JP6127067B2 - 二次元マルチビームフォーマ、そのようなマルチビームフォーマを備えるアンテナおよびそのようなアンテナを備える衛星通信システム - Google Patents

Description

本発明は、二次元マルチビームフォーマ、そのようなマルチビームフォーマを備えるアンテナおよびそのようなアンテナを備える衛星通信システムに関する。本発明は、特に、衛星通信の分野に適用される。

衛星通信の分野では、開口角が例えば０．２°未満の非常に多数の微細なビームを有し、ビームのオーバーラップ率が良い、広大な地域（例えば、ヨーロッパなど）を対象とすることを可能にするビーム形成アンテナの使用が必要とされる。

ビーム形成アンテナの第１のアーキテクチャは、焦点面アレイを備える反射鏡アンテナと呼ばれ、例えば放物曲面をした反射器と結合された照射源アレイの使用にあり、照射源アレイは、焦点面アレイと呼ばれ、反射器の焦点に位置する焦点面に配置される。受信の際、反射器は、受信された入射平面波を反射し、それを反射器の焦点面において焦点面アレイに集束させる。反射器における入射平面波の到来方向に応じて、反射器によるその集束は、焦点面の様々なポイントで行われる。したがって、反射器は、受信した入射信号のエネルギーを焦点面アレイの低減ゾーンに集中させることを可能にし、このゾーンは、入射信号の到来方向に依存する。したがって、特定の方向に対応するビームの合成は、焦点面アレイの事前選択された照射源の低減数に基づいて行うことができ、通常、例えば、ほぼ２００個程度の照射源を備える焦点面アレイに対してほぼ７つ程度の照射源である。ビームの合成に対して選択される照射源は、ビームごとに異なり、反射器における入射信号の到来方向に応じて選択される。ビームの合成に対し、ビームフォーマは、このビーム専用に選択された照射源に集束されるすべての信号を結合する。１本のビーム専用の照射源の数は少数であり、このタイプのアンテナは、ビームの数をかなり増加する場合でさえ（例えば、４００本のビーム）、その生産に対して何ら大きな問題を提起しない、複雑性が低減されたビームフォーマを用いて動作するという利点を呈する。しかし、例えば、この照射源の出力側に配置された信号増幅器の故障に続く照射源の損失の場合、対応するビームは大幅に減少されることになる。したがって、照射源の損失を回避するため、各照射源の出力側に配置される増幅器および対応するすべての電子制御経路の数を２倍にすることが必要とされる。これにより、アンテナの複雑性および嵩が増加する。

ビーム形成アンテナの第２のアーキテクチャは、フェーズドアレイアンテナと呼ばれ、すべての照射源がビームの各々の合成に関与する直接放射の放射源アレイの使用にあり、各ビームの合成は、放射源アレイの出力側で位相シフトマトリクスを適用することによって、ビームフォーマによって行われ、その結果、放射源アレイの各放射方向に対して互いに照射源の放射遅延が補償される。結果的に、すべてのビームが照射源一式によって形成され、各照射源に適用される遅延法則のみがビームごとに変化する。このアーキテクチャは、照射源の損失の場合にはアンテナの感度をより低くするという利点を呈し、２倍の増幅経路の数の低減を可能にするが、生産が非常に複雑であるか、または、合成すべきビームの数が非常に多い場合には、現時点では生産が実際には不可能であるというビームフォーマの欠点を呈する。実際には、例えば、３００個の放射源のアレイを用いて１本のビームを合成するには、ビームフォーマは、各照射源の出力側で３００個のＲＦ信号を結合しなければならない。３００個の放射源のアレイを用いて１００本のビームを合成するには、この結合を１００回行わなければならない。したがって、対応する位相シフトマトリクスは、非常に膨大なものであり、ＲＦ回路では生成できない。結果的に、このタイプのアンテナは、現時点では、例えば６本のビームおよび６４個の照射源など、限られた数のビームおよび照射源に対してのみ存在する。

デジタルビーム形成を使用することによって、多数のビームの合成を行うことや、多数のスポットを得ることが可能である。それに従って、ＲＦ信号は、デジタルビームフォーマへの入力として印加される前に、各照射源レベルでデジタル信号に変換される。しかし、この解決策は、各照射源レベルで、周波数変調デバイスおよびアナログ／デジタル変換器を組み込むことを必要とし、それにより、アンテナの複雑性、質量、体積および消費電力が増加し、マルチメディア通信の分野における使用は是認されない。

マルチビーム形成アンテナの第３のアーキテクチャは、小型の照射源を備え、１つまたは複数の反射器を備える光学系によって拡大されるフェーズドアレイの使用にある。このアーキテクチャは、焦点面アレイが全体的に直接放射フェーズドアレイと同じ特性を保持するため、撮像アレイアンテナと呼ぶことができ、スポットの統合は、ほぼ照射源全体によって行われる。

撮像アレイアンテナの第１の構成は、同じ焦点を有する２つの放物面反射器（主反射器と副反射器）と、フェーズドアレイとを備える。主放物面反射器は大型のものであり、副放物面反射器は小型のものであり、副反射器の前方に配置されたフェーズドアレイは、サイズが低減された照射源を備える。このアンテナの動きは、直接放射フェーズドアレイアンテナの動きと同様であるが、２つの反射器の直径の比率によって定義される拡大比率で、直接放射フェーズドアレイアンテナに対するアンテナの放射開口部のサイズを増加するという利点を呈し、それにより、フェーズドアレイの照射源のサイズ、ひいてはビームのサイズの低減が可能になる。その主な欠点は、直接放射フェーズドアレイアンテナの場合のように照射源一式がビーム一式の寄与に関与するため、フェーズドアレイと結合されたビームフォーマの複雑性に存在する。

撮像アレイアンテナの第２の構成は、単一の放物面反射器と、反射器の前方に配置された焦点を外したフェーズドアレイとを備える。この構成は、直接放射フェーズドアレイアンテナに対するアンテナの放射開口部の拡大比率を呈し、その比率は、放物面反射器の焦点距離とアレイの焦点が外されている距離との比率に等しい。この構成では、照射源の大部分が同一の方法でビーム一式の寄与に関与するが、フェーズドアレイの動作は、直接放射フェーズドアレイの動作と多少異なるか、または、第１の撮像アレイアンテナ構成と結合されたフェーズドアレイの動作と多少異なる。平面波を放射するこれらの２つのタイプのフェーズドアレイとは異なり、単一の反射器を備える撮像アレイアンテナ構成と結合された焦点を外したアレイは、球面波を放射し、球面波は、主反射器によって平面波に変換される。

２つの撮像アレイアンテナ構成は、２つの主な欠点を呈する。１つまたは複数の反射器の焦点からのフェーズドアレイのリモート性のため、２つの撮像アレイアンテナ構成は、収差を誘発する。実際には、主反射器と結合された放射開口部にわたる位相分布は、空間的な位相歪みによる影響を受け、これは、信号ビームのスクイント時に一層重要である。これらの位相歪みは、放射ビームの劣化で表され、フェーズドアレイに対する供給法則を変更することによって補償しなければならない。また、２つの撮像アレイアンテナ構成は、ビームのスクイントに応じての放射開口部のサイズの変動に起因し、フェーズドアレイによって放射されたビームの遮断表面積がスクイント角に応じて変化するという事実に基づく第２の欠点も呈する。同一のサイズの放射開口部を得るには、スクイント角に応じてフェーズドアレイのサイズを調整することが必要とされる。

これらの様々な欠点を理由に、直接放射フェーズドアレイ用に開発された直交ビームフォーマは、撮像アレイアンテナに使用される場合は最適ではない。ビームフォーマは、アンテナの光学系、すなわち、１つまたは複数の反射器と関連付けて設計されなければならなく、これは、ビームフォーマがアンテナ反射器とは無関係に設計される既存のビームフォーマでは不可能である。

ビーム形成アンテナの第４のアーキテクチャは、準光学ビームフォーマを備え、準光学ビームフォーマでは、入力ポートセットによって放射された信号は、出力ポートに向けて２つの平行金属板間を誘導される。放射された信号の伝播は、信号を反射して信号を出力ポートに集束させる反射器壁によって中断される。

準光学ビームフォーマの２つの異なる構成が存在する。第１の構成によれば、入力および出力ポートは、２つの平行板間で定義される全く同一の伝播媒質に位置し、伝播媒質は、誘電体を備え得る。この場合、入力および出力ポートは、２つの異なる直交軸に沿って分配され、反射器壁は、入力ポートから１つまたはいくつかの出力ポートまで信号全体を送信できるようにオフセットの角度で照らされる。

ピルボックス構造と呼ばれる第２の構成によれば、入力および出力ポートは、２つの異なる重畳伝播媒質に位置し、各伝播媒質は、２つの平行金属板間で定義される。２つの伝播媒質を構成する２つの基板層は、層の平面に対して横方向に延在する内部反射器壁によって結合される。第１の基板層（例えば、下層）は、内部反射器の焦点に配置される少なくとも１つのＲＦのエネルギー源を備える。出力ポートは、第２の基板層に位置する。２つの基板層間の波の遷移を改善するため、仏国特許第２９４４１５３号明細書は、内部反射器に沿って延在する結合スロットの作成について説明している。

