(57)【要約】【課題】衛星搭載型の鏡面修整反射鏡アンテナ装置及び鏡面修整反射鏡の設計方法を提供する。【解決手段】本発明の鏡面修整反射鏡アンテナ装置１０ａ，１０ｂは、単一の給電ホーン１３ａ，１３ｂと、鏡面修整反射鏡１１ａ，１１ｂとを備える。鏡面修整反射鏡１１ａ，１１ｂは、給電ホーン１３ａ，１３ｂが１オクターブ以上にわたって分散して配置されている３つ以上の周波数帯にて利用可能にパラボラ面から修整された鏡面形状を有する。好適には、鏡面修整反射鏡１１ａ，１１ｂは、最低利得値以上で覆われる放射電力パターン域について当該周波数帯の増大に伴う縮小化を許容しつつ、サービスエリアを含む範囲内で当該最低利得値以上を保持するのに適合した受信地点を複数指定し、且つ当該複数の受信地点の周波数帯毎の利得目標値を個別に定めて所定の最適化計算法により設計される。【選択図】図１
2016111571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
衛星搭載型の鏡面修整反射鏡アンテナ装置であって、
単一の給電ホーンと、
前記給電ホーンから放射される放射パターンを鏡面反射して、所定のサービスエリアを覆う放射電力パターンを形成する鏡面修整反射鏡とを備え、
前記鏡面修整反射鏡は、前記給電ホーンが１オクターブ以上にわたって分散して配置されている３つ以上の周波数帯にて利用可能にパラボラ面から修整された鏡面形状を有することを特徴とする鏡面修整反射鏡アンテナ装置。
【請求項２】
前記鏡面修整反射鏡は、予め定めた最低利得値以上で覆われる放射電力パターン域について当該周波数帯の増大に伴う縮小化を許容しつつ、前記所定のサービスエリアを含む範囲内で当該最低利得値以上を保持するのに適合した受信地点を複数指定し、且つ当該複数の受信地点の周波数帯毎の利得目標値を個別に定めて所定の最適化計算法により設計された鏡面形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の鏡面修整反射鏡アンテナ装置。
【請求項３】
当該鏡面修整反射鏡アンテナ装置は放送衛星に搭載され、前記３つ以上の周波数帯は、衛星放送サービスにおける１０ＧＨｚ以上の周波数帯を対象とすることを特徴とする、請求項１又は２に記載の鏡面修整反射鏡アンテナ装置。
【請求項４】
単一の給電ホーンと、前記給電ホーンから放射される放射パターンを鏡面反射して、所定のサービスエリアを覆う放射電力パターンを形成する鏡面修整反射鏡とを備える衛星搭載型の鏡面修整反射鏡アンテナ装置における当該鏡面修整反射鏡の設計方法であって、
（Ａ）予め定めた最低利得値以上で覆われる放射電力パターン域について当該周波数帯の増大に伴う縮小化を許容しつつ、前記所定のサービスエリアを含む範囲内で当該最低利得値以上を保持するのに適合した受信地点を複数指定するステップと、
（Ｂ）当該複数の受信地点の周波数帯毎の利得目標値を個別に定めるステップと、
（Ｃ）所定の最適化計算法により、前記ステップ（Ａ）及び（Ｂ）を最適化計算条件として、パラボラ面から鏡面形状を修整するステップと、
を含むことを特徴とする設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衛星搭載型のアンテナ装置に関し、特に、衛星搭載型の鏡面修整反射鏡アンテナ装置及び鏡面修整反射鏡の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば放送衛星搭載用のアンテナ装置の１つとして、鏡面修整反射鏡アンテナ装置がある。この鏡面修整反射鏡アンテナ装置は、反射鏡面の凹凸を適切に設けることで、放射されるビームパターンを任意の形状に設計できるため、衛星放送用として用いられている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
