JP3373524B2 - アンテナシステム - Google Patents

アンテナシステム

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JP3373524B2
JP3373524B2 JP52678795A JP52678795A JP3373524B2 JP 3373524 B2 JP3373524 B2 JP 3373524B2 JP 52678795 A JP52678795 A JP 52678795A JP 52678795 A JP52678795 A JP 52678795A JP 3373524 B2 JP3373524 B2 JP 3373524B2
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ベン ハッチンサン，
パトリック ショメ，
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、アンテナシステムに関し、特に、衛星移動
体通信システム（satellitemobile communication syst
em）用の多重ビーム形成器（a multiple beamformer）
に関する。但し、これに限定されるわけではない。
このようなシステムは、例えば、WO93/09029、WO93/0
9577、WO93/09578、WO93/09613、WO93/09614、WO93/096
24、EP−Ａ−0510789、EP−Ａ−035885、EP−Ａ−42172
2において（一般的な用語で）説明されている。提起さ
れたインマルサット（Inmarsat）（TM）P21システム
は、一群の通信衛星を用いて通信を行うためのアンテナ
を有した複数の地球局から構成されている。これらの地
球局は、移動局（mobile station）であってもよい。各
衛星は、一連の複数ビームを送信及び受信するように設
計されたアンテナシステムを搭載している。各ビーム
は、地球の表面の一部分に向けられており、これらのビ
ームは全体として地球の全表面をカバーするようになっ
ている。
各ビームは、複数の周波数多重化チャネル（frequenc
y−multiplexed channel）を持っている。例えば、各ビ
ームの帯域幅は、各々が多数の利用者チャネル（通常
は、音声電気通信（voice telecommunication）を行っ
ている）を持つことができるように、5MHzであってもよ
い。また、衛星は、通常、固定地球局への接続用アンテ
ナを搭載しており、例えば公共の電気通信網を用いて通
信を行う。
遠視野（far field）ビームパターンで複数のビーム
を統合するためには、送信及び受信アンテナが複数の放
射素子の巨大なアレー（array）からなる直接放射アン
テナ（即ち、反射器を有しないアンテナ）である場合、
一般的なビーム形成ネットワークは、原則として、各ビ
ーム位置の全ての放射素子に対する移相器（phase shif
ter）と、全てのビームに対する電力分配器（power div
ider）とを必要とする。このため、100個の素子と100本
のビームに対して、10,00個０の移相器と、100個の電力
分配器が必要となり、部品の数は、多数のビーム及び素
子については、おおよそ指数関数的に増大する。
これは、RF部の相当な重さを意味し、給電システムの
電力損失も高い。重さと電力消費は、衛星では両方とも
重要である。
他のタイプはアレーアンテナ用のビーム形成器として
は、US 3255450（バトラー）で説明された「バトラーマ
トリクス（Butler matrix）」がある。これは、関連す
る移相器を備えた複数の４ポート電力分配器のバタフラ
イカスケード配置からなり、Ｎ個の入力RF信号を受信
し、間隔を置いて配置されたＮ個の素子からなる直線状
アレーに給電する。これらの分配器は、それぞれ２つの
入力アナログRF信号を受信し、90度の位相差を有する２
つのRF信号を出力する。上記２つの入力アナログRF信号
の１つは、移相されている。複数の分配器及び移相器か
らなるアレーの効果は、入力のどれか１つに供給される
RF信号が、移相（phase shift）を徐々に増加する間
に、アレーの構成要素の各々に供給されることである。
このように、このアレーは、フェーズドアレー（phased
array）として動作し、移相の増加量（これは、放射素
子の数に依存している）と構成素子の間隔とに依存した
角度でビームを生成する。
各入力を順次に選択的に励振（excite）させることに
より、レーダの用途に用いられる増分走査ビーム（incr
ementally scanning beam）を生成することができる。
この代わりに、ビーム形成器と、共通のアパーチャから
格子状の複数固定ビームを生成するために使用すること
もできる。数個の前記直線状マトリクスを整列された行
及び列中に形成し、行マトリクスの出力が列マトリクス
の入力を給電（feed）し、列マトリクスの出力が複数の
放射器（radiator）の二次元アレーを給電することによ
って、ビームを２つの直交方向の一方に走査することが
できる。
バトラーマトリクスは、ほとんど損失がなく、このこ
とが使用の理由となりがちである。
JP−Ａ−59−44105には、２つの直交するバトラーマ
トリクスの重ね合わせ（stack）を備え、方形アレー上
の角度に沿って一列に整列されているビームを形成する
二次元ビーム形成回路網が開示されている。
WO88/04837には、バトラーマトリクスがビームの操縦
に用いられる通信衛星で使用される可変ビーム反射器ア
ンテナ（steerable beam reflector antenna）が開示さ
れている。
EP−Ａ−0468662には、以下のようなアンテナ（直接
放射アンテナも可）が開示されている。即ち、このアン
テナでは、バトラーマトリクスが電力分配器として使用
されていて、アンテナアレー素子間で電力を分配し、単
一の一方向合成ビーム（unidirectional composite bea
m）を形成するようになっており、順次の移相は、移相
素子によりキャンセルされているマトリクスによっても
たらされる。
直線バトラーマトリクスアレーアンテナの特徴は、隣
接ビーム間のクロスオーバポイントが3dB以上下がり、
そのためビーム間のパワーが最大ビームレベルの半分ま
で降下することである。正方形アレーでは、４つの隣接
ビーム間の最小パワーが8dB下がる。地球表面の均一な
カバレージ（coverage）が提供されることが望ましいた
め、このことは、それ自身、一般的な正方形バトラーマ
