JP4523477B2 - マルチビームフィードホーン、周波数変換器及びマルチビームアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、１基の反射鏡に設けられ、複数の衛星に対応して複数のホーンを有し、これらホーンが対応する衛星からの電波を受信するマルチビームフィードホーン、このマルチビームフィードホーンと一体に形成された周波数変換器及びこのマルチビームフィードホーン若しくは周波数変換器を備えたマルチビームアンテナに関する。

近年、複数の通信衛星が接近して同一軌道上に打ち上げられている。これら接近した通信衛星からの電波を、１つの反射鏡と複数のホーンとを備えたアンテナで受信することが行われている。このようなアンテナの例が、例えば特許文献１に開示されている。

特許文献１の技術では、反射鏡の焦点位置の近傍にマルチビームフィードホーンが配置されている。このマルチビームフィードホーンでは、２本の導波管が平行に配置され、これら導波管それぞれの先端にホーンが取り付けられている。これらホーンは、一体に形成され、導波管に対して着脱自在に構成されている。一体のホーンは、異なる口径の反射鏡に対応して大口径用と小口径用の２種類が準備されている。

一般に、反射鏡の口径は、反射鏡を用いたアンテナの利得に関連しており、大きな利得が必要な場合には、大きな口径の反射鏡が使用される。反射鏡の口径が異なると、反射鏡で反射されて各電波が収束する位置が異なり、また、これら収束位置間の距離も異なる。これに対応するため、特許文献１では、異なる口径の反射鏡においても共通に使用できる部品を多くするために、２種類のホーンを用意し、反射鏡の口径に応じて、いずれかのホーンを使用している。

特開２００２−１２４８２０号

特許文献１の技術では、口径の異なる反射鏡に対して導波管を共通に使用することはできるが、ホーンは口径の異なる反射鏡に対応して準備する必要がある。このように異なる口径の反射鏡用にホーンを準備すると、ホーンそれぞれに金型を準備しなければならず、コストの増大を招いていた。

本発明は、特定の口径の反射鏡用に準備したホーンを用いながら、異なる口径の反射鏡にも使用することができるマルチビームフィードホーンを提供することを目的とする。また、本発明は上記のようなマルチビームフィードホーンを備えた周波数変換器を提供することも目的とする。本発明は、さらに、上記のようなマルチビームフィードホーンまたは周波数変換器を備えたマルチビームアンテナを提供することも目的とする。

本発明の一態様によるマルチビームフィードホーンは、複数のホーンを有している。これらホーンは、所定口径の反射鏡の焦点位置近傍に配置されたとき、静止軌道上に隣接して配置された複数基の静止衛星から送信されている電波が、対応するホーンのホーン開口に入射するように、互いのホーンが近接して設けられている。反射鏡としては、例えば対称型パラボラ反射鏡、オフセットパラボラ反射鏡または円筒パラボラ反射鏡のような種々のものを使用することができる。各ホーンは、先端にホーン開口を有し、後端が導波管にそれぞれ接続されている。先端は後端よりも大きく形成されている。各ホーンは、例えば逆円錐台状に形成することができる。各ホーンは、同一形状とすることができるし、一体に形成することもできる。この場合、各ホーンを包囲するようにコルゲートを設けることもある。これら複数のホーンのうち隣接するものの前記ホーン開口の前方に、これら前記ホーン開口を跨いで誘電体板が設けられている。前記誘電体板は、前記ホーンの長さ方向に沿って複数のエッジを有し、前記隣接するホーンの境界に近いものほど前記ホーンの長さ方向への厚さが大きい。

誘電体板はエッジを設けたものであるので、これらエッジに向かって直進してきた電波が回折現象により回り込み、隣接するいずれのホーンにおいても誘電体板が無い場合に電波が到来すべき位置よりも内側に電波が到来するようになる。その結果、本来ホーン内に余り入射することが無い間隔を持つ静止衛星から放射された電波が、それぞれホーン内に入射するようになり、口径の大きい反射鏡と共に、このマルチビームフィードホーンを使用することが可能となる。

