(57)【要約】      （修正有）【課題】直接放射型フェーズドアレイアンテナのためのアナログビームフォーミングのシステム及び方法を提供する。【解決手段】ビームと、第１素子２１６とに関連付けられた第１信号に対する調整ファクタを決定する。第１素子２１６は、アンテナアレイの中心点６０４の第１の側に位置する。決定した調整ファクタを第１信号及び第２信号に適用する。第２信号は、上記ビームと、第２素子２０２とに関連付けられ、第２素子２０２は、アンテナアレイの中心点６０４の第２の側に、第１素子２１６と実質的に等しい距離だけ中心点６０４から離間して位置する。【選択図】図６
2017055390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心点の両側に分配された複数の素子を含むアンテナアレイからのデータを処理する方法であって、
前記複数の素子のうち前記アンテナアレイの前記中心点の第１の側に位置する第１素子とビームとに関連付けられた第１信号に対する調整ファクタを決定し、
前記決定した調整ファクタを前記第１信号に適用し、
前記複数の素子のうち前記アンテナアレイの前記中心点の第２の側に前記第１素子と実質的に等しい距離だけ前記中心点から離間して位置する第２素子と前記ビームとに関連付けられた第２信号に、前記決定した調整ファクタを適用する、方法。
【請求項２】
前記第１信号に対する調整ファクタを決定するに際し、前記第１信号及び前記第２信号に適用する少なくとも１つの重み付け係数を決定する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
少なくとも１つの重み付け係数を決定するに際し、前記第１信号及び前記第２信号に適用する同相重み付け係数及び直交重み付け係数を決定する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
さらに、前記第１信号及び前記第２信号のそれぞれの同相成分を求めるとともに、前記第１信号及び前記第２信号のそれぞれの直交成分を求める、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
さらに、前記第１信号の同相成分と前記第２信号の同相成分とを加算して加算同相信号を生成し、
前記第１信号の直交成分と前記第２信号の直交成分とを加算して加算直交信号を生成する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記決定した調整ファクタを前記第１信号に適用し、前記決定した調整ファクタを第２信号に適用するに際し、前記加算同相信号を前記同相重み付け係数によって重み付けし、前記加算直交信号を前記直交重み付け係数によって重み付けする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
さらに、重み付けされた前記加算同相信号と重み付けされた前記加算直交信号とを加算する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記アンテナアレイは、直接放射型アレイアンテナである、請求項１〜７のいずれか１つに記載の方法。
【請求項９】
第１次元及び第２次元に配置された複数の素子を含む二次元アンテナアレイと、
前記複数の素子に通信可能に接続されており、信号のビームフォーミングを行うように構成されたシステムとを含む、通信衛星であって、
前記システムは、
前記第１次元内の前記複数の素子に関連付けられた一組の信号を処理するとともに、
前記第１次元内の前記組の信号を処理した後に、前記第２次元内の前記組の信号を処理するように構成されている、通信衛星。
【請求項１０】
前記システムは、行ごとに前記組の信号をビームフォーミングすることによって前記第１次元内の前記組の信号を処理するように構成されており、前記ビーム形成器は、行ごとに前記組の信号をビームフォーミングした後に、列ごとに前記組の信号をビームフォーミングすることによって前記第２次元内の前記組の信号を処理するように構成されている、請求項９に記載の通信衛星。
【請求項１１】
前記二次元アンテナアレイの前記複数の素子は、複数の行及び複数の列に配置されており、前記二次元アンテナアレイの前記複数の行のうちの各行は、前記複数の素子のうちの、中心点の両側に分配された素子を含み、
前記システムは、
行内において当該行の中心点の第１の側に位置する第１素子に関連付けられた第１信号に対する調整ファクタを決定し、かつ
前記決定した調整ファクタを前記第１信号に適用し、かつ
前記行内において当該行の前記中心点の第２の側に前記第１素子と実質的に等しい距離だけ前記中心点から離間して位置する第２素子に関連付けられた第２信号に前記決定した調整ファクタを適用する、ことにより、
前記組の信号を行ごとにビームフォームするように構成されている、請求項１０に記載の通信衛星。
【請求項１２】
前記システムは、前記第１信号及び前記第２信号に適用される同相重み付け係数及び直交重み付け係数を決定することによって、前記第１信号に対する調整ファクタを決定するように構成されている、請求項１１に記載の通信衛星。
【請求項１３】
前記システムは、
前記第１信号及び前記第２信号のそれぞれの同相成分を求め、
