JP2662084B2 - 多重ビームアンテナ給電装置 - Google Patents

多重ビームアンテナ給電装置

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JP2662084B2
JP2662084B2 JP2256774A JP25677490A JP2662084B2 JP 2662084 B2 JP2662084 B2 JP 2662084B2 JP 2256774 A JP2256774 A JP 2256774A JP 25677490 A JP25677490 A JP 25677490A JP 2662084 B2 JP2662084 B2 JP 2662084B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は多重ビームアンテナ給電装置に係り、すなわ
ち集束アンテナを構成するように集束装置をイルミネー
トするために使用するフィードアレーを構成する様々な
放射エレメントの相対位相及び振幅を制御する装置に関
する。
〔従来の技術〕
集束装置は少なくとも１つの反射器ないし、レンズよ
りなる。
焦点アンテナは特に衛星通信で使用され、これらのア
ンテナは整形、未整形、一定乃至形状変更可能多重ビー
ムを生じる。
この種のアンテナは以下に示す物質を有さなければな
らない。
−有効範囲のゲイン及びビームクロスオーバーの高ポテ
ンシャルの最大端、 −増幅装置を通過する信号の位相だけを制御して、ビー
ムの形状変更および走査を行なわせる能力、 −ビームへのラジオ周波数パワーの割り当てに関して、
全パワーを単一のビームに割り当てる限定的な場合まで
の完全な柔軟性、 −同一の増幅装置を使用する分布された電力増幅、各ビ
ームは全増幅器から、等しい電力を受けて、正確な動作
効率、及び装置故障の際の劣化を許容できること、 −周波数の再利用を可能にする適応範囲における低サイ
ドローブ、適応範囲外での低サイドローブポテンシャ
ル、 −同じ周波数が十分に分離することで再利用できるビー
ム又はエリア間で、角度間隔を最小にするための反射器
の効率的な利用、 −あるビームまたは、全ビームでの２重偏波の能力。
このような性質を確保するため、多くの解決策が従
来、提案されている。アクティブネットワークアンテナ
では、各々は全ビームに役立ち、低レベル切り換えマト
リックスにより、チャネル全体を１つのビームに割り当
てることができる。しかし、アクティブネットワークア
ンテナは以下のような欠点がある：高ゲインを実現する
ために、複雑な配置を使用することが必要である。一定
の振幅を有する同じ増幅装置を使用してサイドローブお
よび格子状のローブレベルを制御することは困難であ
る。これにより、システムは複雑となり体積が大きくな
る。
１基以上の反射器によるアクティブネットワークアン
テナも提案されてきている。この場合、フィードネット
ワークは反射器とその焦点間の最適のところに配置さ
れ、各ビームの力をフィードネットワークの主要部分に
広げる傾向にある。その際、一つのビームから別のビー
ムへの変換は小さい。ビームは位相の制御だけで制御で
き、アクティブアレーアンテナと同様に均一に励起した
同じ増幅器の使用が可能である。しかし、焦点に関する
オフセットを特徴とするこの種のシステムでは各ビーム
が反射器およびフィーダーの一部しか使用せず、その状
態で集束システムにおけるより大きい反射器を使用する
ことになる。さらに、有効範囲でのサイドローブ制御
は、位相制御だけを使用し、また、同じ増幅器を使用す
る際に問題がある。さらに、一定しない放射が適応範囲
外で起こり、それによる走査損失や、干渉問題の可能性
がある。このシステムは通常のアレーとは異なり、限ら
れた走査を行うことができるだけで、最終的には個々の
ソース全てに接続を使用しなければ二重偏波の使用を１
乃至２、３のビームに使用制限することが不可能とな
る。
この第２のタイプのアンテナの利点はその簡素さにあ
り、その欠点は正角反射器を使って軽減できる。
他の提案は、従来の多重ポート増幅器を備えた、集束
反射器を使用することである。図1Aは、従来の多重ポー
ト増幅器を備えた、集束反射器とエレメントの関係を示
し、図1Bは、従来の低損失ビーム形成マトリックスにビ
ームを入力して、分配・増幅を行う例を示す。
図1Aの左下部に示す従来のアンテナフィード装置にお
いて、ワイングラスの形状で示されている部分が、同図
上部に示されるフィードエレメント２（A,B,…,D）に
対応している。これらのフィードエレメント２は、反射
器１の焦点面Ｆに配置され、これにより、ビームF1〜F9
を放射する。
16の個々のエレメントA,B,C,D,A′,B′,C′,D′,A″,
D″,C″,D″とＡ,B,C,Dのネットワーク２はパ
ラボラ反射器１の焦点面Ｆに配置されている。ビームNo
1のようなビームを発生するために、均一に励起された
４つのエレメントA,B,C、Ｄを使用する。これらのエレ
メントは放射エレメントのホーン、双極子、マイクロス
