JPH08330831A - 無線周波数アンテナ用ビーム形成ネットワーク - Google Patents

無線周波数アンテナ用ビーム形成ネットワーク

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JPH08330831A
JPH08330831A JP7353405A JP35340595A JPH08330831A JP H08330831 A JPH08330831 A JP H08330831A JP 7353405 A JP7353405 A JP 7353405A JP 35340595 A JP35340595 A JP 35340595A JP H08330831 A JPH08330831 A JP H08330831A
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row
cfh
network
cell
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JP7353405A
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Pi Francesco Coromina
フランセスコ・コロミナ・ピー
Traveset Bosch Javier Ventura
ハビエル・ベントゥラ−トラベセト・ボシュ
Mike Yarwood
マイク・ヤーウッド
Wolfgang Bosch
ヴォルフガンク・ベッシュ
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Original Assignee
Agence Spatiale Europeenne
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    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
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    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/40—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with phasing matrix

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Complex Calculations (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)
  • Peptides Or Proteins (AREA)
  • Radio Relay Systems (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数のビームを生成する衛星搭載用アンテナ
の放射素子を制御する。 【解決手段】 無線周波数アンテナ用および、および入
力信号に二次元六角離散フーリエ変換を適用するための
ビーム形成ネットワークに関する。入力および出力の数
は、Ｎt ＝ＲｘＮ2 で、ＲおよびＮが整数である場合に
Ｎt に等しくなる。第１回路層は、それぞれＲ個の入力
およびＲ個の出力を持つＮ2 個のセルから成る１行を含
み、各セルは前記Ｎt 個の入力の一つに存在する信号を
受信し、そのＲ個の入力に存在する信号に１次元ＲｘＲ
離散フーリエ変換を適用し、第２回路層は、それぞれが
Ｎ個の入力およびＮ個の出力を持つセルのＲ個の独立集
合を含み、各セルがそのＮ個の入力に存在する信号に１
次元ＲｘＲ離散フーリエ変換を適用する。また、本発明
は、個の出力のネットワークのハードウェア構造にも関
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高速フーリエ変換
（ＦＦＴ: Fast Fourier Transformation)を活用する無
線周波数アンテナ用ビーム形成ネットワークに関する。
本発明は、また、この種のネットワークのハードウェア
構造にも関する。本発明は、衛星に搭載される適用例に
おいて複数のビームを生成するための位相作画ビーム定
着型アンテナに、それに対してだけではないが、有利に
適用できる。
【０００２】
【従来の技術】アンテナ内に多数の合成されたビームお
よび多数の放射素子を必要とする従来の無線周波数ビー
ム形成ネットワークは、重さが理由で利用できない。代
わりに、電力消費に関する意味から中間周波数（ＩＦ）
ビーム形成ネットワークが使用されるか、あるいは、ベ
ースバンド・デジタル・ビーム形成ネットワークも使用
される。
【０００３】１９９０年１０月の"IEE Proceedings", V
ol. 137, Pt. H., No. 5, p.293-303 に掲載された、
Ｐ．Ｓ．ホール（P.S. Hall)およびＳ．Ｊ．ベターレイ
ン（S.J. Vetterlein)による"Review of Radio Frequen
cy Beamforming Techniques for Scanned and Multiple
Beam Antennas（走査型マルチビームアンテナ用無線周
波数ビーム形成技術のレビュー) " という論文は、無線
周波数ビームを形成するために利用される主要な技法を
検討している。
【０００４】これらの技術には、この論文の第４．２項
（図１５も参照のこと）で説明される、最小の結合回路
でコンパクトなレイアウトを作成する「バトラー行列(B
utler Matrix) 」技術が含まれる。バトラー行列は、線
形ネットワークに適している。放射素子の矩形配列を活
用する平面位相制御ビーム走査型ネットワークの場合に
は、ビーム形成ネットワークも、線形バトラー行列を利
用することができる。
【０００５】ただし、バトラー行列の最大サイズ（した
がって、ビームの最大数およびアンテナの放射素子の最
大数）は、以下に示すような、さまざまな要因により制
限を受けている。
【０００６】１）製造公差：行列のサイズが大きくなる
に従って、隣接する放射素子間の周波数差が小さくな
る。したがって、位相特性をさらに綿密に制御すること
が必要になる。前記論文に示されるように、マイクロ・
ストリップ技術を使用したバトラー行列の最大サイズ
は、６４ｘ６４であると考えることができる。
【０００７】２）カプラーの層の間の接続（経路選択）
の複雑なトポロジー：本明細書に添付される図１から容
易に看取できるように、１６ｘ１６のバトラー行列に
は、接続配線の複雑な経路選択が必要とされる。バトラ
ー行列ビーム形成ネットワークの回路は、それぞれが、
４個のセル、Ｃｅｌ1 からＣｅｌ4 およびＣｅｌ′1 か
らＣｅｌ′4 を含む二つのレベル（レベル１とレベル
２）の間で分けられる。１６個の接続１′から１６′
は、接続１から１６に対応する。これらの接続の間で
は、非常に高いレベルの電気的な絶縁が必要とされる。
この複雑さのために、平面技術（ストリップ・ライン導
波管、マイクロ・ストリップ・ライン）の実装が困難に
なっている。
【０００８】３）ビーム間の遷移に関する要件：Ｎ個の
放射素子を具備するリニア・アレイ・アンテナの場合、
ＮｘＮ個のバトラー行列ビーム形成ネットワークは、−
４ｄＢの遷移レベルでＮ個のビームの集合を生成する。
このレベルは、本発明に意図される望ましい応用例、通
常は宇宙での応用例には確かに低すぎる。約−１ｄＢの
レベルが必要である。一つのよく知られている解決策
は、ビーム形成ネットワークを大きくし、行列のある部
分のみを使用することである。例えば、２Ｎｘ２Ｎの行
列を使用すると、−１．５ｄＢの遷移レベルが得られ
る。ただし、バトラー行列ビーム形成ネットワークを大
きくすると、その重量およびその製造公差に直接的な影
響が及ぼされ、接続の複雑さに関連する問題点が増幅さ
れることは明白である。
【０００９】さらに、宇宙での応用例は、通常、矩形ト
ポロジーではなく六角格子を持つアレイ・アンテナを活
用する。これは、コンパクトさという点ではより効率的
である。つまり、同じカバレージに対して必要となる放
射素子の数が少なくなることはよく知られている。しか
しながら、この場合、バトラー行列ビーム形成ネットワ
ークに関して説明されるような行列型の単純なレイアウ
トは不可能になる。
【００１０】別の構成は、１９８１年９月２３〜２５日
にモンティセロ（イリノイ州、アメリカ合衆国）で開催
された"Anntena Applications Symposium(アンテナ応用
例シンポジウム) " の"Proceedings" の中で発表された
Ｇ．Ｇ．チャドウィック（G.G. Chadwick ）らによる"A
n Algebraic Synthesis Method for RN2 Multibeam Mat
ric Network （ＲＮ2 マルチビーム行列ネットワーク用
代数合成方法) " に提案されている。この構成は、「バ
トラー行列」に非常に類似している。実際、これらの二
つの構成は、ともに「ＦＦＴ」アルゴリズムの直接的な
無線周波数適用例を表している。この構成も、興味深い
ものではあるが、重量、製造公差、接続の経路選択、お
よび隣接するビーム間での遷移レベルに関して前述され
たのと同じ注記を免れない。
【００１１】前記出版物の図１２から明らかなように、
二つのレベルで多数の移相器回路が使用されている。最
後に、これらの回路にはほとんどモジュラリティーがな
い。三つの入力と三つの出力があるセルを別にすれば、
反復するモジュールは存在しない。非常に複雑な回路に
おいては、このモジュラリティーという点が、製造コス
ト、集積の可能性、および試験の容易さに関して非常に
重要であることはよく知られている。例えば、モジュー
ルが一つであれば、複雑な回路を使用した場合に比較し
て、より容易に製造でき、装置が故障した場合にもより
安価で交換できるのは当然のことである。従来の技術に
よる技術では、ある種のサイズおよびある種の複雑さを
持つ回路への集積は制限される。したがって、比較的に
複雑度が低い反復回路は、集積回路として実装可能であ
り、その信頼性は、通常、離散回路より高くなる。最後
に、常にそうであるわけではないが、試験対象の回路の
複雑さが増すと、通常は非線形的に試験プログラムの複
雑さが増す。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】要約すると、特に宇宙
での応用例（衛星に搭載されるアンテナ）向けの無線周
波数アンテナ技術には、多くの制限事項がある。その内
のいくつかを以下に要約する。
【００１３】アンテナの形状は、通常、六角形である。
本発明においては、アンテナの形状は、三角形でも等し
く優れたものとなるであろう。まず最初に、効率的なア
ーキテクチャを実装する必要がある（「効率的な」とい
う用語は、技術的側面および複雑さの低減という点で理
解する必要がある）。信号処理アルゴリズムは、離散フ
ーリエ変換（「ＤＦＴ: Discrete Fourier Transfor
m」）を使用しなければならない。「ＤＦＴ」は、六角
アンテナの放射素子に供給される一連のサンプル信号に
対して行われ、このＤＦＴの結果得られる係数がこの変
換の領域内において六角状にサンプルされることとなる
（すなわち、ビームの中心を表す）。
【００１４】（信号処理技術で「時間領域」と通常呼ば
れる）元の領域での六角状のサンプリングに関する要件
は、実質的に、アンテナの形状が通常六角形であること
に由来する。（信号処理技術で「周波数領域」と通常呼
ばれる）変換領域における六角状のサンプリングに関す
る要件は、ビームが六角形の格子と一致したときに、そ
れによりさらに効率的なカバレージが可能になるという
事実に由来する。
【００１５】
【課題を解決するための手段】したがって、本発明は、
上記の問題を解決すること、つまり、現在の集積技術に
適合する効率的なアーキテクチャを提供することを目的
とし、この効率は、低い重量、具体化の単純さ、試験の
信頼性と容易さ、および最適化されたアルゴリズムとい
う点で表される。ここで、「最適化された」という用語
は、数学的な意味ではなく、技術を最適化するための基
準という点において理解されるべきである。
【００１６】したがって、本発明は、複数のビームを生
成するための特定の数の放射素子から構成される無線周
波数アンテナ用ビーム形成ネットワークであって、該ビ
ーム形成ネットワークが、特定の数の信号入力と、予め
