(57)【要約】  回転放物面（２ａ）の中心点（３）を含む反射鏡（２）の第１の領域（４）が導体（１１）で形成されている領域であり、第１の領域（４）の外周の領域である反射鏡（２）の第２の領域（５）が、導体地板（１２）に重ねられている誘電体（１３）上に複数の導体パターンである反射素子（１４）が配置されている領域であり、複数の反射素子（１４）の配置間隔が第２の周波数帯域の電波の波長に対応する間隔であるように構成する。
2018109837.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の周波数帯域の電波を放射するとともに、第１の周波数帯域よりも周波数が高い第２の周波数帯域の電波を放射する一次放射器と、
前記一次放射器から放射された第１及び第２の周波数帯域の電波を反射させる回転放物面を有する反射鏡とを備え、
前記回転放物面の中心点を含む前記反射鏡の第１の領域は、導体で形成されている領域であり、
前記第１の領域の外周の領域である前記反射鏡の第２の領域は、導体地板に重ねられている誘電体上に複数の導体パターンである反射素子が配置されている領域であり、
前記複数の反射素子の配置間隔が前記第２の周波数帯域の電波の波長に対応する間隔であることを特徴とする反射鏡アンテナ装置。
【請求項２】
前記第２の領域に前記複数の反射素子が配置されていることで、前記第１の領域における電波の反射位相と、前記第２の領域における電波の反射位相とが異なっており、
前記第１の領域に含まれる前記中心点における電波の反射位相と、前記第２の領域における電波の反射位相との位相差が、９０度以上１８０度以下の範囲であることを特徴とする請求項１記載の反射鏡アンテナ装置。
【請求項３】
前記複数の反射素子の形状が円形リング形状であることを特徴とする請求項１記載の反射鏡アンテナ装置。
【請求項４】
前記複数の反射素子の形状が矩形リング形状であることを特徴とする請求項１記載の反射鏡アンテナ装置。
【請求項５】
前記一次放射器を複数備えており、
前記反射鏡は、前記複数の一次放射器から放射された電波を反射させる回転放物面を有していることを特徴とする請求項１記載の反射鏡アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一次放射器及び反射鏡を有する反射鏡アンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、２７ＧＨｚ〜４０ＧＨｚの周波数帯であるＫａ帯の衛星通信で用いられる通信方式は、大容量の高速通信を実現するため、所望のカバレッジエリアを複数のペンシルビームで覆う方式が主流になっている。
Ｋａ帯における通信用の帯域では、送信帯域が２０ＧＨｚ帯、受信帯域が３０ＧＨｚ帯であり、送信帯域と受信帯域が離れている。
このため、送受共用の反射鏡アンテナでは、一次放射器から放射される電波の反射鏡上の照度分布が異なり、受信帯域のビーム幅が送信帯域のビーム幅よりも細くなる。その結果、所望のカバレッジエリア端における送信帯域のビームの利得と受信帯域のビームの利得とが異なる問題が生じる。【０００３】
以下の特許文献１には、所望のカバレッジエリア端における送信帯域のビームの利得と受信帯域のビームの利得とを出来る限り近づけるため、反射鏡における中央部の位相と外周部の位相が１８０度異なるように、反射鏡の鏡面に段差を設けている反射鏡アンテナが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７，７３７，９０３号明細書  Ｂ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の反射鏡アンテナ装置は以上のように構成されているので、所望のカバレッジエリア端における送信帯域のビームの利得と受信帯域のビームの利得とを近づけることができる。しかし、反射鏡の鏡面に段差を設ける製造は難しいため、設計値通りの段差を設けることが困難であり、カバレッジエリア端における受信帯域のビームの利得が、カバレッジエリア端における送信帯域のビームの利得よりも低くなることがある。
