(57)【要約】【課題】路長差のある回路の信号位相を合わせる際に、物理的に回路の路長を合わせることで生じる回路損失の増加および回路設置に要する容積や重量の増加を回避する。【解決手段】本発明は、アレーアンテナなどを使用し、複数の回路で同一の信号を伝送して合成する送信もしくは受信システムにおいて、信号の伝送に使用する回路毎の路長が異なる場合であっても、回路毎の路長差を電気的に均等に合わせる調整機能（路長差調整部）を設けることで、アンテナ指向性や伝送特性の劣化の回避を図る。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路ごとの路長差を電気的に合わせる調整機能を設け、複数の回路で同一の信号を伝送して合成するシステム。
【請求項２】
回路ごとの路長差を電気的に合わせる路長差調整部を設けることにより、複数の回路で信号の位相を所望の位相に調整して合成する請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記路長差調整部は、伝送する信号の帯域幅において、前記路長差に対応する所定の群遅延特性を有し、減衰が生じない回路である請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記システムは、複数の回路で同一の信号を伝送し、空間合成する送信システムである請求項１ないし３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
前記システムは、受信した同一の信号を、複数の回路で伝送して合成する受信システムである請求項１ないし３のいずれか１項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の回路で同一の信号を伝送して合成するシステムに関し、特に、アレーアンテナなどを使用し、複数の回路で同一の信号を伝送して合成する送信もしくは受信システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力の有効利用、周波数資源の有効活用などの観点から、アレーアンテナを活用するシステムが研究開発されている。例えば、２００６年に打ち上げられた技術試験衛星「ＥＴＳ−VIII（きく８号）」および２００８年に打ち上げられた超高速インターネット衛星「ＷＩＮＤＳ（きずな）」ではアレーアンテナを搭載し、実証実験が行われている。また、日本放送協会で検討している２１ＧＨｚ帯を使用する放送衛星では、降雨による電波減衰に応じて、適応的にアンテナ指向特性を変化させるためにアレーアンテナを搭載する研究開発を行っている。
【０００３】
放送衛星のような衛星中継器では、地上からアップリンクとして送信される一つの信号を、衛星内で複数に分配して増幅等の所定の信号処理を行い、分配されて伝送された信号をアレーアンテナの各ホーンから送信して空間合成し、再び地上に向けダウンリンクとして送信する。
【０００４】
アレーアンテナにおいては、指向特性を所望の放射パターンとするために、同一の信号を各アンテナに適切な位相、且つ適切な振幅で供給しなければならない。また、指向特性を可変とするアレーアンテナにおいては、放射パターンに応じて各アンテナの位相と振幅を変化させなければならないため、各アンテナに移相器と減衰器を接続することで、適切な位相と振幅となるように調整する。
【０００５】
複数のアンテナを利用して同一の信号受信をする場合は、アンテナごとに受信された信号がそれぞれの回路を経て伝送され、その後合成されるが、最大の合成電力を得るためには、合成の際に同一の位相となるよう調整することが必要である。なお、本明細書においては、原則として、各信号を処理する電子回路のみならず、信号が伝送される伝送経路も含めて、「回路」と呼ぶこととする。
【０００６】
合成する信号が伝送される２経路において、信号の高周波位相差がある場合、合成損が生じる。２経路の回路毎の電力が同じでＰ０とし、信号の位相差をθとした場合の合成電力Ｐｔの計算値は、次式となる。（非特許文献１）
【０００７】
【数１】
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【０００８】
