(57)【要約】  反射器を備えたアレイアンテナ（ＡＲ）には、ｉ）選択された方向においてビーム（Ｆ１〜Ｆ５）を送信および／または受信するように構成および配置された、中心フィード（Ｓ１）を含む少なくとも２つのフィード（Ｓ１〜Ｓ５）のアレイ（ＲＳ）と、ｉｉ）選択された地域（Ｚ１〜Ｚ５）をカバーするように意図された選択された放射パターン（ビームを形成しかつメインローブを含む）を各フィード（Ｓ１〜Ｓ５）が送信するように、フィードのポートに適用される振幅／位相規則によって、フィードのそれぞれの振幅および位相を制御するための、および適切な増幅レベルを提供するための責任があるビーム形成手段と、ｉｉｉ）フィードによって送出された、および／またはフィードに向かうように意図されたビームを特に反射するための表面（ＳＵ）を設けられ、かつ各フィード（Ｓ１〜Ｓ５）によって送出されたビームを、そのエネルギを拡散することによって反射するために３次元的に成形された少なくとも１つ反射器（ＲＣ）であって、ビームが、選択された関連地域をカバーするように、また中心フィード（Ｓ１）に関連する放射パターンのメインローブが、選択された形状および大きさの、アンテナ（ＡＲ）の各有効受信可能地域（ＺＣ１、ＺＣ２）を完全に含む主要受信可能範囲（ＣＰ）を規定するように、また各非中心フィード（Ｓ２〜Ｓ５）に関連する放射パターンのメインローブが、主要受信可能範囲（ＣＰ）と少なくとも部分的に重なり合うようにする少なくとも１つ反射器（ＲＣ）と、が含まれる。
2009501469.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射器を備えたアレイアンテナ（ＡＲ）であって、ｉ）選択された方向において電磁波ビーム（Ｆｉ）を送信および／または受信するように構成および配置された、いわゆる中心フィード（Ｓ１）を含む少なくとも２つのフィード（Ｓｉ）のアレイ（ＲＳ）と、ｉｉ）選択された地域（Ｚｉ）をカバーするように意図された、ビーム（Ｆｉ）を形成しかつメインローブを含む選択された放射パターンを各フィード（Ｓｉ）が送信するために、前記フィード（Ｓｉ）のポートに適用される振幅／位相規則によって、前記フィード（Ｓｉ）のそれぞれの振幅および位相を制御するように、および適切な増幅レベルを提供するように構成されたビーム形成手段（ＭＦＦ）と、ｉｉｉ）前記フィード（Ｓｉ）によって送出された、および／または前記フィード（Ｓｉ）に向かうように意図された前記ビーム（Ｆｉ）を特に反射するための表面（ＳＵ）を設けられた少なくとも１つの反射器（ＲＣ）と、を含み、
前記表面（ＳＵ）が、３次元的に成形され、前記表面（ＳＵ）が、各フィード（Ｓｉ）によって送出された前記ビーム（Ｆｉ）を反射しかつそのエネルギを拡散するように前記表面（ＳＵ）の選択された位置に配置された凹部および凸部の形状を取って、前記ビームが、前記選択された関連地域（Ｚｉ）をカバーするように、また前記中心フィード（Ｓ１）に関連する前記放射パターンのメインローブが、選択された形状および大きさの、前記アンテナ（ＡＲ）の各有効受信可能地域（ＺＣｊ）を完全に含むいわゆる主要受信可能範囲（ＣＰ）を規定するように、また各非中心フィードに関連する前記放射パターンのメインローブが、前記主要受信可能範囲（ＣＰ）と少なくとも部分的に重なり合うようにすることと、
前記ビーム形成手段が、前記フィード（Ｓｉ）によって送出された前記ビーム（Ｆｉ）の組み合わせが前記有効受信可能地域（ＺＣｊ）のそれぞれを規定するように選択された振幅および／または位相規則を、前記フィード（Ｓｉ）のアレイのポートに適用するように構成されていることと、
を特徴とするアレイアンテナ。
【請求項２】
前記主要受信可能範囲（ＣＰ）が、少なくとも１つの有効受信可能地域（ＺＣｊ）を完全に含むことを特徴とする、請求項１に記載の反射器を備えたアレイアンテナ。
【請求項３】
前記主要受信可能範囲（ＣＰ）が、少なくとも２つの有効受信可能地域（ＺＣｊ）を完全に含むことを特徴とする、請求項１および２のいずれか一項に記載の反射器を備えたアレイアンテナ。
【請求項４】
前記フィード（Ｓｉ）が、前記反射器（ＲＣ）のうちの１つの焦点面に配置されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の反射器を備えたアレイアンテナ。
【請求項５】
前記フィード（Ｓｉ）が、前記反射器（ＲＣ）のうちの１つの焦点面の外側に配置されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の反射器を備えたアレイアンテナ。
