JP2014529971A - ３ｄアンテナシステムをもつワイヤレスデバイス - Google Patents

Abstract

アンテナシステムのカバレージを改善するための技法を開示する。一態様では、ワイヤレスデバイスは、カバレージを改善し、性能を向上させるために、３Ｄアンテナシステムを含む。３Ｄアンテナシステムは、異なる空間的方向を向く複数の平面上に形成されたアンテナ素子を含む。複数の平面上に形成されたアンテナ素子は異なるアンテナビームに関連し、それにより、ワイヤレスデバイスにより大きい見通し線（ＬＯＳ）カバレージを与えることができる。ＬＯＳカバレージをさらに改善するために、所与の平面上のアンテナのためにビームフォーミングが実行され得る。異なる空間的方向を向くアンテナビームが、いくつかのアンテナビームのより良い信号反射により、より高い電力レベルの反射信号を生じ得るので、非ＬＯＳ（ＮＬＯＳ）カバレージも改善し得る。【選択図】 図３

Description

[0001]本開示は、一般に電子機器に関し、より詳細には、ワイヤレスデバイスに関する。

[0002]ワイヤレスデバイス（たとえば、セルラーフォンまたはスマートフォン）は、双方向通信をサポートするために、アンテナに結合された送信機と受信機とを含み得る。データ送信では、送信機は、無線周波（ＲＦ）キャリア信号をデータで変調して被変調信号を取得し、被変調信号を増幅して、適切な電力レベルを有する出力ＲＦ信号を取得し、アンテナを介して出力ＲＦ信号を基地局に送信し得る。データ受信では、受信機は、アンテナを介して受信ＲＦ信号を取得し得、受信ＲＦ信号を調整し処理して、基地局によって送られたデータを復元し得る。

[0003]ワイヤレスデバイスは、性能を改善するために、複数のアンテナに結合された複数の送信機および／または複数の受信機を含み得る。特に超短波において、ワイヤレスデバイス上に複数のアンテナを設計および構築することは困難であることがある。

[0004]異なるワイヤレス通信システムと通信することが可能なワイヤレスデバイスを示す図。 [0005]２次元（２Ｄ）アンテナシステムをもつワイヤレスデバイスを示す図。 [0006]３次元（３Ｄ）アンテナシステムをもつワイヤレスデバイスを示す図。 [0007]３Ｄアンテナシステムの１つの例示的な設計を示す図。 [0007]３Ｄアンテナシステムの１つの例示的な設計を示す図。 [0008]パッチアンテナの例示的な設計を示す図。 [0008]パッチアンテナの例示的な設計を示す図。 [0008]パッチアンテナの例示的な設計を示す図。 [0009]パッチアンテナの別の例示的な設計を示す図。 [0009]パッチアンテナの別の例示的な設計を示す図。 [0009]パッチアンテナの別の例示的な設計を示す図。 [0010]アンテナアレイの例示的な設計を示す図。 [0010]アンテナアレイの例示的な設計を示す図。 [0010]アンテナアレイの例示的な設計を示す図。 [0011]アンテナアレイの別の例示的な設計を示す図。 [0011]アンテナアレイの別の例示的な設計を示す図。 [0012]アンテナアレイのまた別の例示的な設計を示す図。 [0013]ガラス上に形成された３Ｄアンテナシステムを示す図。 [0014]３Ｄアンテナシステムをもつワイヤレスデバイスのブロック図。 [0015]３Ｄアンテナシステムを用いて信号を送信するためのプロセスを示す図。

[0016]以下に示す発明を実施するための形態は、本開示の例示的な設計を説明するものであり、本開示が実施され得る唯一の設計を表すものではない。「例示的」という用語は、本明細書では、「例、事例、または例示の働きをすること」を意味するために使用する。「例示的」として本明細書で説明するいかなる設計も、必ずしも他の設計よりも好ましいまたは有利であると解釈されるべきではない。発明を実施するための形態は、本開示の例示的な設計の完全な理解を与えるための具体的な詳細を含む。本明細書で説明する例示的な設計はこれらの具体的な詳細なしに実施され得ることが当業者には明らかであろう。いくつかの例では、本明細書で提示する例示的な設計の新規性を不明瞭にしないように、よく知られている構造およびデバイスをブロック図の形式で示す。

[0017]３Ｄアンテナシステムをもつワイヤレスデバイスについて本明細書で説明する。３Ｄアンテナシステムは、異なる空間的方向を向く複数の平面上、たとえば、ワイヤレスデバイスの２つ以上の面上に形成されたアンテナ素子を含むアンテナシステムである。平面は、平面に直交する空間的方向を「向き（point）」得る。「を向く（point in）」と「を向く（point at）」という句は本明細書で互換的に使用される。３Ｄアンテナシステムをもつワイヤレスデバイスは、ワイヤレス通信をサポートする任意のエレクトロニクスデバイスであり得る。

[0018]図１に、異なるワイヤレス通信システム１２０および１２２と通信することが可能なワイヤレスデバイス１１０を示す。ワイヤレスシステム１２０は、（広帯域ＣＤＭＡ（ＷＣＤＭＡ（登録商標））、ｃｄｍａ２０００、またはＣＤＭＡのいくつかの他のバージョンを実装し得る）符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）システム、Ｇｌｏｂａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ＧＳＭ（登録商標））システム、Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ（ＬＴＥ）システムなどであり得る。ワイヤレスシステム１２２は、ＩＥＥＥ８０２．１１などを実装し得るワイヤレスローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）システムであり得る。簡単のために、図１に、１つの基地局１３０と１つのシステムコントローラ１４０とを含むワイヤレスシステム１２０と、１つのアクセスポイント１３２と１つのルータ１４２とを含むワイヤレスシステム１２２とを示す。概して、各システムは、任意の数の局と、ネットワークエンティティの任意のセットとを含み得る。

[0019]ワイヤレスデバイス１１０は、ユーザ機器（ＵＥ）、移動局、端末、アクセス端末、加入者ユニット、局などと呼ばれることもある。ワイヤレスデバイス１１０は、セルラーフォン、スマートフォン、タブレット、ワイヤレスモデム、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ハンドヘルドデバイス、ラップトップコンピュータ、スマートブック、ネットブック、コードレスフォン、ワイヤレスローカルループ（ＷＬＬ）局、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）デバイスなどであり得る。ワイヤレスデバイス１１０は、任意の数のアンテナを装備し得る。より良い性能を与えること、複数のサービス（たとえば、ボイスおよびデータ）を同時にサポートすること、有害な経路効果（たとえば、フェージング、マルチパス、および干渉）に対してダイバーシティを与えること、データレートを増加させるために多入力多出力（ＭＩＭＯ）送信をサポートすること、および／または他の利益を得ることを行うために、複数のアンテナが使用され得る。ワイヤレスデバイス１１０はワイヤレスシステム１２０および／または１２２と通信することが可能であり得る。ワイヤレスデバイス１１０はまた、放送局（たとえば、放送局１３４）から信号を受信することが可能であり得る。ワイヤレスデバイス１１０はまた、１つまたは複数のグローバルナビゲーション衛星システム（ＧＮＳＳ：global navigation satellite systems）中の衛星（たとえば、衛星１５０）から信号を受信することが可能であり得る。

[0020]概して、ワイヤレスデバイス１１０は、ＷＣＤＭＡ、ｃｄｍａ２０００、ＬＴＥ、ＧＳＭ、８０２．１１、ＧＰＳなどの任意の無線技術を採用し得る、任意の数のワイヤレスシステムとの通信をサポートし得る。ワイヤレスデバイス１１０はまた、任意の数の周波数帯域上での動作をサポートし得る。

