(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
到来電波を右旋および左旋の各円偏波成分に分離して受信する１個の円偏波放射素子と、受信周波数を音声周波数に変換する周波数変換器と、前記円偏波放射素子の右旋ポートおよび左旋ポートにそれぞれ接続され、それらポートの出力のうちいずれか一方が高周波スイッチングの切り替えタイミングで交互に切り替えられ前記周波数変換器に供給され他方については前記各ポートの反対側の端点においてショートされるそれぞれ電気長が〔（１／４）＋（ｎ／２）〕λ（λ：給電線の伝搬波長；ｎ＝１，２，３，−−−  ）および〔（１／４）＋（ｍ／２）〕λ（λ：給電線の伝搬波長；ｍ＝１，２，３，−−−  ）なる給電線と、前記周波数変換器の出力側に前記高周波スイッチングの切り替えタイミングで交互に切り替えられて接続され、前記音声周波数以下の正弦波のみを取り出す第１および第２の低域通過フィルタと、それら低域通過フィルタの各出力について相互間の位相差を検出するための前記第１および第２の低域通過フィルタの出力側に接続される位相差検出回路とを具えたことを特徴とする偏波面検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の偏波面検出装置において、前記円偏波放射素子は、１枚の基板上に複数の円偏波放射素子をアレー状に配置したものによって構成されていることを特徴とする偏波面検出装置。
【請求項３】
請求項２記載の偏波面検出装置において、前記複数の円偏波放射素子からの給電線は、前記右旋ポートおよび左旋ポートに関し、それぞれ前記基板の表面および裏面、または裏面および表面に配設されていることを特徴とする偏波面検出装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項記載の偏波面検出装置と偏波面可変アンテナとを具え、前記偏波面検出装置により検出された偏波面を表わす信号を前記偏波面可変アンテナに供給して、該供給した偏波面を表わす信号により前記アンテナから放射される電波の偏波面を制御するようにしたことを特徴とする偏波面制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車や船舶などの移動体上から通信衛星を経由して映像や音声信号を伝送する移動体ＳＮＧ装置に使用する偏波面可変アンテナを制御するのに必要な偏波面検出装置、および偏波面制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記技術分野において使用し、直線偏波の偏波面の傾き角を検出する方法として、第一に、直線偏波を主偏波成分と交差偏波成分とに分けて交差偏波成分の振幅を検出する方法がある。この方法を平面アンテナを用いて構成する場合、１個のマイクロストリップ放射素子で同時に両成分の受信が可能なため、検出装置の構成は比較的簡単であるが、偏波面の傾き角が指定の傾き角に近づくほど交差偏波成分の振幅が小さくなり検出できるレベルに限界があった。
【０００３】
また、第二に、直線偏波を右旋円偏波と左旋円偏波の成分の位相差として検出する方法がある。この方法では、直線偏波の偏波面の傾き角にかかわらず、右旋成分と左旋成分の振幅は一定で、高精度の検出が可能である。しかし、この方法においては、それぞれの円偏波成分を受信するための右旋円偏波アンテナと左旋円偏波アンテナを別々のアンテナ（すなわち、２個のアンテナ）で構成した場合には両者の位相中心が異なるので、電波が斜めに入射するとそれぞれのアンテナへの伝搬経路差から位相差が生じて偏波面の傾きの検出ができなり、アンテナの姿勢が変動する移動体上でのシステムに使用することは困難である。
【０００４】
この場合に、位相中心のずれをなくすためには、１個のアンテナで右旋円偏波と左旋円偏波の検出が必要であるが、マイクロストリップ素子では、１個の素子で同時に右旋および左旋両円偏波成分を受信することができず、従って、平面アンテナでの偏波面の傾き角を検出するアンテナ構成ができなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
