JP2839274B2

JP2839274B2 - アンテナシステム

Info

Publication number: JP2839274B2
Application number: JP63500477A
Authority: JP
Inventors: レンショウ、ケネス・エイチ; マーフィー、テイモシー・エー
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1986-12-22
Filing date: 1987-11-23
Publication date: 1998-12-16
Anticipated expiration: 2013-12-16
Also published as: CA1295731C; WO1988004837A1; AU604082B2; JPH01502068A; EP0294413B1; DE3788125D1; AU1041088A; EP0294413A1; DE3788125T2

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景 1.発明の分野本発明は、地上局と通信するための衛星用のアンテナ
に関する。さらに特定すれば、本発明はアンテナアレイ
およびバトラーマトリクスを使用し、ビームのキヤリヤ
周波数を変化させることにより通信ビームを操向するこ
とができる衛星用のアンテナシステムに関する。 2.関連技術の説明最近では、地上の離れた地点の移動局の間の電話通信
等に衛星が利用されている。このようなシステムの例と
しては、静止衛星を利用するものが考えられている。た
とえば、この静止衛星は米国の上空に静止される。この
ような衛星は、充分にビーム幅の広いアンテナを備え、
米国を南北方向および東西方向にわたってカバーし、米
国内の任意の２地点間の通信が可能となるものである。
また、このビームの南北方向の幅は、好ましくは米国と
カナダをカバーできるものとする。この米国とカナをカ
バーするには、このビームの南北方向の幅は約4.5゜必
要である。また、このビームの東西方向の幅は約８゜あ
れば所定の範囲をカバーできる。しかし、このように南
北および東西方向に広いビームを放射するアンテナの場
合、その信号のゲインが低くなく不具合がある。このた
め、このアンテナから発信させるための機器は大きな出
力を必要とする。従来の衛星通信システムでは、少なくとも２つの互い
にオーバーラップするビームを使用して所定の範囲をカ
バーするビーム幅の広いアンテナが使用されている。こ
のようにオーバーラップした複数のビームを発生させる
には、最近まで直径16フイートに及ぶ大形のアンテナを
必要としていた。しかし、通信衛星においては、その製
造および打上げを容易にするため、その寸法が小さく、
また軽量であるとともに、必要電力が少ないことが要求
される。 H.A.Rosenと共同出願になる米国特許出願No.787,77
0、1985年10月１日出願、名称「操向ビーム形衛星通信
システム」には、衛星を経由して地上局間で通信するシ
ステムが開示されている。このシステムは、地球の表面
の円弧に沿って配置された一群の地上局と、この円弧の
上空に位置された衛星とから構成されている。この衛星
には、放射要素のアレイが搭載され、周波数感応ビーム
フォーマがこれら放射要素に接続され、電磁波のビーム
を放射するように構成されている。このビームはキヤリ
ヤ周波数に応じて操向され、各地上局毎に順次受信され
るように構成されている。アップリンク搬送液とダウン
リンク搬送波の周波数は、地上局毎にその配列されてい
る円弧に沿って単調に変化しており、各地上局毎に割当
てられた搬送波の周波数によりこの衛星から地上局への
ビームが自動的に位置決めされるように構成されてい
る。本発明の理解を容易にするため、上記の出願の衛星通
信システムの内容を第１図ないし第５図を参照して説明
する。第１図および第２図に示すように、衛星24にはア
ンテナ構造体30が搭載されており、このアンテナは２個
の同焦点の放物反射体を備え、これらの一方は大形の主
反射体32であり、また他方は小形の副反射体34である。
また、８個の放射要素42が4x2のアレイ40に配列され、
これらはフレーム44に支持されている。このアレイ40の
正面図を第２図に示す。これら放射要素42のアレイ40は
上記の副反射体34の前方に固定されており、この副反射
体は衛星24の内部に収容されている。また、上記の主反
射体32は副反射体34より大形であり、打上げ時には折畳
まれており、この衛星24が軌道上に乗った後に展開され
るように構成されている。この主反射体は、図示するよ
うに衛星24の外側に展開される。また第１図に示すよう
に、上記フレーム44内にはロケットエンジン、燃料タン
ク等のその他の機器が収容されている。これらアンテナシステム30を構成する機器は、この衛
星アンテナが軽量でかつ構造が簡単となるように構成さ
れている。このようにするため、上記放物反射面を有す
る主反射体32および副反射体34は、その反射面が共通の
焦点面すなわち焦点48を共有するような共焦点放物面に
形成されている。このようなアンテナの反射面の形状
は、「ベル・システム・テクニカル・ジャーナル」Vol.
