JP2014509815A - サイドバイサイドパッシブループアンテナを有する無線通信装置及び関連方法 - Google Patents

Abstract

無線通信デバイスは、ハウジングと、そのハウジングにより担われた無線通信回路とを含む。また、無線通信デバイスは、ハウジングにより担われ、無線通信回路に結合したアンテナアセンブリも含む。アンテナアセンブリは、基板と、その基板に担われ、並べて配置される複数のパッシブループアンテナとを含む。複数の離されたパッシブループアンテナは、それぞれ、パッシブループ導体と、それに結合した同調要素とを含む。また、アンテナアセンブリは、基板に担われ、複数のパッシブループアンテナそれぞれと少なくとも部分的に同一の広がりを有するように構成されたアクティブループアンテナも含む。アクティブループアンテナは、アクティブループ導体と、その中に画定された給電点のペアとを含む。

Description

本発明は通信の分野に関し、より具体的にはアンテナ及び関連方法に関する。

アンテナは通信やナビゲーションなどのいろいろな目的に用いられる。ポータブル無線装置には、ブロードキャストレシーバ、ページャ、無線ロケーション装置（「ＩＤタグ」）などがある。携帯電話は無線通信装置の一例であり、ほぼどこにでもある。ポータブル無線装置のアンテナの特徴としては、一般的に、比較的小型であり、効率が高く、比較的放射パターンが広いことが望まれる。また、無線装置の機能が増え続けるにつれ、ユーザが容易にかつもっと便利に持ち歩ける小型無線装置に対する需要も増え続けている。これにより、無線装置生産者には、アンテナに利用できる比較的限られた空間で所望の動作特性を提供するアンテナを設計するという課題が課せられる。例えば、アンテナは複数の周波数帯域で、かつ低周波数で、通信することが望まれる。

新しいデザインと生産技術により、電子部品が比較的小型になり、多くの無線通信装置やシステムのサイズが小さくなった。残念ながら、アンテナは、特にブロードバンドアンテナは、サイズが同レベルに小さくなってはおらず、多くの場合小型の通信装置において使われる大型部品のひとつである。

事実、アンテナサイズは動作周波数に基づく。例えば、動作周波数が低くなるにつれ、アンテナは大きくなる。波長が短くなればアンテナのサイズが小さくなるが、波長が長い方が伝搬がよい。例えば、長距離通信に使われる３ないし３０ＭＨｚの高周波（ＨＦ）では、送信アンテナなどの効率的なアンテナは、持ち運ぶには大きくなり過ぎ、固定局ではワイヤアンテナが必要になる。よって、これらの無線通信アプリケーションでは、アンテナサイズを小さくするだけでなく、所望の周波数帯域にわたり最小のエリアで最大のゲインを有する小型アンテナを設計し生産することが、ますます重要になりつつある。

電気的に小さいアンテナの瞬時３ｄB利得帯域幅は、半パワー固定同調放射帯域幅としても知られるが、Chu-Harrington limitで制限されていると考えられる（非特許文献１）。Chu's Limitの一形式では、最大可能３ｄB利得アンテナ帯域幅は１６０００（πｒ／λ）^３パーセントである。ここで、ｒはアンテナを包み込む最小球面の半径であり、λは自由空間波長である。これは、回路にマッチングされたシングルモードアンテナの場合である。残念ながら、半径＝λ／２０の球面エンベロープ内にフィットするアンテナは、この帯域幅の６．１％以下である。さらに、実際のアンテナは、Chu's limit帯域幅に近くはならない。一例は、ｒ＝λ／２０球面サイズに包まれ、例えばChu's Limitの１／５である１．２％帯域幅で動作する、比較的小さいヘリックスアンテナである。サイズのわりに帯域幅が大きい小型アンテナが望ましい。

カノニカルアンテナは、直線形と円形のダイポールアンテナとループアンテナとを含む。これらは電流を移動させ回転させ、ダイバージェンス（divergence）機能とカール（curl）機能を実現する。様々なコイルはダイポールとループのハイブリッドを形成する。アンテナは、その形状が線形でも、平面でも、立体でもよく、例えば、１次元でも２次元でも３次元でもよい。アンテナのサイズ決定にとって最適なエンベロープは、線、円、球面などのユークリッドジオメトリだろう。これらにより、２点間の比較的短い距離をさらに最適化でき、弧の面積をさらに大きくでき、小さい表面積で体積を大きくできる。これらのサイズにおいて、放射帯域幅が最も大きくなるアンテナを見つけることが望ましい。ブロードバンドで電気的に大型の（ｒ＞λ／２π）アンテナは、例えばスパイラルアンテナであるが、低周波数におけるカットオフより上では理論的に限界がない帯域幅を有するハイパス応答をする。しかし、電気的に小さいサイズ（ｒ＞λ／２π）では、スパイラルの応答は２次のバンドパスタイプの応答であり、帯域幅が非常に限定される。

プレーナアンテナは、生産と一体化が容易であるため、ますます貴重である。基本的なプレーナダイポールは、ラジアル電流を金属ディスク上に流すことにより形成できる（非特許文献２）。給電用の円形及び線形のノッチが望ましい。円形にしたワイヤでも同じ放射パターンが得られ、駆動が容易なため好まれる場合もある。ワイヤループアンテナの帯域幅を拡張する要素が望ましい。ラジオ波は光速で広がる。高速が遅くなれば、アンテナサイズも小さくなるだろう。

特許文献１は、磁気共鳴装置用のアンテナ構成を開示している。具体的に、そのアンテナ構成は、マトリックス（すなわち、行と列）状に配置された少なくとも４つの個別に動作可能なアンテナ導体ループを含む。行または列で隣接する２つのアンテナ導体ループは、互いに誘導的にデカップリングされており、互いに対角状に隣接した２つのアンテナループは、互いに容量的にデカップリングされている。

