JPH0738531B2 - アンテナ鏡面歪検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、無線通信において運用中のアンテナについ
て、鏡面歪みを検出する装置に関する。

〈従来の技術〉 従来、アンテナの鏡面歪みを検出する方式として、レー
ザー光を用いる例と、電波を用いる例とがある。

レーザー光による鏡面歪検出方式： この方式は、開口直径が40m程度の宇宙通信用大型地球
局アンテナに用いられた例であり、アンテナ鏡面上の適
当な位置に、補助具として、入射光を入射した方向へ反
射するコーナーキューブを適宜数設け、各コーナーキュ
ーブにレーザ光を照射し、その反射光からコーナーキュ
ーブの設置位置の変動即ち鏡面歪み量を検出する。

電波による鏡面歪検出方式： この方式は、宇宙通信用大型アンテナに用いられた例で
あり、電波星あるいは人工衛星からの電波をアンテナで
受信しつつ該アンテナを機械的に所定の角度範囲だけ走
査することにより、アンテナパターンを得てその結果を
もとに鏡面歪み量を検出する（参考文献、Y.Rahmat-Sam
ii著「Surface diagnosis of large reflection antenn
as using microwave holographic metrology:An iterat
ive approach」,Radio Science,Vol.19,No.5,pp.1205-1
217,Sep.-Oct,1984）。

電波を用いる従来の検出技術を、第７図により説明す
る。第７図において、１は電波発振源、２は送信アンテ
ナであり、これらは電波星に置き換えることができる。
３は鏡面歪みを検出すべき通信用アンテナ（被鏡面歪検
出通信アンテナ）、４はアンテナ３の近くに設置した位
相参照用アンテナ、５は受信機、６は信号処理装置であ
る。

鏡面歪を検出するには、アンテナ３は理論的に求まる角
度間隔で指向方向を機械的に変え、その都度電波発振源
１からの電波を受信する。一方、アンテナ４は常に電源
発振源１を一定に指向し、電波を受信する。両アンテナ
3,4の受信電波は受信機５へ伝送する。受信機５は、ア
ンテナ３から送られてくる信号の振幅と位相を、アンテ
ナ４からの信号を基準にして検出し、信号処理装置６へ
送出する。信号処理装置６では、アンテナ３の指向方向
と受信電波の振幅及び位相のデータとを解析し、アンテ
ナ３の開口面上での電界分布を計算する。これにより、
鏡面歪みを検出する。その原理は、電界分布の内、特に
位相分布はアンテナ鏡面の歪みと１対１の対応があるこ
とにより、アンテナ開口面の電界分布を得ることが、鏡
面歪みの検出に応用できるのである。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかし、前記２つの従来技術には、以下の問題点があ
る。

レーザー光による鏡面歪検出方式： コーナーキューブはその大きさが約５×５×5cm³であ
るため、アンテナ開口直径が数ｍ程度の場合には、相対
的にコーナーキューブの占める面積が無視できなくな
り、アンテナの通信ビームの形状を劣化させる。

光学的検出系であるため、常に系の清掃を図る必要が
ある。

レーザー発振源を必要とするため、定期的な保守及び
点検が必要である。

〜のうち、とについては、被鏡面歪検出アン
テナが離島や山頂等の無人局舎に設置されている場合、
更には人工衛星に搭載されて宇宙空間にある場合には、
清掃、保守、点検は殆ど対応不可能であり、致命的欠点
となる。

電波による鏡面歪検出方式について： 被鏡面歪検出アンテナ３は受信動作が常に要求される
ので、例えば送信専用アンテナであって受信が不可能
か、あるいは十分な性能で受信ができない場合は、適用
できない。

また、アンテナ３を走査駆動する必要があるため、通
信の運用中には検出を行えない。

更に、アンテナ３の走査駆動に伴い、重力、あるいは
熱分布等の環境条件が刻々変化するから、検出すべき歪
が一定とみなせなくなり、検出誤差が増大する。

また更に、アンテナ３が大型である場合は、走査駆動
に時間がかかりすぎ、先の分献（Y.Rahmat-Samii著）の
例では121の方向でのデータを取得するのに約70分要し
ている。121の方向はデータ取得数としては粗いもので
あり、より精密な測定を行うには数時間も必要とするこ
とは容易に考えられる。しかし、時間が長いと、アンテ
ナの駆動時間中に、アンテナへの熱入力や風荷重の変動
が予想され、これらの変動があれば鏡面歪み量が変化す
るし、また受信機５の時間変動があれば解析に誤差が生
じる。

