JP2002111361A

JP2002111361A - 広い地上エリアをカバーする通信アンテナ

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Publication number: JP2002111361A
Application number: JP2001200441A
Authority: JP
Inventors: Gerard Caille; ジエラール・ケイユ; Yann Cailloce; ヤン・ケヨス
Original assignee: Alcatel SA; Nokia Inc
Current assignee: Alcatel Lucent SAS; Nokia Inc
Priority date: 2000-07-06
Filing date: 2001-07-02
Publication date: 2002-04-12
Anticipated expiration: 2021-07-02
Also published as: CA2351119A1; DE60122832D1; DE60122832T2; FR2811480A1; US20020005800A1; JP5007005B2; FR2811480B1; EP1170823A1; EP1170823B1; ATE339023T1; US6650281B2

Abstract

(57)【要約】【課題】低雑音増幅器、移相器、減衰器の数を大幅に
低減する静止衛星用アンテナを提供すること。【解決手段】本発明は、いくつかのエリアに分割され
た領域をカバーするための通信システムの静止衛星用受
信（または送信）アンテナに関し、各エリア向けのビー
ムは、反射器の焦点面の近くに配置された複数の放射要
素またはソース２２によって画定される。アンテナは少
なくとも１つの第１マトリックス５０_ｊを含み、このマ
トリックスの各入力は放射要素２２_ｋ＋１、．．．、２
２_ｋ＋８に接続され、各出力（または入力）５
６_ｋ＋１、．．．、５６_ｋ＋８は、増幅器６２_ｋ＋１お
よび移相器８４_ｋ＋１によって逆バトラーマトリックス
５４_ｊの対応する入力に接続される。移相器はエリアを
変位させるか、または指向誤りを修正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、静止衛星上に実装
して、広大なテリトリに通信を中継するための通信アン
テナに関する。

【０００２】

【従来の技術】送信アンテナと受信アンテナを搭載する
静止衛星（ｇｅｏｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｓａｔｅｌ
ｌｉｔｅ）は、広大なテリトリ、例えば北アメリカの大
きさの領域に通信を提供するために使用され、それぞれ
のアンテナは、多数の放射要素またはソースを連結した
反射器を備えている。通信リソース、特に周波数サブバ
ンドの再使用を可能にするために、カバーする領域はい
くつかのエリアに分割され、リソースは様々なエリアに
割り当てられて、１つのエリアにあるリソースが割り当
てられると、隣接するエリアには異なるリソースが割り
当てられるようにする。

【０００３】各エリアは、例えば数百キロメートルのオ
ーダの直径を有し、その範囲では、エリア中でアンテナ
から高利得で十分に均質な放射を提供するためには、各
エリアを複数の放射要素でカバーしなくてはならない。

【０００４】図１は静止衛星に搭載されたアンテナでカ
バーされる領域１０とｎ個のエリア１２_１、１
２_２、．．．、１２_ｎを示す。この例では４つの周波数
サブバンドｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４が使用されている。

【０００５】エリア１２_ｉは、いくつかのサブエリア、
１４_１、１４_２などに分割される。各サブエリアは、ア
ンテナの一つの放射要素に対応する。図１は、ある放射
要素、例えばエリア１２_ｉの中心の放射要素１４_３は、
ただ一つの周波数サブバンドｆ４に対応するのに対し
て、例えばエリア１２_ｉ周辺の放射要素のような他の放
射要素は、複数のサブバンドすなわち隣接エリアに割り
当てられたサブバンドに連結されていることを示す。

【０００６】図２は、前述の種類の通信システムための
従来技術による受信アンテナを示す。

【０００７】アンテナは反射器２０と反射器の焦点面の
近くに複数の放射要素２２_１、．．．、２２_Ｎを備え
る。各放射要素、例えば放射要素２２_Ｎが受信する信号
は、特に（高電力）送信周波数を消去することを意図し
て、最初にフィルタ２４_Ｎを通過させ、次いで低雑音増
幅器２６_Ｎを通過させられる。低雑音増幅器２６_Ｎの出
力における信号は、分波器３０_Ｎでいくつかのパートに
分割されて、場合によっては各パートごとに違う係数が
つけられる。このように分波することの目的は、１つの
放射要素で複数のビームの形成に寄与できるようにする
ことである。したがって、分波器３０_Ｎの出力３２_１は
エリア３４_ｐに割り当てられ、スプリッタ３０_Ｎの別の
出力３２_ｉは別のエリア３４_Ｑに割り当てられる。

【０００８】エリアを画定するための分波器３
０_１、．．．、３０_Ｎおよび加算器３４_ｐ、．．．、３
４_ｑは、ビームまたはペンシルビーム形成ネットワーク
と呼ばれる装置４０の部分である。

【０００９】図２のビーム形成ネットワーク４０には、
各分割器３０_ｉの各出力について、移相器４２と減衰器
４４が組み合わせられている。移相器４２と減衰器４４
は、衛星が望まない変位を生じたときの修正のため、ま
たは地上のエリア分布を変更するために、放射ダイアグ
ラムを変更する。

