JP2016502328A - ダイバーシティ用途のための相関調整を有するモーダルアンテナ - Google Patents

Abstract

ダイバーシティおよび同様の方式において用いられるモーダルアンテナを備えるアンテナシステムは、それぞれのアンテナモードに個別の放射パターンがある複数のアンテナモードを可能とするモーダルアンテナを有し、アンテナモードの変化を指示するための制御信号を含んでいる。さらにまたモーダルダイバーシティアンテナを設計する方法を開示する。【選択図】図７

Description

本願は、概して、無線通信分野に関する。本願は、特に、ダイバーシティ用途のために構成されたモーダルアンテナ(modal antennas)、およびダイバーシティまたは同じ位置あるいは異なる位置からの二つ以上の放射パターンを必要とする他の方式にためのモーダルアンテナを設計する方法に関する。

新しい世代の携帯電話機および他の無線通信デバイスが、より小さくなるとともに内蔵するアプリケーション（モバイル・インターネット・ブラウジング、ソフトウェア・ダウンロードなど）が増えるにつれて、新しいアンテナ設計には、これらの装置に固有の制約に対処しながら、なおかつ新しい機能を実現できることが求められている。標準的なアンテナ構造では、特定の周波数における特定のバンド幅の共振アンテナ構造を形成するにはある物理的空間が必要であった。マルチバンド用途においては、このような共振アンテナ構造が二つ以上必要である場合があった。しかし、そのような複雑なアンテナアレイは、モバイルデバイスに関連するサイズ制限のために、事実上実現できない場合があった。

当該技術分野における最近の進歩は、アンテナ放射特性のステアリング（指向性制御）において見られ、出願人が本願と同じであり２００８年３月５日出願の米国特許出願番号１２／０４３，０９０、発明の名称「アンテナビーム方向ステアリングのためのアンテナおよび方法(ANTENNA AND METHOD FOR STEERING ANTENNA BEAM DIRECTION)」に記載されている。なお、この米国特許出願の内容全体を参照によって援用する。

さらに最近では、「ビームステアリングアンテナ」は、無線デバイスが、ほとんど信号を受信できないかまたは信号を全く受信できない場所、他の呼び方では当該技術において「ヌル(null)」または「ヌル・フィールド(null field)」として知られている場所に入る可能性がある状況を補正する用途へと発展している。デバイスがヌル（ゼロ点）に入る場合、ビームステアリング機構は、アンテナ放射特性を使用可能な状態すなわちモード(mode)へと導くように、作動する。したがって、これらの「ヌルステアリングアンテナ(null steering antennas)」は、「アクティブ・モーダルアンテナ(active modal antennas)」または単に「モーダルアンテナ(modal antennas)」）と呼ばれている。これらのアンテナが、モーダルアンテナのアンテナモード毎に個別の放射パターンが存在している種々の動作モードを有するからである。アンテナモードは、異なるものでもよく、異なる放射形状を発することもできるが、放射パターン特性が緩やかにかつ連続的な変化を示すように構成することができる。

さらに本発明を理解するために、当該技術の通常の技術を有する者は、アンテナダイバーシティ方式に精通しているものとする。従来技術において、アンテナダイバーシティは、一般に、無線通信リンクの品質および信頼性を向上するために二つ以上のアンテナ放射器(antenna radiators)を用いる。特に屋内やビルの谷間では、送信器と受信器との間の見通し線上に、壁および他の物体などの障害物が溢れかえっていることがある。反射した信号はそれぞれ、位相のずれ、時間の遅れ、減衰および歪みをもたらすこととなり、最終的に受信アンテナにおいて干渉し合う。したがって、無線リンクにおける弱め合う干渉は、多くの場合に問題となり、性能の低下をもたらす。

アンテナダイバーシティ方式では、受信器が複数のアンテナを備えることにより、したがって複数の信号の観点(multiple signal perspectives)を得ることにより、多数の経路の環境から受ける干渉を軽減できる。ダイバーシティ方式におけるそれぞれの複数のアンテナは、個別の干渉特性を受ける。したがって、第一アンテナがヌルとなる物理的位置においては、第二アンテナが有効な信号を受け取ることになる。要するに、ダイバーシティ方式によりロバストな(robust)リンクが得られる。

一般に、ある複数の形式で実施可能なアンテナダイバーシティには、空間ダイバーシティと、パターン・ダイバーシティと、偏波ダイバーシティと、送信／受信ダイバーシティと、が含まれる。それぞれの形式は異なるが、多くのアンテナシステムは複数の形式に対応させて設計可能である。

空間ダイバーシティは、一般に、同様な特性を有する複数のアンテナ放射器を備える。複数のアンテナは、互いから物理的に間隔をあけて配置される。第一アンテナの信号受信が著しく低下している場合（つまりヌルである場合）、第二アンテナが受信器として使用に適している。

パターン・ダイバーシティは、一般に、個別の放射パターンを有する同じ場所に配置された二つ以上アンテナを備える。この技術では、通常短い距離で分離された指向性アンテナが用いられる。要するに、これらの同じ場所に配置されたアンテナは、角度空間の大部分を識別することができ、さらに全方向性アンテナ要素に比べて比較的高いゲインを得ることができる場合がある。

偏波ダイバーシティは、一般に、偏波面が直交している組になったアンテナを備える。反射した信号は、通過する媒体に応じて偏波が変化する場合がある。二つの相補的な偏波面を組にすることによって、この方式は、信号減衰を引き起こすことになる偏波面のミスマッチ（不整合）からシステムを予防する。

送信／受信ダイバーシティは、一般に、送信機能および受信機能の両方でダイバーシティが得られる機能である。送信ダイバーシティの実行は、リンクの性能に関して通信リンクの基地局または端末側からの入力が必要であるため、より問題となる場合がある。

