JP2016522657A - 振幅テーパード切り替えビーム・アンテナ・システム - Google Patents

Abstract

切り替えビーム・アンテナ・システムが開示される。開示されるアンテナ・システムは、電磁放射素子の複数の同一線上アレイを含むアンテナと、アンテナに給電するバトラー・マトリックス給電ネットワークとを含む。電磁放射素子のアレイの各々は、同一の数の放射素子を含む。バトラー・マトリックス給電ネットワークの少なくとも１つのアンテナ・ポートは、信号電力が電磁放射素子のアレイ間で不均等に分配されるように、少なくとも１つのアンテナ・ポートにおける信号強度を分割するために、電力分割器／結合器に接続される。電力は、サイド・ローブ抑制と全体的なアンテナ利得との改善されたバランスを提供するように、アレイ間で分配される。

Description

バトラー・マトリックス給電ネットワークを用いる切り替えビーム・アンテナ・システムがよく知られている。基本的なタイプの従来の切り替えビーム・アンテナ・システムでは、バトラー・マトリックス給電ネットワークは、Ｎのアレイまたは列の放射素子によって給電する（信号を送信するとき）または給電される（信号を受信するとき）Ｎのアンテナ・ポートを有し、ここで、「Ｎ」は、１よりも大きい数である。バトラー・マトリックス給電ネットワークは、信号電力を放射素子のアレイ間に均等に分割し、バトラー・マトリックス給電ネットワークのどの受信機／送信機ポートが使用されるのかに応じて異なる位相進行を提供する。位相進行を変化させることによって、アンテナの主ビームは、１つの点から別の点に「切り替えられ」得る。

図１は、切り替えビーム・アンテナ２０と、バトラー・マトリックス給電ネットワーク５０と、１つもしくは複数の無縁受信機および／または無線送信機１００とを含む例示的な基本的な従来の切り替えビーム・アンテナ・システム１０を示す。アンテナ２０は、導電性バックプレート３８に対して配置された関連する電磁放射素子３７の３つの同一線上のアレイ（または「列」）２２、２４、２６を含む。同一線上のアンテナ・アレイ２２、２４、２６は、第１の外側アレイ２２と、中央アレイ２４と、第２の外側アレイ２６とを含む。電磁放射素子２４は、双極子放射素子（「双極子」）または他のタイプの放射素子であり得る。バトラー・マトリックス給電ネットワーク５０は、３つのアンテナ・ポート５２、５４、５６と３つの無線受信機／送信機ポート６０、６２、６４とを有する３ウェイ・デバイスである。

アンテナ・ポート５２、５４、５６は、各々、各アレイに関連付けられたケーブル５９およびコネクタ３９によって、同一線上のアレイ２２、２４、２６のそれぞれ１つに接続される。受信機／送信機ポート６２、６４、６６は、ケーブル６７によって、１つまたは複数の無線受信機および／または無線送信機１００に接続される。

アンテナ・システム２０は、エネルギーが等しい電力で各同一線上のアレイ２２、２４、２６から放射または受信されるように構成される。

システム２０のようなシステムの欠点は、放射素子のアレイ間の等しい電力分割が、高いサイド・ローブ・レベルをもたらし、これがエネルギーを浪費し、他の機器との干渉を引き起こす可能性があることである。したがって、アンテナ・ビーム・パターンのサイド・ローブ・レベルを最小限にするために、バトラー・マトリックス給電ネットワークからの電力の不均等な分布を提供するためのいくつかの解決策が従来技術において開発されてきた。

１つの公知の解決策は、Ｎウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワークの隣接する受信機／送信機ポートを「対にする」ことであり、これは、Ｎの放射素子アレイに給電する（信号を送信するとき）またはＮの放射素子アレイから給電される（信号を受信するとき）ために、Ｎのアンテナ・ポートにわたる二項（binomial）配電を作成する。この解決策は、アンテナ／ビームの数をＮ／２に減少させる。さらに、もたらされる二項振幅テーパー(taper)は、高度に非効率的であり、従来のものよりも広いビーム幅を提供し、これは、アンテナの利得を減少させる。

別の公知の解決策は、双極子の６つの同一線上アレイに信号を供給するまたはそこから信号を受信するために、電力分割器／結合器を４ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワークの２つのアンテナ・ポートに接続することである。電力分割器／結合器は、各々、２つの電力分割器／結合器アンテナ・ポートを含む。各電力分割器／結合器では、電力分割器／結合器アンテナ・ポートの一方は、双極子の最も外側のアレイに接続され、他方の電力分割器／結合器アンテナ・ポートは、双極子の最も外側のアレイに隣接する双極子のアレイに接続される。電力は、双極子の最も外側のアレイが放射素子の隣接するアレイと同じ量の電力を受けるように、各電力分割器／結合器の２つの電力分割器／結合器アンテナ・ポートにわたって均等に分配される。サイド・ローブ・レベルを減少させるために、双極子の最も外側のアレイは、開口テーパリングとして知られる技術により、それらの隣接する双極子のアレイよりも少ない数の放射素子を備える。しかしながら、切り替えビームアレイは、双極子の各隣接アレイが同じ数の双極子を有するときに最良に動作するので、開口テーパリングは非効率的である。双極子の数が隣接アレイ間で異なるとき、各アレイのビームパターンは、位相が合わず、サイド・ローブ・レベルは、所望のレベルよりも高く、アンテナの利得は損なわれる。

米国特許第６，３５３，４１０号

したがって、従来技術の欠点に対処し、サイド・ローブ抑制と全体的なアンテナ利得との間の改善されたバランスを提供する切り替えビーム・アンテナ・システムを提供することが望ましい。

本開示は、フェーズド・アレイ給電ネットワークと、複数のアンテナ・ビームを作成するように構成された複数のアレイ・アンテナとを含む様々な切り替えビーム・アンテナ・システムに関する。開示するアンテナ・システムは、サイド・ローブ抑制とアンテナ利得との改善された組合せを提供する。

本発明の一実施形態によれば、アンテナ・システムは、マルチビーム・アンテナとフェーズド・アレイ給電ネットワークとを含む。マルチビーム・アンテナは、導電性バックプレーンに対して配置された複数の同一線上アレイを含み得る。複数の同一線上アレイは、少なくとも１つの中央同一線上アレイと、少なくとも１つの中央同一線上アレイの外側に配置された２つの外側同一線上アレイとを含み得る。複数の同一線上アレイの各同一線上アレイは、１つまたは複数の電磁放射素子を有し得る。

フェーズド・アレイ給電ネットワークは、少なくとも１つの無線受信機または送信機に接続されるように構成された複数の無線受信機／送信機ポートと、複数の同一線上アレイに接続された複数のアンテナ・ポートとを含み得る。

アンテナ・システムは、複数のアンテナ・ポートのうちの指定されたアンテナ・ポートを少なくとも１つの中央同一線上アレイと２つの外側同一線上アレイとのうちの少なくとも２つの同一線上アレイに接続する１つまたは複数の電力分割器／結合器を含み得る。アンテナ・システムは、アンテナに提供される信号電力が少なくとも１回の中央同一線上アレイから２つの外側同一線上アレイに向かって減少するように、指定されたアンテナ・ポートの信号電力を分割するように構成され得る。

別の実施形態によれば、アンテナ・システムを動作させる方法が提供される。方法は、導電性バックプレーンに対して配置された複数の同一線上アレイを備えるマルチビーム・アンテナを実装するステップを含み得る。複数の同一線上アレイの各同一線上アレイは、１つまたは複数の電磁放射素子を含み得る。複数の同一線上アレイは、少なくとも１つの中央同一線上アレイと、少なくとも１つの中央同一線上アレイの外側に配置された２つの外側同一線上アレイとを含み得る。方法は、フェーズド・アレイ給電ネットワークを実装するステップをさらに含み得る。フェーズド・アレイ給電ネットワークは、少なくとも１つの無線受信機または送信機に接続されるように構成された複数の無線受信機／送信機ポートと、複数の同一線上アレイに接続された複数のアンテナ・ポートとを含み得る。方法は、複数のアンテナ・ポートのうちの１つまたは複数の指定されたアンテナ・ポートを少なくとも１つの中央同一線上アレイと２つの外側同一線上アレイとのうちの少なくとも２つの同一線上アレイに接続するために、１つまたは複数の電力分割器／結合器を使用するステップをさらに含み得る。１つまたは複数の電力分割器／結合器は、１つまたは複数の指定されたアンテナ・ポートの信号電力を分割し、それによって、アンテナに提供される信号電力を少なくとも１つの中央同一線上アレイから２つの外側同一線上アレイに向かって減少させるように動作し得る。

