社団法人 電子情報通信学会
THE INSTITUTE OF ELECTRONICS,INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS

信学技報
TECHNICAL REPORT OF IEICE.

リフレクトアレーを用いた衛星搭載アンテナ
小幡亮太†

須永誼†

牧野滋†

瀧川道生††

中嶋宏昌††† 金沢工業大学 〒 921-8501 石川県野々市市扇が丘 7-1†† 三菱電機株式会社
E-mail: †b1415210@planet.kanazawa-it.ac.jp
あらまし

複数のビームで所望のサービスエリアをカバーする衛星搭載用マルチスポットビームアンテナにおいて従来の構成では 4 枚の反射鏡を必要とした．本文では，リフレクトアレーの 2 つの特性，周波数によってビーム方向を変える特性，偏波によってビーム方向を変える特性を活かし，2 枚の反射鏡で従来のマルチスポットビームアンテナと同等の性能を実現する方式を提案する（マルチスキャニングビーム）．
キーワード

リフレクトアレー，マルチスポットビーム，マルチスキャニングビーム

Satellite mounted antennas using reflect arrays
Ryota OBATA† , Yoshimi SUNAGA† , Shigeru MAKINO† , Michio TAKIKAWA†† , and Hiromasa
NAKAJIMA††† Kanazawa Institute of Technology Ohgigaoka 7-1, Nonoichi, Ishikawa, 921-8601 Japan†† Mitsubishi Electric Corporation
E-mail: †b1415210@planet.kanazawa-it.ac.jp
Abstract In the conventional multi spot beam antenna for satellite mounting which covers a desired service areawith a plurality of beams, four reflecting mirrors are required.In this paper, we propose a method to realize performance equivalent to that of a conventional multi spot beam antenna with two reflectors by taking advantage of twocharacteristics of the reflectarray, a characteristic of changing the beam direction depending on the frequency, anda characteristic of changing the beam direction by polarization (Multi-scanning beam) .
Key words Reflect array, Multi spot beam，Multi-scanning beam

1. は じ め に
近年の衛星通信では，所望のサービスエリアをカバーするマ

つまり，1 枚のアンテナで 3 種類のビームの役割を果たす．そのため，各々のアンテナが共用できるビームは 3+3+2 種類のビームで分けられ，合計 3 式のアンテナで構成することができルチスポットアンテナの構成が主流となっている．2 つの周波る [4]. の例としては，2 つの周波数と 2 つの偏波をもつ素子構

数帯域 f1 ,f2 と直交偏波の偏波 V,H を組み合わせた 4 つのビー造があるリフレクトアレーを用いたマルチスポットアンテナがム A,B,C,D で実現することができる．また，送信周波数帯域挙げられる．このアンテナは Tx の A のビームと C のビーム，(Tx) と受信周波数帯域 (Rx) が異なるため，サービスエリアをRx の A のビームと C のビームを 1 枚のアンテナで共用する．

カバーするには，合計 8 種類のビームが必要である．1 種類のつまり，1 枚のアンテナで 4 種類のビームの役割を果たす．8

ビームをパラボラアンテナと複数のホーンとで構成するものと種類のビームのうち 1 枚のアンテナで 4 種類のビームの役割をすれば，合計 8 式のアンテナが必要となる．しかし，一般には，果たすため，合計 2 式のアンテナで構成することができる [5].

１つのアンテナは Tx と Rx で共用可能であるため，合計 4 式

しかし，このアンテナは多層構造のため，製作が難しい．のアンテナで構成される．

また，上記の従来の方式は，1 つのアンテナで Tx の周波数アンテナ数を減らすことを目的としてリフレクトアレー [1]〜と Rx の周波数を共用するものである．Ka 帯のように Tx の[3] を用いた様々な方式が報告されている．パラボラ型のリフ周波数と Rx の周波数が大きく離れている場合には，それぞれレクトアレーアンテナは Tx の A のビーム，Rx の A のビーのビーム幅が異なるために，ビーム配列において問題が生じムに加えて，Tx の C のビームを 1 枚のアンテナで共用する．

る．周波数の低い Tx では同じ周波数と偏波を用いるビーム間—1—で，アイソレーションが劣化することが問題となる．周波数がどの役割の周波数，偏波を持っているのかを示す．f1 は fL か