特許文献２はアンテナアレイを開示している。アンテナアレイは、複数の個別アンテナが隣り合っている。個別アンテナは、キャパシタが各導体ループに挿入されたラジオ周波数閉導体ループ内に配置されている。

特許文献３は、磁気共鳴装置用のヘッドコイルを開示している。複数のアンテナ要素が支持体に備えられている。支持体は球面キャップの形の終端セクション（end section）を有する。バタフライアンテナがそのセクションの終端部に取り付けられ、少なくとも１つのグループアンテナにより冠状に取り囲まれている。しかし、これらのアプローチはどれも、マルチバンド周波数動作をする、サイズは小さいが、面積のわりに所望の利得を有するアンテナを提供することにフォーカスしたものではない。

米国特許出願公開第２００９／０２１２７７４号明細書 米国特許出願公開第２００９／０００９４１４号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０１２１１８０号明細書

"Physical Limitations Of Omni-Directional Antennas," L. J. Chu, Journal of Applied Physics, Vol. １９, pp １１６３ -１１７５, Dec. １９４８ Theory Of The Circular Diffraction Antenna, A. A. Pistolkors, Proceedings of the Institute Of Radio Engineers, Jan １９４８, pp ５６-６０

上記の背景に鑑み、本発明の目的は、比較的小型のマルチバンドアンテナを提供することである。

本発明のこの目的、特徴、効果及びその他の目的、特徴、効果は、ハウジングと、そのハウジングにより担われた無線通信回路とを含む無線通信装置により提供される。また、この無線通信装置は、このハウジングにより担われ、無線通信回路に結合したアンテナアセンブリも含む。

アンテナアセンブリは、基板と、その基板に担われ、並べて配置された複数のパッシブループアンテナとを含む。複数のパッシブループアンテナは、それぞれ、例えばパッシブループ導体と、それに結合した同調要素とを含む。

また、アンテナアセンブリは、基板に担われ、複数のパッシブループアンテナそれぞれと少なくとも部分的に同一の広がりをもつように構成されたアクティブループアンテナも含む。アクティブループアンテナは、アクティブループ導体と、その中に画定された給電点のペアとを含む。したがって、アンテナアセンブリは、サイズが比較的小さいが、マルチバンド周波数で動作し、面積に関して利得を大きくできる。

複数のパッシブループアンテナは、それぞれ、近くにある各パッシブアンテナに隣接して、直線状の辺を有する。複数のパッシブループアンテナは、それぞれ、例えば多角形状であってもよい。その多角形状は、四角形、六角形、及び三角形のうちの一つであってもよい。複数のパッシブループアンテナは、それぞれ、サイズと形状が同じであってもよい。

アクティブループアンテナは、例えば、円形であってもよい。複数のパッシブループアンテナは、中心点を画定する。アクティブループアンテナの中心は、例えばその中心点と一致する。

同調要素は、それぞれ、例えばキャパシタを含む。例えば、複数のパッシブループアンテナは、基板の第１の側に配置され、アクティブループアンテナは、基板の第２の側に配置される。各パッシブループ導体とアクティブループ導体は、絶縁ワイヤを含む。

方法の態様は、ハウジングにより担われ、無線通信回路と結合されるアンテナアセンブリの製造方法に関する。この方法は、複数のパッシブループアンテナを、並んで、基板により担われるように配置するステップを含む。複数のパッシブループアンテナは、それぞれ、例えばパッシブループ導体と、それに結合した同調要素とを含む。また、この方法は、アクティブループアセンブリを、基板に担われ、複数のパッシブループアンテナそれぞれと少なくとも部分的に同一の広がりをもつように配置するステップも含む。アクティブループアンテナは、アクティブループ導体と、その中に画定された給電点のペアとを含む。

本発明によるアンテナアセンブリを含むモバイル通信装置を示す図である。 本発明によるアンテナアセンブリのプロトタイプについて測定した周波数応答を示すグラフである。 図１のアンテナアセンブリの放射パターンを示すグラフである。 図１のアンテナアセンブリの放射パターンを示すグラフである。 図１のアンテナアセンブリの放射パターンを示すグラフである。 図１のアンテナアセンブリの放射パターンを示すグラフである。 本発明による六角形パッシブループアンテナのサイズと周波数の間の関係を示すグラフである。 図１のアンテナアセンブリと等価な回路を示す図である。 本発明によるアンテナアセンブリの他の一実施形態を示す図である。 本発明によるアンテナアセンブリのさらに他の一実施形態を示す図である。 本発明によるアンテナアセンブリのチェビシェフ実施形態の利得応答と周波数を示すグラフである。 本発明によるアンテナアセンブリで測定した品質ファクタを示すグラフである。

以下、本発明の好ましい実施形態を示した添付図面を参照して、本発明をより詳しく説明する。しかし、本発明は、多数の異なる形式で実施でき、ここに開示した実施形態だけに限定されると解釈してはならない。むしろ、これらの実施形態は、この開示が完全であり、当業者に本発明の範囲を完全に伝えるように提供するものである。同じ番号は同じ要素を示し、ダッシュや複数のダッシュがついた表記を用いて別の実施形態における同様の要素を示した。

