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特表2024-527672アクティブアンテナのためのフォトニックビームフォーミング
(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】2024-07-26
(54)【発明の名称】アクティブアンテナのためのフォトニックビームフォーミング
(51)【国際特許分類】
H04B 10/60 20130101AFI20240719BHJP
H04B 7/08 20060101ALI20240719BHJP
H01Q 21/06 20060101ALI20240719BHJP
H01Q 1/28 20060101ALI20240719BHJP
H04B 7/06 20060101ALI20240719BHJP
H04B 7/185 20060101ALI20240719BHJP
B64G 1/66 20060101ALI20240719BHJP
【ＦＩ】
H04B10/60
H04B7/08 372
H01Q21/06
H01Q1/28
H04B7/06 860
H04B7/185
B64G1/66 C
【審査請求】有
【予備審査請求】有
(21)【出願番号】P 2023569772
(86)(22)【出願日】2022-06-10
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2024-06-25
(85)【翻訳文提出日】2024-01-05
(86)【国際出願番号】 EP2022065853
(87)【国際公開番号】W WO2022258815
(87)【国際公開日】2022-12-15
(31)【優先権主張番号】21179110.8
(32)【優先日】2021-06-11
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】512276430
【氏名又は名称】エアバス ディフェンス アンド スペイス リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ラグナ、ヴィクター マヌエル フェルナンデス
(72)【発明者】
【氏名】バラキエル、カタルジナ
(72)【発明者】
【氏名】ブラウン、ステファン
(72)【発明者】
【氏名】マクマナス、ニアル
【テーマコード（参考）】
5J021
5J046
5K072
5K102
【Ｆターム（参考）】
5J021AA05
5J021AA11
5J021DB02
5J021DB03
5J021FA06
5J021FA12
5J021FA13
5J021FA26
5J021FA29
5J021FA33
5J021GA02
5J021GA06
5J021HA04
5J021HA05
5J021HA07
5J046AB01
5J046KA03
5K072BB22
5K072GG01
5K072GG13
5K072GG22
5K102AA15
5K102AB07
5K102AH02
5K102AH14
5K102AL23
5K102KA01
5K102KA42
5K102MH12
5K102MH21
5K102PD17
5K102PH01
5K102PH11
5K102PH31
5K102PH49
5K102PH50
5K102RB01
5K102RD05
5K102RD26
(57)【要約】
フォトニックビームフォーミングシステムにおいて使用される光高速フーリエ変換が説明される。そのようなビームフォーミングシステムとともに使用されるデジタル及びフォトニックペイロードと一緒に、アクティブアレイアンテナとともに使用される送信及び受信フォトニックビームフォーミングシステムが説明される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
衛星ペイロードのためのフォトニックビームフォーミングシステムであって、１つ又は複数の信号ビームを受信する複数のＮ個のアンテナ要素からの複数のＮ個の電気信号を、光搬送波上に変調して、それぞれの複数のＮ個の光信号を出力するように構成された変調ステージ；及び
前記１つ又は複数の信号ビームを、前記複数のＮ個の光信号に光高速フーリエ変換、ＯＦＦＴ、を適用することによって前記Ｎ個のアンテナ要素に対する所定の複数のＮ個のビーム角度の各々に分解するように配置されたネットワーク、ここで、前記ＯＦＦＴは、前記複数のＮ個の光信号の各１つについて、前記複数の光信号のうちの他のＮ－１の各々が、それぞれの位相シフトによって前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つに対して位相シフトされる状態で、前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つを総和することを含む；
を備え、前記それぞれの位相シフトの各々は、前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つが、総和されると前記他のＮ－１個の位相シフトされた複数の光信号の各々と干渉して、前記所定の複数のＮ個のビーム角度のうちのそれぞれ１つを有するビームフォーミングされた信号を形成するようになっており、前記ＯＦＦＴの前記出力は、前記所定の複数のＮ個のビーム角度の各々に対応する複数のＮ個のビームフォーミングされた信号であり；
前記ネットワークは、複数の２×２光カプラを含み、各２×２光カプラは、前記２×２光カプラによって前記２×２カプラに入力された前記複数の光信号のそれぞれのペア間で適用される位相シフトを制御する制御入力を有し、前記ネットワークは、ＯＦＦＴが、前記複数の２×２光カプラの各々において適用される前記それぞれの位相シフトを制御することによって実装されるように構成されている、フォトニックビームフォーミングシステム。
【請求項2】
前記複数の２×２光カプラの各々は、その入力の各々において調節可能位相シフタを含み、各調節可能位相シフタは、それぞれのビームフォーミング制御入力によって制御される、請求項１に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
【請求項3】
前記複数の２×２光カプラの各々は、その入力のうちの一方において調節可能位相シフタ、及びその入力のうちの他方において固定位相シフタを含み、前記調節可能位相シフタは、それぞれのビームフォーミング制御入力によって制御される、請求項１に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
【請求項4】
前記ペイロードにおける処理のために前記ネットワークによって出力された前記ビームフォーミングされた信号のサブセットを選択するように構成されたスイッチングステージを更に備える、請求項１～３のいずれか１項に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
【請求項5】
前記スイッチングステージは、ビームホッピングスキームに従って前記ビームフォーミングされた信号の前記サブセットを選択するように構成されている、請求項４に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
【請求項6】
衛星ペイロードのためのフォトニックビームフォーミングシステムであって、複数のＮ個の光信号に光逆高速フーリエ変換、ＯＩＦＦＴ、を適用することによって前記Ｎ個のアンテナ要素に対する所定の複数のＮ個のビーム角度のうちのそれぞれ１つ又は複数において、前記複数のＮ個の入力光信号から、１つ又は複数のビームフォーミングされた信号を生成するように配置されたネットワーク、ここで、前記ＯＩＦＦＴは、前記複数のＮ個の光信号の各１つについて、前記複数の光信号のうちの他のＮ－１の各々が、それぞれの位相シフトによって前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つに対して位相シフトされる状態で、前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つを総和することを含み、
前記それぞれの位相シフトの各々は、前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つが、総和されると前記他のＮ－１個の位相シフトされた複数の光信号の各々と干渉して、前記所定の複数のＮ個のビーム角度のうちのそれぞれ１つを有するビームフォーミングされた信号を形成するようになっており、前記ＯＩＦＦＴの前記出力は、前記所定の複数のＮ個のビーム角度の各々に対応する複数のＮ個のビームフォーミングされた光信号のうちの１つ又は複数である；及び
複数のアンテナ要素による前記１つ又は複数のビームにおける送信のために、前記１つ又は複数のビームフォーミングされた光信号を１つ又は複数の電気信号に変換するように構成された変換ステージ；
を備え、前記ネットワークは、複数の２×２光カプラを含み、各２×２光カプラは、前記２×２光カプラによって前記２×２カプラに入力された前記複数の光信号のそれぞれのペア間で適用される位相シフトを制御する制御入力を有し、前記ネットワークは、ＯＩＦＦＴが、前記複数の２×２光カプラの各々において適用される前記それぞれの位相シフトを制御することによって実装されるように構成されている、フォトニックビームフォーミングシステム。
【請求項7】
前記複数の２×２光カプラの各々は、その入力の各々において調節可能位相シフタを含み、各調節可能位相シフタは、それぞれのビームフォーミング制御入力によって制御される、請求項６に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
【請求項8】
前記複数の２×２光カプラの各々は、その入力のうちの一方において調節可能位相シフタ、及びその入力のうちの他方において固定位相シフタを含み、前記調節可能位相シフタは、それぞれのビームフォーミング制御入力によって制御される、請求項６に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
【請求項9】
前記ネットワークへの提供のために、前記入力された信号のうちの少なくとも１つを複数の入力信号にスイッチング及び／又は分割するように構成された光スイッチ及び／又はスプリッタを更に備える、請求項６～８のいずれか１項に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
【請求項10】
第１の複数のアンテナ要素から複数の信号を受信するように配置された請求項１～５のいずれか１項に記載の第１のフォトニックビームフォーミングシステム；前記第１のフォトニックビームフォーミングシステムによって出力された前記複数のビームフォーミングされた信号を処理するように配置された１つ又は複数のフォトニック信号プロセッサ；及び
前記１つ又は複数のフォトニック信号プロセッサによって出力された複数の信号を受信するとともに、第２の複数のアンテナ要素を介して１つ又は複数の送信ビームを出力するように配置された請求項６～９のいずれか１項に記載の第２のフォトニックビームフォーミングシステム
を備える、フォトニック衛星ペイロード。
【請求項11】
前記変調ステージは、複数の電気光学、ＥＯ、変調器を更に有し、前記フォトニックビームフォーミングシステムは、前記ＯＦＦＴネットワークによって出力された前記複数のビームフォーミングされた信号を前記電気ドメインに変換するように構成された複数の光検出器を有する変換ステージ；及び
前記変換ステージのために前記光搬送波及び光局部発振器信号を供給するように配置された光周波数生成ユニット
を更に備える、請求項１～５のいずれか１項に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
【請求項12】
前記衛星ペイロードからの複数の電気信号を光搬送波上に変調して、前記ネットワークへの入力のためにそれぞれの複数の光信号を出力するように構成された変調ステージを更に備え；前記変換ステージは、複数の光検出器を有し；
前記フォトニックビームフォーミングシステムは、前記変換ステージのために前記光搬送波及び光局部発振器信号を供給するように配置された光周波数生成ユニットを更に備える、請求項６～９のいずれか１項に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
【請求項13】
第１の複数のアンテナ要素から複数の信号を受信するように配置された請求項１１に記載の第１のフォトニックビームフォーミングシステム；前記第１のフォトニックビームフォーミングシステムによって出力された前記複数のビームフォーミングされた電気信号を処理するように配置された１つ又は複数のデジタル信号プロセッサ；及び
