JP5331811B2 - アクティブフェーズドアレイアンテナを使用した通信システム及び通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、包括的には、広帯域アクセスの分野に関し、より詳細には、ＷＩＭＡＸ、ＷＩＦＩ、ＷＰＡＮ、セルラ通信等のようなシステムで使用されるアクティブフェーズアレイアンテナを使用した無線通信方法及び無線通信システムに関する。

［関連出願］
２００６年１０月３日に出願された「PHASE SHIFTED OSCILLATOR AND ANTENNA」と題する特許出願第ＰＣＴ／ＩＬ２００６／００１１４４号及び２００６年９月６日に出願された「APPARATUS AND METHODS FOR RADAR IMAGING BASED ON INJECTED PUSH PUSH OSCILLATORS」と題する特許出願第ＰＣＴ／ＩＬ２００６／００１０３９号。これらの特許出願の開示は、参照により本明細書に援用される。

広帯域無線アクセスソリューションに対する要求が高まっている。ＷＩ−ＭＡＸという用語は、ＩＥＥＥ８０２．１６標準規格の適合性及び相互運用性を推進するために活動していたＷＩ−ＭＡＸフォーラムによって、マイクロ波アクセスのための世界的相互運用性として定義された。

ＩＥＥＥ８０２．１６及び類似した標準規格に準拠した広帯域アクセスを可能にするために、いくつかの方法及び技術が採用されている。この標準規格をサポートする最も一般的な技術は、いくつかのアンテナを配備することに基づく技術であるＭＩＭＯ、すなわち多入力多出力(Multiple In Multiple Out)として知られている。

しかしながら、ＭＩＭＯ技術は、主としてそのコストが比較的高いことに起因するいくつかの顕著な欠点に問題がある。さらに、ＭＩＭＯは、ＷＩＭＡＸ、ＷＩＦＩ、ＷＰＡＮ、及びセルラ通信に使用されている他の技術と同様に、必要とされる帯域幅の動的な変化に対処するシステム及び方法を提供しておらず、精密な指向性送信及び指向性受信を可能にする効率的な方法を提供していない。

上記序論はＷＩＭＡＸに言及したものであるが、非常に類似した問題は、ＷＩ−ＦＩ標準規格（ＩＥＥＥ８０２．１１）、ＷＰＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１５３Ｃ）、一般的なセルラ通信プロトコル、並びに他の方法及びプロトコルにも同様に関連している。本発明は、このような通信方法及び通信プロトコル並びに現在知られているか又は後に開発される他の同様の通信方法及び通信プロトコルの類似の問題を解決するために設計されている。

本発明の一実施の形態の一態様は、アクティブフェーズドアレイアンテナシステムを介して電気信号を送信及び受信することにより、数メートルから何キロメートルにも及ぶ距離を隔てられた物体間で無線通信を実行するためのシステム及び方法に関する。例えば、セルラ局と複数の携帯電話デバイスとの間の通信、ＷＩＭＡＸ、ＷＩＦＩ、ＷＰＡＮ、制御局と車両制御ユニットとの間の携帯電話通信、ＴＶセットトップボックス（ＳＴＢ）からＨＤＴＶ受信機へのＨＤＴＶ送信等である。

本発明の一例示の実施の形態では、４つの１次元放射器フェーズドアレイから成るアンテナユニットによって、複数のデバイスとの通信（送信及び受信）が可能になる。このアンテナユニットは、複数の放射モードを切り替えていき、アンテナユニットのまわりの広い角度に位置する特定のデバイスへの効率的な送信（又は受信）を可能にする。

さらに、複数の受信／送信物体間の高速通信を可能にするための低コストのシステムを提供することが本発明の目的である。

さらに、屋外の用途だけでなく屋内の用途でも高スループット通信のためのシステム及び方法を提供することが本発明の目的である。

したがって、本発明の一例示の実施の形態によれば、無線通信システムであって、放射の送信用及び受信用の１つ又は複数のフェーズドアレイアンテナユニットと、
１つ又は複数のフェーズドアレイアンテナユニットを駆動及び制御するためのフェーズドアレイ回路と
を備え、上記１つ又は複数のフェーズドアレイアンテナユニットは、４つ以上の１次元放射器アレイを備える、無線通信システムが提供される。

本発明のいくつかの実施の形態では、フェーズドアレイアンテナユニットはアクティブとすることができる。

本発明のいくつかの実施の形態では、１次元放射器アレイは直線的(linear)である。

本発明のいくつかの実施の形態では、フェーズドアレイアンテナユニットは、垂直方向に位置決めされる。

本発明のいくつかの実施の形態では、１次元放射器アレイは対称的である。

本発明のいくつかの実施の形態では、１次元放射器アレイは直線的であり且つ対称的である。

本発明のいくつかの実施の形態では、偶数の１次元放射器アレイは、２つの隣接した放射器間の距離の約２分の１だけ、奇数の１次元放射器アレイに対してシフトされる。

本発明のいくつかの実施の形態では、１つ又は複数のフェーズドアレイアンテナユニットは、４つ以上の放射器を備え、２つ以上の放射器グループのうちの１つは、基準グループとして定義され、４つ以上の放射器グループのうちの２つ以上は、基準グループに対するプログラミング可能な位相シフトで送信及び受信するように、フェーズドアレイ回路によって制御される。

