JP4090886B2 - ワイヤレス送信の分野で使用される電磁信号受信及び/又は送信用装置 - Google Patents

ワイヤレス送信の分野で使用される電磁信号受信及び/又は送信用装置 Download PDF

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Description

【0001】
本発明は、ワイヤレス送信の分野において、特に、家庭内環境、屋内競技場、テレビジョンスタジオ、若しくは、講堂、スタジアム、鉄道の駅等のような、閉塞若しくは半閉塞環境における送信の場合に、使用できる信号の受信及び/又は送信用装置に関する。
【0002】
高処理能力のワイヤレス送信用の公知のシステムにおいて、送信機により送られる信号は、複数の別のルートに沿って受信機に到達する。それらが受信機レベルで組み合わせられる時、異なる長さのルートを経由した種々の射線間の位相差が、フェードアウトや信号の憂慮すべき劣化を引き起こしやすい干渉をもたらす。従って、周波数5.8GHzで閉塞環境におけるワイヤレスリンクにおける点まわりで計測された電力の空間分布に関する図1に示すように、受信信号の電力は、波長のフラクションのオーダーである非常に短い距離に亘って数十デシベル変化する。更に、フェードアウトの位置は、新しい物体の存在や人の通過のような、周囲修正の関数として経時的に変化する。複数経路に起因したこれらのフェードアウトは、受信信号の質及びシステムの性能の双方に関して憂慮すべき劣化を生む。
【0003】
複数経路に関するフェードアウトの問題点を解決するため、現在では指向性アンテナが使用されており、指向性アンテナは、その放射パターンの空間的選択性により、受信機により拾われる射線の数を低減することを可能とし、それ故に、複数経路の影響を緩和する。この場合、信号処理回路に関連付けられた幾つかの指向性アンテナが、360度の空間適用範囲を保証するために必要とされる。同出願人により出願されたフランス国特許出願番号第98 13855号は、射線の空間効率を増加させることを可能とするコンパクトマルチビームアンテナを提案する。しかし、多くの家庭用若しくは携帯型装置のアイテムに対しては、この解決策は、かさばり且つ高価のままである。
【0004】
フェードアウトを抑制するため、最もよく使用される技術は、空間ダイバーシティを用いた技術である。図2に示すように、この技術は、とりわけ、スイッチ3に関連するパッチタイプの2つのアンテナ(1,2)のような、広い空間適用範囲を備える対のアンテナを使用することである。2つのアンテナは、λをアンテナの動作周波数に対応する波長とすると、λ/2以上でなければならない長さだけ離間される。この種の装置を用いると、2つのアンテナが同時にフェードアウトする可能性が非常に小さくなることがわかる。証拠は、7章のDr Kamilo Feherによる“Wireless Digital Communication”の記載、特に344頁、図7.8からのDiversity Techniques for Mobile−Wireless Radio Systemsによる。また、それは、各パッチにより受信されるレベルが完全に独立であることを前提とした純粋な確率計算によっても証明できる。この場合、p(例えば、1%)が、アンテナにより受信される信号が、検出可能閾値よりも低いレベルをもつ確率である場合、このレベルが、2つのアンテナに対する閾値を下回る確率はpである(従って、0.01%)。2つの信号が完全には相互に関連していないわけでない場合、Pdivは、0.01%<Pdiv<1%となり、ここで、Pdivは、受信レベルが、ダイバーシティの場合に検出可能閾値を下回る確率である。
【0005】
従って、スイッチ3のおかげで、監視回路(図示せず)により受信される信号を検査することによって最も高いレベルのアンテナにリンクされたブランチを選択することが可能となる。図2に示すように、アンテナスイッチ3は、T×5回路にリンクされているときの送信モードにおいて、若しくは、R×6回路にリンクされているときの受信モードにおいて、2つのパッチアンテナ1若しくは2を動作させることを可能とするスイッチ4に接続される。
【0006】
