JP2009517904A - 円偏波共用アンテナ・アレイ - Google Patents

Abstract

本発明は、２つの周波数帯の受信のためのアンテナ・アレイを含み、該アンテナ・アレイは、２組の方形放射素子と、周波数帯の一方の受信のために、これら放射素子を励振するネットワークとを含んでいる。放射素子は、他の周波数帯の共局在受信を可能とするために、アレイの中心が空きとなる様に配置されている。励振ネットワークは、円偏波共用を可能にする放射素子間に、所定の位相シフトを導入するハイブリッド部を含んでいる。このネットワークは、２つの制約に適合しなければならず、ハイブリッド間に導入される位相シフトは、整数ｋに対し、２ｋπを法としたハイブリッドの位相シフトに等しくなければならず、第１のハイブリッドＨ１と第１のパッチＰＡ１間に配置されるラインＬ１の長さは、整数ｋに対し、２ｋπを法としπに等しい位相シフトを導入する。

Description

本発明は、円偏波共用アンテナ・アレイに関し、より詳しくは、特に、Ｋ／Ｋａバンド（インターネット・サービスのための２０／３０ＧＨｚ）とＫｕバンド（ＴＶ受信のための１０／１５ＧＨｚ）といった、種々の周波数帯の信号を送受信できるアンテナ・アレイに関する。

衛星リンクは、オペレータ及び利用者の両者に高額な投資を行わせることなく、広範囲を対象にすることができる。システムの経済的な実現ための主な問題の１つは、総ての仕様に準拠可能で、低コストなユーザ端末を作ることにある。

機能数を増やして、より魅力的な製品を提供するために、ユーザ端末は、従来のＴＶの受信と高速インターネット・アクセスを可能にしなければならない。ユーザ端末は、ユーザがモニタし、ユーザとインタフェースするユニットである屋内ユニット又はＩＤＵと、衛星とＩＤＵ間での信号伝送を可能にする屋外ユニットＯＤＵとで構成されている。このＯＤＵは、反射体システムと、この反射体の焦点に配置される１つ以上のソースに基づくアンテナ・システムで主に構成されている。

複数のサービスのためには、複数の周波数帯で、システムの範囲で異なる偏波の送受信を行う必要がある。これら種々の構成の管理は、反射体の焦点に配置されるソースに直接影響する。

このため、ソースは、特に、Ｋ／Ｋａ周波数バンド（インターネット・サービス用の２０／３０ＧＨｚ）の信号の送受信と、Ｋｕバンド（ＴＶ受信用の１０／１５ＧＨｚ）での従来信号の受信が可能でなければならない。

衛星の容量を最適化するために、ＫａバンドとＫｕバンドの衛星は、同じ軌道位置で選択可能である。よって、困難であるのは、Ｋｕ及びＫａバンドの信号を、同じ焦点で受信しなければならないアンテナ・システムによる転送である。

この問題を解決するために、本発明は、共局在化した多偏波で複数バンドのソースを提供する。それは、中心に配置したＫ／Ｋａバンドのソースと、その周りを取り囲むＫｕバンドの放射素子のアレイに基づいている。

しかしながら、機械的及び無線電気的な制限は極めて強い。それは、一方では、Ｋ／Ｋａソースのためにアレイの中心には物理的な空間を残す必要があり、他方では、無線電気仕様に準拠することが必要であるからである。

円偏波用のアンテナ・アレイとその励振ネットワーク（給電ネットワーク）が、特許文献１で公知である。円偏波用のこのアンテナのために提案されている励振ネットワークを図１に示す。励振ネットワークは、１つの右偏波信号と、１つの左偏波信号がアンテナ・システムで送信又は受信できる様に、４つのアンテナ素子アレイへのＲＦ信号の分配を可能にする。励振ネットワークは、２つの入力ポート１０４、１０６と、４つの出力ポート１０８、１１０、１１２、１１４とを備えている。この励振ネットワークは、結合素子１０２ａ、１０２ｂにより形成され、結合素子１０２ａ、１０２ｂは、ライン１１２ａ、１１２ｂ、１１４ａ、１１４ｂにより分配ライン１１８、１２２に接続されている接続ライン１１６、１２０により形成されている。入力ポート１０６及び１０４は、ライン１２４及び１２６と、それぞれ接続され、各出力ポート１０８、１１０、１１２及び１１４は、放射素子（パッチとして知られている）を含むアンテナ素子にスロットにより結合している。