最初に図１を参照して、無線通信装置１０は、ハウジング１１と、そのハウジングにより担われた無線通信回路１２とを含む。無線通信回路１２は、例えば、セルラ通信回路やラジオロケーションタグ回路であり、音声及び／またはデータを通信するように構成されている。無線回路１２は、例えば、セルラ、ＷｉＦｉ、ＧＰＳ（global positioning system）帯域など複数の周波数帯域で通信するように構成されている。もちろん、無線通信回路１２は、他の周波数帯域で通信するように構成することもできる。他の回路は、例えばコントローラ１３は、ハウジング１１により担われ、無線通信回路１２に結合している。また、無線通信装置１０は、コントローラ１３や無線通信回路１２に結合した、入力装置（図示せず）、例えば入力キーやマイクロホン、出力装置（図示せず）、例えばディスプレイやスピーカを含む。

また、この無線通信装置１０は、このハウジング１１により担われ、無線通信回路１２に結合したアンテナアセンブリ２０も含む。アンテナアセンブリ２０は、例示したように、基板２１を含む。当業者には言うまでもないが、基板２１は、例えば、ＰＣＢ（printed circuit board）基板であり、他のコンポーネントを担う。また、アンテナアセンブリ２０は、基板２１により担われた、同じサイズの六角形状のパッシブループアンテナ２２ａ−２２ｃを含む。パッシブループアンテナ２２ａ−２２ｃは、並んで配置されている。例示した実施形態では、３つのパッシブループアンテナ２２ａ−２２ｃは、それぞれ、近くの各パッシブアンテナに隣接するまっすぐな辺を有する。好ましい実施形態では、例えば、パッシブループアンテナ２２ａ−２２ｃは、それぞれ、動作周波数において、０．５波長以下の円周を有する。パッシブ放射ループアンテナは、必然的に共振的であり、または波長に対して電気的に小さい。

当業者には言うまでもないが、六角形状パッシブループアンテナ２２ａ−２２ｃは、それぞれ、組み合わせた場合に電気的特性がループアンテナアレイのように機能する個々のアンテナ要素であると考えられる。パッシブループアンテナ２２ａ−２２ｃの六角形状はハニカム格子を形成し、空間をより効率的に使えるようになる。六角形タイルによる空間の多角形フィリングは、ハウジング２１のサイズが比較的限られているポータブル無線通信装置では、特に都合がよい。六角形状のパッシブループアンテナにより、効率利得が高く全体的なサイズが小さくても、少ない導体損失で放射抵抗を大きくできる。

各パッシブループアンテナ２２ａ−２２ｃは、パッシブループ導体２７ａ−２７ｃと、それに結合した同調要素２８とを含む。当業者には言うまでもないが、同調要素２８は、パッシブループアンテナ２２の周波数帯域を決定するのであって、そのサイズを決定するのではない。各パッシブループアンテナ２２のサイズは、それぞれのパッシブループアンテナに対応する周波数帯域におけるアンテナアセンブリ２０の利得に関する。

また、各パッシブループアンテナ２２は、パッシブループ導体２７を取り囲む絶縁レイヤ２９も含む。言い換えると、各パッシブループアンテナ２２は絶縁されたワイヤである。同調要素２８は、例示では、キャパシタであり、パッシブループ導体２７と直列に結合されている。もちろん、同調要素２８は、インダクタなどの他のタイプのコンポーネントであって、直列に結合されていなくてもよい。例えば、フェライトビーズがパッシブループ導体２７と絶縁レイヤ２９とを取り囲んでいるものであってもよい。例えば、チューニング要素２８がキャパシタであるとき、パッシブループアンテナ２２ａ−２２ｃは、物理的サイズが小さく周波数が低くても動作するように、電気的に負荷をかけられる。このように、同調要素２８すなわちキャパシタによりサイズが小さくなる。

当業者には言うまでもないが、アクティブループアンテナ２３は、パッシブループアンテナが３つの独立な同調可能アンテナとして機能するように、パッシブループアンテナ２２ａ−２２ｃとインダクティブカップリングにより協働する。各パッシブループアンテナ２２ａ−２２ｃは、各同調要素２８の値を、具体的にはキャパシタンスを選択または変更することにより、独立に同調できる。

また、アンテナアセンブリ２０は、基板２１により担われたアクティブループアンテナ２３も含む。アクティブループアンテナ２３は、例示したように、円形であり、複数のパッシブループアンテナ２２ａ−２２ｃのそれぞれと同一の広がりを有する（coextensive）。すなわち、アクティブループアンテナ２３とパッシブループアンテナ２２ａ−２２ｃのエリアは、互いに接触はしないが、オーバーラップしている。アクティブループアンテナは、アクティブループ導体２５と、その中に画定された給電点２６ａ，２６ｂのペアとを含む。また、アクティブループアンテナ２３も、絶縁レイヤ３６がアクティブループ導体２５を取り囲んでいる。言い換えると、各アクティブループアンテナ２３は絶縁されたワイヤである。各絶縁レイヤにより、都合良く、パッシブループアンテナ２２ａ−２２ｃとアクティブループアンテナ２３との間に絶縁スペーシングが設けられ、短絡しないようになっている。

例示のように、パッシブループアンテナ２２ａ−２２ｃが並んだ関係（side-by-side relation）により中心点２４が画定され、アクティブループアンテナ２３は例示のようにその中心点と同心である。もちろん、他の実施形態では、アクティブループアンテナ２３は中心点２４と同心でなくてもよい。当業者には言うまでもないが、オフセット量を調整することにより、各パッシブループアンテナ２２ａ−２２ｃに結合するパワー量が影響を受ける。