58,No.2,（1979年２月）,pp.501〜515に記載されている
C.DragoneおよびM.Gansの「小形のアレイを使用した走
査ビームを形成するためのイメージングリフレクタの配
置」の記事に開示されている。このような形態によっ
て、放射要素のアレイの有効開口を拡大することができ
る。第１図および第２図に示すようなものでは、その拡
大率は4.7である。このアレイ40の８個の放射要素42
は、このアンテナの構造を簡単にする。すなわち、たと
えば同じ寸法のダイレクト放射器を使用すると、同じア
ンテナ性能を得るには155個の放射器を必要とする。第
３図に示すように、上記の4x2のアレイの代わりに、７
個の放射要素52を六角形に配列したアンテナアレイ50を
使用してもよい。このアレイ50の放射要素52はアップリ
ンクおよびダウンリンクの両方の通信に使用できる。第４図には、静止軌道にある衛星（この第４図には図
示せず）によって形成されるスポットビーム56,58の例
を示す。上記スポットビーム56は米国62およびカナダ64
の東部をカバーし、またスポットビーム58は米国62とカ
ナダ64の西部をカバーしている。この衛星は、上記スポ
ットビーム56,58でカバーされる地域のある地上局との
間で通信をおこなう。これらのスポットビーム56,58で
カバーされる地域のパターンは、地球60の通信量を必要
とする過密な地域では周波数帯域を大きく、また通信量
の少ない人口の稀薄な地域ではアンテナ全体のゲインの
うちの一部のゲインを使用するように、適切に設定され
る。この衛星24のアンテナシステムは、一次元ビーム（実
質的にスポットビームによる通信となる）で地球60の表
面を走査する。この走査は、経度または緯度方向に沿っ
た円弧線または緯度に対して傾斜した円弧線に沿ってな
される。この走査は地球の大圏に沿って東西になされ、
第４図に示すように地理的の最も効果的になされる。こ
の走査は好ましくはこのアンテナシステムの放射要素に
属する固定遅延（後に説明する）を使用してなされ、地
球の異なる地域には異なる周波数を使用する。これによ
って、このビームの位置（すなわち各バーチャルビーム
に対応して）によって周波数を変化させて走査させ、ま
た周波数の相違する複数のビーム（図示せず）を同時に
放射することができる。このようなバーチヤルビーム技
術を使用することにより、このビーム走査のカバーする
範囲の任意の点における使用者は、このバーチヤルビー
ムの中央に近接する。よって、この使用者は固定ビーム
を用いた衛星の場合より２ないし3dB高い電力で受信で
きる。この必要とする電磁放射の電力を少なくし、またこの
アンテナの構造を簡単にするため、第３図に示すような
放射要素52を六角形に配列したアレイ50を使用し、断面
が円形て幅が4.5゜のビームを形成するようなアンテナ
システムが好ましい。これらの放射要素52としては、直
径が１波長のカップ・ダイポール・フイードホーンが好
ましい。このシステムの使用例としては、地上移動形の電話サ
ービス、すなわち可動衛星システム（MSAT）と称されて
いる衛星通信システムがある。このシステムには２つの
周波数帯域が使用され、ダウンリンク帯域として866〜8
70MHzが使用され、またアップリンク帯域として821〜82
5MHzが使用される。これらMHzの幅の帯域はさらに1000
個の周波数スロットに分割され、これらは地球60上の各
地上局に割当てられ、コンパンデッド・シングル・サイ
ドバンドの音声通信をおこなう。これら地上局が東西に
均一に分布しおり、それらの経度が相違していれば、約
0.1゜の走査角内には約20個のアップリンクおよびダウ
ンリンクのチヤンネルが割当てられる。これらのチヤンネルは周波数を相違させえ均一に配置
されているので、ビームは東西方向にそのダウンリンク
（アップリンク）周波数が段階的に変化し、あるチヤン
ネルから次のチヤンネルに変化される。すなわち、地上
局の作動周波数は、この衛星から地上局に送られるビー
ムの周波数に対応するように選定される。地上局を東西
方向に均一に配置するには、その東西方向の成分に対し
て各地上局毎にビームが中央に位置付けられなければな
らない。しかし実際には、米国62およびカナダ６では、
このビームの東西方向の走査経路に沿って地上局が不均
一に分布している。よって、すべての地上局にはピーク
信号強度が得られない。たとえば、0.1の走査角度内に25の地上局があれば、
ピーク信号強度は0.01dB低下する。このため、分離した
固定ビームを使用する従来の衛星通信システムでは各種
の改良がなされており、平均の信号ゲインの損失は東西
方向のピーク信号にゲインに対して約0.8dBである。ま
た、上記したように、従来の衛星アンテナシステムで
は、複数の大形反射体を備えており、その直径は16フイ
ートにも達するが、前述した米国の特許出願は、１個の
大形の反射体と、これと共焦点の小形の副反射体しか必
要としない。よって、この開示したアンテナシステムに
よって、信号ゲインの不均一を改善し、またこのアンテ
ナシステムの構造を簡単にすることができる。第５図には、このアンテナシステムの周波数走査作動
を概略的に示す。上記の一組の放射要素42は、直線上に
並列に配置されており、電磁放射の波面66に面してい
る。この波長の傾斜すなわちビームの走査角度はこの放
射要素42のアレイ40の垂直線68に対する角度で示す。こ
の周波数走査は、この平面状のアレイアンテナにこのア
レイ内の時間の遅延を生じさせることによって発生させ
る。この時間の遅延は、隣接する放射要素42の間で信号
の位相を相違させることによって発生させ、この位相の
相違は放射される信号の周波数に比例させる。この例で
は波面の放射の場合であるが、これら放射要素42の作動
は波面の入射の場合でも同様である。この走査角度と周
波数の関係は、放射要素の間隔、時間の遅延に関連し、
次の式で表わされる。２πＤsinθ＝△Ψ＝２πｆ△Ｔ（１）よって、ここで：Ｄ＝放射要素の間隔 θ＝ビームの走査角度 λ＝放射の波長 △Ψ＝隣接する放射要素間の位相の相違ｆ＝帯域の中央に対する周波数 △Ｔ＝隣接する放射要素の間の時間の遅延これらの放射要素42はマイクロウエーブエネルギソー
ス70およびこれらに結合された遅延ユニット72によって
付勢される。各遅延ユニット72は上記（１）および
（２）式に対応して時間を遅延する。上記ソース70は、
このアレイの左端の放射要素42に直接接続され、また次
の放射要素42には１個の遅延ユニットを介して接続され