残念ながら、このシステムは、共局在化と、複数バンドのためのソースに必要な機械的制約に適合できない。特に、励振ネットワークは、構造の中心に配置され、この構造の中心に２番目のＫ／Ｋａソースを配置するための空間を確保することができない。

さらに、本発明は、Ｋｕバンド放射素子のアレイに関し、このＫｕバンド放射素子アレイの無線電気的制約により、非常に広い帯域に渡って（１１．７→１２．７ＧＨｚ）、２つの円偏波を受信する能力がソースに要求される。円偏波の品質は、軸比ＡＲ（Ａｘｉａｌ Ｒａｔｉｏ）で定義され、複数のポートにおいて、２つの円偏波の正しい識別を可能にするためには、１．７４ｄＢ未満のＡＲが必要である。無限のＡＲは完全な直線偏波を、零のＡＲが完全な円偏波を定義することは、当業者にはよく知られている。

米国特許出願公開第２００２／１８０１８号明細書

本発明は、上記欠点を改善することを目的とする。

本発明は、複数の周波数帯の受信を可能にするアンテナ・アレイを含み、該アンテナ・アレイは、２組の放射素子と、周波数帯の一方を受信するために、これら放射素子を励振するためのネットワークとを含んでいる。放射素子は、他の周波数帯の共局在受信を可能とするために、アレイの中心が空きとなる様に配置されており、前記ネットワークは、出力が、それぞれ、放射素子の第１の組の各素子のポートに接続され、これら素子のポート間に位相シフトφの生成を可能にする第１のハイブリッド・カップラと、出力が、それぞれ、放射素子の第２の組の各素子のポートに接続され、これら素子のポート間に位相シフトφの生成を可能にする第２のハイブリッド・カップラと、ハイブリッド・カップラの第１の入力間に、ｋを整数とし、ｋπを法として位相シフトφの生成を可能にする第１の位相シフタと、ハイブリッド・カップラの第２の入力間に、ｋを整数とし、ｋπを法として位相シフトφの生成を可能にする第２の位相シフタと、第１の放射素子のポートと、関連するハイブリッド・カップラの出力との間に挿入され、πに等しい位相シフトを伴い、円偏波共用を可能とするために、これら２つのポート間に、整数ｋに対し、ｋπを法としてπに等しい位相差を導入する位相シフト部とを備えている。

本発明は、同時に機械的及び無線電気的制約に適合するという利点を有する。

好ましくは、ハイブリッド・カップラにより導入される位相シフトφは、９０°の位相シフトであり、位相シフト部は、整数ｋに対し、ｋπを法としてπの位相シフトを導入する長さのラインを含んでいる。一実施形態において、受信周波数帯は、異なる周波数帯である。一実施形態において、他の周波数帯の共局在受信は、他のアンテナにより行われる。好ましくは、アンテナ・アレイの２つの周波数帯は、ＫＵ及びＫＡバンドである。

上述した本発明の特徴、利点及びその他についは、添付の図面を用いた以下の記述を読むことでより明らかになる。

従来技術による回路については、既に簡単に記載したので、ここでは再度記載しない。

円偏波は、例えば、相互に直交する直線偏波の放射素子を使用し、それらを直交する位相で励振することにより、当業者には公知の方法で得られる。

よって、円偏波を生成するためには、パッチ型の単一放射素子を、２つの直交する側の２つのポートにより励振して、それらの間に９０°の位相差を設けることで十分である。交差偏波は、ポート間の位相差を反転することにより得られる。２つのパッチでは、各パッチを、直交で励振してポート間の位相差を９０°とすることで十分である。

さらに、当該ネットワークの帯域を改良するために、連続回転のテクニックを使用する。図２ａは、このテクニックの基本的な構成を示している。４つのパッチＰＡ１、ＰＡ２、ＰＡ３及びＰＡ４のそれぞれが励振される。励振は直交し、各ポート間の位相差は９０°である。

しかし、本発明の機械的制約により、アレイの中心に他のＫ／Ｋａソース、例えば、ホーン型ソースのための物理的な空間を残す必要がある。

幾何学的調整により、パッチ・アレイの中心において空きの空間を最大にするため、角より側面が向くように放射素子を回転することが容易に可能である。

図２ｂは、これらパッチＰＡ１、ＰＡ２、ＰＡ３及びＰＡ４の構成を示している。ポートは直交し、各ポート間の位相差は９０°である。図２ｂに示す４つのパッチの幾何学的配置に基づき、２つの円偏波を生成する励振ネットワークは、図２ｃに示す様に、２番目の局在化ソースのために、構造の中心に空間を残す様に構成される。

