JPH02246504A - 移動体衛星通信システム用移動局アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 静止衛星と自動車、船舶、航空機などの移動体間の通信
を行う移動体衛星通信システムに用いる移動体用アンテ
ナ装置に関し、 前記移動体用アンテナ装置に用いる無追尾型アンテナの
仰角方向の指向性の改善を目的とし、円周上に配列され
た３個以上の直線偏波で励振された単峰特性の素子アン
テナで構成したアンテナ装置において、前記３個以上の
素子アンテナの中の或る一つの素子アンテナの偏波方向
を、基準方向に対し任意の定値αに設定し励振した第一
アンテナ素子と、前記第一アンテナ素子に対して時計ま
たは半時計の方向に対し或る定間隔値βになるようにそ
れぞれを配列するとき、それぞれのアンテナ素子の偏波
方向が前記定値αと前記のそれぞれの定間隔値βの和の
α＋βの値の方向に励振するようにした第二アンテナ素
子〜第ｎアンテナ素子を設け、方位角方向には無指向性
で、仰角方向には指向性をもった円錐ビームを形成する
ように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、静止衛星と自動車、船舶、航空機などの移動
体間の通信を行う移動体衛星通信システムに用いる移動
体用アンテナ装置に関する。

〔従来の技術〕

第８図は移動体衛星通信の概念図である。第８図に示す
移動体の衛星通信では、地球赤道上の約３６０００　ｋ
ｍの位置に設けられた衛星８１を介して移動体である航
空機８２、船舶８３、陸上移動局８４等と他の移動体の
無線局の間および陸上固定局との間で通信を行うもので
ある。なおこの移動体のアンテナは、衛星を介しての移
動体通信に適した仰角が衛星方向に容易に一致させ得る
ことが求められる。

移動体衛星通信システムの移動体用アンテナの例を第９
図〜第１１図に示す。移動体用アンテナは大別して追尾
型と無追尾型の二種類に分類できる。

第９図は追尾型アンテナの例、また第１０図と第１１図
は無追尾型アンテナの他の例である。なお追尾型アンテ
ナは、ビーム幅を狭くできるために高利得な特性を得る
ことができるが、アンテナの大きさが大きく、かつ制御
が複雑になる。−力無追尾型アンテナは、低利得で構造
は簡単に出来る。

第９図は従来例の追尾型アンテナを示す図であり、参考
文献として通信学会技報Ｃ５８５−９３、通信学会技報
５Ａ７８４−５６から引用したものである。なお図（ａ
ｌは該アンテナの構造、図中）は該アンテナの電子追尾
スイッチの回路を示している。このアンテナの構造は第
９図（ａ）に示すように、誘電体の両面に銅を積層形成
した６素子のプリントアンテナ素子９０を球面に配列し
てレドーム９１で覆った構造にし、機械的駆動部を無く
した電子追尾スイッチ９２を用い小型化と経済化を図っ
たものである。基本的な追尾方法は、船舶の旋回のため
回線品質がしきい値を下回った時は、隣接したプリント
アンテナ素子９０に切り換えて衛星追尾を行うものであ
る。しきい値としての回線品質は、各サービスエリヤで
規定されている一定の回線品質を用いる。

実際の電子追尾スイッチ９２の回路を第９図中）に示す
、この回路の実際の動作は、初期設定された最大受信レ
ベルのプリントアンテナ素子９０よりの受信電波を切替
スイッチ９３．サーキュレータ９４１通信系受信部９５
を介して受信し、復調部９６で回線品質を検出して制御
部に送出する。隣接する２素子のプリントアンテナ９０
については、検出系受信部９７に接続して検出した電力
を用いて受信レベル検出部９８にて二つの受信レベルの
相対比較を行う。

回線品質がしきい値を下回ったときは、２素子のうち受
信レベルの高い方にアンテナ切替制御部９９により切り
換える事により追尾する。

第１０図は従来例の無追尾型アンテナの一例を示す図で
あって円偏波クロスダイポールアンテナを用いたもので
あり、引用の参考文献はアンテナハンドブックである。

第１０図（ａ）に示すように、クロスダイポールアンテ
ナは同一面内に十字形に直交した２個の半波長ダイポー
ルアンテナ１００ａと１００ｂを空間的に直角に置き、
それらに互いに９０度違った位相の電流■、と電流■２
を流して励振しグイボール面に垂直の方向に円偏波を発
生させるものである。第１０図中）に示すように、アン
テナ中心よりの距離ｄのλ／２の位置に反射板１０１を
設けてアンテナの指向性を改善するようにしている。こ
のように構造が簡単ではあるが、第１０図（Ｃ）に示す
ように水平面の偏波軸比は図（Ｃ）の通りθ方向に対し
１以下であって良好な特性とならず、従って広い仰角範
囲において良好な軸比を実現するのは困難であり、かつ
アンテナの仰角方向の指向性を任意に変えることが出来
ない。

