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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-01-19
(45)【発行日】2023-01-27
(54)【発明の名称】電子走査アレイ
(51)【国際特許分類】
H02J 1/00 20060101AFI20230120BHJP
H01Q 3/30 20060101ALI20230120BHJP
H02J 3/38 20060101ALI20230120BHJP
H02J 4/00 20060101ALI20230120BHJP
【ＦＩ】
H02J1/00 304E
H01Q3/30
H02J3/38
H02J4/00
H02J1/00 309V
【請求項の数】
12
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2018125877
(22)【出願日】2018-07-02
(65)【公開番号】P2019017239
(43)【公開日】2019-01-31
【審査請求日】2021-06-28
(31)【優先権主張番号】15/644,544
(32)【優先日】2017-07-07
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】505347433
【氏名又は名称】ロックウェル・コリンズ・インコーポレーテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100086232
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 博通
(74)【代理人】
【識別番号】100092613
【弁理士】
【氏名又は名称】富岡 潔
(72)【発明者】
【氏名】ポールセン、 リー エム．
(72)【発明者】
【氏名】キャンベル、 トーマス ビー．
(72)【発明者】
【氏名】マッコイ、 ブライアン エス．
(72)【発明者】
【氏名】ヒル、 エイドリアン エイ．
(72)【発明者】
【氏名】ジェンセン、 デイナ ジェイ．
(72)【発明者】
【氏名】デイナ、 ロジャー エイ．
【審査官】高野 誠治
(56)【参考文献】
【文献】米国特許第７５７０２０９（ＵＳ，Ｂ２）
【文献】米国特許第０５６５４８５９（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１２４５０１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１１／０３１３６４７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許第０６２８８６７３（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】国際公開第２０１７／０６５０８８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平０１－０７８１７８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｑ ３／００－３／４６
Ｈ０１Ｑ ２１／００－２５／０４
Ｈ０２Ｊ １／００－５／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
装置であって、幹線電力を乗り物から受電する構造とされたコネクタと、
前記コネクタに電気的に連結されるとともに、前記幹線電力を受電及び調整する構造とされた第１電力変換器と、
前記コネクタに電気的に連結されるとともに、前記第１電力変換器と並列に配列されて前記幹線電力を受電及び調整する構造とされた第２電力変換器と、
前記第１電力変換器及び前記第２電力変換器から調整済み電力を受電する構造とされた調整済み電力コネクタと、
前記第１電力変換器と前記調整済み電力コネクタとの間に配列されて調整済み電力が前記第１電力変換器から前記調整済み電力コネクタへと通ることを選択的に許容する構造とされた第１スイッチと、
前記第２電力変換器と前記調整済み電力コネクタとの間に配列されて調整済み電力が前記第２電力変換器から前記調整済み電力コネクタへと通ることを選択的に許容する構造とされた第２スイッチと、
それぞれ前記調整済み電力コネクタから調整済み電力を受電するように構成された、第１隔離入力部および第２隔離入力部と、
前記第１隔離入力部の下流に配置された第１隔離スイッチと、
前記第２隔離入力部の下流に配置された第２隔離スイッチと、
前記第１隔離スイッチの下流に配置された第１ＥＭＩフィルタ段と、
前記第２隔離スイッチの下流に配置された第２ＥＭＩフィルタ段と、
前記第１ＥＭＩフィルタ段の下流に配置された第１ローカル電力供給部と、
前記第２ＥＭＩフィルタ段の下流に配置された第２ローカル電力供給部と、
回路カードと、
前記第１電力変換器及び前記第２電力変換器をモニタリングして、前記第１隔離スイッチおよび第２隔離スイッチを作動させて、調整済み電力を、前記第１隔離入力部または前記第２隔離入力部の一方から前記回路カードに選択的に提供し、前記第１スイッチ又は前記第２スイッチの一方を、調整済み電力を前記調整済み電力コネクタに与えるべく動作させる構造とされたコントローラと
を含む装置。
【請求項2】
前記第１電力変換器が故障したと前記コントローラが決定する場合、前記第１スイッチが開かつ前記第２スイッチが閉にされ、前記第２電力変換器が前記調整済み電力コネクタと通信する、請求項１の装置。
【請求項3】