【００１０】また、各低雑音増幅器２６_Ｎには、故障時
に代用するために、同じ型の増幅器２６’が連結されて
いる。この目的で、２つのスイッチ４６_Ｎ、４８_Ｎを設
けて、そのような代用ができるようにしている。したが
って、故障を検出する遠隔計測手段（図示せず）と交換
を実行するための遠隔制御手段（図示せず）を備える必
要がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】図２に示したタイプの
アンテナシステムには、多数の低雑音増幅器、移相器、
減衰器が含まれる。構成要素が多数になることは、その
重量ゆえに衛星にとっては問題である。また、多数の移
相器４２と減衰器４４は、信頼性の問題を提起する。

【００１２】本発明は、低雑音増幅器、移相器、減衰器
の数を大幅に低減する。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この目的で、本発明によ
る受信アンテナは、マトリックスの各入力が１つの放射
要素からの信号を受信し、各出力が１つの移相器と直列
に、好ましくは減衰器とも直列に低雑音増幅器に連結さ
れている、少なくとも１つの第１バトラー（Ｂｕｔｌｅ
ｒ）マトリックスと、第１のバトラーマトリックスの逆
行列であって、第１バトラーマトリックスの出力数と同
数の入力を有し、かつ第１バトラーマトリックスの入力
数と同数の出力を有し、出力がエリアビームを形成する
ために組み合わされている、第２バトラーマトリックス
と、移相器を制御するための制御手段と、適用可能なと
ころでは、ビームを修正または変更するための減衰器を
含む。

【００１４】３ｄＢカプラからなるバトラーマトリック
スでは、各出力の信号は、すべての入力信号の組み合わ
せであるが、様々な入力からの信号は、各入力ごとに異
なる特有の位相を有しており、したがって入力信号は、
逆バトラーマトリックスを通過し、次いで増幅、移相、
適用可能な場合は減衰の処理の後で、一体的に再構成で
きる。

【００１５】第１バトラーマトリックスの出力数は、入
力数に等しいことが好ましい。この場合には、低雑音増
幅器の数は放射要素の数と等しくなるが、従来技術で
は、図２に示すように、低雑音増幅器の数は放射要素の
数の２倍である。さらに、移相器の数も放射要素の数に
等しいのに対して、従来技術では、放射要素の出力信号
が分波され、ビーム形成ネットワークチャネルのそれぞ
れに移相処理と減衰処理４２、４４が適用されるため
に、移相器と減衰器の数は大幅に大きい。

【００１６】移相器を低雑音増幅器と直列に制御して、
ビームの修正と変更を行うことは、本発明による受信ア
ンテナでは、特に簡単である。

【００１７】バトラーマトリックスを用いているため
に、１つの低雑音増幅器が故障すると、すべての出力で
信号が均一に減少する。

【００１８】増幅器が故障したときの出力信号に与える
影響を緩和するために、一実施形態では、第１バトラー
マトリックスの各出力に連結した低雑音増幅器には、複
数の（例えば１対の）増幅器を並列に、例えばカプラに
よって相互接続して設ける。この場合には、増幅器対の
１つだけが故障することによる劣化は、単一の増幅器が
各出力に連結されている場合の劣化の半分またはそれよ
り少なくなる。

【００１９】８次のバトラーマトリックスを、その各出
力に１対の増幅器を並列に連結して用いると、劣化は−
０．５６ｄＢに等しいことを示すことができる。１６次
バトラーマトリックスを、第１バトラーマトリックスの
各出力に１対の増幅器を連結させる場合には、劣化は−
０．２８ｄＢとなる。

【００２０】一実施形態では、連結された複数の２次元
マトリックス、例えば異なる面にあるマトリックスを用
いることにより、各２次元マトリックスの次数をｎとす
ると、放射要素から受信された各信号はｎ×ｎ個の低雑
音増幅器に分配されるようになる。１例としてｎ＝８と
すると、この場合には１つの放射要素が受信するそれぞ
れの信号は、６４の低雑音増幅器に分配される。この例
では、ただ１つの増幅器が各出力に連結されているとす
ると、１つの増幅器の故障がもたらす損失は、わずか−
０．１４ｄＢである。

【００２１】本発明は、同様の構造を有する送信アンテ
ナにも同等に適合する。この場合には、第１バトラーマ
トリックスの入力は送信すべき信号を受信し、第２バト
ラーマトリックスの出力は放射要素に接続される。もち
ろん、送信アンテナには、低雑音増幅器の代わりに電力
増幅器を用いる。

【００２２】送信および受信に適合する一実施形態で
は、バトラーマトリックスの１つとビーム形成ネットワ
ークが単一のデバイスを構成する。

【００２３】送信パワーをすべてのパワー増幅器に分配
するために送信アンテナに２つのバトラーマトリックス
を有する構造を使うことは、すでに従来技術において知
られているが、これらの従来技術のアンテナでは、ビー
ムは図２を参照して受信アンテナについて説明した方法
で修正または再構成される。したがって、送信アンテナ
については、本発明は移相器の数と、適用可能な場合
は、減衰器の数を低減するとともに、これらの制御を簡
単にする。さらに、受信アンテナについては、前述した
ように、本発明は低雑音増幅器の数を低減する（従来技
術の受信アンテナと比較して）。