前記１つ又は複数のデジタル信号プロセッサによって出力された複数の電気信号を受信するとともに、第２の複数のアンテナ要素を介して１つ又は複数の送信ビームを出力するように配置された請求項１２に記載の第２のフォトニックビームフォーミングシステム
を備える、衛星ペイロード。
【請求項14】
請求項１０又は１３に記載のペイロードを備える衛星。
【請求項15】
請求項１～３のいずれか１項に記載のフォトニックビームフォーミングシステム；１つ又は複数の干渉信号について前記フォトニックビームフォーミングシステムの前記ネットワークの前記出力をモニタリングし、前記１つ又は複数の干渉信号の１つ又は複数のそれぞれの干渉ビーム角度を決定するように構成された干渉モニタリングステージ；
前記ネットワークの前記出力において前記１つ又は複数の干渉ビーム角度をヌリングするように構成されたヌリングステージ；及び
前記１つ又は複数の干渉ビーム角度を伴うことなく逆ＯＦＦＴを適用することによって前記フォトニックビームフォーミングシステムへ入力された前記信号を再構成するように構成された更なるネットワーク
を備える、干渉相殺システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、マイクロ波フォトニクスに関し、具体的には、衛星ペイロードとともに使用されるアクティブアンテナのためのフォトニックビームフォーミングに関する。
【背景技術】
【0002】
とりわけ無線電気通信システム、超高スループット衛星（ＶＨＴＳ）、レーダデバイス及び全球航法システムを含む多種多様な応用のために大型のアクティブアンテナがますます使用されている。アクティブアンテナの動作のための重要な実現要素のうちの１つは、ビームフォーミング技術であり、これは、アクティブアンテナから送信されるか又は当該アクティブアンテナにおいて受信される信号の指向性が、アクティブアンテナアレイの個々の要素間の位相の制御に基づいて操作されることを可能にする。
【0003】
典型的には、ビームフォーミングは、アナログ無線周波数（ＲＦ）及びデジタル技術を使用して実行される。フォトニックビームフォーマは、複数の利益を提供する代替的な実装を表す。例えば、フォトニックビームフォーミングは、ビーム配分における柔軟性を可能にしながら、広周波数帯域にわたって動作することが可能である。さらに、フォトニックビームフォーミングシステムは、典型的なＲＦビームフォーミングネットワークにおいて利用される導波路又は同軸ケーブルと比較して、組み立てが迅速であり、コネクタ当たりで高密度のファイバを提供し、柔軟性があり、低い曲げ半径を有する光ファイバを利用する。衛星ペイロードにおける展開について特に注目すべきこととして、フォトニックビームフォーミングシステムは、低電力を消費するとともに、低重量かつコンパクトな設計を提供するように設計され得る。
【0004】
フォトニックビームフォーミングに対する典型的な手法は、到来信号に対するビームフォーミングのために必要な位相シフトを適用するために完全に動的な「実時間遅延」（ＴＴＤ）システムを使用することである。ＴＴＤビームフォーミングの解決手段は、各アンテナ要素からの信号間の相対位相及び遅延を制御することに依拠する。この結果、Ｎ個のアンテナ要素を備えるシステムのためにＮ×Ｎ制御入力がもたらされる。そのようなシステムは、Ｄｒｕｍｍｏｎｄ他による「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｔｒｕｅ－Ｔｉｍｅ Ｄｅｌａｙ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ－Ｄｏｍａｉｎ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ」（Ｊｏｕｒｎａｌ Ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｖｏｌ．２８， Ｎｏ． １７， Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １， ２０１０）において記載されており、これは、ビームフォーミングのために必要な位相シフトを提供するために調節可能ＴＴＤラインに依拠する。
【0005】
制御アーキテクチャの複雑性がアンテナ要素の数とともに二次的にスケーリングするので、大型アンテナアレイのための光ビームフォーミングの実装は困難になる。それゆえ、ＴＴＤ光ビームフォーマのペイロード容量は、この複雑性によって制限される。
【0006】
本発明の実施形態は、光ビームフォーミングの改善された実装を提供することを目的とする。この削減は、フォトニックビームフォーミングシステムにおける光高速フーリエ変換（ＯＦＦＴ）ネットワークの使用によって達成される。
【発明の概要】
【0007】
本発明の一態様によれば、衛星ペイロードのためのフォトニックビームフォーミングシステムであって、１つ又は複数の信号ビームを受信する複数のアンテナ要素からの複数の電気信号を、光搬送波上に変調して、それぞれの複数の光信号を出力するように構成された変調ステージ；及び複数の２×２光ＦＦＴカプラを有する光高速フーリエ変換（ＯＦＦＴ）ネットワーク、ここで、前記ＯＦＦＴネットワークが、各光ＦＦＴカプラによって適用される位相シフトによって定義された複数のビーム角度に対応する複数のビームフォーミングされた信号を出力するように、各光ＦＦＴカプラは、前記光ＦＦＴカプラに入力される前記複数の光信号のペア間で位相シフトを適用するように配置されている、を備える、フォトニックビームフォーミングシステムが提供される。
【0008】
前記ＯＦＦＴネットワークにおける前記複数の光ＦＦＴカプラの各々は、その入力の各々において調節可能位相シフタを含んでよく、各調節可能位相シフタは、それぞれのビームフォーミング制御入力によって制御されてよい。
【0009】
前記ＯＦＦＴネットワークにおける前記複数の光ＦＦＴカプラの各々は、その入力のうちの一方において調節可能位相シフタ、及びその入力のうちの他方において固定位相シフタを含んでよく、前記調節可能位相シフタは、それぞれのビームフォーミング制御入力によって制御される。
【0010】
前記フォトニックビームフォーミングシステムは、前記ペイロードにおける処理のために前記ＯＦＦＴによって出力された前記ビームフォーミングされた信号のサブセットを選択するように構成されたスイッチングステージを更に備えてよい。
【0011】
前記スイッチングステージは、ビームホッピングスキームに従って前記ビームフォーミングされた信号の前記サブセットを選択するように構成されてよい。
【0012】
本発明の別の態様によれば、衛星ペイロードのためのフォトニックビームフォーミングシステムであって、複数の２×２光ＦＦＴカプラを有する光逆高速フーリエ変換、ＯＩＦＦＴ、ネットワーク、ここで、前記ＯＩＦＦＴネットワークが、各光ＦＦＴカプラによって適用される位相シフトによって定義された１つ又は複数のビームのために複数のビームフォーミングされた光信号を出力するように、各光ＦＦＴカプラは、前記ＯＩＦＦＴネットワークに入力される複数の光信号のペア間で位相シフトを適用するように配置されている；及び複数のアンテナ要素による前記１つ又は複数のビームにおける送信のために、前記複数のビームフォーミングされた光信号を電気信号に変換するように構成された変換ステージを備える、フォトニックビームフォーミングシステムが提供される。
【0013】
前記ＯＩＦＦＴネットワークにおける前記複数の光ＦＦＴカプラの各々は、その入力の各々において調節可能位相シフタを含んでよく、各調節可能位相シフタは、それぞれのビームフォーミング制御入力によって制御されてよい。
【0014】
前記ＯＩＦＦＴネットワークにおける前記複数の光ＦＦＴカプラの各々は、その入力のうちの一方において調節可能位相シフタ、及びその入力のうちの他方において固定位相シフタを含んでよく、前記調節可能位相シフタは、それぞれのビームフォーミング制御入力によって制御されてよい。
【0015】
前記フォトニックビームフォーミングシステムは、前記ＯＩＦＦＴへの提供のために、前記入力された信号のうちの少なくとも１つを複数の入力信号にスイッチング及び／又は分割するように構成された光スイッチ及び／又はスプリッタを更に備えてよい。
【0016】
本発明の別の態様によれば、第１の複数のアンテナ要素から複数の信号を受信するように配置された上記で説明されたような第１のフォトニックビームフォーミングシステム；前記第１のフォトニックビームフォーミングシステムによって出力された前記複数のビームフォーミングされた信号を処理するように配置された１つ又は複数のフォトニック信号プロセッサ；及び前記１つ又は複数のフォトニック信号プロセッサによって出力された複数の信号を受信するとともに、第２の複数のアンテナ要素を介して１つ又は複数の送信ビームを出力するように配置された上記で説明されたような第２のフォトニックビームフォーミングシステムを備える、フォトニック衛星ペイロードが提供される。
【0017】
前記変調ステージは、複数の電気光学、ＥＯ、変調器を更に有してよく、前記フォトニックビームフォーミングシステムは、前記ＯＦＦＴネットワークによって出力された前記複数のビームフォーミングされた信号を前記電気ドメインに変換するように構成された複数の光検出器を有する変換ステージ；及び前記変換ステージのために前記光搬送波及び光局部発振器信号を供給するように配置された光周波数生成ユニットを更に備えてよい。
【0018】
前記フォトニックビームフォーミングシステムは、前記衛星ペイロードからの複数の電気信号を光搬送波上に変調して、前記ＯＩＦＦＴネットワークへの入力のためにそれぞれの複数の光信号を出力するように構成された変調ステージを更に備えてよく；前記変換ステージは、複数の光検出器を有してよく；前記フォトニックビームフォーミングシステムは、前記変換ステージのために前記光搬送波及び光局部発振器信号を供給するように配置された光周波数生成ユニットを更に備えてよい。
【0019】
本発明の別の態様によれば、第１の複数のアンテナ要素から複数の信号を受信するように配置された上記で説明されたような第１のフォトニックビームフォーミングシステム；前記第１のフォトニックビームフォーミングシステムによって出力された前記複数のビームフォーミングされた電気信号を処理するように配置された１つ又は複数のデジタル信号プロセッサ；及び前記１つ又は複数のデジタル信号プロセッサによって出力された複数の電気信号を受信するとともに、第２の複数のアンテナ要素を介して１つ又は複数の送信ビームを出力するように配置された上記で説明されたような第２のフォトニックビームフォーミングシステムを備える、衛星ペイロードが提供される。
【0020】
本発明の別の態様によれば、上記で説明されたようなペイロードを備える衛星が提供される。
【0021】
本発明の別の態様によれば、上記で説明されたようなフォトニックビームフォーミングシステム；１つ又は複数の干渉信号について前記ＯＦＦＴネットワークの前記出力をモニタリングし、前記１つ又は複数の干渉信号の１つ又は複数のそれぞれの干渉ビーム角度を決定するように構成された干渉モニタリングステージ；前記ＯＦＦＴネットワークの前記出力において前記１つ又は複数の干渉ビーム角度をヌリングするように構成されたヌリングステージ；及び前記１つ又は複数の干渉ビーム角度を伴うことなく前記フォトニックビームフォーミングシステムへの前記信号入力を再構成するように構成されたＯＩＦＦＴネットワークを備える、干渉相殺システムが提供される。
【0022】
以下の開示から明らかになるように、本発明の実施形態は、既存の実装と比較して、所与の数のアンテナ要素についてビームフォーミングを達成するために要求される制御入力の数の削減に関連付けられる。したがって、本発明の実施形態は、提供される改善されたスケーラビリティに起因する衛星ペイロードへの高い能力提供を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】本発明の実施形態に係る、Ｒｘフォトニックビームフォーミングシステムを示す図である。
【図2】本発明の実施形態に係る、２つの調節可能入力ポートを有する２×２光ＦＦＴカプラを示す図である。
【図3】本発明の実施形態に係る、８×８光高速フーリエ変換ネットワークを示す図である。
【図4】本発明の実施形態に係る、１つの調節可能位相入力ポート、及び１つの固定位相入力ポートを有する、２×２光ＦＦＴカプラを示す図である。
【図5】本発明の実施形態に係る、デジタルペイロードプロセッサへの出力のために構成されたＲｘフォトニックビームフォーミングシステムを示す図である。
【図6】本発明の実施形態に係る、Ｔｘフォトニックビームフォーミングシステムを示す図である。
