JP2005521289A - 適応アンテナ・アレイを備えた移動通信携帯電話機 - Google Patents

Abstract

移動通信携帯電話機（１００）は、筐体（１１０）から突出した、少なくとも１つの受動アンテナ素子（１０４）およびこの受動アンテナ素子に近接した能動アンテナ素子（１０２）を備えている。能動素子（１０２）は電子無線通信回路に接続され、また受動アンテナ（１０４）素子は、これらアンテナ素子に結合された通信信号の指向性に影響を与える回路素子に接続されている。

Description

符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）変調および他のスペクトラム拡散技術は、現在では、セルラー移動電話機、無線ローカル・エリア・ネットワーク、および類似のシステムなどの無線システムにおいて幅広く利用されている。これらのシステムにおいては、中央のハブまたは基地局と１つまたは複数の移動加入者ユニットまたは遠隔加入者ユニットとの間のコネクションが実現される。一般に基地局は専用のアンテナを備え、このアンテナにより、移動加入者ユニットに順方向リンク無線信号を送信し、また移動ユニットから送信された逆方向リンク無線信号を受信する。各移動加入者ユニットもアンテナを備え、順方向リンク信号の受信および逆方向リンク信号の送信を行なう。代表的な移動加入者ユニットは、例えばデジタル携帯電話機、またはセルラー・モデムを内蔵した携帯情報端末、あるいはその他の無線データ装置である。ＣＤＭＡシステムにおいては、複数の移動加入者ユニットが、同時に同一搬送周波数で信号を送信および受信することが通常である。固有の変調コードにより、個々の加入者ユニットから発信される信号、あるいは個々の加入者ユニットへ送信される信号を識別する。

他の無線アクセス技術もスペクトラム拡散を利用して、中央ユニットと１つ以上の複数の遠隔ユニットまたは移動ユニットとの間の通信を行なう。このような無線アクセス技術には、米国電気電子技術者学会（ＩＥＥＥ）８０２．１１により公表されたローカル・エリア・ネットワーク標準や、産業界の開発による無線ブルートゥース規格がある。

移動加入者ユニットにおいて用いられる最も標準的なアンテナは、モノポール・アンテナである。モノポール・アンテナは、多くの場合、１本の金属線や他の金属製の細長い素子で構成される。このようなモノポール・アンテナから送信される信号は通常、本質的に無指向性である。すなわち、信号は、ほぼ水平な面内のすべての方向に、ほぼ同一の信号電力で送信される。モノポール・アンテナ素子での信号の受信も、同様に無指向性である。このように、モノポール・アンテナは、１つの方向からの信号と他の方向からの別の信号とを識別できない。大部分のモノポール・アンテナは、垂直面にはほとんど放射を生じないが、三次元において予想されるそのアンテナ・パターンは一般的にドーナツ状のトロイダル形状であり、アンテナ素子がドーナツの孔の中央に位置する。

不利な点は、一般にＣＤＭＡ通信システムは、干渉により制限されることである。すなわち、ある特定の領域内で動作中の加入者ユニット数が増加し、同一基地局へのアクセスを共有するようになるにつれて、これら加入者ユニット間での干渉が増加し、その結果、加入者ユニットが受信する信号のビット誤り率も高くなる。誤り率が高くなってもシステムの完全性を保つには、多くの場合、１つまたは複数のユーザに利用可能な最大データ・レートを低下させるか、あるいは動作中のユニット数を制限して、無線スペクトラムの干渉を無くする必要がある。

基地局および／または移動ユニットの両者またはいずれかに指向性アンテナを用いることによって、過剰な干渉を除去できる。通常、指向性アンテナ・ビーム・パターンは、基地局においてフェーズド・アレイ・アンテナを使用することによって達成される。フェーズド・アレイは、各アンテナ素子に入力される信号の位相角を制御することによって、所望の方向に電子的に走査すなわち方向操作される。

しかし、フェーズド・アレイ・アンテナには、アレイが放射信号の波長に比べて電気的に小さくなるにつれて効率および利得が低下するという問題がある。フェーズド・アレイを携帯用の可搬式加入者ユニットに組み合わせて使用した場合、あるいは使用しようと試みた場合、アンテナ・アレイの間隔を相対的に小さくする必要があり、その結果、アンテナの性能が低下する。

携帯用無線装置のアンテナを設計する場合、いくつかの検討事項を考慮しなければならない。例えば、アンテナの電気特性を慎重に検討して、伝播信号が、例えばビット誤り率、信号対雑音比、あるいは信号対雑音と干渉の和の比などの所定の基準要件を満足するようにしなければならない。

さらにアンテナは、一般的なユーザのニーズを満足するよう、特定の機械的特性を備えなければならない。例えば、アンテナ・アレイの各素子の物理的長さは、送信および受信信号の周波数によって決まる。アンテナがモノポールとして構成される場合、長さは通常、信号周波数の４分の１波長であり、（一般的な無線周波数帯の１つである）８００メガヘルツ（ＭＨｚ）での動作においては、４分の１波長モノポールは通常、約３．７インチ（９．４ｃｍ）の長さになる。

さらにアンテナは、美観上喜ばれる外観を備える必要がある。とくに移動または携帯型の可搬式ユニットに用いられる場合、全体としての装置が、容易に持ち運ぶことができる形状を備え、比較的小型かつ軽量でなければならない。したがって、アンテナは、機械的に簡単かつ高信頼性でなければならない。

