JP4782090B2 - 無線送信機及び無線送信方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信における送信機に関するものであり、特に移動・固定通信の混在する衛星通信において直交する２偏波を使用する地球局技術に属する。

従来の２偏波を使用する無線送信機の構成を図８に示す。本構成は、非特許文献１「社団法人電子情報通信学会発行、衛星通信技術、４版、第８章
地球局技術」に記載されており、偏波毎の入力のそれぞれには、独立した電力増幅器が接続されている。この場合、各偏波に入力される信号の電力配分状況に応じて、電力増幅器の動作レベルが異なる。偏波角の調整については、給電ホーンを回転させる等、物理的な調整を行う。

偏波角誤差に応じて、動的に所望の偏波角を実現する無線送信機の構成を図９に示す。本構成は、非特許文献２「小西他、ブロードバンド航空衛星通信用アンテナ、電子情報通信学会論文誌、Vol.J88-B, No.9, pp.1613-1623」に記載されており、１つの送信信号に対して、電気的に所望の偏波角を実現している。

社団法人電子情報通信学会発行、衛星通信技術、４版、第８章 地球局技術 小西他、ブロードバンド航空衛星通信用アンテナ、電子情報通信学会論文誌、Vol.J88-B, No.9, pp.1613-1623 江上他、多端子電力合成系マルチビーム送信系、電子情報通信学会論文誌、Vol.J69-B, No.2, pp.206-212

図８に示す従来の技術１の課題は、２つの偏波における電力の配分状況に偏りが生じた場合、一方の電力増幅器の出力は小さく、他方の電力増幅器には非常に大きな出力が要求されることにある。全ての信号が一方の偏波に配分される状況に対応するためには、平均電力の２倍の電力を出力可能な電力増幅器が必要となる。さらに、本手法においては、任意偏波角を実現するには、モータ等により機械的に給電部を回転させる等の動作が必要となり、外部状況に応じて即座に対応することができない点や、機構が大型化し、重量が大きくなる点、さらに、異なる偏波の形成が実現できない点がある。

図９に示す従来の技術２の課題は、送信される信号の偏波種別は１であり、直交する２偏波を同時に制御することが不可能である点である。また、偏波角制御を位相調整のみで実現しているため、異なる偏波の形成が実現できない点、位相制御時の振幅偏差対策、装置化における経路間の位相調整等が必須である点が挙げられる。

本発明は従来の技術１および２の課題である
１．偏波毎の電力配分状況に拠らず、電力増幅器のバランス動作を実現し、電力増幅器の電力効率を向上
２．電気的な偏波角制御を実現
３．直交する２偏波の同時制御を実現
４．アンテナの特性補償を含めた異なる偏波形成の実現
５．装置化を考慮した調整の容易性の確保
を解決する無線送信機を提供するとともに、移動時に発生する偏波角誤差、温度変動などの自律的な補償や、同一周波数を利用する他の無線送信機の偏波角誤差による回線品質の劣化を低減する無線送信機を提供する。

従来の技術課題を解決する無線送信機の構成手段を示す。無線送信機への入力信号は、１または２系列の変調信号であり、下記(１)〜(９)の順で信号処理を行うことを特徴とする。
（１）信号を系列毎に送信信号制御器の２つの入力端子にそれぞれ入力する。
（２）入力信号のそれぞれを可変分配手段において所定の比率に分配する。
（３）分配された信号を系列間で合成手段により合成する。
（４）各々の合成信号を第１の振幅位相制御手段により振幅位相制御する。
（５）第１の振幅位相制御手段の出力信号を入力９０度ハイブリッド手段に入力する。
（６）入力９０度ハイブリッド手段の出力信号を第１の振幅位相制御手段により振幅位相制御し、送信信号制御器より出力する。
（７）送信信号制御器の２つの出力信号を、それぞれの増幅手段により増幅する。
（８）増幅した２信号を、出力９０度ハイブリッド手段に入力する。
（９）ハイブリッド回路の出力を互いに直交関係にある２つの偏波を有するアンテナの各入力端子に入力し、アンテナより信号を出力する。

本信号処理を施すことにより、従来技術における課題である
１．偏波毎の電力配分状況に拠らず、電力増幅器のバランス動作を実現し、電力増幅器の電力効率を向上
２．電気的な偏波角制御を実現
３．直交する２偏波の同時制御を実現
４．アンテナの特性補償を含めた異なる偏波形成の実現
５．装置化を考慮した調整の容易性の確保
を解決できることを説明する。

