JP4118813B2 - 放射多様性を有する電磁波の受信及び／又は送信装置 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、無線ダイバーシティ（ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）を有する電磁波の受信及び／又は送信装置に関し、ワイヤレス送信、特に家庭用ワイヤレスネットワーク、体育館、テレビ局、ショービーナス（ｓｈｏｗ ｖｅｎｕｅｓ）又は同様の場所などの閉鎖又は準閉鎖環境において使用されてもよく、且つ、携帯電話などのアンテナ系に関して最小限度のサイズを必要とするワイヤレス通信システムにおいて使用されてもよい。

公知のハイ・ビットレートのワイヤレスシステムにおいて、トランスミッターにより送信される信号は、複数の異なるルートを介してレシーバーに到達する。これらがレシーバーにおいて組み合わされている場合、異なる長さの続くパスウェイを有する種々のラジオ波間の位相差は、干渉形態を惹き起こし、これは、信号をフェードする傾向或いはかなりの劣化させる傾向をもたらす。さらに、フェードの傾向をもたらす位置は、経時的に変化し、新規の物体又は通行人の存在など環境の変化に依存する。複数の経路により生じるこのフェードする傾向は、受信信号の質及びシステムの特性の両方においてかなりの劣化をもたらす可能性がある。

このフェードする傾向に対向すべく、最も頻繁に使用される技術は、公知の空間ダイバーシティ（ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）技術である。この技術は、特に、スイッチングユニットにリンクされた「パッチ」型の二つのアンテナなど、広範に空間をカバーするアンテナのペアを用いることを構成している。この二つのアンテナは、λ０をアンテナの制御周波数に対応する波長とすると、λ０／２以上の距離だけ離されて配置される。このタイプのアンテナに関し、同時にフェードする条件における両アンテナを有する可能性は非常に低いことが示されている。さらに、上記のスイッチングユニットは、最も高いレベルの信号を示すアンテナに接続されたブランチ（ｂｒａｎｃｈ）が、モニタリング回路を用いて受信された信号を検討することにより選択されることを可能としている。しかしながら、この解決法の主要な問題点は、各放射要素を介して見出されるチャネルのレスポンスに関する十分な脱相関関係を確実にすべく放射アンテナ間で最小限離す必要があるので、相対的にかさばることである。

十分なダイバーシティを確保する一方で、アンテナシステムのサイズを軽減することに関する種々の解決法が提案されている。いくつかの解決法は、ＴＨＯＭＳＯＮ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｌｉｃｅｎｓｉｎｇ Ｓ．Ａ．の名前で出願された複数の特許出願の目的となっている。これらは、特に、ラインスロット転位（ｌｉｎｅ−ｓｌｏｔ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）を介して供給される種々のスロット型アンテナを用いることで構成されており、無線ダイバーシティを得ることを可能とする手段を備えており、特に、ダイオードは、受信信号のレベルに依存して、一つ又は他のアンテナへのスイッチングを可能とする。

さらに、２００１年５月発行の、ＩＥＥＥ文献、４９巻、５号で、タイトルが「Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｍｏｕｎｔｉｎｇ ｏｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｈａｎｄｓｅｔｓ」においても、携帯電話の領域において、ダイバーシティ無線システムを製造すべく、単極を有するλ／４スロットにリンクすることが提案されている。しかしながら、提案されたこのシステムは、比較的複雑な三次元構造を有している。

従って、本発明の目的は、非常に良好な相補性を有する放射パターンを示しつつ、無線ダイバーシティを有する非常にコンパクトな構造の電磁波受信及び／又は送信装置に関する新規の解決法を提案することである。また、本発明は、比較的低コストで製造される、無線ダイバーシティを有する電磁波受信及び／又は送信装置も提供する。

従って、本発明の主題は、無線ダイバーシティを有する電磁波の受信及び／又は送信装置であって、共通基板上に、閉曲線にて形成された、第１供給ラインに電磁気的に接続されたスロット型の少なくとも一つのアンテナ及び単極、横モードで動作するヘリカルのような上記の基板に平行に放射し、上記のスロットアンテナの内部に配置され、且つ、第２供給ラインに接続された、アンテナを備えており、上記の第１及び第２供給ラインは、スイッチング手段を介して、電磁波を用いるための手段に接続されている。

