JP2010524302A - 高利得操作可能なフェーズドアレイアンテナ - Google Patents

Abstract

高利得フェーズドアレイアンテナは１つ以上のスロットが区画された伝導板を含む。各スロットにつき１本の電気マイクロストリップ給電路が対応するスロットに結合することにより、磁気結合ＬＣ共振素子が形成される。１つ以上のマイクロストリップ給電路には主給電路が結合する。少なくとも１つのスロット及び／又はマイクロストリップ給電路は、他の区分より幅が広い少なくとも１つの区分を含む。
【選択図】図１

Description

従来のフェーズドアレイアンテナではアンテナ素子にウェーブガイド技術が採用されている。ウェーブガイドは、ウェーブガイドの物理的構造によって決まる経路を電磁波がたどるように電磁波伝搬を制御する装置である。ウェーブガイドは主にレーダーセットの出力増幅器をアンテナに接続する等、マイクロ波周波数に役立てられ、通常は長方形の中空金属管の形をとるが、集積回路に組み込まれることもある。一定寸法のウェーブガイドは特定の周波数（遮断周波数）より低い電磁波を伝搬しない。一般的に、ウェーブガイドを通過する電磁波の電磁場にはいくつかの構成がある。これらの構成を伝搬モードという。機能性と利得特性が強化されたフェーズドアレイアンテナが望ましい。

[関連出願の相互参照]
本出願は、２００５年２月９日出願の米国特許出願１１／０５５，４９０、すなわち２００７年４月１０日発行の米国特許７，２０２，８３０B１の一部継続出願（CIP）である、２００７年３月３０日出願の米国特許出願１１／６９４，９１６号に対する優先権を主張し、それらの出願を参照して本文の記載の一部として援用する。

高利得操作可能なフェーズドアレイアンテナが提供される。誘電材によって隔てられた２つ以上の層からなる伝導シートには１つ以上のスロットが区画される。各スロットにつき１本の電気マイクロストリップ給電路がスロットに結合することにより、磁気結合ＬＣ共振素子が形成される。１つ以上のマイクロストリップ給電路には主給電路が結合する。電気抵抗の低減とｑ係数の向上により特定の広帯域幅をアンテナに提供するため、少なくとも１つのマイクロストリップ給電路は、他の区分より幅が広い少なくとも１つの区分を含む。

幅広の区分は他の区分の幅を有する元給電路と、元給電路上に位置する追加的なトレースとを含む。幅広の区分は長方形であってよい。

さらなる高利得フェーズドアレイアンテナが提供される。誘電材によって隔てられた２つ以上の層からなる伝導シートには１つ以上のスロットが区画される。各スロットに対応する電気マイクロストリップ給電路が電子的に結合することにより、磁気結合ＬＣ共振素子が形成される。１つ以上のマイクロストリップ給電路には主給電路が結合する。少なくとも１つのスロットが少なくとも１つの非長方形区分を含むことにより、特定の無線周波数特性をアンテナに提供するスロット形状が形成される。

これらのアンテナはさらに以下に記載の１つ以上の特徴を有する。

マイクロストリップ給電路は対応するスロットと電気的に接続し、スロットの一辺から他辺に渡って結合する、及び／又はスロットの中央を、又は中央以外を横断する。

携帯電話機及び／又はＩＣアンテナ装置は上記アンテナのいずれかを含む。

１つ以上のスロットは、十文字形状、Ｘ字形状、かぎ十字形状、鉄十字形状又はクリスマスツリー形状、又はこれらの組み合わせで重なり合う少なくとも２つの長円形スロットを備える。１つ以上のスロットは、蝶ネクタイ形状を有するスロットを備える。

１つ以上のスロットは、サイズ、又は形状、又はその両方が異なる少なくとも２つのスロットを備え、そのために異なる共振周波数を有する。これらの少なくとも２つのスロットは交差状に互いに重なり合う、及び／又はデュアルバンド又は強化ウルトラワイドバンド性能、又はその両方を提供する。

１つ以上のスロットは、干渉機能を提供するよう配置された２つ以上のスロットを備える。

２つ以上のスロットが共通の給電点からの長さが異なる共通の給電路を共有することにより、合成開口部が形成される。

また、アンテナはマイクロストリップ給電路上で信号位相を選択的に変更することによりアンテナを電子的に操作する遅延回路と、好適な信号方向を連続的または周期的に判定し、且つ好適な方向にアンテナを操作するため遅延回路を制御するプログラムコードに基づき作動する、１つ以上のプロセッサと、を含む。

１つ以上のスロットは、長方形や楕円形等、長円形を有し、マイクロストリップ給電路は、長円形スロットの短寸法に延在する。

主給電路は同軸ケーブルコネクタ接続部に結合する。

１つ以上のスロットは、マイクロストリップ給電路によって並列給電される少なくとも２つのスロットを備える。

同軸ケーブルコネクタ接続部により中央給電される主給電路の両側に同数のスロットが配置されることにより、主給電路は二分される。主給電路の半分はそれぞれ同じ抵抗を有し、これは主給電路の半分に対応する並列マイクロストリップ給電路と同じ全抵抗でもある。アンテナの入力インピーダンスは、主給電路の半分と同じ抵抗となるよう選択される。

