JPH03172003A - 可動ビーム・アンテナ・システムとその操作法 - 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】 （関連出願） この出廓は、１９８６年１２月２２日に出頽された米国
特許出廓第９４４．０９１号の継続出願として１９８８
年１１月１４日に出願された米国特許出廟第２７１；　
　４０１号の一部継続出願である。

（産業上の利用分野） この発明は地上局との通信に使用される衛星用アンテナ
、特に、アンテナの地表有効範囲の周辺部のサイド・ロ
ーブ特性が改善された通信ビームを生成するアンテナ・
アレーを備えた衛星用アンテナ・システムに関する。

（従来の技術） 地上移動電話サービスのような地上の遠隔地間の通信に
は今や衛星が用いられている。地球静止軌道を移動する
衛星を用いた通信システムが現在注目を集めている。こ
のシステムでは、南北方向及び東西方向のビーム幅を合
衆国内のどの２点間でも通信信号の送受信を行なえるよ
うに設定したアンテナを具備する衛星が合衆国の上空の
所定位置に静止している。南北方向のビーム幅を広げれ
ば、合衆国とカナダを通信範囲に含めることができる。

南北方向のビーム幅を約４，５゜にすればカナダと合衆
国が通信範囲に入る。東西方向のビーム幅は約８＠が最
適である。しかしながら、南北方向及び東西方向のビー
ム幅をこのように設定したアンテナを用いると、信号利
得が減少してしまうので、アンテナの放射素子を駆動す
るには巨大なパワー・アンプが必要になる。

従来の衛星通信システムでは、通信可能地域を広く確保
するために、ビーム幅の広いアンテナに少なくとも２本
の相互に重複するビームを用いている。ところで、理想
的に重複したビームを生成するには、直径が約１６フィ
ートもある大きな反射器を複数台別々に用いる必要が極
最近まであった。一方、通信衛星の製造及び打ち上げを
容易にするには、衛星のサイズ、重量、パワーなどを小
さくすることが望ましい。

エッチ・エイ・ローゼン（ＩＩ，＾．　Ｒｏｓｅｎ）の
名前で１９８５年１０月１日に出廓され、本願出願人に
譲渡された「可動ビーム衛星通信システム（ＳＴＥＥｌ
？ＥＤ−ＢＥＡＭ　ＳＡＴＥＬＬＩＴ［：　ＣＯＭＭＬ
ＩＮＩＣＡＴＩＯＮＳＹＳＴＩＥＭ）　Ｊという名称の
同時系属米国特許出願第７８２，７７０号には、衛星を
用いた地上局間相互の通信システムが開示されている。

この記述によりこの先行出廓はこの出願に編入されるも
のとする。この同１１７係属出願のシステムは、地表の
弧に沿って相互に離隔した一組の地上局と、この弧に対
して地球の上方に位置する衛星とを有している。衛星は
放荊素子のアレーと、このアレーに接続されて電磁放１
・１線ビームを形戊する周波数応答ビーム形成器とを有
している。放射線の搬送周波数に応じてビームの向きを
変更して個々の地上局を順に辷断ずる。それぞれの地上
局に関連したアップリンク搬送波の周波数及びダウンリ
ンク搬送波の周波数は、衛星から放射されるビームが地
上局に割り当てられた搬送周波数の発生により自動的に
当該地上局に向かうように、地上局の位置が弧に沿って
変化するに連れて単調に変化するように設定されている
。

本願の発明をより良く理解できるように、第１図ないし
第５図を参照して前記出願の衛星通信システムを詳しく
説明する。第１図及び第２図に示すように、衛星２４は
大きな主反射器３２及び小さな副反射器３４の２台の同
焦点パラボラ反射器を備えた簡単なアンテナ構造３０と
、８個の放射素子４２から成る４×２アレ−４０とを採
用している。アンテナ構造及びアレーの両省ともフレー
ム４４に取り付けられている。第２図はアレ−４０の正
面図である。放Ｊｌ｛素子４２のアレ−４０は、衛星２
４の内部に位置する副反射器３４の正面にしっかりと固
定されている。主反１・１器３２は副反射器３４よりも
かなり大きいので、打ち上げの際には折り畳まれていて
、衛星又は宇宙船が軌道に乗ってから広げられる。主反
射器３２は、広げられると図示のように衛星２４の外部
に延びる。衛星２４はアンテナ・システム３０を搬送す
るために、第１図に示したように、フレーム４４の内部
こロケット・エンジンや燃料タンクなどの他の宇市船装
備を収納している。

アンテナ・システム３０は従来の衛星用アンテナに比へ
てかなり軽量になり簡略化されている。

この効果は、主反射器３２及び副反射器３４の反１．１
面を共に放物面にし、焦平面又は焦点４８を共有する一
組の同魚点パラボラとして両表面を対向配置することに
より得られたものである。反射面をこのように配置した
アンテナは、ベル・システム・テクニηル・ジャーナル
の第５８巻第２号（１９７９年２月）の５０１〜５１５
ページのシー・ドラゴン及びエム・ギャンズの「小さな
アレーを用いて走査ビームを形成する画像反射装置」（
ｃ．Ｄｒａｇｏｎｃ　ａｎｄ　Ｍ．Ｇａｎｓ．　”ＩＩ
ｌａｇｉｎｇ　ＲｃｒＩｃｃｔａｒ＾ｒｒａｎｇｅｓｃ
ｎｔｓ　ｔｏ　Ｆｏｒｍ　ａ　Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｂｅ
ａｍ　Ｕｓｉｎｇａ　Ｓｍａｌｌ　　Ａｒｒａｙ，−　
Ｂｅｌｌ　　Ｓｙｓｔｅｍ　ＴｅｃｈｎｉｃａＪｏｕｒ
ｎａｌ．　Ｖｏｌ．５ｇ，　Ｎｏ．２　（Ｆｅｂ．　１
９７９），　ｐｐ．５０１−５１５）に記載されている
。この横成により放射素子アレーの有効口径が拡大する
。第１図及び第２図に示した好ましい配置では、拡大率
は４．７である。８個の放射素子４２から或るアレ−４
０は、アンテナが非常に簡略化されていることを示して
いる。即ち、これと同じ大きさの素子から成る直接放身
・ナ器を用いた場合には、総計１５５個の放射素子がな
ければ同一の性能を得ることができない。

第３図に示すように、先に述べた４×２アレーの替わり
に７個の主要放射器５２が六辺形に配置されたアンテナ
・アレ−５０を用いることもできる。

この場合には、供給素子５２のアレ−５０を用いてアッ
プリンク及びダウンリンクの通信が行なわれる。

第４図に地球６０の静止軌道上に位置する衛星２４（第
４図には示されていない）により生成される２本のスポ
ット・ビーム５６、５８の例を示す。スポット・ビーム
５６はほぼ合衆国６２及びカナダ６４の東海岸に沿って
広がっている。一方、スポット・ビーム５８はほぼ合衆
国６２及びカナダ６４の西海岸に沿って店がっている。

衛星は第１及び第２のスポット・ビーム５６、５８に囲
まれた地表領域内に位置する地上局との間で情報搬送放
射線の送受信をする。スポット・ビーム５６、５８の各
々の有効範囲の形状は、地球６０の表面の中でも人口密
度の低い領域のように通信能力を余り必要としない領域
に入射されるアンテナ利得のユを制限することにより、
通信に使用可能な周波数帯を大きな通信能力を必要とす
る領域に集中させてアンテナ利得使用量を最適化するよ
うに選択される。

衛星２４のアンテナ・システムにより地球６０の表面の
一次元ビーム走査（スポット・ビームの連続とみなすこ
とができる）が行なわれる。このような走査は緯度や経
度などの地表の弧に沿って行なわれる。第４図に示した
領域では大圏に沿って東西方向に走査すれば、最も有効
に走査することができる。アンテナ・システムの放射素
子相互を（以下に述べるように）所定期間遅延させると
共に、地表の地理学的位置に応して異なる周波数を用い
て走査することが好ましい。即ち、ビーム走査の位置毎
に（仮想ビーム毎に）放射周波数を変更する。また、周
波数の異なる電磁放射線を発生することにより複数本の
ビーム（図示せず）を同時に発生することができる。こ
の仮想ビーム技術を使用することにより、ビーム走査の
有効範囲内にいるユーザーは、ある仮想ビームの中心付
近にいることになり、固定ビームを用いた従来の衛星で
得られるパワーよりも２ないし３ｄＢ高いパワーを受信
することになる。

