JP2012528531A - 通信装置の近距離場放射及び比吸収率(sar)値を低減する方法 - Google Patents
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Abstract
通信装置で近距離場放射及び比吸収率(SAR)値を低減する方法が提供される。前記通信装置は、電磁信号を送信及び受信するマルチモード・アンテナ構造体と、前記アンテナ構造体から及び前記アンテナ構造体へ伝達される信号を処理する回路と、を有する。前記アンテナ構造体は、前記回路に動作可能に結合された複数のアンテナ・ポート、それぞれ前記アンテナ・ポートのうちの異なる1つに動作可能に結合された複数のアンテナ素子、1又は複数の接続素子であって、各アンテナ素子上の該アンテナ素子に結合されたアンテナ・ポートから間隔を空けられた位置で、前記アンテナ素子を電気的に接続し、1つのアンテナ素子の電流が接続された近隣のアンテナ素子に流れ、該近隣のアンテナ素子に結合された前記アンテナ・ポートを大体迂回するようにする、1又は複数の接続素子を有し、前記1つのアンテナ素子を通じて流れる電流と前記近隣のアンテナ素子を通じて流れる電流とは大体大きさが等しく、1つのアンテナ・ポートにより励振されるアンテナ・モードは、所与の周波数範囲で別のアンテナ・ポートにより励振されるモードと大体電気的に分離され、前記アンテナ構造体は多様性のあるアンテナ・パターンを生成する。当該方法は、前記アンテナ構造体の近隣のアンテナ・ポートに供給される信号間の相対位相を調整する段階であって、前記1つのアンテナ・ポートに供給される信号が、前記近隣のアンテナ・ポートに供給される信号と異なる位相を有し、アンテナ・パターン制御を提供し、受信点へ向かう選択された方向の利得を増大させるようにする、段階、前記アンテナ構造体の非パターン制御動作で用いられる送信電力より低い送信電力を用いる段階であて、前記通信装置が前記非パターン制御動作と比較して低減された送信電力を用いる受信点と大体等価な無線リンク性能を得るようにし、それにより比吸収率を低減する、段階、を有する。
Description
本発明は、概して無線通信装置に関し、より詳細には該装置の近距離場放射及び比吸収率(Specific Absorption Rate:SAR)値を低減する方法に関する。
多くの通信装置は、すぐ近くに(例えば、4分の1波長も離さずに)パッケージ化され同一周波数帯で同時に動作しうる複数のアンテナを有する。このような通信装置の一般例は、セルラ端末、パーソナル・デジタル・アシスタント(PDA)及びパーソナル・コンピュータ(PC)のための無線ネットワーク装置又はデータ・カードのようなポータブル通信製品を有する。(多入力多出力(Multiple Input Multiple Output:MIMO)のような)多くのシステム・アーキテクチャ及び(無線LANのための802.11n、802.16e(WiMAX)、HSDPA及び1xEVDOのような3Gデータ通信のような)移動体無線通信装置のための標準プロトコルは、同時に動作する複数のアンテナを必要とする。
本発明は、通信装置の近距離場放射及び比吸収率(SAR)値を低減する方法を提供する。
1又は複数の実施形態によると、通信装置で近距離場放射及び比吸収率(SAR)値を低減する方法が提供される。前記通信装置は、電磁信号を送信及び受信するマルチモード・アンテナ構造体と、前記アンテナ構造体から及び前記アンテナ構造体へ伝達される信号を処理する回路と、を有する。前記アンテナ構造体は、前記回路に動作可能に結合された複数のアンテナ・ポート、それぞれ前記アンテナ・ポートのうちの異なる1つに動作可能に結合された複数のアンテナ素子、1又は複数の接続素子であって、各アンテナ素子上の該アンテナ素子に結合されたアンテナ・ポートから間隔を空けられた位置で、前記アンテナ素子を電気的に接続し、1つのアンテナ素子の電流が接続された近隣のアンテナ素子に流れ、該近隣のアンテナ素子に結合された前記アンテナ・ポートを大体迂回するようにする、1又は複数の接続素子を有し、前記1つのアンテナ素子を通じて流れる電流と前記近隣のアンテナ素子を通じて流れる電流とは大体大きさが等しく、1つのアンテナ・ポートにより励振されるアンテナ・モードは、所与の周波数範囲で別のアンテナ・ポートにより励振されるモードと大体電気的に分離され、前記アンテナ構造体は多様性のあるアンテナ・パターンを生成する。当該方法は、前記アンテナ構造体の近隣のアンテナ・ポートに供給される信号間の相対位相を調整する段階であって、前記1つのアンテナ・ポートに供給される信号が、前記近隣のアンテナ・ポートに供給される信号と異なる位相を有し、アンテナ・パターン制御を提供し、受信点へ向かう選択された方向の利得を増大させるようにする、段階、前記アンテナ構造体の非パターン制御動作で用いられる送信電力より低い送信電力を用いる段階であて、前記通信装置が前記非パターン制御動作と比較して低減された送信電力を用いる受信点と大体等価な無線リンク性能を得るようにし、それにより比吸収率を低減する、段階、を有する。
1又は複数の更なる実施形態によると、通信装置の近距離場放射と比吸収率(SAR)値を低減する方法が提供される。前記通信装置は、電磁信号を送信及び受信するアンテナ・アレイと、該アンテナ・アレイへ及び該アンテナ・アレイから伝達される信号を処理する回路と、を有する。前記アンテナ・アレイは、それぞれ前記回路に動作可能に結合されたアンテナ・ポートを有する複数の放射素子を有する。当該方法は、前記アンテナ・アレイのアンテナ・ポートに供給される信号間の相対位相を調整する段階であって、1つのアンテナ・ポートに供給される信号が別のアンテナ・ポートに供給される信号と異なる位相を有し、アンテナ・パターン制御を提供し、受信点に向かう選択された方向で利得を増大させるようにする、段階、を有する。当該方法は、前記アンテナ構造体の非パターン制御動作で用いられる送信電力より低い送信電力を用いる段階であて、前記通信装置が前記非パターン制御動作と比較して低減された送信電力を用いる受信点と大体等価な無線リンク性能を得るようにし、それにより比吸収率を低減する、段階、を特徴とする。
本発明の種々の実施形態によると、通信装置で電磁信号を送信及び受信するマルチモード・アンテナ構造体が提供される。通信装置は、アンテナ構造体へ及びアンテナ構造体から伝達される信号を処理する回路を有する。アンテナ構造体は、該回路に動作可能に結合された複数のアンテナ・ポート、及びそれぞれ異なるアンテナ・ポートに結合された複数のアンテナ素子を有する。アンテナ構造体は、所与の信号周波数範囲で1つのアンテナ・ポートにより励振されたアンテナ・モードが別のアンテナ・ポートにより励振されたモードと概して電気的に絶縁されるように、アンテナ素子を電気的に接続する1又は複数の接続素子も有する。また、ポートにより生成されたアンテナ・パターンは、良好に定められたパターンの低い相関を有するダイバーシティを示す。
本発明の種々の実施形態によるアンテナ構造体は、装置内に含まれる近くに(例えば、4分の1波長も離れていない)パッケージ化されるべき複数のアンテナを必要とする通信装置で、1つより多いアンテナが同時に特に同一周波数帯域内で用いられる場合に特に有用である。アンテナ構造体が用いられうるこのような装置の一般例は、セルラ端末、PDA、及びPCのための無線ネットワーク装置又はデータ・カードのようなポータブル通信製品を有する。アンテナ構造体は、同時に動作する複数のアンテナを必要とするMIMOのようなシステム・アーキテクチャ及び(無線LANのための802.11n、802.16e(WiMAX)、HSDPA及び1xEVDOのような3Gデータ通信のような)移動体無線通信装置のための標準プロトコルに特に有用である。
図1A乃至1Gは、アンテナ構造体100の動作を説明する。図1Aは、2つの並列ダイポール、特に長さLの並列ダイポール102、104を有するアンテナ構造体100を概略的に示す。ダイポール102、104は、距離dだけ離され、如何なる接続素子によっても接続されていない。ダイポール102、104は、約L=λ/2に対応する基本共振周波数を有する。各ダイポールは、同一周波数で動作しうる独立した送信/受信システムに接続される。このシステム接続は、両アンテナに対して同一の特性インピーダンスz0を有しうる。特性インピーダンスz0は本例では50Ωである。
