JP4213345B2 - 適応型マルチフィラー・アンテナ - Google Patents
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- H01Q11/02—Non-resonant antennas, e.g. travelling-wave antenna
- H01Q11/08—Helical antennas
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Description
【０００１】
本発明は、適応型マルチフィラー・アンテナに関する。
【０００２】
移動電話および通信といった分野において、異なる周波数バンドで動作しかつ異なるサービスを提供する無線周波数トランシーバーを一つの消費者デバイスに結合すべきであることが提案されている。
例えば、移動電話を使用する事が可能な範囲を拡大するために、衛星システム・トランシーバー、地上トランシーバーおよび国内コードレス電話トランシーバーは、１個の携帯型ユニットへ結合することができる。代替的な例としては、ユーザーの自国では１８００ＭＨｚで動作するが、所謂ローミング・アレンジメント下の他国では９００ＭＨｚで動作する能力を有するデュアル・サービス電話がある。
【０００３】
この目的を達成するために必要なエレクトロニクスは、急速により小さくかつ軽くなっている。しかしながら、マルチ周波数、マルチ・システム動作のための残る問題はアンテナである。
上記の様に動作するために、アンテナは異なる周波数でかつ異なるタイプの基地局で動作すべきである。例えば、あるサービスでは地上基地局を使用し、他のサービスでは軌道衛星を使用することも可能である。これは次のことを意味する。もし受話器のアンテナが垂直のポジションで（受話器をユーザの頭に隣接して）通常使用されるならば、あるサービスに対してはそのアンテナは本質的に全方向の放射パターンを持つ必要があり、別のサービスに対してはおおよそ半球状の放射パターンを持つ必要がある。
【０００４】
異なる使用パターンおよび周波数を有するために、少なくとも２個の別個のアンテナを共通のボリュート（渦巻き）内で使用することが提案されている。
第１の観点においては、本発明は、以下のものを含むマルチフィラー・アンテナを提供する：
ｎを１より大きな整数として、間隔を置いて配置されたｎ個のフィラメント；
前記アンテナの固有インピーダンスを送信および／または受信装置のそれに整合させるための整合回路；
前記ｎ個のフィラメントに送信される信号および／またはフィラメントからの信号にそれぞれ位相調整を適用すべく動作する重み回路；
前記マルチフィラー・アンテナおよび／または前記アンテナのインピーダンス整合によって受信されまたは送信されるべき信号の周波数、偏波および／または伝搬方向に関する前記マルチフィラー・アンテナの電気的特性の少なくとも１個を検出すべく動作しうる検出手段；および
前記検出手段に応答して前記重み回路の動作を制御し、前記マルチフィラー・アンテナの特性が受信または送信されるべき電流信号により良く適合するように調整すべく動作しうる制御手段。
【０００５】
他の観点によれば、本発明は以下のものを含むマルチフィラー・アンテナを提供する：
ｎを１より大きな整数として、間隔を置いて配置されたｎ個のフィラメント；
前記アンテナの固有インピーダンスを送信および／または受信装置のそれに整合させるための整合回路；
前記ｎ個のフィラメントに送信される信号および／またはフィラメントからの信号にそれぞれゲインおよび位相調整を適用する位相調整回路；
前記フィラメントの電気的な長さおよび／または相互接続を選択的に変更するために各フィラメントに契合するスイッチ手段；
前記マルチフィラー・アンテナおよび／または前記アンテナのインピーダンス整合によって受信されまたは送信されるべき信号の周波数、偏波および／または伝搬方向に関する前記マルチフィラー・アンテナの電気的特性を検出するための手段；および
前記検出手段に応答し、受信または送信すべき電流信号により良く適合すべく前記マルチフィラー・アンテナの特性を調整するために前記整合回路、位相調整回路およびスイッチ手段の動作を制御するための制御手段。
【０００６】
本発明において、受信または送信すべき特定の信号に対するアンテナの特性を改善（または調整システムの分解能の範囲内で、最適化）するために、マルチフィラー・アンテナの個々のフィラメントからの信号のための位相および／またはゲイン関係は、フィラメントの電気的長さおよび相互接続パターンと共に、自動的に変更することができる。
【０００７】
例えば、本発明の一実施形態では、上記パラメータの少なくとも１個を変更して、最高の受信信号レベル、最高の信号対雑音比、または最高の信号対（雑音＋混信（インターフェアレンス））比および／または最高のＶＳＷＲを得ることができる。
その調整は、通常、アンテナの周波数応答および放射パターン（形状および偏波）の変更を生じる。その変化が量的に何に対してであるかは調節システムに対し重要ではないかもしれない。そのシステムは、単に出力を測定し、電流信号のハンドリングを改良するためにそれを調整することができる。
【０００８】
以下に、本発明を添付の図面を参照して例示する。
図１は、４相フィラー・ヘリカル（螺旋）アンテナ（ＱＨＡ）の概要図である。
ＱＨＡは４個のヘリカル（螺旋）要素１０〜４０と８個のラジアル（半径）要素５０〜１２０を有している。（その他の実施例では、例えば６個の角度を置いて配置されたヘリカル要素を使用することができる。）
