JP2000307324A - フェーズド・アレイ・アンテナ・システム及びその動作方法 - Google Patents

フェーズド・アレイ・アンテナ・システム及びその動作方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】複雑なハードウェアを必要とせずに、高速にビ
ーム方向を切換えることのできるようにする。 【解決手段】複数のアンテナ素子３０からの受信信号
が、周波数変換器３４によって中間周波数信号へ変換さ
れ、マトリクス回路網４４に入力される。周波数変換器
への局部発振信号の位相は、移相回路４０により調整さ
れる。マトリクス回路網は、受け取った一連のアンテナ
素子対応信号を一連のビーム方向対応信号に変換してス
イッチ回路網５０へ入力させる。各ビーム方向対応信号
は、１つのビーム方向に対応している。スイッチ回路網
は、複数の分配機５４、複数のスイッチ５８、及び複数
の結合器６０を備え、該スイッチのオン／オフによって
スイッチ回路網の接続形態が決定され、複数の通信ビー
ムの各々に対して夫々特定のビーム方向が割り当てられ
て、結合器から出力される。この方式は膨大な数の移相
回路を必要としないので、構成が簡単である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、フェーズド・アレ
イ・アンテナに関するものであり、より詳しくは、同時
に複数のビームを取扱う機能を提供するフェーズド・ア
レイ・アンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】通信システムにおいて、受信モードにお
いては、アンテナ・アレイを構成している多数のアンテ
ナ素子の夫々から供給される信号の位相角を調整するこ
とによって、また、送信モードにおいては、それら多数
のアンテナ素子の夫々へ送出する信号の位相角を調整す
ることによって、アンテナ・ビームの走査を効果的に行
うことができる。これらの位相角の調整はアンテナ制御
システムによって行われる。衛星通信システムにおいて
は、フェーズド・アレイ・アンテナが、あるビーム方向
から別のビーム方向へ切換えるためのビーム走査を高速
でしかも高精度で行えるようにすることが強く求められ
ている。更に、この種のアンテナ・システムにおいて
は、衛星軌道上で、そのビーム形態を必要に応じて高速
で切換えることのできる、ビーム形態切換容易性も求め
られている。
【０００３】商用衛星通信システムと軍用衛星通信シス
テムのいずれにおいても、アンテナ・アレイを制御する
ことによって、ビーム幅の狭い、角度にして約１°程度
の幅の、狭いビームを発生させることが要求される。１
本の狭いビームがカバーする地表上のカバー領域は、比
較的小面積の略々円形の領域である。狭いビームを使用
することによって、電力効率を高めることができるとい
う利点の他に、複数の地上局において互いに競合するこ
となく同一無線周波数を使用できるという利点も得られ
る。更に、最近の衛星通信システムは、複数のビームを
同時に送信または受信できる能力も要求されている。同
時に送信または受信する必要のあるビームの本数が増え
るにつれて、フェーズド・アレイ・アンテナの制御回路
の複雑度も増大する。
【０００４】従来のフェーズド・アレイ・アンテナ・シ
ステムでは、そのアンテナ・アレイを構成している多数
の放射素子の１つ１つに、そのアンテナが同時に発生す
る複数のビームの各々に対応した複数の無線周波数（Ｒ
Ｆ）移相回路を個別に装備しておく必要があった。例え
ば、以下に詳細に説明する具体例のアンテナ・システム
では、そのアンテナ・アレイは５４７個の放射素子で構
成されており、また、互いに独立したビームを同時に１
６本まで発生できることが求められている。この場合、
１６本の独立したビームを発生するために必要とされる
移相回路の個数は８７５２個であり、また、それに加え
て、１６個の５４７方向ＲＦ電力結合器が必要とされて
いる。そして、多数の移相回路の各々を、１６個の電力
結合器のうちの対応する１個の電力結合器に接続する必
要があり、そのために配線が複雑に錯綜することにな
る。更に加えて、要求される走査精度を達成するため
に、多数の移相回路の各々に夫々専用の４ビットの信号
線を接続しなければならない。更に、同時に発生しなけ
ればならない互いに独立したビームの本数が大きな数に
なると、構成の複雑度はいよいよ増大することになる。
【０００５】以上から明らかなように、フェーズド・ア
レイ・アンテナ・システムに、互いに独立した複数のビ
ームを発生させるための技法として、構成の複雑度を低