本発明は上述した従来技術の問題点〜を解決するた
め、アンテナ鏡面には何ら補助具を付加することなく、
且つ、アンテナ鏡面を走査駆動することなく、現在通信
に使用している電波の一部、もしくは通信に使用する電
波に極く近い周波数の電波を用い、計算機処理によりア
ンテナ鏡面歪みを検出する装置を提供する。

〈問題を解決するための手段〉 本発明によるアンテナ鏡面歪検出装置は、電波を送信あ
るい受信し且つ反射鏡を介してアンテナのビームを形成
する一次放射器を備えた被鏡面歪検出通信アンテナと、
このアンテナから通信用電波あるいは該通信用電波に近
い周波数の電波を出させる装置と、前記アンテナに対向
した受信アンテナと、受信アンテナに接続され受信した
電波の振幅及び位相を検出する受信機と、受信機の検出
々力を収集して処理し、被鏡面歪検出通信アンテナの開
口面上の電界の位相分布を計算する演算解析機能を有す
る信号処理装置とを具備するものである。

〈作用〉 上記構成において、被鏡面歪検出通信アンテナはその指
向方向を変える必要がなく、受信アンテナも同じであ
る。受信アンテナが受信する電波は、被鏡面歪検出通信
アンテナが発射する電波、あるいは、このアンテナに発
射された電波いずれでも良い。

本発明によるアンテナ鏡面歪検出の原理を第２図，第３
図を参照して説明する。なお、先の文献（Y.Rahmat-Sam
ii著）には、アンテナを機械的に走査駆動する場合では
あるが、電波を用いてアンテナ鏡面歪みを検出するため
の信号解析法が詳細に述べられているので、ここでは原
理的な説明に留める。

第２図は解析のためのモデルを示しており、被鏡面歪検
出通信アンテナ10の開口面上での位置をｓで表わし、こ
れに対向して複数配列した受信アンテナ12の配列面上で
の位置をｗで表わす。このとき、アンテナ10の指向特性
Ｐ（ｗ）は、このアンテナ10の開口面での電界分布をＡ
（ｓ）で表わすと、次に示す積分式（１）で計算される
（S.Silver著「Microwave Antenna Theory and Desig
n」p.170,Dover Publicationsを参照） Ｐ（ｗ）＝∫Ａ（ｓ）・exp（−jk・ｒ（s,w））ds…式
（１） ここで、dsはアンテナ10の開口面の面素、ｒ（s,w）は
アンテナ10の開口面上の位置ｓと受信アンテナ12の配列
面上の位置ｗとの間の距離、ｋは波数でありｋ＝２π／
λ、λは波長である。

前式（１）は、フーリエ変換の理論（例えば、森口他著
「数学公式II」p.261,岩波書店を参照）から、次式
（２）の如く書き直すことができる。

Ａ（ｓ）＝∫Ｐ（ｗ）・exp（＋jk・ｒ（s,w））dw…式
（２） 式（２）中、Ｐ（ｗ）は受信アンテナ12の受信入力に相
当し、ｋとｒ（s,w）は既知あるいは別途測定できるも
のであるから、受信アンテナ12に受信機を接続して各受
信機からの出力を収集し、この式（２）の演算を施すこ
とにより、アンテナ10の開口面上の電界分布Ａ（ｓ）を
得ることができる。Ａ（ｓ）にはもちろん位相分布が含
まれている。

次に、アンテナ10の開口面上の位相分布と鏡面歪みとの
関係を説明する。第３図に示すように、アンテナ10の鏡
面が歪み、その一部10aが鏡面の法線方向にδだけ突出
している場合を考える。

鏡面への電波の入射角をθとすると、アンテナ10の焦点
Ｆから突出部10aを経て開口面上の点位置ｓに到達する
電波の通路長は、突出部10aがない場合よりも ２δ・cosθ だけ短かくなる。

