(57)【要約】      （修正有）【課題】Ｋａ帯などのＨＰＡ装置は大型で、ビル最上階の通信機械室に設置されており、給電線損失が大きくアンテナ給電端子では小放射電力となっていた。また、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。【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に加えて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。降雨減衰発生時の出力増加方法は、地球局アンテナから衛星方向に約４ｋｍ前方までの範囲内の地上位置の複数箇所に設置された降雨計の降雨量を検出し、閾値を越えた時に第一と第二増幅器を合成する電力合成モードへ制御し、２本動作で全電力を送信することで、回線品質を確保する。この結果、年間の大部分の時間率はＴＷＴ１本の低出力動作が可能となり装置の長寿化などを可能とする。【選択図】図５
2013145991.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、第一増幅器５と第二増幅器６を並列に配置し、該第一増幅器５と第二増幅器６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、第一増幅器５と第二増幅器６を用いて電力合成を可能とする構成としておき、
晴天時で降雨減衰が小さい場合は、第一増幅装置５のみをＯＮ，第二増幅装置６をＯＦＦ（または、第一増幅装置５をＯＦＦ，第二増幅装置６をＯＮ）の単管動作モードとしておき、出力側の該切り替え状態を、電力合成器を経由しないで出力が得られる切り替え器構成で動作させ、再び、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６をＯＮとし、電力合成モードで運用し、大電力増幅装置の最大電力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、第一増幅器５または第二増幅器６の１管のみを動作させる単管動作モードから、第一増幅器５と第二増幅器６の２管を合成する電力合成モードに切り替えるために、地球局アンテナ23から、衛星方向に約４ｋｍ前方までの範囲内の地上位置の複数箇所に設置された降雨計27，28，29の降雨量をモニターし、
降雨計の降雨減衰の小さな晴天時には、１本のＴＷＴのみ動作する単管動作モードとなるように切り替え器を制御し、複数の降雨計のいずれかの降雨計の降雨減衰が大きくなったことを検出した場合は、この値があらかじめ決められた値を越えたときに、第一増幅器５と第二増幅器６を合成して使用する電力合成モードとなるように制御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】
この発明は、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と、降雨減衰をモニターして単管動作モード/電力合成モードを変更する方法に関する。
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、特にＫａ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する必要があり、地球局アンテナ、大電力増幅装置（ＨＰＡ装置）の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)を合成して、大きな送信電力を得る形式の電力合成型衛星地球局用大電力増幅装置に関する。この際、降雨時/晴天時で電力合成モード/単管動作モードの切り替え、送信出力の増減の制御するために、地球局から衛星へのビームが通過する真下の地点での複数の降雨計の降雨減衰量をモニターし、降雨減衰の小さな晴天時には、１本のＴＷＴのみ動作する単管動作モードように切り替え、降雨減衰が大きくなった場合は、２本のＴＷＴを合成して使用する電力合成モードとなるように制御する。これにより、ほとんどの時間率で、単管動作モードとなり、ＨＰＡ装置の低コスト化、長寿命化、使用商用電力の低減化、他方式への電波干渉量の削減などの各種の特徴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、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、トランジスタ増幅器などの高価な送信電力装置が必要となる。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、安価なサービスを提供するためのネックとなっていた。
また、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必要がある。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。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おり、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。
【０００３】
また、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、寿命の点で不利である。
【０００４】
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、降雨減衰が大きく回線断となる時間率は、年間の０．５％程度(多くても約１％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。(地域、年によって若干異なる)
このことは、従来の回線設計では、約０．５％/年(約４０時間)の降雨の大きい時間以外、例えば、１年間のほぼ約９９．５％(余裕を見込んでも約９９％/年)は、回線設計的には必要の無い無駄な電力をＨＰＡ装置が放射していたことになる。
【０００５】
この事実に着目すると、晴天時は、ＨＰＡ装置の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であることになり、本発明では、この原理を活用したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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。
