(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各スイッチマトリックスが複数のスイッチを備えていて、各スイッチが、送信信号に対応する複数の送信されたビームをスイッチし、又、受信信号に対応する複数の受信されたビームをスイッチするように構成された、複数のスイッチマトリックスと、
前記複数のスイッチマトリックスに接続されており、各ビームポートが前記複数のスイッチのうちのそれぞれ１つのスイッチに対応する複数のビームポートを備えていて、ビームコンバイナ又はビームスプリッタ無しで、前記複数の送信されたビームおよび複数の受信されたビームをルーティングするように構成されている、ビームポートルータと、
前記複数の受信されたビームを前記ビームポートルータに送信し、又、前記複数の送信されたビームを前記ビームポートルータから受信するように構成されている、単一のビームフォーミングレンズと、
前記単一のビームフォーミングレンズを通り抜けた前記複数の送信されたビームによって遠距離場ビームを形成し、又、検出された遠距離場信号に対応して、前記複数の受信されたビームを前記単一のビームフォーミングレンズに送信するように構成されている、アンテナアレイと、
を具備し、
前記複数のビームポートの第１のグループは、第１の送信された又は受信された信号に対応し、
前記複数のビームポートの第２のグループは、第２の送信された又は受信された信号に対応し
前記第１の送信された又は受信された信号、および前記第２の送信された又は受信された信号は、前記単一のビームフォーミングレンズに供給される、レンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
【請求項２】
前記ビームポートルータに接続されており、前記第１の信号に対応する前記複数のビームの第１のサブセットを、前記複数のビームポートの前記第１のグループのうちの選択された複数のビームポートに向けるか、又は前記複数のビームポートの前記第１のグループのうちの選択された複数のビームポートから受信するように構成されている、第１のスイッチマトリックスと、
前記ビームポートルータに接続されており、前記第２の信号に対応する前記複数のビームの第２のサブセットを、前記複数のビームポートの前記第２のグループのうちの選択された複数のビームポートに向けるか、又は前記複数のビームポートの前記第２のグループのうちの選択された複数のビームポートから受信するように構成されている、第２のスイッチマトリックスと、
を更に具備する、請求項１記載のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
【請求項３】
前記複数の送信されたビームは、複数のビームセットを含み、
各ビームセットは、複数の前記送信又は受信信号のうちのそれぞれに対応する、請求項１または２記載のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
【請求項４】
前記複数のビームポートは、複数のグループを含み、
各グループは、前記複数のビームセットのうちの１つの対応するビームセットに対応する、請求項３記載のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
【請求項５】
各ビームセットが複数のビームを具備し、前記ビームセットの各個別のビームが前記ビームポートルータの単一ビームポートを通り抜ける、請求項３または４記載のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
【請求項６】
前記複数のビームポートの前記第１のグループは、偶数番号の複数のビームポートであり、
前記複数のビームポートの前記第２のグループは、奇数番号の複数のビームポートである、
請求項１乃至５記載のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
【請求項７】
前記ビームポートルータは前記ビームフォーミングレンズに光学的に結合されている、請求項１乃至６記載のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
【請求項８】
前記複数のスイッチを操作するプロセッサ、
を更に具備する、請求項１乃至７記載のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
【請求項９】
前記プロセッサは、前記遠距離場ビームの角度に対応して、前記複数のスイッチを操作するように構成されている、請求項８記載のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
【請求項１０】
前記複数のスイッチの操作に対応して、前記遠距離場ビームの角度をマップするルックアップテーブル、
を更に具備する、請求項８または９記載のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
【請求項１１】
前記プロセッサは、１つ以上の受信信号を分析し、前記検出された遠距離場信号の位置と強度との少なくとも一方を推定するように構成されている、請求項８乃至１０記載のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
【請求項１２】
前記プロセッサは、前記複数のスイッチマトリックスが、送信された信号に対応する各ビームを特有の経路を通り、前記ビームポートルータと前記ビームフォーミングレンズとを通って前記アンテナアレイに向かうように制御するように構成されている、