前記第１電力変換器が故障したと前記コントローラが決定する場合、前記第１スイッチが開かつ前記第２スイッチが閉のままとされ、前記第１電力変換器がもはや前記調整済み電力コネクタと通信しない、請求項１の装置。
【請求項4】
第１接続スイッチおよび第２接続スイッチをさらに備え、前記第１接続スイッチは前記第１ローカル電力供給部と前記回路カードとの間に配置され、前記第２接続スイッチは前記第２ローカル電力供給部と前記回路カードとの間に配置される、請求項１の装置。
【請求項5】
前記第１電力変換器及び前記第２電力変換器はそれぞれが、複数の電圧を与えるローカル電力供給部を含む、請求項１の装置。
【請求項6】
２つを超える電力変換器が、各電力変換器に関連付けられたスイッチを介して負荷に並列に接続される、請求項１の装置。
【請求項7】
電子走査アレイシステムであって、電力供給システムと、
放射素子サブアレイと、
複数のビーム形成器チップと、
複数の制御バスと、
予備制御経路と
を含み、
前記電力供給システムは、
幹線電力を乗り物から受電する構造とされたコネクタと、
前記幹線電力を受電及び調整する構造とされた第１電力変換器と、
前記第１電力変換器と並列に配列されて前記幹線電力を受電及び調整する構造とされた第２電力変換器と、
調整済み電力を前記第１電力変換器及び前記第２電力変換器から受電する構造とされた調整済み電力コネクタと、
前記第１電力変換器と前記調整済み電力コネクタとの間に配列されて調整済み電力が前記第１電力変換器から前記調整済み電力コネクタへと通ることを選択的に許容する構造とされた第１スイッチと、
前記第２電力変換器と前記調整済み電力コネクタとの間に配列されて調整済み電力が前記第２電力変換器から前記調整済み電力コネクタへと通ることを選択的に許容する構造とされた第２スイッチと、
前記第１電力変換器及び前記第２電力変換器をモニタリングして前記第１スイッチ又は前記第２スイッチの一方を、調整済み電力を前記調整済み電力コネクタに与えるべく動作させる構造とされたコントローラと
を含み、
前記放射素子サブアレイは、
複数のアクティブ放射素子と、
前記アクティブ放射素子の全体にわたって分散された約１パーセントから約２０パーセントの予備放射素子と
を含み、
前記複数のビーム形成器チップはそれぞれが、
少なくとも一つの放射素子に関連付けられて制御バスインタフェイスと、
前記制御バスインタフェイス内の信号が故障する事象において前記制御バスインタフェイスに再マッピングされるように構成された予備入力部と
を含み、
前記複数の制御バスは前記複数のビーム形成器チップに命令を与える構造とされ、
各制御バスは、前記制御バスから前記制御バスインタフェイスへの通信を与える複数の一次制御経路を含み、
前記予備制御経路は、前記複数の一次制御経路の一つが故障する事象において前記制御バスから前記制御バスインタフェイスへの通信を与えるように再マッピングされる構造とされる電子走査アレイシステム。
【請求項8】
前記電力供給システムは、前記第１電力変換器と前記第１スイッチとの間に配置された第１センサをさらに含み、前記コントローラは前記第１センサと通信する構造とされる、請求項７の電子走査アレイシステム。
【請求項9】
前記電力供給システムは、エネルギー貯蔵デバイスをさらに含み、前記第１電力変換器及び前記第２電力変換器と選択的に通信して前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの下流側に配置される、請求項７の電子走査アレイシステム。
【請求項10】
前記電力供給システムは、前記第１電力変換器の上流側に配置された第１隔離スイッチと、
前記第２電力変換器の上流側に配置された第２隔離スイッチと
をさらに含み、
前記第１隔離スイッチ及び前記第２隔離スイッチは、前記第１電力変換器又は前記第２電力変換器を選択的に隔離するべく前記コントローラにより動かされる、請求項７の電子走査アレイシステム。
【請求項11】
前記制御バスは直交態様で配列される、請求項７の電子走査アレイシステム。
【請求項12】
各制御バスは、第１サブアレイのビーム形成器チップ及び第２サブアレイのビーム形成器チップと通信する、請求項７の電子走査アレイシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は一般に、衛星通信の分野に関する。詳しくは、本開示は航空機搭載衛星通信に関する。電子走査アレイ（ＥＳＡ）は、異なる方向を指すように電子的に操舵できるアンテナである。ＥＳＡが古くなると、個々の放射素子が故障し得る。個々の素子が故障すると、それに比例してＥＳＡの放射性能が低下する。
【背景技術】
【0002】
フェーズドアレイ（例えばＥＳＡ）についての共通の感情は、素子が故障するにつれて優雅に劣化するというものである。換言すれば、大抵のＥＳＡは、ゆっくりとしたかつ比例的な性能減衰を念頭において設計されている。しかしながら、優雅な減衰が必ずしも生じるわけではない。ＥＳＡ電力供給アーキテクチャ及びコントローラには単一点故障モードが存在するので、放射素子の故障は、再較正を必要とすることがあり、利得対雑音温度（Ｇ／Ｔ）及び実効等方放射電力（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ－ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ－ｒａｄｉａｔｅｄ－ｐｏｗｅｒ（ＥＩＲＰ））を、許容レベルよりも下にまで低減させる。
【0003】
単一点故障モード及び放射素子故障への経時的な対処を試みるには、様々な技法を使用することができる。例えば、無線周波数（ＲＦ）隔離技法は、ＲＦ故障モードのアクティブコンポーネントへの影響を低減するべく、フェーズドアレイ回路群とアンテナの放射素子との間にサーキュレータ又は方向性結合器を配置することを含み得る。
