JP2009200704A

JP2009200704A - アレーアンテナの励振方法

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Publication number: JP2009200704A
Application number: JP2008038788A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Yamamoto; 伸一山本; Izuru Naito; 出内藤; Hiroaki Miyashita; 裕章宮下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-02-20
Filing date: 2008-02-20
Publication date: 2009-09-03
Anticipated expiration: 2028-02-20
Also published as: JP5014193B2

Abstract

【課題】ビーム形成のための時間及び接続素子数を削減することができるアレーアンテナの励振方法を得る。
【解決手段】反射鏡の一次放射器として２次元状に配列された複数個の素子アンテナ、各素子アンテナに接続された振幅制御器及び移相器から構成されたアレーアンテナの励振方法において、所望のビーム方向からの平行光線が前記反射鏡の鏡面の輪郭で反射され、アレーアンテナ面上に投影された範囲の素子アンテナを選択するステップＳ１と、所望のビーム方向で利得が最大となるように、選択した素子アンテナの励振振幅及び励振位相を求めるステップＳ２と、求められた励振振幅を前記振幅制御器に設定すると共に、求められた励振位相を前記移相器に設定するステップＳ３と、選択した素子アンテナを送受信機に接続するステップＳ４とを備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、反射鏡アンテナの一次放射器として用いるアレーアンテナの励振方法に関するものである。

従来のアレー給電反射鏡アンテナにおいて、所望の方向のビームを得るためには、アレーアンテナを構成する各素子アンテナに適切な励振振幅及び励振位相を設定する必要がある。励振振幅は、接続する増幅器を効率的に運用するため、複数の飽和出力の増幅器を考え、連続的でなく数種類の離散的なレベルに限定することが多く、励振位相は、所望のビーム方向となるように数値的に決定する。従来、所望の方向にビームを形成するように、全てのアレー素子の励振位相または励振振幅位相を数値的に決定していた（例えば、非特許文献１参照）。

電子情報通信学会論文誌Ｂ, vol. J82-B, No.7, pp.1357-1365,"衛星搭載反射鏡アンテナ用フェーズドアレー給電部の電気設計と試作"、徳永他

従来の反射鏡アンテナの給電アレーの励振方法は、以上のように全素子の励振振幅位相を数値的に決定しているため、素子数が非常に多い場合には膨大な計算時間がかかるという問題がある。特に、衛星に搭載したオンボードプロセッサにより、動的にビーム形成をする場合に問題となる。また、各所望方向のビームを形成するために全ての素子を用いるため、送受信機を全ての素子に接続する必要があり、接続が複雑になる問題がある。

また、計算時間の短縮、または接続素子数を減らすため、素子を限定した場合、削減した素子によっては、所望方向でのアンテナ利得などアンテナの性能に影響を与えることもあり、削減する素子を選択するためにも数値的な励振振幅の最適化が必要である。

この発明は前述した問題点を解決するためになされたもので、ビーム形成のための時間及び接続素子数を削減することができるアレーアンテナの励振方法を得ることを目的とする。

この発明に係るアレーアンテナの励振方法は、反射鏡の一次放射器として２次元状に配列された複数個の素子アンテナ、各素子アンテナに接続された振幅制御器及び移相器から構成されたアレーアンテナの励振方法において、所望のビーム方向からの平行光線が前記反射鏡の鏡面の輪郭で反射され、アレーアンテナ面上に投影された範囲の素子アンテナを選択するステップと、所望のビーム方向で利得が最大となるように、選択した素子アンテナの励振振幅及び励振位相を求めるステップと、求められた励振振幅を前記振幅制御器に設定すると共に、求められた励振位相を前記移相器に設定するステップと、選択した素子アンテナを送受信機に接続するステップとを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、所望のビーム方向からの平行光線が鏡面の輪郭で反射されアレーアンテナ面上に投影された範囲の素子を選び、所望のビーム方向で利得が最大となるように前記の選択した素子の励振振幅位相を数値的に求め、前記励振振幅位相を各素子アンテナに設定することにより、短時間で所望の方向のビームを形成でき、送受信機に接続する素子数が減るという効果がある。

この発明は、所望のビーム方向からの平行光線が鏡面の輪郭で反射されアレーアンテナ面上に投影された範囲の素子を選び、所望のビーム方向で利得が最大となるように前記の選択した素子の励振振幅位相を数値的に求めるものである。以下、図示実施の形態について説明する。

