(57)【要約】  本明細書において、アンテナを用いて衛星信号を取得してこの信号を追跡するための方法及び装置が開示される。１つの実施形態において、本方法は、ａ）アンテナ方位のロール角、ピッチ角、及びヨー角のうちの１又は２以上を摂動させて、第１の探索パターンに関連する可変方位を生成するステップと、ｂ）該可変方位の各々に対して、摂動したロール角、ピッチ角、及びヨー角に応答して、新しい走査角及び偏波角を計算するステップと、ｃ）可変方位の各々に対して衛星から無線周波数（ＲＦ）信号を受信するステップと、ｄ）可変方位の各々に関連する受信ＲＦ信号を表す１又は２以上の受信機メトリックを生成するステップと、ｅ）該１又は２以上の受信機メトリックに基づいて可変方位のうちの１つを新しい方位として選択するステップと、ｆ）第１の探索パターンよりも狭い第２の探索パターンを有する新しい方位を用いてａ）からｅ）のステップを繰り返すステップと、を含む。【選択図】図３
2019512681.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）アンテナ方位のロール角、ピッチ角、及びヨー角のうちの１又は２以上を摂動させて、第１の探索パターンに関連する可変方位を生成するステップと、
ｂ）前記可変方位の各々に対して、摂動したロール角、ピッチ角、及びヨー角に応答して、新しい走査角及び偏波角を計算するステップと、
ｃ）前記可変方位の各々に対して衛星から無線周波数（ＲＦ）信号を受信するステップと、
ｄ）前記可変方位の各々に関連する受信ＲＦ信号を表す１又は２以上の受信機メトリックを生成するステップと、
ｅ）前記１又は２以上の受信機メトリックに基づいて前記可変方位のうちの１つを新しい方位として選択するステップと、
ｆ）前記第１の探索パターンよりも狭い第２の探索パターンを有する前記新しい方位を用いてａ）からｅ）のステップを繰り返すステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記ｆ）のステップは、一貫して観測される衛星信号が受信されるまで繰り返される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２の探索パターンは、前記第１の探索パターンのものと比較して減少された最大角度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記アンテナ方位は、ストラップダウン式慣性航法システム（ＩＮＳ）により提供されるものである、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記１又は２以上の信号メトリックは、信号対雑音比（ＳＮＲ）を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記１又は２以上の信号メトリックは、搬送波対雑音比（Ｃ／Ｎ）を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記衛星からの前記ＲＦ信号は、前記アンテナの開口面を物理的に移動させることなく受信される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の探索パターンは、ランダムパターンである、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の探索パターン及び前記第２の探索パターンは、円形パターンである、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の探索パターン及び前記第２の探索パターンは、天空にある不連続点を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
好適な信号が観測された後、前記パターンの分散を減少させるステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記１又は２以上の受信機メトリックに基づいてオフセットを生成するステップと、
前記走査角及び偏波角に指向補正値を加えるステップと、
指向補正値を有する走査角及び偏波角をアンテナに適用するステップと、
を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記走査角及び偏波角に指向補正値を加えるステップは、
受信走査角及び偏波角に受信指向補正値を加えるステップと、
送信走査角及び偏波角に送信指向補正値を加えるステップと、
を含み、更に、前記指向補正値を有する走査角及び偏波角をアンテナに適用するステップは、
指向補正値を有する受信走査角及び偏波角を前記アンテナの受信部に適用するステップと、
指向補正値を有する送信走査角及び偏波角を前記アンテナの送信部に適用するステップと、
を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記走査角及び偏波角に指向補正値を加えるステップは、
走査角をアンテナに適用する前に、該走査角にディザリングを適用するステップ、及び
偏波角をアンテナに適用する前に、該偏波角にディザリングを適用するステップ、
のうちの１又は２以上を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記アンテナ方位のロール角、ピッチ角、及びヨー角のうちの１又は２以上を摂動させて、第１の探索パターンに関連する可変方位を生成するステップは、
前記１又は２以上の受信機メトリックに基づいて前記アンテナ方位のロール角、ピッチ角、及びヨー角に１又は２以上の姿勢補正値を適用するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記１又は２以上の受信機メトリックは、搬送波対雑音比（Ｃ／Ｎ）を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記１又は２以上の姿勢補正値を適用した後、前記ロール角、ピッチ角、及びヨー角のうちの１又は２以上をディザリングして、前記摂動したロール角、ピッチ角、及びヨー角に応答して計算された前記新しい走査角及び偏波角が、ディザリングされた走査角及び偏波角を含むようにするステップを更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
アンテナ方位のロール角、ピッチ角、及びヨー角のうちの１又は２以上を摂動させて、第１の探索パターンに関連する可変方位を生成する慣性計測ユニット（ＩＭＵ）と、
前記ＩＭＵに結合されており、前記可変方位の各々に対して、摂動したロール角、ピッチ角、及びヨー角に応答して、新しい走査角及び偏波角を計算する計算ユニットと、
前記計算ユニットに結合され、前記新しい走査角及び偏波角に応答するアンテナであって、前記可変方位の各々に対して衛星から無線周波数（ＲＦ）信号を受信するように動作できるアンテナと、
前記操縦可能アンテナ及び前記ＩＭＵに結合されたモデムであって、前記可変方位の各々に関連する受信ＲＦ信号を表す１又は２以上の受信機メトリックを生成するように動作できるモデムと、を備える装置であって、
前記ＩＭＵは、前記１又は２以上の受信機メトリックに基づいて前記可変方位のうちの１つを新しい方位として選択し、アンテナ方位のロール角、ピッチ角、及びヨー角のうちの１又は２以上を摂動させて、前記第１の探索パターンよりも狭い第２の探索パターンに関連する可変方位の新しいセットを生成するように動作することができる、装置。
【請求項１９】
前記ＩＭＵは、前記アンテナが一貫して観測される衛星信号を受信するまで、繰り返して可変方位のセットを生成する、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記第２の探索パターンは、前記第１の探索パターンのものと比較して減少された最大角度を有する、請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記アンテナ方位は、ストラップダウン式慣性航法システム（ＩＮＳ）により提供されるものである、請求項１８に記載の装置。
【請求項２２】
前記１又は２以上の信号メトリックは、信号対雑音比（ＳＮＲ）を含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２３】
前記１又は２以上の信号メトリックは、搬送波対雑音比（Ｃ／Ｎ）を含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２４】
前記衛星からの前記ＲＦ信号は、前記アンテナの開口面を物理的に移動させることなく受信される、請求項１８に記載の装置。
【請求項２５】
前記第１の探索パターンは、ランダムパターンである、請求項１８に記載の装置。
【請求項２６】
前記第１の探索パターン及び前記第２の探索パターンは、円形パターンである、請求項１８に記載の装置。
【請求項２７】
前記第１の探索パターン及び前記第２の探索パターンは、天空にある不連続点を含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２８】
好適な信号が観測された後、前記パターンの分散を減少させるようにする、請求項１８に記載の装置。
【請求項２９】
アンテナ方位のロール角、ピッチ角、及びヨー角のうちの１又は２以上、並びにアンテナ位置情報を生成する慣性計測ユニット（ＩＭＵ）と、
前記ＩＭＵに結合されて前記１又は２以上のロール角、ピッチ角、及びヨー角、並びに衛星位置及び偏波情報に応答して走査角及び偏波角を計算するビーム方向及び偏波生成器であって、出力を生成するディザ生成器を含み、ディザリングされた受信走査角及び偏波角並びに送信走査角及び偏波角を出力する、ビーム方向及び偏波生成器と、
前記ビーム方向及び偏波生成器に結合され、前記ディザリングされた受信走査角及び偏波角並びに送信走査角及び偏波角にそれぞれ応答する受信開口面及び送信開口面を有するアンテナと、
を備える装置。
【請求項３０】
前記操縦可能アンテナに結合されたモデムであって、前記アンテナの受信開口面で受信され、かつ可変方位に関連する受信ＲＦ信号を表す１又は２以上の受信機メトリックを生成するように動作することができるモデムを更に備える、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記１又は２以上の受信機メトリックは、Ｃ／Ｎ値を含む、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記ビーム方向及び偏波生成器は更に、
前記１又は２以上の受信機メトリックに基づいてオフセットを生成するように動作できるオフセット生成モジュールと、
前記オフセットを受け取って、前記オフセットに基づいて前記受信走査角及び偏波角並びに送信走査角及び偏波角のうちの１又は２以上に指向補正値を加えるように結合されている１又は２以上の指向補正計算ユニットと、
を更に備え、前記指向補正値を有する前記受信走査角及び偏波角並びに送信走査角及び偏波角は、前記アンテナに適用される、請求項３０に記載の装置。
【請求項３３】
前記１又は２以上の指向補正計算ユニットは、
受信走査角及び偏波角に受信指向補正値を加える第１の指向補正計算ユニットと、
送信走査角及び偏波角に送信指向補正値を加える第２の指向補正計算ユニットと、
を備え、前記指向補正値を有する前記受信走査角及び偏波角並びに送信走査角及び偏波角は、それぞれ前記アンテナの受信部及び送信部に適用される、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記ＩＭＵは、前記１又は２以上の受信機メトリックに基づいてアンテナ方位のロール角、ピッチ角、及びヨー角に１又は２以上の姿勢補正値を適用することによって、アンテナ方位のロール角、ピッチ角、及びヨー角のうちの１又は２以上を摂動させて、関連する可変方位を生成するように動作することができる、請求項２９に記載の装置。
【請求項３５】
前記１又は２以上の受信機メトリックは、搬送波対雑音比（Ｃ／Ｎ）を含む、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記ディザ生成器は、ロール角、ピッチ角、及びヨー角のうちの１又は２以上にディザリングを適用するように動作することができ、前記アンテナの受信開口面に適用されるディザリングされた走査角を生成するビーム方向及び偏波計算ユニットを更に備える、請求項２９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、アンテナの分野に関し、より具体的には、本発明の実施形態は、アンテナを用いて衛星信号を取得してこの信号を追跡することに関する。
【０００２】
優先権
本特許出願は、「Ｂｒｏａｄｂａｎｄ  ＲＦ  Ｒａｄｉａｌ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｆｅｅｄ  ｗｉｔｈ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｇｌａｓｓ  Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ（一体型ガラス遷移部を有する広帯域ＲＦ放射状導波路給電部）」という名称の２０１６年３月１日出願の対応の仮特許出願第６２／３０２，０４２号、及び「Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ａｃｑｕｉｒｉｎｇ  ａ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  Ｓｉｇｎａｌ  ｗｉｔｈ  ａ  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ  Ｓｃａｎｎｅｄ  Ａｎｔｅｎｎａ（移動電子走査アンテナを用いた衛星信号取得方法）」という名称の２０１６年１２月２２日出願の仮特許出願第６２／４３８，２８２号に対する優先権を主張し、これら仮出願を引用により組み込むものである。
【背景技術】
【０００３】
従来の衛星信号の取得は、地上受信機ユニットのアンテナ及び受信機が、衛星からの信号を受信してこの信号を復調できるように地上受信機ユニットを調整するプロセスである。このプロセスは、通常、電気モータ、高精度傾斜計、ジャイロスコープ、及び磁気コンパスを必要とする。信号取得処理中、受信機は、衛星信号を検出できるまで空間的に探索を行い、次いでこの信号をロックオン（自動追跡）して、この信号を送信している衛星に関する基本情報を取得する。次に、受信機は、この情報を使用して、当該衛星によって送信された追加情報を受信し復号することができる。
【０００４】