上記のダイバーシティ方式のそれぞれでは、アンテナダイバーシティを有効にする一以上の処理技術、例えば切り換え（スイッチング(switching)）、選択（セレクティング(selecting)）および合成（コンバイニング(combining)）が必要である。スイッチングは、最も電力を効率的に利用できる処理技術であり、一般に、受信器と通信するためにスイッチが第二アンテナ放射器と連動し、しきい値レベル未満に信号レベルが減衰するまで、第一アンテナから信号を受信する工程を含んでいる。セレクティングは、受信器に単一のアンテナ信号を出力する処理技術であるが、セレクティング工程では、受信器で利用するのに理想的な信号を決定するために信号対雑音比（ＳＮＲ）または同様な定量化をモニターする必要がある。合成は、複数の信号のそれぞれを重み付けし、受信器と通信するための出力信号へと合成する処理技術である。これらの技術を受信に関して説明したが、それらに類似するものは送信機能にも適用可能である。さらに、これらの技術の組み合わせを、動的ダイバーシティ制御にも適用可能である。

従来技術のアンテナダイバーシティ方式の例は、図１ａ〜図１ｂから認識される。図１ａは、最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ）合成技術を例示する二つの受信チェーン（二つの放射器）を有する構成を示す。ここで、信号は、それぞれの経路において重み付けされ、合成した電圧間の最小平均二乗を出力するよう選択される。また、図１ｂは、最大比合成（ＭＲＣ）処理のための二つの放射器を有するアンテナ構成を示す。ここで、重み付け係数がそれぞれの受信信号に適用される。

上記アンテナダイバーシティ方式を実施して、ロバストな信号リンクを提供することはできるが、これらのダイバーシティ構成に関しては欠点がある。例えば、複数のアンテナ放射器により厳しく課されるサイズ制約や、アンテナ放射器の近傍にある通信デバイスの電子回路とのカプリングはアンテナシステム設計に共通の問題である。さらに、電力制約や電力効率もまた、多重経路に通電する多く事例において問題となる場合がある。三つ以上の受信ダイバーシティアンテナまたは送信ダイバーシティアンテナのみを実装する場合は、アンテナと伝送線とに必要な回路基板領域と同様に、追加のアンテナに必要な空間に関する問題が大きくなる。アンテナの数が増えるにつれてそれを収容する追加の受信ポートが実装されるので、受信器はより複雑になる。

当該技術において、単一のアンテナで構成されたダイバーシティアンテナ方式はまだ提案されていない。実際、従来技術のダイバーシティ構成は二つ以上のアンテナ放射器を必要とする。アクティブ・モーダルアンテナの登場に伴い、本出願人は、サイズを大きく低減し、特にコンパクトな無線デバイスを実現できるロバストなアンテナを提供するダイバーシティおよび関連する用途のための単一アンテナ方式を開示する。

ここに記載するダイバーシティ用途のためのマルチモード・アンテナは、無線デバイス内の回路基板上の領域に空間を形成し、単一のアンテナ・送信線経路(single antenna and transmission line path)を提供する。より一般的なダイバーシティ技術を実現するのに二つ以上の受信器ポートが必要とされる方式と比較して、このダイバーシティ方式では単一の受信器ポートを用いることができる。この単一のマルチモード構造は、単一のアンテナからの多数の放射モードを生成することができる。単一アンテナダイバーシティ方式により、アンテナを、ＳＡＲ（比吸収率）を考慮してより最適に配置することができる。複数の放射パターンが得られる複数のモードを生成する機能により、携帯電話用途の場合にはユーザの頭部に接触しているときまたは手の中にあるときのアンテナ性能を向上する方法を提供する。これらのモーダルダイバーシティアンテナを、同様にアクセス・ポイントや他の無線デバイスに実装することもできる。スループット性能を、生成された二つ以上のモード間のエンベロープ相関係数（ＥＣＣ）を最適化することにより向上することができる。

発明の一の面において、アンテナは、単一の周波数帯におけるダイバーシティ動作を行うよう構成される。アンテナは、概して、回路基板の上方に配置される放射構造を有する。放射構造と回路基板との間にはアンテナ空間が形成される。第一非励振素子は、アンテナ空間内に配置されるとともに、放射構造に受動的に接続されるよう構成される。第一非励振素子は、アンテナ放射器との受動的な接続が変化され、放射器の周波数応答をチューニング（同調）するための第一能動素子にさらに接続される。第二非励振素子がさらに備えられており、アンテナの空間の外部にかつ放射構造に隣接して配置されている。第二非励振素子は、カレントモード(電流モード)を変化させるために第二能動素子にさらに接続される。

アンテナは二つ以上のアンテナモード間で動作するよう構成される。第一アンテナモードにおいて、第二非励振素子はオープン状態にある、つまり、グラウンドに接続されていない。その第一アンテナモードにおいては、アンテナ放射器は、周波数と放射パターンに対する変化の無視できるデチューニング（離調）を受けることになる。第二アンテナモードにおいて、第二非励振素子は短絡状態にある、つまり、グラウンドに接続されている。短絡された非励振素子では、アンテナからの分割共振周波数応答(split-resonance frequency response)が得られる。組み合わせると、第二非励振素子は分割周波数応答を生成するよう対応し、第一非励振素子はより高い共振周波数へとシフトするよう対応し、これにより、アンテナはそれぞれのアンテナモードにおける目標周波数で動作するよう対応する。第二アンテナモードにおけるアンテナの共振周波数のより高いものは、個別の放射パターンを生成する。したがって、アンテナを第二アンテナモードに設定する顕著な効果には、第二非励振素子がオープンから短絡状態に移行するときのヌル位置のシフトが含まれる。この点で見ると、単一の放射構造を有するこのアンテナシステムは、所望の周波数帯においてダイバーシティ動作が可能であり、無線プラットフォームにロバストなリンクを提供するよう構成されている。

実用的には、ここに記載するダイバーシティアンテナを、携帯電話、携帯電子機器、アクセス・ポイント、ラップトップ・コンピュータ、パッド・デバイスなどの無線通信デバイスに内蔵できる。これらのアンテナを、受信ダイバーシティ、送信ダイバーシティおよび送受信ダイバーシティといった一以上のダイバーシティ用途のために構成することができる。アンテナのヌルステアリング機能により、単一の放射器構成を通じてダイバーシティ用途が得られる。この点で見ると、空間およびエネルギーの節約などの利点により、低価格かつ高性能な無線という課題が解決される。さらに、相関係数を、周波数の関数として最適化するよう動的に変化させることができる。無線デバイスが複数の機能を実行しながら（マルチプル・ユース・ケース(multiple use cases)の状態で）用いられているとき、無線デバイスが手や頭部に置かれている効果を補償するために相関係数を調整することができる。

