(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナビーム方向（１２）の調整機能をサポートするアンテナ装置（１０）であって、
前記アンテナ装置（１０）は、
アンテナ（２４）のアンテナアレイ（２３）、
Ｍ個のアンテナインターフェース（２８）を含み、ｍ個の予め固定的に構成されたビーム形成状態の間で切り替えて、前記Ｍ個のアンテナインターフェースを異なる相互位相および／または振幅変動で結合することができるようになっているビーム形成ネットワーク（２６）、および
Ｎ個の異なる接続状態の間で切り替え可能なスイッチングネットワーク（３０）であって、前記スイッチングネットワーク（３０）は、各接続状態において、前記Ｍ個のアンテナインターフェースを前記アンテナアレイのＭ個のアンテナのセットと接続して、前記Ｍ個のアンテナに接続された前記Ｍ個のアンテナのそれぞれの接続状態における相対位置は、前記Ｎ個の接続状態の間で異なる、スイッチングネットワーク（３０）を含み、
更なるアンテナの更なるアンテナアレイ（２３２）、
Ｍ´個の更なるアンテナインターフェースを含み、ｍ´個の固定的に予め構成されたビーム形成状態間で切り替えて、前記Ｍ´個の更なるアンテナインターフェースを異なる相互位相および／または振幅変動で結合することができる、更なるビーム形成ネットワーク（２６2）、
少なくともＮ´個の異なる接続状態間で切り替え可能な更なるスイッチングネットワーク（３０2）であって、それぞれの接続状態において、前記Ｍ´個の更なるアンテナインターフェースを前記更なるアンテナアレイのＭ´個の更なるアンテナセットに接続して、前記各接続状態において前記Ｍ´個の更なるアンテナインターフェースに接続された前記Ｍ´個の更なるアンテナの相対位置が、Ｎ´個の接続状態間で異なるように構成されている、更なるスイッチングネットワーク（３０2）、および
前記ビーム形成ネットワークの信号インターフェースと前記更なるビーム形成ネットワークの更なる信号インターフェースとを制御可能に結合して、前記アンテナビーム方向が、前記アンテナアレイと前記更なるアンテナアレイとのビームの結合によってもたらされるように構成されている、制御可能な結合回路（４６）
を含むことを特徴とする、アンテナ装置。
【請求項２】
前記アンテナ装置は、半球内で無線方向の方向を調整するように構成されている、請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記ビーム形成ネットワーク（２６）は、ｍ個の信号インターフェースを含み、前記ｍ個の信号インターフェースはそれぞれ前記ｍ個の前記予め固定的に構成されたビーム形成状態のそれぞれに対応し、前記予め固定的に構成されたビーム形成状態のそれぞれに固有のアンテナインターフェース毎の位相遅延および振幅係数で前記Ｍ個のアンテナインターフェースに連結されて、前記ビーム形成ネットワークが操作される信号インターフェースを変更することによって前記ビーム形成ネットワークを切り替えることができるようになっている、請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記ｍ個の信号インターフェースの内の厳密に１つを受信機および／または送信機回路に接続するように構成されたスイッチング回路（３４）をさらに含む、請求項３に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記スイッチングネットワーク（３０）は、前記Ｎ個の接続状態で前記Ｍ個のアンテナインターフェースに接続された前記Ｍ個のアンテナのセットが互いに分離しているように構成される、請求項１〜請求項４のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記スイッチングネットワーク（３０）は、前記Ｎ個の接続状態で前記Ｍ個のアンテナインターフェースに接続された前記Ｍ個のアンテナのセットが、共通の平面内にある相互に合同の格子の格子サイトに配置されるように構成される、請求項５に記載のアンテナ装置。
【請求項７】
アンテナビーム方向（１２）の調整機能をサポートするアンテナ装置（１０）であって、
前記アンテナ装置（１０）は、
アンテナ（２４）のアンテナアレイ（２３）、
Ｍ個のアンテナインターフェース（２８）を含み、ｍ個の予め固定的に構成されたビーム形成状態の間で切り替えて、前記Ｍ個のアンテナインターフェースを異なる相互位相および／または振幅変動で結合することができるようになっているビーム形成ネットワーク（２６）、および
Ｎ個の異なる接続状態の間で切り替え可能なスイッチングネットワーク（３０）であって、前記スイッチングネットワーク（３０）は、各接続状態において、前記Ｍ個のアンテナインターフェースを前記アンテナアレイのＭ個のアンテナのセットと接続して、前記Ｍ個のアンテナに接続された前記Ｍ個のアンテナのそれぞれの接続状態における相対位置は、前記Ｎ個の接続状態の間で異なる、スイッチングネットワーク（３０）を含み、
前記スイッチングネットワーク（３０）は、前記Ｎ個の接続状態で前記Ｍ個のアンテナインターフェースに接続された前記Ｍ個のアンテナのセットが互いに分離しているように構成され、
前記スイッチングネットワーク（３０）は、前記Ｎ個の接続状態で前記Ｍ個のアンテナインターフェースに接続された前記Ｍ個のアンテナのセットが、共通の平面内にある相互に合同の格子の格子サイトに配置されるように構成され、
前記ビーム形成ネットワーク（２６）は、前記Ｎ個の接続状態の各々について、前記ｍ個の予め構成されたビーム形成状態が、前記共通の平面の法線に対して非対称に分布するｍ個の異なるビーム方向のセットをもたらすように構成される、アンテナ装置。
【請求項８】
前記接続状態で前記Ｍ個のアンテナインターフェースに接続された前記Ｍ個のアンテナの前記位置は、等長変換演算によって相互に転送可能である、請求項１〜請求項７のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項９】
前記ビーム形成ネットワーク（２６）は、前記Ｎ個の接続状態のそれぞれについて、前記予め固定されたｍ個のビーム形成状態によって、前記等長変換演算に対して不変でないｍ個の異なるビーム方向のセットがもたらされるように構成される、請求項８に記載のアンテナ装置。
【請求項１０】
前記Ｎ個の接続状態のｍ個の異なるビーム方向の前記セットがインターリーブされ、前記Ｎ個の接続状態のｍ個の異なるビーム方向のセットによって広がる立体角領域を、Ｎ個のセクションに分割して、各セクションにおいて、前記Ｎ個の接続状態のｍ個の異なるビーム方向の各セットのうちの厳密に１つのビーム方向となるようにすることができる、請求項７または請求項９に記載のアンテナ装置。
【請求項１１】
前記アンテナ装置は、前記ｍ個の予め固定的に構成されたビーム形成状態の内のどれを前記ビーム形成ネットワークが仮定するか、および前記Ｎ個の異なる接続状態の内のどれを前記スイッチングネットワークが仮定するかを制御することができ、ひいては、各々が前記無線チャネルの異なるビーム方向に関連するｍ×Ｎ個の前記装置の制御状態がもたらされる、請求項１〜請求項１０のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項１２】
アンテナビーム方向の調整機能をサポートするアンテナ装置（５０）であって、
前記アンテナ装置（５０）は、
アンテナ（５８）の第１のセット（５２）およびアンテナ（５８）の第２のセット（５６）を含むアンテナのアンテナアレイ、
前記アンテナ（５８）の前記第１のセット（５２）に接続可能であり、予め固定的に構成されたビーム形成状態間で切り替えて、前記第１のアンテナのセットを異なる相互位相および／または振幅変動で結合することができる第１のビーム形成ネットワーク（６０）、および
前記アンテナ（５８）の前記第２のセット（５６）に接続可能であり、予め固定的に構成されたビーム形成状態間で切り替えて、前記第２のセットのアンテナを異なる相互位相および／または振幅の変動で結合することができる、第２のビーム形成ネットワーク（６２）を含み、
前記第１のビーム形成ネットワーク（６０）の前記ｍ個の予め固定的に構成されたビーム形成状態は、前記第２のビーム形成ネットワーク（６２）の予め固定的に構成されたビーム形成状態から生じる異なるビーム方向の第２のセットとは分離されている、異なるビーム方向の第１のセットをもたらす、アンテナ装置であって、
前記アンテナ装置は、前記予め固定的に構成されたビーム形成状態の内のどれを前記第１のビーム形成ネットワークが仮定するか、および前記予め固定的に構成されたビーム形成状態の内のどれを前記第２のビーム形成ネットワークが仮定するかを制御することができることを特徴とし、
前記アンテナ装置は、前記第１および第２のビーム形成ネットワークの信号インターフェースを、選択可能な遅延および／または振幅差で、共通信号インターフェースに結合するように構成された制御可能な結合回路（６４）をさらに含む、アンテナ装置。
【請求項１３】
前記アンテナ装置は、半球内で無線方向の前記方向を調整するように構成されている、請求項１２に記載のアンテナ装置。
【請求項１４】
前記第１および第２のアンテナセットはそれぞれ、Ｍ個のアンテナを含み、前記第１および第２のビーム形成ネットワークはそれぞれ、Ｍ個のアンテナインターフェースおよびｍ個の信号インターフェースを含み、
前記ｍ個の信号インターフェースはそれぞれ、ｍ個の予め固定的に構成されたビーム形成状態のそれぞれに対応し、前記各予め固定的に構成されたビーム形成状態に固有のアンテナインターフェース毎の位相遅延および振幅係数で、前記Ｍ個のアンテナインターフェースに結合され、前記第１および第２のビーム形成ネットワークがそれぞれ操作される信号インターフェースを変更することによって、前記第１および第２のビーム形成ネットワークを切り替えることができ、前記ｍ個の予め固定的に構成されたビーム形成状態のそれぞれに固有の前記アンテナインターフェース毎の位相遅延および振幅係数は、前記第１および第２のビーム形成ネットワークとで等しい、請求項１２または請求項１３に記載のアンテナ装置。
【請求項１５】
アンテナビーム方向の調整機能をサポートするアンテナ装置（５０）であって、
前記アンテナ装置（５０）は、
アンテナ（５８）の第１のセット（５２）およびアンテナ（５８）の第２のセット（５６）を含むアンテナのアンテナアレイ、
