(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の静止衛星からの電波を反射する反射鏡と、
該反射鏡により反射された前記各静止衛星からの電波を夫々受信する複数の受信部と、を備えたマルチビームアンテナにおいて、
前記反射鏡は、楕円放物面の一部で形成されており、
該反射鏡は、該楕円放物面をその中心軸方向から見たときに、該楕円放物面の長軸方向と略平行な軸を長軸とする楕円形状となり、しかも、該楕円放物面の中心軸方向から見たときの当該反射鏡の中心が、該楕円放物面の中心軸から該楕円放物面の短軸方向に当該反射鏡の短軸方向の長さの略４分の１離れた位置となるように形成されたことを特徴とするマルチビームアンテナ。
【請求項２】
請求項１に記載のマルチビームアンテナにおいて、前記楕円放物面の短軸方向と長軸方向との長さの比は、１：１．０５〜１：１．１であることを特徴とするマルチビームアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数の静止衛星から電波を受信可能なマルチビームアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、放送衛星や通信衛星等の静止衛星から電波を受信するためのパラボラアンテナが知られている。パラボラアンテナは、回転放物面の一部から切出された反射鏡と、その反射鏡の焦点の位置に設けられた受信部とを備え、その反射鏡が、回転放物面の中心軸方向から到来する電波を焦点に集め、受信部がその集められた電波を受信するものである。こうしたパラボラアンテナで複数の静止衛星からの電波を受信するには、各静止衛星の方向に向けて複数設置すれば良いが、それらの設置場所が必要となると共に各パラボラアンテナの向きを夫々調節しなければならず面倒であることから、反射鏡の焦点の近傍に複数の受信部を設け、これら受信部で、複数の静止衛星からの電波を個別に受信するようにしたものがあった。
【０００３】
しかし、電波の到来方向が、回転放物面の中心軸方向からずれるほど、収差が増加してアンテナ利得が著しく低下すると共に、電波の到来方向に対して開口する有効開口面積が減少するため、アンテナの受信電力が低下するという問題がある。例えば、日本において、ＢＳ（東経１１０°）と日本通信衛星（株）のＪＣＳＡＴ−３（東経１２８°）とからの電波を受ける場合には、電波の到来方向の角度差（以下、「ビーム分離角度」ともいう。）が小さいので、それらの間に中心軸を向ければアンテナ利得は大して低下しないが、ＢＳと宇宙通信（株）のスーパーバードＣ（東経１４４°）とからの電波を受けようとする場合、ビーム分離角度は約３８°と大変大きいため、それらの間に中心軸を向けても、アンテナ利得が著しく低下してしまう。尚、この場合、反射鏡を大型化して電波の到来方向に対して開口する有効開口面積を拡大することにより受信電力を上げても良いが、設置場所が制限されてしまうという問題が生じる。
【０００４】
このため、例えば特開平７−４６０３４号公報に記載の様に、回転楕円面を放物面に近似させて形成された反射鏡と、その反射鏡（即ち、回転楕円面）の２つの焦点に夫々配置された２つの受信部とからなるマルチビームアンテナが開発されている。この種のマルチビームアンテナでは、反射鏡が、一方の受信部付近を通過した電波を他方の受信部に反射するようにして、ビーム分離角度が大きくても、夫々の電波を良好なアンテナ利得で受信できる。
【０００５】
