JP2012084971A

JP2012084971A - フェーズドアレイアンテナ装置

Info

Publication number: JP2012084971A
Application number: JP2010227457A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Ozawa; 雄一郎小澤; Teruo Fujiwara; 暉雄藤原
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2010-10-07
Filing date: 2010-10-07
Publication date: 2012-04-26

Abstract

【課題】各素子アンテナの位相を自動で調整することの可能なフェーズドアレイアンテナ装置を提供する。
【解決手段】素子アンテナ(AT1〜ATn)に接続され、素子アンテナへの出力信号を分配する分配器(CP1〜CPn)と、分配器から分配された信号が入力され、信号の位相を調整する位相調整装置(40)と、少なくとも１つの素子アンテナの移相器(PS1〜PSn)と位相調整装置とに位相指示値をそれぞれ入力する位相制御演算手段(46)とを備え、前記位相調整装置は、前記少なくとも１つの素子アンテナの分配器から分配された一部の信号の位相に基づいて、残りの素子アンテナの分配器から分配された一部の信号の位相を調整する。
【選択図】図３

Description

本発明は、フェーズドアレイアンテナ装置に係り、詳しくは各素子アンテナの位相を自動で調整するフェーズドアレイアンテナ装置に関するものである。

従来、通信機器の１つであるアンテナにはいくつか種類があり、通信対象や通信範囲、必要な利得等により最適なアンテナが選択される。そのアンテナの１つにフェーズドアレイアンテナがある。
フェーズドアレイアンテナは、複数の素子アンテナと、各素子アンテナに接続され、素子アンテナの位相を任意の方向に調整する移相器とから構成される。このように構成されたフェーズドアレイアンテナは、移相器で各素子アンテナの位相をずらして各素子アンテナから電波を放射することで、アンテナを固定したまま電波のビーム方向を変えることができ、各素子アンテナから放射される電波の位相を揃えることで強力な指向性が実現される。

しかしながら、電波の位相を揃えるために、各移相器に対して順次位相の調整を行う必要があり、位相調整に多くの時間を要するという問題がある。
このようなことから、選択したＮ個の素子アンテナを所定の方向へ主ビームを向けるのに要する移相器の移相量を求め、その移相量で全体の素子アンテナの位相を変化させる手法が知られている（特許文献１）。
また、受信時はビーム走査角度毎に、送信時は素子アンテナのビーム走査角度が正面方向のみ励振振幅位相をそれぞれ測定し、受信時及び送信時の測定データから送信時の励振振幅位相を算出する手法が知られている（特許文献２）。

特開平５−２５９７２７号公報特許第３３３６８８１号

一方で、近年、太陽光発電を利用した宇宙太陽光発電システムが検討されている。
宇宙太陽光発電システムとは、人工衛星等の宇宙機に搭載した太陽電池パネルで太陽光を集光し、そこで発電した電力をマイクロ波に変換して地上の電力基地へ送信し、受信したマイクロ波を電力に変換して商用電力として利用するものである。この宇宙太陽光発電システムにおいて宇宙機に搭載される送信用のアンテナ装置に、フェーズドアレイアンテナの使用が検討されている。

このようなフェーズドアレイアンテナでは、フェーズドアレイアンテナを構成する各機器内の回路長や、各機器を接続するケーブルの長さの差異等により生じる分配器の位相差を調整する必要があるため、フェーズドアレイアンテナの初期運用時にまず全ての素子アンテナの位相オフセット量を測定し設定する必要がある。
しかしながら、フェーズドアレイアンテナを構成する増幅器等の機器の発熱等の影響による温度変化で素子アンテナの出力の位相が変動する場合には再度測定及び位相調整が必要となり、時間を要するため好ましくない。

本発明は、上述した課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、各素子アンテナの位相を自動で調整することの可能なフェーズドアレイアンテナ装置を提供することにある。

