(57)【要約】【課題】アレーアンテナに給電する電力増幅器の個数を削減することが可能な技術を提供することである。【解決手段】衛星搭載用フェーズドアレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子に電力を給電するフェーズドアレーアンテナ給電装置であって、前記複数のアンテナ素子がグループ化された各グループに電力を給電する前記アンテナ素子の数より少ない電力増幅手段と、前記電力増幅手段の出力をグループ内の各アンテナ素子に電力を分配比変更可能に分配する可変電力分配器とを備える。【選択図】        図８
2004363801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
衛星搭載用フェーズドアレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子に電力を給電するフェーズドアレーアンテナ給電装置であって、
前記複数のアンテナ素子がグループ化された各グループに電力を給電する前記アンテナ素子の数より少ない電力増幅手段と、
前記電力増幅手段の出力をグループ内の各アンテナ素子に電力を分配比変更可能に分配する可変電力分配器と、
を備えることを特徴とするフェーズドアレーアンテナ給電装置。
【請求項２】
請求項１に記載のフェーズドアレーアンテナ給電装置において、
前記可変電力分配器が分配比を３ｄＢ以上で可変するグループを有することを特徴とするフェーズドアレーアンテナ給電装置。
【請求項３】
衛星搭載用フェーズドアレーアンテナシステムであって、
複数のアンテナ素子と、
前記複数のアンテナ素子がグループ化された各グループに電力を給電する前記アンテナ素子の数より少ない電力増幅手段と、
前記電力増幅手段の出力をグループ内の各アンテナ素子に電力を分配比変更可能に分配する可変電力分配器と、
を備えることを特徴とするフェーズドアレーアンテナシステム。
【請求項４】
増力ビームを形成することができる可変ビームパターン放送衛星であって、
フェーズドアレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子と、
前記複数のアンテナ素子がグループ化された各グループに電力を給電する前記アンテナ素子の数より少ない電力増幅手段と、
受信アンテナで受信された受信信号を前記電力増幅手段に分配する分配器と、
前記電力増幅手段の出力をグループ内の各アンテナ素子に電力を分配比変更可能に分配する可変電力分配器と、
を備えることを特徴とする可変ビームパターン放送衛星。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変ビームパターン放送衛星に搭載されるフェーズドアレーアンテナの給電回路に関するもので、各アンテナ素子に励振される振幅値を考慮してアンテナ素子を組み合わせて電力増幅器を削減する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
放送衛星にフェーズドアレーアンテナを搭載し、降雨により電波減衰が発生している地域に増力ビームを形成する技術が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
このような衛星搭載用フェーズドアレーアンテナの構成例としては、図１のような構成が考えられる。
【０００４】
受信アンテナ１によって受信された受信信号はチャンネルに対応したＢＰＦ（バンドパスフィルタ）２によって帯域制限され、ＬＮＡ（低ノイズアンプ）３によって増幅され、周波数変換器４で送信周波数に変換され、増幅器５で増幅された後に、分配器１３に入力する。この際、分配器１３での機器損失および分配損失を補償するために、ドライバアンプとしての増幅器５を挿入している。
【０００５】
分配器１３によってアンテナ素子数に分配された信号は、降雨により電波減衰が生じている地域へ増力ビームを形成するために、励振振幅・位相制御部１４で計算された制御が施される。
【０００６】
図１に示す電力増幅器８の入力部のアッテネータ（図中ＡＴＴと記す）７などで励振振幅が、移相器１０で励振位相がそれぞれ制御される。制御された各信号は、アレーアンテナ素子１１に給電され、所望のアンテナパターンを形成する送信信号となる。
【０００７】
【非特許文献１】
