(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎは正の整数である複数Ｎ個のエレメントを有するフェーズドアレーシステムであり、このフェーズドアレーシステムを遠隔較正する装置を含むフェーズドアレーシステムであって、
相互の間に略一定の相対的な位相関係を持つ較正信号及び基準信号を発生するコヒーレント信号発生器と、
前記Ｎ個のエレメントの各々に前記較正信号を印加する手段と、
前記Ｎ個のエレメントの各々に印加された較正信号を可逆な直交変換行列のエントリに基づいて符号化して第１組及び第２組の符号化信号を発生する符号化手段と、
第１組及び第２組の符号化信号及び前記基準信号を遠隔地へ送信する送信手段と、
前記遠隔地で前記送信された第１組及び第２組の符号化信号を検波するコヒーレント検波器と、
前記コヒーレント検波された第１組及び第２組の符号化信号を復号して１組の復号信号を発生する復号手段と、
前記１組の復号信号に基づいて前記システムの各エレメントに対する較正データを生成するように適合された信号プロセッサとを備え、
前記フェーズドアレーシステムにおける前記Ｎ個のエレメントの各々が複数ｐ個の遅延回路を含むシステム。
【請求項２】
前記符号化手段が、
可逆な直交変換行列Ｈのエントリに基づいて第１組の較正スイッチング信号を発生する手段と、
第１組の符号化信号を発生するように前記Ｎ個のエレメントの各々にあるｐ個の遅延回路の夫々を作動する為に第１組の較正スイッチング信号を印加する手段とを備える請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記可逆な直交変換行列Ｈが少なくともＮ×Ｎの寸法を持つ２進行列で構成される請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記２進行列がアダマール行列である請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記符号化手段が更に、
（−１）Ｈの積によって定義される更なる可逆な直交変換行列のエントリに基づいて第２組の較正スイッチング信号を発生する手段と、
第２組の符号化信号を発生するように前記Ｎ個のエレメントの各々にある前記ｐ個の遅延回路の夫々を同様な方式で起動させるために前記第２組の較正スイッチング信号を印加する手段とを含む請求項３記載のシステム。
【請求項６】
前記復号手段が、前記遠隔地で受信される前記第１組及び第２組の符号化信号に対して、第１組の符号化信号について測定された同相位相成分と第２組の符号化信号について測定された同位相成分との間の差と、第１組の符号化信号について測定された直角位相成分と第２組の符号化信号について測定された直角位相成分との間の差とを夫々計算する手段と、
前記の夫々の計算された差と行列Ｈの逆行列Ｈ-1との積を計算する手段とを有する請求項５記載のシステム。
【請求項７】
第１組及び第２組の直交符号化信号に対する夫々の同相及び直角位相成分を測定する手段を含み、この手段が、前記基準信号に対し、前記遠隔地で受信される前記第１組及び第２組の直交符号化信号の位相及び振幅を測定する手段で構成されている請求項６記載のシステム。
【請求項８】
前記送信手段が動作中に合計Ｎ（ｐ＋２）対の第１組及び第２組の直交符号化信号を送信する請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記第１組及び第２組の直交符号化信号の送信される合計Ｎ（ｐ＋２）対の内のＮ対は、前記フェーズドアレーシステムの各エレメントにある所定のμ番目の遅延回路がアダマール行列のエントリに基づく所定の符号化規則に従ってトグル作動され、これに対して前記フェーズドアレーシステムの各エレメントにある残りの各々の遅延回路が切り離し状態に切換えられるようにされた夫々の対で構成されている請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１組及び第２組の直交符号化信号の送信される合計Ｎ（ｐ＋２）対の内のＮ（ｐ−１）対は、前記フェーズドアレーシステムの各エレメントにあるμ番目の遅延回路が所定の符号化規則に従ってトグル作動され、これに対して、前記符号化規則に従ってトグル作動されるμ番目の遅延回路以外の、前記フェーズドアレーシステムの各エレメントにある残りの各々のν番目の回路が恒久的に接続状態に切換えられるようにされた夫々の対で構成されている請求項８記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１組及び第２組の直交符号化信号の送信される合計Ｎ（ｐ＋２）対の内のＮ対は、前記フェーズドアレーシステムの各エレメントにある、μ番目の遅延回路以外の、別の所定のξ番目の遅延回路が所定の符号化規則に従ってトグル作動され、これに対して前記フェーズドアレーシステムの各エレメントにある残りの各々の遅延回路が切り離し状態に切換えられるようにされた夫々の対で構成されている請求項８記載のシステム。
【請求項１２】
