JPH1079696A - Static communication satellite system having reconstructable service area - Google Patents

Static communication satellite system having reconstructable service area

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JPH1079696A
JPH1079696A JP20848797A JP20848797A JPH1079696A JP H1079696 A JPH1079696 A JP H1079696A JP 20848797 A JP20848797 A JP 20848797A JP 20848797 A JP20848797 A JP 20848797A JP H1079696 A JPH1079696 A JP H1079696A
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JP
Japan
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array
satellite
receiving
matrix
phase adjustment
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Application number
JP20848797A
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Japanese (ja)
Inventor
John Locke
ジョン・ウェスリー・ロック
Paul Adrian Chiavacci
ポール・アドリアン・チャイアバッチ
Keith Andrew Olds
キース・アンドリュー・オールズ
Jeffrey C Upton
ジェフリー・シー・アプトン
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Motorola Solutions Inc
Raytheon Co
Original Assignee
Raytheon Co
Motorola Inc
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/24Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the orientation by switching energy from one active radiating element to another, e.g. for beam switching
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • HELECTRICITY
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    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q3/40Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with phasing matrix
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B7/00Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14Relay systems
    • H04B7/15Active relay systems
    • H04B7/204Multiple access
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Radio Relay Systems (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make it possible to reconstruct at low cost and lightweight antenna coverage in a specific area on ground by connecting a receiving switch matrix to a beam former connected to a receiving element array and selecting a beam port by a switch controller connected to the switch matrix. SOLUTION: A communication payload 22 in a static satellite system 20 receives an active beam signal to be sent to a transmitting switch matrix 24 and selects a beam command to be outputted to a switch controller 23. The controller 23 receives the beam command and selects plural beam ports for orthogonal beam formers 26, 27. The matrix 24 receives active beam signals from the former 26 and a transmitting phase adjusting array 28 for transmitting a radio frequency(RF) signal. A receiving matrix 25 receives a signal from the former 27 and transmits plural active beam signals to the payload 22.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、一般に、衛星通信シス
テムに関し、さらに詳しくは、サービス・エリアを再構
築可能なマルチビーム位相調整アレイ(multi-beam phas
ed array) アンテナを具備する静止通信衛星システムに
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates generally to satellite communication systems and, more particularly, to a multi-beam phasing array capable of reconstructing a service area.
ed array) related to a geostationary communication satellite system having an antenna.

【0002】[0002]

【従来の技術】静止地球軌道(GSO:geosynchronous
earth orbit) 上のすべての衛星は、2つの重要な特性
を共有する。第1に、衛星は地表に対してほぼ静止した
ままであり、第2に、衛星は無線視野内の半球全体を有
する。これらの特徴のうち第1の特徴である「静止」
は、GSOの名前の由来であり、最初の衛星がGSO上
に乗せられてから徹底して利用されてきた。しかし、半
球視野の利用は、実際のアンテナ・システムによって達
成できる程度によって妨げられてきた。
2. Description of the Related Art Geosynchronous Earth Orbit (GSO)
All satellites on earth orbit) share two important characteristics. First, the satellite remains almost stationary with respect to the earth's surface, and second, the satellite has the entire hemisphere in the radio field of view. The first of these features, "stationary"
Is the origin of the GSO name, and has been used extensively since the first satellite was put on the GSO. However, the use of a hemispherical field of view has been hindered by the degree achievable by practical antenna systems.

【0003】従来の衛星通信システムは、専用フィード
構造で各アンテナ・ビームを形成するアンテナを利用す
る。これらのフィードは、パッシブ・マイクロ波回路技
術(一般に導波管)を利用し、そのため、寸法および重
量が貴重な少なくとも衛星の基準では、かなり大きくて
重い。従来、GSO衛星は、その大きな視野を利用する
ため、少数のビームを形成するように作られた。各ビー
ムは、非常に大きな陸地を網羅し、多くの場合一つのビ
ームでほぼ大陸全体を網羅した。定義上、大きなビーム
ではアンテナ利得(すなわち、ダイバーシチ)が小さい
ので、これらの大きなビームは衛星上で高電力送信機を
必要とし、固定基地局上で極めて大きなアンテナを必要
とした。地球端末アンテナは、Kaバンドの場合4〜5
メートルであり、さらに低い周波数では最大数十メート
ルにもなった。
[0003] Conventional satellite communication systems utilize antennas that form each antenna beam in a dedicated feed structure. These feeds utilize passive microwave circuit technology (generally waveguides) and are therefore quite large and heavy, at least on a satellite basis where size and weight are at a premium. Traditionally, GSO satellites were created to form a small number of beams to take advantage of their large field of view. Each beam covered a very large land area, often with one beam covering almost the entire continent. Because, by definition, large beams have low antenna gain (ie, diversity), these large beams required high power transmitters on satellites and very large antennas on fixed base stations. Earth terminal antenna is 4-5 for Ka band
Meters, and up to tens of meters at lower frequencies.

