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JP5470578B2 - Derivation method for low sidelobe multi-beam excitation of defocused phased array fed reflector antenna - Google Patents

Derivation method for low sidelobe multi-beam excitation of defocused phased array fed reflector antenna Download PDF

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JP5470578B2
JP5470578B2 JP2009281659A JP2009281659A JP5470578B2 JP 5470578 B2 JP5470578 B2 JP 5470578B2 JP 2009281659 A JP2009281659 A JP 2009281659A JP 2009281659 A JP2009281659 A JP 2009281659A JP 5470578 B2 JP5470578 B2 JP 5470578B2
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Description

本発明は、大型反射鏡と離焦点に置いた多数素子のフェーズドアレー給電部を組み合わせたマルチビームアンテナシステムにおいて、各ビームのサイドローブレベルを低減するための、フェーズドアレー給電部に給電する信号の励振分布の導出方法に関するものである。   The present invention relates to a multi-beam antenna system that combines a large reflector and a multi-element phased array feeding unit placed at a defocused position to reduce the side lobe level of each beam. The present invention relates to a method for deriving an excitation distribution.

例えば静止衛星を用いた衛星携帯電話システムでは、衛星搭載マルチビームが不可欠である。これを実現するために、大型反射鏡とフェーズドアレー給電部からなる衛星搭載アンテナが利用されている。   For example, in a satellite mobile phone system using a geostationary satellite, a satellite-equipped multi-beam is indispensable. In order to realize this, a satellite-mounted antenna including a large reflector and a phased array feeding unit is used.

特許文献1(米国特許第3364490号明細書)には、電波集光系に、複数のアンテナから電波を照射することで給電する際に、給電する電波の位相を調整することで、ビーム径を制御することができるビーム径可変アンテナが開示されている。   Patent Document 1 (U.S. Pat. No. 3,364,490) discloses a method for adjusting a beam diameter by adjusting the phase of a radio wave to be fed when the radio wave collecting system is fed by radiating radio waves from a plurality of antennas. A beam diameter variable antenna that can be controlled is disclosed.

また、フェーズドアレーアンテナの放射ビームパターンについては、一般に、ビームフォーミングネットワーク用励振分布(複数の給電素子信号の振幅及び位相の調整量)を調整して、所望の2次元ビームパターンを形成することが行われる。   Further, with respect to the radiation beam pattern of the phased array antenna, generally, a desired two-dimensional beam pattern can be formed by adjusting the excitation distribution for the beam forming network (the adjustment amount of the amplitude and phase of the plurality of feed element signals). Done.

しかし、大型反射鏡とフェーズドアレー給電部を組み合わせた離焦点フェーズドアレー給電反射鏡アンテナシステム(図1及び図2参照)では、直接放射型のフェーズドアレーアンテナとは異なり、所望の2次元ビームパターンを形成するためのビームフォーミングネットワーク用励振分布を直接数値計算することは困難であることが知られている。   However, in the defocused phased array fed reflector antenna system (see Figs. 1 and 2), which combines a large reflector and a phased array feeding unit, the desired two-dimensional beam pattern is different from the direct radiation type phased array antenna. It is known that it is difficult to directly calculate the excitation distribution for the beamforming network to form.

これまでに知られている上記の計算方法としては、例えば、非特許文献1に記載の方法がある。これは、コンピュータを用いた数値計算によるもので、所望のビームパターンになるまで、励振分布を少しずつ変えて、ビームパターン計算を繰り返す探索アルゴリズムによるものである。この探索アルゴリズムでは、所望の利得パターンを得るために、ビームパターン内の複数個所(つまり拘束点)に、所望する利得値を設定し、励振分布から計算されるその場所の利得値との差を誤差として、その差を極力小さくするアルゴリズム(例えば誤差の二乗和を最小にするアルゴリズム)が利用される。   As the calculation method known so far, for example, there is a method described in Non-Patent Document 1. This is based on numerical calculation using a computer, and is based on a search algorithm that repeats beam pattern calculation while changing the excitation distribution little by little until a desired beam pattern is obtained. In this search algorithm, in order to obtain a desired gain pattern, a desired gain value is set at a plurality of positions (that is, constraint points) in the beam pattern, and a difference from the gain value calculated from the excitation distribution is calculated. As the error, an algorithm that minimizes the difference (for example, an algorithm that minimizes the sum of squared errors) is used.

ところが、現状では、この探索アルゴリズムにおいて、励振分布の初期値及び拘束点の場所の決め方は、場当たり的である。つまり、拘束点の数や設定利得については、所望のビームパターンが得られるまで試行錯誤的に繰り返し調整して決めている。ある特定の1ビームのパターン形成やビームパターン内の特定個所のサイドローブレベル低減を目的とするならば、このように、試行錯誤的に拘束点を設定してビームパターン計算を繰り返すことも可能である。しかし、マルチビーム(例えば100ビーム以上)を生成するアンテナシステムで、各ビームのサイドローブレベルを広範囲に渡って所望の値まで低減するための励振分布を得るためには、膨大な数の試行錯誤が必要である。   However, at present, in this search algorithm, the initial value of the excitation distribution and the method of determining the location of the constraint point are ad hoc. In other words, the number of constraint points and the set gain are determined by repeated adjustment through trial and error until a desired beam pattern is obtained. If the purpose is to form a pattern of one specific beam or reduce the side lobe level at a specific location in the beam pattern, it is possible to repeat the beam pattern calculation by setting the constraint point by trial and error. is there. However, in an antenna system that generates multiple beams (for example, 100 beams or more), in order to obtain an excitation distribution for reducing the side lobe level of each beam over a wide range to a desired value, a huge number of trials and errors are required. is necessary.

