JP2009543394A - アンテナ配列 - Google Patents

Abstract

超広帯域無線ネットワークに用いるアンテナ配列を提供し、このアンテナ配列は、能動素子、及び能動素子の周囲に配置された複数の受動素子を含み、各受動素子は、能動素子から所望のビームパターンが生成されるように、能動素子によって送信された無線シグナルを選択的に反射又は伝送するよう制御可能である。
【選択図】図２

Description

発明の技術分野
本発明は、通信システムのためのアンテナ配列に関し、詳細には、超広帯域（ＵＷＢ）無線通信システムのためのアンテナ配列に関する。

発明の背景
超広帯域無線は、デジタルデータを、３．１乃至１０．６ＧＨｚという非常に広い周波数範囲にわたって送信する通信技術である。これは、通常、−４１ｄＢｍ／ＭＨｚ未満という超低送信電力を利用するため、この技術は、現存のＷｉ‐Ｆｉ、ＧＳＭ、及びブルートゥースなどのその他の送信周波数の下に文字通り隠れることができる。このことは、超広帯域無線が、他の通信周波数技術と共存可能であることを意味する。しかし、これには、通信距離が通常５乃至２０メートルに限られるという制限がある。

ＵＷＢには、ＵＷＢ特性を有するパルス波形からシグナルを構築するタイムドメイン方式（ｔｉｍｅ‐ｄｏｍａｉｎ ａｐｐｒｏａｃｈ）、及び、従来のＦＦＴに基づく直交周波数分割多重方式（ＯＦＤＭ）を複数の（周波数）バンドに用いてＭＢ‐ＯＦＤＭとする周波数ドメイン変調方式（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ‐ｄｏｍａｉｎ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｐｐｒｏａｃｈ）の２種類の方式がある。これらのＵＷＢ方式はいずれも、周波数スペクトル内の非常に広いバンド幅を有効範囲とするスペクトル成分を発生し、従って超広帯域無線という用語になるのだが、そこで、そのバンド幅は、中心周波数の２０パーセント超、通常は少なくとも５００ＭＨｚを占める。

このような超広帯域無線の特性は、非常に広いバンド幅と合わせて、ＵＷＢが、家庭又は職場の環境における高速無線通信を提供するための理想的な技術であることを意味しており、その環境では、通信機器が互いに２０ｍの範囲内にある。

図１は、超広帯域無線通信用のマルチバンド直交周波数分割多重（ＭＢ‐ＯＦＤＭ）システムにおける周波数バンドの配列を示す。ＭＢ‐ＯＦＤＭシステムは、各々５２８ＭＨｚである１４個のサブバンドを含み、アクセス方式として、サブバンド間を３１２ｎｓ毎にホッピングする周波数を用いる。各サブバンド内では、ＯＦＤＭ、及びＱＰＳＫ又はＤＣＭコーディングを用いてデータが伝送される。およそ５ＧＨｚ、現時点では５．１‐５．８ＧＨｚ、のサブバンドが、例えば８０２．１１ａＷＬＡＮシステム、警備機関の通信システム、又は航空業界などの現存の狭帯域システムへの干渉を避けるために、未使用で残されている。

１４個のサブバンドは、５種類のバンドグループを構成しており、５２８ＭＨｚのサブバンドを３個有するものが４種類と、５２８ＭＨｚのサブバンドを２個有するものが１種類である。図１に示すように、１つ目のバンドグループは、サブバンド１、サブバンド２、及びサブバンド３を有する。ＵＷＢの例では、バンドグループのサブバンド間をホッピングする周波数を使用し、それによって、第一のデータシンボルは、バンドグループの第一の周波数サブバンド内の第一の３１２．５ｎｓの長さの時間間隔内で伝送され、第二のデータシンボルは、バンドグループの第二の周波数サブバンド内の第二の３１２．５ｎｓの長さの時間間隔内で伝送され、第三のデータシンボルは、バンドグループの第三の周波数サブバンド内の第三の３１２．５ｎｓの長さの時間間隔内で伝送される。従って、各時間間隔の間、データシンボルは、例えば、３９６０ＭＨｚを中心周波数とする５２８ＭＨｚのベースバンドシグナルを有するサブバンド２など、５２８ＭＨｚのバンド幅を有する各々のサブバンド内で伝送される。