【0004】衛星通信における傾向は、小型衛星地球端
末(VSAT:very small satellite earth terminal
)および超小型衛星地球端末(USAT:ultra small
satellite earth terminal) の方向にある。これらの
端末は、小さく、そのため比較的低い利得のアンテナを
利用する。実際的な理由(例えば、コスト,安全性,ア
ップリンク/ダウンリンクの平衡性)により、失われた
地球端末利得のほとんどはより高い電力の送信機によっ
て補償できない。衛星は、衛星アンテナの利得を増加す
ることによって、失われた地球端末利得を補償しなけれ
ばならず、もちろんこれによって各ビームにより網羅さ
れるエリアは小さくなる。
[0004] The trend in satellite communications is that of a very small satellite earth terminal (VSAT).
) And microsatellite earth terminal (USAT: ultra small)
satellite earth terminal). These terminals are small and therefore utilize relatively low gain antennas. For practical reasons (eg, cost, security, uplink / downlink balance), most of the lost earth terminal gain cannot be compensated for by higher power transmitters. The satellite must compensate for the lost earth terminal gain by increasing the gain of the satellite antenna, which of course reduces the area covered by each beam.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】従来のアンテナ技術
は、利用可能な寸法および重量によって最大約100ビ
ームに制限されるが、さらに少ないビームが好ましい。
これは、アンテナおよびフィード構造の寸法および重量
だけでなく、送信機電力増幅器の寸法,重量および電力
にも起因する。従来のアンテナ・システムでは、各ビー
ムは専用の電力増幅器を有し、また必要なビームの数を
最小限に抑えるため、これらの増幅器は比較的高い電力
で動作される。進行波管増幅器(TWTA:traveling-
wave-tube amplifier)は、ソリッドステート増幅器に比
べて重量が高く、信頼性が低いにもかかわらず、このよ
うな増幅器として一般に利用される。
Conventional antenna technology is limited by available size and weight to a maximum of about 100 beams, although fewer beams are preferred.
This is due to the size, weight and power of the transmitter power amplifier as well as the size and weight of the antenna and feed structure. In conventional antenna systems, each beam has a dedicated power amplifier, and these amplifiers are operated at relatively high power to minimize the number of beams required. Traveling-wave tube amplifier (TWTA: traveling-
Wave-tube amplifiers are commonly used as such amplifiers, despite their higher weight and lower reliability than solid state amplifiers.

【0006】Kaバンド(すなわち、20GHzダウン
リンク/30GHzアップリンク)は、ビームが1メー
トル以下のアンテナを利用する低電力地球端末で動作す
るような寸法の場合に、GSO衛星からの視野全体を網
羅するためには約500〜1000ビームを必要とす
る。実際的な従来の衛星アンテナ・システムは約100
ビームを形成できるので、視野の約10%しか網羅でき
ない。従って、網羅する市場エリアをあらかじめ決定し
なければならず、衛星アンテナは軌道位置(「スロッ
ト」)およびサービス・エリアの特定の組み合わせに応
じてカスタム設計しなければならない。この方法には少
なくとも4つの欠点がある。まず第1に、流動的で不確
定な市場では、サービス位置が誤って選択され、その結
果、財務実績が悪化する危険がある。第2に、エリアが
当初正しくても、市場が進化し、そのため衛星の有効寿
命が終わる前に、サービス需要のエリアが選択したエリ
アから移動する危険がある。第3に、すべての軌道位置
およびアンテナの組み合わせに対して予備を構築しなけ
ればならず(これは極めて高価)、あるいは故障が生じ
るまで予備を完成できない(その結果、サービス停止が
延長する)。最後に、各衛星を特定の軌道スロット/カ
バー・エリアについてカスタム化しなければならないの
で、設計コストが増加し、規模の経済が減少する。
The Ka band (ie, 20 GHz downlink / 30 GHz uplink) covers the entire field of view from a GSO satellite when the beam is dimensioned to operate on a low power earth terminal utilizing an antenna of one meter or less. Requires about 500-1000 beams. A practical conventional satellite antenna system is about 100
Because the beam can be formed, it covers only about 10% of the field of view. Thus, the market area to be covered must be predetermined and the satellite antenna must be custom designed for a particular combination of orbital position ("slot") and service area. This method has at least four disadvantages. First, in a liquid and uncertain market, there is a risk that service locations will be selected incorrectly, resulting in poor financial performance. Second, even if the area is initially correct, there is a risk that the market in service demand will move away from the selected area before the market has evolved and the useful life of the satellite has expired. Third, a reserve must be built for every orbital position and antenna combination (which is extremely expensive), or the reserve cannot be completed until a failure occurs (resulting in an extended outage). Finally, because each satellite must be customized for a particular orbital slot / coverage area, design costs increase and economies of scale decrease.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】従って、静止軌道から通
信を行うため、よりコスト効率的であり、かつより重量
が低い静止衛星システムが必要とされる。さらに、軌道
上で、地上の特定の地域についてアンテナ・カバレッジ
を構築および再構築する能力を提供する多重ビーム・ア
ンテナが必要とされる。
Accordingly, there is a need for a more cost effective and lighter geostationary satellite system for communicating from geosynchronous orbit. In addition, there is a need for multiple beam antennas that provide the ability to build and reconstruct antenna coverage in orbit for a particular area on the ground.

【0008】[0008]

【実施例】本発明は、静止衛星システムが位相調整アレ
イ(phased array)技術とオンボード・スイッチングおよ
び制御を組み合わせることによって、上記の欠点を避け
るという点で効用がある。衛星システムは、3つの構成
要素、すなわち、複数のビームフォーマ(beamformer)
(例えば、バトラ・マトリクス(Butler matrices) )を
具備するアクティブ送信および受信位相調整アレイ・ア
ンテナ;ビーム選択スイッチ・マトリクス(一つの送
信、一つの受信);およびビーム選択コントローラ(地
上から指示される)の独自の組み合わせからなる。当業
者であれば、多重ビーム・ビームフォーマは、例えば、
バトラ・マトリクス・ビームフォーマ(本明細書におい
て説明する)およびロトマン・レンズ・ビームフォーマ
(Rotman lens beamformer)を含め、多重直交ビームを形
成する任意のビームフォーマでもよいことが理解され
る。さらに、衛星は、通信ペイロードおよび従来の衛星
バスを含む。通信ペイロードは、容量をあるビームから
別のビームに移すことができるように、ダイナミック・
チャネル割り当て機能を含む。これは、サービス・エリ
アに適用される資源を再構築する衛星システムの能力を
さらに向上させる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention is advantageous in that the geostationary satellite system avoids the above disadvantages by combining phased array technology with on-board switching and control. A satellite system comprises three components: a plurality of beamformers.
Active transmit and receive phased array antennas with (eg, Butler matrices); beam select switch matrices (one transmit, one receive); and beam select controllers (instructed from the ground). Consisting of a unique combination of One skilled in the art will recognize that multiple beam beamformers are, for example,
Butler matrix beamformer (described herein) and Rotman lens beamformer
It is understood that any beamformer that forms multiple orthogonal beams, including (Rotman lens beamformer), may be used. In addition, satellites include communication payloads and conventional satellite buses. The communication payload is dynamic, so that capacity can be transferred from one beam to another.
Includes channel assignment function. This further enhances the satellite system's ability to rebuild the resources applied to the service area.

