JP2023038925A - ビーム形成装置およびビーム制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】非平面アンテナアレイシステムを実施することのできるビーム形成装置及びビーム制御方法を提供する。【解決手段】ビーム形成装置は、非平面基板５０－１と、アンテナアレイ１１０１～１１０Ｊと、調整回路と、を含む。アンテナアレイは、複数のアンテナユニット１１１１～１１１５、１１２１～１１２８を含み、非平面基板に配置される。調整回路は、アンテナアレイに結合される。調整回路は、非平面基板の形状および所定の信号角度に基づいて、アンテナユニットのうちの少なくとも１つの信号を調整するために使用される。そのため、様々な状況においてフレキシブルに実施することができる。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、ビーム形成技術に関するものであり、特に、ビーム形成装置およびビーム制御方法に関するものである。
高周波数用途において、ビームフォーマーは、アンテナシステムの指向性を向上させるために使用することができる。一般的に、アンテナアレイは、平面基板に配置されるが、このような設計は、ある応用の要件を満たすことができない。例えば、ミリ波（mmWave）のウェーブレット長によって高い経路損失（path loss）が生じるため、ミリ波アンテナアレイは、車体の外板に配置することが要求される。しかしながら、車体の外板は、通常、非平面（non-flat）である。したがって、非平面のアンテナアレイ設計が求められている。
これを考慮して、本発明の実施形態は、非平面アンテナアレイシステムを実施することのできるビーム形成装置およびビーム制御方法を提供する。
本発明の実施形態のビーム形成装置は、非平面基板と、アンテナアレイ（antenna array）と、調整回路とを含む（ただし、本発明はこれに限定されない）。アンテナアレイは、複数のアンテナユニットを含み、非平面基板に配置される。調整回路は、アンテナアレイに結合され、非平面基板の形状および所定の信号角度（predetermined signal angle）に基づいて、アンテナユニットのうちの少なくとも１つの信号を調整するよう構成される。
本発明の実施形態のビーム制御方法は、以下のステップを含む（ただし、本発明はこれに限定されない）。非平面基板およびアンテナアレイを提供する。アンテナアレイは、複数のアンテナユニットを含む。非平面基板の形状および所定の信号角度に基づいて、アンテナユニットのうちの少なくとも１つの信号を調整する。
以上のように、本発明の実施形態のビーム形成装置およびビーム制御方法は、曲面に配置されたアンテナアレイを提供し、アンテナアレイが所望の操舵角に基づいて電磁波を放射できるよう、アンテナユニットの信号を調整することができる。したがって、本発明は、様々な状況において、フレキシブルに応用することができる。
本発明の上記および他の目的、特徴、および利点をより分かり易くするため、図面と併せた幾つかの実施形態を以下に説明する。
添付図面は、本発明の原理がさらに理解されるために含まれており、本明細書に組み込まれ、且つその一部を構成するものである。図面は、本発明の実施形態を例示しており、説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たしている。
図１は、本発明の１つの実施形態に係るビーム形成装置の構成要素ブロック図である。 図２Ａは、本発明の１つの実施形態に係るアンテナユニットおよび非平面基板の概略図である。図２Ｂは、本発明の別の実施形態に係るアンテナユニットおよび非平面基板の概略図である。 図３は、本発明の１つの実施形態に係る半値電力ビーム幅（ＨＰＢＷ）の概略図である。 図４は、本発明の１つの実施形態に係る基準点の決定方法を示す概略図である。 図５は、本発明の別の実施形態に係る基準点の決定方法を示す概略図である。 図６Ａは、図２Ａの部分的拡大図である。図６Ｂは、図４の部分的拡大図である。図６Ｃは、図４の別の部分的拡大図である。 図７は、本発明の１つの実施形態に係る２つのアンテナユニットの放射パターンの概略図である。 図８は、本発明の１つの実施形態に係るビーム制御方法を示すフローチャートである。
図１は、本発明の１つの実施形態に係るビーム形成装置１００の構成要素ブロック図である。図１を参照すると、ビーム形成装置１００は、非平面基板５０と、アンテナアレイ１１０と、調整回路１２０と、メモリ１３０と、コントローラ１５０とを含む（ただし、本発明はこれに限定されない）。
非平面基板５０は、均一な曲面または任意の曲面を有することができる。例えば、図２Ａは、本発明の１つの実施形態に係るアンテナユニット１１１１～１１１５、アンテナユニット１１２１～１１２８、および非平面基板５０－１の概略図である。図２Ａを参照すると、非平面基板５０－１の円弧面は、共通の中心点Ｃを有し、円弧面上の任意の２点から中心点Ｃまでの距離Ｒは、同じである（例えば、均一な曲面）。別の例において、図２Ｂは、本発明の別の実施形態に係るアンテナユニット１１３１～１１３８および非平面基板５０－２の概略図である。図２Ｂを参照すると、非平面基板５０－２は、複数の曲率を有することができる。しかしながら、非平面基板５０の表面形状は、他の変化形を有してもよいが、本発明はこれに限定されない。
