JP4988845B2 - 遠距離通信衛星用位相アレイ・アンテナ内で再設定可能ビーム形成ネットワーク処理を単純化するためのシステム - Google Patents

Description

本発明は、概して、遠距離通信宇宙船用の位相アレイ・アンテナのビーム形成に関し、特に、遠距離通信衛星用の位相アレイ・アンテナ内での再設定可能ビーム形成ネットワーク処理を単純化することに関する。

衛星通信における明らかな傾向は、(電力を減じるとともに少ない端末で動作させるために)高い増幅率を提供するとともに(帯域が制約されているシステム内でのスループットを上げるために）空間周波数の再使用を支援するために複数スポット・ビーム履域（coverage）を使用することを向いている。そのような狭いスポット・ビームを、複数素子のアンテナ・システムとともに、スポット・ビームのパラメータを制御するために各通信周波数チャネル用の素子に複素ディジタル値の重みを割り当てることによって、正確に規定することが知られている。２００５年９月、イタリア、ローマでの第２３回ＡＩＡＡ ＩＣＳＳＣでの、A. M. Bishopらによる「The INMARSAT 4 Digital Processor and Next Generation Developments」を参照されたい。継続中の問題は、ディジタル・プロセッサ技術を可能にすることにおいて継続的に改良がなされてはいるが、より広い帯域幅上で動作する多くのより狭いスポット・ビームを提供する必要性に関連するビーム形成およびその関連処理の点で要求が絶えず高まっている。

そのような履域を提供し得る重要なクラスのアンテナは、直接放射型アレイ（ＤＲＡ）形式であるか、イメージ放射型アレイ（imaged radiating array）（ＩＲＡ）形式の位相アレイ・アンテナである。ＤＲＡの場合、アンテナは、各々がそれぞれの（送信モードまたは受信モードで動作する）素子信号を有するアンテナ素子の２次元アレイから構成され得る。これは典型例ではあるが、必ずしもこれと同一ではない。ＩＲＡでは、主要なＤＲＡの開口の直径は、アンテナ「光学」（例えば放物面反射器）によって拡大される。本明細書の目的上、文言「位相アレイ・アンテナ」は、各々が他の素子信号に対する位相関係および振幅関係を有するアンテナ素子信号を提供する複数のアンテナ素子を有する、ＤＲＡ、ＩＲＡ、およびその他のアレイを含んでいる。位相アレイ・アンテナは、柔軟性および再設定可能性（reconfigurability）の点で高い性能をもたらす。これは、ビーム形成ネットワーク内の素子振幅および位相重みの制御に起因している。しかしながら、位相アレイは、複雑で、巨大で、高価であることも良く知られている。代替的なアンテナ形式（例えばアレイ給電反射器（ＡＦＲ））と比べて、位相アレイ・アンテナでは、典型的に、より多くの放射素子ひいてははるかに複雑なビーム形成および経費が必要である。

ビーム形成ネットワークによって、各アンテナ素子について（そして可能性として個々の周波数チャネルに基づいて）の再設定可能な振幅および位相制御（ディジタル領域では複素重みに相当する）が提供される。この結果、ビーム形成の複雑さは、素子の数に比例する。次世代の基板上ディジタル・プロセッサでさえも、（例えば）５００ＭＨｚの帯域幅で２０ＧＨｚの周波数においてヨーロッパを網羅する直径０．５°の１００本のビームを生成するように設計されている（これは、現在の市場での要求である）位相アレイ用の完全な柔軟性を有するビーム形成を行うために必要とされる複雑さに対応することができない。

様々な方法で位相アレイ・アンテナ構造を単純化することが知られている。特に、位相アレイ・アンテナをサブアレイへと分割することが知られており、これによって構造と信号処理が簡単になり得る。相互に重なり合っているサブアレイは、２００５年のIEEE Aerospace Conferenceの１０８７乃至１０９２ページにおいて、Jeffrey S. Herdらによる「Design Considerations and Results for an Overlapped Sub-array Radar Antenna」に記述されている。
A. M. Bishopら、「The INMARSAT 4 Digital Processor and Next Generation Developments、イタリア、ローマ、２００５年９月第２３回ＡＩＡＡ ＩＣＳＳＣ Jeffrey S. Herdら、Design Considerations and Results for an Overlapped Sub-array Radar Antenna、２００５年IEEE Aerospace Conference、ｐ．１０８７乃至１０９２

本発明は、第１の側面において、位相アレイ・アンテナを具備するとともに予め定められた地域内で複数の通信ビームを提供する、遠距離通信宇宙船のアンテナのためのビーム形成方法であって、
別のアンテナ素子信号に対する位相関係および振幅関係を有するアンテナ素子信号を各々が有する複数のアンテナ素子として位相アレイ・アンテナを設けること、および前記位相アレイの全ての前記アンテナ素子の部分集合から各々がなる複数の重なり合っているサブアレイへと複数の前記アンテナ素子を分割することと、
各サブアレイの素子にそれぞれのサブアレイ・ビーム形成重みを割り当てること、および前記アンテナの合成放射パターンが前記地域内の前記複数のビームを提供するように各サブアレイに前記複数のビームについてのそれぞれの主ビーム形成重みを割り当てることと、
を備え、複数の前記アンテナ素子の少なくとも一部または全部が２つ以上のサブアレイに参加している方法を提供する。

第２の側面において、本発明は、予め定められた地理的な地域を覆う履域を提供するための、前記地域内で複数の通信ビームを提供する、遠距離通信宇宙船の位相アレイ・アンテナであって、
複数のアンテナ素子であって、各アンテナ素子は別の素子信号に対する位相関係および振幅関係を有するアンテナ素子信号を有し、複数の前記アンテナ素子は複数の重なり合っているサブアレイへと分割されており、各サブアレイは前記位相アレイの全ての前記アンテナ素子の部分集合からなり、複数の前記アンテナ素子の少なくとも一部は２つ以上のサブアレイに参加している、複数のアンテナ素子と、
各サブアレイの素子にそれぞれのサブアレイ・ビーム形成重みを割り当てるサブアレイ・ビーム形成ネットワークと、
前記地域内で前記複数の通信ビームを生成できるように各サブアレイに前記複数の通信ビームの各々についての主ビーム形成重みを割り当てる主ビーム形成ネットワークと、
を備える、位相アレイ・アンテナを提供する。

本明細書の上で、文言「部分集合」は、複数のアンテナ素子の一部（全て、は除く）のグループを意味することが意図されている。

共通の状況において、全てのアンテナ素子は、アンテナの縁を除いて、２つ以上のサブアレイに参加している。

文言「指向性」は、当業者にとってよく理解されているが、疑いを避けるために、「指向性」は、本明細書において、アンテナによって生成される放射パターンの特性として理解されるものである。送信の場合、「指向性」は、アンテナ・パターンが等方性の場合に生成されるであろう電力束密度（power flux density）に対するある方向におけるアンテナ電力束密度の比としてみなされ得る。「指向性」は、多くの場合、ｄＢｉ（等方デシベル（decibels isotropic））で表わされる。

本発明に従って生成される通信ビームは、非常に狭い幅（以下の例では直径０．５°）を有するスポット・ビームであるかもしれない。

前記の予め定められた地域は、１つの、接続された地域からはならない。この予め定められた地域は、ある接続された領域（例えばヨーロッパ）から幾つかの非接続の領域（例えばヨーロッパの部分集合とカナリー諸島）へと再設定可能であり、複数の非接続の領域上に固定されさえし得る。複数の出力を持つサブアレイ・レベルでのビーム形成器を提供することによって、本アンテナは、独立して再設定可能な２つ以上の履域を提供できる。

