JP2005520382A - モジュラープリントアンテナ - Google Patents
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Abstract
多数の異なる所定のRF通信プロトコル方式の1つに基づいたRF無線通信方式で構成された無線通信装置の取外し可能でモジュラー式のアンテナ(10)である。無線通信装置(30)は、複合アンテナモジュール(10)を通信装置(30)の用途に合わせて選択できるよう構成されている。通信装置(30)はラジオモジュール(34)と電気コネクタ(40)を有する主回路基板(32)からなる。1つ以上のアンテナモジュール(10)は結合したRFコネクタ(24)を用いたラジオモジュール(34)の主回路基板(32)上に取外し可能で実装され、そのRFコネクタ(24)はケーブル不要の接続、アンテナモジュール(10)を用いたラジオモジュール(34)の取外し可能な接続を実現するラジオモジュールの電気コネクタ(40)と関連している。
Description
本発明は無線通信に用いられるアンテナ装置、特にモジュラーアンテナに関するものである。
従来、アンテナは、携帯ラジオの後部から伸び出る小型モジュラー外部アンテナから、屋根の上に取り付けられた大型のパラボラアンテナまで、様々な形状や大きさで使用されてきた。最近まで、特に拡張モジュラーアンテナの場合は、設置者または使用者が、設置されているアンテナを異なる特性を持つ広帯域アンテナから、選択された別のアンテナに取り替えて、通信機器の動作特性を変えることが可能であった。
しかし、使用可能な周波数領域が乏しくなり、同一周波数帯を異なる装置や通信方式が共有しているので、容易に変更可能なアンテナの利用は制限されてきた。特に、米国連邦通信委員会(FCC)は現在、使用者によって容易に変更可能なアンテナ・アセンブリを有する通信機器を禁止している。この動きは、使用者が、意図的であろうと無かろうと、機器のアンテナ装置がピーク放射電力を上回って使用することを妨げるものであり、それによって特定の周波数帯域の通信装置が同一周波数の他の装置を干渉することを防ぐ。
例えば、最近開発された消費者用製品は2.4GHzISM(工業、科学、医療)帯のような高周波数帯で動作するように開発されてきた。電話、ブルートゥース用の製品、様々なタイプの無線LANシステムおよび他の装置もすべて2.4GHz帯で共有している。その結果、同一周波数帯用のタイプの異なるトランシーバーが必要になってきた。これらの通信機器間の干渉を最小限に抑えるためには、ピーク電力仕様を超えないアンテナが使用されなくてはならない。さらに、一般家庭やオフィスへ異なる無線機器が導入されると、異なるRF特性が要求される。従って、通常の方法は、個別の無線機器とアンテナによる無線装置を組み立てて、RFケーブルアセンブリで接続する。それによって異なるアンテナを無線機器のアセンブリの裏面に差し込むことができる。このような方法の問題点は、RFケーブルとコネクタの高コスト化であり、それは全装置コストの約75〜90%になる。
RF信号とアンテナとの固有の性質のために、高周波領域で動作する通信機器は、通信機器の筐体製品の中に集積化された、より小型で、安価なアンテナの利用を可能にしている。さらに、高周波デバイスで物理的に小型のアンテナを用いた動作が可能になっただけでなく、アンテナのデザインも「プリント回路アンテナ」と呼ばれるパッチアンテナの新しい考えを用いることによって、より小型にアンテナを作ることによって大きな発展を遂げてきた。
さらに、軽量化によって、殆どの平面プリントアンテナは他の回路部分と同一の基板上に形成することができるという利点を持っている。この利点は、製品の製作時間とコストを低減する。しかし、アンテナの設計がもはや通信機器と分離することができないため、着脱式の利点は無くなってきた。
本発明の形態によると、無線通信装置分野において、取替え可能なモジュール式アンテナ装置が提供されている。無線通信回路は、複数の所定のRF通信プロトコルの1つに基
