(57)【要約】  複数のフェーズドアレイからタイムドアレイを作り出す方法が提供される。方法は、各々のフェーズドアレイを所望される指向に位相ステアリングするステップと、フェーズドアレイのうちの少なくとも１つから受信される信号に処理を適用するステップであって、処理された信号が時間において基準と実質的に整合させられるように、基準に基づいて、フェーズドアレイのうちの少なくとも１つからの信号に調整を適用することを含む、信号に処理を適用するステップと、フェーズドアレイの各々からの処理された信号を組み合わせるステップとを含み、調整は、少なくとも部分的に、所望される指向と、フェーズドアレイの相対的位置とに基づいて変動する。
2021517443.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のフェーズドアレイからタイムドアレイを作り出す方法であって、
各々のフェーズドアレイを所望される指向に位相ステアリングするステップと、
前記フェーズドアレイのうちの少なくとも１つから受信される信号に処理を適用するステップであって、前記処理された信号が時間において基準と実質的に整合させられるように、前記基準に基づいて、前記フェーズドアレイのうちの少なくとも１つからの前記信号に調整を適用することを含む、前記信号に処理を適用するステップと、
前記フェーズドアレイの各々からの前記処理された信号を組み合わせるステップと
を含み、
前記調整は、少なくとも部分的に、前記所望される指向と、前記フェーズドアレイの相対的位置とに基づいて変動する、方法。
【請求項２】
前記調整は、時間遅延および位相調整を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記フェーズドアレイの各々に適用される、時間およびまたは位相における前記調整は、前記フェーズドアレイから受信される信号の前記処理から得られる、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記フェーズドアレイは連続的である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記フェーズドアレイは分散型である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
信号に処理を適用する前記ステップは、前記フェーズドアレイの各々から受信される前記信号の間の時間的な差の事前知識を必要としない、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
処理を適用する前記ステップは、各々の信号の中の情報を、前記複数のフェーズドアレイの各々からの前記信号の前記各々の中の前記情報に相関させるステップを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
処理を適用する前記ステップは、各々の信号内に埋め込まれた、あらかじめ定義されたコードに相関させるステップを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記時間整合は、デジタル処理により達成される、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記フェーズドアレイの各々からの前記信号は、デジタルサンプルの系列へと形成される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記デジタル処理は、各々のフェーズドアレイからの前記信号の各々を、互いに対してまたは前記基準に対してあらかじめ決定された数のサンプルだけ遅延させられることが可能なデジタルサンプルの一様な系列として表すことを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法によって作り出されるタイムドアレイから送信する方法であって、前記フェーズドアレイの各々に適用される前記時間および位相遅延は、前記フェーズドアレイから受信される信号の前記処理から得られる、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェーズドアレイに関し、特に、非常に大きいフェーズドアレイにおける改善に関係する。
【背景技術】
【０００２】