通路長の変化分に波数ｋを乗ずることは、開口面上の位
相の変化を求めることに等しい。従って、開口面上の位
相分布が得られれば、鏡面の歪み量δが直ちに知ること
ができる。

ここで、被鏡面歪検出通信アンテナ10の一次放射器はそ
の図示を省略してあるが、一次放射器については単に電
波を送信あるいは受信する機能があり且つ反射鏡を介し
てアンテナのビームが形成されることが、鏡面歪検出の
ための十分条件である。従って、通常の被鏡面歪検出通
信アンテナでは一次放射器は反射鏡の焦点位置あるいは
その近傍に設置されるため、上記条件を満足しており、
特段の制限条件は不要である。

また、アンテナ12については図では反射鏡を有するアン
テナとして記載されているが、このアンテナ12は被鏡面
歪検出通信アンテナ10とは十分遠方にあって単に電波の
受信もしくは送信ができれば良いので、ホーンアンテナ
でも、アレイアンテナでも、ダイポールアンテナでも使
用可能である。その一次放射器の位置については、アン
テナとしての機能がある限り任意である。

次に、被鏡面歪検出通信アンテナ10に対向するアンテナ
12が仮に反射鏡を有するアンテナであって鏡面歪みが発
生していたとしても、被鏡面歪検出通信アンテナ10の鏡
面歪検出には次の理由によって影響はない。即ち、アン
テナ12の鏡面歪みの影響はパターンの劣化とメインロー
ブの変位が主であり、メインローブピーク方向でのゲイ
ン及び位相については殆ど変化しない。従って、アンテ
ナ12が被鏡面歪検出通信アンテナ10に対向しているとい
う条件、つまりアンテナ12のメインローブのピーク方向
が被鏡面歪検出通信アンテナ10に向いているという条件
下では、同アンテナ10から到来した電波はメインローブ
のピーク方向で受信するので、アンテナ12の鏡面歪みは
鏡面歪検出機能に影響を与えるものではない。

〈実施例〉 本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例装置を示し、10は鏡面歪みを
検出すべき通信アンテナ即ち被鏡面歪検出アンテナであ
り、電波発振源11からの電波を図示省略の一次放射器を
介して放射して送信に供している。受信アンテナ12はア
ンテナ10に対向して複数配列してある。それぞれの受信
アンテナ12に受信入力の振幅及び位相を検出する受信機
13を接続し、各受信機13の出力を信号処理装置14に接続
してある。

動作としては、アンテナ10の運用中にそれから送信され
る電波を複数の受信アンテナ12がそれぞれ受信する。各
受信機13はアンテナ12が受信した電波の振幅及び位相を
検出し、信号処理装置14へ送出する。信号処理装置14
は、各受信機14の検出信号を入力し、前出の式（２）に
よりアンテナ10の開口面上での電界分布を計算する。電
界分布のうち特に位相分布は、前述の如くアンテナ鏡面
の歪みと１対１の対応があるから、信号処理装置14が開
口面上での位相分布を計算することが、波数ｋと入射角
θを考慮することにより直ちに鏡面歪みの検出になる。

上述の実施例において、被鏡面歪検出通信アンテナ10に
対して通信に用いるもの以外何らの補助具を付加する必
要がなく、また受信アンテナ12及び受信機13についても
殆ど通信に用いる無線局をそのまま利用できる。更に、
信号処理装置14は必ずしも独立に設ける必要がなく、い
ずれかの無線局に含ませることも可能である。また更
に、鏡面歪み検出時にアンテナ10を動かしたり、通信用
電波の送受信を停止することは全く必要としないため、
通信を中断することがない。

ここで、被鏡面歪検出通信アンテナ10の一次放射器は第
１図ではその図示を省略してあるが、前述した如く一次
放射器については単に電波を送信あるいは受信する機能
があり且つ反射鏡を介してアンテナのビームが形成され
ることが、鏡面歪検出のための十分条件である。従っ
て、通常の被鏡面歪検出通信アンテナでは一次放射器は
反射鏡の焦点位置あるいはその近傍に設置されるため、
上記条件を満足しており、特段の制限条件は不要であ
る。

