JP4856108B2

JP4856108B2 - 追尾アンテナ

Info

Publication number: JP4856108B2
Application number: JP2008041364A
Authority: JP
Inventors: 義規鈴木; 聡原田; 浩平大幡
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2008-02-22
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2028-02-22
Also published as: JP2009200908A

Description

本発明は、移動体衛星通信用地球局装置における指向方向追尾アンテナ技術に関する。

指向方向追尾アンテナは、各種センサや通信の相手方からの信号の受信レベルから指向方向誤差を検出し、これを打ち消すように、アンテナの仰角・方位角方向を電気的または機械的制御を行う。

従来の指向方向追尾アンテナの一例としては、非特許文献１に記載されるように、仰角方向は、モノパルス方式により指向方向誤差を検出し、フェーズドアレーアンテナによる電子走査を行い、方位角方向については、機械駆動によりアンテナを回転させ、受信レベルをモニタしながら指向方向誤差を補償している。また、図１に示すようにモノパルス方式や各種センサを用いて指向方向誤差を検出し、仰角および方位角方向を機械的に制御している。

「超薄型衛星追尾アンテナシステムの開発と評価」、吉田他、2006年電子情報通信学会ソサイエティ大会、B-3-7、2006、金沢

従来の技術で、フェーズドアレーアンテナの場合は、各素子の励振分布を調整して指向方向を制御しているため、一次元のみの走査であっても、少なくとも数十の移相器を備える必要があり、非常に高価なものになるという課題がある。一方、機械的に指向方向を制御する場合は、非常に高精度のセンサを必要とするとともに、非常に細かな制御を要するため、これもまたコスト高の要因になるという課題がある。また、安価な指向方向誤差検出であるモノパルス方式を適用した場合でも、給電用の素子アンテナの他に、モノパルス用の素子アンテナを必要とするという課題がある。

従って、本発明は、従来の高精度なセンサによる誤差検出、分解能の高い機械的制御、電気的指向方向追尾に必要な多数の位相制御を不要とし、簡易、且つ、低コストで追尾アンテナを提供することを目的とする。

上記目的を実現するため本発明による追尾アンテナは、１以上の反射鏡、２つの素子アンテナおよび該素子アンテナの給電手段で構成される追尾アンテナにおいて、前記給電手段は、送受周波数分離手段と、送信用および受信用の増幅手段と、送信用および受信用の可変電力分配手段と、レベル検出手段とから構成され、前記送信用および受信用の可変電力分配手段はそれぞれ、入力９０度ハイブリッドと、出力９０度ハイブリッドと、位相制御手段とから構成され、前記２つの素子アンテナはそれぞれ、通信の相手方となるアンテナからの到来方向に対して、仰角または方位角に所定の正負の角度（±θ）ずれた指向方向の到来波に対して最も受信レベルが高くなる位置に配置され、いずれか一方の素子アンテナのみを励振したときの半値角が前記所定の正の角度の２倍（２θ）より小さくなるように設定され、前記送信用および受信用の可変電力分配手段はそれぞれ、前記入力９０度ハイブリッドの出力の一方を、前記位相制御手段を介して、前記出力９０度ハイブリッドの一方の入力に接続し、前記入力９０度ハイブリッドの出力の他方を、前記出力９０度ハイブリッドの他方の入力に接続し、前記受信用の可変電力分配手段の逆相合成出力に前記レベル検出手段を接続し、前記受信用の可変電力分配手段は、前記受信用の位相制御手段の移相量を変化させたときに前記レベル検出手段における検出レベルが最小になる移相量を、前記送信用および受信用の位相制御手段の移相量として設定する。

また、２つの素子アンテナおよび該素子アンテナの給電手段をさらに含み、２つの素子アンテナおよび該素子アンテナの給電手段が、仰角の指向方向誤差検出および追尾のためのアンテナおよび給電手段であり、残り２つの素子アンテナおよび該素子アンテナの給電手段が、方位角の指向方向誤差検出および追尾のためのアンテナおよび給電手段であることも好ましい。

また、機械的な仰角または方位角駆動により指向方向を合わせる指向方向追尾手段を更に備えることも好ましい。

また、前記追尾アンテナは、１枚の反射鏡を有するパラボラアンテナであることも好ましい。

また、前記追尾アンテナは、２枚の反射鏡を有するカセグレンまたはグレゴリアン形式のアンテナであり、１枚の反射鏡は、機械駆動により仰角または方位角の指向方向誤差検出および追尾を行うことも好ましい。

