JPH08181540A - マルチビーム放射装置及びこれを用いたマルチビームアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】大電力伝送における電力損失などの問題を容易
に解決でき、低サイドローブ化のための励振分布設定が
容易に行え、増幅器の電源を高効率に利用できる給電系
を有するマルチビーム放射装置及びマルチビームアンテ
ナを提供する。 【構成】反射鏡を介して電波の送受信を行う反射鏡型ア
ンテナの一次放射器として、複数のアンテナ素子で構成
されるクラスタを用い、アンテナ素子毎に増幅器を接続
し、その各増幅器の最大出力電力の比をアンテナ素子に
与える励振電力の比と一致するよう構成することを特徴
とする。 【効果】ビーム間での通信量の変動に対してフレクシブ
ルに対応でき、増幅器の電源効率を有効に利用すること
ができる。通信量が変動する移動体通信などに有効であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は衛星搭載用反射鏡アン
テナの一次放射器として用いられるマルチビーム放射装
置およびこれを用いたマルチビームアンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】衛星通信の需要の増加に伴い、衛星搭載
アンテナの利得を上げて通信容量を大きくとることが要
求されている。そのために、アンテナから放射されるビ
ームのカバレッジエリアを小さくし、狭い領域に効率良
く電波を放射させる必要がある。従って、複数のビーム
でサービスエリアをカバーするマルチビームによる衛星
放送システムが必要である。

【０００３】一例として、図２に示すような４ビームに
よるマルチビーム衛星通信を考える。ここで周波数の有
効利用をはかるため、１ビーム置きに同一周波数を利用
する。この周波数有効利用のため、衛星搭載アンテナに
対して放射パターンの低サイドローブ化が重要な技術と
なる。例えば、ビーム１に対して放射される電波は、同
一周波数を用いるビーム３のカバレッジに対しては干渉
が無いように、この領域内では低サイドローブ特性を有
する必要がある。

【０００４】このような低サイドローブ特性を実現する
アンテナ方式として、図３に示すような反射鏡２４と一
次放射器２３によって構成されるアンテナが考えられ
る。ここで一次放射器は、図４に示すように、４つのク
ラスタ３１、３２、３３、３４によって構成されてい
る。各クラスタは、各々一つのビームを形成し、各々７
個のアンテナ素子で構成される。ここで、ビーム１を形
成するクラスタ３１はアンテナ素子１，２，３，４，
５，６，７で構成され、ビーム２を形成するクラスタ３
２はアンテナ素子６，７，８，９，１０，１１，１２で
構成され、ビーム３を形成するクラスタ３３はアンテナ
素子１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７で構成
され、ビーム４を形成するクラスタ３４はアンテナ素子
１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２で構成され
る。このように、一つのビームを複数のアンテナ素子に
より形成し、各アンテナ素子に適当な励振分布を設定す
ることにより、それらの合成パターンが低サイドローブ
特性をもつようにさせることが可能である。また、ここ
で、ビームのクロスオーバーレベル（ビームとビームの
境界での利得）を高くしたいという要求から、クラスタ
を構成する一部のアンテナ素子を隣接するビーム間で共
用する（一例として、アンテナ素子６，７はクラスタ３
１で形成するビーム１とクラスタ３２で形成されるビー
ム２の両方で利用される）。

【０００５】以上のような考え方は既に多くの衛星搭載
用マルチビームアンテナに利用されている。その給電系
の構成として考えられる従来の方式を以下に示す。図１
１はマルチビーム給電系の従来の構成を示す一例であ
り、アンテナ素子１〜２２は各々のビームに対応するク
ラスタの給電回路４７、４８、４９、５０により合成
（受信の場合）もしくは分配（送信の場合）される。各
給電回路の中には、各クラスタを構成するアンテナ素子
に対して所定の励振分布を与えるように、分配器（合成
器）、移相器などを用いた構成となっている。給電回路
４７、４８、４９、５０には各々増幅器２０１、２０
２、２０３、２０４が接続され、送受の信号の増幅を行
う。この増幅器として、送信の場合には高出力増幅器
（具体的には進行波型増幅管や固体増幅器など）、受信
の場合には低雑音増幅器が用いられる。また、この給電
系構成の中で、隣接ビーム間で共用されるアンテナ素子
６，７，１１，１２，１６，１７では、ふたつの周波数
帯域の分離を行うために分波器２０５、２０６、２０
７、２０８、２０９、２１０が各々接続される。この方
式は給電回路でアンテナ素子の励振分布を自由に設定で
きるので、周波数再利用のために最適な低サイドローブ
パターンを各ビームで実現できる利点がある。しかし、
この方式は、各ビームの周波数帯域が固定して変化しな
いことを前提としており、周波数帯域や通信量を各ビー
ムの呼量に応じてフレクシブルに変化させることができ
ない。