田中祥次、山田哲也、村田孝雄：“放送衛星搭載用フェーズドアレー給電反射鏡アンテナの放射パターンの検討”、電子情報通信学会  技術報告、ＡＰ２００１−１６９、ＰＰ．６１−６７（２００２−１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の衛星搭載用フェーズドアレーアンテナにより、放送サービスを行う際、降雨により電波減衰が発生している地域に増力ビームを形成するためには、反射鏡に複数の給電アレーアンテナを組み合わせた反射鏡型フェーズドアレーアンテナを衛星に搭載する必要がある。このフェーズドアレーアンテナでは、図２に示すように、例えばＫａ帯では直径１０メートル程度の反射鏡１５に１００〜３００個の給電アレーアンテナ１６を組み合わせることにより、晴天域には規定値の送信電力を放射しながら、サービスエリアにて直径１００キロメートル程度の降雨域には規定値＋１０デシベルの増力を行うことができる。
【０００９】
従来の衛星搭載用フェーズドアレーアンテナでは、それぞれのアンテナ素子１１に１つずつ電力増幅器８が接続される。電力増幅器８は、Ｋａ帯以上の周波数においては、ＭＭＩＣ（マイクロ波集積回路）などの半導体素子の適用は出力効率の観点から難しく、ＴＷＴＡ（進行波管増幅器）などを通常使用する必要があるが、ＴＷＴＡは容積・重量ともに大きいといった欠点がある。
【００１０】
これにより、アンテナ素子１１への給電回路は大規模なものになる。同時に、衛星への実装が困難となる。また、電力増幅器８の個数が多くなると、発熱による問題も無視できなくなる。さらに、システムのコストも膨大なものとなる。
【００１１】
本発明は、これらの問題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は電力増幅器の個数を削減することが可能な技術を提供することにある。
【００１２】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろう。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【００１４】
（１）衛星搭載用フェーズドアレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子に電力を給電するフェーズドアレーアンテナ給電装置であって、前記複数のアンテナ素子がグループ化された各グループに電力を給電する前記アンテナ素子の数より少ない電力増幅手段と、前記電力増幅手段の出力をグループ内の各アンテナ素子に電力を分配比変更可能に分配する可変電力分配器とを備える。
【００１５】
（２）前述した（１）に記載のフェーズドアレーアンテナ給電装置において、前記可変電力分配器が分配比を３ｄＢ以上で可変するグループを有する。
【００１６】
（３）衛星搭載用フェーズドアレーアンテナシステムであって、複数のアンテナ素子と、前記複数のアンテナ素子がグループ化された各グループに電力を給電する前記アンテナ素子の数より少ない電力増幅手段と、前記電力増幅手段の出力をグループ内の各アンテナ素子に電力を分配比変更可能に分配する可変電力分配器とを備える。
【００１７】
（４）増力ビームを形成することができる可変ビームパターン放送衛星であって、フェーズドアレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子と、前記複数のアンテナ素子がグループ化された各グループに電力を給電する前記アンテナ素子の数より少ない電力増幅手段と、受信アンテナで受信された受信信号を前記電力増幅手段に分配する分配器と、前記電力増幅手段の出力をグループ内の各アンテナ素子に電力を分配比変更可能に分配する可変電力分配器とを備える。
【００１８】
前述した手段によれば、アンテナ素子の数より少ない電力増幅手段は複数のアンテナ素子がグループ化された各グループに電力を給電し、可変電力分配器は電力増幅手段の出力をグループ内の各アンテナ素子に電力の分配比を変更可能に分配する構成となっており、電力増幅手段の数を低減させることができるので、給電回路の規模が小さくなり、コストの低廉化を計ることができる。
【００１９】
また、電力増幅手段の数を低減させることができるので、電力増幅手段の発熱に伴う給電装置の発熱量も低減させることができる。
【００２０】
特に、可変電力分配器の分配比が３ｄＢ以上となるようにアンテナ素子をグループ化することによって、１個のアンテナ素子のみを駆動する場合に対する電力増幅手段の定格出力の増加を最小に抑えることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
一般に放送衛星では、他国との干渉をさけるためサービスエリア外のサイドローブレベルが規定されており、規則以下にサイドローブレベルを抑圧する必要がある。図３に、可変ビームパターン放送衛星搭載用フェーイズドアレーアンテナにおいて、サービスエリア（ここでは日本全国）を一様に覆う放射パターンを形成したときの給電アレーアンテナの励振振幅分布の一例を示す。図３中の番号（１〜１７３）は、アンテナ素子を区別するためのものである。図３において、一番上の行のアンテナ素子には左から１、２、３、４、５の番号が付けられ、次の行には左から６、７、８、９、１０、１１の番号が付けられており、以下の行も同様に番号が付けられ、一番下の行には左から１７１、１７２、１７３の番号が付けられている。