したがって、最大合成電力を得るためには、位相差ができるだけ小さくなるように、各経路の信号を調整することが必要である。
【０００９】
複数の回路で同一の信号を伝送して合成するシステム、特に、アレーアンテナなどを使用し、複数の回路で同一の信号を伝送して合成する送信もしくは受信システムにおいて、帯域幅を有する信号を伝送する際、移相器が有する調整機能では、0〜2π[radian]の範囲において、単一の周波数（一般的には中心周波数）を対象として、各回路の出力を所望の位相に調整する。しかしながら、帯域幅の中心周波数の位相を一致させても、次のような問題がある。
【００１０】
伝送信号において、信号帯域の中心周波数Ｆｃにおける回路内での波長をλｃ、信号帯域のエッジ部の周波数Ｆｅにおける回路内での波長をλｅとすると、長さＤの路長を信号が伝送する際に、Ｄ×（１／λｃ−１／λｅ）×２π［radian］の位相差が、中心周波数と帯域エッジ周波数との間で生じる。この位相差は路長Ｄに依存するため、回路毎の路長が異なる場合、周波数の差異に基づく出力位相の差異が回路毎に異なる。よって、路長の異なる回路毎に周波数間の出力位相の差異が生じる。
【００１１】
すなわち、２経路の回路長に差がある場合は、位相差の周波数特性に相違が生じるため、移相器により、0〜2π[radian]の範囲において、中心周波数で位相を合わせた場合においても、帯域端で放射パターンの劣化や合成損失の増加が生じる。これは、信号の帯域幅が広くなるほど、顕著に現れる現象である。
【００１２】
このように、回路長に路長差があると放射パターンの劣化や合成損失の増加が生じるため、従来、アレーアンテナなどを使用して、複数の回路で同一の信号を伝送して合成する送信もしくは受信システムにおいては、回路毎に使用する導波管やケーブルの物理的な長さを全て均等に合わせることで、同一の信号を伝送する複数の回路の回路長を均等にし、回路間の路長差による移相量の差異に基づく、同一の信号を合成した後の放射パターンの劣化や合成損失の増加を回避している。（非特許文献１）
【００１３】
従来システムの構成概念図を図９に示す。変調波信号１は、分配器２により各回路に信号分配され、各回路は、例えば、減衰器３と移相器４を有し、アンテナのホーン５により信号が送信される。送信された信号は空間合成されて一つの放射パターンとして送信される。ここで、回路配置等から設計上最も路長が長くなる回路の路長がＣ（ｍ）であるとすると、この最大の路長に合わせて、他の回路の路長も物理的に長さＣ（ｍ）となるよう調整する。こうして、位相差に基づく合成損失の増加を回避する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】中川  仁、松本  純、正源和義、森下洋治、「２１ＧＨｚ帯放送衛星搭載用放射電力可変型中継器に関する一検討」、信学技報、電子情報通信学会、１９９７年、ＳＡＴ９７−４７、ｐ．１０５−１１０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
従来のように、移相量を一致させるために回路に使用する導波管やケーブルの物理的な長さを合わせる場合、最も長い路長を有する回路に全ての回路の路長を合わせる必要があるため、路長の増大に伴う伝送損失の増加（課題１）や、導波管やケーブルを収納するための容積および重量の増大（課題２）が生じる。
【００１６】
課題１に関して、特にマイクロ波やミリ波などの高周波を使用する場合、波長の短縮化に伴い、回路に使用する導波管もしくは高周波ケーブルの単位長あたりの損失量が大きくなる。したがって、物理的な長さを合わせるための路長の増大に伴う伝送損失が大きくなり、システムに与える影響が大きい。
【００１７】
課題２に関して、特に衛星を使用する場合、打上用ロケットへの収納が必要となる衛星構体では搭載機器に要する容積および重量は可能な限りの低減が求められる。しかしながら、路長の増大は物理的な伝送路の増大となるため、設計が極めて困難となる。
【００１８】
