JP2010530652A - フェーズ・アレイ・アンテナを使用する無線エリア・ネットワーク対応システムおよび方法 - Google Patents

フェーズ・アレイ・アンテナを使用する無線エリア・ネットワーク対応システムおよび方法 Download PDF

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Abstract

少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームと、前記少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームに接続しているフェーズ・アレイ・アンテナ回路とを備える無線エリア・ネットワーク通信システム。前記フェーズ・アレイ回路および前記少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームは、無線エリア・ネットワーク・デバイスとの間で無線エリア・ネットワーク対応信号を送受信することができる。

Description

本発明は、概して、ブロードバンド・アクセスの分野に関し、特に、無線通信ネットワーク内でフェーズ・アレイ・アンテナを使用する方法およびシステムに関する。
家庭用および事務所用の無線アクセサリの量が急速に増大しているので、ブロードバンド無線アクセスの解決方法に対する需要も増大している。
一例を挙げて説明すると、この通信領域を規制するために制定された規格が、５つのサブグループ８０２．１５．１〜８０２．１５．５に分割されているＩＥＥＥ８０２．１５である。これらの規格の中で、高速ＷＰＡＮ（無線パーソナル・エリア・ネットワーク）に関する８０２．１５．３は、主として室内無線通信にとって非常に重要なものである。
ＩＥＥＥ８０２．１５．３タスク・グループ３ｃ（ＴＧ３ｃ）は、２００５年３月に制定された。ＴＧ３ｃは、既存の８０２．１５．３無線パーソナル・エリア・ネットワーク（ＷＰＡＮ）規格８０２．１５．３−２００３のためのミリ波ベースの代替物理層（ＰＨＹ）を現在開発中である。
このミリ波ＷＰＡＮは、ＦＣＣ ４７ ＣＦＲ １５．２５５が規定している５７〜６４ＧＨｚの許可されていないバンドを含む新しく未使用のバンド内で動作する。ミリ波ＷＰＡＮは、ＷＰＡＮの８０２．１５グループ内で、すべての他のマイクロ波システムと非常にうまく共存することができる（物理的空間が狭い）。
さらに、ミリ波ＷＰＡＮを使用すれば、高速インターネット・アクセス、ストリーミング・コンテンツ・ダウンロード（ビデオ・オン・デマンド，ＨＤＴＶ、ホームシアター等）、リアルタイム・ストリーミングおよびケーブル置換のための無線データ・バスのような１ギガビット／秒の用途において非常に高いデータ・レートを達成することができる。３ギガビット／秒を超えるオプションとしてのデータ・レートも可能である。
この周波数範囲内で、このようなブロードバンド機能を有し、同時に低コストの商用的要件に準拠する通信システムに対するニーズを満たすのは技術的に非常に困難である。
この通信領域で使用可能な候補の１つが、ＭＩＭＯ（多重入力多重出力）である。しかし、シミュレーション計算および機械的な問題などいくつかの理由から、ＭＩＭＯは、上記要件には適していないと考えられている。
高い周波数、広い帯域幅および低コストの要件を満たすことができるコスト・パフォーマンスのよいシステムを提供するための革新的な技術が求められている。上記目的を達成するために不可欠であると認識されている技術的なシステムの性能は、アンテナの広いビームステアリング機能と一緒に、アンテナ・ビーム焦点の改善である。
可能な解決方法としては、最近有意に改善されたフェーズ・アレイ・アンテナ・システムの使用がある。
本発明のある実施形態の１つの態様は、フェーズ・アレイ・アンテナ・デバイスによりＷＰＡＮを実施するための方法およびシステムに関する。
本発明の好ましい実施形態は、少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレーム、この少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームに接続しているフェーズ・アレイ・アンテナ回路を備える無線エリア・ネットワーク通信システムを提供する。この場合、フェーズ・アレイ回路および上記少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームは、無線エリア・ネットワーク・デバイスとの間で無線エリア・ネットワーク対応信号を送受信することができる。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、フェーズ・アレイ・アンテナ・フレームは、放射波を送信または受信する。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、フェーズ・アレイ・アンテナ回路は、上記少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームを駆動し、制御する働きをする。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、無線エリア・ネットワークは、無線パーソナル・エリア・ネットワークである。