【０００６】図１２の給電系構成は、ビーム間で周波数
帯域や通信量をフレクシブルに変化させることを可能と
するものである。ここで、各アンテナ素子１〜２２が各
々のビームに対応するクラスタの給電回路４７、４８、
４９、５０により合成もしくは分配されるところは図４
の構成と同様である。ただし、隣接するビーム間で共用
するアンテナ素子６，７，１１，１２，１６，１７で
は、周波数帯域での分離を行う分波器により各ビームへ
信号を分離することが不可能であるので、単なる分配器
（合成器）４１、４２、４３、４４、４６を接続する。
給電回路４７、４８はマトリクス増幅器５９に、給電回
路４９、５０はマトリクス増幅器６０に各々接続され
る。マトリクス増幅器５９、６０は、３ｄＢハイブリッ
ド５１、５２、５３、５４、増幅器５５、５６、５７、
５８により構成される。このマトリクス増幅器では、入
力信号がハイブリッドにより等分配されて、二つの増幅
器により増幅され、出力側のハイブリッドにより一方の
ポートに出力される。図に示すように二つのビームが同
時に入力した場合にも、常に増幅器に対して同レベルで
入出力し、別々のポートに各ビームの出力が現れる。こ
の場合、ビーム間での周波数帯域のアンバランス（通信
量の差）があっても、増幅器への入力は均一化されるの
で増幅器は常に高効率で動作できる。いま、ビーム１お
よびビーム３が占める周波数帯域の全体に対する割合を
ｘ（０≦ｘ≦１）とし、一つの増幅器の最大出力電力を
Ｐmax とすると、増幅器の電源効率ηは次式のようにな
る。

【０００７】 η＝２［２ｘＰmax ＋２（１−ｘ）Ｐmax ］／（４Ｐmax ）＝１．０ (１) 従って、この例の場合、電源効率は理論的に１００％に
なる。以上述べたように、図１２の給電系構成はビーム
間で通信量が変動する衛星通信システムに対して非常に
有効である。しかし、次のような問題点がある。

【０００８】特に、送信アンテナとして利用する場合、
給電回路４７、４８、４９、５０は大電力が伝送されて
おり、その中で励振分布を高精度に実現することはハー
ドウェアを形成する上で難しい点が多い。大電力ゆえに
発生するパッシブインターモジュレーション（ＰＩＭ，
高調波が発生し、受信機などへ影響を与える問題）やマ
ルチパクション（２次の電子発生によりＲＦ的に短絡状
態になり、大電力伝送に障害が発生する問題）を抑える
ために神経を尖らせる必要がある。また、周波数帯域に
フレクシビリティを持たせるとすると、ビーム間共用素
子に接続される合成器（分配器）４１、４２、４３、４
４、４５、４６において損失が発生し（このアンテナに
対する入力の半分は損失となる）、アンテナ効率が低下
したり、熱が発生する問題もある。合成器の換わりにハ
イブリッドなどを用いて素子共用を行う方法なども考え
られているが、この場合にはビーム間共用素子の励振分
布が拘束され、クラスタとしての低サイドローブ化に適
した最適な励振分布設定ができなくなる。さらに、理想
的に無限大であるマトリクス増幅器のポート間のアイソ
レーションが実際には有限の値にしか実現できないた
め、あるビームの信号が他のビームのクラスタへ洩れ込
む問題もある。この場合、ビーム間アイソレーション特
性を劣化させる。ビーム間のアイソレーションレベルは
マトリクス増幅器のポート間アイソレーション特性に大
きく依存し、このために非常に高いビーム間アイソレー
ションが要求されるような衛星通信システムには利用で
きないこともある。

