JP2014502474A - 平衡アンテナシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、整合回路を介してバランに接続された放射器を含む平衡アンテナシステムに関する。ある実施形態において、放射器は、第１の放射素子と第２の放射素子とを含み、整合回路は、第１の放射素子に接続された第１のインピーダンス整合回路と、第２の放射素子に接続された第２のインピーダンス整合回路とを含む。第１および第２の整合回路は同一であってもよく、バランを介して単一のポートに接続される。部品数を最小にするために、整合回路およびバランの設計は共に最適化される。

Description

本発明は、平衡アンテナシステムに関する。特に、限定されるわけではないが、本発明は、携帯電話、ラップトップコンピュータ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、無線機などの携帯電子機器に使用するための平衡アンテナシステムに関する。

データを送信／受信するためのマルチアンテナを利用するマルチプルインプット・マルチプルアウトプット（ＭＩＭＯ）無線システムが、豊かなマルチパス環境においてその能力が高まってきたためにその潜在する可能性への期待から関心が高まってきた。かかるシステムは、追加のスペクトル帯域を必要とせずに多重波伝播を使用することによって通信性能を高めることを可能とするために使用することが可能である。これは、２Ｇまたは３Ｇの通信基準のどちらかを採用する高速データ通信を達成するための、周知であってよく使用される解決方法である。

ルータ装置などの屋内用無線用途のために、屋外用ダイポールアンテナおよびモノポールアンテナが、最もポピュラーである、高利得、全方向性ダイポールアレイおよび共線アンテナと共に使用されている。

しかしながら、市場にはＭＩＭＯを備える携帯装置はほとんどなく、これは、主として、各放射器間の要求されるアイソレーションを維持しながら、（端末の小さく割り当てられた空間のために）小さな装置において集合しているいくつかの放射器の周囲の複雑さのためである。

この課題に対する興味ある解決手段の１つは、効率的に放射するためのグランドプレーン（および特にグランドプレーン電流）を必要としない平衡放射器の使用を含む。ここ数年、平衡アンテナシステムは、人体に近接して保持されるときに、その安定した性能のために、携帯電話アンテナ設計者の注目を集めてきた。この種のアンテナにおいて、平衡電流だけがアンテナ素子に流れ、こうして、電流の流れの電話筐体への影響を顕著に低減し、人体のアンテナ性能に及ぼす影響を小さくすることができる。

平衡アンテナシステムの構造は、典型的に、平衡ラインによって供給される放射素子または“バラン”（単一の不平衡信号を２つの異なる平衡信号に、またはその逆に変換するように構成される）を含む。このような平衡アンテナは、ＰＤＡまたはラップトップ装置において、２，４５ＧＨｚおよび５．２ＧＨｚで動作する２素子構造を設計するようにうまく適用されてきた。しかしながら、対応する共振の物理的サイズのために、たとえばＤＶＢ−Ｈ、ＧＳＭまたはＵＭＴＳ携帯電話において、このような構造をより低い周波数で実施することは、現在のところ困難（あるいはおそらく不可能）であると考えられる。

したがって、サービスプロバイダまたは顧客によって要求される周波数範囲の全スペクトルにわたってカバーすることができる携帯装置におけるＭＩＭＯ用途のためのコンパクトな平衡アンテナ設計の必要性がある。その結果として、本発明の目的は、上述の課題に対処するのに役立つ平衡アンテナシステムを提供することである。

本発明の第１の態様に従えば、整合回路を介してバランに接続された放射器を含む平衡アンテナシステムが提供される。

したがって、本発明の実施形態は、簡単な構成を有し、異なる周波数の範囲にわたって単一共振で動作可能である平衡アンテナシステムを提供する。整合回路がバランと放射器との間に組み込まれることは、より大きな適応性と放射器の制御とを可能にし、より大きな同調能力をもたらす。

放射器は、ループアンテナまたはダイポールアンテナによって構成されてもよく、第１の給電ラインと第２の給電ラインとを含んでもよい。ある実施形態において、放射器は、第１の放射素子と第２の放射素子とを含んでもよい。放射器は、単一の共振周波数を提供するように構成されてもよく、または２つまたは３以上の共振周波数を同時に提供するように構成されてもよい。したがって、単一のアンテナシステムを幅広い周波数範囲をカバーするように構成することができる。

整合回路は、第１のインピーダンス整合回路と、第２のインピーダンス整合回路とを含んでもよい。第１のインピーダンス整合回路は、第１の給電ラインおよび／または第１の放射素子に接続されてもよく、第２のインピーダンス整合回路は、第２の給電ラインおよび／または第２の放射素子に接続されてもよい。

第１および第２の整合回路は同一であってもよく、バランを介して単一のポートに接続されてもよい。部品数を最小にするために、整合回路およびバランの設計は共に最適化されてもよい。

従来の再構成可能な平衡アンテナは、平衡放射素子の各アームにバラクタまたはスイッチを組み込んでいたことに注目されたい。一方、提案した平衡アンテナは、各放射素子に１つずつ設けられる、２つの同一の外部整合回路と、バラン回路とを組み込んでもよく、これはこれまでに文献において提案されていなかった。

バランは、外部電流をキャンセルまたはチョークすることによって不平衡信号を平衡信号に変換するように構成されてもよい。バランのいくつかのタイプは、ダイポールアンテナでの使用で知られている。これらは、いわゆる電流バラン、同軸バランおよびスリーブバランを含み、これらのいずれかは本発明の実施形態において用いられる。しかしながら、特定の実施形態において、平衡アンテナシステムに幅広い同調範囲を提供するように、インピーダンス変換のために構成される、広帯域ＬＣバランを用いることが望ましい。

バランは、第１のフィルタと第２のフィルタとを含んでもよい。第１のインピーダンス整合回路は、第１のフィルタと第１の放射素子との間に設けられてもよく、第２のインピーダンス整合回路は、第２のフィルタと第２の放射素子との間に設けられてもよい。

具体的な実施形態において、バランは、ハイパスフィルタ（第１のフィルタ）と、ローパスフィルタ（第２のフィルタ）と、Ｔ結合とを含んでもよい。代替の実施形態において、バランは、並列に接続される、ハイパスフィルタ（第１のフィルタ）とバンドパスフィルタ（第２のフィルタ）とを含んでもよい。

第１のフィルタは、少なくとも１つのキャパシタを含んでもよく、第２のフィルタは、少なくとも１つのインダクタを含んでもよい。

ハイパスフィルタおよび／またはローパスフィルタは、それぞれ、１つまたは複数のインダクタあるいはキャパシタを（たとえば、ＬＣ回路の形態で）含んでもよい。ある実施形態において、ハイパスフィルタは、１つまたは直列接続された複数（たとえば３つ）のキャパシタと、０、１つまたは並列接続された複数（たとえば２つ）のインダクタとを含んでもよく、ローパスフィルタは、１つまたは直列接続された複数（たとえば３つ）のインダクタと、０、１つまたは並列接続された複数（たとえば２つ）のキャパシタとを含んでもよい。代替の実施形態において、ハイパスフィルタは、インダクタとキャパシタとを含んでもよく、バンドパスフィルタは、複数のインダクタと複数のキャパシタとを含んでもよい。第１のフィルタと第２のフィルタとは、並列に接続されてもよい。

あるバラン構造において、第１および第２のフィルタのそれぞれにおける部品数は、次数の大きさに対応してもよく、フィルタにおいてより大きな次数はより広い帯域幅に位相差を与える。特定の構成において、バランは、１つ、２つまたはそれ以上（たとえば５つ）の次数を有するフィルタを含んでもよい（すなわち、それぞれが１つ、２つまたはそれ以上の部品を含む）。しかしながら、出願人は、本発明のある実施形態において、バラン自体の性能はあまり重要ではなく、フィルタにおいて１つのインダクタ（またはキャパシタ）を単に用いることで十分であり得ることを見出した。

本発明のある実施形態において、少なくとも１つの代替部品が、第１のフィルタおよび／または第２のフィルタに含まれるように設けられてもよい。少なくとも１つのスイッチが、少なくとも１つの代替部品を他の部品に代えて動作させるのを可能にするように設けられてもよい。

本発明のある実施形態において、第２のハイパスフィルタおよび／または第２のローパスフィルタが設けられてもよい。少なくとも１つのスイッチが、第２のハイパスフィルタおよび／または第２のローパスフィルタを、ハイパスフィルタおよび／またはローパスフィルタのそれぞれに代えて動作させるのを可能にするように設けられてもよい。

第２のハイパスフィルタおよび／または第２のローパスフィルタは、１つまたは複数のインダクタまたはキャパシタを（たとえば、ＬＣ回路の形態で）含んでもよい。たとえば、第２のハイパスフィルタは、直列接続された３つのキャパシタと、並列接続された２つのインダクタとを含んでもよく、第２のローパスフィルタは、直列接続された３つのインダクタと、並列接続された２つのキャパシタとを含んでもよい。しかしながら、第２のハイパスフィルタは、前記ハイパスフィルタとは異なる少なくとも１つの部品を有し、第２のローパスフィルタは、前記ローパスフィルタとは異なる少なくとも１つの部品を有するであろうことは理解されるであろう。ある実施形態において、第２のハイパスフィルタはの全ての部品は、前記ハイパスフィルタの部品と異なっており、かつ／または、第２のローパスフィルタの全ての部品は、前記ローパスフィルタの部品と異なっている。

第１および／または第２の整合回路は、第１および／または第２の放射素子のそれぞれを異なる周波数で同調させることを可能にするように再構成可能であってもよい。第１および／または第２の整合回路は１つまたは複数のインダクタまたはキャパシタを（たとえばＬＣ回路の形態で）含んでもよく、可変キャパシタ（すなわちバラクタ）を含んでもよい。

本発明の実施形態において、第１および第２の整合回路は、構造的に同一（すなわち、同様に配置される同一部品を有する）であってもよい。異なる整合回路がある状況において用いられてもよいけれども、このような構成は非常に良好な共振を提供可能であることが理解されるであろう。

特定の実施形態において、第１および／または第２の整合回路は、第１のインダクタと、キャパシタと、第２のインダクタとを含む。第１のインダクタはキャパシタと並列に接続されてもよく、第２のインダクタはキャパシタと直列に接続されてもよい。第１のインダクタはグランドプレーンに接続されてもよく、キャパシタは同調可能であってもよい。

本発明のある実施形態において、少なくとも１つの代替部品が、第１および／または第２の整合回路に含まれるように設けられてもよい。少なくとも１つのスイッチが、少なくとも１つの代替部品を他の部品に代えて動作させるのを可能にするように設けられてもよい。

ある実施形態において、第１のインダクタは少なくとも２つのインダクタからなる群から選択可能であってもよく、第２のインダクタは少なくとも２つの他のインダクタからなる群から選択可能であってもよい。

バランおよび／または第１／第２の整合回路のために代替部品を設けることは、アンテナの構成におけるより大きな適応性を可能にし、したがって、アンテナの同調範囲を非常に増大させることを可能にする。

第１の放射素子は、略Ｕ字状またはＬ字状に形成され、基板（たとえばプリント配線基板、ＰＣＢ）の第１の端部において、基板の第１の側面に設けられる、第１のストリップ（たとえば金属製）によって構成されてもよい。Ｕ字状またはＬ字状のストリップは、基板の第１の端部の半分に位置されてもよく、その開放端／面が第１の端部の中央領域に向かって内方に臨むように配向されてもよい。短い給電ラインが基板の中央に最も近接し、基板の長さに沿って延びるＵ字状またはＬ字状のストリップの始点に設けられてもよい。

