(57)【要約】  フェイズドアレイのアンテナは、個別アレイアンテナの複数の方形サブアレイを含む。複数の中の方形サブアレイは、サブアレイの位相中心の周期性を低減するようタイリングされる。アンテナは、各個別アレイ要素と共に位相シフタを使用するのと対照的に、サブアレイ毎に位相シフタを利用する。
2019503621.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェイズドアレイアンテナであって、
個別アレイ要素の複数の方形サブアレイであって、前記複数の方形サブアレイの各々は位相中心を有し、前記複数の方形サブアレイは前記位相中心の周期性を低減するようタイリングされる、複数の方形サブアレイ、を含むフェイズドアレイアンテナ。
【請求項２】
個々の方形サブアレイの中の前記アレイ要素は、共通位相シフタに接続される、請求項１に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項３】
前記複数の方形サブアレイの各々は、個々の主軸及び副軸を有する、請求項１に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項４】
前記複数の方形サブアレイのサブセットは、他の方形サブアレイの前記主軸に直交するよう配置された主軸と共にタイリングされる、請求項３に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項５】
前記方形サブアレイは、前記フェイズドアレイアンテナの軸に沿う多数の位相中心位置を設けるようタイリングされる、請求項１に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項６】
前記方形サブアレイの前記位相中心は、個々の方形サブアレイ内に配置される、請求項１に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項７】
前記方形サブアレイの各々は、８個の個別アレイ要素を含む、請求項１に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項８】
前記方形サブアレイは、４×２の方形の個別アレイ要素を含む、請求項７に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項９】
前記方形サブアレイは、８×１の方形の個別アレイ要素を更に含む、請求項８に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１０】
８×１の方形のサブアレイより多数の４×２の方形のサブアレイがある、請求項９に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１１】
各サブアレイは、振幅重み付けに関連付けられる、請求項１に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１２】
前記サブアレイは、列重み付けの近似を提供するよう、前記振幅重み付けを割り当てられる、請求項１１に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１３】
個々の方形サブアレイの中の２以上の個別アレイ要素は、異なる振幅重み付けに関連付けられる、請求項１１に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１４】
前記振幅重み付けはチェビシェフ重み付けである、請求項１１に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１５】
前記フェイズドアレイアンテナにより使用される周波数は、約７１〜８６ＧＨｚの範囲である、請求項１に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１６】
個別アンテナ要素の間の間隔は、約λ０／２に等しく、λ０は、前記フェイズドアレイアンテナの特定動作周波数における自由空間内の波長である、請求項１に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１７】
１０２４個の個別アンテナ要素がある、請求項１に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１８】
個々の方形サブアレイの中の前記アレイ要素は、共通遅延線に接続される、請求項１に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１９】
前記複数の方形サブアレイに渡り、前記個別アレイ要素は、方形格子パターンで配置される、請求項１に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項２０】
前記フェイズドアレイアンテナの中の各サブアレイは、方形サブアレイである、請求項１に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項２１】
フェイズドアレイアンテナであって、
複数のフェイズドアレイアンテナ・コンポーネントであって、前記フェイズドアレイアンテナ・コンポーネントの各々は個別アレイ要素の複数の方形サブアレイを含み、前記複数の方形サブアレイは前記複数のサブアレイの位相中心の周期性を低減するようタイリングされる、複数のフェイズドアレイアンテナ・コンポーネント、を含むフェイズドアレイアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の参照］