ヘリカル要素は図１に示すように絡み合っており、アンテナの縦軸の周りに互いに９０度の間隔で配置されている。ラジアル要素の内の４個５０〜８０はボリュートの上部に配置され、他の４個９０〜１２０はボリュートの底部に配置され、ヘリカル要素を結合しかつ２個のバイフィラー・ループを形成している。このアンテナは、１対のラジアル要素９０、１１０上に、２個のフィード間で９０度の位相差を持ってフィードオンされている。
【０００９】
フィードに対してアンテナの上端（この例では底部）のラジアル５０〜８０は、ヘリカル要素の共鳴長および要求される応答によって、対になって短絡されており、あるいはオープン回路とされていても良い。
ＱＨＡは、以下の文献に記載されている。
〔１〕Ｋｉｌｇｕｓ Ｃ．Ｃ、“Ｍｕｌｔｉｅｌｅｍｅｎｔ、Ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ Ｔｕｒｎ Ｈｅｌｉｃｅｓ”、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｎｔｅｎａ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｖｏｌ．ＡＰ−１６、ｐｐ４９９−５００、１９６８年７月。
【００１０】
〔２〕Ｋｌｉｌｇｕｓ Ｃ．Ｃ、“Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｑｕａｄｒｉｆｉｌａｒ Ｈｅｌｉｘ”、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｎｔｅｎａ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｖｏｌ．ＡＰ−１７、ｐｐ３４９−３５１、１９６９年５月。
〔３〕Ｋｉｌｇｕｓ Ｃ．Ｃ、“Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｑｕａｄｒｉｆｉｌａｒ Ｈｅｌｉｘ Ｄｅｓｉｇｎ”、Ｔｈｅ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｊｏｕｒｎａｌ、１９７０年１２月。
【００１１】
アンテナの放射パターンモード（半球状あるいはその他）は２個または４個のフィード上で使用されている位相の組み合わせに依存する。各モードにおけるアンテナの放射パターンの正確な形状は、螺旋のピッチおよび大きさに依存している。軸モードでは、構造の大きさに依存して、半球からハート形まで変化する形状を有している。偏波は３ｄＢ角度内で非常に優れた軸比を有する円である。
【００１２】
その他の実施例では、このマルチフィラー・アンテナ装置は、多様な目的の為に使用することができる。一般的に関連性を有しない受信信号間に空間的な相違を提供するために、フィラメントを使用することができる。利得および／または位相への重み付けの実行は放射パターンの形状および偏波の両者に影響する。この実行は、２個の方法でトランシーバに利益をもたらす。第１に、パターンの形状および偏波が入力信号の方向および偏波に整合し範疇比（Ｓ／ＮまたはＳ／（Ｎ＋Ｉ））をできるだけ最適化しまたは改善させようとする。さらに第２にその構造を、異なるフィラメントまたはフィラメント対の合成パターンを使用して偏波を多様化するために使用することができる。
【００１３】
図１は、通常円筒形のボリュートを有するアンテナを示している（即ち、平面が円盤）。例えば平面が長円または長方形のその他のボリュート形もまた本発明における使用に適している。
図２は、適応型ＱＨＡ２００およびアンテナ・インターフェース回路を備えるアンテナ・システムの概要図である。
【００１４】
図２において、ＱＨＡ２００の４個の要素は別々に適応型整合回路２１０に接続されている。（図２に示す構造ではアンテナは受信モードであるが、これに代わって図２の信号伝播矢印の方向を反対にすることによって、送信モードでアンテナに信号を供給することができる。）適応型整合回路２１０は整合コントローラ２２０の制御下であり、このコントローラはシステムコントローラ２３０の制御下にある。
【００１５】
適応型整合回路からの受信信号は４個の各可変重み回路Ｗ１〜Ｗ４に供給される。Ｗ１〜Ｗ４のそれぞれは可変位相遅延を備え、オプションとして可変利得ステージを備えている。これらは全てシステム・コントローラ２３０によって制御可能である。
４個の可変重み要素Ｗ１〜Ｗ４の出力は、加算／重み結合器２４０によって結合され合成信号を形成する。この合成信号は次に２５０に格納される。センサ２８０は信号を検査し（例えば信号対（ノイズ＋混信）比）、この情報をコントローラに送り、コントローラは次に重み要素Ｗ１〜Ｗ４、整合回路２１０およびスイッチ要素２９０，３００の重みファクターを調整し、センサ２８０によって検知されたパラメータを改善しまたはおそらく最適化する。情報の最適化は格納信号の品質を最適化しまたは改善するために使用することができ、この信号は次に復調器２６０に送出される。この情報はまた次に来る信号を受信すべくアンテナ・システムを調整するために使用される。
【００１６】
ＱＨＡの各要素において、フィードポイントから離れた要素の一部分を分離することが可能なスイッチ２９０がある。このスイッチは例えばＰＩＮダイオードスイッチである。同様に、スイッチ３００はフィードポイントから離れた端部の要素対を短絡しまたは分離する能力を有している。