前記第１組及び第２組の直交符号化信号の送信される合計Ｎ（ｐ＋２）対の内のＮ対は、前記フェーズドアレーシステムの各エレメントにある別の所定のξ番目の遅延回路が所定の符号化規則に従ってトグル作動され、これに対して前記フェーズドアレーシステムの各エレメントにあるμ番目の回路が接続状態に切換えられる様にされた夫々の対で構成されている請求項８記載のシステム。
【請求項１３】
前記符号化手段によって発生された１組の符号化信号が１組の直交符号化信号で構成され、前記コヒーレント検波器が、前記基準信号に対して、前記遠隔地で受信される前記第１組及び第２組の直交符号化信号の夫々の同相及び直角位相成分を測定する手段を有する請求項１記載のシステム。
【請求項１４】
前記復号手段は、前記の夫々の測定された同相及び直角位相成分の間の夫々の差と行列Ｔの逆行列Ｔ-1との積を計算する手段を有する請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
前記第１組及び第２組の直交符号化信号の夫々の同相及び直角位相成分を測定する前記手段が、前記基準信号に対して、前記遠隔地で受信される前記第１組及び第２組の直交符号化信号の位相及び振幅を測定する手段を有する請求項１３記載のシステム。
【請求項１６】
前記送信手段が、動作中に、直交符号化信号を合計Ｎ（ｐ＋１）回送信する請求項１３記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
能動フェーズドアレー（ｐｈａｓｅｄ  ａｒｒａｙ）システム又はスマート（ｓｍａｒｔ）アンテナシステムは、異なるビーム形成シナリオに対処ためにフェーズドアレーシステムの夫々のエレメントによって送信並びに／又は受信されるエレメント信号の複素利得（振幅及び位相）のプログラム可能な変更を行なう能力を有する。フェーズドアレーシステムを備えた通信衛星は、普通の反射型アンテナを持つ衛星に比べて固有の性能の利点を備えているので望ましい。例えば、フェーズドアレーシステムを持つ通信衛星は、次に述べる様な利点を提供し得る。即ち、大陸全体にわたる広くて一様な範囲から約１°の３dB幅を持つ幅の狭いスポット・ビーム・パターンまでビーム・パターンが構成自在であること、多重通信チャンネルに於ける実効等方性放射電力（ＥＩＲＰ）のレベルを変える融通性があること、並びに部品の故障を補償する為にシステム性能の劣化を巧妙に行なう手段が得られることである。衛星におけるフェーズドアレーシステムに対する条件は予測し難い形で変化し得るから、最適なシステム性能を確実にする為には、位相及び振幅特性の様なシステムの特性を規則的に較正するように計画を立てる事が一般的に必要である。
【０００２】
フェーズドアレーシステムの各エレメントで夫々形成されるエレメント信号の夫々の複素利得の有意の推定値を得る為、較正過程は、各エレメントから送信される夫々のエレメント信号に対する複素利得が略準不動になる位に短い時間窓の中で行なわなければならない。典形的な静止衛星の用途では、この為の時間窓は時間的に変わり得る２つの効果によって支配される。即ち、送信されるエレメント信号が地球上にある適当な制御ステーションに向って伝搬する時に出会う変わり得る大気条件によるエレメント信号の変化と、フェーズドアレーシステムの各エレメントに対する夫々の回路部品の位相のオフセットや、フェーズドアレーを支持する為に用いられるパネル構造の物理的な反り等の様な衛星に熱によって誘起される効果による送信されるエレメント信号の相対的な位相の変化とである。熱によって誘起される効果は、主にフェーズドアレーのパネルに対する太陽放射束の密度の昼間変動が原因で起こる。
【０００３】
従来提案された較正方式は、本質的に、フェーズドアレーシステムの他の全てのエレメントをターンオフしておいて、フェーズドアレーシステムの各々の１個のエレメント（ＳＥ）の夫々の複素利得を、一度に１つずつ、個別に測定することに基づいたものである。こう云う較正方式（以下ＳＥ較正方式と呼ぶ）は、考えとしては単純であるが、都合の悪いことに或る基本的な問題があり、その為に、通信衛星に対する典形的なフェーズドアレーシステムの較正条件を満す点でその有用性に疑問がある。その１つの問題は、較正を受ける任意の１つのエレメントに適当な試験信号を差し向ける又は通す様に各エレメント信号の夫々の電気通路のフロントエンドに結合される多極マイクロ波スイッチング装置を実現するのが困難であることである。この多極スイッチング装置は、ＳＥ較正方式では典形的には、任意の所定の時点で較正を受ける任意の個別のエレメントに夫々形成されるエレメント信号に対する複素利得を測定する為に必要である。ＳＥ較正方式のもう１つの問題は、信号対雑音比（ＳＮＲ）が比較的低いことである。これは実効的には測定の積分時間が比較的長くなることになる。実用的な衛星の電力レベルでは、ＳＥ較正方式の為の較正測定値を抽出するのに要する積分時間は、前に述べた準不動の時間窓の基準を満すには長すぎる場合が多い。原理的には、各エレメントから送信される較正信号のエネルギーを増加することにより、ＳＥ過程の実効的なＳＮＲを高くすることができる。しかし、フェーズドアレーシステムの各々エレメントは、各エレメントにある回路部品に対する電力処理容量及び直線性の制約によって、最大電力に近いところで動作する様に設計されているのが普通であるから、電力レベルを更に勝手に増加することは典形的には実現できないことになる。この為、ＳＥ較正方式に伴なう問題を解決することのできる較正方法を提供することが望ましい。
