(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の放射素子からなるサブアレイを複数個配列したアレイアンテナにおいて、当該アレイアンテナがさらにグレーティングローブキャンセル用の補助サブアレイを具え、該補助サブアレイの励振をビームチルトを行うための所定の位相とは逆相で行うことで、グレーティングローブの角度方向で前記補助サブアレイからの電波と他の前記サブアレイからの電波が逆相で電力合成されるようにしてグレーティングローブを抑制するとともに、この補助サブアレイが他の前記サブアレイに比べて充分に広いビーム幅で、少なくとも第１のグレーティングローブの方向においてグレーティングローブレベルを規定の電力密度以下に抑制するために必要な電力の電波を放射できる利得を有するよう構成されたことを特徴とする移動体ＳＮＧ用グレーティングローブキャンセルアンテナ。
【請求項２】
前記アレイアンテナの開口面が正方形の平面アンテナで、このアレイアンテナの開口面の２つの対角線のうちの一方の対角線の延長線上でこのアレイアンテナに隣接する位置に、開口面が長方形の平面アンテナのグレーティングローブキャンセル用前記補助サブアレイを、長方形の長辺方向が前記一方の対角線に一致するよう配置されたことを特徴とする請求項１記載の移動体ＳＮＧ用グレーティングローブキャンセルアンテナ。
【請求項３】
前記補助サブアレイに隣接する前記サブアレイ用の送信機出力を分岐し、その出力を前記サブアレイの励振位相と逆相になるようにして前記サブアレイに給電したことを特徴とする移動体ＳＮＧ用グレーティングローブキャンセルアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、移動体ＳＮＧ（Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  Ｎｅｗｓ  Ｇａｔｈｅｒｉｎｇ）  装置で使用する平面アンテナに関し、ビームがチルトしたときに発生するグレーティングローブのレベルを補助の平面アンテナにより抑制するグレーティングローブキャンセル用アンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般にアレイアンテナでは、放射素子の励振位相を抑制することにより、アンテナから放射される電波の指向方向を可変できる。このとき、放射素子の間隔が１波長より大きい場合には、グレーティングローブと呼ばれるアンテナ利得が大きい部分がメインビームから一定の角度間隔で存在し、その方向に比較的強い電波が放射される。位相制御が１個の放射素子単位ではなく、複数個の放射素子で構成されたサブアレイ単位の場合には、サブアレイの間隔が通常１波長より大きくなるため、わずかな指向方向の変化によっても大きなグレーティングローブが発生する。
【０００３】
従来のＳＮＧ用平面アンテナは、マイクロストリップ放射素子を複数個使用したサブアレイを単位として位相制御を行っているため、ビームチルト角度に対応したグレーティングローブの発生が避けられない。衛星通信においてアンテナから放射される不要放射は、軸外放射電力密度として法令により厳しく制限されているが、従来の固定局ＳＮＧ用アンテナでは正方形の開口面の対角線の方向を静止衛星の軌道に合わせる等の工夫により、ビームチルトを行ってもグレーティングローブレベルが法令の規格（ＩＴＵ−Ｒ勧告５２４）を満足するような構造になっている（詳細は、文献、Ｔ．  Ｍｕｒａｔａ  ｅｔ  ａｌ．  “Ｐｏｒｔａｂｌｅ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  Ｎｅｗｓ  Ｇａｔｈｅｒｉｎｇ  （ＳＮＧ）  ＲＦ  Ｔｅｒｍｉｎａｌ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｆｌａｔ  Ａｎｔｅｎｎａ，”  ＩＥＩＣＥ  Ｔｒａｎｓ．  ｏｎ  Ｃｏｍｍｕｎ．，  Ｖｏｌ．  Ｅ−７７−Ｂ，  Ｎｏ．１２，  Ｄｅｃ．  １９９４，  Ｐ．１５０１  を参照されたい）  。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