[0021]ワイヤレスデバイス１１０は、たとえば、４０〜３００ギガヘルツ（ＧＨｚ）のミリメートル（ｍｍ）波周波数内の、超短波での動作をサポートし得る。たとえば、ワイヤレスデバイス１１０は、８０２．１１ａｄの場合、６０ＧＨｚで動作し得る。ワイヤレスデバイス１１０は、ミリ波周波数での動作をサポートするためのアンテナシステムを含み得る。アンテナシステムはいくつかのアンテナ素子を含み得、各アンテナ素子は、信号を送信および／または受信するために使用される。「アンテナ」と「アンテナ素子」という用語は同義であり、本明細書では互換的に使用される。各アンテナ素子は、パッチアンテナ、ダイポールアンテナ、または何らかの他のタイプのアンテナを用いて実装され得る。ワイヤレスデバイスの動作周波数、所望の性能などに基づいて、使用するために好適なアンテナタイプが選択され得る。例示的な設計では、アンテナシステムは、ミリ波周波数での動作をサポートするいくつかのパッチアンテナを含み得る。

[0022]図２に、２Ｄアンテナシステム２２０をもつワイヤレスデバイス２１０の例示的な設計を示す。この例示的な設計では、アンテナシステム２２０は、ワイヤレスデバイス２１０の前面に対応する単一の平面上に形成された４つのパッチアンテナ２３２の２×２アレイ２３０を含む。パッチアンテナアレイ２３０は、パッチアンテナ２３２が形成された平面に直交する方向を向くアンテナビーム２５０を有する。ワイヤレスデバイス２１０は、アンテナビーム２５０内に位置する他のデバイス（たとえば、アクセスポイント）に直接信号を送信することができ、また、アンテナビーム２５０内に位置する他のデバイスから直接信号を受信することができる。したがって、アンテナビーム２５０はワイヤレスデバイス２１０の見通し線（ＬＯＳ）カバレージを表す。

[0023]アクセスポイント２９０（すなわち、別のデバイス）はワイヤレスデバイス２１０のＬＯＳカバレージ内に配置され得る。ワイヤレスデバイス２１０は、見通し線（ＬＯＳ）経路２５２を介してアクセスポイント２９０に信号を送信することができる。別のアクセスポイント２９２はワイヤレスデバイス２１０のＬＯＳカバレージ外に配置され得る。ワイヤレスデバイス２１０は、ワイヤレスデバイス２１０から壁２８０への直接経路２５６と、壁２８０からアクセスポイント２９２への反射経路２５８とを含む非見通し線（ＮＬＯＳ）経路２５４を介してアクセスポイント２９２に信号を送信することができる。

[0024]概して、たとえば、図２に示すように、ワイヤレスデバイス２１０は、アンテナビーム２５０内に位置する別のデバイスにＬＯＳ経路を介して信号を直接送信することができる。この信号は、ＬＯＳ経路を介して受信されたときに電力損失がはるかに低くなり得る。低い電力損失により、ワイヤレスデバイス２１０はより低い電力レベルで信号を送信することが可能になり得、それにより、ワイヤレスデバイス２１０はバッテリー電力を温存し、バッテリー寿命を延長することが可能になり得る。

[0025]たとえば、同じく図２に示すように、ワイヤレスデバイス２１０は、アンテナビーム２５０外に位置する別のデバイスにＮＬＯＳ経路を介して信号を送信することができる。信号エネルギーの大部分はＮＬＯＳ経路中の１つまたは複数の物体によって反射、吸収、および／または散乱され得るので、この信号は、ＮＬＯＳ経路を介して受信されたときに電力損失がはるかに高くなり得る。信号がＮＬＯＳ経路を介して確実に受信され得ることを保証するために、ワイヤレスデバイス２１０は高電力レベルで信号を送信することができる。しかしながら、ワイヤレスデバイス２１０は、高電力レベルで信号を送信するために過剰なバッテリー電力を消費し得る。

[0026]アンテナ素子は、ワイヤレスデバイスの面に対応する平面上に形成され得、信号を送信および／または受信するために使用され得る。アンテナ素子は、アンテナ素子の設計および実装形態に依存し得る、特定のアンテナビームパターンおよび特定の最大アンテナ利得を有し得る。複数のアンテナ素子が同じ平面上に形成され、アンテナ利得を改善するために使用され得る。（ｉ）ミリ波周波数では高電力を効率的に生成することが困難であり、（ｉｉ）ミリ波周波数では減衰損失がより大きくなり得るので、ミリ波周波数では、より高いアンテナ利得が特に望ましいことがある。各アンテナ素子は、アンテナ素子の指向性（directivity）により、限定されたＬＯＳカバレージエリアを有し得る。複数のアンテナ素子から構成されたアンテナシステムも、限定されたＬＯＳカバレージエリアを有することになる。ＬＯＳカバレージエリア外のエリアは反射信号によってカバーされ得るが、ＮＬＯＳカバレージエリア中では信号強度は弱くなり得る。したがって、可能な場合、より大きいＬＯＳカバレージエリアを有することが好ましい。

[0027]一態様では、ワイヤレスデバイスは、ＬＯＳカバレージを改善し、性能を向上させるために、３Ｄアンテナシステムを含み得る。３Ｄアンテナシステムは、異なる空間的方向を向く複数の平面上に形成されたアンテナ素子を含み得る。その場合、３Ｄアンテナシステムは、アンテナ素子が形成された複数の平面に対応する複数のアンテナビームを有することになる。平面ごとにアンテナビームは、異なるＬＯＳカバレージエリアをカバーすることになる。複数のアンテナビームは、より大きい全体的ＬＯＳカバレージエリアをワイヤレスデバイスに与えることができる。また、異なる空間的方向を向くアンテナビームが、いくつかのアンテナビームのより良い信号反射により、より高い電力レベルの反射信号を生じ得るので、ＮＬＯＳカバレージは改善し得る。

[0028]図３に、３Ｄアンテナシステム３２０をもつワイヤレスデバイス３１０の例示的な設計を示す。この例示的な設計では、アンテナシステム３２０は、（ｉ）ワイヤレスデバイス３１０の前面に対応する第１の平面上に形成された４つのパッチアンテナ３３２の２×２アレイ３３０と、（ｉｉ）ワイヤレスデバイス３１０の上面に対応する第２の平面上に形成された４つのパッチアンテナ３４２の２×２アレイ３４０とを含む。アンテナアレイ３３０は、パッチアンテナ３３２が形成された第１の平面に直交する方向を向くアンテナビーム３５０を有する。アンテナアレイ３４０は、パッチアンテナ３４２が形成された第２の平面に直交する方向を向くアンテナビーム３６０を有する。したがって、アンテナビーム３５０および３６０はワイヤレスデバイス３１０のＬＯＳカバレージを表す。

[0029]アクセスポイント３９０（すなわち、別のデバイス）は、アンテナビーム３５０のＬＯＳカバレージ内であるが、アンテナビーム３６０のＬＯＳカバレージ外に配置され得る。ワイヤレスデバイス３１０は、アンテナビーム３５０内のＬＯＳ経路３５２を介してアクセスポイント３９０に第１の信号を送信することができる。別のアクセスポイント３９２は、アンテナビーム３６０のＬＯＳカバレージ内であるが、アンテナビーム３５０のＬＯＳカバレージ外に配置され得る。ワイヤレスデバイス３１０は、アンテナビーム３６０内のＬＯＳ経路３６２を介してアクセスポイント３９２に第２の信号を送信することができる。ワイヤレスデバイス３１０は、直接経路３５６と壁３８０による反射経路３５８とから構成されたＮＬＯＳ経路３５４を介してアクセスポイント３９２に信号を送信することができる。アクセスポイント３９２は、ＮＬＯＳ経路３５４を介した信号よりも高い電力レベルで、ＬＯＳ経路３６２を介した信号を受信し得る。

[0030]図２および図３に示すように、ワイヤレスデバイス３１０のＬＯＳカバレージは、複数の平面上に形成されたアンテナ素子を有する３Ｄアンテナシステムを使用することによって拡張され得る。これにより、ワイヤレスデバイス３１０は同時に複数の他のデバイスに信号を送信することが可能になり得る。また、これにより、ワイヤレスデバイス３１０は、より多くのシナリオでは、より低い電力レベルで信号を送信することが可能になり得、それにより、ワイヤレスデバイス３１０はバッテリー電力を温存し、バッテリー寿命を延長することが可能になり得る。