給電導体３１またはケーブルにより、アンテナアセンブリ２０が給電点２６ａ、２６ｂを介して無線通信回路１２に結合している。給電導体３１は、例えば、同軸ケーブルであり、一方の給電点２６ａに結合した中心導体３２と、絶縁レイヤ３３により内側導体から分離され、他方の給電点に結合した外側導体３４とを含む。絶縁されたワイヤのツイステッドペアなど、他のタイプのケーブルや導体を使っても良い。場合によっては、給電ケーブル３１自体がアンテナになる。都合良く、アクティブループアンテナ２３には、給電アンテナが３１がアンテナになってしまう効果を低減するバラン（balun）を設けてもよい。これは、パッシブループアンテナ２２ａ−２２ｃが給電ケーブル３１と直流（ＤＣ）接続していないためである（すなわち、導電性の接触はないが、インダクティブカップリングがある）。アクティブループアンテナ２３は、例えば、同軸給電線におけるコモンモード電流を低減するバランまたは「アイソレーショントランスフォーマ」としても機能する。

図２を参照するに、グラフ５０は、図１に示したアンテナアセンブリ２０と同様のマルチバンドアンテナアセンブリのプロトタイプにより測定した周波数応答または電圧定常波比を示す。プロトタイプのアンテナアセンブリは、３つの六角形パッシブループアンテナと１つの円形アクティブループアンテナとを含んでいる。第１のキャパシタの値は３０ピコファラッドであり、第２のキャパシタの値は１０ピコファラッドであり、第３のキャパシタの値は２０ピコファラッドであった。このように、各パッシブループアンテナのループは、値が異なる同調キャパシタを有する。グラフ５０には、例示として、３つの約８６ＭＨｚ、１０６ＭＨｚ、１４４ＭＨｚのところにそれぞれ帯域５１ａ、５１ｂ、５１ｃを含み、これらは各キャパシタの値に基づき独立に決まっている。マルチバンドプロトタイプについてまとめると以下の通りである：

例えば、個々の電気的に小型のアンテナは、二次の周波数応答を有する。このように、かかるアンテナは、比較的狭い１つの周波数帯域をカバーする。しかし、アンテナアセンブリ２０は、３つの周波数帯域が合成（combine）され、各周波数帯域に関連して、１つの大きなまたは広い周波数帯域を形成するよう同調される。より具体的には、各六角形状パッシブループアンテナ２２ａ−２２ｃの共鳴は、チェビシェフ多項式により調整され、指定リップルの帯域幅を大きくする。例えば、各パッシブループアンテナは、ｎ次のチェビシェフ多項式のゼロ点にずらして同調される。例えば、２つのパッシブループアンテナは、リップルピークが２つあり、１つのパッシブループアンテナの帯域幅の約４倍である４次チェビシェフ応答をできる。

より具体的には、例えば、１つの六角形パッシブループアンテナを有するアンテナアセンブリは、ａｘ^２＋ｂｘ＋ｃ＝０による２次応答をする。例えば、１つの六角形パッシブループアンテナの直径が０．１２λであるとき、６：１電圧定常波比（ＶＳＷＲ）帯域幅は、約１．５２％である。本発明によるアンテナアセンブリは、例えば、２つの六角形状パッシブループアンテナを有し、

によるチェビシェフ（Chebyshev）多項式応答をする。ここで、
Ｔｎ＝次数ｎのチェビシェフ多項式
ｘ＝角周波数＝２πｆ。

このように、各六角形状パッシブループアンテナの直径も０．１２λであれば、帯域幅は約４×１．５２％すなわち６．１％である。チェビシェフ多項式のリップル周波数は、一般的に、次数ｎとともに高くなる。リップル振幅が一定に保たれれば、次数ｎが高くなるにつれリターンが小さくなる。当業者には言うまでもないが、例えば、無限に多くのパッシブループアンテナがあれば、１つの放射ループアンテナだけの場合より、瞬間帯域幅が３π大きくなる。テストによると、２つのパッシブループアンテナにより、１つのパッシブループアンテナの場合より帯域幅が４倍になった。このように、実施形態により、都合よく、ループアンテナアレイを、小さいサイズで大きな瞬時帯域幅で多目的に同調することができる。実施形態により、都合よく、パッシブコンポーネントの外部のひとまとまりになった要素のネットワーク無しに、例えば、インダクタやキャパシタのラダーネットワーク無しに、放射構造により、多目的同調ができる。ここで、図３ａ乃至図３ｄ及び図４のグラフ６１，６２，６３，６４，６５を参照するに、アンテナアセンブリ２０の放射パターンは概してドーナツ形である。グラフ６１は、カーテシアン座標系においてアンテナアセンブリ２０の面を示している。当業者には言うまでもないが、アンテナアセンブリ２０のプレーンはＸＹ面内にある。グラフ６２は、アンテナアセンブリ２０のＸＹ面放射パターンカットが、円形であり等方的であることを示す。

同様に、グラフ６３，６４は、それぞれ、ＹＺ面及びＺＸ面における放射パターンカットの形状が関数ｃｏｓ^２θの２枚花びらのバラの形であることを示している。放射パターンは、ループサイズが小さく一様であるループでの電流分布のフーリエ変換である。アンテナアセンブリ２０の放射パターン形状は、グラフ６１のＺ軸方向のカノニカル１／２波ワイヤダイポールと同様であるが、１／２波ダイポールは垂直偏波し、アンテナアセンブリ２０は水平偏波する。水平偏波は、対流圏反射などによる長距離伝搬のため特に都合がよい。さらに、アンテナアセンブリ２０は、アンテナ平面側面に放射パターンゼロ点を有し、放射パターンローブはアンテナ平面内にある。ＹＺとＺＸパターンカットにおけるアンテナアセンブリ２０の半パワービーム幅は、約８２度である。指向性は１．５である。例えば、ミスマッチロスがゼロであるとき、当業者には言うまでもないが、実現される利得と放射パターンは

により計算できる。ここで、
η＝アンテナアセンブリ２０の放射効率
Ｄ＝アンテナの指向性＝アンテナアセンブリ２０の場合１．５
Θ＝アンテナアセンブリ２０の面の法線から測定した仰角（θ＝０°はアンテナ面に対して垂直であり、θ＝９０°はアンテナアセンブリ面内である）。