アンテナアレイ１１０は、複数のアンテナユニット１１０１～１１０Ｊを含む（Ｊは、正の整数であり、アンテナユニットの合計数である）。アンテナアレイ１１０のアンテナユニット１１０１～１１０Ｊは、非平面基板５０に配置される。図２Ａを例に挙げて説明すると、アンテナユニット１１１１～１１１５およびアンテナユニット１１２１～１１２８は、非平面基板５０－１の凹面に配置される。図２Ｂを例に挙げて説明すると、アンテナユニット１１３１～１１３８は、非平面基板５０－２の凸面に配置される。
調整回路１２０は、アンテナアレイ１１０に結合される。１つの実施形態において、調整回路１２０は、１つまたはそれ以上の移相器（phase shifter）を含み、各移相器は、アンテナユニット１１０１、１１０２、…、または１１０Ｊの信号伝送の位相または信号受信の位相を調整するよう構成される。いくつかの実施形態において、アンテナユニット１１０１、１１０２、…、および／または１１０Ｊの信号伝送または信号受信は、異なる位相を有する。別の実施形態において、調整回路１２０は、１つまたはそれ以上の増幅器および／または振幅減衰器（amplitude attenuator）を含み、１つの増幅器は、１つまたはそれ以上のアンテナユニット１１０１、１１０２、…、および／または１１０Ｊの信号伝送の振幅または信号受信の振幅を調整するよう構成される。いくつかの実施形態において、調整回路１２０は、１つまたはそれ以上の移相器および１つまたはそれ以上の増幅器を含み、必要に応じて、１つまたはそれ以上のアンテナユニット１１０１、１１０２、…、および／または１１０Ｊの信号伝送の位相および／または振幅、または信号受信の位相および／または振幅を調整する。
メモリ１３０は、任意の種類の固定された、または着脱可能なランダムアクセスメモリ（random access memory, RAM）、読み出し専用メモリ（read only memory, ROM）、フラッシュメモリ（flash memory）、従来のハードディスクドライブ（hard disk drive, HDD）、ソリッドステートドライブ（solid-state drive, SSD）、または類似する構成要素であってもよい。１つの実施形態において、メモリ１３０は、プログラムコード、ソフトウェアモジュール、コンフィギュレーション設定、データ（例えば、アンテナユニット１１０１～１１０Ｊの位置や、これらの位置と非平面基板５０の間の関係等）、またはファイルを記録するよう構成される。これらの実施形態については、後続の段落において詳細に説明する。
コントローラ１５０は、調整回路１２０およびメモリ１５０に結合される。コントローラ１５０は、チップ、特定用途向け集積回路（application specific integrated circuit, ASIC）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（field programmable gate array, FPGA）、マイクロコントローラ、または他の種類の回路であってもよい。１つの実施形態において、コントローラ１５０は、所望の放射方向（direction of departure, DoD）および／または半値電力ビーム幅（half-power beam width, HPBW）を決定する。別の実施形態において、所定のＤｏＤおよび／またはＨＰＢＷは、指令によりコントローラ１５０に伝送される。１つの実施形態において、コントローラ１５０は、調整信号／指令を出力することができ、調整回路１２０は、コントローラ１５０によって制御される。したがって、ＤｏＤおよび／またはＨＰＢＷに基づいて、１つまたはそれ以上のアンテナユニット１１０１～１１０Ｊが起動され、および／または起動されたアンテナユニット１１０１、１１０２、…、および／または１１０Ｊの信号伝送または信号受信の位相遅延および／または振幅が変化する。１つの実施形態において、コントローラ１５０は、メモリ１３０からプログラムコードおよび／またはデータをロードする。
注意すべきこととして、アンテナユニット１１０１、１１０２、…、および／または１１０Ｊに対応する位相および振幅を変更することによって、電磁波は、強め合う干渉と弱め合う干渉に基づいて、特定の方向において重なり、一部の方向において相殺されるため、アンテナアレイ１１０の放射によって形成されるファーフィールドパターン（far field pattern）は、特定のビームパターン（主ビーム方向、ビーム幅、指向性利得、サイドビームレベル、および他のパラメータに関するフィールドパターン）に等しい。
調整回路１２０は、非平面基板５０の形状および所定の信号角度に基づいて、アンテナユニット１１０１～１１０Ｊのうちの少なくとも１つの信号を調整する。アンテナアレイ１１０の複数のアンテナユニット１１０１～１１０Ｊによって放射された電磁波により形成されるビームは、隣接するアンテナユニット１１０１～１１０Ｊとは異なる位相または位相差により、異なるフィールドパターン（例えば、異なる放射方向、利得、または形状）を有することができる。非平面基板５０の形状は、アンテナユニット１１０１～１１０Ｊが異なる位置に配置されていることを反映する。信号角度は、ＤｏＤ／放射角度（angle of departure, AoD）であってもよく、あるいは到来方向（direction of arrival, DoA）／到来角度（angle of arrival, AoA）であってもよい。