本発明の位相アレイ・アンテナは、受信アンテナ、送信アンテナ、送受信アンテナとして用いられ得る。各サブアレイは、ポート（または、本明細書では、ビーム形成重みを決定するための「制御点」）を有している。ポートは、アンテナが受信モードの場合は出力ポートとして機能し、アンテナが送信モードの場合は入力ポートとして機能する。受信モードの場合、各サブアレイは、サブアレイの重み付けされた素子信号を結合する加算機能と、送信機能の場合、各サブアレイは、１つの入力を素子重みのそれぞれへと分配するための分割機能を含んでいる。

本発明に従って提供される重み値は、ディジタル形式で実数成分と虚数成分とを有する複素値である。これは、重みがアナログ形式の場合に振幅と位相情報（Ａ、φ）を有しているのと等価である。

本発明のさらなる側面は、重なり合っている複数のサブアレイとして形成されているとともに予め定められた地理的地域内に最適化された形でビームを形成する位相アレイ・アンテナ、およびそのような位相アレイ・アンテナのビーム形成特性を最適化するためのプロセスに関する。

したがって、本発明は、第３の側面において、位相アレイ・アンテナのビーム形成パラメータを決定するための最適化プロセスであって、前記アンテナは予め定められた地理的な地域を覆う履域を提供するとともに前記地域内に複数のビームを提供し、前記アンテナは複数のアンテナ素子を有し、各アンテナ素子は別の素子信号に対する位相関係および振幅関係を有するアンテナ素子信号を提供し、複数の前記アンテナ素子は複数の重なり合っているサブアレイへと分割されており、各サブアレイは前記位相アレイの全ての前記アンテナ素子の部分集合からなり、複数の前記アンテナ素子の少なくとも一部は２つ以上のサブアレイに参加しており、前記最適化プロセスは、
各サブアレイの素子に割り当てられるサブアレイ・ビーム形成重みが初期値に設定される第１工程と、
前記サブアレイに割り当てられる主ビーム形成重みが、複数の前記ビームの少なくとも一部の位置における指向性の値を提供するように、決定される第２工程と、
前記ビームについての所望の水準の前記指向性が達成されるまで、前記サブアレイ・ビーム形成重みの値を変化させながら前記第１および第２工程を繰り返す工程と、
を備える最適化プロセスを提供する。

第４の側面において、本発明は、位相アレイ・アンテナであって、前記アンテナは予め定められた地理的な地域を覆う履域を提供するとともに前記地域内に複数のビームを提供し、前記アンテナは複数のアンテナ素子を有し、各アンテナ素子は別の素子信号に対する位相関係および振幅関係を有するアンテナ素子信号を提供し、複数の前記アンテナ素子は複数の重なり合っているサブアレイへと分割されており、各サブアレイは前記位相アレイの全ての前記アンテナ素子の部分集合からなり、複数の前記アンテナ素子の少なくとも一部は２つ以上のサブアレイに参加しており、
前記サブアレイの各々に割り当てられているサブアレイ・ビーム形成重みが前記複数のビームについての指向性の所望の水準を達成するために最適化プロセスによって最適化されており、前記最適化プロセスにおいて前記サブアレイ・ビーム形成重みが繰り返しを通じて値を変えられ、各繰り返しにおいて、前記サブアレイに割り当てられる主ビーム形成重みの値が決定される、
位相アレイ・アンテナを提供する。

本発明に従った最適化の特徴は、最適化が、サブアレイ・ビーム形成重みの値の各繰り返しにおいて、主ビーム形成重み値によって指向性の値を決定することを含んでいることである。

好ましくは、前記ビームの全てまたは少なくも一部は、以下で明らかにされるように、指向性の所望の値（これは少なくとも、予め定められた最小値である）を有している。

さらに、前記サブアレイは本質的に相互に同じであることが望ましい。特に、本質的に同じ重みの組、対応するアンテナ素子に割り当てられている振幅および位相であって、特に、同様の幾何学的構成（geometric configuration）を有している。しかしながら、こうでなければならないわけではない。サブアレイは、素子の接続されている組からなっていなければならないわけではなく、複数のサブアレイが自身に対して実行される同一の振幅および位相を有していなければならないわけではない。実際には、サブアレイは、ＭＥＭＳまたは同様の構成部品を介して再構成されるものとして実現されている場合、最適化ステップが増加するという代償を払うが、相互に異なっていてもよい。さらに、下にあるアレイ自体は、規則的な格子、規則的な多角形の輪郭の上に配置された素子からなっていなければならないわけではなく、同一の素子からなっていなければならないわけでもない。

こうして、本発明は、位相アレイ・アンテナ内のビーム形成機能が（物理的なアレイに隣接している）サブアレイ・ステージが不変またはたまに変えられる重なり合うサブアレイの組に関するとともに主ステージが（典型的には定められた履域地域内での再設定可能な複数のスポット・ビームの形態で）主パターン構成を提供する２つのステージへと分割されることによって簡略化され得る仕組みを提供する。１つの重要な利点は、（振幅および位相制御がアレイの各素子に適用される）従来の位相アレイ（独立した振幅および位相信号が印加される）に比べて、主ビーム形成ステージ制御点の数が、大幅に減少することである。主ビーム形成および関連処理がディジタル的に行なわれる場合、主ビーム形成制御点の数が減少することによって、現在のディジタル技術の限界の範囲内で実現が可能な程度まで、処理が簡略化される。

サブアレイ・ビーム形成は、アナログ技術で実現されてもよいし、ディジタル技術で実現されてもよいが、アナログ技術を用いるのが好ましい。同様に、主ビーム・形成器ステージは、アナログ技術で実現されてもよいし、ディジタル技術で実現されてもよいが、主な利点は、Ａ／ＤまたはＤ／Ａ変換、周波数（デ）マルチプレクス、ディジタル・ビーム形成といった重要な処理機能が制御点の数に比例するディジタル・システムに関連している。本発明は、アナログ／ディジタル混合ビーム形成の実行に適合しているが、このことは必須の特徴ではない。本発明の全アナログ版または全ディジタル版が可能である。

次に、本発明の好ましい実施形態が、添付の図面を参照して記述される。

直接放射型位相アレイは、これらがある定められた視界内でグレーティング・ローブを生成しないように選択された素子間隔を有している。地球静止軌道で動作している衛星については、（干渉を緩和するために）グレーティング・ローブが地球にかからないようにしておくことが通常必要である。このことは、アンテナが視界内の地表のあらゆる位置でビームをスキャンできること必要性もあって、素子間隔が２乃至３波長を超えているべきであることを示唆している。一方、アレイ全体の大きさは、このアレイが生成するように設計されているビームの角度サイズとの逆比例の関係で決められる。０．５度のスポット・ビームを提供するために、全体の直径が約２．４ｍの開口が、２０ＧＨｚの選択された周波数で必要であり得る。約３．３ｃｍの間隔（２０ＧＨｚにおいて２．２波長）であると、４０００個を超える素子が必要である。

上記の検討結果ゆえに、ヨーロッパ地域だけを単独で網羅できるように特に設計されるとともに寸法を定められた位相アレイ・アンテナを提供することは実用的ではないであろう。一方、同様の性能を得るために、１００本のビームが含まれているヨーロッパ地域だけを網羅するように設計されているＡＦＲ反射器アンテナ（これはグレーティング・ローブの問題の影響を受けない）は、約１５０個レベルの給電器（feed）を用いて設計することができる。これら２つのアンテナ構造について必要なビーム形成構成の複雑さには、明らかに大きな差がある。このことによって、位相アレイ・アンテナが柔軟性が非常に高く再設定が容易なものとして広く認識されているにも関わらず、位相アレイ技術を広く採用することが妨げられてきた。

