JP3499831B2 - セル再使用パターンを有するビーム形成ネットワークおよびその構成方法 - Google Patents
セル再使用パターンを有するビーム形成ネットワークおよびその構成方法Info
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Description
ナアレイに関し、特に、多重周波数、二重偏波、セル再
使用パターンを有するビーム形成ネットワークに関す
る。
を形成するアンテナである。商業通信衛星は通常1以上
のフィード素子を有する多重ビームアンテナを使用して
いる。フィード素子は直接放射することができ、或いは
反射器またはレンズをフィードすることができる。
フィード素子グループを有し、それによってフィード素
子が駆動されてビームコンポーネントを発生し、そのビ
ームコンポーネントは他のフィード素子からのコンポー
ネントビームと組合わされて複合ビーム,すなわち通信
ビームを形成する。通信衛星内の低レベルビーム形成ネ
ットワークはフィード素子の相互作用を制御する。
通常のビーム形成ネットワークは、予め定められた伝搬
遅延を有する個々の接続部によって接続された平坦な分
割器および結合器を有している。ビーム形成ネットワー
クは、典型的には7方向の電力分割器および結合器から
構成されている。従来技術のビーム形成ネットワークに
おいては過大な数の分割器および結合器が必要であるた
め、大型になり、信号ルート設計効率に悪影響を及ぼす
欠点がある。
割器100 の1例が図1に示されている。入力信号は7つ
に分割される。各素子103 は主ベクトル102 および主ベ
クトル102 を囲む6個の結合されたベクトル104 を受信
する。各信号ベクトル102および104 は、図2に示され
るように電力結合器200 中で結合される前に振幅および
位相を加重される。6個の隣接する素子103 からの入力
202 は結合されて単一の出力を形成する。典型的に、電
力分割器ネットワークは電力結合器ネットワークから分
離されたセクション上に設けられる。
たものと同様に、従来技術のビーム形成ネットワークで
は、分割器および結合器ネットワークが必要であり、そ
れは2つの偏波で全ての隣接するセルとの間で信号エネ
ルギを送信および受信する。六角形構造に対しては中心
の1個のセルは6個のセルによって囲まれ、分割ネット
ワークは1:7であり、全てのセルおよび全ての偏波に
対して反復される。不所望な干渉が隣接するセル間で発
生する。7分割の電力分割器はビーム形成ネットワーク
の大きさおよび重量に望ましくない増加をもたらし不必
要に複雑にする。
の大きさおよび複雑性を減少させることである。本発明
の別の目的は、セル間の偏波と周波数の分配を認識する
ことによって分割器ネットワークの大きさを減少させる
ことである。本発明の別の目的は、所定の偏波のための
分割器が全ての隣接するものよりも少ないフィードにな
るように六角形構造に対する偏波および周波数の再使用
を行うことである。
ルの1次偏波に対して3分割分割器を必要とし、隣接す
る列中の近傍のセル中の非1次偏波に対して4分割分割
器を必要とする分割器ネットワークを提供することであ
る。本発明のさらに別の目的は、結合器の数を減少さ
せ、それによって結合器ネットワークの複雑性を減少さ
せることである。
波フィードのための結合器が全ての隣接するフィード素
子よりも少なくなるようにビーム形成ネットワークにお
けるフィードの交互の列における7方向からの結合を提
供することである。
のより小さい素子を使用し、ネットワーク設計における
効率のよいルート設定を行うことのできる二重偏波通信
システムにおける分割器/結合器ネットワークを有する
ビーム形成ネットワークを提供する。本発明のビーム形
成ネットワークは複雑性および分割器/結合器の大きさ
を減少させることができる。
子が行および列に配列されている構成を有している。ビ
ーム形成ネットワーク中の2つの隣接する列は同じ1次
偏波を有しておらず、また、2つの隣接する行は同じ周
波数を有していない。それによって潜在的な干渉を消去
している。
電力の4分割が非1次偏波に対して行われる。隣接する
列中のフィード素子は交互に1次偏波を与えられる。例
えば1次偏波は右回り円偏波(RHC)であり、非1次
偏波は左回り円偏波(LHC)であり、素子の隣接する
列では1次偏波は左回り円偏波(LHC)であり、非1
次偏波は右回り円偏波(RHC)である。本発明の結合
器ネットワークは1つおきの列において7方向からの結
合を有している。このような構成によれば、不必要な信
号の分割および結合が除去されて、それによってビーム
形成ネットワークの効率が改善され、分割器および結合
器ネットワークの大きさを減少させることが可能にな
