JP2012515674A - アンテナのネットワークを有する、電磁ビームを放出するシステム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、電磁ビームの遠方界放出のための複数の要素のネットワーク（２）を有する、電磁ビームを放出するシステムであって、信号が演算手段によりディジタル的に決定される励起係数により重み付けされた各々の要素からもたらされ、及び／又は信号が各々の要素の方に達する、システムに関する。
【解決手段】本発明に従って、システムは、複数の要素により放射された近傍界（Ｅｐｊ）を測定するように放射要素のネットワーク（２）に近接して備えられている複数のセンサ（１０）の第２の別個のネットワークと、複数のセンサ（１０）により実際に測定された近傍界（Ｅｐｊ）からネットワーク（２）により放射された遠方界を演算する手段と、近傍界（Ｅｐｊ）の測定から演算された遠方界と所定の名目上の遠方界との間の差分から要素（２）の励起係数の補正を演算する手段と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、大きいサイズのアンテナの放出及び／又は放射要素のネットワークを有する受信システムに関する。

本発明のアプリケーションの分野には、衛星アンテナ、レーダーアンテナ、複数の放射要素の一般地上又は機上アンテナ一体型ネットワークがある。

ネットワークアンテナの放射要素は、放出においては、演算手段により決定された励振係数でディジタル的に予め位相及び振幅重み付けされた電磁信号が供給される。ネットワークアンテナの要素により受信された電磁信号はその場合、受信においては、それらの同じ演算要素により決定された励起係数でディジタル的に位相及び振幅重み付けされる。それらの励起係数は、ネットワークアンテナの要素により受信され、有用なコヒーレントな信号への１つ又は複数の方向から生じる信号を送信するための受信において、及び、ネットワークの要素に供給される異なる信号に、有用な信号を送信し、１つ又はそれ以上の所定の照射ビームを生成する放出において、用いられ、両者の場合、ネットワークのための特定の意図された照射原理が観測される。当業者は、励起係数のディジタル生成において、及びネットワークアンテナの要素の信号のディジタル重み付けにおいて、ビームを形成するためのディジタルネットワーク（ディジタルビーム形成ネットワーク、即ちＤＢＦＮ）を認識することができる。

大きいサイズのネットワークアンテナの課題の１つは、ネットワークの要素の構成及びオリエンテーションが時間経過につれて変化し得ることである。

例えば、軌道を周回する衛星は、太陽の光を受けるか否かに従って、温度の突然の変化の影響下に置かれ得る。

その結果、かなりの熱勾配が存在するために、アンテナの変形がもたらされる。

一般に、アンテナは、後者の変形を生成するかなりの熱応力及び機械的応力の影響下に置かれ得る。

それらの変形は、ネットワークの要素の照射原理を乱す。

現在、それらの変形を制限するように、アンテナの剛性、平坦性及び形状がかなり厳しい熱応力及び機械的応力の下で維持されることを可能にする必要があるデザインが、ネットワークアンテナを支持する機械的構造に対して要請されている。従って、そのような機械的支持構造は一般に、かなりの重量、コスト及び大きさを有する。

現在、ネットワークの要素を較正する機能は一般に、放出要素に送信される信号の一部を取り出すように、放出回路に挿入されるカプラを用いることにより、保証されている。

他の構成による解決方法は、遠隔測定を行うことである。例えば、軌道を周回する衛星において、測定は、地球既知から実行される。

それらの手段は、適用するのが厄介であり、かなり費用が掛かり、補正は常に、物流及び／又はコストパフォーマンスの理由のためにリアルタイムに実行されることはない。更に、多くの近似（要素間の互いの結合は考慮されない、放射要素の挙動は考慮されない、非網羅的なテストは考慮されない等である）が、それらの測定中に行われる。これは、後者が見つかった環境条件（例えば、宇宙アンテナのための高い及び急な温度勾配、レーダー、地上アンテナについての風）は、ネットワークの形状、放射要素の性能及び得られたアンテナの放射図において変化をもたらす。その結果、複雑で、しばしば、重くて体積の大きい機械的構造を有するアンテナのデザインがもたらされる。