【請求項６】
前記反射器（ＲＣ）の前記表面（ＳＵ）が、３次元的に成形された略放物面形状を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の反射器を備えたアレイアンテナ。
【請求項７】
前記反射器の少なくとも１つが、前記アレイ（ＲＳ）の前記中心フィード（Ｓ１）に関連する前記メインローブの位置を修正するように構成された指向機構を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の反射器を備えたアレイアンテナ。
【請求項８】
前記フィード（Ｓｉ）のそれぞれが、少なくとも１つの円形または矩形ホーン、印刷された素子、スロットまたはヘリックスを含む群から選択される放射素子を含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の反射器を備えたアレイアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衛星に搭載され、かつ電磁波ビームを送信および／または受信するように意図された、反射器を備えたアレイアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
用語「反射器を備えたアレイアンテナ」は、本明細書では、アレイを規定するフィード（または放射素子）のセットおよび１つまたは複数の反射器からなるアンテナを意味すると理解すべきである。
【０００３】
反射器を備えた前述のアレイアンテナは、特に興味深い。なぜなら、それらによって、１つまたは複数の所与の受信可能範囲の方へ放射される１つまたは複数のビームを形成し位置決めすることが可能になるからである。このビーム形成は、フィードにおいて振幅および／または位相を制御することにより行われる。
【０００４】
軌道において、受信可能範囲の位置および形状を修正する能力（二重の再構成可能性）は、特に、トラフィックの変化を考慮するか、故障した衛星に取って代わるか、または所与の地域にわたるリンクバジェットを保持して軌道弧における位置を変えるには、特に興味深い。二重の再構成可能性に実現するためには、以下で説明する３つの解決法が、最も一般に用いられる。
【０００５】
第１の解決法は、直接放射（またはＤＲＡ）を伴う能動アレイアンテナ、換言すれば、反射器のないアンテナを用いることにある。このタイプのアレイアンテナは、非常に良好な二重の再構成可能能力を提供するが、多数の制御装置を必要とし、そのために、そのコストおよび重量が法外なものになることが多い。さらに、送信において、ＤＲＡ制御装置のそれぞれに関連する増幅器の効率が低いために、しばしば法外な電力消費がもたらされる。
【０００６】
第２の解決法には、非成形放物面反射器（またはＦＡＦＲ）の焦点面または焦点面近くのフィードアレイを用いることが含まれる。この解決法は、特に米国特許第４，９６５，５８７号明細書に説明されている。所与の地域をカバーするために、フィードアレイは、そのフィードのそれぞれが、全受信可能範囲の一部に寄与するような大きさにされる。フィードの位置決めは、カバーされる地域と直接関連付けられる。それは、反射の原理を反射器に適用することによって幾何学的に決定される。異なる制御装置の振幅／位相規則は、組み合わされ、かつカバーされる各地域に適した放射パターンを提供するようにフィードによって送出されるビームに対して、最適化されなければならない。最初に提供される、地域の１つだけがカバーされることになる場合には、対応するアレイの一部だけが用いられる。放射素子に適用される振幅レンジは大きく、そのために、送信において、（ＭＰＡと呼ばれる）増幅器間で電力平衡装置を用いることが必要になる場合が多い。
【０００７】
フィードのそれぞれが受信可能範囲の一部に直接関連付けられるという事実は、一方では、部分的損傷の場合にこの地域が失われることを回避するために増幅器に冗長性を課し、他方では、受信可能範囲のサイズに合わせて直接関連付けられる多数のフィード（およびしばしば制御装置）を必要とする。したがって、ビーム形成アーキテクチャは、特に複雑で、ＭＰＡの存在に関連付けられた追加的なロスをもたらし、かなり大きな体積および重量に帰着する。
【０００８】