スイッチコントローラ３１０の制御の下にスイッチ２９０および３００によって実行される動作は、アンテナの応答および放射パターンを変更することができる。特に、各要素の一部を分離することによって、要素の電気的長さを短くしそれによって動作周波数を高くする。再び、これらの動作はシステムコントローラの制御の下で実行され、特定信号の周波数、偏波および伝播方向において動作を改善しおそらく最適化する。
【００１７】
代替的に、あるいはオプションとして、一個またはそれ以上のアンテナ・トラップを備えることによって、アンテナ要素は数個の共鳴モードを持つようになる。これにより、アンテナが１個またはそれ以上の動作周波数で共鳴する（そしてその結果利得を増加させる）ようになる。
図３は、図２のアンテナ・システムの一つの可能な実施例をより詳細に示す概要図であり、これはまた、送信動作の間のＶＳＷＲおよび受信モードの間のＳ／Ｎ＋Ｉを改善しまたは最適化するための動作を示す。（なお、受信モードにおいてアンテナ整合を適用することによってＳ／Ｎ＋Ｉを改善した場合、ＶＳＷＲを改善する方向の間接的な副次効果を有する。さらに、パターンモード、偏波および方向を、最良のまたは改善されたＳ／Ｎ＋Ｉに対して調整することにより改善した場合、これは同様に送信モードにおいても対応する改善効果を有する。）
図３において、重み要素Ｗ１〜Ｗ４の動作は、加算／重み結合器２４０の動作と同じ様に、デジタル領域中のベースバンドで実行される。
【００１８】
適応型整合回路２１０の出力は、直交ダウン・コンバータ４００に供給され、このコンバータ４００は、２個の復調手段ＩおよびＱを生成するために、局部的な発信器信号を無線周波数信号と混合する中間ステージ４１０、増幅器４２０および０度および９０度の位相関係を有するローカル発振器信号と混合する更なるステージを含む。これらの出力は共に、ＲＡＭ４４０に格納される前にＡ／Ｄ変換器によってデジタル表現に変換される。このプロセスはＱＨＡの各フィラメントに対して同じ様にして実行される。同様に、送信側に対して、ＲＡＭ４４０からの出力は、適応型整合回路２１０を介して各アンテナ・フィラメントにルートされる前に、直交変調器４５０に送出される。ＶＳＷＲ検出器４６０は送信および／または受信モードで動作し、アンテナの定常波比率を検出する。この出力はＲＡＭ４４０に格納される。
【００１９】
ＲＡＭはデジタル信号処理（ＤＳＰ）ユニット４７０に接続され、このユニットはＲＡＭ４４０中に格納されたデジタル表現信号をそれぞれの部分において、それぞれの位相を使用して結合し（即ち、重みブロックＷ１〜Ｗ４の動作を実行する）、例えば信号対雑音比の様な選択されたパラメータを検出し最適化し、制御信号を適応型整合回路に送って非同調効果を克服するためにある周波数バンドから別のものに変え、さらにスイッチ・コントローラ３１０、次にスイッチ２９０、３００をヘリカル要素内で制御する。
【００２０】
送信器は適切なＤＳＰアルゴリズムによって、受信器が既知であるパケットヘッダ、リファレンスまたはトレーニング・シンボルを送信する。トレーニング・シンボルの受信期間において受信された信号に対する全ての妨害はＮ＋Ｉの大きさであり、トライアル・エラー（ＲＡＭ４４０中に格納されたデジタル表現を繰り返して結合する）、関連する相関マトリックスの直接マトリックス反転、または所謂ＬＭＳまたはＲＬＳアルゴリズムのような反復法によって、減少させることができる。しかしながら、既知のトレーニング・シンボルが入手可能でなくとも、信号に対する妨害対策は、受信シンボルに適用されるエラー検出アルゴリズムによってなされることが可能である。
【００２１】
図４は、図２のアンテナ・システムの別の実施例のより詳細な概要図である。この実施例は、直交ダウンコンバータ４００’を有しており、これは図３のダウンコンバータ４００と同じように動作する。同様に、この実施例は、図３の変調器４５０と同じ様に動作する直交変調器４５０’を有している。
図４に示す実施例のベースバンドでの動作はまた、ダウンコンバートされた信号がデジタル領域内に変換されＲＡＭ４４０’中に格納されると言う点で、図３のそれと類似している。ＲＡＭ中のデータは、デジタル信号処理ユニット４７０’によって処理され、ＤＳＰ４７０’は適応型整合回路２１０’およびアンテナスイッチ２９０’、３００’および３１０’中に変化を生じるように動作する。
【００２２】
しかしながら、図４の回路の動作は、重み動作が重みブロック５００中でＲＦで実行される点で、図３のものから相当異なっている。ブロック５００は、個々のアンテナ要素からの信号経路において、直交ダウンコンバータ４００’に接続されている。
図４において、重みブロック５００は、適応型整合回路２１０’および結合器２４０’間に直接接続されており、この結合器２４０’は、重みブロック５００中に含まれる各重み回路Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４の出力を付加的に結合すべく動作する。
【００２３】
結合器２４０’の出力は一個の直交ダウンコンバータ４００’中に供給される。このようにして、図３に示す実施例とは異なって、たった１個のダウンコンバータ４００’が必要とされる。同様に、１個のみの直交変調器４５０’が必要とされる。
この代替的な実施例は主に２個の利点を有している。第１に、１個のダウンコンバータ４００’および１個の変調器４５０’のみが必要であるため、 トランシーバの製造にあたって結果としてコストセービングとなる。
【００２４】