トリップないし、その他のタイプのものがある。F2で示
すビームNo2はNo1に隣接し、これも４つの基礎エレメン
トB,D,A′,C′を使用する。エレメントＢおよびＤはビ
ームNo1と共用される。ビームNo3はＡ′、Ｃ′、Ｂ′、
Ｄ′を使用し、エレメントＡ′及びＣ′をビームNo2と
共用す等である。こうして、均一にフィードされた４つ
のエレメントが各ビームに使用され、あるビームに割り
当てられるパワーは、低レベルスイッチを該当のビーム
入力で用いてこれら４つのビームにさらにチャンネルを
移すだけで上げることができる。
反射器は４つのエレメントで効果的にイルミネートさ
れる。サイドローブは低く、エレメントを共有すること
から起こるビーム間隔の狭さは４つのビームの有効範囲
領域の交差部分でゲインドロップは結果的にもっとも低
くなる。
問題はビーム入力B1乃至B9からエレメント16までのパ
ワーを最小の損失で、また、同じ増幅器を用いて分配及
び増幅することである。また、各ビームが全増幅器を使
用することが望ましく、各増幅器は所定の時間でこのビ
ームに割り当てられたパワー（チャネル数）に関係なく
同様の最適な出力パワーで動作する。
この問題に対する部分的な解決策は最近、低損失ビー
ム形成マトリックスによりフィードされる多重ポート増
幅器の使用によりなされている。図1Bは、従来の図1Aで
示されたビームを分配／増幅するためのマトリックスを
用いてフィードする例を示す。図1Bに示すA,B,…,D
は、図1Aに示されるフィードエレメント２の各々に対応
している。前述の図1Aにおいて、フィードエレメント２
（A,B,…,D）から放射されたビームが、図1Bに示す入
力ポートB1〜B9を介して入力される。
これにより、放射ビームは、低レベル分割器に配分さ
れ、それらの出力は、第１のバトラーマトリックスに入
力され、バトラーマトリックスの出力は、増幅され、そ
の出力においてフィードエレメントにフィードする第２
のバトラーマトリックスに供給される。このバトラーマ
トリックスは16個のマトリックスの入力ポートが同じ振
幅であり、特定の位相法則に基づく信号を供給される場
合には、パワーの全てが特定の出力ポートから出力され
る。
図1Bの各構成を詳述すると、B1〜B9は、ビーム入力の
ための入力ポートであり、当該入力ポートから入力され
たビームは、各ポートに接続されている低レベル分割器
に入力され、この出力が低レベルバトラータイプマトリ
ックスに入力され、さらに、その上段に記載されている
増幅モジュールで増幅され、高レベルバトラーマトリッ
クスに入力される。最終的に、当該高レベルバトラーマ
トリックスから放射エレメント（A,B,…,D）に出力さ
れる。このマトリックスの構成は、16入力ポートが同じ
振幅であり、特定の位相法則に従う信号を供給されると
すれば、パワーのすべてが特定の出力ポートから出力さ
れるようになっている。バトラーマトリックスがこのた
めに従来使用されてきた。これらのマトリックスは上記
の特定位相法則がリニア、あるいはpi/16の倍数である
レベルで階段状とされる構成となっている。この種のマ
トリックスは４層のハイブリッド分割器を含み、その分
布（あるいは伝達）マトリックスは一元で（損失のな
い）、直交である。
この16×16マトリックスは低パワーレベルで動作する
同じ16×16マトリックスへ接続されている16同一の増幅
器により供給される。このような２つのバトラー又は同
様のマトリックスを背中合わせに含む構成にあっては、
入力マトリックスの一つの入力ポートが出力マトリック
スの１つの出力（エレメント）に相当する。この場合、
ビームは入力ポート９と16の出力ポートを持つ低レベル
分割器により、得ることができる。各ビームのポートは
低レベルバトラーマトリックスの４つの入力ポートに接
続されている。
これらの配列により各ビームへのパワーが16の同一の
増幅器の間に分割される。しかし、このシステムの以下
の欠点を有する。
−各ビームには単一エレメント（Ａ）ではなく、４つの
エレメント（A,B,C,D）があるので、（No1）を励起させ
るよう単一の入力ではなく４つの入力を動作させる。必
要がある。このため各増幅器の信号は４つの異なる入力
から４つの信号を重ねることにより構成される。
このような信号は同じ振幅であるが、その相対位相は
別々の増幅器により異なり、結果としてあるビームに対
しては16の増幅器の間ではリップルな振幅分布が見られ
ることになる。これにより、最適効率ですべての増幅器
が正確に同じレベルで動作することにはならない。しか
し、様々な周波数で多重ビームが作動すれば平均化効果
により減少する。
−同様に、エリア全体をカバーするようなビームを構成
しなければならない場合、第１バトラーマトリックスの
全入力が供給され、増幅器で均一性が大きく欠ける結果
となる。
２つの背中合わせのマトリックスはそれぞれ、４層８
ハイブリッドカプラーを使用して、各増幅信号が４つの
カプラーを通り、損失および対増幅器感度の欠陥が現れ
る。