【０００４】
【発明の要約】
全般的に云うと、上に述べた要望を満ため、本発明は、Ｎを正の整数として、複数Ｎ個のエレメントを持つシステムを遠隔較正する方法と装置を提供する。この方法は、相互に所定のスペクトル関係を持つ較正信号及び基準信号の様なコヒーレント信号を発生することを含む。複数Ｎ個のエレメントの各々に印加される較正信号は、２進アダマール（Ｈａｄｍａｒｄ）行列の様な所定の逆行列作成可能な符号化（ｅｎｃｏｄｉｎｇ）行列のエントリ（ｅｎｔｒｙ）に基づいて直交符号化されて、第１組及び第２の直交符号化信号を発生することができる。これらの第１組及び第２の符号化信号並びに基準信号は遠隔地へ送信される。送信された第１組及び第２組の符号化信号は遠隔地でコヒーレント検波される。その後、コヒーレント検波された第１組及び第２組の符号化信号は、所定の逆行列作成可能な符号化行列の逆行列を使って復号され、１組の復号信号を発生する。次に、この１組の復号信号は、システムの各エレメントに対する較正データを発生する為に処理される。
【０００５】
本発明の新規と考えられる特徴は、特許請求の範囲に具体的に記載してあるが、本発明自体の構成、作用、及びその他の目的並び利点は、以下図面について詳しく説明するところから最もよく理解されよう。図面に全体にわたり、同様な部分には同じ参照数字を用いている。
【０００６】
【発明の詳しい説明】
図１はフェーズドアレーシステム１２を用いて、無線周波（ＲＦ）信号１４を送信並び／又は受信する通信衛星１０を示す。例えば、フェーズドアレーシステム１２が送信モードで使われる場合、受信アンテナ２０を介して、地上の制御ステーションの様な遠隔の制御ステーション１８でＲＦ信号１４を受信することができる。当業者であれば分かる様に、フェーズドアレーシステムは、アレーのエレメントとから放出されるＲＦ信号の位相を選択的に調節して、フェーズドアレーの各エレメントから空間的に離れた地点で、所望の干渉パターンを作ると云う原理に基づいて動作する。Ｎ個のエレメントのフェーズドアレーシステムからの波長λのＲＦ送信を考える。例として、フェーズドアレーの中心を原点とする座標系を選ぶ。
【０００７】
【外１】
0004223575.tif 000002
【０００８】
【数１】
0004223575.tif 000003
【０００９】
【数２】
0004223575.tif 000004
【００１０】
１組の係数｛ａ（ｎ）｝の相対的な値が、フェーズドアレーの各エレメントに対する移相器５０（図２）及び電力増幅器８０（図２）の様な夫々の回路部品に関係する相対的な複素利得になる。フェーズドアレーによって送信並びに／又は受信された（但し本発明よる符号化はしてない）任意の干渉パターンを単に空間的にサンプリングすることによって得られた情報は、送信ホーン９０（図２）の様なフェーズドアレーのエレメント・ホーンの相対的な位置ぎめによる位相のオフセットを容易に抽出することができないことを証明することができる。原理的には、各々の係数ａ（ｎ）の値は、Ｎ個の一次独立連立方程式が得られる様に特
【００１１】
【外２】
0004223575.tif 000005
【００１２】
に於ける干渉パターンの振幅及び位相を測定又はサンプリングすることによって決定することができる。実際には、解を計算する為には、３つの異なるパラメータのＮ個の値が分っていなければならないので、この手順は実施するのが非常に
【００１３】
【外３】
0004223575.tif 000006
【００１４】
上に述べた空間的なサンプリング較正方式と対照的に、エレメント信号のコヒ
【００１５】
【外４】
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【００１６】
化ビーム・パターンを形成することができる様にする符号化信号を受信することができるので、劇的に単純化される。更に、１つの伝搬定数Ｋ0 しかないので、各々の複素利得の相対的な値を決定するのにその値が分っている必要はない。更に、遠い場においては、関心のあるパラメータは、この１個の受信点までの距離が分っていなくても求めることができる。アレーの一様な位相平面に対する基
【００１７】
【外５】
0004223575.tif 000008
【００１８】
る。業者でてあれば分る様に、この投影角は、地球、月及び太陽センサの様な普通の天体センサからの容易に利用し得る姿勢測定値を使って、測定することができる。
遠い場では、任意のｍ番目のコヒーレント符号化送信の受信信号は、次の形である。
【００１９】
【数３】
0004223575.tif 000009
【００２０】
ｔ（ｍ，ｎ）がユニタリ符号化行列の様な所定の逆行列作成可能な符号化行列
【００２１】
【外６】
0004223575.tif 000010
【００２２】
