JP2002124818A - アレイで給電されるマルチビーム反射器アンテナシステム及びビーム生成方法 - Google Patents

アレイで給電されるマルチビーム反射器アンテナシステム及びビーム生成方法

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JP2002124818A
JP2002124818A JP2001242316A JP2001242316A JP2002124818A JP 2002124818 A JP2002124818 A JP 2002124818A JP 2001242316 A JP2001242316 A JP 2001242316A JP 2001242316 A JP2001242316 A JP 2001242316A JP 2002124818 A JP2002124818 A JP 2002124818A
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Terry M Smith
エム． スミス テリー
George Hardie
ハーディー ジョージ
Douglas G Burr
ジー． ブル ダグラス
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Space Systems Loral LLC
Loral Space Systems Inc
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 通信システムを搭載している軌道周回宇宙船
で使用する、アレイで供給されるマルチビームアンテナ
システム及びその方法である。 【解決手段】該アンテナシステムは、反射器と、小さな
アレイフィードと、を含む。該アレイフィードは複数個
のフィード（放射器）を有し、該フィードは反射器を照
射し、且つ反射器の焦点面に配置されている。電力分割
回路はフィードの放射器を励起する。スポットビームは
焦点面内の各フィードの配置を制御して、特定のスポッ
トビーム（アレイフィード）に関連する振幅及び位相分
布を使用することで、考慮される領域に亘って走査され
る。振幅及び位相分布は、動作中に固定されるか若しく
は変化せしめられる。デュアルバンドシステムは、第２
アレイフィードと、各アレイフィードを活用するべくア
レイフィードの間に配置された周波数選択板とを含む。 【効果】非常に効率的な通信システムを作り出す。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、宇宙船通信のシス
テム及びその方法に関し、特に宇宙船通信システムで使
用されるアレイで給電されるマルチビームアンテナシス
テム及びその方法に関する。本発明の譲受人は、通信衛
星を製造し且つ配備している。地球上の特定地域に所望
のカバレージを提供し、割り当てられた周波数範囲を最
大限に再利用するために、マルチビームアンテナシステ
ムを使用することが必要である。
【０００２】所望の領域に隣接するカバレージを提供す
る従来のマルチビームアンテナシステムは、通常、アン
テナビームを２次元の三角形若しくは長方形格子の上に
局在せしめるものである。従来の反射器若しくはレンズ
のマルチビームアンテナシステムは、３個若しくは４個
のアパーチャを使用して所望のカバレージを効率的に達
成している。さらに、従来のマルチビームアンテナによ
って生成され、周波数再利用方式において使用可能なビ
ーム各々の帯域幅は、所望の帯域幅よりも大略狭い。
【０００３】マルチビームアンテナの従来の構成では、
アンテナの各フィードに対して単一のホーンアンテナを
利用している。従来のマルチビームアンテナの構成で使
用される単一のフィード放射器の構成は、最悪の場合の
走査ビームの性能劣化を最小化するようになされている
にすぎなかった。これは、焦点に近接するビームの性能
劣化、若しくは、走査ビームの性能劣化のどちらか一方
を引き起こす。
【０００４】従来の構成には走査の光行差の効果からの
問題があり、これはアンテナ焦点面におけるフィールド
分布を変更することでは修正できないものである。これ
らの構成はよく知られており、アンテナ構成に関連する
文献に広く公表されている。本発明では、異なるビーム
位置に応じて使用される異なるフィード放射器の特性を
容認することにより、この妥協を回避する。
【０００５】通信衛星で使用するマルチビームアンテナ
システム及び、その通信方法があることは好ましい。ま
た、異なるビーム位置に応じて使用される異なるフィー
ド放射器の特性を容認する、通信衛星で使用するマルチ
ビームアンテナシステムがあることも好ましい。従っ
て、本発明の目的は、衛星通信システムで使用するアレ
イで給電されるマルチビームアンテナシステム及びその