本発明の目的は、所望の照射原理及び放射図が略観測されるようにするネットワークアンテナシステムを提供することにより、上記の欠点を克服することである。

本発明の他の目的は、適用することがあまり厄介でないネットワークアンテナシステムを得ることである。

本発明の他の目的は、アンテナの複数の要素の各々の及び遠方界放射図のリアルタイムの制御を可能にすることである。

本発明の第１の主題は、遠方界の電磁ビームを放出するための複数の要素のネットワークを有する、電磁ビームを放出するシステムであって、信号が、演算手段によりディジタル的に決定される励起係数により重み付けされる複数の要素の各々からもたらされ、及び／又は複数の要素に到達する、システムであり、
前記複数の要素により放射される励起近傍界を測定するように、放射要素の前記ネットワークに近接して備えられた複数のセンサの第２の別個のネットワークと、
前記複数のセンサにより実際に測定された前記近傍界から前記ネットワークにより放射された前記遠方界を演算する手段と、
前記近傍界の測定から演算された前記遠方界と所定の設定された遠方界との間に存在する差分から前記複数の要素の前記励起係数の補正を演算する手段と、
を有することを特徴とするシステムである。

本発明により、ネットワークの照射原理は、後者により放射される近傍界の局所的測定によりリアルタイムに制御され、それにより、ビームの迅速な再構成が可能になる。システムは、それに関して、オンボードモニタリング手段を有し、そのオンボードモニタリング手段により、ネットワークアンテナの放射図はリアルタイムに調べられることが可能である。このことは、ネットワークの変形の場合にアンテナの放射図、又はネットワークの１つ又はそれ以上の要素のリアルタイムの補償及び調整故障を可能にする。アンテナの放出図及び受信放射図は、ネットワークの要素の各々の励起係数の値に作用することにより、リアルタイムに補正される。システムは、アンテナが影響下に置かれ得る機械的変形及び熱的変形が考慮されることを可能にし、例えば、軌道を周回する衛星のためのＫｕ又はＫａ帯域波長に対して無視できない。

このことは、特に、空間媒体において、大きいサイズのネットワークアンテナ及びそれらのアンテナの支持手段についての特定の製造における制約を実質的に緩和すること、並びにアンテナの及びシステムの体積及びコストを低減することを可能にする。従って、ネットワークアンテナの及びそのアンテナの支持手段のある変形性は、外部条件の影響下で許容されることが可能である一方、アンテナの照射原理のオンボード制御及び励起係数を補正するための演算がこのリアルタイムの変形の補償を可能にすることを感知する。

従って、実施形態に従って、ネットワークの放射要素は第１支持部に取り付けられ、センサの第２ネットワークは第１支持部と異なる第２支持部に取り付けられ、第１支持部及び第２支持部は、第１支持部と、第１支持部の変形を可能にする第２支持部と、の間の空間を伴って共通ベースに取り付けられている。

本発明の他の実施形態に従って、次のようである。

− 第１支持部は、ネットワークの放射要素を支持するための共通プレートを有し、第２支持部は各々のセンサのために備えられ、各々のセンサのためのこのような支持部は保持ロッドを有し、その保持ロッドの一端部はセンサに取り付けられ、その保持ロッドの他端部はベースに取り付けられ、第１支持部はまた、スペーサを介してベースに取り付けられ、前記空間を伴ってロッドと交差する孔を有するプレートが孔のエッジとロッドとの間に存在する。

− 複数のセンサが、自由空間内に位置付けられ、放射要素のネットワークのプレートの上に配置されている。

− センサとネットワークの放射要素との間の距離は、要素の作用波長の分数より大きい。

− 励起係数は位相シフト及び振幅を有し、システムは、ネットワークの各々の要素について関連受信チャネル及び／又は関連放出チャネルを有し、演算手段は、センサによる測定された放射図が設定された命令の放射図と略同じであるように、励起係数の位相シフト調整及び励起係数の振幅調整を演算するように備えられている。

− システムは、例えば、変調された放送技術を用いることにより、各々のセンサの一で局所的に近傍界の測定を補正するように、センサをアドレス指定する手段を有する。

本発明については、添付図を参照して非制限的な実施例のみが与えられている、以下の詳細説明を読むことにより十分に理解することができる。

本発明に従った例示としての放出及び受信アンテナシステムのモジュラブロック図である。 図１に従ったアンテナシステムの規制部のモジュラブロック図である。 図１に従ったアンテナシステムの複数の要素のネットワークの例示としての一部の側面図である。 図１に従ったアンテナシステムの複数の要素のネットワークの他の例示としての一部の側面図である。