位相アレイを簡略化する１つの方法は、素子を重なり合わない塊（cluster）（これは典型的にはサブアレイと同一である）へと形成することによって、ビーム形成の重みを決定するために位相アレイで必要な能動的な制御点（control point）の数を減らすことである。この塊においては、各サブアレイ内の素子は何らかの不変の振幅および位相重み（たいてい一様の振幅、等しい位相）を有しており、この結果、能動的な制御点の数が各サブアレイ内の素子の平均数と等しい因数分、減少する。このアプローチの欠点は、アンテナのスキャン性能が悪化し、この結果、関心対象の履域領域の縁に向けられたビームの性能が悪化することである。さらに、アンテナについてのグレーティング・ローブ角度間隔が個々の素子相互の間隔ではなくサブアレイ相互の間隔に一致することになり、グレーティング・ローブが地球にかかることを回避する特性が失われることである。

本発明は、制御点の数を増やすことなく、上記の欠点を両方とも回避する。これは、間隔を大きくすることなくサブアレイを大きくすることによって達成される。それでもなお、制御点（ポート）の数は減少する。図１を参照すると、アンテナ素子２の直線アレイからなる、重なり合っているサブアレイが示されている。４つのサブアレイが形成されている。各サブアレイは、６個の素子からなり、また制御点／それぞれのインターフェース・ポート６を有している。各サブアレイの３つの素子は、（両側の）隣接するサブアレイの一部も形成し、この結果、アンテナの主要且つ中心の部分では、各素子が（この直線アレイの例では）２つのサブアレイに参加している。

このアプローチの利点は、まず、物理的な大きさによって制約を受けない、より大きなサブアレイによって、個々のサブアレイのパターンの最適化の範囲が広がることである。このことは、履域領域の外側では指向性が小さくなるようにパターンを決定すること（したがって、グレーティング・ローブが積極的に抑制される）を含み得る。それは、履域領域内でスキャン性能が、デシメーションされていない（un-decimated）アレイのスキャン性能からのビーム・スキャン損失の劣化が無視できる程度となるまで増強されるように最適化することも含んでいる。（具体的な領域内での）性能は、完全アレイの性能と本質的には同じであるが、主ビーム形成の複雑さは、大きな因数分（下記の例では約２０）、減少する。ビーム・レベル・ビーム形成は、大幅に簡略化された主ビーム形成器によって行なわれる。サブアレイのレベルで（好ましくはアナログ手段で）実行されるビーム形成は、変更されなくてもよいし、（例えばＭＥＭＳ（Microscopic Electro Mechanical Systems）またはＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuits）を介して）時折再設定することによって、地球のある地域から別の地域（例えばヨーロッパからアメリカ）へと全体の履域領域を再設定することを可能にする。

第２に、本発明の主要な特徴は、サブアレイ自身に対する複雑な重み付けが、要求されている履域用にカスタマイズされることである。サブアレイの重みは、例えばヨーロッパ履域の詳細な形状に対して具体的に最適化される。この結果、アンテナ全体のスキャン性能はヨーロッパ用に高度に最適化され、ヨーロッパ内ではほとんどスキャン損失がなく、履域外での性能が急激に低下する（これはグレーティング・ローブを抑制するのに必要である）。

本発明は、ディジタルおよびアナログ技術の間を分ける点で多くの変形体を有している。１つ目の変形体は、サブアレイ・ビーム形成用にアナログ技術を用いるとともに主ビーム形成用にディジタル技術を用いることを想定している。このアーキテクチャは、受信の場合（図２）と送信の場合（図３）の両方に適している。

次に、図２を参照すると、本発明の第１実施形態は、受信モードで構成されている位相アレイ・アンテナを備え、ＮＥ個のアンテナ素子２０の２次元アレイ（図２では一次元のみが示されている）直接放射型アレイ（ＤＲＡ）を備えている。このアレイは、平面的であることが典型的ではあるが、必須ではない。等角アレイ（すなわち、素子が、別の理由で既に一般的に設けられている何らかの非平面上に配置されるアレイ）も、同様に用いることができる。アレイは、素子の中心位置に関して規則的な幾何学的性質（geometry）を備えており（必須ではない）、多くの場合、正方形、長方形、６角形の格子状に位置している。本明細書の記述では、正方形のグリッドとしている。

各素子は、通信の際に、受信素子信号を、それぞれの低ノイズ・アンプ（ＬＮＡ）２２へと、このアンプが飽和することを停止するための関連するフィルタリングを行ないながら供給する。

素子は、ＮＳ組のサブアレイ・ビーム形成ネットワーク（ＢＦＮ）２４の組に入力を供給する。ＮＳ個のサブアレイ・ビーム形成ネットワーク２４は、（典型的にはＲＦ（ＧＨｚ）用の）アナログ技術で実現されているが、初期の段階でダウンコンバートが行なわれる低ＩＦ用であってもよい。この場合、ネットワーク２４の構成部品は、より低いスペックであってもよい。示されているように、この具体例では、各サブアレイ２４は形状が類似している４つの隣接する素子からなっており、各サブアレイは隣接のサブアレイと素子２つ分重なっている。よって、各素子は、図示の直線方向において隣接する２つのサブアレイに参加しており、この結果、サブアレイ相互の間隔は、素子相互の間隔の２倍である。第２の方向に同様の配置が設けられており、この結果、アレイ領域に亘って、サブアレイの個数ＮＳは、素子の個数ＮＥより、因数４分、小さい。しかしながら、サブアレイは、所望によりいかなる大きさでもよく、また各サブアレイの素子は相互に隣接せずにアンテナ面の全体に亘って分布しているかもしれない。

各サブアレイ・ビーム形成ネットワーク２５は、それぞれの増幅重み付け装置と各素子入力と接続されている位相重み付け装置を備えており、重み付けされた素子の寄与を加算して出力ポート２６においてサブアレイ全体の出力を提供する加算装置がこれに続いている。典型的（しかし必須ではない）には、同じ重みの組が各サブアレイに適用されてよい。サブアレイによって形成される放射パターンは、ＤＲＡシステム全体によって形成され得るパターンに対する包絡線を提供する。この結果、サブアレイのパターンは、それがスポット・ビームの格子を形成することを要求されている対象である領域を網羅し、加えて、干渉を制限するためにこの領域外での増幅率を制御するかもしれない。１つの変形体では、サブアレイ内の重みは時間に対して一定である。第２の変形体では、重みは制御可能になっている。この場合、軌道上にありながら履域の包絡線の全体を再設定することが可能になる。複雑なサブアレイ重みの正確な値は、後に詳述するように、最適化プロセスにおいて決定される。

各サブアレイ出力、すなわち制御点２６は、ダウンコンバータに接続されてＲＦ信号をＩＦ周波数へと下げられる。ダウンコンバートは、共通局部発振周波数源３０がサブアレイ信号相互間で位相追跡を維持できるように行なわれる必要がある。帯域フィルタ３２は、サブアレイ信号を関心対象となっている全体的な周波数帯域へと制限し、各サブアレイ信号は、Ａ／Ｄ変換器３４によって、ディジタル・サンプルの連なりへと変換される。

ダウンコンバートは、典型的には、対象の帯域を、各サブアレイについて（信号の帯域およびＡＤＣ３４のサンプル・レートに関連する）ゼロ周波数付近に配置する。Ａ／Ｄ変換器のサンプル・レートは、対象の帯域の帯域幅の少なくとも２倍であり、また、実サンプリング（１つのサブアレイごとに単一のＡ／Ｄ）または複素サンプリング（直交で動作するサブアレイごとに１組のＡ／Ｄ）を伴う。複素サンプリングでは、Ａ／Ｄ変換の前に入力信号をＩＱ形式へと変換することが必要で、これは、局部発振器信号を位相直交形式で提供しながらダウンコンバート段階２８で既知の方法で行なうことができる。