まず、課題２．〜４．の直交する２偏波の電気的な偏波角同時制御および異なる偏波形成について説明する。一例として、偏波共用アンテナとして、直交する直線偏波を有するアンテナを用いる。図１０に示すように垂直および水平偏波面に対して、偏波共用アンテナが傾きθを有しているとし、入力端子１に印加した信号Ａを水平偏波面に、入力端子２に印加した信号Ｂを垂直偏波面に出力する。このとき、偏波共用アンテナの偏波面１および偏波面２を以下のように励振すると、図１１に示すように各偏波面への入力に対して、水平および垂直偏波面への投影成分が、一方では合成、他方では打ち消すため、水平偏波面に信号Ａが、垂直偏波面に信号Ｂが出力される。

水平偏波 偏波面１:Ａcosθ、偏波面２:−Ａsinθ
垂直偏波 偏波面１:Ｂsinθ、偏波面２:Ｂcosθ
なお、直線偏波以外の直交する偏波共用アンテナにおいて、任意偏波を実現するためには、振幅に加え、位相を制御すればよく、この位相制御を第１の振幅位相制御手段で実施すればよいため、異なる偏波の形成や、使用するアンテナの特性補償が実施できる。

次に図１に示す無線送信機の構成図を用いて、その他の課題解決が実現できることを説明する。送信信号制御器に入力された信号は、可変電力分配手段において、適宜、符号の反転を含めて、（cos^２θ：sin^２θ）となるように電力分配し（電圧値ではcosθ：sinθ）、分配された各信号成分を合成し出力する。このとき、可変電力分配手段の出力は偏波面１および２に応じた信号成分となる。

振幅位相制御手段１では、経路間損失や経路長の補正および無線送信機で使用するアンテナと異なる偏波を実現する場合の位相調整を行う。入力９０度ハイブリッド手段−増幅手段−出力９０度ハイブリッド手段の構成は、２つの増幅手段が同一の特性を有していれば、非特許文献３「江上他、多端子電力合成系マルチビーム送信系、電子情報通信学会論文誌、Vol.J69-B, No.2, pp.206-212」で示されるように、入力９０度ハイブリッド手段への入力信号が増幅された状態で、出力９０度ハイブリッド手段から出力される。このときの各増幅手段への入カレベルは、入力９０度ハイブリッド手段において、それぞれの入力信号が２分配されたものの合成成分であるため、入力９０度ハイブリッド手段への入力状態に拠らず、増幅手段への入力電力は同一となり、バランス動作が実現できることとなる。しかしながら、増幅手段の特性を完全に揃えることは、非常に困難であるため、振幅位相制御手段２を組み合わせることによって、増幅手段の特性を揃える。

以上のように信号の流れを順序立てて説明したが、送信信号制御器は各入力信号に対し、所定の振幅・位相で出力するように、送信信号制御器により信号分配、振幅制御、位相制御および信号合成を実施すればよい。

本発明の無線送信機は、直交する２偏波の電気的な偏波角制御および任意の偏波（直線・楕円・円偏波）を実現し、偏波毎の入力状況に拠らず、電力増幅器のバランス動作を実現することで電力増幅器の電力効率を向上させ、さらに、装置化を考慮した調整の容易性を実現できる。

また、移動時や温度変動時に予想される偏波角誤差・構成要素の温度変動についても、これらを検出・補償する信号処理を行うことで、偏波追尾・性能維持が実現できる。

さらに、同一周波数で直交する偏波を使用する他の無線送信機に対して、他の無線送信機の偏波角がずれた揚合において、これを検出し、情報系列毎に直交関係を維持するような信号処理を行うことで、通信品質を保つことが可能となる。

