(57)【要約】      （修正有）【課題】ＨＰＡ装置の大型、高コストを改善し、降雨減衰の増減に対応した送信出力の変更方法を提供する。【解決手段】第一と第二増幅器５，６を使用し電力合成する構成とし、出力側には電力合成器８だけでなく、切り替え器１０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となるよう制御する。降雨減衰発生時の出力値の変更方法は、ＴＤＭＡ方式での相手局同期バーストのタイミング信号などを常時監視し、タイミング信号誤り率が閾値を越えたときに、「回線断」と判断し、ＴＷＴ２本ＯＮの電力合成モードで出力する制御を行う。ＴＤＭＡ回線のデータバーストの消失を回避するために、ＴＤＭＡバーストタイミング発生回路の同期バースト信号Ｓが無いタイミングで第二増幅装置が電力合成モードとなるように切り替える。【選択図】図４
2013146036.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しておき、出力側の切り替え状態を、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、降雨減衰量の増加にしたがって、該電力分配器の入力側に設置したＩＦ帯またはＲＦ帯可変減衰器の減衰量を増減させて、所要の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３〜５ｄＢ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する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、単管動作モードから電力合成モードに切り替えるために、ＴＤＭＡ回線などのデジタル通信信号送信後に、降雨減衰が発生し、信号品質が劣化し、相手地球局からのＡＣＫ（確認)信号が受信できず、予め定義された時間を経過してもＡＣＫ信号が戻ってこないとき、「回線断が発生した」と判断し、電力合成モードに切り替える制御を行い、または、ＴＤＭＡ方式で、相手局の同期バーストなどのタイミング信号などを常時監視し、そのタイミング信号の誤り率の閾値、例えば、１０−１を越えたときに、「回線断が発生した」と判断し、ＴＷＴ２本ともＯＮとし、電力合成モードで最大出力まで出力する制御を行い、回線断を救済することを特徴とする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、降雨減衰量に応じて、単管動作モードから電力合成モードに切り替えるときに、通信しているデータフレームの切り替えによる消失により、回線断となることを防止するために、ＴＤＭＡ装置13のＴＤＭＡバーストタイミング発生回路１５からの同期バースト信号Ｓが無いタイミングに、第二増幅装置6の電源をＯＮとする、電力合成モードとなるように出力側の切り替え器9，10を切り替えることで、ＴＤＭＡ回線のデータバーストの消失を回避することを特徴とする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、ＴＤＭＡフレームと連動して降雨減衰時の信号減衰を補償するように電力合成モードを制御する送信電力合成制御方法に関する。
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大きな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、電力合成モードと単管動作モードを使い分け、低コストで大きな送信電力を得る形式のＨＰＡ装置を実現する。
ＴＤＭＡ装置は、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、受信時には信号を送信していない。この事実を利用して、このＨＰＡ装置では、電力合成モードと単管動作モードのモード切り替えを回線断無く実施するために、ＴＤＭＡ装置のバーストタイミングの存在しない時間帯の切り替えを実施するように、ＨＰＡ装置の切り替えタイミングを決定し、通信しているＴＤＭＡ回線の瞬段時間をゼロとすると共に、ＨＰＡ装置を含んだシステム全体の信頼性向上、消費電力の低減化、経済性の改善を実現している。
Ｋｕ帯、Ｋａ帯などの周波数帯での降雨減衰を補償するために、大きな直径のアンテナと大出力のＨＰＡ装置を使用しているが、回線断となるような減衰の大きな降雨は、年間の０．５〜１％程度であり、その他の時間帯は減衰がほとんど無く、ＨＰＡ装置で、大出力のフルパワーを出力する必要が無いのが実体である。
本発明では、受信信号の降雨減衰量に応じて、単管動作モード、電力合成モードの制御を行うことで、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。さらに、単管動作モード、電力合成モードの切り替え時の瞬断を回避するために、ＴＤＭＡ装置のバーストタイミングの存在しない時間帯を利用する制御を行っている。
【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、大きな降雨減衰を補償するために、大型アンテナ、高出力のＨＰＡ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装置が必要となる。これを低コスト化、高性能化するための技術開発が必要となる。また、Ｋｕ帯、Ｋａ帯で地球局装置は、降雨減衰が大きく、この対策のために、大きな降雨マージンを考慮する必要があり、このために、大型アンテナ、大電力の増幅器が必要となり、コストの大幅アップとなり、安価な通信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、商用電力に対するＴＷＴ出力電力の効率は、約５〜１０％であるために、使用する商用電力も大きく運用経費が嵩み、なるべく使用商用電力を少なくする必要がある。
【０００３】
さらに、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ことが方式的に望ましい。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装置例のブロックダイアグラムを示しており、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、装置の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】