従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、回路の物理的な長さを合わせることなく、位相差に基づく合成損失の増加を回避することができるシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、複数の回路で同一の信号を伝送して合成するシステム、特に、アレーアンテナなどを使用し、複数の回路で同一の信号を伝送して合成する送信もしくは受信システムにおいて、アンテナ指向性や伝送特性の劣化の回避を図るために、信号を伝送する回路毎の移相量を合わせる際、回路毎の路長が物理的に異なる場合においても、回路毎の路長差を電気的に合わせる調整機能を設けることを特徴とする。
【００２０】
なお、本明細書において、路長差を「電気的に」合わせるとは、物理的に回路の路長を一致させるのではなく、電子回路を利用して、路長差に相当する移相量や群遅延を生じさせることを意味する。
【００２１】
本発明のシステムは、回路ごとの路長差を電気的に合わせる調整機能を設け、複数の回路で同一の信号を伝送して合成することを特徴とする。
【００２２】
また、本発明のシステムは、回路ごとの路長差を電気的に合わせる路長差調整部を設けることにより、複数の回路で信号の位相を所望の位相に調整して合成することが望ましい。
【００２３】
また、本発明において、前記路長差調整部は、伝送する信号の帯域幅において、前記路長差に対応する所定の群遅延特性を有し、減衰が生じない回路とすることが望ましい。
【００２４】
また、本発明のシステムは、複数の回路で同一の信号を伝送し、空間合成する送信システムであることが望ましい。
【００２５】
また、本発明のシステムは、受信した同一の信号を、複数の回路で伝送して合成する受信システムであることが望ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、回路毎の路長が物理的に異なる場合においても、回路毎の路長を電気的に均等にする路長差調整部を設けることで、課題１と課題２を解決し、物理的に回路の路長を合わせることで生じる回路損失の増加および回路設置に要する容積や重量の増加を回避するようにし、放射パターンの劣化や合成損失の増加を回避することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明における路長差で生じる移相量（群遅延量）の調整手法を示す図である。
【図２】本発明を適用した送信システムの構成概念図である。
【図３】回路間の移相量の差異を示す図である。
【図４】回路間の群遅延量の差異を示す図である。
【図５】実施の形態１の路長差調整部を実現する回路の概念図である。
【図６】実施の形態１の路長差調整部の回路の電気特性を示す図である。
【図７】本発明適用後の回路間の移相量の差異を示す図である。
【図８】本発明適用後の回路間の群遅延量の差異を示す図である。
【図９】従来の送信システムの構成概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は本発明における路長差で生じる移相量及び群遅延量の調整手法を示す図である。路長が長い回路と短い回路とは、回路の終端部において、移相量［radian］と群遅延［second］に差が生じる。
【００３０】
図１（ａ）は、回路を伝送した後の信号の移相量について、横軸を周波数、縦軸を移相量［radian］として示したものであり、路長が長い回路を実線で、路長が短い回路を破線で記載してある。また、図１（ｂ）は、回路を伝送した後の信号の群遅延について、横軸を周波数、縦軸を群遅延［second］として示したものであり、路長が長い回路を実線で、路長が短い回路を破線で記載してある。路長が長い回路と路長が短い回路とは、路長差に応じた群遅延差Δが生じている。
【００３１】
ここで、物理的な路長差で生じる群遅延差Δ（すなわち移相量差）と同等の群遅延特性である、図１（ｃ）で示される群遅延を生じる路長差調整部を作製し、その路長差調整部を路長の短い回路に挿入する。ここで、「路長差調整部」とは、伝送する信号の帯域幅において、所望の群遅延特性を有し、減衰が生じない回路である。なお、一般には、群遅延を正の所定値とする回路が容易に設計できるため、正の群遅延を有する回路を、路長の短い回路に挿入して両者の群遅延を調整する。
【００３２】
