JP2010251961A - マルチビームアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】製造上の実現性を考慮し、利用できる増幅器の種類が制限された中で、消費電力が最小となるように増幅器を配置した一次放射器アレーを有するマルチビームアンテナを提供する。
【解決手段】複数のビームを形成する複数の素子アンテナを含む一次放射器アレーを有するマルチビームアンテナにおいて、素子アンテナをそれぞれ励振する複数の種類の増幅器を有し、１個のビームが素子アンテナにより形成されるとともに、１個の素子アンテナが複数のビームの形成に寄与し、且つビーム毎の送信電力を必要に応じて可変とする複数の運用形態を用いる場合、全ての運用形態において素子アンテナが必要とする最大の送信電力に耐え得る種類の増幅器を選択するとともに、所定の運用形態における素子アンテナの出力電力と素子アンテナに接続する増幅器の電力効率とから求まる一次放射器アレーの総消費電力が最小となるように増幅器の最大出力電力を選定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数のビームを形成するアンテナに関し、特にマルチビームアンテナ用給電回路に関するものである。

近年、サービスエリアを非常に多くのエリアに分割し、それぞれのエリアに適したビームを照射する１００ビーム級のマルチビームを用いた衛星通信システムが研究開発されている。このようなマルチビーム衛星のアンテナ形式には一次放射器アレーを有する反射鏡マルチビームアンテナが用いられることが多い。またこのようなマルチビーム衛星は柔軟な周波数割り当てや効率のよい周波数再利用を実現でき、通信トラフィックの変動に柔軟な対応が可能といった利点を有する。

トラフィックの変動は、特に移動体に対して通信サービスを提供する移動体通信システムで一般に著しく短い期間に広範に発生する。さらに災害が発生した場合には、トラフィックは特定の地域やビームに大きく集中する可能性が高い。
このようなトラフィックの変動に対して各ビームの送信電力が変更される場合、ビームを形成するアンテナ素子に接続される電力増幅器の出力も変化する。従って、マルチビームアンテナの給電系には、従来、トラフィックの変動が発生してもその電力増幅に十分耐えることのできる高出力電力増幅器を配置する必要がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−９４７２９号公報

従来の技術において同じ増幅器を全ての素子に配置した場合、各素子の中の最大出力に対応する増幅器が必要となる。低い出力電力で動作する増幅器は低効率となり、消費電力として無駄となる。さらに一般的に高出力の増幅器は高コストなのでコスト面も問題となる。
一方、素子毎に適した出力の増幅器を配置した場合、消費電力や重量については最も理想的であるが、各素子に対応する増幅器を製造するため、コストや開発の複雑さが問題となる。

この発明では、前記のような課題を解決するためになされたものであり、製造上の実現性を考慮し、利用できる増幅器の種類が制限された中で、消費電力が最小となるように増幅器を配置した一次放射器アレーを有するマルチビームアンテナを提供することを目的とする。

この発明に係るマルチビームアンテナは、Ｂ個（Ｂは２以上の正の整数）のビームを形成するＮ個（Ｎは２以上の正の整数）の素子アンテナを含む一次放射器アレーを有するマルチビームアンテナにおいて、上記素子アンテナをそれぞれ励振するＫ種類（ＫはＮ未満の正の整数）の増幅器を有し、１個の上記ビームがＭ個（ＭはＮ未満の正の整数）の上記素子アンテナにより形成されるとともに、１個の上記素子アンテナがＬ個（ＬはＢ未満の２以上の正の整数）の上記ビームの形成に寄与し、且つ上記ビーム毎の送信電力を必要に応じて可変とする複数の運用形態を用いる場合、全ての上記運用形態において上記素子アンテナが必要とする最大の送信電力に耐え得る種類の上記増幅器を選択するとともに、所定の上記運用形態における第ｎ素子アンテナ（ｎは１からＮの整数）の出力電力Ｐ（ｎ）と上記第ｎ素子アンテナに接続する上記増幅器の電力効率η（Ｐ（ｎ），ｋ）（ｋは１からＫの整数）とから式（１）により求まる上記一次放射器アレーの総消費電力Ｐｄｃが最小となるように上記Ｋ種類の増幅器の最大出力電力を選定する。