特にコンパクトさの問題点を解決するため、米国特許第5,714,961号は、異なるモードで動作する2つの環状スロットを用いることによって放射ダイバーシティが達成されることを提案し、この場合、スロットの放射パターンは、給電ラインのネットワークにより制御される。
【0007】
本発明の目的は、上述の問題点に対して異なる解決策を提供することにあり、特にコンパクト化、コストの低下、及び、実現の簡略化という効果を有する。
【0008】
従って、本発明の主題は、信号送信及び/又は信号受信のための装置であって、波の受信及び/又は送信の手段を少なくとも2つ含み、該手段は、スロット型のアンテナ、及び、少なくとも1つの受信及び/又は送信の手段を多ビームの利用の手段に接続する手段からなり、
接続の手段が、共通の給電線からなり、該線は、前記スロット型のアンテナに電磁的に結合され、制御信号により該線の端で短絡回路若しくは開回路をシミュレートすることを可能とする電気素子で終端し、前記素子がオン状態にあるときに前記装置から出る放射パターンが、前記素子がオフ状態にあるときに前記装置から出る放射パターンと異なることを特徴とする、装置である。
【0009】
第1実施例によれば、スロット型のアンテナが、一方が他方の内側にある少なくとも2つの共振スロットからなり、一方のスロットは、基本モードで動作し、他方のスロットはより高いモードで動作する。この場合、スロットは、環状、正方形、長方形若しくは他の如何なる適正な形状であってよい。更に、スロットは、円形に分極された波の放射を可能とする手段を備えてよい。この種の装置によれば、電気素子がオン状態にあるとき、得られる放射パターンは、外側のスロットのものであり、一方、電気素子がオフ状態にあるとき、得られる放射パターンは、内側のスロットの放射パターンと外側のスロットの放射パターンの組み合わせによるものである。後者の場合、各モードの寄与の振幅且つ位相に関する調整が、給電線の幅を調整することによって、及び、2つのスロットの中心間の隙間によって達成される。
【0010】
その他の実施例によれば、スロット型アンテナは、中心点まわりに規則的に間隔をおいて配設されたビバルディ型アンテナからなる。
【0011】
本発明の特徴によれば、信号の利用の手段の反対側で、給電線は、ダイオード、ダイオードとして配設されたトランジスタ、MEMs(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システムを表す)にリンクされ、これらは、そのバイアス状態に従って、線の端部で短絡回路(正の電圧により順方向にバイアスされたとき)若しくは開回路(バイアス電圧がない、即ちV=0)をシミュレートすることを可能とする。前記電気素子と、線に電磁的に結合される第1のスロットとの間の線の長さは、第1のスロットと、線に電磁的に結合される第2のスロットとの間の長さと同様、動作の中心周波数にて、λm/4の奇数倍に等しく、連続するスロット間の線の長さが、λm/2の奇数倍に等しい。但し、
【数2】
Figure 0004090886
であり、ここで、λは、真空での波長であり、εreffは、線の等価相対誘電率である。
【0012】
一実施例によれば、給電線は、マイクロストリップ技術若しくはコプレーナ技術で具現化された線である。更に、信号の利用の手段は、受信信号のレベルを関数として給電線により前記素子のオフ電圧以上の電圧を送る制御手段を含む。
【0013】
本発明の他の特徴及び効果は、添付図面を参照しつつ、種々の実施例の記載を読むと明らかになるだろう。
【0014】
記載の簡略化のため、各図において同一の要素は同一の参照符合で指示される。
【0015】
図3には、本発明による電波送信/受信用装置の第1実施例が概略的に示される。この場合、電波送信/受信手段は、スロット型のアンテナである。より詳細には、電波送信/受信手段は、環状スロット型の2つのアンテナ10,11からなる。環状スロット型の2つのアンテナ10,11は、内側の環状スロット11が、図4Bに示されるような基本モードで動作し、外側の環状スロット11が、図4Aに示されるようなより高い第1のモードで動作するように、寸法決定される。各モードに対応する図4A及び4Bの放射パターンは、異なるので、各アンテナに対してその放射パターンにより拾われる射線の組み合わせに起因する電力レベルは、それ故に異なる。