値は、Ｎ個の一次独立連立方程式を解くことができる様にする行列Ｔの逆行列から直接的に求めことができる。一般的に、ユニタリ行列Ｕの逆行列は行列Ｕのエルミート共役Ｕ* に等しい、即ちＵ-1＝Ｕ* である。当業者であれば分るが、行列Ｕの様なユニタリ行列の行及び列は、この行列Ｕが定義されているベクトル空間にわたる完全な正規直交する１組の基本ベクトルを形成する。一般的に、直交変換は、実ベクトル空間で定義されたユニタリ変換の部分集合と正式に定義されている。直交変換はイメージング用途に広く用いられており、例えばＰｒｏｃ．ＩＥＥＥ  ５７，Ｎｏ．１，５８−６８頁（１９６９年１月号）所載のダブリュ・ケイ・プラット，ジェイ・ケーン及びエッチ・シー・アンドリュースの論文「アダマール変換イメージ符号化（Ｈａｄａｍａｒｄ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ  Ｉｍａｇｅ  Ｃｏｄｉｎｇ）」を参照されたい。本明細書で用いる行列Ｔは、その関連するユニタリ行列とは正規化係数Ｎ1/2 だけ異なっている。従って、Ｔは再正規化ユニタリ行列と呼ばれる。
【００２３】
【数４】
0004223575.tif 000011
【００２４】
これに制限するつもりはないが、例として云うと、各々の行列の要素が単位の大きさを持つ場合、即ち｜ｔ（ｍ，ｎ）｜＝１である場合、再正規化ユニタリ行列を使うと、最小分散符号化方式を達成することができることを示すことができる。大きさが等しい再正規化ユニタリ行列の注目すべき幾つかの例は、２次元（２Ｄ）離散的フーリエ変換（ＤＦＴ）及びアダマール行列の種類である。
【００２５】
図２は、Ｎ個のエレメントのフェーズドアレーシステム１２に対する一例のアナログ式アーキテクチャの略図である。ディジタル式ビーム形成アーキテクチャでも本発明の考えの利点が容易に得られるから、本発明がアナログ式アーキテクチャに制限される必要がないことが理解されよう。更に、レーダ、ライダ、通信システム等に用いられるコヒーレント電磁信号、又はソナー、超音波装置等に用いられるコヒーレント音波信号の様なコヒーレント信号を用いる任意のシステムが、本発明の考えから容易に利点が得られるので、本発明がフェーズドアレーシステムに制限される必要がないことが理解されよう。
【００２６】
フェーズドアレーシステム１２は、各々がｐビットのビーム形成能力を持つＮ個の移相器５０1 −５０N で構成されたビーム形成マトリックス４０を含む。各々のエレメントに対する各々の移相器はｐ個の独立の遅延回路６０で構成され、これらは適当なスイッチ６５を介して、各々のエレメント信号に対する電気通路に選択的に接続状態に切換えられ、即ち作動されて、ｍ＝０，１，……（２p −１）として、２πｍ／２p の移相に対応する２p 個の量子化位相レベルを作ることができる。更に図２は、コヒーレント信号発生器１００が、フェーズドアレーの各エレメントに印加される較正信号に対して所定のスペクトル関係を持つ基準トーン又は信号を供給することを示す。例えば、基準信号は、較正信号から所定の倍数だけ周波数がずれていてよい。基準信号及び較正信号は夫々の帯域フィルタ７２を通過し、これらの帯域フィルタは基準信号及び較正信号に対する夫々の周波数を大体中心とする所定の通過帯域を持つ。図２では、コヒーレント信号発生器１００が、１つの基準信号を供給するものとして示されているが、希望によっては、コヒーレント信号発生器１００から追加の基準信号を容易に得ることができることが理解されよう。
【００２７】
図２に示す様に、フェーズドアレーの各々のエレメントが、夫々の電力増幅器８０及びホーン９０を含む。図２は、基準信号が別個のホーン９０′から送信されることを示しているが、基準信号が移相器によって行なわれる任意の符号化手順の影響を受けない様に、基準信号が任意の移相器５０1 −５０N の後の電気通路に注入される限り、基準信号をフェーズドアレーの任意のエレメントから送信してもよく、結果は同等である。図２は、システムの通常の動作中、任意の所望のビーム・パターンを形成する為のスイッチング指令を出すことのできる制御装置３００を示している。
【００２８】
本発明の好ましい一実施例では、制御装置３００は更に較正指令モジュール３０２を含む。較正指令モジュールは、フェーズドアレーシステムのＮ個のエレメントによって制御ステーション１８（図１）の様な遠隔地へ送信される対応する第１組及び第２組の信号を遅延回路６０で符号化することができる様にする第１組及び第２組のスイッチング信号を供給する。
【００２９】
前に述べた様に、制御されたスイッチング、即ち符号化は、所定の逆行列作成可能な２進行列の要素又はエントリによって定められる。特に、２進行列またはバイポーラ・アダマール行列の様な或る種の直交行列は、推定較正パラメータに対する統計的な分散を極く小さくすると云う意味で最適である。符号化行列は、Ｎがアダマール行列を作ることができる偶数であるとすれば、Ｎ×Ｎの寸法を持つ様に選ぶことができる。次数Ｎのアダマール行列を構成することができない場合、符号化の為に、次に高い次数のアダマール構成を便利に使うことができる。例えば、次に高い次数は、Ｑを正の整数として、好便にＫ＝Ｎ＋Ｑに選ぶことができる。Ｑは、存在しないエレメントに対応する余分の送信を表わし、この為、この様な余分の送信は実効的にはゼロの値の信号で構成されているものとして扱われる。当業者であれば、この行列構成方法が、例えば高速フーリエ変換に使われる「ゼロを埋める」方式に似ていることが理解されよう。従って、以下の説明では、これに制限するつもりはないが、簡単の為、制御されたスイッチング（ＣＳ）手順に、アダマール行列だけを考え、これをＨで表わす。遠隔地で適当なコヒーレント検波及び復号を実施した時、第１組及び第２組の直交符号化信号が、遅延回路の夫々の複素利得の任意の変化を表わし、且つどの遅延回路も接続状態に切換えられてない時のフェーズドアレーの各々のエレメントに関連する夫々の信号｛ｓ（ｍ，ｎ＝１，２……Ｎ）｝、即ち、夫々の電力増幅器及びホーンを含むが、フェーズドアレーのどのエレメントにも遅延回路を全く含まない遅延なし即ち「直通」の電気通路に関係する各々の信号を含む較正データを決定することができる様にすることを後で示す。