いくつかの実施形態において、アンテナアレイ１１０が特定の方向または利得（すなわち、振幅）を達成できるよう、各アンテナユニット１１０１～１１０Ｊは、対応する位相（または遅延時間）が異なっていてもよいため、調整回路１２０は、それぞれ全てまたは一部のアンテナユニット１１０１～１１０Ｊの信号伝送または信号受信の位相を調整することができる。したがって、信号を遅延させて、異なるアンテナユニット１１０１～１１０Ｊの信号の位相を異なる位相にすることができ、それにより、位相差を形成し、さらに、異なる方向または異なる形状のビームパターンを達成することができる。
１つの実施形態において、コントローラ１５０は、所定の信号角度に対応するＨＰＢＷに基づいて、アンテナユニット１１０１～１１０Ｊから少なくとも２つの第１ユニットを選択して電磁波を放射する。例えば、アンテナユニット１１０１～１１０Ｊのうちのいくつかまたは全てを第１ユニットとして使用する。１つの実施形態において、アンテナユニット１１０１～１１０Ｊのうちの選択しなかったものを第２ユニットとして使用する。１つの実施形態において、コントローラ１５０は、調整回路１２０を介して第１ユニットを起動し、第２ユニットを無効（disable）にする。したがって、コントローラ１５０は、さらに、これらの第１ユニットを介して電磁波を放射し、第２ユニットの放射を中断することができる。
具体的に、図２Ａを例に挙げて説明すると、アンテナアレイ１１０の操舵角（例えば、０度）が基準線Ｚ（例えば、配置位置の法線方向）と同じであり、基準平面ＸＹ０に対して垂直であると仮定すると、操舵角が０度の場合、信号方向（direction of signal, DoS）（信号角度に対応する）は、基準線Ｚに対して平行である。図３は、本発明の１つの実施形態に係る半値電力ビーム幅（ＨＰＢＷ）の概略図である。図３を参照すると、操舵角が０度であり、ＨＰＢＷが約－１５度～１５度の範囲であると仮定する。
注意すべきこととして、ＨＰＢＷの大きさは、第１ユニットの数量に関連する。起動された後、第１ユニットは、所望のＨＰＢＷおよび信号角度を有するビームを形成するよう構成される。
図２Ａのアンテナユニット１１１１～１１１５および１１２１～１１２８は、直線状に配置される。例えば、一列に並ぶ。より明確に説明すると、一列に並んだアンテナユニット１１１１～１１１５および１１２１～１１２８の位置に対応する法線は、その空間において同じ平坦面上にある。例えば、基準線Ｚは、アンテナユニット１１１５の位置に対応する法線であり、アンテナユニット１１１３の法線Ｚ’は、基準線Ｚが位置する場所と同じ平坦面に設置される。図２Ａの図に関し、この平坦面は、見る人に面した面である。
さらに、アンテナユニット１１１１～１１１５および１１２１～１１２８のうちの任意の２つの隣接するアンテナユニットの間に距離がある。例えば、アンテナユニット１１１５とアンテナユニット１１２３の間に距離ｄがある。アンテナユニット１１１１～１１１５および１１２１～１１２８によって形成されたＨＰＢＷは、以下のように決定することができる。
［式１］
Figure 2023038925000002
ＨＰＢＷ０は、操舵角が０度の時のＨＰＢＷ（または固有の（intrinsic）ＨＰＢＷ）であり、λは、アンテナユニット１１１１～１１１５および１１２１～１１２８の信号伝送または信号受信の波長であり、Ｍは、同じ列における第１ユニットの数量であり、ｄは、距離である。
式（１）に基づくと、ＨＰＢＷは、（起動された）第１ユニットの数量Ｍおよび信号の波長λに対する距離ｄの比率に関連する。第１ユニットの数量Ｍは、以下によって決定することができる。
［式２］
Figure 2023038925000003
ＨＰＢＷは、半値電力ビーム幅である。さらに明確に説明すると、所望のＨＰＢＷが非整数のＭになった場合、Ｍは、計算した数よりも大きい最小の整数になるはずである。
例えば、式に基づいて、所望の固有半値電力ビーム幅が２５度よりも小さい場合、第１ユニットの数が５の時に、固有半値電力ビーム幅が２０．３度であることを得ることができる。コントローラ１５０は、アンテナユニット１１１１～１１１５および１１２１～１１２８の位置に基づいて、第１ユニットを選択することができる。例えば、所望の信号角度は、アンテナユニット１１１３の周囲領域（例えば、アンテナユニット１１１３とアンテナユニット１１１４の間、およびアンテナユニット１１１３の近く、あるいはアンテナユニット１１１３とアンテナユニット１１１２の間、およびアンテナユニット１１１３の近く）に対応し、アンテナユニット１１１１～１１１５が第１ユニット（起動された）として使用され、アンテナユニット１１２１～１１２８が第２ユニット（無効の）として使用される。そのため、アンテナユニット１１１１～１１１５は、放射可能となり、アンテナユニット１１２１～１１２８は、放射を停止する。
したがって、信号方向（ＤｏＳ）と選択した第１ユニットグループの中心領域の法線の間の差がゼロでない場合に、その差を最小化することができる。つまり、起動されたアンテナユニット１１１１～１１１５に対応する必要な操舵角（steering angle）がゼロに近づくため、信号伝送および受信のエネルギー効率が実際に向上する。
１つの実施形態において、コントローラ１５０は、所定の信号方向（ＤｏＳ）に基づいて、基準点を選択することができる。基準点および基準点が位置する非平面基板５０の表面に対応する接平面（tangent plane）は、所定の信号方向（ＤｏＳ）に対して垂直である。
