JP2018526929A - アクティブアレイ較正 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2015年9月10日に出願された米国仮特許出願第62/216,592号の利益を主張するものであり、この米国仮特許出願の全体が参照により本明細書に組み込まれる。
典型的なアクティブアンテナアレイは、グリッド上に配置された複数のアンテナ素子を含み、グリッドは、直線状、平面状、又は表面に対してコンフォーマルであることがある。アンテナ素子同士の物理的な離隔距離は、アレイの動作周波数に関連し、非常に多くの場合、送信又は受信した信号の平均波長の半分に等しい。これは、アレイが低いサイドローブを有する狭いビームを生成するために必要である。典型的なアレイは多数の素子を有するので、基本的に大きな電気システムになる。言い換えると、アレイシステムの大きさは、使用される無線周波数(RF)に対して大きくなる。
図4の分配/集約ネットワーク5が高品質の共同供給部である場合であっても、システム全体は、Tx/Rxモジュールの製造ばらつき及び動作ばらつきに起因して、依然として大きな位相誤差及び大きさ誤差を生じやすい。たとえ高価であっても、実行可能なシステムを得るための現実的な選択肢は、温度及び湿度などの動作ばらつきに対して安定した特性を有するTx/Txモジュールを設計することであるが、これは既に高いコストをより増加させるため、製造ばらつきに対して完全に予測可能な特性を得ることは試みられていない。このことは、製造後の工場での較正、及び幾らかの現場での動作時間後の定期的な再較正を必要とする。
図8は、米国特許第8,611,959号に記載された構造と類似した、IF供給部を有するアナログアレイのアーキテクチャを示す。図8の図は、図4と同様の態様で簡略化されており、FDD又はTDDモードのいずれかで動作する、複数の送信チャネル及び受信チャネルを有するアレイを表している。図4のミキサー7は、Tx/Rxモジュール2347の内部に移動されている。勿論、今やこのシステムでは、Tx/Rxモジュールと同じ数のミキサー7のインスタンスが存在する。この変更は、アクティブアレイのコストに対して、重要で有益な影響を有する。すなわち、第1に、分配/集約ネットワーク5は、RF信号の代わりにIF信号を搬送するようになる。分配/集約ネットワークは、RFにおいてよりもIFにおいて電気的にはるかにより小型になる(分配ネットワークの物理的な寸法は同じままであるが、ネットワーク内を伝搬するIF信号はRFよりもはるかに低い周波数である)ため、これにより、このネットワークの設計が大幅に簡単になる。IFでのシリアルリンクを介した信号位相シフトはRFよりもはるかに小さいため、十分に低いIF値の場合、図9の単純なシリアルの分配ネットワークを共同供給部の代わりに使用することができる。また第2に、利得段4はRFよりもむしろIFでも動作し、これは設計仕様の別の重要な単純化になる。第3に、位相シフタ3を、図4のような信号経路よりもむしろLO経路内に配置することができる。正弦波信号の位相をシフトすることは変調信号の位相をシフトすることよりもはるかに容易であるため、これにより、これらの構成要素の設計がはるかに容易になる。実際、図4のシステムなどの伝統的なフェーズドアレイにおいて抗うのが最も困難なコスト障壁のうちの1つは、広い信号帯域幅に渡って動作する低コストで高品質なプログラム可能な位相シフタの利用可能性である。対照的に、単一の周波数では、非常に低コストでプログラム可能な位相シフタを実現するための幾つかの方法がある。これらのLO信号調節可能位相シフタは、位相回転器と呼ばれる。
この章の目的のために、ベースバンドプロセッサ10から点A、B、C、…、Hまで、及びその逆、の図8のアレイの全ての信号経路は、位相特性及び大きさ特性の点で同一であり、較正が必要なアレイのうちの唯一の部分はTx/Rxモジュール2347であると仮定する。Tx/Rxモジュール用に提案される位相較正方法が、図11及び図12に、それぞれ送信経路及び受信経路について示されており、Tx/Rxモジュール用に提案される利得較正方法が、図13及び図14に、それぞれ送信経路及び受信経路について示されている。全ての場合において、較正中のTx/Rxモジュールは、IF分配/集約ネットワーク5から電気的に切断される。次いで、各方法について別々に説明する。
