(57)【要約】【課題】ウルトラワイドバンド・アンテナアレイを提供する。本発明は、ビームフォーミング用で、かつ多重経路問題を解決するための到着時刻ベクトル処理用でもあるマルチエレメント・アンテナを用いている。本発明は、受信したＵＷＢパルスの信号対雑音比を増加させるために、多重反射に取り込まれたエネルギーを復元している。
2005510169.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のアンテナエレメントと、
第１のアンテナエレメントに対してある角度を持って設置された第２のアンテナエレメントと、
第２のアンテナエレメントに対してある角度を持って設置された第３のアンテナエレメントと、
第３のアンテナエレメントに対してある角度を持って設置された第４のアンテナエレメントとを備えたウルトラワイドバンド・アンテナアレイ。
【請求項２】
前記アンテナが、受信したウルトラワイドバンド信号の到着時刻を測定することを特徴とする請求項１に記載のウルトラワイドバンド・アンテナアレイ。
【請求項３】
前記ウルトラワイドバンド信号が、インパルスラジオ・パルスを含むことを特徴とする請求項２に記載のウルトラワイドバンド・アンテナアレイ。
【請求項４】
構成された相関器が、受信したウルトラワイドバンド信号の方向を測定することをさらに含む請求項１に記載のウルトラワイドバンド・アンテナアレイ。
【請求項５】
受信したウルトラワイドバンド信号の方向を測定するために構成されたデジタルシグナルプロセッサをさらに含む請求項１に記載のウルトラワイドバンド・アンテナアレイ。
【請求項６】
前記ウルトラワイドバンド信号が、約０．１ナノ秒から約１００ナノ秒の間に入ることが可能な時間幅をもつ電磁エネルギーのバースト波を含むことを特徴とする請求項１に記載のウルトラワイドバンド・アンテナアレイ。
【請求項７】
前記ウルトラワイドバンド信号が、ある単一の周波数で測定して、約０．１ナノ秒から約１００ナノ秒の間に入ることが可能な時間幅をもつ電磁エネルギーのバースト波を含み、かつ約＋３０電力デシベルから約−９０電力デシベルの間に入ることが可能な電力とを備えることを特徴とする請求項１に記載のウルトラワイドバンド・アンテナアレイ。
【請求項８】
受信したウルトラワイドバンド信号の方向を測定するために配置された少なくとも２つのアンテナエレメントを備えたウルトラワイドバンド・アンテナ。
【請求項９】
前記少なくとも２つのアンテナはまた、前記受信したウルトラワイドバンド信号の到着時刻を測定することを特徴とする請求項８に記載のウルトラワイドバンド・アンテナ。
【請求項１０】
構成された相関器が、前記受信したウルトラワイドバンド信号の前記方向を測定することをさらに含む請求項８に記載のウルトラワイドバンド・アンテナイ。
【請求項１１】
前記受信したウルトラワイドバンド信号の前記方向を測定するために構成されたデジタルシグナルプロセッサをさらに含む請求項８に記載のウルトラワイドバンド・アンテナ。
【請求項１２】
前記ウルトラワイドバンド・アンテナが、３つのアンテナエレメント、４つのアンテナエレメント、５つのアンテナエレメントおよび６つのアンテナエレメントからなる群から選択されたアンテナエレメントからなることを特徴とする請求項８に記載のウルトラワイドバンド・アンテナ。
【請求項１３】
前記受信したウルトラワイドバンド信号の前記方向が、基準点から測定して、前記ウルトラワイドバンド・アンテナと前記ウルトラワイドバンド信号との間の水平角であることを特徴とする請求項８に記載のウルトラワイドバンド・アンテナ。
【請求項１４】
前記ウルトラワイドバンド信号が、インパルスラジオ・パルスを含むことを特徴とする請求項８に記載のウルトラワイドバンド・アンテナ。
【請求項１５】
前記ウルトラワイドバンド信号が、約０．１ナノ秒から約１００ナノ秒の間に入ることが可能な時間幅をもつ電磁エネルギーのバースト波を含むことを特徴とする請求項８に記載のウルトラワイドバンド・アンテナ。
【請求項１６】
