(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の素子アンテナを２次元状に配列したアレー給電部からの放射を反射鏡で反射するアレー給電反射鏡アンテナにおいてビームフォーミングネットワーク（ＢＦＮ）の励振パラメータで上記アレー給電反射鏡アンテナの放射パターンを設定するための励振パラメータの設定方法であって、
上記放射パターンは、所定の複数の放射パターンであって、
上記励振パラメータは、素子アンテナに給電される電圧と位相であり、
重複無しに複数並べることで上記アレー給電反射鏡アンテナを完全に覆い尽くすことができる複数の同一形状のユニットについて、各ユニットには、２以上の自然数の素子アンテナが含まれるようにユニットを設定し、
上記複数の放射パターンを実現するために要求される、それぞれのユニットの放射パラメータを数値計算によって求め、
ここで、放射パラメータは、放射される電磁波の電界強度と位相であり、
上記各ユニット毎に要求される放射パターンのそれぞれを実現するための該ユニットに属する各素子アンテナへの励振パラメータの値を、上記ユニットに属する素子アンテナ群についての実測によって見出した値とすることを特徴とする、アレー給電反射鏡アンテナにおける励振パラメータの設定方法。
【請求項２】
上記実測は、それぞれのユニットについて共通の素子アンテナ群を用いて行うことを特徴とする請求項１に記載のアレー給電反射鏡アンテナにおける励振パラメータの設定方法。
【請求項３】
上記ユニットに属する素子アンテナ群の一部については、休止状態にして実測を行うことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のアレー給電反射鏡アンテナにおける励振パラメータの設定方法。
【請求項４】
上記アレー給電反射鏡アンテナは、どのアンテナ素子の場合も、少なくとも３つのアンテナ素子に隣接しているものであることを特徴とする請求項１から請求項３に記載のアレー給電反射鏡アンテナにおける励振パラメータの設定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、与えられた放射パターンを実現するために、アレーアンテナの個々の素子アンテナへの給電条件を設定する励振パラメータの設定方法に関している。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星を用いた携帯電話サービスは、山間部や海域等の広域をカバーすることができ、災害時に被災しないため、非常時における信頼性の高い通信手段として期待されている。
【０００３】
このための通信システムとしては、例えば、本願発明の発明者らが研究・開発を進めている地上／衛星共用電話システム（Satellite/Terrestrial Integrated Mobile Communication System, STICS）がある。ＳＴＩＣＳは地上／衛星共用の電話システムであり、ビーム状のマイクロ波を用いる。図１は、ここで想定する衛星搭載アンテナのビーム配置例を示す図で、ビーム数は１００ビーム程度であり、地上におけるビームの大きさは直径２００ｋｍ程度である。このようなシステムでは、周波数は２ＧＨｚ帯で、アンテナに３０ｍクラスの開口が必要となり、展開収納が可能な反射鏡とそれに給電するフェーズドアレー給電部と構成されるアレー給電反射鏡アンテナが用いられる。この反射鏡アンテナへの給電部として１００素子程度のアレーアンテナが想定されている。１００ビーム級のアレー給電反射鏡アンテナを実現するためには約１００素子程度のアレー給電部が必要となる。
【０００４】
このような１００素子程度のアレー給電部の特性を、１つのアンテナ素子の特性から求めることは不可能ではないが、アンテナ素子間の相互作用、つまり干渉を無視できないことが知られている。これを無視した場合は、アンテナ特性、例えばビーム中心位置やヌル点の位置のずれが生じ、ビームのカバーするセルを単位として運用することが困難になる。
【０００５】
このため、衛星搭載給電部を開発するためには、アンテナ素子間の相互作用を充分に考慮する必要があり、そのアンテナ開発の初期段階に用いるブレッドボードモデル（試作試験用モデル）やエンジアリングモデルとして、フライトモデルと同様に約１００素子のモデルを製造し、試験を実施して検証することが行われてきた。
【０００６】