【００３０】
アナログ式の実施例では、較正信号に対する電力レベルが十分低く、移相器を線形マイクロ波装置として扱うことができると仮定する。例えば、複素利得ｄμ （ｎ）を持つ任意のｎ番目の移相器内にあるμ番目の遅延回路の様な１個の遅延回路６０を接続状態に切換える即ち作動する効果は、図３ａに示す様に、単に入力信号ｘ（ｎ）に複素利得を掛けることである。多数の遅延回路６０及び６０′を接続状態に切換える即ち作動する効果は、接続状態に切換えられた多数の回路に対する夫々の複素利得の積を単に発生する。例えば、図３ｂに示す様に、複素利得ｄν （ｎ）を持つｎ番目の移相器に対するν番目の遅延回路と共に接続状態に切換えられた場合、入力信号ｘ（ｎ）に対する複素利得は図３ｂに示す様になる。
【００３１】
図４は、較正信号及び基準信号の様なコヒーレント信号を発生する為に使われるコヒーレント信号発生器１００の略図である。この明細書で云う「コヒーレント信号」と云う表現は、相互の間に略一定の相対的な位相関係を持つ信号を云う。図４に示す様に、局部発振器１０２が所定の周波数ｆ0 を持つ発振器出力信号を夫々の周波数逓倍器１０４，１０６，１０８に供給し、発振器出力信号の周波数に夫々Ｎ1 ，Ｎ2 ，Ｎ3 の様な夫々の乗数を乗ずる。図４に示す様に、逓倍器１０８，１０４の夫々の出力信号が第１のミキサ１１０で混合されて、周波数ｆ＝（Ｎ2 ＋Ｎ3 ）ｆ0 を持つ第１のミキサ出力信号を供給する。同様に、逓倍器１０６，１０８の夫々の出力信号が第２のミキサ１１２で混合され、周波数ｆ＝（Ｎ1 ＋Ｎ3 ）ｆ0 を持つ第２のミキサ出力信号を供給する。例として云うと、第１のミキサ出力信号が基準信号を構成し、第２のミキサ出力信号が較正信号を構成して、フェーズドアレーシステムの各エレメントに印加される。
【００３２】
図５は、制御ステーション１８（図１）に設けることのできるコヒーレント検波器４００及び較正プロセッサ４０２の簡単にしたブロック図である。これらは、フェーズドアレーシステムから送信される任意のシーケンスの符号化されたコヒーレント信号を検波及び復号し、これにより、電力増幅器、ホーン及び移相器の様な、フェーズドアレーシステムの各々のエレメントを構成する種々の部品の変化を補償する為に、衛星へ好便に「アップリンク」することのできる較正データを決定することが出来る。
【００３３】
図６は、コヒーレント検波器４００及び較正プロセッサ４０２を詳しく示す。図６に示す様に、受信された基準信号が第１のミキサ４０６及び移相器４０４に供給され、移相器は受信したコヒーレント基準信号に略９０°の移相を加える。更に図６に示す様に、各々の直交符号化信号が第１のミキサ４０６及び第２のミキサ４０８に供給される。第１のミキサ４０６は、受信した符号化信号を基準信号と混合して、該受信した符号化信号の内、基準信号と同相である成分の複製である第１のミキサ出力信号を供給する。これに対し、第２ミキサ４０８は、受信した符号化信号を移相後の基準信号と混合して、該受信した符号化信号の内、基準信号に対して直角位相（９０°）である成分を複製した第２のミキサ出力信号を供給する。同相及び直角位相成分が、夫々のアナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器４０９によってディジタル・データに変換される。図６に示す様に、較正プロセッサ４０２は、Ａ／Ｄ変換器４０９から供給された同相成分及び直角位相成分を夫々記憶する為のレジスタ・アレー４１０1 及び４１０2 を含むことができる。更に較正プロセッサ４０２はメモリ４１２を持ち、このメモリは、符号化信号の夫々の直角位相成分を復号する為に使われる逆行列Ｈ-1のエントリを記憶することができる。更に、較正プロセッサ４０２は、符号化信号の夫々の直角位相成分を復号する為に使われる任意の適当な計算を行なう為の算術論理装置（ＡＬＵ）４１４を含む。例えば、ＡＬＵ４１４は、第１組及び第２組の直交符号化信号の各々の直角位相成分の間の差を計算する為、並びにこうして得られた差と逆行列Ｈ-1との積を計算する為に使うことができる。
【００３４】
