(57)【要約】      （修正有）【課題】軽量、小型、低コストで降雨減衰の増減に対応したＨＰＡ装置を提供する。【解決手段】第一と第二増幅器を使用して電力合成する構成とし、出力側には電力合成器と切り替え器を配置して、晴天時の降雨減衰の小さいときは、単管動作モードとして、その出力電力を最大出力の約１/１０となるように制御する構成とする。降雨時の装置出力値変更方法は、衛星からのビーコン信号の受信レベルをモニターし、回線断規格に近付いたときに、ＴＷＴ２本動作としフルパワーを送信する。又、第一と第二増幅器の稼動の割合を平準化するため、使用する増幅器を定期的に変更する構成とし装置長寿命化を実現する。【選択図】図４
2013146018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
降雨減衰の大きな周波数帯を使用する大電力増幅装置において、第一、第二の進行波管（ＴＷＴ）増幅装置を並列に配置し、該増幅器の入力側に電力分配器、出力側に電力合成器および切り替え器を配置し、第一、第二増幅器を用いて電力合成を可能とする構成としておき、
晴天時などで降雨減衰が小さい場合は、第一増幅装置をＯＮ，第二増幅装置をＯＦＦの単管動作モードとなるような出力側の切り替え状態に設定し、電力合成器を経由しないで出力が得られる構成で動作させ、ビーム電流・ヘリクス電流を低下させ手動作させ、降雨減衰量の増加にしたがって、該ビーム電流・ヘリクス電流を増減させて行き、第一増幅装置の最大出力を得るようにし、
さらに、降雨減衰量が増加して、降雨マージンの残余があらかじめ決められた値に近づいたときに、第二増幅装置をＯＮとし、電力合成モードで運用し、フルパワーを出力することを特徴とした電力合成型衛星地球局用大電力増幅装置、
【請求項２】
請求項１において、降雨減衰量に応じて、該ビーム電流・ヘリクス電流の増減、単管動作モードから電力合成モードに切り替え制御ために、衛星からのビーコン信号を地球局アンテナ、給電分波系、低雑音増幅器を経由して受信し、これを信号レベル検出器で信号レベルを検出し、Ａ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換し、出力電力制御装置に入力することで発生された制御信号を、出力側の切り替え器に入力し、単管動作モードまたは電力合成モードを切り替え、ビーム電流・ヘリクス電流を制御する制御信号を発生し、第一増幅器５と第二増幅器６の動作管のＯＮ/ＯＦＦ、送信レベルを制御することを特徴とする受信ビーコン信号と連動した電力合成型衛星地球局用大電力増幅装置,
【請求項３】
請求項１において、第一増幅器５と第二増幅器６の年間の稼動率の割合を平準化するために、電力合成器８の両側に切り替え器９，１０を配置し、さらに、該切り替え器９，１０の両端に３端子切り替え器１２を配置する構成としておき、一定の周期で使用する増幅器を第一増幅器５と第二増幅器６の間で変更するようにプログラムしておくことを特徴とした電力合成型衛星地球局用大電力増幅装置、
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
１４/１２ＧＨｚ（Ｋｕ）帯、３０/２０GHz（Ｋａ）帯での衛星通信用地球局に使用する大電力送信装置の電力合成方式において、受信ビーコン信号の降雨減衰量と連動して送信電力値を制御する方法に関する。
約４０年前に、固定衛星通信が６/４ＧＨｚ帯を使用して開始されて以来、静止衛星軌道(ＧＳＯ)上に数多く打ち上げられ、ＧＳＯの混雑が問題となっている。このため、より高い周波数帯であるＫｕ帯、Ｋａ帯の使用が盛んになってきている。このような１０ＧＨｚを越える周波数帯においては、降雨による減衰が大きく、大きな降雨マージを設計時に考慮しており、地球局アンテナ、大電力増幅装置（ＨＰＡ装置）に高い性能が要求され、非常に高コストな地球局となっている。
この発明は、地球局でコストの占める割合のおおきなＨＰＡ装置の低コスト、高性能を実現するために、2本の進行波管(ＴＷＴ)を合成することで、大きな送信電力を得る形式のＨＰＡ装置で、ＴＤＭＡ装置のバーストタイミングにしたがって、ＨＰＡ装置の送信タイミングを決定し、ＨＰＡ装置の作動時間を最小とすることで、ＨＰＡ装置信頼性向上、消費電力の低減化を実現している。
