JP2887423B2 - 多重、周波数アドレス可能な走査ビームを生成する方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、通信衛星システム、特
に人工衛星と地球領域をカバーする複数の通信位置の間
で送受信するために使用された電磁エネルギの周波数ア
ドレス可能なビームを形成する方法および装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来電磁エネルギの周波数アドレス可能
なビームは各ユーザの位置に適した通信信号のビームを
供給するために使用された。そのようなシステムは周波
数走査アンテナシステムと呼ばれ、形成される各仮想ビ
ームの位置はユーザの周波数によって決定され、ユーザ
周波数はアンテナの視界中の領域にわたって広がってい
る。ビームは地球領域にわたって東から西へ走査され、
例えばこのように形成された仮想ビームのキャリア周波
数が増加する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】所定の周波数範囲を再
利用するとき、各ユーザ位置における十分な利得を与え
るために、多重走査ビームを以下詳細に記載されるよう
に所定の地球領域をサービスするように使用することが
提案された。しかしながら、そのような多重ビームを生
成するために、多重アンテナアレイを使用することが必
要であり、地球の必要なカバー範囲を得るために恐らく
１個より多くの人工衛星を必要とする。

【０００４】したがって、単一の人工衛星に配置された
単一アンテナアレイを使用する多重、周波数アドレス可
能なビームを形成する方法および装置の技術が必要であ
る。本発明は、この必要性を満足させるものである。

【０００５】したがって、本発明の主な目的は、単一ア
ンテナアレイを使用する通信システムに使用される電磁
エネルギの多重、周波数アドレス可能なビームを形成す
る方法および装置を提供することである。

【０００６】本発明の別の目的は、多重アンテナを単一
或いは多重人工衛星に配置する必要なく多重ビームの生
成を許容する上述のような方法および装置を提供するこ
とである。

【０００７】本発明のさらに別の目的は、大きい開口と
周波数の再利用を許容する周波数割当てシステムの使用
を許容する多重ビームアンテナを提供する上述のような
方法および装置を提供することである。本発明のまたさ
らに別の目的は、走査方向に無関係にビームの走査を許
容する上述のような方法および装置を提供することであ
る。本発明の他の目的および利点は以下示される説明に
よって明らかにされるであろう。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の１概念による
と、装置は電磁放射の少なくとも第１および第２の周波
数走査ビームを形成するために設けられ、アンテナ素子
のアレイと、第１および第２の複数のビーム信号をそれ
ぞれ受信する第１および第２の入力と、第１および第２
のビームが目標区域にわたって走査するように周波数の
関数としてビーム信号を遅延させる第１および第２の遅
延手段と、各アンテナ素子が第１および第２の複数のビ
ーム信号を受信するように第１および第２の遅延手段か
らのビーム信号を結合する手段とを具備している。した
がって、ビーム形成装置は独立して目標区域を走査する
多重、周波数アドレス可能なビームを生成する。分離し
て形成されたビームの垂直の照準または間隔を生成する
ために、位相シフト手段がビーム信号の位相をシフトす
るために第１および第２の遅延手段と少なくとも結合手
段の間に設けられ、それによってビームが走査される方
向と垂直の方向において互いのビームの中心間に間隔を
生じる。アンテナ素子はＮ列およびＭ行のアレイで配置
されるのが好ましく、第１および第２の遅延手段はＮ列
のアンテナ素子に動作的に関係するＮ遅延素子をそれぞ
れ含む。結合手段はアンテナ素子にそれぞれ関係し、第
１および第２の複数の遅延されたビーム信号を結合する
ように動作可能な複数の合計装置を含むことができる。

