JP2010506484A - 移相発振器およびアンテナ - Google Patents

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Abstract

本発明は、新しい改善された移相注入発振器、移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器、およびフェーズド・アレイ・アンテナ（ＰＡＡ）について説明する。本発明の例示的な実施形態によるＰＡＡは低コストであるため、種々の商業用途、例えば、無線通信または衛星モバイル・テレビにおいて用いることができる。

Description

本発明は一般的に、情報を利用するために電波エネルギーを送受信するためのデバイスおよびプロセスに関し、より具体的には、フェーズド・アレイ・アンテナおよび無線通信におけるその応用例に関する。
アンテナは、電磁波を送受信するように設計されている。フェーズド・アレイ・アンテナは、指向性放射パターン（ビーム）を伴う複数の放射器要素（放射器）を備えるアンテナであって、アンテナ内の個々の放射器要素（放射器）または放射器要素群を制御することによって放射パターンの制御を行なうことができるアンテナである。一般的に、放射パターンの配向方向は、放射器要素へのまたは放射器要素からの信号の位相を制御することによって決められる。従来のフェーズド・アレイ・アンテナでは、位相制御は位相シフタによって構成されている。通常、具体的な位相はデジタル信号処理（ＤＳＰ）サブシステムによって決定される。
フェーズド・アレイ・アンテナの一例が、特許文献１に開示されている。この文献では、フェーズド・アレイ・アンテナであって、入力と、入力に電子的に結合された給電ネットワークと、複数の放射器と、放射器へ信号を送信または放射器から信号を受信する前に信号に対する位相シフトを与える複数の位相シフタと、位相シフタが与えた位相シフトを制御するためのコントローラと、を備えるフェーズド・アレイ・アンテナが開示されている。
図１に、概略的に参照されるシステム１００の単純化されたブロック図を例示する。当該技術分野において知られているように、システム１００は、基準信号１０１を一以上の送信機／受信機（Ｔ／Ｒ）モジュールに分配するための多電力分配器１４０と、単純なフェーズド・アレイ・アンテナ（ＰＡＡ）１５０とを備える。図１は、電子的に配向された信号波面を示す。取り得る３つの波面１６２、１６４、１６６が示されている。基準信号１０１は多電力分配器１４０に入力される。基準信号は通常、基準信号発生器（図１において示さず）によって生成される。
電力分配器１４０は、基準信号１０１を、４つの位相シフタ１１２、１１４、１１６、１１８に分配する。位相シフタ１１２、１１４、１１６、１１８は、それぞれ位相シフトｓ１度、ｓ２度、ｓ３度、ｓ４度（図示せず）を与える。波面１６２、１６４、または１６６は、位相シフタの位相シフトｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４によって決定される。フェーズド・アレイ・アンテナ１５０は、位相シフタ１１２、１１４、１１６、１１８、増幅器１２２、１２４、１２６、１２８、および放射器１３２、１３４、１３６、１３８を備えている。位相シフタ１１２、１１４、１１６、１１８はそれぞれ、増幅器１２２、１２４、１２６、１２８に接続されている。増幅器１２２、１２４、１２６、１２８はそれぞれ、増幅かつ位相シフトされた信号を、対応する放射器へ送信する。図１のフェーズド・アレイ・アンテナは、波面を方位角の次元または仰角の次元のいずれかにおいて１次元でのみ配向することができる。
典型的なフェーズド・アレイ・アンテナは、放射器のアレイを備えており、このアレイは、放射器から放射される電磁信号の相対位相を、フェーズド・アレイ・アンテナの放射パターンが所望の方向になるような方法で変化させる。図１において、部材番号１６１は放射パターン（ビーム）を示している。
図１に例示する単純化されたフェーズド・アレイ・アンテナ１５０は通常、Ｔ／Ｒモジュール１０２、１０４、１０６、１０８のアレイと、放射器１３２、１３４、１３６、１３８のアレイとを備える。図１のフェーズド・アレイ・アンテナのアーキテクチャにおいて、各放射器は１つのＴ／Ｒモジュールに接続されている。図１では、Ｔ／Ｒモジュール１０２、１０４、１０６、１０８の送信部のみを示している。
典型的なフェーズド・アレイ・アンテナは、信号の位相を所定の程度シフトさせるなどの機能を果たす送信機（ＴＲ）または受信機（ＲＸ）もしくはＴ／Ｒモジュールを用いる。例えば、図１におけるＴ／Ｒモジュール１０２は、信号をｓ１度位相シフトさせる。
典型的な従来のＴ／Ｒモジュール１０２には、他にも要素はあるが、位相シフタ１１２および増幅器１２２が含まれている。典型的なフェーズド・アレイ・アンテナは、複数のＴ／Ｒモジュールを用いており、各Ｔ／Ｒモジュールは位相シフタ（ＰＳ）を備えている。位相シフタは、フェーズド・アレイ・アンテナを機械的に再位置合わせすることなく、アンテナ・ビームを所望の方向に電子的に配向させることができる電子デバイスである。従来のフェーズド・アレイ・アンテナは極めて高価であるとともに消費電力が大きいため、主に軍事用途、例えば、航空機レーダおよびミサイル・レーダで使用されている。例えば、典型的なフェーズド・アレイ・アンテナでは、約４０００個の位相シフタが使用され、各位相シフタのコストは数千米国ドルである。その結果、このようなフェーズド・アレイ・アンテナに対する全コストは数百万米国ドルとなる。そのため、従来の高コストのフェーズド・アレイ・アンテナの場合とほぼ同じ性能を与える低コストのフェーズド・アレイ・アンテナが求められている。