【0009】図1は、衛星の視野内の地球10の一部を
網羅する衛星のアンテナ・ビーム12を示す。アンテナ
・ビーム12は、地球上の端末とアクティブ通信するた
めに、衛星が軌道上にいる間選択可能である。静止軌道
からみた地球のディスク10は約+/−8.7度であ
る。従って、静止衛星からみて地球のディスクを完全に
網羅するためには、それぞれが0.7度のビーム幅を有
する約500のビームが必要になる。静止衛星は、35
860キロメートルの距離で地球を周回する衛星であ
り、地球の赤道上の割り当てられた点の真上に留まる。
FIG. 1 shows a satellite antenna beam 12 that covers a portion of the earth 10 within the satellite's field of view. Antenna beam 12 is selectable while the satellite is in orbit for active communication with terminals on earth. The Earth's disk 10 as seen from geosynchronous orbit is approximately +/- 8.7 degrees. Thus, in order to completely cover the Earth's disk as viewed from a geostationary satellite, about 500 beams, each having a beamwidth of 0.7 degrees, are required. The geostationary satellite is 35
A satellite that orbits the earth at a distance of 860 kilometers and stays just above its assigned point on the earth's equator.

【0010】図2は、本発明の好適な実施例による静止
衛星システム20の構成要素22〜29のブロック図を
示す。構成要素22〜29は、衛星を構成する多くの構
成要素のうちに一部に過ぎない。例えば、衛星を位置決
めするナビゲーション構成要素や、衛星20の電子部品
の電力を生成・維持するための電力構成要素がある。図
2に示すように、衛星システム20は、通信ペイロード
22,スイッチ・コントローラ23,送信スイッチ・マ
トリクス24,受信スイッチ・マトリクス25,バトラ
・マトリクス・ビームフォーマ26,27,送信位相調
整アレイ28および受信位相調整アレイ29によって構
成される。通信ペイロード22は、送信スイッチ・マト
リクス24へのL本のアクティブ・ビーム信号を受信
し、スイッチ・コントローラ23へのビーム・コマンド
を選択することを担当する。スイッチ・コントローラ2
3は、選択されたビーム・コマンドを通信ペイロード2
2から受信し、直交(例えば、バトラ・マトリクス)ビ
ームフォーマ26,27についてN個のビーム・ポート
を選択する。送信スイッチ・マトリクス24は、直交
(例えば、バトラ・マトリクス)ビームフォーマ26お
よび送信位相調整アレイ28からのN個のビーム・ポー
ト(スイッチ・コントローラ23によって選択される)
からL本のアクティブ・ビーム信号を受信する。受信マ
トリクス25は、直交ビームフォーマ27(例えば、バ
トラ・マトリクス)からのN個のビーム・ポート(スイ
ッチ・コントローラ23によって選択される)から信号
を受信し、L本のアクティブ・ビーム信号を通信ペイロ
ード22に送信する。
FIG. 2 shows a block diagram of components 22-29 of geostationary satellite system 20 according to a preferred embodiment of the present invention. Components 22-29 are just a few of the many components that make up a satellite. For example, there are navigation components for positioning the satellite, and power components for generating and maintaining the power of the electronic components of the satellite 20. As shown in FIG. 2, the satellite system 20 includes a communication payload 22, a switch controller 23, a transmission switch matrix 24, a reception switch matrix 25, butler matrix beamformers 26 and 27, a transmission phase adjustment array 28, and a reception It is constituted by a phase adjustment array 29. The communication payload 22 is responsible for receiving the L active beam signals to the transmit switch matrix 24 and selecting a beam command to the switch controller 23. Switch controller 2
3 transmits the selected beam command to the communication payload 2
2 and selects N beam ports for orthogonal (eg, butler matrix) beamformers 26,27. The transmit switch matrix 24 is a quadrature (eg, butler matrix) beamformer 26 and N beam ports from the transmit phasing array 28 (selected by the switch controller 23).
Receive L active beam signals. The receive matrix 25 receives signals from N beam ports (selected by the switch controller 23) from a quadrature beamformer 27 (e.g., a Butler matrix), and transmits L active beam signals to the communication payload. 22.

【0011】送信位相調整アレイ28および受信位相調
整アレイ29のそれぞれは、多数の要素のアレイによっ
て構成される。送信位相調整アレイ28は、無線周波数
(RF)信号を送信することを担当し、受信位相調整ア
レイ29は、地球からRF信号を受信することを担当す
る。RF信号は、データまたは音声信号でもよい。送信
マルチビーム位相調整アレイ28は、多数のアクティブ
送信要素のアレイによって構成される。受信マルチビー
ム位相調整アレイ29は、多数のアクティブ受信要素の
アレイによって構成される。
Each of the transmission phase adjustment array 28 and the reception phase adjustment array 29 is constituted by an array of a number of elements. The transmit phasing array 28 is responsible for transmitting radio frequency (RF) signals, and the receive phasing array 29 is responsible for receiving RF signals from the earth. The RF signal may be a data or voice signal. The transmit multi-beam phasing array 28 comprises an array of multiple active transmit elements. The receiving multi-beam phase adjustment array 29 is constituted by an array of a number of active receiving elements.