ＴＤＭＡ装置は、アナログ装置と異なり、双方向通信において、送信時の限定された時間のみに信号を発生している。従来の装置構成では、相手局信号の受信時や、相手局からの信号を待機しているときなどは、ＴＤＭＡ装置の後に設置されたＨＰＡ装置が、常にビーム電流やヘリクス電流を流しておりフルパワーを送信する構成となっていた。このために、ＴＷＴなどの電子管の寿命が短くなり、使用する商用電源もフル電力動作で、大きな電力を消費しており、運用経費が嵩んでいた。
本発明では、衛星からのビーコン信号を地球局で受信し、この信号を信号レベル検出器でレベル検出し、デジタル信号に変換し、出力電力制御装置に入力し、制御信号を発生し、出力側の切り替え器に入力し、単管動作モードまたは電力合成モードの切り替えを行うと共に、ヘリクス電流を制御する制御信号を発生し、第一増幅器５と第二増幅器６の動作管のＯＮ、ＯＦＦ、送信レベルを制御する切り替え制御を行うことで、ほとんどの時間率で単管動作モードとすることで、電子管の長寿命化、使用電力の低減を実現するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｋｕ帯、Ｋａ帯などの降雨減衰の大きい周波数帯を用いる衛星通信地球局装置は、降雨減衰が大きく、この降雨減衰を補償するために、大型アンテナ、高出力のＨＰＡ装置が必要である。例えば、Ｋａ帯で１５０ＷのＨＰＡ装置を実現しようとすると、クライストロン、ＴＷＴなどの管種を使用する高価なＨＰＡ装置が必要となり、ＨＰＡ装置が高価なため、システムコストの大幅アップとなり、安価な衛星サービスを提供するためのネックとなっていた。特に、ＴＷＴを使用したＨＰＡ装置では、ＴＷＴは高価であるので、なるべく長寿命化することが望ましい。また、ＴＷＴは効率が悪く、効率５〜１０％であるために、使用する商用電力も大きく、なるべく使用電力を少なくする必要がある。
【０００３】
これまで、Ｋｕ帯、Ｋａ帯などの周波数帯での大きな降雨減衰に対応するために、降雨減衰量に応じて、ＨＰＡ装置出力を増減する方法も考えられていた。この方法として、従来は、１本のクライストロン、ＴＷＴ，トランジスタ増幅器などの大電力増幅器１台を用いて、中間周波数帯（ＩＦ帯)で出力を調整する図１の従来の方法が使用されている。図１は従来のＨＰＡ装置のブロックダイアグラムを示す。図１に示すように、増幅器１、周波数変換器２、ＩＦ帯可変抵抗器４で構成され、ＩＦ帯可変抵抗器４の値を変えることで、ＨＰＡ装置出力を変化させている。この場合は、増幅器１の飽和電力以上の出力は得られない。
【０００４】
図２は、従来の第一増幅器５と第二増幅器６の電力合成を行う方法のブロックダイアグラムを示す。図２において、第一増幅器５、第二増幅器６を用いて、電力分配器７および電力合成器８により、第一増幅器５と第二増幅器６の電力合成を行う従来の方法が考えられる。この方法は、第一増幅器５と第二増幅器６の１本当たりの出力は、合成出力のほぼ半分でよいので、第一増幅器５と第二増幅器６の出力が制限されている場合で、大きな出力を得たい場合には有利である。しかし、この例では、常に２台の第一増幅器５と第二増幅器６を動作させており、消費電力、増幅器の信頼性、寿命の点での問題点は図１と同様である。
【０００５】
一方、Ｋｕ帯、Ｋａ帯などの周波数帯での大きな降雨減衰に対応するために、降雨マージンを見込んだ回線設計を行っている。この降雨マージンの値としては、降雨減衰が大きくが大きく回線断となる時間率は、例えば、年間の０．５％程度(多くても数％程度)となるように設計している。例えば、個の値に対応する降雨マージンとしては、日本の代表的な地域（例えば、東京)の平均的降雨統計量に対して、Ｋｕ帯では、１４ＧＨｚ帯で約１０ｄＢ，１２ＧＨｚ帯で約６ｄＢ程度、Ｋａ帯では、３０ＧＨｚ帯で約１５ｄＢ，２０ＧＨｚ帯で約１０ｄＢ程度で、これにより回線不稼働率０．５％/年(約４０時間)が実現できる。(地域、年によって若干異なる)
このことは、０．５％/年(約４０時間)の降雨の大きい時間以外、例えば、１年間のほぼ９９％/は、回線設計的には必要の無い無駄な電力を放射していたことになる。
【０００６】