図７は、本発明による一例の較正方法のフローチャートを示す。工程２００で動作が開始された後、工程２０２で、コヒーレント信号発生器１００（図２及び４）によって発生される較正信号及び基準信号の様なコヒーレント信号を発生する。工程２０４で、図２のフェーズドアレーシステムの様なＮ個のエレメントを持つコヒーレント・システムの各エレメントに較正信号を印加する。工程２０６で、コヒーレント・システムの各エレメントに印加された較正信号を符号化して、例えば、第１組及び第２組の符号化信号を発生する。この符号化は、フェーズドアレーシステムの各エレメントにある遅延回路の制御されたスイッチング又はトグル動作を用いて行なうのが有利である。即ち、この符号化は、較正指令モジュール１１０（図２）からのスイッチング信号に応答して作動される特定の遅延回路に基づいて行なわれるので、追加の又は別個の符号化用ハードウェアを必要としない。フェーズドアレーシステムの各エレメントに印加された較正信号を直交符号化する為に、ユニタリ変換符号器を使う別の好ましい具体例については、１９９５年７月７日出願の米国特許出願第０８／４９９，７９６号、発明の名称「ユニタリ変換符号器を用いて衛星通信に使われるフェーズドアレーシステムを遠隔較正する方法」を参照されたい。次に工程２０８で、制御ステーション１８（図１）の様な遠隔地に第１組及び第２組の符号化信号及び基準信号を送信する。工程２１０で、送信されてきた第１組及び第２組の符号化信号を遠隔地でコヒーレント検波する。工程２１２で、検波された第１組及び第２組の符号化信号を復号して、１組の復号信号を発生する。この復号信号は、工程２１６の動作の終りより前の工程２１４で、フェーズドアレーシステムの各エレメントに対する較正データを発生する為に好便に処理することができる。
【００３５】
図８は、図２のフェーズドアレーシステムで符号化工程２０６（図７）を実施する為に好便に使うことのできるフローチャートを示す。工程２２２に示した動作の開始後、工程２２４で、逆行列作成可能な２進行列Ｈのエントリに基づいて、第１組のスイッチング信号を発生する。工程２２６で、第１組のスイッチング信号を印加して、フェーズドアレーシステムの各エレメントにあるｐ個の遅延回路の夫々を作動し、これにより第１組の符号化信号を発生する。これと対照的に、工程２２８に示す様に、第２組のスイッチング信号は制御されたスイッチングの為に−Ｈを使い、これによって第２組の符号化信号を発生する。工程２３２で示した動作の終りの前の工程２３０で、第２組のスイッチング信号を印加することにより、フェーズドアレーの各エレメントにあるｐ個の遅延回路の夫々を作動して第２組の符号化信号を発生する。アダマール制御行列を用いたこのスイッチング手順は実効的に、フェーズドアレーの各々のエレメントに印加された較正信号の正確なユニタリ（直交）変換符号化を作る。前に述べた様に、このスイッチング方式は、遅延回路自体が所望の符号化作用を行い、追加の符号化用ハードウェアを必要としないので、特に有利である。
【００３６】
図９は、検波工程２１０及び復号工程２１２（図７）を実施する為に使うことのできるフローチャートを示す。工程２４０で示した動作の開始後、第１組及び第２組の符号化信号が夫々第１組及び第２組の直交符号化信号で構成されていると仮定すると、工程２４２で、遠隔地で受信した第１組及び第２組の直交符号化信号の基準信号に対する夫々の同相成分及び直角位相成分を測定する。例えば、コヒーレント検波器４００（図６）により、任意の受信した符号化信号の同相成分及び直角位相成分の両方を測定する。更にこれは、遠隔地で受信した第１組及び第２組の直交符号化信号の夫々の基準信号に対する位相及び振幅を測定することを含むことができる。較正データは、位相及び振幅の相対的な測定値から得ることが出来る、即ち、基準信号の位相に対する、受信した各々の符号化信号の位相及び振幅の時間につれての変動の夫々の測定値から有効に得ることが出来るので、絶対値の測定値が重要ではないことが理解されよう。工程２４４で、遠隔地で受信した第１組及び第２組の直交符号化信号の夫々の測定された同相及び直角位相成分の間の夫々の差を計算する。工程２４８で示した動作の終りの前の工程２４６で、夫々の計算された差と、制御されたスイッチング符号化で使われる同じ２進直交行列の逆行列、即ちＨ-1＝ＨT ／Ｎとの積を計算する。本発明の別の利点として、この場合の逆行列が単に係数１／Ｎによって正規化されたＨの転置行列であるから、逆行列Ｈ-1の計算が簡単であることが理解されよう。
【００３７】
図１０は、送信する工程２０８（図７）について更に詳しく示したフローチャートであり、これによって、例えば図２のフェーズドアレーシステムのＮ個のエレメントに関連するＮ（ｐ＋１）個の状態変数の組全体を較正することができる。本発明の制御されたスイッチング較正基準が一般的に合計２Ｎ（ｐ＋２）回の個別の逐次的な送信を必要とすること、又はＮ（ｐ＋２）個の逐次的な送信の対、即ち第１組及び第２組の直交符号化信号のＮ（ｐ＋２）対を逐次的に送信することを必要とすることを示す。これは、本発明による較正手順によって、毎回の送信に同じ最大エレメント信号エネルギーを用いたＳＥ較正測定に比べて、信号対雑音比（ＳＮＲ）を実効的に［（ｐ＋１）／（ｐ＋２）］２Ｎ倍に高めた、ＳＥ較正測定に比肩し得る情報が得られるので有利である。
【００３８】
工程２６０で示した動作の開始の後、工程２６２で、第１組及び第２組の直交符号化信号に対応する様なＮ対の直交符号化信号を逐次的に送信する。このとき、各々のμ番目の遅延回路が、行列Ｈのエントリに基づく所定の符号化規則に従って接続状態に切換えられ、これに対して、フェーズドアレーシステムの各エレメントにある残りの各々の遅延回路は切り離し状態に切換えられる。逐次的に受信する各々の送信の対は、ベクトル形式で好便に次の様に表わされる。
