JP2010514241A - 無線通信システム - Google Patents

Abstract

アンテナ多様性を提供する少なくとも２つのアンテナを有するアンテナアレイを備える無線通信受信機。当該受信機は、ソースデータストリームから導出される複数の直交符号化データサブストリームを含む複数の信号を受信するためのものである。当該受信機は、アンテナアレイに結合される受信機回路であって、データサブストリームを検出する検出段、及び当該検出されたデータサブストリームを合成する合成段であって、ソースデータストリームを再生する、合成段を有する、受信機回路も有する。各アンテナは、５よりも大きい誘電率を有する電気的に絶縁の固体材料のコアを有する。各アンテナは、コアの外表面上に又は当該外表面に隣接して配置される３次元アンテナ素子構造も有する。

Description

本発明は、無線通信装置に関し、特に、マルチチャネル無線通信システムで使用する無線通信装置に関する。

無線通信の分野において、多入力多出力（ＭＩＭＯ）システムは、少なくとも２つのアンテナを介して信号を送信すると共に、少なくとも２つのアンテナを介して信号を受信する。典型的なＭＩＭＯ通信システムが図１に示され、以下でより詳細に説明される。データストリームは複数の独立したサブストリームに分割され、各サブストリームは、同じ周波数帯域を使用する異なるアンテナを介して送信される。各信号は他の信号から統計的に独立であるように符号化される。受信機において、各アンテナは、すべての送信アンテナによって送信された信号のみならず、ローカル環境で発生する任意のマルチパス信号も受信する。受信信号は処理され、個別のデータサブストリームが、チャネル状態に従って可能である最大限まで分離される。分離されたデータサブストリームは次に再結合され、元のデータストリームを再作成する。

直交周波数分割多元接続（ＯＦＤＭＡ）技法又は符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）技法を使用して、別個の送信信号を統計的に独立であるように符号化することができる。符号化によって、信号間の低相関が確保される。

ＭＩＭＯシステムのスループットは、同等のＳＩＳＯ（単一入力単一出力）システムよりもはるかに優れていることが保証されている。この追加のスループットは、潜在的に、帯域幅にも全体的な送信電力にも何ら増加を伴わずに生じることができる。ＭＩＭＯシステムは、独立したレイリーフェージングを用いてモデル化することができる環境のような、大量の散乱が存在する環境において、最も良好に機能する。この性質の散乱は空間マルチプレクサとしての機能を果たし、信号を空間的に無相関化する。そのような環境では、受信アンテナは、多くのパスに沿って送信された信号の独立した線形結合を受信する。その結果、受信アンテナの出力は、互いに区別することができる、送信信号の線形結合となる。

従来のＭＩＭＯシステムでは、受信アンテナ間での結合は、２つのメカニズムに従って発生する。第１に、各受信アンテナは送信機から信号を受信し、それによってアンテナの導電性構造内に電流が誘起される。誘起された電流は、対応する信号を再放射する、自身の独自の電磁界を生成する。これらの再放射された信号は隣接するアンテナによって受信される。第２に、典型的なシステムでは、アンテナによって生成された信号は、受信機グランドプレーンにおける電流をもたらし、これらの電流は隣接するアンテナによって共有される。たとえば、グランドプレーンの上の４分の１波長（λ／４）モノポールアンテナに関して、グランドプレーンにおける電流は、グランドプレーンの下の同等の４分の１波長ダイポールに類似する。いずれのメカニズムによっても受信アンテナ間での結合が発生し、このことは、受信アンテナから当該アンテナに結合される受信機回路に供給される信号間の相関を増大させるため、重大な問題である。これらの影響は、受信アンテナが互いに近接しているときに特に深刻である。

ＭＩＭＯチャネルは、アンテナ間のインパルス応答の行列として視覚化することができるチャネル行列［Ｈ］、又は時間チャネル行列によってモデル化することができる。チャネル行列は、複数の項、たとえばｈ₁₁を有し、各複数の項は、それぞれのアンテナ間で作成される個別のサブチャネルのうちの１つを表す。図１は典型的なＭＩＭＯチャネルを示
す。送信側は３つの送信アンテナを有し、受信側は３つの受信アンテナを有する。ｈ₁₁、ｈ₂₁、及びｈ₃₁は、それぞれの送信アンテナ及び受信アンテナ間のサブチャネルを表すベクトルである。明瞭にするために他のベクトルは示されていない。チャネル行列は以下のように書くことができる。

それぞれの送信アンテナによって送信される信号がｘ₁、ｘ₂、及びｘ₃によって表される場合、受信アンテナ７ａによって受信される信号ｙ₁を、ｈ₁₁ｘ₁＋ｈ₁₂ｘ₂＋ｈ₁₃ｘ₃として表現することができる。このモデルは、受信アンテナ間の受信信号のいかなる再放射も計上していない。

ＳＩＳＯチャネルの情報容量（バイナリビット／秒）は、以下を示すシャノン−ハートレイの定理を使用して求めることができる。

式中、Ｂはチャネルの帯域幅であり、ρは信号対雑音比である。

シャノン−ハートレイの定理によれば、チャネルの容量の理論的限界は、所与のビットエラー率を有する符号化信号の検出に関する信号対雑音比によって決定される。このことから、ノイズが存在する場合、情報はチャネルの理論上の容量よりも低い速度でそのチャネルを介して送信され得ることになる。

