(57)【要約】【課題】主反射鏡のみを駆動する形式のビーム走査反射鏡アンテナにおいて、ビーム走査範囲内でのアンテナの最低利得を最大とするアンテナ構成を与える。【解決手段】一次放射器を含む一次放射部と、駆動可能な主反射鏡とを備えたビーム走査反射鏡アンテナにおいて、一次放射部を鉛直下向きに一次放射パターンを放射するように設置し、主反射鏡の鏡面中心を一次放射部の鉛直下方に設置し、一次放射部の位相中心を通る鉛直軸周りに回転することによって方位角方向にビームを走査し、一次放射部の位相中心が主反射鏡の対称面内に含まれるように主反射鏡を傾けることによって仰角方向にビームを走査し、ビーム走査範囲内で収差による利得低下の最大値が最小となるように、鏡面を構成するとともに鏡面と一次放射部との距離を設定した。【選択図】図１
2006304196.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次放射器を含む一次放射部と、駆動可能な主反射鏡とを備えたビーム走査反射鏡アンテナにおいて、
上記一次放射部を鉛直下向きに一次放射パターンを放射するように設置し、
上記主反射鏡の鏡面中心を上記一次放射部の鉛直下方に設置し、
上記一次放射部の位相中心を通る鉛直軸周りに回転することによって方位角方向にビームを走査し、
上記一次放射部の位相中心が上記主反射鏡の対称面内に含まれるように上記主反射鏡を傾けることによって仰角方向にビームを走査する
ことを特徴とするビーム走査反射鏡アンテナ。
【請求項２】
上記主反射鏡をパラボラ反射鏡とし、その焦点から上記主反射鏡の鏡面中心への光線の入射角（法線に対する角度）を、ビーム走査範囲内で収差による利得低下の最大値が最小となる角度とし、
上記一次放射部の位相中心と上記主反射鏡の鏡面中心との距離を、ビーム走査方向で収差による利得低下の最大値が最小となる距離とした
ことを特徴とする請求項１記載のビーム走査反射鏡アンテナ。
【請求項３】
鏡面の仰角方向の回転中心を、上記主反射鏡の中心を通り、上記主反射鏡の対称面に垂直な軸としたことを特徴とする請求項１または２記載のビーム走査反射鏡アンテナ。
【請求項４】
上記ビーム走査範囲を、天頂から半頂角Θ１の円錐と半頂角Θ２（０≦Θ１＜Θ２）の円錐とに挟まれた領域としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載のビーム走査反射鏡アンテナ。
【請求項５】
半頂角Θ１＝０とし、上記ビーム走査範囲を半頂角Θ２の円錐領域としたことを特徴とする請求項４記載のビーム走査反射鏡アンテナ。
【請求項６】
上記一次放射部を、一次放射器と回転双曲面鏡とで構成したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載のビーム走査反射鏡アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円錐状の領域、あるいは軸を共有し、頂角の異なる二つの円錐に挟まれた領域にビーム走査する反射鏡アンテナで、主反射鏡のみを駆動する形式のビーム走査反射鏡アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、主反射鏡のみを駆動する形式のビーム走査反射鏡アンテナには、特許文献１に示されたものがあった。このビーム走査反射鏡アンテナは、低軌道衛星を用いた移動体通信システムの地上局で用いられるアンテナ装置に適用することを目的とし、最低運用仰角にてアンテナ利得が最大となるように設定されている。低軌道衛星通信システムでは衛星仰角が低いほど伝搬損失が大きくなるため、アンテナ利得を最低運用仰角で最大とすることにより、伝搬損失の仰角特性をアンテナ利得の仰角特性で補償することができ、伝搬損失を含めたシステム全体での利得を最大化できる効果がある。
【０００３】
【特許文献１】特許第３１０９５８４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
