JP2005260339A - フェーズドアレーアンテナ装置及び該フェーズドアレーアンテナ装置における給電制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 アンテナ素子の故障時において、迅速に放射パターンの劣化を迅速に回復する。
【解決手段】 配列された複数のアンテナ素子の放射パターンを変化させて電力を送信するフェーズドアレーアンテナ装置において、前記複数のアンテナ素子に供給される電力の一部を取得する給電信号取得手段と、前記給電信号取得手段により得られる電力値に基づいて、各アンテナ素子の故障の有無を判定し、故障と判定されたアンテナ素子の位置情報を取得する故障素子位置判定手段と、前記故障素子位置判定手段により得られる判定結果に基づいて、励振係数の再計算を行うアンテナ素子を選択する再計算素子選択手段と、前記再計算素子選択手段により得られるアンテナ素子情報及び励振係数に基づいて前記アンテナ素子に供給する振幅及び位相の制御を行う制御手段とを有することにより、上記課題を解決する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、フェーズドアレーアンテナ装置及び該フェーズドアレーアンテナ装置における給電制御プログラムに係り、特に、故障時に迅速に放射パターンを再形成することにより、稼動性を向上させたフェーズドアレーアンテナ装置及び該フェーズドアレーアンテナ装置における給電制御プログラムに関する。

近年では、デジタルハイビジョンに代表されるように多チャンネルのハイビジョン放送を行うメディアが登場してきている。このような大容量多チャンネル放送の需要に対応するため２１ＧＨｚ帯の衛星放送等も検討されている。しかしながら、降雨による電波の減衰が大きいため、降雨による放送遮断時間が長くなるという問題があった。そこで、この対処法として降雨地域に対応するアンテナ素子の電力を増加するフェーズドアレー給電反射鏡アンテナが検討されている。

ここで、テレビ信号等の変調信号をサービスエリアに向けて送信するための衛星搭載用フェーズドアレーアンテナの例について図を用いて説明する。図１は、従来におけるフェーズドアレーアンテナの一構成例を示す図である。図１のフェーズドアレーアンテナ１０は、増幅器１１と、分配器１２と、移相器１３、減衰器（Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ：ＡＴＴ）１４と、電力増幅器１５と、アンテナ素子１６と、振幅・位相制御部１７とを有するよう構成されている。なお、移相器１３、減衰器１４、電力増幅器１５、及び振幅・位相制御部１７は、アンテナ素子毎に設けられている。

図１において、変調された放送波が分配器１２に入力される。このとき、分配器１２での機器損失及び分配損失を補償するための、ドライバアンプとして増幅器１１を介して信号の増幅を行っている。また、分配器１２は夫々のアンテナ素子１６−１〜１６−ｎに対応した信号を夫々の移相器１３−１〜１３−ｎに出力する。移相器１３は、分配器１２から出力された信号の励振位相を制御してＡＴＴ１４に出力する。また、ＡＴＴ１４は、入力された信号の励振振幅が制御して、電力増幅部１５に出力に出力し、電力増幅部１５は入力した信号を増幅した後、アンテナ素子１６に出力する。上述により、制御された各信号は、アンテナ素子１６に給電され、所望のアンテナパターンを形成する送信信号となる。

ここで、振幅・位相制御部１７は、分配器１２によってアンテナ素子数に応じて分配された信号を降雨等により電波減衰が生じている地域に対して増力ビームを形成するために、対応する移相器１３及びＡＴＴ１４の制御を行う。なお、振幅・位相制御部１７に放射パターンを制御する計算機が設けられている場合には、計算された放射パターンとなるように移相器１３及びＡＴＴ１４を制御する。また、振幅・位相制御部１７に放射パターンを制御する計算機を有していない場合には、地上等にある計算機を用いて所望の放射パターンとなる振幅及び位相を計算すると共に、振幅・位相制御部１７に移相器１３及びＡＴＴ１４を所望の値にするための制御信号が入力されることにより、移相器１３及びＡＴＴ１４を制御する。

なお、上述のように降雨等により電波減衰が発生している地域に増力ビームを形成する手法として、例えば反射鏡に複数の給電アレーアンテナを組み合わせた反射鏡型フェーズドアレーアンテナが提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。

また、最近では、直径１０メートル程度の反射鏡に１００〜３００個の給電アレーアンテナを組み合わせて、晴天域と降雨域とで送信電力を制御して出力する可変ビームパターン放送衛星が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。ここで、上述の可変ビームパターン放送衛星に搭載される反射型フェーズドアレーアンテナの例について説明する。