【０００７】
【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。
【０００８】
【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】
【０００９】
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、装置コストの両方を考慮した低コスト化設計が必要となる。これに対応するために、アンテナの無追尾化、ＨＰＡの低コスト構成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、サイズなどで、ヘリクス型ＴＷＴが有利であることが文献、具体的装置実績等の調査から導かれた。
【００１０】
装置出力１５０Ｗの値を、小型化可能なＴＷＴを使用して実現しようとしたが、ＴＷＴ単管の出力は、１００Ｗが限界で、ＴＷＴが使用できないとなると、高価で大型なクライストロン型ＨＰＡ装置を使用する必要がある。
この発明では、この問題の解決策のために、2本のＴＷＴを合成して大きな送信出力を得る形式を考えている。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採用していることである。これにより、ＴＷＴの長寿命化、消費電力の低減化などの効果が発生した。
【００１１】
さらに、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、ＴＷＴの単管出力を、例えば、１００Ｗから１０Ｗに序序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)ヘリクスを使用するヘリクス型ＴＷＴを使用したことによる結果である。一方、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。
本発明での降雨減衰に応じてＨＰＡ装置出力値を変更する方法が必要となる。この発明では、衛星ビームのほぼ真下の地上、約４ｋｍの範囲に亘って設置した降雨計で降雨量を測定し、この値がＫｕ帯、Ｋａ帯などの周波数帯での回線断に近い降雨減衰量に相当する値に達したときに、２本合成の電力合成モードとして動作させ、フルパワーを発生するように構成する。
一方、降雨減衰の小さい晴天時には、回線品質を確保できる程度の低電力でのＴＷＴ1本動作の単管動作モードで動作させ、再び、降雨により降雨減衰が大きくなり、回線断規格に近付いたときに、ＴＷＴ２本の電力合成モードとし、フルパワーを送信することで、回線品質を確保する。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本の単管動作モード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】
【００１２】
（１）軽量、小型、低コストのＨＰＡの開発
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の既製品があるが、これは非常に大型であり、ビル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た軽量、小型、低コストのＨＰＡの開発が必要である。
【００１３】
（２）降雨減衰に対応したＨＰＡ装置の単管動作モード/電力合成モードの切り替え方法の開発
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
（１）軽量、小型、低コストのＨＰＡの実現方法
図３は、本発明の出力部に切り替え器を付加した構成とし、単管動作モードに切り替えたときに電力合成器８を通過することによるＨＰＡ送信出力の大幅な減衰を防止した、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。
本発明は、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。
【００１７】
具体的なＫａ帯でのＨＰＡ装置例として、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検討結果から明らかとなった。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であった。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、少なくとも１５０Ｗ出力を実現している。(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）降雨減衰に対応したＨＰＡ装置の単管動作モード/電力合成モード切り替え方法
降雨減衰に対応したＨＰＡ装置の単管動作モード/電力合成モード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。
この原理は、Ｋｕ帯、Ｋａ帯などの周波数帯での降雨減衰は、約４ｋｍ上空の零度層２６と称される気温が０℃の層から下の領域で、氷が雨に変化した位置で水滴に電波が吸収、散乱され大きな信号減衰が発生することを利用している。すなわち、日本での静止衛星への仰角はほぼ４５度であるのでの電波ビーム通路（約６ｋｍ）に亘って降雨減衰が発生し、それより上空の氷の部分では減衰が非常に小さく、さらに上空では減衰はゼロであると考えて良い。このことは、降雨減衰の発生する地点は、地上では地球局から約４ｋｍの範囲で発生することになる。
【００１８】
このことを勘案して、地球局２３から地上約４ｋｍの範囲の衛星ビーム２２のほぼ真下の位置における降雨量を降雨計２７，２８，２９で測定することで、衛星回線の衛星ビーム２２上で発生した雨雲２５による降雨減衰量を予想することが可能である。なお、強風で雨の地上位置と減衰を与える衛星ビーム上の点がずれることも考えられるが、降雨は、約３ｋｍ程度の広いセルで移動して行くので、地上位置での降雨量から推定した減衰量と、衛星ビーム２２上の減衰量の大幅な差は少ないと仮定しても良いと考えられる。
【００１９】
