(57)【要約】無線周波（ＲＦ）送信のためのエネルギー変換器ベースの送信器、方法、多素子アンテナアレイが提供される。例えば、エネルギー変換器ベースの送信器は、制御回路、多入力単出力（ＭＩＳＯ）オペレータ、およびアンテナを含むことができる。制御回路は、入力情報を受け取るように、かつ振幅制御信号および位相制御信号を生成するように構成される。ＭＩＳＯオペレータは、振幅御信号および位相制御信号を受け取るように、かつＲＦ出力信号を生成するように構成される。さらに、アンテナは、ＲＦ出力信号を受信および送信するように構成される。
2014522604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力情報を受け取るように、かつ振幅制御信号および位相制御信号を生成するように構成された制御回路と、
前記振幅御信号および前記位相制御信号を受け取るように、かつ無線周波数（ＲＦ）出力信号を生成するように構成された多入力単出力（ＭＩＳＯ）オペレータと、
前記ＲＦ出力信号を受信および送信するように構成されたアンテナ素子と
を備えることを特徴とするエネルギー変換器ベースの送信器。
【請求項２】
位相制御情報および出力電力制御情報を前記制御回路に供給するように構成されたデジタルおよび混合信号回路をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の送信器。
【請求項３】
前記制御回路は、前記デジタルおよび混合信号回路から供給される前記位相制御情報および前記出力電力制御情報に基づいて前記振幅制御信号および前記位相制御信号を生成するように構成されることを特徴とする請求項２に記載の送信器。
【請求項４】
前記位相制御情報および出力電力制御情報は、前記ＲＦ出力信号の位相および出力電力を決定することを特徴とする請求項３に記載の送信器。
【請求項５】
前記ＭＩＳＯオペレータに供給される電力の量を制御するように構成された電源をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の送信器。
【請求項６】
入力情報に基づいて振幅制御信号および位相制御信号を制御回路により生成するステップと、
前記振幅制御信号および前記位相制御信号に基づいて無線周波数（ＲＦ）出力信号を多入力単出力（ＭＩＳＯ）オペレータにより生成するステップと、
前記ＲＦ出力信号をアンテナにより送信するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
位相制御情報および出力電力制御情報を前記制御回路に供給するステップをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記供給するステップは、前記位相制御情報および前記出力電力制御情報に基づいて前記振幅制御信号および前記位相制御信号を生成するステップを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記位相制御情報および前記出力電力制御情報に基づいて前記振幅制御信号および前記位相制御信号を生成する前記ステップは、前記ＲＦ出力信号の位相および出力電力を決定するステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ＭＩＳＯオペレータに供給される電力の量を電源により制御するステップをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
複数の信号経路を備える多素子送信アンテナアレイであって、前記信号経路のそれぞれが、
入力情報を受け取るように、かつ振幅制御信号および位相制御信号を生成するように構成された制御回路と、
前記振幅御信号および前記位相制御信号を受け取るように、かつ無線周波数（ＲＦ）出力信号を生成するように構成された多入力単出力（ＭＩＳＯ）オペレータと、
前記ＲＦ出力信号を受信および送信するように構成されたアンテナ素子と
を備えることを特徴とする多素子送信アンテナアレイ。
【請求項１２】
位相制御情報および出力電力制御情報を前記制御回路に供給するように構成されたデジタルおよび混合信号回路をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載のアレイ。
【請求項１３】
前記制御回路は、前記デジタルおよび混合信号回路から供給される前記位相制御情報および前記出力電力制御情報に基づいて前記振幅制御信号および前記位相制御信号を生成するように構成されることを特徴とする請求項１２に記載のアレイ。
【請求項１４】
前記位相制御情報および出力電力制御情報は、前記ＲＦ出力信号の位相および出力電力を決定することを特徴とする請求項１３に記載のアレイ。
【請求項１５】
前記複数の信号経路は、多素子電子式可動アンテナ（ＭＥＳＡ）アレイを形成することを特徴とする請求項１１に記載のアレイ。
【請求項１６】
前記複数の信号経路は、多入力多出力（ＭＩＭＯ）アンテナを形成することを特徴とする請求項１１に記載のアレイ。
【請求項１７】
前記複数の信号経路は、複数の多入力多出力（ＭＩＭＯ）アンテナを形成することを特徴とする請求項１１に記載のアレイ。
【請求項１８】
前記複数の信号経路は、セルラ電話、衛星電話、ハンドセットデバイス、またはそれらの組合せのうちの少なくとも１つに使用するための複数のアンテナ素子を形成することを特徴とする請求項１１に記載のアレイ。
【請求項１９】
前記信号経路のそれぞれの前記アンテナ素子を位相較正するように構成された較正経路をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載のアレイ。
【請求項２０】
前記複数の信号経路のそれぞれの利得、放射パターン、動作方向、またはそれらの組合せは、前記複数の信号経路の出力信号間の相対位相シフト、前記複数の信号経路の前記出力信号の振幅、またはそれらの組合せのうちの少なくとも１つを調整することによって調整可能であることを特徴とする請求項１１に記載のアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は一般に、電気的に構成可能および制御可能なアンテナ素子に関する。より具体的には本発明の実施形態は、それだけには限らないが、例えば、多素子アンテナアレイ、多素子電子式可動アンテナ（ＭＥＳＡ）、およびＭＥＳＡを多入力多出力（ＭＩＭＯ）アンテナ技術と組み合わせたもののアンテナ素子など個々のアンテナ素子の振幅パラメータおよび／または位相パラメータを制御および構成することに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、アンテナは、無指向性アンテナ、半指向性アンテナ、および高指向性アンテナの３つのカテゴリに分類され得る。これら３つの一般的なアンテナカテゴリは、それぞれ異なる電磁信号指向特性および利得特性（しばしば「指向性」と呼ばれる）を有する。アンテナ指向性は、アンテナのピーク強度の方向または所望の動作方向の放射強度と、他の全方向の平均放射強度（例えば、対象となる方向を含む比の分母によって獲得される全方向の総積算電力）との比と定義され得る。指向性に加えて、アンテナは、基準角に対するアンテナ信号強度の２次元または３次元のグラフにされ得る放射パターンによっても特徴づけられる。
【０００３】
無指向性アンテナは広い放射パターンを有し、電磁信号を全方向でほぼ均一に送信および受信することができる。無指向性アンテナの例は、ダイポール、ディスコーン、マスク、およびループを含む。半指向性アンテナは、所望のエネルギーおよび信号を所望の方向に集中させることができる。半指向性アンテナの例は、パッチアンテナ、パネルアンテナ（パッチアンテナとパネルアンテナの両方が「平面アンテナ」とも呼ばれる）、および八木アンテナ（例えば、水平導体を有し、いくつかの絶縁ダイポールがその導体に平行に、かつその導体の平面内にある指向性アンテナ）を含む。
【０００４】
