(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェーズドアレイアンテナのアンテナ要素（５１４）であって、アンテナ要素の出力信号の同相成分と、フェーズドアレイアンテナの複数のアンテナ要素の出力信号の直交成分の合成とを比較し、同相成分と直交成分の合成との相関の度合いを代表する位相制御信号を生成し、複数のアンテナ要素の出力信号の合成にしたがってアンテナ要素の出力信号をもたらすように構成された回路を備える、アンテナ要素。
【請求項２】
フェーズドアレイアンテナのアンテナ要素（５１６）であって、アンテナ要素の出力信号の直交成分と、フェーズドアレイアンテナの複数のアンテナ要素の出力信号の同相成分の合成とを比較し、直交成分と同相成分の合成との相関の度合いを代表する位相制御信号を生成し、複数のアンテナ要素の出力信号の合成にしたがってアンテナ要素の出力信号をもたらすように構成された回路を備える、アンテナ要素。
【請求項３】
フェーズドアレイアンテナのアンテナ要素であって、請求項１にしたがって構成される回路によって生成される位相制御信号と請求項２にしたがう回路によって生成される位相制御信号との差として位相制御信号が生成される、要素。
【請求項４】
前記回路はコスタスループを含む、請求項１から３のいずれかに記載のアンテナ要素。
【請求項５】
電磁信号を受けるよう構成された第１アンテナ要素および複数の第２アンテナ要素を備えるフェーズドアレイアンテナであって、
第１アンテナ要素は、電磁信号を周波数変換して第１アンテナ要素出力信号を形成するための出力信号を提供する制御可能オシレータを含み、
請求項１から４のいずれかに記載のアンテナ要素によって生成される位相制御信号に応じて、制御可能オシレータの出力信号の位相が調整可能である、フェーズドアレイアンテナ。
【請求項６】
第１または第２アンテナ要素のひとつ以上と関連する遅延部をさらに備え、ひとつ以上の遅延部は第１および第２アンテナ要素の出力信号を時間的に揃える、請求項５に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項７】
複数の第２アンテナ要素のひとつ以上はさらに、パワーレベル制御信号に応じてその第２アンテナ要素の個々の出力信号に重み付けが与えられるよう構成される、請求項５または６に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項８】
第２アンテナ要素についてのパワーレベル制御信号は、その第２アンテナ要素の出力信号と他の第２アンテナ要素の出力信号との比較を代表する、請求項７に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項９】
第２アンテナ要素のひとつ以上の出力信号は、基準を満たすパワーレベル制御信号に応じて抑制される、請求項７または８に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項１０】
第１および第２アンテナ要素のそれぞれに関連する座標を記憶するメモリをさらに備える、請求項５から９のいずれかに記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項１１】
第１および第２アンテナ要素のそれぞれに関連する座標は最初にフェーズドアレイアンテナの物理的性質にしたがって設定される、請求項１０に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項１２】
第１および第２アンテナ要素のそれぞれに関連する座標は位相制御信号に応じて調整される、請求項１０または１１に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項１３】
座標について最適フィット平面を計算するプロセッサをさらに備え、
位相制御信号は、制御可能オシレータの位相をその最適フィット平面に合うように設定するよう構成された信号を含む、請求項１０から１２のいずれかに記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項１４】
ひとつ以上のフェーズドアレイアンテナパネルを備える、請求項５から１３のいずれかに記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項１５】
フェーズドアレイアンテナの放射パターンが、位相制御信号を用いて決定される所望の向きにフォーカスされるように、それぞれの位相でそれぞれの信号を送信するように構成された複数のアンテナ要素を備える、請求項５から１４のいずれかに記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項１６】
請求項５から１５のいずれかに記載のフェーズドアレイアンテナを備える車両。
【請求項１７】
フェーズドアレイアンテナの第１アンテナ要素の制御可能オシレータの位相を設定する方法であって、制御可能オシレータの出力信号は受信電磁信号を周波数変換して第１アンテナ要素出力信号を形成するために使用され、本方法は、
第１アンテナ要素の出力信号の同相成分と、フェーズドアレイの複数のアンテナ要素の出力信号の直交成分の合成とを比較することによって、同相成分と直交成分の合成との相関の度合いを代表する位相制御信号を生成すること、および／または第１アンテナ要素の出力信号の直交成分と、フェーズドアレイの複数のアンテナ要素の出力信号の同相成分の合成とを比較することによって、直交成分と同相成分の合成との相関の度合いを代表する位相制御信号を生成することと、
第１アンテナ要素に関連する制御可能オシレータによって生成される出力信号の位相を、位相制御信号に応じて調整することと、を含む方法。
【請求項１８】
第１および第２アンテナ要素の出力信号を時間的に揃えるために、第１または第２アンテナ要素のひとつ以上の出力信号を遅らせることをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
第２アンテナ要素の出力信号と他の第２アンテナ要素の出力信号との相関の度合いを代表するパワーレベル制御信号を生成することをさらに含む、請求項１７または１８に記載の方法。
【請求項２０】
比較ステップのために第２アンテナ要素の出力信号に与えられるべき重み付けを、パワーレベル制御信号に応じて設定することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
基準を満たすパワーレベル制御信号に応じて第２アンテナ要素を抑制することをさらに含む、請求項１９または２０に記載の方法。
【請求項２２】
第１および第２アンテナ要素のそれぞれに関連する座標をメモリに記憶することをさらに含む、請求項１７から２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
第１および第２アンテナ要素のそれぞれに関連する座標を最初にフェーズドアレイアンテナの物理的性質にしたがって設定することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
第１および第２アンテナ要素のそれぞれに関連する座標を位相制御信号に応じて調整することをさらに含む、請求項２２または２３に記載の方法。
【請求項２５】
座標について最適フィット平面を計算することと、
位相制御信号を使用して、制御可能オシレータによって生成される出力信号の相対位相を、その最適フィット平面に合うように調整することと、をさらに含み、
位相制御信号は、制御可能オシレータの位相をその最適フィット平面に合うように設定するよう構成された信号を含む、請求項２２から２４のいずれかに記載の方法。
【請求項２６】
フェーズドアレイアンテナの放射パターンが、位相制御信号を用いて決定される所望の向きにフォーカスされるように、それぞれの位相で信号を送信することを含む、請求項１７から２５のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフェーズドアレイアンテナおよびフェーズドアレイアンテナの動作方法に関し、通信システムにおいて使用されるフェーズドアレイアンテナシステム／パネルに特に関するがこれに限られない。
【背景技術】
【０００２】
パラボラアンテナなどのリフレクタアンテナは通信システムにおいて使用されており、単純かつ良く理解されているものである。リフレクタアンテナは高ゲインアンテナシステムの大部分を占める。リフレクタアンテナの向きを変えるためには、リフレクタ全体の機械的な動きが通常必要であるが、フィードの機械的または電気的移動などの代替法も知られている。
【０００３】
リフレクタアンテナがビームの向きを変えることのできる速さは、リフレクタの質量を加速することによる機械的な制限またはアンテナの他の可動部分によって制限される。移動機構の機械的な精度もまたアンテナビームの指向の正確度を制限する。アンテナが取り付けられる構造によってリフレクタアンテナの物理的な位置および／または向きが危うくされうるので、リフレクタが取り付けられる構造の精度がどのような形であれ悪い場合、リフレクタアンテナのゲインが低減されうる。さらに、リフレクタの（応力および熱膨張などの）構造的な変形によってリフレクタアンテナの構造的な正確度が低減されうる。これは大きなリフレクタアンテナについて特にそうである。
【０００４】
リフレクタアンテナは大きい（bulky）ので列車などの高速車両における使用には適していないかもしれない。そのようなリフレクタアンテナは損傷を受けやすいからである。例えば、風によるダメージや列車をこするかもしれない木の枝からのダメージによってリフレクタアンテナは動かされうるおよび／または損傷を受けうる。
【０００５】
リフレクタアンテナを代替するものにはフェーズドアレイアンテナがあり、これは格子状に配列されアレイを形成している複数のアンテナ要素からなる。
【０００６】
フェーズドアレイアンテナは平面状とすることができ、したがってそれはリフレクタアンテナよりも有利である。フェーズドアレイアンテナは設置のためにより小さな物理的深さしか要求しないからである。しかしながら、信頼性の高いアンテナアレイを提供するために製造中に要求される正確度のために、典型的にはフェーズドアレイアンテナを作り設置するのはより高価となる。フェーズドアレイアンテナの向きおよび集束を十分に制御しもって十分にデータを送りおよび受けるために、個々のフェーズドアレイアンテナの要素の互いに対する実際の物理的な位置に関する正確なデータが要求される。
【０００７】
ＵＳ２００２／０１３５５１３（Dean Alan Paschen他）は、 フェーズドアレイを含む、複数アパーチャアンテナについての分布アダプティブ結合システムを開示し、そこではアンテナ装置内の各要素は対応する位相／時間調整回路を有する。
【０００８】
他のフェーズドアレイアンテナシステムも知られており、そこではアンテナ要素は可動パネルによって支持され、衛星と通信する際はパネルの移動が利用される。そのようなパネルは、使用中、傾けられ回転されるよう構成される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の態様および実施の形態は、上記を考慮して創作された。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様によると、フェーズドアレイアンテナが提供される。このフェーズドアレイアンテナは、通信信号を受けるよう構成された第１アンテナ要素および複数の第２アンテナ要素を備える。第１アンテナ要素は、受信通信信号を周波数変換して第１要素出力信号を形成するための出力信号を提供する制御可能オシレータを含む。制御可能オシレータの出力信号の位相は、第１要素出力信号と複数の第２アンテナ要素の周波数変換された出力信号との比較を代表する位相制御信号に応じて調整可能である。第１出力信号は、第２要素の出力信号と建設的に組み合わせ可能である。