第２に、 受信信号中のほとんどのノイズは受信器によって導入されるため、受信セクションによって付加されるノイズが４分の１に減少する。これは、 信号が（４個の代わりに）たった１個のダウンコンバータ４００’しか通過しないためである。さらに補助的な利点として、全４個のアンテナ要素からの信号が単一のダウンコンバータ４００’中で同じノイズを受けるので、利得重みを適用する必要が無い。このようにして重み回路Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４はアンテナ要素によって受信される信号に位相調整を適用するためのみ配置される。この事は、それらの製造を単純化し、それ故コストおよび信頼性の利点を同様に有している。
【００２５】
重みを最適化するために、図３の実施例で使用したアプローチに対してわずかに異なるアプローチを取ることができる。図３の実施例において、最適または少なくとも改善された結果が得られるまで、異なる重みをデータに適用して、格納されたデータを繰り返し処理してもよいことに注意すべきである。しかしながら、図４の実施例において、ＲＡＭ４４０’に格納されたデータは既に重みが適用されており、実際アンテナの各要素からの信号は既に結合器２４０’によって結合されている。このようにして、正しい重みを見つけ出すために、信号の受信の間（例えばトレーニングシーケンス）において重みはダイナミックに調整される。受信信号の品質を表すデータに対して既知の重みセッティングを表すデータを格納することにより、どの重みが最も優れた受信および／または送信特性を与えるかを決めることが可能である。このようにして、原理は簡単であるがしかし第１の場合において（図３）重みの最適化は“オフライン”で発生することがあるが、一方図４の実施例では重み最適化は信号の受信の間において“オンライン”で発生する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ４相フィラーアンテナの概略図である。
【図２】 アンテナ・インターフェース回路の概略図である。
【図３】 図２のアンテナ・システムの可能な１実施例のより詳細な概要図である。
【図４】 図２のアンテナ・システムの可能な他の実施例のより詳細な概要図である。
本発明は、適応型マルチフィラー・アンテナに関する。
【０００２】
移動電話および通信といった分野において、異なる周波数バンドで動作しかつ異なるサービスを提供する無線周波数トランシーバーを一つの消費者デバイスに結合すべきであることが提案されている。
例えば、移動電話を使用する事が可能な範囲を拡大するために、衛星システム・トランシーバー、地上トランシーバーおよび国内コードレス電話トランシーバーは、１個の携帯型ユニットへ結合することができる。代替的な例としては、ユーザーの自国では１８００ＭＨｚで動作するが、所謂ローミング・アレンジメント下の他国では９００ＭＨｚで動作する能力を有するデュアル・サービス電話がある。
【０００３】
この目的を達成するために必要なエレクトロニクスは、急速により小さくかつ軽くなっている。しかしながら、マルチ周波数、マルチ・システム動作のための残る問題はアンテナである。
上記の様に動作するために、アンテナは異なる周波数でかつ異なるタイプの基地局で動作すべきである。例えば、あるサービスでは地上基地局を使用し、他のサービスでは軌道衛星を使用することも可能である。これは次のことを意味する。もし受話器のアンテナが垂直のポジションで（受話器をユーザの頭に隣接して）通常使用されるならば、あるサービスに対してはそのアンテナは本質的に全方向の放射パターンを持つ必要があり、別のサービスに対してはおおよそ半球状の放射パターンを持つ必要がある。
【０００４】
異なる使用パターンおよび周波数を有するために、少なくとも２個の別個のアンテナを共通のボリュート（渦巻き）内で使用することが提案されている。
第１の観点においては、本発明は、以下のものを含むマルチフィラー・アンテナを提供する：
ｎを１より大きな整数として、間隔を置いて配置されたｎ個のフィラメント；
前記アンテナの固有インピーダンスを送信および／または受信装置のそれに整合させるための整合回路；
前記ｎ個のフィラメントに送信される信号および／またはフィラメントからの信号にそれぞれ位相調整を適用すべく動作する重み回路；
前記マルチフィラー・アンテナおよび／または前記アンテナのインピーダンス整合によって受信されまたは送信されるべき信号の周波数、偏波および／または伝搬方向に関する前記マルチフィラー・アンテナの電気的特性の少なくとも１個を検出すべく動作しうる検出手段；および
前記検出手段に応答して前記重み回路の動作を制御し、前記マルチフィラー・アンテナの特性が受信または送信されるべき電流信号により良く適合するように調整すべく動作しうる制御手段。
【０００５】
他の観点によれば、本発明は以下のものを含むマルチフィラー・アンテナを提供する：
ｎを１より大きな整数として、間隔を置いて配置されたｎ個のフィラメント；
前記アンテナの固有インピーダンスを送信および／または受信装置のそれに整合させるための整合回路；
前記ｎ個のフィラメントに送信される信号および／またはフィラメントからの信号にそれぞれゲインおよび位相調整を適用する位相調整回路；
前記フィラメントの電気的な長さおよび／または相互接続を選択的に変更するために各フィラメントに契合するスイッチ手段；
前記マルチフィラー・アンテナおよび／または前記アンテナのインピーダンス整合によって受信されまたは送信されるべき信号の周波数、偏波および／または伝搬方向に関する前記マルチフィラー・アンテナの電気的特性を検出するための手段；および