一方のダイポールが信号を送信しているとき、該ダイポールにより送信されている該信号の一部は近隣のダイポールに直接結合されるだろう。最大量の結合は、通常、個々のダイポールの2分の1波長の共振周波数で生じ、分離距離dが小さくされるにつれて増大する。例えば、d<λ/3では結合の大きさは0.1又は−10dBより大きく、d<λ/8では結合の大きさは−5dBより大きい。
アンテナ間の如何なる結合も有さない(つまり完全に分離している)又はアンテナ間の結合を低減することが望ましい。結合が例えば−10dBである場合、近隣のアンテナに直接結合される電力量により、送信電力の10パーセントは失われる。また、近隣のアンテナに接続された受信機の飽和又は感度低下又は近隣のアンテナに接続された送信機の性能低下のような有害なシステム効果も存在しうる。近隣のアンテナに誘導された電流は、個別のダイポールにより生成された利得パターンと比べて利得パターンを歪めてしまう。この効果は、ダイポールにより作り出された利得パターン間の相関を低減することが知られている。従って、結合が特定パターンのダイバーシティを提供すると同時に、結合は上述のような有害なシステム影響を有する。
密結合により、アンテナは独立して動作せず、2つの異なる利得パターンに対応する2対の端子又はポートを有するアンテナ・システムと見なされうる。何れかのポートの使用は、実質的に両方のダイポールを有する構造体全体を巻き込む。近隣のダイポールの寄生励起は、接近したダイポール間隔でダイバーシティを実現する。しかし、ダイポールに励起された電流は、電源インピーダンスを通過し、従ってポート間の相互結合を明示する。
図1Cは、シミュレーションに用いられた、図1Aに示されたアンテナ構造体100に対応するモデルであるダイポール対を示す。この例では、ダイポール102、104は、1mm×1mmの正方形の断面及び56mmの長さ(L)を有する。これらの寸法は、50オームの電源に取り付けられたときに2.45GHzの中心共振周波数を生じる。この周波数における空き波長は122mmである。図1Dは、分離距離(d)が10mm又は約λ/12に関する散乱パラメータS11及びS12の曲線を表す。対称性及び相互依存により、S22=S11及びS12=S21である。簡単のため、S11及びS12のみが示され議論される。この構成では、S12により表されるようにダイポール間の結合は最大−3.7dBに達する。
図1Eは、ポート106が励振され且つポート108が受動的に終端される条件下で、アンテナ構造体のダイポール104の垂直電流のダイポール102の垂直電流に対する比(図中、「大きさI2/I1」と示される)を示す。電流の比(ダイポール104/ダイポール102)が最大値となる周波数は、ダイポール電流同士の位相差が180度の周波数に対応し、図1Dに示される最大結合の点より辛うじて僅かに高い周波数である。
図1Fは、ポート106の励振を有する幾つかの周波数に対する方位角利得パターンを示す。パターンは、一様に全方位ではなく、変化する結合の大きさ及び位相により周波数と共に変化する。対称性により、ポート108の励振の結果生じるパターンは、ポート106の励振の結果生じるパターンの鏡像になる。従って、パターンの左から右への非対称性が大きいほど、利得の大きさの観点からパターンの多様性も大きくなる。
パターン間の相関係数の計算は、パターン・ダイバーシティの量的特徴を与える。図1Gは、ポート106のアンテナ・パターンとポート108のアンテナ・パターンとの間で計算された相関を示す。相関は、理想的なダイポールについてクラークのモデルにより予想されたよりも遙かに低い。これは、相互結合により導入されたパターンの違いによる。
図2A−2Fは、本発明の1又は複数の実施形態による、例である2ポート・アンテナ構造体200の動作を説明する。2ポート・アンテナ構造体200は、2つの密集した共振アンテナ素子202、204を有し、ポート206、208間の低いパターン相関及び低い結合の両方を提供する。図2Aは、2ポート・アンテナ構造体200を概略的に示す。この構造体は、図1Bに示された1対のダイポールを有するアンテナ構造体100に似ているが、追加でポート206、208の片側にダイポール間の水平導電性接続素子210、212を有する。2つのポート206、208は、図1のアンテナ構造体と同一の場所に配置される。一方のポートが励振されると、結合型構造体は、未結合のダイポール対と同様の共振を示すが、結合の有意な低減及びパターン・ダイバーシティの増大を伴う。
図2Bは、10mmのダイポール間隔を有するアンテナ構造体200の例であるモデルを示す。この構造は、概して図1Cに示されたアンテナ構造体100と同一の配置を有するが、ポートの僅かに上及び下でアンテナ素子を電気的に接続する2つの水平接続素子210、212を追加で有する。この構造体は、未結合のダイポールと同一の周波数で強い共振を示すが、図2Cに示されるように非常に異なる散乱パラメータを有する。結合の−20dBより下の深い落ち込みがあり、S11により示されるように入力インピーダンスのシフトがある。この例では、最適インピーダンス整合(S11の最小値)は最も低い結合(S12の最小値)と一致しない。入力インピーダンス整合を改善し依然として図2Dに示されるような非常に低い結合を達成するためにマッチング回路が用いられうる。この例では、直列インダクタとそれに続くシャント・キャパシタを有する集中素子マッチング回路は、各ポートと構造体との間に追加される。
図2Eは、ダイポール素子204の電流の、ポート206の励振の結果生じるダイポール202の電流に対する比(図中、「大きさI2/I1」と示される)を示す。この曲線は、共振周波数の下で、電流がダイポール素子204で実際に大きくなることを示す。共振の近くで、ダイポール素子204の電流は、周波数の増大と共にダイポール素子202の電流と比べて減少し始める。最小結合点(この例では2.44GHz)は、両ダイポール素子の電流の大きさが大体等しい周波数の近くで生じる。この周波数で、ダイポール素子204の電流の位相は、ダイポール素子202の電流の位相より約160度だけ遅れている。
図1Cの接続素子を有さないダイポールと異なり、図2Bの結合型アンテナ構造体200のアンテナ素子204の電流は、ポート208の終端インピーダンスの通過を強いられない。代わりに、共振モードが引き起こされ、図2Aに矢印により示されるように、電流はアンテナ素子204を下へ流れ、接続素子210、212を渡って、アンテナ素子202を上へ流れる。(この電流の流れは、共振周期の2分の1を代表するものであり、他の半分の間には電流方向は逆になることに留意すべきである。)結合型構造体の共振モードは、(1)アンテナ素子204の電流が大部分ポート208を迂回することにより、ポート206、208間の高アイソレーションを可能にする、及び(2)両方のアンテナ素子202、204の電流の大きさがほぼ等しく、以下に更に詳細に記載されるように異なる且つ無相関の利得パターンを可能にする、ことを特色とする。
電流の大きさはアンテナ素子間でほぼ等しいので、(図2Fに示されるように)未結合ダイポールを有する図1Cのアンテナ構造体100の場合よりも遙かに指向性の高いパターンが作り出される。電流が等しいとき、x(又はphi=0)方向のパターンをゼロ(null)にする条件は、ダイポール204の電流の位相をダイポール202の電流の位相より量π−kdだけ遅れさせることである(ここでk=2π/λ、λは有効波長である)。この条件下で、ダイポール204からのphi=0方向のフィールド伝搬は、ダイポール202からのフィールド伝搬に対して180度位相がずれており、従って2つの結合はphi=0方向でゼロ(null)を有するだろう。
図2Bのモデルの例では、dが10mmであるか又は有効な電気的長さがλ/12である。この例では、kdはπ/6又は30度に等しく、従って指向性方位角放射パターンがphi=0に向かってゼロ(null)を有しphi=180に向かって最大利得を有する条件は、ダイポール204の電流がダイポール202の電流より150度だけ遅れていることである。共振では、(図2Eに示されるように)電流はこの条件近くで通過し、パターンの指向性を明らかにする。ダイポール204の励振の場合には、放射パターンは図2Fの放射パターンの逆の鏡像であり、最大利得はphi=0方向にある。2つのポートから作り出されたアンテナ・パターンの差は、図2Gに示されるように、関連した低い予測エンベロープ相関を有する。従って、結合型アンテナ構造体は、互いに分離された低相関の利得パターンを作り出す2つのポートを有する。
