JPWO2005043779A1 - 移動体衛星通信装置 - Google Patents

Abstract

航空機などの移動体に搭載されたレドーム付きアンテナにより衛星との通信を行う移動体衛星通信装置において、レドーム透過による損失、偏波特性の歪をアンテナ内部で補償するようにしたものである。可変位相器９ａ、９ｂと可変減衰器１９ａ、１９ｂが、また、可変位相器１０ａ、１０ｂと可変減衰器２０ａ、２０ｂがそれぞれ一体として各系統毎に制御されると共に、アンテナから放射される全電力ＥＩＲＰも、上記可変減衰器１９ａ、１９ｂとは独立して挿入された共通の可変減衰器２１により最適制御されるようにしたので、比較的簡単な回路で、レドーム補正とＥＩＲＰ制御を同時に実現することができる。

Description

この発明は移動体衛星通信装置に関し、特に航空機などの移動体に搭載されたレドーム付きアンテナにおいて、レドーム透過による損失、偏波特性の歪をアンテナ内部で補償するようにした移動体衛星通信装置に関するものである。

一般にアンテナにレドームを装荷する場合、レドームによるアンテナ放射特性の劣化を解消するため、アンテナが回転しても電波の入射角が一定になるような半球状のレドーム曲面としていた。
しかし、航空機等の移動体に搭載されるレドーム付きアンテナにおいては、レドーム高さに制限を受けるため上記のような入射角一定の半球状曲面は採用できず、従って電波のレドーム通過による損失、特性劣化を甘受せざるを得なかった。
すなわち第１図は航空機搭載のレドーム付きアンテナの一例を示す概略図であり、アンテナ１とレドーム２は機体３外に装荷されるため極力空気抵抗の少ない、図のような流線形状を持った異方性レドームとなる。このため、電波がレドームを透過する際、第２図に示すようにアンテナから放射された電波出力に減衰が生じたり、偏波面にズレが生じることになる。例えばレドーム通過前には水平偏波Ｈ１、垂直偏波Ｖ１の偏波面を有していた電波は、レドーム通過によりＨ２、Ｖ２のようにある位相角だけその偏波面がシフトしたり、またレドーム通過によりＶ２のようにその出力が減衰することがあった。この偏波面のズレや出力の減衰の程度はレドームの位置・形状はもちろんその時の電波の周波数、指向性によっても大きく影響を受ける。
第３図は例えば特開２００２−１４１８４９に記載された偏波面制御回路を有する従来の移動体衛星通信装置の構成図を示している。図において、レドーム２は前述した異方性レドームであり、アンテナ装置１は周知の主反射鏡４、副反射鏡５、ホーンアンテナ６から構成されている。７、８は互いに９０°の位相を保って２系統に分割・合成する９０°位相合成器、９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂは２系統に分割された制御系にそれぞれ挿入され、上記９０°位相合成器７、８の出力信号を位相シフトする可変移相器、１１ａ、１１ｂは上記可変移相器９ａ、９ｂの出力信号を増幅する高出力増幅器（ＨＰＡ）、１２ａ、１２ｂは後述する９０°位相合成器１４の出力信号を増幅する低雑音増幅器（ＬＮＡ）、１３は上記高出力増幅器１１ａ、１１ｂの出力信号を位相合成する９０°位相合成器、１４は後述するダイプレクサ１５、１６からの選択信号を位相合成する９０°位相合成器、１５、１６は送受切り替えと信号の分波・合波を行うダイプレクサ、１７は正モードトランスデューサとも呼ばれ、信号回路とアンテナとのインターフエースとしての機能を行う偏分波器、１８はアンテナの偏波角調整をはじめとするアンテナの衛星追尾制御を行うアンテナ制御回路である。
次にこの回路の動作について説明する。移動体衛星通信装置が航空機に搭載されている場合、衛星との相対位置関係が時々刻々変化するためアンテナ１の偏波角を調整してビームの方向を常に衛星に向ける必要がある。今、第３図の送信側Ｔｘ端子に、衛星へ送信するべき送信信号が入力されると、９０°位相合成器７により互いに直交成分を有する２系統に分割され、可変移相器９ａ、９ｂによりそれぞれの位相を独立に制御されるようになっている。アンテナ制御回路１８は、航空機の絶対位置情報と衛星の位置情報とに基づいてアンテナの指向方向を計算し、好ましいアンテナの偏波角となるように可変移相器９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂの位相量を調整する。なお、アンテナからの出力電波すなわち等価等方放射電力（以下ＥＩＲＰと称す）は設定指令値により決まる一定値に保たれている。
このような従来のアンテナシステムでは、異方性レドームを透過する際の電波の減衰や、偏波面のズレに対する影響については全く考慮されておらず、従ってこれに対して何等の対策も打たれていなかった。