本発明のいくつかの実施の形態では、各グループの放射器が、少なくとも１つの１次元放射器アレイから構成される。

本発明のいくつかの実施の形態では、プログラミング可能な位相シフトは、＋１８０度又は−１８０度である。

本発明のいくつかの実施の形態では、システムは、３つ以上の放射モードを選択的に切り替えていき、放射モードは、それぞれ異なる位相シフトで送信及び受信する放射器グループの個数に従って且つ各放射器グループに関連付けられたプログラミング可能な位相シフトに従って規定される。

本発明のいくつかの実施の形態では、３つ以上の放射モードを選択的に切り替えることは、十分に広い水平角にわたって物体との通信を可能にする。

本発明のいくつかの実施の形態では、広い水平角は、９０度よりも大きい。

本発明のいくつかの実施の形態では、３つ以上の放射モードを選択的に切り替えることは、３つ以上の放射モードで受信された信号レベルに依存する。

本発明のいくつかの実施の形態では、フェーズドアレイ回路は、垂直ビーム開口で放射するようにフェーズドアレイアンテナユニットを制御する。

本発明のいくつかの実施の形態では、狭い垂直ビーム開口は、プログラミング可能なパターンに従って垂直にステアリングされる。

本発明のいくつかの実施の形態では、フェーズドアレイ回路は、２つのレベルのＰＳＩＰＰＯを含み、狭い垂直ビーム開口は、２つのレベルのＰＳＩＰＰＯに制御信号を提供することによってプログラミング可能なパターンに従い垂直にステアリングされる。

本発明のいくつかの実施の形態では、通信システムは、屋外の通信に使用される。

本発明のいくつかの実施の形態では、通信システムは、屋内の通信に使用される。

本発明のいくつかの実施の形態では、放射された電気信号の送信用及び受信用の１つ又は複数のフェーズドアレイアンテナユニットは、現在知られているか又は今後開発されるさまざまな通信プロトコル及び通信方法を送信又は受信する。このようなプロトコル及び方法は、例えば、ＷＩＭＡＸ若しくはＷＩＦＩ若しくはＨＤＴＶ若しくはセルラ通信に準拠したデータ信号、又はそれらの任意の組み合わせを含むことができる。

本発明のいくつかの実施の形態では、システムは、実質的に長方形の構造に位置決めされた４つのフェーズドアレイアンテナを備えて、それらのアンテナを取り囲むエリアの３６０度をカバーする。

本発明は、以下の詳細な説明を図面と共に考慮した場合に、該詳細な説明からより十分に理解及び認識される。２つ以上の図に登場する同一の構造、素子、又は部品は、一般に、それらが登場するすべての図において同じ番号又は類似の番号でラベル付けされている。

本発明の一例示の実施形態によるフェーズドアレイアンテナユニットの概略説明図である。 本発明の一例示の実施形態による垂直なポールに配置された４つのフェーズドアレイアンテナユニットを含むフェーズドアレイアンテナシステムの概略図である。 本発明の一例示の実施形態による第１の動作モードにおけるフェーズドアレイアンテナユニットの放射パターンのグラフ描写（極座標及び直交座標）である。 本発明の一例示の実施形態による第２の動作モードにおけるフェーズドアレイアンテナユニットの放射パターンのグラフ描写（極座標及び直交座標）である。 本発明の一例示の実施形態による第３の動作モードにおけるフェーズドアレイアンテナユニットの放射パターンのグラフ描写（極座標及び直交座標）である。 本発明の一例示の実施形態による、各モードがサービスニーズに従って異なる時間に作動される、３つの動作モードを集約したフェーズドアレイアンテナユニットの放射パターンのグラフ描写（極座標及び直交座標）である。 本発明の一例示の実施形態による、単一のポールの４つの側面に配置された４つのフェーズドアレイアンテナユニットの３つの動作モードを集約したフェーズドアレイアンテナユニットの放射パターンの極座標グラフ描写である。 本発明の一例示の実施形態による３つの動作モードの組み合わせをサポートするフェーズドアレイアンテナ回路を実施するための回路の基部の概略説明図である。 本発明の一例示の実施形態による３つの動作モードの組み合わせをサポートするフェーズドアレイアンテナ回路を実施する図３Ａのミキサの高周波数ポートに接続された送信機のフロントエンドの概略説明図である。 本発明の一例示の実施形態による３つの送信／受信エンドポイントと通信する３６０度フェーズドアレイアンテナシステムの説明図である。

参照によりその開示が本明細書に援用される、２００６年１０月３日に出願されたＰＣＴ／ＩＬ２００６／００１１４４号及び２００６年９月６日に出願されたＰＣＴ／ＩＬ２００６／００１０３９号には、低コスト且つ軽量の分散型アクティブフェーズドアレイアンテナを提供するための素子及び回路設計が説明されている。これらの出願には、低コスト且つ小さなサイズの回路として実施されるか又は集積チップとして製造されて、フェーズアレイアンテナにより送信及び検出される信号を生成及び制御することができる回路が記載されている。本出願は、以下でさらに説明するように、上記出願に説明された概念を実施して、本発明を実施するのに適したアクティブフェーズアレイアンテナを提供する。