第２の解決法の変形である第３の解決法は、米国特許出願公開第２００４／０２２２９３２号明細書で提案された。それは、反射器の焦点面にフィードアレイを配置することにあり、その反射器の反射面は、個別フィードによって送出されるメインローブに「平らな」放射パターンを有する各ビームによってカバーされるエリアを拡大するように、成形される。原理は、上記と同じままであり、各フィードは、受信可能範囲の一部だけに寄与する。次に、反射器の形状によってもたらされる個別ビームの拡散ゆえに、受信可能範囲をサンプリングするために必要なフィードの数は低減することができ、それによって、アンテナ制御装置の数を低減することが可能になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
コストおよび／または重量および／または制御装置の単純性および／または軌道における再構成可能性のための能力の点から十分な満足を提供する周知の解決法がないので、したがって本発明の目的は、この状況を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的のために、本発明は、ｉ）選択された方向において電磁波ビームを送信（または受信）するように構成および配置された、いわゆる中心フィードを含む少なくとも２つのフィードのアレイと、ｉｉ）選択された地域をカバーするように意図された選択された放射パターン（ビームを形成しかつメインローブを含む）を各フィードが送信するように、フィードのポートに適用される振幅／位相規則によってフィードのそれぞれの振幅および位相を制御するための、および適切な増幅レベルを提供するためのビーム形成手段と、ｉｉｉ）フィードによって送出された（またはこれらのフィードに向かう）ビームを反射するための１つまたは複数の反射器とを含む、反射器を備えたアレイアンテナを提案する。
【００１１】
反射器を備えたこのアレイアンテナは、次の事実を特徴とする。
アレイアンテナの反射器の少なくとも１つの表面は、各フィードによって送出されたビームを反射し、かつそのエネルギを拡散するように３次元的（３Ｄ）に成形されて、ビームが、選択された関連地域をカバーするように、また中心フィードに関連する放射パターンのメインローブが、選択された形状および大きさの、アンテナの各有効受信可能地域を完全に含むいわゆる主要受信可能範囲を規定するように、また各非中心フィードに関連する放射パターンのメインローブが、主要受信可能範囲と少なくとも部分的に重なり合うようにする。
アレイアンテナのビーム形成手段は、アレイのフィードによって送出されたビームの組み合わせがアンテナの有効受信可能地域のそれぞれを規定するように選択された振幅および／または位相規則を、フィードアレイのポートに適用する責任がある。
【００１２】
本発明による、反射器を備えたアレイアンテナは、別個に、または組み合わせて取り入れることができる他の特徴、特に次の特徴を含むことができる。
アレイアンテナのフィードは、反射器の前において任意の方法で、反射器の焦点面かまたは焦点面の外側に配置することができる。
アレイアンテナのフィードには、送信および／または受信モードならびに任意の極性で動作する任意のタイプの放射素子（たとえば、円形もしくは矩形ホーン、印刷された素子（もしくは「パッチ」）、スロットまたはヘリックス）を含むことができる。
アレイアンテナの反射器のうちの１つの表面は、３次元的に成形された略放物面形状を有するのが好ましい。
アレイアンテナの反射器の少なくとも１つは、アレイの中心フィードに関連するメインローブの位置を修正するための指向機構を含むことができる。
【００１３】
本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面を検討することによって、明らかになるであろう。
【００１４】
添付の図面は、本発明を補足するためだけでなく、適宜、その定義に寄与するために用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
第１に、図１を参照して、本発明による、反射器を備えたアレイアンテナＡＲを説明する。
【００１６】