2N×2Nマトリックスでは、各信号はＮカプラーを通
り、マトリックス双方に要するカプラー総数はＮ×2Nと
なり、このシステムでは８乃至16のエレメントに限られ
る結果となる。
多重ポート増幅器、多び多重入力・多重出力のハイブ
リッド回路は例えば1987年５月のSAC−５巻第４号ペー
ジ630〜636掲載のエガミ及びカワイのIEEE JOURNAL ON
SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONの記事に詳しく述べ
られている。
その他の解決策も提案されている。例えば、一つの提
案は多重入力及び多重出力増幅の代わりにレンズを使用
するが、これらの装置は損失が大きくなり、形状の大き
なものとなる。しかし、このような装置はマトリックス
システムが余りに複雑で、余りに損失がある場合のよう
に高周波で多くのビームを生成するのに使用されてい
る。
スプリング他の名義で、1988年９月23日に出願され、
1990年２月13日に発行され、米国特許第4901 085号で
は、複数の小型で望ましくは同じハイブリッドマトリッ
クスパワー増幅器（HMPA）よりなる多重ビームアンテナ
給電装置の構成を示している。
各HMPAはパワー増幅器で相互接続された入力マトリッ
クスおよび出力マトリックスよりなり、低レベルビーム
形成ネットワークと放射エレメントの間に配置される。
この構成はミラー対称を特徴とする入力及び出力マト
リックスの間に配置された増幅器よりなる。この種の構
造はマトリックスの二重化を伴うので比較的複雑で、構
成規模が大きく、重い（衛生アンテナの場合の重要な特
徴）。
第２に、この特許で説明されている構成ではビーム形
成ネットワークは各ビーム選択ポートを適合するHMPA入
力ポートに接続している。増幅器は必ずしも、同一に負
荷を加えられておらず、それにより、システムの効率が
下がるが、それは本特許の明細書の表１〜３で調べるこ
とができる。
最後にこの従来技術に説明されるシステムはビームの
進路をとらせずに増幅器の一定の負荷を保持している。
これは衛生通信アンテナにとって極めて望ましい特性で
ある。
本発明のこれらの全ての欠点をなくし、上記のすべて
の特質が得られる多重ビームアンテナ給電装置に係る。
〔実施例〕
本発明はNe給電エレメントと協働し、また、Nbビーム
を出力する反射器または、レンズ手段よりなり、それぞ
れは給電エレメントのサブグループから発生され、その
エレメントの幾つかは重なり合うビームで共有されてい
る多重ビームアンテナ給電装置にある。該給電装置は： −同じ数の入力ポート及び出力ポートを有し、その数は
２乃至３の累乗、あるいは２及び３の累乗の積であり、
それぞれが直交及び一元分布マトリックスを含んでいる
１組のNcハイブリット多重ポートパワー分割器と、 該分割器の該出力ポートがその数はNa≧Neとなるよう
なNaであり、該Neエレメントに、あるいはNa＞Neの時は
いつでも負荷に接続し、各分配器がそれぞれのビームに
寄与している給電のエレメントの一つに供給し、 −各分割器の各入力ポートは一つのモジュールに接続さ
れ、各モジュールは伝送用、パワー増幅器及びまたは、
受信用低雑音増幅器よりなり、全増幅器がビームの相対
負荷が変化するときには常に本質的に同一の最適公称レ
ベルで動作するような一組のNa増幅器モジュールと、 −Nb入力ポートおよびNa出力ポートを有し、各入力は各
ビームに対する適当な挿入位相シフトをもって全出力に
接続されており、Na出力ポートは分割器及びビーム形成
ネットワーク間に接続されたNa増幅器モジュールに接続
されているビーム成形ネットワークとよりなる。
この配置により、最小の構成部品を使用して上記の結
果ないし特性を確保でき、全体の大きさ及び費用が削減
できる。
本発明の利点ある特徴は： −パワー分割器はNc同様マトリックスからなり、マトリ
ックスのいくつかは少なくとも一つは異なる順序であ
り、あるグループのエレメントのそれぞれは異なるパワ
ー分割器に接続されている所定のビームに役立ち、 −これらのNcパワー分割器は２、３の累乗、あるいはこ
れらの累乗の積に等しい同一種類Ｐのマトリックスから
なり、これはNe/Nc比に等しいか、それよりわずかに大
きく、また、ビーム形成ネットワークは増幅器を介して
パワー分割器の入力ポートに接続されたNr＝Ｐ×Nc出力
よりなる。
増幅はさらにビーム形成ネットワーク入力ポートレベ
ルで行うこともできる。
一元直交マトリックスパワー分割器の便利さはた多重
ポートハイブリッドカプラーであることが有利であり、
これらのパワー分割器はバトラーマトリックス又は、同
様なマトリックスでもよい。
ビーム形成ネットワークはビームのサイドローブの位
置およびまたは形状を調節するようになっている各入力
ポートおよび出力ポート間に接続された位相シフト手段
を含む。これらはアナログ型または、ディジタル型の一
定位相あるいは可変位相シフタで；ビーム形成ネットワ
ークはディジタルネットワークでもよい。
ビーム形成ネットワークは光学式ビーム形成ネットワ