【0004】
他の解決策には、ループバック試験を介したインポジション（ｉｎ－ｐｏｓｉｔｉｏｎ）較正、較正ホーン（ｈｏｒｎ）等が含まれる。インポジション較正は、ＥＳＡの再較正がサイドローブ要件を満たすことを許容するが、インポジション測定と、オンザフライで計算しなければならない複雑なパターン合成技法とのための高い信号対雑音比（ＳＮＲ）を必要とする。インポジション較正アプローチは、これらの較正モードを可能にすることができるように、バックエンドのラジオ／レーダー／センサのハードウェアに負担を与えるが、当該較正モードは、当該ハードウェアを既存の機器（例えばレガシーモデム）に統合するときには可能とすることができない。
【発明の概要】
【0005】
一つの側面において、ここに開示される本発明概念の複数の実施形態は装置に関し、当該装置は、乗り物から幹線電力を受電するように構成されたコネクタと、当該幹線電力を受電して調整する構造とされた第１電力変換器と、第１電力変換器に並列に配列されて当該幹線電力を受電及び調整する構造とされた第２電力変換器と、第１電力変換器及び第２電力変換器から調整済み電力を受電する構造とされた調整済み電力コネクタと、第１電力変換器と当該調整済み電力コネクタとの間に配列されて調整済み電力が第１電力変換器から当該調整済み電力コネクタへと通ることを選択的に許容する構造とされた第１スイッチと、第２電力変換器と当該調整済み電力コネクタとの間に配列されて調整済み電力が第２電力変換器から当該調整済み電力コネクタへと通ることを選択的に許容する構造とされた第２スイッチと、第１電力変換器及び第２電力変換器をモニタリングして第１スイッチ又は第２スイッチの一方を、調整済み電力を当該調整済み電力コネクタに与えるべく動作させる構造とされたコントローラとを含む。
【0006】
さらなる側面において、ここに開示される本発明概念の複数の実施形態は、複数のビーム形成器チップ及び複数の制御バスを含む装置に関する。各ビーム形成器チップは、少なくとも一つの放射素子に関連付けられるとともに、制御バスインタフェイスと、当該制御バスインタフェイス内の信号が故障する事象において当該制御バスインタフェイスに再マッピングされるように構成された予備入力部とを含む。複数の制御バスは、複数のビーム形成器チップに命令を与える構造とされ、各制御バスは、当該制御バスから制御バスインタフェイスへの通信を与える複数の一次制御経路と、当該複数の一次制御経路の一つが故障する事象において当該制御バスから当該制御バスインタフェイスへの通信を与えるべく再マッピングされる構造とされた予備制御経路とを含む。
【0007】
さらなる側面において、ここに開示される本発明概念の複数の実施形態は、一アレイのアクティブ放射素子と、当該アクティブ放射素子の全体にわたって分散された約１パーセントから約２０パーセント予備放射素子とを含む装置に関する。
【0008】
さらなる側面において、ここに開示される本発明概念の複数の実施形態は、電力供給システム、放射素子サブアレイ、複数のビーム形成器チップ、及び複数の制御バスを含む電子走査アレイシステムに関する。電力供給システムは、幹線電力を乗り物から受電する構造とされたコネクタと、当該幹線電力を受電及び調整する構造とされた第１電力変換器と、第１電力変換器に並列に配列されて当該幹線電力を受電及び調整する構造とされた第２電力変換器と、第１電力変換器及び第２電力変換器から調整済み電力を受電する構造とされた調整済み電力コネクタと、第１電力変換器と当該調整済み電力コネクタとの間に配列されて調整済み電力が第１電力変換器から当該調整済み電力コネクタへと通ることを選択的に許容する構造とされた第１スイッチと、第２電力変換器と当該調整済み電力コネクタとの間に配列されて調整済み電力が第２電力変換器から当該調整済み電力コネクタへと通ることを選択的に許容する構造とされた第２スイッチと、第１電力変換器及び第２電力変換器をモニタリングして第１スイッチ又は第２スイッチの一方を、調整済み電力を当該調整済み電力コネクタに与えるべく動作させる構造とされたコントローラとを含む。放射素子サブアレイは、複数のアクティブ放射素子と、当該アクティブ放射素子の全体にわたって分散された約１パーセントから約２０パーセントの予備放射素子とを含む。各ビーム形成器チップは、少なくとも一つの放射素子に関連付けられるとともに、制御バスインタフェイスと、当該制御バスインタフェイス内の信号が故障する事象において当該制御バスインタフェイスに再マッピングされるように構成された予備入力部とを含む。複数の制御バスは、複数のビーム形成器チップに命令を与える構造とされ、各制御バスは、当該制御バスから制御バスインタフェイスへの通信を与える複数の一次制御経路と、当該複数の一次制御経路の一つが故障する事象において当該制御バスから当該制御バスインタフェイスへの通信を与えるべく再マッピングされる構造とされた予備制御経路とを含む。
【図面の簡単な説明】
【0009】
複数の典型的な実施形態が、添付図面とともに受け取られる以下の詳細な説明から十分に理解される。ここで、同じ参照番号は同じ要素を参照する。
【0010】
【図1】いくつかの実施形態に係るＥＳＡ電力供給システムの模式的な表現である。
【図4】いくつかの実施形態に係る、一アレイの放射素子をフィードする直交制御バスアーキテクチャの模式的な表現である。
【図5】いくつかの実施形態に係る、一アレイの放射素子をフィードする並列制御バスアーキテクチャの模式的な表現である。
【図6】いくつかの実施形態に係る、複数アレイの放射素子をフィードする他の直交制御バスアーキテクチャの模式的な表現である。