る。
形構造の対称性を使用して分割器の大きさを1:7から
1:3または1:4分割器のネットワークに減少させ
る。少ない数の結合器と小型にされた分割器はパッケー
ジの複雑性を減少させる。本発明のその他の目的および
特徴は、添付図面を参照にした以下の好ましい実施形態
の詳細な説明から明らかになるであろう。
12を有する多重ビームアンテナシステム10を示して居
る。ビーム形成ネットワーク12は複数のポート14を有
し、それらはビーム形成ネットワーク12をフィードアレ
イ16に接続している。フィードアレイ16は所望のパター
ンに配置され、ポート14に接続されている複数の素子18
を有している。反射器20はフィードアレイ16と共同して
フィード素子18との間で入力、出力信号を反射する。
得られるビームを規定している。図4および5を参照す
ると、フィード素子18の群は互いに隣接してグループを
形成している。各フィード素子18は全体のビームのコン
ポーネントを送信する。各フィード素子18は1以上の最
終的なビームコンポーネントを同時に送信することがで
きる。
るように予め定められたパターンで配置されている。各
フィード素子18は左回りおよび右回りの円偏波の両方の
入力を受信する。一方の偏波だけが1次偏波22であり、
他方の偏波は非1次偏波24と考える。
次偏波を有している。この図では1次偏波だけが示さ
れ、六角形中の水平または垂直線によって示されてい
る。例えば、P1 の表示が付けられた列は左回りの1次
円偏波(LHC)であり、右回りの1次円偏波(RH
C)は非1次偏波である。列P2 は右回りの1次円偏波
(RHC)と左回りの非1次円偏波(LHC)を有して
いる。フィード素子18の列に対する交互の1次偏波は隣
接する列間の干渉を減少させる。
った周波数を有する。隣接する行間の周波数ダイバーシ
ティは干渉を減少させる。図4および5に示されたシス
テムでは2つの周波数F1 およびF2 が使用されてい
る。しかしながら、さらに多くの周波数が使用可能であ
ることを注意すべきである。
示されており、この電力分割器30の動作を中央の素子32
を参照して説明する。列P2 は例えばRHCの1次偏波
を有する。列P2 中のフィード素子18はそれらに隣接す
る2つのフィード素子にしか結合する必要がない。中央
の素子32は同じ列の隣接する2つのフィード素子に結合
する信号を有している。中央の素子32はまた通過(throu
gh) 信号36を有する。7方向電力分割に代る1次偏波の
3方向電力分割は、同じ1次偏波22を有する同じ列P2
のフィード素子18に対して必要な全てである。列P2 の
フィード素子18は同じ1次偏波22を有しているが、異な
った周波数F1 およびF2 であり、それによって潜在的
な信号の干渉を減少させる。
P2 中のフィード素子18とは異なった1次偏波22を有し
ている。しかしながら、隣接する列のフィード素子に対
する非1次偏波24は列P2 中のフィード素子18に対する
1次偏波22と同じである。隣接する列のフィード素子に
対する非1次偏波24は4方向分割を有し、信号を隣接す
る列の4つの隣接素子18に結合する。それ故、列P2 に
隣接する各列の2つのフィード素子18は列P2 の1つの
フィード素子18に信号を結合する。隣接する列のフィー
ド素子18は同じ列のセルには結合せず、それ故、対応し
て分割される必要はない。
れぞれ信号を結合し、かつ、スルー信号を与えるために
7つに分割される。本発明の電力分割器ネットワークで
は、1つの素子の列に対して3つに分割し、隣接する列
に対して4つに分割される。スルー信号は3つの電力分
割を有するフィード素子の列に対して設けられる。この
電力分割器ネットワークは、従来技術の7分割の電力分
割器ネットワークに比較して小形で、複雑性も少ない。
を図5を参照にして、中央の素子42について説明する。
中央の素子42は隣接する6個から信号を受信する。複合
ビームは、6個の結合された信号と同じ偏波を有する出
力から来るスルー信号から、すなわち、同じ列の素子に
対する1次偏波と隣接する列の素子に対する非1次偏波
を有する信号から形成される。
は列P2 の隣接するフィードから来る。隣接する素子18
のからのそれぞれ1つの信号44および中央の素子42自体
からの1つの信号46である。同じ列のフィード素子18は
同じ1次偏波22を有する。隣接する列P1 およびP2 の
フィード素子18から来る残りの4つの信号は中央の素子
42に対して対角線方向であり、中央の素子42に対する1
次偏波22と整合する非1次偏波を有する。電力結合器ネ
ットワーク40は1つおきの列の結合された電力を有して
おり、全ての素子に対して7:1の結合器を有する従来