本発明については、地球基地局から受信された信号を地球に再送信するように作用する衛星ネットワークアンテナの実施例において説明する。

放出及び受信システム１は、複数の放射要素２_１，．．．，２_ｉ，．．．，２_Ｎのネットワークを有する。このネットワーク２は、例えば、飛行機に備えられている。各々の要素２_ｉは、例えば、アンテナ２_ｉ全てに共通な方向ＤＩＲの方に方向付けられたアパーチャを有するホーン又は印刷要素の形をとっている。

アンテナのネットワーク２は、一方では、受信回路４を介して、他方では、放出回路５を介してコンピュータ３に接続されている。受信チャネルと放出チャネルとの間の分離は、放射要素に近接して位置付けられた周波数ダイプレクサの集合７により得られる。

受信回路４は、各々のアンテナ２_ｉにおいて受信された各々の信号ｓ_ｉを処理し、コンピュータ３の入力６ｉにそれを移動させる受信チャネル４ｉを有する。各々の受信チャネル４ｉの処理は、知られているように、周波数プレキシング段７、低ノイズ増幅段８、可変利得増幅段９、ベースバンド段１０及びアナログ／ディジタル変換段１１０を有する。

放出回路５は、ネットワーク２の各々の要素２_ｉについての放出チャネル５ｉを有し、ネットワーク２の要素２_ｉにより放出されるようになっている信号ｓ′_ｉの転送を可能にする。各々の放出チャネル５ｉの処理は、知られているように、ディジタル／アナログ変換段１２、キャリア周波数スイッチング段１３、バトラー（Ｂｕｔｔｌｅｒ）マトリクスを介する分配のための段１４、増幅段１５、フィルタリング段１６、バトラーマトリクスを介しての再結合のための段１７及び周波数ダイプレキシング段１８を有する。

コンピュータ３は、受信におけるアンテナ２_ｉの複素励起係数を演算する手段３０ａと、放出におけるアンテナ２_ｉの複素励起係数を演算する手段３０ｂとを有する。

従って、受信における各々のアンテナ２_ｉについての複素励起係数Ｋｉ及び放出における各々のアンテナ２_ｉについての複素励起係数Ｌｋが存在する。励起係数Ｋｉ及びＬｋのそれぞれは、有用なコヒーレント信号Ｓのアンテナ２_ｉにより受信された信号ｓ_ｉからの再構成を可能にし、この有用な信号Ｓは、所望の放出ビームを形成することにより各々の放出チャネル５ｋへの信号ｓ′_ｋとして送り戻されることが可能である。励起係数Ｋｉ及びＬｋは、他の受信チャネル４ｉに対する各々の受信チャネル及び他の放出チャネル５ｋに対する各々の放出チャネル５ｋのそれぞれに対して、ゲイン及び位相シフト、即ち、複素増倍率又は複素重みを提供する。当業者に知られているように、受信係数Ｋｉの複素値は、受信された信号ｓ_ｉのＫｉ係数により重み付けされた合計からもたらされるコヒーレント信号を最大化するように、コンピュータ３の演算手段３５により最適化されて、ディジタル的に演算される。

アンテナ２_ｉの受信信号ｓ_ｉに依存する演算手段３０ａの手段３５は、次式に従った励起係数により重み付けされた複数の信号ｓ_ｉの重み付けされた合計に等しい信号Ｓを生成する。

本発明に従って、複数の要素２_ｉにより放射される近傍界（ｎｅａｒ ｆｉｅｌｄ）を測定するセンサ１０_１，１０_２，．．．，１０_ｊ，．．．，１０_Ｍは複数の放射要素２_ｉのネットワーク２に近接して提供され、ここで、ＭはＮとは異なることが可能であり、要素２_ｉの数Ｎより一般に大きい。

