JP6415397B2

JP6415397B2 - 分散アレーアンテナ装置

Info

Publication number: JP6415397B2
Application number: JP2015121922A
Authority: JP
Inventors: 秀哉宗; 皓平須崎; 大介五藤; 鈴木　義規; 義規鈴木; 山下　史洋; 史洋山下; 杉山　隆利; 隆利杉山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 2015-06-17
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2035-06-17
Also published as: JP2017011353A

Description

本発明は、分散アレーアンテナ装置に関する。

衛星通信システムのブロードバンド化に対応して、衛星通信システムに使用するアンテナ装置の高利得化が必要になっている。高利得のアンテナ装置は大型化により実現できるが、アンテナ装置の大型化による設置場所やコストの増大が問題となる。この問題を解決する方法として、複数のアンテナをアレー状に配置し、受信端で同相合成できるように送信信号の位相および振幅を制御する分散アレーアンテナ装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特許第５６０６２１７号

五藤大介, 山下史洋, 須崎皓平, 宗秀哉, 小林聖, "分散アレーにおける送信EIRPを改善するオフセットアンテナ配置方法の提案," 2015年電子情報通信学会総合大会, B-1-219, 2015年3月.

従来技術の分散アレーアンテナ装置は、受信端で同相合成できるように送信信号の位相および振幅を制御することにより、メインローブ方向の電力を増大させることが可能である。しかし、サイドローブ方向の電力がメインローブ方向と同様に同相合成されるため、メインローブの電力増加量と同等の電力がサイドローブ方向でも増加する。このため、増大したサイドローブ方向に、同一周波数帯域を使用する別のアンテナ装置が存在する場合、サイドローブ方向の電力の増大により、当該アンテナ装置に与える干渉が増大するという問題が生じる。

そこで、分散アレーアンテナ装置により増大するサイドローブの抑圧方法が検討されている（例えば非特許文献１参照）。この方法は、サイドローブが発生する方向にアレーファクタのヌルまたは限りなく小さい値となるようにアンテナを配置する。しかし、このような分散アレーアンテナ装置を船や航空機などの移動体に適用する場合、アンテナの配置が固定されているため、受信端に対するアンテナの配置関係が移動局の進行方向により変化する。このため、受信端に対する移動局の向きによりサイドローブが増減してしまい、十分な抑圧効果が期待できない、という問題が生じる。

上記課題に鑑み、本発明に係る分散アレーアンテナ装置は、受信端に対する移動局の向きにかかわらず同相合成によるメインローブ方向の電力を増大させながら、サイドローブ方向の電力を抑圧する技術を提供することを目的とする。

第１の発明は、アレー状に配置された複数のアンテナと、複数のアンテナのメインローブ方向が同相合成となり、かつ、サイドローブ方向が抑圧されるように、各アンテナで送受信される信号の位相および振幅を制御するアレーアンテナ制御部と、を有する分散アレーアンテナ装置であって、少なくとも１つのアンテナに設けられたレドームと、レドームの一部に配置され、送受信される周波数の信号を減衰させる構造体と、アンテナと構造体との相対位置が変化するようにレドームを移動させる可動機構と、対向する通信局の方向に対する所望のサイドローブを抑圧可能な相対位置の情報を予め保持する記憶部と、通信局の方向を取得し、記憶部に保持された情報に基づいて、所望のサイドローブが抑圧されるように可動機構を制御する構造体位置制御部とを有することを特徴とする。

第２の発明は、構造体は、固有のパターンを周期的に配列した構造であることを特徴とする。

第３の発明は、構造体の固有のパターンは、金属および誘電体により形成されることを特徴とする。

第４の発明は、少なくとも１つのレドームに複数の構造体を配置することを特徴とする。

第５の発明は、アンテナは、追尾機構を有するパラボラアンテナであることを特徴とする。

本発明に係る分散アレーアンテナ装置は、受信端に対する移動局の向きにかかわらず同相合成によるメインローブ方向の電力を増大させながら、サイドローブ方向の電力を抑制して他のアンテナ装置への干渉等を防ぐことができる。

