JPWO2018105081A1 - アンテナ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
高速な衛星通信を実現する方式の中の1つの方式として、通信が可能なサービスエリアを複数のスポットビームで覆う方式が知られている。
サービスエリアを複数のスポットビームで覆う方式は、複数の一次放射器と1つの反射鏡とを備えたアンテナ系を有するアンテナ装置が用いられる。
サービスエリアの利得を高めるには、複数の一次放射器からサービスエリアにそれぞれ放射される複数のビームが隙間なく配置される必要がある。このため、アンテナ装置は、3つもしくは4つのアンテナ系を備えることがある。
以下の非特許文献1には、反射鏡の枚数を削減するために、ビームを形成するビーム形成回路を搭載することで、複数の一次放射器を共有して使用しているアンテナ装置が開示されている。
図1はこの発明の実施の形態1によるアンテナ装置を示す構成図である。
図1において、入出力ポート1−1〜1−Nは第1の周波数帯の電波を入出力するポートである。
T分岐部2−1〜2−Nは図1のアンテナ装置が送信アンテナとして使用される場合、入出力ポート1−1〜1−Nから入力された電波の電力を分配して、電力を分配した2つの電波をビーム形成回路3に出力する。
T分岐部2−1〜2−Nは図1のアンテナ装置が受信アンテナとして使用される場合、ビーム形成回路3から出力された2つの偏波を合成して、合成した電波を入出力ポート1−1〜1−Nに出力する。
ビーム形成回路3は受信アンテナとして使用される場合、ビーム形成回路6から出力された第1の周波数帯の電波に含まれている2つの偏波を取り出して、2つの偏波をT分岐部2−1〜2−Nに出力する。
T分岐部5−1〜5−Nは送信アンテナとして使用される場合、入出力ポート4−1〜4−Nから入力された電波の電力を分配して、電力を分配した2つの電波をビーム形成回路6に出力する。
T分岐部5−1〜5−Nは受信アンテナとして使用される場合、ビーム形成回路6から出力された2つの偏波を合成して、合成した電波を入出力ポート4−1〜4−Nに出力する。
また、ビーム形成回路6はビーム形成回路3から出力された第1の周波数帯の電波を入力して、第1の周波数帯の電波を一次放射器7−1〜7−Mに出力する。
ビーム形成回路6は受信アンテナとして使用される場合、一次放射器7−1〜7−Mから出力された第1の周波数帯の電波をビーム形成回路3に出力する。
また、ビーム形成回路6は一次放射器7−1〜7−Mから出力された第2の周波数帯の電波に含まれている2つの偏波を取り出して、2つの偏波をT分岐部5−1〜5−Nに出力する。
一次放射器7−1〜7−Mは送信アンテナとして使用される場合、ビーム形成回路6から出力された第1の周波数帯の電波に従って第1の周波数帯のビームを放射するとともに、ビーム形成回路6から出力された第2の周波数帯の電波に従って第2の周波数帯のビームを放射する。
一次放射器7−1〜7−Mは受信アンテナとして使用される場合、主反射鏡8により反射された第1の周波数帯のビームを受信して、第1の周波数帯の電波をビーム形成回路6に出力するとともに、主反射鏡8により反射された第2の周波数帯のビームを受信して、第2の周波数帯の電波をビーム形成回路6に出力する。
以下、一次放射器7−1〜7−Mを区別しない場合、一次放射器7のように表記することがある。
主反射鏡8は受信アンテナとして使用される場合、サービスエリア内の携帯端末等の通信装置から放射された第1の周波数帯のビーム及び第2の周波数帯のビームを一次放射器7−1〜7−Mに向けて反射する。
即ち、図2は、+zf側から一次放射器7−1〜7−Mを見たときの一次放射器7−1〜7−Mの配置を示している。
図2の例では、M=64であり、64個の一次放射器7−1〜7−64が配置されている。
図2において、×は一次放射器7−1〜7−64が配置されている位置を示している。
図2では、64個の一次放射器7−1〜7−64のうち、3つの一次放射器7の組毎に、3つの一次放射器7の位置が正三角形の各頂点の位置となるように、3つの一次放射器7が配置される。