ークでもよい。
本発明による給電装置は集束反射器または、集束レン
ズ又は、多重反射器システム、例えば、レンズあるいは
反射器の組み合わせと一緒に使用してもよい。
本発明のその他の利点及び特徴については以下の説明
から明らかであるが、添付図面の実施例に限るものでは
ない。また、１以上の図面で使用されている参照記号は
機能的に同じ部分を示す。
第２図から第4A図及び第4B図は、第1A図及び第1B図と
同じ状況での本発明の理論を示す。
本実施例では集束装置１は通常放物面反射器であり、
これは反射板１の焦点Ｆに配置されたエレメント数Ne数
の（本例ではNc＝４）給電エレメントA,A′,A″,A,B,
B′,B″,B,C,C′,C″,C,D,D′,D″,Dを含む給電
アレー２より給電する。該エレメントは各ビームが数Nc
（この場合にはNc＝４）のエレメントにより発生され、
少なくとも１つのエレメント（本例では２つ）を共通に
有するよに発生されるよう、反射器１の焦点Ｆに置かれ
る。
本発明によれば、第３図のフィーダーはNcに等しい数
（本例では４）の一元直交マトリックス分割器３よりな
る。これらは平方Ｐ番目のマトリックスで、Ｐは比Ne/N
cより僅かに大きい、あるいは、同等の２の倍数に等し
い。図示の例ではNe＝16,Nc＝4,P＝４である。
Ｐ入力およびＰ出力のこれらの直交マトリックス分割
器３はその入力ポートのうち一つが励起されると、その
全部の出力ポートがオーム損失以外の損失なしに、同
じ、パワーを供給し、それで一元マトリックスと呼ばれ
る。他の入力ポートが別に励起さると、出力ポートの信
号位相は出力ベクトルの複素スカラー積がすべて０に等
しくなり、これが直交マトリックスと呼ばれる理由であ
る。
第4A図は従来技術による４×４直交一元マトリックス
分割器を示す。各入力は４個の端子を有し、信号入力を
２で分割する3dBハイブリッドカプラーに接続されてい
る。こうして得られた二つの信号は二つの異なる3dB−
４端子ハイブリッドカプラーへ供給される。このカプラ
ーは又、２で分割され、各出力カプラーが二つのエレメ
ントに接続している出力に信号を位相シフトする。この
種の典型的なマトリックス分割器は従来の多ポート増幅
器に使用されており、上記のエガミおよびカワイの論文
に説明されている。明らかにその他の配列も例えば、第
4B図に示したように、位相シフターおよびカプラー（同
一であると否とによらず）で使用できる。重要な点はマ
トリックス分割旗がビームを発生させるエレメントの各
群の特定な給電エレメントに対してマトリックス分割器
がパワーを供給するということである。例えば、マトリ
ックスＡに対してはエレメントＡ、マトリックスＢに対
してはエレメントＢという具合である。
マトリックス分割器は一組の同じ従来タイプの増幅器
４により、給電されているがこの例では16ある。増幅器
４のそれぞれの出力パワーは全ビームの給電エレメント
間でマトリックス分割器により分割される。
パワー増幅器は、必要数のビームと同数の入力ポート
を持つビーム形成ネットワーク５により給電され、図示
の例では数は９である。ビーム形成ネットワーク５は低
レベル装置で、それゆえに損失を受けやすい。増幅器と
同じ周波数で、あるいはそれよりわずかに低い周波数で
の動作が可能である。この場合、周波数変換器が各パワ
ー増幅器の入力側に必要である。
第５図はマトリックスパワー分割器３がすべてが同じ
オーダーとは限らない実施例を示す。
第５図の構成では３つのエレメント、A,B及びＣがビ
ームに使用されるが、この点で先の例と異なるが、エレ
メント全１が同じパワーを受けているわけではない。29
図の例では、典型的にエレメントＡは各Ｂまたは、Ｃの
２倍のパワーを受ける。エレメント２に対する３角形の
記号に別々に影の部分に示す通りである。その影部分の
量は受けたパワーに比例している。
図示の構成では、３つの楕円形のビームF1,F2およびF
3を発生する。分割器ＢおよびＣは２×２のマトリック
スで、分割器Ａは４×４のマトリックスである。そのう
ち、未使用の一つの出力の先端は負荷で終端している。
勿論、第２番目、第３番目、第４番目、第６番目、第
８番目などの異なる次数の分割器を備えた他の装置も得
ようとする様々なビームのパワー分布および形状に応じ
て、実現可能である。
第6A図及び6Bは特殊な実施例を示す。そこではその次
数が３乃至、２および３の累乗の公倍数の累乗である
（すなわち、＝２、３、４、６、８、９、12、16、18
等）パワー分割器が構成要素となっている。
本例では３つの隣合う給電エレメントA,B,Cがビーム
に使用される（第6A図に示す）。
これらの３つのエレメントは第6B図に示すように、典
型的に３次のパワー分割器から同じパワーを受ける。
例えば、３次パワー分割器はJ,PシェルトンおよびK,S
ケレーエルの「リニアアレーからの多重ビーム」という
論文に見るタイプである。この論文は1961年３月のIRE
「トランザクション オン アンテナズ アンド プロ
パゲーション」154〜161ページに示されている。