次に、図8のアレイについて、ベースバンドプロセッサ10から点A、B、C、…、Hまで、及びその逆、の全ての信号経路は、位相特性及び大きさ特性の点で同一であるという、前の章で行った仮定を取り除く。ベースバンドプロセッサ10及びIF段9は全ての信号経路で共通であるので、前の仮定は、分配ネットワーク5が完全であり、位相誤差及び大きさ誤差を生成しないと仮定することに等しい。
図8のTx/Rxモジュールとアレイの分配ネットワークとを別々に較正する可能性は、2段階較正方法に適した一般的なアレイアーキテクチャを示唆している。伝統的なエンド・ツー・エンドの1段階の較正に対するその利点を、追って説明する。このアーキテクチャは図20に示されており、従来のアレイサブシステム及び追加のサブシステムを含んでいる。前述(図4及び図8)のように、複数の送信チャネル及び受信チャネルが単一のブロックによる簡略化された形式で表わされるという決まり事を用いる。
単一の素子のアクティブシステムに対するアクティブアレイの重要な利点は、アレイ素子のうちの1つ又は限定数が機能を停止した場合に、アレイの全体的な性能への影響が最小限であるか又は認識さえされないことである。例えば、100素子を有するフェーズドアレイの中の1つの素子がオフになった場合、全送信電力のうちのわずか1%が失われ(全ての素子において等しい電力を仮定)、放射パターンは実質的に変化しないままである。本明細書に記載する2段階較正処理を用いて、通常動作を中断することなくアクティブアレイを較正することにより、この事実から恩恵を受けることができる。可能な手順は次の通りである。
2段階較正方法は、デジタルアレイにおいても同様に用いることができる。図21は、この可能性を示す。この場合では、分配/集約ネットワーク802はデジタルであり、従って、図20の信号変換器ブロック701を使用する必要はない。更に、図20のTx/Rxモジュール670は、完全な無線機800で置き換えられ、この無線機800は、Tx/Rxモジュールの機能と、データ変換器の機能(アナログ/デジタル変換器及びデジタル/アナログ変換器)とを含む。基準信号発生器704によって生成された基準信号は、基準分配ネットワーク705によって無線機800に分配される。基準信号は、(アナログ/デジタル変換器及びデジタル/アナログ変換器のための)信号サンプリング動作のために、かつ場合によってはアップコンバート/ダウンコンバート動作のために、無線機800によって使用される。
説明した実施形態では、ベースバンドプロセッサは、上述した2段階較正動作を実施するプログラムを実行する。或いは、Tx/Rx回路に近接して配置されるか、又は他の場所に配置される、別のプロセッサ又は複数のプロセッサを使用してもよい。以下では、プロセッサシステムとしてフェーズドアレイの較正を制御し実行するプログラムされたエンティティについて言及する。
Claims (31)
- フェーズドアレイを較正する方法であって、前記フェーズドアレイは、アンテナ素子のアレイと、複数のRF通信回路であって、そのそれぞれが前記アンテナ素子のアレイ内の異なる対応するアンテナ素子に電気的に結合されている複数のRF通信回路と、第1の信号線を複数の第2の信号線に電気的に結合する信号供給ネットワークと、を含み、前記複数の第2の信号線のうちの各第2の信号線は、前記複数のRF通信回路のうちの異なる対応するRF通信回路に電気的に結合されており、前記方法は、
前記複数のRF通信回路からは独立して前記信号供給ネットワークを較正する工程を含む、較正動作の第1の段階を実施する工程と、
前記複数のRF通信回路のうちの全てのRF通信回路が較正されるまで、前記複数のRF通信回路のそれぞれを、前記信号供給ネットワークとは独立して較正する工程を含む、前記較正動作の第2の段階を実施する工程と、を含む方法。 - 前記較正動作の前記第2の段階は、較正の前記第1の段階が完了した後で実施される、請求項1に記載の方法。
- 前記較正動作の前記第1の段階を繰り返すことなく、前記較正動作の前記第2の段階を繰り返し実施する工程を更に含む、請求項1に記載の方法。