実施の形態１．
図１と図２は、この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの励振方法を説明するもので、図１は、この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの励振振幅及び励振位相の演算方法を示すフローチャートであり、図２は、この発明の選択素子範囲の決定方法を説明するためのアンテナの構成図である。以下、図２を参照して図１に示すフローチャートに沿ってこの発明の実施の形態１を説明する。

まず、図１に示すステップＳ１において、励振する素子を決定する。この発明の実施の形態１では、所望の方向からの平行光線が鏡面の輪郭で反射され、アレーアンテナの面上に投影された範囲の素子を選択する。例えば、図２に示すように、所望の方向からの平行光線１５が鏡面の輪郭１９で反射され光線１５ａとなり、アレーアンテナ１２の面上と交差する点で囲まれた範囲１４の素子１６を選択する。この時、光線は反射の法則のみにより決定される方向に反射され、波動的効果を含まないものとするため、極短時間で素子範囲を決定できる。

次に、ステップＳ２において、選択した素子の励振振幅及び励振位相を決定する。所望のビーム方向で利得が最大となるように、各アレー素子の励振振幅及び励振位相を数値的に決定する。従来の全素子の励振振幅及び励振位相を決める場合に比べ、限定された範囲の素子の励振振幅及び励振位相を決定するため、短時間で所望の方向のビームに対する励振振幅及び励振位相が決定することができる。

次に、ステップＳ３において、求められた励振振幅を図２に示す振幅制御器３３に設定すると共に、求められた励振位相を同じく図２に示す移相器３２に設定することにより、所望の方向にビームが形成される。振幅制御器３３は、減衰器でもよいし、増幅器でもよい。

次に、ステップＳ４において、ステップＳ１で選択した素子１６を送受信機３１にスイッチ等で接続する。この際、ステップＳ２で決定した励振振幅が小さい素子を含めてステップＳ１で選択した全ての素子を接続してもよいし、励振振幅が小さい素子を除き、接続素子数を減らしてもよい。

従って、上記実施の形態１によれば、所望のビーム方向からの平行光線が鏡面の輪郭で反射されアレーアンテナ面上に投影された範囲の素子を選び、所望のビーム方向で利得が最大となるように前記の選択した素子の励振振幅位相を数値的に求め、前記励振振幅位相を各素子アンテナに設定することにより、短時間で所望の方向のビームを形成でき、送受信機に接続する素子数が減るという効果がある。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係るアンテナの構成図である。図２において、アレーアンテナ１２の素子アンテナを曲面状に配列したが、図３に示すように、アレーアンテナ１２の素子アンテナを平面アレーアンテナとしてもよい。図３では、鏡面の中心に指向するアレーアンテナを示したが、所望の方向からの平行光線１５が鏡面で反射された光線１５ａとアレーアンテナ面が交わるのであれば、アレーアンテナの指向方向は任意である。

実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３に係るアンテナの構成図である。図４に示す実施の形態３では、反射鏡をパラボラ反射鏡（回転放物面）１１ａとしたものである。図４では、オフセットパラボラ反射鏡１１ａを示しているが、軸対称パラボラでもよい。図４に示すように、反射鏡がパラボラ反射鏡１１ａとなると、所望方向からの平行光線１５は焦点１７で光線が１点に集束する。平面反射鏡である場合に比べ、所望の方向からの光線１５ａが集束するため、素子範囲１４の面積が狭くなり、その範囲に含まれる素子数（選択素子数）１６も少なくなる。

また、図４では、アレーアンテナ１２は平面で、かつパラボラ反射鏡１１ａの中心方向に指向するようにしたが、所望の方向からの平行光線１５が鏡面で反射された光線１５ａとアレーアンテナ面が交わるのであれば、任意の曲面形状で任意の指向方向でよい。

実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４に係るアンテナの構成図である。反射鏡を複数の回転二次曲面鏡で構成したものである。図５では、一次放射器側からみて第一の鏡面を回転双曲面鏡（副反射鏡）１１ｂ、第二の鏡面をパラボラ反射鏡１１ａとするオフセットカセグレン形式を示しているが、第一の鏡面を回転楕円面とするグレゴリアン形式または３枚以上の鏡面など別の鏡面系で構成してもよい。１枚のパラボラ反射鏡に比べ、所望の方向からの光線１５ａが集束されるので素子範囲１４および選択素子数１６が少なくなる。