第２の放射素子は、第１の放射素子に実質的に類似していてもよく、基板の第１の側面にも設けられるが、第１の放射素子とは反対側の、基板の第１の端部の隣接する半分に、第２のストリップの開放端／面が第１のストリップの開放端／面に臨むように、配向されてもよい。

間隙が第１および第２の放射素子の各給電ライン間と第１および第２のストリップの各端部間とに設けられてもよい。

グランドプレーンが、第１の側面とは反対側の、基板の第２の側面に設けられてもよい。グランドプレーンは、実質的に矩形であってもよく、（第１の端部とは反対側の）基板の第２の端部から、給電ラインの自由端に対向する位置まで、基板表面の略全面を占めてもよい。

基板は従来のサイズのものであってもよく、一実施形態において、従来の携帯装置に容易に収容可能なように、約１６６×４０ｍｍ^２の表面積を有してもよい。基板の厚みは限定されないが、典型的には、数ミリメートルの厚み（たとえば１ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍまたは２．５ｍｍ）であることは理解されるであろう。

本発明の実施形態において、第１および第２の放射素子は、約４０×１０ｍｍ^２の領域にわたって延びていてもよい。放射器のサイズは限定されないが、より広い動作帯域幅またはより高い利得が要求されるときには、大きくすることができることは理解されるであろう。

本発明の実施形態において、アンテナが４７０ＭＨｚ〜２２００ＭＨｚの周波数範囲にわたって、動作帯域にわたって少なくとも６ｄＢの反射損失で動作（すなわち１７３０ＭＨｚにわたって同調）するように設計されたことは実証された。

平衡アンテナシステムは、マルチプルインプット・マルチプルアウトプット（ＭＩＭＯ）用途のために構成されてもよい。したがって、平衡アンテナシステムは、多数のアンテナを有するシステムに組み込まれてもよい。各アンテナは、平衡または不平衡であってもよく、追加のスペクトルまたは送信器電力を必要とすることなく、システムの能力を増大させるように、無相関チャネルを提供するように構成されてもよい。

本発明の第２の態様に従えば、本発明の第１の態様に従う、少なくとも１つの平衡アンテナシステムと、少なくとも１つのさらなるアンテナとを含むＭＩＭＯ用途のためのアンテナ構造体が提供される。

少なくとも１つのさらなるアンテナは、平衡または不平衡アンテナからなってもよく、再構成可能であってもよい。一実施形態において、少なくとも１つのさらなるアンテナは、本発明の第１の態様に従っていてもよい。

各アンテナの相対位置は、良好な（または最適な）アンテナアイソレーションを提供するように選ばれてもよい。いくつかの実施形態において、これは、アンテナを最大可能距離（the largest available distance）だけ相互に離間させることによって得られてもよい。実際には、第１のアンテナが該アンテナ構造体の第１の端部に配置されてもよく、第２のアンテナが該アンテナ構造体の第２の端部に配置されてもよい。

本発明の実施形態において、第１および第２のアンテナは、少なくとも２００ｍｍ、少なくとも１５０ｍｍ、少なくとも１００ｍｍ、または少なくとも５０ｍｍだけ離間されてもよい。

いくつかの実施形態において、平衡アンテナシステムは、アンテナ構造体のグランドプレーンにスロットを設けることによって、さらなるアンテナから分離されてもよい。

さらなるアンテナの随意的特徴
特定の実施形態において、少なくとも１つのさらなるアンテナは、ＧＢ０９１８４７７．１に記載された種類の２ポート筐体アンテナによって構成されてもよい。したがって、さらなるアンテナは２つ以上の相互に結合された放射素子と、各放射素子の周波数帯域の独立した同調のために構成された２つ以上のインピーダンス整合回路とを含み、各放射素子が、駆動状態、フローティング状態およびグランド状態のそれぞれにおいて選択的に動作するように設けられる、再構成可能アンテナであってもよい。

さらなるアンテナの少なくとも１つの放射素子は、非共振共振器によって構成されてもよい。特定の実施形態において、２つの非共振共振器が用いられる。各放射素子は、広帯域および／または狭帯域範囲の周波数にわたって動作するように構成されてもよい。特定の実施形態において、各インピーダンス整合回路は広帯域同調回路と狭帯域同調回路とを含んでもよい。

一実施形態において、さらなるアンテナは、第１の側面に印刷されたブランドプレーンを有する基板上に設けられる。第１の放射素子は、第１の側面とは反対側の、基板の第２の側面に設けられ、グランドプレーンから側方に離間されてもよい。第１の放射素子は、金属パッチによって構成されてもよく、該パッチは平面状などであってもよい。具体的な実施形態において、第１の放射素子は、平面部とグランドプレーンに直交する部分とを有する、Ｌ字状の金属パッチによって構成されてもよい。直交部分は、直交部分がいわゆる第１の間隙によってグランドプレーンから離間されるように、グランドプレーンから最も遠い平面部の縁から延びてもよい。

第２の放射素子は、金属パッチによって構成されてもよく、該パッチは平面状などであってもよい。特定の実施形態において、第２の放射素子は、グランドプレーンに直交する平面状金属パッチによって構成される。第２の放射素子は、グランドプレーンと第１の放射素子の直交部分との間（すなわち第１の間隙内）に配置されてもよい。グランドプレーンと第２の放射素子との間の距離は、いわゆる第２の間隙を形成する。本実施形態において、第２の放射素子と第１の放射素子の直交部分との間の距離はその間の相互結合の量を決定することが理解されるであろう。したがって、この距離は、全体にわたって、相互間隙と称するであろう。

各放射素子の形状は特に限定されないが、たとえば、正方形状、長方形状、三角形状、円状、楕円状、環状、星形状または不規則形状であってもよい。さらに、各放射素子は、少なくとも１つのノッチまたは切欠きを含んでもよい。各放射素子の形状および構成は、問題となっている用途に対するさらなるアンテナの所望の特性に依存することは理解されるであろう。

同様に、グランドプレーンのサイズおよび形状は、全ての動作モードに対する最適な特性を提供するように変化されてもよい。したがって、第１のグランドプレーンは、たとえば、正方形状、長方形状、三角形状、円状、楕円状、環状または不規則形状であってもよい。さらに、グランドプレーンは、少なくとも１つのノッチまたは切欠きを含んでもよい。

さらなるアンテナの各放射素子は、関連する給電ポートを有してもよい。各給電ポートは、関連する放射素子の動作状態を選択する制御手段を含む制御モジュールに接続されてもよい。制御手段は、放射素子を、フロートさせる、グランドプレーンに接続させる、またはその関連するインピーダンス整合回路によって駆動させるように選択的に構成されるスイッチを含んでもよい。

上述の実施形態において、第１の給電ポートは、第１の放射素子と第１のインピーダンス整合回路を有する第１の制御モジュールとの間に設けられてもよく、第２の給電ポートは、第２の放射素子と第２のインピーダンス整合回路を有する第２の制御モジュールとの間に設けられてもよい。

第１の給電ポートは放射素子の中心に、または中心を外れて（すなわち、他方側よりも放射素子の一方側により近くに）位置付けられてもよい。

具体的な実施形態において、第１の給電ポートは、第１の放射素子の長さに沿う距離の約３分の１の位置に配置されてもよい。これは、非対称電流をグランドプレーンに沿って発生させて、これによって多くの異なる共振をサポートするという点で有利である。また、各方向において異なる電気長を有するために、第１の放射素子がより多くの共振を発生させることが可能となる。加えて、第１の給電ポートを中心から外れて位置付けることによって、第２の放射素子のためのより多くの空間を第１の放射素子に近づけて位置付けることを可能にし、これによって、２つの放射素子間でより良好な結合を結果として生じる。

第１の給電ポートは、グランドプレーンにその縁にそって接続されてもよい。第１の給電ポートは、縁の中心で、またはその一方側であるいはその一方側に向かって接続されてもよい。第１の給電ポートがグランドプレーンの一方側に接続されることによって、第２の放射素子がグランドプレーンの幅を完全に用いることを可能にする。しかしながら、それは、また、放射素子とグランドプレーンとの間での異なる結合効率を結果として生じる。

ある実施形態において、第２の給電ポートは第１の給電ポートに近接して配置される。これは、各給電ポートが、独立して動作（オン）、または隣接する給電ポートへのドライバとして動作（グランド）、または電気的に切断（オフ）することを可能にする。したがって、各放射素子に関して、異なる動作モードを選択することによって、各放射素子の動作周波数を動的に同調することができる。以下の表は、第１の給電ポート（給電ポート１）と第２の給電ポート（給電ポート２）に対する上述の状態の組み合わせを選択することに基づいて、いくつかの可能性のある動作状態を提供する。

モード１およびモード２は第１の放射素子および第２の放射素子の動作モードをそれぞれ示していることが理解されるであろう。したがって、給電ポートがオンであるとき、関連する放射素子は対応するインピーダンス整合回路によってサポートされる周波数で共振する駆動（または給電）アンテナとして機能する。給電ポートがオフである（すなわち、電気的に切断される）とき、関連する放射素子はフロートする（すなわち任意のサポートされた周波数で共振する）ことが許容される。給電ポートがグランドであるとき、関連する放射素子は、寄生素子（すなわち、特定の周波数で共振し、他の放射素子がその周波数をサポート「するのを効率よく妨げる）として機能する。したがって、本発明の実施形態が従来のアンテナ設計を超えて増大した同調性を可能にする動作モードの種々のセットを可能にすることが理解されるであろう。

本発明の実施形態において、さらなるアンテナの第１の放射素子は、約０．４〜３ＧＨｚの同調範囲を有してもよく、さらなるアンテナの第２の放射素子は、約１．６〜３ＧＨｚ（またはそれ以上）の同調範囲を有してもよい。

単一の同調キャパシタが、さらなるアンテナの各放射素子を、各動作モードにおいて、同調するために利用されてもよい。単一の同調キャパシタは、バラクタダイオードによって構成されてもよい。

いくつかの実施形態において、３つまたはそれ以上の放射素子が、さらなるアンテナの周波数同調アジリティをさらに増加させるために利用されてもよい。３番目またはそれ以降の放射素子は、先に規定した第１の間隙の内部に位置してもよい。３番目またはそれ以降の放射素子は、３ＧＨｚよりも高い周波数において動作するように構成されてもよい。

前述のようにさらなるアンテナを利用することの利点は、当業者が、アンテナを、多数の動作周波数まで容易に構成することを可能にすることであると理解されるであろう。さらに、種々のインピーダンス整合回路構成が、さらなるアンテナをリスニングモードおよびアプリケーションモードの両方において動作させるために、容易に実装されることができる。したがって、前述のさらなるアンテナの設計は、幅広い周波数同調範囲または広帯域性能を提供することができる。しかしながら、それは、２つのポートが同じ周波数にあるとき２つのポート間に強い結合があるので、そのままで、ＭＩＭＯ性能を提供することができない。比較的低い周波数（たとえば、７００ＭＨｚ）においてさえ、シミュレーション結果は、結合がおよそゼロであることを示したが、携帯電話用途に適した製品のために、少なくとも−１５ｄＢの結合が好ましいことが知られている。