3つの一次放射器7の位置が正三角形の各頂点の位置となる配置は、複数の円形開口を最密に配置して、複数のビームを密に配置するための配置である。
例えば、一次放射器7−1、一次放射器7−14及び一次放射器7−15は、正三角形の各頂点の位置に配置されている。
また、一次放射器7−6、一次放射器7−20及び一次放射器7−21は、正三角形の各頂点の位置に配置されている。
図2の例では、正六角形に囲まれている7つの一次放射器7が同一のグループに分類されている。
図2では、種類の異なる4つのビームを放射する例を示しており、グループ8−1〜8−4は第1のビームを放射するグループ、グループ9−1〜9−4は第2のビームを放射するグループである。また、グループ10−1〜10−4は第3のビームを放射するグループ、グループ11−1〜11−4は第4のビームを放射するグループである。
ただし、グループ8−1〜8−4、グループ9−1〜9−4、グループ10−1〜10−4、グループ11−1〜11−4は、種類の異なる4つのビームを放射するものに限るものではなく、種類が同一のビームを放射するものであってもよい。
図3はビーム形成回路6のうち、図2に示すRの領域に含まれている3つの一次放射器7−42,7−52,7−61に接続されている部分を示している。
図3において、一次放射器7−42,7−52,7−61は同軸円筒導波路で形成されているホーンアンテナである。
ホーンアンテナである一次放射器7−42,7−52,7−61は外側導波路7aと内側導波路7bとを備えている。
図3では、一次放射器7−42,7−52,7−61とビーム形成回路6が切り離されているように図示されているが、実際には、一次放射器7−42,7−52,7−61とビーム形成回路6は接続されている。
以下、同軸導波路21−1〜21−Mを区別しない場合、同軸導波路21のように表記することがある。
図3では、一次放射器7−42,7−52,7−61と接続されている3つの同軸導波路21−42,21−52,21−61を図示している。
同軸導波路21−42,21−52,21−61は外側導波路21aと内側導波路21bとを備えている。
同軸導波路21−42,21−52,21−61の外側導波路21aは、一端が一次放射器7−42,7−52,7−61の外側導波路7aと接続されて、他端21a’が終端されている。
図3の例では、同軸導波路21−42,21−61における外側導波路21aの他端21a’は、B−B’の位置とC−C’の位置との間で終端されている。
また、同軸導波路21−52における外側導波路21aの他端21a’は、D−D’の位置よりもビーム形成回路3側で終端されている。
同軸導波路21−42,21−52,21−61の内側導波路21bは、一端が一次放射器7−42,7−52,7−61の内側導波路7bと接続され、他端21b’がビーム形成回路3と接続されている。
図3の例では、B−B’の位置で、矩形導波路22が2つの同軸導波路21の間を接続している。
矩形導波路23は同軸導波路21−52の外側導波路21aと接続されており、同軸導波路21−52に対して、第1の偏波を与える給電用導波路である。
矩形導波路24は軸方向が矩形導波路23の軸方向と直交するように、同軸導波路21−52の外側導波路21aと接続されており、同軸導波路21−52に対して、第2の偏波を与える給電用導波路である。
なお、第1の偏波と第2の偏波は、互い直交している偏波であり、第1の偏波が水平偏波、第2の偏波が垂直偏波である例などが考えられる。
図5は図3のB−B’の位置におけるビーム形成回路6の断面図である。
図6は図3のC−C’の位置におけるビーム形成回路6の断面図である。
図7は図3のD−D’の位置におけるビーム形成回路6の断面図である。
以下、グループ内の中心に配置されている1つの一次放射器7を中心の一次放射器7と称し、中心の一次放射器7の周辺に配置されている6つの一次放射器7を周辺の一次放射器7と称する。
各々のグループ内の7つの一次放射器7は、ビーム形成回路6内の同軸導波路21とそれぞれ接続されている。