本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付図面に照らして当業者には明らかであろう。

３ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワークを含む従来のアンテナ・システムを示す図である。 本発明の一実施形態による、電磁放射素子の４つのアレイに接続された３ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワークを含むアンテナ・システムを示す図である。 本発明の別の実施形態による、電磁放射素子の５つのアレイに接続された３ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワークを含むアンテナ・システムを示す図である。 本発明の別の実施形態による電磁放射素子の６つのアレイに接続された３ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワークを含むアンテナ・システムを示す図である。 本発明の別の実施形態による、電磁放射素子の５つのアレイに接続された４ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワークを含むアンテナ・システムを示す図である。 本発明の別の実施形態による、電磁放射素子の６つのアレイに接続された４ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワークを含むアンテナ・システムを示す図である。 本発明の別の実施形態による、電磁放射素子の７つのアレイに接続された４ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワークを含むアンテナ・システムを示す図である。 本発明の別の実施形態による、電磁放射素子の８つのアレイに接続された４ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワークを含むアンテナ・システムを示す図である。

以下の説明は、バトラー・マトリックス給電ネットワークと、複数のアンテナ・ビームを作成するように構成された複数アレイのアンテナとを含む切り替えビーム・アンテナ・システムの様々な実施形態を開示する。システムは、アンテナ内の電磁放射素子のアレイの間の振幅テーパリングを通して、アンテナのサイド・ローブ抑制と全体的な利得との間の優れたバランスを提供するように構成される。本明細書で開示するシステムは、バトラー・マトリックス給電ネットワークのアンテナ出力／入力の周期性に影響を与えることなく、これらの利点を達成する。

以下の説明では、特定の実施形態、構成要素および特徴への参照がなされる。様々な実施形態間で繰り返される参照番号および文字は、同様の構成要素と特徴とを示す。以下の説明での「含む」という単語は、非限定的であることを意味することが理解されるべきである。「含む」という単語が構成要素または特徴の包含を説明するために使用されるとき、記載された特定の構成要素は、非限定的であり、本発明の範囲内にある他の等価な構成要素または特徴が存在し得ることが理解されるべきである。代替的には、構成要素の包含は、オプションであり得る。説明の文脈に応じて、「含み得る」を意味するものとして「含む」という単語を解釈することが適切であり得る。

さらに、説明は、アンテナ内の電磁放射素子の「外側」、「中央」および「中心」アレイ（または列）への様々な参照を含む。中央アレイは、外側アレイの間の位置に位置するアレイであり、中心アレイは、アレイのグループの真ん中の場所に配置された中央アレイであることが理解されるべきである。

３ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワークを有するアンテナ・システム
図２〜図４は、３ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワークと、アンテナ放射素子のアレイにわたる振幅テーパリングとを用いる例示的な切り替えビーム・アンテナ・システムを示す。図２〜図４のシステムでは、４つ以上の実際のアンテナ・ポートは、少なくとも１つの信号分割器／結合器をバトラー・マトリックス給電ネットワークに接続することによって提供される。電力は、３ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワークを用いる従来の切り替えビーム・システムと比較して改善されたアンテナ利得と減少したサイド・ローブ・レベルとを提供する方法で、アンテナ放射素子のアレイ間で不均等に分配される。一般的に、電力は、電力レベルがアンテナの中心アレイまたは中央アレイから外側アレイに向かって下方にテーパー状になるように、アンテナに分配される。

図２は、本発明の一実施形態によるアンテナ・システム１１０を示す。図２に示すように、システム１１０は、切り替えビーム・アンテナ１２０と、３ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワークまたはフェーズド・アレイ給電ネットワーク５０と、１つまたは複数の無線受信機および／または送信機１００とを含む。

給電ネットワーク５０は、クロスオーバーなしの平面マイクロストリップ・デバイスであり得、たとえば、低損失セラミック材料からなる誘電体基板を有するプリント回路基板から製造され得る。しかしながら、他の給電ネットワーク５０は、別の設計および／または構成であり得る。

さらに図２を参照すると、アンテナ１２０は、導電性バックプレート１３８に対して配置された関連する電磁放射素子３７の４つの同一線上アレイ（または「列」）１２２、１２４、１２６、１２８を含み得る。同一線上アレイ１２２、１２４、１２６、１２８は、第１の外側アレイ１２２と、第１の外側アレイ１２２に隣接する第１の中央アレイ１２４と、第１の中央アレイ１２４に隣接する第２の中央アレイ１２６と、第２の中央アレイ１２６に隣接する第２の外側アレイ１２８とを含み得る。言い換えれば、２つの中央アレイ１２４、１２６は、アレイ構造の中心に配置され、２つの外側アレイ１２２、１２８は、２つの中央アレイ１２４、１２６の外側に配置される。好ましい実施形態によれば、各アレイ１２２、１２４、１２６、１２８は、同一の数の放射素子３７を含む。各アレイ１２２、１２４、１２６、１２８は、４つの放射素子３７を有するものとして示されているが、他の数の放射素子が可能である。電磁放射素子３７は、双極子放射素子（「双極子」）または他のタイプの放射素子であり得る。

図２に示すように、給電ネットワーク５０は、アンテナ１２０と通信するように構成された第１のアンテナ・ポート５２と、第２のアンテナ・ポート５４と、第３のアンテナ・ポート５６とを含み得る。給電ネットワーク５０は、３つのアンテナ・ポート５２、５４、５６にわたって０°または±１２０°の位相進行を有し得る。給電ネットワーク５０は、無線受信機および／または無線送信機１００と通信するように構成された第１の受信機／送信機ポート６２と、第２の受信機／送信機ポート６４と、第３の受信機／送信機ポート６６とをさらに含み得る。ＲＦ信号の送信中にアンテナ１２０によって生成されるビームは、どの受信機／送信機ポート６２、６４、６６が選択されるのかに依存する。

給電ネットワーク５０の第１のアンテナ・ポート５２は、電力分割器／結合器７０を介して、第１の外側アレイ１２２と第２の外側アレイ１２８とに接続され得る。より具体的には、第１のアンテナ・ポート５２は、ケーブル５９ａによって電力分割器／結合器７０の給電ネットワーク・ポート７１に接続され得、電力分割器／結合器７０の第１のアンテナ・ポート７２は、ケーブル５９ｂとコネクタ３９とによって第１の外側アレイ１２２に接続され得、電力分割器／結合器７０の第２のアンテナ・ポート７３は、ケーブル５９ｃおよびコネクタ３９によって第２の外側アレイ１２８に接続され得る。給電ネットワーク５０の第２および第３のアンテナ・ポート５４、５６は、各アレイ２４、２６に関連付けられたケーブル５９とコネクタ３９とによって、それぞれ、第１の中央アレイ１２４と第２の中央アレイ１２６とに接続され得る。給電ネットワーク５０の受信機／送信機６２、６４、６６は、ケーブル６７によって、１つまたは複数の無線受信機および／または無線送信機１００に接続され得る。

電力分割器７０は、たとえば、ＲＦ信号を分割する／結合するための往復２ウェイ電力分割器／結合器であり得る。電力分割器／結合器７０は、アンテナがＲＦ信号の送信または受信のどちらのために動作するのかに応じて、ＲＦ信号を分割または結合するように構成され得る。ＲＦ信号の送信のために、電力分割器／結合器７０は、給電ネットワーク５０の第１のアンテナ・ポート５２から受信したＲＦ信号を２つの部分に分割し得る（すなわち、部分の各々は、元の信号強度の数分の１を有する）。ＲＦ信号の受信のために、電力分割器／結合器７０は、結合されたＲＦ信号を給電ネットワーク５０の第１のアンテナ・ポート５２に提供するために、アンテナ１２０から受信したＲＦ信号を結合し得る。

アンテナ・システム１１０は、電力を電力分割器／結合器７０の第１および第２のアンテナ・ポート７２、７３と給電ネットワーク５０の第２および第３のアンテナ・ポート５４、５６との間で不均等に分配するように構成され得る。したがって、電力は、アレイ１２２、１２４、１２６、１２８の間で不均等に分配され得る。より具体的には、電力分割器／結合器７０は、電力分割器／結合器７０のアンテナ・ポート７２、７３の各々に給電ネットワークの第１のアンテナ・ポート５２の電力の約半分（１／２）を提供するように給電ネットワーク５０のアンテナ・ポート５２における電力が分割されるように構成され得る。給電ネットワーク５０のアンテナ・ポート５２、５４、５６のすべては、同じ電力で動作し得る。したがって、アンテナ１２０の第１の外側アレイ１２２および第２の外側アレイ１２８は、第１の中央アレイ１２４および第２の中央アレイ１２６の電力の約半分（１／２）で動作し得る。