トリクスが多重衛星通信ビームを形成することを不適切
にしている。
本発明によれば、ビーム方向の六角形アレーを作るた
めの六角形アレーアンテナ用のビーム形成器として受動
電力分配器マトリクス（例えば、バトラーマトリクス）
を使用するアンテナシステムが提供される。
六角形アレーの使用は、等価な正方形アレーが与える
であろうものよりも、地球表面のよりよいカバレージを
与える。その理由は、隣接ビーム間のパワーが、そう大
きくは降下しないためである。
好ましくは、アレーの周囲のアパーチャは平滑化され
ていて、遠視野パターンで隣接ビーム間のパワー降下を
低減するようになっているとよい。
好ましくは、マトリクスは余分に作られていて、幾つ
かの出力ポートのみが放射素子に接続され、他の出力ポ
ートは終端（terminate）されているとよい。
本発明のこの面からすると、バトラーマトリクスは、
もはや損失が少ないという通常の利点を達成しない。し
かしながら、損失は、交差点（crossover）でのパワー
降下が改善されているので、許容範囲である。
好ましい態様では、アレーの縁への電力供給を緩やか
に先細り（taper）にするように、放射素子への経路内
での増幅又は損失は、アレーのアパーチャにまたがって
異なっている。本発明のこの点によれば、ビーム間のク
ロスオーバレベルが上昇し、遠視野放射パターンのサイ
ドローブレベルが低減される。
好ましくは、このマトリクスは、電力分配器マトリク
スの２つの直交に接続された重ね合わせを含んでいると
よい。
他の面では、本発明は、電力分配器マトリクスの第１
及び第２の直交接続重ね合わせを備えたアレーアンテナ
システム用のビーム形成回路網（a beam formingnetwor
k）を提供する。ここで、少なくとも１つの重ね合わせ
においては、そのスタックにおけるマトリクスのオーダ
よりも少ない数のマトリクスが存在している。このた
め、″オーバーサイズ″のマトリクスを、非方形アンテ
ナアレーを形成するために使用することができる。但
し、各マトリクスのオーダの２倍の数のマトリクスが必
要とされることはない。
他の面では、本発明は、以下のようなアンテナシステ
ムを提供する。即ち、このアンテナシステムでは、数個
の異なる電力分配器マトリクスが提供され、各マトリク
スの対応する出力ポートがアレーアンテナの構成要素に
ジョイント式に接続され、単一のアレーアンテナがビー
ムの多重格子を生成できるようになっている。マトリク
スの出力を異なるように整相（phase）することによ
り、異なる格子をオフセット位置に向けることができ、
これによって、１つの格子を他のビーム間の最小の位置
に内挿（interpolate）することが可能になっている。
他の面では、本発明は、チャネル分離（channelizati
on）（即ち多重化又は非多重化）を実行するデジタル処
理装置を有する通信トランシーバ局（例えば、衛星）を
提供する。このデジタル処理装置は、受動電力分配回路
網（例えば、バトラーマトリクス）を含むアナログビー
ム形成器を介して接続されている。この通信トランシー
バ局によれば、極めて複雑なビーム形成構造を必要とせ
ずに、処理装置の負荷を大きく低減することが可能にな
り、このため、信号処理システムの質量、電力消費及び
体積が削減され、これにより信号処理システムが衛星に
使用するのにより適したものとなる。
他の面では、本発明は、数個の異なるバトラーマトリ
クス装置が平行に同じアレーアンテナに接続されたアン
テナシステムを提供する。ここで、各装置は、複数のビ
ーム方向からなるアレーを生成するように配置されてお
り、これらのアレーは、より小さな角度間隔を有する複
数のビーム方向の合成アレーを作り出すように、互いに
補い合っている。
このように、単一のバトラーマトリクス装置から作製
可能なビームアレーと比較して、向上したビームカバレ
ージと低減されたビーム間降下を得ながら、単一のアン
テナを多数のビームを生成するために使用することがで
きる。
本発明の他の面と実施形態は、以下の説明と請求の範
囲で述べる通りである。
以下では、本発明の好適な実施形態を添付図面を参照
しながら示す。この実施態様は、単なる例として挙げる
ものに過ぎない。
図１は、衛星移動体通信を概略的に示したものであ
る。
図２は、本発明の一実施形態に係る宇宙ビークルの斜
視図である。
図３は、図１の宇宙ビークルの通信システムの電気部
品を概略的に示したブロック図である。
図４は、図３の実施形態に使用されているバトラーマ
トリクスを概略的に示したブロック図である。
図５は、図３の実施形態に係るビーム形成器を形成す
るための図４のバトラマトリクスの配置を示した概略斜
視図である 図6aは、図２から図５の実施形態の受信アンテナの放
射パターンを示す図である。
図6bは、この実施形態に係る送信アンテナの放射パタ
ーンの対応するプロットである。
図7aは、受信アンテナ内のアレー要素の物理的な配置
を図示し、各要素に接続された増幅器の相対利得を示し
ている。
図7bは、送信アンテナ内のアレー要素の物理的な配置
を図示し、各要素に接続された増幅器の相対利得を示し
ている。
図８は、図５に示される各ビーム形成器への受信及び
送信ビームポートの接続を示した図である。
図9aは、図５のビーム形成器及び受信アンテナの構成
要素間のそれぞれの接続を示している。
図9bは、図５のビーム形成器及び送信アンテナの構成
要素間のそれぞれの接続を示している。
図10は、本発明の別の実施形態に係るビーム形成器と
アンテナの配置を示している。
図11は、図10の実施形態により得られる放射パターン
を概略的に示している。
図１は、従来より提案されている衛星移動体通信シス
テムを示している。このシステムは、地球（Ｅ）を取り
巻く軌道上の少なくとも１個の衛星（S1及びS2）を備え
ている。そして、地上には、複数の端末、例えば移動体
通信ターミナル（M1及びM2）及び固定通信ターミナル
（F1）が配置されている。後者は、例えば、電気通信網
（例えば、PSTN）に接続された地球局であってもよい。
これらの衛星は、例えば地上10,000kmの高度の中間円
軌道（intermediate circularorbit）（ICO）上に位置
していると好適である。12個の衛星は、例えば、３個の
相互正常軌道（mutually normal orbit）の各々におい
て角度分配された４個からなるセットを形成していて、
各端末がいつでも幾つか衛星の視野内にあるようになっ
ていてもよい。
各衛星は、空間的に分離された（しかし、重なってい
る）複数の放射線（例えば、無線周波数）ビームを生成
する。このビームは、地球の表面（通常は全表面）の隣