従来の手法は、ジンバルを用いて螺旋パターンでアンテナ組立体を機械的に移動させることであった。探索の間、アンテナ組立体の動きは、あるパターンに従う。二重正弦波運動は、半径を増大させながら衛星信号を探索するのに使用される螺旋パターンを生成する。すなわち、取得パターンは、２つの軸で正弦波運動によって引き起こされる螺旋である。
【０００５】
パラボラアンテナが、ジンバルに取り付けられて、衛星と移動プラットフォーム上の地上局との間で通信すると、方位角、仰角、及び偏波(polarization)に関する正確な設定値を動的に決定する必要がある。このことは、ＧＰＳと組み合わせて使用され、パラボラアンテナの位置及び向きを報告できるＩＭＵ（慣性計測ユニット）を使用して実施可能である。ＩＭＵからの値を使用して、ジンバルを目標衛星に向けて、フィードホーンの回転を調整して適正な偏波を達成するよう、リアルタイム計算を行うことができる。ＩＭＵの値が誤差を含むので、各々の精度は誤差の影響を受ける。パラボラディッシュは、受信（Ｒｘ）ビーム及び送信（Ｔｘ）ビームを独立して誘導することができないので、ＩＭＵ誤差を補正するパラボラディッシュの能力が制限される。
【０００６】
受信及び送信アンテナビームの独立した誘導を可能にする別の種類のアンテナが存在する。フェーズドアレイは、Ｔｈｉｎｋｏｍ社によって販売されるような機械的アレイと同様に周知の実施例である。これらの実施例の両方は、物理的に切り離された送信アンテナ及び受信アンテナを使用する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
また、信号取得に上記の手法を適用することを試みる場合並びに受信（Ｒｘ）信号及び送信（Ｔｘ）信号を搬送するのにアンテナが使用されたときにアンテナにディザリング(dithering)を行うときに問題が生じる。このことは、パラボラアンテナを移動させてＲｘビームを配向することがまた、これに応じてＴｘビームを移動させることに起因する。すなわち、Ｔｘ指向を単独で制御することは可能ではない。ＦＣＣ規格は、意図せずに近くの衛星にエネルギーを配向する可能性があることに起因して、衛星に向けて配向されるＴｘ信号の誤った指向に関して厳しい規則がある。更に、大きなパラボラジンバル付きシステムは、その大きな重量に起因して、ディザリングを使用することができない。このシステムは、正確な開ループ指向の解決策を提供するのに極めて高価なＩＭＵセンサに依存している。
【０００８】
幾つかの用途では、システムは、ジムバル上のＴｘアンテナ及びそれ自体のジンバル上のＲｘアンテナで構築され、これらのアンテナは両方とも同じ衛星に指向される。Ｒｘビームは、ディザステップを使用して最適化できるが、これら２つのビームが独立したジンバル上に存在することから、Ｔｘビームは、Ｒｘモデムからの情報を使用して最適化することができない。各ジンバルでは、小さな機械的差異に起因して、それ自体に特有の寄与度が指向誤差に付加される。更に、この解決策は、複雑性、重量、及びコストを増加させる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書において、アンテナを用いて衛星信号を取得してこの信号を追跡するための方法及び装置が開示される。１つの実施形態において、本方法は、ａ）アンテナ方位のロール角、ピッチ角、及びヨー角のうちの１又は２以上を摂動させて(perturbing)、第１の探索パターンに関連する可変方位(variant orientations)を生成するステップと、ｂ）可変方位の各々に対して、摂動したロール角、ピッチ角、及びヨー角に応答して、新しい走査角(scan angles)及び偏波角を計算するステップと、ｃ）可変方位の各々に対して衛星から無線周波数（ＲＦ）信号を受信するステップと、ｄ）可変方位の各々に関連する受信ＲＦ信号を表す１又は２以上の受信機メトリックを生成するステップと、ｅ）１又は２以上の受信機メトリックに基づいて可変方位のうちの１つを新しい方位として選択するステップと、ｆ）第１の探索パターンよりも狭い第２の探索パターンを有する新しい方位を用いて、ａ）からｅ）のステップを繰り返すステップと、を含む。
【００１０】
本発明は、以下に示す詳細な説明から及び本発明の様々な実施形態の添付の図面から十分理解されるであろうが、詳細な説明及び本発明の様々な実施形態の添付の図面は、本発明を特定の実施形態に制限するものと捉えるべきではなく、これらは単に解説及び理解のためにある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】取得プロセスの１つの実施形態のフロー図である。
【図２】アンテナシステムの１つの実施形態の全体的なブロック図である。
【図３】アンテナによって実行される取得及びディザリングプロセスの１つの実施形態のフロー図である。
【図４】偏波ディザリングの１つの実施形態のフロー図である。
【図５Ａ】シータ／ファイディザリングのためのプロセスの１つの実施形態のフロー図である。
【図５Ｂ】アンテナのアンテナコントローラの１つの実施形態を示す図である。
【図６Ａ】方位補正を行うためのプロセスの１つの実施形態のフロー図である。
【図６Ｂ】アンテナによって実行される方位補正のデータフロー図の１つの実施形態を示す。
【図７】ディザリングプロセスの１つの実施形態のフロー図である。
【図８】ディザリングプロセスの別の実施形態のフロー図である。
【図９】円筒波給電をもたらすのに使用される同軸給電部の１つの実施形態の上面図を示す。
【図１０】円筒状給電アンテナの入力給電部の周りに同心リング状に配置されたアンテナ素子の１又は２以上のアレイを有する開口面を示す図である。
【図１１】グランドプレーン及び再構成可能な共振器層を含む１つの列のアンテナ素子の斜視図を示す。
【図１２】同調型共振器／スロットの１つの実施形態を示す図である。
【図１３】物理的アンテナ開口面の１つの実施形態の断面図を示す。
【図１４Ａ−１４Ｄ】図１４Ａ〜図１４Ｄは、スロットアレイを形成する様々な層の１つの実施形態を示す図である。
【図１５】円筒状給電アンテナ構造の１つの実施形態の側面図を示す。
【図１６】アンテナシステムの別の実施形態を射出波とともに示す。
【図１７】アンテナ素子に対するマトリクス駆動回路の配置の１つの実施形態を示す図である。
【図１８】ＴＦＴパッケージの１つの実施形態を示す図である。
【図１９】テレビジョンシステムにおいて二重受信を同時に実行する通信システムの１つの実施形態のブロック図である。
【図２０】同時送信及び受信経路を有する通信システムの別の実施形態のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下の説明では、本発明のより完全な説明を提供するために多くの詳細事項が記載されている。しかしながら、本発明がこれらの特定の詳細事項なしで実施できることは当業者には明らかであろう。場合によっては、本発明を曖昧にするのを避けるために、周知の構造及び装置は、詳細には示さずにブロック図の形式で示される。
【００１３】
概要
本明細書で開示される技法は、特定の周波数での衛星信号に対して天空を探索し、次に、この信号が一貫して観測されるとこの信号をロックオン（自動追跡）するアンテナに関する。その後、１つの実施形態において、アンテナは、ディザリングを実行してアンテナの指向方向を調整することができる。１つの実施形態において、アンテナは、機械的に操縦可能(steerable)であるものとは対照的に、電子的に操縦可能であり、従って、アンテナを機械的に移動させることを必要とせずに、衛星の方向に誘導することができる。このことは、個人がアンテナの場所に物理的に存在することを必要とせずに、アンテナが取得を達成してディザリングを実行することを可能にする。更に、本明細書で説明する取得プロセスは、粗いレベルの取得解を計算するのに安価なセンサの使用を可能にする。取得プロセスは、アンテナからのフィードバックを使用して衛星信号を見つけ出し、ジャイロスコープ及び磁力計の誤差を軽減する。本明細書で開示される技法を使用すると、アンテナは衛星サービスに即座に接続することができる。すなわち、本明細書で説明する技法は、アンテナが、衛星を迅速に見つけ出し、必要なパラメータを更新して適正な衛星に接続することを可能にする。
【００１４】
１つの実施形態において、取得プロセスは、衛星の幾何学的解で使用される姿勢データ（例えば、ロール角、ピッチ角、ヨー角）を摂動させて、可視空における複数点（例えば、４つの点、５つの点、．．．、１００個の点など）のサンプリングパターンを生成するのに使用される。すなわち、取得プロセスは、電子走査アンテナを用いて空間内の複数の点を走査する。これにより、電磁スペクトルを多数の点でサンプリングして、アンテナパラメータの最適な方位を計算できるようになる。１つの実施形態において、点サンプリングパターンは、可視空における非連続の点のランダムパターンである。
【００１５】
衛星の信号がパターンの複数の点でサンプリングされた後、このパターンは、衛星の信号をサンプリングした結果に応じて変化して、新しいパターンが生成され、アンテナは、新しいパターンに関連する点で衛星の信号をサンプリングする。１つの実施形態において、ビームの方向は、次の点パターンに関するビームの方向として「最適な」衛星信号をアンテナが受信したパターン内の点に向けられる。従って、新しい点パターンは、最適な受信衛星信号をもたらしたアンテナビームの方向に基づいて、以前のパターンとは異なるものである。１つの実施形態において、最適な衛星信号は、その信号強度、信号対雑音比（ＳＮＲ）、搬送波対雑音比（Ｃ／Ｎ）、シンボル当たりのエネルギー対雑音電力スペクトル密度（Ｅｓ／Ｎｏ）、又は１ビット当たりのエネルギー対雑音電力スペクトル密度（Ｅｂ／Ｎｏ）のうちの少なくとも１つに基づいて判定することができる。他の指標を使用することもできる。１つの実施形態において、新しいパターンに関する点は、最適な受信衛星信号に関連した以前のパターンからの点からの姿勢（例えば、ロール角、ピッチ角、及びヨー角）を変化させることによって生成される。しかしながら、各新しいパターンを有する姿勢の変化は、分散量が減少し、アンテナが衛星信号に集束できるようになる。この減少は、特に衛星に命中する可能性がある場合には、探索範囲を迅速に絞り込むために線形（例えば、１０％、２０％など）又は非線形とすることができる。１つの実施形態において、新しいパターンは、以前の探索パターンにおいて最適な信号を生成した同じ点を含む。同じ「最適点」が、連続する探索パターンにおいて見つかった場合には、分散は、追跡中にディザリングに使用される「最小」量に達するまで、連続的に減少する。
【００１６】
従って、本明細書で開示される実施形態は、以下の特徴要素、すなわち、アンテナの物理的な動きなしに衛星信号を取得するステップ、ランダムなパターンで天空を探索するステップ、天空にある不連続点を探索するステップ、好適な信号が観測された後、このパターンの分散を小さくするステップ、及び姿勢（例えば、ロール角、ピッチ角、及びヨー角）の変化を使用して、探索パターンを具現化するステップのうちの１又は２以上を含む、アンテナ及びその使用方法を含む。
【００１７】
図１は、取得プロセスの１つの実施形態のフロー図である。このプロセスは、ハードウェア（例えば、回路、専用論理回路など）、ソフトウェア（汎用コンピュータシステム又は専用マシン上で実行されるものなど）、ファームウェア、又はこれら３つの組み合わせを含むことができるプロセスロジックによって実行される。
【００１８】
図１を参照すると、本プロセスは、アンテナ方位のロール角、ピッチ角、及びヨー角のうちの１又は２以上を摂動させて、第１の探索パターンに関連する可変方位を生成するプロセスロジック（プロセスブロック１０１）から開始する。１つの実施形態において、最初のアンテナ方位は、ストラップダウン式慣性航法システム（strap-down inertial navigation system）（ＩＮＳ）により提供されるものである。１つの実施形態において、第１の探索パターンは、ランダムパターンである。１つの実施形態において、第１の探索パターン（及びその後続の探索パターン）は、円形パターンである。他のパターンを使用してもよい。また、異なるパターンを様々に反復して使用することもできる。１つの実施形態において、目標は、探索領域をＩＭＵの不確定性体積にマッチさせることである。低コストのＩＭＵは、十分に適切なロール角及びピッチ角の推定値をもたらすが、ヨー角推定値が不十分な可能性がある点に留意されたい。従って、当該体積をカバーする何らかのパターンが必要であり、必要な程度の幾つかの点をサンプリングすることが望ましい。１つの実施形態において、第１のパターン（及びその後の検索パターン）は、天空にある不連続点を含む。
【００１９】
ロール角、ピッチ角、及びヨー角のうちの１又は２以上を摂動させた後、プロセスロジックは、可変方位の各々に対して、摂動したロール角、ピッチ角、及びヨー角に応答して、新しい走査角及び偏波角を計算する（プロセスブロック１０２）。
【００２０】
新しい走査角及び偏波角を使用すると、プロセスロジックは、可変方位の各々に対して衛星から無線周波数（ＲＦ）信号を受信し（プロセスブロック１０３）、可変方位の各々に関連する受信ＲＦ信号を表す１又は２以上の受信機メトリックを生成する（プロセスブロック１０４）。１つの実施形態において、衛星からのＲＦ信号は、アンテナの開口面(aperture)を物理的に移動させることなく受信される。１つの実施形態において、１又は２以上の信号メトリックは、信号対雑音比（ＳＮＲ）を含む。別の実施形態において、１又は２以上の信号メトリックは、搬送波対雑音比（Ｃ／Ｎ）を含む。
【００２１】
１又は２以上の受信機メトリックに基づいて、プロセスロジックは、可変方位のうちの１つを新しい方位として選択し（プロセスブロック１０５）、第１の探索パターンよりも狭い第２の探索パターンを有する新しい方位を用いて上記のプロセスを繰り返す（プロセスブロック１０６）。１つの実施形態において、取得中、可変方位がもたらされるアンテナ方位が、新しい探索に含まれる。１つの実施形態において、このプロセスは、一貫して観測される衛星信号が受信されるまで繰り返される。１つの実施形態において、探索パターンの分散は、好適な信号が観測された後に減少される。１つの実施形態において、第２の探索パターンは、第１の探索パターンのものと比較して減少した最大角度を有する。１つの実施形態において、プロセスが繰り返されるときに使用される新しい探索パターンごとに最大角度を減少するこのプロセスは、一貫して観測される衛星信号が受信されるまで使用される。
【００２２】