図２は、従来における反射型フェーズドアレーアンテナの一例を示す図である。なお、図２（ａ）は、反射型フェーズドアレーアンテナの模式の斜視図を示し、図２（ｂ）は、アンテナ素子の配列の様子を説明するために、反射鏡側（図２（ａ）の矢印Ａ方向）から見た図である。また、図２におけるフェーズドアレー素子数は１７３素子としている。なお、図２（ｂ）に示す素子の配置は、日本全国のサービスエリアに対応する形状に配置されたものである。

図２（ａ）に示すように、反射型フェーズドアレーアンテナ２０は、複数のフェーズドアレー素子２１と、一枚の反射鏡２２とを有するよう構成されている。また、図２に示すフェーズドアレー素子２１は、図１に示す移相器１３、ＡＴＴ１４、及び電力増幅器１５の構成を備えており、反射鏡２２側には、円型の給電ホーン２３が形成されている。また、給電ホーン２３から放射された放送波は、反射鏡２２で反射して所定の地域に放送波が送信される。図２に示すようなアレー給電反射型アンテナは、直接放射型と比較して、反射鏡を用いることでアレー素子数が少なくすることができ、これにより給電部が小規模化することができるため、現在ではこの方式での検討が進められている。

例えば、図２に示した構成により、放送波を全国に放射する場合、最初にほぼ均一な電力で放射したうえで、強い雨が降っている地域のみに降雨減衰量に対応した電力に増力したビームを出力する。ビームは、降雨域の移動に伴って移動させることが可能である。

例えば、日本のサービスエリアにおいて、晴天域には規定値の送信電力を放射しながら、１００ｋｍ程度からなる降雨域には規定値＋１０デシベル（ｄＢ）程度の送信電力の増力を行うことができる。
田中祥次，山田哲也，村田孝雄；"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"，電子情報通信学会技術報告、Ａ・Ｐ ２００１−１６９、ｐｐ．６１−６７（２００２−１） 特開２００１−２４４８６７号公報

しかしながら、フェーズドアレーアンテナは、その給電アレーを構成する素子や増幅器等が故障した場合、そのアンテナ素子からの送信信号が途絶えてしまい、サービスエリア内の放射パターンが劣化してしまう。したがって、最適な放射パターンを維持することができず、物理的に修理するためには、莫大な費用と時間を有してしまう。

また、故障していない素子を用いて放射する電力を増力することにより、論理的に対応することは可能である。しかしながら、放送衛星では、他国との干渉を避けるためにサービスエリア外のサイドローブレベルが規定されており、規則値以下にサイドローブレベルを抑圧する必要があるが、故障していない素子を用いて放射する電力を増力するだけでは、サイドローブレベルを規則値以下に抑圧することができない。更に、衛星放送等はリアルタイムで放送することがあるため、故障に対して迅速に放射パターンを形成する必要がある。

本発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであり、アンテナ素子の故障時において、高精度な放射パターンを迅速に形成することができるフェーズドアレーアンテナ装置及び該フェーズドアレーアンテナ装置における給電制御プログラムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本件発明は、以下の特徴を有する課題を解決するための手段を採用している。

請求項１に記載された発明は、配列された複数のアンテナ素子の放射パターンを変化させて電力を送信するフェーズドアレーアンテナ装置において、前記複数のアンテナ素子に供給される電力の一部を取得する給電信号取得手段と、前記給電信号取得手段により得られる電力値に基づいて、各アンテナ素子の故障の有無を判定し、故障と判定されたアンテナ素子の位置情報を取得する故障素子位置判定手段と、前記故障素子位置判定手段により得られる判定結果に基づいて、励振係数の再計算を行うアンテナ素子を選択する再計算素子選択手段と、前記再計算素子選択手段により得られるアンテナ素子情報及び励振係数に基づいて前記アンテナ素子に供給する振幅及び位相の制御を行う制御手段とを有することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、アンテナ素子の故障時において、高精度な放射パターンを迅速に形成することができ、放射パターンの劣化を迅速に回復することができる。

請求項２に記載された発明は、前記故障素子位置判定手段は、前記複数のアンテナ素子から得られる電力値が所定値以下であるアンテナ素子を故障と判定することを特徴とする。

請求項２記載の発明によれば、アンテナの故障を容易で迅速に判定することができる。これにより、迅速に放射パターンの劣化を迅速に把握し、高精度な放射パターンを形成することができる。

請求項３に記載された発明は、前記再計算素子選択手段は、前記複数のアンテナ素子のうち、故障していると判定されたアンテナ素子を中心として所定の領域内にあるアンテナ素子を用いて励振係数の再計算を行うことを特徴とする。

請求項３記載の発明によれば、故障していると判定されたアンテナ素子を除くアンテナ素子を用いて励振係数の再計算を行うことにより計算時間を削減させて、より迅速で高精度にフェーズドアレーアンテナの放射パターンの劣化を低減することができる。