上記の目的を達成するべく、請求項１のフェーズドアレイアンテナ装置は、複数の素子アンテナと該各素子アンテナの位相を変更する移相器とを備えたフェーズドアレイアンテナ装置であって、前記素子アンテナに接続され、前記素子アンテナへの出力信号を分配する分配器と、該分配器から分配された信号が入力され、該信号の位相を調整する位相調整装置と、前記複数の素子アンテナのうちの少なくとも１つの素子アンテナの移相器と前記位相調整装置とに位相指示値をそれぞれ入力する位相制御演算手段とを備え、前記位相調整装置は、前記少なくとも１つの素子アンテナの分配器から分配された一部の信号の位相に基づいて、残りの素子アンテナの分配器から分配された一部の信号の位相を調整することを特徴とする。

請求項２のフェーズドアレイアンテナ装置は、請求項１において、電力を増幅する増幅器をさらに備え、該増幅器は前記分配器と前記移相器との間に接続されることを特徴とする。

請求項１のフェーズドアレイアンテナ装置によれば、素子アンテナに接続した分配器から分配された一部の出力信号から位相差を算出して位相を調整することにより、少なくとも１つの素子アンテナの移相器及び残りの素子アンテナの移相器にそれぞれ入力された信号が分配器に入力されるまでに変化した位相を自動で補正することができるので、放射する電波の主ビーム方向を所望の方向に的確に指向させることができる。

請求項２のフェーズドアレイアンテナ装置によれば、分配器と移相器との間に増幅器が接続されることにより、増幅器の発熱の影響により位相が変化する場合でも変化した位相を調整することができるので、迅速に位相を調整することができると共に、放射する電波の主ビーム方向を所望の方向に指向させることができる。

本発明に係るフェーズドアレイアンテナ装置が搭載された発電衛星を含む宇宙太陽光発電システムの概略構成図である。図１に示した発電衛星の構成を示すブロック図である。フェーズドアレイアンテナ装置の構成の一部を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るアンテナ装置が搭載された発電衛星を含む宇宙太陽光発電システムの概略構成図である。
図１に示すように、発電衛星１は、例えば静止軌道上に投入され、宇宙空間において太陽光を集光して電気エネルギーを生成し、マイクロ波に変換して送信アンテナ２を使用して地上の電力基地４へ送信する。なお、マイクロ波の伝送に使用される周波数帯は２．４５ＧＨｚ帯または５．８ＧＨｚ帯である。

電力基地４には受信アンテナであるレクテナ６が設置されており、発電衛星１から送信されたマイクロ波をレクテナ６で受信し、受信したマイクロ波をＤＣ電力に変換して送電ケーブル８を介して既存の商用電力網へ送電する。
このような宇宙太陽光発電システムにおける発電衛星１の構成について、図１、２に基づき説明する。

図２は図１に示した発電衛星１の構成を示したブロック図である。
集光部２０は宇宙空間において太陽光を集光するものであり、反射光学系や屈折光学系等により構成される。一例として、図１に示す発電衛星１には、一次反射鏡１０、１０及び二次反射鏡１２、１２が取り付けられており、これらが集光部２０に該当する。発電衛星１の制御系は、このような一次反射鏡１０、１０を使用して集光した太陽光を二次反射鏡１２、１２へ反射させ、二次反射鏡１２、１２により反射された太陽光が太陽電池パネル１６に集光するよう一次反射鏡１０、１０及び二次反射鏡１２、１２の姿勢を制御する。なお、一次反射鏡１０、１０は太陽を追尾するように制御されてもよい。

図２に戻り、集光部２０を使用して集光された太陽光を、太陽電池パネル１６を含む太陽電池パネルユニット２２が受光して電気エネルギーを生成する。ここで生成された電気エネルギーは送信ユニット２４へと入力される。
送信ユニット２４はフェーズドアレイアンテナを有しており、ＤＣ電力をマイクロ波に変換するＤＣ−マイクロ波変換部２６、マイクロ波の位相を調整する位相調整手段２８、及びマイクロ波を放射する送信アンテナ２とから構成される。

送信ユニット２４に入力された電気エネルギーはＤＣ−マイクロ波変換部２６でマイクロ波に変換される。そして、変換されたマイクロ波が電力基地４の方向を指向するようにマイクロ波の位相を位相調整手段２８で調整し、送信アンテナ２から電力基地４へ向けてマイクロ波を放射する。なお、送信アンテナ２は常に地上側を指向するように電気的、機械的に制御されている。