前記ウルトラワイドバンド信号が、ある単一の周波数で測定して、約０．１ナノ秒から約１００ナノ秒の間に入ることが可能な時間幅をもつ電磁エネルギーのバースト波を含み、かつ約＋３０電力デシベルから約−９０電力デシベルの間に入ることが可能な電力を備えることを特徴とする請求項８に記載のウルトラワイドバンド・アンテナ。
【請求項１７】
ウルトラワイドバンド信号を受信する方法であって、
前記方法が、
少なくとも２つのウルトラワイドバンド信号受信エレメントを備えたアンテナを設けるステップと、
複数のウルトラワイドバンド信号を受信するステップと、
複数のウルトラワイドバンド信号を同期させるステップと、を含むウルトラワイドバンド信号を受信する方法。
【請求項１８】
前記複数のウルトラワイドバンド信号を同期させる前記ステップが、前記複数のウルトラワイドバンド信号のエネルギーを加算するステップを含むことを特徴とする請求項１７に記載のウルトラワイドバンド信号を受信する方法。
【請求項１９】
前記複数のウルトラワイドバンド信号を同期させる前記ステップが、前記複数のウルトラワイドバンド信号の信号対雑音比を増加させることを特徴とする請求項１７に記載のウルトラワイドバンド信号を受信する方法。
【請求項２０】
前記複数のウルトラワイドバンド信号を同期させる前記ステップが、前記複数のウルトラワイドバンド信号のビットエラーレートを減少させることを特徴とする請求項１７に記載のウルトラワイドバンド信号を受信する方法。
【請求項２１】
前記ウルトラワイドバンド信号が、インパルスラジオ・パルスを含むことを特徴とする請求項１７に記載のウルトラワイドバンド信号を受信する方法。
【請求項２２】
前記ウルトラワイドバンド信号が、約０．１ナノ秒から約１００ナノ秒の間に入ることが可能な時間幅をもつ電磁エネルギーのバースト波を含むことを特徴とする請求項１７に記載のウルトラワイドバンド信号を受信する方法。
【請求項２３】
前記ウルトラワイドバンド信号が、ある単一の周波数で測定して、約０．１ナノ秒から約１００ナノ秒の間に入ることが可能な時間幅をもつ電磁エネルギーのバースト波を含み、かつ約＋３０電力デシベルから約−９０電力デシベルの間に入ることが可能な電力を備えることを特徴とする請求項１７に記載のウルトラワイドバンド信号を受信する方法。
【請求項２４】
少なくとも２つのアンテナエレメントを備えたアンテナを設けるステップと、
ターゲットの位置を把握するステップと、
前記ターゲットにウルトラワイドバンド信号を送信するステップとを含むウルトラワイドバンド信号を送信する方法。
【請求項２５】
前記ターゲットに前記ウルトラワイドバンド信号を送信する前記ステップが、ターゲットの方向にウルトラワイドバンド信号を放出するステップを含み、前記ターゲットの方向が、基準点から測定して、前記アンテナと前記ターゲットとの間の水平角であることを特徴とする請求項２４に記載のウルトラワイドバンド信号を送信する方法。
【請求項２６】
前記ターゲットの位置を把握する前記ステップが、ターゲットの方位角を測定するステップを含むことを特徴とする請求項２４に記載のウルトラワイドバンド信号を送信する方法。
【請求項２７】
前記ターゲットの方位角を測定する前記ステップが、
前記少なくとも２つのアンテナエレメントのそれぞれでウルトラワイドバンド信号を受信するステップと、
前記少なくとも２つのアンテナエレメントのそれぞれで受信したウルトラワイドバンド信号間の時間差を測定するステップとを含むことを特徴とする請求項２４に記載のウルトラワイドバンド信号を送信する方法。
【請求項２８】
前記アンテナが、３つのアンテナエレメント、４つのアンテナエレメント、５つのアンテナエレメントおよび６つのアンテナエレメントからなる群から選択されたアンテナエレメントからなることを特徴とする請求項２４に記載のウルトラワイドバンド信号を送信する方法。
【請求項２９】
前記ターゲットが、ウルトラワイドバンド・アンテナであることを特徴とする請求項２４に記載のウルトラワイドバンド信号を送信する方法。
【請求項３０】
前記ウルトラワイドバンド信号が、インパルスラジオ・パルスを含むことを特徴とする請求項２４に記載のウルトラワイドバンド信号を送信する方法。
【請求項３１】
