JP3634047B2 - 移動体sng用グレーティングローブキャンセルアンテナ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、移動体SNG(Satellite News Gathering) 装置で使用する平面アンテナに関し、ビームがチルトしたときに発生するグレーティングローブのレベルを補助の平面アンテナにより抑制するグレーティングローブキャンセル用アンテナに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般にアレイアンテナでは、放射素子の励振位相を抑制することにより、アンテナから放射される電波の指向方向を可変できる。このとき、放射素子の間隔が1波長より大きい場合には、グレーティングローブと呼ばれるアンテナ利得が大きい部分がメインビームから一定の角度間隔で存在し、その方向に比較的強い電波が放射される。位相制御が1個の放射素子単位ではなく、複数個の放射素子で構成されたサブアレイ単位の場合には、サブアレイの間隔が通常1波長より大きくなるため、わずかな指向方向の変化によっても大きなグレーティングローブが発生する。
【0003】
従来のSNG用平面アンテナは、マイクロストリップ放射素子を複数個使用したサブアレイを単位として位相制御を行っているため、ビームチルト角度に対応したグレーティングローブの発生が避けられない。衛星通信においてアンテナから放射される不要放射は、軸外放射電力密度として法令により厳しく制限されているが、従来の固定局SNG用アンテナでは正方形の開口面の対角線の方向を静止衛星の軌道に合わせる等の工夫により、ビームチルトを行ってもグレーティングローブレベルが法令の規格(ITU−R勧告524)を満足するような構造になっている(詳細は、文献、T. Murata et al. “Portable Digital Satellite News Gathering (SNG) RF Terminal Using a Flat Antenna,” IEICE Trans. on Commun., Vol. E−77−B, No.12, Dec. 1994, P.1501 を参照されたい) 。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
移動体SNG装置では周波数割り当てが二次業務であるため、従来の固定局SNG装置に適用されている値よりも軸外放射電力が13dBから16dBほど低く制限されており(無線設備規則第49条の18)、従来のように静止軌道方向にアンテナの対角線の方向を合わせるだけでは法令を満たすことが困難である。位相制御によるビームチルトの角度範囲を縮小せずに、軸外放射電力密度の規定値を満足するための方法としては、第1にアンテナの放射電力を下げ、送信e.i.r.p.(equivalent isotropically radiated power :等価等方放射電力)を低下することが考えられる。しかしこの方法では充分なレベルの回線マージンが取れなくなってしまう欠点がある。第2の方法としては、アレイアンテナの分割数を増やす方法、すなわち1つのサブアレイを小さくして数多くのサブアレイでアレイアンテナを構成し、サブアレイ間隔をできるだけ小さくする方法がある。この方法では、原理的にグレーティングローブレベルの上昇を抑えることが可能であるが、制御するサブアレイの数が飛躍的に増加するために装置の規模が大きくなり、また装置が複雑な構成となってしまう欠点がある。そこで本発明の目的は、できるだけ大きな回線マージンを確保しつつ、簡易な方法でグレーティングローブの上昇を抑えることの可能な移動体SNG用グレーティングローブキャンセルアンテナを提供せんとするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明移動体SNG用グレーティングローブキャンセルアンテナは、複数の放射素子からなるサブアレイを複数個配列したアレイアンテナにおいて、当該アレイアンテナがさらにグレーティングローブキャンセル用の補助サブアレイを具え、該補助サブアレイの励振をビームチルトを行うための所定の位相とは逆相で行うことで、グレーティングローブの角度方向で前記補助サブアレイからの電波と他の前記サブアレイからの電波が逆相で電力合成されるようにしてグレーティングローブを抑制するとともに、この補助サブアレイが他の前記サブアレイに比べて充分に広いビーム幅で、少なくとも第1のグレーティングローブの方向においてグレーティングローブレベルを規定の電力密度以下に抑制するために必要な電力の電波を放射できる利得を有するよう構成されたことを特徴とするものである。