【００１１】
本発明の第２の態様によると、フェーズドアレイアンテナの第１アンテナ要素の制御可能オシレータの位相を設定する方法が提供される。この方法では、制御可能オシレータの出力信号は受信通信信号を周波数変換して第１要素出力信号を形成するために使用される。この方法は、第１要素出力信号と複数の第２アンテナ要素の周波数変換された出力信号とを比較することと、その比較を代表する位相制御信号を生成することと、第１アンテナ要素に関連する制御可能オシレータによって生成される出力信号の位相を、第１要素出力信号が第２要素の出力信号と建設的に組み合わせ可能であるように、位相制御信号に応じて調整することと、を含む。
【００１２】
複数の第２要素で受信された信号を使用して位相制御信号を生成することでノイズの影響を低減でき、より正確な位相制御信号を生成できる。複数のアンテナ要素で受信された信号に関連するノイズは、単一のアンテナ要素で受信された信号を代表する信号に関連するノイズよりも低いものとなりうるからである。
【００１３】
本発明の実施の形態は改良された通信システムを提供し、特に通信デバイスのユーザが車両で移動している間に使用できる通信システム、例えば列車に乗っているユーザにインターネットアクセスを提供するための通信システムを提供してもよい。
【００１４】
制御可能オシレータの出力信号の位相は、第１アンテナ要素で受信された通信信号の位相に対して調整されてもよい。
【００１５】
複数の出力信号は、それらが同じまたは同じ値を代表する場合は建設的に組み合わせ可能であってもよい。
【００１６】
ある実施の形態では、第１および第２アンテナ要素はベースバンド信号を生成するよう構成されてもよい。
【００１７】
位相制御信号は、第１要素出力信号と複数の第２アンテナ要素の出力信号の合成／平均（mean）／平均（average）の値または特徴との比較の結果を代表してもよい。複数の第２要素で受信された信号の合成を使用することで、第２要素のそれぞれで受信された信号は位相制御信号に影響を与えることができ、ある実施の形態では位相制御信号に等しく影響を与えることができる。
【００１８】
位相制御信号は、第１要素出力信号によって代表されるデータシンボルと第２要素出力信号によって代表されるデータシンボルとの比較の結果を代表してもよい。これにより、要素で受信された通信信号間のいかなる時間差および位相差をも統計的に重要でないものとすることができる。通信信号がデータシンボルドメインに周波数変換される場合には、受信通信信号の搬送周波数におけるどのような性質の差も低減および／または除去できるからである。
【００１９】
要素出力信号は、データシンボルを代表する中間周波数（ＩＦ）信号であってもよく、またはベースバンド信号であってもよい。
【００２０】
位相制御信号は、第１要素出力信号によって代表されるデータシンボルと第２要素出力信号の大部分のデータシンボルを代表するデータシンボルとの比較の結果を代表してもよい。これにより、第１要素の出力信号を第２要素の大部分の出力信号にしたがうようにすることができる。
【００２１】
第１および第２アンテナ要素をＱＰＳＫ通信信号を受信するよう構成することができ、位相制御信号は第１および第２アンテナ要素の同相および直交成分出力信号間の相互相関の度合いの代表を含んでもよい。ＱＰＳＫ信号の生得の位相特性または他の任意の位相偏移変調信号は、制御可能オシレータの出力の相対位相が調整されるべきか否かを決定する場合に役に立つ。
【００２２】
位相制御信号は、第１アンテナ要素のＱＰＳＫ出力信号の同相成分と複数の第２アンテナ要素の出力信号の直交成分との相関の度合いを代表してもよいし、および／または位相制御信号は、第１アンテナ要素のＱＰＳＫ出力信号の直交成分と複数の第２アンテナ要素の出力信号の同相相との相関の度合いを代表してもよい。
【００２３】
位相制御信号が上記の両方の比較を代表するような実施の形態では、位相制御信号を使用して制御可能オシレータの相対位相をより正確に調整できる。その位相制御信号は２組の比較データを代表するからである。
【００２４】
位相制御信号は、決定された相関の度合いの間の差を代表してもよいし、その差の時間平均値を代表してもよい。これにより、同相成分信号および直交成分信号の両方に存在するいかなる望まれない信号の影響をも低減できる。同相成分信号と直交成分信号との偶然の相関は正しくない位相シフトが制御可能オシレータに与えられる原因となりうるのであるが、差の信号を時間平均することでいかなるそのような偶然の相関をも低減および／または最小化することができる。
【００２５】
第１要素出力信号と複数の第２アンテナ要素によって生成される出力信号との比較は、それらの出力信号に埋め込まれたコードの比較を含んでもよい。出力信号に埋め込まれたコードは、要素においてデータ源から受信された通信信号から決定されてもよく、またそのコードによって所望のデータ源からの通信信号を識別し、同じ周波数で伝送している他のデータ源から受信される通信信号を除くことができる。ある実施の形態では、他のデータ源から受信される通信信号が所望のデータ源から受信される信号より強い場合でもそうである。データ源は衛星であってもよい。
【００２６】
第１アンテナ要素はさらに、第１要素出力信号の位相と複数の第２アンテナ要素の出力信号の位相とを比較して位相制御信号を生成する位相コンパレータ部を含んでもよい。位相コンパレータ部はコスタスループから導かれるのが適している。
【００２７】
位相制御信号は、第１要素出力信号と第２要素出力信号の平均との任意の差を代表してもよい。位相制御信号は、制御可能オシレータが第１アンテナ要素で受信される通信信号と位相外れを起こしている度合いを示してもよい。
【００２８】
フェーズドアレイアンテナはさらに第１または第２アンテナ要素のひとつ以上と関連する遅延部を備え、ひとつ以上の遅延部は第１および第２アンテナ要素の出力信号を時間的に揃えてもよい。第１および第２要素の出力信号を時間的に揃えることによって、出力信号を時間ドメインで揃えることができる。その結果、データ源によって時刻「ｔ」に伝送された信号に関する周波数変換された出力信号は、おなじ時刻「ｔ」に伝送された同じ信号に関する対応する周波数変換された出力信号と建設的に組み合わせられる。これにより、改良された信号対ノイズ比および／またはより低いビット誤り率などのより高いサービス品質（ＱｏＳ）を伴う組み合わせられた信号を提供できる。
【００２９】
第２要素のひとつ以上の個々の出力信号に重み付けが与えられるようにおよび／または基準を満たすパワーレベル制御信号に応じて第２要素のひとつ以上の個々の出力信号が抑制されるように、複数の第２アンテナ要素を構成してもよい。基準はしきい値であってもよく、例えばパワーレベル制御信号がしきい値より大きいか小さい場合に基準が満たされてもよい。
【００３０】
第２アンテナ要素についてのパワーレベル制御信号は、その第２アンテナ要素の出力信号と他の第２アンテナ要素の出力信号との比較を代表してもよい。ひとつ以上の第２要素の出力信号に関連して抑制することおよび／または重み付けを調整することによって、位相制御信号がいかに生成されるかについてをよりよくコントロールできるようになるので、制御可能オシレータの相対位相をより正確に調整するよう位相制御信号を構成できる。例えば、位相制御信号を生成する際、任意の不良または感度の悪いアンテナ要素の出力信号を、出力信号の比較から排除することができる。
【００３１】
フェーズドアレイアンテナはさらに、第１および第２要素のそれぞれに関連する座標を記憶するメモリを備えてもよい。座標は、フェーズドアレイアンテナ中での要素の物理的な位置を示してもよい。
【００３２】
第１および第２アンテナ要素のそれぞれに関連する座標は最初にフェーズドアレイアンテナの物理的性質にしたがって設定されてもよい。この場合、フェーズドアレイアンテナは制御可能オシレータの相対位相を所望値により素早く調整でき、したがってフェーズドアレイアンテナを衛星などの所望のデータ源により素早くフォーカスすることができる。
【００３３】
第１および第２アンテナ要素のそれぞれに関連する座標は、位相制御信号に応じて調整されうる。
【００３４】
フェーズドアレイアンテナはさらに、座標についての最適フィット平面（plane-of-best-fit）を計算するプロセッサを備えてもよい。位相制御信号は、制御可能オシレータを最適フィット平面に合わせるようその制御可能オシレータの位相を設定する信号を含んでもよい。
【００３５】
フェーズドアレイアンテナはひとつ以上のフェーズドアレイアンテナパネルを備えてもよい。フェーズドアレイアンテナを備える列車などの車両が提供されてもよい。
【００３６】
本発明のある態様にしたがう方法を実行するための制御信号を生成するようフェーズドアレイアンテナを構成するための、および／または、本発明のある態様のフェーズドアレイアンテナを構成するための、機械またはコンピュータ読み取り可能プログラム要素を含むコンピュータプログラムが提供されてもよい。
【００３７】
コンピュータプログラムを運ぶキャリア媒体が提供されてもよい。キャリア媒体は、ソリッドステートメモリ、磁気メモリ、CD-ROM、デジタルバーサタイルディスク（DVD）、HD-DVD、リードライトCD、ブルーレイディスク、電気信号、無線周波数搬送波、または光搬送波のうちのひとつであってもよい。
【００３８】
複数のアンテナ要素を備えるフェーズドアレイアンテナパネルが提供されてもよい。前記複数のアンテナ要素は、ひとつの制御可能オシレータおよびひとつのコスタスループを含む。前記制御可能オシレータは、その制御可能オシレータの位相がコスタスループによって生成される制御信号に応じて設定されるように構成される。
【００３９】
本発明の別の態様によると、フェーズドアレイアンテナの要素が提供される。この要素はコスタスループを含む。このコスタスループは、ローカル出力信号の同相成分と外部出力信号の直交成分とを乗算して位相制御信号を生成する。
【００４０】
本発明のさらに別の態様によると、フェーズドアレイアンテナの要素が提供される。この要素はコスタスループを含む。このコスタスループは、ローカル出力信号の直交成分と外部出力信号の同相成分とを乗算して位相制御信号を生成する。
【００４１】
外部出力信号を使用することによって、コスタスループは、その要素で受信されうるノイズの影響を低減することによって改善された位相制御データを提供できる。その位相制御信号により、ローカルオシレータの位相をより素早くおよび／またはより正確に調整してコスタスループをロックすることができる。
【００４２】
外部出力信号は、フェーズドアレイアンテナのひとつ以上の別の要素によって生成される出力信号の総意／合成であってもよい。出力信号の総意を使用することで、個々の要素で受信されるノイズの全体的な影響を低減できる。
【００４３】
要素に関連するコスタスループのなかにブレークが存在してもよい。そこでは他の要素に関連するコスタスループの出力信号の総意／合成を使用してその要素についてローカルオシレータの位相調整を導出する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
例示のみを目的とし図面を参照して、本発明の具体的な実施の形態が説明される。
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態に係る通信システムを示す図である。
【図２】本発明の別の実施の形態に係る通信システムを示す図である。
【図３】本発明の別の実施の形態に係るフェーズドアレイパネルの部品図である。
