(57)【要約】  フェーズドアレイアンテナは、第１トランシーバと、第１直線状アレイに配置されている複数の第１放射要素と、第１放射要素と第１トランシーバとの間に電気的に介在されている第１フィードネットワークと、第１フィードネットワークに沿って結合されている第１スイッチを含んでおり、第１スイッチの状態は、第１トランシーバに電気的に接続されている第１放射要素の数を調整するために選択できる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも放射要素の第１列を含むフェーズドアレイアンテナを動作させる方法であって、
第１無線周波数（ＲＦ）信号を第１ユーザに、前記放射要素の第１列におけるすべての前記放射要素を通して送信することと、
第２ＲＦ信号を第２ユーザに、前記放射要素の第１列における前記放射要素の、前記放射要素の第１列におけるすべての前記放射要素よりも少ない前記放射要素を含んでいる第１サブセットを通して送信することを備え、
前記第１ユーザは、前記フェーズドアレイアンテナから第１距離におり、前記第２ユーザは、前記フェーズドアレイアンテナから、前記第１距離よりも短い第２距離にいることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記放射要素の第１列における前記放射要素の第２サブセットを、前記第１および第２ＲＦ信号の供給源から選択的に絶縁するように構成できるスイッチが、前記放射要素の第１列に沿って提供されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記スイッチはＰＩＮダイオードであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１および第２ＲＦ信号の前記供給源は、伝送線を介して、前記放射要素の第１における前記放射要素の前記第１サブセットに結合され、前記スイッチを通して、前記放射要素の第１列における前記放射要素の前記第２サブセットに選択的に結合されているトランシーバであり、前記スイッチは、前記放射要素の第１サブセットにおける、前記トランシーバから最も遠い前記放射要素が前記伝送線に接続する接合点から約［０．２５＋（ｎ＊０．５）］λの電気的距離に位置し、ここにおいて、ｎは０以上の値を有する整数であり、λは前記フェーズドアレイアンテナの動作の周波数帯の中心周波数に対応する波長であることを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
前記第１ＲＦ信号を前記第１ユーザに、前記放射要素の第１列におけるすべての前記放射要素を通して送信した後、および前記第２ＲＦ信号を前記第２ユーザに、前記放射要素の第１列における前記放射要素の前記第１サブセットを通して送信する前に、制御信号を、前記スイッチの状態を変更するために前記スイッチに送信することを更に備えていることを特徴とする請求項２から４の何れかに記載の方法。
【請求項６】
前記制御信号は直流制御信号を備えていることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記フェーズドアレイアンテナの放射パターンは、前記スイッチが第１状態のときは第１仰角ビーム幅を有し、前記スイッチが第２状態のときは第２仰角ビーム幅を有し、前記第２仰角ビーム幅は、前記第１仰角ビーム幅とは異なっていることを特徴とする請求項２から６の何れかに記載の方法。
【請求項８】
前記スイッチは第１スイッチであり、前記フェーズドアレイアンテナは、前記放射要素の第１列に沿って提供される第２スイッチを更に備えていることを特徴とする請求項２から７の何れかに記載の方法。
【請求項９】
前記フェーズドアレイアンテナの前記放射パターンは、前記第１スイッチが第１状態であり、前記第２スイッチが第１状態のときは第３仰角ビーム幅を有し、前記第３仰角ビーム幅は、前記第１および第２仰角ビーム幅の両者とは異なっていることを特徴とする請求項２から８の何れかに記載の方法。
【請求項１０】
前記第１スイッチは、前記放射要素の第１列における隣接する放射要素の第１対の間に、前記放射要素の第１列に沿って提供され、前記第２スイッチは、前記隣接する放射要素の第１対の一部ではない少なくとも１つの放射要素を含む、前記放射要素の第１列における隣接する放射要素の第２対の間に、前記放射要素の第１列に沿って提供されることを特徴とする請求項２から９の何れかに記載の方法。
【請求項１１】
前記第１および前記第２スイッチの両者は、前記放射要素の第１列における隣接する放射要素の第１対の間に、前記放射要素の第１列に沿って提供されることを特徴とする請求項２から１０の何れかに記載の方法。
【請求項１２】
前記第１スイッチと前記第２スイッチは、独立して制御できることを特徴とする請求項２から１１の何れかに記載の方法。
【請求項１３】
前記フェーズドアレイアンテナは、放射要素の第２列を更に含み、前記方法は、
第３ＲＦ信号を前記第１ユーザに、前記放射要素の第２列におけるすべての前記放射要素を通して送信することと、
第４ＲＦ信号を前記第２ユーザに、前記放射要素の第２列における前記放射要素の、前記放射要素の第２列におけるすべての前記放射要素よりも少ない放射要素を含んでいる第１サブセットを通して送信することを更に備え、
前記第１および第３ＲＦ信号は同時に送信され、前記第２および第４ＲＦ信号は同時に送信され、
前記スイッチは第１スイッチであり、
前記放射要素の第２列における前記放射要素の第２サブセットを、前記第３および第４ＲＦ信号の供給源から選択的に絶縁するように構成できる第２スイッチが、前記放射要素の第２列に沿って提供されることを特徴とする請求項２から１２の何れかに記載の方法。
【請求項１４】
第３ＲＦ信号を第３ユーザに、前記放射要素の第１列における前記放射要素の、前記第１サブセットよりも少ない前記放射要素の第１列における前記放射要素を含んでいる第２サブセットを通して送信することを更に備え、
前記第３ユーザは、前記フェーズドアレイアンテナから、前記第２距離よりも短い第３距離であることを特徴とする請求項１から１３の何れかに記載の方法。
【請求項１５】
フェーズドアレイアンテナであって、
第１トランシーバと、
複数の第１放射要素と、
前記第１放射要素と前記第１トランシーバとの間に電気的に介在されている第１フィードネットワークと、
前記第１フィードネットワークに沿って結合されている第１スイッチを備え、
前記第１スイッチの状態は、前記第１トランシーバに電気的に接続されている前記第１放射要素の数を調整するために選択できることを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項１６】
前記第１放射要素は、第１直線状アレイに配置され、前記直線状アレイの放射パターンは、前記第１スイッチが第１状態のときは第１仰角ビーム幅を有し、前記第１スイッチが第２状態のときは第２仰角ビーム幅を有し、第２仰角ビーム幅は前記第１仰角ビーム幅とは異なっていることを特徴とする請求項１５に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項１７】
前記第１スイッチは、前記第１フィードネットワークの伝送線セグメントと基準電圧との間に結合されているＰＩＮダイオードであることを特徴とする請求項１５または１６に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項１８】
前記ＰＩＮダイオードは、前記第１放射要素の１つが前記伝送線セグメントに接続する接合点から約［０．２５＋（ｎ＊０．５）］λの電気的距離に位置し、ここにおいて、ｎは０以上の値を有する整数であり、λは前記フェーズドアレイアンテナの動作の周波数帯の中心周波数に対応する波長であることを特徴とする請求項１７に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項１９】
前記第１スイッチに制御信号を提供するように構成されている切り替え制御ネットワークを更に備えていることを特徴とする請求項１５から１９の何れかに記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項２０】
前記制御信号は、直流制御信号を備えていることを特徴とする請求項１５から２０の何れかに記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項２１】
前記第１フィードネットワークに沿って結合されている第２スイッチを更に備えていることを特徴とする請求項１５から２１の何れかに記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項２２】
前記放射要素の第１列の前記放射パターンは、前記第１スイッチが第１状態であり、前記第２スイッチが第１状態のときは第３仰角ビーム幅を有し、前記第３仰角ビーム幅は、前記第１および第２仰角ビーム幅の両者とは異なっていることを特徴とする請求項２１に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項２３】
前記第１スイッチは、隣接する放射要素の第１対の間に、前記直線状アレイに沿って提供され、前記第２スイッチは、前記隣接する放射要素の第１対の一部ではない少なくとも１つの放射要素を含む、隣接する放射要素の第２対の間に、前記第１直線状アレイに沿って提供されることを特徴とする請求項２１または２２に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項２４】
前記第１および前記第２スイッチの両者は、隣接する放射要素の第１対の間に、前記第１直線状アレイに沿って提供されることを特徴とする請求項２１から２３の何れかに記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項２５】
前記第１および第２スイッチは、約［０．２５＋（ｎ＊０．５）］λの電気的距離で分離され、ここにおいて、ｎは０以上の値を有する整数であり、λは前記フェーズドアレイアンテナの動作の前記周波数帯の中心周波数に対応する波長であることを特徴とする請求項２１から２４の何れかに記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項２６】
前記第１スイッチと前記第２スイッチは独立して制御できることを特徴とする請求項２１から２６の何れかに記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項２７】
前記第１スイッチは、前記直線状アレイにおける前記放射要素の第２サブセットを、前記トランシーバから選択的に絶縁するように構成できることを特徴とする請求項１５から２６の何れかに記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項２８】