決定された該信号入力の数に等しい数の該放射素子制御
信号用の出力とを含み、入力信号に二次元六角離散フー
リエ変換を適用し、ここで、入力と出力の該予め決定さ
れた数がＮt （Ｎt ＝ＲｘＮ2 で、ＲとＮが整数であ
る）に等しく、該ビーム形成ネットワークを構成する回
路が、それぞれ、１次元の行離散フーリエ変換および１
次元の列離散フーリエ変換を実施する第１回路層および
第２回路層に分割されており、前記第１回路層が、それ
ぞれがＲ個の入力とＲ個の出力を持つＮ2 個のセル１行
を含み、各セルが前記Ｎt 個の入力の１個に存在する信
号を受信し、そのＲ個の入力に存在する信号に１次元離
散フーリエ変換を適用し、前記第２回路層が、それぞれ
Ｎ個の入力とＮ個の出力を持つセルの独立した集合をＲ
個有し、各集合がＮ個のセルの第１行と第２行を含み、
各セルがそのＮ個の入力に存在する信号に１次元離散フ
ーリエ変換を適用し、該第２行の該セルの該出力のそれ
ぞれが前記放射素子の一つを駆動し、前記第１回路層お
よび第２回路層が、Ｎ2 個のセルの前記行のセルの出力
と、Ｒ個の前記セル独立集合の第１行のＮ個のセルの入
力との間に接続を設立する第１組の相互接続によって接
続され、各セルのランクｉの出力がそれぞれ同じランク
の前記独立集合のセル入力の一つに接続され、ここで、
【数１】 であり、前記Ｒ個の独立集合のそれぞれの前記第１行と
第２行のセルが、第１行のＮ個のセルの出力と第２行の
Ｎ個のセルの入力との間に接続を提供する第２組の相互
接続により接続され、第１行の各セルのランクｊの出力
が第２行の同じランクのセルの入力に接続され、ここ
で、
【数２】 である。
【００１７】本発明は、また、この種のネットワークを
レイアウトするための機械的な構造にも関する。最後
に、本発明は、複数のビームを生成するための無線周波
数位相調整アレーアンテナの制御、特に、衛星に搭載さ
れる六角形の格子アンテナの制御に、このネットワーク
を適用することにも関する。
【００１８】
【発明の実施の形態】すでに言及したように、無線周波
数技術の制限事項には、「ＤＦＴ」の結果として生じる
係数もが（ビームの中心を表す）変換の領域において六
角状にサンプルされているよう、六角状にサンプルされ
る二次元的な信号列（すなわち、六角形のトポロジーを
有する格子中のあるアンテナ素子に対する信号入力）に
対してＤＦＴを行うために効率的なアーキテクチャを用
いる必要性が含まれる。
【００１９】このアーキテクチャには、次に挙げる特徴
が必要である。 １．アーキテクチャは、行と列への分解を利用しなけれ
ばならない。 ２．アーキテクチャは、モジュール式でなければなら
ず、反復される非常に少ない数の機能ブロック（１個ま
たは２個のブロック）を使用する必要がある。このブロ
ックの複雑度は、通常この種の応用例で利用される集積
技術の制限事項に引っかからないものである。 ３．アーキテクチャは、アーキテクチャ全体のさまざま
な部分で使用できる「マクロブロック」を形成するため
に、複数の機能ブロックを相互接続できるように、さら
に高度のモジュラー性を提供しなければならない。 ４．相互接続に関連した移相器の数を最小にしなければ
ならない。 本発明のビーム形成ネットワークで活用される数学的ア
ルゴリズムは、上記に概略したアーキテクチャの制限事
項に引っかからないようにしなければならない。
【００２０】まず、六角二次元ＤＦＴアルゴリズムの主
要な特性および特徴の概略から始める。この種の変換の
数学的な原理はそれ自体よく知られているので、本発明
の理解に必要な点だけを詳細に説明する。例えば、無線
周波数位相調整アレーアンテナに適用されるこのアルゴ
リズムについてのより詳細な説明に関しては、Ｇ．Ｇ．
チャドウィック（G.G. Chadwick)らによる前述の論文を
引用することができる。
【００２１】アルゴリズムのステップは、以下の通りで
ある。 １．最初に、二つの変換領域のサポート域を決定する。
つまり、アンテナの放射素子を二次元のもとの空間にど
のように分散させるのか、そして、ビームの中心を二次
元の変換空間にどのように分散させるのかを決定する必
要がある。これらの二つのサポート域は、二つの数Ｎ1
とＮ2 を特徴とし、その形状は、図２に示されるよう
に、実質的に六角形である。
【００２２】したがって、素子ＥＬi は、二つの任意の
正規直交軸ｘとｙを持つ１個の六角形の中に含まれてい
る。寸法Ｎ1 の底面がｘ軸と一致し、寸法Ｎ1 ＋１の上
面は、また、ｘ軸に平行となる。寸法Ｎ2 およびＮ2 ＋
１の側面は、それぞれ角度αおよび角度（π−α）でｘ
軸に対して傾き、αはここで説明する例では４５゜に近
くなる。わずかに非対称であることにより、数学的な計
算の説明は大幅に簡略化されるが、実際のケースでは、
サポート域の内側の必要な素子だけが選択可能であり、
この域に対称的な形状を持たせることができるので、本
発明のシステムは影響を受けない。
【００２３】２．第２のステップでは、行列Ｎの周期性
が決定される。この行列は、本発明において使用される
二次元変換の特徴的な行列を構成する。これは、六角状
にサンプルされた信号であって、そのフーリエ変換も六
角サンプル信号であるような信号に関するものとなるよ
うに、選択される必要がある。
【００２４】この行列は、次の形式を取ることができ
る。
【数３】
【００２５】３．第３のステップでは、離散（直接）フ
ーリエ変換およびフーリエ逆変換、「ＤＦＴ」と「ＩＤ
ＦＴ: Inverse Discrete Fourier Transform」が作成さ
れる。これらは、次の等式から決定される。
【数４】
【００２６】式ＬI/N は、整数の二次元トレリス（格
子）（trellis)である代数級数ＬＩのモジューロｎ剰余
の級数(series of residues modulo n of the algebrai
c series LI)と呼ばれる代数級数である。特に、ＬI/N
は、その総称類(generic class) ［ｎ］が次の式により
求められる、同値類(equivalence class) の級数であ
る。
【数５】 ここで、［ｎ］は、この類の考えられる表記の一つであ
る。
【００２７】同様に、ＬI/N T は、ＬＩのモジューロＮ
T 剰余の級数であるため、次の式により総称類(generic
class) ［ｋ］が表される同値類(equivalence class)
の級数となる。
【数６】 ここで、［ｋ］は、この類の考えられる表記の一つであ
る。
【００２８】級数の一つ、例えば、級数ＬI/N を考えて
みる。級数ＬI/N の剰余(residue)の類(class) の数
は、ＬN 内のＬI の指数(index) と呼ばれる。剰余の類
の数、したがって式（３）で考慮すべき点の数は、｜ｄ
ｅｔ（Ｎ）｜に等しく、つまり［（２Ｎ1 ｘＮ2 ）＋Ｎ
2 2］に等しいこととなる（式（１）を参照）。ある特定
の同値類の表記の数は無限であるため、ＬI/N を表す級
数にも無限の選択肢がある。
【００２９】第４のステップでは、式（３）の入力値ｘ
（ｎ）が決定される（または、代わりに式（２）の入力
値ｘ（ｋ））。手順は以下の通りである。（ｘ（ｋ）を
決定する場合も同等な演算が使用されるため、ｘ（ｎ）
の決定のみ説明する）。
【００３０】ａ）図２に示されるような放射素子を具備
する二次元空間においては、二つの新しい軸ｎ1 とｎ2
が定義され、ｎ1 は軸ｘと一致し、ｎ2 はその軸に対し
て角度αにある（つまり、大きさがＮ2 ＋１の六角形の
一辺と一致する）。また、各放射素子の座標は、これら
の二つの軸、ｘ（ｎ1 ，ｎ2 ）に相対して割り当てられ
る。
【００３１】ｂ）すると、信号ｘ（ｎ1 ，ｎ2 ）の周期
的な拡張が、図３に特に示されるように（Ｒpiの繰返
し）、以下に定義される元の信号の反復を生成すること
によって、生成される。
【数７】 ここで、Ｎ1 とＮ2 は、以前に定義された整数であり、
ｒ1 とｒ2 は任意の数であり、その座標は軸ｎ1 とｎ2
に対して決められる。これらの反復は、二次元空間のす
べてをカバーする。反復前のポイントｘ（ｎ1 ，ｎ2 ）
の初めの集合は、基本周期と呼ばれる。次の式が適用さ
れる。
【数８】 ここで、ｒ1 とｒ2 は任意の整数である。
【００３２】ｃ）最後に、ｘ（ｎ）と拡張された表記で
のｘ（ｎ（１））とｘ（ｎ（２））とを対応させ、ｎ
（１）とｎ（２）は、ＬI/N の同値類［ｎ］の表記を定
める二つの座標として定義される。 X(n) = x(n(1), n(2)) (7) ここで、n = n(1), n(2)である。
【００３３】この結果をふまえて、本発明のビーム形成
ネットワーク用のアーキテクチャを決定することが可能
である。前記の幾つかのステージは、次のように要約で
きる。 ａ）ＬI/N （または代わりにＬI/N T ）の素子（表記
［ｎ］の集合）の決定。 ｂ）式（３）からｘ（ｎ）（または、代わりに、式
（２）からのＸ（ｋ））の値の決定。 ｃ）ＤＦＴ（直接）またはＩＤＦＴの式（２）の適用。
【００３４】ここまでは、単に、適切な代数表記を用い
た問題の再定式化の手順を示したにすぎない。実際に
は、式（２）のＤＦＴは、必ずしも高速アルゴリズムを
使用しないため、その結果、本発明に適用される基準の
いずれをも満たさない。
【００３５】周期行列（式（１））は対角行列であるた
め、効率的なレイアウトを取得するために本発明が課す
最初の条件である、式（２）での行／列の分解を実行す
ることができない。
【００３６】この最初の問題を解決するには、以下に示
すステップが必要となる。 ａ）周期行列Ｎをいわゆるスミス標準形(Smith normal
form) に分解する。この分解は常に可能である。その結
果、以下の形式の行列式が得られる。 Ｎ＝Ｕ・Ｄ・Ｖ （８） ここで、ＵおよびＶは、整数ユニモジュラ行列であって
次の式が当てはまるものである。すなわち、式ｄｅｔ
（Ｕ）＝ｄｅｔ（Ｖ）＝１で、Ｄは、次の形式の整数対
角行列である。
【数９】 ここで、ｄ1 はｄ2 の除数である。
【００３７】ｂ）式（３）に式（８）を置換すると、以
下の式が得られる。
【数１０】
【００３８】
【数１１】 と定義すると、式（１０）は、以下のように書くことが
できる。
【数１２】 行列Ｄは対角行列であるので、式（１３）は、行／列分
解を使った通常の矩形ＤＦＴを表している。
【００３９】導入された新しい変数（式（１１）と（１
２）を参照）は、それぞれ変数ｎとｋと同形(isomorphi
c)であることに注目されたい。さらに、これらの変数
は、それ以上の計算を暗示しない入出力データの再配列
だけを前提としている。最後に、ある特定の問題のパラ
メータが固定されているため、つまりアンテナおよびビ
ームの幾何的配置が固定されているため、前記の再配列
は結果として生じるハードウェアに影響を及ぼさないこ
とに注意されたい。どのようにしてＤＦＴ入力を放射素
子に、ＤＦＴ出力をビームに関連付けるのかを理解する
ことが必要なだけであり、これは式（１１）から引き出
すことができる。
【００４０】ａ）とｂ）により、効率的なハードウェア
・レイアウト、つまり行／列の分解を生み出すという本
発明の第１の目的が達成される。
【００４１】大きなモジュール式ブロック（「マクロブ
ロック」と呼ぶ）への分解という目的も達成される。こ
れらのブロックは、アーキテクチャの中で反復される。
【００４２】また、列が同一であるように、すべてのＤ
ＦＴ行は同一であるという点に注意することも重要であ
る。したがって、これらのブロックの内の一つのみを決
定する必要がある。
【００４３】さらに、大きな二次元ＤＦＴが、より小さ
な二つのＤＦＴに縮小された。このようにして、「ＦＦ
Ｔ」を計算するための第１のステップが実現されたこと
になる。
【００４４】本発明のそれ以外の目的を達成するために
は、さらに幾つかのステップを実行する必要がある。今
度は、二つの１次元ＤＦＴのそれぞれを、この種の応用
例に現在使用している集積技術の制限事項に適合する小
さなモジュール式ブロックの集合に分解する。その後
で、これらのブロックは、本発明のビーム形成ネットワ
ークの中で何回も用いることができる。
【００４５】これを達成するには、個別に、１次元ＤＦ
Ｔの行と列にさらに取り組み、１次元ＤＦＴに関して有
名なＦＦＴアルゴリズム、つまり、「基数(radix) 」ア
ルゴリズム（基数−２、基数−３、基数−４など）や、
幾つかの素数因数への分解などを利用することが必要で
ある。どのアルゴリズムを選択するのかは、１次元ＤＦ
Ｔのサイズに依存する。これらのアルゴリズムのレビュ
ーは、以下に挙げる論文に掲載されている。
【００４６】・ラッセル・Ｍ・メルセロー（Russel M.
