JP2020537419A - Rf信号アグリゲータおよびそれを実装するアンテナシステム - Google Patents

Rf信号アグリゲータおよびそれを実装するアンテナシステム Download PDF

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Abstract

本開示は、アンテナ素子と結合してアンテナシステムを形成するように設計された信号アグリゲータ構成要素に関し、結果として得られるアンテナシステムは、受信モードで100%以上の効率を達成できる。それに加えて、アンテナシステムは、アンテナ放射パターンの異なるセクタにおいて、特定の偏波と利得を達成できる。信号アグリゲータは、任意の数のそのRFポートを動的に有効化または無効化して、アグリゲートするRF入力信号を選択するように機能する。

Description

本願発明の一実施例は、例えば、RF信号アグリゲータおよびそれを実装するアンテナシステムに関する。
[0001]アンテナシステムは、従来のデバイスを、セルラネットワーク、ワイヤレスローカルエリアネットワーク、グローバルポジショニングなどに接続するために、従来のデバイスに広く実装される。これらのアンテナシステムは一般に、受信機回路において信号を受信(「受信」または「RX」)し、送信機回路において信号を送信(「送信」または「TX」)し、またはトランシーバ回路において受信と送信との両方を行うように機能する。
[0002]物理法則は、単一のパッシブアンテナが、100パーセントの効率(0dB)を超えることはできないと規定する。パッシブアンテナ、つまり放射パターンが固定されたアンテナは、エネルギーを生成できず、むしろ、ある状態から別の状態にエネルギーをシェーピングするだけである。
[0003]しかしながら、物理法則を回避することが可能である場合、100パーセント以上の効率を達成するアンテナシステムに対する顕著なニーズがあり、このようなアンテナシステムは画期的な革新となるであろう。さらに、放射パターンの異なるセクタにおいて、特定の偏波を維持できるアンテナシステムに対するニーズがある。
[0004]本開示は、1つまたは複数のアンテナ素子と結合してアンテナシステムを形成するように設計された無線周波数(RF)信号アグリゲータ構成要素に関し、結果として得られるアンテナシステムは、受信(Rx)モードで100パーセント以上の効率を達成できる。それに加えて、アンテナシステムは、アンテナ放射パターンの異なるセクタにおいて、特定の偏波および高利得を達成できる。
[0005]信号アグリゲータ構成要素は、一般に複数の送信経路を備え、各送信経路は、信号アグリゲータの共通ポートを、その複数の個別ポートのうちの1つに結合し、その結果、個別ポートの各々は、その間に延在する別個の送信経路を経由して共通ポートに結合される。信号アグリゲータは、RF信号バスをさらに備え、RF信号バスでは、送信経路の各々がアグリゲートされ得る。各個別ポートとRF信号バスとの間にさらに実装されるものは、相補型金属酸化物半導体(CMOS)構成要素または強磁性材料ベースの構成要素であるRF反射型アイソレータであり得る。反射型アイソレータは、それぞれの個別ポートの方向への望ましくないフィードバックを防止する働きをし、アンテナ素子はそれと結合するように構成される。
[0006]あるいは、反射型アイソレータの各々は、マルチポートRFサーキュレータ、ダイオード、トランジスタ、カプラ、増幅器、またはジャイレータとして個々に実装され得る。
[0007]それに加えて、1つまたは複数の個別ポートおよび共通ポートをそれぞれマッチングさせるために、1つまたは複数のサブ構成要素が実装され得、サブ構成要素は、当業者に理解されるように、スイッチ、調整可能なコンデンサ、調整可能なインダクタ、トランジスタ、他の電圧制御された調整可能な構成要素などから個々に選択され得る。
[0008]この点に関して、信号アグリゲータは、任意の数の個別RFポートを、動的に有効化または無効化して、個別ポートのRF入力信号のうちの1つまたは複数をそれぞれ選択して、アグリゲートするように機能する。