より具体的には、例えば、大型反射鏡とフェーズドアレー給電部を前提としたアンテナシステムを想定した非特許文献1は、所望するビームパターン内にあらかじめ決めた複数の場所のアンテナ利得を拘束条件として最適な励振分布を探索する方法であり、また同様のアンテナシステムを搭載した技術試験衛星VIII型で用いられた励振分布決定法は、サイドローブの低減を希望する場所の周辺に経験的に拘束点を設定して最適値を探索する方法である(非特許文献2)。これらはいずれも拘束点の位置を人為的に決める必要があるため、マルチビームアンテナのような指向方向の異なる多数のビームのサイドローブレベルを低減化するためには、膨大な労力を必要とする。   More specifically, for example, Non-Patent Document 1, which assumes an antenna system based on a large reflector and a phased array feeding unit, uses antenna gains at a plurality of predetermined locations in a desired beam pattern as a constraint condition. This method is used to search for the optimum excitation distribution, and the excitation distribution determination method used in the technical test satellite VIII equipped with a similar antenna system is empirically restricted around the place where side lobe reduction is desired. Is a method for searching for an optimum value (Non-patent Document 2). All of these require artificial determination of the position of the constraining point, so enormous effort is required to reduce the sidelobe levels of a large number of beams with different directivity directions such as a multi-beam antenna. .

米国特許第3364490号明細書US Pat. No. 3,364,490

田中祥次、他、“放送衛星搭載用フェーズドアレー給電反射鏡アンテナの放射パターンの検討”、信学技報、A・P 2001-169、 pp61-67、2002年、1月Tanaka Shoji, et al., "Examination of radiation pattern of phased array fed reflector antenna for broadcasting satellite", IEICE Technical Report, AP 2001-169, pp61-67, January 2002 針生 健一、他、“S帯移動体衛星通信・放送システムにおける大型アンテナのビーム形成の一検討”、信学技報、SAT-95-19、 RCS95-55、 pp.73--78、 1995年7月Kenichi Hashio et al., "A Study on Beam Formation of Large Antenna in S-band Mobile Satellite Communication / Broadcast System", IEICE Technical Report, SAT-95-19, RCS95-55, pp.73--78, 1995 July

上記の様に、マルチビームアンテナのような指向方向の異なる多数のビームのサイドローブレベルを低減化するためには、膨大な労力を必要とする。   As described above, enormous effort is required to reduce the side lobe levels of a large number of beams having different directivity directions such as a multi-beam antenna.

そこで、本発明では、多数のビームを生成するマルチビームアンテナシステムで、サイドローブレベルを広範囲に渡り低減した様々な指向方向ビームの励振分布探索の自動化を行うことができるようにする。   Therefore, in the present invention, in a multi-beam antenna system that generates a large number of beams, it is possible to automate the excitation distribution search for various directional beams with the side lobe level reduced over a wide range.