【図４】本発明の別の実施の形態に係るフェーズドアレイ要素に関連する回路図である。
【図５】本発明の別の実施の形態に係るフェーズドアレイ要素に関連する回路図である。
【図６】本発明の別の実施の形態に係るフェーズドアレイ要素に関連する回路図である。
【図７】本発明の別の実施の形態に係るフェーズドアレイ要素に関連する回路図である。
【図８】本発明の別の実施の形態に係る通信システムを示す図である。
【図９】本発明の別の実施の形態に係るフェーズドアレイ要素に関連する回路図である。
【図１０】本発明の別の実施の形態に係るフェーズドアレイパネルの模式的な断面図である。
【図１１】本発明の別の実施の形態に係るフェーズドアレイパネルの模式的な上面図である。
【図１２】本発明の別の実施の形態に係るフェーズドアレイ要素に関連する回路図である。
【図１３】本発明の実施の形態に係るレシーバのシミュレーションの結果をグラフ的に示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態に係るレシーバのシミュレーションの結果をグラフ的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
本発明のひとつ以上の実施の形態は、フェーズドアレイアンテナに関し、特に電磁気的通信信号を送信しおよび受信する際にゲインおよび信号対ノイズ比を改善するために使用されうるフェーズドアレイアンテナシステム／パネルに関する。このフェーズドアレイアンテナシステムは、最大ゲインのビームを衛星などの電磁気的通信信号のトランスミッタまたはレシーバに自動的にフォーカスするひとつ以上のフェーズドアレイアンテナパネルを備えてもよい。
【００４７】
フェーズドアレイアンテナシステムをフォーカスすることによって、レシーバとして機能するフェーズドアレイアンテナの帯域幅が低減される。レシーバが受けるノイズはシステムの帯域幅に比例する。例として、帯域幅が１０分の１に低減された場合、信号対ノイズ比は１０ｄBだけ改善される。
【００４８】
アンテナシステムの帯域幅は、アンテナ特性（ビーム幅、入力インピーダンス、パターン、偏光、サイドローブレベル、ゲイン、ビームの向き、放射効率など）が許される範囲内にある周波数範囲とみなされてもよい。
【００４９】
各要素に関連するローカル制御可能オシレータに適用される相対位相シフトを設定するのに使用される位相フィードバック信号を生成することによって、ビームはフォーカスされる。そのローカル制御可能オシレータは、通信で使用される通信信号の変調／復調動作の一部として使用される。
【００５０】
位相フィードバック信号は、個々の要素の出力信号と複数の他の要素の出力信号を代表する「総意出力信号」とを比較することによって生成されうる。個々の要素の出力信号が複数の他の要素の出力信号と同じになるかまたは同じ値を表すまで、位相フィードバック信号はその個々の要素に関連するローカルオシレータの相対位相を調整する。個々の要素が他の要素と同じ出力信号を提供する場合、ローカルオシレータはその受信通信信号と十分に位相が揃っているとみなされてもよい。
【００５１】
総意出力信号を使用することによって、より正確な位相フィードバック信号を生成できる。総意信号に関連する全ノイズは個々の要素で受信される個々の信号のノイズよりも小さいからである。
【００５２】
図１は、本発明の実施の形態に係るフェーズドアレイアンテナシステム１００を示す。このフェーズドアレイアンテナシステム１００は６個のフェーズドアレイアンテナパネル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ、１０２ｅ、１０２ｆを含む。各フェーズドアレイアンテナパネル１０２は複数のフェーズドアレイアンテナ要素を有し、それらのうちの２つは１０８および１１０として示されている。要素１０８、１１０は中央制御器１０４を介して、システム１００がデータを伝送するために使用されている場合は共通ソース（不図示）と、システム１００がデータを受けるために使用されている場合は共通負荷（不図示）と、結合される。
【００５３】
フェーズドアレイアンテナパネル１０２は、お互いに任意の適切な向きに配されていてもよく、本実施の形態では、６個のフェーズドアレイアンテナパネル１０２は列車車両の屋根に好適にフィットするような配置構成で示されている。
【００５４】
各フェーズドアレイアンテナパネル１０２は、光ファイバケーブル１０６によって中央制御器１０４と接続される。中央制御器１０４はフェーズドアレイアンテナパネル１０２へ／から信号を送信し受信するよう構成された光ファイバ送受信器１０５を含む。使用中、制御器１０４はフェーズドアレイアンテナパネル１０２が取り付けられる列車車両の中に配置される。
【００５５】
フェーズドアレイアンテナシステム１００は、使用中、衛星へ／から電磁気的信号を送信し受信するよう構成される。本実施の形態では、衛星１１６との双方向通信によりインターネットアクセスなどの通信リンクが提供され、列車上のネットワークはその通信リンクにアクセス可能である。例えば、列車の乗客は自身のラップトップコンピュータを使用してその列車に関連するネットワークに接続可能であり、フェーズドアレイアンテナシステム１００を通信リンクの一部として使用することによってインターネットにアクセスできる。
【００５６】
例示を目的として２つの成分信号１１２、１１４が示されており、それらは衛星１１６によって放たれた同じ電磁放射１１３に対応し、フェーズドアレイアンテナシステム１００の要素１０８、１１０によって受信される。衛星１１６によって放たれた電磁放射１１３の同様の成分信号がフェーズドアレイの他のそれぞれの要素によって受信され、説明を明瞭とするためにこれらの信号の全てが図１に示されるわけではないことは理解されるであろう。
【００５７】
図１に示されるように、異なる要素１０８、１１０で受信された成分信号１１２、１１４の間には位相差が存在する。これは、衛星１１６から個々の要素１０８、１１０までの経路長が異なるためである。受信された成分信号１１２、１１４の間の位相差は、衛星１１６からフェーズドアレイアンテナシステム１００の要素１０８、１１０までの経路長および電磁放射１１３の波長に依存する。
【００５８】
他の実施の形態では、フェーズドアレイアンテナシステム１００は任意の数のフェーズドアレイアンテナパネル１０２から構成されてもよく、またある実施の形態では単一のフェーズドアレイアンテナパネル１０２から構成されてもよい。
【００５９】
各フェーズドアレイ要素１０８、１１０は位相シフト制御信号を受信する。これにより、各要素１０８、１１０に関連するローカル制御可能オシレータの位相は、フェーズドアレイアンテナパネル１０２によって生成される全体的なビームが衛星１１６にフォーカスされるように、自動的に調整される。
【００６０】
例示的なフェーズドアレイアンテナシステム１００は１０から２０のパネル１０２を備えてもよく、それぞれのパネルは縦横約０．６ｍ×０．４５ｍの寸法を有してもよい。各パネル１０２は、約２０００の要素１０８、１１０を備えてもよい。
【００６１】
図２は、本発明の別の実施の形態に係るフェーズドアレイアンテナパネル２００を示す模式図である。これは、複数のアンテナ要素２１４ａ−ｎで受信された信号の位相を揃えるものである。
【００６２】
各アンテナ要素２１４は空中線／アンテナ２０２および制御可能可変ローカルオシレータ２０４を含む。その制御可能可変ローカルオシレータ２０４は、ローカルオシレータ２０４の位相が位相データ制御信号２０６に応じてシフトされうるよう構成される。
【００６３】
位相データ制御信号２０６は各要素２１４に局在するハードウエアまたはソフトウエアによって生成されてもよく、または図１に示される中央制御器１０４などによって中心位置で生成されてもよい。
【００６４】
空中線２０２および可変ローカルオシレータ２０４は、可変ローカルオシレータ２０４の出力信号が対応する空中線２０２で受信された出力信号と混合され、データ信号とノイズとの和からなるベースバンド信号を生成するよう構成される。本実施の形態では１段変調が使用されるが、他の実施の形態では変調プロセスの一部として中間周波数信号が生成され、位相データ制御信号２０６は制御オシレータ２０４に与えられ、制御オシレータ２０４は受信された通信信号を中間周波数信号にダウンコンバートよう構成されることは理解されるであろう。
【００６５】
アンテナ要素２１４によって生成されたベースバンド信号は、共通負荷として機能する加算部２０８に提供される。
【００６６】
加算部２０８はベースバンド信号を加算するよう構成され、その結果得られる出力信号は個々の成分信号よりも強いデータ信号を提供する。個々の要素２１４によって受信される信号の中に存在しうるノイズ成分の影響は低減されるからである。各要素で受信される信号のノイズ成分は同じではなく、したがって加算部２０８によって強められないからである。
【００６７】
最大の全体的なゲインを提供するためには、各要素２１４のローカルオシレータ２０４はその関連する空中線２０２で受信される成分信号と位相が揃えられているべきであり、少なくとも要素２１４が正しい出力信号を提供する程度に十分位相が揃えられているべきである。要素の出力信号は、それが他の要素の出力信号と同じ場合に「正しい」とみなされてもよい。図１に関連して上述したように、データ源（衛星）とフェーズドアレイアンテナ要素２１４との間の経路長が異なることに起因して、受信される成分信号の相対位相はアンテナ要素２１４が異なると異なる。
【００６８】
各アンテナ要素２１４が正しい出力信号を出力するために、各ローカルオシレータ２０４の相対位相は制御信号２０６にしたがってそのアンテナ要素が他のアンテナ要素２１４と同じ出力信号を出力するまでシフトされる。
【００６９】
各ローカルオシレータ２０４の位相は、制御信号２０６にしたがって他のローカルオシレータ２０４とは独立に調整されうる。
【００７０】
データ源（衛星）とフェーズドアレイアンテナ要素２１４との間の経路長が異なることによって、各要素２１４で受信される信号間に時間遅延が導入されることは理解されるであろう。本実施の形態では後述の通り、この時間遅延はフェーズドアレイアンテナパネル２００のパフォーマンスにそれほど影響を与えないが、他の実施の形態では、受信された信号を時間的に揃えるために時間遅延部が使用されてもよい。
【００７１】
ベースバンド信号は＋１および−１のデジタルシーケンスを表す。本例では、受信される信号のチップ／データシンボルレートは２７．５Ｍｃｐｓ（メガチップ毎秒）である。電磁放射の速さを３×１０８ｍｓ−１と近似すると、各チップは約１１ｍ（３×１０８÷２７．５×１０６）の信号長を有する。これは、例えば縦横０．６ｍ×０．４ｍでありうるパネル２００の寸法よりも少なくとも一桁大きい。したがって、大部分の時間は、フェーズドアレイアンテナパネルの各要素で受信される信号は同じチップ／データシンボルに関する。
【００７２】
本実施の形態では、信号が異なるチップ／データシンボルを表す短い時間部分に起因して、異なる要素で受信された信号によって表されるチップ／データシンボル間に矛盾が生じうるのであるが、同時に受信された信号を加算して復号する場合にはいかなるそのような矛盾も重要ではないと見なされる。
【００７３】
同様に、信号を所与のターゲット（例えば、衛星）に送信する場合、要素２１４に関連する各可変ローカルオシレータ２０４に与えられる位相シフトは、対応するレシーバについて決定されたものと同じ値に設定される。これにより、ビームのゲインおよび信号対ノイズ比を改善できる。
【００７４】
フェーズドアレイアンテナパネル２００に関連する複数の要素２１４のそれぞれのローカルオシレータに与えられる位相シフトを個々に制御することによって、最大ゲイン（およびしたがって最大信号対ノイズ比）のビームを所望の向きにフォーカスできることは理解されるであろう。アレイの有効放射パターンは所望の向きにおいて強められ、望まれない向きにおいて抑制されうる。