これらの２つの構成では、放射の際、内部反射器の焦点に配置されたエネルギー源は、トリプレート伝播媒質において誘導される円筒状の入射波を放射する。円筒状の入射波は、内部反射器によって反射され、平面波に変換される。その後、反射された平面波は、導波路によって放射スロットアレイまで搬送される。次いで、エネルギーは、放射スロットによってビームの形で放射される。アンテナによって放射されるビームの形成は、１つの基板層または２つの基板層における簡単な波の誘導によって自然な方法で、内部反射器および場合により結合スロットからなる準光学遷移手段によって、行われる。反射器の焦点の平面における照射源の変位は、所定の伝播方向に対応する波面を発生させる。アンテナの平面に直角な平面における、ある仰角でのビームの走査およびスクイントは、様々な照射源を切り替えることによって得られる。しかし、照射源が全く同一の平面に位置する場合、空間内のすべての方向へのビームのスクイントを行うことはできず、単一の平面のみにおける、方位角に依存しないビーム形成が可能である。

仏国特許発明第２９４４１５３号明細書

本発明の第１の目的は、既存のビームフォーマの欠点を含まない、実装が簡単な、広範の角度領域においてビームのオーバーラップ率が良い多数の微細なビームの形成を可能にし、空間内のすべての方向におけるビームのスクイントの保証を可能にするマルチビームフォーマを生産することである。

本発明の第２の目的は、アンテナの反射器と関連付けて設計および寸法調整を行うことができるビームフォーマを生産することである。

本発明の第３の目的は、マルチビーム形成アンテナを生産することであり、具体的には、そのようなマルチビームフォーマを備え、位相収差が大幅に低減された撮像アレイアンテナを生産することである。

本発明は、空間内の第１の方向Ｘに沿って集束されるビームを合成することが意図される第１のビーム形成ステージと、空間内の第２の方向Ｙに沿って第１のステージによって形成されたビームを集束することが意図される第２のビーム形成ステージとを備える二次元マルチビームフォーマであって、２つのステージは互いに接続される、二次元マルチビームフォーマに関する。各ステージは、上下に重畳させた少なくとも２つの複数層平面構造を備える。第１および第２のステージの各複数層構造は、複数層構造の平面に横方向に延在する内部反射器と、内部反射器の前方に配置され、それぞれが、複数層構造の第１の軸に沿って位置合わせされる２つの第１の入力／出力ポートに連結された少なくとも２つの第１の内部照射源と、内部反射器の焦点面に配置され、それぞれが、第１の軸に直角な複数層構造の第２の軸に沿って位置合わせされる２つの第２の入力／出力ポートに連結された少なくとも２つの第２の内部照射源とを備える。第１のビーム形成ステージの同じ複数層構造の２つの第２の内部照射源はそれぞれ、第２の内部照射源および第１の内部照射源がそれぞれ接続される連結ポートと呼ばれる入力／出力ポートを通じて、第２のビーム形成ステージの２つの異なる複数層構造の２つの第１の内部照射源に連結される。

有利には、第１のビーム形成ステージは、上下に重畳させたＮｙ個の平面複数層構造を備え、第１のステージの各複数層構造は、対応する複数層構造の内部反射器の前方に配置され、軸Ｖに平行に位置合わせされたＮｘ個の入力／出力ポートに接続されたＮｘ個の第１の内部照射源と、対応する内部反射器の焦点面に配置され、軸Ｖに直角な軸Ｕに平行に位置合わせされたＭｘ個の連結ポートに接続されたＭｘ個の第２の照射源とを備える。その上、第２のビーム形成ステージは、上下に重畳させたＭｘ個の平面複数層構造を備え、第２のビーム形成ステージの各複数層構造は、対応する複数層構造の内部反射器の前方に配置され、軸Ｖ’に平行に位置合わせされたＮｙ個の連結ポートに接続されたＮｙ個の第１の内部照射源と、対応する内部反射器（１６）の焦点面に配置され、軸Ｖ’に直角な軸Ｕ’に平行に位置合わせされたＭｙ個の入力／出力ポートに接続されたＭｙ個の第２の照射源とを備える。第１のステージのＮｙ個の複数層構造は、第２のステージのＭｘ個の複数層構造のＭｘ×Ｎｙ個の対応する連結ポートにそれぞれ接続されたＮｙ×Ｍｘ個の連結ポートを備え、Ｎｘ、Ｎｙ、Ｍｘ、Ｍｙは、１より大きい整数であり、第１のビーム形成ステージの全く同一の複数層構造の連結ポートはそれぞれ、第２のビーム形成ステージの異なる複数層構造に接続される。

有利には、第１のビーム形成ステージのＮｋ番目の複数層構造の各連結ポートは、第２のビーム形成ステージの対応する複数層構造のうちの１つのＮｋ番目の連結ポートに接続され、Ｎｋは、１〜Ｎｙの整数（両整数を含む）である。

本発明の複数層構造の第１の実施形態によれば、各複数層構造は、上側の金属面と、下側の金属面と、上側の金属面と下側の金属面との間に挿入された単一の基板層とを備え、内部反射器は、下側の金属面から上側の金属面までの基板層において横方向に延在し、各複数層構造の第１の内部照射源および第２の内部照射源は、基板層に配置され、それぞれが、第１および第２の入力／出力ポートに連結され、第１および第２の入力／出力ポートは、基板層の平面の２つの直交方向に配置される。

本発明の複数層構造の第２の実施形態によれば、各複数層構造の第１の内部照射源は、上側の金属面と中間の金属面との間に挿入された第１の基板層に配置され、第２の照射源は、中間の金属面と下側の金属面との間に挿入された第２の基板層に配置される。第１および第２の基板層は、内部反射器によって結合され、内部反射器は、下側の金属面から上側の金属面まで、内部反射器に沿って延在する開口部または結合スロットを通じて延在し、中間の金属面において２つの基板層が分離される。各複数層構造は、第２の基板層に配置された第１の導波路をさらに備え、各々の第１の導波路は、複数層構造の長手軸に沿って延在し、第２の内部照射源に接続された第１の誘導部と、長手軸に直角に延在し、第２の入力／出力ポートに連結された第２の屈曲誘導部とを備える。

本発明のマルチビームフォーマの一実施形態によれば、第２のビーム形成ステージは、Ｍｘ個の第１の複数層構造と、少なくともＭｘ個の第２の複数層構造とを備え、第１のビーム形成ステージのＮｋ番目の複数層構造の各連結ポートは、第２のビーム形成ステージの対応する第１の複数層構造のうちの１つのＮｋ番目の連結ポートと、第２のビーム形成ステージの第２の複数層構造のうちの１つのＮｋ番目の連結ポートとに接続され、Ｎｋは、１〜Ｎｙの整数（両整数を含む）である。

本発明のマルチビームフォーマの別の実施形態によれば、第２のビーム形成ステージのＭｘ個の第２の複数層構造は、第２のビーム形成ステージのＭｘ個の第１の複数層構造の第１の内部照射源に対して線形にシフトされた第１の内部照射源を備え、線形シフトは、２つの第１の連続内部照射源の中心間の距離未満である全く同一の距離Ｔの、すべての第１の内部照射源の移動に相当する。

あるいは、第２のビーム形成ステージのＭｘ個の第２の複数層構造は、第２のビーム形成ステージのＭｘ個の第１の複数層構造の内部反射器に対して向きをシフトさせた内部反射器を備える。

本発明のマルチビームフォーマの別の実施形態によれば、第１のビーム形成ステージは、Ｎｙ個の第１およびＮｙ個の第２の複数層構造を備え、Ｎｙ個の第２の複数層構造の第１の内部照射源は、Ｎｙ個の第１の複数層構造の第１の内部照射源に連結され、第１のビーム形成ステージのＮｙ個の第２の複数層構造は、第１のビーム形成ステージのＮｙ個の第１の複数層構造の第１の内部照射源に対して線形にシフトされた第１の内部照射源を備える。

あるいは、第１のビーム形成ステージは、Ｎｙ個の第１およびＮｙ個の第２の複数層構造を備え、Ｎｙ個の第２の複数層構造の第１の内部照射源は、Ｎｙ個の第１の複数層構造の第１の内部照射源に連結され、第１のビーム形成ステージのＮｙ個の第２の複数層構造は、第１のビーム形成ステージのＮｙ個の第１の複数層構造の内部反射器に対して向きをシフトさせた内部反射器を備える。

場合により、各複数層構造の単一の基板層または第１および第２の基板層は、誘電材料を備える。

有利には、誘電材料は、内部反射器と第１の内部照射源および第２の内部照射源との間に配置された誘電体レンズであり、誘電体レンズは、凸状表面を有し、空孔の包有物を含み、空孔の包有物は、内部反射器から第１の内部照射源および第２の内部照射源へと進むにつれて徐々に増加する密度を有する。

場合により、各複数層構造の単一の基板層または第１および第２の基板層は、第１の誘電体誘電率を有する第１の誘電材料をさらに備え、第１の誘電材料は、第１の誘電体誘電率より低い第２の誘電体誘電率を有する第２の誘電材料の包有物を含み、包有物は、内部反射器から第１の内部照射源および第２の内部照射源へと進むにつれて増加する密度を有する。

