(57)【要約】【課題】衛星の姿勢変動、反射鏡および給電部の取り付け誤差、反射鏡面の変形によるアンテナパタン変形を、より少ない回路規模で電気的に補償することが可能なアレー給電反射鏡アンテナを提供する。【解決手段】２以上の周波数帯（Ｆ１、Ｆ２、…）で動作するアレー給電反射鏡アンテナにおいて、アンテナパタン変形を補償するため、各周波数帯の第ｉ番目の素子アンテナに接続される可変移相手段の移相量（Ｆ１用：φ1_i、Ｆ２用：φ2_i、…）に対し、各者の関係が  φ2_i=φ1_i・f2/f1、…、φj_i=φ1_i・fj/f1、…と各周波数帯の比となるように設定する。【選択図】図８
2007329717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２以上の周波数帯で動作する反射鏡と、
該反射鏡の焦点面より前方に配置した複数の素子アンテナで構成されるアレー給電部と、
該アレー給電部の各素子アンテナに接続される該周波数帯の信号分離手段と、
該信号分離手段の各周波数帯に応じた端子に接続され該アレー給電部の各アンテナ素子を所定の振幅および位相で励振するため各周波数帯に応じたビーム形成手段と、
で構成されるアレー給電反射鏡アンテナにおいて、
アンテナパタン変形を補償するため、該信号分離手段の各端子と該ビーム形成手段の間に該周波数帯に応じた可変移相手段を装荷し、
該可変移相手段の各周波数帯における移相量の比は各周波数帯の周波数の比であることを特徴とするアレー給電反射鏡アンテナ。
【請求項２】
所定の基準周波数帯のアンテナパタンの変形補償のための移相量算出手段と、
上記可変移相手段の各周波数帯における移相量の比が各周波数帯の周波数の比になるように移相量を与える設定移相量変更手段と
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のアレー給電反射鏡アンテナ。
【請求項３】
上記可変移相手段は、移相量が周波数帯に正比例し、かつ、該周波数帯に応じた可変移相手段における移相量を定めるための制御値が同一の値であることを特徴とする請求項１に記載のアレー給電反射鏡アンテナ。
【請求項４】
上記設計移相量変更手段は、送信用可変移相量に対し送信周波数帯と受信周波数帯との比となるように、受信用の可変移相量を与えることを特徴とする請求項２に記載のアレー給電反射鏡アンテナ。
【請求項５】
上記可変移相手段は、線路切り替え型の移相手段であることを特徴とする請求項３に記載のアレー給電反射鏡アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静止軌道上におけるアンテナパタン変形補償機能を有する衛星搭載用アレー給電反射鏡アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
静止軌道上における衛星搭載アンテナは、衛星の姿勢制御、反射鏡および給電部の取り付け誤差、反射鏡面の変形等の要因によりアンテナパタンが変形し、特性が劣化する。従来の衛星搭載用アレー給電反射鏡アンテナのアンテナパタン変形補償を実現するためには、
１．アンテナの物理的位置の変更による要因自体の除去
２．アンテナパタン変形量に応じて、ビーム形成のための励振振幅・位相係数の更新
などがある。従来の技術１．はアンテナパタン変形に応じて、反射鏡の取り付け角度等の物理的な位置を変更し、従来の技術２．では、ビーム形成のための励振振幅・位相係数の更新することにより電気的に補償している（非特許文献１）。
【非特許文献１】”鈴木義規、目黒在、上羽正純、”フェーズドアレー給電反射鏡マルチビームアンテナにおける指向誤差補償法の検討”、２００５年電子情報通信学会総合大会、B-3-22,pp.350,Mar.2005”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