上述の電磁波の受信及び／又は送信装置は、以下、スロットアンテナと参照される、閉曲線に形成されたスロット型のアンテナと同様に単極又は横モードで動作するヘリカルアンテナは、スロットアンテナの基板の平面及び他のアンテナに関する単極又はヘリカルの軸にそれぞれ沿って配置された、最小限の実質的な全方向性放射パターンを示す。従って、一つのアンテナから他のアンテナへのスイッチングは、アンテナを介して、チャネル反応が改質されることを可能とし、且つ、このシステムが、ダイバーシティにおいてゲインからの有益性を得ることを可能としている。

好適実施例によると、上記の第１供給ラインは、マイクロストリップ技術又はコプラナー技術により実施されている。さらに、第１供給ラインは、その端部と電磁波結合地点との間で、ｋλｍ／４と同一の長さを有している。ここで、ｋは、奇数の整数であり、λｍは、その中央制御周波数におけるこの供給ラインのガイドされた波長であって、λｍ＝λ０／（√（εｒ_ｅｆｆ））で与えられ、λ０は、自由空間波長であり、εｒ_ｅｆｆは、ラインの有効誘電率（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）である。上記の第２供給ラインは、マイクロチップ技術又は同軸ラインにより実施されている。このラインがマイクロストリップ技術により実施されている場合、スロットの外部の一部とスロットの内部の一部との間のスロットアンテナにおいて接続されており、この接続は、励起を提供するマイクロストリップラインの制御に干渉しないように、例えば、マイクロストリップ技術により実施されているこのラインの幅の約２〜３倍の幅を有する伝導インサートにより形成されている。加えて、伝導接続の存在に起因するスロットアンテナのスロット内部での干渉を最小限にすべく、この接続は、単極又はヘリックス型アンテナの励起を提供するマイクロストリップラインがスロットアンテナと交差する平面におけるスロットに関する電気的なショートサーキット平面に配置されている。

好適実施例によると、上記のスロットアンテナは、円形の輪状スロットにより形成され、或いは、ｋ’は、整数とし、λｓは、制御周波数におけるスロットの波長とした時、ｋ’λｓと同一の円周の閉曲線により形成され、及び／又は正方形や長方形などの方形型のスロットにより形成される。本発明の他の特徴によると、無線ダイバーシティを有する電磁波の受信及び／又は送信装置は、制御帯域を拡張するように或いは多バンドへの適用を可能とするように、互いに連動する複数のスロットアンテナを備えていてもよい。

本発明のその他の特徴及び利点は、添付した図面に対する参照文にて示された種々の実施例に関する記述を読解することにより明らかになるであろう。

記述を単純化するため、図面において同様の要素は、同様の参照番号を付している。

図１乃至３にもあるように、電磁波の受信及び／又は送信装置は、閉曲線にて形成され、特に輪状スロットであるスロットアンテナ１及びスロットの平面に平行に放射し、いわゆる示した実施例において単極であるアンテナ２からなる。単極２は、スロットアンテナ１の中央に配置されている。特に、図２及び３に示すように、本発明の装置は、誘電材料３製であり、その上部表面が金属化された基板を備えている。輪状スロット１は、装置の制御波長に依存する半径の円の周囲が脱金属化された金属層４にて製作されており、特に、その円周は、ｋ’λｓと同一であって、ここで、λｓは、制御周波数におけるスロットの周波数であり、ｋ’は整数である。

さらに、半径Ｄの円形開口部５が、輪状スロットの中央に設けられている。この開口部は、その中央部分において単極２を受け入れており、また、基板３を貫通している。輪状金属マウンティングディスク５は、単極２の下部において基板３の底部面上に設けられている。さらに特に図３に示されているように、輪状スロット１は、ポート１に接続されたマイクロストリップライン６により、Ｋｎｏｒｒにより述べられた方法に従って励起される。マイクロストリップライン６は、基板の底部面上に製作されている。自由端部６’とスロット２における電磁波結合位置との間は、Ｌｍ＝ｋλｍ／４の長さを有している。ここで、λｍは、このラインにおける波長であり、ｋは奇数の整数である。