前記検出手段に応答し、受信または送信すべき電流信号により良く適合すべく前記マルチフィラー・アンテナの特性を調整するために前記整合回路、位相調整回路およびスイッチ手段の動作を制御するための制御手段。
【０００６】
本発明において、受信または送信すべき特定の信号に対するアンテナの特性を改善（または調整システムの分解能の範囲内で、最適化）するために、マルチフィラー・アンテナの個々のフィラメントからの信号のための位相および／またはゲイン関係は、フィラメントの電気的長さおよび相互接続パターンと共に、自動的に変更することができる。
【０００７】
例えば、本発明の一実施形態では、上記パラメータの少なくとも１個を変更して、最高の受信信号レベル、最高の信号対雑音比、または最高の信号対（雑音＋混信（インターフェアレンス））比および／または最高のＶＳＷＲを得ることができる。
その調整は、通常、アンテナの周波数応答および放射パターン（形状および偏波）の変更を生じる。その変化が量的に何に対してであるかは調節システムに対し重要ではないかもしれない。そのシステムは、単に出力を測定し、電流信号のハンドリングを改良するためにそれを調整することができる。
【０００８】
以下に、本発明を添付の図面を参照して例示する。
図１は、４相フィラー・ヘリカル（螺旋）アンテナ（ＱＨＡ）の概要図である。
ＱＨＡは４個のヘリカル（螺旋）要素１０〜４０と８個のラジアル（半径）要素５０〜１２０を有している。（その他の実施例では、例えば６個の角度を置いて配置されたヘリカル要素を使用することができる。）
ヘリカル要素は図１に示すように絡み合っており、アンテナの縦軸の周りに互いに９０度の間隔で配置されている。ラジアル要素の内の４個５０〜８０はボリュートの上部に配置され、他の４個９０〜１２０はボリュートの底部に配置され、ヘリカル要素を結合しかつ２個のバイフィラー・ループを形成している。このアンテナは、１対のラジアル要素９０、１１０上に、２個のフィード間で９０度の位相差を持ってフィードオンされている。
【０００９】
フィードに対してアンテナの上端（この例では底部）のラジアル５０〜８０は、ヘリカル要素の共鳴長および要求される応答によって、対になって短絡されており、あるいはオープン回路とされていても良い。
ＱＨＡは、以下の文献に記載されている。
〔１〕Ｋｉｌｇｕｓ Ｃ．Ｃ、“Ｍｕｌｔｉｅｌｅｍｅｎｔ、Ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ Ｔｕｒｎ Ｈｅｌｉｃｅｓ”、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｎｔｅｎａ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｖｏｌ．ＡＰ−１６、ｐｐ４９９−５００、１９６８年７月。
【００１０】
〔２〕Ｋｌｉｌｇｕｓ Ｃ．Ｃ、“Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｑｕａｄｒｉｆｉｌａｒ Ｈｅｌｉｘ”、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｎｔｅｎａ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｖｏｌ．ＡＰ−１７、ｐｐ３４９−３５１、１９６９年５月。
〔３〕Ｋｉｌｇｕｓ Ｃ．Ｃ、“Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｑｕａｄｒｉｆｉｌａｒ Ｈｅｌｉｘ Ｄｅｓｉｇｎ”、Ｔｈｅ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｊｏｕｒｎａｌ、１９７０年１２月。
【００１１】
アンテナの放射パターンモード（半球状あるいはその他）は２個または４個のフィード上で使用されている位相の組み合わせに依存する。各モードにおけるアンテナの放射パターンの正確な形状は、螺旋のピッチおよび大きさに依存している。軸モードでは、構造の大きさに依存して、半球からハート形まで変化する形状を有している。偏波は３ｄＢ角度内で非常に優れた軸比を有する円である。
【００１２】
その他の実施例では、このマルチフィラー・アンテナ装置は、多様な目的の為に使用することができる。一般的に関連性を有しない受信信号間に空間的な相違を提供するために、フィラメントを使用することができる。利得および／または位相への重み付けの実行は放射パターンの形状および偏波の両者に影響する。この実行は、２個の方法でトランシーバに利益をもたらす。第１に、パターンの形状および偏波が入力信号の方向および偏波に整合し範疇比（Ｓ／ＮまたはＳ／（Ｎ＋Ｉ））をできるだけ最適化しまたは改善させようとする。さらに第２にその構造を、異なるフィラメントまたはフィラメント対の合成パターンを使用して偏波を多様化するために使用することができる。
【００１３】
図１は、通常円筒形のボリュートを有するアンテナを示している（即ち、平面が円盤）。例えば平面が長円または長方形のその他のボリュート形もまた本発明における使用に適している。
図２は、適応型ＱＨＡ２００およびアンテナ・インターフェース回路を備えるアンテナ・システムの概要図である。
【００１４】
図２において、ＱＨＡ２００の４個の要素は別々に適応型整合回路２１０に接続されている。（図２に示す構造ではアンテナは受信モードであるが、これに代わって図２の信号伝播矢印の方向を反対にすることによって、送信モードでアンテナに信号を供給することができる。）適応型整合回路２１０は整合コントローラ２２０の制御下であり、このコントローラはシステムコントローラ２３０の制御下にある。