したがって、ＭＩＭＯ用途に適する少なくとも２つの結合していない再構成可能なアンテナを提供するために、さらなるアンテナを、本発明の第１の態様の平衡アンテナシステムと組み合わせることが望ましい。シミュレーションは、本発明の第２の態様の実施形態によって、少なくとも−３０．５３ｄＢのアイソレーションが達成され、したがって、そのような構造を、ＭＩＭＯ装置にとって、理想的なものにすることを示した。また、その結果は、当該アンテナ構造体が、幅広い同調可能範囲（すなわち、４７０ＭＨｚ〜２２００ＭＨｚ）を提供することができ、ＤＶＢ−Ｈ、ＧＳＭ７１０、ＧＳＭ８５０、ＧＳＭ９００、ＧＰＳ１５７５、ＧＳＭ１８００、ＰＣＳ１９００、およびＵＭＴＳ２１００をカバーする移動式装置における使用の可能性を有することを示唆している。したがって、提案されたアンテナ構造体は、ＭＩＭＯ用途、特に、電話、ラップトップ、およびＰＤＡなどの小型の端末携帯装置に対する、理想的な候補である。

パラメータ研究は、本発明の実施形態に従う特定のアンテナ構造体の最適な構成を評価するために行われてもよいことが理解されるであろう。
添付の図面を参照して、本発明の実施形態が説明される。

本発明の第１実施形態に従う平衡アンテナの正面図である。 図１Ａの平衡アンテナの背面図である。 図１Ａおよび図１Ｂに示された平衡アンテナと一緒に使用するためのバランの回路図である。 本発明の実施形態に従う平衡アンテナシステムの略図である。 本発明の実施形態のためのインピーダンス整合回路構成の回路図である。 本発明の実施形態に従う多重バラン構成および多重インピーダンス整合構成を含む平衡アンテナシステムの回路図である。 図５に示された回路の第１の構成の、１．１１ｐＦから１０ｐＦまでのバラクタ容量の範囲にわたる、周波数に対する反射損失のグラフである。 図５に示された回路の第２の構成の、０．２ｐＦから１０ｐＦまでのバラクタ容量の範囲にわたる、周波数に対する反射損失のグラフである。 図５に示された回路の第３の構成の、０．３８ｐＦから１０ｐＦまでのバラクタ容量の範囲にわたる、周波数に対する反射損失のグラフである。 筐体アンテナを有する図１Ａおよび図１Ｂの平衡アンテナを含む、結合ＭＩＭＯアンテナシステムの正面図である。 図９Ａの結合ＭＩＭＯアンテナシステムの背面図である。 図５に示された回路に接続されたときの、図９Ａおよび図９ＢのＭＩＭＯアンテナシステムのＳパラメータのグラフである。 平衡アンテナが駆動されたときの、図９Ａおよび図９ＢのＭＩＭＯアンテナシステムを介した電流分布を示す。 筐体アンテナが駆動されたときの、図９Ａおよび図９ＢのＭＩＭＯアンテナシステムを介した電流分布を示す。 平衡アンテナが駆動されたときの、図９Ａおよび図９ＢのＭＩＭＯアンテナシステムを介した平均電流分布を示す。 筐体アンテナが駆動されたときの、図９Ａおよび図９ＢのＭＩＭＯアンテナシステムを介した平均電流分布を示す。 平衡アンテナが７００ＭＨｚで駆動されたときの、図９Ａおよび図９ＢのＭＩＭＯアンテナシステムの遠距離電流分布を示す。 筐体アンテナが７００ＭＨｚで駆動されたときの、図９Ａおよび図９ＢのＭＩＭＯアンテナシステムの遠距離電流分布を示す。 側面取付筐体アンテナを有する図１Ａおよび図１Ｂの平衡アンテナを含む、別の結合ＭＩＭＯアンテナシステムの正面図である。 図１４Ａの結合ＭＩＭＯアンテナシステムの背面図である。 図５に示された回路に接続されたときの、図１４Ａおよび図１４ＢのＭＩＭＯアンテナシステムのＳパラメータのグラフである。 第２の側面取付平衡アンテナを有する図１Ａおよび図１Ｂの平衡アンテナを含む、別の結合ＭＩＭＯアンテナシステムの正面図である。 図１６Ａの結合ＭＩＭＯアンテナシステムの背面図である。 図５に示された回路に接続されたときの、図１６Ａおよび図１６ＢのＭＩＭＯアンテナシステムのＳパラメータのグラフである。 側面取付筐体アンテナを有する２つの平衡アンテナを含む、別の結合ＭＩＭＯアンテナシステムの正面図である。 図１８Ａに示された結合ＭＩＭＯアンテナシステムの背面図である。 図５に示された回路に接続されたときの図１８Ａおよび図１８ＢのＭＩＭＯアンテナシステムについての、Ｓパラメータのグラフである。 本発明の実施形態において使用するための代替のバラン構成の回路図である。 本発明のさらなる実施形態に従う平衡アンテナの正面図である。 図２１Ａの平衡アンテナの背面図である。 図２１Ａに示された放射素子の拡大平面図である。 図２１Ａ〜図２１Ｃのアンテナのためのバランおよび整合回路配置である。 図２２の回路の出力Ｚｂ１およびＺｂ２の、周波数に対する位相のグラフである。 図２２の整合回路におけるバラクタが１０ｐＦから０．２ｐＦまで変化されたときの、周波数に対するシミュレーションした反射係数である。 本発明の別の実施形態に従う平衡アンテナの正面斜視図、および拡大詳細図である。 図２５Ａの平衡アンテナの背面図である。 図２５Ａおよび図２５Ｂの平衡アンテナの放射素子の正面平面図である。 図２５Ａ〜図２５Ｃのアンテナのためのバランおよび整合回路配置を含む回路図である。 図２６の回路におけるバラクタが１０ｐＦ〜０．１ｐＦまで変化されたときの、周波数に対するシミュレーションした反射係数である。 図２１Ａ〜図２１Ｃのアンテナのためのバランおよび整合回路配置を含む代替の回路図である。 図２８の回路におけるバラクタが１０ｐＦから０．１ｐＦまで変化されたときの、周波数に対するシミュレーションした反射係数である。 本発明の実施形態に従うさらなる平衡アンテナの正面および背面図である。 図３０のアンテナのバランおよび整合回路配置を含む回路図である。 図３１の回路におけるバラクタが１０ｐＦから０．２８ｐＦまで変化されたときの、周波数に対するシミュレーションした反射係数である。 本発明の実施形態に係る別の平衡アンテナの正面斜視図である。 図３３Ａの平衡アンテナの背面斜視図である。 図３３Ａおよび図３３Ｂのアンテナにおける各放射素子を駆動するための回路図である。 図３４の回路におけるバラクタをおよそ１５．４ｐＦから０．４ｐＦまで変化させたときの、周波数に対する測定された反射係数である。 図３３Ｂに類似した図面であるが、グランドプレーンがスロットを含むように改良されている。

図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、本発明の第１実施形態に従う平衡アンテナシステム１０が示されている。平衡アンテナシステム１０は、以下により詳細に述べるように、再構成可能であり、携帯電話、ラップトップコンピュータ、またはＰＤＡなどの、携帯用製品における使用のために設計されている。

平衡アンテナシステム１０は、該システムが通常の携帯電話に容易に収容されるように、およそ１６×４０ｍｍ^２の表面積と、およそ１．１５ｍｍの厚みとを有するマイクロ波基板１２（たとえば、プリント回路基板、ＰＣＢ）上に設けられる。

図１Ａに示されるように、第１の放射素子１４が、基板１２の第１の側面１６であって、基板の第１の端部１８に設けられる。第１の放射素子１４は、実質的にＵ字形状の第１のストリップ層２０から形成され、該第１のストリップ層は、基板１２の第１の端部１８の半分に位置し、その開放端２２が第１の端部１８の中央領域に向かって内方に臨むように配向される。短い給電ライン２４が、基板１２の中心に最も近い、第１のストリップ２０の始点に設けられ、基板１２の長さに沿って延びる。

また、第１の放射素子に実質的に類似する第２の放射素子２６が、基板１２の第１の側面１６に設けられ、基板１２の第１の端部１８の隣接する半分に位置する。したがって、第２の放射素子２６は、実質的にＵ字形状の第２のストリップ層２８から形成され、該第２のストリップ層も、その開放端３０が第１の端部１８の中央領域に向かって内方に臨むように配向される。したがって、第２の放射素子２６は、第１の放射素子１４とは反対方向に配向される。再び、短い給電ライン３２が、基板１２の中心に最も近い、第２のストリップ２８の始点に設けられ、基板１２の長さに沿って延びる。

間隙３４が、第１および第２の放射素子１４，２６の各給電ライン２４，３２の間、および第１および第２のストリップ２０，２８の各端３６の間に設けられる。したがって、第１および第２の放射素子１４，２６は、ダイポールアンテナ３７を形成する。図１Ａに示された実施形態において、第１および第２の放射素子１４，２６は、およそ４０×１０ｍｍ^２の領域にわたって、一緒に延在する。

図１Ｂに示されるように、グランドプレーン３８が、基板１２の第２の側面４０上であって、第１の側面１６の反対側に設けられる。グランドプレーン３８は、実質的に、矩形であり、基板１２の（第１の端部１８の反対の）第２端４２から給電ライン２４，３２の実質的に反対の位置まで、基板１２表面の実質的に全体を占める。グランドプレーン３８は、およそ１００×４０ｍｍ^２のサイズを有する。

平衡アンテナシステム１０は、バランおよび２つの整合回路であって、第１および第２の放射素子１４，２６に接続され、明瞭性の理由により図１Ａおよび図１Ｂにおいては示されていないが、グランドプレーン４０の反対側である基板１２の第１の側面１６に設けられる、バランおよび２つの整合回路を含む。

適切なバラン５０の一例が、ＬＣ回路図として図２Ａに示されている。この特定のバラン５０は、広帯域構成を有し、実質的に、ＩｉｚｕｋａおよびＷａｔａｎａｂｅによって、特開２００５−１９８１６７号公報に記載されている。したがって、バラン５０は、Ｔ結合５２への入力を形成する第１の（不平衡）ポートＺ_ｕを含み、該Ｔ結合は、第１のポートＺ_ｕにおいて受信した電気信号を、ハイパス５４およびローパス５６に分割するように構成される。ハイパス５４は、第１のハイパスフィルタ（ＨＰＦ）に供給するように配置され、ローパスは、第２のローパスフィルタ（ＬＰＦ）に供給するように配置される。

ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）は、Ｌ−Ｃ回路から構成され、該Ｌ―Ｃ回路は、直列に接続された３つのキャパシタＣ_Ｈ１，Ｃ_Ｈ２，Ｃ_Ｈ１、および前記キャパシタ間に設けられた各分岐から並列に接続された２つのインダクタＬ_Ｈ１，Ｌ_Ｈ１を有する。各インダクタＬ_Ｈ１は、グランドプレーン４０に接続され、キャパシタＣ_Ｈ１，Ｃ_Ｈ２，Ｃ_Ｈ１からの出力は、インピーダンスＺ_ｂＨを構成する。

ローパスフィルタ（ＬＰＦ）は、ＬＣ回路から構成され、該ＬＣ回路は、直列に接続された３つのインダクタＬ_Ｌ１，Ｌ_Ｌ２，Ｌ_Ｌ１、および前記インダクタ間に設けられた各分岐から並列に接続された２つのキャパシタＣ_Ｌ１，Ｃ_Ｌ１を有する。各キャパシタＣ_Ｌ１は、グランドプレーン４０に接続され、インダクタＬ_Ｌ１，Ｌ_Ｌ２，Ｌ_Ｌ１からの出力は、インピーダンスＺ_ｂＬを構成する。Ｚ_ｂＨおよびＺ_ｂＬは、協同して、平衡出力Ｚ_ｂを形成する。