【図7】いくつかの実施形態に係る、バスインタフェイス及び予備制御ラインを含むビーム形成器チップの模式的な表現である。
【図8】いくつかの実施形態に係る、予備放射素子を含む八角形衛星通信アレイの正面図である。
【図9】予備素子を含まない八角形衛星通信アレイの、いくつかの実施形態に係る利得パターンを示すグラフである。
【図11】いくつかの実施形態に係るフェーズドアレイアンテナシステムの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
電子走査アレイ（ＥＳＡ）のための方法、装置及びシステムに関する様々な概念、並びにこれらの実装の詳細な説明が以下に続く。上に導入され及び以下に詳述される様々な概念は、任意数の方法で実装することができる。記載の概念は、いずれの特定の実装態様にも限定されないからである。特定の実装及びアプリケーションの例は主に、例示目的で与えられる。
【0012】
図面を一般に参照すると、ここに開示される様々な実施形態は、一次電力供給部、複数の送信回路カード、複数の受信回路カード、一送信アレイの放射素子、及び一受信アレイの放射素子を含むＥＳＡのためのシステム、装置及び方法に関する。一次電力供給部は、主要電力を（例えば航空機の電力グリッドから）受電し、電気エネルギーを望ましい直流（ＤＣ）電圧（例えば４８ＶＤＣ）に改変及び／又は変換する２つの並列力率補正（ＰＦＣ）変換器に電力を与える。各ＰＦＣ変換器の出力は、一つのみのＰＦＣ変換器が下流側システムに電圧を出力しているように切り替えられる。このようにして一次電力供給部は、単一点故障から保護される。
【0013】
送信回路カード及び受信回路カードはそれぞれが、一次電力供給部から（例えば４８ＶＤＣ）の電力を受電する構造にされてローカル電力供給部又は電力変換器を含む。各ローカル電力供給部は２組の変換器コンポーネントを含み、それぞれは、一組のみの変換器コンポーネントが、関連する回路カード及び／又はアレイの放射素子に電力を供給しているように切り替えられる。
【0014】
電力供給アーキテクチャに加え、関連する放射素子に各回路カードを接続する制御バスが、一次制御バス及び二次制御バスを含む。一次制御バス及び二次制御バスは、並列又は直交いずれかの構造にされ、一次制御バスの単一点故障事象においても連続した動作及び制御を許容することができる。
【0015】
当該アレイの放射素子自体が、当該アレイが新しいときには動作しないすなわちアクティブではない予備素子を含む。予備素子は、当該アレイが古くなるとアクティブになり得る。これにより、ＥＳＡの性能は、有意な数の個々の放射素子が故障した後であっても、連続して所望の仕様を満たすことができる。それに加え、送信アレイ及び受信アレイは、八角形状に構成されて８つの一次サイドローブを生成する。その結果、各サイドローブの利得が低くなるので、個々の放射素子が故障しても、サイドローブ利得レベルが許容可能範囲に維持される。
【0016】
ここで図１を参照すると、電子走査アレイ（ＥＳＡ）１００は、乗り物（例えば航空機）内に配列された一次電力供給部１０４と、当該乗り物の外側に配列されて調整済み電力を一次電力供給部１０４から受電する外部電力分配回路１０８と、それぞれが外部電力分配回路１０８から電力を受電して一組の放射素子１１６に給電する４つの受信サブアレイ１１２と、それぞれが外部電力分配回路１０８から電力を受電して一組の放射素子１２４に給電する４つの送信サブアレイ１２０とを含む。いくつかの実施形態において、外部電力分配回路１０８は省略され、電力が一次電力供給部１０４から受信サブアレイ１１２及び送信サブアレイ１２０に与えられる。例えば、外部電力分配回路１０８は、一次電力供給部１０４が圧力容器（例えば航空機のボディ）の外側に配置されるときに省略することができる。いくつかの例において、４つを超える又は４つ未満の送信サブアレイ及び受信サブアレイ１１２、１２０が含まれる。サブアレイ１１２、１２０それぞれの４つが、単なる例示目的のために示される。
【0017】
各受信サブアレイ１１２は、ビーム形成ネットワーク１２８及び４つの回路カード１３２を含み、各回路カード１３２は、ローカル電源又は電力変換器を含む。同様に、各送信サブアレイ１２０は、ビーム形成ネットワーク１３６及び４つの回路カード１４０を含む。各回路カード１４０は、ローカル電源又は電力変換器を含む。いくつかの実施形態において、受信サブアレイ１１２のビーム形成ネットワーク１２８は、受信放射素子１１６を介して信号又はデータビームを受信するように設計された増幅器、低雑音フィルタ、スプリッタ、及び位相シフタ又は時間遅延を含む。いくつかの実施形態において、送信サブアレイ１２０のビーム形成ネットワーク１３６は、送信放射素子１２４を介して信号又はデータビームを送信するように設計された増幅器、低雑音フィルタ、コンバイナ、及び位相シフタ又は時間遅延を含む。いくつかの実施形態において、ビーム形成ネットワーク１２８、１３６は、望ましいビーム形成に必要な信号の極性、時間遅延、位相シフト又は他の側面を制御する。いくつかの実施形態において、サブアレイ１１２、１２０はそれぞれが、４つ未満の又は４つを超える回路カード１３２、１４０を含む。
【0018】