【００１５】
適応型整合回路からの受信信号は４個の各可変重み回路Ｗ１〜Ｗ４に供給される。Ｗ１〜Ｗ４のそれぞれは可変位相遅延を備え、オプションとして可変利得ステージを備えている。これらは全てシステム・コントローラ２３０によって制御可能である。
４個の可変重み要素Ｗ１〜Ｗ４の出力は、加算／重み結合器２４０によって結合され合成信号を形成する。この合成信号は次に２５０に格納される。センサ２８０は信号を検査し（例えば信号対（ノイズ＋混信）比）、この情報をコントローラに送り、コントローラは次に重み要素Ｗ１〜Ｗ４、整合回路２１０およびスイッチ要素２９０，３００の重みファクターを調整し、センサ２８０によって検知されたパラメータを改善しまたはおそらく最適化する。情報の最適化は格納信号の品質を最適化しまたは改善するために使用することができ、この信号は次に復調器２６０に送出される。この情報はまた次に来る信号を受信すべくアンテナ・システムを調整するために使用される。
【００１６】
ＱＨＡの各要素において、フィードポイントから離れた要素の一部分を分離することが可能なスイッチ２９０がある。このスイッチは例えばＰＩＮダイオードスイッチである。同様に、スイッチ３００はフィードポイントから離れた端部の要素対を短絡しまたは分離する能力を有している。
スイッチコントローラ３１０の制御の下にスイッチ２９０および３００によって実行される動作は、アンテナの応答および放射パターンを変更することができる。特に、各要素の一部を分離することによって、要素の電気的長さを短くしそれによって動作周波数を高くする。再び、これらの動作はシステムコントローラの制御の下で実行され、特定信号の周波数、偏波および伝播方向において動作を改善しおそらく最適化する。
【００１７】
代替的に、あるいはオプションとして、一個またはそれ以上のアンテナ・トラップを備えることによって、アンテナ要素は数個の共鳴モードを持つようになる。これにより、アンテナが１個またはそれ以上の動作周波数で共鳴する（そしてその結果利得を増加させる）ようになる。
図３は、図２のアンテナ・システムの一つの可能な実施例をより詳細に示す概要図であり、これはまた、送信動作の間のＶＳＷＲおよび受信モードの間のＳ／Ｎ＋Ｉを改善しまたは最適化するための動作を示す。（なお、受信モードにおいてアンテナ整合を適用することによってＳ／Ｎ＋Ｉを改善した場合、ＶＳＷＲを改善する方向の間接的な副次効果を有する。さらに、パターンモード、偏波および方向を、最良のまたは改善されたＳ／Ｎ＋Ｉに対して調整することにより改善した場合、これは同様に送信モードにおいても対応する改善効果を有する。）
図３において、重み要素Ｗ１〜Ｗ４の動作は、加算／重み結合器２４０の動作と同じ様に、デジタル領域中のベースバンドで実行される。
【００１８】
適応型整合回路２１０の出力は、直交ダウン・コンバータ４００に供給され、このコンバータ４００は、２個の復調手段ＩおよびＱを生成するために、局部的な発信器信号を無線周波数信号と混合する中間ステージ４１０、増幅器４２０および０度および９０度の位相関係を有するローカル発振器信号と混合する更なるステージを含む。これらの出力は共に、ＲＡＭ４４０に格納される前にＡ／Ｄ変換器によってデジタル表現に変換される。このプロセスはＱＨＡの各フィラメントに対して同じ様にして実行される。同様に、送信側に対して、ＲＡＭ４４０からの出力は、適応型整合回路２１０を介して各アンテナ・フィラメントにルートされる前に、直交変調器４５０に送出される。ＶＳＷＲ検出器４６０は送信および／または受信モードで動作し、アンテナの定常波比率を検出する。この出力はＲＡＭ４４０に格納される。
【００１９】
ＲＡＭはデジタル信号処理（ＤＳＰ）ユニット４７０に接続され、このユニットはＲＡＭ４４０中に格納されたデジタル表現信号をそれぞれの部分において、それぞれの位相を使用して結合し（即ち、重みブロックＷ１〜Ｗ４の動作を実行する）、例えば信号対雑音比の様な選択されたパラメータを検出し最適化し、制御信号を適応型整合回路に送って非同調効果を克服するためにある周波数バンドから別のものに変え、さらにスイッチ・コントローラ３１０、次にスイッチ２９０、３００をヘリカル要素内で制御する。
【００２０】
送信器は適切なＤＳＰアルゴリズムによって、受信器が既知であるパケットヘッダ、リファレンスまたはトレーニング・シンボルを送信する。トレーニング・シンボルの受信期間において受信された信号に対する全ての妨害はＮ＋Ｉの大きさであり、トライアル・エラー（ＲＡＭ４４０中に格納されたデジタル表現を繰り返して結合する）、関連する相関マトリックスの直接マトリックス反転、または所謂ＬＭＳまたはＲＬＳアルゴリズムのような反復法によって、減少させることができる。しかしながら、既知のトレーニング・シンボルが入手可能でなくとも、信号に対する妨害対策は、受信シンボルに適用されるエラー検出アルゴリズムによってなされることが可能である。
【００２１】
図４は、図２のアンテナ・システムの別の実施例のより詳細な概要図である。この実施例は、直交ダウンコンバータ４００’を有しており、これは図３のダウンコンバータ４００と同じように動作する。同様に、この実施例は、図３の変調器４５０と同じ様に動作する直交変調器４５０’を有している。
図４に示す実施例のベースバンドでの動作はまた、ダウンコンバートされた信号がデジタル領域内に変換されＲＡＭ４４０’中に格納されると言う点で、図３のそれと類似している。ＲＡＭ中のデータは、デジタル信号処理ユニット４７０’によって処理され、ＤＳＰ４７０’は適応型整合回路２１０’およびアンテナスイッチ２９０’、３００’および３１０’中に変化を生じるように動作する。
