JP3805206B2 - 送受信機積層アセンブリ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線送信機および／または受信機の構造ならびに製造に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
送信機および／または受信機（以下、一般に「送受信機」と呼ぶ）技術は、電線、電子機械構成要素および機械加工された導波路構造の使用から、同軸および厚膜／薄膜マイクロストリップ／ストリップラインをベースとした回路の使用に至るまで数十年にわたって発展していきた。このような発展にもかかわらず、無線通信製品における近年の普及およびそれに伴う激しい競争により、従来の技術では対処するのが困難である価格／性能が送受信機に対して要求されるようになった。送受信機は、従来、保護エンクロージャ、アンテナ、「フロントエンド」フィルタ（例えば、送受切換自動スイッチ）、増幅器および他の送受信器回路、ならびにコネクタおよびケーブル接続を有する。最も高価な構成要素は、通常、アンテナ、フィルタ、および増幅器である。異なる源からこれらの構成要素を得ることを可能にし、これらの構成要素の相互接続を簡単にし、簡単なテストおよび位置合わせを可能にするために、構成要素間の電気インターフェースが５０Ωで標準化され、一般に、５０Ωの同軸ケーブルおよびコネクタを介してなされている。これらの構成要素は、送受信機にコストを加えるだけでなく、その全体的な性能を低下させる。さらに、５０Ωを成し遂げるために必要なインピーダンス変換は、コストを増加させ、送受信機のアクティブな構成要素の性能を低下させる。
【０００３】
従来のいくつかのアンテナおよびフィルタのコストを低減させるために、大容量製造技術が用いられてきた。しかし、これらの技術では、これらの構成要素の性能は向上せず、小および中容量の構成要素のコストも改善されない。さらに、これらの技術では、アンテナとフィルタとの間のケーブル接続およびコネクタの量およびコストは低減されない。他の技術では、送受信機の他の部分を犠牲にして、特に、コストをこれらの他の部分にシフトさせることによって、アンテナおよびフィルタのコストを減少させることが求められてきた。１例としては、安価なアンテナおよびフィルタの良好でない性能を補うために、標準的なフロントエンド構成要素をさらに良好な性能を有するものに置き換えること、例えば、低ノイズ前置増幅器（ＬＮＡ）をさらに低いノイズ指数およびさらに高いダイナミックレンジ（即ち、より高い１−ｄＢ圧縮またはより高い３次インターセプト（ＴＯＩ））を有するものに置き換えること、または出力パワー増幅器（ＰＡ）をさらに高い出力パワーを有するものに置き換えることが挙げられる。これらのアプローチは、送受信機全体のコストを実質的に低下させずに、単にコストが送受信機の他のエリアに移されるだけであるという問題点を有する。事実、これらのアプローチでは、一般に、送受信機の複雑さおよびコストは増加する。
【０００４】
本発明は上記の問題を解決するため成し遂げられ、その目的は、より少ないパーツ、より簡単な機械構造、より少ない製造工程、およびより簡単なアセンブリで送受信機を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来技術の上記および他の問題点、ならびに欠点を克服することである。一般に、本発明によると、送受信機のアンテナおよび「フロントエンド」フィルタは、単一の多層構造に一体化され、複雑さおよび送受信機コストを減少させ、送受信機性能を向上させる。送受信機は、その構成部分の積層アセンブリとして構築され、いくつかの部分は、アセンブリにおいて「二重の役割」を果たし、それによって、その複雑さおよびコストは減少する。例えば、送受信機のアンテナおよび「フロントエンド」フィルタは、１つの金属積層体アセンブリに一体化され、フィルタのシールディングは、アンテナの接地面を形成し、それによって、送受信機の複雑さおよびコストは減少する。さらに、アセンブリは組み立てるのが簡単かつ安価で、同時に、送受信機性能を向上させる。好ましくは、送受信機回路を有する回路基板もまた、構造体に一体化され、フィルタのシールディングは、回路基板のマウントおよび回路のシールドを共に形成する。