アンテナの電気的、機械的、および美観特性が重要であるだけではなく、無線環境における特有の性能上の問題も克服しなければならない。このような問題の１つは、マルチパス・フェージングと呼ばれている。マルチパス・フェージングにおいては、送信側（基地局または移動加入者ユニットのいずれか）から送信された無線信号が、目的とする受信者までの経路において干渉を受ける可能性がある。例えば、信号が建築物などの物体から反射された結果、原信号の反射信号が受信者に向けられる可能性がある。このような場合には、同一無線信号の２つの信号分、すなわち原信号と反射信号が受信される。受信された信号のそれぞれは同一周波数であるが、反射信号は、反射のため、および反射の結果として受信者までの伝送経路長さが異なるため、原信号と位相がずれる。この結果、原信号と反射信号が部分的に打ち消し合い（弱め合う干渉）、受信信号のフェージングまたは欠落を引き起こすことがある。

単一素子のアンテナは、マルチパス・フェージングの影響をきわめて受けやすい。単一素子アンテナは、信号が送信されてきた方向を特定できず、したがって、送信信号を正確に検知して受信するように向きを変えることができない。指向性パターンは、アンテナ構成要素の物理的構造によって決まる。マルチパス・フェージングの影響を未然に防ぐ目的では、単にアンテナの位置および方向を変更できるだけである。

また、２素子アンテナも、アンテナ・パターンの半球形ローブが対称的かつ対向する特性であるため、同様にマルチパス・フェージングの影響を受けやすい。垂直面で切断すると明らかなように、アンテナ・パターン・ローブは、ほぼ対称かつ互いに反対向きであるため、アンテナの背面側に反射される信号は、正面側で受信される信号と同一受信電力を有する。すなわち、送信信号が、目的とする受信者を越えた位置のまたは背後の物体で反射され、さらにアンテナの背面側に反射された場合、この信号は、２つの信号間の位相差がマルチパス・フェージングによる弱め合う干渉（相殺的干渉）を生成する空間内の各点において、送信源から直接受信された信号との干渉を引き起こす。

セルラー通信システムにおいて生じる別の問題は、セル間の信号干渉である。大部分のセルラー・システムは、個別のセルに分割されており、各セルはセルの中央に基地局を有する。各基地局の配置は、隣接する基地局が互いにほぼ６０°間隔で位置するように構成されている。各セルは、中央に基地局を有する６辺の多角形と見なすことができる。各セルの周辺部が隣接するセルと接し、セルの集合によって蜂の巣状のパターンを形成している。セルの周辺部から当該セルの基地局までの距離は、一般に、当該セルの周辺部の近傍に位置する移動加入者ユニットから当該セルの基地局まで、受信可能な信号を送信するのに必要な最小の電力（すなわち、１つのセルの半径に等しい距離まで受信可能な信号を送信するのに必要な電力）によって決められる。

セル間の干渉は、１つのセルの周辺部近くの移動加入者ユニットが、周辺部を超えて隣接セルに入る信号を送信し、隣接セル内でなされている他の通信と干渉したときに発生する。一般に、複数のセルにおいて同一またはわずかの差の周波数の信号が使用されているために、セル間干渉が生じる。セル間干渉の問題は、あるセルの周辺部近くに位置する加入者ユニットが一般に高電力レベルで送信する結果、送信信号がそのセルの中央に位置する目的の基地局によって有効に受信できると、いう事実により複雑になる。さらに、目的の受信者を越えた位置のまたは背後に位置する別の移動加入者ユニットからの信号が、同一電力レベルで基地局に到達し、さらに別の干渉を引き起こす可能性もある。

ＣＤＭＡシステムにおいては、隣接するセル内の加入者ユニットが、通常、同一搬送周波数または中心周波数で送信するため、セル間干渉の問題が悪化する。例えば、同一の搬送周波数で動作するが、異なる基地局に送信する、隣接セル内の２つの加入者ユニットは、一方の基地局で両方の信号が受信された場合に互いに干渉する。一方の信号が他方には雑音として現れる。干渉の程度および目的の信号を検出して復調する受信機の能力も、加入者ユニットが動作している電力レベルによって影響される。加入者ユニットの１つがセルの周辺部に位置している場合、この加入者ユニットは当該セルおよび隣接セル内の他のユニットに比べて高い電力レベルで送信し、目的の基地局に届くようにする。しかしこの信号は、目的としていない基地局、すなわち隣接セルの基地局でも受信される。目的としていない基地局で受信される同一搬送周波数の２つの信号の相対的な電力レベルによっては、当該セル内から送信された信号を、近接セルから送信された信号と正しく識別できないことがある。基地局で受信される、干渉し合う送信の数を減らすことによって、逆方向リンク（加入者から基地へ）の動作に著しい効果を発揮できる、加入者ユニットのアンテナの見掛け視界を狭くするための機構が必要とされる。順方向リンクについてのアンテナ・パターンにおける同様の改良により、送信信号電力を低減させて、所望の受信信号品質を達成できる。

