(57)【要約】複数のアンテナ素子を有する指向性アンテナを無給電アンテナアレイとして構成する。周波数選択コンポーネントが、アンテナ素子の第１のサブセットに接続される。重みづけ機構が、アンテナ素子の第２のサブセットに接続される。アンテナ素子の第１のサブセットと第２のサブセットは、スペクトル的に分離した信号を有する独立可動ビームを生成するため、空間給電配電システムによって接続される。
2005537728.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナアレイとして構成される複数のアンテナ素子と、
前記アンテナ素子の第１のサブセットに結合される周波数選択コンポーネントと、
前記アンテナ素子の第２のサブセットに結合される重みづけ機構とを含み、
前記第１および第２のサブセットが空間給電配電システムによって結合されて、スペクトル的に分離した信号を有する独立可動ビームを生成する
ことを特徴とする指向性アンテナ。
【請求項２】
前記第１および第２のサブセットが寄生的に結合される、請求項１の指向性アンテナ。
【請求項３】
前記第２のサブセットがフェーズドアレイである、請求項１の指向性アンテナ。
【請求項４】
前記重みづけ機構が、電子的、機械的、または電気機械的に選択可能である、請求項１の指向性アンテナ。
【請求項５】
前記重みづけ機構が、短絡、開放、集中インピーダンス、または遅延線のうち少なくとも１つの要素を含む、請求項１の指向性アンテナ。
【請求項６】
前記重みづけ機構が選択されて、前記スペクトル的に分離した各信号の再放射位相を個々に生じさせる、請求項１の指向性アンテナ。
【請求項７】
前記第２のサブセットが、前記スペクトル的に分離した信号を、前記重みづけ機構の関数として再放射する、請求項１の指向性アンテナ。
【請求項８】
前記空間給電配電システムが、送信方向では電力分配器であり、受信方向ではパワーコンバイナである、請求項１の指向性アンテナ。
【請求項９】
前記周波数選択コンポーネントが送信信号と受信信号を分離する、請求項１の指向性アンテナ。
【請求項１０】
前記周波数選択コンポーネントが、同一方向で周波数が異なる信号を分離する、請求項１の指向性アンテナ。
【請求項１１】
前記周波数選択コンポーネントがプリント式である、請求項１の指向性アンテナ。
【請求項１２】
前記周波数選択コンポーネントがプリント式でない、請求項１の指向性アンテナ。
【請求項１３】
前記重みづけ機構が位相シフト要素を含む、請求項１の指向性アンテナ。
【請求項１４】
前記位相シフト要素が独立の制御信号を受信して個々の位相シフトを設定する、請求項１３の指向性アンテナ。
【請求項１５】
前記重みづけ機構の少なくとも１つが、少なくとも１つの可変利得増幅コンポーネントを含む、請求項１の指向性アンテナ。
【請求項１６】
各アンテナ素子に結合される可変利得増幅コンポーネントの数が、独立に形状が最適化されるスペクトル的に分離したビームの数と対応する、請求項１５の指向性アンテナ。
【請求項１７】
前記アンテナ素子によって送信または受信される信号を合成する、生成される各ビームに関連づけられるコンバイナをさらに含む、請求項１の指向性アンテナ。
【請求項１８】
同時にビームを生成する、請求項１の指向性アンテナ。
【請求項１９】
マルチパス環境で使用される、請求項１の指向性アンテナ。
【請求項２０】
同一周波数ネットワーク、スペクトラム拡散ネットワーク、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）ネットワーク、または直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）ネットワークのうちの１つで使用される、請求項１の指向性アンテナ。
【請求項２１】
前記周波数選択コンポーネントに結合された前記重みづけ機構の１つが、受信パイロット信号に基づいて受信ビームパターンを最適化するように調整される、請求項１の指向性アンテナ。
【請求項２２】
前記周波数選択コンポーネントに結合された前記重みづけ機構の１つが、順方向リンクを介してフィードバックされる計測量による、与えられた信号の受信信号品質に基づいて、送信ビームパターンを最適化するように調整される、請求項１の指向性アンテナ。
【請求項２３】
前記周波数選択コンポーネントに結合された前記重みづけ機構の１つが、与えられた基地局からの信号の受信電力が最大となる方向に送信ビームを向けるように調整され、かつ、前記周波数選択コンポーネントに結合された前記重みづけ機構の別の１つが、最良の信号対雑音比（ＳＮＲ）および搬送波対干渉（Ｃ／Ｉ）レベルからなる群から選択される計測量に基づいて受信ビームを最適化するように調整される、請求項１の指向性アンテナ。
【請求項２４】
アンテナビームを方向づけるための方法であって、
アンテナアレイとして構成される複数のアンテナ素子を備えるステップと、
前記アンテナ素子の第１のサブセットで信号を選択的に結合するステップと、
前記アンテナ素子の第２のサブセットで前記信号を重みづけるステップとを含み、
前記第１および第２のサブセットが空間給電配電システムによって結合されて、スペクトル的に分離した信号を有する独立可動ビームを生成する
ことを特徴とする方法。
【請求項２５】
前記第１および第２のサブセットが寄生的に結合される、請求項２４の方法。
【請求項２６】
前記重みづけるステップにおいて前記第２のサブセットをフェーズドアレイとして動作させる、請求項２４の方法。
【請求項２７】
前記重みづけるステップにおいて、電子的、機械的、または電気機械的スイッチング要素の状態を変化させる、請求項２４の方法。
【請求項２８】
前記重みづけるステップにおいて、短絡、開放、集中インピーダンスの変更、または個々のアンテナ素子の接地面への遅延線の選択のうち少なくとも１つの技法を使用して重みづけを選択することを含む、請求項２４の方法。