好適な実施形態による高利得操作可能なフェーズドアレイアンテナの前面図である。 好適な実施形態による高利得操作可能なフェーズドアレイアンテナの背面図である。 好適な実施形態による共振スロットと結合するマイクロ給電路を示す図である。 好適な実施形態によるフェーズドアレイアンテナを操作するためマイクロストリップ給電路に結合された遅延電子機器を模式的に示す図である。 好適な実施形態によるローブの選択に基づき様々な方向に広がる信号分布図例を示す図である。 好適な実施形態によるフェーズドアレイアンテナ素子の電子部品を模式的に示す図である。 好適な実施形態によるフェーズドアレイアンテナの信号分布ローブを選択する動作のフロー図である。 好適な実施形態によるフェーズドアレイアンテナの信号分布ローブを選択する動作のフロー図である。 中央からずらしたマイクロストリップ給電路を備えるＬＣ共振スロットを模式的に示す図である。 一実施形態による幅広のマイクロストリップ給電路を備えるＬＣ共振スロットを模式的に示す図である。 別の実施形態によるＬＣ共振スロットと、幅が異なる複数のトレース層を有するマイクロストリップ給電路を模式的に示す図である。 特定の実施形態によるＬＣ共振スロットと、様々な幅を有する様々なトレースが１区分の様々な箇所で様々な方向に重なるマイクロストリップ給電路を模式的に示す図である。 一実施形態によるＬＣ共振スロットを備える携帯電話機を模式的に示す図である。 一実施形態によるＩＣアンテナを模式的に示す図である。 図１２ａのＩＣアンテナ部品を示す図である。 さらなる実施形態による機能性の異なる様々なスロット形状を示す図である。 複数のスロットを含み干渉原理を利用するアンテナの一実施形態を模式的に示す図である。 別の実施形態による２つのチップを備える回路基板を模式的に示す図である。 一実施形態による合成開口部を模式的に示す図である。 さらなる実施形態によるウルトラワイドバンド性能アンテナを模式的に示す図である。 別の実施形態による強化ウルトラワイドバンド・デュアルバンド性能を有するアンテナを模式的に示す図である。 好適な実施形態によるアンテナをマイクロストリップ側から見た図である。 図１９Ｂのアンテナをスロット側、すなわち反対側から見た図である。

図１を参照すると、好適な実施形態による高利得操作可能なフェーズドアレイアンテナは伝導シート１０２を含む。伝導シート１０２は、好ましくは誘電材によって隔てられた２つ以上の層からなる、銅等の１枚の板金であって、１つ以上の種々金属かその他の導体から構成してもよい。伝導シート１０２には４つのスロット１０４が開けてある。使用するスロット１０４は４つよりも多くても少なくてもよいが、好ましくはフェーズドアレイパターンで互いに補完する形態で配置する。スロット数が倍になるたびに利得は３ｄＢｉずつ増加する。

スロット１０４は、好ましくは長円形であり、より好ましくは長方形である。ただし、スロット１０４は正方形でも円形でも任意の形状でよい。シートの好適な寸法は幅５ ７／８インチ×高さ５ １／８インチである。長方形スロットの好適な寸法は５／８インチ×２ １／８インチである。スロット１０４の寸法は、一般的には、そして好ましくは、幅が半波長（λ／２）、高さが４分の１波長（λ／４）である。スロット１０４の駆動インピーダンスは、好ましくは（６０）ｓｑ／７３＝４９４オームである。３７７．５６４オームの自由空間への遷移にあたっては損失がないため、有利な利得特性が達成される。

シート１０２には、好ましくは半田付けにより同軸ケーブル１０５が接続される。アンテナの電気的配置は図２により詳しく示すが、図１には長方形スロット１０４の長辺の中央に４つの半田接続１０６が示してある。図１には、背面からシート１０２に至るその他の半田接続１１０の他に、信号ケーブル１０５も示してある。

図２は、好適な実施形態による高利得操作可能なフェーズドアレイアンテナの背面図を示す。アンテナの前面側は様々な電気接続をともなう回路基板を含む。背面上の電気部品に対する位置を透視するため、図２には伝導シート前面に開いたスロット１０４が点線で描かれている。マイクロストリップ給電路接続２０６は伝導シート１０２前面の半田接続１０６に対応する。これらの接続２０６は、長円形、好ましくは長方形のスロット１０４の、好ましくは長辺の中央に位置する。代替的には、接続２０６は短辺の中央に位置してもよく、上記の通りスロット１０４は正方形でも円形でも任意の形状でもよい。

スロット１０４は結合機構により共振性である。結合機構はマイクロストリップ給電路２１２により共振スロット１０４と接続する。マイクロストリップ給電路はアンテナの別個の平面上に構成される。共振スロット１０４は、好ましくは１００オームのマイクロストリップ給電路２１２により、並列給電される。マイクロストリップ給電路２１２は、それぞれ一連の電子回路部品２１４と接続する。かかる部品２１４の内、各マイクロストリップ給電路２１２につき４つの部品が正方形で図示されている。かかる部品２１４は、アンテナを方向的に操作するための電子遅延装置を含む。部品２１４は、好ましくはＰＩＮダイオードとインダクタとを含む。ダイオードはパナソニックＳＳＧ（Panasonic SSG）のダイオードＰＩＮ ６０Ｖ １００ｍＡ Ｓｍｉｎｉ−２Ｐ（製造者品番ＭＡ２ＪＰ０２００Ｌ、ディジキーＭＡ２ＪＰ０２００ＬＴＲ−ＮＤ）のタイプのものでよく、好ましくはショットキーダイオード、アジレント（Agilent）の品番ＨＳＭＳー２８５０か、もしくはこれと同等のものである。インダクタはパナソニック（Panasonic）の１．０μＨ ＋／−５％ １２１０（製造者品番ＥＬＪ−ＦＡ１Ｒ０ＪＦ２、ディジキーＰＣＤ１８２５ＴＲ−ＮＤ）タイプのものでよい。コンデンサは、好ましくは１０００ｐＦ、ＴＤＫ、Ｃ１６０８Ｘ７Ｒ１Ｈ１０２Ｋか、これと同等のものである。抵抗器は好ましくは４７０オーム、Ｙａｅｇｏ ９Ｃ０６０３１Ａ４７００ＪＬＨＦＴか、これと同等のものである。

アンテナは、マイクロストリップ給電路２１２へ遅延回路２１４を加えることにより電子的に操作可能となる。かかる遅延によってマイクロストリップ給電路沿いの信号位相が変化する。遅延回路はＰＩＮダイオードと、回路基板の銅面に開いたパッドとを含む。ＰＩＮダイオードがオンになると回路に遅延が加えられる。つまり、これを使って信号の発信元をたどることができる。信号は無線アクセスポイント、ポータブルコンピュータ、その他の装置から発信する。

