JP2023511254A - サブアレイの互いに素なセットを有するマルチビームフェーズドアレイアンテナ - Google Patents

Abstract

マルチビームフェーズドアレイアンテナシステムは、制御信号に応答して、複数のサブアレイ信号と複数のビーム信号とを変換するためのビームフォーマを含む。システムはまた、複数のビーム信号に対応する複数のビームを通信するための複数のサブアレイを含む。各サブアレイは、複数の放射要素を含む。各サブアレイはまた、それぞれのビーム重みに応答して、放射要素と通信されるＲＦ信号を調整し、かつ調整されたＲＦ信号と１つのそれぞれのサブアレイ信号とを変換するサブアレイビームフォーミング回路を含む。システムは、２つ以上のビームを決定するコントローラを更に含み、２つ以上のビームは、同じ通信タイプである。ビームフォーマは、サブアレイの互いに素なサブセットを、決定された２つ以上のビームの各々に割り当てる。コントローラはまた、複数のサブアレイの各々のビーム重みを提供し、かつ制御信号をビームフォーマに提供する。【選択図】図１

Description

（関連出願）
本特許出願は、「Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｍｕｌｔｉ－Ｂｅａｍ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ａｎｔｅｎｎａ」と題する、２０２０年１月９日に出願された米国特許仮出願第６２／９５９，１４６号に対する優先権の利益を主張し、その全体は、参照により本明細書に組み込まれる。

（発明の分野）
本開示は、概してアンテナシステムに関する。より具体的には、本開示は、複数のビームを同時に通信するための複数のサブアレイを有するフェーズドアレイアンテナを備えるアンテナシステムに関する。

アンテナアレイ（又はアレイアンテナ）は、電波を送信又は受信するために単一のアンテナとして動作する複数の放射要素のセットである。個々の放射要素（単に「要素」と称されることが多い）は、放射要素によって受信及び／又は送信された信号の適切な振幅及び／又は位相調整を適用する回路によって、受信器及び／又は送信器に接続することができる。送信に使用される場合、各個別の放射要素によって放射された電波は、互いに合成及び重畳され、所望の方向に放射される電力を増強するために加算（建設的に干渉）され、別の方向に放射された電力を低減するために相殺（破壊的に干渉）される。同様に、受信に使用される場合、個別の放射要素から別個に受信された信号は、所望の方向から受信した信号を増強し、所望ではない方向からの信号を相殺するために、適切な振幅及び／又は位相関係で合成される。

アンテナアレイは、単一のアンテナにより達成できるものよりも、電波の狭いビームにより高い利得（方向性）を達成することができる。一般に、使用される個々の放射要素の数が多いほど、利得が増加し、ビームが狭くなる。一部のアンテナアレイ（フェーズドアレイレーダなど）は、数千個の個別アンテナで構成することができる。アレイを使用して、より大きい利得を達成することができ（これは通信信頼性を高める）、これにより、特定の方向からの干渉を相殺し、異なる方向を指すように無線ビームを電子的に誘導し、かつ／又は無線方向を探知することができる。

一実施例は、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステムに関する。マルチビームフェーズドアレイアンテナシステムは、制御信号に応答して、複数のサブアレイ信号と複数のビーム信号とを変換するためのビームフォーマを含むことができる。マルチビームフェーズドアレイアンテナシステムはまた、複数のビーム信号に対応する複数のビームを通信するための複数のサブアレイを含むことができる。複数のサブアレイの各サブアレイは、複数の放射要素を含むことができる。各サブアレイはまた、それぞれのビーム重みに応答して、複数の放射要素と通信されるＲＦ信号を調整し、かつ調整されたＲＦ信号と複数のサブアレイ信号のうちのそれぞれ１つのサブアレイ信号とを変換するサブアレイビームフォーミング回路を含むことができ、それぞれのサブアレイ信号は、複数のビームのうちの１つの特定のビームに対応する。マルチビームフェーズドアレイアンテナシステムは、複数のビームのうちの２つ以上のビームを決定するコントローラを更に含むことができ、２つ以上のビームは、同じ通信タイプである。コントローラは、複数のサブアレイの各サブアレイが複数のビームのうちの１つの特定のビームのみに割り当てられるように、複数のサブアレイのサブアレイの互いに素なサブセットを選択された２つ以上のビームの各々に割り当てることができる。コントローラはまた、割り当てに基づいて、複数のサブアレイの各々にそれぞれのビーム重みを提供し、かつ割り当てに基づいて、制御信号をビームフォーマに提供することができる。

マルチビームフェーズドアレイアンテナシステムのブロック図を示している。

フェーズドアレイアンテナシステムのサブアレイのブロック図を示している。

複数のビームフォーミングネットワーク（beam forming network、ＢＦＮ）を含むビームフォーマを有するマルチビームフェーズドアレイアンテナシステムのブロック図を示している。

デジタル回路を含むビームフォーマを有するマルチビームフェーズドアレイアンテナシステムのブロック図を示している。

ビーム変換回路内にシステムを含むビームフォーマを有するマルチビームフェーズドアレイアンテナシステムのブロック図を示している。

２つのビーム上で同時に通信するフェーズドアレイアンテナの第１の実施例を示している。

２つのビームで同時に通信するフェーズドアレイアンテナの第２の実施例を示している。

２つのビーム上で同時に通信するフェーズドアレイアンテナの第３の実施例を示している。

フェーズドアレイアンテナの２つのビームに割り当てられた異なる数のサブアレイについてのボアサイトゲイン対ノイズ温度の例示的なチャートを示している。

２つ以上の異なるビームを各々が同時に通信する２つのフェーズドアレイアンテナを有するアンテナシステムの第１の実施例を示している。

２つ以上の異なるビームを各々が同時に通信する２つのフェーズドアレイアンテナを有するアンテナシステムの第２の実施例を示している。

２つ以上の異なるビーム上で各々が同時に通信する２つのフェーズドアレイアンテナを有するアンテナシステムの第１の実施例を示している。

受信モードで動作するフェーズドアレイアンテナのサブアレイの実施例を示している。

送信モードで動作するフェーズドアレイアンテナのサブアレイの実施例を示している。

半二重モードで動作するフェーズドアレイアンテナのサブアレイの実施例を示している。

周波数分割二重モードで動作するフェーズドアレイアンテナのサブアレイの実施例を示している。

偏波二重モードで動作するフェーズドアレイアンテナのサブアレイの実施例を示している。

本開示は、複数のビームを同時に通信することができるマルチビームフェーズドアレイアンテナシステムを説明する。マルチビームフェーズドアレイアンテナシステムは、エンティティ（例えば、航空機又は地上車両）に装着することができ、１つの外部エンティティ又は複数の外部エンティティ（例えば、１つ以上の衛星）と通信するために利用することができる。複数のビームの各々は、所望の特性を提供するために建設的及び／又は破壊的に干渉する複数の無線周波数（radio frequency）（ＲＦ）信号を表すことができる。マルチビームフェーズドアレイアンテナシステムは、複数のサブアレイから形成することのできるフェーズドアレイアンテナを含む。一部の実施例では、サブアレイは、タイルとして配置される。複数のサブアレイの各々は、複数のビームを自由空間を通して別のエンティティと通信するための複数の放射要素を含む。

マルチビームフェーズドアレイアンテナシステムは、複数のサブアレイ信号と複数のビーム信号とを変換するビームフォーマを含むことができ、ビーム信号の各々は、複数のビームのうちの１つに対応する。更に、複数のサブアレイ信号の各々は、フェーズドアレイアンテナのサブアレイのうちの１つのみに提供される。ビームフォーマは、デジタルロジック、アナログ回路、又はそれらの組み合わせから構成することができる。

複数のサブアレイの各々は、ビーム重みに基づいて複数のそれぞれの放射要素と通信されるＲＦ信号を調整する、サブアレイビームフォーミング回路を含むことができる。更に、サブアレイビームフォーミング回路は、調整されたＲＦ信号と複数のサブアレイ信号のうちの１つのそれぞれのサブアレイ信号とを変換するように構成することができる。一部の実施例では、ビームフォーミング回路は、ビームフォーマに接続されたサブアレイビームフォーミングネットワーク（ＢＦＮ）と、それぞれの放射要素に接続された複数の無線周波数集積回路（radio frequency integrated circuit、ＲＦＩＣ）チップとを含むことができる。

マルチビームフェーズドアレイアンテナシステムは、複数のサブアレイ及びビームフォーマの各々の動作を動的に制御する、コントローラを含むことができる。より具体的には、コントローラは、複数のビームから２つ以上のビームを決定するように構成／プログラム化することができる。決定された２つ以上のビームは、同じ通信タイプの２つのビームを含む。本明細書で使用される場合、「通信タイプ」は、決定された２つ以上のビームが少なくとも２つの受信ビーム又は少なくとも２つの送信ビームを含むような、送信又は受信などの通信の方向を指す。それらの周波数、偏波、及び指向方向のうちの少なくとも１つが異なる場合、同じ通信タイプの２つのビームは異なる。２つ以上のビームの決定に応答して、コントローラは、複数のサブアレイのサブアレイの互いに素なサブセットを決定された２つ以上のビームの各々に割り当てる。このようにして、複数のサブアレイの各サブアレイは、複数のビームのうちの１つのみの特定のビームに割り当てられる。コントローラは、複数のサブアレイの各々に対してそれぞれのビーム重みを提供し、かつ割り当てに基づいて、制御信号をビームフォーマに提供することができる。

コントローラは、２つ以上のビームの決定を経時的に変化させるように構成することができる。例えば、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステムが装着されているエンティティが、移動し、及び／又はマルチビームフェーズドアレイアンテナシステムが通信されるエンティティ（又は複数のエンティティ）が、移動する際に、コントローラは、異なる衛星（又は他のエンティティ）からデータを送信及び／又は受信するためのビームを動的に決定し、かつフェーズドアレイアンテナの互いに素なサブセットを再割り当てすることができる。このようにして、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステムを利用して、２つの衛星と同時にメイクビフォアブレーク通信を実装することができる。例えば、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステムがエンティティに装着されている状況を考慮すると、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステムを利用して、フェーズドアレイアンテナを使用して第１の衛星と双方向通信を提供することができる。第１の衛星との通信が劣化し始めると（例えば、エンティティの位置の変化に起因して）、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステムは、第１の衛星との通信が失われる前に、同じフェーズドアレイアンテナを使用して、第２の衛星との双方向通信を確立することができる。

図１は、マルチビームフェーズドアレイアンテナ１００の一実施例を示している。マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１００は、複数のビームを同時に通信する。本明細書で使用される場合、信号に関する「通信」（及びその派生語）という用語は、信号の送信及び／又は受信を指し、送信及び受信の両方とも必要とせず、送信又は受信のいずれも除外しない。マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１００は、Ｊ個のサブアレイ１０８で形成されたフェーズドアレイアンテナ１０４を含み、ここで、Ｊは、１より大きい整数である。一部の実施例では、フェーズドアレイアンテナ１０４は、複数のアンテナ（例えば、送信アンテナ及び受信アンテナ）を表すことができる。他の実施例では、フェーズドアレイアンテナ１０４は、単一のアンテナを表す。

本実施例では、ＳＡ－１．．．ＳＡ－１４とラベル付けされた１４個のサブアレイ１０８がある。他の実施例では、より多い又は少ないサブアレイ１０８が存在してもよい。各サブアレイ１０８は、無線周波数（ＲＦ）信号を自由空間に通信する、複数の放射要素を含む。Ｊ個のサブアレイ１０８の各々は、ＲＦ信号とサブアレイ信号とを変換するサブアレイビームフォーミング回路を含む。より具体的には、サブアレイビームフォーミング回路は、変換のためのＲＦ信号を組み合わせる及び／又は分割するための信号経路を含むことができる。更に、Ｊ個のサブアレイ１０８の各々のサブアレイビームフォーミング回路は、ビーム重みに基づいてＲＦ信号を増幅及び／又は位相シフトすることができる、無線周波数集積回路（ＲＦＩＣ）チップなどの回路構成要素を含むことができる。

一部の実施例では、Ｊ個のサブアレイ１０８の各々は、同じ形状を有することができる（例えば、同じ形状を有する上面を有する）。形状ａの実施例は、六角形（図１に示すように）、正方形、菱形、三角形などを含むことができる。他の実施例では、フェーズドアレイアンテナ１０４は、第１の形状を有する１つ以上のサブアレイ１０８の第１のセット、第２の形状を有する１つ以上のサブアレイ１０８の第２のセットなどの異なる形状を有する、サブアレイ１０８の異なるセットを含み得る。更に他の実施例では、Ｊ個のサブアレイ１０８の各々は、異なる形状を有することができる。一部の実施例では、サブアレイ１０８は、規則的な格子（例えば、三角形、正方形など）に配置することができる。そのような配置された格子のサブアレイ１０８は、例えば、エッジトゥエッジ（例えば、連続した開口を形成する）に配置することができる。他の実施例では、サブアレイ１０８は、不規則なパターンで配置することができる。

フェーズドアレイアンテナ１０４は、サブアレイ１０８の互いに素なサブセットが、複数のビームのうちの特定のビームを通信するように割り当てられるように構成されており、複数のビームの各々は、衛星又は地上局などの別のエンティティと通信することができる。本明細書で使用される場合、「互いに素なサブセット」は、各個々の互いに素なサブセットが別の互いに素なサブセットと共通のメンバーを有さない、セット（例えば、１４個のサブアレイのセット）のサブセットを指す。例えば、第１～第７のサブアレイ１０８（ＳＡ－１．．．ＳＡ－７）が第１のビームに割り当てられ、第８～第１４のサブアレイ１０８（ＳＡ－８．．ＳＡ－１４）が第２のビームに割り当てられ、第１～第７のサブアレイ１０８（ＳＡ－１．．．ＳＡ－７）は、サブアレイ１０８の第１の互いに素なサブセットであり、第８～第１４のサブアレイ１０８（ＳＡ－８．．．ＳＡ－１４）は、サブアレイの第２の互いに素なサブセットである。この状況では、第１のビーム及び第２のビームは、同じ方向又は異なる方向にあり得、同時に通信することができる。このようにして、フェーズドアレイアンテナ１０４は、同じ方向に同じエンティティに送信され、及び同じエンティティから送信される異なるビームを送信及び受信するために利用することができ、又はフェーズドアレイアンテナ１０４は、同時に２つの異なるエンティティと通信するために利用することができる。

Ｊ個のサブアレイ１０８の各々は、サブアレイ信号をビームフォーマ１１２と通信し、その結果、Ｊ個のサブアレイ信号が存在する。ビームフォーマ１１２は、複数のビームフォーミングネットワーク（ＢＦＮ）として、又はデジタルロジック（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（field programmable gate array、ＦＰＧＡ））として実装することができる。いずれの状況においても、ビームフォーマ１１２は、Ｊ個のサブアレイ信号とＫ個のビーム信号とを変換することができ、ここで、Ｋは、１以上の整数である。各ビーム信号は、１つのみの（正確に１つの）ビームに対応する。

