JP2011091625A

JP2011091625A - 電子走査型アレイアンテナ装置

Info

Publication number: JP2011091625A
Application number: JP2009243506A
Authority: JP
Inventors: Hisataka Kojima; 央任小島; Hideo Sumiyoshi; 秀夫住吉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2011-05-06

Abstract

【課題】アンテナ素子として円偏波素子アンテナを用いた電子走査型アレイアンテナ装置において、広角にビームを走査すると、交差偏波成分が増大するという問題があった。
【解決手段】アンテナ素子として円偏波素子アンテナを用いた電子走査型アレイアンテナ装置において、主に交差偏波成分を放射する交差偏波素子アンテナを追加し、このアンテナから放射する交差偏波成分の振幅、位相を制御することで、広角ビーム走査時のビーム形成方向における交差偏波成分を低減する。
【選択図】図１

Description

この発明は、電子走査型アレイアンテナ装置に関し、特にアンテナ素子として円偏波素子アンテナを用いたものに関する。

図２は、衛星移動体通信システムにおいて、移動可能な地上局に用いられる電子走査型アレイアンテナ装置の構成例および動作を示す図である。また、図３は円偏波素子アンテナ１の放射パターンを示す図である。図２（ｂ）において、電子走査型アレイアンテナ装置は、円偏波素子アンテナ１と、可変移相器２と、分配合成回路３と、送受信部４から構成される。

電子走査型アレイアンテナ装置を送信に用いる場合、送受信部４で生成された送信ＲＦ信号は、分配合成回路３で分配され、可変移相器２で所望のビームを形成するための位相を与えられた後に、円偏波素子アンテナ１から放射されて、空間に所望のビームを形成する。

しかしながら、一般的な円偏波素子アンテナ１は、図３（ａ）に示すように直交する２つのモードを同一振幅で励振し、その励振位相を９０度ずらすことにより円偏波を放射するが、この場合、直交する２つのモードの放射パターン形状は厳密に同じではない。また、図３（ｂ）に示すように、一般的に円偏波素子アンテナ１の放射パターンは、正面方向では所望の円偏波成分を放射するが、広角方向では交差偏波成分が増大する傾向にある。

そのため、前述の衛星移動体通信システムにおいて、低仰角の衛星と通信するため電子走査型アレイアンテナ装置で広角にビームを走査すると、図２（ａ）に示すように交差偏波成分が増大するため、通信品質の劣化が生じやすい。

このような、電子走査型アレイアンテナ装置における交差偏波を低減する方法として、次に示す従来技術があった。

特許第２７４５８４４号公報特公平７−８３２０７号公報

特許文献１に示す従来の技術は、各円偏波素子アンテナから放射される偏波成分をビーム形成方向で測定し、非線形最適化法を用いることで、正偏波成分は所望利得を実現しつつ、交差偏波成分を抑圧する位相分布を移相器に設定することで、交差偏波を抑圧している。しかし、この方法では、ビーム形成方向における各円偏波素子アンテナの交差偏波成分が揃っている場合、交差偏波成分を抑圧することで、正偏波成分の利得が同レベルで低下し、場合によっては通信品質の劣化を招いてしまうという問題があった。

また、特許文献２に示す従来の技術は、各円偏波素子アンテナから放射される交差偏波を主ビーム方向で打ち消すために、全ての円偏波素子アンテナの励振振幅、位相を制御する。もしくは、各円偏波素子アンテナの直交する２つのモードを個別に制御する。このため、励振振幅位相を決定および実現するために大掛かりな演算または、制御装置が必要となるという問題があった。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、全ての円偏波素子アンテナの励振振幅位相を演算することなく、広角ビーム走査時のビーム形成方向における交差偏波成分を低減することを目的とする。