本実施形態に係る分散アレーアンテナ装置の一例を示す図である。２台の分散アレーアンテナ装置の一例を示す図である。分散アレーアンテナ装置の適用例を示す図である。レドーム回転角度制御部の一例を示す図である。構造体の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係る分散アレーアンテナ装置の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態に係る分散アレーアンテナ装置１００の一例を示す。分散アレーアンテナ装置１００は、アンテナ装置１０１（１）、アンテナ装置１０１（２）、・・・、アンテナ装置１０１（Ｎ）のＮ台(Ｎは２以上の整数)のアンテナ装置を有する。

アンテナ装置１０１（１）は、パラボラアンテナ２０１（１）、構造体２０２（１）、レドーム２０３（１）およびレドーム回転機構２０４（１）を有する。同様に、アンテナ装置１０１（２）は、パラボラアンテナ２０１（２）、構造体２０２（２）、レドーム２０３（２）およびレドーム回転機構２０４（２）を有し、アンテナ装置１０１（Ｎ）は、パラボラアンテナ２０１（Ｎ）、構造体２０２（Ｎ）、レドーム２０３（Ｎ）およびレドーム回転機構２０４（Ｎ）を有する。

ここで、アンテナ装置１０１（１）、アンテナ装置１０１（２）およびアンテナ装置１０１（Ｎ）に共通の事項を説明する場合は、符号末尾の（番号）を省略してアンテナ装置１０１と表記する。パラボラアンテナ２０１（１）、パラボラアンテナ２０１（２）およびパラボラアンテナ２０１（Ｎ）についても同様に表記する。また、構造体２０２（１）、構造体２０２（２）および構造体２０２（Ｎ）と、レドーム２０３（１）、レドーム２０３（２）およびレドーム２０３（Ｎ）と、レドーム回転機構２０４（１）、レドーム回転機構２０４（２）およびレドーム回転機構２０４（Ｎ）についても同様に表記する。

図１において、分散アレーアンテナ装置１００は、アレー状に配置されたＮ台のアンテナ装置１０１、アレーアンテナ制御部１０２、変復調部１０３およびレドーム回転角度制御部１０４を有する。なお、本実施形態では、レドーム回転角度制御部１０４がレドーム回転機構２０４を制御してレドーム２０３に配置された構造体２０２のパラボラアンテナ２０１に対する位置を変える例について説明するが、分散アレーアンテナ装置１００が移動体に搭載されていない場合は、レドーム回転角度制御部１０４を設けずに、レドーム回転機構２０４を手動で回転させて調整するようにしてもよい。

アレーアンテナ制御部１０２は、Ｎ台のアンテナ装置１０１のそれぞれのパラボラアンテナ２０１で送受信する信号の振幅および位相を制御して、分散アレーアンテナ装置１００全体の指向特性におけるメインローブ方向を所定方向に調整することができる。例えば、アレーアンテナ制御部１０２は、各パラボラアンテナ２０１から送信する信号の位相および振幅を調整し、各パラボラアンテナ２０１のメインローブ方向の誤差を補償して所定方向における位相が空間で同相合成されるように制御する。これにより、メインローブ方向における等価等方輻射電力(EIRP:Equivalent Isotropic Radiated Power)を増大することができる。また、分散アレーアンテナ装置１００が船舶などの移動体に設置されている場合に、アレーアンテナ制御部１０２の制御により、対向する通信局との相対位置の変化に応じてメインローブ方向の調整を行うことができる。なお、各パラボラアンテナ２０１は、アンテナ本体（反射器および放射器）を仰角方向に回転する調整機構と、パラボラアンテナ２０１の周囲を回転させる回転機構とを有し、アンテナ本体を通信局の方向に向ける機械的な追尾機能を有する。ここで、追尾機能は、分散アレーアンテナ装置１００が船舶などの移動体に設置されている場合に、ＧＰＳ(Global Positioning System)やジャイロにより受信端（対向局）との相対位置の変化を計算し、パラボラアンテナ２０１の方向を調整する。そして、分散アレーアンテナ装置１００は、パラボラアンテナ２０１毎の追尾機能により、各パラボラアンテナ２０１の放射方向を対向する通信局方向に向けると共に、アレー制御によりアレーアンテナ全体のメインローブが受信端の通信局で同相合成されるように調節する。

