JP2010251961A - Multi-beam antenna - Google Patents

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Takayuki Nakanishi
孝行 中西
Kazunari Kihira
一成 紀平
Masataka Otsuka
昌孝 大塚
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multi-beam antenna having a primary radiator array which arranges amplifiers so as to minimize power consumption, while the kinds of the usable amplifiers are limited in consideration of a possibility in manufacturing. <P>SOLUTION: The multi-beam antenna having the primary radiator array including a plurality of element antennas to generate a plurality of beams includes the plurality of kinds of amplifiers for respectively exciting the element antennas. One beam is generated by the element antenna, one element antenna contributes to the generation of the plurality of beams, and a plurality of operation states is used, which varies transmission power by each beam as necessary. In this case, the amplifiers of the kinds to withstand the maximum transmission power, which are required by the element antennas in the whole operation states, are selected. Besides, the maximum output power of the amplifiers is selected so as to minimize the total power consumption of the primary radiator array, which is obtained by the output power of the element antennas in the prescribed operation state and the power efficiency of the amplifiers to be connected to the element antennas. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

この発明は、複数のビームを形成するアンテナに関し、特にマルチビームアンテナ用給電回路に関するものである。   The present invention relates to an antenna that forms a plurality of beams, and more particularly to a feed circuit for a multi-beam antenna.

近年、サービスエリアを非常に多くのエリアに分割し、それぞれのエリアに適したビームを照射する１００ビーム級のマルチビームを用いた衛星通信システムが研究開発されている。このようなマルチビーム衛星のアンテナ形式には一次放射器アレーを有する反射鏡マルチビームアンテナが用いられることが多い。またこのようなマルチビーム衛星は柔軟な周波数割り当てや効率のよい周波数再利用を実現でき、通信トラフィックの変動に柔軟な対応が可能といった利点を有する。   In recent years, a satellite communication system using a 100-beam class multi-beam that divides a service area into a large number of areas and emits a beam suitable for each area has been researched and developed. A reflector multibeam antenna having a primary radiator array is often used for the antenna type of such a multibeam satellite. In addition, such a multi-beam satellite can realize flexible frequency allocation and efficient frequency reuse, and can flexibly cope with fluctuations in communication traffic.

トラフィックの変動は、特に移動体に対して通信サービスを提供する移動体通信システムで一般に著しく短い期間に広範に発生する。さらに災害が発生した場合には、トラフィックは特定の地域やビームに大きく集中する可能性が高い。
このようなトラフィックの変動に対して各ビームの送信電力が変更される場合、ビームを形成するアンテナ素子に接続される電力増幅器の出力も変化する。従って、マルチビームアンテナの給電系には、従来、トラフィックの変動が発生してもその電力増幅に十分耐えることのできる高出力電力増幅器を配置する必要がある（例えば、特許文献１参照）。 Traffic fluctuations occur extensively in a particularly short period of time, typically in mobile communication systems that provide communication services to mobiles. In addition, in the event of a disaster, traffic is likely to be concentrated in a specific area or beam.
When the transmission power of each beam is changed in response to such traffic fluctuations, the output of the power amplifier connected to the antenna element forming the beam also changes. Therefore, conventionally, a high-output power amplifier that can sufficiently withstand the power amplification even when the traffic fluctuates needs to be disposed in the feed system of the multi-beam antenna (see, for example, Patent Document 1).

特開２００５−９４７２９号公報JP 2005-94729 A

従来の技術において同じ増幅器を全ての素子に配置した場合、各素子の中の最大出力に対応する増幅器が必要となる。低い出力電力で動作する増幅器は低効率となり、消費電力として無駄となる。さらに一般的に高出力の増幅器は高コストなのでコスト面も問題となる。
一方、素子毎に適した出力の増幅器を配置した場合、消費電力や重量については最も理想的であるが、各素子に対応する増幅器を製造するため、コストや開発の複雑さが問題となる。 When the same amplifier is arranged in all elements in the conventional technology, an amplifier corresponding to the maximum output in each element is required. An amplifier that operates with low output power has low efficiency and is wasted as power consumption. Furthermore, since a high-power amplifier is generally expensive, the cost is also a problem.
On the other hand, when an amplifier having an output suitable for each element is arranged, the power consumption and the weight are most ideal. However, since an amplifier corresponding to each element is manufactured, the cost and the complexity of development become problems.

この発明では、前記のような課題を解決するためになされたものであり、製造上の実現性を考慮し、利用できる増幅器の種類が制限された中で、消費電力が最小となるように増幅器を配置した一次放射器アレーを有するマルチビームアンテナを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and in consideration of manufacturing feasibility, the amplifiers are designed to minimize power consumption while the types of amplifiers that can be used are limited. It is an object of the present invention to provide a multi-beam antenna having a primary radiator array in which are arranged.