[0009]本発明の別の態様では、1つまたは複数のRXサブアンテナおよび任意の数までのTXサブアンテナを備えるアンテナシステムが開示され、各RXサブアンテナは、本明細書に開示されるRF信号アグリゲータ構成要素に結合される。この点に関して、RXサブアンテナの各々は、別個の偏光、利得、放射パターン、および周波数帯域共振を使用して設計できる。そのため、アンテナシステムは、典型的なパッシブアンテナ設計では達成できない放射パターン特性を有するように構築できる。たとえば、複数の円偏波アンテナとRF信号アグリゲータを実装するアンテナシステムを使用して、全方向で円偏波を達成できるが、パッシブアンテナは、放射パターンの一部でのみ円偏波を達成できる。
[0010]いくつかの実施形態では、1つまたは複数のサブアンテナは、アクティブマルチモードビームステアリング/ヌルステアリングアンテナ(本明細書では「モーダルアンテナ」と呼ばれる)を備え得る。モーダルアンテナの例は、共同所有された米国特許第9,240,634号、第8,648,755号、第8,362,962号、および第7,911,402号に記載されており、これらの各々の全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
[0011]さらに別の態様では、RF信号アグリゲータ構成要素またはそれを実装するアンテナシステムを使用して、信号をアグリゲートする方法が開示される。
[0012]他の特徴および利点は、添付の詳細な説明において本明細書に記載される。
[0013]一実施形態によるRF信号アグリゲータを示す図である。 [0014]送信および受信機能のために構成されたアンテナシステムを示す図であり、アンテナシステムは、別の実施形態に従ってRF信号アグリゲータを実装する。 [0015]受信機能のみのために構成されたアンテナシステムを示す図であり、アンテナシステムは、さらに別の実施形態に従ってRF信号アグリゲータを実装する。 [0016]GPSまたはGLONASSネットワーク上の複数のソースと通信するための複数の別個の偏波で構成された図3のアンテナシステムを示す図である。 [0017]それぞれ別個の各RFポートのインピーダンスをアグリゲートおよび/または調整するための送信経路を有効化/無効化するためのアクティブ構成要素を備えるRF信号アグリゲータを示す図である。
[0018]上述の詳細を促進するために、以下の説明は、本明細書に記載され明確に特許請求された本発明を、当業者が認識、作成、および使用できるように提供される。個々の特徴の特定の組合せにより、本発明を実施できる多数の実用的な実施形態が得られ、レビュー者に合理的かつ簡潔な説明を提供するために、ここでは好ましい実施形態のみを提示する。しかしながら、本明細書で明示的に説明されていない他の実施形態は、当業者が過度の実験をすることなく同様に実施できることを認識されたい。したがって、本発明の範囲に関する評価は、本明細書で明確に提供された特許請求の範囲に関連付けられ、その最も広い合理的な解釈で本明細書を考慮し、当該技術分野における通常のレベルの知識およびスキルを考慮に入れて解釈されるべきである。この説明には、本発明の趣旨および範囲を限定することは意図されていない。
[0019]ここでは、上記のように、本開示は、1つまたは複数のアンテナ素子と結合してアンテナシステムを形成するように設計された無線周波数(RF)信号アグリゲータ構成要素に関し、結果として得られるアンテナシステムは、100%以上の効率を達成できる。
[0020]それに加えて、アンテナシステムは、アンテナ放射パターンの異なるセクタにおいて、特定の偏波と利得を達成できる。
[0021]RF信号アグリゲータは、任意の数のそのRFポートを動的に有効化または無効化して、アグリゲートするRF入力信号を選択するように機能し得る。
[0022]RF信号アグリゲータは、好ましくは、集積回路またはモノリシック集積回路(IC、チップ、またはマイクロチップとも呼ばれる)として製造される。これは一般に、通常はシリコンである、1つの小さな平坦なピース(または「チップ」)の半導体材料における電子回路のセットである。しかしながら、当該技術分野における通常のレベルのスキルに従って、プリント回路または他の回路としてRF信号アグリゲータを実装することが可能である。