【請求項２９】
前記重みづけるステップにおいて前記スペクトル的に分離した各信号の再放射位相を個々に生じさせるために重みづけを選択する、請求項２４の方法。
【請求項３０】
前記重みづけるステップにおいて、前記第２のサブセットに、前記スペクトル的に分離した信号を前記重みづけの関数として再放射させる、請求項２４の方法。
【請求項３１】
送信方向では電力分配を生じさせ、受信方向では電力合成を生じさせるために前記空間給電配電システムを使用する、請求項２４の方法。
【請求項３２】
前記選択的に結合するステップにおいて送信信号と受信信号を分離する、請求項２４の方法。
【請求項３３】
前記選択的に結合するステップにおいて同一方向で周波数の異なる信号を分離する、請求項２４の方法。
【請求項３４】
前記選択的に結合するステップにおいてプリント式周波数選択コンポーネントを介して前記信号を伝える、請求項２４の方法。
【請求項３５】
前記選択的に結合するステップにおいて非プリント式周波数選択コンポーネントを介して前記信号を伝える、請求項２４の方法。
【請求項３６】
前記重みづけるステップが位相シフト要素を調整するステップを含む、請求項２４の方法。
【請求項３７】
前記調整するステップにおいて前記位相シフト要素に独立の制御信号を送信して位相シフトを個々に設定する、請求項３６の方法。
【請求項３８】
前記重みづけるステップが前記信号を選択的に増幅するステップを含む、請求項２４の方法。
【請求項３９】
前記選択的に増幅するステップが、独立に形状が最適化されるスペクトル的に分離したビームの数の関数として行われる、請求項３８の方法。
【請求項４０】
前記アンテナ素子によって送信または受信される信号を合成する、生成される各ビームに関連づけられるコンバイナを利用するステップをさらに含む、請求項２４の方法。
【請求項４１】
同時にビームを生成する、請求項２４の方法。
【請求項４２】
マルチパス環境で使用される、請求項２４の方法。
【請求項４３】
同一周波数ネットワーク、スペクトラム拡散ネットワーク、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）ネットワーク、または直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）ネットワークのうちの１つで使用される、請求項２４の方法。
【請求項４４】
前記重みづけるステップが、受信パイロット信号に基づいて、受信ビームパターンを最適化するように前記重みづけを調整するステップを含む、請求項２４の方法。
【請求項４５】
前記重みづけるステップが、順方向リンクを介してフィードバックされる計測量による、与えられた信号の受信信号品質に基づいて、送信ビームパターンを最適化することを含む、請求項２４の方法。
【請求項４６】
前記重みづけるステップが、与えられた基地局からの信号の受信電力が最大となる方向に送信ビームを向け、最良の信号対雑音比（ＳＮＲ）および搬送波対干渉（Ｃ／Ｉ）レベルからなる群から選択される計測量に基づいて受信ビームを最適化することを含む、請求項２４の方法。
【請求項４７】
アンテナアレイとして構成される複数のアンテナ素子と、
前記アンテナ素子の第１のサブセットで信号を選択的に結合する手段と、
前記アンテナ素子の第２のサブセットで前記信号を重みづける手段とを含み、
前記第１および第２のサブセットが空間給電配電システムによって結合されて、スペクトル的に分離した信号を有する独立可動ビームを生成する
ことを特徴とする指向性アンテナ。
【請求項４８】
アンテナアレイとして構成される複数のアンテナ素子と、
個々のアンテナ素子にそれぞれ結合される周波数選択コンポーネントと、
前記周波数選択コンポーネントの各々に結合されてスペクトル的に分離した信号を有する独立可動ビームを生成する少なくとも２つの重みづけ機構とを含む
ことを特徴とする指向性アンテナ。
【請求項４９】
前記アンテナアレイが、空間給電配電システムによって結合されるアンテナ素子の少なくとも２つのサブセットを含む、請求項４８の指向性アンテナ。
【請求項５０】
独立可動ビームを生成するための方法であって、
それぞれが個々のアンテナ素子に結合されて第１の可動ビームを生成する周波数選択コンポーネントを有する、アンテナアレイとして構成される複数のアンテナ要素によって受信または送信される第１の周波数において第１の信号を重みづけるステップと、
前記第１の信号からスペクトル的に分離した第２の信号を重みづけて、同じアンテナアレイによって受信または送信される独立可動の第２のビームを生成するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項５１】
空間給電配電システムを介して信号を伝えるステップをさらに含む、請求項５０の方法。
【請求項５２】
それぞれが個々のアンテナ素子に結合されて第１の可動ビームを生成する周波数選択コンポーネントを有する、アンテナアレイとして構成される複数のアンテナ素によって受信または送信される第１の周波数において第１の信号を位相シフトする手段と、
前記第１の信号からスペクトル的に分離した第２の信号を位相シフトして、同じアンテナアレイによって受信または送信される独立可動の第２のビームを生成する手段と
を備えることを特徴とするビーム形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は無線通信に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信の分野では、基地局から移動局への通信用に、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）および符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）プロトコルが使用される。ＴＤＭＡ技術は、信号の送信および受信用に１つの周波数を使用するが、ＣＤＭＡシステムは、１つの周波数帯を信号の送信用に使用し、もう１つの周波数帯を信号の受信用に使用する。いずれの場合も、マルチパスが干渉源となり得る。
