(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通信波及び１つのビーコン局からのビーコン波を受信する複数のアンテナ素子と、
前記複数のアンテナ素子に１つずつ組み合わされる複数の増幅器と、
前記複数の増幅器に接続され、各経路毎の振幅及び位相を制御して形成したビームで前記通信波を受信して通信信号を出力する可変ビーム形成回路と、
前記可変ビーム形成回路内に設けられ、前記複数のアンテナ素子と前記複数の増幅器によって得られたビーコン波の信号を合成し、所定の励振分布に沿って出力する付加回路と、
該付加回路に３種類以上の異なるビームパターンを形成するための励振分布を順次入力する励振分布出力回路と、
該励振分布出力回路からの励振分布の入力に応じて出力される該付加回路からの前記ビームパターンの利得の等高線が交わるビーコン位置の基準位置からの方向および両位置間角度に応じた直交するＸ誤差方向及びＹ誤差方向の２軸方向の指向誤差信号を出力するセンサ処理回路と、
を有することを特徴とするフェーズドアレーアンテナの指向方向制御装置。
【請求項２】
異なるビームパターンを形成するための励振分布として、ビーム（参照ビーム）の中心から一定角度離れた計測点において、アンテナゲインと角度との比で表されるセンサ感度が異なる複数のビーム（アレーアンテナの指向性）パターンを形成する励振分布を入力する請求項１記載のフェーズドアレーアンテナの指向方向制御装置。
【請求項３】
異なるビームパターンを形成するための励振分布として、同程度のセンサ感度をビーム（参照ビーム）の中心からの角度が異なる計測点で有する複数のビーム（アレーアンテナの指向性）パターンを形成する励振分布を入力する請求項１記載のフェーズドアレーアンテナの指向方向制御装置。
【請求項４】
前記付加回路には、指向誤差の変動が早い場合には、前記センサ感度の高い前記ビームパターンを形成し、前記指向誤差の変動が遅く且つ変動幅が大きい場合には、前記センサ感度の低い前記ビームパターンを形成する励振分布を入力することを特徴とする請求項２に記載のフェーズドアレーアンテナの指向方向制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
ビーコン電波を使用して対象アンテナの主ビーム照射方向を所定の方向に高精度に指向させる技術であり、人工衛星に搭載するアンテナ、合成開口アンテナ、および船舶に搭載するアンテナ等に用いられるフェーズドアレーアンテナに関連する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に従来のアンテナ指向方向制御装置の構成の例を示す。本例は衛星に搭載されたアンテナの高精度指向方向制御を目的としている。このアンテナが照射する地上の所定エリアにはこの衛星を介して通信する通信局６−１および通信局６−２が配置され、これらの局から通信波９−１および９−２がそれぞれ放射されている。
【０００３】
また，この衛星搭載アンテナの所定エリアには同じ衛星に向けてビーコン波８が地上のビーコン局７から放射されている。衛星に搭載された機器構成において、１−１、１−２、１−３、１−４、１−ｎはアンテナ給電部のｎ個のアンテナ素子で、１−１から１−４の４アンテナ素子は通信波９−１および９−２の受信用兼アンテナ指向誤差検出用のアンテナ素子である。
【０００４】
２−１はアンテナ素子で受けた該通信波とビーコン波８を同時に受信したアンテナ索子１−１の信号を通信信号１０−１と指向方向検出に使用するセンサ信号１１−１に分岐させる分波器である。同様に１−２、１−３および１−４のアンテナ素子の出力側にはそれぞれ同じ種類の分波器が設けられている。
【０００５】
指向誤差検出に使用しない１−ｎを含む他のアンテナ素子についてはその出力がそのまま通信信号１０となる。３は４つのセンサ信号から固定のビームバターンを形成するセンサ用ビーム形成回路で、４は該センサ用ビーム形成回路の出力を増幅するセンサ用低雑音増幅器、５は直交２軸方向の指向誤差信号Ｘ１２−１およびＹ１２−２を生成するセンサ処理回路である。
【０００６】
図６は従来の指向方向誤差の検出方法を説明する図である。同図において、数字符号１−１から１−４の４アンテナ素子は方形状の形状で、２素子が１組となって相対向し、かつ２素子の中心線が直交するように９０度間隔に配置されている。１３−１は該直交する中心線の１つのＸ誤差方向で、該方向の誤差が指向誤差信号Ｘ１２−１としてセンサ処理回路からの出力で得られる。同様に１３−２はＹ誤差方向でこの方向の誤差が誤差信号Ｙ１２−２としてセンサ処理回路からの出力で得られる。
【０００７】
