(57)【要約】【課題】フェーズド・アレイ・アンテナ・システムのための広帯域ビームの拡張を提供すること【解決手段】マルチモード・フェーズド・アレイ・アンテナ（「ＭＰＡＡ」）が開示される。前記ＭＰＡＡは少なくとも２つの動作モードを有する。第１の動作モードが第１のメイン・ビームを生成し、第２の動作モードが第２のビームを生成する。前記ＭＰＡＡは放射素子のアレイとして配置された複数の放射素子および前記複数の放射素子と信号通信するコントローラを含む。前記コントローラは、前記複数の放射素子を励起して、前記第１の動作モードでの前記第１のメイン・ビームを有する第１の放射パターンおよび前記第２の動作モードでの前記第２のビームを有する第２の放射パターンを生成するように構成される。前記第２のビームは前記第１のメイン・ビームより広く、前記第２の放射パターンは前記複数の放射素子の単一の放射素子に対する放射パターンと同様である。前記コントローラはまた、前記第１のモードおよび第２の動作モードの間で切り替える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの動作モードを有するマルチモード・フェーズド・アレイ・アンテナ（「ＭＰＡＡ」）であって、第１の動作モードがメイン・ビームを有する第１の放射パターンを生成し、第２の動作モードが第２のビームを有する第２の放射パターンを生成し、前記ＭＰＡＡは、
放射素子のアレイとして配置された複数の放射素子と、
前記複数の放射素子と信号通信するコントローラと、
を備え、
前記コントローラは前記複数の放射素子を励起して、
前記第１の動作モードでの前記メイン・ビームを有する前記第１の放射パターンと、
前記第２の動作モードでの前記第２のビームを有する前記第２の放射パターンと
を生成するように構成され、
前記第２のビームは前記メイン・ビームより広く、
前記第２の放射パターンは前記複数の放射素子の単一の放射素子の放射パターンと同様であり、
前記コントローラはまた、前記第１のモード動作および前記第２の動作モードの間で切り替えるように構成される、
ＭＰＡＡ。
【請求項２】
放射素子の前記アレイはアレイ中心を有し、
前記第２の放射パターンはおおよそ、前記アレイ中心に配置された単一の放射素子の増幅された放射パターンである、
請求項１に記載のＭＰＡＡ。
【請求項３】
前記単一の放射素子は略定指向性遠距離放射パターンおよび略無指向性遠距離放射パターンを有する、請求項２に記載のＭＰＡＡ。
【請求項４】
前記複数の放射素子はアレイ因子を有し、
前記アレイ因子はおおよそ定数のゲインを有する、
請求項３に記載のＭＰＡＡ。
【請求項５】
前記複数の放射素子の各放射素子は対応する放射素子放射パターンを有し、
前記複数の放射素子の各放射素子の前記放射素子放射パターンの全ての合計が前記第２の放射パターンをもたらす、請求項２に記載のＭＰＡＡ。
【請求項６】
前記複数の放射素子の各放射素子は送受信（「Ｔ／Ｒ」）モジュールである、請求項１に記載のＭＰＡＡ。
【請求項７】
前記複数の放射素子の各放射素子は、放射パターンおよび前記放射素子の偏向を含む対応する素子ベクトルを有する、請求項１に記載のＭＰＡＡ。
【請求項８】
前記複数の放射素子はアレイ因子を有し
前記アレイ因子はおおよそ定数のゲインを有する、
請求項７に記載のＭＰＡＡ。
【請求項９】
前記コントローラは前記複数の放射素子に対する複数の励起信号を決定することで前記複数の放射素子を励起するように構成され、
前記複数の励起信号は、前記単一の放射素子の電磁（「ＥＭ」）場に対するBessel関数の切断正則級数拡張を利用しＥＭ場に対するBessel関数の前記切断正則級数拡張を前記ＭＰＡＡに対するアレイ応答と同等視することにより決定される、
請求項８に記載のＭＰＡＡ。
【請求項１０】
放射素子のアレイとして配置された複数の放射素子およびコントローラを有するマルチモード・フェーズド・アレイ・アンテナ（「ＭＰＡＡ」）により生産された第１の放射パターンのメイン・ビームを広げるための方法であって、
前記複数の放射素子を励起して第２の放射パターンを生成するステップ
を含み、
前記第２の放射パターンは前記複数の放射素子の単一の放射素子の放射パターンと同様であり、
前記第２の放射パターンは前記メイン・ビームより広い第２のビームを有する、
方法。
【請求項１１】
前記複数の放射素子を励起するステップが、前記第１の放射パターンを生成する第１の動作モードと前記第２の放射パターンを生成する第２の動作モードの間で前記コントローラを切り替えるステップを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記複数の放射素子を励起するステップは前記複数の放射素子に対する複数の励起信号を決定するステップを含み、
前記複数の励起信号は、前記単一の放射素子の電磁（「ＥＭ」）場に対するBessel関数の切断正則級数拡張を利用しＥＭ場に対するBessel関数の前記切断正則級数拡張を前記ＭＰＡＡに対するアレイ応答と同等視することにより決定される
請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記Bessel関数は次数iの第１種のBessel関数であり、iは整数であり、
前記正則級数はLaurent級数である、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
不均等素子間隔を有するＭＰＡＡに適用され、前記Bessel関数は次数iの第１種のBessel関数であり、基準原点からの波長における前記素子の距離に対応する、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示はアンテナ・システムに関し、特に、フェーズド・アレイ・アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、近代的な通信およびレーダシステムのためのフェーズド・アレイ・アンテナ（「ＰＡＡ」「フェーズド・アレイ」、「アレイ・アンテナ」、「電子的にスキャンされたアレイ・アンテナ」、または単に、「アレイ」としても知られる）の利用がより一般的になっている。一般に、ＰＡＡは大規模な複数の送信または放射（「送受信」または「Ｔ／Ｒ」）素子を含む。当該Ｔ／Ｒ素子は互いの間の計画的な電気位相、振幅および時間的関係をもたらすように設計される。ＰＡＡは、複数のＴ／Ｒ素子からの全体数の放射信号の建設的な重ね合わせまたは破壊的な干渉を提供するために、各Ｔ／Ｒ素子から放射された信号のスペクトル、タイミング、振幅およびフェーズを制御することで形成されるビームを有する遠距離放射パターンを生成する。一般に、全体数の放射信号の相互作用は当該ビームを様々な方向に形成し操縦し、当該ビームの方向は、物理的にＰＡＡを移動するのではなく各Ｔ／Ｒ素子から放射された信号の振幅および位相シフトを制御することで決定される。フェーズ制御は位相シフタおよび真の時間遅延コンポーネントを通じて実施され、振幅制御は減衰器または増幅器を通じて実施され、タイミングおよびスペクトル制御はＰＡＡコントローラ、トランシーバ、およびＰＡＡ放射素子および当該送信線の特性に支配されることは当業者により理解される。
【０００３】
（受信および送信の相互関係に基づいて）受信モードと同様に、位相および振幅を制御することで、ＰＡＡは、信号を所望の方向から受信することができる。異なるアプリケーションに対して利用しうる、例えば、線形アレイ、平面アレイ、周波数スキャンアレイ、位相増分計算アレイ等を含みうるＰＡＡに対して幾つかの異なるタイプの配置がある。
【０００４】
ＰＡＡの共通の特徴は、Ｔ／Ｒ素子の数が増大するとＰＡＡの指向性も増大するというものである。アンテナの指向性は、他の方向の放射よりも或る方向にどのようにアンテナがエネルギを集中させるかの説明である。一般に、アンテナの指向性は、当該アンテナが１００％の放射効率である場合、当該アンテナの電力ゲインに等しい。ＰＡＡにより生産された結果の遠距離放射パターンにおいて、当該遠距離放射パターンは一般に、所与の方向の最大放射を含むメインローブ（即ち、メイン・ビームまたはメインローブ）、および他の方向により弱い放射を含むマイナーローブ（即ち、サイド・ローブ）を含む。Ｔ／Ｒ素子の数がＰＡＡにおいて増大すると、ＰＡＡの指向性が増大し、結果として、当該メイン・ビームの幅が減少することは当業者により理解される。
【０００５】