関心対象の全体的な帯域は、サブアレイ・パターンによって定められている履域領域全体において形成される一連のスポット・ビームに含まれているＫ個の狭帯域チャネルを含んでいる。各ディジタル化されたサブアレイ信号は、デマルチプレクサ３６において、Ｋ個の別々のチャネルへとディジタル的に周波数に関してデマルチプレクスされる。後続のプロセスを簡略化するために、チャネルの帯域幅と整合している複素サンプル・レートのデマルチプレクサにおいて、各チャネル信号をデシメーションすることが好都合である。

Ｋ個のチャネルの各々と関連付けられているディジタル・ビーム形成ネットワーク（ＢＦＮ）３８がある。ディジタル・ビーム形成ネットワークは、各デマルチプレクサ３６の各々のそれぞれの出力に、それぞれのチャネルの全ての成分を集められるように、接続されている。各ディジタルＢＦＮは、サブアレイの各々からのサンプル化された入力を複素係数で乗じる（これはアナログの観点では振幅および位相制御に等しい）とともに重み付けされた出力を加算して全体的なチャネル出力信号を形成する。あるチャネルについての複素重みを選択することによって、このチャネルについてのビーム特性が決定される。例えば、ある方向におけるスポット・ビームを形成するためには、サブアレイの重みが既に決定されているとすると、この重みは、重なり合っているサブアレイの組の中では位相勾配は一様であって、結果サブアレイ・パターンは要求される方向においてコヒーレントに加算されるように、当業者にとって容易に明白となるプロセスによって選択される。ＤＢＦＮの重みをこのように選択することは、トラフィックのパターンの変化に応答して利用可能なスポット・ビーム方向の間の容量を調整するかビーム特性（大きさおよび形状）のより一般的な制御を行なうために用いることができる。さらなる変形体では、ある周波数チャネルが、複数のスポット・ビームによって再利用される。この場合、各々が別々のビームを形成する所与のチャネルについての複数のＤＢＦＮが存在する。この別々のビームについて、相互干渉を制限するために十分な間隔が存在する。

本発明の重要な特徴は、重なり合っているサブアレイを用いることが、Ｎｅ個の主要（primary）素子がディジタル的にサンプル化および処理される位相アレイシステムと比べて、アーキテクチャ全体の中でのディジタル処理を簡略化することに役立つことである。具体的には、ダウンコンバータ、帯域フィルタ、Ａ／Ｄ変換器、周波数デマルチプレクサの数が、Ｎｅ個からＮｓ個へと（この例では因数４分）減少し、またディジタルＢＦＮの寸法が同様にＮｅからＮｓへと減少する。この簡略化は、実際的に実現する際の重量および電力が減少することへと言い換えられる。重量および電力が減少することは、関連するディジタル化技術の現状を考えると、宇宙船の実現可能性または実現不能性の間に差を生み得る。

ヨーロッパ・スポット・ビームの以下に記述されている具体例について、制御点の数は、素子数（４０００）より因数約２０分、少ない。このことは、ディジタル処理の複雑さが劇的に減少していていることを意味しており、このことによってこのようなシステムが実現可能になっている。

次に、図２とアーキテクチャが等価であるが送信モードである図３を参照すると、Ｋ個の通信狭帯域チャネルの各々がそれぞれのディジタル・ビーム形成ネットワーク（ＤＢＦＮ）４０に供給されている。ディジタル・ビーム形成ネットワーク４０では、複素重みが適用されてスポット・ビームを定義している。重み付けされたチャネルは、分岐がＫ個のＮｓ個のディジタル周波数マルチプレクサ４２の連なりにおいてマルチプレクスされる。各マルチプレクサの出力は、それぞれのＤ／Ａ変換器４４に接続され、そのアナログ出力は、帯域フィルタ４６に供給され、マルチプレクスされた信号をＲＦ周波数へと変換するためにおよびアップコンバータ４８に供給される。ＲＦ信号は、サブアレイ５２の入力ポート５０に印加される。各サブアレイは、ビーム形成ネットワーク５４を有しており、ビーム形成ネットワーク５４では信号は分離器（splitter）によって、（この例では４つの）個々のアンテナ素子信号へと分離される。各アンテナ素子信号はそれぞれの振幅および位相重み付けの対象とされる。重み付けされた素子信号は、加算装置５６において別のサブアレイ５２からの対応する素子信号と結合され、高電力増幅器（ＨＰＡ）５８を介して放射素子２０に供給される。

ＤＢＦＮ４０およびサブアレイ・ビーム形成ネットワーク５２の機能は、図２の受信の場合と同じであり、これ以上記述されない。

別のディジタル処理アーキテクチャついてのさらなる変形体が存在する。１つの例は、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）が用いられてスポット・ビームの規則的な格子を形成する、ディジタル・ビーム形成のための効率的なアプローチに関する。ディジタル化されたサブアレイ出力は、ＦＦＴへの入力を形成し、ＦＦＴからの出力はスポット・ビームの規則的な格子を表現している。やはり、重なり合っているサブアレイのアプローチによって、Ａ／Ｄの個数およびＦＦＴの寸法の点から簡略化される。

第２の主要な実施形態（実施変形体）では、図４に示されているように、サブアレイ・ビーム形成と主ビーム形成が、両方ともディジタル技術を用いて実現されている。図４において、図２内のものと同様の部分は、同じ参照番号が付されている。図４において、各素子２０は、ブロック６０に接続されている。ブロック６０は、低ノイズ増幅器、ダウンコンバータ、帯域通過フィルタ、ＡＤＣを備えており、すなわちブロック６０が図２の２２、２８乃至３４を置き換えている。このため、Ｎｅ個の素子２０の各々が、ＬＮＡ、全体的帯域フィルタリング、ダウンコンバートを含むアナログ受信機能を有している。各ディジタル素子信号は、図２と同じ方法で、Ａ／Ｄ変換器内でディジタル的にサンプル化される。

重なり合っているサブアレイの仕組みは、図２のものと同じであり、４つの素子が示されている直線方向においてサブアレイを形成している。ディジタル・ビーム形成ネットワーク６２が、各サブアレイに対して設けられている。ビーム形成は、一連の複素重みおよびディジタル加算によってディジタル的に実現されている。図２のアナログ重みと同様に、重みは不変でもよいし可変でもよいが、本アプローチは、可変重みの実現に適している。サブアレイ出力は、６６において周波数に関してデマルチプレクスされ、ディジタル・ビーム形成ネットワーク６８によってスポット・ビームのアレイへとビーム形成される。

本アプローチの利点の明白さは、サブアレイ無しでディジタル的に実現された場合に比べて、劣る。Ａ／Ｄ変換器および関連する受信チェーンの数はＮｅへと増加するが、周波数デマルチプレクサ（これは高い処理負荷を有している）の数と主ディジタルＢＦＮの寸法が減少するという利点は残っている。

第３の主要な実施形態（実施変形体）では、図５に示されているように、サブアレイ・ビーム形成および主ビーム形成が、両方ともアナログ技術を用いて実現されている。図５において、図２内のものと同様の部分は、同じ参照番号が付されている。図５において、サブアレイ２４は、図２と同様に、サブアレイ・アナログ・ビーム形成ネットワークの組を有している。サブアレイＢＦＮの出力は、アナログＢＦＮ配列７０への入力を形成する。アナログＢＦＮ構成は、当業者にとって明白であるので、記述されない。本アプローチの利点は、サブアレイ無しで全てアナログ的に実現することと比べて、アナログＢＦＮ７０の寸法が減少することである。

図６を参照すると、この図は、サブアレイおよび主ビーム形成重みの特性を決定するための最適化プロセスのフローチャートを示している。

ステップ１（７１）：スポット・ビームの指向性要件（この例では、〜５２．５ｄＢｉのピーク）に基づいてアンテナ全体の大きさを決定する。

ステップ２（７２）：グレーティング・ローブ除外領域の大きさまたは地球上の領域の再設定要件（この例では、地球の見えている部分）に基づいて個々の素子の大きさを決定する。