以下、中心の一次放射器7と接続されている同軸導波路21を中心の同軸導波路21と称し、周辺の一次放射器7と接続されている同軸導波路21を周辺の同軸導波路21と称する。
中心の同軸導波路21は、図5に示すように、x−y面上で、中心の同軸導波路21から放射状に延びている6つの矩形導波路22によって、周辺の6つの同軸導波路21と接続されている。
グループ8−1〜8−4,9−1〜9−4,10−1〜10−4,11−1〜11−4において、中心の同軸導波路21に対する矩形導波路24の接続方向は、図7におけるy軸と平行な方向になっている。また、矩形導波路24は、周辺の同軸導波路21と干渉しないように配置されている。
図8はビーム形成回路3のうち、図3に示す3つの同軸導波路21−42,21−52,21−61と接続されている部分を示している。
図8において、ビーム形成回路3はM個の同軸導波路31−1〜31−Mを備えている。
以下、同軸導波路31−1〜31−Mを区別しない場合、同軸導波路31のように表記することがある。
図8では、ビーム形成回路6の同軸導波路21−42,21−52,21−61と接続されている3つの同軸導波路31−42,31−52,31−61を図示している。
同軸導波路31−42,31−52,31−61は外側導波路31aと内側導波路31bとを備えている。
同軸導波路31−42,31−52,31−61の外側導波路31aは、一端31a’が終端されている。
同軸導波路31−42,31−52,31−61の内側導波路31bは、一端31b’が同軸導波路21−42,21−52,21−61における内側導波路21bの他端21b’と接続されている。
また、同軸導波路31−42,31−52,31−61の内側導波路31bは、他端31b”が終端されている。
矩形導波路33は同軸導波路31−52の外側導波路31aと接続されており、同軸導波路31−52に対して、第3の偏波を与える給電用導波路である。
矩形導波路34は軸方向が矩形導波路33の軸方向と直交するように、同軸導波路31−52の外側導波路31aと接続されており、同軸導波路31−52に対して、第4の偏波を与える給電用導波路である。
なお、第3の偏波と第4の偏波は、互い直交している偏波であり、第3の偏波が水平偏波、第4の偏波が垂直偏波である例などが考えられる。
最初に、図1のアンテナ装置が、第1の周波数帯のビーム及び第2の周波数帯のビームを送信する場合の動作を説明する。
入出力ポート1−1〜1−Nから第1の周波数帯の電波が入力される。
T分岐部2−1〜2−Nは、入出力ポート1−1〜1−Nから第1の周波数帯の電波が入力されると、入力された電波の電力を分配して、電力を分配した2つの電波をビーム形成回路3に出力する。
このため、T分岐部2−n(n=1,2,・・・N)は、ビーム形成回路3におけるM個の同軸導波路31−1〜31−Mのうち、第n(n=1,2,・・・N)のビームを放射するグループに属している7つの一次放射器7と同軸導波路21を介して接続されている同軸導波路31の中で、中心の同軸導波路31に対して2つの電波を出力する。
図2は、M=64、N=4の例を示しているため、64個の一次放射器7−1〜7−64がグループ8−1〜8−4,9−1〜9−4,10−1〜10−4,11−1〜11−4に分類されている。
このため、例えば、グループ8−1に着目すると、T分岐部2−1は、一次放射器7−10と同軸導波路21−10を介して接続されている同軸導波路31−10に対して、入出力ポート1−1から入力された電波に係る2つの電波を出力する。
また、グループ9−1に着目すると、T分岐部2−2は、一次放射器7−11と同軸導波路21−11を介して接続されている同軸導波路31−11に対して、入出力ポート1−2から入力された電波に係る2つの電波を出力する。
以下、ビーム形成回路3の動作を具体的に説明する。
T分岐部2−nから出力された2つの電波のうち、一方の電波が矩形導波路33から入力され、他方の電波が矩形導波路34から入力される。
このため、矩形導波路33から入力された電波は、第3の偏波として、中心の同軸導波路31によって伝搬される。
また、矩形導波路34から入力された電波は、第4の偏波として、中心の同軸導波路31によって伝搬される。