要約すると、無線通信技術において最も重要なことは、サイズおよび製造の複雑性を最小にすると同時に、最良のアンテナ性能を得ることである。

本発明による移動通信携帯電話機は、少なくとも１つの受動アンテナ素子とこの受動アンテナ素子に近接し、かつ筐体から突出した能動アンテナ素子とを備える。好ましくは、１つまたは２つの受動素子を備えることにより、２素子または３素子のアダプティブ・アンテナ・アレイが実現する。能動素子は電子無線通信回路に接続され、また受動アンテナ素子は、これらアンテナ素子に結合された通信信号の指向性に影響を与える回路素子に接続される。これに限定されるものではないが、アンテナ素子はモノポール素子またはダイポール素子であってもよい。さまざまな実施形態によれば、アンテナ素子は、（１）剛性の導電性ストリップ、（２）軟質フィルムに接着された導電性ストリップ、または（３）絶縁性基板の所定部分に配置された導電セグメントであってもよい。

アンテナ素子が絶縁性基板上に配置される場合、受動および能動アンテナ素子を絶縁性基板の同一面に配置することにより、直線的アンテナ・アレイ構成を実現できる。あるいは、受動アンテナ素子の少なくとも１つを絶縁性基板の、他のアンテナ素子を配置した面とは反対側の面に配置して、非直線アンテナ・アレイ配置によるより広範囲の指向性ビーム・パターンを実現することもできる。

さらに、携帯電話機に、接地構造体および１つまたは複数のスイッチを備えることもできる。スイッチを受動素子と接地構造体の間に配置して、両者の間の電磁的接続を制御できる。スイッチが受動素子を接地に接続すると、受動素子は反射モードで動作する。受動素子が開回路に接続されると、受動素子は指向モードで動作する。さらにスイッチは、他のインピーダンス素子と制御可能に接続する複数のスイッチ位置を有することもできる。このように、スイッチは能動および受動素子を制御することにより、１つの状態において無指向性アンテナ・アレイとして、あるいは別の状態において、異なる形状を有し、かつ異なる方向を向いた指向性ビームを有する指向性アンテナ・アレイとして、選択的に動作させることができる。

特定のいくつかの実施形態においては、接地構造体は、アンテナ素子の電流または近電磁界をアンテナ素子の基底部の方向に集中させる形状を有することができる。このようにして、携帯電話機を保持する利用者の手または携帯電話機自体の本体による性能への悪影響を低減できる。

アンテナ・アレイが２つのアンテナ素子を備える場合、第１アンテナ素子は電子無線通信回路に接続される能動素子であり、第２アンテナ素子は、これらアンテナ素子に結合される通信信号の指向性に影響を与える回路素子に接続される受動素子である。別の実施形態によれば、各アンテナ素子に接続される個々のスイッチを同期させて、アンテナ素子間で能動および受動の状態を切り換えることができる。

本発明の前述およびその他の目的、特徴、および利点は、添付図面に示す本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明で明らかになるであろう。図面では、同一参照符号は異なる図面においても同一部品を指す。図面は必ずしも縮尺通りでなく、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。

図１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、さまざまな実施形態による３素子の指向性アダプティブ・アンテナ・アレイを組み込んだ無線通信装置の概略図である。装置１００は、一般に、移動通信電話機（例えば、セルラー携帯電話機）や携帯情報端末（例えば、パーム・パイロット）など、特定形態の無線通信装置である。各図の装置１００は、アンテナ・アレイ１２０を組み込んだ筐体１１０を備えている。

アンテナ・アレイ１２０は、装置１００がセルラー携帯電話機１００の場合には基地局との、あるいは無線ローカル・エリア・ネットワーク（ＷＬＡＮ）プロトコルを利用する無線データ・ユニットの場合にはアクセス・ポイントとの、無線通信信号の指向性受信および送信を提供する。特定の基地局および／またはアクセス・ポイントと指向的に信号を通信することにより、アンテナ・アレイ１２０は、移動ユニット１００におけるセル間干渉およびマルチパス・フェージングの全体的影響の低減を支援する。さらに、容易に理解されるとおり、アンテナ・アレイで生成されるアンテナ・ビーム・パターンが、外側方向の所望の方向に広がる一方で、その他の方向の大部分においては減衰されるため、基地局による効率的な伝送に必要な電力が低減する。

一つの実施形態においては、アンテナ・アレイ１２０は、中央の能動素子１０２およびその両側に１つずつ配置された一対の受動素子１０４を有している。容易に理解されるとおり、受動素子１０４のそれぞれを、反射モードまたは指向モードのいずれかで動作させることができ、これによってアレイ１２０を特定の方向に方向操作できる。これらの実施の形態においては３素子を示すが、アレイ１２０はこれに限定されず、１、２、３、または４つ、あるいはさらに多くの受動素子を有してもよい、ことは理解されるであろう。フェーズド・アレイなどのアンテナ・アレイについては、さらに別の実施形態によるアンテナ・アレイが可能であり、この場合には、中央の素子１０２は存在せず、その他の素子を、能動信号合成回路と共に能動素子として使用する。

これに限定されないが、アンテナ素子は、モノポール素子またはダイポール素子でよい。ダイポール素子は利得を増大させるが、高さを大きくする必要がある。ただし、このサイズの問題は将来においてクリアなスペクトラムにアクセスする必要性からシステム・オペレータがより高い搬送周波数を使用するため、大きな問題にはならないであろう。