技術の電力結合器ネットワークと相違している。
は、隣接する素子間の干渉を減少して広い地理的区域を
カバーすることができる。任意の素子と次に隣接する素
子との間の干渉はサイドローブの減少が得られるように
7つの信号の適切な加重によって減少される。偏波およ
び周波数の再使用形態により、全ての6この隣接する素
子に対して所定の偏波のための分割器は必要ない。2つ
の最も近い隣接素子、すなわち同じ列の上と下の素子は
同じ1次偏波を有している。従来のビーム形成ネットワ
ークでは、両方の偏波にたいして全ての隣接する素子に
信号を送信し受信する分割器および結合器ネットワーク
を必要とする。素子間の偏波および周波数の分配を認識
することによって、本発明の分割器ネットワークは同じ
列の同じ1次偏波により隣接素子にたいして減少され
る。
ップライン技術を使用して構成されることができる。ス
トリップライン構造は同じセクションで異なる分割およ
び結合の組合わせを可能にする。ストリップライン構造
において、各偏波は2つのセクションを有する。図6に
示されている左回り円偏波に対する第1のセクション50
は非1次偏波素子信号を4で分割し、同じセクションで
4により再結合する。図7に示されている第2のセクシ
ョン52は1次偏波素子信号22を3で分割し、4により再
結合する。
の分割および信号の結合は別々のセクションで行われ
る。全ての信号の分割は1つのセクションで行われ、全
ての信号の結合は別のセクションで行われる。それらの
セクションは並列であり、スルーポートはセクション間
で垂直である。本発明では、信号の分割および結合は2
つのセクション間で混合される。部分的な信号分割が第
1のセクションにおいて信号の結合と同時に行われる。
残りの信号分割および結合は第2のセクションにおいて
行われる。
管を使用して構成されることができる。図8は基本的な
信号経路設定スケジュールの1例である。図8は2つの
偏波出力P1 およびP2 を素子62がどのように出力する
かを示している。偏波出力P1 およびP2 は2つの形態
の1つに分割される。図9はP1 が1次偏波であり、3
つに分割される形態を示している。P2 は非1次偏波で
あり、4つに分割されている。図10は別の形態を示し
ており、それにおいては、P1 が非1次偏波であり、4
つに分割されている。P2 は1次偏波であり、それ故3
つに分割されている。
され、P2 は非1次偏波であり4つに分割されている第
1の形態の導波管構造の経路設定方式を示している図1
1の(a)および(b)と関連している。る形態を示し
ている。図12の(a)では、P1 が非1次偏波であ
り、それ故、P1 1 、P1 2 、P1 3 、P1 4 の4つに
分割されている。図12の(b)では、P2 は1次偏波
であり、それ故、信号P2 1 、P2 2 、P2 3 の3つに
分割されている。
されている。各行は同じ構成を有する素子、すなわち図
11の(a)および(b)で示された第1の形態の素子
を含んでいる。素子の形態は各行で交互に変化する。例
えば、図13では、中央の行71は第2の形態の素子を有
し、その両側に第2の形態の素子を有する行65, 85が配
置されている。これは以下説明するように本発明による
結合を可能にする。
かである1次偏波は3つに分割される。しかしながら、
1次偏波は各行で交互に変化する。このような交互の偏
波は干渉を避けて、本発明のセル再使用パターンを実行
することを可能にする。中央の行71は3つに分割された
1次偏波P1 を有する素子70,72,74を有する。行71
は、その両側に行65, 85が配置されており、それらは4
つに分割される非1次偏波P1 を有している。
0, 72, 74, 76, および78で示される7個の素子のグル
ープが六角形構造で配置されている。明瞭にするために
7この素子しか示していない。しかしながら、ネットワ
ークは隣接する素子間の1次偏波と非1次偏波の配置お
よび周波数差のために隣接するオーバーラップした複合
ビームから干渉することなく複製できることに注意すべ
きである。
て図13を参照にしてここで説明される。グループの一
番上の行の素子66および68はそれぞれ出力P1 1 または
P1 3 を生成し、それは結合されて図14で符号81によ
って示される1つの出力を形成する。再び図13を参照
すると、グループの行85中の素子76および78は出力P1
2 およびP1 4 をそれぞれ生成し、それは結合されて図
14で符号83で示される1つの出力を生成する。得られ
た出力81および83は素子72の出力P1 と整列している。
で、素子74の出力P1 を素子72の出力P1 と整列と結合
する。同様の方法で、素子70の出力P1 2 は素子72の出