前記ウルトラワイドバンド信号が、約０．１ナノ秒から約１００ナノ秒の間に入ることが可能な時間幅をもつ電磁エネルギーのバースト波を含むことを特徴とする請求項２４に記載のウルトラワイドバンド信号を送信する方法。
【請求項３２】
前記ウルトラワイドバンド信号が、ある単一の周波数で測定して、約０．１ナノ秒から約１００ナノ秒の間に入ることが可能な時間幅をもつ電磁エネルギーのバースト波を含み、かつ約＋３０電力デシベルから約−９０電力デシベルの間に入ることが可能な電力を備えることを特徴とする請求項２４に記載のウルトラワイドバンド信号を送信する方法。
【請求項３３】
エレメントを受信する少なくとも二種類のウルトラワイドバンド信号を受信するアンテナと、
複数のウルトラワイドバンド信号を受信するためのロジックと、
前記複数のウルトラワイドバンド信号を同期させるためのコンピュータコードのロジックからなることを特徴とするウルトラワイドバンド信号を受信するシステム。
【請求項３４】
少なくとも二種類のアンテナエレメントから構成されるアンテナと、
ターゲットの位置を得るためのコンピュータコードから構成されるロジックと、
前記ターゲットにウルトラワイドバンド信号を送信するためのコンピュータコードから構成されるロジックを用いることを特徴とするウルトラワイドバンド信号を送信するシステム。
【請求項３５】
エレメントを受信する少なくとも二種類のウルトラワイドバンド信号のためのアンテナ提供手段と、
複数のウルトラワイドバンド信号を受信するための受信手段と、
前記複数のウルトラワイドバンド信号を同期するための同期手段によるステップを有することを特徴とするウルトラワイドバンド信号を受信する方法。
【請求項３６】
少なくとも二種類のアンテナエレメントから構成されるアンテナ提供手段と、
ターゲットの位置を得る手段と、
前記ターゲットに対して、ウルトラワイドバンド信号を送信する手段からなるステップを有することを特徴とするウルトラワイドバンド信号を送信する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）通信システムに関する。より詳細には、ＵＷＢ信号送受信用のマルチエレメント・アンテナアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
理論的には、発信元から送信され、ターゲットによって受信されるウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）パルスまたは信号は、周囲の環境によって生じる遅延や波形歪みを持つことなく届く。そのような理想的な環境は、真空の宇宙空間以外では実現困難である。より現実的な環境、特に都市部の環境では、環境はＵＷＢ受信信号に大きな影響を及ぼす可能性がある。
【０００３】
例えば、建物や道路、地面、その他の自然や人工的な特徴が、伝播するＵＷＢ信号の一部に対して異なった経路を与える可能性がある。実際に、そのような多重経路またはマルチパスを経由すると、ＵＷＢ信号の一部はさまざまな時間に受信者に届かないとも限らない。このような状況下では、多重反射によりＵＷＢ信号強度は弱まり、ＵＷＢ信号の遅延部分が周囲の電磁ノイズに加算され信号対雑音比を悪化させることがある。
【０００４】
従って、除去することはできないにしても、とりわけ上記の問題点を軽減するＵＷＢ信号の送受信に関する装置、方法およびシステムに対する要求がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
信号対雑音比を増加させ、かつ多重干渉を克服するために、ウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）アンテナアレイを提供する。簡単に言えば、本発明の一つの実施形態は、ＵＷＢ通信システムにおけるマルチパス問題を解決するために、ＵＷＢビームフォーミング用で、かつまた到着時刻ベクトル処理用にマルチエレメント・アンテナを用いている。本発明の他の実施形態は、受信したＵＷＢパルスの信号対雑音比を増加させるために、多重反射に取り込まれたエネルギーを復元している。
【０００６】