従って、結合の周波数応答は、接続素子210、212のインピーダンス及び電気的長さを含む接続素子210、212の特性に依存する。本発明の1又は複数の実施形態によると、所望の量のアイソレーションが維持されうる周波数又は帯域幅は、接続素子を適切に設計することにより制御される。断面積を設計する1つの方法は、接続素子の物理的長さを変えることである。これの例は図3Aのマルチモード・アンテナ構造体300により示される。図3Aでは、接続素子310、312の相互接続経路に曲折が加えられている。これは、電気的長さ及び2つのアンテナ素子302、304間の接続のインピーダンスの両方を増大させるという一般的効果を有する。図3B、3C、3D及び3Eは、それぞれ散乱パラメータ、電流比、利得パターン、及びパターン相関を含むこの構造体の性能特性を示す。本実施形態では、物理的長さの変化は、構造体の共振周波数を有意に変更しないが、S12に有意な変化があり、曲折を有さない構造体の場合より広い帯域幅及び大きい最小値を有する。従って、接続素子の電気的特性を変更することによりアイソレーション性能を最適化又は向上させることが可能である。
本発明の種々の実施形態による例であるマルチモード・アンテナ構造体は、(図4にアンテナ構造体400により示されるように)グランド又はカウンターポイズ402から励振されるように、又は(図5にアンテナ構造体500により示されるように)平衡型構造体として設計されうる。何れの場合にも、各アンテナ構造体は、2以上のアンテナ素子(図4の402、404、図5の502、504)及び1又は複数の電気的に導電性の接続素子(図4の406、図5の506、508)を有する。説明を簡単にするために、2ポート構造のみが例である図に示される。しかしながら、本発明の種々の実施形態によると、2以上のポートを有するように構造体を拡張することも可能である。アンテナ構造体への信号接続又はポート(図4の418、412、及び図5の510、512)が各アンテナ素子に設けられる。接続素子は、関心のある周波数又は周波数範囲で2つのアンテナ素子間の電気的接続を提供する。アンテナは物理的及び電気的に1つの構造体であるが、該アンテナの動作は該アンテナを2つの独立したアンテナと見なすことにより説明されうる。アンテナ構造体100のような接続素子を有さないアンテナ構造体では、該構造体のポート106はアンテナ102に接続されると考えられ、ポート108はアンテナ104に接続されると考えられうる。しかしながら、アンテナ構造体400のようなこの結合型構造体の場合には、ポート418は1つのアンテナ・モードに関連付けられているといわれ、ポート412は別のアンテナ・モードに関連付けられているといわれうる。
アンテナ素子は、所望の周波数又は動作周波数範囲で共振するように設計される。最低位の共振は、アンテナ素子が4分の1波長の電気的長さを有するときに生じる。従って、単純な素子設計は、不平衡構成の場合の4分の1波のモノポールである。より高い位のモードを用いることも可能である。例えば、4分の1波モノポールから形成される構造体は、基本周波数の3倍の周波数で高アイソレーションを有する二重モード・アンテナ性能を示す。従って、より高い位のモードはマルチバンド・アンテナを生成するために利用されてもよい。同様に、平衡型構成では、アンテナ素子は、半波中心給電ダイポールにおけるような相補型4分の1波素子でありうる。しかしながら、アンテナ構造体は、所望の周波数又は周波数範囲で共振する他の種々のアンテナ素子から形成されることも可能である。他の可能なアンテナ素子構成は、限定ではなく、螺旋コイル、広帯域平面形状、チップ・アンテナ、曲がりくねった形状、ループ、及び平面型逆Fアンテナ(Planar Inverted−F Antennas:PIFA)のような誘導分流型形式を含む。
本発明の1又は複数の実施形態によるアンテナ構造体のアンテナ素子は、同一の配置又は同一種類のアンテナ素子を有する必要がない。アンテナ素子は、それぞれ所望の周波数又は動作周波数範囲で共振する。
本発明の1又は複数の実施形態によると、アンテナ構造体のアンテナ素子は同一の配置を有する。これは、通常、設計を簡単にするため、特に何れかのポートとの接続に対してアンテナ性能要件が同一のときに望ましい。
結合型アンテナ構造体の帯域幅及び共振周波数は、アンテナ素子の帯域幅及び共振周波数により制御されうる。従って、例えば図6A、6B及び6Cに示されるような結合型構造体のモードについて、より広い帯域幅を作り出すために、より広い帯域幅の素子が用いられうる。図6Aは、接続素子606、608により接続された2つのダイポール602、604を有するマルチモード・アンテナ構造体600を示す。ダイポール602、604は、それぞれ幅(W)及び長さ(L)を有し、距離(d)だけ離されている。図6Bは、例である寸法W=1mm、L=57.2mm、及びd=10mmを有する構造体の散乱パラメータを示す。図6Cは、例である寸法W=10mm、L=50.4mm、及びd=10mmを有する構造体の散乱パラメータを示す。示されるように、Wを1mmから10mmまで増大させ、他の寸法を概ね同一のままにすると、結果として、アンテナ構造体のより広いアイソレーション帯域幅及びインピーダンス帯域幅を生じる。
また、アンテナ素子間の距離間隔が増大すると、アンテナ構造体のアイソレーション帯域幅及びインピーダンス帯域幅が増大することが分かっている。
一般的に、接続素子は、結合された共振構造体の大電流領域にある。従って、接続素子は高い導電性を有することが望ましい。
ポートは、別個のアンテナとして動作された場合にそうであるように、アンテナ素子の給電点に配置される。整合素子又は構造体は、ポート・インピーダンスを所望のシステム・インピーダンスに整合するために用いられてもよい。
本発明の1又は複数の実施形態によると、マルチモード・アンテナ構造体は、図7に示されるような例えばプリント回路基板に組み込まれた平面構造体でありうる。この例では、アンテナ構造体700は、ポート708、710で接続素子706により接続されたアンテナ素子702、704を有する。アンテナ構造体は、プリント回路基板712上に製造される。図中に示されるアンテナ素子は、単純な4分の1波モノポールである。しかしながら、アンテナ素子は、等価な有効電気的長さを生じる如何なる形状であってもよい。
本発明の1又は複数の実施形態によると、二重共振周波数を有するアンテナ素子は、二重共振周波数及び従って二重動作周波数を有する結合型アンテナ構造体を作り出すために用いられうる。図8Aは、マルチモード・ダイポール構造体800の例であるモデルを示す。図8Aでは、ダイポール・アンテナ素子802、804は、同じでない長さの2つのフィンガ806、808及び810、812にそれぞれ分けられている。ダイポール・アンテナ素子は、それぞれ2つの異なるフィンガ長に関連付けられた共振周波数を有し、従って二重共振周波数を示す。同様に、二重共振ダイポール・アームを用いたマルチモード・アンテナ構造体は、図8Bに示すような高アイソレーション(又は小さいS21)が得られる2つの周波数帯域を示す。
本発明の1又は複数の実施形態によると、図9に示されるマルチモード・アンテナ構造体900は、可変長のアンテナ素子902、904を有して設けられ、同調アンテナを形成する。これは、各アンテナ素子902、904でRFスイッチ906、908のような制御可能な装置によりアンテナ素子の有効電気的長さを変えることにより行われてもよい。この例では、スイッチは(制御可能な装置を操作することにより)開かれて(高周波数動作のために)より短い電気的長さを生成するか、閉じられて(低周波数動作のために)より長い電気的長さを生成してもよい。高アイソレーションの特徴を有するアンテナ構造体900の動作周波数帯域は、両方のアンテナ素子を一斉に調整することにより調整されうる。この手法は、アンテナ素子の有効電気的長さを変える種々の方法と共に用いられてもよい。これは、制御可能な誘電材料を用いること、MEM装置、バラクタ又は同調誘電キャパシタのような可変キャパシタを有するアンテナ素子を搭載すること、及び非励振素子をオン若しくはオフに切り替えることを含む。
本発明の1又は複数の実施形態によると、接続素子又は複数の接続素子は、素子間の電気的距離にほぼ等しい電気的長さで、アンテナ素子間の電気的接続を提供する。この条件下で、及び接続素子がアンテナ素子のポート端に取り付けられたとき、ポートはアンテナ素子の共振周波数の近くの周波数で分離される。この配置は、特定の周波数でほぼ完全なアイソレーションを作り出しうる。
