、６月、第７１〜７８頁があ る。

これら標準的な技術を利用して、成る角度領域全体に区って所定の利得を有する セクター−ムを得るようにアンテナを設計すると、得られる性能は、理論的に最 適な設計値にはとても及ばないものとなってしまう。成る角度領域全体に亘って 所定の利得が得られるアンテナのメリットの有効値は、利得／面積の積（ｇａｌ ｎ−ａｒｅａ−ｐｒｏｄｕｃｔ　：　＠ＧＡＰ　”と略称する）である。

この値は、成る角度でカバー（包囲）された領域（角度の平方値）と、この領域 一対して得られた最小アンテナ利得（絶対値）との積である。理論的な理想セク タビーム、即ち、上述の領域以内では均一な利得を有し、これ以外では利得を生 じないビームに関して、このＧＡＰは４１，２５３　ｄ＠ｇ２である。これに対 して、Ｈ０Ｊａｉｉｋ著によるＡｎｔｅｎｎａ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｈａ ｎｄｂｏｏｋ　（第２−１４頁）によれば、利得とビーム幅との間の関係が与え られており、伝統的なアンテナ設計値としてＧＡＰが１０，６００　ｄｏｇ２と して与えられている。このことは。

最近のアンテナシラクチイスにとって極めてマツチしたものであ夛、これによっ て、ＧＡＰの範囲が１０，０００〜１５，０００　ｄｅｇ２の値のＣ−ムが実現 できる。従って、最近のプラクティスによれば、アンテナビームは、実現できる 最大利得／面積の値（ＧＡＰ　）に対して２５チ〜３５％の値を有するようにな る。

一般に、包囲される領域は、従来の設計技術を駆使すると共に、次にオーバーラ ツプしているビーム（ｏｖｅｒｌａｐｐｉｎｇ　ｂｅａｍｓ　）のアレイを形成 することによって容易に実現できる。そのよりなアレイを実現するための技術に は精密なシステムが必要となる。例えば、一群の複数の静止（地球同期型）衛星 を調整するシステムで、これは、目的とする領域全体の各セクシ曹ンに対して１ つを割当るものである。これに関する技術が米国特許第４．３７５，６９７号に 開示されて−する。

もうｌりの共通の解決方法としては、マルチ給電アレイを有するシングル（単一 ）アンテナシステムを採用することで、このアレイは力・々−すべき領域に簡単 に比例した形状を有している。これら給電エレメントの間で、電磁信号エネルギ が割当てられている。リフレクタによフ、−組の互いにオーバーラツプしたビー ムを放射して、局所領域全体を、はぼ同一利得係数で完全にカバーするようにし ている。しかし乍ら、これらシステムは複雑なものであり、コンビエータの援助 によって１種々の励起を調整するために必要な振幅および位相の最適な組合せを 選択するようになっている。またこのようなシステムでは高電力の要求があり、 これは、最新のスペーステクノロジ（宇宙技術）における所定の制限を満すこと は困難となってしまうＯ従って、本発明の目的は、セクタビームアンテナの利得 ／面積の積値を改善する方法を提供することである。

また、他の目的は、成る角度を有する局所領域全体に亘ってほぼ均一な利得を有 するようなアンテナを提供することである。

また、更に他の目的としては、シングル給電エレメントを利用したアンテナの利 得／面積の積値を増大させることである。

また１本発明の追加の目的は、最新の衛星構造および人工衛星等の打上げ用ロケ ットにおける現実的な両立性を有するようなセクタビームアンテナを提供するこ とである。

発明の概要 本発明は、概して、大きな地域全体に亘って放射された電磁信号がほぼ均一な利 得で得られる方法および装置に関するものである。

電磁ビームがデエアルモードアンテナフイードから信号の・ぞターンを放出する ことにより放射され、２つのモードを利用して磁気面（Ｈ面）が形成され、この Ｈ面振幅分布が電界ベクトルを包含する面（Ｅ面）の分布と類似するようにして いる。サイドロープを含んだ、このアンテナフィードからの放射・母ターンが、 このビームによって、カバーすべき地域に向けて反射されるようになる。メイン ロープと一緒に反射されるべきフィードホーン１次放射パターンのＨ面およびＥ 面の両者におけるサイドロープの特定の数を適切に選択することによって、はぼ 均一なゲインを有するビームならびに高い利得／面積の積（ＧＡＰ　）が得られ るようになる。

