JP3645948B2 - アンテナ構造とそれを内蔵した無線通信装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般にアンテナに関し、さらに詳しくは、アンテナ構造の内外に切り替えられる少なくとも２つのアンテナを含むアンテナ構造に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
通信システムは、少なくとも、通信チャネルにより相互接続される送信機と受信機とから構成される。通信信号は、送信機により送信チャネル上に送信され、受信機によって受信される。無線通信システムとは、送信チャネルが電磁周波数スペクトルの周波数範囲により定義される無線周波数チャネルからなる通信システムである。無線通信システム内で動作する送信機は、通信信号を無線周波数チャネル上での送信に適した形態に変換しなければならない。
【０００３】
無線周波数チャネル上での送信に適した形態への通信信号の変換は、変調と呼ばれる過程によって実行される。この過程では、通信信号は電磁波に印加される。この電磁波は、「搬送波」と呼ばれるのが普通である。この結果得られる、通信信号により変調された信号は、被変調搬送波信号と呼ばれるのが普通である。送信機には、このような変調過程を実行するように動作する回路構成が含まれる。
【０００４】
被変調搬送波信号は、自由空間内を長い距離に渡り送信することができるので、無線通信システムは、送信機と遠隔地に配された受信機との間の通信を行うために広く利用される。
【０００５】
被変調搬送波信号を受信する無線通信システムの受信機には、送信機の回路構成と類似のものであるが、それとは逆の方法に動作する回路構成が含まれ、復調と呼ばれる過程を実行するように動作する。
【０００６】
多くの被変調搬送波信号を、電磁周波数スペクトルの異なる無線周波数チャネル上に同時に送信することができる。調節体が、電磁周波数スペクトルの部分を周波数帯域に分割して、その周波数帯域のそれぞれにおける被変調搬送波信号の送信を調整する。（周波数帯域は、さらにチャネルに分割され、このチャネルが無線通信システムの無線周波数チャネルを形成する。）
双方向無線通信システムとは、上記の無線通信システムと同様の無線通信システムであるが、ある場所からの被変調搬送波信号の送信と受信の両方を行い、この場所で被変調搬送波信号の受信を行うことができるシステムである。このような双方向無線通信システムの各場所には、送信機と受信機の両方が含まれる。一箇所に配置された送信機と受信機は、無線トランシーバまたはもっと簡単にトランシーバと呼ばれるユニットを構成するのが普通である。
【０００７】
被変調搬送波信号を交互に送信および受信することができる双方向無線通信システムを、単信システム（simplex system）と呼ぶ。通信信号を同時に送信および受信することができる双方向無線通信システムを二重システム（duplex system ）と呼ぶ。
【０００８】
セルラ通信システムは、セルラ通信システムにより包含される地域内の任意の場所にある無線トランシーバで通信が行われる双方向無線通信システムの一種である。
【０００９】
セルラ通信システムは、基地局または基地サイトと呼ばれる複数の固定サイトの無線トランシーバを、ある地域全体に空間をおいて配置することにより形成される。基地局は、従来の有線電話網に接続される。複数の基地局のうちのそれぞれの基地局は、セルラ通信システムにより包含される地域の一部と関係付けられる。このような部分をセルと呼ぶ。複数のセルのそれぞれは、複数の基地局のうちの１つの基地局により定義され、複数のセルがまとまってセルラ通信システムの包括地域（カバレージ・エリア）を定義する。
【００１０】