図１Ａおよび１Ｂを参照すると、アンテナ・アレイは内部に設けられたアンテナ接地構造体（図示なし）の一部と共に、携帯電話機の上面に取り付けることができる。あるいは図１Ｃのように、アンテナ・アレイを携帯電話機の底面に取り付けて、利用者の脳などの障害物および吸収物から離すことができる。

筐体から突出したアンテナ素子は、絶縁性基板の背板を有する導電性セグメントであってもよく、また随意に保護被覆で保護してもよい。さらに、アンテナ素子の突出部分は、比較的剛体の導体であってもよく、随意により保護被覆または金属で保護してもよい。あるいは、図１Ｂのように、アンテナは、柔軟性の程度が異なるフィルムに接着した薄い導電性ストリップであってもよい。

これらのアンテナ素子は、ＰＣＳ帯域で共振するのに適している。ただし、能動素子１０２は、８００ＭＨｚでの通信用の引出し式のホイップ・アンテナとして実現できる。能動素子の展開した長さに対し、受動（無給電）素子は短く、したがって８００ＭＨｚにおいて透過性である。このアンテナ・アレイ構成は、結果的に、８００ＭＨｚで放射する単一モノポールとなる。

図２は、１つの実施形態による、３素子の指向性アダプティブ・アンテナ・アレイを携帯電話機に組み込んだもの示す分解組立図である。この実施形態においては、例えば、３素子指向性アダプティブ・アンテナ・アレイ１２０は、プリント回路基板上に形成され、かつ携帯電話機の背面カバー４０５内に配置されている。中央モジュール４１０には、電子回路、無線受信および送信装置等を含むことができる。最後のモジュール４２０は、例えば装置の前面カバーとして利用できる。ここで明らかな重要な点は、アンテナ・アレイ１２０のプリント回路基板への実装が、携帯電話機の形状要素に容易に嵌め込まれる点である。別の実施形態においては、アンテナ・アレイ１２０を中央モジュール４１０の一体部分として形成することにより、アレイ１２０および中央モジュール４１０を同一プリント回路基板上に製作できる。

図３Ａは、１つの実施形態による３素子のアダプティブ・アンテナ・アレイの詳細図である。この図のアンテナ・アレイ１２０は、プリント回路基板などの絶縁性基板の所定部分に配置されており、前述の中央素子１０２ならびに受動素子１０４ａおよび１０４ｃを含む。容易に理解できるとおり、受動素子１０４のそれぞれは、反射モードまたは指向モードで動作できる。

中央素子１０２は、絶縁性基板１０８上に配置された導電性放射体１０６からなる。受動素子１０４ａおよび１０４ｃはそれぞれ、上部導電セグメント１１０ａおよび１１０ｃ、ならびに対応する下部導電セグメント１１２ａおよび１１２ｃを有する。これらセグメント１１０ａ、１１０ｃ、１１２ａ、および１１２ｃも、絶縁性基板１０８上に配置されている。一般に、下部導電セグメント１１２ａおよび１１２ｃは、それらの上端で接地されている。このようにして、上部導電セグメントは事実上モノポールであり、給電または負荷を平衡させるためのバラン回路を必要としない。さらに、一般には、上部セグメント１１０ａおよび１１０ｃならびに下部セグメント１１２ａおよび１１２ｃは、ほぼ同一長さである。

受動素子１０４のいずれか１つの上部導電セグメント、例えば上部導電セグメント１１０ａが、対応する下部導電セグメント１１２ａに接続された場合、受動素子１０４ａは反射モードで動作する。この結果、無線周波（ＲＦ）エネルギーは、受動素子１０４ａからエネルギーの発生源に向かって反射して戻される。

上部導電セグメント１１０ａが開いている（すなわち、下部導電セグメント１１２ａまたは他の接地電位に接続されていない）場合、受動素子１０４ａは指向モードで動作し、受動素子１０４ａは、この受動素子１０４ａを通過して伝播するＲＦエネルギーにとっては実質的に見えない（存在しない）状態になる。

１つの実施形態においては、図３Ａに示すとおり、中央素子１０２ならびに受動素子１０４ａおよび１０４ｃは、それぞれの素子が配置されているプリント回路基板のような、単一の絶縁性基板から形成される。またアンテナ素子を、変形可能な基板またはフレキシブル基板に配置することもでき、あるいは中央素子１０２の１つの表面に取り付けることも可能である。

さらに、それぞれのスイッチ・モジュール１１６ａおよび１１６ｃを含むマイクロエレクトロニクス・モジュール１２２を、前記モジュール間に設けられた導電経路１２４と共に、同一基板１０８上に配置することもできる。導電経路１２４上を伝わる信号が、マイクロエレクトロニクス・モジュール１１６ａおよび１１６ｃ内の構成部品の状態を制御して、受動素子１０４ａおよび１０４ｃの特定の動作状態（例えば、前述の反射状態または指向性状態のどちらかにする）を達成する。さらに、マイクロエレクトロニクス・モジュール１２２にはインタフェース１２５が接続されており、このインタフェース１２５により、アンテナ・アレイ１２０と携帯電話機１００の残りの部分に置かれた外部の制御装置との間の電気信号制御の接続を実現する。インタフェース１２５は、例えばリボン・ケーブルまたは他のコネクタなど、剛性材料または柔軟性材料のいずれからも構成できる。