移動体ＳＮＧ装置では周波数割り当てが二次業務であるため、従来の固定局ＳＮＧ装置に適用されている値よりも軸外放射電力が１３ｄＢから１６ｄＢほど低く制限されており（無線設備規則第４９条の１８）、従来のように静止軌道方向にアンテナの対角線の方向を合わせるだけでは法令を満たすことが困難である。位相制御によるビームチルトの角度範囲を縮小せずに、軸外放射電力密度の規定値を満足するための方法としては、第１にアンテナの放射電力を下げ、送信ｅ．ｉ．ｒ．ｐ．（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  ｉｓｏｔｒｏｐｉｃａｌｌｙ  ｒａｄｉａｔｅｄ  ｐｏｗｅｒ  ：等価等方放射電力）を低下することが考えられる。しかしこの方法では充分なレベルの回線マージンが取れなくなってしまう欠点がある。第２の方法としては、アレイアンテナの分割数を増やす方法、すなわち１つのサブアレイを小さくして数多くのサブアレイでアレイアンテナを構成し、サブアレイ間隔をできるだけ小さくする方法がある。この方法では、原理的にグレーティングローブレベルの上昇を抑えることが可能であるが、制御するサブアレイの数が飛躍的に増加するために装置の規模が大きくなり、また装置が複雑な構成となってしまう欠点がある。そこで本発明の目的は、できるだけ大きな回線マージンを確保しつつ、簡易な方法でグレーティングローブの上昇を抑えることの可能な移動体ＳＮＧ用グレーティングローブキャンセルアンテナを提供せんとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明移動体ＳＮＧ用グレーティングローブキャンセルアンテナは、複数の放射素子からなるサブアレイを複数個配列したアレイアンテナにおいて、当該アレイアンテナがさらにグレーティングローブキャンセル用の補助サブアレイを具え、該補助サブアレイの励振をビームチルトを行うための所定の位相とは逆相で行うことで、グレーティングローブの角度方向で前記補助サブアレイからの電波と他の前記サブアレイからの電波が逆相で電力合成されるようにしてグレーティングローブを抑制するとともに、この補助サブアレイが他の前記サブアレイに比べて充分に広いビーム幅で、少なくとも第１のグレーティングローブの方向においてグレーティングローブレベルを規定の電力密度以下に抑制するために必要な電力の電波を放射できる利得を有するよう構成されたことを特徴とするものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明では、グレーティングローブが各サブアレイの位相条件が同相となる角度方向に生じるという原理に着目し、サブアレイのビーム幅に比べて充分に広いビーム幅を持つ小型の補助サブアレイを設置し、補助サブアレイにはビームチルトを行うための所定の位相と逆相で励振することでグレーティングローブの位置で逆相の電力合成を行い、放射レベルを抑制する方法を用いているので、容易な構成で、従来の平面アンテナを用いたＳＮＧ装置と比べグレーティングローブレベルを大幅に低減できるため、要求された軸外放射電力密度の規定値に対して充分な送信レベルで移動体ＳＮＧの送信が可能となる。
【０００７】
【実施例】
以下添付図面を参照し実施例により本発明の実施の態様を詳細に説明する。
本発明による移動体ＳＮＧ用グレーティングローブキャンセルアンテナの第１の実施例を図１に示す。このアンテナ１は放射素子にマイクロストリップ素子を使用した平面アンテナで、従来の固定局ＳＮＧ用平面アンテナ２（６４素子を８×８素子の正方形に配列したサブアレイを１６個（♯１〜♯１６）で構成）に、１６素子を長方形（２×８素子）に配列した補助サブアレイ３（♯１７）を付加して構成されている。サブアレイ♯１〜♯１６は、方形配列の対角線方向の放射指向性が低サイドローブ特性を有することを利用して隣接衛星への干渉電波の放射を抑えるため、対角線を静止衛星軌道方向４に合わせるよう配置されている。♯１７の補助サブアレイ３は、補助サブアレイを付加したことによる静止衛星軌道方向４の放射パターンの乱れを極力抑えるために静止衛星軌道方向に直交する対称軸５上に設置し、さらに静止衛星軌道方向４に広い放射パターンを有するようにその短辺を静止衛星軌道方向に合わせて置かれている。この実施例の補助サブアレイ３は、広い静止衛星軌道方向の放射パターンと比較的高いアンテナ利得を兼ね備えるため、２×８素子の配列を用いているが、グレーティングローブの抑制に必要なｅ．ｉ．ｒ．ｐ．を確保できる高出力電力増幅器を使用することによって、より素子数の少ないアンテナ、たとえば２×４素子などを用いることもできる。
【０００８】
