JP2010512671A - 広帯域アンテナシステム - Google Patents

Abstract

アンテナモジュールは、一つまたは複数のスイッチによって共に結合されて、調整可能な広帯域アンテナモジュールに設けることのできる複数の単極アンテナ素子（たとえば、３〜４個のアンテナ素子）を含む。たとえば、スイッチは、アンテナの周波数範囲が変更されるようにアンテナの全体長を変更する。周波数応答は、低電圧微小バリキャップ、またはバラクタダイオードによっても制御することができ、アンテナモジュールとともに存在する同調共振整合フィルタネットワークとして例示化することができる。さらに、スイッチは、アンテナの帯域幅を調整する容量性素子を「スイッチイン」および「スイッチアウト」するために使用することができる。共振整合フィルタネットワークは、アンテナの帯域幅に周波数を微調整するのに使用することができる。

Description

関連出願の相互参照
本特許出願は、米国仮特許出願第６０／７４９、８９９号（２００５年１２月１２日に出願）より前の出願日の優先権および利益を主張し、引用により全文を本明細書に組み込む。

従来の通信モジュールは通常、単独の広帯域アンテナを使用していたため、低周波数帯域の使用のために大きな形状係数を必要とする。たとえば、アンテナ用の周波数帯域幅はアンテナ長に依存することが多く、概して、アンテナの周波数範囲とアンテナ長との間には反比例関係が存在する。すなわち、長いアンテナは概して低周波数の周波数範囲を提供し、短いアンテナは概して高周波の周波数範囲を提供する。したがって、個々の異なるアンテナ長は通常、一つの特定の周波数設定で最適なゲインを提供する。

概して、通信モジュールが広い範囲の周波数全体で通信するように構成される場合、アンテナは、低周波数に対応するように構成しなければならないため、装置の嵩高性の原因となる。したがって、従来の通信モジュール自体、かさばることが多い。さらに、アンテナは通常、最適の周波数から上下する際に大きな性能トレードオフを含む。これに関して、最適の周波数から遠く離れた周波数帯域部分での通信は、最適以下の通信となる。さらに、周波数の広帯域全体での通信は、選択された周波数とともに不所望の周波数（たとえば、干渉）の範囲を含む。

関連技術およびそれに伴う関連限定の上記例は、説明のためで、限定を意図するものではない。当業者にとっては、関連技術のその他の限定は、明細書に目を通し、図面を検討すれば自明であろう。

以下の実施形態およびその側面を、範囲を限定するのではなく、例示することを目的として、システムおよび方法と組み合わせて記載し図示する。各種実施形態では、上記の問題の一つまたは複数が低減または排除されており、他の実施形態は別の改良に向けられている。

概して、本明細書に提示されるシステムは、調整可能な広帯域アンテナモジュールに備える。たとえば、アンテナモジュールは、一つまたは複数のスイッチによって共に結合して、アンテナモジュールに機敏な周波数能力を提供することのできる複数の単極アンテナ素子（たとえば、３〜４個のアンテナ素子）を含むことができる。球面アンテナおよび双極アンテナも使用することができる。これに関して、スイッチは、アンテナの周波数特性（たとえば、帯域幅、最適の受信周波数など）が変更されるように、アンテナの全体長を変更することができる。周波数応答は、低電圧微小バリキャップによっても制御することができる。上記は、アンテナモジュールとともに存在する同調共振整合フィルタネットワークとして例示化することができる。さらに、スイッチは、アンテナの帯域幅を調整する容量性素子を「スイッチイン」および「スイッチアウト」するために使用することができる。次に、共振整合フィルタネットワークは、その帯域幅に周波数を調整するのに使用することができる。

アンテナ素子の制御は、ＰＷＭおよび論理信号を生成する「既製品の」回路、またはホストシステム（たとえば、携帯電話プロセッサ）と通信するＩ^２Ｃバスなどの２線インタフェース上でプログラム可能な特注回路（たとえば、特定用途向け集積回路、すなわち「ＡＳＩＣ」などの単独チップ）で実現することができる。ただし、当業者であれば、ホストシステム間のその他の通信インタフェースを使用できることを容易に認識するはずである。装置内のレジスタは通常、読取または書込（「Ｒ／Ｗ」）である。回路は、たとえば、一意の装置ＩＤを可能とするようにＲＯＭスペースも含むことができる。さらに、回路は、回路の調整を制御するマイクロプロセッサを含むことができる。ただし、このことは、単独で、あるいは部分的にホストシステムプロセッサ内のアルゴリズムを使用することを排除すると解釈すべきではない。

一実施形態では、通信装置の動作周波数を制御するシステムは、複数のアンテナ素子と、アンテナ素子のうちのいずれかを選択的に結合するように構成される一つまたは複数のスイッチとを含むアンテナモジュールを有する。システムは、スイッチに通信可能に結合される制御装置も含み、制御装置はスイッチを制御する制御信号を生成し、スイッチは、制御信号によって動作周波数を提供するように指示した場合、アンテナ素子のいずれかを選択的に結合する。アンテナモジュールは、スイッチの総数よりも一つ多くのアンテナ素子を含むことができる。もしくは、またはさらに、スイッチは多重装置として実現することができる。

システムは、複数のアンテナ素子のうちの少なくとも一つを介して通信するようにアンテナモジュールに結合される通信モジュールも含むことができる。これに関して、制御装置は、通信モジュールを有するように構成することができる。さらに、制御装置は、制御信号を生成するようにマイクロプロセッサに指示するソフトウェアモジュールを含むことができる。