実際、比較的損失が少ない同調キャパシタを使うと、放射効率ηは、ほとんど、パッシブループアンテナ導体損失抵抗Ｒｌに対するパッシブループアンテナ２２ａ−２２ｃ放射抵抗Ｒｒの関数であるので、放射効率は

で計算できる。また、実現利得は

で計算できる。

図４のグラフ６５は、１つの六角形パッシブループアンテナのサイズと実現利得と周波数との間の（計算により求めた）典型的な関係を示す。また、図４のグラフ６５は、アンテナアセンブリの実施形態による典型的な実現利得を示す。グラフ６５に対応するアンテナアセンブリは、図１のアンテナアセンブリ２０と同様の１つのパッシブループアンテナであり、銅であり、厚さが３ＲＦ表皮厚さより大きい。アンテナアセンブリは、放射パターンピーク利得などを用いて同調されマッチングされ、偏波は共偏波（co-polarized）している。同調要素は、クオリティファクタＱ＝１０００のキャパシタであり、パッシブループアンテナトレース幅は、パッシブループアンテナ外径において、約０．１５インチである。例えば、ライン６６、６７、６８及び６９は、それぞれ＋１．５，０．０，−１０．０及びー２０．０ｄＢｉｌ実現利得に対応する。当業者には言うまでもないが、上記の実施形態により、有利にも、アンテナサイズと実現利得との間がトレードオフされ、サイズのわりに高い効率が得られる。

図１のアンテナアセンブリ２０と同様のプロトタイプのテストでは、アンテナアセンブリはＧＰＳ（Global Positioning System）衛星を用いた無線測位のために用いられた。アンテナアセンブリは比較的高いＧＰＳ衛星コンステレーションを利用でき、一度に多くの衛星を受信できた。プロトタイプアンテナアセンブリのＧＰＳ受信の性能サマリは次の通りである。

ＧＰＳプロトタイプは、reduced deep cross sense circular polarization fadesという動作上の利点を有する。右手円偏波マイクロストリップパッチアンテナは、反対にすると左手円偏波になり、ＧＰＳ受信においてディープフェード（deep fades）を生じる。このように、無線通信回路がアンテナアセンブリでＧＰＳ電波測位タグなどを含むとき、アンテナアセンブリは、円偏波で利得が高いマイクロストリップパッチアンテナよりも、信頼性の高い受信ができる。ＧＰＳ電波測位装置では、一般的にアンテナは特定方向に指向されていない。実際、本実施形態では、パッシブループアンテナの円周が１／２波長に近づくと、放射パターンはほぼ球状で等方的になる。

ここで、追加的に図５も参照して、アンテナアセンブリ２０の回路等価モデルは、例えば、出力分配（power divider）ができるように複数の２次巻線を有するトランスフォーマと見なすことができる。信号ジェネレータＳは無線通信回路１２に相当する。当業者には言うまでもないが、アクティブループアンテナ２３は１次巻線Ｌに相当し、３つの六角形パッシブループアンテナ２２ａ−２２ｃはそれぞれ２次巻線ｋ_１，ｋ_２，ｋ_３に相当する。アクティブループアンテナ２３が３つの六角形パッシブループアンテナ２２ａ−２２ｃにより画定される中心点２４と同心であることにより、パワーは３等分される。アクティブループアンテナ２３上の３つの六角形パッシブループアンテナ２２ａ−２２ｃの同一の広がりの大きさの調整は、複数の巻数を有する従来のトランスフォーマの「巻数比」の調整にあたる。

例示した対応回路図では、等価同調要素はキャパシタＣ_１，Ｃ_２，Ｃ_３である。例示した抵抗Ｒ_ｒ１，Ｒ_ｒ２，Ｒ_ｒ３は、放射抵抗に対応する。換言すると、これは銅などの導体自体により生じる抵抗である。Ｒ_ｌ１，Ｒ_ｌ２，Ｒ_ｌ３は、ジュール効果の加熱による導体抵抗損失に相当する。当業者には言うまでもなく、アンテナアセンブリ２０が小さすぎると、Ｒ_ｌは大きくなり、性能は許容できないレベルまで低くなる。Ｒ_ｌはアンテナ効果の支配的な決定要因である。実際、同調キャパシタ等価直列抵抗（ＥＳＲ）損失は、多くの場合無視できる。それゆえ、個々のパッシブループアンテナの放射効率ηは、

で近似できる。また、実現利得は

で近似できる。

背景として、金属導体の損失抵抗は、一般的に、室温の電気的に小型のアンテナの効率と利得に対する基本的な制約である。電気的に小さいと、個々のパッシブループアンテナの指向性は、１．７６ｄＢである。指向性のこの値は、パッシブループアンテナの数によって、大きく増減しない。一般的なプラクティスでは、アクティブループアンテナは、５０オーム抵抗となるように調整され、アクティブループの金属導体損失は無視できる。

パッシブループアンテナは一般的に、そのループ構造がオーバーラップしない時は、互いに大きくカップリングせず、例えば、そういう状況における相互カップリングは約−１５ｄＢより小さい。パッシブループアンテナのオーバーラップさせることにより、必要に応じて相互カップリングを変えることができる。相互カップリングの程度により、チェビシェフ応答間のスペーシングが変わる。このように、本実施形態の特徴により、駆動抵抗（アクティブループ直径）、リアクタンス（同調キャパシタ）、周波数（同調要素値）、要素相互カップリング（パッシブループアンテナ間のスペーシング）、サイズ（同調要素が提供するローディング）、利得（パッシブループアンテナ直径）、及び帯域幅（パッシブループアンテナ２２の数により周波数応答リップルが変わる）の制御ができる。