図３に示されているように、本発明の本実施形態に従う平衡アンテナシステム１０は、図２に示されたバラン５０であって、図１Ａに示された平衡ダイポールアンテナ３７に給電するために用いられ、それらの間に設けられたインピーダンス整合回路６０を有する、バラン５０を含む。この図面において、入力ポート１が示されており、それは、バラン５０の第１の（不平衡）ポートＺ_ｕに給電して、平衡アンテナシステム１０を駆動することに気付くであろう。より具体的には、バラン５０からのインピーダンスＺ_ｂＨを有するハイパスフィルタは、ダイポールアンテナ３７の整合回路６０およびフィード１（すなわち、図１Ａの給電ライン２４）に接続され、バラン５０からのインピーダンスＺ_ｂＬを有するローパスフィルタは、ダイポールアンテナ３７の整合回路６０およびフィード２（すなわち、図１Ａの給電ライン３２）に接続される。

以下により詳細に説明するように、ダイポールアンテナ３７とバラン５０との間に整合回路を組込むことによって、システムは、再構成可能とされることができ、ＤＶＢ−Ｈ、すべてのＧＳＭ、およびＵＭＴＳ２１００周波数帯域をカバーすることができる４７０ＭＨｚ〜２２００ＭＨｚの幅広い同調範囲を提供するために使用されることができる。

図４は、本発明の実施形態において使用されることができる特定のインピーダンス整合回路の回路図を示す。この図面において、インピーダンスＺ_ｂＨを有するハイパスフィルタおよびインピーダンスＺ_ｂＬを有するローパスフィルタのための、バラン５０からフィード１およびフィード２のそれぞれまでの経路が分離され、それによって、インピーダンス整合回路６０が、第１の整合回路６２および第２の整合回路６４に分けられることに注目すべきである。この特定の実施形態において、第１および第２の整合回路６２，６４は同一であり、インピーダンス変換を平衡ダイポールアンテナ３７の各レッグに提供するように構成される。

より具体的には、第１および第２整合回路６２，６４は、各々、グランドプレーン４０に平行に接続されたインダクタＬ_２、ならびに、直列に接続されたキャパシタＣ_１／Ｃ_２およびインダクタＬ_１を含む。キャパシタＣ_１／Ｃ_２は、第１および第２整合回路６２，６４のインピーダンスが、周波数の領域にわたって、アンテナ３７を同調すべく調整されることを可能にするように、可変である。

図４に示された実施形態は、周波数のある領域にわたる同調を可能にすることができるが、図５に示されているような多重バラン構成および多重インピーダンス整合構成を、統合された同調回路７０に含めることによって、より大きな同調範囲が達成される。この実施形態において、入力ポート１（不平衡給電ライン）が、回路７０の左側に設けられ、該不平衡給電ラインは、バラン構成７２を介して、２つの平衡給電ラインに変換される。ハイパスフィルタは、第１のインピーダンス整合回路７４と、フィード１を介して、平衡ダイポールアンテナ３７とに接続され、ローパスフィルタは、第２のインピーダンス整合回路７６に接続され、フィード２を介して、平衡ダイポールアンテナ３７に接続される。

バラン構成７２は、第１のハイパスフィルタ７８、および第２のハイパスフィルタ８０を含み、該第１および第２のハイパスフィルタは、構成において、図２に関連して前述したハイパスフィルタに同一であるが、キャパシタおよびインダクタの各々については異なる値を有する。第１の（単極双投）スイッチ８２が、第１または第２のハイパスフィルタ７８，８０のうちの常に利用されるべき１つを選択するために設けられる。また、第１のローパスフィルタ８４、および第２のローパスフィルタ８６が、設けられ、該第１および第２のローパスフィルタは、構成において、図２に関連して前述したローパスフィルタに同一であるが、ふたたび、キャパシタおよびインダクタの各々については異なる値を有する。第２の（単極双投）スイッチ８２が、第１または第２のローパスフィルタ８４，８６のうちの常に利用されるべき１つを選択するために設けられる。

第１のインピーダンス整合回路７４は、図４に関連して前述した形式を有するが、インダクタとして並列に選択されることができる（Ｌ_２）３つの異なるインダクタ（Ｌ７，Ｌ８，Ｌ９）、およびインダクタとして直列に選択されることができる（Ｌ_１）さらなる３つの異なるインダクタ（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）を含む。第１のインピーダンス整合回路７４のための部品の、所望の組み合わせを作動させるために、種々のスイッチが提供される。上述のように、同調可能なキャパシタＣ_１（すなわち、バラクタ）が、インダクタの２つのセットの間に設けられる。同調可能なキャパシタＣ_１は、０．２ｐＦから１０ｐＦまで同調されることができる。

同様に、第２のインピーダンス整合回路７６は、図４に関連して前述した形式を有するが、インダクタとして並列に選択されることができる（Ｌ_２）３つの異なるインダクタ（Ｌ１４，Ｌ１５，Ｌ１６）、およびインダクタとして直列に選択されることができる（Ｌ_１）さらなる３つの異なるインダクタ（Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６）を含む。第２のインピーダンス整合回路７６のための部品の、所望の組み合わせを作動させるために、種々のスイッチが提供される。前と同様に、同調可能なキャパシタＣ_２（すなわち、バラクタ）が、インダクタの２つのセットの間に設けられる。同調可能なキャパシタＣ_２は、０．２ｐＦから１０ｐＦまで同調されることができる。

図５に示された回路は、シミュレーションツール（ＣＳＴ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｔｕｄｉｏ（登録商標））を用いて設計され、該シミュレーションツールにおいては、図１Ａおよび図１Ｂのアンテナ構造体が過渡ソルバーを用いてシミュレーションされて、アンテナ応答を表す１−Ｐｏｒｔ Ｓ−Ｐａｒａｍｅｔｅｒファイルが生成され、該ファイルは、整合回路を設計するための出発点として用いられた。第１および第２の整合回路７４，７６内部の部品の値は、文献の範囲内の標準的公式を用いて算出された。その後、Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｏｆｆｉｃｅ（ＡＷＲ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから利用できる、無線周波数／マイクロ波設計プラットフォーム）が、アンテナの反射損失特性を最適化するために、各インダクタの値を調節すべく用いられた。キャパシタＣ_１およびＣ_２は、設計工程のこの段階の間、１０ｐＦにそれぞれ固定された。同一のシミュレーションツールが、明細書において記載された、すべてのシミュレーションのために用いられたことに気付くであろう。

出願人は、これらのシミュレーションの間に、所望の動作帯域（４７０ＭＨｚ〜２２００ＭＨｚ）全体にわたる単一の共振周波数であって、少なくとも６ｄＢの反射損失を有する単一の共振周波数を得るためには、バラン７２のための２つの異なる構成とともに、整合回路７４，７６の各々のための３つの異なる構成が要求されることを発見した。これらの異なる構成は、図５に示される回路に統合されたが、必要に応じて、３つの別個の回路として提供されることができる。

以下の表２は、要求されるスペクトル範囲を生成するために、図５に示されたスイッチに要求される論理状態を記載する。本実施形態において、図５のスイッチ８２のような、単極双投スイッチは、‘１’によって表される‘ｏｎ’位置、および‘０’によって表される‘ｏｆｆ’位置にある。図５に示されたような双極双投スイッチに対して、‘０’は、ノード１および２が接続され、ノード４および５が接続される状態を表すが、‘１’は、ノード１および３が接続され、ノード４および６がそれぞれ接続される状態を表す。図５に示されているように、各スイッチは、初期設定位置において示される。

したがって、表２に記載され、モードＡ，Ｂ，およびＣとして表された３つの状態は、アンテナの動作の、３つの相対的に狭い帯域に関する。

モードＡ動作において、バラクタＣ_１およびＣ_２を、図６に示されるように、１０ｐＦから１．１１ｐＦまで一緒に変化させることによって、共振周波数を、４７０ＭＨｚから６４０ＭＨｚまで動かすことが可能である。

図７は、バラクタＣ_１およびＣ_２を共に１０ｐＦから０．２１ｐＦまで変化させることによって、共振周波数を６３０ＭＨｚから１５２０ＭＨｚまで同調することができるモードＢ動作を示す。

同様に、図８は、モードＣ動作を示し、バラクタＣ_１およびＣ_２を１０ｐＦから０．３８ｐＦまで共に変化させた場合、共振周波数は１５００ＭＨｚから２２００ＭＨｚまで変化することを示す。

したがって、理想的な構成要素を用いるシミュレーション結果は、本アンテナ構造体が１７３０ＭＨｚの幅広い同調範囲を有することを示す。よって、アンテナの共振周波数は、ＤＶＢ−Ｈ、ＧＳＭ７１０、ＧＳＭ８５０、ＧＳＭ９００、ＧＰＳ１５７５、ＧＳＭ１８００、ＰＣＳ１９００およびＵＭＴＳ２１００帯をカバーするように同調することができる。

バラクタＣ_１およびＣ_２は、上述の例ではそれぞれ共に変化するが、他の実施形態において、同調は各バラクタを異なる値に設定することによって達成されてもよいことに気付くであろう。

マルチプルインプット・マルチプルアウトプット（ＭＩＭＯ）用途に適したアンテナ構造体９０は、本発明における他の実施形態に係る図９Ａおよび図９Ｂに示されている。アンテナ構造体９０は、２ポート筐体アンテナ１００と組み合わせて、上述の平衡アンテナシステム１０を備える。上述のように、ＭＩＭＯデバイスは、追加のスペクトルまたは送信電力を必要とすることなく通信回線の容量を増加させるために複数の無相関チャネル／アンテナを利用する。無相関アンテナは、必要な（または最高の）アンテナ間のアイソレーションを導入するために適切な位置で終端するべきである。アンテナが使用可能な最大距離（例えば、基板１２の一方の上端と、下縁部で他端と）で離間される場合に、最も高いアイソレーション値が達成されることが多い。この特定の実施形態において、アンテナは、基板１２の長さに沿って約１００ｍｍの距離で分離される。

本願において、本発明に係るＭＩＭＯシステムの多くの例が記載されている。最初の３つの例について、ＭＩＭＯシステムは、２つの別個のアンテナを備えることに気付くであろう。一方、第４の例では、ＭＩＭＯシステムは、３つの別個のアンテナを備える。

図９Ａおよび図９Ｂに示されるＭＩＭＯシステムにおいて、２ポート筐体アンテナ１００は、ＧＢ０９１８４７７．１に詳細に記載されている種類のものであり、同時デュアルバンド動作が可能である非共振結合素子１１２，１１４の対を備える。結合素子１１２，１１４は、４０×５×７ｍｍ^３の比較的小さな容積空間を占め、基板１２の第２面４０と同一面の筐体１１６の先端部に位置し、一方、平衡アンテナシステム１０のダイポールアンテナ３７は、反対側の第１の側面１６に位置する。

より具体的には、２つの結合素子１１２，１１４は、互いに近接して取り付けられ、グランドプレーン３８上で駆動される。第１の結合素子１１２は、グランドプレーン３８に平行な筐体１１６を構成する平面部分と、グランドプレーン３８に直交する直交部分１１８とを有するＬ字状の金属パッチによって構成されている。上述のように、平面部分１１６は、グランドプレーン３８から基板の反対側に設けられ、そこから側方に離間されている。直交部分１１８は、いわゆる第１の間隙１２０によってグランドプレーン３８から離間されるように、グランドプレーン３８から最も遠い平面部１１６の縁から延びる。この特定の実施形態において、第１の間隙１２０は１０ｍｍ以下である。