請求項４に記載された発明は、前記再計算素子選択手段は、故障していると判定されたアンテナ素子を中心として所定の領域内にあるアンテナ素子のうち、電力が所定の値以上のアンテナ素子を用いて励振係数の再計算を行うことを特徴とする。

請求項４記載の発明によれば、再計算時間を削減させて、より迅速で高精度にフェーズドアレーアンテナの放射パターンの劣化を低減することができる。

請求項５に記載された発明は、前記再計算素子選択手段は、前記複数のアンテナ素子のうち、故障していると判定されたアンテナ素子が２以上あり、隣接してない場合、前記故障していると判定されたアンテナ素子の中間に位置するアンテナ素子を中心として、所定の領域内にあるアンテナ素子を用いて励振係数の再計算を行うことを特徴とする。

請求項５記載の発明によれば、複数の素子が故障していると判定された場合でも、再計算時間を削減させて、より迅速で高精度にフェーズドアレーアンテナの放射パターンの劣化を低減することができる。

請求項６に記載された発明は、前記再計算素子選択手段は、前記複数のアンテナ素子のうち、故障していると判定されたアンテナ素子を中心として、予め設定される領域を選択した場合に、故障しているアンテナ素子から等距離にあるアンテナ素子が存在しない場合は、前記領域の中心を前記故障しているアンテナ素子から隣接するアンテナ素子に移動させることを特徴とする。

請求項６記載の発明によれば、高精度にフェーズドアレーアンテナの放射パターンの劣化を低減することができる。

請求項７に記載された発明は、配列された複数のアンテナ素子の放射パターンを変化させて電力を送信するフェーズドアレーアンテナ装置における該アンテナ素子に給電される電力を制御する給電制御処理をコンピュータに実行させるための給電制御プログラムにおいて、前記複数のアンテナ素子に供給される電力の一部を取得する給電信号取得処理と、前記給電信号取得処理により得られる電力値に基づいて、各アンテナ素子の故障の有無を判定し、故障と判定されたアンテナ素子の位置情報を取得する故障素子位置判定処理と、前記故障素子位置判定処理により得られる判定結果に基づいて、励振係数の再計算を行うアンテナ素子を選択する再計算素子選択処理と、前記再計算素子選択処理により得られるアンテナ素子情報及び励振係数に基づいて前記アンテナ素子に供給する振幅及び位相の制御を行う制御処理とをコンピュータに実行させる。

請求項７記載の発明によれば、アンテナ素子の故障時において、高精度な放射パターンを迅速に形成することができ、放射パターンの劣化を迅速に回復することができる。また、プログラムを用いることで、特別な装置構成を必要とせず汎用のコンピュータ等で容易に処理を行うことができる。

本発明によれば、アンテナ素子の故障時において、高精度な放射パターンを迅速に形成することができ、放射パターンの劣化を迅速に回復することができる。

＜本発明の概要＞
本発明は、複数のアンテナ素子からなるフェーズドアレーアンテナのうち、幾つかのアンテナ素子が故障した場合、残りのアンテナ素子を用いて放射パターンを再形成する。具体的には、正常なアンテナ素子を用いて励振係数を再計算する。つまり、本発明では、各アンテナ素子に給電される信号を監視し、アンテナ素子に故障があるか否かを判定する。また、どのアンテナ素子が故障したかを判別することにより、正常なアンテナ素子を用いて、励振係数を再計算することができる。

各アンテナ素子の振幅・位相制御にその再計算した値を反映させることにより、故障前の放射パターンに近似した放射パターンを迅速に再形成することができる。

＜実施の形態＞
次に、本発明を適用した実施の形態について図を用いて説明する。なお、本発明における実施の形態では、上述したように、フェーズドアレーアンテナを構成するアンテナ素子数を１７３素子として説明するが、本発明においてはこの限りではなく、放射する地域やアンテナ素子の精度に応じて変更することができる。

図３は、本発明におけるフェーズドアレーアンテナの一構成例を示す図である。図３のフェーズドアレーアンテナ３０は、増幅器３１と、分配器３２と、移相器３３、減衰器（ＡＴＴ）３４と、電力増幅器３５と、アンテナ素子３６と、振幅・位相制御部３７と、カプラー３８と、アンテナ素子給電信号監視部３９とを有するよう構成されている。

なお、移相器３３、減衰器３４、電力増幅器３５、振幅・位相制御部３７、及びカプラー３８は、アンテナ素子毎に設けられている。また、アンテナ素子給電信号監視部３９は、故障素子位置判定部４１と、再計算素子選択部４２とを有するよう構成されている。