その結果、反射鏡アンテナ装置を送信アンテナと受信アンテナの共用アンテナとして利用する場合、カバレッジエリア端における送信帯域のビームの利得が高くても、受信帯域のビームの利得によって、反射鏡アンテナ装置の通信特性が制限されてしまうという課題があった。【０００６】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、カバレッジエリア端における送信帯域のビームの利得と受信帯域のビームの利得とを揃えることができる反射鏡アンテナ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る反射鏡アンテナ装置は、第１の周波数帯域の電波を放射するとともに、第１の周波数帯域よりも周波数が高い第２の周波数帯域の電波を放射する一次放射器と、一次放射器から放射された第１及び第２の周波数帯域の電波を反射させる回転放物面を有する反射鏡とを備え、回転放物面の中心点を含む反射鏡の第１の領域が導体で形成されている領域であり、第１の領域の外周の領域である反射鏡の第２の領域が、導体地板に重ねられている誘電体上に複数の導体パターンである反射素子が配置されている領域であり、複数の反射素子の配置間隔が第２の周波数帯域の電波の波長に対応する間隔であるものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、回転放物面の中心点を含む反射鏡の第１の領域が導体で形成されている領域であり、第１の領域の外周の領域である反射鏡の第２の領域が、導体地板に重ねられている誘電体上に複数の導体パターンである反射素子が配置されている領域であり、複数の反射素子の配置間隔が第２の周波数帯域の電波の波長に対応する間隔であるように構成したので、反射鏡の鏡面に段差を設けることなく、カバレッジエリア端における送信帯域のビームの利得と受信帯域のビームの利得とを揃えることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１Ａはこの発明の実施の形態１による反射鏡アンテナ装置を示す構成図、図１Ｂは図１Ａにおける点線の〇で囲んでいる要部の拡大図である。
【図２】図２Ａは反射鏡の全体が導体で形成されている反射鏡アンテナ装置における反射鏡上の振幅分布及び位相分布を示す説明図、図２Ｂは実施の形態１の反射鏡アンテナ装置における反射鏡上の振幅分布及び位相分布を示す説明図である。
【図３】第２の領域５における反射位相の決定の仕方を説明する説明図である。
【図４】反射鏡アンテナ装置のカバレッジエリア端におけるビーム利得のシミュレーション結果を示す説明図である。
【図５】第１の領域４の直径が１０００ｍｍである場合と、第１の領域４の直径が９００ｍｍである場合とにおいて、第２の領域の反射位相を０度から１８０度まで変化させたときのカバレッジエリア端におけるビーム利得のシミュレーション結果を示す説明図である。
【図６】この発明の実施の形態１による他の反射鏡アンテナ装置における反射鏡上の振幅分布及び位相分布を示す説明図である。
【図７】この発明の実施の形態２による反射鏡アンテナ装置を示す構成図である。
【図８】この発明の実施の形態３による反射鏡アンテナ装置を示す構成図である。
【図９】この発明の実施の形態４による反射鏡アンテナ装置を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
【００１１】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による反射鏡アンテナ装置を示す構成図である。
図１Ａはこの発明の実施の形態１による反射鏡アンテナ装置を示す構成図であり、図１Ｂは図１Ａにおける点線の〇で囲んでいる要部の拡大図である。
図１において、一次放射器１は第１の周波数帯域の電波を放射するとともに、第１の周波数帯域よりも周波数が高い第２の周波数帯域の電波を放射する放射器である。
【００１２】
反射鏡２は一次放射器１から放射された第１及び第２の周波数帯域の電波を反射させる回転放物面２ａを有している。
第１の領域４は回転放物面２ａの中心点３を含んでいる領域であり、第１の領域４は導体１１で形成されている。
第２の領域５は第１の領域４の外周の領域である。
第２の領域５には、導体地板１２に重ねられている誘電体１３上に複数の導体パターンである反射素子１４が配置されている。