【００３９】
【数５】
0004223575.tif 000012
【００４０】
Ｙμ0の最初の添字「μ」は、μ番目の遅延回路の様な所定の遅延回路が、アダマール行列Ｈのエントリに基づく所定の符号化規則に従ってトグル作動されることを示す。これらのベクトル信号の２番目の添字「０」は、これらが、μ番目の遅延回路以外の残りの各々の遅延回路が切り離し状態に切換えられる時に受信される信号であることを示す。較正過程のこの工程では、フェーズドアレーシステムのＮ個のエレメントに対応する直交符号化信号のＮ個の送信対が、逐次的に送信されて、遠隔地で受信される。
【００４１】
第１組及び第２組の直交符号化信号の逐次的に受信される任意のｍ番目の送信対は次の様に表わされる。
【００４２】
【数６】
0004223575.tif 000013
【００４３】
符号化係数Ｄμ （ｍｎ），ＤμR（ｍｎ）は、次のアダマール符号化規則に従って切換えられる遅延回路の状態によって定まる。
【００４４】
【数７】
0004223575.tif 000014
【００４５】
符号化行列の差が成分及び行列の形で次の様に表わされる。
【００４６】
【数８】
0004223575.tif 000015
【００４７】
前に述べた様に、復号は、受信した信号ベクトルＹμ0，Ｙμ0R の差を計算し、この結果得られたベクトル差に、衛星上で行なわれた制御されたスイッチングに使われたのと同じアダマール行列の逆行列を乗ずることによって、遠隔地で好便に行なうことができる。雑音が存在しない場合、次の様に復号ベクトル信号Ｚμ0が得られる。
【００４８】
【数９】
0004223575.tif 000016
【００４９】
工程２６４で、直交符号化信号のＮ（ｐ−１）対を送信する。このとき、各々のμ番目の遅延回路は所定の符号化規則に従ってトグル作動され、これに対して、μ番目の遅延回路以外の別の所定の遅延回路、例えばν番目の遅延回路は、フェーズドアレーの各々のエレメントで永久的に接続状態に切換えられる。この場合、第１組及び第２組の直交符号化信号の受信された任意のｍ番目の送信対は次の様に表わされる。
【００５０】
【数１０】
0004223575.tif 000017
【００５１】
こゝでも、任意の成分ｙμνの１番目の添字「μ」は、μ番目の遅延回路が所定のアダマール行列Ｈのエントリに基づく所定の符号化規則に従ってトグル作動され、これに対して、２番目の添字「ν」は、フェーズドアレーシステムの各々のエレメントでν番目の遅延回路が接続状態に切換えられることを示す。この場合、こうして得られる１組の復号信号が、復号ベクトルＺμνによってベクトル形式で次の様に表わされる。
【００５２】
【数１１】
0004223575.tif 000018
【００５３】
Ｎ個の複素利得ｄν （ｎ）は次のように復号されたベクトル信号成分の比をとることによって容易に計算される。
【００５４】
【数１２】
0004223575.tif 000019
【００５５】
所定のμ番目の遅延回路に制御されたスイッチングを使い、残りの他の各々の遅延回路を単独に接続状態に切換えて、ν≠μになる様な残りの全ての（ｐ−１）個の遅延回路に対する各々の複素利得ｄν （ｎ）を決定する為に、上に述べた手順を繰り返えすことができる。こうして、工程２６４で第１組及び第２組の直交符号化信号のＮ（ｐ−１）対を送信し、そこで所定のμ番目の遅延回路が所定の符号化規則に従ってトグル作動され、フェーズドアレーの各々の移相エレメントにある残りの各々のν番目の遅延回路が逐次的に接続状態に切換えられる。
【００５６】
工程２６６で、第１組及び第２組の直交符号化信号のＮ対を送信する。このとき、μ番目の遅延回路以外の任意の遅延回路、例えば、ξ番目の遅延回路（ξ≠μ）が所定の符号化規則に従ってトグル作動され、これに対して、フェーズドアレーシステムの各エレメントにある残りの各々の遅延回路は切り離し状態に切換えられる。この場合、こうして得られた１組の復号信号は、復号ベクトル信号Ｚξ0によってベクトル形式で次の様に表わされる。
【００５７】
【数１３】
0004223575.tif 000020
【００５８】
工程２６８で、第１組及び第２組の直交符号化信号のＮ対を送信する。このとき、ξ番目の遅延回路が所定の符号化規則に従ってトグル作動され、これに対して、フェーズドアレーシステムの各々の移相器にある所定のμ番目の遅延回路が接続状態に切換えられる。この場合、この結果得られる１組の復号信号が、復号ベクトル信号Ｚξμによってベクトル形式で次の様に表わされる。
【００５９】
【数１４】
0004223575.tif 000021
【００６０】
Ｎ個の複素利得ｄμ （ｎ）は、復号されたベクトル信号成分の比を求めることによって容易に計算される。
【００６１】
【数１５】
0004223575.tif 000022
【００６２】
一旦全てのγ＝１，２，……ｐ；ｎ＝１，２……Ｎに対して全ての夫々の複素利得ｄγ （ｎ）が決定されたら、「直通」信号すなわち遅延なしの信号｛ｓ（ｎ）｝が次の式から容易に決定される。
【００６３】
【数１６】
0004223575.tif 000023
【００６４】
