JP2020507251A - Ｑｕａｄポートヘリカルアンテナの小型化 - Google Patents

Abstract

４つの別々のポートを有し、高さを減少させる４線巻きヘリカルアンテナが記載されている。ＱＨＡは、共通の長手方向アンテナ軸の周囲に巻回された４つの導電ヘリカルトレースを含む。導電ヘリカルトレースは、選択された周波数帯域で送信または受信するように構成されている。各導電ヘリカルトレースは、それぞれのローンチラインを介してアンテナのそれぞれのポートに接続されている。ＱＨＡはまた、導電ヘリカルトレースから絶縁され、導電ヘリカルトレース上に重ね合わされた少なくとも１つの導電要素を含む。少なくとも１つの導電要素は、周波数帯域においてインピーダンス整合をもたらすように構成される。

Description

関連出願の参照
本出願は、２０１７年１月１２日に出願され、かつ「Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｑｕａｄ Ｐｏｒｔ Ｈｅｌｉｃａｌ Ａｎｔｅｎｎａ」と題する米国特許出願第１５／３０４，８９８号の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれるものとする。

本開示は、多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムおよび他の無線通信システムにおける使用を含む、４つの独立したポートを有する４線巻きヘリカルアンテナ（ＱＨＡ）の小型化に関する。

４線巻きヘリカルアンテナ（ＱＨＡ）は、４つの独立したポートを有する４つの別々のヘリックスからなる。ＱＨＡは、金属ワイヤ、導電ストリップから構築されてもよく、または適切な給電ネットワークを用いて円偏光放射を生成するために円筒状にラップされた誘電体シート上に印刷されてもよい。ＱＨＡは、アンテナダイバーシティ、陸上移動衛星（ＬＭＳ）通信、ならびに他の衛星通信およびナビゲーションシステムに使用されてきた。

ＱＨＡは、多入力多出力（ＭＩＭＯ）システムに適用するために、２素子、３素子または２×２素子アレイにおける円偏波（ＣＰ）シングルポートアンテナ素子として使用されてきた。ＭＩＭＯ用途では、２つの独立した物理ポートのみを有するアンテナ素子が通常実装される。４ポートＱＨＡアンテナ素子は、４つの空間的に分離された半波長ダイポールＭＩＭＯシステムと比較して、単一アンテナＭＩＭＯシステムにおいて実証されていた。アンテナアレイ内のアンテナ素子としてマルチポートＱＨＡを使用することは、アンテナアレイの全体サイズを縮小するのに役立ちこともあり、小型化する目的ならびにコスト削減を提供するために有用であろう。

例示的なマルチポートＱＨＡ設計は、２０１５年８月２８日に出願され、「Ｍｕｌｔｉ−Ｆｉｌａｒ Ｈｅｌｉｃａｌ Ａｎｔｅｎｎａ」と題する米国特許出願第１４／８３９，１９２号に記載されており、その全体は参照により本明細書に組み込まれるものとする。例えば、アンテナの高さを低減し、放射パターンを改善し、ポート間の結合を低減し、および／または比較的広いインピーダンス帯域幅を維持するために、この設計を変更することは有用であろう。

本明細書に記載の様々な例は、ＭＩＭＯおよび他の適切な用途においてアンテナポートの数を増やすことを可能にするＱＨＡ用の設計を提供する。本明細書に記載の実施例において１つまたは複数の容量性（例えば金属）導電要素を追加することにより、先行技術のＱＨＡと比較して、よりコンパクトなサイズ、改善された放射パターン、十分に広いインピーダンス帯域幅を有し、コスト削減をもたらすＱＨＡが達成され得る。信号対雑音比（ＳＮＲ）に対する容量の増加（例えば、ビット／秒として測定される）もまた達成され得る。いくつかの例では、先行技術のＱＨＡと比較して、アンテナ高さの７０％近くの低減、放射パターンの改善、対向ポート結合の低減、ならびにアンテナインピーダンスおよびパターン帯域幅の増大を達成し得る。

開示された例示的なＱＨＡは、（例えば、大規模ＭＩＭＯ用途用の）アンテナアレイにおいて４ポートアンテナ素子を使用することを可能にし、これが、２ポートアンテナ素子を使用したアレイと比較して、アレイパネルのサイズを減少させることを可能にし得る（例えば、いくつかの例では約４２％のサイズ縮小）。

いくつかの例では、本開示はＱＨＡを記載する。ＱＨＡは、共通の長手方向アンテナ軸の周囲に巻回された４つの導電ヘリカルトレースを含む。導電ヘリカルトレースは、選択された周波数帯域で送信または受信するように構成されている。各導電ヘリカルトレースは、それぞれのローンチラインを介してアンテナのそれぞれのポートに接続されている。ＱＨＡはまた、導電ヘリカルトレースから絶縁され、導電ヘリカルトレース上（または下）に重ね合わされた少なくとも１つの導電要素を含む。少なくとも１つの導電要素は、周波数帯域においてインピーダンス整合をもたらすように構成される。

いくつかの例では、本開示はアンテナアレイを記載する。アンテナアレイは複数の４ポートＱＨＡを含む。各ＱＨＡは、共通の長手方向アンテナ軸の周囲に巻回された４つの導電ヘリカルトレースを含む。導電ヘリカルトレースは、選択された周波数帯域で送信または受信するように構成されている。各導電ヘリカルトレースは、それぞれのローンチラインを介してアンテナのそれぞれのポートに接続されている。各ＱＨＡはまた、導電ヘリカルトレースから絶縁され、導電ヘリカルトレース上（または下）に重ね合わされた少なくとも１つの導電要素を含む。少なくとも１つの導電要素は、周波数帯域においてインピーダンス整合をもたらすように構成される。

いくつかの例では、本開示は、ＱＨＡを製造する方法を記載する。本方法は、可撓性誘電体の第１の表面上にトレースとして４つの導電ヘリカルトレースを設けるステップを含む。各導電ヘリカルトレースは、アンテナのそれぞれのポートに接続するためのテールおよびそれぞれのローンチラインを備えている。導電ヘリカルトレースは、選択された周波数帯域で送信または受信するように構成されている。本方法はまた、可撓性誘電体の異なる第２の表面上に少なくとも１つの導電要素を設けるステップを含む。少なくとも１つの導電要素は、導電ヘリカルトレースから絶縁され、導電ヘリカルトレースの上に重ね合わされるように配置される。少なくとも１つの導電要素は、周波数帯域においてインピーダンス整合をもたらすように構成される。本方法はまた、導電ヘリカルトレースが共通の長手方向アンテナ軸の周囲にヘリカル巻線を形成するように可撓性誘電体をラップするステップを含む。

少なくとも１つの導電要素は、少なくとも１つの導電リングおよび／または導電パッチを含み得る。１つの導電パッチのセット、または２つ以上の導電パッチのセットがあってもよい。

ここで、例として、本出願の例示的な実施形態を示す添付の図面を参照する。

図１Ａは、例示的な先行技術のＱＨＡの概略図である。 図１Ｂは、図１ＡのＱＨＡの散乱パラメータ（Ｓパラメータ）を示すグラフである。 図１Ｃは、図１ＡのＱＨＡの放射パターンを示すグラフである。 図２は、導電パッチを有する例示的なＱＨＡの概略図である。 図３は、導電リングを有する例示的なＱＨＡの概略図である。 図４Ａは、２．３ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚの周波数帯域用に調整された、導電リングを有する別の例示的なＱＨＡの概略図である。 図４Ｂは、図４ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図４Ｃは、図４ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図４Ｄは、図４ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図４Ｅは、図４ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図５Ａは、２．３ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚの周波数帯域に対して調整された、導電パッチを有する別の例示的なＱＨＡの概略図である。 図５Ｂは、図５ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図５Ｃは、図５ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図５Ｄは、図５ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図５Ｅは、図５ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図６Ａは、２．３ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚの周波数帯域に対して調整された、導電リングを有する別の例示的なＱＨＡの概略図である。 図６Ｂは、図６ＡのＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図６Ｃは、図６ＡのＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図７Ａは、２．３ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚの周波数帯域に対して調整された、導電パッチを有する別の例示的なＱＨＡの概略図である。 図７Ｂは、図７ＡのＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図７Ｃは、図７ＡのＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図８Ａは、１．９ＧＨｚから２．３ＧＨｚの周波数帯域用に調整された、導電パッチを有する別の例示的なＱＨＡの概略図である。 図８Ｂは、図８ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図８Ｃは、図８ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図８Ｄは、図８ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図８Ｅは、図８ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図９Ａは、３．４ＧＨｚ〜３．６ＧＨｚの周波数帯域に対して調整された、導電パッチを有する別の例示的なＱＨＡの概略図である。 図９Ｂは、図９ＡのＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図９Ｃは、図９ＡのＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図１０Ａは、図５ＡのＱＨＡを組み込んだアンテナアレイの概略図である。 図１０Ｃは、図１０Ａのアレイにおいて、ポート１がオンのアンテナ素子の放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図１０Ｃは、図１０Ａのアレイにおいて、ポート１がオンのアンテナ素子の放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図１０Ｄは、２ポートアンテナのアンテナアレイと４ポートアンテナのアンテナアレイとを比較する概略図である。 図１１は、鋭い屈曲部を有するローンチラインを示す例示的なＱＨＡの拡大概略図である。 図１２Ａは、非円筒形ジオメトリを有し、導電リングを含む例示的なＱＨＡの概略図である。 図１２Ｂは、図１２ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図１２Ｃは、図１２ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図１２Ｄは、図１２ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図１２Ｅは、図１２ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図１３は、上部プレートを有する例示的なＱＨＡの概略図である。 図１４は、上部リングを有する例示的なＱＨＡの概略図である。 図１５は、外殻を有する例示的なＱＨＡの概略図である。 図１６は、同心誘電体層を使用して形成された例示的なＱＨＡの概略図である。 図１７は、複数の導電リングを有する例示的なＱＨＡの概略図である。 図１８Ａは、２つの導電パッチのセットを有する例示的なＱＨＡの概略図である。 図１８Ｂは、図１８ＡのＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図１８Ｃは、図１８ＡのＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図１９Ａは、中心ロッドを有する例示的なＱＨＡの概略図である。 図１９Ｂは、図１９ＡのＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを中央ロッドのないＱＨＡと比較して示すグラフである。 図１９Ｃは、図１９ＡのＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを中央ロッドのないＱＨＡと比較して示すグラフである。 図２０は、開示されたＱＨＡの一例を製造する例示的な方法を説明するフローチャートである。

様々な図において同様の参照番号が使用して同様の構成要素を示すことがある。

図１Ａは、例えば米国特許出願第１４／８３９，１９２号に記載されているような例示的な先行技術の４線巻きヘリカルアンテナ（ＱＨＡ）１０を示している。ＱＨＡ１０は、４つの螺旋状に巻回された導電ヘリカルトレース１２（巻線またはフィラとも呼ばれる）を含み、各導電ヘリカルトレース１２は、それぞれのローンチライン１６を介してそれぞれのポート１４に接続される。各導電ヘリカルトレース１２は、上述の特許出願に記載されているような拡張基部と隆起高さを有し得る。各導電ヘリカルトレース１２は独立して給電され、４ポートＱＨＡ１０となる。４ポートＱＨＡはまた、クアッドポートアンテナまたはクアッドアンテナと呼ばれることもある。導電ヘリカルトレース１２は、隣接する導電ヘリカルトレース１２間で９０°の角距離だけ隔てられており、長さが等しく、同じ方向に同じピッチで巻回されている。図示の例では、ＱＨＡ１０は、グランドプレーン１８、本例では導電反射板として機能することができる金属製のグランドプレーン１８に取り付けられている。グランドプレーン１８は、放射パターンのサイドローブを（グランドプレーン１８から離れる）順方向に向ける手助けをすることが可能であるが、いくつかの例では、グランドプレーン１８は省略されてもよい。導電ヘリカルトレース１２は、例えば中空円筒として形成される誘電体上のトレースとして、または支持面の周囲に導電ヘリカルトレース１２を巻回することによって設けてもよい。一般に、導電ヘリカルトレース１２は、銅などの任意の適切な導電性材料で形成し得る。

ＱＨＡ１０の高さｈ１は、動作周波数の１波長λ未満であってもよい。例えば、ＱＨＡ１０は０．７５λの高さｈ１を有してもよい。２．５ＧＨｚの動作周波数では、ＱＨＡ１０の高さｈは約９０ｍｍである。図１Ｂは、２．３ＧＨｚから２．７ＧＨｚの範囲の動作周波数にわたる例示的なＱＨＡ１０の散乱パラメータ（Ｓパラメータ）を示す。図１Ｃは、２．５ＧＨｚの動作周波数における例示的なＱＨＡ１０の放射パターンを示す。例示的なＱＨＡ１０は、２．３ＧＨｚから２．７ＧＨｚの動作範囲で約１６％の広いインピーダンス帯域幅、および約−１０ｄＢの最大結合を有することが分かった。しかしながら、放射パターンの改善、ならびにアンテナ高さの低減が望まれる場合がある。

以下に提供される例では、例えば導電パッチまたは導電リングの形態の容量性要素を組み込んだ様々なＱＨＡの設計が説明される。そのような設計がＱＨＡの高さの低減を可能にすることが分かっており、また改善された放射パターンを提供し得る。関心のある異なる周波数帯域に対して異なる設計が調整されてもよく、これは５Ｇ無線用途に特に関連し得る。以下の表は、以下で詳しく説明するいくつかの例を示している。

図２は、導電パッチ２１０組み込んだ例示的なＱＨＡ２００を示す概略図である。例示的なＱＨＡ２００は、誘電体上に印刷またはエッチングすることによって設け得る複数の導電ヘリカルトレース２０２、この場合は４つの導電ヘリカルトレース２０２を含む。例えば、導電ヘリカルトレース２０２は、次に円柱形にラップされ得る可撓性誘電体（例えば、３．４の誘電率（ＤＫ）および０．１２７ｍｍの厚さを有するＤｕＰｏｎｔ（登録商標）Ｐｙｒａｌｕｘ（登録商標） ＡＰ可撓性回路材料）をエッチングすることによって設けてもよい。導電ヘリカルトレース２０２は他の方法で、例えば支持表面の周囲に導電ワイヤまたはストリップを巻回することによって、あるいは同軸誘電体ケーブルをエッチングすることによって設け得る。