【０００９】給電系構成の従来の方法として、図１３の
ような構成も考えられる。この構成では、アンテナ素子
１〜２２に各々増幅器６１〜８２が直接接続されてい
る。ここで増幅器は全て同じ仕様である。その後、クラ
スタ単位で給電回路８９、９０、９１、９２が構成さ
れ、ここで低サイドローブ化に最適な励振分布が設定さ
れる。ビーム間で共用するアンテナ素子６，７，１１，
１２，１６，１７において合成器８３、８４、８５、８
６、８７、８８が各々接続されている。この合成器で
は、アンテナ素子の方向へ半分の電力しか伝達されない
のでここで損失が生じることになるが、この部分に伝送
される信号は小電力であるので特に問題にはならない。
図１３の構成では、特に送信アンテナとして利用する場
合、アンテナ素子と増幅器が直結されているので、大電
力を伝送する部分が短く、図１２の構成では問題となる
電力損失、ＰＩＭ、マルチパクションに対する対策は容
易になる。しかし、増幅器の電源効率の点では不利であ
る。前述の議論と同様に、全ての増幅器の最大出力電力
がＰmax であり、クラスタを構成するアンテナ素子の励
振電力が中心のアンテナ素子を１、周辺のアンテナ素子
がα（０＜α≦１）、ビーム１および３の周波数帯域の
割合をｘとした場合、電源効率ηは次のようになる。 η＝［２（１＋６α）ｘＰmax ＋２（１＋６α）（１−ｘ）Ｐmax ］ ／２２Ｐmax ＝２（１＋６α）／２２ (２) ここでα＝０．１（＝- １０ｄＢ）とすると、η＝１
４．５％となり、電源効率が非常に悪いことがわかる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、マ
ルチビームアンテナにおける従来の給電系構成におい
て、マトリクス給電系を用いた場合には、大電力を伝送
させることに起因するパッシブインターモジュレーショ
ンやマルチパクション、電力損失の問題を解決すること
が難しく、また、電力損失低減のためにクラスタの励振
分布が制限されて十分に低サイドローブ化することが困
難になる問題があった。また、増幅器をアンテナ素子に
直結した給電系構成の場合には、増幅器の電源効率が非
常に低くなる問題点があった。

【００１１】本発明では、以上の問題点を解決し、大電
力伝送に係わる電力損失などの問題を容易に解決でき、
低サイドローブ化のための励振分布設定が容易に行え、
増幅器の電源を高効率に利用できる給電系を有するマル
チビーム放射装置及びこれを用いたマルチビームアンテ
ナを提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、第一の発明では、反射鏡を介して電波の送受を行う
反射鏡型アンテナの一次放射器として、複数のアンテナ
素子で構成されるクラスタを用い、前記クラスタはビー
ム毎に設けられ、前記アンテナ素子毎に増幅器が接続さ
れ、前記増幅器の各最大出力電力の比は各々対応する前
記アンテナ素子に与える励振電力の比と一致させたこと
を特徴とする。

【００１３】また、第一の発明において、前記アンテナ
素子毎に接続される増幅器の最大出力電力の比は簡単な
整数比で表されるようにしたことを特徴とする。第二の
発明では、反射鏡を介して電波の送受を行う反射鏡型ア
ンテナの一次放射器として、複数のアンテナ素子で構成
されるクラスタを用い、前記クラスタはビーム毎に設け
られ、前記アンテナ素子の一部は隣接するビーム間で共
用され、他の一部はただ一つの対応するビームに対して
のみ使用され、前記ただ一つの対応するビームに対して
のみ使用されるアンテナ素子はマトリクス増幅器に接続
したことを特徴とする。

【００１４】

【作用】第一の発明では、反射鏡を介して電波の送受を
行う反射鏡型アンテナの一次放射器として、複数のアン
テナ素子で構成されるクラスタを用いる。ここで複数の
アンテナ素子に適当な励振分布（励振振幅、励振位相）
を設定することができ、ビーム間での周波数再利用を行
うために必要な低サイドローブパターンが形成できる。
このクラスタをビーム毎に設けることにより、ビーム単
位で低サイドローブ特性をもたせることができる。クラ
スタを構成するアンテナ素子毎には増幅器が接続され、
この増幅器間の最大出力電力の比を各アンテナ素子の励
振電力の比と一致させることにより、各々のアンテナ素
子において励振分布に応じた出力電力を発生させること
ができる。

【００１５】また、ここで増幅器の各最大出力電力の比
を簡単な整数比になるように設定することにより、簡単
な整数比で表される各々のアンテナ素子の励振分布に応
じた出力電力を発生させることができる。

【００１６】第二の発明では、反射鏡を介して電波の送
受を行う反射鏡型アンテナの一次放射器として、複数の
アンテナ素子で構成されるクラスタを用いる。ここで複
数のアンテナ素子に適当な励振分布（励振振幅、励振位
相）を設定することができ、ビーム間での周波数再利用
を行うために必要な低サイドローブパターンが形成でき
る。このクラスタをビーム毎に設けることにより、ビー
ム単位で低サイドローブ特性をもたせることができる。
ここで、アンテナ素子の一部は隣接するクラスタ間で共
用されており、この他のアンテナ素子についてはただ一
つの対応するビームに対してのみ使用される。隣接する
クラスタ間で共用するアンテナ素子には各々のアンテナ
素子毎に増幅器が接続され、入力信号が増幅される。ま
た、ただ一つの対応するビームに対してのみ使用される
アンテナ素子についてはマトリクス増幅器に接続され、
マトリクス増幅器の中にある複数の増幅器へ入力信号を
均一に分配して増幅する。