【０００６】
具体的には、本発明によると、送受信機積層アセンブリは、少なくとも４つの層：アンテナを形成する第１の層、１つまたはそれ以上の「フロントエンド」を形成する第３の層、または無線周波数（ＲＦ）フィルタ、アンテナとフィルタとの間の挿入され、フィルタのための電気的絶縁エンクロージャの一部だけでなくアンテナの接地面を形成する第２の層、および第２の層と共に、フィルタの電磁絶縁エンクロージャを形成する第４の層を含む。これらの層は、互いに隣接して（互いの上部に）積層され、好ましくは、エポキシ樹脂、半田、または溶接によって共に接続される。各層は、好ましくは、単一の金属層を含む。例示的には、アンテナを含む第１の層は、フィルタを含む第３の層のように単一の金属シートから打ち抜かれる。また、各層は、好ましくは、ケーキ焼き皿の形状を有し、隣接した層から間隔を置いて層の他の部分を配置し、隣接した層上に層を設ける壁を形成する。フィルタおよびアンテナは、例えば、第２の層内のオリフィス（開口部）を通って延在し、好ましくはフィルタまたはアンテナと一体化されるフランジ（金属板の端の出っぱり）によって、コネクタを用いずに導電または容量性相互接続され、それによって、従来のコネクタおよびケーブルの使用は除去される。さらに好ましくは、上部に電子構成要素が設けられたプリント回路基板などの送受信機の電子回路を規定する第５の層は、第４の層に設けられ、第４の層によって電磁的にシールドされる。電子部品およびフィルタは、第４の層内のオリフィスを通って延在し、好ましくはフィルタと一体化されるフランジによって共に導電または容量性接続され、再び、従来のコネクタおよびケーブルの使用は除去される。
【０００７】
本発明は多数の利点を有する。例えば、アンテナおよびフィルタを１つの共通のアセンブリ（１つのユニット）として設計することによって、分離させた別個のアンテナおよびフィルタでは不可能である設計の選択または自由度が導入される。例示すると、フィルタおよびアンテナは、５０Ωの入力および出力インピーダンスを有する必要はなく、むしろ、インピーダンスは、最良の性能をもたらすものなら何でもよい。なぜなら、アンテナおよびフィルタ性能は、同じ設計者の制御下にあるからである。また、フィルタから無線への接続も５０Ωである必要はない。しかし、特定の設計にうまく適合するように５０Ωでないインピーダンスに別個に最適化され得る。さらに、送受切換自動スイッチに通常関連する機能（例えば、結合器）は、アンテナに設計され得る。この逆も可能である。本発明は、すべてが金属で設計されているため、従来の設計よりも、低損失で、性能が向上する。送受信機のノイズ指数も同様に向上し得る。アンテナ、フィルタ、およびＰＣ基板間のコネクタおよびケーブル接続を除去することによって、送受信機のコストは減少し、送受信機の信頼性は向上する。また、相互接続の正確な制御によって、さらに良好な性能となる。さらに、一体化さえたアンテナおよびフィルタアセンブリは、１つのユニットとしてさらに簡単に製造され得る。結局、本発明によると、より少ないパーツ、より簡単な機械構造、より少ない製造工程、およびより簡単なアセンブリで送受信機が得られる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の上記および他の特徴、ならびに利点は、図面と共に考慮した本発明の例示的な実施形態の以下の説明からさらに明白になる。
【０００９】