例えば、図４は、本発明の１つの実施形態に係る基準点の決定方法を示す概略図である。図４を参照すると、信号方向ＤＯＳ１は、基準平面ＸＹ２に対して垂直である。基準平面ＸＹ２は、アンテナユニット１１３１が配置された表面の接平面である。そのため、基準点は、アンテナユニット１１３１に位置する。また、信号方向ＤＯＳ２は、基準平面ＸＹ３に対して垂直である。基準平面ＸＹ３は、曲面上の接平面である。しかしながら、信号方向ＤＯＳ２の延伸線と基準平面ＸＹ３の間の接合点は、アンテナユニット１１３２が配置された表面とアンテナユニット１１３３が配置された表面の間に位置する。そのため、基準点は、アンテナユニット１１３２とアンテナユニット１１３３の間に位置する。図４の例において、コントローラ１５０は、アンテナアレイ１１０が配置された領域に位置する基準点とみなすことができる。
別の例において、図５は、本発明の別の実施形態に係る基準点の決定方法を示す概略図である。図５を参照すると、信号方向ＤＯＳ３の方向は、基準平面ＸＹ４に対して垂直である。基準平面ＸＹ４は、曲面上の接平面である。しかしながら、信号方向ＤＯＳ３の延伸線と基準平面ＸＹ３の間の接合点は、アンテナユニット１１３４の一側に位置するが、他のアンテナユニットの間には位置しない。そのため、コントローラ１５０は、アンテナアレイ１１０が配置された領域の外側に位置する基準点とみなすことができる。
１つの実施形態において、アンテナアレイ１０が設置された領域に基準点が位置する場合（図４に示す）、コントローラ１５０は、半値電力ビーム幅に基づいて、真っ直ぐな列／直線（straight row/straight line）状の第１ユニット（例えば、起動されたアンテナユニット）の数量を決定することができる。例えば、第１ユニットの数量は、式（２）により計算することができる。
１つの実施形態において、アンテナアレイ１０が設置された領域に基準点が位置しない場合（図５に示す）、コントローラ１５０は、アンテナアレイ１０の操舵角に基づいて、半値電力ビーム幅変化率を決定し、半値電力ビーム幅および半値電力ビーム幅変化率に基づいて、第１ユニットを選択することができる。操舵角は、基準点に最も近いアンテナユニットの接平面の法線と所定の信号角度の間の差である。図５を例に挙げると、基準点の近くのアンテナユニット１１３４が設置された表面の接平面から垂直に延伸する法線Ｎ４と信号方向ＤＯＳ３の間の角度を操舵角として定義することができる。そして、数量Ｍは、以下の式で計算することができる。
［式３］
Figure 2023038925000004
θｓは、操舵角である。つまり、式（３）のcosθｓ（またはその逆数、secθｓ）は、半値電力ビーム幅変化率とみなすことができる。
第１ユニットが決定された場合、第１ユニットが信号を伝送および受信した時に、第１ユニットによって付加的に提供される位相遅延をさらに決定することができる。図２Ａを例に挙げると、選択した第１ユニットが５つのアンテナユニット１１１１～１１１５であると仮定する。アンテナユニット１１１１～１１１５の中心は、アンテナユニット１１１３であり、非平面基板５０－１上のアンテナユニット１１１３の法線Ｚ’は、アンテナユニット１１１３に対して垂直である。法線Ｚ’は、基準平面ＸＹ１に対して垂直であるため、それに基づいて、アンテナユニット１１１１～１１１５の位相遅延を決定することができる。
１つの実施形態において、調整回路１２０は、非平面基板５０上のアンテナユニット１１０１～１１０Ｊのうちの少なくとも２つの第１ユニットの位置および所定の信号角度に基づいて、第１ユニットのうちの任意の１つに第１ユニットが信号を受信または伝送した時に必要な位相差を補償することができる。具体的に説明すると、アンテナアレイ１０が信号方向（ＤｏＳ）において信号を伝送および受信する時、アンテナユニット（例えば、図２のアンテナユニット１１１１）に必要な位相差は、アンテナユニットと信号方向（ＤｏＳ）に互いに直交する基準平面の間の距離に直接関連する。図２Ａを例に挙げると、信号方向（ＤｏＳ）が法線Ｚ’に対して平行な時（例えば、基準位置が起動された第１ユニットにある）、各起動されたアンテナユニットに必要な補償する位相差は、各アンテナユニットと基準平面ＸＹ１の間の距離に関連する。
具体的に、図２Ａを例に挙げて説明すると、被試験デバイス（device-under-test, DUT）が中心点Ｃにあると仮定する。アンテナユニット１１１１～１１１５および１１２１～１１２８のそれぞれは、アンテナアレイ１１０を形成するよう別々に、または一体的に構成することができるため、アンテナユニット１１１１～１１１５および１１２１～１１２８が配置されている方向範囲内で、任意の方向にＤＵＴから伝送された信号を受信する、またはＤＵＴに信号を伝送することが可能である。
本実施形態（例えば、均一な円弧）において、位相差は、２つの第１ユニットの法線間の角度差および距離から得られる所定の信号角度に沿った行路差に関連すると解釈することができる。行路差は、非平面基板の形状に基づいて、ＤＵＴの電磁波が信号角度に対して平行な方向で第１ユニットのグループの仮装平面（例えば、基準平面ＸＹ１）に到達することを指すが、実際は、各アンテナユニットに到達する電磁波信号の経路間に差が存在する。
図６Ａは、図２Ａの部分的拡大図である。図２Ａおよび図６Ａを参照すると、非平面基板５０－１の円弧状表面において、２つのアンテナユニット１１１３および１１１４の間の距離は、以下の式で表されるものと仮定する。
［式４］
Figure 2023038925000005
Δθは、２つのアンテナユニット１１１３および１１１４の法線間の角度差である。
