博 士 （ 工 学 ） 庄 木 裕 樹
学 位 論 文 題 名
放 送 衛 星 搭 載 用ア ン テ ナ の研 究 学 位 論 文内 容 の 要 旨
直 接衛星放送は、サ―ビスエリアの広域性、地理的障害の克服、耐災害性、放送の機動 性、 チャネル数を増加できることなどの点が特徴であり、放送サービス内容の充実ととも に 今 後益 々 需 要 が増 大 する方向 にある 。更に地 域別衛星 放送、HDTV放送、 ディジタ ル 放送 、文字放送など将来のマルチメディア化に対応した新しいサービスを提供できる可能 性を 有しており、社会からの衛星放送に対する注目、期待も高く、直接衛星放送は今後多 様化して更に発展することが期待できる。このような将来の直接衛星放送への要求に対し、
放 送 衛 星 搭 載 用 ア ン テ ナ に お け る 技 術 革 新 が 果 た す 役 割 は 非 常 に 重 要 で あ る 。 今 後の放送衛星搭載用アンテナにおける技術課題として、受信アンテナの小型化や降雨 減衰 の補償のための高利得アンテナ技術、サービスエリアに効率良く電波を放射するため のビ ―ム成形技術、地域別衛星放送を実現するマルチビームアンテナ技術、周波数資源の 有効 利用のための周波数再利用を行うための低サイド口一ブ化技術、新しい放送サービス の実 現に有効である新しい高い周波数帯を利用するための高周波技術などがあげられ、将 来の 衛星放送の発展に向けてこれらの技術課題を克服することの意義は非常に大きい。そ こで 、本研 究では、 現在利 用されている12GHz帯における衛星放送と新しい周波数帯であ る21GHz帯を 利用した 衛星放 送のニうの場合にっいて特に注目し、各々の衛星放送の発展 に向けて今後解決すべきァンテナ技術についての研究を行った。
今 後の12GHz帯衛星 放送の衛 星搭載アンテナにおいて最も重要な技術課題は、わが国の 領域 にできるだけ効率良く電波を放射するためのビーム成形技術と高出力化に対応できる ようなァンテナ構成である。鏡面修整による高度成形ビームアンテナはこのようナょ目的に 対して最も有効なァンテナ方式であり、本研究の第ーの研究テーマとして取り上げている。
具体 的には、アンテナ開口面分布とビーム成形度の関係について言及し、高度成形ビ―ム アン テナの設計に重要な設計指針を明らかにした。ここで、位相分布のみを調整する単一 修整 反射鏡アンテナが有効であることを主張している。次に、このようなァンテナを設計 する 方法として等価アレ一法による鏡面修整法を提案し、この方法が良好な成形ビーム特 性を 実現でき発展性の高い有効な方法であることを明らかにした。実際に、1997年打ち上 げ予 定の次 期放送衛 星（BS−4）を 目的と したアン テナ設計 および 特性解析 を行い、従 来の 衛星放送に比較してわが国の周辺地域での利得向上がはかれることを示すとともに、
い ま まで 明 ら か でな か っ た鏡 面 誤 差に よ る 特性 へ の 影響 な ど にっ い て 明 確に した。
21GHz帯衛 星 放 送は 全 く 新し く 利 用さ れ る 周波 数帯 であり 、HDTVやデ ィジクル 放送
ー135―
などの新しい放送サービスに有効である一方で、降雨減衰が大きくアンテナ利得をかなり 高くする必要がある。このためァンテナのマルチビーム化は必須であり、同時に周波数再 利用のための低サイド口一ブ化が重要になる。そこで、本研究では、第二の研究テーマと して高利得化・低サイド口一ブ化マルチビームアンテナを取り上げている。具体的には、
最 も 厳 し い条 件 で あるFM変調 に よ るHDTVを 想 定 し、 他 に 類 のな い46dBi以上 の 高利 得化、35dB以上のビーム間アイソレーションを実現するための低サイドローブ化を達成す るためのアンテナ構成および設計法を明らかにした。更に、1997年打ち上げ予定の通信放 送 技 術 試 験 衛 星(COMETS)の 放送 用 ア ンテ ナ の 電 気性 能 確 認モ デ ル の開 発 を 行い 、 提 案する方式、方法により21GHz帯衛星放送に要求される特性が満足されることを確認し た 。 こ の 研究 の 中 で、 幾 何光学 的回折 理論(GTD)を用い て反射鏡 アンテナ を高速 に解 析する方法を示し、従来の方法に比較して数十分の一程度の短時間で解析が行える有効な 方法であることを示した。アンテナ方式としては、反射鏡と主給電ホーンと副給電ホーン により構成される新方式の一次放射器により構成される方式を提案し、この方式が高利得
・低サイドローブを同時に達成するために最も有効な方式であることを明らかにした。ま た 、一次 放射器の 励振分 布を設定 するた めの方法 として、 方向拘束付電力最小化(D CM P）法 によるマルチビーム指向性合成法を開発し、この方法がメインビームの高利得化お よび狙った領域に対するサイドローブのみを効率的に低減化することのできる有効な方法 であることを明らかにした。更に、アンテナを開発する上で重要である一次放射器の励振 誤差による特性の影響を明らかにし、一次放射器の励振分布を高精度に実現するために有 効な給電系構成および励振分布設定法を明らかにした。