必要な電磁パワーを最小にすると共にアンテナの構造を
簡単にするために、好ましいアンテナ・システムは第３
図に示したように放射素子５２で構成された六辺形アレ
−５０を用いて断面がほぼ円形で幅が４．５°のビーム
を提供する。放射素子５２は直径が１波長のカップ・ダ
イボール・フィード●ホーンである。

このアンテナ・システムの使用例として、しばしば移動
衛星（ＭＳＡＴ）システムと呼ばれる陸上移動電話サー
ビス用衛星通信システムを挙げることができる。陸上移
動電話サービスには２種類の周波数帯が割り当てられて
いる。ダウンリンク帯域用に８６６〜８　７　０　Ｍ　
Ｈ　ｚ　，アップリンク帯域用に８２１〜８　２　５　
ＭＨ　ｚである。各舟域は４ＭＨｚ幅たけほぼ１０００
周波数スロットに細分されていて、細分された周波数ス
ロットは複合単側波帯音声通信用に地球６０の表面の個
々の地上局に割り当てることが可能である。例えばＬ帯
域のような他の周波数帯域を使用することができる。

地上局が異なる経度で東から西にかけて均一に配置され
ている場合には、ほほ０．１度の走査角でアップリンク
及びダウンリンクから成るほほ１２種類のチャンネルを
使用することができる。

チャンネルは均等な周波数分だけ相互に離れているので
、ダウンリンク（又はアップリンク）周波数があるチャ
ンネルから次のチャンネルに移動するに連れて、ビーム
は東から西に向かって均等に進む。言い換えれば、衛星
から地上局へ向かうビームの周波数に一致する地上局の
動作周波数が選択される。地上局を東西方向に均一に配
置するためには、ビームは東西方向の戊分が各地上局に
集中できなければならない。しかしながら、実際には、
地上局は合衆国６２及びカナダ６４の様々な地域内に密
集しているので、地上局はビームの東西方向の走査路に
沿って不均一に配置されている。従って、総べての地上
局でピーク信号振幅を得ることができるわけではない。

例えば、０．１゜の走査角度内に２５個の地上局が位置
していると仮定すると、ピーク信号振幅に対する減少量
は０．０１ｄＢ（デシベル）朱病である。これに対して
分離固定ビームを用いた従来の衛星通信システムでは、
東西方向のピーク信号利得に対する信号利得の平均的損
失は約０．　８ｄＢである。従って、損失はかなり改善
されている。上で述べたように、従来の衛星通信システ
ムは、直径がほぼ１６フィートもある大きな反射器を複
数個有するアンテナ・システムを用いている。

これに対して、前記特許出願に記載されているアンテナ
・システムは大きな反射器をたった１台と、以下に述べ
る小さな共焦副反射器を１台必要としているだけである
。即ち、前記特許出廓には信号利得が均一で機城的構造
が簡屯なアンテナ・システムが開示されているのである
。

第５図にアンテナ・システムの周波数走査動作の説明に
右益な図を示す。４個で一組の放射素子４２が゛ｔｂ磁
放射の出ていく波而６６を向いて直線上に並んで配置さ
れている。波面の入射角、即ち、ビーム走査角は放１・
１素子４２のアレ−４０に対する法線６８との関連でａ
ｌｌ定される。アレーを順次遅延することにより平面ア
レー・アンテナ内で周？＆数走査が生じる。隣接した素
子４２により励起された信号の位相は、放剃された信号
の周波数に比例して相違するように順次遅延により変化
する。

動作のこの説明は出ていく波面を想定しているが、素子
４２のアレーの動作は、入ってくる波面にも同じように
当てはまる。所望の周波数依存ポートからポー１・への
位相進行は、オール・バス・ネソｊ・ワークのような遅
延以外の技術を用いても達成することができる。周波数
に対する走査角、素子の間隔、及び近延の関係は、次の
等式により与えられる。

２ｙｒＤ　　　ｓｉｎ　　θ　一Δ１！’−２ｙｒｆ　
Δ　Ｔ （　１　） 従って、 λ ｓｉｎ　　θ　一　−　ｆ　Δ　Ｔ Ｄ （２） 但し、 Ｄ一素子相互の間の空間、 θ−ビーム走査角、 λ一放射の波長、 Δ▼一隣接素子間の位相の増分、 ｆ一帯域の中央に対する周波数、 ΔＴ−隣接素子間の遅延の増分 放射素子４２はマイクロ波エネルギー［７０及びこれに
接続されている一連の遅延ユニット７２を介して励起さ
れる。各遅延ユニット７２は等式（１）及び（２）で示
した遅延増分を提供する。

マイクロ波エネルギー源７０はアレーの最も左側に（立
置する素子４２に直に接続されている。これにχ・ｌし
て次の素子４２は遅延ユニット７２を１個介してマイク
ロ波エネルギー源７０に接続されている。マイクロ波エ
ネルギー源７０が第３、第４の素子４２に印加する信号
は、それぞれ遅延ユニット７２により２個及び３個分だ
け遅延が増大する。この横成により線形位相関係が得ら
れ、出ていく波而６６の走査角が得られる。隣接した２
個の放Ω・Ｊ素子４２の間の位相の増分は、放射周波数
と遅延ｊ曽分との積に比例する。この積が３６０”に等
しくなると、波面は素子４２のアレーに対して法線方向
に伝播する。周波数の値が増大すると位相の偏倚が増大
して波面が第５図に示すように法線６８の右側に向かう
ようになり、周波数の値が減少すると、位相があまり偏
倚しなくなり波面は法線の左側に向かうようになる。こ
のようにして、波面は素子４２のアレーの辺りで対称に
走査される。

前記出願にはアップリンク及びダウンリンク周波数の場
合、及び直径がほぼｌ波長のＡｔ射素子４２の場合のた
めに、第５図の遅延ユニット７２により提供される遅延
差の適切な値は、地球６０の表面の地上局がほぼ均一に
分布している場合には、１８５ナノセカンドである旨が
記載されている。

アップリンク及びダウンリンクの両ビームを−４０ない
し＋４°の弧に沿って走査すれば、東西方向の有効範囲
を８゜にすることができる。私大率が４，７なので、放
射素子４２のアレ−４０の走査角は主反射器３２からの
出力走査の走査角が同じ拡大率４．７により拡大される
ことになる。従って、放射素子４２により生成されるビ
ームは、アレ−４０の法線の両側に１８．８°の弧に沿
って走査されることになる。遅延の差（ｄｌｒｒｅｒｅ
ｎ−ｔｌａｌ　ｄｅｌａｙ）の前記値である１８５ナノ
セカンドは、アレ−４０の法線の両側に１８．８’の走
査を提供する。合衆国及びカナダの東海岸と西海岸との
間に地上局が均一に分布している理想的な場合には、角
度に対するチャンネル数は一定の値１０００／８−１２
５を有している。

遅延ユニット７２により提供される遅延の差が周波数と
は無関係である場合には、第２のビームの最適な方向は
地上局の均一な分布の理想的な状態に基づいて決まる。

地上局が不均一に配置されている場合には、第２のビー
ムは指定された地上局よりも僅かにずれてしまう。既に
指摘したように、ビームの指す方向が０．１度ずれると
、０．０１デシベル未満だけ信号レベルが減少する。

前記出願には、地上局が不均一に分布していても遅延の
差に周波数応答コンポーネントを導入することにより走
査可能である旨が記載されている。

この出願には、放射累子４２のアレ−４０のコラム間（
朶４図）の遅延の差を送信帯域の低周波数端が２６２ナ
ノセカンドと送信シ；シ域の高周波数端が１３１ナノセ
カンドとの間で変更して少なくともダウンリンク・ビー
ムの形成する不均一な分布の例が記栽されている。アン
テナ・システム（３０）の受信器により提供されるアッ
プリンク・ビームのビーム形成動作に遅延の別の値を用
いることができる。

別の周波数帯域に用いられる迦延の値、即ち、アップリ
ンク及びダウンリンクの周波数帯は、等式（１）及び（
２）から明らかなようにこれらの帯域の中心周波数に逆
比例する。遅延の差が減少すると、一連のビーム間の位
相の変化量も減少し、地球６０の表面のビーム位置のあ
る一つのチャンネルから次のチャンネルへの変化が対応
して減少する。従って、この場合には地上局が密集して
いる領域内でビームをより正確に位置付けることが可能
になる。同様にして、遅延の差の増大によりある一つの
チャンネルから次のチャンネルへの移行周波数が増大す
るのでビームの移動が増大する。

