JPH0640633B2 - 妨害波除去アンテナ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は、海面等からの反射波に起因するフェージング
を伴う見通し内無線通信システムに適用して有効なアン
テナ装置に関する。

（従来技術とその問題点） 一般に、電波の伝播経路に海面を含む見通し内無線通信
システムにおいては、フェージングによる通信品質の劣
化を防ぐため、海面からの反射波の影響をできるだけ軽
減することが望ましい。この影響軽減のために、アンテ
ナの指向性を整形し、反射波の到来方向に対する利得を
低くする構成や、複数のアンテナを用いて空間ダイバー
シチを行う構成の如き対策が従来とられてきた。

一方、近年見通し内無線通信システムの一形態として、
通信衛星を利用した海上を航行する船舶を相手とする通
信、いわゆる海事衛星が実用に供されたし、さらに、航
空機を相手とする航空衛星通信の実用化も検討されてい
る。これらを総称して移動衛星通信と呼んでいるが、移
動体に搭載されるアンテナは、その設置スペースの問題
から小型化せざるを得ない。しかし、小型アンテナの指
向性は一般的にブロードであり、また低利得である。従
って、移動体から通信衛星をみる仰角が低くなれば、ア
ンテナの主ビームで受信する海面反射波の割合が多くな
り、その影響は大きなフェージングとなって現れ通信品
質を劣化させる。実際に、移動衛星通信のサービスエリ
アは仰角５゜以上の範囲であり、仰角５゜近傍のフェー
ジングは大きい。

そのため、移動衛星通信にも前述の如き従来のフェージ
ング軽減対策を施すことが考えられる。

しかしながら、前述のようにアンテナの指向性を整形す
る構成では、給電系が複雑になったりアンテナの大型化
を招き、得策ではない。また、空間ダイバーシチでは、
複数個のアンテナを必要とすることや、送信信号に対し
てはフェージング軽減効果が期待できない等の欠点があ
る。

従って、移動衛星通信の場合には、できるだけ簡便で、
反射波の影響の抑圧効果が大きく、かつ設置スペースの
小さな方式が望ましいことになる。

このような観点から、近年、海面反射波が特有の偏波特
性を示すことに着目し、アンテナの偏波特性を制御して
フェージングを軽減する方法（以下「偏波制御法」とい
う）が提案された。

この方法でいう海面反射波の特有の偏波特性とは、次の
ようなものである。いま、通信衛星から発射される電波
が円偏波であるとする。この電波が海面で反射する際の
反射係数を考えると、電波の水平成分については、海面
への入射角にかかわらずほぼ１であるが、垂直成分につ
いては、入射角が小さくなるほど反射係数が小さくな
る。すなわち、反射波の水平成分には変化はないが、垂
直成分は入射角によって減衰をうけることになるので、
海面反射波は長軸を水平方向とし、海面への入射角で定
まる軸比を有する楕円偏波としてアンテナに到来するこ
ととなる。さらに、海面反射波は、通信衛星から直接受
信する電波に対して逆旋の偏波となる特徴を有する。

従って、アンテナの偏波特性を反射波の軸比と等しく、
長軸方向が直交したものとすれば、楕円偏波の直交条
件、軸比が等しく、長軸方向が直交し、かつ互い
に逆旋の関係にある、ことを満足することとなり、反射
波は受信しないこととなる。

以上が、偏波制御法の原理である。この方式はクロスダ
イポール給電のアンテナ、例えば、パラボラアンテナや
ショートバックファイヤアンテナを用いて容易に実現す
ることができる。