また、特公平４−７３８８１号公報に記載の様に、隣接する複数の回転放物面を加重平均により融合して形成された反射鏡と、融合前の各回転放物面に相当する反射領域の焦点に夫々設けられた複数の受信部とからなるマルチビームアンテナも開発されている。この種のマルチビームアンテナでは、複数の方向から到来する電波を、各反射領域が対応する受信部に夫々反射して、ビーム分離角度が大きくても、各静止衛星からの電波を受信できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平７−４６０３４号公報に記載のマルチビームアンテナでは、一方の受信部が、他方の受信部が受けるべき電波の到来方向にあるので、その電波をブロッキングしてしまうという問題や、横長であるため美観を損なうという問題がある。また、特公平４−７３８８１号公報に記載のマルチビームアンテナは、独立した回転放物面の集合に過ぎず、電波の到来方向に対応した数の回転放物面を融合する必要がある。そのため、受信可能な電波の数を増やそうとすると反射鏡を大型化せざるを得ない。更に、これら両マルチビームアンテナが受信可能な電波のビーム分離角度は、反射鏡の形状により固定されてしまうので、例えば新規に打ち上げられた静止衛星からの電波に対しては、受信能力が劣るという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、小型であっても、到来方向の著しく異なる電波を良好に受信可能なマルチビームアンテナを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、複数の静止衛星からの電波を反射する反射鏡と、該反射鏡により反射された前記各静止衛星からの電波を夫々受信する複数の受信部とを備えたマルチビームアンテナにおいて、
前記反射鏡は、楕円放物面の一部で形成されており、該反射鏡は、該楕円放物面をその中心軸方向から見たときに、該楕円放物面の長軸方向と略平行な軸を長軸とする楕円形状となり、しかも、該楕円放物面の中心軸方向から見たときの当該反射鏡の中心が、該楕円放物面の中心軸から該楕円放物面の短軸方向に当該反射鏡の短軸方向の長さの略４分の１離れた位置となるように形成されたことを特徴とする。
【０００９】
上記の様に構成された本発明（請求項１記載）のマルチビームアンテナにおいては、反射鏡が楕円放物面の一部で形成されており、この反射鏡は、楕円放物面をその中心軸方向から見たときに、この楕円放物面の長軸方向と略平行な軸を長軸とする楕円形状となり、しかも、この楕円放物面の中心軸方向から見たときの当該反射鏡の中心が、楕円放物面の中心軸からこの楕円放物面の短軸方向に当該反射鏡の短軸方向の長さの略４分の１離れた位置となるように形成されている。
そのため、後述するシミュレーションから分かるように、楕円放物面の中心軸を受信すべき電波の到来方向の間に向けると共に、曲率の大きい長軸方向を静止衛星の並びに対して略平行にして楕円放物面の長径方向に傾いた方向から各電波を受けるようにすると、到来方向の著しく異なる電波であっても、夫々良好に集束させることができる。
【００１０】
したがって、請求項１のマルチビームアンテナによれば、回転楕円面を使用したり、複数の回転放物面を融合したりする必要が無いので、反射鏡が大型化したり美観を損なったりするのを避けることができる。しかも、受信可能なビーム分離角度が固定されていないので、所定のビーム分離角度以内であれば任意の数の静止衛星からの電波を受信することができる。尚、受信部としては、例えば、フィードホーン、パッチ型アンテナ等を用いることができる。
さらに、請求項１の発明においては、反射鏡が、楕円放物面をその中心軸方向から見たときに、楕円放物面の長軸方向と略平行な軸を長軸とする楕円形状をしているので、この楕円放物面の中心軸方向から見た反射鏡の形状（以下、「有効開口」ともいう）は、静止衛星の並び方向（即ち、楕円放物面の長軸方向）に長くなり、隣接する静止衛星からの干渉を抑制できる。
また、反射鏡は、受信部として一般に広く使用される円錐ホーンアンテナの指向性が円錐形状であることも考慮すると、受信部に対する反射鏡の開口が円形状か、それに近い楕円形状となるようにするのが好ましい。従って、有効開口を、短軸と長軸との比が１：１〜１：１．１（特に１：１．０６）である楕円（円を含む）となるようにようにするとよい。