図３Ｂは、別の実施形態による、３素子のアダプティブ・アンテナ・アレイの詳細図である。中央素子１０２ならびに受動素子１０４ａおよび１０４ｃは、制御モジュール４１０の電子無線通信回路１３０と同一絶縁性基板上に形成されている。この特定の実施の形態では、コネクタを必要としない。単一プリント基板はアンテナおよび無線通信回路を備えて形成できるため、製造コストをある程度低減できる。さらに、アンテナと無線通信回路との間のコネクタを排除することにより、ある程度の配線損失の低減も可能である。

図３Ｃは、さらに別の実施形態による、３素子アダプティブ・アンテナ・アレイの詳細図である。この実施形態においては、能動素子１０２（長方形の破線で示されている能動中央素子または導電性放射体１０６）は、絶縁性基板の、受動アンテナ素子１０４ａおよび１０４ｃを配置した面とは反対側の面に配置されている。この非直線のアレイ構成によって、図３Ａおよび３Ｂの直線アンテナ配置に比較して、無線通信信号の受信および送信をより大きい角度変化で実現できる。

図４は、１つの実施形態による、３素子アダプティブ・アンテナ・アレイ１２０の給電構造を示した回路図である。電子回路モジュール１２２に結合されたスイッチ制御および駆動回路１４２が、素子１０４ａおよび１０４ｃに結合された対応する制御モジュール１１６ａおよび１１６ｃのそれぞれに、論理制御信号を供給する。例えば、このような制御モジュール１１６ａおよび１１６ｃのそれぞれは、スイッチＳ１またはＳ２ならびに２つのインピーダンスＺ１およびＺ２に関連付けできる。スイッチＳ１またはＳ２の状態によって、第１のインピーダンスＺ１を接続するか、あるいは第２のインピーダンスＺ２を接続するかの、いずれかの接続状態が可能になる。好ましい実施形態においては、第２インピーダンスＺ２を０オームとし、第１インピーダンスＺ１を無限大にして、所望する接地への短絡または開路を実現できる。ただし、インピーダンスＺ１およびＺ２に、各種のリアクタンス値などの別の値が可能であることは理解されるであろう。さらに、別のスイッチ位置を追加して、他の角度方向の放射を実現することも可能である。

ここで、中央素子１０２は携帯電話機に結合している受信回路３００で直接駆動されることも明らかである。このように、他の方式の指向性アンテナ・アレイと異なり、この特定の指向性アレイ１２０は、操作がきわめて簡単であり、また複雑な結合器などが不要であるという利点を有している。

図５Ａ〜５Ｄは、３素子アダプティブ・アンテナ・アレイから得られる３次元放射パターンを示している。図５Ａおよび５Ｂは、指向性ビームと深いヌル点とを有する放射パターンを示している。指向性ビームはそれぞれ、ほぼ半円をカバーしている。指向性ビームはそれぞれ深いヌル点を有し、それにより、干渉信号を抑制して信号対雑音および干渉比を向上させている。

図５ＡのＸ軸の負の方向に広がるビーム・パターンは、受動素子１０４ａが指向モードで動作し、および受動素子１０４ｃが反射モードで動作することによって得られる。一方、図５ＢのＸ軸の正の方向に広がる放射パターンは、受動素子１０４ａおよび受動素子１０４ｃの動作モードを入れ替えることによって得られる。

図５Ｃには、双方向の放射パターンが示されている、双方向パターンは、角度ダイバーシティを増すために利用でき、同様に、高い信号対雑音および干渉比を実現する可能性を有する。図５Ｃの双方向の放射パターンは、受動素子１０４ａおよび１０４ｃの両方が反射モードで動作することによって得られる。

図５Ｄは、パイロット・サーチにおいて通常必要となる無指向性の放射パターンを示している。このパターンは、両方の受動素子が指向モードで動作することによって得られる。３素子アンテナ・アレイを図３Ｃの非直線配置で形成して、インピーダンスＺ１およびＺ２のインピーダンス値を調整することにより、ビーム・パターンをさらに多くの角度位置に向けることもできる。

図６Ａおよび６Ｂは、携帯電話機に収納されたときのアレイ１２０の特性を示すアンテナ・パターンである。達成可能な利得は約３ｄＢｉである。図６Ａは、（携帯電話機に関するＸ、ＹおよびＺ方向について）３次元放射パターンである。

図６Ｂは、素子の一方が指向モードに設定され、他方の素子が反射モードに設定された場合に実現できる水平方向（ＸＹ面）の放射パターンを示している。（Ｚ方向に電気的に長く作られた）導電素子が、受信無線波を遮り、これを反射する。この結果、Ｘ軸の負の方向にヌル点が生成される。Ｘ軸の正の方向には電磁的な障害物が存在しないため、無線波が通過してピークを形成する。Ｘ方向における回路基板の寸法は共振波長と異なっているため、信号は水平面の全方向に放射できる。

図６Ｃの仰角パターンは、筐体１１０の影響を説明するため、理想的な対称形のパターンと比較すべきである。このような比較から、垂直面（ＸＺ面）における全体的影響が、Ｘ軸から約１５°離れるビームのわずかな歪みであることが示される。さらに、図６Ｃのパターンには、放射素子を携帯電話機に搭載したことによる影響である「くぼみ（necking-down）」が示されている。歪みが明らかであるが、少なくとも水平面の約１８０°にわたって、良好な指向性が見て取れる。