ｍ本の受信アンテナ及びｎ本の送信アンテナを有するＭＩＭＯチャネルの容量（ビット／秒／単位周波数）は以下のようであることが分かる。

式中、Ｉ_mは単位行列であり、［Ｈ］^tcは［Ｈ］の複素共役転置である。

乗算［Ｈ］［Ｈ］^tcは、正規化され大きさが二乗された相関行列［Ｒ］に等しいことも分かる。したがって、ＭＩＭＯチャネルの容量は、以下のように書くこともできる。

３×３の場合の相関行列は以下のように書くことができる。

式中、たとえば、ｒ₁₂は受信アンテナ７ａから供給された信号と７ｂから供給された信号との間の相関である。

チャネルが統計的に直交及び平行するＭＩＭＯシステムの場合、［Ｒ］は単位行列に類似することが分かる。したがって、式（２）は以下のように変形する。

（ｎ＝ｍの場合）

したがって、理想的なチャネル状態の場合、容量は送信アンテナ及び受信アンテナの数ｎに対して線形に増大する。

しかしながら、上述したように、アンテナ間の結合によって、各受信アンテナから供給される信号間の相関が生じる。これは、各アンテナによって受信される信号間の相関が同じであるＭＩＭＯシステムを検討することによってモデル化することができる。これを、一定の相関係数ｒによって表すことができる。他の或る特定の単純化のための仮定を用いて、容量表現を以下のように概算することができる。

（ｎ＝ｍの場合）

この式は、ｒ→０（相関なし）であるとき、ＭＩＭＯシステムの容量が、当該容量が送信アンテナ及び受信アンテナの数の線形倍である理想的なケース（式（４））に収束することを示す。しかしながら、相関が存在する、すなわち１＞ｒ＞０であるとき、相関の影響は、信号対雑音比における減少に類似する。たとえば、相関係数ｒ＝０．５は、信号対雑音比における３ｄＢの減少に相当する。このことの結論は、相関によって、システムは他のデータサブストリームからの同一チャネル干渉を受けるということである。

これらの式は、アンテナ間の結合がどのようにＭＩＭＯチャネルの容量を減少させるかを立証している。

１つの解決策は、各アンテナを他のアンテナの電磁界の到達範囲の外に設置して、それによって受信アレイの近隣のアンテナにおける信号間の相関を低減させて、任意の所与のＭＩＭＯアレイのアンテナが大きな空間分布を有することを確実にすることである。しかしながら、これは常に可能であるとは限らない。たとえば、小型装置では、アンテナの隔離は装置のサイズによって制限される。さらに、上述したように、結合はグランドプレーンにわたって発生する可能性がある。

偏波多様性及びパターン多様性は、異なって偏波された信号に対する感度が高い、異なって配向された放射パターンを有する受信アンテナを使用することによって達成される。理論上、偏波多様性は、結果として、隣接するアンテナによって生成される信号間の高い統計的独立をもたらす。しかしながら、実際には、複数のアンテナが、それらの近傍界領域が重なるほど互いに近接して設置されるとき、放射パターンは結合し、偏波及びパターンの多様性は著しく低減する。したがって、隣接するアンテナから供給される信号間の統計的独立も低減される。

教本である非特許文献１のページ２８〜３１において、互いに対する間隔が狭いアンテナ素子間の相互結合が通信性能に影響を与える可能性があることが述べられている。相互結合の影響は、ＭＩＭＯシステムの各受信アンテナから供給される信号間の相関を検討することによって評価される。次に信号間の相関を使用してシステム容量を求める。図４に示すＭＩＭＯネットワークモデルと同様のＭＩＭＯネットワークモデルが、この分析のために使用される。モデルは、送信アンテナアレイ及び受信アンテナアレイと、ＭＩＭＯ伝搬チャネルと、整合ネットワークと、受信増幅器と、負荷とを備える。ネットワークモデルを通じる信号フローは、散乱パラメータ（Ｓパラメータ）を使用して記述される。整合ネットワークのＳパラメータは、受信アンテナアレイのＳパラメータの複素共役転置となるように選択される。

Space-Time Processing of MIMO Communications （A. B. Gersham and N.D. Sidroponlos; 2005; Wiley）

本発明の目的は、複数のアンテナを有する無線通信装置における信号受信を改善することである。

本発明の一態様によれば、ソースから導出される複数の直交符号化データサブストリームを含む複数の信号を受信するために、２００ＭＨｚを超える１つ又は複数の周波数において動作する無線通信受信機装置であって、当該装置は、多様性を提供する少なくとも２つのアンテナと、アンテナアレイに結合される受信機回路であって、データサブストリームを検出するように構成される検出段、及び当該検出されたデータサブストリームを合成する合成段であって、ソースデータストリームを再生する、合成段を有する、受信機回路とを有し、アンテナのそれぞれは、５よりも大きい比誘電率を有する電気的に絶縁の固体材料のコアと、コアの外表面上に又は当該外表面に隣接して配置されると共に内部容積を画定する３次元アンテナ素子構造とを備え、コアの材料は上記内部容積の大部分を占める。

そのようなアンテナを用いて、近傍電磁界をアンテナの誘電体コア内に集中させることができる。この結果、そのようなアンテナに隣接する近傍界の範囲及び強度は、たとえばモノポールアンテナに関連付けられる近傍界と比較すると大幅に低減することになる。したがって、所与のアンテナ間隔の場合に隣接するアンテナ間の結合を大幅に低減することが可能であり、したがって、アンテナから取得される信号間の相関を低減することが可能である。

好ましくは、検出段は、アンテナアレイから当該検出段に供給される信号間に存在する、アレイのアンテナ間の相互干渉によって生じる相関をなくすために主に構成される補償ネットワークを備える。

好ましくは、補償ネットワークは、アンテナの下流にある回路の複数のＳパラメータが、アンテナアレイの複数のＳパラメータ（整合及び結合を表す）の複素共役転置となるように構成される。