このような超広帯域無線の技術的特性は、これが、データ通信の分野での用途に採用されつつあることを意味する。例えば、以下の環境において、ケーブル通信の代替とすることを目的とする広範囲にわたる種々の用途が存在する。
‐ＰＣとその周辺機器、すなわち、ハードディスクドライブ、ＣＤライター、プリンター、スキャナー、などの外付けデバイスとの間の通信
‐テレビ、及びワイヤレスで接続される機器、ワイヤレススピーカーなどのホームエンターテイメント
‐携帯機器及びＰＣの間の通信、例えば、携帯電話及びＰＤＡ、デジタルカメラ及びＭＰ３プレイヤー、など

超広帯域無線システムに用いられるアンテナ配列は、通常、無指向性であり、これは、無線シグナルが１つの又は複数の能動放射素子からすべての方向へ向かって送信されることを意味する。しかし、アンテナ配列から、１つの又は複数の特定の方向へ向けて送信されるように、送信された無線シグナルのプロファイルを変化させることが可能であることが望ましい。さらに、２個以上の能動放射素子を有するアンテナ配列を、無指向性モードからアンテナ配列が数多くの異なるセクターを担当するモードへ切り替えることが可能であることが望ましい。

送信される無線シグナルを１つ又は複数の特定の方向へ向けることにより、他の近傍の通信リンクへの干渉を低減することができ、それにより、通信システムの能力（可能な通信リンクの数という点で）を増加させることができる。

固定ビーム指向性アンテナは公知であり、例えば、ホーンアンテナ、反射鏡アンテナ、又は各々が独立して給電され、適切にフェーズ化される複数の能動放射素子に基づく平面直線及びコンフォーマルアレイなどであるが、このような従来の固定された配列は、その指向性ビームでは限定された有効範囲しか提供することができない。さらに、このような従来の配列では、ビーム方向の切り替えは、それほど素早く行うことができるわけではない。数多くの指向性ビーム技術が、放射されたビームの主ピーク幅が、送信された無線シグナルの波長に依存するという制限を抱えている。独立して給電される（振幅とフェーズの分布が調整された）複数の能動素子に基づくフェーズドアレイは、原理的には、形状と角位置が調整可能なビームを提供することができる。しかし、このようなアンテナは、容認できないほど高価である。さらに、このようなアンテナの最新技術によると、これらの構造は、主に、互いのカップリング又はグレーティングローブの問題により、ＵＷＢのバンド幅を有効範囲とする能力が低くなるであろうと示唆されている。従って、これらの従来のアンテナ配列は、消費者の電子機器用途を意図する超広帯域無線システムへの使用には、特に適しているというわけではない。

従って、本発明の目的は、上記の従来のシステムの問題点を克服する超広帯域無線システムに使用するための指向性アンテナ配列を提供することである。

発明の概要
本発明の第一の局面によると、超広帯域無線ネットワークに使用するためのアンテナ配列が提供される。このアンテナ配列は、能動素子、及び能動素子の周囲に配置された複数の受動素子を含む。各受動素子は、能動素子から所望のビームパターンが生成されるように、能動素子によって送信された無線シグナルを選択的に反射又は伝送するよう制御可能である。

本発明の別の局面によると、超広帯域無線ネットワークに使用するためのアンテナ配列を提供する。このアンテナ配列は、能動素子、及び能動素子の周囲に配置された複数の受動素子を含む。各受動素子は、１つの若しくは複数の所望の方向からの無線シグナルを能動素子へ向けるように、入射無線シグナルを選択的に反射又は伝送するよう制御可能である。