例えば一部の海事応用例において、非常に大きい通信皿型アンテナに対する必要性が存する。例えば、２．４ｍ直径の皿型アンテナは珍しくない。これらの応用例の中で、例えば１００ＭＨｚを上回る、少なからぬ帯域幅に対する所望も存する。
【０００３】
これらの応用例における通信性能を改善するために、フェーズドアレイの配備に移行したいという所望が存する。しかしながら、フェーズドアレイが、あらかじめ決定されたしきい値サイズを上回るときには、アレイにわたるスミアリング（smearing）の影響の結果として、シンボル間干渉およびその結果生じる高いデータ誤り率を回避するために、使用される帯域幅を制限しなければならない。
【０００４】
この問題は、スミアリングの影響がアレイの機能性を乱すのに十分ではないように、十分に小さいフェーズドアレイを設けることにより、他の応用例において解決されてきた。そのような応用例は、商用遠距離通信、および、ＬＥＯ衛星による衛星通信を含む。
【０００５】
しかしながら、スミアリングの問題を回避するために小さいフェーズドアレイを単純に設けることは問題それ自体を克服するものではなく、それゆえに、大洋をわたって移動し、大きい帯域幅への信頼性の高いアクセスを要する、豪華クルーズ船を含む一部の海事応用例において所望される、大きいフェーズドアレイを設けるために、新しい解決策が必要とされる。
【０００６】
本発明の背景状況の中で、タイムドアレイ（ｔｉｍｅｄ  ａｒｒａｙ）が、ＩＥＥＥにより刊行された、Ｒａｎｄｙ  Ｌ  Ｈａｕｐｔの「Ｔｉｍｅｄ  Ａｒｒａｙｓ  −  Ｗｉｄｅｂａｎｄ  ａｎｄ  Ｔｉｍｅ  ｖａｒｙｉｎｇ  ａｎｔｅｎｎａ  ａｒｒａｙｓ（タイムドアレイ  −  広帯域および時間変動アンテナアレイ）」において開陳される定義に即して定義される。要約すると、この刊行物の第１節は、アンテナアレイ、および、フェーズドアレイとタイムドアレイとの間の違いを簡潔に紹介している。アンテナアレイの発明の後、程なく、研究者は、素子において給送される信号の位相を修正することにより主ビームを動かすことに関して実験した。手動ビームステアリングは、最終的には、主ビームが、あらかじめ算出された位相オフセットをすべての素子に適用することにより、所望される方向に電子的にステアリングされた、フェーズドアレイの発明につながった。もっとも、位相は狭帯域概念である。アンテナアレイの今日の応用例は、高いデータレートおよび広帯域幅を要する。用語「タイムドアレイ」は、フェーズドアレイによって使用される定常状態、時間調和形式よりむしろ、時間領域において設計、分析、およびテストされなければならない、新しい技術の開発によって、より重要になりつつある、アンテナアレイのいろいろな部類に当てはまる。タイムドアレイは、「フェーズドアレイの時間領域等価物」と定義されている。
【０００７】
当業者の理解を指し示す、さらなる関連性のある解説が、同じ刊行物の第７節において見出だされ、位相シフトと時間遅延との間の相違は、広帯域信号を考慮するときに非常に重要になるということが説述されている。一定の時間遅延および位相シフト項を引数内に有する正弦曲線により表される単一のトーン。位相シフトおよび時間遅延は、余弦引数内で定数である。位相シフトは拘束され、一方で、時間遅延は限度を有さない。１つの周波数のみを扱うとき（狭帯域）、位相シフトおよび時間遅延は同一である。時間遅延（２πｆＴｄ）と関連付けられる位相シフトは、周波数の線形関数であり、周波数に関する一定のフーリエ変換を有する。対照的に、信号時間遅延のフーリエ変換は、周波数の線形関数である。時間遅延は、さらには、一部の背景状況において、群遅延（包絡線遅延）として知られている。この背景状況において、それは、構成要素位相ひずみの尺度、周波数の関数としての構成要素を通る信号通過時間、構成要素を通る位相の変化のレートの負数である。
【０００８】
フェーズドアレイは、位相シフタを使用して、主ビームをキャリア周波数において電子的にステアリングする。狭帯域信号は、妥当な正確さの範囲内へと、キャリア周波数により近似され得る。しかしながら、ブロードバンド信号において、信号包絡線は、キャリアから遠くに延在する周波数成分を有する。大きい広帯域フェーズドアレイは、ビームスクイントおよびパルス分散に起因して、信号をひずませる。主ビームを中心周波数において（θｓ，Φｓ）にステアリングする位相シフトは、主ビームを異なる周波数においてずれた位置にステアリングする。周波数の関数である主ビーム指向誤差は、ビームスクイントとして知られており、フェーズドアレイのサイズに比例する。
【０００９】