【0006】
【発明の実施の形態】
本発明では、グレーティングローブが各サブアレイの位相条件が同相となる角度方向に生じるという原理に着目し、サブアレイのビーム幅に比べて充分に広いビーム幅を持つ小型の補助サブアレイを設置し、補助サブアレイにはビームチルトを行うための所定の位相と逆相で励振することでグレーティングローブの位置で逆相の電力合成を行い、放射レベルを抑制する方法を用いているので、容易な構成で、従来の平面アンテナを用いたSNG装置と比べグレーティングローブレベルを大幅に低減できるため、要求された軸外放射電力密度の規定値に対して充分な送信レベルで移動体SNGの送信が可能となる。
【0007】
【実施例】
以下添付図面を参照し実施例により本発明の実施の態様を詳細に説明する。
本発明による移動体SNG用グレーティングローブキャンセルアンテナの第1の実施例を図1に示す。このアンテナ1は放射素子にマイクロストリップ素子を使用した平面アンテナで、従来の固定局SNG用平面アンテナ2(64素子を8×8素子の正方形に配列したサブアレイを16個(♯1〜♯16)で構成)に、16素子を長方形(2×8素子)に配列した補助サブアレイ3(♯17)を付加して構成されている。サブアレイ♯1〜♯16は、方形配列の対角線方向の放射指向性が低サイドローブ特性を有することを利用して隣接衛星への干渉電波の放射を抑えるため、対角線を静止衛星軌道方向4に合わせるよう配置されている。♯17の補助サブアレイ3は、補助サブアレイを付加したことによる静止衛星軌道方向4の放射パターンの乱れを極力抑えるために静止衛星軌道方向に直交する対称軸5上に設置し、さらに静止衛星軌道方向4に広い放射パターンを有するようにその短辺を静止衛星軌道方向に合わせて置かれている。この実施例の補助サブアレイ3は、広い静止衛星軌道方向の放射パターンと比較的高いアンテナ利得を兼ね備えるため、2×8素子の配列を用いているが、グレーティングローブの抑制に必要なe.i.r.p.を確保できる高出力電力増幅器を使用することによって、より素子数の少ないアンテナ、たとえば2×4素子などを用いることもできる。
【0008】
サブアレイ♯1〜♯17各系統用送信機6の出力は位相制御回路7に入力される。位相制御回路7では、通信衛星から送信されてくるビーコン波を受信し、それを信号処理して作られた位相制御信号8を用いて、主ビームが常に通信衛星の方向に向くように個々の信号の位相を制御する。ただし、ここで補助サブアレイに給電する♯17の系統だけは、所定の位相に対してさらに180°のオフセットφをつけて位相を制御するようにしている。このようにすることで、補助サブアレイ3はグレーティングローブの方向において常に他のサブアレイとは逆相の関係が成り立ち、グレーティングローブキャンセル用サブアレイとして動作する。このとき、グレーティングローブ方向と主ビーム方向から見た各サブアレイの位相条件は全く同一であるので、補助サブアレイの放射電波は主ビームに対しても打ち消すように働く。しかし、補助サブアレイの放射電波レベルは主ビームのレベルと比べて非常に低いため、主ビームに与える影響は小さくe.i.r.p.の低下はごくわずかである。位相制御回路7の出力は、そえぞれ固体電力増幅器(SSPA)9に加えられ、その出力は個々のサブアレイに供給される。
【0009】
図2は、本発明の補助サブアレイを動作させないときの放射パターンの計算値と、法令で定められた軸外放射電力密度の規格11との関係を示した図で、アンテナの指向方向を静止衛星軌道方向に2°チルトしたときの例である。ここでは、主ビームのピーク点を離軸角0°として表している。このときの中心軸上の送信電力密度は約28.5dBW/40kHz(送信e.i.r.p.=52.5dBW、シンボルレート=8.64MHz、QPSK変調、ビームチルトによる利得低下=0.69dB)で、ディジタルテレビジョン画像を衛星電送するのに充分な電力密度である。この図から、主ビームから約−12°の方向に法令で定められた電力密度を4.6dBほど上回るグレーティングローブが発生しているのがわかる。ちなみに無線設備規則第49条の18によって定められた軸外放射電力密度の規定値11は|2.5°|≦θ<|11°|で26−25logθ(dBW/40kHz)、|11°|≦θで0(dBW/40kHz)である。
【0010】