図１Ａは、４つ以上の１次元放射器アレイ（「放射器」と呼ぶ）１１０、１１５、１２０、１２５を含むアクティブフェーズドアレイアンテナ（ＡＰＡＡ）（「アンテナユニット」と呼ぶ）１００の放射部を示す。この放射部は、マイクロストリップ技術を使用して実施することができ、関連したベースプレートを有する誘電体基板から成る長方形ケーシング１０５上に配置することができる。図１Ａにおいて具体的に説明するアンテナアレイ全体は、Ａ１〜Ａ１６、Ｂ１〜Ｂ１６、Ｃ１〜Ｃ１６、及びＤ１〜Ｄ１６としてマーキングされた６４個の放射器から成る。しかしながら、必要とされる電力出力及び精度に応じて、異なる個数の放射器を使用することができる。例えば放射器Ａ１，１３０といった各放射器は、６角形のパッチとして成形される。各放射器は、放射器の上側頂点（例えば、Ａ１〜Ａ１６、Ｃ１〜Ｃ１６）又は放射器の下側頂点（例えば、Ｂ１〜Ｂ１６、Ｄ１〜Ｄ１６）のいずれかにフィーダ（電磁波を放射器へ及び放射器から運ぶＩ／Ｏポート）１３５、１４５、１５５、１６５を有する。放射器の６角形状は、送信利得及び／又は受信利得の点で、正方形の放射器又は円形の放射器よりも良好な結果を提供することがシミュレーションにより明らかにされており、また、隣接する放射器間で比較的良好な絶縁を提供することもシミュレーションにより明らかにされている。しかしながら、異なる幾何学形状を選択することもできる。

図１Ａに示す１次元放射器アレイは直線的であり（放射器が直線に沿って設けられている）且つ対称的である（放射器間の距離が等しい）が、本発明による別の例示の実施形態では、１次元放射器アレイを非直線的とすることもできるし、又は非対称的とすることもできることに留意すべきである。

本発明の一例示の実施形態では、放射器のフィーダの位置決めによって対称構造が形成され、第１の１次元放射器アレイ及び第３の１次元放射器アレイでは、放射器のフィーダが６角形のパッチの上側頂点に配置される一方で、第２の１次元放射器アレイ及び第４の１次元放射器アレイでは、放射器のフィーダがパッチの下側頂点に配置される。放射器のフィーダのこの対称的な位置決めが、対称的な放射器パターンの達成にオプションで寄与することに留意すべきである。

本発明の一例示の実施形態では、偶数の１次元放射器アレイが、２つの隣接する放射器間の距離の約２分の１だけ、奇数の１次元放射器アレイに対してシフトされている。したがって、放射器Ｂ１ １４０は、放射器Ａ１ １３０の下に示されず、放射器Ａ１とＡ２との間に示されている。放射器のこの配備によって、所与の面積における放射器の密度を最適化することが可能になり、その結果、ビーム形成が改善される。

図１Ａは、アンテナケーシング１０５を水平方向に示しているが、ＡＰＡＡシステムで実際に使用される場合、アンテナは垂直に位置決めされる。すなわち、図１Ｂに示すように、放射器Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、及びＤ１は、アンテナの上端に配置され、放射器Ａ１６、Ｂ１６、Ｃ１６、及びＤ１６は、アンテナの下端に位置決めされる。

アンテナの寸法は、波の周波数及び基板の誘電率に依存する。しかしながら、例えばＷＩ−ＭＡＸの用途等のいくつかの用途で使用される場合、放射器の寸法は、通常、数センチメートルを超えない。

本発明の一例示の実施形態では、アンテナ１００のカバレッジのエリアにおいてデバイスと通信するための依然として高い電力密度を有する、より広いアジマス角（方位角）カバレッジを達成するために、３つの異なる放射パターン（「放射モード」と呼ぶ）が、同じ物理的な放射器アレイで生成される。

オプションとして、アンテナ１００による複数の放射モードの作成は、４つの１次元放射器アレイ１１０、１１５、１２０、１２５間での信号に対する相対的な位相シフトによって規定される。

本発明の一例示の実施形態では、第１の放射モードは、４つの１次元放射器アレイ１１０、１１５、１２０、１２５に次の位相シフトパターンを提供することによって規定される。オプションとして、第１の１次元放射器アレイ１１０は、０度の位相シフトを受ける。このアレイは基準アレイとして機能する。第２の１次元放射器アレイ１１５は、第１のアレイと同じ０度の位相シフトを受ける。第３の１次元放射器アレイ１２０は、第１の１次元放射器アレイ１１０に対して１８０度の位相シフトを受ける（すなわち、１≦ｉ≦１６の各ｉについて、放射器Ｃｉは、第１の１次元放射器アレイ１１０内の対応する放射器Ａｉに対して１８０度位相シフトされる。同じことが、第４の１次元アレイにも適用され、第４の１次元アレイも、第１の１次元放射器アレイに対して１８０度シフトされる。