下記の表１は、アンテナ・システム１１０によって生成され得る３つのビームの例示的な電力および位相属性を提供する。表１に示す構成では、２つの真ん中のアレイ１２４、１２６は、各々、第１の量の電力を提供され得、２つの外側アレイ１２２、１２８は、各々、第１の量の電力よりも少ない第２の量の電力を提供され得る。

表１．ビーム特性：４つのアンテナ出力／入力を有する３ウェイ・バトラー・マトリックス

図３は、本発明の別の実施形態による切り替えビーム・アンテナ・システム２１０を示す。図３に示すように、システム２１０は、切り替えビーム・アンテナ２２０と、３ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワーク５０と、１つまたは複数の無線受信機および／または無線送信機１００とを含み得る。

さらに図３を参照すると、アンテナ２２０は、導電性バックプレート１３８に対して配置された関連する電磁放射素子３７の５つの同一線上アレイ２２２、２２４、２２６、２２８、２３０を含み得る。同一線上アンテナ・アレイ２２２、２２４、２２６、２２８、２３０は、第１の外側アレイ２２２と、第１の外側アレイ２２２に隣接する第１の中央アレイ２２４と、第１の中央アレイ２２４に隣接する中心アレイ２２６と、中心アレイ２２６に隣接する第２の中央アレイ２２８と、第２の中央アレイ２２８に隣接する第２の外側アレイ２３０とを含み得る。言い換えれば、２つの中央アレイ２２４、２２８は、中央アレイ２２６の外側に配置され、２つの外側アレイ２２２、２３０は、２つの中央アレイ２２４、２２８の外側に配置される。好ましい実施形態によれば、各アレイ２２２、２２４、２２６、２２８、２３０は、同一の数の放射素子３７を含む。各アレイ２２２、２２４、２２６、２２８、２３０は、４つの放射素子３７を有するものとして示されているが、他の数の放射素子が可能である。

給電ネットワーク５０の第１のアンテナ・ポート５２は、第１の電力分割器／結合器７０を介して、第１の外側アレイ２２２と第２の中央アレイ２２８とに接続され得る。より具体的には、第１のアンテナ・ポート５２は、ケーブル５９ａによって、電力分割器／結合器７０の給電ネットワーク・ポート７１に接続され得、電力分割器／結合器７０の第１のアンテナ・ポート７２は、ケーブル５９ｂとコネクタ３９とによって、第１の外側アレイ２２２に接続され得、電力分割器／結合器７０の第２のアンテナ・ポート７３は、ケーブル５９ｃとコネクタ３９とによって、第２の中央アレイ２２８に接続され得る。

第２のアンテナ・ポート５４は、第２の電力分割器／結合器７４を介して、第１の中央アレイ２２４と第２の外側アレイ２３０とに接続され得る。より具体的には、第２のアンテナ・ポート５４は、ケーブル５９ａによって、第２の電力分割器／結合器７４の給電ネットワーク・ポート７５に接続され得、第２の電力分割器／結合器７４の第１のアンテナ・ポート７６は、ケーブル５９ｂとコネクタ３９とによって、第１の中央アレイ２２４に接続され得、第２の電力分割器／結合器７４の第２のアンテナ・ポート７７は、ケーブル５９ｃとコネクタ３９とによって、第２の外側アレイ２３０に接続され得る。第２の電力分割器／結合器７４は、図２のシステム１１０に関して上記で説明したように、特徴と機能とに関して電力分割器／結合器７０と同様であり得る。

給電ネットワーク５０の第３のアンテナ・ポート５６は、ケーブル５９とコネクタ３９とを介して、第１の中心アレイ２２６に接続され得る。

ＲＦ信号の送信のために、電力分割器／結合器７０、７４は、給電ネットワーク５０のそれぞれのアンテナ・ポート５２、５４から受信したＲＦ信号を２つの部分に分割し得る。ＲＦ信号の受信のために、電力分割器／結合器７０、７４は、結合されたＲＦ信号を給電ネットワーク５０のそれぞれのポート５２、５４に提供するために、アンテナ２２０から受信したＲＦ信号を結合し得る。

システム２１０は、第１の電力分割器／結合器７０の第１および第２のアンテナ・ポート７２、７３と、第２の電力分割器／結合器７４の第１および第２のアンテナ・ポート７６、７７と、給電ネットワーク５０の第３のアンテナ・ポート５６との間で電力を不均等に分配するように構成され得る。したがって、電力は、アレイ２２２、２２４、２２６、２２８、２３０の間で不均等に分配され得る。より具体的には、第１の電力分割器／結合器７０は、第１の電力分割器／結合器７０の第１のアンテナ・ポート７２に給電ネットワーク５０の第１のアンテナ・ポート５２の電力の約３分の１（１／３）を提供し、第１の電力分割器／結合器７０の第２のアンテナ・ポート７３に給電ネットワーク５０の第１のアンテナ・ポート５２の電力の約３分の２（２／３）を提供するように給電ネットワーク５０のアンテナ・ポート５２における電力が分割されるように構成され得る。同様に、給電ネットワーク５０のアンテナ・ポート５４における電力は、第２の電力分割器／結合器７４の第１のアンテナ・ポート７６に給電ネットワーク５０の第１のアンテナ・ポート５４の電力の約３分の２（２／３）を提供し、第２の電力分割器／結合器７４の第２のアンテナ・ポート７７に給電ネットワーク５０の第２のアンテナ・ポート５４の電力の約３分の１（１／３）を提供するように分割され得る。給電ネットワーク５０のアンテナ・ポート５２、５４、５６のすべては、同じ電力で動作し得る。したがって、第１および第２の外側アレイ２２２、２３０は、中心アレイ２２６の電力の約３分の１（１／３）で動作し得、第１および第２の中央アレイ２２４、２２８は、中心アレイ２２６の電力の約３分の２（２／３）で動作し得る。

下記の表２は、アンテナ・システム２１０によって生成され得る３つのビームの例示的な電力および位相属性を提供する。表２に示す構成では、真ん中のアレイ２２６は、第１の量の電力を提供され得、中央アレイ２２４、２２８は、各々、第１の量の電力よりも少ない第２の量の電力を提供され得、２つの外側アレイ２２２、２３０は、各々、第２の量の電力よりも少ない第３の量の電力を提供され得る。

表２．ビーム特性：５つのアンテナ出力／入力を有する３ウェイ・バトラー・マトリックス

図４は、本発明の別の実施形態による切り替えビーム・アンテナ・システム３１０を示す。図４に示すように、システム３１０は、切り替えビーム・アンテナ３２０と、３ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワーク５０と、１つまたは複数の無線受信機および／または無線送信機１００とを含み得る。

図４の参照を続けると、アンテナ３２０は、導電性バックプレート１３８に対して配置された関連する電磁放射素子３７の６つの同一線上アレイ３２２、３２４、３２６、３２８、３３０、３３２を含み得る。同一線上アンテナ・アレイ３２２、３２４、３２６、３２８、３３０、３３２は、第１の外側アレイ３２２と、第１の外側アレイ３２２に隣接する第１の中央アレイ３２４と、第１の中央アレイ３２４に隣接する第２の中央アレイ３２６と、第２の中央アレイ３２６に隣接する第３の中央アレイ３２８と、第３の中央アレイ３２８に隣接する第４の中央アレイ３３０と、第４の中央アレイ３３０に隣接する第２の外側アレイ３３２とを含み得る。言い換えれば、第１および第４の中央アレイ３２４、３３０は、第２および第３の中央アレイ３２６、３２８の外側に配置され、第１および第２の外側アレイ３２２、３３２は、第１および第４の中央アレイ３２４、３３０の外側に配置される。好ましい実施形態によれば、各アレイ３２２、３２４、３２６、３２８、３３０、３３２は、同一の数の放射素子３７を含む。各アレイ３２２、３２４、３２６、３２８、３３０、３３２は、４つの放射素子３７を有するものとして示されているが、他の数の放射素子が可能である。

給電ネットワーク５０の第１のアンテナ・ポート５２は、第１の電力分割器／結合器７０を介して、第１の外側アレイ３２２と第３の中央アレイ３２８とに接続され得る。より具体的には、第１のアンテナ・ポート５２は、ケーブル５９ａによって、電力分割器／結合器７０の給電ネットワーク・ポート７１に接続され得、電力分割器／結合器７０の第１のアンテナ・ポート７２は、ケーブル５９ｂとコネクタ３９とによって、第１の外側アレイ３２２に接続され得、電力分割器／結合器７０の第２のアンテナ・ポート７３は、ケーブル５９ｃとコネクタ３９とによって、第３の中央アレイ３２８に接続され得る。