不都合なことに、メイン・ビームの幅が減少すると、当該メイン・ビームは、例えば、レーダ検索機能、ヌル・ファイリング、投光器モード照射、および合成開口部レーダ（「ＳＡＲ」）を含む幾つかのタイプの通信またはレーダ・アプリケーションの効率的な実装に対して狭すぎることになる。１例として、レーダ検索機能では、当該メイン・ビームは非常に狭いのでフレーム時間が検索されたボリュームと比較して極めて長くなる可能性があり、ミサイルがロックなしに発射されるかまたはロックが当該ミサイルの飛行時間の間に失われる投光器モード照射アプリケーションでは、当該範囲がゼロに近づいているゲーム終了段階で、非常に高い水平加速度が使用されるかもしれず、更新速度が増加する必要があり、当該メイン・ビームは、当該ミサイルのターゲットを捕捉、再補足、またはロックオンするための広いビームを提供するために照射されているターゲット・コンプレックスと比較して狭すぎる。さらに、これはマルチビームに対するヌル・ファイリングにおける適用、または直交波形を有する交換ビームレーダまたは通信アンテナを有し、ＰＡＡは、レーダ動作を維持しまたは他のデバイスとの幾つかの通信レベルを保つために軽減する必要がある遠距離放射ビームのローブの間のその遠距離放射パターンにおいてヌルを有する。さらに、ＳＡＲアプリケーションでは、広いビーム幅が一般に、拡張された期間に対してＳＡＲビームにより線形に訪問される地上のオブジェクトまたは位置を照射するために利用される。これらの例の全てにおいて、一般に多数のＴ／Ｒ素子を有するＰＡＡにより生産されるものより広いメイン・ビームが必要である。これらの問題を解決する試みは、既知のＰＡＡのメイン・ビームを整形し広げるためのビームスポイリング技術の利用を含むが、しかし、既知のビームスポイリング技術は依然として、広帯域システムがこれらの問題を解決するのに十分に広いビームを提供しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、これらの問題を解決するための改善されたシステムおよび方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
マルチモード・フェーズド・アレイ・アンテナ（「ＭＰＡＡ」）が開示される。ＭＰＡＡは少なくとも２つの動作モードを有する。第１の動作モードが第１のメイン・ビームを生成し、第２の動作モードが第２のビームを生成する。ＭＰＡＡは放射素子のアレイとして配置された複数の放射素子および当該複数の放射素子と信号通信するコントローラを含む。当該コントローラは、当該複数の放射素子を励起して、第１の動作モードでの第１のメイン・ビームを有する第１の放射パターンおよび第２の動作モードでの第２のビームを有する第２の放射パターンを生成するように構成される。第２のビームは第１のメイン・ビームより広く、第２の放射パターンは当該複数の放射素子の単一の放射素子に対する放射パターンと同様である。当該コントローラはまた、少なくとも第１の動作モードおよび第２の動作モードの間で切り替えるように構成される。
【０００８】
動作の例では、ＭＰＡＡは第１の放射パターンのメイン・ビームを広げるための方法を実施する。当該方法は当該複数の放射素子を励起して第２の放射パターンを生成するステップを含む。第２の放射パターンは当該複数の放射素子の単一の放射素子の放射パターンと同様であり、第２の放射パターンは第１の放射パターンのメイン・ビームより広い第２のビームを有する。
【０００９】
本発明の他のデバイス、装置、システム、方法、特徴および利点は以下の図面および詳細な説明を検証することで当業者に明らかである。全てのかかる追加のシステム、方法、特徴および利点はこの説明の中にあり、本発明の範囲内にあり、添付クレームにより保護されることが意図されている。
【００１０】
本発明は以下の図面を参照することでより良く理解されうる。当該図面における構成素子は必ずしも正しい縮尺で描かれておらず、本発明の原理の例示が強調されている。当該図面では、同じ参照番号は様々な図面にわたって対応する部分を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示に従うマルチモード・フェーズド・アレイ・アンテナ（「ＭＰＡＡ」）の１実装の例は、のシステム図である。
【図２】線形（即ち、１次元）ＭＰＡＡの例の１実装の例の上面図である。
【図３】平面（即ち、２次元）ＭＰＡＡの例の１実装の例の上面図である。
【図４Ａ】高指向性を有する汎用アンテナに対する遠距離放射パターンの極座標プロットの１実装の例のプロットの図である。
【図４Ｂ】図１Ａに示す遠距離放射パターンの極座標プロットの長方形プロットの図である。
【図５Ａ】等方性アンテナ・ラジエータの遠距離放射パターンの極座標プロットの１実装の例のプロットの図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示す遠距離放射パターンの極座標プロットの長方形プロットの図である。
【図６Ａ】本開示に従うアンテナ素子の遠距離放射パターンの極座標プロットの１実装の例のプロットの図である。
【図６Ｂ】本開示に従う図６Ａに示す遠距離放射パターンの極座標プロットの長方形プロットの図である。
【図７】本開示に従う複数の放射素子に関する例示的な観察ポイントのグラフィカルな図である。
【図８】本開示に従うＭＰＡＡにより実施される方法の１実装の例の流れ図である。
【図９】本開示に従う図１に示す複数の放射素子の遠距離放射パターンの複数の極座標プロットの１実装の例のプロットの図である。
【図１０】本開示に従う図１および９に示す複数の放射素子の結合された指向性遠距離放射パターンの極座標プロットの１実装の例のプロットの図である。
【図１１】本開示に従う図１および９に示す複数の放射素子の理想的な結合された無向遠距離放射パターンの極座標プロットの１実装の例のプロットの図である。
【図１２】本開示に従う図１および９に示す複数の放射素子の非理想的な結合された無向遠距離放射パターンの極座標プロットの１実装の例のプロットの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
マルチモード・フェーズド・アレイ・アンテナ（「ＭＰＡＡ」）を開示する。ＭＰＡＡは少なくとも２つの動作モードを有する。第１の動作モードが第１のメイン・ビームを生成し、第２の動作モードが第２のビームを生成する。ＭＰＡＡは放射素子のアレイとして配置された複数の放射素子および当該複数の放射素子と信号通信するコントローラを含む。当該コントローラは、当該複数の放射素子を励起して、第１の動作モードでの第１のメイン・ビームを有する第１の放射パターンおよび第２の動作モードでの第２のビームを有する第２の放射パターンを生成するように構成される。第２のビームは第１のメイン・ビームより広く、第２の放射パターンは当該複数の放射素子の単一の放射素子に対する放射パターンと同様である。当該コントローラはまた、少なくとも第１の動作モードおよび第２の動作モードの間で切り替えるように構成される。
【００１３】
動作の例では、ＭＰＡＡは第１の放射パターンのメイン・ビームを広げるための方法を実施する。当該方法は複数の放射素子を励起して第２の放射パターンを生成するステップを含む。第２の放射パターンは当該複数の放射素子の単一の放射素子の放射パターンと同様であり、第２の放射パターンは当該メイン・ビームより広い第２のビームを有する。
【００１４】
図１では、本開示に従うＭＰＡＡ１００の１実装の例のシステム図が示されている。ＭＰＡＡ１００は、信号経路１０６を介して複数の放射素子１０２と信号通信する線形（即ち、１次元）、平面（即ち、２次元）、または等角（即ち、３次元）でありうる放射素子のアレイとして配置された複数の放射素子１０２と、コントローラ１０４とを含む。本例では、信号経路１０６は、それぞれ、複数の放射素子１０２の各放射素子１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、および１１８（「アレイ放射素子」または「アレイ素子」としても知られる）と信号通信する信号バス（例えば、コンピュータバス）であってもよい。各放射素子１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、および１１８の出力はコントローラ１０４を介してスペクトル、タイミング、振幅および位相で制御されうる。各放射素子１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、および１１８はそれぞれ、例えば、位相シフタ１２０、１２４、１２８、１３２、１３６、および１４０および例えば、減衰器１２２、１２６、１３０、１３４、１３８、および１４２を含む。各放射素子１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、および１１８の端末１４４、１４６、１４８、１５０、１５２、および１５４は、それぞれ信号経路１５８、１６０、１６２、１６４、１６６、および１６８を介して結合器／フィード・ネットワーク１５６と信号通信する。本例では、トランシーバ１７０はまた、それぞれ信号経路１７２および１７４を介して結合器／フィード・ネットワーク１５６およびコントローラ１０４の両方と信号通信してもよい。本例では、各放射素子１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、および１１８は送受信（「Ｔ／Ｒ」）モジュールであってもよい。さらに、当該放射素子の各々は、例えば、双極子、開口部、パッチ、または他のタイプの個々のアンテナ放射素子でありうる個々のラジエータ１７６、１７８、１８０、１８２、１８４、および１８６を含んでもよい。