導体地板１２は、一次放射器１から放射された電波が当たらない反射鏡２の裏面側に設けられ、反射素子１４は、一次放射器１から放射された電波が当たる反射鏡２の表面側に設けられている。
【００１３】
反射素子１４は、第２の領域５内にＮ（Ｎは２以上の整数）個配置されている。
Ｎ個の反射素子１４の配置間隔は、第２の周波数帯域の電波の波長に対応する間隔である。例えば、第２の周波数帯域の電波の波長がλであるとすれば、Ｎ個の反射素子１４の配置間隔は、概ね０．５×λ〜０．７×λの範囲の間隔である。
この実施の形態１では、Ｎ個の反射素子１４の配置間隔を、第２の周波数帯域の電波の波長に対応する間隔としているため、Ｎ個の反射素子１４は、第２の周波数帯域においては、反射鏡２上の位相分布に影響を与える。
一方、第２の周波数帯域よりも周波数が低い第１の周波数帯域では、Ｎ個の反射素子１４は、導体として作用するだけで、反射位相の変化に寄与しない。
このため、Ｎ個の反射素子１４は、第１の周波数帯域においては、反射鏡２上の位相分布に影響を与えない。
【００１４】
図１Ｂの拡大図は、巨視的に見ているため、反射鏡２を平面的に描画しているが、実際には回転放物面２ａであるため、反射鏡２は曲面である。
この実施の形態１では、第２の領域５にＮ個の反射素子１４が配置されていることで、第１の領域４における電波の反射位相と、第２の領域５における電波の反射位相とが異なっており、第１の領域４に含まれる中心点３における電波の反射位相と、第２の領域５における電波の反射位相との位相差が、９０度以上１８０度以下の範囲となっている。
【００１５】
次に動作について説明する。
一次放射器１は、第１の周波数帯域の電波及び第２の周波数帯域の電波を放射する。
反射鏡２は、一次放射器１から放射された第１及び第２の周波数帯域の電波を反射させる回転放物面２ａを有しており、一次放射器１から放射された第１及び第２の周波数帯域の電波を所望の方向に反射させる。
【００１６】
図２は反射鏡アンテナ装置における反射鏡上の振幅分布及び位相分布を示す説明図である。
図２Ａは反射鏡の全体が導体で形成されている反射鏡アンテナ装置における反射鏡上の振幅分布及び位相分布を示し、図２Ｂは実施の形態１の反射鏡アンテナ装置における反射鏡上の振幅分布及び位相分布を示している。
【００１７】
反射鏡２の全体が導体で形成されている反射鏡アンテナ装置では、図２Ａに示すように、反射鏡２上の振幅分布が、第１の周波数帯域と第２の周波数帯域で異なっている。
一方、反射鏡２上の位相分布については、図２Ａに示すように、一次放射器１の設計次第では、第１の周波数帯域と第２の周波数帯域でほぼ同一にすることができる。
このとき、反射鏡２により反射される電波であるビームのビーム幅は、第２の周波数帯域よりも、第１の周波数帯域の方が狭くなる。その理由は、第２の周波数帯域よりも、第１の周波数帯域の方が低い周波数であるため、反射鏡２上の振幅分布のテーパが、第２の周波数帯域よりも、第１の周波数帯域の方が緩やかとなるからである。
第１の周波数帯域でのビーム幅と、第２の周波数帯域でのビーム幅とが異なるため、所望のカバレッジエリアを設定したとき、カバレッジエリア端における第１の周波数帯域のビームの利得と第２の周波数帯域のビームの利得とに相違が生じる。
【００１８】
この実施の形態１の反射鏡アンテナ装置では、第２の領域５にＮ個の反射素子１４が配置されていることで、第１の領域４における電波の反射位相と、第２の領域５における電波の反射位相とが異なっている。
図２Ｂの例では、第１の領域４に含まれる中心点３における電波の反射位相と、第２の領域５における電波の反射位相との位相差が１８０度になっている。
このため、第１の領域４によって反射されるビームと、第２の領域５によって反射されるビームとが合成されることで、カバレッジエリア端における第１の周波数帯域のビームの利得と第２の周波数帯域のビームの利得とを揃えることができる。
【００１９】
ここで、図３は第２の領域５における反射位相の決定の仕方を説明する説明図である。
図３では、一次放射器１の位相中心を直交座標系の原点Ｏとしている。
ｒ０は反射鏡２の主ビーム方向を表す単位ベクトルである。一次放射器１は回転放物面２ａを有する反射鏡２に対してオフセット角βで傾いている。