静止衛星の性能向上を実現する場合、搭載アンテナの大型化による利得向上は必須となり、これを実現するには、鏡面をメッシュで構成する等の軽量化が一般的である。軌道上におけるアンテナパタン変形要因として、アライメント誤差、衛星の姿勢変動および日照の影響による反射鏡面変形が挙げられ、これに伴いアンテナパタン変形が生じ、特性が劣化する。
【０００４】
アライメント誤差や衛星の姿勢変動によるアンテナパタン変形は、形成ビームのアンテナパタンの相対位置関係を保持したままサービスエリア全体がずれる変形であり、従来技術１．では、アンテナの物理的位置を変化させることで対応が可能である。しかしながら、反射鏡面変形の場合、サービスエリア全体が拡大・縮小し、各ビームの相対的な位置が変化してしまうため、物理的位置の変化によるアンテナパタン変形補償は実現できないという課題がある。
【０００５】
一方、従来の技術２．では、非特許文献１に記載されているように、アライメント誤差、衛星の姿勢変動の影響による「形成ビームのアンテナパタンの相対位置関係を保持したままサービスエリア全体がずれる変形成分（以下、指向方向誤差成分）」と、反射鏡面変形の影響による「サービスエリア全体が拡大・縮小する変形成分（以下、鏡面変形成分）」に分類し、全ビーム一括して可変移相手段を用いて電気的の補償する手法が報告されている。しかしながら、複数の周波数帯を共用するマルチビームアンテナに適用する場合、アンテナパタン変形補償のための可変移相手段の移相量を共通とすることは、以下に示す解析の結果、アンテナパタンがずれることが明らかになった。即ち、複数の周波数帯において同一の設定値を使用することができないため、移相量決定のための算出手段が周波数帯数と同一数が必要となる。
【０００６】
ここでは複数の周波数帯にて動作するアンテナとして、送受共用アンテナを例にとる。アンテナパタン変形補償機能を有する送受共有のアレー給電反射鏡マルチビームアンテナは図１，図２に示すように、反射鏡、アレー給電部、送受信号分離手段、アンテナパタン変形補償手段、マルチビーム形成手段で構成される。アンテナパタン変形補償手段は、可変移相手段とその制御手段で構成される。図３は送信周波数帯：ｆｔｘを基準周波数帯とし反射鏡として開口径１５８．３波長の回転放物面であり、焦点距離は１１０．８波長、アレー給電部は９１素子アンテナを１波長間隔、三角配置した送受共有アレー給電反射鏡マルチビームアンテナのアンテナパタン解析例であり、図中の点線の円で示したエリアに、ビームを形成するようにマルチビーム形成手段により、それぞれのビームに適切な振幅・移相設定を施した後に、ビーム形成を行ったものである。なお、黒線で示す等高線は送信周波数帯：ｆｔｘにおける４３ｄＢｉのレベルを、一点鎖線は受信周波数帯：ｆｒｘ＝１．２ｆｔｘにおける４３ｄＢｉのレベルを示している（以下、等高線に関しては同様）。図４は指向方向誤差の補償を実現するために、形成３ビームを方位角方向に走査させた解析結果であり、送信周波数帯の可変移相手段および受信周波数帯の可変移相手段に対し、同一の移相量を与えたものである。また、図５に北東部の形成ビーム付近の拡大図を示すが、指向方向にずれが確認できる。一般的に、搭載アンテナにおける指向方向誤差はビーム径の１／１０程度が要求されるため、異なる周波数帯で同一の可変移相手段の規定値を使用する場合、要求を満足しないことが確認できる。なお、鏡面変形成分に関しては、図６に示すように、主ビームの指向方向がほとんど変化しておらず、同一の可変移相手段の既定値を使用しても、ビーム径の１／１０程度要求指向方向誤差を満足していることが確認できる。
【０００７】
以上のように、鏡面変形成分は、複数の周波数帯において可変移相手段に同一の設定値を用いることはできるが、指向方向誤差成分は、複数の周波数帯において可変移相手段に同一の設定値を用いることはできない。そのため、必要な移相量は周波数に応じて異なる。つまり、移相量決定のための算出手段が周波数帯毎に必要となり、それに伴い回路規模が大きくなるという課題があった。
【０００８】