【００１５】
ＭＰＡＡ１００、放射素子１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、および１１８、およびコントローラ１０４のまたはそれらに関連付けられた回路、コンポーネント、モジュール、および／またはデバイスは互いと信号通信するとして説明されることは当業者により理解される。信号通信は、回路、コンポーネント、モジュール、および／またはデバイスが別の回路、コンポーネント、モジュール、および／またはデバイスから信号および／または情報を渡しかつ／または受信できるようにする回路、コンポーネント、モジュール、および／またはデバイスの間の任意のタイプの通信および／または接続を指す。当該通信および／または接続が、信号および／または情報を或る回路、コンポーネント、モジュール、および／またはデバイスから別のものへ渡すことができ無線または有線信号経路を含む、回路、コンポーネント、モジュール、および／またはデバイスの間の任意の信号経路に沿ってもよい。当該信号経路は、例えば、導電線、電磁気導波管、光ファイバ、ケーブル、取り付けられたおよび／または電磁気または機械的に接続された端末、準導電性または誘電材料またはデバイス、または他の同様な物理接続または結合のような、物理的なものであってもよい。さらに、信号経路が、通信情報が或る回路、コンポーネント、モジュール、および／またはデバイスから別のものに直接電磁気接続を介して渡されることなく可変のデジタルフォーマットで渡される、自由空間（電磁気伝播の場合）またはデジタルコンポーネントを通じた情報経路のような非物理的なものであってもよい。
【００１６】
本例では、複数の放射素子１０２は複数の放射素子１０２の物理的な中心に対応するアレイ中心１８８を有する。複数の放射素子１０２の各放射素子ペア（即ち、１０８および１１０、１１０および１１２、１１２および１１４、１１４および１１６、および１１６および１１８）は同一量の放射素子間距離１９０（ここでは「ｄ」１９０と称する）だけ離れた部分である（即ち、等しく離れたアレイ）。本例では、アレイ中心１８８が半分の距離（即ち、２つの放射素子１１２および１１４の間の半分）で示されている。間隔ｄ１９０の典型的長さは、例えば、ＭＰＡＡ１００の動作の中心周波数に対応する動作の４分の１の波長、半分の波長、および全波長を含んでもよい。本例では、説明の簡単さのため複数の放射素子１０２内に６個（６）の放射素子１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、および１１８のみが示されているが、放射素子の実際の数がＭＰＡＡ１００の設計に基づいて６よりも少ないか、多いかまたは大幅に多くてもよく、さらに当該放射素子を必ずしも等間隔にする必要はないことは当業者により理解される。１例として、ＭＰＡＡ１００が、当該素子の幾つかの間の間隔が設計（例えば、例えば、最小冗長性線形アレイ（「ＭＲＬＡ」）のような疎に埋められたアンテナ・アレイ）または取付け用支持のような機械制約に起因して必ずしも同様でなくてもよい幾つかの設計においては千個より多くの放射素子を含んでもよい。複数の放射素子１０２の線形部分の長さが増大すると、長いアレイに対して、第１のヌル（「ＢＷＦＮ」）（即ち、アレイ因子がまずメインローブの正の側と負の側の両方でゼロに行く放射パターンの領域）の間のビーム幅（即ち、メイン・ビームの幅）は、おおよそ、動作波長の２倍（即ち、２ｘ）を、（複数の放射素子１０２の）放射素子の総数と放射素子の間の間隔ｄ１９０との積で除したものに等しいことも当業者により理解される。式として書くと、当該ＢＷＦＮは、以下のように動作波長（「λ」）、複数の放射素子１０２の放射素子（「Ｎ」）の数、および間隔ｄ１９０に関係する。
【００１７】
【数１】
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【００１８】
図２では、線形（即ち、１次元）ＭＰＡＡ２００の１実装の例の上面図が示されている。本例では、ＭＰＡＡ２００は、Ｙ軸２０４とＸ軸２０８により定義されたＸＹ平面２０６内のＹ軸２０４に沿った６個（６）の放射素子２０２（１）、２０２（２）、２０２（３）、２０２（４）、２０２（５）、および２０２（６）を含む。前述のように、６個（６）の放射素子２０２（１）、２０２（２）、２０２（３）、２０２（４）、２０２（５）、および２０２（６）のみが例示の目的で示されているが、放射素子の数が２から多数（例えば、１，０００より大きい）に変化してもよいことは当業者により理解される。本例では、放射素子２０２（１）、２０２（２）、２０２（３）、２０２（４）、２０２（５）、および２０２（６）の全ては、図１に関して説明されたように素子間距離ｄ１９０だけ等間隔に離れた部分である。ＭＰＡＡ２００は、ＸＹ平面２０６からＺ軸２１０に沿って舷側方向に正の方向で、負の方向でＸＹ平面２０６に、またはＹ軸２０４の負の方向または正の方向の何れかに沿って、その放射を向けてもよい。本例では、ＭＰＡＡ２００が、Ｚ軸２１０の正の方向に沿って舷側方向にその放射パターンを向けるように構成されると仮定する。本例では、結果の放射パターンは、Ｘ軸２０８とＹ軸２０４の間の方位角φ２１２およびＹ軸２０４とＺ軸２１０に沿った上下角θ（図示せず）に沿ってスキャンされる。
【００１９】
図３では、平面（即ち、２次元）ＭＰＡＡ３０１の１実装の例の上面図が示されている。ＭＰＡＡ２００に関して図２に示す例と異なり、本例では、ＭＰＡＡ３０１は、Ｙ軸２０４とＸ軸２０８により定義されるＸＹ平面２０６内のＹ軸２０４に沿った３６個の（３６）放射素子３００（１）乃至３００（３６）を含む。再度、前述のように、６個の（３６）放射素子３００（１）乃至３００（３６）のみが例示の目的で示されるが、放射素子の数が４つから多数（例えば、１，０００より大きい）に変化してもよいことは当業者により理解される。本例では、放射素子３００（１）乃至３００（３６）の全ては、Ｘ軸２１８およびＹ軸２１４の両方に沿って素子間距離ｄ１９０だけ等間隔に離間された部分である。素子間距離はまた、場合によっては、疎に埋められたアンテナ・アレイを実現するためにＸ軸２１８またはＹ軸２１４に沿って不均等であってもよいが、単純さの目的のため、Ｘ軸２１８とＹ軸２１４方向の両方における素子間距離間隔はｄ１９０に等しい同一の値に設定されていることは理解される。本例では、結果の放射パターンは、球面座標内のＸ軸２０８とＹ軸２０４の間の方位角φ２１２、Ｙ軸２０４とＺ軸２１０に沿った極角（高度としても知られる）θ（図示せず）に沿ってスキャンされる。
【００２０】