ここで、送信された異なる複数の信号の複数のビームは、前記ビームポートルータの異なる複数のポートを占有し、受信された異なる複数の信号の複数のビームは、前記ビームポートルータの異なる複数のポートを占有する、
請求項８乃至１１記載のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
【請求項１３】
前記システムは、複数のスイッチマトリックスの各々のスイッチを独立に制御するように構成されている、請求項８乃至１２記載のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
【請求項１４】
前記アンテナアレイは、
前記検出された遠距離場信号に対応して、前記複数の受信されたビームを、前記ビームフォーミングレンズを介して、前記複数のビームポートのうちの選択された複数のビームポートに送信する、複数のアンテナ素子、
を具備する、請求項１乃至１３記載のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
【請求項１５】
レンズをベースにした切り換えビームアンテナシステムのキャパシティを２倍にする方法であって、複数のスイッチマトリックスの複数のスイッチが、第１の送信信号および第２の送信信号に対応する複数のビームをスイッチするように操作することと、
前記複数のスイッチのうちの複数の開スイッチから１本以上の送信されたビームをビームポートルータに通すことと、
前記ビームポートルータは、複数のビームポートを具備し、各ビームポートは前記複数のスイッチの内のそれぞれの１つに対応しており、ビームコンバイナ又はビームスプリッタ無しで、前記送信された複数のビームをルーティングし、受信信号に対応する受信されたビームをルーティングするように構成されている、
前記１本以上の送信されたビームを前記ビームポートルータから単一のビームフォーミングレンズに通すことと、
前記単一のビームフォーミングレンズからの前記１本以上の送信されたビームによって、アンテナアレイにおいて、遠距離場ビームを生成することと、
前記アンテナアレイにおいて第１および第２の受信された信号に対応する遠距離場ビームを検出することと、
前記受信された信号に対応する受信された複数のビームを前記単一のビームフォーミングレンズに通すことと、
前記受信された複数のビームを前記ビームポートルータに通すことと、
前記受信された複数のビームを、前記ビームポートルータの前記複数のポートから前記複数のスイッチの内の複数の開スイッチを介して通すことと、
ここで、前記複数のビームポートの第１のグループは、前記第１の送信された又は受信された信号に対応し、
前記複数のビームポートの第２のグループは、前記第２の送信された又は受信された信号に対応し
前記第１の送信された又は受信された信号、および前記第２の送信された又は受信された信号は、前記単一のビームフォーミングレンズに供給される、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビームアンテナシステム（beam antenna system）の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＲＦレンズデバイス（例えば、ロットマンレンズ（Rotman lens）又はアーチャレンズ（Archer Lens））を利用する切り換えビームアンテナシステム（switched beam antenna system）は、同じレンズに通して複数の同期ビーム（simultaneous beams）を発生する能力を有する。幾つかの広帯域の複数ビームアンテナシステム(wide band multiple beam antenna system)では、多くのこのようなビームを発生することが望ましい。
【０００３】
ＲＦレンズを利用する典型的な切り換えビームアンテナシステムは、アンテナシステムによって生成される信号に対応する遠距離場（far field）信号の指向性（directivity）又は形状を決定するために、複数のビームを使用する。このシステムは、複数のスイッチを使用して、信号に対応する１本以上のビームが、対応するビームポート(beam port)を通り抜けることを可能にし、次に、それぞれのビームポートを通り抜けたビームが、ビームフォーミング（beam forming）レンズを通り抜け、共同して遠距離場アンテナ信号を作る。これらのビームは、ビームフォーミングレンズを通り抜けると、アンテナアレイ（antenna array）のアンテナ素子(antenna element)を照らすことができ、次に、これは、このシステムによって選択されたビームに対応する遠距離場信号を生成する。
【０００４】
更に、切り換えビームアンテナシステムは、複数の信号を使用してもよい。ここでは、複数の信号を使用して、様々なビームを形成し、様々なビームは、複数のスイッチによって決定された通りに、ビームポートルータの対応するビームポートを通り抜けることを可能にされる。次に、既に記載したように、ビームポートルータを通り抜けたビームは、ビームフォーミングレンズを通り抜け、アンテナアレイに進む。従って、切り換えビームアンテナシステムによって生成される遠距離場信号の指向性と、形状と、強度とを決定するために、組み合わされた複数の信号が使用される。
【０００５】