ている。また、このソース70から供給された信号は、第
３および第４の放射ユニット42に２個および３個の遅延
ユニット72を介して送られるように構成されている。こ
れら線形の位相の相違の関係によって、放射される波面
66の走査角度が与えられる。これら隣接する放射要素42
の間の位相の相違は、周波数および遅延の相違に比例す
る。この相違が360゜の場合には、波面はその放射要素
のアレイに対して直角となる。この周波数を増大させる
と位相のずれが大きくなり、波面は第５図の垂直線68の
右側に傾き、また周波数が減少するとこの波面は垂直線
の左側に傾斜する。したがって、この波面はこの放射要
素42のアレイに対称に走査される。以上の説明は、アップリンクおよびダウンリンクの周
波数帯域の場合で、また放射要素42の直径が約１波長の
場合であるが、地球60の表面に地上局が均一に配置され
ている場合には、第５図の遅延ユニット72による遅延時
間は185ナノ秒が適当である。東西８゜の範囲をカバー
するには、アップリンクおよびダウンリンクのビーム−
４゜から＋４゜の範囲を走査する。拡大係数を4.7とす
れば、これら放射要素42のアレイ40の走査角度はこの拡
大係数と同じ4.7倍になり、前記の主反射体32から放射
される。したがって、これら放射要素42から放射される
ビームはこのアレイ40の垂直線に対して両側に18.8゜ず
つ走査される。上記の遅延時間が185ナノ秒の場合に
は、このアレイ40の垂直の両側に18.8゜の範囲で走査が
なされる。米国およびカナダの東海岸から西海岸までの
間に地上局が均一に配置されている理想的な場合を考え
ると、１゜あたりのチヤンネル数は1000/8＝125であ
る。上記遅延ユニット72で与えられる遅延が周波数から独
立している場合には、この走査されるビームの方向は上
記地上局が均一に分布している理想的な場合に適するも
のである。地上局が均一に近い状態で配置されている場
合には、走査されるビームは上記の理想的な状態からわ
ずかにずらしてもよい。前述のように、ビームの指向し
ている方向に0.1゜の誤差があっても信号レベルの減衰
は0.01dB以下である。上述の特許出願には、地上局が不均一に配置されてい
る場合には、周波数感応特性のあるデイフアレンシャル
遅延回路を使用することによりこの走査をこの状態に適
合させることが開示されている。たとえば、地上局が不
均一に配置されている場合には、すくなくともダウンリ
ンクにおいて、放射要素42（第４図）のアレイ40の位相
の差を周波数帯域の低周波数端において262ナノ秒から
高周波数端において131ナノ秒の間で変化させる。ま
た、このアンテナシステム30の受信装置では、アップリ
ンクにおいて異なる遅延特性を与え、異なるビーム形成
作動をさせる。異なる周波数帯域いわゆるアップリンクおよびダウン
リンク周波数帯域において使用させる遅延の値は、上記
（１）および（２）式の帯域の中央周波数に対して逆に
比例する。遅延の値を減少させることにより、ビーム間
の位相変化が減少し、これに対応して地球60の表面上で
のひとつのチヤンネルから次のチヤンネルへのビームの
移動が少なくなる。よって、地上局の密度が高い地域に
おいて、このビームの位置の精度が高くなる。また、こ
の遅延の値を大きくすれば、周波数がひとつのチヤンネ
ルから次のチヤンネルに変化する際のビームの移動量が
大きくなり、地上局の密度の低い地域に適応する。この
チヤンネルの数は、アップリンクおよびダウンリンクの
帯域の周波数に対応する。第４図に関連して説明したよ
うに、地球60の広い範囲にわたる円弧線に沿って地上局
が配置されている場合には、これら地上局の配置に対応
周波数を選定する。以上、静止衛星と地上局との間で２方向の通信をおこ
なう通信システムについて説明した。各地上局の周波数
の割当ては、この衛星24のアップリンクおよびダウンリ
ンクの両方を組合わせておこない、このシステムの回路
が簡単となうように構成する。さらに、共焦点の２個の
放物反射体を使用したことにより、増加率が得られ、こ
のアレイの放射要素の数を減少させることができる。ま
た、ビームを走査させたことにより、反射体の数を減少
させ、このアンテナシステムの寸法を小さくし、また重
量を軽減し、この衛星通信システムを効率的なものとす
ることができる。しかし、上述したような共焦点反射体を用いたシステ
ムは、商業用のシステムとしては技術的な問題がある。
すなわち、衛星の大きさからの制約により、効率を向上
させるためにこの副反射体を（波長の点から考慮して）
充分に大きくできない。この寸法の制約はもちろん主反
射体や焦点距離についても制約となる。したがって、上記の衛星通信システムにおいてさらに
重量を軽減し、また構造を簡単にするために、上記のよ
うな副反射体を省略し、また放射要素の数を少なくする
ことが要望されている。また、複数の独立した並列に作
動される増幅器からの出力信号を結合して各放射要素ま
たは各放射要素の小さなグループに供給し、地球上の任
意の地球により強いスポットビームを放射できるように
することが好ましい。さらに、多くの放射要素がこのア
ンテナシステムの送信および受信要素として共通して使
用できるように構成し、この衛星通信システムのアンテ
ナシステムの重量およびスペースを節減し、コストを節
減することが望ましい。本発明は以上の要望を達成し、
また他の目的を達成するものである。発明の概要本発明は以上の事情に基づいてなされたもので、本発
明の実施例によれば、本発明の改良されたアンテナシス
テムは少なくとも１個の焦点を有した１個の反射体と、
複数のフイード要素を有する１個のアンテナアレイを備
えている。そして、このアンテナシステムはビーム形成
信号を発生させるビーム形成手段を備えているととも
に、上記のアンテナアレイに接続され、これらに供給す
る入力信号の振幅および位相の分配を空間的に変換する
手段を備え、上記の反射体が作動位置にある場合に、上
記フイード要素が上記反射体の焦点の近傍に配置される
ようにこれらアンテナアレイおよび反射体が相対的に位
置決されるように構成されている。この空間的な変換
は、フーリエ変換または逆フーリエ変換の変換グループ
のいずれかから選択される。この変換は、複数の入力ポ
ートおよび出力ポートを有するバトラーマトリクスを備
えた手段によってなされる。これらアンテナアレイおよ
びバトラーマトリクスは、送信および受信の両方に使用
することが好ましい。このアンテナシステムを受信に使
用する場合には、上記反射体によって収束された電磁波
がフイード要素によって受けられ、入力信号として空間
