JP3618858B2

JP3618858B2 - 移動体ｓｎｇ装置

Info

Publication number: JP3618858B2
Application number: JP28149495A
Authority: JP
Inventors: 好一高野; 孝雄村田; 秀夫光本; 昇外山
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1995-10-30
Filing date: 1995-10-30
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2015-10-30
Also published as: JPH09130319A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、テレビジョン放送の分野において移動体上からニュース映像素材等を通信衛星経由で基地局に伝送するための移動体ＳＮＧ（ＳａｔｅｌｌｉｔｅＮｅｗｓＧａｔｈｅｒｉｎｇ）装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりＳＮＧ装置の送信機システムのアンテナは、パラボラアンテナを用いたものが主であるが、特に移動体送信を必要とする場合、追尾機構が必要になるため、装置が大掛りになり、装置を分解して移動体上へ運搬し、そこで組み立てて使用することは不可能であった。これに対し、最近では、アンテナを複数のサブアレーで構成することにより電子追尾機能を持たせた平面アレーアンテナ方式の研究・開発が進められているが、この方式では、各サブアレー毎に固体増幅器（ＳＳＰＡ）、送信モニター回路および低雑音ブロックダウンコンバータ（ＬＮＢ）などの多数の高周波回路基板・コンポーネントをアンテナの背面に実装する必要がある。この際、従来の技術では高周波回路基板・コンポーネントを各々、導波管およびケーブルで接続したり、また、ＳＳＰＡの放熱に関しても各ＳＳＰＡを放熱器に取り付け冷却ファンにより強制空冷を行っている。
また、アンテナに規定の振幅・位相の高周波信号が入力しているかを監視する送信モニターは、アンテナ入力端子直前に取り付けられた方向性結合器により信号の取り出し行っており、アンテナの放射素子の影響や、インピーダンス不整合による多重反射等の影響により、空間に放射された電波の振幅・位相を正確にモニターすることは不可能であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
平面アレーアンテナをサブアレーに分割し、各サブアレー毎にＳＳＰＡ、移相器を付加し、各サブアレー毎の送信波の振幅・位相を制御することにより電子追尾を行うアレーアンテナ方式のＳＮＧ装置は、パラボラアンテナによる従来からのＳＮＧ装置よりも移動体ＳＮＧに適しているといえるが、各サブアレーの背面にＳＳＰＡや高周波回路、あるいは送信モニター用の方向性結合器などのコンポーネントを実装し、さらにこれらを導波管や高周波ケーブルで接続した場合、サブアレー背面部分の回路規模が大きくかつ重くなるという問題点が残っていた。
【０００４】
さらに、温度変化による特性変化やドリフトを補償するためのフィードバックループで振幅・位相を補正する場合も、従来はアンテナ系を含まないループであるため、フィードバックループ以降の伝送路のインピーダンス不整合による多重反射による影響やアンテナの特性変化が誤差要因として残るという問題点もあった。このことは、アンテナ部のサブアレー個々の特性と装置全体での特性とを電波無響室等で測定し、補正データを取得する作業を必要とし、その労力と経費が装置の特性維持に多大な負担となるという問題点もあった。
【０００５】
ＳＳＰＡの冷却は、上述のように各ＳＳＰＡ毎に放熱板を取り付け、さらに冷却ファンにより送風することで行っているため、海上での使用が必要な移動体ＳＮＧ装置では、潮風による影響が大きく、さらに、多数のＳＳＰＡの一体構造により送信機が構成されているため、運搬が極めて困難であるばかりでなく、故障診断・修理にも大きな手間を必要とし、また、アレーアンテナを構成するサブアレーの数にも限界があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による移動体ＳＮＧ装置では、運搬上の問題や故障修理の問題を解決する手段として、多層基板による平面アンテナとＳＳＰＡおよび高周波コンポーネントを組み合わせて送受信モジュールを構成し、各サブアレー毎に機能を完全に独立とし、各サブアレー単位でバスシステムに接続する方法を採用した。