これにより、路長差調整部を挿入後の路長が短い回路の信号の移相量は、図１（ｄ）に示すように、路長が長い回路のそれと等しくなり、また、路長差調整部を挿入後の路長が短い回路の信号の群遅延は、図１（ｅ）に示すように、路長が長い回路のそれと等しくなる。
【００３３】
したがって、路長差調整部を挿入することにより、物理的に長さの異なる回路間においても、所望の周波数帯域の全域で、移相量及び群遅延量を一致させることを可能とする。
【００３４】
本発明を適用したシステムの構成概念図を図２に示す。図９と同一の構成については同一の符号を付してある。変調波信号１は、分配器２により各回路に信号分配され、各回路は、例えば、減衰器３と移相器４を有し、アンテナのホーン５により信号が送信される。送信された信号は空間合成されて一つの放射パターンとして送信される点は、従来技術と同じである。本発明では、分配器２からホーン５に至る経路の路長が短い回路に、最も長い路長（Ｃ［ｍ］）の回路との路長差に基づいた移相量及び群遅延量の差異を電気的に調整する路長差調整部６を設置する。
【００３５】
すなわち、路長Ａ［ｍ］の回路に、（Ｃ−Ａ）［ｍ］の路長差に基づいた群遅延及び移相量を電気的に調整する路長差調整部６を挿入する。また、路長Ｂ［ｍ］の回路に、（Ｃ−Ｂ）［ｍ］の路長差に基づいた群遅延及び移相量を電気的に調整する路長差調整部６を挿入する。
【００３６】
このように、路長差の調整機能を設けることにより、物理的な路長差がある複数の回路で、信号の移相量及び群遅延量を一致させ、最大の合成出力を得ることが可能である。なお、図２においては、路長差調整部６は分配器２と減衰器３との間に配置されているが、システムに応じて、分配器２からホーン５に至る経路の適切な場所に挿入することが可能である。
【実施例】
【００３７】
従来技術における課題１及び２の影響を大きく受ける、２１．４〜２１．７ＧＨｚの３００ＭＨｚの帯域幅で信号伝送を行う２１ＧＨｚ帯放送衛星に対して、以下に、本発明を適用した実施例とその効果を示す。
【００３８】
ここでは、回路Ａの路長を１ｍ、回路Ｂの路長を３ｍとし、路長差２ｍにおける出力位相の電気的な調整の実施例を示す。なお、回路Ａ，Ｂがケーブルの場合には、そのケーブルを伝送する信号の波長を、真空中を伝送する信号の波長で割った波長短縮率を考慮する必要がある。ここでは、簡単化のため、波長短縮率を１００％と仮定して説明する。
【００３９】
回路Ａ，Ｂの移相量を図３、群遅延量を図４に示す。図３、図４では、回路長が１ｍと短い回路Ａを破線で、回路長が３ｍと長い回路Ｂを実線で記載している。
【００４０】
図３において、回路長１ｍの回路Ａの移相量は、周波数２１．４ＧＨｚにおいて４４８．５０radian、周波数２１．７ＧＨｚにおいて４５４．７９radianであり、回路長３ｍの回路Ｂの移相量は、周波数２１．４ＧＨｚにおいて１３４５．５０radian、周波数２１．７ＧＨｚにおいて１３６４．３６radianである。
【００４１】
また、図４において、回路長１ｍの回路Ａの群遅延量は、周波数によらず３．３３６nsecであり、回路長３ｍの回路Ｂの群遅延量は、周波数によらず１０．００７nsecである。したがって、路長３ｍの回路Ｂの群遅延量は、路長１ｍの回路Ａと比較して、約６．７nsec大きい。すなわち、この約６．７nsecの群遅延量を電気的に有する路長差調整部を回路Ａに挿入することで、回路ＡとＢの移相量及び群遅延量を均等にすることが可能となる。
【００４２】
設計条件として、周波数範囲２１．４〜２１．７ＧＨｚにおいて６．７nsecの群遅延量を有し、同周波数範囲で減衰（振幅ロス）が発生しない条件で、回路設計を行う。なお、本実施例では上記周波数範囲以外では信号が存在しないため、上記周波数範囲外での設計条件は特に設定しなくても良い。
【００４３】
この条件を一般的な回路設計ツール（例えば、数値計算ソフトＭＡＴＬＡＢ［登録商標］）に入力して計算を行うことにより、条件を満たす回路（一種のフィルタ回路）を、路長差調整部として設計することができる。
【００４４】
２１．４〜２１．７ＧＨｚにおいて６．７nsecの群遅延量を有する回路は、以下の式（２）の伝達関数で構成する無限インパルス応答（Infinite Impulse Response）フィルタで実現できる。
【００４５】
【数２】