米国特許第６，７５９，９８０号明細書
本発明のいくつかの実施形態の態様は一般的に、フェーズド・アレイ・アンテナ（「ＰＡＡ」）システムに関し、より具体的には、無線または電気通信網、例えば、Wi-Fi（登録商標）、Wi-Max、セルラー通信、または衛星モバイル・テレビジョンで使用されるフェーズド・アレイ・アンテナに関する。
本発明のフェーズド・アレイ・アンテナは、アクティブ式フェーズド・アレイ・アンテナである。用語アクティブを用いているのは、フェーズド・アレイ・アンテナが機械的にではなく電子的に配向され、また各放射器に対するＴ／Ｒモジュールを用いて配向されていることを強調するためである。
本発明のいくつかの実施形態の一態様は、高品質ビデオ・サービス、高速データ・サービス、ボイス・オーバーＩＰ（ＶＯＩＰ）、またはインターネット電話通信用のフェーズド・アレイ・アンテナに関する。本発明のいくつかの実施形態の一態様は、移相注入発振器（ＰＳＩＯ）と以下で呼ばれる新しい装置または回路に関する。
本発明のいくつかの実施形態の一態様は、移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器（ＰＳＩＰＰＯ）と以下で呼ばれる新しい装置または回路に関する。
本発明のいくつかの実施形態の一態様は、複数のＰＳＩＯまたは複数のＰＳＩＰＰＯを備えるフェーズド・アレイ・アンテナ・システムに関する。
本発明のいくつかの実施形態の一態様は、低コストまたは安価なフェーズド・アレイ・アンテナに関する。本発明の例示的な実施形態において、複数のＰＳＩＰＰＯを用いるフェーズド・アレイ・アンテナは、従来の移相回路に基づく従来の技術のＴ／Ｒモジュールを用いた従来のフェーズド・アレイ・アンテナシステムとほぼ同じかまたはより良好な性能（例えば、より高効率）を達成する。
本発明のいくつかの実施形態の一態様は、複数のＰＳＩＰＰＯを用いることで方位角または仰角のビーム配向を可能とするフェーズド・アレイ・アンテナに関する。
本発明のいくつかの実施形態の一態様は、複数のＰＳＩＰＰＯを用いることで細いビームを生成するフェーズド・アレイ・アンテナに関する。
本発明の例示的な実施形態において、細いビームによって、従来技術に基づく従来のアンテナよりも受信可能範囲を広くするかまたは電磁妨害を小さくすることが可能になる。これによって、データ・スループットを著しく増加させること、または無線ネットワーク、例えば、Wi-Fi（登録商標）、Wi-Max、および他の無線ネットワークの同時ユーザの数を増加させることが可能になる。
本発明の例示的な実施形態によれば、反射型増幅器と、少なくとも１つの可変コンデンサと少なくとも１つの共振器とを備える帯域阻止フィルタと、を備える発振器が提供される。ここで、前記帯域阻止フィルタは前記反射型増幅器に接続される。本発明の例示的な実施形態において、帯域阻止フィルタは２ポート帯域阻止フィルタである。本発明の例示的な実施形態において、入力基準信号が発振器に注入される。本発明の例示的な実施形態において、発振器の出力信号が同期される。本発明の例示的な実施形態において、発振器が電圧制御される。
本発明の例示的な実施形態によれば、電力分配器と、時間遅延ユニットと、帯域阻止フィルタと、少なくとも２つの反射型増幅器と、電力合成器と、を備える発振器が提供される。本発明の例示的な実施形態において、帯域阻止フィルタは、共振器を形成する少なくとも２つの可変コンデンサおよび少なくとも２つのインダクタを備える。本発明の例示的な実施形態において、可変コンデンサは、ＤＳＰユニットによって生成される信号によって電圧制御される。
本発明の例示的な実施形態によれば、受信した基準信号を第１の部分および第２の部分に分配するように動作する電力分配器であって、第２の部分は第１の部分に対して所定の量の遅延時間を遅延されている、電力分配器と、第１および第２の部分を受信して出力信号を生成するプッシュ・プッシュ発振器と、を備え、プッシュ・プッシュ発振器は、第１または第２の部分の位相を変更することにより、出力信号が基準信号の位相に対してシフトされた位相を有するように構成された帯域阻止フィルタを備える移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器も提供される。本発明の例示的な実施形態において、電力分配器はゼロ度電力分配器である。本発明の例示的な実施形態において、電力分配器はウィルキンソン型電力分配器である。本発明の例示的な実施形態において、生成された出力信号は、受信した基準信号とほぼ同じ安定性特性を有する。本発明の例示的な実施形態において、生成された出力信号は、受信した基準信号とほぼ同じノイズ特性を有する。本発明の例示的な実施形態において、所定の量の遅延時間は、基準信号の周期の約半分である。本発明の例示的な実施形態において、所定の量の遅延時間は、基準信号の周期の約半分の奇数倍である。本発明の例示的な実施形態において、生成された出力信号は、受信した基準信号と同じ周波数およびほぼ同じノイズ特性を有する。本発明の例示的な実施形態において、生成された出力信号は、受信した基準信号とほぼ同じ安定性特性を有する。本発明の例示的な実施形態において、受信された基準信号に対する出力信号の位相シフトは、約−１００度〜約＋１００度の範囲内である。本発明の例示的な実施形態において、帯域阻止フィルタは少なくとも２つの可変コンデンサを備える。本発明の例示的な実施形態において、可変コンデンサは、帯域阻止フィルタの共振周波数を変更するために使用される。