有利には、各複数層構造の第１の基板層および第２の基板層は、内部反射器を変形するための変形手段を備える。

また、本発明は、少なくとも１つのそのような二次元マルチビームフォーマと、多数の基本放射素子からなるフェーズドアレイとを備えるマルチビームアンテナであって、各基本放射素子は、ＲＦ信号放射用の経路および受信用の経路を通じて第１のビーム形成ステージの対応する入力／出力ポートに連結される、マルチビームアンテナに関する。

一実施形態によれば、アンテナは、少なくとも１つの主反射器をさらに備え、二次元マルチビームフォーマに接続されたフェーズドアレイは、主反射器の前方の焦点を外した平面に配置される。

別の実施形態によれば、アンテナは、少なくとも１つの主反射器と、補助反射器とをさらに備え、主反射器および補助反射器は、異なるサイズを有し、同じ焦点距離Ｆを有し、二次元マルチビームフォーマに接続されたフェーズドアレイは、補助反射器の前方に配置される。

有利には、ＲＦ信号放射用および受信用の各経路は、動的位相シフタを備える。

また、本発明は、そのようなアンテナを備える衛星通信システムに関する。

本発明の他の特定の特徴および利点は、添付の概略図面を参照して、単なる例示および非限定的な例として提供される後続の説明において明らかになるであろう。

本発明による、例示的な二次元マルチビームフォーマＢＦＮの斜視図である。 本発明による、図１ａのマルチビームフォーマとフェーズドアレイとの接続の一例の図である。 本発明による、ＢＦＮ部分の第１の例示的な複数層構造の分解斜視図である。 本発明による、ＢＦＮ部分の第２の例示的な複数層構造の分解斜視図である。 本発明による、ＢＦＮ部分の第１の例示的な複数層構造の変形形態の分解斜視図である。 本発明による、ＢＦＮ部分の第２の例示的な複数層構造の変形形態の分解斜視図である。 本発明の変形形態による、空孔の包有物を含む誘電体の一例の上部概略図である。 その後面上に変形手段を備える反射器の部分概略図の一例である。 ２つのビーム形成ステージのＢＦＮ部分間の接続を示す図である。 ２つのビーム形成ステージのＢＦＮ部分間の接続を示す図である。 本発明による、空間内の第１の方向におけるスポット間のオーバーラップ率の向上を可能にする第２の例示的な二次元マルチビームフォーマを示す図である。 本発明による、空間内の第１の方向におけるスポット間のオーバーラップ率の向上を可能にする第２の例示的な二次元マルチビームフォーマを示す図である。 本発明による、空間内の第１の方向におけるスポット間のオーバーラップ率の向上を可能にする第２の例示的な二次元マルチビームフォーマを示す図である。 本発明による、空間内の第２の方向におけるスポット間のオーバーラップ率の向上を可能にする第３の例示的な二次元マルチビームフォーマの図である。 本発明による、空間内の第１および第２の方向におけるスポット間のオーバーラップ率の向上を可能にする第４の例示的な二次元マルチビームフォーマの図である。 六角形格子の場合のスポットのオーバーラップを示す一例である。 本発明による、マルチビームフォーマを備える第１の例示的な撮像アレイアンテナの動作を示す図である。 本発明による、マルチビームフォーマを備える第２の例示的な撮像アレイアンテナの動作を示す図である。 本発明による、マルチビームフォーマを備える第２の例示的な撮像アレイアンテナの動作を示す図である。 本発明による、マルチビームフォーマに接続され、動的位相シフタを備える放射および受信経路の一例を示す図である。 本発明による、二次元マルチビームフォーマを備える撮像アレイアンテナの第２の例示的な実施形態の図である。

図１ａおよび１ｂで表される本発明の例示的な実施形態によれば、二次元マルチビームフォーマ（またはビーム形成ネットワーク）は、放射に際して、空間内の第１の次元において（例えば、軸Ｘに平行に）集束させる信号ビームを形成することができる第１のビーム形成ステージと、第１のビーム形成ステージに接続された第２のビーム形成ステージとを備え、第２のビーム形成ステージは、放射に際して、空間内の第２の次元において（例えば、軸Ｙに平行に）、第１のビーム形成ステージによって形成されたビームを集束させることができる。図１ｂで表されるように、軸ＸおよびＹは、フェーズドアレイ４１の放射素子３０に結合し、フェーズドアレイ４１は、マルチビームフォーマを連結することが意図され、直交しなくともよい。これらの軸ＸおよびＹの向きは、図１ｂで部分的に表されるように、フェーズドアレイの放射素子と、これらの放射素子３０を連結することが意図されるマルチビームフォーマの入力／出力ポート２７との間の接続に依存する。図１ｂで表される例示的な実施形態では、フェーズドアレイは長方形の形状のメッシュを含むが、本発明は、このメッシュ形状に限定されず、例えば、六角形または正方形の形状のメッシュを有するフェーズドアレイにも適用することができる。

２つのビーム形成ステージは、対で接続される対応するポート２５、２６（後続の説明では連結ポートと呼ばれる）を備える。各ビーム形成ステージは、ＢＦＮ部分と呼ばれるビームを形成するための少なくとも２つの平面構造（Ｐ１１〜Ｐ１ＮＹおよびＰ２１〜Ｐ２Ｍｘ）を備え、ＮｙおよびＭｘは、１より大きい整数であり、ＢＦＮ部分は、平面構造の平面Ｕ、Ｖに直角な軸（それぞれ、Ｕ’、Ｖ’）に沿って上下に平行に積層される。第１のビーム形成ステージの各ＢＦＮ部分Ｐ１Ｎｋ（Ｎｋは、１〜Ｎｙの整数（両整数を含む）である）は、Ｎｘ個の入力／出力ポート２７（Ｎｘは、１より大きい整数である）を備え、Ｎｘ個の入力／出力ポート２７は、地上カバレッジの様々なゾーンに向けた、マルチビームフォーマによって合成された信号ビームの放射のため、および、地上カバレッジの様々なゾーンから生じる信号ビームの受信のための放射および受信経路によって、マルチビームアンテナのフェーズドアレイ４１のＮｘ個の放射素子３０に接続することが意図される。第２のビーム形成ステージの各ＢＦＮ部分Ｐ２Ｍｉ（Ｍｉは、１〜Ｍｘの整数（両整数を含む）である）は、Ｍｙ個の入力／出力ポート２８（Ｍｙは、１より大きい整数である）を備え、Ｍｙ個の入力／出力ポート２８は、放射に際して、ＲＦ信号フィードに接続されること、および、受信に際して、マルチビームフォーマによって分離された信号を受信することが意図される。したがって、二次元マルチビームフォーマは、アンテナのＮｘ×Ｎｙ個の放射素子に接続することが意図されるＮｘ×Ｎｙ個の入力／出力ポート２７と、ＲＦ信号フィードに連結することが意図され、Ｍｘ×Ｍｙ個の地上スポットの形成を可能にするＭｘ×Ｍｙ個の入力／出力ポート２８とを備える。金属導波路技術を用いて生産される実施形態の場合、入力／出力ポート２７、２８は導波路入口であり、集積回路技術を用いて生産される実施形態の場合、入力／出力ポート２７、２８はコネクタである。マルチビームフォーマの第１のステージＰ１１〜Ｐ１ＮｙのＮｙ個のＢＦＮ部分および第２のステージＰ２１〜Ｐ２ＭｘのＭｘ個のＢＦＮ部分は、同一の構造を有し、同じ方法で動作するが、異なる数の入力／出力ポート２７、２８ひいては異なる数の放射／受信チャネルを有することができる。

図１ａおよび１ｂで表される実施形態では、２つのビーム形成ステージは２つの相互に直角な平面ＵＶ、Ｕ’Ｖ’に配置されるが、これは、必ずしも必要ではない。放射に際してビームフォーマによって合成された信号ビームを空間内の二次元Ｘ、Ｙにおいて集束するため、他方では、第１のビーム形成ステージの全く同一のＮｋ番目のＢＦＮ部分Ｐ１Ｎｋの各連結ポート２５を、第２のビーム形成ステージの様々なＢＦＮ部分Ｐ２１〜Ｐ２Ｍｘのうちの１つの対応するＮｋ番目の連結ポート２６に接続することが必要とされる。

図２ａは、本発明の第１の実施形態による、例示的なＢＦＮ部分の分解斜視図を表す。この例では、ＢＦＮ部分は、複数層平面構造を備え、複数層平面構造は、２つの平行金属面（それぞれ、下側の金属面１４および上側の金属面１０）と、２つの金属面（下側の金属面１４および上側の金属面１０）間に挿入された基板層９とを備える。ＢＦＮ部分の２つの金属面および基板層は、平面ＵＶに平行である。こうして構築された複数層構造は、いわゆるトリプレート構成で伝播媒質を形成する。ＢＦＮ部分の高さは、平面ＵＶに直交する軸Ｗに沿って配置される。基板層９は、軸ＶおよびＵに沿って直交して配置される、ＢＦＮ部分が放射に際して使用されるかまたは受信に際して使用されるかによる、２つの入力／出力ポート２７、２５のアレイを備える。図２ａの例では、２つの入力／出力ポートのアレイはそれぞれ、方向Ｖに沿って位置合わせされた４つの入力／出力ポート２７および方向Ｕに沿って位置合わせされた２つの入力／出力ポート２５を備える。入力／出力ポート２５、２７は、基板層９に横方向に配置された内部反射器１６を通じて結合され、内部反射器１６は、下側の金属面１４から上側の金属面１０まで延在する。各入力／出力ポート２７、２５は、内部照射源１５、１８に連結される導波路２０、１９にそれぞれ接続される。導波路２０、１９は、互いに隣り合わせで平行にまたは離間して延在することができ、長方形断面または湾曲プロファイルを有することができる。内部照射源１５、１８は、マルチビームアンテナの性能を最適化するため、互いに隣り合わせで位置合わせすることも、湾曲輪郭に沿って配置することもできる。