しかしながら、複数の信号を使用する場合は、切り換えビームアンテナシステムを効果的に操作するために、追加のコンポーネントが必要である。このようなコンポーネントは、ビームコンバイナ／スプリッタ(beam combiners/splitters)を含む。このようなコンポーネントは、望ましくないシステムの損失をもたらし、その結果、切り換えビームアンテナシステムを効果的に操作するために、更なる電力を必要とし得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，２７５，１８４Ｂ１号明細書
【特許文献２】米国特許第６，３０４，２２５Ｂ１号明細書
【特許文献３】米国特許第７，０７１，８７２Ｂ２号明細書
【特許文献４】米国特許第７，１１９，７３３Ｂ２号明細書
【特許文献５】米国特許第７，２０６，６０８Ｂ１号明細書
【特許文献６】米国特許第７，３６２，２５９Ｂ２号明細書
【特許文献７】米国特許第７，４２３，６０２Ｂ２号明細書
【特許文献８】米国特許第７，５６７，２１３Ｂ１号明細書
【特許文献９】米国特許第７，７２８，７７２Ｂ１号明細書
【特許文献１０】米国特許第７，７８６，９２８Ｂ２号明細書
【発明の概要】
【０００７】
本発明の実施形態は、ビームコンバイナを使用することなく、ビームフォーミングレンズを通って複数のビームに変換される複数の信号を利用することができ、その結果、信号の強度を高め、電力の損失を減らす、切り換えビームアンテナシステムを提供する。
【０００８】
本発明の１つの実施形態は、レンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム（lens based switched beam antenna system）であって、ビームフォーミングレンズと、ビームフォーミングレンズに接続されており、複数のビームポートを含み、複数のビームポートのうちの対応する複数のビームポートを介して、複数のビームを送信するように構成されている、ビームポートルータと、を含み、複数のビームポートの第１のグループは、第１の信号に対応し、複数のビームポートの第２のグループは、第２の信号に対応する、レンズをベースにした切り換えビームアンテナシステムを提供する。
【０００９】
レンズをベースにした切り換えビームアンテナシステムは、ビームポートルータに接続されており、第１の信号に対応する複数のビームの第１のサブセットを、複数のビームポートの第１のグループのうちの選択された複数のビームポートに送信するか、又は複数のビームポートの第１のグループのうちの選択された複数のビームポートから受信するように構成されている、第１のスイッチマトリックス（switch matrix）と、ビームポートルータに接続されており、第２の信号に対応する複数のビームの第２のサブセットを、複数のビームポートの第２のグループのうちの選択された複数のビームポートに送信するか、又は複数のビームポートの第２のグループのうちの選択された複数のビームポートから受信するように構成されている、第２のスイッチマトリックスと、を更に含み得る。
【００１０】
レンズをベースにした切り換えビームアンテナシステムは、ビームポートルータからビームフォーミングレンズに送信された複数のビームに対応する遠距離場ビームを形成するように構成されている、アンテナアレイ、を更に含み得る。
【００１１】
レンズをベースにした切り換えビームアンテナシステムは、遠距離場ビームの角度又は形状に対応して、第１のスイッチマトリックスと第２のスイッチマトリックスとを操作する、プロセッサ、を更に含み得る。
【００１２】
レンズをベースにした切り換えビームアンテナシステムは、遠距離場において遠距離場信号を検出し、遠距離場信号に対応する複数のビームを、ビームフォーミングレンズを介して、ビームポートルータに送信するように構成されている、アンテナアレイ、を更に含み得る。
【００１３】
複数のビームポートの第１のグループは、偶数番号の複数のビームポートであってもよく、複数のビームポートの第２のグループは、奇数番号の複数のビームポートであってもよい。
【００１４】
本発明の別の実施形態は、各スイッチマトリックスが複数のスイッチを備えていて、各スイッチマトリックスが、送信信号に対応する複数の送信ビームを送信するか、又は複数の受信ビームに対応する受信信号を送信する、複数のスイッチマトリックスと、スイッチマトリックスに接続されており、複数のスイッチのうちのそれぞれのスイッチに対応する複数のビームポートを含み、複数の送信ビーム又は複数の受信ビームを送信するように構成されている、ビームポートルータと、複数の受信ビームをビームポートルータに送信するか、又は複数の送信ビームをビームポートルータから受信するように構成されている、ビームフォーミングレンズと、ビームフォーミングレンズを通り抜けた複数の送信ビームによって照らされて、遠距離場ビームを形成するように構成されているか、又は検出された遠距離場信号に対応して、複数の受信ビームをビームフォーミングレンズに送信するように構成されている、アンテナアレイと、を具備する、レンズをベースにした切り換えビームアンテナシステムを提供する。
【００１５】
複数の送信ビームは、複数のビームセットを含んでもよく、各ビームセットは、複数の送信信号のうちのそれぞれの送信信号に対応する。
【００１６】
複数のビームポートは、複数のグループを含んでもよく、各グループは、複数のビームセットのうちの対応するビームセットに対応する。
【００１７】
