JPS6216631A - 衛星通信方式 - 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】 （発明の技術分野） 本発明は、衛星通信システム、特に比較的広いビーム幅
を有するアンテナを地球局側で用い、かつ該地球局が船
舶や航空機である場合などにみられるように、海面など
の反射体からの反射波の影響が無視できない場合におい
ても、反射波の影響を軽減して衛星通信システムを効率
良く構成することのできる衛星通信方式に関するもので
ある。

（従来技術とその問題点） この種の衛星通信システムの従来例を模式的に図１に示
す。地球を周回する衛星１に搭載されたアンテナ２、お
よび移動地球局３　（３’）に備えられたアンテナ４（
４’）は、ともに一種類の円偏波（以下、右旋円偏波と
して説明する）を送受信している。アンテナによる電磁
波の送受信は可逆な現象であるため、以下、衛星１から
移動地球局３（３°）に電波を送信する場合で説明する
。

衛星１から送られた電波は、直接波５として直接地球局
アンテナ４（４°）で受信されるものの他、海面などの
反射体７を経た反射波６としても地球局アンテナ４（４
’）で受信さむる。このように地球局アンテナ４（４’
）で直接波５と反射波６の両者を、同時に受信するため
、地球局アンテナでの受信レベルが直接波５と反射波６
の位相関係により大幅に変化する現象、すなわちフェー
ジングが発生する。このようなフェージングの発生を伴
う衛星通信回線の回線設計としては、フェージングの深
さに相当するエネルギ分（以下「フェージングマージン
」という）を見込む必要があり、フェージングがないと
した場合に比べ送信電力や送受信アンテナの利得を大き
くする必要がある。

図１からも明らかなように、地球局アンテナ４のビーム
幅が比較的広い場合、即ち地球局アンテナ４の大きさが
波長に比べ十分大きくない場合や、移動地球局３（３”
）から衛星１を見込んだ仰角（図１のＥｌ）が小さい場
合に反射波６を強く受信するので、大きなフェージング
マーシンカ゛（必要となる。

例えば、１．５ＧＨｚ帯で、４０ｃｍのアンテナを地球
局アンテナ４として用い、仰角５゛で衛星工と通信する
だめには、９９％の時間率に対して、海面反射フェージ
ングによるマージンを約９ｄＢ見込む必要がある。（塩
用他、電子通信学会アンテナ伝搬研資ＡＰ８３−１０）
。

このフェージングマージンを小さくする従来のいくつか
の方法について以下に説明する。

第１の方法は、衛星アンテナのビーム形状を整形する方
法である。前述のように、必要なフェージングマージン
は、仰角が低い程大きくなるので、図２（ｂ）のように
仰角の低い領域、即ち衛星から込んだ地球の周縁域に対
して衛星アンテナの送信利得を高くする。この図で横軸
のθは図２（ａ）に示す衛星ｌから地球８を見込む角度
、縦軸は衛星アンテナの利得を示している。この方法で
フェージングマージンを吸収するためには、中心部と周
縁部での衛星アンテナ利得の差（図２（ｂ）のΔ）は前
述の場合９ｄＢ必要になるが、このようにアンテナビー
ムを整形することは極めて困難であり、また衛星アンテ
ナが大きくなる欠点がある。

第２の方法は、地球局アンテナ側で反射波を受けにくく
する工夫をするもので二 ＋１）　　アンテナのビーム形状を工夫するもの、（２
）複数のアンテナを用いて１常に反射波を打ち消すよう
に制御するもの、 （３）アンテナの偏波特性を対向する衛星の仰角に応じ
て変化させるもの、 などがある。

（１１の方法は地球局アンテナにおいて反射体方向の利
得が小さくなるようにアン萎ナビーム形状を整形するも
のであるが、ここで問題とするようなビーム幅の伝□い
小型のアンテナでは不可能である。

（２）の方法は、アンテナが複数必要なことと、海□面
などの反射体の変化に実時間で追従できる制御ｉ置が□
必要な欠点を有する。

（３）の偏波制御による方法（塩用他、ｉ波制御による
フェージング軽減芳式の理論的検討、電子通信学会アン
テナ伝搬研資Ａ　Ｐ　’８ｌ−１４４）は、本発明に関
連が深いので、以下詳しく説明する。