接領域を覆うビーム（T1〜TN）のアレー（array）を、
以下でより詳細に説明する方法で形成している。また、
各衛星は、地球の表面と交差する放射線受信方向（R1−
RN）のアレーも有している。一般的に、この受信方向
は、ビームと一致している。このため、これらのビーム
及び受信方向は、間隔をあけて分離された複数の衛星及
び端末間通信チャネルを構成する。衛星は非静止であ
り、端末も移動しうるので、与えられた端末は、いつで
も複数の前記チャンネルを通過することができ、また、
ある衛星との通信をやめて、他の衛星に切り替える（″
ハンドオーバ（handover）″する）必要があってもよ
い。
公知の方法では、衛星との連絡を確立することによ
り、１個のターミナルが他のターミナル又は電気通信網
と通信を行うことができる。この衛星は、別の端末と連
絡を確立して、２つの端末間でメッセージをやり取りす
る。
図２を参照すると、本実施形態に係る衛星は、ハウジ
ング５を備えており、このハウジング５は、一対の展開
可能なソーラーセルパネル4a、4b（折り畳んだ状態で図
示）と、電気通信網に接続された１個以上の固定地球局
に通信するためのフィーダリンク（feeder link）を提
供する少なくとも１個の可変高利得スポットビームアン
テナ（steerable highgain spot beam antenna）３と、
複数の受信方向R1〜RNで受信を行う受信アレーアンテナ
１と、複数のビームB1〜BNを生成する送信アレーアンテ
ナ２と、を備えている。このアンテナ１〜３は、地球に
面するように保持されている衛星の側面に設けられてい
る。
以下では、ここで使用されている変調について簡単に
説明する。フィーダリンクアンテナ３は、20GHzの送信
周波数、30GHzの受信周波数、50MHz以上の帯域幅で、Ka
帯において動作する。受信アンテナは、2GHzの周波数で
動作し、送信アレーアンテナは、2.2GHzの周波数で動作
する。これらは、それぞれ30MHzの帯域幅で動作する。
各ビーム（本実施形態では、121本ある。）は、このス
ペクトラム内で5MHzのブロックを割り当てられている。
近接するビームに割り当てられたブロックは、隣接した
ビーム間の干渉を低減するように、異なっている。各ブ
ロックは、200KHz帯域幅の25個までの周波数スロット
（FDM及び／又はTDM）を含んでいる。各周波数スロット
は、46個の利用者チャンネルに分割されている。このた
め、各利用者が使用可能な帯域幅は4KHzで、これは、会
話には適している。各々のビームは、1200の同時利用者
との通信が可能である。
図３を参照すると、衛星内に設けられた電気的構成
は、地球局から端末までの通信に用いる前進リンク（fo
rward link）と、この端末から地上ステーションまでの
通信に用いる戻りリンク（return link）と、を備えて
いる。この前進リンクは、フィーダリンクアンテナ３を
備えており、このアンテナ３からの複数の信号は、対応
するフィルタ6a〜6dによって帯域濾波され、対応する低
雑音増幅器7a〜7dによって増幅される。増幅された複数
の信号は、コンバイナ/IFダウンコンバータ回路（combi
ner/downconverter circuit）８によって合成され、中
間周波数（IF）にダウンコンバートされる。このIF信号
は、相補フィルタ（complementary filter）9a,9bによ
って２つの25MHz帯域に分離され、これらの各々は、対
応するアナログ・デジタル変換器（ADC）10a,10bによっ
てデジタル化される。この後、デジタル化されたこれら
のIF信号は、周波数デマルチプレクサ（frequency demu
ltiplexer）11a、11bによって、それぞれ125個のスロッ
トに周波数多重分離され、これにより250個のスロット
の全部に、それぞれ200KHzの帯域幅が与えられる。
デジタル制御回路13の制御のもとに、スイッチ又はル
ーティング回路網12は、121個（もしくは、一般的にＮ
個（Ｎはビーム数））の周波数マルチプレクサ14a〜14N
のうちの１つの25個の入力ポートの１つに、250個の周
波数スロットの各々を誘導する。周波数マルチプレクサ
14a〜14Nは、ビームB1〜BNのうちの１つで送信される5M
Hzのベースバンド信号にスロットを多重化する。制御回
路によって選択されたマルチプレクサ14（従って、ビー
ムＢも）は、周波数スロットが送信される地球上の地理
的位置を決定し、マルチプレクサ入力ポート（従って、
変調周波数も）は、周波数スロットを受信する利用者端
末を決定する。
この後、121個の多重化されたデジタルベースバンド
信号の各々は、対応するデジタル−アナログ変換器（DA
C）15a〜15Nによってアナログ信号に変換され、これら
の出力は、IF/S帯域コンバータのアレー16によって、2.
2GHz帯域における30MHzの範囲内にあるビーム周波数に
それぞれアップコンバートされる。上述のように、複数
の隣接したビーム用に選択された複数の周波数は、各々
異なっている。この後、変調された信号は、アナログ形
成器20の対応する入力ポートに供給される。このアナロ
グ形成器20は、送信アレーアンテナ２の対応する放射素
子200a〜200Mを作動させるための、複数Ｍ（例えば、10
9）個の作動信号（energising signal）を生成する。こ
れらの作動信号は、Ｍ個のRF電力増幅器17a〜17Mからな
るバンクによって増幅され、対応する放射素子200a〜20
0Mに供給されるのに先立って、フィルタ18a〜18Mからな
るバンクにより帯域濾波される。
戻りリンクの部品は、一般に、前進リンク内の部品の
逆である。複数Ｐ（例えば151）個の受信素子118a〜118
Pは、地上の端末から2GHz帯域の入力無線信号（incomin
g radio signal）を受信する。各素子からの信号は、対
応するフィルタ118a〜118Pによって濾波され、低雑音増
幅器117a〜117Pによって増幅されて、アナログビーム形
成器120の入力ポートに送られる。ビーム形成器120のＮ
個の出力ポートの各々における信号は、S/IF変換器のア
レー116によって5MHzのベースバンド信号にダウンコン
バートされ、対応するADC115a〜115Nによってデジタル
化される。
デジタル化されたベースバンド信号は、それぞれデマ
ルチプレクサ114a〜114Nによって200KHzの帯域幅の25個
の周波数スロットに周波数多重分離され、この周波数ス
ロットは、制御回路13の制御のもとに、スイッチ112を
通じて、一対の周波数マルチプレクサ111a,111bのうち