減することのできる技法が求められている。本発明は、
かかる技法を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、互いに独立し
た複数のビームを夫々に所望のビーム方向に設定した
り、それらビームを夫々にあるビーム方向から別のビー
ム方向へ切換えたりすることを好適に行えるようにした
フェーズド・アレイ・アンテナ・システムに関するもの
である。要約して包括的に述べるならば、本発明のフェ
ーズド・アレイ・アンテナ・システムは、受信モードま
たは送信モードにおいて無線周波数（ＲＦ）で動作する
複数のアンテナ素子であって、第１個数の複数のアンテ
ナ素子と、前記複数のアンテナ素子の夫々に結合され
た、受信ＲＦ信号に周波数変換を施して中間周波数信号
にする複数の周波数変換器であって、前記複数のアンテ
ナ素子に等しい個数の複数の周波数変換器と、前記複数
の周波数変換器の夫々に局部発振周波数信号を供給する
局部発振器と、前記局部発振器と前記複数の周波数変換
器の夫々との間に接続されており、前記複数の周波数変
換器の夫々に供給される前記局部発振周波数信号の位相
調整を可能にしている複数の移相回路であって、その個
数が前記複数のアンテナ素子の個数に等しい複数の移相
回路と、複数の入力ポートと複数の出力ポートとを有す
るマトリクス回路網であって、該複数の入力ポートの個
数は前記複数のアンテナ素子の個数に等しい第１個数で
あり、該複数の出力ポートの個数は設定可能な複数のビ
ーム方向の個数に等しい第２個数であり、前記複数のア
ンテナ素子の夫々に対応したアンテナ素子対応信号の集
合であるアンテナ素子対応信号群を、前記複数のビーム
方向の夫々に対応したビーム方向対応信号の集合である
ビーム方向対応信号群に変換するマトリクス回路網と、
複数の入力ポートと複数の出力ポートとを有するスイッ
チ回路網であって、該複数の入力ポートの個数は前記第
２個数であり、該複数の入力ポートは前記マトリクス回
路網の前記複数の出力ポートの夫々に結合されており、
該複数の出力ポートの個数は各々を独立した通信チャネ
ルとして使用する複数のビームの本数に等しい第３個数
であるスイッチ回路網とを備えている。前記スイッチ回
路網は、第２個数の前記複数のビーム方向のうちから任
意のビーム方向を選択して、その選択したビーム方向に
対応したビーム方向対応信号を、選択したビームに対応
した出力ポートに結合する。以上によって、前記複数の
ビームの各々を、１つまたは複数のビーム方向に高速で
割り当てることが可能となる。
【０００７】更に具体的には、前記マトリクス回路網
は、バトラー・マトリクス、ブラス・マトリクス回路
網、またはロトマン・レンズ回路網の構成形態とすれば
よい。また、前記スイッチ回路網は、第２個数の複数の
分配器と、それら複数の分配器の各々に対して第３個数
ずつ備えた複数のスイッチと、第３個数の複数の結合器
とを含んでいる。前記複数の分配器の個数は該スイッチ
回路網の前記複数の入力ポートの個数に等しく、それら
複数の分配器の各々が１個の入力ポートと複数の出力ポ
ートとを有し、各々の分配器の前記１個の入力ポートは
前記マトリクス回路網の複数の出力ポートのうちの１つ
の出力ポートに接続されており、各々の分配器の前記複
数のビームの個数は前記ビームの本数に等しい前記第３
個数である。前記複数のスイッチは、前記複数の分配器
の夫々前記複数の出力ポートの各々に１つずつが接続さ
れている。前記複数の結合器の個数もまた、前記複数の
ビームの本数に等しい。それら結合器の各々が１個の出
力ポートと複数の入力ポートとを有し、それら結合器の
各々の前記１個の出力ポートが、該スイッチ回路網の前
記複数の出力ポートのうちの１つずつの出力ポートを構
成しており、それら結合器各々の前記複数の入力ポート
の個数は、該スイッチ回路網の前記複数の入力ポートの
個数に等しい前記第２個数である。以上によって、該ス
イッチ回路網の前記複数の入力ポートの各々を前記複数
の分配器のうちの１個の分配器と、前記複数のスイッチ
のうちの１個のスイッチと、前記複数の結合器のうちの
１個の結合器とを経由して、該スイッチ回路網の前記複
数の出力ポートのうちの任意の出力ポートへ接続できる
ようにしてある。前記複数のスイッチの動作によって、
任意の選択ビームに任意の選択ビーム方向を割り当てる
ことができる。
【０００８】前記フェーズド・アレイ・アンテナ・シス
テムは送信モードでの動作が可能であり、該送信モード
においては、前記スイッチ回路網が、選択したビーム信
号を、選択したビーム方向対応信号に割り当てるように
機能し、前記マトリクス回路網が、複数のビーム方向対