通信衛星では直線偏波を用いているため、これを経由してテレビジョンの映像や音声信号を伝送する移動体ＳＮＧ装置においても通信衛星で指定された偏波面で運用しなければならない。特に、移動体ＳＮＧ装置では走行中の車や船舶から電波を通信衛星に送信するため、送信アンテナの傾きなどに対処できるように常時偏波面の傾き角を検出し、送信電波の偏波面を指定された傾き角に保つようにしなければならない。
【０００６】
本発明の目的は、上記移動体ＳＮＧ装置に使用するのに適した偏波面検出装置および偏波面制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、偏波面検出用アンテナを軽量で薄い平面アンテナで構成するようにし、１個の円偏波放射素子の右旋ポートと左旋ポートから、通信衛星から送信される直線偏波のビーコン波等の電波を右回りと左回りの円偏波成分に分解したときの各々の成分を、互いに相手の成分に影響されることなく検出し、それらの成分の位相差を高い精度で測定することで高精度な偏波面の傾き角を検出し得るようにしている。また、検出した偏波面の傾き角をもとに、送信アンテナから放射される電波の偏波面の傾き角を高精度に制御し得るようにしている。
【０００８】
すなわち、本発明偏波面検出装置は、到来電波を右旋および左旋の各円偏波成分に分離して受信する１個の円偏波放射素子と、受信周波数を音声周波数に変換する周波数変換器と、前記円偏波放射素子の右旋ポートおよび左旋ポートにそれぞれ接続され、それらポートの出力のうちいずれか一方が高周波スイッチングの切り替えタイミングで交互に切り替えられ前記周波数変換器に供給され他方については前記各ポートの反対側の端点においてショートされるそれぞれ電気長が〔（１／４）＋（ｎ／２）〕λ（λ：給電線の伝搬波長；ｎ＝１，２，３，−−−  ）および〔（１／４）＋（ｍ／２）〕λ（λ：給電線の伝搬波長；ｍ＝１，２，３，−−−  ）なる給電線と、前記周波数変換器の出力側に前記高周波スイッチングの切り替えタイミングで交互に切り替えられて接続され、前記音声周波数以下の正弦波のみを取り出す第１および第２の低域通過フィルタと、それら低域通過フィルタの各出力について相互間の位相差を検出するための前記第１および第２の低域通過フィルタの出力側に接続される位相差検出回路とを具えたことを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明偏波面検出装置は、前記円偏波放射素子が、１枚の基板上に複数の円偏波放射素子をアレー状に配置したものによって構成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明偏波面検出装置は、前記複数の円偏波放射素子からの給電線が、前記右旋ポートおよび左旋ポートに関し、それぞれ前記基板の表面および裏面、または裏面および表面に配設されていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明偏波面制御装置は、前記記載の偏波面検出装置と偏波面可変アンテナとを具え、前記偏波面検出装置により検出された偏波面を表わす信号を前記偏波面可変アンテナに供給して、該供給した偏波面を表わす信号により前記アンテナから放射される電波の偏波面を制御するようにしたことを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照し、実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明偏波面検出装置の実施の形態の一例をブロック線図にて示している。