本発明の理解を深めるために、及び本発明を実行することができる方法をより明確に示すために、例示のみの目的で、以下の図面について述べる。
マルチバンドＯＦＤＭアライアンス（ＭＢＯＡ）承認の、ＭＢ‐ＯＦＤＭシステムの周波数スペクトルを示す図である。 本発明の実施形態に従うアンテナ配列の透視図である。 受動素子が第一の構成である図２のアンテナ配列の上面図である。 受動素子が第二の構成である図２のアンテナ配列の上面図である。 受動素子が第三の構成である図２のアンテナ配列の上面図である。 受動素子が第四の構成である図２のアンテナ配列の上面図である。 受動素子が第五の構成である図２のアンテナ配列の上面図である。 受動素子が第一の構成である、本発明の別の実施形態に従うアンテナ配列の上面図である。 受動素子が第二の構成である図８のアンテナ配列の上面図である。

好適な実施形態の詳細な説明
ここでは、超広帯域無線ネットワークでの使用に関連して本発明をさらに説明するが、本発明が、その他のタイプのネットワークでの使用に適応可能であることは認識されるであろう。

図２は、本発明の実施形態に従うアンテナ配列２の斜視図である。図３は、図２のアンテナ配列２の上面図である。アンテナ配列２は、基部６に搭載された能動素子４を含む。他の形状の素子も使用可能であるが、この典型的な実施形態では、能動素子４はモノポール形状である。例えば、能動素子４は、いくつかの別個の構成部分を含んでいてもよい。

能動素子４は、能動素子４によって送信されるシグナルを提供するトランスミッタ回路（図示せず）に接続される。別の選択肢として、能動素子４は、アンテナ配列２が無線シグナルの受信に使用される場合は、レシーバ回路に、又は、アンテナ配列２が無線シグナルの伝送及び受信に使用される場合は、トランシーバ回路に接続することができる。

アンテナ配列２は、さらに、基部６上、能動素子４の周囲に配置される複数の受動素子８を含む。本実施形態では、９６個の受動素子８が１０行１０列に配列され、そのアレイの中心に能動素子４が位置する。しかし、いかなる数の受動素子８を、その他の適切な二次元又は三次元のいかなる構成に配列してもよいことは認識されるであろう。

各受動素子８は、無線シグナルを選択的に伝送、又は反射できるように制御可能である。受動素子８が無線シグナルを「伝送」するということは、受動素子８が入射無線シグナルに対して透過性である、すなわち、入射無線シグナルが反射されたり著しく乱されたりすることなく受動素子８を通過するという意味である。各受動素子８は、図１の特定のバンド又はバンドグループのシグナルを選択的に伝送又は反射するように制御可能であってもよく、又は、超広帯域無線に使用される全無線スペクトルにわたるシグナルを選択的に伝送又は反射するように制御可能であってもよい。

図３乃至図７では、受動素子８は丸印で表され、白丸印「○」は、受動素子８が少なくとも所望のバンドの無線シグナルを伝送するよう制御されることを示し、黒丸印「●」は、受動素子８が少なくとも所望のバンドの無線シグナルを反射するよう制御されることを示す。

図３では、受動素子８はすべて、無線シグナルを伝送するよう制御される。この構成では、能動素子４が無線シグナルを送信する時、無線シグナルは、受動素子８のいずれにも反射されることなく、能動素子４から全方向に進行することができるため、アンテナ配列２は無指向性アンテナを形成する。逆に、能動素子４が無線シグナルを受信する場合、受動素子８の構成により、全方向からのシグナルを受信することができる。

図４では、アンテナ配列２の、例えば１２個の受動素子８などの複数の受動素子８が、無線シグナルを反射するように制御される。１２個の受動素子８は特定の位置にあって、能動素子４の周囲に放物線状の反射鏡プロファイル（ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ｐｒｏｆｉｌｅ）を形成する。能動素子４が所望のバンドの無線シグナルを送信する場合、無線シグナルは主に矢印１０で示す方向へ反射される。図４に示す放物線状の反射鏡プロファイルにより、所望の方向へビームが集中される結果となる。逆に、能動素子４が無線シグナルを受信する場合、１２個の選択された受動素子８の構成により、特定の方向からの無線シグナルのみを受信することが可能となる。