【００２４】１対のバトラーマトリックスはそれぞれ、
数エリアに対応するのが好ましい。すべてのエリアに単
一のバトラーマトリックスを提供することも可能ではあ
る。しかし、製造を簡単にするには、複数のバトラーマ
トリックスを用いるのが好ましい。この場合には、いく
つかの放射要素を２つの異なるバトラーマトリックスに
割り当てることができる。この場合、バトラーマトリッ
クス対の一方に連結された増幅器が故障すると、対応す
るバトラーマトリックスに連結されたすべてのビームの
信号が劣化する。これに反して、同じバトラーマトリッ
クス対について増幅器が故障しない場合には、第２マト
リックス対のサブエリアについては減衰がないが、第１
マトリックス対に対応するサブエリアは減衰を受けるこ
とになる。

【００２５】この欠点を改善する目的で、発明の一実施
形態では、送信および受信パワーを均質化するために、
少なくとも１つの増幅器が故障したマトリックスに隣接
するバトラーマトリックスに連結されている減衰器を制
御する。

【００２６】したがって、本発明は、いくつかのエリア
に分割された領域をカバーする通信システム用の静止衛
星搭載の受信（または送信）アンテナであって、各エリ
アのためのビームを、反射器の焦点面の近くに配置され
た複数の放射要素またはリソースで画定し、エリアの位
置を変更したり、指向誤りを修正したりするように適合
化されているアンテナに関する。

【００２７】アンテナの特徴は、少なくとも１つの第１
バトラーマトリックスを含み、マトリックスの各入力
（または出力）が１つの放射要素に接続されており、か
つマトリックスの各出力（または入力）が増幅器と移相
器を介して逆バトラーマトリックスの対応する入力に接
続されていること、逆バトラーマトリックスの出力（ま
たは入力）がビーム形成ネットワークに連結し、さらに
エリアを転位させたり、指向誤りを修正するために移相
器を制御するとともに、第１マトリックスと逆バトラー
マトリックスが、各放射要素から受信したエネルギーを
すべての増幅器に分配し、１つの増幅器の故障がすべて
の出力信号に均一に分布するようにすることである。

【００２８】各増幅器および各移相器と直列に、増幅器
の利得を等化するための減衰器を備えることが好まし
い。

【００２９】一実施形態では、アンテナが、入力（また
は出力）が放射要素に接続された少なくとも２つのバト
ラーマトリックスを含むとともに、少なくとも１つの放
射要素を、第１バトラーマトリックスの入力の１つと第
２バトラーマトリックスの入力の１つに接続する。

【００３０】この場合は、２つのバトラーマトリックス
に連結された放射要素は、３ｄＢカプラを介して２つの
マトリックスの入力（または出力）に接続されるととも
に、対応する逆バトラ−マトリックスの出力（または入
力）に１つのアナログカプラを設けるのが好ましい。

【００３１】各増幅器と移相器と直列に１つの減衰器を
設けることもできる。この場合は、マトリックスに対応
する１つの増幅器が故障すれば、２つのマトリックスの
出力信号を均質化するために、減衰器が他のバトラーマ
トリックスの出力信号を減衰させる。

【００３２】一実施形態では、第１バトラーマトリック
スの各出力（または入力）と逆バトラーマトリックスの
対応する各入力（または出力）との間に、増幅器を並列
に設け、例えば９０°カプラで連結される。

【００３３】角度誤差を修正するとともに、すべてのビ
ームを同時に指向しなおすために、移相器は、第１バト
ラーマトリックスの出力信号の位相前面の勾配を変更す
るのが好ましい。

【００３４】逆バトラーマトリックスとビーム形成ネッ
トワークは、単一のシステムを構成するのが有利であ
る。

【００３５】減衰器が各増幅器と直列に設けられるとき
は、増幅器は３ｄＢ未満のダイナミックレンジを有する
ことが好ましい。

【００３６】バトラーマトリックスは、例えば８次また
は１６次のマトリックスである。

【００３７】一実施形態では、アンテナは、平行な面内
に配置された第１バトラーマトリックスの第１のシリー
ズと、第１シリーズとは異なる方向、例えばそれに直交
する別の平行な面内に配置された第１バトラーマトリッ
クスの第２のシリーズを含むことにより、２つの異なる
方向において、したがってアンテナによってカバーされ
るエリアのすべての方向において、エリアの変位、また
は指向誤りの修正を可能にする。

【００３８】本発明のその他の特徴と利点は、添付の図
面を参照して示した、以下の発明の実施形態から明らか
になるであろう。

【００３９】

【発明の実施の形態】図２に示すアンテナのように、図
３に示す受信アンテナは、１つの反射器（図３に示さ
ず）と反射器の焦点エリア付近に配置された複数の放射
要素２２_１、．．．、２２_Ｎを備える。

【００４０】図３の例では、受信アンテナは複数のバト
ラーマトリックス５０_１、．．．、５０_ｊ、．．．、５
０_ｐを備える。マトリックスはすべて同一であり、同数
の入力と出力を有する。

【００４１】各入力は１つの放射要素から信号を受け取
る。したがってバトラーマトリックス５０ｊには、５２
_１から５２_８まで８つの入力があり、入力５２_１は放射
要素２２_ｋ＋１から信号を受信する。入力５２_８は、放
射要素２２_ｋ＋８から信号を受信する。一実施形態で
は、放射要素２２_ｋ＋１から２２_ｋ＋８は、１つのエリ
アすなわち１つのビームに割り当てられる。しかし、前
述したように、これらの放射要素のいくつかは、隣接す
るエリアでの他のビームの形成にも関わっている。