【図7】本発明の実施形態に係る、デジタルペイロードプロセッサからの出力の受信のために構成されたＴｘフォトニックビームフォーミングシステムを示す図である。
【図8】本発明の実施形態に係る、フォトニックＲｘ及びＴｘビームフォーミングシステム及びフォトニックペイロードプロセッサを有する、フォトニックペイロードを示す図である。
【図9】本発明の実施形態に係る、デジタルペイロードプロセッサへの出力のために構成されたフォトニックＲｘ及びＴｘビームフォーミングシステム、及びデジタルペイロードプロセッサを有する、デジタルペイロードを示す図である。
【図10】本発明の実施形態に係る、干渉相殺システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
本発明の実施形態は、ダウンリンクを介した送信のために、アップリンクを介して受信されたＲＦ又は他の周波数帯域信号を処理する衛星ペイロードの文脈において、以下で説明される。ペイロードは、デジタル又はフォトニックであってよい。
【0025】
ＲＦ信号は、フェーズドアレイとして制御可能なアンテナ要素のアレイを各々が備える１つ又は複数のアクティブアンテナによって送信及び受信される。信号は、衛星ペイロードが同期される特定のスケジュールに従って定義されたカバレッジエリアを有する、１つ又は複数のビームにおいて送信及び受信される。
【0026】
ビームの指向性は、フォトニックビームフォーミングシステムによるアンテナ要素の制御に依存する。受信（Ｒｘ）ネットワークのケースでは、本発明の実施形態に係るフォトニックビームフォーミングシステムは、例えばＲｘアンテナの照準に対する複数のそれぞれのビーム角度の各々で受信される入力を表す複数のビームフォーミングされた信号が出力されるように、入力信号に対する位相オフセットを適用するように動作する。関連付けられたビーム内に含まれる情報は、ペイロードプロセッサによって処理される。相対位相オフセットは、方向であって、当該方向からアンテナ要素の対応するペアにおいて受信される信号が強め合うように結合する、方向を定義するために、アンテナ要素信号のペアに適用される。
【0027】
送信（Ｔｘ）ネットワークのケースでは、本発明の実施形態に係るフォトニックビームフォーミングシステムは、所望のビーム方向においてＴｘアンテナの要素の複数のペアから送信された信号間で強め合う干渉を引き起こす当該複数のペア間での位相オフセットを制御するように動作する。
【0028】
本発明の実施形態は、衛星ペイロード及びアンテナに適合し、これらとともに使用することができる、単独でのＲｘ及びＴｘフォトニックビームフォーミングシステムに関する。本発明の他の実施形態は、アンテナとともに使用するための、デジタル又はフォトニックプロセッサを備えるペイロード、及びＲｘ及びＴｘフォトニックビームフォーミングシステムに関する。
【0029】
Ｒｘビームフォーミングシステム
図１は、本発明の実施形態に係る、Ｒｘフォトニックビームフォーミングシステム１を示す概略図である。フォトニックビームフォーミングシステム１は、ＲｘアンテナのＮ個の要素２０－１...２０－ｎの各々から信号を受信し、これらを光ドメインに変換し、光高速フーリエ変換（ＯＦＦＴ）ネットワーク７を使用して、受信された信号の指向性を、それらのそれぞれのビーム角度に基づいてビームに分解する。
図１は、本発明の実施形態に係る、Ｒｘフォトニックビームフォーミングシステム１を示す概略図である。フォトニックビームフォーミングシステム１は、ＲｘアンテナのＮ個の要素２０－１...２０－ｎの各々から信号を受信し、これらを光ドメインに変換し、光高速フーリエ変換（ＯＦＦＴ）ネットワーク７を使用して、受信された信号の指向性を、それらのそれぞれのビーム角度に基づいてビームに分解する。
【0030】
本実施形態では、ビームフォーミングされた信号８－１...８－ｎのうちの少なくとも幾つかは、１つ又は複数のペイロードプロセッサによって処理するために出力される。ビームフォーミングされた信号８－１...８－ｎは、Ｎ個の要素２０－１...２０－ｎからの信号２３－１...２３－ｎのうちの各々の総和から形成され、それらの間の位相シフトは、特定のビーム角度の方向における信号２３－１...２３－ｎ間の強め合う干渉を発生させる。
【0031】
信号パスは、図１において左から右に向かって、それぞれの機能に関連付けられたモジュール、サブシステム、ネットワーク、ユニット又はコンポーネントを表す、本明細書において「ステージ」と称される一連のものを通して示されている。各ステージは、幾つかの実施形態では、物理的に別個であってよく、ここでは、アナログ及びデジタルドメインにおいて、信号は、電気ケーブルを介してステージ間で送信される。光ドメインでは、信号は、光ファイバを介してステージ間で送信される。代替的な実施形態では、ステージのうちの幾つか又は全てが、例えばフォトニック集積回路として、物理的に結合されてよい。これらの変換は、以下の説明全体を通して適応されることになる。
【0032】
Ｎ個の信号は、アレイとして配置されたそれぞれのＮ個のアンテナ要素２０－１...２０－ｎにおいて受信される。信号は、マイクロ波又はＲＦ信号であってよいが、ペイロードによって要求される任意の適した周波数帯域に対応してよい。
【0033】
受信された信号は、例えば減衰器２１－１...２１－ｎ、及び増幅２２－１...２２－ｎを使用する雑音の除去によって、当該技術分野において既知のように調整され、電気信号２３－１...２３－ｎとしてＲｘフォトニックビームフォーミングシステム１にフィードされる。
【0034】
ビームフォーミングシステム１において、Ｎ個の入力信号２３－１...２３－ｎは、変調ステージ２において光ドメインに変換される。Ｎ個の入力信号の各々は、特定の波長のそれぞれの光搬送波４－１...４－ｎを変調する。本実施形態では、各光搬送波４－１...４－ｎの波長は同じであり、光搬送波４－１...４－ｎは、周波数生成ユニット５によって同時生成される。変調ステージ２によって生成された複数の光信号６－１...６－ｎは、ビームフォーミングのためにＯＦＦＴステージ又はネットワーク７に入力される。
【0035】
ＯＦＦＴネットワーク７によって提供されたビームフォーミングされた信号８－１...８ｎのうちの少なくとも幾つかは、ペイロードに搭載された１つ又は複数のプロセッサによって処理するために出力される。
【0036】
ＯＦＦＴネットワーク７は、変調ステージ２から出力された複数の光信号６－１...６－ｎに高速フーリエ変換（ＦＦＴ）動作を適用するように構成されており、当該ＯＦＦＴネットワーク７は、入力信号６－１...６－ｎを、複数のビーム角度の各々に関連付けられた出力８－１...８－ｎに変換する。ビーム角度は、信号の複数のペア間で適用された位相オフセットに依存し、ＯＦＦＴネットワーク７への一連の制御入力９によって位相オフセットを制御することによって、要求されるビームを取得するために所望に応じてビームフォーミングシステムを制御することが可能である。
【0037】
典型的なＦＦＴアルゴリズムは、サンプルｘｎ（０≦ｎ≦Ｎ－１）のＮのシーケンスの離散フーリエ変換（ＤＦＴ）から導出され、ここで、Ｎ＝２Ｌであり、Ｌは、整数である。ＤＦＴは、各サンプルｘｊ＋１（０≦ｊ≦Ｎ－１）が、特定の位相オフセットΦによってそのそれぞれの隣接サンプルｘｊに対して位相シフトされているＮ個のサンプルを総和することを伴う。各サンプル間の位相オフセットは、ラジアン単位で表される場合、０≦ｋ≦Ｎ－１のとき、ＤＦＴシーケンスにおける出力Ｘｋについて、（２π／Ｎ）・ｋである。
【0038】
数学的に、これは、複素数ｉについて、式１によって表される：
ＤＦＴを計算するプロセスを高速化するために、ＦＦＴは、Ｎ個の入力サンプルを「奇数」及び「偶数」部分行列に分割し、式２において示されているように、サイズＮ／２の２つのより小さいＤＦＴ問題を作成する：
この分割プロセスは、それぞれ「奇数」及び「偶数」部分行列のサイズが２に等しくなる点まで、最大で２Ｌ－１回、各部分行列に対して反復的に繰り返され得る。これらの２Ｌ－１回のＤＦＴの各々が計算され、完全ＤＦＴ解を生成するために総和される。
【数1】
【数2】
【0039】
本発明の実施形態では、ＯＦＦＴネットワーク７は、上記で説明されたプロセスに類似したプロセスにおいて、ＦＦＴを計算するのに使用される。このケースでは、Ｎ個のサンプルは、変調ステージ２によってＯＦＦＴネットワーク７に提供される、複数の光信号６－１...６－ｎを表す。
【0040】
２Ｌ－１個の「奇数」及び「偶数」部分行列に対する解を計算するプロセスは、複数の２×２光カプラ（例えば、非対称指向性カプラ又はマルチモード干渉計を有する）を使用して実行され、これらは各々、本明細書において２×２光ＦＦＴカプラ３０と称され、各カプラは、単一の２要素行列に類似している。図２を参照して説明されるように、この計算は、カプラ３０の２つの入力ポート３３－１、３３－２において入力位相を制御することによって達成される。
【0041】
２×２光ＦＦＴカプラ３０の動作は、直交ハイブリッドカプラ（ＱＨＣ）に類似しており、図２においてその２つの入力ポート３３－１、３３－２の各々において入力光信号を受信するものとして表され、当該入力光信号は、結合の前にそれぞれの調節可能位相シフタ３２－１、３２－２によって制御可能に位相シフトされ得る。信号がカプラを通って進むにつれて、それらは、互いに干渉し、カプラの２つの出力ポートのうちの一方３４－１において、２つの入力信号の総和、及び他方の出力ポート３４－２において、２つの入力信号間の差が生成される。
【0042】
カプラへの入力信号間の相対位相は制御され得るので、信号が強め合うように干渉するのか又は弱め合うように干渉するのかを定義することが可能である。位相入力は、式（１）を満たすために要求されるそれぞれの位相シフトが、ｋ、ｎ及びＮの特定の値について適切に光信号に適用され得るように、調節可能位相シフタ３２－１、３２－２のために制御入力３１－１、３１－２によって選択される。加えて、このようにして位相シフトを制御する能力は、例えば製造又は動作中のカプラにわたる温度変動によってもたらされる位相誤差の訂正を可能にする。温度効果補償のケースでは、カプラへの制御入力の部分は、カプラに近接した温度センサ、及び動的に必要な位相シフトを決定するペイロードのオンボードコントローラによって実行されるアルゴリズムを含むフィードバックループの一部を形成してよい。
【0043】
制御入力３１－１、３１－２は、ペイロードの一部を形成するコントローラによって提供されてよい。代替的には、制御入力３１－１、３１－２は、地上局から受信された信号の一部として提供されてよい。
【0044】
本発明の実施形態では、２Ｌ－１個の２×２光ＦＦＴカプラ３０は、Ｎ個の信号を処理するためにＬ「ランク」の各々において配置される。このプロセスは、ＦＦＴを実装するときに２Ｌ－１個の２要素部分行列を計算することに類似する。当業者によって認識されるように、Ｎ個の入力信号についてのＦＦＴの計算を提供するためにこのようにして計Ｌ・２Ｌ－１個のカプラ３０を配置することが可能である。各カプラは２つの制御入力３１－１、３１－２を有するので、それゆえ、ＯＦＦＴネットワーク７は、全体として、Ｎ ｌｏｇ２（Ｎ）個の制御入力を要求することになる。
【0045】
８×８ＯＦＦＴネットワーク４０の一例が、本発明の実施形態に従って、図３において示されている。ここで、信号は、アンテナ要素４１－１...４１－８において受信され、変調ステージ４２において光搬送波上に変調され、８×８ＯＦＦＴネットワーク４０を通じて渡される。これは、８つのビームフォーミングされた信号４４－１...４４－８を出力し、各々が、それぞれのビーム角度に関連付けられる。
【0046】
上記で説明されたように、Ｎ個の信号２３－１...２３－ｎについて、ＯＦＦＴネットワーク７は、Ｎ個のビームフォーミングされた光信号８－１...８－ｎを出力するためにＮ ｌｏｇ２（Ｎ）個の制御入力を要求する。図３の８×８ビームフォーミングシステム４０のケースでは、要求される制御入力の数は、調節可能位相シフタ４３の数に対応し、２４に等しい。
【0047】
より一般的には、幾つかの実施形態では、Ｎ点ＯＦＦＴネットワーク７は、Ｋ個の相互接続されたモジュールから構成されてよく、ここで、各モジュールは、（Ｎ／Ｋ）点ＦＦＴを実行する。ＯＦＦＴフォトニック集積回路（ＰＩＣ）に基づいたＫ個のモジュールの各々は、構造及び性能の一貫性を改造するとともにスケーラビリティを可能にするために、同じ製造プロセスを使用して形成されてよい。
【0048】