このような送信ユニット２４が有する位相調整手段２８及び送信アンテナ２（以下、フェーズドアレイアンテナ装置３４という）の構成の一部を示すブロック図を図３に示す。
送信ユニット２４は、ＤＣ−マイクロ波変換部２６に加え、フェーズドアレイアンテナ装置３４を備えており、フェーズドアレイアンテナ装置３４は、移相器ＰＳ１〜ＰＳn、ＰＬＬ電力増幅器ＰＡ１〜ＰＡn、分配器ＣＰ１〜ＣＰn、素子アンテナＡＴ１〜ＡＴn、及び位相調整装置４０、位相コマンド出力装置（位相制御演算手段）４６を備えて構成されている。

詳しくは、フェーズドアレイアンテナ装置３４は、素子アンテナの位相を変える移相器ＰＳ１〜ＰＳn、移相器ＰＳ１〜ＰＳnの出力信号の周波数と、図示しないが基準信号発生器から出力される基準信号の周波数との和成分を計算するＰＬＬ電力増幅器（増幅器）ＰＡ１〜ＰＡn、素子アンテナＡＴ１〜ＡＴnへの出力信号を分配する分配器ＣＰ１〜ＣＰn、分配器ＣＰ１〜ＣＰnから分配された出力信号をマイクロ波として放射する素子アンテナＡＴ１〜ＡＴn、及び分配器ＣＰ１と分配器ＣＰ２〜ＣＰnとの各位相差を調整する位相調整装置４０とを備え、位相調整装置４０と移相器ＰＳ１とは位相指示値である位相制御信号を出力する位相コマンド出力装置４６に接続されている。ここで、素子アンテナＡＴ１は１番目の素子アンテナ、素子アンテナＡＴnはｎ番目の素子アンテナ、移相器ＰＳ１は１番目の移相器、移相器ＰＳnはｎ番目の移相器、ＰＬＬ電力増幅器ＰＡ１は１番目のＰＬＬ電力増幅器、ＰＬＬ電力増幅器ＰＡnはｎ番目のＰＬＬ電力増幅器、分配器ＣＰ１は１番目の分配器、分配器ＣＰnはｎ番目の分配器である。

位相コマンド出力装置４６は、図示しないが位相制御信号（位相指示値）を演算する演算手段を有しており、当該演算手段で演算された位相制御信号が移相器ＰＳ１及び位相調整装置４０にそれぞれ入力される。
位相調整装置４０は、分配器ＣＰ１と分配器ＣＰ２〜ＣＰnとの各位相差を算出する位相計４２と、位相コマンド出力装置４６から位相制御信号が入力される演算部４４とから構成され、演算部４４からの出力信号は移相器ＰＳ２〜ＰＳnにそれぞれ入力される。

移相器ＰＳ１〜ＰＳnにはそれぞれ中間周波が入力される。当該中間周波は、上述した基準信号発生器から出力される。
ＰＬＬ電力増幅器ＰＡ１〜ＰＡnは、移相器ＰＳ１〜ＰＳnからの入力信号の周波数ｆ１_nと基準信号の周波数ｆ２との和と差の周波数ｆ１_n±ｆ２を出力する混合器ＭＸ１〜ＭＸn、混合器ＭＸ１〜ＭＸnからの出力信号のうち差分の周波数成分ｆ１_n−ｆ２を除くフィルタＦＬ１〜ＦＬn、及びフィルタＦＬ１〜ＦＬnからの出力信号を増幅する電力増幅器ＡＭ１〜ＡＭnから構成される。ここで、混合器ＭＸ１は１番目の混合器、混合器ＭＸnはｎ番目の混合器、フィルタＦＬ１は１番目のフィルタ、フィルタＦＬnはｎ番目のフィルタ、電力増幅器ＡＭ１は１番目の増幅器、電力増幅器ＡＭnはｎ番目の増幅器である。

このように構成された本発明に係るフェーズドアレイアンテナ装置３４の作用について、以下に詳しく説明する。
ここでは、一例として素子アンテナＡＴ１、分配器ＣＰ１、ＰＬＬ電力増幅器ＰＡ１、及び移相器ＰＳ１と、素子アンテナＡＴn、分配器ＣＰn、ＰＬＬ電力増幅器ＰＡn、及び移相器ＰＳnとにおける位相の調整について説明する。当該作用は、移相器ＰＳ１の位相を基準位相として、素子アンテナＡＴ２〜ＡＴn-1、分配器ＣＰ２〜ＣＰn-1、ＰＬＬ電力増幅器ＰＡ２〜ＰＡn-1、及び移相器ＰＳ２〜ＰＳn-1についても同様に行われるものである。