この発明に係るマルチビームアンテナは、Ｂ個（Ｂは２以上の正の整数）のビームを形成するＮ個（Ｎは２以上の正の整数）の素子アンテナを含む一次放射器アレーを有するマルチビームアンテナにおいて、上記素子アンテナをそれぞれ励振するＫ種類（ＫはＮ未満の正の整数）の増幅器を有し、１個の上記ビームがＭ個（ＭはＮ未満の正の整数）の上記素子アンテナにより形成されるとともに、１個の上記素子アンテナがＬ個（ＬはＢ未満の２以上の正の整数）の上記ビームの形成に寄与し、且つ上記ビーム毎の送信電力を必要に応じて可変とする複数の運用形態を用いる場合、全ての上記運用形態において上記素子アンテナが必要とする最大の送信電力に耐え得る種類の上記増幅器を選択するとともに、所定の上記運用形態における第ｎ素子アンテナ（ｎは１からＮの整数）の出力電力Ｐ（ｎ）と上記第ｎ素子アンテナに接続する上記増幅器の電力効率η（Ｐ（ｎ），ｋ）（ｋは１からＫの整数）とから式（１）により求まる上記一次放射器アレーの総消費電力Ｐｄｃが最小となるように上記Ｋ種類の増幅器の最大出力電力を選定する。   The multi-beam antenna according to the present invention has a primary radiator array including N (N is a positive integer greater than or equal to 2) element antennas that form B (B is a positive integer greater than or equal to 2) beams. The beam antenna has K types (K is a positive integer less than N) of amplifiers for exciting the element antennas, and the M number of beams (M is a positive integer less than N). In addition to being formed by an antenna, one of the element antennas contributes to the formation of L beams (L is a positive integer greater than or equal to 2 less than B), and the transmission power for each beam is set as necessary. When using a plurality of variable operation modes, the amplifier of a type that can withstand the maximum transmission power required by the element antenna in all the operation modes is selected, and the nth in the predetermined operation mode is selected. The output power P (n) of the child antenna (n is an integer from 1 to N) and the power efficiency η (P (n), k) of the amplifier connected to the n-th element antenna (k is an integer from 1 to K) Thus, the maximum output power of the K types of amplifiers is selected so that the total power consumption Pdc of the primary radiator array obtained by the equation (1) is minimized.

Figure 2010251961
Figure 2010251961

この発明に係るマルチビームアンテナは、素子アンテナの数より少なく且つ一次放射器アレーの総消費電力が最小になるように増幅器の種類を選定するので、従来の全て同じサイズの増幅器を用いた場合に比べ消費電力を大きく低減できるという効果を奏し、理想的には最適となる全て異なる増幅器を配置した場合の消費電力に近づくことができる。   In the multi-beam antenna according to the present invention, the type of amplifier is selected so as to be smaller than the number of element antennas and to minimize the total power consumption of the primary radiator array. In comparison, the power consumption can be greatly reduced, and the power consumption can be approached when all different amplifiers that are ideally arranged are arranged.

この発明の実施の形態に係る一次放射器アレーを有する反射鏡マルチビームアンテナの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the reflective mirror multibeam antenna which has the primary radiator array which concerns on embodiment of this invention. この発明の実施の形態に係るマルチビームアンテナの設計手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the design procedure of the multi-beam antenna which concerns on embodiment of this invention. マルチビームの構成を説明する例として挙げた構成図である。It is the block diagram given as an example explaining the structure of a multi-beam. 素子アンテナの構成を説明する例として挙げた構成図である。It is the block diagram given as an example explaining the structure of an element antenna. 各素子アンテナの最大出力電力と通常出力電力の例を示す。An example of maximum output power and normal output power of each element antenna is shown. 増幅器の種類を３つ、増幅器のサイズ比を４ｄＢとしたときの増幅器の選択法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the selection method of an amplifier when the kind of amplifier is three and the size ratio of an amplifier is 4 dB. この発明に係る増幅器を選択する手順により選択した増幅器の配置を示す図である。It is a figure which shows arrangement | positioning of the amplifier selected by the procedure which selects the amplifier which concerns on this invention. ビーム数と消費電力の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the number of beams and power consumption. 増幅器のサイズ比と消費電力の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the size ratio of an amplifier, and power consumption.