また、第２の結合素子１１４は、この例において、平面矩形を形成する金属パッチによって構成されている。また、第２の放射素子１１４は、グランドプレーン３８に直交して配向され、第１の間隙１２０内に配置されている。したがって、第２の放射素子１４１は、Ｌ字状の第１の結合素子１２によって２つの隣接する面に有効に囲まれている。図示の実施形態では、第２の結合素子１１４は、第１の結合素子１１２の約半分の長さであり、第１の結合素子１１２の縁からわずかに差し込まれている。グランドプレーン３８と第２の結合素子１１４との間の距離は、いわゆる第２の間隙１２２を形成する。第２の結合素子１１４と第１の結合素子１２の直交部分１１８との間の距離は、それらの間の相互結合の量を決定する。したがって、この距離は相互間隙１２４と称される。

図示されていないが、各放射素子１１２，１１４は、それぞれ第２の給電ポート１２６および第３の給電ポート１２８を介して、第１および第２の制御モジュールに接続されている。第２の給電ポート１２６（ポート２）は、第１の結合素子１１２と第１の制御モジュール（図示せず）の直交部分１１８との間に延び、第１の結合素子１１２の長さに沿った距離の約３分の１の距離に配置されている。第３の給電ポート１２８（ポート３）は、第２の給電ポート１２６に隣接して配置され、隣接する第２の制御モジュール（図示せず）に接続されている。ＧＢ０９１８４７７．１号明細書に記載されているように、各結合素子１１２，１１４は、選択的に独立して駆動させることができ、フロートさせることができ、または各制御モジュールの動作によってグランド状態に接続されることができる。したがって、平衡ダイポールアンテナ３７の同調に関連して上述の方法と同様の方法において異なる動作モードを選択することによって、各結合素子１１２，１１４の動作周波数を動的に同調することができる。

ポート１を介して平衡アンテナシステム１０を駆動し、筐体アンテナ１００の結合素子１１２，１１４のそれぞれを動作させるためにポート２およびポート３を用いることによって、ＭＩＭＯアンテナ構造体９０を動作させることができる。実証目的のために、ポート１は図５に示されるものと同様の回路に接続され、ポート２のみが筐体アンテナ１００に接続され動作された。より具体的には、ポート２はＧＢ０９１８４７７．１に記載された種類の回路に接続され、ポート３は５０オームの負荷にのみ接続されたが、個別に同調することが可能であった。

図１０は、上述の状況下における図９Ａおよび図９ＢのＭＩＭＯアンテナ構造体のＳパラメータのグラフを示す。したがって、平衡アンテナシステム１０の反射損失は、約−１１．６２ｄＢであることが見出されたが、筐体アンテナ１００のポート２の反射損失は約−３５．９２ｄＢであった。また、Ｓ２１反射損失（平衡アンテナ１０と筐体アンテナ１００との間のアイソレーションの尺度である）は、約−３０．５３ｄＢであることが図１０から明らかである。

平衡アンテナ１０と筐体アンテナ１００との間のわずかなアイソレーションは、平衡アンテナ１０が駆動される（図１１Ａ）か、または筐体アンテナ１００が駆動される（図１１Ｂ）ときに取得される図１１Ａおよび図１１Ｂの電流分布プロットから説明することができる。したがって、それぞれの例において、電流は駆動されるアンテナの周囲に特に集中し、他のアンテナにはほとんどまたは全く電流が流れないことが分かる。

また、図１２Ａおよび図１２Ｂは、平衡アンテナ１０が駆動されるか、または筐体アンテナ１００が駆動されるときの平均的な電流分布を示す図によってこの結果を裏付けている。

図１３Ａおよび図１３Ｂに示されるように、ＭＩＭＯアンテナシステムのための電流分布の指向性は、平衡アンテナが駆動されたとき（図１３Ａ）と、筐体アンテナが駆動されるとき（図１３Ｂ）とで異なっている。したがって、このことは２つのアンテナ間の結合が弱い理由を説明する。

なお、本シミュレーションは、理想的な部品を用いて計算されることに気付くであろう。実際には、図５の整合回路のアンテナ構造体９０との統合が、アンテナ構造体の効率および利得に影響を与えるであろう。この影響は、アンテナ構造体９０が整合回路に接続された後、平衡アンテナが−１．０３８ｄＢの全効率と０．７６６４ｄＢの実現利得とを有し、一方、筐体型アンテナが−５．０６ｄＢの全効率と−３．０７２ｄＢの実現利得とを有するように計算された。したがって、これらの結果は、整合回路の付加損失を反映する。

図１４Ａおよび図１４Ｂは、図１Ａおよび図１Ｂの平衡アンテナ１０と、図９Ａおよび図９Ｂの筐体アンテナ１００とを含む、他の結合ＭＩＭＯアンテナシステム１４０の正面図および背面図をそれぞれ示すが、この場合において、筐体アンテナ１００は、基板１２の端ではなく側面に取り付けられている。筐体アンテナ１００は、この構成における２つのアンテナ間に可能な最大のアイソレーションをもたらすように、平衡アンテナ１０に比べて基板１２の反対側の端（および基板の反対側）に向かって取り付けられている。図示されるように、前記アンテナは基板１２の長さに沿って約６０ｍｍの距離で分離される。

上述のように、ポート１は平衡アンテナ１０に接続されて図５の回路によって駆動され、ポート２は（ＧＢ０９１８４７７．１に記載されている種類の整合回路によって駆動される）大きな結合素子１１２に接続され、ポート３は小さな結合素子１１４に接続されて５０オームの負荷のみにつながれた。

図１５は、図５の整合回路を組み込む平衡アンテナ１０の反射損失が約−２２．１６ｄＢであるが、一方、筐体アンテナ１００の反射損失が約−４６．９８ｄＢであることを示している。平衡アンテナ１０と筐体アンテナ１００との間のＳ１２アイソレーションが、約−２２．６２ｄＢであることも図１５から明らかである。

図１６Ａおよび図１６Ｂは、図１Ａおよび図１Ｂの平衡アンテナ１０と、（図１Ａおよび図１Ｂに示されたものと同一であり）平衡アンテナ１０に比べて基板１２の反対側の端に向かって（および基板１２の同一の側面上に）取り付けられるが、平衡アンテナ１０に直角に配向され、図示されるように上端に沿って配置される第２平衡アンテナ１５２とを含む、他の結合ＭＩＭＯアンテナシステム１５０の正面図と背面図とをそれぞれ示す。図示されるように、アンテナは、基板１２の長さに沿って約６０ｍｍの距離で分離される。

この実施形態において、ポート１は上述のように接続され、ポート２は第２平衡アンテナ１５２に接続され、図５に示されるものと同様のさらなる最適化回路に接続されている。

図１７は、各アンテナがそれぞれの整合回路に接続されているときの、ＭＩＭＯアンテナシステム１５０のＳパラメータを示す。平衡アンテナ１０の反射損失は約−１１．１２ｄＢであるが、一方、第２平衡アンテナ１５２の反射損失は約−９．５２ｄＢである。また、本実施形態において、２つの平衡アンテナ間のＳ１２アイソレーションは約−１７．６５ｄＢであることが分かる。

図１８Ａおよび図１８Ｂは、（図１Ａおよび図１Ｂに関して記載されたものと同一である）２つの平衡アンテナ１０と、図９Ａおよび図９Ｂに関して記載された筐体アンテナ１００とを含む、他の結合ＭＩＭＯアンテナシステム１６０の正面図および背面図をそれぞれ示す。しかしながら、この特定の実施形態において、基板１６２は約９０×６０ｍｍ^２の面積を有し、筐体アンテナ１００は基板１６２の長辺の中間に取り付けられ、２つの平衡アンテナ１０は筐体アンテナ１００から最も遠い基板１６２の２つの角のそれぞれに向けて取り付けられている。また、２つの平衡アンテナ１０は、基板１６２の長さに対して約４５°の傾斜角度で内側に配向されている。２つの平衡アンテナ１０は、それぞれ基板１６２の短手方向に沿った方向に筐体アンテナ１００から約３０．６４ｍｍ分離され、基板１６２の長手方向に沿って互いに約１９．２９ｍｍ分離されている。

この実施形態において、ポート１およびポート２は平衡アンテナ１０のそれぞれに接続され、それぞれの整合回路とポート３とは、筐体アンテナ１００（およびその最適化された整合回路）の大きな結合素子１１２に接続されている。小さな結合素子１１４は、この実施形態における開回路として残される。

図１９は、整合回路を組み込む平衡アンテナ１０の第１反射損失が約−２８．３２ｄＢであるが、一方、整合回路を組み込む平衡アンテナ１０の第２反射損失が約−１２．１４ｄＢであり、整合回路を組み込む大きな結合素子１１２の反射損失が約−２３．４１ｄＢであることを示す。また、適合は、これらのアンテナ間のアイソレーションは、２つの平衡アンテナの間で約−１０．８８５ｄＢ、筐体アンテナと第２平衡アンテナとの間で−１６．８８ｄＢ、筐体アンテナと第１平衡アンテナとの間で−１７．０７ｄＢであることを示している。

図２０は、本発明の実施形態で用いることができる代替のバラン１７０の回路図を示す。バラン１７０は、IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 15, No.2, February 2005で出版された「Compact 28-GHz Subharmonically Pumped Resistive Mixer MMIC Using a Lumped-Element High-Pass/Band-Pass Balun」においてYeh, LiuおよびChiouによって実質的に記載されたようなＬＣ回路を含む。

図示されるように、バラン１７０は、ハイパスフィルタ（第１フィルタ）１７２と、バンドパスフィルタ（第２フィルタ）１７４とを備える。第１（アンバランス）ポートＺ_ｕは、Ｔ結合を介してハイパスフィルタ１７２と、バンドパスフィルタ１７４とに接続されている。ハイパスフィルタ１７２は、キャパシタＣとインダクタＬとを備え、インピーダンスＺ_ｂ１から構成される出力を備える。バンドパスフィルタ１７４は、３つのインダクタと、２つのコンパクタとを備え、インピーダンスＺ_ｂ２から構成される出力を備える。本実施形態においてインダクタＬは全て同一であるが、バンドパスフィルタ１７４において（２Ｃで表わされた分路キャパシタを構成する）キャパシタの１つは、他のキャパシタＣの２倍の値である。

本質的に、バラン１７０は並列に接続された、１つのハイパスフィルタ１７２と１つのバンドパスフィルタ１７４とを含む異相パワースプリッタであることに気付くであろう。このバラン１７０は、広帯域動作をもたらすことができる（また、より少ない損失をもたらす上述のバラン５０よりも少ない構成要素を有する）が、実際には、バラン１７０は、アンバランス出力Ｚ_ｂ１とＺ_ｂ２との間に１８０°未満の位相差をもたらしてもよい。したがって、１８０°の位相差が必要な実施形態では、図２に示される種類のバランを採用することがより便利であり、１８０°の位相差が必要ない実施形態では、図２０に示される種類のバランを採用することがより便利であろう。

また、バラン１７０が本発明の実施形態において採用される場合、ただ１つのバラン１７０構造と、それぞれ第１および第２整合回路のただ２つの構造を採用することによって約４７０〜２２００ＭＨｚの所望の同調範囲を得ることができる。したがって、図５に示される実施形態に比べて単純な回路を採用することができる。

本発明のさらなる実施形態に係る平衡アンテナシステム２００は、図２１Ａ〜図２１Ｃに示される。上述のように、平衡アンテナシステム２００は、以下でより詳細に説明するように、再構成可能であり、携帯電話、ラップトップまたはＰＤＡなどの携帯製品において用いるために設計される。