この発明に係るマルチビームアンテナは、素子アンテナの数より少なく且つ一次放射器アレーの総消費電力が最小になるように増幅器の種類を選定するので、従来の全て同じサイズの増幅器を用いた場合に比べ消費電力を大きく低減できるという効果を奏し、理想的には最適となる全て異なる増幅器を配置した場合の消費電力に近づくことができる。

この発明の実施の形態に係る一次放射器アレーを有する反射鏡マルチビームアンテナの構成を示す図である。 この発明の実施の形態に係るマルチビームアンテナの設計手順を示すフローチャートである。 マルチビームの構成を説明する例として挙げた構成図である。 素子アンテナの構成を説明する例として挙げた構成図である。 各素子アンテナの最大出力電力と通常出力電力の例を示す。 増幅器の種類を３つ、増幅器のサイズ比を４ｄＢとしたときの増幅器の選択法を説明するための図である。 この発明に係る増幅器を選択する手順により選択した増幅器の配置を示す図である。 ビーム数と消費電力の関係を示す図である。 増幅器のサイズ比と消費電力の関係を示す図である。

以下、本発明のマルチビームアンテナの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
図１は、この発明の実施の形態に係る一次放射器アレーを有する反射鏡マルチビームアンテナの構成を示す図である。
この発明の実施の形態に掛るマルチビームアンテナ１０は、ビーム形成回路２、Ｎ個（Ｎは２以上の正の整数）の第１増幅器１２−１乃至第Ｎ増幅器１２−Ｎ、Ｎ個の第１素子アンテナ１３−１乃至第Ｎ素子アンテナ１３−Ｎ、反射鏡１を備える。
ビーム形成回路２には、Ｂ個（Ｂは２以上の正の整数）の第１信号１１−１乃至第Ｂ信号１１−Ｂが入力されている。そして、ビーム形成回路２は、入力されたＢ個の第１信号１１−１乃至第Ｂ信号１１−Ｂを、それぞれ所望の励振分布になるように使用する素子アンテナ１３分に分配し、分配された信号を素子アンテナ１３毎に合成し、素子アンテナ１３毎に合成された信号を対応する第１増幅器１２−１乃至第Ｎ増幅器１２−Ｎにそれぞれ出力する。例えば、第１信号１１−１は第１ビーム１５−１を形成するために必要な第１素子アンテナ１３−１、第２素子アンテナ１３−２、第３素子アンテナ１３−３分に分配される。

第１増幅器１２−１乃至第Ｎ増幅器１２−Ｎは、ビーム形成回路２から入力された信号を増幅し、増幅された信号で対応する第１素子アンテナ１３−１乃至第Ｎ素子アンテナ１３−Ｎを励振する。
第１素子アンテナ１３−１乃至第Ｎ素子アンテナ１３−Ｎは、励振されて電波を放射する。そして、放射された電波の励振分布は、図１に示すように、Ｂ個の第１励振分布１４−１乃至第Ｂ励振分布１４−Ｂとなる。
反射鏡１は、第１素子アンテナ１３−１乃至第Ｎ素子アンテナ１３−Ｎから放射された電波の位相が調整されてビームの方向が定まり、図１に示すように、Ｂ個の第１ビーム１５−１乃至第Ｂビーム１５−Ｂとして放射される。

Ｂ個の第１信号１１−１乃至第Ｂ信号１１−Ｂは、Ｂ個の第１ビーム１５−１乃至第Ｂビーム１５−Ｂとしてそれぞれ送信される。
なお、第１ビーム１５−１と第２ビーム１５−２との形成には、図１に示すように、第１励振分布１４−１と第２励振分布１４−２とが第３素子アンテナ１３−３に関係するので、第３素子アンテナ１３−３が共用される。つまり１つの素子アンテナ１３は複数のビーム１５に寄与する構成となっている。

図２は、この発明の実施の形態に係るマルチビームアンテナの設計手順を示すフローチャートである。
次に、この発明の実施の形態に係るマルチビームアンテナの設計手順を説明する。
まず、ステップＳ１において、素子アンテナ数Ｎ、ビーム数Ｂ、増幅器の種類数Ｋを決定する。
この説明では図３に示すビーム配置（ビーム数Ｂ２４個）と図４に示す素子アンテナ配置（素子アンテナ数Ｎ２９個）、増幅器の種類数Ｋを３とした場合の増幅器の配置について説明する。なお、図３に示すように、２４個のビームが覆うビームエリア２０に識別記号ｂ１〜ｂ２４を割り当てる。また、図４に示すように、２９個の素子アンテナ１３に識別記号＃１〜＃２９を割り当てる。