以下、本発明のマルチビームアンテナの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
図１は、この発明の実施の形態に係る一次放射器アレーを有する反射鏡マルチビームアンテナの構成を示す図である。
この発明の実施の形態に掛るマルチビームアンテナ１０は、ビーム形成回路２、Ｎ個（Ｎは２以上の正の整数）の第１増幅器１２−１乃至第Ｎ増幅器１２−Ｎ、Ｎ個の第１素子アンテナ１３−１乃至第Ｎ素子アンテナ１３−Ｎ、反射鏡１を備える。
ビーム形成回路２には、Ｂ個（Ｂは２以上の正の整数）の第１信号１１−１乃至第Ｂ信号１１−Ｂが入力されている。そして、ビーム形成回路２は、入力されたＢ個の第１信号１１−１乃至第Ｂ信号１１−Ｂを、それぞれ所望の励振分布になるように使用する素子アンテナ１３分に分配し、分配された信号を素子アンテナ１３毎に合成し、素子アンテナ１３毎に合成された信号を対応する第１増幅器１２−１乃至第Ｎ増幅器１２−Ｎにそれぞれ出力する。例えば、第１信号１１−１は第１ビーム１５−１を形成するために必要な第１素子アンテナ１３−１、第２素子アンテナ１３−２、第３素子アンテナ１３−３分に分配される。 Hereinafter, preferred embodiments of the multi-beam antenna of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a reflector multi-beam antenna having a primary radiator array according to an embodiment of the present invention.
The multi-beam antenna 10 according to the embodiment of the present invention includes a beam forming circuit 2, N (N is a positive integer of 2 or more) first amplifier 12-1 to N-th amplifier 12-N, N-th amplifiers. 1-element antenna 13-1 thru | or N-th element antenna 13-N and the reflective mirror 1 are provided.
The beam forming circuit 2 receives B (B is a positive integer of 2 or more) first signal 11-1 to B-th signal 11 -B. Then, the beam forming circuit 2 distributes the input B first signals 11-1 to 11-B to the element antennas 13 to be used so as to obtain a desired excitation distribution. The synthesized signals are synthesized for each element antenna 13, and the synthesized signals for each element antenna 13 are output to the corresponding first amplifier 12-1 to N-th amplifier 12-N, respectively. For example, the first signal 11-1 is distributed to the first element antenna 13-1, the second element antenna 13-2, and the third element antenna 13-3 necessary for forming the first beam 15-1. .

第１増幅器１２−１乃至第Ｎ増幅器１２−Ｎは、ビーム形成回路２から入力された信号を増幅し、増幅された信号で対応する第１素子アンテナ１３−１乃至第Ｎ素子アンテナ１３−Ｎを励振する。
第１素子アンテナ１３−１乃至第Ｎ素子アンテナ１３−Ｎは、励振されて電波を放射する。そして、放射された電波の励振分布は、図１に示すように、Ｂ個の第１励振分布１４−１乃至第Ｂ励振分布１４−Ｂとなる。
反射鏡１は、第１素子アンテナ１３−１乃至第Ｎ素子アンテナ１３−Ｎから放射された電波の位相が調整されてビームの方向が定まり、図１に示すように、Ｂ個の第１ビーム１５−１乃至第Ｂビーム１５−Ｂとして放射される。 The first amplifier 12-1 to the Nth amplifier 12-N amplify the signal input from the beam forming circuit 2, and the corresponding first element antenna 13-1 to Nth element antenna 13-N with the amplified signal. Excited.
The first element antenna 13-1 to the Nth element antenna 13-N are excited to radiate radio waves. Then, as shown in FIG. 1, the excitation distribution of the radiated radio wave becomes B first excitation distributions 14-1 to 14-B.
The reflecting mirror 1 adjusts the phase of the radio wave radiated from the first element antenna 13-1 to the Nth element antenna 13-N to determine the beam direction. As shown in FIG. 15-1 to B-th beam 15-B is emitted.

Ｂ個の第１信号１１−１乃至第Ｂ信号１１−Ｂは、Ｂ個の第１ビーム１５−１乃至第Ｂビーム１５−Ｂとしてそれぞれ送信される。
なお、第１ビーム１５−１と第２ビーム１５−２との形成には、図１に示すように、第１励振分布１４−１と第２励振分布１４−２とが第３素子アンテナ１３−３に関係するので、第３素子アンテナ１３−３が共用される。つまり１つの素子アンテナ１３は複数のビーム１５に寄与する構成となっている。 The B first signals 11-1 to B-signal 11 -B are transmitted as B first beams 15-1 to 15 -B, respectively.
In forming the first beam 15-1 and the second beam 15-2, as shown in FIG. 1, the first excitation distribution 14-1 and the second excitation distribution 14-2 are converted into the third element antenna 13. -3, the third element antenna 13-3 is shared. That is, one element antenna 13 is configured to contribute to a plurality of beams 15.