応信号を、アンテナ・アレイ信号に変換するように機能
し、前記周波数変換器の各々が、中間周波数を無線周波
数へ変換するアップコンバージョンを実行する。
【０００９】方法に関して述べるならば、本発明は、ア
ンテナ・アレイを構成している第１個数の複数のアンテ
ナ素子を介して夫々に無線周波数（ＲＦ）信号を受信す
るステップと、前記複数のアンテナ素子と同数の複数の
周波数変換器において夫々に受信信号にダウンコンバー
ジョンを施して中間周波数信号にするダウンコンバージ
ョン・ステップであって、局部発振信号を発生させるス
テップと、前記局部発振信号を分配して前記第１個数の
複数の局部発振信号にした上でそれら複数の局部発振信
号を前記複数の周波数変換器へ送出するステップと、前
記複数の周波数変換器へ供給される前記複数の局部発振
信号の夫々の位相を調整して位相誤差を補償するステッ
プとを含んでいる、ダウンコンバージョン・ステップ
と、前記複数の周波数変換器から前記第１個数の複数の
ダウンコンバージョンした受信信号を出力する出力ステ
ップと、前記第１個数の複数のダウンコンバージョンし
た信号を、第２個数の複数の信号へ変換する変換ステッ
プであって、該第２個数はフェーズド・アレイ・アンテ
ナのビーム放射方向として設定可能な複数のビーム方向
の個数に等しい個数である、変換ステップと、前記第２
個数の複数の信号のうちから任意の複数の信号を夫々ビ
ーム信号として選択することによって、それらビーム信
号からなるビーム信号群を選択する選択ステップであっ
て、それらビーム信号の各々が所望の複数の通信チャネ
ルの１つずつに対応している選択ステップとを含むもの
である。前記選択ステップを実行することで、あるビー
ム方向から別のビーム方向へのビーム切換操作を高速で
しかも高い信頼性をもって行うことができる。
【００１０】更に具体的には、前記選択ステップは、前
記第２個数の複数の信号に含まれる各信号を第３個数に
分配することによって、各信号ごとに当該信号に対応し
た第３個数の複数の信号を生成する分配ステップと、前
記各信号ごとに前記分配ステップによって生成した前記
第３個数の複数の信号を、第３個数の複数の制御可能な
スイッチを介して、第３個数の複数の信号結合器の夫々
の入力ポートへ接続する接続ステップと、前記複数のス
イッチを制御することによって、夫々に異なったビーム
方向に対応している前記第２個数の複数の信号のうちか
ら、前記複数の信号結合器の夫々に接続する信号を選択
するステップとを含んでいる。それら選択された信号
は、夫々にビーム信号として、前記複数の信号結合器か
ら出力される。
【００１１】複数のビーム信号に、ビーム方向を割り当
てる際の割り当て方としては、様々な割り当て方が可能
である。その１つは、前記制御ステップにおいて、複数
のビーム信号の各々に対して、１つずつのビーム方向対
応信号を選択して割り当てるというものである。また、
別法として、前記制御ステップにおいて、複数のビーム
信号のうちのあるものに対して、複数のビーム方向対応
信号を選択して割り当てることも可能である。更に、前
記制御ステップにおいて、複数のビーム信号に対して同
一のビーム方向対応信号を選択して割り当てることも可
能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】図面には、本発明の具体的な実施
の形態を示した。図面からも明らかなように、本発明
は、互いに独立した複数のビームを同時に発生すること
のできるフェーズド・アレイ・アンテナ・システムに関
するものである。衛星通信システムにおいては、しばし
ば、別々の地上局ないし通信端末へ向けられた複数のビ
ームを操作する能力がアンテナに要求される。図１に示
したように、角直径が１°のビームを用いて、対地静止
軌道から見た地表の全域をカバーするためには、合計３
１３個のビーム方向を定めておけばよい。対地静止軌道
から見た地球の角直径は約１８°である。図１におい
て、大きな１つの円は地球を表しており、小さな多数の
円は、各々が、所定のビーム方向に設定した角直径が１
°のビームを表している。図示のように、３１３個のビ
ーム方向を、一辺が１１個のビーム方向からなる六角形
のパターンに配列するようにすれば、そのパターンが、
視野の中に円板状に見える地表に略々重なるようにな
る。
【００１３】図１に示した３１３個のビーム方向は、対
地静止軌道上の通信衛星のフェーズド・アレイ・アンテ
ナが発生する複数のビームの方向を設定する際に、設定
可能なビーム方向を示したものである。また、図２に
は、従来のフェーズド・アレイ・アンテナ・システムを
示しており、このフェーズド・アレイ・アンテナ・シス