衛星に搭載されているアンテナ素子１−１、１−２、１−３、１−４が正確にビーコン波の到来方向に向いている場合に、ＸおよびＹ方向の誤差信号１２−１および１２−２は０となるように設定すると、衛星の姿勢変動などにより該給電素子の方向がビーコン到来方向からズレた場合は、そのズレた角度に応じて誤差信号Ｘ、Ｙが出力され、２軸の指向誤差が検出できる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
フェーズドアレーアンテナは、ビームの走査が不可欠なレーダで主に地上移動通信用基地局アンテナや高機能化を目指す衛星搭載用アンテナにも使用され始めた。しかしながら衛星搭載用アンテナのように、照射エリア角度が比較的小さくかつアンテナ給電部自体以外の要因で指向方向が大きく損なわれるような場合は、アンテナ利得やアイソレーション等のアンテナ基本性能を大きく劣化させ、最終的には通信性能に問題を生じさせる。
【０００９】
この問題を解決するには、アンテナの照射エリア内に設置されたビーコン局から放射されるビーコン波の到来方向を基準とした制御により高精度に指向方向を制御することが必要で、フェーズドアレーアンテナにおいてもビーコン波に対する指向方向の検出は不可欠となってきている。
【００１０】
このフェーズドアレーアンテナに図５に示した従来の指向方向実施例の構成を適用した場合、全てのアンテナ素子でビーム形成しているフェーズドアレーアンテナの多くのアンテナ素子から４アンテナ素子のみの信号を使用するため、十分な信号対雑音比が確保できず高精度の指向誤差検出が不可能となる。
【００１１】
また、フェーズドアレー給電ではビーム形成のため全ての給電素子の出力信号を両機器間の複数の線路位相を考慮してビーム形成回路に入力する必要から、この線路間位相偏差が問題となり、４線路のみセンサ信号を分岐させることによる位相偏差の増大はアンテナの基本特性の劣化の要因となっていた。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上述のような従来の課題は、前記特許請求の範囲に記載された手段によって解決される。すなわち請求項１の発明は、通信波及び１つのビーコン局からのビーコン波を受信する複数のアンテナ素子と、前記複数のアンテナ素子に１つずつ組み合わされる複数の増幅器と、前記複数の増幅器に接続され、各経路毎の振幅及び位相を制御して形成したビームで前記通信波を受信して通信信号を出力する可変ビーム形成回路と、前記可変ビーム形成回路内に設けられ、前記複数のアンテナ素子と前記複数の増幅器によって得られたビーコン波の信号を合成し、所定の励振分布に沿って出力する付加回路と、該付加回路に３種類以上の異なるビームパターンを形成するための励振分布を順次入力する励振分布出力回路と、該励振分布出力回路からの励振分布の入力に応じて出力される該付加回路からの前記ビームパターンの利得の等高線が交わるビーコン位置の基準位置からの方向および両位置間角度に応じた直交するＸ誤差方向及びＹ誤差方向の２軸方向の指向誤差信号を出力するセンサ処理回路と、を有することを特徴とするフェーズドアレーアンテナの指向方向制御装置である。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１記載のフェーズドアレーアンテナの指向方向制御装置において、異なるビームパターンを形成するための励振分布として、ビーム（参照ビーム）の中心から一定角度離れた計測点において、アンテナゲインと角度との比で表されるセンサ感度が異なる複数のビーム（アレーアンテナの指向性）パターンを形成する励振分布を入力するように構成したものである。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１記載のフェーズドアレーアンテナの指向方向制御装置において、異なるビームパターンを形成するための励振分布として、同程度のセンサ感度をビーム（参照ビーム）の中心からの角度が異なる計測点で有する複数のビーム（アレーアンテナの指向性）パターンを形成する励振分布を入力するように構成したものである。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項２の発明において、前記付加回路には、指向誤差の変動が早い場合には、前記センサ感度の高い前記ビームパターンを形成し、前記指向誤差の変動が遅く且つ変動幅が大きい場合には、前記センサ感度の低い前記ビームパターンを形成する励振分布を入力する構成としたものである。
【００１６】