別の実施形態では、携帯通信装置は、複数のアンテナ素子を含む第１のアンテナモジュールを含む。携帯通信装置は、第１のアンテナモジュールに通信可能に結合され、第１のアンテナモジュールを介して第１の信号を受信する受信機も含む。さらに、携帯通信装置は、第１の信号の信号品質を監視する制御装置を含み、制御装置は、第１の信号の信号品質に基づきアンテナ素子を変更可能に結合することによって、第１のアンテナモジュールの動作周波数を調節する。

携帯通信装置は、複数のアンテナ素子を含む第２のアンテナモジュールをさらに含むことができる。たとえば、受信機は、第２のアンテナモジュールに通信可能に結合されて、第２の信号を受信することができる。制御装置は第２の信号の信号品質を監視し、第２の信号の信号品質に基づき第２のアンテナモジュールのアンテナ素子を変更可能に結合することによって、第２のアンテナモジュールの動作周波数を調節する。

受信機は、第１のアンテナモジュールに結合される第１の受信機モジュールと、第２のアンテナモジュールに結合される第２の受信機モジュールとを含むことができる。たとえば、制御装置は、第１の受信機モジュールを監視して第１の信号の信号品質を判定することができる。制御装置は第２の受信機モジュールを監視して第２の信号の信号品質を判定することができる。これに関して、制御装置は第１の信号の信号品質と第２の信号の信号品質とを比較して、第１の信号および第２の信号のどちらを処理すべきかを判定することができる。

制御装置は、アンテナ素子の変更可能な結合を制御するソフトウェアモジュールを含むことができる。もしくは、またはさらに、制御装置は、受信パラメータを制御するための制御信号を生成するように制御装置に指示するソフトウェアモジュールを含むことができる。たとえば、携帯通信装置は、共振ネットワークをさらに含むことができる。これに関して、受信パラメータは、受信周波数、帯域幅、またはそれらの組み合わせであってもよく、制御信号は、共振ネットワークを受信周波数に調整するパルス幅変調信号であってもよい。共振ネットワークは、バラクタダイオードを含んで、パルス幅変調信号がバラクタダイオードのキャパシタンスを変更して受信周波数を調整することができる。

携帯通信装置は、制御装置と共振ネットワークとの間に接続されてパルス幅変調信号をろ波するフィルタをさらに含むことができる。さらに、携帯通信装置は増幅器を含むことができる。たとえば、受信パラメータは信号ゲインであってもよく、制御信号は増幅器のゲインを制御するパルス幅変調信号であってもよい。携帯通信装置は、制御装置と増幅器との間に接続され、パルス幅変調信号をろ波するフィルタも含むことができる。増幅器は、パルス幅変調信号によってデジタル制御される低ノイズ増幅器であってもよい。

一実施形態では、受信周波数帯域を形成するための方法は、アンテナモジュールで無線信号を受信すること、受信した無線信号を監視して無線信号の信号品質を判定すること、無線信号の信号品質が信号品質の閾値レベルに相当しない場合、第１の制御信号を生成することを含む。該方法は、第１の制御信号に基づきスイッチを作動させて、第１のアンテナ素子をアンテナモジュールの第２のアンテナ素子に結合してアンテナモジュールの受信周波数をさらに低下させることも含む。

該方法は、第２の制御信号を生成して共振ネットワークの周波数パラメータを変動させることによって受信周波数を調整することをさらに含むことができる。第２の制御信号はパルス幅変調信号であってもよい。該方法は、第２の制御信号を生成して増幅器のゲインパラメータを変動させることによって、受信した無線信号のゲインを制御することができることをさらに含むことができる。増幅器は低ノイズ増幅器であってもよい。該方法は、制御信号に基づき別のスイッチを作動させて、第３のアンテナ素子を第２のアンテナ素子に結合してアンテナモジュールの受信周波数をさらに低下させることも含む。

本明細書に記載される例示の側面と実施形態に加えて、図面を参照し、以下の説明を検討することによってさらなる側面と実施形態が自明になるであろう。

例となる実施形態は参照される図面に示される。本明細書に開示される実施形態と図面は限定ではなく例示とみなされるように意図される。
本発明の様々な関連特徴を説明するのに役立つ添付の図面を以下参照する。本発明は携帯無線電子機器で使用されるアンテナと主に組み合わせて以下説明するが、本発明は複数の周波数および通信の種類のうちのいずれかまたは両方を使用して通信することが所望される他の用途にも適用可能であると明確に理解すべきである。これに関して、切換可能なアンテナ素子を有する広帯域アンテナに関する以下の記載は、例示と説明のために提示される。さらに、この記載は、本発明を本明細書に開示される形式に限定することを意図していない。したがって、以下の教示に相応する変形や修正、および関連技術の技能と知識は、本発明の範囲に含まれる。本明細書に記載の実施形態は、本発明を実施するのに既知な様式を説明し、当業者が、本発明、またはその他の実施形態および本発明の特定の用途または使用によって必要とされる種々の変形を利用するのを可能にすることをさらに意図とする。