図３において、変調された放送波が分配器３２に入力される。このとき、分配器３２での機器損失及び分配損失を補償するための、ドライバアンプとして増幅器３１を介して信号の増幅を行っている。また、分配器３２は夫々のアンテナ素子３６−１〜３６−ｎに対応した信号を出力する。また、分配器３２から出力された信号は、移相器３３で励振位相を制御して出力され、ＡＴＴ３４により励振振幅が制御されて、電力増幅部３５にて増幅された後、アンテナ素子３６に出力される。制御された各信号は夫々対応したアンテナ素子３６−１〜３６−ｎに給電され、所望のアンテナパターンを形成する送信信号となる。

振幅・位相制御部３７は、構成される各アンテナ素子の移相器３３に対して励振振幅の制御を行い、ＡＴＴ３４に対して励振位相の制御を行う。なお、振幅・位相制御部３７は、衛星アンテナ上に設けられている場合や、地上にあるシステムに設けられている場合があるが、どちらの場合でも本発明に基づいた振幅・位相制御を行うことができる。これにより、例えば天候が悪い地域には、放射パターンを強くする等の設定を高精度に行うことができる。

また、カプラー３８は、夫々対応するアンテナ素子３６に給電される電力の一部を分岐させて、アンテナ素子給電信号監視部３９に出力する。これにより、アンテナ素子給電信号監視部３９に入力した各アンテナ素子の電力の大きさに基づいて各アンテナ素子に異常があるか否かを判別する。なお、各アンテナ素子に送信される電力の取得方法は、カプラー３８に限らず、例えばプローブを設けて、その出力をアンテナ素子給電信号監視部３９に出力させるよう構成することもできる。

各カプラー３８−１〜３８−ｎから出力された給電される信号の一部は、アンテナ素子給電信号監視部３９の故障素子位置判定部４１に出力される。故障素子位置判定部４１は、取得した夫々のアンテナ素子からの給電信号の電力が予め設定された電力以上であるかを判定する。このとき、どのアンテナ素子にどの程度の電力が送られているかは、予めアンテナ素子給電信号監視部３９に蓄積されている。つまり、アンテナ素子毎に給電される信号は異なることがあるので、夫々のアンテナ素子に対応する所定の電力を設定し、その設定値以下のアンテナ素子を故障しているアンテナ素子とみなす。また、アンテナ素子からの給電信号をどの判定部で受信するかにより、フェーズドアレーアンテナ素子の内容を容易に把握することができる。

故障素子位置判定部４１は、判定された故障素子位置の情報を再計算素子選択部４２に出力する。再計算素子選択部４２は、故障素子位置判定部により判定された結果に基づいて、再計算素子の選択と再計算を行う。再計算素子の選択については故障していない素子を用いて再計算を行うことで、故障前とほぼ同等の利得を保持しながら残りの素子を用いて放射パターンを再形成することができる。また、再計算素子選択部４２は、再計算した結果を振幅・位相制御部３７へ出力する。

なお、再計算素子選択部４２は、衛星アンテナ上に設けられている場合や、地上にあるシステムに設けられている場合があるが、どちらの場合でも上述したような処理を行うことができる。

振幅・位相制御部３７は、対応するアンテナ素子の移相器３３に対して励振振幅の制御を行い、ＡＴＴ３４に対して励振位相の制御を行うことで、放射パターンの再形成を行う。

更に、リアルタイムな放送に対応して迅速に放射パターンを再形成するために、本発明では、全てのアンテナ素子を用いるだけでなく、フェーズドアレーアンテナのうち所定の領域に含まれるアンテナ素子を使用して放射パターンの再計算を行う。

また、再計算素子選択部４２は、再計算素子の選択については、故障したアンテナ素子に隣接しているアンテナ素子を用いたり、隣接又は隣々接したアンテナ素子を選択する等の選択条件を予め設定する。また、所定の領域中に存在するアンテナ素子のうち、予め設定される電力以上を持つアンテナ素子を用いて励振振幅・励振位相（励振係数）を再計算することにより、故障前の放射パターンに近似した放射パターンを再形成することができる。

ここで、再計算時に用いられる素子の選択方法の具体的な例について図を用いて説明する。

＜選択方法＞
図４は、本発明におけるフェーズドアレー素子の配列の一例について説明するための図である。なお、図４は、給電ホーンにおける配列の様子を示す図である。また、図４に示すように本発明におけるフェーズドアレーアンテナは、１７３素子により構成され、各素子を識別するための識別番号（例えば、Ａ１〜Ａ１７３等）が付与されている。これにより、識別番号から給電ホーンの配列位置を容易に把握することができる。なお、本発明において、配列パターンはこの限りではなく、他の配列パターンであってもよい。

ここで、図４に示すように、故障素子位置判定部４１により判定した結果、給電ホーン３１番の素子が故障していると判定された場合、素子Ａ３１を除く全ての素子を用いて励振振幅・励振位相（励振係数）の再計算を行う。これにより、残りのフェーズドアレー素子を用いてフェーズドアレーアンテナの放射パターンの劣化を迅速に回復することができる。ここで、後述する再計算時に用いられる素子の選択方法を説明する図５〜図９及び図１１については、給電素子の配列及び識別番号は、図４と同様であるとする。