以上の原理から、図４に示すように、地球局アンテナ23から、衛星方向に約４ｋｍ前方までの範囲内の地上位置の複数箇所に設置された降雨計27，28，29の降雨量をモニターし、これを降雨量収集装置２８に収集し、有線または無線回線で構成されたネットワーク31を経由して、地球局の内部のレベル変換器32でデジタル対応レベルに変換し、これをアナログ/デジタル変換機33でデジタル信号に変換し、制御装置34でこのレベルを判定し、必要な制御信号を発生し、ＨＰＡ装置35を制御し、電力合成モード/単管動作モードの切り替え、送信出力の増減の制御することで、降雨減衰量に対応した適切な送信を実現する。
制御装置34では、動作するＴＷＴの本数(１本/２本)、ヘリクス電流などを制御する制御信号を発生し、この制御信号を図3の切り替え器９，１０に加えて、端子Ｂと端子Ｃに切り替え、第一増幅器５と第二増幅器６を動作管として選択し、ヘリクス電流制御によるＨＰＡ装置の送信電力を増加する制御方法を行うことで、最大出力約１５０Ｗを出力する。
【発明の効果】
【００２０】
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年の約９９．５％(余裕を見て、約９９％)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、図４に示すように、降雨量収集装置30で検出された降雨量に応じて、快晴で、降雨減衰がなく信号レベルが十分大きいときには、ＨＰＡ装置３５の第一増幅器５のヘリクス型TWTの一本のみＯＮ（通電）し、第二増幅器６はＯＦＦ（停波）した状態とする。さらに、ＨＰＡ装置３５の出力は、１００Ｗではなく、ヘリクス電流を低下させることで、約１０ｄＢ低い出力である約１０Ｗ程度の出力としても、十分回線特性が満足できることになる。
一方、制御装置34での衛星入力信号レベルが、降雨減衰により減衰し、回線断となる閾値近くのレベルとなったと判断されたときには、ＨＰＡ装置３５の第一増幅器５と第二増幅器６のヘリクス型TWTを通電し、レベルに応じて、出力電力制御装置３４により制御を行い、ＨＰＡ装置３５の出力レベルを増減する構成となっている。
【００２１】
これにより、晴天時には、第一増幅器５のみの動作であるので、以下のシステム的効果が考えられる。
（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。当時の技術では、１５０Wを単管で実現するのは難しかったが、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を実現するHPA方式を考案したことにより、目標とした１５０W出力のHPA装置が実現された。
(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、商用電源の消費電力は大幅に減少でき、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)で問題となっている、人類の有限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することになる。
（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、所要の回線品質を確保した回線が実現でき、これに本発明のHPA装置が寄与でき、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）１００Ｗの2本並列合成動作方式により、晴天時には単管のみを使用し、５０Ｗ程度の出力とし、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 が実現でき、平常時の地球局施設の消費電力の低減に寄与できる。
（１０）ヘリクス型TWT はクライストロンに比較して小型であり、この使用によりHPA装置を小型化することが可能となる。これにより、ＨＰＡ装置をアンテナの直下に配置でき、LNAもアンテナ直付けが可能となり、給電損失を大幅に削減でき、HPA装置の実効放射電力（EIRP)、LNAの雑音指数の特性改善が可能となった。
(１１)このような小型、低コスト、降雨減衰に対応した電力可変ＨＰＡ装置を使用することで、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が可能となり、これにより、衛星通信システムと他システムとの経済性比較において、十分比較に耐えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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】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】
【００２３】
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単管動作モードとなるように制御し、ＨＰＡ装置の出力を１０W程度の低出力とし、降雨時で大きな回線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。
降雨時/晴天時で電力合成モード/単管動作モードの切り替え、送信出力の増減の制御するために、地球局アンテナ23から、衛星方向に約４ｋｍ前方までの範囲内の地上位置の複数箇所に設置された降雨計27，28，29の降雨量をモニターし、降雨減衰の小さな晴天時には、１本のＴＷＴのみ動作する単管動作モードように切り替え、降雨減衰が大きくなった場合は、２本のＴＷＴを合成して使用する電力合成モードとなるように制御する。これにより、ほとんどの時間率で、単管動作モードとなり、ＨＰＡ装置の低コスト化、長寿命化、使用商用電力の低減化、他方式への電波干渉量の削減などの各種の特徴を実現するものである。
【実施例】
【００２４】
Ｋｕ帯、Ｋａ帯での一般的な固定衛星用地球局構成の一例において、回線品質、搬送波信号電力帯雑音電力比（Ｃ／Ｎ）は、各部品の電気的特性によって回線設計されて決定される。一方、システムコストは、アンテナ、ＨＰＡ装置，ＬＮＡ，変調器・復調器(例えば、時分割多元接続装置など)の各装置コストの和で決定される。このような状況を勘案して、所要Ｃ／Ｎを満足し、コスト最小の最適設計を行うために、以下の要素を勘案して決定する。