【０００３】
図１は、マルチパスが通常存在する例示的な環境１００である。環境１００は、第１のアンテナタワー（antenna tower）１０５ａと第２のアンテナタワー１０５ｂを含む。各アンテナタワー１０５ａ、１０５ｂは、関連する基地局（図示せず）を有する。環境１００は、第１のオフィスビル１１０ａと第２のオフィスビル１１０ｂをさらに含む。第１のオフィスビル１１０ａの中には、加入者装置（subscriber unit）１１５が、アンテナタワー１０５ａ、１０５ｂの両方から信号が届く範囲内に存在する。
【０００４】
アンテナタワー１０５ａ、１０５ｂから加入者装置１１５へは、複数の信号経路が存在する。第１の信号経路１２０は、第１のアンテナタワー１０５ａから加入者装置１１５への直接的な信号経路である。第２の信号経路１２５は、個々の信号が第１のアンテナタワー１０５ａから加入者装置１１５に伝わるときの、第２のオフィスビル１１０ｂからの反射を含む。第３の信号経路１３０は、第２のアンテナタワー１０５ｂから加入者装置１１５への直接的な信号経路である。
【０００５】
第１の信号経路１２０は、第１のアンテナタワー１０５ａの方向を向いている。加入者装置１１５は、第１のアンテナタワー１０５ａがどこに位置するのか分からない。加入者装置１１５は、加入者装置がステアリングアンテナ（steering antenna）を備えている場合でも、希望信号が最も強い方向を向く（すなわち、ビームを向ける）ことができるに過ぎない。最も強い希望信号は、第１のアンテナタワー１０５ａと第２のオフィスビル１１０ｂの間の方向に存在する。
【０００６】
方向探知（ＤＦ）を行う際、マルチパスのせいで信号の正しい方向が明らかにならないので、マルチパスは阻害要因となりがちである。第１の信号経路１２０と同相のマルチパス成分は、実際には有益であり、したがって、方向変更には合理性がない。つまり、マルチパスのすべてが干渉となるわけではない。しかし、第３の信号経路１３０上を送信される信号は、第１の信号経路上を送信される信号と同じではなく、第１の信号経路上の信号と同相になることは決してないので、第３の信号経路１３０のすべてが干渉となる。
【０００７】
加入者装置１１５がフェーズドアレイアンテナ（phased array antenna）を利用する場合、関連するアンテナビームをフェーズドアレイアンテナによって第１のアンテナタワー１０５ａの方向に向けることができ、または上述したようなマルチパスの場合は最も強い希望信号の方向に向けることができる。さらに、フェーズドアレイアンテナを使用して、関連するアンテナビームの方向を操作し、第１のアンテナタワー１０５ａから直接的な信号経路１２０を介して届く信号だけを受信して第２の信号１２５に起因するマルチパス効果（すなわち、信号フェージング）または第３の信号経路１３０に起因する干渉を除去することもできる。
【０００８】
図２は、図１の加入者装置１１５で使用されるフェーズドアレイアンテナのブロック図である。フェーズドアレイアンテナは関連するビームの方向を操作することができ、ビーム方向の操作は、アレイアンテナ２００を構成するアンテナ素子への／からのＲＦ信号を位相シフトすることで行われる。フェーズドアレイアンテナ２００は、アンテナサブアセンブリ（antenna sub-assembly）２０５から構成される。各アンテナサブアセンブリ２０５は、アンテナ素子２１０、デュプレクサ２１５、および移相器２２０を含む。制御信号２２５は、各移相器２２０によって施される位相シフトを調整するのに使用される。
【０００９】
送信モードでは、フェーズドアレイアンテナ２００のサブアセンブリ２０５は、信号２３０を受信する。信号は移相器２２０によって位相シフトされ、すべてのアンテナ素子２１０のビームが合成されたとき、その結果の有効ビーム（図示せず）が制御信号２２５によって定められる方向に方向づけられる。信号２３０は、移相器２２０から、送信モードにあるデュプレクサ２１５を介して、アンテナ素子２１０に送られる。
【００１０】
受信モードでは、アンテナ素子２１０は、同じ制御信号２２５によって定められる方向から、最も強くＲＦ信号を受信する。アンテナ素子２１０からデュプレクサ２１５に受信信号を供給し、これは、受信モードで移相器２２０に受信ＲＦ信号を送ることができるように設定される。位相シフトされた信号２３０を移相器２２０から加算器（図示せず）に供給し、信号を再構成させる。再構成された信号は、その後、受信器（図示せず）によって処理される。
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願第０９／７７６３９６号明細書
【特許文献２】米国特許第６１００８４３号明細書
【特許文献３】米国特許出願第０９／６１６５８８号明細書
【特許文献４】米国特許出願第０９／７７４５３４号明細書
【特許文献５】米国特許出願第０９／７７３２７７号明細書
【特許文献６】米国特許出願第０９／７７３３７７号明細書
【特許文献７】米国特許第６３６９７７９号明細書
【非特許文献１】George R. Matthaei, et al., Microwave Filters, Impedance-Matching, Networks and Coupling Structures, (NY: McGraw-Hill, 1964)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