図２の例における導電ヘリカルトレース２０２は、隣接する導電ヘリカルトレース２０２間に９０°の分離角をもって等間隔に離間されている。導電ヘリカルトレース２０２は、巻き数、ピッチ、長さ、幅、および巻き方向において互いに類似していてもよい。図２の例では、導電ヘリカルトレース２０２はそれぞれ、動作周波数の１波長λ未満（例えば、λ／４）の長さを有し、１ターン未満で完了し、その長さ全体にわたって実質的に一定の幅を有する。各導電ヘリカルトレース２０２は１完全巻き未満で巻回されているが、導電ヘリカルトレース２０２は依然としてＱＨＡ２００の共通の中央長手方向ｚ軸の周囲に螺旋状に巻回されていると見なされることに留意されたい。他の例（以下でさらに論じるいくつかの例を含む）では、導電ヘリカルトレース２０２は、１回または複数回の巻きを完了してもよく、可変幅を有してもよく、および／または均等または不均等の幅の２つ以上の分岐部に分割してもよい。一般に、導電ヘリカルトレース２０２の寸法および構成は、アンテナ設計の一部として、適切な同調技術を使用して、所望のアンテナ特性を達成するように選択され得る。適切であり得る導電ヘリカルトレース２０２の例示的な寸法および構成は、参照により先に盛り込まれている米国特許出願第１４／８３９，１９２号に記載されている。ＱＨＡ２００の調整は、例えばシミュレーションの助けを借りて実行してもよい。

各導電ヘリカルトレース２０２は、それぞれのローンチライン２０６を介してそれぞれのポート２０４に接続されている。この例では、４つの導電ヘリカルトレース２０２はそれぞれ独立してそれぞれのポート２０４に供給され、４ポートＱＨＡ２００が得られる。グランドプレーン２０８は、任意の適切な導電材料から形成されてもよく、導電反射体として機能してもよい。各導電ヘリカルトレース２０２は、信号を送信または受信するために、それぞれのポート２０４を介してアンテナフィードネットワーク（図示せず）に接続してもよい。

ＱＨＡ２００は、導電ヘリカルトレース２０２から電気的に絶縁された、１つまたは複数の導電要素、この例では導電パッチ２１０を含む。例えば、図２のＱＨＡ２００は、４つの導電パッチ２１０を含む。導電パッチ２１０は、各導電ヘリカルトレース２０２が少なくとも部分的に導電パッチ２１０により重ね合わされるように配置される。例えば、各導電ヘリカルトレース２０２は、図２示すように異なるそれぞれの導電パッチ２１０により部分的に重ね合わされてもよい。いくつかの例では、単一の導電パッチ２１０は、２つ以上の導電ヘリカルトレース２０２に重ね合わせてもよい。いくつかの例では、単一の導電ヘリカルトレース２０２は、２つ以上の導電パッチ２１０によって重ね合わされ得る。導電パッチ２１０の数は、導電ヘリカルトレース２０２の数より多くても少なくてもよい。本開示では、用語「重ね合わされる」は、導電ヘリカルトレース２０２が誘電体または支持面を通して投影されるとき導電パッチ２１０と重なることを示すのに使用され、「重ね合わされる」とは、必ずしも導電ヘリカルトレース２０２と導電パッチ２１０とが物理的に接触していることを意味するものではなく、また「重ね合わされる」とは、導電ヘリカルトレース２０２と導電パッチ２１０とが設けられる順序を何ら必要とせず、導電パッチ２１０は導電ヘリカルトレース２０２上に重ね合わされるか、導電ヘリカルトレース２０２の下に重ね合わされると説明され得る。導電ヘリカルトレース２０２と導電パッチ２１０とは互いに絶縁されていてもよい。

導電パッチ２１０は、導電ヘリカルトレース２０２が設けられている表面とは反対側の誘電体基板の表面上に印刷することによって設けてもよい。あるいは、導電パッチ２１０は２つの誘電体層の間にパッチ２１０を挟むことによって提供され（例えば、導電パッチ２１０は二層誘電体の内側または内層に提供される）、導電ヘリカルトレース２０２は２つの誘電体層の外面上に提供され得る。いくつかの例では、導電パッチ２１０が１つの誘電体層に印刷され、導電ヘリカルトレース２０２が別の誘電体層に印刷され、次いでこれらの誘電体層が互いに積層されてもよい。導電パッチ２１０が導電ヘリカルトレース２０２から電気的に絶縁され、導電ヘリカルトレース２０２の上に重ね合わされる限り、導電パッチ２１０を提供するための任意の適切な方法を使用し得る。

導電パッチ２１０は、長さ、幅および／またはピッチが互いに類似していてもよい。図２の例では、導電パッチ２１０はその長さ全体にわたって実質的に一定の幅を有するが、他の例では導電パッチ２１０は可変幅を有するか、または異なるジオメトリ（不規則なジオメトリを含む）を有し得る。図示されるように、導電パッチ２１０は０°のピッチを有する、すなわち、導電パッチ２１０の長手方向軸は概してＱＨＡ２００の底部に対して平行である。

図２は４つの導電パッチ２１０を示しているが、いくつかの例では、１つのより長い導電パッチが２つ以上のより短い導電パッチ２１０の機能を果たすようにより長い導電パッチを使用し得る。

導電パッチ２１０の位置、寸法および構成は、アンテナ設計の調整の一部として、所望のアンテナ特性を達成するように選択されてもよい。そのような調整は、導電ヘリカルトレース２０２の設計の調整と併せて実行し得る。

ＱＨＡ２００の高さｈ２は、先行技術のＱＨＡと比較して減少されてもよく、アンテナの特性は、先行技術のＱＨＡと比較して維持または改善され得る。例えば、導電パッチ２１０を含むことにより、ＱＨＡ２００は、同じ周波数帯域に同調された先行技術のＱＨＡと比較して、改善された放射パターンおよび低減されたアンテナ高さｈ２を達成し得る。このような性能特性を実証するために、例示的なシミュレーションが以下にさらに説明される。

図３は、導電パッチが導電リングで置き換えられている別の例示的なＱＨＡ３００を示す概略図である。図３のＱＨＡ３００は、図２のＱＨＡ２００と同様に、それぞれのローンチライン３０６を介してそれぞれのポート３０４に接続され、グランドプレーン３０８上に取り付けられた（上述したように寸法および構成の選択可能な変形を伴う）４つの導電ヘリカルトレース３０２を含む。１つまたは複数の導電パッチの代わりに、ＱＨＡ３００の導電要素は、全ての導電ヘリカルトレース３０２の上に重ね合わされるように配置される導電リング３１０である。概念的には、導電リング３１０は、ＱＨＡ３００の外周全体に完全に延出する導電パッチと考え得る。導電リング３１０は、上述の導電パッチ２１０と同様の方法で設けてもよい。

導電リング３１０は、図３に示すように、全体を通して実質的に一定の幅を有し得る。他の例では、導電リング３１０は可変幅を有してもよい。リングとして説明されているが、導電リング３１０は非円形のジオメトリを有していてもよい。例えば、導電リング３１０は、正方形または他の規則的または不規則的なジオメトリの外周に沿ってもよい。導電リング３１０は、ゼロではないピッチ角を有してもよく、または０°のピッチを有してもよく、すなわち（図３の例のように）グランドプレート３０８と実質的に平行であってもよい。導電リング３１０のピッチに関係なく、導電リング３１０はＱＨＡ３００の長手方向のｚ軸を中心とする。導電リング３１０の位置、寸法および構成は、アンテナ設計の調整の一部として、所望のアンテナ特性を達成するように選択されてもよい。そのような調整は、導電ヘリカルトレース３０２の設計の調整と併せて実行し得る。

図２の例と同様に、図３の例において導電性リング３１０を含めることにより、同じ周波数帯域に調整された先行技術のＱＨＡと比較して、ＱＨＡ３００の高さｈ３の低減および改善された放射パターンを可能にし得、同時にポート間の望ましい結合および広いインピーダンス帯域幅を維持し得る。このような性能特性を実証するために、例示的なシミュレーションが以下にさらに説明される。

一般に、導電要素（例えば、１つまたは複数の導電パッチ２１０または導電リング３１０）を含めることにより、アンテナ特性が向上し得る。導電要素は、金属製であっても、または他の任意の適切な導電性材料から作製されてもよい。導電パッチ２１０の代わりに導電リング３１０を使用することにより、結果異なるアンテナ性能がもたらされる可能性がある。例えば、導電パッチ２１０の代わりに導電リング３１０を使用することにより、１．９ＧＨｚから２．３ＧＨｚの周波数帯域で正方形ベースのＱＨＡラップする設計の場合に、より望ましい放射パターンを提供し得る。どの導電要素を使用するか、または導電リング３１０と導電パッチ２１０の組み合わせを使用すべきかどうかの選択は、アンテナ設計の調整の一部であってもおよび／または支持構造のジオメトリ（正方形ベースまたは円形ベース）に依存してもよく、またシミュレーションの助けを借りて実行されてもよい。

本明細書に開示される例示的なＱＨＡの性能を説明するために、いくつかの例示的なシミュレーション結果がここで議論される。これらのシミュレーションは説明のためだけに提供されており、限定または約束を意図するものではない。

図４Ａは、導電リング４１０を有する例示的なＱＨＡ４００を示す。このＱＨＡ４００の性能は、２．３ＧＨｚから２．７ＧＨｚの周波数帯域についてシミュレートされ、結果は、２．５ＧＨｚの動作周波数について以下に説明される。適切な調整を通して、アンテナの高さは０．７５λになるように選択された。この例における導電リング４１０は、２ｍｍ＝０．０１７λの幅を有し、（ＱＨＡ４００の底部からリング４１０の下端までを測定して）４５ｍｍ＝０．３７５λの高さに配置されている。例示的なＱＨＡ４００のシミュレーションは、同一の寸法および構成を有するが導電リングがない先行技術のＱＨＡ（図示せず）について行われたシミュレーションと比較し得る。

図４Ｂおよび図４Ｃは、それぞれ、比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよび散乱パラメータ（Ｓパラメータ）を示す。比較のために、図４ＡのＱＨＡ４００の放射パターンおよびＳパラメータはそれぞれ、図４Ｄおよび図４Ｅに示される。これらのグラフから分かるように、導電リング４１０を含めることにより、２．３ＧＨｚから２．７ＧＨｚの周波数帯域において−１２ｄＢ未満のインピーダンス整合で、改善された放射パターンがもたらされる。

図５Ａは、４つの導電パッチ５１０を有する例示的なＱＨＡ５００を示す。この例示的なＱＨＡ５００は、２．３ＧＨｚから２．７ＧＨｚの周波数帯域に対して調整された。一般に、ＱＨＡの寸法は以下の式を用いて計算し得る。

ここで、ＨはＱＨＡの全高、Ｌｅは円柱の周りをＮ回転する長さ、Ｌｆｄは各導電ヘリカルトレースのローンチ高さ、Ｌｔはテール長、Ｗｂは各導電ヘリカルトレースの幅、Ｒは円柱の半径である。各ヘリカルトレース５０２の全長は、Ｌｅ＋Ｌｆｄ＋Ｌｔの合計であるが、Ｎは長さＬｅの巻き数のカウントである（すなわち、ＬｆｄおよびＬｔはＮの計算に含まれない）ことに留意されたい。

２．５ＧＨｚの動作周波数において、例示的なＱＨＡ５００は、３９ｍｍ＝０．３２５λの高さおよび４２ｍｍ＝０．３５０λの直径を有する。この例では、各導電パッチ５１０は、１６．５ｍｍ＝０．１３８λの長さ、７ｍｍ＝０．０５８λの幅を有し、それぞれ（ＱＨＡ５００の底部からパッチ５１０の下端までを測定した場合）２６ｍｍ＝０．２１７λの高さに配置される。各導電ヘリカルトレース５０２は全長８５ｍｍを有し、これはＬｅ＝７０ｍｍ＝０．５８３λ、１０ｍｍのローンチ高さおよび５ｍｍのテール長の合計である。各導電ヘリカルトレース５０２は９ｍｍの幅を有する。各導電ヘリカルトレース５０２は、ＱＨＡ５００のテールおよびローンチ高さ以降、かつ１９．５°のピッチ角から開始して、０．５回の巻きを有する。

図５のＱＨＡ５００について、２．３ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚの周波数帯域におけるＳパラメータは以下の通りであることが分かった。

例示的なＱＨＡ５００のシミュレーションは、同一の寸法および構成を有するが導電パッチのない先行技術のＱＨＡ（図示せず）について行われたシミュレーションと比較し得る。図５Ｂおよび図５Ｃは、先行技術のＱＨＡおよび例示的なＱＨＡ５００のＳパラメータをそれぞれ示す。導電パッチ５１０を含めることによって、ＱＨＡ５００に対するインピーダンス整合が改善されることが分かる。

２．３ＧＨｚ、２．５ＧＨｚ、および２．７ＧＨｚの動作周波数における比較先行技術のＱＨＡのアンテナ素子（ポート１がオンの状態）の放射パターンを図５Ｄに示す。比較のために、同じ動作周波数における例示的なＱＨＡ５００（ポート１がオンの状態）の対応する放射パターンを図５Ｅに示す。導電パッチ５１０を含めることにより、ＱＨＡ５００の放射パターンが改善されることが分かる。

図６Ａは、導電リング６１０を有する例示的なＱＨＡ６００を示す。この例示的なＱＨＡ６００は、２．３ＧＨｚから２．７ＧＨｚの周波数帯域に対して調整された。２．５ＧＨｚの動作周波数では、例示的なＱＨＡ５００は、高さ３９ｍｍ＝０．３２５λおよび直径４２ｍｍ＝０．３５０λを有する。この例における導電リング６１０は、２ｍｍ＝０．０１７λの幅を有し、（ＱＨＡ６００の底部からリング６１０の下端まで測定した場合）３０ｍｍ＝０．２５λの高さに配置されている。例示的なＱＨＡ６００の寸法は、図５Ａの例示的ＱＨＡ５００の寸法と同一であり、異なる点は、導電パッチ５１０の代わりに導電リング６１０が使用されていることである。