【００２２】
この場合、アンテナ素子数は１７３素子で、日本全国のサービスエリアに対応する形状に配置している。励振振幅値が−３ｄＢ〜０ｄＢを赤色、−６ｄＢ〜−３ｄＢを橙色、−９ｄＢ〜−６ｄＢを黄色、−９ｄＢ以下を青色で表わした。ここで、振幅値は最大励振振幅値で正規化されている。なお、本明細書添付の図３には色は表示されていないが、図３の原本では中心部には赤色のアンテナ素子が多く分布し、周辺部には青色のアンテナ素子が多く分布し、中間部分に橙色と黄色のアンテナ素子が分布している（後述する図５、図６においても同様である）。
【００２３】
この図３から、給電アレーアンテナの励振振幅分布はアレーの中心から周辺部へ行くに従って小さくなっており、アレー中心のアンテナ素子ほど放射パターン形成への寄与が大きく（赤色、橙色の分布が多い）、また給電アレーアンテナ周辺部のアンテナ素子の励振振幅値は小さい（青色の分布が多い）ことがわかる。特に周辺部のアンテナ素子は、放射パターンにおけるエリア外のサイドローブレベルの抑圧に寄与している。
【００２４】
図４に、全国均一放射パターンと青色のアンテナ素子が少なくなった時の放射パターンを示す。図４（ａ）は全国均一放射パターンであり、図４（ｂ）は周辺素子がない時の放射パターンである。これより、青色のアンテナ素子（図３の周辺部に多く分布するアンテナ素子）が少なくなった時には、図４（ｂ）に示す枠内１７で全国ビームの形状が変形し、サイドローブレベルの上昇が生じることがわかる。また、図４（ｂ）に示す枠内１８で全国ビーム内の利得の変動が大きくなっているのもわかる。従って、周辺部のアンテナ素子は、励振振幅値は小さいが、放射パターン形成には寄与している。
【００２５】
しかし、この例では赤と青では励振振幅値が１０ｄＢ近く異なり、青と赤の励振振幅値を加算しても赤のアンテナ素子の電力増加は最大でも１０％程度となる。
【００２６】
放射パターンの設計手法としては、非特許文献１に詳しく述べてられているのでここでは省略する。
【００２７】
図５は、サービスエリア（日本）全体を均一な放射電力で照射しつつ、降雨域のみ（ここでは札幌）の放射電力を増力したときの給電アレーアンテナの励振振幅分布である。
【００２８】
この図からわかるように、給電アレーアンテナの励振振幅分布全体は図３（日本全国均一）の時と大きくは変わらず、アレー中心部のアンテナ素子ほど大きく放射パターン形成への寄与が大きいことがわかる。ただし、増力ビームを形成している札幌に対応する給電アレー上部に赤色または橙色の振幅分布が変化している。しかし、これらは図３の時の赤色および橙色の分布と大きくは変わらない。つまり、アレー中心部及び上部のアンテナ素子の大半が赤色または橙色で放射パターンの形成に寄与しているのに対して、周辺部のほぼ全てのアンテナ素子が青色となりサイドローブレベルの抑圧に寄与している、という傾向は図３の場合と変わらない。
【００２９】
図６は、図５と同様に降雨域（ここでは沖縄）の放射電力を増力したときの給電アレーアンテナの励振振幅分布である。
【００３０】
この図からも、給電アレーアンテナの励振振幅全体は図３（日本全国一様）の時と大きくは変わらないことがわかる。ただし、増力ビームを形成している沖縄に対応する給電アレー下部の赤色または橙色の励振振幅分布が変化している。しかし、図３と同様に、赤色及び橙色の励振振幅分布がアレー中心部に偏っていて、青色の励振振幅分布が周辺部に偏っているという傾向は変わらない。
【００３１】
以上のことより、サービスエリア（日本）全体を均一な放射電力で照射したときも、降雨域のみ放射電力を増力したときも、給電アレーアンテナ素子の励振振幅分布は、給電アレーの中心部で大きくなり、周辺部で小さくなるという傾向は変わらないことがわかる。
【００３２】
すなわち、この給電アレーアンテナ素子の励振振幅分布の傾向より、アレーアンテナ素子を、中心部の励振振幅値が大きい（励振振幅値が赤色または橙色である）アンテナ素子と、周辺部の励振振幅値が小さい（励振振幅値が黄色及び青色であり、中心部の励振振幅値よりも３ｄＢ以上小さい）アンテナ素子を組み合わせてグループ化し、各グループをそれぞれ１つの電力増幅器に、可変電力分配器を介して、接続することで、電力増幅器の数を削減することができる。
【００３３】
図７は本発明の一実施の形態である可変ビームパターン放送衛星搭載用フェーズドアレーアンテナにおけるアンテナ素子のグループ化結果の一例を示す図であり、図８は本発明の一実施の形態である可変ビームパターン放送衛星搭載用フェーズドアレーアンテナ給電装置の概略構成を説明するための図である。
【００３４】