離焦点フェーズドアレー給電反射鏡アンテナの低サイドローブマルチビーム用励振分布導出方法が特許文献１に開示されている。これは、例えば静止衛星を用いた衛星携帯電話システムでは、衛星搭載マルチビームが不可欠であることから、これを実現するために大型反射鏡とフェーズドアレー給電部からなる衛星搭載アンテナが利用されているが、大型反射鏡と離焦点に置いた多数素子のフェーズドアレー給電部を組み合わせたマルチビームアンテナシステムにおいて、各ビームのサイドローブレベルを低減するための、フェーズドアレー給電部に給電する信号の励振分布の導出方法に関するものである。この導出においては、１）指向方向のビームを作るために各給電部に印加する電波の位相と振幅は、最大比合成方式で決め初期値とする。２）この初期値によるビームパターンについて、中心拘束点と、サービスエリアの周り４点のエリア端拘束点を選択する。３）上記５拘束点での利得条件を初期値のビームパターンのピーク利得以上及び所定サービスエリア内での最低利得以下に設定する。４）この利得条件で、位相と振幅を補正する。５）発生するサイドローブピークを探索し、６）それに軸外拘束点を設定し、その利得条件を所望のサイドローブ利得以下に設定する。７）全拘束点での利得条件を満たすように、位相と振幅を再補正する。８）５）と６）を繰り返して適用する。これらを異なる方向の各ビームで行う、というものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−１２４８５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
例えば、ブレッドボードモデルにおいてフライトモデルと同様なフルモデルを製作し、試験することはモデルの製造コスト、試験コストの増大、開発期間の増大を招く。また、アレー給電部の一部のみを製作し、それで代用評価する場合は、素子数が少ないため、所望のマルチビームを実現することができず、アンテナシステムの有効性の確認や問題点の抽出ができないという問題があった。
【０００９】
しかし、本発明では、アレー給電部の一部のみを製作し評価することで、その評価結果を用いる場合でも、フルモデルのビーム特性を充分正確に予測することができる。また逆に、所定のビームを実現するための各アンテナ素子への給電条件を精度よく求めることができ、それぞれのアンテナ素子への励振パラメータの設定が容易になる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、アンテナを評価する測定評価手法として、次のようにする。まず、フェーズドアレー給電部と反射鏡を具備するアレー給電反射鏡アンテナにおいて、アレー給電部の一部素子のみを制作して部分試作アレーとする。この部分試作アレーに、フェーズドアレー給電部の一部に相当する励振係数を設定して部分試作アレーパターンを測定する。次に、得られた１次放射パターンもとに、反射鏡を介した２次放射パターンを求める。次に、上記の部分試作アレーパターンの残りの他の素子部分については、それらの素子部分に相当する新たな励振係数を設定することで、新たな素子部分とし、その部分試作アレーパターンを測定する。この測定から、上記と同様にフェーズドアレー給電部の１次放射パターンを得て、その得られた１次放射パターンからその反射鏡を介した２次放射パターンを求める。これを、先の２次放射パターンに合成する。さらに残りの素子部分についても、これと同様に繰り返すことで、給電部全体の２次放射パターンを求めることができる。
【００１１】
本発明は、複数の素子アンテナを２次元状に配列した給電アレーからの放射を反射鏡で反射するアレー給電反射鏡アンテナにおいてビームフォーミングネットワーク（ＢＦＮ）の励振パラメータで上記アレー給電反射鏡アンテナの放射パターンを設定するための励振パラメータの設定方法に関するものである。
上記放射パターンは、所定の複数の放射パターンであって、
上記励振パラメータは、素子アンテナに給電される電圧と位相であり、
重複無しに複数並べることで上記アレー給電反射鏡アンテナを完全に覆い尽くすことができる複数の同一形状のユニットについて、各ユニットには、２以上の自然数の素子アンテナが含まれるようにユニットを設定し、
上記複数の放射パターンを実現するために要求される、それぞれのユニットの放射パラメータを数値計算によって求め、
ここで、放射パラメータは、放射される電磁波の電界強度と位相であり、