好ましくは、アンテナのそれぞれは、各アンテナの動作周波数において、各アンテナが、当該周波数において受信されると共に第１の軸に沿って偏波された信号に関して、当該アンテナの放射パターンにおいて少なくとも１つの第１の最大値を有するように構成される。各アンテナの動作周波数において、各アンテナは、当該周波数において受信されると共に第２の軸に沿って偏波された信号に関して、当該アンテナの放射パターンにおいて少なくとも１つの第２の最大値を有する。

第１の最大値は第１の平面内に実質的に位置し、上記第２の最大値は第２の平面内に実質的に位置し、第１の平面は第２の平面に対し直交している。上記アンテナのそれぞれを、当該アンテナの関連付けられる第１の平面が、隣接するアンテナの第１の平面に対し直交するように装置内で配向することができる。このことは偏波多様性を提供し、典型的なマルチパス環境によって生じる偏波散乱を利用する。そのような構成は、本発明による可搬端末の異なる配向で信号強度を維持することにも寄与する。

好ましくは、各アンテナは、アンテナの動作周波数において、当該周波数において受信される信号に関して、各アンテナが当該アンテナの放射パターンにおいてヌルを有するように構成される。次に、装置は、アンテナのうちの少なくとも１つが、当該アンテナのヌルを受信アンテナのうちの別の受信アンテナに向けて方向付けするように配向されるよう
に配置することができる。またこれによって、すなわち、アンテナを当該アンテナの動作周波数において放射パターンにおいてヌルを有するように構成すると共にそれらを適切に配向することによって、アンテナ間の結合が低減する。したがって、近傍界は他のアンテナの方向において低減され、それによってアンテナ間の結合が低減する。

好ましくは、すべてのアンテナが、各アンテナのヌルがアンテナアレイの隣接するアンテナに向けて方向付けられるように配向される。

好ましくは、装置は、２．６５ＧＨｚ、３．５ＧＨｚ、又は５ＧＨｚの動作周波数を有する、受信信号と共に使用するように構成される。これらの周波数において、アンテナはそれらの最近接点において、それぞれ０．０４３ｍ、０．０３２５ｍ、及び０．０２２８ｍの距離だけ互いに隔離される。

好ましくは、アンテナはそれぞれ中心軸を有する。異なって配向された放射パターンを有するアンテナは、互いにより一層近接して位置決めすることができる。具体的には、それらのアンテナを、それらの軸を０．３８λ未満だけ離間させて位置決めすることができる。０．３８λは、動作周波数における電波の無線波長である。この数字は、Jakesのモデル（たとえば、Liang及びChin著「Downlink channel covariance matrix（DCCM） estimation....」（IEEE J. Sel. Area Commun., vol. 19, no. 2. pages 222-232, Feb 2001）を参照のこと）から取得される。

アレイが少なくとも３つのアンテナを含む場合、それらのアンテナのうちの少なくとも２つは同じ配向の放射パターンを有し、同じ配向を有するそれらのアンテナのそれぞれの軸は、最近傍の他のそのようなアンテナの軸から少なくとも０．３８λの距離だけ有利に離間され、異なって配向された放射パターンを有する隣接するアンテナでは、当該アンテナの軸が０．９１０λ未満だけ離間する。

各アンテナが無線通信装置のグランドプレーンから隔離されるように各アンテナに関連付けられる分離トラップが存在することができる。この構成は、グランドプレーンを通じたアンテナ間のいかなる直接結合も最小化する。これによって、近隣のアンテナからの信号間の相関が低減される。通常、トラップは、アンテナのアンテナ素子構造と、当該構造が結合される無線通信装置の無線周波数（ＲＦ）回路との間に位置決めされる、バランの形態をとる。給電構造に結合されると共にループの一部を形成する複数の延長アンテナ導体を有するアンテナの場合、トラップは連結導体を備えることができる。この連結導体はコアの外表面の近位部においてコアを取り囲む導電スリーブとすることができる。スリーブの近位端は給電構造の外部遮蔽部に接続され、給電構造は、コアの遠位端のアンテナ素子への接続部からコアの近位端までコアを貫通する。スリーブの効果は、アンテナの動作周波数において、スリーブの縁が近位端の給電構造の外部導体によって表される接地から効果的に隔離されることである。したがって、スリーブは、参照によりそれらの内容の全体が本明細書に援用される、英国特許出願公開第２２９２６３８号明細書及び英国特許出願公開第２３０９５９２号明細書に記載されているように分離トラップとしての役割を果たす。

好ましくは、各アンテナのコアは円筒形であり中心軸を画定する。各アンテナは、軸方向において実質的に同一の広がりを有する複数のアンテナ素子を有するアンテナ素子構造を備え、各素子は、コアの外表面上の又は当該外表面に隣接する、軸方向に離間した位置間に延びる。アンテナ素子構造は、離間した位置のうちの一方におけるアンテナ素子の部分を連結してループを形成する連結導体も備える。離間した位置のうちの他方におけるアンテナ素子の部分は、コアの遠位端においてアンテナの平衡した給電接続に結合される。

さらに、好ましくは、アンテナ素子のそれぞれの離間した部分は、上述した英国特許出願公開第２３０９５９２号明細書に記載されるように、実質的にコアの中心軸を含む単一平面内に位置する。各アンテナのアンテナ素子は、長さが等しく且つ螺旋状であり、それぞれが上記離間した位置間でコアの周囲を半回転する。アレイの各アンテナは、たとえば、上述したように、アンテナの給電接続において実質的に平衡した状態を促進するように構成される一体型トラップを備える。

好ましくは、装置は、共に当該装置をコンピュータにインタフェースするのに適した、コネクタ及びインタフェースをさらに備える。装置はユニバーサルシリアルバス装置又はＰＣＭＣＩＡカードとすることができる。

好ましくは、装置は、統計的に互いに独立である、異なって符号化されているサブストリームを受信するようになっている。好ましくは、装置はＭＩＭＯ通信装置である。好ましくは、装置は直交周波数分割多重又は直交拡散符号を使用して変調されたサブストリームと共に使用するように構成される。