セルラ通信システム内でセルラ無線電話、またはもっと簡単にセルラ電話と呼ばれ、セルラ通信システムのカバレージ・エリア内の任意の場所に配置される無線トランシーバは、基地局を介して従来の有線電話網のユーザと通信を行うことができる。無線電話により生成された被変調搬送波信号は基地局に送信され、基地局により生成された被変調搬送波信号は無線電話に送信され、それによってそれらの間に双方向通信が実行される。（基地局が受信した信号は、従来の電話技術により従来の有線電話網の所望の場所に送信される。また、有線電話網の場所で生成された信号は、従来の電話技術により基地局に送信され、その後で基地局により無線電話に送信される。）
セルラ通信システムの利用が増大したことにより、セルラ無線電話通信に割り当てられた周波数帯域の利用可能な無線チャネルがすべて満杯の利用度に達する場合がある。その結果、無線電話通信に割り当てられた周波数帯域をより効率的に利用するための種々のアイデアが提案されている。無線電話通信に割り当てられた周波数帯域をより効率的に利用することにより、既存のセルラ通信システムの送信容量を増大することができる。
【００１１】
送信機により送信される被変調信号の変調スペクトルを最小限に抑えて、それによって、より多くの被変調信号を同時に送信することができるようにすることで、セルラ通信システムの送信容量を増大することができる。さらに、被変調信号を送信するために必要な時間量を最小限に抑えることにより、より多くの被変調信号を順次に送信することができる。
【００１２】
送信に先立ち、通信信号を個別の形態に変換して、それによりデジタル符号を形成することにより、その結果得られる被変調信号は、個別の形態に変換されていない通信信号で構成される対応する被変調信号よりも小さい変調スペクトルを持つのが普通である。さらに、通信信号が変換前に個別の形態に変換されると、その結果得られる被変調信号を短いバースト内に送信することができ、１つの送信チャネル上に２つ以上の被変調信号を順次送信することができる。
【００１３】
通信信号を個別の形態に変換する送信機は、通信信号をデジタル符号に変換し、これが変換され通信チャネル上に送信される。
【００１４】
受信機により受信された信号は送信機により送信された信号と同一のものであることが理想的であるが、受信機が実際に受信する信号は１つの信号ではなく、異なる経路によりそこに送信された信号の総和である。１つ以上の最短距離の経路が送信機と受信機とを相互接続しているが、数多くの他の信号経路も送信機と受信機とを相互接続している。たとえば、送信機が送信した信号は受信機で受信される前に人工の物体や自然の物体で反射され、このような経路上で送信された信号が受信機によって受信されるので、最短経路上を送信された信号と比べ時間的に遅延する。このように非常に多くの送信経路があるために、実際の通信チャネルは多重経路チャネルと呼ばれることが多く、そのため受信機が受信した信号は数多くの送信経路上で送信された複数の信号の総和となる。最短送信経路以外の経路をたどって送信された信号は、最短送信経路を送信された信号と比較して時間的に遅延して受信機に到達するので、後で到着する信号が前に到着している信号に干渉する。送信機により送信された信号が被変調デジタル符号で構成される場合、このような干渉を符号間干渉と呼ぶ。このような符号間干渉が顕著になると、送信機が実際に送信する信号を受信機が再生できないことになる。
【００１５】
そこに送信された信号を受信する、間隔をおいて配置された２つ以上のアンテナを有する受信機が構築されている。２つ以上の、間隔を置いて配置されたアンテナのうち一方または他方で受信された信号が受信機の回路構成により利用されて、送信機により実際に送信された信号が再生される。１つのアンテナで受信された信号に大きな干渉が含まれていたり、あるいはこの信号が弱い場合には、通常、もう一方のアンテナで受信された信号の干渉量が少なくなる、あるいはより大きな強度をもつように、これらのアンテナは相対的な向きに（２アンテナ構造の場合には相互に直交する向きなどに）配置される。２つ以上のアンテナがこのように設定された場合、これをダイバーシティを持つ（あるいはダイバーシティ・アンテナ）と呼び、ダイバーシティを持つように設定されたアンテナを有する受信機をダイバーシティ受信機と呼ぶ。またこのようなアンテナを有するトランシーバを、ダイバーシティ・トランシーバと呼ぶ。