上記各ユニット毎に要求される放射パターンのそれぞれを実現するための該ユニットに属する各素子アンテナへの励振パラメータの値を、上記ユニットに属する素子アンテナ群についての実測によって見出した値とする。
【００１２】
上記実測は、それぞれのユニットについて共通の素子アンテナ群を用いて行う。
【００１３】
また、上記ユニットに属する素子アンテナ群の一部については、休止状態にして実測を行う。
【００１４】
上記アレー給電反射鏡アンテナの配列については、上記アレー給電反射鏡アンテナは、どのアンテナ素子の場合も、少なくとも３つのアンテナ素子に隣接しているものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明を適用することによって、アレーアンテナにおける励振パラメータには、最終モデルに比べて、アンテナ素子のより少ないブレッドボードモデルやエンジニアリングモデルで、最終モデルでの特性を充分性格に推測することができ、従って、前記アンテナ素子で、予定するアレーアンテナを実現できるかどうかを充分正確に評価することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】アレー給電反射鏡アンテナの例を示す図である。
【図２】図１のアレー給電反射鏡アンテナのアレー給電部２０の一例としてその詳細を示す図である。
【図３】アレー給電部２０の素子が同時に励振されたときに１次放射パターンを測定するための近傍界測定装置４０を示す図である。
【図４】＜ｒn＞はユニットの位相中心からの観測点までの位置ベクトル、＜Ｒn＞はユニット内の任意の点から観測点までの位置ベクトル、＜ｒ’n＞はユニット内の位相中心からその任意の点までの位置ベクトル、＜Ｐ＞は観測点（つまり受信点）方向単位ベクトル、であることを示す図である。
【図５】方位角θ、φ、φ´を示す図である。
【図６】７番目のユニットを中心ユニットとし、このユニットの中心をアレー給電部全体の位相中心とする例を示す図である。
【図７】中心ユニットと他のユニットとの位相関係は、ずれδnがあることを示す図である。
【図８】振幅調整と位相調整を行うビームフォーミングネットワーク（ＢＦＮ）の例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。
【実施例１】
【００１８】
図１にアレー給電反射鏡アンテナの例を示す。図１の円筒の集まりはアレー給電部２０を示し、円筒はアンテナ素子を表している。このアンテナ素子は、必ずしもホーン型アンテナを示すものではなく、パッチアンテナや導波管アンテナなどでもよい。この例ではアンテナ素子は全て同じ特性を有している。基準位置（位相中心）は例えば給電部の中心とする。それぞれのアンテナ素子は、ビームフォーミングネットワーク（ＢＦＮ）１０で励振され、その励振波形の振幅と位相は、個別に調整することができる。ビームフォーミングネットワーク（ＢＦＮ）１０としては、例えば、図８にそのブロック図を示すものを用いることができる。これは、振幅調整と位相調整を行うものである。アレー給電部２０からの１次放射パターンは、反射鏡３０で反射されて２次放射パターンとなる。また、アレー給電部２０は、通常、反射鏡３０の焦点距離より近い位置に置かれる。
【００１９】
図１のアレー給電反射鏡アンテナのアレー給電部２０の一例としてその詳細を図２に示す。この例ではそれぞれの円はアンテナ素子を示しており、全体でのアンテナ素子数は１３３である。
【００２０】
アレー給電反射鏡アンテナの放射パターンは、反射鏡の特性とアレー給電部２０の放射パターンから正確に算出することができるが知られている。そこで、図３に、アレー給電部２０の素子が同時に励振されたときに１次放射パターンを測定するための近傍界測定装置４０を示す。
【００２１】
しかし、ブレッドボードモデルやエンジニアリングモデルの段階で最終的なアンテナ素子の全てを具備する給電アレーを作成することは、コストや開発時間が増大する要因となる。
【００２２】
そこで本発明では、アンテナの有効性、手法の問題等を確認する目的では、必ずしも全てのアンテナ素子をもった給電アレーを作成して同時に測定する必要がない、という点に注目する。つまり、給電アレーを分割して測定し、あとで合成することで評価する。その際、分割は、同一形状の繰り返しとなるようにする。このように分割が同一形状で済む場合は、例えば１つのモデルを使い回すことになる、また試作するモデルに含まれるアンテナ素子数が少数となる。代わって、その位置や方角、あるいは給電条件等を変えた測定条件が増加する。