[0023]RF信号アグリゲータ、およびそれを実装するアンテナシステムは、受信側で超効率的なパフォーマンス、たとえば、0dBを達成できる。
[0024]RF信号アグリゲータは、一般に、アンテナシステムの送信側には適用されないが、受信側でRF信号アグリゲータを実装するアンテナシステムはさらに、たとえば、デュプレクサまたは当業者に知られている他の技法と統合された典型的な送信アンテナを実装し得る。この点に関して、そのようなアンテナシステムは、RF信号アグリゲータ構成要素を使用してRF信号アグリゲーションを実装することができ、さらに、送信機能をサポートし得る。
[0025]RF信号アグリゲータは一般に、複数の送信経路を備え、各送信経路は、信号アグリゲータの共通ポートを、その複数の個別ポートのうちの1つに結合し、その結果、個別ポートの各々は、その間に延在する別個の送信経路を経由して共通ポートに結合される。信号アグリゲータはさらに、RF信号バスを備え、RF信号バスでは、送信経路の各々がアグリゲートされ、さらに共通ポートに向けられ得る。各個別ポートとRF信号バスとの間にさらに実装されるものは、たとえば、相補型金属酸化物半導体(CMOS)RF反射型アイソレータまたはフェライトベースの反射型アイソレータなどの反射型アイソレータであり得る。反射型アイソレータは、それぞれの個別ポートの方向への望ましくないフィードバック信号と、それと結合するように構成されたアンテナ素子とを防ぐ働きをする。
[0026]RF信号アグリゲータ構成要素は、共通ポートと、少なくとも2つであるが最大で任意の数である「n」個の個別ポートとを備え得る。個別ポートの各々は、それぞれのアンテナ素子を結合するように構成される。したがって、各アンテナ素子は、別個の受信信号を取得し、その後、それぞれの個別ポートを介して、別個の受信信号を通信し得る。別個の各受信信号は、望ましくないフィードバックを防ぐために、反射型アイソレータ、または同等のサブ構成要素または回路を通過する。その後、各個別RFポートの別個の信号が、RF信号バスにおいてアグリゲートされ、受信機またはトランシーバに接続するために共通ポートに結合される。
[0027]いくつかの実施形態では、スイッチまたは他のサブ構成要素が実装され、RF信号アグリゲータ構成要素は、単一の送信経路、個別ポート、およびアンテナ素子を分離するように適合され、その結果、分離された経路およびアンテナ素子が、信号送信のために利用され得る。そのような実施形態では、信号アグリゲーションは実行されず、むしろ、構成要素は、信号を送信する単一の送信経路(アグリゲートされない)を提供するように逆に構成されることに留意されたい。他の実施形態において、RF信号アグリゲータは、送信の目的のためにいかなる状態でも利用されず、代わりに、信号アグリゲータ構成要素は、受信機能のみのために実装される。
[0028]たとえば、いくつかの実施形態では、共通ポートは、第1のポート(P1)とラベル付けできる一方、個別ポートは、第2のポート(P2)から第nのポート(PN)としてラベル付けされ得る。P2P1、P3P1、P4P1、…、PNP1の各組合せは、共通ポートと、別個のRFポートのうちの1つとの間の単一の経路(アグリゲートされていない)を表し、そのような経路と、対応する構成とは、送信機能のために使用される。
[0029]パッシブアンテナ素子を、RF信号アグリゲータのそれぞれの各個別RFポートに結合することが望ましい場合がある。この点に関して、パッシブ素子の組合せは、放射パターンの各セクタにおいて別個の偏波を提供でき、単一のパッシブアンテナ素子では達成できないという利点がある。
[0030]あるいは、受信アンテナ素子および送信アンテナ素子のいずれか1つまたは複数は、当該技術分野ではモーダルアンテナとして知られている、アクティブマルチモードヌルステアリング/ビームステアリングアンテナ素子を備え得る。アクティブマルチモードアンテナ素子はさらに、帯域切替アンテナ、離調効果を調整するためのアクティブインピーダンスマッチングアンテナ、またはビームステアリング/ヌルステアリングアンテナを備え得る。
