JP2022539677A - イメージング反射器アンテナシステムおよび方法 - Google Patents

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Abstract

アンテナシステムがアンテナと給電素子とを備える。アンテナは給電素子を組み合わせて高利得素子ビーム（ＨＧＥＢ）を形成するように構成され、さらにシステムがＨＧＥＢを組み合わせて大きなカバレッジビームを形成するように構成される。給電アレイは信号を前記アンテナに転送するように構成され、アンテナの焦点面からデフォーカス距離だけデフォーカスされ、Ｎ個の給電素子を含む。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１９年７月８日出願の「イメージング反射器アンテナシステムおよび方法」と題する米国特許出願第１６／５０４，９８４号の継続出願であり、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、イメージング反射器アンテナシステムおよび方法に関する。
アンテナシステムがアンテナを含み、アンテナは給電素子を組み合わせて高利得素子ビーム（ＨＧＥＢ）を形成するように構成され、更にシステムがＨＧＥＢを組み合わせて大きなカバレッジビームを形成するように構成される。アンテナシステムはまた、信号をアンテナに転送するように構成された給電アレイも含み、給電アレイはアンテナの焦点面からデフォーカス距離だけデフォーカスされ、給電アレイは、Ｎ個の給電素子を備える。例えば、信号は無線周波数（ＲＦ）信号を含む。
ビームの走査方法は以下のステップを含む。単一反射器アンテナ（ＳＲＩＡ）を含むアンテナシステムを使用し、かつＮ個の給電素子を含む給電アレイを使用するステップであって、給電アレイは信号をアンテナへ転送するように構成され、給電アレイはアンテナの焦点面からデフォーカス距離だけデフォーカスされ、アンテナは給電素子を組み合わせてＭ個の中利得素子ビーム（ＭＧＥＢ）を形成するように構成され、アンテナはさらにＭＧＥＢを組み合わせてＪ個の高利得素子ビーム（ＨＧＥＢ）を形成するように構成され、かつ、システムはさらにＭＧＥＢの全て又は一部を組み合わせて、Ｎ個の給電素子とアンテナを使用してＮ個の単一素子ビームを形成する、大きなカバレッジビームを形成するように構成されるステップと、Ｎ個の給電素子を使用してＮ個の単一素子ビームを組み合わせるステップと、第１レベルビーム成形回路（ＢＦＮ）にＭ個のＭＧＥＢを形成するステップと、ＭＧＥＢを第２レベルＢＦＮで組み合わせて大きなカバレッジビームを生成するステップ、である。
ビームの走査方法が以下のステップを含む。アンテナシステムを使用するステップであって、システムはアンテナを備え、アンテナは単一反射器イメージングアンテナ（ＳＲＩＡ）を備え、システムはさらに２軸ジンバル機構を備え、システムはさらに、アンテナに信号を転送するように構成された給電アレイを備え、給電アレイはアンテナの焦点面からデフォーカス距離だけデフォーカスされ、給電アレイはＮ個の給電素子を備え、アンテナは給電素子を組み合わせてＪ個の高利得素子ビーム（ＨＧＥＢ）を形成するように構成され、システムはさらにＨＧＥＢを組み合わせて大きなカバレッジビームを形成し、第１の領域上で精密な電子走査を行い、Ｊ個のＨＧＥＢと大きなカバレッジビームとを生成するように構成される、アンテナシステムを使用するステップと、給電アレイを固定したまま反射器アンテナをジンバル動作させることにより、２軸ジンバル機構を用いて第２領域上で粗い機械走査を実行するステップと、を含む。ここで第２領域は第１領域より大きく、Ｊ個の第２レベルビームと大きなカバレッジビームとを生成する。
アンテナシステムは、アンテナが、給電素子を組み合わせて高利得素子ビーム（ＨＧＥＢ）を形成するように構成され、システムがさらにＨＧＥＢを組み合わせて大きなカバレッジのビームを形成するように構成された、単一反射器イメージングアンテナ（ＳＲＩＡ）と、ＳＲＩＡアンテナの背面に配置された２軸ジンバル機構と、アンテナへ信号を転送するように構成された給電アレイと、を含む。給電アレイはアンテナの焦点面からデフォーカス距離だけデフォーカスされ、給電アレイはＮ個の給電素子を備え、給電アレイはさらにＮ個の偏波器を備え、前記給電アレイはさらにＮ個のフィルタを備え、給電アレイはさらにＮ個の増幅器を備え、増幅器は信号を第１レベルのビーム形成回路（ＢＦＮ）に送るように構成され、第１レベルのＢＦＮは、給電素子を組み合わせてＭ個の中利得素子ビーム（ＭＧＥＢ）を形成するように構成され、給電アレイはさらにＭ個のポスト第１レベルＢＦＮ増幅器を備え、給電アレイはさらにＮ個の局部発振器／ミキサーを備え、給電アレイはさらに、ＭＧＥＢを組み合わせて、Ｊ個の送出される高利得素子ビーム（ＨＧＥＢ）を形成するように構成された、第２レベルのデジタルＢＦＮを備え、システムはさらに、ＨＧＥＢを組み合わせて大きなカバレッジのビームを形成するように構成される。
アンテナシステムは、システムが主反射器とさらに副反射器を備えるデュアル反射器イメージングアンテナ（ＤＲＩＡ）と、信号をアンテナに転送するように構成された給電アレイとを含む。給電アレイはアンテナの焦点面からデフォーカス距離だけデフォーカスされ、給電アレイはＮ個の給電素子を受けるように構成され、給電アレイは第１レベルのビーム形成回路（ＢＦＮ）を介してＮ個の信号を送り出し、給電アレイはさらにＮ個の減衰器を備え、給電アレイはさらにＮ個の移相器を備え、給電アレイはさらに３Ｎ個の増幅器を備え、給電アレイはさらにＮ個のトリプレクサを備え、給電アレイはさらに３Ｎ個の偏波器を備え、給電アレイはさらに３Ｎ個のフィルタを含み、給電アレイはさらにＮ個の増幅器を備え、システムはさらに、ビームを組み合わせて大きなグローバルカバレッジビームと高利得走査スポットビームとを同時に形成するように構成される。
添付の図面は、様々な代表的実施形態をより完全に説明するために使用され、当業者が本明細書に開示される代表的実施形態とその固有の利点をよりよく理解するために使用可能な視覚的表示を提供する。これらの図面において、同様な参照番号は対応する素子を識別する。
単一反射器イメージングアンテナ（ＳＲＩＡ）システムの構成要素の図である。 単一反射器イメージングアンテナ（ＳＲＩＡ）システムに使用可能な給電アレイの図である。 ＳＲＩＡシステムに関する、パーセンテージ帯域幅に対する統合デュアルバンド給電アレイの反射減衰量の測定値をプロットしたグラフである。 ＳＲＩＡシステムに関する、パーセンテージ帯域幅に対する統合デュアルバンド給電アレイの軸上の軸比の測定値をプロットしたグラフである。 方位角に対する統合デュアルバンド給電アレイの指向性をプロットしたグラフである。 本発明の実施形態で使用可能な単一給電アセンブリの図である。 ビーム形成回路なしのビームごとに単一の給電を使用する低周波帯域用のＳＲＩＡシステムに関する、計算された素子ビームパターンの方位角に対する、統合デュアルバンド給電アレイを使用するＳＲＩＡシステムの指向性をプロットしたグラフである。 方位角面内の７素子ビームから成る第１レベルのビーム形成回路を用いた低周波帯域用ＳＲＩＡシステムに関する、合成中利得素子ビーム（ＭＧＥＢ）素子ビームパターンの方位角に対する、統合デュアルバンド給電アレイを用いるＳＲＩＡシステムの指向性をプロットしたグラフである。 低周波帯域用の例示的高利得マルチビーム（ＨＧＭＢ）を形成する合成ＭＧＥＢの方位角に対する、統合デュアルバンド給電アレイを用いたＳＲＩＡシステムの指向性をプロットしたグラフである。 ビームを方位角平面のボアサイト方向から０．５度外れた方向へ電子走査したときの、低周波帯域用の例示的ＨＧＭＢを形成する合成ＭＧＥＢの方位角に対する、統合デュアルバンド給電アレイを用いたＳＲＩＡシステムの指向性をプロットしたグラフである。 高周波帯域かつ大きなカバレッジビーム用のＨＧＭＢの合成素子ビームパターンの方位角に対する、統合デュアルバンド給電アレイを使用するＳＲＩＡシステムの指向性をプロットしたグラフである。 