同じ放射器を介して送信及び受信の双方を行うことが可能であり、これが、通常、より効率的なアーキテクチャであることに留意すべきである。しかしながら、本発明の一例示の実施形態では、送信及び受信は、送信放射器と受信放射器とに分離される。送信用及び受信用の異なる放射器の配備は、２つの異なるフェーズドアレイユニットに機能を分離すること等、さまざまなトポロジーにおいて実行することもできるし、代替的に、フェーズドアレイユニットにおいて送信用の放射器のサブグループを規定することもでき、一方で、相補的なサブグループが受信用に使用される。

図２Ａは、本発明の一例示の実施形態による、アンテナのアジマスカバレッジについて示す第１の放射モードにおける放射パターンの極座標表現２０５及び直交座標表現２１０の概略図を示す。ビーム２０５（送信用及び受信用）によってカバーされるアジマス角は、実質的に平面形状のビームである。この実質的に平面形状のビームは、約５度の開口の垂直の寸法を有する。この狭い開口角は、単一の１次元アレイにおける放射器の個数に依存する。

図２Ａは、アンテナ利得（ｄＢ）対アジマスを描く直交座標グラフ２１０をさらに示す。

以下でさらに説明するように、システムは、位相０度又は１８０度を放射器Ａｋ、Ｂｋ、Ｃｋ、Ｄｋに与え、各１次元アレイの放射器に等しく直線的に分散された位相を加えて、放射パターンの垂直のステアリングを行うことができる。このようにして、適切なエレベーション角（仰角）がカバーされる。フェーズドアレイアンテナの電子ステアリングによるエレベーションと共に、３つのアンテナ放射モードによるアジマスカバレッジによって、システムは、送信信号の高電力密度を有する広い立体角をカバーすることが可能になる。

図２Ａは、第１の放射モードが、約１００度の角度をカバーする２つのメインローブ(main lobes)を作成することを示す。しかしながら、この第１の放射モードは、（２つのローブを形成する）２つの最大点で最良のカバレッジを提供し、２つのメインローブ間の中間区域で、より弱いカバレッジを提供する。オプションとして、以下で説明するように、第１の放射モードのビーム２０５が最良でないエリアのカバレッジを高めるのに、他の放射モードが使用される。

オプションとして、第１の放射モードは、４つの１次元放射器アレイ１１０、１１５、１２０、１２５に次の位相シフトを提供することによって達成される。オプションとして、基準として機能する第１の１次元放射器アレイ１１０は、０度の位相シフトを受け、第２の１次元放射器アレイ１１５は、第１の１次元放射器アレイ１１０に対して同じ位相シフト（すなわち、０度）を受ける。第３の１次元放射器アレイ１２０は、第１の１次元放射器アレイ１１０に対して１８０度のシフトを受ける。第４の１次元放射器アレイ１２５も、第１の１次元放射器アレイ１１０に対して１８０度のシフト（すなわち、第３の１次元放射器アレイと同じ位相シフト）を受ける。

図２Ｂは、第２の放射モードのアジマスカバレッジを認識できるように、本発明の一例示の実施形態による第２の放射モードの放射パターンの極座標表現２３０及び直交座標表現２３５を示す。オプションとして、第２の放射モードは、４つの１次元放射器アレイ１１０、１１５、１２０、１２５に次の位相シフトを提供することによって達成される。オプションとして、基準として機能する第１の１次元放射器アレイ１１０は、０度の位相シフトを受け、第２の１次元放射器アレイ１１５は、第１の１次元放射器アレイ１１０に対して１８０度の位相シフトを受ける。第３の１次元放射器アレイ１２０は、０度のシフト、すなわち、第１の１次元放射器アレイ１１０に提供されるのと同じ位相を受ける。第４の１次元放射器アレイ１２５は、第１の１次元アレイ１１０に対して１８０度の位相シフトを受ける。

図２Ｂは、アンテナ利得（ｄＢ）対アジマスを描く直交座標グラフ２３５をさらに示す。

図２Ｂは、第２の放射モードが、１つのメインローブで送信カバレッジ及び受信カバレッジを提供することを示す。第１のモードについて述べたように、第２の放射モードの垂直ビーム角は、約５度の同じ狭い開口を有する。

図２Ｃは、本発明の一例示の実施形態による、第３の放射モードのアジマスカバレッジについて示す第３の放射モードの放射パターンの極座標表現２６０及び直交座標表現２６５を示す。第３の放射モードは、４つの１次元放射器アレイに次の位相シフトを提供することによって達成される。基準として機能する第１の１次元放射器アレイ１１０は、０度の位相シフトを受け、第２の１次元放射器アレイ１１５は、第１の１次元放射器アレイに対して１８０度の位相シフトを受ける。第３の１次元放射器アレイ１２０は、１８０度のシフトを受ける。第４の１次元放射器アレイ１２５は、第１の１次元放射器アレイ１１０に対して０度の位相シフト、すなわち、第１の１次元放射器アレイ１１０に提供されるのと同じ位相を受ける。

