(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
いくつかのエリアに分割されたテリトリをカバーするための通信システムの静止衛星用受信（または送信）アンテナであって、各エリア向けのビームが、反射器の焦点面の近くに配置された複数の放射要素またはソースによって画定されるとともに、エリアの位置を変更するための手段、またはアンテナの指向誤りを修正するための手段を備え、少なくとも１つの第１バトラーマトリックス（５０ｊ）を含み、前記マトリックスの各入力（または出力）が放射要素（２２ｋ＋１、．．．、２２ｋ＋８）に接続され、各出力（または入力）が増幅器（６２ｋ＋１）および移相器（８４ｋ＋１）を介して逆バトラーマトリックス（５４ｊ）の対応する入力に接続されるとともに、逆バトラーマトリックスの出力（または入力）がビーム形成ネットワークに連結されており、移相器がエリアを変位させるか、または指向誤りを修正するとともに、第１マトリックス又は逆バトラーマトリックスのいずれか一方が、各放射要素が受けたエネルギーを、増幅器群に分配して、１つの増幅器の故障の効果がすべての出力信号に均一に配分されるようにしており、
少なくとも２つのバトラーマトリックス（Ｍ１、Ｍ２）を含み、前記少なくとも２つのバトラーマトリックス（Ｍ１、Ｍ２）は、複数の放射要素に接続された入力（または出力）を有し、少なくとも１つの放射要素（２２ｑ）が、第１マトリックス（Ｍ１）の入力および第２マトリックス（Ｍ２）の入力に接続されている、アンテナ。
【請求項２】
各バトラーマトリックスが、同数の入力と出力とを有することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
増幅器の利得を等化するための減衰器（８６ｋ＋１）が、各増幅器および各移相器と直列に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ。
【請求項４】
２つのバトラーマトリックスに連結された放射要素が、これら２つのマトリックスの入力（または出力）に、３ｄＢカプラ（１４２）で接続されており、逆バトラーマトリックスの対応する出力（または入力）に同様のカプラ（１４４）が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項５】
マトリックスに連結された増幅器が故障した場合に、２つのマトリックスの出力信号を均質化するために、各増幅器と移相器が、他方のバトラーマトリックスの出力信号を減衰させる減衰器（８６ｋ＋１）を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項６】
例えば９０°カプラ（８８、９０）によって連結された、並列の増幅器（６２ｋ＋１、６２’ｋ＋１）が、第１バトラーマトリックスの各出力（入力）と逆バトラーマトリックスの対応する各入力（出力）の間に設けられることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項７】
移相器が、角度偏差を修正し、同時にすべてのビームを再指向するために、第１バトラ−マトリックスの位相前面の勾配を変更することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項８】
第１バトラーマトリックスが、送信周波数バンドを消去するためのフィルタシステムを含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の受信用のアンテナ。
【請求項９】
逆バトラーマトリックスと前記ビーム形成ネットワークが、単一のシステムを形成することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項１０】
各増幅器と直列の減衰器が、３ｄＢ未満のダイナミックレンジを有することを特徴とする請求項３または５に記載のアンテナ。
【請求項１１】
バトラーマトリックスが、８次マトリックスまたは１６次マトリックスであることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項１２】
前記第１バトラーマトリックスは、平行な面内に配置された第１の組のバトラーマトリックスと、前記第１の組のバトラーマトリックスに接続され、前記第１の組のバトラーマトリックスの配置された前記面の方向とは異なる方向の平行な面内に配置された第２の組のバトラーマトリックスとを含み、前記２つの異なる方向において、したがってアンテナによってカバーされるエリアのすべての方向においてエリアの変位または指向誤りの修正を可能にすることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項１３】
