JPH0770905B2 - アレイアンテナのビーム制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は、有限個の固定アンテナビームを有するアレイ
アンテナにおいて、それらの各ビームを順次切換えてビ
ーム走査を行うアレイアンテナのビーム制御方法に関す
る。

（従来技術と問題点） 船舶や航空機等の移動体を対象とした移動衛星通信で
は、衛星の位置に対して移動体アンテナのビームを衛星
に指向させる衛星追尾機能が必要である。現在、船舶用
アンテナはアンテナそのものを機械的に衛星方向に指向
させる方法が採られているが、軽量小型化の期待できる
可動部分のない電子的なビーム走査アンテナが、将来の
移動体用アレイアンテナとして有望である。

電子的なビーム走査方法としては、ビーム方向を連続的
に変化させる方法と、予め用意された複数個の固定ビー
ムを順次切換える方法とに大別できる。前者の例として
は、各アンテナ素子に付加された連続可変移相器（アナ
ログ移相器）の位相量を制御してビーム走査をするフェ
ーズドアレイアンテナを挙げることができる。この場合
には、ビーム走査が可能な範囲内で任意の方向にメイン
ビームを向けることができる。一方、後者の例として
は、ディジタル可変移相器を用いたフェーズドアレイア
ンテナがある。この場合、移相器で設定できる移相量が
離散的であるため、その移相量を制御して生成されるビ
ームは有限個となり、ビーム走査は等価的に複数の固定
ビームを切換えるものと考えられる。さらに、任意の面
上に配列されたアンテナ素子のうち一部の複数素子で構
成されるサブアレイを順次切換えるアレイアンテナも後
者の別の例である。

この有限個のビームを切換える方法においては、従来、
カバレッジ利得が最大となるようなビーム走査が行われ
ている。第１図は、ピーク利得が15dBi（電力半値幅約3
2゜）のビーム41,42,43を10゜間隔で配置した場合を例
にとり、従来方法におけるビーム切換えの様子を示した
ものである。図において、●印はビーム切換え点、矢印
1,2,3は通信を行う衛星からの電波を表わし、衛星方向
がS1,S2,S3の順に変化した場合、衛星がS1方向ではビー
ム41が用いられ、衛星がS2の方向に来た時点でビーム41
からビーム42に切換えられる。この方法では、同図の太
線では示すようにカバレッジ内利得包絡線が得られる。

ところで、海事衛星通信や航空衛星通信においては、衛
星からの直接波と海面からの反射波が合波され、受信電
波の強度が変動する弦像（以下、海面反射フェージング
と呼ぶ）が発生する。このフェージングの変動量は、衛
星仰角が低い程また、アンテナ利得が小さい（ビームが
広い）程大きくなり、実際の通信に大きな影響を及ぼす
ことが知られている。例えば、指向性利得が15dBiの船
舶用アンテナで仰角５゜の衛星電波を受信すると、１％
の時間率で７〜8dB程度の受信レベル低下が発生する。

このような環境下で、従来用いられている上記後者のビ
ーム制御方法を採用すると以下に述べる問題が発生す
る。第２図は、あるビームに着目して、衛星からの直接
波11（矢印Ｓ）と海面からの反射波12（矢印Ｒ）の入力
の様子を示したものである。一般に、衛星仰角をαとす
ると、海面からの反射波は主として、仰角が−αよりも
僅かに高い方向からアンテナに入射することが知られて
いるが、ここでは、簡単のため、反射波は−αの方向か
らアンテナに入射するとしている。第２図において、●
印は他のビームへの切換え点であり、（ａ）はビーム42
の中心方向に衛星がある場合、（ｂ）はビーム41の中心
より衛星仰角の高い方向に衛星が位置する場合の例であ
る。機械的に衛星を指向するアンテナシステムや前述し
たアナログ可変移相器を用いるフェーズドアレイアンテ
ナでは、常時第２図（ａ）のようにビームの中心で衛星
電波を受信する。ところが、従来のビーム切換え方法に
おいては、第２図（ｂ）に示すように、ビーム41の中心
より仰角の高い方向からの衛星電波を受信する場合もあ
る。この場合、第２図（ａ）に比べて、直接波方向のア
ンテナ利得が低下するばかりでなく、反射波方向の利得
が増大し、第２図（ａ）の受信状態でのフェージングよ
りもさらに深いフェージングが発生することとなる。