変換手段に送られ、逆フーリエ変換される。また、この
アンテナシステムを送信に使用する場合には、上記変換
手段によって発生された信号がアンテナアレイに供給さ
れ、この場合の変換はフーリエ変換である。またこの送
信の場合には、上記のバトラーマトリクスの入力ポート
に一連の信号を供給する手段を備え、この信号は入力ポ
ートから出力ポートに対して所定の位相関係を有してい
る。また、本発明のアンテナシステムは、衛星と地上局と
の間の通信に使用されることが好ましい。このような場
合には、この反射体とアンテナアレイを保持する衛星の
フレームを備えている。この反射体とアンテナアレイ
は、この反射体が展開された状態において、上記アレイ
から放射された操向可能な電磁波のビームが上記の反射
体によって反射されるような位置関係に配置されてい
る。また、本発明はこのような操向可能なビームアンテナ
システムを作動させる方法にも関し、この方法は、
（ａ）伝送すべき情報を含んだ互いに所定の位相関係に
ある一連の第１の信号を発生させる工程を備え；（ｂ）
この第１の信号を振幅および分布について空間変換して
一連の第２の信号を発生させる工程を備え；（ｃ）反射
体の焦点の近傍にある放射要素を介してこの第２の信号
をこの反射体に向けて伝送する工程とを備えている。ま
た、この方法ではさらに、（ｄ）バトラーマトリクスに
よって上記第１の信号から第２の信号を発生させる工程
を備え、この場合の空間変換はフーリエ変換である。この方法は、このアンテナシステムに関連した操向可
能なビームによって複数の地上局との間で通信をおこな
う衛星通信システムの場合に適する。また、本発明の別の特徴としては、反射体と複数の放
射要素からなるアンテナアレイを備え、このアレイによ
って電磁波が発生されて上記の反射体によって反射さ
れ、このビームが操向され、また複数の出力増幅器を備
え、その出力信号は同時に上記放射要素に並列に供給さ
れるような改良されたビームアンテナシステムを提供す
るものである。本発明の実施例では：増幅器と放射要素
との間に配置された手段を備え、この手段は出力信号の
周波数に対応した所定の方法でこの出力信号を複数の放
射要素に分配し、これによって出力信号が効果的に結合
される。このアンテナシステムの変換はバトラーマトリ
クスによっておこなうことが好ましい。このアンテナシ
ステムは、１個の反射体とその焦点の位置に配置された
複数の放射要素からなるので、その製造が経済的であ
る。本発明の上記および他の特徴、目的、以下の図面を参
照した詳細な説明および請求の範囲によって明白となる
であろう。図面の簡単な説明第１図は、アレイ、主反射体および副反射体を備えた
通信衛星の側面図；第２図は、第１図の衛星の矩形のアレイの正面図；第３図は、六角形のアレイを備えた第１図のアンテナ
システムの正面図；第４図は、第１図の衛星から地球表面に形成されるス
ポットビームを説明する概略図；第５図は、アレイの放射要素と放射される波面との関
係を示す概略図；第６図は、衛星用の本発明のアンテナシステムの概略
図；第７図は、２重ラインシステムを示す概略図；第８図は、本発明のアンテナシステムに使用される４
ポートのバトラーマトリクスの電気的な概略図；第９図は、第８図のバトラーマトリクスのＡ´,B´,C
´,D´の各ポートに所定の入力信号が与えられた場合に
おけるこの入力位相、およびポートＡの出力信号の振幅
の関係を示す線図；第10図は、第８図のバトラーマトリクスに所定の入力
信号が与えられた場合におけるこの入力位相、および出
力信号の振幅の関係を示す線図；第11図は、本発明のアンテナシステムにおけるダイプ
レクサおよび送信および受信の両方に使用されるバトラ
ーマトリクスを示す概略的なブロック線図；第12図は、本発明の時間遅延と周波数に対応した位相
シフトによってポート間で受信信号の位相差を生じさせ
る本発明の受信回路の実施例の概略図；第13図は、第12図と同様な機能の本発明の送信回路の
実施例の概略図；第14図は、別の周波数の複数の信号を同時に伝達する
本発明のデユアル周波数デユアル信号伝達回路のブロッ
ク図である。好ましい実施例の詳細な説明本発明は、広い地域にわたって配置された複数の地上
局と通信するためのアンテナシステムに関するものであ
る。以下の説明は上記のものについての説明であるが、
当業者であれば、各種の適用および使用に応じて本発明
を適用できる。当業者であれば、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲で各種の変更が可能である。よって、本発明は
以下の実施例に限定されるものではなく、以下の説明の
広い原理に含まれるものである。第６図には、本発明のアンテナシステム80を示し、こ
のアンテナシステムは主反射体32および複数の放射要素
42（または52）からなるアレイ40（または50）を備え、
これらは前記第１図ないし第５図に示したものと同様の
ものである。このアンテナシステム80は衛星24フレーム
44に保持されている。本発明のアンテナシステム80で
は、（前記第１図および第３図に示したような）副反射
体34が省略されており、オフセット形の反射体32の焦点
および焦点面48（またはその近傍）には複数の放射要素
42（または52）すなわちフイードホーンからなるアレイ
40（または50）が配置されている。このアレイ40（また
は50）はバトラーマトリクス82から構成され、このバト
ラーマトリクスはこの種のビーム形成マトリクスの通常
の使用形態に対して「後方」となるように配置されてい
る。このバトラーマトリクスをこのように使用すること
により、このアンテナシステム80に励起のシーケンスが
生じ、第１図ないし第５図のアンテナシステム30のビー
ム形成アレイに入力の励起とシーケンスの空間フーリエ
変換がなされる。このような方法によって、前記の共焦
点のアレイおよび反射体によってより良い電界パターン
が形成される（理想的な場合）。しかし、実際の場合に
は、この共焦点に配置されるアレイの物理的な大きさや
誤差の影響で、上記のような理想的な状態は達成するこ
とが困難である。第６図に示すようなアンテナシステム80の作用を理解
するために、前記した第１図および第３図に示すような
反射体の光学的な同等のモデルについて説明する。第７
図には、前記のアンテナシステム30と同等な光学モデル
90を示し、このものは前記主反射体32および副反射体34
にそれぞれ対応した２個のレンズ92,94を備えている。
この焦点48を含む直線96によって焦点面ｘ´が規定され