まず、本発明の離焦点フェーズドアレー給電反射鏡アンテナ低サイドローブマルチビーム用励振分布導出方法は、電波集光系である大型反射鏡とその離焦点に置いたフェーズドアレー給電部とを組み合わせたマルチビームアンテナシステムに適用するものであり、次の処理を順に行う。
(1)指定するサービスエリア方向のピーク利得を最大にするためのフェーズドアレー給電部の各給電素子に印加する電波の位相と振幅を、最大比合成方式を用いて決定して、これを初期値とする。
(2)上記初期値による励振分布によるビームパターンのメインローブビームについて、(a)最大比合成方式を用いる際に指定したビーム中心方向に1つの中心拘束点を設定し、また、(b)上記サービスエリア外で、上記指定したビーム中心方向からの方位角および仰角についてのそれぞれの離角が±ΔAzおよび±ΔELである4点のエリア端拘束点を選択する。
(3)上記中心拘束点の利得条件を上記の初期値によるビームパターンのピーク利得以上に設定し、上記エリア端拘束点のそれぞれの利得条件を上記所定サービスエリア内での最低利得以下に設定する。
(4)上記中心拘束点およびエリア端拘束点におけるそれぞれの利得条件をすべて満たすように、上記各給電部に印加する電波の位相と振幅を、上記(1)の初期値による励振分布を初期値として最適化手段により補正する。
(5)上記補正により得られたビームパターンから上記サービスエリア外に発生するサイドローブピークの有無を確認し、もしあれば、
(6)上記サイドローブピークのそれぞれに軸外拘束点を設定して、該軸外拘束点における利得条件を、所望のサイドローブ利得以下に設定する。
(7)上記中心拘束点、上記エリア端拘束点、および上記軸外拘束点における利得条件をすべて満たすように、上記各給電部に印加する電波の位相と振幅を再補正する処理を行なう。
(8)上記励振分布を用いて求めた利得パターンにおいて、上記中心拘束点およびエリア端拘束点以外の場所に新たなサイドローブピークが発生した場合は、上記()に戻ることを繰り返す。なお、上記()に戻る処理を所定の回数行ってもサイドローブピークを抑えられない場合は、この方向のビームについては低サイドローブ化したビームの生成は断念する。
上記マルチビームアンテナシステムの異なる方向の全てのビームについて、上記(1)〜(8)の処理を行うことで、離焦点フェーズドアレー給電反射鏡アンテナの低サイドローブ化を図ることのできるマルチビーム用励振分布を導出する。
First, the defocused phased array fed reflector antenna low-sidelobe multi-beam excitation distribution derivation method of the present invention is a combination of a large reflector that is a radio wave condensing system and a phased array feeding unit placed at the defocused position. This is applied to the beam antenna system, and the following processing is performed in order.
(1) The phase and amplitude of the radio wave applied to each feeding element of the phased array feeding unit for maximizing the peak gain in the specified service area direction is determined using the maximum ratio combining method, and this is the initial value. And
(2) For the main lobe beam of the beam pattern based on the excitation distribution with the initial value , (a) one central constraint point is set in the beam center direction designated when using the maximum ratio combining method, and (b) the above Outside the service area , four area end restraint points are selected whose azimuth and elevation angles from the specified beam center direction are ± ΔAz and ± ΔEL, respectively.
(3) The gain condition at the center constraint point is set to be equal to or greater than the peak gain of the beam pattern according to the initial value, and the respective gain conditions at the area end constraint point are set to be equal to or less than the minimum gain in the predetermined service area. .
(4) The phase and amplitude of the radio wave applied to each of the power supply units is set to the initial value of the excitation distribution according to the above (1) so that all gain conditions at the center constraint point and the area edge constraint point are satisfied. Is corrected by the optimization means.
(5) Check the presence or absence of sidelobe peaks occurring outside the service area from the beam pattern obtained by the correction, and if any,
(6) An off-axis constraint point is set for each of the side lobe peaks, and a gain condition at the off-axis constraint point is set to be equal to or less than a desired side lobe gain.
(7) A process of recorrecting the phase and amplitude of the radio wave applied to each of the power feeding units is performed so as to satisfy all the gain conditions at the center constraint point, the area end constraint point, and the off-axis constraint point.
(8) In the gain pattern obtained using the excitation distribution, when a new sidelobe peak occurs in a place other than the center constraint point and the area end constraint point, the process returns to ( 5 ) above. If the side lobe peak cannot be suppressed even if the process of returning to ( 5 ) is performed a predetermined number of times, the generation of a beam with a low side lobe for the beam in this direction is abandoned.
The multi-beam antenna system can reduce the side lobe of the defocused phased array-fed reflector antenna by performing the processes (1) to (8) for all beams in different directions of the multi-beam antenna system. The excitation distribution is derived.

上記の処理は、実際のアンテナシステムやその縮尺模型を用いても行うことができるが、上記(1)から(7)の処理を、コンピュータを用いたシミュレータで行って上記各給電部に印加する電波の位相と振幅を決定することで、上記の励振分布導出を短期間で行うことができる。   The above processing can also be performed using an actual antenna system or its scale model, but the above processing (1) to (7) is performed by a simulator using a computer and applied to each of the power feeding units. By determining the phase and amplitude of the radio wave, the above-described excitation distribution can be derived in a short period of time.

本方法により、低サイドローブマルチビーム(例えば100ビーム以上)を生成する励振分布を導出する際に、作業を自動化することが可能になり、また、これまで試行錯誤的に行われてきたビームのサイドローブレベル低減のための作業時間に比べて短縮が可能になる。   This method makes it possible to automate the operation of deriving an excitation distribution that generates a low sidelobe multi-beam (eg, 100 beams or more), and has been performed by trial and error until now. The working time for reducing the side lobe level can be shortened.

パラボラ鏡面と焦点から鏡面側に少しずらして配置したフェーズドアレー給電部から構成する離焦点型の衛星搭載アンテナシステムを示す図である。It is a figure which shows the defocusing type satellite mounting antenna system comprised from the parabolic mirror surface and the phased array electric power feeding part arrange | positioned a little from the focus to the mirror surface side. 受信側(a)、送信側(b)に用いる場合のフェーズドアレー給電部とビームフォーミングネットワークの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the phased array electric power feeding part and beam forming network in the case of using for a receiving side (a) and a transmission side (b). 衛星に搭載したアンテナシステムによるビームパターン計算例(ビーム方向例として、Az=1.04度、El=1.4度)を示す図であり、(a)ピーク利得最大化の励振分布によるビームパターン、(b)中心拘束点とエリア端拘束点を設定して励振分布を求めた結果、(c)サイドローブに軸外拘束点を追加して励振分布を求めた結果、(d)上記(c)で新たに発生したサイドローブにさらに軸外拘束点を追加した結果、を示す図である。It is a figure which shows the beam pattern calculation example (Az = 1.04 degree | times, El = 1.4 degree | times as an example of a beam direction) by the antenna system mounted in a satellite, (a) Beam pattern by excitation distribution of peak gain maximization (B) As a result of obtaining an excitation distribution by setting a center constraint point and an area end constraint point, (c) As a result of obtaining an excitation distribution by adding an off-axis constraint point to a side lobe, (d) (c) ) Shows a result of further adding an off-axis restraint point to the side lobe newly generated in FIG. 自動生成アルゴリズムの例を示すフローチャートである。6 is a flowchart illustrating an example of an automatic generation algorithm. 低サイドローブ化したマルチビームの自動生成例を示す図である。It is a figure which shows the example of automatic generation of the multi-beam which made low side lobe.