【００１６】
携帯無線機の表面積の大部分は、ユーザの手で妨害されるのが普通であるので、一体化されたアンテナの論理位置は、無線電話ハウジングの延長部となる。フリップを外に回転させ、無線電話ハウジングの一部を捻るかあるいは無線電話ハウジングの一部を第１位置から第２位置に滑らせることにより、この延長ハウジングが実現される。このような携帯無線機は、ハウジング要素が第１位置にある場合も、第２位置にある場合にも有効な動作モードを有する。
【００１７】
第２位置にあるアンテナが携帯無線機の電気部品の近くにあり、第１位置にあるアンテナが無線機の内部部品からそれより遠くにあると、アンテナ設計上の困難が生じる。通常、アンテナは、最大限のアンテナ性能を得るためにトランシーバのインピーダンスを一致させるよう同調しなければならない。アンテナの整合は、動作中のアンテナの位置におおいに依存する。アンテナが第１位置にあるときに同調させると、アンテナがトランシーバの電気部品に近い第２位置になると同調が外れてしまう。同調が外れたアンテナは、電力増幅器に対するインピーダンス整合が悪くなり、かなりの性能損失となる。そのため、一体化されたアンテナを含む可動ハウジング要素が第１位置にあっても第２位置にあっても効率的に機能するアンテナ構造を開発することが必要である。
【００１８】
【実施例】
図１，図２，図３および図４には、本発明の好適な実施例による無線通信装置、さらに詳しくは、携帯無線電話が示され、全体が参照番号５０で記される。ここでは、携帯無線電話５０は、第１ハウジング要素５１および第２ハウジング要素５３で構成されるハウジングとバッテリ・ハウジング５７とを有する。
【００１９】
第１ハウジング要素５１は、図１に示される第１位置または延長位置と、図２に示される第２位置または閉鎖位置との間を移動することができる。また、第１アンテナ５５は、第１ハウジング要素５１内に配置される。好適な実施例においては、第１アンテナ５５は、半波長ダイポール・アンテナであるが、ループ型，パッチ型またはモノポール・アンテナを含む他の同様の機能を持つアンテナを、この半波長ダイポール・アンテナ５５と置き換えることができることを理解頂きたい。
【００２０】
第２ハウジング要素５３には、無線電話の回路構成の大部分が含まれる。第２アンテナおよび第３アンテナは、第２ハウジング要素５３内に配置することができる。第２アンテナは、いくつかの異なる方法で実現することができるが、以下に可能な方法を挙げる。第１の方法では、第２アンテナは、１９９２年１２月２２日出願の米国特許出願第０７／９９５，１１３号に記述されている種類とすることができる。第２の方法では、図３に示されるように、第２アンテナをバッテリ・ハウジング５７内に一体化されたパッチ・アンテナ５９として、伝送線６１を介して無線電話の無線回路構成に結合することができる。第３の方法では、第２アンテナを、図４に示されるように第２ハウジング要素５３内に一体化されたパッチ・アンテナ５９とすることができる。
【００２１】
好適な実施例においては、第３アンテナは、図１〜図４に示される格納式ホイップ・アンテナ６３である。しかし、第２ハウジング要素内のヘリックス配置アンテナまたは非格納式のホイップ・アンテナなどその他の充分な機能を持つアンテナに置き換えることもできる。
【００２２】
図５のブロック図を参照すると、全体が参照番号１００で示される本発明の好適な実施例のトランシーバが図示される。トランシーバ１００は、被変調信号を受信および送信するよう動作することができる。トランシーバ１００には、３個のアンテナ、ここではアンテナ１０６，１１２，１１３が含まれる。アンテナ１０６は、アンテナ１１２またはアンテナ１１３のいずれか一方とダイバーシティを持つよう設定される。
【００２３】
トランシーバ１００に送信された被変調信号を受信する際に、アンテナ１０６は、この被送信信号を受信し、線１１８上でこの被送信信号を電気信号に変換するよう動作する。アンテナ１１２およびアンテナ１１３は、この被送信信号を受信し、この信号を線１１９，１２０上で電気信号に変換するよう同様に動作する。