図８に示す本実施の形態の可変ビームパターン放送衛星搭載用フェーズドアレーアンテナは図７に示すグループ化に基づいた構成例であり、分配器６の前段までは図１に示す従来の可変ビームパターン放送衛星搭載用フェーズドアレーアンテナと同じ構成である。
【００３５】
図７に示すグループ化では、図３のアンテナ素子番号に従って、励振振幅値が−３ｄＢ〜０ｄＢの赤色または−６ｄＢ〜−３ｄＢの橙色であり（振幅励振値が大きい）放射パターン形成に寄与している中心部のアンテナ素子と、励振振幅値が−９ｄＢ〜−６ｄＢの黄色または−９ｄＢ以下の青色であり（中心部のアンテナ素子よりも振幅励振値が小さい）、サイドローブレベル抑圧のために寄与している周辺部のアンテナ素子とを２個一組にグループ化した。図７中の「アンテナ素子番号」は図３のアンテナ素子番号、「札幌増力時励振振幅」は図５の励振振幅分布のアンテナ素子の色、「沖縄増力時励振振幅」は図６の励振振幅分布のアンテナ素子の色をそれぞれ示す。各グループとも、札幌に増力ビームを形成した時にも、沖縄に増力ビームを形成した時にも、励振振幅は「赤と青」または「橙と青」または「黄と青」または「黄と黄」の組み合わせとなっている。なお、図７に示すアンテナ素子の色は前述の通り各アンテナ素子に給電される給電電力の励振振幅値を示しており、赤色は−３ｄＢ〜０ｄＢ、橙色は−６ｄＢ〜−３ｄＢ、黄色は−９ｄＢ〜−６ｄＢ、青色は−９ｄＢ以下を示している。
【００３６】
すなわち、本実施の形態では、降雨による電波減衰を補償する可変ビームパターン衛星に搭載されるフェーズドアレーアンテナのアンテナ素子に励振される励振振幅値が、電波減衰を補償するための増力ビームが形成される地域によって、アンテナ素子の配列全体の特定部分に偏って分布される傾向に基づいて、中心部に配置され励振振幅値が大きいアンテナ素子（放射パターン形成への寄与が大きく、励振振幅値が−３ｄＢ〜０ｄＢの赤色または−６ｄＢ〜−３ｄＢの橙色となるアンテナ素子）と、周辺部に配置され励振振幅値が小さいアンテナ素子（放射パターン形成への寄与が小さく、励振振幅値が−９ｄＢ〜−６ｄＢの黄色または−９ｄＢ以下の青色となり中心部のアンテナ素子よりも励振振幅値が３ｄＢ以上小さいアンテナ素子）とをそれぞれ１個ずつ組み合わせたグループ化を複数形成した構成となっている。例えば、第１のグループでは、札幌増力時及び沖縄増力時に励振振幅値が青色の＃１のアンテナ素子と、札幌増力時に赤色で沖縄増力時に黄色の＃１３のアンテナ素子とを組み合わせた構成となる。また、図７から明らかなように、本実施の形態では全てのアンテナ素子を組み合わせることによって、第１〜第８６のグループを形成している。
【００３７】
図８に示すように、本実施の形態の可変ビームパターン放送衛星搭載用フェーズドアレーアンテナでは、分配器６の出力には、アッテネータ（図中ＡＴＴと記す）７、電力増幅器８、及び可変電力分配器９がこの順番に接続され、可変電力分配器９の出力に移相器１０を介してアンテナ素子１１が接続される。また、アッテネータ７、可変電力分配器９、及び移相器１０には、振幅・位相制御部１２からの制御信号が入力される。
【００３８】
このように、本実施の形態の可変ビームパターン放送衛星搭載用フェーズドアレーアンテナでは、２個のアンテナ素子１１で１つのグループを形成し、各グループ毎にアッテネータ７、電力増幅器８、及び可変電力分配器９を配置する構成となっているので、各アンテナ素子１１毎の給電電力は可変電力分配器９から得られることとなる。従って、本実施の形態では、可変電力分配器９の出力毎に移相器１０を配置して、可変電力分配器９から増幅出力される給電電力に所望の励振振幅を与える構成となっている。
【００３９】
次に、図８に基づいて、本実施の形態の可変ビームパターン放送衛星搭載用フェーズドアレーアンテナ給電装置の動作を説明する。本実施の形態の可変ビームパターン放送衛星搭載用フェーズドアレーアンテナ給電装置では、受信アンテナ１によって受信された受信信号はチャンネルに対応したＢＰＦ（バンドパスフィルタ）２によって帯域制限された後に、ＬＮＡ（低ノイズアンプ）３によって増幅される。増幅された受信信号は、周波数変換器４で送信周波数に変換された後に、分配器６での機器損失及び分配損失を補償するための増幅器５で増幅され、分配器６に入力する。
【００４０】