第１の組のバトラーマトリックスの配置された前記面の方向と前記第２の組のバトラーマトリックスの配置された前記面の方向が直交していることを特徴とする請求項１２に記載のアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静止衛星上に実装して、広大なテリトリに通信を中継するための通信アンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
送信アンテナと受信アンテナを搭載する静止衛星（ｇｅｏｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  ｓａｔｅｌｌｉｔｅ）は、広大なテリトリ、例えば北アメリカの大きさの領域に通信を提供するために使用され、それぞれのアンテナは、多数の放射要素またはソースを連結した反射器を備えている。通信リソース、特に周波数サブバンドの再使用を可能にするために、カバーする領域はいくつかのエリアに分割され、リソースは様々なエリアに割り当てられて、１つのエリアにあるリソースが割り当てられると、隣接するエリアには異なるリソースが割り当てられるようにする。
【０００３】
各エリアは、例えば数百キロメートルのオーダの直径を有し、その範囲では、エリア中でアンテナから高利得で十分に均質な放射を提供するためには、各エリアを複数の放射要素でカバーしなくてはならない。
【０００４】
図１は静止衛星に搭載されたアンテナでカバーされる領域１０とｎ個のエリア１２１、１２２、．．．、１２ｎを示す。この例では４つの周波数サブバンドｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４が使用されている。
【０００５】
エリア１２ｉは、いくつかのサブエリア、１４１、１４２などに分割される。各サブエリアは、アンテナの一つの放射要素に対応する。図１は、ある放射要素、例えばエリア１２ｉの中心の放射要素１４３は、ただ一つの周波数サブバンドｆ４に対応するのに対して、例えばエリア１２ｉ周辺の放射要素のような他の放射要素は、複数のサブバンドすなわち隣接エリアに割り当てられたサブバンドに連結されていることを示す。
【０００６】
図２は、前述の種類の通信システムための従来技術による受信アンテナを示す。
【０００７】
アンテナは反射器２０と反射器の焦点面の近くに複数の放射要素２２１、．．．、２２Ｎを備える。各放射要素、例えば放射要素２２Ｎが受信する信号は、特に（高電力）送信周波数を消去することを意図して、最初にフィルタ２４Ｎを通過させ、次いで低雑音増幅器２６Ｎを通過させられる。低雑音増幅器２６Ｎの出力における信号は、分波器３０Ｎでいくつかのパートに分割されて、場合によっては各パートごとに違う係数がつけられる。このように分波することの目的は、１つの放射要素で複数のビームの形成に寄与できるようにすることである。したがって、分波器３０Ｎの出力３２１はエリア３４ｐに割り当てられ、スプリッタ３０Ｎの別の出力３２ｉは別のエリア３４Ｑに割り当てられる。
【０００８】
エリアを画定するための分波器３０１、．．．、３０Ｎおよび加算器３４ｐ、．．．、３４ｑは、ビームまたはペンシルビーム形成ネットワークと呼ばれる装置４０の部分である。
【０００９】
図２のビーム形成ネットワーク４０には、各分割器３０ｉの各出力について、移相器４２と減衰器４４が組み合わせられている。移相器４２と減衰器４４は、衛星が望まない変位を生じたときの修正のため、または地上のエリア分布を変更するために、放射ダイアグラムを変更する。
【００１０】
また、各低雑音増幅器２６Ｎには、故障時に代用するために、同じ型の増幅器２６’が連結されている。この目的で、２つのスイッチ４６Ｎ、４８Ｎを設けて、そのような代用ができるようにしている。したがって、故障を検出する遠隔計測手段（図示せず）と交換を実行するための遠隔制御手段（図示せず）を備える必要がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図２に示したタイプのアンテナシステムには、多数の低雑音増幅器、移相器、減衰器が含まれる。構成要素が多数になることは、その重量ゆえに衛星にとっては問題である。また、多数の移相器４２と減衰器４４は、信頼性の問題を提起する。
【００１２】
本発明は、低雑音増幅器、移相器、減衰器の数を大幅に低減する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この目的で、本発明による受信アンテナは、
マトリックスの各入力が１つの放射要素からの信号を受信し、各出力が１つの移相器と直列に、好ましくは減衰器とも直列に低雑音増幅器に連結されている、少なくとも１つの第１バトラー（Ｂｕｔｌｅｒ）マトリックスと、