【００１７】

【実施例】以下に図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。図１には、第一の発明の実施例を示すマルチビーム
アンテナの給電系（マルチビーム放射装置）の構成を示
す。この例では図２に示すように、４ビームによってサ
ービスエリアをカバーするマルチビームによる衛星通信
を想定し、１ビーム置きで同一周波数を再利用する（ビ
ーム１とビーム３が同一周波数ｆａ、ビーム２とビーム
４が同一周波数ｆｂ）。アンテナ全体は、図３に示すよ
うに、反射鏡２４と一次放射器２３で構成され、一次放
射器の構成は図４に示すようになる。ここでビーム１、
２，３，４は各々クラスタ３１、３２、３３、３４によ
り形成され、クラスタ３１はアンテナ素子１、２、３、
４、５、６、７、クラスタ３２はアンテナ素子６、７、
８、９、１０、１１、１２、クラスタ３３はアンテナ素
子１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、クラス
タ３４はアンテナ素子１６、１７、１８、１９、２０、
２１、２２により各々構成される。ビームカバレッジの
境界であるクロスオーバーの部分のアンテナ利得を上げ
るために、隣接するビーム（クラスタ）間でアンテナ素
子の共用を行う。例えば、アンテナ素子６、７はビーム
１と２で共用される。ここで、クラスタを構成する７つ
のアンテナ素子に適当な励振分布（励振振幅と励振位
相）を与えることで、各々のビームパターンの低サイド
ローブ化が容易に実現される。特に、周波数共用するも
う一方のビームカバレッジ内のサイドローブレベルを低
減させることにより、ビーム間アイソレーションを大き
くでき、周波数再利用が可能となる。

【００１８】図１の給電系構成において、アンテナ素子
１〜２２は各々増幅器２１１〜２３２に接続される。各
増幅器はクラスタ単位毎に給電回路８９、９０、９１、
９２に接続される。この給電回路では、低サイドローブ
な放射指向性を実現するような励振分布を各アンテナ素
子に対して設定する。例えば、給電回路は、幾つかの分
配器（受信の場合には合成器）、移相器などで構成さ
れ、これらのコンポーネントの分配比や位相量を設定す
ることにより各アンテナ素子へ所定の励振振幅、励振位
相を与えることができる。ビーム間（クラスタ間）で共
用するアンテナ素子６、７、１１、１２、１６、１７に
は、増幅器と給電回路の間に合成器（受信の場合には分
配器）８３、８４、８５、８６、８７、８８が各々接続
され、各給電回路からの信号を合成（分配）する。合成
器（分配器）は単なるＴ分岐のようなもので形成でき
る。この給電系は送信、受信ともに利用できる。送信の
場合には、増幅器として高出力増幅器（ＨＰＡ）を用
い、実際には進行波型増幅器（ＴＷＴ）や固体増幅器
（ＳＳＰＡ）が利用される。受信の場合には、増幅器と
して低雑音増幅器（ＬＮＡ）を用いる。

【００１９】以下に、増幅器の最大出力電力の設定の方
法を送信アンテナの給電系の場合について説明する。低
サイドローブ化のためにクラスタを構成するアンテナ素
子に最適化された励振分布を設定する必要がある。アン
テナ素子が同一である場合には、クラスタ中心のアンテ
ナ素子（図１の例では、アンテナ素子４、９、１４、１
９）に励振する電力レベルを１とすると、周辺の素子に
対しては−１０dB程度になる。いま、この値をα（０＜
α＜１）とする。この励振分布は給電回路によって設定
され、場合によっては励振位相も調整する。このような
状況において、クラスタの中心のアンテナ素子４、９、
１４、１９に接続される増幅器２１４、２１９、２２
４、２２９の最大出力電力をＰmax とし、その周辺のア
ンテナ素子１、２、３、５、６、７、８、１０、１１、
１２、１３、１５、１６、１７、１８、２０、２１、２
２に接続される増幅器２１１、２１２、２１３、２１
５、２１６、２１７、２１８、２２０、２２１、２２
２、２２３、２２５、２２６、２２７、２２８、２３
０、２３１、２３２の最大出力電力をαＰmax とする。
増幅器の増幅率は全て同じである。また、全ての帯域が
あるビームに集中しても入力対出力の線形性が保障され
るように増幅器の動作点（バックオフレベル）を設定
し、そのときの出力電力を最大出力電力と定義してい
る。このような状況において、ビーム１（３）が占める
周波数帯域の割合をｘ（０≦ｘ≦１）としたときの増幅
器の電源効率ηは次のように表される。 η＝全てのビームの出力電力の和／増幅器の最大出力電力の和 ＝［２( １+ ６α) ｘＰmax ＋２( １+ ６α)(１- ｘ) Ｐmax ］ ／［ (４+ １８α）Ｐmax ］ ＝( １+ ６α) ／( ２+ ９α） ( ３) 従って、α＝０．１（＝−１０ｄＢ）を仮定すると、η
＝５５．２％となる。