第２のアンテナ・ポート５４は、第２の電力分割器／結合器７４を介して、第１の中央アレイ３２４と第４の中央アレイ３３０とに接続され得る。より具体的には、第２のアンテナ・ポート５４は、ケーブル５９ａによって、第２の電力分割器／結合器７４の給電ネットワーク・ポート７５に接続され得、第２の電力分割器／結合器７４の第１のアンテナ・ポート７６は、ケーブル５９ｂとコネクタ３９とによって、第１の中央アレイ３２４に接続され得、第２の電力分割器／結合器７４の第２のアンテナ・ポート７７は、ケーブル５９ｃとコネクタ３９とによって、第４の中央アレイ３３０に接続され得る。第２の電力分割器／結合器７４は、図２のシステム１１０に関して上記で説明したように、特徴と機能とに関して電力分割器／結合器７０と同様であり得る。

給電ネットワーク５０の第３のアンテナ・ポート５６は、第３の電力分割器／結合器７８を介して、第２の中央アレイ３２６と第２の外側アレイ３３２とに接続され得る。具体的には、第３のアンテナ・ポート５６は、ケーブル５９ａによって、第３の電力分割器／結合器７８の給電ネットワーク・ポート７９に接続され得、第３の電力分割器／結合器７８の第１のアンテナ・ポート８０は、ケーブル５９ｂとコネクタ３９とによって、第２の中央アレイ３２６に接続され得、第３の電力分割器／結合器７８の第２のアンテナ・ポート８１は、ケーブル５９ｃとコネクタ３９とによって、第２の外側アレイ３３２に接続され得る。第３の電力分割器／結合器７８は、図２のシステム１１０に関して上記で説明したように、特徴と機能とに関して電力分割器／結合器７０と同様であり得る。

ＲＦ信号の送信のために、電力分割器／結合器７０、７４、７８は、給電ネットワーク５０のそれぞれのアンテナ・ポート５２、５４、５６から受信したＲＦ信号を２つの部分に分割し得る。ＲＦ信号の受信のために、電力分割器／結合器７０、７４、７８は、結合されたＲＦ信号を給電ネットワーク５０のそれぞれのポート５２、５４、５６に提供するために、アンテナ３２０から受信したＲＦ信号を結合し得る。

システム３１０は、第１の電力分割器／結合器７０の第１および第２のアンテナ・ポート７２、７３と、第２の電力分割器／結合器７４の第１および第２のアンテナ・ポート７６、７７と、第３の電力分割器／結合器７８の第１および第２のアンテナ・ポート８０、８１との間で電力を不均等に分配するように構成され得る。したがって、電力は、アレイ３２２、３２４、３２６、３２８、３３０、３３２の間で不均等に分配され得る。より具体的には、第１の電力分割器／結合器７０は、第１の電力分割器／結合器７０の第１のアンテナ・ポート７２に給電ネットワーク５０の第１のアンテナ・ポート５２の電力の約７分の１（１／７）を提供し、第１の電力分割器／結合器７０の第２のアンテナ・ポート７３に給電ネットワーク５０の第１のアンテナ・ポート５２の電力の約７分の６（６／７）を提供するように給電ネットワーク５０の第１のアンテナ・ポート５２における電力が分割されるように構成され得る。給電ネットワーク５０の第２のアンテナ・ポート５４における電力は、第２の電力分割器／結合器７４の各アンテナ・ポート７６、７７に給電ネットワーク５０の第２のアンテナ・ポート５４の電力の約半分（１／２）を提供するように分割され得る。給電ネットワーク５０の第３のアンテナ・ポート５６における電力は、第３の電力分割器／結合器７８の第１のアンテナ・ポート８０に給電ネットワーク５０の第３のアンテナ・ポート５６の電力の約７分の６（６／７）を提供し、第３の電力分割器／結合器７８の第２のアンテナ・ポート８１に給電ネットワーク５０の第３のアンテナ・ポート５６の電力の約７分の１（１／７）を提供するように分割され得る。給電ネットワーク５０のアンテナ・ポート５２、５４、５６のすべては、同じ電力で動作し得る。したがって、第１および第２の外側アレイ３２２、３３２は、第２および第３の中央アレイ３２６、３２８の電力の約６分の１（１／６）で動作し得、第１および第４の中央アレイ３２４、３３０は、第２および第３の中央アレイ３２６、３２８の電力の約１２分の７（７／１２）で動作し得る。

下記の表３は、アンテナ・システム３１０によって生成され得る３つのビームの例示的な電力および位相属性を提供する。表３に示す構成では、第２および第３の中央アレイ３２６、３２８は、各々、第１の量の電力を提供され得、第１および第４の中央アレイ３２４、３３０は、各々、第１の量の電力よりも少ない第２の量の電力を提供され得、２つの外側アレイ３２２、３３２は、各々、第２の量の電力よりも少ない第３の量の電力を提供され得る。

表３．ビーム特性：６つのアンテナ出力／入力を有する３ウェイ・バトラー・マトリックス

３つのビームを生成する対になった入力を有する従来の６ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワークと比較して、図４の実施形態は、同じ数のビームを、０．５ｄＢ大きい利得とより深いパターン・クロスオーバーとで提供することができる。加えて、この実施形態は、６ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワークよりも、構成し、実装することが容易である。

図２〜図４の実施形態は、単に、３ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワークのアンテナ・ポートを分割するアンテナ・システムのいくつかの例である。アンテナ・アレイにわたって±０°または±１２０°の位相進行を有する３ビーム・アンテナ・システムでは、任意の数のアンテナ・アレイは、サイド・ローブ抑制に必要な振幅テーパーを達成するために、給電ネットワークのアンテナ・ポート５２、５４、５６の電力を分割し、電力をアレイにわたって不均等に分割することによって給電され得る。

４ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワークを有するアンテナ・システム
図５〜図８は、４ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワークと、アンテナ放射素子のアレイにわたる振幅テーパリングとを用いる例示的な切り替えビーム・アンテナ・システムを示す。図５〜図８のシステムでは、５つ以上の実際のアンテナ・ポートは、少なくとも１つの信号分割器／結合器をバトラー・マトリックス給電ネットワークに接続することによって提供される。電力は、４ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワークを用いる従来の切り替えビーム・システムと比較して改善されたアンテナ利得と減少したサイド・ローブ・レベルとを提供する方法で、アンテナ放射素子のアレイ間で不均等に分配される。一般的に、電力は、電力レベルがアンテナの中心アレイまたは中央アレイから外側アレイに向かって下方にテーパー状になるように分配される。

図５は、本発明の一実施形態によるアンテナ・システム４１０を示す。図５に示すように、システム４１０は、図３の実施形態に関して上記で説明したように切り替えビーム・アンテナ２２０と、４ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワーク１５０と、１つまたは複数の無線受信機および／または送信機１００とを含む。給電ネットワーク１５０は、給電ネットワーク１５０が４つのアンテナ・ポート１５２、１５４、１５６、１５８と４つの受信機／送信機ポート１６２、１６４、１６６、１６８とを含むことを除いて、図２〜図４の実施形態における給電ネットワーク５０と同様であり得る。

さらに図５を参照すると、給電ネットワーク１５０は、アンテナ２２０と通信するように構成された第１のアンテナ・ポート１５２と、第２のアンテナ・ポート１５４と、第３のアンテナ・ポート１５６と、第４のアンテナ・ポート１５８とを含み得る。給電ネットワーク１５０は、４つのアンテナ・ポート５２、５４、５６にわたって±４５°または±１３５°の位相進行を有し得る。給電ネットワーク１５０は、無線受信機および／または無線送信機１００と通信するように構成された第１の受信機／送信機ポート１６２と、第２の受信機／送信機ポート１６４と、第３の受信機／送信機ポート１６６と、第４の受信機／送信機ポート１６８とをさらに含み得る。ＲＦ信号の送信中にアンテナ２２０によって生成されるビームは、どの受信機／送信機ポート１６２、１６４、１６６、１６８が選択されるのかに依存する。