好ましくは、装置は送受信機として構成され、アンテナはそれぞれデータストリーム送信のために構成される。

好ましくは、装置は送受信機として構成され、上記アンテナのうちの少なくとも２つは信号の送信のために構成され、少なくとも２つは信号の受信のために構成される。

別の態様では、本発明は、複数のマルチチャネル無線通信ネットワークにおいて２００ＭＨｚよりも大きい複数の周波数で使用する無線通信装置であって、少なくとも２つの送信アンテナと、単一のデータストリームを送信アンテナの数に対応する複数のデータサブストリームに分割するように構成される信号プロセッサと、各データサブストリームをアンテナのうちのそれぞれのアンテナに供給するように構成される符号化段とを備え、１組のデータサブストリームは直交符号化され、送信アンテナのそれぞれは、５よりも大きい比誘電率を有する電気的に絶縁の固体材料のコアと、コアの外表面上に又は当該外表面に隣接して配置されると共に内部容積を画定する３次元アンテナ素子構造とを備え、コアの材料は上記内部容積の大部分を占める、装置を提供する。

さらなる一態様では、本発明は、マルチチャネル無線通信システムであって、互いに通信するように構成される複数の無線通信装置を備え、各装置は、信号の受信又は送信のいずれかを行うように構成される少なくとも２つのアンテナを有し、各アンテナは、５よりも大きい比誘電率を有する電気的に絶縁の固体材料のコアと、コアの外表面上に又は当該外表面に隣接して配置されると共に内部容積を画定する３次元アンテナ素子構造とを有し、コアの材料は上記内部容積の大部分を占める、システムを提供する。

これより、図面を参照して例示として本発明を説明する。

従来技術から既知であるＭＩＭＯシステムの概略図である。 本発明による第１の無線通信装置の図である。 図２に示す装置と共に使用するのに適した誘電体装荷アンテナの透視図である。 図２の無線通信装置を組み込むＭＩＭＯ通信システムの一部の概略図である。 図３のアンテナの放射パターンを示す図である。 図３のアンテナの放射パターンを３次元で示す図である。 垂直偏波信号に関して、図３のアンテナの放射パターンを３次元で示す図である。 図３のアンテナの水平偏波信号を表す放射パターンを３次元で示す図である。 本発明による代替的な無線通信装置の図である。

図１を参照すると、ＭＩＭＯ無線通信システム１において、データストリーム２は、送信端において、送信機信号プロセッサ４によって複数の直交符号化サブストリーム３に分割される。次に、サブストリームは、送信機５によって、それぞれの送信アンテナ６ａ、６ｂ、及び６ｃを介して送信される。受信端において、各受信アンテナ７ａ、７ｂ、及び７ｃは、送信アンテナによって送信されるすべての信号を受信する。さらに、各受信アンテナは、建物のような、環境における物体によって生じる、個別のサブストリームの任意の反射されたバージョンを受信する。受信アンテナは受信機８に結合され、受信機８から、受信したサブストリーム９が受信機信号プロセッサ１０に渡される。受信機信号プロセッサは、受信したサブストリームを結合して、再構成されたデータストリーム１１を作成する。これはデータ多重化プロセスを含む。所与の散乱環境内に存在するＭＩＭＯチャネルを、チャネル行列［Ｈ］によって表すことができる。この行列は、送信機から直交トレーニングシーケンスを送信することによって、既知の様式で特徴付けられる。

図１のシステムにおいて使用することができる本発明による無線通信装置２０が図２に示される。図２を参照すると、この装置２０は、パーソナルコンピュータ等への接続に適したＵＳＢ（ユニバーサルシリアルバス）インタフェース２１を有する。装置２０の構成要素はケーシング２２内に収容される。ＵＳＢインタフェースは、ケーシング２２の１つの測縁に沿って位置決めされるＵＳＢコネクタ２３を備える。装置２０は、２つの受信アンテナ２４、２５と、１つの送信アンテナ２６とを備える。それらのアンテナは、信号プロセッサ２８に結合される送信機／受信機２７に結合される。信号プロセッサ２８はＵＳＢインタフェース２１に結合される。図４を参照して以下でより詳細に説明されるように、アンテナはすべて誘電体装荷アンテナである。無線通信装置２０は２つの受信アンテナを備えているため、受信信号のＭＩＭＯ通信に適している。無線通信装置２０は単一の送信アンテナしか備えていないため、信号をＭＩＭＯベースで送信することができない。

図３を参照すると、図２に示される無線通信装置で使用するアンテナ４０は、セラミックコア４１の円筒状の外表面上の金属性導体トラックとして形成される、縦方向に延びる螺旋状の２つのアンテナ素子４０Ａ、４０Ｂを有するアンテナ素子構造を有する。コア４１は、軸給電構造を収容する軸路４２を有する。同軸給電構造は、金属性外部４３と、同軸内部給電導体４４とを備える。この場合の内部導体４４及び外部４３は、コアの遠位端面４１Ｄ上の給電位置において、給電線をアンテナ素子４０Ａ、４０Ｂに結合するための給電構造を形成する。アンテナ素子構造は、対応するラジアルアンテナ素子４０ＡＲ、４０ＢＲも備え、それらは遠位端面４１Ｄ上の金属性トラックとして形成され、それぞれの縦方向に延びる素子４０Ａ、４０Ｄの直径方向において対向している端４０ＡＥ、４０ＢＥを給電構造に接続する。アンテナ素子４０Ａ、４０Ｂの他方の端４０ＡＦ、４０ＢＦも直径方向において対向しており、コア４１の近位端部分を取り囲むめっきされたスリーブの形態の環状の共通仮想接地導体４５によって連結される。このスリーブ４５はさらに、コア４１の近位端面４１Ｐ上のめっき４６によって、軸路４２のライニング４３に接続される。