第１１図は無追尾型アンテナの他の例であり、円錐形状
の螺旋形アンテナを用いた例であり、引用の参考文献は
アンテナハンドブックである。この円錐状の螺旋形アン
テナでは、仰角θと方位角φを変化させた時に周波数の
変化に対して電流分布の形状も比例関係を保ちつつ円錐
状の螺旋型アンテナの導線上を移動するようにしている
。このため指向性も利得も周波数に無関係に一定となり
、その特性はアンテナの形状により決まる。このように
非常に有用であるが、構造的に多くのパラメータを持ち
、規模が大きくなる欠点がある。

なお無追尾型アンテナの場合、移動体が地上を動くこと
を考え、円周方向に無指向性で、かつ仰角θの衛星方向
（日本では概ね４０度±１０度）に指向性を持つ円錐ビ
ーム特性を持つことが必要となる。第１２図は無追尾型
アンテナの放射特性を示してあり、該アンテナでの放射
特性は円錐ビームの形状を示す。この無追尾型アンテナ
において単位アンテナを用いて円錐ビームを形成する場
合、低利得、広指向性、小型、構造簡単にでき、仰角方
向θの指向性を常に衛星方向にあわせた最適な指向性を
得ることが必要となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記したように、衛星仰角は衛星位置により異なってい
る。単位アンテナで円錐ビームを形成したアンテナを用
いる場合に、アンテナ放射特性を決定する電流分布は用
いる単位アンテナの種類により決まっており、従って利
用する移動体衛星通信システムに合った最適化された電
流分布にし、最適化された仰角方向となるように変える
ことは困難となる。

本発明は、移動体用アンテナ装置に用いる無追尾型アン
テナの仰角方向の指向性の改善を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明では第１図に示すように、円周上に配列された３
個以上の直線偏波で励振された単峰特性の素子アンテナ
で構成したアンテナ装置において、前記３個以上の素子
アンテナの中の或る一つの素子アンテナの偏波方向を、
基準方向に対し任意の定値αに設定し励振した第一アン
テナ素子１と、前記第一アンテナ素子１に対して時計ま
たは半時針の方向に対し或る定間隔値βになるようにそ
れぞれを配列するとき、それぞれのアンテナ素子の偏波
方向が前記定値αと前記のそれぞれの定間隔値βの和の
α＋βの値の方向に励振するようにした第三アンテナ素
子２〜第ｎアンテナ素子ｎを設け、方位角方向には無指
向性で、仰角方向には指向性をもった円錐ビームを形成
するように構成するものである。

〔作　用〕

本発明では第１図に示すように、円周上に配列した３個
以上の直線偏波励振の単峰特性の第一アンテナ素子１〜
第ｎアンテナ素子ｎを、第一アンテナ素子１を基準に時
計方向または半時計方向に定間隔値βにて配列するする
ようにし、更に例えば第一素子アンテナの偏波方向を一
定値αに設定する時に他の第三アンテナ素子２〜第ｎア
ンテナ素子ｎの偏波方向が前記一定値αと前記定間隔値
βの和α＋βの方向に励振されるように設定するように
する。

従って上記３個以上の第一アンテナ素子１〜第ｎアンテ
ナ素子ｎを上記位置関係に配列することにより、周方向
には無指向性で仰角方向には指向性をもった円錐ビーム
を形成する事が可能となる。

〔実　施　例〕

第１図は本発明による４素子アレイアンテナを用いた例
を示す図である。第１図のアンテナは、アンテナ中心５
とその半径ｒで決定される平面円周上に第一アンテナ素
子１〜第四アンテナ素子４の四つの単位素子アンテナを
配列（以下アレイと称す）し、この四つの単位素子アン
テナの指向特性に単峰性特性を有したマイクロストリッ
プパッチアンテナ、またはヘリカルアンテナ、又はダイ
ポールアンテナ等を用い、かつ四つの単位素子アンテナ
をそれぞれ直線偏波にて励振するようにした４素子アレ
イアンテナである。

第１図では、第一アンテナ素子１を基準方向に配列し、
更に第三アンテナ素子２は該基準方向から半時計方向の
定間隔値βの位置に、第三アンテナ素子３は定間隔値２
βの位置に、なお第四アンテナ素子４は定間隔値３βの
位置にそれぞれを配列する。なおここでは第一アンテナ
素子１〜第四アンテナ素子４の相隣接するアンテナ素子
定間隔値は、はぼ−円周の４分の−が最適であるが実際
に取りうる定間隔値は任意である。また４素子アレイア
ンテナの偏波方向（即ち励振方向）を矢印（−印）で示
す。