一の態様では、アンテナは、回路基板の上方に配置される放射構造を有する。放射構造と回路基板との間にはアンテナ空間が形成される。第一非励振素子はアンテナ空間内に配置され、アンテナが所望の周波数帯で動作するようチューニングされたリアクタンスを提供するように構成される。第二非励振素子はアンテナ空間の外部にかつそれに隣接して配置される。第二非励振素子は、放射構造の分割共振周波数応答を導入するよう構成される。第一非励振素子および第二非励振素子はそれぞれ、共通の能動素子に接続される。第一状態においては、能動素子により第二非励振素子が第一アンテナモードに保持され、アンテナが所望の周波数帯で動作するよう対応する。第二状態においては、能動素子により第二非励振素子が短絡され、これにより、アンテナ放射器の分割共振周波数応答が導入される。さらに、第一非励振素子がアンテナ放射器へと接続されて、アンテナの周波数応答をシフトさせ、これにより、第二アンテナモードにおけるアンテナの共振周波数のうちの一つが所望の周波数帯で動作するようチューニングされる。この点で見ると、アンテナは、二つ以上のアンテナモードのそれぞれにおいて、所望の周波数帯で動作する。さらに、第二モードは個別の放射パターンを出力し、アンテナのヌルステアリングのための機構を提供する。

あるいは、非励振素子をそれぞれ、個別の能動素子に結合することもできる。ここでのそれぞれの態様において、能動素子は、電圧制御チューナブル・コンデンサあるいはインダクタ、電圧制御チューナブルな移相器、ＦＥＴおよびスイッチ・・・のうちの一つ以上を備えることができる。

他の態様では、受信ダイバーシティ構成が備えられており、アンテナは、回路基板の上方に配置される放射構造を有する。放射構造と回路基板とアンテナとの間にはアンテナ空間が形成される。第一非励振素子が、アンテナ空間内に配置される。第二非励振素子は、アンテナ空間の外部にかつアンテナ放射器に隣接して配置される。この構成を、ヌルステアリングアンテナと呼ぶことができる。ヌルステアリングアンテナは、送受切換え器（デュプレクサ）に接続される。また、デュプレクサは、受信器および送信器と通信する。ベースバンド制御信号はアンテナに出力される。ベースバンドは、アンテナシステム内に備えられる一以上の能動素子の動作に影響を与えることができる。上述の通り、単一の能動素子が第一非励振素子および第二非励振素子を制御することができる。またあるいは、二つ以上の能動素子を備え、それら能動素子の少なくとも一つを非励振素子のそれぞれに個別に結合することもできる。この点で見ると、アンテナモードを、モーダルアンテナと組み合わせてベースバンド信号を用いて能動的に制御することができる。

非励振素子のそれぞれを、アンテナ放射器と個々に平行に配置する、またはそれと任意の角度でオフセットさせることができる。非励振素子を、互いに平行に、または互いに対して任意の向き（オリエンテーション）に配置することができる。第二非励振素子を、回路基板の上方に、距離（Ｈｐａｒ）で配置することができる。この距離（Ｈｐａｒ）は、回路基板の上方にアンテナ放射器が配置される距離（Ｈａｎｔ）よりも大きい。

放射構造は、アイソレーテッド・マグネティック・ダイポール（ＩＭＤ）アンテナ、板状逆Ｆアンテナ(Planar Inverted F-Antenna (PIFA)）、ダイポールアンテナ、モノポールアンテナ、ループアンテナ、メアンダーラインアンテナ、または当該技術において既知の他のアンテナを備えることができる。この点に関しては、ＩＭＤアンテナは優れた隔絶性（アイソレーション）を提供でき、したがって、空間要件が厳しい用途や、他の回路を共有する小さい空間内にアンテナを嵌め込まなければならない用途において好ましい。

さらに、アンテナ放射構造、第一非励振素子および第二非励振素子を、少なくとも部分的にグラウンド面の上方に配置することができる。あるいは、グラウンド接続を、グラウンド面に置き換えることもできる。一つ以上のスロットを、グラウンド面にエッチング形成することができる。あるいは、グラウンド面の一部を除去することもできる。

ある態様において、アンテナシステムは、一以上の能動素子および結合している非励振素子の機能制御するためのプロセッサまたはＣＰＵを備えることができる。ベースバンド信号をプロセッサに出力し、プログラムによって、一以上の能動素子および結合している非励振素子に送信することができる。この点に関して、一以上のアルゴリズムを、アンテナに多数の機能を提供するようにプログラムすることができる。さらに、プロセッサは、非励振素子のそれぞれを構成する応答負荷(reactive loading)を動的に調整するための機構を提供する。モーダルアンテナの動的調整によって、処理能力（スループット）および性能が向上する。

本発明の他の面は、ダイバーシティ用途のためのモーダルアンテナを設計する方法に関する。本方法は、回路基板の上方にアンテナ放射構造を配置し、それらの間にアンテナ空間を形成するステップと、所望の周波数帯における動作のためにアンテナを構成するアンテナ空間内の第二非励振素子の位置および向きを最適化するステップと、非励振素子と組み合わせて使用することにより所望の周波数帯でアンテナが動作可能である使用可能な放射パターン影響を与える第二非励振素子の距離および向きを最適化するステップと、を含む。

本発明の他の面は、ヌルステアリングされるアンテナと、追加のダイバーシティ・ポートを提供するさらなるアンテナと、を備えるダイバーシティ用途のために構成されるモーダルアンテナを設計する方法に関する。本方法は、回路基板の上方に第一アンテナ放射構造を配置し、それらの間にアンテナ空間を形成するステップと、所望の周波数帯における動作のためにアンテナを構成するアンテナ空間内の第二非励振素子の位置および向きを最適化するステップと、アンテナが非励振素子と組み合わせて使用することにより所望の周波数帯で動作可能である使用可能な放射パターン影響を与える第二非励振素子の距離および向きを最適化するステップと、を含む。第二アンテナは、第一アンテナからある距離で配置される。第二アンテナが追加のダイバーシティ受信器ポートに追加の受信経路を提供することで、ヌルステアリングされるアンテナは複数のアンテナモードを提供する。