[0031]また、ワイヤレスデバイス３１０のＮＬＯＳカバレージは、３Ｄアンテナシステム３２０を使用することによって改善され得る。異なるアンテナビームによって送信される信号は、異なる物体に遭遇し得、異なる方向に反射および／または散乱され得る。これにより、ワイヤレスデバイス３１０からの信号がより多くのロケーションにおいておよび／またはより高い電力レベルで受信されることが可能になり得、それによりワイヤレスデバイス３１０のカバレージが改善され得る。

[0032]図３に、２つの平面上に形成された２つの２×２アンテナアレイ３３０および３４０を備える３Ｄアンテナシステムの例示的な設計を示す。概して、３Ｄアンテナシステムは、異なる空間的方向を向く任意の数の平面上に形成された任意の数のアンテナ素子を含み得る。平面は、互いに直交することも、しないこともある。任意の数のアンテナが各平面上に形成され得、任意の構成で構成され得る。より多くの平面上のアンテナを使用することは、ＬＯＳカバレージおよび場合によってはＮＬＯＳカバレージを改善し得る。

[0033]図４Ａに、３Ｄアンテナシステム４２０ａをもつワイヤレスデバイス４１０ａの例示的な設計を示す。この例示的な設計では、アンテナシステム４２０ａは、（ｉ）ワイヤレスデバイス４１０ａの前面に対応する第１の平面上に形成された８つのパッチアンテナ４３２の４×２アレイ４３０と、（ｉｉ）ワイヤレスデバイス４１０ａの上面に対応する第２の平面上に形成された８つのパッチアンテナ４４２の４×２アレイ４４０とを含む。アンテナアレイ４３０は、パッチアンテナ４３２が形成された第１の平面に直交する方向を向く第１のアンテナビームを有する。アンテナアレイ４４０は、パッチアンテナ４４２が形成された第２の平面に直交する方向を向く第２のアンテナビームを有する。

[0034]図４Ｂに、３Ｄアンテナシステム４２０ｂをもつワイヤレスデバイス４１０ｂの例示的な設計を示す。この例示的な設計では、図４Ａ中の３Ｄアンテナシステム４２０ａと同様に、アンテナシステム４２０ｂは、８つのパッチアンテナ４３２の４×２アレイ４３０と、８つのパッチアンテナ４４２の４×２アレイ４４０とを含む。３Ｄアンテナシステム４２０ｂはさらに、（ｉ）ワイヤレスデバイス４１０ｂの左側面に対応する第３の平面上に形成された４つのパッチアンテナ４５２の４×２アレイ４５０と、（ｉｉ）ワイヤレスデバイス４１０ｂの右側面に対応する第４の平面上に形成された４つのパッチアンテナの２×２アレイ４６０（図４Ｂ中では見えない）とを含む。アンテナアレイ４３０、４４０、４５０および４６０は、異なる空間的方向を向く４つのアンテナビームを有する。

[0035]図４Ａおよび図４Ｂに、３Ｄアンテナシステムの２つの例示的な設計を示す。３Ｄアンテナシステムは他の方法でも実装され得る。たとえば、３Ｄアンテナシステムは、前面と２つの側面と（ただし上面ではない）の上のアンテナアレイ、または前面と背面と（ただし上面または側面ではない）の上のアンテナアレイ、または前面と背面と２つの側面と（ただし上面ではない）の上のアンテナアレイ、または前面と背面と上面と２つの側面との上のアンテナアレイを含み得る。３Ｄアンテナシステムはまた、（パッチアンテナではなく）他のタイプのアンテナおよび／または（２Ｄアレイではなく）他の構成で構成されたアンテナを含み得る。

[0036]概して、３Ｄアンテナシステムは、任意のタイプのアンテナまたはタイプの任意の組合せを含み得る。たとえば、３Ｄアンテナシステムは、パッチアンテナ、モノポールアンテナ、ダイポールアンテナ、ループアンテナ、マイクロストリップアンテナ、ストリップラインアンテナ、プリントダイポールアンテナ、反転Ｆアンテナ、平面反転Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ：planar inverted F antenna）、分極パッチ、（接地平面のない不規則形状のフラットアンテナである）プレートアンテナ、半波長アンテナ、１／４波アンテナなどを含み得る。パッチアンテナは平面アンテナと呼ばれることもある。ダイポールアンテナはホイップアンテナ（whip antenna）と呼ばれることもある。３Ｄアンテナシステムのための使用に好適なタイプのアンテナは、ワイヤレスデバイスの動作周波数、所望の性能など様々なファクタに基づいて選択され得る。６０ＧＨｚでの使用（たとえば、８０２．１１ａｄの場合）に好適なパッチアンテナのいくつかの例示的な設計について以下で説明する。

[0037]図５Ａに、ミリ波周波数に好適なパッチアンテナ５１０の例示的な設計を示す。パッチアンテナ５１０は、接地平面５１４上に形成された導電性パッチ５１２を含む。パッチ５１２は、所望の動作周波数に基づいて選択された寸法（たとえば、１．５５×１．５５ｍｍ）を有する。接地平面５１４は、パッチアンテナ５１０の所望の指向性を与えるために選択された寸法（たとえば、２．５×２．５ｍｍ）を有する。また、より大きい接地平面は、より小さいバックローブ（backlobes）を生じる。給電点（feedpoint）５１６は、パッチ５１２の中心の近くに位置し、出力ＲＦ信号が送信のためにパッチアンテナ５１０に印加される点である。給電点５１６の位置は、給電路（feedline）に所望のインピーダンス整合を与えるように選択され得る。

[0038]図５Ｂに、図５Ａ中のパッチアンテナ５１０のアンテナビームパターン５２０のプロットを示す。アンテナビームパターン５２０は、パッチアンテナ５１０が形成されたｘ−ｙ平面に直交するｚ方向を向く球形のメインローブ（main lobe）を有する。最大アンテナ利得は、パッチ５１２の中心からｚ方向に沿って、アイソトロピックに対してほぼ７デシベル（ｄＢｉ）である。

[0039]図５Ｃに、図５Ａ中のパッチアンテナ５１０の周波数応答のプロット５３０を示す。図５Ｃにおいて、垂直軸は、デシベル（ｄＢ）単位での反射損失を表し、水平軸は、ＧＨｚ単位での周波数を表す。図５Ｃに示すように、パッチアンテナ５１０は、ほぼ６０ＧＨｚを中心とするほぼ１．２ＧＨｚの帯域幅を有する。帯域幅は、反射損失がターゲット反射損失よりも低い／良い周波数レンジに対応し、反射損失は図５Ｃでは−１０ｄＢであり得る。

[0040]図６Ａに、ミリ波周波数に好適なパッチアンテナ６１０の例示的な設計を示す。パッチアンテナ６１０は、接地平面６１４上に形成された導電性Ｅ字形パッチ６１２を含む。パッチ６１２は、所望の動作周波数に基づいて選択された寸法（たとえば、１．３７×２．１０ｍｍ）を有する。パッチ６１８ａおよび６１８ｂの各々は、所望の周波数応答に基づいて選択された寸法（たとえば、１．００×０．２６ｍｍ）を有する。接地平面６１４は、所望の指向性を与えるために選択された寸法（たとえば、５．０×５．０ｍｍ）を有する。給電点６１６は、パッチ６１２の中心の近くに位置し、出力ＲＦ信号がパッチアンテナ６１０に印加される点である。給電点６１６の位置は、所望のインピーダンス整合を与えるように選択される。

[0041]図６Ｂに、図６Ａ中のパッチアンテナ６１０のアンテナビームパターン６２０のプロットを示す。アンテナビームパターン６２０は、パッチアンテナ６１０が形成されたｘ−ｙ平面に直交するｚ方向を向く球形のメインローブを有する。最大アンテナ利得は、パッチ６１２の中心からｚ方向に沿ってほぼ８ｄＢｉである。

[0042]図６Ｃに、図６Ａ中のパッチアンテナ６１０の周波数応答のプロット６３０を示す。図６Ｃに示すように、パッチアンテナ６１０は、ほぼ６０ＧＨｚを中心とするほぼ１０ＧＨｚの帯域幅を有する。８．６４ＧＨｚ帯域幅上で動作する８０２．１１ａｄの場合、この帯域幅は十分以上である。図６Ａ中のＥ字形パッチアンテナ６１０は、図５Ａ中の正方形パッチアンテナ５１０よりもはるかに広い帯域幅を有する。