同様に、示した実施例において、単極２は、マイクロストリップライン７により励起される。

図３に示すように、単極２を励起するマイクロストリップライン７に関する接地面の連続性を確保すべく、輪状スロット１を形成している内部ディスクと外部リングとの間で接続される。この接続は、励起を提供するマイクロストリップラインの制御を干渉しないように、十分大きな幅（励起を提供する印刷ラインの幅の約２〜３倍の幅）の伝導インサート８により構築される。この金属性インサートの存在に由来する輪状スロットにおける干渉を最小限とすべく、金属性インサートは、このスロットの電気的短絡平面に配置されており、従って、この平面は、単極の励起を提供するラインが輪状スロットを横切る平面である。

図４及び５に示したように、輪状スロット１及び単極２は、放射パターンを提供し、これは、実質的に全方向性であり、相対的に相補的であって、基板の平面における輪状スロットに関してその最小値ｍが定められ、且つ、単極に関して、（軸ｏｚの場合）後者の軸に沿って定められている。従って、（スイッチなどの当業者公知のスイッチング装置であって、供給ライン６及び７と、信号レベル、ＳＮ比や同種のコントロール信号により制御される信号を処理するための部分との間に配置されるスイッチング装置による）一つのポートから他のポートへのスイッチングは、アンテナを介したチャネル反応の改質を可能とし、且つ、このシステムが多様性におけるゲインから利益を得ることを可能とする。従って、受信した主要な信号が、例えば、単極に接続されたアクセスをスイッチングすることにより、上記のスロットに接続されたアクセスを介して微弱な信号が受信されることを示す、このｏｘ軸に沿って到達すると、方向ｏｘが単極のパターンにおける最大値に対応する場合、相当なレベルの信号が受信されるであろう。対称性の議論は、上記の主要な信号が、例えば、多段通信の場合においてｏｚ軸に沿って、到達する場合に適用されてもよい。

この場合、輪状スロット１と単極２との間の結合は微弱であり、
ｉ）この放射パターンの相補性（一つの最大値の方向が他の最小値の方向である）；
ｉｉ）スロットにより放射されたフィールト及び単極アンテナの直交性
を与える。

従って、ほとんど同様の物理的空間を占有している場合であっても、最小限の相互干渉が、二つの放射要素間で期待されてもよい。

上述の送信／受信装置の正確な制御を確保すべく、後者の寸法は、約５．８ＧＨｚの中央周波数における制御に関して相補的に選択され、その後、Ａｎｓｏｆｔ社製のＨＦＳＳシミュレーションパッケージを用いてシミュレーションされる。図１乃至３における概略的な図面を参照すると、輪状スロット１及び単極２により形成されたアンテナシステムは、以下の寸法を有している。

●Ｒ_ｉｎｔ＝６．４ｍｍ（スロットの内径）
●Ｒ_ｅｘｔ＝６．８ｍｍ（スロットの外径）
●Ｗ_ｓ＝０．４ｍｍ（スロットの幅、Ｗｓ＝Ｒｅｘｔ−Ｒｉｎｔ）
●Ｗ_ｍｌ＝０．３ｍｍ（スロットに供給するマイクロストリップラインの幅）
●ｌ_ｍｌ＝８．２５ｍｍ（ポート１とライン／スロットの転位との間のスロットに供給するマイクロストリップラインの長さ）
●ｌ_ｍｌ’＝８．２５ｍｍ（ライン／スロット転位とオープン回路におけるラインの端部との間のスロットに供給するマイクロストリップラインの長さ）
●Ｄ＝２ｍｍ（スロットの中心において脱金属化された半径）
●Ｌ＝１３．２１ｍｍ（単極の長さ）
●Φ＝３０ｍｍ（接地面の径）
●Φ_{ｍｏｎｏｐｏｌｅ}＝１ｍｍ（単極を形成している金属ワイヤーの径）
●Ｗ_ｍ２＝０．２ｍｍ（単極に供給しているマイクロストリップラインの幅）
●ｌ_ｍ２＝８．４ｍｍ（ポート２とライン／スロット転位との間の単極に供給しているマイクロストリップラインの長さ）
●ｌ_ｍ２’＝８．８ｍｍ
●インサートは１．２ｍｍ長（又はスロット長の３％）
●２ｍｍの径の金属ディスクは、単極の下部に配置されている（これは、その供給ラインへの単極のハンダ付けを容易にする）
使用されている基板は、ε_ｒ＝３．８８の相対的な誘電率で、厚みｈ＝０．８１ｍｍのＲｏｇｅｒｓ４００３製である。