【００４２】バトラ−マトリックス５０_ｊの各出力は、
フィルタと低雑音増幅器を介して逆バトラーマトリック
ス５４_ｉの対応する入力に接続されている。図３は、マ
トリックス５０_ｊの第１出力５６_ｋ＋１とマトリックス
５０_ｊの最後の出力５６_ｋ＋ _８に対応する低雑音増幅器
とフィルタのみを示している。したがって、マトリック
ス５０_ｊの出力５６_ｋ＋１は、フィルタ６０_ｋ＋１と低
雑音増幅器６２_ｋ＋１とを直列に経由して、マトリック
ス５４_ｊの入力５８_ｋ＋１に接続されている。フィルタ
６０_ｋ＋１の機能は、送信信号を消去することである。
フィルタは、特にマトリックスが導波路技術で実装され
た場合には、マトリックス５０_ｊの一部になることもあ
る。

【００４３】バトラーマトリックス５４_ｊの伝達関数は
マトリックス５０_ｊの伝達関数の逆関数である。マトリ
ックス５４_ｊは、マトリックス５０_ｊの出力数に等しい
入力数を有し、マトリック５０_ｊの入力数に等しい出力
数を有する。

【００４４】様々な逆バトラーマトリックス５４_ｊの出
力は、ビーム形成ネットワーク６６を介してビーム６４
_１、．．．、６４_ｓの出力に接続されている。

【００４５】バトラーマトリックスは、後に説明するよ
うに、３ｄＢカプラからなり、入力に入った信号は、Ｍ
を出力の数とすると、１出力ごとに２π／Ｍだけ位相を
ずらせて、すべての出力に分配される。マトリック５４
_ｊが、マトリックス５０_ｊの逆関数を有するので、マト
リックス５０_ｊの特定の入力からの信号は、フィルタリ
ングおよび増幅を行った後、マトリックス５４_ｊの対応
する出力で、見い出すことができる。

【００４６】マトリックス５０_ｊの各出力５６は、同じ
マトリックスのすべての入力信号を表す信号を配信す
る。この場合には、低雑音増幅器６２の１つまたは複数
が故障すると、対応するエリアについてビームの均質性
の欠陥をもたらすことはないが、そのかわり放射要素２
２_ｋ＋１から２２_ｋ＋８に対応するすべてのエリアの均
質な電力低減をもたらす。

【００４７】１つの増幅器が故障すると、マトリックス
５４_ｊのすべての出力における信号が、２０ｌｏｇ（１
−１／Ｍ）ｄＢだけ減少することを示すことができる。
但し、ここでＭはバトラーマトリックスの次数、つまり
この例ではＭ＝８である。しかし、マトリックス５４_ｊ
の負荷の損失は無視できるので、アンテナのＧ／Ｔパラ
メータの劣化は、この値の半分、すなわち１０１ｏｇ
（１−１／Ｍ）となる。この理由は、支配的なノイズが
低雑音増幅器の出力で拾われたノイズであり、故障した
増幅器は、ノイズの原因となることはなくなり、全ノイ
ズパワーがファクタ（１−１／Ｍ）だけ低減されるため
である。

【００４８】このような条件下では（８次のマトリック
スについては）、１つの低雑音増幅器が故障すると、Ｇ
／Ｔ比の劣化は−０．５６ｄＢ、またはＭ＝６の場合の
劣化は−０．２８ｄＢとなる。前記の数字は、図５を参
照して以下に説明するように、各増幅器が１対の増幅器
からなり、「増幅器の故障」という表現が１対の増幅器
の１つだけを指すという仮説に対応するものである。

【００４９】１つの低雑音増幅器が故障すると、出力信
号間の分離も劣化する。したがって、故障前に入力信号
が完全に分離されている、そして出力信号も完全に分離
されている場合には、１つの増幅器の故障後は、２つの
出力間の分離は２０ｌｏｇ（Ｍ−１）ｄＢ、すなわちＧ
＝８ならば１７ｄＢ、Ｇ＝１６ならば２３．５ｄＢとな
る。

【００５０】前記の値は、従来手法の計算を用いて得た
理論値である。しかし、適切な技術、例えばコンパクト
な導波路分配器を用いれば、損失および誤りは低く、実
際に得られる結果は計算に一致する。

【００５１】一実施形態では、逆マトリックス５４_ｊと
ビーム形成ネットワーク６６が単一の多層回路を構成す
る。これが可能なのは、逆マトリックスとネットワーク
６６は同じ技術を用いたプレーナ多層回路で構築するの
が好ましく、したがって同一パッケージにできるからで
ある。低雑音増幅器より下流の回路に起因する損失は、
上流で生じた損失よりも重要性は低く、導波路回路のか
わりにマイクロストリップまたはトリプレート回路を使
用することができる。マイクロストリップおよびトリプ
レート回路はより小型であるが、導波路回路よりもわず
かに大きい損失がある。しかし、これは前述のように重
要な問題ではない。