空間ダイバーシティの場合のように、2つのパターンの異なる2つの組み合わせを介して拾われるレベルが、2つのフェードオアウトに同時に対応するだろう事がわかる。具体的には、アンテナにより受信されるレベルは、その放射パターンを介して拾われる種々の“射線”の最終の場(振幅に関し且つ位相に関するベクトル付加)に比例する。射線は、一般的に異なる経路を通っているので、その振幅及び位相が一般的に異なり、その結果は、ゼロに近い信号を供給するか、即ちフェードアウト、若しくは、対照的に、構造的に組み合わせる、即ち信号ピークを付与する。複数の経路が拾われるパターンの組み合わせは異なるので、最終の信号がフェードアウトに同時に対応する可能性はほとんど無い。これは、それ故に、上述のような単純な確率計算で証明できる。この構成によると、単に一のスロットから他のスロットに切り換えることが可能である条件で、従来の空間ダイバーシティで得られる等価の作用を以って多数経路に関するフェードアウトを抑制することが可能である。これをなすため、図3に示し、図5A,5Bを参照して説明したように、2つの環状スロット10,11は、信号の利用の手段(図示せず)に接続される共通の給電線に電磁的に結合される。給電線12は、本実施例では、2つのスロット10,11を横断するマイクロストリップ線からなる。
【0016】
本発明によれば、マイクロストリップ線12の端部は、ダイオード13に接続され、図示の実施例では、ダイオード13の他端は、アースにリンクされている。ダイオード13は、PIN型ダイオードであってよい(即ち、H.PからのHS−LP 489 Bで参照されるダイオード)。更に、図3に示すように、ダイオード13との接続部と第2の環状スロット10との間の給電線の長さ11は、λm/4若しくは約その奇数倍に等しく、
【数3】
Figure 0004090886
である。ここで、λは、真空での波長であり、εreffは、線の等価相対誘電率である。同様に、図3に示すように、ダイオード13の一の終端と第1の環状スロット11との間の給電線の長さ12は、λm/2若しくはその奇数倍に略等しく、λmは上述の値である。本発明による装置の動作の態様が、図5A乃至図5Dを参照して説明される。ダイオード13が、図5Aに示すように、オン状態にあるとき、即ちdcバイアス電圧+Vが線を通って送られるとき、励起手段と反対側の線12の端部は、短絡回路面内にある。上述の線の寸法を前提とすると、マイクロストリップ線12と第1アンテナ10との間の交差は、開回路面と等価であるが、第2のスロット11との交差面は、短絡回路面に対応する。この条件下では、図5Cの等価図により示すように、外側の環状スロット型アンテナ11のみが励起し、アンテナパターンは、より高い第1モードのパターン、即ち図4Aに示すパターンである。図5Cの等価図は、共振付近で動作したときの、B.Knorrにより最初に提案された、マイクロストリップ線とスロット線との間の単純な遷移の既知の等価図から得られている。回路は、Zfundで指示される、環状スロット10に対応する基本モードのインピーダンスからなる。インピーダンスは、比N:1のインピーダンス変成器にリンクされている。インピーダンス変成器の他方のブランチは、固有インピーダンスZ12c及び電気的長さθ12cのマイクロストリップ線12bと共に固有インピーダンスZ12b及び電気的長さθ12cの線端部12cにより逆参照される抵抗(線12の端部の短絡に対応)に直列で接続される。この線は、環状スロット12の等価回路Zhigにリンクされる比N:1のその他のインピーダンス変成器にリンクされる。組立体12は、固有インピーダンスZ12a及び電気的長さθ12aのマイクロストリップ線12aによりジェネレータGにより符号化される励起回路にリンクされる。ダイオードの短絡回路CCは、1/4波長である線12cを介して開回路COに参照される。同じく1/4波長である線12bも、短絡回路CCに逆参照される。それ故に、より高いモードで動作するスロットのみが励起される一のスロットでの動作に対応する図5C’の等価図を有する。
【0017】