取得プロセス並びに以下で説明するディザプロセス(dither processing)は、アンテナ制御及び追跡システムによって実行される。図２は、このような追跡及び制御を用いたアンテナシステムの１つの実施形態の全体的なブロック図である。図２を参照すると、アンテナシステム２００は、慣性計測ユニット２０１、ビーム方向及び偏波計算ユニット２０２、及び電子式操縦可能アンテナ(electronically steerable antenna)２０３を備える。ビーム方向及び偏波計算ユニット２０２は、ビーム方向及び偏波生成器の一部とすることができる。１つの実施形態において、アンテナ２００は更に、電子式操縦可能アンテナ２０３及びＩＭＵ２０１に結合されたモデム２０４を含む。
【００２３】
１つの実施形態において、電子式操縦可能アンテナ２０３は、以下により詳細に説明されるようなアンテナ素子を有するアンテナ開口面を備える。別の実施形態において、電子式操縦可能アンテナ２０３は、分離可能な送信（Ｔｘ）開口面及び受信（Ｒｘ）開口面からなるアンテナを備え、これら開口面は、両方とも、それぞれの偏波を含んで、独立して操縦可能である。更に別の実施形態において、電子式操縦可能アンテナ２０３は、「Ｃｏｍｂｉｎｅｄ  Ａｎｔｅｎｎａ  Ａｐｅｒｔｕｒｅｓ  Ａｌｌｏｗｉｎｇ  Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｎｔｅｎｎａ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ（同時マルチアンテナ機能を可能にする複合アンテナ開口面）」という名称の２０１５年１１月３０日出願の米国特許出願第１４／９５４，４１５号に記載されているアンテナのような、交互配置／並置Ｔｘ及びＲｘ開口面、或いは互いに対して開口面の相対的な方位を維持するように堅固に取り付けられ物理的に切り離された開口面のいずれかを備える。
【００２４】
１つの実施形態において、ＩＭＵ２０１は、加速度計、ジャイロスコープ及び磁力計の組み合わせを使用して、アンテナの姿勢及び姿勢変化率を検出する電子デバイスであり、ＩＭＵ２０１は、磁力計を使用して、ドリフトに対してアンテナを較正することを支援する。
【００２５】
１つの実施形態において、ＩＭＵ２０１は、ビーム方向及び偏波計算ユニット２０２により受け取られる幾つかの値２１０を生成する。１つの実施形態において、値２１０は、ロール角、ピッチ角、ヨー角、緯度及び経度を含む。１つの実施形態において、値２１０は、アンテナの高度を含む。また、ビーム方向及び偏波計算ユニット２０２は、衛星位置（例えば、緯度、経度、高度など）及び偏波値２３０を受け取る。１つの実施形態において、衛星及びアンテナの両方の高度が、これらの間のベクトル（「ルック角」をもたらす）を計算するのに必要とされる。これらの入力に応答して、ビーム方向及び偏波計算ユニット２０２は、シータ、ファイ及び偏波値２２０（例えば、角度）を生成し、これらの値は、電子式操縦可能アンテナ２０３に供給されてこのアンテナを制御する。
【００２６】
アンテナがオンになると、取得プロセスが動作を開始する。取得プロセスは、衛星を探索する場所を決定するための初期方位を必要とする。１つの実施形態において、初期方位は、ストラップダウン式慣性航法システム（ＩＮＳ）からの方位である。別の実施形態において、慣性方位は、可視領域全体を探索して、所定の開始ファイ、シータ、及び偏波とすることができる。ＩＭＵ２０１は、方位に関連するロール、ピッチ、ヨー、経度及び緯度値２１０をビーム方向及び偏波計算ユニット２０２に提供する。ビーム方向及び偏波計算ユニット２０２は、この方位を使用して、地球衛星変換及び地球アンテナ変換を用いてアンテナの走査角及び偏波角を計算する。
【００２７】
また、ＩＭＵ２０１は、アンテナ方位のロール角、ピッチ角、及びヨー角を摂動させて、種々の走査角及び偏波角を計算することを可能にする。種々の走査角及び偏波角は、アンテナの姿勢の測定における不確定性領域（すなわち、探索体積）に関連付けられ、この不確定性領域は、探索されて衛星への正確な指向をもたらす姿勢が見つかるように選択される。１つの実施形態において、不確定性領域は、探索される体積を表しており、不確定性は、方位角、すなわちロール角、ピッチ角、及びヨー角で測定される。ＩＭＵ２０１は、摂動したロール角、ピッチ角、及びヨー角をビーム方向及び偏波計算ユニット２０２に提供する。
【００２８】
ビーム方向及び偏波計算ユニット２０２は、当技術分野において周知の方法で、ロール、ピッチ、ヨー、経度及び緯度値２１０、並びに衛星位置及び偏波値２３０からシータ、ファイ及び偏波値２２０を生成する。生成されたシータ、ファイ及び偏波値２３０は、当技術分野において周知の方法で電子式操縦可能アンテナ２０３を制御する。
【００２９】
測定は、体積空間内で行われて、衛星の位置を特定しようと試みる。より具体的には、ＩＭＵ２０１を用いて選択された不確定性体積における異なる点から受信した衛星信号を調べることによって、測定が行われる。電子式操縦可能アンテナ２０３によって不確定性体積内の異なる点から得られた受信衛星信号を示すデータは、モデム２０４を介してＩＭＵ２０１にフィードバックされて、ＩＭＵ２０１が、ロール、ピッチ、及びヨーの不確定性領域を探索できるようになる。１つの実施形態において、ＩＭＵ２０１へのフィードバックは、モデム２０４を介したものである。別の実施形態において、フィードバックは、搭載受信機を介するものである。１つの実施形態において、これらの可変方位の各々の信号対雑音比（ＳＮＲ）（又は他の信号特性情報（例えば、Ｃ／Ｎなど））が記録される。１つの実施形態において、最適なＳＮＲを有する方位が、試行する次の方位になるように選択される。この新しい方位に関する姿勢データが摂動されて、プロセスが繰り返される。探索が進むにつれて、探索パターンの最大角度が小さくなる。すなわち、ロール角、ピッチ角、及びヨー角のうちの１又は２以上が変更される量は、各反復に伴って小さくなる。
【００３０】
最初に、衛星の位置を識別する試みで大きなホップがあり、取得プロセスが衛星に焦点を定めると、ホップは小さくなる。従って、不確定性体積が後続の反復中に小さくなり、新しい不確定性体積ごとに幾つかのランダム点で何回かのランダム点測定が行われ、衛星が実際に識別されるまで、衛星が実際に存在するか否かが判定される。
【００３１】
図３は、アンテナによって実行される取得及びディザリングプロセスの１つの実施形態のフロー図である。図３を参照すると、アンテナの加速度計からの加速度データ３０１、磁力計からの磁力計データ３０２、及びジャイロスコープからのジャイロスコープ速度３０３が拡張カルマンフィルタ（ＥＫＦ）３１０に入力される。これらの入力に基づいて、ＥＫＦ３１０は、アンテナの初期方位３２０を決定する。より具体的には、加速度計、磁力計、及びジャイロスコープは、それらのデータの一部を完全に正確な精度未満にするノイズ及び何らかの感度を有する可能性があるセンサである。すなわち、センサの各々は、知覚される正確性のレベルを有する。１つの実施形態において、ＥＫＦ３１０は、この知覚される正確さのレベルに基づいてセンサの各々を重み付けして、センサの重み付けされた値をとり、最初に探索される不確定性領域を設定する方位３２０を提供する。
【００３２】
また、衛星位置３０４及びアンテナ位置３０５が、衛星ルック角計算モジュール３１１に入力される。１つの実施形態において、衛星位置は、緯度、経度、偏波、及び高度を含み、アンテナ位置は、緯度、経度、及び高度を含む。これらの入力を使用して、衛星ルック角計算モジュール３１１は、方位角、仰角及び傾斜値３３０に対応するデータを生成し、これらが指向角計算モジュール３４０に提供される。
【００３３】
方位３２０は、粗取得モジュール３２２に提供される。ジャイロスコープ速度３０３もまた、ジャイロスコープ速度統合モジュール３２１に提供され、補正された方位３３１に提供される。ジャイロスコープ速度統合モジュール３２１は、「プラットフォームの動き排除」に使用される。すなわち、ジャイロスコープは、アンテナが最後のサンプリング時間に回転していた速度を記録する。速度×サンプリング時間は、アンテナがどれほど回転したかを示す。１つの実施形態において、電子ビームは、この方位変化を補償するように移動する。ジャイロスコープが完全であった場合には、ジャイロスコープ統合を用いて、完全に衛星上に留まることができる。しかしながら、ジャイロスコープは完全ではなく、遅延及びドリフトを有する。従って、ディザリングを継続してビームを継続的に最大にする必要がある。方位及び追跡受信機メトリック３２３に応答して、粗取得は、補正された方位３３１を決定する。補正された方位３３１は、方位角、仰角及び傾斜値３３０と共に指向角計算モジュール３４０に入力される。これらの入力に応答して、指向角計算モジュール３４０は、アンテナを電子的に誘導するのに使用されるアンテナ指向角３４１を生成する。
【００３４】
新しいアンテナ指向角３４１を使用して、アンテナは、一連の信号受信点で受信衛星信号を受信し、新しい不確定性体積を構成する一連の点から信号を受け取る。すなわち、電子式操縦可能アンテナの受信部は、衛星からのＲＦ信号を複数の方向から受信する。粗取得モジュール３２２は、ホットスポットが識別されるまで、方位３３１として使用される初期方位を提供する。ホットスポットが識別されると、補正された方位３３１が、精密取得モジュール３２４からもたらされ、該精密取得モジュールは、ホットスポットを特定して、新しい方位を補正された方位３３１として指向角計算モジュール３４０に提供し、該指向角計算モジュールが、新しいアンテナ指向角３４１を決定する。
【００３５】
受信した信号は、追跡受信機メトリック３２３を生成するモデムに供給され、精密取得モジュール３２４がこのメトリックを使用して補正されたものを生成する。１つの実施形態において、追跡受信機メトリック３２３は、信号が受信されている点の各々に関する信号対雑音比（ＳＮＲ）比を含む。別の実施形態において、追跡受信機メトリック３２３は、搬送波対雑音比（Ｃ／Ｎ）値を含む。粗取得モジュール３２２は、ホットスポットが識別されるまで、方位３３１として使用される初期方位を提供する。ホットスポットが識別されると、補正された方位３３１が精密取得モジュール３２４からもたらされ、該精密取得モジュールは、ホットスポットを特定して、新しい方位を補正された方位３３１として指向角計算モジュール３４０に提供し、該指向角計算モジュールが、新しいアンテナ指向角３４１を決定する。
【００３６】
１つの実施形態において、プロセスが、衛星信号を一貫して観測し、最大角度がその最小値に達するまで、精密取得モジュール３２４は、新しい指向角３４１を計算するのに指向角計算モジュール３４０によって使用される追跡受信機メトリック（例えば、Ｃ／Ｎ値、自動利得制御（ＡＧＣ）値など）に基づいて、補正された方位３３１を継続して決定する。この時点で、取得プロセスが完了し、方位ディザリングが開始する。方位ディザリングの際にＳＮＲが閾値を下回って低下した場合には、拡張カルマンフィルタ（ＥＫＦ）からの最新の方位データが、初期開始点として使用され、プロセスが再開される。
【００３７】
この時点で、ＩＭＵによって行われるプロセスは、方位ディザリングモジュール３５０によって制御される。方位ディザリングモジュール３５０は、追跡受信機メトリック３２３を使用してディザリングを実行して、補正された方位３３１を提供する。１つの実施形態において、方位ディザリングモジュール３５０によって使用される追跡受信機メトリック３２３は、Ｃ／Ｎ値を含む。以下により詳細に説明するように、追跡受信機メトリック３２３は、Ｃ／Ｎ値及び／又はその他のメトリックの代わりに、又はそれらに加えて、自動利得制御（ＡＧＣ）値を含むことができる。
【００３８】
代替の実施形態において、ランダムパターンの代わりに、他のパターンを使用することができる。例えば、他の実施形態において、矩形及び円形パターンを用いて、アンテナの姿勢不確定性体積を探索し、衛星への正確な指向をもたらす姿勢を見つけることができる。代替の実施形態において、天空調査を実行し、幾つかの異なる角度でＳＮＲ値の画像を構築することができる。
【００３９】
ディザ制御及び処理
取得後、図２の慣性指向及び追跡システムはまた、ディザプロセスを実行しアンテナ上でディザ制御を実行するのに使用される。１つの実施形態において、慣性指向及び追跡システムは、Ｒｘビームをディザリングしてセンサノイズ及びドリフト誤差を補正することに依拠する。ディザリングプロセスの１つの実施形態において、モデムの最高信号品質を提供することになる指向角を見つける（学習する）試みにおいてモデムの搬送波対雑音比（Ｃ／Ｎ）を監視しながら、一連の意図的な指向誤差がアンテナに適用される。このことは、データモデムからのＣ／Ｎなどの報告信号品質を使用して、ビームを直接衛星に指向し続けるためのわずかな指向調整を加える方向を決定することにより、不完全なＩＭＵに起因する指向誤差における小さなオフセットを軽減できるようになる。
【００４０】
上記で検討したように、アンテナは、独立した送信（Ｔｘ）及び受信（Ｒｘ）ビームを有することができる。１つの実施形態において、ＩＭＵ誤差を補正して、独立したＴｘ及びＲｘビームを有するアンテナに対してより正確な指向及び追跡解を生成するために、ディザ機能は、ＩＭＵアルゴリズムに組み込まれる。このディザ機能は、指向誤差がＲｘビーム指向解に意図的に注入されて、フィードバック機構としてＲｘチャネルからの反復的信号品質レポートを使用して指向解が改善され、場合によっては最適化できるようにする。
【００４１】
１つの実施形態において、慣性指向及び追跡システムは、ディザリングを実行して、ロール角、ピッチ角、及びヨー角の精度が全てディザリングサブシステムによって改善され、場合によっては最適化されて、より正確な指向角がもたらされるようにする。１つの実施形態において、アンテナのＲｘ開口面は、ディザステップを実行して、推定されたロール角、ピッチ角、ヨー角、及び偏波に対する補正値を識別し、これらの補正値をアンテナのＴｘ開口面に対して使用し、これによって実際のディザ動作に起因する漸増的指向誤差又は偏波誤差を受けることなく補正の恩恵が得られる。
【００４２】
１つの実施形態において、例えば図２の電子式操縦可能アンテナ２０３のような、アンテナシステムは、分離可能なＴｘ及びＲｘ開口面を備えるアンテナを利用する慣性指向及び追跡システムを使用し、これらの開口面は両方とも、偏波を含んで、独立して操縦可能である。これらの開口面は、複数の方法で使用される。１つの実施形態において、アンテナ開口面の配置は、アンテナ開口面が、図２のＩＭＵ２０１などの単一のＩＭＵを共有して開口面の向きを確立することができるようなものであり、これによって、各開口面がそれ自体のＩＭＵを有する場合又は各開口面が厳密には他方と同一平面上にない場合に利用可能とはならない追加の能力及び技法が可能になる。１つの実施形態において、慣性指向及び追跡システムは、Ｃ／Ｎ（又は他の信号品質メトリック）レポートを提供するＲｘモデムを含む単一のディザリングサブシステムを使用して、不完全なＩＭＵ値に起因する指向誤差を補正し、ディザリングプロセスを通じて取得された学習Ｒｘオフセットは、必要な指向オフセットが実質的にＲｘのものと同様となるので、Ｔｘ開口面に使用することができる。