図６は、輪状スロット（Ｓ１１）及び単極（Ｓ２２）に供給するラインの入力部における反射係数並びに二つのポート１と２との間の結合係数（ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）（Ｓ２１）のシミュレーション結果を示している。二つの放射要素、つまり、スロット１と単極２とが極度に近接しているにもかかわらず、二つのアンテナの良好なマッチングが観察されると同時に、二つのアクセス間が１９ｄＢよりも良好な隔離性（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）を与えている。

この場合において、単極及び輪状スロットアクセスにおいて得られる放射パターンは、それぞれ図４及び５に示している。単極のパターンが若干歪曲しているが、このアンテナシステムは所望するように制御していることが観察され、言い換えると、単極に関してはｏｚ軸に沿い、且つ、輪状スロットに関してはｏｘ軸に沿った最小値を有する、実質的に全方向であり相補的なパターンを有している。

図７に示した変法によると、単極は、ポート２において接続された同軸ラインにより励起される。この変法２において、単極の励起は基板接地面９側である。この場合、接地面９は、基板３の下部表面上に形成されている。スロットアンテナ１からなるアンテナは、この接地面に形成されている。マイクロストリップライン６により形成された供給ラインは、基板の上部表面上に実施されており、励起は、上述の実施例と同様に行われる。この変法に対するシミュレーション仕様は、以下の特定の仕様寸法において、Ａｎｓｏｆｔ社製ＨＦＳＳパッケージを用いて行われた。

●Ｒ_ｉｎｔ＝６．４ｍｍ（スロットの内径）
●Ｒ_ｅｘｔ＝６．８ｍｍ（スロットの外径）
●Ｗ_ｓ＝０．４ｍｍ（スロットの幅、Ｗｓ＝Ｒｅｘｔ−Ｒｉｎｔ）
●Ｗ_ｍｌ＝０．３ｍｍ（スロットに供給するマイクロストリップラインの幅）
●ｌ_ｍｌ＝８．２５ｍｍ（ポート１とライン／スロットの転位との間のスロットに供給するマイクロストリップラインの長さ）
●ｌ_ｍｌ’＝８．２５ｍｍ（ライン／スロット転位とオープン回路におけるラインの端部との間のスロットに供給するマイクロストリップラインの長さ）
●Ｄ＝２ｍｍ（スロットの中心において脱金属化された半径）
●Ｌ＝１２．４ｍｍ（単極の長さ）
●Φ＝３０ｍｍ（接地面の径）
●Φ_{ｍｏｎｏｐｏｌｅ}＝１ｍｍ（単極を形成している金属ワイヤーの径）
使用されている基板は、ε_ｒ＝３．８８の相対的な誘電率で、厚みｈ＝０．８１ｍｍのＲｏｇｅｒｓ４００３製である。