以下では、反射器を備えたアレイアンテナＡＲが、もっぱら電磁波ビームの送信専用であること、アレイアンテナには、単一の反射器ＡＲだけが含まれること、そのアレイＲＳには、５つのフィードＳＩ（ｉ＝１〜５）だけが含まれること、およびアレイアンテナが、２つの有効受信可能地域（ＺＣ１およびＺＣ２）だけを提供することが、非限定的な例によって仮定される。しかしながら、本発明は、この適用例に限定されない。実際には、本発明による、反射器を備えたアレイアンテナは、送信もしくは受信モード、または送信および受信モードであっても動作することができ、かつ／またはいくつかの反射器を含むことができ、かつ／またはかなり多数のフィードからなるアレイを含むことができ、かつ／または３つ以上の有効受信可能地域を提供することができる。かかるアンテナの主な目的は、通信衛星に搭載されることである。
【００１７】
第１に、本発明によるアンテナ（反射器を備えたアレイアンテナ）ＡＲには、選択された方向に電磁波ビームＦｉ（信号を含む）を送出するように構成および配置された少なくとも２つのフィードＳｉからなるアレイＲＳが含まれる。アレイＲＳのフィードＳｉの数Ｎと、フィードＳｉの互いに対する位置決めと、フィードＳｉのタイプと、フィードＳｉのそれぞれの向きとは、アンテナＡＲに割り当てられたミッション（使命）に従って選択される。以下では、フィードＳｉの数Ｎが５（ｉ＝１〜５）に等しいと、非限定的な例によって仮定される。しかしながら、この数Ｎは、２以上の任意の値とすることができる。
【００１８】
これらのフィードＳｉの中で、１つ（ここではＳ１）が、アレイＲＳのほぼ中心に配置されているので、たとえば中心と呼ばれる。
【００１９】
アレイＲＳの各フィードＳｉには、送信および／または受信モードならびに任意の極性で動作できる任意のタイプの放射素子、たとえば円形もしくは矩形ホーン、「パッチ」（印刷された素子）、「スロット」またはヘリックスを含むことができる。
【００２０】
アンテナＡＲはまた、振幅および／または位相規則を適用するための、ならびにアレイＲＳのＮフィードＳｉのそれぞれからの信号を適切に増幅するためのビーム形成モジュールＭＦＦを含んで、各フィードＳｉが、選択された地域Ｚｉをカバーするように意図された選択された放射パターン（ビームＦｉを形成しかつメインローブを含む）を送信するようにすることができる。この目的を達成するために、振幅／位相および増幅規則を適用するための任意の周知技術を実行することができる。
【００２１】
アンテナＡＲにはまた、３次元的（３Ｄ）に成形された表面ＳＵを設けられた反射器ＲＣが含まれる。この３Ｄ形状は、表面ＳＵの選択された位置に配置された凹部および凸部の形状を取るが、各フィードＳｉによって送出されるビームＦｉを反射しかつそのエネルギを拡散して、第１に、それが、選択された関連地域Ｚｉをカバーするように、第２に、中心フィードＳ１に関連する放射パターンのメインローブが、選択された形状および大きさの、アンテナＡＲの各有効受信可能地域ＺＣｊを完全に含むいわゆる主要受信可能範囲ＣＰを規定するように、第３に、各非中心フィードＳｉ（ｉ≠１）に関連する放射パターンのメインローブ、したがって各地域Ｚｉ（ｉ≠１）が、交差地域ＺＩＣｉにおいて主要受信可能範囲ＣＰと少なくとも部分的に重なり合うようにすることを意図されている。
【００２２】
本明細書において、用語「有効受信可能地域」は、アンテナＡＲによって送信された電磁波を適切な受信機によって受信できなければならない地域を意味すると理解すべきである。
【００２３】
したがって、地域Ｚ１（アレイＲＳの中心フィードＳ１からの放射パターンのメインローブによって規定される）は、いわゆる主要受信可能範囲ＣＰを規定する。したがって、この主要受信可能範囲ＣＰの各地点は、少なくとも１つの交差地域ＺＩＣｉ、好ましくはいくつかの交差地域ＺＩＣｉに位置する。換言すれば、主要受信可能範囲ＣＰの各地点は、中心フィードＳ１からのビームＦ１のメインローブによって、およびアレイＲＳの他のフィードＳｉ（ｉ≠１）に関連するビームＦｉ（ｉ≠１）の１つまたは複数のメインローブによってカバーされる。
【００２４】
主要受信可能範囲ＣＰ内のアンテナの挙動には、直接放射アレイ（ＤＲＡ）の挙動との強い類似性がある。
【００２５】
上で示したように、ビーム形成モジュールＭＦＦによって適用される規則および増幅によって、アンテナＡＲの有効受信可能地域ＺＣｊを規定できるのは、主要受信可能範囲ＣＰ内である。図２に示す非限定的な例において、アンテナＡＲは、２つの有効受信可能地域ＺＣ１およびＺＣ２（ｊ＝１または２）を提供するように設計されている。しかしながら、アンテナＡＲは、３つ以上の有効受信可能地域ＺＣｊまたはただ１つの地域であっても提供するように設計することが可能である。
【００２６】