好ましくは、導電スリーブ４５はアンテナコア４１の近位部を覆い、それによって給電構造４３、４４を取り囲み、コア４１の材料がスリーブ４５と軸路４２の金属性ライニング４３との間の空間全体を埋める。スリーブ４５は、コア４１の近位端面４１Ｐのめっき
４６によってライニング４３に接続される円筒を形成し、スリーブ４５及びめっき４６の組み合わせによりバランが形成される。それによって、給電構造４３、４４によって形成される送信線における信号が、アンテナの近位端における不平衡状態とスリーブ４５の上縁４５Ｕのほぼ平面内にある軸位置における平衡状態との間で変換される。

このアンテナのさらに好ましい特徴を英国特許出願公開第２３０９５９２号明細書において見つけることができる。同様の構造及び特徴を有するアンテナが、国際公開第００／７４１７３号パンフレット及び英国特許出願公開第２３９９９４８号明細書において記載されている。

上述した誘電体装荷アンテナは、近傍電界を、コアの誘電材料内に集中させる。アンテナが信号を受信すると、アンテナ素子内で誘起された電圧は、アンテナの周りに非常に小さな電界を生み出す。再び図２を参照すると、その電界は十分に小さいため、隣接する受信アンテナ（アンテナ２４又は２５）が他方のアンテナの電界によってあまり大きく励起されない。したがって、アンテナ間の結合は、従来のモノポールアンテナと比較して大きく低減される。これは、各受信アンテナから供給される信号間の相関が大きく低減されることを確実にする。

上述したように、アンテナ４０は、バランとして機能するスリーブ４５を有する。スリーブ４５のさらなる効果は、アンテナの動作周波数範囲にある信号に関し、スリーブ４５の縁４５Ｕが、給電構造の外部導体４３によって表される接地から効果的に分離されることである。これは、アンテナ素子４０Ａとアンテナ素子４０Ｂとの間を循環する電流が縁４５Ｕにとどめられ、したがって、螺旋状のアンテナ素子及び縁によって形成されるループが分離されることを意味する。したがって、スリーブ４５はこのように分離トラップとしての役割を果たす。図２を参照すると、受信アンテナ２４、２５は、共に装置２０のグランドプレーンから分離される。これは、受信アンテナ２４、２５によって信号が受信されるとき、２つのアンテナ間に電流が全く流れず、したがってそれらのアンテナは装置のグランドプレーンを介して導電的に結合されないことを意味する。これによって、各受信アンテナによって生成される信号間の相関が低減する。

このことによる別の利点は、アンテナが設置されるケーシング２２が、放射（この場合受信）構造の一部を形成しないことである。これは、各アンテナの放射素子がグランドプレーンから分離され、したがってケーシングからも分離されるためである。これは、ユーザがケーシングを扱うとき、アンテナ間の結合度が大きく変化しないことを意味する。対照的に、従来のモノポールアンテナはケーシングから分離されていない。したがって、ケーシングは、２つのメカニズムに従って放射構造の一部としての役割を果たす。第１に、ケーシングからのすべての反射はアンテナに向かって放射される。第２にケーシングは受信機グランドプレーンを通じた結合を介して、アンテナ素子を直接励磁する。ユーザがボックスを扱う場合、アンテナ間の結合度は変化する。

装置２０のこの特徴は、大きな利点をもたらす。それは、受信アンテナ間の結合が比較的静的であるということである。したがって、相関行列［Ｒ］は受信アンテナ間の結合を表す。次に、アレイ合成ネットワークを使用して結合の影響を除去することができる。アレイ合成ネットワークを使用して、アンテナから供給された信号に逆電力潮流を加え、各アンテナから供給された信号の、アンテナ間の結合を表す部分を除去することができる。

図４を参照すると、ＭＩＭＯ通信システムにおいて、送信アンテナアレイ５０は、チャネル［Ｈ］を介して受信アンテナアレイ５１に信号を送信する。送信アンテナアレイ５０は２つの送信アンテナ５０Ａ、５０Ｂを備える。受信アレイ５１は２つの受信アンテナ５１Ａ、５１Ｂを備え、それらはアンテナ２４、２５に対応する。受信アンテナ５１Ａ、５
１Ｂは共に整合・合成ネットワーク５２に結合され、整合・合成ネットワーク５２は増幅器アレイ５３に結合される。増幅器アレイ５３は２つの増幅器５３Ａ、５３Ｂを備え、増幅器５３Ａは受信アンテナ５１Ａに対応し、増幅器５３Ｂは受信アンテナ５１Ｂに対応する。各増幅器はそれぞれの負荷５４Ａ、５４Ｂに結合される。

図４において、負荷５４Ａ、５４Ｂは、増幅器５３Ａ、５３Ｂの下流にあるすべての回路を表す。負荷電圧ベクトルは、増幅器アレイからの反射（図４のａ₂）に関して表現される。この反射成分は大きく、おそらくシステムにおける最大の反射係数であろう。これを（従来技術の場合のように）単に雑音であると見なすことはできない。受信アンテナアレイ５１から下流にあるネットワーク全体（図４のアンテナアレイ５１の右側）のＳパラメータは、それぞれアンテナ間を結合する、受信アンテナのＳパラメータの複素共役転置と等しくなるように選択されなくてはならない。

整合・合成ネットワーク５２は、インピーダンス整合の機能を、結合の影響を除去する機能と共に提供する。整合及び結合は、たとえば、受信アンテナ間の結合が整合に影響を及ぼすという点で関連している。それらの機能は共に、整合・合成ネットワーク５２のＳパラメータを、受信アンテナアレイのＳパラメータの複素共役転置になるように設定することによって実施される。