二つのアクセスにおけるマッチング及び二つのポート間の隔離性を図８に示している。曲線Ｓ１１及びＳ２２が制御周波数５．８ＧＨｚにおいて良好なマッチングを示している一方で、曲線Ｓ２１は、良好な隔離性を示している。図９及び１０は、上述の電磁波の送信及び／又は受信装置に関する、スロット及び単極アクセスにおける放射パターンをそれぞれ示している。単極の励起ライン及びスロットアンテナの交差を阻止するという利点を有する同軸ラインによる単極は、マイクロストリップラインにより励起の場合に比べて良好な隔離性（２２ｄＢ以上の隔離性）を示しており、この単極のパターンは、もはや歪曲されていない。この利点は、アンテナ構造（基板の表面上及び異なるタイプ、つまり同軸ライン及びマイクロストリップラインの反対表面におけるスロット及び単極アクセス）の複雑性における増加においてもたらされる。

さらなる変法を包含してもよく、例えば、単極平面における横モードで制御するヘリックスの使用、バンドを拡大すべく或いは多バンドにて適用するための二又は多スロットの使用、Ｋｎｏｒｒ型供給の平面におけるスロットの接線方向への供給及びさらにそのサイズを減少させるべく輪状スロットの変形なども含んでいてもよく、ここでは、上述で与えた定義の範囲内に未だ残存する一方で、正方形、四角形又はその他の多角形の形態を取ってもよい。同様に、単極又はヘリックスは、同様のタイプのアンテナにより置き換えられてもよく、スロットアンテナの中央に配置されてもよく、且つ、基板に平行な方向に放射する。スロットアンテナの供給ラインは、マイクロストリップ技術又はコプラナー技術によりラインとして実施されてもよい。加えて、上述のスロットアンテナは、輪状スロットの場合においてノッチなどの手段を有していてもよく、交差分極モードでの制御を可能とする。

本発明の第１実施例に関する概略透視図である。 第１実施例に関する断面図である。 第１実施例に関する上面図である。 図１乃至３の装置に関する単極の放射パターンに関する透視図を示している。 図１乃至３の装置に関するスロットアンテナの放射パターンに関する透視図を示している。 図１乃至３による装置に関する種々の「ポート」間の周波数に対するｄＢにて示したＳパラメーターをプロットした曲線を示している。 本発明の第２実施例に関する断面図である。 図６に対応する、第２実施例に関する曲線である。 図７の装置に関するスロットの放射パターンを示している。 図７の装置に関する単極アンテナの放射パターンを示しである。

Claims (6)

1. 無線ダイバーシティを有する電磁波の受信及び／又は送信装置であって、共通基板上に、
   少なくとも一つの第１スロットアンテナであって、スロットが、λｓを制御周波数での前記スロットにおける周波数とし、ｋ’を整数とした時、ｋ’λｓと同一の円周の閉曲線により形成されており、第１供給ラインに電磁気的に結合されている少なくとも１つの第１スロットアンテナと、
   第２アンテナであって、単極又は横モードで動作するヘリカルで形成され、前記第１アンテナと同一の周波数で動作し、前記第１アンテナの放射パターンと相補的な放射パターンを有し、前記第１アンテナを形成する前記曲線の内部に配置され、且つ、第２供給ラインに接続された第２アンテナと、
   を備え、
   前記第１供給ライン及び前記第２供給ラインは、スイッチング手段を介して、電磁波を使用する手段に接続されていることを特徴とする装置。
2. 前記第１供給ライン及び第２供給ラインは、マイクロストリップ技術又はコプラナー技術で実施されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記第１供給ラインは、該ラインの端部と前記の電磁気的結合位置との間で、
   ｋを奇数の整数、
   λｍを中心制御周波数における前記供給ラインにおいてガイドされる波長であって、
   該λｍは、λ０をフリースペース波長とし、εｒ_ｅｆｆを前記ラインの有効誘電率とした時λｍ＝λ０／（√（εｒ_ｅｆｆ））で与えられるとした時、
   ｋλｍ／４と同一の長さを有することを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記第２供給ラインがマイクロストリップ技術により実施される際、前記スロットの外部部分と内部部分との間が前記スロットアンテナにおいて接続されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
5. 前記接続は、マイクロストリップ技術により実施されている前記第２の供給ラインの幅の２乃至３倍に等しい幅を有する伝導インサートにより形成されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記スロットアンテナは、円形の輪状スロット又は四角形若しくは長方形などの多角形のスロットにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の装置。

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