さらに具体的には、ＵＷＢアンテナアレイの一つの実施形態では、複数のＵＷＢ信号を受信するために構築された少なくとも２つのＵＷＢ信号受信エレメントを用いている。そのＵＷＢ信号は、その後、それらのエネルギーを加算することによって同期される。このような方法で、受信したＵＷＢ信号の信号対雑音比は増加する。
【０００７】
ＵＷＢアンテナアレイの他の実施形態は、ターゲットの位置を把握し、かつそのターゲットの方向にＵＷＢ信号を送信する、少なくとも２つのアンテナエレメントを用いている。ここで、ターゲットの方向というのは、ある基準点から測定したアンテナとターゲット間の水平角である。
【０００８】
本発明の、これらおよび他の特徴や利点は、以下に示す発明の詳細な説明を添付の図面とともに詳しく説明することによって、理解されるであろう。なお、これらの図面において、同じ参照番号は、同じ部品を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図面の一部または全ては、図示するための概略図であり、必ずしも図示されたエレメントの実際の相対寸法や配置を表したものではない。以下に、添付した図面を参照し例を挙げて、本発明を詳細に説明する。本説明全体を通じて、示された最適な実施形態および例は、本発明を限定するべきものとしてではなく、代表例として考えられるべきものである。本明細書において使われる「本発明」という言葉は、この明細書で説明される発明の実施形態のうちのいずれか、およびそれらと等しい価値をもつものに関したものである。さらに、文書全体にわたって「本発明」の様々な特徴に関して表現した内容は、請求した実施形態または方法全てが表現した特徴を含まなければならない、ということを意味するわけではない。
【００１０】
本発明は、ウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）通信システム分野に関するものである。本発明の最適な実施形態は、放射されたラジオ周波数（ＲＦ）エネルギーを最小化する一方、ＵＷＢ通信システムにおける利用可能な帯域幅を最大化するために、ＵＷＢパルスまたは波面を出射・形成する多数のアンテナエレメントまたはマルチエレメント・アンテナアレイを用いている。本発明により構成されたマルチエレメント・アレイの一実施形態は、受信したＵＷＢパルスまたは波面の到着時刻（ＴＯＡ）を測定し、多重反射に関する問題を解決することもできる。具体的に言えば、一実施形態において、多重反射に取り込まれたエネルギーを復元し、それを、受信したＵＷＢパルスの信号対雑音比（ＳＮ比）を増加させるために用いることができる。本発明の一特徴は、増加したＳＮ比が実効ビットエラーレート（ＢＥＲ）を低下させ、より信頼性の高いＵＷＢ通信が可能になることにある。
【００１１】
本発明は、ナノ秒またはピコ秒間隔（一般的に、時間幅は数十ピコ秒から数ナノ秒）で放出される電磁エネルギーパルスを利用するウルトラワイドバンドまたはインパルスラジオを用いている。このため、ウルトラワイドバンドは、しばしば「インパルスラジオ」と呼ばれる。ＵＷＢは、励起パルスが変調波形ではないので「キャリアフリー」とも呼ばれてきた。そこでは、ラジオ周波数（ＲＦ）スペクトルにおいてはっきりと分かる明確な搬送周波数はない。すなわち、ＵＷＢパルスは、従来のラジオ周波数技術とは対照的に、正弦波の搬送周波数に変調されることなく伝送される。ウルトラワイドバンドは、一般的に、割り当てられた周波数やパワーアンプのいずれも必要とはしない。そして、ＵＷＢは、「キャリアフリー」アーキテクチャーを用いているので、従来の周波数領域通信システムで用いられる高周波キャリア発生器、キャリア変調器、安定化装置、周波数／位相識別装置またはその他の装置を用いる必要がない。
【００１２】
従来のラジオ周波数技術は、連続した正弦波を用いており、その正弦波は、振幅または周波数の変調にデータを組み込み伝送される。例えば、従来の携帯電話は、周波数スペクトルの全領域における特定の幅の特定の周波数帯域で動作しなければならない。特に、アメリカ合衆国では、連邦通信委員会が８００〜９００ＭＨｚ帯域に携帯電話の通信を割り当てている。携帯電話を操作する人は、その割り当てられた帯域の２５ＭＨｚを携帯電話の信号を送信するために用い、割り当てられた帯域の別の２５ＭＨｚを受信するのに用いている。