図７Ａ〜７Ｄは、さまざまな実施形態による、３素子アダプティブ・アンテナ・アレイの別の接地構造の概略図である。移動通信電話機などの無線通信装置においては、電話機本体および使用者の手が、無線通信信号の受信および送信を妨げる可能性がある。例えば、使用者の手がＲＦエネルギーを吸収し、通信信号の利得を低下させる可能性がある。さらに、手による反射の影響で、アンテナの共振周波数が移動する可能性がある。アンテナ素子の近電磁場が局部的に集中していない場合、ＲＦ電流が電話機の本体に広がり、装置の性能を妨げる可能性がある。アレイと電話機本体または使用者の手との相互作用を抑制するため、別の接地構造を設けて、ＲＦ電流または近電磁界をアンテナ素子の基底部に近い領域に集中させることができる。

詳細には、図７Ａは鏡像接地ストリップ１１２ａ、１１２ｃを有する接地構造が示し、これらのストリップは受動素子の形状および長さを鏡映している。図７Ｂは、受動アンテナ素子と長さが同じである屈曲ストリップ１１２ａ、１１２ｃを有する接地構造を示している。図７Ｃは、対応する受動素子と電気的長さが同一である蛇行線１１２ａ、１１２ｃの形状の接地構造を示す。図７Ｄには、接地構造が短いストリップ１１２ａ、１１２ｃとして示されており、誘導性、誘電性、またはフェライト材料と共に配置されている。

図８は、１つの実施形態による、２素子アダプティブ・アンテナ・アレイ２２０を組み込んだ無線通信装置２００の概略図である。例示の実施形態においては、アンテナ・アレイ２２０は、２つのモノポール・アンテナ素子１０４および１０２から構成されている。

３素子アンテナ・アレイと同様、２素子アレイも、アンテナの一部および接地構造の全部を筐体内に収納した状態で、携帯電話機１１０の上部または底部に取り付けることができる。また２素子アンテナ・アレイ２２０は、柔軟性の程度が異なるフィルムに接着された導電性ストリップの、保護被覆を有する比較的剛性の導体であってもよい。

アンテナ・アレイ２２０は、一方の素子を能動素子とし、同時に他方を受動素子にして動作させることができる。能動素子および受動素子の指定は固定であるが、各素子は異なる放射位相を有する指向性素子または反射性素子とすることができ、これにより、アンテナに複数の指向モードを持たせることができる。能動素子および受動素子の指定を交換可能にしてもよく、これにより、２つの指向モードを有するアンテナを得ることができる。後者の構成とした場合、２素子アレイは、３素子アンテナ・アレイと同数の指向モードを３素子アンテナ・アレイと比べて約半分のサイズで実現できる。

図９は、１つの実施形態による２素子アダプティブ・アンテナ・アレイの詳細図である。２素子アンテナ・アレイの製作は、アンテナ素子および給電構造の数を除いて図３Ａの３素子アレイと同様である。

図１０Ａ〜１０Ｃは、さまざまな実施形態による、２素子アダプティブ・アンテナ・アレイの給電構造を示す別の回路図を示している。

図１０Ａは、能動および受動アンテナ素子の指定が固定されている場合の給電構造の回路図である。切換えおよび制御駆動回路２４２が、素子１０４に結合された制御モジュール１１６に論理制御信号を供給する。例えば、制御モジュール１１６には、スイッチＳ１ならびに２つのインピーダンスＺ１およびＺ２を組みこむことができる。スイッチＳ１の状態により、第１インピーダンスＺ１を接続するか、あるいは第２インピーダンスＺ２を接続するかのいずれかの接続状態が得られる。この給電構造によって得られるビーム・パターンは、無指向モードのビーム・パターンまたは単一指向モードのビーム・パターンに限定される。第３のスイッチ位置を追加して第３のインピーダンスに接続する場合、前記ビーム・パターンとは、反対の方向および異なる形状を有する第２の指向性パターンを生成できる。

図１０Ｂは、アンテナ素子を能動状態および受動状態の間で切り換え可能な給電構造の回路図である。この実施形態においては、両方の素子が、携帯電話機に組み込まれた送受信回路３００に直接接続されている。スイッチ制御駆動回路２４２は、素子１０４および１０２にそれぞれ組み合わされた制御モジュール１１６および１２２に論理制御信号を供給する。例えば、制御モジュールにはそれぞれ、スイッチＳ１またはＳ２ならびに２つのインピーダンスＺ１およびＺ２を組み込むことができる。

好ましい実施形態においては、第２インピーダンスをゼロ（０）オームとし、第１インピーダンスＺ１を無限大にして、所望する接地への短絡（ＳＣ）または開路（ＯＣ）を実現できる。このとき、２つのスイッチＳ１およびＳ２を同期させて、一方を開路に接続し、他方を短絡に接続するようにする。接地に短絡されたアンテナ素子（１０２または１０４）は、反射モードで動作する受動素子であり、一方、開路に接続されたアンテナ素子（１０４または１０２）は能動素子である。このようにして、２素子アレイにより、２つの指向モードのビーム・パターンおよび無指向性ビーム・パターンを実現できる。