Ｋ個のビーム信号の各々は、埋め込まれたデータを含む、送信又は受信信号であり得る。Ｋ個のビーム信号の各々は、Ｋ個のモデム１１６と通信することができる。Ｋ個のモデム１１６を利用して、Ｋ個のビーム信号の対応するビーム信号上のデータを符号化又は復号することができる。

マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１００は、ビームフォーマ１１２及びフェーズドアレイアンテナ１０４のＪ個のサブアレイ１０８の動作を制御することができる、コントローラ１２０を含むことができる。一部の実施例では、コントローラ１２０は、例えば、埋め込まれた命令を有する１つ以上のプロセッサコアとして実装することができる。他の実施例では、コントローラ１２０は、機械可読命令、及び機械可読命令を実行する１つ以上のプロセッサコアを記憶する、非一時的な機械可読媒体（例えば、メモリ）を有するシステムなどのコンピューティングプラットフォームとして実装することができる。

前述のように、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１００は、複数のビームを同時に通信する。フェーズドアレイアンテナシステム１００によって通信される各ビームは、送信ビーム又は受信ビームのいずれかとして動作する。所与のビームが所与の受信ビームである実施例では、エネルギーは、サブアレイ１０８の放射要素で受信され、ＲＦ信号に変換される。以下でより詳細に説明するように、１つ以上のサブアレイ１０８のサブセットは、コントローラ１２０によって所与の受信ビームに割り当てられる。サブセットの各サブアレイ１０８のサブアレイビームフォーミング回路は、コントローラ１２０からのビーム重みに応答してそのＲＦ信号を調整し、かつそのＲＦ信号を組み合わせて、所与の受信ビームに関連付けられたそれぞれのサブアレイ信号を形成する。次いで、サブセットの各サブアレイ１０８からのサブアレイ信号は、ビームフォーマ１１２に提供される。コントローラ１２０からの制御信号に応答して、ビームフォーマ１１２は、サブセットからのサブアレイ信号を調整して、かつ組み合わせて、所与の受信ビームに対応する所与の受信ビーム信号（例えば、ビーム信号１）を形成する。サブアレイの１つ以上の他のサブセットは、コントローラ１２０によって他の受信ビーム（複数可）の各々に同様に割り当てられ、ビーム重みを提供して、他の割り当てられた受信ビームに関連付けられたそれぞれのサブアレイ信号を形成する。ビームフォーマ１１２は同様に、他のそれぞれの受信ビームの各々に関連付けられている１つ以上のサブアレイ信号のそれぞれのセットを調整し、かつ組み合わせて、他の受信ビーム信号を形成する。次いで、Ｋ個の受信ビーム信号の各々が、Ｋ個のモデム１１６のうちの所与の１つに提供される。ビーム信号に応答して、所与のモデム１１６は、外部システムで利用するためのビーム信号上のデータを復号する。

逆に、所与のビームが所与の送信ビームである実施例では、Ｋ個のモデム１１６の所与のモデム１１６は、外部システムからの送信のためのデータを受信する。データに応答して、所与のモデム１１６は、所与のビーム信号がビームフォーマ１１２に提供される、Ｋ個のビーム信号の所与のビーム信号上のデータを符号化する。制御信号に応答して、ビームフォーマ１１２は、所与のビーム信号を所与の送信ビームに関連付けられた１つ以上のサブアレイ信号の所与のセットに変換する。次いで、ビームフォーマ１１２は、所与の送信ビームについて、コントローラ１２０によって決定されたサブアレイのサブセットのそれぞれの対応するサブアレイ１０８に、所与のセットの各それぞれのサブアレイ信号を提供する。ビーム重みに応答して、サブセット内の各サブアレイ１０８のサブアレイビームフォーミング回路は、それぞれのサブアレイ信号をＲＦ信号のセットに変換する。ＲＦ信号の各々は、サブアレイ１０８のサブセット内の各それぞれのサブアレイ１０８の要素を放射することによって所与のビームとして自由空間に伝搬され、それによって、所与の送信ビームを形成する。マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１００は同様に、他の送信ビーム（存在する場合）を形成する。

Ｊ個のサブアレイ１０８のビームフォーミング回路は、受信ビームフォーミング回路及び／又は送信ビームフォーミング回路として実装することができる。受信ビームフォーミング回路は、（上述の所与の受信ビームなどの）ビームを受信するように割り当てられ、送信ビームフォーミング回路は、（上述の所与の送信ビームなどの）送信ビームに割り当てられる。ビームフォーミング回路の各インスタンスは、特定のタイプの信号を一方向に調整するように構成されたアクティブ構成要素（例えば、位相シフタ及び／又は増幅器）を含む。より具体的には、受信ビームフォーミング回路は、ＲＦ信号を調整し、かつ組み合わせて、次にビームフォーマ１１２に提供される受信ビームに関連付けられたサブアレイ信号を形成するように構成されている。逆に、送信ビームフォーミング回路は、ビームフォーマから送信ビームに関連付けられたサブアレイ信号を取得し、自由空間への送信のために、サブアレイ信号をＲＦ信号に分割し、かつ調整するように構成されている。

コントローラ１２０は、ビームフォーマ１１２に、個々のサブアレイ１０８を特定のビームに割り当てさせるために、ビームフォーマ１１２に制御信号を提供することができる。換言すれば、ビームフォーマ１１２は、コントローラ１２０から提供される制御信号に応答して、個々のサブアレイ１０８を特定のビームに割り当てる。更に、コントローラ１２０は、ビーム重みをＪ個のサブアレイ１０８のサブアレイビームフォーミング回路に提供することができる。ビーム重みに応答して、Ｊ個のサブアレイ１０８の各々のサブアレイビームフォーミング回路は、それぞれの放射要素上の通信のためのそれぞれのＲＦ信号を調整する。

コントローラ１２０から提供されるビーム重みは、Ｊ個のサブアレイ１０８のうちの各それぞれ１つの動作を制御する、制御信号として実装することができる。ビーム重みは、サブアレイビームフォーミング回路の位相シフタ、増幅器、フィルタ、スイッチなどの動作を制御することができる。

サブアレイ１０８に提供されるビーム重み、及びコントローラ１２０からビームフォーマ１１２に提供される制御信号は、特定の方向に通信されるエネルギーを集束させる建設的及び破壊的干渉を介してサブアレイ１０８の放射要素によって通信される（送信又は受信される）ビームを画定する。より具体的には、サブアレイ１０８の各々によって適用されるビーム重みは、各それぞれのサブアレイ１０８によって通信されるＲＦ信号を、ビームフォーマによって使用される制御信号とともに調整（例えば、増幅及び／又は位相シフト）して、各ビームに関連付けられたサブアレイ信号を調整し、ビームのステアリングを有効にして、特定の方向に通信されるエネルギーを集束させる。

動作中、コントローラ１２０は、通信のために複数のビームから２つ以上のビームを決定することができる。２つ以上のビームは、例えば、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１００の位置、及びマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１００と無線で通信する外部エンティティの位置に基づいて決定することができる。２つ以上のビームの決定は、形成するビームの数、及び２つ以上のビームの各ビームの所望の特性（例えば、ビーム幅、ゲイン、サイドローブレベル、交差偏波など）を決定するためのコントローラ１２０によって実行される動作を含む。より具体的には、コントローラ１２０は、２つ以上のビームにおけるビームの数及び特性を決定するために複数の要因を重み付けするように構成することができる。これらの要因には、通信されるエンティティ（例えば、衛星）の識別、各エンティティとの通信の方向性（例えば、通信が一方向（送信又は受信）又は双方向（送信及び受信）であるかどうかにかかわらず）、フェーズドアレイアンテナ１０４の配向に対する各エンティティの位置、並びにフェーズドアレイアンテナ１０４、エンティティ、及び／又は他の方向で起こり得る干渉レベルの間の所望のリンク性能が含まれ得るが、これらに限定されない。更に、一部の実施例では、これらの要因のサブセットのみをコントローラ１２０によって考慮して、２つ以上のビームを決定することができる。他の実施例では、これらの要因のスーパーセットは、２つ以上のビームを決定するためにコントローラ１２０によって考慮することができる。

コントローラ１２０によって決定された複数のビームのうちの２つ以上のビームは、同じ通信タイプの少なくとも２つのビームを含む。すなわち、２つ以上のビームは、少なくとも２つの送信ビーム又は少なくとも２つの受信ビームを含む。同じ通信タイプの２つのビームは、それらの周波数、偏波、及び指向方向のうちの少なくとも１つで異なる。

一部の実施例では、コントローラ１２０は、同時に、第１のエンティティ（例えば、第１の衛星）からデータを受信するための第１の受信ビームと、第２のエンティティ（例えば、第２の衛星）からデータを受信するための第２の受信ビームとを決定することができ、その結果、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１００は、２つの受信ビームを有する。追加的又は代替的に、一部の実施例では、コントローラ１２０は、第１のエンティティにデータを送信するための第１の送信ビームと、第２のエンティティにデータを送信するための第２の送信ビームとを決定することができる。そのような状況では、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１００は、２つの異なる衛星などの２つの異なる外部エンティティと双方向通信を同時に実行することができる。例えば、１つの衛星は、低軌道衛星であり得、別の衛星は、静止軌道衛星であり得る。あるいは、そのような衛星の両方が、低軌道衛星であり得るか、又は両方の衛星が、静止軌道衛星であり得る。そのような状況のいずれにおいても、コントローラ１２０は、同時に、第１の衛星にデータを送信するための第１のビーム、第１の衛星からデータを受信するための第２のビーム、第２の衛星にデータを送信するための第３のビーム、及び第２の衛星からのデータを受信するための第４のビームを決定することができる。この実施例では、第１及び第２のビームは、同じ方向を有することができ、第３及び第４のビームがまた、同じ方向を有することができる。これにより、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１００は、２つの衛星とのメイクビフォアブレーク通信を実装することができる。より具体的には、コントローラ１２０は、第１の衛星と通信するための第１及び第２のビームを決定し、続いて、第１の衛星との通信が失われる前に第２の衛星と通信するための第３及び第４のビームを決定することができる。

他の実施例では、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１００は、３つ以上のエンティティと同時に通信することができる。更に、他の実施例では、コントローラ１２０は、１つのビーム（例えば、送信ビーム又は受信ビーム）のみを使用して特定のエンティティと通信するように構成され得、その結果、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１００は、特定のエンティティとのみデータを送信又は受信して、一方向通信を提供する。

複数のビームから２つ以上のビームを決定することに応答して、コントローラ１２０は、フェーズドアレイアンテナ１０４のＪ個のサブアレイの互いに素なサブセットを割り当てることができる。例えば、図示されるように、コントローラ１２０は、サブアレイ１～３、６～８及び１１を、サブアレイ１０８の第１の互いに素なサブセットとして第１のビームに割り当てることができ、サブアレイ４～５、９～１０及び１３～１４を、サブアレイ１０８の第２の互いに素なサブセットとして第２のビームに割り当てることができる。図示される実施例では、サブアレイ１０８の第２の互いに素なサブセットは、例示目的で網掛けされている。

サブアレイ１０８の互いに素なサブセットの割り当ては、例えば、外部エンティティと通信されるビームの特性に基づくことができる。所与のビームのそのような特性は、例えば、所与のビームの開口サイズ及び形状を含み得る。例えば、特定のサブアレイ１０８は、外部エンティティと通信するために必要なビーム幅及び／又は信号強度を考慮するように決定することができる。

コントローラ１２０は、割り当てに基づいて、各個々のサブアレイ１０８に必要なビーム重みを計算することができる。ビーム重みは、特定のビームの特性（例えば、開口サイズ及び形状）に必要なＲＦ信号の位相シフト及び／又は増幅を特徴付けることができる。本実施例では、同じ互いに素なサブセット内の異なるサブアレイ１０８は、異なるビーム重みを有することができる。更に、異なる互いに素なサブセットの異なるサブアレイ１０８はまた、異なるビーム重みを有することができる。すなわち、各個々のサブアレイ１０８のビーム重みは、それぞれのサブアレイ１０８が割り当てられる特定のビームに対して調整することができる。コントローラ１２０は、フェーズドアレイアンテナ１０４におけるＪ個のサブアレイ１０８の各々にビーム重みを提供することができる。各サブアレイ１０８のそれぞれのサブアレイビームフォーミング回路は、コントローラ１２０から提供されるビーム重みに応答して、それぞれの放射要素と通信されるＲＦ信号を調整することができる。言い換えれば、ビーム重みに応答して、各サブアレイのそれぞれのサブアレイビームフォーミング回路は、それに応じて放射要素と通信されるＲＦ信号を調整することができる。

サブアレイ１０８を特定のビーム及び／又はビーム重みに割り当てることは、コントローラ１２０によって動的に変更することができる。例えば、コントローラ１２０は、サブアレイ１０８のいくつか（又は全て）を新しいビームに再割り当てし、かつ／又はマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１００を収容するエンティティの位置の変更、及び／若しくはマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１００（例えば、衛星）と通信する外部エンティティの位置の変更を補償するか、若しくは規制要件に準拠するように、ビーム重みを再計算することができる。

加えて、割り当て（又は再割り当て）に応答して、コントローラ１２０は、制御信号をビームフォーマ１１２に提供する。制御信号に応答して、ビームフォーマ１１２は、各サブアレイ信号をＫ個のビーム信号の１つの対応するビーム信号に結合し、その結果、各サブアレイ信号は、１つのみのビーム信号の構成要素である。例えば、２つのビーム信号、すなわち、第１のビーム信号及び第２のビーム信号が存在する状況では、第１の互いに素なサブセットのサブアレイ１０８に関連付けられたサブアレイ信号を、第１のビーム信号の信号経路に結合することができる。したがって、ビームフォーマ１１２は、第１の互いに素なサブセットのサブアレイ１０８に関連付けられたサブアレイ信号と第１のビーム信号とを変換することができる。同様に、この状況では、ビームフォーマ１１２は、第２の互いに素なサブセットに関連付けられたサブアレイ信号を、第２のビームフォーミング信号に関連付けられた信号経路に結合する。したがって、ビームフォーマ１１２は、第２の互いに素なサブセットのサブアレイ１０８に関連付けられたサブアレイ信号と第２のビーム信号とを変換することができる。

マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１００の位置が変更し、及び／又は外部エンティティの位置が変更するときに、コントローラ１２０は、Ｋ個のビームの異なるビームを決定し、サブアレイ１０８の互いに素なサブセットを決定されたビームに動的に割り当てることができる。このようにして、Ｊ個のサブアレイ１０８で形成された同じフェーズドアレイアンテナ１０４を利用して、異なるビームを同時に通信することができる。したがって、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１００は、決定されたビームを介して１つ以上のエンティティとの通信を確立することができる。