図１において、放射素子１は正方形の対角線Ｋ−Ｋ′に対して対称となる二隅を切り欠いた形状のマイクロストリップ素子で、この円偏波放射素子の右旋ポートＱと左旋ポートＰには、長さがそれぞれ〔（１／４）＋（ｎ／２）〕λ（λ：給電線の伝搬波長；ｎ＝１，２，３，−−−  ）および〔（１／４）＋（ｍ／２）〕λ（λ：給電線の伝搬波長；ｍ＝１，２，３，−−−  ）の給電線ｌ，ｌ′がそれぞれ接続され、さらに、それぞれの給電線の反対側の端点は高周波スイッチング回路ＳＷａ２に接続されている。
【００１３】
このＳＷａ２は、一方の給電線がＳＷａ２を介して低雑音増幅器（以下、ＬＮＢと記す）４に接続されているときは他方の給電線はショートされて、ＬＮＢ４の入力には円偏波アンテナ放射素子の右旋ポートＱと左旋ポートＰの出力が交互に接続されるようになっている。給電線の長さを上記のように定め、さらにＬＮＢ４に接続されていない方の給電線の端点をショートすることで、その給電線の円偏波放射素子の出力ポート（ＱまたはＰ）点はオープン状態になるため、等価的にそのポートには何も接続されていない状態となる。すなわち、放射素子１の右旋ポートＱと左旋ポートＰとは、高周波スイッチング回路ＳＷａ２のスイッチング駆動回路３により、右旋の円偏波を受信するとき右旋ポートＱのみが、また、左旋の円偏波を受信するとき左旋ポートＰのみがＬＮＢ４に接続されたことと等価となり、それぞれのポートの独立性が保たれる。
【００１４】
以上により、ＬＮＢ４には円偏波放射素子の右旋ポートＱ及び左旋ポートＰに受信される右旋と左旋の円偏波成分にそれぞれ対応する正弦波信号が交互にスイッチングされた信号が入力される。この信号は、その後、２段の周波数変換器（以下、Ｄ／Ｃと記す）５および６（受信周波数と音声周波数とが周波数的に大きく離れているので２段とした）によって音声周波数に周波数変換され、スイッチング回路ＳＷｂ７に入力される。スイッチング回路ＳＷａ２とＳＷｂ７は、同一のスイッチング駆動回路３によりＬＮＢ４やＤ／Ｃ５および６による遅延を考慮した上で、同期をとってスイッチングされる。スイッチング速度は音声周波数に対しては十分に速く、高周波に対しては十分に遅いように選ぶ。ここで、高周波はギガヘルツオーダーであり、音声周波数はキロヘルツオーダーであるのでこの関係にスイッチング速度を選ぶことに問題は無い。
【００１５】
ここで、ＳＷｂ７の出力Ｒ及びＬは、それぞれ右旋ポートＱの出力および左旋ポートＰの出力に対応している。周波数変換器５及び６で音声周波数に変換され且つスイッチング回路ＳＷｂ７によって分離された右旋偏波成分と左旋偏波成分に対応する正弦波信号は、それぞれ音声周波数以下の正弦波のみを取り出す低減通過フィルタＬＰＦａ８及びＬＰＦｂ９によりフィルタリングされて音声周波数の正弦波に復元される。このとき、スイッチング回路ＳＷｂ７のスイッチング速度は上記のように音声周波数の倍数以上（十分に速い）であれば、サンプリング定理により完全な正弦波への復元が可能であるが、本発明では、位相測定の精度を上げるために、スイッチング速度を音声周波数よりさらに十分速い速度に選ぶことが望ましい。
【００１６】
ＬＰＦａ８およびＬＰＦｂ９の各出力側に接続され、それぞれ音声周波数の正弦波に変換された右旋偏波成分と左旋偏波成分とが供給される位相差検出回路１０では、ＬＰＦａ８の出力を基準にしてＬＰＦｂ９の出力との間の位相差θを検出する。このとき、検出された位相差θが右旋円偏波成分に対する左旋円偏波成分の位相差に対応する。さらに、直線偏波の偏波面の傾き角はθ／２で表わされ、位相差θが０のときは直線偏波の偏波面の傾き角が図１の円偏波素子の対角線Ｋ−Ｋ′の方向に一致し、位相差θが正（遅れ位相）のときは時計方向に、また位相差θが負（進み位相）のときは反時計方向に偏波面の傾き角が対角線Ｋ−Ｋ′の方向から傾いている。次の信号処理回路１１においては、以上検出した位相差θに基づいて直線偏波の偏波面の傾き角すなわち偏波面角度情報を出力する。
【００１７】
次に、本発明の動作原理につき図２を用いて説明する。