の１つの所定の入力（特定の周波数に対応）に誘導（ro
ute）される。この周波数マルチプレクサ111a,111bは、
一対のDAC110a,110bによってアナログ信号に変換される
25MHzの出力信号を生成する。次に、これらのアナログ
信号は、一対の変調器119a,119b及びフィルタ119cによ
って50MHzの信号に合成され、この合成信号は、IF/Ka変
換器及びRF分配器の回路網118によって20GHzの信号にア
ップコンバートされる。
各RF信号は、RF電力増幅器（例えば、進行波装置）11
7a〜117dによって増幅され、帯域フィルタ116a〜116dに
よって濾波され、対応する地球局への送信のためにフィ
ードリンクアンテナ３へ送られる。
このように、図３に示されるシステムは、構成要素
３、６〜９及び16〜19を備えるフィーダリンク通信サブ
システムと、構成要素11〜14及び111〜114を備えるチャ
ンネル分離合成サブシステムと、構成要素16〜18、116
〜118、並びにアンテナ１及び２を備える移動リンク通
信サブシステムと、から構成されている。本実施形態で
は、チャネル分離合成（即ち、処理）サブシステムがデ
ジタルなので、ADC及びDAC10、15、110、115が設けられ
ている。
デジタルチャネル処理サブシステムの使用は好ましい
が、これは本発明では容易である。この理由は、次の通
りである。即ち、比較的広帯域幅のアナログビーム形成
器20、120によってビーム形成が行われているので、デ
ジタルハードウェア機器によってビーム形成を行う必要
がなく、それ故、デジタルハードウェア機器は、全体で
30MHzを超える移動リンクスペクトラムを処理する必要
がなく、従って、たやすく入手できる部品を使ってデジ
タルハードウェア機器を実現することができるからであ
る。
更に、デジタル信号処理の電力消費は、その信号の帯
域幅におおよそ比例している。従って、本発明では、デ
ジタル処理装置が各ビームポートにおける5MHzを超える
帯域幅の信号を処理し、アレー素子用の30MHz帯域幅の
信号は、アナログビーム形成器によって扱われるので、
デジタル処理装置が必要とする電力消費は、すべてがデ
ジタルシステムであるものと比較して極端に低減され
る。
以下では、図４及び図５を参照しながら、アナログビ
ーム形成器20、120を極めて詳細に説明する。各アナロ
グビーム形成器20、120は、図５に示されるように、バ
トラーマトリクス50の直交に接続された回路網として、
２個の重ね合わせ30a、30bを含む。回路網は、 複数のN1イン、N1アウトバトラーマトリクスデバイス
からなる第１のセットであって、これらのバトラーマト
リクスデバイスがそれぞれ第１サイド及び第２サイドを
有していて、前記第１セットの前記第１サイドが前記ビ
ームポートを形成している前記第１セット（30a）と、 複数のN2イン、N2アウトバトラーマトリクスデバイス
からなる第２のセットであって、これらのバトラーマト
リクスデバイスが、それぞれ第１サイド及び第２サイド
を有していて、前記第２セットの前記第２サイドが前記
アンテナポートを形成している前記第２セット（30b）
と、を備えており、 前記第２セットの各バトマーマトリクスデバイスの前
記第１サイドのポートが、前記第１セットの複数の異な
るバトラーマトリクスデバイスの第２サイドのポートに
接続されていて、各ビームポートが全てのアンテナポー
トに接続されるようになっていてもよい。
前記第１セット内にN1個より少数のバトラーマトリク
スデバイスがあってもよい。
前記第２セット内にN2個より少数のバトラーマトリク
スデバイスがあってもよい。
前記第１ポートに連結されたビーム受信手段を更に備
えてもよい。
前記第１ポートに連結されたビーム生成手段を更に備
えてもよい。
第１の前記回路網を介してビーム生成手段（20）に連
結された第１の前記アンテナと、第２の前記回路網を介
してビーム受信手段（120）に連結された第２の前記ア
ンテナと、を備えてもよい。
前記受信手段は、受信周波数帯内で受信を行うように
構成されており、前記生成手段は、前記受信周波数帯と
異なる送信周波数帯内で生成を行うように構成されてい
てもよい。
第１アンテナが、複数の送信ビームからなるアレーを
生成するように構成され、第２アンテナが、複数の受信
ビームからなるアレーを生成するように構成され、各受
信ビームが、対応する送信ビームと一列に整列されてい
てもよい。
また、前記ビームが、地球の周りの中間円軌道内に位
置するビークル用に、前記ビームのアレーが可視の地球
表面のほぼ全体を覆って広がるように構成されていても
よい。
本実施例では、これらの重ね合わせは、それぞれ同じ
バトラーマトリクスデバイス50から構成されており、各
バトラーマトリクスデバイス50は、図４に示されるよう
に、16個の入力、16個の出力（即ち、16×16）を有して
いる。このデバイスは、基板51と、複数の第１ポートを
備えた第１サイドＸと、複数の第２ポートを備えた第２
サイドＹと、複数の同一４ポートカプラ又はハイブリッ
ド52と、複数の移相器53と、を備えており、これらは全
てストリップ線路によって相互接続されている。
この文書において用語″サイド″は、位相幾何学的な
意味で使われており、マトリクスの実際の幾何学配置を
参照したり、或いはそれに限定することなく使用されて
いる。前記ポートや構成部品の物理的な位置は、無関係
である（信号の位相は、過度にひずまされていないと仮
定）。
両ビーム形成器20、120は、図４に示されるようにマ
トリクスデバイスを使用するが、図５に示されるような
重ね合わせを形成している前記マトリクスの数は、ビー
ム形成器20と120とでは異なっている。
バトラーマトリクスの構造は、この技術分野では周知
である。従って、各ハイブリッド（EP−Ａ−0056205に
開示された構造を有してもよい。なお、EP−Ａ−005620
5は、参照により全て本明細書中に組み込まれる。）
は、その２個の入力ポートに入力された電力を、その２
つの出力ポートに等分配する。この電力は、90度の位相
差で分離されている。Ｋ個の第１及び第２ポートがあ
り、Ｋが２の累乗であるとき、このマトリクスは、それ
ぞれがK/2個のハイブリッドからなる（log2K）個の列
と、これらのハイブリッド間に配置されたK/4個の移相
器からなる（（log2K）−１）個の列と、から構成され
ている。各ハイブリッドは、後続の行にある２個に接続
されており、ハイブリッドが接続されるこの２個の間隔
は、行が一つずつ進むごとに２の累乗で増加する。移相
器53による移相は、（180/N）度ずつ増加する。そし