ステップ３（７４）：網羅される地理上の地域（この例では、ヨーロッパ）の最大の大きさから、サブアレイの制御点（ポート）の間隔を決定する。

ステップ４（７６）：サブアレイの大きさ（重なりの程度）を、初期設定値に設定することによって、および必要に応じて続けて以下のステップ５乃至７を含めた繰り返しを行なうことによって、決定する。

ステップ５（７８）：サブアレイ内の初期重みを、全て同じに設定するか履域領域内の最小のサブアレイ指向性を最大化するように設定する。この例では、全てのサブアレイは、同じ重みを有するが、これは必須ではない。また、非同一のサブアレイによって性能の改善が達成できるかもしれない。

ステップ６（８０）：現在のサブアレイ内重み（サブアレイ内の重み）に基づいて、所望の（この例では、１００本の）スポット・ビームにおけるピーク指向度を算出する。サブアレイ内重みの場合、以下のように、このことを実現するためにサブアレイ制御点に対して加わる外部重みを割り出すのが簡単である。性能が若干落ちるのみで、サブアレイの中心は別々の素子とみなされ、同じ増幅率がサブアレイに適用されるとともにサブアレイの中心位置および所望のビーム方向から位相が決定される。完全に厳密に決定するためには、さらなる行列操作が必要である。これは、当業者にとって直ちに明白となるであろう。

ステップ７（８２）：性能は、幾つかの承諾された、質の値に基づいて、最大値（極大値）へと収束した？
はいの場合、結果を記録するとともに停止する（８４）
いいえの場合、サブアレイ内重みを繰り返す（８６）。全てのサブアレイ内重みについて「いいえ」の場合、大きさ（ステップ４）を繰り返し、必要であればサブアレイの間隔（ステップ３）を繰り返す。

例
図８を参照すると、この図は、１００本のスポット・ビームで、ボアサイトが東経７°の対地球静止位置から東経１７°北緯４８．５°へと向けられている、所望の構成を示している。

アンテナの初期デザイン検討について
２．４ｍのＤＲＡ開口（ＡＦＲ反射器の大きさと同等）、２．１２波長の素子間隔から開始する。素子間隔は、スキャンされたときにアンテナがどれだけ性能を落とすかを決定する。すなわち、地面の中心と縁との間の個々の素子の各々の性能が低下すると、回復可能な形で性能が低下する。一方、素子が小さくなると、より多くの素子が必要となり、このようにトレードオフが存在し、これは多くの場合、静止衛星について、素子の大きさが２乃至３波長という結果になる。

履域は、東経／西経６．７５°、北緯／南緯３．１２°の広がりである。

２．１２波長の素子、正方形の素子格子状で東経／西経３および北緯／南緯６からなる、重なり合っているサブアレイへとデシメーションしてみる。

この結果は、図７に示されているように、４３４９個の素子と２４９個の制御点である。光のピークは制御点を示しており、微細構造は個々の素子を示している。

サブアレイの選択については、重なり合いの程度とサブアレイのアナログＲＦ複雑度との間での調整を行なうために、サブアレイは、２×２個の制御点の正方形を占めるように選択された。各素子は、アレイの縁を除いて、４つのサブアレイに参加している。各サブアレイは、１２×６＝７２個の素子を含んでいる。

図７を参照すると、ほぼ円形の輪郭の平面位相アレイが示されている。直径は２．４ｍであり、約４０００個の素子からなっている。素子は、素子数が７２の重なり合っているサブアレイへとグループ化されている。一方向では素子６個分間隔を開けられ、もう一方の方向では素子３個分間隔を開けられている。サブアレイは、連結しているタイルとして実現されているかもしれず、各素子は４つのサブアレイに参加している。

サブアレイ内の素子は、図６を参照して上記したプロセスによって、１００本のビーム中心において達成可能な最小のスポット・ビーム・ピーク指向性を最大化するように、初期状態で最適化されている。

一部のみが占められているサブアレイは、単に、切り捨てられる。この設けられている素子に対する重みは、完全なサブアレイに対する重みと同じである。

最適化は、潜在的なグレーティング・ローブ方向における指向性を抑制するためにも実行され得る。

この結果は、サブアレイが２×２個の制御点セルからなっている場合、このサブアレイ素子に対する振幅および位相最適化後の１００個の方向のうちのいずれかにおける最小指向性が５２．６０ｄＢｉであることを示している。

（この簡単なモデルに従った）２．１２波長の素子は、４°での〜０．３ｄＢロールオフで、１６．７ｄＢｉのピーク指向性を有している。

このように、可能な最良の最小値は、全４３４９個の素子で、〜５２．８ｄＢｉである。

サブアレイが、１×１個のセルからなっている（すなわち、重なり合わない）場合、最良の達成可能な値は、２４９個の制御点から、５０．４ｄＢｉであると思われる。

図９は、１つのサブアレイについてのスポット・ビーム・ピーク対方向のプロットを示している。図９は、サブアレイのビームは、ヨーロッパ地域上に中心を置いていることを示している。他のサブアレイは、同様の振幅のビームを提供するであろう。図１０は、合成サブアレイ・パターンを示しており、ヨーロッパ地域内で非常に高く地域外では非常に急速に減衰する指向性があることが分かる。サブアレイ相互間での相対的な位相の調整によって、スポット・ビームが生成される。２つの具体的なスポット・ビームが図１１、図１２に示されている。

その後にスポット・ビームを最適化するためには、上記の最適化された内部サブアレイ重みを維持し、次いで、２４９個のサブアレイに対する重みが１００本のビームについて最適化される。

ビーム端指向性およびサイド・ローブ・レベルを組合せてターゲットに対して
これらの１００本の０．４５°ビームについて、最適化されたピーク指向性は典型的には５２ｄＢｉであり、可能な最大の指向性を約０．５°下回っている。これは、ビームがこの開口での最小の可能値より若干大きいためであり、サイド・ローブ最適化によってエッジのテーパーが必要とされるからであると推測される。