前記アンテナ（５８）の前記第１のセット（５２）に接続可能であり、予め固定的に構成されたビーム形成状態間で切り替えて、前記第１のアンテナのセットを異なる相互位相および／または振幅変動で結合することができる第１のビーム形成ネットワーク（６０）、および
前記アンテナ（５８）の前記第２のセット（５６）に接続可能であり、予め固定的に構成されたビーム形成状態間で切り替えて、前記第２のセットのアンテナを異なる相互位相および／または振幅の変動で結合することができる、第２のビーム形成ネットワーク（６２）を含み、
前記第１のビーム形成ネットワーク（６０）の前記ｍ個の予め固定的に構成されたビーム形成状態は、前記第２のビーム形成ネットワーク（６２）の予め固定的に構成されたビーム形成状態から生じる異なるビーム方向の第２のセットとは分離されている、異なるビーム方向の第１のセットをもたらす、アンテナ装置であって、
前記第１および第２のアンテナセットはそれぞれ、Ｍ個のアンテナを含み、前記第１および第２のビーム形成ネットワークはそれぞれ、Ｍ個のアンテナインターフェースおよびｍ個の信号インターフェースを含み、
前記ｍ個の信号インターフェースはそれぞれ、ｍ個の予め固定的に構成されたビーム形成状態のそれぞれに対応し、前記各予め固定的に構成されたビーム形成状態に固有のアンテナインターフェース毎の位相遅延および振幅係数で、前記Ｍ個のアンテナインターフェースに結合され、前記第１および第２のビーム形成ネットワークがそれぞれ操作される信号インターフェースを変更することによって、前記第１および第２のビーム形成ネットワークを切り替えることができ、前記ｍ個の予め固定的に構成されたビーム形成状態のそれぞれに固有の前記アンテナインターフェース毎の位相遅延および振幅係数は、前記第１および第２のビーム形成ネットワークとで等しく、
前記第１および第２のアンテナのセットは、前記Ｍ個のアンテナインターフェースに接続されていて、前記第１のビーム形成ネットワークの前記ｍ個の予め固定的に構成されたビーム形成状態から生じるビーム方向のセットが、反射および／または回転によって、前記第２のビーム形成ネットワークの前記ｍ個の予め固定的に構成されたビーム形成状態から生じるビーム方向のセットに変換可能である、アンテナ装置。
【請求項１６】
前記第１および第２のアンテナのセットは、共通の平面内にある、請求項１４または請求項１５に記載のアンテナ装置。
【請求項１７】
前記制御可能な合成回路（６４）は、デジタルまたはアナログ領域で結合を実行するように構成される、請求項１２〜請求項１６のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項１８】
アンテナビーム方向の調整機能をサポートするアンテナ装置（５０）であって、
前記アンテナ装置（５０）は、
アンテナ（５８）の第１のセット（５２）およびアンテナ（５８）の第２のセット（５６）を含むアンテナのアンテナアレイ、
前記アンテナ（５８）の前記第１のセット（５２）に接続可能であり、予め固定的に構成されたビーム形成状態間で切り替えて、前記第１のアンテナのセットを異なる相互位相および／または振幅変動で結合することができる第１のビーム形成ネットワーク（６０）、および
前記アンテナ（５８）の前記第２のセット（５６）に接続可能であり、予め固定的に構成されたビーム形成状態間で切り替えて、前記第２のセットのアンテナを異なる相互位相および／または振幅の変動で結合することができる、第２のビーム形成ネットワーク（６２）を含み、
前記第１のビーム形成ネットワーク（６０）の前記ｍ個の予め固定的に構成されたビーム形成状態は、前記第２のビーム形成ネットワーク（６２）の予め固定的に構成されたビーム形成状態から生じる異なるビーム方向の第２のセットとは分離されている、異なるビーム方向の第１のセットをもたらす、アンテナ装置であって、
前記第１のビーム形成ネットワークの前記ｍ個の予め固定的に構成されたビーム形成状態から生じる第１のビーム方向セットと、前記第２のビーム形成ネットワークの前記ｍ個の予め固定的に構成されたビーム形成状態から生じる第２のビーム方向セットとがインターリーブされ、前記第１および第２のビーム方向セットによって広げられる立体角領域をセクションに分割して、各セクションにおいて、前記第１および第２のビーム方向セットのそれぞれに厳密に１つのビーム方向があるようにすることができる、アンテナ装置。
【請求項１９】
前記制御可能な合成回路（６４）は、ビーム形成ネットワークとして実施される、請求項１２〜請求項１８のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項２０】
アンテナ（２４）のアンテナアレイ（２３）を使用してアンテナビーム方向（１２）の調整機能をサポートする方法であって、
前記方法は、Ｍ個のアンテナインターフェース（２８）を備え、ｍ個の予め固定的に構成されたビーム形成状態間で切り替えて、前記Ｍ個のアンテナインターフェースを異なる相互位相および／または振幅変動で結合するようにすることができる、ビーム形成ネットワーク（２６）を使用し、
前記方法は、Ｎ個の異なる接続状態間で切り替えるステップであって、各接続状態において、前記Ｍ個のアンテナインターフェースが、前記Ｍ個のアンテナインターフェースに接続された前記Ｍ個のアンテナの前記各接続状態における相対位置が前記Ｎ個の接続状態の間で異なるように、アンテナアレイのＭ個のアンテナのセットに接続される、ステップを含み、
前記方法は、更なるアンテナの更なるアンテナアレイ（２３2）、およびＭ´個の更なるアンテナインターフェースを含み、ｍ´個の固定的に予め構成されたビーム形成状態間で切り替えて、前記Ｍ´個の更なるアンテナインターフェースを異なる相互位相および／または振幅変動で結合することができる、更なるビーム形成ネットワーク（２６2）をさらに使用することを特徴とし、
前記方法はさらに、
少なくともＮ´個の異なる接続状態間で切り替えるステップであって、それぞれの接続状態において、前記Ｍ´個の更なるアンテナインターフェースが前記更なるアンテナアレイのＭ´個の更なるアンテナセットに接続されて、前記各接続状態において前記Ｍ´個の更なるアンテナインターフェースに接続された前記Ｍ´個の更なるアンテナの相対位置が、Ｎ´個の接続状態間で異なっている、ステップと、
前記ビーム形成ネットワークの信号インターフェースと前記更なるビーム形成ネットワークの更なる信号インターフェースとを制御可能に結合して、前記アンテナビーム方向が、前記アンテナアレイと前記更なるアンテナアレイとのビームの結合によってもたらされる、ステップ
を含む、方法。
【請求項２１】
アンテナ（２４）のアンテナアレイ（２３）を使用してアンテナビーム方向（１２）の調整機能をサポートする方法であって、
前記アンテナは、
Ｍ個のアンテナ（５４）の第１のセット（５２）およびアンテナ（５８）の第２のセット（５６）を含むアンテナのアンテナアレイと、
アンテナ（５４）の前記第１のセット（５２）に接続可能で、予め固定的に構成されたビーム形成状態間で切り替えて、アンテナの前記第１のセットを異なる相互位相および／または振幅変動で結合することができる、第１のビーム形成ネットワーク（６０）と、
アンテナ（５８）の前記第２のセット（５６）に接続可能で、予め固定的に構成されたビーム形成状態間で切り替えて、アンテナの前記第２のセットを異なる相互位相および／または振幅の変動で結合することができる、第２のビーム形成ネットワーク
を含むアンテナのアレイを使用し、
前記第１のビーム形成ネットワーク（６０）の前記予め固定的に構成されたビーム形成状態は、前記第２のビーム形成ネットワーク（６２）の前記予め固定的に構成されたビーム形成状態から生じる異なるビーム方向の第２のセットとは分離された異なるビーム方向の第１のセットをもたらし、
前記予め固定的に構成されたビーム形成状態の内のどれを前記第１のビーム形成ネットワークが仮定するか、および前記予め固定的に構成されたビーム形成状態の内のどれを前記第２のビーム形成ネットワークが仮定するかを制御するステップ、および
前記第１および第２のビーム形成ネットワークの信号インターフェースを、選択可能な遅延および／または振幅差で、共通の信号インターフェースに結合するステップ
を含むことを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、アンテナビーム方向の調整可能性をサポートするアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
モバイルシナリオでは、無線通信システムは、放射特性の適応的な調整を可能にするアンテナを利用する。アンテナは、瞬時の状況に応じて放射特性を変化させることができる。つまり、放射線の主ビームは、両者の間の相対的な方向に関係なく、遠隔局に向かって電子的に整列させることができる。これにより、アンテナの機械的な向きを変更することなく、高い信号品質と信頼性の高い伝送が可能になる。
【０００３】
アンテナアレイにおけるビーム形成は、放射アパーチャに沿った位相の進行および振幅分布に依存する。アンテナ素子に印加される位相および振幅は、励起ネットワーク、所謂、ビーム形成ネットワーク（ＢＦＮ）によって生成される。これは、送信される信号または受信される信号の位相および振幅の電子的変化を可能にする。位相および振幅分布を生成する別の方法は、各アンテナ素子に、アンテナからベースバンドにおける信号処理までの全チェーンをカバーする専用信号ブランチを装備することである。この場合、ビーム形成はデジタル領域で計算されるこのアプローチは、最大の自由度を提供するので、最高の柔軟性を提供する。しかし、これはまた、最も高価なものであり、他のアプローチとは対照的に、最も多くのハードウェアコンポーネントを必要とする。
【０００４】
ＢＦＮを使用する意図は、パラレル信号ブランチの数を減らし、したがってハードウェアの労力を削減することである。この目的のために、ＢＦＮは、アンテナアレイに接続し、受信モードでアンテナ信号を結合するか、または送信モードでアンテナ間に送信信号を分配し、次の段階まで減少した数のポート（例えば、１つのポートへの縮小）を提供する。技術的には、ＢＦＮには２つのタイプがある。切り換え可能な一組の固定放射特性を提供するＢＦＮ（「固定ＢＦＮ」）および操縦可能な放射特性を提供するＢＦＮ（「調整可能なＢＦＮ」）である。前者は、ＢＦＮの適切な信号経路を選択することによって生成される放射特性を決定する単一のスイッチング信号のみを必要とする。したがって、実装するのは簡単であるが、最も柔軟性がある。同調可能なＢＦＮは、多数の制御信号を介して制御される位相シフタおよび振幅シフタなどの操縦可能な構成要素を含む。これは前者よりも柔軟性はあるが、設計にもっと多くの労力が必要で、損失が増えやすく、温度変化や環境への影響がより敏感である。