て、第１行の移相器は、（180/N）の奇数倍の移相を与
え、次の行の移相器は、（180/4N）の奇数倍の移相を与
える、といったようになる。図４では、K/2（（log2K）
−１）個の移相器53が示されているが、ゼロでない移相
を与えるのは、これらのうちの半分だけしかなく、従っ
て、残りは実際上機能していない。
この構造が有する効果は、各第１ポートＸでの信号が
同じ振幅のＮ個の信号に分割されることである。この各
信号は、第２ポートＹのうちの１つに現れるとともに、
順次に位相変位（progressive phase displacement）を
有している。例えば、複数の第１ポートのうちの第１番
目に与えられる振幅Ａの信号は、複数の第２のポートの
うちの第１番目における振幅A/Nを有した第１の信号と
して現れる。第２ポートの第２番目における第２の信号
は、振幅は同じだが、位相が（360/N＝Δ）だけずれて
おり、第３ポートにおける同じ振幅の第３の信号は、第
２の信号から位相がΔだけずれており、...そして、第
２ポートの第16番目における第16の信号は、第15番目の
信号よりΔだけ位相がずれて、第１の信号の位相とな
る。
第１ポートＸの第２番目に与えられた信号は、複数の
第２ポートＹに同様に等分配されるが、移相の増分（ph
ase increment）は２×Δであり、第３入力ポートにつ
いての移相の増分は３×Δであり、その他も同様であ
る。
第２ポートが複数の放射素子の等間隔のアレーに接続
されていると、フェーズドアレーアンテナになることは
明らかである。そのビームオフセット角は、アレー間
隔、信号周波数及び位相増分に依存している。位相増分
は、信号が供給される第１ポートの数及び第１ポートの
同一性（identity）にそれ自体依存している。複数の第
１ポートが同時に励振される場合は、増加しながら推移
するアラインメント角（alignment angle）における複
数のビームからなる格子が形成される。各ビームは、複
数の第１ポートのうちの１個における信号に一対一に対
応している。
図４の各マトリクスデバイスは、相反関係にあり、従
って、上記の説明を逆にすることができる。換言すれ
ば、アレーアンテナを有するマトリクスデバイスの複合
体が受信アレーアンテナを形成することができるよう
に、特定の増分位相関係で第２ポートＹに与えられた複
数の信号は、複数の第１ポートＸのうちの単一ポート又
は複数ポートに信号を生成することになる。
もしも、図４の構成のＮ個のバトラーマトリクスの重
ね合わせが、図５に示されるような方法で平行に配置さ
れ、この重ね合わせの全てのマトリクスの出力ポートか
らなる各整列行が、Ｎ個のバトラーマトリクスからなる
第２の重ね合わせの単一のバトラーマトリクスの入力ポ
ートに接続されたならば（換言すると、この２個の重ね
合わせが直交するように相互接続されたならば、という
ことになる。なお、この文書において「直交」とは、複
数のデバイスの任意の物理的又は幾何学的な配置より
も、むしろ接続位相幾何学（connection topology）を
指す。）、第２の重ね合わせのN2個の出力ポートからな
る二次元アレーを、複数の放射素子からなる正方形二次
元アレーの対応する放射素子に接続して、複数のビーム
からなる二次元格子を形成することができる。
しかしながら、この実施形態では、六角形のビーム格
子が形成される。即ち、本発明では、地球を照射する、
同時放射線ビームの一定角度で離間されたアレーを生成
又は受信する衛星ペイロード装置であって、 アレーアンテナを形成する複数の放射素子のアレーと、 ビーム形成器（beam former）と、を備え、 前記ビーム形成器は、前記ビームの１つに対応した個
々の電気信号を各々受け取るための複数のビームポート
を有する第１サイド、及び、前記放射素子の１つにそれ
ぞれ対応した複数のアンテナポートを有する第２サイド
を含む回路網を備えており、 各ビームポートは、複数のカスケード式電力分配器部品
及び複数の移相器部品からなる回路網を介して複数のア
ンテナポートに接続されており、 その移相は、複数のビームのアレーを生成するように所
定の定数の整数倍となっており、前記アレーアンテナが
六角対称性を有し、前記ビームのアレーが六角対称性を
有し、 ネットワークが放射素子に接続されていない更なるアン
テナポートを含む衛星ペイロード装置を提供する。
また、隣接ビーム間の電力減少は3dB以下であり、前
記アンテナは、直接放射アンテナ（direct radiating a
ntenna）であってもよく、放射素子に接続されていない
前記の更なるアンテナポートが、終端負荷（terminatin
g load）で終端されており、各放射素子が、給電経路
（feed path）を介してアンテナポートに接続されてお
り、アンテナアパーチャに振幅の先細り（amplitude ta
per）が生じるように、前記アンテナの周辺部の放射素
子への前記給電経路内の利得が、前記周辺部の内側にあ
る放射素子の前記給電経路内の利得よりも低くなってお
り、前記複数の電力分配器が、それぞれ90゜ハイブリッ
ドを備えていてもよい。
図６を参照すると、図6aは、受信アンテナ１のビーム
パターンを示し、図6bは、送信アンテナのビームパター
ンを示している。この２つのビームパターンが同じ数の
ビーム（121）から構成されていることや、図6bのビー
ムは、図6aの受信方向と合同（congruent）であるが後
者の方がより広い（それ故、後者は、より大きな重なり
（overlap）と、ビーム間強度の下降の低減とを示す）
ことは、明白である。
これらのビームパターンを実現するため、アンテナ
１、２は、それぞれ放射素子100a〜100P、200a〜200Mか
らなる六角形アレーを備えている。この放射素子は、例
えば一般的な基板上にプリントされたマイクロストリッ
プダイポール（図示せず）である。図７を参照すると、
図7aは、送信アレーアンテナ２の放射素子200の配置を
示しており、図7b、は受信アレーアンテナ１の放射素子
100の配置を示している。
受信アンテナ１は、図示のように間隔ｓをあけて配置
されたＰ＝151個の素子100から構成されている。ここ
で、s/L＝1.04であり、Ｌはアンテナの波長（2GHz）で
ある。アンテナの総直径は2.2mである。送信アンテナ２
は、図示のように間隔ｓをあけて配置されたＭ＝109個
の素子200から構成されている。ここで、s/L＝1.04であ
り、この場合のＬは2.2GHzである。アンテナの総直径は
1.7mである。
本実施形態における送信アンテナの109個の増幅器18a
〜18Mは、全てが同じ増幅を与えるわけではない。各増