図２Ｃは、アンテナ利得（ｄＢ）対アジマスを描く直交座標グラフ２６５をさらに示す。

図２Ｃは、第３の放射モードが、第１の放射モード及び第２の放射モードによってカバーされるエリア間のギャップの最適なカバレッジを提供する２つのメインローブで送信カバレッジ及び受信カバレッジを提供することを示す。第１の放射モードについて述べたように、第３の放射モードの垂直ビーム角は、約５度の同じ狭い開口を有する。

図２Ｄは、３つのすべてのモードの合計によって提供されるカバレッジを示す。図２Ｄは、３つのモードの合計の極座標図２８０及び直交座標図２８５が、９０度幅よりも大きな区域の良好なカバレッジを提供することを示す。

本発明のいくつかの実施形態では、ＡＰＡＡシステムは、２つ以下のモード間又は４つ以上のモード間を切り替える。

本発明のいくつかの実施形態では、ＡＰＡＡシステムは、１８０度よりも大きな位相シフト又は１８０度よりも小さな位相シフトを１次元放射器アレイに提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態では、ＡＰＡＡシステムは、５つ以上の１次元放射器アレイ又は３つ以下の１次元放射器アレイを含むことができる。

本発明のいくつかの実施形態では、ＡＰＡＡシステムは、１次元放射器アレイ以外のさまざまな放射器の組み合わせを含むことができる。これらの実施形態では、放射器の任意のサブグループ（グループと呼ぶ）が、任意の基準サブグループに対するプログラミング可能な位相シフトに関連付けられる。例えば、アンテナユニットは、８つの１次元放射器アレイを含むことができ、第１の１次元放射器アレイ及び第２の１次元放射器アレイは、第１の放射器グループを構成し、第３の１次元放射器アレイ及び第４の１次元放射器アレイは、第２の放射器グループを構成し、第５の１次元放射器アレイ及び第６の１次元放射器アレイは、第３の放射器グループを構成し、第７の１次元放射器アレイ及び第８の１次元放射器アレイは、第４の放射器グループを構成する。

より一般的な場合において、アンテナユニットは、任意の可能な幾何学形状に配置されたＮ個（実際には８よりも大きな整数）の放射器から成ることができ、このアンテナユニットでは、システムは、放射モードを選択的に切り替えていく。放射モードは、グループ数及び各グループに関連付けられた位相シフトによって規定される。

本発明の一例示の実施形態によるＡＰＡＡシステムを動作させている間、該システムは３つの放射モードを切り替える。切り替えは、周期的な切り替えパターンとすることもできるし、又は任意の所望のパターンとすることもできる。本発明の一例示の実施形態では、システムは、例えば、受信源又は送信源がシステムによってカバーされるエリアに加わるか若しくは該エリアから去るとき、又は異なるニーズ及び優先権が必要とされるときといった動的な状況に適合するように切り替えパターンを変更することができる。オプションとして、切り替えパターンの変更により、例えば特定のクライアントデバイスへの帯域幅を増加させるために、或るエリアのカバレッジが別のエリアのカバレッジよりも優先される。

１次元放射器アレイ間の位相シフトが０度又は１８０度のいずれかである放射モードを使用することによって、図３Ａ及び図３Ｂに示すようなＡＰＡＡシステムにおいて送信及び受信をサポートする電子回路を単純にすることが可能になる。

図３Ａは、本発明の一例示の実施形態による放射信号を放射器アレイに提供するための回路の基部の一例示の説明図である。

ＰＣＴ／ＩＬ２００６／００１１４４号に詳細に説明されているように、この回路は、発振器ユニット３０５を使用する。この発振器ユニット３０５の出力は、「マニフォールド」と呼ばれる分割素子３０６〜３１２を通じて８つの分割に分かれる。これらの信号は、次に、第１レベルのＰＳＩＰＰＯ（位相シフトプッシュ−プッシュ発振器(phase shift push-push oscillator)）３２０−３２７に達する。当業者には、このレベルのＰＳＩＰＰＯで求められる位相シフトが、エレベーションに関してビームをステアリングするのに役立つことが容易に認識されよう。第１レベルのＰＳＩＰＰＯ及び第２レベルのＰＳＩＰＰＯで０度の位相シフトを適用すると、放射パターン（ビーム）が、図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃに描かれ、番号２５０、２３０、及び２６０によってそれぞれ参照されるような平坦な種類の「ファン（扇）（fan）」となることを予想することができる。この「ファン」は、アンテナ表面に垂直な自身の対称軸を有する。

第１レベルのＰＳＩＰＰＯを出た信号は、別のレベルの分割素子３３０〜３３７によって分割され、第２レベルのＰＳＩＰＰＯ３４０〜３５５に進む。この第２レベルのＰＳＩＰＰＯは、エレベーションに関してビームをステアリングすることに寄与する。図３Ａは、非常に低い周波数のマスタ発振器３０５から開始して、次に、マニフォールド３０６〜３１２の電力スプリッタ、２つのレベルのＰＳＩＰＰＯ３２０〜３２７及び３４０〜３５５、放射器の近くに配置された、図３Ｂに示すスイッチ３８０ａ〜３８０ｄ及び３８３ａ〜３８０ｄの位置に応じてアップコンバータ又はダウンコンバータとして振舞うミキサ３６１ａ〜３６１ｐまでのシステムのコンポーネントを示す。