【0012】図3は、方形グリッド30における個別の
アンテナ要素を示す。送信位相調整アレイ28の場合、
個別の送信アンテナ要素32が用いられる。受信位相調
整アレイ29の場合、個別の受信要素が用いられる。送
信位相調整アレイ28または受信位相調整アレイ29
は、図3に示す方形グリッド30内、あるいは図4に示
すような三角形グリッド40内のアレイ・アパーチャ内
に配置できる。
FIG. 3 shows the individual antenna elements in a square grid 30. In the case of the transmission phase adjustment array 28,
A separate transmit antenna element 32 is used. In the case of the receiving phase adjustment array 29, individual receiving elements are used. Transmission phase adjustment array 28 or reception phase adjustment array 29
Can be located in a square grid 30 shown in FIG. 3 or in an array aperture in a triangular grid 40 as shown in FIG.

【0013】図3は、アレイの面の小さな方形グリッド
部分30を示し、ここで個別の放射要素の配置はカラム
(column)およびロウ(row) の方形グリッドにあり、各要
素32はアレイ領域全体の方形部分34を占める。図4
は、アレイの送信面の小さな三角形グリッド部分40を
示し。ここで個別の放射要素の配置はカラムおよびロウ
の三角形グリッドにあり、各要素はアレイ領域全体の六
角形部分を占める。(図3および図4において、全部で
N個の要素のアレイ22のうち64個のサブアレイのみ
が示される。)要素グリッドの選択は、パッケージン
グ,熱管理および角視野(angular field of view) の条
件に依存することを、当業者には十分理解されたい。
FIG. 3 shows a small square grid portion 30 of the face of the array, where the arrangement of the individual radiating elements is a column.
In the (column) and row rectangular grids, each element 32 occupies a square portion 34 of the entire array area. FIG.
Shows a small triangular grid portion 40 of the transmitting face of the array. Here, the arrangement of the individual radiating elements is in a triangular grid of columns and rows, each element occupying a hexagonal portion of the entire array area. (In FIGS. 3 and 4, only 64 sub-arrays of the total N-element array 22 are shown.) The choice of the element grid depends on the packaging, thermal management and angular field of view. It is well understood by those skilled in the art that it depends on the conditions.

【0014】いずれのアレイ構成30(図3)または4
0(図4)にせよ、アレイ・アパーチャの指向性は一つ
のアレイ要素32または42の指向性のN倍として定義
され、ここでNは要素32または42の数であり、一つ
の要素の指向性は4πAe /λ2 である。ここで、要素
34または44の面積Ae は、図3における一つの個別
の方形34の面積、あるいは図4における一つの個別の
六角形の面積である。ラムダλは、アレイが設計される
搬送周波数の波長である(例えば、送信アレイでは20
GHzであり、受信アレイでは30GHzである)。
Either array configuration 30 (FIG. 3) or 4
0 (FIG. 4), the directivity of the array aperture is defined as N times the directivity of one array element 32 or 42, where N is the number of elements 32 or 42 and the directivity of one element. The property is 4πA e / λ 2 . Here, the area A e of the element 34 or 44 is the area of one individual square 34 in FIG. 3 or the area of one individual hexagon in FIG. Lambda λ is the wavelength of the carrier frequency at which the array is designed (eg, 20
GHz, and 30 GHz for the receiving array).

【0015】概して円形のアレイ・アパーチャでは、ア
レイによって形成される各ビームの−4dBエッジにお
ける角幅は、約λ/D度であり、連続ビームは57λ/
D度の中心上で離間される。送信および受信は異なる周
波数または波長なので、送信アレイおよび受信アレイ
は、送信/受信ビーム対が同じカバレッジを有するため
には異なる直径でなければならない。
For a generally circular array aperture, the angular width at the -4 dB edge of each beam formed by the array is about λ / D degrees, and the continuous beam is 57 λ / D
Spaced on the center of D degrees. Since transmit and receive are at different frequencies or wavelengths, the transmit and receive arrays must be of different diameters for the transmit / receive beam pairs to have the same coverage.

【0016】図5は、放射要素51およびアクティブ送
信モジュール54によって構成される、送信位相調整ア
レイ28の個別の送信要素50のうちの一つを示す。放
射要素51は、軌道上でビーム偏波を再構築する能力を
提供するアクティブ送信モジュール54に配置された、
コンピュータ制御偏波ネットワーク53に結合されたパ
ッシブ放射器(passive radiator)52からなる。放射要
素51および偏波ネットワーク53はさまざまなメーカ
から市販されており、当業者に周知である。
FIG. 5 shows one of the individual transmission elements 50 of the transmission phase adjustment array 28, which is constituted by a radiating element 51 and an active transmission module 54. The radiating element 51 is located on an active transmitting module 54 that provides the ability to reconstruct the beam polarization in orbit,
It comprises a passive radiator 52 coupled to a computer controlled polarization network 53. Radiating element 51 and polarization network 53 are commercially available from various manufacturers and are well known to those skilled in the art.