一実施例によれば、デュアルモードのフィードホーン（給電ホーン）を用いるこ とＫよって１次放射・母ターンが放出できる。２モードを利用することによって 、Ｈ面振幅分布を形成でき、これによりこのＨ面振幅分布が、ホーンからのシン グルモードで得られＥ面均−振幅分布に類似させることができる。オフセット・ 母うゲラアンテナリフレクタを利用して２次ビーム・９ターンを形成し、このパ ターンは力・ぐ−すべき地域に向けて放射されるようになる。

シングルフィードエレメントおよびり７レクタのみを利用している衛星通信に応 用した場合、本発明の方法および装置によって、現在のこの種の装置で得られる ものより大きな利得／面積の積（ＧＡＰ　）が、大きな地域全体をほぼ均一にカ バーできる状態の下で得られるようになる。従って、包囲される領域全体に亘っ てよシ強力で更に均一なビームが実現でき、これらの特徴全最近の技術を利用し て実現するのに必要なシステムの電力容量や複雑度を軽減できる効果がある。

本発明の他の目的や特徴、および利点は、以下の説明および添付の図面を考察す ることにより明らかであり１図面において、同一番号は類似の特徴のものに使用 するものとする。

図面の簡単な説明 第１図は１本発明による電磁分布および反射前後の信号パターン全表わす正面図 、 第１　ａ図は、理想のアンテナ開口を横切る円対称の電磁信号分布を表わすグラ フ、 第１ｂ図は、第１＆図のノ４’ターンから、理想アンテナ（７オーカシング）焦 点合せデバイスより得られたビームの信号・９ターンを表わすグラフ、第２１図 は、本発明による有限長のアンテナ開口を横切る円対称の電磁信号分布を表わす グラフ。

第２ｂ図は、第２＆図の・４ターンから、有限長のアンテナ７オーカシングデバ イスより得られたビームの信号ノ４ターンを表わすグラフ、 第３ａ図は、分析結果を表わすグラフであり、この分析は、２Ｊｘ（ｒ）／ｒ　 形態の円対称分布における正規化された開口半径条件に関する円形アンテナ開口 対スケール係数Ｋが含まれた開口分布関数に関するものである。

第３ｂ図は、第３ａ図で規定したようなアンテナ効率対スケール係数Ｋに関する 分析結果を表わすグラフ。

第３ｃ図は、第３ａ図で規定したような利得／面積の積対係数Ｋに関する分析結 果を表わすグラフ、第４図は、第１図に示した本発明の実施例のアンテナ給電エ レメント／す７レクタの幾何学的構成を示す図、 第５図は、第４図で示した実施例の構成から得られたＥ面分布・ぐターンに関す る利得／ライン積を表わすグラフ、 第６図は、第４図で示した実施例から得られたＨ面分布パターンに対する利得／ ライン積全表わすグラフ、 第７図は、第４図に示した実施例により得られた信号力ハーノ！ターンをコンビ エータでシェミレートシた図である。

発明の詳細な説明 第４図には、給電ホーン（５ｅｅｄ　ｈｏｒｎ　）およびり７レクタの一般的構 成が示されている。ここで、フィード（給４）ホーンのＥ面とＸ方向面およびＨ 面とＹ方向面の任意の組合が表示されている。す７レクタ４によって選択された 一次・臂ターン６が第１図に表わされる。放射されたビームの二次・ぐターンが ｇｔ図に８で表されており、第１＆およびｌｂ図に示した理想のセクタビームに はぼ近似している。Ｅ面分布は、アンテナ開口フィードホーン２を横切る均一な 振幅分布量ａ３となるように選択される。このＨ面振幅分布関数を均一な振幅分 布に近似させるために、このＨ面の基本的なコサイン（余弦〕関数に、これの奇 数ハーモニック〔高調波〕の１）またはそれ以上ｔ−加えることにより変形して いる。実察においては、高い七−ドを得るためにフィードホーンを複雑化するこ とは、得られる高い性能レベルと比較しても正しい解決策でないので、ハーモニ ックとしてのＴＥ　モードを利用することは適当なことである。このようなデュ アルモードで作動させた結果として、Ｈ面の一次および二次信号・９ターンは、 第１図に示したＥ面分布にほぼ類似したものとなる。

