JP2018157541A - レンズアンテナシステム - Google Patents

Abstract

【課題】従来のフェーズドアレイと比較して、比較的少数のエレメントおよび部品から構成されたフェーズドアレイアンテナを提供する。
【解決手段】複数のレンズセット１１０を含むアンテナシステムであるレンズアレイ１００を提供する。各レンズセット１１０は、レンズ１１２と、少なくとも１つのフィード素子１５２とを含む。少なくとも１つのフィード素子１５２がレンズ１１２と位置合わせされ、レンズ１１２を通して所望の方向に信号を導くように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、多重ビームフェーズドアレイアンテナシステムに関するものである。より詳細には、本発明は、各々が複数のスキャン可能なビームを備えた広角の屈折率分布型レンズ（グラジエント・インデックスレンズ）を用いて構成素子の数を減らした広帯域で広角の多重ビーム（多光束）フェーズドアレイアンテナシステムに関するものである。

本出願は、２０１７年３月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／４７２，９９１号の利益を主張するものであり、その全内容は、本明細書に参照として組み込まれる。

フェーズドアレイは、薄型で、比較的軽量に構成することができる電磁波用開口アンテナの一形態であり、出力される指向性の高い無線エネルギーのビームを、電気的な制御により、可動する部品なしで、所望の方向を指すように操縦することができる。従来のフェーズドアレイは、密集した（半波長程度に）、複数の個別の放射アンテナまたは素子の集合体であり、同じ入力信号が、各々の独立した放射素子に供給され、所定の振幅と、時間または位相のオフセットとで制御される。各放射素子から放射されたエネルギーは、各素子の時間／位相のオフセットの構成によって決定される方向（または複数の方向）に向くように合成される。このようなフェーズドアレイ用の個々のアンテナまたは放射素子は、アレイ相互結合環境における各フィード（供給点、給電点）からの放射エネルギー角度分布またはパターン（埋め込み素子またはスキャン素子ゲインパターンとも呼ばれる）ができるだけ均一に分布されるように設計され、空間的角度を広範囲にわたってカバーするためには、開口アレイの投影面積が必要であるという物理的制約を受けるが、ビームスキャン角度の範囲では最大のアンテナゲインを得ることができる。従来のフェーズドアレイの例は、米国特許第４，８４５，５０７号、米国特許第５，２８３，５８７号、米国特許第５，４５７，４６５号に記載されている。

反射型アンテナ（放物線状またはそれ以外）および導波管ベースのホーンアンテナなどの高い指向性無線ビームを実現する他の一般的な方法と比較して、フェーズドアレイは多くの利点がある。しかしながら、アクティブフェーズドアレイ、すなわち、受信および／または送信機能用の複数の素子に複数の増幅器を組み込んだもののコストおよび電力消費は、アレイ内のアクティブなフィード（給電、給電点）数に比例する。したがって、サイズが大きく、高指向性のフェーズドアレイは、比較的多量の電力を消費し、製造コストが非常に高い。

フェーズドアレイは、通常、従来の方法を使用する場合、ビームの操作範囲にわたり性能を維持するためには、開口部全体が、密接したフィードで満たされることが必要である。開口効率を維持し、グレーティングローブ（grating lobes）を排除するためには、高い密度でパッキングされたフィード（最高動作周波数における波長の約半分の間隔）が必要である。広帯域フェーズドアレイは、放射素子および回路の帯域幅の制限に加えて、素子間隔、開口の充填率の要件、および位相または時間オフセット制御に使用される回路のタイプといった制約がある。

例えば、アレイの法線または照準から約７０度にビームを操作するためには、６５ｃｍ四方の１４．５ＧＨｚＫｕバンド位相アレイが必要であり、それには、それぞれ独立した送信（Ｔｘ）および／または受信（Ｒｘ）モジュール、位相シフタまたは時間遅延回路、および追加回路を備えた４０００個以上の素子が必要である。端末が動作しているときは常に、すべての素子に電力が供給されなければならず、実質的に安定したＤＣ電流が必要となる。

アクティブフェーズドアレイのエレメント（要素）またはフィードの全てを、そのアレイを稼働させるためには機能（有効に）させる必要があり、たとえば、４０００個のエレメントのアレイに対して、アクティブなモジュールの効率にも依存するが、８００Ｗあるいはそれ以上の大きな電力が浪費される。アレイのパフォーマンスに劇的な影響を与えることなく、特定のエレメントを無効にして消費電力を削減することはできない。

エレメントの間隔を、数波長程度に大きくすることができる、スパースアレイ（疎な配列、sparse arrays）を実現するために様々な技術が開発されている。広いエレメント間隔を有する周期的なアレイ（周期的な配列）は、グレーティングローブを生じるが、エレメントを適切にランダムに配置することにより、周期性が崩れ、グレーティングローブを低減することができる。しかしながら、これらのアレイは、エレメントが疎に配置されることにより開口効率が低下し、通常よりも大きなアレイ設置面積を必要とする。このため、限られた用途しか見いだされていない。「Ｇｒｅｇｏｒｙ，Ｍ．Ｄ．，Ｎａｍｉｎ，Ｆ．Ａ． ａｎｄ Ｗｅｒｎｅｒ，Ｄ．Ｈ．， ２０１３． “Ｅｘｐｌｏｉｔｉｎｇ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｙｍｍｅｔｒｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｕｌｔｒａ−ｗｉｄｅｂａｎｄ ｐｌａｎａｒ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ ｌａｙｏｕｔｓ．” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ， ６１（１）， ｐｐ． １７６−１８４」は参照として本明細書に組み込まれる。

グレーティングローブの影響を制限する他の方法は、指向性の高い複数のアレイエレメント（アレイ要素）を使用することである。なぜなら、アレイ全体のパターンは、アレイファクタ、すなわち、複数の等方性のエレメントのアレイとしてのパターンと、それぞれのエレメントのゲイン（利得）パターンとの積であるからである。エレメントのパターンが非常に指向性が高い場合、上記の積においては、メインビーム領域外のグレーティングローブの大部分が抑制される。一例は、超大型アレイ（ＶＬＡ）である。ＶＬＡは、多数の大きなジンバル型反射器アンテナからなり、非常に疎な高指向性のエレメント（反射器）を形成し、それぞれは狭いエレメントがペンシルビームを発し、アレイからの全放射パターンにおけるサイドローブの大きさを劇的に減少させる。「Ｐ．Ｊ．Ｎａｐｉｅｒ， Ａ．Ｒ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ ａｎｄ Ｒ．Ｄ．Ｅｋｅｒｓ， “Ｔｈｅ ｖｅｒｙ ｌａｒｇｅ ａｒｒａｙ： Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ ｍｏｄｅｒｎ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｒａｄｉｏｔｅｌｅｓｃｏｐｅ．” Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ， ｖｏｌ． ７１， ｎｏ． １１， ｐｐ． １２９５−１３２０， Ｎｏｖ． １９８３； ａｎｄ ｗｗｗ．ｖｌａ．ｎｒａｏ．ｅｄｕ／」は参照として本明細書に組み込まれる。

本発明は、従来のフェーズドアレイと比較して、比較的少数のエレメント（要素、素子）および部品から構成されたフェーズドアレイアンテナの系列を提供する。アレイは、相対的に少数の放射素子（放射エレメント）を用い、放射素子（エレメント）の各々は、比較的電気的に大きい、例えば５波長の、屈折率分布型（勾配屈折率型、Gradient Index （ＧＲＩＮ））レンズであり、その焦点領域に少なくとも１つまたは複数のフィード素子（フィードエレメント、供給素子、給電素子、供給要素）を有し、特別に最適化されているものである。各アレイ素子（アレイエレメント）は、ＧＲＩＮレンズと、各レンズの焦点領域内の少なくとも１つのフィード素子とを有する。複数のレンズと複数のフィードとのセットは、少なくとも１つのビームに対し、エレメントパターン（素子パターン、要素パターン）の方向を変えたり制御したりしてよく、所望のビーム操作範囲（ビームステアリング範囲）または視野（識別範囲）を広げることができる。１つのフィード（給電点）またはフィード（給電点）のクラスター（集合）が、単一の有効なフィードとして動作するように励起された（給電された）場合、フィードまたはクラスターの位置を、レンズの焦点に対して物理的に移動することによりビーム操作をおこなってもよい。移動する部品を用いずにビームの操作（ビームステアリング）を行う場合は、各レンズの焦点領域に１組の複数のフィード（給電点）が配置されてもよく、アクティブフィードまたはフィードクラスターの選択（例えばスイッチングによる）によって、特定のビーム方向に向けられたエレメントビーム（要素ビーム）が生成される。ＧＲＩＮレンズの具体的な構造は、出願人の係属中の米国仮特許出願第６２／４３８，１８１号（２０１６年１２月２２日出願）に開示された発明のように、適切な方法で最適化することができ、この出願は参照され、出願に組み込まれる。

一実施形態では、アレイは、各レンズの焦点領域内の複数のフィードを設け、エレメントビームを操作するためのアクティブフィード（給電する給電点）を選択することにより、移動するパーツなしで、特定の角度範囲または視界（識別範囲）にわたり、１つまたは複数のビームを操作（操縦、ステアリング、向きを変える）することができる。非常に単純化された別の実施形態では、対応するレンズの焦点領域内で、各フィード素子を物理的に移動させることによって、最小部品点数でアレイを実現することも可能である。この単純化された実施形態では、アレイ全体を横切るようにフィード素子のセットを一体で動かしてもよく、その場合、すべてのレンズに対し、フィード素子が集団で横切るようにする２つのアクチュエータのみを用いてもよく、また、制御性を改善するために、各レンズに対して独立したアクチュエータを設けてもよい。全体的なアレイパターンはアンテナ回路および／またはアンテナ処理装置によって得られ、各レンズにおける対応するアクティブなフィード素子を、位相／時間遅延回路と、およびアクティブ（活性、給電）または不活的のコーポレイトフィードネットワーク（共同または統合された給電ネットワーク）と組み合わせてもよい。