図２は、左旋の円偏波成分と右旋の円偏波成分とに分けて円偏波放射素子を励振し、それを合成して直線偏波としたときの、各円偏波成分の位相差と直線偏波の偏波面の傾き角との関係を示している。このように、以下では理解を容易にするために、送信アンテナとしての円偏波放射素子を励振する場合について説明しているが、このことは、受信アンテナの場合でも電波の進行方向が逆になるだけで、その動作はまったく同じである。
【００１８】
この図２において、（ａ）は右旋の円偏波成分と左旋の偏波成分とが同相の場合を示している。右旋ポートＱより励振された右旋の円偏波の電界ベクトルＥは、時間とともに一定振幅で放射素子の対角線の方向から進行方向（紙面裏側から表側に向かう方向）に向かって時計回りに回転する。また、左旋ポートＰより励振された左旋の円偏波の電界ベクトルＥは、時間とともに一定振幅で放射素子の対角線の方向から進行方向（これも、紙面裏側から表側に向かう方向）に向かって反時計回りに回転する。また、円偏波の各成分の回転の位相差は、ポートＱ及びポートＰに給電された送信信号の位相差と一致する。即ち、右旋ポートＱと左旋ポートＰを位相差θを有する送信信号で励振すると、右旋ポートＱと左旋ポートＰから励振される右旋及び左旋円偏波成分の位相差はθとなる。従って、同相の右旋偏波と左旋偏波の両者を合成すると、放射素子の対角線の方向（図１に示すＫ−Ｋ′の方向）に偏波面を持つ直線偏波となる。ただし、この図２（ａ）は便宜的に両ポートを同時に示したもので、物理的に両ポートの関係を同時に満足することはできない。
【００１９】
図２（ｂ）は、右旋の円偏波成分の位相と左旋の円偏波成分との間に位相差θがある場合で、左旋ポートＰより励振された右旋の円偏波が右旋ポートＱより励振された左旋円偏波より位相がθだけ進んでいる場合を示している。この図の場合、左旋と右旋の二つの円偏波を合成すると放射される直線偏波の偏波面の傾き角は放射素子の対角線の方向（図１に示すＫ−Ｋ′の方向）から進行方向（紙面裏側から表側に向かう方向）に向かって反時計方向にθ／２回転させた方向になる。
【００２０】
以上のように、円偏波放射素子を送信アンテナとして動作させる場合、各給電ポートＱおよびＰに給電する送信信号の位相差θのみで、合成される直線偏波の偏波面の傾き角が決まることが分かる。従って、この放射素子を受信アンテナとして用いれば、この放射素子に対し入射する直線偏波の偏波面の傾き角が各ポートＱおよびＰの出力信号の位相差として検出される。
即ち、この放射素子を受信アンテナとして用い、直線偏波をこの放射素子に入射させると、送信アンテナの場合と逆に、入射した直線偏波が右旋円偏波成分と左旋円偏波成分に分解され、分解された右旋偏波成分と左旋偏波成分が右旋ポートＱ及び左旋ポートＰにそれぞれ得られる。例えば、図２（ａ）に示すように、この放射素子の対角線の方向（図１に示すＫ−Ｋ′の方向）に偏波面を持つ直線偏波が入射すると、ともに位相＝０の右旋円偏波成分と左旋円偏波成分がポートＱとポートＰに得られ、両円偏波成分の位相差は０となり、図２（ｂ）に示すように、放射素子の対角線の方向（図１に示すＫ−Ｋ′の方向）からθ／２だけ傾いた偏波面を持つ直線偏波が入射すると、位相＝０の右旋円偏波成分がポートＱに、位相＝θの左旋円偏波成分がポートＰに得られ、両円偏波成分の位相差はθになる。
【００２１】
ここで、円偏波放射素子の右旋ポートＱおよび左旋ポートＰに接続される給電線の長さｌおよびｌ′（図１参照）について図３により検討する。
図３に示すように、右旋ポートＱに接続される線電線の長さｌをｌ＝〔（１／４）＋（ｎ／２）〕λ（λ：給電線の伝搬波長；ｎ＝１，２，３，−−−  ）にとり、ポートＱの反対側の端点をショートすることにより給電点（右旋ポートＱ）をオープン状態にすることができる。従って、このとき円偏波放射素子の右旋ポートＱには負荷が接続されていないのと等価となり、左旋ポートＰには左旋ポートの円偏波成分が右旋ポートＱによって乱されることなく出力されることになる。左旋ポートに接続される給電線の長さｌ′についても、まったく同様のことが言える。
【００２２】
