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特表2024-514229無線トランシーバのためのマルチビームフォーミングフロントエンドアーキテクチャのためのシステム及び方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-03-29
(54)【発明の名称】無線トランシーバのためのマルチビームフォーミングフロントエンドアーキテクチャのためのシステム及び方法
(51)【国際特許分類】
H01Q 3/26 20060101AFI20240322BHJP
H01Q 3/24 20060101ALI20240322BHJP
H01Q 21/06 20060101ALI20240322BHJP
H04B 1/38 20150101ALI20240322BHJP
H04B 7/06 20060101ALI20240322BHJP
H04B 7/08 20060101ALI20240322BHJP
【ＦＩ】
H01Q3/26 Z
H01Q3/24
H01Q21/06
H04B1/38
H04B7/06 950
H04B7/08 800
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022576822
(86)(22)【出願日】2021-06-11
(85)【翻訳文提出日】2023-02-10
(86)【国際出願番号】 US2021037057
(87)【国際公開番号】W WO2021252928
(87)【国際公開日】2021-12-16
(31)【優先権主張番号】63/038,043
(32)【優先日】2020-06-11
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】522482566
【氏名又は名称】スカイギグ， エルエルシー
【氏名又は名称原語表記】ＳＫＹＧＩＧ， ＬＬＣ
(74)【代理人】
【識別番号】100175983
【弁理士】
【氏名又は名称】海老 裕介
(72)【発明者】
【氏名】ジャム， アーミン
(72)【発明者】
【氏名】クーチャック， コサリ， アヴィッシュ
【テーマコード（参考）】
5J021
5K011
【Ｆターム（参考）】
5J021AA05
5J021AA09
5J021AA11
5J021AB05
5J021AB06
5J021CA06
5J021DB02
5J021DB03
5J021DB05
5J021EA02
5J021FA06
5J021FA10
5J021FA17
5J021FA26
5J021FA29
5J021FA31
5J021GA02
5J021GA03
5J021HA02
5J021JA05
5K011DA02
5K011JA01
5K011KA18
(57)【要約】
無線周波数（ＲＦ）ステージ、中間周波数（ＩＦ）ステージ、及びデジタルステージの少なくとも１つを含む、１つ以上のビームを送受信するためのフロントエンドアンテナシステムであって、１つ以上のビームに１つ以上の信号ストリームを形成するように構成された１つ以上のビームネットワークを含み、１つ以上のビームネットワークの各ビームネットワークが、ビームフォーマネットワーク、スイッチングネットワーク、又はこれらの組み合わせを備える、フロントエンドアンテナシステム。フロントエンドアンテナシステムは、複数の空間領域の中から選択された空間領域においてビームのそれぞれを出力するように構成されたアンテナのアレイを含み、アンテナのアレイのうちの１つ以上のアンテナはマルチポートアンテナである。フロントエンドアンテナシステムは、アンテナのアレイと１つ以上のビームネットワークとを電気的に結合する複数のトランシーバを含む。
【選択図】 図１
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
無線周波数（ＲＦ）ステージ、中間周波数（ＩＦ）ステージ、及びデジタルステージのうちの少なくとも１つを含む、１つ以上のビームを送受信するためのフロントエンドアンテナシステムであって、該１つ以上のビーム上に１つ以上の信号ストリームを形成するように構成された１つ以上のビームネットワークであって、該１つ以上のビームネットワークの各ビームネットワークが、ビームフォーマネットワーク、スイッチングネットワーク、又はそれらの組み合わせを備える、１つ以上のビームネットワークと、
複数の空間領域の中から選択された空間領域において該ビームの各々を出力するように構成されたアンテナのアレイであって、該アンテナのアレイのうちの１つ以上のアンテナがマルチポートアンテナである、アンテナのアレイと、
該アンテナのアレイと該１つ以上のビームネットワークとを電気的に結合する複数のトランシーバと、
を備える、フロントエンドアンテナシステム。
【請求項2】
該１つ以上のビームの放射パラメータ及びビームタイプを独立して制御するように構成されたコントローラをさらに備え、該放射パラメータは、方向、パターン、パワー、偏波、位相角、周波数帯域、又はそれらの組み合わせを有し、
該ビームタイプは、送信タイプビーム、受信タイプビーム、及び同時受信・送信タイプビームのうちの１つを含む、請求項１に記載のフロントエンドアンテナシステム。
【請求項3】
該１つ以上のビームは、複数のビームを含み、該マルチポートアンテナは、該複数のビームが同じ偏波、同じ周波数帯、又はそれらの組み合わせを有するように、該複数のビームの送信、該複数のビームの受信、又はそれらの組み合わせを行なうように動作可能である、請求項１に記載のフロントエンドアンテナシステム。
【請求項4】
該１つ以上のビームネットワークは、該ビームフォーマネットワークを含み、該ビームフォーマネットワークは、１つ以上の位相シフター、１つ以上の時間遅延回路、１つ以上の結合器、１つ以上の可変利得アンプ、１つ以上のスプリッタ、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のフロントエンドアンテナシステム。
【請求項5】
該１つ以上のビームネットワークは、該ＲＦステージ、該ＩＦステージ、該デジタルステージ、局部発振器ステージ、又はそれらの組み合わせにおいて、該１つ以上のビームを形成するようにされた、請求項１に記載のフロントエンドアンテナシステム。
【請求項6】
該１つ以上のビームネットワークは、該スイッチングネットワークを含み、該スイッチングネットワークは、該アンテナのアレイ及び該複数のトランシーバに電気的に結合され、該１つ以上の信号ストリームを該マルチポートアンテナの１つ以上のポートに選択的に提供するように構成された、請求項１に記載のフロントエンドアンテナシステム。
【請求項7】
該１つ以上のビームネットワークは、複数の該スイッチングネットワークを含み、該複数のトランシーバの数は、該マルチポートアンテナのポートの数より少ない、請求項１に記載のフロントエンドアンテナシステム。
【請求項8】
該１つ以上のビームネットワークは、該スイッチングネットワークを含み、該スイッチングネットワークは、１つ以上のスイッチ、１つ以上の結合器、１つ以上のスプリッタ、１つ以上の結合線路、１つ以上のフィルタ、又はそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のフロントエンドアンテナシステム。
【請求項9】
該１つ以上のビームは、少なくとも２つのビームを含み、該１つ以上のビームネットワークは、複数の該ビームフォーマネットワークを含み、
該複数のビームフォーマネットワークの各ビームフォーマネットワークは、位相シフター、時間遅延回路、又はそれらの組み合わせを含む少なくとも２つの遅延素子を含み、；
該マルチポートアンテナの各アンテナポートは、該複数のビームフォーマネットワークのうちの対応するビームフォーマネットワークの該少なくとも２つの遅延素子に結合される、請求項１にフロントエンドアンテナシステム。
【請求項10】
該ビームネットワークは、アナログビームネットワーク部とデジタルビームネットワーク部とを有するハイブリッドビームネットワークであり、該複数のトランシーバは、アナログ・デジタル変換器及びデジタル・アナログ変換器を含み、
送信モードにおいて、（ｉ）該デジタルビームネットワーク部は、１つ以上の信号ストリームを分割するように構成され、（ｉｉ）該デジタルビームネットワーク部は、１つ以上の信号ストリームを選択するように構成され、（ｉｉｉ）該デジタル・アナログ変換器は、該１つ以上の信号ストリームを１つ以上のアナログ信号ストリームに変換するように構成され、該アナログビームネットワーク部は、該１つ以上の信号ストリームを分割し、該１つ以上の信号ストリームを選択し、若しくはその組み合わせを行い、（ｉｖ）又は（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）の組み合わせを行うように構成され；
受信モードにおいて、（ｖ）該アナログビームネットワーク部は、１つ以上の信号ストリームを結合するように構成され、（ｖｉ）該アナログビームネットワーク部は、１つ以上の信号ストリームを選択するように構成され、（ｖｉｉ）該アナログ・デジタル変換器は、１つ以上の信号ストリームを１つ以上のデジタル信号ストリームに変換し、該デジタルビームネットワーク部は、該１つ以上の信号ストリームを結合し、該１つ以上の信号ストリームを選択し、若しくはその組み合わせを行い、（ｖｉｉｉ）又は（ｖ）、（ｖｉ）、（ｖｉｉ）の組み合わせを行うように構成されている、
請求項１に記載のフロントエンドアンテナシステム。
【請求項11】
複数のサブアレイをさらに備え、該複数のサブアレイの各サブアレイは、
１つ以上の基板層、１つ以上の電子チップ、又はそれらの組み合わせと、
該アンテナのアレイのうちの１つ以上のアンテナと、
該複数のトランシーバのうちの１組のトランシーバと、を有し、
該複数のサブアレイは、信号分配ネットワーク、該１つ以上のビームネットワーク、該複数のトランシーバ、又はそれらの組み合わせを介して、互いに結合されている、請求項１に記載のフロントエンドアンテナシステム。
【請求項12】
該複数のサブアレイは、平面的な配置と非平面的な配置のうちの１つを有し、該複数のサブアレイのうちの第１のサブアレイは、第１の幾何学的パラメータのセットを有し、
該複数のサブアレイのうちの第２のサブアレイは、第２の幾何学的パラメータのセットを有し、
該第１の幾何学的パラメータのセットのうちの少なくとも１つの幾何学的パラメータは、該第２の幾何学的パラメータのセットのうちの少なくとも１つの幾何学的パラメータと異なるようにされている、請求項１１に記載のフロントエンドアンテナシステム。
【請求項13】
該複数のサブアレイは、平面的な配置と非平面的な配置のうちの１つを有し、該複数のサブアレイのうちの第１のサブアレイは、第１の幾何学的パラメータのセットを有し、
該複数のサブアレイのうちの第２のサブアレイは、第２の幾何学的パラメータのセットを有し、
該第１の幾何学的パラメータのセットの各幾何学的パラメータは、該第２の幾何学的パラメータのセットの各幾何学的パラメータと同じであるようにされている、請求項１１に記載のフロントエンドアンテナシステム。
【請求項14】
無線周波数（ＲＦ）ステージ、中間周波数（ＩＦ）ステージ、及びデジタルステージのうちの少なくとも１つを含む、１つ以上のビームを送受信するためのフロントエンドアンテナシステムであって、該１つ以上のビーム上に１つ以上の信号ストリームを形成するように構成された１つ以上のビームネットワークであって、該１つ以上のビームネットワークの各ビームネットワークが、ビームフォーマネットワーク、スイッチングネットワーク、又はそれらの組み合わせを含む、１つ以上のビームネットワークと、
複数の空間領域の中から選択された空間領域において該ビームの各々を出力するように構成されたアンテナのアレイであって、該アンテナのアレイのうちの１つ以上のアンテナがシングルポートアンテナである、アンテナのアレイと、