方法を提供することである。
【０００６】
【発明の概要】上述の目的及びその他の目的を達成する
べく本発明は従来のマルチビームアンテナシステムとビ
ーム生成方法とを改良する、アレイで給電されるマルチ
ビームアンテナシステム及びその方法を提供する。典型
的なシステムが宇宙船に設けられた通信システムに採用
されて、これは反射器と、導波管スロットアレイ若しく
は小さなホーンのアレイの如きアレイフィードと、を含
む。該アレイフィードは、反射器の大きさと比較して相
対的に小さい。アレイフィードは、反射器を照射する複
数のフィードを有する。各フィードは複数の放射器と、
該フィードそれぞれの各放射器を励起する電力分割回路
と、を含む。
【０００７】各フィードクラスターの該放射器は、正方
形若しくは長方形のパターン状に配置される。放射器
は、反射器の焦点面に配置される。個々のアレイフィー
ドは、個々のビーム位置に対して使用される。反射器か
らのそれぞれの第２ビームに対応して各アレイフィード
で使用される励起係数は異なり得る。各アレイフィード
で使用される励起係数は宇宙船を軌道へ打ち上げる前に
固定される。或いは、励起係数は可変として、ビーム間
の分離を調整する。宇宙船は可変位相シフト器及び可変
電力分割器を使用して軌道上に存在する一方で、該励起
係数は振幅及び位相係数を調整することによって変化さ
せられ得る。
【０００８】該アンテナシステムは非常に広範囲の走査
角動作が可能である。走査に通常伴う位相光行差は、各
アレイフィードの励起係数を調整することで修正され
る。従って、例えば１つの国の局所的カバレージの如き
狭角走査に通常適しているアンテナ構成が、同期軌道宇
宙船から観測される地球表面に亘るカバレージにマルチ
スポットビームを提供するのに使用され得る。
【０００９】典型的な方法の実施例において、マルチビ
ームアンテナシステムを有する通信システムを搭載する
宇宙船が軌道へ打ち上げられる。該マルチビームアンテ
ナシステムは、反射器と、電力分割回路によって通信シ
ステムに結合された複数の放射器を有するアレイフィー
ドと、を含む。該アンテナシステムの性能の最適化は
（送信帯と受信帯の如き）２つの周波数帯において行わ
れる故、周波数選択板（ＦＳＳ）は、２つの異なる動作
帯域に応じた２つの異なるフィードアレイにおいて個別
に最適化を与えるように使用され得る。
【００１０】周波数選択板の使用は、送信フィードアレ
イとそれらを駆動する電力増幅器の間の効率的なインタ
ーフェイスを提供する。周波数選択板の使用は、送信フ
ィードアレイが電力増幅器の比較的近い位置に配置され
ることを許容する。従って、比較的短い導波管伝送線路
が電力増幅器と送信フィードアレイの間で使用される。
より多くの電力が送信フィードアレイに供給され、より
少ない損失が通信システムによって経験される。
【００１１】送信の間、ＲＦエネルギーは電力分割回路
によって通信システムから各フィード放射器へ結合され
て、各放射器を励起する。放射器によって放射されたエ
ネルギーは、反射器によって反射されてマルチスポット
ビームを生成する。スポットビームは、焦点面内の各ア
レイフィード位置を制御し、特定のスポットビーム（ア
レイフィード）に関する振幅及び位相分布を使用して、
考慮される領域を走査する。
【００１２】放射器により生成された振幅及び位相分布
の制御は、非常に広いカバレージ領域に亘るマルチビー
ムアンテナシステムによって作り出されたビームシェイ
プを最適化するべく、異なる走査位置に対して実現され
る異なる焦点面分布を許容する。上述の如く、各アレイ
フィードに伴う振幅及び位相分布は、可変分布が実行さ
れているにも関わらず通常固定されている。
【００１３】受信の間、マルチスポットビームは反射器
によってフィードの各要素の放射器へ反射される。マル
チスポットビームに含まれるＲＦエネルギーは電力結合
回路によって通信システムへ結合される。従って、本発
明は、マルチビームアンテナシステム内の個々のフィー
ドに小さなアレイ放射器を使用する。マルチビームアン
テナ内の要素放射器として小さなアレイを使用する利点
の１つは、それがマルチビームアンテナから放射された
ビームに対応する焦点面セル内での振幅及び位相の制御
を提供する点である。小さなアレイの使用は、異なる走
査位置に対して実現される異なる分布を許容し、非常に
広いカバレージ領域に亘るマルチビームアンテナによっ
て生成されるビームシェイプを最適化する。
【００１４】本発明の多様な特徴及び効果は、添付の図
面と共に以下の詳細な説明を参照することで簡単に理解
されるであろう。ここで、同様の参照番号は同様の構成
要素を示している。
【００１５】
【発明の実施の形態】添付の図面を参照すると、図１は
本発明の原理に従うシングルバンドマルチビームアンテ
ナシステム10の典型的な実施例の側面図である。図２