図５では、アンテナ配列２の、例えば１５個などの複数の受動素子８が、無線シグナルを反射するように制御される。１５個の受動素子８は特定の位置にあって、能動素子４の周囲に角状（ｃｏｒｎｅｒ）の反射鏡プロファイルを形成する。能動素子４が所望のバンドの無線シグナルを送信する場合、無線シグナルは矢印１２で示す方向へ反射される。逆に、能動素子４が無線シグナルを受信する場合、１５個の選択された受動素子８の構成により、特定のセクターからの無線シグナルを受信することが可能となる。

図６では、アンテナ配列２の１０個の受動素子８が、無線シグナルを反射するように制御される。１０個の受動素子８は特定の位置にあって、能動素子４の１つの側に直線状の反射鏡プロファイルを形成する。能動素子４が所望のバンドの無線シグナルを送信する場合、無線シグナルは、矢印１４で示される方向へ反射される。逆に、能動素子４が無線シグナルを受信する場合、１０個の選択された受動素子８の構成により、特定のセクターからの無線シグナルを受信することが可能となる。

図７では、アンテナ配列２の１６個の受動素子８が、無線シグナルを反射するように制御される。１６個の受動素子８は特定の位置にあって「Ｘ」の形状の反射鏡プロファイルを形成し、その「Ｘ」の中心に能動素子４がある。能動素子４が所望のバンドの無線シグナルを送信する場合、無線シグナルは、おおよそ矢印１６で示される２つの方向へ反射される。逆に、能動素子４が無線シグナルを受信する場合、１６個の選択された受動素子８の構成により、特定の２つのセクターからの無線シグナルを受信することが可能となる。

アンテナ配列２に十分な数の受動素子８がある場合、適切な受動素子８を無線シグナルを反射するように制御することによって、所望のいかなる反射鏡プロファイルも形成することができる。

上述のように、各受動素子８は、受動態素子８が無線シグナルを反射する状態と無線シグナルを伝送する状態との間で制御することができる１種類若しくは複数種類の材料から形成される。好ましい実施形態では、各受動素子８は、ポリマーロッドから形成することができる。このようなポリマーロッドは、ポリアニリン、又はポリピロールを主体とするプラスチック複合体を含むことができるが、その他のポリマーロッド、又はその他の材料から作製されたロッドも使用可能であることは認識されるであろう。さらに、受動素子８は、独立して通電されるプラズマ柱を基にした組み立てによって形成することも可能である。

受動素子８は、反射状態から伝送状態へ、及びその逆への制御を、電流を用いて行うことができることが好ましい。これにより、受動素子８のこの２つの状態間の切り替えを迅速に行うことができ、それは、反射状態において受動素子８によって形成される反射鏡プロファイルを迅速に変更することができることを意味する。

別の選択肢として、受動素子８の反射率の高低は、その長さ方向の周囲に少数のスイッチを配置することによって実施することができ、それにより、素子８の通電長さを変えることによって対応する反射率を調節することができる。導電性受動素子８の通電長さが入射放射線の波長の４分の１未満である場合（バンド内の最大周波数において）、素子８は、原理的に、入射する放射線に対して透過性となり、一方、通電長さが入射放射線の波長の４分の１よりも十分大きい場合、素子８は入射放射線の実質的な反射鏡として作用する。

図８及び９は、本発明の別の実施形態に従うアンテナ配列１８の上面図を示す。この実施形態では、アンテナ配列１８は、基部６上に搭載され、４個の別々の構成部分４ａ、４ｂ、４ｃ、及び４ｄを持つ能動素子４を含む。能動素子の構成部分４ａ、４ｂ、４ｃ、及び４ｄは、単一の能動素子として作用する（すなわち、能動素子が無線シグナルを送信する場合、各構成部分４ａ、４ｂ、４ｃ、及び４ｄは同じシグナルを送信する）よう制御することができ、又は、独立して制御することもでき（すなわち、能動素子が無線シグナルを送信する場合、各構成部分４ａ、４ｂ、４ｃ、及び４ｄは各々のシグナルを送信する）、又は、別個のグループとして制御することもできる（例えば、能動素子が無線シグナルを送信する場合、構成部分４ａ及び４ｂは、共に第一のシグナルを送信し、一方、構成部分４ｃ及び４ｄは、共に第二のシグナルを送信する）。