誘電体板の厚さを変更することによって、入射した電波の屈折量を変更することができ、より電波を所望の位置に収束することが可能となる。

また、各ホーンの前方に、各ホーン全体を被うキャップを設けることができる。この場合、誘電体板は、このキャップに設けられる。例えばキャップの内面においてホーンの開口と対向している部分に誘電体板を設けることができる。或いは、キャップの外面においてホーンの開口と対向している部分に誘電体板を設けることができる。このようにキャップに誘電体板を設け、誘電体板を設けていないキャップを別に準備しておくと、キャップを取り替えることによって、口径の大きい反射鏡と小さい反射鏡のいずれにも、共通にホーンを使用することができる。

誘電体板はホーンに対して着脱自在に設けることができる。このように構成すると、例えば口径の小さい反射鏡用に製造したマルチビームフィードホーンに、誘電体板を取り付けることによって、口径の大きい反射鏡用にも、このマルチビームフィードホーンを使用することができる。

上記態様のマルチビームフィードホーンを周波数変換器に一体に形成することもできる。周波数変換器は、反射鏡によって受信され、各ホーンに収束させられた信号を、その周波数と異なる周波数の中間周波信号に周波数変換するものである。このマルチビームフィードホーンまたは周波数変換器を反射鏡と組み合わせて、マルチビームアンテナを構成することもできる。

以上のように、本発明によれば、誘電体板を設けることによって、或る口径の反射鏡と共に使用するように設計されたマルチビームフィードホーンを口径の異なる反射鏡に使用できる。また、このようなマルチビームフィードホーンを使用した一体型の周波数変換器も、同様に口径の異なる反射鏡と使用することができる。よって、このようなマルチビームフィードホーンまたは周波数変換器を備えたマルチビームアンテナでは、マルチビームフィードホーンまたは周波数変換器を口径の異なる反射鏡に、使用することが可能となり、コストを低減することができる。

本発明の１実施形態のマルチビームフィードホーン２は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、反射鏡、例えばオフセットパラボラ反射鏡４の焦点位置近傍に配置されるものである。例えば図２（ａ）は、本発明実施前の受信ビーム方向を示し、同図（ｂ）は、本発明の実施後の受信ビームの方向を示している。このようにオフセットパラボラ反射鏡４に本発明のマルチビームフィードホーン２を使用することによって、入射するビーム角度を変更することができる。

このマルチビームフィードホーン２は、元々口径が４５ｃｍの反射鏡４に対応するように設計されており、宇宙空間の静止軌道上に近接して、例えば約４度の間隔で打ち上げられた複数、例えば２基の静止衛星、例えば通信衛星から送信されているマイクロ波帯、例えば１２ＧＨｚ帯の電波をそれぞれ受信するためのものである。

このマルチビームフィードホーンは、図１に示すように、２本の導波管６、８を有している。これら２本の導波管６、８は、例えば円形導波管に構成されている。両者は、それらの中心軸線が平行となるように近接して配置されている。これら導波管６、８は、一体に形成されている。これら導波管６、８の後端部は閉塞されている。これら後端部の近傍には、マルチビームフィードホーンにおいて受信されたＧＨｚ帯の超高周波信号を例えば１ＧＨｚ帯の中間周波信号に周波数変換する周波数変換器１０が一体に設けられている。これら導波管６、８を伝搬した超高周波信号がこれら周波数変換器に供給される。

これら導波管６、８の先端部は共に開口しており、それら開口部に、それぞれホーン１２、１４が互いに一体にかつ、導波管６、８とも一体に形成されている。ホーン１２、１４は、同一の形状であって、先端部及び後端部が開口した錐台、例えば円錐台状に形成されている。これらホーン１２、１４の先端側の円形開口は、同一の面にあり、後端側の円形開口も同一の面（導波管６、８の先端面）にある。先端側の円形開口の方が、後端側の円形開口よりも直径が大きい。これらホーン１２、１４の中心間の距離は、例えば２６ｍｍに設定されている。

図３（ｂ）に示すように、ホーン１２、１４の外周囲をほぼ被ってコルゲート１６、１８が形成されている。これらコルゲート１６、１８は、平面形状がほぼ小判型であり、二重に配置されている。

コルゲート１８の外周囲からホーン１２、１４の前方を被うキャップ２０が、コルゲート１８の外周囲に取り付けられている。このキャップ２０は、例えば合成樹脂製で、図３（ａ）に示すように、その正面形状がほぼ小判型に形成され、コルゲート１８の外周囲に着脱自在に設けられている。