マイクロストリップ給電路２１２は主給電路２１６へそれぞれ接続する。図２のアンテナの上半分にある２本のマイクロストリップ給電路２１２は主給電路２１６の上半分に接続し、図２のアンテナの下半分にある２本のマイクロストリップ給電路２１２は主給電路２１６の下半分に接続する。主給電路はその中央が同軸接続部２１８に接続され、同軸接続部は同軸ケーブル１０５に接続される。遅延パッド２１４を信号ケーブル１０８に接続する様々なトレース２２０が図示されている。信号ケーブル１０８はコンピュータ制御装置に接続する。

図１及び図２のアンテナは４つの共振スロット１０４を有する。アンテナの上半分と下半分は互いの鏡像である。２本の１００オーム給電路は、図１に示すアンテナの上半分にある２つの共振スロット１０４に給電する。１００オーム給電路は並列である。結果的に抵抗は５０オームになる。これは５０オーム主給電路２１６の抵抗に一致する。アンテナの下半分を考慮に入れると、アンテナの中央は２５オーム、すなわち２つの並列５０オーム回路である。好適な実施形態によると、アンテナの入力インピーダンスは５０オームになるよう選択される。３５．３５オームのインピーダンス整合パッドでこれを達成する。

図３を参照すると、マイクロストリップ給電路の結合点３０６が示してある。これらの結合点３０６は、共振スロット１０４の長辺の中央に位置する。マイクロストリップ給電路２１２はスロット１０４の短寸法を横切っている。図３は単なる例示であり、スロット１０４と、マイクロストリップ給電路２１２と、接続点３０６のみが図示されている。図３のアンテナの下半分にある２つのスロット１０４の接続３０６は、スロット１０４の下の長辺に位置する。図２ではそれらがスロット１０４の上の長辺に接続されている。アンテナの上半分にある２つのスロットの下辺にマイクロストリップ給電路を接続することもできる。さらに、スロット１０４とマイクロストリップ給電路２１２とを９０度に、もしくは別の任意の角度に回転させることもでき、あるいはスロットのみを回転させたり、マイクロストリップ給電路２１２のみを回転させることもできる。

図４は、好適な実施形態によるフェーズドアレイアンテナを操作するためマイクロストリップ給電路２１２に結合された遅延電子機器２１４を模式的に示す。図４に示したマイクロストリップ給電路２１２は、ｐｉｎダイオードパッド４２４とインダクタ４２６とを含む３組の電子機器にそれぞれ結合されている。遅延パッド４２４は、選択線路沿いの＋５ボルトと−５ボルトの電圧によってそれぞれイネーブル、又はディスエーブルとなる。

図５Ａから図５Ｄは、好適な実施形態による、ローブの選択に基づき様々な方向に広がる信号分布図例を示す。図４に示すパッドには１から６の標識、すなわち＃１、＃２、＃３、＃４、＃５、及び＃６が付されている。これらの信号分布図はパッド＃１〜＃６の内、特定のパッドを選択的にオンにして作成されたものである。図５Ａは、パッド＃１のみ選択されたときのアンテナの信号分布を示す。図５Ｂは、パッド＃１、＃２、及び＃３がそれぞれ選択されたときのアンテナの信号分布を示す。図５Ｃは、パッド＃４のみ選択されたときのアンテナの信号分布を示す。図５Ｄは、パッド＃４、＃５、及び＃６がそれぞれ選択されたときのアンテナの信号分布を示す。

図６は、好適な実施形態によるフェーズドアレイアンテナ素子の電子部品を模式的に示す。スロット１０４と、マイクロストリップ給電路２１２と、主給電路２１６と、同軸接続点２１８と、マイクロストリップ給電路接続点３０６とが図示されており、これらは好ましくは上記で説明した通りである。マイクロストリップ給電路接続点３０６は、好ましくは図６の通りに接地する。ｐｉｎダイオードパッド４２４とインダクタ４２６は一般的な電気的表記で図示されている。

図７及び図８は、好適な実施形態によるフェーズドアレイアンテナのローブのスループットを監視し信号分布ローブを選択する動作の流れ図である。ローブは２つでも４つ以上でもよいが、図７に示すプロセスでは例示のため３つのローブを仮定している。７０２では、接続された無線装置のＩＰアドレスを入手する。アンテナに対するこの接続のためローブデータをスキャンし、記録する。選択候補のローブの内、スループットが最高のローブが選ばれる。スループットとは、無線ネットワークがデータを端から端まで処理する単位時間当たりの速度である。通常は１秒当たりのメガビット数（Ｍｂｐｓ）で測定される。この例では３つのローブの中間が選択されると仮定している。

かかるローブは、スループットが閾値レベルを上回る限り選択ローブであり続ける。かかる閾値レベルは所定のスループットレベルでよく、もしくは最大、平均、又は既定スループットレベルを下回る所定スループット又はパーセンテージでよく、あるいは他のスループットとの比較に依拠してもよい。以下で詳述する図８では、信号強度が雑音レベルまで低下するか、一定量／パーセンテージの雑音範囲内まで低下すると、別のローブが選択される。７０８では、図７に示すプロセスに従い、連続的または周期的にスループットを監視する。閾値レベルを下回るスループットが確認されない限り、プロセスは７０８にとどまってかかる監視を実行する。７１０では別のローブを、例えば右側に最も近い次のローブを選択する。７１２では、かかるローブによるスループットが閾値より上か下かを判断する。この新しいローブによるスループットが閾値を上回る場合、プロセスは７１４へ進む。７１４では、新規ローブのローブ番号と信号強度、及び／又はその他のデータを保存する。７１６では、新規ローブの監視が７０８における最初のローブのそれと同様に行われる。つまり、新規ローブによる接続スループットを周期的または連続的に監視する。７１６で新規ローブによるスループットが閾値レベルを下回ると判定される場合に限り、プロセスは７１８へ進む。７１２で新規ローブによるスループットが閾値を下回ると判定される場合は、７１８へ直進する。７１８では、もうひとつのローブ、すなわち第３のローブが、例えば最初のローブの左側に最も近いローブが選択される。７２０では、そのスループットが閾値の上か下かを判断する。閾値を上回る場合、かかるローブはスループットが閾値を下回らない限り選択ローブであり続ける。スループットが閾値を下回る場合は７２４でローブデータのスキャンと記録を行い、プロセスは７０６まで戻り、スループットが最も高いローブを再び選択する。