また、図５では、アレーアンテナ１２は、平面で、かつ第一の鏡面１１ｂの中心方向に指向するようにしたが、所望の方向からの平行光線１５が鏡面で反射された光線１５ａとアレーアンテナ面が交わるのであれば、任意の曲面形状で任意の指向方向でよい。

実施の形態５．
図６は、この発明の実施の形態５に係るアンテナの構成図である。図６に示す実施の形態５では、図４に示す実施の形態３において、パラボラ反射鏡１１ａの焦点１７よりもアレーアンテナ１２を鏡面に近い側に配置したものである。アレーアンテナ１２は、離焦点距離１８だけ焦点１７から離れているので、所望の方向からの光線１５ａが集束されず、焦点を含む面にアレーアンテナを配置した場合よりも選択される素子範囲１４および選択素子数１６が多くなる。一方、ビーム方向に対して選択される素子範囲１４の変化が小さくなるため、各方向の多数のビームを形成する場合に素子アンテナが多く共有され、アレーアンテナ全体の素子アンテナを有効に利用できる。

また、図６では、アレーアンテナ１２は平面でかつパラボラ反射鏡１１ａの中心方向に指向するようにしたが、所望の方向からの平行光線１５が鏡面で反射された光線１５ａとアレーアンテナ面が交わるのであれば、任意の曲面形状で任意の指向方向でよい。

実施の形態６．
図７は、この発明の実施の形態６に係るアンテナの構成図である。図７に示す実施の形態６では、図４の実施の形態３において、パラボラ反射鏡１１ａの焦点１７よりもアレーアンテナ１２を鏡面に遠い側に配置したものである。アレーアンテナ１２は、離焦点距離１８だけ焦点１７から離れており、実施の形態５と同様の効果が得られる。

また、図７では、アレーアンテナ１２は平面でかつパラボラ反射鏡１１ａの中心方向に指向するようにしたが、所望の方向からの平行光線１５が鏡面で反射された光線１５ａとアレーアンテナ面が交わるのであれば、任意の曲面形状で任意の指向方向でよい。

実施の形態７．
図８と図９は、この発明の実施の形態７に係るアンテナの構成を示すもので、図８は側面図、図９は上面図である。図８と図９に示す実施の形態７において、アレーアンテナは実施の形態２と同様に素子アンテナが平面上に配列されたアレーアンテナ１２、反射鏡は実施の形態３と同様にパラボラ反射鏡１１ａであり、また、実施の形態６と同様にパラボラ反射鏡１１ａの焦点１７よりもアレーアンテナ１２を近い側に配置している。図８のアンテナ構成図において、アンテナ上方向のビーム対応する光線を２１、下方向に対応する光線を２２、奥方向に対応する光線を２３、手前方向に対応する光線を２４とし、それぞれに対応し鏡面で反射された光線を２１ａ〜２４ａとする。さらに対応する素子範囲を２５ａ〜２８ａで示す。

図１０は、この発明の方法により決定した素子範囲をアレーアンテナ面上で示したものである。図１０に比較のため、数値的最適化を用いた繰り返し計算で決定した励振素子アンテナを点で示す。アレーアンテナ全体（全素子アンテナ）を用いて所望のビーム方向で利得を最大とする場合に比べて、利得低下量が許容値以内の条件で励振する素子アンテナを最小化した。なお、２５ｂは光線２１方向に対応する選択素子、２６ｂは光線２２方向に対応する選択素子、２７ｂは光線２３方向に対応する選択素子、２８ｂは光線２４方向に対応する選択素子を示す。

図１０より、前記方法により得られた素子アンテナ位置は、この発明の方法により決定した素子の範囲に含まれていることが分かる。そのため、全素子アンテナでなく、この発明の方法による範囲の素子アンテナの励振振幅位相を数値最適化すればよいことが分かり、短時間で各アレー素子の励振振幅位相を決定できる。