各ビーム１５と素子アンテナ１３の関係は、例えば、素子アンテナ＃１、＃２、＃３、＃４、＃５、＃６、＃７がビームｂ１２を形成し、これらの素子アンテナ１３を素子群４０とする。
また、素子アンテナ＃５、＃６、＃１４、＃１５、＃２６がビームｂ７を形成し、これらの素子アンテナ１３を素子群５０とする。
なお、素子アンテナ＃５、＃６はビームｂ７、ｂ１２双方の形成に用いられるが、それぞれのビームにおいて励振分布（振幅、位相）は異なる。

このように素子アンテナ数Ｎとビーム数Ｂの関係は１対１ではなく、１つの素子アンテナ１３は１つまたは複数のビーム１５に関与しており、逆に１つのビーム１５は１つまたは複数の素子アンテナ１３によって形成される。反射鏡１を介しているので、各ビーム１５の利得が同じであっても各ビーム１５を形成する素子アンテナ１３の数は異なる。
さらに、サービスエリアで使用される端末が異なれば必要な出力電力も異なる。

図５は、各素子アンテナの最大出力電力と通常出力電力の例を示す。
次に、ステップＳ２において、各素子アンテナ１３の出力電力Ｐ（ｎ）を求める。但し、ｎは１〜２９の整数である。ここでは図３のようなビーム配置を想定し、それぞれのビーム１５にはカバレッジ端の利得を含め一定の利得を満足するような励振分布が設定されている。最大出力電力とは全ての運用形態において素子アンテナ１３が必要とする最も高い出力電力である。また、通常出力電力とは全ての運用形態の中で運用時間が最も長い運用形態時の出力電力である。

次に、ステップＳ３において、各素子アンテナ１３に対応する増幅器１２のサイズを求める。ここでサイズとは飽和領域で動作しないようにバックオフを考慮した状態での最大出力電力を表す。
あらゆる運用形態において回線設計を満足するために、この最大出力電力に対応できる増幅器１２が必要となる。

図６は、増幅器を３種類、増幅器のサイズ比を４ｄＢとしたときの増幅器の選択法を説明するための図である。
次に、ステップＳ４において、増幅器１２の組み合わせを選択する。
まず、最大出力電力の最も大きい素子アンテナ１３−１の最大出力電力を第１増幅器サイズとする。そして、第１増幅器サイズから４ｄＢ低下した出力電力の間にある最大出力電力の素子アンテナ１３には第１増幅器サイズの第１種増幅器を配置する。第１素子アンテナ１３−１、第２素子アンテナ１３−２、第５素子アンテナ１３−５、第６素子アンテナ１３−６に対応する第１増幅器１２−１、第２増幅器１２−２、第５増幅器１２−５、第６増幅器１２−６を第１種増幅器とする。

次に、第１増幅器サイズから４ｄＢ低下した最大出力電力を第２増幅器サイズとする。そして、第２増幅器サイズから４ｄＢ低下した出力電力の間にある最大出力電力の素子アンテナ１３には第２増幅器サイズの第２種増幅器を配置する。第３素子アンテナ１３−３、第４素子アンテナ１３−４、第１３素子アンテナ１３−１３、第１４素子アンテナ１３−１４、第１５素子アンテナ１３−１５、第１９素子アンテナ１３−１９、第２０素子アンテナ１３−２０、第２２素子アンテナ１３−２２に対応する第３増幅器１２−３、第４増幅器１２−４、第１３増幅器１２−１３、第１４増幅器１２−１４、第１５増幅器１２−１５、第１９増幅器１２−１９、第２０増幅器１２−２０、第２２増幅器１２−２２を第２種増幅器とする。

最後に、第２増幅器サイズから４ｄＢ低下した最大出力電力を第３増幅器サイズとする。そして、第３増幅器サイズ以下の最大出力電力の素子アンテナ１３に対応する増幅器１２として第３増幅器サイズの第３種増幅器を配置する。
図７は、上述の手順により選択した増幅器の配置を示す。円が第１種増幅器、正方形が第２種増幅器、三角形が第３種増幅器を表す。

