(57)【要約】【課題】各マルチポート増幅器の出力電力を一定とし、少数のマルチポート増幅器で全ての素子アンテナを接続できるマルチビームアンテナを得る。【解決手段】複数の送信信号に所定の励振分布を与えて出力するビーム形成回路１０と、それぞれ複数の出力ポートを有し、送信信号を増幅して出力する複数のマルチポート増幅器２０と、送信信号により励振される複数の素子アンテナ３１を有し、所定の励振分布で送信信号を放射する一次放射器アレー３０と、放射された送信信号を所定のビーム方向に反射して所定のビームを形成する反射鏡４０とを備え、同一ビームを形成する素子アンテナ３１同士は同一のマルチポート増幅器２０には接続せず、各マルチポート増幅器２０の出力電力は一定であり、かつマルチポート増幅器２０の数が最小であるという３つの条件を満足するように、複数の出力ポートと複数の素子アンテナ３１とを接続した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の送信信号を入力し、所定の励振分布を与えて出力するビーム形成回路と、
それぞれ複数の出力ポートを有し、前記ビーム形成回路からの送信信号を増幅して出力する複数のマルチポート増幅器と、
前記複数のマルチポート増幅器からの送信信号により励振される複数の素子アンテナを有し、所定の励振分布で送信信号を放射する一次放射器アレーと、
前記一次放射器アレーから放射された送信信号を所定のビーム方向に反射して所定のビームを形成する反射鏡とを備え、
同一ビームを形成する素子アンテナ同士は同一のマルチポート増幅器には接続せず、
各マルチポート増幅器の出力電力は一定であり、かつ
マルチポート増幅器の数が最小である
という３つの条件を満足するように、前記複数の出力ポートと前記複数の素子アンテナとを接続した
ことを特徴とするマルチビームアンテナ。
【請求項２】
前記マルチポート増幅器の消費電力が最小になるように、前記複数の出力ポートと前記複数の素子アンテナとを接続した
ことを特徴とする請求項１記載のマルチビームアンテナ。
【請求項３】
前記マルチポート増幅器の出力ポートに接続する素子アンテナの選択方法として、基点となる素子アンテナを選択し、基点となる素子アンテナを中心に螺旋状に素子アンテナを選択した
ことを特徴とする請求項１又は２記載のマルチビームアンテナ。
【請求項４】
前記マルチポート増幅器の出力ポートに接続する素子アンテナの選択方法として、前記マルチポート増幅器に接続されている素子アンテナと隣接していない素子アンテナを選択した
ことを特徴とする請求項１又は２記載のマルチビームアンテナ。
【請求項５】
前記マルチポート増幅器の出力ポートに接続する素子アンテナの選択方法として、出力電力の大きい素子アンテナから選択した
ことを特徴とする請求項１又は２記載のマルチビームアンテナ。
【請求項６】
各マルチポート増幅器の出力電力は一定であるという条件において、マルチポート増幅器の平均出力電力からのずれを許容する量である許容量を変更する
ことを特徴とする請求項３から請求項５までのいずれかに記載のマルチビームアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数のビームを形成するマルチビームアンテナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、サービスエリアを非常に多くのエリアに分割し、それぞれのエリアに適したビームを照射する１００ビーム級のマルチビームを用いた衛星通信システムが研究開発されている。このようなマルチビーム衛星のアンテナ形式には一次放射器アレーを有する反射鏡アンテナが用いられることが多い。また、このようなマルチビーム衛星は柔軟な周波数割り当てや効率のよい周波数再利用を実現でき、通信トラフィックの変動に柔軟な対応が可能といった利点を有する。トラフィックの変動は、特に移動体に対して通信サービスを提供する移動体通信システムで一般に短い期間に広範に発生する。さらに、災害が発生した場合には、トラフィックは特定の地域やビームに大きく集中する可能性が高い。このようなトラフィックの変動に対して各ビームの送信電力が変更される場合、ビームを形成するアンテナ素子に接続される電力増幅器の出力が変化する。
【０００３】
従って、マルチビームアンテナの給電系には、従来、トラフィックの変動が発生してもその電力増幅に十分耐えることのできる高出力電力増幅器を配置する、あるいは複数の素子をハイブリッド回路を介して接続するマルチポート増幅器（ＭＰＡ：Multi Port Amplifier）が搭載される（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−９４７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。従来の技術において同じ高出力電力増幅器を全ての素子アンテナに配置した場合、各素子の中の最大出力に対応する増幅器が必要となる。低い出力電力で動作する増幅器は低効率となり、消費電力として無駄となる。さらに、一般的に高出力の増幅器は高コストなのでコスト面も問題となる。