本発明の他の面は、ヌルステアリングされる受信ダイバーシティ構成のダイバーシティ利得（ゲイン）に対するアンテナ効率およびエンベロープ相関係数（ＥＣＣ）に関連するデータベースの生成に関する。このデータベースを、無線デバイスに備えられるメモリに読み込む（ロード）することができ、受信ダイバーシティアンテナ構成の効率およびＥＣＣの最適化により、動的にチューニングし受信性能を向上するよう用いることができる。このデータベースをまた、無線デバイスがユーザの手の中で使用される場合、ユーザの頭部に接触して使用される場合、テーブルなどの面に置かれて使用される場合といったマルチプル・ユース・ケースに対する受信ダイバーシティアンテナシステム性能を表すように生成することもできる。例えば、これらのユース・ケースは、携帯電話に内蔵されたダイバーシティアンテナシステムに関係がある。

本発明の他の面は、アンテナ効率およびＥＣＣデータを含んでいるデータベースを用いて開発され実装される、システム受信性能をモニタリングするとともに、データ効率および／または受信システム感度を最適化するようヌルステアリングされるアンテナをチューニングするアルゴリズムに関する。システムデータ・スループットをモニタリングするとともに、スループットを最適化するようアンテナ・パラメータ（効率およびＥＣＣ）を調整するために、一連の予め設定されたチューニング・コマンドがヌルステアリングされるダイバーシティアンテナにおける能動部品に出力されるように、アルゴリズムを開発することができる。

無線デバイスの近接センサ(proximity sensors)などセンサからの入力を分析し、ヌルステアリングされるアンテナのスループット性能を最適化するようチューニング・コマンドを選択するように用いることができるように、アルゴリズムを実装することができる。無線デバイスがユーザの手の中にある環境、ユーザの頭部に接触している環境、ある基準の向きに対する特定角度または向きにある環境といった無線デバイスが動作している環境を決定するよう、接近センサまたは他のセンサは用いられる。身体接触および分極効果(Body loading and polarization effects)を、利用可能な動的なチューニングを補償することができる。

本発明は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明からさらに理解されよう。
図１（ａ）は、最小平均二乗誤差合成（ＭＭＳＥ）に対応する二つのアンテナを有するアンテナダイバーシティ方式を示す。 図１（ｂ）は、二つのアンテナと、最大比合成（ＭＲＣ）のための合成器と、有するアンテナダイバーシティ方式を示す。 図２（ａ）は、単一の放射器と第一非励振素子と第二非励振素子とを備えるヌルステアリングアンテナを示す。 図２（ｂ）は、図２（ａ）のアンテナの種々のアンテナモードにかかる周波数特性プロットを示す。 図２（ｃ）は、図２（ａ）のアンテナに関連する第一アンテナモードで形成される放射パターンを示す。 図２（ｄ）は、図２（ａ）のアンテナに関連する第二アンテナモードで得られる放射パターンを示す。 図３（ａ）は、本発明の実施形態にかかるダイバーシティ用途のために構成されたヌルステアリングアンテナの概略を示す。 図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した実施形態にかかるダイバーシティ用途のために構成されたヌルステアリングアンテナの一例を示す。 図４（ａ）は、図３（ｂ）のアンテナの、第二非励振素子が開いた回路状態にある、第一アンテナモードによって得られる反射減衰量のプロットを示す。 図４（ｂ）は、図３（ｂ）のアンテナの第一アンテナモードで得られる効率のプロットを示す。 図４（ｃ）は、図３（ｂ）のアンテナの、第二非励振素子が短絡状態にある、第二アンテナモードによって得られる反射減衰量のプロットを示す。 図４（ｄ）は、図３（ｂ）のアンテナの第二アンテナモードで得られる効率のプロットを示す。 図４（ｅ）は、図４（ａ）〜図４（ｄ）に示した第一モードおよび第二モードと関連する効率および相関係数を組み合わせたプロットを示す。 図５は、ダイバーシティ用途のために構成された図３（ｂ）のヌルステアリングアンテナの、第一非励振素子および第二非励振素子が互いに対して反対の配列で配置されている、他の実施形態を示す。 図６は、図３（ｂ）および図５のヌルステアリングアンテナの、アンテナが非励振素子を制御するための共通の能動素子を備えている、他の実施形態を示す。 図７は、アンテナが、複数のアンテナモードにわたってアンテナの周波数応答をチューニングするための調整可能な応答負荷を提供するよう、能動素子および結合している非励振素子に接続されたプロセッサを有する、ダイバーシティ用途のために構成された動的ヌルステアリングアンテナを示す。 図８は、ダイバーシティ用途のために構成されたヌルステアリングアンテナの動的負荷によって得られる性能の向上を示すグラフである。 図９は、図３（ｂ）のアンテナが受ける二つのアンテナモードのそれぞれ関する３次元放射パターンを示す。 図１０は、図３（ｂ）のアンテナが受ける二つのアンテナモードのそれぞれ関する２次元放射パターンを示す。 図１１は、図３（ｂ）のアンテナが受ける二つのアンテナモードのそれぞれ関する２次元放射パターンを示す。 図１２は、モバイルデバイスがユーザの手の中にある環境、ユーザの頭部に接触している環境、木製、金属製あるいはプラスチック製の面に置かれている環境といった種々の環境条件におけるアンテナ性能を最適化するために追加機能を実現するための二つの追加の非励振素子が実装されている、ダイバーシティ用途のために構成された動的ヌルステアリングアンテナを示す。アンテナは、複数のアンテナモードに関するアンテナの周波数応答をチューニングするための調整可能な応答負荷を提供するよう、能動素子および結合している非励振素子に接続されたプロセッサを有している。 図１３は、送信ダイバーシティ用途および受信ダイバーシティ用途の両方のために構成された動的ヌルステアリングアンテナを示す。通信リンク品質と関係する計量（メトリック）が、モバイルデバイスにおいて受信され、どのアンテナパターン状態が最適かを決定するよう用いられている。 図１４は、選択合成受信ダイバーシティ方式(selection combining receive diversity scheme)において用いられるアンテナの数の関数としての受信信号レベルの増加を示す。受信信号レベルを確率分布関数に対して示している。 図１５は、二つのアンテナダイバーシティ方式に関する、アンテナ効率とエンベロープ相関係数とダイバーシティ利得との関係を示す。着色した弧状領域は、一定のダイバーシティ利得の領域である。アンテナ効率およびＥＣＣのこのプロットは、ダイバーシティアンテナ方式を設計および／または動的チューニングするために必要とされる情報を提供する。