本発明の例示的な実施形態によれば、注入同期プッシュ・プッシュ発振器を位相シフトするための方法であって、受信した基準信号を第１の部分および第２の部分に分配する工程であって、第２の部分が第１の部分に対して所定の量の遅延時間を遅延されている工程と、第１および第２の部分をプッシュ・プッシュ発振器によって受信する工程と、出力信号をプッシュ・プッシュ発振器によって生成する工程と、を含み、プッシュ・プッシュ発振器は、第１または第２の部分の位相を変更することにより、出力信号が基準信号の位相に対してシフトされた位相を有するように構成される、方法も提供される。本発明の例示的な実施形態において、第２の部分が第１の部分に対して遅延される所定の量の遅延時間は、基準信号の周期の約半分である。本発明の例示的な実施形態において、第２の部分が第１の部分に対して遅延される所定の量の遅延時間は、基準信号の周期の約半分の奇数倍である。
本発明の例示的な実施形態によれば、少なくとも１つのレベルの移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器と、少なくとも１つのレベルの移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器によって後に取り扱われる電力のサンプリング部分を受信する受信機能と、を備えるフェーズド・アレイ・アンテナ送信機／受信機モジュールも提供される。
本発明の例示的な実施形態によれば、注入同期プッシュ・プッシュ発振器を位相シフトするための方法であって、位相を有する第１の信号を受信する工程と、第１の信号を分配して、第１の信号の第１の部分を帯域阻止フィルタに注入し、第１の信号の第２の部分を時間遅延ユニットに注入する工程と、第１の信号の第１または第２の部分の共振周波数を変更する工程と、第１の信号の第１の部分および第２の部分を、帯域阻止フィルタと少なくとも２つの反射型増幅器との間で発振させる工程と、少なくとも２つの反射型増幅器から得られる第１の信号の第１および第２の部分を合成する工程と、合成信号を出力する工程と、を含む方法も提供される。本発明の例示的な実施形態において、第１の信号は、基準信号または注入同期プッシュ・プッシュ発振器の以前の位相シフトから得られる信号である。本発明の例示的な実施形態において、合成信号は、注入同期プッシュ・プッシュ発振器の別の位相シフトへまたは放射器へ出力される。本発明の例示的な実施形態において、合成信号は、第１の信号の約２倍の周波数および２倍の位相シフトを有する。本発明の例示的な実施形態において、時間遅延ユニットは、第１の信号の周期の約半分の遅延時間を形成する。
本発明の例示的な実施形態によれば、方位角および仰角において配向可能なアンテナ・ビームを有するフェーズド・アレイ・アンテナであって、複数の放射器、増幅器、ミキサ、サンプリング・カプラ、および位相シフタ注入同期発振器を備え、前記位相シフタ注入同期発振器は仰角および方位角方向でのアンテナ・ビーム配向用であるフェーズド・アレイ・アンテナも提供される。本発明の例示的な実施形態において、移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器はそれぞれ、受信した基準信号を第１の部分および第２の部分に分配するように動作する電力分配器であって、第２の部分は第１の部分に対して所定の量の遅延時間を遅延されている、電力分配器と、第１および第２の部分を受信して出力信号を生成するプッシュ・プッシュ発振器と、を備え、プッシュ・プッシュ発振器は、第１または第２の部分の位相を変更することにより、出力信号が基準信号の位相に対してシフトされた位相を有するように構成された帯域阻止フィルタを備える。本発明の例示的な実施形態において、移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器の第１の部分は第１の程度位相シフトされ、移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器の第２の部分は第２の程度位相シフトされ、移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器の第３の部分は第３の程度位相シフトされ、前記第１の程度は前記第２の程度に相関し、前記第２の程度は前記第３の程度に相関している。本発明の例示的な実施形態において、フェーズド・アレイ・アンテナは無線通信デバイスとともに使用される。本発明の例示的な実施形態において、フェーズド・アレイ・アンテナは無線アクセス・ポイントとともに使用される。本発明の例示的な実施形態において、フェーズド・アレイ・アンテナは衛星モバイル・テレビ・システムとともに使用される。本発明の例示的な実施形態において、フェーズド・アレイ・アンテナは人工衛星アンテナとともに使用される。本発明の例示的な実施形態において、フェーズド・アレイ・アンテナは、データ・スイッチング・デバイスに接続されたアンテナとともに使用される。本発明の例示的な実施形態において、フェーズド・アレイ・アンテナは、データ送受信デバイスに接続されたアンテナとともに使用される。