右旋円偏波が入射した場合の海面等の反射体による反射
波６は仰角Ｅｌや反射体７の状態及び反射波６の周波数
によるが、一般に、水平方向に偏平な左旋楕円偏波にな
る。また、この楕円偏波の楕円偏波率は、はぼアンテナ
の仰角Ｅｌのみに依存する。円偏波のアンテナの一例と
して、図３（ａ）のような水平面に対して斜め４５°に
設置されたクロスダイポールアンテナ１０を考える。２
つのダイポールアンテナ素子からの受信電波を９０°移
相器１１を介して９０°の位相差で合成器１２で合成し
、受信機１３で受信した場合、このアンテナは右旋円偏
波を受信する。これに対し、図３（ｂ）のように可変移
相器１４を挿入し、その挿入移相量をＯｏから９０°に
変化させると、移相量の変化に従い、受信偏波は完全な
右旋円偏波から垂直な直線偏波まで変化する。電波め偏
波においては、任意の偏波に対しそれと直交する偏波が
存在する。到来電波５の偏波ど直交する偏波特性のアン
テナで受信すると、到来電波５の受信感度は零になる。

先に述べたように、反射波６の偏波特性に直交する偏波
は、縦長の右旋楕円偏波である。そこで、可変移相器１
４に適切な挿入移相量を付加し、アンテナの偏波特性を
縦長の右旋楕円偏波にすれば反射波６に対する受信感度
を零にすることができる。アンテナの偏波特性を制御す
るために必要な挿入移相量は仰角Ｅ１が決まれば一意的
に定まるので、仰角Ｅ１を得るセンサ１６からの信号で
この移相量を制御すれば反射波６を打ち消すことができ
る。このように地球局アンテナの偏波特性を仰角Ｅ１に
より完全な円偏波からずらすことにより、直接波５の受
信レヘルもその楕円偏波率による分だけ低下する（偏波
用）が、反射波６の受信レベルが大幅に小さくなるため
に両者の干渉による深いフェージングば生じなくなり、
フェージングマージンを４〜５ｄＢ小さくすることがで
きるという効果がある。しかし、この方法は全ての地球
局側で実施する必要があるため、地球局の数が多い場合
には不都合である。また、可変移相器１４、仰角センサ
１６、および仰角Ｅ１により可変移相器１４を制御する
制御システム１５が必要となる欠点がある。

（発明の目的） 本発明の目的は、以上性べてきた従来の方法の問題を解
決し、フェージングマージンの小さい衛星通信方式を提
供することにある。

（発明の構成と作用） 以下本発明の詳細な説明する。

地球局アンテナとして、一種類の円偏波を送受するアン
テナを用いる衛星通信システムを例にとる（以下右旋円
偏波を受信するとして説明する）。

従来のこの種の衛星通信システムでは、地球局アンテナ
４に対応し、衛星側アンテナ２も右旋円偏波を送受する
アンテナを用いる方式になっている。

即ち、図４（ｂ）のように衛星アンテナ２の偏波特性は
、ザービス対象とする領域内のいずれの方向に対しても
実質的に右旋円偏波が放射されるアンテナを使用してき
た。

それに対し、本発明による衛星通信方式は、送信側（衛
星）で用いる偏波が受信側（地球局）の偏波と以下の如
く異なっている。即ち、偏波特性が特別に整形された衛
星アンテナ用いている点に特徴がある。衛星アンテナ２
は図４（Ｃ）に示すように、地球中心を見込む方向に対
しては右旋円偏波を放射する。一方、地球周縁部を見込
む方向に対しては、その周縁部から中心ビーム方向に至
る動径方向に長い偏平な右旋楕円偏波を放射する。この
ような偏波特性を有する衛星アンテナ２を用いることに
より、右旋円偏波で受信する地球局アンテナ４では、海
面などによる反射波６がちょうど左旋円偏波になるため
、反射波６を受信しなくなり、フェージングが生じなく
なる。この場合、直接波５に対して、地球局アンテナ４
の偏波特性が一致しないため、偏波用を生じるが、９ｄ
Ｂ以１にも達する深いフェージングに比べ十分小さいも
のである。

次に“動径方向に長い偏平な楕円偏波”について説明す
る。図５のように衛星１から地球周縁を見込んだ光線の
地球表面に対する入射角をｉとする。衛星アンテナ２の
θ方向の放射電界をＸ方向成分とＹ方向成分で次のよう
に表した時、その方向の偏波特性はＥ３とＥｙの比で表
せる。