パルス分散は、信号がオフブロードサイド（ｏｆｆ−ｂｒｏａｄｓｉｄｅ）角度から入射するために、それらの信号がすべての素子に同じ時間に到着しないときに発生する。位相シフタは、これらの信号を、位相において整合させるが、時間においては整合させない。結果として、位相シフトされた素子信号をアレイ出力において共に加算することは、パルスがコヒーレントに加算で増大することを引き起こすが、時間におけるパルス拡散も引き起こす。時間遅延は、位相シフタと同じ技術のうちの一部を使用するが、時間遅延ユニットは、より複雑であり、しばしば、より大型である。
【００１０】
ＷＯ２０１０／００７４４２は、フェーズドアレイを動作させ、そのようなシステムから位相制御信号を抽出することができる方法を説明している。この位相制御信号は、受信されている信号の所定の態様を測定および追跡するために使用され得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、それゆえに、複数のフェーズドアレイからタイムドアレイを作り出す方法であって、各々のフェーズドアレイを所望される指向に位相ステアリングするステップと、複数のフェーズドアレイの間の時間整合を作り出すために、フェーズドアレイのうちの少なくとも１つから受信される信号に処理を適用するステップと、フェーズドアレイの各々からの処理された信号を組み合わせるステップとを含む、方法が提供される。
【００１２】
各々のフェーズドアレイを所望される指向にステアリングする能力は、タイムドアレイが、クルーズ船などの移動プラットフォーム上で作り出されることを可能にする。フェーズドアレイの位相ステアリングは継続的であり、なぜならば、アレイが搭載される船、または他のプラットフォームは、地球の表面をわたって移動し、それゆえに、信号源に相対的に移動するからである。
【００１３】
信号の処理は、フェーズドアレイのうちの少なくとも１つに適用され、そのことによって、フェーズドアレイの各々からの信号が組み合わされるとき、スミアリングの影響は低減され、または消失させられさえする。フェーズドアレイのすべてからの信号に処理を適用することは必要ではなく、なぜならば、フェーズドアレイのうちの少なくとも１つが、マスタとして指定され得るものであり、他のフェーズドアレイの各々からの信号は、マスタアレイと整合するように処理され得るからであるということが理解されるであろう。代替的には、フェーズドアレイのすべてからの信号が、信号のすべての平均を表すコンセンサス信号と整合するように処理され得る。
【００１４】
制限が、所与の帯域幅に対するスミアリングを最小化するために、ステアリング角度に課されるとき、全タイムドアレイのステアリング角度は、同じサイズ開口を伴うフェーズドアレイから得られるステアリング角度を上回ることになる。このことは、複数個のフェーズドアレイが、より大きいアレイの応答を模倣するように組み合わされることを可能にし、一方でさらには、要される最大ステアリング角度を維持する。
【００１５】
フェーズドアレイは、連続的または分散型であり得る。分散型フェーズドアレイは、実際には互いに物理的に連結されないが、主として一体で移動する、隊の乗物上に配備され得る。各々のフェーズドアレイをステアリングする、および、それらのフェーズドアレイのそれぞれの信号を処理する能力は、組み合わされた応答が、経時的に変化し得るフェーズドアレイの相対的場所に非依存的であることを可能にする。
【００１６】
信号に処理を適用するステップは、フェーズドアレイの各々から受信される信号の間の時間的な差の事前知識を必要としない。このことは、とりわけ、フェーズドアレイが分散型であり、異なるフェーズドアレイの間の相対的動きが存する応用例に関連性がある。
【００１７】
処理を適用するステップは、各々の信号の中の情報を、複数のフェーズドアレイの各々からの信号の各々の中の情報に相関させるステップを含み得る。特に、処理を適用するステップは、各々の信号内に埋め込まれた、あらかじめ定義されたコードに相関させるステップを含み得る。信号は、信号を整合させるために本方法において使用される情報のパケットを含み得る。しかしながら、このデータパケットが提供されないとしても、処理は、それでもなお実行され得る。
【００１８】
時間整合は、デジタル処理により達成され得る。
【００１９】