る。このレンズ92の焦点距離をF2、レンズ94の焦点距離
をF1とすると、この第７図のシステム90の拡大率Ｍは次
の式によって与えられる：Ｍ＝F2/F1 （３）ここで、直線98によって規定される像の面ｘ上の像の
振幅および位相分布Ｆ（ｘ）は、レンズ92,94によって
拡大された直線100によって規定される面ｘ″の上の倍
率であり、ｆ（ｘ″）＝ｆ（Mx）（４）となる。このように光学的な原理により、焦点面ｘ´上
の像の振幅および位相分布は、上記面ｘ上の像の振幅お
よび位相分布を空間フーリエ変換したものとなる。よっ
て：ｆ（ｘ´）＝Ｆ［ｆ（ｘ）］（５）となる。上記の第１のレンズを省略することにより、ｆ
（ｘ）が直接焦点面ｘ´上に形成され、面ｘ″上には同
じ振幅および位相分布が得られる。本発明のアンテナシ
ステム80はこのような原理に基づいている。第６図に示すように、このシステム80にはバトラーマ
トリクス82が設けられ、ブロック84内のトランスミッタ
によって発生される励起シーケンスが空間フーリエ変換
される。なお、受信の場合には、反射体32によって反射
されたアンテナアレイ40（または50）放射要素42（また
は52）によって受信されたビームは、このバトラーマト
リクス82によって空間逆フーリエ変換F^-1［ｆ
（ｘ″）］がなされ、ブロック84のレシーバに送られ
る。第８図には、４つの入力と出力を有する４ポート形の
バトラーマトリクス110を示す。このバトラーマトリク
ス110は、４個の90゜フエーズリードハイブリッド112
と、２個のネガテイブ45゜位相シフタ114を備えてお
り、これらは図示するように４つのポートを２組にして
互いに接続されている。この４ポート形のバトラーマト
リクス110は従来から公知のように、任意の数のポート
を備えたバトラーマトリクスとして設計することができ
る。この点に関しては、このバトラーマトリクスの設計
技術が進歩しており、たとえば「アンテナおよび伝
送」、Vol.AP−29,pp.No.3,1981年５月３日、にIEEEの
翻訳になるM.Uenoの「FFTアルゴリズムに適用されるバ
トラーマトリクスのシステム設計手法」なる記事があ
る。このマトリクスの別の使用例としては、ポートA,B,
C,Dを入力ポート、ポートＡ´,B´,C´,D´を出力ポー
トとして、反射体を使用しないアンテナシステムの放射
要素を取付けたものがある。本発明のアンテナシステム
80では、このポートＡ´,B´,C´,D´を入力ポートと
し、またポートA,B,C,Dを出力ポートとして使用してい
る。このアンテナシステム80では、トランスミッタとし
てポートＡ´,B´,C´,D´に一連の信号が供給され、こ
れらの信号のポート間の位相関係は周波数の関数に対応
している。平面状のアンテナアレイに同じ信号が供給さ
れた場合には、周波数が相違する毎に別々のスポットビ
ームが別々の方向に形成される。ビーム連続の原理か
ら、最も近い周波数から最も高い周波数のスポットビー
ムによって規定される全体のビーム幅は見掛けのビーム
と称されている。異なる位相分布によって、これらの異
なる周波数はマトリクス110によって結合され、異なる
出力スポットに統合的または分離的に結合される。これ
により、各周波数において、出力ポートA,B,C,Dにおい
て信号のアレイに見掛けの位相の中心が形成される。す
なわち、ポートA,B,C,Dにそれぞれ接続されている放射
要素42（または52）からなるアンテナアレイ40（または
50）の位相中心は、周波数の関数に対応して走査され
る。特定の周波数が与えられることによって、ひとつの
ポートからひとつの信号が出力され、すなわちポートの
間に形成される空間位相中心に対応した振幅と位相の２
またはそれ以上の信号が出力される。第９図の曲線120は、第８図のマトリクス110の入力ポ
ートＡ´,B´,C´,D´に一連の入力信号が供給された場
合にこれらに対応したのポートＡの信号の振幅の変化を
示し、これらは次の式で表わされる。 x_n（ｔ）＝sin（ωｔ＋ｎΨ）ｎ＝0,1,2,3 （６）ここで、Ψは０から2pi.まで変化する（通常の周波数
走査技術では、この入力位相値Ψは周波数の関数でかつ
定数は不要である）。上記のポートＡ´はｎ＝０に相当
し、またポートＢ´はｎ＝１に相当する。なお、この場
合の位相分布の最大信号レベルはポートＡに発生する。
第10図には、上述と同じ信号シーケンスがマトリクス11
0に与えられた場合のすべてのポートの出力信号の強さ
を示す。曲線122,124、および126は、それぞれポートB,
C,およびＤの出力信号を示す。なお、これら各ポートの
最大出力値は入力位相値Ψによって相違する。また、あ
るポートが最大振幅の場合には他のポートの出力は零で
ある。たとえば、ポートＡに対応した曲線120で見る
と、これが最大値128の場合には他の曲線122ないし126
は最低値130である。さらに詳細に説明すると、バトラ
ーマトリクス（第11図に示すような）が設けられたアン
テナアレイでは、その位相中心はΨの関数でこのアレイ
40（または50）の長さ方向に走査される。このバトラーマトリクスを用いたアンテナシステムの
特性は、放射要素の数に影響される。これら放射要素の
数が多い程、入力および出力信号のシーケンスの空間サ
ンプリングが良くなる。よって、ポートの数の少ないバ
トラーマトリクスでは、これを通過する信号のフーリエ
変換（または逆フーリエ変換）の近似の程度が粗くな
る。また、このポートの数が多くなれば、この変換の精
度は向上する。第11図には、送信および受信のサブシステムを備えた
本発明のアンテナシステム138に使用されるバトラーマ
トリクス110の詳細を示す。このアンテナシステム138に
はフイード要素すなわちホーン142からなるアレイ140を
備えており、これらは発信要素および受信要素の両方に
使用される。これらホーン142は、一波長の直径のカッ
プダイポール形等、従来公知の適当な形式のものが使用
される。実際には、これらホーン142は前述の放射要素4
2（または52）と同様な態様で作動され、第６図の配置
と同様にオフセット形の反射体32の焦点面のごく近傍に
配置される。このアンテナシステム138におけるビーム形成信号を
出力するためのビーム形成手段は、ダイプレクサ146の
グループ144と、受信回路148、および送信回路150を備
え、これらは導波管のグループ152,154によって上記の
ダイプレクサ146の接続されている。これらのコンポー
ネントは、従来公知の適当な形式のものである。上記ダ
