JPH1093337A - マルチビームアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ビーム形状や方向に対して柔軟なパターン成
形が可能で、かつ、これらのビームを複数個設けること
ができ、各ビームにおける通信量や周波数に対する柔軟
性を有するマルチビームアンテナを簡単な構成で提供。 【解決手段】 複数のアンテナ素子により構成されるア
レイアンテナにより複数のビームを形成するマルチビー
ムアンテナであって、アンテナ素子は複数のビーム形成
に共通に使用され、アンテナ素子毎に増幅器が接続さ
れ、ビーム毎に設けられたビーム形成回路においてアン
テナ素子の各々へ励振電力を供給する手段を有し、ビー
ム形成回路の一部の複数のものについて、励振電力のう
ちの振幅成分については全て同一の励振振幅分布を設定
し、励振電力のうちの位相成分については各ビーム形成
回路毎に固有の励振位相分布を設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は例えば衛星搭載用
として用いられるマルチビームアンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】衛星通信・衛星放送の需要の増加に伴
い、衛星搭載アンテナの高機能化が要求されてきてい
る。例えば、利得を上げて通信容量を大きくするために
マルチビーム化したり、ビーム形状をカバレッジ形状に
合わせて成形したりする機能が将来の衛星搭載アンテナ
において重要である。

【０００３】この中でビーム成形を行うための従来のア
ンテナ方式として、図６に示すようなアレイアンテナに
よる構成が考えられている。図６の方式では、複数の各
アンテナ素子１１毎に増幅器１２及び重み付け器１３が
接続される。ここで、分配器１６で分配された信号は重
み付け器１３により適当な励振ウェイトが与えられ、増
幅器１２により増幅されてアンテナ素子１１から放射さ
れる。重み付け器１３としては、励振振幅を設定するた
めの減衰器１５、励振移相を設定するための移相器１４
などで構成される。このような構成により、各アンテナ
素子１１に励振ウェイトを自由に設定でき、所望のビー
ム形状をつくったり、所望方向へビームを向けることが
可能になる。

【０００４】この従来方式のアンテナをマルチビーム化
する方法として、反射鏡型マルチビームアンテナの一次
放射器などで用いられているように、複数のビームを共
用するためにアンテナ素子に分波器を接続する方式が考
えられる。図７にこの考えを用いた方式の構成例を示
す。ここで各アンテナ素子１１には、増幅器１２の他に
分波器２１が接続され、これにより２つのビーム毎に給
電回路が設けられる。各給電回路に重み付け器１３、分
配器１６が設けられ、各ビーム独立に励振ウェイトが設
定できる。以上のような方法によりマルチビーム化は可
能である。

【０００５】しかし、以上示した従来構成および容易に
類推できる範囲の構成では次のような問題点がある。

【０００６】第一に、各ビーム毎に給電回路が必要であ
り、アンテナ素子へ励振振幅と励振位相を設定するため
の重み付け器の数がビーム数に比例して増えていく。こ
のためビーム数が大きい場合には、アンテナ構成がかな
り複雑になる。

【０００７】第二に、各ビームで設定する励振ウェイト
は全く独立であるため、各アンテナ素子単位でみた場合
の放射電力は素子毎にまちまちの値にある。従って、衛
星出力や供給電力を考えた場合に増幅器をアンテナ素子
毎に最適化設定する必要があり、設計および製造が難し
くなる。

【０００８】第三に、これらの構成はビーム間での通信
量の変動や使用帯域の変更などには全く対応できない。
衛星通信の柔軟な運用を考えた場合には、ビーム毎に使
用周波数帯域や通信量を固定するのでは無く、通信状況
等に応じて自由に可変できることが重要であるが、この
ような要求に対応できるものでは無い。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、将
来の高度な衛星通信を行うためには、ビームの形状や方
向などを自由に設定でき、そのビームを複数個設けるよ
うな機能が衛星搭載用アンテナには必要であるが、従来
方法では、給電系構成が複雑になったり、増幅器の設計
・製造が難しくなったり、衛星の出力電力の効率的利用
が難しいという点などにおいて問題が多い。また、マル
チビームによる将来の高度な衛星通信として、ビーム間
での通信量の変動や使用周波数帯域などの変更に対して
柔軟に対応できるアンテナ構成が課題である。