図１は、切換可能なアンテナ素子１４および１５を有する通信システム１０のブロック図である。本実施形態では、通信システム１０は、無線周波数信号の通信用にアンテナモジュール２０を使用する通信モジュール１２（たとえば、送受信機）を有するように構成される。アンテナモジュールは、アンテナ素子１４および１５を有して、アンテナモジュールの周波数範囲を変更するように構成される。たとえば、アンテナ素子１５は、アンテナモジュール２０の特定の周波数範囲を提供し、アンテナ素子１４によって延長される際、アンテナモジュール２０が低周波数を対象とするように周波数範囲を変更する。これに関して、通信モジュール１２は、アンテナ素子１５を介して特定の周波数範囲内で無線信号を送信および受信のうちの一方又は両方を行うことができる。通信システム１０は、通信モジュール１２の無線信号の信号品質を監視する制御装置１１を有するように構成される。制御装置１１は、別の周波数帯域への切換によって通信を向上させることができる時期を判定することができる。制御装置１１は通信モジュール１２を監視して、受信した無線信号がいつ所定の閾値よりも低下するかを判定する。制御装置１１は、別の周波数帯域への切換によって通信を向上させることができると判定する。次に、制御装置１１は、スイッチ１３を閉じることによって、アンテナ素子１４とアンテナ素子１５とを結合するように動作する制御信号を生成する。したがって、アンテナモジュール２０の全体のアンテナ長が増加し、アンテナモジュール２０用の通信の周波数帯域が減少する。すなわち、アンテナ素子１４および１５の合計アンテナ長により、通信システム１０が低周波数で通信することができる。

通信が劣化する場合、高周波数帯域から低周波数帯域へ切り換える通信モジュール１２に関して図示し説明してきたが、本発明は上記周波数またはアンテナ制御に限定されることを意図しない。むしろ、制御装置１１は、アンテナ素子１４をアンテナ素子１５から切り離すことによって低周波数帯域から高周波数帯域に切り換えることもできる。さらに、制御装置１１は、マイクロプロセッサで動作するように構成されるソフトウェアモジュールを制御することができる。これに関して、制御装置１１は、通信モジュール１２の通信を分析し、必要に応じてアンテナ長を迅速に切り換えることができる。さらに、本発明は、通信システム１０に示されるアンテナ素子の数に限定されるべきではない。むしろ、後述するような他の実施形態は、より多くのアンテナ素子を含むことができる。

図２は、切換可能なアンテナ素子１０１、１０２、１０３、１０４、１１７を有するアンテナモジュール１００のブロック図である。アンテナモジュール１００は通常、ホストシステム１１２にとって最適な周波数制御機能を提供することができる。たとえば、ホストシステム１１２は、モバイル通信用グローバルシステム（「ＧＳＭ」）携帯電話または符号分割多元接続（「ＣＤＭＡ」）携帯電話などのモバイル端末、あるいはその他の適切な携帯装置（たとえば、携帯用情報端末、携帯用ＤＶＤなど）であってもよい。これに関して、ホストシステム１１２は、通信信号の送信および受信のいずれか一方または両方のために無線周波数（「ＲＦ」）スペクトル内の特定の周波数範囲を要求することができる。すなわち、周波数範囲は、一般的に連邦通信委員会およびその他の無線スペクトル規制機関のうちの一つまたは全てによって認可される、ＧＳＭまたはＣＤＭＡなどの特定の形式の通信に対して特有である。さらに、上記通信は通常、一定レベルのゲインおよび干渉の帯域制限のうちの一方または両方を必要とする。アンテナモジュール１００は、周波数の範囲、ひいては複数の異なる通信種類に、上記のゲイン制御および帯域制限を提供することができる。

本実施形態に示されるように、アンテナモジュール１００は切換可能なアンテナ素子１０１〜１０４を含む。アンテナ素子１０１〜１０４は、ホストシステム１１２にとっての所望の周波数範囲に従って「スイッチイン」または「スイッチアウト」される。上述したように、アンテナの物理的長さは、アンテナの周波数受信または送信能力に影響を及ぼすことが多い（たとえば、長いアンテナは、短いアンテナよりもＲＦ波長が長いために、より高い受信または送信能力を提供する）。これに関して、アンテナモジュール１００は、アンテナモジュール１００から個々のアンテナ素子をスイッチインまたはスイッチアウトすることによって、アンテナの有効な物理長を変更することができる。アンテナベース素子１１７自体は、アンテナモジュール１００に第１のアンテナ長を提供する。スイッチ１１６は、アンテナ素子１０４をアンテナベース素子１１７に結合して、アンテナモジュール１００用の第２のアンテナ長を生成する。同様に、スイッチ１１５は、アンテナ素子１０３をアンテナ素子１０４に結合して、アンテナモジュール１００用の第３のアンテナ長を生成する。したがって、スイッチ１１３、１１４、１１５、および１１６が閉じている場合、アンテナ素子１０１、１０２、１０３、および１０４はアンテナベース素子１１７に結合される。

アンテナ素子１０１〜１０４の切換を提供するため、アンテナモジュール１００は制御装置１１１を含む。制御装置１１１はホストシステム１１２と通信して、アンテナ素子１０１〜１０４全体への制御を提供する。すなわち、制御装置１１１は、配線１２３〜１２６上で制御信号を提供し、スイッチ１１３〜１１６をそれぞれ作動させることができる。これに関して、制御装置１１１は、上記制御信号を生成することによってスイッチ１０１〜１０４の動作を制御するように制御装置１１１に指示する制御ソフトウェア１２７を含む。たとえば、制御装置１１１は、ホストシステム１１２からのソフトウェア制御下で、選択された周波数に対する最適全体長を提供するようにアンテナセグメントをスイッチインおよびスイッチアウトする。これに関して、ホストシステム１１２は、制御信号を制御装置１１１に転送する。制御信号は、アンテナセグメント１０１、１０２、１０３、１０４、および１１７を切り換えるようにソフトウェア１２７に指示するソフトウェアパラメータを含む。これは概して、粗アンテナ調節と称される。