また、図４は、それぞれ（ａ）および（ｂ）に低域通過フィルタＬＰＦａ８およびＬＰＦｂ９に供給される信号の波形を示し、一例として、音声周波数の２０倍のサンプリング周波数でスイッチング回路ＳＷａ２およびＳＷｂ７が動作している例を示している。この波形の信号を低域通過フィルタＬＰＦａ８およびＬＰＦｂ９に入力することにより、それぞれの波形信号のエンベロープに相当する完全な正弦波を復元することができ、従って左旋ポートＰ出力の右旋ポートＱ出力に対する遅延時間τに相当する位相差θを検出することができる。
【００２３】
本発明偏波面検出装置の構成および動作原理に関する基本的な説明は、以上で一応終わるが、検出された位相差θ、従って偏波面角度情報のＣＮ比を高めるために複数の円偏波放射素子をアレー状に配置して構成した場合につき、図５を参照して説明する。
【００２４】
図５は、１６個の円偏波放射素子をアレー配置した例を示している。アレー配置した場合でも、各ポートに接続さる給電線の長さが〔（１／４）＋（ｎ／２）〕λ（λ：給電線の伝搬波長；ｎ＝１，２，３，−−−  ）となるようにすることで、本発明を達成するための１条件が満足される。このとき、給電線は右旋、左旋用の２系統が必要であるが、素子数が多くなると給電線の引き回しが困難になるため、本例では、アンテナ基板の表面に右旋円偏波用の、また裏面に左旋円偏波用の給電線をそれぞれ配置している。この場合ＣＮ比の改善効果は１２ｄＢである。
【００２５】
最後に、以上説明した本発明偏波面検出装置を使用して構成した本発明偏波面制御装置について、ブロック線図にて示す図６を参照して説明する。
図６において、符号１から１１で示される部分は、図１に示したのと同じ本発明による偏波面検出装置である。この検出装置の出力である偏波面角度情報は、偏波面制御回路１２に供給され、偏波面可変アンテナ（送信アンテナ）１３から放射される電波の偏波面を制御するのに適した信号に処理されて、アンテナ１３に送り込まれる。この偏波面検出、偏波面制御を図示のように一系統化することにより、通信衛星から放射される直線偏波のビーコン波の偏波面を基準にした偏波面のテレビジョン信号を通信衛星に送信することが可能となる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、軽量で薄い平面アンテナを用いて高い精度で直線偏波の偏波面の傾きが検出できると同時に、偏波面可変アンテナと組み合わせることにより、高精度で偏波面を追尾しながら通信衛星に移動送信できる移動体ＳＮＧ送信システムの構成が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明偏波面検出装置の実施の形態の一例をブロック線図にて示している。
【図２】円偏波放射素子を励振したときの、各円偏波成分の位相差と直線偏波の偏波面の傾き角との関係を示している。
【図３】円偏波放射素子の右旋ポートおよび左旋ポートに接続される給電線の長さを示している。
【図４】図１中のＬＰＦａおよびＬＰＦｂに供給される信号の波形を示している。
【図５】１個の円偏波放射素子に代えて、複数の円偏波放射素子をアレー状に配置して構成した場合を示している。
【図６】本発明偏波制御装置の実施の形態の一例をブロック線図で示している。
【符号の説明】
１  円偏波放射素子
２，７  スイッチング回路（ＳＷａ，ＳＷｂ）
３  スイッチング駆動回路
４  低雑音増幅器（ＬＮＢ）
５，６  周波数変換器（Ｄ／Ｃ）
８，９  低域通過フィルタ（ＬＰＦａ，ＬＰＦｂ）
１０  位相差検出回路
１１  信号処理回路
１２  偏波面制御回路
１３  偏波面可変アンテナ
【図１】
0003566419.tif 000002
【図２】
0003566419.tif 000003
【図３】
0003566419.tif 000004
【図４】
0003566419.tif 000005
【図５】
0003566419.tif 000006
【図６】
0003566419.tif 000007