特に、無線送信機における送信信号制御器をデジタル化することで、精度の高い設定、複数のキャリア信号を扱う場合の時分割処理による回路規模の削減に期待できる。

本発明の実施例に係る無線送信機の構成図を図２に示す。１または２系列の変調信号が入力される送信信号制御器ａと、送信信号制御器の２つの出力端子に接続された増幅手段ｂと、増幅されたそれぞれの信号を出力９０度ハイブリッド手段ｃに入力し、９０度ハイブリッドｃの出力を互いに直交関係にある２つの偏波を有するアンテナｄを備える無線送信機であって、前記送信信号制御器ａは、入力信号のそれぞれを所定の比率に分配する２つの可変分配手段ａ１−１，ａ１−２と、分配された信号を系列間で合成する２つの合成手段ａ２−１，ａ２−２で構成される分配合成手段ａ１と、合成信号の振幅位相を制御する第１の振幅位相制御手段ａ３−１，ａ３−２と、第１の振幅位相制御手段ａ３−１，ａ３−２の出力信号を入力９０度ハイブリッド手段ａ４に入力し、入力９０度ハイブリッド手段ａ４の出力信号の振幅位相を制御する第２の振幅位相制御手段ａ３−３，ａ３−４により出力信号を得ることを特徴とする無線送信機である。

直交する偏波共用アンテナｄにおいて、所望の偏波角を実現するためには、アンテナｄの２つ入力端子ｄ１，ｄ２のそれぞれに対して、適切な振幅および位相において励振する必要がある。それを実現するために、送信信号制御器ａにおいて、入力信号に対して、所定の位相制御・振幅制御・分配・合成を行うと共に、増幅手段ｂ１，ｂ２、９０度ハイブリッド手段ｃの特性、各経路およびアンテナｄにおける振幅・位相誤差補正値を考慮した信号処理を行う。

送信信号制御器ａにおいては、可変電力分配手段ａ１−１，ａ１−２では各入力信号に対して、適宜、符号反転を含めて電力分配し、分配された各信号成分を合成手段ａ２−１，ａ２−２により合成する。このとき、合成手段ａ２−１，ａ２−２の２つの出力は、各経路、アンテナ特性等に誤差がなく、且つ、形成する偏波と送信機のアンテナ偏波が同一である理想的な状況での出力である。現実的には各経路間に振幅位相差や、アンテナｄの偏波間の利得差等が生じるため、振幅位相制御手段ａ３−１，ａ３−２において、これらの補正を行う。理想的な状況では振幅位相制御手段ａ３−１とａ３−２の出力は相互に振幅と位相が等しくなるように補正される。さらに、形成する偏波と送信機の備えるアンテナｄの偏波が、形成する偏波と異なる場合は、適切な位相差をつける必要があり、振幅位相制御手段ａ３−１，ａ３−２においてこれを行う。９０度ハイブリッドａ４−増幅手段ｂ−ハイブリッド回路ｃの構成は、増幅手段ｂ１，ｂ２が同一の特性を有していれば、９０度ハイブリッドａ４への入力信号がそのまま増幅された状態の信号が９０度ハイブリッドｃの各出力端子から出力される。しかしながら、増幅手段ｂ１，ｂ２の特性を完全に揃えることは、非常に困難なため、これを振幅位相制御手段ａ３−３，ａ３−４により特性を揃える。このとき増幅手段ｂ１，ｂ２への入力信号については、９０度ハイブリッドａ４において、それぞれの入力信号が２分配されたものが、各出力端において合成されて出力されるため、９０度ハイブリッドａ４への入力状態に拠らず、出力される信号電力は同一となるため、増幅手段ｂ１，ｂ２はバランス動作が実現できる。なお、９０度ハイブリッドａ４による２つの出力の９０度の位相差は出力９０度ハイブリッドｃによりもとに戻される。

本発明の別の実施例に係る無線送信機の構成図を図３に示す。図２における送信信号制御器ａの出力を、互いに同期した周波数変換手段ｅにより周波数変換し、増幅手段ｂ１，ｂ２へ入力することを特徴とする無線送信機である。このとき、送信信号制御器ａについて、デジタル信号処理を実現することにより、精度良く出力信号の振幅・位相制御を実現できる。さらに、デジタル信号処理においては、分配合成手段ａ１の伝達関数、振幅位相制御手段ａ３−１，ａ３−２において、振幅をα_１およびα_２倍に、位相をβ_１およびβ_２、進める伝達関数および９０度ハイブリッドａ４の伝達関数はそれぞれ、