円弧の半径（例えば、Ｒ）がファーフィールド距離（far field distance）（例えば、ＦＲ＝２Ｄ２／λ）のｍ倍に等しい場合（すなわち、ｍは、相対的なファーフィールド距離に対応する非平面基板５０上の第１ユニットによって占有された領域により定義される円弧の半径の倍数である）、角度差は、以下の式で表すことができる。
［式５］
Figure 2023038925000006
Ｎは、距離に関連する第１ユニットによって定義される第１アレイの孔径（aperture）の倍数である。第１ユニット全体は、第１アレイとみなされる。
図６Ａに示した２つのアンテナユニット１１１４および１１１５の間の行路差ΔＬは、以下のように推定することができる。
［式６］
Figure 2023038925000007
θは、所定の信号角度（または、出発／受信角度）である。ｍＮ２が非常に大きい場合（Δθを小さくする）、アンテナユニット１１１４に追加される位相差Δψは、以下のように表すことができる。
［式７］
Figure 2023038925000008
したがって、調整回路１２０を介して特定の第１ユニットに位相差を補償することができる。
１つの実施形態において、信号角度が予め定められ、必要な操舵角がθｓである場合、位相差は、以下のように表すことができる。
［式８］
Figure 2023038925000009
ｎは、第１ユニットのシーケンス番号であり、ψｎは、ｎ番目の第１ユニットの位相差であり、
Figure 2023038925000010
は、所定の信号角度に対応する第１ユニットのシーケンス番号である。図２Ａを例に挙げて説明すると、アンテナユニット１１１１のシーケンス番号は、１であり、アンテナユニット１１１２のシーケンス番号は、２であり、残りも類推して判断することができる。アンテナユニット１１１１～１１１５の中心（すなわち、アンテナユニット１１１３）のシーケンス番号は、３である。所定の信号角度が０度の時、伝送方向は、円弧の中心（例えば、アンテナユニット１１１３の位置）を向く。つまり、所定の信号角度は、アンテナユニット１１１３の法線方向に対応する。式（８）の
Figure 2023038925000011
は、非平面基板５０上の第１ユニットによって占有される円弧の凹形状／表面（凹形中心、プラス記号を使用する）または円弧の凸形状／表面（凸形中心、マイナス記号を使用する）に基づいて、正または負であってもよい。つまり、コントローラ１５０は、各第１ユニットに電気的に接続された調整回路１２０を制御し、受送信した信号は、式から得られた位相差が予め定められるため、言い換えれば、信号は、基準平面における複数の第１ユニットによって受信されるとみなすことができる。
注意すべきこととして、選択した第１ユニットが変わる場合、第１ユニットに対応するグループの補償をする仮想法線、仮想平面、相対的な操舵角、および位相差も変わってもよい。
１つの実施形態において、基準点が２つの第１ユニットの間にある時、コントローラ１５０は、基準点に最も近い第１ユニットまたは基準点に基づいて、補償する位相差を決定することができる。
基準点に最も近い第１ユニットが選択された場合、コントローラ１５０は、式（４）～式（８）に基づいて、位相差を決定することができる。位相差補償に基づくと、些細ではあるが、許容される欠陥のみが存在する。
図６Ｂを例に挙げると、図６Ｂは、図４の部分的拡大図である。図４および図６Ｂを参照すると、図４に示したアンテナユニット１１３３および１１３４は、円弧の凸表面に配置されるため、式（８）の
Figure 2023038925000012
が選択される。基準点がアンテナユニット１１３２に近いと仮定すると、アンテナユニット１１１４の位置は、変形の基準点として使用され、
Figure 2023038925000013
である。信号角度が予め定められている場合、必要な操舵角は、θｓであり、位相差は、以下のように表すことができる。
［式９］
Figure 2023038925000014
基準点を維持したい時、コントローラ１５０は、基準点または基準点が位置する表面の接平面に基づいて、補償する位相差を決定することができる。
図６Ｃを例に挙げると、図６Ｃは、図４の別の部分的拡大図である。図４および図６Ｃを参照すると、図６Ｃに示すように、２つのアンテナユニット１１３２および１１３３の間の行路差ΔＬ３およびΔＬ４および信号方向ＤＯＳ２の延伸線（アンテナユニット１１３２と１１３３の間に位置すると仮定する）は、以下のように推定することができる。
［式１０］
Figure 2023038925000015
［式１１］
Figure 2023038925000016
また、アンテナユニット１１３２および１１３３は、円弧の凸面に配置されるため、式（８）の
Figure 2023038925000017
（例えば、式（９））も選択して位相差を決定する。
一方、アンテナユニット１１０１～１１０Jが円弧の凹面に配置された場合（例えば、図２Ａに示す）、式（８）の
Figure 2023038925000018
が選択される。信号角度が予め定められている場合、必要な操舵角は、θｓであり、位相差は、以下のように表すことができる。
［式１２］
Figure 2023038925000019