テムは、互いに独立した１６本のビームを発生すること
ができ、それら１６本のビームを、図１に示した３１３
個のビーム方向のうちから選択した所望のビーム方向へ
指向させることができるように構成されている。
【００１４】図２に示したフェーズド・アレイ・アンテ
ナ・システムは、放射素子であるアンテナ素子を５４７
個備えており、それらアンテナ素子の各々を参照番号１
０で示している。ただし、図を簡明にするために、図２
にはそれらアンテナ素子のうち、第１素子、第２素子、
及び第５４７素子の３個だけを示した。また、以下の説
明は、このアンテナ・システムが受信モードで動作する
場合の説明である。各々のアンテナ素子１０は、増幅器
１２を介して、１６方向分配器１４に接続されており、
１６方向分配器１４は、当該アンテナ素子を１６本の並
列な接続線のうちの１本に結合する機能を果たしてい
る。１６方向分配器１４に接続されている１６本の接続
線は、その各々が移相回路１６に結合している。従っ
て、各アンテナ素子１０に対して１６個の移相回路１６
が装備されており、アンテナ・システムの全体では、移
相回路１６の合計個数は８７５２個に及んでいる。
【００１５】更にこのフェーズド・アレイ・アンテナ・
システムは、５４７方向ＲＦ電力結合器２０を１６個備
えている。ただし図２には、それら１６個の電力結合器
のうち、第１電力結合器２０及び第１６電力結合器２０
だけを示した。図２の最下段に示した第１電力結合器２
０は、図示の如く、１６方向分配器１４に接続されてい
る１６個の移相回路１６のうちの第１番目の位置にある
移相回路１６から送出されるＲＦ信号を夫々に入力とし
て受取っている。第１番目の位置にある移相回路１６は
合計５４７個あり、それら５４７個の第１番目の位置の
移相回路１６のグループが、それら移相回路１６の夫々
に供給される制御信号の集合によって適切に制御される
ことによって、１本のビームが発生される。このビーム
を「第１ビーム」と呼ぶことにする。同様に、５４７個
の移相回路からなるグループが、この他に１５グループ
存在している。それら移相回路の各グループが、該グル
ープに対応した１つ電力結合器２０に結合されており、
それによって、各々の移相回路グループごとに、他から
独立した１本のビームが発生され、図２に示した例で
は、合計１６本の独立したビームが発生される。
【００１６】図２に示した従来のフェーズド・アレイ・
アンテナ・システムには、幾つもの問題があり、それら
問題の１つは構成が複雑であることにある。膨大な数の
移相回路１６の各々を高精度で調整しなければならず、
また、それら移相回路１６を夫々に対応したＲＦ電力結
合器２０に接続しなければならない。それら移相回路１
６を制御するための制御線の配線作業も、それら移相回
路１６と夫々に対応する電力結合回路２０との間の接続
線の配線作業も、いずれも容易な作業ではない。これ
は、隣接するアンテナ素子１０の間隔が予め定められて
おり、しかも該間隔がかなり小さいからである。上述し
た従来のアンテナ・システムに付随するもう１つの大き
な問題は、ビームをあるビーム方向から別のビーム方向
へ切換えるための変更操作を、高速で行えないというこ
とがある。図２のシステムでは、ビーム走査、即ちビー
ム方向の切換えを行う際には、そのビームに関連した移
相回路１６の設定を変更しなければならない。これにつ
いて説明すると、１本のビームをあるビーム方向から別
のビーム方向へ切換える際には、１つのグループを構成
している５４７個の移相回路１６の設定を変更する必要
があるため、その設定変更に伴う設定時間が遅延時間と
なるのである。更に、これに関連したもう１つの問題と
して、周知のようにＲＦ移相回路は、製造誤差や温度変
化等をはじめとする様々な要因によって、精度の低下を
招きやすいという性質を有している。
【００１７】本発明によれば、以上に述べた問題を完璧
に回避することができる。特に、移相回路としては、１
個のアンテナ素子につき、較正用の移相回路を１個備え
るだけでよく、ビーム走査やビーム方向切換は、移相回
路の設定変更によって行うのではなく、スイッチの切換
えによって行うようにしているため、実際に瞬時にして
完了させることができる。
【００１８】図３は、本発明にかかるフェーズド・アレ
イ・アンテナ・システムであり、このアンテナ・システ
ムのアンテナ素子３０の個数は、図２の従来のアンテナ
・システムと同じく５４７個である。ただし本発明は、
この具体的な実施例のような５４７個のアンテナ素子を
備えたアンテナ・システムだけに限定されるものではな
い。アンテナ素子３０の各々に、低雑音増幅器（ＬＮ