ハイブリッド走査方法を示す図である。 ＳＲＩＡシステムの構成要素の概略図である。 ３７個の給電素子を第１レベルビーム形成回路（ＢＦＮ）と第２レベルＢＦＮを用いて反射器の照射に使用するときの、ＨＧＥＢの２周波数帯域における方位角に対する、統合デュアルバンド給電アレイを使用するＳＲＩＡの指向性をプロットした２つのグラフの組である。 ３７個の給電素子を第１レベルビーム形成回路（ＢＦＮ）と第２レベルＢＦＮを用いて反射器の照射に使用するときの、ＨＧＥＢの２周波数帯域における方位角に対する、統合デュアルバンド給電アレイを使用するＳＲＩＡの指向性をプロットした２つのグラフの組である。 デュアル反射器イメージングアンテナ（ＳＲＩＡ）システムの構成要素の図である。 デュアル反射器イメージングアンテナ（ＳＲＩＡ）システムの構成要素の模式図である。 地球静止衛星からのＤＲＩＡシステムにより形成されるボアサイト方向のスポットビームのθ角に対する実効的等方放射電力（ＥＩＲＰ）をプロットしたグラフ１６００である。 地球静止衛星からのＤＲＩＡシステムにより形成されるボアサイト方向から－６度ずれてビームを走査するときの、スポットビームのθ角に対してＥＩＲＰをプロットしたグラフである。 ビーム走査方法のフローチャートである。 ビーム走査方法のフローチャートである。
軌道上でのビーム再設定を可能とするアンテナシステムが、イメージング反射器アンテナを採用する高利得マルチビーム（ＨＧＭＢ）を使用して提供される。全地球をカバーするビーム走査は、小領域の精密な電子走査と、より大きなグローバルカバレッジでの粗い機械走査との組み合わせを用いて達成される。この方法は、素子ビームを使用する従来法に比べて利得の大幅な改善を提供し、また低コストペイロードでＨＧＭＢと広域カバレッジビームとを同時に提供可能である。
本発明の実施形態は、イメージング反射器アンテナのすべての給電素子を最適化された励振で組み合わせて高利得素子ビーム（ＨＧＥＢ）を形成することで、複数の高利得の重なり合うスポットビームを提供する。ＨＧＥＢは、そうして組み合わされて１以上のよりカバレッジの大きいビームと、１以上の妨害器の低減を可能とする適応されたビームとを形成する。
本システムは、Ｎ個の低利得素子ビームを組み合わせて、Ｍ個の中利得素子ビーム（ＭＧＥＢ）とする。システムは次いでＭ個のＭＧＥＢを組み合わせて、Ｊ個の高利得素子ビームにする。Ｎ個の給電素子の組み合わせはＮ個のビームのアンテナ利得を、従来技術に比べて約２．０ｄＢ～３．０ｄＢだけ増加させる。ハイブリッド走査法は、小領域上の電子走査と、二軸ジンバル機構を使用する大領域上の機械走査とを、給電アレイを固定したままで反射器アンテナをジンバル操作することで組み合わせる。
Ｎ個の給電素子励振（振幅と位相の両方）を使用して、Ｎ個の素子ビームの組を、Ｎ個の素子ビームのクラスタで所望の走査位置に走査する。ビームは次いで、組み合わされてまずＭ個のＭＧＥＢを形成し、そのＭＧＥＢを使用して再び組み合わされて、Ｊ個のＨＧＥＢを形成する。単一のアンテナが、高利得マルチビーム（ＨＧＭＢ）とシアタ（ｔｈｅａｔｅｒ）カバレッジビームの両方を提供する。
図１は、単一反射器イメージングアンテナ（ＳＲＩＡ）システム１００の構成要素の図である。システム１００は、単一のオフセット反射器アンテナ１１０を備える。例えば単一オフセット反射器アンテナ１１０は単一のオフセット放物面反射器アンテナ１１０を備える。図には、直交座標軸ｘ１１１、ｙ１１２（紙面に垂直に延伸）及びｚ１１３を示す。アンテナ１１０は直径Ｄ１１４を有する。アンテナ１１０は焦点１１５を有する。任意選択によりシステムはさらに２軸のジンバル機構１１７を有し、ハイブリッド走査方式を使用する。
システム１００は、アンテナ１１０と電力を交換するように構成された給電アレイ１２０をさらに備える。例えば給電アレイは７つの素子を備える。給電アレイ１２０は、焦点１１５から給電アレイの焦点距離ｈ１２５の位置に配置される。焦点１１５は軸１３０上にある。例えば、図に示すように、焦点１１５はほぼ放物面軸１３０上にある。軸１３０は焦点１１５に第１端部を有する。軸１３０は、アンテナ１１０の近端１３２の直下の位置に第２端部１３１を有し、アンテナ１１０の近端と同じｘ座標を有する。軸１３０は焦点距離Ｆ１３３を有する。
給電アレイ１２０は、焦点１１５からアンテナ１１０の近端１３２までのｘ軸上の距離に等しいデフォーカス距離Ｈ１３５だけ焦点面からデフォーカスしている。本発明の実施形態によると、隣接ビームの重なりを改善してシステムが各ビームに対してより多くの素子を使用可能となるようにするために、給電アレイ１２０は焦点面から離される。これにより給電アレイ１２０からの素子ビームがデフォーカスされ、それによって素子ビームが拡がって隣接ビームとの重なりが改善される。給電素子のアレイを使用して各ビームを形成する。第１レベルのビーム形成回路を使用すると、これによりビーム効率が１４％から約５０％に向上する。次いで第２レベルのビーム形成を使用して、ビーム効率を約８０％に向上させる。
例示的なアンテナの幾何学パラメータは、Ｄ＝１２９λ、焦点距離Ｆ／Ｄ＝１．２、デフォーカス距離Ｈ＝５１．６５λである。ここでλは低周波の中帯域での波長である。給電アレイは、焦点面からデフォーカス距離だけデフォーカスされる。デフォーカスの結果、デフォーカス距離に応じて素子ビームが拡がり、隣接ビームとの間の重なりが増加する。素子ビームは通常、反射器への照射が最適ではないために低い利得である。いくつかの素子ビームを組み合わせることにより、特定数の中利得素子ビーム（ＭＧＥＢ）が形成される。次いで、特定数の高利得素子ビーム（ＨＧＥＢ）が形成され、これらのＨＧＥＢを使用して次に、干渉源の位置にヌルを形成する適応ビームか、高利得のシアタ（ｔｈｅａｔｅｒ）カバレッジかのいずれかを形成する。素子ビームの代わりにＨＧＥＢを使用することで、アップリンクでは利得対雑音温度（Ｇ／Ｔ）のはるかに良好な比が与えられ、あるいはダウンリンクでは実効等方放射電力が向上する。図７、図８に関して後で議論するように、Ｇ／Ｔ比は、従来技術に対して約２．２デシベル（ｄＢ）の改善を示す。
単一反射器イメージングアンテナ（ＳＲＩＡ）
イメージングアンテナの給電アレイは焦点から外れている、すなわちデフォーカスされている。これにより素子ビームが拡がり、隣接ビームとの重なりが改善される。そうして多数の素子ビームを使用して高利得マルチビーム（ＨＧＭＢ）の形成が可能となる。単一素子ビームに比べて反射器上の照射が最適化されることにより、利得の改善が実現する。ＨＧＭＢは小シアタカバレッジ上を電子走査可能である。ＨＧＭＢの使用により、複数の妨害器からの干渉をキャンセル可能であり、また大きなシアタカバレッジを形成可能である。
図２は、単一反射器イメージングアンテナ（ＳＲＩＡ）システム（図示せず）に使用可能な給電アレイ２００の図である。例示的な給電アレイ２００は、反射器アンテナ（図示せず）に電力を供給する３７個の素子２１０Ａ・・・２１０Ｚ、２１０ＡＡ・・・２１０ＡＫで示される。アレイ２００の３７個の素子２１０Ａ・・・２１０Ｚ、２１０ＡＡ・・・２１０ＡＫは、六角形の格子２００に配置される。また、３７個の素子２１０Ａ・・・２１０Ｚ、２１０ＡＡ・・・２１０ＡＫの寸法、及び給電アレイ２００の寸法を示す、垂直スケール２２０と水平スケール２２５も提供される。例えば、隣接する素子２１０Ｍ、２１０Ｓ、２１０Ｔの中心間の間隔ｄ２３０は約０．４９インチである。
これにより本発明の実施形態では、従来技術よりも隣接するビーム間の重なりがよくなる。複数の給電素子を最適な振幅と最適な位相励振で組み合わせることにより、遠方界においてより広いビームが高い効率で生成される。例えば、最適化は、デンマーク国コペンハーゲンのＴＩＣＲＡ（ｗｗｗ．ｔｉｃｒａ．Ｃｏｍ）で販売されている汎用反射器アンテナソフトウェアパッケージ（ＧＲＡＳＰ）の反射器アンテナコードを使用して実行される。
素子ビームの組み合わせは、２段階のプロセスで行われる。