よって、２つの円偏波を生成するために、４つのポートの位相の、２つの方向での回転が必要となる。第１の偏波のために、パッチＰＡ１のポートＰ１に位相０°、パッチＰＡ２のポートＰ２に位相９０°、パッチＰＡ３のポートＰ３に位相１８０°、パッチＰＡ４のポートＰ４に位相２７０°を適用した場合、第２の偏波のためには、位相の回転の方向を反転し、ポートＰ１に位相０°、ポートＰ２に位相−９０°、ポートＰ３に位相−１８０°、ポートＰ４に位相−２７０°を適用する。

図３は、本発明が基礎とする理論的構成を示している。

具体的には、２つのポート間で９０°の位相シフトを生成するために、対象となる特定周波数帯の中心周波数（ここでは１２．５ＧＨｚ）でサイズが決められた、従来のハイブリッド・カップラの使用が必要である。よって、入力ポートＡ１の励振により第１の偏波を実行するために、２つのハイブリッド・カップラＨ１及びＨ２が、それぞれ、ポートＰ１とＰ２、ポートＰ３とＰ４の間に以下の様に配置される。第１のハイブリッド・カップラＨ１の出力Ｓ１が、放射素子ＰＡ１のポートＰ１に接続され、第１のハイブリッド・カップラＨ１の出力Ｓ２が、放射素子ＰＡ２のポートＰ２に接続される。この様に、出力Ｓ１及びＳ２と、入力Ｅ２及びＥ１との間に位相シフトが生成される。この様な配置において、カップラＨ１の出力部と接続しているポートＰ１が、入力ポートＡ１の信号で励振されたとすると、パッチＰＡ１の位相は０°であり、パッチＰＡ２の位相は９０°である。同様に、第２のハイブリッド・カップラＨ２の出力Ｓ３が、放射素子ＰＡ３のポートＰ３に接続され、第２のハイブリッド・カップラＨ２の出力Ｓ４が、放射素子ＰＡ４のポートＰ４に接続される。この様に、ハイブリッド・カップラＨ２の出力Ｓ３及びＳ４と、入力Ｅ３及びＥ４との間に、それぞれ、位相シフトが生成される。第１の円偏波を得るためには、ポートＰ１に対してポートＰ３をπだけ位相シフトして励振する必要があり、位相シフト部Ｄ１により行われる。よって、ポートＰ３とＰ４の間に配置されているハイブリッド・カップラＨ２を考慮すると、パッチＰＡ３の位相は１８０°となり、パッチＰＡ４の位相は２７０°となる。

第２の偏波を得るために、カップラＨ１の出力に接続されているポートＰ２は、入力ポートＡ２の信号により励振され、パッチＰＡ２の位相は０°となり、結果、パッチＰＡ１の位相は９０°となる。よって、ポートＰ４を、ポートＰ２に対してπだけ位相シフトして励振する必要があり、位相シフト部Ｄ２により行われる。よって、ポートＰ３とＰ４の間に配置されているハイブリッド・カップラＨ２を考慮すると、パッチＰＡ４の位相は１８０°となり、パッチＰＡ３の位相は２７０°となる。

理論的構成は、Ｐ１と、位相シフト部によるＰ３と、Ｐ２と、他の位相シフト部によるＰ４の取付けにより、励振ラインが相互に交差することを示している。しかし、この交差は、一方のラインが他方のラインの上を通過することにより生じており、重大な損失と、ポート間の振幅及び位相の劣化の大きなリスクとを引き起こすものである。

本発明は、この交差を回避することを目的とする。

図４ａにそのデザインを示し、図４ｂに理論的構成を示す本発明の原理は、選択ポートの関数として２つの直交する円偏波の生成を可能とする様に、第１のハイブリッドＨ１とパッチ１の間に、長さＬ１のラインを配置することを含んでいる。

２つの円偏波を生成するため、種々のパッチにより生成される場の部品と、種々のパスにより導入される総ての位相シフトを考慮し、電磁シミュレーション・ソフトウェア（Ｚｅｌａｎｄ社ＩＥ３Ｄ）を用いると、構造の種々のパラメータの最適化後、このラインの長さにある制約が生じるという結果が得られる。