図２および３内のＭＰＡＡ１００（それぞれＭＰＡＡ２００およびＭＰＡＡ３０１として示される）の例において、個々の放射素子２０２（１）乃至２０２（６）または３００（１）乃至３００（３６）は、例えば、開口部アンテナ、マイクロストリップ・アンテナ、パッチ・アンテナ、双極子、または他の周知のアンテナ・ラジエータ素子のような一般に既知のアンテナ・ラジエータであってもよい。１例として、各放射素子は、略定指向性を有するおおよそ等方性のラジエータであり略無指向性の遠距離放射パターンを生成するように構成されたアンテナ・ラジエータであるかまたはそれを含んでもよい。図１と同様に、図２および３の両方において、各個々の放射素子２０２（１）乃至２０２（６）または３００（１）乃至３００（３６）は、（図１に示すように）Ｔ／Ｒモジュールの何れかまたはその一部であってもよく、各Ｔ／Ｒモジュールは、とりわけ、位相シフタおよび電力増幅器を含む。当該Ｔ／Ｒモジュールはついで、個々の放射素子２０２（１）乃至２０２（６）または３００（１）乃至３００（３６）を励起し、フェーズテーパ、振幅テーパ、またはその両方で複数の放射素子２０２（１）乃至２０２（６）または３００（１）乃至３００（３６）を、所望の時間およびスペクトルのプロフィールで励起し、メイン・ビームを有する第１の放射パターンを第１の動作モードで生成し、第１の放射パターンのメイン・ビームをスキャン（即ち、操縦）し、第２のビームを有する第２の放射パターンを第２の動作モードで生成し、第１の動作モードまたは第２の動作モードの何れかで動作するようにＭＰＡＡ２００またはＭＰＡＡ３０１を切り替えるように構成されたソフトウェアを格納できるハードウェア・ロジックおよび／またはコンピュータ可読媒体を含みうるビーム操縦コンピュータでありうる（例えば、コントローラ１０４のような）コントローラと信号通信してもよい。本例では、第２のビームは当該メイン・ビームより広く、第２の放射パターンは複数の放射素子（即ち、２０２（１）乃至２０２（６）または３００（１）乃至３００（３６））の単一の放射素子の放射パターンと同様である。再度、本例では、複数の放射素子２０２（１）乃至２０２（６）または３００（１）乃至３００（３６）の単一の放射素子は、例えば、略定指向性を有するおおおよそ等方性のラジエータであり略無指向性の遠距離放射パターンを生成するように構成されたアンテナ・ラジエータであるかまたはそれを含んでもよい。さらに、当該放射素子の個々の放射パターン全ての合計は第１の放射パターンまたは第２の放射パターンの両方を生成する。当該複数の放射素子の各放射素子は放射パターンおよび当該放射素子の偏向を含む対応する放射素子ベクトルを有し、当該複数の放射素子はアレイ因子を有するが、本例では、第２の放射パターンは、おおよそ定数のゲインを有し一般に高度および方位角の両方と独立であるアレイ因子を含む。
【００２１】
第１の放射パターンと第２の放射パターンの特性をより良く示すために、図４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および５Ｂは、第１の放射パターンと第２の放射パターンに対する極座標プロットおよび長方形プロットを示す。特に、図４Ａでは、高指向性を有する汎用アンテナに対する遠距離放射パターンの極座標プロット４００の１実装の例のプロットが示されている。極座標プロット４００は、Ｚ軸４０４に沿った正の方向のメインローブ４０２、Ｚ軸４０４に沿った負の方向のバックローブ４０６、およびＹ軸４１６の正の方向と負の方向に沿ったサイド・ローブ４０８、４１０、４１２、および４１４およびＸ軸４０４とＹ軸４１６の間の角度を含む。本例では、メインローブ４０２、バックローブ４０６、およびサイド・ローブ４０８、４１０、４１２、および４１４は、Ｚ軸４０４とＹ軸４１６により定義されるＸＹ平面４２０に沿ったスキャン角θ４１８（即ち、上下角としても知られる極角）に沿って離間される。本例では、送信モードにおいて、放射エネルギの大部分が、メインローブ４０２内のＺ軸４０４の正の方向に沿って送信され（以降、例えば、Ｚ軸４０４の正の方向に沿った基準０度のスキャン角度θ４１８から−３０度乃至３０度の間のθスキャン角度４１８と称する）、エネルギの少量の部分のみがバックローブ４０６、および４つのサイド・ローブ４０８、４１０、および４１２によってカバーされる他の方向（即ち、他の角度θ４１８）に放射されるので、当該アンテナは高指向性を有する。本例で示す遠距離放射パターンが、個々のアンテナ素子でありうるアンテナまたは当該アンテナの設計に基づくアンテナ・アレイに対する遠距離放射パターンであってもよいことは理解される。１例として、ＭＰＡＡ１００が場合によっては、例えば、放射素子の数、放射素子の間の間隔、放射素子のタイプ、および放射素子を励起するために利用される振幅およびフェーズテーパを含む、ＭＰＡＡ１００の予め決定された設計パラメータに基づいて、極座標プロット４００とおおよそ同様な極座標プロットを有する遠距離放射パターンを生成してもよい。図４Ａに示す遠距離放射パターンを生成するＭＰＡＡ１００の例では、当該遠距離放射パターンは、ＭＰＡＡ１００の第１の動作モードでメイン・ビーム４０２を有する第１の放射パターンであってもよい。
【００２２】
図４Ｂでは、遠距離放射パターンの極座標プロット４００の長方形プロット４２２が示されている。長方形プロット４１８は、スキャン角度θ４１８に沿ってメインローブ４０２、バックローブ４０６、および４つのサイド・ローブ４０８、４１０、および４１２の（（「ｄＢ」での振幅軸４２４に沿った））規模を示すＸＹ平面４２０に沿って切断された２次元プロットである。本例では、メインローブ４０２が（スキャン角度４１８のプラスマイナスの方向に沿って）−３ｄｂ点の間の距離として定義されたビーム幅４２６を有し、当該−３ｄｂ点は、舷側にある（即ち、０度またはラジアンに等しい）スキャン角度θ４１８に対応する点４２６で放射される最大エネルギに関して半分の放射エネルギ点を表すことは当業者により理解される。本例では、バックローブ４０６はおおよそ−１６ｄＢであってもよく、サイド・ローブ４０８、４１０、および４１２は−３０ｄＢ以上であってもよい。しかし、これらの値は純粋に例であり、当該アンテナの励起テーパおよびタイプ、構造および構成の任意の利用に基づいて大幅に変わり得ることは理解される。本開示では「メインローブ」および「メイン・ビーム」という用語を交互に利用してもよいことも理解される。
【００２３】
図５Ａを参照すると、等方性アンテナ・ラジエータ５０２（「等方性ラジエータ」または「点光源」としても知られる）に対する遠距離放射パターンの極座標プロット５００の１実装の例のプロットが示されている。図４Ａの極座標プロット４００と異なり、極座標プロット５００はメインローブを含まないが、実際には全ての方向に同一の強度の放射を発する。等方性アンテナ・ラジエータ５０２は、放射の好適でない方向を有する電磁エネルギの理論的な点光源であることは当業者により理解される。定義により、等方性アンテナ・ラジエータ５０２は、等方性アンテナ・ラジエータ５０２を中心とする球に対して全ての方向に均一に放射する。したがって、アンテナ理論では、等方性アンテナ・ラジエータは、例えばアンテナのゲインを決定する際に他のアンテナ・ラジエータと比較される参照ラジエータとして使用される。したがって、アンテナ理論では、等方性アンテナ・ラジエータ２０２は、全ての方向に０ｄＢの指向性を有すると言われる。図４Ａの例と同様に、例えば、極座標プロット５００は、Ｚ軸４０４とＹ軸４１６により定義されるＸＹ平面４２０に沿って参照０度スキャン角度θ４１８から０乃至３６０度の間のスキャン角度θ４１８を通じて回転する。
【００２４】
図５Ｂでは、図５Ａに示す遠距離放射パターンの極座標プロット５００の長方形プロット５０４が示される。本例では、長方形プロット５０４は、極座標プロット５００の遠距離放射パターンの（振幅軸４２４に沿った）規模を示すＸＹ平面４２０に沿って切断された２次元プロットである。本例では、極座標プロット５００の遠距離放射パターンの長方形プロット５０４の規模が角度０度５０８から−１８０度５１０および０度５０８から１８０度５１２のスキャン角度θ４１８の全てに対して定数５０６であることは当業者により理解される。
【００２５】
図６Ａを参照すると、本開示に従うアンテナ素子６０２の遠距離放射パターンの極座標プロット６００の１実装の例のプロットが示されている。図５Ａの例と同様に、極座標プロット６００はメインローブを含まないが、実際には、放射の大部分が、アンテナ素子６０２の前面に、正のＺ軸４０４において、０度に等しいスキャン角度θ４１８で発せられるカージオイド強度の放射を発する。当該放射パターンはついで、０ｄＢから、Ｙ軸４１６上の負の方向または正の方向に沿って角度０度から−９０度および０度から９０度のスキャン角度θ４１８から例えば、おおよそ−３ｄＢからおおよそ−６ｄＢの範囲に外れる。当該放射パターンはついで、角度−９０度から−１８０度および９０度から１８０度のスキャン角度θ４１８から迅速に外れ、−１８０（または同一のスキャン角度θ４１８であるので、１８０）で極座標プロット６００放射パターンがヌル６０４に降下する。図４Ａに示す例と異なり、かつ、図５Ａに示す例と同様に、アンテナ素子６０２の遠距離放射パターンの極座標プロット６００は、当該遠距離放射パターンが、Ｚ軸４０４とＹ軸４１６により定義されるＸＹ平面４２０に沿った参照０度スキャン角度θ４１８から低指向性を有することを示す。
【００２６】