【００２２】
しかしながら、図４の回路の動作は、重み動作が重みブロック５００中でＲＦで実行される点で、図３のものから相当異なっている。ブロック５００は、個々のアンテナ要素からの信号経路において、直交ダウンコンバータ４００’に接続されている。
図４において、重みブロック５００は、適応型整合回路２１０’および結合器２４０’間に直接接続されており、この結合器２４０’は、重みブロック５００中に含まれる各重み回路Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４の出力を付加的に結合すべく動作する。
【００２３】
結合器２４０’の出力は一個の直交ダウンコンバータ４００’中に供給される。このようにして、図３に示す実施例とは異なって、たった１個のダウンコンバータ４００’が必要とされる。同様に、１個のみの直交変調器４５０’が必要とされる。
この代替的な実施例は主に２個の利点を有している。第１に、１個のダウンコンバータ４００’および１個の変調器４５０’のみが必要であるため、 トランシーバの製造にあたって結果としてコストセービングとなる。
【００２４】
第２に、 受信信号中のほとんどのノイズは受信器によって導入されるため、受信セクションによって付加されるノイズが４分の１に減少する。これは、 信号が（４個の代わりに）たった１個のダウンコンバータ４００’しか通過しないためである。さらに補助的な利点として、全４個のアンテナ要素からの信号が単一のダウンコンバータ４００’中で同じノイズを受けるので、利得重みを適用する必要が無い。このようにして重み回路Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４はアンテナ要素によって受信される信号に位相調整を適用するためのみ配置される。この事は、それらの製造を単純化し、それ故コストおよび信頼性の利点を同様に有している。
【００２５】
重みを最適化するために、図３の実施例で使用したアプローチに対してわずかに異なるアプローチを取ることができる。図３の実施例において、最適または少なくとも改善された結果が得られるまで、異なる重みをデータに適用して、格納されたデータを繰り返し処理してもよいことに注意すべきである。しかしながら、図４の実施例において、ＲＡＭ４４０’に格納されたデータは既に重みが適用されており、実際アンテナの各要素からの信号は既に結合器２４０’によって結合されている。このようにして、正しい重みを見つけ出すために、信号の受信の間（例えばトレーニングシーケンス）において重みはダイナミックに調整される。受信信号の品質を表すデータに対して既知の重みセッティングを表すデータを格納することにより、どの重みが最も優れた受信および／または送信特性を与えるかを決めることが可能である。このようにして、原理は簡単であるがしかし第１の場合において（図３）重みの最適化は“オフライン”で発生することがあるが、一方図４の実施例では重み最適化は信号の受信の間において“オンライン”で発生する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ４相フィラーアンテナの概略図である。
【図２】 アンテナ・インターフェース回路の概略図である。
【図３】 図２のアンテナ・システムの可能な１実施例のより詳細な概要図である。
【図４】 図２のアンテナ・システムの可能な他の実施例のより詳細な概要図である。
Claims (23)
- ｎを１より大きな整数として、間隔を置いて配置されたｎ個のヘリカル形状フィラメント；
前記アンテナの固有インピーダンスを送信および／または受信装置のそれに整合させるための整合回路；
前記ｎ個のフィラメントに送信される信号および／またはフィラメントからの信号にそれぞれ位相調整を適用すべく動作する重み回路；
前記マルチフィラー・アンテナおよび／または前記アンテナのインピーダンス整合によって受信されまたは送信されるべき信号の周波数、偏波および／または伝搬方向に関する前記マルチフィラー・アンテナの電気的特性の少なくとも１個を検出すべく動作しうる検出手段；および
前記検出手段に応答して前記重み回路の動作を制御し、前記マルチフィラー・アンテナの特性が受信または送信されるべき電流信号により良く適合するように調整すべく動作しうる制御手段；
を備える、適応型マルチフィラー・アンテナ。 - 前記重み回路は、前記ｎ個のフィラメントに送出される信号および／またはフィラメントからの信号に利得調整を適用すべく動作しうる、請求項１に記載のアンテナ。
- 前記制御手段は、前記整合回路の動作を制御して、前記マルチフィラー・アンテナの特性が受信すべきまたは送信すべき電流信号によりよく適合するように調整すべく動作しうる、請求項１または２に記載のアンテナ。
- 前記フィラメントの電気的長さおよび／または相互接続と、各フィラメントの第１の端部においてフィラメントへ／からの信号接続と、を選択的に変えるために各フィラメントと係合するスイッチ手段を含み；
前記スイッチ手段は、前記第１の端部からはなれたこれらのフィラメントの第２の端部において、各フィラメントを選択的に相互接続して複数のフィラメント対を形成すべく動作する、請求項１乃至３の何れか１項に記載のアンテナ。 - フィラメントの電気的長さおよび／または相互接続を選択的に変更するために各フィラメントに係合するスイッチを含み、