この事実に着目すると、晴天時は、フルパワーではなく、約１/１０の電力で送信しても、回線設計的には十分通信が可能であることになり、本発明では、この原理を積極的に活用したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０７−１４２６７６、「大電力増幅装置」：半導体装置の放熱を効率良く行い、かつ高周波において波形等に悪影響のない大電力増幅装置を提供するもので、本発明の降雨減衰を勘案した電力合成型ＨＰＡ装置とは無関係である。
【０００８】
【特許文献２】特開平０８−２４２２６３、「送信装置」：広帯域信号の線形増幅を可能とする大電力送信装置を実現するもので、乗算器、周波数変換装置、電力増幅装置などで構成された系において、制御データの非線形歪を検出し、制御値更新データを作成して制御するもので、本発明の本発明の降雨減衰を勘案した電力合成型のＴＷＴ合成によるＨＰＡ装置の構成法とは無関係である。
【０００９】
【特許文献３】特開平０９−０３６７８１、「現用予備切り替え制御システム」：冗長構成のＨＰＡ装置の現用予備切り替えの切り替えを行う場合、予備系が使用中の場合も、出来るだけ信号断の状態を短くして信頼性を向上させる特許であり、本発明のＫｕ帯、Ｋａ帯での降雨減衰を勘案した電力合成型ＴＷＴ合成によるＨＰＡ装置の構成法とは無関係である。
【発明の概要】
【００１０】
Ｋｕ帯、Ｋａ帯、特に、Ｋａ帯の衛星通信地球局は、各装置が高価であるために、システム的に、回線パラメーター、装置コストを考慮した低コスト化が必要となる。これに対応するために、アンテナの無追尾化、ＨＰＡ装置の低コスト化が効果的であることが諸検討から明らかとなった。
例えば、Ｋａ帯でアンテナ無追尾化には、衛星アンテナ指向誤差、衛星ポインティング誤差を考慮すると、直径３ｍφのアンテナを使用する必要がある。回線設計から、このためのＫａ帯ＨＰＡは１５０Ｗ程度の出力が必要とされた。ＨＰＡ装置の低コスト化のために、管種としてクライストロンとＴＷＴを比較すると、性能、コスト、重量、サイズなどの観点で、ヘリクス型ＴＷＴが有利であることが文献、実用化されている装置などの調査から導かれる。本発明では、ヘリクス型ＴＷＴを使用することを想定して、以下の説明を行う。
【００１１】
回線設計上で、装置出力１５０Ｗの値が必要となった場合に、ＴＷＴ単管出力で１００Ｗが限界のＴＷＴを２本使用し、この２本のＴＷＴを合成して大きな送信出力を得る形式を検討する。この合成構成を採用した本発明のＨＰＡ装置の特徴は、降雨減衰の小さいときは1本のＴＷＴのみを使用し、降雨減衰が大きくなったときには。2本合成する切り替え制御を行い、回線品質を満足する降雨マージンを確保する形式を実現することを可能とした点である。
【００１２】
また、ヘリクス型ＴＷＴは、ビーム電流・ヘリクス電流を変化させたときの出力特性は、広い帯域特性を維持したまま、ほぼ上下に平行移動でき、帯域特性フラットに出力を変化できる。この特性を利用することで、出力をダイナミックに変化させることが可能である。特に、ビーム電流の大小は、陽極温度の上昇に関係し、管球の最大電力を決定しており、これを低下することはＴＷＴの寿命に影響する。この平坦特性は、広帯域共振素子(回路のＱの低い)ヘリクスを使用しているヘリクス型ＴＷＴを使用したことによる結果である。一方、回路のＱの高い単峰性の共振を使用するクライストロンではこのような帯域平坦な出力特性を得ることが難しい。
降雨減衰に応じてＨＰＡ出力値を変更する方法としては、当該地球局で受信している受信ビーコン信号値を参考にする。晴天時で、降雨減衰がほとんど無い場合は、単管モードとして、第一増幅器５または第二増幅器６の一方の増幅器のみをＯＮ
とし、ビーム電流、ヘリクス電流が回線特性を満足できるような十分低い電力値(例えば、１０Ｗ出力など)となる値として運用する。
降雨減衰が増加し、受信ビーコン信号値があらかじめ定義した回線の値になった場合に、ビーム電流・ヘリクス電流を増加し、単管出力最大値に達し、さらに減衰が増加したて、あらかじめ決められた受信ビーコン信号値の閾値に到達したときに、第二増幅器６もＯＮとして電力合成モードとして、２本のＴＷＴを動作させ、ＨＰＡ装置のフルパワーを出力するように制御する。
降雨減衰が減少し、受信ビーコン信号値が十分大きくなったと判断されたときには、上と逆の操作を行い、ＴＷＴ１本で動作する単管動作モードに切り替える構成とする。