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、フェーズ・アレイ・アンテナ・フレームは、放射体の少なくとも２つのグループを含む。この場合、放射体のグループの一方は、基準グループとして定義される。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、放射体のグループの一方は、上記基準グループに対する位相シフトにより、送信または受信を行うように上記フェーズ・アレイ回路により制御される。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、位相シフトは、プログラムすることもできるし、またはハードコード化することもできる。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、フェーズ・アレイ・アンテナ・フレームは、放射体の少なくとも２つの実質的に線形の一次元アレイを含む。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、フェーズ・アレイ・アンテナ・フレームは、放射体の偶数の実質的に線形の一次元アレイを備える。この場合、放射体の実質的に線形の各一次元アレイは、Ｎ個の放射体の２つの電力からなる。ここで、Ｎは１より大きい整数である。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、フェーズ・アレイ・アンテナ・フレームは、実質的に六角形をしている放射体を含む。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、システムは、放射体の各グループに関連する異なる放射モード間で選択的に切り替わる。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、放射モードは、異なる位相シフトで送受信する放射体のグループの数、および上記のプログラム可能な位相シフトにより定義される。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、フェーズ・アレイ回路は、水平ビーム・アパーチャ内で放射するために、上記フェーズ・アレイ・アンテナ・フレームを制御する。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、水平ビーム・アパーチャの幅は、約３〜約１５度である。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、システムは、複数の無線エリア・ネッ
トワーク・デバイスと通信することができる。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、システムは、パーソナル・コンピュータと通信することができる。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、システムは、少なくとも１つのＴＶデバイスと通信することができる。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、プログラム可能な位相シフトは、＋／−１８０度である。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、プログラム可能な位相シフトは、＋／−１８０度であり、プログラム可能な位相シフトは、信号位相を反転するための送信ラインにより行われる。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、無線エリア・ネットワーク対応信号は、約５７〜約６４ＧＨｚバンド内で送信される。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、システムは、２つの放射モード間で選択的に切り替わる。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、システムは、２つの放射モード間で選択的に切り替わり、その場合、フェーズ・アレイ・アンテナ・フレームは、放射体の２つの線形の一次元アレイを備える。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、システムは、上記の異なる位相モードで受信する信号のレベルにより、異なる放射モード間で選択的に切り替わる。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、水平ビーム・アパーチャは、プログラム可能なパターンにより水平方向に操作される。
このシステムのある例示的実施形態の場合には、無線エリア・ネットワーク・デバイスとの間の無線エリア・ネットワーク対応信号の送受信は、任意選択として、ビルの壁部を通して行われる。
この方法の好ましい実施形態は、少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームおよび、この少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームに接続しているフェーズ・アレイ・アンテナ回路を提供するステップと無線エリア・ネットワーク・デバイスとの間で無線パーソナル・エリア・ネットワーク対応信号を送受信するために上記フェーズ・アレイ・アンテナ回路により上記少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームを制御するステップを含む無線通信を実施するための方法を提供する。