１．限られた数、通常７個、の素子ビームが使用される。このシステムはビーム当たり１個の素子を使用する。溢出損失のため、この段階では約１５％の低効率となる。
１Ａ．中間段階において、計算された素子ビームは第１レベルのビーム形成回路（ＢＦＮ）を使用して組み合わされ、中利得ビームを形成する。
２．第１段階で形成されたビームが第２レベルＢＦＮで結合されて、高利得マルチビームを生成する。
給電アレイは、ファクタ１．６（高帯域と低帯域の中心周波数比）だけ分離し、両帯域におけるデュアルＣＰ能力が全体帯域幅の２０．５％である、デュアルバンド上で動作するように設計される。
図３は、ＳＲＩＡシステムに関する、パーセンテージ帯域幅３２０に対する統合デュアルバンド給電アレイの反射減衰量３１０（デシベル［ｄＢ］単位）の測定値をプロットしたグラフ３００である。図には、低周波数帯域１に対する反射減衰量３３０と高周波数帯域２に対する反射減衰量３４０を示す。上で述べたように、高周波数帯域２は、低周波数帯域１の周波数の約１．６倍の周波数を有する。低周波数帯域１に対するパーセンテージ帯域幅は、帯域の中心周波数から＋／－１．７％である。高周波数帯域２に対するパーセンテージ帯域幅は、帯域の中心周波数から＋／－２．５％である。両帯域に関し、反射減衰量の測定値は２３ｄＢより良好であり、信号の１％未満が反射して戻ることを意味する。
図４はＳＲＩＡシステムに関する、パーセンテージ帯域幅４２０に対する統合デュアルバンド給電アレイの軸上の軸比４１０（ｄＢ単位）の測定値をプロットしたグラフ４００である。図には、低周波数帯域１と高周波数帯域２に対する軸比を示す。上で述べたように、高周波数帯域２は低周波数帯域１の周波数の約１．６倍の周波数を有する。測定された軸比は両帯域に関して０．６５ｄＢよりも良好であり、これは２８．５ｄＢを超える交差偏波アイソレーションに換算される。図４に示すように、本発明の実施形態は、代表的な従来技術の軸比である約１．５ｄＢ、これは２１．３ｄＢを超える交差偏波アイソレーションに換算される、を大幅に改善する。
図５Ａは、方位角（度単位）５２０に対する統合デュアルバンド給電アレイの指向性５１０（デシベル（等方）［ｄＢｉ］単位）をプロットしたグラフ５００である。図には、電波暗室内で測定された給電素子パターンを示す。図には、低周波数帯域１に対する主偏波パターン５３０と高周波数帯域２に対する主偏波パターン５４０を示す。上で述べたように、高周波数帯域２は、低周波数帯域１の周波数の約１．６倍の周波数を有する。また、図には、低周波数帯域１に対する交差偏波パターン５５０と高周波数帯域２に対する交差偏波パターン５６０を示す。交差偏波パターン５５０、５６０は、両帯域に対して約３０ｄＢを超える優れた交差偏波性能を示す。単一給電は、主ＳＲＩＡ反射器を照射するものとして定義される。測定される給電パターンはＳＲＩＡ２次素子ビームパターンの計算に使用される。
図５Ｂは、本発明の実施形態で使用可能な単一給電アセンブリ５７０の図である。給電アレイは、遠方界での素子ビームの重なりを改善するために、六角形のグリッドに密に詰められた３７個のそのような給電アセンブリ５７０を使用する。給電アセンブリは、ホーン５８０、偏波器５９０及びダイプレクサ５９５を備える。例えば、ホーン５８０は、低周波数帯域１で約１．１９λの開口直径を有するマルチフレアホーンを備える。ダイプレクサ５９５は、２つの周波数帯域間の所望のアイソレーションを提供するために、共通の導波管接合部、低周波数リジェクトフィルタ、及び高周波数リジェクトフィルタを備える。例えば、偏波器５９０及びダイプレクサ５９５の１以上は、給電アセンブリ５７０が少なくとも約５０ｄＢのアイソレーションによって２つの周波数帯域を分離可能とするように構成される。
図６は、ビーム形成回路なしでビームごとに単一の給電を使用する低周波帯域用のＳＲＩＡシステムに関して、計算された素子ビームパターンの方位角６２０（度単位）に対する、統合デュアルバンド給電アレイを使用するＳＲＩＡシステムの指向性６１０（ｄＢｉ単位）をプロットしたグラフ６００である。図は、ビーム形成回路なしでビームごとに１つの給電を使用する低周波数帯域１用の方位角平面の７つの給電に対する、ＳＲＩＡイメージング反射器の７つの計算された素子ビームパターン６３０Ａ・・・６３０Ｇを示す。計算された素子ビームパターン６３０Ａ・・・６３０Ｇは、隣接ビームとの重なりを示す。ただし、反射器端部での約３．０ｄＢの低照射テーパのために、１４％の低いアンテナ効率となっている。
図７は、方位角面内の７ビームのそれぞれが７素子から成る第１レベルのビーム形成回路を用いて合成した、低周波帯域のＳＲＩＡシステム用の中利得素子ビームパターンに関して、統合デュアルバンド給電アレイを用いるＳＲＩＡシステムの指向性７１０（ｄＢｉ単位）を方位角（度単位）７２０に対してプロットしたグラフ７００である。図に示すのは、第１レベルのビーム形成回路（ＢＦＮ）を用いて、低周波帯域１における中利得素子ビーム（ＭＧＥＢ）７４０の合成に使用する用ＳＲＩＡイメージング反射器の７つの素子ビームパターン７３０Ａ・・・７３０Ｇである。ＭＧＥＢ７４０は、素子ビームより高い利得を有し、効率が約５０％増加している。ボアサイトでの単一ＭＧＥＢとエリアカバレッジビームは、第１レベルのＢＦＮを介して３７の素子ビームすべてを組み合わせることによって得られる。図２に示す例示的給電アレイは、３７個の素子を反射器アンテナに給電して使用される。
７個の素子ビーム７３０Ａ－７３０Ｇは方位角平面内にビームごとに１つの素子を有する。アレイの３７個の素子は、隣接ビーム間の良好な重なりを得るために、六角形の格子に配列される。方位角平面内の７素子ビームを使用した組み合わせＭＧＥＢ７３０Ａ・・・７３０Ｇは、曲線７４０としてプロットされており、ボアサイトビームの軸上利得が４９．２ｄＢｉまで改善され、中程度の第１レベルＢＦＮアンテナ効率の５０．６％の結果となっていることが示されている。適切な振幅と位相分布を有する、３７の素子ビームすべてを組み合わせた関連面積ビーム（直径１°）が、４２．２ｄＢｉの最小指向性を有する面積ビーム曲線７４０として示されている。また、合成スポットビーム７５０も示されており、これはグローバルカバレッジの中心を表すボアサイト位置（方位角ゼロ及び仰角ゼロ）にプロットされている。
図８は、低周波帯域用の例示的高利得マルチビーム（ＨＧＭＢ）を形成する合成ＭＧＥＢの方位角（度単位）８２０に対して、統合デュアルバンド給電アレイを用いたＳＲＩＡシステムの指向性８１０（ｄＢｉ単位）をプロットしたグラフ８００である。図に示すのは、低周波数帯域１の方位角平面におけるイメージング反射器の７つの合成ＭＧＥＢパターン８３０Ａ・・・８３０Ｇである。これらのＭＧＥＢは次に第２レベルのデジタルＢＦＮによって結合されてＨＧＥＢ８４０を形成する。２つのレベルのビーム形成回路を使用することにより、低周波数帯域１に対するデジタルビーム形成回路（ＤＢＦＮ）を介してすべてのＭＧＥＢを組み合わせることで、ボアサイトにおける単一高利得ビームとエリアカバレッジビームが得られる。図２に示す例示的給電アレイが、３７個の素子を反射器アンテナに給電させて再度使用される。
ＭＧＥＢビーム８３０Ａ～８３０Ｇのいくつかを組み合わせて、システムが高利得マルチビーム（ＨＧＭＢ）を生成する。第１レベルＢＦＮを介して形成された生成ＭＧＥＢを次にデジタルＢＦＮで組み合わせて、約８２％の高アンテナ効率を示す５１．４ｄＢｉの利得を有する高利得スポットビームが合成される。この効率は、反射器アンテナで達成可能な理論的最大値である。従来技術の設計に対比すると利得増分は約２．２ｄＢであり、この増分は、最適照射での反射器への照射と、隣接ビーム間のビーム重なりの改善とにより可能である。また、カバレッジビーム８５０も示されており、これは従来技術の方法に比べて約２．８ｄＢという利得の顕著な増加が達成され、直径１°にわたり４５．０ｄＢｉの最小指向性を有する。これは利得エリア積２４８３７を表し、輪郭形成ビームすなわち成形ビームで可能な最高値である。これはカバレッジ全体でのフラットな利得応答及びカバレッジ領域外での急激な減衰によるものである。