従来のアンテナ開口理論によれば、理想の円形セクタビームは２　Ｊｔ（ｒ）／ ｒ形態の円対称分布が無限範囲の円形開口に適用される場合に、形成される。こ の式において、ｒは口伝座標であυ、Ｊ　Ｒ（ｒ）は１次のベッセル関数である 。この開口分布および結果的に得られるビーム分布が第１ａ図および第１ｂ図に それぞれ表わされている。無限開口は実際的には意味のないものであるが、しか し乍ら次のようなことが判明した・即ち、有限長開口に関するこの同一開口分布 の截頭形の変形例により理想のセクタビームにほぼ近似したビーム形状が得られ るからである。截頭形開口分布および結果として得られたビーム分布が第２ａ図 、第２ｂ図に示されている。一般に、理想のセクタビームに近似することによフ 改善が行われる。これは開口は、截頭形状が起る前に、分布関数の多くが放射状 に包囲されるように成長するからである。

・ぐラメータに関する考察が、開口に関連した分布関数２　Ｊ　ｔ　（ｒ）／　 ｒの合計値の関数として、利得／面積の積（ＧＡＰ　）　ｉ決定するために実行 された。このようなグロセスと組合わされた適当な数学的な解説が、Ｓ。

５ｉｌｖｅｒ著による−　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ａｎｔｅｎｎａ　Ｔｈｅｏｒｙ 　ａｎｄＤｅｓｉｇｎ　”に開示されているので、これ以上の説明をここでは行 わないものとする。ここで、数学上の便宜のために、開口の半径を値ｌに正規化 し、これによって。

分布関数中にスケール・平うメータＫを包含させる必要が生じる。従って、Ｋは 指数となシ、これは、アンテナ開口を横切った一次信号分布に比例する。Ｋ＝Ｏ の場合、均一な分布に相当し、に＝ωの場合、理想的なセクタビームの分布に相 当し、このＫの中間値には、この理想セクタビームに近似したものの種々のレベ ルに相当するようになる。〆ルテーノ（電圧）ノーターンｇψ）が、通常円形開 口と組合されたＨａｎｋｅｌ変換によって与えられる。この関数は、正規されて 、Ｏに等しいμ（即ち、θ）において１の値が生成された。このように正規化さ れた・ぐノー（、を力）・やターンは、単に♂ルテーゾ・４ターンの平方にすぎ ず、これらによって相対的ダイン（利得）・母ターンが生成された。

利得／面積の積の式は、包囲面積（ｐｉθ０　）にθ。

における絶対利得を掛けた値であり、ここでθＯはＧＡＰが最大血となる角度で ある。この角度θＧ　を決定するための明らかな数式は存在していない。従って 、Ｋの各値に対して、このダイン・ぐターンはコンピュータゾログラムによって 評価されたと共にこの角度θ０　におけるＧＡＰの値は反復探索手順によって決 定されていた。

このような方法において、とのＧＡＰは、Ｋの関数として決定されていた（この Ｋは、開口に包含される分布関数の合計に比例した指数）。これの結果が第３図 に表わされている。第３ａ図は、このＫに対する開口分布関数を表わし、第３ｂ 図は、このＫの値に対する軸上アンテナ効率を示し、第３ｃ図はＫの値に対する ＧＡＰを示す。

一般に、利得／面積の積は、このＫの値の増大に従って増大するが、第３ｃ図か ら明らかなように数個の局部的な最小値が見られる。これら最小値は、分布関数 のゼロ交差において発生され、更に、これらは、正に向うゼロ交差に対して特に 深く落込んでいる。従来のアンテナ設計の教えによれば、アンテナ効率が最大と なるＫの値で動作させることを推奨している。このことは、Ｋが２．８となりこ の点におけるＧＡＰの値が約１３，０００　ｄｅｇの場合に発生する。この性能 は１１〜１２の範囲でのＫの値を選択することによって２の係数だけ増大できる ＠このことによシ、ＧＡＰの値が２５．０００〜２８，０００　ｄｅｇの範囲と なる。