整合・合成ネットワーク５２のために必要とされるＳパラメータを導出する１つの技法は、ネットワークアナライザを利用する。ネットワークアナライザは受信アンテナのアセンブリに接続され、関連付けられる給電導体がそれらをネットワーク５２に結合する。試験信号が１つのアンテナに当該アンテナの給電導体を介して供給され、反射信号及び他のアンテナの給電導体で生成される信号の両方が測定される。別のアンテナに供給される試験信号に関して同じことが行われ、各アンテナに関して以下同様である。次に、結果を使用して、アンテナアレイを表すｎ×ｎのＳパラメータ行列を生成し（ｎは受信アンテナの数である）、このＳパラメータ行列から、整合・合成ネットワークのための複素共役転置Ｓパラメータ行列が計算される。

ここで、図３においてそれらのうちの１つが示される複数のアンテナ自体を参照すると、各アンテナのアンテナ素子構造は、アンテナがその放射パターンにおいて横方向のヌルを有するように機能する半回転の螺旋状素子４０Ａ、４０Ｂを有する。ヌルは、軸４１Ａに対して横方向且つ面４７に対して垂直に方向付けられる。したがって、放射パターンは、図５によって示すように、垂直面及び水平面の両方において、軸４１Ａに対して横方向にほぼ８の字形状となる。図３の透視図に関する放射パターンの配向は、図３及び図５の両方に示される、軸Ｘ、Ｙ、Ｚを含む軸システムによって示される。放射パターンはアンテナの各側に１つずつ、２つのヌル又はノッチを有し、それぞれが図３に示す線４８を中心としている。

アレイ内のアンテナ配向を選択することによって、それらのアンテナの放射パターンを使用して偏波多様性を提供することができる。まず、放射パターンをより詳細に検討するべきである。

図６は、すべての偏波モードが合成される場合の、図５に示す放射パターンの３次元表現である。この放射パターンは、ｙ方向にヌルを有し、これは図３の矢印４８に対応する。対応するヌルは、ｙ軸に沿った反対方向に存在する。

図７は、垂直方向に偏波される信号のみの場合の、図３に示すアンテナの３次元の放射パターンを示す。図７から分かるように、アンテナはｘｙ平面において実質的に無指向性であり、ｙｚ平面においてｙ軸からヌルが外向きに延びている。

ここで、代わりに水平偏波の場合のパターンに注目すると、図８は、ｙｚ平面の各象限の最大値を示しているが、それらの最大値はｙ軸自体までは延びていない。最大値はｚ軸に沿って存在するが、ｚ軸からｚｘ平面に沿って外向きに延びていない。

再び図２を参照すると、受信アンテナ２４は、受信アンテナ２４のｘ軸が矢印２９によって示される第１の方向を有し、且つ受信アンテナ２４のｙ軸が矢印３０によって示される第２の方向を有するように、無線通信装置２０内に配向される。図６から分かるように、アンテナ２４のヌルは、アンテナ２４のｙ軸に沿って方向付けられる。したがって、アンテナ２４の放射パターンにおけるヌルのうちの１つは第２の方向、すなわち受信アンテナ２５の方向に方向付けられる。さらに、垂直偏波を表す放射パターンにおける最大値が矢印２９に平行に方向付けられ、一方、水平偏波を表す放射パターンにおける最大値は矢印２９に平行に方向付けられない。これは図７及び図８から分かる。このように、アンテナ間の結合が低減される。

アンテナ２５は、アンテナ２５のｚ軸が矢印２９に平行であり、且つアンテナ２５のｙ軸が矢印３０に平行であるように無線通信装置２０内に配向される。したがって、アンテナ２５の放射パターンにおけるヌルは、矢印３０に平行に、且つ受信アンテナ２４の方向に方向付けられる。さらに、水平偏波を表す放射パターンの最大値は、矢印２９に概ね平行に方向付けられる。

この構成は、偏波多様性及びパターン多様性を提供する。上述したように、アンテナ２４及び２５は、アンテナ２４が矢印２９に平行な方向で受信される垂直偏波信号を受信するのにより適し、且つアンテナ２５がその方向で受信される水平偏波信号を受信するのにより適しているように配向される。装置２０を組み込むＭＩＭＯシステムにおいて、それぞれが、受信アンテナ２４、２５のうちの一方の偏波に対応する偏波を有する信号を送信するように配向されている、２つの送信アンテナを使用することができる。

上述したアンテナが使用されるとき、偏波多様性は特に有益である。これは、異なって偏向された電波を受信するように構成されるアンテナ間の結合が低減するためである。上述したように、図３を参照して説明した誘電体装荷アンテナは、近傍界エネルギーのほとんどがアンテナの誘電体コア内に蓄えられるため、小さな近傍界到達距離を有する。これによって、従来のアンテナと比較して、アンテナを互いにより近接して設置することが可能になる。実際には、受信アンテナ間の最小の隔離は、アンテナのコアの誘電率に応じて決まり、意図されるケーシング２２のサイズに応じて最適化することができる。

上述したようにアンテナの配向を選択することによって達成される偏波多様性を使用することによって、隣接する受信アンテナを、空間多様性を維持しながら、０．３８λ未満の隔離で設置することが可能になる。近傍界の範囲が他のタイプのアンテナ未満なため、隣接するアンテナの近傍界領域は重ならず、放射パターンが実質的に合成されて個別のパターンを破壊することはない。最適な構成は、自身のパターンの最大値がそれぞれｘ軸、ｙ軸、又はｚ軸のうちの１つに位置合わせされるように配向される、３つの受信アンテナを有する。これらのアンテナは、長さ０．３８λの空間内に一列に設置することができる。