サブアレイ♯１〜♯１７各系統用送信機６の出力は位相制御回路７に入力される。位相制御回路７では、通信衛星から送信されてくるビーコン波を受信し、それを信号処理して作られた位相制御信号８を用いて、主ビームが常に通信衛星の方向に向くように個々の信号の位相を制御する。ただし、ここで補助サブアレイに給電する♯１７の系統だけは、所定の位相に対してさらに１８０°のオフセットφをつけて位相を制御するようにしている。このようにすることで、補助サブアレイ３はグレーティングローブの方向において常に他のサブアレイとは逆相の関係が成り立ち、グレーティングローブキャンセル用サブアレイとして動作する。このとき、グレーティングローブ方向と主ビーム方向から見た各サブアレイの位相条件は全く同一であるので、補助サブアレイの放射電波は主ビームに対しても打ち消すように働く。しかし、補助サブアレイの放射電波レベルは主ビームのレベルと比べて非常に低いため、主ビームに与える影響は小さくｅ．ｉ．ｒ．ｐ．の低下はごくわずかである。位相制御回路７の出力は、そえぞれ固体電力増幅器（ＳＳＰＡ）９に加えられ、その出力は個々のサブアレイに供給される。
【０００９】
図２は、本発明の補助サブアレイを動作させないときの放射パターンの計算値と、法令で定められた軸外放射電力密度の規格１１との関係を示した図で、アンテナの指向方向を静止衛星軌道方向に２°チルトしたときの例である。ここでは、主ビームのピーク点を離軸角０°として表している。このときの中心軸上の送信電力密度は約２８．５ｄＢＷ／４０ｋＨｚ（送信ｅ．ｉ．ｒ．ｐ．＝５２．５ｄＢＷ、シンボルレート＝８．６４ＭＨｚ、ＱＰＳＫ変調、ビームチルトによる利得低下＝０．６９ｄＢ）で、ディジタルテレビジョン画像を衛星電送するのに充分な電力密度である。この図から、主ビームから約−１２°の方向に法令で定められた電力密度を４．６ｄＢほど上回るグレーティングローブが発生しているのがわかる。ちなみに無線設備規則第４９条の１８によって定められた軸外放射電力密度の規定値１１は｜２．５°｜≦θ＜｜１１°｜で２６−２５ｌｏｇθ（ｄＢＷ／４０ｋＨｚ）、｜１１°｜≦θで０（ｄＢＷ／４０ｋＨｚ）である。
【００１０】
軌道方向に直交する方向にビームをチルトした場合にも図２と同様な放射パターンとなるが、法令で定められた電力密度の規格がこの方向では±３°と狭い範囲であるため、図２から明らかなようにこの範囲には規格を上回るグレーティングローブは存在せず、軸外放射電力密度の規格を満足している。
【００１１】
図３は、図１に示した２×８素子の補助サブアレイ３の短辺方向（静止軌道方向）の放射パターンの計算値１３（実線）と、他の８×８素子の１つのサブアレイの対角線方向（静止軌道方向）の放射パターンの計算値１４（破線）とを示した図である。１つのサブアレイの放射パターンと、図２に示したアンテナ全体の放射パターンとを比べると、法令の規格を上回っているグレーティングローブは、サブアレイの放射パターンの−１０°方向１５に相当し、各々のサブアレイの主ビームの一部が合成されて形成されていることがわかる。よって、補助サブアレイを使用し、補助サブアレイの放射電波自体も法令の規格を越えないレベルでグレーティングローブと逆相の電波を放射してグレーティングローブを抑制し、法令の規格を満たすようにするために、補助サブアレイには、１つのサブアレイのビーム幅より十分に広く、少なくとも第１のグレーティングローブの方向において、グレーティングローブレベルを規定の電力密度以下に抑制するために必要な電力の電波を放射できる利得を持つ放射パターンが要求される。
【００１２】
図３より、補助サブアレイの半値幅（−３ｄＢ幅）は３４°、１つのサブアレイの半値幅は８°と、補助サブアレイのビーム幅は１つのサブアレイと比較して充分に広くなっており、ビーム中心から−１０°（図２に示した規格を上回るグレーティングローブの角度）の角度におけるビーム中心からの利得の低下は１ｄＢと僅かで、グレーティングローブキャンセル用のアンテナとして適していることがわかる。なお、長辺方向の放射パターンは非常に鋭く、この補助サブアレイでは軌道方向に直交する方向のグレーティングローブをキャンセルすることはできないが、前述の理由により規格上の問題はない。
【００１３】
図４は、図２で示した補助サブアレイなしの場合の放射パターンに、図３の補助サブアレイのパターンを重ねて示した図で、補助サブアレイによるグレーティングローブキャンセルの効果を説明するための図である。ここで、補助サブアレイの給電電力は他のサブアレイと同じ電力としており、このときのピーク点での電力密度は−０．９ｄＢＷ／４０ｋＨｚ（ｅ．ｉ．ｒ．ｐ．＝２２．４ｄＢＷ）で、補助サブアレイ単体からの放射電波は法令の規格を越えないレベルであることがわかる。規格を上回るグレーティングローブが放射されている−１２°方向に着目すると、この点でグレーティングローブの電力密度は４．６ｄＢＷ／４０ｋＨｚ、また補助サブアレイの電力密度は−１．９ｄＢＷ／４０ｋＨｚであるから、補助サブアレイの位相を反転して両者を合成したときのレベルは、
【数１】