- 所定の時間間隔で前記較正動作の前記第2の段階を実施する工程を更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記フェーズドアレイの環境における所定の変化が検出されるたびに、前記較正動作の前記第2の段階を実施する工程を更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記信号供給ネットワークを較正する工程は、前記複数の第2の信号線のそれぞれについて位相補正を決定する工程を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記複数の第2の線に対する前記位相補正を前記フェーズドアレイに適用する工程を更に含む、請求項6に記載の方法。
- 前記複数のRF通信回路のうちの前記RF通信回路のそれぞれを較正する工程は、前記RF通信回路のそれぞれについて位相補正を決定する工程を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記複数のRF通信回路に対する前記位相補正を前記フェーズドアレイに適用する工程を更に含む、請求項8に記載の方法。
- 前記信号供給ネットワークを較正する工程は、前記複数の第2の信号線のそれぞれについて位相補正及び大きさ補正を決定する工程を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記複数の第2の線に対する前記位相補正及び前記大きさ補正を前記フェーズドアレイに適用する工程を更に含む、請求項10に記載の方法。
- 前記複数のRF通信回路のうちの前記RF通信回路のそれぞれを較正する工程は、前記RF通信回路のそれぞれについて位相補正及び大きさ補正を決定する工程を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記複数のRF通信回路に対する前記位相補正及び前記大きさ補正を前記フェーズドアレイに適用する工程を更に含む、請求項12に記載の方法。
- 前記信号供給ネットワークは信号分配ネットワークであり、前記複数のRF通信回路のうちの各RF通信回路は、そのRF通信回路が電気的に結合される前記アンテナ素子を駆動するためのRF送信回路である、請求項1に記載の方法。
- 前記信号供給ネットワークは信号集約ネットワークであり、前記複数のRF通信回路のうちの各RF通信回路は、そのRF通信回路が電気的に結合される前記アンテナ素子によって受信された信号を処理するためのRF受信モジュールである、請求項1に記載の方法。
- 前記複数のRF通信回路のうちの各RF通信回路は、前記分配ネットワークから受信したIF信号をRFにアップコンバートするためのミキサーを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記複数のRF通信回路のうちの各RF通信回路は、そのRF通信回路に結合された前記アンテナ素子から受信したRF信号をIFにダウンコンバートするためのミキサーを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記較正動作の前記第2の段階の間に、前記複数のRF通信回路のうちの部分集合のみを一度に較正し、各部分集合は、前記複数のRF通信回路のうちの前記RF通信回路のうちの少なくとも1つであるが全部よりは少ない、請求項1に記載の方法。
- 前記較正動作の前記第2の段階の間に、前記複数のRF通信回路のうちの前記RF通信回路の1つのみを一度に較正する、請求項1に記載の方法。
- 前記較正動作の前記第2の段階の間、RF通信回路が較正されている間に、前記信号伝達ネットワークから、較正されているそのRF通信回路を電気的に切断する、請求項1に記載の方法。
- フェーズドアンテナアレイシステムであって、
第1の信号線を複数の第2の信号線に電気的に結合する信号供給ネットワークと、
アンテナ素子のアレイと、
複数のRF通信回路であって、前記複数のRF通信回路の各RF通信回路は第1のポート及び第2のポートを有し、前記第1のポートは前記信号供給ネットワークの前記複数の第2の信号線のうちの異なる対応する第2の信号線に電気的に接続され、前記第2のポートはアンテナ素子の前記アレイ内の異なる対応するアンテナ素子に電気的に接続される、複数のRF通信回路と、
前記複数のRF通信回路と同数の複数の較正回路であって、そのそれぞれは、前記複数のRF通信回路のうちの異なる対応するRF通信回路を前記信号供給ネットワークとは独立して較正するために、その異なる対応するRF通信回路に電気的に接続される、複数の較正回路と、