図６Ｂでは、本開示に従う図６Ａに示す遠距離放射パターンの極座標プロット６００の長方形プロット６０６が示される。本例では、長方形プロット６０６は、極座標プロット６００の遠距離放射パターンの（振幅軸４２４に沿った）規模を示すＸＹ平面４２０に沿って切断された２次元プロットである。本例では、極座標プロット６００の遠距離放射パターンの長方形プロット６０６の規模は、角度０度６０８から−１８０度６１０および０度６０８から１８０度６１２のスキャン角度θ４１８の間の略正弦波であることは当業者により理解される。
【００２７】
本例では、アンテナ素子６０２の遠距離放射パターンの極座標プロット６００は、例えば、パッチ・アンテナのようなマイクロストリップ・アンテナであってもよい。パッチ・アンテナの例示的なケースでは、当該パッチ・アンテナは、おおよそ７０乃至１００ｍｍの地上面平方（ground plane square）上の約２５平方ミリメートル（「ｍｍ」）であってもよい。
【００２８】
本開示では、ＭＰＡＡ１００が場合によっては、再度例えば、放射素子の数、放射素子の間の間隔、放射素子のタイプ、および放射素子を励起するために利用される振幅およびフェーズテーパを含む、ＭＰＡＡ１００の予め決定された設計パラメータに基づいて極座標プロット６００とおおよそ類似する極座標プロットを有する遠距離放射パターンを生成してもよい。ＭＰＡＡ１００が図６Ａに示す遠距離放射パターンを生成する例において、当該遠距離放射パターンは、ＭＰＡＡ１００の動作の第２のモードで極座標プロット６００の遠距離放射パターンとおおよそ同様な第２のビームを有する第２の放射パターンであってもよい。
【００２９】
図１に戻ると、ＭＰＡＡ１００に作用する無線周波数（「ＲＦ」）エネルギ波１９２を受信する動作の例では、コントローラ１０４により各素子１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、および１１８に課されたスペクトル、タイミング、振幅およびフェーズ制御に加えて、空間内のそれらの位置およびＲＦエネルギ波１９２の到着の角度に起因して、素子１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、および１１８に到着するＲＦエネルギ波１９２の間の相対的な位相シフトがある。さらに、各素子１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、および１１８の遠距離放射パターンは、入ってくる平面波（即ち、ＲＦエネルギ波１９２）の到着角度とともに変化する応答につながる。本例では、各素子１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、および１１８は同一であり同一のタイプの遠距離放射パターンを生成すると仮定するので、パターン乗算の原理により、ＭＰＡＡ１００の設計者が、それをＭＰＡＡ１００の総遠距離放射パターンにおける１つの乗法因子として考えることができることは当業者により理解される。したがって、当該遠距離放射パターンの残りの角度依存性はアレイ因子として既知であり、当該アレイ因子は素子の位置およびそれらの励起によってのみ決定される。図１では、ＭＰＡＡ１００は本例では受信側フェーズド・アレイ・アンテナとして示されているが、受信側の放射パターンは相互関係により送信側の遠距離放射パターンと同一であることも当業者により理解される。したがって、本開示では、ＭＰＡＡ１００を記述する説明および添付図面は、どちらがより好都合であるかに応じて、受信または送信の視点の何れかで説明される。
【００３０】
前述のように、本開示は、ＭＰＡＡ１００の結果の放射パターンが単一のラジエータ（即ち、素子）のアンテナ放射パターンに類似するように半径方向に分散されるように、複数の素子１０２をＭＰＡＡ１００で励起することを説明する。これは、３次元形式の電磁波式を利用する方法を実施するコントローラ１０４で実施され制御される。当該電磁波式は媒体を通じてまたは真空内での電磁（「ＥＭ」）波の伝播を記述する二次部分微分式であり、Maxwellの式から導出された３次元形式の波式であることは当業者により理解される。単純さのため、本例では、実際の素子が無指向性放射パターンを示さなくてもよいが、当該方法は各素子１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、および１１８を点光源として近似する。したがって、本例では、当該方法において、単一の素子がＭＰＡＡ１００のアレイ中心（例えば、Ｘ軸２０８とＹ軸２０４の交点）に存在することを仮定する。当該信号素子はまた、定数指向性を有し、ブロードバンドであり、無指向性遠距離放射パターンを有する等方性ラジエータまたは仮想点光源であると仮定される。一般に、当該方法は、電磁波式のMaxwellの微分を利用して、（等方性ラジエータまたは仮想点光源と想定される）この素子周りの任意の空間的位置で測定される時間可変場を記述する。当該方法がついで、複数の素子１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、および１１８を既知の振舞いを有する離散放射素子として利用する単一の素子を模倣する（即ち、近似する）ＭＰＡＡ１００に対する遠距離放射パターンを生成する。
【００３１】
当該方法は、次数ｎの第１種の幾つかのBessel関数を利用するＭＰＡＡ１００に対する遠距離放射パターンを生成する。本例では、当該方法は、ＭＰＡＡ１００アレイ応答に近似されうるBessel関数の切断正則級数拡張を利用してもよい。当該方法はついで、（複数の素子１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、および１１８の）素子励起ごとの正規化定数を利用して、複数の素子１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、および１１８の各素子に対する最大（即ち、ＭＰＡＡ１００の設計ごとの許容可能値）励起振幅を制限してもよい。本例では、複数の素子１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、および１１８の全ての正味の合計が単一の素子と同様な定数ゲイン曲線放射パターンをもたらす。当該方法はまた、この技術を一般に、非等方性ラジエータである素子に対して利用してもよいことは理解される。
【００３２】
本例では、当該方法は、素子のアンテナ・アレイの遠距離放射パターンがアレイ素子ベクトルと当該アンテナ・アレイに対するアレイ因子との積として説明されうる関係を利用する。一般に、当該素子ベクトルは当該素子の放射パターンおよび極性化を包含し、当該アレイ因子は当該素子の空間配置に依存し、それらの励起の重ね合わせを伴う。本例では、当該方法はＭＰＡＡ１００のアレイ因子を操作し、その結果それは定数のゲインとして振る舞う。したがって、当該素子が同様である場合、結果の遠距離放射パターンは、単一の素子と同様である増幅された遠距離放射パターンである。
【００３３】
図７を参照すると、本開示に従う、ＭＰＡＡ７１２内の複数の放射素子７０２、７０４、７０６、７０８、および７１０を参照して例示的な観察ポイント７００のグラフィカルな図が示されている。本例では、放射素子７０２、７０４、７０６、７０８、および７１０は、１乃至Ｎに等しいiに対して、Ｘ軸７１４、Ｙ軸７１６、およびＺ軸７１８に沿ってデカルト位置（Ｘi、Ｙi、Ｘi）に配置される。Ｎは放射素子の総数である。本例では、ＭＰＡＡ７１２は、図１のＭＰＡＡ１００、図２のＭＰＡＡ２００、ＭＰＡＡ３００、または等角フェーズド・アレイと同じタイプのＭＰＡＡであってもよい。
【００３４】
簡単さの目的のため、当該方法は、まず、ＭＰＡＡ７１２が位置ベクトル
【００３５】
【数２】
2018160886.tif 000004
【００３６】
に対応する位置（ｘi、ｙi、ｚi）または（ρi、θi、φi）で空間内に任意に分散された微小単位のセルラジエータ（即ち、前述の放射素子）を有し、ρi、θi、φiは球面座標内の位置の半径距離、極角７２０、および方位角７２２を表すと仮定する。本例では、各放射素子７０２、７０４、７０６、７０８、および７１０が座標（ρ０、θ０、φ０）に対応する位置ベクトル
【００３７】
【数３】
2018160886.tif 000005
【００３８】
を有する観察ポイント７００から基準原点７０６（即ち、前述したアレイの中心）で測定されると仮定して、素子ｉの各々は遠距離放射パターン
【００３９】
【数４】
2018160886.tif 000006
【００４０】
を有する。したがって、これらの素子の結果の遠距離放射パターンは、
【００４１】
【数５】
2018160886.tif 000007
【００４２】
である。ここで、
【００４３】
【数６】
2018160886.tif 000008
【００４４】