本願は、参照により全体が再製されるようにここに組み込まれる米国非仮特許出願番号第１４／９７７，３３７号、２０１６年１月１５日出願、名称「サブアレイを有するフェイズドアレイアンテナ」、の優先権及び利益を主張する。
【０００２】
［技術分野］
本願は、通信システムにおいて使用されるフェイズドアレイアンテナに関し、特にアレイ要素のサブアレイグループの配置及びタイリングに関する。
【背景技術】
【０００３】
フェイズドアレイアンテナは、様々な異なる無線通信ネットワークにおいて使用でき、それらは、方位角及び高度の面の両方で、送信又は受信の操向を可能にするために使用できる。送信及び受信の操向は、アレイアンテナが特定位置に向かって送信又は受信リソースに向くことを可能にし、これは、所与のノードに供することの可能な有効な接続リソースを増大できる。モバイル装置にサービスを提供するために設計されたネットワークであるモバイルネットワークでは、ビーム操向がそれらを必要とする位置への接続リソースのより良好な集中を可能にするので、ビーム操向への関心が高まっている。所望の指向性を達成するために、比較的大きなアレイが必要とされる。従来のフェイズドアレイアンテナ設計では、アレイ要素毎に、１つの位相シフタ、遅延線及び／又は振幅制御が存在する。これは、アレイの製造コスト及び複雑性の両方を増大する。システム複雑性を低減するために、制御回路の量を削減する必要がある。サブアレイアンテナ設計は、少量のアレイ要素を一緒にグループ化して、アレイ要素のグループを駆動するために１つのみの位相シフタ又は遅延線を使用するために、使用される。しかしながら、サブアレイの使用は、グレーティングローブを生じ、アレイの操向性を低下させ得る。
【０００４】
通信システムのための追加の、代替の、及び／又は改良されたフェイズドアレイアンテナ設計を有することが望ましい。
【発明の概要】
【０００５】
本開示によると、個別アレイ要素の複数の方形サブアレイであって、前記複数の方形サブアレイは前記複数のサブアレイの位相中心の周期性を低減するようタイリングされる、複数の方形サブアレイ、を含むフェイズドアレイアンテナが提供される。
【０００６】
フェイズドアレイアンテナの更なる実施形態では、個々の方形サブアレイの中の前記アレイ要素は、共通位相シフタに接続される。
【０００７】
フェイズドアレイアンテナの更なる実施形態では、前記複数の方形サブアレイの各々は、個々の主軸及び副軸を有する。
【０００８】
フェイズドアレイアンテナの更なる実施形態では、前記複数の方形サブアレイのサブセットは、他の方形サブアレイの前記主軸に直交するよう配置された主軸と共にタイリングされる。
【０００９】
フェイズドアレイアンテナの更なる実施形態では、前記方形サブアレイは、前記フェイズドアレイアンテナの軸に沿う多数の位相中心位置を設けるようタイリングされる。
【００１０】
フェイズドアレイアンテナの更なる実施形態では、個々の方形サブアレイの前記位相中心は、個々の方形サブアレイ内に配置される。
【００１１】
フェイズドアレイアンテナの更なる実施形態では、前記複数の方形サブアレイの各々は、８個の個別アレイ要素を含む。
【００１２】
フェイズドアレイアンテナの更なる実施形態では、前記方形サブアレイは、４×２の方形の個別アレイ要素を含む。
【００１３】
フェイズドアレイアンテナの更なる実施形態では、前記方形サブアレイは、８×１の方形の個別アレイ要素を更に含む。
【００１４】
>フェイズドアレイアンテナの更なる実施形態では、８×１の方形のサブアレイより多数の４×２の方形のサブアレイがある。
【００１５】
フェイズドアレイアンテナの更なる実施形態では、各サブアレイは、振幅重み付けに関連付けられる。
【００１６】
フェイズドアレイアンテナの更なる実施形態では、前記サブアレイは、列重み付けの近似を提供するよう、前記振幅重み付けを割り当てられる。
【００１７】
フェイズドアレイアンテナの更なる実施形態では、個々の方形サブアレイの中の２以上の個別アレイ要素は、異なる振幅重み付けに関連付けられる。
【００１８】
フェイズドアレイアンテナの更なる実施形態では、前記振幅重み付けはチェビシェフ重み付けである。
【００１９】
フェイズドアレイアンテナの更なる実施形態では、前記フェイズドアレイアンテナにより使用される周波数は、約７１〜８６ＧＨｚの範囲である。
【００２０】
フェイズドアレイアンテナの更なる実施形態では、個別アンテナ要素の間の間隔は、約λ０／２に等しく、λ０は、前記フェイズドアレイアンテナの特定動作周波数における自由空間内の波長である。
【００２１】
フェイズドアレイアンテナの更なる実施形態では、１０２４個の個別アンテナ要素がある。
【００２２】
フェイズドアレイアンテナの更なる実施形態では、個々の方形サブアレイの中の前記アレイ要素は、共通遅延線に接続される。
【００２３】
フェイズドアレイアンテナの更なる実施形態では、前記複数の方形サブアレイに渡り、前記個別アレイ要素は、方形格子パターンで配置される。
【００２４】
フェイズドアレイアンテナの更なる実施形態では、前記フェイズドアレイアンテナの中の各サブアレイは、方形サブアレイである。
【００２５】