アレイのビームスキャン性能は、粗いビームポインティング（粗照準、コースビームポインティング）と精度の高いビームポインティング（高精度照準、ファインビームポインティング）との２つのレベルで制御される。各レンズの粗いビームポインティングでは、各レンズの焦点領域内で、単一のフィード（またはフィード位置、給電位置）として動作するように励起された特定のフィードまたはフィードの小さなクラスターを選択することによって得られる。レンズとフィードとの組み合わせは、指向性を示すが、レンズの大きさにより、波長に対し、また、レンズの公称焦点（ノミナルフォーカルポイント）に対するフィードのずれ（変位）に依存する方向に、比較的広いビームを生成する。アレイの各レンズ内の対応するフィード素子を適切な位相シフトまたは時間遅延と組み合わせることによって、開口アレイの全サイズを活かして、ビーム照準を高精度で制御でき、高い指向性が得られる。完全に電子的にビームを操作（方向性を制御）するための、各レンズの焦点領域内のフィード（給電点）のセットは、各レンズに関連する領域のほんのわずかしか占有しないので、フィードおよびそれに関連する部品（コンポーネント）の数は従来のフェーズドアレイに比べてはるかに少ない。さらに、電力はアクティブなフィードにのみ印加される必要があるので、このアレイの電力消費は、そのすべてのエレメントに電力が供給されなければならない従来のフェーズドアレイの場合よりも実質的に少ないことは明らかである。この特別なフェーズドアレイのデザインは、同等の技術的性能を維持しながら、同等の開口寸法を有する従来のフェーズドアレイと比較して、総部品点数、コストおよび電力消費を実質的に低減する。

さらに、各レンズおよびその複数のフィード素子（供給素子、給電素子）は、独立したＲＦ信号を用いて各レンズ内の別々のフィード素子を有効（イネーブル）にし、さらに励起（給電）するだけで、複数のビームを形成することができる。したがって、この技術は、ビーム指向性の制御に関連する電子機器、ならびに受信および送信サブシステムを備えたハードウェアおよびソフトウェアインターフェースと共に使用され、１つまたは複数の衛星または他の遠隔通信ノードとの同時一方向または同時双方向通信（双方向二重）を可能にする。従来のフェーズドアレイと比較して、部品点数が少なく、低消費電力のマルチビーム機能は、２つ以上の衛星と通信することや、例えば、端末の上を通過するときに、非静止衛星への「メーク・ビフォー・ブレイク」接続を可能にすることがアプリケーションにおいて特に価値がある。

構成部品が比較的少数であることと、エレメントパターン（各エレメントの放射パターン）が指向性であるとともに広範囲の角度にわたって操作できることによって得られる柔軟性とは、大幅なコスト削減をもたらす。個々に走査する（スキャ二ングする）アンテナ素子（アンテナエレメント、例えば、レンズ）により広い視野（認識領域）が可能となり、エレメント間隔を広くすることによりグレーティングローブが発生したとしても、エレメントの位置および向き、およびビーム方向およびエレメントの指向性を最適化することにより得られる自由度により、このアレイの放射パターン内のグレーティングローブの大きさを最小にすることができる。

レンズアレイは、レンズがアレイの開口領域を満たすので、疎なアレイ（疎な配列、スパースアレイ、sparse array）ではない。各レンズの位相中心はわずかにずれていてもよく、それによりアレイ全体の周期性が崩れ、効率にそれほど影響することなくグレーティングローブを削減でき、さらに、操作（操縦）可能なエレメントパターンを用いることにより、さらに低減できる。

新しいフェーズドアレイアンテナシステムは、電気的に大きく、高ゲインアンテナ素子のアレイを有し、各エレメントはマイクロ波レンズを備え、レンズは、その焦点領域に１つ以上のフィード（給電点）を有する屈折率分散型（ＧＲＩＮ）レンズであってもよい。各レンズおよびフィードサブシステムは、公称レンズ焦点（ノミナルフォーカスポイント）からのフィード（給電点）の変位（距離）によりビームの向きを操作可能な複数の独立したエレメントパターンを形成することができる。さらに、多数のこのようなレンズおよびフィードサブシステムの対応するポートを組み合わせて位相を合わせることによって、ビームの方向を高い精度で制御できる高ゲインのビームが形成される。このため、アンテナビームがスキャンされる場合は、まず、粗いポインティング（粗照準）を得るためにエレメントパターンが（レンズセット回路を介して）最初に操作され（向きが制御され）、次に、（アンテナ回路を介して）各フィードに対し、相対位相または時間遅延を用いて、アレイビームを高い精度で照射することができる。アンテナ回路は、デジタルビーム形成技術を使用でき、デジタル信号プロセッサ、アナログ／デジタル変換、およびデジタル／アナログ変換を使用して、各フィードへの信号およびフィードからの信号を処理することができる。電気的に大きな素子開口は、高い開口効率およびゲインのために、アレイ開口の全体を満たすような形状でタイル状に配置される。さらに、アレイは平面である必要はなく、レンズ／フィードサブシステムは、曲面を成してもよく、航空機用のような所望の形状であってもよい。走査型の高指向性エレメントは、従来のフェーズドアレイと比較して、より少ないアクティブエレメントが必要なだけであり、それによって実質的なコストおよび電力節約をもたらす。さらに、レンズアレイは、対称または細長いアレイのような任意の形状因子（形状要素）を含むアレイを形成するように配置されてもよい。

さらに、各レンズは、適切なフィード素子を作動させることによって、複数のビームを同時に形成することができる。これらのフィード素子は、それぞれの位相調整または時間遅延の回路網（ネットワーク）またはデジタルビーム形成回路と組み合わせて、アレイ全体から複数の高ゲインのビームを形成できる。レンズの向きと位置に加えて、レンズとフィード（給電点）の組み合わせによって与えられる、より大きな自由度のある設計の柔軟性は、視野を拡大できるとともにグレーティングローブを抑制できる。アンテナシステムは、衛星通信（Ｓａｔｃｏｍ）、特に移動体の衛星通信（ＳＯＴＭ）、５Ｇ、ポイント−ポイント間（地点間）もしくはポイント−マルチポイント間（多地点間）のブロードバンド通信、および他の地上または衛星通信システムのようなアプリケーションに関する、広範な分野をカバーする単一または複数のビームを生成する、捕捉・追尾（捕捉および追跡、アクイジションアンドトラッキング）サブシステムを含む通信端末の一部であってもよい。このようなレンズを備えたアンテナ設計は、同時に、独立して方向を操作可能な複数のビームを取り扱うことに適している。これらの同時ビーム（連立したビーム、併発したビーム）は、以下のような多くの用途に使用することができ、従来の多重ビームフェーズドアレイのように多額の費用を発生させずにすむ。監視のためのセンサー、複数の送信元からの受信（マルチトランスミッションソースの受信）、複数の送信ビーム（マルチトランスミッションビーム）、非静止衛星、例えば、低静止軌道（ＬＥＯ）衛星または中周回軌道（ＭＥＯ）衛星の衛星群との「メイク・ビフォー・ブレイク」リンクを作ること、さらに、干渉を抑制するためのヌルプレイスメント（null placement）。さらに、このフェーズドアレイアンテナシステムは、宇宙船において、単一または複数のビームのため、または成形ビームといった衛星アプリケーションに使用することができる。

本発明のこれらおよび他の目的、ならびにそれらの意図された利点の多くは、添付の図面と併せて以下の説明を参照すると、より容易に明らかになるであろう。

フェーズドアレイとして実現するだけではなく、ＭＩＭＯ（多入力多出力）通信システムにも、収集レンズおよび関連回路によって提供される機能を利用できる。ＭＩＭＯの信号処理は、従来のフェーズドアレイと比較して異なるが、信号強度を向上させ、雑音の多い環境または干渉しやすい環境における通信機能の改善のために、ビームを操作することは有効である。

電気的に大きなマルチビームエレメントを有するマルチビームフェーズドアレイを切欠いて示す斜視図である。

中程度のゲインのレンズおよびフィード素子が、粗いパターン制御のためのフィードを選択して放射パターンをスキャンする様子を示す側面図である。

選択されたアンテナエレメントで所望のスキャン角度で複数のビームを形成するために位相調整されたレンズ−フィード素子の複数ビームアレイを示すブロック図である。

単一ビームおよび切替型のフィードセレクションを有するレンズアレイのブロック図である。

グレーティングローブ制御のために摂動されたエレメントの位相中心を示す面図である。

各レンズ内の１つのフィード素子の位置を機械的にシフトすることによる簡略化されたビーム操作を示す側面図である。

図６Ａの簡略化されたビーム操作を示す面図である。

二重直線偏波レンズフィードの送受信回路の機能ブロック図である。

二重円偏波レンズフィードの送受信回路のブロック図である。

レンズフィードの受信専用回路のブロック図である。

レンズフィードの送信専用回路のブロック図である。

フィードを選択するスイッチ回路の機能ブロック図である。

デジタルビーム処理をデジタル領域で実装するための回路を示す機能ブロック図である。

Ｓａｔｃｏｍ端末のシステム図である。

多地点間の無線地上端末の図である。

図面に示された本発明の例示的で非限定的な好ましい実施形態を説明するにあたり、明瞭化のために特定の用語が使用される。しかしながら、本発明は、そのように選択された特定の用語に限定されることを意図するものではなく、それぞれの特定の用語は、同様の目的を達成するために類似の方法で動作するすべての技術的等価物を含む。本発明のいくつかの好ましい実施形態が例示目的のために記載されているが、本発明は図面に具体的に示されていない他の形態で具体化されてもよいことが理解される。

図面を参照すると、図１は、アンテナシステムであるレンズアレイ１００を示す。レンズアレイ（レンズ配列、レンズ隊列、レンズ配置）１００は、複数のレンズセット１１０を有する。各レンズセット１１０は、レンズ１１２、スペーサー１１４、およびフィードセット１５０を含み、フィードセット（供給セット、給電セット）１５０は、複数のフィード素子（フィードエレメント、供給素子、給電素子）１５２を含み、図示のために、１つのレンズセット１１０を分解して示している。スペーサー１１４はレンズ１１２をフィードセット１５０から分離して、レンズの適切な焦点距離に一致させる。スペーサー１１４は、低誘電率の誘発体発泡体（dielectric foam）から形成することができる。他の例では、スペーサー１１４は、レンズ１１２とフィードセット１５０との間に空隙などのギャップ（間隔）を生成する支持構造を含む。さらなる例では、レンズセット１１０はスペーサー１１４を含まなくてもよい。フィード素子１５２は、単一または多層のパッチ、スロット、またはダイポールといった、平面マイクロストリップアンテナで構成してもよく、導波管または開口アンテナ（アパーチャアンテナ、aperture antenna）として構成してもよい。多層印刷回路基板（ＰＣＢ）上に長方形のパッチとして描かれているが、フィード素子１５２は、異なる構成（サイズおよび／または形状）を有してもよい。

