JPH0366858B2

JPH0366858B2 -

Info

Publication number: JPH0366858B2
Application number: JP15523585A
Authority: JP
Inventors: Fumio Watanabe; Hideo Nagata; Matsuichi Yamada; Kenichi Mya
Original assignee: Kokusai Denshin Denwa KK
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 1985-07-16
Filing date: 1985-07-16
Publication date: 1991-10-18
Also published as: JPS6216631A

Description

【発明の詳細な説明】（発明の技術分野）本発明は、衛星通信システム、特に比較的広い
ビーム幅を有するアンテナを地球局側で用い、か
つ該地球局が船舶や航空機である場合などにみら
れるように、海面などの反射体からの反射波の影
響が無視できない場合においても、反射波の影響
を軽減して衛星通信システムを効率良く構成する
ことのできる衛星通信方式に関するものである。

（従来技術とその問題点）この種の衛星通信システムの従来例を模式的に
図１に示す。地球を周回する衛星１に搭載された
アンテナ２、および移動地球局３，３′に備えら
れたアンテナ４，４′は、ともに一種類の円偏波
（以下、右旋円偏波として説明する）を送受信し
ている。アンテナによる電磁波の送受信は可逆な
現象であるため、以下、衛星１から移動地球局
３，３′に電波を送信する場合で説明する。

衛星１から送られた電波は、直接波５として直
接地球局アンテナ４，４′で受信されるものの他、
海面などの反射体７を経た反射波６としても地球
局アンテナ４，４′で受信される。このように地
球局アンテナ４，４′で直接波５と反射波６の両
者を同時に受信するため、地球局アンテナでの受
信レベルが直接波５と反射波６の位相関係により
大幅に変化する現象、すなわちフエージングが発
生する。このようなフエージングの発生を伴う衛
星通信回線の回線設計としては、フエージングの
深さに相当するエネルギ分（以下「フエージング
マージン」という）を見込む必要があり、フエー
ジングがないとした場合に比べ送信電力や送受信
アンテナの利得を大きくする必要がある。

図１からも明らかなように、地球局アンテナ４
のビーム幅が比較的向広い場合、即ち地球局アン
テナ４の大きさが波長に比べ十分大きくない場合
や、移動地球局３，３′から衛星１を見込んだ仰
角（図１のＥ１）が小さい場合に反射波６を強く
受信するので、大きなフエージングマージンが必
要となる。例えば、1.5GHz帯で、40cmのアンテ
ナを地球局アンテナ４として用い、仰角5゜で衛星
１と通信するためには、99％の時間率に対して、
海面反射フエージングによるマージンを約9dB見
込む必要がある。（塩川他、電子通信学会アンテ
ナ伝搬研資AP83−10）。

このフエージングマージンを小さくする従来の
いくつかの方法について以下に説明する。

第１の方法は、衛星アンテナのビーム形状を整
形する方法である。前述のように、必要なフエー
ジングマージンは、仰角が低い程大きくなるの
で、図２ｂのように仰角の低い領域、即ち衛星か
ら込んだ地球の周縁域に対して衛星アンテナの送
信利得を高くする。この図で横軸のθは図２ａに
示す衛星１から地球８を見込む角度、縦軸は衛星
アンテナの利得を示している。この方法でフエー
ジングマージンを吸収するためには、中心部と周
縁部での衛星アンテナ利得の差（図２ｂのΔ）は
前述の場合9dB必要になるが、このようにアンテ
ナビームを整形することは極めて困難であり、ま
た衛星アンテナが大きくなる欠点がある。

第２の方法は、地球局アンテナ側で反射波を受
けにくくする工夫をするもので、 (1) アンテナのビーム形状を工夫するもの、 (2) 複数のアンテナを用いて、常に反射波を打ち
消すように制御するもの、 (3) アンテナの偏波特性を対向する衛星の仰角に
応じて変化させるもの、などがある。

(1)の方法は地球局アンテナにおいて反射体方向
の利得が小さくなるようにアンテナビーム形状を
整形するものであるが、ここで問題とするような
ビーム幅の広い小型のアンテナでは不可能であ
る。

(2)の方法は、アンテナが複数必要なことと、海
面などの反射体の変化に実時間で追従できる制御
装置が必要な欠点を有する。

(3)の偏波制御による方法（塩川他、偏波制御に
よるフエージング軽減方式の理論的検討、電子通
信学会アンテナ伝搬研資AP81−144）は、本発明
に関連が深いので、以下詳しく説明する。