アンテナモジュール１００を有して構成されるように図示されているが、当業者であれば、制御装置１１１は他の様式で実現できることを容易に認識するはずである。一実施形態では、制御装置１１１は、ホストシステム１１２を有する別個のインタフェース制御装置ではなく、ホストシステム１１２を有するように構成されるモジュールであってもよい。たとえば、ホストシステム１１２は、スイッチ１１３〜１１６を介してアンテナ素子１０１〜１０４のアンテナ制御を提供するため、制御ソフトウェア１２７を実行することのできるプロセッサ機能を備えた携帯電話であってもよい。別の実施形態では、制御装置１１１は、パルス幅変調（ＰＷＭ）および論理信号を生成する「既製品の」回路またはインタフェースを介してホストシステム１１２（たとえば、Ｉ^２Ｃバス、シリアルバス、単独な有線通信、またはその他の適切な通信インタフェース）でプログラム可能な特注回路（たとえば、特定用途向け集積回路、すなわち「ＡＳＩＣ」などの単独チップ）で実現される。そのようなものとして、本発明は、本明細書に図示され記載される実施形態に限定されることを意図していない。さらに、上記回路のレジスタは通常、読取または書込（「Ｒ／Ｗ」）のものである。上記回路は、たとえば、一意の装置ＩＤを可能にするためのＲＯＭスペースを含むことができる。

アンテナモジュール１００は、アンテナモジュールの周波数特性を向上させるために共振ネットワーク１０５も含む。たとえば、共振ネットワーク１０５は、アンテナモジュール１００のための微調整能力を提供する。共振ネットワーク１０５は、調整可能回路（たとえば、バラクタダイオード）を制御するプログラム可能なＰＷＭ出力により制御されるソフトウェアであってもよい。これに関して、制御装置１１１は、所望の周波数を微調整すること、および共振ネットワーク１０５の帯域通過を必要な帯域幅（たとえば、１０ＭＨｚ）に限定することのうちのいずれかまたは両方によって、ＧＳＭまたはＣＤＭＡなどの通信にとって最適の受信能力または送信能力を提供することができる。

共振ネットワーク１０５からの同調ＲＦまたは帯域制限ＲＦは、特定用途向けであるため、その後で、多くの種類のホストシステムによって処理可能であり、それらホストシステムからの通信データ（たとえば、音声、データ、および映像のうちの一つまたは全部）が抽出される。さらに、共振ネットワーク１０５は、選択された周波数を微調整するために使用することができ、一般的には、調整可能回路（たとえば、バラクタダイオード）を制御するプログラム可能なパルス幅変調（ＰＷＭ）出力によりソフトウェア制御される。これに関して、制御装置１１１は、所望の周波数を微調整すること、および帯域通過を必要な帯域幅（たとえば、１０ＭＨｚ）に制限することのうちのいずれかまたは両方を行うことができる。共振ネットワーク１０５の例を図５に示す。

アンテナモジュール１００は、ＰＷＭにより共振ネットワーク１０５のＤＣ制御を実質上提供するフィルタ１１０も含む。すなわち、制御装置１１１は、変調されたパルス幅であるデジタル信号を生成する。フィルタ１１０は、ＰＷＭ信号を平滑化してＰＷＭ信号に関して変化する電圧を有する連続的なＤＣ信号を生成する。当業者は上記デジタル制御については精通している。デジタル−アナログ（「Ｄ／Ａ」）変換器の使用など、別の手法も使用可能である。

一実施形態では、共振ネットワーク１０５は可変キャパシタンスを含む。たとえば、共振ネットワーク１０５は、スイッチとアンテナ素子（すなわち、アンテナ素子１０１、１０２、１０３、および１０４のうちの一つまたは全部）に関係するキャパシタンスを変更することによって比較的迅速な調整能力を提供するバラクタダイオードを採用することができる。これに関して、フィルタ１１０からろ波されたＰＷＭ信号により電圧が変更され、バラクタダイオードのキャパシタンスが変更されて、アンテナモジュール１００を「調整」することができる。

通常、バラクタダイオードは、電流が流れない逆バイアス領域で作動される。バラクタダイオードの空乏領域の幅は印加されるバイアス電圧に伴って変動するため、ダイオードのキャパシタンスを変動させることができる。概して、空乏領域幅は印加電圧の平方根に比例し、キャパシタンスは空乏領域幅に反比例する。したがって、キャパシタンスは、印加電圧の平方根に反比例する。

一実施形態では、アンテナモジュール１００は、他のバラクタダイオードと比較して向上した線形性能を提供できるカリフォルニア州ゴレタのアジャイル・マテリアル（Ａｇｉｌｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）社製バラクタダイオードを含む。たとえば、アジャイル・マテリアル社のバラクタダイオードのキャパシタンスは、ダイオードに印加されるバイアス電圧に対してさらに線形に変動する。そのようなものとして、アジャイル・マテリアル社のダイオードは、より優れた調整制御を有する。この高い調整制御は、ソフトウェアの複雑性を低減させる。たとえば、線形機能は通常、非線形機能よりも制御しやすい。そのようなものとして、アジャイル・マテリアル社のバラクタダイオードを作動するのに使用されるＰＷＭ信号のソフトウェア制御はより簡易である。一実施形態では、有効な調整範囲は約５００ＭＨｚである。別の実施形態では、有効な調整範囲は約４００ＭＨｚ〜８００ＭＨｚである。調整は、約０ボルト〜５ボルトの範囲内で（たとえば、ＰＷＭ信号により）有効な電圧を提供することによって実現することができる。

アジャイル・マテリアル社製のバラクタダイオードは、他の利点も提供することができる。たとえば、線形性能に加えて、アジャイル・マテリアル社のバラクタダイオードは、広範囲の温度全体での性能を提供することができる。すなわち、アジャイル・マテリアル社のバラクタダイオードは、相当広範囲の温度下でも、他のバラクタダイオードよりも優れた線形性能を提供することができる。上記は、動作温度が高いことが多い送受動作および自動車用途のうちのいずれかまたは両方にとって有益であろう。