【００７５】
本実施の形態では、受信された信号は、加算部２０８に提供される前に、各要素２１４に関連する特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣｓ）によって個々に復号される。そのような実施の形態では、フェーズドアレイパネルを通じた信号伝送はベースバンド周波数で行われる。他の実施の形態では、受信された信号は各要素２１４に関連するＡＳＩＣによって中間周波数にダウンコンバートされ、その中間周波数信号のベースバンド周波数への復号は加算部２０８の下流にあるレシーバ部（不図示）で中央的に行われる。そのような実施の形態では、フェーズドアレイパネルを通じた信号伝送はマイクロ波周波数で行われ、したがって減衰および不正確さにさらされる。
【００７６】
図３は、複数の要素３０２を備える４位相偏移変調（ＱＰＳＫ）フェーズドアレイアンテナシステム３００を示す。複数の要素３０２のそれぞれは通信信号３０１を受信し、差分同相出力バス３０４および差分直交位相出力バス３０６と結合される。差分同相出力バス３０４上の信号および差分直交位相出力バス３０６上の信号は、複数の要素３０２の同相出力信号および直交位相出力信号の合成を表し、各要素３０２によって図２に示される位相データ制御信号２０６を生成するために使用される。
【００７７】
各要素３０２の同相出力ベースバンド信号Ｉｏｕｔ３０８および直交位相出力ベースバンド信号Ｑｏｕｔ３１０は差分出力ベースバンドバスΣＩ３０４およびΣＱ３０６にそれぞれ結合される。これにより、差分同相ベースバンドバス３０４上の信号は同相ベースバンド信号３０８の全ての合成を代表する信号を提供し、差分直交位相ベースバンドバス３０６上の信号は直交位相ベースバンド信号３１０の全ての合成を代表する信号を提供する。
【００７８】
差分同相ベースバンドバス３０４上の信号であって同相成分の合成値を代表する信号は、各要素３０２に入力信号Ｉｉｎ３１２として提供される。差分直交位相ベースバンドバス３０６上の信号であって直交成分の加算値を代表する信号は、各要素３０２に入力信号Ｑｉｎ３１４として提供される。各要素３０２は、合成ベースバンド信号ＩｉｎおよびＱｉｎおよびその対応する出力信号ＩｏｕｔおよびＱｏｕｔを使用して、内部的にそれ自身の位相制御信号を生成する。
【００７９】
出力バス３０４、３０６上の信号は、要素３０２によって出力される電流信号の重ね合わせを含む。
【００８０】
出力バス上の信号がベースバンド信号を表す実施の形態では、ベースバンド信号の重ね合わせは出力ベースバンド信号の平均値を示してもよい。その重ね合わせの極性は、個々の要素の大部分が出力として＋Ｖを生成しているかまたは−Ｖを生成しているかを示す。
【００８１】
出力バス上の信号が位相変調された中間周波数（ＩＦ）信号を表す実施の形態では、ＩＦ信号の重ね合わせはＩＦ信号の大部分によって表されるシンボルを示す。例えばＩＦ信号は、正または負のベースバンドシンボル（例えば、＋１および−１）を代表する正または負の正弦波（互いに１８０度位相がずれている正弦波）を含んでもよく、合成ＩＦ信号は個々の要素の大部分が正の正弦波を生成しているかまたは負の正弦波を生成しているかを示す。
【００８２】
例えば、１００個の要素が出力バスに結合され、それらの要素のうちの８０個が正の電流を伴うベースバンド出力信号を提供し残りの２０個の要素が負の電流を伴うベースバンド出力信号を提供する場合、出力バス上で１００個のベースバンド電流信号を重ね合わせることで正の電流を表す合成信号が提供されるであろう。各要素は、その要素のベースバンド出力はいかにあるべきかを示すものとしてこの合成信号を使用できる。出力バス上の信号は、フェーズドアレイアンテナ全体について、その時最もよく見られる出力信号を示すものとみなされうる。
【００８３】
差分同相および直交位相出力バス３０４、３０６上の信号は「総意信号」とみなされてもよい。それらの信号は複数の要素３０２によって出力される信号を示し、したがってフェーズドアレイアンテナにおいて個々の要素の出力を他の要素と一致／調和させるからである。
【００８４】
本実施の形態では、各要素３０２に関連する対応するローカルオシレータに提供される位相データ制御信号は、その要素３０２によって行われる処理の結果として生成される。その処理では、データバス３０４、３０６上の同相および直交位相出力信号の値をその要素の直交位相および同相出力信号と比較し、その比較を代表するアナログフィードバック信号を生成する。
【００８５】
第１要素３０２ａに与えられるべき相対位相を設定するためにアナログフィードバック信号を適用する場合、第１要素３０２ａを第１アンテナ要素とみなし、第２要素３０２ｂから第Ｎ要素３０２ｎまでの要素のそれぞれを第２アンテナ要素とみなす。第１アンテナ要素に与えられる位相シフトを決定するときに第２アンテナ要素で受信された信号が使用される。
【００８６】
同様に、アナログフィードバックを第２要素３０２ｂに与える場合、第１アンテナ要素とみなされるのは第２要素３０２ｂであり、他の全ての要素は第２アンテナ要素とみなされる、などである。アンテナ要素３０２のそれぞれについて、そのアンテナ要素３０２に与えられるべき位相シフトを他の第２のアンテナ要素のそれぞれで受信される信号の関数として決定する場合、そのアンテナ要素は第１アンテナ要素とみなされうることは理解されるであろう。
【００８７】
図４は、本発明の別の実施の形態に係るフェーズドアレイアンテナシステム内の要素４１６に関連する回路４００の模式図である。回路４００は、ローカルオシレータ４０４の位相シフトを、同じフェーズドアレイアンテナシステム内のひとつ以上の他の要素で受信された信号に基づいて自動的に調整する。
【００８８】
説明をより明確とするために図４ではただひとつの要素の回路が示されているが、同様の回路を有するさらなる要素が、図４に示される回路４００と同じようにそれ自身の出力増幅器および入力増幅器によって出力バス４１２と接続されることは理解されるであろう。
【００８９】
回路４００は、ミキサ４０４と、出力増幅器４０８と、入力増幅器４１０と、位相フィードバック部４１４と、可変位相ローカルオシレータ４０６と、を備える。回路４００は入力信号４０２を受信するよう構成され、出力増幅器４０８および入力増幅器４１０によって出力バス４１２と接続される。
【００９０】
入力信号４０２は要素４１６に関連する空中線／アンテナから直接的にまたは間接的に取得され、ミキサ４０４に提供される。ミキサ４０４には可変位相ローカルオシレータ４０６の出力も提供される。ローカルオシレータ４０６の周波数はフェーズドアレイアンテナシステムによって受信される／送信される信号の既知の周波数にしたがって設定される。本実施の形態では、各ローカルオシレータ４０６の位相は最初任意の値に設定される。
【００９１】
ミキサ４０４の出力は出力増幅器４０８によって共通負荷／出力バス４１２と結合される。同じフェーズドアレイアンテナシステム内の他の要素に関連する対応するミキサの出力も負荷／出力バス４１２と結合される。図３に関連して共通同相および直交位相ベースバンドバス３０４、３０６は全ての要素によって生成される信号を代表する信号を提供するものとして説明されたが、共通負荷出力バス４１２はその共通同相および直交位相ベースバンドバス３０４、３０６と同じ機能を果たす。
【００９２】
共通負荷／出力バス４１２上の信号は入力増幅器４１０によって位相フィードバック部４１４へと再結合される。位相フィードバック部４１４では、共通負荷／出力バス４１２上の信号がその特定の要素４１６の個々の出力信号４１８と比較される。位相フィードバック部４１４の出力信号４２０は、ローカルオシレータ４０６の位相を制御するための位相制御信号４２０として使用され、対応する入力通信信号４０２に対してローカルオシレータ４０６の位相をシフトさせる。これにより、フェーズドアレイアンテナシステムのゲインを改善できる。
【００９３】
出力バス４１２上の信号が個々の出力信号４１８と異なるかまたは異なる値／データシンボルを表す場合、これはローカルオシレータ４０４の位相が正しくなく、ローカルオシレータ４０４の相対位相が調整されるべきであることを示す。出力バス４１２上の信号が個々の出力信号４１８と同じかまたは同じ値／データシンボルを表す場合、これはローカルオシレータ４０４の位相が正しく調整する必要がないことを示す。
【００９４】
このようにして、ローカルオシレータ４０６の他のローカルオシレータ４０６に対する位相を調整し、同じフェーズドアレイアンテナシステム内の他の要素との関係での個々の要素の位相の揃い具合を改善できる。したがって、フェーズドアレイアンテナシステムの全体的な信号対ノイズ比を改善できる。
【００９５】
周波数が与えられたとき、フェーズドアレイアンテナシステムのこの実施の形態は、複数の要素４１６が同じ出力信号（または同じ出力信号を表す中間信号）を生成するまで、その複数の要素４１６のそれぞれに関連するオシレータの相対位相を自動的にシフトさせる。これにより、（衛星などの）データ源と個々の要素４１６との間の経路長の違いに対処でき、その結果フェーズドアレイアンテナを所与の周波数で最強の信号を有するソースに自動的にフォーカスさせることができる。このようにして、フェーズドアレイアンテナシステムは所与の周波数で最強の信号を有するソースに自動的にロックする。各要素の位相シフトは、フェーズドアレイアンテナシステムで受信される最強の信号を提供するソースからの信号上にフォーカスされるビームを提供するよう調整されるからである。個々の要素に関連するローカルオシレータの位相シフトが徐々に調整されるにつれて、フェーズドアレイアンテナはソースにフォーカスされるようになり、フェーズドアレイアンテナの全体的なゲインが増大し信号対ノイズ比が改善する。
【００９６】
同じおよび／または異なるフェーズドアレイアンテナパネルに配置された複数の要素は同じフェーズドアレイアンテナシステムの部分であってもよく、したがって同じ共通負荷／出力バス４１２と結合されてもよいことは理解されるべきである。
【００９７】
本実施の形態では、位相制御信号４２０は、各要素４１６に関連する特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）上で局所的に行われる処理によって生成される。
【００９８】
図５は、本発明の別の実施の形態に係るフェーズドアレイアンテナシステムのひとつの要素に関連するレシーバ５００の回路図を模式的に示す。図５に示されるレシーバは４位相偏移変調（ＱＰＳＫ）通信信号を受信するよう構成される。
【００９９】
回路５００は、同相ミキサ５０４と、直交位相ミキサ５０６と、可変直交位相ローカルオシレータ５０８と、同相ベースバンドフィルタ５１０と、直交位相ベースバンドフィルタ５１２と、同相出力増幅器５２０と、直交位相出力増幅器５２２と、同相入力増幅器５２４と、直交位相入力増幅器５２６と、位相フィードバック部材構成５３６と、を備える。本実施の形態では位相フィードバック構成５３６はコスタスループに基づいており、２つの比較ミキサ５１４、５１６と、減算部５１８と、増幅器５３２と、ローパス制御ループフィルタ５３４と、を含む。
【０１００】
位相フィードバック部材構成５３６は位相ロックループの一例である。そこでは制御ループフィルタによって出力される位相シフト制御信号５３５が電圧制御ローカルオシレータ５０８についての制御信号として使用され、要素５００のベースバンド出力信号Ｉｎ、Ｑｎを出力バス５２８、５３０上の合成出力信号Ｉｏｕｔ、Ｑｏｕｔと合わせることができる。合成出力信号Ｉｏｕｔ、Ｑｏｕｔはフィードバック経路の一部として外部参照信号を提供する。