従来の放送衛星においては、衛星から地上に向けたダウンリンクとして１２ＧＨｚ帯（１１．７〜１２．２ＧＨｚ）を用い、地上局から衛星に向けたアップリンクとして１７ＧＨｚ帯（１７．３〜１７．８ＧＨｚ）が用いられており、これらの両方の周波数帯で利用可能となる鏡面修整反射鏡アンテナ装置が実用化されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】“平成25年版  衛星通信年報”、衛星通信年報編集委員会編、公益財団法人 ＫＤＤＩ財団発行, ２０１４年１月３１日発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
衛星放送用の周波数帯は、前述した１７／１２ＧＨｚ帯の他に、ダウンリンクとして２１ＧＨｚ帯（２１．４〜２２ＧＨｚ）、アップリンクとして１８ＧＨｚ帯（１８．１〜１８．４ＧＨｚ）或いは２５ＧＨｚ帯（２４．６５〜２５．２５ＧＨｚ）が国際電気通信連合 無線通信部門（ＩＴＵ−Ｒ：International Telecommunication Union Radiocommunication Sector）の地域分類によるヨーロッパ・アフリカ（第１地域）及びアジア・太平洋地域（第３地域）において利用可能である。
【０００６】
従来の鏡面修整反射鏡アンテナ装置は、１０ＧＨｚ以上の１つ又は２つの周波数帯において利用可能に構成されている。そして、衛星に搭載可能な重量及びスペースには限りがあるため、１つのアンテナ装置で複数の周波数帯を共用可能に構成することは、当該重量及びスペースの観点から有利であり、低コストでの実用化が期待できる。
【０００７】
このような観点から、１つのアンテナ装置で複数の周波数帯を共用可能に構成するにあたり、複数の給電ホーンで励振可能に構成するよりも単一の給電ホーンで励振可能に構成することが望ましい。
【０００８】
しかしながら、従来技術では、単一の給電ホーンで１オクターブ以上にわたって分散して配置されている３つ以上の周波数帯（特には、１０ＧＨｚ以上の周波数帯）において利用可能な鏡面修整反射鏡アンテナ装置は未だ確立されていない。
【０００９】
本発明の目的は、上述の問題に鑑みて、衛星搭載型の鏡面修整反射鏡アンテナ装置及び鏡面修整反射鏡の設計方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の鏡面修整反射鏡アンテナ装置は、衛星搭載型の鏡面修整反射鏡アンテナ装置であって、単一の給電ホーンと、前記給電ホーンから放射される放射パターンを鏡面反射して、所定のサービスエリアを覆う放射電力パターンを形成する鏡面修整反射鏡とを備え、前記鏡面修整反射鏡は、前記給電ホーンが１オクターブ以上にわたって分散して配置されている３つ以上の周波数帯にて利用可能にパラボラ面から修整された鏡面形状を有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の鏡面修整反射鏡アンテナ装置において、前記鏡面修整反射鏡は、予め定めた最低利得値以上で覆われる放射電力パターン域について当該周波数帯の増大に伴う縮小化を許容しつつ、前記所定のサービスエリアを含む範囲内で当該最低利得値以上を保持するのに適合した受信地点を複数指定し、且つ当該複数の受信地点の周波数帯毎の利得目標値を個別に定めて所定の最適化計算法により設計された鏡面形状を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の鏡面修整反射鏡アンテナ装置において、当該鏡面修整反射鏡アンテナ装置は放送衛星に搭載され、前記３つ以上の周波数帯は、衛星放送サービスにおける１０ＧＨｚ以上の周波数帯を対象とすることを特徴とする。
【００１３】