従って、この場合にはビームの位置を粗に配置された地
上局に合わせることができる。チャンネル数は、アップ
リンク又はダウンリンク引｝域のいずれかにおいて特定
の周波数に対応している。第４図に示すように、地球６
０の大圏の弧に沿って配置された地上局に関しては、地
上局毎に選択された周波数は弧に沿った位置に従って単
調に変化する。

以上の説明を加味すれば、以上に述べた通信システムは
地上局と靜止衛星との間での双方向通信を提供している
ことが明らかである。各地上局への周波数の割り当て、
並びに衛Ｈ　（２４）のアップリンク及びダウンリンク
の両者の周波数走査により、システムの回路が簡単にな
る。更に、共黒パラボラ反射器を２台使用することによ
り倍増要素が提供されるので、放射素子のアレーに必要
な素子数が減少する。走査ビームの使用により反射器の
数が減少するので、アンテナ・システムの物理的サイズ
が減少し、軽量になり、衛星通信システムの効率が向上
する。

以上に述べたノ（焦反躬システムを商業的に利用するこ
とには技術上の問題がある。一つにはシステムの効率が
悪いことである。衛星の大きさには制限があるので、満
足のいく効率かｉ写られる程度にまで副反射器３４を大
きくする（波長の点で）ことができない。大きさが制限
されているために、共黒装置に使用できる主反射器及び
焦点距離のサイズも制限される。

別の問題はビームが有効範囲の辺境部を走査するときに
ビームが歪むことである。このビームの歪みはシステム
全体の情報送信能力を減少させるので望ましくない。

（発明が解決しようとする課題） 前記の衛星通信システムを更に軽量化し簡略化するには
、副反射器を完全に除去してしまい、それでいて放射素
子の数を比較的少なくすることが望ましい。並行して動
作している幾つかのアンプの各々から個々の放射素子又
は放射素子の小さなグループに供給される出力信号のパ
ワーを結合して、走査ビームにより掃引される地表上の
所定位置におけるスポット・ビームを強化すると有利で
ある。通信衛星の送信用アンテナ・システム及び受信用
アンテナ・システムにはアンテナ・システムとして一般
的な素子をできる限り多く使用して、重量、空間、費用
を節約することが望ましい。また、アンテナから送信さ
れるビームが有効範囲の辺境部を掃引する際に生じるビ
ームの歪みを少なくすることが望まれる。この発明はこ
れらの３題を解決するためになされた。

（課題を解決するための手段及び作用）この発明の一実
施例のアンテナ・システムは、焦点を少なくとち１個有
する反射器と、電磁放１・１線ビームを目的地域に送信
する複数のフィード素子を有するアンテナ・アレーとを
有している。アンテナ・システムは、アンテナ・アレー
に接続されて入力信号の振幅及び位相分布について近似
空間変換を行う手段と、フィード素子のアレーに沿って
位置する少なくとも１間の付加的フィード素子とを有し
ている。付加的フィード素子は中心部が目的地域の外側
に照射され、縁部が目的地域の一部と蚤なるビームの生
成に用いられる。アンテナ・アレー、付加的フィード素
子、及び反射器はそれぞれがそれぞれに対して次のよう
に配置されている。即ち、反重１器が意図された作動位
置にあるとき、アンテナ・アレー及び付加的フィード素
子が反射器の焦点の近傍に配置されている。空間変換は
離散的フーリエ変換及び逆離散的フーリエ変換から成る
変換のグループから選択される。変換実行手段は入力ポ
ート及び出力ポートをそれぞれ複数個有するバトラー・
マトリックスを具備している。アンテナ・アレーは、少
なくとも１個の付加的フィード素子及びバトラー・マト
リックスを含めて、信号の送受信に用いられる。アンテ
ナ・システムが受信に用いられる際には、空間変換手段
に供給される入力信号は、フィード素子が受信できるよ
うに反射器によりアンテナ・アレーに収束される電磁放
射線から得られる信号である。

空間変換は逆離散的フーリエ変換である。システムが送
信に用いられる際には、空間変換手段はアンテナ・アレ
ー及び付加的フィード素子に供給される信号を生成する
。空間変換は離散的フーリエ変換である。送信機として
用いられる際には、システムはバトラー・マトリックス
の入力ポートに入力ポートから入力ポートにかけて所定
の位相関係を有する一組の信号を供給する手段を更に有
していることが好ましい。

この発明のアンテナ・システムは地上局との通信用衛星
に用いることが好ましい。そのような用途では、システ
ムは反射器及びアンテナ・アレーを支承する衛星フレー
ムを更に有している。反射器及びアンテナ・アレーは相
互に機能し合うように配置され、アレーから放射されて
反射器が作動位置にあるときに反射器により反射される
電磁放射線により可動ビームを生成する。

この発明の別の態様は、（ａ）相互に所定の位相関係を
有し、送信すべき情報を含む一組の第１の信号を提供す
る工程と、（ｂ）第１の信号の組の振幅及び分布につい
て近似空間変換を実行して第１の信号の組から一朝の信
号を生成する工程と、（ｃ）第２の組の信号の中から予
め選択された信号を反射器に向かって伝送し、複数の放
射素子の中を通過させることにより走査ビームを生成す
る工程と、（ｄ）第２の組の信号の中から予め選択され
た少なくとも１つの信号を反射器に向かって伝送し、複
数の放射素子に沿って位置する付加的放１・１素子の中
を通過させることにより少なくとも１本の付加的ビーム
を生成する工程とを具備し、付加的ビームは中心部が目
的地域の外側に照射され、縁部が目的地域に照射され、
この縁部が走査ビームと結合してサイド・ローブを所望
のレベルにまで減少させる可動ビーム・アンテナ・シス
テムの操作法である。この操作怯はバトラー・マトリッ
クスを用いて第１の信号の組から第２の信号の組を生成
する工程を更に具備している。空間変換は離散的フーリ
エ変換である。

この操作法はアンテナ・システムの可動ビームを用いて
複数の地上局と通信をする衛星通信システムに用いるこ
とが好ましい。そのような用途では、反射器は衛星に取
り付１ナられた主反射器である。

この発明の他の態様、目的、特徴、長所は、以下の詳細
な説明、特許請求の範囲、図面から明らかである。

（実施例） この発明は地表の広大な領域に亘って分布している複数
の地上局と通信をするための新規なアンテナ・システム
に関する。当業者がこの発明の利用及び実施をできるよ
うに、以上に述べた技術との関連でこの発明を具体的に
説明する。当業者であれば以下に述べる好ましい実施例
を容易に様々に修正することができる。ここに述べる一
般的な原理はこの発明の要旨及び範囲を逸脱することな
く別の実施例や用途にも適用することができる。

従って、この発明は以下に述べる実施例に限定されるし
のではなく、ここに開示した原理及び要件に従って範囲
が確定されなければならない。

第６図に示すように、この発明のアンテナ・システム８
０は、主反射器３２及び第１図ないし第５図に示した抽
類の放射器４２　（５２）のアレ−４０　（５０）をモ
−シている。アンテナ・ンステム８０は衛星２４の適切
なフレーム４４に取り付けられていることが好ましい。

この発明のアンテナ・システム８０ては、（第１図及び
第３図に示す）反Ｕ．Ｊ器３４は取り除かれていて、フ
ィード・ホーンである主反射器４２（又は５２）のアレ
−４０（又は５０）がオフセット・フィード反１．１器
３２の焦点（又は焦点の近傍）に配置されている。アレ
−４０（又は５０）は、通常使用される位置よりも「後
方」に配置されているバトラー・マトリックス８２によ
り供給される。このマトリックス８２にはブロック８４
として示した送受信機網が接続されている。バトラー・
マトリックスをこのようにして使用することにより、ア
ンテナ・システム８０の順次励起（ｅｘｃｉｔａｔｉｏ
ｎ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ　）、即ち、第１図ないし第５図
のアンテナ・システム３０の主放射体のビーム形成アレ
ーに入力される順次励起の空間的離散フーリエ変換（　
ｓｐａｔｉａｌｄｉｓｃｒｅｔｅ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　ｔ
ｒａｎｓｒｏｒｇ＋）を行うことができる。このように
してアレー及び信号反射器により生成されるファー・フ
ィールド・パターンが（理想状態では）先に述べた共焦
装置のファー・フィールド・パターンと同一になる。理
想状態以外では、空間的サンプリングの影響及び焦点に
関するアレーのサイズの物理的制約により幾らか相違す
る。