【0017】送信モジュール54は、コンピュータ制御
偏波スイッチング・ネットワーク53,アイソレータ5
6,モノリシック・マイクロ波集積回路(MMIC)線
形電力増幅器57,コンピュータ制御移相器58および
コンピュータ制御減衰器59によって構成される。図5
に示すように、偏波ネットワーク53はアイソレータ5
6に結合され、アイソレータ56はソリッド・ステート
電力増幅器57に結合される。増幅器57はアクティブ
移相器58に結合され、アクティブ移相器58はアクテ
ィブ減衰器59に結合される。減衰器59は、RF入力
に結合される。移相器58および減衰器59(またMM
IC)は、多重ビーム位相調整アレイ・アンテナを介す
る各RF経路の補償およびキャリブレーションのため位
相および振幅制御を行うために含まれる。静止衛星のほ
かの場所に配置されたコンピュータは、ネットワーク5
3,移相器58および減衰器59の構成要素内のドライ
バ回路にコマンドを送出し、オンボード監視装置によっ
て必要と判断される偏波,位相または減衰の変化を生じ
させる。アクティブ送信モジュール54の構成要素は、
Raytheon社,Texas Instruments 社などから市販されて
おり、当業者に周知である。
The transmitting module 54 includes a computer-controlled polarization switching network 53, an isolator 5
6, a monolithic microwave integrated circuit (MMIC) linear power amplifier 57, a computer controlled phase shifter 58, and a computer controlled attenuator 59. FIG.
As shown in FIG.
6, the isolator 56 is coupled to a solid state power amplifier 57. Amplifier 57 is coupled to active phase shifter 58, which is coupled to active attenuator 59. Attenuator 59 is coupled to the RF input. Phase shifter 58 and attenuator 59 (also MM
ICs) are included to provide phase and amplitude control for compensation and calibration of each RF path through the multiple beam phased array antenna. Computers located elsewhere on the geostationary satellite are connected to the network 5
3. Send commands to the driver circuits in the components of phase shifter 58 and attenuator 59 to cause a change in polarization, phase or attenuation as deemed necessary by the on-board monitoring device. The components of the active transmission module 54 include:
It is commercially available from Raytheon, Texas Instruments, etc., and is well known to those skilled in the art.

【0018】図6は、受信要素61およびアクティブ受
信モジュール64によって構成される、受信位相調整ア
レイ29の個別の受信要素60のうちの一つを示す。受
信要素61は、軌道上でビーム偏波の再構築を行うアク
ティブ受信モジュール64に配置された、コンピュータ
制御偏波ネットワーク63に結合されたパッシブ放射器
62を含む。受信要素61はさまざまなメーカから市販
されており、当業者に周知である。
FIG. 6 shows one of the individual receiving elements 60 of the receiving phase adjustment array 29, comprising a receiving element 61 and an active receiving module 64. The receiving element 61 includes a passive radiator 62 coupled to a computer controlled polarization network 63 located in an active receiving module 64 that performs on-orbit beam polarization reconstruction. Receiving element 61 is commercially available from various manufacturers and is well known to those skilled in the art.

【0019】受信モジュール64は、コンピュータ制御
偏波スイッチング・ネットワーク63,高干渉信号から
保護するリミタ/プロテクタ回路66,MMIC低雑音
受信増幅器67,コンピュータ制御移相器68およびコ
ンピュータ制御減衰器69によって構成される。図6に
示すように、偏波ネットワーク63はリミタ/プロテク
タ回路66に結合され、リミタ/プロテクタ回路66は
低雑音ソリッド・ステート受信増幅器67に結合され
る。増幅器67はアクティブ移相器68に結合され、ア
クティブ移相器68はアクティブ減衰器69に結合され
る。減衰器69は、RF出力に結合される。移相器68
および減衰器69(またMMIC)は、多重ビーム位相
調整アレイ・アンテナを介する各RF経路の補償および
キャリブレーションのため位相および振幅制御を行うた
めに含まれる。静止衛星のほかの場所に配置されたコン
ピュータは、ネットワーク63,移相器68および減衰
器69の構成要素内のドライバ回路にコマンドを送出
し、オンボード監視装置によって必要と判断される偏
波,位相または減衰の変化を生じさせる。アクティブ受
信モジュール64の構成要素は、Raytheon社,Texas In
struments 社などから市販されており、当業者に周知で
ある。
The receiving module 64 comprises a computer controlled polarization switching network 63, a limiter / protector circuit 66 for protecting against high interference signals, an MMIC low noise receiving amplifier 67, a computer controlled phase shifter 68 and a computer controlled attenuator 69. Is done. As shown in FIG. 6, the polarization network 63 is coupled to a limiter / protector circuit 66, which is coupled to a low noise solid state receive amplifier 67. Amplifier 67 is coupled to active phase shifter 68, which is coupled to active attenuator 69. Attenuator 69 is coupled to the RF output. Phase shifter 68
An attenuator 69 (also MMIC) is included to provide phase and amplitude control for compensation and calibration of each RF path through the multiple beam phased array antenna. A computer located elsewhere on the geostationary satellite sends commands to the driver circuits in the components of the network 63, the phase shifter 68 and the attenuator 69 to determine the polarization, Causes a change in phase or attenuation. The components of the active receiving module 64 are Raytheon, Texas In
It is commercially available from companies such as instruments and is well known to those skilled in the art.

【0020】図7は、多重ビーム・ビームフォーマ(mul
ti-beam beamformer) 26または27(図2)の一実施
例の一部を示す。図7に示すように、各ビームフォーマ
26または27は、バトラ・マトリクス(これは当業者
に周知である)フィードであり、8つの放射要素で8つ
のビームを形成する。図7に示すネットワーク70への
入力は、送信位相調整アレイ28または受信位相調整ア
レイ29(図2)の一つのカラムにおける送信要素また
は受信要素からのすべての出力である。各出力ビーム・
ポートにおいて利用可能なビームは、要素のカラムの長
さに関連する寸法が狭くなり、かつ一つの要素の幅に関
連する寸法が広い、扇形ビームである。ネットワーク7
0の8入力例の詳細を図8に示す。図8に示すように、
各バトラ・マトリクス・ビームフォーマ26または27
は、多数のハイブリッド結合器82および固定移相器8
4によって構成される。図8に示すバトラ・マトリクス
70の構成は、当業者に周知である。
FIG. 7 shows a multiple beam beamformer (mul
2 shows a portion of one embodiment of a ti-beam beamformer 26 or 27 (FIG. 2). As shown in FIG. 7, each beamformer 26 or 27 is a butler matrix (which is well known to those skilled in the art) feed, with eight radiating elements forming eight beams. The inputs to the network 70 shown in FIG. 7 are all outputs from the transmit or receive elements in one column of the transmit or receive phase adjust array 28 or 29 (FIG. 2). Each output beam
The beam available at the port is a fan beam, the dimensions of which are reduced in relation to the length of the column of elements, and which are large in relation to the width of one element. Network 7
FIG. 8 shows details of an example of 8 inputs of 0. As shown in FIG.
Each buttra matrix beamformer 26 or 27
Has a number of hybrid couplers 82 and fixed phase shifters 8
4. The configuration of the butler matrix 70 shown in FIG. 8 is well known to those skilled in the art.