以下の説明は、科学的内容把握を目的とするものであって限定するためのものではなく、本発明の完全な理解を提供するために、細部および品目を記載する。しかしながら、本発明を、これらの細部および品目から派生する他の形態においても実現できることは、当業者にとって明らかであろう。

複数の共振周波数を有するより効率的なアンテナを設計するための一の課題解決方法が、アイソレーテッド・マグネティック・ダイポール（登録商標）（ＩＭＤ）をそのＩＭＤの下に配置された複数の非励振素子および能動的チューニング素子と組み合わされている、出願人が本願と同じである米国特許第７，８３０，３２０号に開示されている。新世代の無線デバイスおよびアプリケーションの到来により、一方では、差動ビーム法(beam switching)、ビームステアリング、空間アンテナダイバーシティまたは偏波アンテナダイバーシティ、インピーダンス・マッチング、周波数スイッチング、モードスイッチングなどの追加機能を、コンパクトで効率的なアンテナ構造を用いて組込むことが必要とされている。本発明は、ダイバーシティ用途にわたる、ヌルステアリングおよび周波数チューニング機能を有するより効率的なアンテナを生成するために現在のアンテナ設計に不足している部分に対してなされたものである。
モーダルアンテナ
図２（ａ）〜図２（ｄ）を参照して、モーダルアンテナが備えられている。図２（ａ）は、グラウンド面５６上に配置されたＩＭＤ要素５１と、能動素子５３に接続された第二非励振素子５２と、第二能動素子５５に接続された第一非励振素子５４と、を示している。この例示的な実施形態において、能動素子５３，５５は、第一非励振素子および第二非励振素子をグラウンドに電気的に接続する（短絡する）かまたは遮断する（開く）、二つの状態スイッチを備えることもできる。第一非励振素子および第二非励振素子を組み合わせる場合、アンテナ５０は、前者の周波数分離（スプリッティング）機能ならびにヌルステアリング機能、および後者の周波数偏移（シフティング）機能を備える利点がある。

図２（ｂ）は、三つの異なる状態における、図２（ａ）に示すアンテナ５０の例示的な実施形態に関連する周波数特性５９を示す。第一状態を、単純なＩＭＤの周波数特性５７として示す。第一状態は、第一非励振素子５２および第二非励振素子５４が開いている場合に得られ、共振周波数ｆ₀となる。第二状態を、図２（ａ）のアンテナ５０に関連する、周波数がシフトした特性５８として示す。第二状態は、第一非励振素子５４がスイッチ５５を通じてグラウンドに短絡されている場合に得られる。第三状態を、共振周波数ｆ₄，ｆ₀を有する二重共振周波数特性５９として示す。第三状態は、第一非励振素子５２および第二非励振素子５４がスイッチ５３およびスイッチ５５を通じてグラウンドに短絡されている場合に得られる。この組み合わせにより、共通の周波数ｆ₀が含まれるが、二つの異なるモード動作を実現できる。そのため、ヌルステアリングのような動作を、図２の例示的な構成を用いて、容易に達成することができる。

このヌルステアリング技術によりヌルの方向に数デシベル（ｄＢ）の信号改善が得られることが分かった。図２（ｃ）は、第三状態（すべて短絡）における図２（ａ）のアンテナ５０に関連する周波数ｆ₀での放射パターンを示す。第三状態では、第一状態（すべてオープン）（図２（ｄ）に示す）における図２（ａ）のアンテナ５０の放射パターン６１と比較して、方向が９０度ずれている（シフトしている）を示す。上述の通り、このような放射パターンのずれ（シフト）は、能動素子５３を用いた非励振素子５２の制御を通じてアンテナモードを制御すること（例えばスイッチング）により容易に実現できる。独立した能動的チューニング機能を備えることによって、二つの異なるモードの動作を同じ周波数で達成することができる。このタイプのヌルステアリングアンテナは、出願人が本願と同じである米国特許出願シリアルナンバー１２／０４３，０９０にさらに記載されている。

本発明の説明では、アンテナの第一状態（すべてオープン）を、以降、「第一アンテナモード」という。第一アンテナモードにおいて、第一非励振素子および第二非励振素子が両方とも開いている（グラウンドから遮断されている）場合、アンテナは単一の共鳴を呈する。さらに、本発明の説明では、第三状態（すべて閉じている）を、以降、アンテナの「第二アンテナモード」という。第二アンテナモードにおいて、アンテナは、周波数軸に沿ってシフトした分割共振特性を呈し、二つのアンテナモード間の共通の周波数帯で動作するようアンテナが構成される。なお、それぞれのアンテナモードの放射パターンは異なり、したがって、アンテナはヌルステアリングに対応していることを付言しておく。

なお、ＩＭＤタイプのモーダルアンテナを説明したが、能動的に調整可能な非励振素子と組み合わせたあらゆるアンテナ放射器を能動的なモーダルアンテナを形成するよう同様に用いることもできることを付言しておく。この点に関して、あらゆるモーダルアンテナを記載された例と同様な方法で、限定することなく、実装できる。
単一の周波数での受信ダイバーシティ用途のために構成されるモーダルアンテナ
さらなる設計、回路およびハードウェアにより、上述のモーダルアンテナをダイバーシティ用途のために構成し、そして、出願人は、ここに記載する機能的モデルの開発に成功した。アンテナダイバーシティに対するこの別のアプローチにより、単一の放射器は、ダイバーシティ信号処理可能であり、必要とする電力を低減しかつ無線通信デバイス内の波形率を小さくするよう構成される。

ここに開示するある特定の実施形態においては、能動素子は、スイッチ、電圧制御チューナブル・コンデンサ、電圧制御チューナブル移相器、バラクタダイオード、ＰＩＮダイオード、ＭＥＭＳスイッチ、ＭＥＭＳチューナブル・コンデンサ、ＢＳＴチューナブル・コンデンサおよびＦＥＴのいずれかを備えることができる。