図９は、ビームを方位角平面のボアサイト方向から０．５度外れた方向へ電子走査するときの、低周波帯域用の例示的ＨＧＭＢを形成する合成ＭＧＥＢの方位角に対する、統合デュアルバンド給電アレイを用いたＳＲＩＡシステムの指向性をプロットしたグラフである。
図９は、ビームを方位角平面のボアサイト方向から０．５度外れた方向へ電子走査するときの、低周波帯域用の例示的高利得マルチビーム（ＨＧＭＢ）９４０を形成する合成ＭＧＥＢ９３０の方位角（度単位）９２０に対する、統合デュアルバンド給電アレイを用いたＳＲＩＡシステムの指向性９１０（ｄＢｉ単位）をプロットしたグラフ９００である。アレイの３７個の素子は、ここでも隣接ビーム間の良好な重なりを得るために、六角形の格子に配列される。図９は、第１レベルのビーム形成回路を使用した、イメージング反射器の７つのビーム９３０Ａ．．９３０Ｇの合成ＭＧＥＢパターンと、方位角平面内で第２レベルのＢＦＮを使用して合成した、単一のＨＧＥＢを示す。図９はさらに、ボアサイトから０．５度まで走査された単一高利得ビームを示す。反射鏡アンテナに給電する３７個の素子を有する、図２に示す例示的給電アレイをここでも使用する。すべての素子ビームは、スポットビーム及び大きなカバレッジを有するビームの生成に効果的に使用される。
図には合成されたＨＧＥＢパターン９４０も示されており、これはボアサイトから方位角方向に０．５度まで電子走査される。指向性が方位角の関数としてプロットされている。図９はまた、低周波数帯域１用の第２レベルデジタルＢＦＮを介してＭＧＥＢを組み合わせることで得られる、ボアサイト方向の１度の広域カバレッジビーム９５０を示す。図９は、ＭＧＥＢを含むすべてのビームとＨＧＥＢが方位角方向にボアサイトから０．５度まで外れて走査されることを除けば、図８と同じである。
図１０は、高周波帯域用の合成ＭＧＥＢ、ＨＧＥＢ及び広域カバレッジビームパターンに関して、統合デュアルバンド給電アレイを用いたＳＲＩＡシステムの指向性１０１０（ｄＢｉ単位）を、方位角（度単位）１０２０に対してプロットしたグラフ１０００である。アレイの３７個の素子は、ここでも隣接ビーム間の良好な重なりを得るために六角形の格子に配列される。図１０は、第１レベルビーム形成回路を用いた方位角平面内のイメージング反射器の合成ＭＧＥＢパターン１０３０Ａ・・・１０３０Ｇと、ボアサイトでの単一高利得ビーム１０４０と、高周波数帯域２の第２レベルデジタルＢＦＮを介してＭＧＥＢを組み合わせて取得されたエリアカバレッジビーム１０５０とを示す。図１０は、高周波数帯域２に対して、図８と等価である。反射鏡アンテナに給電する３７個の素子を有する図２に示す例示的給電アレイをここでも使用する。すべての素子ビームは、スポットビーム及び大きなカバレッジを有するビームの生成に効果的に使用される。
図には、合成カバレッジビーム１０４０も示されており、これはグローバルカバレッジの中心を表すボアサイト位置（方位角ゼロ及び仰角ゼロ）にプロットされる。また、ボアサイト方向にほぼ中心があって、約１°の直径のカバレッジを有するより大きなビーム１０５０も示されている。
図１０に示す結果は、振幅制御と位相制御の１以上を使用して、デジタルＢＦＮを介した電子的組み合わせにより達成される。ＭＧＥＢは良好な重なりを示し、スポットビームの形成を可能とし、また大きな利得値を有するＨＧＥＢ及びカバレッジビームを生成する。
図１１は、ハイブリッド走査方法１１００を示す図である。この例示的な図では、２軸ジンバル機構（ここには図示せず；図１２に示す）を使用した反射器の機械的走査が、大きな外側の円１１１０上で実行され、その間、給電アレイ１２０は静止したままである。図に示す外側の円１１１０は、約１７．４度の直径を有し、静止軌道衛星からの地球全体のカバレッジに適している。このハイブリッド走査方法１１００は、限られた数（ここでは３７）の素子でより広いカバレッジを提供し、高利得素子ビームとより大きなカバレッジビームを同時に提供しながら、複雑さとコストを低減する。２軸ジンバル機構を使用して地球上の所望位置に対してアンテナを粗く走査し、次に精密な電子走査を使用してビームを正確な所望位置に配置する。さらには、直径１度の円１１２０上でビームの正確な電子走査を行い、地上のビーム位置の微調整を行う。
図１２は、ＳＲＩＡシステム１２００の構成要素の模式図である。ＳＲＩＡシステム１２００は、反射器アンテナ１１０をさらに備える。２軸ジンバル機構１１７が反射器アンテナ１１０の背面に配置される。ＳＲＩＡシステム１２００は、給電アレイ１２０をさらに備える。給電アレイ１２０は、Ｎ個のホーン１２１０Ａ・・・１２１０ＡＫ（Ｈ＝約３７）の小さなアレイを備える。各ホーンが反射器アンテナ１１０を照射して、対応する素子ビーム１２２０Ａ・・・１２２０ＡＫを形成する。素子ビーム１２２０Ａ・・・１２２０ＡＫは、ビーム１２２０Ａ・・・１２２０ＡＫごとに１つのホーン１２１０Ａ・・・１２１０ＡＫを使用し、したがってＢＦＮを必要としない。素子ビーム１２２０Ａ・・・１２２０ＡＫは、反射器アンテナ１１０上への照射は最適ではないので、約１５％の低効率である。給電アレイ１２０はさらに、直線偏波を所望の円偏波に変換するように構成された、対応する偏波器１２３０Ａ・・・１２３０ＡＫを備える。例えば、所望の円偏波は、右旋円偏波（ＲＨＣＰ）又は左旋円偏波（ＬＨＣＰ）を含む。
給電アレイ１２０はさらに、Ｎ個のフィルタ１２４０Ａ・・・１２４０ＡＫの小さなアレイを含む。例えばフィルタ１２４０Ａ・・・１２４０ＡＫはバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１２４０Ａ・・・１２４０ＡＫを含む。Ｎ個のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）は、所望の周波数を最小損失で通過させ、他方で不要な周波数帯域を排除して、約１５％のビーム効率値を有するＬＧＥＢ１２４５Ａ・・・１２４５ＡＫを生成する。
給電アレイ１２０はさらに、Ｎ個の低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）１２５０Ａ・・・１２５０ＡＫの小さなアレイを含む。Ｎ個のＬＮＡ １２５０Ａ・・・１２５０ＡＫはそれぞれの信号を第１レベルのＲＦ ＢＦＮ１２５５に送る。
給電アレイ１２０はさらに第１レベルの無線周波数（ＲＦ）ＢＦＮ１２５５を備える。給電アレイ１２０はさらに、分割回路１２６０Ａ・・・１２６０Ｘを備える。給電アレイ１２０はさらに、組合せ回路１２６５Ａ・・・１２６５Ｘを備える。ＢＰＦ１２４０Ａ・・・１２４０ＡＫ、及びＬＮＡ１２５０Ａ・・・１２５０ＡＫを通過した後、信号はＭ個の成分に分割される。Ｍは必要とするビームの数に等しく、例えば、近似的又は正確にＭ＝１９である。Ｌは、１以上の組合せ回路１２６５Ａ・・・１２６５Ｙを使用してＭＧＥＢを形成するために組み合わされるホーンの数である。例えば通常Ｌ＝７であるが、これに限定されるものではない。次にＬ個の隣接素子からの信号がＭ個の分割回路を介して組み合わされ、Ｍ個の中利得ビーム１２７０Ａ・・・１２７０Ｍが形成される。例えば、図示したように、分割回路１２６０Ａと１２６０Ｘは結合して組合せ回路１２６５Ｂに給電する。例えば、Ｍ個のＭＧＥＢ１２７０Ａ・・・１２７０Ｍが、ビーム効率値が約５０％である代表的な第１レベルのビーム形成を有する。
給電アレイ１２０はさらに、Ｍ個のポスト第１レベル増幅器１２７５Ａ・・・１２７５Ｍの小さいアレイを含む。給電アレイ１２０はさらに、Ｍ個の局部発振器（ＬＯ）／ミキサ１２８０Ａ・・・１２８０Ｍの小さいアレイを含む。ポスト第１レベルＢＦＮ増幅器１２７５Ａ・・・１２７５Ｍは、それぞれの信号をＭ個のＬＯ／ミキサ１２８０Ａ・・・１２８０Ｍへ送る。Ｍ個のＬＯ／ミキサ１２８０Ａ・・・１２８０Ｍから出てくるのはＭ個の第１レベルビーム１２８５Ａ・・・１２８５Ｍの中間周波数（ＩＦ）ビームである。