下記の詳細な説明を読み、添付の図面を見れば、本発明をよりよく理解することができるだろう。２つ以上の図面上の同じ構造、要素または部材には、一般に図面全体を通して同じまたは類似の番号が付けてある。
本発明の例示的実施形態による、２つの固定フェーズ・アレイ・アンテナ・システム、およびフェーズ・アレイ・アンテナ・システムを備える２台のパーソナル・コンピュータを含む部屋の平面図。 本発明の例示的実施形態による、１つの固定フェーズ・アレイ・アンテナ・システムおよびフェーズ・アレイ・アンテナ・システムを備える数台のパーソナル・コンピュータを含む部屋の平面図。 本発明の例示的実施形態による、第１の放射モードでの２つの固定フェーズ・アレイ・アンテナ・フレームおよびフェーズ・アレイ・アンテナ・システムを備える２台のパーソナル・コンピュータを備える部屋の前面図。 本発明の例示的実施形態による、第２の放射モードでの２つの固定フェーズ・アレイ・アンテナ・フレームおよびフェーズ・アレイ・アンテナ・システムを備えるＴＶを含む部屋の前面図。 本発明の例示的実施形態による、同じフロア上の部屋間の信号分布の平面図。 本発明の例示的実施形態による、フェーズ・アレイ・アンテナ・フレームの略図。 本発明の例示的実施形態による、受信および送信のための別々のユニットからなるフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームの略図。 本発明の例示的実施形態による、第１の動作モードでのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームの放射パターンの側面図。 本発明の例示的実施形態による、第１の動作モードでのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームの放射パターンの平面図。 本発明の例示的実施形態による、第２の動作モードでのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームの放射パターンの側面図。 本発明の例示的実施形態による、第２の動作モードでのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームの放射パターンの平面図。 本発明の例示的実施形態による、２つの動作モードの組合せをサポートする、フェーズ・アレイ・アンテナ回路を実施するための回路の略図。
参照により本明細書に組み込むものとする、２００６年１０月３日付けの特許出願第ＰＣＴ／ＩＬ２００６／００１１４４号および２００６年９月６日付けの第ＰＣＴ／ＩＬ２００６／００１０３９号に、アクティブ・フェーズ・アレイ・アンテナ用の低コストおよび軽量の分散型Ｔ／Ｒ多重モジュールを提供するための要素および回路設計が記載されている。
これらの出願は、フェーズ・アレイ・アンテナにより送信され、検出される信号を発生し、制御するための低コストで小型な回路として実施することができ、または集積チップとして製造することができる回路について記述している。本出願は、以下にさらに説明するように、本発明を実施するのに適しているフェーズ・アレイ・アンテナを提供するためにこれらの出願に記述するコンセプトを実施する。
図１Ａは、本発明１００Ａによるフェーズ・アレイ・アンテナ・システムの配置の平面図を示す。図１は、２台のパーソナル・コンピュータ１３０、１４０が部屋の異なる区画に位置する居間１０１を示す。各パーソナル・コンピュータは、それぞれ、１つの相アレイ・アンテナ・システム１１７、１２２を備える。各フェーズ・アレイ・アンテナ・システムは、それぞれ、フェーズ・アレイ・アンテナ・フレーム１１５、１２０、およびそれぞれ、フェーズ・アレイ・アンテナ制御および駆動回路１１６および１２１（以後「フェーズ・アレイ・アンテナ回路」と呼ぶ）を含む。
本発明の例示的実施形態は、部屋の異なる隅に位置する２つの固定フェーズ・アレイ・アンテナ・システム１０７、１１２を含む。各システム１０７および１１２も、それぞれフェーズ・アレイ・アンテナ・フレーム１０５、１１０を含み、それぞれフェーズ・アレイ・アンテナ回路１０６および１１１を含む。
各フェーズ・アレイ・アンテナ・フレームは、データを送信および／または受信する。楕円１５０、１６０、１５５および１６５は、それぞれフェーズ・アレイ・アンテナ・フ
レーム１０５、１１５、１１０および１２０の放射パターンの略図である。楕円は、一般的なビーム方向を説明するための概略図であるビーム幅の概略の図面であることに留意されたい。しかし、これらの楕円は、ビーム・パターンの定量的な表示ではない。このことは図１Ｂ、図１Ｃ、図１Ｄおよび図３の楕円にも当てはまる。
本発明の例示的実施形態の場合には、フェーズ・アレイ・アンテナ・システム１０７は、フェーズ・アレイ・アンテナ・システム１１７からの最適な受信レベルに達するまで、そのビーム１５０を水平方向に操作する（方位角操作）。フェーズ・アレイ・アンテナ・システム１０７から最適な受信レベルが得られるまで、そのビーム１６０の水平方向の操作を行うフェーズ・アレイ・アンテナ・システム１１７にも同じ手順が適用される。
フェーズ・アレイ・アンテナ・システム１１２および１２２にも同じ手順が適用される。
本発明によるフェーズ・アレイ・アンテナ・システムの狭い水平ビーム・アパーチャおよび低い側部ローブにより、確実に側部ローブ上のロックを避けることができることに留意されたい。