それゆえ、ビームフォーミングにおけるＯＦＦＴネットワーク７の特定の使用は、Ｎ×Ｎ制御入力９を要求する典型的なＴＴＤビームフォーミングシステムと比較して複雑性の低減を提供する。それゆえ、例えば１，０００個の要素を有するアンテナについて、典型的なＴＴＤビームフォーミングシステムでは１，０００，０００個の制御点を要求することになる一方、本発明の実施形態に係るビームフォーミングシステムでは３，０００個のみを要求することになることが理解されるであろう。したがって、実施形態は、典型的なデバイスを用いて可能であるものよりもはるかにコンパクトであることに加えて、特にスケーリング可能である。ペイロード容量は、結果として大幅に増大され得、衛星トラフィックにおける増大する需要を満たし得る超高スループット衛星応用が可能になる。さらに、本明細書において説明されるフォトニックビームフォーミングシステムは、完全な電力プーリングを提供することができる。フォトニックビームフォーミングシステムが高度にスケーリング可能であるので、この電力プーリングによって与えられる利益もスケーリング可能である。
【0049】
本発明の幾つかの実施形態では、ＯＦＦＴネットワーク７における（又は、以下でより詳細に説明されるＯＩＦＦＴネットワークにおける）信号２３－１...２３－ｎのそれぞれのペア間の位相シフトを制御するのに使用される２×２光ＦＦＴカプラ３０は、図４の光ＦＦＴカプラ５０に置き換えられ得る。
【0050】
そのようなカプラ５０は、入力ポートのうちの一方５６に対して固定位相シフト５５、及び他方の入力ポート５４に対して調節可能位相シフト５３を実装する。調節可能位相シフト５３は、制御入力５１を介して制御可能である。複数のそのような位相カプラ５０が、図２の２×２光ＦＦＴカプラ３０に類似した方式で、ＯＦＦＴネットワーク７又はＯＩＦＦＴネットワークを形成するように配置される場合、制御入力５１は、それぞれのＯＦＦＴ７及びＯＩＦＦＴネットワークの制御入力である。
【0051】
調節可能位相シフタ５３は、周囲の固定位相シフタ５５からの任意の位相誤差（例えば、製造公差又は温度変化に起因する）を訂正するのに使用することができる。
【0052】
ＯＦＦＴネットワーク７又はＯＩＦＦＴネットワークにおいてそのようなカプラ５０を実装することは、制御入力９の数をＮ ｌｏｇ２（Ｎ）から（Ｎ／２） ｌｏｇ２（Ｎ）に更に削減する。図３を参照すると、これは、８×８ＯＦＦＴネットワーク４０について要求される制御入力の数を２４から１２に削減することになる。それゆえ、スケーラビリティは更に改善され、更に高い容量がペイロードに与えられる。
【0053】
幾つかの実施形態では、ペイロードプロセッサに出力される前に、複数のビームフォーミングされた信号８－１...８－ｎは、ビームフォーミングシステム１の出力に先行するステージにおける挿入損失を補償するために、図１において示されたように、増幅ステージ１０において増幅されてよい。利得ステージ１０に加えて又はこれの代わりに、スイッチングステージ１１が、Ｍ≦Ｎについて、ペイロードプロセッサに出力されることになるＭ個のビームのサブセットを選択するために実装されてよい。スイッチングステージ１１は、制御入力（図示せず）を受信してよく、当該制御入力は、ペイロードのオンボードコントローラによって、又は地上局から提供されてよい。利得及び／又はスイッチング１０、１１の応用は、任意選択である。
【0054】
Ｎが大きくかつＮ＝Ｍであり、すなわち、プロセッサがＮ個のポートを処理することが可能であるケースでは、スイッチングステージ１１は、必須ではない。このケースでは、プロセッサは、ポートの数にスケーリングされてよく、デジタルビームフォーマを除去することによって得られる節電に起因して、信号再生を含んでよい。そのようなスキームは、ペイロードにおけるデジタルビームフォーミングネットワークの必要性が除去され得るので、フォトニックペイロードに適し得る。
【0055】
Ｎが低いケースでは、増幅１０又はスイッチングステージ１１のいずれも必須ではない。そのようなシナリオは、ビームの低い数が、デジタルビームフォーミングステージがペイロードプロセッサによって容易に実装されることを可能にする、デジタルペイロードとの使用に適し得る。そのようなシステムでは、ビームフォーミング動作は、本発明の実施形態のフォトニックビームフォーミングシステムがＲＦシステムのアナログビームフォーミングネットワークの役割を担うハイブリッド技術とみなすことができる。
【0056】
Ｎが非常に大きいケースについて、増幅１０及びスイッチング１１の両方のステージが要求され得る。このケースでは、十分にダイナミックなスイッチングステージ１１がビームホッピングを可能にし得る。
【0057】
上記で説明されたように、変調ステージ２は、光搬送波４－１...４－ｎ上に、複数のアンテナ要素２０－１...２０－ｎから受信された複数の電気信号を変調して、後続のビームフォーミングのために複数の光信号６－１...６－ｎを出力するように構成されている。変調ステージ２は、Ｎ個の入力信号２３－１...２３－ｎに対応する複数のＮ個の電気光学（ＥＯ）変調器３－１...３－ｎを備えてよい。Ｎ個のＥＯ変調器３－１...３－ｎの各々には、光周波数生成ユニット５におけるマスタレーザから導出されたレーザ信号が供給され、当該レーザ信号は、例えば、１３１０ｎｍ又は１５５０ｎｍの波長における光搬送波４－１...４－ｎとして機能する。光周波数生成（ＯＦＧ）ユニット５は、制御入力（図示せず）を受信して、生成されたレーザビームの波長を決定してよい。制御入力は、ペイロードのオンボードコントローラによって、又は地上局から提供されてよい。
【0058】
本発明の実施形態によれば、図１のビームフォーミングシステム１から出力された信号は、更に処理され、電気ドメインに変換されてよい。変換ステージ６６及び複数のアナログ対デジタル変換器（ＡＤＣ）７０－１...７０－ｎは、デジタルペイロードにおける１つ又は複数のデジタル信号プロセッサによる信号の処理を可能にする。
【0059】
本発明の実施形態では、図６において示されているように、そのような変換ステージ６６は、入力として、Ｍ個のビームフォーミングされた光信号６５－１…６５－ｍを受信し、Ｍ個のビームフォーミングされた電気信号６９－１...６９－ｍを出力するように構成されている。Ｍ個のビームフォーミングされた電気信号６９－１...６９－ｎは、デジタル処理のためにＭ個のＡＤＣ７０－１...７０－ｎに出力される。
【0060】
変換ステージ６６は、ＯＦＦＴネットワーク６３によって出力された複数のビームフォーミングされた信号６５－１...６５－ｍを電気ドメインに変換するように構成された複数の光検出器６７－１...６７－ｍ（ＰＤ）を含む。各ＰＤ６７－１...６７－ｍは、対応する光局部発振器６８－１...６８－ｍ（ＬＯ）を使用して光信号を復調することによって変換を実行する。幾つかの実施形態では、ＬＯ６８－１...６８－ｍは、ホモダイン受信のために光搬送波６２－１...６２－ｎと同じ波長を有し、光搬送波６２－１...６２－ｍを生成した光周波数生成（ＯＦＧ）ユニット６４を使用して生成される。このようにして、光搬送波６２－１...６２－ｎ及びＬＯ６８－１...６８－ｍの間の実質的なコヒーレンスが、変調６１及び変換６６のステージへの同じレーザ信号の分散を介して達成される。他の実施形態では、周波数ヘテロダイン法が、適切な波長でのＬＯ６８－１...６８－ｍの使用を介して達成される。
【0061】
上記で説明されたように、Ｍの値は、Ｎに等しいか又はこれよりも低く、幾つかの実施形態では、動作の特定の時点において、Ｍ個の信号のみがペイロードによって処理されるように要求され、かつＭ個のＰＤ、Ｍ個のＬＯ信号及びＭ個のＡＤＣのみが動作状態である場合（ここで、Ｍ＜Ｎ）であっても、要求されるとＮ個の信号をハンドリングする能力を可能にするために、変換ステージ６６においてＮ個のＰＤ、Ｎ個のＬＯ信号及びＮ個のＡＤＣが存在してよい。
【0062】
Ｔｘビームフォーミングシステム
Ｒｘビームフォーミングシステム１に関して概略された原理は、本発明の実施形態に係るＴｘビームフォーミングシステム８０にも同様に当てはまる。
Ｒｘビームフォーミングシステム１に関して概略された原理は、本発明の実施形態に係るＴｘビームフォーミングシステム８０にも同様に当てはまる。
【0063】
図６は、本発明の実施形態に係る、Ｔｘフォトニックビームフォーミングシステム８０を示す概略図である。Ｔｘフォトニックビームフォーミングシステム８０は、少なくとも１つのそれぞれのビーム角度において送信されることになる少なくとも１つの光入力信号８１－１...８１－ｐを受信する。以下で説明されるように、光入力信号８１－１...８１－ｐは、フォトニックペイロードプロセッサから出力されてもよいし、又は、デジタルペイロードプロセッサからの出力、及びデジタル対アナログ変換器（ＤＡＣ）を介した変換の後に光ドメインに変換されてもよい。光逆高速フーリエ変換（ＯＩＦＦＴ）ネットワーク８４を使用して、Ｔｘフォトニックビームフォーミングシステム８０は、スイッチ／スプリッタ８２を通過した光入力信号８３－１...８３－ｎを、Ｎ個のアンテナ要素７８－１...７８－ｎの各々によって送信されることになるビームフォーミングされた信号８５－１...８５－ｎに変換し、指定された送信ビームを生成する。Ｎの値は、Ｒｘビームフォーミングシステム１の実施形態と併せて説明されたＮの値と同じである必要はなく、これはなぜならば、それは、利用される送信アンテナ設計に依存し、当該送信アンテナ設計は、所与のペイロードの受信アンテナと同じであってもよいし、又はこれとは異なってもよい。ビームフォーミングされた信号８５－１...８５－ｎは、アンテナ要素７８－１...７８－ｎによる後続の送信のために、変換ステージ８８において電気ドメインに変換される。
【0064】
信号パスは、図６において左から右に向かって示されている。図１のＲｘビームフォーミングシステム１に関して説明されたように、アナログ及びデジタルドメインにおいて、信号は、電気ケーブルを介してステージ間で送信される。光ドメインでは、信号は、光ファイバを介してステージ間で送信される。代替的な実施形態では、ステージのうちの幾つか又は全てが物理的に結合されてよい。
【0065】
Ｔｘビームフォーミングシステム８０では、送信アンテナアレイのＮ個の要素７８－１...７８－ｎによってそれらのそれぞれのビーム角度において送信されることになるＮ個の光信号８３－１...８３－ｎは、ＯＩＦＦＴネットワーク８４に入力される。ＯＩＦＦＴネットワーク８４は、複数のＮ個の入力信号８３－１...８３－ｎに逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）を適用するように構成されており、これは、入力信号８３－１...８３－ｎを、Ｎ個のアンテナ要素７８－１...７８－ｎから送信されることになる複数のＮ個のビームフォーミングされた信号８５－１...８５－ｎに変換して、所望の送信ビームを生成する。
【0066】
ＯＩＦＦＴネットワーク８４は、上記で概略されたＯＦＦＴネットワーク７の動作に類似した方式で動作する。しかしながら、入力ビームの指向性を分解するためにアンテナ要素信号に位相シフトを適用する代わりに、ＯＩＦＦＴネットワーク８４は、送信ビームを所望の方向にステアリングするためにＮ個の入力信号８３－１...８３－ｎに位相シフトを適用する。
【0067】
ＯＩＦＦＴネットワーク８４は、それが信号を送信のために空間ドメインからアンテナドメインに変換することに起因して「逆」とみなすことができ、一方、ＯＦＦＴネットワーク７は、アンテナドメイン信号を、アンテナアレイにおける受信後に空間ドメインに変換するものとみなすことができる。
【0068】
送信されたビームの方向は、Ｎ個の光入力信号８３－１...８３－ｎの複数のペア間で適用される位相オフセットに依存する。ＯＩＦＦＴネットワーク８４への一連の制御入力８６によって位相オフセットを制御することによって、アンテナアレイにおける要素７８－１...７８－ｎから送信されることになるＮ個のビームフォーミングされた信号８５－１...８５－ｎが干渉して所望の方向における送信ビームを生成するように、Ｎ個の光入力信号８３－１...８３－ｎ間の干渉を制御することが可能である。
【0069】
ＯＩＦＦＴネットワーク８４への制御は、Ｔｘビームフォーミングシステム８０が結合される衛星ペイロードの軌道位置に依存し得る。したがって、送信されるビームの指向性を定義するのに使用される、ＯＩＦＦＴネットワーク８４への制御入力８６は、地球の表面に対する衛星ペイロードの位置に基づいて計算されてよい。衛星の相対位置は、軌道データに基づいて、ペイロードプロセッサによって決定されてよく、代替的には、衛星の位置は、地上局からの信号において提供されてよい。
【0070】