図１は、送受信機１００の積層アセンブリ１０４から１１２の分解正面図を示す。送受信機１００は、所望の任意デバイス（例えば、無線通信システムの基地局またはユーザ端子）であり得る。ここでは、送受信機１００を例として用いるが、本発明は任意の電子積層アセンブリにおいて用いられ得る。積層アセンブリ１０４から１１２は、電磁的透過性保護エンクロージャ１０２（例えば、従来のようなプラスチックケース）内に設けられ、すべてが同じ方向に面して配向される複数のユニットまたは層１０４から１１２を有し、軸１４０に沿って互いに積層され、例えば、半田付け、溶接、またはリベット締めもしくは接着剤による接着（例えば、導電性または非導電性エポキシ樹脂を用いたエポキシ樹脂接着）などの機械的接着によって互いに取り付けられる。これらの層は、アンテナ分散ネットワーク１２０を含むアンテナ層１０４、層１０４のアンテナ用の接地面として作用する上部反射層１０６、「フロントエンド」フィルタ（送受切換自動スイッチ）を含むフィルタ層１０８、上部反射層１０６と共に、フィルタ層１０８用の電磁的シールディングハウジングとして作用する下部反射層１１０、低反射層１１０上に設けられ、低反射層１１０によってシールドされる送受信機１００（無線層とも呼ばれる）の電子部品を含む電子部品層１１２である。あるいは、電子部品層１１２は、フィルタ／アンテナ積層アセンブリ１０４から１１０とは離れて設けられ、層１１０は、単に、導電性材料の平坦なシートであり得る。多数の目的のために素子を再利用（例えば、アンテナ反射およびフィルタシールディング用に層１０６を用いるなど）することによって、設計は簡略化され、実現コストが低くなる。フィルタ層１０８は、フランジ（または湾曲タブ）１２２を有し、それによって、フィルタ層１０８は上部反射層１０６内のオリフィス１２６を通ってアンテナ層１０４の分散ネットワークおよび結合器１２０に接続する。フィルタ層１０８はさらにフランジ１２４を有し、それによって、下部反射層１１０内のオリフィス１２８を通って電子部品層１１２に接続される。フランジ１２２および１２４は、送受切換層１０８に放射（コネクタを用いない）相互接続を提供し得るか、または半田によって層１０６および１１０に直接取り付けられることによって導電性相互接続を提供し得る。フィルタ層１０８の２つの半体の間に必要とされ得る中央絶縁壁は図示されていない。各層１０４から１１０は、好ましくは、導電性材料の単一シート（例えば、金属板）から打ち抜かれるか切断されて折り曲げられ、平たい容器形状のユニットを形成する。あるいは、各層１０４から１１０の側壁１３０は、例えば、打ち抜き、成形、または押し出しによって、各層の平坦なシート部分１３２から別個に形成され得る。部分１３２は面を形成し、側壁１３０は、部分１３２の面に平行な面内に閉塞された壁を形成する。部分１３２および側壁１３０は、それらの面に垂直な軸１４０に沿って積層され、半田付け、溶接、または接着によって互いに取り付けられ、平たい容器形状のユニットを形成する。このように形成される層１０６を図６に示す。側壁１３０の高さは、層によって異なり、必要に応じて、電子構成要素、最適性能、またはシールディングのための間隙を提供する。選択的に、各層１０４から１１０の側壁１３０は、図１に示すリップ１３４を有し得る。リップ１３４は、層１０４から１１０の互いの取り付けを容易にする。さらに、金属打ち抜きプロセスの特性のために、二重（「Ｚ」形状の）曲げによって、単一の曲げよりも隣接層の間隔の精度がより高くなる。上述のように、層１１０は、単に、導電性材料の平坦なシートであり得る。層１１２は、例えば、電子構成要素が設けられた従来のプリント回路基板である。積層アセンブリ１０４から１１２およびその構成層は、自動（ロボット型）製造および組み立て技術と共に用いるのに適している。
【００１０】
図２は、図１の積層アセンブリ１０４から１１２（フランジ１３４を有さない）の斜視図であり、アンテナ層１０４の詳細を示す。アンテナ層１０４は、フレーム２０４およびフレーム２０４内のパッチアレイを有する。パッチアレイは、それぞれが支持部２１２によってフレーム２０４に接続され、フィードネットワーク１２０によって平行に相互接続された複数の放射素子２０８を有する。支持部２１２の長さは、好ましくは、放射素子２０８の電気的性能をかき乱さないように、送受信機１００の主な動作周波数の４分の１波長である。有利なことに、フィードネットワーク１２０は、「Ｔ」形状の結合器１２１を有し、結合器１２１は、従来の構造では、送受切換自動スイッチ（層１０８）の一部を形成する。