図２ｂは、本発明の第２の実施形態による、例示的なＢＦＮ部分の分解斜視図を表す。この例では、ＢＦＮ部分は、ピルボックスタイプの複数層平面構造を有する。複数層平面構造は、３つの平行金属面（それぞれ、下側の金属面１４、中間の金属面１２および上側の金属面１０）と、第１の基板層１１および第２の基板層１３とを備え、各基板層１１、１３はそれぞれ、２つの連続平行金属面間に挿入され、中間の金属面１２は、２つの基板層１１、１３を分離する。ＢＦＮ部分の様々な層の平面は、平面ＵＶに平行である。こうして構築された複数層構造は、いわゆるトリプレート構成で２つの伝播媒質を形成し、各トリプレート伝播媒質は、２つの金属面間に配置された基板層を備える。ＢＦＮ部分の高さは、平面ＵＶに直交する軸Ｗに沿って配置される。２つの基板層１１、１３は、ＢＦＮ部分の２つの基板層１１、１３に横方向に配置された内部反射器１６によって結合され、内部反射器１６は、下側の金属面１４から上側の金属面１０まで、内部反射器１６に沿って延在する開口部またはいくつかの結合スロット１７を通じて延在し、中間の金属面１２において２つの基板層１１、１３が分離される。

複数層構造は、軸ＶおよびＵに沿って直交して配置される、ＢＦＮ部分が放射に際して使用されるかまたは受信に際して使用されるかによる、２つの入力／出力ポートのアレイを備える。図２ｂの例では、２つの入力／出力ポートのアレイはそれぞれ、方向Ｖに沿って位置合わせされた４つの入力／出力ポート２７および方向Ｕに沿って位置合わせされた２つの入力／出力ポート２５を備える。各入力／出力ポート２７、２５は、内部照射源１５、１８に連結される導波路２０、１９に接続される。第２の基板層１３の導波路１９は、好ましくは、入力／出力照射源１８と直交軸に沿って配置された入力／出力ポート２５とを連結するため、９０°に屈曲させる。

各ＢＦＮ部分は、放射の際または受信の際に動作することができる。受信の際、入力／出力ポート２７は、入射ＲＦ信号を受信し、それをＢＦＮ部分の第１のトリプレート伝播媒質で再度放射し、第１のトリプレート伝播媒質は、すべての第１の内部照射源１５によって再度放射された信号を結合することが意図される。内部反射器１６は、結合信号を反射し、その焦点面において、入射信号の到来方向に応じてＢＦＮ部分の第２の内部照射源１８のうちの１つにそれを集束する。

放射に際しては、励起信号は、ＢＦＮ部分の第２の内部照射源１８のうちの１つに印加され、次いで、内部反射器１６で反射される。内部反射器１６によって反射された信号のエネルギーは、トリプレート伝播媒質で伝播し、次いで、ＢＦＮ部分のすべての第１の内部照射源１５にわたって分配される。第１の内部照射源１５は、信号ビームの形で、第１の内部照射源１５がそれぞれ連結される第１の入力／出力ポート２７にこのエネルギーを伝達する。

第１の内部照射源１５に連結された入力／出力ポート２７は、方向Ｖに平行な全く同一の線上に配置されるため、ＢＦＮ部分の各々の第１の入力／出力ポート２７上で放射された信号ビームは、空間内の単一の次元に沿って（例えば、方向Ｙに平行に）集束され、スポットと呼ばれる地上カバレッジゾーンの線を形成する。地上に形成されたスポットの数は、ＢＦＮ部分の内部反射器１６の焦点面に配置された入力／出力ポート２５の数に等しい。

図２ｂでは、第１の基板層１１の４つの入力／出力ポート２７および第２の基板層１３の２つの入力／出力ポート２５が表され、それにより、２つの異なる指向方向および２つの地上スポットの形成に対応する２つの異なるビームの構築が可能になる。

全く同一のＢＦＮ部分の第１の内部照射源１５に連結された入力／出力ポート２７は、全く同一の線に沿って配置されるため、ＢＦＮ部分によって地上に形成されたスポットが、位置合わせされる。

ＢＦＮ部分の基板層９または第１および第２の基板層１１、１３は、誘電体を備え得る。この場合、ＢＦＮ部分は、ＰＣＢプリント基板技術を使用して生産することができる。ＳＩＷ（集積基板導波路）という名称または積層導波路という名称で知られるこの技術によれば、内部反射器１６、第１の内部照射源１５（および適切な場合は、第２の内部照射源１８）の横断壁、および、導波路１９、２０の横断壁は、１つまたは複数の基板層９、１１、１３を通過して、上側の金属板１０と下側の金属板１４、上側の金属板１０と中間の金属板１２、および／または、中間の金属板１２と下側の金属板１４をそれぞれ連結する金属化孔の規則的配列として生産される。トリプレート誘電体伝播媒質の使用により、低減された嵩の非常にコンパクトなマルチビームフォーマを得ることが可能になる。次いで、内部ＲＦ照射源の入力／出力ポートの励起は、遷移を通じて生み出される。しかし、この技術は、伝播損失を誘発し、伝播損失は、ＢＦＮ部分の第１の内部照射源１５の上流に配置された増幅器によって補償しなければならない。

本発明の特に有利な変形形態によれば、ＢＦＮ部分の基板層９または第１および第２の基板層１１、１３は、誘電体誘電率勾配を有する誘電体媒質を備え得、誘電体誘電率は、内部反射器１６から第１の内部照射源および第２の内部照射源１５、１８へと進むにつれて徐々に減少する。非限定的な例として、図２ｃで表されるように、誘電体誘電率勾配は、誘電材料を使用することによって得ることができ、誘電材料は、第１の誘電体誘電率ε_１を有し、第１の誘電体誘電率ε_１より低い第２の誘電体誘電率ε_２を有する異なる誘電材料の包有物２２を含む。ＢＦＮ部分で伝播することが意図される信号の伝播を妨げないため、包有物２２は、前記信号の波長より短い寸法ｂを有さなければならず、２つの連続した包有物を分離する距離ｄは、前記信号の波長より短いものでなければならない。包有物の密度は、ＢＦＮ部分の反射器１６から第１の内部照射源および第２の内部照射源１５、１８へと進むにつれて増加し、その結果、誘電体誘電率は、第１の内部照射源および第２の内部照射源１５、１８に近づくと連続的に減少する。

ＢＦＮ部分がＳＩＷ技術を使用して具体化される場合、誘電体誘電率勾配は、例えば、誘電体媒質において作成された空孔の包有物２２によって得ることができる。この場合、空孔は、金属化されず、上側の金属板１０を通り抜けて現れる穿孔として具体化することができ、空孔の密度は、ＢＦＮ部分の反射器１６から第１の内部照射源および第２の内部照射源１５、１８へと進むにつれて増加し、その結果、内部照射源の近くでは誘電体誘電率が減少する。この場合、上側の金属板１０の金属蒸着は、空孔の穿孔によって局部的に破壊されるため、伝播媒質の密着性を取り戻すために、上側の金属板１０の上方への追加の誘電体層の蒸着や、追加の誘電体層の上方への追加の金属層の蒸着を行うことが必要とされる。

有利には、誘電体誘電率勾配は、例えば、凸状表面を有する誘電体レンズ２１からなる誘電体媒質を使用することによって得ることができ、誘電体レンズ２１は、空気の誘電体誘電率より大きい誘電体誘電率ε_１を有し、例えば、図２ｄおよび２ｅで表されるように、包有物２２を含む。包有物２２は、例えば、空孔の包有物であり得、包有物２２の直径および／または密度は、内部反射器から内部照射源１５、１８へと進むにつれて徐々に増加する。

ＢＦＮ部分の１つまたは複数の第１および第２の基板層９、１１、１３における、誘電率勾配を有する誘電体媒質の使用は、信号の伝播方向を湾曲し、したがって、指向性がより低い第１の内部照射源および第２の内部照射源１５、１８を使用することができるという利点を呈する。そして、合成ビームの結束強化が可能になる。そして、第１の内部照射源および第２の内部照射源１５、１８はサイズが低減され、マルチビームフォーマはよりコンパクトなものとなり、合成ビームのオーバーラップ率がより良くなる。