これにより、7つの同軸導波路31は、ビーム形成回路6におけるM個の同軸導波路21−1〜21−Mのうち、自己と接続されている同軸導波路21に対して第3の偏波及び第4の偏波を出力する。
T分岐部5−1〜5−Nは、入出力ポート4−1〜4−Nから第2の周波数帯の電波が入力されると、入力された電波の電力を分配して、電力を分配した2つの電波をビーム形成回路6に出力する。
このため、T分岐部5−n(n=1,2,・・・N)は、ビーム形成回路6におけるM個の同軸導波路21−1〜21−Mのうち、第nのビームを放射するグループに属している7つの一次放射器7と接続されている同軸導波路21の中で、中心の同軸導波路21に対して2つの電波を出力する。
例えば、グループ8−1に着目すると、T分岐部5−1は、一次放射器7−10と接続されている同軸導波路21−10に対して、入出力ポート4−1から入力された電波に係る2つの電波を出力する。
また、グループ9−1に着目すると、T分岐部5−2は、一次放射器7−11と接続されている同軸導波路21−11に対して、入出力ポート4−2から入力された電波に係る2つの電波を出力する。
また、ビーム形成回路6は、ビーム形成回路3からN個の第1の周波数帯の電波を受けると、N個の第1の周波数帯の電波を一次放射器7−1〜7−Mに出力する。
以下、ビーム形成回路6の動作を具体的に説明する。
T分岐部5−nから出力された2つの電波のうち、一方の電波が矩形導波路23から入力され、他方の電波が矩形導波路24から入力される。
このため、矩形導波路23から入力された電波は、第1の偏波として、中心の同軸導波路21によって伝搬される。
また、矩形導波路24から入力された電波は、第2の偏波として、中心の同軸導波路21によって伝搬される。
また、ビーム形成回路3から出力された第3の偏波及び第4の偏波は、中心の同軸導波路21によって伝搬される。
これにより、7つの同軸導波路21は、M個の一次放射器7−1〜7−Mのうち、第nのビームを放射するグループに属している7つの一次放射器7に対して第1〜第4の偏波を出力する。
また、第nのビームを放射するグループに属している7つの一次放射器7は、第3の偏波と第4の偏波を含む電波を第2の周波数帯のビームとして、主反射鏡8に向けて放射する。
図2の例では、N=4であるため、グループ8−1〜8−4に属している一次放射器7は第1のビームを放射し、グループ9−1〜9−4に属している一次放射器7は第2のビームを放射する。
また、グループ10−1〜10−4に属している一次放射器7は第3のビームを放射し、グループ11−1〜11−4に属している一次放射器7は第4のビームを放射する。
図9において、横軸は水平面内の角度、縦軸は垂直面内の角度である。
図9は、N=16の例である。アンテナ装置は16個のビームを放射しており、16個のビームは隣りのビームと一部が重なっている。
#1はグループ8−1に属している7つの同軸導波路から放射されるビームの放射方向、#2はグループ9−1に属している7つの同軸導波路から放射されるビームの放射方向、#3はグループ8−2に属している7つの同軸導波路から放射されるビームの放射方向、#4はグループ9−2に属している7つの同軸導波路から放射されるビームの放射方向を示している。
#5はグループ10−1に属している7つの同軸導波路から放射されるビームの放射方向、#6はグループ11−1に属している7つの同軸導波路から放射されるビームの放射方向、#7はグループ10−2に属している7つの同軸導波路から放射されるビームの放射方向、#8はグループ11−2に属している7つの同軸導波路から放射されるビームの放射方向を示している。
#13はグループ10−3に属している7つの同軸導波路から放射されるビームの放射方向、#14はグループ11−3に属している7つの同軸導波路から放射されるビームの放射方向、#15はグループ10−4に属している7つの同軸導波路から放射されるビームの放射方向、#16はグループ11−4に属している7つの同軸導波路から放射されるビームの放射方向を示している。
図11はアンテナ装置から第2の周波数帯のビームだけが放射された場合の放射パターンを示す説明図である。