次に図３（ａ）〜図３（ｂ）を参照して、ダイバーシティ用途のために構成されたモーダル・アンテナシステムが備えられている。図３（ａ）に示す本発明の一の実施形態にかかる概略図においては、損傷を受けやすい受信器部材へのダメージを防止するデュプレクサを通じて受信器および送信器の少なくとも一方と通信する単一のアンテナ放射器が備えられている。アンテナ放射器は、さらにベースバンド制御信号に接続され、これにより、ダイバーシティ処理のための制御機構を提供する。

アンテナシステムを、図３（ｂ）の実施形態にさらに例示する。アンテナシステムは、回路基板の上方に配置されたアンテナ放射器を備えており、アンテナ空間が回路基板とアンテナ放射器との間に形成されている。第一非励振素子は、アンテナ空間内にアンテナに受動的に接続されるのに十分近くに配置され、上述の通り周波数シフティング機能を備えている。ここで、第一非励振素子を、周波数シフティング導電体またはチューニング導電体ともいう。第二非励振素子は、アンテナ空間の外部にかつアンテナ放射器に隣接して配置されるとともに、受動的接続を最小化するのに十分に離間して、同時に、アンテナパターン特性に影響を与えるのに十分な近接を維持しながら配置されている。第二非励振素子は、放射パターンの位相をシフトするよう機能するので、シフティング導電体ともいうことができる。

受信ダイバーシティ方式においては、図３（ｂ）に示すアンテナは、上述の通り、第一アンテナモード（第一非励振素子および第二非励振素子がグラウンドから遮断されている）と第二アンテナモード（第二非励振素子が短絡されている）との間で切り換わるよう構成されている。一の実施形態において、受信器は、信号が所定のしきい値未満に減衰するまでの延長時間(extended duration)の間、第一アンテナモードにおいて動作するアンテナからの信号を受信するよう対応する。ロバストなリンクを維持するよう、アンテナは、このような信号減衰に応じて第二アンテナモードにおける動作へと切り換わるよう対応する。

第一非励振素子は、第一アンテナモードおよび第二アンテナモードの両方においてオープン状態に維持されると説明したが、第一非励振素子を遮断するようアンテナを構成することもできる。周波数応答の動的チューニングが必要とされる場合、第一非励振素子をベースバンド制御信号に接続しているスイッチング部材の代わりに、チューナブル・コンデンサを挿入して可変リアクタンスを得ることが好ましい場合もある。

なお、典型的な例示としてＩＭＤアンテナ放射器を説明したが、板状逆Ｆアンテナ(Planar Inverted F-Antenna (PIFA)）、メアンダーラインアンテナ、または他のアンテナ放射器をモーダル・ダイバーシティ用途のために同様に構成することもできることを付言しておく。

さらに図４（ａ）〜図４（ｅ）は、図３（ａ）〜図３（ｂ）に示す本発明の少なくとも一つの実施形態にかかる受信ダイバーシティに対応するヌルステアリングアンテナの反射減衰量および効率を示す。上述の第一アンテナモードにおいて、第一非励振素子および第二非励振素子はグラウンドから遮断される。その結果として生じる反射減衰量および効率のプロットを図４ａおよび図４ｂに示す。同様に、上述の第二アンテナモードにおいて、第二非励振素子は短絡され、これにより、アンテナの電流モードが変化され、その放射パターンが変化する。図４（ｃ）〜図４（ｄ）は、図３（ａ）〜図３（ｂ）に示すアンテナの第二アンテナモードにおける反射減衰量および効率のプロットを示す。図４ｅは、第一モードおよび第二モードにおけるアンテナの効率および相関係数を示す。

図５においてさらに示す本発明の他の実施形態において、モーダルアンテナは、放射構造の空間内に配置された第一非励振素子と、放射構造の空間の外部にかつ隣接して配置された第二非励振素子と、を備える。非励振素子のそれぞれは、スイッチ、チューナブル・コンデンサ、または他の能動素子などの能動素子に個々に接続される。能動素子のそれぞれおよび結合している非励振素子はベースバンド制御信号によって制御される。第一非励振素子は、アンテナの空間内に実質的に含まれており、アンテナと実質的に平行に配置される。第二非励振素子は、第一非励振素子に対して反対方向の向きに配置されている。この点に関して、第一非励振素子および第二非励振素子は、複数のモードに関する放射パターンを理想的に変化させるよう、個々に配置することができる。第一非励振素子および第二非励振素子の配列は図５に示した実施形態には限定されず、実際には複数のアンテナモードに関する放射パターン特性を最適化するよう設計できる。

ある実施形態においては、図６に示すように、単一の能動素子を用いることができる。ここで、モーダルアンテナはアンテナ放射器を備えており、アンテナ放射器は、該放射器と回路基板との間に関連するアンテナ空間を有する。第一非励振素子が、アンテナ空間内に配置される。第二非励振素子は、アンテナ空間の外部にしかもアンテナ放射器に隣接して配置される。能動素子は、両方の非励振素子をグラウンド接続やチューニング回路などの共通接続に接続する。ベースバンド信号は、アンテナを動的に制御するよう能動素子に出力される。この点に関して、非励振素子は、ベースバンド信号に応じてオン／オフを切り換えるよう構成される。

本発明の他の面において、プロセッサを、アンテナ放射パターンを動的に制御するためにアンテナシステムに実装することができる。図７に示すように、モーダルアンテナは、回路基板の上方に配置されるアンテナ放射器を有する。アンテナ放射器は、アンテナ放射器と回路基板との間にアンテナ空間を形成する 第一非励振素子が、アンテナ空間内に配置される。第二非励振素子は、アンテナ空間の外部にかつ放射構造に隣接して配置される。非励振素子はそれぞれ、個々に能動素子に結合される。能動素子はそれぞれ、さらにプロセッサに接続され、プロセッサからベースバンド信号を受信するよう構成される。アンテナ放射器をさらに、損傷を受けやすい受信器部材を保護するためのデュプレクサと、デュプレクサに接続された受信器および送信器と、に接続することができる。この点に関して、プロセッサは、非励振素子の能動素子のそれぞれに送信する信号を制御して、オン／オフ切り換えおよび／またはそのリアクタンスを変化させることができる。