本発明を適用する装置構成は、電波集光系である大型の反射鏡1とその焦点3からずらした離焦点に置いたフェーズドアレー給電部2と、該給電部につながり送受信号の振幅と位相(励振分布)を制御するビームフォーミングネットワーク4で各素子を組み合わせたアンテナシステムである。図1は、反射鏡1であるパラボラ鏡面と焦点3から鏡面側に少しずらして配置したフェーズドアレー給電部2から構成する離焦点型の衛星搭載アンテナシステムを示す。   The apparatus configuration to which the present invention is applied includes a large reflector 1 which is a radio wave condensing system, a phased array power feeding unit 2 placed at a defocused position shifted from the focal point 3, and the amplitude and phase of a transmission / reception signal connected to the power feeding unit. This is an antenna system in which elements are combined in a beam forming network 4 for controlling (excitation distribution). FIG. 1 shows a defocused satellite-mounted antenna system composed of a parabolic mirror surface which is a reflecting mirror 1 and a phased array power feeding unit 2 which is arranged slightly shifted from the focal point 3 toward the mirror surface side.

図2(a)は、フェーズドアレー給電部2が受信側である場合のビームフォーミングネットワーク4Rの構成を示すブロック図で、低雑音増幅器である増幅器5Rに入力した電波は、振幅調整器6Rと、位相調整器7Rで、それぞれ振幅と位相が調整され、合成出力として出力される。 FIG. 2A is a block diagram showing the configuration of the beam forming network 4 R when the phased array power feeding unit 2 is on the receiving side, and the radio wave input to the amplifier 5 R which is a low noise amplifier is transmitted to the amplitude adjuster 6. The amplitude and phase are adjusted by R and the phase adjuster 7 R , respectively, and output as a combined output.

また、図2(b)は、フェーズドアレー給電部2が送信側である場合のビームフォーミングネットワーク4Tの構成を示すブロック図で、位相調整器7Tや振幅調整器6Tで位相と振幅を調整し、電力増幅器である増幅器5Tで増幅したのちフェーズドアレー給電部2から給電する。 FIG. 2B is a block diagram showing the configuration of the beam forming network 4 T when the phased array power feeding unit 2 is on the transmission side, and the phase and amplitude are adjusted by the phase adjuster 7 T and the amplitude adjuster 6 T. After adjusting and amplifying by the amplifier 5 T which is a power amplifier, power is supplied from the phased array power supply unit 2.

サイドローブレベルを広範囲に渡り低減した様々な指向方向のビームの励振分布探索の自動化を行うために、本発明では、励振分布を求める探索アルゴリズムにおいて、その初期値と拘束点の設定を試行錯誤によらずに決める。これにより、多数のビームを生成するマルチビームアンテナシステムで、サイドローブレベルを広範囲に渡り低減した様々な指向方向のビームの励振分布の探索の自動化が可能になる。このためには、以下に示す処理を順に行う。   In order to automate the search for the excitation distribution of beams in various directional directions with a reduced sidelobe level over a wide range, the present invention uses trial and error to set the initial values and constraint points in the search algorithm for obtaining the excitation distribution. Decide regardless. As a result, in a multi-beam antenna system that generates a large number of beams, it is possible to automate the search for the excitation distribution of beams in various directional directions with the sidelobe level reduced over a wide range. For this purpose, the following processing is performed in order.

[1]このような構成において、指定する方向のビームを生成するための各給電部に印加する電波の位相と振幅を、最大比合成方式を用いて決定し、それを初期値として用いる。 [1] In such a configuration, the phase and amplitude of a radio wave applied to each power feeding unit for generating a beam in a designated direction is determined using a maximum ratio combining method, and is used as an initial value.

ここで、最大比合成方式は、複数のアンテナを用いるダイバーシティにおいてよく知られた方式であり、各給電素子受信信号成分を合成する点(受信系の場合)あるいは各給電素子からの信号成分を受信する遠方の受信点(送信系の場合)で、各素子からの信号を同位相で且つ受信信号の強度が高い素子の信号にその強度に比例した重みを掛けて合成するものである。これによって、大型反射鏡とフェーズドアレー給電部からなるアンテナシステムのビーム利得を最大にすることができる。   Here, the maximum ratio combining method is a well-known method for diversity using a plurality of antennas, and receives the signal components from the points where the feed signal received signal components are combined (in the case of a receiving system) or from each feed device. At a far reception point (in the case of a transmission system), a signal from each element is synthesized by multiplying a signal of an element having the same phase and a high received signal intensity by a weight proportional to the intensity. As a result, the beam gain of the antenna system including the large reflector and the phased array feeding unit can be maximized.