[0043]図５Ａおよび図６Ａに、２つの例示的なパッチアンテナ設計を示す。パッチアンテナは、長方形形状、円形形状、楕円形形状、Ｈ字形状、Ｏ字形状、Ｔ字形状、Ｖ字形状、Ｗ字形状、Ｘ字形状、Ｙ字形状、Ｚ字形状など、他の形状で実装され得る。異なる形状は、異なる帯域幅および／または異なるアンテナビームパターンに関連し得る。好適なパッチ形状は、所望の性能、たとえば、所望の帯域幅に基づいて選択され得る。概して、アンテナビームパターン、帯域幅、最大アンテナ利得など、アンテナの様々な特性は、アンテナの形状および寸法、アンテナを実装するために使用される材料など、様々なファクタに依存し得る。

[0044]複数のパッチアンテナが様々な構成で構成されて、アンテナアレイを形成し得る。異なるアレイ構成は、異なるアンテナビームパターンおよび異なる最大アンテナ利得に関連し得る。

[0045]図７Ａに、直線に配置された４つのパッチアンテナ７２０ａ〜７２０ｄから構成された４×１アンテナアレイ７１０の例示的な設計を示す。各パッチアンテナ７２０は、図５Ａに示す正方形パッチアンテナ５１０、図６Ａに示すＥ字形パッチアンテナ６１０、または何らかの他の形状のパッチアンテナを用いて実装され得る。隣接するパッチアンテナ７２０は、２．５、３、４、５、１０、２０ｍｍなどであり得る距離ｄだけ分離される。異なるアンテナビームパターンは、異なる分離距離を用いて得られ得る。

[0046]図７Ｂに、ｙ−ｚ平面での、図７Ａ中のパッチアンテナ７１０のアンテナビームパターン７３０のプロットを示す。アンテナビームパターン７３０は、パッチアンテナ７２０が形成されたｘ−ｙ平面に直交するｚ方向を向くメインローブを有する。

[0047]図７Ｃに、ｘ−ｚ平面での、図７Ａ中のパッチアンテナ７１０のアンテナビームパターン７４０のプロットを示す。アンテナビームパターン７４０は、ｚ方向を向くメインローブを有する。図７Ｃ中のｘ軸に沿ったメインローブは、図７Ｂ中のｙ軸に沿ったメインローブよりも広い。

[0048]図８Ａに、４つのパッチアンテナ８２０ａ〜８２０ｄから構成された２×２アンテナアレイ８１０の例示的な設計を示す。各パッチアンテナ８２０は、正方形パッチアンテナ５１０、Ｅ字形パッチアンテナ６１０、または何らかの他の形状のパッチアンテナを用いて実装され得る。パッチアンテナ８２０は、２．５、３、４、５、１０、２０ｍｍなどであり得る距離ｄだけ分離される。異なるアンテナビームパターンは、異なる分離距離を用いて得られ得る。

[0049]図８Ｂに、ｘ−ｚ平面での、図８Ａ中のパッチアンテナ８１０のアンテナビームパターン８３０のプロットを示す。アンテナビームパターン８３０は、パッチアンテナ８２０が形成されたｘ−ｙ平面に直交するｚ方向を向くメインローブを有する。ｙ−ｚ平面でのパッチアンテナ８１０のアンテナビームパターンは、ｘ−ｚ平面でのアンテナビームパターン８３０と同様である。

[0050]図９に、４つのパッチアンテナ９２０ａ〜９２０ｄから構成されたアンテナアレイ９１０の例示的な設計を示す。各パッチアンテナ９２０は、正方形パッチアンテナ５１０、Ｅ字形パッチアンテナ６１０、または何らかの他の形状のパッチアンテナを用いて実装され得る。パッチアンテナ９２０は、２．５、３、４、５、１０、２０ｍｍなどであり得る距離ｄだけ分離される。

[0051]図７Ａ、図８Ａおよび図９に、いくつかの例示的なアンテナアレイを示す。概して、複数のパッチアンテナが、所望のアンテナビームパターン、所望の最大アンテナ利得、利用可能な空間など、様々なファクタに基づいて選択され得る任意の構成で構成され得る。所与の軸で整列したパッチアンテナが多いほど、アンテナビームはより集中し、狭くなるが、アンテナ利得は高くなり得る。また、以下で説明するように、所与の軸で整列した複数のパッチアンテナはビームフォーミングのために使用され得る。

[0052]図１０に、ガラス上に形成された３Ｄアンテナシステム１０１０の例示的な設計の側面図を示す。３Ｄアンテナシステム１０１０は、（ｉ）（たとえば、ワイヤレスデバイスの前面に対応する）第１の平面上に形成されたパッチアンテナ（Ａｎｔ）１０２２ａおよび１０２２ｂのアレイ１０２０と、（ｉｉ）（たとえば、ワイヤレスデバイスの上面に対応する）第２の平面上に形成されたパッチアンテナ１０３２ａおよび１０３２ｂのアレイ１０３０とを含む。

[0053]アンテナ１０２２および１０３２は、Ｌ字形ガラス基板１０４０の外面１０４２上に形成される。ＲＦチップ１０５０は、（ｉ）アンテナ１０２２および１０３２を介して送信するための出力ＲＦ信号を生成するための送信回路、および／または（ｉｉ）アンテナ１０２２および１０３２からの受信ＲＦ信号を処理するための受信回路を含む。ＲＦチップ１０５０は、ガラス基板１０４０を通して形成されたビア１０２４を通ってアンテナ１０２２に電気的に結合される。ＲＦチップ１０５０はまた、導電性相互接続１０３６と、ガラス基板１０４０を通して形成されたビア１０３４とを通ってアンテナ１０３２に電気的に結合される。

[0054]表１に、３Ｄアンテナシステムにおけるアンテナを形成する異なる方法を記載する。表１に示すように、アンテナ素子は、集積回路（ＩＣ）チップ上、ＩＣパッケージ上、回路板上、または（たとえば、図１０に示すように）ガラス基板上に形成され得る。オンチップ実装形態は、容易な統合を可能にし得るが、ＩＣチップの単位面積当たりのコストが高いために高いコストを有し得る。オンパッケージ実装形態は、コンパクトであり得るが、カスタマイズされたＩＣパッケージを必要とし得る。オンボード実装形態は、（回路板のために使用される材料に応じて）良好な性能を与え得、フレキシビリティを与え得る。オンガラス実装形態は、より低いコスト、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ：micro electromechanical system）技術との簡単な統合、および３Ｄ製造の容易さなど、いくつかの利点を有し得る。アンテナ素子は、ＭＥＭＳまたは何らかの他のプロセス技術に基づいてガラス上に形成され得る。３Ｄアンテナシステム中のアンテナは、表１に記載されている方法の任意の１つまたは任意の組合せに基づいて、および／または他の方法で作製され得る。表１において、損失正接（loss tangent）は小さいほど良く、損失を低減し得る。

[0055]概して、ワイヤレスデバイスは、ボリューム、球、または何らかの他の形状で任意の数の平面上に形成されたアンテナ素子（たとえば、パッチアンテナ）を含み得る。さらに、任意の数のアンテナ素子が所与の平面上に形成され得る。使用する平面の数、各平面上のアンテナ素子の数、および各アンテナ素子の設計は、ワイヤレスデバイスの要件に基づいてフレキシブルに選択され得る。

[0056]例示的な設計では、ＬＯＳカバレージを改善し、および／または他の利点を得るために、３Ｄアンテナシステムのためにビームフォーミングが使用され得る。３Ｄアンテナシステムでは１つまたは複数のアンテナアレイに対してビームフォーミングが実行され得る。ビームフォーミングは、アンテナアレイのアンテナビームを異なる空間的方向にステアリングするために使用され得、それにより、アンテナアレイのＬＯＳカバレージが拡張されることになる。ビームフォーミングは、アンテナのアレイ中の異なるアンテナを介して送信される複数の信号に複素利得を印加することによって、アレイに対して実行され得る。