給電ネットワーク１５０の第１のアンテナ・ポート１５２は、電力分割器／結合器７０を介して、第１の外側アレイ２２２と第２の外側アレイ２３０とに接続され得る。より具体的には、第１のアンテナ・ポート１５２は、ケーブル５９ａによって電力分割器／結合器７０の給電ネットワーク・ポート７１に接続され得、電力分割器／結合器７０の第１のアンテナ・ポート７２は、ケーブル５９ｂとコネクタ３９とによって第１の外側アレイ２２２に接続され得、電力分割器／結合器７０の第２のアンテナ・ポート７３は、ケーブル５９ｃおよびコネクタ３９によって第２の外側アレイ２３０に接続され得る。給電ネットワーク１５０の第２、第３および第４のアンテナ・ポート１５４、１５６、１５８は、各アレイ２２４、２２６、２２８に関連付けられたケーブル５９とコネクタ３９とによって、それぞれ、第１の中央アレイ２２４と、中心アレイ２２６と、第２の中央アレイ２２８とに接続され得る。給電ネットワーク１５０の受信機／送信機１６２、１６４、１６６は、ケーブル６７によって、１つまたは複数の無線受信機および／または無線送信機１００に接続され得る。

ＲＦ信号の送信のために、電力分割器／結合器７０は、給電ネットワーク１５０の第１のアンテナ・ポート１５２から受信したＲＦ信号を２つの部分に分割し得る。ＲＦ信号の受信のために、電力分割器／結合器７０は、結合されたＲＦ信号を給電ネットワーク１５０の第１のアンテナ・ポート１５２に提供するために、アンテナ２２０から受信したＲＦ信号を結合し得る。

電力は、電力分割器／結合器７０の第１および第２のアンテナ・ポート７２、７３と、給電ネットワーク１５０の第２、第３および第４のアンテナ・ポート１５４、１５６、１５８との間で不均等に分配され得る。したがって、電力は、アレイ２２２、２２４、２２６、２２８、２３０の間で不均等に分配され得る。より具体的には、電力分割器／結合器７０は、電力分割器／結合器７０のアンテナ・ポート７２、７３の各々に給電ネットワークの第１のアンテナ・ポート１５２の電力の約半分（１／２）をアンテナ・ポート７３において１８０°位相シフトして提供するように、給電ネットワーク１５０のアンテナ・ポート１５２における電力が分割されるよう構成され得る。給電ネットワーク１５０のアンテナ・ポート１５２、１５４、１５６、１５８のすべては、同じ電力で動作し得る。したがって、アンテナ２２０の第１の外側アレイ２２２および第２の外側アレイ２３０は、第２の外側アレイ２３０が第１の外側アレイ２２２に対して１８０°の位相シフトを有しながら、第１の中央アレイ２２４、中心アレイ２２６および第２の中央アレイ２２８の電力の約半分（１／２）で動作し得る。表４に示す構成では、真ん中のアレイ２２６および中央アレイ２２４、２２８は、各々、第１の量の電力を提供され得、２つの外側アレイ２２２、２３０は、各々、第１の量の電力よりも少ない第２の量の電力を提供され得る。

下記の表４は、アンテナ・システム４１０によって生成され得る４つのビームの例示的な電力および位相属性を提供する。

表４．ビーム特性：５つのアンテナ出力／入力を有する４ウェイ・バトラー・マトリックス

図６は、本発明の別の実施形態による切り替えビーム・アンテナ・システム５１０を示す。図６に示すように、システム５１０は、図４の実施形態に関して上記で説明したようにアンテナ３２０と、４ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワーク１５０と、１つまたは複数の無線受信機および／または送信機１００とを含む。

さらに図６を参照すると、給電ネットワーク１５０のアンテナ・ポート１５２は、第１の電力分割器／結合器７０を介して、第１の外側アレイ３２２と第４の中央アレイ３３０とに接続され得る。具体的には、第１のアンテナ・ポート１５２は、ケーブル５９ａによって電力分割器／結合器７０の給電ネットワーク・ポート７１に接続され得、第１の電力分割器／結合器７０の第１のアンテナ・ポート７２は、ケーブル５９ｂとコネクタ３９とによって第１の外側アレイ３２２に接続され得、電力分割器／結合器７０の第２のアンテナ・ポート７３は、ケーブル５９ｃおよびコネクタ３９によって第４の中央アレイ３３０に接続され得る。

第２のアンテナ・ポート１５４は、第２の電力分割器／結合器７４を介して、第１の中央アレイ３２４と第２の外側アレイ３３２とに接続され得る。より具体的には、第２のアンテナ・ポート１５４は、ケーブル５９ａによって第２の電力分割器／結合器７４の給電ネットワーク・ポート７５に接続され得、第２の電力分割器／結合器７４の第１のアンテナ・ポート７６は、ケーブル５９ｂとコネクタ３９とによって第１の中央アレイ３２４に接続され得、第２の電力分割器／結合器７４の第２のアンテナ・ポート７７は、ケーブル５９ｃおよびコネクタ３９によって第２の外側アレイ３３２に接続され得る。

給電ネットワーク１５０の第３および第４のアンテナ・ポート１５６、１５８は、各アレイ３２６、３２８に関連付けられたケーブル５９とコネクタ３９とによって、それぞれ、第２の中央アレイ３２６と第３の中央アレイ３２８とに接続され得る。

ＲＦ信号の送信のために、電力分割器／結合器７０、７４は、給電ネットワーク１５０のそれぞれのアンテナ・ポート１５２、１５４から受信したＲＦ信号を２つの部分に分割し得る。ＲＦ信号の受信のために、電力分割器／結合器７０、７４は、結合されたＲＦ信号を給電ネットワーク１５０のそれぞれのポート１５２、１５４に提供するために、アンテナ３２０から受信したＲＦ信号を結合し得る。

システム５１０は、電力を、第１の電力分割器／結合器７０の第１および第２のアンテナ・ポート７２、７３と、第２の電力分割器／結合器７４の第１および第２のアンテナ・ポート７６、７７と、給電ネットワーク１５０の第３および第４のアンテナ・ポート１５６、１５８との間で不均等に分配するように構成され得る。したがって、電力は、アレイ３２２、３２４、３２６、３２８、３３０、３３２の間で不均等に分配され得る。より具体的には、第１の電力分割器／結合器７０は、第１の電力分割器／結合器７０の第１のアンテナ・ポート７２に給電ネットワーク１５０の第１のアンテナ・ポート１５２の電力の約３分の１（１／３）を提供し、第１の電力分割器／結合器７０の第２のアンテナ・ポート７３に給電ネットワーク１５０の第１のアンテナ・ポート１５２の電力の約３分の２（２／３）を１８０°位相シフトして提供するように、給電ネットワーク１５０の第１のアンテナ・ポート１５２における電力が分割されるよう構成され得る。給電ネットワーク１５０の第２のアンテナ・ポート１５４における電力は、第２の電力分割器／結合器７４の第１のアンテナ・ポート７６に給電ネットワーク１５０の第２のアンテナ・ポート１５４の電力の約３分の２（２／３）を提供し、第２の電力分割器／結合器７４の第２のアンテナ・ポート７７に給電ネットワーク１５０の第２のアンテナ・ポート１５４の電力の約３分の１（１／３）を１８０°位相シフトして提供するように分割され得る。給電ネットワーク１５０のアンテナ・ポート１５２、１５４、１５６、１５８のすべては、同じ電力で動作し得る。したがって、第１および第２の外側アレイ３２２、３３２は、第２および第３の中央アレイ３２６、３２８の電力の約３分の１（１／３）で動作し得、第１および第４の中央アレイ３２４、３３０は、第２および第３の中央アレイ３２６、３２８の電力の約３分の２（２／３）で動作し得る。１８０°の位相シフトは、第１の外側アレイ３２２と第４の中央アレイ３３０との間と、第１の中央アレイ３２４と第２の外側アレイ３３２との間とに提供され得る。

下記の表５は、アンテナ・システム５１０によって生成され得る４つのビームの例示的な電力および位相属性を提供する。表５に示す構成では、第２および第３の中央アレイ３２６、３２８は、各々、第１の量の電力を提供され得、第１および第４の中央アレイ３２４、３３０は、各々、第１の量の電力よりも少ない第２の量の電力を提供され得、２つの外側アレイ３２２、３３２は、各々、第２の量の電力よりも少ない第３の量の電力を提供され得る。

表５．ビーム特性：６つのアンテナ出力／入力を有する４ウェイ・バトラー・マトリックス

図７は、本発明のさらに別の実施形態による切り替えビーム・アンテナ・システム６１０を示す。図７に示すように、システム６１０は、切り替えビーム・アンテナ４２０と、４ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワーク１５０と、１つまたは複数の無線受信機および／または送信機１００とを含む。