次に、具体的に、フェーズドアレー給電アンテナシステムの受信利得を最大化する励振分布の求め方について述べる。図2(a)に、N素子の給電素子と信号の振幅および位相を調整して合成するビームフォーミングネットワークからなるMビーム対応のフェーズドアレー受信給電部の構成を示す。アンテナから遠く離れたある場所で送信した信号をこの給電部が受信する場合、n番目の給電素子が受信する等価低域信号(Sn)は、次の数1で表せる。 Next, how to obtain the excitation distribution that maximizes the reception gain of the phased array feed antenna system will be described. FIG. 2A shows a configuration of an M beam-compatible phased array receiving and feeding unit including an N element feeding element and a beam forming network that adjusts and synthesizes the amplitude and phase of a signal. When this power feeding unit receives a signal transmitted at a location far away from the antenna, the equivalent low-frequency signal (S n ) received by the nth power feeding element can be expressed by the following equation ( 1 ).

Figure 0005470578
Figure 0005470578

ここでjは虚数、An、φnはそれぞれ受信信号の振幅と位相で、送信点の方向やアンテナ鏡面形状及び給電素子位置等の幾何学的配置で決まり、素子毎にあらかじめ計算しておくことが出来る。各素子の信号は低雑音増幅器(LNA)で増幅された後、振幅をGn倍し位相をψnだけシフトして合成する。この時、合成後の信号電力対LNA雑音電力比(γ)が、最大になるように振幅と位相を調整すれば、送信点方向のアンテナ利得を最大化したことになる。すなわち、次の数2を最大化するように、Gnとψnを決定すれば良い。 Here, j is an imaginary number, and A n and φ n are the amplitude and phase of the received signal, respectively, which are determined by the geometrical arrangement such as the direction of the transmission point, the antenna mirror shape, and the feed element position, and are calculated in advance for each element. I can do it. The signal of each element is amplified by a low noise amplifier (LNA), and then synthesized by shifting the amplitude by G n and shifting the phase by ψ n . At this time, if the amplitude and phase are adjusted so that the combined signal power to LNA noise power ratio (γ) is maximized, the antenna gain in the direction of the transmission point is maximized. That is, G n and ψ n may be determined so as to maximize the following formula 2.

Figure 0005470578
ここで、Nは素子数、PnoiseはLNAが発生する熱雑音電力で全てのLNAで等しい値とする。
Figure 0005470578
Here, N is the number of elements, and P noise is the thermal noise power generated by the LNA and is set to an equal value for all the LNAs.

位相項に関しては、同相加算の条件、つまり数3を用いて求めることができる。

Figure 0005470578
ここでrは0〜N−1の数から適当に選んだ基準となる素子番号である。 The phase term can be obtained using in-phase addition conditions, that is, Equation 3.
Figure 0005470578
Here, r is a reference element number appropriately selected from 0 to N-1.

振幅項に関しては、通信分野等でよく知られた最大比合成の手法を用いて、次の様にすれば良い。   As for the amplitude term, a maximum ratio combining method well known in the communication field or the like may be used as follows.

Figure 0005470578
ここでαは全てのnに共通な任意の正の値である。
Figure 0005470578
Here, α is an arbitrary positive value common to all n.

送信アンテナ利得の最大化については、給電素子番号nの地上局受信信号をAnexp(jφn)とすれば、同様の結果が得られる。この場合、φn及びAnは、フラットな励振分布を与えた時の反射鏡面と各給電素子の幾何学的配置によって決まるn番目の給電素子信号の、地上局受信信号の位相と振幅である(図2(b)参照)。 With regard to maximization of the transmission antenna gain, the same result can be obtained if the ground station received signal of the feed element number n is set to An exp (jφ n ). In this case, φ n and An are the phase and amplitude of the ground station received signal of the n-th feed element signal determined by the reflecting mirror surface and the geometrical arrangement of each feed element when a flat excitation distribution is given. (See FIG. 2 (b)).

図3(a)に、想定するアンテナシステムを静止衛星に搭載した場合の、ピーク利得を最大にした励振分布によるビームパターンの一例を示す。   FIG. 3A shows an example of a beam pattern based on an excitation distribution with a maximum peak gain when an assumed antenna system is mounted on a geostationary satellite.

[2]次に、上記初期値によるビームの上記サービスエリアの地点付近におけるビームパターンについて、サイドローブを低減するための拘束点を以下の(イ)と(ロ)ように決める。
上記の初期値によるビームパターンのメインローブビームに対して、
(イ)ビーム中心に1つの拘束点(中心拘束点)と、
(ロ)所望のサービスエリアより若干広めの場所4点(中心方向±ΔAz、中心方向±ΔEL)にエリア端拘束点を、設ける。
このビーム中心は、最大比合成方式を行う際に指定したビーム方向である。ここで、ΔAz及びΔELは、アンテナからみたビーム中心方向からのそれぞれ方位角、仰角についての離角である。
[2] Next, for the beam pattern near the point of the service area of the beam according to the initial value, the constraint points for reducing the side lobes are determined as follows (a) and (b).
For the main lobe beam of the beam pattern by the above initial value,
(A) One constraint point (center constraint point) at the center of the beam,
(B) Area edge restraint points are provided at four points (center direction ± ΔAz, center direction ± ΔEL) slightly wider than the desired service area.
This beam center is the beam direction designated when the maximum ratio combining method is performed. Here, ΔAz and ΔEL are azimuth angles and elevation angles from the beam center direction as viewed from the antenna.