移相器１、移相器ｎから出力された信号はＰＬＬ電力増幅器ＰＡ１、ＰＡnを介して分配器ＣＰ１〜ＣＰnに入力され、分配器ＣＰ１、ＣＰnから分配された一部の信号が位相計４２に入力される。位相計４２では分配器ＣＰ１、ＣＰnとの位相差を算出し、演算部４４へ入力する。ここで、基準となる位相は素子アンテナＡＴ１の位相、つまり分配器ＣＰ１から出力された位相である。分配器ＣＰ１、ＣＰnから位相計４２に分配される信号は、位相差を算出するために必要な最小の大きさである。
また、位相コマンド出力装置４６から位相制御信号が演算部４４及び移相器ＰＳ１に入力される。

位相コマンド出力装置４６から移相器ＰＳ１に入力される位相をφ₁、位相調整装置４０から移相器ＰＳnに入力される位相をφ_nとすると、ＰＬＬ電力増幅器ＰＡ１には位相φ₁、ＰＬＬ電力増幅器ＰＡnには位相φ_nがそれぞれ入力される。なお、ここでは、位相φ₁、φ_nにオフセット量が含まれているが、当該オフセット量は予め測定され、設定されているものとする。ＰＬＬ電力増幅器ＰＡ１、ＰＡnの発熱の影響や他の機器の影響による位相変化量θ₁、θ_nがそれぞれ発生することがあり、分配器ＣＰ１での位相はφ₁＋θ₁、分配器ＣＰnでの位相はφ_n＋θ_nとなる。分配器ＣＰ１、ＣＰnの各位相が位相計４２へ入力され、位相計４２では、分配器ＣＰ１、ＣＰnの位相差（φ_n＋θ_n）−（φ₁＋θ₁）を算出する。

演算部４４では、位相計４２で算出された位相差を位相コマンド出力装置４６から入力された位相制御信号に基づいて位相を調整し、調整した位相信号を移相器ＰＳnへ入力する。即ち、演算部４４で位相変化量がθ₁＝θ_nとなるように位相制御信号を調整して移相器ＰＳnへ入力する。

詳しくは、位相コマンド出力装置４６から演算部４４に入力される位相制御信号は、移相器ＰＳ１に入力される位相制御信号φ₁に対する相対位相変化量Δφである。演算部４４では、相対位相変化量Δφと位相計４２で算出された位相差との差が０°になるよう、つまり、Δφ−｛（φ_n＋θ_n）−（φ₁＋θ₁）｝＝０となる位相φ_nを求める。即ち、移相器ＰＳnへ入力される調整後の位相（位相調整量）φ_nは、φ_n＝φ₁＋Δφ＋θ₁−θ_nとなる。

また、移相器ＰＳ１、ＰＳnには中間周波（例えば、２０ＭＨｚ）が入力され、移相器ＰＳ１は位相コマンド出力装置４６から入力された位相制御信号φ₁に基づいて中間周波の位相を変更する。移相器ＰＳnは、演算部４４から入力された調整後の位相φ_nに基づいて中間周波の位相を変更する。

移相器ＰＳ１、ＰＳnからの出力信号は、それぞれ混合器ＭＸ１、ＭＸnに入力される。混合器ＭＸ１、ＭＸnにはそれぞれ基準信号（例えば、５．７８ＧＨｚ）が入力され、中間周波信号の周波数ｆmと基準信号の周波数ｆsとの和成分及び差成分ｆm±ｆsを算出する。
混合器ＭＸ１、ＭＸnで計算された周波数ｆm±ｆsはフィルタＦＬ１、ＦＬnへそれぞれ入力され、周波数の差成分であるｆm−ｆsが除かれる。従って、電力増幅器ＡＭ１、ＡＭnに入力される信号の周波数成分はｆm＋ｆs（例えば、５．８ＧＨｚ）である。