第１のバトラーマトリックスの逆行列であって、第１バトラーマトリックスの出力数と同数の入力を有し、かつ第１バトラーマトリックスの入力数と同数の出力を有し、出力がエリアビームを形成するために組み合わされている、第２バトラーマトリックスと、
移相器を制御するための制御手段と、適用可能なところでは、ビームを修正または変更するための減衰器を含む。
【００１４】
３ｄＢカプラからなるバトラーマトリックスでは、各出力の信号は、すべての入力信号の組み合わせであるが、様々な入力からの信号は、各入力ごとに異なる特有の位相を有しており、したがって入力信号は、逆バトラーマトリックスを通過し、次いで増幅、移相、適用可能な場合は減衰の処理の後で、一体的に再構成できる。
【００１５】
第１バトラーマトリックスの出力数は、入力数に等しいことが好ましい。この場合には、低雑音増幅器の数は放射要素の数と等しくなるが、従来技術では、図２に示すように、低雑音増幅器の数は放射要素の数の２倍である。さらに、移相器の数も放射要素の数に等しいのに対して、従来技術では、放射要素の出力信号が分波され、ビーム形成ネットワークチャネルのそれぞれに移相処理と減衰処理４２、４４が適用されるために、移相器と減衰器の数は大幅に大きい。
【００１６】
移相器を低雑音増幅器と直列に制御して、ビームの修正と変更を行うことは、本発明による受信アンテナでは、特に簡単である。
【００１７】
バトラーマトリックスを用いているために、１つの低雑音増幅器が故障すると、すべての出力で信号が均一に減少する。
【００１８】
増幅器が故障したときの出力信号に与える影響を緩和するために、一実施形態では、第１バトラーマトリックスの各出力に連結した低雑音増幅器には、複数の（例えば１対の）増幅器を並列に、例えばカプラによって相互接続して設ける。この場合には、増幅器対の１つだけが故障することによる劣化は、単一の増幅器が各出力に連結されている場合の劣化の半分またはそれより少なくなる。
【００１９】
８次のバトラーマトリックスを、その各出力に１対の増幅器を並列に連結して用いると、劣化は−０．５６ｄＢに等しいことを示すことができる。１６次バトラーマトリックスを、第１バトラーマトリックスの各出力に１対の増幅器を連結させる場合には、劣化は−０．２８ｄＢとなる。
【００２０】
一実施形態では、連結された複数の２次元マトリックス、例えば異なる面にあるマトリックスを用いることにより、各２次元マトリックスの次数をｎとすると、放射要素から受信された各信号はｎ×ｎ個の低雑音増幅器に分配されるようになる。１例としてｎ＝８とすると、この場合には１つの放射要素が受信するそれぞれの信号は、６４の低雑音増幅器に分配される。この例では、ただ１つの増幅器が各出力に連結されているとすると、１つの増幅器の故障がもたらす損失は、わずか−０．１４ｄＢである。
【００２１】
本発明は、同様の構造を有する送信アンテナにも同等に適合する。この場合には、第１バトラーマトリックスの入力は送信すべき信号を受信し、第２バトラーマトリックスの出力は放射要素に接続される。もちろん、送信アンテナには、低雑音増幅器の代わりに電力増幅器を用いる。
【００２２】
送信および受信に適合する一実施形態では、バトラーマトリックスの１つとビーム形成ネットワークが単一のデバイスを構成する。
【００２３】
送信パワーをすべてのパワー増幅器に分配するために送信アンテナに２つのバトラーマトリックスを有する構造を使うことは、すでに従来技術において知られているが、これらの従来技術のアンテナでは、ビームは図２を参照して受信アンテナについて説明した方法で修正または再構成される。したがって、送信アンテナについては、本発明は移相器の数と、適用可能な場合は、減衰器の数を低減するとともに、これらの制御を簡単にする。さらに、受信アンテナについては、前述したように、本発明は低雑音増幅器の数を低減する（従来技術の受信アンテナと比較して）。
【００２４】
１対のバトラーマトリックスはそれぞれ、数エリアに対応するのが好ましい。すべてのエリアに単一のバトラーマトリックスを提供することも可能ではある。しかし、製造を簡単にするには、複数のバトラーマトリックスを用いるのが好ましい。この場合には、いくつかの放射要素を２つの異なるバトラーマトリックスに割り当てることができる。この場合、バトラーマトリックス対の一方に連結された増幅器が故障すると、対応するバトラーマトリックスに連結されたすべてのビームの信号が劣化する。これに反して、同じバトラーマトリックス対について増幅器が故障しない場合には、第２マトリックス対のサブエリアについては減衰がないが、第１マトリックス対に対応するサブエリアは減衰を受けることになる。
【００２５】