づくRF無線通信用に構成されることが望ましい。アンテナモジュールは、RF無線通信回路を介して用いられるRF通信プロトコルを最適化するアンテナモジュールの所定の動作特性に基づいた装置で使用されるべく選択される。無線通信装置は、装置中で使用されるべく選択された複数のモジュールからなることを可能にしている。各RFモジュールは、特性の異なるRF通信プロトコルと、それに関連する回路基板に基づく、RF無線通信回路を内蔵している。
づくRF無線通信用に構成されることが望ましい。アンテナモジュールは、RF無線通信回路を介して用いられるRF通信プロトコルを最適化するアンテナモジュールの所定の動作特性に基づいた装置で使用されるべく選択される。無線通信装置は、装置中で使用されるべく選択された複数のモジュールからなることを可能にしている。各RFモジュールは、特性の異なるRF通信プロトコルと、それに関連する回路基板に基づく、RF無線通信回路を内蔵している。
プリント回路アンテナで構成されるアンテナモジュールは、モジュラーアンテナ基板がエンドユーザーや製作者によって簡単に設置や取外しができるように、通信装置上に支柱を取り付けた設計になっている、キーホールスロットとアライメントカットを含んでおり、それは支柱がアンテナモジュールを精密な高さで安全に設置し保持して、アンテナモジュール上のコネクタが通信装置の無線機器やRFモジュール上のアンテナコネクタに接続する。従って、特にアンテナモジュールの利点は、アンテナモジュールを簡単に取外しや設置することによって通信機器の動作特性を素早く変更できる点である。
アンテナモジュールの更なる利点は、モジュールの低い生産コストによって製造者が各通信装置に複数のアンテナモジュールを各通信装置に組み込むことができ、そしてそれぞれのアンテナモジュールが標準コネクタ、あるいは無線モジュールに接続するためのインタフェイスを備える。更には、それぞれのアンテナモジュールは、放射パターン、帯域幅、消費電力、などの異なる動作特性を持っている。例えば、第1のモジュールは、高層住宅やオフィスビルのために最適化され、広帯域、全方向性で構成された第1のアンテナモジュールを備えている。第2のモジュールは平屋建て用に最適化されたもので、ある一平面のみに指向特性を持つアンテナパターンを有する。従って、ユーザーがアンテナモジュールを他のアンテナに簡単に変更することによって、通信装置の動作特性を柔軟に調整できる。
本発明の別の態様として、通信装置の無線モジュールはモジュール式で簡単に交換可能である。アンテナモジュールと同様に、各無線モジュールはアンテナモジュールと接続するための同型のコネクタを含んでいる。従って、これらの装置の製造者や使用者は、例えば通信装置の残りの部分はそのままにして、適当な無線モジュールを通信装置中に簡単に設置することによって、ブルートゥース装置またはHOMERF装置を作製することが出来る。前述のように、無線モジュールは同じアンテナモジュールとして使用するために同じ標準インタフェイスで構成されている。従って、その結果、コスト削減、柔軟性が向上する。
図1と図5は、表面実装コネクタ24、キーホールスロット28、および雌雄コネクタと装着用ポストを有する無線通信装置用に搭載された、取替え可能、交換可能な1つ以上のモジュラーアンテナからなる装着素子26を有する、本発明によるモジュラーアンテナ10を示す。
アンテナモジュール10は、薄い本体の表面に少なくとも1つ、プリントアンテナ回路22を有し、回路基板の有効厚さを劇的に増加させない、背の低い表面実装雄コネクタ24を有する、アンテナ回路基板20からなる。例えば、本実施例におけるアンテナモジュールは50.8インチ×19インチ(1290mm×482.6mm)で、本体の厚さは1.6インチ(40.64mm)である。雄コネクタ24は、3つのピンをアンテナ回路22にはんだ付けすることによって、アンテナ基板のエッジ横面に装着される。それによって、アンテナを電気接続し、アンテナモジュールと通信装置との無線通信が可能となる。アンテナ回路基板は適切なあらゆる手段で、所望の位置に取外し可能に取り付けられる。さらに好ましい実施例において、アンテナ回路基板20は、一対の実装した素子26(
アライメントカット)、装着素子と整合する通信装置内の所定表面上のアンテナモジュール10に安全に配置されたキーホール形状の、一対の装着素子28からなる。
アライメントカット)、装着素子と整合する通信装置内の所定表面上のアンテナモジュール10に安全に配置されたキーホール形状の、一対の装着素子28からなる。