[3]次に、中心拘束点の利得は、上記の初期値によるビームパターンのピーク利得より若干高めに設定し、エリア端拘束点の利得は所望のサービスエリア内最低利得以下に設定する。 [3] Next, the gain at the center constraint point is set to be slightly higher than the peak gain of the beam pattern according to the initial value, and the gain at the area end constraint point is set to be equal to or less than the desired minimum gain within the service area.

[4]次に、上記拘束点におけるそれぞれの利得条件を全て満たすように、上記各給電部に印加する電波の位相と振幅を、上記初期値から補正する。図3(b)に、上記の補正の結果から求めたビームパターンを示す。これは、上記の中心拘束点とエリア端拘束点における上記利得条件のもとで、2乗誤差最小化等による探索アルゴリズムで励振分布を求めた結果である。この補正については、多変数関数の最適化として知られる方法、例えば、最速降下法やマルカート法として知られる最適化法がある。また、コンピュータプログラムに関しては、例えば、マスマティカ(登録商標、MATHEMATICA:ウオルフラム リサッチ インコッポレッテツド)の最適化問題解法プログラムを用いることができる。 [4] Next, the phase and amplitude of the radio wave applied to each power feeding unit are corrected from the initial values so as to satisfy all the gain conditions at the constraint points. FIG. 3B shows a beam pattern obtained from the above correction result. This is a result of obtaining an excitation distribution by a search algorithm such as square error minimization under the above-described gain condition at the center constraint point and the area edge constraint point. For this correction, there is a method known as optimization of a multivariable function, for example, an optimization method known as a fastest descent method or a Marquardt method. As the computer program, for example, an optimization problem solving program of Masmatica (registered trademark, MATEMATICA: Wolfram Resatch Inc.) can be used.

[5]上記メインローブ外に発生する所望の値以上のサイドローブピークの有無を確認する。 [5] The presence or absence of side lobe peaks exceeding the desired value generated outside the main lobe is confirmed.

[6]上記サイドローブピークがある場合は、(ハ)サイドローブパターンのそれぞれに拘束点(以降、軸外拘束点と称する)を設定して、該軸外拘束点における利得条件を、所望のサイドローブ利得以下に設定する。
この軸外拘束点は、上記の拘束点に追加して最適化するものである。このサイドローブパターンが複数あれば、それに応じて複数の軸外拘束点を追加する。これらの拘束点の設定利得は、所望のサイドローブ利得より若干低めの値とする。また最小2乗探索アルゴリズムを用いる場合、拘束点の場所の利得計算結果が設定利得より低い場合は誤差を0とすることもできる。
[6] When there is the sidelobe peak, (c) a constraint point (hereinafter referred to as an off-axis constraint point) is set for each sidelobe pattern, and the gain condition at the off-axis constraint point is set to a desired value. Set below sidelobe gain.
This off-axis restraint point is optimized in addition to the above restraint points. If there are a plurality of side lobe patterns, a plurality of off-axis constraint points are added accordingly. The set gains of these constraint points are set to values slightly lower than the desired side lobe gain. When the least square search algorithm is used, the error can be set to 0 when the gain calculation result at the place of the constraint point is lower than the set gain.

[7]上記中心拘束点、上記エリア端拘束点および軸外拘束点における利得条件を全て満たすように、上記各給電部に印加する電波の位相と振幅を再補正する。この再補正によって得られた位相と振幅を用いたビームパターンを図3(c)に示す。 [7] Re-correct the phase and amplitude of the radio wave applied to each of the power supply units so as to satisfy all gain conditions at the center constraint point, the area end constraint point, and the off-axis constraint point. FIG. 3C shows a beam pattern using the phase and amplitude obtained by this re-correction.

[8]上記励振分布を用いて求めた利得パターンにおいて、上記拘束点以外の場所に新たなサイドローブピークが発生した場合は上記[]に戻ることを繰り返す。なお、上記[]に戻る処理を所定の回数行ってもサイドローブピークを抑えられない場合は、この方向のビームについては低サイドローブ化したビームの生成は断念する。 [8] In the gain pattern obtained using the excitation distribution, when a new sidelobe peak occurs in a place other than the constraint point, the process returns to [ 5 ] above. If the side lobe peak cannot be suppressed even after the process of returning to [ 5 ] is performed a predetermined number of times, the generation of a beam with a low side lobe is abandoned for the beam in this direction.

上記マルチビームアンテナシステムのそれぞれのビームについて、サイドローブレベルを低減化する処理を行うことで、離焦点フェーズドアレー給電反射鏡アンテナの低サイドローブマルチビーム用励振分布を得ることができる。   By performing processing for reducing the side lobe level for each beam of the multi-beam antenna system, an excitation distribution for a low side lobe multi-beam of a defocused phased array fed reflector antenna can be obtained.

なお、上記[2]の中心拘束点の設定利得とエリア端利得の設定場所、及び上記[6]の軸外拘束点の設定利得に多少の試行錯誤が必要であるが、これらの値はどれか1つのビームについて決定すれば、他の指向方向のビームについては同じ値を用いることで処理が可能である。   It should be noted that some trial and error is required for the setting gain of the center constraint point and the area end gain setting in the above [2] and the setting gain of the off-axis constraint point in the above [6]. If only one beam is determined, processing can be performed by using the same value for beams in other directivity directions.