次に、ステップＳ５において、電力効率η（Ｐ（ｎ），ｋ）を求める。ここで、Ｐ（ｎ）は第ｎ素子アンテナ（ｎは１〜２９）の出力電力、ｋ（ｋは１，２，３）は増幅器の種類を表す。
増幅器単体での特性モデルを用いて第１種増幅器、第２種増幅器、第３種増幅器の電力効率η（Ｐ（ｎ），ｋ）を求める。特性モデルについてはシミュレーションや近似モデルなどにより増幅器サイズと出力電力、消費電力の関係を数値化できる。その特性から上記のように選択した組み合わせでの増幅器サイズと出力電力毎の電力効率η（Ｐ（ｎ），ｋ）を求める。

次に、ステップ６において、総消費電力Ｐ_ｄｃを求める。総消費電力Ｐ_ｄｃは式（１）で求める。ここで、Ｐ（ｎ）は第ｎ素子アンテナの出力電力、ｋは増幅器の種類、η（Ｐ（ｎ），ｋ）は第ｎ素子アンテナに接続された増幅器の種類をｋ、出力電力をＰ（ｎ）としたときの電力効率である。

図８は、ＧａＮ増幅器の特性モデルを用いて、式（１）により電力効率η（Ｐ（ｎ），ｋ）と出力電力Ｐ（ｎ）の関係から総消費電力Ｐ_ｄｃを計算した結果を示す。なお、総消費電力Ｐ_ｄｃは通常運用を想定して計算しているので出力電力Ｐ（ｎ）は通常出力電力である。図８の横軸は運用ビーム数を表す。比較として最大出力電力の最も大きい素子アンテナ１３に対応できる増幅器を全素子アンテナ１３に対応する増幅器として配置した場合の総消費電力、つまり増幅器サイズが１種類のみの場合の総消費電力と、素子アンテナ毎の最大出力電力に対応する種類の増幅器を配置したときの消費電力を表す。

この発明に係るマルチビームアンテナは、素子アンテナ１３の数より少なく且つ一次放射器アレーの総消費電力が最小になるように増幅器の種類を選定するので、従来の全て同じサイズの増幅器を用いた場合に比べ消費電力を大きく低減できるという効果を奏し、理想的には最適となる全て異なる増幅器を配置した場合の消費電力に近づく。

次に、ステップＳ７において、増幅器のサイズ比を変化させて増幅器の組み合わせの選択が完了したか否かを判断する。完了したらステップＳ８に進み、未了のときはステップＳ４に戻る。
次に、ステップＳ８において、増幅器のサイズ比を変化させて増幅器の組み合わせのそれぞれの総消費電力のうち最も小さな増幅器の組み合わせを増幅器として決定する。
図９に増幅器の種類を３つとし、増幅器のサイズ比を変化させたときの通常運用時の消費電力を示す。サイズ比を４ｄＢとすることで消費電力が最小となり、この場合での最適な組み合わせとなる。以上のような組み合わせを最適化することで、消費電力が小さくなる解を最終的な増幅器の組み合わせとして決定する。

以上のように、本発明ではマルチビームアンテナにおいて、実現性を考慮し、利用できる増幅器の種類が限られた中で一次放射器アレーの消費電力が最小となる増幅器の配置を決定できる。

なお、上述の実施の形態では等間隔のサイズ比で増幅器を配置する例を示したが、これに限らず不等間隔のサイズ比で増幅器を配置しても良い。
また、素子アンテナの最大出力電力の中で最も高いレベルの出力電力を１つ目の増幅器サイズとして配置したが、これに限らず素子の最大出力電力の中で最も高いレベルの出力電力以上の増幅器サイズを１つ目の増幅器としても同様に設計すればよい。
また、通常運用時において消費電力が最小となる例を示したが、これに限らず想定される全ての運用状態のいずれか、または複数の運用法で最小となる設計も可能である。

１ 反射鏡、２ ビーム形成回路、１０ マルチビームアンテナ、１１ 信号、１２ 増幅器、１３ 素子アンテナ、１４ 励振分布、１５ ビーム、２０ ビームエリア、４０ 素子群、５０ 素子群。