図８はさらに図７のアンテナシステムを示すとともに、その結果生じるアンテナの種々のモードに対する相関係数における変化を示している。ここで、非励振素子のそれぞれの応答負荷の動的調整により、複数のモードに関するアンテナ相関係数の対応する動的調整を行う。この技術により、スループット性能が向上する。

図９は、上述の第一モードおよび第二モードにおける図７のアンテナに関連する放射パターンの三次元図を示す。

図１０は、二状態でヌルステアリングされたアンテナ構成から実現できる放射パターン形状の変化を示す。二次元の放射パターンは、主面のうちの一つにおける放射場の成分(radiated field components)を示す。青い線および緑の線は、放射場の直交線形成分(orthogonal linear components)である。赤い線は合成した放射場を示している。青い線におけるヌル位置はモード１とモード２との間で１３５°度回転している。一方、モード２が実施される場合、モード１における緑の跡における三つのヌル領域のうちの二つが埋められている。

図１１は、第二の主面における二状態でヌルステアリングされたアンテナ構成から実現できる放射パターン形状の変化を示す。この面において、モード１およびモード２の放射パターンを比較すると、偏波における本質的な変化を見ることができる。

本発明の他の実施形態において、図１２に示すように複数の非励振素子をアンテナに実装することができる。ここで、複数の非励振素子のそれぞれは、アンテナを動的に調整するためにプロセッサに接続される。一以上の非励振素子を、ベースバンド制御信号に応じてプロセッサによって調整することができる。複数の非励振素子が、様々な負荷（ローディング効果）および相関調整をアンテナシステム全体に提供することができる。
単一の周波数での送信ダイバーシティ用途のために構成されるモーダルアンテナ
他の実施形態において、アンテナを、単一の周波数帯での送信ダイバーシティのために構成することができる。この点に関して、送信状態を、複数のアンテナモードで動作するよう構成された単一の放射器を備えることにより、同様に多様化（ダイバーシティ化(diversified)）することができる。基本には、送信ダイバーシティは、上述の受信ダイバーシティ構成と同様なものである。
単一の周波数での送信／受信ダイバーシティのために構成されるモーダルアンテナ
本発明の他の面において、図１３に示す通り、モーダルアンテナは送信／受信ダイバーシティのために構成される。アンテナは、回路基板の上方に配置される放射器素子を有する。回路基板と放射器素子との間にアンテナの空間が形成される。第一非励振素子はアンテナの空間内に配置される。また、第二非励振素子はアンテナ空間の外部にかつ隣接して配置される。アンテナの非励振素子はそれぞれ、能動素子に接続される。能動素子はプロセッサと通信する。アンテナは、デュプレクサまたは同様な部材を介して送信器と受信器とにさらに接続される。さらなる制御信号が、通信リンクの他方から要求される。携帯電話用途の場合には、この通信リンクの他方とは基地局である。この制御信号は、通信リンク品質の測定単位である計量を出力する。この計量は、ビット誤り率（ＢＥＲ）、信号対雑音比（ＳＮＲ）またはスループットとできる。受信ダイバーシティアンテナシステムに送信周波数を取り入れるためには、周波数の関数としてアンテナ素子を最適化する／非励振素子ペアをオフセットするために、可変リアクタンスが一方のまたは両方の非励振素子で必要とされる場合がある。

アンテナ空間内に単一の非励振素子が備えられており、また単一の非励振素子がアンテナからオフセットされている例を示したが、アンテナシステムの最適な放射特性が得られるよう種々の位置および向きに配置される複数の非励振素子を備えるよう、図１３のアンテナを変形することもできる。さらに、非励振素子のそれぞれを、回路基板から異なる高さすなわち異なる距離で配置することができる。

ある特定の実施形態では、スイッチ、電圧制御チューナブル・コンデンサ、電圧制御チューナブル移相器、バラクタダイオード、ＰＩＮダイオード、ＭＥＭＳスイッチ、ＭＥＭＳチューナブル・コンデンサ、ＢＳＴチューナブル・コンデンサおよびＦＥＴなどの種々の能動素子を複数の周波数帯にわたってチューニングを行う上記ヌルステアリングアンテナとともに実装することができる。

本発明のある特定の実施形態において、放射構造を、グラウンド面の上方に少なくとも部分的に配置することができる。他の実施形態において、グラウンド面がアンテナ放射器の下方にある必要はない。グラウンド面をアンテナの下方に配置することは任意選択的であるが、アイソレーテッド・マグネティック・ダイポールをグラウンド面の上方に用いる場合、ある特定の実施形態では縁から漏れる場（フリンジ場(fringing fields)）を低減する利点を得ることができる。

ある特定の他の実施形態において、プロセッサを、アンテナを動的に制御するために備えることができる。プロセッサを、アンテナ性能を制御するための一以上のアルゴリズムを含むよう、予めプログラムすることができる。例えば、プロセッサを、ベースバンド制御信号に応じて第一能動素子をオンまたはオフに切り換えることができる。あるいは、リアクタンスを、プロセッサおよびベースバンド制御信号に応じて一以上の導電体に与えることもできる。この点に関して、プロセッサはアンテナ性能に関してマルチティア(multi-tier)制御および変動性(variability)を提供する。

他の実施形態において、受信信号性能計量は両方のアンテナモードに対してサンプリングされ、チューニング素子および第二非励振素子の一方または両方に接続される能動部品に生じるリアクタンスを受信性能が向上するよう調整される場合、アルゴリズムをベースバンドプロセッサに常駐させる。連続的なリアクタンス値が、受信アンテナとして使用のためのモードに切り換える前に受信性能を向上させるよう、使用されていないモードにおけるつまり非作動モードにおける連続的な間隔でサンプリングされる。

図１４は、選択合成受信ダイバーシティ方式において用いられるアンテナの数の関数としての受信信号レベルの増加を示す。選択合成受信ダイバーシティ方式の受信性能は、複数のアンテナＮの関数として表される。受信信号レベルは確率分布関数に対して示されている。