レンズをベースにした切り換えビームアンテナシステムは、複数のスイッチを操作するプロセッサを更に含み得る。
【００１８】
プロセッサは、遠距離場ビームの角度に対応して、複数のスイッチを操作するように構成され得る。
【００１９】
レンズをベースにした切り換えビームアンテナシステムは、複数のスイッチの操作に対応して、遠距離場ビームの角度をマップ（map）するルックアップテーブルを更に含み得る。
【００２０】
プロセッサは、１つ以上の受信信号を分析し、検出された遠距離場信号の位置と強度との少なくとも一方を推定するように構成され得る。
【００２１】
アンテナアレイは、検出された遠距離場信号に対応して、複数の受信ビームを、ビームフォーミングレンズを介して、複数のビームポートのうちの選択された複数のビームポートに送信する、複数のアンテナ素子、を含み得る。
【００２２】
複数のアンテナ素子の各々は、複数のビームポートのうちの１つ以上に対応し、対応する複数のビームポートを通り抜けた複数の送信ビームによってそれぞれ照らされ得る。
【００２３】
本発明の更に別の実施形態は、レンズをベースにした切り換えビームアンテナシステムのキャパシティを２倍にする方法であって、複数の信号を処理することと、複数の信号の各々を、対応するスイッチマトリックスに伝送することと、複数の信号に対応する望ましい遠距離場ビームの角度を決定することと、望ましい遠距離場ビームの角度に従って、スイッチマトリックスのスイッチを操作することと、スイッチのうちの開スイッチによって、複数の信号に対応する１本以上のビームを、ビームポートルータに通すことと、１本以上のビームをビームフォーミングレンズに通すことと、ビームフォーミングレンズからの１本以上のビームで、アンテナアレイを照らし、望ましい遠距離場ビームの角度に対応する遠距離場ビームを生成することと、を含む、方法、を提供する。
【００２４】
従って、本発明の実施形態は、複数の信号を利用することによって、且つビームポートルータのビームポートのグループを、複数の信号のうちの対応する信号のビームに当てることによって、増加したキャパシティを有する、切り換えビームアンテナシステムを提供する。
【００２５】
添付の図面は、明細書と共に、本発明の例示的な実施形態を示し、詳細な説明と共に、本発明の実施形態の態様を説明する役割をする。本発明の上述の特徴及び態様と、他の特徴及び態様は、添付の図面に関連して、例示的な実施形態を詳しく記載することによって、より明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に従って、切り換えビームアンテナシステムの概略図を示している。
【図２】本発明の別の実施形態に従って、切り換えビームアンテナシステムの概略図を示している。
【図３】本発明の更に別の実施形態に従って、切り換えビームアンテナシステムの概略図を示している。
【図４】本発明の実施形態の切り換えビームアンテナシステムによって形成され、異なるスイッチ構成に対応する、遠距離場における仮想ビーム（hypothetical beam）の代表的な図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の実施形態は、複数の信号を共通のアンテナビームフォーマ（antenna beamformer）に挿入することができ、一方で、挿入の損失と複雑さとを最小にする、レンズをベースにした切り換えビームアンテナシステムを提供する。
【００２８】
図１を参照すると、本発明の実施形態に従って、レンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム１０が示されている。レンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム１０は、アンテナアレイ１を含んでいる。アンテナアレイ１は、ビームフォーミングレンズ２に接続されている。ビームフォーミングレンズ２は、ビームポートルータ３に接続されている。この実施形態のビームポートルータ３は、第１のスイッチマトリックス４と第２のスイッチマトリックス５とに接続されている。第１のスイッチマトリックス４は、ビームポートルータ３の奇数のビームポート８に対応し、第２のスイッチマトリックス５は、ビームポートルータ３の偶数のビームポート９に対応している。
【００２９】
従って、第１のビームセットを生成する第１の信号６は、第１のスイッチマトリックス４に送信され、第２のビームセットを生成する第２の信号７は、第２のスイッチマトリックス５に送信され得る。第１のスイッチマトリックス４と第２のスイッチマトリックス５は各々、２Ｘ（１：Ｎ／２）のスイッチマトリックスであり得る。ここで、Ｎは、ビームポートルータ３のビームポートの総数に等しい。第１のビームセットを、第１のスイッチマトリックス４から、ビームポートルータ３の奇数のビームポート８に入れ、第２のビームセットを、第２のスイッチマトリックス５から、ビームポートルータ３の偶数のビームポート９に入れることによって、スイッチマトリックス４、５の使用により、ビームコンバイナ又はビームスプリッタ／ディバイダ（divider）は何れも不要になり、その結果、システム１０のキャパシティが増す。２つのスイッチマトリックス４、５を利用することによって、２つの異なる信号６、７に対応する複数のビームが、ビームポートルータ３に送られ得る。スイッチマトリックス４、５の各々は、複数のスイッチによって、信号６、７のうちの対応する一方を、ビームの１本以上として送信する。従って、スイッチマトリックス４、５によって送信された１本以上のビームが、ビームフォーミングレンズ２を通り抜け、遠距離場におけるビームを共同して形成する。本発明の実施形態によると、スイッチマトリックス４、５のスイッチは、微小電子機械システムのスイッチ(microelectromechanical system switch, MEMS)であり得る。参考のために、米国特許第７，５６７，２１３Ｂ２号(例えば、図７、８と、コラム４の５６行乃至コラム５の１６行参照)には、ＭＥＭＳスイッチと「バトラマトリックス（Butler matrices）」とを利用するビームフォーミングネットワークが示されている。