ビームＦｉの拡散を可能にする反射器ＲＣの形状は、ミッションに従って計算される。なぜなら、アンテナＡＲの様々な有効受信可能地域ＺＣｊを含まなければならない主要受信可能範囲ＣＰのエンベロープを規定するのは、ミッションだからである。たとえば、適切なソフトウェア（たとえばＰＯＳ４タイプの）を用いて、当初の放物反射面に適用される多項式関数（たとえばスプラインまたはゼルニケ型）によって３Ｄ形状を決定することが可能である。ミッション次第で、フィードＳｉは、反射器ＲＣの焦点面にか、またはこの焦点面の外側に配置される。
【００２７】
反射器ＲＣには、アレイＡＲの中心フィードＳ１に関連するメインローブの位置を修正するように意図された指向機構（図示せず）を含むことができる。
【００２８】
本発明によるアンテナＡＲは、排他的にではないが、
たとえば、自身の軌道位置によって再構成可能な衛星の場合には、再構成可能性に対する強い要求を含む単一スポットモードの受信可能範囲に、
たとえば、直径０．４°の有効受信可能地域（またはスポット）によるＣＯＮＵＳ（米国本土）タイプのサンプリングの場合における、広範な受信可能範囲のマルチスポットのミッションに、
特によく適している。
【００２９】
本発明に関し、フィードアレイの配置は、アンテナの受信可能範囲とは強く無相関化されている。なぜなら、任意の形状のかなり多数のスポット（または有効受信可能地域ＺＣｊ）を自身の内に規定できる主要受信可能範囲ＣＰを規定するのは、反射器表面の３Ｄ形状だからである。これによって、アレイのサイズおよびフィードの数をかなり制限することが可能になり、その結果として、放物面反射器を備えた従来の解決法と比較して、またはＤＲＡタイプの解決法と比較して、特に制御装置の重量および複雑さを低減することが可能になる。
【００３０】
さらに、放物面反射器を備えた従来の解決法の場合のように、フィードが、もはや、有効受信可能地域の小部分を生成することに結び付けられないので、フィードアレイを介して自然な冗長性を得ることができ、部分故障の結果が制限されるようになる。
【００３１】
さらに、フィードアレイのサイズを低減することによってデフォーカス収差が低減され、放物面反射器を用いた従来の解決法で得られるレベルと比較して、より低いサイドローブレベル（およびしたがってよりよいＣ／Ｉ比）が必然的にもたらされる。次に、反射器システムの焦点距離と主反射器の直径との間の低い比率を用いることが、（衛星におけるインプリメンテーションに関して）容易になる。
【００３２】
このように、本発明は、ＤＲＡ（直接放射アレイ）アンテナの利点すなわち高い再構成可能性および自然な冗長性と、ＦＡＦＲアンテナの利点すなわち反射器の成形された表面のおかげで得られる強い指向性と、を組み合わせる一方で、これらの２つのタイプのアンテナの欠点、すなわち重量およびコストの大きな一因となる非常に多数の制御装置と、ＤＲＡアンテナの場合において、アレイローブに関連する有効性の低下と、故障の場合における受信可能範囲の喪失と、ＦＡＦＲアンテナの場合において計画された受信可能範囲に従うフィードアレイのサイズと、を回避する。
【００３３】
本発明は、純粋に例として上記した、反射器を備えたアレイアンテナの実施形態に限定されず、特許請求の範囲の枠組み内で当業者によって想定され得る全ての変形を含む。
【００３４】
このように、上記では、電磁波の送信専用の、本発明による、反射器を備えた例示的なアレイアンテナを説明した。しかしながら、本発明は、この例に限定されない。本発明はまた、受信モードまたは送信および受信モードで動作する、反射器を備えたアレイアンテナに実際に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による、反射器を備えたアレイアンテナの例示的な実施形態を非常に概略的かつ機能的に示す。
【図２】本発明者による、反射器を備えたアレイアンテナによって有効受信可能地域を形成する原理を図式的に示す。
【図１】
2009501469.tif 000003
【図２】
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【国際調査報告】
2009501469.tif 000005
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2009501469.tif 000008
2009501469.tif 000009
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