また、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しており、図２のように、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、大きな出力が必要な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、寿命の点で不利である。
【０００５】
さらに、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が、この降雨マージンの値は、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、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程度で回線不稼働率０．５％/年(約４０時間)が実現できる。(この値は1例であり、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することになる。
【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品質を満足する構成が回線設計的には十分に達成できることになり、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空洞結合がたＴＷＴ、ヘリクス型ＴＷＴおよびトランジスタ増幅器などを比較すると、性能、コスト、重量、サイズ、実現できる出力電力ななどで、ヘリクス型ＴＷＴが最も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。
【００１１】
回線設計上で、例えば、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。この合成法に工夫を行った本発明でのＨＰＡ装置の特徴は、降雨減衰の小さいときは1本のＴＷＴのみ単管動作モードを使用し、降雨減衰が大きくなったときには2本合成する電力合成モードへの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】
ヘリクス型ＴＷＴは、ビーム電流やヘリクス電流を変化させると、その出力特性は、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。これは、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（回路のＱの高い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などの受信信号値を参考にして、降雨減衰が増加し、受信信号値があらかじめ定義した回線の閾値に到達する前に、電力合成モードとして、２本のＴＷＴを動作させる。一方、晴天時などで受信信号値が十分大きくなったときには、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。
実回線の受信信号強度を利用する場合は、デジタル通信では、送信した後で、相手地球局からのＡＣＫ（確認)信号を受信し、さらに、次の信号を送信する方式が使用されている。このような方式で、相手地球局で該信号が受信できず、予め定義された時間を経過してもＡＣＫ（確認)信号が戻ってこないときに、「回線断が発生した」と判断し、ＴＷＴのヘリクス電流を増加し、ＨＰＡ装置の送信出力を増加し、さらに減衰したときには、ＴＷＴ２本ともＯＮとし、電力合成モードで最大出力まで出力する制御を行い、回線断を救済する。
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帯のＨＰＡ装置の従来製品は、クライストロンを使用した単管出力３００ＷのＨＰＡ装置の既製品などがあるが、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発生する可能性があり、アンテナ給電端子では１００Ｗ以下の等価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装置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。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での減衰で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送信出力が大幅に減衰する欠点がある。
【００１５】
(３)降雨減衰の増減に対応して単管動作モードから電力合成モードへ、瞬断なしに切り替えるための方法
ＴＤＭＡ通信を行っているときに、降雨減衰が発生し、単管動作モードから電力合成モードへの切り替える必要が生じたときに、通信の瞬断なしに切り替える必要がある。通信の途中で回線断が発生すると、ＴＤＭＡ同期取り直しなどで、長時間の回線断となる可能性がある。
【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。
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)
【００１７】
(２)降雨減衰増減に対応した送信出力変更方法
ＴＤＭＡ回線などの実回線の受信信号強度を利用する場合は、デジタル通信では、送信した後で、相手地球局からのＡＣＫ（確認)信号を受信し、さらに、次の信号を送信する方式が使用されている。このような方式で、相手地球局で該信号が受信できず、予め定義された時間を経過してもＡＣＫ（確認)信号が戻ってこないとき、「回線断が発生した」と判断し、ＴＷＴのヘリクス電流を増加し、ＨＰＡ装置の送信出力を増加し、さらに減衰したときには、ＴＷＴ２本ともＯＮとし、電力合成モードで最大出力まで出力する制御を行い、回線断を救済する。