半指向性アンテナは、無指向性アンテナと比べて改善された利得を所望の動作方向に示す一方で、他の方向の信号の利得、および／または他の方向の信号からの潜在的な干渉を低減する。上記のように、半指向性アンテナのこれらの特性は指向性と呼ばれる。高指向性アンテナは、上述の一般的なアンテナのタイプと比較して、所望の動作方向においてのより小さい放射角、より集中されたビーム、およびより狭いビーム幅を実現する。高指向性アンテナの例は、パラボラディッシュアンテナ、固定アレイアンテナ、およびグリッドアンテナを含む（グリッドアンテナは例えば、縁部がわずかに内側に湾曲した長方形のバーベキューグリルに似ている。グリッドアンテナ上のワイヤの間隔は、アンテナの設計された動作波長によって決定される。）。
【０００５】
上述の一般的なアンテナのタイプの３つすべて（すなわち、無指向性、半指向性、および高指向性のアンテナ）はまた、固定アンテナ設計として分類されてもよい。固定アンテナ設計は、固定利得、固定放射パターン（例えば、固定指向性）、および固定動作方向を有するものである。固定高指向性アンテナの例は、衛星通信で一般に使用されるパラボラディッシュアンテナである。パラボラディッシュアンテナは反射器を含み、これは、特定の放射パターンでの所望のアンテナ利得およびビーム幅を生成するように寸法設定され、所望の動作方向に向けられ得る。
【０００６】
固定アンテナ設計は、固定利得、固定位置、固定距離および固定方向通信システムに特に適しているが、可変方向および／または可変利得が必要な適用例には特に適していない。例えば、パラボラディッシュアンテナの利得および放射パターンは、ディッシュの反射器のサイズおよび設計に基づいて固定され、その動作方向は、ディッシュの物理的な方向を変えることによってしか変化させることができない。静止パラボラディッシュアンテナのこれらの欠点および制限事項は、ほとんどの固定アンテナ設計に当てはまる。
【０００７】
前述の固定アンテナ設計の制限事項に対して利点を有するアンテナは、多素子電子式可動アンテナ（ＭＥＳＡ）である。このタイプのアンテナは、固定位置でもポータブル（または移動）環境でも利用されてよい。単一のＭＥＳＡは、無指向性、半指向性または高指向性のアンテナ放射パターンまたは指向性を生成するように設計され得る。ＭＥＳＡの指向性および利得は、アンテナアレイ素子の数と、アンテナアレイ素子間の相対位相シフトおよび／または振幅を決定および制御する能力とによって決定される。
【０００８】
ＭＥＳＡは、そのアンテナアレイ素子の相対位相シフトおよび／または振幅を変えることによって、その利得および放射パターン（例えば指向性）、ならびにその動作方向を電子的に変化させることができる。さらに、ＭＥＳＡは、その動作方向、その利得、またはその放射パターンを変化させるのにモータまたはサーボメータなどの機械的構成要素を必要としない。これは、そのサイズと重量の両方が低減されることを可能にして、ＭＥＳＡをポータブル（または移動）通信システムの理想的な候補にする。加えて、ＭＥＳＡ動作パラメータは電子的に修正され得るので、ＭＥＳＡの動作方向は、固定アンテナ設計よりも急速に変化させることができ、ＭＥＳＡを、高速で移動する信号を突き止め、捕捉し、追跡するための良好なアンテナ技術にする。
【０００９】
従来のＭＥＳＡアレイは、指向性を制御するのに様々な移相器（例えば、時間遅延移相器、ベクトル変調器、およびデジタル移相器）を使用する。しかし、このような移相器の入力ダイナミックレンジおよび分解能は限られており、相対位相シフトの決定された構成の設定され得る精度を限定する。ひいては、これは、得られるアンテナアレイのビームステアリング角度の精度、およびいくつかの適用例（例えば、高移動度適用例）でのアンテナアレイの適合性を限定する。アレイのアンテナ素子の数を増加させることは一般に、ビームステアリング角度のより高い精度を可能にするが、実装面積およびコストの増大を伴う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願第１１／２５６１７２号明細書
【特許文献２】米国特許第７１８４７２３号明細書
【特許文献３】米国特許出願第１１／５０８９８９号明細書
【特許文献４】米国特許第７３５５４７０号明細書
【特許文献５】米国特許出願第１２／２３６０７９号明細書
【特許文献６】米国特許第７９１１２７２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、アンテナ設計に関連する実装面積、コスト、および消費電力を最小限にしながら、可変指向性および可変利得を得るためのアンテナ設計が必要とされている。本発明の実施形態は一般に、電子的に構成可能かつ制御可能なアンテナ素子に関連する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の実施形態はエネルギー変換器送信器を含む。この送信器は、入力情報を受け取るように、かつ振幅制御信号および位相制御信号を生成するように構成された制御回路と、振幅御信号および位相制御信号を受け取るように、かつ無線周波数（ＲＦ）出力信号を生成するように構成された多入力単出力（ＭＩＳＯ）オペレータと、ＲＦ出力信号を受信および送信するように構成されたアンテナ素子とを含むことができる。送信器はまた、位相制御情報および出力電力制御情報を制御回路に供給するように構成されたデジタルおよび混合信号回路と、ＭＩＳＯオペレータに供給される電力の量を制御するように構成された電源とを含むこともできる。実施形態では、混合信号回路は、アナログ回路とデジタル回路の両方を含む回路と定義されてよい。混合回路の例は、それだけには限らないが、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）回路、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）回路、パルス幅変調器、および位相ロックループ（ＰＬＬ）回路を含む。
【００１３】
本発明の別の実施形態は、高周波（ＲＦ）信号送信の方法を含む。この方法は、入力情報から導出された振幅制御信号および位相制御信号を制御回路により生成するステップと、振幅制御信号および位相制御信号に基づいて無線周波数（ＲＦ）出力信号を多入力単出力（ＭＩＳＯ）オペレータにより生成するステップと、ＲＦ出力信号をアンテナにより送信するステップとを含む。この方法はまた、位相制御情報および出力電力制御情報を制御回路に供給するステップと、ＭＩＳＯオペレータに供給される電力の量を電源により制御するステップとを含むこともできる。実施形態では、ＭＩＳＯオペレータは、振幅制御信号および位相制御信号によって制御され得るエネルギー変換器である。
【００１４】
本発明の別の実施形態は、多素子アンテナアレイを含む。このアレイは複数の信号経路を含むことができ、信号経路のそれぞれは、入力情報を受け取るように、かつ振幅制御信号および位相制御信号を生成するように構成された制御回路と、振幅御信号および位相制御信号を受け取るように、かつ無線周波数（ＲＦ）出力信号を生成するように構成された多入力単出力（ＭＩＳＯ）オペレータと、ＲＦ出力信号を受信および送信するように構成されたアンテナ素子とを含む。アレイはまた、位相制御情報および出力電力制御情報を制御回路に供給するように構成されたデジタルおよび混合信号回路と、信号経路のそれぞれについてアンテナ素子の振幅および位相を較正するように構成された較正経路とを含むこともできる。それぞれの信号経路のＭＩＳＯオペレータは、振幅制御信号および位相制御信号によって制御され得るエネルギー変換器である。
【００１５】
本発明の別の実施形態、特徴および利点、ならびに本発明の様々な実施形態の構造および動作について、添付の図面を参照して以下で詳細に説明される。本発明は、本明細書に記載された特定の実施形態に限定されないことに留意されたい。このような実施形態は、本明細書では説明の目的にだけ提示される。さらなる実施形態は、本明細書に包含される教示に基づいて当業者には明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を形成する添付の図面は、本発明の実施形態を図示すると共に、本明細書と合わせて、本発明の原理を説明するのに、また当業者が本発明物を作製し使用することを可能にするのにも役立つ。