この欠点を改善する目的で、発明の一実施形態では、送信および受信パワーを均質化するために、少なくとも１つの増幅器が故障したマトリックスに隣接するバトラーマトリックスに連結されている減衰器を制御する。
【００２６】
したがって、本発明は、いくつかのエリアに分割された領域をカバーする通信システム用の静止衛星搭載の受信（または送信）アンテナであって、各エリアのためのビームを、反射器の焦点面の近くに配置された複数の放射要素またはリソースで画定し、エリアの位置を変更したり、指向誤りを修正したりするように適合化されているアンテナに関する。
【００２７】
アンテナの特徴は、少なくとも１つの第１バトラーマトリックスを含み、マトリックスの各入力（または出力）が１つの放射要素に接続されており、かつマトリックスの各出力（または入力）が増幅器と移相器を介して逆バトラーマトリックスの対応する入力に接続されていること、逆バトラーマトリックスの出力（または入力）がビーム形成ネットワークに連結し、さらにエリアを転位させたり、指向誤りを修正するために移相器を制御するとともに、第１マトリックスと逆バトラーマトリックスが、各放射要素から受信したエネルギーをすべての増幅器に分配し、１つの増幅器の故障がすべての出力信号に均一に分布するようにすることである。
【００２８】
各増幅器および各移相器と直列に、増幅器の利得を等化するための減衰器を備えることが好ましい。
【００２９】
一実施形態では、アンテナが、入力（または出力）が放射要素に接続された少なくとも２つのバトラーマトリックスを含むとともに、少なくとも１つの放射要素を、第１バトラーマトリックスの入力の１つと第２バトラーマトリックスの入力の１つに接続する。
【００３０】
この場合は、２つのバトラーマトリックスに連結された放射要素は、３ｄＢカプラを介して２つのマトリックスの入力（または出力）に接続されるとともに、対応する逆バトラ−マトリックスの出力（または入力）に１つのアナログカプラを設けるのが好ましい。
【００３１】
各増幅器と移相器と直列に１つの減衰器を設けることもできる。この場合は、マトリックスに対応する１つの増幅器が故障すれば、２つのマトリックスの出力信号を均質化するために、減衰器が他のバトラーマトリックスの出力信号を減衰させる。
【００３２】
一実施形態では、第１バトラーマトリックスの各出力（または入力）と逆バトラーマトリックスの対応する各入力（または出力）との間に、増幅器を並列に設け、例えば９０°カプラで連結される。
【００３３】
角度誤差を修正するとともに、すべてのビームを同時に指向しなおすために、移相器は、第１バトラーマトリックスの出力信号の位相前面の勾配を変更するのが好ましい。
【００３４】
逆バトラーマトリックスとビーム形成ネットワークは、単一のシステムを構成するのが有利である。
【００３５】
減衰器が各増幅器と直列に設けられるときは、増幅器は３ｄＢ未満のダイナミックレンジを有することが好ましい。
【００３６】
バトラーマトリックスは、例えば８次または１６次のマトリックスである。
【００３７】
一実施形態では、アンテナは、平行な面内に配置された第１バトラーマトリックスの第１のシリーズと、第１シリーズとは異なる方向、例えばそれに直交する別の平行な面内に配置された第１バトラーマトリックスの第２のシリーズを含むことにより、２つの異なる方向において、したがってアンテナによってカバーされるエリアのすべての方向において、エリアの変位、または指向誤りの修正を可能にする。
【００３８】
本発明のその他の特徴と利点は、添付の図面を参照して示した、以下の発明の実施形態から明らかになるであろう。
【００３９】
【発明の実施の形態】
図２に示すアンテナのように、図３に示す受信アンテナは、１つの反射器（図３に示さず）と反射器の焦点エリア付近に配置された複数の放射要素２２１、．．．、２２Ｎを備える。
【００４０】
図３の例では、受信アンテナは複数のバトラーマトリックス５０１、．．．、５０ｊ、．．．、５０ｐを備える。マトリックスはすべて同一であり、同数の入力と出力を有する。
【００４１】
各入力は１つの放射要素から信号を受け取る。したがってバトラーマトリックス５０ｊには、５２１から５２８まで８つの入力があり、入力５２１は放射要素２２ｋ＋１から信号を受信する。入力５２８は、放射要素２２ｋ＋８から信号を受信する。一実施形態では、放射要素２２ｋ＋１から２２ｋ＋８は、１つのエリアすなわち１つのビームに割り当てられる。しかし、前述したように、これらの放射要素のいくつかは、隣接するエリアでの他のビームの形成にも関わっている。
【００４２】