図８のプロセスでは、例えば最も強いローブを選択するため、さらなる実施形態による全ローブの信号強度やその他のデータを監視する。図８を参照すると、８０２では例えばローブ＃１が選択される。８０４では無線装置接続の信号強度を読み取る。雑音レベルを上回る信号強度か、雑音レベルを所定の量又はパーセンテージで上回る信号強度が確認されると、８０８でスループットを計算する。８１０でローブ番号と信号強度とスループットを記録すると、プロセスは８１２へ進む。雑音レベルの信号強度か、雑音レベルより上の所定量又はパーセンテージを下回る信号強度が８０６で確認される場合は、ローブ番号と信号強度とスループット（＝０）を８１４で記録し、プロセスは８１４へ進む。

８１２では、最後のローブに関するデータが処理済みか否かを判断する。処理済みでなければ８０４まで戻り、次のローブの監視を行う。全てのローブについてのローブデータが監視及び判定された時点で、プロセスは発信元８１８に戻る。

参照により本願に援用する親米国出願第１１／０５５，４９０及び／又は６０／６１７，６０９号で開示された特徴の一部を以下に要約する。高利得フェーズドアレイアンテナは１つ以上のスロットが区画された伝導シートを含み、各スロットにつき１本の電気マイクロストリップ給電路がスロットに対し平行の平面内に配置される。マイクロストリップ給電路と対応するスロットによって磁気結合ＬＣ共振素子が形成される。マイクロストリップ給電路には主給電路が結合する。

スロットは長円形であってよく、例えば長方形や楕円形であってもよい。マイクロストリップ給電路は、好ましくは長円形スロットの短寸法に、もしくは長寸法に延在する。主給電路は同軸ケーブル接続部に結合する。スロットはマイクロストリップ給電路により並列給電される。

スロット数は２つ又は４つであってよく、この場合は、同軸ケーブル接続部により中央給電される主給電路の両側に１つ又は２つのスロットが配置されることにより主給電路が二分される。本実施形態では、主給電路の半分はそれぞれ同じ抵抗を有し、これは主給電路の半分に対応する並列マイクロストリップ給電路と同じ全抵抗でもある。アンテナの入力インピーダンスは、主給電路の半分と同じ抵抗になるよう選択される。アンテナ信号は、アンテナから延伸する１つ以上の個別のローブを含む。

１つのみのスロットが同軸ケーブル接続部により給電されてもよい。この場合、アンテナの入力インピーダンスは同軸インピーダンスと同じになるように選択される。この場合のアンテナ信号もまた、アンテナから延伸する１つ以上の個別のローブを含む。

１つのみのスロットがマイクロストリップ給電路により給電されてもよい。この場合、アンテナの入力インピーダンスはマイクロストリップ給電路と同じになるように選択される。この場合のアンテナ信号もまた、アンテナから延伸する１つ以上の個別のローブを含む。

さらなる高利得操作可能なフェーズドアレイアンテナは、複数のスロットを有するシート又は伝導シートを含む。各スロットにつき１本の電気マイクロストリップ給電路がスロットに対し平行の平面内に配置される。マイクロストリップ給電路と対応するスロットによって磁気結合ＬＣ共振素子が形成される。マイクロストリップ給電路には主給電路が結合する。遅延回路を使用し、マイクロストリップ給電路上で信号位相を選択的に変更することによりアンテナを電子的に操作する。プログラムコードに基づき作動する１つ以上のプロセッサは、好適な信号方向を連続的または周期的に判定し、遅延回路を制御しながら好適な方向にアンテナを操作する。スロットは好ましくは長円形または長方形である。マイクロストリップ給電路は好ましくはスロットの短寸法に延在する。

高利得操作可能なフェーズドアレイアンテナを操作する方法も提供される。同方法は、遅延回路を制御することにより上記アンテナを電子的に操作することと、好適な信号方向を連続的または周期的に判定することと、マイクロストリップ給電路上で信号位相を選択的に変更するため遅延回路を制御することとを含み、これによりアンテナを好適な方向に操作する。

さらなる高利得操作可能なフェーズドアレイアンテナとこれを操作する方法も提供される。かかるアンテナは多数の共振素子と、それらの共振素子に結合する主給電路とを含む。電子機器を使用し、共振素子へ異なる入力を供給することによってアンテナを操作する。プログラムコードに基づき作動する１つ以上のプロセッサは、ディレクショナルスループット判定に基づき好適な信号方向を連続的または周期的に判定し、電子機器を制御しながら好適な方向にアンテナを操作する。共振素子は、好ましくはシート内に区画された長円形または長方形スロットである。

アンテナ信号は、好ましくはアンテナから様々な方向に延伸する多数の個別のローブを含む。ローブは、好ましくはディレクショナルスループット判定に基づく電子機器制御により選択される。

ディレクショナルスループット判定は、最初の選択ローブのスループットを監視することと、スループットが閾値を下回る場合、所定量低下する場合、雑音レベルより上の所定量になる場合、あるいはこれらの組み合わせに該当する場合に、隣接するローブに切り替えることと、そのスループットを同様に監視することとを含む。隣接するローブのスループットが閾値を下回る場合、最大値を所定量以上下回る場合、雑音レベルより上の所定量を下回る場合、あるいはこれらの組み合わせに該当する場合は、選択ローブが最初の選択ローブの反対側に位置する別の隣接ローブに切り替えられる。ディレクショナルスループット判定はまた、全てのローブか複数のローブのスループットをスキャンして判定することを含み、スループットが最高のローブが選択される。