当該技術分野で知られる多電力分配器および単純なフェーズド・アレイ・アンテナを備えるシステムを示す概略ブロック図。 本発明の例示的な一実施形態による移相注入発振器（ＰＳＩＯ）を示す概略図。 本発明の例示的な一実施形態による帯域阻止フィルタ（ＢＲＦ）を示す概略図。 本発明の例示的な実施形態によるＰＳＩＯの挙動を示す非限定的な例を示す図。 本発明の例示的な実施形態によるＰＳＩＯの挙動を示す非限定的な例の示す図。 本発明の例示的な一実施形態による移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器（ＰＳＩＰＰＯ）を示す概略ブロック図。 本発明の例示的な一実施形態によるＢＲＦを示す概略図。 本発明の例示的な実施形態による移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器（ＰＳＩＰＰＯ）の波形挙動の非限定的な例を示す図。 本発明の例示的な実施形態による移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器（ＰＳＩＰＰＯ）の波形挙動の非限定的な例を示す図。 本発明の例示的な実施形態による移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器（ＰＳＩＰＰＯ）の波形挙動の非限定的な例を示す図。 本発明の例示的な実施形態による移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器（ＰＳＩＰＰＯ）の波形挙動の非限定的な例を示す図。 本発明の例示的な一実施形態によるアンテナ・ビームを方位角および仰角において配向することが可能なフェーズド・アレイ・アンテナを示す図。 本発明の例示的な一実施形態による無線ネットワーク・システムを示す図。 本発明の例示的な一実施形態による衛星モバイル・テレビ・システムを示す図。
以下の実施形態の説明とともに図を参照して、本発明の例示的で非限定的な実施形態について説明する。図は一般的に一定の比率では示しておらず、どのようなサイズも単に例示的であることが意図されており、必ずしも限定ではない。図において、複数の図に現れる同一の構造、要素、または部品は好ましくは、それらが現れるすべての図において同一または同様の符号を用いて示される。
本発明では、新しい改善された移相注入発振器、移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器、およびフェーズド・アレイ・アンテナ（ＰＡＡ）について説明する。本発明の例示的な実施形態によるフェーズド・アレイ・アンテナは低コストであるため、種々の商業用途、例えば、無線通信または衛星モバイル・テレビにおいて用いることができる。本発明のフェーズド・アレイ・アンテナは、従来技術のフェーズド・アレイ・アンテナと比べて著しい向上および改善を提供することが、明細書および図から示されるであろう。
本発明によるフェーズド・アレイ・アンテナは、複数の位相シフト要素および他の電子部品を備える。従来の位相シフタは高価な電子部品であるか、または高いＲＦ損失の影響を受ける。コストおよびＲＦ損失の双方は、従来のＴ／Ｒモジュールまたは従来の位相シフタを用いた従来のフェーズド・アレイ・アンテナの非常に高いコストの一因である。
本発明の例示的な一実施形態において、位相シフタ（例えば、図１の１１２、１１４、１１６、または１１８）は、移相注入発振器（ＰＳＩＯ）または移相注入プッシュ・プッシュ発振器（ＰＳＩＰＰＯ）である。それらの双方は本発明の新しい新規な電子デバイスであり、以下に説明する。最初にＰＳＩＯについて説明し、そしてＰＳＩＰＰＯについて説明する。ＰＳＩＰＰＯはＰＳＩＯの改善と考えることができる。ＰＳＩＯまたはＰＳＩＰＰＯは、図１に示す構造またはアーキテクチャとともに用いることができるが、本発明では、図１に示したアンテナおよび従来技術の他のアンテナに比べて種々の優位性を有するフェーズド・アレイ・アンテナの新しい分散構造またはアーキテクチャを開示する。
図２に、本発明の例示的な実施形態による回路３００（本明細書においてＰＳＩＯと言う）の概略図を示す。図２のＰＳＩＯは、帯域阻止フィルタ（ＢＲＦ）３３０に接続された反射型増幅器３４０を備える。ＢＲＦは、バラクタ・ダイオードを備えており、そのバイアス電圧は、デジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）３９０によって制御されている。ＢＲＦ３３０は２つのポート３３２、３３３を有している。
図３は、本発明の例示的な実施形態によるＢＲＦ３３０の概略図３５０である。ＢＲＦ３３０は、少なくとも１つの可変コンデンサ３５２と絶縁変圧器に埋め込まれた少なくとも１つのインダクタ３０４とを備えている。ＰＳＩＯの帯域阻止フィルタによる共振を起こすために、インダクタ３０４は可変コンデンサ３５２とともに共振することができる。部材番号３３８は接地を示している。図３の可変コンデンサ３５２は、ＤＳＰ３９０（ＤＳＰ３９０は図３では示さず）によって生成される信号３８０によって電圧制御される。
本発明の例示的な一実施形態において、図２の信号３０１がＰＳＩＯ３００に注入されて、ＰＳＩＯ３００の出力信号３４１が信号３０１に同期されるようになっている。信号３４１の同期とは、信号３４１が同期して、かつ信号３０１と同じ周波数およびほぼ同じ基本スペクトル純度を有することを意味する。図４、５を共に参照することにより、図２のＰＳＩＯ３００の挙動がより良く理解されるであろう。図４、５は、ＰＳＩＯ３００の挙動を示す特定の非限定的な一例である。ＰＳＩＯ３００は、入力ＲＦ信号３０１を受信して信号３４１を出力する。信号３４１は、入力基準信号３０１と同じ周波数およびほぼ同じ基本スペクトル純度を有する。波形４０１、４０１Ｂは、可変コンデンサ３５２の２つの異なる電圧Ｖ１およびＶ２に対する信号３０１の波形図である。同様に、波形４４１、４４１Ｂは、２つの異なる電圧Ｖ１およびＶ２に対する信号３４１の波形を示している。信号４４１および４４１Ｂは異なる位相を有することが分かる。