第６図に示すアンテナ・システム８０の動作及び以上の
説明は、第１図及び第３図に示した共形反射器の等価光
学モデルを考慮することにより明確に理解することがで
きる。第７図に最初のアンテナ・システム３０の等価光
学モデル９０を示す。

このモデルは機能の点で主反射器３２及び副反射器３４
に対応した２枚のレンズ９２及び９４を用いている。線
９６で示す焦平面Ｘは焦点４８を有している。レンズ９
２の焦点距離はＦ２であり、レンズ９４の焦点距離はＦ
１である。第７図のシステムの倍率Ｍは次式により与え
られる。

Ｍ−　　Ｆ　　２／Ｆ　　１ （３） 線９８で示される、魚平面Ｘ上の像Ｆ　（ｘ）は振幅及
び位相配置がレンズ９２及び９４により拡大されて、ｔ
ｓｘｏｏで示す拡大像平面ｘ−−では次式のようににな
る。

ｆ　　（ｘ　　”　　’）　　−Ｆ　　（ＭＸ）　　　
　　　　（４）光学理論から、焦平面Ｘ′における振幅
及び位相配置は像而Ｘにおける振幅及び位相配置の空間
的Ｍ散フーリエ変換である。即ち、次式の通りである。

ｆ　　（ｘ　　　）　　−Ｆ　　［ｆ　　（ｘ）　　］
　　　　　（５）最初のレンズを取り除いて、ｆ（ｘ）
を直接に焦平面Ｘ″に形或することにより、拡大像面ｘ
＝−は振幅及び位相配置が同一になる。この発明のアン
テナ・システム８０はこの着想に基づいている。

第６図に戻って、システム８０のバトラー・マトリック
ス８２はブロック８４の送信機により発生された順次励
起の空間的離散フーリエ変換を行う。バトラー・マトリ
ックス８２は、反射器３２から反射され、アンテナ・ア
レ−４０（又は５０）に入射し、その後ブロック８４の
受信機により処理されるファー・フィールド・ビームの
空間的逆−１ 離散的フーリエ変換Ｆ　　　［ｆ（ｘ”）］をもｎつ０ 第８図にポートを４個有するバトラー・マトリックス１
１０を示す。入力及び出力はそれぞれが４個で一組であ
る。バトラー・マトリックス１１０は、４個の９０゜位
相進みハイブリッド１１２及び２個の負の４５″位相器
１１４を有しており、これらは図示のように接続されて
いる。ここでは簡単にするためにマトリックス１１０は
４個のポートを有するものとして説明するが、バトラー
・マトリックスのポートの数は幾つにしても良い。

この点に関して、バトラー・マトリックスの設計技術の
開発に関する多くの成果がある。例えば、Ｍ．　Ｕｅｎ
ｏ，　”＾Ｓｙｓｔｅｍ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｆｏｒｍｕｌ
ａｔｉｏｎ　ｆｏｒＢｕｔｌｅｒ　Ｍａｔｒｉｘ　Ａｐ
ｐｌｉｅｄ　ＦＰＴ＾Ｉｇｏｒｌｔｈｓ＋，−　ＩＨＥ
ＩＥＴｒａｎｓ　．＾ｎｔｅｎｎａｓ　ａｎｄ　Ｐｒｏ
ｐａｇａｔｉｏｎ，　Ｖｏｌ．ＡＰ−２９，Ｎｏ．３．
　Ｍａｙ　１９８１がある。従来ではマトリックスは、
ポートＡ，Ｂ，ＣＳＤが入力ポートとして使用され、ポ
ートＡ−　　Ｂ＝　　Ｃ−　　Ｉ）”が出力ポートとし
て使用されていて、反射器を使用しないアンテナ・シス
テムの放射素子に取り付けられている。

この発明のアンテナ・システム８０が送信に用いられる
と、ポートＡ″　Ｂ″　Ｃ″　Ｄ゛は入力ポートとして
使用され、ポートＡ，Ｂ，ＣＳＤは出力ポートとして使
用される。送信機として用いられるシステム８０では、
周波数の関数であるポートからポートへの所定の位相関
係を有する一組の信号がポートＡ″　Ｂ−　　Ｃ″　Ｄ
゛に入力される。同一の信号が平面アンテナ・アレーに
供給されると、ビーム方向の相違した穴なるスポット・
ビームが５ｚなる周波数で形成される。理論上は最小周
波数から最大周波数にかけてのスポット・ビームにより
規定される全ビーム幅に亘って一連のビームが存在する
ので、これらのスポット・ビームをしばしば仮想ビーム
と呼ぶ。周波数の｝口違により生じる異なる位相分布が
マトリックス１１０内で結合され、異なる出力ポートで
建設的又は破壊的に結合される。その結果、周波数毎に
出力ポートＡ，Ｂ，ＣＳＤで信号のアレーの仮想位相の
中心が生成される。言い換えれば、ポートＡ、Ｂ，Ｃ，
Ｄに接続されている複数個の放射素子４２（又は５２）
を有するアンテナ・アレ−４０（又は５０）の位相の中
心が周波数の関数として走査される。特定の周波数は１
個だけのポートの信号になるが、空間的位相の中心が２
個以上のポートの間のどこかに対応している場合には、
２個以上のポートの信号になる。

第９図の曲線１２０は、マトリックスの入力ポート八′
　Ｂ″　Ｃ−　　Ｄ−に次式で規定される入力信号が供
給されたときの第８図のポートＡの振幅応答を示す。

Ｘ　　　（ｔ）　　＝ｓ　　ｉｎ　　（ω　ｔ＋ｎｌｌ
／）ｎ ｎ−０、　１　、　２、　３　　　　　　　　　　　　
（６）但し、ＷはＯから２πに変化する。（通常の周波
数走査技術では、入力位相値Ｖは周波数のある関数であ
るが、必ずしも一定である必要はない。）ボー｝Ａ−は
ｎ−０に対応し、ポートＢ゛はｎ−１に対応するという
具合に続いている。特定の位相配置では最大信号レベル
がポートＡで生じることに注意されたい。先に述べたあ
る種の一連の信号がマトリックス１１０に供給されたと
きの全てのポートの出力信号の大きさを第１０図に示す
。曲線１２２、１２４、１２６は、マトリックス１１０
に前述の種類の一連の信号が供給されたときの全ポート
の出力信号である。曲線１２２、１２４、１２６は、そ
れぞれがポートＢ，Ｃ，Ｄの出力信号である。各ポート
は異なる相対的入力位相値ｖ用の最大出力値を有してい
る。特定のポートの最大振幅の中で、他のポートの出力
はゼロである。例えば、ポートＡに接続されている曲線
１２０では点１２８で最大になり、曲線１２２〜１２６
では点１３０で振幅がゼロになる。バトラー・マトリッ
クス（第１１図参照）の出力に接続されているアンテナ
・アレーの位相の中心がアレ−４０（又は５０）の全長
を平の関数として走査する。周波数が累なればアンテナ
・アレ一の位相の中心も変化する。

バトラー・マトリックスを用いたアンテナ・システムの
性能は使用する素子の数の影響を受ける。

使用する素子の数が増えれば、一連の入出力信号の空間
的サンプリングが良くなる。従って、ポートの数が比較
的少ないバトラー・マトリックスは通過する信号に対し
て離散的フーリエ変換（又は逆の離散的フーリエ変換）
の荒い近似値を実行する。ポートの数が増加するに連れ
て、変換の質及び正確さが共に向上する。

第１１図に送信機及び受信機を有するこの発明のアンテ
ナ・システム１３８にバトラー・マトリックス１１０を
どのように用いるかの詳細を示す。

システム１３８は、放射素子及び受信素子の両者として
機能するフイード素子又はホーン１４２のアレ−１．　
４　０を有している。ホーン１４２は、通常の通りに又
は適切に構成されている。例えば、直径が１波長のカッ
プ・ダイボールとして構成されている。実際には、ホー
ン１４２は先に述べた放射素子４２（又は５２）と基本
的に同じ機能を果たすので、第６図の配置のようにオフ
セット・フィード反射器３２の焦平面上又は焦平面の辺
りに配置される。