該アンテナのアレイと該１つ以上のビームネットワークとを電気的に結合する複数のトランシーバと、
を備える、フロントエンドアンテナシステム。
【請求項15】
該シングルポートアンテナは、パッシブアンテナであり、該１つ以上のビームは、少なくとも２つのビームを含み、
該１つ以上のビームネットワークは、複数の該ビームフォーマネットワークを含み、
該複数のビームフォーマネットワークの各ビームフォーマネットワークは、位相シフター、時間遅延回路、又はそれらの組み合わせを含む少なくとも２つの遅延素子を含、；
該シングルポートアンテナは、該複数のビームフォーマネットワークのうちの対応するビームフォーマネットワークの該少なくとも２つの遅延素子に結合されている、請求項１４に記載のフロントエンドアンテナシステム。
【請求項16】
該シングルポートアンテナは、１つ以上の同調可能なコンポーネントを備えるアクティブアンテナである、請求項１４に記載のフロントエンドアンテナシステム。
【請求項17】
該１つ以上のビームは、少なくとも２つのビームを含み、該１つ以上のビームネットワークは、複数の該ビームフォーマネットワークを含み、
該複数のビームフォーマネットワークの各ビームフォーマネットワークは、位相シフター、時間遅延回路、又はそれらの組み合わせを含む少なくとも２つの遅延素子を含み、
該シングルポートアンテナは、該複数のビームフォーマネットワークのうちの対応するビームフォーマネットワークの該少なくとも２つの遅延素子に結合されている、請求項１６に記載のフロントエンドアンテナシステム。
【請求項18】
該複数のビームの放射パラメータ及びビームタイプを独立して制御するように構成されたコントローラをさらに備え、該放射パラメータは、方向、パターン、パワー、偏波、位相角、周波数帯域、又はそれらの組み合わせを有し、
該ビームタイプは、送信タイプビーム、受信タイプビーム、及び同時受信・送信タイプビームのうちの１つを含む、請求項１４に記載のフロントエンドアンテナシステム。
【請求項19】
該１つ以上のビームネットワークは、該スイッチングネットワークを含み、該スイッチングネットワークは、１つ以上のスイッチ、１つ以上の結合器、１つ以上のスプリッタ、１つ以上の結合線路、１つ以上のフィルタ、又はそれらの組み合わせを含むようにされた、請求項１４に記載のフロントエンドアンテナシステム。
【請求項20】
該１つ以上のビームネットワークは、該ＲＦステージ、該ＩＦステージ、該デジタルステージ、局部発振器ステージ、又はそれらの組み合わせにおいて該１つ以上のビームを形成するように構成されている、請求項１４に記載のフロントエンドアンテナシステム。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、２０２０年６月１１日に出願された米国仮出願第６３／０３８，０４３号の優先権及びその利益を享受するものである。上記出願の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。本出願は、「ＡＮＴＥＮＮＡ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ Ａ ＭＵＬＴＩ－ＢＥＡＭ ＢＥＡＭＦＯＲＭＩＮＧ ＦＲＯＮＴ－ＥＮＤ ＷＩＲＥＬＥＳＳ ＴＲＡＮＳＣＥＩＶＥＲ」と題する本出願と同時に提出され且つ本願と同一出願人による米国出願に関連し、その内容は参照により本出願に組み込まれる。
【0002】
本開示は、無線電波トランシーバに関し、より具体的には、マルチビームビームフォーミングフロントエンドアンテナシステムに関するものである。
【背景技術】
【0003】
本節の記述は、単に本開示に関連する背景情報を提供するものであり、必ずしも先行技術を構成するものではない。
【0004】
電波無線技術はユビキタスであり、以下のものを含むがこれらに限定されない様々な用途で使用されている：電気通信及び衛星通信産業、モバイルプラットフォームにおけるセンサ及びナビゲーションシステム（例えば、自動車産業における自動運転車）、等々。
【0005】
無線通信技術は、より高いミリ波周波数帯に移行している。これらの周波数帯は、より広い帯域を利用できるため、通信速度を向上させることができるという利点がある。しかしながら、これらの利点にもかかわらず、現在の無線技術は、従来の無線技術と比較して、高度なアプローチ及びアーキテクチャを実装する場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
例えば、電波無線装置は、アンテナ、無線周波数（ＲＦ）回路、アナログ回路及びデジタル回路、並びに様々なコンポーネントの動作及び接続を制御するシステムアーキテクチャを含む場合がある。無線フロントエンドシステムは、無線デバイスの性能と機能を規定する。特にミリ波帯のような高データレートの無線通信では、実用的な範囲での信号の伝播損失を補償するために、ビームが狭く、送信時のパワーレベルが高く、受信時の感度レベルが高い高利得フロントエンドシステムが必要とされることが多い。そのため、この無線通信技術を可能にするために、高度なビームフォーミング機構を有する高利得フロントエンドシステムが必要とされる場合がある。
【0007】
無線フロントエンドにビームフォーミングを実装するアプローチは数多くあり、一般的なアプローチとしてフェーズドアレイシステムと同調可能（tunable）メタマテリアルアンテナがよく検討される。どちらのアプローチも、所望のビームフォーミング特性を作り出すために、個々の素子の位相及び／又は振幅を制御して、開口部上に放射素子を分布させることに基づくものである。しかしながら、フェーズドアレイ及びメタマテリアル技術は、特に、高いスペクトル非効率性、限られた容量、及び高いパワー非効率性（特に、大きな開口及び／又は多数の素子を有する場合）を有する場合がある。より具体的には、現在のアナログフェーズドアレイ及びメタマテリアルのアプローチは、信号の伝送及び／又は受信のためのシングルビーム動作にしばしば制限され、これは、それらの容量、（通信システム用の）集約スループット、及び全体的性能を阻害する。さらに、大口径の場合、高いＲＦ損失（特に高利得フロントエンドの素子数が多い場合）により、これらのシステムのパワー効率は悪くなる。一方、デジタルビームフォーミングのアプローチは、マルチビーム動作が可能である。しかし、素子数が多く、動作帯域が広い場合（特にミリ波周波数帯）、デジタル回路やＲＦ／アナログ回路（ＤＡＣやＡＤＣなど）の過剰なパワー消費とパワー効率の悪さから、これらのアプローチは実装できない可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本節は、本開示の一般的な概要を提示するものであり、その全範囲又はその特徴のすべてを包括的に開示するものではない。
【0009】
本開示は、１つ以上のビームを送受信するためのフロントエンドアンテナシステムであって、無線周波数（ＲＦ）ステージ、中間周波数（ＩＦ）ステージ、及びデジタルステージのうちの少なくとも１つを含む、フロントエンドアンテナシステムを提供する。フロントエンドアンテナシステムは、１つ以上のビームに１つ以上の信号ストリームを形成するように構成された１つ以上のビームネットワークを備え、１つ以上のビームネットワークの各ビームネットワークは、ビームフォーマネットワーク、スイッチングネットワーク、又はそれらの組み合わせから構成される。フロントエンドアンテナシステムは、複数の空間領域の中から選択された空間領域においてビームのそれぞれを出力するように構成されたアンテナのアレイを備え、アンテナのアレイのうちの１つ以上のアンテナは、マルチポートアンテナである。フロントエンドアンテナシステムは、アンテナのアレイと１つ以上のビームネットワークとを電気的に結合する複数のトランシーバを備える。
【0010】
一態様では、フロントエンドアンテナシステムは、放射パラメータ及び１つ以上のビームのビームタイプを独立して制御するように構成されたコントローラを更に備える。放射パラメータは、方向、パターン、パワー、偏波、位相角、周波数帯域、又はそれらの組み合わせを含む。ビームタイプは、送信タイプビーム、受信タイプビーム、及び同時受信・送信タイプビームのうちの１つを含む。
【0011】
一態様では、１つ以上のビームは複数のビームを含み、マルチポートアンテナは、複数のビームが同じ偏波、同じ周波数帯、又はそれらの組み合わせを有するように、複数のビームの送信、複数のビームの受信、又はそれらの組み合わせを行うように動作可能である。
【0012】
一態様では、１つ以上のビームネットワークはビームフォーマネットワークを含み、ビームフォーマネットワークは、１つ以上の位相シフター、１つ以上の時間遅延回路、１つ以上の結合器、１つ以上の可変利得アンプ、１つ以上のスプリッタ、又はこれらの組み合わせを含む。
【0013】
一形態では、１つ以上のビームネットワークは、ＲＦステージ、ＩＦステージ、デジタルステージ、局部発振器ステージ、又はそれらの組み合わせにおいて、１つ以上のビームを形成するように構成される。
【0014】
一態様では、１つ以上のビームネットワークは、スイッチングネットワークを含む。スイッチングネットワークは、アンテナのアレイ及び複数のトランシーバに電気的に結合され、同スイッチングネットワークは、１つ以上の信号ストリームをマルチポートアンテナの１つ以上のポートに選択的に提供するように構成される。
【0015】
一形態では、１つ以上のビームネットワークは、複数のスイッチングネットワークを含み、複数のトランシーバの数は、マルチポートアンテナのポートの数より少ない。
【0016】
一態様では、１つ以上のビームネットワークは、スイッチングネットワークを含む。スイッチングネットワークは、１つ以上のスイッチ、１つ以上の結合器、１つ以上のスプリッタ、１つ以上の結合線路、１つ以上のフィルタ、又はそれらの組み合わせを含む。
【0017】
一態様では、１つ以上のビームは少なくとも２つのビームを含み、１つ以上のビームネットワークは複数のビームフォーマネットワークを含む。複数のビームフォーマネットワークの各ビームフォーマネットワークは、少なくとも２つの遅延素子を含み、少なくとも２つの遅延素子は、位相シフター、時間遅延回路、又はそれらの組み合わせを含む。マルチポートアンテナの各アンテナポートは、複数のビームフォーマネットワークのうちの対応するビームフォーマネットワークの少なくとも２つの遅延素子に結合される。
【0018】
一形態では、ビームネットワークは、アナログビームネットワーク部とデジタルビームネットワーク部とを有するハイブリッドビームネットワークであり、複数のトランシーバは、アナログ・デジタル変換器とデジタル・アナログ変換器とを含む。送信モードにおいて、（ｉ）デジタルビームネットワーク部は、１つ以上の信号ストリームを分割するように構成され、（ｉｉ）デジタルビームネットワーク部は、１つ以上の信号ストリームを選択するように構成され、（ｉｉｉ）デジタル・アナログ変換器は、１つ以上の信号ストリームを１つ以上のアナログ信号ストリームに変換するように構成され、アナログビームネットワークは、１つ以上の信号ストリームを分割し、１つ以上の信号ストリームを選択し、若しくはそれらの組み合わせを行なうようにされ、（ｉｖ）又は（ｉ），（ｉｉ），（ｉｉｉ）の組み合わせを行なうように構成される。受信モードにおいて、（ｖ）アナログビームネットワーク部は、1つ以上の信号ストリームを結合するように構成され、（ｖｉ）アナログビームネットワーク部は、1つ以上の信号ストリームを選択するように構成され、（ｖｉｉ）アナログ・デジタル変換器は、1つ以上の信号ストリームを1つ以上のデジタル信号ストリームに変換するように構成され、デジタルビームネットワーク部は、1つ以上の信号ストリームを結合し、1つ以上の信号ストリームを選択し、若しくはその組み合わせを行い、（ｖｉｉｉ）又は（ｖ），（ｖｉ），（ｖｉｉ）の組み合わせを行うように構成されている。
【0019】