図4に上記の[1]から[8]で示した自動生成アルゴリズムの例を示すフローチャートを示す。上記の[1]から[8]は、図4中の[1]から[8]に対応するものである。上記拘束点の設定方法を上記アルゴリズムに組み込み、アンテナから見た離角±4度以内を0.4度間隔の三角配置で多数のビーム方向を指定して、各ビームについて低サイドローブ化したビームの自動生成計算を行って得られたマルチビーム例を図5に示す。離角±2度程度の範囲内で低サイドローブ化された160ビームが自動生成された。なお、この例では、軸外拘束点の追加を10回以上行ってもサイドローブが所望値以下にならなかった場合は、その方向のビーム生成は不可能とした。   FIG. 4 is a flowchart showing an example of the automatic generation algorithm shown in the above [1] to [8]. The above [1] to [8] correspond to [1] to [8] in FIG. The above constraint point setting method is incorporated into the above algorithm, and a beam with low side lobe for each beam is specified by specifying a number of beam directions in a triangular arrangement with an interval of ± 4 degrees as seen from the antenna at intervals of 0.4 degrees. FIG. 5 shows an example of a multi-beam obtained by performing the automatic generation calculation. A 160 beam with a low side lobe was automatically generated within a range of a separation angle of ± 2 degrees. In this example, when the off-axis constraint point is added 10 times or more and the side lobe does not fall below the desired value, beam generation in that direction is impossible.

このように、本発明を用いることにより、試行錯誤に係る多大な労力を、上記の自動化処理により軽減することが可能になり、以下のような分野に貢献することができる。
1) 大型反射鏡とフェーズドアレー給電部を組み合わせたアンテナシステムにおけるビームフォーミングネットワーク用励振分布の計算労力の軽減と計算時間の短縮が可能になる。
2) 市販の汎用のアンテナ解析シミュレータソフトへ本計算方法を組込むことにより、100ビーム以上のマルチビームアンテナ等の高度なアンテナ設計が容易になる。
3) 周波数を再利用するマルチビームアンテナシステム(例えば移動体通信衛星に搭載する大型反射鏡とフェーズドアレー給電部による搭載マルチビームアンテナシステム)における同一周波数ビーム間のサイドローブレベルによる干渉の軽減が可能になり、移動体衛星通信システムにおけるユーザ収容局数の増大に貢献する。
4) 地上携帯電話システムと衛星携帯電話システムで同一周波数を利用する地上/衛星統合移動通信システムにおける地上と衛星システム間のサイドローブレベルによる干渉の軽減が可能になり、地上システムと衛星システムが共存したシステムのユーザ収容局数の増大に貢献する。
As described above, by using the present invention, it is possible to reduce a great amount of labor related to trial and error by the above-described automated processing, and it is possible to contribute to the following fields.
1) It is possible to reduce the calculation effort and the calculation time of the excitation distribution for the beam forming network in the antenna system combining the large reflector and the phased array feeder.
2) By incorporating this calculation method into commercially available general-purpose antenna analysis simulator software, advanced antenna design such as multi-beam antennas with 100 beams or more becomes easy.
3) Reduction of interference due to sidelobe level between same frequency beams in multi-beam antenna system that reuses frequency (for example, multi-beam antenna system with large reflector mounted on mobile communication satellite and phased array feeder) This contributes to an increase in the number of user accommodation stations in the mobile satellite communication system.
4) It becomes possible to reduce the interference due to the sidelobe level between the ground and satellite systems in the terrestrial / satellite integrated mobile communication system using the same frequency in the terrestrial mobile phone system and the satellite mobile phone system, and the terrestrial system and the satellite system coexist. This contributes to an increase in the number of user accommodation stations in the system.

本発明は、アンテナシステムからの距離を十分に取れる場合は、実際の離焦点フェーズドアレー給電反射鏡アンテナを用いて、マルチビーム用励振分布を調整する場合に適用できる。また、縮尺した模型を用いる場合でも、その縮尺に応じた波長の電波を用いることで、マルチビーム用励振分布を調整することができることは明らかである。また、上記の処理を、コンピュータを用いたシミュレータで行って上記各給電部に印加する電波の位相と振幅を決定することで、上記の励振分布導出を短期間で行うことができる。   The present invention can be applied to the case of adjusting the multi-beam excitation distribution using an actual defocused phased array fed reflector antenna when a sufficient distance from the antenna system can be obtained. In addition, even when a scale model is used, it is clear that the multibeam excitation distribution can be adjusted by using radio waves having a wavelength corresponding to the scale. Moreover, the excitation distribution derivation can be performed in a short period of time by performing the above processing with a simulator using a computer and determining the phase and amplitude of the radio wave applied to each of the power feeding units.

また、上記においては、マルチビームアンテナシステムについて説明したが、スキャンビームアンテナシステムにおいても本発明を適用できることは明らかである。   In the above description, the multi-beam antenna system has been described. However, it is obvious that the present invention can also be applied to a scan beam antenna system.