図５は、本発明における領域を指定する選択方法の一例を示す図である。なお、図５に示すように故障していると判定された素子（識別番号Ａ３１）を中心にして、所定の領域５１内にある素子（図５において、斜線で示された素子）を選択し、その選択された故障していると判定された素子を除く素子（図５において、３６素子）を用いて、励振振幅・励振位相（励振係数）の再計算を行う。つまり、上述の３６素子以外の１３６素子については、励振振幅値は故障前と同じ値を維持することで計算量を減少させる。これにより、故障した素子を除く全素子を用いて再計算するよりも、再計算時間を削減させて、迅速にフェーズドアレーアンテナの放射パターンの劣化を低減することができる。

なお、再計算に使用される領域については、この限りではなく、例えば、故障した素子Ａ３１に隣接する合計６素子（図４において、Ａ２２，Ａ２３，Ａ３０，Ａ３２，Ａ４０，Ａ４１）を用いて再計算させてもよい。また、故障と判定された素子が複数ある場合で、故障と判定された素子同士が離れている場合は、故障と判定された素子の夫々について、その周辺（隣接）の素子を用いて励振振幅・励振位相（励振係数）の再計算を行う。

図６は、本発明における電力の大きいものを指定する選択方法の一例を示す図である。なお、図６における給電素子の配列及び識別番号は、図４と同様であるとする。図６は、図５と同様に、故障した素子（識別番号Ａ３１）を中心にして、所定の領域５１内にある素子のうち、更に、故障素子位置判定部４１により判定された素子の電力の大きい順から所定の数（図６において、斜線で示された合計２０素子）を選択し、その選択された故障していると判定された素子を除く２０個の素子を用いて、励振振幅・励振位相（励振係数）の再計算を行う。また、それ以外の素子は、現在振幅・位相制御部で設定されている励振係数をそのまま使用する。これにより、図４に示す故障した素子を除く全素子を用いて再計算するよりも、再計算時間を更に削減させて、より迅速で高精度にフェーズドアレーアンテナの放射パターンの劣化を低減することができる。

ここで、上述した選択方法では、故障した素子数が１素子の場合について、説明したが、素子が２以上の場合について説明する。図７は、複数の故障素子が存在する場合の再計算素子を選択する第１の例を示す図である。

図７に示すように、素子が隣接している場合、故障していると判定された素子の何れか１つを中心として、所定の領域７１内にある素子（図７において、斜線された合計３５素子）を用いて励振振幅・励振位相（励振係数）の再計算を行う。これにより、複数の素子が故障と判定された場合でも、再計算時間を削減させて、より迅速で高精度にフェーズドアレーアンテナの放射パターンの劣化を低減することができる。

図８は、複数の故障素子が存在する場合の再計算素子を選択する第２の例を示す図である。なお、図８における給電素子の配列及び識別番号は、図４と同様であるとする。

本発明では、故障と判定された素子が隣接していない場合は、故障と判定された素子の夫々について、その周辺（隣接）の素子を用いて励振振幅・励振位相（励振係数）の再計算を行うが、他の実施例として、図８に示すように、故障と判定された素子が隣接していない場合であって、再計算時に用いられる素子を選択するための予め設定される領域８１内に故障した素子がどちらも含まれる場合、故障した素子間の中間にある素子を中心とした所定の領域において、再計算に用いられる素子を選択することもできる。

図８では、素子Ａ１４及びＡ３０が故障している場合に、その中間に位置する素子Ａ２２を中心として、所定の範囲を設定し、故障した２素子（Ａ１４，Ａ３０）を除く、Ａ２２を含めた合計３５素子（図６において、斜線部分）を用いて、励振振幅・励振位相（励振係数）の再計算を行う。これにより、複数の素子が故障と判定された場合でも、再計算時間を削減させて、より迅速で高精度にフェーズドアレーアンテナの放射パターンの劣化を低減することができる。

更に、予め３６素子を用いて励振振幅・励振位相（励振係数）の再計算を行うと設定している場合で、故障した素子を中心にすることができない場合がある。その場合の設定について図を用いて説明する。図９は、領域範囲が設定されている場合の選択方法を示す一例の図である。

図９に示すように、素子Ａ９８が故障している場合は、素子Ａ９８を中心とした場合に、領域９１を設定することになるが、領域９１に設定した場合に、領域内に素子が存在しない部分があるため、高精度な励振振幅・励振位相（励振係数）の再計算を行うことができない。この場合に、素子Ａ９８に隣接する素子（例えば、図９において素子Ａ８６）が中心にくるように中心を移動させて、再計算に用いる素子を選択する。領域９２にて選択された素子Ａ９８を除く３５素子（図９において、斜線部分）を用いて、励振振幅・励振位相（励振係数）の再計算を行う。