なお第一アンテナ素子１〜第四アンテナ素子４の偏波方
向は、第一アンテナ素子１の偏波方向を基準方向（例え
ば真北方向）に対して一定値αとする時、第三アンテナ
素子２の偏波方向をα＋βに設定し、第三アンテナ素子
３の偏波方向をα＋２βに設定し、第四アンテナ素子４
の偏波方向をα＋３βになるように設定させて、四つの
アンテナ素子の配列位置関係とアンテナ素子の偏波方向
の方向関係が常に一致するようにしている。第１図の例
は、基準方向を水平面内の一方向（例えば北方向）に対
して、第一アンテナ素子１の偏波方向である一定値αを
１８０度、第二アンテナ素子〜第四アンテナ素子のそれ
ぞれの定間隔値βを９０度に選んだ例である。このよう
に配列したアンテナ素子を直線偏波で励振する時は、ア
レイアンテナの放射特性を円錐ビームに形成し、かつ四
つの素子アンテナの間隔に対応して垂直面内の指向特性
θが変化するアンテナが得られる。第３図に第１図に示
した４素子アレイアレイアンテナの放射特性の一例を示
し、単位のアンテナ素子の指向性をＣＯＳθ特性の単峰
性に、素子中心間距離を４０ｍ（半径ｒ）、周波数を１
．５　ＧＨｚとしたときの４素子アレイアンテナの特性
を示したものである。また第４図の例は、第１図におい
て、α＝β＝９０度とし、それぞれのアンテナ素子の指
向性はＣＯ８θ特性、素子中心間距離を９０ｗ、周波数
を１．５ＧＨｚとした時の４素子アレイアンテナの放射
特性の他の例を示す図である。

第２図は、アンテナの座標系を示す図である。

四つのアレイアンテナはｘ−ｙ面内に、かつ円周上に配
列され、四つの第一アンテナ素子１〜第四アンテナ素子
４のアンテナ中心５が座標の原点０に一致している。な
おＰ　（Ｒ，θ、φ）は、放射方向の電磁界である。な
お第３図（ａｌと第４図（ａｌは、放射方向Ｐ　（Ｒ，
θ、φ）の指向性を立体パターンとして示した指向特性
、また第３図（′ｂ）と第４図（ｂｌは等高パターンと
して示した指向特性である。

図中、縦軸、横軸はそれぞれ観測点の方向を角度〔度〕
で示している。またアンテナ指向性の等高純の値、例え
ば０．０の値はＱｄｂｉ（Ｏデシベル）を示しており、
同一電力を供給した基準アンテナの電磁界強度と同一強
度であることを示している。

なお例えば、２．０ＯＥ　＋ＯＯと示した等高純は、基
準アンテナの電磁界との強度比が、２．ＯＱＸ　１０°
０（−２ａｂｔ）であることを示している。

第１図に示した４素子アレイアンテナは、アレイアンテ
ナ正面方向であるＺ軸方向においては、第一アンテナ素
子１〜第四アンテナ素子４の放射電磁界が全て打ち消し
合うために電磁界成分が最も小さくなる（ヌル特性と称
す）円錐状のビームが形成される。ここでアレイアンテ
ナの放射偏波方向は、定数αにより決定される。第１図
（ａｌはα−０度の場合であり、放射電界の偏波方向は
θ方向となる。またα−９０度とするときの放射電界の
偏波方向は一方向となる。即ちαを変えることにより偏
波方向は任意に変えられる。従ってαは衛星のアンテナ
の偏波方向に合わせて決めればよく、更にアレイアンテ
ナの放射特性は、アンテナ素子の指向性、アンテナ素子
数、アンテナ素子の間隔（配列する円の大きさ）、配列
形状（２重、３重・・・）、各素子の励振振幅比などに
より変化し、移動体衛星通信システムに最適となるよう
に決定されるのである。