送信のためにアンテナアレイに出力される前に、変換ステージ８８において複数のビームフォーミングされた信号８５－１...８５－ｎを電気ドメインに変換することが必要である。送信される信号は、マイクロ波又はＲＦ信号であってよいが、ペイロードによって要求される任意の適した周波数帯域に対応してよい。送信の前に、信号は、例えば高電力増幅７９－１...７９－ｎによって、当該技術分野において既知のように調整される。
【0071】
変換ステージ８８は、本発明の幾つかの実施形態に係るＲｘビームフォーミングシステム１における図５に関連して説明されたステージ６６に類似していてよい。変換ステージ８８は、ＯＩＦＦＴネットワーク８４によって出力された複数のビームフォーミングされた信号８５－１...８５－ｎを電気ドメインに変換するように構成された複数のＮ個の光検出器８９－１...８９－ｎ（ＰＤ）を含む。各ＰＤ８９－１...８９－ｎは、光周波数生成（ＯＦＧ）ユニット９１を使用して生成された光局部発振器９０－１...９０－ｎ（ＬＯ）からのレーザ入力を使用して光信号を復調することによって変換を実行してよい。本実施形態では、各光搬送波の波長は同じであり、光搬送波は、ＯＦＧ９１によって同時生成される。ＯＦＧユニット９１は、制御入力（図示せず）を受信して、生成されたレーザの波長を決定してよい。
【0072】
変換ステージ８８は、代替的には、適切なＬＯレーザ波長の使用によって、周波数ヘテロダイン法を実行するためにＮ個のＬＯレーザ９０－１...９０－ｎを利用してよい。
【0073】
幾つかの実施形態では、分割ステージ８２は、信号がＯＩＦＦＴネットワーク８４に入力される前に含まれる。そのようなステージ８２は、Ｔｘビームフォーミングシステム８０が、Ｎ＞Ｐについて、Ｐ個のペイロードプロセッサ信号８１－１...８１－ｐからＮ個の送信信号を出力することが必要なケースに含まれ得る。幾つかの実施形態では、Ｐは、Ｒｘビームフォーミングシステム１の実施形態に関して上記で説明されたＭと同じ値を有してよいが、Ｍ及びＰの具体的な値は、使用されるペイロードプロセッサに依存する。分割ステージ８２は、制御入力（図示せず）を受信してよく、これは、ペイロードのオンボードコントローラによって、又は地上局から提供されてよい。スイッチングステージが、ビームが送信されることになる先の地球上のロケーションの数及びビームホッピングが利用されることになるか否かに依存して、分割ステージの代わりに、又はこれに加えて使用されてよい。
【0074】
スイッチング／分割ステージ８２に加えて又はこれの代わりに、幾つかの実施形態では、変換ステージ８８に出力される前であるが、ＯＩＦＦＴネットワーク８４の後で、複数のビームフォーミングされた信号８５－１...８５－ｎは、Ｔｘビームフォーミングシステム８０における挿入損失を補償するために、増幅ステージ８７において増幅される。これは、特にＮが大きい場合に当てはまる。
【0075】
Ｎ＝Ｐであるケースでは、分割ステージ８２は、必須ではない。このケースでは、デジタルビームフォーマを除去することによって得られる節電に起因して、ペイロードプロセッサは、要素信号の数にスケーリングされてよく、信号再生を含んでよい。
【0076】
本発明の実施形態によれば、図６のビームフォーミングシステム８０への入力信号８１－１...８１－ｐは、デジタルペイロードプロセッサによって処理済みであってよい。このケースでは、ペイロードプロセッサから受信された信号をビームフォーミングのために光ドメインに変換することが必要である。
【0077】
図７を参照して説明されるように、本発明の実施形態は、Ｐ個のデジタル対アナログ（ＤＡＣ）変換器９７－１...９７－ｐ及びＴｘビームフォーミングシステム１００内の変調ステージ１０１を含めることによって上述の変換を達成し得る。変調ステージ１０１は、ペイロードプロセッサから受信された複数の信号１０２－１...１０２－ｐを、光搬送波１０４－１...１０４－ｐ上に変調して、スイッチ／スプリッタ１１０を介してＯＩＦＦＴネットワーク１０７に入力するためのそれぞれの複数の光信号１０５－１...１０５－ｐを出力するように構成されている。
【0078】
Ｐ個の入力信号の各々は、特定の波長の光搬送波１０４－１...１０４－ｎを変調する。本実施形態では、各光搬送波１０４－１...１０４－ｐの波長は同じであり、光搬送波１０４－１...１０４－ｐは、光周波数生成（ＯＦＧ）ユニット１０６によって同時生成される。変調ステージ１０１によって生成された複数の光信号は、上記で概略されたように、ビームフォーミングのためにＯＩＦＦＴネットワーク１０７に入力される。
【0079】
変調ステージ１０１は、ペイロードプロセッサから受信された信号に対応する複数のＰ個の電気光学（ＥＯ）変調器１０３－１...１０３－ｐを備えてよい。Ｐ個のＥＯ変調器１０３－１...１０３－ｐの各々には、光周波数生成ユニット１０６におけるマスタレーザから導出されたレーザ信号が供給され、当該レーザ信号は、光搬送波１０４－１...１０４－ｐとして機能する。ＯＦＧ１０６ユニットは、制御入力（図示せず）を受信して、生成されたレーザの波長を決定してよい。
【0080】
Ｐ個のＥＯ変調器１０３－１...１０３－ｐの各々において受信されるレーザ入力は、Ｔｘビームフォーミングシステム１００の変換ステージ１０８中に変換のために使用されるＬＯレーザ１０９－１...１０９－ｎの生成において使用されるものと同じＯＦＧユニット１０６を使用して生成されてよい。代替的には、レーザ入力は、Ｔｘビームフォーミングシステム１００の変換ステージ１０８中に変換のために使用されるものとは異なるＯＦＧユニット１０６を使用して生成されてよい。
【0081】
フォトニックペイロード
本発明の実施形態によれば、図１の第１のＲｘビームフォーミングシステム１３０及び図６の第２のＴｘビームフォーミングシステム１４０は、図８において示されるように、フォトニックペイロード１２０を形成するためにフォトニック処理ステージ１３４に接続されてよい。ペイロードは、衛星１２１内のアンテナ要素１２２－１...１２２－ｎ及び１２３－１...１２３－ｎ及び関連付けられた減衰器及び増幅器とともに示されている。
本発明の実施形態によれば、図１の第１のＲｘビームフォーミングシステム１３０及び図６の第２のＴｘビームフォーミングシステム１４０は、図８において示されるように、フォトニックペイロード１２０を形成するためにフォトニック処理ステージ１３４に接続されてよい。ペイロードは、衛星１２１内のアンテナ要素１２２－１...１２２－ｎ及び１２３－１...１２３－ｎ及び関連付けられた減衰器及び増幅器とともに示されている。
【0082】
図８を参照すると、Ｒｘビームフォーミングシステム１３０によって出力されたビームフォーミングされた信号１３３－１...１３３－ｎは、１つ又は複数のフォトニック信号プロセッサ１３４に入力されてよい。１つ又は複数のフォトニックプロセッサ１３４は、増幅、フィルタリング、スイッチング、多重化／逆多重化、結合／分割、振幅調整、時間オフセット調整及び位相調整のうちの１つ又は複数を含めて、ビームフォーミングされた信号１３３－１...１３３－ｎを処理する。１つ又は複数のフォトニックプロセッサ１３４は、ダウンリンクを介して地球に送信されることになる処理された信号１３８－１...１３８－ｎを出力し、これらをＴｘビームフォーミングシステム１４０に提供する。Ｒｘビームフォーミングシステム１３０及びＴｘビームフォーミングシステム１４０は、それぞれ、第１の１２２－１...１２２－ｎ及び第２の１２３－１...１２３－ｎのアンテナ要素とインターフェース接続する。幾つかの実施形態では、第１の１２２－１...１２２－ｎ及び第２の１２３－１...１２３－ｎのアンテナ要素は、物理的に別個のアンテナに関連付けられるが、代替的な実施形態では、第１の１２２－１...１２２－ｎ及び第２の１２３－１...１２３－ｎのアンテナ要素は、単一のアンテナアレイの同じ要素である。
【0083】
Ｒｘビームフォーミングシステム１３０は、任意選択のスイッチング及び増幅ステージを含んでよい。同様に、Ｔｘビームフォーミングシステム１４０は、任意選択の分割及び増幅ステージを含んでよい。増幅及びスイッチング／分割ステージは、図８において示されている実施形態では示されていない。
【0084】
フォトニックペイロード１２０は、Ｒｘビームフォーマ１３０におけるＯＦＦＴネットワーク１３１、ＯＦＧ１３７に制御入力１３２を提供するように構成されたオンボードコントローラ１３５を備えてよい。同様に、ペイロードコントローラ１３５は、Ｒｘビームフォーマ１４０におけるＯＩＦＦＴネットワーク１４１、分割ステージ及びＯＦＧ１３７に制御入力１４２を提供するように構成されてよい。コントローラ１３５は、これらのデバイスに制御入力１３２、１４２を提供するように事前プログラミングされてよく、加えて又はその代わりに、コントローラ１３５は、ビームフォーミングシステム１３０、１４０を提供するために制御入力１３２、１４２を表す命令を地上局１３６から受信してよい。
【0085】
存在する場合、コントローラ１３５によって任意選択のスイッチング及び分割ステージに提供される制御入力は、ビームホッピング動作を促進してよい。同様に、コントローラによってＯＦＧ１３７に提供される制御入力は、周波数ヘテロダイン法を促進してよい。
【0086】
Ｒｘ及びＴｘビームフォーミングシステム１３０、１４０のアンテナアレイ１２２－１...１２２－ｎ、１２３－１...１２３－ｎは、同じアレイになるように配置されてよく、送受信機アンテナ配置が形成される。代替的には、Ｒｘ及びＴｘビームフォーミングシステム１３０、１４０のアンテナアレイ１２２－１...１２２－ｎ、１２３－１...１２３－ｎは、異なるアンテナアレイであってよい。
【0087】
同様に、Ｒｘ及びＴｘビームフォーミングシステム１３０、１４０のＯＦＧ１３７は、同じＯＦＧ１３７であってよい。代替的には、Ｒｘ及びＴｘビームフォーミングシステム１３０、１４０のＯＦＧ１３７は、異なるＯＦＧ（図示せず）であってよい。
【0088】
デジタルペイロード
図９を参照して説明されるように、ペイロードは、本発明の実施形態に係る、１つ又は複数のデジタル信号プロセッサ１５４を備えるデジタルペイロード１５０であってよい。そのようなプロセッサ１５０は、入力として、図５に係る第１のＲｘビームフォーミングシステム１５２の出力１５３－１...１５３－ｎを受信するように構成されてよい。同様に、デジタルプロセッサ１５４は、図７に従って第２のＴｘビームフォーミングシステム１５６によってビームフォーミングするために信号１５５－１...１５５－ｎを出力するように構成されてよい。Ｒｘビームフォーミングシステム１５２及びＴｘビームフォーミングシステム１５６は、それぞれ、第１の１５１－１...１５１－ｎ及び第２の１５７－１...１５７－ｎのアンテナ要素とインターフェース接続する。幾つかの実施形態では、第１の１５１－１...１５１－ｎ及び第２の１５７－１...１５７－ｎのアンテナ要素は、物理的に別個のアンテナに関連付けられるが、代替的な実施形態では、第１の１５１－１...１５１－ｎ及び第２の１５７－１...１５７－ｎのアンテナ要素は、単一のアンテナアレイの同じ要素である。
図９を参照して説明されるように、ペイロードは、本発明の実施形態に係る、１つ又は複数のデジタル信号プロセッサ１５４を備えるデジタルペイロード１５０であってよい。そのようなプロセッサ１５０は、入力として、図５に係る第１のＲｘビームフォーミングシステム１５２の出力１５３－１...１５３－ｎを受信するように構成されてよい。同様に、デジタルプロセッサ１５４は、図７に従って第２のＴｘビームフォーミングシステム１５６によってビームフォーミングするために信号１５５－１...１５５－ｎを出力するように構成されてよい。Ｒｘビームフォーミングシステム１５２及びＴｘビームフォーミングシステム１５６は、それぞれ、第１の１５１－１...１５１－ｎ及び第２の１５７－１...１５７－ｎのアンテナ要素とインターフェース接続する。幾つかの実施形態では、第１の１５１－１...１５１－ｎ及び第２の１５７－１...１５７－ｎのアンテナ要素は、物理的に別個のアンテナに関連付けられるが、代替的な実施形態では、第１の１５１－１...１５１－ｎ及び第２の１５７－１...１５７－ｎのアンテナ要素は、単一のアンテナアレイの同じ要素である。
【0089】
デジタルペイロード１５０は、図８のフォトニックペイロード１２０に類似した方式で動作してよい。加えて、デジタルペイロード１５０は、追加の又は代替的な機能を提供してよく、例えば、デジタルペイロード１５０は、更なるデジタルビームフォーミング、Ｒｘビームフォーミングシステム１５２によって出力されるビーム１５３－１...１５３－ｎの指向性の更なる分解を促進し得る。
【0090】
干渉相殺