各レンズセット内のフィードセット１５０のベース（基板）を形成するＰＣＢは、信号処理および制御回路（「レンズセット回路」）をさらに含む。複数のフィード素子１５２は、フィードセット１５０全体にわたって同一であってもよく、フィードセット１５０内の複数のフィード１５２はそれぞれ、レンズ１１２下のそれぞれの位置に基づいて性能を最適化するように独立して設計されてもよい。フィードセット１５０内の複数のフィード素子１５２の物理的配置は、六角形または直線格子をなすように均一であってもよく、不均一であってもよく、円形または他の格子をなすように配置されてもよく、レンズアレイ１００全体のコストおよび放射効率を最適化するように配置される。複数のフィード素子１５２自体は、任意の適切なタイプのフィード素子であってもよい。例えば、フィード素子１５２は、プリント回路「パッチタイプ」素子、空気を充填した、または誘電体が取り付けられたホーン状（角型）または開放端導波管、ダイポール（双極子）、密結合ダイポールアレイ（ＴＣＤＡ）（Ｖｏ，Ｈｅｎｒｙ“ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ ＯＦ ＡＮ ＵＬＴＲＡ−ＷＩＤＥＢＡＮＤ ＬＯＷ−ＰＲＯＦＩＬＥ ＷＩＤＥ ＳＣＡＮ ＡＮＧＬＥ ＰＨＡＳＥＤ ＡＲＲＡＹＡＮＴＥＮＮＡ．“Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ． Ｏｈｉｏ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１５参照)、ホログラフィック開口アンテナ（Ｍ．ＥｌＳｈｅｒｂｉｎｙ，Ａ．Ｅ．Ｆａｔｈｙ，Ａ．Ｒｏｓｅｎ，Ｇ．Ａｙｅｒｓ，Ｓ．Ｍ．Ｐｅｒｌｏｗ，“Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ａｎｔｅｎｎａ ｃｏｎｃｅｐｔ，ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ”，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，Ｖｏｌｕｍｅ５２ ｉｓｓｕｅ３，ｐｐ． ８３０−８３９， ２００４参照）、他の波長スケールアンテナ、又はそれらの組み合わせに対応したものであってもよい。いくつかの実施形態では、複数のフィード素子１５２は、それぞれ、非半球状の方向付けされた放射パターンを有する。

レンズアレイ（アンテナシステム）１００によって受信された信号は、それぞれのレンズ１１２を通って各レンズセット１１０に入り、レンズセット１１０のフィードセット１５０の少なくとも１つのフィード素子１５２に信号を集束させる。次に、あるフィード素子に入射した信号は、後述する信号処理回路（レンズセット回路、アンテナ回路に続く）に送られる。同様に、レンズアレイ１００によって送信された信号は、特定のフィードセット１５０からそれぞれのレンズ１１２を介して送信されたものである。

レンズアレイ１００で使用される電気および無線周波数（高周波）の構成要素（回路要素、回路部品、例えば、電気機器、電気部品、ＲＦ部品、増幅器、トランジスタ、フィルタ、スイッチなど）の数は、フィードセット１５０内のフィード素子１５２の総数に比例する。例えば、各フィードセット１５０内の各フィード素子１５２に対して一部品が割り当てられてもよい。しかしながら、各フィード素子１５２には複数の部品が割り当てられてもよく、または１つの部品に複数のフィード素子１５２が割り当てられてもよい。

図示されているように、各レンズセット１１０は六角形の形状を有し、各辺で隣接するレンズセット１１０に直に隣接し（近接し）、六角形のタイリング（タイル張り、タイル集合）を形成している。直に隣接する（直に隣り合う）レンズ１１２は、それらの縁部（エッジ）に沿って接触して（直に触れて）いてもよい。フィードセット（供給セット、給電セット）１５０は、レンズ１１２よりも面積が小さく、レンズ−フィード光学系を形成し、レンズ１１２と実質的に同じ形状または異なる形状とすることができる。本明細書では六角形として記載されているが、レンズは、完全な開口アレイのタイリングを可能にする形状であれば、正方形または長方形のような他の形状を有してもよい。フィードセット１５０は、互いに接触していなくてもよく、短絡または他の方法で電子的に干渉することを回避してもよい。各レンズで形成された複数のエレメントビーム（要素ビーム、element beams）は光学的な特性を持つため、複数のスキャン用のエレメントビーム（走査用の複数の要素ビーム、scanned element beam）を生成するためのフィード変位（給電点の変位）は、焦点面内において、常にレンズ中心からそのエッジまでの距離よりも実質的に小さい。したがって、必要な走査範囲または視野（認識範囲、field of regard）を「満たす」ために必要なフィードの数は、全開口面積がフィード素子によって完全に満たされて（占有されて）いなければならないアレイの場合よりも少ない。

レンズアレイ１００のいくつかの実施形態では、フィードセット１５０は、各レンズ１１２の面積の約２５％を占める。レンズアレイ１００は、エレメント数（要素数、素子数）は実質的に少ないが、半波長素子の従来のフェーズドアレイと同様の総面積を有し、同様の開口効率を維持する。そのような実施形態では、レンズアレイ１００では、従来のフェーズドアレイにおいてフィードセット１５０がレンズアレイ１００の領域の１００％を満たす場合のフィード素子の数の約２５％のみを含むだけでよい。レンズアレイ１００に使用される電気およびＲＦ用の部品の数は、フィードセット１５０内のフィード要素１５２の総数に比例するので、フィード素子１５２の数の減少はまた、対応する信号処理回路の構成部品（増幅器、トランジスタ、フィルタ、スイッチなど）の数および複雑さを同程度に減少できる。さらに、各レンズ内の選択されたフィードのみが電力を供給される必要があるので、総電力消費は、従来のフェーズドアレイに比べて実質的に低減される。

図示のように、レンズアレイ１００は、ベース２０２と、カバーまたはレドーム（レーダードーム）２０４とを有するハウジング２００内に配置されてもよく、ハウジング２００は、レンズセット１１０、フィードセット１５０、および他の電子部品を完全に囲んでもよい。いくつかの実施形態では、カバー２０４は、信号用のワイヤまたは供給線のためのアクセス開口を含んでもよい。ハウジング２００は、比較的薄く、レンズアレイ１００の上面２０６を形成してもよい。上面２０６は、実質的に平面であっても、わずかに湾曲していてもよい。レンズセット１１０は、フィードセット１５０のフィード素子１５２と通信するための電気的な供給線または接続要素を有するプリント回路基板（ＰＣＢ）などの、基板またはベース層上に配置してもよい。複数のレンズセット１１０は、同じ平面上に配置されてもよく、異なる高さとなるようにオフセットされていてもよく、または非平面の表面を形成するタイル張り状に配置されてもよい。

図２は、複数のフィード素子１５２を備えたレンズ１１２を有する１つのレンズセット１１０を示す。明確にするために、ここでは２つのフィード素子（供給素子、供給要素、給電素子）１５２ａ、１５２ｂのみが示されているが、典型的なフィードクラスター（給電点の集合）は、例えば、１９、３７、またはそれ以上の個別のフィード（給電点）を有してもよい。各フィード素子１５２は、レンズ１１２の公称焦点（ノミナルフォーカルポイント）からのフィード素子の変位に応じて、特定の角度でレンズ１１２を介して比較的広いビームを生成する。図２に示すように、第１のフィード素子１５２ａは、レンズ１１２の焦点に直に位置合わせ（整列）されており（焦点と直線に並んでおり）、レンズ１１２またはハウジング上面２０６に対して実質的に垂直なビーム１を生成し、第２のフィード素子１５２ｂは、レンズ１１２の焦点からずれて（オフセットされて）位置合わせ（整列）されており、レンズ１１２の法線またはハウジングの上面２０６に対してある角度の（傾いた）ビーム２を生成する。したがって、フィード素子１５２ａ、１５２ｂのうちの１つを選択的に作動させることにより、レンズセット１１０により、所望の方向に放射パターンを生成することができる（すなわち、フィードを選択することによってビームを走査できる）。したがって、レンズセット１１０は、広範囲の角度で動作（広範囲の角度をカバー）することができる。

図３は、複数のレンズセット１１０およびフィードセット１５０を有するレンズアレイを有する、簡易な構造のフェーズドアレイを示す。各レンズセット１１０ａ、１１０ｂは、それぞれのフィードセット１５０ａ、１５０ｂと位置合わせされた（整列された）レンズ１１２ａ、１１２ｂを有し、各フィードセット１５０ａ、１５０ｂは、複数のフィード素子１５２ａ、１５２ｂを有する。各フィード素子（供給素子、給電素子）１５２は、アンテナ３０２と、アンテナ３０２に接続されたリーダーまたは検出器などの検出装置３０４とを含む。検出装置３０４は、加算／分配器（混合／分配器、収集／分配器、加算器／除算器）３０８に接続されたシフタ３０６（時間および／または位相）に接続されている。シフタ３０６は、対応する（関連する）フィード素子１５２に適した所望の時間および／または位相シフトを提供する。各加加算／分配器３０８は、複数のフィードセット１５０に含まれる複数のフィード素子１５２の１つずつに、フィードセット１５０ごとに接続されている。すなわち、各レンズ１１２の、対応するフィード素子１５２は、位相または時間遅延ネットワークにより結合（または分割（分離））される。したがって、第１の加算／分配器３０８ａは、第１のフィードセット１５０ａの第１のフィード素子１５２ａ１と第２のフィードセット１５０ｂの第１のフィード素子１５２ｂ１に接続され、第２の加算／分配器３０８ｂは第１のフィードセット１５０ａの第２のフィード素子１５２ａ２と第２のフィードセット１５０ｂの第２のフィード素子１５２ｂ２に接続されている。各信号は加算／分配器３０８によって加算（混合）または分配（分割、除算）される前または後にシフタ３０６を通過する。各加算／分配回路３０８は（例えば、シフタ３０６を介して）、各フィードセット１５０内の特定のフィード素子１５２に直接接続してもよく、スイッチングマトリクスを介して接続され、各レンズセット１１０から特定の所望のフィード素子１５２を動的に選択して接続されるようになっていてもよい。

各フィード素子１５２に含まれる検知装置３０４内の回路は、増幅器、偏波制御回路、ダイプレクサーまたは時分割双方向（二重）スイッチ、および他の部品（回路素子）を含むことができる。さらに、検知装置３０４は、回路素子の組み合わせで構成されてもよく、集積回路に実装されてもよい。さらに、検出装置３０４は、アップコンバータおよびダウンコンバータを含んでもよく、信号処理が中間周波数またはベースバンド（基本周波数）でも行えるようにしてもよい。図面をあまりにも煩雑にしないために、各ビームについてここでは単一の位相ネットワークしか示されていないが、各ビームについて、送信位相ネットワーク（transmit phasing network）と受信位相ネットワーク（receive phasing network）を用いることができることが理解される。Ｋｕ帯域といったいくつかの帯域では、送信ビームと受信ビームの両方を位相調整し、送信帯域と受信帯域全体にわたって、角度空間（angle space）において一致させる単一時間遅延ネットワークを採用することが可能である。このような広帯域動作は、他のＳａｔｃｏｍバンドにおいて可能である。この図は、２つのこのような位相ネットワークにより２つのビームが同時に（並列に、重複して）、どのように生成されるかを示している。同様に、２つ以上のビームを同時に（重複して）生成できることは上記の記述から明らかである。