PCB上に実装される素子は、支柱42、42’であり、モジュール基板の取り付けのための支持用ショルダーを備えている(図2参照)。アンテナモジュール10は支柱42’のショルダーに配置され、キーホールスロットの幅広部分は支柱42’の上に位置し、支持ショルダーと同じ高さであり、切断部26の端部は支柱42のショルダーの上になる。このようにして、アンテナモジュール10の雄コネクタ24は、RFモジュールの雌コネクタ40と同じ高さに配置される。次にアンテナモジュール10は前方に動かされて、コネクタ24と40が結合する。結合したコネクタ24と40は図4に示すMOLEX#73415−099XのようなMMCX表面実装3ピンコネクタ、もしくは回路基板の厚さを大きくは増やさない、他の表面実装コネクタが良い。
装着後、支柱42の第1の組は半円形カット26の内側に配置され、支柱42’の第2の組はキーホールスロット28の狭い部分内に配置される。さらに安定性を増すために、アンテナモジュール10が前方に動かされた時、、キーホールスロット28の狭い部分が支柱42’と強固にかみ合わさる様にキーホールスロット28のサイズを決める。
アライメントカットである実装素子26は、二重の目的を果たす。第1に、実装素子26は正しいアライメントに基板を配置することによって、通信装置30へのアンテナモジュール10の実装を補助する。アンテナ基板10が前方に移動した場合、実装素子26は、アンテナ基板10を雄コネクタ24が雌コネクタ40で適切に配置され、それによって接続時の調整不良によるコネクタにかかる、あらゆる応力を除去する。第2に、アライメントカットされている実装素子26はまた、アンテナが実装位置にある時のアンテナ基板10の安定性と保持性を向上させる。一例として、キーホールスロットもしくは楕円形の代わりにアンテナ基板10の前面にアライメントカットを使用すると、無線モジュールにより近く支柱42を配置できることが可能になる。これはアンテナ基板10が最も遠い端部で支持される位置に置かれることも可能で、その結果、アンテナモジュール通信装置30に接続される際、基板に応力がかかる可能性の低減、比較的脆性の雌雄コネクタに力がかかる可能性を低減する。
実際の操作において、通信装置30は筐体(不表示)内に配置され、そして主回路基板32は、アンテナコネクタ24が、無線モジュールコネクタ40から簡単に接続や取外しできるアンテナコネクタ24を有する背面アセンブリであるように実装される。
従って、キーホールスロットとアンテナモジュール10を実装する支持装置を用いることの大きな利点は、アンテナ基板10が使用者によって簡単に設置、外され得ることである。使用する無線通信の標準形に対する使用者の要求が変化するので、代わりの通信方式の標準に適合させるためにアンテナ基板を交換するのに、2,3の簡単な作業が必要なだけである。キーホール、支柱装置はまた、アンテナ基板10の機械据付けを簡単にする。さらに、キーホールスロット28の狭い部分と支柱42との間で強固に固定するので、装置の衝突や振動により接続が外れることはないだろう。
図3は、無線通信装置30の回路基板部品を示している。装置30はRF通信モジュールを含むモジュラー部品、あるいは無線モジュール34、そして主回路基板32に取替え可能なように実装されている1つ以上のアンテナモジュール10からなる。無線モジュール34は、回路基板38に関連した無線通信基板36と、例えば、はんだ付けによって、上述したような、アンテナモジュール10と無線モジュール34のケーブル不要の接続を可能にする、雄アンテナコネクタ24と合わさった、回路36に電気的接続された表面実装電気コネクタ40からなる。装置30の主回路基板32は、上述のような無線モジュー
ル34に接している所定位置にあるアンテナモジュール10を取替え可能なように装着している支柱42と42’からなる。
ル34に接している所定位置にあるアンテナモジュール10を取替え可能なように装着している支柱42と42’からなる。