図１０を参照して説明されるように、図１のフォトニックＲｘビームフォーミングシステム１は、アンチジャミングのために適応されてよく、本発明の実施形態に係る図１０の干渉相殺システム１７０が形成される。干渉相殺１７０システムは、入力として、Ｎ個のＲｘアンテナ要素１７１－１...１７１－ｎから取得されたＮ個の信号１７２－１...１７２－ｎを取り込み、図１を参照して前述で説明されたＲｘビームフォーミングシステム１７３を使用して、これらの信号をビームに形成する。これらのビームは、いずれの干渉信号の存在もそれぞれ決定し、当該干渉信号を相殺するために、干渉モニタリングステージ１７８及びヌリングステージ１７９に出力される。残りの信号は、ＯＩＦＦＴネットワーク１８１に出力され、当該ＯＩＦＦＴネットワーク１８１は、１つ又は複数の干渉信号を伴わずに入力信号１７２－１...１７２－ｎを再構成する。最終的に、信号は、デジタルビームフォーミングを含む、デジタルペイロードによる更なるデジタル処理のために、電気信号１８３－１...１８３－ｎへの復調のために変換ステージ１８２を通過する。
図１０を参照して説明されるように、図１のフォトニックＲｘビームフォーミングシステム１は、アンチジャミングのために適応されてよく、本発明の実施形態に係る図１０の干渉相殺システム１７０が形成される。干渉相殺１７０システムは、入力として、Ｎ個のＲｘアンテナ要素１７１－１...１７１－ｎから取得されたＮ個の信号１７２－１...１７２－ｎを取り込み、図１を参照して前述で説明されたＲｘビームフォーミングシステム１７３を使用して、これらの信号をビームに形成する。これらのビームは、いずれの干渉信号の存在もそれぞれ決定し、当該干渉信号を相殺するために、干渉モニタリングステージ１７８及びヌリングステージ１７９に出力される。残りの信号は、ＯＩＦＦＴネットワーク１８１に出力され、当該ＯＩＦＦＴネットワーク１８１は、１つ又は複数の干渉信号を伴わずに入力信号１７２－１...１７２－ｎを再構成する。最終的に、信号は、デジタルビームフォーミングを含む、デジタルペイロードによる更なるデジタル処理のために、電気信号１８３－１...１８３－ｎへの復調のために変換ステージ１８２を通過する。
【0091】
干渉相殺システム１７０は、ＲｘアンテナのＮ個の要素１７１－１...１７１－ｎの各々から取得された信号を受信し、これらを光ドメインに変換してＮ個の光信号１７４－１...１７４－ｎを生成し、光高速フーリエ変換（ＯＦＦＴ）ネットワーク１７５を使用して、受信された信号１７２－１...１７２－ｎの指向性を、それらのそれぞれのビーム角度に基づいてビームに分解する。ビームを形成するプロセスは、Ｒｘビームフォーミングシステム１７３によって実行され、図１を参照して上記で説明されたものと同じ方式で実行される。図１のＲｘビームフォーミングシステム１の任意選択のスイッチング１１及び増幅１０ステージは、干渉相殺システム１７０のために要求されない。
【0092】
ＯＦＦＴネットワーク１７５の出力は、Ｎ個の光出力信号１７６－１...１７６－ｎのサブセットに対する一連の低利得タップ１７７－１...１７７－ｎを含み、タップ１７７－１...１７７－ｎは、光信号をデジタルドメインに変換するために光検出器（図示せず）及びアナログ対デジタル変換器（図示せず）を含む。ＩＭＳ１７８は、例えば、各ビームについての期待電力レベルとの比較に基づいて、ＯＦＦＴネットワーク１７５の出力において１つ又は複数の干渉信号の存在を決定するように動作する。期待電力レベルは、例えば特定のカバレッジスキームの知識に従って受信されることが期待される信号に基づいており、オンボードペイロードコントローラ、又は地上局のいずれかからの制御入力（図示せず）を介して設定される。
【0093】
干渉信号の存在を識別した後、ＩＭＳ１７８は、干渉源の存在を示す１つ又は複数のビームをヌリングステージ１７９に通知する。ヌリングステージ１７９は、例えば電界吸収変調器を使用して、ＯＦＦＴネットワーク１７５によって出力された計算済みビーム角度のヌリング又は減衰を実行する。利得（図示せず）が、残りのＯＦＦＴ出力に適用されて、所望の信号に対する１つ又は複数の干渉源信号の拒絶を高め、これらは、次に、Ｎ個のアンテナ要素信号１８１－１...１８２－ｎを、ただし干渉源が除去された状態で、再構成するためにＯＩＦＦＴネットワーク１８０を通過する。
【0094】
複数の再構成された信号１８１－１...１８１－ｎは、アナログ対デジタル変換器１８４－１...１８４－ｎへの送信のために当該複数の再構成された信号１８１－１...１８１－ｎを複数の再構成された電気信号１８３－１...１８３－ｎに変換するように構成された変換ステージ１８２によって、入力として取り込まれ、アナログ対デジタル変換器１８４－１...１８４－ｎは、更なる処理のためにデジタルペイロードに出力する。変換ステージ１８２は、Ｔｘビームフォーミングシステム８０を参照して説明されたステージ８８に類似した方式で動作する。
【0095】
当業者であれば、実行される特定のタイプのフォトニック及びデジタル処理、及びアンテナ要素の数に依存して、特許請求の範囲内に入る多様な構成が可能であることを理解するであろう。したがって、相互に適合可能である、上記で説明された実施形態の特徴は、特許請求の範囲内に入る更なる実施形態として組み合わされ得、ビームフォーミングステージにおける光高速フーリエ変換又は光逆高速フーリエ変換のうちの少なくとも１つが、本明細書において説明された利点を衛星ペイロードに提供する。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【手続補正書】
【提出日】2024-01-10
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
衛星ペイロードのためのフォトニックビームフォーミングシステムであって、１つ又は複数の信号ビームを受信する複数のＮ個のアンテナ要素からの複数のＮ個の電気信号を、光搬送波上に変調して、それぞれの複数のＮ個の光信号を出力するように構成された変調ステージ、
ここで、整数Ｌ＞１についてＮ＝２ Ｌ である；及び
前記複数のＮ個の光信号を受信する入力を有するネットワーク、ここで、前記ネットワークは、前記１つ又は複数の信号ビームを、前記複数のＮ個のアンテナ要素に対する所定の複数のＮ個のビーム角度の各々に分解して、前記複数のＮ個の光信号の各１つについて、前記複数のＮ個の光信号のうちの他のＮ－１の各々が、それぞれの位相シフトによって前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つに対して位相シフトされる状態で、前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つを総和することによって、前記ネットワークの出力から、前記所定の複数のＮ個のビーム角度の各々に対応する複数のＮ個のビームフォーミングされた信号を出力するように配置されている；
を備え、前記それぞれの位相シフトの各々は、前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つが、総和されると前記他のＮ－１個の位相シフトされた複数の光信号の各々と干渉して、前記所定の複数のＮ個のビーム角度のうちのそれぞれ１つを有するビームフォーミングされた信号を形成するようになっており、
前記ネットワークは、複数のＬ・２ Ｌ－１ 個の２×２光カプラを含み、前記複数のＬ・２ Ｌ－１ 個の２×２光カプラの各々は、２つの光信号入力及び２つの光信号出力を有し、各２×２光カプラは、前記２×２光カプラによって前記２×２光カプラの前記２つの光信号入力に入力された前記複数のＮ個の光信号のそれぞれのペア間で適用される位相シフトを制御する制御入力を有し、
光高速フーリエ変換（ＯＦＦＴ）が、前記複数のＬ・２ Ｌ－１ 個の２×２光カプラの各々において適用される前記それぞれの位相シフトを制御すること、及び前記ネットワークの前記入力及び前記出力の間に２ Ｌ－１ 個のカプラのＬランクのシーケンスにおいて前記複数のＬ・２ Ｌ－１ 個の２×２光カプラを配置することによって前記複数のＮ個の光信号に適用され、ここで、前記Ｌランクは、前記ネットワークの前記出力における出力ランク、及び前記シーケンスにおいて前記出力ランクに先行する１つ又は複数の更なるランクを含み、
それにより、前記１つ又は複数の更なるランクにおける前記複数のＬ・２ Ｌ－１ 個の２×２光カプラの各々について、前記２つの光出力のうちの第１のものが、前記シーケンスにおける後続ランクにおける第１のカプラの入力に接続され、前記２つの光出力のうちの第２のものが、前記シーケンスにおける前記後続ランクにおける第２のカプラの入力に接続される、フォトニックビームフォーミングシステム。
【請求項2】
前記複数のＬ・２
Ｌ－１
個の２×２光カプラの各々は、その入力の各々において調節可能位相シフタを含み、各調節可能位相シフタは、それぞれのビームフォーミング制御入力によって制御される、請求項１に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
【請求項3】
前記複数のＬ・２
Ｌ－１
個の２×２光カプラの各々は、その入力のうちの一方において調節可能位相シフタ、及びその入力のうちの他方において固定位相シフタを含み、前記調節可能位相シフタは、それぞれのビームフォーミング制御入力によって制御される、請求項１に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
【請求項4】
前記衛星ペイロードにおける処理のために前記ネットワークによって出力された前記ビームフォーミングされた信号のサブセットを選択するように構成されたスイッチングステージを更に備える、請求項１～３のいずれか１項に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
【請求項5】
前記スイッチングステージは、ビームホッピングスキームに従って前記ビームフォーミングされた信号の前記サブセットを選択するように構成されている、請求項４に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
【請求項6】
衛星ペイロードのためのフォトニックビームフォーミングシステムであって、
複数のＮ個の光信号を受信する入力を有するネットワーク、ここで、前記ネットワークは、前記複数のＮ個の光信号の各１つについて、前記複数のＮ個の光信号のうちの他のＮ－１の各々が、それぞれの位相シフトによって前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つに対して位相シフトされる状態で、前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つを総和することによって、複数のＮ個のアンテナ要素に対する所定の複数のＮ個のビーム角度のうちのそれぞれ１つ又は複数において、前記ネットワークの出力における前記複数のＮ個の入力光信号から、１つ又は複数のビームフォーミングされた信号を生成するように配置されており、
ここで、整数Ｌ＞１についてＮ＝２ Ｌ であり、
前記それぞれの位相シフトの各々は、前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つが、総和されると前記他のＮ－１個の位相シフトされた複数の光信号の各々と干渉して、前記所定の複数のＮ個のビーム角度のうちのそれぞれ１つを有するビームフォーミングされた信号を形成するようになっている；及び
前記複数のＮ個のアンテナ要素による前記１つ又は複数のビームにおける送信のために、前記１つ又は複数のビームフォーミングされた光信号を１つ又は複数の電気信号に変換するように構成された変換ステージ；
を備え、前記ネットワークは、複数のＬ・２ Ｌ－１ 個の２×２光カプラを含み、前記複数のＬ・２ Ｌ－１ 個の２×２光カプラの各々は、２つの光信号入力及び２つの光信号出力を有し、各２×２光カプラは、前記２×２光カプラによって前記２×２光カプラの前記２つの光信号入力に入力された前記複数のＮ個の光信号のそれぞれのペア間で適用される位相シフトを制御する制御入力を有し；
光逆高速フーリエ変換（ＯＩＦＦＴ）が、前記複数のＬ・２ Ｌ－１ 個の２×２光カプラの各々において適用される前記それぞれの位相シフトを制御すること、及び前記ネットワークの前記入力及び前記出力の間に２ Ｌ－１ 個のカプラのＬランクのシーケンスにおいて前記複数のＬ・２ Ｌ－１ 個の２×２光カプラを配置することによって前記複数のＮ個の光信号に適用され、ここで、前記Ｌランクは、前記ネットワークの前記出力における出力ランク、及び前記シーケンスにおいて前記出力ランクに先行する１つ又は複数の更なるランクを含み、