送信方向と受信方向の両方で最適利得が得られることが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
最近、加入者装置とアンテナタワー間の最適利得を決定するための実験によって、異なる周波数の送信信号を使用する場合、異なる周波数に応じて最適信号方向が変化することが分かった。加入者装置用に定められたＣＤＭＡ技術では、受信（ＲＸ）信号は１９３０〜１９９０ＭＨｚの範囲に、送信（ＴＸ）信号は１８５０〜１９１０ＭＨｚの範囲にある。さらなる試験が行われ、異なる周波数をもつ送信信号の場合のように、最適信号経路が、ＣＤＭＡ技術のＴＸ信号およびＲＸ信号に応じて異なるかどうか確認された。このようなさらなる実験によって、実際に、加入者装置と基地局のアンテナタワーの間の最適信号経路が周波数に依存し、ＴＸ信号およびＲＸ信号の信号経路が影響を受けることが実証された。
【００１４】
信号の周波数が異なると最適信号方向が異なる少なくとも１つの原因は、信号がアンテナタワーと加入者装置アンテナの間を伝わる際の屈折角の違いにあることが確認された。例えば、ＣＤＭＡ技術では、ＴＸ信号およびＲＸ信号がオフィスビルの窓ガラスを通過する際、ＴＸ信号は第１の角度で「曲がり」、ＲＸ信号は第２の角度で「曲がる」。屈折角が異なる結果、加入者装置が存在するオフィス内部で、信号が複数の経路をとることにもなり得る。さらに、ＴＸ信号とＲＸ信号は、オフィスビルの外部の物体を異なる角度で回り込み、このことは、伝播経路が異なる別の原因となり得る。角度の相違とマルチパスによる最終結果は、良くて信号対雑音比（ＳＮＲ）の低下、最悪の場合は通信断を引き起こす干渉となって現れる。
【００１５】
指向性アンテナ技術では、順方向リンクを伝わる信号と逆方向リンクを伝わる信号の最適方向は同じ経路に沿っていると仮定されている。したがって、一般にＲＸの信号対雑音比（ＳＮＲ）に基づいて、方向が一度選択されると、選択された方向は、ＴＸ信号およびＲＸ信号用に使用される。選択された方向が一方のリンクに関して最適であることは分かっているが、アンテナの指向性について選択された方向は、上述した実験から明らかになったように、もう一方のリンクに関しては次善であるかもしれない。
【００１６】
本発明は全体として、送信方向と同時に受信方向でも最適利得が得られるように、信号送信と信号受信を異なる方向で行う能力をもった加入者装置を提供する。それによって、異なる周波数で動作する通信信号に起因する屈折およびマルチパス効果を補償して、順方向リンクと逆方向リンクの両方で利得を向上させることができる。
【００１７】
したがって、本発明の一実施形態は、アンテナアレイ（antenna array）として構成される、複数のアンテナ素子を有する指向性アンテナを備える。周波数選択コンポーネントが個々のアンテナ素子に結合され、周波数選択コンポーネントが同時周波数識別を提供する。少なくとも２つの重みづけ機構が周波数選択コンポーネントに結合され、スペクトル的に分離した信号を有する独立可動ビーム（independently steerable beams）が生成される。
【００１８】
本発明の代替実施形態によれば、本発明は、無給電アンテナアレイ（parasitic antenna array）として構成される、複数のアンテナ素子を有する指向性アンテナを含む。周波数選択コンポーネントがアンテナ素子の第１のサブセットに接続される。重みづけ機構がアンテナ素子の第２のサブセットに接続される。アンテナ素子の第１および第２のサブセットを空間給電配電システム（space-fed power distribution system）によって接続し、スペクトル的に分離した信号を有する独立可動ビームを生成することができる。
【００１９】
周波数選択コンポーネントは、例えば、送信信号帯域と受信信号帯域が分離されているＣＤＭＡシステムにおいて信号を送信および受信するように設計することができる。周波数選択コンポーネントは、異なる周波数をもつ同一方向信号を分離するように設計することもできる。周波数選択コンポーネントは、３つ以上の信号を分離することもでき、その場合、周波数選択コンポーネントには、３つ以上の位相シフト要素が結合される。周波数選択コンポーネントは、プリント技術もしくは非プリント技術、またはそれらの組合せを含むことができる。
【００２０】
重みづけ機構は、ビームの方向を独立に操作するための位相シフト要素を含むことができる。独立の制御信号が、個々の位相シフトを定める。重みづけ機構は、個々のアンテナ素子によって受信された信号または送信される信号を独立に増幅するための、少なくとも１つの可変利得増幅コンポーネントをさらに含むことができる。各アンテナ素子に結合される２以上の可変利得増幅コンポーネントを有することによって、ビームの個々の形状を最適化することができる。
【００２１】
指向性アンテナは、アンテナ素子により送信される信号または受信される信号を合成するための、生成された各ビームに関連づけられたコンバイナをさらに含むことができる。
【００２２】
独立に可動および形成可能なビームを有することによって、指向性アンテナは、マルチ帯域および／またはマルチパス環境での使用に関して魅力的となる。
【００２３】