幅器によって与えられる利得は、アンテナの中心素子に
接続された増幅器を基準に、図7bにおいて各素子の位置
を表す円内に示される。この図から分かるように、この
利得は、このアレーの縁に向かって次第に減少してい
る。これは、素子200からなる最も外側の３個のリング
が与えれられれば分かる。これらのリングについての利
得は、内側にある全ての素子に対して−３、−６、及び
−9dBと減少している。
図7aに示す受信アンテナについても、複数の素子100
からなる最も外側の３個の六角形リングについての増幅
器117a〜117Pが、内側の素子についての増幅器に対して
徐々に減少する利得を有している（再述すると、−３、
−６、及び−9dBである）ことを挙げることで、全く同
じことが言える。
以下では、アナログビーム形成器20、120とアンテナ
１、２の相互接続について、図５、図８及び図９を参照
しながら説明する。図５に参照すると、マトリクスデバ
イス50の重ね合わせ30aの第１ポートＸは、複数のポー
トからなる二次元アレーを形成している。これらの各ポ
ートは、座標（i,j）で示される。ここで、０＜i,j＜15
である。このインデックスｉは、第１重ね合わせ30aの
マトリクスデバイスのサイドＸに沿ったポートの数を示
しており、インデックスｊは、第１重ね合わせのマトリ
クスデバイスが接続された第２重ね合わせ30bのマトリ
クスのサイドＸに沿ったポートの数を示している。
図８は、複数のアップコンバータからなるアレー16か
らビーム形成器20に出力されたＮ＝121本の変調ビーム
の接続を示している。もし、図に示されるように、軸ｉ
＝10、軸ｊ＝10が60度で斜交し、ｉ、ｊの値が循環する
場合、接続の六角対称性（hexagonal symmetry）が現れ
るようになる。ビーム形成器120とダウンコンバータの
アレー116との間にも全く同じ接続が形成される。121本
のビームを全て調整するためには、ｉの値は最大で13個
必要になる。従って、ビーム生成器20及び120からなる
第１重ね合わせ30aのマトリクスデバイスは13個しか提
供することができない。除外されたマトリクスは、図８
中、破線で示されている。接続されていないこれらのポ
ートは、好ましくは整合負荷（matched load）により、
終端処理されている。
図9aは、受信アレーアンテナ１のＰ＝151個の素子100
a〜100Pの、（フィルタ118及び増幅器117を介した）ア
ナログビーム形成器120のマトリクスデバイス50の第２
重ね合わせ30bの第２ポートＹへの接続を示している。
ここに表された素子100の配置は、図7aに示されたもの
と一致しており、ここに表された複数の素子からなる外
側の３個のリングは、前述したように先細りする利得を
有するリングである。
図５を参照すると、マトリクスデバイス50の重ね合わ
せ30bの第２ポートＹは、複数のポートからなる二次元
アレーを形成しており、それぞれのポートは座標（k,
l）で示される。ここで、０＜k,l＜15である。インデッ
クスｉは、第２重ね合わせ30bのマトリクスデバイスの
サイドＹに沿ったポートの数を示しており、インデック
スｋは、第２重ね合わせのマトリクスデバイスが接続さ
れた第１重ね合わせ30aのマトリクスのサイドＹに沿っ
たポートの数を示している。
図9aのように、軸ｋ＝0,軸ｌ＝０が60度で描かれる
と、六角対称性が現れる。151本のビームを全て調整す
るためには、ｋの値は最大で15個必要になる。従って、
第２重ね合わせ30bのマトリクスデバイスは15個しか提
供することができない。これらのうち接続されていない
ポートは、整合負荷によって終端処理されている。従っ
て、受信アンテナ用のビーム形成器120は、28個のマト
リクスデバイス50を必要とする。
図9bは図9a及び図7bと同様の図で、送信アンテナ２の
素子200a〜200Mとビーム形成器20との間の（増幅器17及
びフィルタ18を介した）接続を示している。Ｍ＝109個
の素子200があるだけなので、第２の重ね合わせに必要
なマトリクスデバイスの数は13であり、マトリクスデバ
イス50の総計は26である。未使用のポートは、整合負荷
により終端処理されている。
動作中、アナログビーム形成器20の１個のポートにお
けるビーム信号入力は、第１重ね合わせ30aのマトリク
スデバイスの出力ポートにおける16個の等しい出力に分
割され、このうち３つは終端される（これは、第２重ね
合わせ30bが13個のマトリクスデバイスしか含まないた
めである）。第２重ね合わせ30bの対応するマトリクス
に入力された残る13個の信号の各々は、各マトリクスの
出力ポートで16個の等しい出力に分割される。出力の総
計は13×16＝208となり、このうちの101個は終端され
る。残る109個の出力信号は、増幅器を介してアレー素
子200に送られる。これらの信号の位相は、これらの信
号が合成されると図6bに示される六角形格子のビームの
１つを生成するような相関関係にある。第１の重ね合わ
せ30aの異なるポートに入力される他のビームの各々に
ついても、同じことが言える。
ビームの数及び素子の数が要求するものよりも多くの
入力を有するオーバーサイズのマトリクスデバイス50を
使用しているため、複数のポートを終端することは、こ
れらのビームの各々のパターンを変えることになる。素
子の数を減らすと各ビームは広がり、周辺素子に異なる
増幅を与えると、アンテナアパーチャ上に、各々のビー
ムを更に広げることになる平滑窓（smoothing window）
が付加され、３本の隣接ビーム間の点におけるパワーの
減少が、完全結線の正方形バトラーマトリクスアレーア
ンテナについての−7.8dBと比較して、わずか−2dBとな
るようになっている。前記正方形アレー（これらは、本
質的に無損失である）と比較すると、終端及び異なる増
幅により幾分の損失が生じるが、これはかなり少ない。
これらのアンテナは、それぞれほぼ対称形（大まかに
言って、円形又は六角形）のアパーチャを有しており、
全ての素子が接続されているわけではないオーバーサイ
ズのバトラーマトリクスデバイスを使用することによ
り、歪みのない六角形ビームパターンを生成することが
可能になる。もちろん、図８、図9a又は図9bに示される
全ての点が接続されると、その結果は六角対称性を示す
とはいえ歪んだビームパターンを有する台形アレーとな
ってしまう。
動作中、受信アンテナ１及び形成器120は前述したも
のと本質的に逆の動作をし、これによって、図6aの受信
方向のグリッドの１つで受信した信号が、ビーム形成器
120の第１重ね合わせ30aの第１ポートの１つに送られる