原点Ｏから回転放物面２ａの中心点３までの距離が距離Ｒ０であり、回転放物面２ａの中心点３での反射位相をΦ０としている。
距離Ｒ０は、以下の式（１）で表すことができる。
2018109837.tif 000003
式（１）において、ｆは反射鏡２の焦点距離である。
また、回転放物面２ａの中心点３での反射位相Φ０は、以下の式（２）で表すことができる。
2018109837.tif 000004
式（２）において、ｋ０は波数（＝２π／波長）である。
【００２０】
また、図３では、第２の領域５に配置されているＮ個の反射素子１４のうち、ｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）番目の反射素子１４が配置されている位置での反射位相をΦｎ、原点Ｏからｎ番目の反射素子１４までの距離をＲｎとしている。ｒｎは反射位相Φ０から反射位相Φｎを指す位置ベクトルである。
ｎ番目の反射素子１４が配置されている位置での反射位相Φｎは、以下の式（３）で表すことができる。
2018109837.tif 000005
【００２１】
したがって、中心点３における電波の反射位相と、ｎ番目の反射素子１４が配置されている位置での電波の反射位相との位相差が、９０度以上１８０度以下の範囲となるように設定するには、式（２）及び式（３）を用いて、反射位相Φｎを式（４）のように設定すればよい。
2018109837.tif 000006
【００２２】
図４は反射鏡アンテナ装置のカバレッジエリア端におけるビーム利得のシミュレーション結果を示す説明図である。
図４の例では、反射鏡２の開口径を１５００ｍｍ、送信帯域である第１の周波数帯域を２０ＧＨｚ、受信帯域である第２の周波数帯域を３０ＧＨｚとしている。
また、図４の例では、反射鏡２における第１の領域４の直径を１０００ｍｍ、第１の領域４の中心点３における電波の反射位相と第２の領域における電波の反射位相との位相差を１８０度に設定している。
図４の例では、第１の周波数帯域における指向性利得のピーク（角度０度における第１の周波数帯域の指向性利得）から４ｄＢｉ低下している角度範囲をカバレッジエリアとしており、この角度範囲を１度（−０．５〜＋０．５）としている。この場合のカバレッジエリア端は、−０．５度と＋０．５度である。
ここでは、指向性利得のピークから４ｄＢｉ低下している角度範囲をカバレッジエリアとしているが、これは一例に過ぎず、指向性利得のピークからの低下が４ｄＢｉよりも大きい角度範囲、あるいは、４ｄＢｉよりも小さい角度範囲をカバレッジエリアとしてもよい。
【００２３】
図４において、点線は第１の周波数帯域のビーム、実線は実施の形態１における第２の周波数帯域のビーム、破線は反射鏡２の全体が導体で形成されている場合（図４では従来と表記している）の第２の周波数帯域のビームである。
反射鏡２の全体が導体で形成されている場合の第２の周波数帯域のビームは、図４に示すように、第１の周波数帯域のビームよりもビーム幅が狭いため、カバレッジエリア端における第１の周波数帯域のビームの利得と、第２の周波数帯域のビームの利得とが相違している。
即ち、カバレッジエリア端における受信帯域である第２の周波数帯域のビームの利得が、送信帯域である第１の周波数帯域のビームの利得よりも低くなっている。
この実施の形態１の反射鏡アンテナ装置では、図４に示すように、第１の周波数帯域のビームのビーム幅と、第２の周波数帯域のビームのビーム幅とがほぼ同じになっており、カバレッジエリア端における第１の周波数帯域のビームの利得と、第２の周波数帯域のビームの利得とが揃っている。
【００２４】
図５は第１の領域４の直径が１０００ｍｍである場合と、第１の領域４の直径が９００ｍｍである場合とにおいて、第２の領域の反射位相を０度から１８０度まで変化させたときのカバレッジエリア端におけるビーム利得のシミュレーション結果を示す説明図である。
図５において、２０ＧＨｚのカバレッジエリア端利得は、カバレッジエリア端における送信帯域である第１の周波数帯域のビームの利得であり、そのビームの利得は約４２ｄＢｉである。