（１）アンテナは、アンテナ直径が大きくなり追尾機能必要となると、コストは大幅に増加するために、無追尾アンテナとすることが望ましい。例えば、Ｋａ帯では、３ｍφ以下とすることが望ましい。
（２）ＬＮＡは、ＨＥＭＴを使用したものが現在の技術では最適であり、このコストは、雑音温度１００Ｋ程度が実現されており、大幅にコストには影響しない。
（３）ＨＰＡの構成方法としては、管種としてクライストロンとＴＷＴを使用する方法があるが、クライストロンは、部品点数が多く、調整が難しく、非常に高価である。これに比べて、ＴＷＴの中でも、空洞結合型TWTに比較して、ヘリクス型TWTは、各国の衛星の最終段の送信管として多数製作され、搭載管として実用化されている実績があり、部品点数もクライストロン、空洞結合型TWTに比べて少ないために、製作コストも安価である特徴を生かすことで、ヘリクス型TWTの採用がコスト最小の最適設計となる。
【００２５】
これらの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、例えば、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１５０Ｗを達成するためのブレークスルーが必要である。
【００２６】
本発明では、２本の増幅管を電力合成する電力合成型衛星地球局用大電力増幅装置を採用する。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。
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を経由して、電力分配器７で分配し、第一増幅器５，第二増幅器６の２本で増幅する構成とする。
降雨減衰の大きなときに使用する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。
【００２７】
一方、晴天時で、信号減衰の少ない場合は、第一増幅器５のみに通電する構成とし、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の可能な電力を出力することが可能となる。
【００２８】
降雨減衰に応じてどのようにＨＰＡ装置の出力値を制御する方法が問題であるが、本発明では、衛星ビームの真下の地上に設置した複数個の降雨計で降雨量を測定し、この値がＫｕ帯、Ｋａ帯などでの回線断に近い降雨減衰量に相当する値に達したときに、電力合成モードとして動作させ、フルパワーを発生するように構成する。一方、降雨減衰の小さい晴天時には、回線品質を確保できる程度の低電力でのＴＷＴ1本動作する単管動作モードとし、必要な回線品質を達成する。
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に示すように、地球局アンテナ23から、衛星方向に約ｋｍ前方の地上位置の複数の箇所に設置された降雨計27，28，29の降雨量をモニターし、これを降雨量収集装置30に収集し、有線または無線回線で構成されたネットワーク31を経由して、地球局の中のレベル変換器32でデジタル対応レベルに変換し、これをアナログ/デジタル（Ａ／Ｄ）変換機33でデジタル信号に変換し、制御装置34でこのレベルを判定し、必要な制御信号を発生し、ＨＰＡ装置35を制御し、電力合成モード/単管動作モードの切り替え、送信出力の増減の制御を実行することで、降雨減衰量に対応した適切な送信を実現する。
具体的には、例えば、Ｋｕ帯またはＫａ帯などの周波数帯で、理論的・実験的に得られている降雨量対降雨減衰量のカーブから求められる回線設計に必要な減衰量の閾値(例えば、降雨マージンの残余が２ｄＢ、降雨量が１０ｍｍ/hなど)に達したことを検出したときに、単一ＴＷＴの単管動作モードからが２本ＴＷＴの電力合成モードに切り替えることで、単管動作モード/電力合成モードの切り替えを行うことが可能となる。
制御装置34では、動作するＴＷＴの本数(１本/２本)、ヘリクス電流などを制御する制御信号を発生し、この制御信号を図3の切り替え器９，１０に入力し、端子Ｂと端子Ｃに切り替え、第一増幅器５と第二増幅器６を動作管として選択し、ヘリクス電流制御によるＨＰＡ装置の送信電力を増加する制御方法を行うことで、最大出力約１５０Ｗを出力する。雨雲２５が移動し、降雨減衰が減少することが検出されると、上述の逆の制御を行い、晴天時には約1/１０の出力電力に減少する単管動作モードように制御する。
【００２９】
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５のような３端子切り替え器１２を採用することでこの問題が解決できる。
図５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、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】
【００３０】
（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帯のＨＰＡ装置にも応用できる。
（２）Ｋｕ帯のヘリクス型TWTは、Ｋａ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、大型の放送衛星用地球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。
（５）常に２本のＴＷＴを動作する従来方法に比較して、本発明では、ほとんどの時間帯で単管動作モードであるために、ＴＷＴの寿命が延びるだけでなく、使用する消費電力が減少でき、排出される温暖化ガスの減少に寄与し、地球環境の保護が可能となる。
【符号の説明】
【００３１】
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：衛星ビーム、２３：地球局アンテナ、２４：給電分波系、２５：雨雲、２６：零度層、27，28，29：降雨計、30：降雨量収集装置、３０：ネットワーク、32：レベル変換器、33：Ａ／Ｄ変換器、34：制御装置、35：ＨＰＡ装置
【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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