【００５２】図４は、バトラーマトリックスを用いてビ
ームの修正または変更の制御を簡単化した本発明の第３
の実施形態を示す。図では、アンテナに対して正常な放
射方向７０を鎖線で、例えば衛星の不安定性が原因でア
ンテナから見て誤った発射方向７２を破線で示してあ
る。

【００５３】放射方向７０におけるエネルギーは実線図
７４に対応し、放射方向７２のエネルギーが破線図７６
に対応する。したがって、アンテナの方向が正しくない
と、焦点面の放射をシフトさせ、所与の方向から最大の
エネルギーを取り込むことを狙いとする放射要素は、強
く減衰されたエネルギーを受信する。したがって、この
シフトによって、ゲインは大幅に減少し、分離が低化す
る。

【００５４】図２を参照して示したアンテナの再指向、
すなわちその方向の修正のために、従来技術の解決策で
は、各放射要素に移相器４２と減衰器４４を割り当て、
移相器４２を個々に制御する。また、減衰器が高いダイ
ナミックレンジを有するのは、いくつかのソースを
「切」にしたり「入」にしたりできなくてはならないた
めである。この制約が理由で、低雑音増幅器の利得は高
くなくてはならない。また、１つのエリアに割り当てら
れた放射要素（ソース）の数は、サブエリアの数よりも
大きくなくてはならない。例えば、７つの放射要素が公
称ダイアグラムを構成すると、再指向を可能にするのに
これらの放射要素で形成されるセプテット（７個組）の
まわりに少なくとも１つのリングが必要となる。したが
って、１つのエリアへのアクセスごとに１９のソース
（７つではなく）を備える必要がある。エリアが正方メ
ッシュを形成し、かつ各エリアについて４つのアクティ
ブソースが備えられると、１つのエリアに対するアクセ
ス数は１６となる。

【００５５】図２に示した解決方法と比較して、本発明
は指向の修正と、地上のエリアの変位を簡略化する。本
発明はバトラーマトリックス５０_ｊがあることを活用す
る。出発点は、マトリックス５０_ｊの出力において、位
相前面８０_ｋ＋１は、簡単に所望の位相前面８２_ｋ＋１
に傾けることが出来るという事実である。これは、各ビ
ームの信号が、対応するマトリックス５０_ｊのすべての
出力にわたって、所与の位相勾配で配分されているため
である。各入力に対応する勾配は、ある固定値、すなわ
ち与えられた次数のマトリックスによって決まる定数に
よって分離される。この場合には、再指向、すなわち要
求された修正を成し遂げるには、マトリックス５０_ｊの
各出力対応に１つの移相器を備えて、勾配を伸ばすだけ
で十分である。

【００５６】図４において、直線セグメント８０_ｋ＋１
と８２_ｋ＋１は、放射要素２２_ｋ＋ _１からの信号に対す
る出力５６_ｋ＋１から５６_ｋ＋８までの位相の分布を表
している。直線セグメント８０_ｋ＋３および８２_ｋ＋３
は、放射要素２２_ｋ＋３からの信号に対する出力の位相
の分布に対応しており、直線セグメント８０_ｋ＋７およ
び８２_ｋ＋７は放射要素２２_ｋ＋７によって供給される
信号に対するすべての出力についての位相と対応してい
る。これらの図では、慣例によって、出力５６
_ｋ＋１と、直線セグメント８２_ｋ＋１と出力５６_ｋ＋１
につながる直線セグメントＤ_ｋ＋１との交点Ｐ_ｋ＋１と
の間の距離が、放射要素２２_ｋ＋１からくる信号の出力
の位相を表している。同様に、直線セグメント８２
_ｋ＋１と対応する直線セグメントＤ_ｋ＋２他との交点
は、やはり放射要素２２_ｋ＋１に対応する信号について
の出力における信号の位相を表す。

【００５７】したがって、出力５６_ｋ＋１について、例
えば、放射要素２２_ｉからくる信号の位相前面を、８０
から８２まで修正するためには、位相修正ｄ_ｋ＋１、ｄ
_ｋ＋ _２、．．．、ｄ_ｋ＋８を適用する必要がある。しか
し、ｄ_ｋ＋１、ｄ_ｋ＋２、ｄ _ｋ＋３などの値は同一であ
ることがわかる。したがって、共通の値ｄ_ｋ＋１、ｄ
_ｋ＋２などを修正するのには、単一の移相器８４_ｋ＋１
で十分である。

【００５８】バトラーマトリックス５０_ｊによってもた
らされる修正は、図中に示した単一の面においてのみ有
効である。実際の修正をもたらすためには、バトラーマ
トリックスは、別の面、例えば図６で示し、以下で説明
予定の直角の面にも備えなくてはならない。

【００５９】本実施例では、この種の移相器８４は、低
雑音増幅器５２の下流に設けられる。したがって、図４
の移相器８４_ｋ＋１は、減衰器８６_ｋ＋１を介して増幅
器６２_ｋ＋１の出力に接続されており、移相器８４
_ｋ＋１の出力は逆マトリックス５４_ｊの対応する入力に
接続されている。

【００６０】この実施形態では、可変減衰器８６を用い
て増幅器６２の利得を等化する。これらの減衰器は、後
に説明するように、マトリックス５０_ｊに結合されたマ
トリックスに接続されている１つまたは複数の低雑音増
幅器が故障したときの補償を提供する。