フィルタＦＬ１、ＦＬnからの出力信号はそれぞれ電力増幅器ＡＭ１、ＡＭnで増幅される。ここで、電力増幅器ＡＭnで発生した位相変化量θ_nは、移相器ＰＳnへ入力された調整後の位相φ_nにより除去される。そして、電力増幅器ＡＭ１、ＡＭnで増幅された信号は、分配器ＣＰ１、ＣＰnを介して素子アンテナＡＴ１、ＡＴnから放射される。素子アンテナＡＴ１、ＡＴnから放射される電波の位相差はφ₁−（φ₁−Δφ）＝Δφとなり、位相コマンド出力装置４６からの指示値に従って電波の主ビーム方向が指向される。

このように、本実施形態によれば、分配器ＣＰ１〜ＣＰnは素子アンテナＡＴ１〜ＡＴnの入力端に接続されており、分配器ＣＰ１〜ＣＰnから位相計４２に入力された信号から分配器ＣＰ１に対するＣＰ２〜ＣＰnでの各位相差を算出し、位相コマンド出力装置４６からの指示値である相対位相変化量Δφと算出した各位相差とを演算部４４に入力し、相対位相変化量Δφと各位相差との差が０°になるφ₂〜φ_nをそれぞれ算出して、移相器ＰＳ２〜ＰＳnに入力する。

従って、素子アンテナＡＴ１〜ＡＴnに接続されている各分配器ＣＰ１〜ＣＰnから分配された一部の信号の位相差から移相器ＰＳ２〜ＰＳnの位相を自動で調整することにより、移相器ＰＳ１〜ＰＳnに入力された信号が分配器ＣＰ１〜ＣＰnに入力されるまでに電力増幅器ＡＭ１〜ＡＭn等の発熱等の機器の影響により変化した位相変化量θ₁〜θ_nが無くなるように調整することができるので、放射する電波の主ビーム方向を所望の方向に的確に指向させることができる。

また、マイクロ波が放射される素子アンテナＡＴ１〜ＡＴnに接続されている分配器ＣＰ１〜ＣＰnの位相から移相器ＰＳ２〜ＰＳnの位相を調整することにより、ＰＬＬ電力増幅器ＰＡ１〜ＰＡnでの発熱の影響や、その他の機器の影響により移相器ＰＳ１〜ＰＳnから入力された位相が変化してしまう場合でも変化した位相を補正することが可能であり、素子アンテナＡＴ１〜ＡＴnから放射する電波の主ビーム方向を所望の方向へより的確に指向させることができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、位相コマンド出力装置４６は１台のみの構成としているが、アンテナ装置３４のコンフィギュレーションに応じて複数台の構成としてもよい。
また、上記実施形態では、発電衛星１は１機のみの構成としているが、複数機から構成されてもよい。
また、上記実施形態では宇宙太陽光発電システムの発電衛星１に搭載される場合について説明したが、これに限られるものではない。

１発電衛星
２送信アンテナ
４０位相調整装置
４２位相計
４４演算部
４６位相コマンド出力装置（位相制御演算手段）
ＡＴ１〜ＡＴn 素子アンテナ
ＣＰ１〜ＣＰn 分配器
ＰＡ１〜ＰＡn ＰＬＬ電力増幅器（増幅器）
ＰＳ１〜ＰＳn 移相器

Claims

複数の素子アンテナと該各素子アンテナの位相を変更する移相器とを備えたフェーズドアレイアンテナ装置であって、
前記素子アンテナに接続され、前記素子アンテナへの出力信号を分配する分配器と、
該分配器から分配された信号が入力され、該信号の位相を調整する位相調整装置と、
前記複数の素子アンテナのうちの少なくとも１つの素子アンテナの移相器と前記位相調整装置とに位相指示値をそれぞれ入力する位相制御演算手段とを備え、
前記位相調整装置は、前記少なくとも１つの素子アンテナの分配器から分配された一部の信号の位相に基づいて、残りの素子アンテナの分配器から分配された一部の信号の位相を調整することを特徴とするフェーズドアレイアンテナ装置。
電力を増幅する増幅器をさらに備え、
該増幅器は前記分配器と前記移相器との間に接続されることを特徴とする、請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。