図10及び図11において、横軸は水平面内の角度、縦軸は垂直面内の角度である。
図10及び図11は、N=16の例である。アンテナ装置が16個のビームを放射しており、サービスエリアが16個のビームによって覆われている。
図10及び図11では、16個のビームが隙間なく、サービスエリアを覆っているため、サービスエリアの利得が高められている。
図12はアンテナ装置から第1の周波数帯のビーム及び第2の周波数帯のビームが放射された場合の各ビームの利得を示す説明図である。
図12において、横軸はビーム番号を示しており、例えば、ビーム番号が“1”であれば、図9に示す放射方向#1のビーム、ビーム番号が“2”であれば、図9に示す放射方向#2のビーム、ビーム番号が“16”であれば、図9に示す放射方向#16のビームに対応している。
縦軸はビームの利得であり、◆は第1の周波数帯のビーム、■は第2の周波数帯のビームを示している。
図12より、どちらも周波数帯のビームも、概ね一様な利得が得られていることが分かる。
主反射鏡8は、サービスエリア内に存在している携帯端末等の通信装置から放射された第1の周波数帯のビームを一次放射器7−1〜7−Mに向けて反射させる。
また、主反射鏡8は、サービスエリア内に存在している携帯端末等の通信装置から放射された第2の周波数帯のビームを一次放射器7−1〜7−Mに向けて反射させる。
また、一次放射器7−1〜7−Mは、主反射鏡8により反射された第2の周波数帯のビームを受信すると、受信した第2の周波数帯のビームである電波をビーム形成回路6に出力する。
また、ビーム形成回路6は、一次放射器7−1〜7−Mから第2の周波数帯の電波を受けると、第2の周波数帯の電波に含まれている第1の偏波及び第2の偏波を取り出して、矩形導波路23から第1の偏波を出力するとともに、矩形導波路24から第2の偏波を出力する。
以下、ビーム形成回路6の動作を具体的に説明する。
第nのビームを放射するグループに属している7つの一次放射器7と接続されている同軸導波路21のうち、中心の同軸導波路21は、矩形導波路22によって、周辺の6つの同軸導波路21と接続されている。このため、第nのビームを放射するグループに属している7つの一次放射器7と接続されている同軸導波路21によって伝搬された第2の周波数帯の電波の多くは、中心の同軸導波路21に到達する。
このため、中心の同軸導波路21に到達した第2の周波数帯の電波に含まれている第1の偏波が矩形導波路23から出力され、第2の周波数帯の電波に含まれている第2の偏波が矩形導波路24から出力される。
T分岐部5−nは、矩形導波路23から第1の偏波が出力され、矩形導波路24から第2の偏波が出力されると、第1の偏波と第2の偏波を合成し、合成した電波を入出力ポート4−nに出力する。
第nのビームを放射するグループに属している7つの一次放射器7と接続されている同軸導波路21は、自己と接続されている同軸導波路31に対して、第1の周波数帯の電波を出力する。
以下、ビーム形成回路3の動作を具体的に説明する。
このため、中心の同軸導波路31に到達した第1の周波数帯の電波に含まれている第3の偏波が矩形導波路33から出力され、第2の周波数帯の電波に含まれている第4の偏波が矩形導波路34から出力される。
T分岐部2−nは、矩形導波路33から第3の偏波が出力され、矩形導波路34から第4の偏波が出力されると、第3の偏波と第4の偏波を合成し、合成した電波を入出力ポート1−nに出力する。
例えば、同軸導波路31における内側導波路31bの他端31b”において、内側導波路31bの管壁部分が第3の偏波を入出力し、内側導波路31b内の空洞部分が第4の偏波を入出力するようにしてもよい。
上記実施の形態1では、ビームを反射する主反射鏡8を備えたアンテナ装置について示したが、この実施の形態2では、主反射鏡8の他に、ビームを反射する副反射鏡40を備えたアンテナ装置について説明する。
副反射鏡40は一次放射器7−1〜7−Mから放射されたビームを主反射鏡8に向けて反射させる一方、主反射鏡8により反射されたビームを一次放射器7−1〜7−Mに向けて反射させる。