この発明はこの点に鑑みてなされたもので、移動体に搭載され異方性レドームを有するアンテナと、上記アンテナに接続され少なくとも送受各２系統の制御系を構成する９０°位相合成器と、上記各２系統のそれぞれの制御系内に挿入された可変位相器と、上記可変位相器にそれぞれ直列接続された第１の可変減衰器と、上記移動体と衛星との相互位置関係に応じてアンテナの姿勢制御を行うアンテナ制御回路とを備えた移動体衛星通信装置において、上記アンテナ制御回路内にアンテナの周波数、偏波角に対するレドーム補正データを記憶した第１の補正テーブルを設けて、上記第１の補正テーブルを参照して上記可変位相器と第１の可変減衰器を制御するようにすると共に、上記送信側９０°位相合成器の入力側に挿入された第２の可変減衰器と、上記アンテナ制御回路内に上記第１の可変減衰器の制御によるＥＩＲＰへの影響を補正値として持つ第２の補正テーブルとを備えることにより、上記第２の補正テーブルを参照して上記第２の可変減衰器を制御するようにしたものである。
更に、上記発明において、上記送信側に設けられた可変位相器にそれぞれ直列接続され上記可変位相器の通過電力を増幅する高電力増幅器と、上記アンテナ制御回路内に上記増幅器の飽和特性の影響に対する補正データを記憶した第３の補正テーブルとを備え、これを参照して上記可変位相器と第１の可変減衰器を制御するようにしたものである。

第１図は航空機に搭載されるレドーム付きアンテナの一例を示す概略図である。
第２図はレドーム透過による損失、偏波特性変化の状態を説明する図である。
第３図は従来のアンテナの姿勢制御に関する移動体衛星通信装置の構成図である。
第４図はこの発明の実施の態様による移動体衛星通信装置の構成図である。
第５図はレドーム補正テーブルの一例を示す概要説明図である。
第６図は高出力増幅器の出力飽和特性を示す特性図である。