このような構成で、ほとんどの時間帯(例えば、年間９９％)でのＴＷＴ１本の低出力動作が可能となり、ＨＰＡ装置の長寿化、使用商用電力の抑制、他方式干渉量の軽減などを可能とする。
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
発明が解決する必要のある課題は、以下にまとめることが出来る。
（１）ＨＰＡ装置の大型、高コストの課題
降雨減衰量の大きなＫａ帯で使用する従来のＨＰＡ装置は、クライストロンを使用した単管出力３００ＷのＨＰＡ装置の既製品があるが、これは非常に大型であり、電話局の局舎の最上階の通信機械室に設置されており、屋上のアンテナから通信機械室までの給電線損失が２〜５ｄＢあり、アンテナ給電端子では１００Ｗ以下の実効的電力となる場合もある。また、クライストロンは、部品点数が多く、調整が難しく、非常に高価であった。このために、アンテナ給電端子に近接して設置可能な軽量、小型、低コストのＨＰＡの開発が必要である。
【００１４】
(２)降雨減衰の増減に対応した送信出力の変更方法
また、降雨減衰の大きなＫｕ帯、Ｋａ帯でのＨＰＡ装置では、降雨減衰量に応じて、装置出力を増減することが望ましい。この方法としては、図1の従来のＨＰＡ装置の代表的なブロックダイアグラムを示すように、増幅器1、周波数変換機２、中間周波数（ＩＦ）帯可変抵抗器３、高周波数（ＲＦ）帯可変抵抗器4で構成された既存の方法として、1本の電子管(例えば、ＴＷＴ，クライストロン)やトランジスタ増幅器1台を用いて、ＩＦ帯やＲＦ帯で出力を調整する方法が用いられている。この場合は、1本の増幅器１の出力が最大出力となり、さらに大きな電力が必要な場合は限界がある。
【００１５】
図2は、従来の第一増幅器５と第二増幅器６の電力合成を行う方法のブロックダイアグラムを示す。図2に示すように、第一増幅器５、第二増幅器６、電力分配器７、電力合成器８で構成された既存の方法で、第一増幅器５と第二増幅器６の電力合成を行う方法が考えられる。図2の方法は、増幅器1台当たりの出力が合成電力のほぼ半分で良いので、１本の増幅器での出力に限界がある場合に、合成することで、原理的には約2倍の出力(実際は、電力合成器８での減衰のために2倍には達しない)が実現でき、システム的に有利となる。しかし、常に2本の増幅器を動作させておく必要があり、消費電力や増幅器信頼性・寿命の点で不利となる。また、図２で、仮に第一増幅器５のみ動作し、第二増幅器６をＯＦＦしたときには、第一増幅器5の出力が、電力合成器８を通過することによりＨＰＡ装置の送信出力が大幅に減衰する欠点がある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の発明が解決しようとする課題に対する手段としては、以下を適用している。
（１）ＨＰＡ装置の大型、高コストの課題の解決手段
従来は、ＴＷＴまたはクライストロン単管で、希望する送信出力を得ていた。しかし、クライストロンは高価で、大型であり、ＴＷＴは、例えば、１５０Ｗ出力を獲得しようとすると、技術的に困難、または、非常に高コストとなる。本発明は、これらの問題点を解決するために、現在の技術で入手可能で、低コストなＴＷＴ２本の電力合成により、小型化、低コスト化する方法を考える。
図３は、本発明の出力部に切り替え器を付加した構成の改良された電力合成型衛星地球局用ＨＰＡ装置のブロックダイアグラムを示す。第一増幅器５と第二増幅器６を使用して合成電力を増加させるＨＰＡ装置構成とし、ＨＰＡ装置出力側には、電力合成器８だけでなく、第3図に示すように切り替え器９，１０を追加して、単管動作時の電力合成器８での信号減衰を回避するものである。
【００１７】
具体的なＫａ帯でのＨＰＡ装置例として、装置が高価で、装置規模が大型なクライストロンではなく、部品点数が少なく、衛星搭載用などで多くの試作実績があり、低コストのＴＷＴを使用することが有効であることが、各種の検討結果から明らかとなる。しかし、Ｋａ帯のＴＷＴは、例えば、出力１００Ｗが限界であり、単管で１５０Ｗを実現するのが困難である場合が発生する。このための課題解決方法として、単管で１００Ｗの2管を電力合成し、１５０Ｗ出力を実現する方法を用いる。(単管１００Ｗは、説明のための１例であり、単管での出力が増加したときには、合成によりさらに大きな出力が実現できる)