【０００６】
そこで、上記の問題を解決するためにＭＰＡが用いられる。ＭＰＡは各出力ポートの出力値が異なっても、内部の増幅器は同振幅で動作させることができるので、高い電力効率が得られ、消費電力の低減につながる。ただし、これは同一信号が同一ＭＰＡに入力されていない条件下において成立する。同一信号が同一ＭＰＡに入力されると、ＭＰＡ内のハイブリッド回路においてポート間の経路差に基づく位相差で各素子アンテナの増幅器が同振幅で動作せず、増幅器の電力効率が低下する場合がある。従って、ＭＰＡには、同じビームを形成する素子アンテナは同じＭＰＡに接続できない制約条件があるため素子の接続法に問題点があった。
【０００７】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、各マルチポート増幅器の出力電力を一定とし、少数のマルチポート増幅器で全ての素子アンテナを接続することができるマルチビームアンテナを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るマルチビームアンテナは、複数の送信信号を入力し、所定の励振分布を与えて出力するビーム形成回路と、それぞれ複数の出力ポートを有し、前記ビーム形成回路からの送信信号を増幅して出力する複数のマルチポート増幅器と、前記複数のマルチポート増幅器からの送信信号により励振される複数の素子アンテナを有し、所定の励振分布で送信信号を放射する一次放射器アレーと、前記一次放射器アレーから放射された送信信号を所定のビーム方向に反射して所定のビームを形成する反射鏡とを備え、同一ビームを形成する素子アンテナ同士は同一のマルチポート増幅器には接続せず、各マルチポート増幅器の出力電力は一定であり、かつマルチポート増幅器の数が最小であるという３つの条件を満足するように、前記複数の出力ポートと前記複数の素子アンテナとを接続したものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るマルチビームアンテナによれば、各マルチポート増幅器の出力電力を一定とし、少数のマルチポート増幅器で全ての素子アンテナを接続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係るマルチビームアンテナの構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るマルチビームアンテナの一次放射器アレーの素子アンテナの配置を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るマルチビームアンテナのマルチポート増幅器の出力ポートと素子アンテナの接続方法を示すフローチャートである。
【図４】この発明の実施の形態１に係るマルチビームアンテナのサービスエリア（マルチビーム）の配置（構成）を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係るマルチビームアンテナの消費電力と従来のマルチビームアンテナの消費電力の比較を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係るマルチビームアンテナのマルチポート増幅器の出力ポートと素子アンテナの接続方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明のマルチビームアンテナの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
【００１２】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るマルチビームアンテナについて図１から図５までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るマルチビームアンテナの構成を示す図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１３】
図１において、この発明の実施の形態１に係るマルチビームアンテナは、ビーム形成回路（ＢＦＮ）１０と、例えば、４個のポート（入力ポート及び出力ポート）を有する複数のマルチポート増幅器２０と、複数（♯１−♯Ｎ）の素子アンテナから構成される一次放射器アレー３０と、反射鏡４０とが設けられている。なお、Ｎは２以上の正の整数である。
【００１４】
図２は、この発明の実施の形態１に係るマルチビームアンテナの一次放射器アレーの素子アンテナの配置を示す図である。