第４図はこの発明の実施の態様によるアンテナシステムの構成図である。第３図で述べた従来装置と類似の構成部分については同一符号を付して示しており、ここではレドーム補正に関して新たに追加された新規部分を中心にその構成を説明する。図において、１９ａ、１９ｂは送信側可変位相器９ａ、９ｂとそれぞれ直列に挿入された可変減衰器、２０ａ、２０ｂは受信側可変位相器１０ａ、１０ｂとそれぞれ直列に挿入された可変減衰器、２１は９０°位相合成器７の入力側に挿入された可変減衰器、２２はレドーム補正に関するデータの蓄積媒体である。Ｔｘ端子に、例えば衛星への送信信号が入力されると、可変減衰器２１を介して９０°位相合成器７に入り、そこで２系統に分割される。可変移相器９ａ、９ｂと可変減衰器１９ａ、１９ｂは各系統においてそれぞれ互いに直列に挿入され、各系統の位相及び振幅が系統毎に独立して制御されるようになっている。この制御は受信側に挿入された可変位相器１０ａ、１０ｂと可変減衰器２０ａ、２０ｂの直列体においても同様に各系統毎に独立してその位相及び振幅が制御されるようになっている。
また、アンテナ制御回路２８では、従来と同様に、航空機の絶対位置情報と衛星の位置情報とに基づいてアンテナの指向方向を計算し、好ましいアンテナの偏波角となるように可変移相器９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂの位相量を調整する衛星追尾機能回路１０２を有していることはもちろんであるが、この発明ではアンテナから放射された電波のレドーム透過の際の減衰とか、偏波面のズレの問題に対して以下のように対処している。
すなわち、予め、アンテナの偏波角および電波周波数に対応して、アンテナの指向性（ｐｏｉｎｔｉｎｇ ａｎｇｌｅ）の変化に対するレドーム特性データを測定しておき、これから計算したレドーム補正用データ（ｏｆｆｓｅｔ ｓｅｔｔｉｎｇｓ）としてアンテナ制御回路２８のレドーム補正テーブル１０１に保有していることである。更に詳しくは、ある周波数ｆ及び偏波角θに対するアンテナの指向性（向き）を種々に変化させて、レドームのない時に比べてレドームの影響による位相角のズレ及び通過振幅の変動を測定する。通過振幅の変動も測定するのは、位相が変わるとそれにつれて位相器の通過振幅も変わるからである。この測定をもとに、送信側補正位相角ΔΦＬ、受信側補正位相角ΔΦＲ、送信側補正振幅値ΔＡＬ、受信側補正振幅値ΔＡＲを書き込んだレドーム補正テーブルを作成する。このレドーム補正用データは別途コンピュータに保存しておくか、また可搬記録媒体２２（これはどのような媒体でも良い）に記憶しておき、このレドーム補正用データを前記コンピュータあるいは記憶媒体２２から、アンテナ制御回路２８のレドーム補正テーブル１０１にデータ伝送あるいはダウンロードしておくものである。
第５図は上記レドーム補正テーブル１０１の一例を示す概念図であり、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３・・及び種々の偏波角θに対応して送信側補正位相角ΔΦＬ、受信側補正位相角ΔΦＲ、送信側補正振幅値ΔＡＬ、受信側補正振幅値ΔＡＲを書き込んだテーブルとした例である。例えば図において、偏波角θが仰角（ＥＬ）０°、方位角（ＡＺ）０°のとき送信側補正位相角（オフセット）を１０°、受信側補正位相角を２０°、送信側補正振幅値１ｄＢ、受信側補正振幅値２ｄＢというように記録されている。図から明らかなように、従来から行っている通常の衛星追尾機能回路１０２の出力と上記レドーム補正テーブル１０１の出力とを合成回路１０３で合成したものが制御ユニット１０４に入る。
ところで、上述した各系統における可変減衰器１９ａ、１９ｂによる送信電力の変更は、アンテナから放射される全電力ＥＩＲＰに無視できない影響を与える結果となる。送信アンテナから空間のすべての方向に放射される電波の強さである等価等方放射電力（ＥＩＲＰ）は、次式で表される。
ＥＩＲＰ＝アンテナ利得＋送信機の出力電力−レドーム損失
すなわち、アンテナ利得、送信機の出力電力、及びレドーム損失がＥＩＲＰを決定する重要なファクタになっている。
この発明の最良の実施形態では、送信信号Ｔｘの入力端に送信機全体の振幅制御を行う可変減衰器２１を設け、アンテナ制御回路２８にこの可変減衰器２１を制御するＥＩＲＰ制御回路を設けている。このＥＩＲＰ制御回路はレドーム損失テーブル１０５、アンテナ利得テーブル１０６、合成回路１０７、１０８等により構成され、上述した可変減衰器１９ａ、１９ｂによるＥＩＲＰへの影響を、レドーム損失及びアンテナ利得の形で補正するものである。すなわち、レドーム損失テーブル１０５及びアンテナ利得テーブル１０６内に、可変減衰器１９ａ、１９ｂによるＥＩＲＰへの影響を補正値として持ち、合成回路１０７、１０８により、これらを参照して共通の可変減衰器２１にＥＩＲＰ指令を与え、送信機全体の振幅制御を行うものである。
なお、この場合の可変減衰器２１の振幅変化量（ΔＡＴＴ）と上記レドームの振幅補正値ΔＡＬ、ΔＡＲとの関係は次式で表される。
ΔＡＴＴ＝−ｌｏｇ｛（１０^{（ΔＡＬ／１０）}＋１０^{（ΔＡＲ／１０）}）／２｝
上記の式において、ΔＡＴＴ、ΔＡＬ、ΔＡＲは、いずれもｄＢ値であり、例えばΔＡＬ＝＋２ｄＢ、ΔＡＲ＝−２ｄＢである場合、ΔＡＴＴは−０．４５ｄＢとなる。
これにより、上述したレドーム補正テーブルによるレドーム補正を、そのレドーム補正によるＥＩＲＰへの影響が出ないようにしながら行うことができるので、より高性能なレドーム補正が実現できることとなる。
更にこの発明の最良の実施形態では、このアンテナ制御回路２８に増幅器補正テーブル１０９を備え、上述した高出力増幅器１１ａ、１１ｂに有する高出力飽和特性のレドームへの影響を解消している。
すなわち、高出力増幅器１１ａ、１１ｂには、第６図に示すように高出力領域でその出力特性が飽和する傾向がある。出力特性が飽和すると位相器９ａ、９ｂからの通過位相θも低下してしまい、これが上述した全体の送受制御系に振幅、位相の両面で影響を与えてしまう。第４図の増幅器補正テーブル１０９はこの飽和特性によって生ずる振幅、位相への影響を補正するデータを持っている。高出力増幅器１１ａ、１１ｂの出力はそれぞれモニターされ、これを検波器及びＡ／Ｄ変換器からなる制御回路１１０を介して増幅器補正テーブル１０９に取り込み、その時の出力電力値に応じた補正テーブル上の値を参照して送信側補正位相角ΔΦＬ´、送信側補正振幅値ΔＡＬ´、受信側補正位相角ΔΦＲ´、受信側振幅値ΔＡＲ´を指令値として制御ユニット１０４に出力するものである。
制御ユニット１０４としては、従来の衛星追尾機能回路１０２による各種制御指令（ΦＬ、ＡＬ、ΦＲ、ＡＲ）に加えて、上記レドーム補正テーブル１０１及び増幅器補正テーブル１０９を参照しながら制御指令を出力することとなり、制御ユニット１０４からは最終的に送信側可変位相器９ａ、９ｂを制御する補正位相角ΦＬ´、送信側減衰器１９ａ、１９ｂを制御する補正振幅値ＡＬ´、受信側可変位相器１０ａ、１０ｂを制御する補正位相角ΦＲ´、受信側減衰器２０ａ、２０ｂを制御する補正振幅値ＡＲ´を制御指令値として出力するものである。従って、これにより、増幅器の飽和特性をも考慮した、より高精度なレドーム補正が実現できるものである。