(２)降雨減衰増減に対応した送信出力変更方法
一般的な地球局は、常に衛星からのビーコン信号を受信しており、この値によって、回線の異常などを検出している。衛星からのビーコン信号は、地球局と衛星間の降雨などにより信号強度に減衰を発生する。この減衰量をモニターしておき、あらかじめ決められた値を越えた時に、ＴＷＴ２本をＯＮとする電力合成モードに切り替えることで、降雨減衰にもかかわらず回線品質を維持することが可能となる。
国際電気通信連合（ＩＴＵ)の電話データ伝送の国際規格を決めているＩＴＵ−Ｔでは、電話の平均継続時間は１分、データの平均継続時間は１秒を定めている。このことは、ほとんどの電話は１分、データは１秒以内に呼が終了していることを意味している。一方、降雨減衰の発生している領域の雨雲の移動時間は比較的遅く、数１分〜数時間のオーダーで移動している。このため、ビーコン信号の減衰する速度は遅く、徐々に減衰してゆくので、電話、または、データ伝送に与える影響は問題ないレベルとなる。
動作するＴＷＴの本数(１本/２本)、ビーム電流・ヘリクス電流を制御する制御信号を発生し、この制御信号を切り替え器９，１０に加えて、第一増幅器５と第二増幅器６の動作管の選択し、ビーム電流・ヘリクス電流制御によるＨＰＡ装置の送信電力を増減する制御方法を行うことで、最大出力約１５０Ｗを出力すると共に、晴天時には約1/１０の出力電力に減少するように制御することを可能としている。
【発明の効果】
【００１８】
Ｋｕ帯、Ｋａ帯などでの１０ＧＨｚを越えた周波数帯では、降雨による信号減衰が大きく、このために、大きな降雨マージンを見込んだ回線設計を行い、所要のシステム不稼働率(例えば、年間０．５％)を確保しており、例えば、Ｋｕ帯では、１４ＧＨｚ帯で約１０ｄＢ，１２ＧＨｚ帯で約６ｄＢ程度、Ｋａ帯では、３０ＧＨｚ帯で約１５ｄＢ，２０ＧＨｚ帯で約１０ｄＢ程度で回線不稼働率０．５％/年(約４０時間)が実現できる(地域、年によって若干異なる場合もある)。  このことは、逆に考えると、１年の９９．５％は大きな減衰が無いと考えても良いことになる。
本発明のようにヘリクス型TWT２本電力合成とする構成とすることで、２本が同時にフルパワーで作動するのは、年の０．５％程度(余裕を見込んでも１．０％)であり、その他の時間は、約１/１０の電力で十分であることを意味する。このために、年間９５％程度のほとんどの時間率の晴天時では、単管動作モードとすることが可能となる。
一方、降雨減衰により衛星からのビーコン信号が減衰し、信号強度があらかじめ決められた閾値を越えないときには、回線断となる閾値近くのレベルとなったと判断し、ＨＰＡ装置を電力合成モードとして動作させる。これにより、晴天時には、第一増幅器５のみの動作、降雨時には電力合成モードとすることが可能となり、以下のシステム的効果が考えられる。
【００１９】
（１）ヘリクス型TWTは、各国で打ち上げられた衛星の最終段での送信管として使用される実績があり、部品点数もクライストロンに比べて少ないために、製作コストも安価である。技術的に１５０Wを単管で実現するのは難しい場合でも、１００Wの2本並列合成動作を行うことで、システム的に必要な１５０W以上の出力を実現するHPA方式が実現でき、目標とした１５０W出力のＨＰＡ装置が実現される。
(２)年間約９９％程度の晴天時には、ヘリクス型TWT１本のみの動作で、しかも、ビーム電流・ヘリクス電流を低下させて、出力は約１/１０の電力で十分であるので、ＨＰＡ装置で使用する商用電源の消費電力は大幅に減少でき、地球局運用経費が大幅に減少できる。また、ＴＷＴの寿命に関係するビーム電流の低減により、ＴＷＴの長寿命化が可能となる。
（３）晴天時にはフルパワー送信の従来方式に比べて、約１/１０のＨＰＡ装置電力であるので、静止衛星軌道上の隣接衛星への干渉量が減少するので、静止衛星軌道有効利用に貢献する。このことは、ＩＴＵ（国際電気通信連合)での大きな目標となっている、「有限の人類の資産である静止衛星軌道と周波数スペクトラムの有効利用」に寄与できる。
（４）また、地上無線方式が衛星通信の上り周波数を共用している場合(例えば、１４ＧＨｚ)は、地上無線方式への干渉は減少でき、地上無線方式との共用条件が緩和される。