任意選択として、信号受信のレベルが最適になると、フェーズ・アレイ・アンテナ・システムは、後で電源をオンした場合に迅速に初期化を行うことができる方位角を記憶する。
気が付かれたと思うが、たった２つのシステムを使用することにより、矩形の部屋の全エリアをカバーすることができる。
本発明の他の例示的実施形態の場合には、図１Ｂの１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・システム１０７が、３つのフェーズ・アレイ・アンテナ・システム１１７、１２２および１７２と通信し、フェーズ・アレイ・アンテナ・システム１１７および１２２は、それぞれパーソナル・コンピュータ・デバイス１３０および１４０と接続し、フェーズ・アレイ・アンテナ・システム１７２はＴＶデバイス１６９と接続している。
以下にさらに説明するように、すべてのアンテナのビームを操作することにより、システムの機能を別々に相互に作用させることができる。複数のフェーズ・アレイ・システムからデータを送信し、受信するために、フェーズ・アレイ・アンテナ・システム１０７は、パーソナル・コンピュータ１３０を指している楕円１５０、パーソナル・コンピュータ１４０を指している楕円１５２、およびＴＶ１６９を指している楕円１５３で示す３つの位置間で方位角方向の操作を行い、電子的に回転する。固定システムおよびパーソナル・コンピュータ／ＴＶ／セルラーホン等間の遷移をロックした後で、パーソナル・コンピュータ・デバイスとの通信は通常二方向になり、一方、ＴＶとの通信は一方向であり、この場合、ＴＶのフェーズ・アレイ・アンテナ・システムはデータを受信するだけである。
フェーズ・アレイ・アンテナ・システムによるアンテナの操作は非常に高速であり、通常、第１のビーム方向１５０から第２のビーム方向１５２または１５３へのスイッチングにかかる時間は、数マイクロ秒程度であることを覚えておいてほしい。
通常の当業者であれば、１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・システムは、タイム・シェアリングにより複数のＷＰＡＮデバイスと同時に通信することができることを理解することができるだろう。この場合、デバイスの数の制限は、デバイスの帯域幅要件およびフェーズ・アレイ・アンテナ・システムの帯域幅機能により決まる。図１Ｂは、３つのフェーズ・アレイ・アンテナ・システム１１７および１２２と通信しているフェーズ・アレイ・アンテナ・システム１０７を示しているが、フェーズ・アレイ・アンテナ・システム１０７は、またフェーズ・アレイ・アンテナ・システム以外の任意のＷＰＡＮ対応デバイス
とも通信することができる。
図１Ｃは、垂直面内のフェーズ・アレイ・アンテナ・ビームを説明するための前面から見た同じ部屋１０１を示す。図１Ｃは、第１の放射モードで動作している場合のビームの垂直断面図を示す。第１の放射モードの場合には、例えば、１５０、１５５、１６０および１６５のような１つの主要な放射ローブが存在し、このローブは、２つの通信しているデバイス間に見通し線を遮るものがない場合には、うまくカバーする垂直面内に約３０度のアパーチャを有する。しかし、動的環境においては、例えば、部屋を横切って移動中の人のような障害物が、通信しているデバイスの見通し線を遮る場合には、他のアプローチが必要になる。
図１Ｄは、人１８０が２つのフェーズ・アレイ・アンテナ・システム１１２および１２２間の見通し線を遮った場合の同じ部屋１０１を示す。図１Ｄは、システムが受信信号レベルの劣化を検出した場合の第２の放射モードへの切り替えを示す。この場合、各１つの主要なローブ１６５および１５５は、２つの主要なローブに分割される。すなわち、ローブ１５５は、１５５Ａおよび１５５Ｂに分割され、ローブ１６５は、１６５Ａおよび１６５Ｂに分割される。フェーズ・アレイ・アンテナ・フレームが放射する２つの主要なローブは、間接的な経路により放射を送受信するためのものである。すなわち、例えば、参照番号１７０で示す破線で示す経路のような環境、主として周囲の壁部からの電磁エコーを送受信することができるようにするためのものである。
図１Ｅは、同じフロア１００Ｅ上の９つの部屋１９３間の信号の分布を示す。入力領域内において、信号はアンテナ１９０によりインターセプトされ、主フェーズ・アレイ・アンテナ１９１により受信される。信号は、一組のフェーズ・アレイ・アンテナ１９２ａ〜１９２ｒにより送受信される。図１Ｅに示すように、例えば、信号が、壁部１９４を横切りながら、フェーズ・アレイ・アンテナ１９２ｂから１９２ｅへ送信された場合には、信号は、部屋の壁部を横切って送受信される。高い周波数の放射の減衰は比較的小さいので、高い周波数は、コンクリート、ベニヤ、粘土煉瓦、ガラス等のような一般の部屋の壁部を通過することができる。例えば、通常のコンクリートの壁部による５．８ＧＨｚの信号の減衰は約７ｄＢである。それ故、１つの主および一組のフェーズ・アレイ・アンテナは、フロア全体を完全に無線でカバーすることができる。出力領域は対称的であるが反対方向を向いている。
フェーズ・アレイ・アンテナ１９２ａ〜１９２ｒは、同様に、その経路に沿った信号の減衰を補償するために、リピータとして機能することができることに留意されたい。しかし、一組のリピータによる信号分布の技術は、当業者であれば周知のものであるので、詳細な説明は省略する。