または、ＴＤＭＡ方式では、相手局の同期バーストなどのタイミング信号などを常時監視しており、その信号強度は誤り率で評価できる。タイミング信号の誤り率が例えば、１０−２を越えたときに、「回線断が発生した」と判断し、ＴＷＴのヘリクス電流を増加し、ＨＰＡ装置の送信出力を増加し、さらに減衰したときには、ＴＷＴ２本ともＯＮとし、電力合成モードで最大出力まで出力する制御を行い、回線断を救済する。
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。
【００１８】
(３)降雨減衰の増減に対応して単管動作モードから電力合成モードへ瞬断無しで切り替えるための方法
図6は、ＴＤＭＡ装置から発生されるフレーム構成の例を示す。図6に示すように、ＴＤＭＡフレーム構成は、1個の同期バースト２２とデータバースト２６からなる基本フレーム21、ＴＤＭＡ同期の基本同期を規定する第一超フレーム２３、回線割り当て/解除の基本同期のための第二超フレーム24、呼のないときのバースト時間修正のための基本同期のための第三超フレーム25から構成されている。呼が無いときには、第三超フレーム25信号が、約0.5〜5秒毎に同期バーストＳを間歇的に送出している。
このために、切り替えのタイミングは、同期バーストＳのみが発生されたときにのみ切り替えを行うように制御することで、通信の途中で切り替えて、データバーストが消えてしまい、回線断となる問題を回避することが可能となる。具体的には、第三超フレーム25の同期バーストの発生を送信タイミング制御部１５から知り，この同期バーストのあった直後に切り替え指令を行うように制御すればよい。
呼が無いときのタイミングチャートは、第6図に示すフレーム構成図において、データバーストが無い状態で、同期バーストＳのみが０．３〜５秒の間隔で発生されており、この情報を送信タイミング制御部15から抽出し、大電力増幅制御部１４に入力し、これにしたがって制御信号を作成し、Ｄ／Ａ変換器３０を経由して、位相器３２の位相を制御し、切り換え器９，１０をＢ，Ｃ側の電力合成モードに切り替える。この切り替えによって、電力合成が可能な状態となる。送信出力の微調整が必要なときは、大電力増幅制御部１４からＤ／Ａ変換器３１を経由して、ＩＦ，ＲＦ減衰器3，4の値を制御することで必要な出力を得ることが可能である。
これにより、呼が発生し、ＴＤＭＡ装置１３で、同期バーストＳのみが発生されていることを確認して切り替えを行うことが可能となり、降雨減衰量に応じて、所定レベルの出力が得られ、同期はずれ、情報欠落無しに通信を継続することが可能である。
降雨減衰が小さくなって、タイミング信号の誤り率が小さくなったときに、上述と逆の操作により、切り換え器９，１０をＢ ，Ｃ側の電力合成モードに切り替えテ、最小の状態に復帰することが可能である。
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１０分〜数時間のオーダーで移動している。このため、ＴＤＭＡ信号の減衰する速度は遅く、徐々に減衰して行き、急激、短時間の減衰は少なく、電話、または、データ伝送での回線断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)、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。
【発明の効果】
【００１９】
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、ＴＤＭＡ装置の第三超フレームの同期バーストを自局または相手局でモニターしておき、例えば、折り返しの誤り率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ことで、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信号が減衰し、折り返しの誤り率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。
【００２０】
（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、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。
（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、システム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、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、単管動作モード時の電力合成器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。
（９）単管動作モードから電力合成モードへの切り替えを行うときに、ＴＤＭＡ装置が信号を送信しているときに、切り替えると、回線が瞬断となり、方式的に問題となる。本発明では、ＴＤＭＡバーストタイミングに連動して制御し、ＴＤＭＡバーストタイミング信号が無いときに、単管動作モードから電力合成モードへの切り替えを行う制御を行うために、回線瞬断が回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【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】本発明の衛星信号強度をモニターし、制御信号を発生し、電力合成型衛星地球局用HPA装置の電力合成モード、単管動作モードの切り替え制御を行うための実施例のブロックダイアグラムを示す。
【図５】本発明の実施例に使用するＴＤＭＡフレーム構成例のブロックダイアグラムを示す。
【図６】本発明の出力部に３端子切り替え器１２、切り替え器１３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】
【００２２】
ＴＤＭＡ方式では、相手局の同期バーストＳなどのタイミング信号などを常時監視しており、その信号強度は誤り率で評価しておき、減衰が小さく、信号強度が十分大きなときは、単管動作モードで動作する。降雨減衰により、タイミング信号の誤り率が閾値、例えば、あらかじめ決められた値として１０−１を越えたときに、「回線断が発生した」と判断し、ＴＷＴ２本ともＯＮとし、電力合成モードで最大出力まで出力する制御を行い、降雨減衰を補償して回線品質を維持し、回線断を救済する。