従って、Ｎ×ｐ個の遅延回路についての夫々の複素利得とＮ個の直通すなわち遅延なしの電気通路についての複素利得とに対する完全な較正データが、Ｎ（ｐ＋２）個の送信対を用いて求められ、これは次の様に好便にまとめることができる。
【００６５】
【表１】
0004223575.tif 000024
【００６６】
［アダマール制御行列の数理］
Ｎ次アダマール行列２はＮ×Ｎの２進直交行列であって、各エントリ［Ｈ］mn＝Ｈ（ｍｎ）が±１の何れかに等しい。Ｎ次アダマール行列は、行又は列の任意の置換によって別のＮ次アダマール行列ができるので、一意的ではない。アダマール行列は逆行列Ｈ-1＝ＨT ／Ｎを持つ直交行列である。一例として、１組の基数２の自然形（ｎａｔｕｒａｌ  ｆｏｒｍ）のアダマール行列の反復的作成を示す。次数Ｎ＝２の基本行列を考える。
【００６７】
【数１７】
0004223575.tif 000025
【００６８】
Ｎ＝４次の自然形のアダマール行列は次の様に構成することができる。
【００６９】
【数１８】
0004223575.tif 000026
【００７０】
次数２Ｎの「自然形」のアダマール行列は、次式を用いて、Ｎ次アダマール行列から構成することができる。
【００７１】
【数１９】
0004223575.tif 000027
【００７２】
アダマール制御行列を用いる直交符号化は次の手順に基づいている。複素数の対角線行列ｄ、即ちｄ≡ｄｉａｇ［ｄ（１），ｄ（２），……ｄ（Ｎ）］を考える。その（ｍｎ）番目の行列要素又はエントリを次の規則に従って構成した任意の適当なアダマール行列に基づいて行列Ｄ，ＤR を構成する。
【００７３】
【数２０】
0004223575.tif 000028
【００７４】
Ｄ，ＤR の差の行列は、成分及び行列の形で次の様に表わされる。
【００７５】
【数２１】
0004223575.tif 000029
【００７６】
こゝでＩは恒等行列である。式（２１）の各辺に逆行列Ｈ-1を乗ずると、次のように対角線行列が得られる。
【００７７】
【数２２】
0004223575.tif 000030
【００７８】
本発明の或る特定の特徴だけを例示し説明したが、当業者には種々の変更、置換、入替え及び均等物が容易に考えられよう。例えば、上に述べた数学的な背景は「自然形」のアダマール行列を使う場合を例示したが、全ての形式のアダマール行列を用いて直交符号化を実施することができ、従って、本発明が「自然形」のアダマール行列に制限されないことが理解されよう。従って、特許請求の範囲が、本発明の範囲内に属するこの様な全ての変更を包括することを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】遠隔の制御ステーションから本発明に従って遠隔較正することのできるフェーズドアレーシステムを用いた通信衛星の簡略ブロック図である。
【図２】本発明の一実施例に従ってコヒーレント信号発生器とフェーズドアレーシステムの各エレメント内の夫々の遅延回路を制御自在に切換える為の制御装置とを含む、図１のフェーズドアレーシステムの一例のアーキテクチャを示すブロック図である。
【図３】図２のフェーズドアレーシステムの任意の所定の１つのエレメントで、（ａ）１個の遅延回路が接続状態に切換えられた場合及び（ｂ）複数（２つ）の遅延回路が接続状態に切換えられた場合の利得特性を示す線図である。
【図４】図２のコヒーレント信号発生器のブロック図である。
【図５】図１の遠隔の制御ステーションに設けられたコヒーレント検波器及び較正プロセッサの簡略ブロック図である。
【図６】図５のコヒーレント検波器のブロック図である。
【図７】本発明による較正方法の実施例のフローチャートである。
【図８】図２のフェーズドアレーシステムの様なコヒーレントシステムで信号を直交符号化する為に使われる工程を示すフローチャートである。
【図９】直交符号化信号の同相及び直角位相成分を測定する為、並びに直交符号化信号の測定された同相及び直角位相成分を復号する為の工程を示すフローチャートである。
【図１０】図２のフェーズドアレーシステムを較正する為に使われる直交符号化信号を逐次的に送信する為の工程を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０    通信衛星
１２    フェーズドアレイシステム
１８    制御ステーション
４０    ビーム形成マトリックス
５０    移相器
６０    遅延回路
６５    スイッチ
８０    電力増幅器
９０    送信ホーン
１００    コヒーレント信号発生器
４００    コヒーレント検波器
４０２    較正プロセッサ
【図１】
0004223575.tif 000031
【図２】
0004223575.tif 000032
【図３】
0004223575.tif 000033
【図４】
0004223575.tif 000034
【図５】
0004223575.tif 000035
【図６】
0004223575.tif 000036
【図７】
0004223575.tif 000037
【図８】
0004223575.tif 000038
【図９】
0004223575.tif 000039
【図１０】
0004223575.tif 000040