この例では７つのビームF1,…Fi,…F9が利用できる
が、６番目、９番目、18番目などの次数分割器で基本２
次及び３次分割器に基づいた他の分割器でも実現可能で
ある。
この実施例では、これ以外のと同じく、ビーム形成ネ
ットワーク５出力信号の位相を、固定又は、可変位相シ
フター36により調整して、各ビームのサイドローブの位
置および／又は形状を最適化することが有利である。
第７図から第19図は異なった値のパラメータNe,Ncお
よびNbを有する本発明の他の実施例を示す。
第7A図及び第7B図の場合、エレメント数Neは８に等し
く、ビームあたりのエレメント数Ncは２に等しい。この
場合、マトリックス３の次数Ｐは４に等しい。
第8A図及び、第8B図の場合、エレメント数Neは16に等
しく、ビームあたりのエレメント数Ncは２に等しい。こ
の場合、マトリックス３の次数Ｐは８即ち２の３乗に等
しい。
第9A図から第9C図の場合、エレメント数Neは６に等し
く、ビームあたりのエレメント数は３に等しく、ビーム
あたりのエレメントの数Ncは３に等しい。従って、マト
リックス３は２次のマトリックスである。
第10A図及び第10C図の場合、エレメント数Neは９に等
しく、ビームあたりのエレメントの数Ncは３に等しい。
この場合、マトリックス３の次数Ｐは４に等しい。換言
すれば、比9/3より僅かに大きい２の累乗に等しい。し
かし、３つの３次数マトリックスも使用でる。
第11A図及び第11B図の場合、エレメント数Neは12、ビ
ームあたりのエレメント数Ncは３に等しい。この場合、
次数Ｐは４、換言すれば、比12/3に等しい。
第12A図及び第12B図の場合ではNcビームあたりのエレ
メントの数Ncは３に等しいが、エレメント数Neは24に等
しい。この場合マトリックス３の次数Ｐは８、即ち比24
/3に等しい。
第13図から第15図は４つのエレメントを使用して各ビ
ームを形成する構成を示す。第13A図及び第13B図の場
合、Ne＝8,Nc＝４であり、従って、マトリックス３は２
次数マトリックスである。
第14A図及び第14B図の場合、Ne＝12で比Ne/Ncの比は
３に等しく、従ってマトリックス３の次数Ｐは４に等し
い。
最後に第15A図及び第15B図の場合、16エレメントが使
用され、Ne/Ncの比は４に等しく、この４はマトリック
ス３の次数Ｐの値でもある。
第16A図及び、第16B図の場合、エレメント数は32に等
しく、ビーム当たりのエレメント数は４に等しく、従っ
て、次数Ｐは２の３乗、即ち８に等しい。
第17図及び第18図では、７つのエレメントを使用し
て、各ビームを形成する。第17A図および第17B図の場
合、エレメント数は13に等しく、次数Ｐは２に等しく、
それは比13/7より僅かに大きい。
第18A図および第18B図では、Ne＝24で、比Ne/Ncは27/
7に等しく、次数Ｐは４に等しい。
第19A図及び第19B図は９つのエレメントを用いて各ビ
ームを形成する最終的な構成法を示す。エレメント数は
18に等しく、従って、マトリックス３の次数Ｐは２に等
しい。
第10図及び第14図及び第17図での構成ではマトリック
ス分割器３の中のあるものの１つの出力はエレメントで
はなく負荷に接続されている。しかし、この場合でも、
本発明では従来技術の構成より少ないエレメントよりな
る構成の実施が可能であることが理解されよう。
第20図は本発明に従って給電されるネットワークアン
テナの一適応例を示す。ビームおよび有効範囲の構成は
1.6GHzで動作する本発明による反射器アンテナを用いて
ヨーロッパをカバーする設計となっている。この配置で
は領域Z1は６つのビームでカバーされ、領域Z2は８つの
ビームでカバーされる。２つ以上の追加ビーム位置は、
再構成に利用できる。高いクロスオーバーを持つビーム
の走査に備えて合計26のビーム位置がある。
第21図は直径5500mm,焦点長3125mm、間隔750mmの反射
器の裏面21を示す。反射板21の端部におけるイルミネー
ションの係数は−10〜−12dBである。参照文字N,Sおよ
びＥはそれぞれ、北、南、及び東を指す。
半パワービーム幅は2.3で、指向性は37.0dBである。
固定ビーム間のクロスオーバーレベルは3.0dBである
（指向性34.0dB）。隣合う固定ビームは一つの給電エレ
メントを共有する。ビーム間のクロスオーバーレベルは
（また、可能なら他の固定ビームを追加して）、−1dB
である（指向性36.0dB）。
サイドローブのレベルはおよそ25dBである。再構成は
有効範囲領域に足跡をもつビームにパワーを伝送するこ
とで実施できる。直交的に偏波したビームは例えば、高
トラヒックエリアで供給できる。
第21B図に関して、二つの隣接するエレメント中心間
の距離は144mmである。従来方法でフィードネットワー
クへの垂直線は反射板の中心に向かっている。宇画機の
壁に沿うフィードネットワークによる解決策は可能であ
るが、性能が落ち、より複雑になってしまう。領域Z1に
対しては実線で示し給電エレメントが用いられ；領域22