高い Rx ではクロスオーバーレベルが低下し，サービスエリア

ら f0 の，f2 は f0 から fH の周波数帯域を表している．A の内の利得低下が懸念される．さらに，Tx/Rx 共用一次放射器，ビームが α のアンテナに対応していて，B のビームが β のア

Tx/Rx ダイプレクサ，Tx 用 OMT，Rx 用 OMT が必要とな

ンテナ，C のビームが γ のアンテナ，D のビームが δ に対応しり，構造がとても複雑になり，コストも上がるという問題点がている．それぞれのアンテナから対応しているビームが放射さある．

れる．

この論文ではこれらの問題点を解決した新しいマルチスキャ
ニングビームアンテナを提案する [6]．Tx のアンテナと Rx のアンテナを分離した 2 式のリフレクトアレーアンテナ構成を示す．利得低下 3dB を許すとするならば，ユーザーの何処の位置でも全帯域の半分の帯域で通信することができ，従来のアンテナ構成と変わらない．各アンテナは複数のホーンで構成され，また平面の単層構造となる．従来のアンテナと比べると，低コスト，低損失，低交差偏波となる．

2. 従来のパラボラアンテナを用いた衛星搭載アンテナ
2. 1 パラボラアンテナのマルチスポットビームアンテナの構成
従来のマルチスポットビームアンテナは複数の反射鏡が必要
図 2 パラボラアンテナのビーム配列であった．従来例を順を追って説明する．図 1 にビームレイア
ウトを示す．ビームレイアウトの F1 ,F2 は周波数を示し，P1 ,P2

このマルチスポットビームアンテナの問題点は 2 つある．1は偏波を示す．

つ目は 4 枚のアンテナを使わなければならない点である．4 枚のアンテナを使うことで，制作にコストと時間がかかる．2 つ目は 20GHz,30GHz とでビーム幅がずれて誤差が出てしまう点である．そのため，サービスエリアを隙間なくカバーすることが難しいと考えられる．
表1

従来例 1 のアンテナ配置

Tx

Rx

f1f2

f1f2

V 偏波

αβαβ

H 偏波

γδγ

δ

2. 2 従来のリフレクトアレー衛星搭載アンテナの構成
図 1 ビームレイアウト

次にリフレクトアレーを用いた衛星搭載アンテナ，従来例 1を説明する．従来例 1 ではパラボラ形状のリフレクトアレーをマルチスポットビームアンテナには図 1 に示すビームレイア用いたマルチスポットビームアンテナを説明する．表 2 に示す

ウトが送信用と受信用で 2 つ必要となる．送信用が Tx(20GHz)

ように，このアンテナは 3 枚のアンテナ (α,β,γ) で構成されてで受信用が Rx(30GHz) で分けられている．よって，A,B,C,Dいる．の 4 つのビームが Tx と Rx の 2 種類必要となるため，計 8 枚のアンテナが必要となる．

表2

従来例 2 のアンテナ配置

Tx

パラボラアンテナを用いたマルチスポットビームアンテナを説明する．ホーンから 2 種類の周波数 Tx と Rx を放射することで計 4 枚の反射鏡でサービスエリアをカバーすることが可能

f1

Rx

f2

f1

f2

V 偏波αγαβ

H 偏波αβγβとなる．一次放射器は 1 アンテナ分で三角配列で配列する．図2 にパラボラアンテナを用いたマルチスポットビームアンテナのビーム配列を示す．黄緑の丸がひとアンテナ分のビーム配列となっており，図 1 のビームレイアウトで言う A のビームが放図 1 のビームレイアウトと比べながら見てみると，Tx の Aと C のビーム，Rx の A のビームが α のアンテナから放射されている．これはリフレクトアレーの共振素子によってビーム方射されていることを示す．表 1 に 4 枚のアンテナ (α,β,γ,δ) が—2—

向を変えることで１つのアンテナで 3 つの役割が働くことで可能にしている．β のアンテナからは α のアンテナと同じようにTx の D のビームと Rx の B,D のビームを放射している．残りの γ のアンテナからは Tx の B と Rx の C のビームを放射している．
このマルチスポットビームアンテナの利点は 3 枚のアンテナで所望のサービスエリアをカバーすることができる．しかし，

図 4 従来例 2 のビーム配置

問題点が 3 つある．1 つ目はパラボラアンテナの構造であるため，交差偏波が高くなることが問題点として挙げられる．2 つ目は曲面構造のリフレクトアレーのため，共振素子を局面に製