[0057]図１１に、３Ｄアンテナシステム１１２０をもつワイヤレスデバイス１１１０の例示的な設計のブロック図を示す。この例示的な設計では、３Ｄアンテナシステム１１２０は、異なる空間的方向を向くＫ個の平面上に形成されたＫ個のアンテナアレイ１１３０ａ〜１１３０ｋを含み、Ｋは、１よりも大きい任意の整数値であり得る。各アンテナアレイ１１３０はＮ個のアンテナ１１３２を含み、Ｎは、１よりも大きい任意の整数値であり得る。Ｋ個のアンテナアレイ１１３０ａ〜１１３０ｋは、同じまたは異なる数のアンテナを含み得る。

[0058]データ送信の場合、データプロセッサ１１５０は、送信されるべきデータを処理し（たとえば、符号化し、変調し）、Ｋ個のアンテナアレイ１１３０ａ〜１１３０ｋにＫ個のデータ信号Ｘｏｕｔ１〜ＸｏｕｔＫを与え得る。１つの例示的な設計では、Ｋ個のデータ信号は同じであり得、すべてのＫ個のアンテナアレイ１１３０ａ〜１１３０ｋから同じ情報が送られ得る。別の例示的な設計では、Ｋ個のデータ信号は異なるデータ信号であり得、Ｋ個のアンテナアレイ１１３０ａ〜１１３０ｋから異なる情報が送られ得る。

[0059]アンテナアレイ１１３０ａのための送信セクション１１５２ａ内で、Ｘｏｕｔ１データ信号はＮ個の乗算器１１６０ａ〜１１６０ｎに与えられ得、それらは、それぞれＮ個の複素利得Ｇ_T11〜Ｇ_T1Nをも受信し得る。各乗算器１１６０は、Ｘｏｕｔ１データ信号をそれの複素利得と乗算し、スケーリングされたデータ信号を与え得る。各乗算器１１６０からのスケーリングされたデータ信号は、関連する送信（ＴＸ）回路１１６２によって処理され、関連する電力増幅器（ＰＡ）１１６４によってさらに増幅されて、出力ＲＦ信号が生成され得る。出力ＲＦ信号は、スイッチプレクサ／デュプレクサ（Ｓｗ／デュプレクサ）１１６６を通ってルーティングされ、関連するアンテナ１１３２を介して送信され得る。ＴＸ回路１１６２は、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）、増幅器、フィルタ、アップコンバータ／ミキサなどを含み得る。このようにして、Ｎ個の乗算器１１６０ａ〜１１６０ｎからのＮ個のスケーリングされたデータ信号は処理され、アンテナアレイ１１３０ａのＮ個のアンテナ１１３２ａａ〜１１３２ａｎを介して送信され得る。乗算器１１６０ａ〜１１６０ｎはまた、送信セクション１１５２ａ中のＮ個の送信経路内の他の位置（たとえば、ＴＸ回路１１６２の後）に配置され得る。乗算器１１６０ａ〜１１６０ｎは、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアなどで実装され得る。

[0060]各残りの送信セクション１１５２は、同様に、それの関連するアンテナアレイ１１３０の複素利得のセットとともにそれのデータ信号を受信し、処理して、スケーリングされたデータ信号のセットを生成し得る。スケーリングされたデータ信号は、関連するアンテナアレイ１１３０中のＮ個のアンテナ１１３２を介してさらに処理され、送信され得る。

[0061]データ受信の場合、アンテナアレイ１１３０ａ〜１１３０ｋは、他のデバイスによって送信されたＲＦ信号を受信し得る。アンテナ１１３２からの受信ＲＦ信号は、スイッチプレクサ／デュプレクサ１１６６を通ってルーティングされ、低雑音増幅器（ＬＮＡ）１１７０によって増幅され、さらに受信（ＲＸ）回路１１７２によって処理されて、受信ベースバンド信号が得られ得る。ＲＸ回路１１７２は、ダウンコンバータ／ミキサ、増幅器、フィルタ、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）などを含み得る。

[0062]アンテナアレイ１１３０ａのための送信セクション１１５４ａ内で、Ｎ個の乗算器１１７４ａ〜１１７４ｎは、Ｎ個のＲＸ回路１１７２からのＮ個の受信ベースバンド信号を与えられ、また、それぞれＮ個の複素利得Ｇ_R11〜Ｇ_R1Nをも与えられ得る。各乗算器１１７４は、それの受信ベースバンド信号をそれの複素利得と乗算し、スケーリングされた受信ベースバンド信号を与え得る。このようにして、アンテナアレイ１１３０ａのＮ個のアンテナ１１３２ａａ〜１１３２ａｎからのＮ個の受信ＲＦ信号は、Ｎ個の乗算器１１７４ａ〜１１７４ｎによって処理され、スケーリングされ得る。加算器１１７６は、乗算器１１７４ａ〜１１７４ｎからのＮ個のスケーリングされた受信ベースバンド信号を合計し、データプロセッサ１１５０に入力信号Ｘｉｎ１を与え得る。乗算器１１７４ａ〜１１７４ｎおよび加算器１１７６はまた、受信セクション１１５４ａ中のＮ個の受信経路内の他の位置（たとえば、ＲＸ回路１１７２の前）に配置され得る。各アンテナアレイ１１３０のための乗算器１１７４ａ〜１１７４ｎは、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアなどで実装され得る。各残りの受信セクション１１５４は、同様に、それの関連するアンテナアレイ１１３０の複素利得のセットとともにそれの受信ＲＦ信号を受信し、処理して、入力信号を生成し得る。データプロセッサ１１５０は、Ｋ個のアンテナアレイ１１３０ａ〜１１３０ｋのためのＫ個の加算器１１７６からのＫ個の入力信号Ｘｉｎ１〜ＸｉｎＫを処理し（たとえば、復調し、復号し）得る。

[0063]コントローラ／プロセッサ１１９０は、ワイヤレスデバイス１１１０内の様々なユニットの動作を指示し得る。メモリ１１９２は、ワイヤレスデバイス１１１０のプログラムコードおよびデータを記憶し得る。データプロセッサ１１５０と、コントローラ／プロセッサ１１９０と、メモリ１１９２とは、バス１１９４および／または他の手段を介して通信し得る。

[0064]送信セクション１１５２ａ〜１１５２ｋおよび受信セクション１１５４ａ〜１１５４ｋの全部または一部分は、１つまたは複数のアナログＩＣ、ＲＦ ＩＣ（ＲＦＩＣ）、混合信号ＩＣなどの上に実装され得る。送信セクション１１５２ａ〜１１５２ｋおよび受信セクション１１５４ａ〜１１５４ｋの残りの部分、データプロセッサ１１５０、コントローラ／プロセッサ１１９０、ならびにメモリ１１９２は、１つまたは複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）および／または他のＩＣ上に実装され得る。

[0065]ワイヤレスデバイス１１１０は、３Ｄアンテナシステム１１２０のために様々な方法でビームフォーミングを実行し得る。ワイヤレスデバイス１１１０は、ただ１つのアンテナアレイ１１３０ａ（たとえば、ワイヤレスデバイス１１１０の前面上のアンテナアレイ）、またはすべてのＫ個のアンテナアレイ１１３０ａ〜１１３０ｋ、またはＫ個のアンテナアレイのサブセットに対してビームフォーミングを実行し得る。１つの例示的な設計では、ワイヤレスデバイス１１１０は、ビームフォーミングがサポートされるアンテナアレイ１１３０ごとに独立してビームフォーミングを実行し得る。アンテナアレイ１１３０ごとに、ワイヤレスデバイス１１１０は、異なるアンテナビームを評価し得、最良の性能をもつアンテナビームを選択し得る。これは様々な方法で達成され得る。