同じシステムの振る舞いは、原理的には、図３Ｂに示す切り替えラインを有しない回路構造によって確保することができる。しかしながら、この解決法は、はるかに多くの個数のコンポーネントを要し、商業的な利益を小さくする。

一般的な場合において、１６×４の放射器アンテナによって送信及び受信を行うには、図３Ａに示すような４つの回路の使用が必要とされる。しかしながら、図３Ｂの概略図を使用すると、システムは、あまり高価ではなくなり、より効果的なものとなる。実際に、上側経路及び下側経路の２つのレベルの切り替えラインを有する図３Ｂは、０度の位相を有する信号又は１８０度移相（phased）された信号を、放射器Ａｋ、Ｂｋ、Ｃｋ、Ｄｋへ配信することができる。それは、３つのアンテナモードによって必要とされるすべての信号を供給するのに、図３Ａの１つのサブシステムのみで十分であることを意味する。

図３Ａを参照して、第２レベルのＰＳＩＰＰＯ３４０〜３５５から到来する信号は、アップコンバート（又はダウンコンバート）できるポンプ信号であり、ＩＦポートを通ってミキサに入るベースバンド信号（又は、放射器から到来してＲＦポートを通ってミキサに入るＲＦ信号）である。同じ位相を有する同じ信号が送信オペレーション及び受信オペレーションに使用されることによって、送信及び受信においてビームの同じ方向が確保される。

１６個のミキサの高周波数ポートは、図３Ｂのブロックに接続された各ポートである。ミキサのあらゆる高周波数ポートは、１≦ｋ≦１６を有する４つの放射器Ａｋ、Ｂｋ、Ｃｋ、Ｄｋのセットへ信号を配信する（又はセットから信号を受信する）。

図３Ｂは、位相シフトされた信号を４つの放射器の４つの１次元アレイに提供することを可能にする低コストの単純な回路を示す。各放射器は、４つの異なる直線アレイのうちの１つに属し、該４つの異なる直線アレイにおいて同じ位置にある。各直線アレイは１６個の要素を含む。図３Ｂに示す回路は、単一のアレイにおけるパッチの１６個の位置に対応して１６回繰り返され、ミキサ３６１ａ〜３６１ｐのそれぞれに接続される。図３Ｂは、３つの同一のスイッチ経路を含み、第１のスイッチ経路は、遅延素子３７３並びに２つのスイッチ３７２及び３７４を含む。第２のスイッチ経路は、遅延素子３７８ｂ並びに２つのスイッチ３７７ｂ及び３７９ｂを含み、第３のスイッチ経路は、遅延素子３７８ｄ並びに２つのスイッチ３７７ｄ及び３７９ｄを含む。この回路は、４つの方向性サブ回路を含み、各方向性サブ回路は、スイッチ３８０、３８３及び増幅器３８１、３８２を含む。インデックスａ〜ｄは、サブ回路をそれぞれ示す。

次に、図２Ａに戻って、第１の放射モードで動作するために、１８０度の位相シフトが、第３の１次元放射器アレイ及び第４の放射器アレイの双方に提供されるべきである一方、０度の位相シフトが、第１の１次元放射器アレイ及び第２の１次元放射器アレイの双方に提供されるべきである。これは、図３Ｂにおいて次の経路を選択することにより実施される。

放射器Ａｋは、３９０ａを通る経路を辿る信号を基準位相０度で放射する。

放射器Ｂｋは、１００１／１０００／４０１／５００を通る経路を辿る信号を基準位相０度で放射する。

放射器Ｃｋは、信号が該信号を１８０度シフトする遅延素子３７３を通って送られる限り、３９０ｃを通る経路を辿るその信号を位相１８０度で放射する。

放射器Ｄｋは、信号が該信号を１８０度シフトする遅延素子３７３を通って送られる限り、３９０ｄを通る経路を辿るその信号を位相１８０度で放射する。

１６×４個のすべての放射器への信号を同様（又は同一：ビームステアリングに応じて）に駆動するために、オペレーションが、「ｋ」個のすべてのミキサを出た信号によって実行される。ここで、１≦ｋ≦１６である。

遅延素子３７３、３７８ｂ、及び３７８ｄは、単純且つ低コストの伝送ラインであり、経路３９１ａ、３９０ａ、３９０ｂ、３９０、及び３９０ｄも、単純な伝送ラインであることに留意すべきである。第１のライングループと第２のライングループとの間の電気的な差は、１８０度である。図３Ａの複合的なサブシステムを使用する代わりに、電子スイッチ及び伝送ラインを使用することによって、システム全体のコスト及びサイズが削減される。

図４は、本発明の一例示の実施形態によるＡＰＡＡシステム４００を示す。このシステムは、４つのフェーズドアレイアンテナユニット４１０、４１５、４２０、及び４２５から成る。各フェーズドアレイアンテナユニットは、ポール４０５の異なる側面に配置されている。