Ａ）３２とダウンコンバータ３４とが接続されている。
ダウンコンバータ３４は、受信した無線周波数（ＲＦ）
信号に周波数変換を施して中間周波数（ＩＦ）信号にす
るものであり、受信するＲＦ信号の周波数は、例えば４
４ギガヘルツ（ＧＨｚ）である。このアンテナ・システ
ムでは、全体で５４７個のダウンコンバータ３４に対し
て１個の局部発振器（ＬＯ）３６が装備されている。こ
の局部発振器３６は、電力分配器３８へ局部発振信号
（ＬＯ信号）を供給しており、電力分配器３８は、その
供給されたＬＯ信号を、５４７個の移相回路を介して５
４７個のダウンコンバータ３４に接続されている５４７
本の信号線へ分配する。移相回路４０によって、夫々の
ＬＯ信号の移相調整が行われ、その結果、ＬＯ信号が供
給されている夫々のダウンコンバータ３４から夫々の出
力線４２上へ送出される中間周波数（ＩＦ）信号の移相
調整が行われる。移相回路４０による移相調整は、較正
作業の際にだけ、全ての信号線上における移相を確実に
揃えるために実行され、図２の従来のシステムのよう
に、ビーム走査のために行われることはない。
【００１９】この方式によれば、アンテナ制御システム
の負荷が大幅に軽減されるという利点がある。また、移
相回路４０が位相調節を施す対象の信号が、受信するＲ
Ｆ信号より周波数が低いＬＯ信号であるため、ＲＦ移相
回路と比べて、ＬＯ移相回路４０は製造誤差及び動作温
度変化に影響される感受性が小さいという利点もある。
更には、個々のアンテナ素子３０に隣接した位置に装備
される１個の低雑音増幅器（ＬＮＡ）３２及び１個のダ
ウンコンバータ３４の合計体積は、図２の従来のシステ
ムでは必要とされている１個のアンテナ素子に対応した
１６個の移相回路の合計体積と比べて遙かに小さいた
め、パッケージングが大幅に容易化されるという利点も
得られる。
【００２０】５４７個のダウンコンバータ３４から夫々
の出力線４２上へ送出された５４７個の出力信号は、Ｉ
Ｆマトリクス回路網４４へ入力している。マトリクス回
路網４４としては、バトラー・マトリクス、ブラス・マ
トリクス回路網、それにロトマン・レンズ回路網などを
用いることができる。このマトリクス回路網４４は、受
信モードにおいては、５４７個の「給電(feed)」信号
を、それら給電信号に対応した、３１３個の「ビーム」
信号からなるビーム信号群へ変換する機能を果たしてい
る。それら３１３個のビーム信号は、３１３個の設定可
能なビーム方向に１対１対応している。一方、送信モー
ドにおいては、マトリクス回路網４４は、受信モードの
場合とは逆の変換機能を果たすことになる。このような
マトリクス回路網について詳細に開示した文献として
は、例えば、本願の基礎米国特許出願の譲受人に譲渡さ
れた米国特許第５７３４３４５号（発明者：Ｃｈｅｎ
ｅｔａｌ．、発明の名称：Ａｎｔｅｎｎａ Ｓｙｓｔｅ
ｍ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａｎｄ Ｒｅｄ
ｉｒｅｃｔｉｎｇ ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＢｅ
ａｍｓ（通信ビームの制御及びビーム方向変更のための
アンテナ・システム））や、それに、同じく本願の基礎
米国特許出願の譲受人に譲渡された米国特許第５７６０
７４１号（発明者：Ｈｕｙｎｈ ｅｔ ａｌ．、発明の
名称：Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｆ
ｏｒ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｂｅａｍ−Ｆｅｅｄ Ｓｈａ
ｒｉｎｇ Ａｎｔｅｎｎａ Ｓｙｓｔｅｍ（マルチ・ビ
ーム・フィード・シェアリング・アンテナ・システムの
ためのビ−ム形成回路網））などがある。尚、これら米
国特許の内容はこの言及をもって本願開示に組込まれた
ものとする。これらに開示されているビーム形成回路網
（米国特許第５７３４３４５号では、図７に参照番号１
４で示されている）は、本発明におけるマトリクス回路
網４４と同一の機能を果たすものである。
【００２１】受信モードで動作しているときには、マト
リクス回路網４４は、３１３本の出力線４６上に、夫々
出力を送出している。それら３１３本の出力線４６は、
その各々が、設定可能な３１３個のビーム方向の１つに
対応している。本発明のもう１つの重要な構成要素とし
て、中間周波数（ＩＦ）スイッチ回路網５０がある。こ
のＩＦスイッチ回路網５０は、３１３本の出力線４６か
ら然るべき出力線を選択して、出力線５２で示したよう
に、第１ビーム〜第１６ビームに割り当てる機能を果た