システム１３８はダイブレクサ１４６のグループ１４４
、受信機ネットワーク１４８、送信機ネットワーク１５
０をも有している。受信機ネットワーク１４８及び送信
機ネットワーク１５０はそれぞれが電磁ダクト又は導体
のグループ１５２、１５４を介して個々のダイプレクサ
１４６に接続されている。これらのコンポーネントは全
て従来の通りの構成又は適切な構戊でよい。しかしなが
ら、ダイブレクサ１６４としては本願出願人に譲渡され
たハドスペス（　Ｔ．　ＨｕｄＳｐｅｔｈ　）とキーリ
ング（｝ｌ．　Ｋｅｅｌｉｎｇ）の両氏による「マイク
ロ波ダイブレクサ（ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ　ＤＩＰＬＥＸ
ＥＲ）　Ｊという名称の米国特許第４，４２７，９５３
号を用いることが好ましい。グイブレクサ１４６は（ア
ンテナ・アレ−１４０により受信され、マトリックス１
１０により変換され、導体のグループ１５６の導体に印
加される）アップリンク周波数帯域内の入力信号を受信
ネットワーク１４８まで適切に辿る機能を有する。同様
に、ダイブレクサ１４６は（送信ネットワーク１５０に
より生成され、導体グループ１５４に印加される）ダウ
ンリンク周波数帯域内の一連の信号をバトラー・マトリ
ックス１１０まで辿る機能を有する。一連の信号は（｝
ラー・マトリックス１１０で導体グループ１５８に印加
されて、アンテナ・アレ−１４０に送信される。

第１１図中で、バトラー・マトリックス１１０のポート
Ｂ及びＣの出力は周波数に対する仮想位相中心の連続的
走査を得るために逆にしている。これは図示のように導
体１５８ｂを介してポートＢをホーン１４２Ｃに接続し
、導体１５８Ｃを介してポートＣをホーン１４２ｂに接
続することにより達成される。ビーム・ポートＢ及びＣ
の出力を逆にする必要性は、第１０図でポートＢ及びＣ
の出力を示す曲線１２２及び１２４が入力位相軍の値が
低くなる方向のポートＡ及びＤの出力信号の順番に対し
て逆転していることから明らかである。

２台の１８０’位相器１５９ａ及び１５９ｂは、バトラ
ー・マトリックス１１０の動作により生じるポートＡ及
びＢの出力信号の位相の逆転を正すものである。

第１２図に第１１図のアンテナ・システム１３８の受信
ネットワーク１４８の様々なコンポーネント及び信号通
路の一実施例のブロック図を示す。

ネットワーク１４８は、ダクト１５２により伝送される
受信信号のレベルを高めるブリアンブ１６２のグループ
１６０と、ブリアンプ１６２からの受信信号の搬送周波
数を中間又は基本帯域周波数にまで減少させる周波数ト
ランスレータ１６６のグループ１６４と、所望の周波数
範囲以外のサイド・ローブ又は他の周波数トランスレー
ション生成物を拒絶する４個の帯域フィルター１７０の
グループ１６８と、図示のように相互に接続されて出力
端子又はポート１７６に基本帯域信号を生成する３個の
偏倚生成コンポーネント又は素子１７４のグループ１７
２とを具備している。偏倚生成素子１７４は遅延素子か
周波数依存位相器のいずれかである。受信機ネットワー
ク１４８は複数の地上局からの信号を同時に受信できる
ように、個々のアップリンク通信チャンネルの周波数帯
域に調整される。

第１１図に示した送信ネットワーク１５０のブロック図
を第１３図に示す。ネットワーク１５０は、偏倚生成コ
ンポーネント又は素子１８２のグルーブ１８０と、ダク
ト１８８のグループに印加される信号の搬送周波数を高
周波数領域にまで増大する周波数偏倚器１８６のグルー
プ１８４と、所望の周波数帯域以外の不要な信号を周波
数トランスレータ１８６の操作で除去する帯域フィルタ
ー１９２のグループ１９０と、導体グループ１５４に印
加される信号のパワーを増強するパワーアンブ１９６の
グループ１９４とを具備している。

送信ネットワーク１５０では、送信される信号は入力端
子又はポート１９８に印加される。

第１２図及び第１３図には、遅延又は周波数依存位相偏
倚の導入によりポートからポートへの入力位相値▼を周
波数の関数として生成する方法をも示している。遅延や
周波数依存位相偏倚は、第１２ｒＩ！Ｊの偏倚生成素子
１７４や第１３図の偏倚生成素子１８２により導入され
る。第１３図で、遅延又は位相の偏倚は基本帯域（又は
中間周波数）に導入され、その結果得られる一組の信号
の各信号がダクト・グループ１８８のあるダクトに印加
され、周波数トランスレータ１８６により所望の周波数
領域にまで並列的に周波数偏倚される。このようにして
特定の帯域幅が導体グループ１５４を介してバトラー・
マトリックス１１０に印加される一組の信号内の位相の
配置の所望の範囲を生成する。従って、アレーの位相の
中心の走査が所望の範囲に亘って得られる。この方法は
背景技術の説明で述べたＭＡＳＴシステムに適用するこ
とができる。

冒顕て述べたＭＡＳＴシステムｊ軒星は８６６〜８　７
　０　Ｍ　Ｈ　ｚのｉＪＨＦ帯域（又は所望であればＬ
帯域）で送信している。第１２図や第１３図などの遅延
によるシヌソイドの位相変化は、入力位相値をラジアン
で表現するとき、次式でエ１算することができる。

Δ　Ｖ■　ｎ　２　π　τ （７） 第８図に示したバトラー・マトリックス１１０を用いて
十分に大きなビーム走査角を生成するには、位相配置の
かなり幅の広い領域が必要である。

第１１図のシステム１３８を所望の通りに操作するのに
必要な遅延又は位相の偏倚の量を決定する一つのアプロ
ーチは、位相の分布の最適な範囲を選択し、遅延又は位
相器を用いて問題の帯域幅がこの範囲を生成する周波数
を発見することである。例えば、第８図のバトラー・マ
トリックス１１０は、入力位相分布がπ／４と７π／４
ラジアンの間にあるとき、アンテナ・アレーの位相の中
心の最適な走査を提供する。簡単にするために、遅延を
用いるものと仮定して、条件を設定する。

π／４〜２πｆ１τ　　　　　　（８）及び ７π／４−２πｆ２τ　　　　　（９）そこで、 τ−７π／８πｆ　−π／８πｆ　　　（１０）２１ 又は ｆ２／ｆ１−７　　　　　　（１１） この関係と ｆ２−ｆ１−４ＭＨｚ　　　　　（１２）即ち、ＭＡＳ
Ｔ衛星のダウンリンク送信帯域幅内という考えとを結合
すると、 ｆ １ −６６６． ７Ｘ１０３Ｈｚ 及び が得られる。この中間周波数の範囲で作業することによ
り、所望の範囲の位相分布、即ち、を生成する遅延であ
ることが判明する。この中間周波数での遅延で作業する
ことにより、信号の奇域幅が所望のポートからポートへ
の周波数依存位相関係を生成する。組の中の各信号は、
中間周波数帯での遅延により導入されるポートからポー
トへの位相関係を変更することなく、所望の周波数範囲
まで（並列に）上方向に周波数変換される。

異なる遅延及び異なる中間周波数を用いることにより、
送信機が異なる周波数で作動し、異なる帯域幅を有して
いても、異なる送信機（又は異なる受信機）からの信号
が相互に結合されて、同一のバトラー・マトリックスを
使用し、同じ種類のアンテナ・パターンを生成すること
ができる。以上に述べた技術を用いることにより、異な
る帯域幅の異なる信号を用いて位相配置が同一領域にあ
る入力信号の組を生成することができる。入力信号のこ
れらの組の組み合わせをアンテナ・アレーに供給するバ
トラー・マトリックスに供給することにより、両信号帯
域幅で同じ周波数走査仮想ビームを形成することができ
る。第１４図にこの考えを示す。同図には、異なる周波
数帯域で２組の出力信号を生成することができる二重周
波数送信ネットワーク２１０が示されている。ネットワ
ーク２　．１　０は、第１１図に示したアンテナ・シス
テム１３８の送信ネットワーク１５０の代わりに用いる
こともできる。