【図１Ａ】２素子アンテナアレイビームステアリング例を示す図である。
【図１Ｂ】２素子アンテナアレイビームステアリング例を示す図である。
【図２Ａ】６素子アンテナアレイビームステアリング例を示す図である。
【図２Ｂ】６素子アンテナアレイビームステアリング例を示す図である。
【図３Ａ】異なる主ビームステアリング角度値での２０素子アンテナアレイの例示的ビームを示す図である。
【図３Ｂ】異なる主ビームステアリング角度値での２０素子アンテナアレイの例示的ビームを示す図である。
【図３Ｃ】異なる主ビームステアリング角度値での２０素子アンテナアレイの例示的ビームを示す図である。
【図４】従来の多素子送信アンテナアレイを示す図である。
【図５】本発明の実施形態による、エネルギー変換器ベースの多素子アンテナアレイを示す図である。
【図６】例示的エネルギー変換器ベースのＲＦ送信器を示す図である。
【図７】例示的多入力多出力（ＭＩＭＯ）アンテナ構成を示す図である。
【図８】本発明の実施形態による、エネルギー変換器ベースの多素子送信アンテナアレイおよびエネルギーサンプリングベースの多素子受信アンテナアレイを有する例示的無線デバイスを示す図である。
【図９】本発明の実施形態による、エネルギー変換器ベースの多素子送信アンテナアレイの較正機能の例示的実施態様を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態による、多素子送信アンテナアレイの送信アンテナ素子を較正する方法の処理流れ図である。
【図１１Ａ】本発明の実施形態による、多素子電子式可動アンテナ（ＭＥＳＡ）の例示的構成を示す図である。
【図１１Ｂ】本発明の実施形態による、多素子電子式可動アンテナ（ＭＥＳＡ）の例示的構成を示す図である。
【図１１Ｃ】本発明の実施形態による、多素子電子式可動アンテナ（ＭＥＳＡ）の例示的構成を示す図である。
【図１１Ｄ】本発明の実施形態による、多素子電子式可動アンテナ（ＭＥＳＡ）の例示的構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態が実施されてよい例示的移動デバイス通信システムを示す図である。
【００１７】
本発明の実施形態が添付の図面を参照して説明される。通例、要素が最初に現われる図面は、対応する参照番号の最も左の数字によって通常は表示される。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
１．エネルギー変換器
「エネルギー変換器」という用語が明細書全体を通して使用される。実施形態では、エネルギー変換器は、トランスインピーダンスノードにおいてダイナミックインピーダンスを制御することによって、エネルギーをポテンシャルエネルギー（例えば、ＡＣまたはＤＣ電源）から無線周波数（ＲＦ）信号に変換するように構成された装置であり、それによって可変の動的負荷線を得る。エネルギー変換器の例は、上記の相互参照された米国特許に記載されており、これらは参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。例えば、上記の相互参照された米国特許の少なくとも１つに記載されているように、エネルギー変換器ベースの送信器は、所望の波形を出力電力の広い範囲にわたって高度に線形に、かつ効率的に発生することを可能にする。この高度に線形かつ効率的なエネルギー変換器は、エネルギー変換器ベースの送信器の様々な段に適用され得る振幅および／または位相制御機構によって支援される。例えば、振幅および／または位相制御信号は、デジタル制御回路（いくつかの実施形態では、本明細書で「ベクトル合成エンジン」（ＶＳＥ）とも呼ばれる）によって生成され、エネルギー変換器ベースの送信器の多入力多出力（ＭＩＳＯ）オペレータ回路に加えられてよい。次に、振幅および／または位相制御信号は、エネルギー変換器の出力において高い振幅／位相精度を確保するために、様々な回路およびシステム特性化、回路および／またはシステム較正および／またはフィードバック（例えば、測定および補正）機構によって支援されてよい。
【００１９】
実施形態では、ＭＩＳＯオペレータは、ポテンシャルエネルギー源とＲＦ出力回路の間のインピーダンスを制御して所望の出力電力で所望のＲＦ信号を生成するように構成されてよい。実施形態では、ＭＩＳＯオペレータへの多数の制御入力部は、制御上方岐路回路と制御下方岐路回路に分割された制御経路とすることができる。あるいは、ＭＩＳＯオペレータへの多数の制御入力部は、多数の制御経路がある単一の岐路を制御することもできる。ＭＩＳＯへの入力部として機能する制御経路は、トランスインピーダンスノードの複素インピーダンスを制御するために、ＭＩＳＯオペレータによって直接または間接的に利用されてよい。本発明の実施形態により、ＭＩＳＯオペレータへのそれぞれのベースバンド情報入力サンプルは、対応する複素インピーダンス値をトランスインピーダンスノードにおいて有してよい。ＭＩＳＯオペレータおよび対応するＭＩＳＯ回路は、トランスインピーダンスノードのインピーダンスが振幅制御信号および位相制御信号（例えば、ＭＩＳＯオペレータへの入力）に基づいて変えられてよいような、数学的「関数」または「演算」を適用するとみなされてよい。
【００２０】
実施形態では、エネルギー変換器は、ある種類の電気エネルギーを別の種類のエネルギーに変換することができる。エネルギー変換器への入力ポテンシャルエネルギーの統計量は、エネルギー変換器からの出力エネルギーの統計量と異なり得る。したがって、多様な形の電気エネルギー（例えば、ＡＣまたはＤＣエネルギー）は、エネルギー変換器の入力部で消費され、エネルギー変換器の出力部で所望の変調ＲＦ搬送波を生成するように変調され得る。
【００２１】
「エネルギー変換器」の上記の説明は、従来の増幅器の特性と対照をなす。例えば、当業者によって理解されるように、従来の増幅器は、増幅器の出力に対して任意の統計量を保有する入力を受け入れるように設計されていない。むしろ、従来の増幅器は通常、電圧、電流および周波数を含む入力の基本的な統計量を、増幅過程中に消費される増幅器の電力供給による付加電力増加と共に、その出力において再現するように設計される。
【００２２】
さらに、従来の増幅器設計では、増幅器への入力は、増幅器の出力と一致する搬送波周波数を保有しなければならず、また、入力と出力の相互相関は可能な限り１に近いか、または増幅器の最小限の出力波形要件を満たすべきである。例えば、従来の増幅器は、その入力部に結合されるべき変調ＲＦ搬送波信号を必要とし、出力部には、その入力変調ＲＦ搬送波信号の増幅されたバージョンを必要とする。この要件は、増幅器設計において雑音および非直線性の原因となることに加わるものである。
【００２３】
２．多素子アンテナアレイにおけるビームステアリング
この節では、多素子アンテナアレイにおけるビームステアリングが説明される。例として、図１Ａおよび図１Ｂは、例示的２素子アンテナアレイ１００におけるビームステアリングを概念的に図示する。アンテナアレイ１００は、送信アンテナでも受信アンテナでもよい。図１Ａに示されるように、アンテナ１００は、アンテナアレイ１００の第１のアンテナ素子および第２のアンテナ素子（図１Ａに図示せず）の位相をそれぞれ制御する第１の可変移相器１０２、および第２の可変移相器１０４を含む。
【００２４】
アンテナアレイ１００の（アンテナの動作方向を決定する）主ビームステアリング角度（基準Ｙ軸に対して測定される）は、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子の間の相対位相シフト（本明細書では「ΔΦ」と表記される）の関数になる。図１Ａで、主ビームステアリング角度は、記号「Φｓ」で表記されている。
【００２５】