右旋円偏波が入射した場合の海面等の反射体に
よる反射波６は仰角Ｅ１や反射体７の状態及び反
射波６の周波数によるが、一般に、水平方向に偏
平な左旋楕円偏波になる。また、この楕円偏波の
楕円偏波率は、ほぼアンテナの仰角Ｅ１のみに依
存する。円偏波のアンテナの一例として、図３ａ
のような水平面に対して斜め45゜に設置されたク
ロスダイポールアンテナ１０を考える。２つのダ
イポールアンテナ素子からの受信電波を90゜移相
器１１を介して90゜の位相差で合成器１２で合成
し、受信機１３で受信した場合、このアンテナは
右旋円偏波を受信する。これに対し、図３ｂのよ
うに可変移相器１４を挿入し、その挿入移相量を
0゜から90゜に変化させると、移相器の変化に従い、
受信偏波は完全な右旋円偏波から垂直な直線偏波
まで変化する。電波の偏波においては、任意の偏
波に対しそれと直交する偏波が存在する。到来電
波５の偏波と直交する偏波特性のアンテナで受信
すると、到来電波５の受信感度は零になる。先に
述べたように、反射波６の偏波特性に直交する偏
波は、縦長の右旋楕円偏波である。そこで、可変
移相器１４に適切な挿入移相量を付加し、アンテ
ナの偏波特性を縦長の右旋楕円偏波にすれば反射
波６に対する受信感度を零にすることができる。
アンテナの偏波特性を制御するために必要な挿入
移相量は仰角Ｅ１が決まれば一意的に定まるの
で、仰角Ｅ１を得るセンサ１６からの信号でこの
移相量を制御すれば反射波６を打ち消すことがで
きる。このように地球局アンテナの偏波特性を仰
角Ｅ１により完全な円偏波からずらすことによ
り、直接波５の受信レベルもその楕円偏波率によ
る分だけ低下する（偏波損）が、反射波６の受信
レベルが大幅に小さくなるために両者の干渉によ
る深いフエージングは生じなくなり、フエージン
グマージンを４〜5dB小さくすることができると
いう効果がある。しかし、この方法は全ての地球
局側で実施する必要があるため、地球局の数が多
い場合には不都合である。また、可変移相器１
４、仰角センサ１６、および仰角Ｅ１により可変
移相器１４を制御する制御システム１５が必要と
なる欠点がある。

（発明の目的）本発明の目的は、以上述べてきた従来の方法の
問題を解決し、フエージングマージンの小さい衛
星通信方式を提供することにある。

（発明の構成と作用）以下本発明を詳細に説明する。

地球局アンテナとして、一種類の円偏波を送受
するアンテナを用いる衛星通信システムを例にと
る（以下右旋円偏波を受信するとして説明する）。
従来のこの種の衛星通信システムでは、地球局ア
ンテナ４に対応し、衛星側アンテナ２も右旋円偏
波を送受するアンテナを用いる方式になつてい
る。即ち、図４ｂのように衛星アンテナ２の偏波
特性は、サービス対象とする領域内のいずれの方
向に対しても実質的に右旋円偏波が放射されるア
ンテナを使用してきた。

それに対し、本発明による衛星通信方式は、送
信側（衛星）で用いる偏波が受信側（地球局）の
偏波と以下の如く異なつている。即ち、偏波特性
が特別に整形された衛星アンテナ用いている点に
特徴がある。衛星アンテナ２は図４ｃに示すよう
に、地球中心を見込む方向に対しては右旋円偏波
を放射する。一方、地球周縁部を見込む方向は対
しては、その周縁部から中心ビーム方向に至る動
径方向に長い偏平な右旋楕円偏波を放射する。こ
のような偏波特性を有する衛星アンテナ２を用い
ることにより、右旋円偏波で受信する地球局アン
テナ４では、海面などによる反射波６がちようど
左旋円偏波になるため、反射波６を受信しなくな
り、フエージングが生じなくなる。この場合、直
接波５に対して、地球局アンテナ４の偏波特性が
一致しないため、偏波損を生じるが、9dB以上に
も達する深いフエージングに比べ十分小さいもの
である。

次に“動径方向に長い偏平な楕円偏波”につい
て説明する。図５のような衛星１から地球周縁を
見込んだ光線の地球表面に対する入射角をｉとす
る。衛星アンテナ２のθ方向の放射電界をＸ方向
成分とＹ方向成分で次のように表した時、〓＝〓＾E_x＋〓＾E_y ……(1) その方向の偏波特性はE_xとE_yの比で表せる。