波形４０１、４３１、４４１は、ＰＳＩＯの特定の場所における時間領域の電圧を表わしており、可変コンデンサ３５２の電圧Ｖ１に対応している。波形４０１Ｂ、４３１Ｂ、４４１Ｂは、ＰＳＩＯの特定の場所における時間ドメイン電圧を表わしており、可変コンデンサ３５２での電圧Ｖ２に対応している。波形４０１は３０１に対応し、波形４３１は３３１に対応し、波形４４１は３４１に対応することに留意されたい。
本発明の例示的または好ましい一実施形態において、ＢＲＦ３３０の共振周波数を変更するためにＢＲＦ３００の可変コンデンサ３５２が使用され、そして可変コンデンサはＤＳＰ３９０によって制御される。
図６は、本発明の例示的な実施形態による移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器（ＰＳＩＰＰＯ）を示す概略ブロック図６００である。本発明の例示的な一実施形態において、ＰＳＩＰＰＯは、電力分配器６１０、時間遅延ユニット６２０、帯域阻止フィルタ（ＢＲＦ）６３０、少なくとも２つの反射型増幅器６４０および６５０、電力合成器６６０を備える。
図７は、本発明の例示的な実施形態による図６のＢＲＦ６３０を示す概略図である。ＢＲＦ７３０は、２つの絶縁変圧器に埋め込まれた少なくとも２つのインダクタ７３４、７３５を備える。これらは、可変コンデンサ７２２、７２３とともに共振することができる。部材番号７３８は接地を示している。可変コンデンサ７２２、７２３は、図２、３に示すＤＳＰ３９０によって生成される信号３８０によって電圧制御される。
図８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄを共に参照することにより、図６のＰＳＩＰＰＯ６００の挙動がより良く理解されるであろう。ＰＳＩＰＰＯ６００は、特定の位相を有する信号６０１を受信して、入力信号６０１と同じまたは異なる位相を有する信号６６１を出力する。
本発明の例示的な一実施形態において、信号６０１は基準信号または以前のＰＳＩＰＰＯからの信号であり、信号６６１は別のＰＳＩＰＰＯまたは放射器に出力される。
図８Ａ、８Ｂにおける波形８０１、８０１Ｂは、２つの異なる電圧Ｖ１およびＶ２のそれぞれに対する入力基準信号６０１の波形図であり、図８Ｂ、８Ｄにおける波形８６１、８６１Ｂは、２つの異なる電圧Ｖ１およびＶ２に対する信号６６１の波形図であり、これらは特定の非限定的な一例におけるものである。出力信号６６１は、入力基準信号６０１の２倍の周波数および２倍の位相角度を有する。出力信号６６１は入力基準信号６０１の２倍の周波数および約２倍の位相角度を有してもよいことが、当業者にとって理解されるであろう。
電力分配器６１０は信号６０１を受信して、第１の部分６０２（図８Ａ、８Ｃの波形８０２、８０２Ｂによって示される）および第２の部分６２１（図８Ａ、８Ｃの波形８２１、８２１Ｂによって示される）を、ＢＲＦ６３０に注入する。ここで、第２の部分６２１は、時間遅延ユニット６２０を用いることによって得られる。時間遅延ユニット６２０は、基準信号６０１の周期の約半分の遅延時間を生成する。本発明の別の例示的な一実施形態において、遅延時間は予め決められている。本発明の代替的な例示的実施形態において、遅延時間は、基準信号の周期の約半分の奇数倍である。ＢＲＦ６３０に入力される信号６０２および６２１は、同一の出力レベルを有するが、反対の位相を有する。ＢＲＦ６３０に入力される信号６０２および６２１は、ほぼ同じ出力レベルを有してもよいことが、当業者には理解されるであろう。
ＢＲＦ６３０は、ＢＲＰ６３０の可変コンデンサ６２２、６２３のバイアス電圧が値Ｖ１を有するときに、波形８３１、８３２によってそれぞれ示される信号６３１、６３２を出力する。ＢＲＦ６３０は、ＢＲＦ６３０の可変コンデンサ６２２、６２３のバイアス電圧が値Ｖ２を有するときに、波形８３１Ｂ、８３２Ｂによってそれぞれ示される信号６３１、６３２を出力する。本発明の別の例示的な一実施形態において、受信した基準信号に対する出力信号の位相シフトは、約−１００度〜約＋１００度の範囲内である。反射型増幅器６４０および６５０は、対応して、信号６４１および６５１を出力する。信号６４１および６５１は合成器６６１に供給される。合成器６６１から信号６６１が出力される。信号６４１、６５１は、ＢＲＦ６３０の可変コンデンサ６２２、６２３のバイアス電圧が値Ｖ１を有するときに、波形８４１、８５１によってそれぞれ表わされる。信号６４１、６５１は、ＢＲＦ６３０の可変コンデンサ６２２、６２３のバイアス電圧が値Ｖ２を有するときに、波形８４１Ｂ、８５１Ｂによってそれぞれ表わされる。
図８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄから、波形８６１、８６１Ｂによって表わされる信号６６１の周波数は信号６０１の２倍の周波数を有することに留意されたい。さらに、バイアス電圧Ｖ１に対応する波形８６１の位相は、バイアス電圧Ｖ２に対応する波形８６１Ｂの位相とは異なっている。