[0031]ここで、図面を参照すると、図1は、一実施形態によるRF信号アグリゲータ構成要素10を示す。信号アグリゲータ構成要素10は、共通ポート12および複数の個別RFポート11a、11b、11c、11d、…、11nを備える。5つの個別ポートが示されているが、信号アグリゲータ構成要素は、2つ以上の個別ポート、または構成要素自体に物理的に収まり得る限り、多くの個別ポートを備え得る。つまり、1ダース、20、または100もの個別ポートになる可能性がある。ここで、5つの個別ポート11(a〜d、n)の各々は、それぞれ別個の送信経路12(a〜d、n)に接続される。各送信経路は、信号バス14に結合され、信号バスは、共通ポート12に接続される。サブ構成要素13a、13b、13c、13d、…、13nは、各送信経路12(a〜d、…、n)にそれぞれ結合される。
[0032]サブ構成要素13(a〜d、n)は、好ましくは、CMOS RF一方向反射型アイソレータを備え得る。あるいは、サブ構成要素は、3ポートまたは4ポートのRFサーキュレータ、アイソレータ、ダイオード、トランジスタ、カプラ、増幅器、またはジャイレータを備え得る。
[0033]図1には示されていないが、RF信号アグリゲータ構成要素はさらに、構成要素のそれぞれの個別ポートにおいてインピーダンスを補償するための1つまたは複数のインピーダンスマッチング技法またはデバイスを備え得る。この点に関して、各個別ポートをマッチングさせることで、最適な電力伝送を達成し得る。
[0034]それに加えて、共通ポートは、構成要素の共通ポートにおけるインピーダンスを補償するために、インピーダンスマッチング技法またはデバイスで修正され得る。この点に関して、共通ポートをマッチングさせることで、構成要素を介した最適な電力伝送を達成し得る。
[0035]いくつかの実施形態では、図1には示されていないが、RF信号アグリゲータ構成要素はさらに、受信および送信ストリームを分離するための埋め込みデュプレクサ、サーキュレータ、および/またはスイッチを備え得る。
[0036]図2は、送信および受信機能用に構成されたアンテナシステム100を示し、アンテナシステムは、RF信号アグリゲータ10を実装して示される。ここで、アンテナシステムは、たとえば3ポートサーキュレータなどのRFデュプレクサまたはサーキュレータ20を収容することができ、これらはさらに、(i)RFスイッチ30、およびその間に接続された1つまたは複数の送信サブアンテナ素子70a、70bと、(ii)RF信号アグリゲータ構成要素10、およびその間に接続された複数の受信サブアンテナ素子60a、60b、60c、…、60nとの各々に結合される。RX伝送ライン80rおよびTX伝送ライン80tが示される。サーキュレータまたはデュプレクサはさらに、トランシーバとさらに接続するためにRFコネクタ40に結合されて示される。
[0037]RF信号アグリゲータ構成要素は、その体積内に、RFスイッチ、デュプレクサ、またはサーキュレータ、および/またはその中の他のサブ構成要素を含み得るか、または埋め込み得る。あるいは、図示されるように、RF信号アグリゲータ構成要素は、外部RFスイッチ、デュプレクサまたはサーキュレータ、および他の構成要素と結合された個々および別個の構成要素を形成し、これらの組合せは、アンテナシステムモジュールに一般に収容され得る。
[0038]RF信号アグリゲータに結合された複数の受信サブアンテナ素子を備えるアンテナシステムは、区別されたアンテナ素子を備え得る。すなわち、受信アンテナ素子の各々は、別個の偏波、利得、放射パターン、およびこれらに関連付けられた共振周波数を個々に備え得る。受信サブアンテナ素子は同じであってもよく、または完全に別個のアンテナを備え得る。
[0039]したがって、アンテナシステムは、典型的なパッシブアンテナ設計では達成できない放射パターン特性を備えることが可能であり、たとえば、円偏波を全方向で達成できるのに対して、パッシブアンテナは単に、その放射パターンのごく一部のセクタにおいてのみ、円偏波を達成できる。