この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの励振方法を説明するもので、励振振幅及び励振位相の演算方法を示すフローチャートである。この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの励振方法を説明するもので、選択素子範囲の決定方法を説明するためのアンテナの構成図である。この発明の実施の形態２に係るアンテナの構成図である。この発明の実施の形態３に係るアンテナの構成図である。この発明の実施の形態４に係るアンテナの構成図である。この発明の実施の形態５に係るアンテナの構成図である。この発明の実施の形態６に係るアンテナの構成図である。この発明の実施の形態７に係るアンテナの構成の側面図である。この発明の実施の形態７に係るアンテナの構成の上面図である。この発明の実施の形態７に係る方法により決定した素子範囲と数値的に決定した素子範囲を比較して示す図である。

符号の説明

Ｓ１素子を選択するステップ、Ｓ２励振振幅及び励振位相を決めるステップ、Ｓ３励振振幅及び励振位相を設定するステップ、Ｓ４選択した素子を送受信機に接続するステップ、１１反射鏡、１１ａパラボラ反射鏡、１１ｂ回転双曲面反射鏡（副反射鏡）、１２アレーアンテナ、１３素子アンテナ、１４選択素子範囲、１５所望方向からの平行光線、１５ａ鏡面で反射されアレーアンテナに向かう光線、１５ｂ鏡面で次の反射鏡に向かう光線、１６選択された素子、１７パラボラ反射鏡の焦点、１７ａ回転二次曲面反射鏡の焦点、１８離焦点距離、２１図９のアンテナ上方向からの平行光線、２２図９のアンテナ下方向からの平行光線、２３図９のアンテナ奥方向からの平行光線、２４図９のアンテナ手前方向からの平行光線、２１ａ光線２１が鏡面で反射されアレーアレーアンテナに向かう光線、２２ａ光線２２が鏡面で反射されアレーアレーアンテナに向かう光線、２３ａ光線２３が鏡面で反射されアレーアレーアンテナに向かう光線、２４ａ光線２４が鏡面で反射されアレーアレーアンテナに向かう光線、２５ａ光線２１方向に対応する選択素子範囲、２６ａ光線２２方向に対応する選択素子範囲、２７ａ光線２３方向に対応する選択素子範囲、２８ａ光線２４方向に対応する選択素子範囲、２５ｂ光線２１方向に対応する選択素子、２６ｂ光線２２方向に対応する選択素子、２７ｂ光線２３方向に対応する選択素子、２８ｂ光線２４方向に対応する選択素子、３１送受信機、３２移相器、３３振幅制御器。

Claims

反射鏡の一次放射器として２次元状に配列された複数個の素子アンテナ、各素子アンテナに接続された振幅制御器及び移相器から構成されたアレーアンテナの励振方法において、
所望のビーム方向からの平行光線が前記反射鏡の鏡面の輪郭で反射され、アレーアンテナ面上に投影された範囲の素子アンテナを選択するステップと、
所望のビーム方向で利得が最大となるように、選択した素子アンテナの励振振幅及び励振位相を求めるステップと、
求められた励振振幅を前記振幅制御器に設定すると共に、求められた励振位相を前記移相器に設定するステップと、
選択した素子アンテナを送受信機に接続するステップと
を備えたことを特徴とするアレーアンテナの励振方法。
請求項１に記載のアレーアンテナの励振方法において、
前記アレーアンテナの素子アンテナは、曲面状に配列された
ことを特徴とするアレーアンテナの励振方法。
請求項１に記載のアレーアンテナの励振方法において、
前記アレーアンテナの素子アンテナは、平面上に配列された
ことを特徴とするアレーアンテナの励振方法。
請求項１に記載のアレーアンテナの励振方法において、
前記反射鏡は、パラボラ反射鏡である
ことを特徴とするアレーアンテナの励振方法。
請求項１に記載のアレーアンテナの励振方法において、
前記反射鏡は、複数の回転二次曲面鏡で構成される
ことを特徴とするアレーアンテナの励振方法。
請求項４または５に記載のアレーアンテナの励振方法において、
前記アレーアンテナは、前記反射鏡の焦点よりも鏡面に近い側に配置された
ことを特徴とするアレーアンテナの励振方法。
請求項４または５に記載のアレーアンテナの励振方法において、
前記アレーアンテナは、前記反射鏡の焦点よりも鏡面に遠い側に配置された
ことを特徴とするアレーアンテナの励振方法。