【００１０】本発明では、以上の問題点および課題を解
決し、ビーム形状や方向に対して柔軟なパターン成形が
可能で、かつ、これらのビームを複数個設けることがで
き、各ビームにおける通信量や周波数に対する柔軟性を
有するマルチビームアンテナを簡単な構成で提供するこ
とを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め、本発明のマルチビームアンテナは、複数のアンテナ
素子と、前記各アンテナ素子に励振電力を供給してビー
ムを形成する第１のビーム形成手段と、前記複数のアン
テナ素子に対する励振電力の振幅成分の分布がほぼ同一
となるように前記各アンテナ素子に励振電力をそれぞれ
供給してそれぞれビームを形成する複数の第２のビーム
形成手段とを具備する。本発明では、複数のビームに関
して、各ビーム毎に固有の励振位相による励振ウェイト
を設定でき、励振振幅は全て同一となる。

【００１２】本発明では、第２のビーム形成手段の励振
電力が第１のビーム形成手段の励振電力よりも大きくな
るようにしてもよい。これにより、送信電力の大きな複
数のビームに関して、各ビーム毎に固有の励振位相によ
る励振ウェイトを設定でき、励振振幅は全て同一とな
る。

【００１３】本発明では、第２のビーム形成手段が各ア
ンテナ素子に対する励振電力の位相成分の分布を可変さ
せる手段を有するようにしてもよい。このような手段に
より、第２のビーム形成手段について、各ビーム毎に固
有の設定する励振位相を随時変化させることができる。

【００１４】本発明では、第２のビーム形成手段につい
ては、各アンテナ素子に供給する励振電力の振幅値が全
て同一となるように、複数のアンテナ素子に対する励振
電力の振幅成分の分布を設定してもよい。これによ
り、、励振振幅分布は全て同一となり、しかも各アンテ
ナ素子へ同一の励振振幅が与えられる。

【００１５】本発明では、第１のビーム形成手段が各ア
ンテナ素子へ供給する励振電力の励振振幅分布及び励振
位相分布を任意に可変する手段を有するようにしてもよ
い。このような手段により、第１のビーム形成手段につ
いて、励振振幅分布および励振位相分布を自由に設定で
きる。

【００１６】本発明では、アンテナ素子から放射された
電波を反射させる反射鏡をさらに具備するようにしても
よい。このような手段により、反射鏡アンテナより形成
される各ビーム毎に固有の励振位相による励振ウェイト
を設定でき、励振振幅は全てのビームに関して同一とな
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を以下に図面を
用いて説明する。

【００１８】図１に本発明の実施例であるマルチビーム
アンテナの構成例を示す。ここでは、送信用アンテナの
構成について説明するが、後述するように本発明は受信
用としても有効である。

【００１９】このマルチビームアンテナは複数のアンテ
ナ素子２１〜２８を有する。アンテナ素子の方式、配置
は問わない。アンテナ素子２１〜２８には各々増幅器
（高出力増幅器）３１〜３８及び合成器４１〜４８が接
続される。複数のビームを形成するためのビーム形成回
路５１〜５４はビーム毎に設けられる。各ビーム形成回
路５１〜５４は分配器５５及び移相器２０により構成さ
れる。各ビーム形成回路５１〜５４の各アンテナ素子２
１〜２８に対応する出力は、それぞれ合成器４１〜４８
に入力される。

【００２０】ここで、各ビーム形成回路５１〜５４に入
力した送信信号は、最初に分配器５５により各アンテナ
素子向きへ信号が分配され、これらの信号に移相器２０
により励振位相の重み付けがなされる。移相器として
は、伝送線路長を変えたような固定の移相器を用いるこ
とができる。この励振位相のウェイト分布はビーム毎に
独立に設定できる。励振振幅の重み付けは、分配器５５
により行われる。分配器５５としては、方向性結合器や
２分配器の組み合わせた方式を用いて結合度や分配比を
適当に設定することにより所望の振幅分布を実現するこ
とも可能であるし、等分配する分配器（ハイブリッド結
合器など）や減衰器、増幅器を用いて所望の振幅分布を
実現することも可能である。

【００２１】このようにして実現された励振分布をもつ
信号は各アンテナ素子２１〜２８へ伝達されるが、各ア
ンテナ素子２１〜２８は全てのビームに関して共通に利
用されるので、ここで各ビームからの信号を合成するた
めの合成器４１〜４８を設ける。従って、各アンテナ素
子２１〜２８からは、全てのビームに関する信号を同時
に放射することができる。