ここで、偏波制御法を実現するアンテナシステムの従来
例を第１図に示し、説明する。第１図(a)において、１
はダイポール素子＃１及びダイポール素子＃２とが互い
に直交するように配置されたクロスダイポールアンテナ
素子、２は円偏波アンテナを構成するための90゜移相
器、３はアンテナの偏波特性を制御するための可変移相
器、４は合成回路である。衛星から送られてきた電波の
うち、一方のダイポールアンテナ素子＃１で受信された
電波は合成回路４へ送られる。又、他方のダイポールア
ンテナ素子＃２で受信された電波は、90゜移相器２を通
った後、可変移相器３へ入力される。ここで、可変移相
器３の移相量すなわち付加移相量を０〜90゜の範囲で変
化させることにより、第１図(b)に示すように、アンテ
ナの偏波特性を円偏波から軸30′に一致する直線偏波ま
で任意に設定することができる。ここで、軸30′は第１
図(a)のダイポール素子＃１，＃２の先端を結ぶ仮想線3
0と直交する関係にある。

従って、仮想線30を水平線に対して平行に設定し、可変
移相器３移相量を反射波の海面の入射角（衛星からアン
テナへ電波が到来する仰角に等しい）に対応して制御す
れば、前述したアンテナの偏波特性と反射波の偏波特性
との直交条件を満足させられ、海面発射フェージングを
抑圧することができる。

以上は、偏波制御法によるフェージング軽減をその原理
に基づいて忠実に実行するアンテナ給電回路の構成例を
示した。しかしながら、海面反射波の偏波特性は衛星仰
角の変化に大じて変わるため、アンテナの偏波特性を海
面反射波のそれに対して直交させるために必要な付加移
相量を、衛星仰角に応じて自動的に変化させる必要があ
るため、可変移相器３と、それを制御するための回路が
必要となり、挿入損が増加すると共にシステムが複雑と
なる欠点を有している。

（発明の目的と特徴） 本発明は、上記構成例に比べてアンテナ給電系の損失が
少なく、かつ小型にして簡便な構成で実現することので
きる妨害波除去アンテナ装置を提供するものである。

本発明は、二個の直線偏波アンテナ素子と、該二個の直
線偏波アンテナ素子の一方に接続された移相器と、該移
相器の出力と該二個の直線偏波アンテナ素子の他方の出
力とを合成する合成器とを備えて、通信衛星を指向する
ように構成したアンテナ装置において、 前記通信衛星に対する仰角が予め定めた10゜近傍の角度
以下のときには前記移相器の移相量は130 度〜140 度の
範囲内の一定値に固定され、かつ該アンテナ装置の仰角
を前記10゜近傍の所定値に固定する機能を有せしめた点
に特徴がある。

（発明の構成と作用） 以下、図面を用いて本発明の原理を説明する。

先ず、第２図は海事衛星通信を例にとり、フェージング
が特に問題となる衛星仰角５゜及び10゜（最低運用仰角
は５゜）、アンテナ利得が 18dBiの場合に着目し、付加
移相量を変えたときのフェージング量を示している。同
図において、オフセット角は直接波の到来方向から高仰
角方向にアンテナの主ビームをオフセットした角度であ
る。同図(b)から、仰角10゜においてはオフセット角が
０゜と５゜とでフェージング量に大差はないが、同図
(a)の仰角５゜において、オフセット角を５゜とすると
付加移相量が小さい範囲でフェージング軽減効果が示さ
れる。また、同図(a)の仰角５゜において、オフセット
角が５゜の場合にフェージング量が最小となる付加移相
量は40゜〜50゜であり、これは従来の偏波制御法におけ
る仰角10゜（同図(b)のオフセット角０゜に相当）でこ
の最適付加移相量とほぼ一致する。このことは、第２図
(a)(b)に示した例において付加移相量は40゜〜50゜に固
定し、第２図(a)に示す仰角５゜ではオフセット角を５
゜，第２図(b)に示す仰角10゜ではオフセットなし（０
゜）とすれば、両仰角においてほぼ最低のフェージング
量となり、かなりのフェージング軽減効果が期待できる
ことを示唆している。