Ｍ個のビーム１２８５Ａ・・・１２８５Ｍは、ダウンコンバートされたＩＦビーム１２８５Ａ・・・１２８５Ｍである。給電アレイ１２０はさらに第２レベルデジタルＢＦＮ１２９０を備え、これが出力するＪ個の第２レベルＨＧＥＢ１２９５Ａ・・・１２９５Ｊを合成して形成する。通常、Ｊは７から１９の間の数である。ただしこれに限らない。
出力するＨＧＥＢ１２９５Ａ・・・１２９５Ｊは約８０％の効率を有する高利得ビームである。出力する第２レベルのビーム１２９５Ａ・・・１２９５Ｊは、スポットビーム又は大カバレッジビームの１以上として使用可能である。これらの出力する第２レベルビーム１２９５Ａ・・・１２９５Ｊは、反射器の背面に位置する２軸ジンバル機構を使用してグローバルカバレッジエリア内を移動する。
図１３Ａ－１３Ｂは、全３７個の給電素子を第１レベルビーム形成回路（ＢＦＮ）と第２レベルＢＦＮを用いて反射器の照射に使用するときの、ＨＧＥＢの２周波数帯域における方位角（度単位）１３２０Ａ、１３２０Ｂに対する、統合デュアルバンド給電アレイを使用するＳＲＩＡシステムの指向性１３１０Ａ、１３１０Ｂ（ｄＢｉ単位）をプロットした２つのグラフの組である。図１３Ａは低周波数３０．０ＧＨｚにおける給電パターンのプロットである。図１３Ｂは高周波数４５．５ＧＨｚにおける給電パターンのプロットである。また、反射器で照射されるエッジ角度における、所要最小エッジテーパを示す線１３３０Ａ、１３３０Ｂも含まれている。図に示すように、１２ｄＢより大きな、必要最小エッジテーパは、本発明の実施形態によれば両方の周波数帯域において容易に満たされた。給電アレイの電子走査は、図１２に示すように半径約１度の限られた領域で使用される。図１３Ａ－１３Ｂはエッジテーパを示しており、反射器の端部における単一ホーン素子により生成される電界の、反射器の中心に対する減少を意味している。
ＩＩＩ デュアル反射器イメージングアンテナ（ＤＲＩＡ）
中央給電主反射器を採用する本発明の他の実施形態は、約０．４の大きな焦点距離Ｆ／Ｄを有する。副反射器を使用して給電アレイからのＲＦエネルギを主反射器へ散乱させ、主反射器からの反射の後、最終的に自由空間へ散乱させる。ビームを、例えば８．７°又は１２°の特定領域上で電子走査可能とするデジタルＢＦＮを使用して、本アンテナで高利得ビームが形成される。例えば、代表的な走査には、地球静止（ＧＥＯ）衛星用の約８．７°、及び中軌道全地球測位衛星（ＧＰＳ）用の約１２°がある。
給電アレイは副反射器方向に７．５”デフォーカスされ、グローバルカバレッジビームの合成に必要な隣接ビームの重なりを改善する。ＰＩＭなしのハニカムパネルを放射素子とトリプレクサの間のインタフェースとして使用して、より大きなアレイのグランドプレーンを表す。トリプレクサを有する統合素子の測定された無線周波数（ＲＦ）性能を表１にまとめる。給電アレイは新規の７素子アレイを備える。各素子は直径が約７．５”であり、３つの帯域のそれぞれを高アイソレーションで分離する小型のトリプレクサで統合されている。９５％の最小効率が測定された。システムは、最小のマルチパクションマージンが１３ｄＢの優れた電力処理性能を示す。
Figure 2022539677000002
測定された接続損失は約０．５４ｄＢより良好である。位相中心は帯域全体で０．１”以内で安定しており、ナビゲーションペイロードの重要なパラメータである、周波数帯域での群遅延変動が非常に小さくなっている。例えば、トリプレクサはくし形フィルタを含む。
中央給電グレゴリアンアンテナを使用する小型デュアル反射器イメージングアンテナ（ＤＲＩＡ）は、ＧＰＳ帯域で使用され、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ５帯域で帯域幅の約３１％をカバーするビームフレキシビリティを提供する。ＤＲＩＡは、４ｍの展開可能メッシュ反射器と、直径０．７８ｍの成形楕円副反射器とを使用する。例示的なデュアル反射器アンテナは、反射器の円形開口の近似的投影直径が４．０ｍである、中央給電オフセット放物面反射器を使用する。このアンテナは、中軌道（ＭＥＯ）における全地球測位衛星（ＧＰＳ）群に向けて、Ｌ帯域の３つの個別周波数帯域で動作する。
図１４は、デュアル反射器イメージングアンテナ（ＤＲＩＡ）システム１４００の構成要素の図である。
ＤＲＩＡシステム１４００は、カセグレンアンテナ構成を使用する主反射器１４１０を備える。主反射器１４１０は、主反射器焦点１４１５を有する。例えば、主反射器１４１０は１．７ｍの焦点距離を有する直径４ｍの放物面反射器を備える。ＤＲＩＡシステム１４００はさらに副反射器１４２０を備える。例えば、副反射器１４２０は双曲線の形状である。例えば、副反射器１４２０は双曲面形状である。例えば、副反射器１４２０は約０．７８ｍの直径を有する。副反射器１４２０の焦点は、主反射器１４１０の主反射器焦点１４１５に位置する。副反射器１４２０の１次副反射器焦点１４２５は図に示す位置にある。
ＤＲＩＡシステム１４００は、給電アレイ１４３０をさらに備える。給電アレイ１４３０は７つの給電素子１４４０Ａ－１４４０Ｇを備える。例えば、給電素子１４４０Ａ－１４４Ｇは、段差状開口統合放射器（ＳＴＡＩＲ）給電素子１４４０Ａ－１４４０Ｇを備える。例えば、給電素子１４４０Ａ－１４４０Ｇは、約８”の直径である。例えば、図に示すように、給電素子１４４０Ａ－１４４０Ｇは、ほぼ六角形のグリッド状に配置される。主反射器焦点１４１５は副反射器の給電アレイ１４３０とは反対側に位置する。
給電アレイ１４３０はさらに、偏波器（図示せず）を備える。素子１４４０Ａ－１４４０Ｇの少なくとも１つはトリプレクサ（図示せず）を備える。好ましくは、各素子１４４０Ａ－１４４０Ｇがトリプレクサ（図示せず）を備える。トリプレクサは、３つの周波数帯域Ｌ１、Ｌ２、Ｌ５を十分なアイソレーションで分離するように構成される。
給電アレイ１４３０は、副反射器の１次副反射器焦点１４２５から、給電アレイのデフォーカス距離１４５０だけ変位している。給電アレイ１４３０はイメージング光学系を生成するために、副反射器１４２０に近づき、１次副反射器焦点１４２５から離れるように移動される。給電アレイのデフォーカス距離１４５０は約７．５”である。給電素子１４４０Ａ－１４４０Ｇの数が限られているために、このシステムでは１レベルのビーム成形回路しか必要としない。
図１５は、デュアル反射器イメージングアンテナ（ＤＲＩＡ）システム１５００の構成要素の模式図である。ＤＲＩＡシステム１５００は、反射器アンテナ１１０をさらに備える。反射器アンテナ１１０は、既に図１～１４で説明したが、主アンテナと副反射器を備え、これは図では別々には示されていない。ＤＲＩＡシステム１５００は、給電アレイ１２０をさらに備える。この例ではＮ＝７である。
給電アレイ１２０は３帯域給電素子１５１０Ａ、１５１０Ｂ、１５１０Ｃを備え、それぞれが、全体の約３１％の帯域幅を有する、３つのＧＰＳ帯域Ｌ１、Ｌ２、Ｌ５をカバーする。ＧＰＳ帯域１５１０Ａ、１５１０Ｂ、１５１０Ｃは、無線周波数（ＲＦ）信号１５１０Ａ、１５１０Ｂ、１５１０Ｃを含む。入力において、３つの帯域１５１０Ａ（Ｌ１）、１５１０Ｂ（Ｌ２）、１５１０Ｃ（Ｌ５）のそれぞれは、それぞれの１：７の分割ビーム成形回路（ＢＦＮ）１５１２Ａ、１５１２Ｂ、１５１２Ｃを通過し、７つのＬ１ＲＦ信号１５１３Ａ・・・１５１３Ｇ、７つのＬ２ＲＦ信号１５１４Ａ・・・１５１４Ｇ、７つのＬ５ＲＦ信号１５１５Ａ・・・１５１５Ｇを生成する。図示したものに代わる実施形態では、ＢＦＮ１５１２Ａ、１５１２Ｂ、１５１２Ｃが、固有の振幅制御と固有の位相制御の１以上を提供するように構成されたデジタルＢＦＮを備える。この代替実施形態では、デジタルＢＦＮは、ベースバンドのデジタル信号をＬ１、Ｌ２、Ｌ５周波数の１以上のＲＦ信号に変換するように構成された局部発振器とアップコンバータを備える。
７分割されたＬ１信号１５１３Ａ、１５１３Ｂ・・・１５１３Ｇ、７分割されたＬ２信号１５１４Ａ、１５１４Ｂ・・・１５１４Ｇ、７分割されたＬ５信号１５１５Ａ、１５１５Ｂ・・・１５１５Ｇは、それぞれの信号を減衰させるように構成された全部で７つの可変減衰器１５１６Ａ、１５１６Ｂ・・・１５１６Ｇの各１つを通過する。