第１の制約は、選択したハイブリッドに関する制約である。ハイブリッド間で導入される位相シフトは、ｋを整数とし、２ｋπを法とする位相シフトに等しくなければならない。通常のハイブリッドの位相シフトは９０°であり、よって、図４ｂに示す理論的構成においても、ハイブリッド間の位相シフトは９０°である。

第２の制約は、第１のハイブリッドＨ１と第１のパッチＰＡ１間に配置するラインＬ１の長さに関する制約である。ラインの長さは、ハイブリッドＨ１と第１のパッチ間での位相シフトが、ｋを整数とし、２ｋπを法としてπに等しくなければならない。

図４ａは、本発明によるシステム・デザインの例を示し、この例では、例えばＫａソースを導入するために、４つのパッチが中央領域を空きとする様に配置されており、リング状又は他の形状のＫａソースを、この中央の領域に挿入することを可能にしている。パッチＰＡ１は、ラインＬ１によりハイブリッド素子Ｈ１に接続され、このラインＬ１の長さは、整数ｋに対し、２ｋπを法としてπに等しい位相シフトを可能にしている。

他のパッチは、上述した様に、ハイブリッド素子に、直接、接続されている。接続ラインと部品Ｄ１及びＤ２により形成される位相シフト部は、ポートＰ３とＰ２間、ポートＰ１とＰ４間に配置されている。２つのポートＡ１及びＡ２は、受信チェーンと共に、本発明によるシステムの接続を可能にしている。

当業者には、例えば、マイクロストリップ・ライン、導波管、コプラナー・ライン又は同軸ラインといった、ラインの長さを、対象とする各トポロジの関数として最適化する方法が知られている。

例示的な実施形態として、“設計”周波数を１２ＧＨｚ、インピーダンスを５０Ωとし、誘電率３．３８で高さ０．８１ｍｍであるロジャーズ（Ｒｏｇｅｒｓ）社の４００３基板上において、１８０°の位相シフトを伴うマイクロストリップ型のラインは、計算上、トラック幅が１．９８ｍｍで、長さが７．３８ｍｍとなる。

図４ｂは、本発明の理論的構成を示している。位相シフトπ＋２ｋπのラインＬ１の追加により、直交する円偏波の生成を保ちながら、ポートＰ１及びＰ４とポートＰ２及びＰ３間の接続ラインの交差を避けることができる。各パッチに関する位相シフト計算は、直交する部品間で９０°の位相シフトを示し、よって、これは円偏波に対応している。

第１の偏波に関して具体的には、ポートＡ１が励振信号に対応し、パッチＰＡ２のポートＰ２に関する位相シフトは０°である。パッチＰＡ１のポートＰ１に関する位相シフトは、ハイブリッドによる位相シフトπ／２とラインＬ１による位相シフトπの和、つまり、３π／２に対応する。パッチＰＡ３のポートＰ３に関する位相シフトは、ラインＤ１による位相シフトπ／２に対応する。パッチＰＡ４のポートＰ４に関する位相シフトは、ハイブリッドによる位相シフトπ／２とラインＤ１による位相シフトπ／２の和、つまり、πに対応する。第２の偏波も同様に、ポートＡ２が励振信号に対応し、計算では、直交する部品間にπ／２の位相シフトが生じ、よって、これは円偏波に対応する。

図５及び図６は、本発明による装置の適切な動作を説明するグラフである。

図５のグラフは、アンテナの電気的な能力を周波数の関数として表すパラメータＳ_ｉｊを示している。ポート１に関し、パラメータＳ_１１の変化を周波数の関数として表す曲線は、全帯域に渡り−２０ｄＢ未満の反射係数を示し、よって、最大のエネルギー転送を示している。

同様に、ポート２に関し、パラメータＳ_２２の変化を周波数の関数として表す曲線は、全帯域に渡り−２０ｄＢ未満の反射係数を示し、よって、これも最大のエネルギー転送を示している。

パラメータＳ１２は、２つのポート間のアイソレーションを示している。このパラメータが低い程、ポート間が良く分離されている。曲線は、１３．２５ＧＨｚ未満の周波数で−１０ｄＢ未満のアイソレーションを示し、これは、２つの受信経路間に殆ど“汚染”が存在しないことを暗示している。１２．６ＧＨｚから１２．８ＧＨｚの周波数帯において、アイソレーションは−２０ｄＢに達し、よって、求めている能力に対応する。