ネットワーク２１０は第１の周波数ネットワーク部２１
２と、第２の周波数ネットワーク部２１４と、共通ネッ
トワーク部２１６とを有している。

第１の周波数ネットワーク部２１２は３個の偏倚生成装
置１８２のグループ１８０と、第１３図で説明したよう
に作動する周波数トランスレータ１８６のグループ１８
４とを有している。第２の周波数ネットワーク部２１４
は偏倚生成装置２２４のグループ２２２と、ネットワー
ク部２１２により生成された一組の信号とは周波数の異
なる一組の信号を生成する周波数トランスレート装置２
２８とを有している。偏倚生成装置１８２及び２２４は
、遅延ユニット又は周波数依存位相偏倚ユニットである
。共通ネットワーク部２１６は合計生成素子又はミキサ
２３２のグループ２３０（導体グループ２３４及び２３
６を介してネットワーク部２１２及び２１４からミキサ
２３２に供給される２組の異なる信号を結合する）と、
帯域通過フィルタ１９２と、パワーアンブ１９６のグル
ープ１９４とを有している。ネットワーク２１０の様々
なコンポーネントは第１４図に示すように接続され、周
波数帯域の異なる２，ＩＩ１の信号の生成、結合、増幅
が行われてから導体グループ１５４に同時に印加されて
、第１１図に示すシステム１３８の残りに供給される。

偏倚生成ユニット又は装置１７４、１８２、２２４は、
公知の回路を用いた集中パラメータ全通過ネットワーク
から形成すると便利である。これらのユニット又は装置
は、第１３図及び第１４図に示した送信用パワーアンプ
１８４及び１９６の前方に配置されているので、比較的
低電力で作動する。従って、電力を前減ずることができ
る。

ここまで述べてきたことをまとめると、以上に述べた可
動ビーム・アンテナ・システムは、地上局と静止衛星と
の間の双方向通信を可能にする２台の共焦パラボラ反射
器のうちの一方を除去することにより、衛星を軽量化す
ることができる。また、並列に作動する幾つかのアンプ
の出力信号のパワーを結合して個々のフィード要素又は
フィード要素のグループに供給し、目的の領域内の所定
位置に強力なスポット・ビームを効率よく生成する技術
も堤供される。更に、電磁放射の送受信に幾つかのアン
テナ素子を用いることも開示されている。幾つかの共通
素子に両機能を果たさせることにより、衛星の重量、空
間、費用を減少することができる。

以上に述べたアンテナ・システムは非常に効率的である
が、ビームは目的地域の周辺部ではサイド・ローブが余
りにも高くなり過ぎてしまう。しかしながら、この発明
はこの問題を解決することができる。この点については
、第１５図を参照されたい。バトラー・マトリックス１
１０は、図示のように、４個の入力ａ　　　ｂ″　ｃ−
　　ｄ一及び４個の出力ａ，ｂ，ｃ，ｄを有している。

バトラー・マトリックス１１０は４個の９０°位相進み
ハイブリッド１１２及び第１４図に示すように２個の−
４５’の位相偏倚器１１４を有している。

バトラー・マトリックスａ−ｄの出力は経路を辿って供
給素子１１６〜１１９に供給される。供給素子１１６〜
１１９は電磁放射線を共焦反射器（図示せず）に供給す
る。共焦反射器は電磁放射線を目的地域に向かって反射
する。出力ａ及びｄは１８０’位相偏倚器１１５を通過
してから、バトラー・マトリックス・ポートの出力を供
給素子に伝送する。先に述べたように、バトラー・マト
リックス１１０を用いて入力信号ａ゛〜ｄ′について空
間離散的フーリエ変換を行い、二重共焦反射器システム
の一般的な焦平面分布に等しい焦平面電界分布を生成す
る。第１５図に示したバトラー・マトリックス・フィー
ド装置が用いられると、目的地域の端部を走査する度に
、非常に高いサイドローブが走査ビームに現れるので好
ましくない。

このように好ましくないサイド・ローブが現れる訳を第
１６図を参照して説明する。

入力ポートａ゛〜ｄ゛を介してバトラー・マトリックス
１１０に印加される仮説的振幅分布を第１６ａ図に示す
。仮説的振幅分布は第１６ｂ図〜第１６ｅ図に示す出力
分布を説明する際の基準として用いられる。第１６ａ図
に示したように、入力分布はポートからポートにかけて
一定の振幅を維持し、ポートからポートにかけての位相
勾配を一定に維持する。第１６ｂ図はバトラー・マトリ
ックス１１０への入力が−４５゜の一定の位相勾配を共
有している４個の一定の振幅信号により供給された場合
に、供給素子に存在する出力を示している。仮説的入力
位相勾配として、ホーン１１６〜１１９から放射される
パワー全体をポート２から出力することができる。バト
ラー・マトリックス１１０に入力される信号に４５°の
位相勾配があるものと仮定すると、第１６ｃ図はバトラ
ー・マトリックス１１０からの全パワー出力がポート３
から出力され、ポート１、２、又は４からはパワーが一
切出力されないことを示している。第１６ｄ図はバトラ
ー・マトリックスへの４個の入力ａ″〜ｄ″が０６の位
相勾配を共右しているとするとき（即ち、同一位相にあ
るとき）、各出力ポートは全出力パワーに貢献する。第
１６ｄ図は外側のポートで１８０＠位相が逆転している
ことを示している。第１６ｄ図には入力位相勾配が０６
のアレーの電気的位相の中心３００も示されている。第
１６ｅ図には入力位相勾配が９０”のバトラー・マトリ
ックスの出力が示されている。

第１６ｄ図と同じように、ポートの各部分は幾らかのパ
ワーを出してアレーの全出力に貢献しており、左側のポ
ート２で位相が１８０ａ逆転している。第１６ｅ図には
入力位相勾配が９０＠のアレーの電気位相の中心のおお
よその位置を符号３０２で示されている。

第１６ｅ図は、入力位相勾配が９０゜の好ましくないサ
イド・ローブが存在している場合を示している。この場
合には、第１６ｂ図ないし第１６ｄ図とは異なり、ホー
ン１１６〜１１９はアレーの電気位相の中心の周囲で非
苅称的に励起される。

アレーの端付近で生じる中間ビーム位置のビーム・パタ
ーンが供給励起のこの非対称性により非対称になる。言
い換えれば、アレーの電気的位相センサがアレーの端に
向かって走査するに連れて、ビームの形状が劣化又は膨
脹する。この膨脹を調節するにはシステムの帯域幅、即
ち、システムの能力を犠牲にしなければならないので、
この膨脹は好ましくない。このビームの膨脹を除去する
ために開発された新たなアプローチをここに開示する。

第１７図を参照してこの新たなアプローチを説明する。

８個の入力ポート３１０と８個の出力ポート３１２とを
有する標準８ポート・バトラー・マトリックス１１０を
第１７図に示す。この種の８ボト・バトラー・マトリッ
クスは、衛生通信技術分野では公知である。８ポート・
バトラー・マトリックス１１６〜１１９の出力のうちの
４つは、出力フィード１〜４で終了している。この構成
は第１５図の配置に対応している。バトラー・マトリッ
クスの残りの２個の出力は、出力フィード１１６〜１１
９を挟んで配置された出力フィード３１４及び３１６で
終了している。バトラー・マトリックスの残りの２個の
出力は非放射付加素子３１８、３２０で終了している。

アレーのビームの好ましくない膨脹を除去するための新
規な技術には、付加的フィード素子（付加的放射素子）
を次のような独特の方広で用いることが含まれている。

第１７図から明らかなように、主フィード素子１１６〜
１１９は目的地域（アメリカ大陸）３２２を適切に覆っ
ている。アンテナ・フィード３１４及び３１６は主ビー
ムを挾むように用いられて、エネルギーが目的地域に収
束しないビーム・パターンを形或する。第１７図には、
フィード素子３１４により放射されたビーム・パターン
がアメリカ大陸上に照射されていないことにより、この
ことが示されている。同様に、フィード素子３１６から
放射されるビーム・パターンは、アメリカ大陸の東海岸
から離れて、主に大西洋上に照射されるものとして示さ
れている。説明を明確にするために第１７図では反射器
が省略されているが、正常な作動システムには反射器が
用いられている。