また、反射鏡の中心を楕円放物面の中心軸から離すと、電波が集束し難くなったり、集束位置が反射鏡から離れてアンテナ全体が大型化したりするという問題が生じ、一方、反射鏡の中心と楕円放物面の中心軸とが完全に一致している状態では、受信部による到来電波のブロッキングの影響が大きくなる可能性がある。そこで、後述するシミュレーションを行ったところ、このシミュレーションにより、反射鏡の中心と楕円放物面の中心軸との長さを、有効開口の短軸の長さ（以下、「有効開口径」ともいう。）の略１／４とすれば、電波の集束位置が反射鏡から離れず、ブロッキングの影響を抑制できると共に電波も良好に集束可能なことが確かめられた。
従って、請求項１に記載の発明によれば、反射鏡は、楕円放物面の中心軸方向から見たときの反射鏡の中心と楕円放物面の中心軸との長さが、有効開口径の略１／４となる位置を中心とするように形成されているので、ブロッキングの影響を抑制できると共に電波も良好に集束可能な反射鏡とすることができ、小型で、しかもアンテナ利得が高いマルチビームアンテナとすることができる。また、反射鏡の中心が、楕円放物面の中心軸に対して、楕円放物面の短軸方向にあるので、反射鏡はその短軸を中心として左右対称となり、意匠的にも好ましい。
【００１１】
後述する様に、３Ｄ−ＣＡＤを使用したシミュレーションの結果、楕円放物面の長軸方向を短軸方向に対して長くするほど、ビーム分離角度がより大きい方向からの電波及びその間から到来する電波をより良好に集束可能であることが分かった。例えば、短軸方向と長軸方向との長さの比を１：１．０５とすれば、到来方向の角度差が２０°までの各電波を良好に集束させて受信することができ、短軸方向と長軸方向との長さの比を１：１．１とすれば、到来方向の角度差が４０°までの各電波を良好に受信可能となるのである。ここで、楕円放物面の短軸方向と長軸方向との長さの比とは、楕円放物面を、その中心軸に対して垂直な平面で切った断面である楕円の短軸と長軸との比で定義するものとする。
【００１２】
この様に、短径方向に対する長径方向の比率を大きくするほど、ビーム分離角度が大きくても電波をより良好に電波を集束させて受信できるようになるが、電波が集束する位置（即ち、受信部を配置するべき位置）が反射鏡から離れ、マルチビームアンテナ全体が大型になるという問題が生じる。一方、実際の静止衛星の位置を考慮すると、電波の到来方向の角度差は最も大きい場合でも略４０°となっている。また、回転放物面を利用した従来のパラボラアンテナでは、電波の到来方向の角度差が２０°以上の場合には、集束が悪くなり、アンテナ利得が低下する。そこで、請求項２に記載の様に、楕円放物面の短軸方向と長軸方向との長さの比を、１：１．０５〜１：１．１にすると好ましく、小型であるにもかかわらず、到来方向の著しく異なる電波（ビーム分離角度が２０°〜４０°）を良好に受信可能なマルチビームアンテナを得ることができる。
【００１６】
尚、有効開口径と、楕円放物面の短軸方向の断面である放物線の焦点距離との比は、大きいほどアンテナ利得が向上するので好ましいが、一方溢れ放射が発生したり、アンテナ全体が大型化してしまう等の問題があることから、１：０．６５〜１：０．８５の範囲、特に０．８が最も好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施例を図面と共に説明する。
図１は、本発明の一実施例としてのマルチビームアンテナの全体的構成を示す説明図である。
【００１８】
マルチビームアンテナ２は、静止衛星から到来する電波を反射して集束させるための反射鏡４、その反射鏡４により集束された電波を受信する第１受信部６ａ及び第２受信部６ｂ（以下、両受信部を総称するときは「受信部６」ともいう。）とを備えている。
【００１９】
反射鏡４は、その有効開口が、短軸と長軸との長さが１：１〜１：１．１（本実施例では１：１．０６）の楕円形（円形を含む）となるよう、楕円放物面７から切り出されて構成された曲面である。また、その有効開口径（即ち、有効開口の短軸の長さ）と、楕円放物面７の短軸方向７Ｓの断面である放物線の焦点距離との比は、１：０．６５〜１：０．８５（本実施例では、１：０．８）とされる。また、有効開口径は、例えば５０ｃｍとされる。