本発明の一実施形態では、加入者装置は、基地局からの受信パイロット信号に基づいて、順方向リンクビームパターン（すなわち、順方向リンクにおいて信号を受信するための受信ＲＸビーム）を最適化する。加入者装置は、基地局から順方向リンクを介してフィードバックされる計測量による、与えられた受信信号の信号品質に基づいて、逆方向（すなわち、送信ＴＸ）ビームパターンも最適化する。さらに同時に、加入者装置は、逆方向ビーム（ＴＸビーム）を、与えられた基地局からの信号の受信電力が最大となる方向に向けることができ、一方で、順方向ビーム（ＲＸビーム）を、信号対雑音比（ＳＮＲ）または搬送波対干渉（Ｃ／Ｉ）レベルが最良となるように最適化することができる。順方向および逆方向リンクにおけるビーム（すなわち、加入者装置から見て、それぞれ受信ビームと送信ビーム）の方向を決定するための上記およびその他の技法が２００１年２月２日出願のＰｒｏｃｔｏｒらによる標題「Method and Apparatus for Performing Directional Re-Scan of an Adaptive Antenna」（特許文献１）に提供されており、同文献の開示の全体を参照により本明細書に組み込む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の上記およびその他の目的、特徴、および利点が添付の図面に示された本発明の好ましい実施形態についての以下のより具体的な説明から明らかになるであろう。異なる図面で同じ参照符号が用いられている場合、それらは同じ部分を指し示す。図面は必ずしも実寸に比例しておらず、本発明の原理を明瞭にするため、一部を強調した場合もある。
【００２５】
本発明の好ましい実施形態について以下で説明する。
【００２６】
図３は、本発明の例示的な使用を説明した図である。ポータブルパーソナルコンピュータ３０５が、アンテナケーブル３１０を介してアンテナアレイ３１５に結合される。アンテナアレイ３１５は、アンテナ素子３１７の間隔のため、指向性ビームを形成することができる。
【００２７】
図示するように、アンテナアレイ３１５は、送信ビーム３２０と受信ビーム３２５の２つのビームを供給する。送信ビーム３２０は、信号１２０を窓３３０を通してアンテナタワー１０５ａに最適方向で送信するように方向づけられる。同様に、受信ビーム３２５は、受信ビーム１２５をアンテナタワー１０５ａから窓３３０を通して最適方向で受信するように方向づけられる。
【００２８】
加入者装置用のＣＤＭＡシステムの場合、送信（ＴＸ）信号は１８５０〜１９１０ＭＨｚで動作し、受信（ＲＸ）信号は１９３０〜１９９０ＭＨｚで動作する。これら２つの信号間の周波数の相違は、方向に関する相違の中でもとりわけ、例えば、窓３３０を通過する信号の屈折角の違いの原因となるのに十分である。信号対雑音比を最適化し、マルチパスおよびその他の信号干渉による影響を軽減するため、アンテナアレイは、同じアンテナアレイ３１５を使用しながら、ＴＸビームを供給すると同時にＲＸビームを供給することができる。
【００２９】
受信ビーム角を最適化するため、受信ビーム角を制御するシステムは、受信ビームの最適角を決定するためのパラメータとして、受信信号の信号対雑音比（ＳＮＲ）を使用することができる。受信ルックアングル（look angle）を最適化するのに使用できる方法が特許文献２、２０００年７月１４日出願、Ｐｒｏｃｔｏｒらによる標題「Adaptive Antenna for Use in Same Frequency Network」（特許文献３）に説明されており、両文献の開示の全体を参照により本明細書に組み込む。
【００３０】
送信ビーム角を最適化するため、送信ビーム角を制御するシステムは、異なる角度で信号を送信し、アンテナタワー１０５ａの所にある基地局（図示せず）が、信号方向が最適であるかどうかをフィードバックできるようにする。信号を送信およびフィードバックして、最適送信ビーム角を決定するのに、様々な実施形態を利用することができ（例えば、特許文献１参照）、同文献の開示の全体を参照により本明細書に組み込む。
【００３１】
例えば、加入者装置は、パイロット信号をいかに良好に受信したかに基づいて、順方向リンクビーム（すなわち、ＲＸビーム）パターンを最適化することができる（例えば、特許文献１参照）。加入者装置は、与えられた基地局から順方向リンクを介してフィードバックされる計測量による、与えられた信号の受信信号品質に基づいて、逆方向リンクビーム（すなわち、ＴＸビーム）パターンを最適化する。さらに、加入者装置は、逆方向リンクビームを、基地局からの信号の受信電力が最大となる方向に向けることができ、一方で、順方向ビーム（すなわち、ＲＸビーム）を、信号対雑音比（ＳＮＲ）または搬送波対干渉（Ｃ／Ｉ）レベルが最良となるように最適化することができる。
【００３２】
本発明の原理は、周波数が異なる信号を使用するシステムにおいて役に立つ。例えば、そのようなシステムは、周波数が異なる送信ビームと受信ビームをもつことができる他、２つの異なる周波数で２つの信号を送信するのに使用することもできる。さらに、受信信号と２つのスペクトル的に分離した送信信号を使用することができ、その場合、３つの信号に対応するアンテナアレイ３１５によって、３つの異なるビーム角が提供される。複数の同時ビーム角は、同数の移相器と、同数の周波数チャネルを提供する周波数選択コンポーネントを必要とする。
【００３３】
図４は、送信ビーム３２０および受信ビーム３２５を供給するのに使用されるシステムのブロック図である。アンテナアセンブリ４０５は、アンテナ素子２１０、周波数選択コンポーネント４１０、受信重みづけ機構４１５（例えば、移相器および増幅器）、および送信重みづけ機構４２０を含む。
【００３４】
重みづけ機構４１５、４２０は、個々の制御信号４２５、４３５によって制御される。受信重みづけ機構４１５は、受信信号４３０をサポートし、送信重みづけ機構４２０は、送信信号４４０をサポートする。
【００３５】
アンテナアセンブリ４０５は、アンテナアレイ３１５（図３）を構成するｎ個のアンテナアセンブリ４０５の１つである。各アンテナアセンブリ４０５内の重みづけ機構４１５、４２０の数は、アンテナアレイ３１５によって同時に発生させることができる、角度および／またはパターンの異なるビームの数を決定する。周波数選択コンポーネント４１０は、周波数の異なる信号の識別を可能にする。アンテナアセンブリ４０５によって必要とされる電力を最小化するため、好ましくは、周波数選択コンポーネント４１０は、周波数の違いによって信号を分離するための受動的手段を提供する。