一態様では、フロントエンドアンテナシステムは、複数のサブアレイをさらに備える。複数のサブアレイの各サブアレイは、１つ以上の基板層、１つ以上の電子チップ、又はそれらの組み合わせと、アンテナのアレイの中からの１つ以上のアンテナと、複数のトランシーバのうちの１組のトランシーバとを有する。複数のサブアレイは、信号分配ネットワーク、１つ以上のビームネットワーク、複数のトランシーバ、又はそれらの組み合わせを介して互いに結合されている。
【0020】
一態様では、複数のサブアレイは、平面的な配置と非平面的な配置のうちの１つを有する。複数のサブアレイのうちの第１のサブアレイは、第１の幾何学的パラメータのセットを有し、複数のサブアレイのうちの第２のサブアレイは、第２の幾何学的パラメータのセットを有し、第１の幾何学的パラメータのセットのうちの少なくとも１つの幾何学的パラメータは、第２の幾何学的パラメータのセットのうちの少なくとも１つの幾何学的パラメータと異なる。
【0021】
一態様では、複数のサブアレイは、平面的な配置及び非平面的な配置のうちの１つを有する。複数のサブアレイのうちの第１のサブアレイは、第１の幾何学的パラメータのセットを有し、複数のサブアレイのうちの第２のサブアレイは、第２の幾何学的パラメータのセットを有し、第１の幾何学的パラメータのセットの各幾何学的パラメータは、第２の幾何学的パラメータのセットの各幾何学的パラメータと同じである。
【0022】
本開示は、１つ以上のビームを送受信するためのフロントエンドアンテナシステムであって、無線周波数（ＲＦ）ステージ、中間周波数（ＩＦ）ステージ、及びデジタルステージのうちの少なくとも１つを含む、フロントエンドアンテナシステムを提供する。フロントエンドアンテナシステムは、１つ以上のビーム上で１つ以上の信号ストリームを形成するように構成された１つ以上のビームネットワークであって、各ビームネットワークがビームフォーマネットワーク、スイッチングネットワーク、又はそれらの組み合わせを含む、１つ以上のビームネットワークを備える。フロントエンドアンテナシステムは、複数の空間領域の中から選択された空間領域においてビームのそれぞれを出力するように構成されたアンテナのアレイを備え、アンテナのアレイのうちの１つ以上のアンテナは、シングルポートアンテナである。フロントエンドアンテナシステムは、アンテナのアレイと１つ以上のビームネットワークとを電気的に結合する複数のトランシーバを備える。
【0023】
一態様では、シングルポートアンテナはパッシブアンテナであり、１つ以上のビームは少なくとも２つのビームを含み、１つ以上のビームネットワークは複数のビームフォーマネットワークを含む。複数のビームフォーマネットワークの各ビームフォーマネットワークは、少なくとも２つの遅延素子を含み、この少なくとも２つの遅延素子は、位相シフター、時間遅延回路、又はそれらの組み合わせを含む。シングルポートアンテナは、複数のビームフォーマネットワークのうちの対応するビームフォーマネットワークの少なくとも２つの遅延素子に結合される。
【0024】
一形態では、シングルポートアンテナは、１つ以上の同調可能なコンポーネントからなるアクティブアンテナである。
【0025】
一形態において、１つ以上のビームは少なくとも２つのビームを含み、１つ以上のビームネットワークは複数の該ビームフォーマネットワークを含む。複数のビームフォーマネットワークの各ビームフォーマネットワークは、少なくとも２つの遅延素子を含み、この少なくとも２つの遅延素子は、位相シフター、時間遅延回路、又はそれらの組み合わせを含む。シングルポートアンテナは、複数のビームフォーマネットワークのうちの対応するビームフォーマネットワークの少なくとも２つの遅延素子に結合される。
【0026】
一態様では、フロントエンドアンテナシステムは、１つ以上のビームの放射パラメータ及びビームタイプを独立して制御するように構成されたコントローラを更に備える。放射パラメータは、方向、パターン、パワー、偏波、位相角、周波数帯域、又はそれらの組み合わせを含む。ビームタイプは、送信タイプビーム、受信タイプビーム、及び同時受信・送信タイプビームのうちの１つを含む。
【0027】
一態様では、１つ以上のビームネットワークは、スイッチングネットワークを含み、スイッチングネットワークは、１つ以上のスイッチ、１つ以上の結合器、１つ以上のスプリッタ、１つ以上の結合線路、１つ以上のフィルタ、又はそれらの組み合わせを含む。
【0028】
一態様では、１つ以上のビームネットワークは、ＲＦステージ、ＩＦステージ、デジタルステージ、局部発振器ステージ、又はそれらの組み合わせにおいて１つ以上のビームを形成するように構成される。
【0029】
適用可能性のさらなる領域は、本明細書に提供される説明から明らかになるであろう。説明及び具体例は、例示のみを目的としており、本開示の範囲を限定することを意図していないことを理解されたい。
【0030】
次に、本開示がよく理解されるように、以下に簡単に説明する添付の図面を参照しながら、例として与えられるその様々な形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】本開示の教示による例示的な実施形態のフロントエンドアンテナシステムの概略図である。
【0032】
【図2】本開示の教示によるフロントエンドアンテナシステムのサブアレイの概略図である。
【0033】
【図3】本開示の教示による別の例示的なフロントエンドアンテナシステムの概略図である。
【0034】
【図4】本開示の教示による１組のビームフォーマに接続される例示的なスイッチングネットワークの概略図である。
【0035】
【図5】本開示の教示による無線周波数集積回路の概略図である。
【0036】
【図6】本開示の教示による例示的なマルチポートアンテナの概略図である。
【0037】
【図7】本開示の教示による例示的なアクティブアンテナの概略図である。
【0038】
【図8A】本開示の教示によるフロントエンドアンテナシステムの概略図である。
【0039】
【図8B】本開示の教示によるフロントエンドアンテナシステムの別の概略図である。
【0040】
【図8C】本開示の教示によるフロントエンドアンテナシステムの別の概略図である。
【0041】
【図9A】本開示の教示によるアンテナの例示的なセットの概略図である。
【0042】
【図9B】本開示の教示によるアンテナの別の例示的なセットの概略図である。
【0043】
【図9C】本開示の教示によるアンテナのさらに別の例示的なセットの概略図である。
【0044】
【図10】本開示の教示によるマルチポートアンテナのセットを含むフロントエンドアンテナシステムの概略図である。
【0045】
【図11】本開示の教示による１組のアンテナを含むシステムの概略図である。
【0046】
【図12A】本開示の教示によるフロントエンドアンテナシステムの機能ブロック図である。
【0047】
【図12B】本開示の教示による別のフロントエンドアンテナシステムの機能ブロック図である。
【0048】
【図12C】本開示の教示によるさらに別のフロントエンドアンテナシステムの機能ブロック図である。
【0049】
【図13】本開示の教示によるフロントエンドアンテナシステム及びコントローラの機能ブロック図である。
【0050】
本明細書に記載された図面は、説明のためだけのものであり、本開示の範囲をいかなる形でも制限することを意図していない。
【発明を実施するための形態】
【0051】
以下の説明は、単に例示的なものであり、本開示、適用、又は用途を限定することを意図していない。図面全体を通して、対応する参照数字は、同様な又は対応する部品及び特徴を示すことを理解されたい。
【0052】
本開示は、マルチビームのビームフォーミング、高パワー効率、高スペクトル効率、及び動作周波数とサイズにおけるスケーラビリティの独自の組み合わせを提供する無線フロントエンドトランシーバのためのフロントエンドアンテナシステムアーキテクチャ技術を提供するものである。フロントエンドアンテナシステムは、ビームの生成及び／又は受信と、ビームの方向、パターン、パワー、偏波、及び／又は位相角などの様々な放射パラメータの高精度かつ独立した制御による無線周波数（ＲＦ）パターン及びビームの電子制御とを可能にする無線フロントエンドシステムとして動作する。一形態では、フロントエンドアンテナシステムは、１つのビーム（例えば、シングルビーム動作／モード）以上の同時ビーム（例えば、マルチビーム動作／モード）を送信、受信、又は同時送信・受信を行う。一態様では、フロントエンドアンテナシステムは、無線周波数（ＲＦ）ステージ、中間周波数（ＩＦ）ステージ、及びデジタルステージのうちの少なくとも１つを含む。特定のステージが提供されているが、フロントエンドアンテナシステムは局部発振器ステージのような他のステージを有していてもよい。
【0053】
本開示のフロントエンドアンテナシステムは、特に、フロントエンドアンテナシステム、無線センシング及び画像システム、並びに無線パワー伝送システムなどの様々なタイプの信号又はパワー電波の送信及び／又は受信のために実装され得る。フロントエンドアンテナシステムの例としては、衛星信号、ネットワーク事業者及びインターネットサービスプロバイダ（ＩＳＰ）のための無線通信、ブロードバンド、及び／又は一般的な電気通信が挙げられるが、これらに限定されるものではない。例示的な無線センシング及び画像センシングシステムには、自動車レーダーセンサシステム、セキュリティ及び安全画像及びスクリーニングセンサシステム、医療画像システム等が含まれるが、これらに限定されるものではない。例示的な無線パワー伝送システムには、電子及び電気装置の無線充電のために電力／エネルギーを伝送するために電波を使用するシステムが含まれるが、これらに限定されるものではない。
【0054】
一形態では、フロントエンドアンテナシステムは、ミリ波周波数帯通信（例えば、５Ｇ／６Ｇ通信）のために実装されて、大きな開口及び／又は多数の放射素子（及び関連トランシーバ及びビームフォーミング回路）により、過度の信号伝播損失が軽減されるようにし得る。多数の放射素子の結果として、従来のフロントエンドアンテナシステムは、過剰な電力を消費（例えば、デジタルビームフォーミング方法に起因する電力消費）し、その機能（例えば、とりわけ、ビームの数、アンテナ利得、ビームフォーミング能力）が制限され、及び／又は開口サイズを制限する複雑なビームフォーミングネットワーク（例えば、とりわけ、大きなダイサイズ及び数、素子間の複雑な配線及び同期）が必要である。
【0055】
本開示のフロントエンドアンテナシステムは、ミッドバンド及び／又はローバンド５Ｇ信号帯を含む電気通信周波数帯、衛星通信帯（例えば、Ｘ－帯（バンド）、Ｋｕ－帯、Ｋａ－帯、Ｖ－帯、Ｗ－帯）、自動車レーダー帯（例えば、Ｗ－帯）、又は他の認可周波数帯又は無認可周波数帯（例えば、６０ＧＨｚ）でさらに実装され得る。また、フロントエンドアンテナシステムは、他の周波数帯（例えば、とりわけ、ＲＦ、マイクロ波、ミリ波、サブミリ波、テラヘルツ）において実装され得る。
【0056】
マルチビームモードでは、フェーズドアレイフロントエンドアンテナシステムは、複数のＲＦビームの同時かつ連続的な送信（及び／又は受信）を可能にするマルチ入力／マルチ出力（ＭＩＭＯ）信号システムとして機能し得るものであり、各ビームは、強化された通信及び／又は検出目的のために独立した又は相関した信号を含むことが可能である。また、複数のビームは、無線電力伝送システムにおいて、複数の充電装置に電力を伝送することができる。アンテナシステムは、各ビームの形状（例えば、パターン）、ポインティング方向、パワーレベル、偏波などの、高精度の成形及び制御を提供し、それによってオペレータが所望の特性を独自に規定することを可能にする。
【0057】
フロントエンドアンテナシステムは、様々な利点を提供し得る。システム及び方法は、常にそのような利点を提供することに限定されず、システム及び方法がどのように使用され得るかについての例示的な表現としてのみ提示される。利点のリストは、網羅的であることを意図しておらず、他の利点が追加的に又は代替的に存在し得る。