【０００７】
また、本発明では、特に送信用モニターの検出を、多層構造平面アンテナの中央部のパラサイト素子１個をピックアップモニター用素子として用いることにより、送信電波の振幅・位相を直接モニターする構成としている。これにより、アンテナまでをループに含むフィードバック系が構成されるため、インピーダンス不整合による多重反射によって生じる振幅・位相のシフトやアンテナ部の特性の変化までを補償した高精度の振幅・位相制御が可能となる。また、モジュール単体の特性も簡単な測定設備で行えるため、従来のような大がかりな測定を必要とせず、測定にかかる労力・特性維持の経費を大幅に軽減することができる。
【０００８】
また、本発明移動体ＳＮＧ装置に使用する平面アンテナでは、基板製作技術により複数のアンテナ素子を積層することが可能であるため、放射用アンテナ素子の上部に常に一定の間隔となるようにパラサイト素子（中央部の１つはピックアップ用モニター素子として兼用）を積層することにより、アンテナ素子単体あるいはサブアレー毎の性能ばらつきを少なくすることができる。また、各素子層を一体に積層化することにより薄くかつ軽量にすることができる。
【０００９】
さらに、多層構造の平面アンテナ部の背面には、ＳＳＰＡ、バンドパスフィルター等のコンポーネント、ミキサや受信用ＬＮＢなどが実装される。本発明では、多少の損失が許容される回路部分については大幅に小型化・プリント化を図り、これらの回路をプリント基板上に一体化するとともに、多層基板平面アンテナと一体化した送受信モジュールにすることによって、サブアレーの小型化および軽量化を図っている。また、回路中のアップコンバーターおよびダウンコンバーター用のローカル信号発生器を各モジュール内に配置せず、外部から共通のローカル信号を入力することによって、各モジュールの軽量化を図っている。
【００１０】
さらにまた、ＳＳＰＡは発熱量が多く放熱処理が必要となるが、本発明では、ＳＳＰＡをモジュールのシールドケース内壁に密着させて取り付け、後述のバスシステムにより放熱を行う方式とした。バスシステムは、各送受信モジュールを取り付けるためのマウント部となるとともに、マウント部に放熱機構が埋め込まれており、マウント部に送受信モジュールが接続されたときお互いの外壁が密着することにより熱伝達が行われる。これにより、これまでアンテナシステムで大きなスペースを占めていた放熱機構が簡単になり、サブアレーモジュールの小型化が可能となる。また、バスシステムには、ローカル信号用の増幅器やフィルターなどを実装することも可能となる。
【００１１】
すなわち、本発明移動体ＳＮＧ装置は、それぞれ表面がレドームで覆われた多層基板平面アンテナおよび該アンテナの裏面にモジュール化されて設けられた第１の回路部からなる複数個の送受信モジュールと、それら送受信モジュールをそれぞれマウントするための複数個のマウント部および該マウント部にマウントされる前記各送受信モジュールと信号の受け渡しを行う第２の回路部を具えたバスシステムとによって構成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明移動体ＳＮＧ装置は、前記多層基板平面アンテナが、多層基板の各構成基板上に、複数個の送受信共用の放射素子、複数個のパラサイト素子およびそれぞれの放射素子に給電を行う給電線がそれぞれ形成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明移動体ＳＮＧ装置は、前記多層基板平面アンテナのパラサイト素子の少なくとも１個を送信電波モニター用のピックアップ素子として使用するようにしたことを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明移動体ＳＮＧ装置は、前記第１の回路部が、少なくとも固体電力増幅器、アップコンバータおよびダウンコンバータを含んでなる高周波コンポーネントによって構成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明移動体ＳＮＧ装置は、前記アップコンバータおよび前記ダウンコンバータ用のローカル信号が、前記バスシステムの回路部から前記マウント部を介して前記送受信モジュールの第１の回路部に供給されていることを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明移動体ＳＮＧ装置は、前記バスシステムが放熱機構を有し、前記バスシステム中の前記第２の回路部は送受信信号伝送線路を収納していることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明移動体ＳＮＧ装置は、前記第１の回路部がシールドケースで覆われ、該シールドケースと前記マウント部のマウント面とが密着するように構成され、該密着により前記送受信モジュールの温度上昇が前記バスシステムの放熱機構によって抑えられるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照し、実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