例示的なＱＨＡ６００のシミュレーションは、同一の寸法および構成を有するが導電リングを持たない先行技術のＱＨＡ（例示的なＱＨＡ５００に関して上述した比較先行技術のＱＨＡと同じ）について行われたシミュレーションと比較され得る。２．３ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚの周波数帯域におけるＳパラメータは以下の通りであることが分かった。

図６Ｂは、例示的なＱＨＡ６００についてシミュレートされたＳパラメータを示すグラフである。これは、先行技術のＱＨＡに対するＳパラメータのグラフを示す図５Ｄと比較し得る。図６Ｃは、２．３ＧＨｚ、２．５ＧＨｚ、および２．７ＧＨｚの動作周波数における例示的なＱＨＡ６００の放射パターンを示す。比較のために、比較先行技術のＱＨＡの放射パターンを図５Ｄに示す。これらのシミュレーション結果によって示されるように、例示的なＱＨＡ６００は、先行技術のＱＨＡと比較して、改善されたリターンロスおよび放射パターン特性を示す。

図７Ａは、４つの導電パッチ７１０を有する例示的なＱＨＡ７００を示す。この例示的なＱＨＡ７００は、２．３ＧＨｚから２．７ＧＨｚの周波数帯域に対して調整された。２．５ＧＨｚの動作周波数では、例示的なＱＨＡ７００は、２８ｍｍ＝０．２３３λの高さおよび５０ｍｍ＝０．４１７λの直径を有する。この例における導電パッチ７１０はそれぞれ、３１．４ｍｍ＝０．２６２λの長さおよび７ｍｍ＝０．０５８λの幅を有する。各導電パッチ７１０は、（ＱＨＡ７００の底部から各パッチ７１０の下端まで測定した場合）６ｍｍ＝０．０５λの高さに配置される。各導電ヘリカルトレース７０２は、４５ｍｍの全長を有し、これはＬｅ＝３０ｍｍ＝０．２５０λ、ローンチ高さ１０ｍｍおよびテール長５ｍｍの合計である。各導電ヘリカルトレース７０２は７ｍｍの幅を有する。各導電ヘリカルトレース７０２は、ローンチ高さおよびテール長さを含まない０．１７回の巻きを有する。各導電ヘリカルトレース７０２は、反射板と接触することなく、ＱＨＡ７００の底部から２７°のピッチ角で開始する。

このＱＨＡ７００のシミュレーションは、導電パッチ７１０が誘電体層の間に挟まれている、二重Ｐｙｒａｌｕｘ ＡＰ層の使用に基づくものであった。隣接ポート間の結合は、２．３ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚの周波数帯域で−９ｄＢ未満であることが分かった。図７Ｂは、例示的なＱＨＡ７００についてシミュレートされたＳパラメータを示すグラフである。図７Ｃは、異なる励起を持つ、２．５ＧＨｚの動作周波数での例示的なＱＨＡ７００の放射パターンを示す。

図８Ａは、導電パッチ８１０を有する例示的なＱＨＡ８００を示す。この例示的なＱＨＡ８００は、１．９ＧＨｚから２．３ＧＨｚの周波数帯域に対して調整された。２．１ＧＨｚの動作周波数では、例示的なＱＨＡ８００は、３６ｍｍ＝０．２５２λの高さおよび５０ｍｍ＝０．３５０λの直径を有する。この例における導電パッチ８１０はそれぞれ、１９．６４ｍｍ＝０．１３７λの長さおよび７ｍｍ＝０．０４９λの幅を有する。各導電パッチ８１０は、（ＱＨＡ８００の底部から各パッチ８１０の下端まで測定した場合）２６ｍｍ＝０．１８２λの高さに配置される。各導電ヘリカルトレース８０２は、全長１０２．９ｍｍを有し、これはＬｅ＝８４．９ｍｍ＝０．５９４３λ、ローンチ高さ１０ｍｍおよびテール長８ｍｍの合計である。各導電ヘリカルトレース８０２は、７ｍｍの幅を有する。各導電ヘリカルトレース８０２は、ローンチ高さおよびテール長を含まずに０．５２２５回の巻きを有する。導電ヘリカルトレース８０２は、反射板に接触することなく、ＱＨＡ８００の底部から、かつ１４．８°のピッチ角で開始する。

この周波数帯域において、例示的なＱＨＡ８００に対するＳパラメータは以下の通りであることが分かった。

例示的なＱＨＡ８００のシミュレーションは、同一の寸法および構成を有するが導電パッチがない先行技術のＱＨＡについて行われたシミュレーションと比較し得る。図８Ｂは、例示的なＱＨＡ８００についてシミュレートされたＳパラメータを示すグラフである。これは、比較先行技術のＱＨＡについてのＳパラメータのグラフを示す図８Ｄと比較し得る。図８Ｃは、ポート１が励起されているときの、２．１ＧＨｚの動作周波数での例示的なＱＨＡ８００の放射パターンを示す。比較のために、比較先行技術のＱＨＡの放射パターンを図８Ｅに示す。これらのシミュレーション結果によって示されるように、例示的なＱＨＡ８００は、先行技術のＱＨＡと比較して、改善されたＳパラメータおよび放射パターン特性を示す。

図９Ａは、導電パッチ９１０を有する例示的なＱＨＡ９００を示す。この例示的なＱＨＡ９００は、３．４ＧＨｚから３．６ＧＨｚの周波数帯域に対して調整された。３．５ＧＨｚの動作周波数では、例示的なＱＨＡ９００は、３８．４ｍｍ＝０．４４８λの高さおよび５０ｍｍ＝０．５８３λの直径を有する。この例における各導電パッチ９１０は、２８．６ｍｍ＝０．３３４λの長さおよび５．５ｍｍ＝０．０６４λの幅を有する。各導電パッチ９１０は、（ＱＨＡ９００の底部から各パッチ９１０の下端まで測定した場合）１４ｍｍ＝０．１６３λの高さに配置されている。各導電ヘリカルトレース９０２は、７４．７ｍｍの全長を有し、これはＬｅ＝６０．７ｍｍ＝０．４２４９λ、ローンチ高さ１０ｍｍおよびテール長４ｍｍの合計である。各導電ヘリカルトレース９０２は６．１５ｍｍの幅を有する。各導電ヘリカルトレース９０２は、ローンチ高さおよび尾部長さを含まない０．３５２９回の巻きを有する。導電ヘリカルトレース９０２は、反射板に接触することなく、ＱＨＡ９００の底部から、かつ２４°のピッチ角で開始する。

この動作周波数では、対向する導電ヘリカルトレースの間隔は０．５８３λであり、−１５ｄＢ未満のアイソレーションを達成し、また隣接する導電ヘリカルトレースの間隔は０．４１２λであり、−１０ｄＢ未満のアイソレーションを達成している。

図９Ｂは、例示的なＱＨＡ９００についてシミュレートされたＳパラメータを示すグラフである。図９Ｃは、ポート１が励起されているときの、３．４ＧＨｚ、３．５ＧＨｚ、および３．６ＧＨｚの動作周波数での例示的なＱＨＡ８００の放射パターンを示す。

本明細書に開示された例示的なＱＨＡは、個別のアンテナとして使用されてもよく、またはアンテナアレイにおいて使用されてもよい。開示された例示的なＱＨＡは改善された放射パターンおよびＳパラメータを可能にするので、そのような４ポートＱＨＡを狭い間隔のアンテナアレイに使用してもなおアレイ内のアンテナ間の許容可能な低干渉を達成することが可能である。アンテナアレイ内のＱＨＡは、同一の設計を有してもよく、または異なる設計を含んでもよい。アンテナアレイは、先行技術のＱＨＡと組み合わせて、開示されたＱＨＡの例を組み込んでもよい。

図１０Ａは、本明細書に開示されるような複数のＱＨＡを組み込んでいる例示的なアンテナアレイ１０００を概略的に示す。図示されている例では、図５Ａの単層ＱＨＡ５００の結合された二層の変形例の実装形態は、アンテナアレイ１０００において使用される。平面図に示されるように、５つのそのようなＱＨＡが中央のＱＨＡを囲む４つのＱＨＡと共に配置される。各ＱＨＡは４ポートアンテナであり、アンテナアレイ１０００内に合計２０ポートを提供する。例示的なアンテナアレイ１０００は、２．５ＧＨｚの動作周波数を含む２．３ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚの周波数帯域に適している可能性がある。アレイ１０００は、縦６０ｍｍ、横１２０ｍｍの千鳥配列である。２．５ＧＨｚの動作周波数では、６０ｍｍは０．５ｌに等しい。図１０Ｂは、アンテナアレイ１０００におけるＱＨＡのシミュレートされたＳパラメータを示すグラフである。図１０Ｃは、ポート１が励起されたときの、２．３ＧＨｚ、２．５ＧＨｚ、および２．７ＧＨｚの動作周波数でのアンテナアレイ１０００内のＱＨＡの放射パターンを示す。個々のＱＨＡの放射パターンと比較して、放射パターンにはわずかな変化しかない。Ｓパラメータの変化もほとんど気にならない。これらのシミュレーション結果は、本明細書に開示された例示的なＱＨＡ設計が４ポートＱＨＡをアンテナアレイにおいて使用できることを実証する。

本明細書に開示されるように、アンテナアレイにおいて４ポートＱＨＡを使用することは、特に大規模ＭＩＭＯ用途のために、アレイのサイズを縮小することを可能にし得る。例えば、図１０Ｄは、本明細書に開示される例示的なＱＨＡなどの４ポートアンテナを使用するアンテナアレイ１０６０と比較した、２ポートアンテナを使用するアンテナアレイ１０５０を示す。１２８ポートを達成するためには、６４個の２ポートアンテナが必要とされる（例えば、８行×８列に配置される）。比較すると、アンテナアレイ１０６０において１２８ポートを達成するためには３２個の４ポートＱＨＡのみが必要である。図１０Ｄでは、各アレイ１０５０、１０６０のアンテナは、０．５λの方位間隔と１λの仰角間隔で、互い違いに配置されている。２．１ＧＨｚの動作周波数では、λ＝１４２．８ｍｍである。２ポートアンテナのアレイ１０５０は、２１λ²の面積を必要とする。比較すると、４ポートＱＨＡのアレイ１０６０は１２．２５λ²の面積を必要とし、約４２％の面積縮小を達成する。

導電要素を組み込んだ様々な例示的なＱＨＡ構成は、上述されている。適切な設計パラメータ（例えば、導電ヘリカルトレースの寸法、導電部品の寸法、構成および／または配置、および／または全体のＱＨＡの寸法）を選択して所望のアンテナ特性を達成するために（例えば、Ｓパラメータを調整して放射パターンを成形する）、（例えば、シミュレーションまたは他のアンテナ設計技術を用いた）適切な調整が行われ得る。他の可能な変形を以下に検討する。これらの以下の変形例は、前述の例のいくつかまたはすべてに組み込んでもよく、そのような変形例は、所望のアンテナ特性を達成するために組み合わせて組み込んでもよい。

図１１は、例示的なＱＨＡ１１００の一部の拡大図であり、そこでは導電ヘリカルトレース１１０２が９０°より大きな角度を有する（すなわち、最小またはゼロの曲げ半径を有する）鋭い屈曲部を有するローンライン１１０６を介して供給される。ローンチライン１１０６に鋭い屈曲部を含めることによって、導電ヘリカルトレース１１０２を導電ヘリカルトレース１１０２の長さに沿った異なる接続点で接続することが可能になり、それによって同調およびインピーダンス整合のための設計自由度が増大する。ローンチライン１１０６の鋭い屈曲部がＱＨＡ１１００の特性に大きな影響を与えることは見出されなかった。

図１２Ａは、導電ヘリカルトレース１２０２が非円筒形のジオメトリ、この場合は正方形ベースのジオメトリの周囲に巻回されている例示的なＱＨＡ１２００を示す。この例における導電要素は導電リング１２１０であり、これもまた正方形のジオメトリを有し得る。２．３ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚの周波数帯域では、ＱＨＡ １２００は、３７．２ｍｍ×３７．２ｍｍの正方形の基部、３９ｍｍの高さを有し得る。このＱＨＡ１２００は、直径４２ｍｍの円形の基部を有する円筒形のＱＨＡに基づくものであり得る。ＱＨＡ１２００は、正方形の基部の面積が４２ｍｍの直径を有する円形の基部の面積と等しくなるように設計し得る。この例では、導電リング１２１０は２ｍｍの幅を有し、（ＱＨＡ１２００の底部からリング１２１０の下端まで測定した場合）３０ｍｍの高さに配置されている。

例示的なＱＨＡ１２００の特性は、同一の寸法および構成を有するが導電リング１２１０がない先行技術のＱＨＡ（図示せず）の特性と比較し得る。図１２Ｂおよび図１２Ｃはそれぞれ、例示的なＱＨＡ１２００および比較先行技術のＱＨＡのＳパラメータを示す。例示的なＱＨＡ１２００は、先行技術のＱＨＡと比較して改善されたＳパラメータを達成することが分かる。図１２Ｄおよび図１２Ｅはそれぞれ、２．３ＧＨｚおよび２．５ＧＨｚの動作周波数における、例示的なＱＨＡ１２００および比較先行技術のＱＨＡの放射パターンを示す。例示的なＱＨＡ１２００は、先行技術のＱＨＡと比較して改善された放射パターンを達成することが分かる。

一般に、導電ヘリカルトレースは、例えば正方形、球形、円筒形または円錐形の表面を含む任意の適切なジオメトリの周囲に設けることができる。同心面を使用してもよい。それに応じて、誘電体または他の支持面を整形することによって、ＱＨＡに対する異なるジオメトリを達成し得る。本開示におけるヘリカルアンテナおよび導電ヘリカルトレースは、円形または円筒形のジオメトリに厳密に限定されないことを理解されたい。非円筒形のジオメトリの周囲に形成された巻線はまた、「ヘリカル」であるとも称され得る。ＱＨＡに対する適切なジオメトリの選択は、アンテナ調整の一部として、また、（例えば、シミュレーションの助けを借りて）所望の放射パターンを得るために実行されてもよい。以下で論じる図１３〜図１９Ｃは、放射パターン整形の目的のために、導電パッチと共に実装することができる例示的な設計変形を示す。個別に説明したが、そのような変形は組み合わせて使用し得る。