(５)  年間のほとんどの時間帯は、単管動作であり、送信出力も約１０Ｗと小電力であるために、高価なヘリクス型TWTの寿命は大幅に増加でき、ヘリクス型TWTの取替え期間を延長でき、ＨＰＡ装置全体の長寿命化が可能となり、システムの運用コストの低下に寄与する。
（６）HPA装置を小型化することで、建物屋上のアンテナ直下のＨＰＡ装置筐体の中に配置できる。また、LNAもアンテナ直付けが可能となり、ＨＰＡ装置，ＬＮＡ共に、従来の給電損失を大幅に削減できる。これによって、HPA装置の実効的放射電力（EIRP)、LNAの雑音指数の特性改善が可能となる。
(７)総合的に回線パラメーター、コストパラメーターの最適化設計により、本発明のＨＰＡ装置の使用により所要の回線品質を確保した回線が実現でき、従来の大規模な地球局装置のコストに比較して、総合的地球局コストを1桁以下に低下することを可能としている。
（８）第3図に示すように、切り替え器９，１０を追加して、単管動作時の電力合成器８での信号減衰を回避することが出来、従来の電力合成器８だけの合成方式に比較して、大きな出力が実現できる。Ｋａ帯などでの、HPA装置出力の限界に近い領域で動作している場合は、非常に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来のＨＰＡ装置のブロックダイアグラムを示す。
【図２】従来の第一増幅器５と第二増幅器６の電力合成を行う方法のブロックダイアグラムを示す。
【図３】本発明の出力部に切り替え器を付加した構成の改良された電力合成型衛星地球局用ＨＰＡ装置のブロックダイアグラムを示す。
【図４】本発明の電力合成型衛星地球局用ＨＰＡ装置の合成電力モード、単管動作モードの制御を行うための構成のブロックダイアグラムを示す。
【図５】ビーコン信号レベルの減衰が発生したときの、ＨＰＡ装置の出力電力の制御を行うためのフローチャートを示す。
【図６】ビーコン信号レベルが増加したときの、ＨＰＡ装置の出力電力の制御を行うためのフローチャートを示す。
【図７】本発明の出力部に切り替え器１３、３端子切り替え器１２を付加した改良された電力合成型衛星地球局用HPA装置のブロックダイアグラムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
ビーコン信号を受信して、地球局と衛星間の降雨などにより減衰が発生するが、この減衰量をモニターしておき、あらかじめ決められた値を越えた時に、ＴＷＴ２本をＯＮとする電力合成モードに切り替えることで、降雨減衰にもかかわらず回線品質を維持することが可能となる。
ビーコン信号の減衰量があらかじめ決められた閾値を越えないときには、単管動作モードとし、この閾値を越えたときに、電力合成モードで動作するように制御する構成とすることで、第一増幅器５と第二増幅器６の２本の１００Wヘリクス型TWTの2本並列合成動作方式により、約１５０Ｗの合成電力を達成し、回線パラメーターを満たすことが可能となる。一方、晴天時には単管のみを使用するよう制御し、ビーム電流・ヘリクス電流を十分低下させて、ＨＰＡ装置の出力を１０W程度の低出力とし、降雨時の大きな回線の減衰が発生したときのみ（年間の約０．５％）2本並列合成動作でフルパワーを出力する適応型ＨＰＡ装置を実現する。
【実施例】
【００２２】
回線パラメーターからＣ／Ｎを計算し、回線パラメーター(例えば、アンテナ直径、ＨＰＡ出力など)を変化させたときの装置コストの合計から、システムコストを計算して、最適設計となる回線パラメーターが計算できる。一例としてのシステム要求などを考慮すると、ＨＰＡ装置出力は１５０Ｗが要求される。一方、３０ＧＨｚ帯のヘリクス型TWTは、１００Ｗしか出力が実現されていない。このためのブレークスルーが必要である。
【００２３】
本発明では、図３に示すように、入力信号１を減衰器３、励振器２、減衰器４、電力分配器７で分配し、第一増幅器５，第二増幅器６の２本で増幅する。
降雨減衰の大きな電力合成モードのときは、切り替え器９を端子Ｂ側に切り替え、電力合成器８に接続し、第二増幅器６との電力合成を達成する。この出力はＢ側に切り替えた切り替え器８を経由して、端子Ｃに切り替えた切り替え器１０を経由して、出力信号１１としてアンテナに送られる。