【００１５】
図２において、一次放射器アレー３０が２９個（♯１−♯２９）の素子アンテナ３１から構成され、♯１−♯２９の素子アンテナ３１が図示しているように螺旋状の順に配置されている例である。
【００１６】
つぎに、この実施の形態１に係るマルチビームアンテナの動作について図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１において、ビーム形成回路１０は、＃１−＃Ｂ（Ｂは２以上の正の整数）の送信信号Ｓを入力し、所定の励振分布３２を与えて、マルチポート増幅器２０に出力する。複数のマルチポート増幅器２０は、＃１−＃Ｎの素子アンテナ３１をそれぞれ励振する。例えば、＃１の送信信号Ｓは、＃１のビーム５１を形成するために必要な素子数分だけ分配され、＃１の励振分布３２を与えられる。その後、同じ素子を共用する他のビーム５１の信号と合成されて出力される。そして、マルチポート増幅器２０を介して各素子アンテナ３１から反射鏡４０へ放射される。反射鏡４０により位相面が調整されビーム方向が定まり、＃１−＃Ｂの送信信号Ｓは、それぞれ＃１−＃Ｂのビーム５１により送信される。
【００１８】
＃１−＃Ｂの送信信号Ｓは、上述したように、＃１−＃Ｂのビーム５１によりそれぞれ送信される。＃１−＃Ｎの素子アンテナ３１の＃１−＃Ｂの励振分布３２は、それぞれ＃１−＃Ｂのビーム５１を形成する。なお、＃１のビーム５１と＃２のビーム５１を形成する＃１の励振分布３２と＃２の励振分布３２に示すように、＃２−＃３の素子アンテナ３１は各ビームにおいて共用される。つまり、１つの素子アンテナ３１は、複数のビーム５１に寄与する構成となっている。
【００１９】
図３は、この発明の実施の形態１に係るマルチビームアンテナのマルチポート増幅器の出力ポートと素子アンテナの接続方法を示すフローチャートである。この図３は、コンピュータの処理動作を示す。
【００２０】
まず、ステップ１０１において、パラメータを設定する。各パラメータを次のように定義する。
Ｋはマルチポート増幅器２０のポート数、
Ｒは接続するマルチポート増幅器２０のポート番号、
Ｘは接続候補となる素子アンテナ３１の素子番号、
Ｌは素子番号Ｘの更新回数、
Ｎは一次放射器アレー３０の素子アンテナ数、
αは１素子当たりの平均出力電力とポート数Ｋとの積で表されるマルチポート増幅器２０の平均出力電力をＰａｖ［Ｗ］とした時のその平均出力電力からのずれを許容する量である許容量、
βは素子アンテナ３１の中で最も高い出力電力とマルチポート増幅器２０の平均出力電力Ｐａｖ［Ｗ］との差、
ｊはマルチポート増幅器２０の接続解の探索回数、
ｍは接続するマルチポート増幅器２０の番号、
Ｍｊはｊ回目の探索回数の時の接続したマルチポート増幅器２０の総数をそれぞれ表す。
ステップ１０２へ進む。
【００２１】
次に、ステップ１０２において、探索回数ｊ＝１とし、許容量αの設定を行う。許容量αの初期値は以下のとおりである。
【００２２】
【数１】
2011124867.tif 000003
【００２３】
ここで、Ｐ（ｎ）［Ｗ］はｎ番目の素子アンテナ３１の出力電力である。また、ｍａｘｎ｛Ｐ（ｎ）｝［Ｗ］は素子番号１〜Ｎまでの出力電力のうち最も高い出力電力を表す。Ｐａｖ［Ｗ］は、上述したように、マルチポート増幅器２０の平均出力電力である。ステップ１０３へ進む。
【００２４】
次に、ステップ１０３において、１つ目のマルチポート増幅器２０の１ポート目に接続するため、マルチポート増幅器２０の番号ｍ＝１、マルチポート増幅器２０のポート番号Ｒ＝１、素子アンテナ３１の素子番号Ｘの更新回数Ｌ＝０と設定する。ステップ１０４へ進む。
【００２５】
次に、ステップ１０４において、素子アンテナ３１の素子番号Ｘの更新を行い、更新回数Ｌを１つ増やす。ここで、素子番号Ｘの更新とはまだマルチポート増幅器２０に接続していない素子アンテナ３１を選択することである。この実施の形態１の素子アンテナ３１の選び方は、まず基点となる素子アンテナ３１を選択し、その素子アンテナ３１の素子番号Ｘ＝１とする。素子番号１を中心に螺旋状に素子番号を振っていき素子番号の若い順に選択する。実施の形態１では、素子番号Ｘを１ずつ増やして選択する。そして、ステップ１０５へ進む。
【００２６】
次に、ステップ１０５において、更新回数Ｌが一次放射器アレー３０の素子アンテナ数Ｎ以下であるかを判定する。更新回数Ｌが素子アンテナ数Ｎ以下であれば（ＹＥＳ）ステップ１０６へ、更新回数Ｌが素子アンテナ数Ｎより大きければ（ＮＯ）全ての素子アンテナ３１を選択したことになるのでステップ１１１へ進む。
【００２７】
次に、ステップ１０６において、素子番号Ｘの素子アンテナ３１が条件１を満足するかを判定する。ここで、条件１とは以下のとおりである。
＜条件１＞
『同一ビームを形成する素子アンテナ３１同士は同一のマルチポート増幅器２０には接続できない。』