平衡アンテナシステム２００は、当該システムが容易に従来の携帯電話に収容できるように、約１１０ｍｍの長さＬ_１、約４０ｍｍの幅Ｗ、および約５ｍｍの厚みＨを有するマイクロ波基板２０２（たとえば、プリント回路基板、ＰＣＢ）に設けられる。

図２１Ｃに最もよく示されるように、第１の放射素子２０４は、基板２０２の第１の端部２０８において、基板２０２の第１の側面２０６に設けられている。第１の放射素子２０４は、第１の端部２０８に向かって基板２０２の半分に位置し、かつその開放面２１２が第１の端部２０８の中央領域に向かって内方に臨むように配向される実質的にＬ字状の第１のストリップ層によって構成されている。短い給電ライン２１４は、基板２０２の中央に近接する第１の放射素子２０４の始点に設けられ、基板２０２の長辺に沿って延びている。

第１の放射素子２０４と実質的に類似する第２の放射素子２１６も、基板２０２の第１の側面２０６に設けられ、基板２０２の第１の端部２０８の隣接する半分に位置している。したがって、第２の放射素子２１６は、実質的にＬ字型の第２のストリップ層によって構成され、当該第２のストリップ層は、その開放面２２０が第１端部２０８の中央領域に向かって内方に臨むように配向される。したがって、第２の放射素子２１６は、第１の放射素子２０４とは反対方向に配向される。短い給電ライン２２２は、基板２０２の中央に最も近い第２の放射素子２１６の始点に改めて設けられ、基板２０２の長辺に沿って延びる。

間隙２２４は、第１および第２の放射素子２０４，２１６のそれぞれの給電ライン２１４，２２２の間と、第１および第２のストリップのそれぞれの端２２６の間とに設けられる。したがって、第１および第２の放射素子２０４，２１６は、大きなダイポールアンテナ２２７を形成する。図２１Ｃに示される実施形態において、第１および第２の放射素子２０４，１６６は、基板２０２の長辺に沿って約７０ｍｍ延びる長辺ｌ_１と、基板２０２の幅に沿って約１９ｍｍ延びる短辺ｌ_２とを有する。それぞれ第１および第２のストリップの幅Ｗは、約１ｍｍであり、間隙２２４は約２ｍｍの範囲ｄを有する。給電ライン２１４，２２２のそれぞれは、約１０ｍｍの長さｌ_３を有する。

図２１Ｂに示されるように、グランドプレーン２２８は、第１の側面２０６とは反対側の、基板２０２の第２の側面２３０に設けられる。グランドプレーン２２８は、実質的に矩形であり、基板２０２の（第１端部２０８とは反対の）第２端２３２から給電ライン２１４，２２２の自由端に実質的に対向する位置まで基板２０２全体を実質的に占める。グランドプレーン２２８は、約１００ｍｍの長辺Ｌ_２を有し、基板２０２の全幅Ｗにわたって延びる。

また、平衡アンテナシステム２００は、バランと、第１および第２の放射素子２０４，２１６に接続される２つの整合回路とを含み、第１および第２の放射素子は、明瞭化のために図２１Ａ〜２１Ｃに示されていないが、グランドプレーン２２８に対向して、基板２０２の第１の側面２０６上に設けられるであろう。

図２２は、適切なバラン２４０と、図２１Ａ〜図２１Ｃのアンテナ２００のための整合回路配置２５０との回路図を示している。バラン２４０は、（１ｎＨの）１つのインダクタＬ５と、（０．１ｐＦの）１つのキャパシタＣとを含み、当該インダクタＬ５およびキャパシタＣは、不平衡信号Ｚ_ｕを分割するＴ結合２４２から並列分岐して接続される。整合回路装置２５０は、バラン２４０のインダクタＬ５に接続され、実際に第１の放射素子２０４の給電ライン２１４に供給される平衡信号Ｚ_ｂ１で終端する第１の整合回路２５２と、バラン２４０のキャパシタＣ３に接続され、実際に第２の放射素子２１６の給電ライン２２２に供給される平衡信号Ｚ_ｂ２で終端する第２の整合回路２５４とを備える。第１および第２の整合回路２５２，２５４は、それぞれ、インダクタＬ３，Ｌ４（それぞれ３．５ｎＨ）と、キャパシタＣ１，Ｃ２（それぞれ１０ｐＦ）と、第２インダクタＬ１，Ｌ２（それぞれ９．４ｎＨ）とを備える。それぞれの場合において、キャパシタＣ１，Ｃ２は、１０ｐＦから０．２ｐＦまで変化させることができるバラクタで置き換えられてもよい。

図２３に示されるように、平衡給電Ｚ_ｂ１およびＺ_ｂ２を必要な動作帯域幅内の不平衡給電Ｚ_ｕに変換するために、第１の整合回路２５２および第２の整合回路２５４とバラン２４０との統合は、約１８０°の所要の位相差がもたらされるように最適化された。

図２４は、図２２の回路によって給電されたとき、大きな平衡アンテナ２００用の周波数に対するシミュレートされた反射係数を示す。より具体的には、平衡アンテナは、同時に３つの共振をもたらすように構成されており、整合回路配置２５０におけるバラクタ（Ｃ_１およびＣ_２で示される）は、上述の６ｄＢの反射損失を維持したままで、３つの共振周波数を同時に移動させ、低帯域（７００ＭＨｚ〜１０１０ＭＨｚ）、中帯域（１６２０ＭＨｚ〜２４９０ＭＨｚ）、高帯域（２７４０ＭＨｚ〜３０００ＭＨｚ）をカバーするように１０ｐＦから０．２ｐＦまで変化させることができる。したがって、本アンテナ構造体２００は、現実の部品の損失を考慮しても、必要な動作帯域内で高い効率をもたらすことができる。アンテナ構造体のさらなる最適化、またはさらなる整合回路の追加は、関心のある任意の残りの周波数帯域をカバーするように用いられてもよい。

図２５Ａ、図２５Ｂおよび図２５Ｃは、他の実施形態に係る、単一の可変共振周波数を有する再構成可能な平衡ダイポールアンテナ３００を示す。平衡アンテナ３００は、２．３３の誘電率、０．０００９の損失正接、１．１４３ｍｍの厚み、約１１４ｍｍの長さＬ_１および約４０ｍｍの幅Ｗを有するマイクロ波基板３０２であるＴａｃｏｎｉｃ ＴＬＹ−３−０４５０−Ｃ５上に設けられる。アンテナ３００は、基板３０２の第１端３０６に取り付けられた２つの金属放射素子３０４を備え、それらは約４０ｍｍ×１４ｍｍの総面積を占めるように基板３０２の幅Ｗ上に実質的に延びている。放射素子３０４は、０．０１７７８ｍｍの金属の厚みを有し、たとえばスペーサ（図示せず）を用いて、基板３０２上５ｍｍの高さＨに取り付けられている。したがって、アンテナ３００を容易に従来の携帯電話に収容することができる。

図２５Ｂに示されるように、金属グランドプレーン３０７は、基板３０２の背面に設けられている。グランドプレーン３０７は、１００×４０ｍｍ^２の面積を占め、放射素子３０４が配置された領域の端に対向する位置で終端する。

放射素子３０４は、各放射素子３０４間に２ｍｍの間隙が設けられるようにして、基板３０２の長手方向の中心軸の両側に対称に配置される。各放射素子３０４は、実質的には長方形状であるが、各長方形の内側部分３１０が、第１の端部３０６で欠落し、欠落した内側部分３１０から、基板３０２の縁に近接する位置であって、その縁から間を空けた位置まで延びる横スリット３１２が、第１の端部３０６から少し離れて設けられるように、Ｌ字型の切欠き３０８が第１の端部３０６に隣接して設けられる。各放射素子３０４の外側の縁で、第１の端部３０６とは反対側の端部には、小さな長方形３１４の形をした切欠きがさらに設けられる。給電ライン３１５は、放射素子３０４を後述する制御回路に接続するために、第１の端部３０６とは反対側の端部において、放射素子３０４のそれぞれの内側の縁に隣接して設けられる。平衡アンテナ３００のすべての特徴の寸法が、以下の表３で与えられる。

図２６は、図２５Ａ〜図２５Ｃのアンテナ３００のためのバラン３２０と整合回路３２２とを含む回路図である。実際には、バラン３２０および整合回路３２０は、基板３０２上であって、グランドプレーン３０７とは反対側に設けられ、給電ライン３１５を介して放射素子３０４に接続される。本実施形態では、バラン３２０は、並列に接続された１０．４ｎＨのインダクタと１．９ｐＦのキャパシタとを含んでいる。整合回路３２２は、２つの同一の回路を含み、その２つの回路はそれぞれ、バラン３２０の枝と放射素子３０４の１つとの間に接続され、また、４１ｎＨのインダクタと直列に接続された、最大で１０ｐＦのバラクタＣ_１と並列に接続された１．３ｎＨのインダクタを含んでいる。

図２７に示すように、図２６のバラクタＣ_１を１０ｐＦから０．１ｐＦまで変化させることによって、少なくとも６ｄＢの反射損失で、アンテナ３００の周波数を、およそ７００ＭＨｚから最大で２４３４ＭＨｚまで同調することができる。ＤＶＢ−Ｈの帯域もしくは２５００ＭＨｚを超える帯域のためには、さらなる整合回路が設けられるであろう。このように、アンテナ３００は、回路内における集中定数素子に関して散逸損失が高く、７００ＭＨｚのような低い周波数で低効率であるが、そのサイズは、たとえば腕時計型携帯電話などの小さな端末におけるＭＩＭＯ用途に適している。

本発明のさらなる実施形態では、図２１Ａ〜図２１Ｃに示されている構造と同じ構造であって、以下の表４に列挙された寸法を有する再構成可能な平衡アンテナが与えられる。

このように、アンテナは、大きさが５０ｍｍ×４０ｍｍで、１ｍｍのトラック幅を有し、金属の厚みが０．０１７７８ｍｍであるＬ字型のダイポールアームを含み、全体的な大きさが１１０×４０ｍｍ^２であり、１００×４０ｍｍ^２の大きさのグランドプレーンを有している。そのアンテナは、マイクロ波基板物質であるＴａｃｏｎｉｃ ＴＬＹ−３−０４５０−Ｃ５上に形成され、そのマイクロ波基板材料は、誘電率が２．３３であり、損失正接が０．０００９であり、厚みが１．１４３ｍｍである。

図２８は、上記のアンテナのための回路図を示している。この回路は、基板２０２上であって、グランドプレーン２２８とは反対側に設けられ、かつ給電ライン２１４，２２２を介して放射素子２０４，２１６に接続される、バラン３３０と整合回路３３２とを含んでいる。本実施形態では、バラン３３０は、並列に接続された１２ｎＨのインダクタと２ｐＦのキャパシタとを含んでいる。整合回路３３２は、２つの同一の回路を含み、その２つの回路はそれぞれ、バラン３３０の分岐部と放射素子２０４，２１６の１つとの間に接続され、また、２６ｎＨのインダクタと直列接続された、最大で１０ｐＦのバラクタＣ_１と並列接続された７．３ｎＨのインダクタを含んでいる。