有利には、各ＢＦＮ部分は、例えば、図３で表されるように、前記ＢＦＮ部分の複数層構造の内部の反射器１６の形状の変更を可能にする変形手段を備え得る。これらの変形手段は、例えば、アクチュエータと結合されたピストンセット２３を備え得、ピストンは、反射器１６の後面にわたって規則的に分配され、後面は、反射器のＲＦ波を反射する面とは反対の面である。したがって、反射器１６の変形手段は、内部反射器１６の形状を最適化すること、および、第１の内部照射源１５における信号の到来方向に応じて、各ＢＦＮ部分の第２の照射源１８において信号の集束を効率的に確保することを可能にする。また、反射器１６の変形手段は、以前に選択されたいかなる形状の成形された輪郭を有するビームを生成することも可能にする。内部反射器の変形は、異なる形状の輪郭のビームを生成するため、例えば、ＢＦＮ部分ごとに異なり得る。

図４ａおよび４ｂでは、ビームフォーマの第１のステージは、マルチビームアンテナのＮｘ×Ｎｙ個の放射素子３０に接続することが意図される信号ビームのＮｘ×Ｎｙ個の入力／出力ポートを備える。ビームフォーマの第２のステージは、放射に際して、空間内の２つの方向ＸおよびＹにおいて集束されるＭｘ×Ｍｙ個のビームの形成を可能にする信号のＭｘ×Ｍｙ個の入力／出力ポートを備え、ビームは、Ｍｘ×Ｍｙ個の地上スポットに対応する。Ｎｘ、Ｎｙ、Ｍｘ、Ｍｙは、１より大きい整数である。

第１のビーム形成ステージは、上下に重畳させたＮｙ個のＢＦＮ部分Ｐ１１、．．、Ｐ１Ｎｙを備え、第１のステージの各ＢＦＮ部分Ｐ１Ｎｋは、信号ビームのＮｘ個の入力／出力ポート２７１〜２７Ｎｘと、第２のステージのＭｘ個のＢＦＮ部分Ｐ２１〜Ｐ２Ｍｘにそれぞれ接続されたＭｘ個の連結ポート２５１〜２５Ｍｘとを備える。

第２のビーム形成ステージは、上下に重畳させたＭｘ個のＢＦＮ部分Ｐ２１〜Ｐ２Ｍｘを備え、第２のビーム形成ステージの各ＢＦＮ部分Ｐ２Ｍｉは、第１のステージのＮｙ個のＢＦＮ部分Ｐ１１〜Ｐ１Ｎｙにそれぞれ接続されたＮｙ個の連結ポート２６１〜２６Ｎｙと、放射に際して、励起信号が供給されること、および、受信に際して、マルチビームフォーマの２つのステージによって２つの空間次元ＸおよびＹにおいて集束される信号を受信することが意図されるＭｙ個の入力／出力ポート２８１〜２８Ｍｙとを備える。図４ａの例では、Ｎｘ、Ｎｙ、ＭｘおよびＭｙは、２に等しく、４つの地上スポット１〜４に対応する２本のビームの２つの線の形成を可能にする。

第１のステージのＮｙ個のＢＦＮ部分Ｐ１１〜Ｐ１Ｎｙは、第２のステージのＭｘ個のＢＦＮ部分Ｐ２１〜Ｐ２ＭｘのＭｘ×Ｎｙ個の対応する連結ポートにそれぞれ接続されたＮｙ×Ｍｘ個の連結ポートを備える。図４ｂによって示されるように、第１のステージの第１のＢＦＮ部分Ｐ１１は、第２のステージのＭｘ個のＢＦＮ部分Ｐ２１〜Ｐ２Ｍｘの各々の第１の連結ポート２６１に連結されたＭｘ個の連結ポート２５１〜２５Ｍｘおよびその他もろもろを備える。第１のステージの各々のＮｋ番目のＢＦＮ部分Ｐ１Ｎｋは、第２のステージのＭｘ個のＢＦＮ部分Ｐ２１〜Ｐ２Ｍｘの各々のＮｋ番目の連結ポート２６Ｎｋ（図示せず）に連結されたＭｘ個の連結ポートを備え、これは、第１のステージの最後のＢＦＮ部分Ｐ１Ｎｙまで同様であり、第１のステージの最後のＢＦＮ部分Ｐ１Ｎｙは、第２のステージのＭｘ個のＢＦＮ部分Ｐ２１〜Ｐ２Ｍｘの各々の最後の連結ポート２６Ｎｙに連結されたＭｘ個の連結ポートを備える。

図１ａおよび１ｂで表される例示的な実施形態では、第１のビーム形成ステージは、３つのＢＦＮ部分を備え、各ＢＦＮ部分は、５つの入力／出力ポートと、５つの連結ポートとを備える。第２のビーム形成ステージは、５つのＢＦＮ部分を備え、各ＢＦＮ部分は、３つの入力／出力ポートと、３つの連結ポートとを備え、第１のビーム形成ステージの各ＢＦＮ部分の５つの連結ポートは、第２のステージの５つの異なるＢＦＮ部分の３つの対応する連結ポートのうちの１つにそれぞれ接続される。このビームフォーマにより、空間内の２つの方向ＸおよびＹにおいて集束される３×５＝１５の異なるビームの合成が可能になる。

二次元マルチビームフォーマは、放射の際および／または受信の際に動作することができる。放射に際しておよび受信に際して動作する単一のビームフォーマの使用、またはその代替として、２つの異なるビームフォーマの使用（一方は放射に際して、そして、他方は受信に際して動作する）が可能である。信号の放射および受信に際して単一のビームフォーマが使用される場合、例えば、異なる周波数帯にある信号の周波数、放射周波数および受信周波数に基づいて、既定の時系列、または、他の任意の公知の手順によって、放射と受信との切り替えを達成することができる。

受信の際、第１の内部照射源１５は、フェーズドアレイの放射素子３０によって送信された信号を受信し、第１のビーム形成ステージの各ＢＦＮ部分で受信された信号エネルギーを再度放射する。第１のビーム形成ステージのＢＦＮ部分では、エネルギーは、１度目は、空間内の第１の次元において、内部反射器１６を通じて第１のステージの第２の照射源１８のうちの１つに集束される。集束されたエネルギーを収集する第２の照射源１８は、信号の到来方向に依存する。空間内の第１の次元において集束された信号は、その後、第２のビーム形成ステージの各ＢＦＮ部分の第１の内部照射源１５のうちの１つに送信される。第２のステージの各ＢＦＮ部分では、ビームは、２度目は、第１のステージと同じ方法で、空間内の第１の次元に直角な空間内の第２の次元において、第２のステージのＢＦＮ部分のうちの１つの第２の照射源１８のうちの１つに集束され、その第２の照射源１８が連結される入力／出力ポート２８に送信される。第２のステージのＢＦＮ部分は、第１のステージのＢＦＮ部分のものと同一の構造を有するため、ビームの集束は、両方のステージにおいて同じ原理に従って達成される。

放射に際して、励起信号は、第２のビーム形成ステージの入力／出力ポート２８のうちの１つに印加され、対応するＢＦＮ部分の内側で、入力／出力ポート２８が接続される第２の照射源１８を通じて、送信される。ＢＦＮ部分では、信号は、第２の照射源１８に連結された導波路１９内を誘導され、次いで、内部反射器１６において反射される。内部反射器１６によって反射されたエネルギーは、その後、第２のステージのＢＦＮ部分のすべての第１の照射源１５にわたって分配され、次いで、第２のステージのＢＦＮ部分の第１の照射源１５がそれぞれ接続された第１のステージの各ＢＦＮ部分の第２の照射源１８のうちの１つに伝達される。第１のステージのＢＦＮ部分の第２の照射源１８に伝達された信号ビームのエネルギーは、その後、第１のステージのＢＦＮ部分の内部反射器１６によって反射され、次いで、第１のビーム形成ステージのＢＦＮ部分のすべての第１の照射源１５にわたって分配される。次いで、ビームフォーマによって合成された信号ビームは、第１のビーム形成ステージの第１の照射源１５が接続されたすべてのフェーズドアレイ放射素子３０に送信され、次いで、信号ビームは、スポットを構成する地上カバレッジのゾーンに向けて放射される。

良好な地上カバレッジを得るため、２つの連続したスポットが部分的にオーバーラップすることが必要とされる。２つの連続したスポット間のオーバーラップが十分でなければ、例えば、離間されてオーバーラップしない４つのスポット１〜４を示す図４ａで表されるように、地上カバレッジは穴を呈する。スポット間のオーバーラップ率を向上するため、本発明は、全く同一の線の２つの初期の連続したスポット間に余分のスポットを得ること、および、２つの初期のスポット線間に挿入される追加のスポット線を生成することを可能にする余分のＢＦＮ部分を追加することにある。

図５ａに概略的に示される例示的な実施形態は、同じ放射素子に接続された第１のビーム形成ステージの２つのＢＦＮ部分を表す。この例示的な実施形態は、単一のビーム形成ステージのみを備えるため、対応するビーム１および３は、単一の方向Ｙにおいて集束され、ビームが集束されない方向Ｘに広がる２つのスポット線Ｌ１およびＬ２に対応する。この例示的な実施形態によれば、図５ｂで表されるように、方向Ｙに平行な追加のスポット線Ｌ’１、Ｌ’２は、焦点を外したアレイの放射素子があるものの２倍の第１のビーム形成ステージのＢＦＮ部分を使用することによって、および、第１のビーム形成ステージの２つの異なるＢＦＮ部分Ｐ１１、Ｐ’１１を、焦点を外したアレイ４１の放射素子３０の各々に接続することによって、２つのスポット線Ｌ１、Ｌ２に追加される。受信アンテナの場合、余分のＢＦＮ部分Ｐ’１１の追加により、フェーズドアレイの放射素子３０の出力側に信号分裂器を配置することが必要になり、それにより、損失が誘発され、損失は、増幅器によって補償しなければならない。

