(57)【要約】  アンテナ装置は、鏡面が凹状の反射鏡と、鏡面によって反射される電磁波の放射、及び受信のうちの少なくとも一方が可能な複数のアンテナ素子と、を備え、鏡面には、鏡面の基準とする放物面と鏡面との間の差分Δｓが形成され、差分Δｓは、放物面の焦点Ｆ、及び放物面上の基準点Ｍ0を含むと共に、基準点Ｍ0で副ビームとして反射される電磁波の方向を示す単位ベクトルｅkに平行な平面を想定した場合に、Δｓ＝［１／｛２ｋ（ｅm・ｎ）｝］ｔａｎ−１［ａ0・ｓｉｎ（φ0＋φ）／｛１＋ａ0・ｃｏｓ（φ0＋φ）｝］、φ＝Ｃ＋ｋ・ρ・（ｅR−ｅk）を満たしている。
2020158045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鏡面が凹状の反射鏡と、
前記鏡面によって反射される電磁波の放射、及び受信のうちの少なくとも一方が可能な複数のアンテナ素子と、を備え、
前記鏡面には、前記鏡面の基準とする放物面と前記鏡面との間の差分Δｓが形成され、
前記差分Δｓは、前記放物面の焦点Ｆ、及び前記放物面上の基準点Ｍ0を含むと共に、前記基準点Ｍ0で副ビームとして反射される電磁波の方向を示す単位ベクトルｅkに平行な平面を想定した場合に、
【数１】
2020158045.tif 000004
Ｃ：定数
ａ0：前記副ビームの振幅から決まる定数
φ0：前記副ビームの位相から決まる定数
ｌ0：前記焦点Ｆから前記基準点Ｍ0までの長さ
ｎ：前記放物面上の任意点における単位法線ベクトル
em：前記焦点Ｆから前記任意点へ向かう単位ベクトル
ρ：前記基準点Ｍ0から前記任意点へ向かう単位ベクトル
ｅR：主ビームの方向を示す単位ベクトル
ｋ：波数
を満たすアンテナ装置。
【請求項２】
前記副ビームとして、第１の副ビーム、及び第２の副ビームを実現させる場合に、
前記差分Δｓは、前記単位ベクトルｅkの代わりに前記第１の副ビームの単位ベクトルｅk1を用いた式（１）により求まる差分Δｓである差分Δｓ１と、前記単位ベクトルｅkの代わりに前記第２の副ビームの単位ベクトルｅk2を用いた式（１）により求まる差分Δｓである差分Δｓ２とを加算して得られる値である、
請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記差分Δｓは、前記平面上、前記焦点Ｆから前記基準点Ｍ0に向かうベクトルとの成す角度が、定められた角度θ0以内の範囲に設けられている、
請求項１または２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記平面上の前記主ビームの方向と直交する方向において、前記基準点Ｍ0と、前記基準点Ｍ0から前記任意点Ｍとの間の距離をｄ、前記基準点Ｍ0から前記任意点Ｍ側に存在する前記鏡面の端までの距離をｄ０とした場合、前記差分Δｓは、式（１）により求まる前記差分Δｓに、前記距離ｄ、及び前記距離ｄ０を用いて以下に定義される長さΔｔを加算して得られる値としている、
Δｔ＝Ａ・ｋ（ｄ／ｄ０）2
Ａは定数
請求項１〜３の何れか１項に記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鏡面が凹状をした反射鏡を備えたアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アレー給電のアンテナ装置で所望の放射特性を得るためには、給電回路を含めた各アンテナ素子間の振幅、位相特性の差異を補償する校正技術が重要である。アンテナ装置のなかには、平面波合成法に基づき、反射鏡鏡面の表面形状を規則的に変化させる鏡面修整法により、主ビーム方向と異なる方向に、副ビームを形成することが可能なアンテナ装置が提案されている（例えば、特許文献１、２、及び非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許昭５９−１６１１０３号公報
【特許文献２】特開２０１０−１７７８８７号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】平面波合成法による成形ビームアンテナ、電子情報通信学会論文誌B、Vol.82-B、No.6、pp.1193-1203、1999年6月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
鏡面の表面形状を規則的に変化させる反射鏡を用いた場合、副ビームが制御可能になるため、主にサービスを提供するエリアに加え、そのエリアから離れたエリアにもサービスを提供することができる。しかしながら、サービスを提供可能なエリアは限られており、サービスを提供可能なエリアをより広くすることが望まれている。【０００６】