ここで図６を参照して、アンテナアセンブリ２０′の他の一実施形態は、例示したように、４つのパッシブループアンテナ２２ａ′−２２ｄ′を含み、それぞれは四角形状であり、基板２１′の第１の側３７′に担われている。４つのパッシブループアンテナ２２ａ′−２２ｄ′は、例示したように、並んで（side-by-side）配置され、各四角形パッシブループアンテナの角に対応する中心点２４′を画定する。アクティブループアンテナ２３′は、基板２１′の第２の側３８′に担われ、すなわちパッシブループアンテナ２２′の反対側に担われ、４つの四角形状パッシブループアンテナ２２ａ′−２２ｄ′のそれぞれと、部分的に同一の広がりを有している。４つの四角形パッシブループアンテナ２２ａ′−２２ｄ′のそれぞれは、それぞれ同調部材２８ａ′−２８ｄ′またはそれぞれのパッシブループ導体２７ａ′−２７ｄ′に結合したキャパシタを含む。当業者には言うまでもなく、４つのパッシブループアンテナ２２ａ′−２２ｄ′は、それぞれのキャパシタ２８ａ′−２８ｄ′により決まる周波数帯域に対応する。

ここで、図７を参照して、アンテナアセンブリ２０”のさらに他の一実施形態は、例示のように、８個のパッシブループアンテナ２２ａ”−２２ｈ”を含み、各パッシブループアンテナは三角形状またはパイ形状である。８個のパッシブループアンテナ２２ａ”−２２ｈ”は、例示したように、並んで（side-by-side）配置され、各三角形パッシブループアンテナの先端に対応する中心点２４”を画定する。アクティブループアンテナ２３”は、８個の三角形状パッシブループアンテナ２２ａ”−２２ｈ”のそれぞれと部分的に同一の広がりを有する。８個の三角形パッシブループアンテナ２２ａ”−２２ｈ”のそれぞれは、それぞれ同調部材２８ａ”−２８ｈ”、すなわちそれぞれのパッシブループ導体２７ａ”−２７ｈ”に結合したキャパシタを含む。当業者には言うまでもなく、８個のパッシブループアンテナ２７ａ”−２７ｈ”は、それぞれのキャパシタ２８ａ”−２８ｈ”により決まる周波数帯域に対応する。

ここで説明した各パッシブループアンテナ２２は、例示したように同じサイズと形状であるが、パッシブループアンテナはどんな形状であってもよい。また、ある実施形態では、各パッシブループアンテナ２２は同じサイズでなくてもよい。

方法の態様は、ハウジング１１により担われ、無線通信回路１２と結合されるアンテナアセンブリ２０の製造方法に関する。この方法は、複数のパッシブループアンテナ２２を、並んで、基板２１により担われるように配置するステップを含む。各パッシブループアンテナ２２は、パッシブループ導体２７と、それに結合した同調要素２８とを含む。また、この方法は、アクティブループアセンブリ２３を、基板２１に担われ、パッシブループアンテナ２２それぞれと少なくとも部分的に同一の広がりを有するように配置するステップも含む。アクティブループアンテナ２３は、アクティブループ導体２５と、その中に画定された給電点２６ａ，２６ｂのペアとを含む。

ここで図８のグラフ１００を参照して、アンテナアセンブリの二重同調／４次チェビシェフ（double tuned/４th order Chebyschev）実施形態の利得応答を示す。例示したように、２つの利得ピークを有する波状のパスバンド１０６があるが、パスバンドの２つのピークは単一の連続したパスバンドであると考えられ、リップルのある単一バンドアンテナが形成されている。パスバンド１０６のリップルは、例えば帯域幅を広げられるという利益がある。グラフ１００に対応するアンテナアセンブリは、互いに隣接した２つのパッシブループアンテナと、各パッシブループアンテナにオーバーラップした１つのアクティブループアンテナとを含む。二重同調４次チェビシェフ多項式応答を実現するため、放射ループアンテナはサイズが同じであることが好ましく、値が近いまたは等しい同調要素キャパシタを用いる。このように、パッシブループアンテナの共鳴周波数はそれだけで同じである。しかし、パッシブループアンテナを互いに比較的近くに持ってくると、相互カップリングにより周波数応答の２つの利得ピーク１０６、１０８が形成される。２つの個別パッシブループアンテナの２次応答が組み合わさって、二重同調チェビシェフ応答となる。

リップル振幅１０４と帯域幅１０６とは、互いにパッシブループアンテナのスペーシングを調節することにより、調節できる。２つのパッシブループアンテナをさらに引き離すと、利得ピーク１０２間の間隔が狭まり、帯域幅１０６が狭くなり、リップルレベル振幅１０４が低くなる。

２つのパッシブループアンテナ間の間隔が近くなると、利得ピーク１０８、１１０間の間隔は広くなる（応答が離れる）、帯域幅１０６が広くなり、リップル振幅１０４が高くなる。２つのパッシブループアンテナは互いに重なり（互いに接触はしない）、比較的広い帯域幅となる。言うまでもなく、二重同調４次チェビシェフ実施形態により、有利にも、リップルレベル１０４と帯域幅１０６との間で広く連続的な範囲のトレードオフが得られる。

２つのパッシブループアンテナを用いた二重応答４次チェビシェフ実施形態では、アクティブループアンテナの直径により、アンテナが無線通信回路に提供する回路抵抗を調節できる。アクティブループアンテナの直径をより大きくすると、送信器に提供される抵抗が大きくなり、アクティブループアンテナの直径をより小さくすると、送信器に提供される抵抗が小さくなる。実際には、アクティブループアンテナの直径がパッシブループアンテナの直径の約０．２乃至０．５のとき、容易に５０オーム抵抗が得られる。アクティブループアンテナのサイズを調節して、アクティブかつ１対１のＶＳＷＲを得ることができる。あるいは、アクティブループアンテナのサイズを大きくすると、２つの利得ピーク１０８、１１０におけるＶＳＷＲを大きくする替わりに、帯域幅を広げすぎることがある。