は、図１のアンテナシステム10の正面図である。マルチ
ビームアンテナシステム10は、宇宙船21に設けられた通
信システム20（全体が指定されている）と共に使用する
ように構成されている。図１は、シングルバンドマルチ
ビームアンテナシステム10に対するアレイフィード12の
一実施例を示している。
【００１６】特にマルチビームアンテナシステム10は、
反射器11と、アレイフィード12とを含んでおり、アレイ
フィードは反射器の大きさと比較して相対的に小さい。
アレイフィード12は、反射器11を照射する複数のフィー
ド13を含む。フィード13の各々は、複数の放射器14と、
電力分割回路15とを含み、回路15はフィード13の各々の
放射器14をそれぞれ励起する。
【００１７】フィード13の各々の放射器14は、通常正方
形、長方形、若しくは三角形の格子パターン状に配列さ
れている。フィード13の各々の放射器14は、反射器11の
焦点面17に配置されている。反射器11の焦点は、反射器
11の焦点面17を示す線に沿って明確に示されている。従
って、マルチビームアンテナシステム10において、小さ
なアレイフィード13は、反射器11の焦点面内に配置され
て、各ビーム位置に応じて使用される。各アレイフィー
ド12に対して使用される励起係数は異なり得る。図１の
実施例は、フィードアレイ12として導波管スロットアレ
イ12を示す。しかしながら、例えば円形若しくは角錐ホ
ーンの如きフィードアレイ12の多様な異なるタイプがマ
ルチビームアンテナシステム10において使用されること
は理解されるであろう。
【００１８】導波管スロットアレイ12は、アンテナシス
テム10のアレイフィード12の好適な実施例として選択さ
れた。導波管スロットアレイ12のスロットを励起させる
電力分割回路15は、導波管スロットアレイ12の低損失な
不可欠部分である。これは小さな軽量パッケージ上で実
現される混成アレイフィード12と回路15とを提供するも
のであり、宇宙船構成の観点からも望ましい。アレイ12
がホーン放射器から成る場合には、外部の電力分割回路
15が使用されるであろう。
【００１９】図１及び図２は、単一のオフセット反射器
11を照射するアレイフィード12（導波管スロットアレイ
12）を示す。このアンテナシステム10の構成は、非常に
広い走査角動作が可能である。走査に伴う位相光行差
は、通常、各アレイフィード12の励起係数の調整により
修正される。従って、各アレイフィード12の励起係数の
適切な調整が走査されるビームに関するエラーを修正す
る。その結果、例えば１つの国の局所的カバレージの如
き、狭角走査のみに適するアンテナ構成が、同期軌道宇
宙船21から観測される地表全体に亘るカバレージを有す
るマルチスポットビームの提供に使用可能である。
【００２０】各アレイフィード12に使用される励起係数
は、宇宙船21が軌道へ打ち上げられる前に固定される。
若しくは、励起係数は可変としてビーム間の分離を調整
し得る。励起係数が振幅及び位相係数の調整によって変
化し得る一方で、宇宙船21は、可変位相器と可変電力分
割器を従前通りの方法で制御することによって軌道内に
保たれる。これは宇宙船21の打ち上げより前には未知で
ある大量の通信量に対するビームの最大限の活用に有益
であろう。
【００２１】ここで図３を参照すると、図３は本発明の
原理に従って通信の為のマルチスポットビームを生成す
る典型的な方法30を示すフローチャートである。方法30
は以下のステップを含む。反射器11を含むマルチビーム
アンテナシステム10を有する通信システム20と、電力分
割回路15によって通信システム20に結合されている放射
器14を複数個有するアレイフィード12と、を搭載する宇
宙船21が軌道へ打ち上げられる（31）。
【００２２】送信の間、ＲＦエネルギーは電力分割回路
15によって通信システム20からフィード13のそれぞれの
放射器14へ結合される（32）。フィード13のそれぞれは
各放射器14を励起する。放射器14によって放射されるエ
ネルギーは、反射器11によって反射されて、マルチスポ
ットビームを生成する（33）。スポットビームは、フィ
ードアレイ放射器の適切な位置決めと、特定のスポット
ビーム（つまり各アレイフィード12）に伴う振幅及び位
相分布の制御（設定若しくは固定）と、によって全関係
領域を走査される（34）。通常の実施において各アレイ
フィード12に伴う振幅及び位相分布は固定される。放射
器14によって生成された振幅及び位相分布の制御は、異
なる走査位置に応じて実現される異なるビーム分布を許
容して、非常に広いカバレージ領域に亘るマルチビーム
アンテナシステム10によって生成されるビームシェイプ
を最大限に活用する（35）。
【００２３】受信の間、マルチスポットビームは反射器