代替として、前述のように、接続素子の電気的長さが増大され、アイソレーションが特定値を超える帯域幅を拡張してもよい。例えば、アンテナ素子間の真っ直ぐな接続は、特定の周波数で−25dBの最小のS21を作りだし、S21<−10dBである帯域幅が100MHzになりうる。電気的長さを増大させることにより、最小のS21が−15dBまで増大するが、S21<−10dBである帯域幅が150MHzまで増大されるという新しい応答を得ることができる。
本発明の1又は複数の実施形態による種々の他のマルチモード・アンテナ構造体が可能である。例えば、接続素子は、多様な形状を有するか、又はアンテナ構造体の特性を変える構成要素を有するよう構成されうる。これらの構成要素は、例えば受動インダクタ及びキャパシタ素子、抵抗器又はフィルタ構造体、又は位相シフタのような能動構成要素を有しうる。
本発明の1又は複数の実施形態によると、アンテナ素子の長さに沿った接続素子の位置は、アンテナ構造体の特性を調整するために変えられうる。ポートが分離される周波数帯域は、アンテナ素子に接続素子を取り付ける位置をポートから離してアンテナ素子の遠端へ向かって移動させることにより、上の方の周波数にシフトされうる。図10A及び10Bは、それぞれアンテナ素子に電気的に接続された接続素子を有するマルチモード・アンテナ構造体1000、1002をそれぞれ示す。図10Aのアンテナ構造体1000では、接続素子1004は構造体内に配置され、接続素子1004とグランド面1006の端との間の隔たりは3mmである。図10Cは、構造体の散乱パラメータを示し、高アイソレーションがこの構成で1.15GHzの周波数で得られることを示す。シャント・キャパシタ/直列インダクタのマッチング回路は、1.15GHzでインピーダンス整合を提供するために用いられる。図10Dは、図10Bの構造体1002の散乱パラメータを示す。ここで、接続素子1008とグランド面の上端1010との間の隔たりは19mmである。図10Bのアンテナ構造体1002は、約1.50GHzで高アイソレーションを有する動作帯域を示す。
図11は、本発明の1又は複数の実施形態による、マルチモード・アンテナ構造体1100を概略的に示す。アンテナ構造体1100は、それぞれアンテナ素子1106、1108を電気的に接続する2以上の接続素子1102、1104を有する。(説明を簡単にするために、2つの接続素子のみが図に示される。2以上の接続素子の使用も考えられることが理解されるべきである。)接続素子1102、1104は、アンテナ素子1106、1108に沿って互いに離されている。接続素子1102、1104のそれぞれは、スイッチ1112、1110を有する。ピーク・アイソレーション周波数は、スイッチ1110、1112を制御することにより選択されうる。例えば、周波数f1は、スイッチ1110を閉じスイッチ1112を開くことにより選択されうる。異なる周波数f2は、スイッチ1112を閉じスイッチ1110を開くことにより選択されうる。
図12は、本発明の1又は複数の実施形態による、マルチモード・アンテナ構造体1200を示す。アンテナ構造体1200は、フィルタ1204を有する接続素子1202を有する。フィルタ1204は、接続素子1202に動作可能に結合される。フィルタ1204は、アンテナ素子1206、1208の間の接続素子の接続が、高アイソレーション共振周波数のような所望の周波数帯域内でのみ有効な、低域通過又は帯域通過フィルタでありうる。高周波数では、構造体は、電気的に導電性の接続素子により結合されていない開回路である2つの別個のアンテナ素子として機能するだろう。
図13は、本発明の1又は複数の実施形態によるマルチモード・アンテナ構造体1300を示す。アンテナ構造体1300は、それぞれフィルタ1306、1308を有する2以上の接続素子1302、1304を有する。(説明を簡単にするために、2つの接続素子のみが図に示される。2以上の接続素子の使用も考えられることが理解されるべきである。)1つの可能な実施形態では、アンテナ構造体1300は、接続素子1304上に(アンテナ・ポートの近くに)低域通過フィルタ1308を有し、接続素子1302上に高域通過フィルタ1306を有し、アンテナ構造体が高アイソレーションの2つの周波数帯域、つまり二重帯域構造を有するようにする。
図14は、本発明の1又は複数の実施形態による、マルチモード・アンテナ構造体1400を示す。アンテナ構造体1400は、同調素子1406を有する2以上の接続素子1402を有する。同調素子1406は接続素子1402に動作可能に接続される。アンテナ構造体1400は、アンテナ素子1408、1410も有する。同調素子1406は、電気的接続の遅延又は位相を変更するか、又は電気的接続のリアクティブ・インピーダンスを変える。散乱パラメータS21/S12の大きさ及び周波数応答は、電気的遅延又はインピーダンスの変化により影響を受ける。従って、アンテナ構造体は、同調素子1406を用いて特定の周波数でアイソレーションに適応されるか又は大体最適化されうる。
図15は、本発明の1又は複数の実施形態によるマルチモード・アンテナ構造体1500を示す。マルチモード・アンテナ構造体1500は、例えばWiMAX USBドングルで用いられうる。アンテナ構造体1500は、例えば2300乃至2700MHzのWiMAX帯域で動作するために構成されうる。
アンテナ構造体1500は、導電性接続素子1506により接続された2つのアンテナ素子1502、1504を有する。アンテナ素子は、素子の電気的長さを増大させて所望の動作周波数範囲を得るためのスロットを有する。この例では、アンテナ構造体は、2350MHzの中心周波数に最適化される。スロットの長さは、より高い中心周波数を得るために短縮されうる。
アンテナ構造体は、プリント回路基板組立部品1508上に実装される。2つの構成要素の集中素子の整合は、各アンテナ給電で提供される。
アンテナ構造体1500は、例えば金属の打ち抜きにより製造されうる。アンテナ構造体1500は例えば0.2mmの厚さの銅合金薄板から作られうる。アンテナ構造体1500は、構造体の重心に接続素子上にピックアップ機構1510を有する。ピックアップ機構1510は、自動ピックアンドプレース組立工程で用いられうる。アンテナ構造体は、表面実装離フロー組立に適合する。
図16は、本発明の1又は複数の実施形態によるマルチモード・アンテナ構造体1600を示す。図15のアンテナ構造体1500と同様に、アンテナ構造体1600は、例えばWiMAX USBドングルで用いられうる。アンテナ構造体は、例えば2300乃至2700MHzのWiMAX帯域で動作するために構成されうる。
アンテナ構造体1600は、それぞれ曲折したモノポールを有する2つのアンテナ素子1602、1604を有する。曲折の長さは中心周波数を決定する。図に示される例である設計は、2350MHzの中心周波数に最適化される。より高い中心周波数を得るために、曲折の長さは短縮されうる。
接続素子1606は、アンテナ素子を電気的に接続する。2つの構成要素の集中素子の整合は、各アンテナ給電で提供される。
アンテナ構造体は、例えばプラスチックの担体1608に実装された可撓性プリント回路(FPC)として、銅から製造されうる。アンテナ構造体は、FPCの金属部分により作られうる。プラスチックの担体は、機械的支持を提供し、PCB組立部品1610への実装を容易にする。代替として、アンテナ構造体は金属シートから形成されうる。
図17は、本発明の別の実施形態によるマルチモード・アンテナ構造体1700を示す。このアンテナの設計は、例えばUSB、Express34、及びExpress54データ・カード・フォーマットに用いられうる。図示された例であるアンテナ構造体は、2.3乃至6GHzの周波数で動作するように設計される。アンテナ構造体は、例えば金属シートから又はプラスチックの担体1702の上にFPCにより製造されうる。
図18Aは、本発明の別の実施形態によるマルチモード・アンテナ構造体1800を示す。アンテナ構造体1800は、3つのポートを有する3モード・アンテナを有する。この構造では、3つのモノポール・アンテナ素子1802、1804、1806は、近隣のアンテナ素子を接続する導電性リングを有する接続素子1808を用いて接続される。アンテナ素子は、共通のカウンターポイズ又はスリーブ1810により平衡をとられる。スリーブ1810は単一の中空の導電性円筒である。アンテナは、アンテナ構造体を通信装置に接続するための3つの同軸ケーブル1812、1814、1816を有する。同軸ケーブル1812、1814、1816は、スリーブ1810の内側の空洞を通過する。アンテナ組立部品は、円筒内に包まれた単一の可撓性プリント回路から構成されてもよく、円筒型プラスチック筐体内にパッケージ化され、3つの別個のアンテナに取って代わる単一のアンテナ組立部品を提供してもよい。ある例である構成では、円筒の直径は10mmであり、アンテナの全長は56mmであり、2.45GHzでポート間の高アイソレーションを有して動作するようにされる。このアンテナ構造体は、例えば2.4乃至2.5GHz帯で動作するMIMO又は802.11Nシステムのような複数のアンテナ無線システムで用いられうる。ポート間のアイソレーションに加え、各ポートは有利なことに図18Bに示されるような異なる利得パターンを作り出す。これは1つの特別な例であるが、この構造体は任意の所望の周波数で動作するように調整されうることが理解される。また、2ポート・アンテナの文脈で前述されたマルチバンド構造体を同調、帯域操作及び生成する方法は、このマルチポート構造体にも適用されうることが理解される。