アンテナアレイ１００の主ビームステアリング角度と、アンテナアレイ１００の第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子の間の相対位相シフトとは、次式によって関係づけられることが示され得る。
【００２６】
【数１】
2014522604.tif 000003
【００２７】
ここでｘは、図１Ａで「ｘ」と標示された距離であり、λは送信／受信ビームの波長である。
【００２８】
図１Ａから、アンテナアレイ１００の第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子の間の距離（図１Ａで「ｄ」と表記）は、次式により「ｘ」と関係づけられる。
ｘ＝ｄ＊ｓｉｎ（Φｓ）          （２）
【００２９】
したがって、代入することにより、アンテナアレイ１００の第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子の間の相対位相シフトは、アレイの主ビームステアリング角度の関数として次式のように書き表され得る。
【００３０】
【数２】
2014522604.tif 000004
【００３１】
数値例として、アンテナアレイ１００のＲＦ出力周波数が３ＧＨｚ（波長（λ）＝９．９９３ｃｍに相当）、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子の間の距離（ｄ）が２．５ｃｍ、所望のビームステアリング角度（Φｓ）が４５度であると想定する。これらの数値を上記の式（３）に代入すると、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子の間に約６３．６８４度の相対位相シフト（ΔΦ）が得られる。この例から得られるアンテナアレイビーム１０６が図１Ｂに図示されている。
【００３２】
図２Ａは、例示的６素子アンテナアレイ２００におけるビームステアリングを概念的に図示する。図２Ｂは、４５度のビームステアリング角度（Φｓ）の場合にアンテナアレイ２００によって生成される例示的ビーム２１０を示す。例示的２素子アンテナアレイ１００と同様に、アンテナアレイ２００のビームステアリング角度（Φｓ）は、アレイの連続するアンテナ素子間の相対位相シフトの関数になる。
【００３３】
図３Ａ〜３Ｃは、異なる主ビームステアリング角度値での２０素子アンテナアレイの例示的ビームパターンを示す。具体的には、図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃは、２０素子アンテナアレイを使用して生成される４５度、６０度および９０度のビームステアリング角度（Φｓ）それぞれでの例示的アンテナアレイビームパターン３００Ａ、３００Ｂおよび３００Ｃをそれぞれ示す。図３Ａ〜３Ｃに示されるように、２０素子アンテナアレイの指向性（例えば、所望の方向の利得、および／または他の方向の信号からの潜在的干渉の減衰量）は、選択されたビームステアリング角度（Φｓ）において最大になる。
【００３４】
３．従来の多素子アンテナアレイ
図４は、従来の多素子送信アンテナアレイ４００を示す。図４に示されるように、従来の多素子送信アンテナアレイ４００は複数（Ｎ）の単一経路を含み、それぞれが送信器４０２１〜４０２Ｎ、電力増幅器（ＰＡ）４０４１〜４０４Ｎ、可変移相器４０６１〜４０６Ｎ、およびアンテナ素子４０８１〜４０８Ｎを含む。送信（ＴＸ）情報４１０は、複数の信号経路のそれぞれに、そのそれぞれの送信器４０２１〜４０２Ｎを介して同時に入力される。送信器４０２は、任意の知られている従来の送信器でよい。送信器４０２１〜４０２Ｎは、局部発振器（ＬＯ）４１４からの基準信号４１６を使用して、例えば入力ＴＸ情報４１０を変調および／または周波数アップコンバートする。送信器４０２１〜４０２Ｎの出力は、それぞれＰＡ４０４１〜４０４Ｎによって電力増幅され、次に、可変移相器４０６１〜４０６Ｎによる作用をそれぞれ受ける。具体的には、それぞれの可変移相器４０６１〜４０６Ｎは、それぞれの位相シフト制御信号４１２１〜４１２Ｎに基づいて、それぞれの位相シフトをそれぞれのＰＡ出力に施す。
【００３５】
多素子アンテナアレイ４００によって所望のビームステアリング角度を実現するには、連続するアンテナ素子４０８１〜４０８Ｎ間の相対位相シフトが適切に設定されなければならない。これは、連続するアンテナ素子４０８１〜４０８Ｎ間の、結果として所望のビームステアリング角度になる、相対位相シフトの構成を決定することを含み、また、決定された構成を実現するために、必要に応じて、単一の経路ごとに可変移相器４０６１〜４０６Ｎを制御することを含む。
【００３６】
従来のＭＥＳＡアレイを含む従来の多素子アンテナアレイは、例えば時間遅延移相器、ベクトル変調器、およびデジタル移相器を使用して可変移相器４０６１〜４０６Ｎを実施する。しかし、このような移相器のダイナミックレンジおよび分解能は限られており、相対位相シフトの決定された構成の設定され得る精度を限定する。ひいては、これは、得られるアンテナアレイのビームステアリング角度の精度、およびいくつかの適用例（例えば、高移動度適用例）でのアンテナアレイの適合性を限定する。アレイのアンテナ素子の数を増加させることが一般に、ビームステアリング角度のより高い精度を可能にするが、実装面積、コスト、および消費電力の増大を伴う。
【００３７】
４．エネルギー変換器ベースの多素子アンテナアレイ
本発明の実施形態は、以下で説明されるエネルギー変換器ベースの多素子アンテナアレイを提示する。実施形態では、多素子アンテナアレイは電子的に可動である。
【００３８】
図５は、本発明の実施形態によるエネルギー変換器ベースの多素子アンテナアレイ５００を示す。図５に示されるように、エネルギー変換器ベースの多素子アンテナアレイ５００は複数（Ｎ）の信号経路を含み、それぞれがエネルギー変換器ベースの送信器５０２１〜５０２Ｎおよびアンテナ素子５０４１〜５０４Ｎを含む。本発明の実施形態によれば、各経路内のエネルギー変換器ベースの送信器５０２１〜５０２Ｎには、ＬＯ４１４からの基準信号４１６、ならびに送信（ＴＸ）情報、アンテナ素子位相制御情報、および出力電力制御情報が供給される。実施形態では、ＴＸ情報、アンテナ素子位相制御情報、および出力電力制御情報は、例えばマイクロプロセッサ、ＦＰＧＡ、デジタル信号プロセッサ、状態機械、またはそれらの組合せ（図５には示されていない）を含み得るデジタル回路および／または混合信号回路から各エネルギー変換器ベースの送信器５０２１〜５０２Ｎに供給される。
【００３９】
したがって、エネルギー変換器ベースの多素子アンテナアレイ実施形態は、各信号経路において、従来の送信器、電力増幅器、および可変移相器（例えば、図４の従来の多素子アンテナアレイ４００に使用されている）を単一のエネルギー変換器ベースの送信器と置き換える。エネルギー変換器ベースの多素子アンテナアレイの利点は、サイズに関しての大幅な節減と、消費電力の低減と、多数のＲＦ信号、波形および無線方式を同一のエネルギー変換器ベースの送信器回路で送信する能力と、それぞれのアンテナ素子について高められた位相精度および振幅精度とをとりわけ含む。
【００４０】
加えて、本発明の実施形態は、エネルギー変換器ベースの送信器の様々なレベルの振幅および／または位相制御機構を強化して、多素子アンテナアレイにおける高度に制御可能でもあり高精度でもあるビームステアリングを可能にする。実際に、上述のように、本発明の実施形態によれば、エネルギー変換器ベースの送信器の振幅および／または位相は、エネルギー変換器ベースの送信器の多数の段の１または複数を使用して所与の時間に制御され得る。
【００４１】
図６は、本発明の実施形態による、例示的エネルギー変換器ベースの送信器実施態様６００を示す。例示的実施態様６００に基づく実施形態は、図５の多素子アンテナアレイ５００などのエネルギー変換器ベースの多素子アンテナアレイに使用されてよい。図６に示されるように、エネルギー変換器ベースの送信器実施態様６００は、ベクトル合成エンジン（ＶＳＥ）回路６０２、補間／アンチエイリアスフィルタ回路６０８、多入力単出力（ＭＩＳＯ）オペレータ６２０、およびデジタル制御電源（ＤＣＰＳ）回路６１６を含む。