11によってフィード13の各要素の放射器14へ反射される
（36）。マルチスポットビームに含まれる該ＲＦエネル
ギーは、電力分割回路15によって通信システム20へ結合
される（37）。次に図４を参照すると、図４は本発明の
原理に従うデュアルバンドマルチビームアンテナシステ
ム10の典型的な実施例の側面図である。送信動作バンド
及び受信動作バンドの両方の動作の最適化の為に、図４
に示される如き周波数選択板（ＦＳＳ）18は、マルチビ
ームアンテナシステム10内で選別したアレイフィード12
の使用を許容するのに使用される。送信及び受信アレイ
フィード12の係数は従って個々に最適化される。周波数
選択板18は、送信及び受信周波数バンドのエネルギーを
それぞれ送信及び受信アレイフィード12へ最適に結合す
るべく動作する。
【００２４】周波数選択板18の使用はまた、送信フィー
ドアレイ12とそれを駆動する電力増幅器との間の非常に
効率的なインターフェイスを提供する。周波数選択板18
の使用は、送信アレイフィード12が電力増幅器の比較的
近い位置に配置されることを許容する。これは電力増幅
器と送信フィードアレイ12との間の比較的短い導波管伝
送線路を許容する。従って、より大きな電力が送信フィ
ード12に供給され、より低い損失が通信システム20によ
って経験される。
【００２５】従って、マルチビームアンテナシステム及
び宇宙船通信システムにおいて使用される方法が開示さ
れた。上述の実施例は単に、本発明の原理の応用を示す
多くの具体例のうちのいくつかであることは理解される
であろう。明らかに、多数の変形例が本発明の範囲から
逸脱することなく直ちに考案され得ることは当業者にと
って明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の原理に従う、シングル動作バンドマ
ルチビームアンテナシステムの典型的な実施例の側面図
である。
【図２】 図１によるアンテナシステムの正面図であ
る。
【図３】 本発明の原理に従う、通信のためのマルチス
ポットビームを生成する典型的な方法を示すフローチャ
ートである。
【図４】 本発明の原理に従う、デュアルバンドマルチ
ビームアンテナシステムの典型的な実施例の側面図であ
る。
【符号の説明】
10 マルチビームアンテナシステム 11 反射器 12 アレイフィード 13 フィード 14 放射器 15 電力分割回路 16 焦点 17 焦点面 18 周波数選択板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョージ ハーディー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 93105 サンタバーバラ サンマルコスパ ス 2942 (72)発明者 ダグラス ジー． ブル アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95123 サンノゼ テラッツォコート 5844 Ｆターム(参考） 5J020 AA03 AA06 BA09 BA19 BC04 DA08 DA09 5J021 AA01 BA01 BA05 CA06 DB02 DB03 FA05 FA32 GA02 HA05 HA07 JA03 5J046 AA04 AB19 KA03

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 通信システムを有する宇宙船で使用する
    アンテナシステムであって、 反射器と、 前記反射器の大きさと比較して相対的に小さなアレイフ
    ィードと、 前記通信システムと前記アレイフィードとの間に結合さ
    れた電力分割回路と、を含むことを特徴とするアンテナ
    システム。
  2. 【請求項２】 前記アレイフィードは、前記反射器を照
    射する複数のフィードからなることを特徴とする請求項
    １記載のアンテナシステム。
  3. 【請求項３】 前記フィードの各々は、複数の放射器を
    含むことを特徴とする請求項２記載のアンテナシステ
    ム。
  4. 【請求項４】 前記電力分割回路は、前記フィードの前
    記放射器の各々を励起することを特徴とする請求項３記
    載のアンテナシステム。
  5. 【請求項５】 前記フィードの各々の前記放射器は、正
    方形の格子パターン状に配列されていることを特徴とす
    る請求項３記載のアンテナシステム。
  6. 【請求項６】 前記フィードの各々の前記放射器は、長
    方形の格子パターン状に配列されていることを特徴とす
    る請求項３記載のアンテナシステム。
  7. 【請求項７】 前記フィードの各々の前記放射器は、三
    角形の格子パターン状に配列されていることを特徴とす
    る請求項３記載のアンテナシステム。