である。本例では、単位ベクトル
【００４５】
【数７】
2018160886.tif 000009
【００４６】
はそれぞれ増大するθ７２０およびφ７２２の方向を指し、変数
【００４７】
【数８】
2018160886.tif 000010
【００４８】
は遠距離放射パターンのθ７２０およびφ７２２成分を表し、k=2π/λは波数を表し、ciは経路損失および素子ゲインを含む全体の損失、ゲイン、またはその両方を表し、ωiは素子の重みまたは励起係数を表す複素数であり、
【００４９】
【数９】
2018160886.tif 000011
【００５０】
であり、演算子(.)は内積である。式
【００５１】
【数１０】
2018160886.tif 000012
【００５２】
は一般に、各放射素子７０２、７０４、７０６、７０８、および７１０および観察ポイント７００の間の距離である。本例では、遠距離放射パターン
【００５３】
【数１１】
2018160886.tif 000013
【００５４】
に対する関係は、本方法のアプローチを適用してθ７２０およびφ７２２において別々に場を広げるオプションを提供するために、θ７２０およびφ７２２の角度成分に分割されている。本例では、観察ポイント７００が（ρ0７２４として示される）観察ポイント７００への半径距離が動作波長λよりかなり大きいように遠距離にあると仮定する。これを
【００５５】
【数１２】
2018160886.tif 000014
【００５６】
として表してもよく、iは１からＮまで変化する。
【００５７】
これらの数学導出を簡略化するために、当該方法は全ての当該放射素子に対してci=C=cteと仮定する。その結果、当該関係を
【００５８】
【数１３】
2018160886.tif 000015
【００５９】
と書き直してもよい。ここで、
【００６０】
【数１４】
2018160886.tif 000016
【００６１】
である。これはアレイ因子であり、
【００６２】
【数１５】
2018160886.tif 000017
【００６３】
はスカラである。したがって、この関係はパターン乗算の原理を意味する。全体のアレイパターンは、示すようにアレイ因子と素子パターンの積として説明されうる。
【００６４】
【数１６】
2018160886.tif 000018
【００６５】
これは純粋に素子パターン、周波数、および距離の関数である。これはまた、以下の関係により説明されうる。
【００６６】
【数１７】
2018160886.tif 000019
【００６７】
これを
【００６８】
【数１８】
2018160886.tif 000020
【００６９】
と書き直してもよい。これを再度書き換えてもよい。なぜならば、１例として、ＭＰＡＡを、放射素子間隔ｄを有する均一な線形アレイとして実装してもよいからである。基準原点７０６はＭＰＡＡの中間にある。したがって、上の関係を
【００７０】
【数１９】
2018160886.tif 000021
【００７１】
と書き直してもよい。ここで、ｕはsinθcosθに等しく、Ｍは（Ｎ−１）／２に等しい。
【００７２】
本開示では、目標は、１組のパラメータを発見し、ついで全体のアレイ応答が素子パターン応答の形状を模倣するので第２の項
【００７３】
【数２０】
2018160886.tif 000022
【００７４】
が定数に見えるという想定を発見することである。ωi（即ち、放射素子の重み付け）に着目すると、上の合計が定数となるように重み付けが取得される。
【００７５】
ＭＰＡＡ内に多数の放射素子があり変数「ｘ」がｅｊｋｄｕに等しいことが仮定される場合、当該関係は以下のようであってもよい。
【００７６】
【数２１】
2018160886.tif 000023
【００７７】
上の式がLaurent級数になることは当業者により理解される。ｘ（例えば、ｚ＝ｅ−ｊｋｄｕ）内の変数の選択により、例えば、Ｚ変換のような他の冪級数をまた利用してもよい。当該Ｚ変換を利用することは、異なる要素幾何を考慮するとき、または、さらに各アレイの重みを操作するために有用であることは理解される。さらに、上の関係はまた、離散時間Fourier変換およびそのアイデンティティおよび特性の利用を可能とする。
【００７８】
本例では、単一の点光源のＥＭ場のBessel関数の切断正則級数拡張を利用し、それをアレイ応答に等しくして近似的で最適なアレイ放射素子励起を計算する。各放射素子励起の正規化定数をまた、場合によっては各放射素子に対する最大（即ち、許容可能）励起振幅を制限するように考慮してもよい。より具体的には、Laurent級数を利用することで、Bessel生成関数のアイデンティティの利用を可能とする。
【００７９】
【数２２】
2018160886.tif 000024
【００８０】
と仮定する。Ji(z)は次数iの第１種のBessel関数であり（iは整数）、
【００８１】
【数２３】
2018160886.tif 000025
【００８２】
は、ゲイン調節に対して利用される定数係数であると仮定すると、上の式を
【００８３】
【数２４】
2018160886.tif 000026
【００８４】
と書き直してもよい。パラメータｚは自由度である。上式により、Bessel生成関数の利用が可能となる（ｘが０に等しくないことは既知である）。
【００８５】
【数２５】
2018160886.tif 000027
【００８６】
これらの式を結合すると、全体のアレイパターンは、以下の式により示されるように各放射素子と比較される同様かつ比例的な応答を示す。
【００８７】
【数２６】
2018160886.tif 000028
【００８８】
この最終的な式は、全体のアレイの規模応答が、所与のトポロジに対して周波数依存である一般的なフェーズド・アレイと対照的に周波数独立であることを示す。実際に有限個の素子があり、したがって本例では当該和は切り詰められ、
【００８９】
【数２７】
2018160886.tif 000029
【００９０】
は任意の切り詰め誤差を補償するために利用される。本例では当該誤差項は
【００９１】
【数２８】
2018160886.tif 000030
【００９２】
である。換言すれば、数値分析を通じて、固定のｄおよびｋを有する固定の幾何形状に対して、当該誤差を、方位または高度スキャン角度θおよびφに対するｚ値を選択することで最小化してもよい。一般に、動作の固定のアレイ幾何形状および周波数および選択されたｚに対して、当該誤差は、それを「管理可能な」ゲイン調節により補償できるので、決定的である。したがって、ｚに対するおおよそ最適な選択を、任意のアレイトポロジに対して数値的に計算してもよく、フェーズ変形を削減するために選択してもよい。このプロセスを利用すると、遠距離放射パターンのビームを方位、高度、またはその両方で広げてもよい。パターン乗算原理に基づいて長方形アレイ、円形アレイ、および三角形格子を有する平面アレイに対して同一のプロセスを利用してもよく、３次元非平面アレイトポロジにさらに拡大してもよく、他のアレイ幾何の操作を可能とする離散時間Fourier変換またはＺ変換ベースのアプローチをもたらすために上述の式において変数の他の選択が可能であることは当業者により理解される。さらに、本例では同様な放射素子が利用されたが、説明されたアプローチはＥＭ波の重ね合わせを適用することによってハイブリッド合成を介して同様でない放射素子に等しく適用可能であることは当業者により理解される。さらに、当該素子が等しく離れていないか、または、当該アレイが完全に埋められていないとき、これらの失われた素子に対応する項を制御してもよく、または、第１種の（即ち、Ji(z)の）Bessel関数の次数iを、基準原点７０６からの波長における要素距離に対応するように置き換てもよく、ついで素子励起を再計算し、同様にゲイン
【００９３】
【数２９】
2018160886.tif 000031
【００９４】
を調節して誤差を削減してもよい。本開示では、ビーム拡大効率ηは、新たに計算される励起Pradが与えられた場合にＭＰＡＡにより放射される総電力の最大有能電力Paccとの比として以下の式により説明されうる。
【００９５】
【数３０】
2018160886.tif 000032
【００９６】
重みゲイン項
【００９７】
【数３１】
2018160886.tif 000033
【００９８】
が増大された場合、効率が増大するのが好ましいが、スキャン角度誤差のコストが犠牲になる。したがって、効率と誤差の間にトレードオフがある。素子の数が増大すると、放射効率が減少する。しかし素子のサブセットをグループ化してサブアレイを形成することができる。これらのサブセットの放射パターンを単位セルと仮定することで、本開示で論じられた同一の拡大方法を、多数の素子を有するアレイに対するスケーラブルな実装を取得するために適用することができる。