前記第１信号の同相成分と前記第２信号の同相成分とを加算して加算同相信号を生成し、
前記第１信号及び前記第２信号のそれぞれの直交成分を求め、
前記第１信号の直交成分と前記第２信号の直交成分とを加算して加算直交信号を生成するように構成されている、請求項１２に記載の通信衛星。
【請求項１４】
前記システムは、前記加算同相信号を前記同相重み付け係数によって重み付けし、前記加算直交信号を前記直交重み付け係数によって重み付けすることによって、前記決定した調整ファクタを前記第１信号に適用し、前記決定した調整ファクタを第２信号に適用するように構成されている、請求項１３に記載の通信衛星。
【請求項１５】
前記システムは、さらに、重み付けされた前記加算同相信号と重み付けされた前記加算直交信号とを加算するように構成されている、請求項１４に記載の通信衛星。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、アナログビームフォーミングに関し、より具体的には、直接放射型フェーズドアレイアンテナのためのアナログビームフォーミングのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
衛星などの通信システムは、フェーズドアレイアンテナなどのマルチビームアンテナをしばしば使用する。フェーズドアレイアンテナは、通常、複数の放射素子に加えて、素子及び信号用制御回路、信号分配ネットワーク、電源、及び、機械的支持構造体を含む。これらのコンポーネントを一体化することは、時間がかかり、重量が集中し（重い）、過度のスペースを占有する。
【０００３】
既知のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステムの中には、複数のＲＦ入力を含むものがあり、これらは素子と称される。各素子は、ＲＦエネルギーを捕捉又は放射するための１つの入力アンテナを有しており、その後段には増幅器が設けられている。受信された入力信号は、Ｎ個の信号に分割され、これが増幅後にはＮ個のビームになる。分割後に、ビーム形成器が、各素子の各チャネルに対して振幅及び位相の重み付けをする。Ｍ個の素子及びＮ個のビームに係るアレイの場合、Ｍ×Ｎ個のビームフォーミングパス（beam forming path）が存在する。各ビーム及び各素子からの信号エネルギーは、電力合成器によって合成され、当該合成器は、Ｎ個の層を有する。素子がＭ個でビームがＮ個の場合、Ｍ対１タイプの合成器がＮ個必要である。
【０００４】
いくつかの既知のシステムでは、多数の位相シフタ、加算器、乗算器、及び関連するコンポーネントが使用されていることによって、通信システムがかなり重く大型になっている。また、このようなシステムの複雑さのために、複雑な組み立て及び相互接続が必要となっている。
【発明の概要】
【０００５】
一側面において、中心点の両側に分配された複数の素子を含むアンテナアレイからのデータを処理する方法が開示される。当該方法は、ビームと複数の素子のうちの第１素子とに関連付けられた第１信号に対する調整ファクタを決定することを含む。この第１素子は、アンテナアレイの中心点の第１の側に位置しているものである。また当該方法は、決定した調整ファクタを第１信号に適用すること、及び、上記ビームと複数の素子のうちの第２素子とに関連付けられた第２信号に、決定した調整ファクタを適用することを含む。この第２素子は、アンテナアレイの中心点の第２の側に、第１素子と実質的に等しい距離だけ中心点から離間して位置しているものである。
【０００６】
別の側面において、第１次元及び第２次元に配置された複数の素子を含む二次元アンテナアレイからのデータを処理する方法は、第１次元内の複数の素子に関連付けられた一組の信号を処理し、第１次元内の上記組の信号を処理した後に、第２次元内の上記組の信号を処理することを含む。
【０００７】
別の側面において、通信衛星は、第１次元及び第２次元に配置された複数の素子を含む二次元アンテナアレイと、複数の素子に通信可能に接続されており、信号のビームフォーミングを行うように構成されたシステムとを含む。当該システムは、第１次元内の複数の素子に関連付けられた一組の信号を処理するとともに、第１次元内の上記組の信号を処理した後に、第２次元内の上記組の信号を処理するように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】通信衛星及び複数の通信源を含む環境の一例の、簡略ブロック図である。
【図２】図１の通信衛星のコンポーネントのブロック図である。
【図３】図１の衛星のフェーズドアレイアンテナにおけるアンテナ素子のブロック図である。
【図４】図１の通信衛星に含まれるうる演算装置の一例のブロック図である。
【図５】図１の通信衛星によって実施しうる、アンテナアレイからのデータを処理するプロセスを説明するための、高水準プログラム言語対応のフローチャートである。
【図６】図３に示したアンテナの１つの列、及び、アンテナ２００に入射するビームの平面波進行方向を示す図である。
【図７】図１に示した衛星の一部の図であり、図５のプロセスによる、信号に対する重み付け係数の付与を示す図である。