図２９に示すように、図２８のバラクタＣ_１を１０ｐＦから０．１ｐＦまで変化させることによって、少なくとも６ｄＢの反射損失で、６３３ＭＨｚから３０００ＭＨｚを超える値までの範囲を同時にカバーするように３つの離れた周波数を同調することができる。より具体的には、６ｄＢを超える反射損失を維持しながら、低帯域の共振周波数を６４８ＭＨｚから１６１６ＭＨｚまでの範囲で、中間帯域の共振周波数を１７０４ＭＨｚから２５６０ＭＨｚまでの範囲で、高帯域の共振周波数を２２８０ＭＨｚから３０００ＭＨｚを超えるまでの範囲で同調することができる。ＤＶＢ−Ｈの帯域のためには、さらなる整合回路が用いられるであろう。このように、集中定数素子および基板において、低い周波数で低効率をもたらす散逸損失があるにもかかわらず、並外れた同調範囲により、このアンテナを、特に低損失材料から形成する場合に、小さな端末におけるＭＩＭＯ用途に適したものにしている。

図３０は、本発明の実施形態に係るさらなる再構成可能な平衡アンテナ４００の正面図および背面図を示している。アンテナ４００は、図２１Ａ〜図２１Ｃに示されている上記のアンテナに類似しているが、今回は、以下の表５に列挙された寸法を有している。

このように、アンテナ４００は、大きさが７０ｍｍ×４０ｍｍで、１ｍｍのトラック幅を有し、金属の厚みが０．０１７７８ｍｍであるＬ字型のダイポール放射素子４０４を含み、全体的な大きさが１１０×４０ｍｍ^２であり、１００×４０ｍｍ^２の大きさのグランドプレーン４０６を有している。そのアンテナは、マイクロ波基板材料４０２であるＴａｃｏｎｉｃ ＴＬＹ−３−０４５０−Ｃ５上に形成され、そのマイクロ波基板物質４０２は、誘電率が２．３３であり、損失正接が０．０００９であり、厚みが１．１４３ｍｍである。ポート４０８は、適切な回路を介して、放射素子４０４を駆動するグランドプレーン４０６上に設けられる。

図３１は、アンテナ４００のための回路図を示している。この回路は、基板４０２上であって、グランドプレーン４０６とは反対側に設けられ（ポート４０８を介して駆動可能であるが）、かつ給電ラインを介して放射素子４０４に接続される、バラン４１０と整合回路４１２とを含んでいる。本実施形態では、バラン４１０は、並列に接続された１３．２ｎＨのインダクタと２．３ｐＦのキャパシタとを含んでいる。整合回路４１２は、２つの同一の回路を含み、その２つの回路はそれぞれ、バラン４１０の枝と放射素子４０４の１つとの間に接続され、また、９．４ｎＨのインダクタと直列に接続された、最大で１０ｐＦのバラクタＣ_１と並列に接続された１．９ｎＨのインダクタを含んでいる。

図３２に示すように、図３１のバラクタＣ_１を１０ｐＦから０．２８ｐＦまで変化させることによって、少なくとも６ｄＢの反射損失で、７０５ＭＨｚから３０００ＭＨｚを超えるまでの範囲を同時にカバーするように３つの離れた周波数を同調することができる。より具体的には、６ｄＢを超える反射損失を維持しながら、低帯域の共振周波数を７０５ＭＨｚから９５１ＭＨｚまでの範囲で、中間帯域の共振周波数を１６９２ＭＨｚから２４５７ＭＨｚまでの範囲で、高帯域の共振周波数を２８２６ＭＨｚから３０００ＭＨｚを超えるまでの範囲で同調することができる。理想的な構成要素を用いたシミュレーション結果では、アンテナ４００が、３つの帯域の挙動を有することを示している。低帯域は、ＬＴＥ７００，ＧＳＭ８５０およびＥＧＳＭ９００をカバーするように同調可能であり、中間帯域は、ＰＣＮ，ＧＳＭ１８００，ＧＳＭ１９００，ＰＣＳおよびＵＭＴＳをカバーするように同調可能であるので、低帯域および中間帯域は、既存の携帯電話サービスのほとんどをカバーすることができる。出願人はまた、実在の部品を組み込むことにより、６８４ＭＨｚで全効率について少なくとも−３．７７ｄＢが与えられることを見出した。したがって、アンテナ４００は、先の実施形態に関連した低い周波数での低効率の問題に対処することができると考えられる。

図３３Ａおよび図３３Ｂはそれぞれ、本発明の実施形態に係る、ＭＩＭＯ（Multiple-Input-Multiple-Output）用途に適した別の平衡アンテナ５００の正面図および背面図を示している。アンテナ５００は、本質的に、図９Ａおよび図９Ｂに示されている上記の２ポート筐体アンテナ１００と組み合わされた図３０のアンテナ４００を含んでいる。このように、２ポート筐体アンテナ１００は、ＧＢ０９１８４７７．１に詳細に記載された種類のものであり、同時デュアルバンド動作可能な一対の非共振の結合素子１１２，１１４を含んでいる。

ＭＩＭＯアンテナ５００は、全体的な大きさが１１８×４０ｍｍ^２であり、１００×４０ｍｍ^２のグランドプレーン５０２を有している。筐体アンテナ１００は、４０×４×７ｍｍ^３という小さな体積を占め、基板４０２の、放射素子４０４が配置される端部とは反対側の第２の端部から離れて実装される。図３３Ａに示すように、放射素子４０４は、機械的な支持を受けるために、放射素子４０４自体よりも幅広で長尺である追加のＵ字型の基板５０４上に設けられている。平衡アンテナ素子４００および筐体アンテナ１００内の結合素子１１２，１１４は、ロハセル（Ｒｏｈａｃｅｌｌ（商標））材料によって支持されている。第１のポートであるポート１は、適切な回路を介して、放射素子４０４を駆動するグランドプレーン５０２を通じて設けられている。同様に、第２のポートであるポート２は、結合素子１１４を駆動する基板４０２の縁に設けられ、第３のポートであるポート３は、結合素子１１２を駆動するグランドプレーン５０２の第２の端部を通じて設けられている。

図３４は、各ポートと放射素子４０４および結合素子１１２，１１４のそれぞれとの間に設けられた要素のための回路図を示している。このように、平衡アンテナ４００に関して、ポート１は、並列に接続された１３ｎＨのインダクタと３ｐＦのキャパシタとを含むバラン５１０に接続される。バラン５１０の各腕は、同一の整合回路５１２を介して、放射素子４０４の１つに接続される。各整合回路５１２は、５．６ｎＨのインダクタと直列に接続された、最大で１０ｐＦのバラクタＣ_１と並列に接続された１．９ｎＨのインダクタを含んでいる。筐体アンテナ１００に関して、第１のＬ形回路網の整合回路５１４は、ポート２と結合素子１１４との間に接続され、第２のＬ形回路網の整合回路５１６は、ポート３と結合素子１１２との間に接続される。第１の整合回路５１４は、２７ｎＨのインダクタと直列に接続された、最大で１０ｐＦのバラクタＣ_２に並列に接続された５．１ｎＨのインダクタを含んでいる。第２の整合回路５１６は、２ｎＨのインダクタと直列に接続された、最大で１０ｐＦのバラクタＣ_３に並列に接続された２．４ｎＨのインダクタを含んでいる。

ＭＩＭＯアンテナ５００は、ＣＳＴ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｔｕｄｉｏ（登録商標）でシミュレートされ、そのアンテナの周波数応答を示すｓ４ｐファイルが、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｗａｖｅ Ｒｅｓｅｒｃｈ社のＭｉｃｒｏｗａｖｅ Ｏｆｆｉｃｅを用いて、各整合回路に関して上記で列挙された最適なコンポーネントの値を決定するために用いられた。

アンテナ５００はまた、型式がＭＶ３４００３−１５０Ａであり、０Ｖから１５Ｖまでの印加電圧に対して、キャパシタンスが０．４０９ｐＦから１５．４３５ｐＦ（上記の範囲よりも広範である）までの間で可変である４つのバラクタダイオードＣ１，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を用いて実証された。１０ｋΩの抵抗が組み込まれた直流バイアス線路が、正電圧を供給するために、各バラクタのアノードに取り付けられた。その抵抗は、直流線路上に現れる残留高周波信号を減衰させるために用いられた。負電圧は、Ｍｉｎｉ−Ｃｉｒｃｕｉｔ社のバイアスティーＺＸ８５−１２２Ｇ−Ｓ＋を使用することによって、ＳＭＡコネクタ（たとえば、インピーダンスが５０オームの同軸高周波コネクタ）の内部のコンダクタから供給された。

図３５は、図３４の回路におけるバラクタを、およそ１５．４ｐＦから０．４ｐＦまで変化させたときの周波数に対する測定された反射係数を示している。このように、アンテナ５００は、３つの同時に存在する帯域において動作可能であることが分かる。筐体アンテナ１００のポート２および３は、測定中には開回路とした。すべてのバラクタで電圧を０Ｖから１５Ｖを変化させると、その結果として、６ｄＢを超える反射損失を維持しながら、共振周波数が、低帯域では６４６ＭＨｚから８４８ＭＨｚまで変化し、中間帯域では１６４８ＭＨｚから２０７４ＭＨｚまで変化し、高帯域では２５１２ＭＨｚから３０００ＭＨｚを超える値まで変化した。以下の表６は、バラクタ電圧を０Ｖから１５Ｖまで変化させながら、筐体アンテナ１００の両方のポートに関して測定された反射係数を示している。各ポートについての測定中、他の２つのポートは開回路のままである。平衡アンテナ４００とは異なって、筐体アンテナ１００の各ポートは、単一の共振を生じさせる。各ポートの周波数はそれぞれ、５９７ＭＨｚから１１２４ＭＨｚまで、および１５８６ＭＨｚから２３３２ＭＨｚまで変化する。このように、アンテナ５００は、６４６ＭＨｚから８４８ＭＨｚまで、および１６４８ＭＨｚから２０７４ＭＨｚまで、ＭＩＭＯ動作を与える。もしバラクタのキャパシタンス同調範囲がより広ければ、周波数同調範囲は増大し得るであろう。

ポート２および３に関する様々な周波数での瞬間的な帯域幅が、表６に示されている。同じ周波数に関するポート１の帯域幅についても示されている。これらのうちの最小のものは、瞬間的なＭＩＭＯの帯域幅を表している。ポート２が、ポート３よりもかなり狭い帯域幅を与えていることが分かる。表６は、最小のＭＩＭＯの帯域幅が１４ＭＨｚ（中心周波数７７１ＭＨｚのとき）であり、最大のＭＩＭＯの帯域幅が９３ＭＨｚ（中心周波数１８１２ＭＨｚのとき）であることを示している。

以下の表７は、ＭＩＭＯアンテナ５００に関する測定されたＳパラメータを与えている。これらの結果から、Ｓ２１が帯域の全体にわたって少なくとも１５ｄＢであるので、アイソレーションが良好であることが明らかである。

図３６は、図３３Ｂに類似しているが、グランドプレーン５０２がポート１のまわりにＵ字型のスロット５２０を含むように変更されている。ある用途に関して、ＭＩＭＯアンテナ５００は、主要な送信および受信アンテナ（たとえば筐体アンテナ１００）のために少なくとも−４．５ｄＢの全効率を有し、２番目の受信アンテナ（たとえば平衡アンテナ４００）のために−５．５ｄＢを有することが好ましい。しかしながら、筐体アンテナ１００の実現利得は、図３３Ａおよび図３３Ｂに従って平衡アンテナ４００を一体化したときに、低い周波数で少なくとも５ｄＢ低下する。この問題に対処するために、出願人は、図３６に示すように、グランドプレーン５０２内にスロット５２０を導入することによって、平衡アンテナ４００および筐体アンテナ１００の整合回路を分離することを提案している。