それにより、前記１つ又は複数の更なるランクにおける前記複数のＬ・２ Ｌ－１ 個の２×２光カプラの各々について、前記２つの光出力のうちの第１のものが、前記シーケンスにおける後続ランクにおける第１のカプラの入力に接続され、前記２つの光出力のうちの第２のものが、前記シーケンスにおける前記後続ランクにおける第２のカプラの入力に接続される、フォトニックビームフォーミングシステム。
【請求項7】
前記複数のＬ・２
Ｌ－１
個の２×２光カプラの各々は、その入力の各々において調節可能位相シフタを含み、各調節可能位相シフタは、それぞれのビームフォーミング制御入力によって制御される、請求項６に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
【請求項8】
前記複数のＬ・２
Ｌ－１
個の２×２光カプラの各々は、その入力のうちの一方において調節可能位相シフタ、及びその入力のうちの他方において固定位相シフタを含み、前記調節可能位相シフタは、それぞれのビームフォーミング制御入力によって制御される、請求項６に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
【請求項9】
前記ネットワークへの提供のために、前記入力された信号のうちの少なくとも１つを複数の入力信号にスイッチング及び／又は分割するように構成された光スイッチ及び／又はスプリッタを更に備える、請求項６～８のいずれか１項に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
【請求項10】
第１の複数のアンテナ要素から複数の信号を受信するように配置された請求項１～３のいずれか１項に記載の第１のフォトニックビームフォーミングシステム；前記第１のフォトニックビームフォーミングシステムによって出力された前記複数のＮ個のビームフォーミングされた信号を処理するように配置された１つ又は複数のフォトニック信号プロセッサ；及び
前記１つ又は複数のフォトニック信号プロセッサによって出力された複数の信号を受信するとともに、第２の複数のアンテナ要素を介して１つ又は複数の送信ビームを出力するように配置された請求項６～８のいずれか１項に記載の第２のフォトニックビームフォーミングシステム
を備える、フォトニック衛星ペイロード。
【請求項11】
前記変調ステージは、複数の電気光学（ＥＯ）変調器を更に有し、前記フォトニックビームフォーミングシステムは、
ＯＦＦＴネットワークによって出力された前記複数のＮ個のビームフォーミングされた信号を電気ドメインに変換するように構成された複数の光検出器を有する変換ステージ；及び
前記変換ステージのために前記光搬送波及び光局部発振器信号を供給するように配置された光周波数生成ユニット
を更に備える、請求項１～３のいずれか１項に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
【請求項12】
前記衛星ペイロードからの複数の電気信号を光搬送波上に変調して、前記ネットワークへの入力のためにそれぞれの複数の光信号を出力するように構成された変調ステージを更に備え；前記変換ステージは、複数の光検出器を有し；
前記フォトニックビームフォーミングシステムは、前記変換ステージのために前記光搬送波及び光局部発振器信号を供給するように配置された光周波数生成ユニットを更に備える、請求項６～８のいずれか１項に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
【請求項13】
第１の複数のアンテナ要素から複数の信号を受信するように配置された請求項１１に記載の第１のフォトニックビームフォーミングシステム；前記第１のフォトニックビームフォーミングシステムによって出力された複数のビームフォーミングされた電気信号を処理するように配置された１つ又は複数のデジタル信号プロセッサ；及び
前記１つ又は複数のデジタル信号プロセッサによって出力された複数の電気信号を受信するとともに、第２の複数のアンテナ要素を介して１つ又は複数の送信ビームを出力するように配置された請求項１２に記載の第２のフォトニックビームフォーミングシステム
を備える、衛星ペイロード。
【請求項14】
請求項１０に記載のフォトニック衛星ペイロードを備える衛星。
【請求項15】
請求項１３に記載の衛星ペイロードを備える衛星。
【請求項16】
請求項１～３のいずれか１項に記載のフォトニックビームフォーミングシステム；１つ又は複数の干渉信号について前記フォトニックビームフォーミングシステムの前記ネットワークの前記出力をモニタリングし、前記１つ又は複数の干渉信号の１つ又は複数のそれぞれの干渉ビーム角度を決定するように構成された干渉モニタリングステージ；
前記ネットワークの前記出力において前記１つ又は複数の干渉ビーム角度をヌリングするように構成されたヌリングステージ；及び
前記１つ又は複数の干渉ビーム角度を伴うことなく逆ＯＦＦＴを適用することによって前記フォトニックビームフォーミングシステムへ入力された前記信号を再構成するように構成された更なるネットワーク
を備える、干渉相殺システム。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0095】
当業者であれば、実行される特定のタイプのフォトニック及びデジタル処理、及びアンテナ要素の数に依存して、特許請求の範囲内に入る多様な構成が可能であることを理解するであろう。したがって、相互に適合可能である、上記で説明された実施形態の特徴は、特許請求の範囲内に入る更なる実施形態として組み合わされ得、ビームフォーミングステージにおける光高速フーリエ変換又は光逆高速フーリエ変換のうちの少なくとも１つが、本明細書において説明された利点を衛星ペイロードに提供する。
［項目１］
衛星ペイロードのためのフォトニックビームフォーミングシステムであって、
１つ又は複数の信号ビームを受信する複数のＮ個のアンテナ要素からの複数のＮ個の電気信号を、光搬送波上に変調して、それぞれの複数のＮ個の光信号を出力するように構成された変調ステージ；及び
前記１つ又は複数の信号ビームを、前記複数のＮ個の光信号に光高速フーリエ変換、ＯＦＦＴ、を適用することによって前記Ｎ個のアンテナ要素に対する所定の複数のＮ個のビーム角度の各々に分解するように配置されたネットワーク、ここで、前記ＯＦＦＴは、前記複数のＮ個の光信号の各１つについて、前記複数の光信号のうちの前記他のＮ－１の各々が、それぞれの位相シフトによって前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つに対して位相シフトされる状態で、前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つを総和することを含む；
を備え、前記それぞれの位相シフトの各々は、前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つが、総和されると前記他のＮ－１個の位相シフトされた複数の光信号の各々と干渉して、前記所定の複数のＮ個のビーム角度のうちのそれぞれ１つを有するビームフォーミングされた信号を形成するようになっており、前記ＯＦＦＴの前記出力は、前記所定の複数のＮ個のビーム角度の各々に対応する複数のＮ個のビームフォーミングされた信号であり；
前記ネットワークは、複数の２×２光カプラを含み、各２×２光カプラは、前記２×２光カプラによって前記２×２カプラに入力された前記複数の光信号のそれぞれのペア間で適用される位相シフトを制御する制御入力を有し、前記ネットワークは、ＯＦＦＴが、前記複数の２×２光カプラの各々において適用される前記それぞれの位相シフトを制御することによって実装されるように構成されている、フォトニックビームフォーミングシステム。
［項目２］
前記複数の２×２光カプラの各々は、その入力の各々において調節可能位相シフタを含み、各調節可能位相シフタは、それぞれのビームフォーミング制御入力によって制御される、項目１に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
［項目３］
前記複数の２×２光カプラの各々は、その入力のうちの一方において調節可能位相シフタ、及びその入力のうちの他方において固定位相シフタを含み、前記調節可能位相シフタは、それぞれのビームフォーミング制御入力によって制御される、項目１に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
［項目４］
前記ペイロードにおける処理のために前記ネットワークによって出力された前記ビームフォーミングされた信号のサブセットを選択するように構成されたスイッチングステージを更に備える、項目１～３のいずれか１項に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
［項目５］
前記スイッチングステージは、ビームホッピングスキームに従って前記ビームフォーミングされた信号の前記サブセットを選択するように構成されている、項目４に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
［項目６］
衛星ペイロードのためのフォトニックビームフォーミングシステムであって、
複数のＮ個の光信号に光逆高速フーリエ変換、ＯＩＦＦＴ、を適用することによって前記Ｎ個のアンテナ要素に対する所定の複数のＮ個のビーム角度のうちのそれぞれ１つ又は複数において、前記複数のＮ個の入力光信号から、１つ又は複数のビームフォーミングされた信号を生成するように配置されたネットワーク、ここで、前記ＯＩＦＦＴは、前記複数のＮ個の光信号の各１つについて、前記複数の光信号のうちの前記他のＮ－１の各々が、それぞれの位相シフトによって前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つに対して位相シフトされる状態で、前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つを総和することを含み、
前記それぞれの位相シフトの各々は、前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つが、総和されると前記他のＮ－１個の位相シフトされた複数の光信号の各々と干渉して、前記所定の複数のＮ個のビーム角度のうちのそれぞれ１つを有するビームフォーミングされた信号を形成するようになっており、前記ＯＩＦＦＴの前記出力は、前記所定の複数のＮ個のビーム角度の各々に対応する複数のＮ個のビームフォーミングされた光信号のうちの１つ又は複数である；及び
複数のアンテナ要素による前記１つ又は複数のビームにおける送信のために、前記１つ又は複数のビームフォーミングされた光信号を１つ又は複数の電気信号に変換するように構成された変換ステージ；
を備え、前記ネットワークは、複数の２×２光カプラを含み、各２×２光カプラは、前記２×２光カプラによって前記２×２カプラに入力された前記複数の光信号のそれぞれのペア間で適用される位相シフトを制御する制御入力を有し、前記ネットワークは、ＯＩＦＦＴが、前記複数の２×２光カプラの各々において適用される前記それぞれの位相シフトを制御することによって実装されるように構成されている、フォトニックビームフォーミングシステム。
［項目７］
前記複数の２×２光カプラの各々は、その入力の各々において調節可能位相シフタを含み、各調節可能位相シフタは、それぞれのビームフォーミング制御入力によって制御される、項目６に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
［項目８］
前記複数の２×２光カプラの各々は、その入力のうちの一方において調節可能位相シフタ、及びその入力のうちの他方において固定位相シフタを含み、前記調節可能位相シフタは、それぞれのビームフォーミング制御入力によって制御される、項目６に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
［項目９］
前記ネットワークへの提供のために、前記入力信号のうちの少なくとも１つを複数の入力信号にスイッチング及び／又は分割するように構成された光スイッチ及び／又はスプリッタを更に備える、項目６～８のいずれか１項に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
［項目１０］
第１の複数のアンテナ要素から複数の信号を受信するように配置された項目１～５のいずれか１項に記載の第１のフォトニックビームフォーミングシステム；
前記第１のフォトニックビームフォーミングシステムによって出力された前記複数のビームフォーミングされた信号を処理するように配置された１つ又は複数のフォトニック信号プロセッサ；及び
前記１つ又は複数のフォトニック信号プロセッサによって出力された複数の信号を受信するとともに、第２の複数のアンテナ要素を介して１つ又は複数の送信ビームを出力するように配置された項目６～９のいずれか１項に記載の第２のフォトニックビームフォーミングシステム