図９は、本発明の例示的な一実施形態によるアンテナ・ビームを方位角および仰角において配向することができるフェーズド・アレイ・アンテナを示す。図９の例示的なフェーズド・アレイ・アンテナは、４つの基本ブロック５０２、５０４、５０６、５０８を有している。当業者であれば容易に理解するように、フェーズド・アレイ・アンテナの構成は複数の分散された基本ブロックから作ることができ、また本例は、本発明の簡略かつ明瞭な説明を与える便宜上示したものである。図９において、部材番号５４１、５４２、５４３、５４４、５４５、５４６、５４７、５４８は放射器を表し、部材番号５７１、５７２、５７３、５７４、５７５、５７６、５７７、５７８は増幅器を表し、部材番号５６１、５６２、５６３、５６４、５６５、５６６、５６７、５６８はミキサを表し、部材番号５５１、５５２、５５３、５５４、５５５、５５６、５５７、５５８はサンプリング・カプラを表し、部材番号５１２、５１４、５１６、５１８はアンテナ・ビームを仰角方向において配向するために使用されるＰＳＩＰＰＯを表し、部材番号５３１、５３２、５３３、５３４、５３５、５３６、５３７、５３８はアンテナ・ビームを方位角方向において配向するために使用されるＰＳＩＰＰＯを表している。本発明の例示的な一実施形態において、ＰＳＩＰＰＯ５３１、５３３、５３５、５３７は、角度β１、β３、β５、β７それぞれ位相シフトされており、ＰＳＩＰＰＯ５３２、５３４、５３６、５３８は、それぞれ角度β２、β４、β６、β８を位相シフトされており、ＰＳＩＰＰＯ５１２、５１４、５１６、５１８は、それぞれ角度α１、α２、α３、α４を位相シフトされている。特定の一例において、角度β１＝β３＝β５＝β７＝１００度、角度β２＝β４＝β６＝β８＝０度、および角度α１＝−１５０度、角度α２＝−５０度、角度α３＝＋５０度、角度α４＝＋１５０度である。他の角度は、前述の例から容易に理解されるであろう。
図９で説明したシステムは、ビームを仰角および方位角において配向することができる簡単なフェーズド・アレイ・アンテナの一例である。ブロック５０２を参照して、ＰＳＩＰＰＯの分散ネットワークによって生成される信号の目的は、変調信号をアップ・コンバートするために適切なＲＦポンプをミキサ５６１、５６２に提供することである。ミキサの符号中に示す矢印が示す通り、変調信号がミキサに入力される。サンプリング・コンデンサ５５１、５５２の目的は、受信信号をダウン・コンバートするために適切なポンプを受信機（図示せず）のダウン・コンバータに提供することである。
また、図５はＰＳＳＩＯ（例えば、５１２、５１４、５１６、５１８）が複数の放射器に影響するという意味で、分散したフェーズド・アレイ・アンテナ・アーキテクチャを示す。一方、非分散アーキテクチャ（例えば、図１に示したもの）では、Ｔ／Ｒモジュールにおける位相シフタ（例えば、１１２、１１４、１１６、または１１８）は１つの放射器にのみ影響する。
図１０は、本発明の例示的な一実施形態による無線ネットワーク・システム２５０を示す。システム２５０によれば、向上かつ改善された無線通信ネットワークが開示されている。システム２５０は、複数の無線アクセス・ポイント２５２、２５４を備えており、それぞれ信号２６０、２６２、２６４、２６６、２６８を送受信するフェーズド・アレイ・アンテナ２５６、２５８を用いている。信号２６０、２６２、２６４、２６６の一部は、複数の無線デバイス（例えば、パーソナル・コンピュータ２７０、２７２、２７４、および携帯端末２７８）間の通信のために使用される。無線デバイスは、アクセス・ポイント２５２を用いることによって第１のネットワーク２８０にアクセスすることができ、その結果、他の遠隔コンピュータ２８４または他の遠隔の携帯機器と通信することができる。これらは、携帯端末および無線通信デバイス（無線およびネットワーク電話を含む）を含んでもよい。この例示的な図において、第１のネットワーク２８０および第２のネットワーク２８２は、強固な通信線を介して接続されてはいない。本発明の２５６、２５８のフェーズド・アレイ・アンテナを用いるアクセス・ポイント２５２、２５４は通信範囲内にあり、したがって第１および第２のネットワーク２８２間の橋渡しをすることができる。Wi-Fi（登録商標）またはWi-Max技術を利用する広帯域アクセス・ポイント２５６、２５８を用いることによって、遠隔コンピュータ２８４、２８６間の通信を可能にすることを補助することができる。本発明のフェーズド・アレイ・アンテナを有する無線アクセス・ポイント２５２、２５４を用いることによって、本発明により示される新しい改善されたフェーズド・アレイ・アンテナを用いる結果として、各無線アクセス・ポイントにアクセスして利用することができるユーザの数を著しく増加することが可能となる。したがって、複数のＰＳＩＰＰＯ（図示しない）を有するフェーズド・アレイ・アンテナ２５２、２５４を用いることにより、現在のところ利用可能ではないサービスを提供することが可能になるであろう。例えば、ネットワーク電話の利用、テレビ電話呼び出し、著しいデータ・ダウンロードおよびアップロード機能、ならびに他の任意のサービスとして、付加的な帯域幅と、はるかに多い数のユーザまたは加入者を、より少ない数のアクセス・ポイントを用いて取り扱う能力とを必要とするサービスである。
図１１に、本発明の例示的な実施形態による衛星携帯テレビ・システム２００を示す。人工衛星２０２から信号２０４が送信される。フェーズド・アレイ・アンテナ２０６が、車両２１０の上空から見える屋根または他の場所に配置されており、信号を受信して、対応する信号を車両２１０の内部に配置されたテレビ受像機（ＴＶ）に送信する。当業者であれば理解するように、前述のシステムは例示的なものであり、本発明の新しい改善されたフェーズド・アレイ・アンテナに対する多くの利用可能な応用例のいくつかを説明するのに役立つ。本発明の例示的な実施形態によれば、フェーズド・アレイ・アンテナにおいて複数のＰＳＩＰＰＯが使用され、ＰＳＩＰＰＯが本発明の特定の典型的なアーキテクチャにおいて組織化されれば、結果として生じるフェーズド・アレイ・アンテナは優位であり、例えば、コストが低くなるかまたは消費電力が小さくなる。さらに、本発明のフェーズド・アレイ・アンテナを、人工衛星アンテナ、データ交換またはスイッチング・デバイスによって使用されるアンテナなどを含むような任意のデータ送受信デバイスに対して利用できることが理解される。