本発明の一例示の実施形態では、４つのすべてのフェーズドアレイアンテナユニットが３６０度をカバーするように、４つのフェーズドアレイアンテナユニットのそれぞれは、アジマスに関して９０度よりも大きな角度をカバーする。各フェーズドアレイアンテナユニットは、図２Ａ〜図２Ｃを参照して説明したように３つの放射モードを切り替える。同時に、４つのフェーズドアレイアンテナユニットのそれぞれは、ビームのエレベーションもステアリングする。ビームを垂直にステアリングすることは、ＰＳＩＰＰＯの２つのアレイ３２０〜３２７及び３５０〜３５５（図３Ａ）によって制御される。

オプションとして、４つのすべてのフェーズドアレイユニットは、単一のフェーズドアレイ回路によって制御される。本発明の別の例示の実施形態では、４つのフェーズドアレイユニットのそれぞれ又は一部は、別個のフェーズドアレイ回路によって制御及び駆動される。

システムは、データを送信及び受信している間、フェーズドアレイアンテナユニット４１５へデータを送信するＰＣデバイス４３０、及び同じフェーズドアレイアンテナユニット４１５へ同様にデータを送信する車両制御デバイス４３５を検出することができる。図４は、フェーズドアレイアンテナユニット４１０によって受信されるデータを送信しているリピータデバイスのアンテナ４４０及び携帯電話デバイス４４５をさらに示す。システムは、３つの放射モードを切り替えていくので、各デバイス送信は、３つの放射モードのそれぞれにおいて異なる強度でインターセプトされる。本発明の一例示の実施形態では、システムは、各デバイスについて、受信信号が最大であるときに、３つのモードの中で最良の受信モードを識別し、最良の受信モードのデバイスに、送信及び受信の優先権を割り当てる。したがって、ＰＣデバイス４３０の最良の受信モードが第１の放射モードであり、車両制御デバイスの最良の受信モードが第３の放射モードであると仮定すると、システムは、第２の放射モードで送信及び受信に割り当てられる時間を削減すると共に、第１の放射モード及び第３の放射モードに割り当てられる時間を増加させることができる。本発明の一例示の実施形態では、システムは、送信デバイスによって課される帯域幅の要件にも従って、送信タイムスロット及び受信タイムスロットを割り当てる。本発明の一例示の実施形態では、システムは、送信デバイスが最良に受信された高度を考慮して、高度を変化させるためのタイムスロットを割り当てる。

本発明の一例示の実施形態では、４つのフェーズドアレイアンテナユニット４１０、４１５、４２０、及び４２５のそれぞれに別個の制御回路があり、したがって、４つのフェーズドアレイアンテナのそれぞれついての帯域幅のニーズを別個に最適化することが可能になる。

上記説明はＡＰＡＡシステムに言及したものであるが、本発明は、アクティブ通信に限定されるものではなく、例えば、ＷＩＭＡＸ、ＷＩ−ＦＩ、ＷＰＡＮを含む任意の適した通信プロトコル又は通信方法に適用可能であるだけでなく、ＨＤＴＶ（高精細ＴＶ）又はセルラ通信の標準規格及びプロトコルにも適用可能であることが当業者によって認識されよう。

上記で説明した方法及びシステムは、ステップの省略又は追加、ステップの順序及び使用されるデバイスのタイプの変更を含めて、さまざまなに変更できることが認識されるべきである。異なる特徴を異なる方法で組み合わせることができることが認識されるべきである。特に、特定の一実施形態で上記に示したすべての特徴が、本発明のあらゆる実施形態で必要であるとは限らない。上記の特徴のさらに別の組み合わせも、本発明のいくつかの実施形態の範囲内にあると考えられる。例えば、システムは、上述したように、各アンテナアレイがいくつの放射器を含んでいようと、４つの直線アンテナアレイで機能することができる。

本発明は、上記に特に図示して説明したものに限定されるものではないことが当業者によって認識されよう。それどころか、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ規定される。

Claims (22)