ここで注意すべき点は、Ｋの値が大きくなると、リフレクタは許容できないサイ ズとなる可能性がある。

しかし、に〜１１の場合、隣接した４８州をカバーするビームｋ　１２　ＧＨｚ で約９６インチの直径を有するリフレクタにより発生させることができる。この タイプのりフレフタのサイズによりて２５，０００　ｄｅｇ　ｔ”超えるＧＡＰ が発生でき、これは、今日の衛星の構造および打上げ用ロケットに対して物理的 に両立性を保有している。

前述した分析を、矩形のフィードホーンで作動する矩形リフレクタに対して反復 作用させた。このような特徴によって、分析および分析結果の応用を水平および 垂直方向において独立させることが可能となる。

このようなりフレフタタイプのものに対して、ＧＡＰはＸ方向におけるＧＬＰ　 （利得／ラインの積）とて方向におけるＧＬＰとの積によって生成される。

第５図は、ＫＸの関数としてのＥ面における利用可能なＧＬＰｔ−示し、このに 工はこの面におけるリフレクタのサイドローブの数に比例する係数である。また 、この第５図は、一般に、Ｋｘと共に増大しているＧＬＰ　ｔ−表わす。第６図 は、Ｋ、の関数としてＥ面における利用可能なＧＬＰを示す（２つのモードを利 用して）。これら結果を利用して、目的の領域を包囲するアンテナを設計できる 。第６図は、最良のＨ面ＧＬＰ　（１５０，１）を３．５の５によって得ること ができる。５．３５のＫｘヲ１６６．７のＥ面ＧＬＰに対して選択した。結果と して得られたＧＡＰ　（利得／面積の積）は約２５，０００ｄｅｇ２である。

このような分析結果を利用することによって、米国大陸をカバーする・ぐターン を発生するアンテナ設計が実現した。リフレクタ４は、オフセット　・母うボラ スクエアで、各辺が７６．１６インチで、６５．９６インチの焦点距離を有して いる。フィード２は、矩形のデエアルモードタイグのホーンであり、Ｅ面におい ては６．７８インチの長さを有すると共に、Ｅ面においては１０．３６インチの 長さを有している。水平方向に偏向された放射ノ９ターンが１２Ｇ出で、３．９ ６％ＴＥ０３および９６．０４％ＴＥ　ｏｌ　のモード内容で放射されるように なる。

第７図には、結果的に得られた包囲・母ターンのシーミレージョンが表わされて おり、これは西経１００゜の静止軌道におけるこの設計による衛星用アンテナで ある。３０　ｄＢ輪かく用のＧＡＰは２５，０００　ｄｅｇ２であフ、東辺およ び°四辺の内側の２つの利得の落込みはこのＧＡＰの値ｔ”　２３．８００　ｄ ｅｇ２に減少させるが、従来の技術を超えた主たるＧＡＰの増大が得られる特徴 がある。

また、設計変更としてマルチデルフィードエレメントも使用できる。

以上１本発明の一実施例について詳述してきたが、本発明によれば、種々の変更 を加え得ることは明らかである。

× 壬〔４里ゼクタε°−ムｒ−堕Ａス１転Ｃ′−ム、ＧＬＰ−’７７シクタｄりす Ｉ浦−］ ベ、 １．事件の表示 ＰＣＴ／ＵＳ　８５１０２２１２ ２、発明の名称 高い利得／面積の積値を有するアンテナデザイン　３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 名称　ヒユーズ・エアクラフト・カンパニー４、代理人 東京都千代田区霞が関３丁目７番２号　ＵＢＥビル昭和６２年３月１０日（発送 日） ６、補正の対象 明細書及び請求の範囲の翻訳文（浄書したもの）、国際調烹＝！、、哀−、−１ １＋　ＰＣＴ／ＵＳ　８５１０２２１２ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　ＴＨＥ　ＺＮＴＥＲ ＮＡＴＩＯＮＡｒｌ、５ＥＡＲＣＨＲＥＰＯＲＴ　０ＮＩＮＴＥＲＮＡτｒＯＮ ＡＬ　ＡＰＰＩ、ＩＣＡＴｒＯＮ　Ｎｏ、　ＰＣＴ／ＵＳ　８５１０２２１２　 （ＳＡ　１１９４３）ＣＡ−Ａ−８９００３２０４１０Ｘ／７２　ＵＳ−Ａ−３ ６５３０５５２８１０３／７２ＵＳ−Ａ−４０９１３８７２３１０Ｓ／７８　Ｎ ｏｎｅ