3. マルチスキャニングビームアンテナの提案造するのが難しい点が挙げられる．3 つ目は従来例 1 と同じ理

3. 1 目由で，ビーム幅が 20GHz と 30GHz で異なることで誤差が生

今回提案するマルチスキャニングビームアンテナは 2 枚の反じることが挙げられる．

的

射鏡で所望のサービスエリアをカバーすることができる．ビー

最後にリフレクトアレーを用いた衛星搭載アンテナ，従来例

ム幅の誤差を無くすため，20GHz と 30GHz を分けることにす

2 について説明する．2 周波数，2 偏波リフレクトアレーを用る．表 4 に新型衛星搭載アンテナのアンテナ配置を示す．f1 +f2いたマルチスポットビームアンテナである．このアンテナの構の全周波数帯域を用いたマルチスキャニングビームを用いるた造を図 3 に示す．また，このアンテナは表 3 に示すように 2 枚

め Tx のアンテナと Rx のアンテナそれぞれ一式で設計できる．

(α,β) のアンテナで構成されている．
図 1 のビームレイアウトと比べながら考える．Tx の A と C
表 4 新型衛星搭載アンテナのアンテナ配置のビーム Rx の A と C のビームは α のアンテナから放射される．Tx の B と D のビーム，Rx の B と D のビームは β のアンテナから放射される．
このアンテナの利点は 2 枚のアンテナで所望のサービスエリ

Tx

Rx

f1 +f2

f1 +f2

V 偏波 ααββ

H 偏波 ααββ

アをカバーすることができる点である．従来例 2 のアンテナのビーム配置を図 4 に示す．左から Tx，Rx のアンテナ 1 のビーム配置，その次の図から Tx，Rx のアンテナ 2 のビーム配置を示している．このアンテナの問題点は 2 つある．1 つ目は多層構造のため製造するのが難しく，損失も大きくなることが予想される．2 つ目は従来例 1 と 2 と同じく 20GHz，30GHz でビーム幅が異なるのでサービスエリアを隙間なくカバーすることができないと考えられる．

この 20GHz と 30GHz を分ける提案は給電回路の制作にもメリットがある．20GHz と 30GHz を同時に放射する給電回路は制作が難しいのに対して，今回の提案は V 偏波と H 偏波を分けるだけで済むので安易に給電回路を制作することができる．
リフレクトアレーアンテナの構造が簡単になることもメリットである．アンテナの構造は一層となり，コスト削減にもなるので従来アンテナよりも性能が良いことが分かる．

3. 2 新型衛星搭載アンテナの構成
今回提案した新型衛星搭載アンテナは，下記２つの特性を利用する．

•

鏡面構成により周波数を変えビーム方向を変える性質•

素子の形状により偏波を変えビーム方向を変える性質

周波数によってビーム方向を変える性質でカット面の Eleva-tion 方向に，偏波によってビーム方向を変える性質でカット面の Azimuth 方向に領域をカバーする．リフレクトアレーアン
図3

従来例 2 のアンテナ構造

テナではビームシフトが欠点として現れていたが，今回提案したリフレクトアレーアンテナではビームシフトを積極的に利用

表3

従来例 2 のアンテナ配置

TxRxする構造となっている．また，偏波によってビーム方向の異なる素子を利用して，Azimuth 方向にビームがずれる構成となっ

f1f2

f1f2ている．ビームの形状はスポットビームではなく，帯状のビーV 偏波αβαβ

ムでサービスエリアをカバーする．複数のホーンを利用するこH 偏波αβαβとによって所望のサービスエリアのカバーを実現する．図 5 に衛星搭載アンテナのイメージ図を示す．