2014176068.tif 000004
【００４６】
ただし、各係数は、次の表１のとおりである。
【００４７】
【表１】
2014176068.tif 000005
【００４８】
図５は、上記式（２）の伝達関数を有する回路の概念図であり、また、図６は、上記式（２）の伝達関数を有する回路の電気特性であって、それぞれ、（ａ）群遅延特性と（ｂ）振幅特性を示したものである。図６から、式（２）の回路が、所望の群遅延量特性を有しつつ、減衰が生じない振幅特性を有していることが確認できる。実際の回路設計は、上記伝達関数に基づいて行えば良い。
【００４９】
本発明を適用し、図６に示した電気特性を有する路長差調整部を回路Ａに挿入した場合の移相量を図７、群遅延量を図８に、回路Ｂの特性と共に示す。
【００５０】
図７において、回路長１ｍの回路Ａの移相量は、路長差調整部を挿入することにより、周波数２１．４ＧＨｚにおいて１３４５．４６radian、周波数２１．７ＧＨｚにおいて１３６４．２４radianである。また、図８において、回路長１ｍの回路Ａの群遅延量は、路長差調整部を挿入することにより、２１．４〜２１．７ＧＨｚの範囲において、最小で１０．００４nsec、最大で１０．０１３nsec、平均で１０．００７nsecであって、回路Ｂの群遅延とほぼ重なっており、図８においては識別できるように記載できない。図７、図８より、本発明による路長差調整部を挿入した回路Ａの移相量と群遅延量は、物理的な路長の異なる回路Ｂと実用的な精度で均等となっていることが分かる。
【００５１】
従来のように２ｍの路長差を物理的に合わせる場合、すなわち、回路Ａに対して２ｍの伝送路を追加する場合、導波管では約１．５ｄＢ、高周波ケーブルでは２ｄＢ以上の損失が発生する。一方、本発明では、挿入したフィルタは減衰が生じないため、回路Ａにはほとんど損失が生じず、伝送損失の増大を回避することが可能となる。
【００５２】
次に、本発明と従来技術での合成損失を比較する。ここでは回路Ａと回路Ｂを1つずつ合成した場合を示す。
【００５３】
従来技術において、電力約１．５ｄＢの導波管損失がある場合の合成損失は次の式で算出できる。
【００５４】
【数３】
2014176068.tif 000006
【００５５】
ただし、Ptは合成電力、lossは損失、Poは回路毎の電力。
【００５６】
したがって、合成電力は１．７０８Ｐ０となり、合成損失は０．６８ｄＢとなる。
【００５７】
本発明の合成損失を計算するにあたり、回路毎の電力が均一の場合、位相差による合成損失は前出の式（１）で算出できる。（非特許文献1）
【００５８】
したがって、本発明を適用した回路Ａと回路Ｂの合成電力は、次の表２で示すように、１．９５４Ｐ０となり、合成損失は０．０９ｄＢに低減できる。
【００５９】
【表２】
2014176068.tif 000007
【００６０】
以上は、アレーアンテナを利用して、同一信号を空間合成する送信システムについて、実施例とその効果を検証したが、アレーアンテナを利用した受信システムについても、全く同様の作用・効果が生じる。
【００６１】
また、本発明は、これらの放送および衛星通信に加えて、アレーアンテナを活用する様々なシステムの構築に寄与することができる。さらに、アレーアンテナを用いない回路であっても、複数の回路で同一の信号を伝送し、移相量を整合させて合成する回路で広く活用できる。
【００６２】
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。
【符号の説明】
【００６３】
１  変調波信号
２  分配器
３  減衰器
４  移相器
５  アンテナホーン
６  路長差調整部
【図１】
2014176068.tif 000008
【図２】
2014176068.tif 000009
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2014176068.tif 000013
【図７】
2014176068.tif 000014
【図８】
2014176068.tif 000015
【図９】
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