第１の領域４の中心点３における電波の反射位相と第２の領域における電波の反射位相との位相差が９０度以上で約１７０度以下の範囲では、第１の領域４の直径が９００ｍｍであれば、カバレッジエリア端における受信帯域である第２の周波数帯域のビームの利得が、送信帯域である第１の周波数帯域のビームの利得よりも大きくなっていることが分かる。
また、双方の反射位相の位相差が約１１０度以上で１８０度以下の範囲では、第１の領域４の直径が１０００ｍｍであれば、カバレッジエリア端における受信帯域である第２の周波数帯域のビームの利得が、送信帯域である第１の周波数帯域のビームの利得よりも大きくなっていることが分かる。
送信帯域である第１の周波数帯域のビームの利得については、一次放射器１から放射される第１の周波数帯域のビームの電力を大きくすれば、高めることができるため、カバレッジエリア端における送信帯域のビームの利得と受信帯域のビームの利得とを揃えることができる。
【００２５】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、回転放物面２ａの中心点３を含む反射鏡２の第１の領域４が導体１１で形成されている領域であり、第１の領域４の外周の領域である反射鏡２の第２の領域５が、導体地板１２に重ねられている誘電体１３上に複数の導体パターンである反射素子１４が配置されている領域であり、複数の反射素子１４の配置間隔が第２の周波数帯域の電波の波長に対応する間隔であるように構成したので、反射鏡２の鏡面に段差を設けることなく、カバレッジエリア端における送信帯域のビームの利得と受信帯域のビームの利得とを揃えることができる効果を奏する。
【００２６】
この実施の形態１では、第２の領域５にＮ個の反射素子１４が配置されていることで、第１の領域４に含まれる中心点３における電波の反射位相と比べて、第２の領域５における電波の反射位相が９０度以上１８０度以下の範囲で遅れている例を示している。
第１の領域４に含まれる中心点３における電波の反射位相と比べて、第２の領域５における電波の反射位相が９０度以上１８０度以下の範囲で異なっていればよく、上記の例に限るものではない。
このため、図６に示すように、第１の領域４に含まれる中心点３における電波の反射位相と比べて、第２の領域５における電波の反射位相が９０度以上１８０度以下の範囲で進んでいるものであってもよい。
図６はこの発明の実施の形態１による他の反射鏡アンテナ装置における反射鏡上の振幅分布及び位相分布を示す説明図である。
【００２７】
実施の形態２．
第２の領域５に配置されるＮ個の反射素子１４の形状は、どのような形状でもよいが、この実施の形態２では、円形リング形状の反射素子１４を例示する。
図７はこの発明の実施の形態２による反射鏡アンテナ装置を示す構成図である。
図７の反射鏡アンテナ装置では、Ｎ個の反射素子１４の形状が円形リング形状になっている。
この実施の形態２でも、上記実施の形態１と同様に、反射鏡２の鏡面に段差を設けることなく、カバレッジエリア端における送信帯域のビームの利得と受信帯域のビームの利得とを揃えることができる効果を奏する。
【００２８】
実施の形態３．
第２の領域５に配置されるＮ個の反射素子１４の形状は、どのような形状でもよいが、この実施の形態３では、矩形リング形状の反射素子１４を例示する。
図８はこの発明の実施の形態３による反射鏡アンテナ装置を示す構成図である。
図８の反射鏡アンテナ装置では、Ｎ個の反射素子１４の形状が矩形リング形状になっている。
この実施の形態３でも、上記実施の形態１と同様に、反射鏡２の鏡面に段差を設けることなく、カバレッジエリア端における送信帯域のビームの利得と受信帯域のビームの利得とを揃えることができる効果を奏する。
反射素子１４の形状が矩形リング形状である場合、円形リング形状よりも反射位相を変化させることが容易である。
【００２９】
実施の形態４．
上記実施の形態１では、反射鏡アンテナ装置が１つの一次放射器１を備えている例を示しているが、この実施の形態４では、反射鏡アンテナ装置が複数の一次放射器１を備えている例を説明する。
図９はこの発明の実施の形態４による反射鏡アンテナ装置を示す構成図である。
図９の例では、反射鏡アンテナ装置が、原点Ｏに位相中心を配置している複数の一次放射器１を備えており、反射鏡２が、複数の一次放射器１から放射された電波を反射させる回転放物面２ａを有している。