更に、本発明の鏡面修整反射鏡の設計方法は、単一の給電ホーンと、前記給電ホーンから放射される放射パターンを鏡面反射して、所定のサービスエリアを覆う放射電力パターンを形成する鏡面修整反射鏡とを備える衛星搭載型の鏡面修整反射鏡アンテナ装置における当該鏡面修整反射鏡の設計方法であって、予め定めた最低利得値以上で覆われる放射電力パターン域について当該周波数帯の増大に伴う縮小化を許容しつつ、前記所定のサービスエリアを含む範囲内で当該最低利得値以上を保持するのに適合した受信地点を複数指定するステップ（Ａ）と、当該複数の受信地点の周波数帯毎の利得目標値を個別に定めるステップ（Ｂ）と、所定の最適化計算法により、前記ステップ（Ａ）及び（Ｂ）を最適化計算条件として、パラボラ面から鏡面形状を修整するステップ（Ｃ）と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、従来のような放送衛星に搭載される鏡面修整反射鏡アンテナ装置と比して、同等の性能を持ちながら、重量や必要とされるスペース、並びにコストの観点からも有利な態様で、１オクターブ以上にわたって分散して配置されている３つ以上の周波数帯（特には、１０ＧＨｚ以上の周波数帯）において利用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ本発明による各実施形態の鏡面修整反射鏡アンテナ装置の概略構成を示す図である。
【図２】（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ給電ホーンとしてのコルゲートホーンアンテナの放射パターン及び位相パターンを示す図である。
【図３】本発明による各実施形態の鏡面修整反射鏡アンテナ装置における指定の各受信地点の周波数毎の利得目標値を示す図である。
【図４】（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ本発明による一実施形態の鏡面修整反射鏡アンテナ装置における鏡面修整反射鏡の単一の曲率を有するパラボラ面に対する差と、その差を定義する軸を示す図である。
【図５】本発明による一実施形態の鏡面修整反射鏡アンテナ装置における１１．９５ＧＨｚの放射パターンを示す図である。
【図６】本発明による一実施形態の鏡面修整反射鏡アンテナ装置における１７．５５ＧＨｚの放射パターンを示す図である。
【図７】本発明による一実施形態の鏡面修整反射鏡アンテナ装置における１８．２５ＧＨｚの放射パターンを示す図である。
【図８】本発明による一実施形態の鏡面修整反射鏡アンテナ装置における２１．７ＧＨｚの放射パターンを示す図である。
【図９】本発明による一実施形態の鏡面修整反射鏡アンテナ装置における２４．９５ＧＨｚの放射パターンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明による各実施形態の鏡面修整反射鏡アンテナ装置及びその設計方法について説明する。
【００１７】
図１（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ本発明による各実施形態の鏡面修整反射鏡アンテナ装置の概略構成を示す図である。図１（Ａ）に示す鏡面修整反射鏡アンテナ装置１０ａは、鏡面修整反射鏡１１ａと単一の給電ホーン１３ａにより、放射電力パターンを形成するよう構成される。図１（Ｂ）に示す鏡面修整反射鏡アンテナ装置１０ｂは、主鏡１１ｂ（鏡面修整反射鏡）及び副鏡１２ｂ（例えば、双曲線関数で示される面形状或いは楕円状の面形状を有する反射鏡）と単一の給電ホーン１３ｂにより、放射電力パターンを形成するよう構成される。
【００１８】
図１（Ａ），（Ｂ）に示す各実施形態の鏡面修整反射鏡アンテナ装置１０ａ，１０ｂは、鏡面修整反射鏡１１ａ，１１ｂの鏡面形状を１オクターブ以上にわたって分散して配置されている３つ以上の周波数帯（特には、１０ＧＨｚ以上の周波数帯）において最適化して設計されており、衛星放送のサービスエリア内における各受信地点において目的とする利得を達成することができる。以下に説明する実施例として、日本列島をサービスエリアとする鏡面修整反射鏡アンテナ装置１０ａ，１０ｂについて説明する。
【００１９】