更に、
複数の追加的トランシーバと、
複数の放射要素の追加的直線状アレイと、
前記追加的直線状アレイと前記追加的トランシーバのそれぞれ１つとの間に電気的に介在されている複数の追加的フィードネットワークと、
前記追加的フィードネットワークのそれぞれに沿って結合されている複数の追加的スイッチを備え、
前記各追加的スイッチの状態は、前記追加的トランシーバのそれぞれ１つに電気的に接続されている前記それぞれの追加的直線状アレイにおける前記放射要素の数を調整するために選択できることを特徴とする請求項１５から２７の何れかに記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項２９】
複数の行と複数の列を有する二次元アレイに配置されている複数の放射要素を有するフェーズドアレイアンテナを動作させる方法であって、
複数のトランシーバのそれぞれ１つにより、前記それぞれの列における前記放射要素に提供される前記ＲＦ信号を位相重み付けすることにより、時間スロット毎に前記フェーズドアレイアンテナにより生成されるアンテナビームの方位角を指し示す方向を選択することと、
前記それぞれのトランシーバに電気的に接続されている各列における放射要素の数を選択するためのスイッチを使用して、前記時間スロット毎に前記フェーズドアレイアンテナにより生成される前記アンテナビームの仰角ビーム幅を選択することを備えていることを特徴とする方法。
【請求項３０】
フェーズドアレイアンテナであって、
第１トランシーバと、
前記第１トランシーバに電気的に接続されている第１複数の放射要素と、
前記第１トランシーバに選択的に接続されるように構成されている第２複数の放射要素を備え、
前記フェーズドアレイアンテナは、前記第２複数の放射要素が前記第１トランシーバに接続されているときは第１仰角ビーム幅を有し、前記第２複数の放射要素が前記第１トランシーバから切断されているときは、前記第１仰角ビーム幅よりも大きい第２仰角ビーム幅を有することを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項３１】
スイッチが、前記第２複数の放射要素を前記第１トランシーバに接続する伝送線に沿って介在されていることを特徴とする請求項３０に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項３２】
前記スイッチは、前記伝送線と基準電圧との間に結合されているＰＩＮダイオードであることを特徴とする請求項３１に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項３３】
前記ＰＩＮダイオードは、前記第１複数の放射要素における前記放射要素の１つが前記伝送線に接続する接合点から約［０．２５＋（ｎ＊０．５）］λの電気的距離に位置し、ここにおいて、ｎは０以上の値を有する整数であり、λは前記フェーズドアレイアンテナの動作の前記周波数帯の中心周波数に対応する波長であることを特徴とする請求項３２に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項３４】
直流制御信号を前記スイッチに提供するように構成されている切り替え制御ネットワークを更に備えていることを特徴とする請求項３１から３３の何れかに記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項３５】
前記第１および第２スイッチは、前記第１トランシーバから同じ電気的距離において、前記フィードネットワークの伝送線に接続することを特徴とする請求項２１から２４の何れかに記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項３６】
前記フィードネットワークは、主伝送線と、各それぞれの第１放射要素を前記主伝送線に接続する複数の伝送線分岐を備え、
前記ＰＩＮダイオードは、前記伝送線分岐の最初の分岐と前記主伝送線との間の接合点から約［０．２５＋（ｎ＊０．５）］λの電気的距離において、前記伝送線分岐の前記最初の分岐上に位置し、ここにおいて、ｎは０以上の値を有する整数であり、λは前記フェーズドアレイアンテナの動作の前記周波数帯の中心周波数に対応する波長であることを特徴とする請求項１７に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（米国特許法第１１９条）のもとに、２０１７年５月１５日に出願された米国暫定特許出願第６２／５０６，１００号と、２０１７年６月２１日に出願された米国暫定特許出願第６２／５２２，８５９号の優先権を主張するものであり、それぞれの全体の内容は、ここにおいてあたかもすべて記述されたかのように参照によってここに組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
本発明は全体的に無線通信に関し、より特別には、ワイヤレス通信システム用のフェーズドアレイアンテナに関する。
【０００３】
セルラー通信システムは、この技術においてよく知られている。セルラー通信システムにおいては、地理的エリアは、それぞれの基地局によりサービスが提供される「セル」と称される一連の領域に分割される。基地局は、基地局によりサービスが提供されるセル内のモバイル加入者（ここにおいては、「ユーザ」とも称される）との双方向無線周波数（「ＲＦ」）通信を提供するように構成されている１つ以上の基地局アンテナを含むことができる。従来は、基地局はしばしば「セクタ」に分割され、各セクタは、セクタ全体を通してサービスを提供するためにサイズが決められた放射パターンまたは「アンテナビーム」を生成する１つ以上の基地局アンテナによりサービスが提供されていた。各基地局アンテナは典型的には、１つ以上の放射要素の垂直に置かれた列を含み、放射要素の各列は、それぞれのアンテナビームを形成していた。各放射要素は、放射要素の列により生成されたアンテナビームが、セクタ全体をカバーするように、方位角平面（つまり、基地局アンテナが使用のために搭載されたときの、地平線により定義される平面に平行な平面）において所望の半電力ビーム幅を有するように設計できる。放射要素の列は典型的には、セクタ全体を通してアンテナゲインを増大し、近傍セルとの干渉を削減するために、仰角平面においてアンテナビームのビーム幅を収縮するために提供される。
【０００４】
多くの第５世代（５Ｇ）セルラー通信システムに対して、完全二次元ビームステアリングが考えられている。これらの５Ｇセルラー通信システムは時間分割多重化システムであり、異なるユーザまたはユーザのセットは、異なる時間スロットの間にサービスを受けることができる。例えば、各１０ミリ秒の期間（または、何らかの他の短い時間期間）は、数十または数百の個々の時間スロットに更に分割される「フレーム」を表すことができる。各ユーザには時間スロットの１つ以上を割り当てることができ、基地局は、各フレームの個々の時間スロットの間、異なるユーザと通信するように構成できる。完全二次元ビームステアリングにより、基地局アンテナは時間スロット毎に、小さな、高度に焦点が合わされたアンテナビームを生成できる。これらの高度に焦点が合わされたアンテナビームはしばしば「ペンシルビーム」と称され、基地局アンテナは、ペンシルビームが各それぞれの時間スロットの間、異なるユーザを指し示すように、ペンシルビームを適応または「ステアリング」する。ペンシルビームは、非常に高いゲインと、近傍セルとの削減された干渉を有することができるので、相当に向上された性能を提供できる。
【０００５】
方位角および仰角平面の両者において狭められたペンシルビームを生成するためには、完全位相分散制御の放射要素の多数の行および列を含む二次元アレイを有する基地局アンテナを提供することが典型的には必要である。基地局アンテナは、完全位相分散制御を提供するために平面アレイにおいて、各放射要素に対して（または、幾つかの場合においては、放射要素の個々のサブグループに対して）別個のトランシーバ（無線）を有するアクティブアンテナであってよい（つまり、トランシーバは、任意の所与の時間スロットの間、指向性ペンシルビーム放射パターンを生成するために操作された異なるトランシーバにより出力されるＲＦ信号のサブコンポーネントの振幅および／または位相を有する、同じＲＦ信号を送信するように、調整された方法で振る舞うことができる）。この技術は非常に高いスループットを提供できるが、平面アレイアンテナと、多数の個々のトランシーバの提供は、相当なレベルのコストを追加し、基地局に複雑さを追加する。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の実施形態に従って、少なくとも放射要素の第１列を含むフェーズドアレイアンテナを動作させる方法が提供される。これらの方法に従って、第１ＲＦ信号を第１ユーザに、放射要素の第１列におけるすべての放射要素を通して送信できる。第２ＲＦ信号を第２ユーザに、放射要素の第１列における放射要素の第１サブセットを通して送信でき、ここで第１サブセットは、放射要素の第１列におけるすべての放射要素よりも少ない放射要素を含んでいる。第１ユーザは、フェーズドアレイアンテナから第１距離にいることができ、第２ユーザは、フェーズドアレイアンテナから、第１距離よりも短い第２距離にいることができる。
【０００７】
幾つかの実施形態においては、放射要素の第１列における放射要素の第２サブセットを、第１および第２ＲＦ信号の供給源から選択的に絶縁するように構成できるスイッチを、放射要素の第１列に沿って提供できる。このスイッチは、例えば、ＰＩＮダイオードを備えることができる。第１および第２ＲＦ信号の供給源は、放射要素の第１列における放射要素の第１サブセットに、伝送線を介して結合され、放射要素の第１列における放射要素の第２サブセットに、スイッチを通して選択的に結合されるトランシーバであってよい。このスイッチは、放射要素の第１サブセットにおける、トランシーバから最も遠い放射要素が伝送線に接続する接合点から約［０．２５＋（ｎ＊０．５）］λの電気的距離に位置することができ、ここにおいて、ｎは０以上の値を有する整数であり、λはフェーズドアレイアンテナの動作の周波数帯の中心周波数に対応する波長である。
【０００８】
スイッチを含む実施形態においては、第１ＲＦ信号を第１ユーザに、放射要素の第１列におけるすべての放射要素を通して送信した後、および第２ＲＦ信号を第２ユーザに、放射要素の第１列における放射要素の第１サブセットを通して送信する前に、制御信号を、スイッチの状態を変更するためにスイッチに送信できる。制御信号は、幾つかの実施形態においては、直流制御信号であってよい。
【０００９】