本発明の追尾アンテナは、２または４つの素子アンテナと可変電力分配手段で構成され、従来のフェーズドアレーによる構成に比較して、圧倒的に位相制御の数が少なくて済む。また、モノパルス方式のような指向方向誤差検出のみに使用する素子アンテナが不要となる。さらに、従来の機械的駆動の追尾アンテナと併用する場合、機械的駆動では粗調整のみを行えばよいため、アンテナ全体のコスト削減が可能となる。

本発明を実施するための最良の実施形態について、以下では図面を用いて詳細に説明する。

図２に指向方向追尾アンテナの構成例を示す。この例は仰角追尾アンテナの構成例である。１つの反射鏡１、２つの素子アンテナ２および該素子アンテナの給電手段３で構成されている。反射鏡アンテナ１を２つの素子アンテナ２にて給電し、給電手段３は、送受周波数分離手段３１、送信用および受信用の増幅手段３２、送信用および受信用の可変電力分配手段３３、レベル検出手段３４から構成される。また、可変電力分配手段３３は位相制御手段３５、入力９０度ハイブリッド３６、出力９０度ハイブリッド３７から構成されている。このとき、送信用および受信用の増幅手段３２の位置が異なっているが、動作上はどちらでも問題はない。ただし、受信系においては、増幅手段３２は雑音の影響から素子アンテナ２の直後に接続することが求められ、送信系では動作レベルを均一化させる目的で、増幅手段３２は２つの９０度ハイブリッド３６、３７の間に接続している。なお、図２では、送信用の可変電力分配手段３３は明示されていないが、増幅手段３２を中に有する形で存在している。

可変電力分配手段３３において、入力９０度ハイブリッド３６の出力の一方は、位相制御手段３５を介して、出力９０度ハイブリッド３７の一方の入力に接続され、入力９０度ハイブリッド３５の出力の他方は、出力９０度ハイブリッド３７の他方の入力に接続されている。また、受信系の可変電力分配手段３５の逆相合成出力にレベル検出手段３４が接続されている。

ここで、２つの素子アンテナ２は、±θからの指向方向の到来波に対して、最も受信レベルが高くなる位置に配置する。このとき一方の素子アンテナ２から給電した場合のビームの半値角が２θより小さくなるように設定する必要がある。このとき各素子アンテナ２の励振振幅を調整することにより、図３に示すように指向方向を−θ〜＋θと制御することができる。

指向方向制御には、適切に励振振幅を調整することが必要である。ここでは、受信信号に対して、受信系の位相制御手段３５の位相を変化させ、レベル検出手段３４の値が最小となる値を、送信系および受信系の位相制御手段３５の設定値とする。このとき、一方からの信号を入力したとき、可変電力分配手段３３として動作する入力９０度ハイブリッド３６−位相制御手段３５−出力９０度ハイブリッド３７で構成される回路は、図４の特性を実現する。つまり、位相制御手段３５により位相を変化させたとき、（可変電力分配手段３３の２つの出力端子から出力される）２つの出力信号の位相はそれぞれ変化するものの、２つの出力信号間の相対的な位相関係は一定に保たれる。また、２つの端子から等位相の信号を入力した場合、一方の端子には同相合成され、他方の端子には逆相合成された信号がそれぞれ出力されるため、位相制御手段３５の位相を変化させて、レベル検出手段３４の値が最小となる値（等振幅逆相状態）を設定すると、他方の端子では最大の出力を得る。到来波に対して、レベル検出手段３４において最小値を実現するように位相制御手段３５を制御すると、到来波方向に指向性を向けることが可能であり、送信系についても位相制御手段３５を連動させることで、指向方向制御が実現できる。

図５に、位相制御手段３５をある値に設定したときの、受信系における出力９０度ハイブリッド３７のそれぞれの出力を示す。レベル検出手段３４が接続される逆相端子において利得が最小となる仰角と、受信アンテナの指向方向がほぼ一致していることが確認できる。また、図６は、受信系の逆相端子と送信アンテナの指向性であり、受信系と送信系の位相制御手段３５を連動させることで、送信アンテナの指向方向が制御できていることが確認できる。また、図７は、本発明の手法における送信及び受信アンテナの指向方向誤差である。衛星追尾アンテナにおいては、誤差０．２度が要求されているため、送信アンテナで±０．８２度、受信アンテナで±０．７８度の範囲で、指向方向追尾を行えることが確認できる。