バトラ−マトリックス５０ｊの各出力は、フィルタと低雑音増幅器を介して逆バトラーマトリックス５４ｉの対応する入力に接続されている。図３は、マトリックス５０ｊの第１出力５６ｋ＋１とマトリックス５０ｊの最後の出力５６ｋ＋８に対応する低雑音増幅器とフィルタのみを示している。したがって、マトリックス５０ｊの出力５６ｋ＋１は、フィルタ６０ｋ＋１と低雑音増幅器６２ｋ＋１とを直列に経由して、マトリックス５４ｊの入力５８ｋ＋１に接続されている。フィルタ６０ｋ＋１の機能は、送信信号を消去することである。フィルタは、特にマトリックスが導波路技術で実装された場合には、マトリックス５０ｊの一部になることもある。
【００４３】
バトラーマトリックス５４ｊの伝達関数はマトリックス５０ｊの伝達関数の逆関数である。マトリックス５４ｊは、マトリックス５０ｊの出力数に等しい入力数を有し、マトリック５０ｊの入力数に等しい出力数を有する。
【００４４】
様々な逆バトラーマトリックス５４ｊの出力は、ビーム形成ネットワーク６６を介してビーム６４１、．．．、６４ｓの出力に接続されている。
【００４５】
バトラーマトリックスは、後に説明するように、３ｄＢカプラからなり、入力に入った信号は、Ｍを出力の数とすると、１出力ごとに２π／Ｍだけ位相をずらせて、すべての出力に分配される。マトリック５４ｊが、マトリックス５０ｊの逆関数を有するので、マトリックス５０ｊの特定の入力からの信号は、フィルタリングおよび増幅を行った後、マトリックス５４ｊの対応する出力で、見い出すことができる。
【００４６】
マトリックス５０ｊの各出力５６は、同じマトリックスのすべての入力信号を表す信号を配信する。この場合には、低雑音増幅器６２の１つまたは複数が故障すると、対応するエリアについてビームの均質性の欠陥をもたらすことはないが、そのかわり放射要素２２ｋ＋１から２２ｋ＋８に対応するすべてのエリアの均質な電力低減をもたらす。
【００４７】
１つの増幅器が故障すると、マトリックス５４ｊのすべての出力における信号が、２０ｌｏｇ（１−１／Ｍ）ｄＢだけ減少することを示すことができる。但し、ここでＭはバトラーマトリックスの次数、つまりこの例ではＭ＝８である。しかし、マトリックス５４ｊの負荷の損失は無視できるので、アンテナのＧ／Ｔパラメータの劣化は、この値の半分、すなわち１０１ｏｇ（１−１／Ｍ）となる。この理由は、支配的なノイズが低雑音増幅器の出力で拾われたノイズであり、故障した増幅器は、ノイズの原因となることはなくなり、全ノイズパワーがファクタ（１−１／Ｍ）だけ低減されるためである。
【００４８】
このような条件下では（８次のマトリックスについては）、１つの低雑音増幅器が故障すると、Ｇ／Ｔ比の劣化は−０．５６ｄＢ、またはＭ＝６の場合の劣化は−０．２８ｄＢとなる。前記の数字は、図５を参照して以下に説明するように、各増幅器が１対の増幅器からなり、「増幅器の故障」という表現が１対の増幅器の１つだけを指すという仮説に対応するものである。
【００４９】
１つの低雑音増幅器が故障すると、出力信号間の分離も劣化する。したがって、故障前に入力信号が完全に分離されている、そして出力信号も完全に分離されている場合には、１つの増幅器の故障後は、２つの出力間の分離は２０ｌｏｇ（Ｍ−１）ｄＢ、すなわちＧ＝８ならば１７ｄＢ、Ｇ＝１６ならば２３．５ｄＢとなる。
【００５０】
前記の値は、従来手法の計算を用いて得た理論値である。しかし、適切な技術、例えばコンパクトな導波路分配器を用いれば、損失および誤りは低く、実際に得られる結果は計算に一致する。
【００５１】
一実施形態では、逆マトリックス５４ｊとビーム形成ネットワーク６６が単一の多層回路を構成する。これが可能なのは、逆マトリックスとネットワーク６６は同じ技術を用いたプレーナ多層回路で構築するのが好ましく、したがって同一パッケージにできるからである。低雑音増幅器より下流の回路に起因する損失は、上流で生じた損失よりも重要性は低く、導波路回路のかわりにマイクロストリップまたはトリプレート回路を使用することができる。マイクロストリップおよびトリプレート回路はより小型であるが、導波路回路よりもわずかに大きい損失がある。しかし、これは前述のように重要な問題ではない。
【００５２】
図４は、バトラーマトリックスを用いてビームの修正または変更の制御を簡単化した本発明の第３の実施形態を示す。図では、アンテナに対して正常な放射方向７０を鎖線で、例えば衛星の不安定性が原因でアンテナから見て誤った発射方向７２を破線で示してある。
【００５３】
放射方向７０におけるエネルギーは実線図７４に対応し、放射方向７２のエネルギーが破線図７６に対応する。したがって、アンテナの方向が正しくないと、焦点面の放射をシフトさせ、所与の方向から最大のエネルギーを取り込むことを狙いとする放射要素は、強く減衰されたエネルギーを受信する。したがって、このシフトによって、ゲインは大幅に減少し、分離が低化する。
【００５４】