【００３０】
この実施形態によると、レンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム１０は、２つのスイッチマトリックス４、５を示しているが、３つ以上のスイッチマトリックスを利用する本発明の他の実施形態は、対応する数の信号／ビームセットに使用され得る。例えば、図２を参照すると、図２は、第３の信号１３を受信する第３のスイッチマトリックス１１を示している。しかしながら、スイッチマトリックスの数が増加すると、ビームフォーミングレンズ２において、異なる信号(例えば、６、７、１３)の交差損失（cross over loss）が対応して増加する。交差損失は、後述で更に説明する。
【００３１】
更に、この実施形態は、トランシーバによって操作されるアンテナシステム１０に関連して説明されているが、当業者に分かるように、本発明の実施形態を、受信アンテナシステムと、双方向アンテナシステムとに、更に適用してもよい。
【００３２】
本発明の実施形態のビームフォーミングレンズ２は、光学レンズ、例えば、ロットマンレンズ又はアーチャレンズであり得る。ビームステアリング（beam steering）の目的でロットマンレンズを使用することが、以下の文献において見出され得る。文献は、例えば、米国特許第７，４２３，６０２Ｂ２号(例えば、図２４と、コラム５の３１−４０行における対応する説明は、高さのステアリング（elevation steering）を提供するために使用される回転ロットマンレンズについて記載している)と、米国特許第６，２７５，１８４Ｂ１号(例えば、図３、４と、コラム５の２１−６４行における対応する説明は、スイッチとロットマンレンズとをビームシェーピングに使用することについて記載している)である。更に、米国特許第７，１１９，７３３Ｂ２号の詳細な説明は、コラム２の３４行乃至コラム３の１３行において、ロットマンレンズとバトラマトリックスのようなレンズと、切り換えネットワークを利用するビームシェーピングネットワークについて記載している。更に、米国特許第７，１１９，７３３Ｂ２号は、１つの送信信号を使用し、その１つの送信信号を切り換えネットワークに送ることと、切り換えネットワークの切り換えの操作（即ち、入力の選択）が、送信方向における指向性の特性（即ち、遠距離場に形成されるビームの指向性）を決定することについて記載している。
【００３３】
個々のビームの各々は、スイッチマトリックス４、５のうちの一方に対応し、ビームポートルータ３の対応するビームポートを通り抜ける。この個々のビームの各々は、システム１０の特質と構成とに従って、ビームポートルータ３から、ビームフォーミングレンズ２を通り、アンテナアレイ１へ、特定の経路を有する。所定のビームはレンズ２を通って放射し、次に、アンテナアレイ１の１つ以上のアンテナ素子に当てられる。例えば、ビームポートルータ３から出て、ビームフォーミングレンズ２を通り抜けた多数のビームは、アンテナアレイ１の各素子を異なる程度に照らし得る。従って、ビームポートルータ３を通り抜けた多数のビームが結合して、遠距離場におけるビームを形成する。従って、対応する信号６、７の入力を可能にするスイッチマトリックス４、５のスイッチの選択に加えて、システムの構成が、遠距離場に形成されるビームの指向性と形状の特性を決定する。
【００３４】
同様に、本発明の実施形態によると、アンテナアレイ１によって検出された遠距離場信号は、様々なアンテナ素子を介して、１本以上のビームとして、ビームフォーミングレンズ２に通され、次に、ビームポートルータ３の対応するビームポートに通され、スイッチマトリックス４、５を通り抜けた信号６、７として解釈（interpret）され得る。次に、これらの信号は、検出された遠距離場信号の位置と強度とを推定するために、システムのプロセッサ１２(図３を参照)によって分析され得る。
【００３５】
システム１０の構成によって、遠距離場信号に対応する情報がアンテナアレイ１の異なる素子に到達するのにかかる時間は、異なり得る。これは、アレイ１の異なるアンテナ素子が、遠距離場信号から異なる距離を有し得ることが原因である。従って、本発明の実施形態のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム１０は、例えば位相計算器（phase calculator）／プロセッサ１２を使用して、アレイ１のアンテナ素子により受信された信号のディジタル信号処理を行なうことによって、位相差を決定することができる。当業者には、このような信号分析が分かるであろう。このような信号分析は、図３に概略的に示されており、位相計算器／プロセッサ１２は、アンテナアレイ１に電気的に接続され、アンテナアレイ１の素子のうちの１つ以上によって個々に測定された特性を分析する。異なるビーム信号の位相の分析は、これらの異なるビーム信号が進んだ距離に対応し、従って、遠距離場信号の位置にも対応する。