幾つかの実施形態においては、フェーズドアレイアンテナの放射パターンは、スイッチが第１状態のときは第１仰角ビーム幅を有することができ、スイッチが第２状態のときは、第２の、異なる仰角ビーム幅を有することができる。スイッチは第１スイッチであってよく、フェーズドアレイアンテナは、放射要素の第１列に沿って提供される第２スイッチを含むことができる。そのような実施形態においては、フェーズドアレイアンテナの放射パターンは、第１スイッチが第１状態で、第２スイッチが第１状態のときは第３仰角ビーム幅を有することができ、第３仰角ビーム幅は、第１および第２仰角ビーム幅の両者とは異なっている。幾つかの実施形態においては、第１スイッチは、放射要素の第１列における隣接する放射要素の第１対の間に、放射要素の第１列に沿って提供でき、第２スイッチは、隣接する放射要素の第１対の一部ではない少なくとも１つの放射要素を含む、放射要素の第１列における隣接する放射要素の第２対の間に、放射要素の第１列に沿って提供できる。他の実施形態においては、第１および第２スイッチの両者は、放射要素の第１列における隣接する放射要素の第１対の間に、放射要素の第１列に沿って提供できる。
【００１０】
幾つかの実施形態においては、フェーズドアレイアンテナは、放射要素の第２列を更に含むことができる。そのような実施形態においては、第３ＲＦ信号を第１ユーザに、放射要素の第２列におけるすべての放射要素を通して送信でき、第４ＲＦ信号を第２ユーザに、放射要素の第２列における放射要素の第１サブセットを通して送信でき、第１サブセットは、放射要素の第２列におけるすべての放射要素よりも少ない放射要素を含んでいる。第１および第３ＲＦ信号は同時に送信でき、第２および第４ＲＦ信号は同時に送信できる。そのような実施形態においては、放射要素の第２列における放射要素の第２サブセットを、第３および第４ＲＦ信号の供給源から選択的に絶縁するように構成できる第２スイッチが、放射要素の第２列に沿って提供される。
【００１１】
本発明の更なる実施形態に従って、第１トランシーバ、複数の第１放射要素、第１放射要素と第１トランシーバとの間に電気的に介在されている第１フィードネットワーク、および第１フィードネットワークに沿って結合されている第１スイットを含んでいるフェーズドアレイアンテナが提供される。第１スイッチの状態は、第１トランシーバに電気的に接続されている第１放射要素の数を調整するために選択可能である。
【００１２】
幾つかの実施形態においては、第１放射要素は第１直線状アレイに配置でき、第１直線状アレイの放射パターンは、第１スイッチが第１状態のときは第１仰角ビーム幅を有することができ、第１スイッチが第２状態のときは、第２の異なる仰角ビーム幅を有することができる。
【００１３】
幾つかの実施形態においては、第１スイッチは、第１フィードネットワークの伝送線セグメントと基準電圧との間に結合されるＰＩＮダイオードであってよい。ＰＩＮダイオードは、第１放射要素の１つが伝送線セグメントに接続する接合点から約［０．２５＋（ｎ＊０．５）］λの電気的距離に位置することができ、ここにおいて、ｎは０以上の値を有する整数であり、λはフェーズドアレイアンテナの動作の周波数帯の中心周波数に対応する波長である。
【００１４】
幾つかの実施形態においては、アンテナは、制御信号を第１スイッチに提供するように構成されている切り替え制御ネットワークを更に含むことができる。制御信号は、直流制御信号であってよい。
【００１５】
幾つかの実施形態においては、アンテナは、第１フィードネットワークに沿って結合されている第２スイッチを更に含むことができる。放射要素の第１列の放射パターンは、第１スイッチが第１状態であり、第２スイッチが第１状態のときは第３仰角ビーム幅を有することができ、第３仰角ビーム幅は、第１および第２仰角ビーム幅の両者とは異なっている。第１スイッチは、隣接する放射要素の第１対の間に、第１直線状アレイに沿って提供でき、第２スイッチは、隣接する放射要素の第１対の一部ではない少なくとも１つの放射要素を含んでいる、隣接する放射要素の第２対の間に、第１直線状アレイに沿って提供できる。他の実施形態においては、第１および第２スイッチの両者を、隣接する放射要素の第１対の間に、第１直線状アレイに沿って提供できる。
【００１６】
幾つかの実施形態においては、フェーズドアレイアンテナは、複数の追加的トランシーバ、複数の放射要素の追加的直線状アレイ、追加的直線状アレイと追加的トランシーバのそれぞれ１つとの間に電気的に介在されている複数の追加的フィードネットワーク、およびそれぞれの追加的フィードネットワークに沿って結合されている複数の追加的スイッチを更に含むことができる。そのような実施形態においては、各追加的スイッチの状態は、追加的トランシーバのそれぞれ１つに電気的に接続されているそれぞれの追加的直線状アレイにおける放射要素の数を調整するために選択可能であってよい。
【００１７】
本発明のより更なる実施形態に従って、複数の行と複数の列を有する二次元アレイにおいて配置される複数の放射要素を有するフェーズドアレイアンテナを動作させる方法が提供され、その方法においては、フェーズドアレイアンテナにより生成されるアンテナビームの方位角を指し示す方向は、複数のトランシーバのそれぞれ１つにより、それぞれの列における放射要素に提供されるＲＦ信号を位相重み付けすることにより、時間スロット毎に選択される。アンテナビームの仰角ビーム幅もまた、それぞれのトランシーバに電気的に接続されている、各列における放射要素の数を選択するためのスイッチを使用して、時間スロット毎に選択される。アンテナビームの仰角を指し示す方向もまた、時間スロット毎に選択できる。
【００１８】
本発明の更に追加的な実施形態に従って、第１トランシーバ、第１トランシーバに電気的に接続されている第１複数の放射要素、および第１トランシーバに選択的に接続されるように構成されている第２複数の放射要素を含んでいるフェーズドアレイアンテナが提供される。フェーズドアレイアンテナは、第２複数の放射要素が第１トランシーバに接続されているときは第１仰角ビーム幅を有し、第２複数の放射要素が第１トランシーバから切断されているときは、第１仰角ビーム幅よりも大きい第２仰角ビーム幅を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】仰角平面においてビームステアリングが要求され得る理由を例示する模式図である。
【図２】広い仰角ビーム幅を有するアンテナを使用することにより、仰角ビームステアリングに対する必要性をどのように解消できるかを例示している模式図である。
【図３】本発明の実施形態に係る、切り替えられた仰角ビーム幅を使用することを、仰角ビームステアリングの代わりにどのように使用できるかを例示している模式図である。
【図４】アンテナの仰角ボアサイト角からのユーザの位置の関数としての、要求されるアンテナゲインを例示しているグラフであり、要求されるアンテナゲインは、基地局から２００メートルの距離において信頼できる通信を提供するために要求される実効等方放射電力に正規化されている。
【図５】本発明の実施形態に係る、仰角ビーム幅の関数としてのアンテナのゲインを、アンテナの３つの異なる構成に対して図４のグラフ上に重ねたグラフである。
【図６】本発明の実施形態に係る、切り替え可能仰角ビーム幅を有するフェーズドアレイアンテナの模式ブロック図である。
【図７】ＰＩＮダイオードを使用するスイッチの１つの実現形態を例示している図６のアンテナの放射要素の列の１つの模式図である。
【図８】本発明の更なる実施形態に係るフェーズドアレイアンテナの放射要素の列の模式図である。
【図９】本発明のより更なる実施形態に係るフェーズドアレイアンテナの放射要素の列の模式図である。
【図１０】図９のフェーズドアレイアンテナの修正された実施形態の模式図である。
【図１１】図６、８、および９それぞれのフェーズドアレイアンテナの修正されたバージョンの放射要素の代表的な列の模式図である。
【図１２】図６、８、および９それぞれのフェーズドアレイアンテナの修正されたバージョンの放射要素の代表的な列の模式図である。
【図１３】図６、８、および９それぞれのフェーズドアレイアンテナの修正されたバージョンの放射要素の代表的な列の模式図である。
【図１４】隣接する放射要素の対の間に、延長された長さの伝送線セグメントを有する、本発明の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナの列の部分の模式図である。
【図１５】切り替え制御ネットワークの例としての実現形態を示している、本発明の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナの列の模式図である。
【図１６】３つの選択可能な仰角ビーム幅を有する、本発明の更なる実施形態に係るフェーズドアレイアンテナの放射要素の列の模式図である。
【図１７】本発明のある実施形態に係るフェーズドアレイアンテナを動作させる方法のフローチャートである。
【図１８】本発明のより更なる実施形態に係るフェーズドアレイアンテナの放射要素の列の模式図である。
【図１９】ＲＦ漏洩電流を削減するために、ＰＩＮダイオードの対をどのように使用できるかを例示している模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態は、完全二次元ビームステアリング適応アンテナよりも相当に複雑さが削減された適応ビームステアリング能力を提供するために、仰角ビーム幅調整を使用するフェーズドアレイアンテナに向けられている。特に、本発明の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナは、任意の所与の時間スロットの間、「アクティブ」（つまり、ＲＦ信号を送信および／または受信するために使用されている）であるフェーズドアレイアンテナの各列における放射要素の数を調整するために使用される１つ以上のスイッチを含むことができる。すべての放射要素がアクティブのときは、フェーズドアレイアンテナは、狭い仰角ビーム幅を有するアンテナビームを生成できる。各列における放射要素の幾つかをアレイから切り替えることにより、仰角ビーム幅を増大できる。本発明の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナは、例えば、５Ｇセルラー通信システムのための基地局アンテナとして使用できる。
【００２１】
ここにおいてより詳細に検討されるように、放射要素をフェーズドアレイアンテナの中に、およびそこから切り替えることにより仰角ビーム幅を調整することは、幾つかの状況においては、遥かに少ない複雑さを有しながら、二次元完全ビームステアリング適応アンテナにより提供される性能とほぼ同じくらい良好であり得る性能を提供できる。例えば、８行８列の放射要素を有する二次元完全ビームステアリング適応アンテナは、典型的には６４のトランシーバを有し、つまり、アレイにおける各放射要素に対して１つのトランシーバを有している。対照的に、８行８列の放射要素を含む、本発明の実施形態に係る切り替えられた仰角ビーム幅フェーズドアレイアンテナは、８つのトランシーバ（１列当たり１つ）のみで実現でき、要求されるトランシーバの数を８７．５％削減できる。