２信号を電力合成器８で合成することで、約１５０Ｗの回線設計で必要な送信電力を有した出力信号１１を出力する。
【００２４】
一方、晴天時で、信号減衰の少ない場合は、第一増幅器５のみに通電することを考え、切り替え器９を端子Ａ側に、切り替え器１０を端子Ｄ側に切り替え、電力合成器８に無関係に出力を取り出し、第一増幅器５の電力が出力信号１１として取り出せる。これにより、電力合成器８の減衰を受けることなく第一増幅器５のほぼフルパワーを出力することが可能となる。
この時に、電力合成型衛星地球局用ＨＰＡ装置の合成電力モード、単管動作モードの制御のための切り替え器９、１０の制御を行うための制御信号を何等かの方法で得る必要がある。この方法として、本発明は、ビーコン信号の減衰量があらかじめ決められた閾値を越えないときには、単管動作モードとし、この閾値を越えたときに、電力合成モードで動作するように制御する構成とするような制御する方法を採用する。
【００２５】
図４は、本発明の電力合成型衛星地球局用ＨＰＡ装置の合成電力モード、単管動作モードの制御を行うための構成のブロックダイアグラムを示す。
図４で、地球局アンテナ２１で受信されたビーコン信号は、給電分波系２２により送信/受信に分波される。このとき、降雨が発生すると、信号ビームは減衰を受けて、回線断となることも有り得る。
具体的なＫａ帯でのＨＰＡ装置２７の例として、装置が高価で、大型なクライストロンではなく、部品点数が少なく、衛星搭載用などで多くの試作実績があり、低コストのＴＷＴを使用することが有利であることが、各種の検討結果から明らかとなる。しかし、Ｋａ帯のＴＷＴは、出力１００Ｗが限界であり、単管で１５０Ｗを実現するのが困難な場合がある。このために、この課題解決方法として、単管で１００Ｗの2管を電力合成し、１５０Ｗ出力を実現する方法を用いる。(単管１００Ｗは、説明のための１例であり、単管での出力が増加したときには、合成によりさらに大きな出力が実現できる)
この切り替え器９，１０の切り替え制御としては、図４の制御系の構成に示すような制御方式を採用する。図４で、地球局アンテナ２１で受信された衛星からのビーコン信号は、給電分波系２２を経由して、ビーコン信号受信機２３で受信され、信号レベル検出器２４で信号レベルを検出し、アナログ/デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２５でデジタル信号に変換し、切り替え信号を発生するための出力電力制御装置２６に入力し、動作するＴＷＴの本数(１本/２本)、ヘリクス電流を制御する制御信号を発生し、この制御信号を切り替え器９，１０に加えて、第一増幅器５と第二増幅器６の動作管の選択し、ヘリクス電流制御によるＨＰＡ装置の送信電力を増減する制御方法を行うことで、最大出力約１５０Ｗを出力すると共に、晴天時には約1/１０の出力電力に減少するように制御することを可能としている。
【００２６】
図５は、ビーコン信号レベルの減衰が発生したときの、ＨＰＡ装置の出力電力の制御を行うためのフローチャートを示す。ステップＳ４０で、運用が開始され、ステップＳ５０で、ビーコン信号の減衰の有無が判定される。晴天時で、信号減衰の無い（ＮＯ）場合、ステップＳ５１で、第一増幅器５を選択する。ステップＳ５２で、ビーム電流・ヘリクス電流は、最小の装置電力(例えば、１０Ｗ）を実現する値に設定される。この結果、ステップＳ５３で、ＨＰＡ装置出力は、約１０Ｗに維持される。
ステップＳ５４で、降雨が発生し、ビーコン信号の減衰の有が判定される（ＹＥＳ）と、ステップＳ５４に進み、ビーコン信号のレベルの大小が判定される。ステップＳ５５で、減衰がさほど大きくない（ＮＯ）場合は、ステップＳ５６に進み、ビーコン信号の減衰量に対応してＴＷＴのビーム電流・ヘリクス電流を増加させる。ステップＳ５６で、ＨＰＡ装置の出力が、単管出力の最大値(約１００Ｗ)に達する。さらに減衰が増加すると、ステップＳ５４に戻り、減衰が大の判定（ＹＥＳ）となり、ステップＳ５７に進む。ステップＳ５７で、単管動作モードが電力合成モードに切り替えられる。ステップＳ５８で、ＨＰＡ装置出力が最大出力の約１５０Ｗとなる。ステップＳ５９で、降雨減衰が小さくなり、ビーコン信号レベルが増加するかどうかを判断する。