プロセッサで読み取り可能なコードが組み込まれた、１つ以上のプロセッサで読み取り可能な記憶装置も提供される。プロセッサで読み取り可能なコードは、ここで説明する高利得操作可能なフェーズドアレイアンテナを操作する方法のいずれかを実行するよう１つ以上のプロセッサをプログラムする。

以下においては、新たに図９〜図１７を参照する。以下の新しい特徴は、参照により本願に援用する親米国出願第１１／０５５，４９０及び／又は６０／６１７，６０９号で開示された、図１〜図８を参照して説明した特徴と組み合わせて、あるいは説明した特徴の代わりに、有利に役立てることができる。

マイクロストリップ給電路２１２については図２、３、４、及び６を参照しつつ上記で説明した。これらは精密共振周波数を提供する。その周波数は一実施形態においては略２．４ＧＨｚである。共振は略１００オームで、リアクタンスに応じて特定のｑ係数を提供する。別の実施形態ではより広い帯域が提供され、例えば２．３ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚ又は２．３ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚでそれぞれ２００ＭＨｚ又は４００ＭＨｚ幅の帯域、３．３ＧＨｚ〜３．８ＧＨｚで５００Ｍｈｚ幅の帯域、４．９ＧＨｚ乃至５．９ＧＨｚで１Ｍｈｚ幅の帯域、３．１６８Ｇｈｚ乃至４．４８８Ｇｈｚで１．３２Ｇｈｚ幅の帯域が提供される。この構成は、抵抗を、例えば５０から８０オーム程度に下げてｑ係数を向上させることで達成できよう。新たな抵抗は駆動端にて整合される。

抵抗を抑えｑ係数を向上させるため様々なマイクロストリップ給電路を提供できる。既に説明した通り、スロットの中央にマイクロストリップ給電路を設けて半波長λ／２共振状態にできる他、図９に示すように、スロットの端に給電路を設けて４分の１波長λ／４状態を形成することもできる。図９のスロット９０４では、いずれか一方の長辺の３分の１乃至８分の１あたりにマイクロストリップ給電路９１２を配置でき、例えば図示のように、いずれか一方の短辺から長辺の全長の６分の１の箇所に配置できる。ブロック９１４は関連電子回路部品を表し、プリント基板９５４上には三角形９４４が設けてある。いずれか一方の短辺から長辺の全長の４分の１や５分の１等、これ以外の「中央からずらした（off-center）」配置も可能であり、いずれかの辺に対し斜めに横断する給電路９１２も可能である。

例えば図１０ａに模式的に示すスロット１００４のマイクロストリップ給電路１０１２のように、図２、３、４、又は６に比べてトレースの幅を広げることもできる。プリント基板１０５４には、図９の三角形９４４と同様の三角形１０４４が設けてある。

図１０ｂに示す別の実施形態では、幅が異なる複数のトレース層１０１２、１０１６がスロット１０１８に設けてある。第１のトレースは図１０ａのマイクロストリップ給電路であってよい。第１のトレース１０１２より幅が広い第２のトレース１０１６は、トレース全体１０１２の局部にあたる第１のトレース１０１２に重ねることができる。これよりも長い区分や短い区分に幅広の第２のトレース１０１６を重ねることもでき、これよりも幅が広いトレースや狭いトレースをトレース全体１０１２の複数の区分に重ねてもよい。つまり、長さや幅が異なる様々なトレースを設けることができる。図１０ｃに示すスロット１０２２では、それぞれ方向が異なる複数の幅広トレース１０２０がトレース全体１０１２の短い区分に渡って若干異なる箇所に重なり合っている。トラップを形成することができる。一端から他端にかけて幅が変化するトレースや、区分ごとに幅の異なるトレースを形成することもできる。幅が異なる各区分で幅は一定であっても変化してもよい。１つのスロットに幅及び／又は長さが異なる複数のトレースを設けることができる。

図１１に示す携帯電話機１０２４には、その寸法が略２インチ×２か２分の１インチ、すなわち１”×２．５”のスロット１０２６が１つ以上ある。中央からずらしたマイクロストリップ給電路９１２が図示されているが、これとは異なる多数の構成を用いてもよい。図１１に示すスロット１０２６と給電路９１２は携帯電話機の他の電子機器１０２８に接近しているが、他の電子機器からはずらしてある。

さらなる例として、スロットは最も狭くて幅１インチ、長さ６インチでもよく、６インチ（又は６インチ以外）の全長に渡って幅を変えることもできる。

図１２ａに示すように、最上層のＩＣには電流駆動スロットが設けてある。ＩＣはフリップチップとしてパッケージできる他、他の何らかのＩＣパッケージングでもよい。図１２ａには４つの層１２０２、１２０４、１２０６、及び１２０８が示してある。最上層１２０８には、第３の層１２０４にある２０ｄＢまでの電力増幅器１２１１へ至るビア１２１０が設けてある。最上層１２０８にはアンテナ１２１２も示してある。キャパシタンスは内部か外部で供給する。これにより周波数は容易に調整できる。これらを１つのＩＣにまとめ、１０個のスロット１２１２からなるラインアップ構成により電力線要求を１０倍減らすことができる。各ＩＣ内の論理デバイスは送受信スイッチ、すなわちＴ／Ｒスイッチ１２１４と、低雑音増幅器、すなわちＬＮＡ１２１６と、電力増幅器すなわちＰＡ１２１１であってよい。これらの部品、すなわちアンテナ１２１２、Ｔ／Ｒスイッチ１２１４、電力増幅器１２１１、低雑音増幅器１２１６とは、ブロック図形式で図１２ｂにも図示されている。

図１３ａから図１３ｆは、さらなる機能性を提供する形状の異なるスロットを示す。例示する形状の多くは、図示の形状を有する単一のスロットとみなすことができ、またはアンテナで所望の無線周波数特性を達成するよう組み合わされた、部分的に重なり合うか間隔を置く、２つ以上のスロットとみなすことができる。例えば、図１３ａのスロット１３０４と給電路１３１２により十文字形状が描かれているが、給電路１３１２の横断の方法は他にも様々ある。図１３ｂにはＸ字形状のスロット１３１４と給電路１３２２を示す。Ｔ、Ｖ、Ｌ構成やその他のアルファベット文字、直線及び／又は曲線区分の組み合わせ等、部分的に重なり合う長円形スロットの構成は他にも存在する。数が倍になるたびに追加的に３ｄB利得を達成できる。