主ビーム３２４〜３３０はほほ共通軸に沿って目的地域
に照射される。これらのビームはフィード素子１１６〜
１１９から放月，１され、目的地域の全域に亘って情報
の送信に用いられる。外側のフィード３１４及び３１６
は、ビームの整形のみに用いられるものであり、情報の
送信には使用されない。第１７図には、フィード素子３
１４及び３１６に十分な量のエネルギーが供給されたと
きに、ビーム・パターン３３２及び３３４がどのような
形状をしているかが示されている。しかしながら、ここ
に開示したシステムでは、ビーム３３２及び３３４は主
ビームとしてではなく副ビームとして使用されるに過ぎ
ない。従って、両フィード素子には主ビームに通常供給
されるエネルギー量のほんの僅かの部分が供給されるだ
けである。フィード３１４及び３１６は、アンテナ・ア
レーのα相の中心が中間ビーム位置の間を移動するので
、ビームの整形を目的とする副ビームの生成に用いられ
る。主ビームがアンテナ・アレーの縁部に向かって走査
される際に、主ビームに付髄している好ましくないサイ
ド・ローブと破壊的な相互作用をする副ビームによりビ
ームの整形が達威される。

両フィード３１４、３１６によりアレーを対称＆．Ｊに
励起することができるので、中間ビーム位置で形の整っ
たビーム・パターンが得られる。副ビームは、好ましく
ない隣接サイド・ローブと破壊的に結合する他に、アレ
ーの遠く離れたビームにょり生じるサイド・ローブを減
少させる機能をも有している。しかしながら、所定の副
ビームから更に離れてサイド・ローブが生じた場合には
、当該副ビームの当該サイド・ローブへの影響は少なく
なる。

バトラー・マトリックス１１０の出力のうち２つが終了
状！！！３　１　８、３２０として示されているが、両
者はフィード素子３１４及び３１６と共にビームの整形
に使用することができる。バトラー・マトリックス１１
０の８個の出力を全部使用すれば、ビームの膨脹を除去
するシステム全体の能力は６個の出力だけを用いた場合
に比べてかなり向上する。勤１７図に示すように２個の
出力を終了させることは僅かではあるがパワーの損失に
なる。第１７図に示したような場合に、ビーム３２２及
び３３０が最大ビーム走査位置であるように入力位相を
制限すると、最大パワー損失は３３ｄＢになる。フィー
ド素子１１６に１ワットのパワーが供給されると、３１
８及び３２０て示したｈ荷で、０７３２ワットが浪費さ
れる。

バトラー・マトリックス１１０の８個のポート全てをビ
ームの整形に用いると、このような損失は生じない。

（発明の効果） 以上に述べたこの発明の実施例はいずれもＬ帯域の特定
の周波数での複数の地上局間の送受信用移動衛星通信シ
ステムとの関連で説明した。当業者であれば、この発明
をＣ帯域やＫｕ帯域などの他の周波数帯域で作動する地
上及び衛星通信システムにも適用できることは容易に理
解できる。サイド・ローブを除去するために加えられる
付加的な放射素子の数は１又は２に限定されるわけでは
ない。付加的放射素子は何個加えても良い。付加された
放射素子はいずれもサイド・ローブを更に減少させる機
能を果たす。この発明に用いられる主反射器のサイズ、
アンテナ・アレーの配置及びタイプ、送受信ネットワー
クは、この発明の広い実施態様の範囲から逸脱しない範
囲で様々に変更することができる。例えば、可動ビーム
を形或する電磁放射線の送受信に別個のフィード・ホー
ンを使用することもできる。また、従来のスクリーン型
ダイブレクサをアンテナ・アレーと反射器との間に配置
して、受信すべき入力電磁放射線を第１のアンテナ・ア
レーの面に対してかなりの角度を成して配置された別個
の受信アレーに向けるようにする。このような実施例は
、送受信用に別個のアンテナ・アレーを有していること
になる。あるいは、２個の別個の主反射器を設けて、一
方を送信用アンテナ・アレー、他方を受信用アンテナ・
アレーとして用いても良い。しかしながら、最後に述べ
たこの変形例は、２個の主反射器により重くなり費用が
かさむのでこの発明の衛星用アンテナ・システムとして
は余り好ましくない。しかしながら、地上や海上を移動
する乗り物にこの発明のシステムを用いる場合には、適
している。

以上の説明から、この発明のアンテナ・システムは地上
局と静止衛星との間の双方向通信に適していることが明
らかである。この発明のアンテナ・システムは並列的に
同時に作動する複数台のパワーアンプの出力信号のパワ
ーを効果的に結合することかできる。バトラー・マトリ
ックスのような空間的変換手段の使用により、素子の有
効口径の拡大を含めて、背景技術で述べた二重共焦反射
器システムに等しい単一反射器のアンテナ・システムが
提供される。この発明のアンテナ・システムは、放射素
子を増やすことなく副反射器を不要にするので、重さ、
空間、費用を節約することができる。この発明のアンテ
ナ・システムは走査可能な仮想ビーム技術を用いている
ので、使用する放射素子や反射器の数を最小にすること
により、アンテナ・システムを物理的に小さくすること
ができる。この発明は放射ビームが目的地域の周辺部に
向かって走査される際に生じる好ましくないサイド・ロ
ーブを減少させることができる。サイド・ローブは、付
加的な放射素子を主アレーに沿って配置し、主ビームに
付随する好ましくないサイド・ローブを打ち消すビーム
・エネルギーを付加的な放射素子に生成させることによ
り抑制される。従って、この発明のアンテナ●システム
により軽量で高効率な衛星通信システムを作成すること
ができる。最後に、基本帯域又は中間周波数で遅延又は
位相偏倚を行うことにより、多重送信ネットワークの出
力を放射素子の単一アレーに印加することができるよう
になるので、異なる周波数で同一のアンテナ・パターン
を生成することが可能になり、仮想ビームの走査角内に
広く分散している地上局間で多重双方向同時通信チャン
ネルを必要とする衛星通信システムにこのアンテナ・シ
ステムを使用することができるようになる。

以上に述べたこの発明の実施例は飽くまでも説明のため
の例に過ぎず、当業者であればこれらの実施例を容易に
修正することができることを理解されたい。従って、こ
の発明はここに開示した実施例に限定されるものではな
く、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は放射器のアレー　イメージング反射器、及び主
反射器を示す通信衛星を側面から見た立面図、 第２図は第１図の衛星の反射器の矩形状アレ−の正面図
、 第３図は放射器に六辺形配置を採用した第１図のアンテ
ナ副システムを正面から見た立面図、第４図は第１図の
衛星を用いて地表に形成されたスポット・ビームを様式
化した絵画図、第５図は出ていく波面と放射器のライン
・アレーの素子との間の関連を示す図、 第６図は衛生に使用可能なこの発明のアンテナ・システ
ムを簡略化して示す概略図、 第７図は二重レンズ・システムを示す光学的線図、 第８図はこの発明のアンテナ・システムに使用可能な４
個のポートを有するバトラー・マトリックスの電気系統
の簡略図、 第９図はポートＡ″　Ｂ″　Ｃ−　　Ｄ’に入力信号の
特定の組が印加された隙に第８図のバトラー・マトリッ
クスのポートＡの出力信号の振幅を入力位相の関数とし
てプロットした図、第１０図は第８図のバトラー・マト
リックスに入力信号の特定の組が供給された際にバトラ
ー・マトリックスの全出力ポートの典型的な振幅をプロ
ットした図、 第１１図はこの発明のアンテナ・システムの送受信機ネ
ットワークにより共通して使用される一組のダイブレク
サ及びバトラー・マトリックスを示す簡略化した電気系
統のブロック図、第１２図は受信したー紹の信号に遅延
又は周波数依存位…偏倚によりポートからポートへの位
相の差を導入するこの発明の受信ネットワークの一実施
例の電気系統図、 第１３図は第１２図の受信ネットワークに機能的に類似
した、この発明の送信ネットワークの一実施例の電気ブ
ロック図、 第１４図は数数の分明な周波数信号の送信のために同Ｉ
Ｉｌに合計し準備するこの発明の二重周波数、二重信号
送信ネットワークの電気系統のブロック図、 第１５図は４個のポートのバトラー・マトリノクスのブ
ロック図、 第１゛６Ａ図〜第１６Ｅ図は４個のポートを有するバト
ラー・マトリックスに人出力される振幅の分布図、 第１７図はブロック図と絵画図とを組み合わせてこの発
明の衛星用アンテナ・アレーが地表に形成するスポット
・ビームを示す図である。 ２４・・・衛星、３２・・・主反射器、４０，５０・・
・アＬ，−４２、５２・・・放射器、８０・・・アンテ
ナ・システム、８２・・・バトラー・マトリックス、３
１４、３１６・・・アンテナ・フィード