このキャップ２０の内面に誘電体板２２が取り付けられている。この誘電体板２２は、例えば図３（ａ）及び図４（ａ）に示すように長さが異なる複数、例えば３つの誘電体板２２ａ、２２ｂ、２２ｃを積層して、中央部が最も厚く、両側に向かうに従って厚さが段々に薄くなるように複数の段、例えば３つの段が形成されている。これら誘電体板２２ａ、２２ｂ、２２ｃの長縁は、キャップ２０の内面に接近した位置に配置され、これらキャップ２０の内面に沿った膨らみを持っている。この誘電体板２２は、図３（ｂ）に破線で示すように、ホーン１２、１４を跨いで位置している。例えば、ホーン１２、１４の先端開口部の中心を繋ぐ直線に、誘電体板２２の長縁がほぼ沿って配置され、誘電体板２２の短縁の中央がホーン１２、１４の先端開口部の中心を繋ぐ直線上に位置している。そして、誘電体板２２の中央部がホーン１２、１４の境界部付近に位置している。即ち、ホーン１２、１４の境界部付近の誘電体板２２の厚さが最も大きい。

誘電体板２２をキャップ２０の内面に設けたことによって、誘電体板２２のエッジ、例えば短縁付近を通った電波は回折して、例えば図４（ａ）、（ｂ）に破線で示すように内側に偏向される。また、誘電体板２２の短縁付近を除く部分に入射した電波は、図１に破線で示すようにそれぞれ屈折し、誘電体板２２の内側に偏向される。

例えば上述した東経１２４度と１２８度とに打ち上げられている２基の通信衛星を用いている「スカイパーフェクＴＶ！」を視聴する場合、両通信衛星から送信されている電波のピークツウーピークのビーム間隔の理論値は、稚内で４．４２度、沖縄で４．６１度で平均が４．５２度である。

図５に示すようにキャップ２０において、ａを６０ｍｍ（キャップ２０の中心の両側に３０ｍｍずつ）、ｂを５３ｍｍ（キャップ２０の中心の両側に２６．５ｍｍずつ）、ｃを４５ｍｍ（キャップ２０の中心の両側に２２．５ｍｍずつ）、ｄを３８ｍｍ（キャップ２０の中心の両側に１９ｍｍずつ）、ｅを３０ｍｍ（キャップ２０の中心の両側に１５ｍｍずつ）、ｆを２４ｍｍ（キャップ２０の中心の両側に１２ｍｍずつ）、ｇを１９ｍｍ（キャップ２０の中心の両側に９．５ｍｍずつ）とする。約２．１の誘電率を持つ厚さ１ｍｍの誘電体Ａを誘電体板２２として１枚だけ、ａの位置に設けて、口径４８ｃｍのオフセットパラボラ反射鏡に、このマルチビームフィードホーン２を設置した場合、表１に示すように、ホーン１２、１４で受信された両電波のビーム間隔は、４．０６度であった。同じ厚さ同じ誘電率の誘電体ＢをＡに加えてｂの位置にも設けて誘電体板２２とした場合、両電波のビーム間隔は４．１０度であった。更にＡ、Ｂに加えてｃの位置にも同じ厚さ同じ誘電率の誘電体Ｃを設けて誘電体板２２とした場合、両電波のビーム間隔は４．１１度であった。Ａ、Ｂ、Ｃに加えてｄの位置にも同じ厚さ及び同じ誘電率の誘電体Ｄを設けて誘電体板２２とした場合、両電波のビーム間隔は４．１４度であった。Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに加えてｅの位置にも同じ厚さ及び同じ誘電率の誘電体Ｅを設けて誘電体板２２とした場合、両電波のビーム間隔は４．２５度であった。Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに加えてｆの位置にも同じ厚さ及び同じ誘電率の誘電体板Ｆを設けて誘電体板２２とした場合、両電波のビーム間隔は４．４８度であった。ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇの位置に同じ厚さ及び同じ誘電率の誘電体Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇを設けて誘電体板２２とした場合、両電波のビーム間隔は４．３６度であった。ｄ、ｅ、ｆの位置に同じ厚さ及び同じ誘電率の誘電体Ｄ、Ｅ、Ｆを設けて誘電体板２２とした場合、両電波のビーム間隔は４．２３度であった。表１から明らかなように、誘電率が約２．１の場合、厚さを５ｍｍとした場合が、所望のビーム間隔に近いビーム間隔が得られ、特に同じ５ｍｍの厚さの場合でも、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆの位置に誘電体板Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆを配置する場合が最も所望のビーム間隔に近くすることができた。