分配器６に入力された信号は図７に示すグループ毎に分配され、各グループ毎のアッテネータ７に入力される。ここで、本実施の形態では２個のアンテナ素子１１で１つのグループを構成しているので、各アッテネータ７における減衰値すなわちアッテネータ７と後段の電力増幅器８とによる励振振幅の制御は、各グループの２個のアンテナ素子１１分の励振振幅となるように制御される。例えば、＃１と＃１３のアンテナ素子１１からなる第１のグループの札幌増力時では、＃１のアンテナ素子１１の励振振幅が青色（−９ｄＢ以下）であり、＃１３のアンテナ素子１１の励振振幅が赤色（−３ｄＢ〜０ｄＢ）となるので、電力増幅器８からの出力信号がそれぞれの励振振幅を加算した振幅値となるようにアッテネータ７が制御される。他のグループでも第１のグループと同様に、２個のアンテナ素子１１の励振振幅を加算した励振振幅となるように、アッテネータ７の減衰値が制御される。なお、本実施の形態の可変ビームパターン放送衛星搭載用フェーズドアレーアンテナでは、可変電力分配器９による分配損失の補償は、アッテネータ（ＡＴＴ）７及び電力増幅器８からなる増幅手段と増幅器５とのいずれで補償してもよいことはいうまでもない。
【００４１】
電力増幅器８で所定の励振振幅に制御された信号は各グループ毎に設けられた可変電力分配器９により２つに分配された後に、移相器１０で励振位相が制御され各アンテナ素子１１に給電される。アッテネータ７、可変電力分配器９、移相器１０は振幅・位相制御部１２によって制御される。
【００４２】
以上説明したように、本実施の形態の可変ビームパターン放送衛星搭載用フェーズドアレーアンテナでは、振幅・位相制御部１２はフェーズドアレーアンテナが所望のアンテナパターンを形成するように、アッテネータ７の減衰値と可変電力分配器９の分配比を調整して、励振振幅値を設定し、アンテナ素子１１の前段に接続された移相器１０で、所望の励振位相値に設定する。このような構成とすることによって、励振振幅値が大きいアンテナ素子１１とこのアンテナ素子１１よりも励振振幅値が小さいアンテナ素子１１とを組み合わせることにより、電力増幅器８を削減したフェーズドアレーアンテナ給電装置を形成することが可能となる。
【００４３】
なお、本実施の形態では、１個の電力増幅器８に２個のアンテナ素子１１を割り当てる構成すなわちアンテナ素子１１のグループ化を２個一組としたが、これに限定されることはなく、例えば、電力増幅器８に定格出力が大きなものを採用することにより、アンテナ素子１１のグループ化を３個一組、４個一組とすることも可能である。
【００４４】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００４５】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【００４６】
給電アレーアンテナ励振振幅分布を用いたアンテナ素子のグループ化を設計段階で適用することにより、１つの電力増幅器に給電アレーアンテナ素子を複数個接続することができる。これにより、給電回路の規模が小さくなり、コストの低廉化を計ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の可変ビームパターン放送衛星搭載用フェーイズドアレーアンテナの構成例の概念図である。
【図２】従来の可変ビームパターン放送衛星搭載用フェーイズドアレーアンテナの構成例の概念図である。
【図３】日本の全体を均一な放射電力で照射したときの給電アレーアンテナ励振振幅分布のシミュレーション結果の写真である。なお、各振幅値は最大励振振幅値で正規化されている。
【図４】図３に示す励振振幅分布での全国均一放射パターンと、周辺素子がない時の放射パターンのシミュレーション結果の写真である。
【図５】日本の全体を均一な放射電力で照射しつつ、降雨域のみの放射電力を増力したときの給電アレーアンテナ励振振幅分布のシミュレーション結果の写真である。ここでは、降雨域を札幌としている。
【図６】第５図と同様なシミュレーション結果の写真であり、降雨域を沖縄としている。
【図７】本発明を用いて２個のアンテナ素子を１つにグループ化した例の一部である。
【図８】本発明による、グループ化した可変ビームパターン放送衛星搭載用フェーズドアレーアンテナ給電回路の構成例の概念図である。
【符号の説明】
１…受信アンテナ                    ２…ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）
３…ＬＮＡ（低ノイズアンプ）        ４…周波数変換器
５…増幅器                          ６，１３…分配器
７…アッテネータ（ＡＴＴ）          ８…電力増幅器
９…可変電力分配器                  １０…移相器
１１…アンテナ素子                  １２…振幅・位相制御部
１４…励振振幅・位相制御部          １５…反射鏡
１６…給電アレーアンテナ
【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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【図８】
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