上述の実施形態は正確な円筒として示されたが、同一の利益を生じる3つのアンテナ素子及び接続素子の他の構成を用いることが可能である。これは、限定ではなく、接続素子が三角形を形成するような真っ直ぐな接続、又は他の多角形の形状を有する構成を含む。また、共通のカウンターポイズを有する3つのモノポール素子の代わりに、3つの別個のダイポール素子を同様に接続することにより、同様の構造体を構成することも可能である。また、アンテナ素子の対称的な配置は、有利なことに各ポートから等価な性能、例えば同一の帯域幅、アイソレーション、インピーダンス整合を生成するが、用途に依存してアンテナ素子を非対称に又は等しくない間隔で配置することも可能である。
図19は、本発明の1又は複数の実施形態によるコンバイナ用途におけるマルチモード・アンテナ構造体1900の使用を示す。図示されるように、送信信号は、アンテナ構造体1900の両方のアンテナ・ポートに同時に適用されてもよい。この構成では、マルチモード・アンテナは、アンテナ及び電力増幅器コンバイナの両方として機能しうる。アンテナ・ポート間の高アイソレーションは、2つの増幅器1902、1904間の相互作用を制限する。これは、信号歪み及び効率損失のような望ましくない効果を有することが知られている。1906における任意的なインピーダンス整合は、アンテナ・ポートで提供される。
図20A及び20Bは、本発明の1又は複数の実施形態によるマルチモード・アンテナ構造体2000を示す。アンテナ構造体2000は、例えばWiMAX USB又はExpressCard/34装置でも用いられうる。アンテナ構造体は、例えば2300乃至6000MHzのWiMAX帯域で動作するために構成されうる。
アンテナ構造体2000は、それぞれ幅広のモノポールを有する2つのアンテナ素子2001、2004を有する。接続素子2002は、アンテナ素子を電気的に接続する。スロット(又は他の切欠)2005は、5000MHzより上で入力インピーダンス整合を改善するために用いられる。図示される例である設計は、2300乃至6000MHzの周波数の範囲にわたるよう最適化される。
アンテナ構造体2000は、例えば金属の打ち抜きにより製造されうる。アンテナ構造体2000は例えば0.2mmの厚さの銅合金薄板から作られうる。アンテナ構造体2000は、構造体の概ね重心に接続素子2002上にピックアップ機構2003を有する。ピックアップ機構2003は、自動ピックアンドプレース組立工程で用いられうる。アンテナ構造体は、表面実装離フロー組立に適合する。アンテナの給電点2006は、PCB上の無線回路への接続点を提供し、PCBへのアンテナの構造的実装のための支持としても機能する。更なる接触点2007は、構造体の支持を提供する。
図20Cは、アンテナ2000の性能を測定するために用いられる試験組立部品2010を示す。図は、遠距離場のための参考座標も示す。アンテナ2000は、ExpressCard/34機器に相当する30×88mmのPCB2011上に実装される。PCB2011の接地された部分は、ノートブック・コンピュータに特有のカウンターポイズの大きさに相当する(本例では165×254mmの寸法を有する)更に大きな金属シート2012に取り付けられる。PCB2011上の試験ポート2014、2016は、50オームのストリップ線路を通じてアンテナに接続される。
図20Dは、試験ポート2014、2016で測定されたVSWRを示す。図20Eは、試験ポート間で測定された結合(S21又はS12)を示す。VSWR及び結合は、有利なことに広範な周波数範囲、例えば2300乃至6000MHzに渡り低い。図20Fは、測定された試験ポート2014(ポート1)、2016(ポート2)から見た放射効率を示す。図20Gは、試験ポート2016(ポート2)の励振により生成された放射パターンに対する試験ポート2014(ポート1)の励振により生成された放射パターン間の計算された相関を示す。放射効率は有利なことに高く、同時に対象の周波数においてパターン間の相関は有利なことに低い。図20Hは、2500MHzの周波数における試験ポート2014(ポート1)又は試験ポート2016(ポート2)の励振による遠距離場利得パターンを示す。図20I及び20Jは、それぞれ3500及び5200MHzの周波数における同一のパターンの測定結果を示す。φ=0又はXZ平面及びθ=90又はXY平面で、試験ポート2014(ポート1)から生じるパターンは、試験ポート2016(ポート2)から生じるパターンと異なり且つ相補的である。
図21A及び21Bは、本発明の1又は複数の実施形態によるマルチモード・アンテナ構造体2100を示す。アンテナ構造体2100は、例えばWiMAX USBドングルでも用いられうる。アンテナ構造体は、例えば2300乃至2400MHzのWiMAX帯域で動作するために構成されうる。
アンテナ構造体2100は、それぞれ曲折したモノポールを有する2つのアンテナ素子2102、2104を有する。曲折の長さは中心周波数を決定する。例えば螺旋コイル及びループのような他の曲がりくねった構成も、所望の電気的長さを提供するために用いられうる。図に示される例である設計は、2350MHzの中心周波数に最適化される。接続素子2106(図21Bに示される)は、アンテナ素子2102、2104を電気的に接続する。2つの構成要素の集中素子の整合は、各アンテナ給電で提供される。
アンテナ構造体は、例えばプラスチックの担体2101に実装された可撓性プリント回路(FPC)として、銅から製造されうる。アンテナ構造体は、FPC2103の金属部分により作られうる。プラスチック担体2101は、アンテナをPCB組立部品(示されない)に取り付けるための実装ピン又はピン2107、及びFPC2103を担体2101に固定するためのピン2105を設ける。2103の金属部分は、アンテナをPCB上の回路に電気的に接触させるための露出部分又はパッド2108を有する。
より高い中心周波数を得るために、素子2102、2104の電気的長さは短縮されうる。図22A及び22Bは、マルチモード・アンテナ構造体2200を示す。マルチモード・アンテナ構造体2200の設計は、2600MHzの中心周波数に最適化されている。素子2202、2204の電気的長さは、図21A及び21Bの素子2102、2104の電気的長さよりも短い。これは、素子2202、2204の端にある金属が除去されており、給電端における素子の幅が増大しているためである。
図23Aは、図21A及び21Bのアンテナ2100を用いた試験組立部品2300を、遠隔場パターンのための参照座標と共に示す。図23Bは、試験ポート2302(ポート1)、2304(ポート2)で測定されVSWR率を示す。図23Cは、試験ポート2302(ポート1)、2304(ポート2)間で測定された結合(S21又はS12)を示す。VSWR及び結合は、有利なことに対象の周波数範囲、例えば2300乃至2400MHzで低い。図23Dは、測定された試験ポートから見た放射効率を示す。図23Eは、試験ポート2304(ポート2)の励振により生成された放射パターンに対する試験ポート2302(ポート1)の励振により生成された放射パターン間の計算された相関を示す。放射効率は有利なことに高く、同時に対象の周波数においてパターン間の相関は有利なことに低い。図23Fは、2400MHzの周波数における試験ポート2302(ポート1)又は試験ポート2304(ポート2)の励振による遠距離場利得パターンを示す。φ=0又はXZ平面及びθ=90又はXY平面で、試験ポート2302(ポート1)から生じるパターンは、試験ポート2304(ポート2)から生じるパターンと異なり且つ相補的である。