【０１０１】
受信された通信信号５０２は「入力」として提供され、要素に関連する空中線／アンテナ（不図示）から直接的にまたは間接的に提供される。回路は同相および直交位相出力バス５３８、５３０を含み、要素レシーバ回路５００の出力はそのそれぞれと結合される。
【０１０２】
例えば図３に示されるように、フェーズドアレイアンテナシステムは複数の要素を備え、各要素は対応するレシーバ回路を有することは理解されるであろう。複数のレシーバ回路のそれぞれは、図５に示されるレシーバ回路５００と同じように同相および直交位相出力バス５３８、５３０と結合される。説明をより明確とするために、追加的なレシーバ回路は図５に示されていない。
【０１０３】
入力信号５０２は同相ミキサ５０４および直交位相ミキサ５０６の両方に提供される。本実施の形態では、ミキサ５０４、５０６はギルバートセル（Gilbert cells）である。直交位相ローカルオシレータ５０８の出力信号もまた各ミキサ５０４、５０６への入力として提供される。
【０１０４】
直交位相ローカルオシレータ５０８は、同じ周波数および振幅を有する２つの信号を提供するよう構成される。その一方の信号は他方の信号と９０度位相がずれている。ローカルオシレータ５０８からの同相出力信号は同相ミキサ５０４に提供され、ローカルオシレータ５０８からの直交位相出力信号は直交位相ミキサ５０６に提供される。同相ミキサ５０４の出力は入力信号５０２の同相成分であるべきであり、直交位相ミキサ５０６の出力は入力信号５０２の直交成分であるべきである。
【０１０５】
ローカルオシレータ５０８の相対位相が受信された入力信号５０２の位相と十分に揃っていない場合、直交位相ミキサ５０６によって生成される出力信号中に同相成分信号の要素が存在するであろうし、逆もまたしかりである。本発明の本実施の形態のひとつの目的は、ローカルオシレータ５０８の位相を制御して同相成分および直交成分の交差汚染を低減および／または最小化することである。これにより、関連するフェーズドアレイアンテナシステムの効率を改善できる。
【０１０６】
同相成分信号および直交成分信号のそれぞれは、同相および直交位相ローパスベースバンドフィルタ５１０、５１２にそれぞれ提供される。ベースバンドフィルタ５１０、５１２は信号から、ミキサ５０４、５０６によって生成される「和周波数」成分などのいかなる望まれない任意の周波数成分をも除去し、ベースバンド周波数の外側にある信号を除去することによってノイズを低減するよう構成される。
【０１０７】
同相ベースバンドフィルタ４１０の出力信号はその要素の同相ベースバンド信号であり、Ｉｎと表記される。Ｉｎは同相出力増幅器５２０によって差分同相出力バス５２８と結合される。差分同相出力バス５２８はＩｏｕｔと表記される。本実施の形態では、同相出力増幅器５２０は電流駆動増幅器である。
【０１０８】
同様に、直交位相ベースバンドフィルタ５１２の出力信号はその要素の直交位相ベースバンド信号であり、Ｑｎと表記される。Ｑｎは直交位相出力増幅器５２２によって差分直交位相出力バス５３０と結合される。差分直交位相出力バス５３０はＱｏｕｔと表記される。本実施の形態では、直交位相出力増幅器５２２は電流駆動増幅器である。
【０１０９】
電流駆動増幅器５２０、５２２は一対の抵抗に亘るスイッチ電流源を出力バス５２８、５３０に対して提供する。本実施の形態では、ベースバンド出力信号は＋１および−１の列を表す。したがって電流駆動増幅器５２０、５２２は出力バス５２８、５３０に対して正の電流または負の電流のいずれかをソースする。
【０１１０】
フェーズドアレイアンテナの一部を形成するＮ個の要素のそれぞれは対応する増幅器５２０、５３２によって出力バス５２８、５３０と接続される。これにより、出力バス５２８、５３０上に結果として提供される電圧は、個々の要素からの出力として提供される全ての電流の和に、カップリング抵抗の全てを並列的に乗算したものである。
【数１】
0005513502.tif 000002
ここでＮは出力バスに結合される要素の数であり、Ｒは要素を出力バスに結合する一対の抵抗の抵抗値である。
【０１１１】
同相ベースバンド信号Ｉｎは直交位相ベースバンド信号Ｑｏｕｔの合成値と共に第１比較ミキサ５１４に提供される。Ｑｏｕｔは、フェーズドアレイアンテナシステム中の全ての要素の出力の合成である直交位相ベースバンド信号の極性を表す。
【０１１２】
入力信号５０２がベースバンド成分信号にダウンコンバートされた場合、同相成分および直交成分は無作為に異なるはずなので互いに完全に独立であるべきである。同相成分および直交成分が互いに独立となることを確かなものとするべく、例えばリードソロモン符号化を使用したりするなど多大な労力が費やされてきた。つまり、ローカルオシレータ５０８が正しい位相アライメントで構成されているのであれば、同相成分信号および直交成分信号が互いに比較された場合にそれらの間にいかなる相関もあるべきではない。同相成分と直交成分との間にある度合いの相関が存在する場合、これは直交成分を汚染する同相成分の存在および／またはその逆を示す。
【０１１３】
本実施の形態では、同相ベースバンド信号および直交位相ベースバンド信号は（１、１）、（１、−１）、（−１、１）（−１、−１）のいずれかの（同相、直交）値を有するＱＰＳＫシンボル（チップ）を含む。したがって、同相成分と直交成分との瞬間の積は１または−１のいずれかでありうる。出力が１である確率と−１である確率とは統計的には等しい。
【０１１４】
同相成分と直交成分とが関係していない場合、第１比較ミキサ５１４によって生成される、その２つの成分の積を時間に亘って足し合わせたものはゼロとなるであろう。「１」の値と「−１」の値とが同じ数だけ存在するであろうからである。その２つの成分の積の時間平均は後述のように制御ループフィルタ５３４によって計算される。すなわち、同相成分と直交成分とが相関していない場合、それら２つの成分の時間平均された積はゼロとなるであろう。
【０１１５】
同相成分と直交成分との時間平均された積がゼロでない場合、これは同相成分と直交成分との間に交差汚染が存在し、したがってローカルオシレータ５０８の相対位相シフトが受信される入力信号５０２に対して正しく揃えられていないことを示す。
【０１１６】
第２比較ミキサ５１６は第１比較ミキサ５１４と同様に構成されるが、要素直交成分信号Ｑｎと合成同相成分信号Ｉｏｕｔとを乗算するよう構成される。ここでも、第２比較ミキサ５１６の時間平均された出力がゼロでない場合、これは同相成分と直交成分との間に交差汚染が存在し、したがってローカルオシレータ５０８が正しく揃えられていないことを示す。
【０１１７】
ある実施の形態では、第２比較ミキサを使用することは要求されない。第１比較ミキサ５１４によって提供されるフィードバックは、同相成分信号と直交成分信号との間の相関の度合いについての十分に正確な情報を提供しうるからである。本実施の形態では、第２比較ミキサ５０６を使用して、同相成分と直交成分との相関の度合いを追加的に測定する。
【０１１８】
２つの比較ミキサ５１４、５１６からの出力信号は減算部５１８に提供され、そこではそれらの信号間の差が生成され、減算部５１８の出力として提供される。
【０１１９】
減算部５１８を使用することによって、結果として得られる位相シフト制御信号５３５に対する、同相成分および直交成分の両方に存在する任意の望まれない信号の影響を低減できる。比較ミキサ５１４、５１６の２つの出力信号が減算されると、その望まれない信号は互いに相殺されうるからである。これは、回路５００によって生じる任意の歪みを低減するのに役に立ちうる。
【０１２０】
例えば、受信された同相信号および直交信号における任意のオフセット信号は、極性および電圧が逆向きになる傾向にあり、したがってそれらが比較ミキサ５１４、５１６によって混ぜ合わされ引き続き減算部５１８によって減算されると相殺される。そのようなオフセット信号は回路５００の周囲の物理的物体によって引き起こされる可能性があり、本実施の形態では、比較ミキサ５１４、５１６が同等の部材でありそれらが互いに物理的に近接して設けられる場合、オフセット信号は特に低減されうる。
【０１２１】
減算ユニット４１８の出力における信号は増幅器４３２に提供され、その増幅器４３２の出力はローパス制御ループフィルタ４３４に提供される。ローパス制御ループフィルタ４３４は減算ユニット５１８によって生成される信号を、短期間振動を除去し長期間（低周波数）のトレンドを残すことによって、有効に時間平均／積分する。減算ユニット５１８によって生成される信号内の短期間振動は、各要素で受信される信号が異なるデータシンボルに関係している統計的には短い期間によって生じうる。
【０１２２】
ローパス制御ループフィルタ４３４のゼロでない出力は、同相成分信号と直交成分信号との間に交差汚染が存在することによってローカルオシレータ５０８の位相アライメントが最適でないことを示す。
【０１２３】
ローパス制御ループフィルタ４３４の出力における信号は位相シフト制御信号５３５として使用される。位相シフト制御信号５３５は、直交位相ローカルオシレータ４０８の位相シフトを制御するよう構成される。位相シフト制御信号５３５の値がゼロでない場合、ローカルオシレータ５０８の相対位相は可能であれば位相シフト制御信号５３５の値をさらに下げるように調整される。位相シフト制御信号５３５がゼロの場合、ローカルオシレータ５０８の相対位相は調整されない。
【０１２４】
この位相フィードバック構成５３６はコスタスループから導かれ、位相アライメントツールとして構成される。フェーズドアレイアンテナパネルが全体として考慮された場合、位相フィードバックシステムは並列に適用された複数のコスタスループとみなされうる。
【０１２５】
オプションで、出力バスＩｏｕｔおよびＱｏｕｔに提供される信号はフェーズドアレイアンテナシステム内の全ての要素の出力信号のサブセットの合成信号であってもよい。このサブセットは例えば特定のフェーズドアレイアンテナパネル内の要素やフェーズドアレイアンテナパネルのある領域である。
【０１２６】
他の実施の形態では、ひとつ以上の要素に対して単一のローパス制御ループフィルタ５３４が提供されてもよい。例えば、フェーズドアレイアンテナパネルの全ての要素に対して単一のローパス制御ループフィルタ５３４が提供されてもよい。すなわち、各要素５００に関連する増幅器５３２によって出力される信号は、ローパス制御ループフィルタ５３４への入力として提供される。そのような実施の形態では、個々要素のそれぞれによって経験されるノイズ成分信号による影響は他の要素で受信される信号と共に処理される場合には低減されるので、システムのノイズは低減される。別の実施の形態では、ローパス制御ループフィルタ５３４は各要素５００についてのスタンドアロンフィルタであってもよい。
【０１２７】
別の実施の形態では、位相フィードバック構成５３６は、Ｉｎ信号とＩｏｕｔ信号とを比較しおよび／またはＱｎ信号とＱｏｕｔ信号とを比較し、それらの信号間の任意の非相関を入力信号５０２の同相信号と直交位相信号との間の交差汚染を示すものとして識別するよう構成された部材を備えてもよい。すなわち、要素の出力信号が全ての要素の合成出力信号と同じでないかまたはそれに十分に近くない場合、その要素で受信された通信信号の復調は次善であると決定されてもよい。
【０１２８】
いったん各要素が揃えられると、その要素はローカルオシレータ５０８と受信された通信入力信号５０２との間に要求される位相関係を維持しうる。この要求される位相関係は、その要素の局所的なコンスタレーションを出力バス５２８、５３０上の総意コンスタレーションに揃えるために必要とされる。フェーズアレイアンテナは光速／データシンボル周期との関係で小さいと仮定される。
【０１２９】