【００１３】
従来のラジオ周波数技術のもう一つの例を図１に示す。無線ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）のプロトコルである８０２．１１ａは、５ＭＨｚ程度の周波数広がりを持った５ＧＨｚの中心周波数でラジオ周波数信号を伝送する。
【００１４】
対照的に、２種類の典型的なＵＷＢパルスを図示している図２に示すように、ＵＷＢパルスは、４ＧＨｚ程度の周波数広がりを持った１．８ＧＨｚの中心周波数を持つことができる。図２は、ＵＷＢパルス幅が時間的に狭くなればなるほど、その中心周波数は高くなり、周波数スペクトルの広がりは大きくなることを示している。これは、周波数がパルスの時間幅に反比例するからである。６００ピコ秒のＵＷＢパルスは、４ＧＨｚ程度の周波数広がりをもった約１．８ＧＨｚの中心周波数を持ち、３００ピコ秒のＵＷＢパルスは、８ＧＨｚ程度の周波数広がりをもった約３ＧＨｚの中心周波数を持つ。このように、ＵＷＢパルスは、図１に示したように、特定の周波数の範囲内では一般的には動作しない。そして、ＵＷＢパルスは、極端に広い周波数領域に広がっているので、ＵＷＢ通信システムは、毎秒１００メガビットかそれ以上のような非常に早いデータレートでの通信を可能にしている。
【００１５】
より詳細なＵＷＢ技術が、米国特許第３，７２８，６３２号（Ｇｅｒａｌｄ Ｆ．Ｒｏｓｓ、「Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ａｎｄ  Ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ Ｂａｓｅ−Ｂａｎｄ Ｄｕｒａｔｉｏｎ Ｐｕｌｓｅ Ｓｉｇｎａｌｓ ｗｉｔｈｏｕｔ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｆｏｒ  Ｓｈｏｒｔ Ｂａｓｅ−Ｂａｎｄ Ｐｕｌｓｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ（ショート・ベースバンド・パルス通信システム用に歪みを生じることなくベースバンド幅パルス信号を発生し、かつ受信する送受信システム）」）に開示されている。この特許は、参考資料として内容全体を本明細書中で参照し援用している。
また、ＵＷＢパルスは、極端に広い周波数領域に広がっているので、単一のまたは特定の周波数で見たときの電力は非常に低い。例えば、１ナノ秒幅の１ワットのＵＷＢ信号は、その１ワットを、パルスが占めた周波数領域全体に広げる。携帯電話業者が用いる搬送周波数は、どのような単一の周波数でも、そこでのＵＷＢパルス電力は１ナノワットである（１ＧＨｚの周波数帯域に対して）。これは、どのような携帯電話システムにおいても十分に雑音レベル以下であるし、これゆえに元の携帯電話信号の復調や再生を妨げることはない。一般に、非常に多くのＵＷＢパルスは、比較的低電力（単一のまたは特定の周波数で見た場合）で伝送される。例えば、従来のラジオ周波数との干渉を最小化する−３０電力デシベル未満、−６０電力デシベルまでで伝送される。また、本発明の種々のＵＷＢパルスを、約−４０ｄＢｍ／Ｈｚから約−１４０ｄＢｍ／Ｈｚの範囲で送信することができる。
【００１６】
本発明の最適な実施形態は、ＵＷＢ信号またはビームフォーミング用で、かつ、ＵＷＢ通信システムにおける多重経路問題を解決する、到着時刻ベクトル処理用のマルチエレメント・アンテナエレメント、またはアレイを備えている。本発明の一特徴は、本発明によって構成されたアンテナアレイによるＵＷＢパルスまたは波面の受信が、到着時刻（ＴＯＡ）情報の測定を可能にすることである。そしてその到着時刻情報から、ＵＷＢ受信パルスまたは波面の方位角またはベクトルを導くことができる。そして、最初の波面をその後の多重反射から確実に分離するために、この情報を用いることができる。
【００１７】