１つの実施形態において、コントローラ１５０は、非平面基板５０上のアンテナユニット１１０１～１１０Jの位置に基づいて、調整回路１２０を介してアンテナユニット１１０１～１１０Jのうちの少なくとも１つに素子要素（element factor）を補償することができる。アンテナユニット１１０１～１１０Jのうちのいくつか、または全てが同じ平面上に、または互いに対して平行な平面上にないため、アンテナユニット１１０１～１１０Jの放射パターン（すなわち、素子要素）は、異なる方向を有することができる。コントローラ１５０は、非平面基板５０上のアンテナユニット１１０１～１１０Jの位置によって生じる方向上の差、操舵角、および放射パターンに基づいて、アンテナユニット１１０１～１１０Jのうちの少なくとも１つに補償することができる。
例えば、図７は、本発明の１つの実施形態に係る２つのアンテナユニット１１０１および１１０２の放射パターン５０１および５０３の概略図である。図７を参照すると、操舵角が０であって、アンテナユニット１１０１の放射パターン５０１の方向に対応し、アンテナユニット１１０２の放射パターン５０５の方向が５度であると仮定する。２つのアンテナユニット１１０１および１１０２は、同じ平面上にないため、アンテナユニット１１０２については、０度における利得がアンテナユニット１１０１ほど良くない。そのため、コントローラ１５０は、アンテナユニット１１０２の信号に利得差ΔＧを補償することができる。
１つの実施形態において、コントローラ１５０は、非平面基板５０上のアンテナユニット１１０１～１１０Jの位置に基づいて、調整回路１２０を介してアンテナユニット１１０１～１１０Jのうちの少なくとも１つに経路損失を補償することができる。図５を例に挙げると、アンテナユニット１１０１および１１０２は、一定の距離において分離され、位相差が生じる。位相差は、さらに、経路損失をもたらす。そのため、コントローラ１５０は、アンテナユニット１１０２の信号に経路損失の利得を補償することができる。
一方、図８は、本発明の１つの実施形態に係るビーム制御方法を示すフローチャートである。図８を参照すると、非平面基板５０およびアンテナアレイ１１０を提供する（ステップＳ６１０）。非平面基板５０の形状およびアンテナアレイ１１０の操舵角に基づいて、アンテナユニット１１０１～１１０Jのうちの少なくとも１つの信号を調整する（ステップＳ６２０）。
図８における各ステップの実施の詳細については、上述した実施形態および実施方法において詳細に示してあるため、ここでは繰り返し説明しない。１つの実施形態において、調整回路１２０と連携して、コントローラ１５０によりステップＳ６２０を実施することができる。回路の形式で実施する他に、本発明の実施形態のステップおよび実施の詳細は、ソフトウェアの形式でコントローラによって実施することもでき、本発明の実施形態はこれに限定されない。
以上のように、本発明の実施形態のビーム形成装置およびビーム制御方法は、曲面に配置されるアンテナアレイを提供し、所望の操舵角に基づいて、アンテナユニットの信号を調整する。本発明の実施形態において、所望のビームパターンに基づいて、起動された第１ユニットを選択することができ、選択された第１ユニットに振幅および位相を補償することができる。したがって、様々な状況において、非平面設計のアンテナアレイを応用することができる。
ビーム形成装置およびビーム制御方法は、ビーム形成技術に応用することができる。
５０、５０－１、５０－２ 非平面基板
１００ ビーム形成装置
１１０ アンテナアレイ
１１０１～１１０Ｊ、１１１１～１１１５、１１２１～１１２８、１１３１～１１３８ アンテナユニット
１２０ 調整回路
１３０ メモリ
１５０ コントローラ
Ｚ 基準線
Ｚ’ 法線
ＸＹ０、ＸＹ１、ＸＹ２、ＸＹ３、ＸＹ４ 基準平面
ＨＰＢＷ 半値電力ビーム幅
ｄ 距離
Ｒ 距離
ＤＯＳ１～ＤＯＳ３ 信号方向
Δθ、Δθ２、Δθ３、Δθ４ 角度差
ΔＬ、ΔＬ２、ΔＬ３、ΔＬ４ 行路差
５０１、５０３ 放射パターン
Ｓ６１０～Ｓ６２０ ステップ

Claims (28)

  1. 非平面基板と、
    複数のアンテナユニットを含み、前記非平面基板に配置されたアンテナアレイと、
    前記アンテナアレイに結合され、前記非平面基板の形状および所定の信号角度に基づいて、前記アンテナユニットのうちの少なくとも１つの信号を調整するよう構成された調整回路と、
    を含むビーム形成装置。
  2. 前記調整回路に結合され、
    前記所定の信号角度および半値電力ビーム幅に基づいて、前記アンテナユニットから少なくとも２つの第１ユニットを選択して電磁波を送受信するよう構成されたコントローラをさらに含む請求項１に記載のビーム形成装置。
  3. 前記少なくとも２つの第１ユニットが、一列に配置され、前記少なくとも２つの第１ユニットのうちの任意の２つの隣接する第１ユニットの間に距離ｄがあり、前記少なくとも２つの第１ユニットの数量Ｍが、
    Figure 2023038925000020
    であり、
    ＨＰＢＷが、前記半値電力ビーム幅であり、λが、前記信号の波長である請求項２に記載のビーム形成装置。
  4. 前記コントローラが、さらに、
    前記所定の信号角度に基づいて、基準点を選択するよう構成され、前記基準点および前記基準点が位置する前記非平面基板の表面に対応する接平面が、前記所定の信号角度に対して垂直である請求項２に記載のビーム形成装置。
  5. 前記コントローラが、さらに、
    前記アンテナアレイが配置された領域に前記基準点が位置していることに反応し、前記半値電力ビーム幅に基づいて、一列に配置された前記少なくとも２つの第１ユニットの数量を決定することと、