動作中、第１のレンズ１１２ａによって受信された信号は、それぞれのフィードセット１５０ａへ伝えられる。信号は、第１のフィードセット１５０ａのアンテナ３０２および回路３０４によって受信され、シフタ３０６に渡される。したがって、第１のフィード素子１５２ａ１は信号を受信し、信号を対応するシフタ３０６を介して第１の加算／分配器３０８ａに渡し、第２のフィード素子１５２ａ２は信号を受信し、信号を対応するシフタ３０６を介して第２の加算／分配器３０８ｂに送る。第２のレンズ１１２ｂは、信号をそれぞれのフィードセット１５０ｂに渡す。第１のフィード素子１５２ｂ１は、信号を受信し、信号を対応するシフタ３０６を介して第１の加算／分配器３０８ａに送り、第２のフィード素子１５２ｂ２は信号を受信し、信号を対応するシフタ３０６を介して第２の加算／分配器３０８ｂに送る。

また、信号は逆に送信されることが可能であり、信号は加算／分配器３０８によって分配（分割、除算）され、シフタ３０６およびフィードセット１５０ａを介してレンズ１１２から送信される。より具体的には、第１の分配器（除算器）３０８ａは、送信すべき信号を、それぞれのシフタ３０６を介して、第１および第２のフィードセット１５０ａ、１５０ｂの第１のフィード素子１５２ａ１、１５２ｂ１に送る。そして、第２の分配器３０８ｂは、信号を、それぞれのシフタ３０６を介して第１および第２のフィードセット１５０ａ、１５０ｂの第２のフィード素子１５２ａ２、１５２ｂ２に送る。第１フィードセット１５０ａのフィード素子１５２ａ１、１５２ａ２は、第１レンズ１１２ａを介して信号を送信し、第２フィードセット１５０ｂのフィード素子１５２ｂ１、１５２ｂ２は、第２レンズ１１２ｂを介して信号を送信する。

したがって、第１の加算／分配器３０８ａは、それぞれのフィードセット１５０の第１のフィード素子１５２を介して送受信されるすべての信号を処理し、第２の加算／分配器３０８ｂは、それぞれのフィードセット１５０の第２のフィード素子１５２を介して送受信されるすべての信号を処理する。したがって、第１の加算／分配器３０８ａを用いて、第１のフィード素子１５２ａに関連する角度でスキャンするビームを形成することができ、第２の加算／分配器３０８ｂを使用して、第２のフィード素子１５２ｂに関連する角度でスキャンするビームを形成することができる。

したがって、図３は、フェーズドアレイの１つのレンズセットに含まれる１つまたは複数のフィード素子が、そのレンズセットのレンズに対するフィード素子のそれぞれの位置に基づいて選択的に作動される例を示す。したがって、このレンズセットによって生成されたビームは、可動部品なしで（部品を移動させることなく）調整でき、レンズと、アレイの他のレンズとの間に隙間を設けなくてもよい。

図４は、単一のビームを形成するために１つのビームの位相制御／時間遅延回路を使用することを示しており、各レンズ１１２に１つ以上のスイッチ３１０を組み込んで、まず、粗いポインティング（粗い指向、粗照準、coarse pointing）のための適切なフィード素子を選択し、その後、高精度のビームポインティング（高精度のビーム指向、高精度照準、fine beam pointing）のためにレンズの複数のフィード（給電点）の位相を調整し、アレイ全体の高い指向性を実現する。スイッチ３１０は、検出器または検出装置３０４とシフタ３０６との間を接続するように設けられており、シフタ３０６は、例えば時間遅延回路または位相シフト回路であってよい。したがって、第１および第２のフィード素子１５２ａ１、１５２ａ２を介して受信された信号は、シフタ３０６を共有する。スイッチ３１０は、信号を受信するため、および／または信号を送信するために、フィード素子１５２ａ１、１５２ａ２のいずれかをシフタ３０６に接続するかを選択する。本発明の一実施例では、全てのスイッチ３１０は、各フィードセット１５０ａ、１５０ｂの第１のフィード素子１５２ａ１、１５２ｂ１（又は第２のフィード素子１５２ａ２、１５２ｂ２）を同時に選択するように動作することができ、第１のフィード素子１５２ａ１、１５２ｂ１（または第２のフィード素子１５２ａ２、１５２ｂ２）と加算／分配器３０８との間で信号を伝達させる。したがって、これらのスイッチ３１０は、１つの加算／分配器３０８が複数のフィード素子をサポートすることを可能にする。シフタ３０６も同時に制御されて、選択されたフィード素子１５２に対して適切なシフト（偏移、ずれ、波長変化）を提供する。

図３および図４の例では、各レンズ１１２の粗いビームポインティング（ビーム指向）は、レンズセット回路により各レンズ１１２の焦点領域内の特定のフィード素子１５２（またはフィード位置）を選択することにより得られる。レンズとフィードの組み合わせは、波長に対するレンズサイズの関係により比較的広いビームを生成する。ビームの方向は、レンズ１１２の公称焦点に対するフィード素子１５２の変位に基づく。アンテナ回路により、適切な位相シフトまたは時間遅延で各レンズセット１１０内の対応するフィード素子１５２を組み合わせることにより、ビーム指向（ビームポインティング）の細かい制御と、開口サイズ全体による高い指向性が得られる。アレイ全体のビームの精密なポインティング（指向、照準）は、時間遅延回路または位相回路を適切に設定することにより得られ、そのような回路はアナログまたはデジタルの回路素子のいずれを用いた周知の回路であってもよい。例えば、デジタル時間遅延または位相回路の場合、特定のアレイビームのポインティング精度を達成するために適切なビット数を選択できる。

このように、図４には、フェーズドアレイのレンズセットに含まれる１つまたは複数のフィード素子が、そのレンズセットのレンズに対するフィード素子の位置に基づいて選択的に作動される別の例を示す。したがって、このビームセットにより生成されるビームは移動するパーツなしに調整されてもよく、そのため、レンズを動かすための、レンズと、アレイの他のレンズとの間にギャップを設けなくてもよい。

図５は、アレイ１００の対称性／周期性に影響を与えるように各レンズセット１１０の位相中心の位置を最適に配置し、それによってグレーティングローブを最小限にする様子を示している。各レンズ１１２は、幾何学的中心（「重心」）および位相中心を有する。レンズが円筒状に対称であれば、位相中心がすべての走査角度に対して対称軸と一致している必要はなく、レンズ面（レンズ平面）におけて対称軸にオフセットにより所定の変位および角度があれば、元来の構成に対して、レンズの位相中心も同様の変位および角度でオフセットしている。したがって、レンズの位相中心は、レンズ重心に対するレンズの対称軸の位置を変えることによって調整され得る。位相中心は、球面遠視野電磁波（spherical far-filed electromagnetic wave）の想定放射位置に対応する。レンズの位相中心および幾何学中心は独立して制御され、各レンズ１１２の幾何学中心ではなく位相中心が、グレーティングローブの低減度を決定する。

したがって、各レンズ１１２の位相中心２４は、典型的には一様な六角形または長方形の格子にタイル状に配置された幾何学的中心２０（すなわち、摂動のない位相中心）から、レンズの対称軸の距離ｒｉおよび回転角度αｉを最適化することにより摂動される（揺動される、かき乱される）。レンズの対称軸の特定の最適化位置は、上記のＧｒｅｇｏｒｙの文献に記載されているような任意の適切な技術によって決定できる。対称軸の位置は、位相中心を決定する。Ｇｒｅｇｏｒｙの文献の方法によれば、たとえば、アレイの周期性を少し阻害するだけでグレーティングローブを抑制できる。グレーティング（格子）として知られている周期構造の形成によってグレーティングローブが形成されるので、このプロセスは有効である。素子間の周期性を排除することにより、もはや規則的なグレーティング構造はなくなり、グレーティングローブは形成されない。レンズの数、アレイの形状または境界、フィード（給電点）の数、またはレンズの下のフィード（給電点）の位置により、この緩和策の原則が変更されることはない。

図６は、比較的少ない部品点数を有するレンズアレイ１００のバージョンを示しており、レンズセットごとに、１つのレンズ当たり１つのフィード素子１５２のみが含まれる。図６に示された例では、各フィード素子は、ビーム操作を行うために各レンズ内において、焦点距離に対して短い距離を機械的に移動される。図６Ａは、レンズアレイ１００の側面図を示し、図６Ｂは、レンズアレイ１００の上面図を示す。フィード支持部（フィードサポート）１７０および１つまたは複数のアクチュエータを含む位置決めシステム（ポジショニングシステム）が提供される。フィード支持部１７０は、ハウジング２００と同じまたは異なる形状を有する平板や同種のものであってもよく、ハウジング２００よりも小さく、ハウジング２００内でＸ方向およびＹ方向に移動可能であってもよく、それとともに、あるいは別に、回転可能であってもよい。レンズセット１１０は、連結されたフィード支持部１７０上に、フィード組み立て体（フィードアッセンブリ、すなわち、フィード支持部１７０および複数のフィード素子１５２）をレンズ１１２とは独立して動かすことができるように配置される。この実施形態では、フィード支持部１７０は、レンズスペーサ１１４またはレンズ１１２に直に接続されておらず、レンズスペーサ１１４またはレンズ１１２に隣接しているのみか、接触している。フィード支持部１７０に取り付けられたフィード１５２のセットは、レンズに対して移動することにより粗いビーム走査を可能として、それらのフィードが位相／時間遅延されることにより完全なアレイゲイン（アレイ利得）と精密なポインティング（指向）とを得ることができる。示された非限定的な実施形態では、第１のリニアアクチュエータ１７２が支持部１７０に接続され、支持部１７０をＸ方向などの第１の直線方向に移動させ、第２のリニアアクチュエータ１７４が支持部１７０に接続され、支持部１７０を固定された（静止された）レンズに対してＹ方向のような第２の直線方向に移動させる。他のアクチュエータを設けて、レンズ１１２に対して支持部１７０を上下に（例えば、図６Ａにおいて）移動させたり、支持部１７０を回転させたり、または支持部１７０を傾けたりしてもよい。