【００２２】
狭いペンシルビームを使用する適応アンテナビームステアリングは多数の利点を有することができ、この利点には、（１）増大されたアンテナゲインを提供すること、（２）近傍セクタまたはセルにおいてアンテナが生成する干渉の量を削減すること、および（３）アンテナのカバレッジエリア内の距離および高度の広い範囲におけるユーザにサービスを提供する能力を提供することが含まれる。これらの能力は、所望の方向を指し示す、焦点の合った、高いゲインの放射パターンが形成されるように、それぞれの放射要素を通して送信されるＲＦ信号のサブコンポーネントの振幅および／または位相を調整することにより、ペンシルビームを、典型的に「ステアリングする」ことができるために、提供される。仰角平面においてビームステアリング能力を有していない従来のアンテナを使用して、距離および高度の広い範囲全体を通して、十分なゲインを提供するアンテナパターンを提供することはより困難であり得る。図１は、なぜそのような困難が生じるのかを例示している模式図である。
【００２３】
図１に示されているように、基地局アンテナ２０は、塔または他の構造１０に搭載できる。２つの例としてのオフィスビル３０、４０が図１に示されており、これらのオフィスビルは、基地局アンテナ２０によりサービスが提供されるセルのセクタ内にある。第１オフィスビル３０は、基地局アンテナ２０から４０メートルに位置し、一方、第２オフィスビル４０は、基地局アンテナ２０から２００メートルに位置している。図１に例示されているように、１０°〜１２°の仰角ビーム幅は、仰角ビームステアリング制御を必要とせずに、２００メートル以上の範囲において、高さの広い範囲のユーザにカバレッジを提供する（または、ユーザを「照光する」）。しかし、例えば５０メートル未満のより近い範囲においては、同じ仰角ビーム幅は、高度の同じ範囲のユーザを照光するためには、仰角ビームステアリングを必要とする。特に、２００メートル以上の範囲におけるビル４０全体にカバレッジを提供する１２°の仰角ビーム幅のアンテナビームは、ビル３０の中間部に対するカバレッジを提供するのみである。
【００２４】
追加コストおよび仰角ビームステアリングの複雑さを回避するために、基地局アンテナ２０を、図２に示されているような広い仰角ビーム幅を有するように設計できる。約５３°の仰角ビーム幅は、仰角ビームステアリング能力を利用することなく、高度の予期される範囲におけるすぐ近くの加入者に、適切な仰角方向のカバレッジを潜在的に提供できる。近い範囲において要求される加入者の高度の広い範囲上のカバレッジを提供するために、仰角ビーム幅を拡大することの不利な点は、仰角ビーム幅が増大されるにつれ、アンテナゲインが相当に削減されるということである。その結果、これは遠い距離におけるユーザに向けての実効等方放射電力（ＥＩＲＰ）を削減し、それにより、ワイヤレスリンクに対する範囲能力を削減し、または遠く離れたユーザに対する性能を低下させる。
【００２５】
本発明の実施形態に従って、基地局からの加入者の範囲によって、２つ以上の状態の間で切り替えることができる仰角ビーム幅を有する基地局アンテナが提供される。遠く離れたユーザに対しては、高いゲインを提供するために、および／または、近傍セルへの干渉を削減するために、アンテナビームは狭い仰角ビーム幅を有するように設定される。例えば、図３を参照すると、アンテナ５０が１２°の仰角ビーム幅を有するアンテナビームＢを生成した場合、それは、２００メートル以上の距離におけるユーザを照光する良好なジョブを行うことができる。すぐ近くのユーザと通信するためには、アンテナ５０の仰角ビーム幅は、例えば、４０°〜５０°の広い仰角ビーム幅を有するように切り替えることができ、これにより、アンテナ５０が、仰角ビームステアリングの使用なしに、高度の広い範囲におけるすぐ近くのユーザを照光することを可能にする。アンテナ５０が、広い仰角ビーム幅を有するように構成されているときは、アンテナ５０のピークゲインは、狭いビーム幅状況において提供されるものに比べて削減される。しかし、広い仰角ビーム幅状態は、アンテナ５０に近接して位置しているユーザにサービスを提供するためのみに使用され得るので、より低いＥＩＲＰにも拘わらず、これらのユーザに信頼性のある通信を提供できる。本発明の実施形態によれば、アンテナ５０は、アンテナ５０からの高度および距離の広い範囲上に広がるユーザに対して、要求されるＥＩＲＰに対する要求される仰角ビーム幅のバランスを取るために、必要に応じて、２つ、３つ、または任意の数の仰角ビーム幅状態を提供するように構成できる。上記の切り替えられた仰角ビーム幅技術を使用して、仰角ビームステアリングの使用、およびそのような仰角ビームステアリングを実現するために要求される追加的複雑さなしに、距離および加入者の高度の広い範囲上の信頼できるカバレッジを提供することができる。
【００２６】
フェーズドアレイアンテナを動作させる方法が提供される。１つの例としての方法においては、フェーズドアレイアンテナは、放射要素の二次元アレイを形成するために、行および列において配置されている複数の放射要素を有している。フェーズドアレイアンテナにより生成されるアンテナビームの方位角を指し示す方向は、複数のトランシーバのそれぞれ１つにより、それぞれの列における放射要素に提供されるＲＦ信号を位相重み付けすることにより、時間スロット毎に選択できる。同様に、フェーズドアレイアンテナにより生成されるアンテナビームの仰角を指し示す方向は、複数のトランシーバのそれぞれ１つにより、それぞれの列における放射要素に提供されるＲＦ信号を位相重み付けすることにより、時間スロット毎に選択できる。同時に、アンテナビームの仰角ビーム幅もまた、それぞれのトランシーバに電気的に接続されている各列における放射要素の数を選択するためのスイッチを使用して、時間スロット毎に選択できる。
【００２７】
ここで、本発明の実施形態を図４〜１５を参照して更に詳細に記述する。
【００２８】
基地局アンテナ５０から、例えば、２００メートル以上に位置しているユーザと通信するためには、ＥＩＲＰを、ユーザの装置（例えば、携帯電話）の受信機において、容認できる信号対雑音比を提供するために十分なレベルに設定しなければならない。要求されるＥＩＲＰは通常、高指向性ペンシルビームの使用を通して高いアンテナゲインを提供することにより達成され、そして、基地局により送信されるＲＦ信号の送信電力は、適切なＥＩＲＰをユーザに適切に提供するために変倍される（高電力信号が、性能の向上をほとんど提供せず、他のワイヤレス通信リンク上の干渉と見られる可能性があるときは、高すぎるＥＩＲＰ値は望ましくないので、送信電力は変倍される）。
【００２９】
基地局アンテナ５０に近接して（例えば、１５から３０メートル以内）位置するユーザと通信するためには、ＥＩＲＰ条件は、２００メートル以上において要求されるＥＩＲＰよりは相当に低く、これは、送信された信号の自由空間損失は、距離の増大と共に指数関数的に増大し、従って、基地局アンテナ５０に近接するユーザに対しては、ＥＩＲＰ条件は非常に低くなるからである。ＥＩＲＰ条件がより低いので、仰角ビーム幅を広くすることができ、それでも、アンテナゲインにおける結果としての減少は依然として許容できる（つまり、最小限要求されるＥＩＲＰレベルを依然として達成できる）。
【００３０】
ユーザへのサービスの容認できるレベルを提供するために最小限要求されるＥＩＲＰは、自由空間損失が距離の関数なので、基地局アンテナからのユーザの距離または「範囲」の関数である。図１〜２を参照して上記に示したように、ユーザをアンテナビームで照光するために必要な仰角ビーム幅もまた範囲の関数であり、範囲が減少するにつれ、より大きな仰角ビーム幅が必要となる。図４は、アンテナの仰角ボアサイト角から離れているユーザの位置の関数としての要求されるアンテナゲインを例示しており、要求されるアンテナゲインは、２００メートルの距離において信頼できる通信を提供するために要求されるＥＩＲＰに正規化されている。
【００３１】
図４を参照すると、２つの異なるシナリオが例示されている。グラフの右側のカーブ５２により示されている第１のシナリオにおいては、フェーズドアレイアンテナは、基準高度（例えば、海面）の上方３メートルの高さで、ユーザは、基準高度の上方９メートルであったと仮定された。カーブ５２は、基地局アンテナから１５メートルから２００メートルの範囲におけるユーザをカバーする。図４におけるカーブ５２の１端により示されているように、ユーザが、基地局アンテナから２００メートルの距離のときは、ユーザは、アンテナビームのボアサイト仰角角度から約２．５°の仰角角度にいる。カーブ５２の他端において見ることができるように、ユーザが基地局アンテナから１５メートルの距離のときは、ユーザは、アンテナビームのボアサイト仰角角度から約２２°の仰角角度にいる。カーブ５２はまた、ボアサイト仰角角度からこれら２つの距離／仰角角度において同様な性能を達成するために要求されるアンテナゲインは、２００メートルにおける約２２ｄＢｉから１５メートルにおける−８ｄＢｉに低下すること、または、約３０ｄＢの差を示している。図４の左側のカーブ５４は、基地局アンテナは、基準高度の上方１０メートルの高さで、ユーザは、基準高度の上方１メートルの高さであったと仮定した場合に対して、同じデータをプロットしている。
【００３２】
下記に示されるように、図４の解析は、仰角ビームステアリングを提供する必要はないこともあり得るが、基地局アンテナから相対的に遠いユーザに対する高指向性条件と、基地局アンテナに近いユーザに対する広いビーム幅条件を満たすためには、仰角平面における何らかのレベルのビーム幅制御を提供する必要が依然としてあり得るという結論につながる。
【００３３】
本発明の実施形態に従って、放射要素の少なくとも１列（つまり、垂直に配置された直線状のアレイ）を含むフェーズドアレイアンテナが提供される。それぞれが、放射要素の列のそれぞれ１つに結合されている１つ以上のトランシーバが提供される（ビームステアリングアンテナでは典型的に行われているように、各放射要素に対して１つのトランシーバを提供する代わりに）。仰角ビーム幅（および、そのため指向性）は、列に対してトランシーバに接続される各列における放射要素の数を制御するために、フェーズドアレイアンテナに埋め込むことができる１つ以上のスイッチを使用して制御され、それにより、フェーズドアレイアンテナの長さを効果的に制御する。仰角ビーム幅は、放射要素の列の長さ（つまり、各直線状アレイにおける最上部と最下部の放射要素との間の距離）の関数なので、本発明の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナは、異なる仰角ビーム幅を有するアンテナビームを生成できる。
【００３４】