【0021】図7のネットワーク70が送信位相調整ア
レイ28または受信位相調整アレイ29の要素の各カラ
ムに接続され、かつ同様なネットワークがカラム・ビー
ム・ポートの各ロウに接続されると、ペンシル・ビーム
(pencil beams)が形成される。ペンシル・ビームは連続
的で、約−4dBポイントで互いに接触し、送信位相調
整アレイ28または受信位相調整アレイ29が地球に向
けられる場合、ペンシル・ビームは図1に示すように地
球の一部を網羅する。
When the network 70 of FIG. 7 is connected to each column of the elements of the transmit phase adjust array 28 or receive phase adjust array 29, and a similar network is connected to each row of column beam ports, beam
(pencil beams) are formed. The pencil beams are continuous and touch each other at about -4 dB points, and if the transmit phase adjustment array 28 or the receive phase adjustment array 29 is pointed at the earth, the pencil beam will To cover.

【0022】8カラムおよび8ロウの64要素のアレイ
を合成するネットワーク90を図9に示す。このネット
ワークは、図10に示すビームの8x8セットを形成す
る。地球を網羅するために必要なすべてのビームを形成
し、かつ起動するためこれらのビームのうちM個を選択
するビーム形成方式の代替例として、M個のビームのみ
が形成されるが、各ビームが地表の任意の位置に個別に
操縦可能(steerable) である方式がある。図7,図8お
よび図9で説明したビーム形成ネットワークの代替を図
11に部分的に示す。ここでは、送信位相調整アレイ2
8または受信位相調整アレイ29の各要素のアクティブ
モジュール(図5および図6)の次に、1対M分配器/
結合器(1-to-M spliter/combiner) ネットワーク100
が続き、ここでMは構成すべきビームの数である。分配
器/結合器ネットワークのM個の出力のそれぞれには、
コンピュータ制御移相器102がある。N個のアレイ要
素のそれぞれからのM個の移相器102のうち一つは、
N対1合成器/分配器に接続され、個別の操縦可能なビ
ームを形成する。従って、この方式ではMxN個の移相
器が必要になる。
A network 90 for synthesizing an array of 64 elements of 8 columns and 8 rows is shown in FIG. This network forms the 8 × 8 set of beams shown in FIG. As an alternative to the beamforming scheme of forming all the beams needed to cover the earth and selecting M of these beams to activate, only M beams are formed, Some systems are individually steerable anywhere on the ground. An alternative to the beamforming network described in FIGS. 7, 8 and 9 is partially shown in FIG. Here, the transmission phase adjustment array 2
8 or the active module of each element of the receive phase adjustment array 29 (FIGS. 5 and 6), followed by a 1-to-M distributor /
Combiner (1-to-M spliter / combiner) network 100
Where M is the number of beams to configure. Each of the M outputs of the distributor / combiner network has:
There is a computer controlled phase shifter 102. One of the M phase shifters 102 from each of the N array elements,
Connected to an N-to-1 combiner / distributor to form a separate steerable beam. Therefore, this method requires M × N phase shifters.

【0023】ビーム形成ネットワークのいずれの方式に
せよ、マイクロ波回路は低電力であり、重量およびコス
トを最小限に抑えるため、超LSI技術を利用して製造
できる。アンテナの面で分散した低電力の送信電力増幅
器を有するソリッド・ステート多重ビーム位相調整アレ
イ通信アンテナの総合コストは、従来のホーン給電式の
リフレクタや高電力TWTA送信機方式に比べて低い。
さらに、上記の発明は重量が低く、軌道上でビーム再構
築が可能である。
Regardless of the type of beamforming network, microwave circuits are low power and can be manufactured using VLSI technology to minimize weight and cost. The overall cost of a solid state multiple beam phased array communication antenna with low power transmit power amplifiers dispersed in terms of antennas is lower than conventional horn-fed reflector and high power TWTA transmitter schemes.
Furthermore, the above-mentioned invention has a low weight and enables beam reconstruction on orbit.

【0024】衛星システム20の鍵の一つは、位相調整
アレイ28,29およびバトラ・マトリクス26,27
が衛星20の半球視野全体を網羅する潜在的なアンテナ
・ビームのアレイを形成することである。スイッチ・マ
トリクス24,25は、特定の時間でどのビームをアク
ティブにするかを選択する。このように、一つの衛星設
計をすべての軌道スロット/カバー・エリア位置につい
て利用でき、上記のすべての欠点は避けられる。
One of the keys of the satellite system 20 is the phase adjustment arrays 28,29 and the butler matrices 26,27.
Is to form an array of potential antenna beams covering the entire hemispherical field of view of the satellite 20. Switch matrices 24 and 25 select which beams to activate at a particular time. In this way, one satellite design can be used for all orbital slot / cover area locations, avoiding all of the above disadvantages.