複数のセンサ１０のネットワークは、アドレス、収集及び受信手段１１を介してコンピュータ３の演算手段３０ｂに接続されている。

放出における複素励起係数Ｌｋを演算する手段３０ｂが図２に示されている。

演算手段３０ｂは、センサ１０_ｊにより測定された近傍界Ｅｐｊから励起係数Ｌｋを決定するためのモジュール３１を有する。

各々のセンサ１０ｊは、放射要素２_ｉのネットワーク２により放射された近傍界Ｅｐｊを測定するために用いられる。アドレッシング、収集及び受信手段１１は、遠方界（ｆａｒ ｆｉｅｌｄ）を演算するためのモジュール３２と各々のセンサ１０_ｊとの間に備えられる。例えば、モジュール３２は、この目的のために、センサ１０ｊ及び要素２ｉの放射図の予め記録されている値のテーブルを、平面状近傍界におけるデータから遠方界を演算するための高度なアルゴリズム及び／又は他の予め記録されている対応規則を有し、メモリがこの目的のために備えられている。

比較器３３は、例えば、モジュール３４において、この演算された既存の遠方界Ｅｌを所定の予め記録されている設定された遠方界Ｅｌｃと比較する。比較器３３は、従って、演算された既存の遠方界Ｅｌと設定された遠方界Ｅｌｃとの間の差分に依存する遠方界エラー信号Ｅｒｒを演算する。演算モジュール３１は、高度な最適化アルゴリズムにより遠方界におけるこのエラー信号Ｅｒｒからの要素２_ｉの励起係数Ｌｋを決定する。信号Ｓは、供給されるときには演算手段３０ａのモジュール３５から、又は放出されるようになっている信号Ｓのジェネレータから、演算モジュール３１に送られる。励起係数Ｌｋは、次式のような信号ｓ′_ｋを生成するように、モジュール３１により異なる複数の放出チャネル５ｋにおいて放出されるようになっている信号Ｓに適用される。
ｓ′_ｋ＝Ｌ_ｋ・Ｓ
モジュール３１は、センサ１０により再び測定される、要素２_ｉにより放射される放出界を修正する。従って、要素２_ｉにより放射される遠方界は、理想的な遠方界Ｅｌｃに略等しくなるように又は後者に等しくなるように、係数Ｌｋに作用することにより最適化される。要素２_ｉにより放射される遠方界は、従って、理想的な遠方界Ｅｌｃに略等しく又は等しくなるように調節される。

勿論、受信と比較して、放出で用いられる放射要素が多かれ少なかれ存在し、用いられる放射要素の数は、用いられる受信要素の数と異なることが可能である。勿論、システムは、放出においてのみ作動することが可能である。上記のように、指数ｉは受信において用いられる要素に関連し、ネットワーク２の要素の数Ｎより少なく又はその数Ｎと等しく、ｋは放出において用いられる要素に関連し、ネットワーク２の要素の数Ｎより少ない又はその数Ｎに等しい。衛星においては、システムは、受信において及び放出において作動し、即ち、受信信号が再送信されるトランスポンダとして作動する。システムが、衛星トランスポンダとして、しかし、例えば、主に、信号が放出されるレーダーについての放出において動作しない場合には、別個に処理されるエコー信号が受信される一方、信号Ｓは信号ジェネレータからもたらされ、ブロック３０ａはディジタル信号Ｓのソースになる。

図３においては、図３における２つの線により象徴的に表されている複数の放射要素２_ｉが同じ第１支持部２０に取り付けられている一方、複数のセンサ１０_ｊが、第１支持部２０と異なる他の第２支持部１００に取り付けられている。第１支持部２０は、例えば、同じ平面状プレートにより形成されている。例えば、第２支持部１００は、各々のセンサ１０のために備えられている。この支持部１００は、例えば、保持ロッドと、センサ１０_ｊに取り付けられた一端部と、衛星のプラットホームであることが可能である安定な剛性ベース４０に取り付けられた他端部と、により形成され、それに対して、第１支持部２０も、スペーサ２１を介して取り付けられている。センサ１０_ｊは、例えば、ネットワーク２の複数の要素２_ｉが取り付けられているプレートに平行な同じ形状の面内に位置付けられることにより、複数の放射要素２_ｉのネットワークの前の空間に位置付けられている。例えば、要素２_ｉが備えられている面に対して垂直方向の、センサ１０と要素２_ｉとの間の距離Ｈは、例えば、要素２_ｉの作用波長λの５分の１より大きい。