イプレクサ146に関しては、T.HudsepthおよびH.Keeling
の出願になる名称「マイクロウエーブ・ダイプレクサ」
なる米国特許No.4,427,953がある。このダイプレクサ14
6は、アップリンク周波数帯域の受信信号（アンテナア
レイ140で受信され、マトリクス110に送られ、導波管の
グループ154で伝送された信号）を受信回路148に送るも
のである。同様に、このダイプレクサ146は、ダウンリ
ンク周波数帯域の信号（送信回路150で発生され、導波
管のグループ154で伝送される信号）をバトラーマトリ
クス110に送り、さらに導波管のグループ158を介してア
ンテナアレイ140に送るものである。なお、第11図に示
すように、このバトラーマトリクスのポートB,Cは、周
波数の変化に対する見掛けの位相中心の走査が連続する
ように互いに反転されている。これによって、上記のポ
ートＢは導波管158bを介してホーン142cに接続され、ま
たポートＣは導波管158cを介してホーン142bに接続され
ている。このポートＢおよびＣの信号を反転させる理由
は、第10図の曲線122および124から明らかなように、こ
れらポートＢおよびＣの出力信号を、ポートＡおよびＤ
の出力信号に対してその最大および最少の入力位相値Ψ
を逆転させるためである。２個の180゜位相シフタ159a
および159bによって、このバトラーマトリクスの作動に
よるポートＡおよびＢの出力信号の逆転は補正される。第12図には、第11図に示したアンテナシステム138の
受信回路148の実施例のコンポーネントと信号の経路を
示する。この受信回路148は、導波管152から供給される
受信信号を増幅する増幅器162のグループ160と；上記増
幅器162からの受信信号の搬送周波数を中間またはベー
スバンド周波数帯域に減少させる周波数変換器166のグ
ループ164と；サイドロープおよび所定の周波数帯域外
の周波数成分を排除する４個のバンドパスフイルタ170
のグループ168と;3個のシフト発生要素174からなるグル
ープ172を備え、これらは互いに接続され、出力ポート1
76にベースバンド信号を発生させる。これらシフト発生
要素174は、時間遅延要素または周波数対応位相シフタ
のいずれでもよい。その受信回路148は、各アップリン
ク通信チヤンネルに同調されており、複数の地上局から
の信号を同時に受信することができる。また、第13図には、第11図の送信回路150を示す。こ
の送信回路150は：シフト発生要素182のグループ180
と；導波管188のグループの信号の搬送周波数をより高
い周波数帯域まで増加させる４個の周波数シフタ186の
グループ184と；周波数変換器186で生じた所定の周波数
帯域外の不所望の信号を排除するバンドパスフイルタ19
2のグループ190と；導波管のグループ154からの信号を
増幅する増幅器196のグループ194とを備えている。この
送信回路150は、出力ポート198から信号を出力する。また第12図および第13図には、時間遅延または周波数
対応位相シフトによって周波数の関数としてポート間の
入力位相値Ψを発生させる方法が示されている。これは
第12図に示すシフト発生要素174および第13図に示すシ
フト発生要素182によってなされる。時間遅延または位
相シフトがベースバンド（または中間周波数）に導入さ
れ、周波数変換器186によって所定の周波数帯域に周波
数が上げられ、並列に周波数変換をなすためにこれら信
号が導波管のグループ188に送られることが示されてい
る。このような作用は、特定の周波数によって、導波管
のグループ154を介してバトラーマトリクス110に供給さ
れる一連の信号に所定の位相分布が生じるとによってな
される。このような方法は、本明細書の背景の項で記載
したように、たとえばMSATシステムにおいては有効であ
る。このMSATシステムの衛星は、866から870MHzのUHF帯域
で通信をおこなうものである。この位相の変化は第12お
よび第13図に示すように時間遅延によってなされ、入力
位相値をラジアンで表わした場合に次の式によって計算
される： △Ψ＝n2πｆτ （７）第８図に示すようなバトラーマトリクス110を用いて
充分に広い範囲のビーム走査をおこなうには、広い範囲
の位相分布が必要になる。第11図に示すようにアンテナシステム138において必
要な時間遅れまたは位相シフトを求めるには、位相分布
を最適な範囲に選定し、時間遅延または位相シフト装置
を使用してこの帯域で所定のバンド幅が得られるような
周波数を選択する。たとえば、第８図に示すようなバト
ラーマトリクス110では、入力位相入分布幅がπ/4から
７π/4ラジアンの間でこのアンテナアレイの位相中心の
最良の走査が得られる。このためには、時間遅延を使用
することが簡単である。この設定は、 π/4＝２πf₁τ （８）および７π/4＝２πf₂τ （９）であり、よって τ＝７π/8πf₂＝π/8πf₁ （10）または f₂/f₁＝７（11）となる。これらの関係を総合すると、 f₂−f₁＝4MHz （12）となる。すなわち、MSAT衛星のダウンリンク通信のバン
ド幅は、f₁＝666.7×10³Hzおよびf₂＝4.6667×10⁶Hzで
ある。また、中間周波数帯域で所望の範囲の位相分布を
得るためには、 τ＝1/（8f₁）＝187.5x10^-9秒である。中間周波数帯域でこの時間遅延で作動させると、この
信号のバンド幅によって位相の関係に対応したポート間
の所定の周波数が発生する。一連の信号の各信号は、こ
の中間周波数帯域の時間遅延によるポート間の位相の関
係を変化させることなく、周波数を所定の周波数帯域ま
で（並列に）周波数変換することができる。異なる時間遅延および異なる中間周波数を使用する
と、異なる送信装置（または異なる受信装置）からの信
号は、同じバトラーマトリクスを使用して接合すること
ができ、この送信装置が異なる周波数および異なるバン
ド幅で作動したとしても、同じタイプのアンテナパター
ンが得られる。以上説明したような技術を使用して、異
なるバンド幅の異なる信号を使用して位相分布の範囲の
同じ一連の入力信号を発生させることができる。これら
複数組の信号の組合わせをバトラーマトリクスに供給
し、１個のアンテナアレイに供給することにより、両方
の信号のバンド幅で同じ周波数走査された複数の見掛け
のビームパターンを発生させることができる。このよう
なビームパターンを発生させるためのビーム形成手段の
構成は第14図に示し、このものはデユアル周波数伝送回
路210を備え、異なる周波数帯域の２組の出力信号を発