Mersereau ）、「六角状に標本化された二次元信号の処
理(The Processing of Hexagonally Sampled Two-Dimen
sional Signals) 」、"Proceedings of the IEEE" 、
第６７巻、第６号、１９７９年６月、９３０−９４９ペ
ージに発表。 ・ラッセル・Ｍ・メルセローら、「周期的に標本化され
る多次元信号の処理(The Processing of Periodically
Sampled Mutidimensional Signals)」、"IEEETransacti
ons on ASSP" 、第３１巻、１９８３年２月、１８８
−１９４ページに発表。 ・アブデレザック・ゲッソウム(abderrezac Guessoum)
ら、「多次元離散フーリエ変換用高速アルゴリズム(Fas
t Algorithms for the Multidimensional Discrete Fou
rier Transform) 」、"IEEE Transactions on ASSP"
、第３４巻、１９８６年８月、９３７−９４３ページ
に発表。
【００４７】従来の分解法は、実施する際には（正しい
数を得るためにネットワークのサイズおよびビームの数
を調整することができる場合）効果的であるが、ｄｅｔ
（Ｄ）を互いに素である二つの数（ｐとｑ）の積として
表すことが可能であるならば、移相器の数をさらに削減
する代替的な手順を使用することができる。この場合、
さらに小さなＤＦＴへの分解は、二次元の場合には直接
実行できるが、１次元の場合には独立して実行できな
い。この状況は、行列素因子アルゴリズム（「ＭＰＦ
Ａ: Matric Prime Factor Algorithm 」）として知られ
る１次元「ＦＦＴ」の素数因子への分解の理論の拡張と
考えられる。
【００４８】分解法に関するこれらの二つのアプローチ
から、すでに要約した要件に加えて、本発明に該当する
すべての要件、すなわち下記の要件を満たすハードウェ
ア・アーキテクチャが得られる。 ・大きな１次元ＤＦＴの集合は、小さなＤＦＴブロック
に縮小され、アーキテクチャ全体で何回も使用される。 ・行と列の間の中間ステージでの移相器は、必要とされ
なくなった。したがって、移相器の数が減少した。
【００４９】一般的には、衛星通信応用例で考慮するの
が普通であるパラメータを使用すると、大きな二次元Ｆ
ＦＴは、行ＤＦＴの単純な（三次または四次の）１次元
ＤＦＴから成る一つの層と、列１次元ＤＦＴの小さな１
次元ＤＦＴとの多くても２層を構成するであろう。した
がって、合計三つの層が存在する。
【００５０】本発明に従ったビーム形成ネットワークの
ハードウェア・アーキテクチャを、以下に説明する。本
発明についてさらに具体的に考えるために、二つの数値
例を考慮する。つまり、第１例は、適度なサイズのビー
ム形成ネットワーク・アーキテクチャ、具体的には、２
７ｘ２７の六角ビーム形成ネットワークに関し、第２例
はさらに複雑なビーム形成ネットワーク、具体的には、
４８ｘ４８のビーム形成ネットワークに関する。
【００５１】前記に概略した手順では、第１ステップ
は、サポート、つまりアンテナの域を決定することであ
る。Ｎ1 ＝Ｎ2 ＝３であると仮定すると、放射素子の総
数は２ｘＮ1 ｘＮ2 ＋Ｎ2 2、つまり２７個の放射素子と
２７個のビームとなる。サポートの域は、図４に示され
る。つまり、素子Ｅｌ1 からＥｌ27までである。行列Ｎ
を決定する。式（１）から、行列Ｎは次のようになる。
【数１３】
【００５２】ＬI/N の素子［ｎ］およびＬI/N T の素子
［ｋ］の値を次のように決定する。すでに言及したよう
に、各類に無制限の数の表記が存在するため、選択は一
意ではない。以下の集合を選択することができる。
【数１４】 および
【数１５】 Ｎは対称なので、［ｎ］と［ｋ］には値の同じ集合を有
することに注意する。
【００５３】次に、ｘ（ｎ）の値を決定し、アンテナの
素子Ｅｌi に結び付ける（図４を参照）。 x(n1) ＝x(0,0)＝素子1 x(n2)＝x(1,0)＝素子2 x(n3) ＝x(2,0)＝素子3 x(n4)＝x(0,1)＝素子4 x(n5) ＝x(1,1)＝素子5 x(n6)＝x(2,1)＝素子6 x(n7) ＝x(0,2)＝素子8 x(n8)＝x(1,2)＝素子9 x(n9) ＝x(2,2)＝素子10 x(n10) ＝x(0,3)＝素子13 x(n11)＝x(1,3)＝素子14 x(n12) ＝x(2,3)＝素子15 x(n13)＝x(0,4)＝素子7 x(n14) ＝x(1,4)＝素子19 (1７) x(n15)＝x(2,4)＝素子20 x(n16) ＝x(0,5)＝素子11 x(n17)＝x(1,5)＝素子12 x(n18) ＝x(2,5)＝素子24 x(n19)＝x(0,6)＝素子16 x(n20) ＝x(1,6)＝素子17 x(n21)＝x(2,6)＝素子18 x(n22) ＝x(0,7)＝素子21 x(n23)＝x(1,7)＝素子22 x(n24) ＝x(2,7)＝素子23 x(n25)＝x(0,8)＝素子25 x(n26) ＝x(1,8)＝素子26 x(n27)＝x(2,8)＝素子27
【００５４】これからＦＦＴアーキテクチャを演繹的に
導き出す。ａ）行列Ｎのそのスミス標準形への分解：
【数１６】 ｂ）矩形ＤＦＴの形式を取るＤＦＴの書き換え：
【数１７】 式（２１）により入出力の再配列が決定される。
【００５５】それから、行と列の１次元ＤＦＴに対して
１次元ＦＦＴアルゴリズムが使用される。 ａ）行１次元ＤＦＴは３ポイントＤＦＴであるため、そ
の最小式に縮小される。 ｂ）列１次元ＤＦＴは９ポイントＤＦＴである。したが
って、基数−３の行／列分解アルゴリズムを使用するこ
とが可能である。
【００５６】式（１９）は、次の形式で書き直すことが
できる。
【数１８】 ｃ（ｎ2 ，ｋ1 ）は、次のように定義することができ
る。
【数１９】 （２２）に（２５）を置換すると、
【数２０】 それから、変数に次に示す変更を加える。
【数２１】 次に、式（２８）が得られる。
【数２２】 以下を定義して、
【数２３】 そして（２８）に（３０）を置換すると、最終的に得ら
れるのは、
【数２４】 または、次に示すその同等なものである。
【数２５】 逆変換は、単に、指数を共役化し、Ｄの行列式により正
規化し、変数を変化させるだけで得ることができる。
【数２６】 ビーム形成ネットワークのアーキテクチャは、式（３
２）と（３３）が満たされるように、つまり変換ＤＦＴ
とＩＤＦＴが実行されるように、決定することができ
る。
【００５７】図５は、本発明による２７ｘ２７の六角ビ
ーム形成値とＣＦＨのアーキテクチャを示す。出力素子
の再配列は、符号Ｅｌ1 からＥｌ27により示される。こ
れらの符号は、図４の放射素子の符号に対応する。この
再配列は、式（２１）から引き出される。
【００５８】図５に明確に示されるように、本発明によ
る六角ビーム形成ネットワークＣＦＨは、二つの主要な
回路層だけで構成される。さらに、これは、１種類の非
常に単純なセル、この場合には、３ポイント１次元ＤＦ
Ｔを実行する回路を使用する。さらに細かく言うと、六
角のビーム形成ネットワークＣＦＨは、セルの４つの集
合、集合１から４を含み、集合４は上記回路層の内の一
つを構成する。この層は、９つの同一のセルつまり３ポ
イント１次元ＤＦＴを達成するモジュール４１から４７
を有する。この種のモジュールについては、図６を参照
し、以下に説明する。図５の上から下に図示されるこれ
らのセルｅ1 からｅ27の入力の数は、素子Ｅｌ1 に等し
い。
【００５９】第２回路層は、１から３の三つの集合を有
する。これらの集合のそれぞれに、９個の入力と９個の
出力がある。各集合は、３個のユニット・セルから成る
行２個を有し、ユニット・セルのそれぞれが３ポイント
のＤＦＴを行う。この２行は、集合１から３のそれぞれ
について、１１１から１３３、２１１から２３３、およ
び３１１から３３３、そしてＣＬＣ1 からＣＬＣ3 とい
う名前が付けられた移相器を含む行列接続経路によりリ
ンクされる。各集合は、まったく同じトポロジーを持
つ。第１のモジュールの三つ出力、例えば、モジュール
１１の三つの出力は、それぞれ０゜の移相器１１１、１
１２、１１３に接続される。言い替えると、出力信号は
移相されていない。第２モジュール、例えばモジュール
１２の三つの出力は、それぞれ０゜、４０゜、および８
０゜の移相器１２１、１２２、１２３に接続される。第
３モジュール、例えば、モジュール１３の三つの出力
は、それぞれ０゜、８０゜、１６０゜の移相器１３１、
１３２、１３３に接続される。各集合の第１移相器、例
えば１１１、１２１、１３１は、それぞれ、第２行の第
１モジュール、例えばモジュール１４の三つの入力（図
５の上から下に図示される）の内の一つに接続される。
各集合の第２移相器の出力、例えば、１１２、１２２、
１３２は、第２行の第２モジュール、例えばモジュール
１５の三つの入力の内の一つにそれぞれ接続される。各
集合の第３移相器の出力、例えば、１１３、１２３、１
３３は、第２行の第３モジュール、モジュール１６の三
つの入力の内の一つにそれぞれ接続される。
【００６０】集合１から３の第２行のセル１４から１
６、２４から２６、３４から３６の出力が、前に言及し
た再配列に従って、次に示す順序で放射素子に接続され
る。すなわち、（図の上から下に）Ｅｌ1 、Ｅｌ13、Ｅ
ｌ16、Ｅ2 、Ｅｌ14、Ｅｌ17、Ｅｌ3 、Ｅｌ15、Ｅ
ｌ18、Ｅ6 、Ｅｌ20、Ｅｌ23、Ｅｌ7 、Ｅｌ21、Ｅ
ｌ4 、Ｅｌ19、Ｅｌ22、Ｅｌ5 、Ｅｌ12、Ｅｌ26、Ｅｌ
9 、Ｅｌ24、Ｅｌ27、Ｅｌ10、Ｅｌ25、Ｅｌ8 、および
Ｅｌ11の順である。
【００６１】集合４の最初の三つのセル４１から４３の
第１の出力は、集合１の第１行のセル１１から１３の第
１の入力に接続される。同様にして、次の三つのセル４
４から４６の第１出力は、三つのセル１１から１３の第
２入力に接続され、最後の三つのセル４７から４９の第
１出力は、三つのセル１１から１３の第３入力に接続さ
れる。この相互接続スキームは、第２層の集合の第２入
力に接続される第１集合のすべてのセルの第２出力に対
しても反復される。同じことが、第２回路層のセルの三
つの入力の内の一つである第３出力に当てはまる。行／
列接続のこの配列を、全体的に符号４ａにより示す。
【００６２】したがって、本発明による六角ビーム形成
ネットワークは、まったく規則的である。さらに、この
ネットワークは、例えばチャドウィックによる前述の論
文などに記載されているように、同等な従来の技術によ
る六角ビーム・ネットワークのアーキテクチャと比較し
てはるかに複雑さが小さい。移相器の数は、本発明の一
つの目的に準じて、最小限にまで削減される。
【００６３】この六角ビーム形成ネットワークＣＦＨの
アーキテクチャにより、無線周波数スイッチの行列を容
易に統合することができるようになる。この行列を直接
ビーム形成ネットワークのアーキテクチャの中に取り入
れることにより、高度なビームのスイッチング機能が得
られる。さらに細かくいえば、その結果として生じるア
ーキテクチャは、六角ビーム形成ネットワークに対応す
る機能だけではなく、ビーム・スイッチに応じた機能も
実現することができる。