約２．５の誘電率を持ち、厚さが２ｍｍの誘電体板Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１をｂ、ｃ、ｄの位置に設けて誘電体板２２とした場合、表２に示すように、両電波のビーム間隔は４．３４度であった。同じ誘電率及び同じ厚さの誘電体板Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１をｂ、ｃ、ｄ、ｅの位置に設けて誘電体板２２とした場合、両電波のビーム間隔は４．７０度であった。同じ誘電率及び同じ厚さの誘電体板Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１をｃ、ｄ、ｅの位置に設けて誘電体板２２とした場合、両電波のビーム間隔は４．４４度であった。同じ誘電率及び同じ厚さの誘電体板Ｄ１、Ｅ１をｄ、ｅの位置に設けて誘電体板２２とした場合、両電波のビーム間隔は４．２９度であった。同じ誘電率及び同じ厚さの誘電体板Ｄ１、Ｅ１、Ｆ１をｄ、ｅ、ｆの位置に設けて誘電体板２２とした場合、両電波のビーム間隔は４．５６８度であった。表２から明らかなように、誘電率が約２．５の場合、厚さを６ｍｍとした場合が、所望のビーム間隔に近いビーム間隔が得られ、特に同じ６ｍｍの場合でもｄ、ｅ、ｆの位置に誘電体板Ｄ１、Ｅ１、Ｆ１を配置する場合が最も所望のビーム間隔に近くすることができた。

これらから明らかなように誘電体板２２の縁部による回折の他に、ホーン１２、１４の境界部付近の厚さを厚くすることによる屈折によって、ビーム間隔を所望の値に近づけることができ、特に、約２．１の誘電率で厚さ１ｍｍの誘電体の場合、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ及びｆの位置に誘電体板を設けると、即ち、最大厚さが５ｍｍの場合に、また、約２．５の誘電率で厚さが２ｍｍの誘電体の場合、ｃ、ｄ、ｅの位置に設けると、即ち最大厚さ６ｍｍの場合に、所望の値に最も近いビーム間隔を得られた。従って、最大厚さが約５ｍｍ乃至６ｍｍとするのが最も望ましい。図６（ａ）に誘電率が約２．１で、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆの位置に誘電体板Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆを配置したときのビーム特性図を、同図（ｂ）に誘電率約２．５で、ｄ、ｅ、ｆの位置に誘電体板Ｄ１、Ｅ１、Ｆ１を配置したときのビーム特性図を示す。

しかも、口径４５ｃｍ用パラボラ反射鏡のマルチビームフィードホーンとして使用する場合には、誘電体板２２を取り付けずに、そのまま使用すればよい。従って、１種類のマルチビームフィードホーンを製造するだけで、異なる口径のオフセットパラボラアンテナにそれぞれ使用することができる。

第１の実施の形態では、キャップ２０の内面側に誘電体板２２を設けたが、図７（ａ）に示すように、キャップ２０の外面側に設けることもできる。或いは、同図（ｂ）に示すようにキャップ２０の内部において、ホーン１２、１４の開口部に跨るように誘電体板２２を設けることもできる。この場合、誘電体板２２は、ホーン１２、１４に対して着脱自在に設けることが望ましい。

第１の実施の形態では、誘電体板２２として、その長縁がキャップ２０の内周面に沿って膨らんだ形状のものを使用したが、例えば図８に示すように誘電体板２２０をキャップ２０の内面と相似の楕円形の複数、例えば４つの誘電体板２２０ａ乃至２２０ｄを積層したものを使用することもできる。なお、各誘電体板の厚さをそれぞれ２ｍｍとし、誘電率を２．５とし、各誘電体板２２０ａ乃至２２０ｄの短軸ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１をそれぞれ、ａ１＝３７ｍｍ、ｂ１＝３４ｍｍ、ｃ１＝３０ｍｍ、ｄ１＝２３ｍｍとして、口径４８ｃｍのパラボラ反射鏡に使用した場合のビーム特性を図９に示す。この場合、ビーム間隔は４．５２７度であった。