上記は、仰角方向のみの追尾アンテナの構成を示したが、方位角の追尾アンテナに適用する場合は、同様の構成で素子アンテナ２の位置を変えればよい。また、仰角・方位角ともに適用する場合は、図８に示す構成をとり、仰角・方位角成分に分割して行えばよい。このとき、素子アンテナ２の配置する位置は、（＋θ_Ｅ、＋θ_Ａ）、（−θ_Ｅ、＋θ_Ａ）、（−θ_Ｅ、−θ_Ａ）、（＋θ_Ｅ、−θ_Ａ）の指向方向の到来波に対して、最も受信レベルが高くなる位置に配置する。

以上、電気的な制御による指向方向追尾アンテナの構成について説明を行い、約±０．８度の範囲で、追尾できることを示した。これ以上の指向方向誤差の追尾に対応するためには、従来の技術のように、センサ等により指向方向誤差を検出して、機械的な仰角・方位角駆動により指向方向を合わせる必要がある。この場合に要求される機械的な追尾精度は約±０．８度でよく、センサの精度・機械駆動の分解能が要求されないため、アンテナ全体のコスト削減が可能となる。なお、アンテナ構成としては反射鏡が１枚のパラボラアンテナの例を挙げたが、反射鏡を２枚要するカセグレンやグレゴリアン形式のアンテナや、それ以上の反射鏡を有するアンテナでも適用可能である。さらに、カセグレンやグレゴリアン形式においては、副反射鏡を機械駆動して、仰角もしくは方位角を追尾し、本発明により他方を追尾することも可能である。

また、以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。

従来のモノパルス方式を備えた指向方向追尾アンテナを示す。指向方向追尾アンテナの構成例を示す。アンテナパタンの計算例を示す。可変電力分配回路の動作を示す。受信系における仰角に対する９０度ハイブリッド出力を示す。受信系における仰角に対する９０度ハイブリッド出力と送信系指向性を示す。仰角に対する角度誤差を示す。仰角および方位角の指向方向追尾を行う構成例を示す。

符号の説明

１反射鏡
２素子アンテナ
３給電手段
３１送受周波数分離手段
３２増幅手段
３３可変電力分配手段
３４レベル検出手段
３５位相制御手段
３６入力９０度ハイブリッド
３７出力９０度ハイブリッド

Claims

１以上の反射鏡、２つの素子アンテナおよび該素子アンテナの給電手段で構成される追尾アンテナにおいて、
前記給電手段は、送受周波数分離手段と、送信用および受信用の増幅手段と、送信用および受信用の可変電力分配手段と、レベル検出手段とから構成され、
前記送信用および受信用の可変電力分配手段はそれぞれ、入力９０度ハイブリッドと、出力９０度ハイブリッドと、位相制御手段とから構成され、
前記２つの素子アンテナはそれぞれ、通信の相手方となるアンテナからの到来方向に対して、仰角または方位角に所定の正負の角度（±θ）ずれた指向方向の到来波に対して最も受信レベルが高くなる位置に配置され、いずれか一方の素子アンテナのみを励振したときの半値角が前記所定の正の角度の２倍（２θ）より小さくなるように設定され、
前記送信用および受信用の可変電力分配手段はそれぞれ、前記入力９０度ハイブリッドの出力の一方を、前記位相制御手段を介して、前記出力９０度ハイブリッドの一方の入力に接続し、前記入力９０度ハイブリッドの出力の他方を、前記出力９０度ハイブリッドの他方の入力に接続し、
前記受信用の可変電力分配手段の逆相合成出力に前記レベル検出手段を接続し、
前記受信用の可変電力分配手段は、前記受信用の位相制御手段の移相量を変化させたときに前記レベル検出手段における検出レベルが最小になる移相量を、前記送信用および受信用の位相制御手段の移相量として設定することを特徴とする追尾アンテナ。
２つの素子アンテナおよび該素子アンテナの給電手段をさらに含み、
２つの素子アンテナおよび該素子アンテナの給電手段が、仰角の指向方向誤差検出および追尾のためのアンテナおよび給電手段であり、
残り２つの素子アンテナおよび該素子アンテナの給電手段が、方位角の指向方向誤差検出および追尾のためのアンテナおよび給電手段であることを特徴とする請求項１に記載の追尾アンテナ。
機械的な仰角または方位角駆動により指向方向を合わせる指向方向追尾手段を更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の追尾アンテナ。
前記追尾アンテナは、１枚の反射鏡を有するパラボラアンテナであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の追尾アンテナ。
前記追尾アンテナは、２枚の反射鏡を有するカセグレンまたはグレゴリアン形式のアンテナであり、
１枚の反射鏡は、機械駆動により仰角または方位角の指向方向誤差検出および追尾を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の追尾アンテナ。