【０００５】
固定ＢＦＮは、数十年前からよく知られている。固定されたＢＦＮの設計に対する体系的なアプローチは、いわゆるバトラーマトリクスである（例えば、非特許文献１を参照。）。バトラーマトリクスは、アンテナ給電のための出力信号の所定のセットを生成するために、いくつかのハイブリッドカプラおよび遅延線を備える。それは、高速フーリエ変換の回路実装と見なすことができる。
バトラーマトリックスの系統的な設計は、半波長の要素間の間隔を有するアレイに限定される。他の取り決めも可能であるが、これはパフォーマンスが低下し、限られた範囲に含まれる。達成可能な放射特性は、基本的には事前に定義されており、所定のシナリオにはほとんど調整することができない。これは、２つ以上のバトラー行列のビームの組み合わせに対しても当てはまる。
【０００６】
固定ＢＦＮの設計に対するさらなるアプローチは、アンテナアレイの固有モードに基づいている（例えば、非特許文献２を参照。）。バトラー行列として、いわゆる固有モードＢＦＮは、ハイブリッドカプラと遅延線とを含み、系統的に設計することができる。この技法は任意のアレイに適用することができるが、アレイの事前定義された固有モード放射特性のみを提供する。固有モードＢＦＮは、アレイのすべての自由度を技術的に維持するが、実際の放射パターン（例えば、移動衛星通信用）を達成するためには、固有モードパターンの適切な組み合わせに多くの努力が必要である。
【０００７】
調整可能なＢＦＮは、位相アレーアンテナで使用される。各アンテナ素子には、位相および振幅に関して個別に制御される信号が供給される。全てのアンテナの信号から生じる放射特性の組み合わせは、所望の放射特性をもたらす（例えば、非特許文献３および非特許文献４を参照。）。そのような実施形態は、高い電力消費および／または低いシステム性能に悩まされ、大きなアンテナ開口およびそれに伴う大きな寸法をもたらす。さらに、それらは温度変化および環境影響に敏感である。したがって、較正のための多くの努力が費やされなければならない。
【０００８】
レーダー用途では、アレイは、しばしば、干渉源の緩和のために振幅および位相が制御されるサブアレイに分割される（例えば、非特許文献５および非特許文献６を参照。）。しかしながら、このような実施形態は、通常、ボアサイトに向けて指向する放射特性を目標とする。他の実施形態では、各サブアレイが専用の信号ブランチに接続するサブアレイ構成を使用する（非特許文献７および非特許文献８を参照。）。サブアレイ要素の信号は、個々のサブアレイ要素の振幅および位相を変化させる可能性なしに単純に合計される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】J. P. Shelton et al., "Multiple Beams from Linear Arrays," IRE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 9, no. 2, pp. 154-161, Mar. 1961.
【非特許文献２】C. Volmer et al., "An eigen-analysis of compact antenna arrays and its application to port decoupling," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 56, no. 2, pp. 360？370, Feb. 2008.
【非特許文献３】R. Baggen et al., "A Compact Phased Array for SatCom Applications," in Proc. of the 2013 IEEE International Symposium on Phased Array Systems & Technology, Waltham, MA, USA, 15-18 Oct. 2013, pp. 232-239.
【非特許文献４】L. Krnan et al., "Reconfigurable Digitally Scanned Polarimetric L-Band Radar", in Proc. of the 2009 IEEE Radar Conference, Pasadena, CA, 4-8 May 2009.
【非特許文献５】U. Nickel, ？Subarray configuration for digital beamforming with low sidelobes and adaptive interference suppression,“ in Proc. of the IEEE International Radar Conference, 1995.
【非特許文献６】U. Nickel, ？Array Processing for Radar: Achievements and Challenges,“ International Journal of Antennas and Propagation, July 2013.
【非特許文献７】R.F. Rincon, “Reconfigurable L-Band Radar,” in Proc. of the 5th European Radar Conference, Amsterdam, The Netherlands, Oct. 2008.
【非特許文献８】D.H. Sinnott et al., “THE USE OF OVERLAPPED SUBARRAY TECHNIQUES IN o SIMULTANEOUS RECEIVE BEAM LINEAR ARRAYS,” Mar. 1984.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、安価な実装を可能にするアンテナビーム方向の調整可能性をサポートするための概念を提供することである。
【００１１】
この目的は、係属中の独立請求項の主題によって達成される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本出願の基本的な知見は、固定された予め構成されたビーム形成状態間で切り替え可能なビーム形成ネットワークが、ビーム形成ネットワークのアンテナインターフェースがアンテナに接続される異なる接続状態間で切り替え可能なスイッチングネットワークを介してアンテナアレイに結合される場合、アンテナビーム方向の調整可能性のサポートが、実装の点でより安価にされ得ることである。そのため、アンテナインターフェースに接続されるアンテナの相対的な位置が接続状態によって異なり、または、固定された予め構成されたビーム形成状態の間でそれぞれ切り替え可能な複数のビーム形成ネットワークを設けることによって、アンテナアレイのアンテナのそれぞれのセットに結合され、ビーム形成ネットワークが相互に分離しているビーム方向が提供される。いずれの場合においても、ビーム形成ネットワークが固定型であり、それにもかかわらず、アンテナビーム方向の調節可能性は、ビーム形成ネットワークとスイッチングネットワークとの有利な組み合わせまたはビーム形成ネットワークとそれらに関連するアンテナセットとの組み合わせのために、同じ調整の可変性を提供する通常の固定または調整可能なビーム形成ネットワーク解法の使用に比べて増加している。
【００１３】
本出願の有利な実施形態は、従属請求項の主題である。本出願の好ましい実施形態を図面に関して以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本願のアンテナ装置を好適に用いることができる通信装置のブロック図である。
【図２】ビーム形成ネットワークとスイッチングネットワークの組み合わせを使用する本出願の実施形態によるアンテナ装置のブロック図である。
【図３】図２で使用され得るビーム形成ネットワークの概略的な性質のブロック図を示す。
【図４Ａ】一実施形態による、スイッチングネットワークの４つの異なる接続状態に従って、アンテナＡ〜Ｄとビーム形成ネットワークのアンテナインターフェースとの間の関連を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ａによって達成可能な接続状態とビーム形成状態との様々な組み合わせによって達成可能なビーム方向の例示的な分布を示しており、アンテナ位置の中間で一様な長さを共有し、平面図で見られる。
【図５】例示的なアンテナアレイへの平面図を示し、アンテナの互いに素なサブセットがビーム形成ネットワークアンテナインターフェースに接続される接続状態の例を示す。
【図６】一実施形態による異なる接続状態にIおよびIIにおけるアンテナとアンテナインターフェースとの間の接続／結合を実施する別の可能性を示す概略図である。
【図７】一実施形態による、立体角領域内の異なる接続状態のビーム方向のインターリーブされた分布を示す概略図である。
【図８】アンテナアレイ、スイッチ回路およびビーム形成ネットワークの２つの連結を並列に使用する本出願のさらなる実施形態によるアンテナ装置のブロック図を示す。
【図９Ａ】一実施形態による、関連するアンテナセットを有する２つのビーム形成ネットワークの組み合わせを利用するアンテナ装置のブロック図を示す。
【図９Ｂ】図５によるＢＦＮに細分されて接続されたアンテナアレイを使用する一実施形態による、関連するアンテナセットを有する２つ以上のビーム形成ネットワークの組み合わせを利用するアンテナ装置のブロック図を示す。
【図９Ｃ】互いに異なる位相／振幅差の経路を有するＢＦＮを使用してビーム方向の互いに素なセットを達成する実施形態による、関連するアンテナセットを有するビーム形成ネットワークの組み合わせを利用するアンテナ装置のブロック図を示す。
【図９Ｄ】一実施形態によるスイッチング／結合回路のブロック図を示す。