ただし、本発明は、他の種類のバラクタも使用可能であるため、バラクタダイオードに限定することを意図していない。たとえば、相補型金属酸化膜半導体（「ＣＭＯＳ」）プロセスでは、バラクタは、少量に正ドープされた領域内に大量に正ドープされた領域（すなわち、Ｐ^＋埋込み）を配置することによって形成することができる。これらの接合部のキャパシタンスは、Ｎ−チャネル金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（「ＭＯＳＦＥＴ」）の接合部と同様に作用する。

アンテナ素子選択および共振ネットワーク１０５の可変キャパシタンス（たとえば、バラクタダイオードによる）のうちの一方または両方の制御による調整および帯域幅制限の制御機能に加えて、アンテナモジュール１００は、その他の信号条件付け要素を採用することができる。たとえば、アンテナモジュール１００は、フィルタ１０６を含んで、ＲＦの追加の帯域幅制限機能を提供することができる。一実施形態では、フィルタ１０６は、約６９８ＭＨｚ以下の周波数を通過させる低帯域通過領域（すなわち、低域フィルタ、すなわち「ＬＰＦ」）を提供する表面音響波（「ＳＡＷ」）フィルタである。上記フィルタは、ＵＨＦ ＩＩＩ、ＩＶ、およびＶ周波数帯域内のＵＨＦテレビ信号の範囲を可能にする。さらに、フィルタ１０６は、低ＧＳＭおよびＣＤＭＡ帯域での、モバイルおよび携帯ＤＶＢ−Ｔ無線アクセスインタフェース（ＭＢＲＡＩ）クラス３ＤＶＢ−Ｈデバイスの仕様を満たすように使用することができる。

さらに、アンテナモジュール１００は、共振ネットワーク１０５からＲＦのゲインを高めるために増幅器１０７を含む。一実施形態では、増幅器１０７は、制御装置１１１によってデジタル的に制御される低ノイズ増幅器（「ＬＮＡ」）である。制御装置１１１はＰＷＭ信号を生成し、そのＰＷＭ信号はフィルタ１０９によってろ波され、増幅器１０７のＤＣ制御が提供される。ゲインの量は、周波数スペクトル全体で出力されるアンテナモジュール１００の線形性をさらに向上させるように制御することができる。本実施形態の増幅器１０７は、下流装置（たとえば、バラン１０８）の挿入損失と、フィルタ１０６に関連する損失とを克服するように使用することもできる。バラン１０８は、チューナ（たとえば、ホストシステム１１２を有するように構成されるチューナ）へのバランスの取れた出力を提供して、負の信号ルーティング効果を最小限にとどめることができる。

上述したように、ホストシステム内に既に存在する処理能力を利用するため、ホストシステム１１２とともに制御装置１１１の制御機能を組み込むことができる。これに関して、ホストシステム１１２は、制御装置１１１を利用して受信能力または送信能力を最適化することができる。たとえば、ホストシステム１１２は通信データを受信し、受信したデータ上で様々なエラー検出および訂正（「ＥＤＡＣ」）スキームを実行することができる。検出されたエラーレートに基づき、ホストシステム１１２は、アンテナ素子１０１〜１０４をスイッチインまたはスイッチアウトするように制御装置１１１に指示すること、および共振ネットワーク１０５のキャパシタンスを変更するように制御装置１１１に指示することのうちの一方または両方を行って、受信信号のゲインを向上させることによってエラーレートを低下さことができる。さらに、ホストシステム１１２は、増幅器１０７を制御すべく制御装置１１１に指示して、受信信号のゲイン、ひいてはエラーレートを向上させるようにすることができる。

一実施形態では、インタフェース１３０は、ホストシステム１１２とアンテナモジュール１００との間に構成される。インタフェース１３０は、差動アンテナ信号（たとえば、バラン１０８を介して）、２線シリアル制御バス（たとえば、ＳＣＬおよびＳＤＡ配線を有するＩ^２Ｃバス）、非切換バッテリ（すなわち、ＶＢＡＴ）、または切換２．８Ｖ電源（たとえば、動作電力）を含むことができる。インタフェースは、シリアル制御バス用の入力および出力（Ｉ／Ｏ）電圧を選択するＶＩＯポートも含むことができる。インタフェース１３０は、接地電位を提供するＧＮＤも含むことができる。これらのポートは、各種プラットフォームによってしばしば要求されるように、アンテナモジュール１００が単独ユニットとして成形されるようにインタフェース１３０を用いて構成することができる。たとえば、アンテナモジュール１００上の回路は、「フットプリント」（たとえば、チップオンボードまたはフリップチップ組立）を最小限にするダイ形式で構成することができる。

一実施形態では、制御装置１１１は、アンテナモジュール１００の様々な調整および帯域幅制限側面のうちの一方または両方を較正するために使用される較正特徴を含むことができる。たとえば、ソフトウェア１２７は、アンテナモジュール１００内の各種構成要素の減少特性を検出するのに使用される信号ゲインテーブルを含むことができる。すなわち、制御装置１１１は信号ゲインテーブルにアクセスして、所与の状況下で、信号強度がどの程度になるかを判定する。したがって、制御装置１１１は、受信信号の信号強度が信号ゲインテーブルの値内で適切かどうかを判定することができる。適切でない場合、制御装置１１１は、共振ネットワーク１０５のキャパシタンスおよび増幅器１０７のゲインのうちの一方または両方などの制御特性を調節して、受信信号のゲインを最適レベルに復帰させることができる。一実施形態では、制御装置１１１は、制御アルゴリズムに「スマート自動較正」機能を組み込み、その結果が参照テーブルに記憶される。上記は「１回きり」の較正を提供し、組立の時間に固定することができる。