図２は、この発明の実施の形態に係るマルチビームアンテナの設計手順を示すフローチャートである。
次に、この発明の実施の形態に係るマルチビームアンテナの設計手順を説明する。
まず、ステップＳ１において、素子アンテナ数Ｎ、ビーム数Ｂ、増幅器の種類数Ｋを決定する。
この説明では図３に示すビーム配置（ビーム数Ｂ２４個）と図４に示す素子アンテナ配置（素子アンテナ数Ｎ２９個）、増幅器の種類数Ｋを３とした場合の増幅器の配置について説明する。なお、図３に示すように、２４個のビームが覆うビームエリア２０に識別記号ｂ１〜ｂ２４を割り当てる。また、図４に示すように、２９個の素子アンテナ１３に識別記号＃１〜＃２９を割り当てる。 FIG. 2 is a flowchart showing a design procedure of the multi-beam antenna according to the embodiment of the present invention.
Next, a design procedure for the multi-beam antenna according to the embodiment of the present invention will be described.
First, in step S1, the number N of element antennas, the number B of beams, and the number K of amplifier types are determined.
In this description, the arrangement of amplifiers when the beam arrangement (number of beams B24) shown in FIG. 3, the element antenna arrangement (number of element antennas N29) shown in FIG. As shown in FIG. 3, identification symbols b1 to b24 are assigned to the beam area 20 covered by 24 beams. In addition, as shown in FIG. 4, identification symbols # 1 to # 29 are assigned to 29 element antennas 13.

各ビーム１５と素子アンテナ１３の関係は、例えば、素子アンテナ＃１、＃２、＃３、＃４、＃５、＃６、＃７がビームｂ１２を形成し、これらの素子アンテナ１３を素子群４０とする。
また、素子アンテナ＃５、＃６、＃１４、＃１５、＃２６がビームｂ７を形成し、これらの素子アンテナ１３を素子群５０とする。
なお、素子アンテナ＃５、＃６はビームｂ７、ｂ１２双方の形成に用いられるが、それぞれのビームにおいて励振分布（振幅、位相）は異なる。 The relationship between each beam 15 and the element antenna 13 is, for example, that the element antennas # 1, # 2, # 3, # 4, # 5, # 6, and # 7 form a beam b12, and the element antennas 13 are grouped into an element group. 40.
Also, the element antennas # 5, # 6, # 14, # 15, and # 26 form the beam b7, and these element antennas 13 form an element group 50.
The element antennas # 5 and # 6 are used to form both the beams b7 and b12, but the excitation distribution (amplitude and phase) is different for each beam.

このように素子アンテナ数Ｎとビーム数Ｂの関係は１対１ではなく、１つの素子アンテナ１３は１つまたは複数のビーム１５に関与しており、逆に１つのビーム１５は１つまたは複数の素子アンテナ１３によって形成される。反射鏡１を介しているので、各ビーム１５の利得が同じであっても各ビーム１５を形成する素子アンテナ１３の数は異なる。
さらに、サービスエリアで使用される端末が異なれば必要な出力電力も異なる。 Thus, the relationship between the number of element antennas N and the number of beams B is not one-to-one, and one element antenna 13 is involved in one or more beams 15, and conversely, one beam 15 is one or more. The element antenna 13 is formed. Since the reflector 1 is interposed, the number of element antennas 13 forming each beam 15 is different even if the gain of each beam 15 is the same.
Furthermore, the required output power differs depending on the terminal used in the service area.

図５は、各素子アンテナの最大出力電力と通常出力電力の例を示す。
次に、ステップＳ２において、各素子アンテナ１３の出力電力Ｐ（ｎ）を求める。但し、ｎは１〜２９の整数である。ここでは図３のようなビーム配置を想定し、それぞれのビーム１５にはカバレッジ端の利得を含め一定の利得を満足するような励振分布が設定されている。最大出力電力とは全ての運用形態において素子アンテナ１３が必要とする最も高い出力電力である。また、通常出力電力とは全ての運用形態の中で運用時間が最も長い運用形態時の出力電力である。 FIG. 5 shows an example of the maximum output power and the normal output power of each element antenna.
Next, in step S2, the output power P (n) of each element antenna 13 is obtained. However, n is an integer of 1 to 29. Here, assuming the beam arrangement as shown in FIG. 3, each beam 15 is set with an excitation distribution that satisfies a certain gain including the gain at the coverage edge. The maximum output power is the highest output power required by the element antenna 13 in all operation modes. The normal output power is output power in the operation mode having the longest operation time among all the operation modes.

次に、ステップＳ３において、各素子アンテナ１３に対応する増幅器１２のサイズを求める。ここでサイズとは飽和領域で動作しないようにバックオフを考慮した状態での最大出力電力を表す。
あらゆる運用形態において回線設計を満足するために、この最大出力電力に対応できる増幅器１２が必要となる。 Next, in step S3, the size of the amplifier 12 corresponding to each element antenna 13 is obtained. Here, the size represents the maximum output power in a state where back-off is considered so as not to operate in the saturation region.
In order to satisfy the line design in any operation mode, the amplifier 12 capable of handling this maximum output power is required.