[0040]図3は、受信機能のみのために構成されたアンテナシステム200を示し、アンテナシステムは、さらに別の実施形態に従ってRF信号アグリゲータ10を実装する。ここで、受信アンテナシステム200は、アンテナシステムを実装するためのモジュールの上面に配置された第1のアンテナ素子60aと、各々反対側(それぞれ左右)に配置された第2のRXアンテナ素子60bおよび第3のRXアンテナ素子60cと、それぞれアンテナシステムモジュールの前面および背面に配置された第4および第5のRXアンテナ素子60d、60eとを含む5つのRXアンテナ素子を備える。RXアンテナの各々は、RF信号アグリゲータ構成要素10の個別RFポートに結合される。構成要素10はさらに、共通ポートにおいてRFコネクタに結合される。
[0041]5つのアンテナが、モジュラアンテナシステムの複数の側面に配置されて示されているが、共通の体積またはモジュールなしでアンテナを提供することが可能である。すなわち、アンテナは、当業者によって理解されるように、支持体または他の手法で相互接続できる。
[0042]図4は、ここでは、GPSまたはGNSSネットワークにおける衛星300a、300b、300c、300d、および300eである複数のソースと通信するための複数の別個の偏波250a、250b、250c、250d、および250eで構成された図3のアンテナシステム200を示す。アンテナシステムは、地平線225上に配置され、複数のアンテナ素子により、空中の複数の衛星から同時に信号を受信し得る。したがって、示されたアンテナシステムと、開示されたRF信号アグリゲータ構成要素を使用することにより、空中に配置された異なるGPS/GNSS衛星からの信号を同時に(一緒に)キャプチャできる。
[0043]図5は、別の実施形態に従うRF信号アグリゲータを示し、信号アグリゲータ構成要素は、別個の各RFポートのインピーダンスをそれぞれアグリゲートおよび/または調整するために送信経路を有効化/無効化するためのアクティブ構成要素15a、15b、15c、15d、…、15nを備える。たとえば、アクティブ構成要素は、制御ライン16を備え得、ここでは、プロセッサは、アクティブ構成要素の各々の状態をリアルタイムで再構成するために、電圧信号などの、アクティブ構成要素に送信される信号を制御し得る。ここで、アクティブ構成要素の状態が、個々に制御され、インピーダンス状態などの調整状態を変更したり、または、たとえば、アクティブ構成要素がスイッチである場合、「オン」/「オフ」特性を変更したりできる。したがって、提供される制御信号と、実装されているアクティブ構成要素のタイプとに応じて、インピーダンスをマッチングさせるか、送信経路を有効化/無効化できる。アクティブ構成要素の例は、電圧制御された調整可能なリアクタンス構成要素またはスイッチを含み得るか、または、ソリッドステートデバイス、ダイオード、トランジスタ、または他の電圧制御された調整可能な構成要素を含み得る。
[0044]さらに別の用途では、本明細書に開示される信号アグリゲータ構成要素に結合された複数の受信アンテナを実装するアンテナシステムを使用して、VHF/UHF/FM帯域において信号を取得できる。

Claims (20)

  1. 共通(common)ポートと、
    複数の個別(discrete)ポートと、
    複数の送信経路であって、前記送信経路の各々は、前記個別ポートのうちの1つを前記共通ポートに接続し、その結果、前記個別ポートの各々が、その間に延在する別個の送信経路を経由して前記共通ポートに結合される、複数の送信経路と、
    RF信号バスであって、前記共通ポートは、前記RF信号バスにおいて、前記複数の送信経路の各々に結合される、RF信号バスと、
    前記複数の送信経路の各々に一体化された1つまたは複数のサブ構成要素(sub-components)と
    を備える、無線周波数(RF)信号アグリゲータ(aggregator)構成要素。
  2. 前記1つまたは複数のサブ構成要素は、CMOS RF反射型アイソレータを備える、請求項1に記載のRF信号アグリゲータ構成要素。
  3. 前記サブ構成要素は、サーキュレータ、アイソレータ、ダイオード、トランジスタ、カプラ、増幅器、およびジャイレータからなる群から個々に選択される、請求項1に記載のRF信号アグリゲータ構成要素。
  4. 体積(volume)内に一体化されたデュプレクサ(duplexer)をさらに備える、請求項1に記載のRF信号アグリゲータ構成要素。