従来のマルチビームアンテナは、全ての放射要素が各ビームに寄与することを可能にする回路を含み得る。しかしながら、そのような従来のマルチビームアンテナは、多数の回路構成要素を必要とし、したがって、それに応じてコストを増加させるため、非常に複雑である。対照的に、Ｊ個のサブアレイ１０８の各々は、特定の通信タイプの１つのみのビーム（すなわち、１つのみの送信ビーム及び／又は１つのみの受信ビーム）に寄与するために使用することができる、サブアレイビームフォーミング回路を含む。すなわち、Ｊ個のサブアレイ１０８の各々は、１である（例えば、合成器／分割器ネットワークとして実装される）特定の通信タイプのビームフォーミングサブアレイ回路の単一のインスタンスを含む。Ｇ番目のポートデバイス（ここで、「１」はサブアレイ信号に対応し、Ｇはビームフォーミングサブアレイ回路によって処理されるＲＦ信号の数である）、及びＧ番目の調整回路の１つのセットがあり、これは、特定の通信タイプの１つのビームに寄与するサブアレイ放射要素をもたらす。所与のサブアレイ１０８が送信及び受信の両方に使用される放射要素を含む実施形態では、所与のサブアレイ１０８のビームフォーミング回路は、受信ビームフォーミング回路（１つのみの受信ビームに寄与するために使用することができる）及び送信ビームフォーミング回路（１つのみの送信ビームに寄与するために使用することができる）を含むことができる。マルチフェーズドアレイアンテナ１００は、従来のマルチビームアンテナと比較して、いくつかの用途においてより低い性能メトリックを有することができるが、マルチフェーズドアレイアンテナ１００は、従来のマルチビームアンテナと比較して、コスト及び複雑さが低減されている。より具体的には、図１のマルチフェーズアレイアンテナ１００は、１つのビームにＪ個のサブアレイ１０８の各々を使用するだけで性能を犠牲にするが、回路要素を大幅に減らすことでコスト／複雑さを大幅に節約する。

図２は、フェーズドアレイアンテナで利用することのできるサブアレイ２００の一実施例のブロック図を示している。サブアレイ２００は、図１のフェーズドアレイアンテナ１０４のＪ個のサブアレイ１０８のうちの１つを実装するために利用することができる。

サブアレイ２００は、Ｇ個の放射要素２０４を含み、ここで、Ｇは、１より大きい整数である。Ｇ個の放射要素２０４の各々は、例えば、パッチアンテナ、スロットアンテナ、又はそれらの組み合わせとして実装することができる。Ｇ個の放射要素２０４の各々は、ＲＦ信号２０６を通信するために利用することができる。サブアレイ２００が送信ビームに割り当てられる実施例では、Ｇ個の放射要素２０４の各々は、ＲＦ信号２０６を自由空間に送信する。Ｇ個の放射要素２０４によって通信されるＲＦ信号２０６は、水平偏波、垂直偏波、円偏波などであり得る。サブアレイ２００が受信ビームに割り当てられている実施例では、Ｇ個の放射要素２０４の各々が、自由空間からＲＦ信号２０６を受信する。

Ｇ個の放射要素２０４の各々は、サブアレイビームフォーミング回路２０８と通信する。サブアレイビームフォーミング回路２０８は、Ｇ個のＲＦ信号２０６とサブアレイ信号２１８とを変換するために、ビームフォーミング回路、位相シフタ、増幅器、合成器／分割器回路などを含むことができる。サブアレイ信号２１８は、図１のビームフォーマ１１２などのビームフォーマと通信することができる。サブアレイビームフォーミング回路２０８は、サブアレイ信号２１８のポート２１４を含むことができる。サブアレイ２００が１つの特定の通信タイプの所与のビーム（例えば、送信ビーム又は受信ビーム）に寄与するために使用される実施例では、サブアレイ２００は、サブアレイビームフォーミング回路が、所与のビームに関連付けられた時間に１つのみのサブアレイ信号２１８を通信するように、サブアレイ信号２１８のための１つのみのポートを含む。サブアレイ２００が１つの受信ビーム及び１つの送信ビームに寄与するために使用される実施例では、サブアレイ２００は、２つのポート－受信ビームに関連付けられた受信サブアレイ信号のための１つのみのポート、及び送信ビームに関連付けられた送信サブアレイ信号のための１つのみのポートを含む（例えば、図１６を参照）。

図示の実施例では、サブアレイビームフォーミング回路２０８は、サブアレイＢＦＮ２１２を含む。サブアレイＢＦＮ２１２は、サブアレイビームフォーミング回路２０８のサブアレイ信号ポート２１４を含むことができる。サブアレイビームフォーミング回路２０８はまた、それぞれのＲＦ信号２０６を対応する放射要素２０４と通信させる、Ｇ個の調整回路２１６を含む。Ｇ個の調整回路２１６は各々、無線周波数集積回路（ＲＦＩＣ）チップ又はそれらの組み合わせなどの、別個の回路構成要素、ＩＣチップ（又は複数のＩＣチップ）として実装することができる。例えば、一部の実施例では、各調整回路２１６は、ＲＦＩＣチップと放射要素２０４とが１対１で対応できるように、ＲＦＩＣチップにより実装することができる。複数の放射要素２０４が単一のＲＦＩＣチップに接続される実施例を含む他の実施例では、放射要素２０４対ＲＦＩＣチップの他の比率があり得る。図示の実施例では、各調整回路２１６は、ＲＦ信号２０６をそれぞれの放射要素２０４に通信する。そのような状況では、それぞれの放射要素２０４と通信される１つのＲＦ信号２０６は、垂直に偏波され得、それぞれの放射要素２０４と通信される別の信号は、水平に偏波することができる。他の実施例では、各調整回路２１６は、単一のＲＦ信号２１６をそれぞれの放射要素２０４と通信することができる。

更に、サブアレイＢＦＮ２１２は、サブアレイ構成要素信号２１８を調整回路２１６の各々と通信する。サブアレイＢＦＮ２１２は、サブアレイ信号２１８とＲＦ信号２０６とを変換するように構成されている。Ｇ個の調整回路２１６の各々は、それぞれの放射要素２０４と通信されるそれぞれのＲＦ信号２０６を調整する（例えば、増幅及び／又は位相シフトする）。したがって、協調して、サブアレイＢＦＮ２１２及びＧ個の調整回路２１６は、サブアレイ信号２１８と、Ｇ個の放射要素２０４と通信されるＲＦ信号２０６とを変換する。

サブアレイ２００は、送信ビームの一部分に寄与することができ、及び／又は受信ビームの一部分に寄与することができる。サブアレイ２００が受信ビームの一部分に寄与する実施例では、エネルギーは、Ｇ個の放射要素２０４で受信され、ＲＦ信号２０６に変換される。サブアレイビームフォーミング回路２０８は、ＲＦ信号２０６を調整し、かつ組み合わせ、ビームフォーマに提供されるサブアレイ信号２１８を形成する。より具体的には、ビーム重みに応答して、Ｇ個の調整回路２１６の各々は、ＲＦ信号２０６を調整し、対応する調整されたＲＦ信号２０６をサブアレイＢＦＮ２１２に提供する。調整されたＲＦ信号２０６に応答して、サブアレイＢＦＮ２１２は、調整されたＲＦ信号２０６を組み合わせて、ポート２１４を通してサブアレイ信号２１８を提供する。

サブアレイ２００が送信ビームの一部分に寄与する実施例では、サブアレイビームフォーミング回路２０８は、ビームフォーマから送信ビームに関連付けられたサブアレイ信号２１８を受信する。サブアレイ信号に応答して、ビームフォーミング回路２０８は、サブアレイ信号をＧ個のＲＦ信号２０４に変換する。より具体的には、サブアレイＢＦＮ２１２は、ビームフォーマから提供されるポート２１４でサブアレイ信号２１８を受信する。サブアレイＢＦＮ２１２は、サブアレイ信号２１８を、それぞれの調整回路２１６に提供されるＧ個のＲＦ信号２０６に変換する。調整回路２１６は、ビーム重みに応答してそれぞれのＲＦ信号２０６を調整し、それぞれのＲＦ信号２０６を対応する放射要素２０４に提供し、ここで、ＲＦ信号２０６の各々は、送信ビームに寄与するために自由空間に伝搬される。

ビームフォーミング回路２０８は、受信ビームフォーミング回路及び／又は送信ビームフォーミング回路として実装することができる。ビームフォーミング回路２０８が受信ビームフォーミング回路として実装される実施例では、ビームフォーミング回路は、受信ビーム（上述の受信ビームなど）に割り当てることができる。逆に、ビームフォーミング回路２０８が送信ビームフォーミング回路として実装される実施例では、ビームフォーミング回路２０８は、送信ビーム（上述の送信ビームなど）に割り当てることができる。ビームフォーミング回路２０８のＧ個の調整回路２１６は、ＲＦ信号２０６を一方向に調整するように構成されたアクティブ構成要素（例えば、位相シフタ及び／又は増幅器）を含む。より具体的には、受信ビームフォーミング回路２０８は、ＲＦ信号２０６を調整し、かつ組み合わせて、受信ビームに関連付けられたサブアレイ信号２１８を形成するように構成されている。逆に、送信ビームフォーミング回路は、送信ビームに寄与するように自由空間に送信するために、送信ビームに関連付けられたサブアレイ信号２１８を、ＲＦ信号２１６に分割及び調整するように構成されている。

サブアレイビームフォーミング回路２０８は、図１のコントローラ１２０などのコントローラから提供されるビーム重み２２０に基づいて、ＲＦ信号２０６を調整することができる。より具体的には、ビーム重み２２０は、Ｇ個の調整回路２１６の各々に提供することができる。Ｇ個の調整回路２１６の各々は、ＲＦ信号２０６を調整することができるアクティブ構成要素及び／又は他の回路を含むことができる。例えば、各調整回路２１６は、それぞれの放射要素２０４と通信されるＲＦ信号２０６をそれぞれ増幅及び／又は位相シフトするために利用可能である、増幅器及び／又は位相シフタを含むことができる。増幅及び／又は位相シフトの量は、ビーム重み２２０によって制御される。言い換えれば、ビーム重み２２０に応答して、各調整回路２１６は、それぞれの放射要素２０４と通信されるＲＦ信号２０６を増幅及び／又は位相シフトする。

一部の実施例では、サブアレイＢＦＮ２１２は、パッシブ１である。Ｇ個の調整回路２１６による調整のために、サブアレイ信号２１８をＲＦ信号２０６に組み合わせるか、又は分割するものの１つに合成器／分割器を含む、Ｇ番目の回路。より具体的には、一実施例では、合成器／分割器を利用して、調整回路２１６から提供されるＲＦ信号２０６を、サブアレイ信号２１８に組み合わせることができる。他の実施例では、サブアレイＢＦＮ２１２の合成器／分割器は、サブアレイ信号２１８を、調整回路２１６に提供されるＲＦ信号２０６に分割することができる。サブアレイ２００は、調整回路２１６がサブアレイＢＦＮ２１２から分離されているものとして示されているが、一部の実施例では、調整回路２１６は、サブアレイＢＦＮ２１２と統合することができる。

図示されるように、コントローラから提供されるビーム重み２２０は、Ｇ個の放射要素２０４によって通信されるＲＦ信号２０６を個別に調整するように決定することができる。すなわち、サブアレイビームフォーミング回路２０８は、サブアレイ２００が他のサブアレイ（例えば、特定のビームに対して決定された互いに素なサブセット内の他のサブアレイ）と協調して動作して、ビームを自由空間内に通信することができるように、ビーム重み２２０に応答して、それに応じてＲＦ信号２０６を調整する。

図示されるように、サブアレイ２００（図１のＪ個のサブアレイ１０８のいずれかを表す）は、特定の通信タイプのビームフォーミング回路２０８の正確に１つのインスタンスを有する。更に、サブアレイビームフォーミング回路２０８は、１：Ｇのポートデバイスである。より具体的には、ポート２１４は、「１」に対応し、Ｇは、Ｇ個の調整回路２１６によって通信されるＧ個のＲＦ信号２０６に対応する。更に、図示されるように、サブアレイビームフォーミング回路２０８は、サブアレイ２０８の構成要素が、特定の通信タイプの１つのみのビームに寄与するように、Ｇ個の調整回路２１６の正確に１つのセットを含む。対照的に、Ｍビームの各々のための各放射要素を使用する従来のマルチビームフェーズドアレイアンテナは、２^＊Ｍ １：Ｘのポートデバイス（Ｘは、アレイ内の放射要素の総数である）、及び合計Ｍ^＊Ｘの調整回路（各ビームのＸ調整回路のセット）を有する。各ビームにおける全ての放射要素の使用は、アンテナ開口全体が使用されるため、良好な性能を提供することができるが、従来のマルチビームアンテナはまた、必要な追加の回路要素のために、（Ｊ個のサブアレイ２００を利用する）図１のマルチビームフェーズドアレイアンテナ１００よりも高いコスト及び複雑さを有する。結果として、Ｊ個のサブアレイ２００を使用した図１のマルチフェーズドアレイアンテナ１００は、従来のマルチビームアンテナと比較して、いくつかの用途においてより低い性能メトリックを有することがあるが、図１のマルチフェーズドアレイアンテナ１００は、コスト及び複雑さが低減されている。より具体的には、サブアレイ２００を１：Ｇのポートデバイス、及び１つのみのビームに寄与するＧ個の調整回路２１６として提供することによって、Ｊ個のサブアレイ２００を利用する図１のマルチフェーズドアレイアンテナ１００は、従来のフェーズドアレイアンテナと比較して、（回路要素を大幅に削減することにより）コスト／複雑さの有意な節約を達成することができる。

図３は、アナログ回路で実装されたビームフォーマ３０２を含む、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム３００の実施例を示している。マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム３００は、図１のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１００を実装するために利用することができる。したがって、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム３００は、複数のビームを同時に通信する。ビームフォーマ３０２は、図１のビームフォーマ１１２を実装するために利用可能であり得る。更に、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム３００は、図１のフェーズドアレイアンテナ１０４を実装するために利用することのできるフェーズドアレイアンテナ３０４を含む。したがって、フェーズドアレイアンテナ３０４は、図１のＪ個のサブアレイ１０８などのＪ個のサブアレイ３０８で形成することができる。更に、フェーズドアレイアンテナ３０４のＪ個のサブアレイ３０８の各々は、図２のサブアレイ２００の実例により実装することができる。一部の実施例では、フェーズドアレイアンテナ３０４は、複数のアンテナ（例えば、送信アンテナ及び受信アンテナ）を表すことができる。より具体的には、一部の実施例では、フェーズドアレイアンテナ３０４は、個々のアンテナを形成するために、Ｊ個のサブアレイ３０８の複数の連続する区画を表すことができる。個々のアンテナを形成するＪ個のサブアレイ３０８のそのような連続する区画は、互いに離間させることができる。更に、Ｊ個のサブアレイ３０８のこれらの連続する区画は、独立して動作するために利用可能である（例えば、１つのフェーズドアレイアンテナが受信ビーム用であり、及び別のフェーズドアレイアンテナが、送信ビーム用である）。他の実施例では、フェーズドアレイアンテナ３０４は、単一のアンテナを表す。そのような状況では、Ｊ個のサブアレイ３０８を連続パターンに配置することができ、Ｊ個のサブアレイ３０８の異なるサブアレイ３０８を異なるビームに割り当てることができる。