追加のスポット線Ｌ’１、Ｌ’２を得るため、第２のＢＦＮ部分Ｐ’１１が例えばメッシュの半分の線形シフトを呈することがさらに必要とされ、メッシュは、対応する内部反射器１６’に対する第１の内部照射源１５’のそれぞれの位置に関する、第１のＢＦＮ部分Ｐ１１に対する２つの第１の内部照射源１５’間の間隔に相当する。線形シフトは、図５ｃで概略的に表されるように、第２のＢＦＮ部分の第１の内部照射源１５’に移動を適用することによって、または、その向きを変更するために第２のＢＦＮ部分の内部反射器１６’に回転を適用することによって（したがって、第１の内部照射源１５’の位置は変更されない）、得ることができる。図５ｃでは、第１のステージの第２のＢＦＮ部分Ｐ’１１は、同じ放射素子３０に接続された第１のステージの第１のＢＦＮ部分Ｐ１１の第１の内部照射源１５に対してＢＦＮ部分の長手方向Ｕに直角な軸Ｖに沿って線形にシフトされた第１の内部照射源１５’を備える。線形シフトは、２つの第１の連続照射源１５の中心間の距離未満である全く同一の距離Ｔの、すべての第１の内部照射源１５’の移動に相当する。線形シフトＴは、例えば、２つの第１の連続照射源の中心間の距離の半分、すなわち、メッシュの半分に等しい場合がある。また、２つのステージを備えるビームフォーマの場合、図５ａで表されていない第２のビーム形成ステージは、２倍のＢＦＮ部分を備え、第２のステージの各ＢＦＮ部分は、図４ａおよび４ｂと併せて上記で示されるように、連結ポートを通じて第１のステージのＢＦＮ部分の全セットに接続される。

図６の例示的な実施形態では、スポット線の数には変化がないが、各スポット線Ｌ１、Ｌ２に追加のスポット５、６、７、８が追加され、各々の追加のスポットは、２つの初期の連続スポット１、２、３、４間に挿入され、その結果、各スポット線における地上カバレッジの穴を埋める。それに従って、第２のビーム形成ステージのＢＦＮ部分の数のみが２倍になり、第１のステージのＢＦＮ部分の数は変化しない。次いで、第１のステージのＢＦＮ部分Ｐ１１〜Ｐ１Ｎｙの各連結ポート２５１〜２５Ｍｘは、第２のビーム形成ステージの第１のＢＦＮ部分Ｐ２１〜Ｐ２Ｍｘの連結ポート２６１〜２６Ｎｙと、第２のステージの第２のＢＦＮ部分Ｐ’２１〜Ｐ’２Ｍｘの連結ポート２６’１〜２６’Ｎｙとに連結される。図５ｃと併せて説明される事例と同様に、第２のステージの第２のＢＦＮ部分Ｐ’２１〜Ｐ’２Ｍｘは、第１のビーム形成ステージの同じ連結ポートに接続された第２のステージの第１のＢＦＮ部分Ｐ２１〜Ｐ２Ｍｘの第１の内部照射源１５に対して第２のＢＦＮ部分の長手方向Ｕに直角な軸Ｖに沿って線形にシフトされた第１の内部照射源１５’を備える。あるいは、第１の内部照射源の位置は、第２のステージの第１のＢＦＮ部分Ｐ２１〜Ｐ２Ｍｘと第２のＢＦＮ部分Ｐ’２１〜Ｐ’２Ｍｘとでは同一であるが、第２のステージの第２のＢＦＮ部分Ｐ’２１〜Ｐ’２Ｍｘの内部反射器１６’は、第２のステージの第１の部分Ｐ２１〜Ｐ２Ｍｘの反射器１６に対して角度的にシフトされる。

図７ａの例示的な実施形態では、追加のスポットおよび追加の線が追加される。図５ａと併せて示されるように、追加の線Ｌ’１およびＬ’２の追加に対し、第１のビーム形成ステージのＢＦＮ部分の数および第２のビーム形成ステージのＢＦＮ部分の数は２倍になり、その上、図６と併せて示されるように、各スポット線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ’１、Ｌ’２における追加のスポットの追加に対し、第２のビーム形成ステージのＢＦＮ部分の数は再び２倍になる。全体的には、第１のステージＰ１１〜Ｐ１Ｎｙ、Ｐ’１１〜Ｐ’１ＮｙのＢＦＮ部分の数は２倍になり、第２のステージＰ２１〜Ｐ２Ｍｘ、Ｐ’２１〜Ｐ’２Ｍｘ、Ｐ’’２１〜Ｐ’’２Ｍｘ、Ｐ’’’２１〜Ｐ’’’２ＭｘのＢＦＮ部分の数は４倍になる。

様々な例示的な実施形態については、スポットの長方形格子を考慮することによって説明されてきた。また、例えば、図７ｂで表されるような六角形格子も、図７ａの例示的な実施形態で表されるものと同じ構成の２つのビーム形成ステージで生成することができる。それに従って、追加のＢＦＮ部分Ｐ’’２１〜Ｐ’’２ＭｘおよびＰ’’’２１〜Ｐ’’’２Ｍｘの第１の内部照射源をメッシュの半分だけシフトするか、追加のＢＦＮ部分Ｐ’’２１〜Ｐ’’２ＭｘおよびＰ’’’２１〜Ｐ’’’２Ｍｘの第２の内部照射源をシフトするか、または、これらの追加のＢＦＮ部分Ｐ’’２１〜Ｐ’’２ＭｘおよびＰ’’’２１〜Ｐ’’’２Ｍｘの内部反射器１６の向きを変更することが必要とされる。

図８ａ、８ｂおよび８ｃは、主反射器４０と、主反射器４０の前方に配置された焦点を外したフェーズドアレイ４１と、本発明によるマルチビームフォーマとを備える撮像アレイアンテナの第１の例（図８ａ）および第２の例（図８ｂおよび８ｃ）の動作を示す３つの図を表す。図８ａ〜８ｃおよび対応する説明を簡略化するため、これらの３つの図では、考慮される放射アレイ４１は線形アレイであり、単一のＢＦＮ部分はビーム形成のために考慮される。図８ａでは、ＢＦＮ部分における内部反射器１６は、図２ａと併せて説明されるＢＦＮ部分の第１の実施形態に対応するオフセット構成で配置される。図８ｂおよび８ｃでは、ＢＦＮ部分における内部反射器１６は、入射ビームと同じ方向に信号を反射し、それにより、図２ｂと併せて説明されるＢＦＮ部分の第２の実施形態に対応する。図８ａおよび８ｂでは、入射ビーム３３ａの方向は、アンテナの主反射器４０に直角であるが、図８ｃでは、入射ビーム３３ｂの方向は、直角な方向に対してスクイントが行われる。フェーズドアレイ４１は、多数の基本放射素子３０からなり、各基本放射素子３０は、ＲＦ信号のビームの放射および／または受信が意図される。各基本放射素子３０は、ＲＦ信号放射経路およびＲＦ信号受信経路によって、および、連結誘導部４２を通じて、ＢＦＮ部分の入力／出力ポート２７に接続される。各放射経路および各受信経路は、ビームフォーマのＢＦＮ部分におけるエネルギー損失を防ぐことが意図される増幅器３１を備え得る。放射に際して、増幅器３１は電力増幅器であり、受信に際して、増幅器３１は低雑音増幅器である。場合により、各放射および受信経路は、例えば、図８ｄで表されるような、撮像アレイアンテナの主反射器４０の変形ならびにアンテナの製作および統合の静的エラーを特に補償することを可能にする動的位相シフタ３２も備え得る。主反射器の変形は、例えば、温度変動または撮像アレイアンテナが固定される衛星の不安定性に起因し得る。ＢＦＮ部分の第２の内部照射源１８に連結された入力／出力ポート２５は、受信に際して、受信した信号を処理するための手段に連結すること、そして、放射に際して、励起手段に連結することが意図される。

受信の際、入射信号ビーム３３ａ、３３ｂは、フェーズドアレイ４１上の主反射器４０によって反射される。フェーズドアレイ４１は焦点が外されているため、反射されたビーム３４ａ、３４ｂのエネルギーは、フェーズドアレイ４１の放射素子３０のほぼ全体によって捕捉され、次いで、各受信経路によって入力／出力ポート２７に送信され、連結誘導部４２によってＢＦＮ部分の第１の内部照射源１５の全セットまで誘導される。第１の内部照射源１５は、ＢＦＮ部分で受信された信号のエネルギーを再度放射し、エネルギーは、内部反射器１６を通じて第２の照射源１８のうちの１つに集束され、入力／出力ポート２５のうちの１つに伝達される。集束されたエネルギーを収集する入力／出力ポート２５は、信号の到来方向に依存する。図８ｂおよび８ｃによって示されるように、２つの異なる到来方向に対し、エネルギーは、２つの異なるポート２５ａ、２５ｂに集束される。