ここで図２を参照すると、一次電力供給部１０４は、幹線電力（例えば１１５ＶＡＣ）をコネクタ１４４において受電し、当該幹線電力を、ＥＭＩフィルタ１４８を通過させた後に第１力率補正（ＰＦＣ）変換器１５２ａ及び第２ＰＦＣ変換器１５２ｂに並列に分割する。ＰＦＣ変換器１５２ａ、ｂはそれぞれが、幹線電力供給部の力率を調整し、電圧を所望の直流電圧（例えば４８ＶＤＣ）に変換する。第１ＰＦＣ変換器１５２ａの下流側には第１ソリッドステート電流ブレーカー（ＳＳＣＢ）１５６ａが存在し、第２ＰＦＣ変換器１５２ｂの下流側には第２ＳＳＣＢ１５６ｂが存在する。第１ＳＳＣＢ１５６ａ及び第２ＳＳＣＢ１５６ｂは、一次電源制御部１６０によって制御される。一次電源制御部１６０は、ＰＦＣ変換器１５２ａ、ｂ及び関連する送電回路のそれぞれの健全性を決定するべく、ＰＦＣ変換器１５２ａ、ｂのそれぞれにおける診断特徴部、及びセンサ１６４（例えば電流センサ）と通信する。いくつかの実施形態において、一次電源制御部１６０は、調整済み電力が第１ＰＦＣ変換器１５２ａによって与えられるように第１ＳＳＣＢ１５６ａを閉にする。第１ＰＦＣ変換器１５２ａ又は関連送電回路群に問題が発生したと一次電源制御部１６０が決定する場合、第１ＳＳＣＢ１５６ａは開となり、第２ＳＳＣＢ１５６ｂは閉となる結果、電力が第２ＰＦＣ変換器１５２ｂによって与えられる。ＰＦＣ変換器１５２ａ、ｂとＳＳＣＢ１５６ａ、ｂとが並列に配列されることにより、一次電力供給部１０４を動作不能にする単一点故障の尤度が低減される。いくつかの実施形態において、電流及び／又は調整済み電力がＰＦＣ変換器１５２ａ、ｂから与えられているか否かを決定するべく、他のセンサを使用することもできる。
【0019】
ＳＳＣＢ１５６ａ、ｂの下流側には、エネルギー貯蔵デバイス１６８（例えばキャパシタ、電池等）が、ＰＦＣ変換器１５２ａ、ｂの一方からの調整済み電力を受電及び貯蔵する構造にされる。エネルギー貯蔵デバイス１６８内に貯蔵されたエネルギーは、電力の一時的なドロップアウトを克服するべく、高エネルギー使用時にＰＦＣ変換器１５２ａ、ｂによる与えられる調整済み電力を補充若しくは置換するべく、又は他の利益の中でもとりわけ長期間の動作を与えるべく使用することができる。いくつかの実施形態において、船舶又は航空機の電力が、一時的にドロップアウト又は喪失する。こうしたドロップアウトは典型的に、船舶又は航空機の製造者によって特徴付けられており、航空機において電力が再構成されるときの、通常の飛行中に５０～２５０ミリ秒の持続時間の間、１時間ごとに一回もの頻度で発生する。このような一時的な中断の間中も動いていることが望ましいので、コンピュータを再起動する必要はなく、データリンクが失われることがない。調整済み電力コネクタ１７２は、サブアレイ１１２、１２０に直接接続される構造にされた外部電力分配回路１０８又は電力バスのための接続点を与える。
【0020】
ここで図３を参照すると、ローカル電力変換器１７４の形態にあるローカル電源が、一次電力供給部１０４から電力を受電する構造にされた第１隔離入力部１７８ａ及び第２隔離入力部１７８ｂを含む。ローカル電力変換器１７４が受信回路カード１３２に関連付けられるいくつかの実施形態において、隔離電力入力部１７８ａ、ｂは約４８ＶＤＣ及び約２．０アンペアの電力を受電する。ローカル電力変換器１７４が送信回路カード１４０に関連付けられるいくつかの実施形態において、隔離電力入力部１７８ａ、ｂは約４８ＶＤＣ及び約２．０アンペアの電力を受電する。いくつかの実施形態において、隔離電力入力部１７８ａ、ｂが幹線電力を受電し、又は隔離電力入力部１７８ａ、ｂにおいて受電された既に調整済みの電力を、システムのための幹線電力とみなすことができる。いくつかの実施形態において、必要な仕様を満たすべく所望される他の電圧又は電流定格を与えることもできる。
【0021】
第１隔離スイッチすなわち第１ＳＳＣＢ１８２ａが第１隔離電力入力部１７８ａの下流側に配列され、第１ＥＭＩフィルタ段１８６ａが第１隔離ＳＳＣＢ１８２ａの下流側に配列される。第１ＥＭＩフィルタ段１８６ａの下流側には、関連回路カード１３２により使用されるように配列されたローカル電圧及び電流を与える第１ローカル電力供給部１９０ａが存在する。第２隔離スイッチすなわち第２ＳＳＣＢ１８２ｂが第２隔離電力入力部１７８ｂの下流側に配列され、第２ＥＭＩフィルタ段１８６ｂが第２隔離ＳＳＣＢ１８２ｂの下流側に配列される。第２ＥＭＩフィルタ段１８６ｂの下流側には、関連回路カード１３２による使用のために配列されたローカル電圧及び電流を与える第２ローカル電力供給部１９０ｂが存在する。いくつかの実施形態において、ローカル電力供給部１９０ａ、ｂは、所望の２．５ＶＤＣ、３．３ＶＤＣ又は他の電圧を与える。いくつかの実施形態において、複数の異なる電圧が与えられる。
【0022】
第１ローカル電力供給部１９０ａの下流側には、第１隔離電力入力部１７８ａ及び第１ローカル電力供給部１９０ａから回路カード１３２への送電を選択的に中断させる構造にされた第１接続スイッチすなわち第１接続ＳＳＣＢ１９４ａが存在する。第２接続スイッチすなわち第２接続ＳＳＣＢ１９４ｂは、第２ローカル電力供給部１９０ｂの下流側に配置され、第２隔離電力入力部１７８ｂ及び第２ローカル電力供給部１９０ｂから回路カード１３２への送電を選択的に中断させる構造にされる。ローカル制御部１９８は、隔離ＳＳＣＢ１８２ａ、ｂ及び接続ＳＳＣＢ１９４ａ、ｂの配列（例えば開又は閉）を制御する。ローカル制御部１９８は、ローカル電力供給部１９０ａ、ｂのそれぞれと接続ＳＳＣＢ１９４ａ、ｂのそれぞれとの間に配列されたセンサ２０２（例えば電流センサ及び電圧センサ）と通信する。いくつかの実施形態において、センサ２０２は、電力供給モニタであり、電流センシング素子及び電圧センシング素子を含む。いくつかの実施形態において、センサ２０２は、一を超えるセンシングコンポーネントを含む。
【0023】