第３図は、仰角５゜において、フェージング軽減なしの
場合、仰角10゜における最適付加移相量を与え、さらに
機械的に５゜オフセットした場合、及び従来の偏波制御
法の各々について、アンテナ利得に対するフェージング
量を示している。同図から、アンテナ利得が10〜20dBi
の範囲で、本発明方式は従来の偏波制御法とほぼ同程度
のフェージング軽減効果が期待できることがわかる。

このように、本発明は、上記の例の場合には付加移相量
を仰角10゜の場合の最もフェージング値が小さくなる値
に固定し、かつ、アンテナビームを機械的に５゜オフセ
ットさせることにより、次のような長所を生み出してい
る。

(1) 従来の方式では最低運用仰角が５゜までアンテナ
が機械的に動く機構となっていた。そのため船舶のロー
リング等の動揺を考慮して、アンテナビームが常に衛星
仰角が５゜まで可動する必要があったが、本方式では仮
に衛星仰角が５゜でもアンテナは10゜以下には動かない
ため、従来より可動範囲を小さくすることが出来、結果
としてアンテナシステムの小型化（特に高さ）が期待で
きる。

(2) 偏波制御法によれば、オフセット角は０゜である
から衛星仰角が５゜の時の最適付加移相量は第２図(a)
より70゜位であるが、仰角が10゜の場合は第２図(b)に
示すようにこれより少なく、40゜〜50゜が最適付加移相
量となる。この付加移相量を与えた場合、アンテナの偏
波は付加移相量に対応する軸比のだ円偏波となり、衛星
からの円偏波電波に対して偏波の不整合による損失（偏
波損失）が生じる。従来の偏波制御法（付加移相量＝70
゜）ではこの偏波損失は１．７dBとなるが、本発明にお
いて、40゜〜50゜の固定移相を与える場合には、０．７
dBの偏波損失となる。このことは、本発明が直接波に対
しての偏波損失を少なくすることができるという利点を
有し、それだけフェージング軽減の効率が良い。

(3) 例えばこの例の場合のように、フェージングが問
題となる衛星仰角が10゜以下の時は、40゜〜50゜位の固
定の付加移相量を与え、例えば、ほとんどフェージング
が問題とならない仰角15゜以上では付加移相量を０゜に
する（通常のアンテナ）スイッチ機構を付加すれば、第
１図のような可変移相器も必要ではなく、アンテナの軽
量化，給電系損失の低減の効果が期待できる。

例えば、給電系損失の面からは、従来の偏波制御法にお
いて、可変移相器を用いた場合には、１．５〜２dB程度
の損失となり、本発明での固定移相器を用いる場合に
は、１dB弱程度の損失となる。さらに、固定移相器の代
りに所定の位相差を与える長さのフィーダを用いれば、
０．３dB程度の損失となり、その低減効果は明らかであ
る。

（実施例） 第４鵜はアンテナ装置の駆動部を除いた本発明の実施例
を示している。図で 1, 2, 4は第１図と同じものを示
し、５は移相量として０゜及び40゜〜50゜の２通りを切
換可能な固定移相器である。上記実施例の動作を説明す
る。1, 2, 4 は第１図と同じであり省略する。固定移相
器５は衛星仰角が予め設定された仰角（例えば15゜）よ
りも大きいかあるいは小さいかによりそれぞれ移相量が
０゜あるいは40゜〜50゜範囲の一定値に設定される。固
定移相器５に入力された信号は上記移相量の変化を受け
合成回路４に入力される。なお、この実施例ではクロス
ダイポールの先端Ａ，Ｂを結ぶ線を水平線に対して平行
にする制御（例えばアンテナ１を機械的に回転させる機
構による制御）が必要であるが、第４図(a)における90
゜移相器２と合成回路４のかわりに、第４図(b)のよう
に可変電力分配器６を用いてアンテナ素子＃１，＃２の
出力を合成し船舶の動揺等によらずアンテナの偏波特性
を海面からの反射波のそれと直交させるようにすれば、
上記制御は不要となる。