図２を参照して示したアンテナの再指向、すなわちその方向の修正のために、従来技術の解決策では、各放射要素に移相器４２と減衰器４４を割り当て、移相器４２を個々に制御する。また、減衰器が高いダイナミックレンジを有するのは、いくつかのソースを「切」にしたり「入」にしたりできなくてはならないためである。この制約が理由で、低雑音増幅器の利得は高くなくてはならない。また、１つのエリアに割り当てられた放射要素（ソース）の数は、サブエリアの数よりも大きくなくてはならない。例えば、７つの放射要素が公称ダイアグラムを構成すると、再指向を可能にするのにこれらの放射要素で形成されるセプテット（７個組）のまわりに少なくとも１つのリングが必要となる。したがって、１つのエリアへのアクセスごとに１９のソース（７つではなく）を備える必要がある。エリアが正方メッシュを形成し、かつ各エリアについて４つのアクティブソースが備えられると、１つのエリアに対するアクセス数は１６となる。
【００５５】
図２に示した解決方法と比較して、本発明は指向の修正と、地上のエリアの変位を簡略化する。本発明はバトラーマトリックス５０ｊがあることを活用する。出発点は、マトリックス５０ｊの出力において、位相前面８０ｋ＋１は、簡単に所望の位相前面８２ｋ＋１に傾けることが出来るという事実である。これは、各ビームの信号が、対応するマトリックス５０ｊのすべての出力にわたって、所与の位相勾配で配分されているためである。各入力に対応する勾配は、ある固定値、すなわち与えられた次数のマトリックスによって決まる定数によって分離される。この場合には、再指向、すなわち要求された修正を成し遂げるには、マトリックス５０ｊの各出力対応に１つの移相器を備えて、勾配を伸ばすだけで十分である。
【００５６】
図４において、直線セグメント８０ｋ＋１と８２ｋ＋１は、放射要素２２ｋ＋１からの信号に対する出力５６ｋ＋１から５６ｋ＋８までの位相の分布を表している。直線セグメント８０ｋ＋３および８２ｋ＋３は、放射要素２２ｋ＋３からの信号に対する出力の位相の分布に対応しており、直線セグメント８０ｋ＋７および８２ｋ＋７は放射要素２２ｋ＋７によって供給される信号に対するすべての出力についての位相と対応している。これらの図では、慣例によって、出力５６ｋ＋１と、直線セグメント８２ｋ＋１と出力５６ｋ＋１につながる直線セグメントＤｋ＋１との交点Ｐｋ＋１との間の距離が、放射要素２２ｋ＋１からくる信号の出力の位相を表している。同様に、直線セグメント８２ｋ＋１と対応する直線セグメントＤｋ＋２他との交点は、やはり放射要素２２ｋ＋１に対応する信号についての出力における信号の位相を表す。
【００５７】
したがって、出力５６ｋ＋１について、例えば、放射要素２２ｉからくる信号の位相前面を、８０から８２まで修正するためには、位相修正ｄｋ＋１、ｄｋ＋２、．．．、ｄｋ＋８を適用する必要がある。しかし、ｄｋ＋１、ｄｋ＋２、ｄｋ＋３などの値は同一であることがわかる。したがって、共通の値ｄｋ＋１、ｄｋ＋２などを修正するのには、単一の移相器８４ｋ＋１で十分である。
【００５８】
バトラーマトリックス５０ｊによってもたらされる修正は、図中に示した単一の面においてのみ有効である。実際の修正をもたらすためには、バトラーマトリックスは、別の面、例えば図６で示し、以下で説明予定の直角の面にも備えなくてはならない。
【００５９】
本実施例では、この種の移相器８４は、低雑音増幅器５２の下流に設けられる。したがって、図４の移相器８４ｋ＋１は、減衰器８６ｋ＋１を介して増幅器６２ｋ＋１の出力に接続されており、移相器８４ｋ＋１の出力は逆マトリックス５４ｊの対応する入力に接続されている。
【００６０】
この実施形態では、可変減衰器８６を用いて増幅器６２の利得を等化する。これらの減衰器は、後に説明するように、マトリックス５０ｊに結合されたマトリックスに接続されている１つまたは複数の低雑音増幅器が故障したときの補償を提供する。
【００６１】
この実施例においては、送信周波数が受信周波数と干渉するのを防ぐために、バトラーマトリックス５０ｊ中に高域通過フィルタを設ける。このフィルタは、例えばカットオフ周波数が受信バンドと送信バンドの間にある導波路である。
【００６２】
この実施例では、図３を参照して述べたように、逆バトラーマトリックス５４ｊを、ビーム形成ネットワーク６６に統合することも可能である。
【００６３】
図５に示す変形形態では、低雑音増幅器６２は９０°カプラを用いて連結して１対にする。より正確には、増幅器６２ｋ＋１が増幅器６２ｋ＋２と連結されて、９０°カプラ８８が増幅器の入力同士を接続し、別の９０°カプラが増幅器の出力を相互接続する。したがって、１つの増幅器が故障したときには、８次のバトラーマトリックスを用いると損失は０．２８ｄＢであり、これは図５に示す特徴には含まれていないが、バトラーマトリックスが１６次マトリックスである場合と同じ損失である。この理由は、バトラーマトリックスの出力と連結する各増幅器２つを１対にして実装することで、増幅器対の１方が故障したとき、他方の増幅器がまだ作動しているために、パワー損失は半分になるためである。言い換えると、これはバトラーマトリックスの次数を倍にするのと同じ効果がある。