【００４２】
ＶＳＥ回路６０２は、コマンドおよび制御インターフェース５０６を介してコマンドおよび制御情報を受け取る。実施形態では、コマンドおよび制御情報は、例えばマイクロプロセッサ、ＦＰＧＡ、デジタル信号プロセッサ、状態機械、またはそれらの組合せ（図６には示されていない）を含み得るデジタル回路および／または混合信号回路から供給され、送信（ＴＸ）情報、アンテナ素子位相制御情報、および出力電力制御情報を含む。加えて、ＶＳＥ回路６０２は、例えばベースバンドプロセッサからデータインターフェースを介してＩ情報およびＱ情報を受け取る。
【００４３】
ＶＳＥ回路６０２は、受け取ったＩ情報およびＱ情報、素子位相、ならびに素子電力制御情報を用いて、振幅制御信号６１０、位相制御信号６１２（これらは補間／アンチエイリアスフィルタ回路６０８によってフィルタリングされる）、およびＤＣＰＳ制御信号６０６を生成する。ＶＳＥ回路６０２および補間／アンチエイリアスフィルタ回路６０８は、振幅制御信号６１０および位相制御信号６１２をＭＩＳＯオペレータ６２０に供給し、またＶＳＥ回路は、所望のＲＦ出力波形を所望の振幅および位相で生成するために、ＤＣＰＳ制御信号６０６をＤＣＰＳ回路６１６に供給する。
【００４４】
振幅制御信号６１０、位相制御信号６１２、フィルタ信号および制御インターフェース信号６０４、ならびにＤＣＰＳ制御信号６０６は、単独または様々な組合せで使用されて、ＭＩＳＯオペレータ６２０の出力信号の振幅および／または位相を制御することができる。具体的には、振幅制御信号６１０および位相制御信号６１２は、ＭＩＳＯオペレータ６２０の様々な段を制御することによって、ＭＩＳＯオペレータ６２０の出力を制御する。同様に、フィルタ信号および制御インターフェース信号６０４、ならびにＤＣＰＳ制御信号６０６は、それぞれ補間／アンチエイリアスフィルタ回路６０８の応答を変更することによって、またＭＩＳＯオペレータおよび出力記憶ネットワーク６２０に供給される電力量を制御することによって、ＭＩＳＯオペレータ６２０の出力信号の振幅および／または位相を制御する。
【００４５】
エネルギー変換器ベースの送信器のさらに詳細な実施態様は、２００５年１０月２４日に出願された特許文献１で現在は特許文献２（整理番号１７４４．１９００００６）、２００６年８月２４日に出願された特許文献３で現在は特許文献４（整理番号１７４４．２１６０００１）、および２００８年９月２３日に出願された特許文献５で現在は特許文献６（整理番号１７４４．２２６００００）に記載されており、これらの特許文献すべてが参照によりそれらの全体で本明細書に組み込まれる。これらの米国特許に詳述されているように、エネルギー変換器ベースの送信器内の振幅および／または位相制御は、エネルギー変換器ベースの送信器のＶＳＥ回路６０２（デジタル制御または転送機能モジュールとも呼ばれる）、補間／アンチエイリアスフィルタ回路６０８、ＭＩＳＯオペレータ６２０（ベクトル変調および出力段を含む）、およびＤＣＰＳ回路６１６のうちの少なくとも１つを使用して、任意の所与の時間に適用され得る。振幅および／または位相制御の精度は、上記の米国特許に記載されているように、様々な回路およびシステム特性化、回路および／またはシステム較正、および／またはフィードフォワード（例えば、事前補償）機構および／またはフィードバック（例えば、測定および補正）機構によってさらに支援されてよい。
【００４６】
合わせて、本発明の実施形態によれば、エネルギー変換器ベースの送信器の様々なレベルの振幅および／または位相制御機構は、様々な分解能レベル（例えば、精度レベル）を可能にしてエネルギー変換器ベースの送信器の振幅および／または位相を設定するために使用されてよい。さらには、エネルギー変換器ベースの送信器がエネルギー変換器ベースの多素子アンテナアレイに使用される場合、様々なビームステアリング（例えば、指向性）精度レベルが可能にされ得る。例えば、所望のビームステアリング精度に応じて、多素子アンテナアレイの１または複数の（またはそれぞれの）エネルギー変換器ベースの送信器に、振幅／位相制御機構のうちの１または複数が使用されてよい。加えて、それぞれの制御ダイナミックレンジを持つ多数の制御機構を結合することによって、結果として得られるビームステアリング精度レベルは、従来の可変移相器を使用することによって可能なレベルよりも高い再現性レベルと共に、より高い精度を含む。
【００４７】
５．ＭＥＳＡベースの多入力多出力（ＭＩＭＯ）アンテナ
多入力多出力（ＭＩＭＯ）アンテナ動作は、「空間多重化」と呼ばれることが多い。空間多重化とは、１または複数の高データレート信号を多数の（かつ場合によって低）データレート信号に分離する技法を指し、これらの信号は次に、異なる送信アンテナを介して同一の周波数またはチャネルで送信される。送信アンテナが、適度に異なる空間シグネチャを有する（例えばアンテナが、異なる偏波を有する、または異なる平面に存在する）場合、同数の受信アンテナを有する受信器は、並列チャネルとして多数のデータレート信号を処理することができる。そのようにして空間多重化は、チャネル容量を大幅に増大させることができる。ＭＩＭＯ動作は、少なくとも２つのアンテナを必要とするが、空間的に分離され得る、実際上可能なだけ多くのアンテナを使用することができる。
【００４８】
図７は、例示的ＭＩＭＯ通信システム７００を示す。図７に示されるように、例示的ＭＩＭＯ通信システム７００は、３つの送信（ＴＸ）アンテナＡ、ＢおよびＣを有するＭＩＭＯ送信アンテナ７０２と、３つの受信（ＲＸ）アンテナＡ、ＢおよびＣを有するＭＩＭＯ受信アンテナ７０４とを含む。ＴＸアンテナＡ、ＢおよびＣは、互いに直交する偏波（例えば、Ｘ偏波、Ｙ偏波およびＺ偏波）を有する。ＲＸアンテナＡ、ＢおよびＣもまた、互いに直交する偏波（例えば、Ｘ偏波、Ｙ偏波およびＺ偏波）を有する。加えて、ＴＸアンテナＡ、ＢおよびＣとＲＸアンテナＡ、ＢおよびＣとは、一致する偏波を有するように構成される（例えば、ＴＸアンテナＡとＲＸアンテナＡの両方がＸ偏波を有する）。
【００４９】
上述のＭＩＭＯアンテナ構成の結果として、所望の空間信号経路がＭＩＭＯ送信アンテナ７０２とＭＩＭＯ受信アンテナ７０４の間に作り出され得る。例えば、図７に示されるように、３つの空間的に独立した信号経路７０６Ａ、７０６Ｂ、および７０６Ｃが作り出され得る。空間的に独立した信号経路７０６Ａ、７０６Ｂ、および７０６Ｃは、ＭＩＭＯ送信アンテナ７０２とＭＩＭＯ受信アンテナ７０４の間で多数の同時送信が行われることを可能にする。
【００５０】
上述のように、本発明の実施形態は、多素子電子式可動アンテナ（ＭＥＳＡ）アレイを可能にする。ＭＥＳＡアレイは、アレイのアンテナ素子の相対位相シフトおよび／または振幅を変えることによって、その利得、放射パターン、および／または動作方向を電子的に変化させるように制御され得る。実施形態では、ＭＥＳＡアレイは少なくとも２つのアンテナ素子を含む。
【００５１】
本発明の実施形態によれば、ＭＥＳＡアレイは、ＭＩＭＯ通信システムにさらに使用されてよい。そのようにして実施形態では、ＭＩＭＯ送信アンテナの各ＴＸアンテナは、１または複数のＭＥＳＡとして実施される。その結果、各ＴＸアンテナは、環境（またはその変化）に応じて、高い性能および／または最適の性能を得るように電子的に構成または再構成されてよい。例えば、各ＴＸアンテナのビーム幅およびビーム方向は、ＭＩＭＯ受信器からのフィードバックに基づいて電子的に変えられてよい。これは、例えば所望の空間多重化を実現するため、ＭＩＭＯ空間経路の数を増加させるため、受信器においてＭＩＭＯ信号の信号対雑音比を改善するため、および／またはＭＩＭＯ空間経路間の空間的分離を増大させるために（例えば、情報データレートを向上させる、またはチャネル干渉を補償するために）行われてよい。
【００５２】