上述のように本発明は、フェーズドアレーアンテナにおいて、既に通信機器用として準備されている可変ビーム形成回路内に指向誤差検出用のビームパターンを形成できる付加回路を追加する。そして、該付加回路に複数の異なる励振分布を順次入力して指向誤差を検出できる制御ビームパターンを形成し、全てのアンテナ素子で受信したビーコン波を該付加回路に入力し、該付加回路からの出力を用いてセンサ処理回路によって２軸の指向誤差信号を得て、高精度の指向方向制御の実現を図ることを可能にしたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の実施の形態の第１の例を示す。この例は衛星搭載のフェーズドアレーアンテナに本発明を適用した場合を示すもので、請求項１の発明に対応する。同図において、数字符号７は地上に設置したビーコン局、８はビーコン波でこの到来方向を該フェーズドアレーアンテナ指向方向の基準としている。
【００１８】
１−１、１−２、ｌ−ｍはｍ台配置されているアンテナ素子で、同じアンテナ性能においてフェーズドアレーアンテナのアンテナ素子数ｍは従来のアンテナの素子数ｎより大きく、場合によっては１０倍以上となる。４ー１、４−２、４−ｍはｍ台の低雑音増幅器で各アンテナ素子に１台づつ組み合わされている。
【００１９】
数字符号１４はｍ系統全ての該低雑音増幅器の出力信号の位相および振幅を所定の励振分布に沿って位相および振幅を制御してビームを形成する可変ビーム形成回路である。
【００２０】
該可変ビーム形成回路はｍ数の各経路毎に移相器と利得可変器を有して各経路の位相および振幅を制御することにより、複数の異なるビームパターンを形成でき、その形成されたパターンで通信波９−１、９−２を受信することにより、通信信号１０を得る。
【００２１】
１５は該可変ビーム形成回路内に設けられた付加回路であり、該通信信号を得る回路と同様に全ての給電系統の信号を入力して、設定されている励振分布に沿って出力する機能を有している。
【００２２】
１６は異なる複数のビームパターンに対応する位相および振幅の励振分布を送出する励振分布出力回路である。５はセンサ処理回路で可変ビーム形成回路１４から出力される複数のビームパターンでの出力を入力として直交２軸の指向誤差信号を出力する機能を有している。
【００２３】
また、励振分布出力回路とセンサ処理回路は同一ハウジングに実装して１装置とし、励振分布の出力と処理回路への入力の同期をとるとともに、回路全体の軽量化を図る構成も考えられる。
【００２４】
図２は、図１に示した構成のアンテナのビーコン到来波方向に対する指向誤差検出方法の例を示している。同図において、数字符号１７−１、１７−２、１７−３は付加回路に順次入力した励振分布で形成された異なるアンテナパターンにおける参照ビーム１、２、３であり、それぞれのパターンにおける同一アンテナ利得レベルの等高線を表している。
【００２５】
この等高線は、ほぼ円状であり、円の中心から離れるに従って利得が低下している。本説明において、アンテナ給電素子がビーコン到来方向に正確に向いている場合の該３つのアンテナパターン上での利得が丁度３つの円の中心から等しい基準位置２４に位置するとし、実際にビーコン波の各ビームパターンでのビーコン波利得をそれぞれ１８−１、１８−２および１８−３とすると、それぞれの利得の等高線が交わるビーコン位置２５が実際のビーコン波到来方向に当る。
【００２６】
該ビーコン位置の基準位置２４からの方向および両位置間角度に応じたＸ誤差方向１３−１の指向誤差信号ＸとＹ誤差方向１３一２の指向誤差信号Ｙをセンサ処理回路５によって得ることが出来る。また本請求項を適用した別な指向誤差検出方法として、基準位置の周りに４つのビームパターンを形成して相対する２つのパターンによる出力によってＸ誤差方向の指向誤差信号ＸとＹ誤差方向の指向誤差信号Ｙを生成することも可能である。
【００２７】
このようにビーコン波のセンサ信号を全てのアンテナ素子からの出力信号で合成された信号を用いて検出することによりビーコン波の信号対雑音比を増大させて指向誤差検出の際の誤差を抑えて高精度化を図ることができるとともに、任意のアンテナパターンを入力することができるので、汎用性が高く設計変更も容易な構成が実現できる。
【００２８】
さらに、従来のフェーズドアレーアンテナの構成を変更することなく付加回路によって指向誤差の検出を実行させるため、通信アンテナとしての特性に影響を与えることなく実現できる。また、運用中においても指向誤差の検出結果が自由に取得できる。
【００２９】
また、多数のアンテナ素子と、同数の低雑音増幅器から構成されるフェーズドアレー給電において、給電素子から可変ビーム形成回路への線路途中における分波が必要ないため、これによるアンテナ特性劣化が生じない。
【００３０】
図３は本発明の実施の形態の第２の例を示す図であって、請求項２の発明に対応する。同図において、数字符号１３−１はＸ誤差方向、１９はアンテナ利得、２１−１、２１−２および２１−３は指向誤差検出に使用するＸ誤差方向の制御ビームパターン１、制御ビームパターン２および制御ビームパターン３を示している。
【００３１】