【００２４】
線１１９，１２０は、ここでは単投双極スイッチとして図示されるスイッチ１２１に結合される。スイッチ１２１は、もちろん、伝送制御装置回路などの電子装置により実現することができる。スイッチ１２１のスイッチ位置により、線１１９または１２０の一方が線１２２に結合され、それによって線１１９上に発生された信号または線１２０上に発生された信号をスイッチ１３０に供給する。
【００２５】
線１１８，１２２は、ここでは単投双極スイッチとして図示されるスイッチ１３０に結合される。スイッチ１３０は、もちろん、伝送制御装置回路などの電子装置により実現することができる。スイッチ１３０のスイッチ位置により、線１１８または１２２の一方が線１３６に結合され、それによって線１１８上に発生された信号または線１２２上に発生された信号を受信機回路構成１６６に供給する。受信機回路構成１６６は、通常、そこに印加された信号の周波数を下方変換し、下方変換された信号を復調し、この復調された信号を解読し、解読した信号を線１７２を介してトランスデューサ、ここではスピーカ１７８に供給するよう動作する。
【００２６】
トランシーバ１００の送信部をさらに図示するが、これにはトランスデューサ、ここでは送信機回路構成１９０に供給される電気信号を線１８６上に発生するマイクロホン１８２が含まれる。送信機回路構成１９０は、受信機回路構成１６６と同様の、しかし逆の方法で動作して、線１９６上に被変調信号を生成するよう動作し、この信号がアンテナ１０６，アンテナ１１２またはアンテナ１１３にスイッチ１３０およびスイッチ１２１を介して結合され、そこから被変調信号の送信を行う。
【００２７】
プロセッサ１９８がトランシーバ１００の部分をさらに形成し、受信機および送信機回路構成１６６，１９０の動作を制御し、なおかつスイッチ１３０およびスイッチ１２１のスイッチ位置の制御を行うよう動作する。
【００２８】
プロセッサ１９８には、その中に適切な制御アルゴリズムが実現され、アンテナ１０６，１１２，１１３のうちどのアンテナから被受信信号が受信機回路構成１６６に印加されるかを決定する。本発明の好適な実施例においては、図１の第１アンテナ５５に類似のアンテナ１１２が、延長位置および閉鎖位置の間で可動の第１ハウジング要素５１内に配置される。第１ハウジング要素の現在位置を決定し、その位置をプロセッサ１９８に知らせるためにセンサ１９９が用いられる。現在位置に応答して、プロセッサ１９８は、線１２６上に制御信号を発生し、スイッチ１２１の状態を制御する。好ましくは、第１ハウジング要素５１が延長位置にあるとき、スイッチ１２１は線１２２上でアンテナ１１２に結合する。同様に、第１ハウジング要素５１が閉鎖位置にあるときには、スイッチは上記の第２アンテナに類似のアンテナ１１３に結合する。このようにして、スイッチ１３０に関して選択されたアンテナを提供する。
【００２９】
発明の背景で論じられたように、第１ハウジング要素５１が閉鎖位置にあるとき、第１アンテナ１１２は、第２ハウジング要素５３内に配置された無線回路構成が生成する大きな導電体の影響を受け、第１アンテナ１１２の同調を外す。一体化されたアンテナを含む第１ハウジング要素５１が第１位置と第２位置にあるときに効率的に機能するアンテナ構造を提供するためには、第２アンテナ１１３は、第１ハウジング要素５１が閉鎖位置にあるときに適切に同調されたアンテナを提供する。
【００３０】
本発明の好適な実施例においては、このような制御アルゴリズムは、アンテナ１０６と、アンテナ１１２，１１３から選択されたアンテナとにより受信された信号の受信機回路構成１６６によるサンプリングが可能になるようにスイッチ１３０を配置するよう動作する。このサンプリングに応答して、どのアンテナを受信機回路構成１６６に結合するかという決定がなされる。線１１８および線１２２は、通常は、ダイバーシティ・ブランチ１，ダイバーシティ・ブランチ２と呼ばれる。