力P1 とオフセットして整列し結合される。出力81, 83
およびP1 は全て互いに垂直に整列し、その位置で結合
される。位相および振幅調整は導波管ラン中に導入され
ることができる。導波管の電気的長さを調整するために
導波管を屈曲市、或いは導波管の幅を変化させることに
よって曲がりくねったオフセットを行うことが可能であ
る。位相および振幅調整のために受動位相シフタおよ
び、または減衰器を挿入することも可能である。図14
は3方向分割k平らな壁の結合器を使用する出力の組合
わせを示している。
説明した導波管構造を使用して構成された素子群の3次
元斜視図である。行は交互に1次および非1次偏波の形
態を有する。例えば、図15は図13に示されたものに
対応する3分割されたP2すなわちP2 1 、P2 2 、P2
3 を有する素子76, 78, 80を示している。非1次偏波
P1 は4つに分割されているが、図15では明瞭ではな
い。
いる斜視図である。たとえば、行65について検討する
と、非1次偏波P1 はP1 1 、P1 2 、P1 3 、P1 4
の4つに分割されている。
された3次元斜視図を参照にして説明することができ
る。例えば、図15の行85の中央の素子78について検討
する。通過信号P2 は隣接する素子76および80からの信
号と整列している。素子76からのP2 は曲げられて素子
78のP2 と整列され結合される。同様に、素子80からの
P2 1 は素子78からのP2 と曲げられて整列され、結合
される。この3次元の例は、行71を参照にして図13に
示されたものに対応しており、そこでは素子70からのP
1 1 および素子74からのP1 2 は素子72のP1 と整列さ
れている。
明された2つの組合わせは、図163次元導波管形態で
明瞭に示されている。個々に記載されているように、行
65では、素子66および68からの信号P1 1 およびP1 3
は81に結合される。図16に示された3次元斜視図にお
いて、素子66からの信号P1 1 は素子68からの信号P1
3 と組合わされる。同様に行65では、素子68および69か
らの信号P1 2 およびP1 4 は83に結合される。
る。行65の素子69は4分割された非1次偏波P1 を有し
ている。分割された信号のP1 1 は隣接する行71の素子
79の1次偏波のスルー信号P1 と結合される。同様に、
反対方向から、行85の素子からの信号83は行71の素子79
のP1 と結合される。
わせの2レベルとそれに続く3つの隣接する行間の3方
向組合わせによって行われる。例えば、行65の2方向組
合わせは81を生じ、行85の2方向組合わせは83を生じ
る。最後に行65の信号81と苦行71の信号P1 間の3方向
組合わせは7方向結合を生成する。図16では明瞭に示
されていないが、素子79のP1 はまた同じ行の隣接素子
からの信号との整列を受ける。示されたような隣接する
行からの3方向の組み合わされた信号は7方向結合を生
じる。
じ行における素子間に生じる。3方向の結合は隣接する
行中の素子間で生じる。1つの行中の素子は、隣接する
行の素子の非1次偏波と同じである1次偏波を有する。
1次偏波は3分割される。スルー信号は隣接する素子の
非1次偏波信号と結合されており、それは4分割されて
いる。本発明による結果的に得られたビームは7つのコ
ンポーネントを有するが、7方向電力分割器および結合
器は必要ない。価格が低下し複雑さが減少する3方向電
力分割器および4方向電力分割器が使用され、従来技術
において7方向分割器および結合器によって行われた偏
波および周波数配置に関連した2および3方向分割器が
必要とされた。
偏波通信システムの分割器ネットワークを1次偏波を有
する同じ列のフィード素子に対しては1:3分割器に、
また前の列の1次偏波と同じである非1次偏波を有する
隣接する列のフィード素子に対しては1:4分割器に減
少させる。この構成は分割器および結合器構造を小形に
し、縮小された設計スペースで効率のよい経路設定を可
能にする。導波管構造として説明した経路設定は交差
(クロスオーバー)を必要としない。従来技術のビーム
成形ネットワークに比較して、構造は簡単になり、それ
によって組立てもまた簡単になる。プレーサ技術が使用
可能である。図11乃至16を参照にしてここで説明さ
れたように、本発明のビーム成形ネットワークは、高い
周波数で損失を低くすることを可能にする導波管構造に
特に適している。
示し説明したが、当業者には種々の変更および変形され
た実施形態を実施することが可能であろう。したがっ
て、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載によっ
てのみ限定される。
力分割器ネットワークの概略図。
力結合器ネットワークの概略図。