静止衛星や準天頂衛星を用いた移動体衛星通信システムでは、低軌道衛星通信システムと異なり、運用状態での衛星と地上局との間の距離は一定であるため、衛星仰角によらず伝搬損失は一定である。このため、運用時のビーム走査範囲内でのシステムの利得を最大とするためには、運用時のビーム走査範囲内でのアンテナの最低利得を最大とする必要がある。
【０００５】
しかしながら、従来、円錐状の領域、あるいは軸を共有し、頂角の異なる二つの円錐に挟まれた領域にビーム走査する反射鏡アンテナで、主反射鏡のみを駆動する形式のビーム走査反射鏡アンテナにおいて、ビーム走査範囲内でのアンテナの最低利得を最大とするアンテナ構成は明確にされていなかった。
【０００６】
本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、主反射鏡のみを駆動する形式のビーム走査反射鏡アンテナにおいて、ビーム走査範囲内でのアンテナの最低利得を最大とするアンテナ構成を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によるビーム走査反射鏡アンテナは、一次放射器を含む一次放射部と、駆動可能な主反射鏡とを備えたビーム走査反射鏡アンテナにおいて、一次放射部を鉛直下向きに一次放射パターンを放射するように設置し、主反射鏡の鏡面中心を一次放射部の鉛直下方に設置し、一次放射部の位相中心を通る鉛直軸周りに回転することによって方位角方向にビームを走査し、一次放射部の位相中心が主反射鏡の対称面内に含まれるように主反射鏡を傾けることによって仰角方向にビームを走査するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、以上のように構成されているので、ビーム走査反射鏡アンテナにおいて、方位角方向にビーム走査する際に利得低下がなく、仰角方向にビーム走査する際に、利得低下の主要因である非点収差の発生を抑制でき、利得低下を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、本発明のビーム走査反射鏡アンテナに関わる実施の形態１の概略構成を示す図である。図において、１は一次放射部を構成する一次放射器、２は一次放射器の位相中心、３は主反射鏡であるパラボラ反射鏡、４はパラボラ反射鏡３の焦点、５は主反射鏡であるパラボラ反射鏡３の鏡面中心、６はパラボラ反射鏡３のパラボラ軸、７はビーム方向、８は主反射鏡駆動機構、９は方位角回転軸である。
図１（ａ）は一次放射器１の位相中心２がパラボラ反射鏡３の焦点４と一致した、オンフォーカスの場合、同（ｂ）は天頂からの角度が最も小さいΘ１方向にビームを走査した場合、（ｃ）は天頂からの角度が最も大きいΘ２方向にビームを走査した場合を、それぞれ示している。
【００１０】
一次放射部を構成する一次放射器１は鉛直下向きに一次放射パターンを放射するように設置されている。主反射鏡であるパラボラ反射鏡３は、その鏡面中心５が一次放射器１の鉛直下方となるように設置されており、焦点４から鏡面中心５への光線の入射角（法線
ｎに対する角度）はθ０である。方位角回転軸９は一次放射器１の位相中心２と鏡面中心５とを通る鉛直軸である。
【００１１】
次に、図１を用いてビーム走査の概略動作を説明する。説明の便のため、送信の場合を例に説明するが、アンテナは送受可逆であるため、受信の場合も同様に動作することは自明である。まず、図１（ａ）を用いて、一次放射器１の位相中心２がパラボラ反射鏡３の焦点４にある、オンフォーカスの場合を説明する。一次放射部として動作する一次放射器１から鉛直下向きに放射された電波は、主反射鏡として動作するパラボラ反射鏡３で反射され、パラボラ軸６方向にビームを放射する。この時、対称性より、パラボラ反射鏡３を方位角回転軸９を軸に回転させることによって、性能劣化なく半頂角２θ０の円錐面上にビーム走査することができる。
【００１２】
次に、図１（ｂ）を用いて、オンフォーカスの場合からビームの仰角を天頂方向に走査し、天頂からのビーム走査角を最小値Θ１とする場合を説明する。この時、主反射鏡駆動機構８は、パラボラ反射鏡３を、鏡面中心５が一次放射器１の位相中心２の鉛直下方にあり、パラボラ反射鏡３の対称面上に位相中心２が含まれるように駆動する。