図２Ａは、関連する基板を含む誘電体基板上に位置する矩形のケース２０５上に位置するマイクロストリップ放射体（「放射体」と呼ぶ）２１０、２１５の２つの２次元アレイを含む分散型アクティブ・フェーズ・アレイ・アンテナ（ＡＰＡＡ）（「フェーズ・アレイ・アンテナ・フレーム」と呼ぶ）２００Ａの放射部分を示す。放射体の一次元アレイは、Ａ１〜Ａ４およびＢ１〜Ｂ４で示す８つの放射体からなる。各放射体は、例えば、放射体Ａ１、２３０のように六角形のパッチの形をしている。各放射体は、放射体（Ａ１〜Ａ４）の上部頂点のところに、または放射体（例えば、Ｂ１〜Ｂ４）の下部頂点のところに、フィーダ（放射体へおよび放射体から電磁波を運ぶＩ／Ｏポート）２３５、２４５を有する。送信利得および／または受信利得の点で、四角形の放射体または円形の放射体よりよい結果を得ることができるように、また両者間の距離が同じ場合には、隣接する放射体間の分離をよりよくするように、六角形の放射体をシミュレーションにより図示してある。
本発明の例示的実施形態の場合には、放射体のフィーダの位置は対称的な構造を形成する。放射体の第１の１次元アレイにおいては、放射体のフィーダは、六角形のパッチの上部頂点のところに位置する。一方、放射体の第２の１次元アレイにおいては、放射体のフィーダは、パッチの下部頂点のところに位置する。放射体のフィーダのこの対称的な位置は、オプションとして放射のパターンの対称を改善するのに役立っていることに留意されたい。
アンテナの寸法は、ミリ波周波数および基板の誘電率により異なる。例えば、誘電率６の基板上に実施する６０ＧＨｚのＷＰＡＮ放射体の寸法は、約１ミリメートル程度である。このコンパクトな実施形態は、ハンドヘルド・コンピュータ、パーソナル・データ・オーガナイザ（ブラックベリー）、セルラーホン、ノートブック・パーソナル・コンピュータ等のような種々のハンドヘルド・デバイス内に本発明のフェーズ・アレイ・アンテナを内蔵することができる。
本発明の例示的実施形態の場合には、図２Ａのデバイスと通信するための高い電力密度を依然として維持しながら包括角（ｃｏｖｅｒａｇｅ ａｎｇｌｅ）をより広くするために、異なる放射パターン（「放射モード」と呼ぶ）が、放射体の同じ物理的パターンにより生成される。
任意選択として、アンテナ２００による複数の放射モードの生成が、放射体２１０、２１５の２つの１次元アレイ間の信号への相対的な位相シフトにより画定される。
本発明の例示的実施形態の場合には、第１の放射モードは、第１の１次元アレイの各要素「Ａ」と第２の１次元アレイの対応する要素「Ｂ」との間に位相の違いがないように、放射体２１０および２１５の２つの１次元アレイに要求された位相を提供することにより形成される。第２の放射モードは、第１の１次元アレイの各要素「Ａ」と、第２の１次元アレイの対応する要素「Ｂ」との間の位相の差が１８０度になるように、放射体２１０および２１５の２つの１次元アレイに要求された位相を提供することにより形成される。
同じ放射体を介して送信および受信の両方を行うことができ、場合によりより効率的なアーキテクチャとすることができる。しかし、本発明の例示的実施形態の場合には、送信および受信は、送信用放射体と受信用放射体との間で分割される。送信および受信のための異なる放射体の展開は、２つの異なるフェーズ・アレイ・フレームへの機能の分割のような種々のトポロジーにより行うこともできるし、別の方法としては、受信のために相補サブグループを使用しながら、送信のためのフェーズ・アレイ・フレーム内に放射体のサブグループを形成することができる。
すでに説明したように、２つの放射モードを生成するために、および以下にさらに説明するように、フェーズ・アレイ・アンテナ制御および駆動回路を使用している場合に、フェーズ・アレイ・アンテナ・フレームを、図２Ａに示すように、水平方向を向けなければならないことに留意されたい。
図２Ｂは、送信および受信が、本発明の例示的実施形態よる２つの別々のユニットにより行われるフェーズ・アレイ・アンテナ・トランシーバの略図を示す。以下にさらに説明するように、受信ユニットと送信ユニットとを分離すれば、放射周波数が比較的高い場合には、技術的および経済的利点が得られるものと思われる。
受信および送信ユニットは、基本的には同じ構造を有する。図２Ｂは、左側の放射体Ａ１Ｔ〜Ａ４ＴおよびＢ１Ｔ〜Ｂ４Ｔを含む送信ユニットを示す。受信放射体Ａ１Ｒ〜Ａ４ＲおよびＢ１Ｒ〜Ｂ４Ｒは、図２Ｂの右側に位置する。参照番号２６１ａ〜２６４ａおよ
び２６１ｂ〜２６４ｂは、送信ユニットのフィーダを示し、参照番号２６５ａ〜２６８ａおよび２６５ｂ〜２６８ｂは、受信ユニットのフィーダを示す。
図２Ｂは、さらに、アンテナ制御（フェーズ・アレイ回路と呼ぶ）を行う電子回路を含むシリコン・チップ２７０〜２７９間の接続の略図を示す。
規定の長さのマイクロ・ストリップ・ライン２６１ａ〜２６８ａおよび２６１ｂ〜２６８ｂは、放射体のフィーダであり、誘電体基板（図示せず）の上面に位置する。六角形パッチは、フィーダからパッチにエネルギーの電磁変換が効率的に行われるように、前の基板に重畳している第２の基板（図示せず）の上面に位置する。
図２Ｂは、送信ユニットと受信ユニットとの違いを図示していない。しかし、送信ユニットにおいては、フィーダ２６１ａ〜２６４ａおよび２６１ｂ〜２６４ｂは、放射体Ａ１Ｔ〜Ａ４Ｔ、Ｂ１Ｔ〜Ｂ４Ｔに、回路２７０〜２７４が発生し、処理した搬送波を変換する働きをする。一方、受信ユニットにおいては、放射体Ａ１Ｒ〜Ａ４Ｒ、Ｂ１Ｒ〜Ｂ４Ｒを通して受信した信号は、回路２７５〜２７９が発生し、処理した信号によりベースバンドにダウン・コンバートされる。