これにより、複数の素子が故障と判定された場合でも、再計算時間を削減させて、より迅速で高精度にフェーズドアレーアンテナの放射パターンの劣化を低減することができる。

＜シミュレーション結果＞
次に、本発明のおける再計算を適用させたシミュレーション結果について図を用いて説明する。図１０は、本発明における再計算を適用させて放射パターンを再形成させた場合の一例の図である。なお、図１０に示す測定結果は、上述した１７３素子の配列において、１素子が故障した場合の各再計算素子数における最低利得（ｄＢｉ）と再計算時間（秒）を示している。

ここで、使用したアンテナの構成は、給電ホーンの開口径を１０ｍ、焦点距離を６ｍ、離焦点距離を０．１６ｍとする。また、図１０における再計算において、アンテナ素子給電信号監視部の処理は、同精度の装置を使用している。

また、図１０に示す再計算素子数が“０”とは、再計算を行わない場合を示している。図１０において、再計算しない場合の最低利得は、３７．３ｄＢｉであったのに対して、再計算素子数を故障した素子から隣接した６素子を用いた場合は、最低利得が３８．２ｄＢｉに上昇した。なお、このときの再計算時間は、７秒であった。

更に、隣々接まで含めた再計算素子数が１８個の場合には、最低利得は３８．６ｄＢｉに上昇した。なお、このときの再計算時間は、９３秒であった。

同様に、再計算素子を更に外周に隣接する素子も含めた３６素子を用いた場合は、最低利得が４０．０ｄＢｉに上昇した。なお、このときの再計算時間は、４０７秒であった。また、故障した素子以外の全素子（１７２素子）を用いて再計算を行った場合は、最低利得が４０．７ｄＢｉに上昇した。なお、このときの再計算時間は、１９２７秒であった。

上述したように、本発明における再計算処理を行うことにより、放射パターンの劣化を迅速に回復することができる。なお、再計算時に用いる素子数に応じて、最低利得は上昇するが、再計算時間も増加するため、フェーズドアレーアンテナ装置においては、放送される内容や設定されるサービス時間率に応じて、再計算素子数を設定することが望ましい。また、図１０に示すシミュレーション結果によれば、全体の素子数の２割程度のアンテナ素子を用いて再計算を行うことにより、再計算時間が急増せずに、利得を回復させることができる。

また、本発明を適用することで、故障した素子が５素子以内であれば、故障しない場合とほぼ同等の利得を保持しながら残りの素子を用いて放射パターンを再形成することができる。例えば、日本全国を均一に放射しつつ、東京を中心に半値幅１００ｋｍにわたって利得を１０ｄＢ増加したさせた場合について、本発明を適用しない場合の東京の利得は５２．２ｄＢｉ、電力増加地域以外のサービスエリア内の平均利得は４２．２ｄＢｉ、最低利得は４０．４ｄＢｉであった。

そこで、図１１に示すような素子配置と故障素子（図１１において故障していると判定された素子が黒部分（素子Ａ３１，Ａ６３，Ａ８６，Ａ９８，Ａ１１４））の位置関係であった場合、本発明を適用し正常な素子を用いてサービスエリア内で急激な利得低下がないように励振係数を再計算した場合、東京の利得は５２．０ｄＢｉ、電力増加地域以外のサービスエリア内の平均利得は４２．１ｄＢｉ、最低利得は３９．７で、素子故障がない場合に比べて各利得を０．７ｄＢ以下の低下に抑えることができる。

このように、シミュレーション結果においても故障していない素子を用いて再計算することにより、放射パターンの劣化を迅速に回復して高精度なフェーズドアレーアンテナ装置を提供することができる。

＜給電制御プログラム＞
ここで、図３に示すようなフェーズドアレーアンテナに示すアンテナ素子給電信号監視部３９や振幅・位相制御部３７のように専用の装置構成により本発明における励振係数制御による放射パターン形成を行うこともできるが、上述した励振振幅・励振位相（励振係数）の再計算した給電素子制御処理をコンピュータに実行させることができる実行プログラムを生成し、例えば、汎用のパーソナルコンピュータ、ワークステーション等にプログラムをインストールすることにより、本発明の給電素子制御による放射パターンの再形成を実現することができる。

ここで、本発明における実行可能なコンピュータのハードウェア構成例について図を用いて説明する。図１２は、本発明における給電制御処理が実現可能なハードウェア構成の一例を示す図である。

図１２におけるコンピュータ本体には、入力装置１０１と、出力装置１０２と、ドライブ装置１０３と、補助記憶装置１０４と、メモリ装置１０５と、各種制御を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１０６と、ネットワーク接続装置１０７とを有するよう構成されており、これらはシステムバスＢで相互に接続されている。