【００６４】図６は、２７ｘ２７の六角ビーム形成ネッ
トワークＣＦＨ′の具体例におけるこの種のアーキテク
チャを示す図である。これは、図５からビーム形成ネッ
トワークのアーキテクチャをそのまま繰り返すものであ
るので、これをもう一度説明する必要はない。
【００６５】主要な相違点は、３層のスイッチＣｏ1 か
らＣｏ3 の追加である。各層には、９つの３ｘ３スイッ
チ行列、つまり第１層Ｃｏ1 のＣｏ11からＣｏ19、第２
層Ｃｏ2 のＣｏ21からＣｏ29、第３層Ｃｏ3 のＣｏ31か
らＣｏ39が含まれる。第１層Ｃｏ1 は、入力ｅ1 からｅ
27と、回路４の３ｘ３のセル４１〜４９の入力の間に差
し込まれる。第２層Ｃｏ2 は、行／列接続４ａの集合の
出力と３ｘ３セル４１〜４９の入力の間に差し込まれ
る。最後に、第３層Ｃｏ3 は、行／列接続の三つの集合
ＣＬＣ1 からＣＬＣ3 の出力と３ｘ３セルの４１から４
９の入力の間に差し込まれる。ビーム形成ネットワーク
ＣＦＨ′のアーキテクチャが依然として完全に対称であ
ることに注意する。
【００６６】２７個すべての３ｘ３スイッチ行列を適切
な状態に初期化することにより、理論的には、各ビーム
入力ポートに対応して、空間内の現実のビームの６27の
順列を得ることが可能である。現実には、この方法で
は、上記の順列の全てを具体化することができるわけで
はないが、順列の数は極端に大きい。経験から、これが
大部分の応用例で十分であることが分かる。
【００６７】この解決策は、同じ結果を得るために、ビ
ーム形成ネットワークでカスケードされた完全な２７ｘ
２７のスイッチ行列を使用しなければならない従来の解
決策と比較する必要がある。
【００６８】無線周波数スイッチ機能を実装するには、
それ自体有名なさまざまなアーキテクチャ（クロスバ
ー、再構成可能な回路、電力スプリッター／ミキサー回
路など）がある。概して、回路レイアウトは、ポート間
で必要とされる絶縁により制限されるが、この絶縁は、
スイッチ行列の大きさや、関連する挿入損失、あるいは
その両方に比例して減少する。
【００６９】本発明のアーキテクチャを使用すると、ビ
ーム形成機能にスイッチング機能を取り入れることがで
きるようになるので、優れた絶縁が達成できる。各信号
は、２７ｘ２７の六角ビーム形成ネットワークの場合、
３ｘ３行列のスイッチング回路のみを介して伝搬する。
挿入損失の増大は無視できるほどのものである。
【００７０】図７は、三つの入力信号Ｉ1 からＩ3 に対
して３ポイント１次元ＤＦＴを行う回路の機能上のアー
キテクチャを非常に大まかに表した概略図である。三つ
の出力信号Ｏ1 からＯ3 がある。記述されているセル
は、例えばセル１１で、すべてのセルが同一であると理
解される。これは当業者にとっては周知の標準的な回路
であるため、これ以上さらに説明は必要としない。入力
および信号出力Ｏ3 の間の接続には、移相器は含まれて
いないと言えば十分である。同様にして、Ｉ1 とＯ1 の
間にも含まれない。直接的な接続Ｉ2 −Ｏ2 およびＩ3
−Ｏ3 は、それぞれ１２０゜の移相器ψ２２とψ３３を
具備する。交差接続Ｉ2 −Ｏ3 およびＩ3−Ｏ2 は、そ
れぞれ２４０゜の移相器ψ２３とψ３２を具備する。
【００７１】ユニット・セル１１〜４９（図５）は、ガ
リウム砒素・モノリシック・マイクロ波集積回路（「Ｇ
ａＡｓ ＭＭＩＣ」(gallium arsenide monolithic mic
rowave integrated circuit)）技術のような縮小技術を
使用して製作できる。セルを集積するには、ユニット・
セルの寸法に応じて、一つまたは複数の「ＭＭＩＣ」が
必要になる。説明されている例においては、ユニット・
セルは図８に示されるように具体化できる。その機能上
のアーキテクチが図７に示されているセル１１は、二つ
の入力と二つの出力を有する９０゜／３ｄＢハイブリッ
ド技術サブ・セルをそれぞれ形成し、出力の内の一つが
９０゜移相されている、回路ＣＩ−１からＣＩ−３を集
積する移相無線周波数「ＭＭＩＣ」を使って構成されて
いる。サブ・セルＣＩ−２は、電力の３分の２をポート
「０」に、電力の３分の１をポート「−９０」に伝える
という意味で、受信された電力の非対称分配を行う。Ｍ
ＭＩＣの数は、技術に依存する。単一のＩＣに基づいた
解決策は、ＩＣの総合サイズがこの分野で使用される集
積技術に適合した状態のままとなる場合に、実現可能で
ある。移相は、「Ｌ」帯域または「Ｓ」帯域での一まと
めにされた定数が設定されるコンデンサ類およびインダ
クタ（誘導子）類を使って得られる。その他の移相器ψ
−９０、ψ＋３０、およびψ−６０は、図６の１２０゜
と２４０゜の移相を実現する。この「ＭＭＩＣ（単数ま
たは複数）」には、図５の移相器１１１〜３３３も含め
ることができる。
【００７２】ＭＭＩＣ（単数または複数）は、単一マイ
クロ波モジュールに、有利に用いることができる。上記
のアーキテクチャが、ＭＭＩＣ技術の使用を可能にする
という点で、複数の観点からきわめて有利であることは
明かである。
【００７３】非常に類似した個々のセルの電気的特性
が、移相および生成される信号の振幅という点の両方で
予測できる。したがって、製造公差およびそれに関連し
た問題も最小限になる。同様にして、コンデンサおよび
インダクタだけを具備する回路に基づいた受動回路にお
いては、ＭＭＩＣが非常に単純になるため、製造収率が
非常に高くなり、その結果、低コストとなる。
【００７４】依然として、３ｘ３ユニット・セルのトポ
ロジーの改良が可能である。図９は、本発明のある実施
例における１個の３ｘ３セルのトポロジーを示した図で
ある。前記のように、説明されているのはセル１１で、
すべてのセルが同一であると理解される。
【００７５】セルには三つの入力Ｉ1 〜Ｉ3 および三つ
の出力Ｏ1 〜Ｏ3 がある。前記のように、「Ｌ」帯域ま
たは「Ｓ」帯域で一まとめにされた定数が設定されるコ
ンデンサおよびインダクタ（誘導子）が使用される。そ
れぞれの種類の構成素子がすべて同一であるため、イン
ダクタは、すべて「Ｌ」でマークされ、コンデンサはす
べて「Ｃ」でマークされる。これが、第１の簡略化とな
る。
【００７６】さらに、回路のトポロジーがきわめて単純
であることが、図９から明かである。レイアウトの規則
は、以下の通りである。 ・各入力Ｉ1 〜Ｉ3 は、インダクタＬを介して他の二つ
に接続される。 ・各出力Ｏ1 〜Ｏ3 は、インダクタＬを介して他の二つ
に接続される。 ・各入力Ｉ1 〜Ｉ3 は、インダクタＬを介して、各出力
Ｏ1 〜Ｏ3 に（さらに正確には、同じ数が付された出力
に）接続される。 −最後に、各入力Ｉ1 〜Ｉ3 または各出力Ｏ1 〜Ｏ
3 は、コンデンサＣを介して接地電位Ｍa に接続され
る。 セルは、きわめて対称的であるため、製作が容易であ
る。
【００７７】３ｘ３のセルの構成により、少なくとも単
一ＭＭＩＣでの集積が可能になる。図８で示されるよう
なセルでは不可能である、単一のより大きなＭＭＩＣに
複数個のセルを集積することが事実可能である。
【００７８】このトポロジーの具体的な優位点は、以下
の通りである。 ・必要となる機能が、さらに少ない数のインダクタおよ
びコンデンサで得られる。 ・特定のタイプのセルに関して、全てのコンデンサに同
じ値が設定され、それにより、ビーム形成ネットワーク
の回路を下記に示すような方法で調節できるようにな
る。
【００７９】あるビーム形成ネットワークで使用される
すべてのＭＭＩＣは、同じウェハーから作られるので、
コンデンサのすべてに、計算される理論的な公称値に比
較して非常に類似したエラーを持つ値が設定されること
になる。このエラーは、当然のことながら位相および振
幅エラーを生成するので、補償が必要になる。コンデン
サＣのそれぞれを、可変コンデンサとして機能するＭＥ
ＳＦＥＴタイプのトランジスタに並列でより低い値で固
定されたコンデンサＣ′により置き換えると、この問題
を容易に解決できる。キャパシタンスを変化させるため
には、ゲート電圧を変更する。
【００８０】図１０は、この種の配列を示す。コンデン
サＣ′は、ＭＥＳＦＥＴタイプのトランジスタＴr と並
列であり、そのソースおよびドレインは接地電位Ｍa で
ある。この特定の構成は、当然のことながら、３ｘ３セ
ルのすべてのコンデンサに採用される。
【００８１】六角ビーム形成ネットワーク内のすべての
３ｘ３ユニット・セルで使用されるすべてのコンデンサ
に全体として同じ値が設定されるので、同じタイプのセ
ルのすべてのコンデンサを必要とされる公称キャパシタ
ンス値に調節するには、同じ制御電圧Ｖc をすべてのゲ
ートに適用することで十分である。前述したように、製
造欠陥が原因のすべてのエラーは、非常に類似してい
る。その結果、位相および振幅のエラーは、非常に単純
な方法で最小限に抑えることができることになる。この
事実だけで、ビーム形成ネットワークの最大使用可能寸
法を非常に著しく増加できるようになる。
【００８２】今度は、さらに複雑な六角ビーム形成ネッ
トワークのアーキテクチャを説明する。例をより具体的
にするために、４８ｘ４８のビーム形成ネットワークを
考える。手順のステップは、前述したビーム形成ネット
ワークの場合と同じである。
【００８３】このネットワークは、Ｎ1 ＝Ｎ2 ＝４であ
るので、合計（前記参照のこと）３ｘＮ1 2＝３ｘＮ2 2＝
４８個の素子を有することになる。Ｎ行列の周期性は、
以下のように決定される（（１）を参照）。
【数２７】
【００８４】それから、行列Ｎは、以下のように、スミ
ス標準形に分解される。
【数２８】
【００８５】ここで、ｄｅｔ（Ｄ）＝４８＝３ｘ１６、
つまり、二つの互いに素である数（ｐ＝３、ｑ＝１６）
の積という形でこれを書くことができることに注意す
る。すでに説明したように、これにより、行列素因子ア
ルゴリズム（「ＭＰＦＡ」）を使用してＤＦＴを分解す
るのがさらに容易になる。アルゴリズムは、次の通りで
ある。
【００８６】
【数２９】
【００８７】以下の行列を定義することができる。
【数３０】 そして、同様に、次の式を定義できる。
【００８８】
【数３１】
【００８９】新しい変数が導入される。
【数３２】 したがって、４８ｘ４８の二次元ＤＦＴを次に示す形式
で書き直すことは簡単なことである。
【数３３】
【００９０】これから、行部分が３ポイント１次元ＤＦ
Ｔであり、三つの列ＤＦＴのそれぞれが４ｘ４の二次元
矩形ＦＦＴである行／列分解を含むアーキテクチャを引
き出すことが可能である。
【００９１】初期の二次元ＤＦＴは、第１レベルの三次
ＤＦＴおよび第２レベルと第３レベルの四次ＤＦＴの計
算のみを必要とするＦＦＴアルゴリズムに変換された。
２種類の１次元ＤＦＴモジュールだけが使用される（３
ｘ３および４ｘ４）。
【００９２】図１１は、本発明による４８ｘ４８の六角
ビーム形成ネットワーク「ＣＦＨ」のアーキテクチャを
示す。
【００９３】前記と同様に、このアーキテクチャは、第
１回路層の集合５（三次１次元「ＤＦＴ」）および第２
回路層の集合７〜９（４ｘ４矩形ＦＦＴ）を構成する二
つの回路層を構成する。
【００９４】第１集合５は、（図１１の下から上に）１
６個の同一の３ｘ３の１次元ＤＦＴ５１ａ〜５４ａ、５
１ｂ〜５４ｂ、５１ｃ〜５４ｃおよび５１ｄ〜５４ｄか
ら構成される。各セルには四つの入力と四つの出力があ