図２Ｂの２７０〜２７４および２６５〜２７９で示す回路については、上記用途に詳細に説明した。
図３Ａは、第１の放射モードにより生成される放射パターンの側断面図を示す。放射パターン３１０は、家庭内でも事務所内でも通常の部屋内の標準的なテーブルの高さのところに常駐する静的デバイスを十分カバーする幅である、約３０度３１２の垂直アパーチャを有する。ビームは、仰角内で操作するためのものではなく、図Ａ３のセクションは、直立させるためのものである。
図３Ｂは、第１の放射モードで生成される放射パターン３２０の平面断面図を示す。放射パターンは、約５度３２５の水平アパーチャを有する。水平ビーム・アパーチャが狭いので、低い側部ローブ・レベルで狭い角度内に電力を集中することができることに留意されたい。ビームは、方位角内を操作し、そのため、図３Ｂのセクションは、広く方位角を掃引するためのものである。
図３Ｃは、第２の放射モードで生成される放射パターンの側断面図を示す。放射パターンは、２つのメイン・ローブ３３０Ａおよび３３０Ｂを有する。本発明の例示的実施形態の場合には、第２の放射モードは、第１のモードの電力と同じ電力量を放射するが、各ローブの利得は第１のモードの利得の半分である。しかし、間接的な通信を行うことができるように、放射データを広く分布することもできる（また広い角度でデータを受信することもできる）。第２の放射モードで生成された２つのメイン・ローブは、フロアおよび天井の両方に向けられ、放射の一部は、天井およびフロア（および室内の他の対象物）から反射し、目標のアンテナに届く。
ビームは仰角内を操作するためのものではなく、図３Ｃのセクションは直立させるためのものである。
図３Ｄは、第２の放射モードにより生成される放射パターンの平面断面図を示す。しかし、水平面においては、第１および第２の放射モードの放射パターンは同じアパーチャを有しているので、図３Ｄは、同じ幾何学的形状を示す。
ビームは、方位角内で移動するためのものであり、図３Ｄのセクションは、広い方位角を掃引するためのものである。
図２Ａを参照すると、放射体Ａ１〜Ａ４（図２Ａ）および対応するＢ１〜Ｂ４（図２Ａ）のところの信号間の位相差が０度の場合に、第１の放射モード（図３Ａおよび図３Ｂ）
が生成される。
放射体Ａ１〜Ａ４（図２Ａ）および対応するＢ１〜Ｂ４（図２Ａ）のところの信号が１８０度の位相差を有している場合に、第２の放射モード（図３Ｃおよび図３Ｄ）が生成される。
図４は、本発明の例示的実施形態による放射体のアレイに搬送波信号を提供するための回路のベースの例示としての図面である。
比較的低い周波数の場合には、受信（Ｒ／Ｘ）ユニットおよび送信（Ｔ／Ｘ）ユニットの両方に同じアンテナを使用するほうが商用的により効果的であるが、６０ＧＨｚのようなもっと高い周波数の場合には、この機能に接続している回路は、小さいサイズの放射体のアレイと互換性を持たない半導体のリアル・エステートを含んでいるので、２つの異なるサブシステム内にＴ／Ｘ機能およびＲ／Ｘ機能を分割するのが好ましい。さらに詳細に説明するように、異なる機能だけがＴ／Ｘ４９１ｉ〜４９１ｐに対するアップ・コンバータ、およびＲ／Ｘ．４９１ａ〜４９１ｈに対するダウン・コンバータである限りは、送信ユニットと受信ユニットの物理的構造の違いは小さい。これらのユニットは、基本的には同じ回路であり、使用方方法が異なるだけである。アップ・コンバータは、Ｔ／Ｘ電力アンプの入力のところに位置していて、ダウン・コンバータは、Ｒ／Ｘ低ノイズ・アンプの出力のところに位置している。
この回路は、その出力が２つの分割ユニット４０９、４１０に送られる発振器ユニット４０５を使用する。電力分配器４０９は、Ｒ／Ｘユニットに基準信号を供給し、一方、電力ディバイダ４１０は、Ｔ／Ｘユニットに基準信号を供給する。以下に主としてＲ／Ｘユニットについて説明し、かなりの違いがある場合に限りＴ／Ｘユニットについても説明する。次に、信号はＰＳＩＰＰＯ（位相シフト・プッシュ・プッシュ発振器）４２０〜４２１の第１のレベルになる。当業者であれば、ＰＳＩＰＰＯのこのレベルで決定される位相シフトは、ビームを操作する働きをすることを容易に理解することができるだろう。
次に、信号は、分割要素４３０〜４３１（電力スプリッタ）の他のレベルを通過し、ＰＳＩＰＰＯ４３５ａ〜４３５ｄの第２のレベルに達する。当業者であれば、ＰＳＩＰＰＯのこのレベルで決まる位相シフトは、ビーム操作を助けることを容易に理解することができるだろう。ＰＳＩＰＰＯの第１のレベル４２０、４２１および第２のレベル４３５ａ〜４３５ｄのところで位相シフトをゼロ度にすると、実質的に垂直なビームが得られる。この場合、その対称軸は、アンテナ面に対して垂直である。
次の段階において、信号は、４つの電力スプリッタ４４０〜４４３に送られ、次に多重機能ブロック４５０〜４５３に進む。上記ブロックが同じ構造を有している限りは、１つの位相シフト・ユニット４５０だけについて説明する。
ブロック４５０は、２つのブランチからなる。各ブランチは、放射体４９５ａおよび４９５ｂに接続している。図２Ａを参照すると、上記放射体は、Ａ１およびＢ１である。ブランチ４８４ａは、ある位相を有する接続ミキサに搬送波信号を供給する。第２のブランチ４８０ａ〜４８２ａは、ブランチ４８４ａと等しい、またはスイッチ４８０ａおよび４８２ａの位置により１０８度シフトしている位相を有する接続ミキサに同じ信号を供給する。このようにして、放射体のアレイは、上記２つの放射モードを生成することができる。任意選択として、送信ライン４８１ａは、１８０度より大きいかまたは小さい位相シフトを供給する。ダウン・コンバータ・ミキサ４９１ａ、４１９ｂは、それぞれアンテナ・パッチ４９５ａ、４９５ｂが受信し、それぞれ低ノイズ・アンプ４９２ａ，４９２ｂにより増幅した信号を受信し、それぞれ入力信号４９０ａ、４９０ｂを生成する。