また同図は、アンテナモジュール10が整合する装着素子によって、装置20の主回路基板32に搭載された場合の、アンテナ22を用いた無線モジュール回路36のケーブルを使用しない電気接続を示している。アンテナモジュール10と通信モジュール30は機械的、電気的にRFコネクタ24と40の結合により相互接続される、雄コネクタ24のピン25、25’及び25”はアンテナ回路22にはんだ付けされ、雌コネクタ40のピンは無線モジュール34の回路にはんだ付けされる。雌雄コネクタは各基板にはんだ付けされ、アンテナモジュール10が所定の位置に実装される時、雄コネクタ24と雌コネクタ40は互いに反対に設置され、結合することができる。図4に示すように、雄コネクタ24はコネクタヘッド21を含むように形状が決められており、ショルダー27、27’、そして平坦なベース部23を有する。この形状は、コネクタ24のベース部23がアンテナモジュールの回路基板20と強固に重なるように、コネクタ24がアンテナモジュール10−の上に配置されることを可能にする。
図5は一例として、実質的に無指向性のアンテナパターン22が印刷されたHOMERF標準によって最適化されたアンテナモジュール10を示している。アンテナモジュール10が装置筐体内に設置された場合、このアンテナモジュールは上方向にアンテナ指向特性を持ち、下方向には指向特性を持たない。このモジュールは中層、もしくは低層の家屋向けの設置に最適化されているので、従って、屋根裏や家の隅に設置された場合は、その最適性能を示さない。しかし、他の適切なモジュールの装着されたアンテナモジュールを簡単に交換することによって、装置は素早く、簡単に、屋根裏でも家の隅においても最適な性能を発揮することができる。アンテナモジュールはデスクトップ用、天井用、壁面用の設置に最適化することもできる。よってユーザーは、装置の動作要求や、設置位置に応じて、装置の動作特性を最適化するアンテナモジュールを簡単に交換することができる。工場生産の際、本発明の実施例におけるアンテナモジュール10は、製造の簡略化を容易にするために、通信装置30に実装される。従って、複数のアンテナモジュールは、その装置によって使用される特定のRF通信プロトコルを基にした装置の製造者によって選択された部品サイトで入手可能である。
通信装置の性能をさらに最適化するために、別の具体例であるアンテナモジュールは必要な動作特性を得るために組み合わされている。従って、図3に示すアンテナモジュール10と10’は、装置の動作特性を組合わせることを可能にするケーブルによって一緒に電気的接続され得る。また、モジュールは上下に設置されて、絶縁スペーサによって支えられ、コネクタを用いて相互に直列に電気的接続され得る。アンテナモジュールを組合わせることにより、費用削減も可能となる。アンテナモジュールを組合わせることによって独特の性能が実現されるので、更なるモジュールを作製する必要がなくなる。
別の実施例において、通信装置のモジュラー構造は、パッケージ中に含まれるアンテナモジュールのグループと一緒に、無線モジュールも利用できる。無線モジュール34は通信装置30の主回路基板32上に取外し可能で実装され、パッケージに含まれるアンテナモジュール10と結合され得る別の無線モジュールと交換できる。コネクタ40は、無線モジュール34の回路基板38上に実装され、そして無線モジュールの搭載によって、通信装置30の主回路基板32に電気的接続される。続いて、選択されたアンテナ10を上述した所定位置に実装し、アンテナ22と電気的に接続されているコネクタ24はコネクタ40と接続する。従って、特定の通信プロトコルは簡単に素早く選択できる。例えば、2.4GHz帯において家庭用ネットワークに用いられる、3つの標準がある。それぞれの標準規格における、ブルートゥースを含む、無線モジュール、またはトランシーバー、HOMERF、そして802.11bは上述の通り同じアンテナが用いられている。従っ
て、本発明は無線機器とアンテナモジュール間との標準インタフェイスを明示している。
て、本発明は無線機器とアンテナモジュール間との標準インタフェイスを明示している。