【図９Ｅ】スイッチング／結合回路がデジタル領域で動作する一実施形態によるスイッチング／結合回路のブロック図を示す。
【図１０】２×２アンテナアレイの４つのサブアレイに分割された例示的な４×４アンテナ素子のアンテナアレイの平面図を示す。
【図１１】実施形態の説明に用いた球面座標の定義を示す模式図である。
【図１２】サブアレイ当たりもｍ＝４ビーム（実線による断面）およびＮ＝４サブアレイ（点線によるサブセクション）を仮定して、上半球のような立体角領域の例示的な断面を示している。方位角を度で水平にプロットし、垂直方向に仰角をプロットした座標系で二次元的に示されている。
【図１３】サブアレイ当たりｍ＝４ビームと、異なるサイズの角度領域を有するＮ＝４サブアレイと仮定して、立体角領域を区分するための代替例を示す。
【図１４】アンテナサブアレイに接続するビーム形成ネットワークの異なるポート間でスイッチングしながら、あるビームの選択を概略的に示す。
【図１５】２×２のアンテナ素子の４つのサブアレイと図１６で用いられるアンテナ素子の番号付けに分割された４×４のアンテナ素子のアンテナアレイの例を示す。
【図１６】図２に示されているような１つ以上のアンテナのサブアレイに関連して１つの単一ビーム形成ネットワークをより詳細に使用する例のブロック図を示し、ここでは単一のビーム形成ネットワークは４つのサブＢＦＮから構成され、また、図１６は、第１のサブＢＦＮ７０1をサブアレイ１のアンテナと適切に接続することによって、ビーム１／１および２／２（図１２または図１３を比較する）を生成するためのサブアレイへのＢＦＮの接続を示し、スイッチングネットワークによる接続は十字で示されている。
【図１７】ビーム形成ネットワーク毎に単一のポートのみが選択されている２つの異なるサブアレイの２つのビームの組み合わせを使用するアンテナ装置のブロック図を示す。
【図１８】サブアレイ１のビーム１（ビーム１／２）に対応する左放射パターンを有する０．４波長の素子間間隔を有する４×４のアンテナアレイの例示的な放射パターンを示し、中心放射パターンは、サブアレイ２（ビーム２／１）および右側の放射パターンの単純な合計で両方のビームの組合せに対応し、全ての図は最大に正規化されたアレイファクタの等高線プロットを示す。そして、
【図１９Ａ】４つの異なるサブアレイの４つのビームの組合せを使用するアンテナ装置のブロック図を示し、ビーム形成ネットワークごとに１つのポートのみが選択される。
【図１９Ｂ】2組のＢＦＭを別々に処理するスイッチング／結合回路を使用する図１９Ａのアンテナ装置のブロック図を示す。
【図１９Ｃ】アナログ領域で動作するＢＦＮとして実施されるスイッチング／結合回路を使用する図１９Ａのアンテナ装置のブロック図を示す。
【図１９Ｄ】デジタル領域で動作するＢＦＮとして具現化されたスイッチング／結合回路を使用する図１９Ａのアンテナ装置のブロック図を示す。そして、
【図１９Ｅ】一実施形態によるトランシーバのブロック図を示し、ベースバンドプロセッサは、番号「１６」である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、アンテナビーム方向１２の調節可能性を支持するアンテナ装置１０を示しており、アンテナ装置１０は、トランシーバ段１５とベースバンドプロセッサ１６との連結を介して、通信（またはアプリケーション）プロセッサ１４に接続されている。アンテナ装置１０、トランシーバ１５、ベースバンドプロセッサ１６および通信プロセッサ１４は、共に、方向１２に沿って延びる無線チャネルを介して、第三者と通信するための通信装置を構成する。例えば、無線チャネルは、通信装置１８と衛星２０との間に延在する。トランシーバは、送信周波数からベースバンド周波数または中間周波数に、フィルタリング、増幅、ミックスダウンし、アンテナ装置１０が無線チャネルを介して受信した受信信号をサンプリングしてデジタル化し、受信したデータストリームをベースバンドプロセッサ１６に転送し、そして、順番に、デジタル／アナログ変換、アップミキシング、フィルタリングおよび増幅によって通信プロセッサ１４から受信された受信データストリームからアンテナ装置１０によって主に方向１２に放射された送信信号を受信する。ベースバンドプロセッサ１５は、特定のプロトコルタスク、追加のデジタルフィルタリング、シンボル変調タスク、周波数分割多重化タスク、フォワードエラー訂正／保護タスクなどのような、デジタルドメインにおける追加の通信タスクを想定することができる。通信プロセッサ１４自体は、外部プロセッサから受信したデータストリームに基づいてベースバンドプロセッサ１６に出力されたデータストリームを生成し、順番に、ベースバンドプロセッサ１６から受信したデータストリームから生成されたデータストリームを外部プロセッサに送信する。例えば、通信プロセッサ１４は、ベースバンドプロセッサ１６から受信されたデジタルの、まだデマルチプレクスされていないデータストリームを、符号化されたオーディオ／ビデオデータストリームなどのアプリケーション特有のデータストリームに変換し、伝送方向において反対の手順を実行する。
【００１６】
アンテナ装置１０の移動および／または衛星２０の移動のために、アンテナ装置１０と衛星２０との間の相対的な位置は、時間的に変化し得る。すなわち、アンテナ装置１０が衛星２０を「見る」方向は、時間的に変化し得る。そのため、アンテナ装置１０のアンテナビーム方向１２は、衛星２０がアンテナ装置１０に対して位置決めされる実際の視線方向に適合させなければならない場合がある。この目的のために、アンテナ装置１０は、アンテナ装置１０がアンテナビーム方向１２の調整を可能にする制御入力を含む。例えば、この制御入力２２は、通信プロセッサ１４に接続することができ、通信プロセッサ１４は、連続的または間欠的に調整を達成するために反復最適化手順を使用することができる。例えば、そのような反復最適化手順は、アンテナビーム方向１２を変化させることによってアンテナ装置１０によって出力された受信信号の受信信号強度を最大にすることを目的とすることができる。アンテナ装置１０の「アンテナビーム方向」とは、例えば、アンテナ装置１０の放射特性が最大となる立体角方向をいう。図１の通信装置１８を使用することができるアプリケーション風景は、例えば、自動車分野であり、通信装置１８は、移動する自動車の屋根上に配置することができ、したがって、アンテナビーム方向１２の調整を必要とし、上半球の１つの利用可能な衛星２０の方向に向ける。しかしながら、この適用シナリオは、説明の目的のためのものに過ぎず、以下に説明する実施形態は、衛星通信または自動車用途に関してもその適用範囲に限定されるべきではない。さらに、無線チャネルおよびアンテナ装置１０を介する図１の通信は、それぞれ、受信および送信の両方を含むが、アンテナ装置１０は、受信のみまたは送信のみのために使用されてもよい。さらに、アンテナ装置１０は、図１ではトランシーバ処理タスクを含まないものとして示されているが、代替実施形態によれば、後述するように、トランシーバタスクも含むことができる。
【００１７】
当然のことながら、できるだけ正確にアンテナのビーム方向を調整できることが好ましい。しかしながら、本出願の明細書の導入部で説明したように、アンテナ装置１０の可変ビーム形成ネットワークを介して自由に調整可能なアンテナビーム方向を可能にすることは、複雑で高価な実装を必要とする。アンテナビーム方向１２をＫ個の所定のビーム方向のいずれかに設定することを可能にする固定ビーム形成ネットワークの使用は、これらの努力を低下させる可能性があり、それにもかかわらず、そのような固定ビーム形成ネットワークは、ビーム形成のためにアンテナ装置１０によって使用されるアンテナの数を示すＭがＫ×Ｍの位相／振幅の適応経路を必要とする。
【００１８】
同じ調整可能性でこのオーバヘッドを減少させるか、または同等の実施の複雑さでアンテナビーム方向の調節可能性を向上させるために、以下に説明する実施形態は、改善された概念のアンテナ装置を提供する。
【００１９】
図２は、アンテナビーム方向１２の調整可能性をサポートするアンテナ装置１０を示しており、このアンテナ装置は、アンテナ２４のアンテナアレイ２３と、Ｍ個のアンテナインターフェース２８を含むビーム形成ネットワーク２６と、一方ではビーム形成ネットワーク２６と他方でアンテナアレイ２３との間に接続されたスイッチングネットワーク３０とを含む。以下でより詳細に説明するように、同じ程度の調整可能性を得るために、すなわち、所定のビーム方向を得るために、装置１０は、後で説明するように明らかになるように、ｍがＫよりも遥かに小さいｍ×Ｍの位相／振幅の適応経路しか必要としない。
【００２０】
ビーム形成ネットワークは固定型である。すなわち、ビーム形成ネットワーク２６は、異なる相互位相および／または振幅変動でＭ個のアンテナインターフェースを結合するように、予め構成されたｍ個のビーム形成状態間で切り替え可能である。例えば、図３を参照されたい。図３は、例えば、トランシーバ段１５に接続されるためのアンテナ装置１０のインターフェースを形成するｍ個の信号インターフェース３２を含むビーム形成ネットワーク２６を示す。これらの信号インターフェースの各々は、ｍ個の固定的に事前に構成されたビーム形成状態のそれぞれ１つに対応し、このためにＭ個のアンテナインターフェース２８のそれぞれに結合される。しかしながら、各信号インターフェース３２は、固定的に予め構成されたビーム形成状態に固有のアンテナインターフェースの個々の位相遅延および振幅係数でＭ個のアンテナインターフェースに接続される。
例えば、図３の左側の第１の信号インターフェースを参照すると、同じもの（第１の信号インターフェース）は、位相遅れψ11および振幅係数α11で第１のアンテナ入力に接続され、同じもの（第１の信号インターフェース）は、位相遅れψ12および振幅係数α12で第２のアンテナインターフェースに接続され、・・・、同じもの（第１の信号インターフェース）は、位相遅延ψ1Mおよび振幅係数α1MでＭ番目のアンテナインターフェース２８に接続され、第２の信号インターフェースは、位相遅延ψ21および振幅係数α21で第１のアンテナインターフェースに接続され、位相遅延ψ22および振幅係数α22で第２のアンテナインターフェースに接続され、・・・、位相遅延ψ2Mおよび振幅係数α2MでＭ番目のアンテナインターフェースに接続され、以下同様に次の信号インターフェースに接続される。