【００１３】
一般に、主反射鏡をパラボラ反射鏡とし、主反射鏡のみを駆動してビーム走査するアンテナでは、ビーム走査時にはパラボラ反射鏡を離焦点給電することとなるため、収差が発生し利得が低下する。パラボラ反射鏡を離焦点給電した場合の利得低下は、文献「内藤、他、“単一反射鏡形式大ビーム分離角マルチビームアンテナ”、信学論（B−II）、vol. J77−B−II、no. 10、pp.528−538、Oct. 1994」に示されている。本文献より、利得低下の主要因である非点収差は、パラボラ反射鏡の対称面内から給電した場合に最小となることがわかる。図１（ｂ）では、パラボラ反射鏡３の対称面上に一次放射器１の位相中心２が含まれるように駆動しているので、パラボラ反射鏡３の対称面内から給電することとなり、ビーム走査時の利得低下を最小とできる。なお、方位角方向にビームを走査する場合は、図１（ａ）のオンフォーカスの場合と同様、パラボラ反射鏡３を方位角回転軸９を軸に回転させることによって、方位角方向のビーム走査による性能劣化なく、ビーム走査することができる。
【００１４】
図１（ｃ）に示した、オンフォーカスの場合からビームの仰角を水平方向に走査し、天頂からの走査角を最大値Θ２とする場合も、図１（ｂ）の場合と同様に動作することは自明である。
【００１５】
また、パラボラ反射鏡３は、ビーム走査範囲内での収差による利得低下の最大値が最小となるように、焦点４から鏡面中心５への光線の入射角（法線ｎに対する角度）θ０が設計されており、位相中心２と鏡面中心５との距離l(スモールエル)は、収差による利得低下が最小となるように、ビーム走査方向に応じて設定されている。
【００１６】
一般に、先に示した文献「内藤、他、“単一反射鏡形式大ビーム分離角マルチビームアンテナ”、信学論（B−II）、vol. J77−B−II、no. 10、pp.528−538、Oct. 1994」より、ビーム走査時の利得低下の主要因は非点収差と像面湾曲であり、非点収差は角度θ０、像面湾曲は距離lにより、それぞれ独立に決定される。したがって、ビーム走査範囲内での非点収差の発生量の最大値を最小とするように角度θ０を設計し、ビーム走査方向に応じて像面湾曲が最小となるように距離lを設定することができる。しかしながら、現実には、非点収差、像面湾曲以外の収差が発生し、これによる利得低下が生じるため、非点収差、像面湾曲のみを考慮して設計した角度θ０、距離lでは、利得低下を最小とする値からのずれが生じる。このずれは、角度θ０で最大５度程度、距離lで最大５％程度である。したがって、非点収差、像面湾曲のみを考慮して設計した角度θ０、距離lを初期値とし、予測されるこれらのずれの範囲で角度θ０、距離lを変化させ、収差による利得低下が最小となる最適な値を決定することとなる。
【００１７】
角度θ０の設計の初期値となる、ビーム走査範囲内で非点収差を最小とする角度は以下のように与えられる。図２は、先に示した文献「内藤、他、“単一反射鏡形式大ビーム分離角マルチビームアンテナ”、信学論（B−II）、vol. J77−B−II、no. 10、pp.528−538、Oct. 1994」中の、パラボラ反射鏡を離焦点給電した場合の座標系とパラメーター示す図である。本文献より、離焦点の角度を一定とした場合、利得低下の主要因である非点収差は、パラボラ反射鏡の対称面内から給電した場合に最小となる。
【数１】
2006304196.tif 000003
【００１８】
今、仰角のビーム走査に対応して、θをθ１からθ２の角度範囲にわたって変化させる。このとき、非点収差の係数Ｃ２の最大値を最小とすることが、ビーム走査範囲内の最低利得を最大とすることになる。この条件は、次式で与えられる。
【数２】
2006304196.tif 000004
【００１９】