入力装置１０１は、使用者が操作するキーボード及びマウス等のポインティングデバイスを有しており、使用者からのプログラムの実行等、各種操作信号を入力する。出力装置１０２は、本発明における給電素子制御処理を行うためのコンピュータ本体を操作するのに必要な各種ウィンドウやデータ等を表示するモニタを有し、ＣＰＵ１０６が有する制御プログラムによりプログラムの実行経過や結果等を表示することができる。

ここで、本発明において、コンピュータ本体にインストールされる実行プログラムは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体１０８等により提供される。プログラムを記録した記録媒体１０８は、ドライブ装置１０３にセット可能であり、記録媒体１０８に含まれる実行プログラムが、記録媒体１０８からドライブ装置１０３を介して補助記憶装置１０４にインストールされる。

補助記憶装置１０４は、ハードディスク等のストレージ手段であり、本発明における実行プログラムや、コンピュータに設けられた制御プログラム等を蓄積し必要に応じて入出力を行うことができる。

ＣＰＵ１０６は、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等の制御プログラム、メモリ装置１０５により読み出され格納されている実行プログラムに基づいて、各種演算や各ハードウェア構成部とのデータの入出力等、コンピュータ全体の処理を制御して、上述した給電制御処理における各処理を実現することができる。プログラムの実行中に必要な各種情報は、補助記憶装置１０４から取得することができ、また格納することもできる。

ネットワーク接続装置１０７は、通信ネットワーク等と接続することにより、実行プログラムを通信ネットワークに接続されている他の端末等から取得したり、プログラムを実行することで得られた実行結果又は本発明における実行プログラム自体を他の端末等に提供することができる。

上述したようなハードウェア構成により、特別な装置構成を必要とせず、低コストで高精度な給電制御処理を実現することができる。

次に、図１２の構成において実行される給電制御プログラムにおける給電制御処理手順についてフローチャートを用いて説明する。

図１３は、本発明における給電制御処理手順の一例を示すフローチャートである。図１３において、まず、予め設定される地域の情報に基づいて振幅・位相の制御を行い（Ｓ０１）、各アンテナ素子に設けられる移相器及び減衰器（ＡＴＴ）に制御信号を出力する（Ｓ０２）。また、各アンテナ信号からの給電信号を取得し（Ｓ０３）、取得した給電信号から上述した故障素子の判定を行う（Ｓ０４）。

ここで、判定の結果故障していると判定さえた素子が存在するかを判断し（Ｓ０５）、故障した素子があると判断された場合（Ｓ０５において、ＹＥＳ）、上述した選択方法にしたがって、故障していない素子から再計算に使用する素子を選択し（Ｓ０６）、選択した素子を用いて励振振幅・励振位相（励振係数）の再計算を行う（Ｓ０７）。また、再計算した情報に基づいてＳ０１の処理に戻り、Ｓ０１以降の処理を行う。なお、Ｓ０７からＳ０１の処理を行う場合は、上述した再計算に使用する素子の選択により、選択された素子に対する励振係数を再計算し、それ以外の素子については、前回用いた励振係数により制御を行う。

また、Ｓ０５の処理において、故障素子がない場合（Ｓ０５において、ＮＯ）、はそのまま処理を終了する。上述したフローチャートに示す給電素子制御処理を継続して行うことで、放射パターンの劣化を迅速に回復することができる。

これにより、複数の素子が故障と判定された場合でも、再計算時間を削減させて、より迅速で高精度にフェーズドアレーアンテナの放射パターンの劣化を低減することができる。更に、プログラムを用いることで、特別な装置構成を必要とせず汎用のコンピュータ等で容易に給電制御処理を行うことができる。

以上に説明したように、本発明によれば、複数のアレーアンテナ素子のうち、所定数のアンテナ素子の故障時において、その周囲のアンテナ素子のみの励振係数を再計算して、放射パターンを再形成することにより、計算時間が短縮され効率のよい放射パターンの再形成が可能となる。

つまり、降雨等による電波減衰を補償する可変ビームパターン衛星に搭載されるフェーズドアレーアンテナにおいて、アンテナ素子に故障が発生しても、サービスエリアにおける利得の変化が小さく抑えられるように放射パターンを再形成するとともに、その放射パターン再形成を短時間で行うことができる。このため、アンテナ故障時にも直ぐに、利得を回復させることができるため、放送におけるサービス時間率を向上させることができる。