Claims (3)

1. Ｂ個（Ｂは２以上の正の整数）のビームを形成するＮ個（Ｎは２以上の正の整数）の素子アンテナを含む一次放射器アレーを有するマルチビームアンテナにおいて、
   上記素子アンテナをそれぞれ励振するＫ種類（ＫはＮ未満の正の整数）の増幅器を有し、
   １個の上記ビームがＭ個（ＭはＮ未満の正の整数）の上記素子アンテナにより形成されるとともに、１個の上記素子アンテナがＬ個（ＬはＢ未満の２以上の正の整数）の上記ビームの形成に寄与し、且つ上記ビーム毎の送信電力を必要に応じて可変とする複数の運用形態を用いる場合、
   全ての上記運用形態において上記素子アンテナが必要とする最大の送信電力に耐え得る種類の上記増幅器を選択するとともに、所定の上記運用形態における第ｎ素子アンテナ（ｎは１からＮの整数）の出力電力Ｐ（ｎ）と上記第ｎ素子アンテナに接続する上記増幅器の電力効率η（Ｐ（ｎ），ｋ）（ｋは１からＫの整数）とから求まる上記一次放射器アレーの総消費電力
   

   

   が最小となるように上記Ｋ種類の増幅器の最大出力電力を選定することを特徴とするマルチビームアンテナ。
2. Ｂ個（Ｂは２以上の正の整数）のビームを形成するＮ個（Ｎは２以上の正の整数）の素子アンテナを含む一次放射器アレーを有するマルチビームアンテナにおいて、
   上記素子アンテナをそれぞれ励振するＫ種類（ＫはＮ未満の正の整数）の増幅器を有し、
   １個の上記ビームがＭ個（ＭはＮ未満の正の整数）の上記素子アンテナにより形成されるとともに、１個の上記素子アンテナがＬ個（ＬはＢ未満の２以上の正の整数）の上記ビームの形成に寄与し、且つ上記ビーム毎の送信電力を必要に応じて可変とする複数の運用形態を用いる場合、
   全ての上記運用形態において上記素子アンテナが必要とする最大の送信電力に耐え得る種類の上記増幅器を選択するとともに、任意の１個の上記増幅器は最も送信電力の大きい上記素子アンテナに対応する上記増幅器とし、且つ所定の上記運用形態における第ｎ素子アンテナ（ｎは１からＮの整数）の出力電力Ｐ（ｎ）と上記第ｎ素子アンテナに接続する上記増幅器の電力効率η（Ｐ（ｎ），ｋ）（ｋは１からＫの整数）とから求まる上記一次放射器アレーの総消費電力
   

   

   が最小となるように上記Ｋ種類の増幅器の最大出力電力を選定することを特徴とするマルチビームアンテナ。
3. Ｂ個（Ｂは２以上の正の整数）のビームを形成するＮ個（Ｎは２以上の正の整数）の素子アンテナを含む一次放射器アレーを有するマルチビームアンテナにおいて、
   上記素子アンテナをそれぞれ励振するＫ種類（ＫはＮ未満の正の整数）の増幅器を有し、
   １個の上記ビームがＭ個（ＭはＮ未満の正の整数）の上記素子アンテナにより形成されるとともに、１個の上記素子アンテナがＬ個（ＬはＢ未満の２以上の正の整数）の上記ビームの形成に寄与し、且つ上記ビーム毎の送信電力を必要に応じて可変とする複数の運用形態を用いる場合、
   全ての上記運用形態において上記素子アンテナが必要とする最大の送信電力に耐え得る種類の上記増幅器を選択するとともに、任意の１個の上記増幅器は最も送信電力の大きい上記素子アンテナに対応する上記増幅器とし、且つ最も運用時間の長い上記運用状態における第ｎ素子アンテナ（ｎは１からＮの整数）の出力電力Ｐ（ｎ）と上記第ｎ素子アンテナに接続する上記増幅器の電力効率η（Ｐ（ｎ），ｋ）（ｋは１からＫの整数）とから求まる上記一次放射器アレーの総消費電力
   

   

   が最小となるように上記Ｋ種類の増幅器の最大出力電力を選定することを特徴とするマルチビームアンテナ。

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