図６のグラフは、円偏波の質を示す楕円率（軸率）を周波数の関数として表し、ｄＢ又はリニアで表現される。０ｄＢの楕円率は、完全な円偏波を表し、高い楕円率は、楕円偏波が強くなっていることを示し、直線偏波の場合には、非常に大きい楕円率（＞１０ｄＢ）を示す。この楕円率は、場の２つの直交する部品の位相差と、これら２つの部品の振幅差を考慮している。全ネットワークの楕円率は、対象とする全帯域幅に渡り、主放射の方向において１．７４ｄＢ未満である。

本発明の他の形態も可能である、アンテナ・アレイは、アレイの中心を空きとする様に配置される２組の放射素子を含み、これにより、少なくとも２つのアンテナにより、少なくとも２つの周波数帯の受信を可能にする。よって、同じ周波数帯で、異なる型の２つのアンテナを使用することで、あるいは、同じ周波数帯で同じ型のアンテナを使用することで、アンテナ・ダイバーシティ受信の効果が可能になる。第２のアンテナは、アレイの中心に位置する。異なる型のアンテナは、例えば、“ホーン”型や、“ポリロッド”型アンテナとすることができる。

上述した例においては、２次の形状のパッチを表していた。円又は直角といった他の形状も可能である。パッチ間の分離を象徴的に表現した。各実施形態に対し最適化できる。パッチの励振は、マイクロストリップ・ラインや、例えば、方形状又は十字形状のスロットや、他の電磁結合といった異なる方法で行うことができる。

従来技術によるアンテナ・ネットワークの励振ネットワークを示す図である。 放射素子（パッチ）の構成を示す図である。 放射素子（パッチ）の構成を示す図である。 放射素子（パッチ）の構成を示す図である。 本発明が基礎とする理論的構成を示す図である。 本発明によるシステムのデザインを示す図である。 本発明の理論的構成を示す図である。 システムの適切な動作を説明するグラフである。 システムの適切な動作を説明するグラフである。

符号の説明

１０４、１０６ 入力ポート
１０８、１１０、１１２、１１４ 出力ポート
１０２ａ、１０２ｂ 結合素子
１１６、１２０ 接続ライン
１１８、１２２ 分配ライン
１１２ａ、１１２ｂ、１１４ａ、１１４ｂ、１２４、１２６ ライン

Claims (3)

1. ２つの周波数帯の受信のためのアンテナ・ネットワークであって、
   ２組の方形放射素子（ＰＡ１、ＰＡ２、ＰＡ３、ＰＡ４）と、
   前記周波数帯の一方の受信のための、前記放射素子の励振ネットワークと、
   を含み、
   前記励振ネットワークは、
   出力が、それぞれ、放射素子の第１の組（ＰＡ１、ＰＡ２）の各素子へのアクセス（Ｐ１、Ｐ２）に接続され、これら素子のアクセス間にπ／２の位相シフトの生成を可能にする第１のハイブリッド・カップラ（Ｈ１）と、
   出力が、それぞれ、放射素子の第２の組（ＰＡ３、ＰＡ４）の各素子へのアクセス（Ｐ３、Ｐ４）に接続され、これら素子のアクセス間にπ／２の位相シフトの生成を可能にする第２のハイブリッド・カップラ（Ｈ２）と、
   ハイブリッド・カップラ（Ｈ１、Ｈ２）の第１の入力（Ｅ１、Ｅ４）間に、２ｋπを法としてπ／２に等しい位相差を生成する第１の位相シフタ（Ｄ１）と、
   ハイブリッド・カップラ（Ｈ１、Ｈ２）の第２の入力（Ｅ２、Ｅ３）間に、２ｋπを法としてπ／２に等しい位相差を生成する第２の位相シフタ（Ｄ２）と、
   を備えており、
   前記方形放射素子（ＰＡ１、ＰＡ２、ＰＡ３、ＰＡ４）は、前記ネットワークの中心を空きとし、他の周波数帯の共局在受信を可能とするために、π／４だけ回転されており、
   位相シフトのための部品（Ｌ１）が、２ｋπを法としてπに等しい位相差を導入し、円偏波共用を可能とするために、第１の放射素子（ＰＡ１）のアクセス（Ｐ１）の前に挿入されている、
   アンテナ・ネットワーク。
2. 他の周波数帯の共局在受信は、中心にあるソースにより行われる、
   請求項１に記載のアンテナ・アレイ。
3. アンテナ・アレイの２つの周波数帯は、ＫＵ及びＫＡバンドである、
   請求項２に記載のアンテナ・アレイ。

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