    前記基準点が前記領域に位置していないことに反応し、前記アンテナアレイの操舵角に基づいて、半値電力ビーム幅変化率を決定するとともに、前記半値電力ビーム幅および前記半値電力ビーム幅変化率に基づいて、前記少なくとも２つの第１ユニットを選択することと、
    を行うよう構成され、前記操舵角が、前記基準点に最も近いアンテナユニットの接平面の法線と前記所定の信号角度の間の差である請求項４に記載のビーム形成装置。
  6. 前記コントローラに結合され、前記非平面基板上の前記アンテナユニットの位置を保存するよう構成されたメモリをさらに含み、
    前記コントローラが、前記アンテナユニットの前記位置に基づいて、前記少なくとも２つの第１ユニットを選択する請求項２に記載のビーム形成装置。
  7. 前記調整回路が、さらに、前記非平面基板上の前記アンテナユニットのうちの前記少なくとも２つの第１ユニットの位置および前記所定の信号角度に基づいて、前記少なくとも２つの第１ユニットのうちの１つの信号の位相差を補償するよう構成され、前記位相差が、前記非平面基板上の前記少なくとも２つの第１ユニットのうちの２つと対応する法線の間の角度差に関連する請求項２に記載のビーム形成装置。
  8. 前記少なくとも２つの第１ユニットが、一列に配置され、前記少なくとも２つの第１ユニットのうちの任意の２つの隣接する第１ユニットの間に距離があり、前記位相差が、さらに、前記角度差および前記距離から得られる前記所定の信号角度に沿った行路差に関連する請求項７に記載のビーム形成装置。
  9. 前記位相差Δψが、
    Figure 2023038925000021
    であり、
    ΔLが、前記行路差であり、λが、前記信号の波長であり、
    Figure 2023038925000022
    であり、
    ｄが、前記距離であり、Δθが、前記角度差である請求項８に記載のビーム形成装置。
  10. 前記所定の信号角度が、前記必要な操舵角をθｓにし、前記アンテナユニットが、前記非平面基板の凹面に配置される場合、前記第１ユニットのそれぞれに対応する前記位相差が、
    Figure 2023038925000023
    であり、
    ｎが、前記少なくとも２つの第１ユニットのシーケンス番号であり、ψｎが、ｎ番目の第１ユニットの前記位相差であり、
    Figure 2023038925000024
    が、前記所定の信号角度に対応する第１ユニットのシーケンス番号であり、ｍが、ファーフィールド距離に対応する前記非平面基板上の前記少なくとも２つの第１ユニットによって占有された領域により定義される円弧の半径の倍数であり、Ｎが、前記距離に関連する前記少なくとも２つの第１ユニットによって定義される第１アレイの孔径の倍数である請求項８に記載のビーム形成装置。
  11. 前記所定の信号角度が、前記必要な操舵角をθｓにし、前記アンテナユニットが、前記非平面基板の凸面に配置される場合、前記第１ユニットのそれぞれに対応する前記位相差が、
    Figure 2023038925000025
    であり、
    ｎが、前記少なくとも２つの第１ユニットのシーケンス番号であり、ψｎが、ｎ番目の第１ユニットの前記位相差であり、
    Figure 2023038925000026
    が、前記所定の信号角度に対応する第１ユニットのシーケンス番号であり、ｍが、ファーフィールド距離に対応する前記非平面基板上の前記少なくとも２つの第１ユニットによって占有された領域により定義される円弧の半径の倍数であり、Ｎが、前記距離に関連する前記少なくとも２つの第１ユニットによって定義される第１アレイの孔径の倍数である請求項８に記載のビーム形成装置。
  12. 前記コントローラが、さらに、
    前記少なくとも２つの第１ユニットのうちの２つの隣接するユニット間に位置する基準点に反応し、前記位相差が、前記基準点に最も近い第１ユニットまたは前記基準点に基づいて決定されるよう構成され、前記基準点および前記基準点が位置する表面に対応する接平面が、前記所定の信号角度に対して垂直である請求項７に記載のビーム形成装置。
  13. 前記調整回路に結合され、
    前記アンテナユニットに対する前記調整回路の位相遅延を決定するよう構成されたコントローラをさらに含む請求項１に記載のビーム形成装置。
  14. 前記調整回路に結合され、
    前記非平面基板上の前記アンテナユニットの位置に基づいて、前記調整回路を介して前記アンテナユニットのうちの少なくとも１つに素子要素を補償するよう構成されたコントローラをさらに含む請求項１に記載のビーム形成装置。
  15. 前記調整回路に結合され、
    前記非平面基板上の前記アンテナユニットの位置に基づいて、前記調整回路を介して前記アンテナユニットのうちの少なくとも１つに経路損失を補償するよう構成されたコントローラをさらに含む請求項１に記載のビーム形成装置。
  16. 非平面基板およびアンテナアレイを提供し、前記アンテナアレイが、複数のアンテナユニットを含み、前記非平面基板に配置されるステップと、
    前記非平面基板の形状および所定の信号角度に基づいて、前記アンテナユニットのうちの少なくとも１つの信号を調整するステップと、
    を含むビーム制御方法。
  17. 前記所定の信号角度および半値電力ビーム幅に基づいて、前記アンテナユニットから少なくとも２つの第１ユニットを選択して電磁波を送受信するステップをさらに含む請求項１６に記載のビーム制御方法。