【００２３】
また、１つのモデルに含まれるアンテナ素子の一部を休止させることによって、分割における他の形状に対応できることは明らかである。この場合は、包含するアンテナ素子数において大きめのモデルを作成し、必要に応じてアンテナ素子の一部を休止させることで、種々の形状の場合に対応することができる。
【００２４】
次に、上記分割時のアンテナ素子数が１９である場合の例を示す。
この構成は、１３３＝７×１９であることから、図２に示すように１９素子で１つのユニットとし、７つのユニットに分けるものである。この図においては、便宜的にユニット毎に符番している。このときの名称を１番はユニット１、２番はユニット２とし、以下同様とする。各ユニットの基準点（つまり位相中心）は、そのユニット中心である。
【００２５】
ここで、ユニットの構成は、上記のものに限定する必要はなく、例えば、図２（ｂ）と（ｃ）に示すように、２種類のユニットとしてもよい。但し、図２のユニット（ｂ）は、ユニット（ｃ）の形状を包含するもので、ユニット（ｂ）の一部を休止させることにより、ユニット（ｃ）の構成とすることができるものである。
【００２６】
また、ユニットにおけるアンテナ素子の構成として、図２（ｄ）に示すように、アンテナ素子間に他のアンテナ素子が入る余地のある配置は避ける事が望ましい。図２（ｄ）の場合は、ユニット数が１９で各ユニットごとのアンテナ素子数が７の場合である。これは、アンテナ間の相互作用をほぼ無視することになるためである。例えば、どのアンテナ素子の場合も少なくとも２つの隣接するアンテナ素子がある構成が望ましい。図２（ａ）の場合は、少なくとも３つのアンテナ素子に隣接している。また、アンテナ間の２次元配置での相互作用を取り込むためには、直交軸あるいは斜交軸において、少なくとも２行２列のアンテナ素子配列を含む様にすることが望ましいことは明らかである。
【００２７】
本発明の適用例として図２に示すユニット１のみを作製して測定する場合を説明する。ユニット内の素子特性および配置は他のユニットも同様のものとし、残りの６つのユニットは作製しない。ユニットごとの励振係数は、ユニット１については、図２の給電部全体のユニット１の箇所のものとする。他のユニットも同様にその中心箇所である。
【００２８】
次にユニット１を図３に示す近傍界測定装置（以下ＮＦＭ装置という）４０に設置し、ユニット１の励振係数で係数を与える。
【００２９】
ユニットごとのデータを以下の手順で取得する。
（１）  図３に示すようにユニット１をＮＦＭ装置４０に対して設置する。
（２）  図２に示す給電部のユニット１に対する励振係数を設定する。
（３）  放射パターンを測定する。
（４）  データを保存し、ユニット１のデータとする。
（５）  次にユニット１の励振係数を図２のユニット２に対するものに変更する。
（６）  放射パターンを測定する。
（７）  データを保存し、ユニット２のデータとする。
（８）  ユニット３以降も（５）〜（７）を繰り返し、全７データを取得する。
【００３０】
［放射パターンの計算１］
ＮＦＭ装置４０で取得したデータをもとに放射パターンを求め、ユニットの開口面の電磁界分布を求める。この電磁界をもとに反射鏡３０と組み合わせた２次放射パターンが得られる。全体のアンテナとしての放射パターンは、まず、各ユニットごとに取得されたデータに基づき２次放射を求め、次に、それぞれのパターンを合成することで求めることができる。
【００３１】
なお、上記で合成する際に、次の配慮が必要である。各ユニットの電磁界は図２に示すようにユニットの位置が異なるので、実際は位相中心（解析中心）からの位相がユニットごとに異なっている。しかしＮＦＭの測定ではユニットごとの位相中心でデータが得られている。このため合成する際にはこれを考慮して各ユニットの位置をずらした設定とする必要がある。
【００３２】
まず、アレー給電部の各ユニットごとの扱いについて示す。
ｎ番目のユニット内では、そのユニットの配置的中心に位相中心を置き、観測点における電磁界（電流）分布をそのユニット上で積分して、前記観測点における放射界が得られる。ここで、図４に示す様に、＜ｒn＞はユニットの位相中心からの観測点までの位置ベクトル、＜Ｒn＞はユニット内の任意の点から観測点までの位置ベクトル、＜ｒ’n＞はユニット内の位相中心からその任意の点までの位置ベクトル、＜Ｐ＞は観測点（つまり受信点）方向単位ベクトル、Ｒn＝｜＜Ｒn＞｜、ｒn＝｜＜ｒn＞｜、ｒ’n＝｜＜ｒ’n＞｜とする。ここで、＜Ｐ＞と＜ｒn＞は平行であり、遠方界の場合、ユニット上の任意の点から見た観測点方向は平行とみなすことができる。上記ベクトル＜Ｐ＞に対して、次の関係にある。