【0058】
一例として、フロントエンドアンテナシステムは、無線通信における情報負荷容量（例えば、集約スループット又はデータレート）の増加を提供する。複数のビームは、特定の周波数帯域上の情報伝送の増加を提供し、それによって、スペクトル効率及びパワー効率を増加させることができる。
【0059】
別の例として、フロントエンドアンテナシステムは、複数のノードとの連続的かつ同時的な接続を提供し、それによって速度を向上させ、複雑なマルチノード通信又はより効率的な無線通信トポロジを可能にし得る複数のビームを提供する。
【0060】
さらに別の例として、フロントエンドアンテナシステムは、通信のためのマルチビームＭＩＭＯ動作を提供し、それによって、フロントエンドアンテナシステムにおいて、周波数再利用、無線リンクの容量増加、及び改善されたスペクトル効率のための空間多重化方法を可能にする。
【0061】
さらに、従来のフェーズドアレイアンテナは、ビームホッピングを必要とする複数の場所とのシングルビーム信号伝達しか持っていない。本開示のフェーズドアレイアンテナが提供するマルチビーム機能は、複数の場所との連続的な接続を提供し、それによって、ビームホッピングを不要とする。
【0062】
本開示のフロントエンドアンテナシステムは、携帯電話ユーザ、飛行機、衛星、及び車などの移動する信号源を追跡することも提供する。本開示のフロントエンドアンテナシステムによって提供される連続接続は、連続的な信号追跡を可能にし、任意の信号を追跡するために必要な遅延を除去し、それによって接続待ち時間を最小にすることができる。
【0063】
本開示のフロントエンドアンテナシステムは、さらに、通信ネットワーク内の所定の方向又は所定のノード間でオーバーラップする信号ビームを提供し得る。従って、フロントエンドアンテナシステムは、通信ネットワークにおいて付加的な冗長性を提供する。
【0064】
別の例として、フロントエンドアンテナシステムは、１つ以上のノードに同時送受信を提供し、その結果、通信システムのレイテンシーを低減し、通信ネットワークのデータレートを増加させる。
【0065】
撮像システムの場合、本開示のフロントエンドアンテナシステムは、検出分解能（例えば、角度及び／又は範囲の分解能）を増加させる。さらに、フロントエンドアンテナシステムのマルチビーム動作は、例えば、シングルビームのビームステアリングシステムとは対照的に、より高速な撮像及び検出を可能にする。
【0066】
無線電力伝送システムに対しては、本開示のフロントエンドアンテナシステムは、複数の無線デバイスの同時充電のための複数のビームの生成を提供する。従って、フロントエンドアンテナシステムは、充電時間を短縮し、各デバイスの効率を向上させる。
【0067】
別の例として、本開示のフロントエンドアンテナシステムは、任意の所与の開口サイズに対して、またシングルビーム及びマルチビーム動作の両方に対して、複雑さ、サイズ、及びパワーを低減させる。さらに、本開示のフロントエンドアンテナシステムは、所与の開口寸法に対する全体的なダイ回路サイズ及びカウント要件を低減させる。その結果、フロントエンドアンテナシステムは、システムの小型化、軽量化、及び電力消費量の低減化を提供する。
【0068】
一態様では、図１に示すように、フロントエンドアンテナシステム１は、複数のアンテナ１０と、複数のトランシーバ３０と、複数のビームネットワーク５０とを含む。一形態では、トランシーバ３０は、アンテナ１０をビームネットワーク５０に電気的に結合する。一形態では、フロントエンドアンテナシステム１は、複数の同時ビームを提供するマルチ入力／マルチ出力（ＭＩＭＯ）システムとして動作可能であり、またビームの方向、パターン、パワー、偏波、及び位相角などの信号ビーム放射パラメータを独立して制御するように動作可能である。一形態では、フロントエンドアンテナシステム１は、送信タイプビーム、受信タイプビーム、及び同時受信・送信タイプビームなどのビームのビームタイプを独立して制御するように動作可能であり、ビームタイプは、送信タイプビーム、受信タイプビーム、及び同時受信・送信タイプビームのうちの一つを含む。一態様では、フロントエンドアンテナシステム１は、デジタル信号とアナログ信号の両用とすることができる。
【0069】
一形態では、フロントエンドアンテナシステム１は、電波のビームを送信及び受信するように構成される。一形態では、フロントエンドアンテナシステム１は、ビーム管理制御ルーチンによって規定される他の放射パラメータのうちのとりわけ、様々な方向、パターン、パワーレベルを有する複数の電波のビームを送信及び／又は受信する。一つの形態では、フロントエンドアンテナシステム１は、１つ以上の電波のビームを同時に送信及び受信する。
【0070】
一形態では、フロントエンドアンテナシステム１は、アレイ（例えば、特に、ダイナミックアレイ、固定アレイ、アクティブアレイ、パッシブアレイ、デジタルアレイ、アナログアレイ、又はハイブリッドアレイ）として実装され得る。一例として、また図２に示すように、フロントエンドアンテナシステム１は、集合的にアレイ２を形成する１つ以上のサブアレイ７０－１、７０－２、７０－３、７０－４、７０－５、７０－６（ここではサブアレイ７０と総称する）を含み得る。サブアレイ７０の各々は、複数のアンテナ１０のうちの１つ以上のアンテナ１０のセットを含む。一例として、サブアレイ７０－１は、複数のアンテナ１０のうちのアンテナ１０－１、１０－２、１０－３、１０－４を含むアンテナのセットを含み得る。一形態において、サブアレイ７０は、信号分配ネットワーク（詳細は後述する）、複数のビームネットワーク５０、複数のトランシーバ３０、又はそれらの組み合わせを介して互いに結合される。
【0071】
一態様では、１つ以上のサブアレイ７０は、互いに同一であってもよいし、異なっていてもよい。一例として、各サブアレイ７０は、図２Ｂに示すように、同じ幾何学的パラメータ（例えば、形状、サイズ、向き、長さ、幅、深さなど）を有し得る。別の例として、アレイ７０の２つ以上は、図２Ａに示すように、互いに異なる幾何学的パラメータのセットを有し得る。一形態では、サブアレイ７０は、ランダムに配置されるか、又は格子状又は線状に配置される。一形態では、１つ以上のサブアレイ７０は、様々な平面、非平面、又はコンフォーマル形状（例えば、長方形、円形、六角形など）を有していてもよい。さらに、１つ以上のサブアレイ７０は、平面的な形態、非平面的な形態、又はコンフォーマルな形態で互いに一体化されてもよい。一態様では、１つ以上のサブアレイ７０は、互いにインターリーブ又はオーバーラップしていてもよい。一形態では、１つ以上のサブアレイ７０は、フロントエンド開口を拡大するためにスパース構成を形成し、また１つ以上のサブアレイ７０は、サイドローブを抑制するために互いに対して回転及びシフトされ得る。
【0072】
一形態では、フロントエンドアンテナシステム１のサイズ及びジオメトリは、アレイアンテナの数、各アンテナの素子数、及び／又は連続開口アンテナの寸法に基き得る。一態様では、フロントエンドアンテナシステム１のサイズ及びジオメトリは、信号送信及び／又は受信パラメータのうちの特に、所望の信号強度、周波数帯域幅、信号負荷容量、着信／発信信号の数に基づくものである。一例として、５Ｇ実装では、フロントエンドアンテナシステム１は、２３６個の素子（例えば、１６×１６アレイ）又は１０２４個の素子（３２×３２アレイ）を有するアレイ２を含む。別の例として、長距離通信の実装では、アレイ２は、２０００個の素子（又は、アンテナ１０が連続開口アンテナサブアレイによって実装される場合の２０００個の素子のサイズに相当するもの）を含む。
【0073】
図１～図２を参照すると、アンテナ１０は、放射パラメータのうち特に、波／信号ビームパターンや方向などのフロントエンドアンテナシステム１の放射パラメータを制御するように構成される。例示的なアンテナ１０には、平面アンテナ（パッチ、スロット、リング、スパイラル、ボウタイなど）、キャビティバックアンテナ、及び膜面アンテナが含まれるが、これらに限定されるものではない。
【0074】
一形態では、サブアレイ７０の１組のアンテナ１０は、単一のアンテナ素子、放射素子のセット、又は連続的な放射開口部を含み得る。一例として、１組のアンテナ１０は、開口アンテナ、連続開口アンテナ、平面アンテナ、レンズアンテナ（例えば、楕円レンズ、ルネンベルグ（Lunenberg）レンズ等）、平面レンズアンテナ（例えば、ロットマン（Rotman）レンズ）、ワイヤアンテナ、及び／又は反射器アンテナを含む。別の例として、メタマテリアルアンテナ、リーキー波アンテナ、ファブリペローアンテナ、スロットアレイアンテナ、導波路アンテナなどを含み得る。具体例として、グループ化された素子は、各サブセットアンテナに対して所望のパターン及び放射特性を生成するように配置されたメタマテリアル素子又はメタピクセルを有するメタマテリアルアンテナを含み得る。
【0075】
一態様では、１組のアンテナ１０は、信号分配ネットワークをさらに含む。例示的な信号分配ネットワークには、漏れ波又はスロットカップル導波路構造（例えば、空気で満たされた導波路、基板集積導波路など）、（例えば、カスタム形状を有する空気で満たされた又は誘電体で満たされた）キャビティ構造体、ビームフォーミングマトリクス構造（例えば、バトラーマトリクス、ハイブリッドカプラー、直交カプラー、ブラズマトリクス、ビームスイッチマトリクスなど）、マイクロストリップ構造、Ｈツリー構造などがあるが、それだけに限られるわけではない。
【0076】
一形態では、１組のアンテナ１０は、シングルポートアンテナ又はマルチポートアンテナを含み得るものであり、また、シングルポートアンテナ及びマルチポートアンテナの任意の数／組み合わせを含んでもよい。一例として、アンテナ１０のマルチポート実装の場合、各ポートは、特定の領域においてビームを励起して生成し、ビームが集合的に選択された３Ｄ視野（ＦｏＶ）空間にまたがるようにし得る。一態様では、マルチポートアンテナのビームは、オーバーラップする領域／パターンを有し得る。フロントエンドアンテナシステム１のマルチビームパターンの生成は、ビームネットワーク５０を介して、１組のマルチポートアンテナ、１組のアンテナのアレイ、又はそれらの組み合わせによって実施し得る。
【0077】
一態様では、アンテナ１０は、パッシブアンテナ又はアクティブアンテナであり得る。一例として、アンテナ１０は、所定のアンテナ特性（例えば、アンテナパターン、ビームパターンなど）の動的制御のために、そこに統合された同調可能なコンポーネント（バラクタ、ダイオードなど）及び／又は同調可能な材料、（例えば、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、液晶など）を有するアクティブアンテナを含み得る。ある形態では、アクティブアンテナは、さらに詳細に後述するように、所望の放射特性をもたらすために、コントローラによって電子的に制御される。
【0078】
一形態では、アンテナ１０は、追加のビームフォーミング動作を実行するように構成され得る。一例として、アンテナ１０がマルチポートアンテナである場合、フロントエンドアンテナシステム１は、アンテナのセットや他のシステムコンポーネントを接続する少なくとも１組のスイッチングネットワークを含み、それによって、以下にさらに詳細に説明するように、マルチポートアンテナのポートの制御機能性を可能にすることができる。一例として、マルチポートアンテナは、複数のビームが同じ偏波、同じ周波数帯域、又はそれらの組み合わせを有するように、複数のビームの送信、複数のビームの受信、又はそれらの組み合わせを行なうように動作可能である。アンテナ１０の例は、「ＡＮＴＥＮＮＡ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ Ａ ＭＵＬＴＩ－ＢＥＡＭ ＢＥＡＭＦＯＲＭＩＮＧ ＦＲＯＮＴ－ＥＮＤ ＷＩＲＥＬＥＳＳ ＴＲＡＮＳＣＥＩＶＥＲ」と題する本出願人の同時係属米国出願に提供されており、その内容は参照によりその全体が本書に組み込まれるものとする。