本発明の目的は、衛星の姿勢変動、反射鏡および給電部の取り付け誤差、反射鏡面の変形によるアンテナパタン変形を、より少ない回路規模で電気的に補償することが可能なアレー給電反射鏡アンテナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明にかかるアレー給電反射鏡アンテナは、２以上の周波数帯で動作する反射鏡と反射鏡の焦点面より前方に配置した複数の素子アンテナで構成されるアレー給電部とアレー給電部の各素子アンテナに接続される周波数帯の信号分離手段と信号分離手段の各周波数帯に応じた端子に接続されアレー給電部の各アンテナ素子を所定の振幅および位相で励振するため各周波数帯に応じたビーム形成手段とで構成され、アンテナパタン変形を補償するため、信号分離手段の各端子とビーム形成手段の間に周波数帯に応じた可変移相手段を装荷し、可変移相手段の各周波数帯における移相量の比は、各周波数帯の周波数の比であるよう設定する。
【００１０】
本発明の一実施態様として、アレー給電反射鏡アンテナは、所定の基準周波数帯でのアンテナパタンの変形補償のための移相量算出手段および、可変移相手段の各周波数帯における移相量の比が各周波数帯の周波数の比であるように移相量を与える設定移相量変更手段をさらに備える。
【００１１】
この設計移相量変更手段は、送信用可変移相量に対し送信周波数帯と受信周波数帯との比となるように、受信用の可変移相量を与えることも可能である。
【００１２】
本発明の他の実施態様として、可変移相手段は、移相量が周波数帯に正比例し、かつ、周波数帯に応じた可変移相手段における移相量を定めるための制御値が同一の値である。
【００１３】
この移相手段は、線路切り替え型の移相手段であることも可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の複数の周波数帯で動作するアレー給電反射鏡アンテナは、大型反射鏡が一式で済むとともに、軌道上での衛星の姿勢制御、反射鏡および給電部の取り付け誤差、反射鏡面の変形によるアンテナパタン変形を全ビーム一括に電子的補償でき、かつ、その制御手段の簡易化が図れるため、重量・消費電力の削減、信頼性の向上に対する効果が大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
アレー給電反射鏡アンテナにおけるアンテナパタン変形誤差は、指向方向誤差成分および鏡面変形成分に分類され、各成分補償のための移相量は、図７に示すようにアレー給電部の開口面に対し、指向方向誤差成分の補償は仮想的に回転させるような移相量を与え、鏡面変形成分の補償には仮想的に曲率を有するように移相量を与える。つまり、送受共用アレー給電反射鏡アンテナにおいては、物理的形状が同一でありアンテナパタン変形誤差は周波数が異なってもほぼ同様であるため、補償のための仮想的なアレー給電開口面は同様なものである。しかしながら、これを電気的に実現する場合、必要な移相量は周波数に応じて異なる。これを解決するためには、各周波数帯に応じた設定移相量が各々の周波数帯の比とすればよい。
【００１６】
より具体的には、２以上の周波数帯（Ｆ１、Ｆ２、…）で動作するアレー給電反射鏡アンテナにおいて、アンテナパタン変形を補償するため、各周波数帯の第ｉ番目の素子アンテナに接続される可変移相手段の移相量（Ｆ１用：φ1_i、Ｆ２用：φ2_i、…）に対し、各者の関係が
φ2_i=φ1_i・f2/f1、…、φj_i=φ1_i・fj/f1、…
と各周波数帯の比となるように設定する。
【００１７】
さらに、移相量が周波数に応じて比例する線路切り替え型に代表される形式の可変移相制御手段を適用する場合は、制御値を同一とすれば設定移相量は各々の周波数帯の比となる。
【００１８】
本発明は、上記のように可変移相手段の各周波数帯における移相量の比は、各周波数帯の周波数の比であるアレー給電反射鏡アンテナの提供である。
【００１９】