第５図は、本発明に４素子正方形マイクロストリツプバ
ツチアンテナを用いた例を示す図である。

図（ａ）は第一アンテナ素子５１〜第四アンテナ素子５
４のそれぞれの給電位置５６が互いに９０度づつ方向が
異なるようにしてそれぞれのマイクロストリップアンテ
ナの偏波方向が互いに９０度を異なるようにしたアンテ
ナであり、第一アンテナ素子５１の偏波方向を基準方向
に対して９０度（α＝９０度）とし、第三アンテナ素子
５２の偏波方向は１８０度、第三アンテナ素子５３の偏
波方向は２７０度、また第四アンテナ素子５４の偏波方
向を３６０度としている。なお５５はアンテナ中心であ
る。第５図（ｂｌは、グランド板５９と誘電体基板５日
を介して相対向して設けた方形パッチ５７に対して、同
軸線路６１からコネクタ６０を介して給電された構造の
正方形マイクロストリップパッチアンテナを示している
。また第５図（Ｃ）は、送信機６２の出力を電力分配器
６３で１対４配分して第一アンテナ素子５１〜第四アン
テナ素子５４の四つのアンテナ素子にそれぞれの給電点
５６を介して給電方法を示し、また逆に入力１〜４を電
力合成器６３で合成し受信機６２で受信する回路を示し
ている。なお周波数として１．５　ＧＨｚ帯で、正方形
素子の方形パッチ５７の大きさは約３０鶴とし、かつ各
アンテナ素子の配列の半径を４０鶴の時のアンテナ放射
特性を第６図に示し、その図示方法は第３図及び第４図
と同様である。

なお第７図は、本発明によるアンテナ素子の配列の他の
例を示す図である。図（ａ）はアンテナ素子を二重配列
した一例であり、内側と外側のアンテナ素子は共に、α
−１８０度、β−９０度とした場合の例である０図伽）
はアンテナ素子を内側に４個、外側に８個を二重配列し
た例であり、内側の四つのアンテナ素子はα＝β＝ｐ９
０度に配列し、外側のそれぞれの二つのアンテナ素子の
偏波方向は相対向する内側の二つのアンテナ素子の間の
均等に分けた角度の偏波方向である３０度と６０度の角
度関係になるように配列されている。また（Ｃ）は最小
数の三素子のアンテナ素子にてアレイアンテナを構成し
た例であり、α−０度、β＝１２０度とした場合の例で
ある。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によればアレイ
アンテナを構成するアンテナ素子にて円錐ビーム特性を
有する移動体衛星通信システム用の移動局アンテナを実
現することができ、配列位置により仰角指向特性をその
まま利用する移動体衛星通信システムに合わせて好適に
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による４素子アレイアンテナの構成を示
す図、 第２図はアンテナの座標系を示す図、 第３図は本発明による４素子アンテナの放射特性の一例
を示す図、 第４図は本発明による４素子アンテナの放射特性の他の
例を示す図、 第５図は本発明に４素子正方形マイクロストリツプパツ
チアンテナを用いた例を示す図、第６図は４素子正方形
マイクロストリツプバツチアンテナの放射特性を示す図
、 第７図は本発明によるアンテナ素子の配列の他の例を示
す図、 第８図は移動体衛星通信の概念図、 第９図は従来例の追尾型アンテナを示す図、第１０図は
従来例の無追尾型アンテナの一例を示す図、 第１１図は従来例の無追尾型アンテナの他の例を示す図
、 第１２図無追尾型アンテナの放射特性を示す図、である
。 図において、 １は第一アンテナ素子、 ２は第三アンテナ素子、 ３は第三アンテナ素子、 ４は第四アンテナ素子、 αは或るアンテナの偏波方向を示す一定値、βはアンテ
ナ素子の定間隔値、 を示す。 暮が 第 図 アシナナ４尺剥し呆Ｖ木す！ 第２図 （ｂ） （ｂ） 第 図 Ｃ】 ［）／−７＋ａ　７シデナ賞蛋 、ｔ−孕（シＳ、Ｆ３了＞７ｊ粟知碇す」相セー伊ゴ（
ネ７図第７図 従来イクゴＧｉ尾ヤアシテナ警末りｍ 第９図 −ｓ゛噌シｂｅ＃者社−す便１４富ｌ）ス嘴２し令しＺ
ゴ第８図 ＣＱ） （ｂ） イＢｆｆ°ルー腎、直Ｌ￥７＞テナ一例ｔ、／１７０第
１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 円周上に配列された３個以上の直線偏波で励振された単
   峰特性の素子アンテナで構成したアンテナ装置において
   、 前記３個以上の素子アンテナの中の或る一つの素子アン
   テナの偏波方向を、基準方向に対し任意の定値αに設定
   し励振した第一アンテナ素子（１）と、 前記第一アンテナ素子（１）に対して時計または半時計
   の方向に対し或る定間隔値βになるようにそれぞれを配
   列するとき、それぞれのアンテナ素子の偏波方向が前記
   定値αと前記のそれぞれの定間隔値βの和のα＋βの値
   の方向に励振するようにした第二アンテナ素子（２）〜
   第ｎアンテナ素子（ｎ）を設け、 方位角方向には無指向性で、仰角方向には指向性をもっ
   た円錐ビームを形成する事を特徴とした移動体衛星通信
   システム用移動局アンテナ装置。