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、反射器と、アンテナ・アレーと、少なくとも１個の
   付加的放射素子と、近似空間変換手段とを具備し、 反射器は焦点を有しており、 アンテナ・アレーは供給された信号に応答して目的地域
   を覆う複数本の電磁放射線ビームを生成する複数の放射
   素子を有しており、生成されたアンテナ・ビームの中の
   少なくともあるアンテナ・ビームには好ましくないサイ
   ド・ローブが含まれており、 少なくとも１個の付加的放射素子はアンテナ・アレーに
   沿って配置され、アレーと共に反射器の焦点の近くに位
   置し、信号に応答して第１の付加的電磁放射線ビームを
   生成し、この第１の付加的電磁放射線ビームは中心部が
   目的地域の外側に当たり、縁部が目的地域の少なくとも
   第１の部分に重なり、この第１の付加的電磁放射線ビー
   ムの縁部が前記のあるアンテナ・ビームと結合してサイ
   ド・ローブを減少させ、 近似空間変換手段は、アンテナ・アレー及び少なくとも
   １個の付加的放射素子に接続されて、アンテナ・アレー
   及び少なくとも１個の付加的放射素子に供給される信号
   の振幅及び位相配置の近似空間変換を行うことを特徴と
   する可動ビーム・アンテナ・システム。 ２、放射素子は六辺形パターンに配置されたフィード・
   ホーン（ｆｅｅｄｈｏｒｎ）であることを特徴とする請
   求項１に記載の可動ビーム・アンテナ・システム。 ３、近似空間変換手段は入力ポ ート及び出力ポートをそれぞれ複数個有するバトラー・
   マトリックス（Ｂｕｔｌｅｒｍａｔｒｉｘ）であること
   を特徴とする請求項１に記載の可動ビーム・アンテナ・
   システム。 ４、バトラー・マトリックスの出力ポートは少なくとも
   １個の付加的放射素子及びアンテナ・アレーの放射素子
   に接続されており、空間変換は離散的フーリエ変換であ
   ることを特徴とする請求項３に記載の可動ビーム・アン
   テナ・システム。 ５、ｎを一組の信号内における各信号の相対的位置、Ψ
   を０ないし２πの範囲の入力位相値、ωを信号の周波数
   とするとき、次式 Ｘｎ＝ｓｉｎ（ωｔ＋ｎΨ） ｎ＝０、１、２、３ により規定される所定の位相関係を有する一組の信号を
   バトラー・マトリックスの入力ポートに供給する手段を
   更に具備することを特徴とする請求項４に記載の可動ビ
   ーム・アンテナ・システム。 ６、入力位相値Ψは周波数ωの関数として変化すること
   を特徴とする請求項５に記載の可動ビーム・アンテナ・
   システム。 ７、変換手段への供給用に相互に位相が偏倚している第
   ２の信号の第１の組を第１の公称周波数を有する第１の
   信号から生成して、情報が符号化されている第１の信号
   を含む周波数走査仮想ビームをアンテナ・システムに生
   成させる第１の生成手段を更に具備することを特徴とす
   る請求項３に記載の可動ビーム・アンテナ・システム。 ８、第１の生成手段は複数の位相偏倚生成素子を有して
   おり、各生成手段は通過した信号の位相を効果的に偏倚
   させることができ、第２の信号の一つに関連付けられて
   いることを特徴とする請求項７に記載の可動ビーム・ア
   ンテナ・システム。 ９、各位相偏倚生成素子は遅延装置であることを特徴と
   する請求項８に記載の可動ビーム・アンテナ・システム
   。 １０、幾つかの出力ポートは放射素子及び少なくとも１
   個の付加的放射素子に接続されており、少なくとも１つ
   の他の出力が非放射負荷に接続されていることを特徴と
   する請求項３に記載の可動ビーム・アンテナ・システム
   。 １１、複数本のビーム及び少なくとも１本の付加的ビー
   ムは目的地域に照射されるそれぞれの点が共通基準軸に
   沿って実質的に並んでいることを特徴とする請求項１に
   記載の可動ビーム・アンテナ・システム。 １２、アンテナ・アレーに沿って位置し、少なくとも１
   個の付加的放射素子から離隔している第２の放射素子を
   具備し、この第２の放射素子は反射器の焦点の近くに配
   置され、信号に応答して第２の付加的電磁放射線ビーム
   を生成し、この第２の付加的電磁放射線ビームは中心部
   が目的地域の外側に当たり、縁部が目的地域の第１の部
   分から離隔した第２の部分に少なくとも重なり、この第
   ２の付加的電磁放射線ビームの縁部が前記のあるアンテ
   ナ・ビームと結合してサイド・ローブを減少させる請求
   項１に記載の可動ビーム・アンテナ・システム。 １３、複数本のビーム並びに第１及び第２の付加的ビー
   ムは目的地域に照射された各々の点が共通基準軸に沿っ
   てほぼ並んでいることを特徴とする請求項１に記載の可
   動ビーム・アンテナ・システム。 １４、焦点を有する反射器と、供給される信号に応答す
   る複数の放射素子とを具備し、複数の放射素子は反射器
   の焦点の近傍に配置され、電磁エネルギーを反射器によ
   り目的地域に向けて放射して全体として目的地域を覆う
   複数本の走査ビームを形成し、目的地域の少なくともあ
   る側部には電磁エネルギーのサイド・ローブが好ましく
   ないほど高い走査ビームが照射される種類の可動ビーム
   ・アンテナ・システムの操作法であり、 （ａ）相互に所定の位相関係を有し、送信情報を含んで
   いる一組の第１の信号を提供する工程と、 （ｂ）一組の第１の信号の振幅及び分布について空間変
   換を行って一組の第１の信号から一組の第２の信号を生
   成する工程と、 （ｃ）一組の第２の信号の中から予め選択されている信
   号を反射器に送り、複数の放射素子の中を通過させるこ
   とにより走査ビームを作り出す工程と、 （ｄ）一組の第２の信号の中の少なくとも１つの信号を
   反射器に送り、前記少なくとも１つの信号を複数の放射
   素子に沿って位置する付加的信号の中を通過させること
   により少なくとも１本の付加的ビームを作り出し、この
   付加的ビームは中心部が目的地域の外側に当たり、縁部
   が目的地域の前記少なくともある側部に当たり、アンテ
   ナ・ビームと結合してサイド・ローブを所望のレベルに
   まで減少させる工程とを具備する可動ビーム・アンテナ
   ・システムの操作法。 １５、工程（ｂ）はバトラー・マトリックスを用いて実
   施され、第１の信号の組から第２の信号の組を生成し、
   空間変換は離散的フーリエ変換である請求項１４に記載
   の可動ビーム・アンテナ・システムの操作法。 １６、ｎを第１の信号の組内における各々の第１の信号
   の相対的位置、Ψを０ないし２πの範囲の入力位相値、
   ωを信号の周波数とするとき、第１の信号の組の所定の
   位相関係は少なくとも次式 Ｘｎ（ｔ）＝ｓｉｎ（ωｔ＋ｎΨ） ｎ＝０、１、２、３ により定義される請求項１４に記載の可動ビーム・アン
   テナ・システムの操作法。 １７、工程（ａ）が （１）基本帯域信号を提供する工程と、 （２）複数の遅延を基本帯域信号に導入して少なくとも
   複数の第１の信号を生成する工程とを有している請求項
   １４に記載の可動ビーム・アンテナ・システムの操作法
   。 １８、走査ビーム及び付加的ビームがほぼ共通軸に沿っ
   て目的地域に入射するように工程（ｃ）及び（ｄ）が実
   施される請求項１４に記載の可動ビーム・アンテナ・シ
   ステムの操作法。 １９、中心部が目的地域の外側に当たり、縁部が走査ビ
   ームと結合してサイド・ローブを所望のレベルにまで減
   少させる第２の付加的ビームを作り出す工程を有する請
   求項１４に記載の可動ビーム・アンテナ・システムの操
   作法。 ２０、第１及び第２の付加的ビームはそれぞれの縁部が
   相互に離隔するように放射される請求項１９に記載の可
   動ビーム・アンテナ・システムの操作法。