以下に、本発明をアレー給電反射鏡マルチビームアンテナを使用した実施形態を基にして説明する。本実施例は、複数のビームを有するアレー給電反射鏡マルチビームアンテナについての説明である。しかしながら本発明は、ビーム数が１であるアレー給電反射鏡アンテナにも適用可能である。
【００２０】
図１は本発明の対象となるアレー給電反射鏡マルチビームアンテナの構成であり、反射鏡ａと反射鏡ａの焦点面ａ２の前方に配置された給電部ｂで構成される。
【００２１】
本発明の一実施形態にかかる送受共用（送信周波数：Ｆｔｘ、受信周波数：Ｆｒｘ）のアレー給電反射鏡マルチビームアンテナの構成を図８に示す。本アンテナは、反射鏡ａ、複数の素子アンテナで構成されるアレー給電部ｂ、該アレー給電部ｂの各素子アンテナｂ１〜ｂｎに接続される各周波数帯の信号分離手段ｃ１〜ｃｎ、該アレー給電部ｂの各素子アンテナｂ１〜ｂｎを所定の振幅及び移相で励振する送信用マルチビーム形成手段ｅｔｘおよび受信用マルチビーム形成手段ｅｒｘで構成され、アンテナパタン変形を補償するため、各アンテナ素子ｂ１〜ｂｎと該マルチビーム形成手段の間に可変移相手段ｄ１＿ｔｘ１〜ｄ１＿ｔｘｎ、ｄ１＿ｒｘ１〜ｄ１＿ｒｘｎが配され、所定の基準周波数帯（ここではＦｔｘ）でのアンテナパタン変形検出手段ｄ２およびアンテナパタンの変形補償のための移相量算出手段ｄ３を有している。
【００２２】
アンテナパタン変形検出手段ｄ２は、アレー給電反射鏡マルチビームアンテナの指向方向誤差を、異なる３地点以上の地理的位置における受信および送信レベルから、アレー給電反射鏡マルチビームアンテナの指向方向誤差成分および鏡面変形成分を算出する。ここで検出されたそれぞれの誤差を補償するための移相量が移相量算出手段ｄ３より得られる。指向方向誤差成分を補償する移相量の決定方法は、図７（ａ）の図中点線で示した仮想開口面にアンテナ素子ｂ１〜ｂｎが電気的に位置するような移相量を求める。鏡面変形成分を補償する移相量の決定方法は、図７（ｂ）の図中点線で示した仮想開口面にアンテナ素子ｂ１〜ｂｎが電気的に位置するような移相量を求める。
【００２３】
本実施形態では、ここで算出された移相量は、送信周波数帯に対するものである。これを受信周波数帯に適用するため、各周波数帯における移相量の比は各周波数帯の周波数の比とする。送信用アンテナパタン変形補償のための各素子アンテナにｂ１〜ｂｎに接続される送信用可変移相量φｔｘ＿１〜φｔｘ＿ｎに対し、受信用の可変移相量φｒｘ＿１〜φｒｘ＿ｎが、基準周波数帯との比となるように設計移相量変更手段ｄ４により与えられる。
【００２４】
つまり、設計移相量変更手段ｄ４は、受信周波数帯（Ｆｒｘ）の第ｉ番目の素子アンテナに接続される可変移相手段の移相量、
φｒｘ＿ｉ＝φｔｘ＿ｉ×Ｆｒｘ／Ｆｔｘ
を与える。ここで、φｔｘ＿ｉは、移相量算出手段ｄ３から与えられる基準周波数帯（つまり、送信周波数帯）での第ｉ番目の素子アンテナに接続される可変移相手段の移相量である。
【００２５】
本手法による指向方法誤差成分および鏡面変形補償成分の補償を想定した場合の解析結果を図９〜図１１に示す。この結果、回路規模削減を目指し、単純に同一の移相量を与えた場合（図４〜図６）と比較して、送信周波数帯および受信周波数帯の形成ビームの方向がずれていないことが確認できる。
【００２６】
本発明の他の実施形態にかかる送受共用（送信周波数：Ｆｔｘ、受信周波数：Ｆｒｘ）のアレー給電反射鏡マルチビームアンテナの構成を図１２に示す。本アンテナは、反射鏡ａ、複数の素子アンテナで構成されるアレー給電部ｂ、該アレー給電部ｂの各素子アンテナｂ１〜ｂｎに接続される各周波数帯の信号分離手段ｃ１〜ｃｎ、該アレー給電部ｂの各素子アンテナｂ１〜ｂｎを所定の振幅及び移相で励振する送信用マルチビーム形成手段ｅｔｘおよび受信用マルチビーム形成手段ｅｒｘで構成され、アンテナパタン変形を補償するため、各アンテナ素子ｂ１〜ｂｎと該マルチビーム形成手段の間に可変移相手段ｄ１＿ｔｘ１〜ｄ１＿ｔｘｎ、ｄ１＿ｒｘ１〜ｄ１＿ｒｘｎが配され、所定の基準周波数帯（ここではＦｔｘ）でのアンテナパタン変形検出手段ｄ２およびアンテナパタンの変形補償のための移相量算出手段ｄ３を有している。