まず、本発明移動体ＳＮＧ装置は、図１に示すように、多層基板平面アンテナ（サブアレー）１、この平面アンテナの保護のためレドーム２、および平面アンテナ１の裏面にモジュール化されて配置される回路部３からなる送受信モジュール４と、これを同一平面上に配置するためのマウント部５を有するバスシステム６とにより構成されている。
【００１９】
ここで、ＳＳＰＡ，ＬＮＢなどにより構成された回路部３はシールドケースに収納されている（図４参照）。送受信モジュール４は、バスシステム６のマウント部５に密着するように差し込まれ、送受信モジュール４の入出力コネクタとバスシステム６の信号用コネクタが接続されている。バスシステム６の中には信号線路および高周波回路のほか、放熱機構も組み込まれている。バスシステム６内の放熱機構では送受信モジュール４からの熱を冷媒により速やかに外部へ排出できる構造となっている。バスシステム６へは平面アンテナのサブアレー数に対応した数の入出力用の信号線路が接続されている。
【００２０】
次に、本発明による実施の形態の各部分について詳細に説明する。
図２は上面から見たサブアレーアンテナの一例を示し、パッチ素子の配置として縦横が８×８素子の例を示している。各パッチは、放射素子とパラサイト素子がペアーで形成されており、本発明では、図示のようにアレーの中心部にある１個のパラサイト素子を送信モニター用のピックアップ素子として用いている。モニター点としてサブアレーの機械的中心ではないが、サブアレーを代表するピックアップ素子としては差し支えない。各放射素子と同相・等振幅で励振されていること、およびピックアップ素子で検出される送信電波は直下の放射素子からの電波が支配的であり、距離が離れるほど結合が弱く、隣接するサブアレーからの電波の漏れ込みは無視し得る程度となるからである。
【００２１】
図３は、本発明ＳＮＧ装置の一実施形態に使用する多層基板平面アンテナアレーの一部分の積層構造を、それぞれ側断面図（ａ）および上面図（一部下部構造）（ｂ）により示している。本例では、基板は、基板１から基板４までの４枚からなり、基板２上に送受信共用の放射素子が形成されており、放射素子の送信ポートはスルーホールで接続され、基板３、基板４間に形成された送信用給電線を介し、また受信ポートは放射素子と同一面上に構成された給電線を介しそれぞれ送信用コネクタ、受信用コネクタに接続される。基板１には同じくエッチングで形成された無給電の共振パッチで構成されるパラサイト素子が設けてある。ただし、モニター用のパラサイト素子については、同じ平面上に作成された給電線を介してモニター出力用コネクタに接続されている。
【００２２】
ここで、上記放射素子、パラサイト素子としては矩形のマイクロストリップパッチアンテナを想定しているが、パッチの形状はとくに図示の矩形に限る必要はなく、円形等任意の形状のものを使うことができる。図示の矩形パターンで、基板材料として基板１から４までを、同じ誘電率２．１７のテフロンガラスフロー基板を使用し、基板２，３，４の厚みｔ_２，ｔ_３，ｔ_４を約０．８ｍｍとすると、送受信共用の放射素子の寸法は約７×６ｍｍとなる。また、パラサイト素子の寸法は、ＳＮＧ装置に割り当てられた送信周波数（１４．０〜１４．５ＧＨｚ）帯と受信周波数（１２．２５〜１２．７５ＧＨｚ）帯のどちらの特性を重視するかで寸法は異なり、送信特性の向上を主とした設計で設計周波数を１４．２５ＧＨｚとすると、パラサイト素子の寸法は放射素子の各辺の長さを約５％程度大きくした寸法となり、放射素子との間隔ｔ_１は約０．０８λ_ｅ（ここにλ_ｅは、誘電体の実効誘電率（約２．０）から計算される波長で約１５ｍｍ）で、おおよそ１．２ｍｍとなる。
【００２３】
図４は、送受信モジュール４の回路構成例を示している。