【００４３】
１つの実施形態において、慣性指向及び追跡システムは、Ｒｘ偏波をディザリングしてＲｘ偏波に関する補正値を取得できるようにする上記と同様の単一のディザリングサブシステムを使用し、学習されたＲｘ偏波補正値は、必要な偏波補正値が実質的にＲｘのものと同様であるので、Ｔｘ開口面に使用することができる。
【００４４】
１つの実施形態において、慣性指向及び追跡システムは、指向偏波ディザリングサブシステムを含み、指向ディザリングサブシステムは、信号品質レポートを提供するのに単一のモデムのみを必要とする単一のシステムに統合することができる。
【００４５】
１つの実施形態において、慣性指向及び追跡システムは、ディザリングされたロール、ピッチ、及び／又はヨー値がアンテナに適用される前に、これらの値からシータ／ファイ値（角度）を生成することによって実現される指向用ディザリングサブシステムを使用する。また、これらの値は、方位解（例えば、ロール角、ピッチ角、ヨー角、又は四元数のようなそれらの等価物）における小さな回転として実現され、ディザリングが、これらの値の発生源において誤った方位の値を補正できるようになる。
【００４６】
１つの実施形態において、Ｔｘ開口面の指向をＲｘ開口面と異なるものにするあらゆる製造上のばらつきは、較正によって軽減することができる。較正は、工場で一度行うことができ、又は、送信信号が衛星ハブにおけるモデムで受信されて監視される場合、動作中に動的に行うことができる。この監視は、相対的な指向の正確さの指標である、受信信号の信号品質を報告することができる。
【００４７】
１つの実施形態において、慣性指向及び追跡システムは、Ｒｘビームをディザリングしてセンサノイズ及びドリフト誤差を補正することに依拠する。これにより、アンテナが、典型的なシステムを用いた場合よりも大きなドリフト量を伴って極めて安価なＩＭＵセンサを利用することが可能になる。この指向及び追跡システムの特定の態様は、１つの実施形態である、本明細書に記載されるアンテナの関連で説明される。特定のアンテナは、限定因子ではなく、物理的に切り離された開口面について追加的に考慮して、独立して制御可能なＲｘ及びＴｘビームを用いた任意のアンテナシステムに適用することができる。
【００４８】
Ｒｘのみのディザリング
１つの実施形態において、平面アンテナ（ｆｌａｔ  ｐａｎｅｌ  ａｎｔｅｎｎａ）は、Ｔｘ開口面用のアンテナ素子、及び同じ表面上のＲｘ開口面用のアンテナ素子を含む。アンテナ要素の各セットは、独立して駆動（ビーム誘導）できるので、Ｒｘアンテナ指向は、ディザ及びモデムフィードバックを使用して最適化することができ、Ｔｘ開口面は、空間内の任意の異なる位置に指向することができる。１つの実施形態において、２つの開口面は、図２のＩＭＵ２０１などの同じＩＭＵを共有する。実際には、Ｔｘ開口面は、Ｒｘ開口面と同じ衛星に指向されるが、この特性は、以下の３つの固有の能力を可能にし、すなわち、１）ＴｘとＲｘとの間のあらゆる軽微な指向相違を電子較正を通じて取り除くことができる、２）Ｒｘ開口面で取得した学習オフセットが、実際のディザステップを適用することなく、Ｔｘ開口面に対する指向命令に適用でき、従って、ディザステップに起因する漸増的Ｔｘ指向誤差が排除される、及び３）Ｔｘ開口面とＲｘ開口面とのあらゆる偏波相違が、電子較正を通じて補正できる。
【００４９】
Ｒｘディザリングの従属する幾つかの機能、すなわち、方位角及び仰角（シータ／ファイ）におけるディザリング、ヨー角、ピッチ角、及びロール角（ＹＰＲ）におけるディザリング、及び偏波ディザリングが、存在する。
【００５０】
偏波ディザリング
直線偏波が使用されるシステムでは、衛星（すなわち、送信デバイス）の偏波をアンテナ（受信デバイス）の偏波とマッチさせることが必要である。このことは、所望の信号を最大にするためだけでなく、反対向きの偏波で搬送される他のサービスに対する可能性のある干渉を最小限にするためにも行われる。
【００５１】
完全なＩＭＵ及び衛星アンテナ偏波についての知識があれば、端末がそのアンテナに関する正確な偏波設定値を計算することが可能である。しかしながら、ＩＭＵ方位の誤差があると、計算された偏波は誤差を含むことになる。この誤差は、アンテナの偏波設定値が２つのディザ値の間で繰り返して変化するように、モデムによって報告される信号品質を監視するディザシステムを使用して軽減することができ、
ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ＿ｐｏｌは、ＩＭＵ値、及び衛星に対するアンテナ偏波についての情報から計算され、
ｄｉｔｈｅｒ  ｓｔｅｐｓ（ディザステップ）は、＋ｄ（ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ＿ｐｏｌ），−ｄ（ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ＿ｐｏｌ）であり、
ｌｅａｒｎｅｄ＿ｐｏｌ＿ｏｆｆｓｅｔ＝ｌｅａｒｎｅｄ＿ｐｏｌ＿ｏｆｆｓｅｔ＋ｋ＊（ｓｉｇｎａｌ  ｑｕａｌｉｔｙ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ（信号品質差分））
ａｐｐｌｉｅｄ＿ＲＸ＿ｐｏｌ＝ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ＿ｐｏｌ＋ｌｅａｒｎｅｄ＿ｐｏｌ＿ｏｆｆｓｅｔ＋ｄｉｔｈｅｒ  ｓｔｅｐ
ａｐｐｌｉｅｄ＿ＴＸ＿ｐｏｌ＝ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ＿ｐｏｌ＋ｌｅａｒｎｅｄ＿ｐｏｌ＿ｏｆｆｓｅｔ＋９０  ｄｅｇｒｅｅｓ（９０度）
である。
【００５２】
１つの実施形態において、報告された信号品質値の差分を用いて、偏波補正をどの方向に適用すべきかを決定することができる。本システムは、このシーケンスを繰り返し行うことに基づいて、補正を継続的に適用して更新する。学習された偏波補正値は、Ｔｘアンテナに適用することができ（Ｔｘは、Ｒｘと反対の（直交）偏波で動作する）、Ｔｘアンテナは、それ自体ディザステップを実行する必要がなく、このことはＴｘ指向誤差を実質的に減少させ、ＦＣＣ規制を満たすのに不可欠とすることができる。
【００５３】
図４は、偏波ディザリングの１つの実施形態のフロー図である。このプロセスは、ハードウェア（回路、専用論理回路など）、ソフトウェア（汎用コンピュータシステム、ファームウェア、又は専用マシン上で実行されるものなど）、又はこれら３つの組み合わせを含むことができるプロセスロジックによって実行される。
【００５４】
図４を参照すると、本プロセスは、学習された偏波補正値を使用して正の偏波ディザ値（＋ｄ（ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ＿ｐｏｌ））を加算してＩＭＵベースの偏波値を修正し、次いで信号品質を測定する、プロセスロジック（プロセスブロック４０１）から開始する。送信開口面では、本プロセスは更に、学習された偏波補正値（ｌｅａｒｎｅｄ＿ｐｏｌ＿ｏｆｆｓｅｔ）のみを使用してＩＭＵベースの偏波値を修正するステップ（プロセスブロック４０２）を含む。
【００５５】
次に、プロセスブロック４０１又は４０２のいずれかを実行した後、本プロセスは、プロセスブロック４０３に移行し、ここで、プロセスロジックは、学習された偏波補正値及び負の偏波ディザ値（−ｄ（ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ＿ｐｏｌ））を使用してＩＭＵベースの偏波値を修正し、次いで、信号品質を測定する（プロセスブロック４０３）。その後、プロセスロジックは、最適な信号品質となるように偏波の方向を決定し、これに応じて、学習された偏波補正値を修正する（プロセスブロック４０４）。
【００５６】
シータ／ファイディザリング
製品コストを削減するために、ＩＭＵコンポーネントは、できる限り安価であるように選択され、従って、大きな指向誤差に寄与する可能性がある。
【００５７】
電子的誘導アンテナでは、ビームの動きは、シータ／ファイをアンテナパターンビーム生成器に送出することによって引き起こされる。ディザステップを適用することは、最近ＩＭＵで計算されたシータ／ファイ角度とわずかに異なるシータ／ファイ角度ペアを適用することを意味することができる。１つの実施形態において、１つの可能性のあるディザパターンは、次式：
ｔｈｅｔａ＋ｄ（ｔｈｅｔａ），ｔｈｅｔａ−ｄ（ｔｈｅｔａ），ｐｈｉ＋ｄ（ｐｈｉ），ｐｈｉ−ｄ（ｐｈｉ）
として記述される４点で信号品質をチェックする。１つの実施形態において、ディザオフセットは、ビームサイズ、及びディザリングにおいて断念しようとしてする利得量に基づくものである。
【００５８】
図５Ａは、シータ／ファイディザリングのためのプロセスの１つの実施形態のフロー図である。このプロセスは、ハードウェア（例えば、回路、専用論理回路など）、ソフトウェア（汎用コンピュータシステム又は専用マシン上で実行されるものなど）、ファームウェア、又はこれら３つの組み合わせを含むことができるプロセスロジックによって実行される。
【００５９】
図５Ａを参照すると、本プロセスは、受信アンテナが、学習されたオフセット及び＋ｔｈｅｔａ（正のシータ）ディザオフセットを使用してＩＭＵベースのシータ／ファイ値を修正し、次いでこれらの値に基づいて信号品質を測定するプロセスロジック（プロセスブロック５０１）から開始する。１つの実施形態において、学習されたオフセットは、以前の追跡からもたらされたものとすることができる。また、このオフセットは、特に例えば設置場所の周りの金属が磁気コンパスを歪ませている場合など、設置の際に生じる可能性がある。同様に、送信開口面に関して、プロセスロジックは、学習されたオフセットのみを使用してＩＭＵベースのシータ／ファイ値を修正する（プロセスブロック５０２）。
【００６０】
その後、本プロセスは、プロセスブロック５０１及び５０２の両方からプロセスブロック５０３に移行し、ここで、受信開口面用のプロセスロジックは、学習されたオフセット及び−ｔｈｅｔａ（負のシータ）ディザオフセットを使用してＩＭＵベースのシータ／ファイ値を修正し、次いで信号品質を測定する（プロセスブロック５０３）。次に、プロセスロジックは、最適な信号品質のシータ軸の方向を決定し、これに応じて学習されたオフセットを修正する（プロセスブロック５０４）。
【００６１】
シータ軸の方向を決定して、これに応じて学習されたオフセットを修正した後、プロセスロジックは、プロセスブロック５０５及び５０６に移行する。プロセスブロック５０５において、受信開口面用のプロセスロジックは、学習されたオフセット及び＋ｐｈｉ（正のファイ）ディザオフセットを使用してＩＭＵベースのシータ／ファイ値を修正して、次いで信号品質を測定し、プロセスブロック５０６において、送信開口面用のプロセスロジックは、学習されたオフセットのみを使用してＩＭＵベースのシータ／ファイ値を修正する。
【００６２】
プロセスブロック５０５又は５０６のいずれかを実行した後、本プロセスは、プロセスブロック５０７に移行し、ここで、プロセスロジックは、学習されたオフセット及び−ｐｈｉ（負のファイ）ディザオフセットを使用してＩＭＵベースのシータ／ファイ値を修正し、次に、信号品質を測定する。次に、受信開口面用のプロセスロジックは、最適な信号品質のファイ軸の方向を決定し、これに応じて、学習されたオフセットを修正する（プロセスブロック５０８）。
【００６３】
図５Ｂは、ディザリングを実行するアンテナシステムの１つの実施形態を示している。図５Ｂを参照すると、慣性計測ユニット５０１は、ビーム方向及び偏波計算ユニット５０２により受け取られる幾つかの値（ＩＭＵ）５１０を生成する。１つの実施形態において、値５１０は、ロール、ピッチ、ヨー、及び位置情報（例えば、緯度及び経度）を含む。また、ビーム方向及び偏波計算ユニット５０２は、衛星位置（例えば、緯度及び経度）及び偏波情報を受け取る。これらの入力に応答して、ビーム方向及び偏波計算ユニット５０２は、電子式操縦可能アンテナ５０３に供給されてこのアンテナを制御するシータ、ファイ及び偏波値５２０を生成する。例えば、シータ範囲は、（０，９０）度とすることができ、ファイ範囲は、（０，３６０）度とすることができ、偏波範囲は、（０，３６０）度とすることができる。
【００６４】
シータ、ファイ及び偏波値５２０は、送信指向補正ユニット５４１及び受信指向補正ユニット５４２に入力される。また、受信指向補正ユニット５４２は、ディザ生成器５０６からディザ又はオフセットを受け取り、学習オフセット蓄積ユニット５４０から学習されたオフセットを受け取る。これらの入力に応答して、受信指向補正ユニット５４２は、電子式操縦可能アンテナの受信部５０３Ａに提供されるアンテナ指向角を生成する。
【００６５】
同様に、送信指向補正ユニット５４１はまた、学習オフセット蓄積ユニット５４０から学習されたオフセットを受け取り、このオフセットをシータ、ファイ及び偏波値５２０と組み合わせて使用して、電子式操縦可能アンテナの送信部５０３Ｂ用のアンテナ指向角を生成する。
【００６６】
電子式操縦可能アンテナの受信部５０３Ａは、新しい指向角を使用して衛星からＲＦ信号５５０を取得し、この信号をモデム５０５に供給する。これに応答して、モデム５０５は、受信メトリック５６０（例えば、Ｃ／Ｎ）を生成して、このメトリックを学習オフセット蓄積ユニット５４０に提供する。１つの実施形態において、モデム５０５に対して出力される追跡受信機メトリックは、Ｃ／Ｎ値であり、この値は、学習オフセット蓄積ユニット５４０に送られてここに蓄積され、送信指向補正ユニット５４１及び受信指向補正ユニットの両方により使用される学習オフセットが提供される。
【００６７】
方位ディザリング
学習されたシータ／ファイオフセットが、ＩＭＵ解の実質的な誤差に起因して極めて大きくなる場合には、ＩＭＵを用いてプラットフォームの動きを排除することはもはや不可能である。この問題は、ＩＭＵが動作している座標系（例えば、ロール角、ピッチ角、及びヨー角）が、ビーム指向が存在する座標系（例えば、シータ／ファイ空間又は等価的な方位角／仰角空間）と異なる理由から生じる。
【００６８】