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となり、５．６ｄＢほどグレーティングローブレベルが下がることになる。この位置における法令で定められている軸外放射電力密度は０ｄＢＷ／４０ｋＨｚであるから、１ｄＢの余裕で規格を満たすことができる。なお、図４で明らかなようにこのアンテナには多くのグレーティングローブが存在するが、すべてのグレーティングローブは同相であるので、補助アンテナからの放射電界とは逆相の関係が成り立っている。また、主ビームもグレーティングローブとまったく同じ位相条件であるので補助サブアレイの影響を受けるが、両者に約３０ｄＢのレベル差があるため、合成時の主ビーム電力密度の低下は約０．３ｄＢとごく小さい。
【００１４】
図５は、グレーティングローブキャンセルアンテナの静止軌道方向の放射パターンの計算値で、図４に示した両者の放射パターンを合成したものである。図より、図４に現れていたグレーティングローブが抑制され、すべての角度で法令上の規格１１を満たしていることがわかる。
【００１５】
図６は、本発明によるグレーティングローブキャンセルアンテナの第２の実施例である。ここで第１の実施例と同一の作用をする部品には同一の参照番号を符した。補助サブアレイの形状および設置の位置は第１の実施例と全く同じであるが、♯１６のＳＳＰＡ出力を電力分配器１０を用いて適当な分配比で分配したのち、一方を♯１６のサブアレイへ、もう一方を１８０°の位相器φで位相を反転して補助サブアレイに給電する。このようにして、♯１６サブアレイと補助サブアレイの励振位相は常に逆相の関係となるように給電している。ここで、位相器φは１８０°の固定位相なので、適当な長さの同軸ケーブル等で代用することが可能である。このように、補助サブアレイの給電系を隣接する♯１６の給電系と共有することで、補助サブアレイの給電系の簡素化を図っている。
【００１６】
補助サブアレイと♯１６サブアレイは、静止軌道方向に直交するアンテナの対称軸上に位置するので、補助サブアレイの放射電波は静止軌道方向に現れるグレーティングローブと逆相の関係が成り立ち、適当な電力分配比を選ぶことで、第１の実施例と同じ原理でグレーティングローブを抑制することができる。静止軌道と直交する方向については、補助サブアレイの位相が♯１６サブアレイと連動して動くために所定の位相条件を与えられず、グレーティングローブキャンセラーとしては動作しないが、前にも述べたように、この方向の軸外放射電力密度の規格は±３°なのでアレー本体の放射特性が規格を満足しておりグレーティングローブの抑制の必要はなく、また補助サブアレイによる放射パターンの乱れもごくわずかであるため、合成した放射パターンは規格を満足できる。
【００１７】
図７に第２の実施例のグレーティングローブキャンセルアンテナの軌道方向の放射パターンの計算値を示す。ここで、♯１６サブアレイと補助サブアレイの電力分配比は１：２としている。図２で示した補助サブアレイなしのときの放射パターンと比べて、グレーティングローブが抑制され、すべての角度で法令上の規格を満たしていることがわかる。
【００１８】
以上２つの実施例により本発明に係る実施の形態について詳細に説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項に規定された発明の要旨内で各種の変形変更の可能なことは自明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳＮＧ用グレーティングローブキャンセルアンテナの本発明第１の実施例を示す図。
【図２】補助サブアレイがないときの静止軌道方向の放射パターンの計算値と軸外放射電力密度の規格を示す図。
【図３】補助サブアレイと１つのサブアレイの静止軌道方向の放射パターンを示す図。
【図４】補助サブアレイなしの場合の放射パターンと、補助サブアレイの放射パターンとの関係を示す図。
【図５】第１の実施例によるグレーティングローブキャンセルアンテナの静止軌道方向の放射パターンの計算値を示す図。
【図６】ＳＮＧ用グレーティングローブキャンセルアンテナの本発明第２の実施例を示す図。
【図７】第２の実施例によるグレーティングローブキャンセルアンテナの静止軌道方向の放射パターンの計算値を示す図。
【符号の説明】
１  本発明に係るアンテナ
２  従来形のアレイアンテナ（サブアレイ♯１〜♯１６の集合）
３  補助サブアレイ
４  静止衛星軌道方向
５  ４と直交する対稱軸
６  送信機
７  位相制御回路
８  位相制御信号
９  固体電力増幅器（ＳＳＰＡ）
１０  電力分配器
１１  法令により定められた軸外放射電力密度の規定値
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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