一実施形態を本明細書で図示し説明してきたが、当業者であれば、本発明が図示される実施形態に限定されることを意図されないと容易に認識するであろう。むしろ、アンテナモジュール１００は、本発明の範囲と技術思想に属する別の様式で実現することができる。たとえば、増幅器１０７、フィルタ１０６、およびバラン１０８のうちの一つまたは全部などの特定の構成要素は任意であるか、あるいは別の様式で具体化することができる（たとえば、フィルタ１０６は調整可能帯域通過フィルタであってもよい）。さらに、本発明は、本明細書に図示され記載されるアンテナ素子またはスイッチの数に限定されることを意図しない。たとえば、アンテナ素子の数を実質上制御するため、切換は個々のスイッチ素子１１３〜１１６ではなく多重装置によって行うことができる。これに関して、多数の短アンテナ素子は、ホストシステム１１２により離散的な周波数選択を提供することができる。

一実施形態では、スイッチ素子１１３〜１１６は微小電気機械システム（「ＭＥＭＳ」）である。たとえば、ＭＥＭＳ装置は概して、マイクロメートルサイズの機械部品を指し、様々な幾何学形状の３Ｄリソグラフィ特徴を有する。上記装置は通常、表面マイクロ加工およびバルクマイクロ加工のうちの一方または両方などの半導体プロセスに類似の平面処理を用いて製造される。これらの装置は概して、マイクロメートルからミリメートルまでのサイズ範囲である。ただし、当業者であれば、本発明が特定種類の切換制御に限定されることを意図しないと容易に認識するはずである。特に高周波動作の場合、他の種類のスイッチを使用することができる。一実施形態では、アンテナ素子１０１〜１０４は、セラミック基板上に銅で構成され、ＭＥＭＳスイッチの動作により制御可能に接続される。

図３は、切換可能なアンテナ素子を用い、アンテナダイバシティを採用するアンテナモジュール２００のブロック図である。たとえば、アンテナモジュール２００は、受信チェーンＡおよびＢを有するように図示される。受信チェーンＡおよびＢを使用することによって、ホストシステム２１２などの受信機は、受信チェーンを選択あるいは結合して受信信号の信号品質を向上させることができる。いくつかの例では、ＣＤＭＡ携帯電話のように、受信チェーンは、信号の多経路フェージングを補正し利用する。受信ダイバシティは、処理する複数の信号の選択肢（たとえば、受信チェーンＡからの信号、受信チェーンＢからの信号、またはその組み合わせ）を受信機に与えることによって、この試みをさらに手助けする。すなわち、複数の受信チェーンは、受信チェーンのうち一つまたは複数は信号を受信するのにより適した物理的位置にあるため、受信信号のゲインを向上させることができる。

アンテナモジュール２００は、各受信チェーンの、図１に図示され記載される様々な調整および帯域幅限定機能を採用する。本実施形態では、受信チェーンＡおよびＢは、同じ調整、帯域幅制限、および信号条件付け要素を採用する。そのようなものとして、受信チェーンを一つ記述するだけで十分である。ただし、本発明は、同一の受信チェーンに限定されることを意図しない。むしろ、当業者であれば、受信チェーンは、設計（たとえば、寸法、構成要素の選択、制御盤レイアウトなど）および受信考慮事項のうちの一方または両方を利用するために、互いに異なる様式であることを含み、別の様式で構成できることを容易に認識するはずである。図１のアンテナモジュール１００と同様、受信チェーンＡは、フィルタ１０６Ａ、増幅器１０７Ａ（およびＰＷＭ制御用の関連のフィルタ１０９Ａ）、およびバラン１０８Ａのうちの一つ又は全部などの信号条件付け要素を含むことができる。

本実施形態では、受信チェーンＡは、アンテナ素子１０４Ａおよび１０３Ａで構成される。アンテナ素子１０４Ａおよび１０３Ａは、双極または単極アンテナ素子として構成することができる。アンテナ素子１０４Ａおよび１０３Ａは、制御線１２６Ａおよび１２５Ａを介してスイッチ１１６Ａおよび１１５Ａに転送される制御信号を生成する制御装置２１１によって制御可能に切り換えられる。これに関して、制御装置２１１は、アンテナ素子１０３Ａおよび１０４Ａをアンテナベース素子１１７Ａにスイッチインまたはスイッチアウトする。そのようなものとして、受信チェーンＡの周波数範囲は、アンテナ素子１０３Ａおよび１０４Ａの選択を通じて制御することができる。さらに、制御装置２１１は、たとえば、ＰＷＭ信号を生成して、例えばネットワークのキャパシタンスを変更することにより共振ネットワーク１０５Ａを制御して、受信チェーンＡの特性を調整することができる。

上述の様々な特徴は、複数の装置で利用することができる。特に、これらの特徴は、携帯電話、携帯型メディアプレーヤ、携帯用情報端末（ＰＤＡ）、自動車、およびデジタルおよびアナログＴＶ放送やラジオ放送などの広帯域周波数機敏アンテナが必要とされるその他の用途において好都合に利用することができる。たとえば、上記アンテナモジュールは、ＤＶＢ‐Ｈ規格を用いる携帯電話用途のために、デジタル放送（ＤＶＢ）ＴＶアンテナとともに使用することができる。ただし、これらの特徴は、ＤＶＢ‐Ｔなどの他の規格でも利用することができる。その他の実現例はたとえば、ＷｉＦｉ、ＷＡＮ、ＷＬＡＮ、ＰＡＮ、ＧＰＳおよびその他の各種通信スキームのうちの一つまたは全部を含むことができる。