る。図を過剰に複雑化しないために、端入力ｅ′1 およ
びｅ′48だけにマークが付けられている。
【００９５】集合７〜９は、上記において第２レベルお
よび第３レベルと呼ばれたものを形成するために、四つ
のモジュールからなる行二つに配置されている同一の４
ｘ４の１次元ＤＦＴセルから構成される。第１行は、そ
れぞれ集合７、８、および９のセル７１〜７４、８１〜
８４、９１〜９４を有する。第２行は、集合７、８、お
よび９のセル７５〜７８、８５〜８８、９５〜９８を有
する。この２行にあるセルは、行／列接続経路７９、８
９、９９により相互接続される。これらの経路選択は、
２７ｘ２７の六角ビーム形成ネットワークに関係して、
図５のアーキテクチャに関してさらに詳細に説明される
経路選択に（それよりわずかに複雑ではなるが）類似し
ている。これらは、式（４４）を満たさなければならな
い。これに関してさらに具体的に考えるために、集合７
の場合は、モジュール７１〜７４の第１出力が、それぞ
れセル７５の入力に、直接または（図５のそれと同様
に）補助的な移相器を介して、接続され、セル７１〜７
４の第２出力は、それぞれセル７６の入力に接続される
という具合になる。当然のことながら、同じことが集合
８と９にあてはまる。
【００９６】同様に、第１回路層および第２回路層は、
以下に詳細に説明する接続経路選択６により相互接続さ
れる。セル７５〜７８、８５〜８８、９５〜９８の４８
個の出力は、（図には示されてない）アンテナの４８個
の放射素子に接続される。したがって、本発明による六
角ビーム形成ネットワークのこの第２の実施例のアーキ
テクチャは、完全に規則的なものである。また、このア
ーキテクチャは、同等の従来の技術による六角ビーム形
成ネットワークのアーキテクチャ、例えば前述のチャド
ウィックの論文に記載されているものよりはるかに複雑
さが小さい。
【００９７】図５に示される２７ｘ２７の六角ビーム形
成ネットワークにおけるのように、「ビーム形成ネット
ワーク」機能および「スイッチング」機能を、当然、組
み合わせることができる。その結果生じる実施例（図示
されていない）において必要なのは、図６に関して説明
したのと同じ方法で、つまり入力と回路５の３ｘ３のセ
ルの間、行／列接続６の集合の出力と４ｘ４のセル７１
から９４の間、および行／列接続７９から９９の集合と
４ｘ４のセルの７５から９８の入力の間に、３層のスイ
ッチ行列を追加することだけである。
【００９８】第１層の行列は、３ｘ３のセルの三つの入
力に信号を送達しなければならないため、図６に関して
説明したスイッチ行列と同じ大きさとなる。他方、およ
び同様の理由で、第２層および第３層の行列は、４ｘ４
のセルと関連しているため、４ｘ４行列となる。
【００９９】ＲｘＮ2 の六角ビーム形成ネットワークの
場合は、ユニット・スイッチング回路行列は、通常、そ
れぞれ、第１層でＲｘＲの大きさ、および第２層と第３
層でＮｘＮの大きさとなる。３ｘ３のＤＦＴモジュール
（５１ａ〜５４ｄ）は、図７および８に関して説明した
のとまったく同じように具体化が可能である。
【０１００】今度は、図１２および１３に関して、４ｘ
４のＤＦＴモジュールのある実施例を、説明する。図１
２は、４ｘ４の１次元ＤＦＴ計算セル、例えば、モジュ
ール７１を構成するセルを高度に概略化した図である。
モジュール７１〜９８のすべてが同一であるのは言うま
でもない。
【０１０１】信号入力にはＩ1 〜Ｉ4 、そして、出力に
はＯ1 〜Ｏ4 のラベルが付けられる。すべての入力がす
べての出力（トレリス）に結び付けられ、その内のいく
つかは直接的に（つまり、移相なしで）結び付けられ
る。つまり、すべての出力に対してＩ1 を、Ｏ1 に対し
てＩ2 を、Ｏ1 とＯ3 に対してＩ3 を直接的に、そし
て、それ以外の組合せは移相器を介して結び付けられ
る。Ｉ2 は、９０゜移相器φ′２２を介してＯ2 に、１
８０゜移相器φ′２３を介してＯ3 に、そして２７０゜
移相器φ２４を介してＯ4 に接続される。同様にして、
Ｉ3 は１８０゜移相器φ３２を介してＯ2 に、１８０゜
移相器φ′３４によりＯ4 に接続される。最後に、Ｉ4
は、２７０゜移相器φ′４２によりＯ2 に、１８０゜移
相器φ′４３によりＯ3 に、そして９０゜移相器φ′４
４によりＯ4 に接続される。
【０１０２】３ｘ３のセルと同じように、４ｘ４のセル
もガリウム砒素（ＧａＡｓ）ＭＭＩＣに基づいたモジュ
ールにすることができる。
【０１０３】図１３は、その機能上のアーキテクチャに
ついて説明したばかりの４ｘ４のＤＦＴユニット・セ
ル、例えば、セル７１の集積の一例を示す。このモジュ
ールは、一つまたは複数のハイブリッド技術ＭＭＩＣを
具備しており、このＭＭＩＣは、出力の一つが（移相な
しで、図中の矢印によりマークされる）直接出力であ
り、出力の一つが１８０゜移相される、二つの入力およ
び二つの出力を持つ回路ＣＩ−４１からＣＩ−４４を集
積したものである。回路ＣＩ−４３は、その入力で、入
力信号Ｉ1 およびＩ4 を受信する。本発明によれば、用
語「ハイブリッド技術」とは、二つの入力ポートおよび
二つの出力ポートという四つのポートを持つ一つの回路
を意味する。これらの回路には、第１入力ポートでの信
号（例えば、回路ＣＩ−４３のためのＩ1 ）が、同じ電
力および同じ位相を持つ二つの信号に分割され、二つの
出力ポートに渡され、第２入力ポートでの信号（図１３
で矢印によりマークされる、例えば、回路ＣＩ−４３の
ためのＩ2 ）が同じ電力と反対の位相を持つ二つの信号
に分割され、二つの出力ポートに渡される。回路ＣＩ−
４４は、その入力で、入力信号Ｉ2 およびＩ3 を受信す
る。回路ＣＩ−４３の直接的な出力は交差し、回路Ｃ１
−４２の第１入力（図面の左側）に接続される。回路Ｃ
Ｉ−４４の移相された出力は、交差し、回路ＣＩ−４２
の第２入力（図面の右側）に接続される。回路ＣＩ−４
４の直接的な出力は、付加的な移相器ψ-9 0 を介して回
路ＣＩ−４２の第２入力に接続され、回路ＣＩ−４１の
移相された出力は、回路ＣＩ−４１の第１入力に接続さ
れる。回路ＣＩ−４１の第１出力および第２出力は、そ
れぞれ出力Ｏ1 およびＯ3 を構成する。回路ＣＩ−４２
の第１出力および第２出力は、それぞれ出力Ｏ2 および
Ｏ4 を構成する。
【０１０４】３ｘ３のセルと同様に、依然として４ｘ４
のユニット・セルのトポロジーを改良することができ
る。図１４は、本発明の実施例での４ｘ４のセルのトポ
ロジーを示す図である。前記のように、説明されるセル
はセル７１であり、すべてのセルが同一であると理解さ
れる。
【０１０５】図は、四つの入力Ｉ1 からＩ4 、および四
つの出力Ｏ1 およびＯ4 を示す。また、前記のように、
「Ｌ」帯域または「Ｓ」帯域内で一まとめにされた定数
が設定されるコンデンサおよびインダクタが使用され
る。同じ種類の構成要素はすべて同一であるため、イン
ダクタはすべて「Ｌ」でマークされ、コンデンサはすべ
て「Ｃ」でマークされる。
【０１０６】レイアウトの規則は、前述したものに類似
している。 ・入力Ｉ1 〜Ｉ4 のそれぞれは、インダクタＬを介して
他の二つに接続される。 ・各出力Ｏ1 〜Ｏ4 のそれぞれは、インダクタＬを介し
て他の二つに接続される。 ・入力Ｉ1 〜Ｉ4 のそれぞれは、インダクタＬを介して
各出力Ｏ1 〜Ｏ4 に接続される（さらに正確に言うと、
同じように出力に接続される）。 ・最後に、入力Ｉ1 〜Ｉ4 、または出力Ｏ1 〜Ｏ4 のそ
れぞれは、コンデンサＣを介して接地電位Ｍa に接続さ
れる。
【０１０７】セルは、きわめて対称的であるため、容易
に製作できる。この４ｘ４のセル構成により、セルを、
少なくとも単一のＭＭＩＣ内のセルの中に集積できるよ
うになり、実際には、複数のセルを単一のさらに大きい
ＭＭＩＣの中に集積することが可能である。このトポロ
ジーの具体的に有利な点は、３ｘ３のセルに関して説明
した点とまったく同じである。したがって、コンデンサ
を、ＭＥＳＦＥＴタイプのトランジスタＴr と並列の固
定コンデンサＣ′で置き換えることにより、実際に得ら
れるキャパシタンス値の計算された公称値に対するエラ
ーを補償することは容易である。
【０１０８】次に、本発明に従った六活形ビーム形成ネ
ットワークの物理的なレイアウトの例を説明する。
【０１０９】実際の具体化の例では、本発明の六角ビー
ム形式ネットワークの回路の複雑さの三つの度合いを区
別することが必要である。「標準」、「大きい」、「非
常に大きい」寸法に区別することが可能で、後者がもっ
とも一般的なケースとなる。この区別は、実質的に、利
用される技術により可能となる集積度の程度に関連す
る。さらに、すでに言及したように、ユニット・セルの
望ましい具体化法を採用すると（図１０と図１４）、集
積度は著しく増加する。
【０１１０】図１５は、低複雑度（「標準」）のビーム
形成ネットワーク用のレイアウトの第１例を示し、その
ユニット・セルは単一ＭＭＩＣの上に集積される。この
例は、図５で示される２７ｘ２７の六角ビーム形成に対
応する。同じ参照番号を再度使用し、その構成要素を示
す。
【０１１１】六角ビーム形成ネットワークＣＦＨは「２
Ｄ」レイアウトである。つまり、例えば、プリント配線
板、ＰＣＢなどの平面にレイアウトされている。このネ
ットワークは、それぞれ、セル４と、第１行のセル１１
〜３３と、第３行のセル１４〜３６とを反復して結び付
けるＭＭＩＣの三つの層を具備する。集合４ａとＣＬＣ
1 〜ＣＬＣ3 を相互接続する回線は、多層技術により具
体化される。以下に、実際の具体化の例を詳細に説明す
る。
【０１１２】実際には、このアプローチは、さらに複雑
なビーム形成ネットワーク、通常は最高１４４ｘ１４４
の大きさに適用できる。したがって、重量および大きさ
は、それぞれ約数１００グラムで、標準プリント印刷板
のサイズという厳密な最小値まで縮小される。
【０１１３】図１６は、本発明によるさらに大きな六角
ビーム形成ネットワークＣＦＨの物理的なレイアウトの
一例（前記の２番目のケース）を示す。このレイアウト
をさらに具体的に考えるために、および記述を過剰に複
雑にしないために、前記と同じ例、つまり図５に関して
説明した２７ｘ２７の六角ビーム形成ネットワークＣＦ
Ｈが使用される。ただし、あるレベルの全てのセルが、
単一のＭＭＩＣに集積可能ではないと仮定する。
【０１１４】二つの回路層の間の接続、つまり一方では
集合４および他方で集合１〜３は、コネクタＣ1 〜Ｃ3
によるだけで行うことができる。図１６に示された例で
は、第１回路層のユニット・セル４１〜４９が、同等数
の（プリント配線基板のような）平面サポート上に配置
され、そのすべてが並列である。以下に、図１８の説明
に関連して、一つの実施例を詳細に説明する。第２回路
層を構成する三つの集合１〜３は、それぞれサポート
上、平面サポート上に配置される。これらの三つの平面
は、セル４１〜４９のサポート（複数）により形成され
た平面に対して直角に交わる。すでに言及したように、
集合４のすべてのセルの第１出力は集合１の入力に、第
２出力は集合２の入力に、および第３出力は集合３の入
力にのみ接続される。したがって、この場合、それぞれ
のサポートが直角を成す面にあるため、第１回路層（集
合４）を、第２回路層（集合１〜３）に接続する接続経
路を達成することは簡単なことである。実際には、コネ