１つの例としての実施形態においては、フェーズドアレイアンテナは、放射要素の８つの垂直に配置された列と８つの水平に配置された行を有する二次元アレイに配置されている６４の放射要素を含むことができる。放射要素は、放射された信号の波長に対して、適切な間隔で間を空けて配置できる（典型的には、隣接する放射要素は垂直方向には約０．５から０．６５波長の間隔を空けて配置され、水平方向には少なくとも０．５波長の間隔を空けて配置されるが、他の間隔も可能である）。各列における８つの放射要素は、フィードネットワークにより８つのトランシーバのそれぞれ１つに接続できる（つまり、放射要素の各列は、単一のトランシーバにより供給できる）。各列における８つの放射要素の幾つかを、直線状アレイから切り替えることにより（つまり、各列における放射要素のサブセットを、それらの関連付けられているトランシーバから効果的に切断することにより）、アンテナの仰角ビーム幅を調整できる。例えば、放射要素のすべての８つの行がアレイに切り替えられると、アンテナは、約１０度の相対的に狭いビーム幅を提供できる。放射要素の３つの行（つまり、最上部から３つの行、または最下部から３つの行）をアレイから切り替えることで、ビーム幅は約２０度に広げられる。放射要素の５つの行をアレイから切り替えることで（放射要素の３つの行のみがアクティブとなるように）、ビーム幅は更に約３０度に広げられる。
【００３５】
図５は、図４のグラフを再現したものであり、アンテナの３つの異なる切り替え状態、つまり、アレイにおける放射要素の８つすべての行がアクティブである第１状態（カーブ６０）と、アレイにおける放射要素の８つの行のうち５つがアクティブである第２状態（カーブ７０）、およびアレイにおける放射要素の８つの行のうち３つのみがアクティブである第３状態（カーブ８０）に対する上記の６４の放射要素のフェーズドアレイアンテナに対するボアサイトからの仰角角度の関数としてのアンテナゲインを更に示している。図５から知ることができるように、アンテナは第１状態（６４すべての放射要素がアクティブ）において、１０°（−５°から５°）以下の仰角ビーム幅に対して最も高いゲインを提供する。−３０°から−７°および７°から３０°の仰角ビーム幅に対しては、アンテナは第３状態（２４のアクティブ放射要素のみ）において最も高いゲインを提供する。−７°から−５°および５°から７°の仰角ビーム幅に対しては、アンテナは第２状態（４０のアクティブ放射要素）において最も高いゲインを提供する。しかし、第１または第３状態の何れかを使用することにより、基地局アンテナから近いおよび遠い、の両方の種々の高度におけるユーザに対するアンテナゲイン条件を満たすことができ、第２状態を使用して提供されるゲインにおける増加は非常に小さい（０〜２ｄＢｉ）ということもまた図５から知ることができる。そのため、２つの状態間で切り替え可能な仰角ビーム幅を有するフェーズドアレイアンテナは、アンテナからの広い多様な距離および高度に位置するユーザに高いゲインを提供できる。
【００３６】
図６は、本発明の実施形態に係る、切り替え可能な仰角ビーム幅を有するフェーズドアレイアンテナ１００の模式ブロック図である。図６に示されているように、アンテナ１００は、８つの放射要素１１０−１から１１０−８が、各列１１２と各行１１４に含まれるように、８つの列１１２−１から１１２−８と８つの行１１４−１から１１４−８を有する二次元アレイに配置されている６４の放射要素１１０を含んでいる。この例は、８つの列と、１列当たり８つの放射要素で示されているが、ここにおいて開示される技術は、任意の数の行および／または列、および１より大きい任意の数の放射要素を有するフェーズドアレイアンテナに適用可能である。アンテナ１００は、８つのトランシーバ１２０−１から１２０−８を有するアクティブアンテナであり、トランシーバ１２０は、各それぞれの列１１２に対して提供されている。８つのフィードネットワーク１３０もまた提供される。各フィードネットワーク１３０は、トランシーバ１２０のそれぞれ１つを、トランシーバ１２０により供給される列１１２における放射要素１１０に接続する。アンテナ１００は８つのスイッチ１４０を更に含んでおり、１つのスイッチ１４０は、各列１１２に対して提供されている。各スイッチ１４０は、そのそれぞれの列１１２に沿う同じ位置、つまり、各列１１２の同じ２つの放射要素１１０の間に置くことができる。示されている実施形態においては、各スイッチ１４０は、各列１１２において放射要素１１０−３と１１０−４の間に位置している。最後に、フェーズドアレイアンテナ１００は、各スイッチ１４０の位置を設定するために使用できる切り替え制御ネットワーク１５０を含むことができる。図６において示されている例は、フェーズドアレイアンテナに対して長方形格子構造を使用して示されているが、本発明の実施形態はまた、三角形格子、不規則な間隔の格子、または他の格子構造を有するフェーズドアレイアンテナも含んでいる。図６において示されている例は、各列が同じ数のアレイ要素を有する長方形アレイを使用して示されているが、本発明の実施形態はまた、各列における要素の数が等しくない、円形、三角形、または他の多角形のような他のアレイ形状を有するフェーズドアレイアンテナも含んでいる。
【００３７】
フェーズドアレイアンテナ１００は、例えば、基地局アンテナを備えることができる。放射要素１１０は、例えば、ダイポールまたはパッチ放射要素のような任意の適切な放射要素を備えることができる。ここにおける例としての実施形態の記述は、パッチおよびダイポール放射要素に主に焦点を置いているが、他の実施形態において、放射要素は、モノポール、誘電体、ボウタイ、ノッチ、テーパードノッチ、Ｖｉｖａｌｄｉ（ヴィヴァルディ）、導波管、または任意の他のタイプの放射要素を含む、任意の適切な放射要素であってよいということは認識されるであろう。放射要素１１０は、第１偏波を有する信号の送受信ができ、または、２つの直交偏波において信号を送受信する交差偏波放射要素を備えることができる。最も典型的には、放射要素１１０は交差偏波放射要素であってよい。しかし、記述の容易性のため、この後続く検討は、交差偏波放射要素１１０を含むアンテナの半分の記述と見なすこともできる、単一の偏波実現形態を記述する。そのため、後に続く検討は、共に本発明の範囲に含まれる、単一偏波放射要素または交差偏波放射要素の何れかを有するアンテナ１００を完全にサポートするということは認識されるであろう。
【００３８】
放射要素１１０は、例えば、薄板金属から形成される反射接地平面のような平面バックプレーン（図示されてない）上に搭載できる。しかし放射要素１１０は、幾つかの実施形態においては、三次元的に配置できるということは認識されるであろう。例えば、アンテナが円筒状ＲＦレンズまたは１つ以上の球状ＲＦレンズを含んでいる場合、放射要素１１０は、ＲＦレンズの周囲に沿って湾曲する行と列に配置できる。
【００３９】
トランシーバ１２０は、ＲＦ信号を生成する任意の適切なトランシーバを備えることができる。
【００４０】
示されている実施形態においては、各フィードネットワーク１３０は直線状フィードネットワークを備えている。各直線状フィードネットワーク１３０は、幾つかの実施形態においては同一であってよい。この直線状フィードネットワーク１３０はそれぞれ、例えば、マイクロストリップまたはストリップライン伝送線のようなＲＦ伝送線１３２を備えることができる。それぞれの列１１２における８つの放射要素１１０は、伝送線１３２に沿って接続できる。伝送線１３２に供給するトランシーバ１２０から、伝送線１３２の１つに入力されたＲＦ信号は伝送線１３２に流れることができ、ＲＦ信号のそれぞれの部分または「サブコンポーネント」は、伝送線１３２に接続されている８つの放射要素１１０のそれぞれに供給される。各放射要素１１０は、サブコンポーネントのそれぞれ１つを自由空間に放射できる。伝送線１３２のインピダンスは、各放射要素１１０に供給されるＲＦ信号のサブコンポーネントのそれぞれの大きさを制御するために、伝送線１３２の長さに沿って変化できる。例えば、幾つかの実施形態においては、伝送線１３２に沿うインピダンスは、各放射要素１１０が同じ量の信号エネルギを受信するように変化させることができる。他の実施形態においては、各列１１２の中心における放射要素１１０は、列１１２の他の何れかの端部上の放射要素１１０よりもより多くのＲＦエネルギを受信できる。他の配置も可能である。
【００４１】
放射要素１１０は、列方向に沿って例えば、０．５から０．６５波長で、互いから物理的に間を置いて離すことができ、この波長は、放射要素１１０の動作周波数帯の中心周波数に対応している。しかし、隣接する放射要素１１０が伝送線１３２に接続する位置は、約１波長であってよい。言い換えれば、幾つかの実施形態においては、隣接する放射要素１１０間の各伝送線１３２のセグメントの電気的長さは１波長であってよく、隣接する放射要素間の物理的間隔よりも長くてよい。この間隔は、すべての放射要素１１０が同相で励起されることを可能にし、アンテナ１００から直交する方向に延伸するアンテナビームという結果になる。他の実施形態においては、隣接する放射要素１１０間を延伸する伝送線１３２の各セグメントの電気的長さは、アンテナビームの仰角パターンに固定の傾きを提供するために、１波長よりも長いか短いかの何れかであってよい。
【００４２】
幾つかの実施形態においては、各スイッチ１４０は例えば、伝送線１３２に接続されている一端と、接地（または他の基準電圧）に接続されている他端を有するＰＩＮダイオード１４２（図７参照）を使用して実現できる。図７は、フェーズドアレイアンテナ１００の列１１２の１つを例示している模式図である。図７はまた、ＰＩＮダイオード１４２と伝送線１３２との間の接続を例示している拡大図も含んでいる（右側）。図７に示されているように、ＰＩＮダイオード１４２のアノード端子は伝送線１３２に接続され、ＰＩＮダイオード１４２のカソード端子は接地（または他の基準電圧）に接続されている。図７において図示されているように、アノードは伝送線１３２に、ＰＩＮダイオード１４２より前の最後の放射要素１１０がＲＦ伝送線１３２に接続する、伝送線１３２に沿う点からＤ＝［０．２５＋（ｎ＊０．５）］λの距離において接続できる。上記の等式においてλは、放射要素１１０が動作するように設計されている周波数帯の中心周波数に対応する波長であり、ｎは、ゼロ以上の値を有する整数である。
【００４３】