【００３６】
受信制御信号４２５および送信制御信号４３５を発生させるコントローラ４４５によって、重みづけ機構４１５、４２０の独立制御が可能になる。コントローラ４４５が、送信ビーム３２０および受信ビーム３２５（図３）の角度および／またはパターンを提供するための知的機構（intelligence）を含んでもよく、またはローカルシステム（例えば、ポータブルコンピュータ３０５）が、ビームの最適な角度および／またはパターンを決定するための知的機構を備えてもよい。そのような実施形態では、最適な角度および／またはパターンの情報が、ローカルシステムによってコントローラ４４５に提供され、それらの情報はさらに、重みづけ機構４１５、４２０に提供される。
【００３７】
図５は、図４のデュアル独立ビームアレイシステム（dual independent beam array system）のより詳細な実施形態の概略図である。本発明の原理によれば、同じアンテナアレイ３１５（図３）によって、送信ビーム３２０と受信ビーム３２５の両方を独立かつ同時に方向づけることができる。
【００３８】
デュアル独立ビームアレイシステム５００は、複数の送信／受信ビーム形成回路（beam forming network）５０５を含む。各回路５０５は、アンテナ素子５１０、周波数選択コンポーネント５１５、受信重みづけ機構４１５、および送信重みづけ機構４２０を含む。本実施形態では、受信重みづけ機構４１５は、受信可変利得（ＶＧ）低雑音増幅器５２０、および受信移相器５２２を含む。送信重みづけ機構４２０は、送信可変利得（ＶＧ）電力増幅器５２５を含む。
【００３９】
回路５０５内の増幅器５２０、５２５がより優れた性能を実現するには、アンテナ素子５１０からより離して配置された単一の受信／送信増幅器をもつよりも、おそらくより高い費用がかかる。しかし、ビームには指向性があり、ピークビーム方向でより高い利得をもつので、増幅器５２０、５２５は、無指向性アンテナの場合のように、必ずしも高出力である必要はなく、そのため、増幅器当たりのコストは、比較的廉価になり得る。
【００４０】
これとは別に、低雑音増幅器５２０と電力増幅器５２５をコンバイナ（combiner）５３０、５３５の後に配置することもできる。システム５００は、単一増幅器実装となるので低コストになり得るが、性能はおそらく図示の分散増幅器による実施形態よりも悪くなるであろう。
【００４１】
移相器５２２、５２７は、一般的な移相器、または２００１年１月３１日出願、Ｃｈｉａｎｇらによる標題「Electronic Phase Shifter with Enhanced Phase Shift Performance」（特許文献４）に説明されているタイプの移相器とすることができ、同文献の開示の全体を参照により本明細書に組み込む。
【００４２】
第１のコンバイナ５３０は、ビーム形成回路５０５のＮ個の送信部に信号を送信する。第２のコンバイナ５３５は、ビーム形成回路５０５のＮ個の受信部から信号を受信する。このコンバイナは、ウィルキンソン型パワーコンバイナなど、一般的なコンバイナとすることができる。
【００４３】
さらに、アンテナ素子５１０は、２００１年１月３１日出願、Ｃｈｉａｎｇらによる標題「Stacked Dipole Antenna for Use in Wireless Communications Systems」（特許文献５）、２００１年１月３１日出願、Ｇｏｔｈａｒｄらによる標題「Printed Circuit Low Profile Vertical Dipole」（特許文献６）に示され説明されているアンテナなど、ビーム形成用のアンテナアレイやその他のアンテナタイプで使用できる一般的なアンテナ素子とすることができ、両文献の開示の全体を参照により本明細書に組み込む。
【００４４】
さらに、周波数選択コンポーネント５１５は、プリント可能タイプおよび／または非プリントタイプを含む複数のタイプとすることができる。しかしながら、ＴＸ信号とＲＸ信号が互いに相手側に漏れることによってノイズを発生させないように、周波数選択コンポーネント５１５が十分な周波数帯域分離を実現することが重要である。
【００４５】
プリント式周波数選択コンポーネントの一例を図６に示す。図６を参照すると、周波数選択コンポーネント３１５は、２つの９０度ハイブリッド（９０ degree hybrid）６０５、２つの低域通過フィルタ（ＬＰＦ）６１０、および１つの１８０度固定値移相器６１５を含む。アンテナ素子５１０から受信された信号は、第１の９０度ハイブリッド６０５に送られ、低雑音増幅器（ＬＮＡ）３２０ａに出力される。増幅された受信信号は、さらなる処理のため、受信機（図示せず）に供給される。
【００４６】
送信機（図示せず）は、電力増幅器（ＰＡ）３２０ｂに信号を供給する。増幅された送信信号は、周波数選択コンポーネント３１５によって処理され、アンテナ素子５１０（図示せず）に供給される。アンテナによって送信される信号は、好ましくは、周波数選択コンポーネント３１５によって、低雑音増幅器３２０ａから絶縁される。
【００４７】
周波数選択コンポーネント３１５は、コストは低いが、その他の可能な周波数選択コンポーネントと同レベルの性能を実現できない場合がある。例えば、周波数選択コンポーネント３１５は、その低いＱ特性のせいで、８０ＭＨｚ以内の送信信号と受信信号の分離を高いレベルで実現しない。しかしながら、周波数選択コンポーネントは、プリント可能であるので、小型化でき、製造コストもあまりかからない。
【００４８】