本発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、より広いエリアにサービスを提供可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るアンテナ装置は、鏡面が凹状の反射鏡と、鏡面によって反射される電磁波の放射、及び受信のうちの少なくとも一方が可能な複数のアンテナ素子と、を備え、鏡面には、鏡面の基準とする放物面と鏡面との間の差分Δｓが形成され、差分Δｓは、放物面の焦点Ｆ、及び放物面上の基準点Ｍ0を含むと共に、基準点Ｍ0で副ビームとして反射される電磁波の方向を示す単位ベクトルｅkに平行な平面を想定した場合に、Δｓ＝［１／｛２ｋ（ｅm・ｎ）｝］ｔａｎ−１［ａ0・ｓｉｎ（φ0＋φ）／｛１＋ａ0・ｃｏｓ（φ0＋φ）｝］、φ＝Ｃ＋ｋ・ρ・（ｅR−ｅk）、を満たしている。
ここで、Ｃは定数、ａ0は副ビームの振幅から決まる定数、φ0は副ビームの位相から決まる定数、ｌ0は焦点Ｆから基準点Ｍ0までの長さ、ｎは放物面上の任意点における単位法線ベクトル、emは焦点Ｆから任意点へ向かう単位ベクトル、ρは基準点Ｍ0から任意点へ向かう単位ベクトル、ｅRは主ビームの方向を示す単位ベクトル、ｋは波数、である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、より広いエリアにサービスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の概要を示す説明図である。
【図２】焦点を想定して配置されたアンテナ素子群を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置を構成する反射鏡の鏡面形状を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置によって形成されるビームを説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置によって形成されるビームを説明する図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置を構成する反射鏡で差分を設ける範囲を説明する図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置によって形成されるビームを説明する図である。
【図８】本発明の実施の形態４に係るアンテナ装置を構成する反射鏡の鏡面形状を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係るアンテナ装置の実施の形態を、図を参照して説明する。各図では、同一または対応する要素には、同一符号を付している。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の概要を示す説明図である。図１において、反射鏡１は鏡面が凹状である。反射鏡１において、Ｆは反射鏡１の鏡面の焦点、Ｍ0は鏡面の基準点、例えば中心点、２は焦点Ｆから基準点Ｍ0に向かうベクトル、３は鏡面で反射、つまり形成される主ビームの放射方向を示す。このことから、図１は、基準点Ｍ0、焦点Ｆを含む放射方向３と平行な平面で切断した場合のアンテナ装置の概要を示している。
【００１２】
図２は、焦点を想定して配置されたアンテナ素子群を示す説明図である。図２に示すように、アンテナ素子群は、電磁波の放射、及び受信のうちの少なくとも一方が可能なＬ個のアンテナ素子をアレー状に配置したものである。各アンテナ素子５ａ、５ｂ、５ｃは全て、ベクトル２と直交する面上に、放射方向、或いは受信方向がベクトル２と平行となるように配置されている。各アンテナ素子５ａ、５ｂ、５ｃには、それぞれ給電回路６ａ、６ｂ、６ｃが接続されている。混乱を避けるために、アンテナ素子５ａ、５ｂ、５ｃのうちの任意のアンテナ素子には符号を付さないこととする。
【００１３】
図３は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置を構成する反射鏡の鏡面形状を説明するための図である。次に図３を参照し、反射鏡１の鏡面形状、より具体的には鏡面に設けられた凹凸について具体的に説明する。
【００１４】
本実施の形態１では、平面波合成法に基づく鏡面修整法により、反射鏡１の鏡面を規則的に変化させるようにしている。このことから、鏡面の規則的な変化をさせる前の基準とする放物面を「基準放物面」と表記し、反射鏡１の実際の鏡面と区別する。「鏡面」は、特に断らない限り、反射鏡１の実際の鏡面を指す意味で用いる。
【００１５】
図３の反射鏡１において、Ｍ0は基準放物面上の基準点、Ｍは基準放物面上の任意点、ｌ0は基準点Ｍ0と焦点Ｆとの間の長さ、ｌは任意点Ｍと焦点Ｆとの間の長さ、ｅmは焦点Ｆから任意点Ｍに向かう方向を示す単位ベクトル、ｅRは基準点Ｍ０で反射される主ビームの方向を示す単位ベクトル、ｅkは基準点Ｍ０で反射される副ビームの方向を示す単位ベクトル、ρは基準点Ｍ0から任意点Ｍに向かうベクトルを示す。それにより、図３は、図１と同じく、基準点Ｍ0、焦点Ｆを含む単位ベクトルｅmと平行な平面で切断した場合のアンテナ装置の概要を示している。その平面は、以降「想定平面」と表記する。なお、単位ベクトルｅRは、放射方向３と平行である。