図１０Ｃは、素子を切り換え可能な別の給電構造の回路図であり、スイッチＳ１およびＳ２にもう１つのスイッチ位置が追加されている。この実施形態においては、スイッチＳ１およびＳ２は別個にアンテナ素子を接地（ＳＣ）、開路（ＯＣ）、または送受信回路３００のいずれかに接続できる。この給電構造においては、能動および受動の状態を、２つの素子の間で切り換えることができる。さらに、素子が受動である場合、この素子を反射性および指向性の両モードで動作させることができる。

本発明を好ましい実施形態により図示し、説明してきたが、当業者には、添付の特許請求項に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形態または細部の各種の変更が実行可能であることは理解されるであろう。

１つの実施形態による３素子の指向性アダプティブ・アンテナ・アレイを組み込んだ無線通信装置の概略図である。 別の実施形態による３素子の指向性アダプティブ・アンテナ・アレイを組み込んだ無線通信装置の概略図である。 さらに別の実施形態による３素子の指向性アダプティブ・アンテナ・アレイを組み込んだ無線通信装置の概略図である。 １つの実施形態による、３素子の指向性アダプティブ・アンテナ・アレイを携帯電話機に組み込んだものを示す分解組立図である。 １つの実施形態による、３素子のアダプティブ・アンテナ・アレイの詳細な平面図である。 別の実施形態による、３素子のアダプティブ・アンテナ・アレイの詳細な平面図である。 さらに別の実施形態による、３素子のアダプティブ・アンテナ・アレイの詳細な平面図である。 １つの実施形態による、３素子のアダプティブ・アンテナ・アレイの給電構造の１つを示す回路図である。 図３Ａ〜３Ｃの実施形態による、３素子のアダプティブ・アンテナ・アレイの方位放射のパターンを示した図である。 図３Ａ〜３Ｃの実施形態による、３素子のアダプティブ・アンテナ・アレイの方位放射のパターンを示した図である。 図３Ａ〜３Ｃの実施形態による、３素子のアダプティブ・アンテナ・アレイの方位放射のパターンを示した図である。 図３Ａ〜３Ｃの実施形態による、３素子のアダプティブ・アンテナ・アレイの方位放射のパターンを示した図である。 携帯電話機に収納された３素子のアダプティブ・アンテナ・アレイの放射パターンを示した図である。 携帯電話機に収納された３素子のアダプティブ・アンテナ・アレイの放射パターンを示した図である。 携帯電話機に収納された３素子のアダプティブ・アンテナ・アレイの放射パターンを示した図である。 １つの実施形態による、３素子のアダプティブ・アンテナ・アレイの別の接地構造の概略図である。 別の実施形態による、３素子のアダプティブ・アンテナ・アレイの別の接地構造の概略図である。 さらに別の実施形態による、３素子のアダプティブ・アンテナ・アレイの別の接地構造の概略図である。 さらに別の実施形態による、３素子のアダプティブ・アンテナ・アレイの別の接地構造の概略図である。 １つの実施形態による、２素子のアダプティブ・アンテナ・アレイを組み込んだ無線通信装置の概略図である。 １つの実施形態による、２素子のアダプティブ・アンテナ・アレイの詳細平面図である。 １つの実施形態による、２素子のアダプティブ・アンテナ・アレイの給電構造を示す別の回路図である。 別の実施形態による、２素子のアダプティブ・アンテナ・アレイの給電構造を示す別の回路図である。 さらに別の実施形態による、２素子のアダプティブ・アンテナ・アレイの給電構造を示す別の回路図である。

Claims (29)