図６は、増幅器を３種類、増幅器のサイズ比を４ｄＢとしたときの増幅器の選択法を説明するための図である。
次に、ステップＳ４において、増幅器１２の組み合わせを選択する。
まず、最大出力電力の最も大きい素子アンテナ１３−１の最大出力電力を第１増幅器サイズとする。そして、第１増幅器サイズから４ｄＢ低下した出力電力の間にある最大出力電力の素子アンテナ１３には第１増幅器サイズの第１種増幅器を配置する。第１素子アンテナ１３−１、第２素子アンテナ１３−２、第５素子アンテナ１３−５、第６素子アンテナ１３−６に対応する第１増幅器１２−１、第２増幅器１２−２、第５増幅器１２−５、第６増幅器１２−６を第１種増幅器とする。 FIG. 6 is a diagram for explaining a method of selecting an amplifier when there are three types of amplifiers and the size ratio of the amplifiers is 4 dB.
Next, in step S4, a combination of amplifiers 12 is selected.
First, the maximum output power of the element antenna 13-1 having the largest maximum output power is set as the first amplifier size. Then, the first type amplifier of the first amplifier size is arranged in the element antenna 13 having the maximum output power between the output powers 4 dB lower than the first amplifier size. The first amplifier 12-1, the second amplifier 12-2, the fifth corresponding to the first element antenna 13-1, the second element antenna 13-2, the fifth element antenna 13-5, and the sixth element antenna 13-6. The amplifier 12-5 and the sixth amplifier 12-6 are first type amplifiers.

次に、第１増幅器サイズから４ｄＢ低下した最大出力電力を第２増幅器サイズとする。そして、第２増幅器サイズから４ｄＢ低下した出力電力の間にある最大出力電力の素子アンテナ１３には第２増幅器サイズの第２種増幅器を配置する。第３素子アンテナ１３−３、第４素子アンテナ１３−４、第１３素子アンテナ１３−１３、第１４素子アンテナ１３−１４、第１５素子アンテナ１３−１５、第１９素子アンテナ１３−１９、第２０素子アンテナ１３−２０、第２２素子アンテナ１３−２２に対応する第３増幅器１２−３、第４増幅器１２−４、第１３増幅器１２−１３、第１４増幅器１２−１４、第１５増幅器１２−１５、第１９増幅器１２−１９、第２０増幅器１２−２０、第２２増幅器１２−２２を第２種増幅器とする。   Next, the maximum output power that is 4 dB lower than the first amplifier size is set as the second amplifier size. Then, the second type amplifier of the second amplifier size is arranged in the element antenna 13 having the maximum output power between the output powers reduced by 4 dB from the second amplifier size. 3rd element antenna 13-3, 4th element antenna 13-4, 13th element antenna 13-13, 14th element antenna 13-14, 15th element antenna 13-15, 19th element antenna 13-19, 20th The third amplifier 12-3, the fourth amplifier 12-4, the thirteenth amplifier 12-13, the fourteenth amplifier 12-14, and the fifteenth amplifier 12-15 corresponding to the element antenna 13-20 and the twenty-second element antenna 13-22 The nineteenth amplifier 12-19, the twentieth amplifier 12-20, and the twenty-second amplifier 12-22 are second-type amplifiers.

最後に、第２増幅器サイズから４ｄＢ低下した最大出力電力を第３増幅器サイズとする。そして、第３増幅器サイズ以下の最大出力電力の素子アンテナ１３に対応する増幅器１２として第３増幅器サイズの第３種増幅器を配置する。
図７は、上述の手順により選択した増幅器の配置を示す。円が第１種増幅器、正方形が第２種増幅器、三角形が第３種増幅器を表す。 Finally, the maximum output power that is 4 dB lower than the second amplifier size is set as the third amplifier size. Then, a third type amplifier of the third amplifier size is arranged as the amplifier 12 corresponding to the element antenna 13 having the maximum output power equal to or smaller than the third amplifier size.
FIG. 7 shows the placement of the amplifier selected by the procedure described above. A circle represents a first type amplifier, a square represents a second type amplifier, and a triangle represents a third type amplifier.