クタＣ1 〜Ｃ3 は、セル４１〜４９のサポートに付ける
ことができる。したがって、集合１〜３の三つのサポー
トをこれらのコネクタの中に差し込むことで十分であ
る。交差接続は必要とされていない。
【０１１５】最後に、図１７は、非常に大きい六角ビー
ム形成ネットワークの例と示す。このレイアウトをより
具体的に考えるため、および記述を過剰に複雑にしない
ようにするために、前記と同じ例、つまり図１１に関し
て説明した４８ｘ４８の六角ビーム形成ネットワークＣ
ＦＨが使用される。ただし、単一のＭＭＩＣ上で、一つ
のレベルのセルのすべてを集積することは不可能である
と仮定する。
【０１１６】この４８ｘ４８の六角ビーム形成ネットワ
ークＣＦＨ′の機械上のレイアウトは、あまり複雑では
ないビーム形成ネットワーク、例えば、図１６に関して
記述されるもののレイアウトほど単純ではない。ただ
し、その図で使用されるのと同じ参照符号の決まりが用
いられている。
【０１１７】レイアウトは、３次元サポートＳの面の上
に構築される。１６個の４ｘ４ＤＦＴモジュールは、こ
の立方体の第１面Ｓ1 でグループ化し、それぞれ５１ａ
〜５４ａ、５１ｂ〜５４ｂ、および５１ｄ〜５４ｄとい
う４行と４列のモジュールからなる行列という形式で再
配置できる。各モジュールには三つの入力接続がある
が、その内の二つだけ（ｅ′1 およびｅ′48）が、図の
不必要な過剰な複雑さを避ける目的で、図示されてい
る。
【０１１８】第２回路層の三つの集合７、８、９は、立
方体の三つの面、例えば、（図中の）上面Ｓ2 と、面Ｓ
1 に向かい合う面Ｓ3 と、底面Ｓ4 の上に配置される。
これらの面には、その中に、集合７、８、９の矩形の平
行四辺形の形をした基板サポート・モジュール７１〜７
４、８１〜８４、および９１〜９４を差し込む四つの並
列コネクタが具備される。図を不必要に過剰に複雑にし
ないために、面Ｓ2 のレイアウトだけが、詳細に参照番
号（集合７）とともに示されている。ただし、集合８お
よび９の面Ｓ3 およびＳ4 では、この配列が、同様に反
復されることを理解しなければならない。
【０１１９】面Ｓ2 に固定されるコネクタには、Ｃ71〜
Ｃ74のラベルが付けられる。これらのコネクタのそれぞ
れの中に差し込まれるのが、それぞれ基板サポートモジ
ュール７１〜７４である。モジュールの第１行とモジュ
ールの第２行の間の接続（７９、８９、９９）の経路選
択により、この経路選択を物理的に非常に簡単な方法で
具体化できるようになる。必要とされているのは、これ
らのモジュール（例えば、モジュール７５〜７８）を基
板の形で具体化することだけである。モジュール７１〜
７４をサポートする基板の４行のコネクタＣ75〜Ｃ
78が、コネクタＣ71〜Ｃ74の反対側に取り付けられる。
また、図に示されるように、コネクタＣ75〜Ｃ78は、互
いに並行で、コネクタＣ71〜Ｃ74に対しては直角であ
る。基板７５〜７８のそれぞれがこれらのコネクタの中
に差し込まれる。すでに言及したように、この配列は、
面Ｓ3 およびＳ4 上で集合８および９に関して繰り返さ
れる。各モジュールには、四つの出力接続がある。不必
要に過剰に複雑な図を避けるために、これらの内の一つ
だけ（Ｅｌ′1 ）がモジュールごとに示される。
【０１２０】一方、集合５のモジュール５１ａ〜５４ｄ
の出力間の接続の経路選択６、および他方では、それ以
外の集合の第１行のモジュールの入力は、図５に示され
る状況より複雑であるため、もはやこれらをコネクタを
使って単に実装することはできなくなった。１６個のモ
ジュール５１ａ〜５４ｄが、合計４８個（モジュールご
とに四個）の出力を構成し、面Ｓ1 とそれ以外の３面の
間の接続は、例えば４８本の同軸ケーブルを使ってなさ
れるだろう。４８本のケーブルのハーネス６０が、それ
ぞれ１６本のケーブルからなる三つのサブハーネス６
１、６２、６３に分割され、それぞれ集合７、８、９の
モジュールの入力に分散される。当業者は十分に理解し
ているように、これらのケーブルは位相および挿入損失
という点で一致していなければならない。また、その材
料は、優れた温度の安定性が得られるよう選択される。
【０１２１】このハードウェア・レイアウトは、さらに
複雑なビーム形成ネットワークに拡張できる。ネットワ
ークが大きくなるに従って、立方体の以前未使用であっ
た２面を使用することができる。複雑度がさらに増す
と、立方体ではなく多面体を使用することができる。モ
ジュールを構成するユニット・セルの構造は、当然、六
角ビーム形成ネットワークの複雑度と一致して進化す
る。
【０１２２】要約すると、図１６に示される六角形ビー
ム形成ネットワークのハードウェア構造（つまり、以下
の例の２７ｘ２７のネットワーク）は、図１７に示され
ているより一般的な構造の特別な限定例であることを理
解しなければならない。この特定のケースでは、サポー
ト構造は、そのもっとも簡略な表現、つまり平面に縮小
されている。コネクタＣ1 〜Ｃ3 は、コネクタＣ74〜Ｃ
78の機能と同じような機能を備える。第１回路層（４）
と第２回路層（１〜３）のセルの間で直接接続すること
ができるので、同軸ケーブルのハーネスの使用はもはや
有益ではない。第２レベルおよび第３レベルのモジュー
ルは、回路の複雑度が低い場合、単一の配線板上に配置
され、これにより、前述したばかりの４８ｘ４８のビー
ム形成ネットワーク（図１７）におけるような、コネク
タによるこれらのモジュールの相互接続をしないで済ま
すことができるようになる。
【０１２３】規格化のために、立方体または多面体の構
造が、２７ｘ２７の六角ビーム形成値との機械上のレイ
アウトのために使用される。この場合、モジュール４１
〜４３（集合４、図５）は面Ｓ1 に置かれ、集合１〜３
（図５）のモジュールは面Ｓ 2 〜Ｓ3 に置かれる。同じ
ようにして、第２レベルと第３レベルも互いに引き離す
ことができる。その後で、コネクタＣ73〜Ｃ78に類似し
た機能を備えたコネクタを使用して、相互接続が行われ
る。それから、同軸ケーブルを使用して、集合４とそれ
以外のモジュールの間の相互接続を行うこともできる。
ただし、この構造は本発明の教示に準拠しているが、図
１６に関して説明したものより難しいことに注意する。
【０１２４】Ｎt ＝ＲｘＮ2 個の入力（ここで、Ｒおよ
びＮは整数）の場合、六角ビーム形成ネットワークは、
多面体構造を使用して、次の方法で構成される。 ａ）Ｎ2 個のＲｘＲ次１次元ＤＦＴセルの行。この行
は、多面体構造の１面に配置される。これらのセルは、
当然、この面で、図１２に示されるような行と列の行列
組織に再配列される。各セルは、一つまたは複数のＧａ
ＡｓのＭＭＩＣを有するモジュールという形で具体化で
きる（例えば、図７または図１１を参照）。 ｂ）１次元ＤＦＴセルのＲ個の独立集合で、Ｎ個のＮｘ
Ｎ次セルのそれぞれが２行（第２レベルおよび第３レベ
ル）を構成する。これらのＲ個の独立集合のそれぞれ
が、多面体構造の残りの面の内の一つに配置される。ま
た、これらの集合のそれぞれが二つのステージがあるモ
ジュールのスタックという形を取る。第１ステージは、
第１行のＮ個のセルを有し、そのそれぞれが前記面に配
設されているコネクタに差し込まれる。第２ステージ
は、第２行のＮ個のモジュールを有し、そのそれぞれが
第２行のモジュールにあるコネクタに差し込まれる。第
１ステージおよび第２ステージのコネクタは、図１７に
示すように、相互に直角を成す。
【０１２５】立方体（または、より一般的なのは多面
体）構造を構成する材料は、支持体となるようなもので
なければならない。さまざまな材料が選択できる。アル
ミニウムのような軽量の材料を選択できる。
【０１２６】「スイッチング」機能を含ませる必要があ
る場合（図６を参照）、スイッチ行列の複雑度は、前述
と同じルールの対象となる。スイッチ行列は、ＮｘＮの
入力に接続されるのか、あるいはＲｘＲセルに接続され
るのかに応じて、Ｍ＝ＮまたはＭ＝ＲとなるＭｘＭの正
方行列である。
【０１２７】第２ステージ・コネクタは、図１７に関し
て説明したのとまったく同じような方法で、第２レベル
のモジュールと第３レベルのモジュールの間に必要な相
互接続を行う。第１レベルのＮ2 モジュールの出力とそ
れ以外のモジュールの入力の間の相互接続には、Ｎt 個
のリンク（トレリス）が必要になる。前記のように、相
互接続は、位相および挿入損失という点で適合するＮt
本の同軸ケーブルにより設立できる。
【０１２８】第１レベルと第２レベルの間の相互接続の
場合、一般的なルールは、次のようなものである。各セ
ルのランクｉの出力は、それぞれ同じランクが設定され
た独立した集合のセル入力の一つに接続される。ここ
で、
【数３４】 である。同様に、セルのＲ個の独立集合のそれぞれの第
１行と第２行のセルの間の接続の場合、規則は次の通り
である。各第１行セルのランクｊの出力は、第２行の同
じランクのセルの入力に接続される。ここで、
【数３５】 である。これらのルールは、単に、図５および図１１に
関して詳細に説明した点を一般化したものにすぎない。
【０１２９】最後に、特に、図９と図１４にそれぞれ示
されるようにレイアウトされる３ｘ３セルまたは４ｘ４
セルを使用して集積度をさらに上げることができる場
合、六角ビーム形成ネットワークのすべてが、単一の多
層プリント配線板でレイアウトできる。
【０１３０】レベル間の付加的な移相器は考慮されてい
ないが、すでに述べたように、これらはモジュールの中
に統合されるか、少なくともモジュールを保持している
回路板の上において具体化することができる。
【０１３１】単一平面の場合、交差する接続に対する要
件のため、モジュール内の接続の経路を、平面的な技術
を使用して実現するのは困難である。当然、ジャンパ・
リンクまたは類似したデバイスの使用を考慮することが
できる。ただし、これは、無線周波数絶縁の品質を下げ
るだろう。
【０１３２】この問題を解決するために、多層平面技術
を無線周波数のフィード・スルー(feed through)ととも
に採用することができる。図１８は、この種の配列を示
す。これは、例として、図５のモジュール集合１を示
す。この集合は、三つの３ｘ３の１次元ＤＦＴセルから
なる２行を含み、この２行はそれぞれ、１１〜１３と１
４〜１６からなる。この配列は、集合１自体から区別さ
れていない単一のサポート上に具体化されるものと仮定
する。交差がないため、モジュール集合１の入出力に関
して問題は存在しない。
【０１３３】他方、二つの行のモジュール間の接続は、
二つのレベルの誘電体上に配置される伝送路により達成
される。また、この誘電体は、セルまたはモジュール１
１〜１６もサポートする。接続１１０（セル１１からセ
ル１４へ）、接続１１１（セル１１からセル１５へ）、
接続１２２（セル１２からセル１５へ）、接続１３２
（セル１３からセル１５へ）、および接続１３３（セル
１３からセル１６へ）が１レベルだけを占める（上平
面）。他方、接続１１２（セル１１からセル１５）、接
続１２１（セル１２からセル１４へ）、接続１２３（セ
ル１２からセル１６へ）、接続１３１（セル１３からセ
ル１４へ）は、二つのレベル（上面と底面）を占める。
これらの接続のそれぞれが、三つのセクション、すなわ
ち１１２−１１２′−１１２″、１２１−１２１′−１
２１″、１２３−１２３′−１２３″、及び１３１−１
３１′−１３１″に分けられる。「底面」の伝送路は、