1. 筐体と、
   前記筐体内に配置された絶縁性基板と、
   前記絶縁性基板の第１部分に配置された少なくとも１つの受動アンテナ素子と、
   前記少なくとも１つの受動アンテナ素子に近接して前記絶縁性基板の第２部分に配置され、かつ電子無線通信回路に接続された１つの能動アンテナ素子と、を備えた移動通信携帯電話機であって、
   前記少なくとも１つの受動アンテナ素子が、これらアンテナ素子に結合された通信信号の指向性に影響を与える回路要素に接続されている携帯電話機。
2. 請求項１において、前記少なくとも１つの受動アンテナ素子および前記能動素子がモノポール・アンテナである携帯電話機。
3. 請求項１において、前記少なくとも１つの受動アンテナ素子および前記能動素子がダイポール・アンテナである携帯電話機。
4. 請求項１において、さらに、
   接地構造体と、
   前記少なくとも１つの受動素子と前記接地構造体との間に配置され、両者の間の電磁気的接続を制御するスイッチと、を備えた携帯電話機。
5. 請求項４において、前記接地構造体が、前記アンテナ素子の電流または電磁界を前記アンテナ素子の基底部の方向に集中させる形状を有している携帯電話機。
6. 請求項５において、前記接地構造体の前記形状が屈曲導電性ストリップである携帯電話機。
7. 請求項５において、前記接地構造体の前記形状が導電性蛇行線形状である携帯電話機。
8. 請求項５において、前記接地構造体の前記形状がインダクタおよび導電性ストリップである携帯電話機。
9. 請求項５において、前記接地構造体の前記形状が、フェライトが装荷された導電性ストリップである携帯電話機。
10. 請求項５において、前記接地構造体の前記形状が、誘電体が装荷された導電性ストリップである携帯電話機。
11. 請求項５において、前記接地構造体の前記形状がイメージ素子である携帯電話機。
12. 請求項１１において、
    前記少なくとも１つの受動アンテナ素子が、前記絶縁性基板上に形成された第１導電セグメントを有し、
    前記イメージ素子が、前記絶縁性基板上に形成された第２導電セグメントを有し、前記少なくとも１つの受動アンテナ素子に近接して垂直に配置された携帯電話機。
13. 請求項１２において、
    前記スイッチが、前記少なくとも１つの受動アンテナ素子の前記第１導電セグメントと前記イメージ素子の前記第２導電セグメントとの間に配置され、両者の間の電磁気的接続を制御する携帯電話機。
14. 請求項１３において、前記スイッチが半導体デバイスを備えている携帯電話機。
15. 請求項１３において、前記スイッチがさらに、第１スイッチ位置にあるときに、前記イメージ素子の前記第２導電セグメントと直列に接続させる第１インピーダンス素子と、第２スイッチ位置にあるときに、前記イメージ素子の前記第２導電セグメントと直列に接続させる第２インピーダンス素子とを備えた携帯電話機
16. 請求項１３において、前記スイッチがさらに、複数のインピーダンス素子を有しており、この複数のインピーダンス素子のそれぞれが、スイッチ位置に応じて前記イメージ素子の前記第２導電セグメントと直列に接続される携帯電話機。
17. 請求項１３において、前記スイッチが前記第１導電セグメントを前記第２の導電セグメントに制御可能に接続することにより、前記少なくとも１つの受動アンテナ素子が反射モードで動作するようにし、前記反射モードで動作していないときは指向モードで動作する携帯電話機。
18. 請求項１において、前記少なくとも１つの受動アンテナ素子が、前記絶縁性基板上の、前記能動アンテナ素子を配置した面とは反対側の面に配置されている携帯電話機。
19. 請求項１８において、さらに、
    接地構造体と、
    前記少なくとも１つの受動素子と前記接地構造体との間に配置されたスイッチとを有し、
    前記スイッチが、複数のインピーダンス素子を有するとともに、この複数のインピーダンス素子の１つを前記少なくとも１つの受動素子と前記接地構造体との間で制御可能に直列に接続するための２つ以上のスイッチ位置を有し、前記アンテナ素子に結合される通信信号の指向性に影響を与える携帯電話機。
20. 請求項１３において、前記スイッチが前記能動および受動素子を制御して、１つの状態では無指向性アンテナ・アレイとして、または別の状態では指向性アンテナ・アレイとして、選択的に動作させる携帯電話機。
21. 筐体と、
    前記筐体内に配置された絶縁性基板と、
    前記絶縁性基板の所定部分に配置された第１および第２のアンテナ素子と、を有する移動通信携帯電話機であって、
    前記第１アンテナ素子が能動素子であり、電子無線通信回路に接続されており、
    前記第２アンテナ素子が受動素子であり、これらアンテナ素子に結合される通信信号の指向性に影響を与える回路素子に接続されている携帯電話機。
22. 請求項２１において、さらに、
    前記第１アンテナ素子を前記電子無線通信回路に制御可能に接続する第１スイッチと、
    前記第２アンテナ素子を、前記アンテナ素子に結合される通信信号の指向性に影響を与える前記回路素子に制御可能に接続する第２スイッチと、を備えた携帯電話機。
23. 請求項２２において、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが同期して作動し、前記第１および第２のアンテナ素子の間で受動および能動の状態を切り換える携帯電話機。
24. 筐体と、
    前記筐体内に配置された絶縁性基板と、
    前記絶縁性基板の第１および第２の部分に配置された２つの受動アンテナ素子と、
    前記２つの受動アンテナ素子のうちの少なくとも１つの近傍にある、前記絶縁性基板の第３の部分に配置された能動素子と、を備えた移動通信携帯電話機であって、
    前記能動素子が電子無線通信回路に接続され、
    前記２つの受動アンテナ素子が、これらアンテナ素子に結合される通信信号の指向性に影響を与える回路素子に接続されている携帯電話機。
25. 請求項２４において、前記２つの受動アンテナ素子が複数の動作モードのうちの１つで駆動され、前記複数の動作モードが反射モードおよび指向モードを含む携帯電話機。
26. 請求項２４において、前記２つの受動アンテナ素子が独立して複数の動作モードの１つで駆動され、前記複数の動作モードが反射モードおよび指向モードを含む携帯電話機。
27. 筐体と、
    前記筐体から突出した少なくとも１つの受動アンテナ素子と、
    前記少なくとも１つの受動アンテナ素子の近傍で前記筐体から突出した能動アンテナ素子と、を備えた移動通信携帯電話機であって、
    前記能動素子が、前記筐体内に配置された電子無線通信回路に接続され、
    前記少なくとも１つの受動アンテナ素子が、これらアンテナ素子に結合される通信信号の指向性に影響を与える回路素子に接続されている携帯電話機。
28. 請求項２７において、前記アンテナ素子が剛性の導電性ストリップである携帯電話機。
29. 請求項２７において、前記アンテナ素子が軟質フィルムに接着された導電性ストリップである携帯電話機。
    
    

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