と表せるため、信号処理の手順で上記行列演算を行うことで、送信信号制御器ａの出力を得ることができる。

本発明の別の実施例に係る無線送信機の構成を図４に示す。図２および図３の無線送信機において、増幅手段ｂの出力信号、出力９０度ハイブリッド手段ｃの出力信号、アンテナｄへの入力信号の全て、もしくは、何れかを分岐して誤差要因検出手段ｆに入力し、誤差要因検出手段ｆにて無線送信機の誤差要因・変動成分を検出し、送信信号制御器ａにおいて、誤差要因・変動成分を打ち消す信号処理を行うことを特徴とする無線送信機である。無線送信機の変動成分としては、温度変動による経路間の位相誤差、増幅手段ｂの入力電力に対する利得圧縮などが挙げられる。

本発明の別の実施例に係る無線送信機の構成図を図５に示す。図２から図４の無線送信機において、偏波角検出手段ｇによって、無線送信機が備えるアンテナｄの、通信の相手方のアンテナとの相対偏波角度誤差を検出し、送信信号制御器ａにおいて、偏波角度誤差を補正する信号処理を行うことを特徴とする無線送信機。偏波角の検出は、無線送信機のアンテナｄを受信機と共用し、送受信号分離手段ｄ３を介して取得した受信信号を信号処理することにより可能である。

本発明の別の実施例に係る無線送信機は、図２から図４の無線送信機において、無線送信機が備えるアンテナｄの偏波角度誤差を通信等の監視を行う制御局から通知され、送信信号制御器ａにおいて、通知された偏波角度誤差を打ち消す信号処理を行うことを特徴とする無線送信機である。

本発明の別の実施例に係る無線送信機は、図２から図４の無線送信機における、偏波角検出手段ｇによって、無線送信機の出力信号を含む周波数を使用する他の無線送信機からの送信信号に対して、他の無線送信機が備えるアンテナとの相対偏波角度を検出し、送信信号制御器ａにより、前記送信信号と直交する偏波角で出力することを特微とする無線送信機である。

本発明の別の実施例に係る無線送信機は、図２から図４の無線送信機において、無線送信機の出力信号を含む周波数を使用する他の無線送信機からの送信信号に対して、他の無線送信機が備えるアンテナとの相対偏波角度を通信等の監視を行う制御局から通知され、送信信号制御器ａにより、通知された前記送信信号と直交する偏波角で出力することを特徴とする無線送信機である。

本発明の別の実施例に係る無線送信機の構成を図６に示す。前記各実施例の無線送信機における入力信号が、複数の異なる周波数帯から構成され、同一周波数を有する１または２系列の変調信号毎に送信信号制御を行うため、分配合成手段ａ１、第１および第２の振幅位相制御手段ａ３、入力９０度ハイブリッド手段ａ４、増幅手段ｂ、出力９０度ハイブリッド手段ｃの一部もしくは全てを複数備え、これらのいくつかの出力を合成して、次段へ供給する合成手段ｈを備えることを特徴とする無線送信機である。

無線送信機に入力される信号系列および他の無線送信機の信号の関係を図７に示す。入力される信号においては、他の無線送信機からの信号が複数存在する場合も想定され、キャリア毎に信号処理を行うことで直交性を維持するような信号処理を行うことで、通信品質を保つことが可能となる。また、装置の周波数特性の補償もキャリア毎に行うことが可能となる。さらに、キャリア毎に時分割で信号処理を行うことで、装置規模の削減が可能となる。

課題解決のための無線送信機の構成図である。 請求項１記載の実施例に係る無線送信機の構成図である。 請求項２記載の実施例に係る無線送信機の構成図である。 請求項３記載の実施例に係る無線送信機の構成図である。 講求項４記載の実施例に係る無線送信機の構成図である。 請求項８記載の実施例に係る無線送信機における送信信号制御器の構成図である。 請求項８記載の入力信号系列と他の無線送信機の信号の関係である。 従来技術１の無線送信機の構成例である。 従来技術２の無線送信機の配置例である。 偏波角度誤差と偏波面の関係である。 偏波面励振信号と出力の関係である。

符号の説明

ａ 送信信号制御器
ａ１ 分配合成手段
ａ１−１，ａ１−２ 可変電力分配手段
ａ２−１，ａ２−２ 信号合成手段
ａ３ 振幅位相制御手段
ａ４ 入力９０度ハイブリッド手段
ｂ 増幅手段
ｃ 出力９０度ハイブリッド手段
ｄ ２偏波共用アンテナ
ｄ１ 入力端子１
ｄ２ 入力端子２
ｄ３ 送受信号分離手段
ｅ 周波数変換手段
ｆ 誤差要因検出手段
ｇ 偏波角度検出手段
ｈ 合成手段