１つの実施形態において、ディザは、誤差の発生源と同じ座標系で適用される。このことを達成するために、ディザは、ロール角、ピッチ角、及びヨー角での小さな回転として適用される。１つの実施形態において、ヨー、ピッチ、ロール軸の周りを回転する代わりに、回転軸は、偏波のみ又はシータ／ファイのみを生じさせて、指向ディザリングを偏波ディザリングから切り離すように選択される。別の実施形態において、ファイからシータを分離する軸が選択される。更に別の実施形態において、追跡システムは、正のロール方向に小さい角度だけ回転し、このディザリングされた方位からアンテナ指向を計算して、信号品質を測定する。次いで、これが負のロール方向について繰り返される。次に、補正回転は、信号品質が高まる方向で方位解に適用される。このプロセスは、ロール軸及びピッチ軸について繰り返される。方位解自体が修正された場合、調整自体の記録が保持される必要はなく、改善された姿勢推定値のみが維持される。このことは、このセクションの図３に示されている。
【００６９】
図６Ａは、方位補正を行うためのプロセスの１つの実施形態のフロー図である。本プロセスは、ハードウェア（例えば、回路、専用論理回路など）、ソフトウェア（汎用コンピュータシステム又は専用マシン上で実行されるものなど）、ファームウェア、又はこれら３つの組み合わせを含むことができるプロセスロジックによって実行される。
【００７０】
図６Ａを参照すると、本プロセスは、受信開口面が、ＩＭＵベースの向きを＋ｒｏｌｌ（正のロール）オフセットでのディザ角だけ回転させて、ディザリングされた向きを生成し、次いで信号品質を測定するプロセスロジック（プロセスブロック６０１）から開始する。
【００７１】
次に、受信開口面用のプロセスロジックは、ＩＭＵベースの方位を−ｒｏｌｌ（負のロール）オフセットのディザ角だけ回転させて、ディザリングされた方位を生成し、次に、信号品質を測定する（プロセスブロック６０２）。最後に、受信開口面に関して、プロセスロジックは、向上する信号品質の角度だけ方位を回転させることによって方位解を修正し（プロセスブロック６０３）、次に、プロセスロジックは、ピッチ角及びヨー角に対してこれらの動作を繰り返して、プロセスを繰り返す（プロセスブロック６０５）。
【００７２】
また、プロセスブロック６０１及び６２の後、プロセスロジックは、送信開口面において、修正された受信方位で送信方位を更新する（プロセスブロック６０４）。
【００７３】
図６Ｂは、アンテナによって実行される方位補正のデータフロー図の１つの実施形態を示している。図６Ｂを参照すると、慣性計測ユニット（ＩＭＵ）６０１は、ヨー、ロール及びピッチ値６２１を、ビーム方向及び偏波生成器６８０の一部であるビーム方向及び偏波計算ユニット６０３並びにディザ生成器６０２に提供する。また、ＩＭＵ６０１は、緯度及び経度情報６２０をビーム方向及び偏波計算ユニット６０３及び６０４に提供する。
【００７４】
ヨー、ロール及びピッチ値６２１に応答して、ディザ生成器６０２は、ディザリングされたロール、ピッチ及びヨー値６３０を生成して、これらの値をビーム方向及び偏波計算ユニット６０４に供給する。
【００７５】
経度及び緯度情報６２０、並びにディザリングされたロール、ピッチ及びヨー値６３０に応答して、ビーム方向及び偏波計算ユニット６０４は、ディザリングされたシータ、ファイ及び偏波値６５２を生成して、この値を電子式操縦可能アンテナの受信部６０６に提供する。同様に、経度及び緯度情報６２０、ヨー、ロール及びピッチ値６２１、ビーム方向及び偏波計算ユニット６０３、並びに衛星位置偏波値６４０に応答して、ビーム方向及び偏波計算ユニット６０３は、シータ、ファイ及び偏波値６５１を生成して、この値を電子式操縦可能アンテナの送信部６０５に提供する。
【００７６】
ディザリングされたデータ、ファイ及び偏波値６５２を使用して、電子式操縦可能アンテナの受信部６０６は、衛星６５０からＲＦ信号を受信して、受信したＲＦ信号６７０をモデム６０７に提供する。ＲＦ信号６７０に応答して、モデム６０７は、姿勢補正ユニット６０８に送られる追跡受信機メトリックを生成する。１つの実施形態において、１又は２以上の追跡受信機メトリックは、Ｃ／Ｎ値６８０を含み、このＣ／Ｎ値６８０に応答して、姿勢補正ユニット６０８は、姿勢補正値を生成して、この情報をユニット方位補正の次の反復に備えてＩＭＵ６０１に提供する。
【００７７】
Ｔｘ−Ｒｘオフセット
幾つかの用途では、単一のアンテナのＴｘ及びＲｘ開口面は、異なる位置に指向することができる。例えば、Ｒｘビームは、軌道スロット１００Ｗ（例として）で衛星に向けることができ、Ｔｘ開口面は、軌道スロット１０２Ｗ（例として）で衛星に向けることができる。アンテナが、共通のＩＭＵを使用して方位情報を得て、Ｒｘ開口面が、ディザリングサブシステムを使用して、このＩＭＵの不完全性に起因する指向誤差を実質的に排除する場合には、Ｒｘ開口面で取得した学習オフセットを用いて、偏波を含んでＴｘ開口面の指向パラメータを調整することができ、これによってＴｘ誤差が実質的に最小になる。
【００７８】
例示的なディザフロー図
図７は、ディザリングプロセスの１つの実施形態のフロー図である。プロセスは、ハードウェア（例えば、回路、専用論理回路など）、ソフトウェア（汎用コンピュータシステム又は専用マシン上で実行されるものなど）、ファームウェア、又はこれら３つの組み合わせを含むことができるプロセスロジックによって実行される。
【００７９】
図７を参照すると、本プロセスは、アンテナ方位のロール角、ピッチ角、及びヨー角のうちの１又は２以上を摂動させて、第１の探索パターンに関連する可変方位を生成するプロセスロジック（プロセスブロック７０１）から開始する。１つの実施形態において、第１の探索パターンは、ランダムパターンである。１つの実施形態において、第１の探索パターン（及びその後続の探索パターン）は、円形パターンである。１つの実施形態において、第１のパターン（及びその後続の探索パターン）は、天空にある不連続点を含む。
【００８０】
ロール角、ピッチ角、及びヨー角のうちの１又は２以上を摂動させた後、プロセスロジックは、可変方位の各々に対して、摂動したロール角、ピッチ角、及びヨー角に応答して、新しい走査角及び偏波角を計算する（プロセスブロック７０２）。
【００８１】
新しい走査角及び偏波角を使用すると、プロセスロジックは、可変方位の各々に対して衛星から無線周波数（ＲＦ）信号を受信し（プロセスブロック７０３）、可変方位の各々に関連する受信ＲＦ信号を表す１又は２以上の受信機メトリックを生成する（プロセスブロック７０４）。１つの実施形態において、衛星からのＲＦ信号は、アンテナの開口面を物理的に移動させることなく受信される。１つの実施形態において、１又は２以上の信号メトリックは、搬送波対雑音比（Ｃ／Ｎ）を含む。使用できる他のメトリックは、限定ではないが、Ｅｘ／Ｎｏ又はＥｂ／Ｎｏが挙げられる。１つの実施形態において、ディザリング中、Ｒｘアンテナは、ベース方位にアクセスしない。
【００８２】
１又は２以上の受信機メトリックに基づいて、プロセスロジックは、可変方位のうちの１つを新しい方位として選択し（プロセスブロック７０５）、第１の探索パターンよりも狭い第２の探索パターンを有する新しい方位を用いて上記のプロセスを繰り返す（プロセスブロック７０６）。１つの実施形態において、このプロセスは、一貫して観測される衛星信号が受信されるまで繰り返される。１つの実施形態において、探索パターンの分散は、好適な信号が観測された後に減少される。１つの実施形態において、第２の探索パターンは、第１の探索パターンのものと比較して減少した最大角度を有する。１つの実施形態において、プロセスが繰り返されるときに使用される新しい探索パターンごとに最大角度を減少するこのプロセスは、一貫して観測される衛星信号が受信されるまで使用される。
【００８３】
一貫して観測される衛星信号が観測されると、プロセスロジックは、１又は２以上の受信機メトリック（例えば、Ｃ／Ｎ）に基づいてオフセットを生成し、走査角及び偏波角のうちの１又は２以上に指向補正値(pointing corrections)を加え（例えば、受信走査角及び偏波角に受信指向補正値を加え、送信走査角及び偏波角に送信指向補正値を加える）、指向補正値を有する走査角及び偏波角を電子式操縦可能アンテナに適用する（例えば、指向補正値を有する受信走査角及び偏波角を電子式操縦可能アンテナの受信部に適用し、指向補正値を有する送信走査角及び偏波角を電子式操縦可能アンテナの送信部に適用する）（プロセスブロック７０７）。
【００８４】
１つの実施形態において、走査角及び偏波角に指向補正値を加えるステップは、走査角をアンテナに適用する前に、走査角にディザリングを適用するステップと、偏波角をアンテナに適用する前に、偏波角にディザリングを適用するステップとを含む。
【００８５】
図８は、ディザリングプロセスの別の実施形態のフロー図である。このプロセスは、ハードウェア（例えば、回路、専用論理回路など）、ソフトウェア（汎用コンピュータシステム又は専用マシン上で実行されるものなど）、ファームウェア、又はこれら３つの組み合わせを含むことができるプロセスロジックによって実行される。
【００８６】
図８を参照すると、本プロセスは、１又は２以上の受信機メトリックに基づいてアンテナ方位のロール角、ピッチ角、及びヨー角に１又は２以上の姿勢補正値を適用することによって、アンテナ方位のロール角、ピッチ角、及びヨー角のうちの１又は２以上を摂動させて、第１の探索パターンに関連する可変方位を生成するプロセスロジック（プロセスブロック８０１）から開始する。１つの実施形態において、第１の探索パターンは、ランダムパターンである。１つの実施形態において、第１の探索パターン（及びその後続の探索パターン）は、円形パターンである。１つの実施形態において、第１のパターン（及びその後続の探索パターン）は、天空にある不連続点を含む。
【００８７】
次に、プロセスロジックは、１又は２以上の姿勢補正値を適用した後、ロール角、ピッチ角、及びヨー角のうちの１又は２以上をディザリング、新しい走査角及び偏波角が、ディザリングされた走査角及び偏波角を含んで、摂動したロール角、ピッチ角、及びヨー角に応答して計算できるようにする（プロセスブロック８０２）。
【００８８】
ロール角、ピッチ角、及びヨー角のうちの１又は２以上を摂動させて、このような角度の何らかのディザリングを実行した後、プロセスロジックは、可変方位の各々に対して、摂動したロール角、ピッチ角、及びヨー角に応答して新しい走査角及び偏波角を計算する（プロセスブロック８０３）。
【００８９】
新しい走査角及び偏波角を使用すると、プロセスロジックは、可変方位の各々に対して衛星から無線周波数（ＲＦ）信号を受信し（プロセスブロック８０４）、可変方位の各々に関連する受信ＲＦ信号を表す１又は２以上の受信機メトリックを生成する（プロセスブロック８０５）。１つの実施形態において、衛星からのＲＦ信号は、アンテナの開口面を物理的に移動させることなく受信される。１つの実施形態において、１又は２以上の信号メトリックは、搬送波対雑音比（Ｃ／Ｎ）を含む。
【００９０】
１又は２以上の受信機メトリックに基づいて、プロセスロジックは、新しい方位に関する姿勢補正値と共に可変方位のうちの１つを新しい方位として選択し（プロセスブロック８０６）、第１の探索パターンよりも狭い第２の探索パターンを有する新しい方位を用いて上記のプロセスを繰り返す（プロセスブロック８０７）。方位ディザリングに関して、姿勢補正ブロックは、次の探索範囲の一部になる全ての方位に対して、ロール角、ピッチ角、及びヨー角の補正値を生成する。１つの実施形態において、プロセスは、一貫して観測される衛星信号が受信されるまで繰り返される。１つの実施形態において、探索パターンの分散は、好適な信号が観測された後に減少される。１つの実施形態において、第２の探索パターンは、第１の探索パターンのものと比較して減少した最大角度を有する。１つの実施形態において、プロセスが繰り返されるときに使用される新しい探索パターンごとに最大角度を減少するこのプロセスは、一貫して観測される衛星信号が受信されるまで使用される。
【００９１】
アンテナ実施形態の実施例
上述の技術は、平面アンテナ（ｆｌａｔ  ｐａｎｅｌ  ａｎｔｅｎｎａ）と共に使用することができる。このような平面アンテナの実施形態が開示される。平面アンテナは、アンテナ開口面上にアンテナ素子の１又は２以上のアレイを含む。１つの実施形態において、アンテナ素子は、液晶セルを含む。１つの実施形態において、平面アンテナは、行及び列状に配置されていないアンテナ素子の各々を一意的にアドレス指定して駆動するためのマトリクス駆動回路を含む円筒状給電アンテナである。１つの実施形態において、素子は、リング状に配置される。本明細書で説明する技法は、電子式操縦可能アンテナだけでなく、その他のアンテナに適用できることに留意されたい。
【００９２】
１つの実施形態において、アンテナ素子の１又は２以上のアレイを有するアンテナ開口面は、共に結合された複数のセグメントから構成される。セグメントの組み合わせは、共に結合されたときに、アンテナ素子の閉じた同心リングを形成する。１つの実施形態において、同心リングは、アンテナ給電部に対して同心である。
【００９３】
アンテナシステムの１つの実施例の概要
１つの実施形態において、平面アンテナは、メタマテリアルアンテナシステムの一部である。通信衛星地上局用のメタマテリアルアンテナシステムの実施形態について説明する。１つの実施形態において、アンテナシステムは、民間商用衛星通信用のＫａ帯域周波数又はＫｕ帯域周波数のいずれかを使用して動作するモバイルプラットフォーム（例えば、航空、海上、陸上など）上で動作する衛星地上局（ＥＳ）のコンポーネント又はサブシステムである。アンテナシステムの実施形態はまた、モバイルプラットフォーム上でない地上局（例えば、固定地上局又は可搬型地上局）でも使用できることに留意されたい。
【００９４】
１つの実施形態において、アンテナシステムは、表面散乱メタマテリアル技術を使用して、別個のアンテナを介して送受信ビームを形成して誘導する。１つの実施形態において、アンテナシステムは、デジタル信号処理を使用してビームを電気的に形成し誘導するアンテナシステム（フェーズドアレイアンテナなど）とは対照的に、アナログシステムである。
【００９５】
１つの実施形態において、アンテナシステムは、３つの機能的サブシステム、すなわち、（１）円筒波給電アーキテクチャからなる導波路構造、（２）アンテナ素子の一部である波散乱メタマテリアル単位セルのアレイ、（３）ホログラフィ原理を使用してメタマテリアル散乱素子からの調整可能な放射場（ビーム）の形成を命令する制御構造から構成される。
【００９６】
導波構造の例
図９は、円筒波給電を提供するのに使用される同軸給電部の１つの実施形態の上面図を示している。図９を参照すると、同軸給電部は、中心導体及び外側導体を含む。１つの実施形態において、円筒波給電アーキテクチャが、給電点から円筒状に外向きに広がる励起を中心点からアンテナに供給する。すなわち、円筒状給電アンテナは、外向きに進む同心状給電波を生成する。それでも、円筒状給電部の周りの円筒状給電アンテナの形状は、円形、正方形、又は何らかの形状とすることができる。別の実施形態において、円筒状給電アンテナは、内向きに進む給電波を生成する。このような場合、円形構造から生じる給電波が最も自然である。