図１３は、上部プレート１３１２を含む別の例示的なＱＨＡ１３００の概略図である。明確にするために、導電パッチは示されていない。上部プレート１３１２は、例えば、導電ヘリカルトレース１３０２と同じ導電性材料で作成し得る。上部プレート１３１２は、ＱＨＡ１３００の長手方向軸に垂直な平面上に配置され、ＱＨＡ１３００の長手方向軸を中心としている。上部プレート１３１２は、導電ヘリカルトレース１３０２から離間して絶縁されている。

図１４は、上部リング１４１４を含む別の例示的なＱＨＡ１４００の概略図である。明確にするために、導電パッチは示されていない。上部リング１４１４は、例えば、導電ヘリカルトレース１４０２と同じ導電性材料で作成し得る。上部リング１４１４は、ＱＨＡ１４００の長手方向軸に垂直な平面上に配置され、ＱＨＡ１４００の長手方向軸は、上部リング１４１４の中心を通る。上部リング１４１４は、導電ヘリカルトレース１４０２から離間して絶縁されている。

図１５は、導電ヘリカルトレース１５０２を囲む導電性（例えば、金属）外殻１５１６を含む別の例示的なＱＨＡ１５００の概略図である。外殻１５１６は、導電ヘリカルトレース１５０２から離間している。外殻１５１６は、固形面でも、あるいは（例えば、グリルやケージに似た）材料片によって形成されてもよい。

図１６は、導電ヘリカルトレース１６０２および導電要素（この場合は導電パッチ１６１０）が同心の誘電体円筒上のトレースとして設けられている別の例示的なＱＨＡ１６００の概略図である。この例では、導電ヘリカルトレース１６０２および導電パッチ１６１０を別々の誘電体に別々に印刷してもよく、次に別々の誘電体を互いにラップして図１６に示す同心円状の配置を得てもよい。

いくつかの例では、単一の導電ヘリカルトレースは、２つ以上の導電要素によって重ね合わされてもよい。例えば、図１７は、複数の導電リング１７１０、この場合は４つの導電リング１７１０がある例示的なＱＨＡ１７００を示す。したがって、各導電ヘリカルトレース１７０２は、導電ヘリカルトレース１７０２に沿った異なる位置で４つの異なる導電リング１７１０によって重ね合わされる。この例では、４つの導電リング１７１０のそれぞれは、同一の寸法を有するが、ＱＨＡ１７００に沿った異なる長手方向位置を有する。他の例では、導電リング１７１０は、異なる寸法（例えば異なる幅）および／または構成を有し得る。

図１８Ａは、各導電ヘリカルトレース１８０２がその長さに沿った異なる位置で２つの異なる導電パッチ１８１０によって重ねられるように、導電パッチ１８１０の数が導電ヘリカルトレース１８０２の数の２倍であるＱＨＡ１８００の例を示す。図示の例では、導電パッチ１８１０の各々は同一の寸法を有する。ＱＨＡ１８００に沿った２つの異なる長手方向位置に２つの導電パッチ１８１０のセットがあり、２つのセット間には角度オフセットがある。他の例では、導電パッチ１８１０は、異なる寸法（例えば、２つの異なる幅の２つのセット）および／または構成を有してもよい。図１８Ｂは、例示的なＱＨＡ１８００に対するＳパラメータのグラフである。図１８Ｃは、２．１ＧＨｚ、２．３ＧＨｚ、２．５ＧＨｚ、および２．７ＧＨｚの動作周波数における例示的なＱＨＡ１８００の放射パターンを示す。図１８Ｂおよび図１８Ｃは、図８Ｂおよび図８Ｃに示す対応するグラフと比較し得る。図から分かるように、２つの導電パッチ１８１０のセットを使用すると、結合を−１０ｄＢ未満に改善し得る（図１８Ｂにおいて点線で示されている）、すなわちポート分離の改善をもたらす。

図１９Ａは、導電パッチ１９１０に加えて、ＱＨＡ１９００の長手方向軸に沿った中央導電ロッド１９１８を含む例示的なＱＨＡ１９００を示す。この例では、動作周波数が２．１ＧＨｚの場合は、導電ロッド１９１８は、３６ｍｍ＝０．２５２ｍｍの高さおよび３ｍｍ＝０．０２１の直径を有する。図１９Ｂは、同一の寸法および導電パッチ１９１０を有するが中央ロッド１９１８を持たない比較ＱＨＡ（図示せず）のものと比較した、例示的なＱＨＡ１９００のＳパラメータを示す。図１９Ｃは、図８Ｃに示すようにオン状態のポート１について２．１ＧＨｚの動作周波数でのロッドなしの比較ＱＨＡと比較した場合の、例示的なＱＨＡ１９００の放射パターンを示す。図から分かるように、中心ロッド１９１８を追加すると放射サイドローブが減少する一方で、Ｓパラメータはわずかに影響を受ける可能性がある。

図２０は、開示されたＱＨＡの一例を製造するための方法例２０００を説明するフローチャートである。方法２０００は、ＱＨＡの導電ヘリカルトレースが可撓性誘電材料上のトレースとして提供される例に適している可能性がある。

２００２において、導電ヘリカルトレースが可撓性誘電体の第１の表面上に設けられる。上述の例では、誘電体は、３．４の誘電率および０．１２７ｍｍの厚さを有する二重Ｐｙｒａｌｕｘ ＡＰ層であってもよい。導電ヘリカルトレースは、適切なエッチング技術を使用して、誘電体の一方の表面上にエッチングされてもよい。導電ヘリカルトレースは、ローンチラインと共にエッチングされてもよい。

２００４において、１つまたは複数の導電要素（例えば、１つまたは複数の導電パッチおよび／または導電リング）が、同じまたは異なる誘電体の第２の表面に設けられる。１つまたは複数の導電要素は、上述のように、それらが導電ヘリカルトレースから絶縁され、導電ヘリカルトレース上に重ね合わされるように提供される。例えば、導電ヘリカルトレースおよび導電要素（複数可）は、（例えば、エッチングまたは他の適切な技術によって）同じ誘電体の対向する表面上に提供され得る。いくつかの例では、導電要素は、１つまたは複数の導電要素が誘電体層の間に挟まれるように、二重層誘電体の内層上に設けられ、導電ヘリカルトレースは二重層の誘電体層の外側の露出層上に設けられ得る。いくつかの例では、導電要素は、導電ヘリカルトレースとは別の誘電体上に提供されてもよく、２つの誘電体は、一緒に積層または互いにラップされてもよい（下記２００６において）。

２００６において、誘電体は、ＱＨＡを形成するために、導電ヘリカルトレースが共通の長手方向アンテナ軸の周囲にヘリカル巻線を形成するようにラップされる。誘電体は、十分に自己支持型であってもよく、または他の支持材料もしくは構造の周囲にラップされてもよい。誘電体の端部は、例えば任意の適切な接着剤を使用して互いに接合されて管状構造を形成してもよい。誘電体は、ＱＨＡを調整するために、円筒形または正方形ベースの管などの異なるジオメトリに整形され得る。導電ヘリカルトレースおよび導電要素が異なる誘電体上に設けられる場合、異なる誘電体は、例えば２つの同心管を形成するために互いにラップされてもよい。

２００８において、誘電体はグランドプレートに取り付けられる。これは、ローンチラインをグランドプレートに画定されたポートに接続することを含み得る。アンテナアレイが製造される場合、複数のアンテナが共通のグランドプレートに取り付けられてもよい。グランドプレートの使用およびグランドプレートのサイズは用途に基づいて選択し得る。

上述の例では、特定の例示的な寸法および構成が提供されているが、これらは例示目的のためだけであり、限定することを意図しない。一般に、ＱＨＡに組み込む導電要素の選択、ならびに導電要素の位置、寸法、および向きは、所望の周波数帯域および／または動作周波数における所望のインピーダンス整合、放射パターンおよび／または絶縁を提供するように（例えば、適切なアンテナ同調技術を使用して）選択され得る。導電ヘリカルトレースの寸法および構成などのＱＨＡの他の態様も、所望のアンテナ特性を達成するために同様に選択し得る。

本明細書に記載された様々な例示的なＱＨＡは、必要に応じて、送信または受信のために使用され得る。各ＱＨＡは、二重性、三重性、四重性または五重性で、または例えば、ＭＩＭＯアンテナアレイにおいて個々のアンテナとして使用されてもよい。一般に、例示的なＱＨＡは、基地局内または電気通信ネットワークのバックホール内の他の場所を含む、４ポートアンテナが適している任意の用途に使用し得る。

本明細書に開示される例示的なＱＨＡは、例えばモノのインターネット（ＩｏＴ）アプリケーションにおける使用のために、５Ｇ無線ネットワークにおける使用に適している可能性がある。ＱＨＡ内に導電要素を含めることにより、アンテナアレイと同様に個々のＱＨＡのサイズを縮小することが可能になり得、これは様々な製品にアンテナを組み込むことを可能にし得る。例えば、開示されたＱＨＡの例は、交通用アンテナ、路上およびマンホールの蓋に取り付けられたアンテナ、デスクトップアンテナ、街灯柱アンテナ、ならびに屋内および屋外の両方の他のモバイルおよび固定コンピューティングデバイスおよびインフラストラクチャ機器に組み込まれ得る。開示されたＱＨＡの例は、ＷｉＦｉ、ブルートゥース、セルラー、産業科学および医療（ＩＳＭ）、広帯域および／またはスペクトル拡散通信用の周波数で動作するように設計されてもよい。例示的なＱＨＡを様々な製品に広く組み込む能力は、通信容量の増加を可能にし得、またそれらをシグナルブースターとして使用可能にし得る。

本開示は、特定の順序のステップを有する方法およびプロセスを説明しているが、方法およびプロセスの１つまたは複数のステップは、適宜省略または変更し得る。１つまたは複数のステップは、必要に応じて、説明された順序以外の順序で実行してもよい。

本開示は方法に関して少なくとも部分的に説明されているが、当業者は、本開示が記載された方法の態様および特徴の少なくともいくつかをハードウェアコンポーネント、ソフトウェア、またはこれら２つの任意の組み合わせにより実施するための様々な構成要素も対象としていることを理解するであろう。したがって、本開示の技術的解決策は、ソフトウェア製品の形で実施し得る。適切なソフトウェア製品は、例えばＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＵＳＢフラッシュディスク、リムーバブルハードディスク、または他の記憶媒体を含む、予め記録された記憶装置または他の類似の不揮発性もしくは非一時的コンピュータ可読媒体に記憶され得る。ソフトウェア製品は、処理装置（例えば、パーソナルコンピュータ、サーバ、またはネットワーク装置）が本明細書に開示される方法の例を実行することを可能にする、目に見える形式で格納された命令を含む。

本開示は、特許請求の範囲の主題から逸脱することなく他の特定の形態で具現化し得る。説明した例示的な実施形態は、あらゆる点で例示的なものにすぎず、限定的なものではないと見なされるべきである。上記の実施形態のうちの１つまたは複数から選択された特徴は、明示的に説明されていない代替の実施形態を作成するために組み合わせてもよく、そのような組み合わせに適した特徴は本開示の範囲内に包含されると理解される。

開示された範囲内の全ての値および部分範囲もまた開示されている。また、本明細書に開示され示されたシステム、装置およびプロセスは特定数の素子／要素を含み得るが、システム、装置およびアセンブリは追加のまたはより少ないそのような素子／要素を含むように修正され得る。例えば、開示された素子／要素のいずれもが単数形であるとして言及され得るが、本明細書に開示される実施形態は、複数のそのような素子／要素を含むように修正され得る。本明細書に記載の主題は、技術におけるすべての適切な変更を網羅し、包含することを意図している。

関連出願の参照
本出願は、２０１７年１月１２日に出願され、かつ「Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｑｕａｄ Ｐｏｒｔ Ｈｅｌｉｃａｌ Ａｎｔｅｎｎａ」と題する米国特許出願第１５／３０４，８９８号の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれるものとする。

本開示は、多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムおよび他の無線通信システムにおける使用を含む、４つの独立したポートを有する４線巻きヘリカルアンテナ（ＱＨＡ）の小型化に関する。

４線巻きヘリカルアンテナ（ＱＨＡ）は、４つの独立したポートを有する４つの別々のヘリックスからなる。ＱＨＡは、金属ワイヤ、導電ストリップから構築されてもよく、または適切な給電ネットワークを用いて円偏光放射を生成するために円筒状にラップされた誘電体シート上に印刷されてもよい。ＱＨＡは、アンテナダイバーシティ、陸上移動衛星（ＬＭＳ）通信、ならびに他の衛星通信およびナビゲーションシステムに使用されてきた。

ＱＨＡは、多入力多出力（ＭＩＭＯ）システムに適用するために、２素子、３素子または２×２素子アレイにおける円偏波（ＣＰ）シングルポートアンテナ素子として使用されてきた。ＭＩＭＯ用途では、２つの独立した物理ポートのみを有するアンテナ素子が通常実装される。４ポートＱＨＡアンテナ素子は、４つの空間的に分離された半波長ダイポールＭＩＭＯシステムと比較して、単一アンテナＭＩＭＯシステムにおいて実証されていた。アンテナアレイ内のアンテナ素子としてマルチポートＱＨＡを使用することは、アンテナアレイの全体サイズを縮小するのに役立ちこともあり、小型化する目的ならびにコスト削減を提供するために有用であろう。

例示的なマルチポートＱＨＡ設計は、２０１５年８月２８日に出願され、「Ｍｕｌｔｉ−Ｆｉｌａｒ Ｈｅｌｉｃａｌ Ａｎｔｅｎｎａ」と題する米国特許出願第１４／８３９，１９２号に記載されており、その全体は参照により本明細書に組み込まれるものとする。例えば、アンテナの高さを低減し、放射パターンを改善し、ポート間の結合を低減し、および／または比較的広いインピーダンス帯域幅を維持するために、この設計を変更することは有用であろう。