これらを用いてアンテナの指向性を高めることもできる。これらは帯域幅に関して交差分極できる。寸法は２．５オクターブであってよく、その場合は１ｍｍで１０ＧＨｚ、２．５ｍｍで１ＧＨｚが供給される。

図１３ｃで給電路１３３２とともに図示されたスロット１３２４は蝶ネクタイ形状であり、蝶ネクタイ形状はいかなる方向にも向けることができる。かかる形状は、別の実施形態では、図１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ、及び１３ｇにそれぞれ示した、かぎ十字形状またはまんじ形状、クリスマスツリー形状、突出した部分を有する長円形スロット、鉄十字形状である。

かかる構成は、好ましくは３６０°の操作柔軟性と方位角を提供する。これは、上述した遅延パッドにより提供するか、遅延パッドの代替として提供することができる。アンテナは、スループット、強度、信号対雑音比のいずれか、又は全てに基づき操作できる。

図１４に示すように、干渉原理を応用してもよい。つまり、周波数と位相が同じスロットから利得を加えることができる。２つ以上のスロットを使用し、各スロットはポイントソースとして機能する。図１４には３つのスロット１４０４を示してあるが、それぞれが独自の給電路１４１２を有する。図１４の実施形態では、３本の給電路が共通の給電点１４１８と無線器１４２０とに接続している。各スロットは単一のソースから異なる信号を受信する。異なる信号の組み合わせにより単一ソースの三次元像が示される。

図１５に示すような回路基板を設けることができる。他の電子機器１５２０を含む回路基板の隅には２つのチップ１５１０を、すなわちフリップチップとしてパッケージされたＩＣを、設けることができる。２つのチップの間隔は任意の距離でよい。

無線器１６４０を示す図１６のような合成開口部を設けることもできる。周波数が同じ２つ以上のスロット１６０４は、給電点１６３０からの長さが異なる給電路１６１２及び１６２２によって制御される。給電路の長さはスロット間の間隔に対応し、スロットは所定の場所で信号を捕らえる。この方法は、着信信号の波長がスロットアンテナより長い場合に用いる。２つの小さなスロットを１つの長い大開口スロットとして使用し、合成開口部を形成する。

図１７のスロット１７０４と給電路１７１２に示すように、ウルトラワイドバンド性能を達成することもできる。第１に、スロット１７０４にて給電路１７１２沿いの静電容量を減らすことによってＱがロードされる。それには、ＰＣＢ１７５４背面の三角形１７４４の寸法を小さくする。第２に、スロットを横断する給電路区分１７６０のインピーダンスは１００オームに満たない。次に給電路１７１２は、ソース１７８０に対し５０オームのインピーダンスを有する幅広の区分１７７０へ遷移する。

図１８に示すような、高度なウルトラワイドバンド・デュアルバンド性能が達成される。共通の基板１８１０上に２つのウルトラワイドバンドスロットアンテナ１８０４及び１８０６を配置するか、１つの標準アンテナ１８０６と、三角形１８０８と寸法が標準アンテナ１８０６の三角形１８０９及び寸法より小さい１つのワイドバンドアンテナ１８０４とを配置し、共通の給電路１８１２により給電する。これらのスロット１８０４及び１８０６は異なる周波数で共振する。各スロットの帯域幅と中心周波数は、２つのスロットアンテナの周波数スペクトルが重なり合うよう調整できる。周波数スペクトルが重なり合わない異なる帯域で各スロットの帯域幅と中心周波数を調整することもできる。

図１９Ａ〜図１９Ｂを参照すると、一部の実施形態においては、好ましくは２つ以上の層からアンテナ１９００を形成する。材料はプリント基板材であってもよい。最上層にはマイクロストリップ給電路１９１２を形成し、最下層はスロット１９０４と三角形１９４４とを含む（例えば図９のスロット９０４及び三角形９４４、図１０ａのスロット１００４及び三角形１０４４、及び以降の図面を参照）。マイクロストリップ給電路１９１２（図９及び１０ａの素子９１２及び１０１２、及び以降の図面を参照）は、好ましくは一定の距離と誘電材とによって隔てられた第２の層と相互に作用する。

図１９Ａはマイクロストリップ側から見たアンテナ１９００を示し、図１９Ｂは反対側から見た、すなわちスロット側から見たアンテナ１９００を示す。

４層ＰＣＢ上にアンテナ１９００を構築してもよい。４層構成の場合は層１及び層４をそれぞれ最上及び最下層と称し、層２及び層３は空であり、もしくは銅（又は類似する導体）を含まない。

ＦＲ４の他に、ロジャーズ・コーポレーション（Rogers Corporation）のＲＯ−３０１０とＲＯ−４３５０Ｂを使用できる（www.rogerscorporation.com参照。同ウェブサイトの、特にＲＯ４０００及びＲＯ３０００シリーズの高周波回路材に関する項目を参照により本願に援用する）。様々な誘電材の使用により低損失正接・高利得の高度なアンテナ性能を発揮させる。

アンテナのサイズは選択的に、図示もしくは上記で説明したものより大きく、または小さくすることができる。例えば、アンテナの寸法を縮小してもよい。実際に、高い誘電率の使用により（例えば、ＲＯ−３０１０の誘電率は通常より高い）サイズの縮小が容易になる。２層又は４層の実施形態にはそれらの材料が好ましい。

好適な実施形態を参照しつつ本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく好適な実施形態に変更や修正が可能であることは本開示を読了した当業者には理解されよう。かかる変更又は修正、またはその他の変更又は修正は、添付の請求項に記載の本発明の範囲内に含まれる。

さらに、上記の実施形態及び／又は添付の請求項に記載の形態によって実施される方法は、その操作が特定の印刷順序に沿って記載及び／又は列挙されている。しかし、その順序は印刷の便宜上選択及び順序立てられたものであり、その操作の実施にあたって特定の順序を意図したものではない。