アンテナ配列１８は、さらに、基部６上、能動素子の構成部分４ａ、４ｂ、４ｃ、及び４ｄの周りに配置される複数の受動素子８を含む。ここでも、受動素子８は丸印で表され、白丸印「○」は、受動素子８が少なくとも所望のバンドの無線シグナルを伝送するよう制御されることを示し、黒丸印「●」は、受動素子８が少なくとも所望のバンドの無線シグナルを反射するよう制御されることを示す。

この図示された態様では、７７個の受動素子８が９行９列に配置され、そのアレイの中心付近に能動素子の構成部分４ａ、４ｂ、４ｃ、及び４ｄが配置される。少なくとも１個の受動素子（図８中の素子２２）が、能動素子の構成部分４ａ、４ｂ、４ｃ、及び４ｄの一部又は全部の間に位置する。

当然、いかなる数の受動素子８を、その他の適切な二次元又は三次元のいかなる構成に配列してもよいことは認識されるであろう。

上述のように、各受動素子８は、選択的に無線シグナルを伝送又は反射できるように制御可能である。

図８では、受動素子８はすべて、無線シグナルを伝送するように制御される。この構成では、能動素子の構成部分４ａ、４ｂ、４ｃ、及び４ｄの少なくとも１つが無線シグナルを送信する場合、無線シグナルが、受動素子８のいずれにも反射されずに、能動素子４から全方向へ進行することが可能であるため、アンテナ配列１８は、無指向性アンテナを形成する。逆に、能動素子４が無線シグナルを受信するある場合、受動素子８の構成により、全方向からのシグナルが受信可能となる。

しかし、アンテナ配列１８は、マルチセクターの構成に使用することもできる。この場合、能動素子の構成部分４ａ、４ｂ、４ｃ、及び４ｄは、独立して、又は、少なくとも２個の別々のグループとして制御される。図９では、４個の異なるセクターが存在し、各々を、対応する構成部分４ａ、４ｂ、４ｃ、及び４ｄが担当している。アンテナ配列１８の１７個の受動素子８は、無線シグナルを反射するように制御される。１７個の受動素子８は特定の位置にあって、「＋」の形状の反射鏡プロファイルを形成し、各構成部分４ａ、４ｂ、４ｃ、及び４ｄは、その「＋」のそれぞれのセクターに位置する。この反射鏡プロファイルは、実質的にアンテナ配列１８を４個の別々のアンテナに分割しており、各アンテナは対応するセクターＡ、Ｂ、Ｃ、又はＤを担当している。能動素子の構成部分４ａ、４ｂ、４ｃ、及び４ｄが所望のバンドの無線シグナルを送信する場合、各構成部分からの無線シグナルは、矢印２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、及び２０ｄで各々示される方向へ反射される。逆に、能動素子の構成部分４ａ、４ｂ、４ｃ、及び４ｄが無線シグナルを受信する場合、１７個の選択された受動素子８の構成により、特定のセクターからの無線シグナルのみが、各構成部分４ａ、４ｂ、４ｃ、及び４ｄによって受信可能となる。

各々の受動素子８間の間隔は、少なくとも、最も短い動作波長程度とするべきであることは認識されるであろう。さらに、本開示は、波長依存性を最小に抑えるように作られる再構成可能なビームアンテナを扱うものであることも理解されるべきである。例えば、作られた放物線形状は、焦点に位置する単一の能動フィード素子（ａｃｔｉｖｅ ｆｅｅｄｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）４のみを必要とし、従って、最小の波長依存性が確保される。