放射に際して、励起信号は、入力／出力ポート２５のうちの１つに印加され、入力／出力ポート２５が接続される第２の照射源１８を通じて、ＢＦＮ部分の内部に送信される。ＢＦＮ部分では、信号のエネルギーは、内部反射器１６において反射され、次いで、ＢＦＮ部分のすべての第１の照射源１５にわたって分配される。次いで、ＢＦＮ部分によって合成された信号ビームは、第１の照射源１５が接続される焦点を外したフェーズドアレイ４１の放射素子３０のすべてに送信され、次いで、スポットを構成する地上カバレッジのゾーンに向けてビームを反射するアンテナの主反射器４０に向けて放射される。

図２ｂ、８ｂおよび８ｃに対応するＢＦＮ部分の第２の実施形態は、ＢＦＮ部分がオフセット構成で配置された内部反射器を備える、図２ａおよび８ａに対応する第１の実施形態によるマルチビームフォーマを使用するよりも効果的な撮像アレイアンテナを得ることを可能にする。実際には、ＢＦＮ部分の第２の実施形態では、入力／出力ポート２５と結合された第２の内部照射源１８は、内部反射器１６に心出しされ、それにより、アンテナはより少ない位相収差を含むため、撮像アレイアンテナのスクイント性能が向上される。ここでは、この光学的構成は、様々な基板層にわたって、内部反射器１６において入射した信号および反射された信号の分離によってのみ可能である。フェーズドアレイは補助反射器によって反射された信号のブロックを達成するため、他の任意のタイプの公知のマルチビームフォーマを用いることで、自由空間で動作する同等の構成を有するアンテナの生産が不可能になるであろう。

その上、マルチビームフォーマの内部の反射器の存在により、および、ＢＦＮ部分での誘電体の追加の可能性により、マルチビームフォーマの嵩の減少が可能になるため、本発明は、マルチビームフォーマと結合された撮像アレイアンテナにおいて、アンテナの嵩を最小化する一方で、カセグレンタイプの２つの反射器を備えるアンテナ構成に確立されるものと同様のかなりの光路を達成することができるという利点を呈する。この場合、マルチビームフォーマの内部の反射器は、楕円形の形状のものである。

カセグレンタイプの同等のアンテナの構成に関して、本発明によるマルチビームフォーマと結合された撮像アレイアンテナの別の利点は、その放射性能に関連する。反射器および焦点を外したフェーズドアレイに基づいて具体化され、本発明によるマルチビームフォーマと結合された撮像アレイアンテナは、主反射器４０の形状、フェーズドアレイ４１の放射素子３０の配置、連結誘導部４２の長さ、第１の内部照射源１５の配置、内部反射器１６の形状および第２の内部照射源１５の配置など、その動作の最適化を可能にするいくつかのパラメータを使用する。これらの様々な自由度は、いくつかの到来方向における位相収差を最小化するように最適化し、したがって、アンテナの角度カバレッジを大幅に拡大することができる。したがって、５つの異なる到来方向におけるこれらの収差を取り消すことが可能であり、それにより、５つの焦点を有するアンテナに対応する。対照的に、カセグレンタイプのアンテナ構成は、主反射器および補助反射器の形状に関してのみ最適化することができ、したがって、２つの焦点のみを形成する。

最終的に、最後の利点は、ビームのオーバーラップの質に存在する。アンテナの焦点面に配置された２つの隣接照射源を備える反射鏡アンテナは、低レベル（通常、−４〜−５ｄＢ）でオーバーラップする２本のビームを生成する。本発明による準光学マルチビームフォーマを備える撮像アレイアンテナに対して、ビーム間のオーバーラップの同じ問題が現れるが、図５ａ、６および７と併せて説明されるように、本発明は、準光学マルチビームフォーマの２つのステージにおいて余分のＢＦＮ部分を追加することによって、この問題を解決することを可能にするが、公知のアンテナでは、この問題は、使用されるアンテナの数を増加することによってのみ解決することができる。

また、二次元マルチビームフォーマは、例えば、直接放射フェーズドアレイ、または、例えば図９で表されるものなどの同じ焦点距離を有する異なるサイズの２つの外部放物面反射器を備える撮像アレイアンテナなど、他のタイプのアンテナでも使用することができる。直接放射アレイの場合、アンテナは、いかなる外部反射器も備えず、マルチビームフォーマによって合成されたビームは、フェーズドアレイの放射素子によって直接放射され、地上スポットを形成する。同じ焦点距離Ｆを有する異なるサイズの主反射器４０と補助反射器４４とからなる２つの外部反射器を備える撮像アレイアンテナの場合、本発明による二次元マルチビームフォーマと結合されたフェーズドアレイ４１は、補助反射器４４の前方に配置される。受信に際して、主反射器４０における入射信号ビームは、主反射器と補助反射器との間に位置する焦点面Ｆを通過することによって補助反射器４４に向けて反射される。１度目は主反射器４０によって反射され、焦点面Ｆによって撮像された信号は、２度目は補助反射器４４によってフェーズドアレイ４１上に反射され、マルチビームフォーマによって集束される。放射に際して、マルチビームフォーマによって合成されたビームは、フェーズドアレイによって放射され、次いで、受信に際してたどった経路とは逆の伝播経路をたどる。

上記で説明される様々な例示的なアンテナ実施形態では、単一のマルチビームフォーマは、フェーズドアレイに接続される。ここでは、マルチビームフォーマは、単回の偏光で動作できるのみであるが、フェーズドアレイは、２回の直交偏光で信号を抽出することができる。したがって、２回の直交偏光で動作するマルチビームアンテナを得るには、２つのマルチビームフォーマを使用すること、および、アンテナのフェーズドアレイの放射素子を２つのマルチビームフォーマに接続することが必要とされる。

本発明は、特定の実施形態と併せて説明されてきたが、決してそれらに限定されないことや、説明される手段のすべての技術的な同等物およびそれらの組合せを含む（本発明の枠組み内に入る場合）ことは非常に明白である。

Claims (17)