【００２２】以上のような構成により、例えば図２に示
すようなビーム１〜４が形成できる。各ビームは各ビー
ム形成回路５１〜５４により形成されるものであり、例
えばビーム１，２，３，４は各々ビーム形成回路５１，
５２，５３，５４により形成される。

【００２３】ここで、本発明の特徴として、４つのビー
ム形成回路に中の２つについて、励振電力の振幅成分の
分布を同一とする。例えば、ビーム形成回路５１および
５３（ビーム１と３に各々対応）で設定される励振振幅
分布を同一とする。

【００２４】具体的な例を表１に示す。

【００２５】

【表１】 ここでは、各ビームの送信電力（増幅器を介してアンテ
ナ素子から放射される電力）と各アンテナ素子への励振
電力の割合を示している。励振電力の割合は、励振振幅
によって決まるので、この「各アンテナ素子への励振電
力の割合」が「励振電力の振幅成分の分布」に相当す
る。より具体的には、ビーム１の「各アンテナ素子から
放射される電力の割合」は、「0.2,0.2,0.1,0.1,0.1,0.
1,0.1,0.1 」であり、同様にビーム２の「各アンテナ素
子から放射される電力の割合」は、「0.2,0.2,0.1,0.1,
0.1,0.1,0.1,0.1 」であってビーム１のものと一致して
いる。このことが「複数のアンテナ素子に対する励振電
力の振幅成分の分布が同一」に相当する。

【００２６】表２に各アンテナ毎に放射される送信電力
の合計を示す。

【００２７】

【表２】 これを見てわかるように、ビーム１の送信電力ａとビー
ム３の送信電力ｃの合計（ａ＋ｃ）が一定であれば、各
アンテナから放射される送信電力のうちのビーム１と３
に関する電力量は変化しないことになる。ここで、例え
ば、ビーム１とビーム３の通信量（送信信号の励振電
力）が大きく、このビーム以外のビーム２とビーム４の
通信量（送信信号の励振電力）が小さく全体の送信電力
に占める割合が小さい場合には、ビーム１とビーム３の
送信電力の合計（ａ＋ｃ）が一定であれば、全体の送信
電力もほぼ一定となる。この場合、ビーム１とビーム３
の間で通信量（周波数帯域）を自由に変化させても、全
体の送信電力は変わらない。本発明の構成による効果と
して以下のような点があげられる。

【００２８】通信量が集中するビームのビーム形成回路
で設定する励振振幅分布を一定とすることにより、これ
らのビームでの送信電力和を一定とすれば（上記の例で
いうとビーム１とビーム３）、アンテナ全体の送信電力
をほぼ一定に保つことができる。ここで、ビームでの送
信電力和が一定であれば、各ビームにおける通信帯域
（チャネル数）を自由に変化させることができ、ビーム
間での通信量を通信環境などの状況に応じてフレキシブ
ルに変化させることができる。特定の時間帯や緊急時な
どに特定ビームに通信量を集中させることができ、運用
上非常に都合が良い。

【００２９】上記の通信量が集中するビームについて、
ビーム成形回路においてビーム毎に独立に励振位相分布
を設定でき、ビーム形状を任意に成形したり、ビーム方
向を所望の方向へ向けたりすることが容易に行える。複
数のビームのそれぞれのパターンを自由自在に変化させ
ることができ、将来の衛星通信への利用価値は高い。特
に、衛星と地上の位置関係が常に変化する周回衛星に搭
載するアンテナとして重要である。ここで励振振幅分布
が全ビームで同一となる制約はあるが、ビーム成形やビ
ーム方向制御のための自由度という点では問題は少な
い。

【００３０】上記の通信量が集中するビームに関して励
振振幅分布を同一とすることで、振幅分布を設定する分
配器等の設計・製作が容易かつ効率的に行える利点があ
る。上記の通信量が集中するビームに関して励振振幅分
布を同一とすることで、各アンテナ素子からの放射電力
が個々に一定値とすることができるので、ビーム間で通
信量が変化した場合にも増幅器を常に最大効率で使用す
ることができ、限られた電力しか利用できない衛星搭載
用アンテナとして有効である。また、通信量の変化に対
して、送信電力量を切り換えたりする必要が無く、増幅
器の設計・製作が容易になる利点がある。従来方式の場
合には、ビーム間での通信量のアンバランスを許容する
ために、増幅器に対して大きな電源電力を用意する必要
性があり、電源効率が悪く、特に衛星搭載用としては問
題であった。