変復調部１０３は、外部に接続される通信装置（不図示）との間で入出力する送受信データを変調または復調する処理を行う。例えば送信の場合、変復調部１０３は、外部に接続される通信装置から受け取る送信データを変調してアレーアンテナ制御部１０２に出力する。逆に受信の場合、変復調部１０３は、アレーアンテナ制御部１０２から受け取る受信データを復調して外部に接続される通信装置に出力する。

パラボラアンテナ２０１は、放射器と反射器とを有し、反射器の焦点位置に配置された放射器により信号を送受信するアンテナである。なお、本実施形態では、パラボラアンテナ２０１を用いているが、他の種類のアンテナを用いてもよい。

構造体２０２は、パラボラアンテナ２０１で送受信される信号の経路（放射方向）のレドーム２０３上に配置され、パラボラアンテナ２０１で送受信される周波数の信号を減衰させる特性を有する。例えば、構造体２０２は、金属や誘電体を周期的に配列した部材が用いられる。なお、図１の例では、構造体２０２は、Ｎ台のアンテナ装置１０１の全てに配置されているが、Ｎ台のアンテナ装置１０１のうち少なくとも１台のアンテナ装置１０１に配置されていてもよい。例えばアンテナ装置１０１（２）からアンテナ装置１０１（Ｎ）までの構造体２０２（２）から構造体２０２（Ｎ）までを除去して、アンテナ装置１０１（１）にのみ構造体２０２（１）を配置するようにしてもよい。また、構造体２０２は、レドーム２０３全体に配置されていてもよいし、１つのレドーム２０３に複数の構造体２０２が配置されてもよい。或いは、レドーム２０３毎に配置する構造体２０２の枚数が異なってもよい。さらに、１つのレドーム２０３に複数の構造体２０２が配置される場合、各構造体２０２に使用されるパターンや材質が異なっていてもよい。

レドーム２０３は、パラボラアンテナ２０１を風雨や積雪などから保護するカバーであって、構造体２０２よりもパラボラアンテナ２０１で送受信される周波数の信号に与える影響が少ない部材が用いられる。なお、本実施形態では、レドーム２０３が全てのパラボラアンテナ２０１に配置される場合について説明するが、構造体２０２を配置するパラボラアンテナ２０１だけにレドーム２０３を配置してもよい。

レドーム回転機構２０４は、レドーム２０３をパラボラアンテナ２０１の周囲で回転させるための駆動部を有し、レドーム２０３上の構造体２０２が外部から指示された回転角に来るように調整する。レドーム回転機構２０４によるレドームの回転は、例えば追尾機能によるパラボラアンテナ２０１の方向調整とは独立して行われる。したがって、アンテナの放射方向と、レドーム２０３に設けられた構造体２０２との位置関係は、レドーム回転機構２０４により、調整可能である。なお、本実施形態では、キャップ状のレドーム２０３をパラボラアンテナ２０１の周囲で回転するようにしたが、例えばレドーム２０３を球体状にして仰角方向を含む任意の位置に構造体２０２を配置できるようにしてもよい。

レドーム回転角度制御部１０４は、ＧＰＳ(Global Positioning System)やジャイロを有し、分散アレーアンテナ装置１００が船舶などの移動体に設置されている場合に、受信端（対向局）との相対位置の変化に応じてレドーム回転機構２０４を介してレドーム２０３を回転させ、パラボラアンテナ２０１に対する構造体２０２の位置を調整する。なお、レドーム回転角度制御部１０４は、各アンテナ装置１０１の位置や放射パターンを事前情報として保持する。また、レドーム回転角度制御部１０４は、分散アレーアンテナ装置１００が搭載された移動局の移動方向や位置を、ＧＰＳなどによる位置情報により取得する機能を有する。これにより、レドーム回転角度制御部１０４は、分散アレーアンテナ装置１００の放射方向を決めることができる。また、レドーム回転角度制御部１０４は、構造体２０２の位置に応じたアンテナ装置１０１毎の放射パターンを予め保持しており、移動局の位置に応じて所望のサイドローブが抑圧されるように、アンテナ装置１０１毎の構造体２０２の位置を求めることができる。