ようになっている。より多数の素子100が設けられ、よ
り少数のポートが終端されているので、ビームパターン
は鮮鋭になるが、３個の隣接する受信方向間のパワー降
下は、依然として−3dBにすぎない。オーバーサイズの
マトリクスデバイス50の使用が原因の１つであり、ま
た、増幅器117の振幅の先細りも原因の１つである。
以下では、図10及び図11を参照しながら、本発明の他
の点を説明する。
図10によれば、この実施形態では、アレーアンテナ１
（又は２）の各素子は、第１のバトラーマトリクスビー
ム形成器120a、又は第２のビーム形成器120bの、対応す
る出力ポートに接続されている。ビーム形成器120a、12
0bの各々は、ほぼ図５に示されるような構造を有してお
り、この実施形態の簡単のため、図４に示されるタイプ
のＮイン、Ｎアウトマトリクスデバイス（Ｎ−in,N−ou
t matrix device）が用いられている。重ね合わせ30a、
30bの各々は、Ｎ個のバトラーマトリクスからなり、ア
ンテナ１は、正方形に配列されたN2個の放射素子100を
備えている。
これにより、バトラーマトリクスデバイス120a、120b
の各々は、N2個のビームポートを有している。このデバ
イスがそれ以上の修正なしに使用されたとすると、２個
のバトラーマトリクスにより生成されたビームのアレー
が互いに一致することは明確であろう。しかしながら、
バトラーマトリクスデバイス120bの１つとアンテナ１と
の間に移相装置300を設けることによって、一方のアレ
ーを他方のアレーに対してオフセットすることが可能で
ある。複数のビームを１次元に整列させるためには、ア
ンテナ１の一側の素子から他側の素子まで直線的に増加
する累進移相を移相装置300が提供することが単に必要
となる。ビームアレーを二次元に整列しようとする場合
は、アンテナ１と二次元的に（即ち、「垂直に」と「水
平に」）交差する移相を適用する必要があることは明ら
かである。
移相装置300は、アレーを横断して異なる長さでタッ
プされたマイクロ波伝送線（例えば、マイクロストリッ
プライン）によって簡単に作製することができる。
図11に示されるように、ある好適な実施形態では、移
相器300は、複数のビームからなる１個の格子を、仰角
及び方位角の双方で角度ＮΔ/2（Ｎは整数）だけずらし
て整列させるものであり、これにより、第２マトリクス
デバイス120bに接続されたビームに基づくピークビーム
位置は、第１のバトラーマトリクスデバイス120aに基づ
く４つの隣接ビームの最小の位置に配置されるようにな
る。
図11では、ビームの中心だけが示されている。ここ
で、第１のマトリクスデバイス120aのビームに基づくビ
ーム中心はドットで示されており、第２のマトリクスデ
バイス120bのビームに基づくビーム中心は×印で示され
ている。
このアレーは、より高いレベルのクロスオーバを備
え、45度で傾いた正方形アレーのように見える。
このため、本実施形態では、ビームカバレージを高
め、ビーム間の減衰を抑えつつ、単一のアンテナを使用
して多数のビームを生成することができ、また、正方形
アレーアンテナから、正方形又は非正方形ビームアレー
を生成することができる。図３に示される実施形態で
は、アナログビーム形成器20、120の各々を、２個以上
のバトラーマトリクスデバイス120a、120bと１個以上の
数の増分移相器300とによって置き換えることができ
る。
一般に、数個の非四角形（例えば、六角形）アレー
は、この実施形態により組み合わせることもできる。例
えば、六角形格子は、３個の相互にオフセットされた六
角形ビームアレーを生成するように配置された３個のバ
トラーマトリクスデバイスを用いて形成することができ
る。
この実施形態は、衛星通信以外の用途にも使用可能で
ある。例えば、他の通信用途や、レーダ用途に使用する
ことができる。
前述の実施形態は一例に過ぎず、他の実施形態や前述
の実施形態の変形が可能であることは明らかである。以
下に挙げるのは、そうした変形の例にすぎない。
上記では、２×２のハイブリッドによって設けられた
前述のデバイスについて説明したが、３×３カプラや他
の構成を用いて非バイナリマトリクスを形成することも
可能である。このことは、例えば、シェルトン（Shelto
n）及びケラー（Kelleher）による「直線アレーからの
多重ビーム（Multiplie beams from lineararrays）」
（アンテナ及び伝播に関するIRE研究論文（IRE Transac
tions on Antennas and Propagation）、Vol AP−９、1
55〜161頁、1961年３月）において教示されている。
また、前述では、ストリップライン構造について言及
したが、本発明は他の技術（例えば、MMIC）を用いても
実現することができる。同様に、ホーンやパッチ等の放
射素子もダイポールと同じく使用することができる。
上記で周波数分割多重化についても述べたが、他のシ
ステム（例えば、時分割多重化やコード分割多重化）を
使用できることは明らかである。また、ここまで中間円
軌道について述べてきたが、本発明は、地球低軌道（LE
O）や他の軌道にも利用可能である。また、移動体電気
通信衛星通信について述べてきたが、本発明が、衛星を
介した固定電気通信に適用可能なことは明らかである。
同様に、本発明の概念は、衛星通信以外の他の通信分野
へも適用することができる。
従って、本発明は、上述の実施形態に限定されるもの
ではなく、当業者にとって明らかな他の任意の変形、置
換、及び修正を加えたものにまで広がっている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｑ 21/06 Ｈ０１Ｑ 21/06 Ｈ０４Ｂ 7/15 Ｈ０４Ｂ 7/15 Ｚ (72)発明者 ポスケット， ピーター イギリス バックス エスエル７ ３ア ールズィー リトル マーロウ チャー チ ロード ハイ チムニーズ (72)発明者 マリンズ， デニス イギリス ロンドン エスイー11 ５ユ ーエル ランベス サンクロフト スト リート ケニントン パラス コート 23 (72)発明者 ハッチンサン， ベン アメリカ合衆国 メリーランド州 ロッ クヴィル ブリュワー ハウス ロード 10931 (72)発明者 ショメ， パトリック イギリス ロンドン エヌダブリュ６ ３エイチティー ゴールドハースト テ ラス 78 フラット ３ (56)参考文献 特開 昭54−146946（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−24251（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−38901（ＪＰ，Ａ) 米国特許5162804（ＵＳ，Ａ) 欧州特許405732（ＥＰ，Ｂ１) ＴＡＮＡＫＡ ＥＴ ＡＬ．