【図８】図１の通信衛星によって実施しうる、アンテナアレイからのデータを処理する別のプロセスを説明するための、高水準プログラム言語対応のフローチャートである。
【図９】図１の通信衛星によって実施しうる、帯域幅に関するビームポートのソーティングのプロセスを示す図である。
【図１０】図１の通信衛星に使用しうる、モジュール式ビーム形成器の一例の簡略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、通信衛星１０２、第１通信源１０４、第２通信源１０６、及び、第３通信源１０８を含む例示的な環境１００の簡略ブロック図である。通信衛星１０２は、第１通信ビーム１１２によって第１通信源１０４と通信データを交換し、第２通信ビーム１１４によって第２通信源１０６と通信データを交換し、第３通信ビーム１１６によって第３通信源１０８と通信データを交換する。第１通信源１０４、第２通信源１０６、及び、第３通信源１０８は、地上ベース、空中ベース、又は、宇宙ベースであってもよい。
【００１０】
図２は、通信衛星１０２のコンポーネントのブロック図である。図２は、通信衛星１０２の側面図と考えることもできる。なお、通信衛星１０２は、説明又は図示しない追加のコンポーネントを含んでいてもよい。通信衛星１０２は、フェーズドアレイアンテナ２００を含む。より具体的には、フェーズドアレイアンテナ２００は、様々な方向において、及び／又は、様々なソースに対して、選択的に信号又はビームの送受信を行うことができるよう、プログラム可能又は調整可能である。フェーズドアレイアンテナ２００は、アレイ素子２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２、２１４、及び、２１６を含む。アレイ素子２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２、２１４、及び、２１６は、例えば第１通信源１０４、第２通信源１０６、及び／又は第３通信源１０８といった１つ又は複数のソースに対して、電磁波の送受信を行う。アレイ素子２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２、２１４、及び、２１６には、位相シフタ２１８、２２０、２２２、２２４、２２６、２２８、２３０、２３２、及び、対応する減衰器２３４、２３６、２３８、２４０、２４２、２４４、２４６、２４８が接続されている。説明の簡略化のため、図２には、素子２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２、２１４、２１６と同じ数の位相シフタ及び減衰器を示している。ただし、衛星１０２は、素子２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２、２１４、２１６の１つあたりにつき、２個以上の位相シフタを含む。ビーム形成器２５０（ビームフォーミングシステム、ビームフォーミングを行うように構成されたシステム、又は、単にシステムと称する場合もある）が、位相シフタ２１８、２２０、２２２、２２４、２２６、２２８、２３０、２３２、及び、減衰器２３４、２３６、２３８、２４０、２４２、２４４、２４６、２４８に機能的に接続されており、これらに対して制御信号を送信することによって、受信した電磁波の位相及び／又は強度を調整し、対応する１つ又は複数のビームを形成する。各ビームは、通常、複数の素子、複数の位相シフタ、及び、複数の減衰器に関連付けられている。各ビームは、ビーム形成器２５０に含まれた又は接続された、対応するビームポート２５２、２５４、２５６、２５８、２６０、２６２、２６４、２６６で受信される。ビーム形成器２５０がアナログである実施態様においては、ビームポート２５２、２５４、２５６、２５８、２６０、２６２、２６４、２６６の数は、ハードウェアによって制限される。ビーム形成器２５０がアナログではない実施態様においては、ビームポート２５２、２５４、２５６、２５８、２６０、２６２、２６４、２６６の数は、ハードウェアによって制限されない。本明細書に記載のプロセスの１つ又は複数は、アナログ又は非アナログ（例えばデジタル）のビーム形成器２５０によって実施することができる。
【００１１】
図３は、フェーズドアレイアンテナ２００のブロック図である。図３は、フェーズドアレイアンテナ２００の正面図と考えることもできる。図２にも示したアレイ素子２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２、２１４、２１６に加えて、フェーズドアレイアンテナ２００は、アレイ素子３００〜３５５をさらに含む。アレイ素子３００〜３０７、３１５〜２１６、２０２〜２１４、３０８〜３４８は、フェーズドアレイアンテナ２００の周縁を形成している。アレイ素子３００〜３０７は、第１列３６０を形成している。アレイ素子３０８〜３１５は、第２列３６２を形成している。アレイ素子３１６〜３２３は、第３列３６４を形成している。アレイ素子３２４〜３３１は、第４列３６６を形成している。アレイ素子３３２〜３３９は、第５列３６８を形成している。アレイ素子３４０〜３４７は、第６列３７０を形成している。アレイ素子３４８〜３５５は、第７列３７２を形成している。