アクティブループアンテナにより有利にもある周波数にわたり抵抗を補正することができる。すなわち、パッシブループアンテナが小さくなるにつれ、その放射抵抗は低下するが、アクティブループアンテナのカップリングファクタは大きくなる。よって、電子回路から見た所望の抵抗が、比較的広い帯域幅にわたり一定になる。この補正ビヘイビアは、パッシブループアンテナの電流分布が正弦波から一様に転移することによるものと考えられる。ループアンテナは、電気的に小さくなると、磁気ニアフィールドが強くなり、トランスフォーマの２次側としてよくなる。パッシブループアンテナは、放射の場合ファーフィールドアンテナであり、ニアフィールドアンテナでもある。

パッシブループアンテナを構成する導電体がループの外側直径の幅の約０．１５の幅である時に、利得が最も高くなる。このように、パッシブループアンテナの外側直径が１．０インチであり、各パッシブループアンテナがワイヤであるとき、ワイヤの直径が０．１５インチのときに、一般的に最高利得が得られる。パッシブループアンテナの直径が１インチであり、プリント配線板（ＰＷＢ）トレースとして構成されている場合、放射効率を高くするため、そのトレースの幅も約０．１５インチでなければならない。もちろん、必要に応じて他の導体幅を使っても良い。

トレース幅が小さすぎると、金属部分が狭すぎて効率的に導電できないので、導体損失抵抗が大きくなる。しかし、トレース幅が大きすぎると、近接効果により導体損失抵抗が大きくなる。導体近接効果が生じると、電流がループ導体の内側エッジに沿って進み、金属全体が放射に使われない。ループの反対側にあるループ導体により近接効果が生じる。ループ中の穴は、一般的に適切なサイズにすべきである。パッシブループアンテナの最適ループ導体トレース幅は、実験で確認された。

図９のグラフ１１０は、ループ導体トレース幅に対する、ＰＷＢで実施した単一パッシブループアンテナの測定したクオリティファクタ（Ｑ）１１１を示す。Ｑはアンテナ利得の指標であり、Ｑが最大であるとき、実現アンテナ利得は最高である。外側ループ直径は１．０インチであり、１４６．５２ＭＨｚで動作させたので、外側ループ直径はλ／８４であった。このように、critical activeと１４６．５２ＭＨｚにおける共鳴を考慮して調整した。ＰＷＢ銅トレースの厚さは３スキン厚（３ skin depths thick）より大きかった。ループアンテナ穴が外側直径の９０パーセントであるとき、ループのギャップに２２ピコファラッドのキャパシタを接続し、共鳴を１４６，５２ＭＨｚに設定した。パッシブループアンテナ内側ホールサイズがゼロであると、アンテナは実質的には切り込みを入れた金属ディスクである。ディスクの周縁のノッチに２９０ピコファラッドのチップキャパシタを用い、共鳴は１４６．５２ＭＨｚであった。図９のグラフ１１０に示したように、測定して最も良かったＱ１１１は２２５であり、これは内側ホールの直径がループ外側直径の７０パーセントであるときであった。ループ外側直径は１．０インチであり、ループ内側直径は、Ｑと実現利得が最高のとき、０．７インチに等しかった。それゆえ、実現利得が最良のときのトレース幅は、ループ外側直径の（１．０−０．７）／２＝０．１５であった。

アクティブループアンテナ２３は、一般的に、感知できるほどの放射はせず、オーミック損失が大きい。背景として、アクティブループアンテナ２３も絶縁トランスフォーマタイプのバランを提供する。

テストによると、アンテナアセンブリ２０のＧ１０とＦＲ４タイプエポキシガラスプリント回路板実施形態における損失は、ＵＨＦでは、例えば３００ＭＨｚと３０００ＭＨｚとの間の周波数では、無視できた。このように、ほとんどの市販回路材料は、概して基板２１に適している。アンテナアセンブリ２０により、ラジアル方向の電気的ニアフィールドではなくラジアル方向の磁気的ニアフィールドを強くすることにより、ＰＷＢ誘電損失を最小化して、この操作的優位性を実現できる。また、アンテナアセンブリ２０の同調とローディングは、ＰＷＢ誘電体ではなくコンポーネントキャパシタにより実現される。例えば、チップキャパシタは、比較的安価であり損失が少なく、ＮＰＯ変化は比較的平坦な温度係数を有する。温度について安定したキャパシタンスとは、アンテナアセンブリ２０が温度的に動作周波数が比較的安定していることを意味する。これは、例えば、マイクロストリップパッチアンテナに対するアンテナアセンブリ２０の利点である。

背景として、マイクロストリップパッチアンテナは、高コスト、低損失、誘電率を制御した材料を必要とする。これは、アンテナ「パッチ（patch）」が、ＰＷＢ誘電体の電気的ニアフィールドを集めるプリント回路送信ラインを構成するからである。マイクロストリップパッチアンテナＰＷＢ材料のキャパシタンスは、概して、ＮＰＯチップキャパシタのように、温度的に安定ではない。このように、アンテナ２０は、同調が安定し、平面であり、比較的少ない費用で構成することが容易である。