図３は、センサ１０_ｉが側面に且つ複数の要素２_ｉ間に備えられていることを示している。要素２_ｉの第１支持部２０とセンサ１０_ｊの各々の第２支持部１００との間に空間２２が存在する。図３においては、第１支持部２０を構成するプレートは、第２支持部１００を通すための孔２３を有する。従って、各々の第２支持部１００は、孔２３のエッジと支持部１００との間に存在する空間２２を伴って、第１支持部２０を構成するプレートの孔２３を通る。空間２２は、従って、支持部２０と支持部１００との間のクリアランスを可能にする。空間２２により可能なこのクリアランスは、第１支持部２０が、例えば、熱的強度又は機械的強度のために特定の範囲まで変形することを可能にする。支持部２０の変形は、それらのセンサ１０_ｊが要素２_ｉにより放射される近傍界Ｅｐｊを測定するために、センサ１０ｊにより考慮に入れられる。従って、この変形は、リアルタイムに補正されることが可能である。故に、第１支持部２０に対してあまり厳しくない要求を与え、後者の変形を特定な範囲まで許容することが可能であり、そのことは、この支持部２０及びベース４０に接続するための手段２１を軽くすることを可能にする。

図４は、複数のセンサ１０_ｊが、各々の放射要素２_ｉの周囲に且つ各々の放射要素間に、例えば、例示されている六角形状構成の要素２_ｉ当たり全部で６つ備えられることが可能である。更に、センサ１０_ｊは、図４に示されているように、各々の要素２_ｉの上に備えられることが可能である。この場合、要素２_ｉの上に位置付けられるセンサ１０の支持部１００は、第１支持部２０及びこの要素２_ｉの両方を通る。

センサ１０は、それらの小さいサイズのために、及びそれらのネットワークアンテナ２により放射されるフィールドを乱さないために、かなり慎重である。変調された放送技術は、ネットワークアンテナ２により放射される近傍界を局所的に測定するためのセンサに適用されることが可能である。

図１は、センサの位置に局在する近傍界Ｅｐｊの測定を行うための変調された放送技術を用いるセンサ１０のシステムの実施形態を示している。この目的のために、システムは、コンピュータ３によりセンサ１０_ｊをアドレス指定するためのバス１１_ｊと、センサから測定受信モジュール３６の方への近傍界Ｅｐｊの測定を収集するための他のチャネル１９とを有する。複数のセンサ１０_ｊの一のセンサをアドレス指定するように、バス１１_ｊにおいてコンピュータ３により送信されたアドレッシング信号は、例えば、収集チャネル１９においてこの変調に対するセンサの応答を特定するように一のセンサから他のセンサへの異なる変調を伴って、このセンサ１１_ｊについて変調される。収集チャネル１９においてモジュール３６により収集されて、そのセンサ１１_ｊに送信される変調を有する測定信号Ｅｐｊは、このセンサ１１_ｊにより供給される測定信号である。予めディジタル化された後、モジュール３６は、手段３０ｂに異なる近傍界Ｅｐｊの測定を行う。

センサ１０は、例えば、衛星のために地上から、方向ＤＩＲに遠方界較正信号を受信することにより較正されることが可能である。この較正は周期的であり、例えば、１ヶ月、一週間又は他の時間に一回であることが可能である。衛星の場合には、地球基地局は平面波を衛星に照射する。このようにして、各々のセンサ１０の複素補正係数が、センサの振幅及び位相応答が均一化されるように、また、各々のセンサの無線電機軸は、センサ毎に垂直であり、互いに平行であるように、決定される。

１ 放出及び受信システム
２ ネットワーク
２_ｉ 放射要素
３ コンピュータ
４ 受信回路
４ｉ 受信チャネル
５ 放出回路
５ｉ 放出チャネル
６ｉ 入力
７ 周波数プレキシング段
８ 低ノイズ増幅段
９ 可変利得増幅段
１０ ベースバンド段
１０_ｊ センサ
１１ アドレッシング、収集及び受信手段
１２ ディジタル／アナログ変換段
１３ キャリア周波数スイッチング段
１４ バトラー（Ｂｕｔｔｌｅｒ）マトリクスを介する分配のための段
１５ 増幅段
１６ フィルタリング段
１７ バトラーマトリクスを介しての再結合のための段
１８ 周波数ダイプレキシング段
１９ 収集チャネル
３０ａ 複素励起係数を演算する手段
３０ｂ 複素励起係数を演算する手段
３１ 演算モジュール
３２ 演算するためのモジュール
３３ 比較器
３５ 演算手段３０ａのモジュール
１１０ アナログ／ディジタル変換段
Ｅｐｊ 近傍界
Ｅｌ 既存の遠方界
Ｅｌｃ 遠方界
Ｓ 信号
ｓ_ｉ 信号
ｓ′_ｉ 信号