他の実施の形態では、入力信号５０２を中間周波数信号にダウンコンバートするようローカルオシレータの周波数を設定してもよいことは理解されるであろう。そのような実施の形態では、出力バス５２８、５３０へ結合される信号は、データシンボルを表す中間周波数信号である。例えば、ベースバンドにおける＋１および−１データシンボルはそれぞれ中間周波数においては＋正弦波および−正弦波として表されてもよい。直流（ｄｃ）等価実施の形態は、ゼロ周波数を伴う正弦波とみなされてもよい。
【０１３０】
中間周波数で動作する実施の形態では、図５で説明される回路は同じように機能し、そこではある要素によって生成された中間周波数信号が他の要素によって生成された中間周波数信号であって出力バス５２８、５３０上に提供される中間周波数信号と同じデータシンボルを表すよう、ローカルオシレータ５０８の位相を調整する。
【０１３１】
第１要素のローカルオシレータ５０８は他の第２要素に関連するローカルオシレータ５０８にロックされていてもよい。例えば、複数のダウンコンバータ内の複数のローカルオシレータ５０８はひとつの信号ジェネレータおよびひとつの信号スプリッタによって置き換えられてもよい。各要素はそれに関連して中間周波数／復調集積回路を有してもよい。集積回路のうちのひとつは水晶発振器を有してもよく、他の集積回路はその水晶発振器に対してスレーブとされてもよい。
【０１３２】
図６は、本発明の実施の形態に係るフェーズドアレイアンテナシステムの要素に関連するレシーバ６００の別の実施の形態を模式的に示す。
【０１３３】
本実施の形態では、要素は２つのレシーバを有し、それらはＸレシーバ６０２およびＹレシーバ６０４であり、Ｘレシーバ６０２はＸ方向に偏光した信号を受信するためのものであり、Ｙレシーバ６０４はＸ方向と直交するＹ方向に偏光した信号を受信するためのものである。
【０１３４】
各レシーバ６０２、６０４は図４または図５との関係で説明されたレシーバと同様であってもよい。説明をより明確とするため、図６において位相フィードバック要素は示されていない。
【０１３５】
信号を２つの直交する成分／次元で処理することによって、特にデータを送る場合に、フェーズドアレイアンテナシステムをよりよく制御することができる。これについてのさらなる詳細は後述する。
【０１３６】
本実施の形態では、入力ポートおよび出力ポートのそれぞれは差分ポートである。
【０１３７】
図７は、本発明の実施の形態のレシーバ７００を模式的に示す。このレシーバ７００はＸ方向に偏光した信号を受信するよう構成される。Ｙ方向に偏光した信号を受信するよう構成される対応するレシーバは図７には示されない。レシーバ７００は図４のレシーバ４００と同様であり、図４との関係で既に説明された共通部材はここでは説明しない。
【０１３８】
図４と同様に、Ｘレシーバ７００において直交位相ローカルオシレータ７０２の２つの出力信号はミキサ７０４、７０６に提供される。加えて、その２つの出力信号は対応するＹレシーバへも矢印７０７で示されるとおり提供される。このＹレシーバはＹ方向に偏光した信号を受信するよう構成される。
【０１３９】
本実施の形態では、要素の出力信号の同相Ｉｎ成分および直交位相Ｑｎ成分を結合させる電流駆動増幅器７０８、７１０は抑制機能と共に提供される。抑制機能は制御通信部７２０によって制御され、その抑制機能を使用することによって、個々の要素のどれをおよび／またはＸ方向レシーバおよびＹ方向レシーバのうちのどちらを出力差分バス上の合成出力信号を生成するために使用するかを制御できる。
【０１４０】
要素によって生成される出力信号が誤っていると決定された場合、これは後述のようにパワーレベル制御信号から決定されるのであるが、その要素についての電流駆動増幅器７０８、７１０は制御通信部７２０によって抑制されてもよい。要素に関連するアンテナが損傷を受けるかまたは遮られるかあるいはそうでなければソース（例えば、衛星）から電磁気的信号を受信して処理するのを妨げられている場合、誤った出力信号が生成されうる。
【０１４１】
また、ある要素でおよびある偏光（ＸまたはＹ方向）で受信された信号がしきい値を下回ることが分かった場合、その要素についての電流駆動増幅器７０８、７１０は抑制されうる。これは、要素７００で受信された信号の大部分が要素７００に一致して偏光するように要素７００が衛星に対して偶然揃えられている場合に起こりうる。
【０１４２】
図５に示されるものと同様の位相フィードバック構成７３０に加えて、信号レベルフィードバック部材構成７３２もまた設けられる。
【０１４３】
信号レベルフィードバック構成７３２は、第１信号レベルミキサ７１２と、第２信号レベルミキサ７１４と、加算部７１６と、増幅器７１８と、を備え、要素で受信された信号の信号強度／信号レベルを表すフィードバック信号を提供するよう構成される。
【０１４４】
第１信号レベルミキサ７１２は、要素出力信号の直交成分Ｑｎとフェーズドアレイアンテナシステム内の全ての要素の出力信号の直交成分の合成Ｑｏｕｔとを乗算するよう構成される。信号Ｑｎおよび信号Ｑｏｕｔは位相が揃っている（またはほぼ位相が揃っている）はずであり、これはそれらが乗算された場合互いに建設的に干渉し合い、したがって結果として得られる信号はＱｎの信号強度を示すことを意味する。
【０１４５】
同様に、第２信号レベルミキサ７１４は、要素出力信号の同相成分Ｉｎとフェーズドアレイアンテナシステム内の全ての要素の出力信号の同相成分の合成Ｉｏｕｔとを乗算するよう構成される。
【０１４６】
２つの信号レベルミキサ７１２、７１４の出力は加算部７１６に入力として提供され、その加算部７１６の出力は増幅器８１８を介してパワーレベル制御信号として制御通信部８２０に提供される。
【０１４７】
制御通信部７２０は、位相に関するフィードバック信号を位相フィードバック構成７３０の減算部７２６から、およびパワー／信号レベルに関するフィードバック信号を信号レベルフィードバック構成７３２の加算部７１６の出力から増幅器７１８を介して、受信するよう構成される。制御通信部７２０は、受信されたひとつ以上の信号を処理し、ローカルオシレータ７０２に与えられるべき位相シフトを表す信号を生成するよう構成される。
【０１４８】
本実施の形態では、制御通信部７２０はフェーズドアレイパネル上に配置されており、シリアルデータ入出力ポート７２８を備えている。この入出力ポートは、中央制御器および／または他のフェーズドアレイアンテナパネルおよび／またはユーザインタフェースと通信するよう構成される。
【０１４９】
ある実施の形態では、制御通信部７２０は、ある要素で受信された信号の強度と他の要素で受信された信号の強度とをそれぞれのパワーレベル制御信号から相対的に解析し、その要素で受信された信号に重み付けを適用するよう構成される。重み付けは電流駆動増幅器７０８、７１０のゲインを制御することによって適用されてもよい。
【０１５０】
重み付けを適用することによって、全ての要素で受信された信号のそれぞれが同じ電流を差分出力バスＩｏｕｔ、Ｑｏｕｔに提供し、したがって同じ影響を有することを確かにできる。他の実施の形態では、要素によって生成される信号にオフセット重み付けを恣意的に提供するように、制御通信部７２０によって電流駆動増幅器７０８、７１０のゲインを設定できる。この場合、いくつかの要素で受信される信号は、他の要素で受信される信号よりも、出力バス上の合成信号に対してより大きな影響を与える。
【０１５１】
本実施の形態では、要素の向きが通信中の衛星に対して大きく変化するよりも速いレートで、ローカルオシレータ７０２に与えられる位相シフトが更新される。この要素の向きの変化は、例えば関連するフェーズドアレイアンテナパネルが取り付けられている列車が向きを変えたり揺れたりなどすることによって生じる。ローカルオシレータ７０２に与えられる位相シフト信号は１秒間に約１００００００回（つまり、１μｓに１回）更新されてもよい。
【０１５２】
図８は、本発明の別の実施の形態に係る通信システム８００を示す。
【０１５３】
通信システムはフェーズドアレイアンテナパネル８０２と中央制御器８０６とを備え、それらは互いに光ファイバケーブル８１６を介して通信する。中央制御器８０６はまた、全地球測位システム（ＧＰＳ）８０８、コンパス８１０、メモリ８１２および視覚表示ユニット（ＣＰＵ）８１４と接続される。
【０１５４】
フェーズドアレイアンテナパネル８０２は制御通信部８０４を備え、制御通信部８０４はパネル８０２の要素に関連する回路に制御信号を与えるよう構成される。本実施の形態では、制御信号を生成するのに要求される処理は中央制御器８０６によって後述の通りに行われる。
【０１５５】
システム８００が設置されるかまたは初期設定される場合、フェーズドアレイアンテナパネル８０２の要素の位置のマップが生成されメモリ８１２に記憶される。このマップは３次元座標のデータベースからなり、この３次元座標はフェーズドアレイパネル８０２の角などの基準点に対する各要素の位置を特定する。加えて、パネル８０２の３次元座標はメモリ８１２に記憶され、パネル８０２の位置および向きの決定が可能となる。例えば、パネル８０２の３つの角の座標がメモリ８１２に記憶されてもよい。この場合、線形補間を使用することで任意の要素のパネル８０２上での位置を決定することができる。
【０１５６】
メモリ８１２に記憶される要素の位置についての初期値は、例えば定規や分度器などを使用して、および／またはパネル８０２の設計仕様から、パネル８０２に対してなされる機械的測定にしたがって設定される。このため、マップの初期バージョンは「機械的マップ」と称されてもよい。
【０１５７】
上述の通り、パネルの実際の瞬間的な機械的特性がメモリ８１２に最初に記憶された理論的／実測特性と異なる場合には、パネルの機械的測定だけを使用することは不正確さを招きうる。パネルの実際の機械的特性は、例えば熱膨張や収縮によって時間が経つと共に変わりうる。
【０１５８】
中央制御器８０６は、それと通信する静止衛星の位置およびその衛星へ送信されるおよびその衛星から受信する電磁気的信号の周波数をメモリ８１２に記憶する。
【０１５９】
中央制御器８０６は、衛星の位置についての情報に加えてＧＰＳ部８０８およびコンパス８１０から決定されるフェーズドアレイアンテナパネル８００の位置についての位置情報を使用して、異なる要素で受信される電磁気的信号間の理論的な位相差を決定するよう構成される。位相差は、図１に示されるような基本的な三角法を含むシンプルな数学を使用して計算されうる。
【０１６０】
フェーズドアレイアンテナパネル８０２の各要素に関連するローカルオシレータに与えられるべき理論的な位相シフトの値もまたメモリ８１２に記憶される。通信システム８００が最初にスイッチオンされるかまたはリセットされた場合、中央制御器８０６は通信部８０４に信号を提供し、各要素に理論的な位相シフトを与える。
【０１６１】
時間が経過し、位相シフト制御信号がフェーズドアレイアンテナパネル８０２から中央制御器８０６に戻ってくるにつれて、メモリ８１２に記憶される要素の位置の元の機械的マップは、要素の位置を位相制御信号から決定されるようにより正確に反映するよう更新される。
【０１６２】
例えば、要素に関連するローカルオシレータによって生成される信号が機械的マップから決定される理論的位相シフトよりも５度だけ大きくあるべきであることが分かった場合、これはその要素の実際の位置が実際は理論値よりも３３３μｍ離れていることを示し、機械的マップはその要素についての訂正された座標で更新される。位相シフト制御信号はその要素の訂正された位置に基づき決定される。
【０１６３】
要素の位置の初期「機械的マップ」を自動的に更新することは、要素の位置の「電気的マップ」を生成することであるとみなされてもよい。この「電気的マップ」は何が実際にそこにあるのかをその場での動作結果から決定されるように反映する。
【０１６４】