したがって、本発明の実施形態は、必要に応じて空間多重化システムパラメータを最適化するように構成可能なＭＥＳＡベースのＭＩＭＯ送信アンテナを可能にする。さらに、本発明の実施形態によれば、単一のＭＥＳＡアレイが、ＭＩＭＯ送信／受信アンテナとして動作するように構成されてよい。例えば、実施形態では、ＭＥＳＡアレイの個々の素子は、それから多数のアンテナを作り出すように個別に構成されてよく、その場合、多数のアンテナは、ＭＩＭＯアンテナを形成するように構成される。
【００５３】
６．例示的実施態様
本発明の実施形態による例示的実施態様が次に提示される。これらの例示的実施態様は、説明の目的のためにのみ提示され、したがって限定するものではない。さらに説明されるように、これらの例示的実施態様は、高精度、高効率マルチモード無線適用例のためのＲＦ電力送信器エンジンを可能にするために、それらの設計において、エネルギー変換器ベースの送信器および／またはエネルギーサンプリングベースの受信器を使用する。エネルギー変換器ベースの送信器およびエネルギーサンプリングベースの受信器の例は、上記の相互参照された米国特許に記載されており、これらは参照によりそれらの全体で本明細書に組み込まれる。例えば、上記の相互参照された米国特許の少なくとも１つに記載されているように、エネルギーサンプリング受信器は、ＲＦ波形を復調するための効率的で高度に線形の解決策を提供する。エネルギーサンプリングベースの受信器は、高い感度、大きいダイナミックレンジ、広い瞬時帯域幅、および広い同調範囲を小型の実施態様として提供する。
【００５４】
図８は、エネルギー変換器ベースの多素子送信アンテナアレイ、およびエネルギーサンプリングベースの多素子受信アンテナアレイを有する例示的無線デバイス８００を示す。無線デバイス８００は、例えば、ＩＥＥＥ  Ｌ帯域（１ＧＨｚから２ＧＨｚ）の通信をサポートすることができる。図８に示されるように、無線デバイス８００は、ベースバンドプロセッサ８０２、マルチパス送信部８０４、マルチパス受信部８０６、マイクロプロセッサまたはＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）プロセッサ８０８、送信局部発振器（ＬＯ）８１０および受信局部発振器（ＬＯ）８１２、ならびに位相および振幅調整／較正受信器経路８１４を含む。
【００５５】
本発明の実施形態によれば、ベースバンドプロセッサ８０２は送信（ＴＸ）情報を送信部８０４に供給する。ＴＸ情報は、リアルタイム同相（Ｉ）および直角位相（Ｑ）ＴＸ波形データの形とすることができる。加えて実施形態では、ベースバンドプロセッサ８０２が受信（ＲＸ）情報を受信部８０６から受け取る。ＲＸ情報は、リアルタイムＩおよびＱ波形データの形とすることができる。加えて、ベースバンドプロセッサ８０２は、ＦＰＧＡプロセッサ８０８のマイクロプロセッサ内に見出される制御回路、ソフトウェアおよび／またはファームウェア、ならびにインターフェースを具現化することができる。
【００５６】
送信部８０４は、１または複数のＴＸ信号経路（図８の例では４つ）を含み、それぞれがエネルギー変換器ベースの送信器、および任意選択のＴＸアンテナ素子を含む。送信部８０４は、ＴＸ波形データをベースバンドプロセッサ８０２から受け取る。実施形態では、送信部８０４は、試験目的で使用されるＴＸ波形メモリを含む。ＴＸ波形メモリは、所望の試験波形をローディングするため、および所望の試験波形に対する無線デバイス８００の動作を試験するために使用されてよい。実施形態では、ＴＸ波形メモリは、ベースバンドプロセッサ８０２によってサポートされていない波形を試験するために使用されてよい。本発明の実施形態によれば、ＴＸ波形データは、各ＴＸ信号経路のＶＳＥモジュールに供給される。同時に、送信部８０４は、コマンドおよび制御情報をマイクロプロセッサ／ＦＰＧＡプロセッサ８０８から、ＴＸ  ＳＰＩ（システムパケットインターフェース）バスを経由して受け取る。ＴＸ局部発振器（ＬＯ）８１０は、送信ＬＯ信号を各ＴＸ信号経路のＭＩＳＯオペレータに供給する。
【００５７】
受信部８０６は、１または複数のＲＸ信号経路（図８の例では４つ）を含み、それぞれがＲＸアンテナ素子、ＲＸフロントエンドモジュール、補間／アンチエイリアスフィルタ段、およびＲＸコントローラを含む。ＲＸフロントエンドモジュールは、エネルギーサンプリングベースの受信器を含む。受信部８０６は、ＲＸ波形データをベースバンドプロセッサ８０２に供給する。送信部８０４と同様に、受信部８０６は、コマンドおよび制御情報をマイクロプロセッサ／ＦＰＧＡプロセッサ８０８から、ＲＸ  ＳＰＩバスを経由して受け取る。ＲＸ局部発振器（ＬＯ）８１２は、受信ＬＯを各ＲＸ信号経路のＲＸフロントエンドに供給する。
【００５８】
マイクロプロセッサ／ＦＰＧＡプロセッサ８０８は、無線デバイス８００のＴＸ部８０４および／またはＲＸ部８０６を制御するために、例えば、ユーザコンピュータインターフェース８１６を介してプログラム可能である。本発明の実施形態によれば、マイクロプロセッサ／ＦＰＧＡプロセッサ８０８は、アンテナ素子を設定、制御、較正および試験するために使用されてよい。マイクロプロセッサ／ＦＰＧＡプロセッサ８０８は、試験波形をダウンロードおよびアップロードするため、および個々のアンテナ素子を制御するために使用されてよいグラフィックユーザインターフェースをサポートすることができる。
【００５９】
さらにマイクロプロセッサ／ＦＰＧＡプロセッサ８０８は、フィードバック情報を位相および振幅調整／較正受信経路８１４から受け取る。実施形態では、受け取られるフィードバック情報は、位相調整、およびＴＸアンテナ素子の振幅または電力出力に関する情報を含む。
【００６０】
位相および振幅調整／較正受信経路８１４は、ＴＸアンテナ素子を較正するために（例えば、ＴＸアンテナ素子が所望の位相および電力出力で動作することを確実にするために）使用される。実施形態では、位相および振幅調整／較正受信経路８１４は、アンテナ（またはアンテナカプラ）８１８および較正受信器回路を含む。較正受信器回路は、ＲＦ増幅器８２０、周波数ダウンコンバータ８２２、ベースバンド増幅器８２４、補間／アンチエイリアスフィルタ８２６、およびアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）８２８を含む。実施形態では、マイクロプロセッサ／ＦＰＧＡプロセッサ８０８によって供給される利得制御信号が、ＲＦ増幅器８２０の利得を制御する。
【００６１】
本発明の実施形態によれば、位相および振幅調整／較正受信器経路８１４は、図８に示されたものよりも多いまたは少ない構成要素を含むことができる。例えば、当業者には本明細書の教示に基づいて理解されるように、較正受信器回路は、図８に示されたものと異なる方法で実施されてもよい。較正受信器回路のこれらの異なる実施態様は、本明細書に開示された実施形態の趣旨および範囲内にある。
【００６２】
図９は、本発明の実施形態による位相較正受信経路の例示的実施態様９００を示す。
【００６３】
図９に示されるように、位相および振幅較正受信経路は、較正受信器アンテナ（またはアンテナカプラ）９０８、較正受信器回路９１０、および較正コントローラ９１２を含む。実施形態では、較正受信経路は、エネルギー変換器ベースの多素子送信アンテナアレイを較正するように機能する。多素子送信アンテナアレイは複数の信号経路を含み、それぞれがＶＳＥ９０２１〜９０２４、ＭＩＳＯオペレータ９０４１〜９０４４、およびＴＸアンテナ素子９０６１〜９０６４を含む。
【００６４】