第１の実施の形態のマルチビームフィードホーン２は、回折及び屈折を利用したものであるが、第１の参考例のマルチビームフィードホーン２ａは、回折のみを利用したものである。即ち、図１０に示すようにキャップ２０の外面にビームを回折させるために導波管６、８の長さ方向の先端側にエッジ２２１を有する複数、例えば３つの環状体２２２を形成してある。これら環状体２２２は、第１の実施形態の変形例と同様に、キャップ２０の内面またはホーン１２、１４の開口面に設けることもできる。

第２の参考例のマルチビームフィードホーン２２ｂも、回折のみを利用したもので、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、回折を生じるためのエッジとして、誘電体板、例えば矩形の誘電体板２２３に形成したスリット２２４の縁を使用するものである。これらスリット２２４の長さ方向が、ホーン１２、１４の中心を繋ぐ直線に対してほぼ直交するように、誘電体板２２３がホーン１２、１４の前方に、例えばホーン１２、１４の開口全てを被うように配置されている。

上記の各実施の形態では、２基の通信衛星からの電波を受信する場合について説明したが、３基の通信衛星からの電波を受信することもできる。この場合には、３つのホーンが並べて配置されるが、これら３つのホーンを跨いで、誘電体板を設ければよい。また、上記の第１の実施の形態では、回折及び屈折を利用したが、屈折のみを使用することもできる。その場合、例えば誘電体板２２をホーン１２、１４の前面を全て被う大きさとする。

本発明の第１の実施形態のマルチビームフィードホーンの縦断面図である。 図１のマルチビームフィードホーンを反射鏡に使用した場合と使用していない場合とのマルチビームアンテナの概略構成図である。 図１のマルチビームフィードホーンに使用するキャップの平面図及び図１のマルチビームフィードホーンの平面図である。 図１のマルチビームフィードホーンに使用する誘電体板の斜視図及び部分拡大断面図である。 図１のマルチビームフィードホーンに使用する別の誘電体板を設けたキャップの平面図である。 図１のマルチビームフィードホーンを口径４８ｃｍのパラボラ反射鏡に使用した場合におけるビーム特性図である。 図１のマルチビームフィードホーンの第１及び第２の変形例を示す部分省略縦断面図である。 図１のマルチビームフィードホーンの第３の変形例において使用する誘電体板を設けたキャップの平面図である。 図８の変形例を口径４８ｃｍのパラボラ反射鏡に使用した場合におけるビーム特性図である。 本発明の第１の参考例のマルチビームフィードホーンの部分省略縦断面図である。 本発明の第２の参考例のマルチビームフィードホーンに使用する誘電体板の平面図と本発明の第２の参考例のマルチビームフィードホーンの部分省略縦断面図である。

符号の説明

１２ １４ ホーン
２０ キャップ
２２ 誘電体板

Claims (6)

1. 所定の口径の反射鏡の焦点位置近傍に配置されたとき、静止軌道上に隣接して配置された複数基の静止衛星から送信されている電波がホーン開口から入射するように、これら静止衛星に対応して近接して設けられた複数のホーンと、
   これら複数のホーンのうち隣接するものの前記ホーン開口の前方に、これら前記ホーン開口に跨って設けられた誘電体板とを、
   具備し、前記誘電体板は、前記ホーンの長さ方向に沿って複数のエッジを有し、前記隣接するホーンの境界に近いものほど前記ホーンの長さ方向への厚さが大きいマルチビームフィードホーン。
2. 請求項１記載のマルチビームフィードホーンにおいて、前記誘電体板は、少なくとも前記隣接するホーンの配列方向に異なる長さを有する複数の誘電体を積層してなり、その積層は、前記複数の誘電体板が、前記隣接するホーンそれぞれから前記隣接するホーンの境界に向かう階段を形成するように、行われているマルチビームフィードホーン。
3. 請求項１または２記載のマルチビームフィードホーンにおいて、前記各ホーンの前方においてそれらの開口部全体を被うキャップを有し、前記誘電体板は、前記キャップに設けられているマルチビームフィードホーン。
4. 請求項１記載のマルチビームフィードホーンにおいて、前記誘電体板が前記ホーンに対して着脱自在に設けられているマルチビームフィードホーン。
5. 請求項１記載のマルチビームフィードホーンが一体に形成された周波数変換器。
6. 請求項１記載のマルチビームフィードホーンまたは請求項５記載の周波数変換器を備えたマルチビームアンテナ。

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