【００２０】
また、この反射鏡４は、図示しない支持部材により、楕円放物面７の中心軸８の向き（即ち、方位角及び仰角）を自由に調節可能とされていると共に、中心軸８を軸として回転可能とされている。つまり、受信する地域に応じて、反射鏡４の姿勢を中心軸８の向きと中心軸８を軸とした回転角度とで調整して、二つの静止衛星からの到来電波を良好に受信できる。
【００２１】
第１受信部６ａは、第１の静止衛星（以下、「第１衛星」という）からの到来電波を受信するためのものであり、また、第２受信部６ｂは、第２の静止衛星（以下、「第２衛星」という。）からの到来電波を受信するためのものである。これら第１受信部６ａ及び第２受信部６ｂは、反射鏡４が両静止衛星からの到来電波を夫々集束させる位置に対応するよう反射鏡４に対して固定されると共に、反射鏡４の中心に向けられている。尚、両受信部６を中心軸８方向から見ると、有効開口の長軸と、両受信部６を結ぶ直線とが平行となっている。
【００２２】
さて、反射鏡４は楕円放物面７からその一部を切り出して形成されるが、反射鏡４の形状は、切り出される楕円放物面７の形状及びその楕円放物面７からの切出し方により決定される。
発明者は、図２（ａ）〜（ｃ）に示す様に、楕円放物面７の形状を決定するにあたり、楕円放物面７の短軸方向７Ｓと長軸方向７Ｌとの長さの比を様々に変化させて、二つの静止衛星からの到来電波が、反射鏡４による反射後、どの程度集束するかをシミュレーションした。シミュレーションでは、第１衛星及び第２衛星として、静止衛星軌道上東経１４４°にある宇宙通信（株）のスーパーバードＣ及び東経１１０°にあるＢＳを想定し、両静止衛星からの到来電波を反射鏡４に入射させるものとした。
【００２３】
図２（ａ）は、回転放物面９によって、両静止衛星からの到来電波が反射される様子を示す説明図であり、図２（ｂ）は、短軸方向７Ｓと長軸方向７Ｌとの長さの比が１：１．０５である楕円放物面７によって両電波が反射される様子を示す説明図であり、また、図２（ｃ）は、短軸方向７Ｓと長軸方向７Ｌとの長さの比が１：１．２である楕円放物面７によって両電波が反射される様子を示す説明図である。尚、一般に楕円放物面は、直交座標系において、
ｚ＝（ｘ／ａ）2＋（ｙ／ｂ）2  …（１）
という式で表されるが、楕円放物面７の短軸方向７Ｓは、式（１）の楕円放物面のｘ軸方向に対応し、楕円放物面７の長軸方向７Ｌは、式（１）の楕円放物面のｙ軸方向に対応し、楕円放物面７の中心軸８は、式（１）の楕円放物面の中心軸であるｚ軸に対応する。即ち、図２（ｂ）に示す楕円放物面７は、式（１）において、２ａ：２ｂ＝１：１．０５（ここで、「２ａ」及び「２ｂ」は、夫々、ｚ＝１の平面による楕円放物面７の断面である楕円の「短軸」及び「長軸」の長さである。以下同じ。）として表される楕円放物面であり、図２（ｃ）に示す楕円放物面７は、式（１）において、２ａ：２ｂ＝１：１．２として表される楕円放物面である。ここで、上記「ｚ＝１」とは、式（１）におけるｘ、ｙ、ｚに対する相対値を表すものであり、式（１）に必要に応じて実寸法をあてはめて設計を行う。
【００２４】
これらの放物面（回転放物面９又は楕円放物面７）の中心軸８は、両静止衛星の間にある、静止衛星軌道上の東経１３１°の位置の方向に向けられたものとする。尚、図２（ａ）〜（ｃ）は何れも、回転放物面９或いは楕円放物面７の凹面側（即ち、電波の到来する面の側）から見込んだ図であり、特に、図２（Ｂ）の場合の斜視図を、図３に示す。
【００２５】
図２（ａ）〜（ｃ）に示す様に、第１衛星からの到来電波１０ａ（以下、「第１電波１０ａ」という。）、及び、第２衛星からの到来電波１０ｂ（以下、「第２電波１０ｂ」という。）は、反射鏡４により夫々反射されて別々の位置にて集束している。ここで、図２（ａ）〜（ｃ）を比較すると、短軸方向７Ｓに対して長軸方向７Ｌの長さの比が大きくなるほど、第１電波１０ａ、第２電波１０ｂの双方とも、より狭い範囲に集束する傾向にあり好ましいが、その一方、両電波の集束位置は反射鏡４から離れる傾向にあることから、第１受信部６ａ及び第２受信部６ｂが反射鏡４から遠くなり、マルチビームアンテナの全体が大型化してしまう。