図１３は、図１２のスポット・ビームについての再最適化の結果を示している。
以下に、本願出願時の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］位相アレイ・アンテナを具備するとともに予め定められた地域内で複数の通信ビームを提供する、遠距離通信宇宙船のアンテナのためのビーム形成方法であって、
別のアンテナ素子信号に対する位相関係および振幅関係を有するアンテナ素子信号を各々が有する複数のアンテナ素子として位相アレイ・アンテナを設けること、および前記位相アレイの全ての前記アンテナ素子の部分集合から各々がなる複数の重なり合っているサブアレイへと複数の前記アンテナ素子を分割することと、
各サブアレイの素子にそれぞれのサブアレイ・ビーム形成重みを割り当てること、および前記アンテナの合成放射パターンが前記地域内の前記複数の通信ビームを提供するように各サブアレイに前記複数の通信ビームについてのそれぞれの主ビーム形成重みを割り当てることと、
を備え、
複数の前記アンテナ素子の少なくとも一部または全部が２つ以上のサブアレイに参加している方法。
［２］前記アンテナが地球上の領域を覆う履域を提供するように寸法を定められ、前記地域が前記地球上の領域の限定された部分からなる、［１］の方法。
［３］前記地域が２つ以上の地理的に分かれている領域からなる、［２］の方法。
［４］前記宇宙船が静止衛星である［２］または［３］に記載の方法。
［５］複数の前記通信ビームが複数のスポット・ビームであって、複数の前記スポット・ビームが少なくとも予め設定されている最小アンテナ指向性値を有している、［１］乃至［４］のいずれか１項の方法
［６］前記最小アンテナ指向性値が、前記サブアレイ・ビーム形成重みを、繰り返しを行ないながら変化させることを含む最適化プロセスによって前記繰り返しの各々においてビーム指向性を決定しながら決定される、［４］の方法。
［７］前記主ビーム形成重みが、ビーム端の指向性とサイド・グレーティング・ローブを組合わせてターゲットに対してさらに最適化される、［６」に記載の方法。
［８］重みの組が各サブアレイに割り当てられ、前記重みの組が別のサブアレイに割り当てられている組と同じである、［１］乃至［７］のいずれか１項の方法。
［９］前記サブアレイ・ビーム形成重みがアナログ形式であって、前記主ビーム形成重みディジタル形式である、［１］乃至［８］のいずれか１項の方法。
［１０］予め定められた地理的な地域を覆う履域を提供するための、前記地域内で複数の通信ビームを提供する、遠距離通信宇宙船の位相アレイ・アンテナであって、
複数のアンテナ素子であって、各アンテナ素子は別の素子信号に対する位相関係および振幅関係を有するアンテナ素子信号を有し、複数の前記アンテナ素子は複数の重なり合っているサブアレイへと分割されており、各サブアレイは前記位相アレイの全ての前記アンテナ素子の部分集合からなり、複数の前記アンテナ素子の少なくとも一部は２つ以上のサブアレイに参加している、複数のアンテナ素子と、
各サブアレイの素子にそれぞれのサブアレイ・ビーム形成重みを割り当てるサブアレイ・ビーム形成ネットワークと、
前記地域内で前記複数の通信ビームを生成できるように各サブアレイに前記複数の通信ビームの各々についての主ビーム形成重みを割り当てる主ビーム形成ネットワークと、
を備える、位相アレイ・アンテナ。
［１１］前記アンテナが地球上の地域を覆う履域を提供するように寸法を定められ、前記地域が前記地球上の地域の限定された部分または２つ以上の部分からなる、［１０］の方法。
［１２］前記宇宙船が静止衛星である［１１］の装置。
［１３］前記位相アレイ・アンテナが２次元で形成され、各サブアレイが両方の次元で広がりを持っている、［１０］乃至［１２］のいずれか１項の装置。
［１４］各サブアレイに割り当てられているサブアレイ・ビーム形成重みが前記複数の通信ビームについての指向性の所望の水準を達成するために最適化プロセスによって最適化されており、前記最適化プロセスにおいて前記サブアレイ・ビーム形成重みが繰り返しを通じて値を変えられ、各繰り返しにおいて、前記サブアレイに割り当てられる主ビーム形成重みの値が決定される、［１０］乃至［１３］の装置。
［１５］前記サブアレイ・ビーム形成ネットワークが各サブアレイに重みの組を割り当て、
前記重みの組が別のサブアレイに割り当てられている組と同じである、
［１０］乃至［１４］のいずれか１項の方法。
［１６］前記サブアレイ・ビーム形成ネットワークが、
それぞれのアナログ位相変更手段と、
各アンテナ素子と接続されたそれぞれのアナログ増幅率変更手段と、
を含む、［１０］乃至［１５］のいずれか１項の装置。
［１７］前記位相アレイ・アンテナが受信機能を有しており、
前記サブアレイ・ビーム形成ネットワークが、各サブアレイについて、前記サブアレイの前記素子信号が合成された出力信号をサブアレイ出力ポートに提供するための信号合成手段を含んでいる、［１０］乃至［１６］のいずれか１項の装置。
［１８］前記位相アレイ・アンテナが、サブアレイ出力信号をダウンコンバートするか個々の素子信号をダウンコンバートするためのダウンコンバート手段を含む受信機能を有している、［１０］乃至［１７］のいずれか１項の装置。
［１９］各サブアレイの前記出力信号をディジタル化するためのディジタル変換手段と、
各サブアレイ出力信号を複数（Ｋ個）のチャネル信号へとデマルチプレクスするための周波数デマルチプレクス手段と、
前記複数（Ｋ個）のチャネルの各々のためのそれぞれのディジタル・ビーム形成ネットワークと、
を含み、
前記ディジタル・ビーム形成ネットワークは、各サブアレイ出力からのそれぞれの前記チャネル信号を受信するように接続され、前記チャネル信号の各々に複素重みを適用するとともに重み付けされたチャネル信号を合計してチャネル出力信号を提供するように構成されている、［１７］の装置。
［２０］前記複数（Ｋ個）のチャネルの１つ用の、周波数再利用するためにこのチャネルについての複数のチャネル出力を提供するための、複数のディジタル・ビーム形成ネットワークを含む、［１９］の装置。
［２１］各サブアレイの前記出力信号をディジタル化するためのアナログ・ディジタル変換手段を含み、
前記ディジタル化された信号を受信するように接続され、前記主ビーム形成ネットワークを包含しており、スポット・ビームのアレイを表現する出力を提供するように構成されている、ＦＦＴ手段を含む、
［１０］乃至［１６］のいずれか１項の装置。
［２２］前記サブアレイ・ビーム形成ネットワークがディジタル方式である、［１０］乃至［１５］、［１７］乃至［２１］のいずれか１項の装置。
［２３］前記主ビーム形成ネットワークおよび前記サブアレイ・ビーム形成ネットワークの両方がアナログ方式である、［１０］乃至［１８］のいずれか１項の装置。
［２４］前記位相アレイ・アンテナが送信機能を有しており、
各サブアレイについて、前記サブアレイ・ビーム形成ネットワークが、前記サブアレイの入力ポートと接続されている、前記サブアレイの前記素子信号を提供するための信号分配手段を含んでいる、
［１０］乃至［１６］のいずれか１項の装置。
［２５］複数（Ｋ個）の通信チャネルの各々に対する、複数の前記チャネル信号の各々に複素重みを適用するように構成されている、それぞれのディジタル・ビーム形成ネットワークと、
各チャネル信号に対して、前記チャネル信号をアナログ形式に変換するためのディジタル・アナログ手段と、
前記入力ポートの各々と接続されている、前記チャネル信号を結合するためのマルチプレクス手段と、
を含む、［２４］の装置。
［２６］位相アレイ・アンテナのビーム形成パラメータを決定するための最適化プロセスであって、前記アンテナは予め定められた地理的な地域を覆う履域を提供するとともに前記地域内に複数のビームを提供し、前記アンテナは複数のアンテナ素子を有し、各アンテナ素子は別の素子信号に対する位相関係および振幅関係を有するアンテナ素子信号を提供し、複数の前記アンテナ素子は複数の重なり合っているサブアレイへと分割されており、各サブアレイは前記位相アレイの全ての前記アンテナ素子の部分集合からなり、複数の前記アンテナ素子の少なくとも一部は２つ以上のサブアレイに参加しており、前記最適化プロセスは、
各サブアレイに割り当てられるサブアレイ・ビーム形成重みが初期値に設定される第１工程と、
前記サブアレイに割り当てられる主ビーム形成重みが、複数の前記ビームの少なくとも一部の位置における指向性の値を提供するように、決定される第２工程と、
前記ビームについての所望の水準の前記指向性が達成されるまで、前記サブアレイ・ビーム形成重みの値を変化させながら前記第１および第２工程を繰り返す工程と、
を備える最適化プロセス。
［２７］前記第２工程において、前記位置において指向性のピーク値を提供するように前記主ビーム形成重みの値が決定される、［２６］の最適化プロセス。
［２８］スポット・ビーム指向性要件に基づいて、アンテナ全体のサイズを決定することを含んでいる、［２６］または［２７］の最適化プロセス、
［２９］グレーティング・ローブ除外領域の大きさに基づいて、個々の素子の大きさ／間隔を決定することを含んでいる、［２６］、または［２７］、または［２８］の最適化プロセス。
［３０］前記地域の最大の大きさから前記サブアレイのポートの間隔を決定することを含んでいる、［２６］乃至［２９］のいずれか１項の最適化プロセス、
［３１］［２５］のプロセスを繰り返すことによって、サブアレイの大きさおよび重なり合う程度を決定することを含んでいる、［２６］乃至［３０］のいずれか１項の最適化プロセス。
［３２］各サブアレイ内の初期重みが、全て同じか、前記地域内の最小のサブアレイ指向性を最大化するように設定される、［２６］乃至［３１］のいずれか１項の最適化プロセス、
［３３］前記主ビーム形成重みが、ビーム端の指向性とサイド・ローブ・レベルを組み合わせてターゲットに対して最適化されるさらなる最適化を含んでいる、［２６］乃至［３２］のいずれか１項の最適化プロセス。
［３４］位相アレイ・アンテナであって、前記アンテナは予め定められた地理的な地域を覆う履域を提供するとともに前記地域内に複数のビームを提供し、前記アンテナは複数のアンテナ素子を有し、各アンテナ素子は別の素子信号に対する位相関係および振幅関係を有するアンテナ素子信号を提供し、複数の前記アンテナ素子は複数の重なり合っているサブアレイへと分割されており、各サブアレイは前記位相アレイの全ての前記アンテナ素子の部分集合からなり、複数の前記アンテナ素子の少なくとも一部は２つ以上のサブアレイに参加しており、
各サブアレイの素子にそれぞれのサブアレイ・ビーム形成重みを割り当てるサブアレイ・ビーム形成ネットワークと、前記地域内で前記複数のビームを生成できるように各サブアレイに前記複数のビームの各々についての主ビーム形成重みを割り当てる主ビーム形成ネットワークと、を具備し、
各サブアレイに割り当てられているサブアレイ・ビーム形成重みが前記複数のビームについての指向性の所望の水準を達成するために最適化プロセスによって最適化されており、前記最適化プロセスにおいて前記サブアレイ・ビーム形成重みが繰り返しを通じて値を変えられ、各繰り返しにおいて、前記サブアレイに割り当てられる主ビーム形成重みの値が決定される、
位相アレイ・アンテナ。
［３５］複数の前記ビームの少なくとも一部が指向性の所望の値を有しており、前記所望の値が少なくとも、予め定められた最小値である、［３４］の位相アレイ・アンテナ。
［３６］前記サブアレイの各々が、別のサブアレイに割り当てられているサブアレイ・ビーム形成重みの組と実質的に同様の組を有している、［３４］または［３５］の位相アレイ・アンテナ。
［３７］複数の前記サブアレイが実質的に同じ幾何学的構成（geometric configuration）を有している、［３４］、または［３５］、または［３６］の位相アレイ・アンテナ。