また、２０−１は指向誤差を検出する計測点、２２−１、２２−２、２２−３は該計測点における各制御ビームパターンの接線で、Ｘ誤差方向の誤差変化に対する利得の変化を表すセンサ感度１、２および３である。同じ計測点２０−１でセンサ感度が異なる３つの制御ビームを使用することにより、指向方向の誤差要因に応じて３つの制御ビームから最適なものを選択することが可能となる。
【００３２】
よって変動が比較的速い要因についてはセンサ感度の高い制御ビームパターンを選択し、変動は遅いが変動幅が大きい要因に対してはセンサ感度の低いものを選択して制御の最適化を図ることができる。また誤差の主要因が時間的に変化する場合にも制御ビームを入れ替えることにより対応できる。
【００３３】
図４は本発明の実施の形態の第３の例を示す図であって、請求項３の発明に対応する。同図において、数字符号２０−２、２０−３、２０−４はビーム中心からの距離角度が異なる計測点で、制御ビーム２１−４、２１−５、２１−６のそれぞれでの指向方向を検出する位置である。
【００３４】
３計測点に対応する角度にそれぞれビーコン局を設置し、それぞれのビーコン局から異なる周波数のビーコン波を送信することにより、３制御ビームでの計測点近傍で高精度の指向方向誤差を同時に検出できるため、高精度で広い検出範囲を得ることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、フェーズドアレーアンテナでの指向方向制御として通信信号と同様に全てのアンテナ素子からの信号を合成してビームを形成しているので、信号対雑音比を確保して高精度な検出を可能とすることができる。
【００３６】
そして、可変ビーム形成回路内に設けた付加回路に複数の異なる励振分布を順次生成してビーコン波信号を受信してビーコン波到来方向を同定して直交２軸の誤差信号を検出する構成を採っているため、任意なビームパターン形成による誤差検出が可能となり、種々な指向方向制御に適用できる汎用性のある指向誤差検出を実現できる。
【００３７】
また以上のような指向方向制御構成は、従来のフェーズドアレーアンテナの構成を変更することなく組み合わせることができるため、高精度化の要求に応じて容易に実装できる。また追加する付加装置はハード的には通信用の回路と同様な構造であり、設計上追加組み込みに問題が生じることはなく、実現性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の第１の例を示す図である。
【図２】アンテナのビーコン到来波方向に対する指向誤差検出方法の例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の第２の例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態の第３の例を示す図である。
【図５】従来のアンテナ指向方向制御装置の構成の例を示す図である。
【図６】従来の指向方向誤差の検出方法を説明する図である。
【符号の説明】
１−１    アンテナ素子１
１−２    アンテナ素子２
１−３    アンテナ素子３
１−４    アンテナ索子４
１−ｍ    アンテナ素子ｍ
２    分波器
３    センサ用ビーム形成回路
４    センサ用低雑音増幅器
４−１    低雑音増幅器１
４−２    低雑音増幅器２
４−ｍ    低雑音増幅器ｍ
５    センサ処理回路
６−１    通信局１
６−２    通信局２
７    ビーコン局
８    ビーコン波
９−１    通信波１
９−２    通信波２
１０    通信信号
１０−１    通信信号１
１１−１    センサ信号１
１２−１    指向誤差信号Ｘ
１２−２    指向誤差信号Ｙ
１３−１    Ｘ誤差方向
１３−２    Ｙ誤差方向
１４    可変ビーム形成回路
１５    付加回路
１６    励振分布出力回路
１７−１    参照ビーム１
１７−２    参照ビーム２
１７−３    参照ビーム３
１８−１    ビーコン波利得１
１８−２    ビーコン波利得２
１８−３    ビーコン波利得３
１９    アンテナ利得
２０−１    計測点１
２０−２    計測点２
２０−３    計測点３
２０−４    計測点４
２１−１    制御ビームパターン１
２１−２    制御ビームパターン２
２１−３    制御ビームパターン３
２１−４    制御ビームパターン４
２１−５    制御ビームパターン５
２１−６    制御ビームパターン６
２２−１    センサ感度１
２２−２    センサ感度２
２２−３    センサ感度３
【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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