また、受信アンテナ12については第１図では反射鏡を有
するアンテナが代表例として記載されているが、前述の
如くこの受信アンテナ12は被鏡面歪検出通信アンテナ10
とは十分遠方にあって単に電波の受信ができれば良いの
で、ホーンアンテナでも、アレイアンテナでも、ダイポ
ールアンテナでも使用可能である。その一次放射器の位
置については、アンテナとしての機能がある限り任意で
ある。

更に、被鏡面歪検出通信アンテナ10に対向する受信アン
テナ12が仮に反射鏡を有するアンテナであって鏡面歪み
が発生していたとしても、前述の如く被鏡面歪検出通信
アンテナ10の鏡面歪検出には影響はない。即ち、受信ア
ンテナ12の鏡面歪みの影響はパターンの劣化とメインロ
ーブの変位が主であり、メインローブピーク方向でのゲ
イン及び位相については殆ど変化しない。従って、受信
アンテナ12が被鏡面歪検出通信アンテナ10に対向してい
るという条件、つまり受信アンテナ12のメインローブの
ピーク方向が被鏡面歪検出通信アンテナ10に向いている
という条件下では、同アンテナ10から到来した電波はメ
インローブのピーク方向で受信するので、受信アンテナ
12の鏡面歪みは鏡面歪検出機能に影響を与えるものでは
ない。

次に、第４図は本発明の他の実施例装置を示し、被鏡面
歪検出通信アンテナ10が受信アンテナの場合である。

第４図において、アンテナ10は複数の電波ビームを受信
する受信アンテナであり、その焦点Ｆの付近にアンテナ
10から反射された電波を受信する給電ホーン15が複数設
置されている。16はアンテナ10に対向した送信アンテナ
であり、電波発振源17を図示省略の一次放射器を介して
接続してある。各ホーン15には受信入力の振幅及び位相
を検出する受信機13を接続し、各受信機13の出力を信号
処理装置14に接続してある。

動作としては、発振源17からの電波を送信アンテナ16を
通して対向する被鏡面歪検出通信アンテナ10に放射し、
そこで反射させる。アンテナ10の鏡面で反射した電波
は、焦点Ｆの付近の複数のホーン15の各々に、ホーンの
設置位置に対応して分配される。各受信機13はそれぞれ
のホーン15から送られた電波の振幅及び位相を検出し、
信号処理装置14へ送出する。信号処理装置14は、各受信
機13からの出力信号を解析し、アンテナ10の開口面上で
の電界分布を計算する。前述の如く、アンテナ10の鏡面
歪と開口面上での電界分布特にそのうちの位相分布とは
１対１の対応があるから、アンテナ開口面上の電界分布
特に位相分布を得ることにより、鏡面歪が検出できる。

なお、本実施例の場合は、前出の式（２）を少し変形し
た式（６）の計算によりアンテナ開口面上での電界分布
を求める。第５図に示す解析モデルにより原理説明をす
る。

第５図の解析モデルにおける第２図との違いは、送信用
にアンテナ16が１個のみであるから、それの設置位置を
示すパラメータｗが一定であること、新たに各ホーン15
の設置位置を示すパラメータｈが導入されたことであ
る。

ホーン15の位置パラメータｈを考慮して前出の式（１）
と同様にアンテナの指向特性Ｐ（w,h）を求めると、次
式（３）を得る。

Ｐ（w,h）＝∫Ａ（s,h）・exp（−jk・ｒ（s,w））ds…
式（３） ここで、開口面の電界分布Ａ（s,h）は開口面上の位置
ｓだけでなく、ホーン位置ｈの関数でもある。また、Ａ
（s,h）は、ホーンが焦点Ｆにある場合の開口面の電界
分布をAo（ｓ）とすれば、次式（４）で表わされる。

Ａ（s,h）＝Ao（ｓ）・exp（ｊφ（s,h）） …式（４） ここで、φ（s,h）はホーンの設置位置に応じた開口面
上の位相分布の補正項である。

そこで、式（３）に式（４）を代入すると共に、定数と
みなせる送信アンテナ16の位置パラメータｗを省略する
と、次式（５）を得る。

Ｐ（ｈ）＝∫Ao（ｓ）・exp（ｊφ（s,h））・exp（−j
k・ｒ（ｓ））ds …式（５） この式（５）もフーリエ変換の理論を適用することによ
り、次式（６）の如く書き直すことができる。但し、dh
はホーン配列面の面素を表わす。