デジタル処理は、各々のフェーズドアレイからの信号の各々を、互いに対してあらかじめ決定された数のサンプルだけ遅延させられることが可能なデジタルサンプルの一様な系列として表すことを含み得る。特に、フェーズドアレイの各々からの信号は、デジタルサンプルの系列へと形成され得るものであり、デジタル処理は、各々の位相アレイからの信号の各々を、互いに対してサンプル時間の何分の１かだけ遅延させられることが可能な信号サンプルの一様な系列として表すことを含み得る。
【００２０】
タイムドアレイの重要な部分は、送信素子の各々からのキャリア信号の整合を制御する能力である。この制御は、非常に正確であり、キャリア信号の周期よりはるかに良好であることを必要とする。この制御なしでは、送信素子の各々からの信号が、受信アンテナ（例えば衛星）の方向において強め合うように組み合わさることを確実にするのは可能でない。この整合は、受信器の方向、ならびにさらには、送信素子の相対的場所および相対的移動の両方を斟酌しなければならない。この整合は、信号が受信器に達するときに十二分に整合させられるように、各々の送信素子と受信アンテナとの間の経路長さの変化を追跡し、次いで、その変化を補償することと同じである。
【００２１】
例えば、１４ＧＨｚのキャリア信号に関して、この信号の周期は、７１×１０−１２秒（７１ｐｓ）であり、信号の波長は、近似的に２１ｍｍである。この整合は、完全に時間領域において行われるときには非常に困難である。代わりに、その整合は、２つの部分へと分けられ得る。第１のものは、信号帯域幅周波数またはシンボル周波数の程度に対する大まかな時間整合である。例えば、この周波数は１００ＭＨｚであり、そのため１０ｎｓの周期であり、それゆえに、標準的および安価な電子技術によって達成可能であり得る。第２のステップは、キャリア周波数の位相シフトとして代わりに行われる微細な整合である。
【００２２】
各々のフェーズドアレイにより生み出される位相制御信号から、送信器と受信器との間の経路長さの変化（ΔＰ）を、局部発振器に相対的な受信される信号における位相の変化から算出することが可能である。
【００２３】
本方法が、１つまたは複数のフェーズドアレイ上で一緒に使用されるとき、これらのフェーズドアレイの各々が、共通の基準信号を給送され、その基準信号に対して、そのフェーズドアレイ自体の局部発振器信号が位相ロックされる場合、これらのフェーズドアレイの各々からの経路長さの変化（ΔＰ）が、照合および比較され得る。タイムドアレイ内の各々の素子に対する経路長さの変化（ΔＰ）を得ると、上記で述べられたステップ２を適用して、送信信号が受信器の方向において位相整合させられるように、フェーズドアレイの各々に対する単一の位相シフトを算出し、次いで、その位相シフトを適用することが可能である。
【００２４】
フェーズドアレイの受信部分を使用し、タイムドアレイ内の各々の素子に対する経路長さの変化を測定する本方法なしでは、このタイムドアレイ内のフェーズドアレイの各々の間の、相対的場所、および、小さい相対的移動（経路長さ、およびゆえに、位相整合の知られていない変化を結果的に生じさせる）に対して補正することは、ほとんど不可能であることになる。
【００２５】
本発明が今から、付随する図面を参照して、単に例として説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】分散開口上の受信される信号を示す図である。
【図２】分散開口からの送信される信号を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は、分散開口１１を形成する２つのフェーズドアレイ１０上に入射する波面Ｗを示す。分散開口を形成する、より多いフェーズドアレイ１０が存し得るが、概念の図解を単純化するために２つのみが図解されるということが察知されるであろう。２つのフェーズドアレイ１０は、空間的に分離された実体として図解されるが、それらのアレイは、互いに近接し得るものであり、その事例において、距離Ｌは中心間距離であるということが、さらには察知されるであろう。代替的には、アレイ１０は、近接するが、互いに相対的に角度を付けられ得る。このことは、アレイが、ヨット、クルーズ船、飛行機、または戦車などの複雑な物体の外方表面上に布置される応用例に適用可能である。フェーズドアレイ１０と、受信される波面Ｗの発生源との間の相対的移動が存し得る。波面Ｗは、ヨット、クルーズ船、飛行機、または戦車などの移動物体により、静止衛星から受信され得る。代替的には、フェーズドアレイ１０は、建物、または、広大な土地上に設けられ得るが、地球の表面に相対的に移動するＬＥＯ衛星からデータを受信するように構成され得る。各々の応用例において、信号源と、波面Ｗを受信するフェーズドアレイとの間の相対的移動が存する。