各ＰＩＮダイオード１４２への接続の位置を、トランシーバ１２０とＰＩＮダイオード１４２との間のＰＩＮダイオード１４２に最も近い放射要素１１０の位置から伝送線１３２に沿って約０．２５λ、０．７５λまたは［０．２５＋（ｎ＊０．５）］λの任意の間隔に決めることにより、ＰＩＮダイオード１４２は、（順方向にバイアスをかけられて）導通しているときは、接地への分路として動作する。そのため、ＰＩＮダイオード１４２が順方向にバイアスをかけられて（つまり、導通している）ときは、トランシーバ１２０とＰＩＮダイオード１４２との間のＰＩＮダイオード１４２に最も近い、最近接放射要素１１０に対応するフィードライン接合点において開回路が実現され、そのため、トランシーバ１２０とＰＩＮダイオード１４２との間の放射要素１１０のみが、トランシーバ１２０により伝送線１３２上に出力されるＲＦ信号を受信して放射する。ＰＩＮダイオード１４２にバイアスがかけられていないとき、または逆方向にバイアスをかけられている（つまり、非導通である）ときは、ＰＩＮダイオード１４２は、伝送線１３２に沿って非常に高い透過性を有するようになり、そしてＲＦエネルギは、後に続く放射要素１１０に渡される。言い換えると、ＰＩＮダイオード１４２にバイアスがかけられない、または逆方向にバイアスをかけられる場合、ＲＦ信号は、列１１２における８つすべての放射要素１１０に供給され、一方、ＰＩＮダイオードが順方向にバイアスをかけられる場合、ＲＦエネルギは、トランシーバ１２０とＰＩＮダイオード１４２との間の放射要素１１０に供給されるだけである。ＰＩＮダイオード１４２は、正のＤＣ電圧が、そのカソードに対してそのアノードに印加されると順方向にバイアスをかけられ、負のＤＣ電圧が、そのカソードに対してそのアノードに印加されると負の方向にバイアスをかけられる。実際は、ＰＩＮダイオード１４２は有限の絶縁量を提供するだけであり、そのため、ある残留ＲＦ電流は、ＰＩＮダイオード１４２を通って漏洩し、フェーズドアレイアンテナから切り替えられた放射要素１１０により放射され得る。これは潜在的には、アンテナパターンにおける望ましくない変化という結果になり得る。図１９に示されているように、幾つかの実施形態においては、伝送線１３２の何れの側から延伸（そして両者とも距離Ｄにおいて伝送線に接続）しているＰＩＮダイオード１４２−１、１４２−２の対を、アンテナがその広いビーム幅状態のときは、ＲＦ漏洩電流を削減するために、単一のＰＩＮダイオード１４２の代わりに使用できる。
【００４４】
ここにおいて示される発明の種々の実施形態は、ＰＩＮダイオード１４２を使用してスイッチ１４０を実現するが、他のタイプのスイッチ１４０を使用できるということは認識されるであろう。例えば、この技術においては、スイッチ１４０としての使用に適している広く多様な半導体スイッチが知られており、その中には例えば、窒化ガリウム系、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）、または炭化シリコン系トランジスタスイッチのような、パワーＭＯＳＦＥＴまたはパワーバイポーラジャンクショントランジスタが含まれる。追加的に、他の適切な半導体切り替え装置を使用でき、その中には例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、サイリスタ、他のタイプのダイオードなどが含まれる。追加的に、ＭＥＭＳ装置のような非半導体系切り替え装置も使用できる。そのため、任意の適切なスイッチ１４０を使用できるということは認識されるであろう。切り替え装置は、ここにおいて例示されている例に従う分路要素として、または伝送線内の、または、放射要素内に埋め込まれた、または、放射要素へのフィードライン上の連続する切り替え要素としてアレイ回路に設置できる。
【００４５】
再び図６を参照すると、切り替え制御ネットワーク１５０は、伝送線１３２のそれぞれに直流（ＤＣ）バイアス電流を提供する電流供給源１５２として実現できる。図６の実施形態においては、同じＤＣバイアス電流を、８つすべての伝送線１３２に供給できる。それぞれのインダクタ１５４は、電流供給源１５２とそれぞれの伝送線１３２との間の各接続に沿って提供され、ＲＦエネルギが、電流供給源１５２へ渡されるのを阻止できる。ＤＣ電流供給源１５２は例えば、外部供給源から提供される制御信号に応答して制御できる。ＤＣバイアス電流が伝送線１３２に出力されないときは、ＰＩＮダイオード１４２にはバイアスはかけられない。負のＤＣバイアス電圧が伝送線１３２に印加されると、ＰＩＮダイオード１４２は逆方向にバイアスがかけられる。これらのバイアス状態においては、ＰＩＮダイオード１４２は高インピダンスを提示し、伝送線１３２に対して実質的に透過性であることができる。従って、これの状態においては、各列の８つすべての放射要素１１０には、トランシーバ１２０からＲＦ信号が供給される。
【００４６】
ＤＣ電流供給源１５２が、正のＤＣバイアス電流を伝送線１３２に出力するように制御されると、ＰＩＮダイオード１４２は順方向にバイアスがかけられるようになり、各伝送線１３２に沿う、接地への低インピダンス短絡となることができる。これが起こると、各伝送線１３２の残部に沿う（つまり、トランシーバ１２０とＰＩＮダイオード１４２との間ではない各伝送線１３２の部分に沿う）より高いインピダンスが開回路として現われ、非常に少ない量のＲＦエネルギしかそれぞれの伝送線１３２のこれらの部分には流れない。
【００４７】
フェーズドアレイアンテナ１００が、それぞれの列１１２において第３および第４放射要素１１０−３と１１０−４との間に各ＰＩＮダイオード１４２が位置して図６に示されているように構成される場合、ＰＩＮダイオード１４２が順方向にバイアスをかけられると、第３放射要素１１０−３を通って各ＲＦ伝送線１３２に沿って移動するＲＦエネルギは、接地に短絡されるので、各列１１２はＲＦエネルギを、最初の３つの放射要素１１０−１から１１０−３を通して放射するだけである。ＲＦ電流は、各列１１２において最初の３つの放射要素１１０−１から１１０−３にしか流れないので、仰角ビーム幅は相当に広げられる。
【００４８】
各列１１２に対して、８つの放射要素１１０構成を選択するために、ＰＩＮダイオード１４２にバイアスをかけないか、逆方向にバイアスをかけるかして、高いインピダンス状態にする。ＰＩＮダイオード１４２がこの高インピダンス状態であると、ＲＦ電流を８つすべての放射要素１１０に渡すことができる。従って、仰角ビーム幅は８つすべての放射要素１１０から形成されて、狭いビーム幅の、高いゲインのアンテナビームが作成される。
【００４９】
図６の例においては、単一のＰＩＮダイオード１４２が、第３および第４放射要素１１０−３、１１０−４の間の各伝送線１３２に沿って提供されているが、ＰＩＮダイオード１４２は、各列１１２における異なる数の放射要素１１０が、ＰＩＮダイオード１４２がそれぞれ順方向にバイアスをかけられている状態のときに、ＲＦエネルギを放射できるように、代替的に、各伝送線１３２に沿う他の箇所に位置させることができるということは認識されるであろう。例えば、他の実施形態においては、ＰＩＮダイオード１４２は、第１および第２放射要素１１０−１、１１０−２の間、第２および第３放射要素１１０−２、１１０−３の間、第４および第４放射要素１１０−４、１１０−５の間、第６および第７放射要素１１０−６、１１０−７の間、または第７および第８放射要素１１０−７、１１０−８の間に位置することができる。更に、下記に検討されるように、幾つかの実施形態においては、フェーズドアレイアンテナ１００が、３つ以上の異なる仰角ビーム幅状態で動作できるように、別個に制御可能な多数のスイッチ１４０を各伝送線１３２に沿って提供できる。
【００５０】
図８は、本発明の更なる実施形態に係る８行８列フェーズドアレイアンテナ２００の１つの列２１２の模式図であり、図８は、示されている列２１２に沿う伝送線２３２へのＰＩＮダイオード１４２の接続を例示している拡大図を更に含んでいる。図８には示されていないが、フェーズドアレイアンテナ２００が８つのトランシーバ１２０と切り替え制御ネットワーク１５０を更に含み、各フィードネットワークが、フェーズドアレイアンテナ１００に含まれている直線状フィードネットワーク１３０とは反対に、連続フィードネットワーク２３０として実現されることを除いて、フェーズドアレイアンテナ２００が、上記に検討したフェーズドアレイアンテナ１００とほとんど同一となるように、７つの追加的列２１２を含むということは認識されるであろう。
【００５１】
図８を参照すると、フェーズドアレイアンテナ２００は、例えば、パッチ放射要素であってよい放射要素２１０を含んでいる。当業者には知られているように、パッチ放射要素とは、接地平面上に搭載されている、平坦な四角形の金属片を備えている（典型的には）マイクロストリップ系放射要素のことである。四角形の金属片と、接地平面は一緒になってマイクロストリップ伝送線の共振区間を形成する。フィードネットワーク２３０は、パッチ放射要素２１０を通して直接供給される伝送線２３２（例えば、マイクロストリップ伝送線）を備えている。伝送線２３２の寸法は、伝送線２３２に流れ続けるＲＦエネルギの量と比較して、各パッチ放射要素２１０において放射されるＲＦエネルギの量を制御するために、パッチ放射要素２１０（すべて同じ寸法を有することができる）の寸法に対して制御できる。
【００５２】
図７のフェーズドアレイアンテナ１００と同様に、スイッチ１４０として振る舞うＰＩＮダイオード１４２は、第３および第４放射要素２１０−３、２１０−４の間の伝送線２３２に沿って位置している。ＰＩＮダイオード１４２は、トランシーバ１２０（図６参照）とＰＩＮダイオード１４２との間の、ＰＩＮダイオード１４２に最も近い放射要素２１０の位置から［０．２５＋（ｎ＊０．５）］λの間隔において伝送線１３２に接続できる。ＰＩＮダイオード１４２にバイアスがかけられていないとき、または逆方向にバイアスがかけられているときは、ＰＩＮダイオード１４２はＲＦエネルギに対して透過性となり、そのため、トランシーバ１２０により出力されるＲＦ信号は、８つすべての放射要素２１０に流れる。しかし、ＰＩＮダイオード１４２が順方向にバイアスをかけられる場合、ＰＩＮダイオード１４２は接地への分路として振る舞い、トランシーバ１２０により出力される如何なるＲＦ信号も、アンテナ２００の各列における最初の３つの放射要素２１０により放射されるだけである。他の実施形態においては、ＰＩＮダイオード１４２は、放射要素２１０の任意の他の隣接する対の間に位置できるということは認識されるであろう。ＰＩＮダイオード１４２の位置は、広げられたビーム幅を有するために動作しているときのフェーズドアレイアンテナ２００に対して所望されるビーム幅に基づいて選択できる。
【００５３】
上記の差以外は、フェーズドアレイアンテナ２００の構造と動作は、フェーズドアレイアンテナ１００の構造と動作と同一であってよく、そのため、その更なる記述は省略する。
【００５４】
図９は、本発明の更なる実施形態に係る８行８列フェーズドアレイアンテナ３００の１つの列３１２の模式図である。フェーズドアレイアンテナ３００は、フェーズドアレイアンテナ１００に含まれている各直線状フィードネットワーク１３０が、フェーズドアレイアンテナ３００におけるそれぞれの共同フィードネットワーク３００と置き換えられていることを除いて、上記に検討したフェーズドアレイアンテナ１００とほとんど同一である。
【００５５】