ある信号インターフェース０＜ｉ＜ｍと特定のアンテナインターフェース０＜ｊ＜Ｍとを接続する各経路は、１つ以上の遅延素子または移相器などの要素を介して対応する位相遅延ψi,jおよび振幅係数αi,jを実現し、パワーカプラおよびアッテネータなどの振幅シフタをそれぞれ備えている。全体として、ｍ×Ｍの経路が存在する。
【００２１】
したがって、図３のビーム形成ネットワーク２６は、ｍ個の信号インターフェース３２のいずれかを介してビーム形成ネットワーク２６とインターフェース接続し、後者の信号インターフェースをそれぞれ変更することによって、ｍ個の固定的に予め構成されたビーム形成状態のいずれかに切り替えることができる。
図３は、例えば、ビーム形成ネットワークが、ビーム形成ネットワーク２６のＭ個の信号インターフェースの内のちょうど１つを共通信号インターフェース３６に接続するように構成されたスイッチ回路３４を介して、その信号インターフェース側でベースバンドプロセッサまたは通信プロセッサのような他の要素とインターフェースすることができることを示す。すなわち、信号インターフェースの内の１つとそれに対応する予め構成されたＢＦＮ状態は、各時刻においてアクティブである。
【００２２】
スイッチングネットワーク３０は、単にトランジスタまたは他の高周波スイッチのようなスイッチングデバイスからなり、Ｎ個の異なる接続状態の間で切り替え可能である。言い換えると、スイッチングネットワーク３０は、いつでもＮ個の状態のうちの１つを正確に仮定する。各接続状態において、スイッチングネットワーク３０は、ビーム形成ネットワーク２６のも個のアンテナインターフェース２８を、アンテナアレイのも個のアンテナのセットと接続して、Ｍ個のアンテナ２４のそれぞれの接続状態においてＭ個のアンテナインターフェース２８に接続された相対位置が、Ｎ個の接続状態の間で異なる。以下により詳細に概説するように、Ｎ個の接続状態を設けることにより、ＢＦＮ２６のみからサポートされているｍからＮまでの装置１０の支持されたアンテナビーム方向の数がｍ／Ｎに乗算される。
【００２３】
これをより詳細に説明するために、図４Ａを参照する。図４Ａは、４つの異なる接続状態、すなわち、ローマ数字I〜IVで示されるＮ＝４の例を示す。図４Ａの実施形態では、ビーム形成ネットワークのＭ個のアンテナインターフェースがスイッチングネットワーク３０によって接続されているＭ本のアンテナのセットは、接続状態間で同じである。しかしながら、アンテナとＭ個のアンテナインターフェースとの間の関連付けが変更される。アンテナは、大文字Ａ〜Ｄを用いて図示されており、それぞれの接続状態においてそれぞれのアンテナに接続されたアンテナインターフェースは、各アンテナＡ〜Ｄを示す円に内接するアラビア数字１〜４を用いて示されている。見て分かるように、第１の接続状態Iにおいて、アンテナインターフェース１はアンテナＢに接続され、アンテナＤを有するアンテナインターフェース２、アンテナＣを有するアンテナインターフェース３、および、アンテナＡを有するアンテナインターフェース４を含み、アンテナＡ〜Ｄは正方形の頂点で時計回りに配置される。接続状態IIにおいて、一方のアンテナインターフェースと他方のアンテナとの間の関連は、正方形の第１の反射軸３８で反射され、第３の接続状態IIIにおいて、その関連は正方形の垂直反射軸４０で反射される。第４の接続状態IVにおいて、結合は、接続状態Iに対して、両方の反射軸３８および４０で反射される。
【００２４】
図４Ａの例において、スイッチングネットワーク３０は、以下の効果を有する。上に概説したように、ビーム形成ネットワーク２６は、既に、ｍ個の固定的に事前に構成されたビーム形成状態を可能にする。これらの予め設定されたビーム形成状態の各々は、１つのビーム方向に関連付けられている。図４Ｂは、例えば、ｍ＝３を示す。図４Ｂは、アンテナが配置されている頂点における正方形の中心に由来するときのアンテナＡ〜Ｄの平面上への各ビーム方向の頭部の位置を示す。接続状態Iで得られるｍ＝３のビーム方向は、例えば、Ia、IbおよびIcである。明らかに、状態IIを接続する際に、アンテナが互いに結合される相互位相および／または振幅変動は、ビーム方向の合同セットを導くが、軸３８で反射する。したがって、図４Ｂは、IIaからIIcまでの接続状態IIとして得られるｍ＝３のビーム方向を示す。例示のために、図４Ｂは、図４Ｂの判読性を容易にするために、代表的に、状態IIIおよびIVを接続する結果として得られるビーム方向の１つを単に示している。
【００２５】
したがって、図４Ａおよび図４Ｂは、スイッチングネットワーク３０が、ビーム形成ネットワーク２６によって達成可能なビーム方向を多重化することができることを示している。各接続状態において、ビーム形成ネットワーク２６は、ｍ個の異なるビーム方向を可能にし、それぞれが予め設定されたｍ個の予め構成されたビーム形成状態の１つに関連付けられる。接続状態のそれぞれについて、これらのｍ個のビーム方向は、Ｎ、すなわち接続状態の数が全体として変化するように変化する。すなわち、ｍ個の異なるビーム方向が反射軸３８および４０に対して非対称に分布するならば、異なるビーム方向が得られる。
【００２６】
したがって、図２のアンテナ装置１０は、スイッチ回路３０のＮ接続状態およびＢＦＮ２６のｍ個のビーム形成状態に関して制御可能であり、制御信号２２を介して装置１０が制御可能なｍ・Ｎ状態をもたらす。
【００２７】
しかしながら、スイッチングネットワーク３０がちょうど輪郭を描かれた「乗算」を達成する方法は変更されてもよい。例えば、図５は、Ｍ個のアンテナの相互に分離したサブセットが、それぞれ各接続状態でＭ個のアンテナインターフェースに接続されていることを示す。Ｍ＝４、ｍ＝３、Ｎ＝４は、図４Ａ〜図５において例示のために選択されたものであり、Ｍは１より大きい任意の値をとることができ、同様にｍは１より大きい任意の値を取ることができ、Ｎも同様である。理解を容易にするために、ｍ、ＮおよびＭの代表値を以下でさらに使用するが、各実施形態はこれらの値に限定されるものではなく、ｍ、ＮおよびＭの他の値の代替も包含する。
【００２８】
図５は、互いに接続されていないアンテナセットが、各接続状態でＭ個のアンテナインターフェースに接続されていることを示している。しかしながら、各接続状態において、Ｍ個のアンテナは、共通の平面内にすべて存在する相互に一致する格子の格子位置に配置される。Ｍ個のアンテナインターフェースに接続されたＭ個のアンテナの相対的位置がＮ個の接続状態の間で非純粋変換方式において異なるという事実は、図５の実施形態において、一方では対応して配置されたアンテナ２４と他方ではＭ個のアンテナインターフェースとの間の異なる関連付けから生じる。１つの接続状態で接続されたアンテナの位置を、別の接続状態で接続されたアンテナの位置に変換することによって、同じ場所に配置されたアンテナである。それだけでは、図５の実施形態は、図４Ａの実施形態に対応し、接続状態の各々において並進変位したアンテナセットを単に使用する。
【００２９】
特に、図５の実施形態では、アンテナアレイ２３のアンテナ２４は、ｐ・ａ列およびｑ・ｂ行に配置され、アンテナアレイ２３のアンテナ２４は、それぞれＭ＝ａ・ｂのアンテナのＮ＝ｐ・ｑ個のサブアレイに分割される。
図５の代替的な実施形態において、サブアレイは、互いに隣接して配置されるのではなくインターリーブされてもよく、例えば、１つのサブアレイのアンテナは、アンテナ列ピッチのｐ倍と、アレイ２３のアンテナ行ピッチのｑ倍とを有する。
【００３０】
完全性のために、図６は、Ｍ個のアンテナインターフェースに接続されたアンテナの位置が、接続状態間で相互に一致する多角形の頂点に位置する必要はないことを示している。図６は、５つのアンテナ２４への上面図を示し、図６は、例示的に２つの接続状態IおよびIIを示す。Ｍ＝４のアンテナインターフェースと、アンテナ２４へのそれらの接続は、アラビア数字１〜４を使用して再び示されている。見て分かるように、Ｍ個のアンテナインターフェースに接続されたアンテナ２４は、剛体運動、すなわち並進運動、回転運動および反射運動の１つまたは組合せを介して、互いに対して変形可能でないか、または互いに対して移動可能な位置に配置される。すなわち、接続状態IでＭ個のアンテナインターフェースに接続されたアンテナの位置と、接続状態IIでＭ個のアンテナインターフェースに接続されたアンテナの位置とは、互いに合同な多角形を形成しない。ここで、ビーム形成ネットワーク２６は、接続状態Iのアンテナ位置コンステレーションにおいてｍ個のビーム方向を有するように最適化されてもよく、接続状態IIにおけるアンテナ位置配置における顕著なビーム方向もまた、これらのビーム方向が変化する、すなわち相互に異なるセットを形成し、２×ｍのビーム方向が得られるようにする。
【００３１】
ここに示した実施形態では、アンテナアレイ２３のすべてのアンテナ２４が１つの平面内に配置されている好ましい構成が示されていることに留意されたい。この構成は、製造および設計プロセスを軽減し、また、上で概説したような衛星通信アプリケーションに関して有利でもある。しかしながら、理論的には、アンテナ２４を曲面に配置することもできるので、接続状態でアンテナインターフェースに接続されたアンテナのセットを変更することができ、例えば、接続された各アンテナの側面の曲面の別の傾斜によって、ｍ個のビーム方向を一方の接続状態から他方の接続状態に変化させる。しかしながら、ちょうど概説したように、アンテナを１つの平面に配置することは、他の理由により有益であり得る。
【００３２】
図７は、Ｎ個の接続状態のｍ個の異なるビーム方向のセットがインターリーブされて、Ｎ個の接続状態のｍ個の異なるビーム方向のセット、すなわちすべての可能なビーム方向のセットによって広がる立体角領域が、各セクションにおいて、Ｍ個の接続状態のｍ個のビーム方向の組のそれぞれの正確に１個のビーム方向が存在することができるように、Ｎ（単純に接続された）セクションに分割されてもよいことを示す。例えば、図７は、各ビーム方向のヘッドの位置を示すことにより、様々な接続状態で利用可能なビーム方向の投影上への平面図を示し、それぞれの固定された予め構成されたビーム形成状態の内の１つとして各ビーム方向が利用可能になる接続状態を示すローマ数字によって示される。ここでは、全ての異なるｍ×Ｎのビーム方向にまたがる立体角領域４２が４２で示されており、見て分かるように、この立体角領域４２は、４つのセクション、すなわち４分の１に分割されてもよく、そのため、各４分の１のビーム状態において、それぞれの接続状態の１つのビーム方向が４４ａ〜４４ｄで示されている。