及び拡大有効範囲領域（本例では東に向かって）での再
構成に使用されるの給電エレメントは破線で示す。
第22図は11の給電エレメントおよび調整自在のビーム
がある構成を示す。この構成では各ビームはエレメント
A,エレメントＢおよびエレメントＣを使用する。受信端
子におけるデュプレクサ31はラジオ周波数（RF）又は、
中間周波数（IF）で動作するビーム形成装置に接続され
ている図示しない低雑音増幅器に接続されている。
また、２、３の修正にしても基本原則に変更のない自
動切り換えエメントを使用することも可能である。３つ
の低損失、多ポートハイブリッドマトリックス３はそれ
ぞれ、４つの従来実施されているハイブリッドカプラー
33よりなる。それには、TEM（トランスバース電磁界）
ライン技術が使用されている。エレメントＣに接続され
ているマトリックスの未使用の端子No4は負荷で終端し
ており、励起されないので、パワーの損失はない。各ビ
ームは12の同じ増幅器34全部を使用する。可能な場合に
は冗長度を利用する。１増幅器の故障は0.4dbのパワー
損失となるが、各ビームの有効範囲領域の小部分では最
悪の場合でもそのゲイン損失は1.0db以下となる。これ
はまた、ビームの一部では最高16dbまで、ビーム間の分
離を悪化させる。
増幅器は過大に見積もるか、あるいは冗長度を使用
し、係る欠陥を補償することが考えられる。従来形の多
ポート増幅器を組み込んだ、オーバーラップのある給電
グループで起こるものとは異なる、増幅器には（入力
で）リップルが見られないから、出力ビームを発生させ
ない。低レベルビーム形成ネットワーク35はマイクロス
トリップ線を用いてラジオ周波数で動作可能である。例
えば、MMICタイプの構成部品を用いて、実現できる。
一定位相シフタは固定ビームに対する給電線で使用す
る。２ビット可変位相シフタ36は制御自在なビームのオ
ーバーラッピングを−1dB（指向性36.0dB）レベルで発
生させることを可能にする。11のエレメントを全部使用
して全ビームを発生することができる。これは多ポート
ハイブリッド回路を使用すれば増幅器でリップルを起こ
さない。
形成ネットワークの最後のふたつの入力のうち、一つ
はグローバルビームに使用するが、残りの一つは変化可
能なビームに使用される。
第23図は1.6GHzで動作する拡大有効範囲領域ネットワ
ークアンテナのための給電構成を示す。この構成では21
のエレメントが使用され、そのうち、３つは二つの偏波
で励起できる。３つの低損失多重ポートハイブリッドマ
トリックス41はそれぞれ、12のハイブリッドカプラーよ
りなる。出力はすべて使用され、３つを使用して直交偏
波ビームを供給する。
この場合も各ビームは24の同じパワー増幅器42全部を
使用する。一つの増幅器の故障は0.2dBのパワー損失を
もたらし、また、最悪の場合、各ビームの局部的なゲイ
ン損失は0.5dB以下である。一つの増幅器の損失はビー
ムの分離悪化を引き起こすがそれはビームの一部では22
dBに達する。マトリックス分割器の構成部品に関する分
離許容誤差の影響を狭帯域動作で35dBに抑えることは可
能である。入力信号振幅および位相誤差の影響は許容で
きるが、それは前記エガミおよびカワイの論文の説明の
通りである。
再構成は必要な領域をカバーする影響エリアを用い
て、ビームの入力部における位相シフトチャネルで行う
ことできる。２ビット位相シフタを用いてビームを制御
することは、ただ、別々のビーム位置間で1dBのクロス
オーバードロップを生ずるだけである。
第24A図から第24C図では従来の多ポート増幅器による
解決策と比較した本発明の利点を示す。第24A図のシス
テムは集束光学システム51例えば、４×４給電ネットワ
ークと使用される放物面の一部を含む。第24B図に記載
した従来法による解決策では、使用カプラーの総数は64
で、損失ラインの全長は最高パワーではおよそ16波長で
あり、給電エレメントを共有していることから増幅器で
はかなりのリップルが生ずる。
第24B図の従来の装置では、分割機61又は、62は16×1
6タイプで、32カプラーを使用する。
本発明による解決は第24C図に示すが、同じ構成では
全部で16のカプラーを使用するだけで、損失ラインの全
長はおよそ４波長である。増幅器ではリプルはなく、最
後に各ビームはすべて均一に負荷を加えた増幅器および
各グループ（A,B,Cまたは、Ｄ）から一つの供給エレメ
ントを使用する。
次に第25図〜第29図に記載してある実施例について説
明する。ここでは、複数のエレメント２が同じパワー分
割器３に接続され、ビームの効率、及び／または形状、
及び／又はサイドローブの改善を図っている。
第25A図及び第25B図の場合では、隣接する７つのエレ
メントが各ビームに当てられ、中央のエレメントは他の
６つのエレメントの各々より、３倍のパワーを受ける。
これにより、各ビームの効率（こぼれ信号の減少）およ
びサイドローブの改善が可能になる。
この例では６つのビームが利用でき、このために３つ