この構成のさらなる態様は、アンテナ２４及び２５の放射パターンにおけるヌルが互いに向かって方向付けられるということである。結果として、受信アンテナ２４、２５の方向への受信信号の再放射が他の方向よりも少なくなり、その結果、アンテナ間の結合がさらに低減される。

送信機から受信される信号と、同一の放射パターンを有する隣接するアンテナからの再放射によって受信される信号との間の相関は、隣接するアンテナがそれらの最近傍点で少なくとも０．３８λだけ離間される場合に大幅に低減することができる。ここで、λは所望される信号の中心周波数の無線波長である。同一の放射パターンを有するアンテナを備えると共に、２．６５ＧＨｚの周波数で使用するようになっている無線通信装置では、０．３８λである。同様に構成される装置を、他の周波数、たとえば３．５ＧＨｚ及び５ＧＨｚを中心とする信号を用いて使用することができる。その場合、０．３８λはそれぞれ３．２５ｃｍ及び２．２８ｃｍである。しかしながら、小型装置に関しては、装置をこの長さだけ隔離することは常に実際的であるとは限らない。

しかしながら、異なる放射パターンを有する２つのアンテナが使用され、それぞれが統計的に独立した信号を受信するために使用される場合、送信機によって受信される信号と隣接するアンテナからの再放射によって受信される信号との間の相関を大きく増加させることなく、アンテナを互いに０．３８λよりも近接して設置することができる。したがって、図２を参照すると、受信アンテナ２４及び２５を、受信信号の中心周波数において、それらの最近傍点で０．３８λよりも互いに近接して位置決めすることができる。好ましくは、２．６５ＧＨｚの中心周波数で動作しているシステムにおいて、受信アンテナ２４及び２５はそれらの最近傍点において互いから２ｃｍ未満に位置決めされる。これによって、装置の全体的なサイズを低減することが可能になる。

図９を参照すると、本発明による代替的な無線通信装置６０は、パーソナルコンピュータ等への接続に適切な、ＰＣＭＣＩＡ（パーソナルコンピュータメモリカード国際協会）装置の形態である。装置は４つのアンテナ６１、６２、６３、及び６４を備える。アンテナのうちの２つ６１及び６３は受信アンテナであり、他の２つのアンテナ６２及び６４は送信アンテナである。それらのアンテナは送信機／受信機６５に結合され、送信機／受信機６５は信号プロセッサ６６に結合される。信号プロセッサ６６はＰＣＭＣＩＡインタフェース６７に結合される。図３に関連して上述したように、アンテナはすべて誘電体装荷アンテナである。無線通信装置６０は、受信信号及び送信信号それぞれのための２つのアンテナを備えるため、受信信号のＭＩＭＯ通信及び送信信号のＭＩＭＯ通信に適している。

装置６０における、且つ互いに対する受信アンテナ６１及び６３の配向は、図５を参照して上述した第１の無線通信装置におけるものと同じである。同じことが送信アンテナ６２及び６４にも当てはまる。

Claims (36)