【００２０】以上のような給電系構成により、次のよう
な効果が期待できる。例えば、アンテナ素子と増幅器が
直結しているので、送信の場合、高電力の伝送線路を最
小限の部分となっているので、高電力化に伴う損失、パ
ッシブインターモジュレーション（ＰＩＭ）、マルチパ
クションなどの問題の対策が比較的容易である。例え
ば、ＰＩＭの低減のためには給電回路の一体化成形など
の製造方法がとられるが、第一の発明の場合、このよう
なことを考慮した製造・製作が簡単に行える。また、受
信の場合には、アンテナ素子から増幅器に至る線路損失
を最小にすることができ、線路損失によるＧ／Ｔ（利得
対雑音温度比）の劣化を防ぐことができる。

【００２１】また本発明の給電系構成により、ビーム間
で通信量の変動があり、それに伴い周波数帯域などを変
化させた場合にも、５０％程度以上の電源効率が得られ
る。これは図１３に示した従来の方法に比較して数倍良
い値である。このから、通信量の変動が大きいことが予
想される、衛星移動通信システムなどに利用される衛星
搭載アンテナに対して非常に有効である。

【００２２】またアンテナの励振分布は給電回路により
自由に設定できる。従って、低サイドローブ化に対して
最適な励振分布が設定でき、高いビーム間アイソレーシ
ョンレベルが要求されるような場合にも、本発明の構成
は有効である。また、給電回路は信号が小電力レベルの
領域であり、線路損失に伴う熱の発生などの問題が全く
無く、給電回路の製作もマイクロストリップ線路などの
平面回路により、小型、薄型で、しかも容易に行うこと
ができる。

【００２３】また本発明の給電系構成は、増幅器の電源
効率を評価関数として、最大出力電力という指標により
増幅器の最適化設定を行う方法を明確に示している。こ
れにより、増幅器は中心のアンテナ素子用のものと、周
辺のアンテナ素子用の二種類あればよいことを示した。
従って、同じ特性のものをたくさん製作すればよく、設
計、製造、調整などの工程を簡単化できる。

【００２４】第一の発明において、以下のような変更を
行ってもその効果は同じである。例えば本発明におい
て、アンテナ素子、給電線路、給電回路コンポーネント
などはその方式は全く問わない。どのような方式のもの
を用いても効果は同じである。

【００２５】またクラスタの方式について、図４に示し
たように、７つのアンテナ素子による構成を例にあげて
説明したが、９つのアンテナ素子を用いる場合など他の
方式を用いても同様の効果がある。また、隣接クラスタ
におけるアンテナ素子の共用についても、図４では２個
のアンテナ素子を共用する場合について示したが、これ
を１素子共用としてもよい。クラスタを構成するアンテ
ナ素子の中で、一つのビームについて単独で利用するア
ンテナ素子が存在すれば（複数あってもよい）、隣接ク
ラスタで共用するアンテナ素子の数は自由である。・給
電回路の構成についても図１に示した例の限りではな
い。例えば、周波数変換器を設けて、低い周波数帯へ変
換して給電回路を構成する方法が考えられる。この場
合、給電回路コンポーネントの製作が容易になったり、
給電損失を低減できるなどの利点がある。

【００２６】次に、第一の発明のその他の実施例につい
て説明する。図５には、第一の発明のその他の実施例で
ある給電系の構成を示す。送信の場合を例にとり、この
給電系の構成および動作について説明する。クラスタ中
心にあるアンテナ素子４、９、１４、１９には各々合成
器２６３、２６５、２６７、２６９と分配器２６４、２
６６、２６８、２７０を介して４つの増幅器（アンテナ
素子４については増幅器２７１、２７２、２７３、２７
４、アンテナ素子９については増幅器２７５、２７６、
２７７、２７８、アンテナ素子１４については増幅器２
７９、２８０、２８１、２８２、アンテナ素子１９につ
いては増幅器２８３、２８４、２８５、２８６）が接続
されている。また、クラスタの周辺にあるアンテナ素子
１、２、３、５、６、７、８、１０、１１、１２、１
３、１５、１６、１７、１８、２０、２１、２２には各
々増幅器２４１、２４２、２４３、２４５、２４６、２
４７、２４８、２５０、２５１、２５２、２５３、２５
５、２５６、２５７、２５８、２６０、２６１、２６２
が接続される。ここでクラスタは図４に示したような配
列になっているものとする。各アンテナ素子に対応する
励振電力は、各々のビームに関する給電回路８９、９
０、９１、９２により設定され、各ビームで低サイドロ
ーブな放射指向性が実現される。また、図１の構成例と
同様に、ビーム（クラスタ）間で共用するアンテナ素子
６、７、１１、１２、１７、１８については合成器８
３、８４、８５、８６、８７、８８により信号の合成を
行う。