これにより、反射鏡アンテナ装置をマルチビームアンテナとして動作させることができる。
【００３０】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
この発明は、一次放射器及び反射鏡を有する反射鏡アンテナ装置に適している。
【符号の説明】
【００３２】
１  一次放射器、２  反射鏡、２ａ  回転放物面、３  中心点、４  第１の領域、５  第２の領域、１１  導体、１２  導体地板、１３  誘電体、１４  反射素子。
【図１】
2018109837.tif 000007
【図２】
2018109837.tif 000008
【図３】
2018109837.tif 000009
【図４】
2018109837.tif 000010
【図５】
2018109837.tif 000011
【図６】
2018109837.tif 000012
【図７】
2018109837.tif 000013
【図８】
2018109837.tif 000014
【図９】
2018109837.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成29年4月6日(2017.4.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
この発明に係る反射鏡アンテナ装置は、第１の周波数帯域の電波を放射するとともに、第１の周波数帯域よりも周波数が高い第２の周波数帯域の電波を放射する一次放射器と、一次放射器から放射された第１及び第２の周波数帯域の電波を反射させる回転放物面を有する反射鏡とを備え、回転放物面の中心点を含む反射鏡の第１の領域が導体で形成されている領域であり、第１の領域の外周の領域である反射鏡の第２の領域が、導体地板に重ねられている誘電体上に複数の導体パターンである反射素子が配置されている領域であり、複数の反射素子の配置間隔が第２の周波数帯域の電波の波長に対応する間隔であるものである。
また、第２の領域に複数の反射素子が配置されていることで、第１の領域における電波の反射位相と、第２の領域における電波の反射位相とが異なっており、第１の領域に含まれる中心点における電波の反射位相と、第２の領域における電波の反射位相との位相差が、９０度以上１８０度以下の範囲であるものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の周波数帯域の電波を放射するとともに、第１の周波数帯域よりも周波数が高い第２の周波数帯域の電波を放射する一次放射器と、
前記一次放射器から放射された第１及び第２の周波数帯域の電波を反射させる回転放物面を有する反射鏡とを備え、
前記回転放物面の中心点を含む前記反射鏡の第１の領域は、導体で形成されている領域であり、
前記第１の領域の外周の領域である前記反射鏡の第２の領域は、導体地板に重ねられている誘電体上に複数の導体パターンである反射素子が配置されている領域であり、
前記複数の反射素子の配置間隔が前記第２の周波数帯域の電波の波長に対応する間隔であり、
前記第２の領域に前記複数の反射素子が配置されていることで、前記第１の領域における電波の反射位相と、前記第２の領域における電波の反射位相とが異なっており、
前記第１の領域に含まれる前記中心点における電波の反射位相と、前記第２の領域における電波の反射位相との位相差が、９０度以上１８０度以下の範囲であることを特徴とする反射鏡アンテナ装置。
【請求項２】
前記複数の反射素子の形状が円形リング形状であることを特徴とする請求項１記載の反射鏡アンテナ装置。
【請求項３】
前記複数の反射素子の形状が矩形リング形状であることを特徴とする請求項１記載の反射鏡アンテナ装置。
【請求項４】
前記一次放射器を複数備えており、
前記反射鏡は、前記複数の一次放射器から放射された電波を反射させる回転放物面を有していることを特徴とする請求項１記載の反射鏡アンテナ装置。
【国際調査報告】
2018109837.tif 000016
2018109837.tif 000017
2018109837.tif 000018
2018109837.tif 000019