【００６１】この実施例においては、送信周波数が受信
周波数と干渉するのを防ぐために、バトラーマトリック
ス５０_ｊ中に高域通過フィルタを設ける。このフィルタ
は、例えばカットオフ周波数が受信バンドと送信バンド
の間にある導波路である。

【００６２】この実施例では、図３を参照して述べたよ
うに、逆バトラーマトリックス５４ _ｊを、ビーム形成ネ
ットワーク６６に統合することも可能である。

【００６３】図５に示す変形形態では、低雑音増幅器６
２は９０°カプラを用いて連結して１対にする。より正
確には、増幅器６２_ｋ＋１が増幅器６２_ｋ＋２と連結さ
れて、９０°カプラ８８が増幅器の入力同士を接続し、
別の９０°カプラが増幅器の出力を相互接続する。した
がって、１つの増幅器が故障したときには、８次のバト
ラーマトリックスを用いると損失は０．２８ｄＢであ
り、これは図５に示す特徴には含まれていないが、バト
ラーマトリックスが１６次マトリックスである場合と同
じ損失である。この理由は、バトラーマトリックスの出
力と連結する各増幅器２つを１対にして実装すること
で、増幅器対の１方が故障したとき、他方の増幅器がま
だ作動しているために、パワー損失は半分になるためで
ある。言い換えると、これはバトラーマトリックスの次
数を倍にするのと同じ効果がある。

【００６４】より一般的には、やはり増幅器の故障の影
響を低減する目的において、それぞれの出力を複数の増
幅器と並列に連結してもよい。この場合、再組み合わせ
を伴う分波を容易にするために、各出力に対応する増幅
器の数は２の累乗となる。

【００６５】これまで記述した実施例においては、複数
のマトリックス５０_ｊを用いたが、単一のＭ次のバトラ
ーマトリックスを備えることも可能であり、この場合Ｍ
は放射要素の数である。しかし、衛星に搭載するための
スペースの制約から、放射要素の数が多いときには、こ
の種のバトラーマトリックスを単一面に搭載することが
出来ない。この場合、図６に示すような、２次元配置の
バトラーマトリックスを用いる必要があり、このマトリ
ックスは、第１レイヤが８つのバトラーマトリックス９
０_１から９０_８からなり、第２レイヤがマトリックス９
０と直交配置されたバトラーマトリックス９２_１から９
２_８からなる、６４次のマトリックスである。

【００６６】この種の２次元マトリックスの実装は複雑
であり、またこのマトリックスはアンテナの雑音温度を
含む損失を発生する可能性がある。しかし、この種の２
次元マトリックスは、２つの直交面において同時に再指
向することが可能であり、より多数の低雑音増幅器を相
互接続することで故障の影響を軽減することができる。

【００６７】一般的に、２つの異なる面において修正を
行うことができるためには、マトリックス９０と９２
が、２つの直交する面にあることは絶対条件ではない。
２つの面が十分離れて異なる方向にあるだけで十分であ
る。１つの例では、隣接するソースの中心が正３角形を
形成する配列への接続を容易に行うために、方向が６０
°ずれている。

【００６８】８次および１６次のバトラーマトリックス
は４次のバトラーマトリックスから構築される。

【００６９】図７は４次のバトラーマトリックスを示
し、これには２つの入力カプラ９４、９６、および２つ
の出力カプラ１０２、１０４、および２つの中間カプラ
９８、１００を有する、６つの３ｄＢカプラが含まれ
る。ここで示さない変形形態では、中間カプラ９８と１
００の代わりに、クロスオーバが用いられるが、クロス
オーバは導波路技術では実装が困難である。

【００７０】３ｄＢカプラ、例えば入力カプラ１０４
は、２つの入力１０４_１と１０４_２、および２つの出力
１０４_３と１０４_４を有する。１つの入力に適用される
信号、例えば入力番号１０４_１のパワーは、２つの出力
１０４_３、１０４_４に分配され、この２つの出力信号間
にπ／２の位相シフトを生じる。したがって、図７に示
すように、入力１０４_１の信号Ｓが、出力１０４_３で信
号Ｓ／√２となり、出力１０４_４で信号−ｊＳ／√２と
なる。入力１０４_２のシグナルＳ’は、出力１０４_４の
信号Ｓ’／√２と出力１０４_３での信号−ｊＳ／√２に
対応する。

【００７１】入力１０４_１での信号は、４次バトラーマ
トリックスの４つの出力、すなわちカプラ９４と９６の
それぞれの出力９４_３、９４_４、および９６_３、９６_４
で取得される。信号ｊＳ／２は出力９４_３で取得され、
信号−Ｓ／２は出力９４_４で、信号−ｊＳｅ^−ｊψ／２
は出力９６_３で、信号Ｓｅ^−ｊψ／２は出力９６_４で取
得される。カプラ９８と１００の間には、移相器１０５
によって一定位相ｆが導入される。移相器は、中心チャ
ネルと外側チャネルのガイド長の差を補償するように設
定される。したがって、マトリックスは、出力における
信号の位相を、正規の勾配にする。