，”Ｄｅ ｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｕｌｔｉ ｂｅａｍ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ａｎｔｅｎｎａ ｏｎ ，ＥＬＥＣＴＲ ＯＮＩＣＳ ＡＮＤ ＣＯＭＭＵＮＩＣ ＡＴＩＯＮＳ ＩＮ ＪＡＰＡＮ，ＰＡ ＲＴ Ｉ：ＣＯＭＭ，米国，Ｓｃｒｉｐ ｔａ Ｔｅｈｎｉｃａ Ｉｎｃ．，ｖｏ ｌ．77，ｎｏ．１，117−128 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01Q 3/00 - 3/46 H01Q 21/00 - 21/30

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】地球を照射する、同時放射線ビームの一定
    角度で離間されたアレーを生成又は受信する衛星ペイロ
    ード装置であって、 アレーアンテナを形成する複数の放射素子のアレーと、 ビーム形成器（beam former）と、を備え、 前記ビーム形成器は、前記ビームの１つに対応した個々
    の電気信号を各々受け取るための複数のビームポートを
    有する第１サイド、及び、前記放射素子の１つにそれぞ
    れ対応した複数のアンテナポートを有する第２サイドを
    含む回路網を備えており、 各ビームポートは、複数のカスケード式電力分配器部品
    及び複数の移相器部品からなる回路網を介して複数のア
    ンテナポートに接続されており、 その移相は、複数のビームのアレーを生成するように所
    定の定数の整数倍となっており、前記アレーアンテナが
    六角対称性を有し、前記ビームのアレーが六角対称性を
    有し、 ネットワークが放射素子に接続されていない更なるアン
    テナポートを含む衛星ペイロード装置。
  2. 【請求項２】隣接ビーム間の電力減少が、3dB以下であ
    る請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】前記アンテナが、直接放射アンテナ（dire
    ct rediating antenna）である請求項１又は２のいずれ
    か１項記載の装置。
  4. 【請求項４】放射素子に接続されていない前記更なるア
    ンテナポートが、終端負荷（terminating load）で終端
    されている請求項３記載の装置。
  5. 【請求項５】各放射素子が、給電経路（feed path）を
    介してアンテナポートに接続されており、 アンテナアパーチャに振幅の先細り（amplitude tape
    r）が生じるように、前記アンテナの周辺部の放射素子
    への前記給電経路内の利得が、前記周辺部の内側にある
    放射素子の前記給電経路内の利得よりも低くなっている
    請求項１〜４のいずれか１項記載の装置。
  6. 【請求項６】前記複数の電力分配器が、それぞれ90゜ハ
    イブリッドを備えている請求項１〜５のいずれか１項記
    載の装置。
  7. 【請求項７】前記回路網が、複数のN1イン、N1アウトバ
    トラーマトリクスデバイスからなる第１のセットであっ
    て、 これらのバトラーマトリクスデバイスがそれぞれ第１サ
    イド及び第２サイドを有していて、 前記第１セットの前記第１サイドが前記ビームポートを
    形成している前記第１セットと、 複数のN2イン、N2アウトバトラーマトリクスデバイスか
    らなる第２のセットであって、 これらのバトラーマトリクスデバイスが、それぞれ第１
    サイド及び第２サイドを有していて、前記第２セットの
    前記第２サイドが前記アンテナポートを形成している前
    記第２セットと、を備えており、 前記第２セットの各バトラーマトリクスデバイスの前記
    第１サイドのポートが、前記第１セットの複数の異なる
    バトラーマトリクスデバイスの第２サイドのポートに接
    続されていて、各ビームポートが全てのアンテナポート
    に接続されるようになっている請求項１〜６のいずれか
    １項記載の装置。
  8. 【請求項８】前記第１セット内にN1個より少数のバトラ
    ーマトリクスデバイスがある請求項７記載の装置。
  9. 【請求項９】前記第２セット内にN2個より少数のバトラ
    ーマトリクスデバイスがある請求項７又は８のいずれか
    １項記載の装置。
  10. 【請求項１０】前記第１ポートに連結されたビーム受信
    手段を更に備える請求項１〜９のいずれか１項記載の装
    置。
  11. 【請求項１１】前記第１ポートに連結されたビーム生成
    手段を更に備える請求項１〜10のいずれか１項記載の装
    置。
  12. 【請求項１２】第１の前記回路網を介してビーム生成手
    段に連結された第１の前記アンテナと、第２の前記回路
    網を介してビーム受信手段に連結された第２の前記アン
    テナと、を備える請求項１〜11のいずれか１項記載の装
    置。
  13. 【請求項１３】前記受信手段は、受信周波数帯内で受信
    を行うように構成されており、前記生成手段は、前記受
    信周波数帯と異なる送信周波数帯内で生成を行うように
    構成されている請求項12記載の装置。
  14. 【請求項１４】第１アンテナが、複数の送信ビームから
    なるアレーを生成するように構成され、 第２アンテナが、複数の受信ビームからなるアレーを生
    成するように構成され、 各受信ビームが、対応する送信ビームと一列に整列され
    ている請求項13記載の装置。
  15. 【請求項１５】請求項１〜14のいずれか１項記載の局を
    備える宇宙ビークル。
  16. 【請求項１６】前記ビームが、地球の周りの中間円軌道
    内に位置するビークル用に、前記ビームのアレーが可視
    の地球表面のほぼ全体を覆って広がるように構成されて
    いる請求項15記載の宇宙ビークル。
  17. 【請求項１７】請求項15又は17のいずれか１項記載の宇
    宙ビークルを複数備える世界衛星通信システム。
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