【００３１】通信量があまり大きくなることの無いビー
ムに関しては、ビーム形成回路において振幅、位相とも
自由に励振分布を設定することができ、全体の送信電力
にあまり影響すること無く、各ビーム毎に最適なアンテ
ナ特性を実現できる。この通信量の小さいビームは、ア
ンテナのボアサイト方向から離れた角度方向に形成さ
れ、自由に励振分布を設定することによるアンテナ特性
改善の効果は大きい。

【００３２】本発明の構成により、ビーム形成回路の構
成が簡単になり、製作も容易になる。その理由として、
前述のように励振振幅分布を全ビームで同一としたため
の他に次のようなことがあげられる。

【００３３】励振振幅は固定であるので、ビーム形成回
路の中に必要な重み付け器としては移相器だけになる。
従って、ビーム形成回路の構成が簡単になる。また、送
信の場合、ビーム形成回路は増幅器に投入前の小電力信
号を扱うものであるので、製作が簡単になり、小型化や
軽量化などが容易に行える。

【００３４】以上の説明した本発明の実施形態におい
て、次のような変更や条件設定を行っても、本発明の効
果は同様である。

【００３５】素子数およびビーム数は本発明の実施形態
に示した限りでは無く、全く自由に選んでも本発明の効
果は同様である。

【００３６】受信の場合にも、本発明の構成は有効であ
る。受信の場合には、増幅器が高出力増幅器から低雑音
増幅器に、合成器４１，４２，４３，４４，４５，４
６，４７，４８が分配器に、分配器５５が合成器になる
だけで、基本的構成は同一である。

【００３７】ビーム形成回路内の移相器は固定のもので
も可変のものでも良い。特に、可変移相器を用いた場合
には、ビーム形状を時事刻々と変化させることができ、
マルチビーム衛星通信の運用を更に柔軟に行う上で都合
が良い。

【００３８】ビームの集中するビームに関してビーム形
成回路で設定する励振振幅分布として、各アンテナ素子
へ全て均一の励振振幅を与えるような条件を設定するこ
とにより、前述の効果の他に次のような新たな効果も生
まれる。第一に、均一な励振振幅ウェイトにより、アン
テナ利得（アンテナ効率）を高くでき、アンテナ開口を
有効に使える。逆の見方をすれば、アンテナの小型化に
有効である。第二に、振幅分布が均一になることによ
り、増幅器が全て同一仕様とすることができ、設計、製
作工程の簡単化が行える。

【００３９】通信量の小さなビームについて、励振位
相、励振振幅を任意に可変する手段、例えば、可変移相
器や可変減衰器、可変増幅器などをそのビームに対応す
るビーム形成回路に設けることにより、ビーム方向やビ
ーム形状を自由自在に変化させることが可能である。海
上をカバーするビームのように、通常通信量の無いとこ
ろに発呼があった時だけビームを形成したり、このよう
な複数のビームエリアを一つのビームで代用することが
できる。ビームの効率的な利用ができ、有効である。

【００４０】次に、本発明のその他の実施形態にっいて
説明する。

【００４１】図３に本発明のその実施形態であるマルチ
ビームアンテナの構成例を示す。ここで、アンテナは反
射鏡６０と複数のアンテナ素子を有する一次放射器６１
とで構成される。一次放射器６１のアンテナ素子は、反
射鏡焦点５９と反射鏡６０のエッジを結ぶ照射領域内に
配置される。

【００４２】図４には、一次放射器６１の構成例を示
す。一次放射器６１は、複数のアンテナ素子７１，７
２，７３，７４，７５，７６により構成され、ここでア
ンテナ素子の方式、配置は問わない。アンテナ素子７
１，７２，７３，７４，７５，７６には各々増幅器（高
出力増幅器）８１，８２，８３，８４，８５，８６およ
び合成器９１，９２，９３，９４，９５，９６が接続さ
れる。また、複数のビームを形成するためのビーム形成
回路６４，６５，６６はビーム毎に形成され、各ビーム
形成回路は分配器６２および移相器６３により構成され
る。ビーム形成回路の動作は図１の実施例と同様であ
る。つまり、各ビーム形成回路に入力した送信信号は、
最初に分配器により各アンテナ素子向きへ信号が分配さ
れ、これらの信号に移相器により励振位相の重み付けが
なされる。この励振位相のウェイト分布はビーム毎に独
立に設定できる。励振振幅の重み付けは、分配器６２に
より行われ、複数のビームについて同一の励振振幅分布
をつくる。このようにして実現された励振分布をもつ信
号は各アンテナ素子へ伝達されるが、各アンテナ素子は
全てのビームに関して共通に利用されるので、ここで各
ビームからの信号を合成するための合成器９１，９２，
９３，９４，９５，９６を設け、各アンテナ素子からは
全てのビームに関する信号を同時に放射できる。