アンテナおよび送受切換自動スイッチはここでは、単一の構造に一体化されるため、そのための結合器１２１または他の任意の素子は、結合器１２１が最良にはめ込まれる（即ち、その場所がある）任意の層に配置され得る。フレーム２０４および放射素子２０８のアレイは、好ましくは、単一の金属シートから切断、打ち抜き、エッチング、または他の方法で製造される単一の構造である。アンテナ層１０４は、例えば、本願と同じ日に提出され、同じ譲受人に譲渡された、“Ｓｈｅｅｔ−Ｍｅｔａｌ Ａｎｔｅｎｎａ”という名称のＲ．Ｂａｒｎｅｔｔらによる出願第０９／５２１、７２７号に開示されているアンテナである。
【００１１】
フィルタ層１０８のフランジ１２２は、パッチアレイのフィードネットワーク１２０の結合器１２１に結合される。結合は、導電性（例えば、半田接合）または容量性であり得る。フレーム２０４は、パッチアレイを、上部反射層１０６によって形成されるアンテナ接地面から間隔を置いて配置する。接地面とパッチアレイとの間の空気は、アンテナの誘電体層を形成する。フィードネットワーク１２０および結合器１２１は、好ましくは、放射素子２０８よりもアンテナ接地面に近接して配置される。これによって、放射素子２０８とネットワーク１２０との間に垂直方向の間隔を形成し、それらの間に正味の間隔を維持しながら、水平方向の間隔をあまり必要としない。フレーム２０４は、溶接、エポキシ樹脂接着、半田付け、または他の方法で、上部反射層１０６に取り付けられる。上部反射層１０６は、同様にフィルタ層１０８に取り付けられる。上部反射層１０６は、好ましくは、単にフィルタ層１０８のフランジ１２２に対するオリフィス１２６を有する金属の「平たい容器」である。
【００１２】
図３は、フィルタ層１０８の詳細を示す。フィルタ層１０８は、フレーム３１０およびフレーム３１０内の一対の共振器アレイを有する。各共振器アレイは、フィルタを形成し、それぞれが一対の支持部３１６によってフレーム３１０に接続される複数の共振器３１４を有する。フィルタ層１０８の一端にある各アレイの最も外側の共振器３１４は、フランジ１２２を規定する。フィルタ層１０８の他端にある各アレイの最も外側の共振器３１４はフランジ１２４を規定する。フレーム３１０およびフランジ１２２および１２４を有する共振アレイは、好ましくは、単一構造であり、単一の金属シートから打ち抜かれるかまたは他の方法で製造される。フィルタへの相互接続（フランジ１２２および１２４）は、このようにして、さらなるコストなしにフィルタの通常の製造中に成し遂げられる。フィルタ層１０８は、例えば、本願と同じ日に提出され、同じ譲受人に譲渡された、“Ｓｈｅｅｔ−Ｍｅｔａｌ Ｆｉｌｔｅｒ”という名称のＲ．Ｂａｒｎｅｔｔらによる出願第０９／５２１、５６６号に開示されているフィルタ素子である。
【００１３】
フレーム３１０は、共振器アレイを下部反射層１１０から間隔を置いて配置する。フレーム３１０は、下部反射層１１０に溶接、エポキシ樹脂接着、半田付け、またはその他の方法で取り付けられる。層１０６および１１０、ならびにフレーム３１０は共に層１０８の共振器アレイによって形成されるフィルタ用の電磁的絶縁エンクロージャを形成する。このエンクロージャはまた、層１１２の送受信機回路のためのヒートシンクとしても作用し得る。エンクロージャ内の空気は、フィルタの誘電体層を形成する。
【００１４】
図４は、下部反射層１１０の下側の詳細を示す。層１１０は、好ましくは、単にフィルタ層１０８のフランジ１２４のためのオリフィス１２８を有する金属の「平たい容器」である。層１１０の下側は、電子部品層１１２を層１１０に設けるために搭載されたスタンドオフ（スペーサ）４００を有する。オリフィス１２８を通って突出するフィルタ層１０８のフランジ１２４は、電子部品層１１２のパッド１３８（図１を参照）と物理的または容量性接触をなす。層１１０はまた、電磁シールドとして、および選択的に電子部品層１１２のヒートシンクとして作用する。
【００１５】