Ｊ個のサブアレイ３０８の各々は、フェーズドアレイアンテナ３０４がビームフォーマ３０２とＪ個のサブアレイ信号を通信するように、ＲＦ信号とサブアレイ信号とを変換するサブアレイビームフォーミング回路を含む。前述のように、ビームフォーマ３０２は、アナログ回路により実装される。より具体的には、ビームフォーマ３０２は、Ｋ個のＢＦＮ３１２を含むことができる。Ｋ個のＢＦＮ３１２の各々は、Ｊ個のサブアレイ信号のサブセットとＫ個のビーム信号の特定のただ１つの信号とを変換することができる。各ビーム信号は、１つのみのビームに対応する。

Ｋ個のビーム信号の各々は、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム３００の動作中に所与の時間に埋め込まれたデータを含む送信信号又は受信信号のいずれかであって良い。より具体的には、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム３００は、送信信号又は受信信号間のビーム信号の割り当てを切り替えるように構成することができる。Ｋ個のビーム信号の各々は、Ｋ個のモデム３１６のうちのモデム１１６と通信することができる。Ｋ個のモデム３１６を利用して、Ｋ個のビーム信号の対応するビーム信号上のデータを符号化又は復号することができる。

ビームフォーマ３０２は、Ｊ個のスイッチ３２０を含むことができる。Ｊ個のスイッチ３２０の各々は、Ｊ個のサブアレイ３０８のうちの１つのみに接続することができる。Ｊ個のスイッチ３２０の各々は、Ｊ個のサブアレイ３０８のそれぞれ１つを、Ｋ個のＢＦＮ３１２のうちの決定された１つと電気的に接続するように構成された、単極マルチスロースイッチとして実装することができる。すなわち、任意の所与の時点で、Ｊ個のスイッチ３２０の各々が、それぞれのサブアレイ３０８に、及びＫ個のＢＦＮ３１２のうちのいずれか１つに接続することができる。Ｊ個のスイッチ３２０の各々は、トランジスタベースのソリッドステートスイッチとして、又は電気機械スイッチとして実装することができる。

マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム３００は、ビームフォーマ３０２及びフェーズドアレイアンテナ３０４のＪ個のサブアレイ３０８の動作を制御することができるコントローラ３２４を含むことができる。一部の実施例では、コントローラ３２４は、図１のコントローラ１２０を実装するために利用することができる。コントローラ３２４は、ビームフォーマ３０２に、個々のサブアレイ３０８を特定のビームに割り当てさせるために、ビームフォーマに制御信号を提供することができる。更に、コントローラ３２４は、ビーム重みをＪ個のサブアレイ３０８のサブアレイビームフォーミング回路に提供することができる。ビーム重みに応答して、Ｊ個のサブアレイ１０８の各々のサブアレイビームフォーミング回路は、それぞれの放射要素での通信のためのそれぞれのＲＦ信号を調整することができる。

更に、コントローラ３２４によって提供される制御信号は、Ｊ個のスイッチ３２０の状態を制御することができる。言い換えれば、Ｊ個のスイッチ３２０の各々の状態は、コントローラ３２４から提供される制御信号に応答する。したがって、制御信号に応答して、Ｊ個のスイッチの各スイッチ３２０は、Ｊ個のサブアレイ３０８のそれぞれのサブアレイ３０８を、Ｋ個のＢＦＮ３１２の決定されたＢＦＮ３１２と接続する。このようにして、Ｊ個のサブアレイ３０８の各々は、１つのみのＢＦＮ３１２に電気的に接続されている。

動作中、コントローラ３２４は、複数のビームから２つ以上のビームを決定することができる。決定された２つ以上のビームは、同じ通信タイプの２つのビーム（例えば、少なくとも２つの受信ビーム又は少なくとも２つの送信ビーム）を含む。２つ以上のビームは、例えば、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム３００の位置、及びマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム３００と無線で通信する外部エンティティの位置に基づいて決定することができる。追加的又は代替的に、一部の実施例では、コントローラ１２０は、複数のビームから４つの（４）ビームを決定して、２つの異なるエンティティ（例えば、２つの異なる衛星）との双方向通信を確立することができる。これにより、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム３００は、２つの衛星とのメイクビフォアブレーク通信を実現することができる。

他の実施例では、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム３００は、３つ以上の衛星と同時に通信することができる。更に、他の実施例では、コントローラ３２４は、１つのビームのみを使用して特定の衛星と通信するように構成することができ、その結果、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム３００は、（例えば、一方向通信の）特定の衛星とだけデータを送信又は受信する。

複数のビームから２つ以上のビームを決定することに応答して、コントローラ３２４は、フェーズドアレイアンテナ３０４のＪ個のサブアレイ３０８の互いに素なサブセットを、決定された２つ以上のビームに割り当てることができる。サブアレイ３０８の互いに素なサブセットの割り当ては、例えば、外部エンティティと通信されるビームの特性（例えば、開口サイズ及び形状）に基づくことができる。

コントローラ３２４は、割り当てに基づいて、各個々のサブアレイ３０８に必要なビーム重みを計算することができる。ビーム重みは、特定のビームの特性（例えば、開口サイズ及び形状）に必要なＲＦ信号の位相シフト及び／又は増幅を特徴付けることができる。サブアレイ３０８の各々によって適用されるビーム重みは、各それぞれのサブアレイ３０８によって通信されるＲＦ信号を、ビームフォーマ３０２によって使用される制御信号とともに調整（例えば、増幅及び／又は位相シフト）して、各ビームに関連付けられたサブアレイ信号を調整し、ビームのステアリングを有効にして、特定の方向に通信されるエネルギーを集束させる。サブアレイ３０８を特定のビーム及び／又はビーム重みに割り当てることは、コントローラ３２４によって動的に変更することができる。例えば、コントローラ３２４は、サブアレイ３０８のいくつか（又は全て）を新しいビームに再割り当てし、かつ／又はマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム３００を収容するエンティティの位置の変更、及び／若しくはマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム３００（例えば、衛星）と通信する外部エンティティの位置の変更を補償するか、若しくは規制要件に準拠するように、ビーム重みを再計算することができる。

加えて、割り当てに応答して、コントローラ３２４は、制御信号をビームフォーマ３０２に提供する。より具体的には、コントローラは、Ｊ個のスイッチ３２０の各々に制御信号を提供する。制御信号に応答して、スイッチ３２０の各々は、Ｊ個のサブアレイ３０８のそれぞれの１つを、Ｋ個のＢＦＮ３１２の特定のＢＦＮ３１２と電気的に接続する。

一部の実施例では、Ｋ個のＢＦＮ３１２の各々（又はそのいくつかのサブセット）は、位相シフタ３２８を含むことができる。各位相シフタ３２８は、それに接続されたスイッチ３２０のサブセットと通信される各サブアレイ信号の位相を調整することができる。例えば、第１のＢＦＮ３１２（ＢＦＮ１）が第１～Ｊ番目のスイッチ３２０（スイッチ１及びスイッチＪ）に接続されている場合、第１のＢＦＮ３１２の位相シフタ３２８は、第１のサブアレイ３０８と通信される第１のサブアレイ信号、及びＪ番目のサブアレイ３０８と通信されるＪ番目のサブアレイ信号を位相シフトすることができる。

Ｋ個のＢＦＮ３１２の各位相シフタ３２８は、制御信号に基づく位相シフトを適用することができる。言い換えれば、各位相シフタ３２８は、コントローラ３２４から提供される制御信号に応答して、Ｊ個のサブアレイ信号のサブセットの位相をシフトする。このようにして、コントローラ３２４から提供される制御信号は、Ｊ個のスイッチ３２０の各々及びＢＦＮ３１２の各々の位相シフタ３２８の状態を制御することができる。

アナログ回路、すなわちＪ個のスイッチ及びＫ個のＢＦＮ３１２を備えたビームフォーマ３０２を実装することによって、比較的単純であり、かつ低電力のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム３００を提供することができる。更に、実証されるように、Ｋ個のＢＦＮ３１２は、Ｊ個のスイッチと協調して動作して、同時に少なくとも２つのビーム上での通信を容易にする。

図４は、デジタル回路を有するビームフォーマ４０２を含む、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム４００の実施例を示している。マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム４００は、図１のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１００を実装するために利用することができる。したがって、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム４００は、複数のビーム信号を同時に通信する。ビームフォーマ４０２は、図１のビームフォーマ１１２を実装するために利用可能である。更に、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム３００は、図１のフェーズドアレイアンテナ１０４を実装するために利用可能なフェーズドアレイアンテナ４０４を含む。したがって、フェーズドアレイアンテナ５０４は、図１のＪ個のサブアレイ１０８などのＪ個のサブアレイ４０８で形成することができる。更に、フェーズドアレイアンテナ４０４のＪ個のサブアレイ４０８の各々は、図２のサブアレイ２００の実例により実装することができる。一部の実施例では、フェーズドアレイアンテナ４０４は、複数のアンテナ（例えば、送信アンテナ及び受信アンテナ）を表すことができる。他の実施例では、フェーズドアレイアンテナ４０４は、単一のアンテナを表す。

Ｊ個のサブアレイ４０８の各々は、フェーズドアレイアンテナ４０４がビームフォーマ４０２とＪ個のサブアレイ信号を通信するように、ＲＦ信号とサブアレイ信号とを変換するサブアレイビームフォーミング回路を含む。前述のように、ビームフォーマ４０２は、デジタル回路により実現される。より具体的には、ビームフォーマ４０２は、デジタルロジック４１２を含むことができる。デジタルロジック４１２は、例えば、ＦＰＧＡ又は特定用途向け集積回路（application specific integrated circuit、ＡＳＩＣ）チップとして実装することができる。他の実施例では、デジタルロジック４１２は、仮想ゲートアレイを実装するためのコンピューティングプラットフォームを提供するコントローラとして実装することができる。デジタルロジック４１２は、Ｋ個のビーム信号とＪ個のデジタルサブアレイ信号とを変換するためのロジックゲートを含むことができる。

Ｋ個のビーム信号の各々は、埋め込まれたデータを含む送信又は受信信号であり得る。Ｋ個のビーム信号の各々は、Ｋ個のモデム４１６のうちのモデム４１６と通信することができる。Ｋ個のモデム４１６を利用して、Ｋ個のビーム信号の対応するビーム信号上のデータを符号化又は復号することができる。

ビームフォーマ４０２は、Ｊ個のデジタル－アナログ変換器（digital to analog converter、ＤＡＣ）４２０を含むことができる。Ｊ個のＤＡＣ４２０の各々は、Ｊ個のサブアレイ４０８のうちの１つ、及びデジタルロジック４１２に接続することができる。Ｊ個のＤＡＣ４２０の各々は、デジタルサブアレイ信号と（アナログ）サブアレイ信号とを変換することができる。一部の実施例では、ＤＡＣ４２０の各々は、それぞれのデジタルサブアレイ信号を、それぞれのサブアレイ４０８に提供されるサブアレイ信号に対応するデジタル信号のアナログバージョンに変換することができる。他の実施例では、ＤＡＣ４２０の各々は、それぞれのサブアレイ４０８から提供されるサブアレイ信号を、サブアレイ信号のデジタル化バージョンに変換し、対応するデジタルサブアレイ信号をデジタルロジック４１２に提供することができる。更に他の実施例では、ＤＡＣ４２０は、それぞれのデジタルサブアレイ信号をそれぞれのサブアレイ信号に変換し、かつそれぞれのサブアレイ信号をそれぞれのデジタルサブアレイ信号に変換することができる。

マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム４００は、ビームフォーマ４０２及びフェーズドアレイアンテナ４０４のＪ個のサブアレイ４０８の動作を制御することができるコントローラ４２４を含むことができる。一部の実施例では、コントローラ４２４は、図１のコントローラ１２０を実装するために利用することができる。コントローラ４２４は、ビームフォーマ４０２に制御信号を提供することができ、この制御信号は、ビームフォーマ４０２に、個々のサブアレイ４０８を特定のビームに割り当てさせる。更に、コントローラ４２４は、ビーム重みをＪ個のサブアレイ４０８のサブアレイビームフォーミング回路に提供することができる。ビーム重みに応答して、Ｊ個のサブアレイ４０８の各々のサブアレイビームフォーミング回路は、それぞれの放射要素での通信のためにそれぞれのＲＦ信号を調整することができる。

より具体的には、コントローラ４２４によって提供される制御信号は、ビームフォーマ４０２のデジタルロジック４１２に提供することができる。制御信号に応答して、デジタルロジック４１２は、それぞれのビーム信号と、Ｊ個のＤＡＣ４２０のうちの１つに接続されたそれぞれのデジタルサブアレイ信号との間に信号経路を設定することができる。信号経路は、それぞれのビーム信号とデジタルサブアレイ信号とを変換するための位相遅延、組み合わせ、及び／又は分割を提供する。同様に、Ｊ個のＤＡＣ４２０の各々は、コントローラ４２４から提供される制御信号に応答する。例えば、ＤＡＣ４２０の各々は、ビーム重み（増幅及び／又は位相シフト）をデジタルロジック４１２と通信するデジタルサブアレイ回路に適用することができる。

動作中、コントローラ４２４は、複数のビームから２つ以上のビームを決定することができる。決定された２つ以上のビームは、同じ通信タイプの２つのビーム（例えば、少なくとも２つの受信ビーム又は少なくとも２つの送信ビーム）を含む。２つ以上のビームは、例えば、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム４００の位置、及びマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム４００と無線で通信する外部エンティティの位置に基づいて決定することができる。追加的又は代替的に、一部の実施例では、コントローラ４２４は、複数のビームから４つの（４）ビームを決定して、２つの異なるエンティティ（例えば、２つの異なる衛星）との双方向通信を確立することができる。これにより、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム４００は、２つの衛星とのメイクビフォアブレーク通信を実装することができる。

他の実施例では、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム４００は、３つ以上の衛星と同時に通信することができる。更に、他の実施例では、コントローラ４２４は、１つのビームのみを使用して特定の衛星と通信するように構成することができ、その結果、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム４００は、（例えば、一方向通信の）特定の衛星とだけデータを送信又は受信する。

複数のビームから２つ以上のビームを決定することに応答して、コントローラ４２４は、フェーズドアレイアンテナ４０４のＪ個のサブアレイ４０８の互いに素なサブセットを、決定された２つ以上のビームに割り当てることができる。サブアレイ４０８の互いに素なサブセットの割り当ては、例えば、外部エンティティと通信されるビームの特性（例えば、開口サイズ及び形状）に基づくことができる。