本発明の一つの特徴は、所定のベクトルまたは方位角の方向にＵＷＢ信号を向けることにより、自由空間へのＵＷＢのＲＦエネルギー放射を最小にすることで、ＵＷＢ通信システムにおける利用可能な帯域幅を増加することができることにある。本発明のこの実施形態は、多重経路の影響を最小化させ、かつまた実効放射電力を低下させながら、異なった数のユーザ、データレートおよび距離を提供できる、拡張性の高いＵＷＢ通信システムを可能とする、ベクトル操作プロセスを備えている。本発明の方法は、ポイント・ツー・ポイント、ポイント・ツー・マルチポイント、固定または移動ユーザに対しても等しく適用可能である。本発明の一つの特徴は、ＵＷＢパルスまたは波面を所定の受信者の方向へ向け、または導く能力が、空間ダイバーシティを最大化させることにより、ＵＷＢ通信システムにおける実効的な帯域幅を増加させることにある。
【００１８】
ＵＷＢ波面またはパルスと、従来の正弦波伝送技術との間には、いくつかの相違点がある。正弦波技術では、指向性を持った放射はアンテナアレイを用いて実現される。そして、そのアンテナアレイの個々の放射体は、位相シフタを介して電源から給電される。受信に対しては、アレイの個々のセンサ出力は、位相シフタを介して加算回路に送られる。放射波は、個々の放射体に送られる駆動電流と同じ周波数を持っている。ただ、振幅と位相のみが異なっている。このことは、次の正弦関数の数学的加算定理によるものである。
【００１９】
Ａ１Ｓｉｎ（・ｔ＋・１）＋Ａ２Ｓｉｎ（・ｔ＋・２）＝ＡＳｉｎ（・ｔ＋・）．
【００２０】
従来のアンテナアレイのビームフォーミング法は、明瞭なサイドローブを持つＳｉｎ（ｘ）／ｘ形式の指向性パターンまたはアレイファクタ、およびアレイ長と周波数との関数としての古典的な分解角を生じる狭帯域の正弦波に基づいている。アレイ状に並んだセンサによって受信される個々の正弦波は、受信波と同じ周波数で振幅と位相のみ異なっている加算電流または電圧を生じる。
【００２１】
これらの関係は、ウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）パルスなどの非正弦波には当てはまらない。ＵＷＢパルスを処理する場合は、処理すべき周波数成分や位相関係はない。全ての信号処理と操作は、「周波数領域」の代わりに「時間領域」で遂行される。「時間領域」では、ベクトル処理は、送受信のどちらに対してもＵＷＢパルスのタイミングと振幅のみを用いて遂行される。
【００２２】
図３を参照すると、ＵＷＢアンテナアレイ１０に関する一つの実施の形態が示されている。そのＵＷＢアンテナアレイは、「Ｎ」個のアンテナエレメント１５から構成されることが可能であるが、ここで説明する最適な実施形態では、４つのエレメントから構成されている。また、例えば、３個、５個、６個などのアンテナエレメントのように、他の個数のアンテナエレメント１５を備えた他のＵＷＢアンテナアレイ１０も考えられる。そのＵＷＢアンテナアレイ１０は、図４に示すように、個別の放射および受信回路を備えている。図４の受信回路は、アンテナエレメント１５上の４つの受信体からデータを受けとる。ベクトル処理を用いて、８つに分かれたＵＷＢビーム２０（Ｂ（０°）〜Ｂ（３１５°））が、４つの放射体Ｒ１〜Ｒ４から作られる。ＵＷＢアンテナアレイ１０は、これらのＵＷＢビーム２０を、いかなる所望の方向にでも向けまたは導くことができる。
【００２３】
４つの遅延回路の出力は、８つの加算回路Ｓ１〜Ｓ８またはＢ（０°）〜Ｂ（３１５°）に接続されている。本実施形態では、４つのセンサＲ１〜Ｒ４の出力は、遅延回路Ｄ１〜Ｄ４に送られる。図４の４つの遅延回路は、０（遅延なし）と２Δｔ（完全遅延）との間で、中間の遅延（√（２△ｔ））／２、△ｔおよび（√（２△ｔ））／２をとって全遅延２Δｔを持つ。当然のことながら、他の回路構成を用いることも可能である。
【００２４】
図５を参照すると、ＵＷＢパルスまたはビームフォーミング放射回路が示されている。図５の放射回路の実施形態は、ＵＷＢアンテナエレメント１５上の4つに分かれた放射体を用いて、８つに分かれたビームB１〜B８を０°〜３１５°の方向に作り出している。図示した放射回路から構成される、ＵＷＢアンテナエレメント１５を用いる一つの方法は、ＵＷＢパルスを入力端子Ｂ１〜Ｂ８のうちのいずれか一つに送ることである。すると、放射回路はＵＷＢパルスを生じることになる。このとき、このＵＷＢパルスは、ＵＷＢパルスまたはビームが所望の方位角、または方向に向かって発生するタイミングで４つの放射体に送られている。このような方法で、ＵＷＢパルスまたはビームを、全方位ではなく特定の方向へ放出することができる。このような方法で構成されたＵＷＢアンテナアレイ１０は、放射されたＲＦエネルギーを最小にしながら、ＵＷＢ通信システムの利用可能な帯域幅を最大化できる。