本明細書に記載の様々な例は、ＭＩＭＯおよび他の適切な用途においてアンテナポートの数を増やすことを可能にするＱＨＡ用の設計を提供する。本明細書に記載の実施例において１つまたは複数の容量性（例えば金属）導電要素を追加することにより、先行技術のＱＨＡと比較して、よりコンパクトなサイズ、改善された放射パターン、十分に広いインピーダンス帯域幅を有し、コスト削減をもたらすＱＨＡが達成され得る。信号対雑音比（ＳＮＲ）に対する容量の増加（例えば、ビット／秒として測定される）もまた達成され得る。いくつかの例では、先行技術のＱＨＡと比較して、アンテナ高さの７０％近くの低減、放射パターンの改善、対向ポート結合の低減、ならびにアンテナインピーダンスおよびパターン帯域幅の増大を達成し得る。

開示された例示的なＱＨＡは、（例えば、大規模ＭＩＭＯ用途用の）アンテナアレイにおいて４ポートアンテナ素子を使用することを可能にし、これが、２ポートアンテナ素子を使用したアレイと比較して、アレイパネルのサイズを減少させることを可能にし得る（例えば、いくつかの例では約４２％のサイズ縮小）。

いくつかの例では、本開示はＱＨＡを記載する。ＱＨＡは、共通の長手方向アンテナ軸の周囲に巻回された４つの導電ヘリカルトレースを含む。導電ヘリカルトレースは、選択された周波数帯域で送信または受信するように構成されている。各導電ヘリカルトレースは、それぞれのローンチラインを介してアンテナのそれぞれのポートに接続されている。ＱＨＡはまた、導電ヘリカルトレースから絶縁され、導電ヘリカルトレース上（または下）に重ね合わされた少なくとも１つの導電要素を含む。少なくとも１つの導電要素は、周波数帯域においてインピーダンス整合をもたらすように構成される。

いくつかの例では、本開示はアンテナアレイを記載する。アンテナアレイは複数の４ポートＱＨＡを含む。各ＱＨＡは、共通の長手方向アンテナ軸の周囲に巻回された４つの導電ヘリカルトレースを含む。導電ヘリカルトレースは、選択された周波数帯域で送信または受信するように構成されている。各導電ヘリカルトレースは、それぞれのローンチラインを介してアンテナのそれぞれのポートに接続されている。各ＱＨＡはまた、導電ヘリカルトレースから絶縁され、導電ヘリカルトレース上（または下）に重ね合わされた少なくとも１つの導電要素を含む。少なくとも１つの導電要素は、周波数帯域においてインピーダンス整合をもたらすように構成される。

いくつかの例では、本開示は、ＱＨＡを製造する方法を記載する。本方法は、可撓性誘電体の第１の表面上にトレースとして４つの導電ヘリカルトレースを設けるステップを含む。各導電ヘリカルトレースは、アンテナのそれぞれのポートに接続するためのテールおよびそれぞれのローンチラインを備えている。導電ヘリカルトレースは、選択された周波数帯域で送信または受信するように構成されている。本方法はまた、可撓性誘電体の異なる第２の表面上に少なくとも１つの導電要素を設けるステップを含む。少なくとも１つの導電要素は、導電ヘリカルトレースから絶縁され、導電ヘリカルトレースの上に重ね合わされるように配置される。少なくとも１つの導電要素は、周波数帯域においてインピーダンス整合をもたらすように構成される。本方法はまた、導電ヘリカルトレースが共通の長手方向アンテナ軸の周囲にヘリカル巻線を形成するように可撓性誘電体をラップするステップを含む。

少なくとも１つの導電要素は、少なくとも１つの導電リングおよび／または導電パッチを含み得る。１つの導電パッチのセット、または２つ以上の導電パッチのセットがあってもよい。

ここで、例として、本出願の例示的な実施形態を示す添付の図面を参照する。

図１Ａは、例示的な先行技術のＱＨＡの概略図である。 図１Ｂは、図１ＡのＱＨＡの散乱パラメータ（Ｓパラメータ）を示すグラフである。 図１Ｃは、図１ＡのＱＨＡの放射パターンを示すグラフである。 図２は、導電パッチを有する例示的なＱＨＡの概略図である。 図３は、導電リングを有する例示的なＱＨＡの概略図である。 図４Ａは、２．３ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚの周波数帯域用に調整された、導電リングを有する別の例示的なＱＨＡの概略図である。 図４Ｂは、図４ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図４Ｃは、図４ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図４Ｄは、図４ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図４Ｅは、図４ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図５Ａは、２．３ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚの周波数帯域に対して調整された、導電パッチを有する別の例示的なＱＨＡの概略図である。 図５Ｂは、図５ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図５Ｃは、図５ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図５Ｄは、図５ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図５Ｅは、図５ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図６Ａは、２．３ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚの周波数帯域に対して調整された、導電リングを有する別の例示的なＱＨＡの概略図である。 図６Ｂは、図６ＡのＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図６Ｃは、図６ＡのＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図７Ａは、２．３ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚの周波数帯域に対して調整された、導電パッチを有する別の例示的なＱＨＡの概略図である。 図７Ｂは、図７ＡのＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図７Ｃは、図７ＡのＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図８Ａは、１．９ＧＨｚから２．３ＧＨｚの周波数帯域用に調整された、導電パッチを有する別の例示的なＱＨＡの概略図である。 図８Ｂは、図８ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図８Ｃは、図８ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図８Ｄは、図８ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図８Ｅは、図８ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図９Ａは、３．４ＧＨｚ〜３．６ＧＨｚの周波数帯域に対して調整された、導電パッチを有する別の例示的なＱＨＡの概略図である。 図９Ｂは、図９ＡのＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図９Ｃは、図９ＡのＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図１０Ａは、図５ＡのＱＨＡを組み込んだアンテナアレイの概略図である。 図１０Ｃは、図１０Ａのアレイにおいて、ポート１がオンのアンテナ素子の放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図１０Ｃは、図１０Ａのアレイにおいて、ポート１がオンのアンテナ素子の放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図１０Ｄは、２ポートアンテナのアンテナアレイと４ポートアンテナのアンテナアレイとを比較する概略図である。 図１１は、鋭い屈曲部を有するローンチラインを示す例示的なＱＨＡの拡大概略図である。 図１２Ａは、非円筒形ジオメトリを有し、導電リングを含む例示的なＱＨＡの概略図である。 図１２Ｂは、図１２ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図１２Ｃは、図１２ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図１２Ｄは、図１２ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図１２Ｅは、図１２ＡのＱＨＡおよび比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図１３は、上部プレートを有する例示的なＱＨＡの概略図である。 図１４は、上部リングを有する例示的なＱＨＡの概略図である。 図１５は、外殻を有する例示的なＱＨＡの概略図である。 図１６は、同心誘電体層を使用して形成された例示的なＱＨＡの概略図である。 図１７は、複数の導電リングを有する例示的なＱＨＡの概略図である。 図１８Ａは、２つの導電パッチのセットを有する例示的なＱＨＡの概略図である。 図１８Ｂは、図１８ＡのＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図１８Ｃは、図１８ＡのＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを示すグラフである。 図１９Ａは、中心ロッドを有する例示的なＱＨＡの概略図である。 図１９Ｂは、図１９ＡのＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを中央ロッドのないＱＨＡと比較して示すグラフである。 図１９Ｃは、図１９ＡのＱＨＡの放射パターンおよびＳパラメータを中央ロッドのないＱＨＡと比較して示すグラフである。 図２０は、開示されたＱＨＡの一例を製造する例示的な方法を説明するフローチャートである。

様々な図において同様の参照番号が使用して同様の構成要素を示すことがある。

図１Ａは、例えば米国特許出願第１４／８３９，１９２号に記載されているような例示的な先行技術の４線巻きヘリカルアンテナ（ＱＨＡ）１０を示している。ＱＨＡ１０は、４つの螺旋状に巻回された導電ヘリカルトレース１２（巻線またはフィラとも呼ばれる）を含み、各導電ヘリカルトレース１２は、それぞれのローンチライン１６を介してそれぞれのポート１４に接続される。各導電ヘリカルトレース１２は、上述の特許出願に記載されているような拡張基部と隆起高さを有し得る。各導電ヘリカルトレース１２は独立して給電され、４ポートＱＨＡ１０となる。４ポートＱＨＡはまた、クアッドポートアンテナまたはクアッドアンテナと呼ばれることもある。導電ヘリカルトレース１２は、隣接する導電ヘリカルトレース１２間で９０°の角距離だけ隔てられており、長さが等しく、同じ方向に同じピッチで巻回されている。図示の例では、ＱＨＡ１０は、グランドプレーン１８、本例では導電反射板として機能することができる金属製のグランドプレーン１８に取り付けられている。グランドプレーン１８は、放射パターンのサイドローブを（グランドプレーン１８から離れる）順方向に向ける手助けをすることが可能であるが、いくつかの例では、グランドプレーン１８は省略されてもよい。導電ヘリカルトレース１２は、例えば中空円筒として形成される誘電体上のトレースとして、または支持面の周囲に導電ヘリカルトレース１２を巻回することによって設けてもよい。一般に、導電ヘリカルトレース１２は、銅などの任意の適切な導電性材料で形成し得る。

ＱＨＡ１０の高さｈ１は、動作周波数の１波長λ未満であってもよい。例えば、ＱＨＡ１０は０．７５λの高さｈ１を有してもよい。２．５ＧＨｚの動作周波数では、ＱＨＡ１０の高さｈは約９０ｍｍである。図１Ｂは、２．３ＧＨｚから２．７ＧＨｚの範囲の動作周波数にわたる例示的なＱＨＡ１０の散乱パラメータ（Ｓパラメータ）を示す。図１Ｃは、２．５ＧＨｚの動作周波数における例示的なＱＨＡ１０の放射パターンを示す。例示的なＱＨＡ１０は、２．３ＧＨｚから２．７ＧＨｚの動作範囲で約１６％の広いインピーダンス帯域幅、および約−１０ｄＢの最大結合を有することが分かった。しかしながら、放射パターンの改善、ならびにアンテナ高さの低減が望まれる場合がある。

以下に提供される例では、例えば導電パッチまたは導電リングの形態の容量性要素を組み込んだ様々なＱＨＡの設計が説明される。そのような設計がＱＨＡの高さの低減を可能にすることが分かっており、また改善された放射パターンを提供し得る。関心のある異なる周波数帯域に対して異なる設計が調整されてもよく、これは５Ｇ無線用途に特に関連し得る。以下の表は、以下で詳しく説明するいくつかの例を示している。

図２は、導電パッチ２１０組み込んだ例示的なＱＨＡ２００を示す概略図である。例示的なＱＨＡ２００は、誘電体上に印刷またはエッチングすることによって設け得る複数の導電ヘリカルトレース２０２、この場合は４つの導電ヘリカルトレース２０２を含む。例えば、導電ヘリカルトレース２０２は、次に円柱形にラップされ得る可撓性誘電体（例えば、３．４の誘電率（ＤＫ）および０．１２７ｍｍの厚さを有するＤｕＰｏｎｔ（登録商標）Ｐｙｒａｌｕｘ（登録商標） ＡＰ可撓性回路材料）をエッチングすることによって設けてもよい。導電ヘリカルトレース２０２は他の方法で、例えば支持表面の周囲に導電ワイヤまたはストリップを巻回することによって、あるいは同軸誘電体ケーブルをエッチングすることによって設け得る。

図２の例における導電ヘリカルトレース２０２は、隣接する導電ヘリカルトレース２０２間に９０°の分離角をもって等間隔に離間されている。導電ヘリカルトレース２０２は、巻き数、ピッチ、長さ、幅、および巻き方向において互いに類似していてもよい。図２の例では、導電ヘリカルトレース２０２はそれぞれ、動作周波数の１波長λ未満（例えば、λ／４）の長さを有し、１ターン未満で完了し、その長さ全体にわたって実質的に一定の幅を有する。各導電ヘリカルトレース２０２は１完全巻き未満で巻回されているが、導電ヘリカルトレース２０２は依然としてＱＨＡ２００の共通の中央長手方向ｚ軸の周囲に螺旋状に巻回されていると見なされることに留意されたい。他の例（以下でさらに論じるいくつかの例を含む）では、導電ヘリカルトレース２０２は、１回または複数回の巻きを完了してもよく、可変幅を有してもよく、および／または均等または不均等の幅の２つ以上の分岐部に分割してもよい。一般に、導電ヘリカルトレース２０２の寸法および構成は、アンテナ設計の一部として、適切な同調技術を使用して、所望のアンテナ特性を達成するように選択され得る。適切であり得る導電ヘリカルトレース２０２の例示的な寸法および構成は、参照により先に盛り込まれている米国特許出願第１４／８３９，１９２号に記載されている。ＱＨＡ２００の調整は、例えばシミュレーションの助けを借りて実行してもよい。

各導電ヘリカルトレース２０２は、それぞれのローンチライン２０６を介してそれぞれのポート２０４に接続されている。この例では、４つの導電ヘリカルトレース２０２はそれぞれ独立してそれぞれのポート２０４に供給され、４ポートＱＨＡ２００が得られる。グランドプレーン２０８は、任意の適切な導電材料から形成されてもよく、導電反射体として機能してもよい。各導電ヘリカルトレース２０２は、信号を送信または受信するために、それぞれのポート２０４を介してアンテナフィードネットワーク（図示せず）に接続してもよい。