まず、給電ホーン１３ａ，１３ｂとして、広帯域なコルゲートホーンアンテナ（例えば、『“アンテナ工学ハンドブック〔第２版〕”、電子情報通信学会編、オーム社、２００８年発行』を参照）や、複モードホーンアンテナ（例えば、『出口博之、他、“一般的な伝送方程式を用いたフレア形マルチモード円すいホーンアンテナの解析”、電子情報通信学会論文誌. B-II, 通信II-無線通信・無線応用、Ｖｏｌ.Ｊ７９−Ｂ−ＩＩ Ｎｏ.１, ｐｐ.３３−４１, １９９６年１月』を参照）がよく用いられる。
【００２０】
コルゲートホーンアンテナは、約１オクターブの周波数帯域にわたって軸対称ビームを有しており、複モードホーンアンテナは複数の周波数帯において最適に設計することができる。
【００２１】
ただし、図１（Ａ），（Ｂ）に示す各実施形態の鏡面修整反射鏡アンテナ装置１０ａ，１０ｂにおける給電ホーン１３ａ，１３ｂをコルゲートホーンアンテナにより構成するには、その放射パターン及び位相パターンを考慮して鏡面修整反射鏡１１ａ，１１ｂの鏡面形状を設計する必要がある。
【００２２】
図２（Ａ），（Ｂ）は、給電ホーン１３ａ，１３ｂとしてのコルゲートホーンアンテナの放射パターン及び位相パターンを示す図であり、コルゲートホーンアンテナの軸中心からの方位角（deg.）を横軸にとり、それぞれ当該角度における放射利得（dBi）及びその位相値（deg.）を縦軸に示している。尚、図２（Ａ）は、コルゲートホーンアンテナの開口径及びフレア角（ホーンの開き具合）を同一として、３つの周波数帯において計算した結果を示しており、図２（Ｂ）は、その位相パターンを示している。
【００２３】
即ち、単一の給電ホーン１３ａ，１３ｂはその物理形状が固定されているため、コルゲートホーンアンテナにより構成すると、図２（Ａ）に示すように、コルゲートホーンアンテナの放射パターンは、各周波数帯（１１．９５ＧＨｚ,１７．５５ＧＨｚ,２１．７ＧＨｚ）によって異なるものとなる。また、図１（Ａ），（Ｂ）に示す焦点Ｏから鏡面修整反射鏡１１ａ，１１ｂのエッジの見込み角では、図２（Ａ）に示すように、周波数が高くなると単一の給電ホーン１３ａ，１３ｂからの照射レベルが低くなる。
【００２４】
そこで、鏡面修整反射鏡１１ａ，１１ｂの鏡面形状を１オクターブ以上にわたって分散して配置されている３つ以上の周波数帯（特には、１０ＧＨｚ以上の周波数帯）において最適化設計するにあたり、予め定めた最低利得値以上で覆われる放射電力パターン域について当該周波数帯の増大に伴う縮小化を許容しつつ、サービスエリアを含む範囲内で当該最低利得値以上を保持するのに適合した受信地点を複数指定し、且つ当該複数の受信地点の周波数帯毎の利得目標値を個別に定めて、鏡面修整反射鏡１１ａ，１１ｂの鏡面形状の最適化計算を行うようにする。
【００２５】
図３は、各実施形態の鏡面修整反射鏡アンテナ装置１０ａ，１０ｂにおける指定の各受信地点の周波数毎の利得目標値を示す図である。１２ＧＨｚ帯のダウンリンクは、既に利用されているため、既存の衛星において達成している利得を参考とした。１７ＧＨｚ帯のアップリンクについては、離島を除いた日本の主要部を対象とした。１８ＧＨｚ帯は１７ＧＨｚ帯と近い周波数帯なので、目標点は特に設定していないが、２５ＧＨｚ帯を利用する場合には、別途設定する。２１ＧＨｚ帯のダウンリンクについては、新しい周波数帯で日本国内において未だ利用されていないため、日本の主要部を対象とし、利得目標値を１２ＧＨｚ帯より５ｄＢ低い設定とし、また、外国衛星との干渉の可能性を考慮し、沿岸部の２都市（稚内及び対馬）を指定から除外した。
【００２６】
図４（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ本発明による一実施形態の鏡面修整反射鏡アンテナ装置１０ａにおける鏡面修整反射鏡１１ａの単一の曲率を有するパラボラ面に対する差と、その差を定義する軸を示す図である。尚、図４は、鏡面修整反射鏡の鏡面形状の最適化計算に、鏡面修整反射鏡１１ａと単一の給電ホーン１３ａにより構成される鏡面修整反射鏡アンテナ装置１０ａを想定した場合の例である。
【００２７】