本開示によると、フェイズドアレイアンテナであって、複数のフェイズドアレイアンテナ・コンポーネントであって、前記フェイズドアレイアンテナ・コンポーネントの各々は個別アレイ要素の複数の方形サブアレイを含み、前記複数の方形サブアレイは前記複数のサブアレイの位相中心の周期性を低減するようタイリングされる、複数のフェイズドアレイアンテナ・コンポーネント、を含むフェイズドアレイアンテナが更に提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
実施形態は、以下の添付の図面を参照して本願明細書に記載される。
【図１】簡略通信ネットワークを示す。
【図２】通信ネットワークにおいて使用され得るアンテナアレイを概略的に示す。
【図３】図１によるフェイズドアレイアンテナの指向性の３Ｄプロットである。
【図４】φ＝１５°で、図３の３Ｄプロットを通るスライスのプロットである。
【図５】サブアレイの位相中心と一緒に、サブアレイを備えるフェイズドアレイアンテナを示す。
【図６】図５によるフェイズドアレイアンテナの指向性の３Ｄプロットである。
【図７】φ＝１５°で、図６の３Ｄプロットを通るスライスのプロットである。
【図８】サブアレイの位相中心と一緒に、サブアレイを備える別のフェイズドアレイアンテナを示す。
【図９】図８によるフェイズドアレイアンテナの指向性の３Ｄプロットである。
【図１０】φ＝１５°で、図９の３Ｄプロットを通るスライスのプロットである。
【図１１】サブアレイに適用されるチェビシェフ重み付けを示す。
【図１２】図１１によるフェイズドアレイアンテナの指向性の３Ｄプロットである。
【図１３】φ＝１５°で、図１２の３Ｄプロットを通るスライスのプロットである。
【図１４】図８のアンテナの周波数応答のプロットを示す。
【図１５】図４のプロットの拡大された部分である。
【図１６】複数のフェイズドアレイアンテナから成るアンテナを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は、簡略無線通信システムを示す。図示のように、多数の基地局又は通信機１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ（集合的に通信機１０２として参照される）がネットワーク１０４に接続される。ネットワーク１０４は、モバイル装置にサービスを提供でき且つデータ及び音声サービスのうちの少なくとも１つを提供できるモバイルネットワークである。通信機１０２のようなアクセスポイントを通じてネットワーク１０４に接続することにより、モバイル装置は、インターネットを含む他のネットワークに接続され得る。通信機１０２は、それぞれ、無線接続を介して、モバイル装置１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ及び１０６ｄ（集合的にモバイル装置１０６として参照される）として図示される１又は複数のモバイル装置と通信して良い。モバイル装置１０６及び通信機１０２の両者は、それぞれ、無線周波数（radio  frequency、ＲＦ）信号を送信し及び受信する１又は複数の無線アンテナを含む。多くのネットワークでは、通信機１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃがフェイズドアレイアンテナを利用できるとき、指向性、従ってネットワーク効率を向上することが可能である。当業者は、用語モバイル装置がモバイルネットワークに接続可能な装置を表すことを理解し、装置自体が移動可能であることが要件として解釈されるべきではない。センサのような機械対機械装置は、必ずしもモバイルではない場合があるが、モバイル装置と考えられる。通信機１０２は、固定リンクを通じてネットワーク１０４に接続できる。これらのリンクは、それら自体が、無線リンクの一端又は両端でフェイズドアレイアンテナを使用する無線リンクであって良い。図１には通信機１０２がネットワーク１０４に接続されるように示されるが、理解されるべきことに、アクセスポイントは、別のアクセスポイントであってそれ自体がネットワーク１０４に接続された別のアクセスポイントへの無線接続を通じて、ネットワーク１０４に接続して良い。このように、フェイズドアレイは、バックホール通信リンク及びアクセスポイント間通信リンクを提供するために使用されて良い。
【００２８】
フェイズドアレイは、第三世代パートナーシッププロジェクト（Third  Generation  Partnership  Project、３ＧＰＰ）により策定されたロングタームエボリューション（Long  Term  Evolution、ＬＴＥ）ネットワーク標準をサポートするような、第３及び第４世代（３Ｇ／４Ｇ）モバイルネットワークを含む多くの異なるネットワーク実装において使用可能であるが、以下の議論は、第５世代無線ネットワーク（５Ｇ）のような次世代無線ネットワークにおけるフェイズドアレイの適用を対象とする。これは、フェイズドアレイアンテナの適用可能性の範囲を限定すると考えられるべきではない。
【００２９】