Ｔ／Ｘ経路は、ミキサがデータ信号４９０ｉ〜４９０ｐを受信し、アンプ４９５ｉ〜４９５ｐにより増幅した後で、アンテナ・パッチ４９５ｉ〜４９５ｐに送られる出力信号を生成するアップ・コンバータ・ミキサ４９１ｉ〜４９１ｐであることが、Ｒ／Ｘ経路とは異なる。
２つのブランチ間の位相差は、主として各ミキサの前に追加のレベルのＰＳＩＰＰＯを挿入することにより生成される。しかし、この解決方法は、より多くの構成要素を必要とする。
遅延要素４８１ａ〜４８１ｈは、電子スイッチ４８０ａ〜４８０ｈ、４８２ａ〜４８２ｈのような簡単で低コストの送信ラインであることに留意されたい。電子スイッチおよび遅延要素を使用すると、追加のレベルのＰＳＩＰＰＯを使用する解決方法よりもコストが安くなり、サイズが小さくなる。
他の例示的実施形態の場合には、スプリッタ４４０からダウン・コンバータ・ミキサ４９０ａまでの経路（およびすべての等価の経路）も、オプションとしての位相シフト経路を含んでいて、もっと多くの位相シフトの組合せに対して回路をプログラムすることができる。
本発明のある実施形態の場合には、ＷＰＡＮフェーズ・アレイ・アンテナ・システムは、等しいまたは異なる数の放射体の線形アレイを使用して、３つ以上の放射モード間で切り替えを行う。
本発明のある実施形態の場合には、ＷＰＡＮフェーズ・アレイ・アンテナ・システムは、放射体の１次元アレイに１８０度より大きいかまたはそれより小さい位相シフトを行うことができる。
本発明のある実施形態の場合には、ＷＰＡＮフェーズ・アレイ・アンテナ・システムは、２つより多いかまたは２つより少ない放射体線形アレイを含むことができる。
本発明のある実施形態の場合には、ＷＰＡＮフェーズ・アレイ・アンテナ・システムは、放射体の線形アレイ以外の放射体の種々の組合せを含むことができる。この場合、放射体の任意のサブグループは、任意の基準サブグループに対してプログラム可能な位相シフトと関連する。
本発明のある実施形態の場合には、ＷＰＡＮフェーズ・アレイ・アンテナ・システムは、方位角ビームが上記のものよりも狭いかまたは広い放射モードを含むことができる。
本発明のある実施形態の場合には、ＷＰＡＮフェーズ・アレイ・アンテナ・システムは、放射モードを含むことができる。この場合、垂直ビーム・アパーチャは、上記の垂直ビーム・アパーチャより狭いか、または広く、垂直ビームの分布は、上記の形態とは異なる。
本発明のある実施形態の場合には、ＷＰＡＮフェーズ・アレイ・アンテナ・システムは、システムにより通信を行う送信デバイスを探索するために、周期的水平方向のアンテナの操作を行う。
本発明の例示的実施形態によるＷＰＡＮフェーズ・アレイ・アンテナ・システムを操作しながら、システムは２つの放射モード間で切り替えを行う。この切り替えは、周期的な切り替えパターンであってもよいし、または任意の所望のパターンであってもよい。本発明の例示的実施形態の場合には、例えば、受信源または送信源がシステムがカバーしているエリアに入った場合、また出た場合、または異なるニーズおよび優先順位が要求された
場合、システムは、動的な状況に対処するために切替えパターンを変えることができる。任意選択として、切替えパターンを変更すると、例えば、特定の顧客デバイスへの帯域幅を広げるために、あるエリアの通達範囲を他のエリアよりも優先することができる。
放射体の１次元アレイ間の位相シフトが０度または１８０度である場合に放射モードを使用すると、図４のＷＰＡＮ対応フェーズ・アレイ・システム内の送信および受信をサポートしている電子回路を簡単にすることができる。
上記方法およびシステムは、ステップの省略または追加、ステップの順序および使用するデバイスのタイプの変更を含む多くの方法で変更することができることを理解されたい。いくつかの機能をいくつかの方法で組み合わせることができることも理解されたい。より詳細には、本発明の各実施形態は、特定の実施形態の上記すべての機能を必ずしも含んでいる必要はない。上記機能の他の組合せも、本発明のいくつかの実施形態の範囲内に含まれる。
当業者であれば、本発明が、今まで詳細に図示し、説明してきたものに限定されないことを理解することができるだろう。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲により規定される。

Claims (27)

  1. 無線エリア・ネットワーク通信システムであって、
    少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームと、
    前記少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームに接続しているフェーズ・アレイ・アンテナ回路であって、前記フェーズ・アレイ回路および前記少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームが、無線エリア・ネットワーク・デバイスとの間で無線エリア・ネットワーク対応信号を送受信することができるフェーズ・アレイ・アンテナ回路と、