反射波６がちょうど左旋円偏波になれば地球局で反射波
６を受信しなくなる。そのためには、入射偏波（衛星ア
ンテナ２のθ方向の偏波）は次のようである必要がある
。

ここで、ｎは海面などの反射体の等価複素屈折率である
。例えば、１．５Ｇｔｌｚ帯における海面の複素屈折率
　ｎ　＝９．１２　３３．６２　　を用い、入射角を１
−８０°とすると、（２）式による衛星アンテナ２の偏
波は、 になる。これはｙ方向に長い偏平な右旋の楕円偏波を表
している。衛星側で用いる偏波として実質的に式（２）
で規定されるような偏波の放射角度特性を用いる本発明
による衛星通信方式は、個々の地球局で仰角や海面状態
に追従するようなフエージング軽減のための制御装置が
不要である利点を有し、大きなフェージングマージンを
必要としない効果がある。

（実施例１） 本発明による衛星通信方式を実現するためには、図４（
Ｃ）のような偏波特性を有する衛星アンテナを用いる必
要がある。この種のアンテナの具体例について次に説明
する。

図６のように多数のクロスダイポールアンテナ（図３参
照）を平面内に配列したアレイアンテナを考える。平面
内にＸ−Ｙ座標系及びｐ−ψ座標系をとる。クロスダイ
ポールはＸ方向エレメントとＹ方向エレメントから構成
されている。なお、このようなアレイアンテナのアンテ
ナ素子としては、クロスダイポールアンテナに限らず、
・直交する２つの偏波を放射できるものであれば、同様
の構成をとることができる。

この種のアンテナで図４（ｂ）のようにアンテナビーム
が中心方向〔図４（ａ）のｙ軸方向〕に関して回転対称
でかつ右旋円偏波を放射させるためには、（ρ、ψ）に
位置するＸ方向アンテナの励振係数Ａ、（ρ、ψ）及び
Ｙ方向素子アンテナの励振係数Ａ、（ρ、ψ）は一般的
に以下のように定められいた。

Ａ・（ρ・ψ）＝Ａ・（ρ）−−−−−−−（３）Ａ、
（ρ、ψ）＝ｊＡｏ（ρ） ここでＡＯ（ρ）は回転対称なビーム強度分布Ｅｄ（θ
）と次式のように関係する関数である。

Ｆ、ａ（θ）＝に＋　ＩｏＡｏ（ρ）　Ｊｏ（ｋρｓｉ
ｎのｄ　ｐ　　−−−−−−−−−−（４１ここで、Ｊ
ｏは０次ベッセル関数、ｋは電磁波の波数、０ｍはこの
アレイアンテナの実効的な開口半径、Ｋ＋は定数、θは
図５のθである。

式（３）は、各クロスダイポールのＸ方向素子とＹ方向
素子が同振幅で９０°位相差で励振されること、即ち、
各クロスダイポールが円偏波を放射していることを示し
ている。その結果アレイアンテナとして、軸対称に円偏
波を放射する。

さて、図４（Ｃ）のような偏波特性を得るためには、各
素子アンテナの励振係数を以下のごとくに変更すれば良
い。

Ａｘ（ρ＋ψ）　＝ＡＯ’（ρ）　＋Ａｔ（１））（ｃ
ｏｓ２ψ−ｊｓｉｎ２ψ）−−−−−−−４５）Ａｙ（
ρ、ψ）　＝　　ｊＡｏ’（ρ＞　’＋Ａｚ＜ρ）　（
ｊｃｏｓ２ψ＋５ｉｎ２ψ）ここで、Ａｏ（ρ）、　Ａ
ｔ（ρ）は回転対称など１−ムの強度分布Ｅ、（θ）と
θ方向での楕円偏波率を規定する関数Ｗ（θ）と次のよ
うな関係する関数である。

−・−・（６） Ｗ（θ）はＷ（θ）＝１の時右旋円偏波を、Ｗ（θ）−
〇の時直線偏波を表す。Ｗ（θ）が０から１の間では、
動径方向に長い偏平な右旋楕円偏波を表す。

式（５）のように各クロスダイポールを励振することに
より実質的に図４（Ｃ）のような偏波特性を有しかつ強
度分布は回転対称なビームを作り出すことができる。

（実施例２） 次に、本発明の第２の実施例について説明する。

本実施例は、衛星アンテナ２が複数のビームを放射し、
その複数のビームで衛星から地球を見込む領域を覆うマ
ルチビーム衛星通信システムに、本発明を適用したもの
である。

地球局アンテナ４が一種類の円偏波を送受信（以下右旋
円偏波を受信する場合で説明する）する場合、従来のこ
の種のシステムでは、図７（ａ）のように衛星アンテナ
２の各ビームの偏波は実質的に右旋円偏波を有するよう
に構成されていた。即゛ち、送信側と受信側で同一の一
偏波を用いていた。