Ao（ｓ）＝exp（＋jk・ｒ（ｓ））∫Ｐ（ｈ）・exp（−
ｊφ（s,h））dh …式（６） 式（６）中、Ｐ（ｈ）は各ホーン15の受信入力に相当
し、また波数ｋ、距離ｒ（ｓ）及び位相補正項φ（s,
h）は既知または別途測定できる。そこで、各ホーン15
からの出力を受信機13を通して信号処理装置14が収集
し、式（６）の演算を施すことにより、ホーン15が焦点
Ｆにある場合のアンテナ10の開口面上での電界分布を得
ることができる。

このようにアンテナ開口面上での電界分布が明らかにな
れば、第３図により既に説明したように、そのうちの位
相分布からアンテナ鏡面の歪み量が直ちに検出できる。

ここで、送信アンテナ16については第４図では反射鏡を
有するアンテナが代表例として記載されているが、この
送信アンテナ16は被鏡面歪検出通信アンテナ10とは十分
遠方にあって単に電波の送信ができれば良いので、ホー
ンアンテナでも、アレイアンテナでも、ダイポールアン
テナでも使用可能である。その一次放射器の位置につい
ては、アンテナとしての機能がある限り任意である。

また、被鏡面歪検出通信アンテナ10に対向する送信アン
テナ16が仮に反射鏡を有するアンテナであって鏡面歪み
が発生していたとしても、被鏡面歪検出通信アンテナ10
の鏡面歪検出には次の理由によって影響はない。即ち、
送信アンテナ16の鏡面歪みの影響はパターンの劣化とメ
インローブの変位が主であり、メインローブピーク方向
でのゲイン及び位相については殆ど変化しない。従っ
て、送信アンテナ16から見れば、十分遠方にある限り、
被鏡面歪検出通信アンテナ10は単なる点としか見えず、
電気的に言えば送信アンテナ16のメインローブのピーク
方向だけの電波が被鏡面歪検出通信アンテナ10に到着す
る。その結果、送信アンテナ16に鏡面歪みがあったとし
ても、これに起因するパターン劣化は被鏡面歪検出通信
アテナ10の鏡面歪検出に何ら影響を与えるものではな
い。

なお、送信アンテナ16のメインローブのピーク方向に電
気的な変動があったとしても、被鏡面歪検出通信アンテ
ナ10を介して給電ホーン15から検出される受信信号は全
ての給電ホーンに関して同じ変動が生じるので、鏡面歪
検出の信号処理において相殺され、これも影響を与える
ものではない。

第４図の実施例において、アンテナ10が複数ビームアン
テナである場合には、もともとホーンが複数個設置され
ており、且つ各ホーンには通信用の受信機が接続されて
いるので、これらのホーン及び受信機を利用することに
より、アンテナ10には何ら改造を施すことなく、鏡面歪
みを検出できる。また、信号処理装置14の設置場所は、
受信機13の出力信号を伝送する手段さえあれば、送信側
受信側を問わず、任意の場所で良い。

次に第６図（ａ），（ｂ）を参照して、信号処理装置14
の別の実施例を説明する。

第６図（ｂ）において、信号処理装置14はその前段に、
パターン修正部14aを備えている。各受信機13の出力信
号はパターン修正部14aに送出される。

第６図（ａ）を参照して動作を説明する。受信機13の出
力信号がパターン修正部14aに入力されると、パターン
修正部14aはそこのメモリに記憶しておいて被鏡面検出
通信アンテナ10の基準パターン18と、各受信機13からの
測定値19とを比較する。比較の結果、基準パターン18と
測定値19とに差が有る場合は、パターン修正部14aは基
準パターン18を出発点として、スプライン近似等の近似
手法を用いて、各受信機13の出力信号と良く一致する修
正パターン20を構築する。信号処理装置14はパターン修
正部14aから修正パターン20を受取り、実際に測定した
点数よりも多くの点をあたかも測定した点の如く扱い、
前出の式（２）または式（６）の演算を行うことによ
り、アンテナ開口面上での電界分布を得る。