すものである。このＩＦスイッチ回路網５０は、複数の
１：１６分配器５４を含んでいる。それら分配器５４
は、その各々が、マトリクス回路網４４の３１３本の出
力線４６の１つに対応しており、従ってそれら分配器５
４の個数は全部で３１３個である。各分配器５４は、１
個の入力ポートと、１６個の出力ポートとを有してお
り、それら出力ポートから夫々の接続線５６上へ出力が
送出されている。ただし、接続線５６の総数は多数に及
ぶため、見やすさを考慮して、それら接続線５６のうち
の多くの図示を省略した。接続線５６には、その各々に
個別に、電子制御可能なスイッチ５８が１つ介挿されて
いる。ＩＦスイッチ回路網５０は更に、１６個の３１３
×１結合器６０を含んでいる。各々の結合器６０は、３
１３個の入力ポートを有しており、それら入力ポート
へ、それらに接続した３１３本の接続線５６上の夫々の
信号が入力している。また、各結合器６０は、１個の出
力ポートを有しており、その出力ポートから、該ポート
に接続されている１本の出力線５２上へ出力が送出され
る。
【００２２】多数の接続線５６は、３１３個の分配器５
４と、１６個の結合器６０との間を接続しており、どの
結合器６０からどの分配器５４へも、信号を供給するこ
とができるようにしている。例えば、第１結合器６０
は、全ての分配器５４それぞれの第１出力ポートに接続
されており、第２結合器６０は、全ての分配器５４それ
ぞれの第２出力ポートに接続されている。更に、第３結
合器６０以降の結合器も、全ての分配器５４それぞれの
出力ポートに、同様に接続されている。
【００２３】以下に動作について説明する。受信モード
において、使用可能な１６本のビームの全てがイネーブ
ルされているときには、どの結合器６０についても、当
該結合器６０に接続されている３１３本の接続線５６の
各々に介挿されている３１３個の入力スイッチ５８のう
ちの１つのスイッチだけが閉成されている。これは、ど
の結合器６０に対しても、１個のビーム方向が割り当て
られているということに他ならない。通常は、１６個の
結合器６０に対して、設定可能な３１３個のビーム方向
から選択された１６個の互いに異なったビーム方向が割
り当てられるが、この場合、ビームの割り当てや、ビー
ム方向の割り当ては、必ずしも上記した割り当て方に限
られず、その他の割り当て方も可能である。独立した１
本の通信チャネルを構成する１本のビームに対して、同
時に複数のビーム方向を割り当てることも可能であり、
また逆に、複数のビームに対して、同一のビーム方向を
割り当てることも可能である。あるビームの向きを、あ
るビーム方向から別のビーム方向へ切換えるには、該当
するスイッチ５８を制御するだけでよく、多数のアンテ
ナ素子の夫々の位相遅延量を調整して設定変更する必要
はない。切換えたスイッチ５８が切換後の状態に落ち着
いたならば、そのとき早くもアンテナ・ビームのビーム
は、切換後の新形態への移行を完了している。
【００２４】アンテナの技術分野の当業者には周知のよ
うに、フェーズド・アレイ・アンテナは一般的に、送信
モードと受信モードとのいずれでも動作可能である。説
明の容易性を考慮して、受信モードで動作する場合を例
にとって本発明及び従来例の説明をしてきたが、送信モ
ードで動作する場合を例にとって説明することも可能で
ある。例えば、送信モードにおいては、複数の結合器６
０は夫々分配器として機能することになり、また、複数
の分配器５４は夫々結合器として機能することになる。
更に、マトリクス回路網４４は、先に触れたように、送
信モードでは、３１３個のビーム方向の夫々に対応した
入力からなる入力信号群を、５４７個のアンテナ素子の
夫々に対応した出力からなる出力信号群へ変換する機能
を果たすことになる。更に、複数のダウンコンバータ３
４は、夫々がアップコンバータとして機能することにな
る。また、低雑音増幅器３２は、送信モードでは、ソリ
ッド・ステート電力増幅器に置き換えればよい。
【００２５】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、衛星通信システム用のフェーズド・アレイ・アンテ
ナの分野に大なる進歩をもたらすものである。すなわ
ち、本発明は、数千個にも及ぶ多数のＲＦ移相回路や、
それらＲＦ移相回路に付随する膨大な本数の制御用の配
線を必要とすることなく、複数の通信ビームを、あるビ
ーム方向から別のビーム方向へ切換えることができ、従
って、本発明が提供する技法を採用するならば、構成の
複雑度を大幅に低減することが可能である。このよう
に、本発明が提供する技法は、ハードウェア構成の複雑
度を大幅に低減しつつ、より高速で、より高い信頼性を