【００２５】
図６を参照すると、入射角φで到達する波面とともに、４エレメントのＵＷＢアンテナアレイ１０の構成が示されている。センサＲ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４は、個別のＵＷＢアンテナエレメント１５上に設置されている個々のセンサである。波面がセンサＲ１に達すると、それは、ＵＷＢアンテナエレメント１５の中心に達するために、その後も距離ｃＴ１（ここでｃは光の速度、Ｔは時間である）を伝播する。同様に、波面は、センサＲ２、Ｒ３およびＲ４に達した後も、それぞれのＵＷＢアンテナエレメント１５の中心に達するために距離ｃＴ２、ｃＴ３およびｃＴ４を伝播しなければならない。この図では時間Ｔ３およびＴ４は負であるが、より大きな入射角φに対しては、Ｔ１およびＴ２は負になるが、それらは正を取ることになる。
【表１】
2005510169.tif 000003
【００２６】
表１に、種々の入射角φ＝αに対する規格化時間Ｔ１Δｔ〜Ｔ４Δｔを示す。ここで、Δｔは、図６に示した円の半径ｃΔｔによって定義される。角αを、ＵＷＢビームが形成される方向を規定する、ＵＷＢビーム角として導入する。入射角φは０°から３６０°までのどのような値をとることもできる。φ＝αのとき、受信したＵＷＢ波または信号の増大が見られる。表１には、８つのビームを生じさせることができ、規格化遅延時間が見られる。その８つのビームは、一度に１つ、複数または全てが形成される。（図６に示したように）受信または放射に対する角φ＝αの８つの値と時間Ｔ１＝ΔｔＣｏｓφ、Ｔ２＝ΔｔＣｏｓ（π／２ φ）、Ｔ３＝−ΔｔＣｏｓφおよびＴ４＝−ΔｔＣｏｓ（π／２ −φ）との関係である。
【００２７】
本実施形態は、突発的な信号伝播を減少させる方法、および焦点を合わせたＵＷＢビームを作り出す方法を提供している。本実施形態は、コンピュータロジックまたはソフトウェアを備えており、それは、ＵＷＢ通信システムにおける最適なユーザ処理能力を達成し、ユーザ帯域幅の最大化を達成する方法を与えるための信号処理技術を組み込んでいる。このプロセスは、ＵＷＢユニットがサービスエリア内の他のＵＷＢユニットとダイナミックにリンクすることを可能にし、図３に示すように選択的な収束ビームを与えることを可能にする。それは、一方では、地理的位置上の角度またはベクトル分離を与えながら、ユーザ帯域幅の増加をも生じる結果を生む。本発明の特徴は、信号品質や通信能力の著しい向上、およびサービスエリアの著しい拡大をユーザが知ることができるので、潜在的ＵＷＢユーザ全体に対してＵＷＢ通信システムの性能が著しく改善されるであろう、ということである。
【００２８】
本発明の他の実施形態は、多重反射問題を解決するために方位角データを用いている。ひとたび最初のＵＷＢ波面の方位角が測定されれば、図６を参照しながら論じたように、着信してくる多重反射を分離することができる。本実施形態においては、受信したＵＷＢパルスまたは信号の信号対雑音比を増加させるために、多重反射のエネルギーは加算され、または集められる。
【００２９】
ＵＷＢ伝送は、一般的には、ユーザチャネルに含まれているパルスを時間とともに、擬似乱数的に拡散させるチャネライゼーション・アルゴリズムに基づいている。一般に、どのようにしてパルスが拡散するかは、送信機と受信機との両方を同時にもち、かつ同じ拡散アルゴリズムを用いることほど重要ではない。本実施形態においては、「キーパルス同期シーケンス」と呼ばれる独自のパルスシーケンスを、送信機および受信機を同期させるのに用いている。ひとたび同期されると、あらかじめ指定されたＵＷＢユーザチャネルのコードシーケンスが、データの送信を開始する。多くのＵＷＢユーザチャネルのシーケンスは、同時に起動することができる。