このようにして、アンテナ装置１０１は、パラボラアンテナ２０１で送受信を行う方向に応じて信号を減衰させる構造体２０２を配置して、サイドローブを抑圧することができる。
［詳細例］
図２は、２台の分散アレーアンテナ装置１００ｂの一例を示す。なお、図２は、図１に示した分散アレーアンテナ装置１００のＮ＝２の場合の例を示す。また、図２において、図１と同符号のブロックは図１のブロックと同一又は同様の機能を有する。

図２において、アレーアンテナ制御部１０２は、合成/分配器３０１、位相器３０２（１）、位相器３０２（２）および位相振幅制御部３０３を有する。

合成/分配器３０１は、送信時には、変復調部１０３が出力する変調信号を複数のアンテナ装置１０１（図２の例ではアンテナ装置１０１（１）側とアンテナ装置１０１（２）側と）にそれぞれ分配する。合成/分配器３０１は、受信時には複数（図２の例では２台）のアンテナ装置１０１が受信する信号を合成する。

位相器３０２（１）は、送信時には、合成/分配器３０１が出力する変調信号の振幅と位相を調整し、パラボラアンテナ２０１（１）に調整後の変調信号を出力する。また、位相器３０２（１）は、受信時には、パラボラアンテナ２０１（１）が受信する信号の振幅と位相を調整し、合成/分配器３０１に調整後の信号を出力する。同様に、位相器３０２（２）は、送信時には、合成/分配器３０１が出力する変調信号の振幅と位相を調整し、パラボラアンテナ２０１（２）に調整後の変調信号を出力する。また、位相器３０２（２）は、受信時には、パラボラアンテナ２０１（２）が受信する信号の振幅と位相を調整し、合成/分配器３０１に調整後の信号を出力する。ここで、位相器３０２（１）および位相器３０２（２）に共通の事項を説明する場合は、符号末尾の（番号）を省略して位相器３０２と表記する。

位相振幅制御部３０３は、各パラボラアンテナ２０１で送受信する信号の振幅および位相を制御して、分散アレーアンテナ装置１００の指向特性を調整する。これにより、分散アレーアンテナ装置１００が移動体に設置されている場合、位相振幅制御部３０３は、対向局との相対位置の変化に応じて指向方向を調整することができる。また、位相振幅制御部３０３は、指向方向の調整により、メインローブ方向においては同相合成を行い、かつサイドローブ方向においてはサイドローブを抑圧するように各パラボラアンテナ２０１に入出力する信号の位相および振幅を制御することができる。

このように、本実施形態に係る分散アレーアンテナ装置１００ｂは、サイドローブを抑圧するように各パラボラアンテナ２０１で送受信する信号の位相や振幅を調整する。しかし、サイドローブ方向の電力がメインローブ方向と同様に同相合成される場合、メインローブの電力増加量と同等の電力がサイドローブ方向でも増加する。このため、増大したサイドローブ方向に、同一周波数帯域を使用する別のアンテナ装置が存在する場合、サイドローブ方向の電力の増大により、当該アンテナ装置に与える干渉が増大するという問題が生じる。特に、分散アレーアンテナ装置１００を船や航空機などの移動体に適用する場合、アンテナの配置が固定されているため、受信端に対するアンテナの配置関係が移動局の進行方向により変化する。このため、受信端に対する移動局の向きによりサイドローブが増減してしまい、サイドローブの抑圧が十分に得られない場合がある。そこで、本実施形態に係る分散アレーアンテナ装置１００ｂは、パラボラアンテナ２０１が信号を送受信する経路上のレドーム２０３に信号を減衰させる構造体２０２を配置して、レドーム２０３に一体化された構造体２０２の位置を調整することにより、所望のサイドローブを抑圧する機能を有する。なお、構造体２０２の位置に応じて抑圧されるサイドローブの場所は予め実測または計算などにより分かっているものとし、構造体２０２の位置と抑圧されるサイドローブの場所との対応関係を示す情報は、分散アレーアンテナ装置１００に予め保持されている。