[0066]１つの例示的な設計では、ワイヤレスデバイス１１１０は、ワイヤレスデバイス１１１０によって受信された信号に基づいて、各アンテナアレイ１１３０のための最良のアンテナビームを識別し得る。ワイヤレスデバイス１１１０は、所与のアンテナアレイについて評価のために一度に１つのアンテナビームを選択し得る。アンテナビームごとに、ワイヤレスデバイス１１１０は、他のデバイスから信号（たとえば、パイロット信号および／またはデータ信号）を検出し得、各検出信号の受信電力を測定し得る。ワイヤレスデバイス１１１０は、当該のデバイスのための最も高い受信電力をもつアンテナビームを、アンテナアレイのための最良のアンテナビームとして識別し得る。ワイヤレスデバイス１１１０は、同様の方法で各残りのアンテナアレイのための最良のアンテナビームを識別し得る。

[0067]別の例示的な設計では、ワイヤレスデバイス１１１０は、ワイヤレスデバイス１１１０によって送信された信号に基づいて、各アンテナアレイ１１３０のための最良のアンテナビームを識別し得る。ワイヤレスデバイス１１１０は、所与のアンテナアレイについて評価のために一度に１つのアンテナビームを選択し得る。アンテナビームごとに、ワイヤレスデバイス１１１０は、他のデバイスに信号（たとえば、パイロット信号および／またはデータ信号）を送信し得る。ワイヤレスデバイス１１１０は、ワイヤレスデバイス１１１０によって送信された信号に基づいて他のデバイスによって判断されたフィードバックを受信し得る。たとえば、ワイヤレスデバイス１１１０は、他のデバイスにおいて測定された、ワイヤレスデバイス１１１０によって送信されたパイロットおよび／またはデータ信号の受信電力を示すフィードバックを受信し得る。別の例として、ワイヤレスデバイス１１１０は、ワイヤレスデバイス１１１０によって送信されたデータ信号が他のデバイスによって正しく復号されたかどうかを示すフィードバックを受信し得る。いずれの場合も、ワイヤレスデバイス１１１０は、最良の性能（たとえば、最高受信電力または最低誤り率）をもつアンテナビームを、アンテナアレイのための最良のアンテナビームとして識別し得る。ワイヤレスデバイス１１１０は、同様の方法で各残りのアンテナアレイのための最良のアンテナビームを識別し得る。さらに別の例示的な設計では、ワイヤレスデバイス１１１０は、受信信号と送信信号との組合せに基づいて、各アンテナアレイ１１３０のための最良のアンテナビームを識別し得る。

[0068]概して、ワイヤレスデバイス１１１０は、１つまたは複数の基準に基づいて、各アンテナビームの性能（performance）メトリックを判断し得る。たとえば、性能メトリックは、ワイヤレスデバイス１１１０によって受信された信号の受信電力、他のデバイスおいて測定された、ワイヤレスデバイス１１１０によって送信された信号の受信電力、送信信号または受信信号の誤り率などに関係し得る。ワイヤレスデバイス１１１０は、各アンテナアレイのための各アンテナビームの性能メトリックに基づいてそのアンテナアレイのための最良のアンテナビームを識別し得る。

[0069]図１１に示すように、アンテナアレイ１１３０ごとに複素利得または係数のセットが、そのアンテナアレイのためのビームフォーミングを実行するために使用され得る。複素利得は、（ｉ）実数値Ａおよび虚数値Ｂ（すなわち、Ａ＋ｊＢ）または（ｉｉ）振幅Ｋおよび位相θ（すなわち、Ｋ∠θ）のいずれかによって定義され得る。１つの例示的な設計では、各アンテナアレイ１１３０の複素利得は異なる振幅および／または位相を有し得、それらは所望のアンテナビームを得るように選択され得る。この例示的な設計は、アンテナアレイのためのアンテナビームを定義するために、より多くのフレキシビリティを与え得る。別の例示的な設計では、各アンテナアレイ１１３０の複素利得は、同じ振幅（たとえば、１．０）を有するが、異なる位相を有し得、それらは所望のアンテナビームを得るように選択され得る。この例示的な設計は、各アンテナ１１３２について全送信電力が利用されることを可能にし得る。例示的な設計では、アンテナアレイの複素利得のセット中の１つの複素利得は、固定値（たとえば、１．０）を有し得る。これにより、１つの乗算器（たとえば、図１１中の送信セクション１１５２ａ中の乗算器１１６０ａ）を省略することが可能になり得る。

[0070]異なるアンテナビームに関連する複素利得の複数のセットが、アンテナアレイのために利用可能であり得る。１つの例示的な設計では、複素利得の複数のセットは、（ｉ）コンピュータシミュレーション、経験的測定値に基づいて、および／または他の手段によってアプリオリ（a priori）に判断され、（ｉｉ）ワイヤレスデバイス１１１０上の不揮発性メモリ（たとえば、メモリ１１９２）に記憶され得る。たとえば、（たとえば、空間領域において一様に離間された）異なる空間的方向を向くＭ個のアンテナビームの複素利得のＭ個のセットが判断され、記憶され得、ただし、Ｍは任意の整数値であり得る。複素利得の１つのセットが所与の瞬間に印加されて、複素利得のそのセットに関連するアンテナビームが得られ得る。

[0071]別の例示的な設計では、アンテナアレイの複素利得の複数のセットが適応的に判断され得る。たとえば、アンテナアレイのために複素利得の初期セットが使用され得、この初期セットの性能メトリックが判断され得る。複素利得の新しいセットを得るために、初期セット中の１つまたは複数の複素利得が所定の範囲内で変更され得る。（１つまたは複数の）複素利得は、ランダムに、または探索アルゴリズムに基づいて変更され得る。複素利得の新しいセットの性能メトリックが判断され得る。複素利得の新しいセットの性能メトリックが初期セットの性能メトリックよりも良い場合、その新しいセットは保持され得る。最良の性能メトリックが得られるまで、１つまたは複数の複素利得が同様の方法で反復的に変更され、評価され得る。

[0072]例示的な設計では、装置は、たとえば、図３および図１１に示すように、アンテナ素子の第１および第２のセットを備え得る。装置は、ワイヤレスデバイス、アンテナモジュール、ＩＣチップ、ＩＣパッケージ、回路板などであり得る。アンテナ素子の第１のセット（たとえば、図３中のアンテナ素子３３２または図１１中のアンテナ素子１１３２ａａ〜１１３２ａｎ）は、ワイヤレスデバイスの第１の平面上に形成され得、たとえば、アンテナ素子の第１のセットの複素利得の第１のセットによるビームフォーミングを用いて得られた第１のアンテナビームに関連し得る。アンテナ素子の第２のセット（たとえば、図３中のアンテナ素子３４２、または図１１中のアンテナ素子１１３２ｋａ〜１１３２ｋｎ）は、ワイヤレスデバイスの第２の平面上に形成され得る。第１の平面と第２の平面とは異なる空間的方向を向き得る。たとえば、第１の平面は、ワイヤレスデバイスの第２の平面に直交し得る。

[0073]例示的な設計では、たとえば、図３に示すように、第１の平面はワイヤレスデバイスの前面に対応し得、第２の平面はワイヤレスデバイスの上面に対応し得る。第１の平面と第２の平面とはまた、ワイヤレスデバイスの他の面に対応し得る。

[0074]例示的な設計では、アンテナ素子の第２のセットは、たとえば、アンテナ素子の第２のセットの複素利得の第２のセットによるビームフォーミングを用いて得られた第２のアンテナビームに関連し得る。概して、ビームフォーミングは、アンテナ素子の第１のセットのみ、またはアンテナ素子の第１のセットと第２のセットの両方に対して実行され得る。ビームフォーミングはまた、アンテナ素子の第１のセットと第２のセットとに対して、たとえば、アンテナ素子の２つのセットに対して複素利得の異なるセットを使用して、独立して実行され得る。代替的に、ビームフォーミングは、アンテナ素子の２つのセットに対して、たとえば、アンテナ素子の両方のセットに対して複素利得の同じセットを使用して、一緒に実行され得る。

[0075]例示的な設計では、アンテナ素子の第１のセットは、第１のアンテナビームによって出力信号を放射し得、また、アンテナ素子の第２のセットは、第２のアンテナビームによって出力信号を放射し得る。この例示的な設計では、アンテナ素子の両方のセットから同じ出力信号が送信され得る。別の例示的な設計では、アンテナ素子の第１のセットおよび第２のセットから異なる出力信号が送信され得る。