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １． セレクタビームを放射するに当り、ほぼ同じ振幅分布を有するＨ面信号パ ターンとＥ面信号パターンとを持つ１次信号を放出するフイード（給電）手段と 、 このフィード手段と連結され、前記１次信号を２次信号に変換するフォーカシン グ（焦点合せ）手段とを具え、この２次信号によって、高い利得／面積の積値お よび前記セクタビームのスパンに亘ってほぼ均一な利得が得られるセクタビーム を発生するようにしたことを特徴とするアンテナ。
2. ２．前記フォーカシング手段は、前記１次信号の主要ロープおよび予め決められ た数のサイドローブの両者の焦点合せを行えるように寸法決めされたことを特徴 とする請求の範囲第１項記載のアンテナ。
3. ３．前記フィード手段に、デュアルモードフィードエレメントを設けたことを特 徴とする請求の範囲第１項記載のアンテナ。
4. ４．前記フイードエレメントに、デュアルモード矩形のフイードホーンを設けた ことを特徴とする請求の範囲第３項記載のアンテナ。
5. ５．前記フォーカシング手段に、オフセットパラポラリフレクタを設けたことを 特徴とする請求の範囲第２項記載のアンテナ。
6. ６．前記Ｅ面信号パターンは均一な分布を有すると共に、 前記Ｈ面信号パターンは、コサイン関数分布である１モードと、このコサイン関 数の奇数のハーモニック（高調波）である追加の１モードとによって形成された 分布を有するようにしたことを特徴とする請求の範囲第８項記載のアンテナ。
7. ７．前記ハーモニックが前記コサイン関数の第３高調波であることを特徴とする 請求の範囲第６項記載のアンテナ。
8. ８．静止軌道上の衛星から地球上の領域を包囲するように電磁信号セクタビーム を放射するに当り、この信号のＥ面振幅分布パターンと同じ特徴に近似したＨ面 振幅分布を有する電磁信号を放出するデュアルモードフィードホーン手段と、 このフィードホーン手段と連結され、前記電磁信号の主要ロープおよびサイドロ ープの両方を反射して、前記領域全体をほぼ均一にカバー（包囲）する利得特性 を有するセクタビームを放射するオフセットパラポラリフレクタ手段とを具えた ことを特徴とする高い利得／面積の積値を有するアンテナ。
9. ９．ほぼ均一な利得で包囲するセクタビーム電磁信号を放射するに当り、 磁界面分布が電界分布とほぼ同じであるような電磁信号を放出するステップと、 この電気信号を反射するステップとを具え、この反射により、前記反射信号によ って高い利得／面積の積値と、ほぼ均一の利得分布とを有するビームを形成する ２次信号が発生されるようにしたことを特徴とするセクタビーム電磁信号放射方 法。
10. １０．前記信号反射ステップに、更に、前記電磁信号の主要ロープおよび予め決 められた数のサイドローブの両者を反射するステップを設けたことを特徴とする 請求の範囲第８項記載の方法。
11. １１．地球上の領域をほぼ均一な利得で包囲するような電磁セレクタビームを放 射するに当り、Ｈ面振幅分布がＥ面振幅分布と同一特性を有するような電磁信号 がデュアルモードアンテナフィードから放出されるとステップと、 アンテナリフレクタを利用してこの電磁信号を反射するステップとを具え、前記 リフレクタの開口によって、前記電磁信号の主要ロープおよび予め決められた数 のサイドローブの両方を遮断して、この反射ステップにより、高い利得／面積の 積値ならびに前記或る角度からなる領域をほぼ均一に包囲できるような利得特性 を有する電磁セクタビームを放射するようにしたことを特徴とする電磁セクタビ ームを放射する方法。
12. １２．前記フィード手段に複数個のデュアルモード矩形のフィードホーンを設け たことを特徴とする請求の範囲第１項記載のアンテナ。