【００２６】
発明者は、ビーム分離角度を変化させた同様のシミュレーション行い、ビーム分離角度が２０°である場合は、楕円放物面７の短軸方向７Ｓと長軸方向７Ｌとの長さの比を１：１．０５とするのが適当であり、ビーム分離角度が４０°である場合には、楕円放物面７の短軸方向７Ｓと長軸方向７Ｌとの長さの比を１：１．１とするのが適当であることを明らかにした。そして、特に上記の様に想定した第１衛星及び第２衛星からの到来電波を受信する場合（ビーム分離角度が約３８°）には、楕円放物面７の短軸方向７Ｓと長軸方向７Ｌとの長さの比を１：１．０７５とするのが最も好ましいことを確かめた。
【００２７】
以上のことから、楕円放物面７の短軸方向７Ｓと長軸方向７Ｌとの比を１：１．０５〜１：１．１とすれば、現在使用されている上記第１衛星、第２衛星及びこれらの間の静止衛星軌道上にある静止衛星からの到来電波を良好に受信できることが分かる。
【００２８】
次に、発明者は、楕円放物面７の短軸方向７Ｓと長軸方向７Ｌとの長さの比を１：１．０７５として、その楕円放物面７の内、どの部分を反射鏡４として切り出すのが適当であるかをシミュレーションにより検討した。
図４（ａ）〜（ｃ）は、短軸方向７Ｓと長軸方向７Ｌとの長さの比が１：１．０７５である楕円放物面７から反射鏡４を切出す位置を様々に変化させた場合に、第１電波１０ａ及び第２電波１０ｂがどのように集束するかをシミュレーションした様子を示す説明図である。図４（ａ）〜（ｃ）は何れも、楕円放物面７の凹面側（即ち、電波の到来する面の側）から見込んだ図である。ここでは、各反射鏡４の有効開口の短軸と長軸との長さの比を１：１．０６の楕円とし、楕円の短軸は楕円放物面７の短軸方向７Ｓと一致させてある。尚、反射鏡４に入射する両静止衛星からの到来電波（第１電波１０ａ及び第２電波１０ｂ）は、反射鏡４の中心Ｍに入射する電波のみを示し、他の部分に入射する電波については省略した。
【００２９】
図４（ａ）〜（ｃ）に示す様に、反射鏡４の中心Ｍが、楕円放物面７とその中心軸８との交点Ｏ（以下、単に「交点Ｏ」という。）に近づくほど、両静止衛星からの到来電波は、より狭い範囲に集束しており好ましいが、集束位置が反射鏡４の有効開口の中心に近付き、受信部６によるブロッキングが生じる可能性がある。一方、反射鏡の中心Ｍを上記交点Ｏから離すほど、電波の集束位置が反射鏡から離れることから、受信部６による到来電波のブロッキングを防止できるが、電波の集束が悪くなると共に受信部６が反射鏡４から遠くなりマルチビームアンテナが大型化してしまう。
【００３０】
従って、図４（ｂ）に示す様に、反射鏡４の中心Ｍと、上記交点Ｏとの間の長さが、反射鏡４の短軸の長さの略１／４となるようすれば、電波の集束位置が反射鏡４の端部に位置するので、受信部６によるブロッキングの影響を抑制できると共に、電波を比較的良好に集束させることができ、最も好ましい。尚、こうしたブロッキングは、受信部６を小型化する等して抑制・防止できるので、楕円放物面７から反射鏡４を切り出すに当っては、楕円放物面７と中心軸８との交点Ｏを反射鏡４に含むようにすれば、マルチビームアンテナ全体が大型化しないので好ましい。
【００３１】
以上のシミュレーション結果に基づき、本実施例では、反射鏡４を切り出す元となる楕円放物面７の短軸方向７Ｓと長軸方向７Ｌとの長さの比を、ビーム分離角度３８°に対応できるよう１：１．０７５とし、反射鏡４を、その楕円放物面７の中心軸８との交点Ｏが、有効開口の短軸上であって中心Ｍから有効開口径の１／４離れた位置に来るよう、楕円放物面７から切り出している。
【００３２】
図１に戻り、この様に形成された反射鏡４を持つマルチビームアンテナを使用して、第１衛星及び第２衛星からの電波を受信する方法について説明する。