軌道方向に直交する方向にビームをチルトした場合にも図2と同様な放射パターンとなるが、法令で定められた電力密度の規格がこの方向では±3°と狭い範囲であるため、図2から明らかなようにこの範囲には規格を上回るグレーティングローブは存在せず、軸外放射電力密度の規格を満足している。
【0011】
図3は、図1に示した2×8素子の補助サブアレイ3の短辺方向(静止軌道方向)の放射パターンの計算値13(実線)と、他の8×8素子の1つのサブアレイの対角線方向(静止軌道方向)の放射パターンの計算値14(破線)とを示した図である。1つのサブアレイの放射パターンと、図2に示したアンテナ全体の放射パターンとを比べると、法令の規格を上回っているグレーティングローブは、サブアレイの放射パターンの−10°方向15に相当し、各々のサブアレイの主ビームの一部が合成されて形成されていることがわかる。よって、補助サブアレイを使用し、補助サブアレイの放射電波自体も法令の規格を越えないレベルでグレーティングローブと逆相の電波を放射してグレーティングローブを抑制し、法令の規格を満たすようにするために、補助サブアレイには、1つのサブアレイのビーム幅より十分に広く、少なくとも第1のグレーティングローブの方向において、グレーティングローブレベルを規定の電力密度以下に抑制するために必要な電力の電波を放射できる利得を持つ放射パターンが要求される。
【0012】
図3より、補助サブアレイの半値幅(−3dB幅)は34°、1つのサブアレイの半値幅は8°と、補助サブアレイのビーム幅は1つのサブアレイと比較して充分に広くなっており、ビーム中心から−10°(図2に示した規格を上回るグレーティングローブの角度)の角度におけるビーム中心からの利得の低下は1dBと僅かで、グレーティングローブキャンセル用のアンテナとして適していることがわかる。なお、長辺方向の放射パターンは非常に鋭く、この補助サブアレイでは軌道方向に直交する方向のグレーティングローブをキャンセルすることはできないが、前述の理由により規格上の問題はない。
【0013】
図4は、図2で示した補助サブアレイなしの場合の放射パターンに、図3の補助サブアレイのパターンを重ねて示した図で、補助サブアレイによるグレーティングローブキャンセルの効果を説明するための図である。ここで、補助サブアレイの給電電力は他のサブアレイと同じ電力としており、このときのピーク点での電力密度は−0.9dBW/40kHz(e.i.r.p.=22.4dBW)で、補助サブアレイ単体からの放射電波は法令の規格を越えないレベルであることがわかる。規格を上回るグレーティングローブが放射されている−12°方向に着目すると、この点でグレーティングローブの電力密度は4.6dBW/40kHz、また補助サブアレイの電力密度は−1.9dBW/40kHzであるから、補助サブアレイの位相を反転して両者を合成したときのレベルは、
【数1】
となり、5.6dBほどグレーティングローブレベルが下がることになる。この位置における法令で定められている軸外放射電力密度は0dBW/40kHzであるから、1dBの余裕で規格を満たすことができる。なお、図4で明らかなようにこのアンテナには多くのグレーティングローブが存在するが、すべてのグレーティングローブは同相であるので、補助アンテナからの放射電界とは逆相の関係が成り立っている。また、主ビームもグレーティングローブとまったく同じ位相条件であるので補助サブアレイの影響を受けるが、両者に約30dBのレベル差があるため、合成時の主ビーム電力密度の低下は約0.3dBとごく小さい。
【0014】
図5は、グレーティングローブキャンセルアンテナの静止軌道方向の放射パターンの計算値で、図4に示した両者の放射パターンを合成したものである。図より、図4に現れていたグレーティングローブが抑制され、すべての角度で法令上の規格11を満たしていることがわかる。
【0015】
図6は、本発明によるグレーティングローブキャンセルアンテナの第2の実施例である。ここで第1の実施例と同一の作用をする部品には同一の参照番号を符した。補助サブアレイの形状および設置の位置は第1の実施例と全く同じであるが、♯16のSSPA出力を電力分配器10を用いて適当な分配比で分配したのち、一方を♯16のサブアレイへ、もう一方を180°の位相器φで位相を反転して補助サブアレイに給電する。このようにして、♯16サブアレイと補助サブアレイの励振位相は常に逆相の関係となるように給電している。ここで、位相器φは180°の固定位相なので、適当な長さの同軸ケーブル等で代用することが可能である。このように、補助サブアレイの給電系を隣接する♯16の給電系と共有することで、補助サブアレイの給電系の簡素化を図っている。