図４において、送受信を行う回路部分が近接し、かつ送受信間の信号レベル差が１００ｄＢ以上あること、および同一周波数帯での動作となる送信系とモニター系とのアイソレーションを十分に確保するために、モジュールケース内は、送信系、受信系、モニター系を互いにシールドして分離している。モニター用ピックアップ素子の出力信号はアッテネータ（ＡＴＴ）でレベル調整された後、バンドパスフィルター（ＢＰＦ：通過帯域１４．０〜１４．５ＧＨｚ）でピックアップした送信信号以外の不要波を除去する。送受信共用のアンテナ素子で受信された受信信号は、低損失のＢＰＦ（通過帯域１２．２５〜１２．７５ＧＨｚ）を通過した後、低雑音ダウンコンバータ（ＬＮＢ）でダウンコンバートし、さらにＩＦ帯ＢＰＦ（通過帯域０．９５〜１．４５ＧＨｚ）で不要波を除去した後、送受信モジュールからの受信ＩＦ出力となる。
【００２４】
一方、送信信号としては、送信ＩＦ入力が送受信モジュールに入力された後、ＢＰＦ（通過帯域２．７〜３．２ＧＨｚ）を通過した後、アップコンバータでアップコンバートされ、さらにＢＰＦ（通過帯域１４．０〜１５．０ＧＨｚ）を通過した後、ＳＳＰＡの励振用増幅器であるドライバ、さらにＳＳＰＡで増幅される。さらにその後、出力段ＢＰＦ（通過帯域１４．０〜１４．５ＧＨｚ）で不要波を除去した後、送受信共用アンテナ素子（多層基板平面アンテナ１）への送信入力となる。また、送受信モジュール内で使用する直流電源は、送信ＩＦ入力および受信ＩＦ出力を伝送するための信号ケーブルに重畳されて供給される。またローカル信号は、モニター出力信号を伝送するためのケーブルに重畳されて外部より供給される。
【００２５】
このローカル信号は、モジュール内でＢＰＦ（通過帯域１１．３ＧＨｚ）を通過した後、分配器で２分配され、アップコンバータ用およびＬＮＢ用のローカル信号となる。送信出力段ＢＰＦと受信系ＬＮＢ前段のＢＰＦは低損失が要求されるため導波管タイプのフィルターであるがそれ以外のＢＰＦについてはある程度の損失が許されるためプリント化して大幅に小型化を図っている。さらに、ＳＳＰＡは、回路を収納するシールドケースの内壁に取り付けられ、シールドケースを介して後述するバスシステムの放熱機構に放熱される。
【００２６】
次に、図４に示す送受信モジュール４の回路が、移動体ＳＮＧ装置として使用されるときの実際の動作例を説明する。
通信衛星から送信されてきた１２ＧＨｚ帯のビーコン信号およびオーダワイヤー信号は送受信共用平面アンテナで受信され、ＩＦ信号に変換された後＃１Ｂ端子に出力される。また、＃１Ｂ端子には受信ＩＦ信号に多重されて送信ＩＦ信号が入力される。この送信ＩＦ信号は、＃１Ａ端子に入力されたローカル信号により１４ＧＨｚ帯の信号に変換されて送受信共用平面アンテナから送信される。＃１Ａ端子からのローカル信号は１２ＧＨｚ帯の受信信号の周波数変換にも使用される。送受信共用平面アンテナから送信された電波はモニター用ピックアップ素子によりピックアップされ＃１Ａ端子に送られる。
【００２７】
図５は、バスシステムおよびそのマウント部（図１に、それぞれ符号６および５にて示す部分）を、上面図（ａ）およびそのＡ−Ｂ位置における側断面図（ｂ）を示している。
ここに例示したバスシステムは、１６個の送受信モジュールを組み込むためのバスシステムである。バスシステムは、マウント部と、各マウント部の中間に設置された壁面に埋め込まれた放熱用の金属チューブと、バスシステムの底部に形成された回路部とにより構成されている。また、マウント部の底面には、送受信モジュールを接続するためのコネクタが設けられており、コネクタが接続されたとき、マウント部の内壁と送受信モジュールの外壁とは密着するような構造になっている。マウント部の内壁には送受信モジュールの熱を吸収するための冷媒が流れる金属チューブが埋め込まれており、吸収された熱は冷媒に放出され冷媒流出口から取り出され、バスシステム外部に配置される熱交換器によって排熱された後再び冷媒流入口に戻される構造になっている。
【００２８】
また、バスシステムの底部、すなわち回路部には、図６に示すような電子回路が設置されている。すなわち、ローカル原信号はコネクタＣ端子に入力され、１６逓倍された後モジュール数Ｎに対応して１：Ｎ分配器でＮ分配される。その後、ローカル信号はＢＰＦ（通過帯域１１．３ＧＨｚ）で不要波を除去した後、送受信モジュールのコネクタ＃１Ａ端子に入力される。また、送受信モジュールからのモニター出力はＢＰＦ（通過帯域１４．０〜１４．５ＧＨｚ）で不要波を除去した後、１：Ｎのスイッチマトリックスに入力され各モジュール毎に出力および位相の検出がおこなわれる。コネクタＥ端子と送受信モジュールコネクタ＃１Ｂ端子間では、送受信ＩＦ信号の伝送と送受信モジュールへのＤＣ供給が行なわれる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明移動体ＳＮＧ装置によれば、従来、厚く重量のあった一体型サブアレー構成の移動体ＳＮＧ装置を、薄型でかつ軽量にすることが可能となり、分解して移動体へ運搬しそこで組立て使用することが可能になる。また、モジュール単位のバスシステム構成のため、アンテナのサイズすなわちモジュール数を容易に変えることができシステム的に拡張性がある。