【００９９】
この方法に基づいて、ＭＰＡＡは、ＭＰＡＡにより生産された第１の放射パターンのメイン・ビームを広げる方法を実施するためのアプローチを利用する。一般に、当該方法は、複数の放射素子を励起して第２の放射パターンを生成するステップであって、第２の放射パターンは当該複数の放射素子の単一の放射素子の放射パターンと同様であり、第２の放射パターンは当該メイン・ビームより広い第２のビームを有する、ステップを含む。本例では、当該複数の放射素子を励起するステップは一般に、第１の放射パターンを生成する第１の動作モードと第２の放射パターンを生成する第２の動作モードの間で（コントローラを用いて）切り替えるステップを含む。
【０１００】
本例では、当該複数の放射素子を励起するステップは当該複数の放射素子に対する複数の励起信号を決定するステップを含み、当該複数の励起信号は、当該単一の放射素子のＥＭ場に対してBessel関数の切断正則級数拡張を利用し、ＥＭ場に対するBessel関数の切断正則級数拡張をＭＰＡＡに対するアレイ応答と等しくするステップにより決定される。
【０１０１】
より具体的には、上述のアプローチに基づいて、図８において、本開示に従う、ＭＰＡＡにより実施される方法の１実装の例の流れ図８００が示されている。前述のように、当該方法は、ステップ８０４で当該複数の放射素子の単一の放射素子のＥＭ場を決定するステップにより開始する（８０２）。当該方法はついで、ステップ８０６で、初期単位定変数またはゲインを割り当てて当該方法の安定性を保証する。当該方法はついで、ステップ８０８で、当該ＥＭ場に当該ゲインを乗じて増幅されたＥＭ場を取得する。ステップ８１０では、当該方法はついで引き続いて、ステップ８０６または８０８と同時に、またはステップ８０６または８０８の前に、ＭＰＡＡが無限の素子アレイを有すると仮定して、ＭＰＡＡに対するパラメトリックな（即ち、パラメータとして既知の１つまたは複数の独立な変数とともに変化する）遠距離放射パターンを決定する。この決定が正則級数拡張（Laurent級数であってもよい）をもたらす。ＭＰＡＡの放射素子に対する励起値は可変である。ステップ８１２では、当該方法はついで次数iの第１種のBessel関数の点で当該ＥＭ場のLaurent級数をマップする（例えば、書き換える）。iは整数である。当該方法はついでステップ８１４で、当該Bessel関数の正則級数拡張を切り詰めて、ＭＰＡＡ内の実際の有限個の放射素子をマッチするように切断正則級数拡張を同一視（即ち、マッチ）する。本例では、当該切断正則級数拡張が決定されると、当該複数の放射素子を励起して第２の放射パターンを生成するための必要な励起信号は（振幅および位相の両方において）既知であることは当業者により理解される。
【０１０２】
当該方法はついで、（ステップ８１６において）（ステップ８０８で生成された）増幅されたＥＭ場を、（ステップ８１４で生成された）切断正則級数拡張と比較し、当該比較（例えば、もしあれば当該結果の差分）がステップ８１８に渡される。ステップ８１８では、当該方法は当該切断正則級数（例えば、第１種の切断Bessel関数）を当該増幅されたＥＭ場と同一視する。当該増幅されたＥＭ場は最初にユニットセルの増大された応答であってもよい。本例では、当該結果はＭＰＡＡの放射素子に対する初期または更新された素子励起の何れかである。当該方法はついで当該初期または更新された素子励起をステップ８２０および８２２の両方に渡す。ステップ８２０では、当該方法は方位または高度スキャン角度に対する任意の切詰め誤差を決定し、ステップ８２２では、当該方法は、新たに決定された初期または更新された素子励起が与えられた場合にＭＰＡＡにより放射される総電力の最大有能電力に対する比率として放射効率を決定する。当該結果は判定ステップ８２４に渡される。当該方法は、（ステップ８２０で決定される）切詰め誤差および／または（ステップ８２２で決定される）決定された放射効率が当該決定された初期または更新された素子励起の利用に値するかどうかまたは当該初期または更新された素子励起におけるさらなる改良が必要かどうかを判定する。当該方法が（判定ステップ８２４において）当該決定された初期または更新された素子励起が当該放射素子を励起する際に使用するために許容可能であると判定した場合、当該方法は８２６で終了する。
【０１０３】
実際、当該方法が、判定ステップ８２４において、決定された初期または更新された素子励起が当該放射素子を励起する際に使用するために許容可能でないと判定した場合、当該方法はステップ８２８に進む。ステップ８２８では、当該方法は、ゲイン値（即ち、
【０１０４】
【数３２】
2018160886.tif 000034
【０１０５】
）を置換および更新して、任意の切詰め誤差を保証する。当該ゲインは単体（即ち、値１）より大きい。当該更新ゲインはついでステップ８０８に渡され、ＥＭ場と乗算され、当該プロセスは、適切に決定された初期または更新された素子励起が当該放射素子を励起する際に使用するために許容可能であるまでステップ８１６乃至８２４を繰り返し、当該方法は８２６で終了する。
【０１０６】
本例示的な方法では、ＭＰＡＡはまず第１の動作モードで動作しており、ＭＰＡＡの複数の素子が、典型的なフェーズアレイ・アンテナである、即ち、第１の放射パターンが高指向性、狭いメイン・ビーム、および複数の低いレベルサイド・ローブを有する非常に指向性の高い第１の放射パターンを生成するために励起されることを仮定する。１例として、第１の動作モードでの複数の放射素子の励起は、指向性であり予め決定されたサイド・ローブレベル性能を有するように第１の放射パターンを合成するアレイ配分テーパを利用してもよい。当該アレイ配分の例は、例えば、Dolph-Chebyshev線形アレイ法またはTaylor分布法を利用して合成されたアレイ配分タッパーを含んでもよい。
【０１０７】
必要なとき、当該コントローラは、ＭＰＡＡの動作を第２の動作モードに切り替えて、第１の放射パターンのメイン・ビームよりかなり広いビームを有する第２の放射パターンを生成するように構成される。第２の動作モードでは、当該コントローラは、第１の放射パターンを第２の放射パターンに変更するために、新たな励起レベル（即ち、決定された初期または更新された素子励起）で複数の放射素子を励起するステップをもたらすステップ８０４乃至８２８を実施してもよい。一般に、ステップ８０４乃至８２８を、場合によってはＭＰＡＡの動作の前に、または、当該コントローラがＭＰＡＡの動作を第１の動作モードから第２の動作モードに切り替えるとオンザフライで、当該コントローラにより実施してもよい。
【０１０８】
本開示で説明されたアプローチに基づいて、当該アプローチはまた、フェーズド・アレイと関連して利用される既知のデジタル回路により生ずる潜在的なラウンドオフまたは量子化誤差を解決することに留意されたい。特に、位相、時間、振幅、および幾つかのケースではスペクトル制御は、多くの近代的なフェーズド・アレイシステムにおいて、デジタル回路により実施される。１例として、フェーズ制御はデジタル位相シフタを利用するステップを実施してもよく、または、振幅制御がデジタル減衰器またはデジタル的に制御された動作増幅器を利用するステップを実施してもよい。一般に、これらのデジタルサブシステムは、量子化および処理における離散ステップの利用に起因してラウンドオフまたは量子化誤差に作用してもよい。一般に、これらの離散ステップは、デジタル・アナログ（および逆も成り立つ）変換に使用される制限された数のビットに起因する。
【０１０９】
したがって、本開示で説明されたアプローチを利用することで、量子化効果が励起計算および最適化の間に組み込まれ、ターゲット励起は量子化能力における限定と境界に基づいて計算される。以前に説明されたパラメータｚを、結果の素子重量
【０１１０】
【数３３】
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【０１１１】
が正確に当該量子化ステップ上にまたはその近くにあるように選択してもよい。
【０１１２】
例えば、１６９個の素子の励起を最適化するとき、最初の３９個の励起が表Ａで列挙され、振幅制御は４ビット（即ち、１つの１６進数の桁）に制限されており、位相制御は１ビットにのみに制限されている（即ち、位相シフトにおいて０度または位相シフトにおいて１８０度の何れか）ことを仮定する。かかる制約および限定を、同一のブロック内の最適化の間に組み込むことができ、切詰め誤差が計算される（即ち、ステップ８２０は、方位または高度スキャン角度に対する任意の切詰め誤差を決定する）。