ソフトウェアおよびハードウェア構成要素を分離して、情報部をアンテナモジュール上に配置することによって、調整可能アンテナを実現するタスクは大幅に簡素化される。たとえば、ホストシステムは、どのモジュールが設置されるかを単純に検知し、その特定のモジュールのために自動的に処理を構成することができる。加えて、ソフトウェアは、機敏性のある成分の影響を克服するため、定期的にアンテナを較正することができる。

図４は、切換可能なアンテナ素子（たとえば、図１のアンテナ素子１４および１５）を有するアンテナ（たとえば、図１のアンテナモジュール２０）のプロセス３００を示すフローチャートである。プロセス３００は概して、プロセス素子３０１において、アンテナモジュールによって受信される無線信号で始まる。たとえば、アンテナモジュールは、無線通信用に、携帯電話やＰＤＡなどのモバイル端末と共に構成することができる。これに関して、アンテナモジュールは、モバイル端末と共に構成される受信機を介して、無線信号を受信することができる。プロセス素子３０２では、受信した無線信号が監視されて、無線信号の信号品質を判定する。一実施形態では、図２の制御装置１１１などの制御装置は、無線信号の信号品質と信号品質の所定の閾値とを比較する。たとえば、制御装置は、受信信号のエラーレートを監視して、そのエラーレートと推定される許容可能なエラーレート値とを比較する。

受信した無線信号の信号品質の判定に応答して、受信した無線信号の信号品質がプロセス素子３０３において信号品質の閾値レベルに相当しない場合（たとえば、エラー訂正は所定レベルより低い）、制御装置は制御信号を生成することができる。制御信号は、アンテナ素子を別のアンテナ素子に結合することによって、プロセス素子３０４において、アンテナモジュールの受信周波数を低下させるスイッチを作動させる。たとえば、２つのアンテナ素子の結合によって形成される長いアンテナは、モバイル端末用の動作周波数を低下させる。アンテナモジュールを低受信周波数に切り換えることによって、モバイル端末が、たとえば一つの帯域での干渉が許容可能な限界を超えて信号を劣化させるような場合、周波数帯域を変更することができる。

図５は、上記のアンテナモジュールとともに使用することのできる共振ネットワーク１０５の回路図である。本実施形態では、共振ネットワーク１０５は無線信号入力４１１を含み、無線周波数信号を受信するために構成することができる。これに関して、無線信号入力４１１は、アンテナ素子（たとえば、アンテナ素子１１７および１０１〜１０４）の選択された結合を介して無線信号を受信するようにベースアンテナ素子１１７に結合することができる。無線信号はアンテナループ４０１を中心に転送させることができる。たとえば、アンテナループ４０１は、制御信号入力４１０でアサートされるＤＣ制御信号によって設定される制御と組み合わせて、無線信号の周波数特性（たとえば、帯域制限）を変更する誘導結合（たとえば、磁気結合）であってもよい。これに関して、制御装置（たとえば、制御装置１１１）は、パルス幅変調信号を制御信号入力４１０に転送して共振ネットワーク１０５の周波数特性を調整する。パルス幅変調信号は、（接地基準４０５に接続される）バラクタダイオード４０４のキャパシタンスを変更することによって周波数特性を調整することができる。すなわち、アンテナループ４０１の誘電結合は、制御信号によるバラクタダイオード４０４の調整とともに、所望の周波数に調整可能な共振回路を形成することができる。本実施形態にはＲＦ分離素子４０３も含まれる。ＲＦ分離素子４０３の一例は、抵抗値が変更されたときに、入力無線信号の帯域幅も変更する抵抗器を含む。ＲＦ分離素子４０３は、ＲＦ信号がＤＣ入力に印加されるのを防止する手助けをする。共振回路１０５は、制御信号入力４１０（たとえば、パルス幅変調信号）で無線信号から導入されるＤＣ信号を分離して、ＤＣ信号がＲＦ信号に印加するのを同様に防ぐために使用されるコンデンサ４０２も含む。

本明細書に図示され記載される実施形態は概して無線信号の受信である通信を指すが、当業者であれば、本発明が単なる無線受信に限定されることを意図しないと容易に認識するはずである。むしろ、上記実施形態におけるアンテナの切換の機敏性によって、たとえば、ある送信周波数が許容可能な限界を超えて低下したときでも、装置が他の周波数で送信することができる。

本明細書に記載の特定のアンテナ素子構造（たとえば、アンテナ素子の数）は、同一または類似の目的を達成するように変更させることができる。これに関して、上記の記載は、例示と説明のために提示した。さらに、その記載は、本発明を本明細書に開示される形式に限定することを意図していない。いくつかの例示的な側面と実施形態を上述したが、当業者であれば、特定の変形、修正、置換、追加、小結合を認識するであろう。したがって、以下の添付の請求項およびその後挿入される請求項は、上記の変形、修正、置換、追加、小結合のすべてを本発明の技術思想と範囲に属するものとして含むように解釈されると意図される。

切換可能なアンテナ素子を有する通信システムのブロック図である。 切換可能なアンテナ素子を有するアンテナモジュールの別のブロック図である。 アンテナダイバシティを利用する切換可能なアンテナ素子を有するアンテナモジュールのブロック図である。 切換可能なアンテナ素子を有するアンテナのためのプロセスを示すフローチャートである。 共振ネットワークの回路図である。