以下の表８は、図３６に示すように、スロット５２０を含むＭＩＭＯアンテナ５００に関する、シミュレートされた反射係数、放射効率、全効率および実現利得を示している。この実施形態では、筐体アンテナ１００に関する実現利得は、現在６８７ＭＨｚで−７．８９ＭＨｚであるので、他のパラメータに影響を与えることなく、単にスロット５２０を含むことによって、６．２８ｄＢ（７９．６％）だけ改善している。

上記のことから、本発明の実施形態は、幅広い周波数範囲（たとえば、６４６ＭＨｚから３０００ＭＨｚを超えるまで）にわたって同調可能であるとともに、別のアンテナとともに良好なアンテナアイソレーションを有するＭＩＭＯアンテナ構造体に組み入れられ得る再構成可能な平衡アンテナを提供することができることが明らかである。平衡アンテナは、ＤＶＢ−Ｈ，ＧＳＭ７１０，ＧＳＭ８５０，ＧＳＭ９００，ＧＰＳ１５７５，ＧＳＭ１８００，ＰＣＳ１９００およびＵＭＴＳ２１００として知られる既存の携帯電話サービスの帯域をカバーすることができ、ＭＩＭＯ用途、特にモバイル装置、ラップトップおよびＰＤＡのような小さな端末に理想的な候補である。

本発明の要旨を逸脱しない範囲で、上記の実施形態に様々な変更が加えられてもよいことが、当業者に理解されるであろう。特に、一の実施形態に関連して記載された特徴は、他の実施形態に組み込まれてもよい。

Claims (47)

1. 整合回路を介してバランに接続された放射器を含むことを特徴とする平衡アンテナシステム。
2. 前記放射器は、ループアンテナまたはダイポールアンテナによって構成され、第１の給電ラインと第２の給電ラインとを含むことを特徴とする、請求項１に記載の平衡アンテナシステム
3. 前記放射器は、第１の放射素子と第２の放射素子とを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の平衡アンテナシステム。
4. 前記整合回路は、第１のインピーダンス整合回路と、第２のインピーダンス整合回路とを含むことを特徴とする、請求項３に記載の平衡アンテナシステム。
5. 前記第１のインピーダンス整合回路は、第１の給電ラインおよび／または前記第１の放射素子に接続され、前記第２のインピーダンス整合回路は、第２の給電ラインおよび／または前記第２の放射素子に接続されることを特徴とする、請求項４に記載の平衡アンテナシステム。
6. 前記バランは、外部電流をキャンセルまたはチョークすることによって不平衡信号を平衡信号に変換するように構成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の平衡アンテナシステム。
7. 前記バランは、電流バラン、同軸バランまたはスリーブバランであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の平衡アンテナシステム。
8. 前記バランは、インピーダンス変換のために構成される、広帯域ＬＣバランによって構成されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の平衡アンテナシステム。
9. 前記バランは、第１のフィルタと第２のフィルタとを含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の平衡アンテナシステム。
10. 第１のインピーダンス整合回路は、前記第１のフィルタと第１の放射素子との間に設けられ、第２のインピーダンス整合回路は、前記第２のフィルタと第２の放射素子との間に設けられることを特徴とする、請求項９に記載の平衡アンテナシステム。
11. 前記バランは、前記第１のフィルタを構成するハイパスフィルタと、前記第２のフィルタを構成するローパスフィルタと、Ｔ結合とを含むことを特徴とする、請求項９または１０に記載の平衡アンテナシステム。
12. 前記バランは、並列に接続される、前記第１のフィルタを構成するハイパスフィルタと、前記第２のフィルタを構成するバンドパスフィルタとを含むことを特徴とする、請求項９または１０に記載の平衡アンテナシステム。
13. 前記ハイパスフィルタおよび／または前記ロー／バンドパスフィルタは、１または複数のインダクタまたはキャパシタをそれぞれ含むことを特徴とする、請求項１１または１２に記載の平衡アンテナシステム。
14. 前記ハイパスフィルタは、１つまたは直列接続された複数のキャパシタと、１つまたは並列接続された複数のインダクタとを含み、あるいは１つまたは直列接続された複数のキャパシタを含み、インダクタを含まず、
    前記ローパスフィルタは、１つまたは直列接続された複数のインダクタと、１つまたは並列接続された複数のキャパシタとを含み、あるいは１つまたは直列接続された複数のインダクタを含み、キャパシタを含まないことを特徴とする、請求項１３に記載の平衡アンテナシステム。
15. 前記ハイパスフィルタは、インダクタとキャパシタとを含み、前記バンドパスフィルタは、複数のインダクタと複数のキャパシタとを含むことを特徴とする、請求項１３に記載の平衡アンテナシステム。
16. 少なくとも１つの代替部品が、前記第１のフィルタおよび／または第２のフィルタに含まれるように設けられることを特徴とする、請求項９に記載の平衡アンテナシステム。
17. 少なくとも１つのスイッチが、前記少なくとも１つの代替部品を他の部品に代えて動作させるのを可能にするように設けられることを特徴とする、請求項１６に記載の平衡アンテナシステム。
18. 第２のハイパスフィルタおよび／または第２のローパスフィルタが設けられることを特徴とする、請求項１１に記載の平衡アンテナシステム。
19. 少なくとも１つのスイッチが、前記第２のハイパスフィルタおよび／または前記第２のローパスフィルタを、前記ハイパスフィルタおよび／またはローパスフィルタのそれぞれに代えて動作させるのを可能にするように設けられることを特徴とする、請求項１８に記載の平衡アンテナシステム。
20. 前記第２のハイパスフィルタおよび／または前記第２のローパスフィルタは、ＬＣ回路を含み、前記第２のハイパスフィルタは、直列接続された３つのキャパシタと、並列接続された２つのインダクタとを含み、前記第２のローパスフィルタは、直列接続された３つのインダクタと、並列接続された２つのキャパシタとを含むことを特徴とする、請求項１８または１９に記載の平衡アンテナシステム。
21. 前記第２のハイパスフィルタは、前記ハイパスフィルタとは異なる少なくとも１つの部品を有し、前記第２のローパスフィルタは、前記ローパスフィルタとは異なる少なくとも１つの部品を有することを特徴とする、請求項２０に記載の平衡アンテナシステム。
22. 前記第１および／または第２の整合回路は、前記第１および／または第２の放射素子のそれぞれを異なる周波数で同調させることを可能にするように再構成可能であることを特徴とする、請求項４に記載の平衡アンテナシステム。
23. 前記第１および／または第２の整合回路は、可変キャパシタを含むＬＣ回路を含むことを特徴とする、請求項２２に記載の平衡アンテナシステム。
24. 前記第１および第２の整合回路は、構造的に同一であることを特徴とする、請求項２３に記載の平衡アンテナシステム。
25. 前記第１および／または第２の整合回路は、第１のインダクタと、キャパシタと、第２のインダクタとを含むことを特徴とする、請求項２２に記載の平衡アンテナシステム。
26. 前記第１のインダクタは前記キャパシタと並列に接続され、前記第２のインダクタは前記キャパシタと直列に接続されることを特徴とする、請求項２５に記載の平衡アンテナシステム。
27. 前記第１のインダクタはグランドプレーンに接続され、前記キャパシタは同調可能であることを特徴とする、請求項２６に記載の平衡アンテナシステム。
28. 少なくとも１つの代替部品が、前記第１および／または第２の整合回路に含まれるように設けられることを特徴とする、請求項２２〜２７のいずれか１項に記載の平衡アンテナシステム。
29. 少なくとも１つのスイッチが、前記少なくとも１つの代替部品を他の部品に代えて動作させるのを可能にするように設けられることを特徴とする、請求項２８に記載の平衡アンテナシステム。
30. 前記第１のインダクタは、少なくとも２つのインダクタからなる群から選択可能であり、前記第２のインダクタは、少なくとも２つの他のインダクタからなる群から選択可能であることを特徴とする、請求項２８または２９に記載の平衡アンテナシステム。
31. 前記第１の放射素子は、略Ｕ字状に形成され、基板の第１の端部において、基板の第１の側面に設けられる、第１のストリップによって構成されることを特徴とする、請求項３に記載の平衡アンテナシステム。
32. 前記Ｕ字状のストリップは、前記基板の第１の端部の半分に位置され、その開放端面が前記第１の端部の中央領域に向かって内方に臨むように配向されることを特徴とする、請求項３１に記載の平衡アンテナシステム。
33. 給電ラインが、前記基板の中央に最も近接し、前記基板の長さに沿って延びる前記Ｕ字状のストリップの始点に設けられることを特徴とする、請求項３２に記載の平衡アンテナシステム。
34. 前記第２の放射素子は、前記第１の放射素子に実質的に類似しており、前記基板の第１の側面にも設けられるが、前記第１の放射素子とは反対側の、前記基板の第１の端部の隣接する半分に、前記第２のストリップの開放端が前記第１のストリップの開放端に臨むように、配向されることを特徴とする、請求項３２または３３に記載の平衡アンテナシステム。
35. 間隙が、前記第１および第２の放射素子の各給電ライン間と前記第１および第２のストリップの各端部間とに設けられることを特徴とする、請求項３４に記載の平衡アンテナシステム。
36. グランドプレーンが、前記第１の側面とは反対側の、前記基板の第２の側面に設けられることを特徴とする、請求項３１〜３５のいずれか１項に記載の平衡アンテナシステム。
37. 前記グランドプレーンは、実質的に矩形であり、前記第１の端部とは反対側の前記基板の第２の端部から、前記給電ラインに対向する位置まで、基板表面の略全面を占めることを特徴とする、請求項３６に記載の平衡アンテナシステム。
38. 請求項１〜３７のいずれか１項に記載の少なくとも１つの平衡アンテナシステムと、少なくとも１つのさらなるアンテナとを含むことを特徴とするＭＩＭＯ用途のためのアンテナ構造体。
39. 前記少なくとも１つのさらなるアンテナは、平衡または不平衡アンテナからなり、再構成可能であることを特徴とする、請求項３８に記載のアンテナ構造体。
40. 前記少なくとも１つのさらなるアンテナは、請求項１〜３７のいずれか１項に記載の平衡アンテナシステムを含むことを特徴とする、請求項３８に記載のアンテナ構造体。
41. 各アンテナの相対位置は、最適なアンテナアイソレーションを提供するように選ばれることを特徴とする、請求項３８〜４０のいずれか１項に記載のアンテナ構造体。
42. 各アンテナは、最大可能距離だけ相互に離間されることを特徴とする、請求項４１に記載のアンテナ構造体。
43. 第１のアンテナが該アンテナ構造体の第１の端部に配置され、第２のアンテナが該アンテナ構造体の第２の端部に配置されることを特徴とする、請求項４１に記載のアンテナ構造体。
44. 前記少なくとも１つのさらなるアンテナは、２つ以上の相互に結合された放射素子と、各放射素子の周波数帯域の独立した同調のために構成された２つ以上のインピーダンス整合回路とを含み、各放射素子が、駆動状態、フローティング状態およびグランド状態のそれぞれにおいて選択的に動作するように設けられる、再構成可能アンテナによって構成されることを特徴とする、請求項３８〜４３のいずれか１項に記載のアンテナ構造体。
45. 前記平衡アンテナシステムは、該アンテナ構造体のグランドプレーンにスロットを設けることによって、前記さらなるアンテナから分離されることを特徴とする、請求項３８〜４４のいずれか１項に記載のアンテナ構造体。
46. 添付図面を参照して、実質的に上述されたような平衡アンテナシステム。
47. 添付図面を参照して、実質的に上述されたようなアンテナ構造体。

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