【００３３】
【数１】
0006031703.tif 000002
【００３４】
なお、そのユニットの＜ｒ’n＞における＜Ｐ＞と、＜ｒn＞が平行とみなすことができないときは、図５に示すθ、φ、φ´を用いて次のように近似することができる。
【００３５】
【数２】
0006031703.tif 000003
【００３６】
次に、アレー給電部のユニット間での扱いについて示す。
アレー給電部全体で合成するためには、次の操作を行う。図６に示す様に、たとえば７番目のユニットを中心ユニットとし、このユニットの中心をアレー給電部全体の位相中心とする。このとき中心ユニットとｎ番目のユニットとの位相関係は、図７に示す様に、次のずれδnがある。
【００３７】
【数３】
0006031703.tif 000004
【００３８】
これを考慮してアレー給電部の合成電界＜Ｅ（＜Ｐ＞）＞は次の様に求めることができる。
【００３９】
【数３】
0006031703.tif 000005
【００４０】
［放射パターンの計算２］
ユニットごとの放射パターンを測定し、あたかもユニットごとに給電ホーンがあるごとく扱う手法である。このとき、ホーン間隔が大きくなり、グレーティングローブが発生するので、近軸付近での評価は可能であるが広角パターンの評価には適していない。従って、この場合、ユニットのサイズはなるべく小さく、ユニットの配置はなるべく密に配置することが望ましい。
以下に手順を示す。
（１）  ユニット１の放射パターンを求める。これを便宜的にホーン１のパターンとする。
（２）  図２に示すユニット１の位相中心の位置にホーンが設置されているがごとく、ホーン１の放射パターンの位相中心として設定する。
（３）  ホーン１のパターンを用い、反射鏡面と組み合わせて所定の位置にホーンを設置して２次放射パターンを求める。
（４）  ユニット２の放射パターンを測定し、ホーン２の放射パターンとする。
（５）  図２に示すユニット２の位相中心の位置にホーンが設置されているがごとく、ホーン２の放射パターンの位相中心として設定する。
（６）  ホーン２のパターンを用い、反射鏡面と組み合わせて所定の位置にホーンを設置して２次放射パターンを求める。
（７）  ホーン２の２次放射パターンを（３）に加える。
（８）  ユニット３〜７まで同様の手順で（４）〜（７）作業を繰り返し、２次放射パターンを得る。
【００４１】
上記の２次放射パターンが、所定の放射パターンとなるように調整するためには、（１）例えば、特許文献１に記載の、フェーズドアレー給電部に給電する信号の励振分布の導出方法により、各ユニットに要求される励振パラメータを見出す。次に、その励振パラメータを実現する各アンテナ素子の励振条件を、複数の実測値に補間法を適用して見出す。（２）これによって得られた給電放射パターンを、上記の実施例に適用して反射鏡による２次放射パターンを得、それが所望のビーム形状として許容できるかどうかを検証する。（３）上記で許容できなければ、励振パラメータを僅かずつ変化させることで所望のビーム形状となるように最適化する。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、静止衛星を用いた通信サービスに主たる特徴を発揮する。また、給電アレーアンテナへの励振パラメータを動的に調整すべく順次その設定値を変化させることによって、低軌道衛星や天頂衛星などの周回衛星を用いる場合にも適用することは容易である。
【符号の説明】
【００４３】
１、２、３、４、５、６、７  ユニット
１０  ビームフォーミングネットワーク
２０  アレー給電部
３０  反射鏡
４０  近傍界測定装置
【図１】
0006031703.tif 000006
【図２】
0006031703.tif 000007
【図３】
0006031703.tif 000008
【図４】
0006031703.tif 000009
【図５】
0006031703.tif 000010
【図６】
0006031703.tif 000011
【図７】
0006031703.tif 000012
【図８】
0006031703.tif 000013