のパワー分割器が６×６のカプラーの形で利用される。
各ビームに使用される７つのエレメントのうち、３つは
分割器の一つに接続され、３つはもう一つの分割器に接
続し、一つが３つ目の分割器に接続されているので、必
要なパワー分布を得ることができる（第25図ではいろい
ろな大きさの影の部分で表わされている）。
固定または、可変位相シフタ36はパワーの方向を一つ
の分割器の一つ又は３つの出力に向けるために追加的に
設けてもよいことに留意のこと。
第26A図及び第26B図の実施例の原理は前例と同じであ
るが、この場合、９つの隣接エレメントが一つのビーム
に当てられる。中央ビームは近接の４つのエレメントの
２倍のパワーを受け、他の４つのエレメント、４倍のパ
ワーを受け、換言すれば正方形の対角線上にある。これ
は効率とサイドローブを改良する。
この例ではF1からF4までの４つのビームが利用でき、
前の場合と同様に、増幅器４は公称上、均等に負荷を加
えられることになる。
第27A図及び第27B図の例では同じビームに寄与するエ
レメントのいくつかは同じ分割器に接続され、本来、各
ビームの形状を最適化する。
この例ではエレメントA1,B1,B3,C1およびC4（第27図
参照）は西ビームに（ｗ）に、他は東ビーム（Ｅ）に寄
与し、全エレメントは全ビーム（Ｇ）に寄与する。
ビーム形成ネットワーク５の信号位相はシフター36に
よりシフトされ、それにより、パワー分割器の出力で必
要な分布を得る。繰り返せば、全増幅器４は公称上、同
じパワーレベルで動作する。
エレメントに関して言えば、その個々の位相は特に、
その給電ケーブルの長さを選択することにより調節され
る。その振幅は位相シフタ36を調節して変えられる。
第28A図および第28B図の例では同じビームに寄与する
幾つかのエレメントのいくつかは、本質的にあるエリア
でのサイドローブの削減をするよう同じ分割器に接続さ
れている。
本来３つのエレメントは各ビームに寄与し、（例え
ば、ビーム１に対するエレメントA1,B1,C1）、数の点で
少なくなった外部エレメント（ここではA3,B3,C3）も低
レベルで励起して当該エリアで２次放射を削減してもよ
い。
このためには、ビーム形成ネットワーク５でビーム入
力および出力間の位相を変えれば十分である。A3,B3,C3
のレベルはこの例では独立的に変化できる。
最後に第29A図及び第29B図はビームの位置及び／又は
形状をビーム形成ネットワーク５に組み込まれた可変位
相シフタ36により位相を変えることにより可変しうる装
置を示す。
かくして、ビームA1−B1−C1からビームB1−C1−A2へ
変化させるために、マトリックスＡのパワーを徐々に出
力A1から出力A2へと、このビーム用のマトリックスＡへ
の入力部で信号の位相を調整することにより伝送され
る。
ビーム形成ネットワーク５における信号の位相を変え
ることで、ビームA1−B1−C1から、より広いビームA1−
B1−C1−A2−B2−C2に変えることも可能である。
この技術ではまた、一度に一つ以上のビームを再構成
することが可能である。
【図面の簡単な説明】
第1A図及び第1B図は従来の多重ポート増幅器に関連する
集束反射板よりなる従来の給電装置を示す図、 第２図乃至第4A図及び第4B図は本発明によるネットワー
クアンテナフィーダ装置を示す図、 第５図、第6A図及び第6B図、第7A図及び第7B図、第8A図
及び第8B図、第9A図乃至第9C図、第10A図及び第10B図、
第11A図及び第11B図、第12A図及び第12B図、第13A図及
び第13B図、第14A図及び第14B図、第15A図及び第15B
図、第16A図及び第16B図、第17A図及び第17B図、第18A
図及び第18B図、第19A図及び第19B図は給電エレメント
数及び／又はパワー分割器数の異なる値に対する本発明
の他の実施例を示す図、 第20図はビームの分布と1.6GHzで動作し、ヨーロッパを
カバーする反射アンテナの典型的な有効範囲を示す図、 第21A図及び第21B図は第20図に示すビームの実施例の反
射器及び給電エレメントの形状を示す図、 第22図は第20図（ヨーロッパにのみ）のフルラインビー
ムを得るフィードネットワークを示す図、 第23図は全20ビーム（拡大適応範囲）を得るフィードシ
ステムを示す図、 第24A乃至第24C図は本発明を従来のフィードシステムと
比較する説明図、 第25A及び第25B図、第26A及び第26図、第27A図及び第27
B図、第28A図及び第28B図、第29A図及び第29B図は本発
明の更なる実施例を示す図である。 １……反射器、2,33……ハイブリッドカプラー、３……
直交マトリックス分割器、4,34……増幅器、5,35……ビ
ーム形成ネットワーク、36……可変位相シフタ、41……
多重ポートハイブリッドカプラー、51……集束光学シス
テム。

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】フィードアレイのフィードエレメントであ
    るNe給電エレメントと協動する、または、各ビームが該