【００２７】以下に、増幅器の最大出力電力の設定の方
法ついて説明する。図１の構成例と同様に低サイドロー
ブ化のためにクラスタを構成するアンテナ素子に最適化
された励振分布を設定する必要がある。ここで、クラス
タ中心のアンテナ素子に励振する電力レベルと周辺のア
ンテナ素子に励振する電力レベルの比はＮ：１（Ｎは整
数）であるものとする。いま、周辺のアンテナ素子に励
振する電力レベルが中心素子に対して−１０dBであれ
ば、この比は１０：１になる。低サイドローブ化の程度
によりこの比率は変化し、図５の実施例では例えば４：
１となるような場合について考えている。この場合、図
１の実施例では、中心のアンテナ素子に接続される増幅
器の最大出力電力を周辺のアンテナ素子に接続される増
幅器のＮ倍とすることにより、増幅器の電源効率を最適
化できる。

【００２８】図５の構成例では、最大出力電力をＮ倍す
る換わりに周辺のアンテナ素子に接続された増幅器と同
じものをＮ個並列させている。このような構成にするこ
とにより、図１の構成例の場合と全く同じ電源効率が得
られ、効果も同様なものが得られる。この他に以下のよ
うな効果も期待できる。

【００２９】また利用する増幅器を全て同一にすること
が可能となる。従って、増幅器の設計、製造、調整など
の工程がさらに簡単になり、アンテナ全体の低コスト化
にも非常に有効である。

【００３０】図６には第二の発明の実施例を示すマルチ
ビームアンテナの給電系の構成を示す。ここで想定する
マルチビームは図２に示したとおりであり、また、図３
に示したような反射鏡アンテナおよび図４に示した一次
放射器を考えている。

【００３１】図６の給電系構成において、クラスタの周
辺に置かれたアンテナ素子１、２、３、５、６、７、
８、１０、１１、１２、１３、１５、１６、１７、１
８、２０、２１、２２は各々増幅器１０１、１０２、１
０３、１０５、１０６、１０７、１０８、１１０、１１
１、１１２、１１３、１１５、１１６、１１７、１１
８、１２０、１２１、１２２に直接接続される。クラス
タの中心にあるアンテナ素子４、９、１４、１９はマト
リクス増幅器に接続される。アンテナ素子４、９につい
てはマトリクス増幅器３０１に、アンテナ素子１４、１
９についてはマトリクス増幅器３０２に各々接続され
る。マトリクス増幅器に接続されるアンテナ素子は必ず
しもクラスタの中心にあるアンテナ素子である必要は無
いが、そのアンテナ素子が一つのビームについて単独で
利用されている（隣接ビームで共用していない）こと
と、一つのマトリクス増幅器に接続される二つのアンテ
ナ素子は違う周波数帯で動作していることが条件であ
る。マトリクス増幅器３０１、３０２は３dBハイブリッ
ド１２３、１２４、１２５、１２６と増幅器１０４、１
０９、１１４、１１９により構成され、入力信号を増幅
器に均等に分配して増幅し、入力ポートに対応する出力
ポートから出力する。マトリクス増幅器および増幅器は
クラスタ単位毎に給電回路１３２、１３３、１３４、１
３５に接続される。

【００３２】この給電回路では、低サイドローブな放射
指向性を実現するような励振分布を各アンテナ素子に対
して設定する。例えば、給電回路は、幾つかの分配器
（受信の場合には合成器）、移相器などで構成され、こ
れらのコンポーネントの分配比や位相量を設定すること
により各アンテナ素子へ所定の励振振幅、励振位相を与
えることができる。ビーム間（クラスタ間）で共用する
アンテナ素子６、７、１１、１２、１６、１７には、増
幅器と給電回路の間に合成器（受信の場合には分配器）
１２７、１２８、１２９、１３０、１３１、１３２が各
々接続され、各給電回路からの信号を合成（分配）す
る。合成器（分配器）は単なるＴ分岐のようなもので形
成できる。この給電系は送信、受信ともに利用できる。