アレイ素子２０２〜２１６は、第８列３７４を形成している。また、アレイ素子３００、３０８、３１６、３２４、３３２、３４０、３４８、２０２は、第１行３７８を形成している。アレイ素子３０１、３０９、３１７、３２５、３３３、３４１、３４９、２０４は、第２行３８０を形成している。アレイ素子３０２、３１０、３１８、３２６、３３４、３４２、３５０、２０６は、第３行３８２を形成している。アレイ素子３０３、３１１、３１９、３２７、３３５、３４３、３５１、２０８は、第４行３８４を形成している。アレイ素子３０４、３１２、３２０、３２８、３３６、３４４、３５２、２１は、第５行３８６を形成している。アレイ素子３０５、３１３、３２１、３２９、３３７、３４５、３５３、２１２は、第６行３８８を形成している。アレイ素子３０６、３１４、３２２、３３０、３３８、３４６、３５４、２１４は、第７行３９０を形成している。アレイ素子３０７、３１５、３２３、３３１、３３９、３４７、３５５、２１６は、第８行３９２を形成している。いくつかの実施態様において、フェーズドアレイアンテナ２００の形状は、正方形又は矩形でなくてもよい。例えば、いくつかの実施態様において、フェーズドアレイアンテナ２００は、円形、六角形、八角形、又は他の任意の適当な形状であってよい。フェーズドアレイアンテナ２００は、任意の適当な数の素子を含むことができ、図３に示した６４個の素子より多くても少なくてもよい。
【００１２】
図４は、通信衛星１０２（図１に示す）に含まれうる演算装置４００の一例のブロック図である。いくつかの実施態様において、ビーム形成器２５０は、演算装置４００を含む。演算装置４００は、バス４０２、プロセッサ４０４、メインメモリ４０６、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）４０８、記憶装置４１０、入力装置４１２、出力装置４１４、及び、通信インターフェイス４１６を含みうる。バス４０２は、演算装置４００のコンポーネント間の通信を可能にするパスを含みうる。
【００１３】
プロセッサ４０４は、命令を解釈及び実行する、任意のタイプの従来のプロセッサ、マイクロプロセッサ、又は処理ロジックを含みうる。メインメモリ４０６は、情報及びプロセッサ４０４によって実行される命令を格納するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）又は他のタイプの動的記憶装置を含みうる。ＲＯＭ４０８は、静的情報及びプロセッサ４０４によって使用される命令を格納する従来のＲＯＭデバイス又は他のタイプの静的記憶装置を含みうる。記憶装置４１０は、磁気及び／又は光記録媒体、ならびにこれに対応するドライブを含みうる。
【００１４】
入力装置４１２は、ユーザーからの指令、命令、又はその他の入力を演算装置４００が受信できるようにする従来の機構を含みうるものであり、視覚式、音声式、タッチ式、ボタン押下式、スタイラスタップ式などを含む。また、入力装置は、位置情報を受信しうるものであってもよい。従って、入力装置４１２は、例えば、カメラ、マウス、マイク、１つ又は複数のボタン、及び／又は、タッチスクリーンを含みうる。出力装置４１４は、ディスプレイ（タッチスクリーンを含む）及び／又はスピーカーを含め、ユーザーに情報を出力する従来の機構を含みうる。実施態様によっては、入力装置４１２及び／又は出力装置４１４を含まない場合もある。通信インターフェイス４１６は、演算装置４００が他の装置及び／又はシステムと通信することを可能にする、トランシーバのような任意の機構を含みうる。例えば、通信インターフェイス４１６は、フェーズドアレイアンテナ２００、通信源１０４、１０６、１０８、及び／又はその他の装置（図示せず）などの、別の装置と通信するための機構を含みうる。
【００１５】
本明細書において説明するように、演算装置４００は、ビームフォーミングが行われるように、フェーズドアレイアンテナ２００の位相シフタ２１８、２２０、２２２、２２４、２２６、２２８、２３０、２３２及び減衰器２３４、２３６、２３８、２４０、２４２、２４４、２４６、２４８に命令を送信する。これにより、複数のビーム１１２、１１４、及び／又は１１６が生成される。この際に、演算装置４００は、メモリ４０６などのコンピューター可読媒体に格納されたソフトウェア命令をプロセッサが４０４が実行したことに応じて、上述及びその他の動作を行ってもよい。コンピューター可読媒体は、たとえば、物理的又は論理的メモリ装置及び／又は搬送波である。ソフトウェア命令は、データ記憶装置４１０などの別のコンピューター可読媒体から、あるいは、通信インターフェイス４１６を介して別の装置から、メモリ４０６に読み込むこともできる。メモリ４０６に格納されたソフトウェア命令が、本明細書に記載のプロセスをプロセッサ４０４に実行させる。他の実施態様において、ソフトウェア命令に代えて又はこれと組み合わせてハードワイヤード回路を用いることによって、本明細書の要旨に従ったプロセスを実行してもよい。このように、本明細書に記載の要旨の原則に従った実施態様は、ハードウェア回路及びソフトウェアの特定の組み合わせに限定されない。
【００１６】