図23Gは、アンテナ2100の代わりにアンテナ2200を有する組立部品2300の試験ポートで測定されたVSWRを示す。図23Hは、試験ポート間で測定された結合(S21又はS12)を示す。VSWR及び結合は、有利なことに対象の周波数範囲、例えば2500乃至2700MHzで低い。図23Iは、測定された試験ポートから見た放射効率を示す。図23Jは、試験ポート2304(ポート2)の励振により生成された放射パターンに対する試験ポート2302(ポート1)の励振により生成された放射パターン間の計算された相関を示す。放射効率は有利なことに高く、同時に対象の周波数においてパターン間の相関は有利なことに低い。図23Kは、2600MHzの周波数における試験ポート2302(ポート1)又は試験ポート2304(ポート2)の励振による遠距離場利得パターンを示す。φ=0又はXZ平面及びθ=90又はXY平面で、試験ポート2302(ポート1)から生じるパターンは、試験ポート2304(ポート2)から生じるパターンと異なり且つ相補的である。
本発明の1又は複数の更なる実施形態は、ヌル・ステアリング又はビームの指向を目的とした、ビーム・パターン制御の技術を対象とする。このような技術が(波長の特定の比で間隔を空けられた別個のアンテナ素子を有する)従来のアレイ・アンテナに提供されるとき、アレイ・アンテナの各素子は、基準信号又は波形の位相シフトされたものである信号を供給される。同等の励振を有する均一な線形アレイでは、生成されるビーム・パターンは、アレイ・ファクタFにより記述されうる。アレイ・ファクタFは、各個々の素子の位相及び素子間の素子間隔dに依存する。
位相αを値αiに制御することにより、Fの最大値は異なる方向B1に調整されうる。これにより、最大信号がブロードキャストされる又は受信される方向を制御する。
従来のアレイ・アンテナの素子間間隔は屡々1/4波長程度であり、アンテナは密に結合され、殆ど同一の偏波を有する。結合はアレイ・アンテナの設計及び性能の幾つかの問題をもたらしうるので、素子間の結合を低減することは有利である。例えば、パターン歪み及び死角のような問題(Stutzman、「Antenna Theory and Design」、Wiley、1998年、p.122−128、135−136、466−172を参照)は、過度の素子間結合や、所与の素子数で到達可能な最大利得の減少を生じうる。
ビーム・パターン制御技術は、有利なことに、本願明細書に記載された、1又は複数の接続素子により接続されるアンテナ素子を有し複数の給電点間で高アイソレーションを示す全てのマルチモード・アンテナ構造体に適用されうる。高アイソレーションのアンテナ構造体では、ポート間の位相は、アンテナ・パターンを制御するために用いられうる。給電点間の結合が低減された結果として、アンテナが単純なビーム形成アレイとして用いられるとき、より高いピーク利得が所与の方向で達成可能であることが分かっている。従って、アンテナ構造体の給電端子に提供される搬送波信号の位相制御を利用する種々の実施形態によると、高アイソレーションのアンテナ構造体から、選択された方向でより高い利得が達成されうる。
アンテナが1/4波長より遙かに短い間隔を空けられた端末の用途では、従来のアンテナにおける相互結合効果は、アレイの放射効率を低下させ、従って達成可能な最大利得を低下させる。
種々の実施形態により、高アイソレーション・アンテナの各給電点に供給される搬送波信号の位相を制御することにより、アンテナ・パターンにより生成される最大利得の方向が制御されうる。ビーム・ステアリングにより得られる例えば3dBの利得の利益は、特に、ビーム・パターンが固定され且つ機器の方向がユーザによりランダムに制御されるポータブル機器の用途で有利である。例えば、種々の実施形態によるパターン制御装置2400を示す図24の概略ブロック図に示されるように、位相シフタ2402により相対位相シフトαが、各アンテナ給電2404、2408に加えられるRF信号に適用される。これらの信号は、アンテナ構造体2410の個々のアンテナ・ポートに供給される。
位相シフタ2402は、例えば電気的に制御された位相シフト機器又は標準的な位相シフト回路のような標準的な位相シフト構成要素を有しうる。
図25A乃至25Gは、アンテナの2つの給電間の異なる位相差αに対する、密集した従来のダイポール・アンテナの2Dアレイ及び本発明の種々の実施形態による高アイソレーション・アンテナの2Dアレイの比較を与える。図25A乃至25Gでは、θ=90度におけるアンテナ・パターンの曲線が示される。図中、実線は種々の実施形態による分離された給電の単一素子アンテナにより生成されたアンテナ・パターンを表し、破線は単一素子の分離された給電構造体の幅に等しい距離だけ空けられた2つの別個の従来のモノポール・アンテナにより生成されたアンテナ・パターンを表す。従って、従来のアンテナ及び高アイソレーション・アンテナは、概して同じ大きさである。
図中の全ての場合で、種々の実施形態による高アイソレーション・アンテナにより生成されるピーク利得は、従来の2つの別個のダイポールと比べて大きい利得余裕を生成し、同時にビーム・パターンの方位角の制御を提供する。この動作は、特定の方向で追加利得が必要な又は望ましい送信又は受信用途で高アイソレーション・アンテナを用いることを可能にする。方向は、駆動点の信号間の相対位相を調整することにより制御されうる。これは、例えば基地局のような受信点にエネルギを向ける必要があるポータブル機器で特に有利である。結合型高アイソレーション・アンテナは、同様に導入されたとき、従来の2つの単一アンテナ素子に比べて大きな利点を提供する。
図25Aに示されるように、種々の実施形態による結合型ダイポールは、α=0(0度の位相差)に対し均一な方位角パターン(θ=90)でより大きな利得を示す。
図25Bに示されるように、種々の実施形態による結合型ダイポールは、α=30(給電点間で30度の位相差)に対し非対称な方位角パターン(θ=90の線)を有し、(φ=0で)より大きなピーク利得を示す。
図25Cに示されるように、種々の実施形態による結合型ダイポールは、α=60(給電点間で60度の位相差)に対しシフトされた方位角パターン(θ=90の線)を有し、(φ=0で)より大きなピーク利得を示す。
図25Dに示されるように、種々の実施形態による結合型ダイポールは、α=90(給電点間で90度の位相差)に対しシフトされた方位角パターン(θ=90の線)を有し、(φ=0で)更に大きなピーク利得を示す。
図25Eに示されるように、種々の実施形態による結合型ダイポールは、α=120(給電点間で120度の位相差)に対し(φ=180で大きなバックローブを有する)シフトされた方位角パターン(θ=90の線)を有し、(φ=0で)より大きなピーク利得を示す。
図25Fに示されるように、種々の実施形態による結合型ダイポールは、α=150(給電点間で150度の位相差)に対し(φ=180で)更に大きなバックローブを有するシフトされた方位角パターン(θ=90の線)を有し、(φ=0で)より大きなピーク利得を示す。
図25Gに示されるように、種々の実施形態による結合型ダイポールは、α=180(給電点間で180度の位相差)に対し2つのローブを有する方位角パターン(θ=90の線)を有し、(φ=0及び180で)より大きなピーク利得を示す。
図26は、1又は複数の実施形態による結合型高アイソレーション・アンテナが2つの別個のダイポールに渡る場合の理想的な利得の利益を、2給電点のアンテナ・アレイの給電点間の位相角差の関数として示す。
本発明の1又は複数の実施形態による、曲折した接続素子により接続された2つの並列ダイポールを有するアンテナ構造体を用いたパターン制御により得られた増大した利得は、無線リンクの範囲又は信頼性を向上させるために利用されてもよい。代替として、増大された利得は、ポータブル又は他の機器が低減された送信電力で同等の無線リンク性能を得ることを可能にしてもよい。例えば、パターン制御から得られた3dBの平均送信利得の向上は、同一のリンク性能を維持しながら、送信電力が3dBだけ低下することを許容するだろう。送信電力の低下は、幾つかの点で有利である。第一に、ポータブル無線機器は、通常、幾らか性能を妥協しなければ適合することが困難な特定の吸収率(SAR)規制限度に適合することを要求される。送信電力の低下は、性能を妥協せずにピークSAR値の対応する低下を提供しうる。更に、低い送信電力は、出力PAにかかる負担を軽減し、低電力且つ高線形性の設計を可能にする。更に、低減された送信電力は、ポータブル又は他の機器で、バッテリの長寿命及び低い放熱要件にとって有益である。