  8. 【請求項８】 前記フィードの各々の前記放射器は、前
    記反射器の焦点面に配置されていることを特徴とする請
    求項３記載のアンテナシステム。
  9. 【請求項９】 前記フィードアレイは、導波管スロット
    アレイを含むことを特徴とする請求項１記載のアンテナ
    システム。
  10. 【請求項１０】 前記反射器は、オフセット反射器を含
    むことを特徴とする請求項１記載のアンテナシステム。
  11. 【請求項１１】 スポットビームが、焦点面でのフィー
    ドアレイの位置を調整することによって、考慮される領
    域に亘って走査されて、各ビームのサイドローブは各ア
    レイフィードの振幅及び位相分布を制御することによっ
    てビーム間の分離が最適化されることを特徴とする請求
    項１記載のアンテナシステム。
  12. 【請求項１２】 各アレイフィードの振幅及び位相分布
    は固定されていることを特徴とする請求項１記載のアン
    テナシステム。
  13. 【請求項１３】 各アレイフィードの振幅及び位相分布
    は可変であることを特徴とする請求項１記載のアンテナ
    システム。
  14. 【請求項１４】 前記反射器の大きさと比較して相対的
    に小さい第２アレイフィードと、 前記アレイフィードの間に配置された周波数選択板と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１記載のアンテナ
    システム。
  15. 【請求項１５】 マルチスポットビームを生成する方法
    であって、 電力分割回路によって通信システムに結合された複数の
    放射器を有するアレイフィードと、反射器を含むマルチ
    ビームアンテナシステムを有する通信システムと、を搭
    載する宇宙船を軌道に打ち上げるステップと、 送信の間、前記通信システムからのＲＦエネルギーを電
    力分割回路によって各フィードの放射器へ結合して、各
    放射器を励起するステップと、 前記反射器から前記放射器によって放射されたエネルギ
    ーを反射して、マルチスポットビームを生成するステッ
    プと、 受信の間、反射器からのマルチスポットビームをフィー
    ドの放射器へ反射するステップと、 マルチスポットビームに含まれているＲＦエネルギーを
    電力分割回路によって通信システムへ結合するステップ
    と、からなることを特徴とする方法。
  16. 【請求項１６】 スポットビームがアレイの配置に応じ
    て、考慮される領域に亘って走査され、且つ、各アレイ
    フィードの振幅及び位相分布を制御することによって性
    能が最適化されることを特徴とする請求項１５記載の方
    法。
  17. 【請求項１７】 各アレイフィードの振幅及び位相分布
    は固定されていることを特徴とする請求項１５記載の方
    法。
  18. 【請求項１８】 各アレイフィードの振幅及び位相分布
    は可変であることを特徴とする請求項１５記載の方法。
  19. 【請求項１９】 放射器により生成された前記振幅及び
    位相分布は制御されて、異なる走査位置に応じて異なる
    ビーム分布を生成し、非常に広いカバレージ領域に亘る
    マルチビームアンテナシステムによって生成されたビー
    ムシェイプを最適化することを特徴とする請求項１５記
    載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記マルチビームアンテナシステム
    は、第２のアレイフィードと、前記アレイフィードの間
    に配置された周波数選択板と、を含み、前記方法は、 送信の間、前記周波数選択板を使用して１つのアレイフ
    ィードの放射器により放射されたエネルギーを反射器へ
    結合するステップと、 受信の間、前記周波数選択板を使用して、反射器からの
    マルチスポットビームを他のアレイフィードの放射器へ
    反射するステップと、を更に含むことを特徴とする請求
    項１５記載の方法。
JP2001242316A 2000-08-17 2001-08-09 アレイで給電されるマルチビーム反射器アンテナシステム及びビーム生成方法 Pending JP2002124818A (ja)

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US09/640936 2000-08-17

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Cited By (2)

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