図５は、フランジ１２２によって成し遂げられる層１０４および１０８の相互結合をさらに詳細に示す積層アセンブリ１０４から１１０の切り欠き側部斜視図を示す。結合構造は、導電的または放射的にかなり広いギャップをつなぎ得る。放射結合では、結合コンデンサ（例えば、近接しているが、互いに接触しないように配置されるフランジ１２２および結合器１２１の先端によって形成される）は、相互接続フランジ１２２（湾曲した上部／下部ストリップ）と共に、直列の誘導−容量共振器回路（または、さらに複雑であるが直列の共振器タイプの回路）を形成し、共振器周波数付近で非常に低い損失の接続を提供する。このことは、本願と同じ日に提出され、同じ譲受人に譲渡された、“Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｒ”という名称のＲ．Ｂａｒｎｅｔｔらによる出願第０９／５２１、７２４号に詳細に記載されている。従って、コンデンサは、結合を提供するだけでなく、事実、相互接続フランジ１２２のインダクタンスを補償する。この設計におけるコンデンサは、２つの５０Ωのセクションを接続するために従来から用いられていた結合コンデンサよりもはるかに（場合によっては１桁）小さくなり、実現するのがさらに簡単になる。このタイプの接続は、同軸、２電線、かつ同一平面の導波路タイプの相互接続構造に適用され得る。コンデンサ自体は誘電体をもっていてもいなくてもよく、即ち、誘電体は空気であり得る。誘電体は、機械的強固さを提供するセラミックから両面接着テープに至るまで何でもよい。
【００１６】
図５は、層１０４から１１０間に用いられ、層間の適切な間隔を確保し得る選択的なスペーサ５００をさらに示す。一般に、１つのスペーサ５００は、図４において層１１０上にスタンドオフ４００が配置されているのと同様に、層１０４から１０８の４つの角のそれぞれ１つに用いられる。スペーサ５００は、打ち抜かれるかまたは成形されたプラスチックスタンドオフ、またはスペーサとして用いられるボールベアリングもしくは電子構成要素などの他の低コスト精密部であり得る。
【００１７】
言うまでもなく、上記の例示的な実施形態に対する様々な変更および改変は、当業者に明白である。例えば、層は、隣接した層とかみ合う、突出したピンまたはタブを用いることによって位置合わせされ得る。層間の適切な間隔は、組み立て中に精密ジグを用いて、半田付けまたは溶接中の距離を正しく保持することによって成し遂げられ得る。積層アセンブリの原理は、アンテナのみもしくはフィルタのみ、または他の任意の電子アセンブリの構築に適用される。下部反射層１１０はまた、電子部品層の回路基板にさらなる機械的剛性を提供するためにも用いられ得る。または、すべての層を平たい容器形状に形成し、すべてを同じ方向に向けさせる代わりに、いくつかの層は、間に間隔を置く平坦な層を横断して互いに面する隣接した平たい容器形状の層間に挿入された導電性材料の平坦なシートで合ってもよい。この場合、アセンブリはまた、互いに面せず、背面と背面（平たい容器の底部と底部）とが互いに取り付けられた、隣接した平たい容器形状の層を含み得る。このような変更および改変は、本発明の精神および範囲から逸脱せず、かつそれに伴う利点を損なわずに行われ得る。従って、このような変更および改変は、従来技術によって限定される以外は、以下の請求の範囲によって網羅されているものとする。
【００１８】
【発明の効果】
上記のように、本発明によると、より少ないパーツ、より簡単な機械構造、より少ない製造工程、およびより簡単なアセンブリで送受信機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の例示的な実施形態を含む送受信機積層センブリの分解側面図である。
【図２】図１の送受信機積層アセンブリおよびそのアンテナ層の斜視図である。
【図３】図１の送受信機積層アセンブリのフィルタ層の斜視図である。
【図４】図１の送受信機積層アセンブリの底面斜視図である。
【図５】図１の送受信機積層アセンブリの切り欠き側面斜視図である。
【図６】図１の送受信機積層アセンブリの層の他の実施形態の分解斜視図である。
【符号の説明】
１００ 送受信機
１０２ 電磁的透過性保護エンクロージャ
１０４ 積層アセンブリ
１０６ 上部反射層