【０１１３】
図９を参照すると、本開示に従う、複数の放射素子１０２（図１に示す）の遠距離放射パターンの複数の極座標プロット９００、９０２、９０４、９０６、９０８、および９１０の１実装の例のプロットが示されている。本例では、図１の例と同様に、６個の（６）放射素子２０２（１）、２０２（２）、２０２（３）、２０２（４）、２０２（５）、および２０２（６）のみが示されるが、これは例示の簡単さのためにすぎず、場合によっては多数の放射素子があってもよいことは当業者には理解される。図１に関して説明された例と同様に、本例では６個の放射素子２０２（１）、２０２（２）、２０２（３）、２０２（４）、２０２（５）、および２０２（６）は、アレイ中心１８８を中心としてその周りに対称的に配置され、各放射素子ペアが素子間間隔ｄ１９０だけ離間されるとして示される。本例では、当該放射素子は、（図６Ａに示す極座標プロット６００と同様に）形状がカージオイドである個々の遠距離放射パターンを生成するパッチ・アンテナであってもよい。
【０１１４】
図１０では、本開示に従う、複数の放射素子１０２（図１および９に示す）の結合された指向性遠距離放射パターンの極座標プロット１０００の１実装の例のプロットが示されている。本例では、結合された指向性遠距離放射パターン１０００は、（前述した）第１の動作モードの第１の遠距離放射パターンの例である。
【０１１５】
さらに、第１の動作モードにおける当該複数の放射素子１０２の励起は、指向性であり予め決定されたサイド・ローブレベル性能を有するように、結合された指向性遠距離放射パターン１０００を合成するアレイ配分テーパを利用してもよい。再度、当該アレイ配分の例は、例えば、Dolph-Chebyshev線形アレイ法またはTaylor分布法を利用して合成されたアレイ配分タッパーを含んでもよい。
【０１１６】
図１１を参照すると、本開示に従う、複数の放射素子（図１および９に示す）の理想的な結合された無向遠距離放射パターンの極座標プロット１１００の１実装の例のプロットが示されている。本例では、極座標プロット１１００が理想的な結合された無向遠距離放射パターンである理由は、複数の放射素子１０２が線形アレイに編成された無限のまたはほぼ無限の複数の放射素子１０２であると仮定されることである（例示の目的のため、６個の放射素子２０２（１）、２０２（２）、２０２（３）、２０２（４）、２０２（５）、および２０２（６）のみが示される）。本例では、当該理想的な結合された無向遠距離放射パターンは、（前述のように）第２の動作モードの第２の遠距離放射パターンの例である。本例では、図６Ａの例と同様に、極座標プロット１１００はメインローブを含まないが、実際にカージオイド強度の放射を発し、当該放射の大部分は正のＺ軸４０４内の放射素子２０２（１）、２０２（２）、２０２（３）、２０２（４）、２０２（５）、および２０２（６）（即ち、舷側）の前部に０度に等しいスキャン角度θ４１８で放射される。当該結合された無向遠距離放射パターンはついで徐々に、Ｙ軸４１６上の負の方向または正の方向に沿って角度０度から−９０度および０度から９０度のスキャン角度θ４１８から例えばおおよそ−３ｄＢ乃至おおよそ−６ｄＢの範囲に、０ｄＢから外れる。当該結合された無向遠距離放射パターンはついで迅速に、角度−９０度から−１８０度および９０度から１８０度のスキャン角度θ４１８から外れる。−１８０（または同一のスキャン角度θ４１８であるので１８０）で極座標プロット１１００放射パターンがヌル１１０２に落ちる。本例では、理想的な結合された無向遠距離放射パターンが、前述のBessel関数の正則級数拡張を利用して決定される複数の放射素子１０２の励起により合成される。
【０１１７】
図１２では、本開示に従う、当該複数の放射素子の非理想的な結合された無向遠距離放射パターン１０２（図１および９に示す）の極座標プロット１２００の１実装の例のプロットが示されている。本例では、非理想的な結合された無向遠距離放射パターンの極座標プロット１２００は、非理想的な結合された無向遠距離放射パターンの極座標プロット１２００が、ＰＡＡ内の一定の少数の複数の放射素子１０２により部分的に生ずるパターン誤差１２０２を含むということを除いて、理想的な結合された無向遠距離放射パターンの極座標プロット１１００と同様である。再度、本例では、当該非理想的な結合された無向遠距離放射パターンは、（前述のように）第２の動作モードの第２の遠距離放射パターンの例である。複数の素子１０２内の放射素子の数が増大すると、パターン誤差１２０２の「波紋」が減少することは理解される。実装の例として、以下の表Ａは、１６９個の素子を有する長方形アレイの例の最初の３９個の素子に対する対応する計算される励起係数を示す。本例では、第１の、第２の、および第３のカラムは、それぞれＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸に沿った放射素子座標のｘ、ｙ、およびｚである。第４のおよび第５のカラムは、１６進数で計算された振幅、および、上述の方法を利用する複数の放射素子１０２を励起するための度での位相角重み値である。本例では１６９個の放射素子があると仮定するが、例示の目的のため、６個の（６）放射素子２０２（１）、２０２（２）、２０２（３）、２０２（４）、２０２（５）、および２０２（６）のみが図１２で示される。
【表１】
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【０１１８】
様々な態様または本発明の詳細を本発明の範囲から逸脱することなく変更してもよいことは理解される。それは包括的ではなく、クレームされた発明を開示された正確な形態に限定しない。さらに、以上の説明は例示の目的のためにすぎず、限定の目的のためではない。修正および変動が上の説明に鑑みて可能であり、または、本発明を実施することから得られうる。当該クレームおよびそれらの均等物は本発明の範囲を定義する。
【０１１９】
当該異なる例示された実装の例における当該流れ図およびブロック図は、例示的な例における装置および方法の幾つかの可能な実装のアーキテクチャ、機能、および動作を示す。この点、当該流れ図またはブロック図内の各ブロックは、モジュール、セグメント、関数、動作またはステップの一部、その幾つかの組合せを表してもよい。
【０１２０】
例示的な例の幾つかの代替的な実装では、当該ブロック内で示した１つまたは複数の機能は当該図面に示した順序とばらばらに行われてもよい。例えば、幾つかのケースでは、連続的に示された２つのブロックを十分に並列に実行してもよいか、または当該ブロックを場合によっては含まれる機能に応じて逆順に実施してもよい。また、他のブロックを、流れ図またはブロック図内の示されたブロックに加えて追加してもよい。
【０１２１】
当該異なる例示的な例の説明を例示および説明の目的のために提供したが、包括的であるとも、当該形態開示した形態における例に制限する意図はない。多くの修正および変形は当業者には明らかであろう。さらに、異なる例示的な例が、他の所望の例と比較して異なる特徴を提供してもよい。選択された１つまたは複数の例は、前記例の原理、実際の適用を最も良く説明し、当業者が考えられる特定の利用に適するように様々な修正で様々な例に対して本開示を理解できるようにするために選択され、説明されている。
【符号の説明】
【０１２２】
１０２  複数の放射素子
１０４  コントローラ
１７０  トランシーバ
【図１】
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【図２】
2018160886.tif 000038
【図３】
2018160886.tif 000039
【図４Ａ】
2018160886.tif 000040
【図４Ｂ】
2018160886.tif 000041
【図５Ａ】
2018160886.tif 000042
【図５Ｂ】
2018160886.tif 000043
【図６Ａ】
2018160886.tif 000044
【図６Ｂ】
2018160886.tif 000045
【図７】
2018160886.tif 000046
【図８】
2018160886.tif 000047
【図９】
2018160886.tif 000048
【図１０】
2018160886.tif 000049
【図１１】
2018160886.tif 000050
【図１２】
2018160886.tif 000051
【外国語明細書】
2018160886000001.pdf