ＴＸ  ＬＯ９１４は、局部発振器（ＬＯ）信号を各ＭＩＳＯオペレータ９０４１〜９０４４ならびに較正受信器回路９１０に供給する。その結果、ＴＸアンテナ素子９０６１〜９０６４から送信された信号が較正受信器回路９１０で受信され、供給されたＬＯ信号を用いてダウンコンバートされると、ＤＣ信号が生成される。ＴＸアンテナ９０６１〜９０６４が較正受信器アンテナ９０８に対して実質的に等距離にある場合、ＴＸアンテナ９０６１〜９０６４が位相較正されると、すべてのＴＸアンテナ９０６１〜９０６４に関して実質的に等しいＤＣ信号値が生成される。言い換えると、ＴＸアンテナ９０６１〜９０６４は、実質的に同じＤＣ信号値（例えば、所定の値）がすべてのＴＸアンテナに関して生成されることを保証することによって位相較正されてよい（ＴＸアンテナ９０６１〜９０６４が較正受信器アンテナ９０８に対して実質的に等距離にあり、同一の信号がＴＸアンテナ９０６１〜９０６４から送信される場合に）。位相較正に加えて、各アンテナ素子の振幅または電力出力を較正するために、較正コントローラ９１２および較正受信器回路９１０が使用されてよい。
【００６５】
当業者には理解されるように、ＴＸアンテナ９０６１〜９０６４が較正受信器アンテナ９０８に対して実質的に等距離にない場合には、ＴＸアンテナ９０６１〜９０６４に関してそれぞれ異なるＤＣ信号値が生じる可能性がある。実施形態では、ＴＸアンテナ９０６１〜９０６４それぞれに関して生成されたＤＣ信号値は、それぞれの正規化係数（例えば、ＴＸアンテナ９０６１〜９０６４それぞれに関して、較正受信器アンテナ９０８に対するその相対位置に基づいて決定される）を用いて正規化され、この正規化ＤＣ信号値は次に、ＴＸアンテナ９０６１〜９０６４を較正するために用いられる（例えば、正規化ＤＣ信号値は、同一の所定値に固定される）。あるいは、実施形態では、生成されたＤＣ信号値は、異なるそれぞれの所定ＤＣ信号値と比較され、この場合、各所定ＤＣ信号値は、試験および実験を用いて、それぞれのＴＸアンテナ９０６１〜９６０４について推測的に計算される。この技法は、各アンテナ素子の振幅または電力出力、および位相の両方を較正するのに使用されてよい。
【００６６】
図１０を参照して、図９の位相および振幅較正受信経路の動作例が説明される。図１０は、本発明の実施形態による、多素子送信アンテナアレイの送信アンテナ素子を較正する方法の処理流れ図１０００を示す。処理１０００は、一度に１つのアンテナ素子、すなわち較正されるアンテナ素子に対して実行される。
【００６７】
処理１０００はステップ１００２で開始し、このステップは、選択された値に較正されるアンテナ素子の位相を設定することを含む。実施形態では、ステップ１００２は、図９の較正コントローラ９１２、ＶＳＥ９０２、およびＭＩＳＯオペレータ９０４のうちの１または複数を使用して実行される。例えば、アンテナ素子の位相は、基準値に対して０度に相当する値に設定されてよい。
【００６８】
ステップ１００４は、選択された値に較正されるアンテナ素子の電力出力を設定することを含む。実施形態では、ステップ１００４は、図９の較正コントローラ９１２、ＶＳＥ９０２、およびＭＩＳＯオペレータ９０４のうちの１または複数を使用して実行される。選択される電力出力は、実施形態では、較正されるアンテナ素子の較正受信器アンテナまでの距離に基づいて選択される。
【００６９】
ステップ１００６は、ＲＦ搬送波信号をアンテナ素子から送信することを含む。ＲＦ搬送波信号は、選択された位相値および選択された電力出力値で送信される。ＲＦ搬送波信号は、任意のＲＦ信号とすることができる。実施形態では、ステップ１００６は、図９のＶＳＥ９０２、ＭＩＳＯオペレータ９０４、およびＴＸアンテナ素子９０６のうちの１または複数を使用して実行される。
【００７０】
ステップ１００８は、送信されたＲＦ搬送波信号を、較正受信器回路を使用して受信することを含む。ステップ１００８は、本発明の実施形態によれば、図９の較正受信器回路９１０によって実行される。実施形態では、ステップ１００８は、送信されたＲＦ搬送波信号を、この送信されたＲＦ搬送波信号を生成するために使用された同一のＬＯ信号を使用してダウンコンバートすることを含む。その結果、上述のように、ＤＣ信号がステップ１００８で生成される。
【００７１】
ステップ１０１０は、較正受信器回路の出力を所望の値、または所望の範囲の値と比較することを含む。実施形態では、ステップ１０１０は、図９の較正コントローラ９１２によって実行される。実施形態では、ステップ１０１０は、ステップ１００８で生成されたＤＣ信号を所望の所定ＤＣ信号値と比較することを含む。上述のように、所望のＤＣ信号値は、すべてのアンテナに対して同じでよく、または試験および実験を用いてそれぞれのアンテナについて推測的に計算されてよい。実施形態では、較正受信器回路の出力はアナログ信号でもデジタル信号でもよい。
【００７２】
ステップ１０１２は、較正受信器回路の出力が所望の値と等しいかどうか、または所望の値からの規定許容誤差内にあるかどうかを判定することを含む。ステップ１０１２の結果が「はい」である場合、較正処理１０００は、較正されるアンテナ素子に対する較正処理を終了させるステップ１０１４に進む。処理１０００は、もしあれば、別のアンテナ素子に対して繰り返されてよい。そうでなければ、処理１０００は、アンテナ素子の位相および／または振幅を調整することを含むステップ１０１６に進む。実施形態では、ステップ１０１６は、アンテナ素子の位相および／または振幅を、較正受信器回路の出力と所望の値または所望の範囲の値との比較に基づいて調整することを含む。アンテナ素子の位相および／または振幅は、較正受信器回路の出力を所望の値に近づけるように、また所望の値からの規定許容誤差内に入れるように調整される。
【００７３】
上述のように、すべてのＴＸアンテナ素子が較正受信器アンテナまたはアンテナ結合回路に対して実質的に等距離にある場合、ＴＸアンテナ素子は、実質的に同様の所望の値に対してすべて較正される。しかし、ＴＸアンテナが較正受信器アンテナに対して非対称配置で置かれている場合には、ＴＸアンテナ素子は、それぞれ異なる所望の値に対して較正されなければならないことがある。
【００７４】
本明細書に記載された位相および振幅較正技法は、例示的実施態様動作の前に、および／または例示的実施態様動作中に実行されてよい。実施形態では、位相および振幅較正は、設定処理または手続中に、定期的に、または誤りが測定もしくは観測された場合に、（例えば、トランシーバの通常動作に差支えない時間に）行われてよい。
【００７５】
図１１Ａ〜１１Ｄは、本発明の実施形態による多素子電子式可動アンテナ（ＭＥＳＡ）の例示的構成を示す。具体的には、図１１Ａおよび図１１Ｂは、本発明のＭＥＳＡ実施形態の較正受信器アンテナまたはアンテナカプラに対するＴＸアンテナ素子の例示的配置を示す。
【００７６】
図１１Ａは、本発明の実施形態による例示的４素子ＭＥＳＡ構成１１００Ａを示す。例示的構成１１００Ａは対称配置を有し、ＴＸアンテナ素子９０６１、９０６２、９０６３、および９０６４は、較正受信器アンテナ／カプラ９０８に対して対称に置かれる。すなわち、ＴＸアンテナ素子９０６１〜９０６４は、較正受信器アンテナ／カプラ９０８に対してペアで等距離にあり、同一の所望の値に対して較正されてよい。
【００７７】
図１１Ｂは、本発明の実施形態による別の例示的４素子ＭＥＳＡ構成１１００Ｂを示す。例示的構成１１００Ｂは、較正受信器アンテナまたはアンテナカプラ９０８が各アンテナ素子に対して実質的に等距離にならない配置を有する。具体的には、ＴＸアンテナ素子９０６１〜９０６４は、較正受信器アンテナ／カプラ９０８に対してペアで等距離にない。その代わりに、ＴＸアンテナ素子９０６１および９０６４は、較正受信器アンテナ／カプラ９０８に対してペアで等距離にある（しかし、ＴＸアンテナ素子９０６２および９０６３とは等距離にない）。同様にＴＸアンテナ素子９０６２および９０６３は、較正受信器アンテナ／カプラ９０８に対してペアで等距離にある（しかし、ＴＸアンテナ素子９０６１および９０６４とは等距離にない）。そのようにして、ＴＸアンテナ素子９０６１および９０６４は第１の所望の値に対して較正されてよく、ＴＸアンテナ素子９０６２および９０６３は第２の所望の値に対して較正されてよく、あるいは、すべてのアンテナ素子がそれぞれ異なる所定の値に対して較正されてもよい。
【００７８】