位相制御の使用が遠距離場利得に所望の増大をもたらすと同時に、位相励起の変化は近距離場を変更しSAR値に影響を与えうる。正味のSAR値の減少を実現するために、アンテナの遠距離場利得の増大は、ピークSAR値の如何なる増加よりも大きい必要がある。実験を通じて、出願人は、遠距離場利得と比較して、SAR値の変化が位相に渡って比較的小さいことを見出した。
図30は、1900MHz帯でパターン制御用途のための2ポート・アンテナ構造体を有する例であるUSBドングルを示す。 図31に示されるように、図30の構成に対するシミュレーションにより決定されたSAR値は、パターン制御に用いられる駆動点信号間の相対位相と比較的独立であり、従って測定されたピークSAR値の低下の利益は、全ての相対位相値に対して達成可能であり、同時にビーム・パターンの全方位角の制御を提供する。
本願明細書に記載された近距離場放射レベル及びSAR値の低減のための技術は、望ましくは、上述のアンテナ素子を電気的に接続する接続素子を有する高アイソレーション・マルチモード・アンテナ構造体と共に用いられる。しかしながら、これらの技術は、位相ステアリングの可能な複数の放射素子を有するアンテナ・アレイと共に更に一般的に用いられ、アンテナ・パターン制御を提供し、及び選択された方向の利得を増大しうる。
本発明の更なる実施形態は、所与の周波数範囲で互いに近接近で動作するマルチバンド・アンテナ・ポート間の増大した高アイソレーションを提供するマルチモード・アンテナ構造体を対象とする。これらの実施形態では、帯域除去スロットは、アンテナ構造体のアンテナ素子の1つに組み込まれ、スロットが合わせられる周波数で低減された結合を提供する。
図27Aは、簡易な二重帯域分岐線モノポール・アンテナ2700を概略的に示す。アンテナ2700は、2つの分岐共振器2704、2706を定める帯域除去スロット2702を有する。アンテナは、信号生成器2708により駆動される。アンテナ2700が駆動される周波数に依存して、2つの分岐共振器2704、2706で種々の電流分布が実現される。
図27Aに示されるように、スロット2702の物理的寸法は幅Ws及び長さLsにより定められる。励起周波数がLs=lo/4を満たすとき、スロットの特徴は共振になる。この点で、図27Bに示されるように、電流分布はスロットの短い部分の周囲に集中する。
分岐共振器2704、2706を通じて流れる電流は、ほぼ等しく且つスロット2702の両面に沿って反対方向である。これは、アンテナ構造体2700を(図27Cに概略的に示される)スパーライン帯域阻止フィルタ2720と同様に動作させる。これはアンテナ入力インピーダンスを名目電源インピーダンスより有意に低く下方に変換する。この大きなインピーダンス不整合は、結果として図27D及び27Eに示される非常に高いVSWRを生じ、その結果、所望の周波数除去をもたらす。
この帯域除去スロット技術は、互いに近接近で動作し一方のアンテナ素子は所望の周波数の信号を通過させる必要があり他方はその必要がない2つの(又はそれより多い)アンテナ素子を有するアンテナ・システムに適用されうる。1又は複数の実施形態では、2つのアンテナ素子のうちの一方は帯域除去スロットを有し、他方は有さない。図28は、第1のアンテナ素子2802、第2のアンテナ素子2804及び接続素子2806を有するアンテナ構造体2800を概略的に示す。アンテナ構造体2800は、それぞれアンテナ素子2802及び2804にポート2808及び2810を有する。本例では、信号生成器は、ポート2808でアンテナ構造体2802を駆動する。一方で、計測器はポート2810に結合され、ポート2810で電流を計測する。しかしながら、一方又は両方のポートが信号生成器により駆動されうることが理解されるべきである。アンテナ素子2802は、2つの分岐共振器2814、2816を定める帯域除去スロット2812を有する。本実施形態では、分岐共振器はアンテナ構造体の主送信部分を有し、アンテナ素子2804はアンテナ構造体のダイバーシティ受信部を有する。
帯域除去スロット2812を有するアンテナ素子2802のポートにおける大きな不整合により、アンテナ素子2802とダイバーシティ受信アンテナ素子2804との間の相互結合は、実際にスロット共振周波数で整合し、非常に小さく、比較的高アイソレーションをもたらす。
図29Aは、本発明の1又は複数の更なる実施形態による、GPS帯域で帯域除去スロット技術を利用するマルチバンド・ダイバーシティ受信アンテナ・システムを有するマルチモード・アンテナ構造体2900の斜視図である。(GPS帯域は1575.42MHzであり、20MHz帯域幅を有する。)アンテナ構造体2900は、誘電性担体2904上の層として形成される柔軟な薄膜誘電性基板2902上に形成される。アンテナ構造体2900は、アンテナ構造体2900の主送信アンテナ素子2908上にGPS帯域除去スロット2906を有する。アンテナ構造体2900は、ダイバーシティ受信アンテナ素子2910、及びダイバーシティ受信アンテナ素子2910と主送信アンテナ素子2908とを接続する接続素子2912も有する。GPS受信機(示されない)は、ダイバーシティ受信アンテナ素子2910に接続される。アンテナの主送信アンテナ素子2908との結合を概して最小化するために、及びこれらの周波数でダイバーシティ・アンテナ放射効率を概して最大化するために、主アンテナ素子2908は、帯域除去スロット2906を有し、GPS帯域の中心近くの電気的な4分の1波長に合わせられる。ダイバーシティ受信アンテナ素子2910は、このような帯域除去スロットを有さないが、主アンテナ電源インピーダンスに正確に整合されたGPSアンテナ素子を有する。従って、ダイバーシティ受信アンテナ素子2910とGPS受信機との間に概して最大電力転送がある。2つのアンテナ素子2908、2910は近接近に共存するが、主送信アンテナ素子2908のスロット2906による高VSWRは、スロット2906が合わせられる周波数で主アンテナ素子電源抵抗との結合を低減し、従って両アンテナ素子2908、2910との間でGPS周波数においてアイソレーションを提供する。2つのアンテナ素子2908、2910間のGPS帯域範囲内の結果として生じる不整合は、図29B及び29Cに示されるようなシステム設計のアイソレーション要件に適合するために、アンテナ素子を切り離すために十分大きい。
本発明の種々の実施形態による本願明細書に記載されたアンテナ構造体では、アンテナ素子及び接続素子は、望ましくは単一の統合された放射構造体を形成し、いずれのポートへの信号供給も、アンテナ構造全体を励振し、別個の放射構造体ではなく全体として放射するようにする。このように、本願明細書に記載された技術は、アンテナ給電点でネットワークの分離を使用せずに、アンテナ・ポートのアイソレーションを提供する。
本発明は特定の実施形態の観点から以上に説明されたが、前述の実施形態は単に説明のためであり本発明の範囲を限定又は定めるものではないことが理解されるべきである。
種々の他の実施形態は、以下に限定されず、特許請求の範囲内である。例えば、本願明細書に記載された種々のマルチモード・アンテナ構造体の素子又は構成要素は、追加の構成要素に更に分けられてもよく、又は一緒に結合されて同一の機能を実行する少ない数の構成要素を形成してもよい。
本発明の好適な実施形態が記載されたが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく変更がなされ得る。
[関連出願の相互参照]
本願は、米国仮特許出願番号60/925,394、出願日2007年4月20日、名称「Multimode Antenna Structure」及び米国仮特許出願番号60/916,655、出願日2007年5月8日、名称「Multimode Antenna Structure」に基づく米国特許出願番号11/769,565、出願日2007年6月27日、名称「Multimode Antenna Structure」(米国特許番号7,688,275)の一部継続出願である米国特許出願番号12/099,320、出願日2008年4月8日、名称「Multimode Antenna Structure」(米国特許番号7,688,273)の継続出願である米国特許出願番号12/750,196、出願日2010年3月30日、名称「Multimode Antenna Structure」の一部継続出願である。本願は、米国仮特許出願番号61/181,176、出願日2009年5月26日、名称「Multimode Antenna Structure」にも基づく。上述の出願のそれぞれは参照することにより本願明細書に組み込まれる。