1. 無線通信システムであって、
   データ通信の送信用及び受信用の少なくとも１つのアクティブフェーズドアレイアンテナユニットと、
   前記少なくとも１つのフェーズドアレイアンテナユニットを駆動及び制御するためのフェーズドアレイ回路と
   を備え、前記少なくとも１つのフェーズドアレイアンテナユニットは、少なくとも４つの１次元放射器アレイを備え、該フェーズドアレイ回路は、複数の位相シフト注入同期プッシュ−プッシュ発振器（ＰＳＩＰＰＯ）を備える、無線通信システム。
2. 前記少なくとも４つの１次元放射器アレイは直線的である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記少なくとも１つのフェーズドアレイアンテナユニットは、鉛直方向に位置決めされる、請求項１に記載のシステム。
4. 前記少なくとも４つの１次元放射器アレイの放射器間の距離は等しい、請求項１に記載のシステム。
5. 前記少なくとも４つの１次元放射器アレイは直線的であり且つ前記少なくとも４つの１次元放射器アレイの放射器間の距離は等しいである、請求項１に記載のシステム。
6. 前記少なくとも４つの１次元放射器アレイの第１半分は偶数の前記１次元放射器アレイと定義され、前記少なくとも４つの１次元放射器アレイの第２半分は偶数の前記１次元放射器アレイと定義され、
   前記偶数の１次元放射器アレイは、２つの隣接した放射器間の距離の約２分の１だけ、前記奇数の１次元放射器アレイに対してシフトされ、
   前記隣接した放射器は、同じ１次元放射器アレイの最も近接した２つの放射器である、
   請求項５に記載のシステム。
7. 前記少なくとも１つのフェーズドアレイアンテナユニットは、少なくとも４つの放射器グループを備え、前記少なくとも４つの放射器グループのうちの１つは、基準グループとして定義され、前記少なくとも４つの放射器グループのうちの少なくとも２つは、前記基準グループに対するプログラミング可能な位相シフトで送信及び受信するように、前記フェーズドアレイ回路によって制御される、請求項１に記載のシステム。
8. 前記少なくとも４つの１次元放射器アレイは直線的である、請求項７に記載のシステム。
9. 前記プログラミング可能な位相シフトは、最大＋１８０度又は−１８０度までである、請求項７に記載のシステム。
10. 前記システムは、少なくとも３つの放射モードを選択的に切り替えていき、放射モードは、それぞれ異なる位相シフトで送信及び受信する放射器グループの個数に従って且つ各放射器グループに関連付けられた前記プログラミング可能な位相シフトに従って規定される、請求項７に記載のシステム。
11. 前記少なくとも３つの放射モードを前記選択的に切り替えることは、十分に広い水平角にわたって物体との通信を可能にし、前記十分に広い水平角は９０度よりも大きい角度である、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記少なくとも３つの放射モードを前記選択的に切り替えることは、前記少なくとも３つの放射モードで受信された信号レベルに依存する、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記フェーズドアレイ回路は、垂直ビーム開口で放射するように前記フェーズドアレイアンテナユニットを制御する、請求項１に記載のシステム。
14. 前記垂直ビーム開口は、プログラミング可能なパターンに従って垂直にステアリングされる、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記フェーズドアレイ回路は、２つのレベルのＰＳＩＰＰＯを含み、
    前記垂直ビーム開口は、前記２つのレベルのＰＳＩＰＰＯに制御信号を提供することによってプログラミング可能なパターンに従い垂直にステアリングされる、
    請求項１４に記載のシステム。
16. 前記通信システムは、屋外の通信に使用される、請求項１に記載のシステム。
17. 前記通信システムは、屋内の通信に使用される、請求項１に記載のシステム。
18. 電子放射の送信用及び受信用の前記少なくとも１つのフェーズドアレイアンテナユニット、並びに前記フェーズドアレイ回路は、ＷＩＭＡＸ又はＷＩＦＩ又はＷＰＡＮ又はＨＤＴＶ又はセルラ通信に準拠したデータ信号を送信又は受信するようになっている、請求項１に記載のシステム。
19. 前記システムは、実質的に長方形の構造に位置決めされた４つのフェーズドアレイアンテナを備えて、該アンテナを取り囲むエリアの３６０度をカバーする、請求項１に記載のシステム。
20. フェーズドアレイ通信方法であって、
    ａ．放射の送信用及び受信用の少なくとも１つのフェーズドアレイアンテナユニットを設けるステップであって、該少なくとも１つのフェーズドアレイアレイアンテナユニットは、少なくとも４つの１次元放射器アレイを備え、前記フェーズドアレイアンテナユニットは、複数の位相シフト注入同期プッシュ−プッシュ発振器（ＰＳＩＰＰＯ）を備える、設けるステップと、
    ｂ．前記少なくとも１つのフェーズドアレイアンテナユニットを駆動及び制御するためのフェーズドアレイ回路を設けるステップと、
    ｃ．前記少なくとも１つのフェーズドアレイアンテナユニットを使用して電磁放射を送信又は受信するステップであって、該電磁放射を送信又は受信することは、放射モードを選択的に切り替えることによって実行され、前記放射モードは、任意の時点において各放射器に関連付けられた位相シフトによって規定される、送信又は受信するステップと、
    を含む、フェーズドアレイ通信方法。
21. フェーズドアレイアンテナ無線通信システムを駆動するための回路であって、
    ａ．基準信号を提供するための発振器回路と、
    ｂ．フェーズドアレイアンテナフレームによって生成されるビームをステアリングするための少なくとも２つのレベルの位相シフト同期注入プッシュ−プッシュ発振器と、
    ｃ．前記フェーズドアレイアンテナによって送信される信号をアップコンバートするためのアップコンバータ及び前記フェーズドアレイアンテナによって受信される信号をダウンコンバートするためのダウンコンバータと、
    ｄ．前記アップコンバータ又は前記ダウンコンバータに提供される基準信号に位相シフトを選択的に提供するための伝送ラインと、
    を備える、回路。
22. 前記少なくとも２つのレベルの位相シフト同期注入プッシュ−プッシュ発振器のうちの少なくとも１つは、前記フェーズドアレイアンテナフレームによって生成されるビームを水平にステアリングするのに使用され、前記少なくとも２つのレベルの位相シフト同期注入プッシュ−プッシュ発振器のうちの少なくとも１つは、前記フェーズドアレイアンテナフレームによって生成されるビームを垂直にステアリングするのに使用される、請求項２１に記載の回路。

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