図１１Ｃは、本発明の実施形態による別の例示的ＭＥＳＡ構成１１００Ｃを示す。例示的構成１１００Ｃは、較正受信器アンテナ／カプラ９０８の周囲に置かれた任意の数のＴＸアンテナ素子９０６を含み得る。したがって、その位置および較正受信器アンテナ／カプラ９０８からの距離に応じて、ＴＸアンテナ素子９０６は、この構成の１または複数の他のＴＸアンテナ素子と等距離にあってよく、かつ／または対称をなしてよい。
【００７９】
図１１Ｄは、本発明の実施形態による別の例示的ＭＥＳＡ構成１１００Ｄを示す。例示的構成１１００Ｄは、１または複数の較正受信器アンテナ／カプラ９０８の周囲または付近に置かれた任意の数のＴＸアンテナ素子９０６を含み得る。実施形態では、ＭＥＳＡ構成１１００Ｄの較正は、アンテナ素子９０６の組を部分組に分割し、部分組の近くに共同設置された追加較正受信器アンテナ／カプラ９０８を使用して各部分組内のアンテナを較正し、次に、１または複数の較正受信器アンテナ／カプラ入力を受け入れるように構成された較正受信器および較正制御回路を使用して部分組を互いに較正することによって、実行される。
【００８０】
実施形態では、部分組を互いに較正することは、各部分組から単一の代表ＴＸアンテナ素子を選択し、選択されたＴＸアンテナ素子を較正受信器アンテナ／カプラ９０８を使用して較正し、次に、各代表ＴＸアンテナ素子の較正結果を、その代表部分組の他のすべてのアンテナ素子に適用することによって行われてよい。実施形態では、この較正技法は、予測可能に特徴づけられたオフセットパラメータを必要とし得る。
【００８１】
本明細書の説明に基づいて、当業者は、受信信号経路内の１または複数の素子を較正するのに同様の（上述の）位相および振幅較正技法が使用されてよいことを理解されよう。
【００８２】
７．例示的システム
上述の本発明の実施形態は、それだけには限らないが、軍通信適用例、無線地域ネットワーク（ＷＬＡＮ）適用例、セルラ電話適用例（例えば、基地局、ハンドセットなど）、ピコセル適用例、フェムトセル適用例、および自動車適用例を含む様々な通信適用例で使用するのに適している。特に、ＭＥＳＡベースのＭＩＭＯアンテナ実施形態は、ロングタームエボリューション（ＬＴＥ）ベースの通信方式（４Ｇエンハンスドパケット方式（4G Enhanced Packet System）（ＥＰＳ）標準規格の一部）での使用に適しており、システムのデータスループット、ユーザ容量、および任意の静的または動的環境における性能（例えば、信号対雑音比）を最適化するのに使用されてよい。
【００８３】
図１２は、本発明の実施形態が実施されてよい例示的移動デバイス通信システム１２００を示す。システム１２００は、例えば、セルラ電話システム（例えば、無線通信方式の３Ｇ、４Ｇ、または他の任意の種類）および衛星電話システムとすることができる。セルラ電話１２０４、１２０８、１２１２、および１２１６は、それぞれトランシーバ１２０６、１２１０、１２１４、および１２１８を含む。トランシーバ１２０６、１２１０、１２１４、および１２１８は、それらのセルラ電話それぞれが無線通信媒体（例えば、無線通信方式の３Ｇ、４Ｇ、または他の任意の種類）を介して基地局１２２０および１２２４と通信することを可能にする。基地局１２２０および１２２４は、電話ネットワーク１２２２を介して互いに連絡しており、それぞれトランシーバ１２２１および１２２５を含む。本発明の実施形態によれば、トランシーバ１２０６、１２１０、１２１４、１２１８、１２２１、および１２２５は、１または複数のエネルギー変換器ベースの送信器（例えば、図６に関して上述されたもの）、１または複数のＭＩＭＯアンテナ（例えば、図７に関して上述されたもの）、エネルギー変換器ベースの多素子送信アンテナアレイおよびエネルギーサンプリングベースの多素子受信アンテナアレイを有する１または複数のトランシーバ（例えば、図８に関して上述されたもの）、またはそれらの組合せを使用して実施される。
【００８４】
本明細書の説明に基づいて、当業者は、他の種類の基地局が上記で論じられたトランシーバを含むことができることを理解されよう。他の種類の基地局は、それだけには限らないが、マクロ基地局（相対的に大きいネットワーク内で作動）、マイクロ基地局（相対的に小さいネットワーク内で作動）、衛星基地局（衛星と一緒に作動）、セルラ基地局（セルラ電話ネットワーク内で作動）、およびデータ通信基地局（コンピュータネットワークへのゲートウェイとして作動）を含む。
【００８５】
図１２はまた、衛星１２２６などの衛星を介して通信する衛星電話１２９０を示す。衛星電話１２９０はトランシーバ１２９２を含み、このトランシーバは、１または複数のエネルギー変換器ベースの送信器（例えば、図６に関して上述されたもの）、１または複数のＭＩＭＯアンテナ（例えば、図７に関して上述されたもの）、エネルギー変換器ベースの多素子送信アンテナアレイおよびエネルギーサンプリングベースの多素子受信アンテナアレイを有する１または複数のトランシーバ（例えば、図８に関して上述されたもの）、またはそれらの組合せを使用して実施されてよい。
【００８６】
図１２はまた、ハンドセット１２９３および基地局１２９６を有するコードレス電話１２９０を示す。ハンドセット１２９３および基地局１２９６はそれぞれ、好ましくは無線リンクを通じて互いに通信するためのトランシーバ１２９４および１２９８を含む。トランシーバ１２９４および１２９８は、１または複数のエネルギー変換器ベースの送信器（例えば、図６に関して上述されたもの）、１または複数のＭＩＭＯアンテナ（例えば、図７に関して上述されたもの）、エネルギー変換器ベースの多素子送信アンテナアレイおよびエネルギーサンプリングベースの多素子受信アンテナアレイを有する１または複数のトランシーバ（例えば、図８に関して上述されたもの）、またはそれらの組合せを使用して好ましくは実施される。
【００８７】
本発明の実施形態を例えば上記のシステムに組み込む利点は、それだけには限らないが、信号範囲および信号特性改善、通信帯域増大、容量増大、機械的動きを用いない急速アンテナ指向性、および消費電力の低減を含む。付加的な利点は、より小さい形状係数、信頼性向上、再現性向上、電子的に制御されるアンテナ利得、ビーム幅、ビーム形状、ビームステアリング、電子的較正、ならびに電子的信号捕捉および追跡を含む。
【００８８】
８．結び
発明の概要項および要約項ではなく、発明を実施するための形態項は、特許請求の範囲を解釈するために使用されるものであることを理解されたい。発明の概要項および要約項は、本発明者らによって企図された１または複数の、しかし全部ではない本発明の例示的実施形態を記述するものでよく、したがって、本発明および添付の特許請求の範囲を何ら限定するものではない。
【００８９】
本発明の実施形態が、特定の機能およびそれらの関係の実施態様を示す機能ビルディングブロックを利用して上記で説明された。これらの機能ビルディングブロックの境界は、本明細書では説明の便宜のために任意に定められた。特定の機能およびそれらの関係が適切に実行される限り、代替の境界が定められてよい。
【００９０】
特定の実施形態についての前記の説明は、当技術分野の範囲内の知識を適用することによって他者が、このような特定の実施形態の様々な適用例を必要以上の実験なしで、本発明の一般的概念から逸脱することなく容易に修正すること、および／または適合させることができるような本発明の一般的な性質を完全に明らかにする。したがって、このような適合および修正は、本明細書に提示された教示および指導に基づく、開示された実施形態の均等物の意味および範囲内にあるものである。本明細書の用語または術語は、これら本明細書の用語または術語が当業者により教示および指導に照らして解釈されるような、限定ではなく説明を目的とするものであることを理解されたい。
【００９１】
本発明の幅および範囲は、上述の例示的実施形態のいずれによっても限定されるべきではなく、以下の特許請求の範囲およびそれらの均等物によってのみ定義されるべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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