交換可能な無線装置の大きな利点は、使用者に柔軟に対応できることである。例えば、使用者は会社と自宅との間でラップトップコンピュータに移動させたいと思う。もし使用者が通常のオフィス環境で使うような802.11b型トランシーバーを持っていたら、使用者の自宅のHOMERF装置との互換性はないだろう。その時、使用者は、少なくとも一度は自宅でイーサネット接続を介してネットワークと有線接続等、多重通信装置を使用者が所有し維持する必要があるアダプタをノートブックにインストールせざるを得なくなる。しかしながら本発明によって、使用者は簡単に802.11bトランシーバーを取り離すことができ、家庭用RFトランシーバーに置き換えることができる。装置の他の部品全ては原型を留めたままである。従って、使用者が素早く、安価に通信プロトコルを切り替えることができる。さらに上述したように、使用者は、ラップトップコンピュータで使用しているアンテナ形状に応じてアンテナモジュール10を取り替えることができる。無線通信機器とアンテナモジュールとの間の無線接続を構成し、これまで要求されていたフレキシブルのレベル分離同軸ケーブルのコストを省くことにより画期的なコスト削減が実現できた。
従って、使用者が取替え可能な無線機器とアンテナモジュールの使用によって柔軟性を増加させる結果になったのは明らかである。実際、2つの無線モジュールとアンテナモジュールを有する組立てキットを使用者に6つ以上の設定オプションを可能にしている。無線機器とアンテナモジュール間との標準インタフェイスは、使用者がさらに必要に応じてコンポーネントを高速に切り替えたり、素早く簡単に要求する設定にセットアップすることを可能にしている。
本発明は好ましい実施例を用いて説明したが、本発明は詳細説明に限定されないことは言うまでもなく、当業者にとっては、多くの変更及び改良が可能であり、本発明の精神と範囲内にある全ての変更と改良をカバーする添付した請求の範囲にある。
Claims (21)
- 無線通信に適合された回路を有する電子装置の、空気中を伝播させる信号を受信するアンテナ(10)であって;
前記装置への接続によって、スペースの有効活用のために所定の小型外形を有するアンテナ回路基板(20)と;
前記アンテナ(10)の所定の動作特性を規定する、前記回路基板(20)上のアンテナ回路(22)と;
基板が前記装置の回路に電気的に接続されるアンテナ回路(22)に取外し可能に接続され得て、装置回路は、基板間を電気的に接続するために、アンテナ基板と装置との間にケーブルを使用しない、回路基板(20)上の電気コネクタ(24)と、からなるアンテナ。 - 前記所定の動作特性がアンテナの放射指向性、帯域幅、所要電力の要求を含むこと、からなる請求項1に記載のアンテナ(10)。
- 前記回路基板(20)は、薄い主要部分と、少なくとも前記基板表面の1つの上に構成された前記アンテナ回路(22)を有する前記主要部分上の反対面を有し、前記電気コネクタ(24)が前記薄層主要部分の実効厚さを著しく増加させない前記主要部分上の背の低い表面実装コネクタ、からなる請求項1に記載のアンテナ(10)。
- 前記アンテナ回路(22)はRFアンテナ回路であり、前記電気コネクタ(24)はRF電気コネクタ、である請求項1に記載のアンテナ(10)。
- 前記アンテナ回路(22)は、前記装置の無線信号を伝播するために構成された、請求項1に記載のアンテナ(10)。
- 無線通信装置(30)であって;
同装置(30)を用いた無線通信を可能にするために構成された前記装置(30)の回路(34)と;
前記無線通信回路と電気的接続されている前記装置(30)の電気コネクタ(42)と;それぞれが前記装置(30)の空中信号を受信するためのアンテナ回路(22)を有し、相互に所定の動作特性を有する回路基板からなる複数のアンテナモジュール(10)と;前記モジュールのそれぞれが集積化された電気コネクタ(24)であって、前記各モジュール上の同じ規格を有する前記電気コネクタと、前記アンテナ回路と前記無線通信回路を電気的に接続するための前記装置の電気コネクタを接合するために構成され、前記モジュールが前記の関連した動作特性に基づいた選択的に取外し可能である、無線通信装置(30)。 - 前記の異なる規格の動作特性は、前記装置の異なる規格の動作環境に、前記各モジュールの利用を調整する、ことからなる請求項6に記載の前記無線通信装置(30)。
- 前記無線通信回路(36)がRFモジュール(34)と同RFモジュールに取外し可能に接続される主要回路基板(32)を含み、それによって異なるRFモジュールが異なるRFプロトコルのために構成された通信回路を有する、前記回路基板(32)に接続し得て、装置の電気コネクタは(40)は主回路基板上に配置されている、ことからなる請求項6に記載の無線通信装置(30)。