図５は、アンテナ２００（図３に示す）などの直接放射型フェーズドアレイアンテナを用いたビームフォーミングのプロセス５００を説明するための、高水準プログラム言語対応フローチャートである。プロセス５００は、信号の送信又は受信のためのビームフォーミングに用いることができる。プロセス５００は、例えば、通信衛星１０２（図１及び図２に示す）によって実施することができる。他の実施態様において、プロセス５００は、航空機（図示せず）、地上局（図示せず）、又はその他の適当なプラットフォームにおいて実施される。プロセス５００について、図６も参照しながら説明する。図６のダイアグラム６００は、アンテナ２００の列３７４の対称部分、及び、アンテナ２００に入射するビームの平面波進行方向６０２を示している。列３７４における対称部分は、中心点６０４に関して実質的に対称である。
【００１７】
５０２において、アンテナ２００の対称部分の第１素子（例えば素子２１６）とビームとに関連付けられた第１信号に対する調整ファクタを決定する。アンテナ２００の対称部分とは、中心点に関して実質的に対称である、アンテナ２００の任意の部分であってよい。アンテナ２００の対称部分は、例えば、アンテナ２００の行又は列のうちのいくつか又はすべてであってもよい。例示的な実施態様において、上記の調整ファクタは、信号に適用される位相シフトに関するものである。より具体的には、調整ファクタは、信号を所定量だけ位相シフトさせるために、信号に付与される重み付け係数である。受信信号を位相シフトさせる量は、素子２１６の中心６０５と、方向６０２に垂直であるとともに中心点６０４を通る線６０６との間の経路距離Ｄに基づいて決定される。素子２１４の場合、この経路距離は、距離Ｄ’である。
【００１８】
例示的な実施態様において、第１信号などの信号は、同相成分と直交成分とに分けられる。信号の各成分について、調整ファクタが決定される。
【００１９】
プロセス５００は、決定した上記調整ファクタを、第１素子に関連付けられた上記第１信号と別の第２信号とに適用するステップ５０４を含んでいる。この第２信号は、第２素子（例えば素子２０２）と上記ビームとに関連付けられた信号である。図６を参照すると、素子２０２は、素子２１６と対をなす。すなわち、これらの素子は、中心点６０４からの距離が実質的に等しく、且つ、互いに中心点６０４の反対側に位置している。素子２０２と線６０６の間の経路距離は、−Ｄであり、これは、素子２１６と線６０６の間の経路距離Ｄと大きさは同じであるが方向が反対である。この対称性によって、素子２０２及び素子２１６のそれぞれに関連付けられた信号に、同じ重み付けを適用することが可能となる。これによって、計算しなければならない重み付け係数の数が減り、ビームフォーミングに必要なコンポーネントの数も減る。これと同じプロセスを、直接放射型フェーズドアレイアンテナの対称部分の素子の各ペアに適用することができる。例えば、図６において、素子２０２からの信号と素子２１６からの信号には、同じ重み付けが与えられ、素子２０４からの信号と素子２１４からの信号には、同じ重み付けが与えられ、素子２０６からの信号と素子２１２からの信号には、同じ重み付けが与えられ、素子２０８からの信号と素子２１０からの信号には、同じ重み付けが与えられる。
【００２０】
図７のダイアグラム７００は、衛星１０２の一部の説明図であり、プロセス５００による、素子２１６及び素子２０２からの信号に対する重み付け係数の付与を示している。各素子からの信号に対して個別に計算及び重み付けを行う既知のシステムとは異なり、プロセス５００によれば、素子２１６と素子２０２といった、中心点の両側にあるペアを成す素子からの信号に対して、一組の重み付け係数を計算し、適用することができる。素子２１６からの第１信号が、同相成分Ｉと直交成分−Ｑとに分けられる。例えばビーム形成器２５０によって、第１信号に対する所望の調整ファクタが決定され、それぞれ同相成分Ｉ及び直交成分−Ｑに付与するための重みＷI及びＷQが計算される。また、素子２０２からの第２信号が、同相成分Ｉと直交成分Ｑとに分けられる。両方の同相成分Ｉが、加算器７０２によって加算され、両方の直交成分Ｑ及び−Ｑが加算器７０４によって加算される。乗算器７０６において、加算された同相成分に、求めておいた同相重みＷIが乗算され、乗算器７０８によって、加算された直交成分に、求めておいた直交重みＷQが乗算される。次に、これらの位相シフト済み同相成分と、位相シフト済み直交成分とが、加算器７１０によって加算され、これが出力されてビームフォーミングに用いられる。
【００２１】
図８は、アンテナ２００（図３に示す）などの直接放射型フェーズドアレイアンテナを用いたビームフォーミングのプロセス８００を説明するための、高水準プログラム言語対応フローチャートである。プロセス８００は、信号の送信又は受信のためのビームフォーミングに用いることができる。プロセス８００は、例えば、通信衛星１０２（図１及び図２に示す）によって実施することができる。他の実施態様において、プロセス８００は、航空機（図示せず）、地上局（図示せず）、又はその他の適当なプラットフォームにおいて実施される。プロセス８００は、プロセス５００と組み合わせて行うこともできるし、プロセス５００を行わないシステムにおいて行うこともできる。
【００２２】