【００３３】
以下でより詳細に説明するように、一方では、全体の立体角領域４２にわたって支持されたビーム方向のこの分布は、立体角領域４２の改善されたカバレッジを達成することを可能にし、他方、この分布は、アンテナビームの調整可能性 スイッチングネットワークとビーム形成ネットワークとの２つの連結を並列に使用することによって、２つのビーム間を「補間」することによって、アンテナ装置の方向を制御することができる。特に、図７に示すようにビーム方向を分配することによって、立体角領域４２の任意の位置において、アンテナ装置のアンテナビーム方向を中間状態に調整するために、２つの異なる接続状態の２つのビーム方向の間を補間することが可能である。
【００３４】
これを説明するために、図８を参照されたい。図８は、アンテナアレイ、スイッチングネットワークおよびビーム形成ネットワークの連結の２倍を含むアンテナ装置１０を示しており、これらの要素は、図８に示されており、したがって同じ参照符号を使用するが、それぞれ１および２のインデックスが付加されている。上述したように、アンテナアレイ、スイッチングネットワークおよびビーム形成ネットワークの各連結は、接続状態および固定された事前構成されたビーム形成状態の両方に関して制御することができる。すなわち、各連結は、互いに独立してｍ×Ｎの状態の間で切り換え可能である。これらのｍ×Ｎの状態に関連するビーム方向に関しては、アンテナアレイ、スイッチングネットワークおよびビーム形成ネットワークの両方の連結を比較するときにも一致するので、利点は得られない。しかし、図８の装置１０は、制御可能な態様で、アンテナ装置１０のアンテナビーム方向がそれぞれアンテナアレイ２３1および２３2のビームの組み合わせから生じるように、ビーム形成ネットワーク２６1の信号インターフェースおよびビーム形成ネットワーク２６2の信号インターフェースを含む。２つの連結２３1〜２６1および２３2〜２６2は、例えば、それらを対応する接続状態の組および固定された予め構成されたビーム形成状態に設定することによって、最も近い２つのビーム方向に設定され、それぞれ、制御可能な組合せ回路４６は、ビーム形成ネットワーク２６1および２６2の２つの信号インターフェースを共通の信号インターフェースで適切に接続することによって、２つのビーム方向の間で適切な「パンニング」を行い、すなわち、それぞれの位相遅れを有するかまたは有さない増幅因子のそれぞれの分布において測定される。制御可能な組合せ回路４６は、アナログ領域で完全に動作することができる。すなわち、図８において下方に導くように示された共通信号インターフェースは、例えば、図１の送受信段１５の受信ブランチおよび送信ブランチのような受信器および／または送信段に接続されてもよい。あるいは、制御可能な組み合わせ回路４６は、デジタル領域で動作してもよい。すなわち、制御可能な組合せ回路４６とＢＦＮ２６1との間、および制御可能な組合せ回路４６とＢＦＮ２６2との間の両方において、図１の送受信ブランチ１５の受信ブランチおよび送信ブランチのようなそれぞれのレシーバおよび／またはトランスミッタ段が配置されてもよい。そのため、制御可能な組み合わせ回路４６は、ＢＦＮとデジタル的にインターフェースし、所望の位相差および／または振幅差でＢＦＮとの間で信号をデジタル的に結合する。これに関して、図１９Ｄを参照する。
【００３５】
したがって、図８のアンテナ装置１０は、ＢＦＮ２６1のｍ個のビーム形成状態、ＢＦＮ２６2のｍ個のビーム形成状態、および制御可能な組合せ回路４６のＬ個の制御状態に関して制御可能であり、要するに、図８の装置１０が制御信号２２を介して制御可能な大体ｍ−ｍ−Ｌ状態となる。制御可能な組合せ回路のＬ制御状態は、単にＢＦＮ２６1を使用すること、すなわち、ＢＦＮ２６1の信号インターフェースを制御可能な組合せ回路４６の信号インターフェースと接続し、ＢＦＮ２６2の信号インターフェースを未接続のままにして、ＢＦＮ２６2を使用することの２つ以上を含む／区別することができる。すなわち、ＢＦＮ２６2の信号インターフェースを制御可能な組合せ回路４６の信号インターフェースに接続し、ＢＦＮ２６1の信号インターフェースを未接続のままにして、ＢＦＮ２６1およびＢＦＮ２６2の信号インターフェースが存在する１つまたは複数の状態は、設定可能な位相差φおよび／または振幅比で、制御可能な組合せ回路４６の信号インターフェースに接続され、そして、ＢＦＮ２６1の信号インターフェースと制御可能な組合せ回路４６の信号インターフェースとの間の経路と、ＢＦＮ２６2の信号インターフェースと、制御可能な組合せ回路４６の信号インターフェースとの間の経路に、それぞれ、接続される。
【００３６】
図９Ａは、アンテナビームの調整可能性をサポートするアンテナ装置の別の実施形態を示す。図９Ａのアンテナ装置は符号５０で示されている。アンテナ装置５０は、Ｍ個のアンテナ５４の第１のセット５２と、Ｍ個のアンテナ５８の第２のセット５６とを含む。第１のビーム形成ネットワーク６０は第１のアンテナセット５２に接続可能であり、第２のビーム形成ネットワーク６２は第２のアンテナセット５６に接続可能である。ビーム形成ネットワーク６０および６２は、予め設定されたｍ個の固定されたビーム形成状態の間でそれぞれ切り替え可能である。これらのビーム形成状態の各々において、アンテナセット５２のアンテナ５４は、予め設定されたｍ個の固定されたビーム形成状態で、異なる相互位相および／または振幅変動で結合され、アンテナセット５６のアンテナ５８にも同様に適用される。第１のビーム形成ネットワーク６０の固定された予め構成されたビーム形成状態は、第２のビーム形成ネットワーク６２のｍ個の予め構成されたビーム形成状態から生じるｍ個の異なるビーム方向とは異なる第１のｍ個の異なるビーム方向を生じる。図９Ａは、スイッチング／結合回路６４が、ビーム形成ネットワーク６０および６２の信号インターフェースの間で切り替えおよび／または結合することができることを示す。組み合わせは、図８の実施形態と同様の２つのビーム方向間のパン／補間をもたらし、スイッチングは、ビーム形成ネットワーク６０またはビーム形成ネットワーク６２のいずれかを使用することに対応する。換言すれば、図２のアンテナ装置１０の切り替えは、例えば、接続状態と固定的に予め構成されたビーム形成状態をそれぞれ適切に設定することによって行われたが、この設定は、使用されるビーム形成ネットワーク、すなわち６０または６２を適切に選択し、次いで選択されたビーム形成ネットワークの固定された事前構成されたビーム形成状態を設定することによって、図９Ａのアンテナ装置で実行される。図９Ａのスイッチング／結合回路６４は、任意である。ビーム形成ネットワーク６０および６２の間の選択は、別のエンティティによって実行することができる。
【００３７】
スイッチング／結合回路６４が存在する場合、図９Ａのアンテナ装置１０は、ＢＦＮ６０２のｍ個のビーム形成状態、ＢＦＮ６２のｍ個のビーム形成状態、およびスイッチング／結合回路６４のＬ個の制御状態に関して制御可能であり、要するに、図９Ａの装置１０が制御信号２２を介して制御可能なほぼｍ−ｍ−Ｌの状態をもたらす。制御可能なスイッチング／結合回路６４のＬ制御状態は、ＢＦＮ６０を単に使用すること、すなわち、ＢＦＮ６０の信号インターフェースをスイッチング／結合回路６４の信号インターフェースに接続し、ＢＦＮ６２の信号インターフェースを未接続のままにすることの２つ以上を含む／区別することができる。すなわち、ＢＦＮ６２の信号インターフェースをスイッチング／結合回路６４の信号インターフェースと接続し、ＢＦＮ６０の信号インターフェースを未接続のままにするだけで、そして、ＢＦＮ６０およびＢＦＮ６２の信号インターフェースは、ＢＦＮ６０の信号インターフェースとスイッチング／結合回路６４の信号インターフェースとの間の経路間の設定可能な位相差ψおよび／または振幅比で、スイッチング／結合回路６４の信号インターフェースに接続され、ＢＦＮ６２の信号インターフェースと、スイッチング／結合回路６４の信号インターフェースに、それぞれ、接続されている１つまたは複数の状態をとる。
【００３８】
図３に関して、上記の説明とは異なり、スイッチング回路３４は、ビーム形成ネットワーク自体の一部であると解釈することができる。図９Ａの実施形態に関する限り、同一のビーム形成ネットワーク６０および６２を使用する場合、それぞれアンテナ５４および５８を配置するための規則は、図５〜図７に関して上述したものに対応する。
すなわち、ビームフォーミングネットワーク６０、６２にそれぞれ接続されたアンテナの相対位置は、一方ではアンテナ５４で他方では５８であり、この差異は、アンテナ５４を配置する位置が平行移動によってアンテナ５８の位置に変換／移転することができないように、すなわち、少なくともそのような移転／変換が実現可能である場合、一方ではアンテナ５４とビーム形成ネットワーク６０のｍ個のアンテナインターフェースとの間の関連／接続は、一方で対応するアンテナ５８とビーム形成ネットワーク６２のｍ個のアンテナインターフェースとの間の関連性とは異なり、ここで、「対応する」は、それぞれ平行移動によって相互に変換されたアンテナ５４および５８の対を示す。
これは図９Ｂに示されている。ここで、ＢＦＮ６０および６２は、等しく設計されてもよい。図９Ｂはまた、３つ以上のＢＦＮが、図１９Ａ〜図１９Ｅに関して後に説明されるように、オプションとして並列に接続される可能性も示している。図９Ｂは、アンテナアレイ５３、５７にそれぞれ接続された２つの付加的なアンテナ６１、６３をそれぞれ示している。アンテナは、例えば、図５に示されるようなアレイから５２から５７を設定する。
【００３９】
しかしながら、図９Ａの装置５０の支持されたアンテナビーム方向の逓倍を達成する他の方法は、ビーム形成ネットワーク６０および６２を異なるように設計することであろう。この可能性は、図９Ｃに示されており、図９Ｃは、それぞれ、ハッチングおよび非ハッチングの使用によるＢＦＮ６０および６２の異なる設計を示す。
当然のことながら、これらの手段の組み合わせも同様に使用することができる。
【００４０】