【００６４】
より一般的には、やはり増幅器の故障の影響を低減する目的において、それぞれの出力を複数の増幅器と並列に連結してもよい。この場合、再組み合わせを伴う分波を容易にするために、各出力に対応する増幅器の数は２の累乗となる。
【００６５】
これまで記述した実施例においては、複数のマトリックス５０ｊを用いたが、単一のＭ次のバトラーマトリックスを備えることも可能であり、この場合Ｍは放射要素の数である。しかし、衛星に搭載するためのスペースの制約から、放射要素の数が多いときには、この種のバトラーマトリックスを単一面に搭載することが出来ない。この場合、図６に示すような、２次元配置のバトラーマトリックスを用いる必要があり、このマトリックスは、第１レイヤが８つのバトラーマトリックス９０１から９０８からなり、第２レイヤがマトリックス９０と直交配置されたバトラーマトリックス９２１から９２８からなる、６４次のマトリックスである。
【００６６】
この種の２次元マトリックスの実装は複雑であり、またこのマトリックスはアンテナの雑音温度を含む損失を発生する可能性がある。しかし、この種の２次元マトリックスは、２つの直交面において同時に再指向することが可能であり、より多数の低雑音増幅器を相互接続することで故障の影響を軽減することができる。
【００６７】
一般的に、２つの異なる面において修正を行うことができるためには、マトリックス９０と９２が、２つの直交する面にあることは絶対条件ではない。２つの面が十分離れて異なる方向にあるだけで十分である。１つの例では、隣接するソースの中心が正３角形を形成する配列への接続を容易に行うために、方向が６０°ずれている。
【００６８】
８次および１６次のバトラーマトリックスは４次のバトラーマトリックスから構築される。
【００６９】
図７は４次のバトラーマトリックスを示し、これには２つの入力カプラ９４、９６、および２つの出力カプラ１０２、１０４、および２つの中間カプラ９８、１００を有する、６つの３ｄＢカプラが含まれる。ここで示さない変形形態では、中間カプラ９８と１００の代わりに、クロスオーバが用いられるが、クロスオーバは導波路技術では実装が困難である。
【００７０】
３ｄＢカプラ、例えば入力カプラ１０４は、２つの入力１０４１と１０４２、および２つの出力１０４３と１０４４を有する。１つの入力に適用される信号、例えば入力番号１０４１のパワーは、２つの出力１０４３、１０４４に分配され、この２つの出力信号間にπ／２の位相シフトを生じる。したがって、図７に示すように、入力１０４１の信号Ｓが、出力１０４３で信号Ｓ／√２となり、出力１０４４で信号−ｊＳ／√２となる。入力１０４２のシグナルＳ’は、出力１０４４の信号Ｓ’／√２と出力１０４３での信号−ｊＳ／√２に対応する。
【００７１】
入力１０４１での信号は、４次バトラーマトリックスの４つの出力、すなわちカプラ９４と９６のそれぞれの出力９４３、９４４、および９６３、９６４で取得される。信号ｊＳ／２は出力９４３で取得され、信号−Ｓ／２は出力９４４で、信号−ｊＳｅ−ｊψ／２は出力９６３で、信号Ｓｅ−ｊψ／２は出力９６４で取得される。カプラ９８と１００の間には、移相器１０５によって一定位相ｆが導入される。移相器は、中心チャネルと外側チャネルのガイド長の差を補償するように設定される。したがって、マトリックスは、出力における信号の位相を、正規の勾配にする。
【００７２】
４次のバトラーマトリックスでは、出力信号の位相は、増分９０°で変化する。８次のバトラーマトリックスでは、増分は４５°である。
【００７３】
８次のバトラーマトリックス１２０または１３０（図８）は、２つの４次のマトリックス１２２および１２４から構築され、２つの４次マトリックスの出力は、４つの３ｄＢカプラ１２６１、１２６２、１２６３、１２６４によって組み合わせられる。
【００７４】
１６次のバトラーマトリックス（図８）は、２つの８次マトリックス１２０と１３０から構築され、マトリックス１２０、１３０の出力は、８つの３ｄＢカプラ１３２１から１３２８によって組み合わせられる。
【００７５】
図８に示す１６次マトリックスの行のクロスオーバは、図７の４次マトリクスのカプラ９８および１００と同様の先頭と最後のカプラによって置き換え可能であることを留意されたい。このことは当技術分野で知られている。
【００７６】
この実施例では、バトラーマトリックス５０は、「小型導波路分配器」の技術を利用する。この場合、フィルタリングをマトリックス中に統合して、低雑音増幅器が帯域外の干渉信号によって非線形化されるのを防ぐことが可能である。これは特に、非常に高い送信パワーのために、近くの受信アンテナに必然的に再入力される送信周波数を排除するためのフィルタリングに関係する。