を備える、フェーズドアンテナアレイシステム。 - 複数のスイッチを更に含み、そのそれぞれは前記複数のRF通信回路のうちの異なるRF通信回路と関連付けられており、前記複数のスイッチのそれぞれは、前記関連付けられたRF通信回に電気的に接続されている前記対応する第2の信号線から、前記関連付けられたRF通信回路を電気的に接続したり切断したりするためのものである、請求項21に記載のフェーズドアンテナアレイシステム。
- 較正動作を実行するようにプログラムされたプロセッサシステムを更に含み、前記較正動作の間、前記プロセッサシステムは各較正回路を使用してそれが接続されたRF通信回路上で測定を行い、前記測定から較正補正データを生成する、請求項21に記載のフェーズドアンテナアレイシステム。
- 前記プロセッサシステムは、
前記複数のRF通信回路のうちの部分集合を一度に1つ選択することによって前記複数のRF通信回路を配列させ、また、
RF通信回路の選択された部分集合のそれぞれに対して、前記複数のRF通信回路の全てが較正されるまで、RF通信回路の前記選択された部分集合用の前記較正回路を使用して前記選択されたRF通信回路を較正する、
ようにプログラムされており、
前記選択された部分集合のそれぞれは、前記複数のRF通信回路のうちの少なくとも1つではあるが全部よりは少ないRF通信回路を含む、
請求項23に記載のフェーズドアンテナアレイシステム。 - 前記プロセッサシステムは、
一度に前記複数のRF通信回路のうちの1つを選択することにより、前記複数のRF通信回路の全てを配列させ、また、前記複数のRF通信回路の全てが較正されるまで、その選択されたRF通信回路に対して、その選択されたRF通信回路用の前記較正回路を使用してその選択されたRF通信回路を較正する、
ようにプログラムされている、請求項23に記載のフェーズドアンテナアレイシステム。 - 前記信号供給ネットワークの対応する第2の信号線から前記複数のRF通信回路のそれぞれを電気的に接続したり切断したりするために、前記プロセッサシステムによって制御される複数のスイッチを更に備える、請求項23に記載のフェーズドアンテナアレイシステム。
- 前記プロセッサシステムは、前記スイッチが、前記複数のRF通信回路の各RF通信回路を、そのRF通信回路が較正されるときに、前記信号供給ネットワークの対応する第2の信号線から電気的に切断するようにプログラムされる、請求項26に記載のフェーズドアンテナアレイシステム。
- 前記複数の較正回路のうちの各較正回路は、
その較正回路に接続された前記RF通信回路に基準信号を導入するための基準信号出力線と、
その較正回路に接続された前記RF通信回路から、そのRF通信回路に導入された前記基準信号の結果として生じる出力信号を受信するための監視線と、
そのRF通信回路に対する位相補正を生成するための位相較正回路と、を備え、その較正回路に対する前記位相補正は、その較正回路に対する前記基準信号及び前記出力信号から導き出される、請求項23に記載のフェーズドアンテナアレイシステム。 - 前記複数の較正回路のうちの各較正回路は、
そのRF通信回路に対する大きさ補正を生成するための大きさ較正回路を更に備え、その較正回路に対する前記大きさ補正は、その較正回路に対する前記基準信号及び前記出力信号から導き出される、請求項28に記載のフェーズドアンテナアレイシステム。 - 前記複数の較正回路のうちの各較正回路は、
その較正回路に接続された前記RF通信回路に基準信号を導入するための基準信号出力線と、
その較正回路に接続された前記RF通信回路から、そのRF通信回路に導入された前記基準信号の結果として生じる出力信号を受信するための監視線と、
そのRF通信回路に対する大きさ補正を生成するための大きさ較正回路と、を備え、その較正回路に対する前記大きさ補正は、その較正回路に対する前記基準信号及び前記出力信号から導き出される、請求項23に記載のフェーズドアンテナアレイシステム。 - 前記複数のRF通信回路のうちの各RF通信回路は、
RFミキサーと、
前記アンテナ素子に電気的に接続されたRFフロントエンド回路と、
そのRF通信回路を通過する信号の位相を調節するための位相調節回路と、
外部の信号伝達ネットワークとそのRF通信回路との間で通信信号を搬送するための通信信号線と、
前記RFミキサーのための局部発振器(LO)信号を受信するためのLO信号線と、
を備える、請求項23に記載のフェーズドアンテナアレイシステム。
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