図5Bに示すように、ダイオード13がオフ状態のとき、即ちGがゼロのバイアス電圧であるとき、ダイオードに接続される線の端部は、開回路面CO内にある。この条件下では、図5Dの等価回路で示すように、今回は、ダイオードの開回路が1/4波長線12cを介して短絡回路CCに逆参照されるので、両スロットが励起される。アンテナパターンは、小さなスロット10に起因する基本モード及び大きなスロット11に起因するより高いモードから得られるものである。各モードの振幅重み付けは、励起線12を介したアンテナの入力で各モードにより逆参照されるインピーダンスの相対値を介して調整できる。位相重み付けは、中心間の間隔、即ち図5Eに示すように、2つのスロットの長さ12bを介して調整できる。
【0018】
更に、ダイオードに関してオンモードで動作するとき、アンテナ装置が外側のスロットのより高いモードのみの励起を可能とすべく、長さ12bは、λm/4若しくは約その奇数倍に等しくなければならない。
【0019】
上述の解決策は、図2に示す装置よりもよりコンパクトである信号送信/受信装置を得ることを可能とする。更に、この場合、3つの端子を持つスイッチに代わって単純なダイオードが使用され、これにより、装置のコストを低減し、また、スイッチング損失を抑えることが可能となり、また、単一の共通の給電線が使用され、これにより、システムの実現が簡略化される。
【0020】
次に、本発明の枠組み内で使用できるスロット型の信号送信/受信アンテナの他の種々の実施例を、図6乃至図10を参照して説明する。図6に示すように、スロット給電アンテナは、他方の内側に一方が位置しダイオード23に直列に接続されるマイクロストリップ給電線22により給電される2つの正方形のスロット20,21からなり、ダイオード23の他端は、アース面24にリンクされる。給電線22は、線形的に極性を与える動作を有するような態様で、正方形のスロット20,21に対して配置される。図7A及び図7Bには、図3及び図6のスロット型アンテナと類似するスロット型アンテナが示されている。しかし、これらのアンテナは、円形の分極下で動作できるように修正されている。従って、図7Aでは、スロット30,31は、他方の内側に一方が位置し他方が正方形の対角線の一方に従ってマイクロストリップ給電線32により給電される2つの正方形からなり、この給電線は、線32の端部の一方とアース面34との間に直列に接続されるダイオード33で終端する。図7Bの場合、スロットは、他方の内側に一方が位置する2つの環状スロット40,41からなり、環状スロットは、円形の分極を生成するための公知の手段、即ち体格的に対置するノッチ40’、40’’,41’,41’’が設けられる。
【0021】
本発明によれば、環状スロット40,41は、上述のような寸法に従って2つのスロット40,41を交差する給電線42により励起され、線42の端部は、線42とアース面44の間に直列でリンクされたダイオード43に接続される。図8には、コプレーナ技術で具現化される2つのスロット型アンテナ及び共通の給電線が示されている。この場合、環状スロットの励起は、コプレーナ線51を介して作用される。ダイオード52は、給電線51の金属素子51’とアンテナ形成環状スロット50,50がその上に具現化される基板の金属部50’との間に配設される。
【0022】
図9A及び図9Bは、スロット型アンテナからなる波受信及び/又は送信手段がビバルディ(Vivaldi)型アンテナからなる場合の、本発明による装置のその他の実施例に関する。この場合、ビバルディ型アンテナは、図の中心点Oまわりに規則的に間隔をおいて配設され、良好な空間適用範囲を得る。
【0023】
図9Aには、互いに直角に配置された4つのビバルディ型アンテナからなる波受信及び/又は送信手段が示されており、公知の形状のこれらのアンテナは、スロット60,61,62,63により指示される。ビバルディ型アンテナの構造は、当業者に広く知られており、ここでは本発明の枠組み内でより詳細には説明しない。本発明によれば、4つのビバルディ型アンテナ60,61,62,63は、例えばマイクロストリップ技術で具現化された単一の給電線64により励起される。この給電線は、4つのビバルディ型アンテナを次の態様で横断する。
i)ダイオードにリンクされた線の端部から数えて、第1の2つのスロット間に位置する線間隔の長さが、λm/4若しくはより一般的にはその奇数倍に略等しい。
ii)2つの連続のスロット間の他の全ての線間隔の長さは(即ち、図9の場合、スロット62と61の間、及び、スロット61と60の間)は、λm/2若しくはより一般的にはその奇数倍に略等しい。