【００７７】
各バトラーマトリックス５０ｊが、１つまたは複数のエリアに対応し、その他のマトリックスは、バトラーマトリックス５０ｊが連結されたエリアでは動作しないことが好ましい。しかし、それぞれのソースが一般に複数の隣接エリアの形成に寄与するために、この条件を満足することはいつも可能とは限らない。この場合、ソース２２ｑ（図９）は、２つの隣接マトリックス５０１、５０２と連結されなくてはならず、マトリックス５０１と５０２のそれぞれの入力１４０１と１４０２に３ｄＢカプラ１４２を介して接続される。同一のカプラ１４４が、逆マトリックス５０’１と５０’２の対応する出力を組み合わせる。
【００７８】
カプラ１４２、１４４もまた、マトリックス５０１、５０’１またはマトリックス５０２、５０’２のどちらかに連結された低雑音増幅器の１つが故障した場合に、２つのマトリックスが共有するソースからくる信号の劣化を制限する。この理由は、そのようなソースに拾い上げられた信号は、２つのマトリックスに等しく分波されるからである。したがって、故障によって影響を受ける部分だけが動作する。
【００７９】
これらのカプラは、マトリックス中の故障によって生じる不均衡を低減（半減）するが、故障時に残される不均衡は一般に許容できるものではない。これが、１つのマトリックス、例えばマトリックス番号５０１に連結された１つの低雑音増幅器が故障した場合に、カプラ１４２、１４４の代わりに、またはそれに加えて、図４に示す減衰器８６を用いて、もう一方のマトリックス５０２の出力信号を、マトリックス５０１と５０２の出力信号がバランスする量だけ、減衰させることの理由である。この減衰量は、３ｄＢカプラなしの入力または出力に対しては２０ｌｏｇ（１−１／Ｍ）ｄＢ、または３ｄＢカプラ１４４に接続された出力に対しては１０ｌｏｇ（１−１／Ｍ）ｄＢでなくてはならない。
【００８０】
減衰処理は、故障が検出された後に自動的に適用される。低雑音増幅器の故障は、例えば低雑音増幅器の下流のダイオード検出器を用いて、その増幅器の電源電流をモニタリングすることによって検出される。
【００８１】
この実施例では、減衰器８６（図４）のダイナミックレンジは狭く、３ｄＢ未満であることを留意されたい。これは、減衰器のダイナミックレンジは原理的に、アンテナを実装した時に、減衰器が様々な低雑音増幅器の利得を等化する機能によって決まるためである。この等化のための、最大のダイナミックレンジは２．５ｄＢである。さらに、隣接するマトリックスの増幅器が故障した時に、マトリックスの出力を再均衡させるのに必要な補償は０．２８ｄＢである。
【００８２】
これまで受信アンテナにだけついて述べたが、構造が似ているが構成が反対の送信アンテナについても、低雑音増幅器の代わりにパワー増幅器を用いることによって、本発明があてはまることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】いくつかのエリアに分割されており、静止衛星に搭載されたアンテナでカバーされるテリトリを示す図である。
【図２】従来技術の受信アンテナを示す図である。
【図３】本発明による受信アンテナの部分を示す構成図である。
【図４】本発明による受信アンテナの部分を示す構成図である。
【図５】本発明によるアンテナの一部の変形形態を示す構成図である。
【図６】６４次のバトラーマトリックスを示す図である。
【図７】４次のバトラーマトリックスを示す構成図である。
【図８】１６次のバトラーマトリックスを示す構成図である。
【図９】本発明の別の特徴を示す受信アンテナの構成図である。
【符号の説明】
１２１、１２２、１２ｎ  エリア
１４１、１４２、１４ｎ  サブエリア
２２１、２２２、２２ｋ＋Ｎ  放射要素
２４１、２４２、２４ｎ  フィルタ
２６１、２６２、２６ｎ  低雑音増幅器
３０Ｎ  分波器
４０  ビーム形成ネットワーク
４４    減衰器
５０１、５０ｊ、５０ｐ  バトラーマトリックス
５４ｊ  逆バトラーマトリックス
６０ｋ＋１  フィルタ
６２ｋ＋１  増幅器
８４ｋ＋１  移相器
８６ｋ＋１  減衰器
８８、９０  ９０°カプラ
１４２  ３ｄＢカプラ
ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４  周波数サブバンド
【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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【図９】
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