Claims (9)

1. １または２系列の変調信号が入力され系列毎の出力端子を有する送信信号制御器と、
   該送信信号制御器の２つの出力端子に各々接続される増幅手段と、
   該増幅手段の出力を各々入力する出力９０度ハイブリッド手段とを有し、
   該出力９０度ハイブリッド手段の出力を互いに直交関係にある２つの偏波を有するアンテナに印加する無線送信機において、
   前記送信信号制御器は、
   入力信号の各々を所定の比率に分配する２つの可変分配手段と、該可変分配手段により分配された信号を系列間で合成する２つの合成手段で構成される分配合成手段と、
   該信号合成手段からの出力信号の振幅と位相を制御する第１の振幅位相制御手段と、
   該第１の振幅位相制御手段の出力を入力する入力９０度ハイブリッド手段と、
   該入力９０度ハイブリッド手段の出力信号の振幅と位相を制御する第２の振幅位相制御手段とを有することを特徴とする、無線送信機。
2. 前記送信信号制御器の出力と前記増幅手段の入力との間に系列間で互いに同期した周波数変換手段がもうけられる請求項１記載の無線送信機。
3. 前記増幅手段の出力信号、前記出力９０度ハイブリッド手段の出力信号、及び前記アンテナヘの入力信号から選択される少なくともひとつを分岐して入力し、前記無線送信機の誤差要因・変動成分を検出して前記送信信号制御器に印加する誤差要因検出手段を具備し、該送信信号制御器が前記誤差要因・変動成分を打ち消す信号処理を行う、請求項１又は２のいずれかひとつに記載の無線送信機。
4. 前記無線送信機が備える前記アンテナの、通信の相手方のアンテナとの相対偏波角度誤差を検出する偏波角検出手段を具備し、前記送信信号制御器が該偏波角度誤差を補正する処理を行う、請求項１−３のいずれかひとつに記載の無線送信機。
5. 前記無線送信機が、前記アンテナの偏波角度誤差を制御局から通知され、前記送信信号制御器が通知された偏波角度誤差を打ち消す処理を行う、請求項１−３のいずれかひとつに記載の無線送信機。
6. 偏波角検出手段が、前記無線送信機の出力信号を含む周波数を使用する他の無線送信機からの送信信号に対して、当該他の無線送信機が備えるアンテナとの相対偏波角度を検出し、前記送信信号制御器が前記送信信号と直交する偏波角で出力する、請求項１−３のいずれかひとつに記載の無線送信機。
7. 前記無線送信機が、前記無線送信機の出力信号を含む周波数を使用する他の無線送信機からの送信信号に対して、当該他の無線送信機のアンテナとの相対偏波角度を制御局から通知され、前記送信信号制御器が前記送信信号と直交する偏波角で出力する、請求項１−３のいずれかひとつに記載の無線送信機。
8. 前記分配合成手段、前記第１および第２の振幅位相制御手段、前記入力９０度ハイブリッド手段、前記増幅手段、及び前記出力９０度ハイブリッド手段の一部もしくは全てを複数備え、これらのいくつかの出力を合成して、次段へ供給する合成手段を備える、請求項１−７のいずれかひとつに記載の無線送信機。
9. １または２系列の変調信号に対し各々送信信号制御を行い、
   該送信信号制御された２つの出力信号を各々増幅器により増幅し、
   該増幅された出力を各々入力する出力９０度ハイブリッド手段によりその２つの出力の位相を調整し、
   該出力９０度ハイブリッド手段の出力を互いに直交関係にある２つの偏波を有するアンテナに印加する無線送信方法において、
   前記送信信号制御は、
   入力信号の各々を２つの可変分配手段により所定の比率に分配し、
   該可変分配手段により分配された信号を系列間で合成し、
   合成された出力信号の振幅と位相を制御し、
   該制御された出力信号を入力して入力９０度ハイブリッド手段により９０度の位相差の２つの信号を生成し、
   該入力９０度ハイブリッド手段の出力信号の振幅と位相を更に制御して前記増幅器に印加することを特徴とする、無線送信方法。

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