設置に際して投入できる機械的マップを使用することによって、システムは曖昧さ無く所望の衛星を特定しそれにロックすることができる。これは以下の理由による。機械的マップは各ローカルオシレータに与えられる位相シフトを最初に設定してフェーズドアレイアンテナシステムをフォーカスさせることを可能とする。その結果、その周波数で受信される最強の信号は所望の衛星からのものであって同じ周波数で伝送している他の衛星からのものではない。
【０１６５】
電気的マップは上述のようにコスタスループなどの位相フィードバック構成によって維持されるのであるが、その電気的マップを引き続き使用することによって、特定された衛星との通信においてゲインおよび信号対ノイズ比を改善できる。パネル内のいかなる機械的不正確さまたは機械的特性の時間に伴う変化は電気的マップに自動的に組み込まれるからである。
【０１６６】
本実施の形態では、要素の位置のマップはＶＤＵ８１４上でユーザに対して映像的に表示されうる。これにより、ユーザは受信されたデータのなかのどのような潜在的な食い違いも特定できる。例えば、ある要素が他の要素の位置と明らかに矛盾する位置に示された場合、これはその要素が不良であるかまたはその要素が衛星によって受信される信号に対して遮られていることを示す。本実施の形態では、図７に関連して説明されたのと同様に、ユーザはＶＤＵ８１４に関連するユーザインタフェース（不図示）を使用して、誤った結果を提供していると識別された要素を手動で抑制できる。追加的にまたは代替的に、中央制御器８０６は、受信された信号強度がしきい値を下回る場合などの受信された信号強度が低すぎる場合は要素が誤った結果を提供していると自動的に決定してもよく、またその決定に応じて自動的に要素を抑制してもよい。
【０１６７】
他の実施の形態では、各要素に与えられる相対位相シフトのマップが、要素の位置の座標のマップに加えて、またはその代わりにメモリ８１２に記憶されてもよい。
【０１６８】
ある実施の形態では、個々の要素から受信される信号は特にノイズの影響を受けやすいかもしれない。ノイズの影響を最小化するために、中央制御器８０６は、要素の位置のそれぞれの座標を通じた最適フィット平面を生成し、要素がその最適フィット平面上に位置すると仮定した場合のその要素の位置に基づいて位相制御信号を生成するよう構成される。そのような実施の形態では、手動であれ自動的にであれ既に抑制されている任意の要素は最適フィット平面を生成する際に考慮されなくてもよい。これらは結果を歪めうるからである。
【０１６９】
複数の要素の座標から生成されるパターンにしたがって位相制御信号を生成すると、各要素を個別に扱う場合と比較してノイズの影響を低減できる。
【０１７０】
図９は、フェーズドアレイアンテナシステムの要素に関連するトランスミッタ９００の模式的な実施の形態を示す。本発明の実施の形態のトランスミッタは対応するレシーバ回路の部材を信号の向きを逆にして使用できることは理解されるであろう。本実施の形態では、トランスミッタ回路９００は図７のレシーバ回路７００と同じ部材を使用できる。
【０１７１】
同相成分（Ｉｄａｔａ）データおよび直交成分（Ｑｄａｔａ）データはそれぞれ、データパルス形成のためにローパスフィルタ９０２、９０４に提供される。ローパスフィルタ９０２、９０４の出力はそれぞれ、ミキサ９０６、９０８において直交位相ローカルオシレータ９１０の出力と混合される。ローカルオシレータ９１０に与えられる位相シフトは、制御通信部９１６から受信される位相制御信号にしたがって設定される。制御通信部９１６によって提供される位相値は、本明細書で説明される本発明の任意の実施の形態に記載のフェーズドアレイアンテナシステムの同じ要素に関連するレシーバから決定される。
【０１７２】
同相成分信号および直交成分信号は、送信される前に可変増幅器９１２、９１４に提供される。可変増幅器９１２、９１４のパワーレベルおよび極性は、図７に関連して説明された信号レベル制御信号などの制御通信部９１６から受信される信号レベル制御信号にしたがって設定されうる。
【０１７３】
本実施の形態では、「パワーレベルおよび極性」信号を生成する際、衛星に対するフェーズドアレイアンテナ要素９００の向きが考慮されうる。その向きは特にＸ方向およびＹ方向における対応する受信された信号の、制御通信部７２０、９１６による解析によって考慮されうる。代替的に、フェーズドアレイアンテナ要素９００の向きは（図８に関連してより詳細に議論されたコンパスおよびＧＰＳなどの）位置決定手段を使用することで決定されうる。
【０１７４】
制御通信部９１６は、衛星から受信された信号のうちどれくらいの割合がＸ次元のものであり、また衛星から受信された信号のうちどれくらいの割合がＹ次元のものであるかを決定するよう構成される。ひとつの極端な例では、フェーズドアレイアンテナ要素は受信される信号と正確に揃えられており、１００％の信号がＸ方向において受信され、０％の信号がＹ方向において受信されるかもしれない。他方の極端な例では、０％の信号がＸ方向において受信され、１００％の信号がＹ方向において受信される。
【０１７５】
受信された信号の１００％（または所定のしきい値よりも大きい）がＸ方向におけるものであることが分かった場合、Ｙ出力増幅器９１４は送信中抑制されてもよいし、逆もまたしかりである。これにより、Ｙ方向における信号を送信することは不必要と見なされうるので電力をセーブできる。
【０１７６】
図１０は、本発明の別の実施の形態に係るフェーズドアレイアンテナパネル１０００の断面図を示す。フェーズドアレイアンテナパネル１０００は複数のフェーズドアレイアンテナ要素１００１を備える。
【０１７７】
パネル１０００は２つのボードからなり、それらはトップボード１００８およびボトムボード１０１０である。各要素１００１はトップボード１００８上に設けられ、トップボード１００８の上側に印刷されたクロス折りダイポールアンテナ１００４、１００６と、トップボード１００８の下面に取り付けられた特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）１００２と、からなる。クロス折りダイポールアンテナは４つのアンテナ１００４ａ、１００４ｂ、１００６ａ、１００６ｂを有する。ＡＳＩＣ１００２はトップボード１００８内のスルーホールを介してアンテナ１００４ａ、１００４ｂ、１００６ａ、１００６ｂと接続される。
【０１７８】
各要素１００１は４つのアンテナを有する。データを受信するための２つの共通セントロイドアンテナ１００４ａ、１００４ｂと、ＸおよびＹにおける偏光を伴うデータを送信するための２つの共通セントロイドアンテナ１００６ａ、１００６ｂである。ＸおよびＹはパネル１００平面内で直交する軸である。ＸレシーバおよびＹレシーバによって検出された相対的な振幅および極性は偏光の向きを示す。
【０１７９】
トップボード１００８は多層であり、グランド面の上側のハイＫローデッドＰＴＦＥ材料（high-K loaded PTFE material）からできているトップ層１００８ａと、ガラス繊維で補強されたＰＴＦＥ誘電体（glass-fibre reinforced PTFE dielectric）からできているボトム層１００８ｂと、を含む。
【０１８０】
要素１００１は１０ｍｍの六角格子状に間隔をあけられている。１０ｍｍは動作波長の半分以下である。これにより、回折格子効果によって生成される偽りのサイドローブの影響を低減できる。六角状アレイは回折格子効果を低減するために特に有利な実施の形態である。加えて、六角状アレイのジオメトリによって、パネル上の要素密度を既知のパネルと比較して増やすことができる一方、十分に低い回折格子効果などの許容可能な動作パラメータを維持できる。既知のフェーズドアレイアンテナパネルは正方形および矩形の要素を使用する。要素に導波路を関連付けるのにより便利だからである。しかしながら、要素の六角状アレイを使用する本発明の実施の形態は、図１１に示されるように要素に導波路を関連付ける際の便利さを維持しつつ、フェーズドアレイアンテナパネルの要素密度をさらに改善して最大ゲインのビームをよりよく定義することを可能とする。
【０１８１】
本実施の形態では、六角状アレイは、各ローカルオシレータに対して要求される位相シフトを効率的に決定して適用することを可能とする。
【０１８２】
図１１に示されるように、ＡＳＩＣ１００２はトップボード１００８の下面上でデータバス１１１４によって列状に互いに電気的に接続される。
【０１８３】
データバス１１１４は以下の信号を伝えるよう構成される。
【０１８４】
・参照周波数
・加算された受信データＩおよびＱ
・送信されるべきデータＩおよびＱ
・シリアルコマンドデータバス
・パワーサプライ
【０１８５】
参照周波数信号はローカルオシレータ（シンセサイザ）に位相制御範囲を与えるよう構成され、その範囲は積分器型位相弁別器の特性の線形部分内にある送信周波数および受信周波数において＋／−２πである。この周波数範囲は、時間精度と伝送損失との間の妥協の産物である。この伝送損失は、ＰＴＦＥ基板ボトム層１１０８ｂ上の差分伝送線の、高周波数でのアンテナトップボード１００８周辺における伝送損失である。本実施の形態では、参照周波数はｆＴＸ／６４およびｆＲＸ／６４であるが、他の実施の形態では参照周波数はｆＴＸ／８およびｆＲＸ／８であってもよく、または他の任意の適切な値であってもよい。
【０１８６】
加算された同相および直交位相受信データ信号ＩおよびＱは、図５に示される差分データバス５２８、５３０上の合成信号ＩｏｕｔおよびＱｏｕｔに対応する。
【０１８７】
送信されるべきデータ信号ＩおよびＱは、図９に示されるＩｄａｔａおよびＱｄａｔａの同相成分信号および直交成分信号に対応する。
【０１８８】
トップボード１００８上のデータバス１１１４は次に、パネル１０００の側壁をつたいおりる一連の多極コネクタ１０１２によってボトムボード１０１０と接続される。
【０１８９】
ボトムボード１０１０は、信号処理回路１０１８と、電力調整回路１０２０と、周波数合成回路１０２６と、インタフェース回路１０２４と、を運び、それらはデータバス１１１４および１０１２との間でデータを送りおよび／またはデータを受け取る。参照周波数信号は、図１に示される中央制御器１０４などの中央演算装置（ＣＰＵ）によって生成される信号にしたがって、周波数合成回路１０２６によって生成される。フェーズドアレイアンテナが図１に示されるように光ファイバシステム１０６を介して中央制御器１０４と接続される実施の形態では、周波数合成回路１０２６は、参照周波数信号を生成する際、光ファイバシステムおよび／または中央制御器１０４のクロック周波数を参照として使用してもよい。
【０１９０】
トップボード１００８の上側およびボトムボード１０１０の下側には部材は取り付けられていなくてもよく、スルーホールも設けられなくてもよい。これにより、フェーズドアレイアンテナパネル１０１０を周囲の枠組み１０１６によって封することができ、フェーズドアレイパネル１０００に機械的剛性を付与できる。各パネル１０００は、パネル１０００を列車車両の屋根に安全に固定する手段を有してもよい。
【０１９１】
パネル１１００はＣＰＵへの個別のデータ接続（不図示）を有する。図１に示される実施の形態では、そのデータ接続は、互いに等しい長さでありかつパネル１０００の周囲の枠組み１０１６を通して密閉されていてもよい複数の光ファイバによって提供される。パネル１０００は電力線およびファイバテール（不図示）を備え、それらもまた周囲の枠組み１０１６を通して密閉されている。
【０１９２】
図１０および１１に示される実施の形態では、ＡＳＩＣ１００２はシリコン−ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）ＡＳＩＣである。これは、従来技術で使用される既知のガリウム−ヒ素（ＧａＡｓ）ＡＳＩＣよりも有利である。従来技術におけるＧａＡｓＡＳＩＣを使用する場合、フェーズドアレイアンテナパネル１０００の実施のために要求される論理処理を行うために別のシリコンベースのチップが必要となる。