ＱＨＡ２００は、導電ヘリカルトレース２０２から電気的に絶縁された、１つまたは複数の導電要素、この例では導電パッチ２１０を含む。例えば、図２のＱＨＡ２００は、４つの導電パッチ２１０を含む。導電パッチ２１０は、各導電ヘリカルトレース２０２が少なくとも部分的に導電パッチ２１０により重ね合わされるように配置される。例えば、各導電ヘリカルトレース２０２は、図２示すように異なるそれぞれの導電パッチ２１０により部分的に重ね合わされてもよい。いくつかの例では、単一の導電パッチ２１０は、２つ以上の導電ヘリカルトレース２０２に重ね合わせてもよい。いくつかの例では、単一の導電ヘリカルトレース２０２は、２つ以上の導電パッチ２１０によって重ね合わされ得る。導電パッチ２１０の数は、導電ヘリカルトレース２０２の数より多くても少なくてもよい。本開示では、用語「重ね合わされる」は、導電ヘリカルトレース２０２が誘電体または支持面を通して投影されるとき導電パッチ２１０と重なることを示すのに使用され、「重ね合わされる」とは、必ずしも導電ヘリカルトレース２０２と導電パッチ２１０とが物理的に接触していることを意味するものではなく、また「重ね合わされる」とは、導電ヘリカルトレース２０２と導電パッチ２１０とが設けられる順序を何ら必要とせず、導電パッチ２１０は導電ヘリカルトレース２０２上に重ね合わされるか、導電ヘリカルトレース２０２の下に重ね合わされると説明され得る。導電ヘリカルトレース２０２と導電パッチ２１０とは互いに絶縁されていてもよい。

導電パッチ２１０は、導電ヘリカルトレース２０２が設けられている表面とは反対側の誘電体基板の表面上に印刷することによって設けてもよい。あるいは、導電パッチ２１０は２つの誘電体層の間にパッチ２１０を挟むことによって提供され（例えば、導電パッチ２１０は二層誘電体の内側または内層に提供される）、導電ヘリカルトレース２０２は２つの誘電体層の外面上に提供され得る。いくつかの例では、導電パッチ２１０が１つの誘電体層に印刷され、導電ヘリカルトレース２０２が別の誘電体層に印刷され、次いでこれらの誘電体層が互いに積層されてもよい。導電パッチ２１０が導電ヘリカルトレース２０２から電気的に絶縁され、導電ヘリカルトレース２０２の上に重ね合わされる限り、導電パッチ２１０を提供するための任意の適切な方法を使用し得る。

導電パッチ２１０は、長さ、幅および／またはピッチが互いに類似していてもよい。図２の例では、導電パッチ２１０はその長さ全体にわたって実質的に一定の幅を有するが、他の例では導電パッチ２１０は可変幅を有するか、または異なるジオメトリ（不規則なジオメトリを含む）を有し得る。図示されるように、導電パッチ２１０は０°のピッチを有する、すなわち、導電パッチ２１０の長手方向軸は概してＱＨＡ２００の底部に対して平行である。

図２は４つの導電パッチ２１０を示しているが、いくつかの例では、１つのより長い導電パッチが２つ以上のより短い導電パッチ２１０の機能を果たすようにより長い導電パッチを使用し得る。

導電パッチ２１０の位置、寸法および構成は、アンテナ設計の調整の一部として、所望のアンテナ特性を達成するように選択されてもよい。そのような調整は、導電ヘリカルトレース２０２の設計の調整と併せて実行し得る。

ＱＨＡ２００の高さｈ２は、先行技術のＱＨＡと比較して減少されてもよく、アンテナの特性は、先行技術のＱＨＡと比較して維持または改善され得る。例えば、導電パッチ２１０を含むことにより、ＱＨＡ２００は、同じ周波数帯域に同調された先行技術のＱＨＡと比較して、改善された放射パターンおよび低減されたアンテナ高さｈ２を達成し得る。このような性能特性を実証するために、例示的なシミュレーションが以下にさらに説明される。

図３は、導電パッチが導電リングで置き換えられている別の例示的なＱＨＡ３００を示す概略図である。図３のＱＨＡ３００は、図２のＱＨＡ２００と同様に、それぞれのローンチライン３０６を介してそれぞれのポート３０４に接続され、グランドプレーン３０８上に取り付けられた（上述したように寸法および構成の選択可能な変形を伴う）４つの導電ヘリカルトレース３０２を含む。１つまたは複数の導電パッチの代わりに、ＱＨＡ３００の導電要素は、全ての導電ヘリカルトレース３０２の上に重ね合わされるように配置される導電リング３１０である。概念的には、導電リング３１０は、ＱＨＡ３００の外周全体に完全に延出する導電パッチと考え得る。導電リング３１０は、上述の導電パッチ２１０と同様の方法で設けてもよい。

導電リング３１０は、図３に示すように、全体を通して実質的に一定の幅を有し得る。他の例では、導電リング３１０は可変幅を有してもよい。リングとして説明されているが、導電リング３１０は非円形のジオメトリを有していてもよい。例えば、導電リング３１０は、正方形または他の規則的または不規則的なジオメトリの外周に沿ってもよい。導電リング３１０は、ゼロではないピッチ角を有してもよく、または０°のピッチを有してもよく、すなわち（図３の例のように）グランドプレーン３０８と実質的に平行であってもよい。導電リング３１０のピッチに関係なく、導電リング３１０はＱＨＡ３００の長手方向のｚ軸を中心とする。導電リング３１０の位置、寸法および構成は、アンテナ設計の調整の一部として、所望のアンテナ特性を達成するように選択されてもよい。そのような調整は、導電ヘリカルトレース３０２の設計の調整と併せて実行し得る。

図２の例と同様に、図３の例において導電性リング３１０を含めることにより、同じ周波数帯域に調整された先行技術のＱＨＡと比較して、ＱＨＡ３００の高さｈ３の低減および改善された放射パターンを可能にし得、同時にポート間の望ましい結合および広いインピーダンス帯域幅を維持し得る。このような性能特性を実証するために、例示的なシミュレーションが以下にさらに説明される。

一般に、導電要素（例えば、１つまたは複数の導電パッチ２１０または導電リング３１０）を含めることにより、アンテナ特性が向上し得る。導電要素は、金属製であっても、または他の任意の適切な導電性材料から作製されてもよい。導電パッチ２１０の代わりに導電リング３１０を使用することにより、結果異なるアンテナ性能がもたらされる可能性がある。例えば、導電パッチ２１０の代わりに導電リング３１０を使用することにより、１．９ＧＨｚから２．３ＧＨｚの周波数帯域で正方形ベースのＱＨＡラップする設計の場合に、より望ましい放射パターンを提供し得る。どの導電要素を使用するか、または導電リング３１０と導電パッチ２１０の組み合わせを使用すべきかどうかの選択は、アンテナ設計の調整の一部であってもおよび／または支持構造のジオメトリ（正方形ベースまたは円形ベース）に依存してもよく、またシミュレーションの助けを借りて実行されてもよい。

本明細書に開示される例示的なＱＨＡの性能を説明するために、いくつかの例示的なシミュレーション結果がここで議論される。これらのシミュレーションは説明のためだけに提供されており、限定または約束を意図するものではない。

図４Ａは、導電リング４１０を有する例示的なＱＨＡ４００を示す。このＱＨＡ４００の性能は、２．３ＧＨｚから２．７ＧＨｚの周波数帯域についてシミュレートされ、結果は、２．５ＧＨｚの動作周波数について以下に説明される。適切な調整を通して、アンテナの高さは０．７５λになるように選択された。この例における導電リング４１０は、２ｍｍ＝０．０１７λの幅を有し、（ＱＨＡ４００の底部からリング４１０の下端までを測定して）４５ｍｍ＝０．３７５λの高さに配置されている。例示的なＱＨＡ４００のシミュレーションは、同一の寸法および構成を有するが導電リングがない先行技術のＱＨＡ（図示せず）について行われたシミュレーションと比較し得る。

図４Ｂおよび図４Ｃは、それぞれ、比較先行技術のＱＨＡの放射パターンおよび散乱パラメータ（Ｓパラメータ）を示す。比較のために、図４ＡのＱＨＡ４００の放射パターンおよびＳパラメータはそれぞれ、図４Ｄおよび図４Ｅに示される。これらのグラフから分かるように、導電リング４１０を含めることにより、２．３ＧＨｚから２．７ＧＨｚの周波数帯域において−１２ｄＢ未満のインピーダンス整合で、改善された放射パターンがもたらされる。

図５Ａは、４つの導電パッチ５１０を有する例示的なＱＨＡ５００を示す。この例示的なＱＨＡ５００は、２．３ＧＨｚから２．７ＧＨｚの周波数帯域に対して調整された。一般に、ＱＨＡの寸法は以下の式を用いて計算し得る。

ここで、ＨはＱＨＡの全高、Ｌｅは円柱の周りをＮ回転する長さ、Ｌｆｄは各導電ヘリカルトレースのローンチ高さ、Ｌｔはテール長、Ｗｂは各導電ヘリカルトレースの幅、Ｒは円柱の半径である。各ヘリカルトレース５０２の全長は、Ｌｅ＋Ｌｆｄ＋Ｌｔの合計であるが、Ｎは長さＬｅの巻き数のカウントである（すなわち、ＬｆｄおよびＬｔはＮの計算に含まれない）ことに留意されたい。

２．５ＧＨｚの動作周波数において、例示的なＱＨＡ５００は、３９ｍｍ＝０．３２５λの高さおよび４２ｍｍ＝０．３５０λの直径を有する。この例では、各導電パッチ５１０は、１６．５ｍｍ＝０．１３８λの長さ、７ｍｍ＝０．０５８λの幅を有し、それぞれ（ＱＨＡ５００の底部からパッチ５１０の下端までを測定した場合）２６ｍｍ＝０．２１７λの高さに配置される。各導電ヘリカルトレース５０２は全長８５ｍｍを有し、これはＬｅ＝７０ｍｍ＝０．５８３λ、１０ｍｍのローンチ高さおよび５ｍｍのテール長の合計である。各導電ヘリカルトレース５０２は９ｍｍの幅を有する。各導電ヘリカルトレース５０２は、ＱＨＡ５００のテールおよびローンチ高さ以降、かつ１９．５°のピッチ角から開始して、０．５回の巻きを有する。

図５のＱＨＡ５００について、２．３ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚの周波数帯域におけるＳパラメータは以下の通りであることが分かった。

例示的なＱＨＡ５００のシミュレーションは、同一の寸法および構成を有するが導電パッチのない先行技術のＱＨＡ（図示せず）について行われたシミュレーションと比較し得る。図５Ｂおよび図５Ｃは、先行技術のＱＨＡおよび例示的なＱＨＡ５００のＳパラメータをそれぞれ示す。導電パッチ５１０を含めることによって、ＱＨＡ５００に対するインピーダンス整合が改善されることが分かる。

２．３ＧＨｚ、２．５ＧＨｚ、および２．７ＧＨｚの動作周波数における比較先行技術のＱＨＡのアンテナ素子（ポート１がオンの状態）の放射パターンを図５Ｄに示す。比較のために、同じ動作周波数における例示的なＱＨＡ５００（ポート１がオンの状態）の対応する放射パターンを図５Ｅに示す。導電パッチ５１０を含めることにより、ＱＨＡ５００の放射パターンが改善されることが分かる。

図６Ａは、導電リング６１０を有する例示的なＱＨＡ６００を示す。この例示的なＱＨＡ６００は、２．３ＧＨｚから２．７ＧＨｚの周波数帯域に対して調整された。２．５ＧＨｚの動作周波数では、例示的なＱＨＡ５００は、高さ３９ｍｍ＝０．３２５λおよび直径４２ｍｍ＝０．３５０λを有する。この例における導電リング６１０は、２ｍｍ＝０．０１７λの幅を有し、（ＱＨＡ６００の底部からリング６１０の下端まで測定した場合）３０ｍｍ＝０．２５λの高さに配置されている。例示的なＱＨＡ６００の寸法は、図５Ａの例示的ＱＨＡ５００の寸法と同一であり、異なる点は、導電パッチ５１０の代わりに導電リング６１０が使用されていることである。

例示的なＱＨＡ６００のシミュレーションは、同一の寸法および構成を有するが導電リングを持たない先行技術のＱＨＡ（例示的なＱＨＡ５００に関して上述した比較先行技術のＱＨＡと同じ）について行われたシミュレーションと比較され得る。２．３ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚの周波数帯域におけるＳパラメータは以下の通りであることが分かった。

図６Ｂは、例示的なＱＨＡ６００についてシミュレートされたＳパラメータを示すグラフである。これは、先行技術のＱＨＡに対するＳパラメータのグラフを示す図５Ｄと比較し得る。図６Ｃは、２．３ＧＨｚ、２．５ＧＨｚ、および２．７ＧＨｚの動作周波数における例示的なＱＨＡ６００の放射パターンを示す。比較のために、比較先行技術のＱＨＡの放射パターンを図５Ｄに示す。これらのシミュレーション結果によって示されるように、例示的なＱＨＡ６００は、先行技術のＱＨＡと比較して、改善されたリターンロスおよび放射パターン特性を示す。

図７Ａは、４つの導電パッチ７１０を有する例示的なＱＨＡ７００を示す。この例示的なＱＨＡ７００は、２．３ＧＨｚから２．７ＧＨｚの周波数帯域に対して調整された。２．５ＧＨｚの動作周波数では、例示的なＱＨＡ７００は、２８ｍｍ＝０．２３３λの高さおよび５０ｍｍ＝０．４１７λの直径を有する。この例における導電パッチ７１０はそれぞれ、３１．４ｍｍ＝０．２６２λの長さおよび７ｍｍ＝０．０５８λの幅を有する。各導電パッチ７１０は、（ＱＨＡ７００の底部から各パッチ７１０の下端まで測定した場合）６ｍｍ＝０．０５λの高さに配置される。各導電ヘリカルトレース７０２は、４５ｍｍの全長を有し、これはＬｅ＝３０ｍｍ＝０．２５０λ、ローンチ高さ１０ｍｍおよびテール長５ｍｍの合計である。各導電ヘリカルトレース７０２は７ｍｍの幅を有する。各導電ヘリカルトレース７０２は、ローンチ高さおよびテール長さを含まない０．１７回の巻きを有する。各導電ヘリカルトレース７０２は、反射板と接触することなく、ＱＨＡ７００の底部から２７°のピッチ角で開始する。