上記で想定した第１衛星は、静止衛星軌道上の東経１４４°にあり、第２衛星は静止衛星軌道上の東経１１０°にある。これら両静止衛星からの到来電波を受信するには、例えば、その中間の東経１２７°の静止衛星軌道に中心軸８（即ち、反射鏡４の有効開口）を向けるようにしても良いが、第１衛星及び第２衛星の送信電力は夫々約９０Ｗ及び約１０６Ｗと異なる等の理由で、地上における各到来電波の電力密度が異なることを考慮し、本実施例のマルチビームアンテナでは、東経１２７°よりも若干、第１衛星に近い東経１３１°方向に中心軸８を向けようにしている。この時の中心軸８の仰角は受信地区によって異なるが、例えば名古屋地区では、中心軸８の仰角は４８．６６°となる。また、受信地区によって、両静止衛星の仰角の差も異なっているため、これに合わせて反射鏡４を中心軸８を中心に回転させる必要があり、例えば名古屋地区では、静止衛星軌道から反射鏡４の見ると、左に８．３１°回転される。この様に、受信地区に応じた姿勢に調整されることにより、マルチビームアンテナは、第１電波１０ａを第１受信部６ａにて受信し、第２電波１０ｂを第２受信部６ｂにて受信することができる。
【００３３】
以上の様に、本実施例のマルチビームアンテナによれば、反射鏡４を楕円放物面７の一部で構成しているので、到来方向の著しく異なる電波を夫々良好に集束させることができる。即ち、各方向に対してサイドローブを抑圧して指向性を高めることができるので、高いアンテナ利得で受信可能となり、受信障害やＣ／Ｎ劣化を防止できる。そして、回転楕円面を使用したり、複数の回転放物面を融合したりする必要が無いので、反射鏡が大型化したり美観を損なったりするのを避けることができ、有効開口径が例えば５０ｃｍと小型であっても、上記の効果が得られる。
【００３４】
以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定される物ではなく、種々の態様を取ることができる。
例えば、上記実施例のマルチビームアンテナを、受信部を２個備えたものとして説明したが、これに限らず何個設けても良く、第１受信部６ａ及び第２受信部６ｂの間に新たな受信部を設けて、例えば、静止衛星軌道上の東経１２８°にある日本通信衛星（株）のＪＣＳＡＴ−３からの到来電波を受信する様にしても良い。上記実施例では、楕円放物面７の短軸方向７Ｓと長軸方向７Ｌとの長さの比を１：１．０７５として、電波の到来方向の角度差約３８°までであれば、良好に集束可能とされているので、その間からの到来電波も良好に集束できるからである。
【００３５】
また、上記実施例のマルチビームアンテナは、静止衛星として、通信を主な目的とするＣＳ及び放送を目的とするＢＳを想定して、その説明を行ったが、放送又は通信を目的とする静止衛星に限られるものではなく、例えば、配信（一方向のみの通信）を主な目的とする静止衛星からの到来電波を受信しても良い。つまり、あらゆる静止衛星に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例としてのマルチビームアンテナの構成を示す説明図である。
【図２】  回転放物面及び楕円放物面によって、２つの静止衛星からの到来電波がどのように集束されるかをシミュレーションした様子を示す説明図である。
【図３】  図２（ｂ）に示したシミュレーションの様子を横から示す説明図である。
【図４】  短軸方向と長軸方向との長さの比が１：１．０７５である楕円放物面から、切出す位置を様々に変化させた場合に、２つの静止衛星からの到来電波がどのように集束するかをシミュレーションした様子を示す説明図である。
【符号の説明】
２…マルチビームアンテナ、４…反射鏡、６…受信部、６ａ…第１受信部、６ｂ…第２受信部、７…楕円放物面、７Ｌ…長軸方向、７Ｓ…短軸方向、Ｏ…楕円放物面とその中心軸との交点。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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