【００３３】以下に、増幅器の最大出力電力の設定の方
法を送信アンテナの給電系の場合について説明する。低
サイドローブ化のためにクラスタを構成するアンテナ素
子に最適化された励振分布として、クラスタ中心のアン
テナ素子４、９、１４、１９に励振する電力レベルを１
とし、周辺の素子に対してはα（０＜α＜１）とする。
ここでアンテナ素子に直結された増幅器（マトリクス増
幅器の中に配置されたもの以外）の最大出力電力をＰma
x 、マトリクス増幅器の中に配置された増幅器１０４、
１０９、１１４、１１９の最大出力電力を０．５Ｐmax
とする。増幅率は全て同一であるものとする。この場
合、ビーム１（３）が占める周波数帯域の割合をｘ（０
≦ｘ≦１）としたときの増幅器の電源効率ηは以下のよ
うになる。 η＝［２( １+ ６α) ｘＰmax ＋２( １+ ６α)(１- ｘ) Ｐmax ］ ／［( ２+ １８) Ｐmax ］ ＝( １+ ６α) ／１０ (４) α＝０．１（＝- １０ｄＢ）を仮定すると、η＝１６％
となり、従来の方法に比較して電源効率は改善される。
従って、ビーム間の通信量の変動する衛星通信システム
などへ利用する場合に有効である。

【００３４】図６に実施例において、クラスタ周辺のア
ンテナ素子に接続された増幅器の最大出力をそのアンテ
ナ素子の励振電力に比例した値αＰmax とすることによ
り、さらに電源効率が改善されたマルチビーム給電系が
構成される。この場合、電源効率ηは以下のようにな
る。 η＝［２( １+ ６α) ｘＰmax ＋２( １+ ６α)(１- ｘ) Ｐmax ］ ／[(２+ １８α) Ｐmax ］ ＝( １+ ６α) ／( １+ ９α) ( ５) α＝０．１（＝−１０dB）を仮定すると、η＝８４．２
％となり、ほぼ１００％に近い値が達成される。

【００３５】マトリクス増幅器に関しては、図７もしく
は図８のような構成により、増幅器の数を任意に増加さ
せることができる。このような方法により、クラスタ中
心のアンテナ素子の励振電力とクラスタ周辺のアンテナ
素子の励振電力の比がＮ：１となるときに、全ての増幅
器（マトリクス増幅器の中のものも含める）の最大出力
電力、増幅率を同一として、クラスタ周辺のアンテナ素
子に対しては１個の増幅器を接続し、クラスタ中心のア
ンテナ素子に対してはマトリクス増幅器に接続し、その
中にＮ個の増幅器を構成する。このような構成にするこ
とにより、給電系に用いられる増幅器は全て同一種類の
ものとなり、設計、製造を簡単化し、低コスト化する上
で都合がよい。

【００３６】図６の例では、２つの周波数帯に分割した
場合の給電系構成について示したが、本発明はこの例に
限らずさまざまなマルチビームに対しても利用できる。
例えば、図９に示すように４つの周波数帯（ｆａ，ｆ
ｂ，ｆｃ，ｆｄ）で分割した場合、給電系において４つ
の周波数に対応する各クラスタの中心のアンテナ素子を
図１０に示すようなマトリクス給電系に接続することに
より、図６の構成の場合と同様な効果が得られる。

【００３７】以上の実施例から明らかなように、本発明
では、移動体衛星通信などにおけるビーム間の通信量の
変動に対してフレクシブルに対応し、常に電源の効率を
高い状態で無駄無く利用できるマルチビーム給電系を提
供できる。しかも、給電系内に配置される増幅器を均一
化することができるので、その設計、製造、調整の工程
を著しく簡単化し、特性の良いものを低コストに製作す
ることができる。また、第一の発明と同様の効果があ
り、アンテナ素子と増幅器が直結していることによりＰ
ＩＭやマルチパクョンなどの高出力伝送に伴う問題を回
避することが容易であるなどの利点がある。

【００３８】

【発明の効果】本発明のマルチビーム放射装置及びマル
チビームアンテナにおいては、アンテナ素子と増幅器が
直結されているので、高出力化に伴うＰＩＭ、マルチパ
クションなどの問題発生を防ぐことが容易に行え、低損
失化にも有効である。また、マルチビーム衛星通信シス
テムにおいて周波数有効利用を行う上で重要な低サイド
ローブ化が、小電力の信号が伝送されている給電回路に
おいて行われているので、アンテナ素子へ最適励振分布
の設定が容易に行える。

【００３９】また、アイソレーション特性を劣化させる
ことがないので、周波数再利用を行う上で高アイソレー
ション特性が要求される衛星放送システムなどに利用す
る上で有効である。さらに、ビーム間での通信量に変動
がある場合に対して周波数帯域の割当を変えるなどフレ
クシブルな対応が可能であり、この場合に増幅器の電源
効率を高効率に使用することができ、電源の制限される
衛星搭載システムにおいて非常に効果が大きい。さら
に、このアンテナを構成する上で必要な増幅器の種類は
ただの１種類もしくは高々２種類で済むため、この増幅
器の設計、製造、調整などの工程が非常に簡単化され、
特性の良いものが低コストで製作することが可能にな
り、衛星搭載アンテナなどの用途として効果は絶大であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のマルチビーム放射装置の給電系構成
を示す図。