各フィラメントは少なくとも第１のフィラメント部分と第２のフィラメント部分を含み、
前記スイッチ手段は、フィラメントの電気的長さを変えるために、各フィラメントの第１および第２フィラメント部分を選択的に接続しまたは分離すべく動作する、請求項１乃至４の何れか１項に記載のアンテナ。 - 前記検出手段は受信信号の信号対雑音比を検出する様に動作し；さらに
前記制御手段は、受信信号の信号対雑音比を向上させるために前記整合回路および／または重み回路の動作を制御すべく動作する、請求項１乃至５の何れか１項に記載のアンテナ。 - 前記検出手段は、受信信号の信号対（ノイズ＋混信）比を検出すべく動作し、さらに
前記制御手段は、受信信号の信号対（ノイズ＋混信）比を改善するために前記整合回路および／または重み回路の動作を制御すべく動作する、請求項１乃至６の何れか１項に記載のアンテナ。 - 前記検出手段は受信信号の信号レベルを検出すべく動作し、さらに、
前記制御手段は、受信信号の信号レベルを改善するように前記整合回路および／または重み回路の動作を制御すべく動作する、請求項１乃至７の何れか１項に記載のアンテナ。 - 前記検出手段は、送信信号に対してＶＳＷＲを検出すべく動作し、
前記制御手段は、その信号の送信のためのＶＳＷＲを改善するために前記制御回路および／または重み回路の動作を制御すべく動作する、請求項１乃至８の何れか１項に記載のアンテナ。 - 前記検出手段は：
フィラメントによって受信された各信号を対応するデジタル表現に変換するためのアナログ・デジタル変換手段；
前記デジタル表現を格納するためのメモリ；
それぞれの位相関係と利得を使用して前記デジタル表現を結合する手段；および
結合されたデジタル表現の分析によってアンテナの特性を検出するための手段；
を備える、請求項１乃至９の何れか１項に記載のアンテナ。 - 前記検出手段は：
それぞれの位相関係を使用してフィラメントによって受信された各信号を結合するための手段；
前記結合された信号を対応するデジタル表現に変換するためのアナログ・デジタル変換手段；
前記デジタル表現を格納するためのメモリ；および
前記結合されたデジタル表現の分析によって前記アンテナの特性を検出するための手段、
を含む請求項１乃至１０の何れか１項に記載のアンテナ。 - 前記結合するための手段はそれぞれの利得重みを使用して各信号を結合すべく動作する、請求項１１に記載のアンテナ。
- 前記検出手段は、アンテナによる基準信号バーストの受信期間において少なくとも動作する、請求項１乃至１２の何れか１項に記載のアンテナ。
- ｎは偶数の整数である、請求項１乃至１３の何れか１項に記載のアンテナ。
- ｎは４または６に等しい、請求項１乃至１４の何れか１項に記載のアンテナ。
- 前記フィラメントは少なくとも部分的に絡み合っている、請求項１乃至１５の何れか１項に記載のアンテナ。
- 一般に長円または長方形の軸断面を有するボリュートを備える、請求項１乃至１６の何れか１項に記載のアンテナ。
- 前記重み回路はベースバンドで動作する、請求項１乃至１７の何れか１項に記載のアンテナ。
- 前記重み回路はＲＦで動作する、請求項１乃至１７の何れか１項に記載のアンテナ。
- 前記重み回路の各出力は周波数ダウンコンバージョンに先立って結合される、請求項１９に記載のアンテナ。
- ｎを１より大きな整数として、間隔を置いて配置されたｎ個のフィラメント；
前記アンテナの固有インピーダンスを送信および／または受信装置のそれに整合させるための整合回路；
前記ｎ個のフィラメントに送信される信号および／またはフィラメントからの信号にそれぞれゲインおよび位相調整を適用する位相調整回路；
前記フィラメントの電気的な長さおよび／または相互接続を選択的に変更するために各フィラメントに契合するスイッチ手段；
前記マルチフィラー・アンテナおよび／または前記アンテナのインピーダンス整合によって受信されまたは送信されるべき信号の周波数、偏波および／または伝搬方向に関する前記マルチフィラー・アンテナの電気的特性を検出するための手段；および
前記検出手段に応答し、受信または送信すべき電流信号により良く適合すべく前記マルチフィラー・アンテナの特性を調整するために前記整合回路、位相調整回路およびスイッチ手段の動作を制御するための制御手段；
を備える適応型マルチフィラー・アンテナ。 - ｎを１より大きな整数として、間隔を置いて配置されたｎ個のフィラメント；
前記アンテナの固有インピーダンスを送信および／または受信装置のそれに整合させるための整合回路；
前記ｎ個のフィラメントに送信される信号および／またはフィラメントからの信号にそれぞれ位相調整を適用すべく動作する重み回路；
前記マルチフィラー・アンテナおよび／または前記アンテナのインピーダンス整合によって受信されまたは送信されるべき信号の周波数、偏波および／または伝搬方向に関する前記マルチフィラー・アンテナの電気的特性の少なくとも１個を検出すべく動作しうる検出手段；および
前記検出手段に応答して前記重み回路の動作を制御し、前記マルチフィラー・アンテナの特性が受信または送信されるべき電流信号により良く適合するように調整すべく動作しうる制御手段；
を備え、前記制御手段は、前記整合回路の動作を制御して、前記マルチフィラー・アンテナの特性が受信すべきまたは送信すべき電流信号によりよく適合するように調整すべく動作しうる適応型マルチフィラー・アンテナ。 - 前記フィラメントはヘリカル形状である、請求項２２に記載のアンテナ。
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