  18. 前記少なくとも２つの第１ユニットが、一列に配置され、前記少なくとも２つの第１ユニットのうちの任意の２つの隣接する第１ユニットの間に距離ｄがあり、前記少なくとも２つの第１ユニットの数量Ｍが、
    Figure 2023038925000027
    により決定され、
    ＨＰＢＷが、前記半値電力ビーム幅であり、λが、前記信号の波長である請求項１７に記載のビーム制御方法。
  19. 前記所定の信号角度に基づいて、基準点を選択するステップをさらに含み、前記基準点および前記基準点が位置する前記非平面基板の表面に対応する接平面が、前記所定の信号角度に対して垂直である請求項１７に記載のビーム制御方法。
  20. 前記アンテナアレイが配置された領域に前記基準点が位置することに反応し、前記半値電力ビーム幅に基づいて、一列に配置された前記少なくとも２つの第１ユニットの数量を決定するステップと、
    前記基準点が前記領域に位置していないことに反応し、前記アンテナアレイの操舵角に基づいて、半値電力ビーム幅変化率を決定するとともに、前記半値電力ビーム幅および前記半値電力ビーム幅変化率に基づいて、前記少なくとも２つの第１ユニットを選択するステップと、
    をさらに含み、前記操舵角が、前記基準点に最も近いアンテナユニットの接平面の法線と前記所定の信号角度の間の差である請求項１９に記載のビーム制御方法。
  21. 前記非平面基板の形状および所定の信号角度に基づいて、前記アンテナユニットのうちの少なくとも１つの前記信号を調整する前記ステップが、
    前記非平面基板上の前記アンテナユニットのうちの前記少なくとも２つの第１ユニットの位置および前記所定の信号角度に基づいて、前記少なくとも２つの第１ユニットのうちの１つの信号の位相差を補償するステップを含み、前記位相差が、前記非平面基板上の前記少なくとも２つの第１ユニットのうちの２つと対応する法線の間の角度差に関連する請求項１７に記載のビーム制御方法。
  22. 前記少なくとも２つの第１ユニットが、一列に配置され、前記少なくとも２つの第１ユニットのうちの任意の２つの隣接する第１ユニットの間に距離があり、前記位相差が、さらに、前記角度差および前記距離から得られる前記所定の信号角度に沿った行路差に関連する請求項２１に記載のビーム制御方法。
  23. 前記位相差Δψが、
    Figure 2023038925000028
    であり、
    ΔLが、前記行路差（ΔL、ΔL２、ΔL３、ΔL４）であり、λが、前記信号の波長であり、
    Figure 2023038925000029
    であり、
    ｄが、前記距離であり、Δθが、前記角度差である請求項２２に記載のビーム制御方法。
  24. 前記所定の信号角度が、前記必要な操舵角をθｓにし、前記アンテナユニットが、前記非平面基板の凹面に配置される場合、前記第１ユニットのそれぞれに対応する前記位相差が、
    Figure 2023038925000030
    であり、
    ｎが、前記少なくとも２つの第１ユニットのシーケンス番号であり、ψｎが、ｎ番目の第１ユニットの前記位相差であり、
    Figure 2023038925000031
    が、前記所定の信号角度に対応する第１ユニットのシーケンス番号であり、ｍが、ファーフィールド距離に対応する前記非平面基板上の前記少なくとも２つの第１ユニットによって占有された領域により定義される円弧の半径の倍数であり、Ｎが、前記距離に関連する前記少なくとも２つの第１ユニットによって定義される第１アレイの孔径の倍数である請求項２２に記載のビーム制御方法。
  25. 前記所定の信号角度が、前記必要な操舵角をθｓにし、前記アンテナユニットが、前記非平面基板の凸面に配置される場合、前記第１ユニットのそれぞれに対応する前記位相差が、
    Figure 2023038925000032
    であり、
    ｎが、前記少なくとも２つの第１ユニットのシーケンス番号であり、ψｎが、ｎ番目の第１ユニットの前記位相差であり、
    Figure 2023038925000033
    が、前記所定の信号角度に対応する第１ユニットのシーケンス番号であり、ｍが、ファーフィールド距離に対応する前記非平面基板上の前記少なくとも２つの第１ユニットによって占有された領域により定義される円弧の半径の倍数であり、Ｎが、前記距離に関連する前記少なくとも２つの第１ユニットによって定義される第１アレイの孔径の倍数である請求項２２に記載のビーム制御方法。
  26. 前記少なくとも２つの第１ユニットのうちの２つの隣接するユニット間に位置する基準点に反応し、前記基準点に最も近い第１ユニットまたは前記基準点に基づいて、前記位相差を決定するステップをさらに含み、前記基準点および前記基準点が位置する表面に対応する接平面が、前記所定の信号角度に対して垂直である請求項２１に記載のビーム制御方法。
  27. 前記非平面基板上の前記アンテナユニットの位置に基づいて、前記アンテナユニットのうちの少なくとも１つに素子要素を補償するステップをさらに含む請求項１６に記載のビーム制御方法。
  28. 前記非平面基板上の前記アンテナユニットの位置に基づいて、前記アンテナユニットのうちの少なくとも１つに経路損失を補償するステップをさらに含む請求項１６に記載のビーム制御方法。
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