（発明の目的） 本発明は、上記海面反射フェージングの状況下で、フェ
ージングの影響を低減できるビーム切換えを行うアレイ
アンテナのビーム制御方法を提供するものである。

（発明の構成と特徴） こ目的を達成するために、本発明のアレイアンテナのビ
ーム制御方法は、隣接する２ビームのビーム切換え点
を、その等利得点ではなく、予め定められた量だけ水平
面に近い点で行うものである。

（作用） 上述したようなビーム切換えを行うことにより、使用し
ているメインビームの中央より高い仰角方向に衛星があ
る場合のフェージング量を抑える作用を有する。

（実施例） 以下、本発明の実施例について、図面を用いて、詳細に
説明する。

第３図は、本発明におけるビーム制御によるビーム切換
え方式を示したものである。図において、衛星が領域
（ａ），（ｂ）の方向にある場合にはビーム46を使用
し、衛星が領域（ｂ）から（ｃ）に移った時点でビーム
45に切換える。同図に示すように、領域（ｂ）において
もビーム46を用いることが本発明におけるビーム制御方
法の特徴である。従来方法では、衛星がＳの方向にある
時、直接波11、及び反射波12の受信は同図ビーム45上の
点ａ′,b′で行われ、この場合、両者の受信レベル（ア
ンテナ利得）はほぼ等しくなている。一方、本発明にお
けるビーム切換えを行うと、直接波11と反射波12はビー
ム46上の点ａ、及びｂで受信され、従来方法に比べて、
直接波方向の受信レベルはやや低下するものの、反射波
方向の受信レベルが大きく低下し、海面反射フェージン
グがかなり抑圧されることは明らかである。ここで、領
域（ｂ）の設定角度は、衛星仰角、各ビームの利得やビ
ーム配置等を考慮して、発生する海面反射フェージング
の量ができるだけ少なくなるように決定されるものであ
る。従って、例えば、仰角が高くフェージングの影響が
少ない領域では、ビーム交差点での利得をできるだけ高
くするために、本発明におけるビーム切換えではなく、
従来方法のビーム切換え（上記設定角度が０゜）を行う
ことも可能である。

次に、第４図は、本発明のビーム制御方法を実現する制
御系のブロックダイヤグラム例である。先ず、方向決定
回路50では、衛星位置，自局位置や各種動揺情報を基
に、自局から見た衛星方向を算出する。ビーム選択回路
51では、方向決定回路50からの衛星方向情報及び上記設
定角度情報を用いて、切換えるべきビームを選択する。
ここで、従来方法は、カバレッジ内での利得を最大にす
るために、この設定角度を０゜、即ち、隣接するビーム
の等利得点でビームを切換える制御を行うため、この設
定角度情報を用いないものである。さらに、移相器制御
回路52では、ビーム選択回路51で選択されたビームに対
応する移相量を算出し、その情報を各移相器に送出す
る。第５図は、第４図の制御系の動作を示すフローチャ
ートであり、予め定められた時間間隔で同図のフローを
繰り返すものである。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明におけるアレイアン
テナのビーム制御方法は、隣接する２ビームの切換え点
をその等利得点より水平面に近い点とすることにより、
従来方法において、衛星がメインビームの中心から仰角
の高い方向に位置する場合に発生する大きなフェージン
グを抑圧する効果を有するものである。

移動衛星通信のように、衛星電力の制限が厳しいシステ
ムでは、本発明におけるビーム制御方法を有したアレイ
アンテナの適用は海面反射フェージングに対するマージ
ンの低減を可能にする大きな効果となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のビーム切換え方法を示す図、第２図は従
来のビーム切換え方法における電波受信状態を示す図、
第３図は本発明におけるアレイアンテナのビーム制御方
法によるビーム切換えを示す図、第４図は本発明のビー
ム制御方法を実現する制御系のブロックダイヤグラム
例、第５図は第４図の制御系の動作を示すフローチャー
トである。 1,2,3,11……衛星からの直接波、 12……海面からの反射波、 41,42,43,44,45,46,47……アンテナビーム、 50……方向決定回路、51……ビーム選択回路、 52……移相器制御回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】有限個のアンテナビームを順次切換えて電
   子的ビーム走査を行うアレイアンテナのビーム制御方法
   において、隣接する２個のアンテナビームは該両ビーム
   の交差する等利得点と隣接する水平面に近い側のビーム
   の最大利得点との間の点で相互に切換えられることを特
   徴とするアレイアンテナのビーム制御方法。