以上の構成及び動作を第５図(a)(b)(c)を用いてさらに
詳細に説明する。

第５図(a)はアンテナ装置の駆動制御系の具体例であ
る。図はＡＺ−ＥＬマンウトと呼ばれる方位角（ＡＺ）
と仰角（ＥＬ）とを制御することにより、アンテナ１を
衛星方向に指向させるシステムの例である。ここで、１
はアンテナ、７は仰角（ＥＬ）軸、８は仰角軸を駆動す
るためのモータＭ_１、９は仰角を検出するための角度検
出器Ｄ₁、10は方位角（ＡＺ）軸、11は方位角軸10を駆動
するためのモータＭ_２、12は方位角を検出するための角
度検出器Ｄ_２、13はアンテナ１の回転角を制御するため
の駆動モータＭ_３、14はアンテナ１の回転角を検出する
ための角度検出器Ｄ_３、15は第１図で示したアンテナ仮
想線が水平線と平行になるようにアンテナの一次放射器
又はその放射器から主反射鏡までのアンテナ本体を制御
するアンテナ制御部、16は角度検出器12(Ｄ₂)から得ら
れる方位角情報に基づき水平面内のアンテナ指向方向を
制御するＡＺ制御部、17は角度検出器９（Ｄ_１）から得
られる仰角情報に基づき垂直面内のアンテナ指向方向を
制御するＥＬ制御部、20は衛星仰角が10゜以下であるこ
とを示す信号である。

アンテナ１は大要次のように制御される。

例えば、船舶の如き移動体は、地理上の位置を航海情報
として有しており、また衛星の位置は予め分かってい
る。従って、これらから船舶から衛星を指向するための
方位角（ＡＺ）情報と仰角（ＥＬ）情報を得ることがで
きる。またアンテナシステムが、衛星からのビーコン電
波を受信して、その到来方法を検出する、いわゆる自己
追尾機能を有する場合には、そこからＡＺ情報とＥＬ情
報を得ることができる。ＡＺ制御部16およびＥＬ制御部
17は、それぞれＡＺ情報またはＥＬ情報を入力として、
これと、角度検出器12および角度検出器９で検出される
アンテナ１の方位角および仰角とをそれぞれ比較し、そ
の差分信号によりモータ１１および８を駆動して、ＡＺ
情報とアンテナ１の方位角が一致し、ＥＬ情報とアンテ
ナ１の仰角が一致するように制御する。

ここで、船舶の場合は、動揺が伴う。この動揺情報は、
船体に取付けられたジャイロなどを用いて検出され、Ａ
Ｚ制御部16およびＥＬ制御部17はこれを動揺情報として
動揺補償制御を行う。さらに、前述のごとく、アンテナ
１の第１図で示した仮想線30は、常に、水平線と平行に
保たれる必要がある。このために、動揺情報は、アンテ
ナ制御部15にも供給され、角度検出器14で検出されるア
ンテナ１の回転角度情報（仮想線30と水平線とのずれの
量を示す情報）と比較され、モータ13により仮想線30が
水平線と平行になる所望の角度に制御される。また、第
５図(b)，(c)において、18，19はスイッチであり、ＥＬ
制御部からの信号20を受けて、仰角10゜以下の場合には
固定位相器に切換わる。

ここで、本発明を実施するためには、ＥＬ制御部17に倒
えば、次の又はの機能を付加する。

仰角が10゜以下になったとき、その旨の信号20を発
生するとともに、オフセット角を与えることとし、ＥＬ
情報とオフセット角の和が常に10゜になるようにＥＬ軸
７を制御する。すなわち、衛星仰角をα（≦10゜）とす
ると、オフセット角は（10−α）゜となる。信号20は、
第５図(b)に示すスイッチ18，19を動作させ、固定移相
器５側に切り換える。このときの付加移相量は、第２図
(b)のオフセット角０゜の特性から、最大の効果を与え
る40゜〜50゜程度の移相量が与えられることになる。