素子番号Ｘと既に接続してある素子アンテナ３１と比較し、条件１を満足すれば（ＹＥＳ）ステップ１０７へ、満足しなければ（ＮＯ）ステップ１０４へ進み、次の素子アンテナ３１を選択する。
【００２８】
次に、ステップ１０７において、素子番号Ｘの素子アンテナ３１が条件２を満足するかを判定する。ここで、条件２とは以下のとおりである。
＜条件２＞
『各マルチポート増幅器２０の出力電力は一定である。』
言い換えると、次の式（４）を満足することである。
【００２９】
【数２】
2011124867.tif 000004
【００３０】
ここで、ＰｍＲ，ｔはｍ番目のマルチポート増幅器２０のｉポート目の出力電力をＰｍｉとしたときのｍ番目のマルチポート増幅器２０のＲポート目まで接続しているときの総出力電力（総消費電力）を表す。なお、添え字ｔはtotalの頭文字である。許容量αを設定することによりマルチポート増幅器２０の平均出力電力の理論値より大きい素子アンテナ３１が接続可能となる。この条件２を満足すれば（ＹＥＳ）ステップ１０８へ、満足しなければ（ＮＯ）ステップ１０４へ進み、次の素子アンテナ３１を選択する。
【００３１】
次に、ステップ１０８において、素子番号Ｘの素子アンテナ３１をｍ番目のマルチポート増幅器（ＭＰＡ）２０のＲポート目に接続する。ステップ１０９へ進む。
【００３２】
次に、ステップ１０９において、接続するマルチポート増幅器２０のポート番号Ｒとマルチポート増幅器２０のポート数Ｋが等しいかを判定する。ポート番号Ｒとポート数Ｋが等しくなければ（ＮＯ）全てのポートに素子アンテナ３１が接続されていないのでステップ１１０へ、等しければ（ＹＥＳ）マルチポート増幅器２０のポート全てに素子アンテナ３１が接続されているのでステップ１１１へ進む。
【００３３】
次に、ステップ１１０において、接続するマルチポート増幅器２０のポート番号Ｒを１つ増やす。つまり、次のポートを選択する。そして、ステップ１０４へ進み接続されていない素子アンテナ３１を選択する。
【００３４】
次に、ステップ１１１において、全ての素子アンテナ３１を接続したかを判定する。全ての素子アンテナ３１を接続していなければ（ＮＯ）ステップ１１２へ、全ての素子アンテナ３１を接続していれば（ＹＥＳ）ステップ１１３へ進む。
【００３５】
次に、ステップ１１２において、次のマルチポート増幅器２０に接続するためにマルチポート増幅器２０の番号ｍを１つ増やし、素子番号Ｘの更新回数Ｌ＝０、接続するマルチポート増幅器２０のポート番号Ｒ＝１とする。ステップ１０４へ進み接続されていない素子アンテナ３１を選択する。
【００３６】
次に、ステップ１１３において、マルチポート増幅器２０の総数Ｍｊに、マルチポート増幅器２０の番号ｍを代入する。この時点でマルチポート増幅器２０の番号ｍは接続したマルチポート増幅器２０の最後の番号になっているので、総数Ｍｊはｊ回目の探索回数の時の接続するマルチポート増幅器２０の総数となる。ステップ１１４へ進む。
【００３７】
次に、ステップ１１４において、マルチポート増幅器２０の総数Ｍｊが条件３を満足するかを判定する。ここで、条件３とは以下のとおりである。
＜条件３＞
『マルチポート増幅器２０の数が最小である。』
言い換えると、次の式（５）、（６）を満足することである。
【００３８】
【数３】
2011124867.tif 000005
【００３９】
ここで、ｊはマルチポート増幅器２０の接続解を探索した回数を表し、Ｍｊは探索回数ｊ回目の使用するマルチポート増幅器２０の総数を表し、Ｍｍｉｎは以下の式（７）で定義する。
【００４０】
【数４】
2011124867.tif 000006
【００４１】
ここで、
【００４２】
【数５】
2011124867.tif 000007
【００４３】
はｘを下回らない最小の整数である。条件３を満足しなければ（ＮＯ）ステップ１１５へ、条件３を満足すれば（ＹＥＳ）ステップ１１６へ進む。
【００４４】
次に、ステップ１１５において、条件３を満足していないので、接続候補となる素子アンテナ３１の素子番号Ｘの更新方法を変更し、マルチポート増幅器２０の接続解の探索回数ｊを１つ増やす。更新方法として素子番号２から素子アンテナ３１を選択し、番号順に選択していく。ステップ１０３へ進み再びマルチポート増幅器２０の接続を開始する。
【００４５】
最後に、ステップ１１６において、マルチポート増幅器２０の接続解を決定する。この実施の形態１では、マルチポート増幅器２０の数が最小になった接続解を選択する。以上のステップ１０１〜１１６に従い、マルチポート増幅器２０の出力ポートに素子アンテナ３１を接続する。
【００４６】
図４は、この発明の実施の形態１に係るマルチビームアンテナのサービスエリア（マルチビーム）の配置（構成）を示す図である。
【００４７】