本実施形態は、有利にも、マルチバンドオペレーションを提供し、及び／またはチェビシェフパスバンド応答を有する比較的広いシングルバンド帯域幅を提供する。しかし、アンテナアセンブリの実施形態は、広い同調可能帯域幅を提供する。広い範囲にわたる可変同調は、例えば、同調要素２８のリアクタンスの可変により実現される。このように、同調要素２８は、例えば可変キャパシタである。同調可能帯域幅は、比較的低い電圧定在波比（ＶＳＷＲ）を有する７対１周波数レンジ上にある。ＨＦプロトタイプでは、２対１より低いＶＳＷＲは、１０ないし１０００ピコファラッドの範囲の真空可変キャパシタを用いて連続した３ないし２２ＭＨｚの同調範囲にわたり実現され、パッシブループアンテナ２２は１８フィートの周を有する六角形の銅製水パイプにより構成された。アンテナの動作周波数の変化は、同調要素２８のリアクタンスの変化の平方根であり、例えば、動作周波数を２倍にするには、同調要素すなわちキャパシタの値を元の値の１／２２＝１／４にする。同調要素２８は、例えば、電子的同調の場合はバラクタダイオードでよい。望ましい同調要素２８の値は、パッシブループアンテナ２２のインダクタンスが分かれば、一般的な共鳴の式１／２π√ＬＣにより計算できる。パッシブループアンテナ２２のインダクタンスは、測定または

を用いて計算できる。ここで、
Ｄ＝パッシブループアンテナの平均直径
ｄ＝ワイヤ導体の直径。

同調要素２８のキャパシタンスを大きくすると、アンテナアセンブリ２０の動作周波数が低くなり、キャパシタンスを小さくすると、周波数が上がる。ほとんどの環境では、損失を小さくするため、キャパシタを同調要素２８として用いることが好ましいが、必要ならインダクタを用いることもできる。アンテナアセンブリ２０の例とアプリケーションは、長距離のテレビジョンやＦＭ放送の受信である。これらの周波数帯域での一般的に放送は、水平偏波成分を含み、アンテナアセンブリ２０は、水平面に向ければ、好都合にも、水平偏波成分に応答する。水平偏波は対流圏屈折により地平線を越えて伝搬することが知られている。このように、アンテナアセンブリ２０は、垂直１／２波ダイポールより大きな距離を提供する。アンテナアセンブリ２０は、水平偏波で、指向する必要がない場合、無指向性である。パッシブループアンテナ２２ａ−２２ｃは、直径が１９インチのとき、１００ＭＨｚで＋１．０ｄＢｉｌ実現利得を出せ、インドアで使える。

ループアンテナとダイポールアンテナには多くの相違点があるが、電気的に小型のダイポールアンテナとループアンテナは、それぞれキャパシタ及びインダクタとともに、小さいサイズでロードされる。本技術において、室温では、導体よりもよい絶縁体があり、通常、キャパシタの効率とＱはインダクタよりも大幅によい。実際、キャパシタのクオリティファクタはインダクタよりも一般的には１０ないし１００倍もよい。よって、本実施形態のアンテナアセンブリに類似したループアンテナは、比較的小さい損失と比較的安価のキャパシタを用いた、サイズの小型化、ローディング、及び同調を実現できるので、ダイポールアンテナよりも好ましい。また、ループアンテナは、付加コンポーネントが限られたまたは少ないインダクタやトランスフォーマを提供する。このように、本実施形態は、アンテナインダクタ、マッチングトランスフォーマ、及びバランがアンテナ構造に一体化された複合デザインを提供する。

Claims (10)

1. 無線通信デバイスであって、
   ハウジングと、
   前記ハウジングにより担われた無線通信回路と、
   前記ハウジングにより担われ、前記無線通信回路に結合したアンテナアセンブリであって、
   基板と、
   前記基板により担われ、並んで配置され、それぞれがパッシブループ導体とそれに結合した同調要素とを有する複数のパッシブループアンテナと、
   前記基板により担われ、前記複数のパッシブループアンテナのそれぞれと少なくとも部分的に同一の広がりを有するように配置され、アクティブループ導体とその中に画定された給電点のペアとを有するアクティブループアンテナとを有するアンテナアセンブリと
   を有する無線通信デバイス。
2. 前記複数のパッシブループアンテナは、それぞれ、近くにある各パッシブアンテナに隣接して、直線状の辺を有する、請求項１に記載の無線通信デバイス。
3. 前記複数のパッシブループアンテナのそれぞれは多角形の形状である、請求項１に記載の無線通信デバイス。
4. 前記多角形の形状は、四角形、六角形、及び三角形の形状のうちの一つであってもよい。請求項３に記載の無線通信デバイス。
5. 前記複数のパッシブループアンテナのそれぞれのサイズと形状は同じである、請求項１に記載の無線通信デバイス。
6. 前記アクティブループアンテナは円形の形状である、請求項１に記載の無線通信デバイス。
7. ハウジングにより担われ、無線通信回路と結合されるアンテナアセンブリの製造方法であって、
   基板により担われ、並んで配置される、それぞれがパッシブループ導体とそれに結合した同調要素とを有する複数のパッシブループアンテナを配置するステップと、
   前記基板により担われ、前記複数のパッシブループアンテナのそれぞれと少なくとも部分的に同一の広がりを有するようにアクティブループアンテナを配置するステップであって、前記アクティブループアンテナはアクティブループ導体とその中に画定された給電点のペアとを有するステップと
   を有する方法。
8. 前記複数のパッシブループアンテナを配置するステップは、前記複数のパッシブループアンテナのそれぞれを、近くの各パッシブアンテナに隣接して直線状の辺を有するように配置するステップを有する、請求項７に記載の方法。
9. 前記複数のパッシブループアンテナのそれぞれは多角形の形状である、請求項７に記載の方法。
10. 前記アクティブループアンテナは円形の形状である、請求項７に記載の方法。

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