3. 3 周波数によりビーム方向を変える性質
一次放射器はそれぞれ 2 ビーム幅離れるように三角配列で設—3—図6放射パターン周波数特性

ここで図 7 に衛星搭載アンテナのビーム配列を示す．図 7 に示す V 偏波は V 領域をカバーして，H 偏波は H 領域をカバー√する．偏波によってビーム方向が 3/2 ビーム幅異なるように設計することにより，1 枚のアンテナで，サービスエリアを隙
図5間なく覆うことができる．このビーム配置を示した図を図 8 に衛星搭載アンテナのイメージ示す．
計する．中心周波数 f0 のビームに対し，周波数 fL ,fH のビー
ム方向は 1 ビーム幅離れるようにリフレクトアレーの鏡面構成を設計する．図 6 に理想的な 3 本の一次放射器からの放射パターン周波数特性を示す．図 6 のビーム 1, ビーム 2 及びビーム3 はそれぞれのホーンのカバレッジエリアを示している．破線がホーン 1 の放射パターン，実線がホーン 2 の放射パターン，一点鎖線がホーン 3 の放射パターンを示す．それぞれのビームのカバレッジエリアが連続となっているため，3dB の利得低下を許すとすると Elevation のどの位置においても (fH − fL )/2の帯域幅で通信できる．ユーザーの位置によって最適な周波数
図 7 ビーム配列のビームを選択することが可能である．
周波数帯域 fL から fH のビーム走査の設計を行う．中心周
波数 f0 のビーム方向から 1 ビーム幅離れた位置に，fL ,fH のビーム方向が来るように鏡面構成を決定する．以下に設計手順を示す．
リフレクトアレーの設計手順を図 9 に示す．D が開口径，cがクリアランス，R がホーンと反射鏡との距離，θ はイメージホーンの傾きを示す．ビーム走査角 θS は次式で表される．

tan θS =λ0 − λtan θλ0(1)θ は中止周波数 f0 のビーム方向と周波数 fL ,fH のビーム方向の差が 1 ビーム幅離れるように設計する．

θS = αλ0Dα は概ね 70[deg] の定数である．結果的に以下の公式によって θ の値が決まる．

θ = tan−1 (図 8 ビーム配置(2)λ0λ0tan(α ))λ0 − λD

4. 1 計 算 結 果(3)3. 4 偏波によりビーム方向を変える性質
図 3 に示すような素子開発をすることによって偏波によるビーム方向を変えるアンテナが設計される．

4. リフレクトアレーの計算結果
fL を 19[GHz],fH を 20[GHz] として開口径 D を 1600[mm]として設計を行う．式 (1),(2) より θ を求めると 24.6[deg] の計算結果が得られる．また，R=2880[mm],c=1280[mm] とする．
このときの設計例を図 10 に示す．

—4—

図 11

図 9 設計パラメータ

放射パターン計算値の大きさを変えることでビーム幅の自由度が大幅に上がり，所望のサービスエリアを隙間なくカバーすることが可能となる．
文

献[1] 吉田幸弘 他, 衛星放送受信用リフレクトアレーアンテナ[2] K.Takeshima, et all. ”High Eﬃciency and Broadband Design of Reflectarray and Measured Results”[3] Y.Sunaga, et all. ”Multi-beam Design Method for Reflectarray Antenna using Aberration Theory”[4] M.Zhou,Sting B.Sorensen, et all ,” Multiple Spot Beam Reflectarrays for High Throughput Satellite Applications ”[5] E.Marinez-de-Rioja,Jose A.Encinar, et all ,” Reflect arrayin K and Ka Bands with Independent Beams in Each Polarization ”[6] 牧野滋 他, リフレクトアレーを用いた衛星搭載アンテナ
図 10

設 計例

図 10 に示したように 3 本のホーンを利用した放射パターンの周波数特性を図 11 に示す．3 本のホーンはそれぞれ 2 ビーム幅離れるように置き，それぞれのホーンから放射される放射パターンの周波数特性を計算した．その結果，一つのホーンから放射されるビーム 1 の周波数 fH のビーム方向と，隣のホーンから放射されるビーム 2 の周波数 fL のビーム方向が中心周波数のビームから ±1 ビーム幅離れて放射されることによって重なっていることが確認できる．
表 5 各ビームの利得値

19.0GHz 19.5GHz 20.0GHz
ビーム 146.99dB

47.65dB

47.43dB

ビーム 246.80dB

47.61dB

47.56dB

ビーム 347.05dB

47.57dB

47.21dB

表 5 に各ビームの利得値を示すと以上のようになる．ビーム 1の 19.5GHz の 47.65dB が最大の利得で，ビーム 2 の 19.0GHzの 46.80dB が最低の利得である．この範囲内の誤差で利得が設けることができる．

5. む す び
この論文では新しい衛星搭載アンテナのコンセプトが提案された．このリフレクトアレーアンテナはリフレクトアレーの鏡面構成を変え周波数を変える特性と素子の形状を変え偏波を変える特性を利用した幾何学的構成によってビーム方向を変えることができる．Tx と Rx を独立させることによって，アンテナ—5—