【0025】衛星のサービス・エリアを変更する必要が
あるたびに、ビームは切り替えられ、チャンネルはビー
ムの間で再割り当てされる。これは、次の理由、すなわ
ち: (1)軌道上の初期構築;(2)例えば、新たな市場に
サービスを提供するため、あるスロットにおける特定の
衛星によって担当されるエリアの変更;(3)ピーク市
場需要を追跡するため、予定される日ごとの変更で、こ
れは主にチャネル割り当ての変更のみであるが、システ
ム(教育プログラミングなど)によっては、完全なビー
ム変更を行うことができる;(4)故障した衛星を交換
するために割り当てられる場合の、予備の構築(なお、
どのスロットが最終的に必要になるかを知らずに、予備
を軌道上に乗せることができることに留意されたい);
(5)故障した衛星からのカバレッジを交換するため、
衛星のサービス・エリアを一時的に再構築すること;お
よび(6)サービス・エリアを変更するため、衛星をあ
るスロットから別のスロットに移すこと、のために行う
ことができる。
Each time the satellite service area needs to be changed, the beams are switched and channels are reassigned between the beams. This is for the following reasons: (1) initial construction in orbit; (2) changing the area served by a particular satellite in a slot, for example to serve a new market; (3) Scheduled daily changes to track peak market demand, mainly changes in channel assignments, but depending on the system (educational programming etc.) a complete beam change can be made; ( 4) Reserve construction when assigned to replace a failed satellite (note that
Note that reserves can be put into orbit without knowing which slots will eventually be needed);
(5) To exchange coverage from a failed satellite,
This can be done for temporarily rebuilding the service area of the satellite; and (6) moving the satellite from one slot to another to change the service area.

【0026】本発明は静止衛星用途について通信を行う
よりコスト効率的な手段を提供することを当業者には理
解されたい。衛星20上の位相調整アレイは、ホーン給
電式のディッシュ・アンテナ・システムに比べて柔軟性
が高い。
It should be appreciated by those skilled in the art that the present invention provides a more cost effective means of communicating for geosynchronous satellite applications. The phased array on satellite 20 is more flexible than a horn-fed dish antenna system.

【0027】上記の利点のほかに、システム20の再構
築性は、異なるスロットからのサービス・エリアの多重
カバレッジを利用して、GSOからのピーク容量をダイ
ナミックに割り当てる独自の能力を提供する。この動作
構築では、一つの衛星が領域「A」を網羅し、第2の衛
星が同じまたは異なるスロットから領域「B」を網羅す
る。第3の衛星は、最初の2つの衛星とは異なるスロッ
トから、領域「A」の繁忙部分と、領域「B」の繁忙部
分とを網羅する。この「ピーク時(peaking) 」衛星は、
他の衛星が基本カバレッジを行う際に、ピーク・エリア
を担当すべく極めてダイナミックに再構築できる。
In addition to the advantages described above, the reconfigurable nature of system 20 provides the unique ability to dynamically allocate peak capacity from the GSO, utilizing multiple coverage of service areas from different slots. In this operation configuration, one satellite covers region "A" and a second satellite covers region "B" from the same or a different slot. The third satellite covers the busy portion of region "A" and the busy portion of region "B" from a different slot than the first two satellites. This "peaking" satellite,
As other satellites perform basic coverage, they can be reconfigured very dynamically to take over the peak area.

【0028】GSO位相調整アレイ衛星システム20
は、少なくとも2つの更なる利点を有する。まず第1
に、位相調整アレイは、「ソフト故障(soft failure)」
機能のため、TWTA方式に比べて本質的に信頼性が高
い。第2に、位相調整アレイ方式はより小さなビームが
可能であり、その分必要な送信電力は低くなる。この電
力節減は、位相調整アレイの低い効率を補償するため、
またより大きなペイロードおよび/またはより多くのビ
ームを必要に応じて設計に組み込むことを可能にするた
めに用いられる。また小さなビームにより、地球端末は
より小さなアンテナおよびより低い送信電力を利用で
き、これによりシステムの市場可能性は高まる。
GSO phased array satellite system 20
Has at least two additional advantages. First,
In addition, the phase adjustment array has a "soft failure"
Due to its function, it is inherently more reliable than the TWTA method. Second, the phased array scheme allows for a smaller beam and requires less transmit power. This power savings compensates for the low efficiency of the phased array,
It is also used to allow larger payloads and / or more beams to be incorporated into the design as needed. Small beams also allow the earth terminal to utilize smaller antennas and lower transmit power, which increases the market potential of the system.

【0029】従って、特許請求の範囲は、発明の真の精
神および範囲に入る発明の一切の修正を網羅するものと
する。
It is therefore intended that the appended claims cover any such modifications of the invention as fall within the true spirit and scope of the invention.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】衛星の視野内の地球の一部を網羅する衛星のア
ンテナ・ビームを示す図である。
FIG. 1 shows a satellite antenna beam covering a portion of the earth in the satellite's field of view.

【図2】本発明の好適な実施例による衛星の構成要素を
示すブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram illustrating components of a satellite according to a preferred embodiment of the present invention.

【図3】アレイの放射面の小さな方形グリッド部分を示
す図である。
FIG. 3 shows a small square grid portion of the emitting surface of the array.

【図4】アレイの放射面の小さな三角形グリッド部分を
示す図である。
FIG. 4 shows a small triangular grid portion of the emitting surface of the array.

【図5】送信アレイの各アクティブ要素の構成要素を示
す図である。
FIG. 5 is a diagram showing components of each active element of the transmission array.

【図6】受信アレイの各アクティブ要素の構成要素を示
す図である。
FIG. 6 is a diagram showing components of each active element of the receiving array.

【図7】多重ビーム・ビームフォーマの実施例の一部を
示す図である。
FIG. 7 illustrates a portion of an embodiment of a multiple beam beamformer.