ローカル制御部１９８は、任意の所与時刻における一つの隔離電力入力部１７８ａ、ｂ及び一つの関連ローカル電力供給部１９０ａ、ｂからの電力を回路カード１３２に与えるべく、隔離ＳＳＣＢ１８２ａ、ｂ及び接続ＳＳＣＢ１９４ａ、ｂを動作させる。２つの独立した送電経路上に構造を有する２つの隔離電力入力部１７８ａ、ｂ及び２つのローカル電力供給部１９０ａ、ｂを含めることにより、回路カード１３２の動作を中断させる一つの送電経路上の単一点故障の尤度が低減される。一つの送電経路が故障したとローカル制御部１９８が決定する（例えばセンサ２０２が電流なしを示す）場合、関連隔離ＳＳＣＢ１８２ａ、ｂ及び接続ＳＳＣＢ１９４ａ、ｂを開にすることにより、故障した送電経路がシャットダウンされる。送電は、他方の隔離ＳＳＣＢ１８２ａ、ｂ及び接続ＳＳＣＢ１９４ａ、ｂを閉にすることにより回復する。
【0024】
いくつかの実施形態において、回路カード１３２、１４０はそれぞれが、ローカル電力変換器１７４及びビーム形成ネットワーク１２８、１３６を含み、関連放射素子１１６、１２４を、ローカル電力変換器１７４が機能する場合に動作させることができる。並列送電経路を含めることにより、サブアレイ１１２、１２０の動作上の利用可能性を増加させるとともに、システムをシャットダウンさせる単一点故障の発生確率を低下させる。このアプリケーションの文脈内において、利用可能性とは、一の故障又は一連の故障の場合に機能的に動作可能となり得る性能を意味する。いくつかの実施形態において、機器の寿命は、温度及び環境条件並びに設計マージンに比例し、信頼性は、コンポーネントの数等に比例する。
【0025】
ここで図４を参照すると、サブアレイ制御システム２０６が、６４個の放射素子２１０ＴＯ、それぞれが４つの放射素子２１０を制御する１６個のビーム形成器チップ２１２と、ビーム形成器チップ２１２を制御する構造の一のサブアレイコントローラ２１４と、一組の一次制御バス２１８と、一組の二次制御バス２２２とを含む。いくつかの実施形態において、ビーム形成器チップ２１２はＳｉＧｅチップである。いくつかの実施形態において、ビーム形成器チップ２１２は、ＣＭＯＳ（例えばＲＦ＿ＣＭＯＳ、ＳＯＩ＿ＣＭＯＳ）及び／又は他の集積回路プロセスを使用して作ることができる。いくつかの実施形態において、サブアレイコントローラ２１４は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）である。いくつかの実施形態において、サブアレイコントローラ２１４は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、又は他のタイプの制御ブロックアーキテクチャである。いくつかの実施形態において、一次制御バス２１８及び二次制御バス２２２はそれぞれが、直列インタフェイスバスである。
【0026】
一次制御バス２１８と二次制御バス２２２とは、各ビーム形成器チップ２１２が一次制御バス２１８又は二次制御バス２２２のいずれかによって制御されるように、互いに対して直交するように配列される。いくつかの実施形態において、サブアレイコントローラ２１４とビーム形成器チップ２１２－１～２１２－４との通信を与える一次制御バス２１８が故障した場合、ビーム形成器チップ２１２－１～２１２－４と通信するように配列された４つの二次制御バス２２２が、必要な情報を搬送するべく割り当てられる。いくつかの実施形態において、６４個を超える又は６４個未満の放射素子２１０が含まれる。例えば、いくつかの実施形態において、５１２個の放射素子２１０が含まれる。いくつかの実施形態において、１６個を超えるか又は１６個未満のビーム形成器チップ２１２が含まれる。いくつかの実施形態において、４つを超えるか又は４つ未満の一次制御バス２１８及び二次制御バス２２２が含まれる。いくつかの実施形態において、二次制御バス２２２の数は一次制御バス２１８の数と異なってよい。
【0027】
ここで図５を参照すると、サブアレイ制御システム２２６が、上述したサブアレイ制御システム２０６と同様の部品を含み、６４個の放射素子２３０と、それぞれが４つの放射素子２３０を制御する１６個のビーム形成器チップ２３４と、ビーム形成器チップ２３４を制御する構造の一のサブアレイコントローラ２３８と、一組の一次制御バス２４２と、一組の二次制御バス２４６とを含む。一次制御バス２４２及び二次制御バス２４６は、一つの一次制御バス２４２が故障した場合に対応並列二次制御バス２４６を再マッピングしてビーム形成器チップ２３４に情報を送達することができるように、並列に配列される。
【0028】
ここで図６を参照すると、サブアレイ制御システム２５０が、６４個の放射素子を含む第１サブアレイ２５４と、６４個の放射素子を含む第２サブアレイ２５８と、第１サブアレイ２５４に関連付けられた１６個のビーム形成器チップ２６２と、第２サブアレイ２５８に関連付けられた１６個のビーム形成器チップ２６６と、第１サブアレイコントローラ２７０と、第１組の一次制御バス２７４と、第１組の二次制御バス２７８と、第２サブアレイコントローラ２８２と、第２組の一次制御バス２８６と、第２組の二次制御バス２９０と、第３サブアレイコントローラ２９４と、第３組の一次制御バス２９８と、第３組の二次制御バス３０２とを含む。サブアレイコントローラ２７０、２８２、２９４はそれぞれが、一つを超えるサブアレイ２５４、２５８と通信する。例えば、第２サブアレイコントローラ２８２は、第２組の二次制御バス２９０を介して第１サブアレイ２５４と通信し、第２組の一次制御バス２８６を介して第２サブアレイ２５８と通信する。この配列により、破損又は故障した制御バスを、動作を維持しながら他のコントローラに再マッピングすることができる。例えば、第１組の一次制御バス２７４の一つが故障した場合、第２組の二次制御バス２９０を、所望の情報を与えるべく再マッピングすることができる。他例において、第１サブアレイコントローラ２７０が故障することがあっても、第１サブアレイコントローラ２７０を必要とすることなく第１サブアレイ２５４を制御するべく、第２組の二次制御バス２９０を再マッピングすることができる。大きなアレイのサブアレイコントローラを、直交又は並列の制御バス冗長性によりセットアップすることができるので、個々の制御バス故障及びサブアレイコントローラ故障双方の単一点故障に耐える堅牢な組のサブアレイが得られる。