ところで、21GHz帯衛星放送において、ディジタル変調による衛星放送がサービスされ る 可能性 も考えら れる。 この場合には、ビーム間アイソレーションの要求レベルがFM変 調に比較して低く、このようナょ条件に対して最も有効なァンテナ方式を検討することも重 要である。そこで、本研究では、鏡面修整によって複数の低サイド口一ブ化されたビーム を放射するマルチ成形ビ―ムアンテナを提案し、等価アレーによる鏡面修整法を発展させ た 設計法と解析結果を示すことにより、このアンテナ方式がディジタル変調による21GHz 帯衛星放送に有効であることを明らかにした。
本研究の成果は、将来の衛星放送の搭載を目的としたアンテナのさまざまな技術課題を 克服したものである。この研究結果は、今後の衛星搭載アンテナの進歩、発展に少なから ず貢献、寄与できるものと期待される。
−136―
学位論 文審査の要旨
学 位 論 文 題 名
放送衛 星搭載用アンテナの研究
衛 星放 送は 、サ ービ スエ リア の広 域性 、地 理的 障害 の克 服、耐災害性などの利 点 を 有し てお り、 放送 サー ビス 内容 の充 実と とも に今 後益 々需要が増大する方向 に あ る 。 更 に 地 域 別 衛 星 放 送 、HDTV放 送 、 デ ィ ジ タ ル 放 送 、 文 字 放 送 な ど 将 来 の マル チメ ディ ア化 に対 応し た新 しい サー ビス を提 供で きる可能性を有してお り 、 今後 更に 発展 する こと が期 待で きる 。こ のよ うな 将来 の衛星放送への要求に 対 し 、放 送衛 星搭 載用 アン テナ にお ける 技術 革新 が果 たす 役割は非常に大きいと 言 え る。 今後 の放 送衛 星搭 載用 アン テナ にお ける 課題 とし て、高利得アンテナ技 術 、 ビー ム成 形技 術、 マル チビ ―ム アン テナ 技術 、低 サイ ド口ーブ化技術、高周 波 技 術ナよどがあげられ、将来の衛星放送の発 展に向けてこれらの技術課題を克服 す ることは非常に重要である。
本 論文 は、 現在 利用 され てい る12GHz帯にお ける衛星放送と新しい周波数帯であ る21GHz帯を 利用 した 衛星 放送 のニっの場合に っいて、各々の衛星放送の発展に向 け て 今後 解決 すべ きア ンテ ナ技 術に っい ての 研究 結果 をま とめたものであり、主 要 な成果は以下のように要約される。
1）今後の12GHz帯衛星放送の衛星搭載アンテ ナにおいて最も重要な技術課題は、
わ が 国の 領域 にで きる だけ 効率 良く 電波 を放 射す るた めの ビーム成形技術と高出 力 化 に対 応で きる アン テナ 構成 であ る。 これ を実 現す る鏡 面修整アンテナの設計 法 として、等価アレ一法を提案し、この方法が良好ナょ成形ビーム特性を実現でき、
発 展 性の高い有効ナょ方法であることを明らか にした。その結果を次期放送衛星搭 載 用のアンテナ設計および特性解析に適用している。
2）21GHz帯 衛 星 放 送 は 全 く 新 し く 利 用 さ れ る 周 波 数 帯 で あ り 、HDTVや デ ィ ジ タ ル放 送な どの 新し い放 送サ ービ スに 有効 であ る一 方で 、降雨減衰が大きくア ン テ ナ利得をかナょり高くする必要がある。こ のためァンテナのマルチビーム化は 必 須 であ り、 同時 に周 波数 再利 用の ため の低 サイ ドロ ーブ 化が重要になる。本研 究 で は 、 最 も 厳 し い 条 件 で あ るFM変 調 に よ るHDTVを 想 定 し 、 他 に 類 の な い 46dBi以 上の 高利 得化 、35dB以 上のビーム間ア イソレーションを実現するための低 サ イ ド口 一ブ 化を 達成 する ため のア ンテ ナ構 成お よび 設計 法を明らかにした。更 に 、1997年 打 ち 上 げ 予 定 の 通 信 放 送 技 術 試 験 衛 星 （COMETS） の 放 送 用 ア ン テナ の電 気性 能確 認モ デル の開発を行い、21GHz帯衛星放送に要求される特性 が 満 足 さ れ る こ と を 確 認 し た 。 こ の 研 究 の 中 で 、 幾 何 光 学 的 回 折理 論（GTD）
―137―
彦 彦
則
精 吉
正
藤 川
柴
伊 小
小
授 授
授
教 教
教
査 査
査
主 副
副
を用いて反射鏡アンテナを高速に解析する方法を示し、従来の方法に比較して数 十分の一程度の短時間で解析が行える有効ナょ方法であることを示した。また、一 次放射器の励振分布を設定するための方法として、方向拘束付電力最小化（
DC
丶IP）法によるマルテビーム指向性合成法を開発し、この方法がメインビームの 高利得化および狙った領域に対するサイドローブのみを効率的に低減化すること のできる有効な方法であることを明らかにした。3
）21GHz帯衛星放送において、ディジタル変調による衛星放送がサービスされ る可能性も考えられる。この場合には、ビーム間アイソレーションの要求レベル がFM変調に比較して低く、このようナよ条件に対して最も有効なァンテナ方式を 検討することも重要である。そこで、本研究では、鏡面修整によって複数の低サ イドO‑
ブ化されたビームを放射するマルチ成形ビームアンテナを提案し、等価 アレーによる鏡面修整法を発展させた設計法と解析結果を示すことにより、この アンテナ方式がディジタル変調による21GHz帯衛星放送に有効であることを明ら かにした。これを要するに、著者は、放送衛星搭載用アソテナにおいて重要となる技術を 展開し、衛星放送の発展に貢献する技術上有益ナょ新知見を得たものであり、アン テナ工学の進歩に寄与するところ大である。
よって著者は、北海道大学博士（工学）の学位を授与される資格あるものと認 める。
−138ー