代替的な周波数選択コンポーネントの一例が、ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ  ｂｕｌｋ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ（ＦＢＡＲ）という名で、Ａｇｉｌｅｎｔ（登録商標）Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社から市販されており、ＦＢＡＲは、高Ｑフィルタを備え、小さなパッケージに収められている。ＨＰＭＤ−７９０３は、そのようなＦＢＡＲデュプレクサの一例であり、比較的小型である。ＨＰＭＤ−７９０３は、優れた性能特性を有しているが、図６のプリント式可能周波数選択コンポーネントよりも高価である。
【００４９】
周波数選択コンポーネント３１５のまた別の実施形態に、セラミックデュプレクサ（ceramic duplexer）がある。セラミックデュプレクサは、（ｉ）高性能で、高Ｑフィルタ特性を有し、（ｉｉ）比較的安価であるが、（ｉｉｉ）比較的大型である。周波数選択コンポーネントを選択する際に考慮すべきその他の性能特性には、挿入損、ノイズブロック、電力操作、送信および受信帯域幅、チャネル間分離、帯域内リップル（in-band ripple）、インピーダンス、および温度特性が含まれる。
【００５０】
図７は、周波数選択コンポーネント３１５の例示的な周波数応答グラフ７００である。周波数応答グラフ７００は、受信通過帯域７０５ａおよび送信通過帯域７０５ｂの通過帯域領域を示している。送信および受信特性は、送信帯域が１８５０〜１９１０ＭＨｚ、受信帯域が１９３０〜１９９０ＭＨｚに指定されるＣＤＭＡシステムの加入者装置に関するものである。
【００５１】
図８は、デュアル独立ビームアレイシステム５００（図５）によって利用されるプロセス８００の実施形態のフローチャートである。プロセス８００は、ステップ８０５で開始する。ステップ８１０で、プロセス８００は、制御信号が受信されたかどうかが判断されてアンテナアレイ受信ビームの方向が調整される。受信された場合、ステップ８１５で、プロセス８００は、アンテナアレイに結合された受信重みづけ機構４１５（図５）の状態を制御する。受信されていない場合、プロセス８００は、ステップ８２０に進む。
【００５２】
ステップ８２０で、プロセス８００は、制御信号が受信されたかどうかが判断されて送信ビーム方向が調整される。受信された場合、プロセス８００はステップ８２５に進み、同じアンテナアレイに結合された送信重みづけ機構４２０（図５）の状態を制御する。プロセス８００は、システムが停止しない限り、または停止するまで、ステップ８１０に進む。
【００５３】
プロセス８００の代替実施形態は、（ｉ）増幅器５２０、５２５（図５）を制御するなど、上述した方式で、または（ｉｉ）本明細書で説明してはいないが、指向性ビーム制御の技術分野で一般に理解されている方式で、アンテナアレイ３１５（図３）を制御するため、その他のステップまたはその他の判断ポイントを含むことができる。
【００５４】
プロセス８００は、パーソナルコンピュータ３０５（図３）のコントローラなど、コントローラ４４５（図４）またはマスタコントローラによって実行することができる。
【００５５】
上述の説明は、ポータブルアクセス端末およびその他の無線装置によって使用される、デュアルビーム形成を実現するための全能動アレイについてのものであった。以下の説明では、少なくとも１つの能動アンテナ素子に寄生的に結合される受動アンテナ素子を含む代替実施形態について開示する。この代替実施形態を説明する前に、第１実施形態を、そこで実行されるプロセスの４つのステップに焦点を当てて簡単に再度説明する。
【００５６】
図９は、図４の全能動アンテナアレイの実施形態の全体的な概略図であり、アンテナアセンブリ４０５が、２つの電力分配器（power divider）５３０、５３５、複数のデュプレクサ５１５、複数の移相器５２２、５２７、および複数の増幅器５２０、５２５を使用して、２つの独立可動ビーム３２０、３２５を生成することができる。
【００５７】
回路の経路を辿ると、ＴＸ信号は電力分配器５３０に入り（ステップＡ）、Ｎ本の道筋に分配される。ただし、Ｎは、アンテナアレイ３１５内のアンテナ素子３１７の数である。各道筋の信号は、移相器５２７のＳ１２に入り（ステップＢ）、さらに増幅器５２５に入り、その後、同様の道筋を辿ってきたＲＸ信号と出会う。２つの道筋ＴＸとＲＸは、デュプレクサ５１５に入り（ステップＣ）、２つの経路は１つに合成される。その１つの経路は、Ｎ本のアンテナ素子３１７の１つに接続しており、放射される（ステップＤ）。その他のアンテナ素子３１７と一緒に、異なる帯域に対応する２つの別個のビーム３２０、３２５が形成されるが、これは、各帯域の位相は合成前に移相器５２７、５２２によって別々に制御されるためである。
【００５８】
図１０は、スペクトル的に分離した信号を有する独立可動ビームを生成する指向性アンテナの第２実施形態の概略図である。先の実施形態（図９）の電力分配器５３０、５３５は、空間給電配電システム１０１５で置き換えることができる。複数のデュプレクサを使用する代わりに、単一のデュプレクサを使用することができる。図９のＴ／Ｒビーム形成モジュール４０５内の移相器５２７、５２２は、周波数選択インピーダンス１０１０、Ｓ１１ｓで置き換えることができる。デュプレクサ５１５は、フィルタ６１０（図６）を使用して２つの帯域を分離する。フィルタは特定のＳ１２周波数特性をもつマイクロ波装置である。第２実施形態では、フィルタ６１０と等価のＳ１１周波数特性をもつ周波数選択インピーダンス１０１０を代わりに使用できることが示唆されている。
【００５９】