【０１９３】
本発明の実施の形態にしたがいＳｉＧｅＡＳＩＣを使用する場合、各要素について単一のＡＳＩＣを使用することが可能となり、それによってフェーズドアレイアンテナシステムの効率が改善される。
【０１９４】
他の実施の形態では、単一の要素に対して２つのＡＳＩＣが提供されてもよい。一方はデータを受信する際の処理を行うよう構成され、他方はデータを送信する際の処理を行うよう構成される。別々のＡＳＩＣを提供することによって、トップボード１００８上の部材のパッケージレイアウトの観点から実際的な利点が提供されうる。
【０１９５】
図１２は、本発明の実施の形態に係るフェーズドアレイアンテナシステムの要素に関連するレシーバ１２００の別の実施の形態を模式的に示す。図７に示されるものと同じ特徴はここでは詳述されない。
【０１９６】
本実施の形態では、位相フィードバック部１２０２は、受信された信号と所定のコードとを比較することによって、同相成分と直交成分との間に交差汚染が存在するか否かを表す信号を提供するよう構成される。フェーズドアレイアンテナ要素１２００と通信できる衛星は、その衛星特有の定期的に繰り返されるコードを伝送するよう構成される。この特有のコードは同相成分および直交成分を有する。フェーズドアレイアンテナはこの特有のコードを使用して所望の衛星を特定しその衛星にロックすることができる。これにより、フェーズドアレイアンテナシステムは同じ周波数で送信している他の全ての衛星ではなく所望の衛星にフォーカスできる。これは、たとえそれらの他の衛星のいずれかから受信される信号が所望の衛星から受信される信号よりも強い場合でもそうである。
【０１９７】
定期的に繰り返される特有のコードを含む信号を受信する実施の形態では、所望の周波数にロックするために機械的マップまたは電気的マップを使用する必要はないかもしれないが、そうすることによってフェーズドアレイアンテナシステムが所望の衛星にロックする速さを大きくすることができる。
【０１９８】
制御通信部１２０４は、メモリから、所望の衛星に関連する特有の同相コードおよび直交位相コード１２０６、１２０８を取得し、これらのコード１２０６、１２０８を位相フィードバック部１２０２に適用するよう構成される。
【０１９９】
位相フィードバック部１２０２は図７に示されるフィードバック構成７３０と同様である。違いは、図１２の位相フィードバック部１２０２は、特有のコード１２０６、１２０８を位相フィードバック部１２０２の各ブランチに関連する相関器に与え、要素１２００で受信される信号ＸＩｎｐｕｔの同相成分と直交成分との間に交差相関が存在するか否かを決めるよう構成されることである。
【０２００】
同相特有コード１２０６は、トランスバーサルフィルタ１２１０によって受信信号の合成同相成分Ｉｏｕｔに適用され、またトランスバーサルフィルタ１２１２によって受信信号の直交成分Ｑに適用される。
【０２０１】
これら２つのトランスバーサルフィルタ１２１０、１２１２の出力は乗算部１２１８に提供され、その乗算部１２１８では図５の乗算部５１６と同様にして、乗算部１２１８のゼロでない出力信号によって任意の相関が特定される。
【０２０２】
同様に、直交位相特有コード１２０８は、トランスバーサルフィルタ１２１４、１２１６によって、受信信号の合成直交成分Ｑｏｕｔおよび受信信号の同相成分Ｉｎにそれぞれ適用される。
【０２０３】
本実施の形態では、特有のコードは１２８ビット長である。他のビット長のコードもまた使用されうることは理解されるであろう。
【０２０４】
図１３および１４は、６４個の図５に示されるような要素／レシーバ５００のコンピュータシミュレーションを行って得られた結果を示す。説明をより明確にするため、６４個のレシーバのうちの８個のレシーバについての結果のみが示される。
【０２０５】
最初、シミュレーションは要素オシレータ間の位相シフトがゼロの状態で開始され、所望の信号は要素間でπ／５ラジアンだけ位相シフトされている。
【０２０６】
図１３は、８個の要素の位相制御信号の電圧の、時間に対するグラフを示す。受信された信号が時間の経過と共に平均化され、位相制御フィードバック信号が個々の要素に関連するローカルオシレータにフィードバックされるにつれて、要素で受信される信号間のπ／５ラジアンのシフトに対処するために位相制御信号は個々に分離されていく。図１３から分かるように、位相制御信号は１７０μｓ後には個々に分離されている。
【０２０７】
図１４は、所望のＱＰＳＫ波形のコンスタレーションアライメントがいかに時間発展するかを示す。最初は所望のＱＰＳＫ波形はノイズや干渉によってはっきりしないものとなっているが、時間の経過と共に要素が位相制御信号によって揃えられるのできれいなパターンとなる。コンスタレーションポイントのサイズによって測定すると、時間の経過と共に信号対ノイズ比は１０：１まで改善する。
【０２０８】
要素コンスタレーションを総意コンスタレーションと揃えるために回転させることは、要素ローカルオシレータの位相調整によって生じる。ローカルオシレータ位相の調整は作用であり、例えばコスタスループから導かれる位相フィードバック構成によって測定されるようなローカルな復調された同相信号および直交位相信号（コンスタレーション）の相関は結果である。
【０２０９】
ある実施の形態では、本発明の実施の形態に係るフェーズドアレイアンテナシステムは、例えば広帯域インターネットアクセスを提供するために、複数の周波数を有する信号を送信し受信するよう構成されてもよい。そのような実施の形態では、レシーバとして機能するフェーズドアレイアンテナパネルの要素によって受信される信号およびトランスミッタとして機能するフェーズドアレイアンテナパネルによって送信される信号は両方とも上で詳述されたように位相が揃えられてもよく、また各要素に関連する回路の中に時間遅延部を導入することによって時間的に揃えられてもよい。時間遅延部は２以上の要素からの信号が加算される前に導入されてもよく、例えば図２の加算部２０８の前に導入されてもよい。
【０２１０】
本発明のある実施の形態では、フェーズドアレイアンテナパネルの要素に関連する回路はできる限り処理能力のないものであるべきである。すなわち、可能であれば処理はソフトウエアおよび／またはファームウエアによって中央的になされるべきである。中央的に記憶されるアルゴリズムを変えることのほうが、各要素に関連するＡＳＩＣ上のアルゴリズムを変えるよりも便利だからである。
【０２１１】
本発明の実施の形態によると、それほど正確に製造されていないフェーズドアレイアンテナパネルを使用しても、許容可能なパフォーマンスの質を提供することができる。それほど正確に製造されていないフェーズドアレイアンテナパネルを使用できるのは、要素間の理論上のまたは測定された距離への依存度が低減されるからである。本発明の実施の形態に係るフェーズドアレイアンテナパネルは、要素で受信された信号のパラメータに基づいて、最大ゲインのビームを所望のデータ源／ターゲットに繰り返し自動的にフォーカスできる。
【０２１２】
本発明の実施の形態は、コスタスループ、位相ロックループまたはｎ乗ループなどの複数の位相追従回路を使用して、フェーズドアレイアンテナシステム内の複数の要素のアライメントの総意を提供しうる。複数の復調された信号の合成である信号が生成されてもよく、複数の位相追従回路は、要素で受信された信号と復調された信号の合成との比較に基づいてその要素に関連するローカルオシレータの出力信号の位相を調整するよう構成されてもよい。これにより、要素の出力信号は互いに一致するようになる。これは、ローカルオシレータの出力信号の位相とそれらの要素で受信された通信信号の位相とを揃えることを含んでもよい。
【０２１３】
本発明はＱＰＳＫシステムに限られるものではなく、本発明の実施の形態は他の変調および多重化技術と共に使用されうることは理解されるであろう。例として、本発明は直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）を使用する通信システムと共に使用されてもよく、そこでは各要素で受信されるサブキャリア間の位相差を同時に測定する。
【０２１４】
上述の本発明の実施の形態が、汎用プロセッサや特定用途プロセッサやデジタル信号プロセッサやマイクロプロセッサや他の処理デバイスやデータ処理装置やコンピュータシステムなどのソフトウエア制御プログラム可能処理デバイスを使用して少なくとも部分的に実装可能である場合、プログラム可能デバイス、装置またはシステムを上述の方法、装置およびシステムを実現するよう構成するためのコンピュータプログラムは本発明の態様として想定されていることは理解されるべきである。コンピュータプログラムは、ソースコードやオブジェクトコードやコンパイルされたコードやインタプリタコードや実行可能コードやスタティックコードやダイナミックコードなどの任意の適切なタイプのコードとして実現されてもよい。インストラクションはＣ、Ｃ＋＋、ＪＡＶＡ（登録商標）、ＢＡＳＩＣ、Ｐｅｒｌ、Ｍａｔｌａｂ、Ｐａｓｃａｌ、ＶｉｓｕａｌＢＡＳＩＣ、ＪＡＶＡ（登録商標）、ＡｃｔｉｖｅＸ、アセンブリ言語、機械コード、などの任意の適切なハイレベル、ローレベル、オブジェクト指向、視覚的、コンパイルされたおよび／またはインタプリタプログラミング言語を使用して実装されてもよい。当業者であれば、「コンピュータ」という用語はその最も広い意味において、上述のようなプログラム可能デバイスおよびデータ処理装置およびコンピュータシステムを包含することを容易に理解するであろう。
【０２１５】
コンピュータプログラムは機械読み取り可能な形態でキャリア媒体に記憶されるのが適切である。例えばキャリア媒体は、メモリ、取り外し可能か取り外し不能な媒体、消去可能または消去不可能媒体、書き込み可能または再書き込み可能媒体、デジタルまたはアナログ媒体、ハードディスク、フレキシブルディスク、コンパクトディスクリードオンリーメモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、コンパクトディスクリコーダブル（ＣＤ−Ｒ）、コンパクトディスクリライタブル（ＣＤ−ＲＷ）、光ディスク、磁気媒体、磁気光学媒体、取り外し可能メモリカードまたはディスク、種々のデジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、サブスクライバアイデンティファイモジュール（subscriber identify module）、テープ、カセット、ソリッドステートメモリ、を含んでもよい。コンピュータプログラムは、電気的信号、無線周波数搬送波または光搬送波などの通信媒体において実現される遠隔のソースから供給されてもよい。そのようなキャリア媒体もまた本発明の側面として想定される。
【図１】
0005513502.tif 000003
【図２】
0005513502.tif 000004
【図３】
0005513502.tif 000005
【図４】
0005513502.tif 000006
【図５】
0005513502.tif 000007
【図６】
0005513502.tif 000008
【図７】
0005513502.tif 000009
【図８】
0005513502.tif 000010
【図９】
0005513502.tif 000011
【図１０】
0005513502.tif 000012
【図１１】
0005513502.tif 000013
【図１２】
0005513502.tif 000014
【図１３】
0005513502.tif 000015
【図１４】
0005513502.tif 000016