この発明による電子走査型アレイアンテナ装置は、複数の円偏波素子アンテナと、主に交差偏波成分を放射する交差偏波素子アンテナと、上記各円偏波素子アンテナおよび交差偏波素子アンテナにそれぞれ接続された複数の移相器と、上記それぞれの移相器が接続される送受信部と、上記交差偏波素子アンテナと送受信部との間に設けられた可変減衰器と、上記移相器の位相及び上記可変減衰器の減衰量を設定するアンテナ制御部と、を備え、上記アンテナ制御部は、上記交差偏波素子アンテナから放射される交差偏波の主ビーム方向で、上記円偏波素子アンテナが形成する交差偏波成分の主ビームを打ち消すように、上記交差偏波素子アンテナから放射する交差偏波成分の振幅および位相を調整することを特徴としたものである。

この発明による電子走査型アレイアンテナ装置は、主に交差偏波成分を放射する交差偏波素子アンテナを追加し、このアンテナから放射する交差偏波成分の振幅、位相を制御することで、大掛かりな演算または、制御装置を必要とせずに、広角ビーム走査時のビーム形成方向における交差偏波成分を低減することができる。

この発明に係る実施の形態１による電子走査型アレイアンテナ装置の構成および動作を示す図である。従来の電子走査型アレイアンテナ装置の構成を示す図である。円偏波素子アンテナの放射パターン例を示す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１による電子走査型アレイアンテナ装置の構成および動作を説明するための図であり、（ａ）は円偏波素子アンテナの偏波パターンを示す図、（ｂ）は交差偏波素子アンテナの偏波パターンを示す図、（ｃ）は円偏波素子アンテナおよび交差偏波素子アンテナを組み合わせた偏波パターンを示す図、（ｄ）は構成を示す図である。

図１（ｄ）において、電子走査型アレイアンテナ装置は、複数個（Ｎ−１、Ｎは２以上の整数）の円偏波素子アンテナ１と、各円偏波素子アンテナ１にそれぞれ接続された複数個（Ｎ個）の可変移相器２と、各可変移相器２が接続される分配合成回路３と、分配合成回路３に接続される送受信部４と、少なくとも１つの交差偏波素子アンテナ５と、分配合成回路３に接続される少なくとも１つの可変減衰器６と、アンテナ制御部７とを備えている。少なくとも１つの交差偏波素子アンテナ５と少なくとも１つの可変減衰器６の間には少なくとも１つの可変移相器２が接続される。なお、可変減衰器６は、交差偏波素子アンテナ５と可変移相器２の間に接続されていても良い。

円偏波素子アンテナ１は、図３で説明したように、図１（ａ）に示すような正偏波および交差偏波の放射パターンを形成し、主ビームの方向（θ_０）では所望の円偏波成分を放射し、広角方向ではビームｆ（θ）に示すように交差偏波成分が増大する。各可変移相器２は、各円偏波素子アンテナ１および交差偏波素子アンテナ５に対して所望のビームを形成するための位相を与える。可変減衰器６は、減衰量を調整することで交差偏波素子アンテナ５の振振振幅を調整する。分配合成回路３は、送受信部４から送られてくる高周波（Radio Frequency）の送信信号（送信ＲＦ信号）を分配し、各円偏波素子アンテナ１および交差偏波素子アンテナ５に対してそれぞれ給電する。また、分配合成回路３は、各円偏波素子アンテナ１および交差偏波素子アンテナ５によって受信され、可変移相器２によって位相の調整された受信信号を合成して、送受信部４に送る。送受信部４は、分配合成回路３に送る送信信号を生成するとともに、分配合成回路３から受けた受信信号を検波し、受信データを復調処理する。アンテナ制御部７は、各可変移相器２について所定の位相情報を設定するとともに、可変減衰器６について所定の振幅情報を与える減衰量を設定することで、各円偏波素子アンテナ１および交差偏波素子アンテナ５に与える位相や振幅を調整する。

次に、この実施の形態１による電子走査型アレイアンテナ装置の動作について説明する。この実施の形態１による電子走査型アレイアンテナ装置を送信に用いる場合、送受信部４で生成された送信ＲＦ信号は分配合成回路３で分配され、可変移相器２で所望のビームを形成するための位相を与えられる。この送信ＲＦ信号は可変移相器２により所望の位相を与えられた後に、円偏波素子アンテナ１から空間に放射され、空間に所望のビームＦ（θ）を形成する。ここで、図１（ａ）で説明したように、広角にビームを形成した場合、前述する各円偏波素子アンテナの交差偏波成分によって、交差偏波成分のビームｆ（θ）が主ビーム方向に形成される。