    を備えるシステム。
  2. 前記少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームが、放射を送信または受信する、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記フェーズ・アレイ・アンテナ回路が、前記少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームを駆動し、制御するためのものである、請求項１に記載のシステム。
  4. 前記無線エリア・ネットワークが、無線パーソナル・エリア・ネットワークである、請求項１に記載のシステム。
  5. 前記少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームが、放射体の少なくとも２つのグループを備える、請求項１に記載のシステム。
  6. 放射体の前記少なくとも２つのグループが、基準グループとして定義される、請求項５に記載のシステム。
  7. 放射体の前記少なくとも２つのグループのうちの一方が、前記基準グループに対する位相シフトを送信または受信するように、前記フェーズ・アレイ回路により制御される、請求項６に記載のシステム。
  8. 前記位相シフトが、プログラム可能であるか、またはハードコード化される、請求項６に記載のシステム。
  9. 前記少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームが、少なくとも２つの実質的に線形の放射体の１次元アレイを備える、請求項１に記載のシステム。
  10. 前記少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームが、偶数の実質的に線形の放射体の１次元アレイを備え、放射体の実質的に線形の各１次元アレイが、Ｎ個の放射体の２つの電力からなり、Ｎが１より大きい整数である、請求項１に記載のシステム。
  11. 前記少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームが、実質的に六角形の放射体を含む、請求項１に記載のシステム。
  12. 前記システムが、放射体の各グループに関連する異なる放射体モード間で選択的に切替えを行う、請求項５に記載のシステム。
  13. 放射モードが、異なる位相シフトで送受信する放射体のグループの数により、および前記プログラム可能な位相シフトにより画定される、請求項１２に記載のシステム。
  14. 前記フェーズ・アレイ回路が、水平ビーム・アパーチャ内で放射するように前記フェーズ
    ・アレイ・アンテナ・フレームを制御する、請求項１に記載のシステム。
  15. 前記水平ビーム・アパーチャの幅が、実質的に３から実質的に１５度である、請求項１４に記載のシステム。
  16. 前記システムが、複数の無線エリア・ネットワーク・デバイスと通信することができる、請求項１に記載のシステム。
  17. 前記システムが、パーソナル・コンピュータと通信することができる、請求項１に記載のシステム。
  18. 前記システムが、少なくとも１つのＴＶデバイスと通信することができる、請求項１に記載のシステム。
  19. 前記プログラム可能な位相シフトが、＋／−１８０度である、請求項８に記載のシステム。
  20. 前記プログラム可能な位相シフトが、＋／−１８０度であり、前記プログラム可能な位相シフトが、信号の位相を反転するための送信ラインにより行われる、請求項８に記載のシステム。
  21. 無線エリア・ネットワーク対応信号が、約５７〜約６４ＧＨｚバンドで送信される、請求項１に記載のシステム。
  22. 前記システムが、２つの放射モード間で選択的に切替えを行う、請求項１２に記載のシステム。
  23. 前記システムが、２つの放射モード間で選択的に切替えを行い、前記少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームが、放射体の２つの線形１次元アレイを備える、請求項１２に記載のシステム。
  24. 異なる放射モード間の前記選択的切替えが、前記異なる位相モードで受信する信号のレベルに依存する、請求項１２に記載のシステム。
  25. 前記水平ビーム・アパーチャが、プログラム可能なパターンにより水平方向に操作される、請求項１４に記載のシステム。
  26. 無線エリア・ネットワーク・デバイスとの間の無線エリア・ネットワーク対応信号の送受信が、任意選択として、ビルの壁部を通して行われる、請求項１に記載のシステム。
  27. フェーズ・アレイ・アンテナ無線通信を行うための方法であって、少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームと、前記少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームに接続しているフェーズ・アレイ・アンテナ回路を提供するステップと、無線エリア・ネットワーク・デバイスとの間で無線パーソナル・エリア・ネットワーク対応信号を送受信するために、前記少なくとも１つのフェーズ・アレイ・アンテナ・フレームを前記フェーズ・アレイ・アンテナ回路により制御するステップとを含む方法。
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