図１５は、二つのアンテナダイバーシティ方式に関する、アンテナ効率とエンベロープ相関係数とダイバーシティ利得との関係を示す。エンベロープ相関係数とアンテナ効率との関係では、同じ色で着色した弧状領域は、同じダイバーシティ利得の領域である(regions of equal diversity gain)。陰影をつけた弧状領域は、一定のダイバーシティ利得の領域である(regions of constant diversity gain)。アンテナ効率およびＥＣＣのこのプロットは、ダイバーシティアンテナ方式を設計および／または動的チューニングするために必要とされる情報を提供する。

Claims (17)

1. ダイバーシティ用途のためのモーダルアンテナを設計する方法であって、
   回路基板の上方にアンテナ放射器を配置し、それらの間にアンテナ空間を形成するステップと、
   前記アンテナ空間内に第一非励振素子を配置するステップであって、前記第一非励振素子は前記アンテナのリアクタンスを変化させるよう第一能動素子に結合されたものである、前記配置するステップと、
   前記アンテナ空間の外部で前記アンテナ放射器に隣接して第二非励振素子を配置するステップであって、前記第二非励振素子は、電流モードを変化させるために第二能動素子に結合されたものである、前記配置するステップと、
   前記第一能動素子と前記第二能動素子と関連する導電体とを能動的に設定する制御信号を出力するステップと、
   を備える方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、さらに、所望の周波数帯における動作のために前記アンテナ放射器に対する前記第一非励振素子の距離および向きを最適化するステップを含む方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、さらに、前記アンテナの分割共振周波数特性を得るために前記アンテナ放射器に対する前記第二非励振素子の距離および向きを最適化するステップを含む方法。
4. 請求項３に記載の方法であって、さらに、前記アンテナの分割共振周波数特性を得るために前記第二非励振素子をグラウンドに接続するステップを含む方法。
5. 請求項４に記載の方法であって、さらに、前記アンテナの前記分割共振周波数を変化させるために前記第一非励振素子のリアクタンスを変化させるステップを含む方法。
6. 請求項１に記載の方法であって、前記第一能動素子および前記第二能動素子はそれぞれ、スイッチ、電圧制御チューナブル・コンデンサ、電圧制御チューナブル移相器、バラクタダイオード、ＰＩＮダイオード、ＭＥＭＳスイッチ、ＭＥＭＳチューナブル・コンデンサ、ＢＳＴチューナブル・コンデンサおよびＦＥＴからなる群から選択される方法。
7. 請求項１に記載の方法であって、さらに、第一アンテナモードにおける動作に前記アンテナを対応させるステップを含んでおり、前記第一アンテナモードは前記第二非励振素子をグラウンドから遮断することによって有効にされる方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、さらに、第二アンテナモードにおける動作に前記アンテナを対応させるステップを含んでおり、前記第二アンテナモードは前記第二非励振素子をグラウンドに接続することによって有効にされる方法。
9. 請求項１に記載の方法であって、前記第一非励振素子および前記第一能動素子はビームステアリング機能を提供するよう構成されており、前記第二非励振素子および前記第二能動素子は前記アンテナに関連する周波数チューニング機能を提供するよう構成されている方法。
10. 請求項１に記載の方法であって、アンテナ性能の最適化のために並列共振インピーダンス・マッチングを行うよう、追加の能動素子が前記アンテナに接続される方法。
11. 請求項１に記載の方法であって、さらに、前記アンテナと関連する放射パターン・ステアリングのための追加の第二非励振素子を備える方法。
12. アンテナ放射構造に関連する放射パターンを変化させる方法であって、
    回路基板の上方に配置される少なくとも一つの放射構造と、第二非励振素子と、を備えるアンテナシステムを提供するステップと、
    前記アンテナと関連する放射パターンを変化させるために、前記第二非励振素子に電流モードを導入するステップと、
    を含む方法。
13. マルチバンド動作およびヌルステアリングに適したアンテナシステムであって、
    第一ヌルステアリングアンテナであって、
    回路基板の上方に配置される第一放射構造であって、前記回路基板との間に第一アンテナ空間を形成する第一放射構造と、
    前記第一アンテナ空間内に配置される第一非励振素子と、
    前記第一アンテナ空間の外部で前記第一放射構造に隣接して配置される第二非励振素子と、
    を有する前記第一ヌルステアリングアンテナと、
    第二ヌルステアリングアンテナであって、
    回路基板の上方に配置される第二放射構造であって、前記回路基板との間に第二アンテナ空間を形成する第二放射構造と、
    前記第二アンテナ空間内に配置される第三非励振素子と、
    前記第二アンテナ空間の外部で前記第二放射構造に隣接して配置される第四非励振素子と、
    を有する前記第二ヌルステアリングアンテナと、
    を備え、
    前記第一ヌルステアリングアンテナは、１７１０〜１７５５ＭＨｚの範囲のＡＷＳ周波数帯の送信バンドに最適化されており、
    前記第二ヌルステアリングアンテナは、２１１０〜２１５５ＭＨｚの範囲のＡＷＳ周波数帯の受信バンドに最適化されている、アンテナシステム。
14. 回路基板の上方に配置される放射構造であって、前記回路基板との間にアンテナ空間を形成する放射構造と、
    前記アンテナ空間内に配置されるとともに第一能動素子に関連する第一非励振素子と、
    前記アンテナ空間の外部で前記放射構造に隣接して配置される第二非励振素子であって、第二能動素子に関連する第二非励振素子と、
    前記第一能動素子および前記第二能動素子と通信するよう構成されるプロセッサと、
    を備えるアンテナシステムであって、
    前記プロセッサは、制御信号を受信するとともに、前記第一能動素子および前記第二能動素子を動的に制御するよう構成される、アンテナシステム。
15. 請求項１４に記載のアンテナシステムであって、前記プロセッサは、複数のアンテナモードに関連する受信信号の性能測定をサンプリングするよう構成されるアルゴリズムを有する、アンテナシステム。
16. 請求項１５に記載のアンテナシステムであって、チューニングする前記能動素子および第二非励振素子の少なくとも一方によって生じるリアクタンスは、受信性能を向上するよう調整される、アンテナシステム。
17. 請求項１６に記載のアンテナシステムであって、受信アンテナとしての使用のために非作動モードを作動させる前に、連続的なリアクタンス値が非作動モードにおける連続的な間隔でサンプリングされて、受信性能を向上する、
    アンテナシステム。

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