さらに、背景技術及び発明の開示の項目に記載の参照文献に加えて、本明細書に記載の全ての参照文献は、代替的な実施形態及び構成要素を開示するものとして好適な実施形態の詳細な説明に援用される。また、以下の文献も参照として本明細書に援用する。

米国特許３，７０５，２８３、３，７６４，７６８、５，０２５，２６４、５，０８７，９２１、５，１１９，１０７、５，３４７，２８７、６，６１１，２３１、６，４５６，２４１、６，３８８，６２１、６，２９２，１３３、６，２８５，３３７、６，１３０，６４８、５，１８９，４３３；及び
米国公開特許出願２００５／０１４６４７９、２００３／０１８４４７７、２００２／０１７５９４、２００２／００２１２５５；及び
欧州公開特許出願ＥＰ０３８４７８０Ａ２／Ａ３、ＥＰ０３８４７７７Ａ２／Ａ３；及び
ブラウンら、“A GPA Digital Phased Array Antenna and Receiver”、ＩＥＥＥフェーズドアレイシンポジウム議事録（Proceedings of IEEE Phased Array Symposium）、ダナ・ポイント、カリフォルニア、２０００年５月、Ｐ．４；
機動的フェーズドアレイアンテナ（Agile Phased Array Antenna）、ローク・メイナー・リサーチ（Roke Manor Research）、２００２年；及び
Ｇａｌｄｉら、“Cad of Coaxially End-Fed Waveguide Phased-Array Antennas”、マイクロウェーブ及びオプティカルテクノロジー文献集（Microwave and Optical Technology Letters）、３４巻、第４版、２００２年８月２０日、Ｐ．２７６〜２８１。

１０２ 伝導シート
１０４ スロット
１０５ ケーブル
１０６、１１０ 半田接続
１０８ 信号ケーブル

Claims (54)