次に、一次放射器１の位相中心２から鏡面中心５への入射角角θ（θ１〜θ２）と天頂からのビーム走査角角Θ（Θ１〜Θ２）との関係を、図３を用いて説明する。図において、１〜９は、図１に示したものと同一のものであり、同一の働きをする。θ０はパラボラ反射鏡３の焦点４から鏡面中心５への入射角、ｎは鏡面中心５における法線ベクトルである。図より、天頂からのビーム走査角Θは、一次放射器１の位相中心２から鏡面中心５への入射角θ、鏡面中心５における法線ベクトルとパラボラ軸６とのなす角θ０、パラボラ軸６とビーム方向７とのなす角α（θ−θ０）との和で、Θ＝θ＋θ０＋α（θ−θ０）となる。したがって、θは天頂からのビーム走査角Θを用いて次式で与えられる。
【数３】
2006304196.tif 000005
ここで、αはビーム偏向係数（beam deviation factor）で、幾何光学的なビーム偏向方向と実際のビーム偏向方向との比を与える係数で、例えば図４に引用した、文献「Y.T. Lo, "On the Beam Deviation Factor of a Parabolic Reflector," IRETrans. AP−8, 3, pp.347−349」に記載されているように、鏡面構成によって決まる0.6〜1.0の間の定数である。
【００２０】
【数４】
2006304196.tif 000006
【００２１】
次に、以上で説明した関係を用いて構成した実施の形態１の効果を図５，図６を用いて説明する。図５は、実施の形態１のビーム走査時の非点収差と、非点収差による利得低下量を示す図である。ここでは、Θ１＝３０°，Θ２＝６０°，l０（スモールエル・セ゛ロ）＝２５０mm、ビーム偏向係数α＝０．９として設計している。また、利得低下は周波数12GHzで評価している。実線でこの発明により得えられたθ０をθ０＝23.9195deg．とした場合の特性Ａを、また、比較のため、本発明とは異なるθ０とした場合の特性Ｂ，Ｃ，Ｄを破線で示している。本発明によるθ０とすることによって、ビーム走査範囲内での非点収差発生量の最大値を最小とし、非点収差による利得低下の最悪値を最小とできていることが分かる。なお、図５は非点収差のみを考慮して評価したものであるため、これ以外の収差が発生する場合にはθ０は最大５度程度ずれが生じることは、既に述べた通りである。
【００２２】
また、図６はこの発明のビーム走査反射鏡アンテナに関わるビーム走査時の非点収差と利得低下量の他の例を示す図である。ここでは、Θ１＝０°，Θ２＝３０°，l０＝２５０mm，ビーム偏向係数α＝０．９として設計している。また、利得低下は周波数12GHzで評価している。実線でこの発明により得えられたθ０をθ０＝10.795deg．とした場合の特性Ａを、また、比較のため、本発明とは異なるθ０とした場合の特性Ｂ，Ｃ，Ｄを破線で示している。本発明によるθ０とすることによって、ビーム走査範囲内での非点収差発生量の最大値を最小とし、利得低下の最悪値を最小とできていることが分かる。なお、図６は非点収差のみを考慮して評価したものであるため、これ以外の収差が発生する場合にはθ０は最大５度程度ずれが生じることは、既に述べた通りである。
【００２３】
実施の形態２．
図７は、本発明のビーム走査反射鏡アンテナに関わる実施の形態２の概略構成を示す図である。図において、１〜９は、図１に示したものと同一のものであり、同一の働きをする。１０は主鏡の仰角回転軸で、主反射鏡であるパラボラ反射鏡３の鏡面中心５を通り、パラボラ反射鏡３の対称面に垂直な軸である。この実施の形態では、一次放射器１の位相中心２とパラボラ反射鏡３の鏡面中心５との距離を一定値l０とし、パラボラ反射鏡３の仰角方向の駆動を、仰角回転軸１０を中心とする回転駆動としているので、主反射鏡駆動機構８を簡素化できる。
【００２４】
次に、図８を用いて、一次放射器１の位相中心２とパラボラ反射鏡３の鏡面中心５との距離を一定値l０としても実質的に不都合が生じないことを説明する。図８は、実施の形態１において、一次放射器１の位相中心２とパラボラ反射鏡３の鏡面中心５との距離l(スモールエル)を、パラボラ反射鏡３の焦点４と鏡面中心５との距離l０で規格化した値を、天頂からのビーム走査角に対して示したグラフである。このグラフより、天頂からの角度が30〜60°のビーム走査範囲内において、距離lの距離l０からの差は0.2%以下と非常に小さく、距離lを一定値l０としても実質的に不都合が生じないことがわかる。
【００２５】
実施の形態３．