【０００９】本発明の別の概念によると、周波数の関数
として第１および第２の区域にわたって走査される電磁
放射の第１および第２のビームを形成する方法が提供さ
れ、その方法は、第１および第２のビーム信号の組を生
成し、周波数の関数としてビーム信号の時間遅延を導入
し、第１の遅延ビーム信号の組と第２の遅延ビーム信号
の組を結合し、アンテナ素子のアレイに結合された遅延
ビーム信号を伝送するステップを含む。さらに、その方
法は走査方向と垂直の方向に第１および第２のビーム信
号をそれぞれ位置させるために、位相シフトを少なくと
もアンテナ素子に伝送されたビーム信号に導入する。

【００１０】

【実施例】本発明の多重、周波数アドレス可能なビーム
システムを説明する前に、単一、周波数アドレス可能な
または周波数走査ビームの概念を図１を参照に説明す
る。米国22とカナダ24を含む地球上の区域は電磁エネル
ギの周波数アドレス可能なビームによって地球より高い
人工衛星と通信することが望ましい。人工衛星の周波数
走査アンテナ（図示せず）は所望の領域をカバーする複
数の仮想ビームを形成し、そのビームの２つはそれぞれ
20、26として示されている。仮想ビーム20はその中心に
おいて西海岸側ユーザの最も高い密度を有し、東側ビー
ム26も同様にその中心において東海岸側ユーザの比較的
高い密度を有する。ビーム20,26 の同形外周辺はその中
心と比較して３デシベル低下する利得を有することを示
す。上述のように、アンテナは周波数の関数としてビー
ムを走査するように設計されている。提案されたサービ
スに割当てられるべき周波数帯の高いほう、例えば870
メガヘルツにおいて、ビームは西海岸に形成されるのに
対して、周波数帯の低いほう、例えば866 メガヘルツに
おいて、ビームは東海岸に形成される。西海岸ビーム20
および東海岸ビーム26に関係する周波数の間の周波数は
２つのコーストの間の種々の位置に形成される。この仮
想ビーム技術を使用すると、東海岸および西海岸の両者
はビームの中心の近くに位置し、ビームのほぼ最大利得
を受信する。これらのユーザは固定したスポット型ビー
ムを使用する類似の人工衛星から受信するよりも２また
は３デシベル多い電力を受信する。そのような周波数走
査ビームが存在しないと、北米領域のほぼ中間付近で交
差する２個の固定したスポット型ビームを使用すること
が必要である。これらの２個の固定したビームの配置は
利得がビームの中心より３デシベル低いアンテナのビー
ムエッジの所望の領域をほとんどカバーしない。明らか
に、東海岸側および西海岸側のユーザはこれらのビーム
の１個のエッジの近くに位置し、ユーザが受信するＥＩ
ＲＰはビームの中心のユーザよりもほぼ３デシベル低
い。

【００１１】以下詳細に説明されるように、周波数走査
仮想ビームは市場要求に適応するために不均一に国を横
切って通信チャンネルを広げるように配置されることが
可能である。この地理的分布は適した仮想ビーム位置を
妥協することなく達成されることが可能である。

【００１２】周波数走査仮想ビーム技術はＬ帯域サービ
スおよびＵＨＦの両方に使用されることができる。ビー
ムパターンは円形である必要はなく、例えば、ビームは
南北方向よりも東西方向において狭い扇状に形成され
る。

【００１３】上述の周波数走査アンテナは通常よりも高
いアンテナ利得を与えるので、小さい端局への通信能力
を改良することができる。人工衛星からのアンテナビー
ムは東から西へ走査することが可能である。多くのユー
ザが同時にサービスされるとき、アンテナ方向は上述の
ように各ユーザに適合しており、スポット型ビームより
３デシベルの利得改良を許容する。各ユーザに対する適
切な周波数は需要を基準に割当てられる。

【００１４】図２を参照にすると、順次時間遅延は隣接
する素子30間の励起位相差が周波数に比例するようにア
レイに導入されるとき、上述の周波数走査は放射素子30
のアレイを含むプレーナ型アレイアンテナで発生され
る。時間遅延は集中定数パラメータの使用によって最も
都合よく合成される。既知の設計技術を使用する全パス
ネットワークは損失を最小にするために最終電力増幅器
の前方に導入されることができる。