  5. 体積内に一体化されたサーキュレータをさらに備える、請求項1に記載のRF信号アグリゲータ構成要素。
  6. 体積内に一体化されたRFスイッチをさらに備える、請求項1に記載のRF信号アグリゲータ構成要素。
  7. アクティブ構成要素をさらに備え、前記アクティブ構成要素は、それぞれの前記送信経路および前記アクティブ構成要素に接続された、対応する個別ポートのインピーダンスをマッチングするために、前記送信経路の1つに結合される、請求項1に記載のRF信号アグリゲータ構成要素。
  8. 前記アクティブ構成要素は、電圧制御された調整可能なリアクタンス構成要素またはスイッチを備える、請求項7に記載のRF信号アグリゲータ構成要素。
  9. アクティブ構成要素をさらに備え、前記アクティブ構成要素は、前記共通ポートからの電力伝送を最大化するために、前記共通ポートにおけるインピーダンスをマッチングするために前記共通ポートに結合される、請求項1に記載のRF信号アグリゲータ構成要素。
  10. 前記アクティブ構成要素は、電圧制御された調整可能なリアクタンス構成要素を備える、請求項9に記載のRF信号アグリゲータ構成要素。
  11. 共通ポート、
    複数の個別ポート、
    複数の送信経路であって、前記送信経路の各々は、前記個別ポートのうちの1つを前記共通ポートに接続し、その結果、前記個別ポートの各々が、その間に延在する別個の送信経路を経由して前記共通ポートに結合される、複数の送信経路、
    RF信号バスであって、前記共通ポートは、前記RF信号バスにおいて、前記複数の送信経路の各々に結合される、RF信号バス、および
    前記複数の送信経路の各々に一体化された1つまたは複数のサブ構成要素
    を含む無線周波数(RF)信号アグリゲータ構成要素と、
    複数の受信アンテナ素子であって、前記複数の受信アンテナ素子の各々は、前記信号アグリゲータ構成要素の前記複数の個別ポートのうちの1つに接続される、複数の受信アンテナ素子と
    を備える、アンテナシステム。
  12. 前記複数の受信アンテナは、前記アンテナシステムの上部に配置された第1の受信アンテナ素子と、前記アンテナシステムの左側に配置された第2の受信アンテナ素子と、前記アンテナシステムの右側に配置された第3の受信アンテナ素子と、前記アンテナシステムの前面に配置された第4の受信アンテナ素子と、前記アンテナシステムの背面に配置された第5の受信アンテナ素子とを備え、前記アンテナシステムは、複数の別個の方向からの信号を受信するように適合された、請求項11に記載のアンテナシステム。
  13. 前記第1から第5のアンテナ素子のうちの少なくとも2つは、別個の円偏波放射パターンを備える、請求項12に記載のアンテナシステム。
  14. 前記第1から第5のアンテナ素子の各々が、GPSまたはGNSS信号受信のための共振を考慮して設計された(designed with)アンテナを備える、請求項13に記載のアンテナシステム。
  15. 1つまたは複数の送信アンテナ素子をさらに備える、請求項11に記載のアンテナシステム。
  16. 前記1つまたは複数の送信アンテナ素子は、RFスイッチに結合される、請求項15に記載のアンテナシステム。
  17. 前記RFスイッチおよび前記RF信号アグリゲータ構成要素の各々は、デュプレクサまたはサーキュレータに結合される、請求項16に記載のアンテナシステム。
  18. 前記デュプレクサまたはサーキュレータは、トランシーバと接続するためにRFコネクタにさらに結合される、請求項17に記載のアンテナシステム。
  19. 前記受信アンテナ素子または前記送信アンテナ素子のうちの1つまたは複数は、アクティブマルチモードアンテナ素子を備える、請求項18に記載のアンテナシステム。
  20. 前記アクティブマルチモードアンテナ素子は、帯域切替、インピーダンスマッチング、ヌルステアリング、ビームステアリング、またはそれらの組合せを備える、請求項19に記載のアンテナシステム。
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