プロセス８００は、アンテナ素子の二次元アレイのうちの第１次元をビームフォーミングするステップ８０２を含む。例示的な実施態様において、ビーム形成器２５０は、各行３７８、３８０、３８２、３８４、３８６、３８８、３９０、３９２をビームフォーミングし、一組の高くて幅の狭いコラム状ビームを形成する。各行３７８、３８０、３８２、３８４、３８６、３８８、３９０、３９２内の素子についての通信トラフィックを、方法５００或いは他の適当なビームフォーミング方法によって、ビームフォーミングしてもよい。８０４において、アンテナ素子の二次元アレイのうちの第２次元をビームフォーミングする。例示的な実施態様において、ビーム形成器２５０は、各列３６０、３６２、３６４、３６６、３６８、３７０、３７２、３７４をビームフォーミングし、上記コラム状ビームをスポットビームに変換する。各列３６０、３６２、３６４、３６６、３６８、３７０、３７２、３７４内の素子についての通信トラフィックを、方法５００或いは他の適当なビームフォーミング方法によって、ビームフォーミングしてもよい。
【００２３】
いくつかの実施態様において、プロセス８００は、通信トラフィック（例えばアレイ素子に対して送受信される信号）に対する帯域幅要件を決定することを含む。ビームフォームされた信号に対して選択的に係数を適用することによって、帯域幅要件、及び、ビームポート２５２、２５４、２５６、２５８、２６０、２６２、２６４、２６６などの特定のビームポートの帯域幅容量に応じて、信号の経路を規定（ルーティング）することができる。図９（ａ）〜図９（ｃ）は、帯域幅に関してビームポートをソーティングする、例示的な実施態様を示している。通信トラフィックの６４個のビームフォーミングされたビーム９０２が、ビームポート２５２、２５４、２５６、２５８、２６０、２６２、２６４、２６６と同様の６４個のビームポートと関連付けて示されている。各ビーム９０２についてのトラフィック量が、異なる陰影によって示されている。陰影９０４は、トラフィックが無いことを示し、陰影９０６は、最も少ないトラフィックを示し、陰影９０８は二番目に多いトラフィックを示し、陰影９１０は、最も多いトラフィックを示している。図９（ａ）の状態では、通信トラフィックはソートされていない。図９（ｂ）は、列の容量によってトラフィックをソートした結果を示しており、図９（ｃ）は、図９（ｂ）における各列を行によってソートした結果を示している。線９１２及び９１４は、ビーム９０２を３つのグループに分けている。線９１２の左側のビーム９０２は、より大きい帯域幅送信が可能な広帯域幅ビームポートに出力される。線９１４の右側のビーム９０２は、ビームポートに出力されない。線９１２と線９１４の間のビーム９０２は、低帯域幅ビームポートに出力される。
【００２４】
プロセス８００によって一次元のビームフォーミングを段階的に行う(cascading)ことによって、モジュール式システムを用いてビームフォーミングを行うことが可能となる。行及び列のビーム形成器を、プリント配線基板（ＰＷＢ）などの平面基板上に、複雑な配線接続無しで構成することができる。例えば、アレイアンテナ２００の各列が、１つのＰＷＢ上に形成された固有のビーム形成器を有し、各列の列ビーム形成器は、実質的に同一である構成とすることができる。同様にアンテナ２００の各行が、１つのＰＷＢ上に形成された固有の行ビーム形成器を有し、各ビーム形成器は、他の行ビーム形成器と実質的に同一である構成とすることができる。
【００２５】
図１０は、例示的なモジュール式ビーム形成器１０００（ビームフォーミングシステム、ビームフォーミングを行うように構成されたシステム、又は、単にシステムと称する場合もある）の簡略図である。モジュール式ビーム形成器１０００は、行ビーム形成器又は列ビーム形成器として用いることができる。モジュール式ビーム形成器１０００は、送信ビームフォーミング又は受信ビームフォーミングに用いることができる。モジュール式ビーム形成器１０００は、基板１００２を含む。例示的な実施態様において、基板１０２は、プリント配線基板である。他の実施態様において、基板１００２は、プリント回路基板、あるいは、モジュール式ビーム形成器での使用に適した他の任意の基板である。コネクタ１００４は、モジュール式ビーム形成器１０００をフェーズドアレイアンテナ２００のアレイ素子に接続するのに用いられる。モジュール式ビーム形成器１０００のビームフォーミングされた出力は、コネクタ１００６から出力される。コネクタ１００４及び１００６は、同軸コネクタである。これに代えて、コネクタ１００４は、他の任意の適当なタイプのコネクタであってもよい。モジュール式ビーム形成器１０００は、各コネクタ１００４用の信号分割回路１００８を含む。各分割回路１００８からの分割信号は、ワイヤ１０１０を介して、複数のビームフォーミング回路１０１２に分配される。ビームフォーミング回路１０１２は、受信信号をビームフォームするために、加算器１０１４、プログラム可能な増幅器、ディレイ及び／又は位相シフタ１０１６を含んでいる。いくつかの実施態様において、ビームフォーミング回路１０１２は、プロセス５００を行うように構成されている。ビームフォーミングされた信号は、ビームフォーミング回路１０１２から出力され、コネクタ１００６を介してモジュール式ビーム形成器１０００から出力される。
【００２６】