本発明を、その実施形態の詳細な説明を用いて説明してきたが、詳細な説明は非限定的なものであって、一例として提供されたものであり、本発明の範囲を限定することを意図していない。一実施形態に対して記載した特徴または工程を他の実施形態とともに用いても良いこと、また特定の図に示し、または実施形態の１つに対して記載したすべての特徴または工程が、本発明のすべての実施形態に備わっているわけではないことを理解されたい。前述した実施形態のいくつかにおいて、発明者が意図する最良の実施形態が記載されている場合があり、したがって構造、作用、または構造および作用の詳細として、本発明にとって本質的ではない場合があり例として記載されるものが含まれることに留意されたい。
ここで説明した構造および作用は、同じ機能を行なう均等物によって、たとえその構造または作用が異なっていたとしても交換可能であることは、当該技術分野で知られている。したがって、特許請求の範囲で用いた要素および限定のみによって、本発明の範囲は限定される。さらに、用語「備える」、「含む」、「有する」およびそれらの活用形は、特許請求の範囲で用いた場合、「含むがこれらに限定されない」を意味する。

Claims (38)

  1. （ａ）反射型増幅器と、
    （ｂ）少なくとも１つの可変コンデンサおよび少なくとも１つの共振器を備える帯域阻止フィルタと、を備え、
    前記帯域阻止フィルタは前記反射型増幅器に接続される発振器。
  2. 前記帯域阻止フィルタは２ポート帯域阻止フィルタである請求項１に記載の発振器。
  3. 入力基準信号が前記発振器に注入される請求項１に記載の発振器。
  4. 前記発振器の出力信号が同期される請求項１に記載の発振器。
  5. 前記発振器が電圧制御される請求項１に記載の発振器。
  6. 電力分配器と、
    時間遅延ユニットと、
    帯域阻止フィルタと、
    少なくとも２つの反射型増幅器と、
    電力合成器と、を備える発振器。
  7. 前記帯域阻止フィルタは、共振器を形成する少なくとも２つの可変コンデンサおよび少なくとも２つのインダクタを備える請求項６に記載の発振器。
  8. 前記可変コンデンサは、ＤＳＰユニットによって生成される信号によって電圧制御される請求項７に記載の発振器。
  9. （ａ）受信した基準信号を第１の部分および第２の部分に分配するように動作する電力分配器であって、前記第２の部分は前記第１の部分に対して所定の量の遅延時間を遅延されている、電力分配器と、
    （ｂ）前記第１および第２の部分を受信して出力信号を生成するプッシュ・プッシュ発振器と、を備え、
    前記プッシュ・プッシュ発振器は、前記第１または第２の部分の位相を変更することにより、出力信号が前記基準信号の位相に対してシフトされた位相を有するように構成された帯域阻止フィルタを備える移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器。
  10. 前記電力分配器はゼロ度電力分配器である請求項９に記載の移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器。
  11. 前記電力分配器はウィルキンソン型電力分配器である請求項９に記載の移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器。
  12. 前記生成された出力信号は、前記受信した基準信号とほぼ同じ安定性特性を有する請求項９に記載の移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器。
  13. 前記生成された出力信号は、前記受信した基準信号とほぼ同じノイズ特性を有する請求項１２に記載の移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器。
  14. 前記所定の量の遅延時間は、前記基準信号の周期の約半分である請求項９に記載の移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器。
  15. 前記所定の量の遅延時間は、前記基準信号の周期の約半分の奇数倍である請求項９に記載の移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器。
  16. 前記生成された出力信号は、前記受信した基準信号と同じ周波数およびほぼ同じノイズ特性を有する請求項９に記載の移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器。
  17. 前記生成された出力信号は、前記受信した基準信号とほぼ同じ安定性特性を有する請求項９に記載の移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器。
  18. 前記受信した基準信号に対する前記出力信号の位相シフトは、約−１００度〜約＋１００度の範囲内である請求項９に記載の移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器。
  19. 前記帯域阻止フィルタは少なくとも２つの可変コンデンサを備える請求項９に記載の移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器。