【００３６】
従って、異なる信号のビームの異なる位相から、遠距離場におけるビームが形成される。当業者に分かるであろう標準的なフェーズドアレイの原理（standard phased array principle）に準じた位相遅延の程度によって、遠距離場に形成されるビームが形作られ又は傾けられ得る。従って、本発明の実施形態によると、スイッチマトリックス４、５は、ビームポートルータ３のビームポートに対応するスイッチを選択的に開くか又は閉じて、信号６、７に対応するビームセットのうちのビームが、レンズ２を通り抜けることを可能にし、それによって、遠距離場に形成されるビームの特性、例えば指向性と強度を決定する。拡大鏡が、通り抜ける光のビームの焦点を合わせるか又は散乱させ得るやり方と同様に、レンズ２によって放出された遠距離場ビームを形作って方向を定めるやり方は、物理学の光学原理に従い、レンズ２の材料、形状、及び焦点と、レンズ２に対するビームポートルータ３の位置及び配置とによって決まる。
【００３７】
更に、例えば、図１に示されているような、この実施形態に準じたレンズ２の両凸構造（double convex structure）は、レンズ２の左側でビームポートルータ３からビームが受信されると、対応するビームをレンズ２によって放出させ、遠距離場に形成される信号を右に進ませる。しかしながら、本発明の実施形態のレンズ２の中心における、ビームポートルータ３によって放出されたビームであって、レンズ２の面に対して垂直な軌跡を有するビームは、理想的には、ビームの僅かな曲げを伴って、レンズの焦点を通り抜ける。更に、レンズ２によって放出された、遠距離場の主ローブ部分に対応するビームの全体的な方向も、レンズ２の面に対して垂直になる（例えば、図４のｂ参照）。従って、スイッチマトリックス４、５のスイッチを操作することによって、入力された信号６、７を使用して、望ましい遠距離場ビームが形成され得る。
【００３８】
例えば、図４のａは、スイッチマトリックス４、５を操作して、ビームがビームポートルータ３の左側のビームポートのうちの幾つか又は全てを通り抜けるのを効果的に防ぎ、一方で、１又は複数のビームがビームポートルータ３の右側の１つ以上のビームポートを通り抜けることを可能にすることによって、仮想レンズ（hypothetical lens）２が、左に進む主ローブを有するビームを遠距離場にどのように生成し得るかを示している。同様に、図４のｃは、スイッチマトリックス４、５のスイッチの操作が、図４のａに対応する仮想のスイッチの操作を反映する状況を示している。更に、図４のｂは、スイッチの操作が、レンズ２の中心を基準にして対称である状況を示している(例えば、レンズ２の中心の最も近くに配置されているビームポートに対応するスイッチは開いており、一方で、スイッチの残りは閉じている)。
【００３９】
図４における仮想ビームの描写と説明は、単に例示を目的としており、本発明の実施形態のシステム１０によって生成されるビームの形状と方向は、ほぼ無限であり、実際の遠距離場ビームの形状と指向性は、本発明の実施形態に従って、システム１０の設計と、信号(例えば、６、７)の選択と、スイッチマトリックス(例えば、４、５)の操作とによって決定されることが分かるであろう。
【００４０】
本発明の実施形態は、レンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム１０が、スイッチマトリックス４、５を操作することによって、遠距離場におけるビームの望ましいビーム角度を決定し、様々なビーム角度を１つの特定のポート又は複数のポートにマップすることを可能にする。例えば、既に記載したように、望ましい遠距離場ビームが右方向に向かう角度を有する場合に、左側のビームポートルータ３のポートに対応するスイッチマトリックス４、５のスイッチのうちの少なくとも幾つかを操作し、ビームセットのうちの望ましいビームが通り抜けることを可能にし、一方で、右側に対応するスイッチのうちの少なくも幾つかを閉じるように操作して、ビームセットのうちの望ましくないビームが通り抜けるのを防ぐ。プロセッサ１２(図３を参照)と、入力されたアルゴリズムとを使用して、或いは、近似ビーム角度（approximated beam angle）に対応するスイッチのプロフィールを、メモリ又はルックアップテーブルに記憶することによって、様々なビーム角度をマップする又は様々なビーム角度に近付けることができる。
【００４１】
例えば、本発明の実施形態のシステム１０の設計中に、プロトタイプ又はコンピュータモデルを使用して、第１の信号６を第１のスイッチマトリックス４に伝送し、第２の信号７を第２のスイッチマトリックス５に伝送し、その後で、スイッチマトリックス４、５の操作を変えることによってレンズ２により遠距離場に生成された様々なビームの各々を測定する(例えば、スイッチマトリックス４、５のスイッチの開−閉構成の様々な組み合わせの各々から得られる各ビームを測定する)ことによって、実験室のテスト（laboratory test）を行なってもよい。次に、システム１０で使用されることを予定されている様々な信号６、７に対して、このプロセスを繰り返してもよい。様々な信号／様々なスイッチの構成と、対応する様々な遠距離場ビームの特性が測定されると、システム１０のプロセッサ１２中のメモリ／ルックアップテーブルに、結果を記憶してもよい。
【００４２】