コントローラ４２４は、割り当てに基づいて、各個々のサブアレイ４０８に必要なビーム重みを計算することができる。ビーム重みは、特定のビームの特性（例えば、開口サイズ及び形状）に必要なＲＦ信号の位相シフト及び／又は増幅を特徴付けることができる。サブアレイ４０８の各々によって適用されるビーム重みは、各それぞれのサブアレイ４０８によって通信されるＲＦ信号を、ビームフォーマ４０２によって使用される制御信号とともに調整（例えば、増幅及び／又は位相シフト）して、各ビームに関連付けられたサブアレイ信号を調整し、ビームの方向付けを可能にし、特定の方向に通信されるエネルギーを集束させる。サブアレイの特定のビーム及び／又はビーム重みへの割り当ては、コントローラ４２４によって動的に変更することができる。例えば、コントローラ４２４は、サブアレイ４０８のいくつか（又は全て）を新しいビームに再割り当てし、かつ／又はマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム４００を収容するエンティティの位置の変更、及び／若しくはマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム４００（例えば、衛星）と通信する外部エンティティの位置の変更を補償するか、若しくは規制要件に準拠するように、ビーム重みを再計算することができる。

加えて、割り当てに応答して、コントローラ４２４は、制御信号をビームフォーマ４０２に提供する。より具体的には、コントローラは、デジタルロジック４１２及びＪ個のＤＡＣ４２０の各々に制御信号を提供する。制御信号に応答して、デジタルロジック４１２は、それぞれのデジタルサブアレイ信号とＫ個のビーム信号の対応するビーム信号との間に信号経路を提供する。一実施例として、デジタルロジック４１２は、サブアレイ信号の第１のセットを、決定された２つ以上のビームの第１のビームに関連付け、サブアレイ信号の第２のサブセットを、複数のビームのうちの決定された２つ以上のビームの第２のビームに関連付けることができる。加えて、制御信号に応答して、Ｊ個のＤＡＣ４２０の各々は、ビーム重みをそれぞれのデジタルサブアレイ信号に適用し、それぞれのデジタルサブアレイ信号と、フェーズドアレイアンテナ４０４のそれぞれのサブアレイ４０８と通信されるそれぞれのサブアレイ信号とを変換することができる。

デジタルロジック４１２を含むデジタル回路によりビームフォーマ４０２を実装することによって、単純で動的なマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム４００が提供される。特に、デジタルロジック４１２によってサポートされるＫ個のビーム信号は、（例えば、デジタルロジック４１２を再構成することによって）動的に変更することができる。このようにして、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム４００は、ハードワイヤード回路を変更することなく、経時的に動作を変更するように適合することができる。

図５は、複数のＩＣチップにより実装されたビームフォーマ５０２を含むマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム５００の実施例を示している。マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム５００は、図１のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１００を実装するために利用することができる。したがって、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム５００は、複数のビーム信号を同時に通信する。ビームフォーマ５０２は、図１のビームフォーマ１１２を実装するために利用可能である。更に、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム３００は、図１のフェーズドアレイアンテナ１０４を実装するために利用可能なフェーズドアレイアンテナ５０４を含む。したがって、フェーズドアレイアンテナ５０４は、図１のＪ個のサブアレイ１０８などのＪ個のサブアレイ５０８により形成することができる。更に、フェーズドアレイアンテナ５０４のＪ個のサブアレイ５０８の各々は、図２のサブアレイ２００の実例により実装することができる。一部の実施例では、フェーズドアレイアンテナ５０４は、複数のアンテナ（例えば、送信アンテナ及び受信アンテナ）を表すことができる。他の実施例では、フェーズドアレイアンテナ５０４は、単一のアンテナを表す。

Ｊ個のサブアレイ５０８の各々は、フェーズドアレイアンテナ５０４がビームフォーマ５０２とＪ個のサブアレイ信号を通信するように、ＲＦ信号とサブアレイ信号とを変換するサブアレイビームフォーミング回路を含むことができる。前述のように、ビームフォーマ５０２は、複数のＩＣチップにより実装される。より具体的には、ビームフォーマ５０２は、Ｊ個の相互接続されたビーム変換回路５１２を含むことができ、ここで、Ｊ個の相互接続されたビーム変換回路５１２の各々は、サブアレイ５０８のうちの１つのみに接続される。一部の実施例では、Ｊ個のビーム変換回路５１２の各々は、ＡＳＩＣ又は命令が埋め込まれたコントローラとして実装することができる。他の実施例では、Ｊ個のビーム変換回路５１２の各々は、個別の回路構成要素により実装することができる。図示の実施例では、Ｊ個のビーム変換回路５１２は、Ｊ個のビーム変換回路５１２の各々が通信することを可能にするために、デイジーチェーンに配置される。他の実施例では、Ｊ個のビーム変換回路５１２の各々は、ビームフォーマ５０２の通信バス上で通信することができる。

Ｊ個のビーム変換回路５１２の各々は、それぞれのサブアレイ信号とＫ個のビーム信号とを変換することができる。Ｋ個のビーム信号の各々は、埋め込まれたデータを含む送信又は受信信号であり得る。Ｋ個のビーム信号の各々は、Ｋ個のモデム５１６のうちのモデム５１６と通信することができる。Ｋ個のモデム５１６を利用して、Ｋ個のビーム信号の対応するビーム信号上のデータを符号化又は復号することができる。

図示の実施例では、Ｋ個のモデム５１６の各々は、第１のビーム変換回路５１２（ビーム変換回路１）と通信する。そのような状況では、第１のビーム変換回路５１２は、ビーム信号を他のビーム変換回路５１２に中継することができる。他の実施例では、Ｋ個のモデム５１６の各々は、通信バスを介してビーム変換回路５１２と通信することができる。Ｊ個のビーム変換回路５１２の各々は、Ｋ個のビーム信号のうちの１つとサブアレイ信号とを変換するための内部ＤＡＣ（又は他の回路）を含むことができる。

マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム５００は、ビームフォーマ５０２及びフェーズドアレイアンテナ５０４のＪ個のサブアレイ５０８の動作を制御することができる、コントローラ５２４を含むことができる。一部の実施例では、コントローラ５２４は、図１のコントローラ１２０を実装するために利用することができる。コントローラ５２４は、ビームフォーマ５０２に、個々のサブアレイ５０８を特定のビームに割り当てさせるために、ビームフォーマ５０２に制御信号を提供することができる。更に、コントローラ５２４は、ビーム重みをＪ個のサブアレイ５０８のサブアレイビームフォーミング回路に提供することができる。ビーム重みに応答して、Ｊ個のサブアレイ５０８の各々のサブアレイビームフォーミング回路は、それぞれの放射要素上の通信のためのそれぞれのＲＦ信号を調整することができる。

より具体的には、コントローラ５２４によって提供される制御信号は、ビームフォーマ５０２のＪ個のビーム変換回路５１２に制御信号を提供することができる。制御信号に応答して、Ｊ個のビーム変換回路５１２は、それぞれのビーム信号と、Ｊ個のビーム変換回路５１２のうちの１つに結合されたそれぞれのデジタルサブアレイ信号との間に信号経路を設定することができる。信号経路は、それぞれのビーム信号とサブアレイ信号とを変換するための位相遅延、組み合わせ、及び／又は分割を提供することができる。

動作中、コントローラ５２４は、複数のビームから２つ以上のビームを決定することができる。決定された２つ以上のビームは、同じ通信タイプの２つのビーム（例えば、少なくとも２つの受信ビーム又は少なくとも２つの送信ビーム）を含む。２つ以上のビームは、例えば、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム５００の位置、及びマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム５００と無線で通信する外部エンティティの位置に基づいて決定することができる。追加的又は代替的に、一部の実施例では、コントローラ５２４は、複数のビームから４つの（４）ビームを決定して、２つの異なるエンティティ（例えば、２つの異なる衛星）との双方向通信を確立することができる。これにより、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム５００は、２つの衛星とのメイクビフォアブレーク通信を実現することができる。

他の実施例では、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム｀５００は、３つ以上の衛星と同時に通信することができる。更に、他の実施例では、コントローラ５２４は、１つのビームのみを使用して特定の衛星と通信するように構成され得、その結果、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム５００は、（例えば、一方向通信の）特定の衛星とだけデータを送信又は受信する。

複数のビームから２つ以上のビームを決定することに応答して、コントローラ５２４は、フェーズドアレイアンテナ５０４のＪ個のサブアレイ５０８の互いに素なサブセットを、決定された２つ以上のビームに割り当てることができる。サブアレイ５０８の互いに素なサブセットの割り当ては、例えば、外部エンティティと通信されるビームの特性（例えば、開口サイズ及び形状）に基づくことができる。

コントローラ５２４は、割り当てに基づいて、各個々のサブアレイ５０８に必要なビーム重みを計算することができる。ビーム重みは、特定のビームの特性（例えば、開口サイズ及び形状）に必要なＲＦ信号の位相シフト及び／又は増幅を特徴付けることができる。サブアレイ５０８の各々によって適用されるビーム重みは、各それぞれのサブアレイ５０８によって通信されるＲＦ信号を、ビームフォーマ５０２によって使用される制御信号とともに調整（例えば、増幅及び／又は位相シフト）して、各ビームに関連付けられたサブアレイ信号を調整し、ビームの方向付けを可能にし、特定の方向に通信されるエネルギーを集束させる。サブアレイの特定のビーム及び／又はビーム重みへの割り当ては、コントローラ５２４によって動的に変更することができる。例えば、コントローラ５２４は、サブアレイ５０８のいくつか（又は全て）を新しいビームに再割り当てし、かつ／又はマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム５００を収容するエンティティの位置の変更、及び／若しくはマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム５００（例えば、衛星）と通信する外部エンティティの位置の変更を補償するか、若しくは規制要件に準拠するように、ビーム重みを再計算することができる。

加えて、割り当てに応答して、コントローラ５２４は、制御信号をビームフォーマ５０２に提供する。より具体的には、コントローラは、Ｊ個のビーム変換回路５１２に制御信号を提供する。制御信号に応答して、Ｊ個のビーム変換回路５１２の各々は、それぞれのサブアレイ信号とＫ個のビーム信号の対応するビーム信号との間に信号経路を提供する。加えて、制御信号に応答して、Ｊ個のビーム変換回路５１２の各々は、ビーム重みをそれぞれのデジタルサブアレイ信号に適用し、それぞれのデジタルサブアレイ信号と、フェーズドアレイアンテナ５０４のそれぞれのサブアレイ５０８と通信されるそれぞれのサブアレイ信号とを変換することができる。

Ｊ個のビーム変換回路５１２を備えるビームフォーマ５０２を実装することによって、単純で動的なマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム５００が提供される。特に、Ｊ個のビーム変換回路５１２によってサポートされるＫ個のビーム信号は、（例えば、Ｊ個のビーム変換回路５１２の各々を再構成することによって）動的に変更することができる。このようにして、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム５００は、ハードワイヤード回路を変更することなく、経時的に動作を変更するように適合することができる。

図６～図８は、２つのビームを同時に通信する、フェーズドアレイアンテナ６００の実施例を示している。図１のフェーズドアレイアンテナ１０４を実装するために、フェーズドアレイアンテナ６００を利用することができる。フェーズドアレイアンテナ６００は、ＳＡ－１．．．ＳＡ－１２とラベル付けされた１２個のサブアレイ６０４を含む。他の実施例では、より多い又は少ないサブアレイ６０４が存在してもよい。各サブアレイ６０４は、図２のサブアレイ２００を用いて実装することができる。

図６は、フェーズドアレイアンテナ６００が、第１のビームを介して低地球軌道（low Earth orbit、ＬＥＯ）衛星６１０と第１の方向６１４において通信し、かつ第２のビームを介して静止地球軌道（geosynchronous Earth orbit、ＧＥＯ）衛星６２０と第２の方向６２４において通信する、実施例６０８を示している。図６に示す実施例では、サブアレイ８～１２（ＳＡ－８．．．ＳＡ－１２）は、第１のビーム及び第１の方向６１４上で通信するように割り当てられ、サブアレイ１～７（ＳＡ－１．．．ＳＡ－７）は、第２のビーム上で第２の方向６２４に通信する。図６の実施例６０８では、第１の方向６１４及び第２の方向６２４は、対向する（又はほぼ対向する）方向であると推定される。例示の目的で、第１の方向６１４に対して垂直な第１の線６２６が含まれ、第２の方向６２４に対して垂直な第２の線６２８がまた含まれる。図６に示される実施例６０８では、ＬＥＯ衛星６１０と通信するために第１のビームに割り当てられたサブアレイ６０４よりも、ＧＥＯ衛星６２０と通信するために第２のビームに割り当てられたサブアレイ６０４の方が多い。一部の実施例では、より多くのサブアレイ６０４を第２のビームに割り当てて、ＧＥＯ衛星６２０と通信して、フェーズドアレイアンテナ６００、次にＬＥＯ衛星６１０から離れているＧＥＯ衛星６２０を補償することができる。

図７は、フェーズドアレイアンテナ６００が、第１のビームを介してＬＥＯ衛星６５４と第１の方向６５８において通信し、かつ第２のビームを介してＧＥＯ衛星６６２と第２の方向６６８において通信する、実施例６５０を示している。図７に示す実施例６５０では、サブアレイ９～１２（ＳＡ－８．．．ＳＡ－１２）は、第１のビーム及び第１の方向６５８上で通信するように割り当てられ、サブアレイ１～８（ＳＡ－１．．．ＳＡ－８）は、第２のビーム上で第２の方向６２４に通信する。例示の目的で、第１の方向６５８に対して垂直な第１の線６７０が含まれ、第２の方向６６８に対して垂直な第２の線６７２がまた含まれる。図７に示す実施例６５０では、（例えば、ＬＥＯ衛星６５４に対するＧＥＯ衛星６６２の距離を補償するための）ＬＥＯ衛星６５４と通信するために第１のビームに割り当てられたサブアレイ６０４よりも、ＧＥＯ衛星６６２と通信するために第２のビームに割り当てられたサブアレイ６０４の方が多い。

図８は、フェーズドアレイアンテナ６００が、第１のビームを介してＬＥＯ衛星６８４と第１の方向６８６において通信し、かつ第２のビームを介してＧＥＯ衛星６８８と第２の方向６９０において通信する、実施例６８０を示している。実施例６８０では、第１の方向６８６及び第２の方向６９０は、ほぼ同じ方向であると推定される。更に、図８に示すように、サブアレイ８～１２（ＳＡ－８．．．ＳＡ－１２）は、第１のビーム及び第１の方向６８６上で通信するように割り当てられ、サブアレイ１～８（ＳＡ－１．．．ＳＡ－８）は、第２のビーム上で第２の方向６９０に通信する。例示の目的で、第１の方向６８６に対して垂直な第１の線６９２が含まれ、第２の方向６９０に対して垂直な第２の線６９４がまた含まれる。図８に示す実施例６８０では、（例えば、ＬＥＯ衛星６８４に対するＧＥＯ衛星６８８の距離を補償するための）ＬＥＯ衛星６８４と通信するために第１のビームに割り当てられたサブアレイ６０４よりも、ＧＥＯ衛星６８８と通信するために第２のビームに割り当てられたサブアレイ６０４の方が多い。