反射波６がちようど左旋円偏波になれば地球局
で反射波６を受信しなくなる。そのためには、入
射偏波（衛星アンテナ２のθ方向の偏波）は次の
ようである必要がある。

ここで、ｎは海面などの反射体の等価複素屈折
率である。例えば、1.56GHz帯における海面の複
素屈折率ｎ＝9.12−j3.62を用い、入射角をｉ＝
80゜とすると、(2)式による衛星アンテナ２の偏波
は、｜E_y／E_x｜＝2.99 〓〓E_y／E_x＝−58.1゜になる。これはｙ方向に長い偏平な右旋の楕円偏
波を表している。衛星側で用いる偏波として実質
的に式(2)で規定されるような偏波の放射角度特性
を用いる本発明による衛星通信方式は、個々の地
球局で仰角や海面状態に追従するようなフエージ
ング軽減のための制御装置が不要である利点を有
し、大きなフエージングマージンを必要としない
効果がある。

実施例１本発明による衛星通信方式を実現するために
は、図４ｃのような偏波特性を有する衛星アンテ
ナを用いる必要がある。この種のアンテナの具体
例について次に説明する。

図６のように多数のクロスダイポールアンテナ
（図３参照）を平面内に配列したアレイアンテナ
を考える。平面内にＸ−Ｙ座標系及びρ−ψ座標
系をとる。クロスダイポールはＸ方向エレメント
とＹ方向エレメントから構成されている。なお、
このようなアレイアンテナのアンテナ素子として
は、クロスダイポールアンテナに限らず、直交す
る２つの偏波を放射できるものであれば、同様の
構成をとることができる。

この種のアンテナで図４ｂのようにアンテナビ
ームが中心方向〔図４ａのｙ軸方向〕に関して回
転対称でかつ右旋円偏波を放射させるためには、
（ρ，ψ）に位置するＸ方向アンテナの励振係数
A_x（ρ，ψ）及びＹ方向素子アンテナの励振係数
A_y（ρ，ψ）は一般的に以下のように定められい
た。

A_x（ρ，ψ）＝A₀（ρ） ……(3) A_y（ρ，ψ）＝−jA₀（ρ）ここでA₀（ρ）は回転対称なビーム強度分布E_d
（θ）と次式のように関係する関数である。

E_d（θ）＝K₁∫〓^m ₀A₀(ρ)J₀(kρsinθ)dρ ……(4) ここで、J₀は０次ベツセル関数、ｋは電磁波の
波数、ρmはこのアレイアンテナの実効的な開口
半径、K₁は定数、θは図５のθである。

式(3)は、各クロスダイポールのＸ方向素子とＹ
方向素子が同振幅で90゜位相差で励振されること、
即ち、各クロスダイポールが円偏波を放射してい
ることを示している。その結果アレイアンテナと
して、軸対称に円偏波を放射する。

さて、図４ｃのような偏波特性を得るために
は、各素子アンテナの励振係数を以下のごとくに
変更すれば良い。

A_x（ρ，ψ）＝A₀′（ρ）＋A₂（ρ）（cos2ψ
−ｊ sin2ψ） A_x（ρ，ψ）＝A₀′（ρ）＋A₂（ρ）（cos2ψ
−ｊ sin2ψ） A_y（ρ，ψ）＝−jA₀′（ρ）＋A₂（ρ）（ｊ cos2ψ
＋sin2ψ）……(5) ここで、A₀（ρ），A₂（ρ）は回転対称なビーム
の強度分布E_d（θ）とθ方向での楕円偏波率を規
定する関数Ｗ（θ）と次のような関係する関数で
ある。

Ｗ（θ）はＷ（θ）＝１の時右旋円偏波を、Ｗ
（θ）＝０の時直線偏波を表す。Ｗ（θ）が０から
１の間では、動径方向に長い偏平な右旋楕円偏波
を表す。式(5)のように各クロスダイポールを励振
することにより実質図に図４ｃのような偏波特性
を有しかつ強度分布は回転対称なビームを作り出
すことができる。

実施例２次に、本発明の第２の実施例について説明す
る。

本実施例は、衛星アンテナ２が複数のビームを
放射し、その複数のビームで衛星から地球を見込
む領域を覆うマルチビーム衛星通信システムに、
本発明を適用したものである。