アクチュエータ１７２、１７４を制御し、フィード素子１５２をレンズ１１２に対して所望の位置に移動させるコントローラをさらに設けてもよい。支持部１７０は単一の基板として示されているが、複数の基板（ボード）であってもよく、すべての基板を共通のアクチュエータに接続して共通に動かしてもよく、別のアクチュエータに接続して個々の基板を別々に動かしてもよく、複数のレンズセット１１０を別々に動かしてもよい。図６は、１つのレンズアレイの１つのレンズセットに含まれる１つのアクティブフィード素子が、１つのレンズに対して、そのレンズを動かさずに、そのレンズに対して再配置される例を示している。したがって、レンズセットによって生成されたビームは、レンズを移動させずに、レンズとフェーズドアレイの他のレンズとの間に間隙を設けることなく調整することができる。

図７は、例えば、Ｋｕバンドの静止衛星のＳａｔｃｏｍアプリケーションに必要とされる、二重直線偏波チルト角制御（dual linear polarization tilt angle control）を含む、同じ開口で同時に送信（Ｔｘ）および受信（Ｒｘ）を行うための代表的な回路図を示す。底部のビームの位相制御回路（ビーム整相回路、beam phasing circuits）は、独立した同時ビームに対して複製されてもよい。図７では、システムの受信動作および送信動作のために、レンズセット回路３０４に独立した信号経路回路を含み、さらに、別個のシフタ３０６を含む。図示されていないが、受信動作および送信動作は、それらに関連する独立した加算／分配器３０８をさらに有していてもよい。図示の例では、各フィード素子１５２内の検出器３０４は、高電力の送信信号と、低電力の受信信号とを分離するために、検出器３０４の水平および垂直偏波フィードポート用のセパレートダイプレクサ（分離アンテナ共用装置）７０２および７０４を含む。受信信号は、シフタ３０６に到達する前に、ダイプレクサ７０２および７０４から低雑音増幅器７０６、７０６、偏波チルト回路（偏極チルト回路、polarization tilt circuit）７１０、７１２、追加の増幅器７１４、およびフィード選択スイッチ７１６に進む。シフタ３０６からの送信信号は、２つのアンテナ共用装置７０２および７０４にそれぞれ供給される前に、スイッチ７１６、増幅器７１４、偏波チルト回路７１２、７１０、および最終の電力増幅器７０８、７０６を通過する。

図８は、例えば、Ｋ／Ｋａバンド商用Ｓａｔｃｏｍ周波数に使用される、二重円偏波素子（二重円偏光素子、dual circularly polarized elements）のレンズアレイの代表的な回路図である。偏波回路７１０、７１２における動作の変更を除き、図８は図７と同様の図を示している。Ｋ／Ｋａ・Ｓａｔｃｏｍオペレーションは、ＫｕバンドでのＳａｔｃｏｍオペレーションに必要とされるようなチルト直線偏波（tilted linear polarization）ではなく、円偏波（circular polarization）を必要とする。右手方向の円偏波（円偏光）または左手方向の円偏波（円偏光）の信号は、受信チャネル８０４および送信チャネル８０６を切り替えて制御することにより得られ、それらのチャンネルのポートは円偏波回路またはウェーブガイド素子により励起され、一方、回路７１０および７１２においては、複雑な強度と位相ベクトルを加えることにより任意のチルト角を備えた直線偏波信号を得ることができる。図の残りの態様は、図７と同じである。この回路の変形は、当業者には理解され得る。例えば、ハイブリッド結合器または組み込み型の導波路偏波器（incorporated waveguide polarizer）および直交モード変換器（ＯＭＴ）を使用して、フィードの２つの直交する直線偏波成分を給電することが可能であり、偏波切替（switched polarizations）の代わりに、同時二重偏波（simultaneous dual polarizations）を提供できる。

図９は、受信専用および送信専用アプリケーション用の代表的なレンズセット回路を示す。図９Ａは受信専用アンテナを示し、図９Ｂは、送信専用アンテナを示す。受信専用又は送信専用アンテナには、受信・送信ダイプレクサ７０２および７０４は、受信および送信信号が同一のフィード素子に接続されず、分離する必要がないので、必要とされない。図９Ａおよび図９Ｂの残りの態様は、図７、８と実質的に同じである。

図１０は、適切なフィード素子を選択するために低損失マルチポートスイッチ１００２を組み込むことによって、簡素化され、部品数がさらに低減された例を示す。低損失のマルチポートスイッチを使用することにより、複数のフィード素子が１組の電力増幅器、低ノイズ増幅器、位相シフタ、その他のフィード回路を共有することができる。このようにして、必要な回路部品の数は、レンズの後ろに同じ数のフィード素子を維持しながら低減される。より大きなスイッチマトリックスは、より多くのフィード素子が同じフィード回路を共有することを可能にするが、システムに挿入される損失が増え、受信ノイズ温度を上昇させ、端末性能を低下させる。スイッチングのレベルを追加することによって発生する追加損失のバランスは、一般的に（必ずしもそうではないが）２対１の切替ではあるが、それを省略したときに必要な追加の受信回路と送信回路のコストと回路面積との間のバランスで評価する必要がある。

図１１は、単純化されたデジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）構成を示す。検出器３０４は、ダウンコンバータ１１０２に接続されている。アナログ―デジタル変換器（ＡＤＣ）１１１０は、ダウンコンバータ１１０２に接続されている。検出器３０４は、アンテナ３０２を介して受信した信号をダウンコンバータ１１０２に送信し、ダウンコンバータ１１０２は信号を低周波数に変換する。ダウンコンバータ１１０２は、低周波へ変換された信号をＡＤＣ１１０６に送信する。ＡＤＣ１１０６は、受信された信号をデジタル化し、デジタル領域（デジタルドメイン）でビームを形成し、これにより、アナログＲＦ位相または時間遅延デバイスを不要にする（すなわち、図２、３のシフタ３０６を設ける必要はない）。次いで、デジタル化された信号は、信号処理のために受信デジタルプロセッサ１１１０に送信される。

上記に対応するプロセスが、アレイ上に信号を送信するために提供される。送信デジタルプロセッサ１１１２は、送信すべき信号をデジタル―アナログ変換器（ＤＡＣ）１１０８に送る。ＤＡＣ１１０８は、低周波数（低周波またはベースバンドでもよい）のビットをアナログ中間周波数（ＩＦ）に変換し、ミキサ（混合器）１１０４に接続される。ミキサ１１０４は、ＤＡＣ１１０８からの信号をＲＦへ高周波数（高周波）に変換し、送信のために信号を増幅し、フィード素子（給電素子）へ、適切な位相（例えば、送信デジタルプロセッサ１１１２によって選択された）を備えた信号で送り、所望の方向にビームを形成する。本発明の独自の特徴を維持しながら、当業者に明らかな多くの変形を採用することができる。

図１２は、レンズアレイアンテナを、移動体搭載のＳａｔｃｏｍまたは非静止衛星を追跡するための、完全に機能する追跡端末に組み込むことを可能にする、サブシステムを、単純化された機能的な集合で示している。ここで、システム１２００は、中央処理装置（ＣＰＵ）などの処理デバイス１２０２、ビーコンまたは追跡受信機１２０６、無線周波数（ＲＦ）サブシステム１２０４、周波数変換およびモデムインターフェース１２０８、電力サブシステム１２１０、外部電源インターフェース１２１２、ユーザインターフェース１２１４、および他のサブシステム１２１６を含む。ＲＦサブシステム１２０４のアレイは、本明細書に記載の図１から図１１のアレイおよびフィード回路のいずれかを含んでいてもよい。処理装置１２０２、ビーコンまたは追跡受信機１２０６、モデムインターフェース１２０８、電力サブシステム１２１０、外部電力インターフェース１２１２、ユーザインターフェース１２１４、および他のサブシステム１２１６は、任意の標準的なＳＡＴＣＯＭ端末に実装されるものであってもよく、ＲＦサブシステム１２０４についても、例えば、ジンバル型反射器アンテナまたは従来のフェーズドアレイアンテナなどの他のＲＦサブシステムの実装に用いられるものと同様のインターフェースおよび接続を使用できる。図示されているように、全ての構成要素１２０２から１２１４は、直接的に又は処理装置１２０２を介して、互いに通信することができる。したがって、図１２は、本明細書で説明するマルチビームフェーズドアレイアンテナシステムを統合することができる１つのコンテキスト（表記）である。

図１３は、地上において、複数のレンズ（マルチレンズ）をベースとしたアンテナ端子を使用することを示している。動的なリアルタイムの条件と通信要求とに基づいて、複数の端末は、それぞれのビームをリポイント（再指向）させることができ、複数のターゲットとの同時通信を確立でき、メッシュ型または自己修復型のネットワークを形成できる。そのようなネットワークにおいては、例えば、建造物、塔、山、または他の設置場所などを含む、場所１３０２、１３０４および１３０６上に位置する複数のアンテナ端子１００ａ〜ｃが、通信要求または環境条件の変化に応答して、それらの間に幅広の双方向矢印として示されたポイント−ポイント間（地点間）の高指向性通信リンク１３１０、１３１２および１３１４を動的に確立することができる。例えば、アンテナ１００ａおよび１００ｂがリンク１３１０を介して通信しているときにリンクが中断された場合、通信経路は、アンテナ１００−ｂおよび１００−ｃを使用したリンク１３１２および１３１４を使用して再構成することができる。これにより、メッシュネットワークにおいて高指向性アンテナの使用が可能になり、従来の無指向性素子で構成されたメッシュネットワークと比較して、信号対雑音比、電力レベル、通信範囲、消費電力、データ処理量、および通信セキュリティを向上できる。

本発明の効果としては以下を挙げることができる。

組み込まれたエレメント放射パターン（エレメントに組み込まれた放射パターン、埋め込まれた要素放射パターン）とは、フェーズドアレイの１つの独立したエレメントによって生成される放射パターンであり、フェーズドアレイの他のエレメントにおいても存在する。エレメント間の相互作用（例えば、相互結合）により、この組み込まれた放射パターンは、エレメントが他のエレメントから隔離あるいは独立しているときに、そのエレメントが有するであろうパターンとは異なる。フェーズドアレイの１つまたは複数のエレメントの組み込まれた放射エレメントパターンが分かれば、アレイ全体としての放射パターンを（例えば、パターンの乗算（重畳）を使用して）計算することができる。典型的なフェーズドアレイでは、エレメントパターンはビーム方向が固定されている。本開示によるフェーズドアレイは、操縦（操作）可能な放射パターンを有することができるエレメント（例えば、複数のレンズ、複数の開口アンテナ（アパーチャアンテナ））を含む。