1. 高利得操作可能なフェーズドアレイアンテナであって、
   （ａ）１つ以上のスロットが区画された伝導シートと、
   （ｂ）前記スロットの各々につき、磁気結合ＬＣ共振素子を形成するため前記スロットに結合される電気マイクロストリップ給電路と、
   （ｃ）前記マイクロストリップ給電路に結合する主給電路と、を備え、
   （ｄ）電気抵抗の低減とｑ係数の向上により特定の広帯域幅を前記アンテナに提供するため、少なくとも１つのマイクロストリップ給電路が他の区分より幅が広い少なくとも１つの区分を含むこと、
   を特徴とするアンテナ。
2. 幅広の前記区分が、前記他の区分の幅を有する元給電路と、前記元給電路上に位置する追加的なトレースとを備えること、を特徴する請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記マイクロストリップ給電路が対応するスロットと電気的に接続されること、を特徴する請求項１に記載のアンテナ。
4. 前記マイクロストリップ給電路が対応するスロットの一辺から他辺に渡って結合すること、を特徴する請求項１に記載のアンテナ。
5. 前記マイクロストリップ給電路が前記スロットの中央以外を横断すること、を特徴する請求項１に記載のアンテナ。
6. 幅広の前記区分が長方形であること、を特徴する請求項１に記載のアンテナ。
7. 請求項１に記載のアンテナを含む携帯電話機。
8. 請求項１に記載のアンテナを含むＩＣアンテナ装置。
9. 前記１つ以上のスロットが、十文字形状で重なり合う少なくとも２つの長円形スロットを備えること、を特徴する請求項１に記載のアンテナ。
10. 前記１つ以上のスロットが、Ｘ字形状に重なり合う少なくとも２つの長円形スロットを備えること、を特徴する請求項１に記載のアンテナ。
11. 前記１つ以上のスロットが、蝶ネクタイ形状を有する少なくとも１つのスロットを備えること、を特徴する請求項１に記載のアンテナ。
12. 前記１つ以上のスロットが、かぎ十字形状、鉄十字形状、又はクリスマスツリー形状、又はこれらの組み合わせで重なり合う少なくとも２つのスロットを備えること、を特徴する請求項１に記載のアンテナ。
13. 前記１つ以上のスロットが、サイズ、又は形状、又はその両方が異なる少なくとも２つのスロットを備え、それために異なる共振周波数を有すること、を特徴する請求項１に記載のアンテナ。
14. 前記少なくとも２つのスロットが交差状に互いに重なり合うこと、を特徴する請求項１３に記載のアンテナ。
15. 前記少なくとも２つのスロットが、デュアルバンド又は強化ウルトラワイドバンド性能、又はその両方を提供すること、を特徴する請求項１３に記載のアンテナ。
16. 前記１つ以上のスロットが干渉機能を提供するように配置された少なくとも２つのスロットを備えること、を特徴する請求項１に記載のアンテナ。
17. 前記１つ以上のスロットが給電点からの長さが異なる共通の給電路を共有する少なくとも２つのスロットを備え、合成開口部を形成すること、を特徴する請求項１に記載のアンテナ。
18. （ｅ）前記マイクロストリップ給電路上で信号位相を選択的に変更することにより前記アンテナを電子的に操作する遅延回路と、
    （ｆ）好適な信号方向を連続的または周期的に判定し、且つ前記アンテナを前記好適な方向に操作するため前記遅延回路を制御するプログラムコードに基づき作動する、１つ以上のプロセッサと、をさらに備えること、
    を特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
19. 前記１つ以上のスロットが長円形を有すること、を特徴する請求項１に記載のアンテナ。
20. 前記マイクロストリップ給電路が前記長円形スロットの短寸法に延在すること、を特徴する請求項１９に記載のアンテナ。
21. 前記主給電路が同軸ケーブルコネクタ接続部に結合すること、を特徴する請求項１に記載のアンテナ。
22. 前記１つ以上のスロットが、前記マイクロストリップ給電路により並列給電される少なくとも２つのスロットを備えること、を特徴する請求項１に記載のアンテナ。
23. 同軸ケーブルコネクタ接続部により中央給電される前記主給電路の両側に同数のスロットが配置されることにより、前記主給電路が二分されること、を特徴する請求項１に記載のアンテナ。
24. 前記主給電路の半分はそれぞれ同じ抵抗を有し、前記抵抗は前記主給電路の半分に対応する並列マイクロストリップ給電路と同じ全抵抗であること、を特徴する請求項２３に記載のアンテナ。
25. 前記アンテナの入力インピーダンスが、前記主給電路の前記半分と同じ抵抗となるよう選択されること、を特徴する請求項２４に記載のアンテナ。
26. 多数の層を備え、第１の層上には前記マイクロストリップ給電路が形成され、第２の層内には前記スロットが区画されること、を特徴する請求項１に記載のアンテナ。
27. 前記第２の層が、前記第１の層の前記マイクロストリップ路に結合する三角形突出部をスロット内に有すること、を特徴する請求項２６に記載のアンテナ。
28. 高利得フェーズドアレイアンテナであって、
    （ａ）１つ以上のスロットが区画された伝導シートと、
    （ｂ）磁気結合ＬＣ共振素子を形成するため、前記スロットの各々につき１つの電気マイクロストリップ給電路が対応するスロットに電子的に結合され、
    （ｃ）前記１つ以上のマイクロストリップ給電路に結合する主給電路と、を備え、
    （ｄ）少なくとも１つのスロットが少なくとも１つの非長方形区分を含むことにより、特定の無線周波数特性を前記アンテナに提供するスロット形状が形成されること、
    を特徴とするアンテナ。
29. 前記マイクロストリップ給電路が対応するスロットと電気的に接続されること、を特徴する請求項２８に記載のアンテナ。
30. 前記マイクロストリップ給電路が対応するスロットの一辺から他辺に渡って結合すること、を特徴する請求項２８に記載のアンテナ。
31. 前記マイクロストリップ給電路が前記スロットの中央以外を横断すること、を特徴する請求項２８に記載のアンテナ。
32. 請求項２８に記載のアンテナを含む携帯電話機。
33. 請求項２８に記載のアンテナを含むＩＣアンテナ装置。
34. 前記１つ以上のスロットが、十文字形状で重なり合う少なくとも２つの長円形スロットを備えること、を特徴する請求項２８に記載のアンテナ。
35. 前記１つ以上のスロットが、Ｘ字形状で重なり合う少なくとも２つの長円形スロットを備えること、を特徴する請求項２８に記載のアンテナ。
36. 前記１つ以上のスロットが、蝶ネクタイ形状を有する少なくとも１つのスロットを備えること、を特徴する請求項２８に記載のアンテナ。
37. 前記１つ以上のスロットが、かぎ十字形状、鉄十字形状又はクリスマスツリー形状、又はこれらの組み合わせで重なり合う少なくとも２つのスロットを備えること、を特徴する請求項２８に記載のアンテナ。
38. 前記１つ以上のスロットが、サイズ、又は形状、又はその両方が異なる少なくとも２つのスロットを備え、そのために異なる共振周波数を備えること、を特徴する請求項２８に記載のアンテナ。
39. 前記少なくとも２つのスロットが交差状に互いに重なり合うこと、を特徴する請求項３８に記載のアンテナ。
40. 前記少なくとも２つのスロットが、デュアルバンド又は強化ウルトラワイドバンド性能、又はその両方を提供すること、を特徴する請求項３８に記載のアンテナ。
41. 前記１つ以上のスロットが、干渉機能を提供するように配置された少なくとも２つのスロットを備えること、を特徴する請求項２８に記載のアンテナ。
42. 前記１つ以上のスロットが、給電点からの長さが異なる共通の給電路を共有する少なくとも２つのスロットを備え、合成開口部を形成すること、を特徴する請求項２８に記載のアンテナ。
43. （ｅ）前記マイクロストリップ給電路上で信号位相を選択的に変更することにより前記アンテナを電子的に操作する遅延回路と、
    （ｆ）好適な信号方向を連続的または周期的に判定し、且つ前記好適な方向に前記アンテナを操作するため前記遅延回路を制御するプログラムコードに基づき作動する、１つ以上のプロセッサと、をさらに備えること、
    を特徴する請求項２８に記載のアンテナ。
44. 前記１つ以上のスロットが長円形を有すること、を特徴する請求項２８に記載のアンテナ。
45. 前記マイクロストリップ給電路が前記長円形スロットの短寸法に延在すること、を特徴する請求項４４に記載のアンテナ。
46. 前記１つ以上のスロットが長方形を有すること、を特徴する請求項２８に記載のアンテナ。
47. 前記マイクロストリップ給電路が前記長方形スロットの短寸法に延在すること、を特徴する請求項４６に記載のアンテナ。
48. 前記主給電路が同軸ケーブルコネクタ接続部に結合すること、を特徴する請求項２８に記載のアンテナ。
49. 前記１つ以上のスロットが、前記マイクロストリップ給電路により並列給電される少なくとも２つのスロットを備えること、を特徴する請求項２８に記載のアンテナ。
50. 同軸ケーブルコネクタ接続部により中央給電される前記主給電路の両側に同数のスロットが配置されることにより、前記主給電路が二分されること、を特徴する請求項２８に記載のアンテナ。
51. 前期主給電路の半分はそれぞれ同じ抵抗を有し、前記抵抗は前記主給電路の半分に対応する並列マイクロストリップ給電路と同じ全抵抗であること、を特徴する請求項５０に記載のアンテナ。
52. 前記アンテナの入力インピーダンスが、前記主給電路の前記半分と同じ抵抗となるよう選択されること、を特徴する請求項５１に記載のアンテナ。
53. 多数の層を備え、第１の層上には前記マイクロストリップ給電路が形成され、第２の層内には前記スロットが区画されること、を特徴する請求項２８に記載のアンテナ。
54. 前記第２の層が、前記第１の層の前記マイクロストリップ路に結合する三角形突出部をスロット内に有すること、を特徴する請求項５３に記載のアンテナ。

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