図９を参照すると、フェーズドアレイアンテナ３００は、例えば、ダイポールまたはパッチ放射要素であってよい放射要素１１０を含んでいる。アンテナ３００の列３１２における各放射要素１１０は、共同フィードネットワーク３３０を介してトランシーバ１２０（図６参照）に接続されている。トランシーバ１２０は、図９におけるフィードネットワーク３３０の端部３３３に接続する。共同フィードネットワーク３３０は、「分岐」構造に配置されている複数の伝送線セグメント３３２を備えることができる。３つの伝送線セグメント３３２が交わる各分岐位置３３４においては、第１伝送線セグメント３３２上のＲＦ信号は、第２および第３伝送線セグメント３３２それぞれに流れる２つのサブコンポーネントに分割できる。幾つかの実施形態においては、ＲＦ信号は、各分岐位置３３４において均等に分割できるが、そうする必要はない。
【００５６】
図９において更に示されているように、スイッチ１４０として振る舞うＰＩＮダイオード１４２は、伝送線セグメント３３２の１つに沿って位置している。図９の実施形態においては、ＰＩＮダイオード１４２は、分岐構造の根元であるフィードネットワーク３３０の端部３３３に最も近い分岐に隣接して位置している。ＰＩＮダイオード１４２は、第１分岐位置３３４からＤ＝［０．２５＋（ｎ＊０．５）］λの間隔において位置させることができる。ＰＩＮダイオード１４２にバイアスをかけられていないとき、または逆にバイアスをかけられているときは、ＰＩＮダイオード１４２はＲＦエネルギに対して透過性となり、そのため、列３１２に供給するトランシーバ１２０（図６参照）により出力されるＲＦ信号は、列３１２における８つすべての放射要素１１０に流れる。しかし、ＰＩＮダイオード１４２が順方向にバイアスをかけられる場合、ＰＩＮダイオード１４２は接地への分路として振る舞い、トランシーバ１２０により出力される如何なるＲＦ信号も、列３１２における最初の４つの放射要素１１０−１から１１０−４により放射されるだけである。
【００５７】
ＰＩＮダイオード１４２は、各共同フィードネットワーク３３０における分岐の何れかに隣接して位置でき、および／または、２つ以上のＰＩＮダイオード１４２を、各共同フィードネットワーク３３０に沿って含むことができるということは認識されるであろう。例えば、図１０は、フェーズドアレイアンテナ３００の修正されたバージョン３００’の１つの列３１２’の模式図である。図１０に示されているように、この修正された実施形態においては、第２ＰＩＮダイオード１４２−２は、第２レベル分岐位置３３４の１つに隣接して位置している。図１０の実施形態のＰＩＮダイオード１４２−１、１４２−２が順方向にバイアスがかけられるときは、第５から第８放射要素１１０−５から１１０−８と共に、第１および第２放射要素１１０−１、１１０−２は、フェーズドアレイアンテナ３００’から効率よく切り替えられる。この場合、フェーズドアレイアンテナ３００’の仰角ビーム幅は、１つの列当たり２つの放射要素を有するフェーズドアレイアンテナの仰角ビーム幅となる。
【００５８】
上記の差以外は、フェーズドアレイアンテナ３００、３００’の構造と動作は、フェーズドアレイアンテナ１００の構造と動作と同一であってよく、そのため、その更なる記述は省略する。
【００５９】
上記のフェーズドアレイアンテナの何れも、アンテナがそれぞれの広い仰角ビーム幅状態において動作しているときに、選択解除された要素からのＲＦ信号に対する増大した絶縁性を達成する目的で、放射要素の１列当たり２つ以上のＰＩＮダイオード１４２を含むように修正できるということも理解されるであろう。実際には、各ＰＩＮダイオード１４２（または他のスイッチ１４０）は、有限の絶縁量を提供するだけであり、そのため、ある残留ＲＦ電流は、ＰＩＮダイオード１４２を通って漏洩し、フェーズドアレイアンテナから切り替えられた放射要素１１０、２１０により放射され得る。これは潜在的には、アンテナパターンにおける望ましくない変化という結果になり得る。図１１〜１３に示されているように、それぞれのアンテナが、その広いビーム幅状態のときは、ＲＦ漏洩電流を削減するために、多数のＰＩＮダイオード１４２を各列に沿って提供できる。図１１〜１３の左側に示されているように、幾つかの実施形態においては、ＰＩＮダイオード１４２を、隣接する放射要素１１０、２１０の異なる対の間に位置させることができる。これは、追加的物理空間が利用できるので都合がよい。図１１〜１３の右側に示されているように、他の実施形態においては、追加的ＰＩＮダイオード１４２を、隣接する放射要素１１０、２１０の同じ対の間に置くことができ、フィーディング伝送線１３２、２３２に沿って、２つの放射要素１１０、２１０からＤの間隔で間を空けることができる。幾つかの実施形態においては、延長された長さの伝送線セグメント１３４を、隣接する放射要素１１０、２１０の対の間に提供でき、この延長された長さは、放射要素１１０、２１０の他の隣接する対の間で延伸する伝送線セグメントよりも１波長以上長い。この延長された長さの伝送線セグメント１３４は、隣接する放射要素１１０、２１０の同じ対の間の列に沿って２つのＰＩＮダイオード１４２を位置させるための追加的物理スペースを提供できる。第２ＰＩＮダイオード１４２により加えられる絶縁性は、両者のＰＩＮダイオード１４２が、隣接する放射要素１１０、２１０の同じ対の間に位置している場合、最大の効果を有することができる。図１４は、隣接する放射要素１１０、２１０の同じ対の間の列に沿って２つのＰＩＮダイオード１４２−１、１４２−２を位置させるための追加的物理スペースを提供する延長された長さの伝送線セグメント１３４を有する、本発明の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナの列の部分を模式的に例示している。
【００６０】
図１８に示されているように、本発明のより更なる実施形態によれば、ＰＩＮダイオード１４２は、各放射要素１１０を伝送線１３２に接続する個々の伝送線分岐１３３上に位置させることができる。そのような実施形態においては、各ＰＩＮダイオード１４２は、各伝送線分岐１３３が伝送線１３２と交差する接合点から１／４波長のところに、または、１、３、５、７などのように１／４波長の奇数倍のところに位置させることができる。この技術を使用して、個々の放射要素１１０を、仰角ビーム幅を制御する目的で、アレイサイズ（つまり、フェーズドアレイアンテナの各列１１２に含まれる放射要素１１０の数）を構成する代わりの手段を提供するために分路できる。図１８の例においては、ＰＩＮダイオード１４２−１、１４２−２に逆方向にバイアスをかけることにより、またはバイアスをかけないことにより、狭い仰角ビーム幅を提供するために、１列１１２当たり８つすべての放射要素１１０で、フェーズドアレイアンテナの例示されている列１１２を動作させることができる。放射要素１１０−１への伝送線分岐１３３−１上に位置しているＰＩＮダイオード１４２−１に順方向にバイアスをかけることにより、フェーズドアレイアンテナは、アクティブな放射要素１１０−２から１１０−８のみにより動作する。両方の伝送線分岐１３３−１、１３３−２上に位置しているＰＩＮダイオード１４２−１、１４２−２に順方向にバイアスをかけることにより、フェーズドアレイアンテナは、若干広い仰角ビーム幅を提供するために、アクティブな放射要素１１０−３から１１０−８のみにより動作する。ＰＩＮダイオード１４２が逆方向にバイアスをかけられるとき、またはバイアスをかけられないときは、ＰＩＮダイオード１４２は高いインピダンス状態となり、ＲＦ電力が、関連付けられている放射要素１１０から放射することを可能にする。順方向にバイアスをかけられると、ＰＩＮダイオード１４２は接地への短絡として振る舞い、その結果、伝送線分岐１３３と伝送線１３２のそれぞれの接合点における開回路となる。この順方向にバイアスをかけられている状態は、主伝送線１３２を接地に短絡させることなく、ＲＦ電力が関連付けられている放射要素１１０から放射することを防止する。ＰＩＮダイオード１４２は、伝送線分岐１３３−１と１３３−２上に例示されているが、ＰＩＮダイオードは、より多いまたはより多い伝送線分岐１３３上に含めることができ、所望であれば、列１１２の両端において伝送線分岐１３３上に含めることができるということは認識されるであろう。
【００６１】
図１５に示されているように、例としての実施形態においては、切り替え制御ネットワーク１５０は、各列毎に、共有電流供給源１５２とバイアス−Ｔ回路１５６を備えることができる。図１５は、図面を簡潔にするために、電流供給源１５２と、フェーズドアレイアンテナ１００の列１１２の１つのみを示している。図１５に示されているように、バイアス−Ｔ回路は、インダクタ１５４とコンデンサ１５８を含んでいる。コンデンサ１５８はトランシーバ１２０に結合されて、共有ＤＣ電流供給源１５２からのＤＣ電流が、トランシーバ１２０へ渡されることを阻止する。インダクタ１５４は、共有ＤＣ電流供給源１５２と伝送線１３２との間に結合されている。ＰＩＮダイオード１４２は、ＤＣ電流を伝送線１３２上に注入するために、ＤＣ電流をバイアス−Ｔ回路１５６のインダクタ経路に印加することにより、順方向にバイアスをかけることができる。トランシーバ１２０からのＲＦ信号と、ＤＣ電流供給源１５２からのＤＣバイアス電流の両者は、放射要素１１０に印加される。そのため、バイアス−Ｔ回路１５６は、ＤＣバイアス回路をＲＦトランシーバ１２０から絶縁にしたまま、ＰＩＮダイオード１４２のバイアス状態の制御を可能にする。図６の切り替え制御ネットワーク１５０は、ここにおいて記述される本発明の実施形態に係る如何なるアンテナにおいても使用できるということは認識されるであろう。
【００６２】
幾つかの適用においては、３つ以上の選択可能な仰角ビーム幅状態を提供することは利点であり得る。この場合、スイッチ１４０は、変動する数の放射要素１１０を励起して、仰角ビーム幅を３つ以上の異なる状態に設定するために、隣接する放射要素１１０のそれぞれの対の間に置くことができ、独立して制御できる。
【００６３】
図１６は、３つの選択可能な仰角ビーム幅を有する、本発明の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナの放射要素の列の模式図である。図１６を参照すると、ＰＩＮダイオード１４２−１、１４２−２は、放射要素１１０−３と１１０−４との間、および放射要素１１０−５と１１０−６との間それぞれ置かれている。第１ＤＣバイアス電流は、第１インダクタ１５４−１を通して第１ＰＩＮダイオード１４２−１に選択的に供給できる。トランシーバ１２０は、ＰＩＮダイオード１４２−１に対してＤＣバイアス電流を絶縁するために、コンデンサ１５８を通して伝送線１３２に結合されている。第２コンデンサ１５９は、ＰＩＮダイオード１４２−１に対するＤＣバイアス電流が、ＰＩＮダイオード１４２−２のバイアス状態に影響を与えることを阻止するために提供される。ＰＩＮダイオード１４２−２には、第２インダクタ１５４−２を通して、別個のＤＣバイアス電流が提供される。このようにして、ＰＩＮダイオード１４２−１、１４２−２の両者に独立してバイアスをかけることができる。この例においては、これは、フェーズドアレイアンテナが、１列当たり３つの放射要素１１０、または５つの放射要素１１０、または８つの放射要素１１０何れかを有する３つの状態において励起されることを可能にする。これは、図５において示されている３つの仰角ビーム幅の状態を選択する能力を提供する。この技術は、より多くの仰角ビーム幅状態を提供するために、容量性結合を通して、伝送線１３２を更に分離することにより、追加的ＰＩＮダイオード１４２（または、他のスイッチ１４０）とバイアスをかけるネットワークにより拡張できる。