５Ｇのような次世代無線ネットワークのために望まれる性能を提供するために、ネットワークは、フェイズドアレイアンテナを送信機及び受信機に含めて、送信ビームを操向可能に、及び受信機を方位面及び高度面の両方で指向可能にする。フェイズドアレイにより走査可能な特定視野（field  of  view、ＦＯＶ）は、特定の要件に依存して変化するが、概して、設計目的は、主ビームを方位及び高度面の両方で＋／−３０°に渡り操向可能にすることである。以下に更に記載されるアンテナ設計は、個別アレイ要素の複数の方形サブアレイを利用する。各サブアレイは位相中心を有することが理解される。サブアレイは、位相中心位置の周期性を低減するよう配置される。高度に周期的な位相中心位置を生じる方形サブアレイの規則的格子タイリングを使用するのではなく、本アンテナ設計は、方形サブアレイのタイリングにランダム性又は準ランダム性を導入する。方形形状のサブアレイのランダムタイリングは、位相中心位置に非周期性を導入する。記載される構成は、各個別アレイ要素が自身の制御回路を必要とするのではなく、各サブアレイが単一の制御回路により供されるので、必要な制御回路の数の削減を可能にする。制御回路削減、及び比較的簡易なサブアレイタイリングパターンは、コスト削減を提供し、設計過程を簡略化し、及び／又はアンテナの製造を簡略化し得る。
【００３０】
図２は、通信ネットワークにおいて使用され得るアンテナアレイを概略的に示す。アンテナアレイ２００は、アンテナ要素としても参照され得る規則的に間隔の開けられた個別アレイ要素２０４の格子２０２を含む。各アンテナ要素２０４は、信号を送信及び／又は受信可能である。図２の明確さのために、単一のアレイ要素２０４のみがラベル付けされることに留意する。個別アレイ要素の間の格子間隔は、アンテナが使用される周波数範囲を含む設計の詳細に依存して変化して良い。格子間隔は、約λ０／２であって良く、λ０は送信又は受信される信号の自由空間における波長である。アンテナ２００の送信又は受信方向は、個別アレイ要素の送信又は受信信号の位相をシフトすることにより操向できる。図２に示されるように、格子アレイ２０２は、個別アレイ要素毎に位相シフタ２０８を含む制御回路２０６に関連付けられる。送信及び受信回路の間で切り換える追加コンポーネント、増幅器、等は、制御回路２０６に含まれて良い。
【００３１】
図３は、従来のフェイズドアレイアンテナの放射パターンの３Ｄプロットである。放射パターンを計算するためにモデル化されたフェイズドアレイアンテナは、図２に示すように、λ０＝ｃ／８６ＧＨｚ、ｃを光速として、λ０／２の格子間隔を有する等方性アレイ要素の１６×１６格子を含む。θ＝１５°及びφ＝１５°の空間位置で操向するアンテナ放射パターンは、数学的モデル化ソフトウェアを用いて計算された。図３において分かるように、アンテナの放射パターン又は放射強度は、高度に指向性がある。ピーク指向性３０２の送信強度は、８６ＧＨｚの動作周波数において、２５．７２ｄＢｉ（等方性に対するデシベル）であった。図４は、φ＝１５°で、図３の３Ｄプロットを通るスライスのプロットである。図示のように、主ビーム４０２はθ＝１５°及びφ＝１５°において生じる。さらに、サイドローブ４０４のレベルは、全て、主ビームより低い１３ｄＢｃ（搬送波に対するデシベル）である。
【００３２】
個別アレイ要素毎に位相シフタを備える、アンテナアレイ２００のようなアンテナアレイは所望の性能を提供するが、多数の位相シフタ及び各アレイ要素を制御する関連回路が更なるコストを追加し、アンテナの製造を複雑化し得る。アレイ要素の行又は列のように、多数のアレイ要素を一緒にグループ化し、グループ毎に単一の位相シフタ又は遅延線を設けることが可能である。このような技術は、必要な位相シフタ又は遅延線の数を削減するが、アンテナアレイの性能にも影響を及ぼす。アレイ要素を一緒にグループ化することは、アレイのＦＯＶを減少させ得る。さらに、アレイ要素のグループ化は、サイドローブレベルを増大する場合もあり、操向されるとき１又は複数のグレーティングローブを生成する。
【００３３】
フェイズドアレイのために必要な制御回路の数を削減するために、個別アレイ要素は、サブアレイに一緒にグループ化され得、サブアレイはそれがアレイ要素であるかのように駆動される。例えば、フェイズドアレイが８個の個別アレイ要素を一緒にグループ化するサブアレイを使用する場合、制御回路の数は７／８だけ削減される。サブアレイは、それぞれ、関連付けられた位相中心を有し、λ０／２の要素間間隔を有する方形サブアレイの規則的タイリングでは、２つの位相中心の位置の間の距離は、特定動作周波数においてλ０より大きい。サブアレイの位相中心の間の比較的大きな距離は、放射ビームの操向中に現れるグレーティングローブを生じる。サブアレイにより生成されるグレーティングローブを低減するために、不規則なポリオノミ形状のサブアレイのランダムなタイリングのような、複雑な設計及び製造技術を使用することが可能だが、このような技術は、設計及び製造することが困難な場合があり、また、金額及び時間の両方においてコストがかかることがある。不規則なポリオノミ形状は、端に沿って３以上の等しい正方形を結合することにより形成される非方形形状である。本願明細書に更に記載されるように、フェイズドアレイで使用される制御回路の数の削減は、サブアレイの使用に起因する。不規則なポリオノミに基づくタイリングの使用は、制御回路の量の削減を達成するが、それは、設計及び製造の複雑性における対応する増大と相殺される。以下では、方形アレイを利用するアレイが記載される。これは、制御回路の数において等価な削減を有し、サブアレイの規則的形状に起因する簡易な給電構造を可能にし、タイリングパターンにランダム性を導入することにより許容可能なサイドローブレベルを維持し、結果としてサブアレイの位相中心の周期性の低減をもたらす。これはサブアレイの位相中心の非周期性を増大するサブアレイタイリングの利用としても記載され得ることが、当業者により理解される。