図９は、本発明のビーム走査反射鏡アンテナに関わる実施の形態３の概略構成を示す図である。図において、２〜９は、図１に示したものと同一のものであり、同一の働きをする。１１は一次放射部を構成するバックファイア一次放射器である。この実施の形態では、一次放射部として、支持構造が不要な自立するバックファイア一次放射器１１を用いたことにより、ホーンなどの通常の一次放射器では必要不可欠となる支持構造部が不要になり、アンテナの構成を簡素化できる。
【００２６】
実施の形態４．
図１０は、本発明のビーム走査反射鏡アンテナに関わる実施の形態４の概略構成を示す図である。図において、３〜９は、図１に示したものと同一のものであり、同一の働きをする。１は鉛直上向きに放射する一次放射器、１２は副反射鏡として動作する回転双曲面鏡で、一次放射器１と回転双曲面鏡１２とでカセグレン形式の一次放射部を構成する。２は、このカセグレン形式の一次放射部の位相中心である。この実施の形態では、このようなカセグレン形式の一次放射部を構成したことにより、アンテナの高さを低くできる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態１によるビーム走査反射鏡アンテナの概略構成図である。
【図２】は本発明の実施の形態１によるビーム走査反射鏡アンテナのビーム走査特性を説明するための、パラボラ反射鏡を離焦点給電した場合の座標系とパラメーターとを示す文献からの引用図である。
【図３】本発明の実施の形態１によるビーム走査反射鏡アンテナの一次放射器の位相中心から鏡面中心への光線の入射角と天頂からのビーム走査角との関係を説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態１によるビーム走査反射鏡アンテナの、ビーム偏向係数を説明する文献からの引用図である。
【図５】本発明の実施の形態１によるビーム走査反射鏡アンテナの、ビーム走査時の非点収差とこれによる利得低下とを示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１によるビーム走査反射鏡アンテナの、ビーム走査時の非点収差とこれによる利得低下の他の例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２によるビーム走査反射鏡アンテナの概略構成図である。
【図８】本発明の実施の形態２によるビーム走査反射鏡アンテナの、一次放射器の位相中心とパラボラ反射鏡の中心との距離を一定値l０としても実質的に不都合が生じないことを説明する図である。
【図９】本発明の実施の形態３によるビーム走査反射鏡アンテナの概略構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態４によるビーム走査反射鏡アンテナの概略構成図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  一次放射器
２  位相中心
３  パラボラ反射鏡
４  焦点
５  鏡面中心
６  パラボラ軸
７  ビーム方向
８  主反射鏡駆動機構
９  方位角回転軸
１０  仰角回転軸
１１  バックファイア一次放射器
１２  回転双曲面鏡
【図１】
2006304196.tif 000007
【図２】
2006304196.tif 000008
【図３】
2006304196.tif 000009
【図４】
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【図５】
2006304196.tif 000011
【図６】
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【図７】
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【図８】
2006304196.tif 000014
【図９】
2006304196.tif 000015
【図１０】
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