無線周波数フィードスルーである、１１２０−１１２
１、１２１０−１２１１、１２３０−１２３１、および
１３１０−１３１１によって、それぞれ「上面」の伝送
路に接続されている。
【０１３４】利用される無線周波数の範囲が指定される
と、誘電体は「柔らかい」基板タイプのものである。さ
らに正確に言うと、例えば、ＰＴＦＥであり、オプショ
ンによりセラミックまたはアルミニウムで充填すること
ができる。
【０１３５】それ自体よく知られているように、無線周
波数フィード・スルーの近くに、マッチング（整合）す
る構成要素または回路が必要となる場合がある。
【０１３６】さまざまな技術を活用できる。図１９は、
これらの技術のうちの一つを示す。配線は、具体的な応
用例および使用される製作方法に応じて厚膜または薄膜
フィルム技術によるストリップ・ライン型である。この
図に断面で示される構成要素は、三つの並行な金属接地
平面、ＰＭ1 とＰＭ2 とＰＭ3 、ならびにこれらの接地
平面間にあって支持体を形成する二つの誘電体層Ｄ1 と
Ｄ2 を含む。二つの金属ストリップ・ライン、上部ライ
ンＬ1 および底部ラインＬ2 は、それぞれの誘電サポー
トＤ1 およびＤ2 の中に埋め込まれている。ラインＬ1
とＬ2 の間で接続を行わなければならない場合には、無
線周波数フィード・スルーＴｒ1 は、メッキによるスル
ー・ホールという形で具体化できる。当然、中間接地面
Ｍ2 の中には、直径が更に大きな（またはより一般的に
サイズがより大きな）オリフィスが配設される。これ
は、二つのラインＬ1 とＬ2 の間に無線周波数の遮蔽を
提供する。したがって、この配列は非常に高いレベルの
無線周波数絶縁を提供する。
【０１３７】図示されていないが別の解決策には、一つ
のレベルで導波管型の回線を使用し、もう一方のレベル
ではストリップ・ライン型を使用するというものがあ
る。この解決策を使用すれば、複雑度は最小限となる
が、無線周波数の絶縁はストリップ・ラインで利用可能
なものほど優れていない。これにも関わらず、誘電体を
厚くすれば、十分な絶縁度を達成することができる。
【０１３８】他の解決策も可能である。すべてのケース
で、フィード・スルーでの回線と低損失の間の高度の無
線周波数絶縁により、相互接続の経路選択を行うには、
２レベルの伝送路が必要となる。使用される周波数範囲
に応じて、薄膜または厚膜技術や、柔軟な物質またはセ
ラミック基板、メッキによるスルー・ホールまたはピン
・タイプ無線周波数フィード・スルーなどが使用され
る。最後に、複雑さが非常に大きい場合は、コネクタ、
同軸ケーブルなどの図１７に関して説明したような、そ
の他の解決策を採用しなければならない。
【０１３９】六角格子アンテナの場合、六角ビーム形成
ネットワークの重量は、次のように概算できる。 重量＝ (N r xMr ) + (Nn xMn ) + (Nt xMc ) (45) ここで、Ｎr は、ＲｘＲのユニット・モジュールの数で
ある。Ｍr は、ケーシングおよびコネクタを含む、これ
らのモジュールのそれぞれの重量である。Ｎn は、Ｎｘ
Ｎのユニット・モジュールの数である。Ｍn は、ケーシ
ングおよびコネクタを含む、これらのモジュールのそれ
ぞれの重量である。Ｎt は、六角ビーム形成ネットワー
クの入力の総数である。Ｍc は、終端コネクタを含む、
同軸ケーブルの重量である。
【０１４０】さらに具体的な例を挙げるために、図１７
に示すようにレイアウトした４８ｘ４８のビーム形成ネ
ットワークの場合、Ｒ＝３、Ｎ＝４で、提案された技術
を使用し、Ｍr ＝２５ｇ、Ｍn ＝３５ｇおよびＭc ＝２
０ｇであると概算すると、総重量は約２．２ｋｇとなる
だろう。
【０１４１】ＢＦＮノード一つ当たりの重量は、１ｇ以
下である。ノード数は、ビーム数と放射素子数の積とし
て定義される。従来の技術では、ノード一つ当たり１０
ｇの数値が、本技術の通常の技術を使用した場合の無線
周波数ビーム形成ネットワークの総重量の概算の基準と
して、日常的に受け入れられている。したがって、本発
明のアーキテクチャによれば、約１０分の１に総重量を
削減できる。
【０１４２】本発明が、特に図２から図１９に関連し
て、詳細に説明した実施例に限られていないことが明確
でなければならない。特に、ユニット・セルのモジュー
ルへの集積は、その他の技術を用いて達成することがで
きる。説明したように、多層、同軸ケーブルなどのさま
ざまな技法を使用して相互接続を行うことができる。ア
ンテナの形状も六角格子アンテナに限られていない。本
発明のビーム形成ネットワークは、周縁で連続せず、六
角形でもないパッチを有する三角格子アンテナを駆動す
るのにも使用できる。
【０１４３】最後に、（存在しない放射素子用の）ゼロ
加重の特殊ケースを含めて、ビーム形成ネットワークと
アンテナの従来の振幅加重手段を放射素子の間に配置す
ることが可能で、これは大きな重複度を有するビームを
形成するための非常に簡単な方法である。
【０１４４】本発明は、特に、宇宙での応用例に適して
いるが、この種の応用例に限定されるものではない。本
発明は、複数のビームを生成するためのすべての無線周
波数位相制御ビーム走査型アンテナに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術による１６ｘ１６バトラー行列ビー
ム形成ネットワークを示す図である。
【図２】位相制御ビーム走査型アンテナの放射素子支持
体の単位域のトポロジーを示す図である。
【図３】支持体のさらに大きな部分上におけるこの単位
域の繰返しを示す図である。
【図４】２７ｘ２７六角ネットワーク用放射素子支持体
の一部を示す図である。
【図５】本発明の２７ｘ２７六角ビーム形成ネットワー
クの機能的アーキテクチャを示す図である。
【図６】スイッチング機能を取り入れた本発明の２７ｘ
２７六角ビーム形成ネットワークの機能的アーキテクチ
ャを示す図である。
【図７】図５のビーム形成ネットワークを具体化するた
めに繰返し活用される１個の３ｘ３ユニット・セルの回
路の機能的なアーキテクチャおよびトポロジーを示す。
【図８】図５のビーム形成ネットワークを具体化するた
めに繰返し活用される１個の３ｘ３ユニット・セルの回
路の機能的なアーキテクチャおよびトポロジーを示す。
【図９】図５または図６のビーム形成ネットワークを具
体化するために繰返し使用される１個の３ｘ３ユニット
・セルの第２実施例の回路のトポロジーを示す。
【図１０】この第２実施例の変形を示す。
【図１１】本発明の４８ｘ４８六角ビーム形成ネットワ
ークの機能的アーキテクチャを示す図である。
【図１２】図１１のビーム形成ネットワークを具体化す
るために繰返し活用される１個の４ｘ４ユニット・セル
の回路の機能的なアーキテクチャおよびトポロジーを示
す。
【図１３】図１１のビーム形成ネットワークを具体化す
るために繰返し活用される１個の４ｘ４ユニット・セル
の回路の機能的なアーキテクチャおよびトポロジーを示
す。
【図１４】図１１のビーム形成ネットワークを具体化す
るために繰返し使用される１個の４ｘ４ユニット・セル
の第２実施例の回路のトポロジーを示す。
【図１５】ビーム形成ネットワークの物理的なレイアウ
トの第１例を示す図である。
【図１６】特に大きなビーム形成ネットワークに適当で
あるビーム形成ネットワークの物理的なレイアウトの第
２例を示す図である。
【図１７】非常に大きなビーム形成ネットワークに特に
適当なこのビーム形成ネットワークの物理的なレイアウ
トの第３例を示す図である。
【図１８】平面技術を活用した相互接続の経路選択を示
す。
【図１９】接続ユニットとして使用できるストリップ・
ライン型の伝送路のある実施例を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイク・ヤーウッド オランダ国、ノールトワイク、ホルフバー ン 50 (72)発明者 ヴォルフガンク・ベッシュ オランダ国、2231 ハーペー ラインスブ ルク、ブラウウェルストラート 51アー

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数のビームを生成するための特定数の
    放射素子（Ｅｌ1 〜Ｅｌ27）を具備する無線周波数アン
    テナ用のビーム形成ネットワーク（ＣＦＨ、ＣＦＨ′）
    であって、前記ビーム形成ネットワーク（ＣＦＨ、ＣＦ
    Ｈ′）は、特定数の信号入力（ｅ1 〜ｅ27）、該予め決
    定した数の信号入力（ｅ1 〜ｅ27）に等しい数の前記放
    射素子（Ｅｌ1 〜Ｅｌ27）用制御信号の出力を具備し、
    該入力信号に二次元六角離散フーリエ変換を適用するネ
    ットワークにおいて、前記予め決定された入力および出
    力の数が、Ｎt （Ｎt ＝ＲｘＮ2 、ＲおよびＮが整数）
    に等しく、前記ビーム形成ネットワーク（ＣＦＨ、ＣＦ
    Ｈ″）を構成する回路が、行１次元離散フーリエ変換と
    列１次元離散フーリエ変換をそれぞれ行う第１回路層と
    第２回路層とに分割され、 第１回路層が、それぞれがＲ個の入力とＲ個の出力を持
    つセル（４１〜４９、５１ａ〜５４ｄ）を１行（４、
    ５）Ｎ2 個含み、各セルが前記Ｎt 個の入力の一つに存
    在する信号を受信し、そのＲ個の入力に存在する信号に
    １次元フーリエ変換を行い、 第２回路層が、そのそれぞれがＮ個の入力およびＮ個の
    出力を持つＲ個の独立集合（１〜３、７〜９）を含み、
    それぞれの集合が、Ｎ個のセルからなる第１行（１１〜
    １３、２１〜２３、３１〜３３、７１〜７４、８１〜８
    ４、９１〜９４）および第２行（１４〜１６、２４〜２
    ６、３４〜３６、７５〜７８、８５〜８８、９５〜９
    ８）を含み、各セルがそのＮ個の入力に存在する信号に
    １次元離散フーリエ変換を行い、前記第２行のセルの出
    力のそれぞれが前記放射素子の一つを駆動し、 前記第１回路層および第２回路層が、Ｎ2 個のセルの前
    記行のセルの出力と、セルのＲ個の独立集合の第１行の
    Ｎ個のセルの入力との間の接続を行う第１組の相互接続
    （４ａ、６）により接続され、各セルのランクｉの出力
    が同じランクの独立集合のセル入力の一つにそれぞれ接
    続され、ここで、ｉ∈｛１，Ｒ｝であり、前記Ｒ個の独
    立集合のそれぞれの前記第１行および第２行のセルが、
    第１行のＮ個のセルの出力と、第２行のＮ個のセルの入
    力との間の接続を行う第２組の相互接続（ＣＬＣ1 〜Ｃ
    ＬＣ3 、７９、８９、９９）により接続され、第１行の
    各セルのランクｊの出力が第２行の同じランクのセルの
    入力に接続され、ここで、ｊ∈｛１，Ｎ｝であることを
    特徴とする前記ビーム形成ネットワーク。
  2. 【請求項２】 前記ネットワークがさらにビーム・スイ
    ッチング回路行列を具備すること、そして、該回路が、
    前記特定数の信号入力（ｅ1 〜ｅ27）とＮ2個のセルの
    前記第１層（４）との間に置かれる第１層（Ｃｏ1 ）
    と、前記第１組の相互接続（４ａ、６）の出力と前記Ｒ
    個の独立集合の第１行のセル（１１〜３３）との間に配
    置される第２層（Ｃｏ2 ）と、前記第２組の相互接続