【0029】
ここで図７を参照すると、サブアレイコントローラ又はビーム形成器チップ３０３が、一組の一次入力部又は一次制御インタフェイスバスと、二次組の入力部又は二次制御インタフェイスバスと、スペア組の入力部とを含む。一次入力部の組は、一次クロック入力部３０４と、一次データ入力部３０５と、一次フレーム入力部３０６とを含み得る。二次入力部の組は、二次フレーム入力部３０７と、二次データ入力部３０８と、二次クロック入力部とを含み得る。スペア入力部は、第１スペア入力部３１０と第２スペア入力部３１１とを含み得る。一次クロック入力部３０４は第１マルチプレクサ３１２と通信する構造とされ、一次データ入力部３０５は第２マルチプレクサ３１３と通信する構造とされ、一次フレーム入力部３０６は第３マルチプレクサ３１４と通信する構造とされ、二次フレーム入力部３０７は第４マルチプレクサ３１５と通信する構造とされ、二次データ入力部３０８は第５マルチプレクサ３１６と通信する構造とされ、二次クロック入力部３０９は第６マルチプレクサ３１７と通信する構造とされる。いくつかの実施形態において、一次データ入力部３０５及び二次データ入力部３０８は、別個の受信データ入力部と送信データ入力部とに分割され、データ入力を受け入れる追加のマルチプレクサが含まれる。
【0030】
第１スペア入力部３１０は、マルチプレクサ３１２、３１３、３１４、３１５、３１６、３１７のそれぞれと通信する構造とされる。第２スペア入力部３１１もまた、マルチプレクサ３１２、３１３、３１４、３１５、３１６、３１７のそれぞれと通信する構造とされる。いくつかの実施形態において、２つを超えるか又は２つ未満のスペア入力部が含まれる。いくつかの実施形態において、第１スペア入力部３１０は、一次入力部から信号を受信するマルチプレクサのみと通信する構造とされ、第２スペア入力部３１１は、二次入力部から信号を受信するマルチプレクサのみと通信する構造とされる。
【0031】
第１マルチプレクサ３１２、第２マルチプレクサ３１３及び第３マルチプレクサ３１４は、制御バスインタフェイス又は第１直列インタフェイスブロック３１８と通信する構造とされる。第４マルチプレクサ３１５、第５マルチプレクサ３１６及び第６マルチプレクサ３１７は、制御バスインタフェイス又は第２直列インタフェイスブロック３１９と通信する構造とされる。第１直列インタフェイスブロック３１８及び第２インタフェイスブロック３１９は、制御レジスタブロック３２０と通信する構造とされる。制御レジスタブロック３２０は、直列インタフェイスブロック３１８、３１９へと与えられるデータフローを制御するマルチプレクサと通信する。第１制御経路３２１が第１マルチプレクサ３１２との通信を与え、第２制御経路が第２マルチプレクサ３１３との通信を与え、第３制御経路３２３が第３マルチプレクサ３１４との通信を与え、第４制御経路３２４が第４マルチプレクサ３１５との通信を与え、第５制御経路が第５マルチプレクサ３１６との通信を与え、第６制御経路３２６が第６マルチプレクサ３１７との通信を与える。
【0032】
マルチプレクサ３１２、３１３、３１４、３１５、３１６、３１７はそれぞれが、３つの入力を受信し（例えば、第１マルチプレクサ３１２が、一次クロック入力部３０４、第１スペア入力部３１０及び第２スペア入力部３１１からの入力を受信し）、当該３つのデータ入力の一つを関連直列インタフェイスブロック３１８、３１９に出力するように配列される。３つのデータ入力のどれが通過するのかは、関連制御経路（例えば第１マルチプレクサ３１２の場合における第１制御経路３２１）を介して制御される。
【0033】
動作中、いずれのコンポーネントも故障していない場合の通常作動時、制御レジスタ３２０は、一次クロック入力部３０４、一次データ入力部３０５及び一次フレーム入力部３０６からの信号を受信する。制御レジスタ３２０はその後、関連放射素子が制御可能となるように、受信した信号を通信する。入力部故障の事象において（例えば一次クロック入力部３０４が故障する場合）、制御レジスタ３２０は、二次クロック入力部３０９、二次データ入力部３０８及び二次フレーム入力部３０７からの信号を、第２直列インタフェイスブロック３１９を介して受信及び処理するように制御される。第１スペア入力部３１０はその後、当初から一次クロック入力部３０４に関連付けられていた信号を与えるべく再マッピングされる。制御レジスタ３２０は、第１スペア入力部３１０からの信号を、第１直列インタフェイスブロック３１８へと通過するように選択するべく、第１制御経路３２１を介して第１マルチプレクサ３１２と通信する。第１スペア入力部３１０が再マッピングされて第１マルチプレクサが調整されると、制御レジスタは再び、第１直列インタフェイスブロック３１８からの信号を受信して通常の動作を継続する。同様に、第２スペア入力部３１１を再マッピングし、他の故障した入力部を置換するように使用することができる。いくつかの実施形態において、二次入力部は、一次入力部の置換として使用することができる。
【0034】