図９Ｃの場合、ＢＦＮ６０、６２は、例えば、上述の位相遅延ψi,j及び振幅係数αi,jの点で異なる。さらに、アンテナインターフェースの数およびビーム形成状態の数が異なっていても、すなわち、ＢＦＮ６０は、アレイ５２のアンテナ数がＭ１であるｍ１状態間で切り替え可能であり、一方、ＢＦＮ６２はＭ２の状態間で切り替え可能であり、アレイ５６のアンテナ数は、Ｍ２であり、アンテナアレイ５２におけるＢＦＮ６０のビーム形成から生じるビーム方向のセット｛ｒ11．．．ｒ1m1｝は、アンテナアレイ５６におけるＢＦＮ６２のビーム形成から生じるビーム方向｛ｒ21．．．ｒ2m2｝のセットとは異なる。
【００４１】
これと比較して、図９Ｂの場合、ｍ１＝ｍ２＝ｍ、Ｍ１＝Ｍ２＝Ｍであり、アレイ５２および５６のＭ個のアンテナは、相互に一致する位置に位置し、位相遅延ψi,jおよび振幅係数αi,jは等しく、アレイ５２および５６のＭ個のアンテナは相互に一致する位置に配置され、上記のように、アンテナとアンテナインターフェースとの間の異なる関連性に起因するビーム方向のセットの分離した性質を有する全ての０＜ｉ＜ｍおよび＜０＜ｊ＜Ｍについて、位相遅延ψi,jおよび振幅係数αi,jは、ＢＦＮ６０および６２の間で等しい。明示的に述べると、ビーム形成ネットワーク６０および６２は、例えば、互いに同一または対称であってもよい。アンテナ５４は、アンテナ５８と共に１つの共通平面内に配置することができる。アンテナ５４は、並進によって、それらの位置がアンテナ５８の位置に移動可能であるように互いに対して分配されてもよい。しかし、ビーム形成ネットワーク６０のＭ個のアンテナインターフェースに接続されたアンテナ５４の相対位置は、ビーム形成ネットワーク６２の対応するＭ個のアンテナインターフェースに接続されたアンテナ５８の相対位置と異なってもよく、すなわち、一方でビーム形成ネットワーク６０と、他方ではビーム形成ネットワーク６２との間のＭ個のアンテナインターフェースと対応するアンテナ位置との間の関連付けを変更することによって行われる。
【００４２】
図９Ｄに示すように、スイッチング／結合回路６４は、例えば、ＢＦＮ６０の信号インターフェースとスイッチング／合成回路６４の信号インターフェースとが結合される位相遅延ψ１と、ＢＦＮ６２の信号インターフェースおよびスイッチング／結合回路６４の信号インターフェースが結合される位相遅延ψ２との間の位相差Δψ=｜ψ２−ψ１｜に、ＢＦＮ６０とＢＦＮ６２の信号インターフェースをスイッチング／結合回路６４の共通信号インターフェースに接続するように構成することができ、そして、ＢＦＮ６０の信号インターフェースとスイッチング／合成回路６４の信号インターフェースとが結合された振幅係数α１と、ＢＦＮ６２の信号インターフェースと信号との振幅係数α２との振幅比Δα=α２／α１に対して、スイッチング／結合回路６４のインターフェースが結合されている。スイッチング／結合回路６４は、それぞれの遅延、アッテネータなどを含むことができる。
【００４３】
図８の制御可能な組み合わせ回路４６に関する上記の説明は、スイッチング／組み合わせ回路６４に関しても真である。後者は、図９Ａ〜９Ｅに下に導くように示された共通信号インターフェースを有するアナログ領域で完全に動作することができ、例えば、図１のトランシーバ段１５の受信ブランチおよび送信ブランチのような受信機および／または送信機ステージに送信する。あるいは、図９Ｅに示すように、制御可能な組み合わせ回路４６は、デジタル領域で動作してもよい。すなわち、回路６４とＢＦＮ６０との間、および回路６４とＢＦＮ６２との間のそれぞれの受信器および／または送信器段６８1および６８2は、それぞれ、図１のトランシーバ段１５の受信ブランチおよび送信ブランチなどのトランシーバを配置することができる。そのため、制御可能な組み合わせ回路４６は、ステージ６８1,2を介してＢＦＮ６０、６２とデジタル的にインターフェースし、所望の位相差および／または振幅差で信号をＢＦＮに／からＢＦＮにデジタル結合する。これに関して図１９Ｄを参照する。
【００４４】
さらに、図１９Ｂに関して示されるように、スイッチング／結合回路６４は、ＢＦＮ６０および６２の一方を回路６４の共通信号インターフェースと接続するスイッチとして単に動作することができる。同じ数のアンテナを扱い、同じ数の状態、すなわち、ＢＦＮ６０の数とＢＦＮ６２の数の和を提供する通常の切り替えたＢＦＮは、より多くの遅延／振幅経路を設計して実装する必要がある。
【００４５】
さらに、アンテナ位置のコンスタレーションは、図６の説明と同様に、セット５２と５６とで異なってもよい。さらに、アンテナ位置のコンスタレーションおよびアンテナインターフェイスに対するアンテナのアソシエーションは、アンテナアレイおよびビーム形成ネットワーク５２／６０および５６／６２の両方の対について互いに等しいことができ、ビーム形成ネットワーク６０および６２は、互いに分離された、すなわち、重なり合わないビーム方向のセットをもたらすために異なるように設計されている。
【００４６】
図７に関して説明したように、好ましくは、ビーム形成ネットワーク６０から生じるビーム方向と、ビーム形成ネットワーク６２から生じるビーム方向は、図７に関して説明した方法でインターリーブされる。そのため、両方のビームによる補間は、スパンされた立体角領域４２にわたって等しく達成されてもよい。図２〜図８の実施形態に関して上に述べた説明を図９Ａの実施形態に移す際に、アンテナセット５２と関連してビーム形成ネットワーク６０によって得られたビーム方向は、１つの接続状態のビーム方向のセットと関連付けられるべきであり、関連するアンテナセット５６と共にビーム形成ネットワーク６２から生じるビーム方向は、別の接続状態のビーム方向に対応する。
【００４７】
上述の実施形態のアンテナは、特に言及していないが、アンテナ装置が使用する動作放射波長の例えば１０分の１〜１０倍の平均ピッチを有するように配置されることが好ましい。これは、１組のＢＦＮに接続されたアンテナセットの平均ピッチの平均ピッチに対して特に当てはまる。これは、平均ピッチが、例えば、１ｍｍ以上３０ｃｍ以下の範囲内である。
【００４８】
したがって、言い換えれば、上記の実施形態は、サブアレイの放射特性の組み合わせに基づいており、サブアレイの各々は、固定ビーム形成ネットワークに接続されている。「固定ビーム形成ネットワーク」および「ビーム形成ネットワーク」という用語は、別段の記載がない限り、交換可能に使用される。
【００４９】
以下では、上述の実施形態をさらに発展させることができる追加の詳細および詳細な特徴を上記の実施形態に提供するために、上記の実施形態の実装をより詳細に説明する。
【００５０】
図１０に示す実施形態では、アンテナアレイ２３、アンテナアレイ２３１／２３２の組み合わせ、およびアンテナセット５２および５６の組み合わせを形成することができるアンテナアレイが示されている。図１０のアンテナアレイは、Ｎ＞３の２つ以上の要素からなるＮ個のサブアレイに分割される。アンテナは、正方形または連続線を使用して、図１０に示されている。技術的には、アンテナ全体および個々のサブアレイ内のアンテナは、任意に配置することができ、任意の形状とすることができる。サブアレイは、破線を使用して、図１０に示されている。それらは、図２〜図８の実施形態の場合には、ビーム形成ネットワークのアンテナインターフェースに接続されたアンテナの互いに素のセットに対応し、図９Ａの実施形態の場合は、アンテナセット５２および５６に対応し、以下に概説するように、アンテナセットおよびビーム形成ネットワークの３つ以上の平行な経路を含むように拡張することができる。図１０は、４×４素子のアレイの例を示しており、２×２のアンテナからなる４つの等サイズのサブアレイに分割されている。
【００５１】
各サブアレイは、Ｍ＞１の特定の数の放射特性またはビームＭを提供する。ビームは、関心のあるカバレッジ領域、すなわち、視界の間に分散される。上記の説明では、この対象カバレッジ領域は参照符号４２で示されている。分布は、視野をｍ個のセクションに分割することによって実行される（図７の４４を比較）。各セクションは各サブアレイの１つのビームを含み、すなわち各セクションは結果的にＮ個のサブセクションに分割される。各サブセクションは、Ｎ個のサブアレイの内の１つによって提供されるＭ個のビームの１つに対応する。ビームは、隣接するサブセクションのビームがすべて別のサブアレイから生じるように、すなわち各サブアレイが１つのセクションに１つのビームのみを提供するように分布される。θが共仰角（オフ天頂角）であり、ψが方位角を示し、ｒが観測点までの距離である図１１に示される球面座標系を仮定する。図１２は、上半球をカバーする視野の例、すなわち、θ=−９０°〜９０°およびψ＝０°〜１８０°、それはそれぞれ４つのセクションに分かれていて、順番に、さらに、４つのサブセクションに分割されている。セクションは前後左右であり、サブセクションは点線で示されている。各サブセクションは、次の構文に従って、数字のペアで識別される。＜サブアレイの数＞／＜ビームの数＞。図示のように、各サブアレイは各セクションに１つのビームを提供し、隣接するサブセクションは、同じサブアレイの２つのビームを含まない。区画化の別の例は、図１３において不均等な角度領域の領域で描かれている。
【００５２】
0006494755.tif 000002
【００５３】
それぞれのビームの選択は、図１３に示すように、スイッチを介して行うことができる。ＢＦＮは、ｍ個の異なる位相分布の中から選択することができ、それぞれは特定のセクションおよびサブセクションに対応する。
【００５４】
一般に、ＢＦＮの実施形態は、異なるタイプであってもよく、限定されたセットに限定されない。これには、バトラー行列、固有モードネットワークなどが含まれる。また、Ｍ個のサブＢＦＮのセットから構成することもでき、その間に選択が行われる。努力を低く抑えるために、実際の実装では、視野の分割とアンテナとサブアレイの配置に続く対称性を利用する場合がある。例えば、図１２に示す断面化を考慮すると、副断面は、θ＝０°およびψ＝９０°を通って法線軸に対して回転対称であることが分かる。この場合、各サブアレイのアンテナを、スイッチを介して各サブＢＦＮに接続することができるならば、４つのサブＢＦＮを含む単一のＢＦＮがアレイ全体に十分である。図１５に示す設定および番号付けに依存する例を図１６に示す。ｍ＝４のサブＢＦＮから構成される単一のＢＦＮを使用して、複数のサブアレイ間で複数のビームを生成することができる。この例は、第１のサブＢＦＮが、ビーム１／１を生成するためにサブアレイ１に、ビーム２／２を生成するためにサブアレイ１にどのように接続するかを示す（図１２または図１３参照）。同じサブＢＦＮは、対称性により２つのサブアレイに対して利用することができる。