【００３１】
図６も、ここでは参照番号２００により全体が示されるダイバーシティ・トランシーバのブロック図である。ダイバーシティ・トランシーバ２００には、被変調信号の送信と受信の両方を行うことができる回路構成が含まれる。ダイバーシティ・トランシーバ２００には、３個のアンテナ，アンテナ２０６，２１２，２１３も含まれる。
【００３２】
ダイバーシティ・トランシーバ２００に送信される被変調信号を受信する際に、アンテナ２０６は、この被送信信号を受信し、これを線２１８上で電気信号に変換するよう動作する。線２１８は、復調器回路２２２に結合される。復調器回路２２２は、そこに印加された信号を復調し、それを示す被復調信号を線２２６上に発生するよう動作する。
【００３３】
同様に、トランシーバ２００が被変調信号を受信するように動作すると、アンテナ２１２，２１３はこの被送信信号を受信し、これを線２１９，２２０上でそれぞれ電気信号に変換するよう動作する。線２１９，２２０は、ここでは単投双極スイッチとして図示されるスイッチ２２１に結合される。スイッチ２２１は、もちろん、伝送制御装置回路などの電子装置により実現することができる。スイッチ２２１のスイッチ位置により、線２１９または２２０のいずれか一方が線２２７に結合される。線２２７は、復調器回路２２８に結合され、この回路はこの信号を復調し、線２３２上に被復調信号を発生するよう動作する。
【００３４】
線２２６，２３２は、そこに印加された信号を解読するよう動作するデコーダ２３６の入力に結合される。復調器２２２，２２８とデコーダ２３６は、共に、図５のトランシーバ１００の受信機回路構成１６６と同様の受信機回路構成を構成する。この受信機回路構成は、図では参照番号２６６で示され、破線で示されるブロック内の要素を含む。
【００３５】
デコーダ２３６により発生された被解読信号が線２７２上に発生され、ここではスピーカ２７８であるトランスデューサに印加される。
【００３６】
ダイバーシティ・トランシーバ２００の送信機部分には、トランスデューサが含まれる。これはここでは、線２８６上に電気信号を発生し、それが送信機回路構成２９０に印加されるマイクロホン２８２である。送信機回路構成２９０は、受信機回路構成２６６と同様の、しかし逆の方法で動作し、線２９２，２９６上に交互に被変調信号を生成するように動作し、この信号がスイッチ２２１の位置によりアンテナ２０６とアンテナ２１２，２１３のいずれか一方とに結合される。
【００３７】
プロセッサ回路構成２９８は、さらにダイバーシティ・トランシーバ２００の一部分を形成する。プロセッサ回路構成には、受信機回路構成２６６および送信機回路構成２９０の部分の動作を制御するための適切な制御アルゴリズムが含まれる。ここで実現されるこのようなアルゴリズムには、復調器２２２，２２８の動作を制御するアルゴリズムが含まれる。復調器２２２，２２８は、被復調信号を生成するよう交互に動作して、１つの復調器のみにより発生された被復調信号が線２２６を介してデコーダ２３６に供給される。復調器２２２，２２８の一方または他方のどちらが動作するかにより、アンテナ２０６で受信された信号またはアンテナ２１２で受信された信号のどちらがデコーダ２３６に印加されるかが決まる。
【００３８】
どちらのアンテナからの被受信信号が、線２７２上に被解読信号を発生するために利用されるかを選択する過程は、トランシーバ１００のプロセッサ回路構成１９８がアンテナを選択する過程と同様なので、この過程については説明を繰り返さない。プロセッサ２９８が復調器２２２または復調器２２８のいずれかの動作を行うと、プロセッサ回路構成２９８が発生した制御信号は、プロセッサ１９８により発生されてトランシーバ１００のスイッチ位置を制御するための制御信号と同様の方法で、アンテナ２０６，２１２，２１３の選択を制御する。復調器２２２，２２８も、通常は、ダイバーシティ・ブランチと呼ばれる。
【００３９】