いくつかの既知のビームフォーミングシステムに比べて、本明細書に記載の実施態様は、ビームフォーミングシステムのコンポーネントの数及び複雑さを低減することができる。中心点を基準として対称に分散された素子に関連付けられた信号をビームフォームする実施態様によれば、ペアを成す素子が同じ重み付け係数を使用するため、計算しなければならない重み付け係数の数を半分に減らすことができる。必要な乗算器の数も半分に減らすことができる。コンポーネントの数を減らすことによって、通常、ビームフォーミングシステムのサイズ及び／又は重量を低減することができる。さらに、求めなければならない個別の重み付け係数の数が減ることによって、システムの動作速度を速めたり、デジタルビームフォーミングシステムに、より低電力のコンポーネント、例えばプロセッサ、を使用したりすることができる。段階的に、一次元の行ビームフォーミングの次に一次元の列ビームフォーミングを行う実施態様によれば、１つの素子の１つのビームにつき１つの位相シフタを使用する従来のビーム形成器に比べて、必要な位相シフタの数を約一桁減らすことができる。また、行及び列ビーム形成器は、平面ＰＷＢ上で実施することができるため、モジュール性を高め、システム及び接続の複雑さを低減することができる。例示的な実施形態は、デジタルプロセッサに関連付けられた中間の周波数コンバーターを省くことができるため、実施形態によれば、システムに必要なアップ／ダウンコンバーターが少なくなる。また、例示的な実施形態によれば、係数操作によって、帯域幅要件及び使用可能性に基づくビームポートのルーティングを行うことによって、通信システム源をより効率的に使用することができる。
【００２７】
本明細書に記載のシステム及び方法の技術的側面は、以下のうちの少なくとも１つを含む。（ａ）ビーム及び複数の素子のうちの第１素子に関連付けられた第１信号に対する調整ファクタを決定すること。（ｂ）決定した調整ファクタを第１信号に適用すること。（ｃ）上記ビームと複数の素子のうちの第２素子とに関連付けられた第２信号に、決定した調整ファクタを適用すること。（ｄ）第１次元内の複数の素子に関連付けられた一組の信号を処理すること。（ｅ）第１次元内の組の信号を処理した後に、第２次元内の組の信号を処理すること。
【００２８】
さらに、本開示は、以下の付記による実施形態を含む。
【００２９】
付記１．中心点の両側に分配された複数の素子を含むアンテナアレイからのデータを処理する方法であって、以下の工程を有している。
ビームと前記複数の素子のうちの第１素子とに関連付けられた第１信号に対する調整ファクタを決定する。前記第１素子は、前記アンテナアレイの前記中心点の第１の側に位置するものである。
前記決定した調整ファクタを前記第１信号に適用する。
前記ビームと前記複数の素子のうちの第２素子とに関連付けられた第２信号に、前記決定した調整ファクタを適用する。前記第２素子は、前記アンテナアレイの前記中心点の第２の側に、前記第１素子と実質的に等しい距離だけ前記中心点から離間して位置するものである。
【００３０】
付記２．前記第１信号に対する調整ファクタを決定するに際し、前記第１信号及び前記第２信号に適用する少なくとも１つの重み付け係数を決定する、付記１に記載の方法。
【００３１】
付記３．少なくとも１つの重み付け係数を決定するに際し、前記第１信号及び前記第２信号に適用する同相重み付け係数及び直交重み付け係数を決定する、付記２に記載の方法。
【００３２】
付記４．さらに、前記第１信号及び前記第２信号のそれぞれの同相成分を求めるとともに、前記第１信号及び前記第２信号のそれぞれの直交成分を求める、付記３に記載の方法。
【００３３】
付記５．さらに、前記第１信号の同相成分と前記第２信号の同相成分とを加算して加算同相信号を生成し、
前記第１信号の直交成分と前記第２信号の直交成分とを加算して加算直交信号を生成する、付記４に記載の方法。
【００３４】
付記６．前記決定した調整ファクタを前記第１信号に適用し、前記決定した調整ファクタを第２信号に適用するに際し、前記加算同相信号を前記同相重み付け係数によって重み付けし、前記加算直交信号を前記直交重み付け係数によって重み付けする、付記５に記載の方法。
【００３５】
付記７．さらに、重み付けされた前記加算同相信号と重み付けされた前記加算直交信号とを加算する、付記６に記載の方法。
【００３６】
付記８．前記アンテナアレイは、直接放射型アレイアンテナである、付記１〜７のいずれか１つに記載の方法。
【００３７】
付記９．第１次元及び第２次元に配置された複数の素子を含む二次元アンテナアレイからのデータを処理する方法であって、
前記第１次元内の前記複数の素子に関連付けられた一組の信号を処理し、
前記第１次元内の前記組の信号を処理した後に、前記第２次元内の前記組の信号を処理する、方法。
【００３８】
付記１０．前記第１次元内の前記複数の素子に関連付けられた前記組の信号を処理するに際し、前記第１次元内の前記組の信号をビームフォーミングし、
前記第２次元内の前記組の信号を処理するに際し、前記第２次元内の前記組の信号をビームフォーミングする、付記９に記載の方法。
【００３９】