図６～図８に示すように、フェーズドアレイアンテナ６００は、複数のビームを同時に使用して異なる衛星と通信することができる。更に、図１～図５に示されるように、図６～図８のフェーズドアレイアンテナ６００は、ビームの方向を変更させるように動的に変更することができる。

図９は、図１のフェーズドアレイアンテナ１０４などのフェーズドアレイアンテナの２つのビームに割り当てられた異なる数のサブアレイについてのボアサイトゲイン対ノイズ温度（デシベル／ケルビン（ｄＢ／Ｋ））の例示的なチャート９００を示している。チャート９００によって図示される実施例では、フェーズドアレイアンテナは、２０個のサブアレイを含み、各サブアレイは、２つのビームのうちの１つに割り当てられる。チャート９００は、割り当てられるサブアレイの数を変更することによって、ビームの性能を変更することができることを実証している。チャート９００に示されるように、特定のビーム（ビーム１又はビーム２）に割り当てられたより多くのサブアレイは、特定のビームに対する性能が高い。

図１０～図１２は、第１のフェーズドアレイアンテナ１００４及び第２のフェーズドアレイアンテナ１００８を含む、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１０００の実施例を示している。第１のフェーズドアレイアンテナ１００４は、衛星などの外部エンティティにビームを送信するための送信アンテナとして構成することができる。第２のフェーズドアレイアンテナ１００８は、衛星などの外部エンティティから送信されたビームを受信するための受信アンテナとして構成することができる。したがって、一部の実施例では、第１のフェーズドアレイアンテナ１００４を利用して、ビームを所与の衛星に送信することができ、第２のフェーズドアレイアンテナ１００８を利用して、所与の衛星からビームを受信することができる。このようにして、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１０００は、所与の衛星との双方向通信を可能にする。

図１のフェーズドアレイアンテナ１０４を実装するために、第１のフェーズドアレイアンテナ１００４及び第２のフェーズドアレイアンテナ１００８を各々利用することができる。図示の実施例では、第１のフェーズドアレイアンテナ１００４及び第２のフェーズドアレイアンテナ１００８は、互いに離間している。他の実施例では、第１のフェーズドアレイアンテナ１００４及び第２のフェーズドアレイアンテナ１００８は、送信に使用されるサブアレイの放射要素が、受信に使用されるサブアレイの放射要素を含む第２の領域と少なくとも部分的に重複する第１の領域内にあるように、互いにオーバーレイすることができる。

第１のフェーズドアレイアンテナ１００４は、複数の菱形形状のサブアレイ１０１２を含み、そのうちの１つのみがラベル付けされる。菱形形状のサブアレイ１０１２の各々を利用して、図２のサブアレイ２００のインスタンスを実装することができる。第２のフェーズドアレイアンテナ１００８は、複数の六角形形状のサブアレイ１０２０と、複数の菱形形状のサブアレイ１０２４と、を含み、それぞれのうちの１つのみがラベル付けされる。第２のフェーズドアレイアンテナ１００８の六角形形状のサブアレイ１０２０及び菱形形状のサブアレイ１０２４の各々がまた、図２のサブアレイ２００のインスタンスを実装するために利用することができる。

第１のフェーズドアレイアンテナ１００４の複数の菱形形状のサブアレイ１０１２の互いに素なサブセットを割り当てて、異なるビームを通信（受信）することができる。同様に、第２のフェーズドアレイ１００８の複数の六角形形状のサブアレイ１０２０及び菱形形状のサブアレイ１０２４の互いに素なサブセットを割り当てて、異なるビームを通信（送信）することができる。

図１０は、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１０００が２つ以上のビームを各々通信する２つのフェーズドアレイアンテナを含む、実施例１０３０を示している。より具体的には、実施例１０３０では、第１のフェーズドアレイアンテナ１００４のサブアレイは、３つの異なる受信ビーム、すなわちビーム１、ビーム２及びビーム３に割り当てられる。更に、実施例１０３０では、第２のフェーズドアレイアンテナ１００８のサブアレイは、送信ビーム、すなわち、ビーム４及びビーム５に割り当てられる。あるいは、各ビームに割り当てられたサブアレイ、並びに送信ビーム及び／又は受信ビームの数は、この実施例とは異なっていてもよい。図１０は、第１のフェーズドアレイアンテナ１００４の個々の菱形形状のサブアレイ１０１２が割り当てられており、かつ第２のフェーズドアレイアンテナ１００８の六角形形状のサブアレイ１０２０及び菱形形状のサブアレイ１０２４が割り当てられているビームを識別する凡例を含む。図１０の実施例では、２つのフェーズドアレイアンテナ１００４及び１００８は、そのように別々に配置されている。

図１１は、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１０００が、互いに素なサブセットの異なる割り当てを伴って、５つのビームと同時に通信する、別の実施例１０５０を示している。図１２は、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１０００が、互いに素なサブセットの異なる割り当てを伴って、５つのビームと同時に通信する、更に別の実施例１０７０を示している。

図１０～図１２に示されるように、同じマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１０００を利用して、複数のビームを同時に通信することができる。更に、サブアレイ（例えば、第１のフェーズドアレイアンテナ１００４の菱形形状のサブアレイ１０１２、並びに第２のフェーズドアレイアンテナ１００８の六角形形状のサブアレイ１０２０及び菱形形状のサブアレイ１０２４）の割り当ては、動的に割り当て可能であり、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム１０００によって通信されるビームの指向方向、性能、及び開口形状を制御する。

図１３は、図１のＪ個のサブアレイ１０８及び／又は受信モードで動作する図２のサブアレイ２００のうちの１つのロジック相互接続を示す、フェーズドアレイアンテナ用のサブアレイ１３００のブロック図を示している。サブアレイ１３００は、複数のビームの特定のビームに動的に割り当てることができる。更に、サブアレイ１３００を利用して、受信したサブアレイ信号１３０２をビームフォーマに提供することができる。ビームフォーマは、図１のビームフォーマ１１２、図３のビームフォーマ３０２、又は図４のビームフォーマ４０２のアーキテクチャを用いて実装することができる。図示の実施例では、Ｇ個の放射要素１３０４は、サブアレイビームフォーミング回路１３０８と通信する。

サブアレイビームフォーミング回路１３０８は、Ｇ個のＲＦＩＣチップ１３１２及び受信（ＲＸ）サブアレイＢＦＮ回路１３１６を含むことができる。Ｇ個のＲＦＩＣチップ１３１２の各々は、それぞれの放射要素１３０４に接続することができる。ＲＦＩＣチップ１３１２の各々は、受信されたＲＦ信号１３１４を調整し、調整されたＲＦ信号１３１４をＲＸサブアレイＢＦＮ回路１３１６に提供する。ＲＸサブアレイＢＦＮ回路１３１６を利用して、サブアレイＢＦＮ２１２を実装することができる。ＲＸサブアレイＢＦＮ回路１３１６は、ビームフォーマに接続することができる。ＲＸサブアレイＢＦＮ回路１３１６は、Ｇ個のＲＦＩＣチップ１３１２からのＧ個のＲＦ信号１３１４を組み合わせて、受信されたサブアレイ信号１３０２を形成することができる。受信されたサブアレイ信号１３０２は、ビームフォーマに提供することができる。ＲＸサブアレイＢＦＮ回路は、ビームフォーマに接続されたポート１３１８を含むことができる。ＲＸサブアレイＢＦＮ回路１３１６は、ポート１３１８を介して受信されたサブアレイ信号１３０２をビームフォーマに提供することができる。

図示の実施例では、各ＲＦＩＣチップ１３１２は、増幅器１３２０及び位相シフタ１３２４を含むことができる。Ｇ個のＲＦＩＣチップ１３１２は、図１のコントローラ１２０により実装することができるコントローラ１３２８からビーム重み１３２６を受信することができる。ビーム重み１３２６は、サブアレイ１３００が割り当てられたビームに基づいて、コントローラ１３２８によって計算することができる。一部の実施例では、ビーム重み１３２６は、各増幅器１３２０の利得、及び／又は各位相シフタ１３２４によって適用される位相シフトを制御することができる。したがって、いくつかの実施例では、各増幅器１３２０は、可変利得増幅器、交換アッテネータ回路などとして実装することができる。

動作中、Ｇ個の放射要素１３０４（又はそのいくつかのサブセット）の各々によって受信された信号は、ＲＦ信号１３１４に変換され、調整のために対応するＲＦＩＣチップ１３１２に提供することができる。ＲＦＩＣチップ１３１２の各増幅器１３２０は、提供されたＲＦ信号１３１４を増幅し、各位相シフタ１３２４は、位相シフトを適用して、Ｇ個の調整されたＲＦ信号１３１４を出力することができる。図１３のサブアレイ１３００の一部の実施例では、位相シフタ１３２４は、コントローラ１３２８から提供されたビーム重み１３２６に応答して位相調整可変量を適用することができる。追加的に又は代替的に、増幅器１３２０は、コントローラ１３２８から提供されたビーム重み１３２６に応答して振幅調整可変量を提供することができる。Ｇ個のＲＦ信号１３１４を、ＲＸサブアレイＢＦＮ回路１３１６に提供することができる。ＲＸサブアレイＢＦＮ回路１３１６は、Ｇ個のＲＦ信号１３１４を組み合わせて、更なる処理のためにビームフォーマに提供され得る受信されたサブアレイ信号１３０２を形成することができる。

図１４は、図１のＪ個のサブアレイ１０８及び／又は送信モードで動作する図２のサブアレイ２００のうちの１つのロジック相互接続を示す、フェーズドアレイアンテナ用のサブアレイ１４００のブロック図を示している。サブアレイ１４００は、複数のビームの特定のビームに動的に割り当てることができる。更に、サブアレイ１４００を利用して、ビームフォーマからサブアレイ信号１４０３を受信することに応答して、ＲＦ信号１４０２を自由空間に送信することができる。ビームフォーマは、図１のビームフォーマ１１２、図３のビームフォーマ３０２、又は図４のビームフォーマ４０２のアーキテクチャを用いて実装することができる。図示の実施例では、Ｇ個の放射要素１４０４は、サブアレイビームフォーミング回路１４０８と通信する。

サブアレイビームフォーミング回路１４０８は、Ｇ個のＲＦＩＣチップ１４１２及び送信（ＴＸ）サブアレイＢＦＮ回路を含むことができる。Ｇ個のＲＦＩＣチップ１４１２の各々は、それぞれの放射要素１４０４に接続することができる。ＲＦＩＣチップ１４１２の各々は、ＴＸサブアレイＢＦＮ回路１４１６から受信されたＲＦ信号１４０２を調整し、かつ調整されたＲＦ信号１４０２をそれぞれの放射要素１４０４に提供する。ＴＸサブアレイＢＦＮ回路１４１６を利用して、図２のサブアレイＢＦＮ２１２を実装することができる。ＴＸサブアレイＢＦＮ回路１４１６は、ポート１４１８を介してビームフォーマに接続することができる。

図示の実施例では、各ＲＦＩＣチップ１３１２は、増幅器１４２０及び位相シフタ１４２４を含むことができる。Ｇ個のＲＦＩＣチップ１４１２は、図１のコントローラ１２０により実装することができるコントローラ１４２８からビーム重み１４１４を受信することができる。ビーム重み１４１４は、サブアレイ１４００が割り当てられた特定のビームに基づいて、コントローラ１４２８によって計算することができる。一部の実施例では、ビーム重み１４１４は、各増幅器１４２０の利得、及び／又は各位相シフタ１４２４によって適用される位相シフトを制御することができる。したがって、いくつかの実施例では、各増幅器１４２０は、可変利得増幅器、交換アッテネータ回路などとして実装することができる。

動作中、送信ビーム信号１４０３を、ビームフォーマからＴＸサブアレイＢＦＮ回路１４１６に提供することができる。ＴＸサブアレイＢＦＮ回路１４１６は、送信ビーム信号１４０３を、Ｇ個のＲＦＩＣチップ１４１２に提供され得るＧ個のＲＦ信号１４０２に分割する。Ｇ個のＲＦＩＣチップ１４１２の各々は、対応するＲＦ信号１４０２を調整して、調整されたＲＦ信号１４０２を生成することができ、この調整されたＲＦ信号を、対応する放射要素１４０４に提供することができる。図１３のサブアレイ１４００の一部の実施例では、位相シフタ１４２４は、コントローラ１４２８から提供されたビーム重み１４１４に応答して位相調整可変量を適用することができる。追加的に又は代替的に、増幅器１４２０は、コントローラ１４２８から提供されたビーム重み１４１４に応答して振幅調整可変量を提供することができる。各放射要素１４０４は、対応する調整されたＲＦ信号１４０２を自由空間に伝搬する。

図１５は、図１のＪ個のサブアレイ１０８及び／又は半二重モードで動作するサブアレイ２００のうちの１つのロジック相互接続を示す、フェーズドアレイアンテナ用のサブアレイ１５００のブロック図を示している。サブアレイ１５００は、複数のビームの特定のビームに動的に割り当てることができる。ビームフォーマは、図１のビームフォーマ１１２、図３のビームフォーマ３０２、又は図４のビームフォーマ４０２のアーキテクチャを用いて実装することができる。図示の実施例では、Ｇ個の放射要素１５０４は、サブアレイビームフォーミング回路１５０８と通信する。半二重モードでは、サブアレイ１５００は、受信モードと送信モードとの間で切り替わる。

サブアレイビームフォーミング回路１５０８は、Ｇ個のＲＦＩＣチップ１５１２及びサブアレイＢＦＮ回路１５１４を含むことができる。Ｇ個のＲＦＩＣチップ１５１２の各々は、それぞれの放射要素１５０４に接続することができる。図示の実施例では、各ＲＦＩＣチップ１５１２は、受信経路１５１６及び送信経路１５２０を含むことができる。受信経路１５１６は、対応する放射要素１５０４から受信した信号を調整するための受信増幅器１５２４及び受信位相シフタ１５２８を含むことができる。同様に、送信経路１５２０は、サブアレイＢＦＮ回路１５１４から提供された、対応するＲＦ信号１５２２を調整するための送信増幅器１５３２及び送信位相シフタ１５３６を含むことができる。

サブアレイＢＦＮ回路１５１４は、ビームフォーマに接続されたポート１５３８を含むことができる。サブアレイＢＦＮ回路１５１４のポート１５３８を利用して、ビームフォーマから送信サブアレイ信号１５１５を受信するか、又は受信されたサブアレイ信号１５１６をビームフォーマに提供することができる。