従って、この実施形態のシステム１０のオペレータは、メモリ／ルックアップテーブルにアクセスし、望ましいビームの角度と形状とに最も密接に近似するビームの角度と形状とを見付け、次に、(メモリ／ルックアップテーブルに記憶されている情報から)対応する信号６、７の特性と、スイッチマトリックス４、５のスイッチの構成とを決定し、オペレータが、以前に分析したビームの角度と形状とを再生して、ほぼ望ましい遠距離場ビームを生成することを可能にし得る。
【００４３】
この実施形態によると、信号６、７から得られるビームを特定の方向で走査して、異なる信号６、７のビームが、ビームポートルータ３の同じポートを決して占有しないようにする。次に、システム１０の制御デバイス、例えばプロセッサ１２は、スイッチマトリックス４、５のスイッチを独立して制御し、信号６、７に対応する望ましいビームが、ビームポートルータ３の選択されたポートを通り抜けて、望ましい遠距離場ビームの角度を作る又は望ましい遠距離場ビームの角度に近似することを、効果的に可能にする。特定の角度に近似する又は特定の角度を実現する遠距離場ビームを得るためにどのスイッチを操作するかは、上述のように異なるポートをマップすることによって決定され得る(例えば、ビームポートルータ３のどのビームポートが特定の角度に対応するかを決定するために、実験を行なって、実験の結果を、システム１０のルックアップテーブルに記憶し、システム１０のルックアップテーブルにプロセッサ１２がアクセスし、スイッチマトリックス４、５の対応するスイッチの効果的な制御を可能にする）。有限数のポート／スイッチを使用するので、任意の所定のシステムの有限数の異なるビーム角度のみが実現され得る。更に、スイッチ／ビームポートの数が減少すると、再生可能な異なる遠距離場ビームの形状と方向の数が減少する。従って、遠距離場ビームの実際の角度が、望ましいビーム角度に正確に一致しなくても、ビームがポートを通り抜けると、望ましいビーム角度を最も密接に表わす遠距離場ビームを形成するように、スイッチの操作を可能にすることが必要であり得る。
【００４４】
本発明の実施形態によると、多くのビームポートを有する広帯域レンズビームフォーマ１０(例えば、ロットマン又はアーチャレンズは、６４個のビームポートを有する)を利用して、第１の信号４に対応する第１のビームセットに対して、奇数番号のビームポート(例えば、１、３、５、・・・６３)を使用し、第２の信号５に対応する第２のビームセットに対して、偶数番号のビームポート(例えば、２、４、６、・・・６４)を使用することによって、レンズ２のキャパシティは、効果的に２倍になり得る。
【００４５】
本発明は、例示的な実施形態を参照して、詳しく示され説明されているが、請求項及びそれらと同等のものとによって定義されている本発明の意図及び範囲から逸脱することなく、異なる実施形態の特徴を組み合わせて、更なる実施形態を形成してもよいことと、形態及び細部に様々な変更を行なってもよいことが、当業者に分かるであろう。
以下に、本出願時の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[１]  レンズをベースにした切り換えビームアンテナシステムであって、
ビームフォーミングレンズと、
前記ビームフォーミングレンズに接続されており、複数のビームポートを備えていて、前記複数のビームポートのうちの対応する複数のビームポートを介して、複数のビームを送信するように構成されている、ビームポートルータと、
を具備し、
前記複数のビームポートの第１のグループは、第１の信号に対応し、
前記複数のビームポートの第２のグループは、第２の信号に対応する、レンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
[２]  前記ビームポートルータに接続されており、前記第１の信号に対応する前記複数のビームの第１のサブセットを、前記複数のビームポートの前記第１のグループのうちの選択された複数のビームポートに送信するか、又は前記複数のビームポートの前記第１のグループのうちの選択された複数のビームポートから受信するように構成されている、第１のスイッチマトリックスと、
前記ビームポートルータに接続されており、前記第２の信号に対応する前記複数のビームの第２のサブセットを、前記複数のビームポートの前記第２のグループのうちの選択された複数のビームポートに送信するか、又は前記複数のビームポートの前記第２のグループのうちの選択された複数のビームポートから受信するように構成されている、第２のスイッチマトリックスと、
を更に具備する、前記[１]のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
[３]  前記ビームポートルータから前記ビームフォーミングレンズに送信された前記複数のビームに対応する遠距離場ビームを形成するように構成されている、アンテナアレイ、
を更に具備する、前記[２]のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
[４]  前記遠距離場ビームの角度又は形状に対応して、前記第１のスイッチマトリックスと前記第２のスイッチマトリックスとを操作する、プロセッサ、
を更に具備する、前記[３]のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
[５]  遠距離場において遠距離場信号を検出し、前記遠距離場信号に対応する前記複数のビームを、前記ビームフォーミングレンズを介して、前記ビームポートルータに送信するように構成されている、アンテナアレイ、