【００７２】４次のバトラーマトリックスでは、出力信
号の位相は、増分９０°で変化する。８次のバトラーマ
トリックスでは、増分は４５°である。

【００７３】８次のバトラーマトリックス１２０または
１３０（図８）は、２つの４次のマトリックス１２２お
よび１２４から構築され、２つの４次マトリックスの出
力は、４つの３ｄＢカプラ１２６_１、１２６_２、１２６
_３、１２６_４によって組み合わせられる。

【００７４】１６次のバトラーマトリックス（図８）
は、２つの８次マトリックス１２０と１３０から構築さ
れ、マトリックス１２０、１３０の出力は、８つの３ｄ
Ｂカプラ１３２_１から１３２_８によって組み合わせられ
る。

【００７５】図８に示す１６次マトリックスの行のクロ
スオーバは、図７の４次マトリクスのカプラ９８および
１００と同様の先頭と最後のカプラによって置き換え可
能であることを留意されたい。このことは当技術分野で
知られている。

【００７６】この実施例では、バトラーマトリックス５
０は、「小型導波路分配器」の技術を利用する。この場
合、フィルタリングをマトリックス中に統合して、低雑
音増幅器が帯域外の干渉信号によって非線形化されるの
を防ぐことが可能である。これは特に、非常に高い送信
パワーのために、近くの受信アンテナに必然的に再入力
される送信周波数を排除するためのフィルタリングに関
係する。

【００７７】各バトラーマトリックス５０_ｊが、１つま
たは複数のエリアに対応し、その他のマトリックスは、
バトラーマトリックス５０_ｊが連結されたエリアでは動
作しないことが好ましい。しかし、それぞれのソースが
一般に複数の隣接エリアの形成に寄与するために、この
条件を満足することはいつも可能とは限らない。この場
合、ソース２２_ｑ（図９）は、２つの隣接マトリックス
５０_１、５０_２と連結されなくてはならず、マトリック
ス５０_１と５０_２のそれぞれの入力１４０_１と１４０_２
に３ｄＢカプラ１４２を介して接続される。同一のカプ
ラ１４４が、逆マトリックス５０’_１と５０’_２の対応
する出力を組み合わせる。

【００７８】カプラ１４２、１４４もまた、マトリック
ス５０_１、５０’_１またはマトリックス５０_２、５０’
_２のどちらかに連結された低雑音増幅器の１つが故障し
た場合に、２つのマトリックスが共有するソースからく
る信号の劣化を制限する。この理由は、そのようなソー
スに拾い上げられた信号は、２つのマトリックスに等し
く分波されるからである。したがって、故障によって影
響を受ける部分だけが動作する。

【００７９】これらのカプラは、マトリックス中の故障
によって生じる不均衡を低減（半減）するが、故障時に
残される不均衡は一般に許容できるものではない。これ
が、１つのマトリックス、例えばマトリックス番号５０
_１に連結された１つの低雑音増幅器が故障した場合に、
カプラ１４２、１４４の代わりに、またはそれに加え
て、図４に示す減衰器８６を用いて、もう一方のマトリ
ックス５０_２の出力信号を、マトリックス５０_１と５０
_２の出力信号がバランスする量だけ、減衰させることの
理由である。この減衰量は、３ｄＢカプラなしの入力ま
たは出力に対しては２０ｌｏｇ（１−１／Ｍ）ｄＢ、ま
たは３ｄＢカプラ１４４に接続された出力に対しては１
０ｌｏｇ（１−１／Ｍ）ｄＢでなくてはならない。

【００８０】減衰処理は、故障が検出された後に自動的
に適用される。低雑音増幅器の故障は、例えば低雑音増
幅器の下流のダイオード検出器を用いて、その増幅器の
電源電流をモニタリングすることによって検出される。

【００８１】この実施例では、減衰器８６（図４）のダ
イナミックレンジは狭く、３ｄＢ未満であることを留意
されたい。これは、減衰器のダイナミックレンジは原理
的に、アンテナを実装した時に、減衰器が様々な低雑音
増幅器の利得を等化する機能によって決まるためであ
る。この等化のための、最大のダイナミックレンジは
２．５ｄＢである。さらに、隣接するマトリックスの増
幅器が故障した時に、マトリックスの出力を再均衡させ
るのに必要な補償は０．２８ｄＢである。

【００８２】これまで受信アンテナにだけついて述べた
が、構造が似ているが構成が反対の送信アンテナについ
ても、低雑音増幅器の代わりにパワー増幅器を用いるこ
とによって、本発明があてはまることはいうまでもな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】いくつかのエリアに分割されており、静止衛星
に搭載されたアンテナでカバーされるテリトリを示す図
である。