【００１５】図３はＮ列およびＭ行に配置される放射素
子30の４×４アレイを示す。この実施例において、各列
の全４個の素子は同位相にされ、走査のための位相の順
次の変化は列間に導入されると仮定される。例として、
ＵＨＦ移動衛星サービスの場合では、割当てられた周波
数帯はダウンリンクでは866 乃至870 メガヘルツであ
り、アップリンクでは821 メガヘルツである。４メガヘ
ルツの帯域はコンパンド単一側波帯音声通信に対して約
800 個の割当て可能なスロットに細分される。上述の周
波数走査技術を使用すると、これらの800 個の割当て可
能チャンネルは適切な割当ての0.10度内で適用できる。
したがって、ピーク利得からの減少は固定ビームを使用
し、ピーク利得と比較してビームエッジ損失すなわち利
得低下は約3.0デシベルである従来の設計と対照的に0.0
1デシベル以下である。

【００１６】図３において、ビーム信号はビーム形成ネ
ットワークによって生成され、入力33を通って駆動増幅
器34に伝送される。ビーム信号は駆動増幅器34によって
増幅され、増幅された信号はアンテナ素子30の列とそれ
ぞれ動作的に関係する４個の遅延装置36に伝送される。
遅延装置36は順次変化する遅延を信号に導入し、遅延さ
れた信号はアンテナ素子30の列への伝送前に関係する増
幅器38によってそれぞれ増幅される。駆動増幅器34と、
遅延装置36と、電力増幅器38は送信機32を構成してい
る。

【００１７】図４は上述のような周波数走査システムと
共に使用するのに適した受信プレーナ型アレイを示す。
アンテナ40は受信機42に出力を供給するアンテナ素子30
の４×４アレイを含む。アンテナ素子30の各列は信号を
前置増幅器44に出力し、前置増幅した信号は図２に関し
て説明されたような順次変化する遅延を受信信号に導入
する遅延回路46に伝送される。遅延回路46の出力は出力
47にビーム信号を出力する受信機48への入力である。し
たがって、上述の走査ビームアンテナは送信ビームおよ
び受信ビームの両方を走査するように形成されることが
認められる。

【００１８】図５において、典型的な通信衛星50が示さ
れ、本発明の方法および装置が使用されている。通信衛
星50はほぼ円筒形の外体52を含み、その１端部はアンテ
ナおよび反射器システムを展開するために空間に開放さ
れている。アンテナ形態はＬ帯域およびＵＨＦの信号を
それぞれ供給する１対のアンテナフィード60,62 を含
む。フィード60,62 は上述のようなプレーナ型アレイ型
式から構成されることができる。直接放射開口は異例に
多数の素子を要求するので、小さい放物面反射装置58お
よび大きい放物面反射装置54を含む１対の共焦放物面は
小さいアレイ60の外見寸法を拡大するために使用され
る。そのような形態は動作および効果において良く知ら
れているので、その詳細はここでは説明しない。Ｌ帯域
およびＵＨＦの両サブシステムは同じ開口および周波数
走査技術を使用する。大きいアンテナフィードアレイ62
は周波数選択スクリーン56を通過する信号を大きい反射
装置54に画像形成する反射装置64を照明する。周波数選
択スクリーン56はダイクロイック特性によってＬ帯域信
号を反射するので反射装置として機能するが、またＵＨ
Ｆ信号を通過させる。フィードネットワークおよび共焦
反射装置の全てはペイロード区画にしっかり取付けら
れ、必要な取付け構造体は図５において簡明にするため
に図示されていない。主反射装置54および周波数選択ス
クリーン56のみは軌道の動作可能な位置への宇宙船の発
射の際に折畳まれた位置から展開されることが必要とさ
れる。