- 前記装置(30)は回路基板(38)を含み、前記電気コネクタ(40)、(24)は、前記装置(30)とアンテナ回路基板(20)の端部に集積して配置された端末コネク
タ、である請求項6に記載の無線通信装置(30)。 - 前記回路基板(20)が実装され、同回路基板は、装置の電気コネクタ(40)に機械的に接続される位置にある前記アンテナモジュール(10)の前記電気コネクタ(24)の方に向いている、実装部材(42)を有する筐体を含む、請求項9に記載の無線通信装置(30)。
- 前記電気コネクタ(24)、(40)と回路基板(20)、(38)が前記装置の電気コネクタ(40)に接続される前記アンテナモジュールの1つと一緒に収納されている筐体、からなる請求項9に記載の無線通信装置(30)。
- 前記無線通信回路(36)は、複数の異なる規格のRF通信プロトコルの1つに基づいたRF無線通信方式のために構成され、前記アンテナモジュールは、前記RF無線通信回路を介して用いられた前記RF通信プロトコルが最適化される所定の動作特性を有する前記アンテナモジュール(10)に基づく前記デバイスとともに用いるために選択される、請求項12に記載の無線通信デバイス装置(30)。
- 前記RF無線通信回路(36)と、複数のモジュールが、前記デバイス(30)の中で使用されるために選択された前記の異なるRF通信プロトコル方式に基づいて、それぞれのRF回路に形成されるための前記関連した回路基板(38)を含む、ことからなる請求項12に記載の無線通信装置(30)。
- 前記電気コネクタ(24)、(40)はRF表面実装コネクタである、請求項6に記載の無線通信装置(30)。
- 無線通信装置(30)の操作を最適化する方法であって;
それぞれ異なった動作特性を持つ、複数のアンテナモジュール(10)を作製する工程と;
前記動作特性に基づく前記装置と共に用いるアンテナモジュールの1つを選択する工程と;
前記装置(30)用の空中信号を受信するための前記装置(30)の無線通信基板(36)に前記アンテナモジュールの前記選択された1つを取外し可能に接続する工程、とからなる方法。 - 前記複数のアンテナモジュールは、前記装置(30)を有する販売用前記モジュールをパッケージングするために作製され、その前記モジュールは購入者、装置や装置がパッケージされたモジュールの使用者によって選ばれた前期アンテナモジュール(10)を使用したモジュール、からなる請求項15に記載の方法。
- 前記購入者又は使用者が前記装置(30)の使用環境を判断して、前記装置の使用環境に最適化された特性を有する前記モジュールを選ぶことによって、前記アンテナモジュール(10)を選択する、工程からなる請求項16に記載の方法。
- 前記多数のアンテナモジュールは前記装置の製造者によって選ばれた前記アンテナモジュールを用いた前記装置の組立て場所において前記モジュールが入手可能な請求項15に記載の方法。
- 製造者は、前記デバイス無線通信回路に利用されたRF通信プロトコルを決定し、前記RF通信プロトコル用に最適化された動作特性を有する前記モジュールを選択することによって前記アンテナモジュールを選択する、工程からなる請求項18に記載の方法。
- 前記アンテナモジュール(10)は前記装置(30)と前記モジュール(10)の表面実装RF電気コネクタ(24),(42)がともに結合している前記無線通信回路と取外し可能な接続をされる、工程からなる請求項15に記載の方法。
- 前記無線通信回路(36)は通信モジュールの回路基板(38)上にあり、前記選択されたアンテナモジュール(10)は、前記無線通信回路(36)と取外し可能に接続されており、;
電気コネクタを有する前記装置の主回路基板を作製する工程と;
異なる無線通信プロトコルを基に通信回路をそれぞれ有する複数の通信モジュールを作製して、使用する通信モジュールの1つを選択する工程と;
電気コネクタを電気的に接続された主回路基板に選択された通信モジュールを実装する工程と;
アンテナモジュールの電気コネクタを主プリント回路基板の電気コネクタで接続する工程と、によって接続される請求項15に記載の方法。
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