【００３４】
図５は、サブアレイ５０６の位相中心位置５１６と一緒に、規則的形状のサブアレイ５０６のタイリングから形成されるフェイズドアレイアンテナ５００を示す。図５の右半分は、サブアレイ又はアンテナ要素を示さずに、サブアレイの位相中心５１６の位置を示す。フェイズドアレイアンテナ５００は、個別アレイ要素５０４の周期的格子５０２を含む。個別アレイ要素の各々は、ＲＦエネルギを放射し又は検出可能なアンテナであって良い。個別アレイ要素５０４は、標準的に全部、単極アンテナ、双極アンテナ、又は他の形状のアンテナのような同じ種類の又は形状のアンテナであり、周期的格子５０２に配置される。個別アレイ要素の間の格子間隔５２２は、フェイズドアレイアンテナ５００の設計される周波数範囲に依存する。一例として、約７１ＧＨｚ〜８６ＧＨｚの周波数範囲で動作する通信ネットワークでは、格子間隔は、８６ＧＨｚでλ０／２に設定されて良い。このように、アレイ要素５０４の間の格子間隔は、約１．７４３ｍｍであって良い。範囲の最高周波数の波長が選択されたが、他の波長が格子間隔の設定で使用されて良い。
【００３５】
図５に示すように、複数の個別アレイ要素５０４は、複数の方形サブアレイ５０６に一緒にグループ化される。方形サブアレイ５０６の各々は、主軸５０８及び副軸５１０を有する。つまり、方形サブアレイ５０６は正方形ではない。図２のアンテナ２００におけるように、個別アレイ要素毎に個別制御回路を有するのではなく、制御回路５１２は、サブアレイレベル５０６でフェイズドアレイアンテナ５００を制御する。このように、各サブアレイ５０６は、単一の位相シフタ５１４として示される制御回路に関連付けられる。理解されるように、個別アレイ要素５０４をサブアレイ５０６に一緒にグループ化することは、アンテナ制御回路５１２の複雑性を大幅に低減できる。
【００３６】
サブアレイ５０６は、８個の個別アレイ要素５０４をそれぞれ一緒にグループ化するとして示される。しかし、他の数のアレイ要素がサブアレイに一緒にグループ化されて良い。単一のサブアレイに一緒にグループ化されるアレイ要素の数が多いほど、アレイ要素の格子５０２全体をカバーするために、より少数のサブアレイしか必要ない。各サブアレイは、個々の制御回路により駆動され、したがって、より多くのアレイ要素を単一のサブアレイに一緒にグループ化することは、より少ない制御回路を生じる。しかし、より多くのサブアレイは、より少ない位相中心、及びそれらの間のより大きな距離を生じ、場合によっては、サイドローブレベル及びアレイの操向性に関して劣った性能をもたらす。したがって、個別サブアレイに一緒にグループ化されたアレイ要素の数は、性能と制御回路複雑性の低減との間のトレードオフと考えられる。本願明細書に記載のフェイズドアレイアンテナの実施形態では、サブアレイ毎に８個のアレイ要素を一緒にグループ化することが記載され、これは、性能と回路複雑性との間の許容可能なバランスを提供し得る。しかしながら、制御回路のより大きな低減が望ましい場合、より大きなサブアレイが使用されて良い。同様に、サイドローブレベル及び／又は操向性に関してより高い性能が望ましい場合、より小さなサブアレイが使用されて良い。
【００３７】
複数のサブアレイ５０６の各々は、等方性位相中心５１６を有する。位相中心５１６は、概してサブアレイの幾何学的中心に位置付けられるとして示される。しかしながら、当業者により理解されるように、アレイ要素及びサブアレイが位相中心を移動するよう設計される場合、個別サブアレイの位相中心の特定位置は、サブアレイの幾何学的中心に位置付けられる必要はない。位相中心の特定位置は変更されて良いが、位置の主要因はサブアレイの幾何学である。したがって、説明の明確化のために、位相中心は、方形サブアレイの幾何学的中心に位置付けられると仮定される。
【００３８】
サブアレイ５０６は、タイリングパターンの中に隙間がないように、アレイ要素の格子５０２上でタイリングされる。アレイ要素５０４の各々は、単一のサブアレイの一部であり、フィードにより給電され制御される。サブアレイ５０６は、位相中心の位置の周期性を低減するような方法で配置される。図５に示すように、サブアレイ５０６は、垂直方向に揃えられた主軸５０８を有する、１つがサブアレイ５０６ｖとしてラベル付けされる、幾つかのサブアレイ５０６、及び、水平方向に揃えられた主軸５０８を有し配置された、１つがサブアレイ５０６ｈとしてラベル付けされる、他のサブアレイ５０６、と共にタイリングされる。水平及び垂直の言及は、示された図面に関して行われる。つまり、サブアレイ５０６は、残りのサブアレイの主軸に直交する、サブアレイの一部の主軸を有し配置される。図５に示す実施形態では、各サブアレイ５０６は、垂直に揃えられた主軸を有する少なくとも１つのサブアレイに隣接する。さらに、図５の実施形態では、等価な多数の水平方向に揃えられたサブアレイ及び垂直方向に揃えられたサブアレイが存在する。しかし、他の実施形態では、サブアレイのタイリングパターンを提供する際に、より多数の垂直方向又は水平方向に揃えられたサブアレイを使用することが可能である。
【００３９】