図４では、ｚ軸の正方向を放射電力パターンの放射方向として、ｚ軸上における単一の曲率を有する理想的なパラボラ面との差を示している。反射鏡の放射電力パターンは、物理光学法により計算が可能であり、鏡面形状の最適化計算には、ミニマックス法、遺伝的アルゴリズム、再急降下法などの最適化技法が利用可能である。
【００２８】
コルゲートホーンアンテナを単一の給電ホーン１３ａとし、図４の鏡面形状を有する鏡面修整反射鏡１１ａを用いて構成した際の鏡面修整反射鏡アンテナ装置１０ａによる１オクターブ以上にわたって分散して配置されている３つ以上の周波数帯１１．９５ＧＨｚ、１７．５５ＧＨｚ、１８．２５ＧＨｚ、２１．７ＧＨｚ、及び２４．９５ＧＨｚにおける放射電力パターンは、それぞれ図５乃至図９に示すようになった。即ち、周波数帯１１．９５ＧＨｚ、１７．５５ＧＨｚ、１８．２５ＧＨｚ、２１．７ＧＨｚ、及び２４．９５ＧＨｚにおける放射電力パターンは、単一の給電ホーン１３ａであっても、サービスエリアを含む範囲内で当該最低利得値（最低利得値として２９ｄＢｉ以上が望まれるところ、本例では、１１．９５ＧＨｚ、１７．５５ＧＨｚ、１８．２５ＧＨｚでは３８ｄＢｉ程度、２１．７ＧＨｚ、２４．９５ＧＨｚでは３２ｄＢｉ程度）を保持することができている。したがって、本発明に係る鏡面修整反射鏡アンテナ装置１０ａによれば、衛星に搭載する際の重量及びスペースの観点、及び低コスト化の観点から有利になる。
【００２９】
本発明による技法は、放送衛星に限らず通信衛星のアンテナ装置にも適用可能であるが、安定した利得で比較的広範囲の放射電力パターンの形成が要求される衛星放送サービスにおける１０ＧＨｚ以上の周波数帯を対象とすることで、本発明の効果をより確実に顕在化させることになる。
【００３０】
以上、特定の実施形態の例を挙げて本発明を説明したが、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、その技術思想を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例えば、上述の説明では、コルゲートホーンアンテナを単一の給電ホーン１３ａとし、図４の鏡面形状を有する鏡面修整反射鏡１１ａを用いて構成した際の図１（Ａ）に示す鏡面修整反射鏡アンテナ装置１０ａについて代表的に説明したが、図１（Ｂ）に示す鏡面修整反射鏡アンテナ装置１０ｂについて、副鏡１２ｂも鏡面修整反射鏡として、主鏡１１ｂ及び副鏡１２ｂの鏡面形状を相互に最適化計算を行って設計することも可能である。したがって、図１（Ｂ）に示す鏡面修整反射鏡アンテナ装置１０ｂについても同様に、鏡面修整反射鏡に関する鏡面形状の最適化計算を行うことで同様の効果を得ることができる。
【００３１】
また、単一の給電ホーン１３ａ，１３ｂは、コルゲートホーンアンテナの代わりに、複モードホーンアンテナとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明によれば、従来のような放送衛星に搭載される鏡面修整反射鏡アンテナ装置と比して、同等の性能を持ちながら、１オクターブ以上にわたって分散して配置されている３つ以上の周波数帯（特には、１０ＧＨｚ以上の周波数帯）において利用可能となるので、衛星搭載型のアンテナ装置の用途に有用である。
【符号の説明】
【００３３】
１０ａ，１０ｂ  鏡面修整反射鏡アンテナ装置
１１ａ，１１ｂ  鏡面修整反射鏡
１２ｂ  副鏡
１３ａ，１３ｂ  単一の給電ホーン
【図１】
2016111571.tif 000003
【図２】
2016111571.tif 000004
【図３】
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【図４】
2016111571.tif 000006
【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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