図７の参照を続けると、アンテナ４２０は、導電性バックプレート１３８に対して配置された関連する電磁放射素子３７の７つの同一線上アレイ４２２、４２４、４２６、４２８、４３０、４３２、４３４を含み得る。同一線上アンテナ・アレイ４２２、４２４、４２６、４２８、４３０、４３２、４３４は、第１の外側アレイ４２２と、第１の外側アレイ４２２に隣接する第１の中央アレイ４２４と、第１の中央アレイ４２４に隣接する第２の中央アレイ４２６と、第２の中央アレイ４２６に隣接する中心アレイ４２８と、中心アレイ４２８に隣接する第３の中央アレイ４３０と、第３の中央アレイ４３０に隣接する第４の中央アレイ４３２と、第４の中央アレイ４３２に隣接する第２の外側アレイ４３４とを含み得る。言い換えれば、第２および第３の中央アレイ４２６、４３０は、中心アレイ４２８の外側に配置され、第１および第４の中央アレイ４２４、４３２は、第２および第３の中央アレイ４２６、４３０の外側に配置され、第１および第２の外側アレイ４２２、４３４は、第１および第４の中央アレイ４２２、４３４の外側に配置される。好ましい実施形態によれば、各アレイ４２２、４２４、４２６、４２８、４３０、４３２、４３４は、同一の数の放射素子３７を含む。各アレイ４２２、４２４、４２６、４２８、４３０、４３２、４３４は、４つの放射素子３７を有するものとして示されているが、他の数の放射素子が可能である。

給電ネットワーク１５０の第１のアンテナ・ポート１５２は、電力分割器／結合器７０を介して、第１の外側アレイ４２２と第３の中央アレイ４３０とに接続され得る。より具体的には、第１のアンテナ・ポート１５２は、ケーブル５９ａによって、電力分割器／結合器７０の給電ネットワーク・ポート７１に接続され得、電力分割器／結合器７０の第１のアンテナ・ポート７２は、ケーブル５９ｂとコネクタ３９とによって、第１の外側アレイ４２２に接続され得、電力分割器／結合器７０の第２のアンテナ・ポート７３は、ケーブル５９ｃとコネクタ３９とによって、第３の中央アレイ４３０に接続され得る。

給電ネットワーク１５０の第２のアンテナ・ポート１５４は、第２の電力分割器／結合器７４を介して、第１の中央アレイ４２４と第４の中央アレイ４３２とに接続され得る。より具体的には、給電ネットワーク１５０の第２のアンテナ・ポート１５４は、ケーブル５９ａによって、第２の電力分割器／結合器７４の給電ネットワーク・ポート７５に接続され得、第２の電力分割器／結合器７４の第１のアンテナ・ポート７６は、ケーブル５９ｂとコネクタ３９とによって、第１の中央アレイ４２４に接続され得、第２の電力分割器／結合器７４の第２のアンテナ・ポート７７は、ケーブル５９ｃとコネクタ３９とによって、第４の中央アレイ４３２に接続され得る。

給電ネットワーク１５０の第３のアンテナ・ポート１５６は、第３の電力分割器／結合器７８を介して、第２の中央アレイ４２６と第２の外側アレイ４３４とに接続され得る。具体的には、給電ネットワーク１５０の第３のアンテナ・ポート１５６は、ケーブル５９ａによって、第３の電力分割器／結合器７８の給電ネットワーク・ポート７９に接続され得、第３の電力分割器／結合器７８の第１のアンテナ・ポート８０は、ケーブル５９ｂとコネクタ３９とによって、第２の中央アレイ４２６に接続され得、第３の電力分割器／結合器７８の第２のアンテナ・ポート８１は、ケーブル５９ｃとコネクタ３９とによって、第２の外側アレイ４３４に接続され得る。

給電ネットワーク１５０の第４のアンテナ・ポート１５８は、ケーブル５９とコネクタ３９とによって、中心アレイ４２８に接続され得る。

ＲＦ信号の送信のために、電力分割器／結合器７０、７４、７８は、給電ネットワーク１５０のそれぞれのアンテナ・ポート１５２、１５４、１５６から受信したＲＦ信号を２つの部分に分割し得る。ＲＦ信号の受信のために、電力分割器／結合器７０、７４、７８は、結合されたＲＦ信号を給電ネットワーク１５０のそれぞれのポート１５２、１５４、１５６に提供するために、アンテナ４２０から受信したＲＦ信号を結合し得る。

電力は、第１の電力分割器／結合器７０の第１および第２のアンテナ・ポート７２、７３と、第２の電力分割器／結合器７４の第１および第２のアンテナ・ポート７６、７７と、第３の電力分割器／結合器７８の第１および第２のアンテナ・ポート８０、８１と、給電ネットワーク１５０の第４のアンテナ・ポート１５８との間で不均等に分配され得る。したがって、電力は、アレイ４２２、４２４、４２６、４２８、４３０、４３２、４３４の間で不均等に分配され得る。より具体的には、第１の電力分割器／結合器７０は、第１の電力分割器／結合器７０の第１のアンテナ・ポート７２に給電ネットワーク１５０の第１のアンテナ・ポート１５２の電力の約４分の１（１／４）を提供し、第１の電力分割器／結合器７０の第２のアンテナ・ポート７３に給電ネットワーク１５０の第１のアンテナ・ポート１５２の電力の約４分の３（３／４）を１８０°位相シフトして提供するように、給電ネットワーク１５０の第１のアンテナ・ポート１５２における電力が分割されるよう構成され得る。給電ネットワーク１５０の第２のアンテナ・ポート１５４における電力は、第２の電力分割器／結合器７４の第１および第２のアンテナ・ポート７６、７７の各々に給電ネットワーク１５０の第２のアンテナ・ポート１５４の電力の約半分（１／２）を第２の電力分割器／結合器７４の第２のアンテナ・ポート７７において１８０°位相シフトして提供するように分割され得る。給電ネットワーク１５０の第３のアンテナ・ポート１５６における電力は、第３の電力分割器／結合器７８の第１のアンテナ・ポート８０に給電ネットワーク１５０の第３のアンテナ・ポート１５６の電力の約４分の３（３／４）を提供し、第３の電力分割器／結合器７８の第２のアンテナ・ポート８１に電力分割器／結合器７８の第３のアンテナ・ポート１５６の電力の約４分の１（１／４）を１８０°位相シフトして提供するように分割され得る。給電ネットワーク１５０のアンテナ・ポート１５２、１５４、１５６、１５８のすべては、同じ電力で動作し得る。したがって、第１および第２の外側アレイ４２２、４３４は、第２および中心アレイ４２８の電力の約４分の１（１／４）で動作し得、第１および第４の中央アレイ４２４、４３２は、中心アレイ４２８の電力の約半分（１／２）で動作し得、第２および第３の中央アレイ４２６、４３０は、中心アレイ４２８の電力の約４分の３（３／４）で動作し得る。１８０°の位相シフトは、第１の外側アレイ４２２と第３の中央アレイ４３０との間と、第１の中央アレイ４２４と第４の中央アレイ４３４との間と、第２の中央アレイ４２６と第２の外側アレイ４３４との間とに提供され得る。

以下の表６は、アンテナ・システム６１０によって生成され得る４つのビームの例示的な電力および位相属性を提供する。表６に示す構成では、真ん中のアレイ４２８は、第１の量の電力を提供され得、第２および第３の中央アレイ４２６、４３０は、各々、第１の量の電力よりも少ない第２の量の電力を提供され得、第１および第４の中央アレイ４２４、４３２は、各々、第２の量の電力よりも少ない第３の量の電力を提供され得、第１および第２の外側アレイ４２２、４３４は、各々、第３の量の電力よりも少ない第４の量の電力を提供され得る。

表６．ビーム特性：７つのアンテナ出力／入力を有する４ウェイ・バトラー・マトリックス

図８は、本発明のさらに別の実施形態による切り替えビーム・アンテナ・システム７１０を示す。図８に示すように、システム７１０は、切り替えビーム・アンテナ５２０と、４ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワーク１５０と、１つまたは複数の無線受信機および／または送信機１００とを含む。

さらに図８を参照すると、アンテナ５２０は、導電性バックプレート１３８に対して配置された関連する電磁放射素子３７の８つの同一線上アレイ５２２、５２４、５２６、５２８、５３０、５３２、５３４、５３６を含み得る。同一線上アンテナ・アレイ５２２、５２４、５２６、５２８、５３０、５３２、５３４、５３６は、第１の外側アレイ５２２と、第１の外側アレイ５２２に隣接する第１の中央アレイ５２４と、第１の中央アレイ５２４に隣接する第２の中央アレイ５２６と、第２の中央アレイ５２６に隣接する第３の中央アレイ５２８と、第３の中央アレイ５２８に隣接する第４の中央アレイ５３０と、第４の中央アレイ５３０に隣接する第５の中央アレイ５３２と、第５の中央アレイ５３２に隣接する第６の中央アレイ５３４と、第６の中央アレイ５３４に隣接する第２の外側アレイ５３６とを含み得る。好ましい実施形態によれば、各アレイ５２２、５２４、５２６、５２８、５３０、５３２、５３４、５３６は、同一の数の放射素子３７を含む。各アレイ５２２、５２４、５２６、５２８、５３０、５３２、５３４、５３６は、４つの放射素子３７を有するものとして示されているが、他の数の放射素子が可能である。