もって、ビーム方向の切換操作を行うことを可能にする
ものである。尚、以上に本発明の具体的な実施の形態に
ついて詳細に説明したが、この実施の形態に対しては、
本発明の概念及び範囲から逸脱することなく様々な変更
を加えることが可能である。従って、本発明の範囲は、
請求の範囲の記載によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】対地静止軌道（ＧＥＯ）から眺めた視野を示
し、ビーム幅が１°の通信ビームを用いて、３１３個の
所定のビーム方向を六角形に配列したときの、通信カバ
ー領域を示した模式図である。
【図２】従来のフェーズド・アレイ・アンテナ・システ
ムのブロック図である。
【図３】本発明に係るフェーズド・アレイ・アンテナ・
システムのブロック図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ケネス・ティー・ヤノ アメリカ合衆国カリフォルニア州90503, トーランス，トムリー・アベニュー 19921 (72)発明者 チュン−ホン・エイチ・チェン アメリカ合衆国カリフォルニア州90503, トーランス，ホワイト・コート 4803 Ｆターム(参考） 5J021 AA05 AA06 DB03 DB04 FA06 FA17 FA24 FA31 FA32 GA02 HA02 HA05 JA07

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 フェーズド・アレイ・アンテナ・システ
    ムにおいて、 受信モードまたは送信モードにおいて無線周波数（Ｒ
    Ｆ）で動作する第１個数の複数のアンテナ素子と、 前記アンテナ素子に１対１結合され、受信ＲＦ信号を中
    間周波数信号に変換する第１個数の周波数変換器と、 前記周波数変換器それぞれに局部発振周波数信号を供給
    する１つの局部発振器と、 前記局部発振器と前記周波数変換器それぞれとの間に接
    続されている第１個数の移相回路であって、前記周波数
    変換器それぞれに供給される前記局部発振周波数信号の
    位相調整を行う第１個数の移相回路と、 第１個数の入力ポートと、設定可能な複数のビーム方向
    の個数に等しい第２個数の出力ポートとを有するマトリ
    クス回路網であって、前記アンテナ素子それぞれに対応
    したアンテナ素子対応信号の集合であるアンテナ素子対
    応信号群を、前記ビーム方向それぞれに対応したビーム
    方向対応信号の集合であるビーム方向対応信号群に変換
    するマトリクス回路網と、 前記マトリクス回路網の前記出力ポートに１対１結合さ
    れた第２個数の入力ポートと、独立した通信チャネルと
    して使用する複数のビームの本数に等しい第３個数の出
    力ポートとを有するスイッチ回路網であって、第２個数
    のビーム方向から任意のビーム方向を選択して、該選択
    したビーム方向に対応したビーム方向対応信号を、選択
    したビームに対応した出力ポートに結合するスイッチ回
    路網とを備え、前記複数のビームの各々を、１つまたは
    複数のビーム方向に高速で割り当てることを可能にした
    ことを特徴とするフェーズド・アレイ・アンテナ・シス
    テム。
  2. 【請求項２】 請求項１記載のフェーズド・アレイ・ア
    ンテナ・システムにおいて、前記スイッチ回路網が、 おのおのが１個の入力ポートと第３個数の出力ポートと
    を有している第２個数の分配器であって、これら分配器
    の入力ポートが、前記マトリクス回路網の出力ポートに
    １対１で接続されている、第２個数の分配器と、 前記分配器それぞれに対して第３個数ずつ備えられたス
    イッチであって、前記分配器それぞれの前記出力ポート
    に１対１で接続されているスイッチと、 おのおのが１個の出力ポートと第２個数の入力ポートと
    を有している第３個数の結合器であって、これら結合器
    の出力ポートが、前記スイッチ回路網の前記出力ポート
    である、第３個数の結合器とからなり、前記スイッチ回
    路網の前記入力ポートそれぞれを、前記分配器、前記ス
    イッチ、及び前記結合器を介して、該スイッチ回路網の
    前記出力ポートの任意の出力ポートへ接続可能とし、前
    記スイッチの制御により、任意の選択ビームに任意の選
    択ビーム方向を割り当てることが可能に構成されたこと
    を特徴とするフェーズド・アレイ・アンテナ・システ