【0024】
本発明によれば、ダイオード65は、給電線64の端部とアース面66の間にリンクされる。最後のビバルディ型アンテナ63とダイオード65との間の距離は、λm/4若しくはその奇数倍である。図9Bに示すような、多ビームの受信及び/又は送信用装置のこの特定のレイアウトによれば、アンテナの最終のパターンは、ダイオード65がオン状態、即ちそのバイアス電圧が正の時、ビーム(2)、(3)、(4)に対応する。この等価図は、Knorrにより記述されるような、図9Aに示す線長さ及び励起マイクロストリップの端部に位置するダイオードのインピーダンスに対応する電気的長さにより分離される、4つのマイクロストリップライン/スロットライン遷移のものと対応する。ダイオードがオフ状態(V=0)にあるとき、最終のパターンは、4つのビーム(1)、(2)、(3)、(4)に対応する。
【0025】
本発明は、ダイオードを電気素子として使用して述べられてきた。しかし、ダイオードは、トランジスタ、MEM(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)、若しくは如何なる等価の公知のシステムに置換されてよい。同様に、スロット型アンテナは、上述した以外の如何なる互換性のある多角形を有してよい。
【0026】
次に、本発明の枠組み内で使用されてよい送信及び受信信号を利用する回路の一実施例を、図10を参照して説明する。この場合、供給線12は、信号利用回路100をスイッチ103を介してアンテナ装置10,11にリンクする。回路100は、スイッチ103の入力にリンクされアンテナシステムへの信号の高周波への変換のための送信回路101、及び、スイッチ101の端子にリンクされアンテナ装置10,11により受信された信号を中間周波数に変換するための受信回路102を含む。公知の態様で、各回路101,102は、それぞれ、ミキサ1011,1021を含み、一つの同一の局所のオシレータ104が周波数のトランスポジションのために当該ミキサの入力で使用される。上経路の回路101は、入力に、画像周波数を拒絶するフィルタ1013の入力に出力が接続される入力ベースバンド信号のための変調回路1012を含む。フィルタの出力は、ミキサ1011の入力にリンクされる。ミキサからの出力信号は、高周波数に変換され、出力がバンドパスフィルタ1015の入力にリンクされた電力増幅器1014の入力を駆動し、バンドパスフィルタ1015の通過域は、送信周波数周辺を中心とする。入力側では、回路102は、入力がスイッチ出力103にリンクされ、且つ、出力が、転換可能な信号の画像周波数を拒絶するフィルタ1026にリンクされる低雑音増幅器1026を含む。フィルタの出力は、ミキサ1021の入力にリンクされ、ミキサ1021の出力は、中間周波数オシレータ104によりトランスポーズされた信号を供給する。これらの信号は、中間周波数周辺を中心とする通過域を持つバンドパスフィルタ1028によりフィルタ処理された後、当該ベースバンド信号を復調することができる復調回路1029に送信される。回路の出力での信号は、次いで、処理回路に供給される。更に、受信回路により受信された信号は、マイクロプロセッサ105により計測され、レジスタ1051に記録される。この計測は、如何なる情報損失の発生が可能とならないような十分短い所定の時間間隔で規則的に実行される。信号のレベルが所定の閾値を下回ったとき、マイクロコントローラは、給電線で電圧Vを送り、本発明に従って、あるスロットを励起するような態様で、ダイオードをオン若しくはオフにすることを可能とする。実施例では、最適なビームを選択する方法が、事前検出を用いた放射ダイバーシティの方法に従って実行され、ビームの選択は、信号レベルが最も高いビームを決定することによって信号利用手段の上流側でなされる。他の方法が、利用されてもよく、特に、最適なビームの選択に対する事後検出による放射ダイバーシティの方法が利用されてよく、この場合、ビームの選択は、最もよい誤り率を有する経路を選択することによって回路100の下流側でなされる。この場合、復調器は、ビット誤り率(BER)を計算する回路を含む。当業者に明らかであるが、本発明は、上述の実施例や変形例に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 内部環境でのアンテナの電力の空間変動を表わす図である。