地球局アンテナ４が一種類の円偏波を送受信
（以下右旋円偏波を受信する場合で説明する）す
る場合、従来のこの種のシステムでは、図７ａの
ように衛星アンテナ２の各ビームの偏波は実質的
に右旋円偏波を有するように構成されていた。即
ち、送信側と受信側で同一の偏波を用いていた。

本発明による衛星通信方式では、図７ｂのよう
に地球中心部を照射するビームの偏波は右旋円偏
波、周縁部を照射するビームの偏波は周縁部から
中心部に至る動径方向に長い偏平な右旋楕円偏波
を用いることに特徴がある。

周縁部のビームの偏波特性（楕円偏波率）は、
周縁部の代表方向（例えばそのビームの中心方
向）に対して、実質的に式(2)で規定される。

このように送信側と受信側で異なる偏波を使用
し、しかもその楕円偏波率を式(2)のごとくにする
ことにより、海面等の反射体による反射波の偏波
がほぼ左旋円偏波になるため、右旋円偏波受信の
地球局アンテナ４では反射波６をほとんど受信し
なくなる。その結果、大きなフエージングマージ
ンが必要でなくなる効果が生じる。

本発明の第２の実施例による通信方式を実現す
るための衛星アンテナ２の一構成を図８に示す。
図８は従来から広く使われているマルチフイード
によるマルチビームアンテナである。給電ホーン
２１から放射された電波は反射鏡２０を経て放射
する。異なるホーンから放射された電波はそれぞ
れ異なる方向に進行し、それぞれビームを形成す
る。図のようにOMT２２を用いて２つの直交ポ
ート２３，２４から励振する場合を考える。図７
ａのようにどのビームも円偏波を放射させるため
には、それぞれのホーンの直交ポート２３，２４
を同振幅で90゜位相差で励振すれば良い。一方、
本実施例で用いる図７ｂのような偏波特性を実現
するためには、それぞれの給電ホーン２１の直交
ポート２３，２４の励振振幅比と位相差をそれぞ
れのビームの所要偏波率に応じたものとすれば良
い。

（発明の効果）以上詳細に説明したように、本発明によれば、
衛星に搭載するアンテナの偏波特性の中心部に対
しては円偏波を用い、周辺部に対しては半径方向
に長軸を有する楕円偏波を用いることにより、既
存の地球局に対しても何らの設備上の変更を行う
ことなしに、不要波である反射波の影響を排除す
ることができ、効率の良い衛星通信システムを実
現することができる。特に、地球局の数が多い移
動体衛星通信システムに対して実際的であり、か
つ、経済的な効果を与えることができる。

【図面の簡単な説明】

図１は本発明の適用対象となる衛星通信システ
ムの構成を示す模式図、図２ａ，ｂはフエージン
グマージンを小さくするための従来の第１の方法
を説明するための略図及び特性図、図３ａ，ｂは
フエージングマージンを小さくするため従来地球
局側で行われていた偏波制御による方法を説明す
るためのブロツク構成図、図４ａ，ｂ，ｃは本発
明の第１の実施例において衛星アンテナが用いる
偏波の角度特性を説明するための座標系図及び偏
波特性図、図５は楕円偏波の偏波率を定義するた
めに必要な座標系を示す図、図６は本発明の第１
の実施例を実現するために必要な衛星アンテナの
一構成例を示す略図、図７は本発明の第２の実施
例において衛星アンテナが用いるそれぞれのビー
ムにおける偏波特性例図、図８は本発明の第２の
実施例を実現するために必要な衛星アンテナの一
構成例を示す斜視図である。１……衛星、２……衛星アンテナ、３……地球
局、４……地球局アンテナ、５……直接波、６…
…反射波、７……反射体、８……地球、１０……
クロスダイポールによる地球局アンテナ、１１…
…90゜移相器、１２……合成器、１３……送受信
器、１４……可変移相器、１５……位相制御装
置、１６……仰角検出器、２０……反射鏡、２１
……ホーン、２２……OMT、２３，２４……給
電ポート。

Claims

【特許請求の範囲】１衛星軌道上に置かれた通信衛星を用いる衛星
通信方式において、前記通信衛星のアンテナの偏
波特性が地球の中心部に対して円偏波、地球の周
辺部に対しては半径方向に長軸を有する楕円偏波
となつていることを特徴とする衛星通信方式。２前記アンテナが直交する２つの偏波を放射で
きるアンテナ素子を配列したアレイアンテナであ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
衛星通信方式。３前記アンテナがマルチフイードによるマルチ
ビームアンテナであることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の衛星通信方式。