レンズアレイ１００は、従来のフェーズドアレイで使用される半波長エレメントと比較して電気的に大きいエレメントを含み、各エレメントの放射パターンが操作（方向を制御）できるように実装されており、所望のビーム走査の方向に、広範囲に、向き（指向）を制御できる。レンズアレイ１００の各レンズ１１２（例えば、アレイ素子（アレイエレメント））に組み込まれた（埋め込まれた）エレメント放射パターン及びビーム方向は、対応するアクティブなフィード素子（給電素子）１５２の、レンズ１１２の焦点に対する位置によって決まる。したがって、アレイ１００は、柔軟な放射パターンを有する。

例えば、均一な誘電体レンズ、均質ではない屈折率分布型の誘電体レンズ、メタマテリアルまたは人工誘電体構造からなるレンズ、メタサーフェイス（メタ面）または回折格子の１つまたは複数の層を使用して構成された実質的に平坦なレンズ、フレネルレンズのような平坦なレンズ、メタマテリアルと従来の誘電体の組み合わせから構成されたハイブリッドレンズといった、任意の種類のレンズ、ＲＦエネルギーを焦点またはある地点にコリメートしたり（照準あわせたり）または集中させたり（焦点合わせたり）するレンズとして作用する、任意の他の透過型のデバイスを、レンズとしてアレイ１００に使用することができる。いくつかの実施形態では、図３および４を参照して上記で説明したように、アクティブなフィード素子１５２の位置を移動するために、部品を移動させることはなく、複数の独立して励起されるフィード（マルチインディペンデントリーエキサイデットフィード）１５２のクラスター（集合体）を使用して、励起される（給電される）フィード１５２を変えて、マルチインディペンデントなフィード（多数の独立した給電点）をスキャンしてもよい。あるいは、図６に関して先に説明したように、それぞれのレンズ１１２の背後の１つの素子１５２を、アクチュエータ１７２および／または１７４を用いて、そのレンズ１１２に対して移動させることにより、１つのフィード１５２を活性化（稼働、給電）するだけで、上記と同じ効果を得ることが可能であり、エレメントパターンのビーム方向を変化させることができる。各レンズ１１２は、独立した一対のアクチュエータ１７２、１７４を有してもよく、一対のアクチュエータにより、すべてのレンズの複数のフィード（給電点）を一斉に移動してもよい。

したがって、比較的電気的に大きなレンズをフェーズドアレイのエレメントとして使用することにより、フェーズドアレイは、調整可能またはスキャン可能なエレメントパターンを有するフェーズドアレイを提供できる。さらに、複数のレンズをフェーズドアレイの複数のエレメントとして使用することにより、アレイ開口の全て（全体）を、放射する（電磁放射する）サブ開口（サブアパーチャ、例えば、レンズ）で覆うことができる。これにより開口効率およびアレイアンテナのゲインを増加できる。

フェーズドアレイの複数のエレメントとして、操作可能な（方向を制御可能な）ビームを有するレンズを使用することの別の利点は、レンズをエレメント（素子）として含むフェーズドアレイは、従来のフェーズドアレイと比較して、電気的およびＲＦの回路素子（回路部品）を削減できることである。例示的な一例では、フェーズドアレイ１００は、それぞれ１３ｃｍの直径を有する１９個のレンズセット１１０（すなわちエレメント）を含み、それらを六角形のタイル状パターンで開口全体を効率的に充填するように配置する。この開口（アパーチャ）は６５ｃｍの直径のフェーズドアレイとほぼ同等である。各レンズ１１２の背後の領域は、フィード素子１５２によって部分的にしか覆われないか、または充填されるのに対し、従来のフェーズドアレイでは、フェーズドアレイの開口の全面がフィード素子で覆われる。さらに、フィード素子１５２は、従来のフェーズドアレイ（例えば、半波長）のように密集配置していなくてもよい。したがって、フェーズドアレイ１１０は、従来のフェーズドアレイと比較して、含まれるフィード素子の数を削減できる。従来タイプであっても、レンズベースのフェーズドアレイであっても、各フィード素子は、関連する回路（たとえば、検出器３０４）を含むので、フィード素子の数を減らすことにより、フェーズドアレイ１００に含まれる回路の数を減らすことができる。加えて、図４を参照して説明したように、レンズ１１２ごとに、ある時間、１つのフィード素子１５２のみをアクティブにすることによりビームを生成することができるので、レンズアレイ１００のいくつかの実施形態においては、シフタ３０６などの回路を、複数のフィード素子１５２で共用することができる。したがって、レンズアレイ１００では、さらに回路の数を削減することができる。一例では、４０００個のエレメントを含む従来のフェーズドアレイで必要とされる４０００個のシフタは、好ましい実施形態では１９個のシフタ３０６（すなわち、レンズ１１２の各々に対して１つ）という少ない数にまで低減され得る。したがって、この例のフェーズドアレイ１１０は、典型的な半波フィード素子（ハーフウェーブフィードエレメント）を有する従来のフェーズドアレイと比較して、電気およびＲＦに関する部品数を大幅に低減できる。

さらに、レンズアレイ１００は、従来のフェーズドアレイと比較して消費電力が少なくてよい。例示的な一例では、レンズアレイ１００は４０Ｗ（４６ｄＢｍ）の送信ＲＦ電力で動作する。総送信電力は、レンズアレイ１００のレンズモジュール１１０（すなわち、フェーズドアレイの複数のエレメント）に分配され、各レンズモジュール１１０において、単一（１つ）のフィード素子１５２が活性化（給電）されて単一（１つ）のビームを生成する。上述したように、レンズアレイ１００の一実施形態は、１９個のレンズモジュール１１０を含む。このため、各フィード素子（フィードエレメント、給電素子）１５２は、合計４０Ｗ電力の約１／１９（すなわち、２Ｗまたは３３ｄＢｍをわずかに上回る）を取り扱う必要がある。各レンズセット１１０内の未使用のフィード素子１５２は、オフにすることができ、受信回路または送信回路のいずれかにおいても、静止状態でＤＣ電力を放散する必要はない。したがって、レンズアレイ１００は、各フィード素子が活性化される（給電される）従来のフェーズドアレイと比較して、より少ない電力を消費するだけである。レンズアレイ１００の１つの例では、レンズセット１１０の各々は、レンズ１１２の背後に、２０から６０個の独立したフィード素子１５２を含む。レンズアレイ１００を受信専用に実装した場合は、同等の従来の受信専用の位相開口アレイのＤＣ電力の１０％未満を消費するだけであると期待される。

レンズアレイ１００のためのビーム形成システムは、フィード素子１５２、スイッチ１００２および７１６、シフタ３０６、加算（混合）／分配器（summation/ dividers）３０８、処理デバイス１２０２、またはそれらの組み合わせを含むことができる。所望の方向にビームを発生させるために、処理装置１２０２は、各レンズセット１１０においてアクティブにする（給電する）フィード素子の位置を選択し、各レンズセット１１０の適切な位相または時間遅延を計算する。時間／位相の遅延、および電力の組み合わせ／分配は、ＲＦ、ＩＦ、またはベースバンドにおけるアップコンバージョン／ダウンコンバート（高周波数変換／低周波数変換）ステップの前または後に実行されてもよい。処理装置１２０２は、レンズセット１１０の各々について、フィード素子１５２のうちの１つを作動させる（活性化する、給電する）制御信号を送信することによって、または１つまたはそれ以上のアクチュエータ１７２、１７４を使用してフィード素子１５２の位置を調整するための制御信号を送信することによって、アクティブフィード素子の位置を設定する。処理装置１２０２はさらに、１つまたは複数の制御信号を１つまたは複数のスイッチ１００２、７１６、シフタ３０６、加算／分配器３０８に送信し、またはそれらの組み合わせを使用して、各レンズセット１１０の時間／位相の遅延およびパワーの組み合わせ／分配を設定することができる。

ＧＲＩＮレンズは多くの用途にとって好ましい実施形態であるが、レンズ１１２はＧＲＩＮである必要はない。例えば、視野が限定されている場合、または帯域幅が限定されているアプリケーションでは、より小さな均質レンズで十分に対応できる可能性がある。状況および環境によっては、メタ物質または人工誘電体からなるメタマテリアルレンズまたは平面レンズが適している可能性がある。一般に、出願番号６２／４３８，１８１の最適化方法に従って設計された不均一レンズは、任意のビームステアリングまたはスキャン範囲（特に、スキャン角度が４５度を超えて増加する）にわたって、より良好な放射パターンを提供することが可能であり、均一レンズよりも焦点距離が短く、メタマテリアルやメタサーフェイス（メタ面）ベースのレンズよりも優れた広帯域周波数応答を提供できる。

衛星通信アンテナは、連邦通信委員会（ＦＣＣ）および国際電気通信連合（ＩＴＵ）の標準に適合するために、それらのサイドローブ電力スペクトル密度（ＰＳＤ）エンベロープを制限しなければならない。このため、サイドローブを注意深く制御する必要がある。しかしながら、本明細書で説明するように、電気的に大きなレンズセット（electrically large lens set）１１０を有するレンズアレイの場合、全てのレンズセット１１０からのサイドローブエネルギーが望ましくない方向に建設的に干渉すると、グレーティングローブが生成される。しかしながら、レンズセット１１０の放射パターンは高い指向性を示すので、グレーティングローブの影響の多くを低減する可能性がある。従来のアレイの応答とは異なり、このレンズアレイのレンズセット１１０のレンズ放射パターンの指向性にはアレイファクタが乗算されているので、急速に減衰するからである。

グレーティングローブの影響を緩和するために高指向性アレイエレメント（例えば、レンズ）を使用すると、そのアレイの放射パターンの角度幅内で、走査範囲（スキャン範囲）が非常に狭められると考えられるかもしれない。しかしながら、レンズセット１１０自体が、所望の視野の全域にわたり、組み込まれた（内蔵された）エレメントパターンでスキャンすることを可能にするため、元のアンテナのスキャン性能および放射パターンプロファイルの両方を維持できる。図５を参照して説明したように、レンズセット１１０の規則的なグリッドの対称性を破るように位相中心の位置を摂動させることによって、グレーティングローブをさらに軽減できる。

レンズセット１１０の２次元または３次元の位置の対称性（周期性）を壊すことによって、エネルギーが、どの方向においても干渉する程度が低下する。さらに、レンズセット１１０の位相中心の位置を不均一に、非周期的なグリッドをなすように配置することにより、グレーティングローブの影響を最小限に抑えることができる。１次、２次、または３次元の位相中心の物理的位置を、グレーティングローブを最小化し、放射パターンを改善するために、ランダム化および／または最適化してもよい。位相中心は、端末設計プロセスの一部として、確率的最適化装置によって、無作為に、または擬似反応的に、選択してもよい。図５を参照して説明したように、レンズセット１１０は、それらの物理的中心および位相中心（レンズ内の対称軸とほぼ一致する）が空間的に分離され、レンズセット１００の各レンズが位相と物理的中心との間に異なるオフセットを有するように構成されていてもよい。