給電ネットワーク１５０の第１のアンテナ・ポート１５２は、電力分割器／結合器７０を介して、第１の外側アレイ５２２と第４の中央アレイ５３０とに接続され得る。より具体的には、第１のアンテナ・ポート１５２は、ケーブル５９ａによって、電力分割器／結合器７０の給電ネットワーク・ポート７１に接続され得、電力分割器／結合器７０の第１のアンテナ・ポート７２は、ケーブル５９ｂとコネクタ３９とによって、第１の外側アレイ５２２に接続され得、電力分割器／結合器７０の第２のアンテナ・ポート７３は、ケーブル５９ｃとコネクタ３９とによって、第４の中央アレイ５３０に接続され得る。

給電ネットワーク１５０の第２のアンテナ・ポート１５４は、第２の電力分割器／結合器７４を介して、第１の中央アレイ５２４と第５の中央アレイ５３２とに接続され得る。より具体的には、給電ネットワーク１５０の第２のアンテナ・ポート１５４は、ケーブル５９ａによって、第２の電力分割器／結合器７４の給電ネットワーク・ポート７５に接続され得、第２の電力分割器／結合器７４の第１のアンテナ・ポート７６は、ケーブル５９ｂとコネクタ３９とによって、第１の中央アレイ５２４に接続され得、第２の電力分割器／結合器７４の第２のアンテナ・ポート７７は、ケーブル５９ｃとコネクタ３９とによって、第５の中央アレイ５３２に接続され得る。

給電ネットワーク１５０の第３のアンテナ・ポート１５６は、第３の電力分割器／結合器７８を介して、第２の中央アレイ５２６と第６の中央アレイ５３４とに接続され得る。具体的には、給電ネットワーク１５０の第３のアンテナ・ポート１５６は、ケーブル５９ａによって、第３の電力分割器／結合器７８の給電ネットワーク・ポート７９に接続され得、第３の電力分割器／結合器７８の第１のアンテナ・ポート８０は、ケーブル５９ｂとコネクタ３９とによって、第２の中央アレイ５２６に接続され得、第３の電力分割器／結合器７８の第２のアンテナ・ポート８１は、ケーブル５９ｃとコネクタ３９とによって、第６の中央アレイ５３４に接続され得る。

給電ネットワーク１５０の第４のアンテナ・ポート１５８は、第４の電力分割器／結合器８２を介して、第３の中央アレイ５２８と第２の外側アレイ５３６とに接続され得る。より具体的には、給電ネットワーク１５０の第４のアンテナ・ポート１５８は、ケーブル５９ａによって、第４の電力分割器／結合器８２の給電ネットワーク・ポート８３に接続され得、第４の電力分割器／結合器８２の第１のアンテナ・ポート８４は、ケーブル５９ｂとコネクタ３９とによって、第３の中央アレイ５２８に接続され得、第４の電力分割器／結合器８２の第２のアンテナ・ポート８５は、ケーブル５９ｃとコネクタ３９とによって、第２の外側アレイ５３６に接続され得る。

ＲＦ信号の送信のために、電力分割器／結合器７０、７４、７８、８２は、給電ネットワーク１５０のそれぞれのアンテナ・ポート１５２、１５４、１５６、１５８から受信したＲＦ信号を２つの部分に分割し得る。ＲＦ信号の受信のために、電力分割器／結合器７０、７４、７８、８２は、結合されたＲＦ信号を給電ネットワーク１５０のそれぞれのポート１５２、１５４、１５６、１５８に提供するために、アンテナ５２０から受信したＲＦ信号を結合し得る。

電力は、第１の電力分割器／結合器７０の第１および第２のアンテナ・ポート７２、７３と、第２の電力分割器／結合器７４の第１および第２のアンテナ・ポート７６、７７と、第３の電力分割器／結合器７８の第１および第２のアンテナ・ポート８０、８１と、第４の電力分割器／結合器８２の第１および第２のアンテナ・ポート８４、８５との間で不均等に分配され得る。したがって、電力は、アレイ５２２、５２４、５２６、５２８、５３０、５３２、５３４、５３６の間で不均等に分配され得る。より具体的には、第１の電力分割器／結合器７０は、第１の電力分割器／結合器７０の第１のアンテナ・ポート７２に給電ネットワーク１５０の第１のアンテナ・ポート１５２の電力の約７分の１（１／７）を提供し、第１の電力分割器／結合器７０の第２のアンテナ・ポート７３に給電ネットワーク１５０の第１のアンテナ・ポート１５２の電力の約７分の６（６／７）を１８０°位相シフトして提供するように、給電ネットワーク１５０の第１のアンテナ・ポート１５２における電力が分割されるよう構成され得る。給電ネットワーク１５０の第２のアンテナ・ポート１５４における電力は、第２の電力分割器／結合器７４の第１のアンテナ・ポート７６に給電ネットワーク１５０の第２のアンテナ・ポート１５４の電力の約３分の１（１／３）を提供し、第２の電力分割器／結合器７４の第２のアンテナ・ポート７７に給電ネットワーク１５０の第２のアンテナ・ポート１５４の電力の約３分の２（２／３）を１８０°位相シフトして提供するように分割され得る。給電ネットワーク１５０の第３のアンテナ・ポート１５６における電力は、第３の電力分割器／結合器７８の第１のアンテナ・ポート８０に給電ネットワーク１５０の第３のアンテナ・ポート１５６の電力の約３分の２（２／３）を提供し、第３の電力分割器／結合器７８の第２のアンテナ・ポート８１に給電ネットワーク１５０の第３のアンテナ・ポート１５６の電力の約３分の１（１／３）を１８０°位相シフトして提供するように分割され得る。給電ネットワーク１５０の第４のアンテナ・ポート１５８における電力は、第４の電力分割器／結合器８２の第１のアンテナ・ポート８４が、給電ネットワーク１５０の第４のアンテナ・ポート１５８の電力の約７分の６（６／７）を提供され、第４の電力分割器／結合器８２の第２のアンテナ・ポート８５が、給電ネットワーク１５０の第４のアンテナ・ポート１５８の電力の約７分の１（１／７）を１８０°位相シフトして提供されるように分割され得る。給電ネットワーク１５０のアンテナ・ポート１５２、１５４、１５６、１５８のすべては、同じ電力で動作し得る。したがって、第１および第２の外側アレイ５２２、５３６は、第３および第４の中央アレイ５２８、５３０の電力の約６分の１（１／６）で動作し得る。第１および第６の中央アレイ５２４、５３４は、第３および第４の中央アレイ５２８、５３０の電力の約１８分の７（７／１８）で動作し得る。第２および第５の中央アレイ５２６、５３２は、第３および第４の中央アレイ５２８、５３０の電力の約９分の７（７／９）で動作し得る。１８０°の位相シフトは、第１の外側アレイ５２２と第４の中央アレイ５３０との間と、第１の中央アレイ５２４と第５の中央アレイ５３２との間と、第２の中央アレイ５２６と第６の中央アレイ５３４との間と、第４の中央アレイ５２８と第６の第２の外側アレイ５３６との間とに提供され得る。

以下の表７は、アンテナ・システム７１０によって生成され得る４つのビームの例示的な電力および位相属性を提供する。表７に示す構成では、第３および第４の中央アレイ５２８、５３０は、第１の量の電力を提供され得、第２および第５の中央アレイ５２６、５３２は、各々、第１の量の電力よりも少ない第２の量の電力を提供され得、第１および第６の中央アレイ５２４、５３４は、各々、第２の量の電力よりも少ない第３の量の電力を提供され得、第１および第２の外側アレイ５２２、５３６は、各々、第３の量の電力よりも少ない第４の量の電力を提供され得る。