図13では、副反射鏡40は、鏡面が回転双曲面であるカセグレン形式の反射鏡である例を示している。
ただし、副反射鏡40は、カセグレン形式の反射鏡に限るものではなく、鏡面が回転楕円面であるグレゴリアン形式の反射鏡であってもよい。また、副反射鏡40は、鏡面が平面の反射鏡であってもよい。
また、副反射鏡40は、複数枚の反射鏡で構成されているものであってもよい。
また、副反射鏡40を用いることで、主反射鏡8だけでは、ビームを覆うことができない位置のサービスエリアについても、ビームを覆うことができる効果が得られる。
Claims (6)
- 互いに直交している2つの偏波を含む第1の周波数帯の電波を形成して、前記第1の周波数帯の電波を出力する第1のビーム形成回路と、
前記第1のビーム形成回路から出力された第1の周波数帯の電波を入力して、前記第1の周波数帯の電波を出力するとともに、互いに直交している2つの偏波を含む第2の周波数帯の電波を形成して、前記第2の周波数帯の電波を出力する第2のビーム形成回路と、
前記第2のビーム形成回路から出力された第1の周波数帯の電波に従って前記第1の周波数帯のビームを放射するとともに、前記第2のビーム形成回路から出力された第2の周波数帯の電波に従って前記第2の周波数帯のビームを放射する複数の一次放射器と
を備えたアンテナ装置。 - 前記複数の一次放射器のそれぞれは、同軸円筒導波路で形成されているホーンアンテナであり、
前記複数のホーンアンテナが前記第2のビーム形成回路と接続され、前記第2のビーム形成回路が前記第1のビーム形成回路と接続されていることを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。 - 前記第2のビーム形成回路は、
前記複数のホーンアンテナの中の1つのホーンアンテナとそれぞれ接続されている複数の同軸導波路と、
前記複数の同軸導波路の間を接続する複数の接続導波路と、
前記複数の同軸導波路の中の1つの同軸導波路と接続され、前記1つの同軸導波路に対して、互い直交している2つの偏波を与える給電用導波路とを備え、
前記複数の同軸導波路の中の1つの同軸導波路における内側導波路の一端は、前記複数のホーンアンテナの中の1つのホーンアンテナにおける内側導波路とそれぞれ接続され、前記複数の同軸導波路における内側導波路の他端は、前記第1のビーム形成回路と接続されており、
前記複数の同軸導波路の中の1つの同軸導波路における外側導波路の一端は、前記複数のホーンアンテナの中の1つのホーンアンテナにおける外側導波路とそれぞれ接続され、前記複数の同軸導波路における外側導波路の他端は、終端されていることを特徴とする請求項2記載のアンテナ装置。 - 前記複数の一次放射器から放射されたビームを反射する主反射鏡を備えたことを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。
- 前記複数の一次放射器から放射されたビームを反射する副反射鏡と、
前記副反射鏡により反射されたビームを反射する主反射鏡とを備えたことを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。 - 前記複数の一次放射器は、前記第1の周波数帯のビームを受信して、前記第1の周波数帯の電波を前記第2のビーム形成回路に出力するとともに、前記第2の周波数帯のビームを受信して、前記第2の周波数帯の電波を前記第2のビーム形成回路に出力し、
前記第2のビーム形成回路は、前記複数の一次放射器から出力された第1の周波数帯の電波を前記第1のビーム形成回路に出力するとともに、前記複数の一次放射器から出力された第2の周波数帯の電波に含まれている2つの偏波をそれぞれ出力し、
前記第1のビーム形成回路は、前記第2のビーム形成回路から出力された第1の周波数帯の電波に含まれている2つの偏波をそれぞれ出力することを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。
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