グレーティングローブの低減に適用できる最適化方法は多くのバリエーションがあり得る。一例として、周期的にタイル状に配列されたアレイ１００の適切な位置にあるときのレンズセット１１０の幾何学的中心に対する各レンズ１１２の対称軸の（ｘ、ｙ）位置は、可変オフセットを有する六角形または方形の格子内の定数として符号化される。オフセットは、デカルト座標、円柱座標、または他の便利な座標系の２つの変数でエンコードすることができる。埋め込まれたレンズ放射パターンとレンズセット１１０の位置の組み合わせから、アレイファクタおよび結果として生じるアレイパターンを予測するためのソフトウェアルーチンと結合された確率的最適化アルゴリズム（例えば、遺伝的アルゴリズム、粒子群最適化、または共分散行列適応進化戦略など）は、各レンズ１１２（エレメント）の位相中心に対する特定のパラメータ化されたオフセットを選択するために使用され、それは、各レンズ１１２エレメントの対称軸によって制御され得る。対称位置の軸、従って位相中心位置は、アレイの製造時に固定され、動作中は変化しない。レンズの幾何学中心からの対称軸のわずかなオフセットは、隣接するレンズセット１１２間の粗いビーム指向角においてはわずかな差でしかなく（これは、レンズセット１１２の下のフィードアレイ１５０の位置を、それに対応して少し変化させることにより補正することができる）、隣接するレンズセット１１２の間で同じフィード１５２を選択して、粗いビームを、アレイ全体として、所望の方向に向けることができる。これらのすべてのケースにおいて、レンズセット１１２によって占有される空間は変化しない（動かない）が、それらの対称軸の位置は、位相中心を制御するように変化する。本明細書で説明するように、レンズアレイ１００は、レンズセット１１０の幾何学的中心（重心）を変更することなく、またはレンズアレイ１００の開口にギャップを導入して（例えば、アクチュエータ１７２，１７４を使用して）、レンズ１１２の位相中心をオフセットすることができる。

オプティマイザは、アレイファクタのみを介してグレーティングローブを最小にすることができ、またはアレイファクタに、エレメント（例えば、レンズセット）に組み込まれた（内蔵された、埋め込まれた）放射パターンを適用し、放射パターンのサイドローブを直に最適化できる。アレイパターンについては、より高いレベルで、多面的な最適化戦略が必要であり、例えば、ハイブリッドアプローチでは、最悪のケースに相当するマスクを製造する可能性があり、その場合、アレイファクタは、すべての角度および周波数で、サイドローブが、規定のマスクを満たすことを保証するようにする必要がある。

レンズ１１２のサイズは、コスト対性能および複雑さのトレードである。個々のレンズ１１２のサイズを大きくすると、フェーズドアレイ内のエレメントの数が減少し、回路を単純化できるが、レンズセット１１０−レンズセット１１０の間の分離距離が増加し、グレーティングローブの強度も大きくなりやすく、および個々のフィード素子１５２のコストおよび複雑さも増加する。個々のエレメントのサイズを小さくすると、レンズセット１１０の数は増加するが、グレーティングローブは低減され、さらに各フィード素子１５２およびレンズセット１１０のコストおよび複雑さも低減される。

それぞれが電気的なスキャンパターン（電気的にスキャンされるパターン、electrically-scanned patterns）を有する電気的に大きなフェーズドアレイエレメント（フェーズドアレイ要素、フェーズドアレイ素子、例えば、レンズセット）を用いることは、そのエレメントのコストが、所定の開口サイズで、従来のフェーズドアレイエレメントのコストと比較して低ければ価値があり、そうでなければ、従来のフェーズドアレイエレメントの領域を何かで満たし、同等のアンテナターミナルパフォーマンスを得る必要がある。スイッチドフィードスキャンレンズアンテナ（給電点を切り替えて走査するレンズアンテナ）の場合、レンズ自体のコストは比較的小さく、アレイアンテナのコストはフィード素子の数およびそれらの回路に比例する。

フェーズドアレイ１００のいくつかの例では、各レンズセット１１０内のレンズ１１２の背後の面積の一部（２５〜５０％）だけがフィード素子１５２で満たされ、フィード素子１５２は波長の半分以上離れて配置されていてもよい。この理由から、レンズセット１１０によってカバーされ得る所与の開口領域（開口面積）を考慮すると、レンズセット１１０のコストは、比較的多くのフィード素子を含む等価なフェーズドアレイと比較してはるかに小さくなり得る。

ある１つのレンズ１１２の背後に設けられた全てのフィード素子１５２はそれぞれ、アレイの用途に応じて、特定の回路セットに関連付けられている。最も単純なケースは、受信専用または送信専用の単一偏波回路である。Ｋｕ帯の傾斜した水平／垂直偏波ＳＡＴＣＯＭを操作する制御可能な偏波回路、またはＫ／ＫａＳＡＴＣＯＭのための円偏波器は、二重偏波フィードアンテナ１５２とともに、移動体として動作、または偏波非依存の動作のいずれかをサポートするために使用できる。

図７、８および１０で説明したように、単一の端末において受信／送信動作を組み合わせるためには、時分割二重では、アクティブ送信／受信スイッチ、また、周波数分割二重では、ダイプレックスを用いることによって行うことができる。ダイプレックス素子は、各部品のコストと複雑さを増加させるが、２つの別個の開口（アパーチャ）を用いるよりも、単一の受信／送信が組み合わされた開口（アパーチャ）使用できるので大きな利点がある。

図４で説明したように、レンズアレイ１００においては、それぞれのレンズセット１１０が同時ビームをサポートするために各レンズセット１００が１つのシフタ３０６を備えていてもよく、フィード素子１５２ごとに１つでなくてもよく、一方、従来のフェーズドアレイではフィード素子１５２ごとに１つが必要とされている。いくつかの例では、低損失Ｎ：１スイッチに対応した低損失マルチポートスイッチ１００２が使われており、その場合は、単一（１つ）の検出器３０４が各レンズセット１１０に含まれていてもよく、電力は、低損失マルチポートスイッチ１００２を使用して、レンズ１１２の背後の複数のフィード素子１５２のセットの間で切り替えられる。コストを最小にしながら性能を最大にするために、許容できるスイッチング損失と各レンズの検出器３０４の数との間にはトレードオフがある。スイッチング回路１００２および検出器３０４の性能、利用可能性および相対的コストは、所与の用途について、単一の検出器３０４に含まれ、スイッチング回路で切り替えることになるフィード素子の適切な数が決まる。

レンズアレイ１００においては、レンズセット１１０は個別のエレメントとしては比較的大きく、レンズセット１１０の数は比較的少ないため、シフタ３０６は、標準的なフェーズドアレイのものと比較して、比較的高く離散化（higher discretization）しているものであってもよい。例えば、シフタ３０６は、典型的な従来のフェーズドアレイの４または６ビット時間遅延ユニットではなく、８ビット以上のビット時間遅延ユニットに対応してもよい。しかしながら、フェーズドアレイ１００内のレンズセット１１０および関連するシフタ／時間遅延ユニット３０６の数が比較的少ないため、シフタ３０６の分解能を向上しても、コストへの影響はほとんどない。

Ｎａｐｉｅｒの超大型アレイ（直径２５ｍの２７個のジンバル式反射器アンテナ）などの他の大型エレメントのフェーズドアレイとは対照的に、本明細書で提案される、複数のレンズセット１１０のレンズアレイ１００は、視野内のほぼ任意の方向に複数の同時ビーム（マルチシムルタネオウスビーム）をサポートできる。これは、各レンズ１１２の背後に２つあるいはそれ以上の別個のフィード素子１５２が設けられ、それらが各レンズセット１１０に固有で、異なる入力信号および時間オフセット（タイムオフセット）で励起することによって実現される。１つのレンズ１１２の各フィード素子１５２は独立してビームを放射するので、複数のレンズセット１１０を備えたアレイは、独立した高指向性ビームを生成することができる。

従来のフェーズドアレイとは対照的に、本明細書のレンズ１１２のアレイ１００は、最小の回路を追加するだけでマルチビームをサポートすることができるのに対し、従来の（アナログ）フェーズドアレイでは、ビームそれぞれについて供給ネットワーク全体を複製する必要がある。１つのフィード素子１５２と１つの位相シフタ３０６のみを活性化する（給電する）ことで１つのビームを生成するので、追加で切り替えられる１つの層を追加し、各レンズセット１１０に１つの位相シフタ３０６を追加することにより、２つの独立したビームを含めることができる。

レンズアレイ１００は、衛星通信のための地上の端末として説明されており、静止した端末であってもよく、移動端末であってもよい。この通信モードでは、潜在的な搭載物および用途には、学校、家庭、企業、ＮＧＯ、民間または公的な無人機、無人航空システム（ＵＡＳ）、軍用、民間用、旅客用、または貨物用の航空機、乗客、友人、レジャー、または他の海上船舶、バス、電車、車などの地上の乗り物が含まれる。上述したレンズアレイ１００は、衛星通信システムの宇宙セグメントとして好適であり、マルチプルスポットビームおよび／または成形ビーム用の衛星アンテナであってもよく、動的再構成可能な地点の地上波マイクロ波リンク用であってもよく、移動体の基地局（５Ｇなど）であってもよく、また、動的マルチビームフォーミングを必要とするか、またはそれが有益である他のアプリケーションのためのものであってもよい。

レンズアレイアンテナ端子は静止用途または移動体用途であってもよく、視野角度により、比較的広い空間角にわたってビームまたは複数のビームを形成することを必要とする用途であってもよい。例えば、航空機の上にあるＳａｔｃｏｍ端末の場合、アンテナが、航空機に対して様々な軌道上の位置となる静止衛星と確実に通信するためには、角度範囲が少なくとも６０度、さらには７０度あるいはそれ以上であることが望ましい。非静止衛星システムの場合、端末が静止しているか否かにかかわらず、ビームまたは複数のビームは、例えば建物の上または塔の上、または自動車のような移動体の上で、衛星が頭上を通過する際に衛星を追跡することができなければならない。いずれにおいても、角度の範囲は、衛星の数および位置、および端末から衛星に至る、仰角の許容可能な最小値に依存する。したがって、アンテナシステムは、一般に、広い視野（注視範囲）を持つか、またはビームステアリング角度（ビーム操作角度）の範囲が広いことが望ましい。