本願は、米国仮特許出願番号60/925,394、出願日2007年4月20日、名称「Multimode Antenna Structure」及び米国仮特許出願番号60/916,655、出願日2007年5月8日、名称「Multimode Antenna Structure」に基づく米国特許出願番号11/769,565、出願日2007年6月27日、名称「Multimode Antenna Structure」(米国特許番号7,688,275)の一部継続出願である米国特許出願番号12/099,320、出願日2008年4月8日、名称「Multimode Antenna Structure」(米国特許番号7,688,273)の継続出願である米国特許出願番号12/750,196、出願日2010年3月30日、名称「Multimode Antenna Structure」の一部継続出願である。本願は、米国仮特許出願番号61/181,176、出願日2009年5月26日、名称「Multimode Antenna Structure」にも基づく。上述の出願のそれぞれは参照することにより本願明細書に組み込まれる。
Claims (22)
- 通信装置の近距離場放射及び比吸収率(SAR)値を低減する方法であって、
前記通信装置は、電磁信号を送信及び受信するマルチモード・アンテナ構造体と、前記アンテナ構造体から及び前記アンテナ構造体へ伝達される信号を処理する回路と、を有し、
前記アンテナ構造体は、
前記回路に動作可能に結合された複数のアンテナ・ポート、
それぞれ前記アンテナ・ポートのうちの異なる1つに動作可能に結合された複数のアンテナ素子、
1又は複数の接続素子であって、各アンテナ素子上の該アンテナ素子に結合されたアンテナ・ポートから間隔を空けられた位置で、前記アンテナ素子を電気的に接続し、1つのアンテナ素子の電流が接続された近隣のアンテナ素子に流れ、該近隣のアンテナ素子に結合された前記アンテナ・ポートを大体迂回するようにする、1又は複数の接続素子、
を有し、
前記1つのアンテナ素子を通じて流れる電流と前記近隣のアンテナ素子を通じて流れる電流とは、大体大きさが等しく、
1つのアンテナ・ポートにより励振されるアンテナ・モードは、所与の周波数範囲で別のアンテナ・ポートにより励振されるモードと大体電気的に分離され、
前記アンテナ構造体は多様性のあるアンテナ・パターンを生成し、
当該方法は、
前記アンテナ構造体の近隣のアンテナ・ポートに供給される信号間の相対位相を調整する段階であって、前記1つのアンテナ・ポートに供給される信号が、前記近隣のアンテナ・ポートに供給される信号と異なる位相を有し、アンテナ・パターン制御を提供し、受信点へ向かう選択された方向の利得を増大させるようにする、段階、
前記アンテナ構造体の非パターン制御動作で用いられる送信電力より低い送信電力を用いる段階であて、前記通信装置が前記非パターン制御動作と比較して低減された送信電力を用いる受信点と大体等価な無線リンク性能を得るようにし、それにより比吸収率を低減する、段階、
を有する方法。 - 前記信号間の相対位相を調整する段階は、電気的に制御される位相シフト装置を用いて信号間の相対位相を調整する段階を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記信号間の相対位相を調整する段階は、位相シフト回路を用いて信号間の相対位相を調整する段階を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記信号間の相対位相を調整する段階は、前記複数のアンテナ・ポートのそれぞれに供給される搬送波信号の位相を制御することにより、信号間の相対位相を調整する段階を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記通信装置は、セルラ端末、PDA、無線ネットワーク機器、又はPC用のデータ・カードである、
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記アンテナ素子は、螺旋コイル、広帯域平面形状、チップ・アンテナ、曲がりくねった形状、ループ、又は誘導的に分岐した形式を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記マルチモード・アンテナ構造体は、プリント回路基板上に製造された平面構造体を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記マルチモード・アンテナ構造体は、自動ピックアンドプレース組立工程で使用される、打ち抜かれた金属部分の重心にピックアップ機構を有する該打ち抜かれた金属部分を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記マルチモード・アンテナ構造体は、機器のプラスチック担体又はプラスチック筐体に実装された可撓性プリント回路を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記受信点は、基地局、移動端末、又はルータである、
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記信号間の相対位相を調整する段階は、近隣のアンテナ・ポートに供給される信号間の相対位相を動的に調整し、前記受信点との大体最適化された通信リンクを維持する段階を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 通信装置の近距離場放射と比吸収率(SAR)値を低減する方法であって、
前記通信装置は、電磁信号を送信及び受信するアンテナ・アレイと、該アンテナ・アレイへ及び該アンテナ・アレイから伝達される信号を処理する回路と、を有し、
前記アンテナ・アレイは、それぞれ前記回路に動作可能に結合されたアンテナ・ポートを有する複数の放射素子を有し、
当該方法は、
前記アンテナ・アレイのアンテナ・ポートに供給される信号間の相対位相を調整する段階であって、1つのアンテナ・ポートに供給される信号が別のアンテナ・ポートに供給される信号と異なる位相を有し、アンテナ・パターン制御を提供し、受信点に向かう選択された方向で利得を増大させるようにする、段階、
前記アンテナ構造体の非パターン制御動作で用いられる送信電力より低い送信電力を用いる段階であて、前記通信装置が前記非パターン制御動作と比較して低減された送信電力を用いる受信点と大体等価な無線リンク性能を得るようにし、それにより比吸収率を低減する、段階、
を有する方法。 - 前記信号間の相対位相を調整する段階は、電気的に制御される位相シフト装置を用いて信号間の相対位相を調整する段階を有する、
ことを特徴とする請求項12に記載の方法。 - 前記信号間の相対位相を調整する段階は、位相シフト回路を用いて信号間の相対位相を調整する段階を有する、
ことを特徴とする請求項12に記載の方法。 - 前記信号間の相対位相を調整する段階は、前記複数のアンテナ・ポートのそれぞれに供給される搬送波信号の位相を制御することにより、信号間の相対位相を調整する段階を有する、
ことを特徴とする請求項12に記載の方法。 - 前記通信装置は、セルラ端末、PDA、無線ネットワーク機器、又はPC用のデータ・カードである、
ことを特徴とする請求項12に記載の方法。 - 前記放射素子は、螺旋コイル、広帯域平面形状、チップ・アンテナ、曲がりくねった形状、ループ、又は誘導的に分岐した形式を有する、
ことを特徴とする請求項12に記載の方法。 - 前記アンテナ・アレイは、プリント回路基板上に製造された平面構造体を有する、
ことを特徴とする請求項12に記載の方法。 - 前記アンテナ・アレイは、自動ピックアンドプレース組立工程で使用される、打ち抜かれた金属部分の重心にピックアップ機構を有する該打ち抜かれた金属部分を有する、
ことを特徴とする請求項12に記載の方法。 - 前記アンテナ・アレイは、機器のプラスチック担体又はプラスチック筐体に実装された可撓性プリント回路を有する、
ことを特徴とする請求項12に記載の方法。 - 前記受信点は、基地局、移動端末、又はルータである、
ことを特徴とする請求項12に記載の方法。 - 前記信号間の相対位相を調整する段階は、前記アンテナ・ポートに供給される信号間の相対位相を動的に調整し、前記受信点との大体最適化された通信リンクを維持する段階を有する、
ことを特徴とする請求項12に記載の方法。
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