【図8】8つの8要素カラム・ビームフォーマおよび8
つの8要素ロウ・ビームフォーマのネットワークを示す
図である。
FIG. 8 shows eight 8-element column beamformers and 8
FIG. 3 shows a network of two eight-element row beamformers.

【図9】8つの8要素カラム結合器および8つの8要素
ロウ結合器のネットワークを示す図である。
FIG. 9 shows a network of eight eight-element column couplers and eight eight-element row couplers.

【図10】ネットワークによって形成される8x8セッ
トの連続ビームを示す図である。
FIG. 10 illustrates an 8 × 8 set of continuous beams formed by a network.

【図11】多重ビーム・ビームフォーマの第2実施例の
一部を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing a part of a second embodiment of the multiple beam / beamformer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 地球 12 アンテナ・ビーム 20 静止衛星システム 22 通信ペイロード 23 スイッチ・コントローラ 24 送信スイッチ・マトリクス 25 受信スイッチ・マトリクス 26,27 バトラ・マトリクス・ビームフォーマ 28 送信位相調整アレイ 29 受信位相調整アレイ 50 送信要素 51 放射要素 52 パッシブ放射器 53 コンピュータ制御偏波ネットワーク 54 送信モジュール 56 アイソレータ 57 MMIC線形電力増幅器 58 コンピュータ制御移相器 59 コンピュータ制御減衰器 60 受信要素 61 受信要素 62 パッシブ放射器 63 コンピュータ制御偏波ネットワーク 64 アクティブ受信モジュール 66 リミタ/プロテクタ回路 67 MMIC低雑音受信増幅器 68 コンピュータ制御移相器 69 コンピュータ制御減衰器 70 ネットワーク(バトラ・マトリクス) 82 ハイブリッド結合器 84 固定移相器 90 ネットワーク 100 1対M分配器/結合器ネットワーク 102 コンピュータ制御移相器 Reference Signs List 10 earth 12 antenna beam 20 geostationary satellite system 22 communication payload 23 switch controller 24 transmission switch matrix 25 reception switch matrix 26, 27 butler matrix beamformer 28 transmission phase adjustment array 29 reception phase adjustment array 50 transmission element 51 Radiating element 52 passive radiator 53 computer controlled polarization network 54 transmitting module 56 isolator 57 MMIC linear power amplifier 58 computer controlled phase shifter 59 computer controlled attenuator 60 receiving element 61 receiving element 62 passive radiator 63 computer controlled polarization network 64 Active receiving module 66 Limiter / protector circuit 67 MMIC low noise receiving amplifier 68 Computer controlled phase shifter 69 Computer controlled Attenuator 70 Network (Batra matrix) 82 Hybrid combiner 84 Fixed phase shifter 90 Network 100 One-to-M splitter / combiner network 102 Computer controlled phase shifter

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン・ウェスリー・ロック アメリカ合衆国アリゾナ州テンピ、イース ト・アラメダ・ドライブ2103 (72)発明者 ポール・アドリアン・チャイアバッチ アメリカ合衆国マサチューセッツ州ストー ンハム、ナンバー303、レッジウッド・ド ライブ200 (72)発明者 キース・アンドリュー・オールズ アメリカ合衆国アリゾナ州メサ、ウエス ト・パンパ548 (72)発明者 ジェフリー・シー・アプトン アメリカ合衆国マサチューセッツ州グロト ン、オーガスティン・ロード8 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing the front page (72) John Wesley Rock, East Alameda Drive, Tempe, Arizona, USA 2103 Drive 200 (72) Inventor Keith Andrew Olds West Pampa 548, Mesa, Arizona, United States of America 548 (72) Inventor Jeffrey Sea Upton Augustin Road 8, Groton, Mass., USA

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 再構築可能なサービス・エリアを有する
静止通信衛星システムであって:要素のアレイであっ
て、各要素が静止軌道上の前記衛星システムにおいて信
号を受信できる、要素のアレイ;前記要素のアレイに結
合されたビームフォーマ;複数のビーム・ポートを介し
て前記ビームフォーマに結合された受信スイッチ・マト
リクス;および前記受信スイッチ・マトリクスに結合さ
れ、前記ビーム・ポートのうちのいくつかを選択できる
スイッチ・コントローラ;によって構成されることを特
徴とする静止通信衛星システム。
1. A geostationary communication satellite system having a reconfigurable service area: an array of elements, each element capable of receiving a signal at the satellite system in geosynchronous orbit; A beamformer coupled to the array of elements; a receiving switch matrix coupled to the beamformer via a plurality of beam ports; and a number of the beam ports coupled to the receiving switch matrix. A geostationary communication satellite system, comprising: a selectable switch controller;
【請求項2】 衛星であって:送信要素の送信位相調整
アレイであって、各送信要素が静止軌道上の前記衛星か
ら信号を送信できる、送信位相調整アレイ;受信要素の
受信位相調整アレイであって、各受信要素が静止軌道上
の前記衛星において信号を受信できる、受信位相調整ア
レイ;および前記送信位相調整アレイおよび前記受信位
相調整アレイに結合され、前記送信要素のいくつかおよ
び前記受信要素のいくつかを選択できるスイッチ・コン
トローラ;によって構成されることを特徴とする衛星。
2. A satellite, comprising: a transmission phase adjustment array of transmission elements, each transmission element being capable of transmitting signals from said satellite in geosynchronous orbit; a transmission phase adjustment array of reception elements. Receiving phase adjustment array, wherein each receiving element is capable of receiving signals at the satellite in geosynchronous orbit; and coupled to the transmission phase adjustment array and the reception phase adjustment array, some of the transmission elements and the reception element A switch controller capable of selecting one of the following.
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