【0016】
補助サブアレイと♯16サブアレイは、静止軌道方向に直交するアンテナの対称軸上に位置するので、補助サブアレイの放射電波は静止軌道方向に現れるグレーティングローブと逆相の関係が成り立ち、適当な電力分配比を選ぶことで、第1の実施例と同じ原理でグレーティングローブを抑制することができる。静止軌道と直交する方向については、補助サブアレイの位相が♯16サブアレイと連動して動くために所定の位相条件を与えられず、グレーティングローブキャンセラーとしては動作しないが、前にも述べたように、この方向の軸外放射電力密度の規格は±3°なのでアレー本体の放射特性が規格を満足しておりグレーティングローブの抑制の必要はなく、また補助サブアレイによる放射パターンの乱れもごくわずかであるため、合成した放射パターンは規格を満足できる。
【0017】
図7に第2の実施例のグレーティングローブキャンセルアンテナの軌道方向の放射パターンの計算値を示す。ここで、♯16サブアレイと補助サブアレイの電力分配比は1:2としている。図2で示した補助サブアレイなしのときの放射パターンと比べて、グレーティングローブが抑制され、すべての角度で法令上の規格を満たしていることがわかる。
【0018】
以上2つの実施例により本発明に係る実施の形態について詳細に説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項に規定された発明の要旨内で各種の変形変更の可能なことは自明である。
【図面の簡単な説明】
【図1】SNG用グレーティングローブキャンセルアンテナの本発明第1の実施例を示す図。
【図2】補助サブアレイがないときの静止軌道方向の放射パターンの計算値と軸外放射電力密度の規格を示す図。
【図3】補助サブアレイと1つのサブアレイの静止軌道方向の放射パターンを示す図。
【図4】補助サブアレイなしの場合の放射パターンと、補助サブアレイの放射パターンとの関係を示す図。
【図5】第1の実施例によるグレーティングローブキャンセルアンテナの静止軌道方向の放射パターンの計算値を示す図。
【図6】SNG用グレーティングローブキャンセルアンテナの本発明第2の実施例を示す図。
【図7】第2の実施例によるグレーティングローブキャンセルアンテナの静止軌道方向の放射パターンの計算値を示す図。
【符号の説明】
1 本発明に係るアンテナ
2 従来形のアレイアンテナ(サブアレイ♯1〜♯16の集合)
3 補助サブアレイ
4 静止衛星軌道方向
5 4と直交する対稱軸
6 送信機
7 位相制御回路
8 位相制御信号
9 固体電力増幅器(SSPA)
10 電力分配器
11 法令により定められた軸外放射電力密度の規定値
Claims (3)
- 複数の放射素子からなるサブアレイを複数個配列したアレイアンテナにおいて、当該アレイアンテナがさらにグレーティングローブキャンセル用の補助サブアレイを具え、該補助サブアレイの励振をビームチルトを行うための所定の位相とは逆相で行うことで、グレーティングローブの角度方向で前記補助サブアレイからの電波と他の前記サブアレイからの電波が逆相で電力合成されるようにしてグレーティングローブを抑制するとともに、この補助サブアレイが他の前記サブアレイに比べて充分に広いビーム幅で、少なくとも第1のグレーティングローブの方向においてグレーティングローブレベルを規定の電力密度以下に抑制するために必要な電力の電波を放射できる利得を有するよう構成されたことを特徴とする移動体SNG用グレーティングローブキャンセルアンテナ。
- 前記アレイアンテナの開口面が正方形の平面アンテナで、このアレイアンテナの開口面の2つの対角線のうちの一方の対角線の延長線上でこのアレイアンテナに隣接する位置に、開口面が長方形の平面アンテナのグレーティングローブキャンセル用前記補助サブアレイを、長方形の長辺方向が前記一方の対角線に一致するよう配置されたことを特徴とする請求項1記載の移動体SNG用グレーティングローブキャンセルアンテナ。
- 前記補助サブアレイに隣接する前記サブアレイ用の送信機出力を分岐し、その出力を前記サブアレイの励振位相と逆相になるようにして前記サブアレイに給電したことを特徴とする移動体SNG用グレーティングローブキャンセルアンテナ。
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