各ＲＦＩＣチップ１５１２はまた、受信モードと送信モードとを切り替えるための一対のスイッチ１５４０（例えば、トランジスタスイッチ）を含むことができる。ＲＦＩＣチップ１５１２は、図１のコントローラ１２０により実装することができるコントローラ１５４４からビーム重み１５４２を受信することができる。ビーム重み１５４２は、一対のスイッチ１５４０の状態を制御して、サブアレイ１５００を受信モードから送信モードに切り替えるか、又はその逆に切り替えることができる。追加的に、いくつかの実施例では、コントローラ１５４４から提供されたビーム重み１５４２は、各受信増幅器１５２４及び各送信増幅器１５３２によって適用される振幅調整可変量を制御することができる。したがって、いくつかの実施例では、各受信増幅器１５２４及び各送信増幅器１５３２は、可変利得増幅器、交換アッテネータ回路などとして実装することができる。同様に、いくつかの実施例では、コントローラ１５４４から提供されたビーム重み１５４２は、各受信位相シフタ１５２８及び各送信位相シフタ１５３６によって適用される位相調整可変量を制御することができる。

受信モードでの動作中、コントローラ１５４４は、受信経路１５１６を通して信号をルーティングするようにＲＦＩＣチップ１５１２のスイッチ１５４０を設定する。また、受信モードでは、Ｇ個の放射要素１５０４（又はそのいくつかのサブセット）の各々が受信したＲＦ信号１５２２は、調整のために対応するＲＦＩＣチップ１５１２に提供することができる。ＲＦＩＣチップ１５１２の各受信増幅器１５２４は、提供された信号を増幅し、各受信位相シフタ１５２８は、Ｇ個のＲＦ信号１５２２を出力するために位相シフトを適用する。Ｇ個のＲＦ信号１５２２を、サブアレイＢＦＮ回路１５１４に提供することができる。サブアレイＢＦＮ回路１５１４は、Ｇ個のＲＦ信号１５２２を組み合わせて、処理のためにビームフォーマに提供され得る受信されたサブアレイ信号１５１６を形成することができる。

送信モードでの動作中、コントローラ１５４４は、ビームフォーマからサブアレイＢＦＮ回路１５１４に提供され得る送信サブアレイ信号１５１５の送信のために、一対のスイッチ１５４０を送信経路１５２０に設定する。サブアレイＢＦＮ回路１５１４は、送信サブアレイ信号１５１５を、Ｇ個のＲＦＩＣチップ１５１２に提供され得るＧ個のＲＦ信号１５２２に分割する。Ｇ個のＲＦＩＣチップ１５１２の各々は、ビーム重み１５４２に基づいて対応するＲＦ信号１５２２を調整して、対応する放射要素１５０４に提供され得る調整されたＲＦ信号１５２２を生成することができる。図示の実施例では、調整することは、ビーム重み１５４２に基づいて、ＲＦ信号１５２２を位相シフトさせる送信位相シフタ１５３６、及びＲＦ信号１５２２を増幅する送信増幅器１５３２を含むことができる。各放射要素１５０４は、対応する調整されたＲＦ信号１５２２を自由空間に伝搬する。

半二重モードでは、サブアレイ１５００は、受信モードと送信モードとの間で切り替わる。このようにして、Ｇ個の放射要素１５０４は、ＲＦ信号１５２２の送信及び受信の両方に利用することができる。

図１６は、図１のＪ個のサブアレイ１０８及び／又は周波数分割二重モードで動作するサブアレイ２００のうちの１つのロジック相互接続を示す、フェーズドアレイアンテナ用のサブアレイ１６００のブロック図を示している。サブアレイ１６００は、複数のビームの特定のビームに動的に割り当てることができる。サブアレイ１６００は、図１のビームフォーマ１１２、図３のビームフォーマ３０２、又は図４のビームフォーマ４０２のアーキテクチャを用いて実装することができるビームフォーマと通信することができる。図示の実施例では、Ｇ個の放射要素１６０４は、サブアレイビームフォーミング回路１５０８と通信する。周波数分割二重モードでは、サブアレイ１６００は、受信帯域で受信されたＲＦ信号１６０２を処理し、送信帯域のＲＦ信号１６０２を伝搬するための回路を含むことができる。

サブアレイビームフォーミング回路１６０８は、Ｇ個のＲＦＩＣチップ１６１２及びサブアレイＢＦＮ回路１６１４を含むことができる。Ｇ個のＲＦＩＣチップ１６１２の各々は、それぞれの放射要素１６０４に接続することができる。図示の実施例では、各ＲＦＩＣチップ１６１２は、受信経路１６１６に沿った受信ビームフォーミング回路と、送信経路１６２０に沿った送信ビームフォーミング回路とを含むことができる。受信ビームフォーミング回路は、対応する給電部１６０４から受信した信号を調整するための受信増幅器１６２４及び受信位相シフタ１６２８を含むことができる。同様に、送信ビームフォーミング回路は、サブアレイＢＦＮ回路１６１４から提供された、対応するＲＦ信号１６０２を調整するための送信増幅器１６３２及び送信位相シフタ１６３６を含むことができる。

サブアレイＢＦＮ回路１６１４は、各々がビームフォーマに接続された第１のポート１６３８及び第２のポート１６３９を含むことができる。サブアレイＢＦＮ回路１６１４の第１のポート１６３８を利用して、ビームフォーマから送信サブアレイ信号１６１５を受信することができる。第２のポート１６４８を利用して、受信されたサブアレイ信号１６１６をビームフォーマに提供することができる。

追加的に、受信経路１６１６は、入力受信フィルタ１６４０及び出力受信フィルタ１６４４を含むことができる。入力受信フィルタ１６４０及び出力受信フィルタ１６４４は、受信帯域外の周波数の信号を除去する、比較的狭い帯域通過フィルタとして実装することができる。したがって、入力受信フィルタ１６４０及び出力受信フィルタ１６４４は、阻止帯域が設定された通過帯域を有することができる。同様に、送信経路１６２０は、入力送信フィルタ１６４８及び出力送信フィルタ１６５２を含むことができる。入力送信フィルタ１６４８及び出力送信フィルタ１６５２は、送信帯域外の周波数の信号を除去する、比較的狭い帯域通過フィルタとして実装することができる。したがって、入力送信フィルタ１６４８及び出力送信フィルタ１６５２は、送信帯域に設定された通過帯域を有することができる。他の実施例では、出力受信フィルタ１６４４及び出力送信フィルタ１６５２は、ＲＦサーキュレータなどの別の構成要素と置き換えることができる。

ＲＦＩＣチップ１６１２は、図１のコントローラ１２０により実装することができるコントローラ１６６０からビーム重み１６５８を受信することができる。ビーム重み１６５８は、サブアレイ１６００が割り当てられた特定のビームに基づいて、コントローラによって計算することができる。一部の実施例では、ビーム重み１６５８は、入力受信フィルタ１６４０及び出力受信フィルタ１６４４の通過帯域及び／又は帯域幅を制御する。同様に、一部の実施例では、コントローラ１６６０から提供されたビーム重み１６５８は、入力送信フィルタ１６４８及び出力送信フィルタ１６５２の通過帯域及び／又は帯域幅を制御する。追加的に又は代替的に、コントローラ１６６０から提供されたビーム重み１６５８は、各受信増幅器１６２４及び各送信増幅器１６３２によって適用される振幅調整可変量を制御することができる。したがって、いくつかの実施例では、各受信増幅器１６２４及び各送信増幅器１６３２は、可変利得増幅器、交換アッテネータ回路などとして実装することができる。同様に、いくつかの実施例では、コントローラ１６６０から提供されたビーム重み１６５８は、各受信位相シフタ１６２８及び各送信位相シフタ１６３６によって適用される位相調整可変量を制御することができる。

動作中、サブアレイ１６００は、サブアレイ１６００を横断する信号の周波数に基づいて、受信モード及び送信モードで同時に動作することができる。より具体的には、ＲＦ信号１６０２は、Ｇ個の放射要素１６０４（又はそれらのいくつかのサブセット）の各々によって受信することができ、これらのＲＦ信号１６０２は、調整のために対応するＲＦＩＣチップ１６１２に提供することができる。入力受信フィルタ１６４０の通過帯域（受信帯域）内の信号は、対応するＲＦＩＣチップ１６１２の受信経路１６１６によって調整（例えば、増幅及び位相シフト）することができる。調整されたＲＦ信号１６０２は、出力受信フィルタ１６４４によってフィルタリングされ得、ＲＦ信号１６０２としてサブアレイＢＦＮ回路１６１４に提供することができる。このようにして、サブアレイＢＦＮ回路１６１４は、Ｇ個のＲＦＩＣチップ１６１２からＧ個のＲＦ信号１６０２を受信し、受信されたＧ個のＲＦ信号１６０２の各々は、受信帯域内にすることができる。サブアレイＢＦＮ回路１６１４は、受信されたＧ個のＲＦ信号１６０２を組み合わせて、第２のポート１６３９を介した更なる処理のためにビームフォーマに提供され得る受信されたサブアレイ信号１６１６を形成することができる。

更に、ＲＦ信号の受信と同時に、送信サブアレイ信号１６１５は、ビームフォーマから第２のポート１６３８でサブアレイＢＦＮ回路１６１４に提供することができる。サブアレイＢＦＮ回路１６１４は、送信サブアレイ信号１６１５を、Ｇ個のＲＦＩＣチップ１６１２に提供され得るＧ個のＲＦ信号１６０２に分割する。Ｇ個のＲＦＩＣチップ１６１２の各々の入力送信フィルタ１６４８は、通過帯域（送信帯域）外の信号を除去する。追加的に、送信経路１６２０は、対応するＲＦ信号１６０２を調整（位相シフト及び増幅）して調整されたＲＦ信号１６０２を生成することができ、この調整されたＲＦ信号は、出力送信フィルタ１６５２を通して対応する放射要素１６０４に提供することができる。各放射要素１６０４は、対応する調整されたＲＦを自由空間に伝搬する。

サブアレイ１６００では、横断する信号の周波数は、サブアレイ１６００を通る信号のルーティングを制御する。このようにして、放射要素１６０４は、ＲＦ信号１６０２の送信及び受信の両方に利用することができる。他の実施例では、異なる放射要素１６０４は、サブアレイが送信のための放射要素１６０４の第１のセット及び受信のための放射要素の第２の（異なる）セットを含むように、送信及び受信のために使用することができる。放射要素の２つのセットは、例えば、送信に使用される放射要素１６０４が、受信に使用される放射要素１６０４を含む第２の領域と少なくとも部分的に重複する第１の領域内にあるように、各サブアレイ１６００内でオーバーレイすることができる。追加的に、一部の実施例では、サブアレイ１６００は、半二重化を提供するために送信モードと受信モードとの間で断続的に切り替わるアーキテクチャを有することができる。

図１７は、図１のＪ個のサブアレイ１０８、及び／又は半二重モードの特定の構成であり得る偏波二重モードで動作するサブアレイ２００のうちの１つのロジック相互接続を示す、フェーズドアレイアンテナ用のサブアレイ１７００のブロック図を示している。サブアレイ１７００は、複数のビームの特定のビームに動的に割り当てることができる。サブアレイ１７００は、図１のビームフォーマ１１２、図３のビームフォーマ３０２、又は図４のビームフォーマ４０２のアーキテクチャを用いて実装することができるビームフォーマと通信することができる。図示の実施例では、Ｇ個の放射要素１７０４は、サブアレイビームフォーミング回路１７０８と通信する。偏波二重モードでは、サブアレイビームフォーミング回路１７０８は、第１の偏波で受信されたＲＦ信号１７１０を処理し、第１の偏波に直交する第２の偏波でＲＦ信号１７１０を伝搬するための回路を含むことができる。

サブアレイビームフォーミング回路１７０８は、Ｇ個のＲＦＩＣチップ１７１２及びサブアレイＢＦＮ回路１７１４を含むことができる。Ｇ個のＲＦＩＣチップ１７１２の各々は、それぞれの放射要素１７０４に接続することができる。図示の実施例では、各ＲＦＩＣチップ１７１２は、受信経路１７１６及び送信経路１７２０を含むことができる。受信経路１７１６は、対応する放射要素１７０４から受信したＲＦ信号１７１０を調整するための受信増幅器１７２４及び受信位相シフタ１７３２を含むことができる。同様に、送信経路１７２０は、サブアレイＢＦＮ回路１７１４から提供された、対応するＲＦ信号１７１０を調整するための送信増幅器１７３４及び送信位相シフタ１７３８を含むことができる。

サブアレイＢＦＮ回路１７１４は、ビームフォーマに接続されたポート１７１５を含むことができる。サブアレイＢＦＮ回路１７１４のポート１７１５を利用して、ビームフォーマから送信サブアレイ信号１７３７を受信するか、又は受信されたサブアレイ信号１７３９をビームフォーマに送信することができる。

受信経路１７１６は、放射要素１７０４の第１のポート１７４０に接続することができ、送信経路１７２０は、放射要素１７０４の第２のポート１７４４に接続することができる。放射要素１７０４の第１のポート１７４０は、第１の偏波にある放射要素１７０４で受信されたＲＦ信号１７１０を出力するように構成することができ、放射要素１７０４の第２のポート１７４４は、放射要素１７０４で受信された信号を第１の偏波に直交する第２の偏波で送信するように構成することができる。例えば、第１の偏波は、垂直偏波であってもよく、第２の偏波は、水平偏波であってもよく、逆もまた同様である。代替的に、第１の偏波は、右旋円偏波（right hand circular polarization、ＲＨＣＰ）であってもよく、第２の偏波は、左旋円偏波（left hand circular polarization、ＬＨＣＰ）であってもよく、逆もまた同様である。

各ＲＦＩＣチップ１７１２はまた、受信モードと送信モードとの間で切り替わるためのスイッチ１７４８（例えば、トランジスタスイッチ）を含むことができる。ＲＦＩＣチップ１７１２は、図１のコントローラ１２０により実装することができるコントローラ１７６０からビーム重み１７１３を受信することができる。ビーム重み１７１３は、サブアレイ１７００が割り当てられたビームに基づいて、コントローラ１７６０によって計算することができる。ビーム重み１７１３は、スイッチ１７４８の状態を制御して、サブアレイ１７００を受信モードから送信モードに切り替えるか、又はその逆に切り替えることができる。追加的に、いくつかの実施例では、コントローラ１７６０から提供されたビーム重み１７１３は、各受信増幅器１７２４及び各送信増幅器１７３４によって適用される振幅調整可変量を制御することができる。したがって、いくつかの実施例では、各受信増幅器１７２４及び各送信増幅器１７３４は、可変利得増幅器、交換アッテネータ回路などとして実装することができる。同様に、いくつかの実施例では、コントローラ１７６０から提供されたビーム重み１７１３は、各受信位相シフタ１７３２及び各送信位相シフタ１７３８によって適用される位相調整可変量を制御することができる。