1. ソースデータストリームから導出される複数の直交符号化データサブストリームを含む複数の信号を受信するために、２００ＭＨｚを超える１つ又は複数の周波数において動作する無線通信受信機装置であって；アンテナ多様性を提供する少なくとも２つのアンテナを有するアンテナアレイと；該アンテナアレイに結合される受信機回路であって、前記データサブストリームを検出するように構成される検出段、及び該検出されたデータサブストリームを合成する合成段であって、前記ソースデータストリームを再生する、合成段を有する、受信機回路とを備え；前記アンテナのそれぞれは、５よりも大きい比誘電率を有する電気的に絶縁の固体材料のコアと、該コアの外表面上に又は該外表面に隣接して配置されると共に内部容積を画定する３次元アンテナ素子構造とを備え；前記コアの前記材料は前記内部容積の大部分を占める、装置。
2. 前記検出段は、前記アンテナアレイから該検出段に供給される信号間に存在する、該アレイの前記アンテナ間の相互干渉によって生じる相関をなくすために主に構成される補償ネットワークを備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記補償ネットワークは、前記アンテナの下流にある前記回路の複数のＳパラメータが、前記アンテナアレイの複数のＳパラメータの複素共役転置と等しくなるように構成される、請求項２に記載の装置。
4. 前記アンテナのそれぞれは、該アンテナの共通動作周波数において、各アンテナが、第１の軸に沿って偏波された電波に関して、該アンテナの放射パターンにおいて少なくとも１つの第１の最大値を有し、且つ、第２の軸に沿って偏波された電波に関して、該アンテナの放射パターンにおいて少なくとも１つの第２の最大値を有するように構成される、請求項１，２又は３に記載の装置。
5. 前記第１の最大値は第１の平面内に実質的に位置し、且つ、前記第２の最大値は前記第１の平面と異なる第２の平面内に実質的に位置する、請求項４に記載の装置。
6. 前記第１の平面は前記第２の平面に対し直交する、請求項５に記載の装置。
7. 前記アンテナのそれぞれは、該アンテナの関連付けられる第１の平面が、該アンテナに隣接するアンテナの前記第１の平面に対し直交するように前記装置内で配向される、請求項６に記載の装置。
8. 前記第１の軸は水平軸であり、前記第２の軸は垂直軸である、請求項４〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記アンテナのそれぞれは、該アンテナの共通動作周波数において、該周波数において受信される信号に関して、各アンテナが該アンテナの放射パターンにおいてヌルを有するように構成され、なお、前記アンテナのうちの少なくとも１つがそれぞれのヌルが前記アンテナのうちの別のアンテナに向けて方向付けられるように配向される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. すべての前記アンテナが、各アンテナの放射パターンにおけるヌルが前記アンテナのうちの別のアンテナに向けて方向付けられるように配向される、請求項９に記載の装置。
11. 前記アンテナの前記動作周波数は、２．６５ＧＨｚ、３．５ＧＨｚ、又は５ＧＨｚである、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記アンテナはそれぞれ中心軸を有し、異なって配向された放射パターンを有する隣接するアンテナの前記中心軸は、０．３８λ未満の距離だけ離間され、ここで、λは動作周波数における受信波の無線波長である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記アレイは、同じ配向の放射パターンを有する少なくとも２つのアンテナを含み、そのようなアンテナのそれぞれの前記軸は、最近傍の他のそのようなアンテナの前記軸から少なくとも０．３８λの距離だけ離間され、異なって配向された放射パターンを有する隣接するアンテナでは、該アンテナの軸が０．１９λ未満だけ離間する、請求項１２に記載の装置。
14. 前記アンテナのそれぞれは、前記装置のグランドプレーンから分離される放射素子を有する、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 前記アレイの各アンテナは平衡した給電接続を有する。請求項１〜１４のいずれか１項に記載の装置。
16. 前記アレイの各アンテナは関連付けられるバランを有する、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の装置。
17. 前記バランは前記アンテナの一体的に形成された部分である、請求項１６に記載の装置。
18. 前記アンテナのそれぞれの前記コアは中心軸を画定し、前記アンテナ素子構造は少なくとも２つのアンテナ素子を備え、該アンテナ素子はそれぞれ軸方向において実質的に同一の広がりを有し、各素子が前記コアの前記外表面上の又は該外表面に隣接する、軸方向に離間した位置間に延び、なお、前記アンテナ素子構造は、前記離間した位置のうちの一方における前記アンテナ素子の部分を連結してループを形成する連結導体をさらに備え、前記離間した位置のうちの他方における前記アンテナ素子の部分は前記給電接続に結合される、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の装置。
19. 前記アンテナのそれぞれの前記コアは円筒形である、請求項１８に記載の装置。
20. 前記アンテナ素子のそれぞれの離間した部分は、実質的に前記コアの前記中心軸を含む単一平面内に位置する、請求項１８又は１９に記載の装置。
21. 前記アンテナのそれぞれの前記アンテナ素子は、長さが等しく且つ螺旋状であり、それぞれが前記離間した位置間で前記コアの周囲を半回転する、請求項２０に記載の装置。
22. 前記アンテナは、該アンテナの給電接続において実質的に平衡した状態を促進すると共に、前記アンテナ素子構造を前記装置のグランドプレーンから分離するように構成される一体型トラップをそれぞれ備える、請求項１〜２１のいずれか１項に記載の装置。
23. 前記アンテナのそれぞれは、中心ボアと、該ボア内に搭載される給電構造とを備え、該給電構造は前記コアの遠位端において前記アンテナ素子に結合される、請求項２２に記載の装置。
24. 前記アンテナのそれぞれの前記連結導体は、前記コアの前記外表面の近位部上に円筒状の導電スリーブを備え、該スリーブの近位端は前記給電構造の外部遮蔽部に接続される、請求項２３に記載の装置。
25. 共に前記装置をコンピュータにインタフェースするのに適した、コネクタ及びインタフェースをさらに備える、請求項１〜２４のいずれか１項に記載の装置。
26. 前記装置はユニバーサルシリアルバス装置であり、前記インタフェースはユニバーサルシリアルバスインタフェースである、請求項２５に記載の装置。
27. 前記装置はＰＣＭＣＩＡカードであり、前記インタフェースはＰＣＭＣＩＡインタフェースである、請求項２５に記載の装置。
28. 統計的に独立であるように符号化されている、異なって符号化されているサブストリームを受信するように構成される、請求項１〜２７のいずれか１項に記載の装置。
29. 前記装置はＭＩＭＯ通信装置である、請求項２８に記載の装置。
30. 直交周波数分割多重を使用して変調されたデータサブストリームと共に使用するように構成される、請求項２８又は２９に記載の装置。
31. 直交拡散符号を使用して変調されたデータサブストリームと共に使用するように構成される、請求項３０に記載の装置。
32. 前記装置は送受信機として構成され、前記アンテナはデータストリーム送信のためにそれぞれ接続される、請求項１〜３１のいずれか１項に記載の装置。
33. 前記装置は送受信機として構成され、前記アンテナのうちの少なくとも２つはデータストリームの送信のために接続され、少なくとも２つは信号の受信のために接続される、請求項１〜３１のいずれか１項に記載の装置。
34. 複数のマルチチャネル無線通信ネットワークにおいて２００ＭＨｚよりも大きい複数の周波数で使用する無線通信装置であって；少なくとも２つの送信アンテナと；単一のデータストリームをアンテナの数に対応する１組のデータサブストリームに分割するように構成される信号プロセッサと；各データサブストリームを符号化された信号として前記アンテナのうちのそれぞれのアンテナに供給するように構成される符号化段とを備え；前記１組のデータサブストリームは直交符号化され；前記送信アンテナのそれぞれは、５よりも大きい比誘電率を有する電気的に絶縁の固体材料のコアと、該コアの外表面上に又は該外表面に隣接して配置されると共に内部容積を画定する３次元アンテナ素子構造とを備え；前記コアの前記材料は前記内部容積の大部分を占める、装置。
35. マルチチャネル無線通信システムであって；互いに通信するように構成される複数の無線通信装置を備え；各装置は、信号の受信又は送信のいずれかを行うように構成される少なくとも２つのアンテナを有し；該少なくとも２つのアンテナのそれぞれは、５よりも大きい比誘電率を有する電気的に絶縁の固体材料のコアと、該コアの外表面上に又は該外表面に隣接して配置されると共に内部容積を画定する３次元アンテナ素子構造とを有し；前記コアの前記材料は前記内部容積の大部分を占める、システム。
36. ＭＩＭＯ通信システムである、請求項３５に記載のシステム。

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