    ビームの幾つかと重なり合うビームの間で共有される給
    電エレメントのサブグループから発生されるNbビームを
    供給する反射器または、レンズ手段よりなる多重ビーム
    アンテナ給電装置において、 入力ポート及び該入力ポートと同数の出力ポートを有
    し、該ポート数は、２及び３の倍数または、２の倍数及
    び３の倍数の積とし、各々が直交及び一元の分布マトリ
    ックスを含む一組のNcハイブリッド多重ポートパワー分
    割器と、 前記Ncハイブリッド多重ポートパワー分割器の出力ポー
    トの数がNa≧Neである場合には、前記Ne給電エレメント
    に接続され、Na＞Neである場合には、負荷に接続され、
    各ビームに対し、各前記分割器はこれらの各ビームを形
    成する給電エレメントの１つに給電し、 −各前記分割器の各入力ポートがモジュールと接続さ
    れ、各モジュールが転送用のパワー増幅器及び／又は受
    信用の低騒音増幅器よりなり、全増幅器がビームの相対
    的トラヒック負荷が変化する時には本質的に同じ最適の
    公称レベルで動作するような一組のNa増幅器モジュール
    と； −Nb入力ポートおよびNa出力ポートを有し、各入力ポー
    トは各ビームの入力時に固定または、可変位相によるシ
    フトを行い、入力されるビームのサイドローブの位置及
    び形状を最適化する機能を有し、全出力ポートに接続さ
    れ、Na出力ポートは分割器およびビーム形成ネットワー
    ク間に接続されたNa増幅器モジュールに接続されてい
    る、ビーム形成ネットワークと よりなる多重ビームアンテナ給電装置。
  2. 【請求項２】パワー分割器はマトリックスよりなり、そ
    のうち少なくとも幾つかが互いに関して異なる次数であ
    り、この次数を選択することによりビームの効率、形
    状、及び／又はサイドローブ特性を改善する、請求項１
    記載の多重ビームアンテナ給電装置。
  3. 【請求項３】所定のビームに寄与する一つの給電エレメ
    ントの中で幾つかが同じパワー分割器に接続され、それ
    により、エレメントの励起を重み付けしてビームの効
    率、形状及び／又はサイドローブ特性が改良する請求項
    １記載の多重ビームアンテナ給電装置。
  4. 【請求項４】マトリックスパワー分割器は3dBハイブリ
    ッドカプラーからなる一般のカプラーを含む、請求項１
    記載の多重ビームアンテナ給電装置。
  5. 【請求項５】該パワー分割器はバトラー状マトリックス
    を含み、選択された一定位相シフターが3dBハイブリッ
    ドカプラーの幾つかの間に配置され、それにより、分割
    器をビームの特定整形要求に適合させる、請求項１記載
    の多重ビームアンテナ給電装置。
  6. 【請求項６】ビーム形成ネットワークは各ビームの形状
    ・パターンサイドローブ及び方向を制御するために各制
    御可能ビーム用にビーム形成ネットワークの対応入力及
    び出力の間に配置された、請求項１記載の多重ビームア
    ンテナ給電装置。
  7. 【請求項７】位相シフターはアナログ又は、ディジタル
    位相シフタである、請求項６記載の多重ビームアンテナ
    給電装置。
  8. 【請求項８】ビーム形成ネットワークはディジタルのネ
    ットワークである、請求項１記載の各種ビームアンテナ
    給電装置。
  9. 【請求項９】ビーム形成ネットワークは光学式ビーム形
    成ネットワークである、請求項１記載の多重ビームアン
    テナ給電装置。
  10. 【請求項１０】ビーム形成ネットワークは中間周波数で
    動作し、増幅器の入力に接続された周波数変換器が設け
    られている、請求項１記載の多重ビームアンテナ給電装
    置。
  11. 【請求項１１】該反射器は整形反射器でそれにより、一
    般効率を高める、請求項１記載の多重ビームアンテナ給
    電装置。
  12. 【請求項１２】該反射器は特大寸法の反射器である、請
    求項１記載の多重ビームアンテナ給電装置。
  13. 【請求項１３】該反射器又は、レンズ手段は多重反射器
    又は、多重レンズシステム又はレンズ及び反射器の組み
    合わせを含む、請求項１記載の多重ビームアンテナ給電
    装置。
  14. 【請求項１４】給電エレメントが配置された表面は焦点
    の周りに最適化され、又は、変位できる、請求項１記載
    の多重ビームアンテナ給電装置。
  15. 【請求項１５】該ハイブリッド分割器と該給電エレメン
    トの間の線の長さは、特に全ての該給電エレメントを使
    用する全体的なビームに関して、一般的な効率を最適化
    するよう選択される、請求項１記載の多重ビームアンテ
    ナ給電装置。
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