【0079】
図１を参照すると、トランシーバ３０は、アンテナ１０をビームネットワーク５０に接続することによって、アンテナ１０が信号、指向性ビーム、及び／又は多次元ビームを送信／受信することを選択的に可能にするように構成される。一形態では、トランシーバ３０は、１組のトランシーバ３０として実装され、所与の１組のトランシーバのうちの少なくとも１つのトランシーバ３０が、１組のアンテナうちの１つのアンテナ１０を１組のビームネットワーク５０に接続する。一形態では、所与の１組のトランシーバのうちの少なくとも１つのトランシーバ３０は、１組のアンテナのうちの１つのアンテナ１０を１組のビームネットワーク５０に接続する。一態様では、各アンテナ１０に接続するトランシーバ３０の数は、アンテナ１０のポートの数に等しい。一変形例では、各アンテナ１０に接続するトランシーバ３０の数は、アンテナ１０のポートの数に等しくないようにできる。
【0080】
一形態では、トランシーバ３０はそれぞれ、パワーアンプ３２及び低ノイズアンプ３４などの、入出力の信号を増幅する２つ以上のアンプを含む。一形態の変形例では、トランシーバ３０は、パワーアンプ３２と低ノイズアンプ３４との間の切り替えを可能にし、よって信号の受信と送信との間の切り替えを可能にする１つ以上のスイッチ３６を含み得る。あるいは、パワーアンプ３２及び低ノイズアンプ３４は、同時Ｔｘ／Ｒｘを可能にするため、及び／又はスイッチ３６に関連する損失を除外するために、スイッチ３６を用いずにアンテナ１０のアンテナポートに接続され得る。
【0081】
一形態では、低ノイズアンプ３４は、最小限のノイズ／歪みを加えながら、アンテナ１０によって受信された信号を増幅するように構成される。低ノイズアンプ３４は、様々な利得、ノイズ指数、線形性、及びインピーダンス整合特性を有することができる。一形態では、パワーアンプ３２は、アンテナポートに対して所定のパワーレベルまで信号を増幅するように構成される。従って、パワーアンプ３２は、所与の方向／ビームにおける所望の等価等方放射電力（ＥＩＲＰ）に従って所与のパワーレベルまで信号を増幅するための利得及びパワー特性を有し得る。ある形態では、パワーアンプ３２は、直交周波数分割多重変調などの様々な変調信号をサポートするために高い線形性及びパワー効率を有する。ある形態では、パワーアンプ３２による出力は、インピーダンス変換アプローチ、パワー結合技術、及びトランジスタ積層を含むがこれらに限定されない様々な技術を使用して強化され得る。これらの技法は、高度なシリコンベースのプロセス（例えば、バルクＣＭＯＳサブミクロン、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）、及び／又はＳｉＧｅ ＢｉＣＭＯＳ技法）などのオフチップ又はオンチップで実装され得る。
【0082】
一例として、パワーアンプ３２は、ドハーティ（Doherty）パワーアンプ、アウトフェージング（outphasing）パワーアンプ、チアレックスアウトフェージング（Chireix outphasing）パワーアンプ、又はそれらの組み合わせであり得る。別の例として、パワーアンプ３２は、線形タイプのパワーアンプ（例えば、Ａ級アンプ、Ｂ級アンプ）又はスイッチングタイプのパワーアンプ（例えば、Ｅ級アンプ、Ｆ－１級アンプ）であり得る。追加の例として、パワーアンプ３２は、例えば高周波ミリ波システム（すなわち、高周波は３０～３００ギガヘルツを含む）で実施される場合に、フロントエンドアンテナシステム１の信号伝播減衰損失及び高いＲＦ損失を補償する高パワーアンプである。
【0083】
一形態では、パワーアンプ３２は、出力信号の線形性を改善するためにプレディストーション回路を含み得る。プレディストーション回路は、デジタルステージ、アナログステージ、又はそれらの組み合わせに実装され得る。一例では、プレディストーション回路は、デジタルステージに実装されたデジタルプレディストーション回路（ＤＰＤ回路）である。一形態では、ＤＰＤ回路は、メモリレスモデル（例えば、メモリレス多項式アルゴリズム及び／又はルックアップテーブル（ＬＵＴ）ベースのアルゴリズム）又はメモリを有するモデル（例えば、メモリ多項式モデル）に基づくことができる。別の例では、ＤＰＤ回路は、各パワーアンプ３２からの情報ではなく、フロントエンドアンテナシステム１の１つ以上のビームからの情報に基づいて実装される。
【0084】
一形態では、ビームネットワーク５０は、アンテナ１０への又はアンテナ１０からの信号の建設的及び破壊的な組み合わせ、選択、及び／又は操作によって信号ストリーム（入出力の両方）を生成、提供、及び変更するように構成されたビームフォーマネットワーク５１及び／又はスイッチングネットワーク５８を含んでいる。ビームネットワーク５０は、所望の信号ストリーム／ビームのためのビームフォーミング結合／処理のために、各アンテナ１０及び／又は１組のアンテナ１０からの各信号経路における特定の信号位相、振幅、及び／又は選択交替を指定するように構成される。ビームネットワーク５０は、ビームフォーマネットワーク５１及びスイッチングネットワーク５８の両方を含むものとして示されているが、いくつかの変形例においてはビームフォーマネットワーク５１とスイッチングネットワーク５８のうちの一方のみを含み得ることが理解されるべきである。
【0085】
一形態では、ビームネットワーク５０はセットで提供される。ビームネットワーク５０の各セットは、マルチビーム、マルチストリーム信号の送信及び／又は受信のための多方向及び／又は多次元ビームを生成するように構成される。ビームネットワーク５０のセットは、トランシーバ３０を介して所定のセットの各アンテナ１０に接続される。ある形態では、ビームネットワーク５０及び／又はそのコンポーネントは、ＲＦステージ、ＩＦステージ、ベースバンドステージ、デジタルステージ、又はそれらの組み合わせを含む様々なステージで実装され得る。ある形態では、アンテナ１０がアクティブアンテナを含む場合、ビームネットワーク５０は、ハイブリッドビームネットワークのためのアンテナ１０と組み合わされ得る。
【0086】
ある形態では、ビームフォーマネットワーク５１は、位相シフター（ＰＳ）回路５２のネットワーク、時間遅延回路５４のネットワーク、アンプネットワーク５６、スプリッタ、結合器、又はそれらの組み合わせを含む。一形態では、位相シフター回路５２のネットワーク（以下、「位相シフター５２」と称する）は、入力信号を受信し、入力信号に関連するビームの位相及び振幅を変更するように構成される。一形態では、位相シフター５２は、アナログ回路、デジタル回路、又はそれらの組み合わせ（例えば、ハイブリッドモデル）により実装され得る。位相シフター５２は、アクティブ部品（例えば、ベクトル変調器ベースの位相シフター５２）、パッシブ部品、又はそれらの組み合わせを含み得る。一例として、位相シフター５２は、反射型位相シフター（ＲＴＰＳ：reflection-type phase shifter）、スイッチ伝送線位相シフター（ＳＴＰＳ：switched-transmission line phase shifter）、負荷線ベースのパッシブ位相シフター、又はこれらの組み合わせを含み得る。一態様では、遅延変動キャンセル技術は、所定の比帯域幅（例えば、２０％以上の比帯域幅）以上の遅延変動を抑制するように実装され得る。
【0087】
一形態では、時間遅延回路５４（以下、「時間遅延器５４」と称する）のネットワークは、入力信号を受信し、入力信号に関連するビームの位相を変更するようにも構成される。一例として、時間遅延器５４は、コントローラによって規定及び／又は動的に調整される制御可能な時間遅延によって信号を遅延させるように構成される。一形態では、時間遅延器５４は、アナログ回路、デジタル回路、又はそれらの組み合わせ（例えば、ハイブリッドモデル）により実装され得る。
【0088】
一形態では、位相シフター５２及び／又は時間遅延器５４は、ビームフォーマネットワーク５１のビームスクイント又はビーム歪みを最小化するために、実時間遅延（ＴＴＤ）として実装される。一形態では、位相シフター５２及び時間遅延器５４は、本明細書において、「遅延素子」と総称されることがある。
【0089】
一形態では、ビームフォーマネットワーク５１は、ビームフォーマネットワーク５１がアナログ回路によって実装される場合、アンプネットワーク５６を含む。アンプネットワーク５６は、信号結合、分割、及び／又は操作が行われる前／後に、信号が所定の強度になるように、受信又は送信信号の振幅を変更するように構成される。一例として、アンプネットワーク５６は、アナログ回路、デジタル回路、又はそれらの組み合わせ（例えば、ハイブリッドモデル）として実装される１つ以上の可変利得アンプを含み得る。
【0090】
いくつかの形態では、ビームネットワーク５０は、例えば、アンテナ１０がマルチポートアンテナを含む場合に、スイッチングネットワーク５８を含む。一例として、各マルチポートアンテナについて、フロントエンドアンテナシステム１は、マルチポートアンテナポートのサブセットを１組のトランシーバ３０に接続するスイッチングネットワーク５８を含む。さらに、又は代替的に、フロントエンドアンテナシステム１は、１組のトランシーバのセットを１組のビームフォーマネットワーク５１に接続するスイッチングネットワーク５８を含み得る。いくつかの形態では、スイッチングネットワーク５８は、スイッチング回路なしに、シングルポート／マルチポートアンテナの全てのポートをトランシーバ３０に接続する。スイッチングネットワーク５８は、異なるレベルのコンポーネント接続性／活性を提供するように構成され、それによって、ビームを統合又は分割し、ビーム方向を制御する。スイッチングネットワーク５８は、ビームフォーマの複雑さを単純化し、及び／又はフロントエンドアンテナシステム１のビームフォーミングマルチビーム、マルチストリーム機能を大幅に増加させることができる。スイッチングネットワーク５８は、ＲＦステージ、ＩＦステージ、ベースバンドステージ、デジタルステージ、又はそれらの組み合わせなどの、様々なステージに実装され得る。一形態では、スイッチングネットワーク５８は、１つ以上のスイッチ、１つ以上の結合器、１つ以上のスプリッタ、１つ以上のフィルタ、１つ以上の結合線路、又はそれらの組み合わせを含む。
【0091】
一形態では、ビームフォーマネットワーク５１は、アナログビームフォーマ、デジタルビームフォーマ、又はそれらの組み合わせ（例えば、ハイブリッドビームフォーマ）であり得る。一例として、多数のアンテナ素子／セットを有する大きなアンテナ開口の場合、ビームフォーマネットワーク５１は、デジタルビームフォーマでは過剰な電力消費量となるので、アナログビームフォーマ又はハイブリッドビームフォーマとされ得る。別の例として、より高い周波数帯（例えば、ミリ波帯）では、ビームフォーマネットワーク５１は、より高い周波数帯でのRFコンポーネント及び分配／結合ネットワークの損失及び／又はＲＦコンポーネントのサイズを抑制するためにＩＦステージに設けられたアナログビームフォーマを含み得る。ＩＦ実装又はデジタルビームフォーマが採用されるいくつかの形態では、１組のアンテナ及び／又はサブセットレベルにミキサーの実装がなされ、局部発振器（ＬＯ）信号の同期がすべてのアンテナ素子及び／又は１組のアンテナにおいて実行され得る。いくつかの形態では、ＬＯ信号の同期は、アンテナ素子、１組のアンテナ、及び／又はアンテナサブセットレベルで実装される基準信号、位相同期ループ（ＰＬＬ）回路、増幅回路、ミキサー、又はそれらの組み合わせによって実行され得る。
【0092】