本発明の好適な実施例においては、図１の第１アンテナ５５と類似のアンテナ２１２が、延長位置と閉鎖位置との間で可動の第１ハウジング要素５１内に配置される。センサ２９９が用いられて、第１ハウジング要素の現在位置を決定し、プロセッサ２９８にその位置を知らせる。現在位置に応答して、プロセッサ２９８は、線２２９上に制御信号を発生し、スイッチ２２１の状態を制御する。好ましくは、第１ハウジング要素５１が延長位置にあるときに、スイッチ２２１はアンテナ２１２を線２２７に結合する。同様に、第１ハウジング要素５１が閉鎖位置にあるときに、上記の第２アンテナと同様のアンテナ２１３をスイッチ２２１が結合させる。このようにして、選択されたアンテナを復調器２２８または送信機２９０に結合する。
【００４０】
本発明は種々の図面に示された好適な実施例に関して説明されているが、他の同様の実施例を用いることができること、また上記の実施例に改良や追加を行って本発明から逸脱せずに同じ機能を実行できることを理解頂きたい。それゆえ、本発明は単独の実施例に限定されず、添付の請求項の引用の範囲内で解釈される。
【図面の簡単な説明】
本発明は、以下の添付の図面と共に読むと、より良い理解が得られる：
【図１】本発明の好適な実施例による延長位置にある無線電話の図である。
【図２】本発明の好適な実施例による閉鎖位置にある無線電話の図である。
【図３】本発明の代替の好適な実施例による延長位置にある無線電話の背面図である。
【図４】本発明の代替の好適な実施例による延長位置にある無線電話の背面図である。
【図５】本発明の第１の好適な実施例のトランシーバのブロック図である。
【図６】本発明の代替の好適な実施例のトランシーバのブロック図である。
【符号の説明】
５０ 無線通信装置
５１，５３ ハウジング要素
５５，６３ アンテナ
５７ バッテリ・ハウジング

Claims (5)

1. 無線通信システム内で動作する無線回路構成を有し、第１可動ハウジング要素と第２ハウジング要素とを有する無線機のためのアンテナ構造であって、前記第１可動ハウジング要素は延長位置と閉鎖位置との間で移動することができ、無線機回路構成の大部分が前記第２ハウジング要素内に配置されるアンテナ構造であって：
   前記第１可動ハウジング要素内に配置され、前記第１可動ハウジング要素が前記延長位置にあるときに動作する第１アンテナ；
   前記第２ハウジング要素内に配置され、前記第１可動ハウジング要素が前記閉鎖位置にあるときに動作する第２アンテナ；
   前記第１可動ハウジング要素の位置に応答して、第１アンテナと第２アンテナを切り換えるスイッチ；
   おとび前記第２ハウジング要素から延在して、第１アンテナおよび第２アンテナのグループから選択されたアンテナと共にダイバーシティ・アンテナとして動作する第３アンテナ；
   によって構成されることを特徴とするアンテナ構造。
2. 前記第１アンテナが半波長双極アンテナであり、前記第２アンテナがパッチ・アンテナである請求項１記載のアンテナ構造。
3. 前記第１可動ハウジング要素がフリップであり、閉鎖位置から延長位置まで回転する請求項１記載のアンテナ構造。
4. 第１位置と第２位置との間で移動可能な第１ハウジング要素と、第２ハウジング要素と、その大部分が第２ハウジング要素内に配置される無線回路構成とを有する無線通信装置であって：第１ダイバーシティ・ブランチおよび第２ダイバーシティ・ブランチを有するトランシーバ；前記第１ハウジング要素内に配置される第１アンテナ；前記第２ハウジング要素内に配置された少なくとも第１部分を有する第２アンテナ；前記第２ハウジング要素から延在し、前記第１ダイバーシティ・ブランチに結合された第３アンテナ；および前記第１ハウジング要素の位置に応答して、前記第１アンテナおよび前記第２アンテナを前記第２ダイバーシティ・ブランチに結合する切り替え装置；によって構成されることを特徴とする無線通信装置。
5. 前記第１可動ハウジング要素がフリップであり、第１位置と第２位置との間で回転される請求項５記載の無線通信装置。

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