【図２】 ビームの配置および周波数分割の様子を示す
図。

【図３】 本発明のマルチビームアンテナの構成を示す
図。

【図４】 一次放射器の構成するクラスタを示す上面
図。

【図５】 本発明のマルチビーム放射装置の他の給電系
構成を示す図。

【図６】 第二の発明のマルチビーム放射装置の給電系
構成を示す図。

【図７】 本発明のマルチビームアンテナに用いるマト
リクス増幅器の構成を示す図。

【図８】 本発明のマルチビームアンテナに用いるマト
リクス増幅器の他の構成を示す図。

【図９】 ビームの配置および周波数分割の他の構成例
を示す図。

【図１０】 本発明のマルチビームアンテナに用いるマ
トリクス増幅器の他の実施例を示す図。

【図１１】 従来の方法によるマルチビームアンテナの
給電系構成を示す図。

【図１２】 従来の方法によるマルチビームアンテナの
給電系構成を示す図。

【図１３】 従来の方法によるマルチビームアンテナの
給電系構成を示す図。

【符号の説明】

１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１
２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２
０、２１、２２…アンテナ素子 反射鏡…２４ 一次放射器…２３ ３１、３２、３３、３４…クラスタ ４７、４８、４９、５０、８９、９０、９１、９２、１
３２、１３３、１３４、１３５…給電回路 ５５、５６、５７、５８、６１、６２、６３、６４、６
５、６６、６７、６８、６９、７０、７１、７２、７
３、７４、７５、７６、７７、７８、７９、８０、８
１、８２、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、
１０６、１０７、１０８、１０９、１１０、１１１、１
１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７、１１
８、１１９、１２０、１２１、１２２、２０１、２０
２、２０３、２０４、２１１、２１２、２１３、２１
４、２１５、２１６、２１７、２１８、２１９、２２
０、２２１、２２２、２２３、２２４、２２５、２２
６、２２７、２２８、２２９、２３０、２３１、２３
２、３１３、３２１…増幅器 ２０５、２０６、２０７、２０８、２０９、２１０…分
波器 ４１、４２、４３、４４、４５、４６、８３、８４、８
５、８６、８７、８８、１２７、１２８、１２９、１３
０、１３１、１３２、２６３、２６４、２６５、２６
６、２６７、２６８、２６９、２７０、３１４、３１５
…合成器もしくは分配器 ５９、６０、３０１、３０２…マトリクス増幅器 ５１、５２、５３、５４、１２３、１２４、１２５、１
２６、３１０、３２２…ハイブリッド ３１１…無反射終端

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の放射素子と、増幅器を介して放射素
   子と接続される給電回路とからなる放射手段を複数備え
   たマルチビーム放射装置において、前記複数の放射素子
   に給電する信号電力比とほぼ等しく前記増幅器間の最大
   出力電力比を設定したことを特徴とするマルチビーム放
   射装置。
2. 【請求項２】第一の放射手段を構成する放射素子、電力
   増幅器の一部と第二の放射手段を構成する放射素子、電
   力増幅器の一部とを共用することを特徴とする請求項１
   記載のマルチビーム放射装置。
3. 【請求項３】反射鏡を介して電波の送信または受信を行
   う反射鏡型アンテナの一次放射器として、複数のアンテ
   ナ素子で構成されるクラスタを用い、前記クラスタはビ
   ーム毎に設けられ、前記アンテナ素子毎に増幅器が接続
   され、前記増幅器の各最大出力電力の比は各々対応する
   前記アンテナ素子に与える励振電力の比と一致している
   ことを特徴とするマルチビームアンテナ。
4. 【請求項４】前記アンテナ素子毎に接続されている増幅
   器の最大出力電力の比は簡単な整数比で表されることを
   特徴とする請求項３記載のマルチビームアンテナ。
5. 【請求項５】反射鏡を介して電波の送受を行う反射鏡型
   アンテナの一次放射器として、複数のアンテナ素子で構
   成されるクラスタを用い、前記クラスタはビーム毎に設
   けられ、前記アンテナ素子の一部は隣接するビーム間で
   共用され、他の一部はただ一つの対応するビームに対し
   てのみ使用され、前記ただ一つの対応するビームに対し
   てのみ使用されるアンテナ素子はマトリクス増幅器に接
   続されていることを特徴とするマルチビームアンテナ。