いくつかの態様において、フロントエンドアンテナシステム１は、コントローラ９０を含み得る。コントローラ９０は、所望の出力を達成するためにフロントエンドアンテナシステム１のコンポーネントを動作させるように構成される。ある形態では、コントローラ９０は、全てのアクティブなコンポーネントに接続され、特に、ビーム管理制御ルーチン、ビーム追跡ルーチン、ユーザ管理ルーチンを実行するように構成されている。一例として、コントローラ９０は、ビームの１つ以上について、特に、パワーレベル、帯域幅、ビーム方向、ビーム幅、偏波、ストリーム／ユーザの数、通信範囲、及び変調を独立して設定し得る。一形態では、コントローラ９０は、システムがフロントエンドアンテナシステム１との間の入力信号及び出力信号に特定の方法で応答するように自動化され得る。一形態では、コントローラ９０は、任意の及び／又は全ての所望のフロントエンドアンテナシステムパラメータ（例えば、信号増幅のレベル、設定ビーム形態、及び方向）のユーザ管理を可能にする。一形態では、コントローラ９０は、通信ネットワークにおける信号の流れの管理を可能にする。
【0093】
例示的な変形例では、フロントエンドアンテナシステム１のコンポーネント（例えば、アンテナ１０、トランシーバ３０、ビームネットワーク５０、及び／又はコントローラ９０）は、１以上の電子チップ（例えば、集積回路（ＩＣ）チップ）及び／又はその１以上の基板層上に配設される。ＩＣチップは、本明細書に記載される機能を実行するためのシステム・オン・チップ（ＳｏＣ）構成において、ベースバンド、デジタル、モデム、及び／又は制御回路を含み得る。一形態では、各ＩＣチップは、単一のアンテナ素子及び／又は１組のアンテナ１０と関連付けられる。一形態では、各ＩＣチップは、複数のアンテナ素子又はサブアレイ７０と関連付けられる。一態様では、１つのＩＣチップが、全てのアンテナ素子又は１組のアンテナ１０と関連付けられる。
【0094】
図３を参照すると、フロントエンドアンテナシステム１－１が示されている。フロントエンドアンテナシステム１－１は、フロントエンドアンテナシステム１と同様であるが、この変形例では、フロントエンドアンテナシステム１－１は、トランシーバ３０－１、３０－２、・・・３０－ｋ’のセットに接続されたポート１６－１、１６－２、・・・１６－ｋを有するマルチポートアンテナ１０－１を含む１以上のサブアレイ７２を含んでいる。したがって、各サブアレイ７２は、ｋ個のポートを有するマルチポートアンテナ１０－５を含み、各サブアレイ７２は、ｋ’個のトランシーバのセットを含む。
【0095】
一形態では、各サブアレイ７２は、ビームネットワーク５０のビームフォーマネットワーク５１－１、５１－２、・・・５１－Ｍに接続される。一形態では、１組のトランシーバ３０は、Ｍ個の信号ストリームを生成するためにスイッチングネットワーク５８を介してビームフォーマネットワーク５１の各々に接続され、それによって、フロントエンドアンテナシステム１－１は、ビーム結合、分割、及びスイッチングルーチンを実行することが可能である。一形態では、マルチポートアンテナ１０－５は、スイッチングネットワーク５８と同様のスイッチングネットワーク１１０によって１組のトランシーバ３０に接続されてもよく、それによって、フロントエンドアンテナシステム１－１は、マルチポートアンテナ１０－５のアクティブポートを切り替えること（例えば、ビームの方向を選択すること）を可能とする。
【0096】
一形態では、各サブアレイ７２は、アンテナのタイプ（例えば、メタマテリアルアンテナ又は連続開口アンテナ）に基づきｎ個の素子又はその等価物を含む。各サブアレイ７２が同一の場合、フロントエンドアンテナシステム１－１は、Ｎ＝ｎ×ｍ個の素子の合計サイズ（又はＮ個の素子と等価なアレイシステム）を有し、ここでｍはフロントエンドアンテナシステム１－１のサブアレイ７２又は１組のアンテナの数を表す。換言するならば、Ｎ個の素子のアレイは、ｎ素子ずつのサブアレイ７２にグループ化され得る。これらのサブアレイ７２は、システム製造のためにアレイコンポーネントに例示的なグループ化を追加する機能を有し得る。例えば、いくつかの例示的な変形例では、サブアレイ７２のためのドライバは、単一のＲＦＩＣ又はＲＦＩＣのセットに組み立てられ得る。
【0097】
一形態では、マルチポートアンテナ１０－５（又はシングルポートアンテナ）は、様々な機能性（例えば、アクティブ、パッシブ、高利得又は低利得、ペンシルビーム又はファンビーム又はブロードビームなど）及び／又はタイプ（例えば、メタマテリアルアンテナ）を有している。マルチポートアンテナ１０－５（又はシングルポートアンテナ）がパッシブアンテナである場合、各アレイの素子数ｎはアンテナポート数ｋに対応してもよく、一例として、ｎ及びｋは等しいか又は同じ桁数であってもよい。別の例として、ｋは、√ｎのオーダーであってもよい。
【0098】
ある形態では、フロントエンドアンテナシステム１－１の１組のトランシーバ３０は、１つ以上のトランシーバ３０を含む。いくつかの形態では、トランシーバ３０の数は、アンテナポートｋの数以下である。
【0099】
図４を参照すると、ビームフォーマネットワーク５１及びスイッチングネットワーク５８－１、５８－２、・・・５８－Ｍ（「スイッチングネットワーク５８」と総称する）が示されている。一形態では、ビームフォーマネットワーク５１及びスイッチングネットワーク５８は、ｋ’個のトランシーバ３０に接続される。一形態では、Ｍ個のビームとｋ’個のトランシーバ３０に対して、スイッチングネットワーク５８はそれぞれ、スイッチ６０－１、６０－２、・・・６０－ｋ’（「スイッチ６０」と総称する）を含む。一形態では、各ビームは、スイッチングネットワーク５８の１つに接続され、１つのスイッチングネットワーク５８は、スイッチ６０を介してｋ’個のトランシーバ３０の各々に接続される。一例として、スイッチングネットワーク５８－１のスイッチ６０－１はトランシーバ３０－１に接続され、スイッチングネットワーク５８－１のスイッチ６０－２はトランシーバ３０－２に接続され、スイッチングネットワーク５８－１のスイッチ６０－ｋ’は、トランシーバ３０－ｋ’に接続される。一形態では、フロントエンドアンテナシステム１は、それぞれがＭ個のスイッチ６０を有するｋ’個のスイッチングネットワーク５８を含み、スイッチングネットワーク５８のそれぞれは、トランシーバ３０の１つに接続され、その中に位置するスイッチによってすべての位相シフター５２に接続される。
【0100】
一形態では、ビームフォーマネットワーク５１は、異なるステージで異なる特性を有し、特定の周波数帯域（例えば、ミリ波帯）に対して特定の適用性を有することができる。一例として、アナログビームフォーマは、無線周波数（ＲＦ）ステージ、中間周波数（ＩＦ）ステージ、ＬＯステージ、又はそれらの組み合わせで実装され得る。
【0101】
一形態では、ビームフォーマネットワーク５１がＲＦステージ（すなわち、ＲＦビームフォーミング）で実装される場合、位相シフター５２、時間遅延回路５４、可変利得アンプ６２、及び信号結合器６４のうちの１つが、各信号経路の各ビームに対して提供され得る。一形態では、各位相シフター５２及び可変利得アンプ６２は、ＲＦ信号をＲＦ帯域内で所望の位相及び振幅に変化させる。それから、信号結合器６４が、各ビーム及びポートの変えられた信号を結合する。
【0102】
一形態では、ビームフォーマネットワーク５１がＩＦステージ（すなわち、ＩＦビームフォーミング）で実装される場合、位相シフター５２、時間遅延回路５４、可変利得アンプ６２、信号結合器６４、及びミキサー６６の１つが、各信号経路の各ビームに提供され得る。位相シフター５２及び可変利得アンプ６２は、ＲＦ信号をＩＦ帯に変換して生成されたＩＦ信号を所望の位相及び振幅に変化させる。そして、信号結合器６４は、各ビームとポートの変えられた信号を結合し、ミキサー６６は、入力信号とＬＯ信号を結合して、その信号をＩＦ帯に変換する。ＬＯ信号は、全てのアンテナ及び／又はビームフォーマに対して分配され、同期される。
【0103】
一形態では、ビームフォーマネットワーク５１がＬＯステージ（すなわち、ＬＯビームフォーミング）で実装される場合、位相シフター５２（例えば、位相回転器又はベクトル変調器ベースの位相シフター）、時間遅延回路５４、可変利得アンプ６２、及びミキサー６６の１つが各信号経路の各ビームに対して提供され得る。位相シフター５２及び可変利得アンプ６２は、各ポートの各ビームについてＬＯ信号の位相及び／又は振幅を変更し、ミキサー６６は、ＲＦ信号と変更後のＬＯ信号とを混合して所望の位相及び振幅にしたがってＩＦ帯域に変換する。一形態では、可変利得アンプ６２は、ＩＦ経路又はＬＯ経路に設けられる。一形態では、位相シフター５２は、ミキサー６６と一体化され得る。
【0104】
一形態では、ビームフォーマネットワーク５１がデジタルステージ（すなわち、デジタルビームフォーミング）で実装される場合、位相シフター５２、時間遅延回路５４、可変利得アンプ６２、信号結合器６４、ミキサー６６、デジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）６８、及びアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）６９の１つが、それぞれの信号経路のそれぞれのビームに対して提供され得る。一形態では、ＩＦ信号が、受信モード中にＡＤＣ６９を用いてアナログ信号からデジタル信号に変換され、位相シフター５２、時間遅延回路５４、及び可変利得アンプ６２は、デジタル信号の位相、時間遅延、及び／又は振幅のうちの少なくとも１つを変化させる。その後、信号結合器６４が、各ビーム及びポートの変えられたデジタル信号を結合する。同様に、送信モードの間、ＤＡＣ６８が、デジタル信号をアナログ信号に変換し、位相シフター５２、時間遅延回路５４、及び可変利得アンプ６２が、アナログ信号の位相、時間遅延、及び／又は振幅のうちの少なくとも１つを変化させる。次いで、信号結合器６４は、各ビーム及びポートの変更されたアナログ信号を結合する。
【0105】
一形態では、ビームフォーマネットワーク５１がハイブリッドビームフォーマのＩＦステージとデジタルステージの組み合わせで実装される場合、位相シフター５２、時間遅延回路５４、可変利得アンプ６２、信号結合器６４、及びミキサー６６の１つが、ＩＦステージにおける各信号パスの各ビームに提供され得る。ＩＦビームフォーマからの入出力が、デジタルビームフォーマに接続され、ＤＡＣ６８、ＡＤＣ６９、位相シフター５２、可変利得アンプ６２、及び／又は信号結合器６４のうちの１つが、各信号経路の各ビームに対して提供され得る。ハイブリッドビームフォーマの各ステージにおいて、位相シフター５２及び可変利得アンプ６２が、信号の位相、時間遅延、及び／又は振幅のうちの少なくとも１つを変化させるように構成される。次いで、信号結合器６４が、各ビーム及びポートの変えられた信号を結合する。
【0106】
図５を参照すると、Ｍ個のビームネットワーク５０及びｋ’個のトランシーバ３０’を含むＲＦＩＣ１００が示されている。一形態では、ＲＦＩＣ１００は、Ｎ個の素子（又はフロントエンドアンテナシステム１のＮ個の素子に相当するもの）を含む。一形態では、Ｍ個のビームネットワーク５０は、サブアレイ７０のアンテナのポート及び／又は素子に接続され、それによって、カスタマイズ可能で、複雑さとコストを抑制する、モジュール式でタイリング可能なフロントエンドアンテナシステムを提供する。
【0107】
図６を参照すると、ポート１６－１、１６－２～１６－ｋ（集合的に「ポート１６」と称する）を有するパッシブマルチポートアンテナであり得るアンテナ１０－６によって出力されるビーム１８、２０、２２の概略図が示されている。一形態では、ポート１６の１つを励起すると、パターン及び方向などの所定の放射パラメータを有する対応するビームが生成される。一形態では、ビーム１８、２０、２２は重なり、他の形態では、ビーム１８、２０、２２は重ならない。一形態では、ビーム１８、２０、２２は、所望の空間領域（例えば、２Ｄ又は３Ｄ ＦＯＶ）にまたがる。一形態では、ビーム１８、２０、２２の放射パラメータは、ビームネットワーク５０及び／又はコントローラ９０によって独立して制御される。アンテナ１０－６は、他の形態において、特定の放射パラメータを有するシングルビームを常に生成するシングルポートアンテナであってもよい。