従って、超広帯域無線通信ネットワークに使用する、無指向性の構成、指向性の構成、又はセクター分割された構成に用いることができ、１つの構成から次の構成へ迅速に切り替えることが可能であるアンテナ配列を提供する。

上述の実施形態は、本発明を説明するものであって、限定するものではないこと、及び、当業者であれば、添付の請求項の範囲から逸脱することなく、多くの別の実施形態を設計することが可能であろうことには注目すべきである。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という単語は、請求項に挙げられるもの以外の要素又は工程の存在を除外するものではなく、「１の（ａ）」又は「１の（ａｎ）」は、複数を除外するものではない。請求項内のいずれの引用符号も、その範囲を限定するように解釈してはならない。

Claims (19)

1. 超広帯域無線ネットワークに使用するためのアンテナ配列であって、該アンテナ配列は：
   能動素子と、
   該能動素子の周囲に配置される複数の受動素子と、
   を含み；
   各受動素子が、該能動素子からの所望のビームパターンを作り出すように、該能動素子によって送信される無線シグナルを選択的に反射又は伝送するよう制御可能である、アンテナ配列。
2. 前記受動素子が、前記能動素子の周囲に二次元アレイとして配置される、請求項１に記載のアンテナ配列。
3. 前記受動素子が、前記能動素子の周囲に三次元アレイとして配置される、請求項１に記載のアンテナ配列。
4. 前記能動素子が、単一の放射素子を含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアンテナ配列。
5. 前記単一の放射素子が、無指向性である、請求項４に記載のアンテナ配列。
6. 前記能動素子が、複数の放射構成部分を含む、請求項１、２、又は３のいずれか１項に記載のアンテナ配列。
7. 各放射構成部分が、各々の無線シグナルを送信し、前記複数の受動素子が、各放射構成部分からの各々のビームパターンを作り出すように制御可能である、請求項６に記載のアンテナ配列。
8. 各受動素子が、電子制御される導電性ポリマーロッドを含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のアンテナ配列。
9. １個以上の受動素子が、その長さ方向の周囲に配置される１個以上のスイッチを含み、該１個以上のスイッチが、受動素子の有効長さを変更するよう選択的に制御可能である、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のアンテナ配列。
10. 超広帯域無線ネットワークに使用するためのアンテナ配列であって、該アンテナ配列は：
    能動素子と、
    該能動素子の周囲に配置される複数の受動素子と、
    を含み；
    各受動素子が、所望の１つの若しくは複数の方向からの無線シグナルを該能動素子へ向けるように、入射無線シグナルを選択的に反射又は伝送するよう制御可能である、アンテナ配列。
11. 前記受動素子が、前記能動素子の周囲に二次元アレイとして配置される、請求項１０に記載のアンテナ配列。
12. 前記受動素子が、前記能動素子の周囲に三次元アレイとして配置される、請求項１０に記載のアンテナ配列。
13. 前記能動素子が、単一の受信素子を含む、請求項１０、１１、又は１２のいずれか１項に記載のアンテナ配列。
14. 前記単一の受信素子が、無指向性である、請求項１３に記載のアンテナ配列。
15. 前記能動素子が、複数の受信構成部分を含む、請求項１０、１１、又は１２のいずれか１項に記載のアンテナ配列。
16. 複数の受動素子が、各々の１つの若しくは複数の方向からの無線シグナルを、各々の受信構成部分へ向けるように制御可能である、請求項１５に記載のアンテナ配列。
17. 各受動素子が、電子制御される導電性ポリマーロッドを含む、請求項１０乃至１６のいずれか１項に記載のアンテナ配列。
18. １個以上の受動素子が、その長さ方向の周囲に配置される１個以上のスイッチを含み、該１個以上のスイッチが、受動素子の有効長さを変更するよう選択的に制御可能である、請求項１０乃至１７のいずれか１項に記載のアンテナ配列。
19. 請求項１乃至１８のいずれか１項に記載のアンテナ配列を含む、超広帯域無線装置。

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