[0076]例示的な設計では、送信と受信の両方のために同じアンテナビームが使用され得る。この例示的な設計では、アンテナ素子の第１のセットは、第１のアンテナビームによって別のデバイスからの信号を受信し得る。別の例示的な設計では、送信と受信のために異なるアンテナビームが使用され得る。この例示的な設計では、アンテナ素子の第１のセットは、たとえば、図１１に示すように、たとえば、アンテナ素子の第１のセットの複素利得の別のセットによるビームフォーミングを用いて得られた別のアンテナビームによって、別のデバイスから信号を受信し得る。

[0077]装置は、たとえば、図１１に示すように、電力増幅器の第１のセットおよび第２のセットをさらに備え得る。電力増幅器の第１のセット（たとえば、図１１中の送信セクション１１５２ａ中の電力増幅器１１６４）は、出力信号に基づいて生成された入力信号の第１のセットを受信し得、アンテナ素子の第１のセットによる送信のための出力ＲＦ信号の第１のセットを与え得る。電力増幅器の第２のセット（たとえば、図１１中の送信セクション１１５２ｋ中の電力増幅器１１６４）は、同じ出力信号に基づいて生成された入力信号の第２のセットを受信し得、アンテナ素子の第２のセットによる送信のための出力ＲＦ信号の第２のセットを与え得る。

[0078]装置は、たとえば、図１１に示すように、ＬＮＡの第１のセットおよび第２のセットをさらに備え得る。ＬＮＡの第１のセット（たとえば、図１１中の受信セクション１１５４ａ中のＬＮＡ１１７０）は、アンテナ素子の第１のセットから受信ＲＦ信号の第１のセットを受信し得、増幅された信号の第１のセットを与え得る。ＬＮＡの第２のセット（たとえば、図１１中の受信セクション１１５４ｋ中のＬＮＡ１１７０）は、アンテナ素子の第２のセットから受信ＲＦ信号の第２のセットを受信し得、増幅された信号の第２のセットを与え得る。

[0079]例示的な設計では、アンテナ素子の第１のセットが第１のアンテナアレイを形成し得、アンテナ素子の第２のセットが第２のアンテナアレイを形成し得る。例示的な設計では、アンテナ素子の第１のセットは、２Ｄアレイで構成され得る複数のパッチアンテナを備え得る。例示的な設計では、図５Ａに示すように、各パッチアンテナは正方形形状を有し得る。別の例示的な設計では、各パッチアンテナは、非正方形形状、すなわち、正方形または長方形でない任意の形状を有し得る。たとえば、図６Ａに示すように、各パッチアンテナはＥ字形状を有し得る。

[0080]例示的な設計では、たとえば、図１０に示すように、アンテナ素子の第１のセットはガラス基板の第１の面上に形成され得、アンテナ素子の第２のセットはガラス基板の第２の面上に形成され得る。第２の面は第１の面に直交し得る。他の例示的な設計では、アンテナ素子の第１のセットおよび第２のセットは、表１に記載されているように、ＩＣチップ、ＩＣパッケージ、回路板などの上に形成され得る。

[0081]例示的な設計では、装置は、アンテナ素子の第１のセットのための異なるアンテナビームに関連する複素利得の複数のセットを記憶するメモリをさらに備え得る。アンテナ素子の第１のセットの複素利得の第１のセットは、複素利得の複数のセットのうちの１つであり得る。例示的な設計では、第１のセット中の複素利得は、等振幅および可変位相（すなわち、場合によっては異なる位相）を有し得る。別の例示的な設計では、第１のセット中の複素利得は、可変振幅および可変位相（すなわち、場合によっては異なる振幅および位相）を有し得る。

[0082]例示的な設計では、アンテナ素子の第１のセットと第２のセットとは、４０ＧＨｚと３００ＧＨｚとの間のミリメートル波周波数において動作し得る。アンテナ素子の第１のセットと第２のセットとはまた、他の周波数範囲において動作し得る。

[0083]装置はまた、ワイヤレスデバイスの１つまたは複数の追加の平面上に形成されたアンテナ素子の１つまたは複数の追加のセットを含み得る。アンテナ素子の各セットは、異なる空間的方向を向くそれぞれのアンテナビームに関連し得る。アンテナ素子の第１、第２、および場合によっては追加のセットは、ワイヤレスデバイスに、より良いＬＯＳカバレージおよび場合によってはより良いＮＬＯＳカバレージを与え得る。

[0084]図１２に、３Ｄアンテナシステムを用いて信号を送信するためのプロセス１２００の例示的な設計を示す。ワイヤレスデバイスの第１の平面上に形成されたアンテナ素子の第１のセットからビームフォーミングを用いて第１の信号を送信する（ブロック１２１２）。第１の信号は、アンテナ素子の第１のセットの複素利得の第１のセットによるビームフォーミングを用いて送信され得る。ワイヤレスデバイスの第２の平面上に形成されたアンテナ素子の第２のセットから第２の信号を送信する（ブロック１２１４）。また、第２の信号は、たとえば、アンテナ素子の第２のセットの複素利得の第２のセットによるビームフォーミングを用いて送信され得る。第１の平面と第２の平面とは異なる空間的方向を向き得る。

[0085]例示的な設計では、第１の信号と第２の信号とは同じ出力信号を備え得る。この例示的な設計は、ワイヤレスデバイスのＬＯＳカバレージを改善し得る。別の例示的な設計では、第１の信号と第２の信号とは異なる出力信号を備え得る。この例示的な設計は、ワイヤレスデバイスが、たとえば、図３に示すように、複数の他のデバイスに同時に送信することを可能にし得る。

[0086]例示的な設計では、異なるアンテナビームに対応する複素利得の複数のセットの各々について、アンテナ素子の第１のセットの性能メトリックを判断する（ブロック１２１６）。複素利得の複数のセットの各々の性能メトリックに基づいて、複素利得の複数のセットの中から複素利得のセットを選択する（ブロック１２１８）。複素利得の選択されたセットは、アンテナ素子の第１のセットのためのビームフォーミングのために使用され得る。ブロック１２１６および１２１８は、（図１２に示すように）ブロック１２１２および１２１４の後に、またはブロック１２１２および１２１４の前に（図１２に図示せず）実行され得る。

[0087]例示的な設計では、第３の信号が、アンテナ素子の第１のセットを介して受信され得る。第３の信号は、たとえば、アンテナ素子の第１のセットの、複素利得の第１のセットまたは複素利得の第３のセットによるビームフォーミングを用いて受信され得る。第４の信号が、アンテナ素子の第２のセットを介して受信され得る。第４の信号は、たとえば、アンテナ素子の第１のセットの、複素利得の第２のセットまたは複素利得の第４のセットによるビームフォーミングを用いて受信され得る。アンテナ素子のセットごとに、送信と受信の両方のために同じアンテナビームが使用されることもあり、送信と受信のために異なるアンテナビームが使用されることもある。

[0088]本明細書で説明する３Ｄアンテナシステムをもつワイヤレスデバイスのいくつかの部分は、ＩＣ、アナログＩＣ、ＲＦＩＣ、混合信号ＩＣ、ＡＳＩＣ、プリント回路板（ＰＣＢ）、電子デバイスなどの上に実装され得る。３Ｄアンテナシステムを介した信号の送信および／または受信をサポートする回路は、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）、ＮチャネルＭＯＳ（ＮＭＯＳ）、ＰチャネルＭＯＳ（ＰＭＯＳ）、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、バイポーラＣＭＯＳ（ＢｉＣＭＯＳ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）など、様々なＩＣプロセス技術を用いて作製され得る。

[0089]本明細書で説明する３Ｄアンテナシステムをもつ装置は、スタンドアロンデバイスであることもあり、より大きいデバイスの一部であることもある。デバイスは、（ｉ）スタンドアロンＩＣ、（ｉｉ）データおよび／または命令を記憶するためのメモリＩＣを含み得る１つまたは複数のＩＣのセット、（ｉｉｉ）ＲＦ受信機（ＲＦＲ）またはＲＦ送信機／受信機（ＲＴＲ）などのＲＦＩＣ、（ｉｖ）移動局モデム（ＭＳＭ）などのＡＳＩＣ、（ｖ）他のデバイス内に埋め込まれ得るモジュール、（ｖｉ）受信機、セルラーフォン、ワイヤレスデバイス、ハンドセット、またはモバイルユニット、（ｖｉｉ）その他であり得る。