を更に具備する、前記[２]のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
[６]  前記複数のビームポートの前記第１のグループは、偶数番号の複数のビームポートであり、
前記複数のビームポートの前記第２のグループは、奇数番号の複数のビームポートである、前記[２]のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
[７]  各スイッチマトリックスが複数のスイッチを備えていて、各スイッチマトリックスが、送信信号に対応する複数の送信ビームを送信するか、又は複数の受信ビームに対応する受信信号を送信する、複数のスイッチマトリックスと、
前記スイッチマトリックスに接続されており、前記複数のスイッチのうちのそれぞれのスイッチに対応する複数のビームポートを備えていて、前記複数の送信ビーム又は複数の受信ビームを送信するように構成されている、ビームポートルータと、
前記複数の受信ビームを前記ビームポートルータに送信するか、又は前記複数の送信ビームを前記ビームポートルータから受信するように構成されている、ビームフォーミングレンズと、
前記ビームフォーミングレンズを通り抜けた前記複数の送信ビームによって照らされて、遠距離場ビームを形成するように構成されているか、又は検出された遠距離場信号に対応して、前記複数の受信ビームを前記ビームフォーミングレンズに送信するように構成されている、アンテナアレイと、
を具備する、レンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
[８]  前記複数の送信ビームは、複数のビームセットを含み、
各ビームセットは、複数の前記送信信号のうちのそれぞれの送信信号に対応する、前記[７]のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
[９]  前記複数のビームポートは、複数のグループを含み、
各グループは、前記複数のビームセットのうちの対応するビームセットに対応する、前記[８]のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
[１０]  前記複数のスイッチを操作するプロセッサ、
を更に具備する、前記[７]のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
[１１]  前記プロセッサは、前記遠距離場ビームの角度に対応して、前記複数のスイッチを操作するように構成されている、前記[１０]のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
[１２]  前記複数のスイッチの操作に対応して、前記遠距離場ビームの角度をマップするルックアップテーブル、
を更に具備する、前記[１０]のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
[１３]  前記プロセッサは、１つ以上の受信信号を分析し、前記検出された遠距離場信号の位置と強度との少なくとも一方を推定するように構成されている、前記[１０]のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
[１４]  前記アンテナアレイは、
前記検出された遠距離場信号に対応して、前記複数の受信ビームを、前記ビームフォーミングレンズを介して、前記複数のビームポートのうちの選択された複数のビームポートに送信する、複数のアンテナ素子、
を具備する、前記[７]のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
[１５]  前記複数のアンテナ素子の各々は、
前記複数のビームポートのうちの１つ以上に対応し、
前記対応する複数のビームポートを通り抜けた前記複数の送信ビームによってそれぞれ照らされる、前記[１４]のレンズをベースにした切り換えビームアンテナシステム。
[１６]  レンズをベースにした切り換えビームアンテナシステムのキャパシティを２倍にする方法であって、
複数の信号を処理することと、
前記複数の信号の各々を、対応するスイッチマトリックスに伝送することと、
前記複数の信号に対応する望ましい遠距離場ビームの角度を決定することと、
前記望ましい遠距離場ビームの角度に従って、前記スイッチマトリックスのスイッチを操作することと、
前記スイッチのうちの開スイッチによって、前記複数の信号に対応する１本以上のビームをビームポートルータに通すことと、
前記１本以上のビームをビームフォーミングレンズに通すことと、
前記ビームフォーミングレンズからの前記１本以上のビームで、アンテナアレイを照らし、前記望ましい遠距離場ビームの角度に対応する遠距離場ビームを生成することと、
を含む、方法。
【００４６】
本発明は、例示的な実施形態を参照して、詳しく示され説明されているが、請求項及びそれらと同等のものとによって定義されている本発明の意図及び範囲から逸脱することなく、異なる実施形態の特徴を組み合わせて、更なる実施形態を形成してもよいことと、形態及び細部に様々な変更を行なってもよいことが、当業者に分かるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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