７分割されたＬ１信号１５１３Ａ、１５１３Ｂ・・・１５１３Ｇ、７分割されたＬ２信号１５１４Ａ、１５１４Ｂ・・・１５１４Ｇ、７分割されたＬ５信号１５１５Ａ、１５１５Ｂ・・・１５１５Ｇが、全体で３Ｎすなわち２１の分割信号を共に構成する。次に、２１の分割信号のそれぞれは、各信号を減衰させるように構成された合計２１個の可変減衰器１５１６Ａ・・・１５１６Ｇを通り、次に２１の分割信号１５１３Ａ、１５１３Ｂ・・・１５１３Ｇ、１５１４Ａ、１５１４Ｂ・・・１５１４Ｇ、１５１５Ａ、１５１５Ｂ・・・１５１５Ｇのそれぞれは、各ビームの走査及びそれぞれのカバレッジビームの成形の１以上をするように構成された合計２１個の移相器１５１７Ａ・・・１５１７Ｇの各１つを通過し、最後に２１の分割信号１５１３Ａ、１５１３Ｂ・・・１５１３Ｇ、１５１４Ａ、１５１４Ｂ・・・１５１４Ｇ、１５１５Ａ、１５１５Ｂ・・・１５１５Ｇのそれぞれが、合計２１個の固体電力増幅器（ＳＳＰＡ）１５１８Ａ、１５１８Ｂ・・・１５１８Ｇの内の１つを通過する。
各ＳＳＰＡ１５１８Ａ、１５１８Ｂ・・・１５１８Ｇを通過した後、２１の分割信号１５１３Ａ、１５１３Ｂ・・・１５１３Ｇ、１５１４Ａ、１５１４Ｂ・・・１５１４Ｇ、１５１５Ａ、１５１５Ｂ・・・１５１５Ｇのそれぞれが、７つのトリプレクサ１５３０Ａ、１５３０Ｂ・・・１５３０Ｇのうちの１つに入る。トリプレクサ１５３０Ｂ・・・１５３０Ｇのそれぞれは、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ５に対応する３つのＳＳＰＡからの３つの送信ＲＦ信号をそれぞれに組み合わせ、それらを各トリプレクサ１５３０Ａ、１５３０Ｂ・・・１５３０Ｇ内部の共通ポートに組み合わせた後に、その組み合わせ信号１５３５Ａ、１５３５Ｂ・・・１５３５Ｇを、セプタム偏波器を有する統合放射素子に給電する。トリプレクサ１５３０Ａ、１５３０Ｂ・・・１５３０Ｇは、Ｌ１、Ｌ２及びＬ５周波数の１以上におけるＲＦ信号間の十分なアイソレーション（通常７０ｄＢより大）を有する組み合わせ広帯域信号を提供する。トリプレクサ１５３０Ａ、１５３０Ｂ・・・１５３０Ｇは、３つの入力ポートのそれぞれ及び共通出力ポートにおいて通常２０ｄＢ超の良好なインピーダンス整合を提供する。
例えば、トリプレクサ１５３０Ａは、ＲＦのＬ１信号１５３０Ａ、ＲＦのＬ２信号１５１４Ａ、ＲＦのＬ５信号１５１５Ａを組み合わせ、これらのトリプレクサ１５３０Ａ内部の共通ポートに組み合わせた後に、この組み合わせ信号１５３５Ａを偏波器１５４０Ａに、次いで放射素子１５５０Ａに給電する。偏波器１５４０Ａ、１５４０Ｂ・・・１５４０Ｇはセプタム設計を使用して実装される。例えばセプタム偏波器１５４０Ａ、１５４０Ｂ・・・１５４０Ｇの個々の直交左旋円偏波（ＬＨＣＰ）ポートは、反射減衰量及び軸比の１以上を改善するために、同軸負荷により内部終端される。例えば、偏波器１５４０Ａ、１５４０Ｂ・・・１５４０Ｇは、それぞれ直線偏波されたＲＦ信号１５３５Ａ、１５３５Ｂ・・・１５３５Ｇを右旋円偏波（ＲＨＣＰ）信号１５５０Ａ、１５５０Ｂ．．１５５０Ｇに変換する。それによりシステム１５００は、地球上に高利得走査スポットビームと大きなグローバルカバレッジビームとを同時に形成する。
図１６は、地球静止衛星からのＤＲＩＡシステムにより形成されるスポットビームのボアサイト方向におけるθ角（度単位）１６２０に対する実効等方輻射電力（ＥＩＲＰ）１６１０（デシベルワット［ｄＢＷ］単位）をプロットしたグラフ１６００である。例えば、使用されるＤＲＩＡシステムは、図１５に詳細を示す、７素子の再構成可能な給電アレイである。
図示しているのは、Ｌ１ ＧＰＳ周波数に対するスポットビーム曲線１６３０と、Ｌ２ ＧＰＳ周波数に対するスポットビーム曲線１６４０である。プロットは、各帯域における７つのＳＳＰＡのそれぞれに対して１ワットのＲＦ出力電力を仮定する規格化ＥＩＲＰを示す。垂直ライン１６５０Ａ－１６５０Ｆは地上での異なるカバレッジ角におけるＥＩＲＰを示し、極限線１６６０Ａ、１６６０Ｂは、ビームが地球の中心に向いているときの地球の端におけるＥＩＲＰを示す。ライン１６５０Ａ～１６５０Ｆ内の領域において（従って、－３度～＋３度の間のθに対して）Ｌ１がＬ２よりもＥＩＲＰが高いことは、Ｌ１帯域のより高い周波数に起因する。
図１７は、地球静止衛星からのＤＲＩＡシステムにより形成されるビームがボアサイト方向から－６度離れて走査されるときの、スポットビームのθ角（度単位）１７２０に対する実効等方輻射電力（ＥＩＲＰ）１７１０（デシベルワット［ｄＢＷ］単位）をプロットしたグラフ１７００である。例えば、使用されるＤＲＩＡシステムは、図１５に詳細を示す、７素子の再構成可能な給電アレイである。副反射器及び給電アレイは可動部品のない静止状態であり、要求されるビームのフレキシビリティは給電アレイの可変減衰器と可変移相器を使用して達成される。
図示しているのは、Ｌ１ ＧＰＳ周波数に対するスポットビーム曲線１７３０と、Ｌ２ ＧＰＳ周波数に対するスポットビーム曲線１７４０である。プロットは、各帯域における７つのＳＳＰＡのそれぞれに対して１ワットのＲＦ出力電力を仮定した規格化ＥＩＲＰを示す。垂直線１７５０Ａ－１７５０Ｆは地上での異なるカバレッジ角におけるＥＩＲＰを示し、極限線１７６０Ａ、１７６０Ｂは、ビームが地球の中心に向いているときの地球の端におけるＥＩＲＰを示す。ライン１７５０Ａ～１７５０Ｆ内の領域において（従って、－９度～－３度の間のθに対して）Ｌ１がＬ２よりもＥＩＲＰが高いことは、Ｌ１帯域のより高い周波数に起因する。
ＤＲＩＡの代替実施形態において、主反射器は、中軌道（ＭＥＯ）衛星及び低軌道（ＬＥＯ）衛星の１以上に対する走査範囲を拡張するために、上記のＳＲＩＡに関して説明したものと同様の２軸ジンバル機構を採用可能である。この一連の実施形態では、給電アレイと副反射器の１以上を静止させたまま、主反射器を方位角方向と仰角方向の１以上に独立して移動させる。粗走査が主反射器の機械的走査で行われ、精密な電子走査が給電アレイを使用して行われる。
図１８は、ビーム走査方法１８００のフローチャートである。
方法１８００のステップの順序は図１８で示すものや、以下の議論で記述するものに限定されない。いくつかのステップは、最終結果に影響することなく異なる順序で行い得る。
ステップ１８１０において、単一反射器イメージングアンテナで構成されるアンテナシステムを使用し、かつＮ個の給電素子から成る給電アレイを使用する。給電アレイは信号をアンテナへ転送するように構成され、給電アレイはアンテナの焦点面からデフォーカス距離だけデフォーカスされている。アンテナは給電素子を組み合わせてＭ個の中利得素子ビーム（ＭＧＥＢ）を形成するように構成される。アンテナはさらにＭＧＥＢを組み合わせてＪ個の高利得素子ビーム（ＨＧＥＢ）を形成するように構成される。そしてシステムはさらにＭＧＥＢの全て又は一部を組み合わせて大きなカバレッジビームを形成し、Ｎ個の給電素子とアンテナを使用してＮ個の単一素子ビームを形成するように構成される。次に、ブロック１８１０は制御をブロック１８２０に移す。
ステップ１８２０において、Ｎ個の給電素子を使用して単一素子ビームが組み合わされる。これはビーム形成回路を必要としない。次に、ブロック１８２０は制御をブロック１８３０に移す。
ステップ１８３０において、第１レベルのビーム形成回路（ＢＦＮ）を使用してＭ個のＭＧＥＢが形成される。次に、ブロック１８３０は制御をブロック１８４０に移す。
ステップ１８４０において、ＭＧＥＢが第２レベルのＢＦＮで組み合わされて大きなカバレッジビームを生成する。そうしてブロック１８４０がプロセスを終了させる。
図１９は、ビーム走査方法１９００のフローチャートである。
方法１９００のステップの順序は図１９で示すものや、以下の議論で記述するものに限定されない。いくつかのステップは、最終結果に影響することなく異なる順序で行い得る。