例えば、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、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】
【００２３】
システム総合設計として、回線パラメーターからＣ／Ｎを計算し、各種の回線パラメーター(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、システム的に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。このような場合には、なんらかのブレークスルーが必要である。
【００２４】
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。
【００２５】
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。この方法としては、本発明では、以下の方法の使用が可能である。
（１）ＴＤＭＡ回線などの実回線のデジタル通信では、信号送信後に、相手地球局からのＡＣＫ（確認)信号を受信し、さらに、次の信号を送信する方式が使用されている。このような方式で、相手地球局で該信号が受信できず、予め定義された時間を経過してもＡＣＫ（確認)信号が戻ってこないとき、「回線断が発生した」と判断し、ＴＷＴのヘリクス電流を増加し、ＨＰＡ装置の送信出力を増加し、さらに減衰したときには、ＴＷＴ２本ともＯＮとし、電力合成モードで最大出力まで出力する制御を行い、回線断を救済する。
（２）または、ＴＤＭＡ方式では、相手局の同期バーストＳなどのタイミング信号などを常時監視しており、その信号強度は誤り率で評価しておき、タイミング信号の誤り率の閾値、例えば、１０−１を越えたときに、「回線断が発生した」と判断し、ＴＷＴ２本ともＯＮとし、電力合成モードで最大出力まで出力する制御を行い、回線断を救済する。
【００２６】
図４は、本発明の実施例で使用する受信地球局で衛星信号強度をモニターし、制御信号を発生し、電力合成型衛星地球局用HPA装置の電力合成モード、単管動作モードの切り替え制御を行うための実施例のブロックダイアグラムを示す。
図４に示すような地球局では、ＡＣＫ（確認)信号、または、相手局の同期バーストＳの誤り率をモニター信号受信機16でモニターしておき、この値を制御信号として使用する。このようなモニター信号は、モニター信号受信機16で受信され、HPA装置制御回路14に入力される。一方、HPA装置制御回路14には、ＴＤＭＡ装置13のＴＤＭＡバーストタイミング発生回路１５からの信号もHPA装置制御回路14に入力される。さらに、HPA装置の出力制御は、カプラー17で一部分分割されて、アナログ・デジタル変換器18でデジタル変換され、増幅器19で増幅され、HPA装置制御回路14に入力される。
モニターされた衛星からの信号強度と、カプラー17で検出されたHPA装置出力信号は比較され、そのレベルが閾値越えているかどうかにより単管動作モード/電力合成モード切り替えの制御タイミングを以下のような手順で決定する。
（１）晴天時で降雨減衰の無い場合：ＩＦ帯減衰器3、ＲＦ帯減衰器4の減推量は大きくしておき、第一増幅装置5のみの電源ＯＮとし、ヘリクス電流も低い値として作動し、約１０Ｗ程度の出力となるようにカプラー17で検出できるように設定する。第一増幅装置5の出力側の切り替え器9，10は、端子Ａ，Ｄ側に設定する。
（２）降雨減衰が発生し、信号強度が減衰したときに、ＩＦ帯減衰器3、ＲＦ帯減衰器4の減推量を零とし、第一増幅装置5のヘリクス電流を徐々に増加して、降雨減衰を補償するように動作する。
（３）さらに、降雨減衰が増加したときには、ＴＤＭＡ装置13のＴＤＭＡバーストタイミング発生回路１５からの同期バースト信号Ｓが無いタイミングに、出力側の切り替え器9，10を端子Ｂ，Ｃ側に切り替え、第二増幅装置6の電源をＯＮとし、電力合成モードとして、HPA装置の出力が最大となるように位相器22を制御する。
（４）降雨減衰が減少し、あらかじめ決定した値に下がったときに、ＴＤＭＡ装置13のＴＤＭＡバーストタイミング発生回路１５からの同期バースト信号Ｓが無いタイミングを使用して、切り替え器9，10は、端子Ａ，Ｄ側に切り替え、第二増幅装置6の電源をＯＦＦとし、単管動作モードに切り替えを行う。
（５）さらに、降雨減衰が無くなった状態で、第一増幅装置5のみの電源ＯＮとし、ヘリクス電流も低い値として作動し、約１０Ｗ程度の出力となるように制御する。
(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)
【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６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６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３２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３３、３端子切り替え器３４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、１３：ＴＤＭＡ装置、14：HPA装置制御回路、１５：ＴＤＭＡバーストタイミング発生回路、16：モニター信号受信機、17：カプラー、18：アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器、19：増幅器、Ｓ：同期バースト信号、２１：基本フレーム、２２：同期バースト、２３：第一超フレーム、２４：第二超フレーム、２５：第三超フレーム、２６：データバースト、３０，３１：デジタル・アナログ（Ｄ／Ａ）変換器、32：位相器、３３：切り替え器、３４：３端子切り替え器、
【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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