図１０に示す指向性アンテナの第２実施形態は、図９の第１実施形態と類似する経路をもつが、実施されるステップの順序が異なる。ＴＸ信号経路はデュプレクサ５１５の支援によってＲＸ経路と合成され（ステップＣ）、単一経路を形成する。この単一経路は、空間給電電力分配器１０１５に変更された電力分配器に導かれる（ステップＡ）。Ｎ本の道筋に分配された電力の１つは受動要素１００５に入り、重みづけ機構とも呼ばれ、切替負荷（switched load）とすることができる周波数選択インピーダンス１０１０のＳ１１に会う（ステップＢ）。負荷は、選択された負荷によって位相が、要求された場合はさらに振幅が、変更または制御された信号を、受動要素１００５から返信する（ステップＤ）。すべての受動要素１００５からの再放射波がビームを形成する。周波数選択によって２つのビームを形成するために、周波数選択インピーダンス１０１０は周波数選択的である。
【００６０】
次に図１１を参照すると、以降互換的にＳ１１とも呼ぶ、適切に設計された周波数選択インピーダンス１０１０による、周波数選択プロセスが示されている。Ｓ１１は、短絡回路（ＳＣ）１１１０または開回路（ＯＣ）１１１５を見ることの結果とすることができる。理想的には、短絡回路１１１０および開回路１１１５は、単一の振幅をもち、位相は、０度または１８０度のどちらかのみに変化する。機械的、電子的、または電気機械的スイッチ１１０５を使用する可能なスイッチング構成が、図１１に示されている。
【００６１】
Ｓ１１は、周波数の関数であるインピーダンス特性を有するインピーダンスＺ１  １１２０またはＺ２  １１２５を見ることもできる。Ｚ２  １１２５は、ＴＸに対しては位相０度を、ＲＸに対しては位相１８０度を返す。Ｚ１  １１２０は反対に動作する。図１１では、再放射の位相は、１）ＴＸとＲＸが位相０度、２）ＴＸとＲＸが位相１８０度、３）ＴＸが位相０度、ＲＸが位相１８０度、４）ＴＸが位相１８０度、ＲＸが位相０度の４つの組合せの１つを取ることができる。各要素１１１０、１１１５、１１２０、１１２５は、４つの状態の１つをとる。これらが一緒になって、位相グラフ１１２２、１１２７によって表された異なる周波数帯に対応する、位相分布の２つの組、したがって、２つの異なるビーム３２０、３２５を形成する。非０または１８０度移相器（例えば、３０、６０、または９０度移相器）など、設計にさらなる修正を施すこともできる。位相の段階および位相の組合せを増やすため、スイッチ位置をさらに増やすこともできる。
【００６２】
図１２は、Ｚ１（ｆ）１１２０およびＺ２（ｆ）１１２５をどのように生成するかの一例を示した概略図である。この例では、コイル１２０５とコンデンサ１２１０の簡単なＬＣ直列結合が与えられている。グラフ１２１５、１２２０には、インピーダンスの振幅および位相が周波数の関数としてプロットされており、振幅が小さくなる共振周波数で、位相が急激に変化することが分かる。位相グラフ１２２０は、「Ｓ」字形をしており、そのため、Ｚ２（ｆ）１１２５に利用することができる。この回路の相補回路は、Ｚ１（ｆ）１１２０に利用することができる。より多くの電極を追加することによってシャープなカットオフが得られ、スタガ同調（stagger tuning）によって広帯域が得られる。マイクロ波インピーダンス整合回路用のいくつかの合成技法が説明されている（例えば、非特許文献１参照）。反射位相の良好な増加を可能にするため、スイッチングをインピーダンス回路に組み込むことができる。位相を離散的ではなく連続的に変化させるため、エレクトロニクスを利用することもできる。
【００６３】
上記の構想を図１３に示すような回路アレイに適用した場合、その結果、デュアルビーム３２０、３２５は、アレイ平面内で３６０度にわたって独立に走査することができる。したがって、デュアルビームをサポートする応用例を作成することができる（例えば、特許文献７参照）。上記の構想を３以上の周波数に拡張して、複数帯域の応用例に対応することもできる。
【００６４】
本発明の好ましい実施形態を参照しながら、本発明を具体的に示し、説明してきたが、添付の特許請求の範囲によって確定される本発明の範囲から逸脱することなく、形態および細部に様々な変更を施すことができることは、当業者であれば理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】無線通信システムが配備された環境の図である。
【図２】従来技術によるフェーズドアレイアンテナシステムのブロック図である。
【図３】本発明の原理を利用するシステムが動作する環境の図である。
【図４】図３のシステムによって使用されるデュアル独立ビームアレイの実施形態のブロック図である。
【図５】図４のデュアル独立ビームアレイの実施形態の詳細な概略図である。
【図６】図５のデュアル独立ビームアレイで使用される周波数選択コンポーネントの実施形態の概略図である。
【図７】図６に示す一般的な周波数選択コンポーネントの周波数応答グラフの図である。
【図８】図３のシステムによって利用されるプロセスの実施形態のフローチャートである。
【図９】プロセスステップの注釈が付けられた、図４のデュアル独立ビームアレイの概略図である。
【図１０】プロセスステップの注釈が付けられた、無給電アンテナアレイを有する図９のデュアル独立ビームアレイの代替実施形態の概略図である。
【図１１】図１０の無給電アンテナアレイ内のアンテナ素子に接続された重み付け機構の一例の概略図である。
【図１２】図１１の具体的な重み付け機構の一例の概略図である。
【図１３】図１０の無給電アレイの代替配置のブロック図である。
【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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【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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【国際調査報告】
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