【0108】
図７を参照すると、ポート１７－１、１７－２～１７－ｋ（集合的に「ポート１７」と称する）を有するアクティブマルチポートアンテナであり得るアンテナ１０－７によって出力されるビーム２４、２６、２８の概略図が示されている。一形態では、アンテナ１０－７は、電気的に制御される調整可能な機構を含み、コントローラ９０は、アンテナ１０－７の調整可能な機構を調整することによってビーム２４、２６、２８の放射パラメータを変更するように構成される。従って、コントローラ９０は、本明細書に記載される機能を実行するための外部及び／又はデジタル制御回路を含み得る。一形態では、アンテナ１０－７は、統合されたアクティブ素子を含み、それによって、コントローラ９０がビーム修正及び制御ルーチンを実行することを可能にする。１つのコントローラ９０が示されているが、フロントエンドアンテナシステム１は、他の形態で複数のコントローラ９０（例えば、アンテナ１０の各々に対して１つのコントローラ９０）を含み得る。
【0109】
図８Ａ～８Ｃを参照すると、フロントエンドアンテナシステムの様々な例示的なビームネットワーク５０が示されている。具体的には、図８Ａは、フロントエンドアンテナシステム１－２の、ビームネットワーク５０としてのデジタルビームネットワークを示し、図８Ｂは、フロントエンドアンテナシステム１－３の、ビームネットワーク５０としてのハイブリッドビームネットワーク（例えば、アナログビームネットワークとデジタルビームネットワーク）を示し、図８Ｃは、フロントエンドアンテナシステム１－４の、ビームネットワーク５０としてのハイブリッドビームネットワーク（例えば、アナログビームネットワークとデジタルビームネットワーク）を示している。
【0110】
図８Ａを参照すると、フロントエンドアンテナシステム１－２は、１組の（ビームネットワーク５０としての）デジタルビームネットワーク２００、コンバータネットワーク２０２（例えば、ＤＡＣ６８及び／又はＡＤＣ６９）、中間周波数（ＩＦ）コンバータネットワーク２０４、１組のトランシーバ３０、並びにアンテナ１０のアレイを含む。一形態では、フロントエンドアンテナシステム１－２は、ｋ個のビーム（各ビームは１つ以上の信号ストリームを含む）、ｋ個のデジタルビームネットワーク２００、及びＮ個のアンテナ１０のアレイを含む。デジタルビームネットワーク２００は、コンバータネットワーク２０２に結合され、コンバータネットワーク２０２は、ビームをＩＦ帯域の所望の周波数に変換するためのＩＦコンバータネットワーク２０４（例えば、１組のアップ／ダウン周波数コンバータ）に結合される。本明細書で説明するＩＦステージは、ＩＦコンバータネットワーク２０４に対応してもよく、本明細書で説明するデジタルビームネットワーク２００は、デジタルステージに対応してもよく、ＲＦステージはコンバータネットワーク２０２に対応してもよい。
【0111】
図８Ｂを参照すると、フロントエンドアンテナシステム１－３は、１組の（ビームネットワーク５０として）アナログビームネットワーク２０６を含む。フロントエンドアンテナシステム１－３は、コンバータネットワーク２０２と、ＩＦコンバータネットワーク２０４と、１組のトランシーバ３０と、アンテナ１０のアレイとをさらに含む。一形態では、フロントエンドアンテナシステム１－３は、ｋ個のビーム（各ビームは１つ以上の信号ストリームを含む）、ｋ個のアナログビームネットワーク２０６、及びＮ個のアンテナ１０のアレイを含む。コンバータネットワーク２０２は、アナログ信号を生成するためにアナログビームネットワーク２０６に結合される。アナログビームネットワーク２０６は、ビームをＩＦ帯域の所望の周波数に変換するためにＩＦコンバータネットワーク２０４（例えば、１組のアップ／ダウン周波数コンバータ）に結合される。フロントエンドアンテナシステム１－３のコンポーネントは、他の形態で異なる配置を有し得る。一例として、コンバータネットワーク２０２は、ビームをＲＦ帯域の所望の周波数に変換するためにＩＦコンバータネットワーク２０４に結合され、ＩＦコンバータネットワーク２０４は、ＲＦ信号を生成するためにアナログビームネットワーク２０６の集合に結合され得る。
【0112】
図８Ｃを参照すると、フロントエンドアンテナシステム１－４は、１組の（ビームフォーマネットワーク５０として）デジタルビームネットワーク２００と、１組のアナログビームネットワーク２０６とを含む。フロントエンドアンテナシステム１－４は、コンバータネットワーク２０２と、ＩＦコンバータネットワーク２０４と、１組のトランシーバ３０と、アンテナ１０のアレイと、アンテナ２０８のアレイ（例えば、アクティブアンテナのアレイ）とを更に含む。一形態では、フロントエンドアンテナシステム１―４は、ｋ個のビーム（各ビームは１つ以上の信号ストリームを含む）、ｋ個のデジタルビームネットワーク２００、Ｍ個のアナログビームネットワーク２０６、Ｎ個のアンテナ２０８のアレイ、及びアンテナ２０８のＮ’個の接続ポートを含む。一形態では、Ｎ’個の接続ポートは、図９Ａ～９Ｃを参照してさらに詳細に後述するように、１組のマルチポートアンテナ又は１組のシングルポートアンテナのポートへの接続を含み得る。一態様では、接続ポートの数（Ｎ’）は、アレイのアンテナ２０８の数（Ｎ）以下である。一形態では、ビームの数（ｋ）は、アナログビームネットワーク２０６の数（Ｍ）以下である。
【0113】
一形態では、デジタルビームネットワーク２００はコンバータネットワーク２０２に結合され、コンバータネットワーク２０２はアナログ信号を生成するためにアナログビームネットワーク２０６に結合される。アナログビームネットワーク２０６は、ビームをＩＦ帯域の所望の周波数に変換するためにＩＦコンバータネットワーク２０４（例えば、１組のアップ／ダウン周波数コンバータ）に結合される。フロントエンドアンテナシステム１－４のコンポーネントは、他の形態で異なる配置を有し得ることが理解されるべきである。一例として、コンバータネットワーク２０２は、ビームをＲＦ帯域の所望の周波数に変換するためにＩＦコンバータネットワーク２０４に結合され、ＩＦコンバータネットワーク２０４は、ＲＦ信号を生成するために１組のアナログビームネットワーク２０６に結合され得る。
【0114】
一形態では、フロントエンドアンテナシステム１－４は、送信モード、受信モード、又は送信モード及び受信モードで同時に動作可能である。一例として、送信モードでは、デジタルビームネットワーク２００は、１つ以上の信号ストリームを分割及び／又は選択するように構成され、ＤＡＣ６８は、１つ以上の信号ストリームを１つ以上のアナログ信号ストリームに変換するように構成され、アナログビームネットワーク２０６は、１つ以上の信号ストリーム、又はそれらの組み合わせを分割及び／若しくは選択するように構成される。別の例として、受信モードにおいて、アナログビームネットワーク２０６は、１つ以上の信号ストリームを結合及び／又は選択するように構成され、ＡＤＣ６９は、１つ以上の信号ストリームを１つ以上のデジタル信号ストリームに変換するように構成され、デジタルビームネットワーク２００は、１つ以上の信号ストリーム又はそれらの組み合わせを結合及び／又は選択するように構成される。
【0115】
図９Ａを参照すると、フロントエンドアンテナシステム１－４の１組の（アンテナ２０８としての）アンテナ２０８－１の一例が示されている。一形態では、１組のアンテナ２０８－１は、ｘ’個のポートを有するマルチポートアンテナ２１０を含み、スイッチングネットワーク５８に結合し得る。一形態では、スイッチングネットワーク５８は、マルチポートアンテナ２１０のｘ’個のポートを独立して制御し、ビーム方向、偏波、パワーなどのマルチポートアンテナ２１０の様々な放射パラメータを制御するように構成される。スイッチングネットワーク５８は、デジタルステージ、ＩＦステージ、ＲＦステージ、又はそれらの組み合わせなどの、フロントエンドアンテナシステム１－４の１つ以上のステージで実装され得る。一態様では、１組のビームフォーマネットワーク５１は、デジタルステージ（ＤＢＦ）、アナログステージ（ＡＢＦ）、又はそれらの組み合わせなどの、フロントエンドアンテナシステム１―４の１つ以上のステージで実装され得る。
【0116】
図９Ｂを参照すると、フロントエンドアンテナシステム１－４の１組の（アンテナ２０８としての）アンテナ２０８－２の例が示されている。一形態では、１組のアンテナ２０８－２は、集合的にｙ’個のポートを形成する複数のマルチポートアンテナ２１２－１、・・・２１２－ｎ（マルチポートアンテナ２１２と総称する）を含む。マルチポートアンテナ２１２の各々は、同じ数のポートを有してもよいし、異なる数のポートを有してもよいことが理解されるべきである。一形態では、ポートの数（ｙ’）は、アンテナ２０８－２への接続の数（Ｊ）に等しい。１組のアンテナ２０８－２は、マルチポートアンテナ２１２のｙ’個のポートを独立して制御して、ビーム方向、偏波、パワーなどのマルチポートアンテナ２１２の様々な放射パラメータを制御するために、スイッチングネットワーク５８に結合し得ることが理解されるべきである。一形態では、１組のスイッチングネットワーク５８は、デジタルステージ、ＩＦステージ、ＲＦステージ、又はそれらの組み合わせなどの、フロントエンドアンテナシステム１－４の１つ以上のステージで実装され得る。同様に、１組のビームフォーマネットワーク５１は、ＤＢＦ、ＡＢＦ、又はそれらの組み合わせなどの、フロントエンドアンテナシステム１―４の１つ以上のステージで実装され得る。
【0117】
図９Ｃを参照すると、フロントエンドアンテナシステム１－４の１組の（アンテナ２０８としての）アンテナ２０８－３の例が示されている。一形態では、１組のアンテナ２０８－３は、スイッチングネットワーク５８に結合し得るｚ’個のポートを集合的に形成する複数のアクティブアンテナ２１４－１、・・・２１４－ｎ（アクティブアンテナ２１４と総称する）を含み、スイッチングネットワーク５８は、多数のスイッチ６０を有する。スイッチングネットワーク５８は、アクティブアンテナ２１４のｚ’個のポートを独立して制御して、ビーム方向、パワー、偏波、ビーム形態などの様々な放射パラメータを制御するように構成される。一形態では、１組のスイッチングネットワーク５８は、デジタルステージ、ＩＦステージ、ＲＦステージ、又はそれらの組み合わせなどの、フロントエンドアンテナシステム１－４の１つ以上のステージで実装され得る。同様に、１組のビームフォーマネットワーク５１は、ＤＢＦ、ＡＢＦ、又はそれらの組み合わせなどの、フロントエンドアンテナシステム１―４の１つ以上のステージで実装され得る。
【0118】
図１０を参照すると、（図９Ａ～９Ｂに示すマルチポートアンテナ２１０、２１２の１つとしての）例示的なマルチポートアンテナ２２０－１、２２０－２、・・・２２０－ｎ（「マルチポートアンテナ２２０」と総称する）が示されている。一形態では、各マルチポートアンテナ２２０は、ｋ’個のポートを含み、１組のｋ”個のビームフォーマネットワーク５１に接続される。一形態では、各マルチポートアンテナ２２０は、所定のトランシーバ３０に接続されるが、各マルチポートアンテナ２２０は、１組のトランシーバ３０のうちの複数のトランシーバ３０に接続され得る。一形態では、１組のトランシーバ３０は、１組のｋ”個のビームフォーマネットワーク５１に接続される。従って、ｋ”個のビームフォーマネットワーク５１は、ｋ個のビームを形成することができ、ここでｋ＝ｋ’×ｋ”である。一形態では、マルチポートアンテナ２２０の各アンテナポートは、所定のビームフォーマネットワーク５１の少なくとも２つの遅延素子（すなわち、位相シフター５２及び／又は時間遅延回路５４）に結合される。
【0119】