Claims (5)

1. 移動体に搭載され異方性レドームを有するアンテナ、上記アンテナに接続され少なくとも送受各２系統の制御系を構成する９０°位相合成器、上記各２系統のそれぞれの制御系内に挿入された可変位相器、上記可変位相器にそれぞれ直列接続された第１の可変減衰器、上記移動体と衛星との相互位置関係に応じてアンテナの姿勢制御を行うアンテナ制御回路を備えた移動体衛星通信装置において、上記アンテナ制御回路内にアンテナの周波数、偏波角に対するレドーム補正データを記憶した第１の補正テーブルを備え、上記第１の補正テーブルを参照して上記可変位相器と第１の可変減衰器を制御するようにすると共に、上記送信側９０°位相合成器の入力側に挿入された第２の可変減衰器と、上記アンテナ制御回路内に上記第１の可変減衰器の制御によるＥＩＲＰへの影響を補正値として持つ第２の補正テーブルとを備え、上記第２の補正テーブルを参照して上記第２の可変減衰器を制御するようにしたことを特徴とする移動体衛星通信装置。
2. 上記第１の補正テーブルのレドーム補正データは、周波数ｆ及び偏波角θに対するアンテナの指向性（向き）を種々に変化させて、レドームの影響による位相角のズレ及び通過振幅の変動を測定することによって得られることを特徴とする請求項１記載の移動体衛星通信装置。
3. 上記第２の補正テーブルは、アンテナ利得テーブルとレドーム損失テーブルとからなり、上記各テーブル内に上記第１の可変減衰器によるＥＩＲＰへの影響を補正値として持たせたことを特徴とする請求項１記載の移動体衛星通信装置。
4. 上記送信側に設けられた可変位相器にそれぞれ直列接続され上記可変位相器の通過電力を増幅する高電力増幅器と、上記アンテナ制御回路内に上記増幅器の飽和特性の影響に対する補正データを記憶した第３の補正テーブルとを備え、これを参照して上記可変位相器と第１の可変減衰器を制御するようにしたことを特徴とする請求項１記載の移動体衛星通信装置。
5. 上記第３の補正テーブルは、上記増幅器の飽和特性によって生ずる上記レドーム補正データへの影響を振幅、位相の補正値として有することを特徴とする請求項４記載の移動体衛星通信装置。

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