次に、ステップＳ５において、電力効率η（Ｐ（ｎ），ｋ）を求める。ここで、Ｐ（ｎ）は第ｎ素子アンテナ（ｎは１〜２９）の出力電力、ｋ（ｋは１，２，３）は増幅器の種類を表す。
増幅器単体での特性モデルを用いて第１種増幅器、第２種増幅器、第３種増幅器の電力効率η（Ｐ（ｎ），ｋ）を求める。特性モデルについてはシミュレーションや近似モデルなどにより増幅器サイズと出力電力、消費電力の関係を数値化できる。その特性から上記のように選択した組み合わせでの増幅器サイズと出力電力毎の電力効率η（Ｐ（ｎ），ｋ）を求める。 Next, in step S5, the power efficiency η (P (n), k) is obtained. Here, P (n) represents the output power of the n-th element antenna (n is 1 to 29), and k (k is 1, 2, 3) represents the type of amplifier.
The power efficiency η (P (n), k) of the first type amplifier, the second type amplifier, and the third type amplifier is obtained using a characteristic model of the amplifier alone. Regarding the characteristic model, the relationship between the amplifier size, the output power, and the power consumption can be quantified by simulation or an approximate model. From the characteristics, the amplifier size and the power efficiency η (P (n), k) for each output power in the combination selected as described above are obtained.

次に、ステップ６において、総消費電力Ｐｄｃを求める。総消費電力Ｐｄｃは式（１）で求める。ここで、Ｐ（ｎ）は第ｎ素子アンテナの出力電力、ｋは増幅器の種類、η（Ｐ（ｎ），ｋ）は第ｎ素子アンテナに接続された増幅器の種類をｋ、出力電力をＰ（ｎ）としたときの電力効率である。 Next, in step 6, the total power consumption P dc is obtained. The total power consumption P dc is obtained by equation (1). Here, P (n) is the output power of the n-th element antenna, k is the type of amplifier, η (P (n), k) is the type of amplifier connected to the n-th element antenna, and the output power is P (N) is the power efficiency.

図８は、ＧａＮ増幅器の特性モデルを用いて、式（１）により電力効率η（Ｐ（ｎ），ｋ）と出力電力Ｐ（ｎ）の関係から総消費電力Ｐｄｃを計算した結果を示す。なお、総消費電力Ｐｄｃは通常運用を想定して計算しているので出力電力Ｐ（ｎ）は通常出力電力である。図８の横軸は運用ビーム数を表す。比較として最大出力電力の最も大きい素子アンテナ１３に対応できる増幅器を全素子アンテナ１３に対応する増幅器として配置した場合の総消費電力、つまり増幅器サイズが１種類のみの場合の総消費電力と、素子アンテナ毎の最大出力電力に対応する種類の増幅器を配置したときの消費電力を表す。 FIG. 8 shows the result of calculating the total power consumption P dc from the relationship between the power efficiency η (P (n), k) and the output power P (n) by using the characteristic model of the GaN amplifier according to the equation (1). . Since the total power consumption P dc is calculated assuming normal operation, the output power P (n) is normal output power. The horizontal axis in FIG. 8 represents the number of operating beams. As a comparison, the total power consumption when an amplifier that can handle the element antenna 13 having the largest maximum output power is arranged as an amplifier corresponding to all the element antennas 13, that is, the total power consumption when there is only one type of amplifier size, and the element antenna. It represents the power consumption when an amplifier of a type corresponding to each maximum output power is arranged.

この発明に係るマルチビームアンテナは、素子アンテナ１３の数より少なく且つ一次放射器アレーの総消費電力が最小になるように増幅器の種類を選定するので、従来の全て同じサイズの増幅器を用いた場合に比べ消費電力を大きく低減できるという効果を奏し、理想的には最適となる全て異なる増幅器を配置した場合の消費電力に近づく。   In the multi-beam antenna according to the present invention, the type of amplifier is selected so as to be smaller than the number of element antennas 13 and the total power consumption of the primary radiator array is minimized. The power consumption can be greatly reduced as compared with the above, and it approaches the power consumption when all the different amplifiers that are ideally arranged are arranged.

次に、ステップＳ７において、増幅器のサイズ比を変化させて増幅器の組み合わせの選択が完了したか否かを判断する。完了したらステップＳ８に進み、未了のときはステップＳ４に戻る。
次に、ステップＳ８において、増幅器のサイズ比を変化させて増幅器の組み合わせのそれぞれの総消費電力のうち最も小さな増幅器の組み合わせを増幅器として決定する。
図９に増幅器の種類を３つとし、増幅器のサイズ比を変化させたときの通常運用時の消費電力を示す。サイズ比を４ｄＢとすることで消費電力が最小となり、この場合での最適な組み合わせとなる。以上のような組み合わせを最適化することで、消費電力が小さくなる解を最終的な増幅器の組み合わせとして決定する。 Next, in step S7, it is determined whether or not the selection of the combination of amplifiers is completed by changing the size ratio of the amplifiers. If completed, the process proceeds to step S8, and if not completed, the process returns to step S4.
Next, in step S8, the amplifier size ratio is changed, and the smallest amplifier combination among the total power consumptions of the amplifier combinations is determined as the amplifier.
FIG. 9 shows power consumption during normal operation when there are three types of amplifiers and the amplifier size ratio is changed. By setting the size ratio to 4 dB, the power consumption is minimized, which is an optimal combination in this case. By optimizing the combination as described above, a solution with reduced power consumption is determined as a final amplifier combination.