図１１を参照すると、Ｎ’個の（アンテナ２０８としての）アクティブアンテナ２１４が示されている。一形態では、アクティブアンテナ２１４は、シングルポートアンテナ、マルチポートアンテナ、又はそれらの組み合わせを含み、アクティブアンテナ２１４は、集合的にｋ’個のポートを形成する。一形態では、各アクティブアンテナ２１４は、１組のｋ”個のビームフォーマネットワーク５１と、所定の１つのトランシーバ３０とに接続されるが、各アクティブアンテナ２１４は、１組のトランシーバ３０のうちの複数のトランシーバ３０に接続され得ることが理解されるべきである。一形態では、１組のトランシーバ３０は、１組のｋ”個のビームフォーマネットワーク５１に接続される。従って、ｋ”個のビームフォーマネットワーク５１はｋ個のビームを形成し、ここでｋ＝ｋ”、ｋ＝ｋ’×ｋ”、又はｋ”≦ｋ≦ｋ’×ｋ”である。一形態では、アクティブアンテナ２１４の各アンテナポートは、所定のビームフォーマネットワーク５１の少なくとも２つの遅延素子（すなわち、位相シフター５２及び／又は時間遅延回路５４）に結合される。
【0120】
図１２Ａを参照すると、ハイブリッドビームネットワーク処理を行うように構成されたフロントエンドアンテナシステム（例えば、フロントエンドアンテナシステム１―４）の機能ブロック図の一例が示されている。一態様では、機能ブロック図の層は、フロントエンドアンテナシステム１―４の様々なステージ／機能に対応する。層は個別に示されているが、層のうちのいずれかを他の形態で互いに組み合わせてもよく、本明細書に記載されている配置に限定されないことが理解されるべきである。
【0121】
一形態では、フロントエンドアンテナシステム１－４は、アンテナ層３００、アナログ層３１０（本明細書では交換可能にＲＦ層３１０とも呼ぶ）、及びデジタル層３２０を含む。一形態では、アンテナ層３００は、アンテナインターフェース／ポートを含む分配ネットワーク層３０２と、アンテナ構造を含むフィード層３０４と、アンテナ１０の同調可能なコンポーネントを含む放射層３０６とを含む。一形態では、アナログ層３１０は、本明細書に記載される機能を実行するためのＩＦビームネットワーク層３１２、ＲＦビームネットワーク層３１４、及びＴＲＸ層３１６を含む。一形態では、デジタル層３２０は、ベースバンド処理を行うためのベースバンド層３２２と、デジタルビームネットワーク層３２４と、アナログ・デジタル変換／デジタル・アナログ変換を行うためのＤＡＣ／ＡＤＣ層３２６と、を含んでいる。デジタル層３２０は、モデム及び他のデジタルシステムコンポーネントを含み得ることが理解されるべきである。一態様では、アナロググループとデジタルグループの分離は、アナログ回路と、同じ技術ノードを有する単一のダイ、又はダイのセット上のブロックとの統合を提供することができる。
【0122】
図１２Ｂを参照すると、フロントエンドアンテナシステム１―４の別の例示的な機能ブロック図が示されている。図１２Ｂに示される機能ブロック図は、ＩＦビームフォーミング層３１２がデジタル層３２０内に設けられることを除いて、図１２Ａに示される機能ブロック図と同様である。
【0123】
図１２Ｃを参照すると、フロントエンドアンテナシステム１―４の追加の例示的な機能ブロック図が示されている。図１２Ｃに図示された機能ブロック図は、ＲＦ層３１０及びデジタル層３２０が集積回路層３３０内に提供されることを除いて、図１２Ｃに図示された機能ブロック図と同様である。
【0124】
一態様では、アンテナ層３００、アナログ層３１０、デジタル層３２０、及び／又は集積回路層３３０は、以下のものの上に設けられ及び／又はそれらを含むことができる：すなわち、とりわけ、プリント回路基板（ＰＣＢ）、３Ｄ又は２．５Ｄ成形及び／又は機械加工された構造体；誘電体、金属、及び／又は空気で満たされた構造体及び材料；パッシブ及び又はアクティブ電子デバイス（例えば、バラクタ、ダイオード、トランジスタ、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）など）、同調可能な材料（例えば、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）ベース材料、液晶など）及び／又は構造体。一態様では、アンテナ層３００、アナログ層３１０、デジタル層３２０、及び／又は集積回路層３３０は、以下のものの上に設けられ及び／又はそれらを含むことができる：すなわち、ＲＦＩＣ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、ＳｏＣ及び／又はＰＣＢ上に集積されたそのようなブロック（特に、コンポーネント、接続線など）のセット。
【0125】
図１３を参照すると、コンピューティングシステム１０００及びフロントエンドアンテナシステム１の１つの実装の例示的なコンピュータアーキテクチャ図が示されている。いくつかの実装では、コンピューティングシステム１０００は、通信チャネル及び／又はネットワークを介して通信可能に結合された複数のデバイスに実装される。いくつかの形態では、コンピューティングシステム１０００のコンポーネントは、別々のコンピューティングデバイス及び／又はセンサデバイスに実装される。いくつかの形態では、コンピューティングシステム１０００の２つ以上のコンポーネントは、同じデバイスに実装される。コンピューティングシステム１０００及びその一部は、コンピューティング及び／又は無線デバイスに統合され得る。
【0126】
ある形態では、通信チャネル１００１は、プロセッサ１００２Ａ～１００２Ｎ、メモリコンポーネント（例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１００３、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）１００４、及び／又はプロセッサ可読記憶媒体１００５）、表示装置１００６、ユーザ入力装置１００７、ネットワーク装置１００８、本明細書で説明したフロントエンドアンテナシステム１、及び／又は他の適切なコンピューティング装置とインターフェースで接続される。
【0127】
一形態では、プロセッサ１００２Ａ～１００２Ｎは、中央処理装置（ＣＰＵ）、グラフィック処理装置（ＧＰＵ）、マイクロプロセッサ、機械学習／深層学習（ＭＬ／ＤＬ）処理装置（例えば、テンソル処理装置）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Arrays）、カスタムプロセッサ、及び／又は任意の適したタイプのプロセッサを含み得る。
【0128】
一形態では、プロセッサ１００２Ａ～１００２Ｎ及びメモリコンポーネント１００３は、集合的に処理ユニット１０１０を形成する。いくつかの実施形態では、処理ユニット１０１０は、メモリコンポーネント１００３、ＲＯＭ１００４、及びプロセッサ可読記憶媒体１００５のうちの１つ以上にバスを介して通信可能に結合されて、そこに記憶された命令を実行する１つ以上のプロセッサを含む。一態様では、処理ユニット１０１０は、ＡＳＩＣ、ＳｏＣ、又はそれらの組み合わせである。
【0129】
一形態では、ネットワーク装置１００８は、コンピューティングシステム１０００及び／又は外部デバイスなどの他のデバイス間で情報を交換するための１つ以上の有線又は無線インターフェースを提供する。例示的なネットワーク装置１００８は、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）インターフェース、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ（登録商標）インターフェース、無線フィデリティ（Ｗｉ－Ｆｉ）インターフェース、イーサネットインターフェース、近距離無線通信（ＮＦＣ）インターフェース、セルラーインターフェースなどを含むが、これらに限定されるものではない。
【0130】
一形態では、プロセッサ読み取り可能な記憶媒体１００５は、ハードドライブ、フラッシュドライブ、ＤＶＤ、ＣＤ、光ディスク、フロッピーディスク、フラッシュストレージ、ソリッドステートドライブ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、電子回路、半導体メモリデバイス、又はこれらの組み合わせである。プロセッサ可読記憶媒体１００５は、オペレーティングシステム、ソフトウェアプログラム、デバイスドライバ、及び／又は他の適切なサブシステム又はソフトウェアを含み得る。
【0131】
本明細書で特に明示しない限り、機械的／熱的特性、組成割合、寸法及び／又は公差、又は他の特性を示す全ての数値は、本開示の範囲を説明する際に「約」又は「およそ」という言葉によって修飾されるものとして理解されるべきものである。この修飾は、工業的慣行、材料、製造、及び組立の公差、並びに試験能力を含む様々な理由から望まれるものである。
【0132】
本明細書で使用されるように、フレーズ「Ａ、Ｂ、及びＣの少なくとも１つ」、及び「それらの組み合わせ」は、非排他的論理和を用いた論理（Ａ ＯＲ Ｂ ＯＲ Ｃ）を意味すると解釈すべきであり、「Ａの少なくとも一つ、Ｂの少なくとも一つ、及びＣの少なくとも一つ」を意味すると解釈してはならない。
【0133】
本願において、「コントローラ」及び／又は「モジュール」という用語は、以下を指すか、その一部であるか、又は含み得る：ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）；デジタル、アナログ、又はアナログ・デジタルの混合ディスクリート回路；デジタル、アナログ、又はアナログ・デジタルの混合集積回路；組み合わせ論理回路；ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）；コードを実行する（共有、専用、又はグループ）プロセッサ回路；プロセッサ回路によって実行されるコードを格納する（共有、専用、又はグループ）メモリ回路；本明細書に記載の機能をもたらす他の適切なハードウェアコンポーネント；又はシステム・オン・チップのように上記の一部又は全ての組み合わせ。
【0134】
メモリという用語は、コンピュータ可読媒体という用語のサブセットである。本明細書で使用されるように、コンピュータ可読媒体という用語は、媒体（搬送波上など）を伝播する一過性の電気信号又は電磁信号を包含しない；したがって、コンピュータ可読媒体という用語は、有形かつ非一時的であり得る。非一時的で有形のコンピュータ可読媒体の非限定的な例は、不揮発性メモリ回路（フラッシュメモリ回路、消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ回路、又はマスク読み取り専用回路など）、揮発性メモリ回路（静的ランダムアクセスメモリ回路又は動的ランダムアクセスメモリ回路など）、磁気ストレージ媒体（アナログ又はデジタル磁気テープ又はハードディスクドライブなど）及び光ストレージ媒体（ＣＤ、ＤＶＤ又はブルーレイディスクなど）である。
【0135】
本願で説明する装置及び方法は、コンピュータプログラムに具現化された１つ以上の特定の機能を実行するように汎用コンピュータを構成することによって作製された特殊目的コンピュータによって部分的又は完全に実施され得る。上述した機能ブロック、フローチャートコンポーネント、及び他の要素は、ソフトウェア仕様として機能し、熟練技術者又はプログラマーの日常作業によってコンピュータプログラムに変換され得る。
【0136】
本開示の説明は、本質的に単なる例示であり、したがって、本開示の本質から逸脱しない変形は、本開示の範囲内にあることが意図される。そのような変形は、本開示の精神及び範囲から逸脱するものとはみなされない。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図10】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【図12C】
【図13】