図３は、本実施形態に係る分散アレーアンテナ装置１００の適用例を示す。

図３において、分散アレーアンテナ装置１００は、船舶などの移動局４０１に搭載され、陸上の通信局４０２との間で通信を行う。ここで、移動局４０１は、進行方向に応じて対向する通信局４０２の方向が変化するので、移動局４０１と通信局４０２との位置関係に応じて分散アレーアンテナ装置１００のメインローブ方向を変える必要がある。本実施形態では、レドーム回転角度制御部１０４は、ＧＰＳやジャイロなどにより移動局４０１の位置や移動局４０１および受信端の相対位置の情報を取得し、相対位置の変化に応じて構造体２０２の位置を調整する。なお、各パラボラアンテナ２０１は、追尾機能により通信局４０２の方向を独立して追尾している。レドーム回転角度制御部１０４は、アンテナ装置１０１同士の位置関係やアンテナパターンを事前情報として保持し、構造体２０２の位置に応じたアンテナパターン特性を予め保持している。例えば分散アレーアンテナ装置１００は、分散アレーアンテナ装置１００に対する受信端の方向に対してサイドローブを抑圧可能な構造体２０２の設定位置の情報をテーブルなどにより予め保持しており、構造体２０２の位置を適切に調整することができる。

ここで、抑圧すべきサイドローブは、例えば干渉を与える可能性がある他の通信局の方向のサイドローブである。なお、分散アレーアンテナ装置１００は、他の通信局の位置情報を予め保持しており、どのサイドローブを抑圧すべきかを知ることができる。

図４は、レドーム回転角度制御部１０４の一例を示す。図４において、レドーム回転角度制御部１０４は、位置検出部５０１、回転制御部５０２および記憶部５０３を有する。

位置検出部５０１は、ＧＰＳやジャイロなどにより、分散アレーアンテナ装置１００が設置されている移動局４０１の位置を検出する。

回転制御部５０２は、位置検出部５０１が出力する移動局４０１の位置情報と、予め保持されたアンテナ装置１０１同士の位置関係や放射パターンなどの情報に応じて、構造体２０２の適切な位置を求める。そして、回転制御部５０２は、レドーム回転機構２０４を制御してレドーム２０３を回転させ、構造体２０２の位置を調整する。

記憶部５０３は、対向する通信局４０２の位置情報や対向する通信局４０２の方向に応じた分散アレーアンテナ装置１００のアンテナパターンの情報が予め記憶されている。特に、本実施形態では、対向する通信局４０２の方向（例えば分散アレーアンテナ装置１００に対する角度θ）とレドーム２０３の回転角度との対応関係を示す情報が記憶されたテーブルが、アンテナ装置１０１毎に記憶部５０３に予め記憶されている。図４の例では、記憶部５０３には、アンテナ装置１０１（１）のテーブルと、アンテナ装置１０１（２）のテーブルとが記憶されている。例えばアンテナ装置１０１（１）のテーブルには、対向局の方向θ＝１０度、２０度、３０度・・・に対して、レドーム２０３の回転角度＝ａ１度、ａ２度、ａ３度、・・・が記憶されている。同様に、アンテナ装置１０１（２）のテーブルには、対向局の方向θ＝１０度、２０度、３０度・・・に対して、レドーム２０３の回転角度＝ｂ１度、ｂ２度、ｂ３度、・・・が記憶されている。例えば、対向局の方向θ＝２０度の場合、回転制御部５０２は、アンテナ装置１０１（１）のレドーム２０３をａ１度の角度だけ回転させ、アンテナ装置１０１（２）のレドーム２０３をｂ１度の角度だけ回転させる。

このようにして、本実施形態に係る分散アレーアンテナ装置１００ｂは、パラボラアンテナ２０１が信号を送受信する経路上に配置された構造体２０２の位置を調整することにより、サイドローブを抑圧することができる。