ステップ１９１０においてアンテナシステムを使用する。このシステムはアンテナを備え、そのアンテナは単一反射器イメージングアンテナ（ＳＲＩＡ）を備える。システムはさらに２軸ジンバル機構を備え、システムはさらに、アンテナに信号を転送するように構成された給電アレイを備え、給電アレイはアンテナの焦点面からデフォーカス距離だけデフォーカスされ、フィードアレイはＮ個のフィード素子を含む。アンテナは給電素子を組み合わせてＪ個の高利得素子ビーム（ＨＧＥＢ）を形成するように構成される。システムはさらにＨＧＥＢを組み合わせて大きなカバレッジビームを形成するように構成され、第１の領域上に精密な電子走査を行って、Ｊ個のＨＧＥＢと大きなカバレッジビームとを生成する。次に、ブロック１９１０は制御をブロック１９２０に移す。例えば、精密電子走査を行うステップは、直径約１°の面積ビームを使用する。
ステップ１９２０において粗機械走査は、２軸ジンバル機構を用いて、副反射器と給電アレイを静止させたままで反射器アンテナをジンバル動作させることにより、第２領域上で実行される。ここで第２領域は第１領域より大きく、Ｊ個の第２レベルビームと大きなカバレッジビームとを生成する。そうしてブロック１９２０がプロセスを終了させる。
任意選択によりこの方法は、粗機械走査を実行するステップの後に、第２レベルのビームをスポットビームと大きなカバレッジビームの１以上として使用することを実行する、追加ステップを含む。
本発明の実施形態の利点は、従来技術の手法に比べて約２．２ｄＢの改善が得られることである。本発明の実施形態の更なる利点は、素子数を大幅に低減可能なことである。これは、給電アレイを固定した状態での反射器のジンバル操作による大きなカバレッジでの粗走査に、小さいカバレッジでの給電アレイの電子走査を組み合わせたハイブリッド走査方法を使用することによる。
開示した方法は、低コストのイメージング反射器アンテナ設計を使用して、高利得の複数かつ成形されたビームを大きなカバレッジ領域にわたり実現するという利点を有する。ビームの位置及び形状は、アプリケーションに応じてデジタルビーム成形、又はアナログとデジタルのビーム成形器の組み合わせを使用して、軌道上で再構成可能である。更なる利点としては、素子ビームを採用する従来方法に比べて利得が大幅に改善されることが含まれる。さらに別の利点としては、本発明の実施形態は低コストのペイロードでＨＧＭＢと広域カバレッジビームの両方を同時に提供可能なことである。
本発明の実施形態の利点は、最適化された振幅と最適化された位相励振を有する複数の給電素子を組み合わせることにより、本発明の実施形態を使用して従来技術である焦点面給電アレイに比べてアンテナの遠方界において拡大画像を生成可能であり、またより広い素子ビームを有することである。更なる利点は、素子ビームの広がりが隣接ビーム間の重なりを改善し各ビームに対してより大きな給電アレイの使用を可能とすることである。本発明の実施形態のまた更なる利点は、アレイ内の給電素子の数が多いほど効率が改善されてより高いアンテナ利得が提供されることである。その結果、本発明の実施形態は、従来技術に比べて隣接ビーム間でより良好な重なりを実現する。２レベルＢＦＮ方式の利点は、デジタルＢＦＮへの入力とデジタルＢＦＮへの出力の１つ以上の数を低減し、したがって処理の複雑さと電力の１以上が大幅に低減されることである。
本発明の実施形態の更なる利点は、再構成可能なビーム形状を提供することである。本発明の実施形態のさらに追加的な利点は、ビーム形状を軌道に適合させて、大きなシアタカバレッジを提供しつつ、複数の妨害器を処理可能なことである。
本発明の実施形態の更なる利点は、これにより非常に高い利得値がもたらされることであり、効率は約８０％である。本発明の実施形態の更なる利点は、改善された利得対雑音温度比である。本発明の実施形態のまた更なる利点は、ビームの重なりの改善であり、その結果大きなカバレッジビームもまた利得が向上する。
本発明の実施形態の更なる利点は、衛星アンテナのための軌道上のビーム再構成とビーム走査の１以上の能力を提供することである。衛星アンテナは軍事用通信衛星と商用通信衛星の１以上に使用され得る。軌道上のビーム再構成とビーム走査の１以上は、カバレッジ、ビーム走査及び干渉軽減の１以上において変動があった場合の、それに対応する運用上の柔軟性を向上させる。
本発明の実施形態の利点は、より小領域に対して高解像度が達成され、反射器のジンバル操作でビームをより大きなカバレッジで移動することによってグローバルカバレッジが達成されることである。これは、本発明の実施形態と従来技術の手法との比較結果により示される。
本発明の実施形態の更なる利点は、従来技術に比べて、少数の素子により所望の結果が達成可能なことである。本発明の実施形態のまた更なる利点は、単一反射器イメージングアンテナ（ＳＲＩＡ）及びデュアル反射器イメージングアンテナ（ＤＲＩＡ）の１以上の潜在能力を、従来技術よりもより効果的に利用することにある。
本発明の実施形態の別の利点は、アンテナが、複数の素子ビームと、より大きなシアタカバレッジビームとを同時に生成することである。本発明の実施形態のなお更なる利点は、複数の静止ビームを使用して干渉源の数をゼロにするか、より高い利得のビームを提供するかの１以上を行う適応ビームを生成することである。
本発明の実施形態のなお更なる利点は、素子ビームを使用する従来方法に比べて、利得が大幅に改善されることである。ＨＧＥＢの利得の増加とは別の利点は、反射器の照射テーパの増加によってサイドローブレベルがはるかに低く、それにより妨害器に対する干渉軽減が大幅に改善されることである。
本発明の実施形態のなお更なる利点は、小さいカバレッジ領域にわたって給電素子の電子走査を行うハイブリッド走査方式を使用している間、複数のアンテナビームが隣接ビームの重なりを維持したままグローバルカバレッジ領域にわたって一緒に走査されることである。本発明の実施形態のさらに別の利点は、給電アレイと副反射器を固定した状態で、大きいカバレッジ領域にわたって主反射器の機械的走査が実行されることである。本発明の実施形態の別の利点は、反射器への給電アレイ照射の遮断による潜在的な利得低下が、デフォーカス距離Ｈによって回避されることである。
本発明の実施形態の別の利点は、大きなＦ／Ｄが選択されて、ビームを電子走査するときの走査損失が改善されることである。このハイブリッド走査には、（ａ）給電アレイの素子数が最小化され、それによりコストも最小化されること、（ｂ）低走査損失で広いカバリッジのビームを可能とすること、の２つの利点がある。この方法は、僅か３７素子の小さい給電アレイの使用によりコストを低減しつつ、走査損失を最小化する。２０”のオフセットクリアランスにより、走査ビームが、アンテナ利得を低下させる可能性のある遮蔽効果を受けることを防止する。ハイブリッド走査方式の使用により、静止衛星からの大きなグローバルカバレッジ領域全体にわたり、スポットビームとカバレッジビームの走査が可能である。
本発明の実施形態のなお更なる利点は、中利得ビームがデジタルＢＦＮへの入力数を減らし、それにより、入力数とともにＢＦＮへの電力要求が指数関数的に増大することを防止する。
本発明の実施形態の更なる利点は、ハイブリッド走査方式が両帯域に対して約３０ｄＢを超える優れた交差偏波性能をもたらすことである。