以上本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

従来におけるフェーズドアレーアンテナの一構成例を示す図である。 従来における反射型フェーズドアレーアンテナの一例を示す図である。 本発明におけるフェーズドアレーアンテナの一構成例を示す図である。 本発明におけるフェーズドアレー素子の配列の一例について説明するための図である。 本発明における領域を指定する選択方法の一例を示す図である。 本発明における電力の大きいものを指定する選択方法の一例を示す図である。 複数の故障素子が存在する場合の再計算素子を選択する第１の例を示す図である。 複数の故障素子が存在する場合の再計算素子を選択する第２の例を示す図である。 領域範囲が設定されている場合の選択方法を示す一例の図である。 本発明における再計算を適用させて放射パターンを再形成させた一例場合の一例の図である。 素子配置と故障素子の位置関係を示す図 本発明における給電制御処理が実現可能なハードウェア構成の一例を示す図である。 本発明における給電制御処理手順の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１０，３０ フェーズドアレーアンテナ
１１，３１ 増幅器
１２，３２ 分配器
１３，３３ 移相器
１４，３４ 減衰器（ＡＴＴ）
１５，３５ 電力増幅器
１６，３６ アンテナ素子
１７，３７ 振幅・位相制御部
２０ 反射型フェーズドアレーアンテナ
２１ フェーズドアレー素子
２２ 反射鏡
２３ 給電ホーン
３８ カプラー
３９ アンテナ素子給電信号監視部
４１ 故障素子位置判定部
４２ 再計算素子選択部
５１，６１，７１，８１，９１，９２ 領域
１０１ 入力装置
１０２ 出力装置
１０３ ドライブ装置
１０４ 補助記憶装置
１０５ メモリ装置
１０６ ＣＰＵ
１０７ ネットワーク接続装置
１０８ 記録媒体

Claims (7)

1. 配列された複数のアンテナ素子の放射パターンを変化させて電力を送信するフェーズドアレーアンテナ装置において、
   前記複数のアンテナ素子に供給される電力の一部を取得する給電信号取得手段と、
   前記給電信号取得手段により得られる電力値に基づいて、各アンテナ素子の故障の有無を判定し、故障と判定されたアンテナ素子の位置情報を取得する故障素子位置判定手段と、
   前記故障素子位置判定手段により得られる判定結果に基づいて、励振係数の再計算を行うアンテナ素子を選択する再計算素子選択手段と、
   前記再計算素子選択手段により得られるアンテナ素子情報及び励振係数に基づいて前記アンテナ素子に供給する振幅及び位相の制御を行う制御手段とを有することを特徴とするフェーズドアレーアンテナ装置。
2. 前記故障素子位置判定手段は、
   前記複数のアンテナ素子から得られる電力値が所定値以下であるアンテナ素子を故障と判定することを特徴とする請求項１に記載のフェーズドアレーアンテナ装置。
3. 前記再計算素子選択手段は、
   前記複数のアンテナ素子のうち、故障していると判定されたアンテナ素子を中心として所定の領域内にあるアンテナ素子を用いて励振係数の再計算を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のフェーズドアレーアンテナ装置。
4. 前記再計算素子選択手段は、
   故障していると判定されたアンテナ素子を中心として所定の領域内にあるアンテナ素子のうち、電力が所定の値以上のアンテナ素子を用いて励振係数の再計算を行うことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のフェーズドアレーアンテナ装置。
5. 前記再計算素子選択手段は、
   前記複数のアンテナ素子のうち、故障していると判定されたアンテナ素子が２以上あり、隣接してない場合、前記故障していると判定されたアンテナ素子の中間に位置するアンテナ素子を中心として、所定の領域内にあるアンテナ素子を用いて励振係数の再計算を行うことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
6. 前記再計算素子選択手段は、
   前記複数のアンテナ素子のうち、故障していると判定されたアンテナ素子を中心として、予め設定される領域を選択した場合に、故障しているアンテナ素子から等距離にあるアンテナ素子が存在しない場合は、前記領域の中心を前記故障しているアンテナ素子から隣接するアンテナ素子に移動させることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
7. 配列された複数のアンテナ素子の放射パターンを変化させて電力を送信するフェーズドアレーアンテナ装置における該アンテナ素子に給電される電力を制御する給電制御処理をコンピュータに実行させるための給電制御プログラムにおいて、
   前記複数のアンテナ素子に供給される電力の一部を取得する給電信号取得処理と、
   前記給電信号取得処理により得られる電力値に基づいて、各アンテナ素子の故障の有無を判定し、故障と判定されたアンテナ素子の位置情報を取得する故障素子位置判定処理と、
   前記故障素子位置判定処理により得られる判定結果に基づいて、励振係数の再計算を行うアンテナ素子を選択する再計算素子選択処理と、
   前記再計算素子選択処理により得られるアンテナ素子情報及び励振係数に基づいて前記アンテナ素子に供給する振幅及び位相の制御を行う制御処理とをコンピュータに実行させるための給電制御プログラム。

Images