本発明による衛星通信方式では、図７（ｂ）のように地
球中心部を照射するビームの偏波は右旋円偏波、周縁部
を照射するビームの偏波は周縁部から中心部に至る動径
方向に長い偏平な右旋楕円偏波を用いることに特徴があ
る。

周縁部のビームの偏波特性（楕円偏波率）は、周縁部の
代表方向（例えばそのビームの中心方向）に対して、実
質的に式（２）で規定される。

このように送信側と受信側で異なる偏波を使用し、しか
もその楕円偏波率を式（２）のごとくにすることにより
、海面等の反射体による反射波の偏波がほぼ左旋円偏波
になるため、右旋円偏波受信の地球局アンテナ４では反
射波６をほとんど受信しなくなる。その結果、大きなフ
ェージングマージンが必要でなくなる効果が生じる。

本発明の第２の実施例による通信方式を実現するための
衛星アンテナ２の一構成を図８に示す。

図８は従来から広く使われているマルチフィードによる
マルチビームアンテナである。給電ホーン２１から放射
された電波は反射鏡２０を経て放射する。

異なるホーンから放射された電波はそれぞれ異なる方向
に進行し、それぞれビームを形成する。図のようにＯＭ
Ｔ２２を用いて２つの直交ポート２３゜２４から励振す
る場合を考える。Ｕａ　７　ｆａｌのようにどのビーム
も円偏波を放射させるためには、それぞれのホーンの直
交ポート２３．２４を同振幅で９０’位相差で励振すれ
ば良い。一方、本実施例で用いる図７（ｂ）のような偏
波特性を実現するためには、それぞれの給電ホーン２１
の直交ポー）２３．２４の励振振幅比と位相差をそれぞ
れのビームの所要偏波率に応じたものとすれば良い。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明によれば、衛星に搭
載するアンテナの偏波特性を中心部に対しては円偏波を
用い、周辺部に対しては半径方向に長軸を有する楕円偏
波を用いることにより、地球局において、不要波である
反射波の影響を排除することができ、効率の良い衛星通
信システムを構築することができる。また、地球局の数
が多い場合でも、地球局に対しては、何らの変更を要し
ないので、経済的なシステムを構築でき、その効果は大
きい。

【図面の簡単な説明】

図１は本発明の適用対象となる衛星通信システムの構成
を示す模式図、図２ｆａｌ（ｂｌはフェージングマージ
ンを小さくするための従来の第１の方法を説明するため
の略図及び特性図、図３　（ａｌ　（ｂｌはフェージン
グマージンを小さくするため従来地球局側で行われてい
た偏波制御による方法を説明するためのブロック構成図
、図４　（ａｔ　ｆｂｌ　ｆｃｌは本発明の第１の実施
例において衛星アンテナが用いる偏波の角度特性を説明
するための座標系図及び偏波特性図、図５は楕円偏波の
偏波率を定義するために必要な座標系を示す図、図６は
本発明の第１の実施例を実現するために必要な衛星アン
テナの一構成例を示す略図、図７は本発明の第２の実施
例において衛星アンテナが用いるそれぞれのビームにお
ける偏波特性例図、図８は本発明の第２の実施例を実現
するために必要な衛星アンテナの一構成例を示す斜視図
である。 １・・・衛星、　２・・・衛星アンテナ、　３・・・地
球局、４・・・地球局アンテナ、　５・・・直接波、　
６・・・反耐波、　７・・・反射体、　８・・・地球、
　１０・・・クロスダイポールによる地球局アンテナ、
　１１・・・９０゜移相器、　１２・・・合成器、　１
３・・・送受信器、１４・・・可変移相器、　１５・・
・位相制御装置、　１６・・・仰角検出器、　２０・・
・反射鏡、　２１・・・ホーン、２２・・・ＯＭＴ、　
　２３．２４・・・給電ポート。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）衛星軌道上に置かれた通信衛星を用いる衛星通信
   方式において、前記通信衛星のアンテナの偏波特性が中
   心部にあっては円偏波、地球の周辺部に対しては半径方
   向に長軸を有する楕円偏波となっていることを特徴とす
   る衛星通信方式。
2. （２）前記アンテナが直交する２つの偏波を放射できる
   アンテナ素子を配列したアレイアンテナであることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の衛星通信方式。
3. （３）前記アンテナがマルチフィードによるマルチビー
   ムアンテナであることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の衛星通信方式。