【００９７】
図１０は、円筒状給電アンテナの入力給電部の周りに同心リング状に配置されたアンテナ素子の１又は２以上のアレイを有する開口面を示している。
【００９８】
アンテナ素子
１つの実施形態において、アンテナ素子は、１つのグループのパッチアンテナを含む。このパッチアンテナのグループは、散乱メタマテリアル素子のアレイを含む。１つの実施形態において、アンテナシステムにおける各散乱素子は、下部導体、誘電体基板、及び上部導体からなる単位セルの一部であり、上部導体は、上部導体にエッチングされ又は堆積された相補的電気誘導型容量性共振器（「相補型電気ＬＣ」又は「ＣＥＬＣ」）を組み込んでいる。
【００９９】
１つの実施形態において、液晶（ＬＣ）は、散乱素子の周りのギャップに配置される。この液晶は、上述の直接駆動型実施形態によって駆動される。１つの実施形態において、液晶は、各単位セルに封入されて、スロットに関連する下部導体をスロットのパッチに関連する上部導体から分離する。液晶は、液晶を構成する分子の配向の関数である誘電率を有し、分子の配向（従って、誘電率）は、液晶の両端のバイアス電圧を調整することによって制御することができる。１つの実施形態において、液晶は、この特性を利用して、誘導波からＣＥＬＣへのエネルギー伝達のためにオン／オフスイッチを組み込む。スイッチオンになると、ＣＥＬＣは、電気的に小さなダイポールアンテナのように電磁波を放射する。本明細書における教示は、エネルギー伝達に関して２値的に動作する液晶を有することに限定されるものではない。
【０１００】
１つの実施形態において、このアンテナシステムの給電幾何形状は、アンテナ素子を給電波における波ベクトルに対して４５度（４５°）の角度に位置決めすることを可能にする。他の位置（例えば、４０°）を利用できる点に留意されたい。この素子の位置により、素子が受け取った又は素子から送信／放射される自由空間波の制御が可能となる。１つの実施形態において、アンテナ素子は、アンテナの動作周波数の自由空間波長よりも小さい素子間隔で配列される。例えば、１波長当たりに４つの散乱素子が存在する場合には、３０ＧＨｚの送信アンテナにおける素子は、約２．５ｍｍ（すなわち、３０ＧＨｚの１０ｍｍ自由空間波長の１／４）である。
【０１０１】
１つの実施形態において、素子の２つのセットは、互いに垂直であり、同じ同調状態に制御された場合に等しい振幅の励起を同時に有する。これら素子のセットを給電波励起に対して＋／−４５度回転させると、両方の所望の特徴を同時に達成する。一方のセットを０度回転させ、他方を９０度回転させると、垂直目標は達成されるが、等振幅励起の目標は達成されないことになる。０度及び９０度は、単一の構造でのアンテナ素子のアレイが２つの側から給電されるときに、分離を達成するのに使用できることに留意されたい。
【０１０２】
各単位セルからの放射出力の量は、コントローラを使用してパッチに電圧（ＬＣチャネルの両端の電位）を印加することによって制御される。各パッチへのトレースは、パッチアンテナに電圧を供給するのに使用される。この電圧は、静電容量及びひいては個々の素子の共振周波数を同調又は離調させて、ビーム形成を実現するのに使用される。必要な電圧は、使用される液晶混合物に依存する。液晶混合物の電圧同調特性は、液晶が電圧の影響を受け始める閾値電圧と、それ以上に電圧を高めても液晶での大きな同調が生じなくなる飽和電圧とによって、主として説明される。これらの２つの特性パラメータは、異なる液晶混合物については変化することができる。
【０１０３】
１つの実施形態において、上記で検討したように、マトリクス駆動回路は、セル毎に別個の接続（直接駆動）を有することなく各セルを他の全てのセルとは別個に駆動するために、パッチに電圧を印加するのに使用される。素子の密度が高いので、マトリクス駆動回路は、各セルを個別にアドレス指定する効率的な方法である。
【０１０４】
１つの実施形態において、アンテナシステム用の制御構造は、２つの主要コンポーネントを含み、アンテナシステム用のアンテナアレイコントローラ（駆動電子機器を含む）は、波散乱構造の下方に存在し、マトリクス駆動スイッチングアレイは、放射を妨害しないように、放射ＲＦアレイ全体にわたって散在する。１つの実施形態において、アンテナシステム用の駆動電子機器は、各散乱素子へのＡＣバイアス信号の振幅又はデューティサイクルを調整することによって、この素子に対するバイアス電圧を調整し、商用テレビ機器で使用される商用既製ＬＣＤ制御装置を含む。
【０１０５】
１つの実施形態において、アンテナアレイコントローラはまた、ソフトウェアを実行するマイクロプロセッサを含有する。制御構造はまた、プロセッサに位置及び向き情報を提供するセンサ（例えば、ＧＰＳ受信機、３軸コンパス、３軸加速度計、３軸ジャイロ、３軸磁力計など）を組み込むこともできる。位置及び向き情報は、地上局内の他のシステムによってプロセッサに提供することができ、及び／又はアンテナシステムの一部でないものとすることができる。
【０１０６】
より具体的には、アンテナアレイコントローラは、動作周波数においてどの位相レベル及び振幅レベルで、どの素子をオフにしてオンにするかを制御する。これらの素子は、電圧の印加によって周波数動作に対して選択的に離調される。
【０１０７】
送信については、コントローラが、ＲＦパッチに一連の電圧信号を供給して、変調又は制御パターンを生成する。制御パターンにより、素子が異なる状態に同調するようになる。１つの実施形態において、多状態制御が使用され、この多状態制御では、様々な素子が異なるレベルにオン及びオフされ、矩形波（すなわち、正弦波グレイシェード変調パターン）ではなく、正弦波制御パターンに更に近付く。１つの実施形態において、一部の素子が放射し、一部の素子が放射しないのではなく、一部の素子が他の素子よりも強力に放射する。可変放射は、特定の電圧レベルを印加することによって達成され、これにより液晶誘電率を様々な量に調整し、素子を可変的に離調させて一部の素子に他の素子よりも多く放射させるようにする。
【０１０８】
メタマテリアル素子アレイによる集束ビームの生成は、増加的干渉及び減殺的干渉の現象よって説明することができる。個々の電磁波は、これらの電磁波が自由空間で交わったときに同相を有する場合には合算（増加的干渉）され、これらの電磁波が自由空間で交わった場合に、これらの電磁波が逆位相にある場合には、電磁波は互いに打ち消し合う（減殺的干渉）。スロット式アンテナにおけるスロットが、各連続するスロットが誘導波の励起点から異なる距離に位置するように位置決めされた場合には、この素子からの散乱波は、前のスロットの散乱波と異なる位相を有するようになる。スロットが、誘導波長の４分の１の間隔をあけて配置される場合には、各スロットは、前のスロットから４分の１位相遅延を有して波を散乱させることになる。
【０１０９】
アレイを使用すると、生成できる増加的干渉及び減殺的干渉のパターン数を増加させることができるので、理論的には、ホログラフィの原理を使用して、アンテナアレイのボアサイトからプラスマイナス９０度（９０°）のあらゆる方向にビームを向けることができるようになる。このように、どのメタマテリアル単位セルをオンにするか又はオフにするかを制御することによって（すなわち、どのセルをオンにし、どのセルをオフにするかについてのパターンを変更することによって）、異なる増加的干渉及び減殺的干渉パターンを生成でき、アンテナは、メインビームの方向を変えることができる。単位セルをオン及びオフにするのに必要な時間は、ビームが１つの位置から別の位置に切り替わることができる速度を決定付ける。
【０１１０】
１つの実施形態において、アンテナシステムは、アップリンクアンテナ用の１つの誘導可能なビーム(steerable beam)と、ダウンリンクアンテナの用の１つの誘導可能なビームとを生成する。１つの実施形態において、アンテナシステムは、メタマテリアル技術を使用して、ビームを受信し、衛星からの信号を復号し、及び衛星に向けられる送信ビームを形成する。１つの実施形態において、アンテナシステムは、デジタル信号処理を使用してビームを電気的に形成し誘導するアンテナシステム（フェーズドアレイアンテナなど）とは対照的に、アナログシステムである。１つの実施形態において、アンテナシステムは、特に、従来のディッシュ型衛星受信機と比較したときに、平面で比較的薄型である「表面」アンテナとみなされる。
【０１１１】
図１１は、グランドプレーン及び再構成可能な共振器層を含むアンテナ素子の１つの列の斜視図を示している。再構成可能共振器層１２３０は、同調型スロット（ｔｕｎａｂｌｅ  ｓｌｏｔｓ）１２１０のアレイを含む。同調型スロット１２１０のアレイは、アンテナを所望の方向に向けるように構成することができる。同調型スロットの各々は、液晶の両端の電圧を変化させることによって同調／調整することができる。
【０１１２】
制御モジュール１２８０は、再構成可能共振器層１２３０に結合され、図１１における液晶の両端の電圧を変化させることによって同調型スロット１２１０のアレイを変調する。制御モジュール１２８０は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（「ＦＰＧＡ」）、マイクロプロセッサ、コントローラ、システムオンチップ（ＳｏＣ）、又は他の処理論理回路を含むことができる。１つの実施形態において、制御モジュール１２８０は、同調型スロット１２１０のアレイを駆動するための論理回路（例えば、マルチプレクサ）を含む。１つの実施形態において、制御モジュール１２８０は、同調型スロット１２１０のアレイ上に駆動されるホログラフィック回折パターンに関する仕様を含むデータを受け取る。ホログラフィック回折パターンは、アンテナと衛星との間の空間関係に応答して生成され、ホログラフィック回折パターンが、ダウンリンクビーム（及びアンテナシステムが送信を行う場合には、アップリンクビーム）を通信に好適な方向に誘導することができる。各図には図示されていないが、制御モジュール１２８０と同様の制御モジュールは、本開示の図に記載された同調型スロットの各アレイを駆動することができる。
【０１１３】
無線周波数（「ＲＦ」）ホログラフィもまた、ＲＦ基準ビームがＲＦホログラフィック回折パターンに遭遇したときに、所望のＲＦビームを生成できる類似の技術を使用して実施可能である。衛星通信の場合には、基準ビームは、給電波１２０５などの給電波の形態である（幾つかの実施形態において、約２０ＧＨｚ）。給電波を放射ビームに変換するために（送信又は受信のいずれかの目的で）、所望のＲＦビーム（目標ビーム）と給電波（基準ビーム）との間の干渉パターンが計算される。干渉パターンは、給電波が、所望のＲＦビーム（所望の形状及び方向を有する）に「誘導（ｓｔｅｅｒｉｎｇ）」されるように、同調型スロット１２１０のアレイ上に回折パターンとして駆動される。言い換えると、ホログラフィック回折パターンに遭遇した給電波は、通信システムの設計要件に従って形成される目標ビームを「再構成」する。ホログラフィック回折パターンは、各素子の励起を包含し、導波路における波動方程式としてのｗin及び射出波上の波動方程式としてのｗoutを用いて、ｗhologram＝ｗin＊ｗoutによって計算される。
【０１１４】
図１２は、同調型共振器／スロット１２１０の１つの実施形態を示している。同調型スロット１２１０は、アイリス／スロット１２１２、放射パッチ１２１１、及びアイリス１２１２とパッチ１２１１との間に配置された液晶１２１３を含む。１つの実施形態において、放射パッチ１２１１は、アイリス１２１２と同じ場所に配置される。
【０１１５】
図１３は、物理的アンテナ開口面の１つの実施形態の断面図を示している。アンテナ開口面は、グランドプレーン１２４５と、再構成可能共振器層１２３０に含まれるアイリス層１２３３内の金属層１２３６とを含む。１つの実施形態において、図１３のアンテナ開口面は、図１２の複数の同調型共振器／スロット１２１０を含む。アイリス／スロット１２１２は、金属層１２３６の開口部(openings)によって定められる。図１１の給電波１２０５などの給電波は、衛星通信チャネルに適合するマイクロ波周波数を有することができる。給電波は、グランドプレーン１２４５と共振器層１２３０との間を伝播する。
【０１１６】
再構成可能共振器層１２３０はまた、ガスケット層１２３２及びパッチ層１２３１を含む。ガスケット層１２３２は、パッチ層１２３１及びアイリス層１２３３の下方に配置される。１つの実施形態において、スペーサは、ガスケット層１２３２と置き換えることができることに留意されたい。１つの実施形態において、アイリス層１２３３は、金属層１２３６として銅層を含むプリント回路基板（「ＰＣＢ」）である。１つの実施形態において、アイリス層１２３３はガラスである。アイリス層１２３３は、他のタイプの基板とすることができる。
【０１１７】
開口部は、銅層内でエッチングされて、スロット１２１２を形成する。１つの実施形態において、アイリス層１２３３は、導電性接合層によって、図１３における別の構造（例えば、導波路）に導電的に結合される。１つの実施形態において、アイリス層は、導電性接合層によって導電的に結合されるものではなく、その代わりに、非導電性接合層と相互連結することに留意されたい。
【０１１８】
また、パッチ層１２３１は、放射パッチ１２１１として金属を含むＰＣＢとすることができる。１つの実施形態において、ガスケット層１２３２は、金属層１２３６とパッチ１２１１との間の寸法を定める機械的離隔部をもたらすスペーサ１２３９を含む。１つの実施形態において、スペーサは７５ミクロンであるが、他のサイズ（例えば３から２００ｍｍ）が使用できる。上述したように、１つの実施形態において、図１３のアンテナ開口面は、図１２のパッチ１２１１、液晶１２１３、及びアイリス１２１２を含む同調型共振器／スロット１２１０などの複数の同調型共振器／スロットを備える。液晶１２１３用のチャンバは、スペーサ１２３９、アイリス層１２３３、及び金属層１２３６によって定められる。チャンバが、液晶で充填された場合には、パッチ層１２３１は、スペーサ１２３９上に積層されて、共振器層１２３０内に液晶をシールすることができる。
【０１１９】
パッチ層１２３１とアイリス層１２３３との間の電圧は、パッチとスロット（例えば、同調型共振器／スロット１２１０）との間のギャップ内の液晶を同調するように変調することができる。液晶１２１３の両端の電圧を調整すると、スロット（例えば、同調型共振器／スロット１２１０）の静電容量が変化する。従って、スロット（例えば、同調型共振器／スロット１２１０）のリアクタンスは、静電容量を変化させることによって変えることができる。また、スロット１２１０の共振周波数は、次式：
2019512681.tif 000003