仰角が10゜以下になったときにはその旨の信号20を
発し、動揺補償を除きＥＬ軸７の制御を停止する。スイ
ッチ18，19を制御する信号20の機能はと同様である。

このの機能においては、アンテナ１の仰角は10゜に固
定されるのであるから、電波の到来角が５゜の場合に
は、５゜のオフセット角が与えられ、10゜のときは０゜
のオフセット角である。従って、固定移相器が40゜〜50
゜の任意の移相量を有するものとすれば、仰角５゜では
第２図(a)のオフセット角５゜の特性（点線）における
最小のフェージング値、仰角10゜では第２図(b)のオフ
セット角０゜の特性（実線）の最小値となるフェージン
グ軽減効果が得られる。

なお、上記説明では、仰角10゜以下で固定移相器に切り
換えられるとしたが、この切換えを行う仰角の値は、第
２図(a)(b)を参照して、期待するフェージング改善量
と、与える移相量との関係から選択して設定することが
できるものである。また、上記の例では移相量を与える
のに固定移相器５を用いたが、所望の移相量を与える長
さのフィーダをこれに代えてもよい。また他の具体例と
して、第５図(b)の合成回路４と90゜の移相器２に代
え、可変電力分配器６を用いて第５図(c)のごとく構成
すれば、第５図(a)に示すアンテナ制御部15が不必要と
なることは、前述の通りである。

（発明の効果） 以上述べたように本発明は、従来の方式に比べて簡便に
して良好なフェージング軽減効果があり、かつアンテナ
システムを小型，軽量化する利点を有している。

なお、上記の説明では、衛星仰角が10゜となる方向にア
ンテナを固定する場合について説明したが、対象とする
ケースにより他の仰角に固定することも可能であり、
又、付加移相量や、オフセット角を何段かにきめ細かく
設定することも勿論可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図(a)(b)は従来の偏波制御法を説明するためのブロ
ック図及び偏波特性図、第２図(a)(b)は付加移相量に対
するフェージング量の特性図、第３図は本発明のフェー
ジング軽減効果を従来の偏波制御法と比較したアンテナ
利得に対するフェージング量の特性図、第４図(a)(b)は
本発明の一実施例のブロック図、第５図(a)(b)(c)は本
発明方式の詳細な構成及び動作を説明するためのブロッ
ク図である。 １……クロスダイポール給電アンテナ素子、 ２……90゜移相器、３……可変移相器、 ４……合成回路、５……固定移相器、 ６……可変電力分配器、７……仰角軸、 ８……モータ(Ｍ₁)、９……角度検出器(Ｄ₁)、 10……方位角軸、11……モータ(Ｍ₂)、 12……角度検出器(Ｄ₂)、13……モータ(Ｍ₃)、 14……角度検出器(Ｄ₃)、15……アンテナ制御部、 16……ＡＺ制御部、17……ＥＬ制御部。 18，19……スイッチ、30……仮想線、30′……軸。

フロントページの続き (72)発明者 塩川 孝泰 東京都目黒区中目黒２丁目１番23号 国際 電信電話株式会社研究所内 (56)参考文献 特開 昭57−159138（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】二個の直線偏波アンテナ素子と、該二個の
   直線偏波アンテナ素子の一方に接続された移相器と、該
   移相器の出力と該二個の直線偏波アンテナ素子の他方の
   出力とを合成する合成器とを備えて、通信衛星を指向す
   るように構成したアンテナ装置において、 前記通信衛星に対する仰角が予め定めた10゜近傍の角度
   以下のときには前記移相器の移相量は130度〜140 度の
   範囲内の一定値に固定され、かつ該アンテナ装置の仰角
   を前記10゜近傍の所定値に固定する機能を有せしめたこ
   とを特徴とする妨害波除去アンテナ装置。