生させることができる。この回路210は、第１の周波数回路部212と第２の周波
数回路部214を備え、また共通回路部216を備えている。
上記回路部212は３個のシフト発生装置182のグループ18
0と、複数の周波数トランスレータ186からなるグループ
184とを備え、こられは前記の第13図の場合と同様に、
周波数に対応して位相シフトされた信号を出力する。上
記回路部214はシフト発生装置224からなるグループ222
と、周波数トランスレータ装置228からなるグループ226
とを備え、上記回路部212で発生される周波数帯域とは
異なる帯域の１組の信号を発生する。上記のシフト発生
装置182,224としては、時間遅延ユニットまたは周波数
感応性の位相シフトユニットが使用される。また、上記
の回路部216は；和発生要素すなわちミキサ232からなる
グループ230（これらは、上記回路部212および214から
導波管234,236を介してこのミキサ232に送られる異なる
２組の信号を結合するものである）と；バンドパスフイ
ルタ192のグループ190と；増幅器196のグループ194とか
ら構成されている。この回路210の各要素は、第14図に
示すように接続され、異なる周波数帯域の２組の信号を
結合し、増幅し、導波管のグループ154を介して第11図
に示すアンテナシステム138の他の部分に送る。上記のシフト発生ユニット182,224は従来の一括パラ
メータ・オールパス回路が使用される。これらのユニッ
トは第13図および第14図の増幅器196の上方に配置さ
れ、比較的小さな電力で作動し、電力損失を少なくす
る。上述の本発明の実施例は、複数の移動地上局との間で
所定のＬバンド周波数で送信および受信をおこなう移動
衛星通信システムである。このような分野では、本発明
はたとえばＣまたはKuバンドの周波数の衛星通信システ
ムにも適用できる。本発明の主反射体の寸法、アンテナ
アレイの形式および配置、送信および受信回路は本発明
の要旨を逸脱しない範囲で各種変更することができる。
たとえば、送信および受信を別々のビーム走査フイード
ホーンでおこなうこともできる。また、従来公知のスク
リーン形のダイプレクサをアンテナアレイと反射体との
間に配置し、入射した電磁波を偏向させ、第１のアンテ
ナアレイの面と角度をもって配置された別の受信アレイ
に導くこともできる。このようなものでは、別々の受信
および送信アンテナアレイを備えている。ただし、この
後者の実施例は、２個の主反射体を必要とするので、重
量およびコストの面で衛星のアンテナシステムとしては
好ましくはない。しかし、この実施例のものは、地上お
よび海上移動体の通信システムとしては適している。以上説明したように、本発明のアンテナシステムは静
止衛星と地上局との間の通信システムに適している。本
発明のアンテナシステムは、複数の増幅器から同時かつ
並列に送られる複数の出力信号を効率的に結合する点で
優れている。また、１個の反射体をバトラーマトリクス
等の空間変換手段を通して使用し、本明細書の背景の項
で説明した放射要素の実効開口の拡大ができる共焦点反
射体を使用したシステムと同等の性能が得られる。ま
た、本発明のアンテナシステムは、副反射体を必要とせ
ず、また放射要素の数を増やす必要もないので、重量、
大きさ、コストが低減され、また本発明のアンテナシス
テムのように走査ビームを放射するものでは、このよう
に放射要素や反射体の数が少なくてすむことはこのアン
テナシステムの寸法を小形化する上で有効である。さら
に、ベースバンドまたは中間周波数において時間遅延や
位相シフトを利用するので、複数の伝送回路からひとつ
の放射要素アレイで周波数の異なる同じアンテナパター
ンを得ることができる。よって、本発明のアンテナシス
テムは、ビームの走査範囲内に広く分布した別々の地上
局との間で複数の２方向のチヤンネルで同時に通信をお
こなう衛星通信システムに適するものである。以上説明した実施例は本発明を説明するためのもの
で、当業者であれば本発明の要旨を逸脱しない範囲で各
種の変更を加えることができる。よって、本発明は上記
の実施例には限定されず、本発明は請求の範囲によって
規定される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者マーフィー、テイモシー・エーアメリカ合衆国、カリフォルニア州 90278，レドンド・ビーチ、バンダービルト・ナンバー 20 2723 (56)参考文献特開昭60−74701（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−18004（ＪＰ，Ａ) 米国特許4122453（ＵＳ，Ａ) 米国特許4228401（ＵＳ，Ａ) 米国特許3710281（ＵＳ，Ａ) ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｐａｃｅｃｒａｆｔａｎｄＲｏｃｋｅｔｓ，ｖｏｌｕｍｅ 17，ｎｏ．１Ｊａｎｕａｒｙ／Ｆｅｂｒｕａｒｙ 1980 Ｐ．９ −14

Claims

(57)【特許請求の範囲】１．電磁放射のビームをその周波数に対応して操向可能
なアンテナシステムであって：少なくとも一つの焦点を有する反射体を備え；また、複数のフイード要素を有するアンテナアレイを備
え；上記のアンテナアレイのフイード要素は、その作動位置
において上記の反射体の略焦点の位置に配置されてお
り；また、入力信号の振幅および位相の分布に対応した空間
変換をおこなうバトラーマトリクスを備え；上記のバトラーマトリクスは、複数の入力ポートおよび
出力ポートを有しており；また、上記のバトラーマトリクスの出力ポートは、上記
のアンテナアレイのフイード要素に接続されており；また、下記の式 Xn（ｔ）＝sin（ωｔ＋ｎψ）ｎ＝0,1,2,3 ここで、ｎは上記の一組の信号のうちの各信号の相対的
な信号を表し、また、ω/2piは上記の一組の信号の搬送
周波数または中間周波数を表し、また、上記のψは、上
記のバトラーマトリクスの入力ポートに入力される一組
の信号の０から2piまでの範囲にある入力位相値であ
り、また、ここでこの入力位相値は周波数ω/2piの関
数、に対応した所定の位相関数を有する一組の信号を発生す
るシフト発生要素を備えていることを特徴とするアンテ
ナシステム。２．前記のシフト発生要素は、時間遅延回路であること
を特徴とする請求の範囲第１項のアンテナシステム。３．前記のバトラーマトリクスは、フーリエ変換または
逆フーリエ変換をおこなうものであることを特徴とする