【００５５】
ビーム形成能力を拡張するために、固定ビームの組み合わせを行うことができる。図１７は、２つの異なるサブアレイの２つのビームの組み合わせの例による概念を示す。これは、上述のセクションスキームのために容易に可能である。隣接するビームが１つのサブアレイによって生成される場合、隣接するビームの組み合わせは、両方の信号ブランチを各ＢＦＮおよびサブＢＦＮに接続することができるスイッチマトリックスを必要とし、高価な実装につながる。
【００５６】
ビームの組み合わせはいくつかの方式に従うことができます。図１８は、２つの個々のビーム１／１及び２／１と、０．４波長の素子間スペーシング及び図１２のセクションを有する図１０の例示的なアレイの単純な合計の結果を示す。単純な加算のほかに、両方の個々のビームの加重和のビームを生成することができる。したがって、１つのブランチの信号は、アナログ同調可能位相および／または振幅シフタまたはベースバンド信号に適用されるデジタル演算によって、位相および／または振幅においてシフトされる必要がある。後者は、アンテナからベースバンドへの第２の信号分岐を必要とする。しかしながら、１要素当たり１つのブランチを使用する完全に操縦可能な実装の代替案を考慮すると、信号分岐の数の大幅な削減を達成することができる。
【００５７】
結合されたビームの数は、サブアレイの数に拡張することができる。すなわち、信号分岐（信号ブランチ）の数はＮに等しい。これは、最大分岐数と見なすことができ、１つの要素につき１つの分岐を有する完全に操縦可能な実装と比較して、依然として低い。図１９Ａは、４つの異なるサブアレイから生じる４つのビームの組み合わせのための例示的なアーキテクチャを示す。図１９Ｂは、ここではスイッチング／結合回路６４を含む装置を示しているが、それぞれスイッチング／結合回路６４の第２の共通信号インターフェース９３に対してそれらを統一するように、スイッチング／結合回路６４の第１の共通信号インターフェース９１及びＢＦＮ６２、６３に対してそれらを統合するために、ＢＦＮ６０および６１に対して別々にスイッチング／結合を実行する。これらの２つの共通信号インターフェース９１，９３の間で、別のスイッチング／結合回路を、共通信号インターフェース９１および９３の前に接続された２つの並列トランシーバ（または単に２つの並列受信ステージまたは単に２つの送信ステージ）を使用して、図９Ｅのようなスイッチング／結合をデジタル領域において実行するように配置することができ、また、回路６４から離れている別のスイッチング／結合回路の１つの信号インターフェースに接続された１つのトランシーバ（または単に２つの並列受信ステージまたは単に２つの送信ステージ）を使用するアナログ領域の図９Ｄのようなものである。スイッチング／結合回路６４は、ここでは、ＢＦＮ６０、６１のいずれか１つをインターフェース９１に接続し、ＢＦＮ６２、６３のいずれかをインターフェース９２に接続するか、それぞれ、ブレース９４を使用して単に示されている任意の更なるスイッチング／結合回路は、例えば、ビーム形成の意味で単一の信号インターフェースに対して異なる位相及び振幅を使用して両方のインターフェース９１及び９２の組み合わせを実行することができる。図１９Ｃは、１つの信号インターフェースを備えた所望の位相の遅延および振幅係数を有し、トランシーバ（または受信または送信）ステージに接続することができるＢＦＮ６０、６１６２および６３の信号インターフェースを所望の位相に結合するように、アナログ・コンビネーション・モジュールと共に移相器および／または振幅シフタを含む同調可能なアナログビーム形成ネットワークとしてのスイッチング／合成回路６４を示す。図１９Ｄは、ＢＦＮ６０、６１６２および６３の信号インターフェースの同じ結合を所望の位相遅延および振幅係数と共に達成するものとしてスイッチング／結合回路６４を示し、この信号インターフェースは、トランシーバ段に接続されてもよいが、デジタル領域では、ＢＦＮ６０〜６３と回路６４との間にそれぞれトランシーバ（単に受信または送信段を使用することができる）９５ａ〜９５ｄが接続されている。
【００５８】
完全性のために、図１９Ｅは、上述のトランシーバに使用されるトランシーバの例を示す。同様に、受信ブランチ１００は、上述の受信ステージのいずれかに使用され、送信ステージ１０２は、上述の送信ステージのいずれかに使用される。前者のものは、無線周波数のアナログ受信信号をアンテナ側から変換し、ベースバンドまたは中間周波数のデジタル信号を出力するように、増幅器／フィルタ段１０４、ダウンコンバータ１０６およびＡ／Ｄコンバータ１０８の連結を含み、後者のものは、ベースバンドまたは中間周波数のデジタル信号を無線周波数のアナログ信号に変換してアンテナ側に出力するように、Ｄ／Ａ変換器１１０、アップコンバータ１１２および増幅器／フィルタ段１１４の連結を含む。
【００５９】
サブアレイごとに固定されたＢＦＮと、ＢＦＮごとに選択された１つのビームとを有するサブアレイへのアンテナアレイの分離は、以下の利点を有する。
ａ）受信機／送信機に接続するポートの数は、サブアレイの数に減少する。これは、サブアレイの数が必要とされる信号分岐の最大数を制限するため、実装の労力を少なくする。
ｂ）異なるサブアレイのビームを組み合わせることができる。
i）組み合わされたビームの数は、サブアレイの数に拡張することができる。
ii）組み合わせは、ビームの加重和によって行うことができる。したがって、切り替え可能な固定ビーム形成は、調整可能なビーム形成と組み合わせることができる。予め定義された固定ビームのために位相シフタが３６０°の同調範囲をカバーしなければならない完全に操縦可能なビーム形成ネットワークと比較して、移相器などの操縦可能なビーム形成要素の同調範囲を大幅に低減することができる。アナログ位相シフタの場合、設計労力は明らかに低減され、損失はより少なく、したがってより高いシステム性能が達成され得る。
ｃ）固定されたＢＦＮは、アナログ位相シフタよりも損失が少ない。これは、スイッチによるサブアレイのビームの組み合わせ、またはサブアレイごとの信号ブランチの使用のための構成にも当てはまる。したがって、より高いシステム性能を達成することができる。
ｄ）固定ＢＦＮは、より高い電力処理能力を有し、アナログ位相シフタよりも高い直線性を示す。これは、スイッチによるサブアレイのビームの組み合わせ、またはサブアレイ毎の信号分岐の使用のための構成にも当てはまる。アナログ位相シフタは、しばしば、ダイオードまたはトランジスタなどの半導体デバイスに依存する。これらの特性はＲＦ信号によって変化するため、通常は低い直線性を示す。
ｅ）アンテナは任意に配置することができる。バトラー行列は、等距離のアンテナ配列を意味する。
【００６０】
Ｎ個のサブセクションおよび異なるサブアレイからの隣接サブセクションのビームを含む各セクションの視野のセクション化は、以下の利点を有する。
ａ）ビームの組み合わせは、単一のＢＦＮポートのみを選択する各ＢＦＮのスイッチを介して容易に実施することができる。１つのサブアレイのビームに対応する隣接するサブセクションの場合、この組み合わせにはスイッチマトリクス、通常はコスト集約的なコンポーネントが必要となる。
ｂ）セクショニングは、対称的に行うことができる。
i）従って、サブアレイの固定されたＢＦＮは、共通の基準ＢＦＮ設計に基づいて実施することができる。特定のサブアレイのＢＦＮは、それに対称動作を適用することによって、基準ＢＦＮから推測することができる。これにより、設計労力と設計期間が短縮される。
ii）Ｎ個のサブＢＦＮを含む単一のＢＦＮをアレイ全体に使用することができる。各サブアレイは、サブＢＦＮのうちの１つに接続され、各サブＢＦＮは、瞬時に１回使用される。これにより、設計労力と設計期間が短縮される。
【００６１】
上記実施形態の潜在的な用途は、例えば、
１）衛星通信、特に移動する受信機または送信機のためのビーム形成および追跡。
２）改善されたアンテナ利得および／または指向性から利益を得る他の通信システム（携帯電話、無線ローカルエリアネットワークなどを含む）。
【００６２】
上記の図に関して、いくつかの変更が行われてもよいことに留意されたい。例えば、1つまたは対称のＢＦＮを使用しているにもかかわらず、代表的な数のビーム方向を多重化するように、図４Ａおよび他の実施形態で使用される反射は、回転も同様に使用され得る。上記に特に言及していないが、図３は、任意の実施形態の任意のＢＦＮに使用することができるＢＦＮの例であり、図１９Ｅは、トランシーバ（および送信／受信ステージ）の例を示しているように、これはいずれの実施形態にも使用することができる。さらに、「固定的に事前構成された」とは、例えば、同調可能な遅延および／または同調可能なカプラなど、および／またはそれぞれのビームのハードワイヤード実装などの同調可能なアナログ装置が存在しないことを意味すると理解すべきであり、非調整可能なアナログデバイスを使用して状態を形成する。さらに、「固定的に事前構成された」とは、例えば、同調可能な遅延および／または同調可能なカプラなど、および／または、それぞれのビームのハードワイヤード実装などの同調可能なアナログ装置が存在しないことを意味すると理解すべきであり、非調整可能なアナログデバイスを使用して状態を形成する。
【００６３】
前述のことは、その特定の実施形態を参照して特に示され、説明されたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および詳細における様々な他の変更がなされ得ることが理解される。本明細書に開示され、以下の特許請求の範囲によって理解されるより広い概念から逸脱することなく、様々な実施形態に適合させるために様々な変更を行うことができることを理解されたい。
【図１】
0006494755.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図１９Ｄ】
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【図１９Ｅ】
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