ここでは、薄い、六角形の、半球的な、直交するような、いくつかの幾何学的または相対的な用語を使用している。さらに、下側というような、いくつかの方向性または位置を示す用語などを使用している。それらの用語は、図面に示される実施形態に基づく説明を容易にするための便宜上のものに過ぎない。これらの用語は、本発明を限定するものではない。したがって、本発明は、それらの幾何学的、相対的、方向性または位置を示す用語を用いずに他の方法で記述できることを認識すべきである。さらに、幾何学的または相対的な用語は、例えば、製造などで許容される公差のために正確ではない可能性がある。また、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、他の適切な幾何学的な形状および相対的な関係を示すことができる。

説明し図示したように、本発明のシステムおよび方法は、ＣＰＵ１２０２およびプロセッサ１１１０，１１１２を含む１つまたは複数の回路および／または処理装置による動作を含む。例えば、システムは、レンズセット回路および／または処理装置１５０を含み、それらによりレンズセットに組み込まれた（内蔵された、埋め込まれた）放射パターンを制御でき、例えば、部品３０４およびそれに関連する制御回路を含み、アンテナの放射パターンを調整（制御）するためのアンテナ回路および／または処理装置を含む、それらは、ビーム形成回路および／またはプロセッシングデバイス３０６，３０８であり、または、デジタル回路１１０２，１１０４，１１０６，１１０８，１１１０、および１１１２であってもよく、アンテナ回路は、追加部品１２０２，１２０６、および１２０８などを含んでもよい。処理装置（プロセッシングデバイス）は、チップ、コンピュータ、サーバ、メインフレーム、プロセッサ、マイクロプロセッサ、ＰＣ、タブレット、スマートフォンなどの任意の適切な装置であってもよい。処理装置は、ディスプレイ装置（モニタ、ＬＥＤスクリーン、デジタルスクリーンなど）、メモリまたは記憶装置、入力デバイス（タッチスクリーン、キーボード、マウスのようなポインティングデバイス）、ワイヤレスモジュール（ＲＦ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、赤外線、Ｗｉ−Ｆｉなど）のような他の適切な構成要素と組み合わせて使用されてもよい。情報は、コンピュータハードドライブ、ＣＤ−ＲＯＭディスク、他の適切なデータ記憶装置に格納されてもよく、それらは処理装置に内蔵されてもよく、または処理装置と通信可能なものであってもよい。プロセス全体は、処理装置によって自動的に行われ、手動での操作は不要である。したがって、特に明記しない限り、プロセスは遅延または手動動作なしに実質的にリアルタイムで発生してもよい。

本発明のシステムおよび方法は、コンピュータソフトウェアにより実装可能であり、コンピュータソフトウェアは、電子情報源からのデータのアクセスを可能にする。本発明によるソフトウェアおよび情報は、単一の自立型の処理装置内にあってもよく、または他の処理装置のグループにネットワーク接続された中央処理装置内にあってもよい。この情報は、チップ、コンピュータのハードドライブ、ＣＤ−ＲＯＭディスク、または他の適切なデータ記憶媒体に格納（記憶）することができる。

本明細書において、「実質的に」および「比較的」という用語は、プラスまたはマイナス２０％、より好ましくはプラスまたはマイナス１０％、さらにより好ましくはプラスまたはマイナス５％、最も好ましくはプラスまたはマイナス２％を意味する。さらに、特定の寸法、大きさおよび形状が本発明の特定の実施形態で提供されてもよいが、それらは単に本発明の範囲を説明するためのものであり、限定的なものではない。したがって、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、他の寸法、サイズおよび／または形状を利用することができる。上述の例示的な実施形態のそれぞれは、別々に、または他の例示的な実施形態と組み合わせて実現されてもよい。

前述の説明および図面は、本発明の原理の例示にすぎないと考えられるべきである。本発明は、様々な形状およびサイズで構成されてもよく、好ましい実施形態によって限定されるものではない。当業者には、本発明の多数の応用が容易に思い浮かぶであろう。したがって、本発明を、開示された特定の実施例、または図示し説明した正確な構成および動作に限定することは望ましくない。すべての適切に変形したものおよび均等なものは、本発明の範囲内に含まれる。

１００ レンズアレイ、 １１０ レンズセット

Claims (31)

1. 複数のレンズセットを有し、前記複数のレンズセットの各レンズセットは、レンズと、前記レンズと位置合わせされ、前記レンズを介して所望の方向に信号を導くように構成された少なくとも１つの供給素子とを含む、アンテナシステム。
2. 請求項１において、
   前記レンズの開口サイズは、略１波長よりも大きい、アンテナシステム。
3. 請求項１または２において、
   前記複数のレンズセットの各々は、指向性放射パターンを含む、アンテナシステム。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記複数のレンズセットが、フェーズドアレイを形成するように回路により接続されている、アンテナシステム。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記複数のレンズセットのそれぞれに組み込まれた複数の放射パターンを制御する、少なくとも１つのレンズセット回路および処理装置の少なくともいずれかをさらに含む、アンテナシステム。
6. 請求項５において、
   前記少なくとも１つのレンズセット回路および処理装置の少なくともいずれかは、電気的、機械的または電気機械的方法を使用して、前記レンズセットの前記組み込まれた複数の放射パターンの少なくとも１つによる前記信号の方向を制御する、アンテナシステム。
7. 請求項１ないし６のいずれかにおいて、
   前記少なくとも１つの供給素子は、前記レンズを介して信号を異なる方向に導くように前記レンズに対し位置合わせされた複数の供給素子を含む、アンテナシステム。
8. 請求項７において、
   前記複数の供給素子であって、固定または移動可能な複数の供給素子の各々に接続され、前記複数の供給素子のサブセットを選択的に稼働するスイッチをさらに有する、アンテナシステム。
9. 請求項１ないし８のいずれかにおいて、
   前記複数のレンズセットは、誘電体レンズ、メタマテリアルレンズ、メタサーフェイスレンズ、またはそれらの組み合わせを含む、アンテナシステム。
10. 請求項９において、
    前記複数のレンズセットのレンズが均質である、アンテナシステム。
11. 請求項９において、
    前記複数のレンズセットのレンズは不均質であり、均質なレンズよりも全体的な性能が改善さている、アンテナシステム。
12. 請求項１ないし１１のいずれかにおいて、
    前記少なくとも１つの供給素子の各々を、前記レンズに対して移動させて、信号の方向を所望の方向にするための少なくとも１つのアクチュエータをさらに有する、アンテナシステム。
13. 請求項１２において、
    前記アクチュエータが、前記少なくとも１つの供給素子の各々を、第１の所望の信号方向とする第１の位置と、第２の所望の信号方向とする第２の位置との間で移動する、アンテナシステム。
14. 請求項１ないし１３のいずれかにおいて、
    前記複数のレンズセットは、幾何学的形状、誘電的特性、またはそれらの組み合わせにおいて同一ではない、アンテナシステム。
15. 請求項１ないし１４のいずれかにおいて、
    前記複数のレンズセットは、不均一なタイル状の構成を成すように配置されている、アンテナシステム。
16. 請求項１５において、
    前記複数のレンズセットの前記タイル状の構成は、広視野範囲および／または周波数範囲にわたってアンテナ放射パターンを改善する、アンテナシステム。
17. 請求項１６において、
    アンテナ放射パターンを調整するように構成されたアンテナ回路および／または処理装置をさらに有する、アンテナシステム。
18. 請求項１ないし１７のいずれかにおいて、
    前記複数のレンズセット回路および／または処理装置、および前記アンテナ回路および／または処理装置が、無線周波数（ＲＦ）、中間周波数（ＩＦ）、またはベースバンド周波数の信号を処理するように構成された、アンテナシステム。
19. 請求項１７または１８において、
    前記アンテナ回路および／または処理装置は、前記複数のレンズセットに接続された少なくとも１つの位相または時間シフタであって、前記複数のレンズセットと通信される信号の位相シフトまたは時間遅延を介してアナログビーム形成システムを形成するための少なくとも１つの位相または時間シフタ、を含む、アンテナシステム。
20. 請求項１７または１８において、
    前記アンテナ回路および／または処理装置は、サンプリング、アナログ−デジタル変換、およびデジタル−アナログ変換によるデジタルビーム形成システムを共同で構成するデジタル信号プロセッサを含む、アンテナシステム。
21. 請求項１ないし２０のいずれかにおいて、
    当該アンテナシステムは、受信専用、送信専用、または送受信用である、アンテナシステム。
22. 請求項１ないし２１のいずれかにおいて、
    当該アンテナシステムは、衛星システムと通信するシステムである、アンテナシステム。
23. 請求項１ないし２２のいずれかにおいて、
    当該アンテナシステムは、宇宙−宇宙または宇宙−地上の通信のために、宇宙船システムにおいて電子ビーム形成を行うシステムである、アンテナシステム。
24. 請求項１ないし２２のいずれかにおいて、
    当該アンテナシステムは、自動車および他の陸上車両、海上船舶、または有人または無人航空機において衛星との接続を提供するシステムである、アンテナシステム。
25. 請求項１ないし２２のいずれかにおいて、
    当該アンテナシステムは、固定または動的に再構成可能な、単一または複数のビームの、地点間の、地上波マイクロ波リンクに使用されるシステムである、アンテナシステム。
26. 請求項１ないし２２のいずれかにおいて、
    当該アンテナシステムは、５Ｇおよび次世代の携帯電話分野において使用されるシステムである、アンテナシステム。
27. 請求項１ないし２６のいずれかにおいて、
    当該アンテナシステムは、多方向に、複数の同時ビームを供給するシステムである、アンテナシステム。
28. 請求項２７において、
    前記アンテナ回路は、少なくとも１つのスイッチと、少なくとも１つの位相または時間遅延ユニットと、少なくとも１つの加算/除算回路、またはそれらの組み合わせとを含むビーム形成回路をさらに含む、アンテナシステム。
29. 請求項２８において、
    複数の同時ビームをサポートするように、ビーム形成回路が複製されるアンテナシステム。
30. 請求項１ないし２９のいずれかにおいて、
    前記レンズセット、関連する回路、およびパッケージングは、ハウジング、電源、ソフトウェア、計算およびおよび制御用のハードウェア、モデムインタフェース、および他の機械的および電気的インタフェースを含む、完全な通信端末を形成するためのすべての必要な要素を含む、アンテナシステム。
31. 複数のレンズセットを有するアンテナシステムであって、
    前記複数のレンズセットの各レンズセットは、
    レンズと、
    前記レンズと位置合わせされ、信号を、前記レンズを通して第１の方向に導くように構成された第１のフィードエレメントと、
    前記レンズと位置合わせされ、前記信号を、前記レンズを通して第２の方向に向けるように構成された第２のフィードエレメントとを含む、アンテナシステム。

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