1 反射鏡
2 フェーズドアレー給電部
3 焦点
R、4T ビームフォーミングネットワーク
R、5T 増幅器
R、6T 振幅調整器
R、7T 位相調整器
1 reflector 2 phased array feed unit trifocal 4 R, 4 T beamforming network 5 R, 5 T amplifier 6 R, 6 T amplitude adjuster 7 R, 7 T phase adjuster

Claims (3)

電波集光系である反射鏡とその離焦点に置いたフェーズドアレー給電部とを組み合わせたマルチビームアンテナシステムにおいて、
(1)指定するサービスエリア方向のピーク利得を最大にするためのフェーズドアレー給電部の各給電部に印加する電波の位相と振幅を、最大比合成方式を用いて決定して、これを初期値とし、
(2)上記初期値による励振分布によるビームパターンのメインローブビームについて、
(a)最大比合成方式を用いる際に指定したビーム中心方向に1つの中心拘束点を設定し、また、
(b)上記サービスエリア外で、上記指定したビーム中心方向からの方位角および仰角についてのそれぞれの離角が±ΔAzおよび±ΔELである4点のエリア端拘束点を選択し、
(3)上記中心拘束点の利得条件を上記の初期値によるビームパターンのピーク利得以上に設定し、上記エリア端拘束点のそれぞれの利得条件を上記所定サービスエリア内での最低利得以下に設定し、
(4)上記中心拘束点およびエリア端拘束点におけるそれぞれの利得条件をすべて満たすように、上記各給電部に印加する電波の位相と振幅を、上記(1)の初期値による励振分布を初期値として最適化手段により補正し、
(5)上記補正により得られたビームパターンから上記サービスエリア外に発生するサイドローブピークの有無を確認し、もしあれば、
(6)上記サイドローブピークのそれぞれに軸外拘束点を追加設定して、該軸外拘束点における利得条件を、所望のサイドローブ利得以下に設定し、
(7)上記中心拘束点、上記エリア端拘束点、および上記軸外拘束点における利得条件をすべて満たすように、上記各給電部に印加する電波の位相と振幅を再補正する処理を行い、
上記マルチビームアンテナシステムのそれぞれのビームについて上記(1)から(7)のステップを行うことを特徴とする離焦点フェーズドアレー給電反射鏡アンテナの低サイドローブマルチビーム用励振分布導出方法。
In a multi-beam antenna system that combines a reflector that is a radio wave condensing system and a phased array feeding unit placed at its defocus point,
(1) The phase and amplitude of the radio wave applied to each feeding unit of the phased array feeding unit for maximizing the peak gain in the specified service area direction is determined using the maximum ratio combining method, and this is the initial value. age,
(2) For the main lobe beam of the beam pattern by the excitation distribution by the initial value ,
(A) One center constraint point is set in the beam center direction designated when using the maximum ratio combining method, and
(B) Outside the service area, select four area end restraint points whose azimuth and elevation angles from the designated beam center direction are ± ΔAz and ± ΔEL,
(3) The gain condition at the center constraint point is set to be equal to or greater than the peak gain of the beam pattern according to the initial value, and the respective gain conditions at the area end constraint point are set to be equal to or less than the minimum gain in the predetermined service area. ,
(4) The phase and amplitude of the radio wave applied to each of the power supply units is set to the initial value of the excitation distribution according to the above (1) so that all gain conditions at the center constraint point and the area edge constraint point are satisfied. Corrected by optimization means,
(5) Check the presence or absence of sidelobe peaks occurring outside the service area from the beam pattern obtained by the correction, and if any,
(6) An off-axis constraint point is additionally set for each of the side lobe peaks, and a gain condition at the off-axis constraint point is set to be equal to or less than a desired side lobe gain.
(7) A process of recorrecting the phase and amplitude of the radio wave applied to each of the power feeding units so as to satisfy all gain conditions at the center constraint point, the area end constraint point, and the off-axis constraint point,
A method for deriving an excitation distribution for a low-sidelobe multi-beam of a defocused phased array fed reflector antenna, comprising performing steps (1) to (7) for each beam of the multi-beam antenna system.
上記()の処理の結果、上記中心拘束点、上記エリア端拘束点および上記軸外拘束点以外の場所に新たなサイドローブピークが発生した場合は、このような新たなサイドローブピークが発生しなくなるまで上記(5)〜(7)を繰り返すことを特徴とする請求項1に記載の離焦点フェーズドアレー給電反射鏡アンテナの低サイドローブマルチビーム用励振分布導出方法。 If a new sidelobe peak occurs at a place other than the center restraint point, the area end restraint point, and the off-axis restraint point as a result of the process of ( 7 ), such a new sidelobe peak occurs. 2. The method of deriving an excitation distribution for a low-sidelobe multi-beam of a defocused phased array fed reflector antenna according to claim 1, wherein the steps (5) to (7) are repeated until no more. 上記請求項1または請求項2の処理を、コンピュータを用いたシミュレータで行って上記各給電部に印加する電波の位相と振幅を決定することを特徴とする離焦点フェーズドアレー給電反射鏡アンテナの低サイドローブマルチビーム用励振分布導出方法。   The processing of claim 1 or 2 is performed by a simulator using a computer to determine the phase and amplitude of a radio wave applied to each of the power feeding units. Side lobe multi-beam excitation distribution derivation method.
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