以上のように、本発明ではマルチビームアンテナにおいて、実現性を考慮し、利用できる増幅器の種類が限られた中で一次放射器アレーの消費電力が最小となる増幅器の配置を決定できる。   As described above, in the present invention, in the multi-beam antenna, considering the feasibility, it is possible to determine the arrangement of amplifiers that minimize the power consumption of the primary radiator array while the types of available amplifiers are limited.

なお、上述の実施の形態では等間隔のサイズ比で増幅器を配置する例を示したが、これに限らず不等間隔のサイズ比で増幅器を配置しても良い。
また、素子アンテナの最大出力電力の中で最も高いレベルの出力電力を１つ目の増幅器サイズとして配置したが、これに限らず素子の最大出力電力の中で最も高いレベルの出力電力以上の増幅器サイズを１つ目の増幅器としても同様に設計すればよい。
また、通常運用時において消費電力が最小となる例を示したが、これに限らず想定される全ての運用状態のいずれか、または複数の運用法で最小となる設計も可能である。 In the above-described embodiment, an example is shown in which amplifiers are arranged at equally spaced size ratios, but the present invention is not limited to this, and amplifiers may be arranged at unevenly spaced size ratios.
Further, although the highest level output power among the maximum output powers of the element antenna is arranged as the first amplifier size, the present invention is not limited to this, and the amplifier having the highest level output power or more among the maximum output powers of the elements is not limited. The size may be designed similarly for the first amplifier.
Further, although an example has been shown in which the power consumption is minimized during normal operation, the present invention is not limited to this, and any of the assumed operation states or a design that can be minimized by a plurality of operation methods is possible.

１ 反射鏡、２ ビーム形成回路、１０ マルチビームアンテナ、１１ 信号、１２ 増幅器、１３ 素子アンテナ、１４ 励振分布、１５ ビーム、２０ ビームエリア、４０ 素子群、５０ 素子群。   1 reflector, 2 beam forming circuit, 10 multi-beam antenna, 11 signal, 12 amplifier, 13 element antenna, 14 excitation distribution, 15 beam, 20 beam area, 40 element group, 50 element group.

Claims (3)