１０８ フィルタ層
１１０ 下部反射層
１１２ 積層アセンブリ
１２０ アンテナ分散ネットワーク
１２２ フランジ
１２４ フランジ
１２６ オリフィス
１２８ オリフィス
１３０ 側壁
１３４ リップ

Claims (9)

1. アンテナを形成する第１のアセンブリと、
   前記第１の層に接続され、フィルタを形成する第３のアセンブリ層と、
   前記第１の層と前記第３の層との間に接続され挿入され、前記アンテナの接地面を形成する第２のアセンブリ層と、
   前記第３の層に接続され、前記第２の層と共に、前記フィルタに対する電磁的絶縁エンクロージャを形成する第４のアセンブリとを備え、
   各金属層は、前記層を隣接した層に接続し、前記層の残りを前記隣接した層から間隔を置いて配置するように作用する前記層の曲げられた周囲によって形成されるフレーム（図５、１３０）を含む一体型構造を有することを特徴とする送受信機積層アセンブリ。
2. 前記第１の層は、前記アンテナを形成する単一の金属層を含み、
   前記第２の層は、単一の金属層を含み、
   前記第３の層は、前記フィルタを形成する単一の金属層を含み、
   前記第４の層は単一の金属層を含む請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記第３の層のフィルタは、送信フィルタおよび受信フィルタを含む一対のフィルタを有し、
   前記第１の層の単一の金属層は、前記第３の層のフィルタと共に、デュプレクサを形成する結合器をさらに形成する請求項２に記載のアセンブリ。
4. 各層は、前記層を隣接した層に接続し、前記層を前記隣接した層から間隔を置いて配置するように作用する側壁（図６、１３０）を含む請求項１に記載のアセンブリ。
5. 各フレームの側壁は、前記送受信機積層アセンブリの動作周波数の約４分の１波長の幅を有し、前記隣接した層に近接して間隔を置いて配置されるかまたは前記隣接した層に接触する前記フレームの周囲に沿って出っ張り（図１、１３４）を有する請求項４に記載のアセンブリ。
6. 前記第４の層に接続され、前記第４の層によって電磁的にシールドされる前記送受信機の電子回路を規定する第５の層をさらに有し、
   前記フィルタは、前記第３の層の面から曲げられたフランジ（図１、１２２、１３４）を含み、
   前記第２および第４の金属層は、それぞれが前記フランジ（図１、１２６、１２５）出っぱりの少なくとも１つを延在させる開口部（図１、１２６、１２５）を有し、
   前記第２の層の前記開口部と通って延在する前記出っぱりは、前記フィルタを前記アンテナに接続し、
   前記第４の層の前記開口部を通って延在する前記出っぱりは、前記フィルタを前記電子回路に接続する請求項２に記載のアセンブリ。
7. 前記第１から第４の層の前記アセンブリを囲む電磁的に透過なハウジングをさらに有する請求項６に記載のアセンブリ。
8. 送受信機積層アセンブリを製作する方法であって、前記送受信機積層アセンブリが、アンテナを形成する第１のアセンブリと、前記第１の層に接続され、フィルタを形成する第３のアセンブリ層と、前記第１の層と前記第３の層との間に接続され挿入され、前記アンテナの接地面を形成する第２のアセンブリ層と、前記第３の層に接続され、前記第２の層と共に、前記フィルタに対する電磁的絶縁エンクロージャを形成する第４のアセンブリとを備え、各金属層は、前記層を隣接した層に接続し、前記層の残りを前記隣接した層から間隔を置いて配置するように作用する前記層の曲げられた周囲によって形成されるフレームを含む一体型構造を有するような方法において、
   互いに隣接した前記アセンブリの層を積層する工程と、
   前記アセンブリの層を共にエポキシ樹脂接着、半田付け、溶接、および機械的取り付ける工程のうちの１つとを含む送受信機積層アセンブリを製作する方法。
9. 各アセンブリ層を単一の金属シートから、打ち抜き、エッチング、または機械によって形成する工程をさらに含む請求項８に記載の方法。

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