【００１９】図６を参照にすると、多数の副帯をそれぞ
れ含む８個の周波数走査ビーム66-80 が生成される。こ
れらの８個の周波数走査ビーム66-88 は米国およびカナ
ダをカバーする。ビームは所定の組の周波数が同じビー
ムと重複したり或いは同じ周波数が接近して妨害を生じ
ないで再利用されるように周波数に関して配置される。
例えば、ビーム66はフロリダでは最低周波数副帯（１）
を使用し、南カリフォルニアでは最高副帯（７）を使用
する。中間の周波数、すなわち帯域（３）と（４）はテ
キサスをカバーするように使用される。同様に、走査の
行２に存在するビーム70,72 は東部Ｕ．Ｓ．コーストで
は副帯（３）を使用し、オクラホマでは副帯（７）を使
用する。副帯（１）と（２）はニューメキシコおよびカ
リフォルニアで使用される。この走査ビーム周波数配置
の使用は宇宙船の複雑性を最小限にする。８個の周波数
走査ビーム66-80 のそれぞれは別々のトランスポンダを
必要とする。しかし、ただ８個のフィードネットワーク
層が必要とされるに過ぎない。周波数はある程度市場需
要を満たすために各ビームにおいて地理的に束ねられる
ことが可能である。例えば、テキサスでは、もし行３お
よび５の対応する周波数が対応する量だけ西へ移動され
るならば、周波数グループ２からのチャンネルが使用さ
れることができる。各ビームは独立需要アクセスシステ
ムである。しかしながら、周波数走査システムによって
ただ８個の独立システムが配置される。

【００２０】ＵＨＦシステムはまた周波数が図７に示さ
れているようにもう一度再利用されることができるよう
な走査ビームで配置される。３行に配置された５個のビ
ーム82-90 が米国およびカナダをカバーするために必要
であるに過ぎない。ビーム82,88 はフロリダおよびカナ
ダの遠隔の東部セクターをカバーする必要があるならば
引伸ばされることが可能である。

【００２１】図８において、図６および図７に関して説
明されたように、カバー範囲および水平走査を達成する
ために走査ビームを垂直に方向付けるのに必要な垂直の
方向走査を生成する送信プレーナ型アレイが示されてい
る。位相シフト装置92,94,96は送信機32と各列の一連の
アンテナ素子30の１個との間にそれぞれ挿入されるの
で、ビーム信号はアレイ素子30に供給される前に位相シ
フト装置を通過する。位相シフト装置はもちろん通常の
装置であり、垂直方向すなわち走査路と垂直に固定走査
を行うのに必要な分だけシフトされる各アレイへの入力
を生じさせる。位相シフト装置92,96 は周波数帯にわた
る一定の位相を与えるので、ビームは垂直方向に固定さ
れるが、水平方向の周波数を走査する。

【００２２】図９および図１０は送信機および２個の同
時周波数走査ビームを形成するビーム形成ネットワーク
を示す。図９で示された形態は、送信および受信アレイ
が図３および図４に関して説明された送信機および受信
機と同様に使用するのに適していることを理解するであ
ろう。さらに、図９および図１０に示されたネットワー
クは２個の同時周波数走査ビームだけを形成するのに適
しているけれども、ここで開示された本発明の概念はそ
のような２個のビームよりも多くのビームを形成するネ
ットワークに同様に適用できることが理解される。アン
テナビーム信号はそれぞれ図１０の対応する入力100,10
2 を介してビーム成型体104,106 に入力される。これら
の入力ビーム信号は２個のビーム成型体104,106 の駆動
増幅器84にそれぞれ伝送され、結果的に生じた増幅され
た信号は各ビーム成型体104,106中の遅延素子36の列に
伝送される。各ビーム成型体104,106 の遅延素子の出力
はそれぞれ図１０のＡ〜Ｈで示す端部と接続された図９
の端部Ａ〜Ｈを介して図９のアレイの各列のアレイ素子
30に動作的に関係する。アレイ素子30の任意の一定の列
に対して、両ビーム成型体104,106 の遅延素子36の出力
は２個のビーム成型体からの遅延された信号を結合する
合計装置98に伝送され、結合された信号は電力増幅器38
およびアレイ素子30に伝送される。図８の実施例の場合
のように、位相シフト装置92,94,96はビームの所望の垂
直の方向を与えるために行の遅延素子と合計装置98の間
に配置される。