【図2】 空間ダイバーシティ送信/受信装置の概略平面図である。
【図3】 本発明による送信/受信装置の配置を上から表わす図である。
【図4A】 第1のより高いモードでの環状スロットの放射を示す図である。
【図4B】 基本モードでの環状スロットの放射を示す図である。
【図5A】 本発明の動作の態様を説明するための、図3のそれに等しい概略図である。
【図5B】 本発明の動作の態様を説明するための、図3のそれに等しい概略図である。
【図5C】 等価回路図である。
【図5C’】 等価回路図である。
【図5D】 等価回路図である。
【図5E】 本発明の動作の態様を説明するための、図3のそれに等しい概略図である。
【図6】 本発明の第2実施例による送信/受信装置の概略図である。
【図7A】 図6の形状と同一の形状を有するが円形的な分極態様で動作するスロットを示す図である。
【図7B】 図3の形状と同一の形状を有するが円形的な分極態様で動作するスロットを示す図である。
【図8】 本発明による送信/受信装置のその他の実施例を示す概略図である。
【図9A】 ビバルディ型アンテナからなるスロットにより給電されるアンテナの場合における、本発明による送信/受信装置を示す概略図である。
【図9B】 図9Aに関する等価回路図である。
【図10】 本発明による利用手段に接続される送信/受信装置を示す概略図である。

Claims (7)

  1. 信号送信及び/又は信号受信のための装置であって、少なくとも2つのスロット型のアンテナ(10,11,20,21;30,31;40,41/50、50)、及び、少なくとも1つの電波の受信及び/又は送信の手段を多ビーム信号の利用の手段に接続する手段を含み、
    前記スロット型のアンテナは、一方が他方の内側にある少なくとも2つの共振スロット(10,11,20,21)からなり、一方のスロットは、基本モードで動作し、他方のスロットはより高いモードで動作し、
    接続の手段が、共通の給電線(12,22,51,32,42)からなり、該共通の給電線は、前記スロット型のアンテナに電磁的に結合され、制御信号により該共通の給電線の端で短絡回路若しくは開回路をシミュレートすることを可能とする電気素子で終端し、前記素子がオン状態にあるときに前記装置から出る放射パターンが、前記素子がオフ状態にあるときに前記装置から出る放射パターンと異なることを特徴とする、装置。
  2. 前記スロット型のアンテナ(10,11,20,21;30,31;40,41;50、50)のスロットは、環状、正方形、長方形若しくは多角形であることを特徴とする、請求項1記載の装置。
  3. 前記スロット型のアンテナのスロットは、円形に分極された電波の放射を可能とする手段を備えることを特徴とする、請求項1又は2に記載の装置。
  4. 他方、λ0を真空での波長とし、εreffを、前記共通の給電線の等価相対誘電率とし、前記共通の給電線で案内される波長λmを次のように定義した場合、
    Figure 0004090886
    前記電気素子と、前記共通の給電線に電磁的に結合される第1のスロットとの間の前記共通の給電線の長さは、第1のスロットと、前記共通の給電線に電磁的に結合される第2のスロットとの間の長さと同様、動作の中心周波数にて、λm/4の奇数倍に等しいことを特徴とする、請求項1乃至3のいずれかに記載の装置。
  5. 前記共通の給電線は、マイクロストリップ技術若しくはコプレーナ技術で具現化された線であることを特徴とする、請求項4記載の装置。
  6. 前記電気素子が、ダイオード、トランジスタ、若しくは、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システムからなることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれかに記載の装置。
  7. 信号の利用の手段は、受信信号のレベルを関数として給電線により前記素子のオフ電圧以上の電圧を送る制御手段を含むことを特徴とする、請求項1乃至6のいずれかに記載の装置。
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