を備える、フォトニック衛星ペイロード。
［項目１１］
前記変調ステージは、複数の電気光学、ＥＯ、変調器を更に有し、前記フォトニックビームフォーミングシステムは、
前記ＯＦＦＴネットワークによって出力された前記複数のビームフォーミングされた信号を前記電気ドメインに変換するように構成された複数の光検出器を有する変換ステージ；及び
前記変換ステージのために前記光搬送波及び光局部発振器信号を供給するように配置された光周波数生成ユニット
を更に備える、項目１～５のいずれか１項に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
［項目１２］
前記衛星ペイロードからの複数の電気信号を光搬送波上に変調して、前記ネットワークへの入力のためにそれぞれの複数の光信号を出力するように構成された変調ステージを更に備え；
前記変換ステージは、複数の光検出器を有し；
前記フォトニックビームフォーミングシステムは、前記変換ステージのために前記光搬送波及び光局部発振器信号を供給するように配置された光周波数生成ユニットを更に備える、項目６～９のいずれか１項に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
［項目１３］
第１の複数のアンテナ要素から複数の信号を受信するように配置された項目１１に記載の第１のフォトニックビームフォーミングシステム；
前記第１のフォトニックビームフォーミングシステムによって出力された前記複数のビームフォーミングされた電気信号を処理するように配置された１つ又は複数のデジタル信号プロセッサ；及び
前記１つ又は複数のデジタル信号プロセッサによって出力された複数の電気信号を受信するとともに、第２の複数のアンテナ要素を介して１つ又は複数の送信ビームを出力するように配置された項目１２に記載の第２のフォトニックビームフォーミングシステム
を備える、衛星ペイロード。
［項目１４］
項目１０又は１３に記載のペイロードを備える衛星。
［項目１５］
項目１～３のいずれか１項に記載のフォトニックビームフォーミングシステム；
１つ又は複数の干渉信号について前記フォトニックビームフォーミングシステムの前記ネットワークの前記出力をモニタリングし、前記１つ又は複数の干渉信号の１つ又は複数のそれぞれの干渉ビーム角度を決定するように構成された干渉モニタリングステージ；
前記ネットワークの前記出力において前記１つ又は複数の干渉ビーム角度をヌリングするように構成されたヌリングステージ；及び
前記１つ又は複数の干渉ビーム角度を伴うことなく逆ＯＦＦＴを適用することによって前記フォトニックビームフォーミングシステムへの前記信号入力を再構成するように構成された更なるネットワーク
を備える、干渉相殺システム。
［項目１］
衛星ペイロードのためのフォトニックビームフォーミングシステムであって、
１つ又は複数の信号ビームを受信する複数のＮ個のアンテナ要素からの複数のＮ個の電気信号を、光搬送波上に変調して、それぞれの複数のＮ個の光信号を出力するように構成された変調ステージ；及び
前記１つ又は複数の信号ビームを、前記複数のＮ個の光信号に光高速フーリエ変換、ＯＦＦＴ、を適用することによって前記Ｎ個のアンテナ要素に対する所定の複数のＮ個のビーム角度の各々に分解するように配置されたネットワーク、ここで、前記ＯＦＦＴは、前記複数のＮ個の光信号の各１つについて、前記複数の光信号のうちの前記他のＮ－１の各々が、それぞれの位相シフトによって前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つに対して位相シフトされる状態で、前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つを総和することを含む；
を備え、前記それぞれの位相シフトの各々は、前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つが、総和されると前記他のＮ－１個の位相シフトされた複数の光信号の各々と干渉して、前記所定の複数のＮ個のビーム角度のうちのそれぞれ１つを有するビームフォーミングされた信号を形成するようになっており、前記ＯＦＦＴの前記出力は、前記所定の複数のＮ個のビーム角度の各々に対応する複数のＮ個のビームフォーミングされた信号であり；
前記ネットワークは、複数の２×２光カプラを含み、各２×２光カプラは、前記２×２光カプラによって前記２×２カプラに入力された前記複数の光信号のそれぞれのペア間で適用される位相シフトを制御する制御入力を有し、前記ネットワークは、ＯＦＦＴが、前記複数の２×２光カプラの各々において適用される前記それぞれの位相シフトを制御することによって実装されるように構成されている、フォトニックビームフォーミングシステム。
［項目２］
前記複数の２×２光カプラの各々は、その入力の各々において調節可能位相シフタを含み、各調節可能位相シフタは、それぞれのビームフォーミング制御入力によって制御される、項目１に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
［項目３］
前記複数の２×２光カプラの各々は、その入力のうちの一方において調節可能位相シフタ、及びその入力のうちの他方において固定位相シフタを含み、前記調節可能位相シフタは、それぞれのビームフォーミング制御入力によって制御される、項目１に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
［項目４］
前記ペイロードにおける処理のために前記ネットワークによって出力された前記ビームフォーミングされた信号のサブセットを選択するように構成されたスイッチングステージを更に備える、項目１～３のいずれか１項に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
［項目５］
前記スイッチングステージは、ビームホッピングスキームに従って前記ビームフォーミングされた信号の前記サブセットを選択するように構成されている、項目４に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
［項目６］
衛星ペイロードのためのフォトニックビームフォーミングシステムであって、
複数のＮ個の光信号に光逆高速フーリエ変換、ＯＩＦＦＴ、を適用することによって前記Ｎ個のアンテナ要素に対する所定の複数のＮ個のビーム角度のうちのそれぞれ１つ又は複数において、前記複数のＮ個の入力光信号から、１つ又は複数のビームフォーミングされた信号を生成するように配置されたネットワーク、ここで、前記ＯＩＦＦＴは、前記複数のＮ個の光信号の各１つについて、前記複数の光信号のうちの前記他のＮ－１の各々が、それぞれの位相シフトによって前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つに対して位相シフトされる状態で、前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つを総和することを含み、
前記それぞれの位相シフトの各々は、前記複数のＮ個の光信号のうちの前記１つが、総和されると前記他のＮ－１個の位相シフトされた複数の光信号の各々と干渉して、前記所定の複数のＮ個のビーム角度のうちのそれぞれ１つを有するビームフォーミングされた信号を形成するようになっており、前記ＯＩＦＦＴの前記出力は、前記所定の複数のＮ個のビーム角度の各々に対応する複数のＮ個のビームフォーミングされた光信号のうちの１つ又は複数である；及び
複数のアンテナ要素による前記１つ又は複数のビームにおける送信のために、前記１つ又は複数のビームフォーミングされた光信号を１つ又は複数の電気信号に変換するように構成された変換ステージ；
を備え、前記ネットワークは、複数の２×２光カプラを含み、各２×２光カプラは、前記２×２光カプラによって前記２×２カプラに入力された前記複数の光信号のそれぞれのペア間で適用される位相シフトを制御する制御入力を有し、前記ネットワークは、ＯＩＦＦＴが、前記複数の２×２光カプラの各々において適用される前記それぞれの位相シフトを制御することによって実装されるように構成されている、フォトニックビームフォーミングシステム。
［項目７］
前記複数の２×２光カプラの各々は、その入力の各々において調節可能位相シフタを含み、各調節可能位相シフタは、それぞれのビームフォーミング制御入力によって制御される、項目６に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
［項目８］
前記複数の２×２光カプラの各々は、その入力のうちの一方において調節可能位相シフタ、及びその入力のうちの他方において固定位相シフタを含み、前記調節可能位相シフタは、それぞれのビームフォーミング制御入力によって制御される、項目６に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
［項目９］
前記ネットワークへの提供のために、前記入力信号のうちの少なくとも１つを複数の入力信号にスイッチング及び／又は分割するように構成された光スイッチ及び／又はスプリッタを更に備える、項目６～８のいずれか１項に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
［項目１０］
第１の複数のアンテナ要素から複数の信号を受信するように配置された項目１～５のいずれか１項に記載の第１のフォトニックビームフォーミングシステム；
前記第１のフォトニックビームフォーミングシステムによって出力された前記複数のビームフォーミングされた信号を処理するように配置された１つ又は複数のフォトニック信号プロセッサ；及び
前記１つ又は複数のフォトニック信号プロセッサによって出力された複数の信号を受信するとともに、第２の複数のアンテナ要素を介して１つ又は複数の送信ビームを出力するように配置された項目６～９のいずれか１項に記載の第２のフォトニックビームフォーミングシステム
を備える、フォトニック衛星ペイロード。
［項目１１］
前記変調ステージは、複数の電気光学、ＥＯ、変調器を更に有し、前記フォトニックビームフォーミングシステムは、
前記ＯＦＦＴネットワークによって出力された前記複数のビームフォーミングされた信号を前記電気ドメインに変換するように構成された複数の光検出器を有する変換ステージ；及び
前記変換ステージのために前記光搬送波及び光局部発振器信号を供給するように配置された光周波数生成ユニット
を更に備える、項目１～５のいずれか１項に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
［項目１２］
前記衛星ペイロードからの複数の電気信号を光搬送波上に変調して、前記ネットワークへの入力のためにそれぞれの複数の光信号を出力するように構成された変調ステージを更に備え；
前記変換ステージは、複数の光検出器を有し；
前記フォトニックビームフォーミングシステムは、前記変換ステージのために前記光搬送波及び光局部発振器信号を供給するように配置された光周波数生成ユニットを更に備える、項目６～９のいずれか１項に記載のフォトニックビームフォーミングシステム。
［項目１３］
第１の複数のアンテナ要素から複数の信号を受信するように配置された項目１１に記載の第１のフォトニックビームフォーミングシステム；
前記第１のフォトニックビームフォーミングシステムによって出力された前記複数のビームフォーミングされた電気信号を処理するように配置された１つ又は複数のデジタル信号プロセッサ；及び
前記１つ又は複数のデジタル信号プロセッサによって出力された複数の電気信号を受信するとともに、第２の複数のアンテナ要素を介して１つ又は複数の送信ビームを出力するように配置された項目１２に記載の第２のフォトニックビームフォーミングシステム
を備える、衛星ペイロード。
［項目１４］
項目１０又は１３に記載のペイロードを備える衛星。
［項目１５］
項目１～３のいずれか１項に記載のフォトニックビームフォーミングシステム；
１つ又は複数の干渉信号について前記フォトニックビームフォーミングシステムの前記ネットワークの前記出力をモニタリングし、前記１つ又は複数の干渉信号の１つ又は複数のそれぞれの干渉ビーム角度を決定するように構成された干渉モニタリングステージ；
前記ネットワークの前記出力において前記１つ又は複数の干渉ビーム角度をヌリングするように構成されたヌリングステージ；及び
前記１つ又は複数の干渉ビーム角度を伴うことなく逆ＯＦＦＴを適用することによって前記フォトニックビームフォーミングシステムへの前記信号入力を再構成するように構成された更なるネットワーク
を備える、干渉相殺システム。
【国際調査報告】