【００１６】
本実施の形態１では、基準放物面と鏡面との間の距離である差分Δｓ、及び位相φは、以下の式により求まるものとしている。それにより、差分Δｓ、及び位相φは、以下の式を満たしている。
【数１】
2020158045.tif 000003
【００１７】
Ｃ：定数
ａ0：副ビームの振幅から決まる定数
φ0：副ビームの位相から決まる定数
ｎ：任意点Ｍにおける単位法線ベクトル
ｋ：波数
【００１８】
図４は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置によって形成されるビームを説明する図である。図４では、主ビームおよび副ビームが放射される方向上のその方向と交差する平面を想定し、その想定した平面上に各ビームが放射されるエリアを示している。ビーム１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、主ビームであり、各円は、ビーム１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄが放射されるエリアをそれぞれ示している。同様に、ビーム２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、副ビームであり、各円は、ビーム２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが放射されるエリアをそれぞれ示している。また、ｅR点は、基準点Ｍ0から単位ベクトルｅRの方向上の平面の点である。ｅkは、基準点Ｍ0から単位ベクトルｅkの方向上の平面の点である。
【００１９】
図２に示すアンテナ素子群は、上記のように、焦点Ｆを想定した位置に配置されている。アンテナ素子群を構成する各アンテナ素子５ａ、５ｂ、５ｃのなかで実際に焦点Ｆに配置できるのは最大でも１つのみである。そのため、全ての、或いは１つを除くアンテナ素子は、焦点Ｆではない位置に配置されることになる。
【００２０】
全てのアンテナ素子が焦点Ｆの位置に配置されていない場合、式（１）により求められる差分Δｓを反射鏡１の鏡面に設けることにより、図４に示すように、ｅR点を囲む複数のエリアを含め、アンテナ素子の数に応じた数のエリアに主ビームがそれぞれ放射されることになる。同様に、副ビームも、ｅk点を囲む複数のエリアを含め、アンテナ素子の数に応じた数のエリアにそれぞれ放射されることになる。この結果、アンテナ素子の数がＬであれば、最大で２Ｌのエリアにサービスを提供できるようになる。
【００２１】
図４に示すように、主ビーム、及び副ビームをそれぞれ複数のエリアに放射できることから、サービスが提供可能なエリアはより広くなる。また、各アンテナ素子に割り当てる通信リソースは任意に設定することができる。そのため、マルチビームアンテナ装置と同様に、周波数利用効率を向上させることができる。
【００２２】
なお、図４では、アンテナ素子群が電磁波を放射することを想定しているが、アンテナ素子群は受信に用いても良いものである。アンテナ素子群を受信に用いる場合、図４に示す各円は、各アンテナ素子が電磁波を受信可能なエリアを表すことになる。
【００２３】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、副ビームは１方向としている。これに対し、本実施の形態２では、副ビームを２つの方向に放射させるようにしている。ここでは、上記実施の形態１から異なる部分に着目して説明を行う。放射方向が異なる２つの副ビームを第１の副ビーム、及び第２の副ビームと表記し、第１の副ビーム、及び第２の副ビームの単位ベクトルをｅk1、ｅk2とする。
【００２４】
本実施の形態２では、式（１）中のｅkをｅk1に代えて差分Δｓを求める。このとき、求めた差分Δｓは差分Δｓ１と表記する。
【００２５】
同様に、式（１）中のｅkをｅk2に代えて差分Δｓを求める。このとき、求めた差分Δｓは差分Δｓ２と表記する。
【００２６】
本実施の形態２では、差分Δｓは、第１の副ビーム、第２の副ビームをそれぞれ想定して求めた差分Δｓ１、Δｓ２を加算した値としている。つまり、差分Δｓは、Δｓ＝Δｓ１＋Δｓ２、により求める。
【００２７】
図５は、本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置によって形成されるビームを説明する図である。図５でも、図４と同様に、主ビームおよび副ビームが放射される方向上のその方向と交差する平面を想定し、その想定した平面上に各ビームが放射されるエリアを示している。
【００２８】
図５において、ビーム２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、第１の副ビームであり、例えば上記実施の形態１における副ビームに相当する。その場合、ｅk1点は、ｅk点と同じ位置である。