Claims (10)

1. 遠方界電磁ビームを放出する複数の要素のネットワークを有する、電磁ビームを放出するシステムであって、信号が、演算手段によりディジタル的に決定される励起係数により重み付けされた前記複数の要素の各々からもたらされ、及び／又は前記複数の要素の各々に到達する、システムであり：
   前記複数の要素により放射される励起近傍界を測定するように、放射要素の前記ネットワークに近接して備えられた複数のセンサの第２の別個のネットワークと、
   前記複数のセンサにより実際に測定された前記近傍界から前記ネットワークにより放射された前記遠方界を演算する手段と、
   前記近傍界の測定から演算された前記遠方界と所定の設定された遠方界との間に存在する差分から前記複数の要素の前記励起係数の補正を演算する手段と、
   を有するシステムであり、
   前記ネットワークの複数の放射要素は第１支持部に備えられ、各々のセンサは前記第１支持部とは別個の第２支持部に備えられ、前記第１支持部及び前記第２支持部は前記第１支持部と各々の第２支持部との間の空間を伴って共通ベースに備えられ、前記第１支持部は、前記ネットワークの前記複数の放射要素を支持する共通プレートを有し、前記プレートは、孔のエッジと前記第２支持部との間に存在する前記空間を伴って前記第２支持部と交差する前記孔を有し、前記空間は、前記第１支持部の変形を可能にする、
   システム。
2. 請求項１に記載のシステムであって、各々のセンサの前記第２支持部は保持ロッドを有し、前記保持ロッドの一端部はセンサに取り付けられ、前記保持ロッドの他端部は前記共通ベースに取り付けられ、前記第１支持部は前記共通ベースにスペーサを介して取り付けられ、前記共通プレートは前記保持ロッドを通す孔を有し、前記空間は前記孔のエッジと前記ロッドとの間にあることを特徴とする、システム。
3. 請求項１又は２に記載のシステムであって、前記センサは、側面に且つ複数の放射要素間に備えられている、システム。
4. 請求項１又は２に記載のシステムであって、複数のセンサは、各々の放射要素の周囲に及び各々の放射要素間に備えられている、システム。
5. 請求項１又は２に記載のシステムであって、前記複数のセンサの一のセンサは各々の放射要素の上に備えられ、前記一のセンサの前記第２支持部は、前記第１支持部及び前記要素と交差する各々の要素の上に備えられている、システム。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載のシステムであって、前記複数のセンサは自由空間に位置付けられ、前記の放射要素のネットワークの前記プレートの上に配置されている、システム。
7. 請求項６に記載のシステムであって、前記複数のセンサと前記ネットワークの前記複数の放射要素との間の距離は、前記複数の放射要素の作用波長の分数より大きいことを特徴とする、システム。
8. 請求項７に記載のシステムであって、前記複数のセンサと前記ネットワークの前記複数の放射要素との間の距離は、前記複数の放射要素の作用波長の５分の１より大きいことを特徴とする、システム。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載のシステムであって、前記励起係数は位相シフト及び振幅を有し、前記システムは、前記ネットワークの各々の要素について、関連受信チャネル及び／又は関連放出チャネルを有し、演算手段は、前記励起係数の位相シフト調整及び前記励起係数の振幅調整を演算するように備えられ、前記複数のセンサにより測定された放射図は、設定された命令の放射図と略同じである、システム。
10. 請求項１乃至９の何れか一項に記載のシステムであって、前記複数のセンサをアドレス指定し、変調された放送方法を用いることにより各々のセンサの一で局所的に測定される近傍界の値を収集する手段を有することを特徴とする、システム。

Images