1. 空間内の第１の方向Ｘに沿って集束されるビームを合成することが意図される第１のビーム形成ステージと、空間内の第２の方向Ｙに沿って前記第１のステージによって形成された前記ビームを集束することが意図される第２のビーム形成ステージとを備える二次元マルチビームフォーマであって、前記２つのステージは互いに接続され、
   各ステージは、上下に重畳させた少なくとも２つの複数層平面構造（Ｐ１１、Ｐ１２）、（Ｐ２１、Ｐ２２）を備え、
   前記第１および前記第２のステージの各複数層構造（Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ２１、Ｐ２２）は、前記複数層構造の平面に横方向に延在する内部反射器（１６）と、前記内部反射器（１６）の前方に配置され、それぞれが、前記複数層構造の第１の軸（Ｖ、Ｖ’）に沿って位置合わせされる２つの第１の入力／出力ポート（２７、２６）に連結された少なくとも２つの第１の内部照射源（１５）と、前記内部反射器（１６）の焦点面に配置され、それぞれが、前記第１の軸（Ｖ、Ｖ’）に直角な前記複数層構造の第２の軸（Ｕ、Ｕ’）に沿って位置合わせされる２つの第２の入力／出力ポート（２５、２８）に連結された少なくとも２つの第２の内部照射源（１８）とを備え、
   前記第１のビーム形成ステージの同じ複数層構造（Ｐ１１）、（Ｐ１２）の前記２つの第２の内部照射源（１８）はそれぞれ、前記第２の内部照射源および前記第１の内部照射源（１８、１５）がそれぞれ接続される連結ポートと呼ばれる前記入力／出力ポート（２５、２６）を通じて、前記第２のビーム形成ステージの２つの異なる複数層構造（Ｐ２１）、（Ｐ２２）の２つの第１の内部照射源（１５）にそれぞれ連結され、
   各複数層構造の前記第１の内部照射源（１５）が、上側の金属面（１０）と中間の金属面（１２）との間に挿入された第１の基板層（１１）に配置され、前記第２の照射源（１８）は、前記中間の金属面（１２）と下側の金属面（１４）との間に挿入された第２の基板層（１３）に配置され、
   前記第１および第２の基板層（１１、１３）は、前記内部反射器（１６）によって結合され、前記内部反射器（１６）は、前記下側の金属面（１４）から前記上側の金属面（１０）まで、前記内部反射器（１６）に沿って延在する開口部または結合スロット（１７）を通じて延在し、前記中間の金属面（１２）において前記２つの基板層（１１、１３）が分離され、
   各複数層構造は、前記第２の基板層（１３）に配置された第１の導波路（１９）をさらに備え、各々の第１の導波路（１９）は、前記複数層構造の長手軸に沿って延在し、前記第２の内部照射源（１８）に接続された第１の誘導部と、前記長手軸に直角に延在し、第２の入力／出力ポート（２５）に連結された第２の屈曲誘導部とを備えることを特徴とする、二次元マルチビームフォーマ。
2. 前記第１のビーム形成ステージが、上下に重畳させたＮｙ個の平面複数層構造（Ｐ１１、．．、Ｐ１Ｎｙ）を備え、前記第１のステージの各複数層構造は、前記対応する複数層構造の前記内部反射器（１６）の前方に配置され、軸Ｖに平行に位置合わせされたＮｘ個の入力／出力ポート（２７１〜２７Ｎｘ）に接続されたＮｘ個の第１の内部照射源（１５）と、前記対応する内部反射器（１６）の前記焦点面に配置され、前記軸Ｖに直角な軸Ｕに平行に位置合わせされたＭｘ個の連結ポート（２５１〜２５Ｍｘ）に接続されたＭｘ個の第２の照射源（１８）とを備え、
   前記第２のビーム形成ステージは、上下に重畳させたＭｘ個の平面複数層構造（Ｐ２１〜Ｐ２Ｍｘ）を備え、前記第２のビーム形成ステージの各複数層構造（Ｐ２１〜Ｐ２Ｍｘ）は、前記対応する複数層構造の前記内部反射器（１６）の前方に配置され、軸Ｖ’に平行に位置合わせされたＮｙ個の連結ポート（２６１〜２６Ｎｙ）に接続されたＮｙ個の第１の内部照射源（１５）と、前記対応する内部反射器（１６）の前記焦点面に配置され、前記軸Ｖ’に直角な軸Ｕ’に平行に位置合わせされたＭｙ個の入力／出力ポート（２８１〜２８Ｍｙ）に接続されたＭｙ個の第２の照射源（１８）とを備え、
   前記第１のステージの前記Ｎｙ個の複数層構造は、前記第２のステージの前記Ｍｘ個の複数層構造のＭｘ×Ｎｙ個の対応する連結ポートにそれぞれ接続されたＮｙ×Ｍｘ個の連結ポートを備え、Ｎｘ、Ｎｙ、Ｍｘ、Ｍｙは、１より大きい整数であり、前記第１のビーム形成ステージの全く同一の複数層構造の前記連結ポートはそれぞれ、前記第２のビーム形成ステージの異なる複数層構造に接続されることを特徴とする、請求項１に記載のマルチビームフォーマ。
3. 前記第１のビーム形成ステージのＮｋ番目の複数層構造（Ｐ１Ｎｋ）の各連結ポート（２５１〜２５Ｍｘ）が、前記第２のビーム形成ステージの前記対応する複数層構造（Ｐ２１〜Ｐ２Ｍｘ）のうちの１つの前記Ｎｋ番目の連結ポートに接続され、Ｎｋは、１〜Ｎｙの整数（両整数を含む）であることを特徴とする、請求項２に記載のマルチビームフォーマ。
4. 前記第２のビーム形成ステージが、Ｍｘ個の第１の複数層構造（Ｐ２１〜Ｐ２Ｍｘ）と、少なくともＭｘ個の第２の複数層構造（Ｐ’２１〜Ｐ’２Ｍｘ）とを備え、前記第１のビーム形成ステージの前記Ｎｋ番目の複数層構造（Ｐ１Ｎｋ）の各連結ポート（２５１〜２５Ｍｘ）は、前記第２のビーム形成ステージの前記対応する第１の複数層構造（Ｐ２１〜Ｐ２Ｍｘ）のうちの１つの前記Ｎｋ番目の連結ポートと、前記第２のビーム形成ステージの前記対応する第２の複数層構造（Ｐ’２１〜Ｐ’２Ｍｘ）のうちの１つの前記Ｎｋ番目の連結ポートとに接続され、Ｎｋは、１〜Ｎｙの整数（両整数を含む）であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のマルチビームフォーマ。
5. 前記第２のビーム形成ステージの前記Ｍｘ個の第２の複数層構造（Ｐ’２１〜Ｐ’２Ｍｘ）が、前記第２のビーム形成ステージの前記Ｍｘ個の第１の複数層構造（Ｐ２１〜Ｐ２Ｍｘ）の前記第１の内部照射源（１５）に対して線形にシフトされた第１の内部照射源（１５’）を備え、前記線形シフトは、２つの第１の連続内部照射源の中心間の距離未満である全く同一の距離Ｔの、すべての前記第１の内部照射源（１５’）の移動に相当することを特徴とする、請求項４に記載のマルチビームフォーマ。
6. 前記第２のビーム形成ステージの前記Ｍｘ個の第２の複数層構造（Ｐ’２１〜Ｐ’２Ｍｘ）が、前記第２のビーム形成ステージの前記Ｍｘ個の第１の複数層構造（Ｐ２１〜Ｐ２Ｍｘ）の前記内部反射器（１６）に対して向きをシフトさせた内部反射器（１６’）を備えることを特徴とする、請求項４に記載のマルチビームフォーマ。
7. 前記第１のビーム形成ステージが、Ｎｙ個の第１（Ｐ１１、．．、Ｐ１Ｎｙ）およびＮｙ個の第２の複数層構造（Ｐ’１１、．．、Ｐ’１Ｎｙ）を備え、前記Ｎｙ個の第２の複数層構造（Ｐ’１１、．．、Ｐ’１Ｎｙ）の前記第１の内部照射源は、前記Ｎｙ個の第１の複数層構造（Ｐ’１１、．．、Ｐ’１Ｎｙ）の前記第１の内部照射源に連結され、前記第１のビーム形成ステージの前記Ｎｙ個の第２の複数層構造は、前記第１のビーム形成ステージの前記Ｎｙ個の第１の複数層構造の前記第１の内部照射源（１５）に対して線形にシフトされた第１の内部照射源（１５’）を備えることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のマルチビームフォーマ。
8. 前記第１のビーム形成ステージが、Ｎｙ個の第１（Ｐ１１、．．、Ｐ１Ｎｙ）およびＮｙ個の第２の複数層構造（Ｐ’１１、．．、Ｐ’１Ｎｙ）を備え、前記第１のステージの前記Ｎｙ個の第２の複数層構造（Ｐ’１１、．．、Ｐ’１Ｎｙ）の前記第１の内部照射源は、前記第１のステージの前記Ｎｙ個の第１の複数層構造（Ｐ１１、．．、Ｐ１Ｎｙ）の前記第１の内部照射源に連結され、前記第１のビーム形成ステージの前記Ｎｙ個の第２の複数層構造（Ｐ’１１、．．、Ｐ’１Ｎｙ）は、前記第１のビーム形成ステージの前記Ｎｙ個の第１の複数層構造（Ｐ１１、．．、Ｐ１Ｎｙ）の前記内部反射器（１６）に対して向きをシフトさせた内部反射器（１６’）を備えることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のマルチビームフォーマ。
9. 各複数層構造の前記第１（１１）および第２（１３）の基板層が、誘電材料を備えることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のマルチビームフォーマ。
10. 前記誘電材料が、前記内部反射器（１６）と前記第１の内部照射源および第２の内部照射源（１５、１８）との間に配置された誘電体レンズ（２１）であり、前記誘電体レンズ（２１）は、凸状表面を有し、空孔の包有物（２２）を含み、前記空孔の包有物（２２）は、前記内部反射器（１６）から前記第１の内部照射源および前記第２の内部照射源（１５）へと進むにつれて徐々に増加する密度を有することを特徴とする、請求項９に記載のマルチビームフォーマ。
11. 各複数層構造の前記第１および第２の基板層（１１、１３）が、第１の誘電体誘電率（ε_１）を有する第１の誘電材料をさらに備え、前記第１の誘電材料は、前記第１の誘電体誘電率（ε_１）より低い第２の誘電体誘電率（ε_２）を有する第２の誘電材料の包有物（２２）を含み、前記包有物（２２）は、前記内部反射器（１６）から前記第１の内部照射源および前記第２の内部照射源（１５、１８）へと進むにつれて増加する密度を有することを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のマルチビームフォーマ。
12. 各複数層構造の前記第１の基板層および前記第２の基板層が、前記内部反射器（１６）を変形するための変形手段（２３）を備えることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のマルチビームフォーマ。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の少なくとも１つの二次元マルチビームフォーマと、多数の基本放射素子（３０）からなるフェーズドアレイ（４１）とを備え、各基本放射素子（３０）は、ＲＦ信号放射用の経路および受信用の経路によって前記第１のビーム形成ステージの対応する入力／出力ポート（２７）に連結されることを特徴とする、マルチビームアンテナ。
14. 少なくとも１つの主反射器（４０）をさらに備え、前記二次元マルチビームフォーマに接続された前記フェーズドアレイ（４１）は、前記主反射器（４０）の前方の焦点を外した平面に配置されることを特徴とする、請求項１３に記載のマルチビームアンテナ。
15. 少なくとも１つの主反射器（４０）と、補助反射器（４４）とをさらに備え、前記主反射器（４０）および前記補助反射器（４４）は、異なるサイズを有し、同じ焦点距離Ｆを有し、前記二次元マルチビームフォーマに接続された前記フェーズドアレイ（４１）は、前記補助反射器（４４）の前方に配置されることを特徴とする、請求項１３に記載のマルチビームアンテナ。
16. ＲＦ信号放射用および受信用の各経路が、動的位相シフタ（３２）を備えることを特徴とする、請求項１４または１５に記載のマルチビームアンテナ。
17. 請求項１３から１６のいずれか一項に記載のアンテナを少なくとも１つ備えることを特徴とする、衛星通信システム。

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