【００４３】本発明のその他の実施形態である図３およ
び図４の構成による効果は、図１に示した本発明の実施
形態における効果と同様である。更に、反射鏡アンテナ
において用いることにより、次のような新たな効果が生
まれる。

【００４４】反射鏡を介することにより、実効開口に比
べアンテナ素子数を減らすことができる。従って、ビー
ム形成回路も分岐数が減り、給電回路構成が簡単化でき
る。反射鏡を用いることにより、実効開口を大きくする
ことが容易になり、アンテナ利得の高利得化が簡単に実
現できる。高利得が要求される衛星搭載用アンテナとし
て有効であり、特に軌道位置が地球から遠い静止衛星の
場合に効果が大きい。 本発明のその他の実施形態であ
る図３および図４の構成において、反射鏡数、鏡面系形
式は問わない。例えば、図５に示すように、主反射鏡６
７、副反射鏡６８、一次放射器６９による２枚鏡形式で
も本発明の効果は同様である。また、図１の本発明の実
施形態の説明において示した変更等について、この実施
形態においても同様に適用できる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のマルチビ
ームアンテナでは、ビームの形状や方向などを自由に設
定でき、そのビームを複数形成することができ、将来の
高機能な衛星通信用アンテナとして利用価値が大きい。
また、給電系構成や増幅器の設計・製作が従来方式に比
較して非常に簡単である。更に、マルチビームによる将
来の高度な衛星通信として必要な、ビーム間での通信量
の変動や使用周波数帯域などの変更といったことに対し
て柔軟に対応でき、この場合に衛星の電源を有効に活用
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態におけるマルチビームアン
テナの構成図である。

【図２】本発明の一実施形態におけるマルチビームの配
置例である。

【図３】本発明のその他の実施形態におけるマルチビー
ムアンテナの構成図である。

【図４】本発明のその他の実施形態におけるマルチビー
ムアンテナのー次放射器の構成図である。

【図５】本発明のその他の実施形態におけるマルチビー
ムアンテナの構成図である。

【図６】従来のアレイアンテナの構成を示す図である。

【図７】従来技術により容易に類推できるマルチビーム
アンテナの構成図である。

【符号の説明】

２１〜２８ アンテナ素子 ３１〜３８ 増幅器 ２０ 移相器 ４１〜４８ 合成器 ５１〜５４ ビーム形成回路 ５５ 分配器

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のアンテナ素子と、 前記各アンテナ素子に励振電力を供給してビームを形成
   する第１のビーム形成手段と、 前記複数のアンテナ素子に対する励振電力の振幅成分の
   分布がほぼ同一となるように前記各アンテナ素子に励振
   電力をそれぞれ供給してそれぞれビームを形成する複数
   の第２のビーム形成手段とを具備することを特徴とする
   マルチビームアンテナ。
2. 【請求項２】 第２のビーム形成手段の励振電力が、第
   １のビーム形成手段の励振電力よりも大きいことを特徴
   とする請求項１記載のマルチビームアンテナ。
3. 【請求項３】 第２のビーム形成手段が、各アンテナ素
   子に対する励振電力の位相成分の分布を可変させる手段
   を有することを特徴とする請求項１記載のマルチビーム
   アンテナ。
4. 【請求項４】 第２のビーム形成手段については、各ア
   ンテナ素子に供給する励振電力の振幅値が全て同一とな
   るように、複数のアンテナ素子に対する励振電力の振幅
   成分の分布を設定したことを特徴とする請求項１記載の
   マルチビームアンテナ。
5. 【請求項５】 第１のビーム形成手段が、各アンテナ素
   子へ供給する励振電力の励振振幅分布及び励振位相分布
   を任意に可変する手段を有することを特徴とする請求項
   １記載のマルチビームアンテナ。
6. 【請求項６】 アンテナ素子から放射された電波を反射
   させる反射鏡をさらに具備することを特徴とする請求項
   １記載のマルチビームアンテナ。