図５は、構造体２０２の一例を示す。図５の例では、構造体２０２は、例えば金属板６０１が用いられ、金属板６０１には、一辺が４３．６ｍｍで幅２．１ｍｍの正方形のスロット６０２がＹ軸方向およびＺ軸方向にそれぞれ３個ずつ周期的に配置されている。ここで、スロット６０２は、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に対称となる構造を有し、Ｙ軸方向およびＺ軸方向において、注目するスロット６０２の所定箇所（図５の例で右上隅のスロットの上辺）から所定方向に隣接するスロットの所定箇所（図５の例で１つ下のスロットの上辺）までの間隔（すなわちスロット６０２の配列周期）はそれぞれ５８．１ｍｍである。例えば、金属板６０１には、誘電体基板上に銅などの金属面を有するプリント基板が用いられ、エッチングなどでスロット６０２の部分の金属面を除去することにより構造体２０２が作成される。このように、構造体２０２は、パラボラアンテナ２０１で送受信する信号の周波数に影響を与える金属、誘電体などで形成された固有のパターンが周期的に配列された構造になっている。なお、図５に示した構造体２０２は一例であり、構造体２０２の部材、形状および周期的に配列する個々のパターンは、分散アレーアンテナ装置１００で使用する周波数の信号に影響を与える特性を有するものであれば適用可能である。

以上、説明したように、本実施形態に係る分散アレーアンテナ装置１００は、パラボラアンテナ２０１で送受信を行う方向に応じて構造体２０２を配置して、放射パターンを変えることができる。そして、それぞれのパラボラアンテナ２０１の構造体２０２の位置を調整することにより、分散アレーアンテナ装置１００のサイドローブを抑制することができる。

１００,１００ｂ・・・分散アレーアンテナ装置；１０１,１０１（１）,１０１（２）,１０１（Ｎ）・・・アンテナ装置；１０２・・・アレーアンテナ制御部；１０３・・・変復調部；１０４・・・レドーム回転角度制御部；２０１,２０１（１）,２０１（２）,２０１（Ｎ）・・・パラボラアンテナ；２０２,２０２（１）,２０２（２）,２０２（Ｎ）・・・構造体；２０３,２０３（１）,２０３（２）,２０３（Ｎ）・・・レドーム；３０１・・・合成/分配器；３０２,３０２（１）,３０２（２）・・・位相器；３０３・・・位相振幅制御部；４０１・・・移動局；４０２・・・通信局；５０１・・・位置検出部；５０２・・・回転制御部；５０３・・・記憶部；６０１・・・金属板；６０２・・・スロット

Claims

アレー状に配置された複数のアンテナと、前記複数のアンテナのメインローブ方向が同相合成となり、かつ、サイドローブ方向が抑圧されるように、各アンテナで送受信される信号の位相および振幅を制御するアレーアンテナ制御部と、を有する分散アレーアンテナ装置であって、
少なくとも１つのアンテナに設けられたレドームと、
前記レドームの一部に配置され、送受信される周波数の信号を減衰させる構造体と、
前記アンテナと前記構造体との相対位置が変化するように前記レドームを移動させる可動機構と、
対向する通信局の方向に対する所望のサイドローブを抑圧可能な前記相対位置の情報を予め保持する記憶部と、
前記通信局の方向を取得し、前記記憶部に保持された前記情報に基づいて、前記所望のサイドローブが抑圧されるように前記可動機構を制御する構造体位置制御部と
を有することを特徴とする分散アレーアンテナ装置。
請求項１に記載の分散アレーアンテナ装置において、
前記構造体は、固有のパターンを周期的に配列した構造である
ことを特徴とする分散アレーアンテナ装置。
請求項２に記載の分散アレーアンテナ装置において、
前記構造体の固有のパターンは、金属および誘電体により形成される
ことを特徴とする分散アレーアンテナ装置。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の分散アレーアンテナ装置において、
少なくとも１つの前記レドームに複数の前記構造体を配置する
ことを特徴とする分散アレーアンテナ装置。
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の分散アレーアンテナ装置において、
前記アンテナは、追尾機構を有するパラボラアンテナである
ことを特徴とする分散アレーアンテナ装置。