に従って変化し、ここで、ｆは、スロット１２１０の共振周波数であり、Ｌ及びＣは、それぞれ、スロット１２１０のインダクタンス及び静電容量である。スロット１２１０の共振周波数は、導波路を通って伝播する給電波１２０５から放射されるエネルギーに影響を与える。一例として、給電波１２０５が２０ＧＨｚである場合には、スロット１２１０の共振周波数は、１７ＧＨｚに調整（静電容量を調整することによって）されて、スロット１２１０が、給電波１２０５からのエネルギーを実質的に結合しないようにすることができる。或いは、スロット１２１０の共振周波数は、２０ＧＨｚに調整されて、スロット１２１０が、給電波１２０５からのエネルギーを結合し、このエネルギーを自由空間に放射するようにすることができる。所与の実施例は、２値的（完全に放射するか、又は全く放射しない）であるが、リアクタンス及びひいてはスロット１２１０の共振周波数の完全なグレイスケール制御は、多値範囲にわたる電圧変化を用いて実施可能である。従って、各スロット１２１０から放射されるエネルギーを精密に制御して、同調型スロットのアレイによって詳細なホログラフィック回折パターンを形成できるようになる。
【０１２０】
１つの実施形態において、行における同調型スロットは、互いにλ／５だけ離間して配置される。他の間隔を使用することもできる。１つの実施形態において、行における各同調型スロットは、隣接する行における最も近い同調型スロットからλ／２だけ離間して配置され、従って、異なる行における共通して配向された同調型スロットは、λ／４だけ離間して配置されるが、他の間隔（例えば、λ／５、λ／６．３）も可能である。別の実施形態において、行における各同調型スロットは、隣接する行における最も近い同調型スロットからλ／３だけ離間して配置される。
【０１２１】
本発明の実施形態は、２０１４年１１月２１日に出願された「Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｆｒｏｍ  ａ  Ｓｔｅｅｒａｂｌｅ  Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｌｙ  Ｆｅｄ  Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  Ａｎｔｅｎｎａ（操縦可能な円筒状給電ホログラフィックアンテナからの偏波及び結合の動的制御）」という名称の米国特許出願１４／５５０，１７８号、及び２０１５年１月３０日に出願された「Ｒｉｄｇｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｆｅｅｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  Ａｎｔｅｎｎａ（再構成可能アンテナのためのリッジ型導波路給電構造）」という名称の米国特許出願１４／６１０，５０２号に記載されているような再構成可能なメタマテリアル技術を使用する。
【０１２２】
図１４Ａ〜１４Ｄは、スロットアレイを形成する様々な層の１つの実施形態を示している。アンテナアレイは、図１０に示されている例示的なリングのようなリング状に位置決めされたアンテナ素子を含む。この実施例では、アンテナアレイは、２つの異なるタイプの周波数帯域に使用される２つの異なるタイプのアンテナ素子を有することに留意されたい。
【０１２３】
図１４Ａは、スロットに対応する位置を有する第１のアイリス基板層の一部を示している。図１４Ａを参照すると、円は、アイリス基板の底部側におけるメタライゼーション内の空き領域／スロットであり、給電部（給電波）への素子の結合を制御するためのものである。この層は、任意選択の層であり、全ての設計で使用されるわけではない点に留意されたい。図１４Ｂは、スロットを含む第２のアイリス基板層の一部を示している。図１４Ｃは、第２のアイリス基板層の一部を覆うパッチを示している。図１４Ｄは、スロットアレイの一部の上面図を示している。
【０１２４】
図１５は、円筒状給電アンテナ構造の１つの実施形態の側面図を示している。アンテナは、二重層給電構造（すなわち、２つの層の給電構造）を使用して内向き進行波を生成する。１つの実施形態において、アンテナは、円形の外形を含むが、このことは必須ではない。すなわち、非円形の内向き進行波を使用することができる。１つの実施形態において、図１５のアンテナ構造は、図９の同軸給電部を含む。
【０１２５】
図１５を参照すると、同軸ピン１６０１は、アンテナの下側レベルで場を励起するのに使用される。１つの実施形態において、同軸ピン１６０１は、容易に入手できる５０Ω同軸ピンである。同軸ピン１６０１は、導電性グランドプレーン１６０２であるアンテナ構造の底部に結合（例えば、ボルト締め）される。
【０１２６】
内部導体である間隙導体１６０３は、導電性グランドプレーン１６０２から離隔される。１つの実施形態において、導電性グランドプレーン１６０２及び間隙導体１６０３は互いに平行である。１つの実施形態において、グランドプレーン１６０２と間隙導体１６０３との間の距離は、０．１インチ〜０．１５インチである。別の実施形態において、この距離はλ／２とすることができ、ここでλは、動作周波数での進行波の波長である。
【０１２７】
グランドプレーン１６０２は、スペーサ１６０４を介して間隙導体１６０３から離隔される。１つの実施形態において、スペーサ１６０４は、発泡体又は空気状スペーサである。１つの実施形態において、スペーサ１６０４は、プラスチックスペーサを含む。
【０１２８】
間隙導体１６０３の上部には、誘電体層１６０５がある。１つの実施形態において、誘電体層１６０５はプラスチックである。誘電体層１６０５の目的は、自由空間速度に対して進行波を減速することである。１つの実施形態において、誘電体層１６０５は、自由空間に対して３０％進行波を減速する。１つの実施形態において、ビーム形成に好適な屈折率の範囲は、１．２〜１．８であり、自由空間は、定義上、１に等しい屈折率を有する。例えば、プラスチックなどの他の誘電スペーサ材料を用いて、この効果を達成することができる。所望の波動減速効果を達成する限り、プラスチック以外の材料を使用できる点に留意されたい。或いは、例えば機械加工又はリソグラフィにより定めることができる周期的サブ波長金属構造などの分散構造を有する材料を誘電体１６０５として使用することができる。
【０１２９】
ＲＦアレイ１６０６は誘電体１６０５の上部にある。１つの実施形態において、間隙導体１６０３とＲＦアレイ６０６との間の距離は、０．１〜０．１５インチである。別の実施形態において、この距離はλeff／２とすることができ、ここでλeffは設計周波数での媒体中の有効波長である。
【０１３０】
アンテナは、側面１６０７及び１６０８を含む。側面１６０７及び１６０８は、同軸ピン１６０１からの進行波給電が反射によって間隙導体１６０３の下方の領域（スペーサ層）から間隙導体１６０３の上方の領域（誘電体層）に伝播するような角度が付けられる。１つの実施形態において、側面１６０７及び１６０８の角度は４５度の角度である。代替の実施形態において、側面１６０７及び１６０８は、反射を達成するために連続した半径に置き換えることができる。図１５は、４５度の角度を有する角度付き側部を示しているが、下部給電レベルから上部給電レベルへの信号伝播を達成する他の角度を使用することができる。すなわち、下部給電の有効波長が、上部給電の有効波長とは一般的に異なることを考慮すると、理想的な４５度の角度からの何らかの偏差を使用して、下部給電レベルから上部給電レベルへの伝送を助けることができる。例えば、別の実施形態において、４５度の角度は、単一の段部に置き換えられる。アンテナの一端上の段部は、誘電体層、間隙導体、及びスペーサ層を一周する。同じ２つの段部が、これらの層の他方の端部に存在する。
【０１３１】
動作中、給電波が同軸ピン１６０１から供給されると、この給電波は、グランドプレーン１６０２と間隙導体１６０３との間の領域で同軸ピン１６０１から同心円状に外向きに進む。同心円状射出波は、側部１６０７及び１６０８により反射され、間隙導体１６０３とＲＦアレイ１６０６との間の領域で内向きに進む。円形外周の縁部（エッジ）からの反射は、この波を同相に留まらせる（すなわち、この反射は、同相反射である）。進行波は、誘電体層１６０５によって減速する。この時点で、進行波は、ＲＦアレイ１６０６の素子との相互作用及び励起を開始して、所望の散乱を取得する。
【０１３２】
進行波を終了させるため、アンテナの幾何学的中心で終端部１６０９がアンテナに含まれる。１つの実施形態において、終端部１６０９は、ピン終端（例えば、５０Ωピン）を含む。別の実施形態において、終端部１６０９は、未使用エネルギーを終端させて、アンテナの給電構造を通る当該未使用エネルギーが反射して戻るのを阻止するＲＦ吸収体を含む。これらは、ＲＦアレイ１６０６の上部で使用することができる。
【０１３３】
図１６は、アンテナシステムの別の実施形態を射出波と共に示している。図１６を参照すると、２つのグランドプレーン１６１０、１６１１は、互いに実質的に平行であり、グランドプレーンの間に誘電体層１６１２（例えば、プラスチック層など）を有している。ＲＦ吸収体１６１９（例えば、抵抗器）は、２つのグランドプレーン１６１０及び１６１１を共に結合する。同軸ピン１６１５（例えば、５０Ω）は、アンテナに給電する。ＲＦアレイ１６１６は、誘電体層１６１２及びグランドプレーン１６１０の上部に存在する。
【０１３４】
動作中、給電波は、同軸ピン１６１５を介して供給され、同心円状外向きに進んでＲＦアレイ１６１６の素子と相互作用をする。
【０１３５】
図１５及び図１６の両方のアンテナにおける円筒状給電部は、アンテナのサービス角度を改善する。１つの実施形態において、アンテナシステムは、プラスマイナス４５度の方位角（±４５°  Ａｚ）及びプラスマイナス２５度の仰角（±２５°  Ｅｌ）からなるサービス角度の代わりに、全方向でボアサイトから７５度（７５°）のサービス角度を有する。多数の個々の放射体から構成された何らかのビーム形成アンテナと同様に、全体のアンテナ利得は、それ自体が角度に依存するものである構成素子の利得に依存する。一般的な放射素子が使用される場合には、全体のアンテナ利得は、典型的には、ビームがボアサイトから離れて向けられるにつれて減少する。ボアサイトから７５度外れたところでは、約６ｄＢの有意な利得低下が予期される。
【０１３６】
円筒状給電部を有するアンテナの実施形態は、１又は２以上の問題を解決する。これらは、共通分割器ネットワークを用いて給電されるアンテナと比較して給電構造を飛躍的に簡素化し、及びひいては全体で必要とされるアンテナ及びアンテナ給電量を低減するステップと、より粗い制御（全てを単純なバイナリ制御にまで拡張すること）で高ビーム性能を維持することによって製造及び制御誤差に対する感度を低下させるステップと、円筒状に配向された給電波が遠距離場において空間的に多様なサイドローブをもたらすので、直線的給電部と比較してより有利なサイドローブパターンを与えるステップと、偏波器を必要とせずに、左旋円偏波、右旋円偏波及び直線偏波を可能にすることを含めて偏波を動的であることを可能にするステップと、を含む。
【０１３７】
波散乱素子のアレイ
図１５のＲＦアレイ１６０６及び図１６のＲＦアレイ１６１６は、放射体として機能する１つのグループのパッチアンテナ（すなわち、散乱体）を含む波散乱サブシステムを含む。このパッチアンテナのグループは、散乱メタマテリアル素子のアレイを含む。
【０１３８】
１つの実施形態において、アンテナシステムにおける各散乱素子は、下部導体と、誘電体基板と、相補的電気誘導型容量性共振器（「相補型電気ＬＣ」又は「ＣＥＬＣ」）を組み込んだ上部導体とからなる単位セルの一部であり、相補的電気誘導型容量性共振器は、上部導体にエッチング又は堆積される。
【０１３９】
１つの実施形態において、液晶（ＬＣ）が散乱素子の周りのギャップに注入される。液晶は、各単位セルに封入され、スロットに関連する下部導体をパッチに関連する上部導体から分離する。液晶は、この液晶を構成する分子の配向の関数である誘電率を有し、分子の配向（従って、誘電率）は、液晶の両端のバイアス電圧を調整することによって制御することができる。この特性を利用して、液晶は、誘導波からＣＥＬＣへのエネルギー伝達のためのオン／オフスイッチとして機能する。スイッチオンになると、ＣＥＬＣは、電気的に小さなダイポールアンテナのように電磁波を放射する。
【０１４０】
ＬＣの厚みを制御することにより、ビームスイッチング速度が増大する。下部導体と上部導体との間のギャップ（液晶の厚み）が５０パーセント（５０％）減少すると、速度が４倍に増大する。別の実施形態において、液晶の厚みは、約１４ミリ秒（１４ｍｓ）のビームスイッチング速度を結果としてもたらす。１つの実施形態において、ＬＣは、応答性が向上するような当技術分野で周知の方法でドープされ、７ミリ秒（７ｍｓ）要件に適合できるようになる。
【０１４１】
ＣＥＬＣ素子は、ＣＥＬＣ素子の面に平行で且つＣＥＬＣギャップ補完物に垂直に印加される磁界に応答する。電圧がメタマテリアル散乱単位セルにおいて液晶に印加されると、誘導波の磁界成分がＣＥＬＣの磁気励起を誘導し、その結果、誘導波と同じ周波数の電磁波が生成される。
【０１４２】
単一のＣＥＬＣによって生成される電磁波の位相は、誘導波ベクトル上のＣＥＬＣの位置によって選択することができる。各セルは、ＣＥＬＣと平行な誘導波と同相の波を生成する。ＣＥＬＣは、波長よりも小さいので、出力波は、誘導波がＣＥＬＣの下を通過するときのこの誘導波の位相と同じ位相を有する。
【０１４３】
１つの実施形態において、このアンテナシステムの円筒状給電幾何形状は、ＣＥＬＣ素子を、給電波における波ベクトルに対して４５度（４５°）の角度で位置決め可能になる。この素子の位置により、素子から生成され又は素子によって受け取られる自由空間波の偏波の制御が可能になる。１つの実施形態において、ＣＥＬＣは、アンテナの動作周波数の自由空間波長よりも小さい素子間隔で配列される。例えば、１波長当たりに４つの散乱素子が存在する場合、３０ＧＨｚの送信アンテナの素子は、約２．５ｍｍ（すなわち、３０ＧＨｚの１０ｍｍ自由空間波長の１／４）となる。
【０１４４】
１つの実施形態において、ＣＥＬＣは、スロットの上方に並置されたパッチを含むパッチアンテナと、これらパッチアンテナ間に液晶を有して用いて実施される。この点において、メタマテリアルアンテナは、スロット（散乱）導波路のように作用する。スロット導波路に関しては、出力波の位相は、誘導波に対するスロットの位置に依存する。
【０１４５】
セル配置