【００２７】
アンテナパタン変形検出手段ｄ２は、アレー給電反射鏡マルチビームアンテナの指向方向誤差を算出し、ここで検出された誤差を補償するための移相量が移相量算出手段ｄ３より得られる。本実施形態では、ここで算出された移相量は、送信周波数帯に対するものである。
【００２８】
ここで、アンテナパタン変形を補償する受信用可変移相手段ｄ１＿ｒｘ１〜ｄ１＿ｒｘｎは、移相量φｒｘ＿１〜φｒｘ＿ｎが動作周波数に正比例するものであり、かつ、受信用可変移相手段ｄ１＿ｒｘ１〜ｄ１＿ｒｘｎにおける移相量を定めるための制御値（ここでは送信用の可変移相手段の移相量）が同一の値となっている。
【００２９】
移相量が周波数に正比例する可変移相手段として、線路切り替え型の移相手段があげられる。この場合、受信用の可変移相量φｒｘ＿１〜φｒｘ＿ｎは、
φｒｘ＿ｉ＝２π×（Ｌ２−Ｌ１）／λｇ
で与えられる。ここで、λｇは伝送路中の波長であり、Ｌ１、Ｌ２は線路切り替え型の移相手段でのそれぞれの距離である。
【００３０】
本実施例のアンテナパタン変形を補償するための信号分離手段の各端子とマルチビーム形成手段の間に装荷された周波数帯に応じた可変移相手段ｄ１＿ｔｘ１〜ｄ１＿ｔｘｎ、ｄ１＿ｒｘ１〜ｄ１＿ｒｘｎは、離散的に移相量が変化しても、連続的に移相量が変化しても何れでもかまわない。
【００３１】
以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】アレー給電反射鏡マルチビームアンテナの構成を示す。
【図２】アレー給電部、アンテナパタン変形補償装置、ビーム形成装置のブロック図を示す。
【図３】アレー給電反射鏡マルチビームアンテナの解析例を示す。
【図４】送受同一の移相量を与えた場合のアレー給電反射鏡マルチビームアンテナの解析例１を示す。
【図５】送受同一の移相量を与えた場合のアレー給電反射鏡マルチビームアンテナの解析例２を示す。
【図６】送受同一の移相量を与えた場合のアレー給電反射鏡マルチビームアンテナの解析例３を示す。
【図７】アンテナパタン変形を補償する移相量の概念を示す。
【図８】本発明による送受共用アレー給電反射鏡マルチビームアンテナの構成（反射鏡を除く）を示す。
【図９】本発明による送受別々の移相量を与えた場合のアレー給電反射鏡マルチビームアンテナの解析例１を示す。
【図１０】本発明による送受別々の移相量を与えた場合のアレー給電反射鏡マルチビームアンテナの解析例２を示す。
【図１１】本発明による送受別々の移相量を与えた場合のアレー給電反射鏡マルチビームアンテナの解析例３を示す。
【図１２】本発明による送受共用アレー給電反射鏡マルチビームアンテナの構成（反射鏡を除く）および可変移相手段を示す。
【符号の説明】
【００３３】
ａ  反射鏡
ａ１  反射鏡の焦点
ａ２  反射鏡の焦点面
ｂ  アレー給電部
ｂ１〜ｂｎ  素子アンテナ
ｃ  信号分離手段
ｄ  アンテナパタン変形補償手段
ｄｔｘ  送信用
ｄｒｘ  受信用
ｄ１＿ｔｘ１〜ｄ１＿ｔｘｎ、ｄ１＿ｒｘ１〜ｄ１＿ｒｘｎ  可変移相手段
φｔｘ＿１〜φｔｘ＿ｎ、φｒｘ＿１〜φｒｘ＿ｎ  可変移相手段ｄ１＿ｔｘ１〜ｄ１＿ｔｘｎ、ｄ１＿ｒｘ１〜ｄ１＿ｒｘｎにおける移相量
ｄ２  アンテナパタン変形検出手段
ｄ３  移相量算出手段
ｄ４  設定移相量変更手段
ｅ  マルチビーム形成手段
ｅｔｘ  送信用
ｅｒｘ  受信用
ｅ１  分配器
ｅ２  固定移相器
ｅ３  固定減数器
ｅ４  電力合成器
Ｆ  動作周波数
【図１】
2007329717.tif 000003
【図２】
2007329717.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2007329717.tif 000012
【図１１】
2007329717.tif 000013
【図１２】
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