本発明の実施形態の更なる利点は、ＤＲＩＡシステムが、３つの周波数帯域Ｌ１、Ｌ２、Ｌ５を相互に十分なアイソレーションで分離することである。本発明の実施形態のなお更なる利点は、ＤＲＩＡシステムが遠方界にイメージング光学系を生成することである。本発明の実施形態のさらに追加の利点は、イメージング光学系は、７素子アレイの隣接ビーム間の良好な重なりを可能とし、効率の高い高利得スポットビームを形成することである。本発明の実施形態のなお更なる利点は、ＤＲＩＡシステムが７素子ビームを組み合わせて、大きな地球カバレッジビームか、又は所望のグローバルカバレッジ上を電子的に走査可能なスポットビームかのいずれかを形成可能とすることである。本発明の実施形態の別の利点は、ＤＲＩＡシステムは１レベルのＢＦＮしか必要としないことである。本発明の実施形態の更なる利点は、成形された双曲面副反射器プロファイルが効率を改善することである。本発明の実施形態の別の例は、ＤＲＩＡシステムで移相器と減衰器を使用することで、各帯域（Ｌ１、Ｌ２，及びＬ５）におけるＲＦ信号の振幅を独立して変更可能なことである。そしてそれにより地上からの成形ビームカバレッジも変更可能である。ＤＲＩＡシステムの更なる利点は、偏波器をセプタム設計として実装することで、放射素子に一体化されたコンパクトなシステムを提供しながら、所望帯域幅に応えることが可能なことである。ＤＲＩＡシステムの更なる利点には、本システムに偏波器をセプタム設計で実装することで反射減衰量及び軸比性能の１以上が改良されることが含まれる。ＤＲＩＡシステムのなお更なる利点には、１以上のトリプレクサが、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ５周波数の１以上においてＲＦ信号間の十分なアイソレーション（通常７０ｄＢより大）で、組み合わされた広帯域信号を提供することが含まれる。ＤＲＩＡシステムのなお別の利点には、１以上のトリプレクサが、３つの入力ポートのそれぞれと共通の出力ポートとにおいて、通常２０ｄＢ超の良好なインピーダンス整合を提供することが含まれる。
地図の自動注釈付けのための方法により使用されるソフトウェアは、システムがアクセス可能な任意の場所にあってよいことは、当業者には理解されるであろう。ネットワークの変形の数やソフトウェアの場所などには事実上制限がないことは当業者にはさらに理解されるであろう。例えば、本発明の実施形態は他の反射器形状、例えばこれに限らないが、カセグレンアンテナ、グレゴリアンアンテナ、軸方向に変位した楕円体（ＡＤＥ）副反射器を有するデュアル反射器、非集束単一反射器アンテナ、等の１以上に採用可能である。これらはなおも本開示の発明内に含まれる。
上記の代表的実施形態を、例示的構成における特定の構成要素で説明したが、当業者であれば、異なる構成及び／又は異なる構成要素を使用して、別の代表的実施形態を実装可能であることが理解されるであろう。例えば、特定のステップの順序、及び特定の構成要素は、本発明の機能を実質的に損なうことなしに変更可能であることは、当業者には理解されるであろう。
本明細書において詳細に説明した代表的実施形態及び開示した主題は、例及び例示として提示するものであり、限定として提示するものではない。説明した実施形態の形態及び詳細は様々な変更を加えることができ、本発明の範囲内に留まる等価な実施形態をもたらすことは、当業者には理解されるであろう。したがって、上記の説明の主題は例示的であるとして解釈されるべきであり、限定的な意味で解釈されるべきではないことが意図される。

Claims (20)

  1. アンテナシステムであって、
    単一反射器イメージングアンテナ（ＳＲＩＡ）と、
    Ｎ個の給電素子を含む給電アレイと、
    を備え、
    前記給電アレイは信号を前記アンテナへ転送するように構成され、前記給電アレイは前記アンテナの焦点面からデフォーカス距離だけデフォーカスされ、前記アンテナは前記給電素子を組み合わせて高利得素子ビーム（ＨＧＥＢ）を形成するように構成され、前記システムはさらに前記ＨＧＥＢを組み合わせて大きなカバレッジビームを形成するように構成される、アンテナシステム。
  2. 前記給電素子はＪ個のＨＧＢＥを形成する、請求項１に記載のアンテナシステム。
  3. Ｊは７～９の数である、請求項２に記載のアンテナシステム。
  4. 前記給電アレイはＮ個のホーンを備える、請求項１に記載のアンテナシステム。
  5. 前記システムはビーム当たり１個のホーンを使用する、請求項４に記載のアンテナシステム。
  6. Ｎは近似的に３７に等しい、請求項４に記載のアンテナシステム。
  7. 前記アンテナは単一のオフセット放物面反射器アンテナを備える、請求項１に記載のアンテナシステム。
  8. 前記システムは、前記給電アレイを固定したまま前記反射器アンテナをジンバル動作させるように構成された２軸ジンバル機構をさらに備える、請求項７に記載のアンテナシステム。
  9. 前記システムは小さい領域上で精密な電子的走査を遂行するように構成され、前記システムはさらに、前記給電アレイを固定したまま前記２軸ジンバル機構を使用して前記反射器アンテナをジンバル動作させ、大きな領域上の粗い機械的走査を遂行するように構成される、請求項８に記載のアンテナシステム。
  10. ビーム走査方法であって、
    単一反射器アンテナ（ＳＲＩＡ）を含むアンテナシステムを使用し、かつＮ個の給電素子を含む給電アレイを使用するステップであって、前記給電アレイは信号を前記アンテナへ転送するように構成され、前記給電アレイは前記アンテナの焦点面からデフォーカス距離だけデフォーカスされ、前記アンテナは前記給電素子を組み合わせてＭ個の中利得素子ビーム（ＭＧＥＢ）を形成するように構成され、前記アンテナはさらに前記ＭＧＥＢを組み合わせてＪ個の高利得素子ビーム（ＨＧＥＢ）を形成するように構成され、かつ、前記システムはさらにＭＧＥＢの全て又は一部を組み合わせて、前記Ｎ個の給電素子と前記アンテナを使用してＮ個の単一素子ビームを形成する、大きなカバレッジビームを形成するように構成されるステップと、
    前記Ｎ個の給電素子を使用して前記Ｎ個の単一素子ビームを組み合わせるステップと、
    第１レベルビーム成形回路（ＢＦＮ）にＭ個のＭＧＥＢを形成するステップと、
    前記ＭＧＥＢを第２レベルＢＦＮで組み合わせて前記大きなカバレッジビームを生成するステップと、
    を含む、ビーム走査方法。
  11. 組み合わせることがＪ個のＨＧＥＢを形成することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記Ｎ個の単一素子ビームを組み合わせる前記ステップが、前記形成するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
  13. Ｍは近似的に１９に等しい、請求項１０に記載の方法。
  14. 前記ＨＧＥＢは従来技術に比べて少なくとも約２．２デシベル（ｄＢ）優れた利得を有する、請求項１０に記載の方法。
  15. Ｎは近似的に３７に等しい、請求項１１に記載の方法。
  16. ビームの走査方法であって、
    アンテナシステムを使用するステップであって、前記システムはアンテナを備え、前記アンテナは単一反射器イメージングアンテナ（ＳＲＩＡ）を備え、前記システムはさらに２軸ジンバル機構を備え、前記システムはさらに、前記アンテナに信号を転送するように構成された給電アレイをさらに備え、前記給電アレイは前記アンテナの焦点面からデフォーカス距離だけデフォーカスされ、前記給電アレイはＮ個の給電素子を備え、前記アンテナは前記給電素子を組み合わせてＪ個の高利得素子ビーム（ＨＧＥＢ）を形成するように構成され、前記システムはさらに前記ＨＧＥＢを組み合わせて、第１領域上で精密な電子走査を行う大きなカバレッジビームを形成して、前記Ｊ個のＨＧＥＢと前記大きなカバレッジビームとを生成するように構成される、アンテナシステムを使用するステップと、
    前記給電アレイを固定したまま前記反射器アンテナをジンバル動作させることにより、前記２軸ジンバル機構を用いて第２領域上で粗い機械走査を実行するステップと、
    を含み、
    ここで前記第２領域は前記第１領域より大きく、Ｊ個の第２レベルビームと大きなカバレッジビームとを生成する、ビームの走査方法。
  17. 精密な電子走査を行う前記ステップは、直径約１°の領域ビームを使用する、請求項１６に記載の方法。
  18. 粗い機械走査を実行する前記ステップの後に、前記第２レベルビームをスポットビームと大きなカバレッジビームの１以上として使用する追加ステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
  19. Ｎは近似的に３７に等しい、請求項１６に記載の方法。
  20. Ｊは７～１９の範囲の数である、請求項１６に記載の方法。
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