図４において、♯１−♯２４のビームによって２４個（♯１−♯２４）のサービスエリア５２が配置されている例である。
【００４８】
図４に示すビーム配置（ビーム数２４）と、図２に示す素子アンテナ配置（素子数２９）の場合の各ビームと各素子の関係及び消費電力について説明する。
【００４９】
各ビームと各素子の関係は、例えば、図２に示す＃１、＃２、＃３、＃４、＃５、＃６、＃７の素子アンテナ３１は、＃１２のビーム５１によって図４に示す＃１２のサービスエリア５２を形成する素子群である。また、図２に示す＃５、＃６、＃１４、＃１５、＃２６の素子アンテナ３１は、＃７のビーム５１によって図４に示す＃７のサービスエリア５２を形成する素子群である。さらに、図２に示す＃５、＃６の素子アンテナ３１は、＃１２のサービスエリア５２と＃７のサービスエリア５２の双方の形成に用いられるが、それぞれのビーム５１において励振分布（振幅、位相）３２は異なる。
【００５０】
このように素子数とビーム数の関係は１対１ではなく、１つの素子アンテナ３１は１ビーム、または複数のビームに寄与しており、１ビームは単一、または複数の素子アンテナ３１によって形成される。反射鏡４０を介しているので、各ビーム５１の利得が一緒であっても各ビーム５１を形成する素子数は異なる。さらに、サービスエリア５２で使用される端末が異なれば必要な出力電力も異なる。
【００５１】
図５は、この発明の実施の形態１に係るマルチビームアンテナの消費電力と従来のマルチビームアンテナの消費電力の比較を示す図である。
【００５２】
この図５は、本発明の消費電力として実施の形態１に係るマルチビームアンテナの消費電力と、従来例の消費電力として高出力電力増幅器を用いたマルチビームアンテナの消費電力をそれぞれ表す。図５において、縦軸は消費電力を表し、横軸は運用ビーム数を表す。ここで、運用ビーム数とは図４に示すビームで通信状態にあるビーム数を表す。図５の破線で示している従来例とは、各素子アンテナにトラフィックの変動が発生してもその電力増幅に十分耐えることのできる高出力電力増幅器を配置したマルチビームアンテナの消費電力である。このように、この実施の形態１に係るマルチビームアンテナ（本発明）により消費電力を大きく低減できる。
【００５３】
以上のように、実施の形態１に係るマルチビームアンテナにおいて、各マルチポート増幅器２０の出力電力をできるだけ均一とし、使用するマルチポート増幅器２０の数が少なくなるように一次放射器アレー３０の素子アンテナ３１とマルチポート増幅器２０の出力ポートとの接続が可能となる。
【００５４】
（１）実施の形態１では、素子アンテナ３１の選択方法として螺旋状の順に素子番号Ｘを振ったが、この限りではなく、任意に設定しても設計可能である。
（２）実施の形態１では、素子アンテナ３１を選択する際、素子番号Ｘを１ずつ増やしながら接続候補となる素子アンテナ３１を選択していたが、２以上としても設計可能である。
（３）素子アンテナ３１の選択方法として、マルチポート増幅器２０に接続されている素子アンテナ３１と隣接していない素子アンテナ３１を選択しても設計可能である。
（４）素子アンテナ３１の選択方法として、出力電力が大きい素子アンテナ３１から選択しても設計可能である。
（５）ステップ１１６において、マルチポート増幅器２０の消費電力が最小となる接続解を探索することも可能である。
【００５５】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るマルチビームアンテナについて図６を参照しながら説明する。図６は、この発明の実施の形態２に係るマルチビームアンテナのマルチポート増幅器の出力ポートと素子アンテナの接続方法を示すフローチャートである。
【００５６】
上記の実施の形態１との違いは、ステップ２１５のみで、その他のステップ２０１〜２１４、２１６は実施の形態１のステップ１０１〜１１４、１１６と同じである。
【００５７】
この実施の形態２のステップ２１５では、許容量αの更新を行い、マルチポート増幅器２０の接続解の探索回数ｊを１つ増やす。この許容量αの更新方法は、実施の形態２ではα＝α＋δとし、δは微小量と定義する。その後、ステップ２０３へ進み、再びマルチポート増幅器２０への接続を開始する。
【００５８】
実施の形態２の効果として、上記の実施の形態１に比べ、各マルチポート増幅器２０の出力電力を一定とする条件２が緩和されるので探索時間は減少する。
【符号の説明】
【００５９】
１０  ビーム形成回路、２０  マルチポート増幅器、３０  一次放射器アレー、３１  素子アンテナ、３２  励振分布、４０  反射鏡、５１  ビーム、５２  サービスエリア。
【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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