【図２】従来技術の受信アンテナを示す図である。

【図３】本発明による受信アンテナの部分を示す構成図
である。

【図４】本発明による受信アンテナの部分を示す構成図
である。

【図５】本発明によるアンテナの一部の変形形態を示す
構成図である。

【図６】６４次のバトラーマトリックスを示す図であ
る。

【図７】４次のバトラーマトリックスを示す構成図であ
る。

【図８】１６次のバトラーマトリックスを示す構成図で
ある。

【図９】本発明の別の特徴を示す受信アンテナの構成図
である。

【符号の説明】

１２_１、１２_２、１２_ｎエリア１４_１、１４_２、１４_ｎサブエリア２２_１、２２_２、２２_ｋ＋Ｎ放射要素２４_１、２４_２、２４_ｎフィルタ２６_１、２６_２、２６_ｎ低雑音増幅器３０_Ｎ分波器４０ビーム形成ネットワーク４４減衰器５０_１、５０_ｊ、５０_ｐバトラーマトリックス５４_ｊ逆バトラーマトリックス６０_ｋ＋１フィルタ６２_ｋ＋１増幅器８４_ｋ＋１移相器８６_ｋ＋１減衰器８８、９０９０°カプラ１４２３ｄＢカプラｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４周波数サブバンド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5J021 AA05 AA06 BA01 DB02 DB03 FA00 FA06 FA11 FA23 FA26 FA32 GA02 HA02 HA07 JA07 5J046 AA00 AB01 KA03 5K072 AA19 AA24 BB22 BB27 CC31 DD02 DD06 GG02 GG14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】いくつかのエリアに分割されたテリトリ
をカバーするための通信システムの静止衛星用受信（ま
たは送信）アンテナであって、各エリア向けのビーム
が、反射器の焦点面の近くに配置された複数の放射要素
またはソースによって画定されるとともに、エリアの位
置を変更するための手段、またはアンテナの指向誤りを
修正するための手段を備え、少なくとも１つの第１バト
ラーマトリックス（５０_ｊ）を含み、前記マトリックス
の各入力（または出力）が放射要素（２
２_ｋ＋１、．．．、２２_ｋ＋８）に接続され、各出力
（または入力）が増幅器（６２_ｋ＋１）および移相器
（８４_ｋ＋１）を介して逆バトラーマトリックスの対応
する入力に接続されるとともに、逆バトラーマトリック
スの出力（または入力）がビーム形成ネットワークに連
結されており、移相器がエリアを変位させるか、または
指向誤りを修正するとともに、第１マトリックスと逆バ
トラーマトリックスが、各放射要素が受けたエネルギー
を、増幅器群に分配して、１つの増幅器の故障がすべて
の出力信号に均一に配分されるようにしたことを特徴と
するアンテナ。
【請求項２】各バトラーマトリックスが、同数の入力
と出力とを有することを特徴とする請求項１に記載のア
ンテナ。
【請求項３】増幅器の利得を等化するための減衰器
（８６_ｋ＋１）が、各増幅器および各移相器と直列に設
けられていることを特徴とする請求項１または２に記載
のアンテナ。
【請求項４】入力（または出力）が、複数の放射要素
に接続された少なくとも２つのバトラーマトリックス
（Ｍ_１、Ｍ_２）を含み、少なくとも１つの放射要素（２
２_ｑ）が、第１マトリックス（Ｍ_１）の入力および第２
マトリックス（Ｍ_２）の入力に接続されていることを特
徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のアンテ
ナ。
【請求項５】２つのバトラーマトリックスに連結され
た放射要素が、これら２つのマトリックスの入力（また
は出力）に、３ｄＢカプラ（１４_２）で接続されてお
り、逆バトラーマトリックスの対応する出力（または入
力）に同様のカプラ（１４４）が設けられていることを
特徴とする請求項４に記載のアンテナ。
【請求項６】マトリックスに連結された増幅器が故障
した場合に、２つのマトリックスの出力信号を均質化す
るために、各増幅器と移相器が、他方のバトラーマトリ
ックスの出力信号を減衰させる減衰器（８６_ｋ＋１）を
備えることを特徴とする請求項４または５に記載のアン
テナ。
【請求項７】例えば９０°カプラ（８８、９０）によ
って連結された、並列の増幅器（６２_ｋ＋１、６２’
_ｋ＋１）が、第１バトラーマトリックスの各出力（入
力）と逆バトラーマトリックスの対応する入力（出力）
の間に備えることを特徴とする請求項１から６のいずれ
か一項に記載のアンテナ。
【請求項８】移相器が、角度偏差を修正し、同時にす
べてのビームを再指向するために、第１バトラ−マトリ
ックスの位相前面の勾配を変更することを特徴とする請
求項１から７のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項９】第１バトラーマトリックスが、送信周波
数バンドを消去するためのフィルタシステムを含むこと
を特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の
受信用のアンテナ。
【請求項１０】逆バトラーマトリックスと前記ビーム
形成ネットワークが、単一のシステムを形成することを
特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のアン
テナ。
【請求項１１】各増幅器と直列の減衰器が、３ｄＢ未
満のダイナミックレンジを有することを特徴とする請求
項３または６に記載のアンテナ。
【請求項１２】バトラーマトリックスが、８次マトリ
ックスまたは１６次マトリックスであることを特徴とす
る請求項１から１１のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項１３】平行な面内に配置された第１バトラー
マトリックスの第１シリーズと、第１シリーズとは異な
る方向においてやはり平行な面内に配置された第１バト
ラーマトリックスの第２シリーズとを含み、２つの異な
る方向において、したがってアンテナによってカバーさ
れるエリアのすべての方向においてエリアの変位または
指向誤りの修正を可能にすることを特徴とする請求項１
から１２のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項１４】第１バトラーマトリックスの２つのシ
リーズの方向が直交していることを特徴とする請求項１
３に記載のアンテナ。