【００６４】
図６は、直線状に供給されるアレイ列に基づいて、１次元における切り替えられたビーム幅制御を実現する二次元アンテナアレイ構成の例を示している。この例においては、水平または方位角軸におけるビームステアリングは、広い視野を有する方位角において狭いビーム幅を提供するために、８つのトランシーバチャネルのそれぞれに適用される位相重み付けの適用により制御される。垂直または仰角方向においては、切り替えられたビーム幅アプローチは、広い仰角ビーム幅状態を選択するために、バイアス電流をＰＩＮダイオード１４２に印加することにより、または、狭い仰角ビーム幅状態を選択するために、ＰＩＮダイオード１４２にバイアス電流を印加しない、または負のバイアス電圧を印加することにより実現される。
【００６５】
上記の例は、フェーズドアレイアンテナの仰角ビーム幅を切り替えることに注目しているが、同じ技術を、水平または方位角パターンを、多数のビーム幅状態の間で切り替えなければならない場合に適用できる。加えて、この同じ技術は、方位角および仰角ビーム幅を並行して切り替えるためのデュアル偏波アンテナアレイにも適用可能である。
【００６６】
そのため、本発明の実施形態に従って、第１トランシーバ（例えば、トランシーバ１２０）、第１直線状アレイ（例えば、列１１２）において配置される複数の第１放射要素（例えば、放射要素１１０）、第１放射要素と第１トランシーバとの間に電気的に介在される第１フィードネットワーク（例えば、フィードネットワーク１３０）、および第１フィードネットワークに沿って結合される第１スイッチ（例えば、スイッチ１４０／ＰＩＮダイオード１４２）を含むことができるフェーズドアレイアンテナが提供される。第１スイッチの状態は、第１トランシーバに電気的に接続される第１放射要素の数を調整するために選択可能である。第１直線状アレイの放射パターンは、第１スイッチが第１状態のときは第１仰角ビーム幅を有し、第１スイッチが第２状態のときは、第２の異なる仰角ビーム幅を有する。
【００６７】
第１スイッチは、例えば、第１フィードネットワークの伝送線セグメントと基準電圧との間に結合されているＰＩＮダイオードを備えることができる。ＰＩＮダイオードは、第１放射要素の１つから約［０．２５＋（ｎ＊０．５）］λの電気的距離において伝送線セグメントに接続でき、ここにおいて、ｎは０以上の値を有する整数であり、λはフェーズドアレイアンテナの動作の周波数帯の中心周波数に対応する波長である。アンテナは、第１スイッチを所望の状態に設定するために、制御信号（例えば、ＤＣバイアス電流）を第１スイッチに提供するように構成されている切り替え制御ネットワーク（例えば、切り替え制御ネットワーク１５０）を含むことができる。
【００６８】
幾つかの実施形態においては、第２スイッチを第１フィードネットワークに沿って結合できる。幾つかの場合においては、第１および第２スイッチの組み合わせを、アンテナの仰角ビーム幅を、少なくとも３つの異なる状態に設定するために使用できる。他の場合においては、第２スイッチを、放射要素がアレイから切り替えられたときに、向上された絶縁性を提供するために使用できる。
【００６９】
本発明の更なる実施形態に従って、少なくとも放射要素の第１列を含んでいるフェーズドアレイアンテナを動作させる方法が提供される。ここで、１つの例を図１７のフローチャート図を参照して記述する。
【００７０】
図１７を参照すると、方法は、第１ＲＦ信号を第１ユーザに、放射要素の第１列におけるすべての放射要素を通して送信することを含むことができる（ブロック４００）。そして、制御信号（例えば、ＤＣバイアス電流）を、放射要素の第１列に沿って提供されているスイッチに送信できる（ブロック４１０）。スイッチは、放射要素の第１列における放射要素の第２サブセットを、第１および第２ＲＦ信号の供給源から選択的に絶縁するように構成でき、制御信号は、スイッチの状態を変更するために使用できる。その後、第２ＲＦ信号を第２ユーザに、放射要素の第１列における放射要素の第１サブセットを通して送信でき、第１サブセットは、放射要素の第１列におけるすべての放射要素よりも少ない数の放射要素を含んでいる（ブロック４２０）。第１ユーザは、フェーズドアレイアンテナから第１距離であることができ、第２ユーザは、フェーズドアレイアンテナから、第１距離よりも短い第２距離であることができる。図１７を参照して記述される方法は、放射要素の単一の列を有するフェーズドアレイアンテナの動作を記述しているが、図１７の方法は、放射要素の多数の列を含んでいる、本発明の実施形態に係るアンテナにおける放射要素の１つの列の動作を記述していると見ることもできるということは認識されるであろう。
【００７１】
上記の例としての実施形態に対して、本発明の範囲から逸脱することなく、多くの変更を加えることができるということは認識されるであろう。例えば、上記に開示された実施形態すべての態様は、如何なるようにも組み合わせることができる。そのため、例えば、フェーズドアレイアンテナ１００の何れの要素も、ここにおいて記述された他の実施形態において使用できる。他の例として、フェーズドアレイアンテナは、放射要素の如何なる数の行および列を有することができ、如何なる形状も有することができる。適切なタイプのスイッチを、要素をアレイに切り替えることにより、またはアレイから切り替えることにより、仰角ビーム幅を変更するために、各列に沿って使用できる。これらのスイッチは、放射要素をアレイに切り替えるため、およびアレイから切り替えるために、何れの適切な位置に位置させることができる。スイッチは、各個々の放射要素に対して提供でき、または、単一のスイッチを、多数の放射要素をアレイに切り替えるため、およびアレイから切り替えるために使用できる。広く多様な切り替え制御ネットワークが可能である。そのため、上記の実施形態は、付随する請求項により定義される本発明の範囲の例としてのみ提供されているということは認識されるであろう。
【００７２】
ここにおいて記述される技術は、１つの偏波当たり単一の無線通信を使用するパッシブフェーズドアレイアンテナにも使用できるということも認識されるであろう。そのようなパッシブアンテナ実現形態においては、ここにおいて記述される技術は、仰角ビーム幅、方位角ビーム幅、またはその両者を調整するために使用できる。
【００７３】
本発明の実施形態を、発明の実施形態が示されている付随する図を参照して上記に記述してきた。しかし、この発明は、多くの異なる形式で具現化でき、ここにおいて記述された実施形態に制限されると解釈されるべきではない。そうではなく、これらの実施形態は、この開示が完璧且つ完全であり、発明の範囲を当業者に十分に伝えるように提供されている。実施形態を通して、類似の番号は類似の要素を指している。
【００７４】
第１、第２などの用語は、ここにおいては、種々の要素を記述するために使用できるが、これらの要素は、これらの用語により制限されるべきではないということは理解されるであろう。これらの用語は、１つの要素を他の要素から区別するためのみに使用されている。例えば、本発明の範囲から逸脱することなく、第１要素は、第２要素と称することができ、同様に第２要素を第１要素と称することができる。ここにおいて使用されているように、「および／または」という用語は、関連付けられて列挙されている事項の１つ以上の如何なる、およびすべての組み合わせを含んでいる。
【００７５】
要素が他の要素の「上」にあるというときは、その要素が直接他の要素の上にあることができ、または介在する要素が存在することができるということは理解されるであろう。対照的に、要素が他の要素の「直接上に」あるというときは、介在する要素は存在しない。要素が他の要素に「接続されている」または「結合されている」というときは、その要素は他の要素に直接接続または結合されていることができ、または介在する要素が存在することができるということも理解されるであろう。対照的に、要素が他の要素に「直接接続されている」または「直接結合されている」というときは、介在する要素は存在しない。要素間の関係を記述するために使用される他の語句は、同じように解釈されるべきである（例えば、「〜の間」と「〜の直接間」、「隣接して」と「直接隣接して」など）。
【００７６】
「下に」または「上に」または「上方に」または「下方に」または「水平な」または「垂直な」などのような相対的な用語は、図において例示されているように、ここにおいては、１つの要素、層、または領域の、他の要素、層、または領域に対する関係を記述するために使用できる。これらの用語は、図において示されている向きに加えて、装置の異なる向きも含むことが意図されているということは理解されるであろう。
【００７７】
ここにおいて使用されている技術用語は、特別な実施形態を記述する目的だけのためであり、発明を制限するものとは意図されていない。ここにおいて使用されているように、単数形の「１つの」および「その」は、文脈において明示的そうでないと示されない限り、複数形も含むことが意図されている。「備える」、「備えている」、「含む」および／または「含んでいる」という用語は、ここにおいて使用されるときは、記述された特徴、動作、要素および／または構成要素の存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、動作、要素、構成要素、および／またはそれらのグループの存在または追加を除外するものではないということも更に理解されるであろう。
【００７８】
上記に開示されたすべての実施形態の態様と要素は、複数の追加的実施形態を提供するために、他の実施形態の態様または要素と、如何なるようにも、および／または組み合わせにおいて組み合わせることができる。
【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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【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１９】
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【国際調査報告】
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