ビーム形成器チップ３０３は、サブアレイにおいて使用される場合に多くの利点を有し、一のアセンブリには複数のアレイが含まれている。例えば、各ビーム形成器チップが２つを超える制御バスインタフェイスを内蔵し、各ビーム形成器チップが、所与のバス内の信号故障の事象において、どちらか／いずれかの制御バス入力部に再マッピングされ得るゼロを超える予備又はスペア入力部を内蔵し、当該アレイレベルには、多くの制御バスが存在して各ビーム形成器チップが、実装するインタフェイスと同じだけ多くのバスに接続され、当該アレイレベルでは、各制御バスがゼロを超える予備信号経路を内蔵し、バス信号のためのバックアップとして使用され得るバス又はラインが万一故障しても、当該アレイレベルでは、制御バスを、所与のチップに対する直交態様で配列することができ、当該アセンブリレベル（多数のアレイ）では、制御バスを、アレイ境界を越えて延びるように配列することができる。
【0035】
ここで図８を参照すると、アンテナアレイ３３０が八角形状を画定する。アレイ３３０は、アレイ３３０全体にランダムに分散されたアクティブ放射素子３３４及び予備放射素子３３８で占められる。アクティブ放射素子３３４が、信号を送受信するべく関連ビーム形成ネットワークにより使用される。いくつかの実施形態において、放射素子の合計数の約１０パーセント（１０％）は、アレイ３３０が新しい場合に動作可能ではない予備放射素子３３８である。いくつかの実施形態において、放射素子の合計数の約１パーセントから約２０パーセントは予備放射素子３３８である。いくつかの実施形態において、アレイ３３０は、複数のタイル又はサブタイルに分割され、各サブタイルには、偶数の予備放射素子３３８が配置される。いくつかの実施形態において、アレイ３３０は４つのサブタイルを含む。いくつかの実施形態において、アレイ３３０は、４つを超えるか又は４つ未満のサブタイルを含み得る。例えば、３つ、６つ、８つ又は９つのサブタイルを実現することができる。いくつかの実施形態において、予備放射素子３３８は、各サブタイル内でランダムに配置される。いくつかの実施形態において、予備放射素子３３８は、各サブタイルの全体にわたって均一に分散されて配置される。いくつかの実施形態において、アクティブ放射素子及び予備放射素子を、異なる形状の一のアレイに含めることができる。例えば、正方形又は矩形のアレイが、アクティブ放射素子及び予備放射素子を含み得る。
【0036】
アレイ３３０の実効等方放射電力（ＥＩＲＰ）、及びアレイ３３０の利得は、機能するアクティブ放射素子３３４の数に比例する。アレイ３３０が古くなると、個々のアクティブ放射素子３３４が故障してもはや動作可能ではなくなる。この故障により、ＥＩＲＰ及び利得の低減が生じる。予備放射素子３３８を含めることにより、アレイ３３０のオペレータ又はコントローラが、アクティブ放射素子３３４の故障に応答して予備放射素子３３８をアクティブにすることができる。いくつかの実施形態において、コントローラが、故障したアクティブ放射素子３３４に最も近い予備放射素子３３８を識別し、制御の経路、バス又はラインを再マッピングする結果、最も近い予備放射素子３３８がアクティブにされる。いくつかの実施形態において、約１０パーセント（１０％）の予備放射素子３３８を含めることにより、アレイ３３０のＭＴＢＦが倍増される。
【0037】
ここで図９を参照すると、アレイ３３０と同様であるがアクティブ放射素子のみを含む（すなわち予備放射素子なしの）八角形アレイが、一の強いセントラルローブと、セントラルローブよりも約２０デシベル（～３０ｄＢ）低い８つのサイドローブとを備えた放射パターンを生成する。標準の正方形又は矩形のアレイは典型的に、４つのサイドローブを含む。サイドローブの数を増やすことは、個々のサイドローブそれぞれが低いエネルギーを有するようにサイドローブのエネルギー又は放射線場を広げる効果を有する。
【0038】
ここで図１０を参照すると、新しく約１０パーセント（１０％）の予備放射素子３３８を含むアレイ３３０により生成される放射パターンが示される。図１０のグラフが示すは、予備放射素子３３８が、いくつかのパターンアーチファクトを導入するが、サイドローブのエネルギーは依然として許容可能な程度に低く、アーチファクトは強いセントラルローブに悪影響を及ぼすことがないということである。試験によれば、放射パターン及びパターンアーチファクトは、アクティブ放射素子３３４が故障して予備放射素子３３８がアクティブになるので、一定のままである。
【0039】
ここで図１１を参照すると、衛星通信システム３４２が、送信アレイ３４６と、受信アレイ３５０と、送信アレイ３４６及び受信アレイ３５０を制御する制御モジュール３５４とを含む。送信アレイ３４６及び受信アレイ３５０はそれぞれが八角形の形状であり、図９に関して上述された利益を与える。図１２は、八角形アレイにより生成される利得パターンを、ＦＣＣにより必要とされるサイドローブ利得マスクと比較して示す。図１２に明示されるように、これらの八角形アレイにより生成されるサイドローブ雑音レベルは、必要とされるレベルよりも十分に下回っている。
【0040】
与えられた詳細な図面、特定の例、詳細なアルゴリズム、及び特定の構成は、好ましい及び典型的な実施形態を記載するが、これらは例示目的を果たすにすぎない。開示される複数の発明は、示された特定の形態及びレチクルに限られない。例えば、方法は、様々なステップシーケンスのいずれかで行うことができる。示され及び記載されたハードウェア及び光学構成は、電子走査アレイ及び処理デバイスの選択された性能特性及び物理特性に応じて異なり得る。例えば、複数のシステムコンポーネント及びこれらの相互接続のタイプは異なり得る。描かれ及び記載されるシステム及び方法は、記載の正確な詳細及び条件に限られるわけではない。特定の機械的なコンポーネント及び動作は、非制限的な態様で示される。さらに、添付の特許請求の範囲に表現された本発明の範囲から逸脱することなく、典型的な実施形態の設計、動作条件及び配列において、他の置換、修正、変更、及び省略がなされ得る。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】