【００２３】したがって、各アレイ素子30は高いパワー
レベルでの損失を最小にするためにそれに関連して別々
の送信機を有することが認識される。位相シフト装置9
2,94,96は生成された２個の走査ビームのそれぞれに固
定した垂直方向を与える。例えば、図６に関して、ビー
ム成型体104 は行１中の走査ビームを生成するために使
用され、一方ビーム成型体106 は行３中の走査ビーム68
を生成するために使用されることができる。

【００２４】上記のことから、上述の方法および装置は
本発明の目的を確実に達成できるだけではなく、比較的
簡単で経済的な方法に適用できる。もちろん、当業者は
本発明を説明するために選択された好ましい実施例に対
して本発明の技術的範囲から逸脱することなく種々の変
更または追加を行うことができることが認識される。し
たがって、これらの変更および追加は特許請求の範囲の
に記載された本発明の技術的範囲に含まれるべきもので
あることを理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】周波数走査アンテナにより形成された１対の仮
想ＵＨＦビームを示す地球領域の概略図。

【図２】本発明の１実施例のプレーナ型アレイアンテナ
の概略図。

【図３】図１の周波数走査アンテナに使用された送信プ
レーナ型アレイのブロック図および線図。

【図４】図１の周波数走査アンテナに使用された受信プ
レーナ型アレイのブロックおよび線図。

【図５】展開された位置で示されている本発明の多重、
周波数アドレス可能なビームアンテナを使用する人工衛
星（人工衛星のハウジングの部分は簡明のために切離さ
れている）の正面図。

【図６】地球領域および８個の周波数走査ビームによる
カバー範囲の線図。

【図７】５個の走査ＵＨＦビームを除いて図６と類似す
る図。

【図８】本発明の形成部分を垂直方向に向ける送信出力
アレイのブロック図および線図。

【図９】アンテナアレイと図６の１対のビームを形成す
る１対の周波数走査ビーム形成装置のブロック図および
線図。

【図１０】アンテナアレイと図６の１対のビームを形成
する１対の周波数走査ビーム形成装置のブロック図およ
び線図。

【符号の説明】

20,26 …ビーム、30…アレイ、33…入力、34…駆動増幅
器、36…遅延装置、32…送信機、47…出力、66-80 …周
波数走査ビーム、92,94,96…位相シフト装置、98…合計
装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−123803（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−1629（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−54475（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−114604（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−38901（ＪＰ，Ａ) 特表 平１−502068（ＪＰ，Ａ) 特表 平１−500710（ＪＰ，Ａ) 特表 昭57−500956（ＪＰ，Ａ) 特表 昭63−501673（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01Q 3/00 - 3/46 H01Q 21/00 - 21/30

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電磁放射の第１および第２の周波数走査
   ビームを形成する装置において、 アンテナ素子のアレイと、 第１および第２の複数のビーム信号をそれぞれ受信する
   第１および第２の入力と、 前記第１および第２の入力とそれぞれ結合され、前記第
   １および第２のビームが目標区域にわたって走査するよ
   うに周波数の関数としてビーム信号を遅延させる第１お
   よび第２の遅延手段と、 前記アンテナ素子と前記第１および第２の遅延手段との
   間に結合され、前記各アンテナ素子が前記第１および第
   ２の複数のビーム信号を受信するように、前記第１およ
   び第２の遅延手段からのビーム信号を結合する結合手段
   と、 前記第１の遅延手段および第２の遅延手段と前記結合手
   段との間に結合され、ビームの走査方向と垂直の方向に
   おいて第１および第２のビームの中心の間隔を互いに隔
   てるために前記ビーム信号の一部の位相をシフトする位
   相シフト手段とを具備している装置。