本発明では、演算実行時の入力データの角度間隔が狭く
且つデータ数が豊富であれば、細かい周期の鏡面歪みも
十分な精度で計算できる。従って、第６図（ａ），
（ｂ）の信号処理を適用し、測定データ19と基準パター
ン18とから修正パターン20を構築することにより、鏡面
歪み検出の精度を向上することができる。また、パター
ン修正部14aを備えることにより、鏡面歪み検出の精度
を低下させずに測定点を減少させることができ、第１図
の場合は受信アンテナ12の数、第４図の場合は給電ホー
ン15の数を減少させることができる。

〈発明の効果〉 本発明によれば、通信用アンテナに特別な構造物、補助
具、あるいは特殊な給電回路を付加することなく、通信
用周波数あるいはそれと極く近い周波数の電波を使用
し、且つ、何ら人手を介さずに、当該通信用アンテナの
鏡面歪みを検出することができる。

従って、遠隔地や高所あるいは人間の作業環境として望
ましくない場所、及び人工衛星に設置されたアンテナの
鏡面歪みを効率良く且つ経済的に検出することができ
る。

更に、本発明装置と連動して鏡面歪を補正する機構を取
付ければ、たとえ鏡面歪みにより通信用アンテナのビー
ム方向の変位あるいはビーム形状の劣化が発生しても、
直ちに正常な状態に復帰させることができるため、安定
度の高い無線通信回線を確保でき、更には、通信アンテ
ナの性能を最大限利用した経済的な無線通信回線を提供
することに多いに寄与する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例装置の構成図、第２図は第１
図の構成における信号解析のためのモデル図、第３図は
アンテナ鏡面と開口面上の位相分布との関係図、第４図
は本発明の別の実施例装置の構成図、第５図は第４図の
構成における信号解析のためのモデル図、第６図
（ａ），（ｂ）は信号処理装置の別の実施例の説明図及
び構成図、第７図は従来装置の構成図である。 図面中、10は被鏡面歪検出通信アンテナ、11,17は電波
発振源、12は受信アンテナ、13は受信機、14は信号処理
装置、14aはそのパターン修正部、15は受信アンテナと
しての給電ホーン、16は送信アンテナ、18は基準パター
ン、19は測定値、20は修正パターンである。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電波を送信あるいは受信し且つ反射鏡を介
   してアンテナのビームを形成する一次放射器を備えた被
   鏡面歪検出通信アンテナと、このアンテナから通信用電
   波あるいは該通信用電波に近い周波数の電波を出させる
   装置と、前記アンテナに対向した受信アンテナと、受信
   アンテナに接続され受信した電波の振幅及び位相を検出
   する受信機と、受信機の検出々力を収集して処理し、被
   鏡面歪検出通信アンテナの開口面上の電界の位相分布を
   計算する演算解析機能を有する信号処理装置とを具備す
   るアンテナ鏡面歪検出装置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項において、被鏡面歪
   検出通信アンテナが送信アンテナであり、このアンテナ
   に電波を出させる装置が電波発振源であり、受信アンテ
   ナは被鏡面歪検出通信アンテナに対向して複数個分散配
   置され、各受信アンテナに受信機が接続されていること
   を特徴とするアンテナ鏡面歪検出装置。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項において、被鏡面歪
   検出通信アンテナが複数の電波ビームを受信するアンテ
   ナであり、このアンテナに電波を出させる装置が該アン
   テナに対し電波を発射する対向配置したアンテナであ
   り、受信機に接続された受信アンテナが被鏡面歪検出通
   信アンテナの複数の給電ホーンであり、各給電ホーンの
   それぞれに受信機が接続されていることを特徴とするア
   ンテナ鏡面歪検出装置。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第１項または第２項または
   第３項において、信号処理装置が被鏡面歪検出通信アン
   テナに鏡面歪みがない場合のアンテナパターンを記憶し
   た記憶手段と、記憶したパターンを受信機からの信号に
   応じて修正するパターン修正手段とを装置前段に有する
   ことを特徴とするアンテナ鏡面歪検出装置。