[0090]１つまたは複数の例示的な設計では、説明した機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはそれらの組合せで実装され得る。ソフトウェアで実装した場合、機能は、１つまたは複数の命令またはコードとしてコンピュータ可読媒体上に記憶されるか、あるいはコンピュータ可読媒体を介して送信され得る。コンピュータ可読媒体は、ある場所から別の場所へのコンピュータプログラムの転送を可能にする任意の媒体を含む、コンピュータ記憶媒体と通信媒体の両方を含む。記憶媒体は、コンピュータによってアクセスされ得る任意の利用可能な媒体であり得る。限定ではなく例として、そのようなコンピュータ可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）、ＣＤ−ＲＯＭまたは他の光ディスクストレージ、磁気ディスクストレージまたは他の磁気ストレージデバイス、あるいは命令またはデータ構造の形態の所望のプログラムコードを搬送または記憶するために使用され得、コンピュータによってアクセスされ得る、任意の他の媒体を備えることができる。また、いかなる接続もコンピュータ可読媒体と適切に呼ばれる。たとえば、ソフトウェアが、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペア、デジタル加入者回線（ＤＳＬ）、または赤外線、無線、およびマイクロ波などのワイヤレス技術を使用して、ウェブサイト、サーバ、または他のリモートソースから送信される場合、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペア、ＤＳＬ、または赤外線、無線、およびマイクロ波などのワイヤレス技術は、媒体の定義に含まれる。本明細書で使用するディスク（disk）およびディスク（disc）は、コンパクトディスク（disc）（ＣＤ）、レーザディスク（disc）、光ディスク（disc）、デジタル多用途ディスク（disc）（ＤＶＤ）、フロッピー（登録商標）ディスク（disk）およびブルーレイ（登録商標）ディスク（disc）を含み、ディスク（disk）は、通常、データを磁気的に再生し、ディスク（disc）は、データをレーザで光学的に再生する。上記の組合せもコンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるべきである。

[0091]本開示についての以上の説明は、いかなる当業者も本開示を作成または使用することができるように与えたものである。本開示への様々な修正は当業者には容易に明らかとなり、本明細書で定義した一般原理は、本開示の範囲から逸脱することなく他の変形形態に適用され得る。したがって、本開示は、本明細書で説明した例および設計に限定されるものではなく、本明細書で開示した原理および新規の特徴に合致する最も広い範囲を与えられるべきである。

Claims (20)

1. ワイヤレスデバイスの第１の平面上に形成され、ビームフォーミングを用いて得られた第１のアンテナビームに関連するアンテナ素子の第１のセットと、
   前記ワイヤレスデバイスの第２の平面上に形成されたアンテナ素子の第２のセットとを備える装置であって、前記第１の平面と前記第２の平面とが異なる空間的方向を向く、装置。
2. 前記ビームフォーミングが、アンテナ素子の前記第１のセットの複素利得の第１のセットによるものである、請求項１に記載の装置。
3. アンテナ素子の前記第２のセットが、アンテナ素子の前記第２のセットの複素利得の第２のセットによるビームフォーミングを用いて得られた第２のアンテナビームに関連する、請求項２に記載の装置。
4. アンテナ素子の前記第１のセットが、前記第１のアンテナビームによって出力信号を放射し、アンテナ素子の前記第２のセットが、第２のアンテナビームによって前記出力信号を放射する、請求項１に記載の装置。
5. アンテナ素子の前記第１のセットが、前記第１のアンテナビームによって別のデバイスから信号を受信する、請求項１に記載の装置。
6. 第１の出力信号に基づいて生成された入力信号の第１のセットを受信することと、アンテナ素子の前記第１のセットによる送信のための出力無線周波（ＲＦ）信号の第１のセットを与えることとを行うように構成された電力増幅器の第１のセットと、
   前記第１の出力信号に基づいて生成された入力信号の第２のセットを受信することと、アンテナ素子の前記第２のセットによる送信のための出力ＲＦ信号の第２のセットを与えることとを行うように構成された電力増幅器の第２のセットと
   をさらに備える、請求項１に記載の装置。
7. アンテナ素子の前記第１のセットからの受信無線周波（ＲＦ）信号の第１のセットを受信することと、増幅された信号の第１のセットを与えることとを行うように構成された低雑音増幅器（ＬＮＡ）の第１のセットと、
   アンテナ素子の前記第２のセットからの受信ＲＦ信号の第２のセットを受信することと、増幅された信号の第２のセットを与えることとを行うように構成されたＬＮＡの第２のセットと
   をさらに備える、請求項１に記載の装置。
8. 前記第１の平面が前記第２の平面に直交する、請求項１に記載の装置。
9. アンテナ素子の前記第１のセットが複数のパッチアンテナを備える、請求項１に記載の装置。
10. 前記複数のパッチアンテナの各々が非正方形形状またはＥ字形状を有する、請求項９に記載の装置。
11. アンテナ素子の前記第１のセットがガラス基板の第１の面上に形成され、アンテナ素子の前記第２のセットが前記ガラス基板の第２の面上に形成された、請求項１に記載の装置。
12. アンテナ素子の前記第１のセットのための異なるアンテナビームに関連する複素利得の複数のセットを記憶するように構成されたメモリをさらに備え、複素利得の前記第１のセットが複素利得の前記複数のセットのうちの１つである、請求項２に記載の装置。
13. 前記第１のセット中の前記複素利得が等振幅および可変位相を有する、請求項２に記載の装置。
14. アンテナ素子の前記第１のセットと前記第２のセットとが、４０ギガヘルツ（ＧＨｚ）と３００ＧＨｚとの間のミリメートル波周波数で動作する、請求項１に記載の装置。
15. ワイヤレスデバイスの第１の平面上に形成されたアンテナ素子の第１のセットからビームフォーミングを用いて第１の信号を送信することと、
    前記ワイヤレスデバイスの第２の平面上に形成されたアンテナ素子の第２のセットから第２の信号を送信することとを備える方法であって、前記第１の平面と前記第２の平面とが異なる空間的方向を向く、方法。
16. 前記第１の信号が、アンテナ素子の前記第１のセットの複素利得の第１のセットによるビームフォーミングを用いて送信され、前記第２の信号が、アンテナ素子の前記第２のセットの複素利得の第２のセットによるビームフォーミングを用いて送信される、請求項１５に記載の方法。
17. 異なるアンテナビームに対応する複素利得の複数のセットの各々について、アンテナ素子の前記第１のセットの性能メトリックを判断することと、
    複素利得の前記複数のセットの各々の前記性能メトリックに基づいて、複素利得の前記複数のセットの中から複素利得のセットを選択することとをさらに備え、前記第１の信号が、複素利得の前記選択されたセットによるビームフォーミングを用いて送信される、請求項１５に記載の方法。
18. アンテナ素子の前記第１のセットによるビームフォーミングを用いて第３の信号を受信すること
    をさらに備える、請求項１５に記載の方法。
19. ワイヤレスデバイスの第１の平面上に形成されたアンテナ素子の第１のセットからビームフォーミングを用いて第１の信号を送信するための手段と、
    前記ワイヤレスデバイスの第２の平面上に形成されたアンテナ素子の第２のセットから第２の信号を送信するための手段とを備える装置であって、前記第１の平面と前記第２の平面とが異なる空間的方向を向く、装置。
20. 異なるアンテナビームに対応する複素利得の複数のセットの各々について、アンテナ素子の前記第１のセットの性能メトリックを判断するための手段と、
    複素利得の前記複数のセットの各々の前記性能メトリックに基づいて、複素利得の前記複数のセットの中から複素利得のセットを選択するための手段とをさらに備え、前記第１の信号が、複素利得の前記選択されたセットによるビームフォーミングを用いて送信される、請求項１９に記載の装置。

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