  20. 前記可変コンデンサは、前記帯域阻止フィルタの共振周波数を変更するために使用される請求項９に記載の移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器。
  21. 注入同期プッシュ・プッシュ発振器を位相シフトするための方法であって、
    （ａ）受信した基準信号を第１の部分および第２の部分に分配する工程であって、前記第２の部分は前記第１の部分に対して所定の量の遅延時間を遅延されている工程と、
    （ｂ）前記第１および第２の部分をプッシュ・プッシュ発振器によって受信する工程と、
    （ｃ）出力信号を前記プッシュ・プッシュ発振器によって生成する工程と、を備え、
    前記プッシュ・プッシュ発振器は、前記第１または第２の部分の位相を変更することにより、前記出力信号が基準信号の位相に対してシフトされた位相を有するように構成される方法。
  22. 前記第２の部分が前記第１の部分に対して遅延される前記所定の量の遅延時間は、前記基準信号の周期の約半分である請求項２１に記載の方法。
  23. 前記第２の部分が前記第１の部分に対して遅延される前記所定の量の遅延時間は、前記基準信号の周期の約半分の奇数倍である請求項２１に記載の方法。
  24. （ａ）少なくとも１つのレベルの請求項１に記載の移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器と、
    （ｂ）前記少なくとも１つのレベルの移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器によって後に取り扱われる電力のサンプリング部分を受信する受信機能と、を備える送信機／受信機モジュール。
  25. 注入同期プッシュ・プッシュ発振器を位相シフトするための方法であって、
    位相を有する第１の信号を受信する工程と、
    前記第１の信号を分配して、前記第１の信号の第１の部分を帯域阻止フィルタに注入するとともに、前記第１の信号の第２の部分を時間遅延ユニットに注入する工程と、
    前記第１の信号の前記第１または第２の部分の共振周波数を変更する工程と、
    前記第１の信号の前記第１の部分および第２の部分を、前記帯域阻止フィルタと少なくとも２つの反射型増幅器との間で発振させる工程と、
    前記少なくとも２つの反射型増幅器から得られる前記第１の信号の前記第１および第２の部分を合成する工程と、
    前記合成信号を出力する工程と、を備える方法。
  26. 前記第１の信号は、基準信号または注入同期プッシュ・プッシュ発振器の以前の位相シフトから得られる信号である請求項２５に記載の方法。
  27. 前記合成信号は、注入同期プッシュ・プッシュ発振器の別の位相シフトへまたは放射器へ出力される請求項２５に記載の方法。
  28. 前記合成信号は、前記第１の信号の約２倍の周波数および２倍の位相シフトを有する請求項２５に記載の方法。
  29. 前記時間遅延ユニットは、前記第１の信号の周期の約半分の遅延時間を生成する請求項２５に記載の方法。
  30. 方位角および仰角において配向可能なアンテナ・ビームを有するフェーズド・アレイ・アンテナであって、
    複数の放射器、増幅器、ミキサ、サンプリング・カプラ、および位相シフタ注入同期発振器を備え、前記位相シフタ注入同期発振器は仰角および方位角方向でのアンテナ・ビーム配向用であるフェーズド・アレイ・アンテナ。
  31. 前記移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器はそれぞれ、
    （ａ）受信した基準信号を第１の部分および第２の部分に分配するように動作する電力分配器であって、前記第２の部分は前記第１の部分に対して所定の量の遅延時間を遅延されている、電力分配器と、
    （ｂ）前記第１および第２の部分を受信して出力信号を生成するプッシュ・プッシュ発振器と、を備え、
    前記プッシュ・プッシュ発振器は、前記第１または第２の部分の位相を変更することにより、出力信号が前記基準信号の位相に対してシフトされた位相を有するように構成された帯域阻止フィルタを備える請求項３０に記載のフェーズド・アレイ・アンテナ。
  32. 前記移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器の第１の部分は第１の程度位相シフトされ、前記移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器の第２の部分は第２の程度位相シフトされ、前記移相注入同期プッシュ・プッシュ発振器の第３の部分は第３の程度位相シフトされ、前記第１の程度は前記第２の程度に相関し、前記第２の程度は前記第３の程度に相関している請求項３０に記載のフェーズド・アレイ・アンテナ。
  33. 無線通信デバイスで使用される請求項３０に記載のフェーズド・アレイ・アンテナ。
  34. 無線アクセス・ポイントで使用される請求項３０に記載のフェーズド・アレイ・アンテナ。
  35. 衛星モバイル・テレビ・システムで使用される請求項３０に記載のフェーズド・アレイ・アンテナ。
  36. 人工衛星アンテナで使用される請求項３０に記載のフェーズド・アレイ・アンテナ。
  37. データ・スイッチング・デバイスに接続されたアンテナで使用される請求項３０に記載のフェーズド・アレイ・アンテナ。
  38. データ送受信デバイスに接続されたアンテナで使用される請求項３０に記載のフェーズド・アレイ・アンテナ。
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