付記１１．前記第２次元内の前記組の信号をビームフォーミングするに際し、前記第１次元においてビームフォーミングされた前記組の信号に基づいて、前記第２次元内の前記組の信号をビームフォーミングする、付記１０に記載の方法。
【００４０】
付記１２．前記二次元アンテナアレイは、直接放射型アンテナである、付記９〜１１のいずれか１つに記載の方法。
【００４１】
付記１３．前記複数の素子は、複数の行及び複数の列に配置されており、
前記第１次元内の前記複数の素子に関連付けられた前記組の信号を処理するに際し、行ごとに、前記複数の素子に関連付けられた前記組の信号を処理し、
前記第２次元内の前記組の信号を処理するに際し、列ごとに前記組の信号を処理する、付記９〜１２のいずれか１つに記載の方法。
【００４２】
付記１４．通信衛星は、
第１次元及び第２次元に配置された複数の素子を含む二次元アンテナアレイと、
前記複数の素子に通信可能に接続されており、信号のビームフォーミングを行うように構成されたシステムとを含む。前記システムは、
前記第１次元内の前記複数の素子に関連付けられた一組の信号を処理するとともに、
前記第１次元内の前記組の信号を処理した後に、前記第２次元内の前記組の信号を処理するように構成されている。
【００４３】
付記１５．前記システムは、行ごとに前記組の信号をビームフォーミングすることによって前記第１次元内の前記組の信号を処理するように構成されており、前記ビーム形成器は、行ごとに前記組の信号をビームフォーミングした後に、列ごとに前記組の信号をビームフォーミングすることによって前記第２次元内の前記組の信号を処理するように構成されている、付記１４に記載の通信衛星。
【００４４】
付記１６．付記１５に記載の通信衛星において、前記二次元アンテナアレイの前記複数の素子は、複数の行及び複数の列に配置されており、前記二次元アンテナアレイの前記複数の行の各行は、前記複数の素子のうちの、中心点の両側に分配された素子を含んでいる。前記システムは、以下の工程により、前記組の信号を行ごとにビームフォームするように構成されている。
行内の第１素子に関連付けられた第１信号に対する調整ファクタを決定する。前記第１素子は、前記行の中心点の第１の側に位置するものである。
前記決定した調整ファクタを前記第１信号に適用する。
前記行内の第２素子に関連付けられた第２信号に、前記決定した調整ファクタを適用する。前記第２素子は、前記行の前記中心点の第２の側に、前記第１素子と実質的に等しい距離だけ前記中心点から離間して位置するものである。
【００４５】
付記１７．前記システムは、前記第１信号及び前記第２信号に適用される同相重み付け係数及び直交重み付け係数を決定することによって、前記第１信号に対する調整ファクタを決定するように構成されている、付記１６に記載の通信衛星。
【００４６】
付記１８．付記１７に記載の通信衛星において、前記システムは、
前記第１信号及び前記第２信号のそれぞれの同相成分を決定し、
前記第１信号の同相成分と前記第２信号の同相成分とを加算して加算同相信号を生成し、
前記第１信号及び前記第２信号のそれぞれの直交成分を決定し、
前記第１信号の直交成分と前記第２信号の直交成分とを加算して加算直交信号を生成するように構成されている。
【００４７】
付記１９．付記１８に記載の通信衛星において、前記システムは、前記加算同相信号を前記同相重み付け係数によって重み付けし、前記加算直交信号を前記直交重み付け係数によって重み付けすることによって、前記決定した調整ファクタを前記第１信号に適用し、前記決定した調整ファクタを第２信号に適用するように構成されている。
【００４８】
付記２０．付記１９に記載の通信衛星において、前記システムは、さらに、重み付けされた前記加算同相信号と重み付けされた前記加算直交信号とを加算するように構成されている。
【００４９】
様々な好適な実施態様の説明は、例示及び説明のために提示したものであり、全てを網羅することや、開示した形態での実施に限定することを意図するものではない。多くの改変又は変形が当業者には明らかであろう。さらに、様々な有利な実施態様は、他の有利な態様とは異なる利点をもたらすことがある。選択した実施態様は、実施態様の原理及び実際の用途を最も的確に説明するために、且つ、当業者が、想定した特定の用途に適した種々の変形を加えた様々な実施形態のための開示を理解できるようにするために、選択且つ記載したものである。本明細書は、例を用いてベストモードを含む様々な実施態様を開示することよって、任意の装置又はシステムを作製及び使用すること、及び、組み入れられた方法を実行することを含め、当業者がそれらの実施態様を実施することができるようにしたものである。特許を受けようとする範囲は、特許請求の範囲の記載によって規定されるものであり、当業者が想定する他の例を含み得る。そのような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違しない構成要素を有する場合、又は、特許請求の範囲の文言と実質的に相違しない均等の構成要素を含む場合において、特許請求の範囲に含まれることを意図している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
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