    ム。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２記載のフェーズド・アレ
    イ・アンテナ・システムにおいて、 前記マトリクス回路網が、バトラー・マトリクス、ブラ
    ス・マトリクス、及びロトマン・レンズ回路網からなる
    グループから選択された形態であることを特徴とするフ
    ェーズド・アレイ・アンテナ・システム。
  4. 【請求項４】 請求項１記載のフェーズド・アレイ・ア
    ンテナ・システムにおいて、前記フェーズド・アレイ・
    アンテナ・システムは送信モードで動作が可能であり、
    該送信モードにおいては、 前記スイッチ回路網が、選択したビーム信号を、選択し
    たビーム方向対応信号に割り当てるように機能するよう
    構成され、 前記マトリクス回路網が、複数のビーム方向対応信号
    を、アンテナ・アレイ信号に変換するように機能するよ
    う構成され、 前記周波数変換器が、中間周波数を無線周波数へ変換す
    るアップコンバージョンを実行するよう構成されている
    ことを特徴とするフェーズド・アレイ・アンテナ・シス
    テム。
  5. 【請求項５】 フェーズド・アレイ・アンテナ・システ
    ムの動作方法において、 アンテナ・アレイを構成している第１個数の複数のアン
    テナ素子を介して無線周波数（ＲＦ）信号を受信するス
    テップと、 第１個数の周波数変換器それぞれにおいて受信信号にダ
    ウンコンバージョンを施して中間周波数信号にするステ
    ップであって、局部発振信号を発生させるステップと、
    前記局部発振信号を分配して第１個数の局部発振信号に
    した上でそれら局部発振信号を前記周波数変換器それぞ
    れに送出するステップと、前記周波数変換器へ供給され
    る前記局部発振信号それぞれの位相を調整して位相誤差
    を補償するステップとからなるダウンコンバージョン・
    ステップと、 前記周波数変換器それぞれから第１個数のダウンコンバ
    ージョンした受信信号を出力する出力ステップと、 第１個数の複数のダウンコンバージョンした信号を、フ
    ェーズド・アレイ・アンテナのビーム放射方向として設
    定可能な複数のビーム方向の個数に等しい第２個数の信
    号へ変換する変換ステップと、 第２個数の信号から任意の複数の信号を夫々ビーム信号
    として選択することによって、それらビーム信号からな
    るビーム信号群を選択する選択ステップであって、それ
    らビーム信号の各々が、所望の複数の通信チャネルの１
    つに対応している、選択ステップとを含んでおり、前記
    選択ステップにより、あるビーム方向から別のビーム方
    向へのビーム切換操作を高速でしかも高い信頼性をもっ
    て行えるようにしたことを特徴とする動作方法。
  6. 【請求項６】 請求項５記載の動作方法において、前記
    選択ステップが、 第２個数の信号それぞれを第３個数に分配することによ
    って、各信号ごとに当該信号に対応した第３個数の信号
    を生成する分配ステップと、 前記信号それぞれごとに前記分配ステップによって生成
    した第３個数の信号を、第３個数の制御可能なスイッチ
    を介して、第３個数の信号結合器それぞれの入力ポート
    へ接続する接続ステップと、 前記スイッチを制御することによって、夫々に異なった
    ビーム方向に対応している第２個数の前記信号から、前
    記信号結合器それぞれに接続する信号を選択することに
    よって、選択された信号がそれぞれビーム信号として前
    記信号結合器から出力されるように制御する制御ステッ
    プとを含んでいることを特徴とする動作方法。
  7. 【請求項７】 請求項６記載の動作方法において、前記
    制御ステップにおいて、複数のビーム信号の各々に対し
    て、１つのビーム方向対応信号を選択して割り当てるこ
    とを特徴とする動作方法。
  8. 【請求項８】 請求項６記載の動作方法において、前記
    制御ステップにおいて、複数のビーム信号のあるものに
    対して、複数のビーム方向対応信号を選択して割り当て
    ることを特徴とする動作方法。
  9. 【請求項９】 請求項６記載の動作方法において、前記
    制御ステップにおいて、複数のビーム信号に対して、一
    つのビーム方向対応信号を選択して割り当てることを特
    徴とする動作方法。
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