受信モードでの動作中、コントローラ１７６０は、受信経路１７１６を通して信号をルーティングするようにＲＦＩＣチップ１７１２のスイッチ１７４８を設定する。また、受信モードでは、Ｇ個の放射要素１７０４（又はそのいくつかのサブセット）の各々が受信した第１の偏波二重モードにおけるＲＦ信号１７１０は、調整のために対応するＲＦＩＣチップ１７１２に提供することができる。ＲＦＩＣチップ１７１２の各受信増幅器１７２４は、提供された信号を増幅することができ、各受信位相シフタ１７３２は、Ｇ個のＲＦ信号１７１０を出力するために位相シフトを適用することができる。Ｇ個のＲＦ信号１７１０を、サブアレイＢＦＮ回路１７１４に提供することができる。サブアレイＢＦＮ回路１７１４は、Ｇ個のＲＦ信号１７１０を組み合わせて、処理のためにビームフォーマに提供され得る受信されたサブアレイを形成することができる。

送信モードでの動作中、コントローラ１７６０は、送信ビーム信号１７３７を送信するようにスイッチ１７４８を送信経路１７２０に設定し、この送信ビーム信号は、ローカルシステムからサブアレイＢＦＮ回路１７１４に提供することができる。サブアレイＢＦＮ回路１７１４は、送信ビーム信号１７３７を、Ｇ個のＲＦＩＣチップ１７１２に提供され得るＧ個のＲＦ信号１７１０に分割する。Ｇ個のＲＦＩＣチップ１７１２の各々は、対応するＲＦ信号１７１０を調整して、調整されたＲＦ信号１７１０を、対応する放射要素１７０４に提供することができる。図示の実施例では、調整することは、ビーム重み１７１３に基づいて、ＲＦ信号１７１０を位相シフトさせる送信位相シフタ１７３８、及びＲＦ信号１７１０を増幅する送信増幅器１７３４を含むことができる。各放射要素１７０４は、対応する調整されたＲＦ信号１７１０を自由空間に伝搬する。

偏波二重モードでは、サブアレイ１７００は、受信モードと送信モードとの間で切り替わる。しかしながら、Ｇ個の放射要素１７０４の第１のポート１７４０における信号と第２のポート１７４４における信号の直交関係を利用することにより、各ＲＦＩＣチップ１７１２を、信号損失を削減するために単一のスイッチ１７４８により実装することができる。追加的に、このようにして、同じ放射要素１７０４を、ＲＦ信号１７１０の送信及び受信の両方に利用することができる。

上で説明してきたものは、実施例である。当然ながら、構成要素又は方法論のあらゆる考えられる組み合わせを説明することはできないが、当業者は、多くの更なる組み合わせ及び順列が可能であることを認識するであろう。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲を含む、本出願の範囲内に入る全てのそのような代替例、修正例、及び変形例を包含することを意図している。本明細書で使用するとき、「含む（includes）」という用語は、含むがそれらに限定されないことを意味し、「含んでいる（including）」という用語は、含んでいるがそれらに限定されないことを意味する。「～に基づく」という用語は、少なくとも部分的に基づくことを意味する。加えて、本開示又は特許請求の範囲が、「１つの（a）」、「１つの（an）」、「第１の（a first）」、又は「別の（another）」の要素又はその等価物を列挙する場合、「第１の」又は「別の」要素（又はその等価物）は、１つ又は１つを超えるそのような要素を含み、２つ以上のそのような要素を必要とすることも、除外することもないと解釈されるべきである。

Claims (28)

1. マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）であって、
   制御信号に応答して、複数のサブアレイ信号と複数のビーム信号とを変換するためのビームフォーマ（１１２）と、
   前記複数のビーム信号に対応する複数のビームを通信するための複数のサブアレイ（１０８）であって、前記複数のサブアレイの各サブアレイが、
   複数の放射要素（２０４）、及び
   それぞれのビーム重み（２２０）に応答して、前記複数の放射要素（２０４）と通信されるＲＦ信号（２０６）を調整し、かつ前記調整されたＲＦ信号（２０６）と前記複数のサブアレイ信号（２１８）のうちの１つのそれぞれのサブアレイ信号（２１８）とを変換するサブアレイビームフォーミング回路（２０８）であって、前記それぞれのサブアレイ信号（２０８）は、前記複数のビームのうちの１つの特定のビームに対応する、サブアレイビームフォーミング回路（２０８）を備える、複数のサブアレイ（１０８）と、
   コントローラ（１２０）であって、
   前記複数のビームのうちの２つ以上のビームを決定することであって、前記２つ以上のビームは同じ通信タイプである、決定することと、
   前記複数のサブアレイ（１０８）の各サブアレイ（１０８）が前記複数のビームのうちの前記１つの特定のビームのみに割り当てられるように、前記複数のサブアレイ（１０８）のサブアレイ（１０８）の互いに素なサブセットを前記決定された２つ以上のビームの各々に割り当てることと、
   前記割り当てに基づいて、前記複数のサブアレイ（１０８）の各々の前記それぞれのビーム重みを提供することと、
   前記割り当てに基づいて、前記制御信号を前記ビームフォーマ（１１２）に提供することと、を実行するコントローラ（１２０）と、
   を有する、マルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
2. 前記複数のサブアレイの各々の前記サブアレイビームフォーミング回路（２０８）は、
   前記複数の放射要素に接続された無線周波数集積回路（ＲＦＩＣ）チップ（２１６）のセットであって、前記ＲＦＩＣチップのセット（２１６）の各ＲＦＩＣチップ（２１６）が、前記コントローラ（１２０）から提供される前記ビーム重み（２２０）に応答して、前記計算されたビーム重みを前記ＲＦ信号（２０６）に適用する、無線周波数集積回路（ＲＦＩＣ）チップ（２１６）のセットを更に含む、請求項１に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
3. 前記複数のサブアレイの各々の前記サブアレイビームフォーミング回路（２０８）は、前記コントローラ（１２０）によって提供される前記ビーム重み（２２０）に応答して、前記複数の放射要素（２０４）と通信される前記ＲＦ信号を増幅及び位相シフトする増幅器及び位相シフタを備える、請求項１又は２に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
4. 前記複数のサブアレイの各々の前記サブアレイビームフォーミング回路（２０８）は、
   前記それぞれのサブアレイ信号（２１８）と前記ＲＦ信号（２１６）との変換を提供する信号経路を備えるサブアレイビームフォーミングネットワーク（ＢＦＮ）（２１２）を更に含む、請求項１～３のいずれか一項に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
5. 前記コントローラ（１２０）は、サブアレイ（１０８）の前記互いに素なサブセットの第１のサブセットを、前記２つ以上の決定されたビームのうちの第１の決定されたビームに割り当て、かつサブアレイ（１０８）の前記互いに素なサブセットの第２のサブセットを、前記２つ以上のビームのうちの第２の決定されたビームに割り当て、前記第１のビームの方向、周波数、及び偏波のうちの少なくとも１つは、前記第２のビームの方向、周波数、及び偏波とは異なる、請求項１～４のいずれか一項に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
6. 前記決定された２つ以上のビームは、少なくとも４つの決定されたビームを含み、前記システムは、
   サブアレイ（１０８）の第１のサブセットと、サブアレイ（１０８）の前記互いに素なサブセットのサブアレイの第２のサブセットと、を含む送信アンテナと、
   サブアレイの第３のサブセットと、前記サブアレイ（１０８）の前記互いに素なサブセットのサブアレイの第４のサブセットと、を含む受信アンテナと、を更に備え、
   前記コントローラ（１２０）は、サブアレイ（１０８）の前記第１のサブセットを割り当てて、前記少なくとも４つの決定されたビームのうちの第１のビームを送信し、サブアレイ（１０８）の前記第２のサブセットを割り当てて、前記少なくとも４つの決定されたビームのうちの第２のビームを送信し、サブアレイ（１０８）の前記第３のサブセットを割り当てて、前記少なくとも４つの決定されたビームのうちの第３のビームを受信し、サブアレイ（１０８）の前記第４のサブセットを割り当てて、前記少なくとも４つの決定されたビームのうちの第４のビームを受信する、請求項１～５のいずれか一項に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
7. 前記送信アンテナと前記受信アンテナとは離間している、請求項６に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
8. 前記送信アンテナは、前記受信アンテナに少なくとも部分的にオーバーレイする、請求項６に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
9. 前記複数のサブアレイ（１０８）の第１及び第２のサブアレイは、第１の形状を有する、請求項１～８のいずれか一項に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
10. 前記複数のサブアレイ（１０８）のうちの第３のサブアレイは、前記第１の形状とは異なる第２の形状を有する、請求項９に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
11. 前記複数のサブアレイは、規則的な格子に配置されている、請求項１～１０のいずれか一項に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
12. 前記複数のサブアレイは、不規則なパターンで配置されている、請求項１～１０のいずれか一項に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
13. 前記ビームフォーマ（３１２）は、
    複数のビームフォーミングネットワーク（ＢＦＮ）（３１２）であって、前記複数のＢＦＮ（３１２）の各々が、前記複数のビームのうちの１つのビームのみに関連付けられている、複数のビームフォーミングネットワーク（ＢＦＮ）（３１２）と、
    複数のスイッチ（３２０）であって、各スイッチ（３２０）が、前記複数のサブアレイ（３０８）の所与のサブアレイ（３０８）、及び前記複数のＢＦＮ（３１２）の所与のＢＦＮ（３１２）に接続されており、前記複数のスイッチ（３２０）の各々の状態は、前記コントローラ（３２４）からの前記制御信号に応答する、複数のスイッチ（３２０）と、を更に備える、請求項１～１２のいずれか一項に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
14. 前記コントローラ（３２４）からの前記制御信号に応答する前記複数のスイッチ（３２０）は、サブアレイ（３０８）の前記互いに素なサブセットのサブアレイ（３０８）の第１のサブセットにおける各サブアレイ（３０８）を、前記第１の決定されたビームに関連付けられた前記複数のＢＦＮ（３１２）の第１のＢＦＮ（３１２）に接続し、かつサブアレイの前記互いに素なサブセットのサブアレイ（３０８）の第２のサブセットにおける各サブアレイ（３１２）を、前記第２のビームに関連付けられた前記複数のＢＦＮ（３１２）の第２のＢＦＮ（３１２）に接続する、請求項１３に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
15. 前記コントローラ（３２４）からの前記制御信号に応答する前記第１のＢＦＮ（３１２）は、サブアレイ（３０８）の前記第１のサブセットに関連付けられた前記サブアレイ信号にビーム重みを適用し、前記コントローラ（３２４）からの前記制御信号に応答する前記第２のＢＦＮ（３１２）は、サブアレイ（３０８）の前記第２のサブセットに関連付けられた前記サブアレイ信号にビーム重みを適用する、請求項１４に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
16. 前記ビームフォーマは、
    前記コントローラ（４２４）からの前記制御信号に応答して、前記複数のビームにおける各ビームを形成するためのデジタルロジック（４１２）を更に備え、前記デジタルロジック（４１２）は、前記複数のサブアレイ（４０８）の各々に接続されており、前記コントローラ（４２４）からの前記制御信号に応答する前記デジタルロジック（４１２）は、サブアレイ信号の第１のセットを、前記複数のビームの前記決定された２つ以上のビームの第１のビームに関連付け、かつサブアレイ信号の第２のサブセットを、前記複数のビームの前記決定された２つ以上のビームの第２のビームに関連付ける、請求項１～１２のいずれか一項に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
17. 前記ビームフォーマ（４０２）は、前記デジタルロジック（４１２）と前記複数のサブアレイ（４０８）の各々との間に接続されたアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）（４２０）のセットを更に備え、前記ＡＤＣ（４２０）のセットにおける各ＡＤＣ（４２０）は、それぞれのサブアレイ信号を、前記複数のサブアレイ（４０８）の各々と通信させる、請求項１６に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
18. モデム（１１６）のセットを更に備え、前記モデム（１１６）のセットの各モデム（１１６）は、前記ビームフォーマ（１１２）に接続されており、各モデム（１１６）は、前記複数のビーム信号のうちのそれぞれ１つに符号化されたデータを、前記ビームフォーマ（１１２）と通信させる、請求項１～１７のいずれか一項に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
19. 前記複数のサブアレイ（４０８）の各々は、規則的なタイル形状の上面を有する、請求項１～９又は請求項１０～１８のいずれか一項に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
20. 前記複数のサブアレイ信号の各それぞれのサブアレイ信号は、前記複数のビームのうちの１つの特定のビームのみに対応する、請求項１～１９のいずれか一項に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
21. 前記コントローラ（１２０）によって提供される前記ビーム重み（２２０）に応答する前記複数のサブアレイの各サブアレイの前記サブアレイビームフォーミング回路（２０８）は、それぞれの調整されたＲＦ信号と、第１の通信タイプのそれぞれただ１つのサブアレイ信号（２１８）とを変換する、請求項１～２０のいずれか一項に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
22. 前記複数のサブアレイ（１０８）の各サブアレイ（１０８）の前記サブアレイビームフォーミング回路（２０８）は、前記複数のサブアレイ信号（２１８）の前記それぞれ１つのサブアレイ信号（２１８）を通信するためのサブアレイ信号ポート（２１４）を備える、請求項２１に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
23. 各サブアレイの前記サブアレイビームフォーミング回路（２０８）は、ただ１つのサブアレイ信号ポート（２１４）を有する、請求項２２に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
24. 前記複数のサブアレイ（１０８）の各サブアレイ（１０８）の前記サブアレイビームフォーミング回路（２０８）は、それぞれの調整されたＲＦ信号と、第２の通信タイプのそれぞれただ１つのサブアレイ信号（２１８）とを更に変換し、かつ前記第２の通信タイプの前記それぞれ１つのサブアレイ信号（２１８）を通信するための第２のサブアレイ信号ポート（２１４）を備える、請求項２２に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
25. 前記ビームフォーマ（５０２）は、複数の相互接続されたビーム変換回路（５１２）を更に備え、各ビーム変換回路（５１２）は、前記複数のサブアレイ（５０８）のそれぞれのサブアレイ（５０８）に接続されている、請求項１～２４のいずれか一項に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
26. 前記２つ以上のビームは送信ビームである、請求項１～２５のいずれか一項に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
27. 前記２つ以上のビームは受信ビームである、請求項１～２６のいずれか一項に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
28. 前記複数のサブアレイの各サブアレイの前記サブアレイビームフォーミング回路は、受信サブアレイビームフォーミング回路であり、前記複数のサブアレイの各サブアレイは、
    それぞれのビーム重み（２２０）に応答して、前記複数の放射要素（２０４）と通信されるＲＦ信号（２０６）を調整し、かつ前記複数のサブアレイ信号（２１８）のうちのそれぞれ１つのサブアレイ信号（２１８）を、前記調整されたＲＦ信号（２０６）に変換する送信サブアレイビームフォーミング回路（２０８）を更に備え、前記それぞれのサブアレイ信号（２０８）は、前記複数のビームの特定の送信ビームに対応し、
    前記コントローラは更に、
    前記複数のビームのうちの２つ以上の送信ビームを決定し、
    前記複数のサブアレイ（１０８）のサブアレイ（１０８）の互いに素なサブセットを、前記決定された２つ以上の送信ビームの各々に割り当てる、請求項１～２７のいずれか一項に記載のマルチビームフェーズドアレイアンテナシステム（１００）。
    
    

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