サブアレイ５０６は、位相中心位置５１６の非周期性を増大するためにタイリングされる。位相中心位置の非周期性におけるこのような増大は、幾つかの位相中心の間の距離を短縮でき、サイドローブレベルの性能向上を提供する。つまり、位相中心の非周期性を増大することにより、グレーティングローブが低減され得る。さらに、増大した非周期性は、位相中心の垂直及び水平方向の密度も増大し得る。図５に示すように、方形タイルが全部同じ方向に配置されて、アレイ要素格子がタイリングされた場合より、異なる水平方向位置を有する多くの位相中心位置が存在する。図示のように、位相中心５１６の各々が１４個の垂直軸５１８のうちの１つに沿って配置されるように、３２個のサブアレイ５０４が配置される。これは、８個の垂直軸上の位相中心に沿う４×２アレイ要素の垂直方向に配置されたサブアレイの規則的に配置されたタイリングから生じる結果と比べて大きな増大である。同様に、位相中心が水平軸５２０に沿って配置される水平軸５２０の数は、垂直方向に配置されたサブアレイの規則的に配置されたタイリングと比べて増大される。特に、位相中心５１６が垂直軸５２０に沿って配置される１３個の垂直軸５２０が存在する。垂直及び水平軸に沿う位相中心位置の密度の増大は、フェイズドアレイの指向性の向上を提供し得る。
【００４０】
図５に示すフェイズドアレイアンテナ５００は、８６ＧＨｚでλ０／２だけ間隔を開けられた等方性アレイ要素を用いてモデル化される。フェイズドアレイアンテナ５００の放射パターンは８６ＧＨｚで計算され、選択された結果が図６及び７に示される。図６は、図５によるフェイズドアレイアンテナ５００の等方性パターンに関する放射場強度の３Ｄプロットである。主ビームはビーム６０２として示される。図７は、φ＝１５°で、図６の３Ｄプロットを通るスライスのプロットである。主ビーム７０２及びサイドローブ７０４が明確に現れている。ピーク指向性の送信強度は２２．１４ｄＢｉであり、ゲーティングローブの最大サイドローブレベル（side  lobe  level、ＳＬＬ）は１４ｄＢｉであった。したがって、ＳＬＬは、主ビームから−８ｄＢｃであり、許容可能な性能を提供する。
【００４１】
図８は、サブアレイの位相中心と一緒に、サブアレイを備えるフェイズドアレイアンテナの別の例を示す。図５と同様に、図８の右半分は、サブアレイ又は構成要素であるアンテナ要素を示さずに、サブアレイの位相中心の位置を示す。フェイズドアレイアンテナ８００は、位相中心位置の周期性を低減するためにタイリングされ又は配置される方形サブアレイの中の個別アレイ要素を一緒にグループ化する点で、上述のフェイズドアレイアンテナ５００と同様である。しかしながら、アレイ要素格子のタイリングにおいて同じ次元の方形サブアレイの２つの異なる配置、つまり垂直及び水平方向の整列を使用したフェイズドアレイアンテナ５００と対照的に、フェイズドアレイアンテナ８００は、２つの異なる次元のサブアレイ、つまり４×２方形サブアレイ８０２及び８×１方形サブアレイ８０４を使用する。異なる次元のサブアレイの各々は、フェイズドアレイアンテナ５００に関して上述したように、垂直方向又は水平方向に配置されて良い。フェイズドアレイアンテナ５００と同様に、サブアレイ８０２、８０４の各々は、位相シフタ８０６により概略的に示される個々の制御回路により制御される。各サブアレイはグループとして制御されるので、必要な制御回路の複雑性が低減される。図５に示される異なる方向に加えて、異なる寸法を有するサブアレイを導入することにより、位相中心位置の非周期性が増大できる。さらに、位相中心５１６が配置されるほぼ等しい数の垂直軸５１８及び水平軸５２０を有するフェイズドアレイアンテナ５００と対照的に、図８のタイリングでは、位相中心位置の配置される水平軸８１０より多数の垂直軸８０８が存在する。図示のように、１６個の水平軸に対して、２３個の垂直軸８０８が存在する。
【００４２】
図８に示すフェイズドアレイアンテナは、８６ＧＨｚでλ０／２だけ間隔を開けられた等方性アレイ要素を用いてモデル化された。アンテナの放射パターンは８６ＧＨｚで計算され、選択された結果が図９及び１０に示される。図９は、図８によるフェイズドアレイアンテナの放射パターンの３Ｄプロットである。主ビームはビーム９０２として示される。主ビームのピーク指向性の送信強度は２３．０２ｄＢｉであった。図１０は、φ＝１５°で、図９の３Ｄプロットを通るスライスのプロットである。主ビームの平面カットは１００２として示され、サイドローブ１００４が明らかである。最大指向性は２３ｄＢｉであり、最大サイドローブレベル（ＳＬＬ）は１２．５ｄＢｉであった。このように、ＳＬＬは、主ビームから−１０．５ｄＢｃであり、許容可能な性能を提供する。
【００４３】
サイドローブレベルは、アンテナ性能を向上するよう調整されて良い。１つのこのような技術は、最大サイドローブレベルが低減されるように、サイドローブレベルを更に平滑化するためにチェビシェフ重み付けに基づく振幅テーパリングを使用することである。このような振幅テーパリングは、アンテナの効率を犠牲にしてサイドローブレベルを向上する。チェビシェフ重み付けは、サブアレイレベルで適用されて良い。図１１は、図８のサブアレイ８１２に適用されるチェビシェフ重み付けを示す。チェビシェフ重み付けは、円内の数字により表される。図示の例では、７個の異なる重み付けが示され、そのうちの１つは１１０２としてラベル付けされる。同じチェビシェフ重み付け１１０２が、多数のサブアレイに適用される。所望の性能レベル及びアレイ設計に依存して、異なる重み付けが適用されて良いが、チェビシェフ重み付けは、等しい列重み付けを近似する方法で適用される。