表７．ビーム特性：８つのアンテナ出力／入力を有する４ウェイ・バトラー・マトリックス

アンテナ・ポート７２、７３、７６および７７が、それぞれ、アンテナ・ポート８０、８１、８４および８５と１８０°位相が異なることを、表７で提供される位相から見ることができる。給電ネットワーク１５０のアンテナ・ポート１５２、１５４、１５６、１５８が、本明細書に記載の２ウェイ電力分割器／結合器の代わりに３ウェイ電力分割器／結合器を使用することによってさらに分割された場合、４つの追加のアンテナ・ポートは、電力分割器／結合器において提供されることになり、アンテナ・ポート７２、７６、８０、８４は、４つのアンテナ・ポート７３、７７、８１、８５と１８０°位相が異なることになり、３ウェイ電力分割器／結合器によって提供される新たなアンテナ・ポートは、それぞれ、アンテナ・ポート７２、７６、８０、８４と同相になる。本発明によれば、アンテナ・アレイにわたって±４５°または±１３５°の位相進行を有する４ビーム・アンテナ・システムでは、任意の数のアンテナ・アレイは、サイド・ローブ抑制に必要な振幅テーパーが達成され得るように、給電ネットワーク１５０のアンテナ・ポート１５２、１５４、１５６、１５８の電力を分割し、電力をアレイにわたって不均等に分割することによって給電され得る。

さらに、３つのみのアンテナ・ビームを作成するために、４ウェイ・バトラー・マトリックス給電ネットワークを使用することが望ましいことがある。これは、有効な位相進行が−９０°、０°、＋９０°であるように、米国特許第６，３５３，４１０号で開示されているように、給電ネットワークにわたって追加の４５°位相進行を追加することによって達成され得る。本明細書で開示するようにバトラー・マトリックス給電ネットワークの出力を分割することは、米国特許第６，３５３，４１０号で開示されている技術と互換性がある。

６ウェイまたは８ウェイ給電ネットワークなどのより大きいバトラー・マトリックス給電ネットワークは、３ウェイおよび４ウェイ給電ネットワークの同じ周期性を有することになることが理解され得る。したがって、本発明の原理は、それらのアンテナ・ポートを同様の方法で分割することによって、より大きいバトラー・マトリックス給電ネットワークに適用され得る。より大きい給電ネットワークで本発明の概念を採用することは、多くのビームを有する非常に狭いビーム・アンテナを生成することになる。

様々な実施形態で開示した電力分割は、サイド・ローブ抑制を提供することになる典型的な振幅テーパーを達成すると考えられる。しかしながら、より大きいまたはより小さい分割器は、異なる電力分割を作り出し、それによって、振幅テーパーと結果として生じるサイド・ローブ・レベルとを特定の用途のための所望の値に調整するために使用され得る。

上記の実施形態は、列／アレイあたり等しい数の双極子を含み、そのような構成は、利得とサイド・ローブ抑制との間の最適なバランスとして本発明者らによって観察されているが、より大きいサイド・ローブ抑制が望まれる場合、本発明によるアンテナ・システムは、列／アレイあたりの双極子の数がアンテナの中心からエッジに向かって次第に減少するように構成され得る。言い換えれば、アンテナは、中心アレイまたは中央アレイが外側アレイよりも多い数の双極子を含み、最も外側のアレイが最も少ない数の双極子を含むように構成され得る。そのような構成は、たとえばＰｏｗｅｌｌに対する米国特許第６，３５３，４１０号に開示されている。

本明細書で開示するデバイスおよび方法は、本発明の単なる例示的な実施形態であることが理解されるべきである。当業者は、開示された実施形態への変更および変形が、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の要旨および範囲から逸脱することなくなされ得ることを理解するであろう。

Claims (10)

1. 導電性バックプレーンに対して配置された複数の同一線上アレイを備えるマルチビーム・アンテナであって、前記複数の同一線上アレイの各同一線上アレイが、１つまたは複数の電磁放射素子を備え、前記複数の同一線上アレイが、少なくとも１つの中央同一線上アレイと、前記少なくとも１つの中央同一線上アレイの外側に配置された２つの外側同一線上アレイとを備える、マルチビーム・アンテナと、
   少なくとも１つの無線受信機または送信機に接続するように構成された複数の無線受信機／送信機ポートと、
   前記複数の同一線上アレイに接続するように構成された複数のアンテナ・ポートと、
   を備えるフェーズド・アレイ給電ネットワークと、
   前記複数のアンテナ・ポートのうちの１つまたは複数の指定されたアンテナ・ポートを、前記少なくとも１つの中央同一線上アレイと前記２つの外側同一線上アレイとのうちの少なくとも２つの同一線上アレイに接続するように構成された１つまたは複数の電力分割器／結合器と、
   を備えるアンテナ・システムであって、前記１つまたは複数の電力分割器／結合器が、前記アンテナに提供される信号電力を前記少なくとも１つの中央同一線上アレイから前記２つの外側同一線上アレイに向かって減少させるように、前記１つまたは複数の指定されたアンテナ・ポートの信号電力を分割するように構成されている、アンテナ・システム。
2. 前記フェーズド・アレイ給電ネットワークが、バトラー・マトリックス給電ネットワークを備える、請求項１に記載のアンテナ・システム。
3. 前記１つまたは複数の電磁放射素子が、１つまたは複数の双極子放射素子を備える、請求項１に記載のアンテナ・システム。
4. 前記複数のアンテナ・ポートが、３つのアンテナ・ポートを備え、
   前記１つまたは複数の電力分割器／結合器が、１つの電力分割器／結合器を備え、
   前記少なくとも１つの中央同一線上アレイが、２つの中央同一線上アレイを備え、
   前記アンテナ・システムが、前記２つの中央同一線上アレイの各々に第１の量の電力を提供し、前記２つの外側同一線上アレイに前記第１の量の電力よりも少ない第２の量の電力を提供するように構成されている、請求項１に記載のアンテナ・システム。
5. 前記第２の量の電力が、前記第１の量の電力の約半分である、請求項４に記載のアンテナ・システム。
6. 前記複数のアンテナ・ポートが、３つのアンテナ・ポートを備え、
   前記１つまたは複数の電力分割器／結合器が、２つの電力分割器／結合器を備え、
   前記少なくとも１つの中央同一線上アレイが、第１の中央同一線上アレイと、前記第１の中央同一線上アレイに隣接する第２の中央同一線上アレイと、前記第２の中央同一線上アレイに隣接する第３の中央同一線上アレイとを備え、
   前記アンテナ・システムが、前記第２の中央同一線上アレイに第１の量の電力を提供し、前記第１の中央同一線上アレイと前記第３の中央同一線上アレイとの各々に前記第１の量の電力よりも少ない第２の量の電力を提供し、前記２つの外側同一線上アレイの各々に前記第１の量の電力よりも少ない第３の量の電力を提供するように構成されている、請求項１に記載のアンテナ・システム。
7. 前記第２の量の電力が、前記第１の量の電力の約３分の２であり、前記第３の量の電力が、前記第１の量の電力の約３分の１である、請求項６に記載のシステム。
8. 前記複数のアンテナ・ポートが、３つのアンテナ・ポートを備え、
   前記１つまたは複数の電力分割器／結合器が、３つの電力分割器／結合器を備え、
   前記少なくとも１つの中央同一線上アレイが、第１の中央同一線上アレイと、前記第２の中央同一線上アレイに隣接する第２の中央同一線上アレイと、前記第２の中央同一線上アレイに隣接する第３の中央同一線上アレイと、前記第３の中央同一線上アレイに隣接する第４の中央同一線上アレイとを備え、
   前記アンテナ・システムが、前記第１および第４の中央同一線上アレイに第１の量の電力を提供し、前記第２および第３の中央同一線上アレイに前記第１の量の電力よりも少ない第２の量の電力を提供し、前記２つの外側同一線上アレイの各々に前記第２の量の電力よりも少ない第３の量の電力を提供するように構成されている、請求項１に記載のアンテナ・システム。
9. 前記第２の量の電力が、前記第１の量の電力の約半分であり、前記第３の量の電力が、前記第１の量の電力の約７分の４である、請求項９に記載のシステム。
10. 前記複数のアンテナ・ポートが、４つのアンテナ・ポートを備え、
    前記１つまたは複数の電力分割器／結合器が、１つの電力分割器／結合器を備え、
    前記少なくとも１つの中央同一線上アレイが、第１の中央同一線上アレイと、前記第１の中央同一線上アレイに隣接する第２の中央同一線上アレイと、前記第２の中央同一線上アレイに隣接する第３の中央同一線上アレイとを備え、
    前記アンテナ・システムが、前記第１の中央同一線上アレイと、前記第２の中央同一線上アレイと、前記第３の中央同一線上アレイとの各々に第１の量の電力を提供し、前記２つの外側同一線上アレイの各々に前記第１の量の電力よりも少ない第２の量の電力を提供するように構成されている、請求項１に記載のアンテナ・システム。

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