１つの実施形態において、アンテナ素子は、系統的マトリクス駆動回路を可能にするように円筒状給電アンテナの開口面上に配置される。セルの配置は、マトリクス駆動用のトランジスタの配置を含む。図１７は、アンテナ素子に対するマトリクス駆動回路の配置の１つの実施形態を示している。図１７を参照すると、行コントローラ１７０１は、行選択信号Ｒｏｗ１（行１）及びＲｏｗ２（行２）それぞれを介してトランジスタ１７１１、１７１２に結合され、列コントローラ１７０２は、列選択信号Ｃｏｌｕｍｎ１（列１）を介してトランジスタ１７１１、１７１２に結合される。また、トランジスタ１７１１は、パッチへの接続１７３１を介してアンテナ素子１７２１に結合され、トランジスタ１７１２は、パッチへの接続１７３２を介してアンテナ素子１７２２に結合される。
【０１４６】
単位セルが非正規グリッド内に配置されて円筒状給電アンテナ上でマトリクス駆動回路を実現する最初の手法では、２つのステップが実行される。第１のステップでは、セルが同心リング上に配置され、セルの各々は、セルの傍らに配置されたトランジスタに接続され、このトランジスタが、各セルを別々に駆動するスイッチとして機能する。第２のステップでは、マトリクス駆動回路は、このマトリクス駆動手法が必要とするときにあらゆるトランジスタを一意のアドレスで接続するように構築される。マトリクス駆動回路は、行と列のトレースによって構築される（ＬＣＤと同様）が、セルはリング上に配置されるので、各トランジスタに一意のアドレスを割り当てる系統的方法は存在しない。このマッピング問題は、全てのトランジスタをカバーするために極めて複雑な回路を生じさせ、経路設定を行う物理的トレースの数が著しく増加させることになる。セルが高密度であるので、これらのトレースは、カップリング効果に起因してアンテナのＲＦ性能を妨げる。また、トレースが複雑であり実装密度が高いことに起因して、トレースの経路設定は、商業的に入手可能なレイアウトツールによって行うことができない。
【０１４７】
１つの実施形態において、マトリクス駆動回路は、セル及びトランジスタが配置される前に事前に定められる。このことは、各々が一意のアドレスを有する全てのセルを駆動するのに必要な最小数のトレースが確保される。この方式は、駆動回路の複雑性を軽減して経路設定を簡素化し、これによってアンテナのＲＦ性能が向上する。
【０１４８】
より具体的には、１つの手法では、第１のステップにおいて、セルは、各セルの一意のアドレスを表す行及び列から構成された正方形グリッド上に配置される。第２のステップにおいて、セルは、セルのアドレス、及び第１のステップで定められた行及び列への接続性が維持されながら、グループ化されて同心円に変換される。この変換の目的は、セルをリング上に配置するだけでなく、開口面全体にわたってセル間の距離及びリング間の距離を一定に保つことである。この目的を達成するために、セルをグループ化する幾つかの方法が存在する。
【０１４９】
１つの実施形態において、ＴＦＴパッケージは、マトリクス駆動回路における配置及び一意のアドレス指定を可能にするのに使用される。図１８は、ＴＦＴパッケージの１つの実施形態を示している。図１８を参照すると、ＴＦＴ及び保持キャパシタ１８０３が、入力ポート及び出力ポートと共に示されている。トレース１８０１に接続された２つの入力ポートと、トレース１８０２に接続された２つの出力ポートとがあり、行及び列を使用してＴＦＴを共に接続する。１つの実施形態において、行のトレース及び列のトレースは、９０°の角度で交差して、行のトレースと列のトレースとの間の結合が低減され、場合によっては最小となることがある。１つの実施形態において、行のトレース及び列のトレースは、様々な層上に存在する。
【０１５０】
例示的なシステムの実施形態
１つの実施形態において、複合アンテナ開口面は、セットトップボックスと連動して動作するテレビジョンシステムで使用される。例えば、二重受信アンテナの場合、アンテナにより受信された衛星信号は、テレビジョンシステムのセットトップボックス（例えば、ＤｉｒｅｃｔＴＶ受信機）に供給される。より具体的には、複合アンテナ動作は、２つの異なる周波数及び／又は偏波でＲＦ信号を同時に受信することができる。すなわち、素子の１つのサブアレイは、１つの周波数及び／又は偏波でＲＦ信号を受信するように制御され、別のサブアレイは、別の異なる周波数及び／又は偏波で信号を受信するように制御される。周波数又は偏波のこれらの相違は、テレビジョンシステムにより異なるチャネルが受信されることを表している。同様に、２つのアンテナアレイは、２つの異なる位置（例えば、２つの異なる衛星）からのチャネルを受信するため２つの異なるビーム位置に対して制御されて、複数のチャネルを同時に受信することができる。
【０１５１】
図１９は、テレビジョンシステムにおいて二重受信を同時に実行する通信システムの１つの実施形態のブロック図である。図１９を参照すると、アンテナ１４０１は、上述したように異なる周波数及び／又は偏波で二重受信を同時に実行するように独立して動作可能な２つの空間的に交互配置されたアンテナ開口面を含む。２つの空間的に交互配置されたアンテナ動作についてのみ説明しているが、ＴＶシステムは、２つよりも多いアンテナ開口面（例えば、３つ、４つ、５つなどのアンテナ開口面）を有することができる点に留意されたい。
【０１５２】
１つの実施形態において、２つの交互配置されたスロットアレイを含むアンテナ１４０１は、ダイプレクサ１４３０に結合される。この結合は、２つのスロットアレイの素子から信号を受信して、ダイプレクサ１４３０に供給される２つの信号を生成する１又は２以上の給電ネットワークを含むことができる。１つの実施形態において、ダイプレクサ１４３０は、商用ダイプレクサ（例えば、Ａ１  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ社製のモデルＰＢ１０８１ＷＡ  Ｋｕ帯域シトコムダイプレクサ）である。
【０１５３】
ダイプレクサ１４３０は、低ノイズブロックダウンコンバータ（ＬＮＢ）のペア１４２６、１４２７に結合され、これらＬＮＢは、当技術分野において周知の方法でノイズフィルタリング機能、ダウンコンバート機能及び増幅を実行する。１つの実施形態において、ＬＮＢ１４２６、１４２７は、室外ユニット（ＯＤＵ）に存在する。別の実施形態において、ＬＮＢ１４２６、１４２７は、アンテナ装置に組み込まれる。ＬＮＢ１４２６、１４２７は、テレビジョン１４０３に結合されたセットトップボックス１４０２に結合される。
【０１５４】
セットトップボックス１４０２は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）のペア１４２１、１４２２を含み、これらＡＤＣは、ＬＮＢ１４２６、１４２７に結合されて、ダイプレクサ１４３０から出力された２つの信号をデジタル形式に変換する。
【０１５５】
デジタル形式に変換されると、信号は、復調器１４２３によって復調され且つ復号器１４２４によって復号されて、受信波上に符号化されたデータが得られる。次に、復号されたデータは、コントローラ１４２５に送られ、このコントローラが、このデータをテレビジョン１４０３に送る。
【０１５６】
コントローラ１４５０は、単一の複合物理的開口面上の両方のアンテナ開口面の交互配置されたスロットアレイ素子を含むアンテナ１４０１を制御する。
【０１５７】
全二重通信システムの例
別の実施形態において、複合アンテナ開口面は、全二重通信システムで使用される。図２０は、同時送信及び受信経路を有する通信システムの別の実施形態のブロック図である。１つの送信経路及び１つの受信経路のみが示されているが、通信システムは、１つよりも多い送信経路及び／又は１つよりも多い受信経路を含むことができる。
【０１５８】
図２０を参照すると、アンテナ１４０１は、上述のように異なる周波数で同時に送信及び受信するように独立して動作可能な２つの空間的に交互配置されたアンテナアレイを含む。１つの実施形態において、アンテナ１４０１は、ダイプレクサ１４４５に結合される。この結合は、１又は２以上の給電ネットワークによるものとすることができる。１つの実施形態において、放射状給電アンテナの場合、ダイプレクサ１４４５は、２つの信号を組み合わせるものであり、アンテナ１４０１とダイプレクサ１４４５の間の接続は、両方の周波数を搬送できる単一の広帯域給電ネットワークである。
【０１５９】
ダイプレクサ１４４５は、低ノイズブロックダウンコンバータ（ＬＮＢ）１４２７に結合され、このＬＮＢは、当技術分野において周知の方法でノイズフィルタリング機能、ダウンコンバート機能、及び増幅機能を実行する。１つの実施形態において、ＬＮＢ１４２７は、室外ユニット（ＯＤＵ）に存在する。別の実施形態において、ＬＮＢ１４２７は、アンテナ装置に組み込まれる。ＬＮＢ１４２７は、コンピューティングシステム１４４０（例えば、コンピュータシステム、モデムなど）に結合されたモデム１４６０に結合される。
【０１６０】
モデム１４６０は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）１４２２を含み、このＡＤＣは、ＬＮＢ１４２７に結合されて、ダイプレクサ１４４５から出力された受信信号をデジタル形式に変換する。デジタル形式に変換されると、信号は、復調器１４２３によって復調されて、復号器１４２４によって復号されて、受信波上の符号化されたデータが得られる。次に、復号されたデータは、コントローラ１４２５に送られ、このコントローラが、このデータをコンピューティングシステム１４４０に送る。
【０１６１】
モデム１４６０は更に、コンピューティングシステム１４４０から送信されたデータを符号化するエンコーダ１４３０を含む。符号化されたデータは、変調器１４３１によって変調され、次に、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）１４３２によってアナログに変換される。次に、アナログ信号は、ＢＵＣ（アップコンバート及び高域増幅器）１４３３によってフィルタリングされて、ダイプレクサ１４４５の１つのポートに供給される。１つの実施形態において、ＢＵＣ１４３３は、室外ユニット（ＯＤＵ）に存在する。
【０１６２】
当技術分野において周知の方法で動作するダイプレクサ１４４５は、伝送のため送信信号をアンテナ１４０１に供給する。
【０１６３】
コントローラ１４５０は、単一の複合物理的開口面上のアンテナ素子の２つのアレイを含むアンテナ１４０１を制御する。
【０１６４】
図２０に示された全二重通信システムは、限定ではないが、インターネット通信、車両通信（ソフトウェア更新を含む）などを含む幾つかの用途があることに留意されたい。
【０１６５】
以上の詳細説明の幾つか部分は、コンピュータメモリ内のデータビットに対する演算のアルゴリズム及び記号表現の観点で提示されている。これらのアルゴリズム的記述及び表現は、データ処理技術分野の当業者により、自らの作業の内容を他の当業者に最も効果的に伝えるために使用される手段である。アルゴリズムは、ここでは一般的に、望ましい結果に至る自己矛盾のない一連のステップであると考えられる。これらのステップは、物理量の物理的操作を必要とするものである。必須ではないが、通常は、これらの量は、格納、転送、結合、比較、及び他の操作が可能な電気信号又は磁気信号の形式を取る。これらの信号をビット、値、要素、記号、符号、用語、又は数字などと言及することは、主として共通使用という理由で時に好都合であることが判明している。
【０１６６】
しかしながら、これらの用語及び類似の用語は、全て適切な物理量に関連付けられるものとし、且つこれらの量に付与される有利なラベルに過ぎないことに注意されたい。以下の説明から明らかなように、特に明記しない限り、説明全体を通して、「処理する」又は「演算する」又は「計算する」又は「決定する」又は「表示する」などのような用語を利用する説明は、コンピュータシステムのレジスタ及びメモリ内の物理的な（電子的な）量として表されるデータをそのコンピュータシステムのメモリ又はレジスタ又は他のそのような情報ストレージ、送信又は表示デバイス内の物理量として同様に表される別のデータに操作及び変換するコンピュータシステム又は類似の電子コンピュータデバイスのアクション及び処理を指すことが認められる。
【０１６７】
本発明はまた、本明細書の作動を実行するための装置に関する。この装置は、必要とされる目的のために特別に構成することができ、又はコンピュータに格納されたコンピュータプログラムによって選択的に起動又は再構成される汎用コンピュータを有することができる。このようなコンピュータプログラムは、限定ではないが、フロッピーディスク、光ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、及び光磁気ディスクを含むあらゆるタイプのディスク、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気又は光カード、又は電子命令の格納に適するあらゆるタイプの媒体のようなコンピュータ可読ストレージ媒体に格納することができ、各々がコンピュータシステムバスに結合される。
【０１６８】
本明細書に提示したアルゴリズム及び表示は、いずれの特定のコンピュータ又は他の装置とも本質的に関連付けられたものではない。様々な汎用システムを本明細書の教示によるプログラムと共に使用することができ、又は必要とされる方法ステップを実行するより特殊化された装置を構成することが有利であることが判明する場合がある。様々なこれらのシステムに必要とされる構造は、以下の説明から明らかであろう。これに加えて、本発明は、いずれの特定のプログラミング言語に関連しても説明されていない。様々なプログラミング言語を使用して、本明細書に説明した本発明の教示を実施することができることが認められるであろう。
【０１６９】
機械可読媒体は、機械（例えば、コンピュータ）によって可読の形態の情報を格納又は送信するためのいずれかの機構を含む。例えば機械可読媒体は、読取専用メモリ（「ＲＯＭ」）、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、磁気ディスクストレージ媒体、光学ストレージ媒体、フラッシュメモリデバイスなどを含む。
【０１７０】
本発明の多くの改変及び修正が前述の説明を読んだ後で疑いなく当業者には明らかになるであろうが、例証によって図示及び説明されたいずれの特定の実施形態も限定として捉えられるものではない点を理解されたい。従って、様々な実施形態の詳細事項への言及は、本発明にとって基本的なものとしてみなされる特徴のみを記載する請求項の範囲を限定するものではない。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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１４Ａ−１４Ｄ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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