つまり、サブアレイは、概略的に列にグループ化され、同じ重み付けが列の各近似に適用される。図示の重みを有するフェイズドアレイアンテナは、モデル化され、放射パターンが計算される。放射パターンは、２２．１５ｄＢｉの最大指向性を示した。これは、チェビシェフ重み付けの適用されないアンテナの最大指向性より僅かに低い。しかしながら、サイドローブレベルは、主ビームより低い２０．７５又は−１１．４ｄＢｃである。図１２は、図１１によるフェイズドアレイアンテナの放射パターンの３Ｄプロットである。主ビーム１２０２が明らかであり、２２．１５ｄＢｉである。図１３は、φ＝１５°で、図１２の３Ｄプロットを通るスライスのプロットである。ここでも、主ビーム１３０２及びサイドローブ１３０４が現れている。異なるチェビシェフ重み付けが異なる実施形態において使用できること、及び重み付けの割り当ての異なる方法が異なる設計目的を提供するために利用できることが、当業者により理解される。以上は同じ振幅重み付けをサブアレイ内の全ての要素に適用することを記載したが、単一のサブアレイ内の２以上の異なる要素について、異なる重み付けを有することが可能である。上述の重み付けは、制限として又は唯一の実施形態として考えられるべきではない。
【００４４】
上述のフェイズドアレイアンテナ計算は、各サブアレイの位相シフタが上述の説明で８６ＧＨｚである信号周波数において動作すると仮定した。しかしながら、実際には、アンテナは、周波数範囲で動作する必要があり、位相シフタの動作は、動作帯域幅全体をカバーしないことがある。このような現実の制限は、異なる周波数におけるフェイズドアレイアンテナの異なる応答を生じる場合がある。図１４は、図８のアンテナの周波数応答のプロットを示す。図１４のプロットの部分１５は、図１５において拡大される。θ及びφ＝１５°の操向方向、７１ＧＨｚ及び８６ＧＨｚの周波数におけるアレイ斜視又は周波数依存応答が、図１４及び図１５のプロットに示される。図示のように、アンテナアレイは、７１ＧＨｚから８６ＧＨｚの周波数範囲に渡り、許容可能な応答特性を提供する。
【００４５】
図１６は、複数のフェイズドアレイアンテナから成るフェイズドアレイアンテナを示す。上述のフェイズドアレイアンテナ５００、８００は、２５６個の個別アレイ要素の１６×１６格子パターンから成る。より大きなフェイズドアレイアンテナは、例えば３２×３２格子のような、より大きな格子に同じサブアレイタイリング技術を適用することにより形成できる。追加又は代替で、上述のフェイズドアレイアンテナ５００、８００は、より大きなフェイズドアレイアンテナの個別フェイズドアレイアンテナ・コンポーネントとして使用されて良い。多数の個別の１６×１６フェイズドアレイアンテナ・コンポーネントは、より大きなフェイズドアレイアンテナを提供するために一緒にグループ化されて良い。図示のように、４個の個別フェイズドアレイアンテナ・コンポーネント１６０２、１６０４、１６０６、１６０８は、より大きなフェイズドアレイアンテナ１６００を形成するために一緒にグループ化されて良い。個別フェイズドアレイアンテナ・コンポーネント１６０２、１６０４、１６０６、１６０８の各々は、図８に記載されたフェイズドアレイアンテナ８００と同じパターンを有するとして示される。しかしながら、図５を参照して記載されたタイリング、又は位相中心の間の周期性を低減する他の可能なタイリング若しくは方形サブアレイのように、他のタイリングパターンが、個別フェイズドアレイアンテナ・コンポーネントに適用されて良い。任意の２つのフェイズドアレイアンテナ・コンポーネント１６０２、１６０４、１６０６及び１６０８が同じタイリングパターンを利用する必要はない。
【００４６】
叙述の説明は、フェイズドアレイアンテナの種々の特定の実装を提供する。特定の実装は、約７１ＧＨｚ〜８６ＧＨｚ周波数範囲内の受信及び送信のためにシミューレトされた。個別アレイ要素の方形サブアレイグループをタイリングする同じ技術が、他の周波数範囲で動作する通信ネットワークのフェイズドアレイに適用できることが理解される。さらに、特定のタイリングパターンが示されたが、依然として重なり合いのない格子内のアレイ要素の全部を完全にカバーするサブアレイの完全なタイリングパターンを提供しながら、位相中心の周期性を低減する方形サブアレイの代替のタイリングパターンを提供することが可能である。
【００４７】
本開示は、説明を目的として、本発明の完全な理解を提供するために、多くの特定の実施形態、実装、例、及び詳細事項を提供した。しかしながら、実施形態が全ての特定の詳細事項を有さずに、又は等価な構成により、実施できることが明らかである。他の例では、幾つかの良く知られた構造及び装置が、本発明の実施形態を不必要に不明瞭にしないために、ブロック図の形式で示され、又は省略された。本開示は、いかようにも、本願明細書に図示し記載する例示的設計及び実装を含む説明的実施形態、図面及び記載される技術に限定されず、添付の請求の範囲の範囲内で該請求の範囲の等価範囲全てに従って変更できる。
【００４８】
幾つかの実施形態が本開示で提供されたが、開示のシステム及びコンポーネントは、本開示の精神又は範囲から逸脱することなく、多くの他の特定の形式で実施されても良いことが理解される。本例は、説明として考えられるべきであり、制限であると考えられるべきではない。また、意図は、ここに与えた詳細事項に限定されない。例えば、種々の要素又は構成要素は、別のシステムに結合され又は統合されて良い。或いは、特定の特徴が省略され又は実装されなくて良い。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年8月22日(2018.8.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェイズドアレイアンテナであって、
個別アレイ要素の複数の方形サブアレイであって、前記複数の方形サブアレイの各々は位相中心を有し、前記複数の方形サブアレイは前記位相中心の周期性を低減するようタイリングされる、複数の方形サブアレイ、を含むフェイズドアレイアンテナ。
【請求項２】
個々の方形サブアレイの中の前記アレイ要素は、共通位相シフタに接続される、請求項１に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項３】
前記複数の方形サブアレイの各々は、個々の主軸及び副軸を有する、請求項１に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項４】
前記複数の方形サブアレイのサブセットは、他の方形サブアレイの前記主軸に直交するよう配置された主軸と共にタイリングされる、請求項３に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項５】
前記方形サブアレイは、前記フェイズドアレイアンテナの軸に沿う多数の位相中心位置を設けるようタイリングされる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項６】
前記方形サブアレイの前記位相中心は、個々の方形サブアレイ内に配置される、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項７】
前記方形サブアレイの各々は、８個の個別アレイ要素を含む、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項８】
前記方形サブアレイは、４×２の方形の個別アレイ要素を含む、請求項７に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項９】
前記方形サブアレイは、８×１の方形の個別アレイ要素を更に含む、請求項８に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１０】
８×１の方形のサブアレイより多数の４×２の方形のサブアレイがある、請求項９に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１１】
各サブアレイは、振幅重み付けに関連付けられる、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１２】
前記サブアレイは、列重み付けの近似を提供するよう、前記振幅重み付けを割り当てられる、請求項１１に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１３】
個々の方形サブアレイの中の２以上の個別アレイ要素は、異なる振幅重み付けに関連付けられる、請求項１１に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１４】
前記振幅重み付けはチェビシェフ重み付けである、請求項１１に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１５】
前記フェイズドアレイアンテナにより使用される周波数は、７１〜８６ＧＨｚの範囲である、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１６】
個別アンテナ要素の間の間隔は、λ０／２に等しく、λ０は、前記フェイズドアレイアンテナの特定動作周波数における自由空間内の波長である、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１７】
１０２４個の個別アンテナ要素がある、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１８】
個々の方形サブアレイの中の前記アレイ要素は、共通遅延線に接続される、請求項１乃至１７のいずれか一項に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１９】
前記複数の方形サブアレイに渡り、前記個別アレイ要素は、方形格子パターンで配置される、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項２０】
前記フェイズドアレイアンテナの中の各サブアレイは、方形サブアレイである、請求項１乃至１９のいずれか一項に記載のフェイズドアレイアンテナ。
【請求項２１】
フェイズドアレイアンテナであって、
複数のフェイズドアレイアンテナ・コンポーネントであって、前記フェイズドアレイアンテナ・コンポーネントの各々は個別アレイ要素の複数の方形サブアレイを含み、前記複数の方形サブアレイは前記複数の方形サブアレイの位相中心の周期性を低減するようタイリングされる、複数のフェイズドアレイアンテナ・コンポーネント、を含むフェイズドアレイアンテナ。
【国際調査報告】
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2019503621.tif 000020