このＱＨＡ７００のシミュレーションは、導電パッチ７１０が誘電体層の間に挟まれている、二重Ｐｙｒａｌｕｘ ＡＰ層の使用に基づくものであった。隣接ポート間の結合は、２．３ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚの周波数帯域で−９ｄＢ未満であることが分かった。図７Ｂは、例示的なＱＨＡ７００についてシミュレートされたＳパラメータを示すグラフである。図７Ｃは、異なる励起を持つ、２．５ＧＨｚの動作周波数での例示的なＱＨＡ７００の放射パターンを示す。

図８Ａは、導電パッチ８１０を有する例示的なＱＨＡ８００を示す。この例示的なＱＨＡ８００は、１．９ＧＨｚから２．３ＧＨｚの周波数帯域に対して調整された。２．１ＧＨｚの動作周波数では、例示的なＱＨＡ８００は、３６ｍｍ＝０．２５２λの高さおよび５０ｍｍ＝０．３５０λの直径を有する。この例における導電パッチ８１０はそれぞれ、１９．６４ｍｍ＝０．１３７λの長さおよび７ｍｍ＝０．０４９λの幅を有する。各導電パッチ８１０は、（ＱＨＡ８００の底部から各パッチ８１０の下端まで測定した場合）２６ｍｍ＝０．１８２λの高さに配置される。各導電ヘリカルトレース８０２は、全長１０２．９ｍｍを有し、これはＬｅ＝８４．９ｍｍ＝０．５９４３λ、ローンチ高さ１０ｍｍおよびテール長８ｍｍの合計である。各導電ヘリカルトレース８０２は、７ｍｍの幅を有する。各導電ヘリカルトレース８０２は、ローンチ高さおよびテール長を含まずに０．５２２５回の巻きを有する。導電ヘリカルトレース８０２は、反射板に接触することなく、ＱＨＡ８００の底部から、かつ１４．８°のピッチ角で開始する。

この周波数帯域において、例示的なＱＨＡ８００に対するＳパラメータは以下の通りであることが分かった。

例示的なＱＨＡ８００のシミュレーションは、同一の寸法および構成を有するが導電パッチがない先行技術のＱＨＡについて行われたシミュレーションと比較し得る。図８Ｂは、例示的なＱＨＡ８００についてシミュレートされたＳパラメータを示すグラフである。これは、比較先行技術のＱＨＡについてのＳパラメータのグラフを示す図８Ｄと比較し得る。図８Ｃは、ポート１が励起されているときの、２．１ＧＨｚの動作周波数での例示的なＱＨＡ８００の放射パターンを示す。比較のために、比較先行技術のＱＨＡの放射パターンを図８Ｅに示す。これらのシミュレーション結果によって示されるように、例示的なＱＨＡ８００は、先行技術のＱＨＡと比較して、改善されたＳパラメータおよび放射パターン特性を示す。

図９Ａは、導電パッチ９１０を有する例示的なＱＨＡ９００を示す。この例示的なＱＨＡ９００は、３．４ＧＨｚから３．６ＧＨｚの周波数帯域に対して調整された。３．５ＧＨｚの動作周波数では、例示的なＱＨＡ９００は、３８．４ｍｍ＝０．４４８λの高さおよび５０ｍｍ＝０．５８３λの直径を有する。この例における各導電パッチ９１０は、２８．６ｍｍ＝０．３３４λの長さおよび５．５ｍｍ＝０．０６４λの幅を有する。各導電パッチ９１０は、（ＱＨＡ９００の底部から各パッチ９１０の下端まで測定した場合）１４ｍｍ＝０．１６３λの高さに配置されている。各導電ヘリカルトレース９０２は、７４．７ｍｍの全長を有し、これはＬｅ＝６０．７ｍｍ＝０．４２４９λ、ローンチ高さ１０ｍｍおよびテール長４ｍｍの合計である。各導電ヘリカルトレース９０２は６．１５ｍｍの幅を有する。各導電ヘリカルトレース９０２は、ローンチ高さおよび尾部長さを含まない０．３５２９回の巻きを有する。導電ヘリカルトレース９０２は、反射板に接触することなく、ＱＨＡ９００の底部から、かつ２４°のピッチ角で開始する。

この動作周波数では、対向する導電ヘリカルトレースの間隔は０．５８３λであり、−１５ｄＢ未満のアイソレーションを達成し、また隣接する導電ヘリカルトレースの間隔は０．４１２λであり、−１０ｄＢ未満のアイソレーションを達成している。

図９Ｂは、例示的なＱＨＡ９００についてシミュレートされたＳパラメータを示すグラフである。図９Ｃは、ポート１が励起されているときの、３．４ＧＨｚ、３．５ＧＨｚ、および３．６ＧＨｚの動作周波数での例示的なＱＨＡ８００の放射パターンを示す。

本明細書に開示された例示的なＱＨＡは、個別のアンテナとして使用されてもよく、またはアンテナアレイにおいて使用されてもよい。開示された例示的なＱＨＡは改善された放射パターンおよびＳパラメータを可能にするので、そのような４ポートＱＨＡを狭い間隔のアンテナアレイに使用してもなおアレイ内のアンテナ間の許容可能な低干渉を達成することが可能である。アンテナアレイ内のＱＨＡは、同一の設計を有してもよく、または異なる設計を含んでもよい。アンテナアレイは、先行技術のＱＨＡと組み合わせて、開示されたＱＨＡの例を組み込んでもよい。

図１０Ａは、本明細書に開示されるような複数のＱＨＡを組み込んでいる例示的なアンテナアレイ１０００を概略的に示す。図示されている例では、図５Ａの単層ＱＨＡ５００の結合された二層の変形例の実装形態は、アンテナアレイ１０００において使用される。平面図に示されるように、５つのそのようなＱＨＡが中央のＱＨＡを囲む４つのＱＨＡと共に配置される。各ＱＨＡは４ポートアンテナであり、アンテナアレイ１０００内に合計２０ポートを提供する。例示的なアンテナアレイ１０００は、２．５ＧＨｚの動作周波数を含む２．３ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚの周波数帯域に適している可能性がある。アレイ１０００は、縦６０ｍｍ、横１２０ｍｍの千鳥配列である。２．５ＧＨｚの動作周波数では、６０ｍｍは０．５ｌに等しい。図１０Ｂは、アンテナアレイ１０００におけるＱＨＡのシミュレートされたＳパラメータを示すグラフである。図１０Ｃは、ポート１が励起されたときの、２．３ＧＨｚ、２．５ＧＨｚ、および２．７ＧＨｚの動作周波数でのアンテナアレイ１０００内のＱＨＡの放射パターンを示す。個々のＱＨＡの放射パターンと比較して、放射パターンにはわずかな変化しかない。Ｓパラメータの変化もほとんど気にならない。これらのシミュレーション結果は、本明細書に開示された例示的なＱＨＡ設計が４ポートＱＨＡをアンテナアレイにおいて使用できることを実証する。

本明細書に開示されるように、アンテナアレイにおいて４ポートＱＨＡを使用することは、特に大規模ＭＩＭＯ用途のために、アレイのサイズを縮小することを可能にし得る。例えば、図１０Ｄは、本明細書に開示される例示的なＱＨＡなどの４ポートアンテナを使用するアンテナアレイ１０６０と比較した、２ポートアンテナを使用するアンテナアレイ１０５０を示す。１２８ポートを達成するためには、６４個の２ポートアンテナが必要とされる（例えば、８行×８列に配置される）。比較すると、アンテナアレイ１０６０において１２８ポートを達成するためには３２個の４ポートＱＨＡのみが必要である。図１０Ｄでは、各アレイ１０５０、１０６０のアンテナは、０．５λの方位間隔と１λの仰角間隔で、互い違いに配置されている。２．１ＧＨｚの動作周波数では、λ＝１４２．８ｍｍである。２ポートアンテナのアレイ１０５０は、２１λ^２の面積を必要とする。比較すると、４ポートＱＨＡのアレイ１０６０は１２．２５λ^２の面積を必要とし、約４２％の面積縮小を達成する。

導電要素を組み込んだ様々な例示的なＱＨＡ構成は、上述されている。適切な設計パラメータ（例えば、導電ヘリカルトレースの寸法、導電部品の寸法、構成および／または配置、および／または全体のＱＨＡの寸法）を選択して所望のアンテナ特性を達成するために（例えば、Ｓパラメータを調整して放射パターンを成形する）、（例えば、シミュレーションまたは他のアンテナ設計技術を用いた）適切な調整が行われ得る。他の可能な変形を以下に検討する。これらの以下の変形例は、前述の例のいくつかまたはすべてに組み込んでもよく、そのような変形例は、所望のアンテナ特性を達成するために組み合わせて組み込んでもよい。

図１１は、例示的なＱＨＡ１１００の一部の拡大図であり、そこでは導電ヘリカルトレース１１０２が９０°より大きな角度を有する（すなわち、最小またはゼロの曲げ半径を有する）鋭い屈曲部を有するローンライン１１０６を介して供給される。ローンチライン１１０６に鋭い屈曲部を含めることによって、導電ヘリカルトレース１１０２を導電ヘリカルトレース１１０２の長さに沿った異なる接続点で接続することが可能になり、それによって同調およびインピーダンス整合のための設計自由度が増大する。ローンチライン１１０６の鋭い屈曲部がＱＨＡ１１００の特性に大きな影響を与えることは見出されなかった。

図１２Ａは、導電ヘリカルトレース１２０２が非円筒形のジオメトリ、この場合は正方形ベースのジオメトリの周囲に巻回されている例示的なＱＨＡ１２００を示す。この例における導電要素は導電リング１２１０であり、これもまた正方形のジオメトリを有し得る。２．３ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚの周波数帯域では、ＱＨＡ １２００は、３７．２ｍｍ×３７．２ｍｍの正方形の基部、３９ｍｍの高さを有し得る。このＱＨＡ１２００は、直径４２ｍｍの円形の基部を有する円筒形のＱＨＡに基づくものであり得る。ＱＨＡ１２００は、正方形の基部の面積が４２ｍｍの直径を有する円形の基部の面積と等しくなるように設計し得る。この例では、導電リング１２１０は２ｍｍの幅を有し、（ＱＨＡ１２００の底部からリング１２１０の下端まで測定した場合）３０ｍｍの高さに配置されている。

例示的なＱＨＡ１２００の特性は、同一の寸法および構成を有するが導電リング１２１０がない先行技術のＱＨＡ（図示せず）の特性と比較し得る。図１２Ｂおよび図１２Ｃはそれぞれ、例示的なＱＨＡ１２００および比較先行技術のＱＨＡのＳパラメータを示す。例示的なＱＨＡ１２００は、先行技術のＱＨＡと比較して改善されたＳパラメータを達成することが分かる。図１２Ｄおよび図１２Ｅはそれぞれ、２．３ＧＨｚおよび２．５ＧＨｚの動作周波数における、例示的なＱＨＡ１２００および比較先行技術のＱＨＡの放射パターンを示す。例示的なＱＨＡ１２００は、先行技術のＱＨＡと比較して改善された放射パターンを達成することが分かる。

一般に、導電ヘリカルトレースは、例えば正方形、球形、円筒形または円錐形の表面を含む任意の適切なジオメトリの周囲に設けることができる。同心面を使用してもよい。それに応じて、誘電体または他の支持面を整形することによって、ＱＨＡに対する異なるジオメトリを達成し得る。本開示におけるヘリカルアンテナおよび導電ヘリカルトレースは、円形または円筒形のジオメトリに厳密に限定されないことを理解されたい。非円筒形のジオメトリの周囲に形成された巻線はまた、「ヘリカル」であるとも称され得る。ＱＨＡに対する適切なジオメトリの選択は、アンテナ調整の一部として、また、（例えば、シミュレーションの助けを借りて）所望の放射パターンを得るために実行されてもよい。以下で論じる図１３〜図１９Ｃは、放射パターン整形の目的のために、導電パッチと共に実装することができる例示的な設計変形を示す。個別に説明したが、そのような変形は組み合わせて使用し得る。

図１３は、上部プレート１３１２を含む別の例示的なＱＨＡ１３００の概略図である。明確にするために、導電パッチは示されていない。上部プレート１３１２は、例えば、導電ヘリカルトレース１３０２と同じ導電性材料で作成し得る。上部プレート１３１２は、ＱＨＡ１３００の長手方向軸に垂直な平面上に配置され、ＱＨＡ１３００の長手方向軸を中心としている。上部プレート１３１２は、導電ヘリカルトレース１３０２から離間して絶縁されている。

図１４は、上部リング１４１４を含む別の例示的なＱＨＡ１４００の概略図である。明確にするために、導電パッチは示されていない。上部リング１４１４は、例えば、導電ヘリカルトレース１４０２と同じ導電性材料で作成し得る。上部リング１４１４は、ＱＨＡ１４００の長手方向軸に垂直な平面上に配置され、ＱＨＡ１４００の長手方向軸は、上部リング１４１４の中心を通る。上部リング１４１４は、導電ヘリカルトレース１４０２から離間して絶縁されている。

図１５は、導電ヘリカルトレース１５０２を囲む導電性（例えば、金属）外殻１５１６を含む別の例示的なＱＨＡ１５００の概略図である。外殻１５１６は、導電ヘリカルトレース１５０２から離間している。外殻１５１６は、固形面でも、あるいは（例えば、グリルやケージに似た）材料片によって形成されてもよい。

図１６は、導電ヘリカルトレース１６０２および導電要素（この場合は導電パッチ１６１０）が同心の誘電体円筒上のトレースとして設けられている別の例示的なＱＨＡ１６００の概略図である。この例では、導電ヘリカルトレース１６０２および導電パッチ１６１０を別々の誘電体に別々に印刷してもよく、次に別々の誘電体を互いにラップして図１６に示す同心円状の配置を得てもよい。

いくつかの例では、単一の導電ヘリカルトレースは、２つ以上の導電要素によって重ね合わされてもよい。例えば、図１７は、複数の導電リング１７１０、この場合は４つの導電リング１７１０がある例示的なＱＨＡ１７００を示す。したがって、各導電ヘリカルトレース１７０２は、導電ヘリカルトレース１７０２に沿った異なる位置で４つの異なる導電リング１７１０によって重ね合わされる。この例では、４つの導電リング１７１０のそれぞれは、同一の寸法を有するが、ＱＨＡ１７００に沿った異なる長手方向位置を有する。他の例では、導電リング１７１０は、異なる寸法（例えば異なる幅）および／または構成を有し得る。