【００２８】
波面Ｗは、シンボル２０の系列を含み、図解される例において、４つのシンボル２０が示される。これらのシンボル２０は、シンボル２０の基礎をなす正弦波形として図解されるキャリア３０上に重畳される。この例において、シンボルは、１００ＭＨｚの、または、より高い周波数において提供され、キャリア周波数は、１４ＧＨｚの領域内にある。
【００２９】
フェーズドアレイ１０は、入来する波面Ｗをサンプリングする。サンプリングレートは、典型的には、シンボルレートの２倍から４倍の間である。サンプリングレートは、それゆえに、２５０ＭＨｚから５００ＭＨｚの間である。サンプリングからのデータは、次いで、フェーズドアレイ１０の中でアナログからデジタルに変換され、次いで、中央処理位置４０に送り出される。
【００３０】
フェーズドアレイ１０の間の距離Ｌの影響は、信号のスミアリングである。図解の左のフェーズドアレイ１０がシンボル１を受信する際、図解の右のフェーズドアレイ１０は、すでにシンボル１、２、および３を受信しており、シンボル４を受信しつつある。
【００３１】
中央処理位置４０においてフェーズドアレイ１０から受信されるデータは、４５においてグラフィカルに図解される。これは、フェーズドアレイ１０からデータが受信されたことに際して、そのフェーズドアレイ１０の空間的分離の結果として時間（水平軸）においてスミアリングされた、４つの別個の入力の重ね合わせを示す。
【００３２】
一部の実施形態において、中央処理位置４０は、異なるフェーズドアレイが、受信されるデータの、それらのフェーズドアレイのサンプリングを同期させることを可能にするために、フェーズドアレイ１０の各々に戻るように分配されるサンプリングクロックを含む。
【００３３】
一部の実施形態において、サンプリングのタイミングは、システムの外側から受信されるクロック信号から導出される。例えば、すべてのフェーズドアレイ１０に対してアクセス可能なＧＰＳクロック信号が、クロック信号を提供するために使用され得るものであり、そのクロック信号に、各々のフェーズドアレイ１０は、そのサンプリングを同期させることができる。
【００３４】
受信される信号の整合は、２つのステップで、中央処理位置４０において実行される。最初に、粗い、または、シンボルレベルの整合が存する。このことは、フェーズドアレイのうちの１つまたは複数からの出力に対して時間遅延５０を設けることによって達成される。一部の実施形態において、フェーズドアレイのうちの１つからの出力は変化させられず、他のフェーズドアレイからの出力のすべてが、第１の出力と適合するように時間遅延させられる。一部の実施形態において、フェーズドアレイの各々の出力は、出力のすべての平均の算出として得られるコンセンサス信号と一致させられる。
【００３５】
これが完了されると、少なくともフェーズドアレイのうちの１つからの出力への、位相遅延６０の適用により、フェーズドアレイ１０の各々から受信される信号の間の整合を微細調節するために、位相が整合させられる。フェーズドアレイのうちの１つまたは複数からの出力の位相は、それぞれのフェーズドアレイからの信号が、強め合うように干渉して、組み合わされた信号の最大振幅を提供するまで改変される。この組み合わされた信号は、次いで、中央処理位置４０からモデム７０に出力され得る。モデムは、Ｌ帯域またはデジタルであり得る。
【００３６】
代替的な実施形態において、サンプリングされたデータは、中央処理位置４０に直接転送され、アナログ−デジタル変換が、中央で遂行される。この実施形態は、中央のアナログ−デジタル変換器のみを要するが、フェーズドアレイ１０から中央処理位置４０へのデータ転送における信号劣化のリスクが存する。
【００３７】
図２は、分散開口１１を形成する２つのフェーズドアレイ１０から発出する波面Ｗを示す。図１において示される受信された波面Ｗからのデータ９５が、中央処理位置４０において適用される時間遅延の選択に影響を及ぼす。送信のために十二分に同期させられた信号を作り出すために、位相遅延９０が、各々のフェーズドアレイ１０において局部的に適用される。
【図１】
2021517443.tif 000003
【図２】
2021517443.tif 000004
【国際調査報告】
2021517443.tif 000005
2021517443.tif 000006
2021517443.tif 000007