    （ＣＬＣ1〜ＣＬＣ3 ）の出力と前記Ｒ個の独立集合の
    第２行のセル（１４〜３６）との間に配置される第３層
    （Ｃｏ3 ）とに分割されることを特徴とする請求項１記
    載のネットワーク（ＣＦＨ′）。
  3. 【請求項３】 前記スイッチ行列が正方行列であること
    と、前記第１層（Ｃｏ1 ）のスイッチ行列がＲｘＲの行
    列であることと、前記第２層および第３層の行列がＮｘ
    Ｎの行列であることとを特徴とする請求項２記載のネッ
    トワーク（ＣＦＨ′）。
  4. 【請求項４】 Ｎt が２７に等しく、Ｎが３に等しく、
    Ｒが３に等しく、１次元離散フーリエ変換を行うすべて
    のセル（４１〜４９、１１〜３６）が、同一で、かつ３
    個の入力と３個の出力を持つことを特徴とする請求項１
    から請求項３のいずれかに記載のネットワーク（ＣＦ
    Ｈ）。
  5. 【請求項５】 Ｎt が４８に等しく、Ｎが４に等しく、
    Ｒが３に等しく、Ｎ 2 個のセルの前記行（５）の１次元
    離散フーリエ変換を行うすべてのセル（５１ａ〜５４
    ｄ）が、同一であり、かつ３個の入力および３個の出力
    を持つことと、前記Ｒ個の独立集合（７、８、９）の第
    １行および第２行の１次元離散フーリエ変換を行うすべ
    てのセル（７１〜９８）が、同一であり、かつ４個の入
    力および４個の出力を持つこととを特徴とする請求項１
    から請求項３のいずれかに記載のネットワーク（ＣＦ
    Ｈ″）。
  6. 【請求項６】 離散フーリエ変換を行う前記セルが、少
    なくとも一つのガリウム砒素・モノリシック・マイクロ
    波集積回路の形であることを特徴とする請求項１から請
    求項５のいずれかに記載のネットワーク（ＣＦＨ、ＣＦ
    Ｈ′、ＣＦＨ″）。
  7. 【請求項７】 前記集積回路が、Ｌ周波数帯域またはＳ
    周波数帯域で一まとめにされた定数が設定されたコンデ
    ンサおよびインダクタに基づいたハイブリッド技術の受
    動回路であることを特徴とする請求項６記載のネットワ
    ーク（ＣＦＨ、ＣＦＨ′、ＣＦＨ″）。
  8. 【請求項８】 前記セル（１１、７１）が、Ｘ×Ｘ個の
    セルであり（ＸはＮまたはＲに等しい整数）、前記セル
    が、特定値のインダクタ（Ｌ）を介して各入力（Ｉ1 〜
    Ｉ4 ）を同じランクの出力（Ｏ1 〜Ｏ4 ）に接続し、同
    じ特定値のインダクタ（Ｌ）を介して各入力（Ｉ1 〜Ｉ
    4 ）をその他の［Ｘ−１］個の入力（Ｉ1 〜Ｉ4 ）に接
    続し、同じ特定値のインダクタ（Ｌ）を介して各出力
    （Ｏ1 〜Ｏ4 ）をそれ以外の［Ｘ−１］個の出力（Ｏ1
    〜Ｏ4 ）接続し、同じ第１特定値を有するコンデンサ
    （Ｃ）を介して各入力（Ｉ4 〜Ｉ4 ）および各出力（Ｏ
    1 〜Ｏ4 ）を接地電位（Ｍa ）に接続することにより、
    具体化されていることを特徴とする請求項７記載される
    ネットワーク（ＣＦＨ、ＣＦＨ′、ＣＦＨ″）。
  9. 【請求項９】 各コンデンサ（Ｃ）が、前記第１特定値
    以下の第２特定値を有する固定コンデンサ（Ｃ′）と、
    該固定コンデンサに並列で、ゲート（Ｇ）が前記固定コ
    ンデンサ（Ｃ′）に接続され、ソースおよびドレインが
    接地電位（Ｍ a ）に接続され、可変キャパシタンスを形
    成するＭＥＳＦＥＴタイプのトランジスタ（Ｔr ）とか
    らなることと、制御電圧（Ｖc ）が該ゲート（Ｇ）に与
    えられ、前記第１特定値を得るために、前記固定コンデ
    ンサ（Ｃ′）および前記トランジスタ（Ｔr ）により形
    成される合成キャパシタンスの値を修正することとを特
    徴とする請求項８記載のネットワーク（ＣＦＨ、ＣＦ
    Ｈ′，ＣＦＨ″）。
  10. 【請求項１０】 前記制御電圧（Ｖc ）がすべてのセル
    に適用される単一の制御電圧であることを特徴とする請
    求項９記載のネットワーク（ＣＦＨ、ＣＦＨ′、ＣＦ
    Ｈ″）。
  11. 【請求項１１】 前記集積回路が誘電体基板上に取り付
    けられること、および集積回路間の相互接続（１１１〜
    １３３）が、多層伝送路により達成され、層間の接続が
    無線周波数フィード・スルー（１１２０〜１２３１）に
    より達成されることを特徴とする請求項６から請求項１
    ０のいずれかに記載のネットワーク（ＣＦＨ、ＣＦ
    Ｈ′、ＣＦＨ″）。
  12. 【請求項１２】 前記伝送路（Ｌ1 、Ｌ2 ）が、第１お
    よび第２金属接地平面（Ｍ1 およびＭ3 ）と該第１金属
    接地平面および第２金属接地平面の間に配置されて前記
    伝送路（Ｌ1 、Ｌ2 ）の間の遮蔽を形成する中間接地平
    面（Ｍ2 ）とを具備したマイクロ・ストリップ・ライン
    の形をとることと、三つの平面（Ｍ1〜Ｍ3 ）が平行で
    あることと、該三つの平面および中間平面の間の体積が
    誘電体（Ｄ1 、Ｄ2 ）で充填されることと、前記伝送路
    が誘電体（Ｄ1 、Ｄ2 ）に埋め込まれ、前記平面（Ｍ1
    〜Ｍ3 ）に平行に配置された金属片（Ｌ1 、Ｌ2 ）から
    構成されることと、前記伝送路間の相互接続が、前記無
    線周波数フィード・スルー（Ｔｒ1 ）を形成するメッキ
    によるスルー・ホールによりなされ、前記中間平面（Ｍ
    2 ）が前記フィード・スルーより大きなサイズの開口部
    （Ｔｒ2 ）を具備し、前記フィード・スルー（Ｔｒ1 ）
    のための自由な通路を提供することとを特徴とする請求
    項１１記載のネットワーク（ＣＦＨ、ＣＦＨ′、ＣＦ
    Ｈ″）。
  13. 【請求項１３】 前記セルが、モノリシック・マイクロ
    波集積回路の形をとっており、多層プリント配線板（Ｐ
    ＣＢ）に取り付けられることと、前記第１組および第２
    組の相互接続（ＣＬＣ1 〜ＣＬＣ3 ）が前記プリント配
    線板（ＰＣＢ）上の多層伝送路の形をとることとを特徴
    とする請求項１から請求項１２のいずれかに記載のネッ
    トワーク（ＣＦＨ）の機械的レイアウト用構造。
  14. 【請求項１４】 多面体の形のフレーム（Ｓ）を有する
    ことと、Ｎ2 個のセルの前記行（５）のセル（５１ａ〜
    ５１ｂ）が前記多面体（Ｓ）の第１面（Ｓ1）上に配置
    されることと、前記Ｒ個の独立集合（７、８、９）のそ
    れぞれが、前記多面体（Ｓ）のＲ個の残りの面（Ｓ1 、
    Ｓ2 、Ｓ3 ）の内の一つに配置されることとを特徴とす
    る請求項１から請求項１２のいずれかに記載のネットワ
    ーク（ＣＦＨ）の機械的レイアウト用構造。
  15. 【請求項１５】 前記Ｎ2 個のセルが、Ｎ個の列および
    Ｎ個の行を持つ行列構成で、前記多面体（Ｓ）の前記第
    １面に配置されることを特徴とする請求項１４記載の構
    造。
  16. 【請求項１６】 前記Ｒ個の独立集合（７）の第１行
    （７１〜７４）および第２行（７５〜７８）のセルが、
    モノリシック・マイクロ波集積回路の形をとり、各セル
    （７１〜７４、７５〜７８）が矩形平行四辺形の形状の
    平面基板上に配置されることと、前記Ｒ個の集合が配置
    される面（Ｓ２〜Ｓ４）のそれぞれに、Ｎt 個の追加の
    接続配線によって、Ｎ2 個のセルの前記行のセルの出力
    と、前記Ｒ個の独立集合の第１行のＮ個のセルの入力と
    の間の接続を行う第１組の相互接続（６）を構成するよ
    うに、前記第１行のセル（７１〜７４）をサポートする
    前記平面基板の一つが差し込まれるＮ個の第１組の並列
    コネクタ（Ｃ71〜Ｃ74）があることと、前記基板が、コ
    ネクタ（Ｃ72〜Ｃ74）の中に挿入される側の反対側に、
    互いに平行で前記第１組のコネクタ（Ｃ71〜Ｃ74）に対
    して直角のＮ個の第２組のコネクタ（Ｃ75〜Ｃ78）を有
    し、第１行のＮ個のセルの出力と第２行のＮ個のセルの
    入力との間の直接的な接続を行う該第２組の相互接続
    （７９）を構成することとを特徴とする請求項１４また
    は請求項１５記載の構造。
  17. 【請求項１７】 前記Ｎt 個の追加接続回線が同軸ケー
    ブル（６０）であることと、その第１端がＮ2 個のセル
    （５１ａ〜５４ｄ）の前記行（５）のセルの出力の一つ
    に接続され、その第２端が前記多面体（Ｓ）の面（Ｓ2
    〜Ｓ3 ）の一つにより保持されている第１組（Ｃ71〜Ｃ
    74）の前記コネクタの一つを介して、前記Ｒ個の集合
    （７、８、９）の第１行のＮ個のセル（７１〜７４、８
    １〜８４、９１〜９４）の入力の一つに接続されること
    とを特徴とする請求項１６記載の構造。
  18. 【請求項１８】 Ｒが５以下または５に等しく、前記構
    造（Ｓ）が立方体であることを特徴とする請求項１４か
    ら請求項１７のいずれかに記載の構造。
  19. 【請求項１９】 Ｎt が２７に等しく、Ｎが３に等し
    く、Ｒが３に等しく、セルがモノリシック・マイクロ波
    集積回路の形をとり、Ｎ2 個のセル（４２〜４８）の前
    記行の各セルが、１個の独立した矩形平行四辺形の形状
    をした平面基板上に配置され、前記Ｎ個の平面基板が並
    行であり、前記Ｒ個の独立集合（１、２、３）のそれぞ
    れのセルが、１個の共通した矩形平行四辺形の形状をし
    た平面基板上に配置され、前記Ｒ個の平面基板が平行で
    あることと、前記Ｎ個の平面基板が前記Ｒ個の平面基板
    に対して直角であることと、前記Ｎ個の平面基板が、一
    方の側に、前記Ｒ個の平面基板の内の一つがその中に差
    し込まれるコネクタ（Ｃ1、Ｃ2 、Ｃ3 ）をＲ個有し、
    前記第１組の接続を形成することを特徴とする、請求項
    １から４または請求項５から１３のいずれか一に記載の
    ネットワーク（ＣＦＨ）の機械的レイアウト用構造。
  20. 【請求項２０】 前記第２組の接続が前記Ｒ個の独立集
    合（１、２、３）の第１行（１１〜１３、２１〜２３、
    ３１〜３３）および第２行（１４〜１６、２４〜２６３
    ４〜３６）のセルの間の多層伝送路（１１１〜１３３）
    として形成され、層間の接続が、無線周波数フィード・
    スルー（１１２０〜１２３１）により提供されることを
    特徴とする請求項１９記載の構造。
  21. 【請求項２１】 複数のビームを生成するための無線周
    波数位相制御ビーム走査型アンテナの制御への請求項１
    から請求項１３のいずれかに記載のネットワーク（ＣＦ
    Ｈ、ＣＦＨ′、ＣＦＨ″）の適用。
  22. 【請求項２２】 前記アンテナの放射素子（Ｅｌ1 〜Ｅ
    ｌ27）が、六角格子の中に配置されることと、アンテナ
    が衛星に搭載されていることを特徴とする請求項２１記
    載の適用。
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