Claims (23)

1. 通信装置の動作周波数を制御するためのシステムであって、
   複数のアンテナ素子を含むアンテナモジュールと、
   前記複数のアンテナ素子のうちのいずれかのアンテナ素子を選択的に結合するように構成される一つまたは複数のスイッチと、
   前記スイッチに通信可能に結合される制御装置と、
   を備え、前記制御装置が前記スイッチを制御する制御信号を生成し、該制御信号によって動作周波数を提供するように指示された場合、前記スイッチが、前記複数のアンテナ素子のうち前記いずれかのアンテナ素子を選択的に結合する、システム。
2. アンテナモジュールが、前記スイッチの総数よりも一つ多いアンテナ素子を含む、請求項１に記載のシステム。
3. アンテナモジュールに接続され、前記複数のアンテナ素子のうち少なくとも一つを介して通信する通信モジュールを含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記制御装置が通信モジュールを有するように構成される、請求項４に記載のシステム。
5. 前記制御装置が、マイクロプロセッサに制御信号を生成するよう指示するソフトウェアモジュールを含む、請求項１に記載のシステム。
6. 前記スイッチが多重装置である、請求項１に記載のシステム。
7. 携帯通信装置であって、
   複数のアンテナ素子を含む第１のアンテナモジュールと、
   前記第１のアンテナモジュールに通信可能に結合され、前記第１のアンテナモジュールを介して第１の信号を受信する受信機と、
   前記第１の信号の信号品質を監視する制御装置と、
   を備え、前記制御装置が、前記第１の信号の信号品質に基づき前記複数のアンテナ素子を変更可能に結合することによって、前記第１のアンテナモジュールの動作周波数を調節する、携帯通信装置。
8. 前記複数のアンテナ素子を含む第２のアンテナモジュールをさらに備え、
   前記受信機が前記第２のアンテナモジュールに通信可能に結合されて第２の信号を受信し、前記制御装置が前記第２の信号の信号品質を監視し、前記第２の信号の信号品質に基づき前記第２のアンテナモジュールの前記複数のアンテナ素子を変更可能に結合することによって前記第２のアンテナモジュールの動作周波数を調節する、請求項７に記載の携帯通信装置。
9. 前記受信機が、前記第１のアンテナモジュールに結合される第１の受信機モジュールと前記第２のアンテナモジュールに結合される第２の受信機モジュールとを含み、前記制御装置が前記第１の受信機モジュールを監視して第１の信号の信号品質を判定し、前記制御装置が前記第２の受信機モジュールを監視して第２の信号の信号品質を判定し、前記制御装置が前記第１の信号の信号品質と前記第２の信号の信号品質とを比較して、前記第１の信号および前記第２の信号のいずれを処理すべきかを判定する、請求項８に記載の携帯通信装置。
10. 前記制御装置が、前記複数のアンテナ素子の変更可能な結合を制御するソフトウェアモジュールを含む、請求項８に記載の携帯通信装置。
11. 前記制御装置が、受信パラメータを制御するために制御信号を生成するように前記制御装置に指示するソフトウェアモジュールを含む、請求項７に記載の携帯通信装置。
12. 共振ネットワークをさらに備え、受信パラメータが受信周波数、帯域幅、またはそれらの組み合わせであり、前記制御信号が前記共振ネットワークを受信周波数に調整するパルス幅変調信号である、請求項１１に記載の携帯通信装置。
13. 前記共振ネットワークがバラクタダイオードを含み、パルス幅変調信号が前記バラクタダイオードのキャパシタンスを変更して受信周波数を調整する、請求項１２に記載の携帯通信装置。
14. 前記制御装置と前記共振ネットワークとの間に接続され、パルス幅変調信号をろ波するフィルタをさらに備える、請求項１２に記載の携帯通信装置。
15. 増幅器をさらに備え、前記受信パラメータが信号ゲインであり、前記制御信号が前記増幅器のゲインを制御するパルス幅変調信号である、請求項１１に記載の携帯通信装置。
16. 前記制御装置と前記増幅器との間に接続され、パルス幅変調信号をろ波するフィルタをさらに備える、請求項１５に記載の携帯通信装置。
17. 前記増幅器が、パルス幅変調信号によってデジタル制御される低ノイズ増幅器である、請求項１６に記載の携帯通信装置。
18. 受信周波数帯域を形成するための方法であって、
    アンテナモジュールで無線信号を受信すること、
    受信した無線信号を監視して無線信号の信号品質を判定すること、
    無線信号の信号品質が信号品質の閾値レベルに対応しないときに第１の制御信号を生成すること、
    スイッチを前記第１の制御信号に基づき作動させて、第１のアンテナ素子をアンテナモジュールの第２のアンテナ素子に結合してアンテナモジュールの受信周波数をさらに低下させること、
    を備える方法
19. 第２の制御信号を生成して共振ネットワークの周波数パラメータを変更することによって、受信周波数を調整することをさらに備える、請求項１８に記載の方法。
20. 第２の制御信号がパルス幅変調信号である、請求項１９に記載の方法。
21. 第２の制御信号を生成して増幅器のゲインパラメータを変更することによって、受信した無線信号のゲインを制御することをさらに備える、請求項１８に記載の方法。
22. 前記第２の制御信号がパルス幅変調信号であり、前記増幅器が低ノイズ増幅器である、請求項２１に記載の方法。
23. 別のスイッチを制御信号に基づき作動させて、第３のアンテナ素子を第２のアンテナ素子に結合してアンテナモジュールの受信周波数をさらに低下させることをさらに備える、請求項１８に記載の方法。

Images