【００３０】
また、モジュール単体の特性の測定は、簡単な設備で行うことができ、補正用データも事前に測定しておくことができるため、モジュールを交換した場合にも制御用の初期データを変更することにより再現性が良く、再度全体の測定をしないでよいため、故障時のメンテナンスが容易となる。
【００３１】
さらに、電気的には、モジュール内にローカル信号用の発振器を内蔵しない構成としたため、各モジュール毎の周波数安定度にばらつきが生じない。損失を許容されるＢＰＦ等はプリント化して大幅に小型にすることができる。送信モニターを平面アンテナに積層したパラサイト素子の中央部の１素子をモニター用ピックアップ素子として兼用するため、薄く軽量なモニター系を実現できるとともに、アンテナ系を含めたモニターが行えるため、ＳＳＰＡ出力の振幅・位相ドリフトやインピーダンス不整合により発生する振幅・位相シフトをフィードバック系により完全に補正することができ、高精度の振幅・位相制御を実現することができる。
【００３２】
さらにまた、これまで行っていたアンテナ部の個々の特性や全体システム特性から補正データを取得するための大がかりな測定をしなくても済むため、装置の特性維持のための労力や、経費の負担を大幅に軽減することができる。さらに、経年変化による特性変化もフィードバックループ内のものについては補正ができるため、長期にわたって精度の低下を防ぐことができる。
【００３３】
以上のほか、送受信モジュールで発生する熱の放熱処理は、バスシステムを通して速やかに行うことができるため各モジュールの動作温度を一様にすることができ、特性の一層の均一化と安定化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明移動体ＳＮＧ装置の構成を示す線図である。
【図２】上面から見たサブアレーアンテナの一例を示す線図である。
【図３】多層基板平面アンテナアレーの積層構造を示す線図である。
【図４】送受信モジュールの回路構成例を示す線図である。
【図５】バスシステムおよびそのマウント部を示す線図である。
【図６】バスシステムの底部（回路部）に設置される電子回路を示している。
【符号の説明】
１多層基板平面アンテナ
２レドーム
３回路部
４送受信モジュール
５マウント部
６バスシステム

Claims

それぞれ表面がレドームで覆われた多層基板平面アンテナおよび該アンテナの裏面にモジュール化されて設けられた第１の回路部からなる複数個の送受信モジュールと、
前記複数個の送受信モジュールを同一平面上に配列しそれぞれマウントするための複数個のマウント部と、該マウント部の底部に収納され、該マウント部にマウントされる前記各送受信モジュールと信号の受け渡しを行う第２の回路部とを具えたバスシステムとを具備し、
前記多層基板平面アンテナは、多層基板の各構成基板上に、複数個の送受信共用の放射素子、複数個のパラサイト素子およびそれぞれの放射素子に給電を行う給電線がそれぞれ形成されていることを特徴とする移動体ＳＮＧ装置。」
請求項１記載の移動体ＳＮＧ装置において、前記多層基板平面アンテナのパラサイト素子の少なくとも１個を送信電波モニタ用のピックアップ素子として使用するようにしたことを特徴とする移動体ＳＮＧ装置。
請求項１または２記載の移動体ＳＮＧ装置において、前記第１の回路部は、少なくとも固体電力増幅器、アップコンバータおよびダウンコンバータを含んでなる高周波コンポーネントによって構成されていることを特徴とする移動体ＳＮＧ装置。
請求項３記載の移動体ＳＮＧ装置において、前記アップコンバータおよび前記ダウンコンバータ用のローカル信号が、前記バスシステムの回路部から前記マウント部を介して前記送受信モジュールの第１の回路部に供給されていることを特徴とする移動体ＳＮＧ装置。
請求項１〜４の何れかに記載の移動体ＳＮＧ装置において、前記バスシステムは放熱機構を有し、前記バスシステム中の前記第２の回路部は送受信信号伝送線路を収納していることを特徴とする移動体ＳＮＧ装置。
請求項５記載の移動体ＳＮＧ装置において、前記第１の回路部はシールドケースで覆われ、該シールドケースと前記マウント部のマウント面とが密着するように構成され、該密着により前記送受信モジュールの温度上昇が前記バスシステムの放熱機構によって抑えられるように構成されていることを特徴とする移動体ＳＮＧ装置。