Ｂ個（Ｂは２以上の正の整数）のビームを形成するＮ個（Ｎは２以上の正の整数）の素子アンテナを含む一次放射器アレーを有するマルチビームアンテナにおいて、
上記素子アンテナをそれぞれ励振するＫ種類（ＫはＮ未満の正の整数）の増幅器を有し、
１個の上記ビームがＭ個（ＭはＮ未満の正の整数）の上記素子アンテナにより形成されるとともに、１個の上記素子アンテナがＬ個（ＬはＢ未満の２以上の正の整数）の上記ビームの形成に寄与し、且つ上記ビーム毎の送信電力を必要に応じて可変とする複数の運用形態を用いる場合、
全ての上記運用形態において上記素子アンテナが必要とする最大の送信電力に耐え得る種類の上記増幅器を選択するとともに、所定の上記運用形態における第ｎ素子アンテナ（ｎは１からＮの整数）の出力電力Ｐ（ｎ）と上記第ｎ素子アンテナに接続する上記増幅器の電力効率η（Ｐ（ｎ），ｋ）（ｋは１からＫの整数）とから求まる上記一次放射器アレーの総消費電力
Figure 2010251961
 が最小となるように上記Ｋ種類の増幅器の最大出力電力を選定することを特徴とするマルチビームアンテナ。 In a multi-beam antenna having a primary radiator array including N (N is a positive integer greater than or equal to 2) element antennas that form B (B is a positive integer greater than or equal to 2) beams.
K types (K is a positive integer less than N) of amplifiers for exciting the element antennas,
One beam is formed by M element antennas (M is a positive integer less than N), and L element antennas are L (L is a positive integer greater than or equal to 2 less than B). When using a plurality of operation modes that contribute to the formation of the beam and the transmission power for each beam is variable as necessary,
In all of the above operating modes, the type of amplifier capable of withstanding the maximum transmission power required by the element antenna is selected, and the output of the nth element antenna (n is an integer from 1 to N) in the predetermined operating mode. The total power consumption of the primary radiator array obtained from the power P (n) and the power efficiency η (P (n), k) (k is an integer from 1 to K) of the amplifier connected to the n-th element antenna.
Figure 2010251961
 The multi-beam antenna is characterized in that the maximum output power of the K types of amplifiers is selected so as to be minimized. Ｂ個（Ｂは２以上の正の整数）のビームを形成するＮ個（Ｎは２以上の正の整数）の素子アンテナを含む一次放射器アレーを有するマルチビームアンテナにおいて、
上記素子アンテナをそれぞれ励振するＫ種類（ＫはＮ未満の正の整数）の増幅器を有し、
１個の上記ビームがＭ個（ＭはＮ未満の正の整数）の上記素子アンテナにより形成されるとともに、１個の上記素子アンテナがＬ個（ＬはＢ未満の２以上の正の整数）の上記ビームの形成に寄与し、且つ上記ビーム毎の送信電力を必要に応じて可変とする複数の運用形態を用いる場合、
全ての上記運用形態において上記素子アンテナが必要とする最大の送信電力に耐え得る種類の上記増幅器を選択するとともに、任意の１個の上記増幅器は最も送信電力の大きい上記素子アンテナに対応する上記増幅器とし、且つ所定の上記運用形態における第ｎ素子アンテナ（ｎは１からＮの整数）の出力電力Ｐ（ｎ）と上記第ｎ素子アンテナに接続する上記増幅器の電力効率η（Ｐ（ｎ），ｋ）（ｋは１からＫの整数）とから求まる上記一次放射器アレーの総消費電力
Figure 2010251961
 が最小となるように上記Ｋ種類の増幅器の最大出力電力を選定することを特徴とするマルチビームアンテナ。 In a multi-beam antenna having a primary radiator array including N (N is a positive integer greater than or equal to 2) element antennas that form B (B is a positive integer greater than or equal to 2) beams.
K types (K is a positive integer less than N) of amplifiers for exciting the element antennas,
One beam is formed by M element antennas (M is a positive integer less than N), and L element antennas are L (L is a positive integer greater than or equal to 2 less than B). When using a plurality of operation modes that contribute to the formation of the beam and the transmission power for each beam is variable as necessary,
In all the operation modes, the amplifier of a type capable of withstanding the maximum transmission power required by the element antenna is selected, and any one of the amplifiers corresponds to the element antenna having the largest transmission power. And the output power P (n) of the n-th element antenna (n is an integer from 1 to N) and the power efficiency η (P (n), P) of the amplifier connected to the n-th element antenna in the predetermined operation mode. k) (k is an integer from 1 to K) and the total power consumption of the primary radiator array
Figure 2010251961
 The multi-beam antenna is characterized in that the maximum output power of the K kinds of amplifiers is selected so as to be minimized. Ｂ個（Ｂは２以上の正の整数）のビームを形成するＮ個（Ｎは２以上の正の整数）の素子アンテナを含む一次放射器アレーを有するマルチビームアンテナにおいて、
上記素子アンテナをそれぞれ励振するＫ種類（ＫはＮ未満の正の整数）の増幅器を有し、
１個の上記ビームがＭ個（ＭはＮ未満の正の整数）の上記素子アンテナにより形成されるとともに、１個の上記素子アンテナがＬ個（ＬはＢ未満の２以上の正の整数）の上記ビームの形成に寄与し、且つ上記ビーム毎の送信電力を必要に応じて可変とする複数の運用形態を用いる場合、
全ての上記運用形態において上記素子アンテナが必要とする最大の送信電力に耐え得る種類の上記増幅器を選択するとともに、任意の１個の上記増幅器は最も送信電力の大きい上記素子アンテナに対応する上記増幅器とし、且つ最も運用時間の長い上記運用状態における第ｎ素子アンテナ（ｎは１からＮの整数）の出力電力Ｐ（ｎ）と上記第ｎ素子アンテナに接続する上記増幅器の電力効率η（Ｐ（ｎ），ｋ）（ｋは１からＫの整数）とから求まる上記一次放射器アレーの総消費電力
Figure 2010251961
 が最小となるように上記Ｋ種類の増幅器の最大出力電力を選定することを特徴とするマルチビームアンテナ。 In a multi-beam antenna having a primary radiator array including N (N is a positive integer greater than or equal to 2) element antennas that form B (B is a positive integer greater than or equal to 2) beams.
K types (K is a positive integer less than N) of amplifiers for exciting the element antennas,
One beam is formed by M element antennas (M is a positive integer less than N), and L element antennas are L (L is a positive integer greater than or equal to 2 less than B). When using a plurality of operation modes that contribute to the formation of the beam and the transmission power for each beam is variable as necessary,
In all the operation modes, the amplifier of a type capable of withstanding the maximum transmission power required by the element antenna is selected, and any one of the amplifiers corresponds to the element antenna having the largest transmission power. And the output power P (n) of the n-th element antenna (n is an integer from 1 to N) and the power efficiency η (P ( n), k) (k is an integer from 1 to K) and the total power consumption of the primary radiator array.
Figure 2010251961
 The multi-beam antenna is characterized in that the maximum output power of the K kinds of amplifiers is selected so as to be minimized.
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