請求の範囲第１項または第２項のアンテナシステム。４．前記の各フイード要素はフイードホーンであること
を特徴とする請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか
１のアンテナシステム。５．前記のフイード要素は六角形のパターンで配置され
ていることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第４項
のいずれか１のアンテナシステム。６．前記の反射体およびアンテナアレイは衛星のフレー
ムに取り付けられていることを特徴とする請求の範囲第
１項ないし第５項のいずれか１のアンテナシステム。７．前記のシフト発生要素を構成する第１の信号発生手
段を備えており、この信号発生手段は、第１の呼び周波
数を有する第１の信号から、互いに位相がシフトされた
第２の信号の第１の組を発生させるものであることを特
徴とする請求の範囲第１項ないし第６項のいずれか１の
アンテナシステム。８．前記の第１の信号発生手段は複数の周波数変換手段
を備えており、これらの周波数変換手段は、前記の第２
の信号が前記のバトラーマトリクスに送られる前にこれ
ら第２の信号の組を所定の周波数に変調するものである
ことを特徴とする請求の範囲第７項のアンテナシステ
ム。９．前記の第１の信号発生手段は複数の信号経路を備
え、これら各経路は発生される各信号に対応しており、また、上記の各信号経路には増幅器が備えられているこ
とを特徴とする請求の範囲第７項または第８項のアンテ
ナシステム。１０．前記の各信号経路は、前記の振幅器と直列に配置
されたバンドパスフイルタを備えていることを特徴とす
る請求の範囲第９項のアンテナシステム。１１．前記の各シフト発生要素は、これらのシフト発生
手段と前記のバトラーマトリクスの一つの入力ポートと
の間に直列に配置された前記の一つのバンドパスフイル
タと一つの増幅器で少なくとも一部が形成された信号経
路に接続されていることを特徴とする請求の範囲第10項
のアンテナシステム。１２．第２の信号発生手段を備え、この信号発生手段
は、前記の第１の呼び周波数と異なる第２の呼び周波数
を有する第３の信号から、第２の信号の第２の組を発生
させ、この信号を前記のバトラーマトリクスに送り、上
記の第３の信号に含まれている情報を周波数走査される
仮想ビームの一部として伝送することを特徴とする請求
の範囲第７項ないし第11項のいずれか１のアンテナシス
テム。１３．前記のバトラーマトリクスに送られる前に、前記
の第２の信号の第１の組および第２の組の総和を求める
総和積算手段を備えていることを特徴とする請求の範囲
第12項のアンテナシステム。１４．前記の総和積算手段は、複数の総和発生要素を備
え、また前記の第１の信号発生手段および第２の信号発
生手段は複数のバンドパスフイルタと変調増幅器とを備
えており、また上記の各総和発生要素は、これら総和発
生要素と前記バトラーマトリクスの一つの入力ポートの
間に直列に接続されている前記のバンドパスフイルタお
よび変調増幅器とで少なくとも一部が構成される信号経
路に接続されていることを特徴とする請求の範囲第13項
のアンテナシステム。１５．前記の第１の信号発生手段および第２の信号発生
手段は、複数の周波数変換手段を備え、関連した第２の
信号の組を前記の総和発生要素に送る前に所定の周波数
に変調することを特徴とする請求の範囲第12項ないし第
14項のいずれか１のアンテナシステム。１６．周波数操向ビームアンテナを作動させる方法であ
って、下記の式 Xn（ｔ）＝sin（ωｔ＋ｎψ）ｎ＝0,1,2,3 ここで、ｎは第１の組の信号のうちの各第１の信号の相
対的な信号を表し、また、ω/2piは上記の一組の信号の
搬送周波数または中間周波数を表し、また、上記のψ
は、伝送すべき情報を含んだ第１の信号の組の０から2p
iまでの範囲にある入力位相値であり、また、ここでこ
の入力位相値は周波数ω/2piの関数、で与えられる位相関係を互いに有する第１の信号の組を
形成する過程を備え、また、バトラーマトリクスによって上記の第１の信号の
組の振幅および位相の分布に対応した空間変換をおこな
うことにより、上記の第１の信号の組から第２の信号の
組を発生させる過程と、上記の第２の信号の組を、作動位置における反射体の略
焦点位置に配置された複数のフイード要素を介して上記
の反射体に送る過程、とを具備したことを特徴とする方法。１７．前記の反射体は、衛星上に設置された主反射体で
あることを特徴とする請求の範囲第16項の方法。１８．前記の空間変換は、フーリエ変換であることを特
徴とする請求の範囲第16項または第17項の方法。１９．前記の第１の信号の組を形成する過程は：ベースバンド信号を形成する過程と；上記のベースバンド信号に複数の時間遅延を導入して少
なくとも複数の前記第１の信号を形成する過程；とを備えていることを特徴とする請求の範囲第16項ない
し第18項のいずれか１の方法。２０．前記の第１の信号の組を形成する過程は：ベースバンド信号を形成する過程と；上記のベースバンド信号に複数の周波数に対応した位相
シフトを導入して少なくとも複数の前記第１の信号を形
成する過程；とを備えていることを特徴とする請求の範囲第16項ない
し第18項のいずれか１の方法。２１．前記の第２の信号を発生する前に、前記の第１の
信号の組を第１のより高い周波数帯域に並列に周波数変
換する過程を備えたことを特徴とする請求の範囲第16項
ないし第20項のいずれか１に記載の方法。２２．下記の式 Xn（ｔ）＝sin（ωｔ＋ｎψ）ｎ＝0,1,2,3 ここで、ｎは第３の組の信号のうちの各第３の信号の相
対的な位置を表し、また上記のψは入力位相値、で与えられる位相関係を互いに有する第３の信号の組を
形成する過程を備え、また、バトラーマトリクスによって上記の第３の信号の
組の振幅および位相の分布に対応した空間変換をおこな
うことにより、上記の第３の信号の組から第４の信号の
組を発生させる過程と、上記の第４の信号の組を、前記第２の信号が通過するの
と同じ複数の放射要素を介して上記の反射体に送る過程
と、前記の第４の信号を発生する前に、前記の第３の信号の
組を前記の第１の周波数帯域とは相違した第２の高い周
波数帯域に並列に周波数変換する過程とを備えたことを
特徴とする請求の範囲第16項ないし第21項の方法。２３．前記のアンテナシステムのバトラーマトリクス
は、前記の第１および第３の信号の組から同時に第２お
よび第４の信号の組を発生させる第１および第３の信号
の共用のものであることを特徴とする請求の範囲第22項
の方法。