分割器ネットワークの概略図。
結合器ネットワークの概略図。
分割器ネットワークのストリップライン構造における左
円偏波に対する第1の層を表すベクトル図。
分割器ネットワークのストリップライン構造における左
円偏波に対する第2の層を表すベクトル図。
図。
略図。
概略図。
1次偏波P2 を有する素子の前面図および後面図。
1次偏波P2 を有する素子の前面図および後面図。
た分割器および結合器ネットワークを有する7素子の群
の概略図。
素子の群の概略図。
図。
図。
Claims (10)
- 【請求項1】 列および行に配列された複数のフィード
素子(18)を有し、複合ビームを構成するフィード信号を
生成するフィードアレイ(16)と、 前記複合ビームを複数のビームコンポーネントに分割す
る分割器ネットワーク(30)と、 結合器ネットワーク(40)とを具備し、 前記フィードアレイ(16)の各フィード素子(18)は1次偏
波(22) および非1次偏波(24)を有しており、1つの列に
配列されたフィード素子 (18) はその列に隣接する列のフ
ィード素子 (18) は異なった1次偏波を有しており、 同じ 行に配列されたフィード素子(18)は隣接する行のフ
ィード素子(18)の周波数とは異なった周波数を有してお
り、 前記分割器ネットワーク(30)によって、1つの列(P2)に
配列されたフィード素子(18)は3つに分割された1次偏
波(22)と4つに分割された非1次偏波とを有しており、
その列 (P2) に隣接する列 (P1) の各フィード素子 (18) はそ
の列 (P2) とは異なった1次偏波 (24) を有しており、前記
1つの列 (P2) に隣接する両側の各列 (P1) の2つのフィー
ド素子 (18) が前記1つの列 (P2) のフィード素子 (18) にそ
の非1次偏波 (22) である信号を供給し、この前記1つの
列 (P2) に隣接する両側の各列 (P1) の2つのフィード素子
(18) は同じ列 (P1) のフィード素子 (18) には結合されてお
らず、 前記結合器ネットワーク(40)は同じ偏波(22 または 24)
を有する前記ビームコンポーネントを1以上のフィード
信号に結合し、前記ビームコンポーネントは同じ列の隣
接するフィード素子および隣接する列の対角線の位置の
素子から受信される多重ビームアンテナシステム。 - 【請求項2】 第1の列に対しては、前記1次偏波は右
回りの円偏波であり、前記非1次偏波は左回りの円偏波
であり、第1の列に隣接する列に対しては、前記1次偏
波は左回りの円偏波であり、前記非1次偏波は右回りの
円偏波である請求項1記載のアンテナシステム。 - 【請求項3】 前記分割器のネットワークおよび前記結
合器のネットワークはストリップライン技術を使用して
構成されている請求項1記載のアンテナシステム。 - 【請求項4】 前記分割器のネットワークおよび前記結
合器のネットワークは結合器によって予め定められたパ
ターンで結合された導波管を使用して構成されている請
求項1記載のアンテナシステム。 - 【請求項5】 前記結合器のネットワークは、同じ列の
素子に対しては2方向組合わせを備え、隣接する列中の
素子に対しては3方向組合わせをさらに備えている請求
項4記載のアンテナシステム。 - 【請求項6】 前記2方向組合わせを有する素子は水平
平面において結合され、前記3方向組合わせを有する素
子は垂直平面において結合されている請求項5記載のア
ンテナシステム。 - 【請求項7】 前記2方向の水平の組合わせは狭い壁の
結合器によって行われ、前記3方向の垂直の組合わせは
平坦な広い壁の結合器によって行われる請求項6記載の
アンテナシステム。 - 【請求項8】 さらに、前記結合器中の位相および振幅
補償を含んでいる請求項4記載のアンテナシステム。 - 【請求項9】 前記位相および振幅補償は受動位相シフ
タによって前記結合器中に導入される請求項8記載のア
ンテナシステム。 - 【請求項10】 前記位相および振幅補償は減衰器を通
して前記結合器中に導入される請求項9記載のアンテナ
システム。
Applications Claiming Priority (2)
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US09/500,754 US6320537B1 (en) | 2000-02-08 | 2000-02-08 | Beam forming network having a cell reuse pattern and method for implementing same |
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