【００２９】
ビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは、第２の副ビームであり、ｅk2点は、ｅR点、及びｅk1点とは異なる位置である。第２の副ビームも、ｅk2点を囲む複数のエリアを含め、アンテナ素子の数に応じた数のエリアにそれぞれ放射される。この結果、アンテナ素子の数がＬであれば、最大で３Ｌのエリアにサービスを提供できるようになる。このことから、本実施の形態２では、上記実施の形態１と比較して、より広いエリアにサービスを提供することができる。
【００３０】
実施の形態３．
上記実施の形態１では、反射鏡１の鏡面全体に差分Δｓを設けている。これに対し、本実施の形態３では、差分Δｓを設ける範囲を制限している。ここでも、上記実施の形態１から異なる部分に着目して説明を行う。
【００３１】
図６は、本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置を構成する反射鏡で差分を設ける範囲を説明する図である。図６において、θ0は、差分Δｓが設けられた範囲の端とベクトル２とが成す想定平面上の角度、Ｄは放射方向３と直交する鏡面全体の想定平面上の距離、Ｄ０は差分Δｓが設けられた範囲の想定平面上の距離、である。
【００３２】
図７は、本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置によって形成されるビームを説明する図である。本実施の形態３では、図６に示すように、ベクトル２の両側に成す角度を同じ角度θ0としている。そのため、図７に示すように、各副ビームは、全体的に径が拡大し、より広いエリアに放射される。従って、上記実施の形態１と比較した場合、より広いエリアにサービスを提供することができる。
【００３３】
なお、本実施の形態３でも、複数の副ビームを形成させるようにしても良い。その場合、上記実施の形態２と比較しても、より広いエリアにサービスを提供することができるようになる。また、ベクトル２の両側に成す角度は異ならせても良い。
【００３４】
実施の形態４．
上記実施の形態３では、式（１）により求める差分Δｓを用いて、その差分Δｓとは異なる差分Δｓを反射鏡１の鏡面に設けている。本実施の形態４は、上記実施の形態３とは異なる差分Δｓを反射鏡１の鏡面に設けるようにしたものである。ここでも、上記実施の形態１から異なる部分に着目して説明を行う。
【００３５】
図８は、本発明の実施の形態４に係るアンテナ装置を構成する反射鏡の鏡面形状を説明するための図である。図８において、ｄは想定平面上での基準点Ｍ0から任意点Ｍまでの単位ベクトルｅRと直交する方向の距離、ｄ０は想定平面上での基準点Ｍ0から反射鏡１の鏡面の任意点Ｍ側に存在する側の端までの単位ベクトルｅRと直交する方向の距離、である。
【００３６】
本実施の形態４では、距離ｄ、ｄ０を用いて、以下の式（２）により長さΔｔを定義する。
Δｔ＝Ａ・ｋ（ｄ／ｄ０）2        （２）
ここで、Ａは定数である。
【００３７】
上記式（２）により定義される長さΔｔは、２次の収差の項を表している。本実施の形態４では、式（１）により求めた差分Δｔに長さΔｔを加算した結果を実際の差分Δｓとして用いる。つまり最終的な差分Δｓは、Δｓ＝Δｓ＋Δｔ、により算出される。
【００３８】
このようにして最終的な差分Δｓを算出することにより、反射鏡１の鏡面上に２次の位相分布を形成することができる。そのため、上記実施の形態３と同様に、上記実施の形態１と比較して、副ビームの径をより拡大させることができる。従って、上記実施の形態１と比較した場合、より広いエリアにサービスを提供することができる。
【００３９】
なお、本実施の形態４は、上記実施の形態２、及び上記実施の形態３にも適用することができる。何れに適用したとしても、更に広いエリアにサービスを提供できるようになる。
【符号の説明】
【００４０】
１  反射鏡、５ａ〜５ｃ  アンテナ素子、６ａ〜６ｃ  給電回路、ｅm  副ビームの方向を示す単位ベクトル、ｅR  主ビームの方向を示す単位ベクトル、Ｆ  焦点、Ｍ  任意点、Ｍ0  基準点。
【図１】
2020158045.tif 000005
【図２】
2020158045.tif 000006
【図３】
2020158045.tif 000007
【図４】
2020158045.tif 000008
【図５】
2020158045.tif 000009
【図６】
2020158045.tif 000010
【図７】
2020158045.tif 000011
【図８】
2020158045.tif 000012
【国際調査報告】
2020158045.tif 000013
2020158045.tif 000014
2020158045.tif 000015
2020158045.tif 000016