また、分配合成回路３で分配された送信ＲＦ信号の一部は、可変移相器２および可変減衰器７を介して、交差偏波素子アンテナ６に送られ、図１（ｂ）に示すような交差偏波成分ｇ（θ）を放射する。この時、可変減衰器７および可変移相器２に設定する振幅をａ、位相をφとすると、アンテナ制御部７は次式（１）を満足するように（ａ,φ）を選ぶ。

ここで、θ_０は主ビーム方向を示す。

可変減衰器７および可変移相器２は、アンテナ制御部７により選ばれた振幅と位相が設定される。かくして、交差偏波素子アンテナ６から放射される交差偏波ｇ（θ）は、次式（２）に示すように、その主ビーム方向で円偏波素子アンテナ１が形成する交差偏波成分のビームｆ（θ）を打ち消すので、主ビーム方向での交差偏波を低減することができる。例えば、図１（ｃ）に示すように、円偏波素子アンテナ１による交差偏波成分のビームｆ（θ）は、交差偏波素子アンテナ６から放射される交差偏波ｇ（θ）によって打ち消される。

なお、この実施の形態１では送信の例について説明したが、受信の場合であっても、ＲＦ信号の流れる向きが逆なだけで、同様な効果を得ることができる。また、交差偏波素子は１素子だけでなく、少なくとも２素子からなるアレイアンテナとすることも可能である。

以上説明した通り、この実施の形態１による電子走査型アレイアンテナ装置は、複数の円偏波素子アンテナ１と、主に交差偏波成分を放射する交差偏波素子アンテナ５と、上記各円偏波素子アンテナ１および交差偏波素子アンテナ５にそれぞれ接続された複数の移相器２と、上記それぞれの移相器２が分配合成回路３を介して接続される送受信部４と、上記交差偏波素子アンテナ１と送受信部３との間に設けられた可変減衰器６と、上記移相器２の位相及び上記可変減衰器６の減衰量を設定するアンテナ制御部７と、を備え、上記アンテナ制御部７は、上記交差偏波素子アンテナ５から放射される交差偏波の主ビーム方向で、上記円偏波素子アンテナ１が形成する交差偏波成分の主ビームを打ち消すように、上記交差偏波素子アンテナ５から放射する交差偏波成分の振幅および位相を調整することを特徴とする。このように、主に交差偏波成分を放射する交差偏波素子アンテナ５を追加し、このアンテナから放射する交差偏波成分の振幅、位相を制御することで、大掛かりな演算または、制御装置を必要とせずに、広角ビーム走査時のビーム形成方向における交差偏波成分を低減することができる。

本発明は衛星移動体通信システムにおける移動可能な地上局に用いられる電子走査型アレイアンテナ装置に利用可能なものであるが、例えば、低軌道衛星に搭載された衛星局に用いられる電子走査型アレイアンテナ装置にも利用可能である。また、可変減衰器８、および可変移相器２を固定減衰器、および遅延線路で実現すれば、電子走査ではないアレイアンテナ装置にも利用することが可能である。

１円偏波素子アンテナ、２可変移相器、３分配合成回路、４送受信部、５交差偏波素子アンテナ、６可変減衰器、７アンテナ制御部。

Claims

複数の円偏波素子アンテナと、
主に交差偏波成分を放射する交差偏波素子アンテナと、
上記各円偏波素子アンテナおよび交差偏波素子アンテナにそれぞれ接続された複数の移相器と、
上記それぞれの移相器が接続される送受信部と、
上記交差偏波素子アンテナと送受信部との間に設けられた可変減衰器と、
上記移相器の位相及び上記可変減衰器の減衰量を設定するアンテナ制御部と、
を備え、
上記アンテナ制御部は、上記交差偏波素子アンテナから放射される交差偏波の主ビーム方向で、上記円偏波素子アンテナが形成する交差偏波成分の主ビームを打ち消すように、上記交差偏波素子アンテナから放射する交差偏波成分の振幅および位相を調整することを特徴とした電子走査型アレイアンテナ装置。