重なり合っているサブアレイへと分割された位相アレイ・アンテナを例示する概略図。 本発明の第１の好ましい実施形態に従った、動作の受信モードにおける、位相アレイ・アンテナに接続されているとともに重なり合っているサブアレイへと分割されているビーム形成ネットワークを例示する概略ブロック図。 本発明の第１の好ましい実施形態に従った、動作の送信モードにおける、位相アレイ・アンテナに接続されているとともに重なり合っているサブアレイへと分割されているビーム形成ネットワークを例示する概略ブロック図。 本発明の第２の好ましい実施形態に従った、位相アレイ・アンテナに接続されているとともに重なり合っているサブアレイへと分割されているビーム形成ネットワークを例示する概略ブロック図。 本発明の第３の好ましい実施形態に従った、位相アレイ・アンテナに接続されているとともに重なり合っているサブアレイへと分割されているビーム形成ネットワークを例示する概略ブロック図。 本発明のビーム形成重み付けの最適化プロセスにおける重要なステップを示すフローチャート。 アンテナ素子を重なり合っているサブアレイへと分割することを示す、位相アレイ・アンテナの例の面の図。 地球の予め定められた地域であるヨーロッパを、１００本のスポット・ビームがこの地域を網羅している状態で示す図。 本発明の１つのサブアレイの例によって生成された、ヨーロッパ地域の履域を指向性の点から示す図。 本発明の例の位相アレイ・アンテナの全てのサブアレイを重畳することによって生成された、ヨーロッパ地域の履域を指向性の点から示す図。 本発明の例によって生成されたスポット・ビームを指向性の点から示す図。 本発明の例によって生成されたスポット・ビームを指向性の点から示す図。 図１２の再最適化されたスポット・ビームの図。

Claims (34)