図１８Ａは、各導電ヘリカルトレース１８０２がその長さに沿った異なる位置で２つの異なる導電パッチ１８１０によって重ねられるように、導電パッチ１８１０の数が導電ヘリカルトレース１８０２の数の２倍であるＱＨＡ１８００の例を示す。図示の例では、導電パッチ１８１０の各々は同一の寸法を有する。ＱＨＡ１８００に沿った２つの異なる長手方向位置に２つの導電パッチ１８１０のセットがあり、２つのセット間には角度オフセットがある。他の例では、導電パッチ１８１０は、異なる寸法（例えば、２つの異なる幅の２つのセット）および／または構成を有してもよい。図１８Ｂは、例示的なＱＨＡ１８００に対するＳパラメータのグラフである。図１８Ｃは、２．１ＧＨｚ、２．３ＧＨｚ、２．５ＧＨｚ、および２．７ＧＨｚの動作周波数における例示的なＱＨＡ１８００の放射パターンを示す。図１８Ｂおよび図１８Ｃは、図８Ｂおよび図８Ｃに示す対応するグラフと比較し得る。図から分かるように、２つの導電パッチ１８１０のセットを使用すると、結合を−１０ｄＢ未満に改善し得る（図１８Ｂにおいて点線で示されている）、すなわちポート分離の改善をもたらす。

図１９Ａは、導電パッチ１９１０に加えて、ＱＨＡ１９００の長手方向軸に沿った中央導電ロッド１９１８を含む例示的なＱＨＡ１９００を示す。この例では、動作周波数が２．１ＧＨｚの場合は、導電ロッド１９１８は、３６ｍｍ＝０．２５２ｍｍの高さおよび３ｍｍ＝０．０２１の直径を有する。図１９Ｂは、同一の寸法および導電パッチ１９１０を有するが中央ロッド１９１８を持たない比較ＱＨＡ（図示せず）のものと比較した、例示的なＱＨＡ１９００のＳパラメータを示す。図１９Ｃは、図８Ｃに示すようにオン状態のポート１について２．１ＧＨｚの動作周波数でのロッドなしの比較ＱＨＡと比較した場合の、例示的なＱＨＡ１９００の放射パターンを示す。図から分かるように、中心ロッド１９１８を追加すると放射サイドローブが減少する一方で、Ｓパラメータはわずかに影響を受ける可能性がある。

図２０は、開示されたＱＨＡの一例を製造するための方法例２０００を説明するフローチャートである。方法２０００は、ＱＨＡの導電ヘリカルトレースが可撓性誘電材料上のトレースとして提供される例に適している可能性がある。

２００２において、導電ヘリカルトレースが可撓性誘電体の第１の表面上に設けられる。上述の例では、誘電体は、３．４の誘電率および０．１２７ｍｍの厚さを有する二重Ｐｙｒａｌｕｘ ＡＰ層であってもよい。導電ヘリカルトレースは、適切なエッチング技術を使用して、誘電体の一方の表面上にエッチングされてもよい。導電ヘリカルトレースは、ローンチラインと共にエッチングされてもよい。

２００４において、１つまたは複数の導電要素（例えば、１つまたは複数の導電パッチおよび／または導電リング）が、同じまたは異なる誘電体の第２の表面に設けられる。１つまたは複数の導電要素は、上述のように、それらが導電ヘリカルトレースから絶縁され、導電ヘリカルトレース上に重ね合わされるように提供される。例えば、導電ヘリカルトレースおよび導電要素（複数可）は、（例えば、エッチングまたは他の適切な技術によって）同じ誘電体の対向する表面上に提供され得る。いくつかの例では、導電要素は、１つまたは複数の導電要素が誘電体層の間に挟まれるように、二重層誘電体の内層上に設けられ、導電ヘリカルトレースは二重層の誘電体層の外側の露出層上に設けられ得る。いくつかの例では、導電要素は、導電ヘリカルトレースとは別の誘電体上に提供されてもよく、２つの誘電体は、一緒に積層または互いにラップされてもよい（下記２００６において）。

２００６において、誘電体は、ＱＨＡを形成するために、導電ヘリカルトレースが共通の長手方向アンテナ軸の周囲にヘリカル巻線を形成するようにラップされる。誘電体は、十分に自己支持型であってもよく、または他の支持材料もしくは構造の周囲にラップされてもよい。誘電体の端部は、例えば任意の適切な接着剤を使用して互いに接合されて管状構造を形成してもよい。誘電体は、ＱＨＡを調整するために、円筒形または正方形ベースの管などの異なるジオメトリに整形され得る。導電ヘリカルトレースおよび導電要素が異なる誘電体上に設けられる場合、異なる誘電体は、例えば２つの同心管を形成するために互いにラップされてもよい。

２００８において、誘電体はグランドプレーンに取り付けられる。これは、ローンチラインをグランドプレーンに画定されたポートに接続することを含み得る。アンテナアレイが製造される場合、複数のアンテナが共通のグランドプレーンに取り付けられてもよい。グランドプレーンの使用およびグランドプレーンのサイズは用途に基づいて選択し得る。

上述の例では、特定の例示的な寸法および構成が提供されているが、これらは例示目的のためだけであり、限定することを意図しない。一般に、ＱＨＡに組み込む導電要素の選択、ならびに導電要素の位置、寸法、および向きは、所望の周波数帯域および／または動作周波数における所望のインピーダンス整合、放射パターンおよび／または絶縁を提供するように（例えば、適切なアンテナ同調技術を使用して）選択され得る。導電ヘリカルトレースの寸法および構成などのＱＨＡの他の態様も、所望のアンテナ特性を達成するために同様に選択し得る。

本明細書に記載された様々な例示的なＱＨＡは、必要に応じて、送信または受信のために使用され得る。各ＱＨＡは、二重性、三重性、四重性または五重性で、または例えば、ＭＩＭＯアンテナアレイにおいて個々のアンテナとして使用されてもよい。一般に、例示的なＱＨＡは、基地局内または電気通信ネットワークのバックホール内の他の場所を含む、４ポートアンテナが適している任意の用途に使用し得る。

本明細書に開示される例示的なＱＨＡは、例えばモノのインターネット（ＩｏＴ）アプリケーションにおける使用のために、５Ｇ無線ネットワークにおける使用に適している可能性がある。ＱＨＡ内に導電要素を含めることにより、アンテナアレイと同様に個々のＱＨＡのサイズを縮小することが可能になり得、これは様々な製品にアンテナを組み込むことを可能にし得る。例えば、開示されたＱＨＡの例は、交通用アンテナ、路上およびマンホールの蓋に取り付けられたアンテナ、デスクトップアンテナ、街灯柱アンテナ、ならびに屋内および屋外の両方の他のモバイルおよび固定コンピューティングデバイスおよびインフラストラクチャ機器に組み込まれ得る。開示されたＱＨＡの例は、ＷｉＦｉ、ブルートゥース、セルラー、産業科学および医療（ＩＳＭ）、広帯域および／またはスペクトル拡散通信用の周波数で動作するように設計されてもよい。例示的なＱＨＡを様々な製品に広く組み込む能力は、通信容量の増加を可能にし得、またそれらをシグナルブースターとして使用可能にし得る。

本開示は、特定の順序のステップを有する方法およびプロセスを説明しているが、方法およびプロセスの１つまたは複数のステップは、適宜省略または変更し得る。１つまたは複数のステップは、必要に応じて、説明された順序以外の順序で実行してもよい。

本開示は方法に関して少なくとも部分的に説明されているが、当業者は、本開示が記載された方法の態様および特徴の少なくともいくつかをハードウェアコンポーネント、ソフトウェア、またはこれら２つの任意の組み合わせにより実施するための様々な構成要素も対象としていることを理解するであろう。したがって、本開示の技術的解決策は、ソフトウェア製品の形で実施し得る。適切なソフトウェア製品は、例えばＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＵＳＢフラッシュディスク、リムーバブルハードディスク、または他の記憶媒体を含む、予め記録された記憶装置または他の類似の不揮発性もしくは非一時的コンピュータ可読媒体に記憶され得る。ソフトウェア製品は、処理装置（例えば、パーソナルコンピュータ、サーバ、またはネットワーク装置）が本明細書に開示される方法の例を実行することを可能にする、目に見える形式で格納された命令を含む。

本開示は、特許請求の範囲の主題から逸脱することなく他の特定の形態で具現化し得る。説明した例示的な実施形態は、あらゆる点で例示的なものにすぎず、限定的なものではないと見なされるべきである。上記の実施形態のうちの１つまたは複数から選択された特徴は、明示的に説明されていない代替の実施形態を作成するために組み合わせてもよく、そのような組み合わせに適した特徴は本開示の範囲内に包含されると理解される。

開示された範囲内の全ての値および部分範囲もまた開示されている。また、本明細書に開示され示されたシステム、装置およびプロセスは特定数の素子／要素を含み得るが、システム、装置およびアセンブリは追加のまたはより少ないそのような素子／要素を含むように修正され得る。例えば、開示された素子／要素のいずれもが単数形であるとして言及され得るが、本明細書に開示される実施形態は、複数のそのような素子／要素を含むように修正され得る。本明細書に記載の主題は、技術におけるすべての適切な変更を網羅し、包含することを意図している。

Claims (20)

1. 周波数帯域で信号を送信または受信するために、アンテナの共通の長手方向アンテナ軸の周囲に巻回された複数の導電ヘリカルトレースと、
   前記導電ヘリカルトレースのそれぞれは、それぞれのローンチラインを介してアンテナのそれぞれのポートに接続されており、
   前記導電ヘリカルトレースから絶縁され、前記導電ヘリカルトレースの少なくとも１つに部分的に重ね合わされた少なくとも１つの導電要素と、
   を備える、ヘリカルアンテナ。
2. 前記導電ヘリカルトレースは、支持誘電体の第１の面上にトレースとして設けられる、請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記少なくとも１つの導電要素は、前記支持誘電体の、前記第１の面とは反対側の第２の面に設けられる、請求項２に記載のアンテナ。
4. 前記支持誘電体は二層誘電体であり、前記少なくとも１つの導電要素は前記支持誘電体の２つの層の間に設けられている、請求項２に記載のアンテナ。
5. 前記少なくとも１つの導電要素は、別の誘電体上のトレースとして提供される、請求項２に記載のアンテナ。
6. 前記導電ヘリカルトレースは、非円筒形状のジオメトリの周囲に巻回されている、請求項１に記載のアンテナ。
7. 前記少なくとも１つの導電要素は、導電リングを含む、請求項１に記載のアンテナ。
8. 前記少なくとも１つの導電要素は、複数の導電パッチを含む、請求項１に記載のアンテナ。
9. 前記長手方向アンテナ軸に沿った中央導電ロッドをさらに含む、請求項１に記載のアンテナ。
10. 前記アンテナはグランドプレーンに取り付けられている、請求項１に記載のアンテナ。
11. 前記ローンチラインのそれぞれは、鋭い屈曲部を有する、請求項１に記載のアンテナ。
12. 前記アンテナ軸に対して垂直に配置された上部導電プレートをさらに備え、前記アンテナ軸は前記プレートの中心を通過し、前記プレートは前記導電ヘリカルトレースから離間されている、請求項１に記載のアンテナ。
13. 前記アンテナ軸に垂直な平面上に配置された上部導電リングをさらに備え、前記アンテナ軸は前記リングの中心を通過し、前記リングは前記導電ヘリカルトレースから離間されている、請求項１に記載のアンテナ。
14. 複数のヘリカルアンテナを備えるアンテナアレイであり、各ヘリカルアンテナは、
    共通の長手方向アンテナ軸の周囲に巻回された複数の導電ヘリカルトレースであり、前記導電ヘリカルトレースは周波数帯域で信号を送信または受信するように構成される導電ヘリカルトレースと、
    前記導電ヘリカルトレースのそれぞれは、それぞれのローンチラインを介してアンテナのそれぞれのポートに接続されており、
    前記導電ヘリカルトレースから絶縁され、前記導電ヘリカルトレースの少なくとも１つに部分的に重ね合わされた少なくとも１つの導電要素と、
    を含む、アンテナアレイ。
15. 前記少なくとも１つの導電要素は、導電リングを含む、請求項１４に記載のアンテナアレイ。
16. 前記少なくとも１つの導電要素は、複数の導電パッチを含む、請求項１４に記載のアンテナアレイ。
17. 前記導電ヘリカルトレースは支持誘電体の第１の面上にトレースとして設けられ、前記少なくとも１つの導電要素は、前記支持誘電体の、前記第１の面とは反対側の第２の面に設けられる、請求項１４に記載のアンテナアレイ。
18. 前記導電ヘリカルトレースは二層支持誘電体の第１の面上にトレースとして設けられ、前記少なくとも１つの導電要素は前記支持誘電体の２つの層の間に設けられている、請求項１４に記載のアンテナアレイ。
19. ヘリカルアンテナの製造方法であって、
    可撓性誘電体の第１の面上にトレースとして複数の導電ヘリカルトレースを設けるステップであり、各導電ヘリカルトレースには、前記アンテナのそれぞれのポートに接続するためのそれぞれのローンチラインが設けられ、前記導電ヘリカルトレースは周波数帯域で信号を送信または受信するように構成される、ステップと、
    前記可撓性誘電体の異なる第２の面上に少なくとも１つの導電要素を設けるステップであり、前記少なくとも１つの導電要素は前記導電ヘリカルトレースから絶縁され、前記導電ヘリカルトレースの少なくとも１つに少なくとも部分的に重ね合わされるように配置される、ステップと、
    前記導電ヘリカルトレースが共通の長手方向アンテナ軸の周囲にヘリカル巻線を形成するように前記可撓性誘電体をラップするステップと
    を含む方法。
20. 前記ラップされた誘電体をグランドプレーンに取り付け、前記ローンチラインを前記グランドプレーンに設けられたそれぞれのポートに接続するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。

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