もし、増加しない（ＮＯ）と、ステップＳ６０で現在の状態を保持する。もし、増加する（ＹＥＳ）と、ステップＳ７０へ進む。
図６は、ビーコン信号レベルが増加したときの、ＨＰＡ装置の出力電力の制御を行うためのフローチャートを示す。ステップＳ７０で、降雨源推量が減少し、ビーコン信号レベルが増加したかどうかを判定する。もし、ビーコン信号レベルが増加しない場合（ＮＯ）のときは、ステップＳ７２に進み、現状を保持する。もし、ビーコン信号レベルが増加した場合（ＹＥＳ）のときは、ステップＳ７１に進み、ビーコン信号レベルが単管動作モードのレベルであるかどうかを判定する。もし、単管動作モードのレベルではないときには、ステップＳ７４に進み、現状を保持する。もし、単管動作モードのレベルであるときには、ステップＳ７３に進み、単管動作モードに切り替える。ステップＳ７５で、ビーコン信号レベルがビーム電流・ヘリクス電流を低下させるレベルかどうかを判定する。もし、ビーム電流・ヘリクス電流を低下させるレベルではないときには、ステップＳ７６に進み、現状を保持する。もし、ビーム電流・ヘリクス電流を低下させるレベルであるときには、ステップＳ７７に進み、ビーム電流・ヘリクス電流を低下させ、最小出力電力となるように制御する。
【００２７】
なお、図３では、第一増幅器５のみを単管動作で使用する説明であるが、この場合では、第一増幅器５がほとんどの時間率で使用されているために、第二増幅器６に比較して、寿命が短くなる可能性がある。この問題を解決するために、図７のように切り替え器１３を増加することでこの問題が解決できる。
図７は、本発明の出力部に切り替え器１３、３端子切り替え器１２を付加した改良された電力合成型衛星地球局用HPA装置のブロックダイアグラムを示す。この動作は、定期的に(例えば、２〜６ヶ月ごとに)使用する増幅器を第一増幅器５または第二増幅器６に変更するような制御プログラムを組み込んでおく。電力合成モードの場合は、切り替え器９、切り替え器１３、３端子切り替え器１２をそれぞれ、端子Ｂ，端子Ｅ，端子Ｃに切り替えて動作させる。
一方、第二増幅器６を使用する周期のときに、晴天時で、降雨減衰が無いときには、切り替え器９、切り替え器１３、３端子切り替え器１２をそれぞれ、端子Ａ，端子Ｅ，端子Ｇに切り替えて動作させことで、第二増幅器６の単管動作とすることが可能となる。これにより、第一増幅器５と第二増幅器６の使用される時間率はほぼ同じとなり、平均してヘリクス型TWTが劣化し、単管のみ使用する構成の図３の場合に比較して、総合的にＨＰＡ装置寿命を延長することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
（１）これまでの説明は、Ｋａ帯の１５０Ｗのヘリクス型TWTを使用したＨＰＡ装置の例を述べたが、同様の考えをＫｕ帯(１４ＧＨｚ帯)のＨＰＡ装置にも応用できる。
（２）Ｋｕ帯(１４ＧＨｚ帯)のヘリクス型TWTは、Ｋａ帯（３０ＧＨｚ帯)に比べて、送信出力は大きいが、電力合成により、約２倍の送信電力が実現でき、大電力の必要な放送衛星用送信局などに適用することで、上記の効果が得られる。
(３)これまでの説明は、ヘリクス型TWTを使用した電子管の例を述べているが、トランジスタ増幅器への電力合成方式画応用可能であり、やはり、晴天時には１本のトランジスタ増幅器使用で、低電力動作とすることが可能であり、上記の効果が得られる。
（４）回線パラメーター、コストパラメーターの最適化設計を、他の周波数帯や地上無線方式に適用することで、低コスト、高性能な無線システムを実現できる。
【符号の説明】
【００２９】
１：増幅器、２：周波数変換器、３：ＩＦ帯可変減衰器、４：ＲＦ帯可変減衰器、５：第一増幅装置、６：第二増幅装置、７：電力分配器、８：電力合成器、９，１０：切り替え器、１１：出力信号、１２：３端子切り替え器、１３：切り替え器、２１：衛星、２２：給電分波系、２３：ビーコン信号受信機、２４：信号レベル変換器、２５：Ａ／Ｄ変換器、２６：送信電力制御装置、２７：ＨＰＡ装置，２８：受信周波数変換機、２９：送信周波数変換機、
【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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