1. 位相アレイ・アンテナを具備するとともに予め定められた地域内で複数の通信ビームを提供する、遠距離通信宇宙船のアンテナのためのビーム形成方法であって、
   別のアンテナ素子信号に対する位相関係および振幅関係を有するアンテナ素子信号を各々が有する複数のアンテナ素子として位相アレイ・アンテナを設けること、および前記位相アレイの全ての前記アンテナ素子の部分集合から各々がなる複数の重なり合っているサブアレイへと複数の前記アンテナ素子を分割することであって、複数の前記アンテナ素子の少なくとも一部または全部が２つ以上のサブアレイに参加している、分割することと、
   各サブアレイの素子にそれぞれのサブアレイ・ビーム形成重みを割り当てること、および前記アンテナの合成放射パターンが前記地域内で前記複数の通信ビームを提供するように各サブアレイに前記複数の通信ビームについてのそれぞれの主ビーム形成重みを割り当てることと、
   を備え、
   前記複数の通信ビームについての所望のアンテナ指向性水準は、前記サブアレイ・ビーム形成重みを、繰り返しを行ないながら変化させることを含む最適化プロセスによって前記繰り返しの各々において前記複数の通信ビームについての主ビーム形成重みを割り出しながら達成される、
   方法。
2. 前記地域が２つ以上の地理的に分かれている領域からなる、請求項１の方法。
3. 前記宇宙船が静止衛星である請求項１または２の方法。
4. 前記複数の通信ビームが複数のスポット・ビームであって、前記複数のスポット・ビームが少なくとも予め設定されている最小の指向性値を有している、請求項１乃至３のいずれか１項の方法
5. 前記主ビーム形成重みが、ビーム端の指向性とサイド・ローブ・レベルを組合わせてターゲットに対してさらに最適化される、請求項１の方法。
6. 重みの組が各サブアレイに割り当てられ、前記重みの組が別のサブアレイに割り当てられている組と同じである、請求項１乃至６のいずれか１項の方法。
7. 前記サブアレイ・ビーム形成重みがアナログ形式であって、前記主ビーム形成重みがディジタル形式である、請求項１乃至６のいずれか１項の方法。
8. 予め定められた地理的な地域を覆う履域を提供し、前記地域内で複数のビームを提供する位相アレイ・アンテナであって、
   複数のアンテナ素子であって、各アンテナ素子は別の素子信号に対する位相関係および振幅関係を有するアンテナ素子信号を有し、前記複数のアンテナ素子は複数の重なり合っているサブアレイへと分割されており、各サブアレイは前記位相アレイの全ての前記アンテナ素子の部分集合からなり、前記複数のアンテナ素子の少なくとも一部は２つ以上のサブアレイに参加している、複数のアンテナ素子と、
   各サブアレイの素子にそれぞれのサブアレイ・ビーム形成重みを割り当てるサブアレイ・ビーム形成ネットワークと、
   前記地域内で前記複数のビームを生成できるように各サブアレイに前記複数のビームの各々についての主ビーム形成重みを割り当てる主ビーム形成ネットワークと、
   を備え、
   各サブアレイに割り当てられているサブアレイ・ビーム形成重みが前記複数のビームについての指向性の所望の水準を達成するために最適化プロセスによって最適化されており、前記最適化プロセスにおいて前記サブアレイ・ビーム形成重みが繰り返しを通じて値を変えられ、各繰り返しにおいて、前記サブアレイに割り当てられる主ビーム形成重みの値が割り出される、
   位相アレイ・アンテナ。
9. 前記複数のビームの少なくとも一部が指向性の所望の値を有しており、前記所望の値が少なくとも、予め定められた最小値である、請求項８の位相アレイ・アンテナ。
10. 前記サブアレイの各々が、別のサブアレイに割り当てられているサブアレイ・ビーム形成重みの組と実質的に同様の組を有している、請求項８または９の位相アレイ・アンテナ。
11. 複数の前記サブアレイが実質的に同じ幾何学的構成（geometric configuration）を有している、請求項８、または９、または１０の位相アレイ・アンテナ。
12. 前記複数のビームが通信ビームであり、前記位相アレイ・アンテナが遠距離通信宇宙船のためのものである、請求項８乃至１１のいずれか１項の位相アレイ・アンテナ
13. 前記アンテナが地球上の領域を覆う履域を提供するように寸法を定められ、前記地域が前記地球上の領域の限定された部分または２つ以上の部分からなる、請求項８乃至１２のいずれか１項の位相アレイ・アンテナ。
14. 前記宇宙船が静止衛星である請求項１３の位相アレイ・アンテナ。
15. 前記位相アレイ・アンテナが２次元で形成され、各サブアレイが両方の次元で広がりを持っている、請求項８乃至１４のいずれか１項の位相アレイ・アンテナ。
16. 前記サブアレイ・ビーム形成ネットワークが各サブアレイに重みの組を割り当て、
    前記重みの組が別のサブアレイに割り当てられている組と同じである、
    請求項８乃至１５のいずれか１項の位相アレイ・アンテナ。
17. 前記サブアレイ・ビーム形成ネットワークが、
    それぞれのアナログ位相変更手段と、
    各アンテナ素子と接続されたそれぞれのアナログ増幅率変更手段と、
    を含む、請求項８乃至１６のいずれか１項の位相アレイ・アンテナ。
18. 前記位相アレイ・アンテナが受信機能を有しており、
    前記サブアレイ・ビーム形成ネットワークが、各サブアレイについて、前記サブアレイの前記素子信号が合成された出力信号をサブアレイ出力ポートに提供するための信号合成手段を含んでいる、請求項８乃至１７のいずれか１項の位相アレイ・アンテナ。
19. 前記位相アレイ・アンテナが、サブアレイ出力信号をダウンコンバートするか個々の素子信号をダウンコンバートするためのダウンコンバート手段を含む受信機能を有している、請求項８乃至１８のいずれか１項の位相アレイ・アンテナ。
20. 各サブアレイの前記出力信号をディジタル化するためのアナログ・ディジタル変換手段と、
    各サブアレイ出力信号を複数（Ｋ個）のチャネル信号へとデマルチプレクスするための周波数デマルチプレクス手段と、
    前記複数（Ｋ個）のチャネルの各々のためのそれぞれのディジタル・ビーム形成ネットワークと、
    を含み、
    前記ディジタル・ビーム形成ネットワークは、各サブアレイ出力からのそれぞれの前記チャネル信号を受信するように接続され、前記チャネル信号の各々に複素重みを適用するとともに重み付けされたチャネル信号を合計してチャネル出力信号を提供するように構成されている、請求項１８の位相アレイ・アンテナ。
21. 前記複数（Ｋ個）のチャネルの１つ用の、周波数再利用するためにこのチャネルについての複数のチャネル出力を提供するための、複数のディジタル・ビーム形成ネットワークを含む、請求項２０の位相アレイ・アンテナ。
22. 各サブアレイの前記出力信号をディジタル化するためのアナログ・ディジタル変換手段を含み、
    前記ディジタル化された信号を受信するように接続され、前記主ビーム形成ネットワークを包含しており、スポット・ビームのアレイを表現する出力を提供するように構成されている、ＦＦＴ手段を含む、
    請求項８乃至１７のいずれか１項の位相アレイ・アンテナ。
23. 前記サブアレイ・ビーム形成ネットワークがディジタル方式である、請求項８乃至１６、１８乃至２２のいずれか１項の位相アレイ・アンテナ。
24. 前記主ビーム形成ネットワークおよび前記サブアレイ・ビーム形成ネットワークの両方がアナログ方式である、請求項８乃至１９のいずれか１項の位相アレイ・アンテナ。
25. 前記位相アレイ・アンテナが送信機能を有しており、
    各サブアレイについて、前記サブアレイ・ビーム形成ネットワークが、前記サブアレイの入力ポートと接続されている、前記サブアレイの前記素子信号を提供するための信号分配手段を含んでいる、
    請求項８乃至１７のいずれか１項の位相アレイ・アンテナ。
26. 複数（Ｋ個）の通信チャネルの各々のための、前記複数のチャネル信号の各々に複素重みを適用するように構成されている、それぞれのディジタル・ビーム形成ネットワークと、
    前記重みを適用された複数のチャネル信号を各サブアレイについてのそれぞれの信号を具備する複数の出力信号へと結合するためのマルチプレクス手段と、
    前記マルチプレクス手段の前記複数の出力信号をアナログ形式に変換するためのディジタル・アナログ手段と、
    を含む、請求項２５の位相アレイ・アンテナ。
27. 位相アレイ・アンテナのビーム形成パラメータを決定するための最適化プロセスであって、前記アンテナは予め定められた地理的な地域を覆う履域を提供するとともに前記地域内に複数のビームを提供し、前記アンテナは複数のアンテナ素子を有し、各アンテナ素子は別の素子信号に対する位相関係および振幅関係を有するアンテナ素子信号を提供し、複数の前記アンテナ素子は複数の重なり合っているサブアレイへと分割されており、各サブアレイは前記位相アレイの全ての前記アンテナ素子の部分集合からなり、複数の前記アンテナ素子の少なくとも一部は２つ以上のサブアレイに参加しており、前記最適化プロセスは、
    各サブアレイに割り当てられるサブアレイ・ビーム形成重みを初期値に設定することと、
    前記サブアレイに割り当てられる主ビーム形成重みの値を、前記複数のビームの少なくとも一部の位置における指向性の値を提供するように、決定することと、
    前記複数のビームについての前記指向性の所望の水準が達成されるまで、前記サブアレイ・ビーム形成重みの値を繰り返しを行いながら変化させることおよび前記サブアレイに割り当てられた主ビーム形成重み値を前記繰り返しの各々において割り出すことと、
    を備える最適化プロセス。
28. 前記決定することにおいて、前記位置において指向性のピーク値を提供するように前記主ビーム形成重みの値が決定される、請求項２７の最適化プロセス。
29. スポット・ビーム指向性要件に基づいて、アンテナ全体のサイズを決定することを含んでいる、請求項２７または２８の最適化プロセス、
30. グレーティング・ローブ除外領域の大きさに基づいて、個々の素子の大きさ／間隔を決定することを含んでいる、請求項２７、または２８、または２９の最適化プロセス。
31. 前記地域の最大の大きさから前記サブアレイのポートの間隔を決定することを含んでいる、請求項２７乃至３０のいずれか１項の最適化プロセス、
32. 請求項２７のプロセスを繰り返すことによって、サブアレイの大きさおよび重なり合う程度を決定することを含んでいる、請求項２７乃至３１のいずれか１項の最適化プロセス。
33. 各サブアレイ内の初期重みが、全て同じか、前記地域内の最小のビーム指向性値を最大化するように設定される、請求項２７乃至３２のいずれか１項の最適化プロセス、
34. 前記主ビーム形成重みが、ビーム端の指向性とサイド・ローブ・レベルを組み合わせてターゲットに対して最適化されるさらなる最適化を含んでいる、請求項２７乃至３３のいずれか１項の最適化プロセス。

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