【００３０】
あらかじめ指定されたチャネルコードシーケンスは、受信したＵＷＢ入射パルスと一致する。一致した最初のパルス列シーケンスは、最初のＵＷＢ波面だと見なされる。なぜなら、それは、ＵＷＢアンテナアレイ１０への最短ルートを伝播してきたからである。ユーザチャネルのコードシーケンスに一致する、その後の全ての受信信号は、最初の波面の多重反射として処理される。これらの多重反射は、受信したＵＷＢパルスの信号対雑音比を減少させるために、加算されることもできる。
【００３１】
本発明の最適な実施形態においては、最初の波面の方位角および受信した全ての多重反射を特定するリアルタイムデータベースが構築されている。このデータベースは、個々の波面それぞれを、対応する方位角へ追跡し一致させるのに用いられる。それは、多重経路を経たそれぞれの波面を方位角によって分離し追跡することができるので、多重経路プロセスに関係した問題をいくつかの方法で大きく減少させる。
【００３２】
例えば、個々の多重反射波を分離するための計算によって、これらの反射に取り込まれたエネルギーおよびデータを、最初の波面の潜在的データ誤差の決定に用いることができる。復元された多重経路パルス列は、パルス・ツー・パルスベースでの実効的信号対雑音比（ＳＮ比）を増加させながら、最初の波面に重ね合わされる。より高いＳＮ比は、より低いビットエラーレートになるということである。相関器および／またはデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を用いて、個々の波面それぞれからのパルスシーケンスを同期させるのに用いる手順が遂行される。
【００３３】
さらに別の実施形態としては、指向性を持ったＵＷＢ波面を放射するために本発明により構築されたＵＷＢアンテナアレイ１０を用いると、放射されたエネルギーは最小化され実効帯域幅は増加する。このことは、放射されたエネルギーが所定の受信者に向けられ、全方位に放射されないからである。帯域幅の増加は、ＵＷＢユーザチャネルに使用可能な枠の数が有限であるために理解される。もし全方位に放射されると、受信者がいる可能性のない方向に対して放射されるため、この枠という有限な資源は無駄に費やされる。このことは、エネルギーの無駄であるばかりではなく、信号のセキュリティにも影響を及ぼす。
【００３４】
以上により、ＵＷＢ通信のためのアンテナシステムおよび方法を提供することが分かる。当業者であれば、上記の実施形態以外によっても本発明は実施可能であることを理解するであろう。上述の実施形態は、単に説明のために詳細な説明で示されたものであり、限定されるものではない。本明細書に記載された説明文と実施例、および関連した図面は、本発明の最適な実施形態を記載しているのみである。本明細書と図面は、本特許出願の排他的な範囲を限定することを目的とするものではない。上述の実施形態以外の多くの設計思想が、請求項の文言上および／または法律上の範囲に含まれるであろう。説明文中で議論された特定の実施形態に対して、等しい価値をもつものが多様にあるが、それらもまた本発明を実施できることに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】種々の通信方式を示す図である。
【図２】２種類のウルトラワイドバンド・パルスを示す図である。
【図３】本発明の実施形態によるマルチエレメント・アンテナを示す図である。
【図４】本発明の実施形態により構成されたマルチエレメント・アンテナの回路図である。
【図５】本発明の実施形態により構成されたマルチエレメント・アンテナにおける放射の構成状態を示す回路図である。
【図６】本発明の実施形態によるマルチエレメント放射体／受信体を示すグラフ表示である。
【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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【国際調査報告】
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