JP4677445B2 - 無線アプリケーション用低背型スマートアンテナおよびその関連方法 - Google Patents

無線アプリケーション用低背型スマートアンテナおよびその関連方法 Download PDF

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Description

本発明は無線（ワイヤレス）通信の分野に関し、さらに具体的には、モバイル加入者ニット(mobile subscriber unit)と共に使用される低背型スマートアンテナ(low profile smart antenna)に関する。
ＣＤＭＡ２０００通信システムのように、携帯またはモバイル加入者ユニット(mobile subscriber unit)が基地局(base station)と通信している無線通信システムでは、モバイル加入者ユニットは、例えば、セルラ電話(cellular telephone)のようなハンドヘルドデバイスであるのが代表的である。いくつかの実施形態では、アンテナはモバイル加入者ユニットのハウジングまたは筐体から突出している。アンテナの例としては、突出型モノポールまたはダイポールアンテナがある。モノポールまたはダイポールアンテナは、無指向性(omni-directional)アンテナパターンのように、固定パターンに制限されている。
モバイル加入者ユニットと共に使用される別タイプのアンテナとして、スイッチドビームアンテナ(switched beam antenna)がある。スイッチドビームアンテナシステムは、無指向性アンテナビームおよび１または２以上の指向性アンテナビーム(directional antenna beam)を含む複数のアンテナビームを生成する。指向性アンテナビームによると、より高いアンテナ利得が得られるので、基地局とモバイル加入者ユニットとの間の通信範囲を増大すると共に、ネットワークスループットを向上するという利点がある。スイッチドビームアンテナは、スマートアンテナまたは適応アンテナアレイ(adaptive antenna array)としても知られている。
モバイル加入者ユニット用のスマートアンテナは特許文献１に開示されている。この特許は本発明の現被譲渡人に譲渡され、その全内容は引用により本明細書の一部になっている。具体的には、スマートアンテナは、モバイル加入者ユニットのハウジングから突出した１つの能動型アンテナ素子(active antenna element)と複数の受動型アンテナ素子(passive antenna element)とを具備している。
米国特許第6,876,331号明細書
種々のタイプのアンテナがモバイル加入者ユニットのハウジングから突出していると、特にスマートアンテナの場合、ユーザによって携帯されるときその突出部が壊れたり、損傷したりすることがある。突出アンテナの損傷が軽微であっても、その動作特性が大幅に変化する可能性がある。さらに、長い突出部はモバイル加入者ユニットの外観を損なっている。
上述した背景に鑑みて、本発明の目的は、携帯性と外観を改善するために、モバイル加入者ユニットのハウジングから突出するスマートアンテナの高さを低くすることである。
本発明による上記目的と他の目的、特徴および利点は、誘電体基板(dielectric substrate)と、誘電体基板によって支えられていて、Ｔ形状を有する能動型アンテナ素子と、誘電体基板によって支えられていて、側面が能動型アンテナ素子に隣接する逆Ｌ形状部分を含む少なくとも１つの受動型アンテナ素子と、を備えたスマートアンテナによって実現されている。少なくとも１つのインピーダンス素子(impedance element)は、アンテナビームステアリング(antenna beam steering)のために前記少なくとも１つの受動型アンテナ素子に選択的に接続可能になっている。
受動型アンテナ素子の逆Ｌ形状部分とＴ形状の能動型アンテナ素子とは、モバイル加入者ユニットのハウジングから突出するアンテナ素子の高さを大幅に低くするので、携帯性と外観を向上している。
モバイル加入者ユニットの他の実施形態では、スマートアンテナは、ハウジング内蔵型になっている。すなわち、能動型と受動型アンテナ素子の高さが低くなっているので、スマートアンテナはハウジングから突出する代わりに、ハウジング内に格納できるという利点がある。
能動型アンテナ素子は、底部分と底部分に接続された上部分でＴ形状を形成することを可能にし、底部分は蛇行形状を有している。さらに、上部分は第一部分に対して左右対称に配置されることを可能にし、ペアの逆Ｌ形状の端部を具備している。
スマートアンテナは、誘電体基板によって支えられた少なくとも１つのスイッチを含み、少なくとも１つの受動型アンテナ素子を少なくとも１つのインピーダンス素子に選択的に接続することを可能にしている。それぞれのインピーダンス素子は各々の受動型アンテナ素子に関連付けることが可能であり、各々のインピーダンス素子は誘導負荷(inductive load)とキャパシタンス負荷を含むことが可能である。誘導負荷とキャパシタンス負荷は、無指向性アンテナビームと複数の指向性アンテナビームを含むアンテナビームを生成するために受動型アンテナ素子に選択的に接続可能になっている。
各々の受動型アンテナ素子は、少なくとも１つのインピーダンス素子を介してＬ形状部分に接続された第一細長部分(elongated portion)をさらに含むことができる。受動型アンテナ素子のＬ形状部分の長さと能動型アンテナ素子の長さは縮減されているので、第一細長部分の方が全体的に長くなっている。
以上により、本発明の別の側面は、スマートアンテナの全体長さを縮減すると共に、バンド幅を向上することである。これは、その一方の側面に開口をもつループを各々の第一細長部分に形成することによって達成されている。各々の第一細長部分は、開口にまたがってループに接続されたインピーダンス素子をさらに含むことが可能である。さらに、ループとインピーダンス素子を使用すると、アンテナが接地平面(ground plane)に近接していることから起こるカップリングの悪影響を阻止できる効果がある。
本発明のさらに別の側面は、低背型(low profile)の、２周波数帯域（デュアルバンド）スマートアンテナを提供することを目的としている。上述したように、第一細長部分は、インピーダンス素子を介して受動型アンテナ素子のＬ形状部分に接続することができる。現在では、このアンテナ構成は、例えば、１．７５ＧＨｚから２．５ＧＨｚ（つまり、高周波数帯域）などの、特定周波数帯域にわたって動作している。
例えば、８２４ＭＨｚから９６０ＭＨｚなどの低周波数帯域で動作するには、第二能動型アンテナ素子を能動型アンテナ素子に並列接続することができ、フィルタと第二細長部分をそれぞれ第一細長部分に接続することができる。動作時には、フィルタは、例えば、８２４ＭＨｚから９６０ＭＨｚの低周波数帯域で動作するように第二細長部分を電気的に接続する。
本発明の別の側面は、スマートアンテナを上述したように作るための方法を目的としている。
以下、本発明の好適実施形態が示されている添付図面を参照して本発明を詳しく説明する。なお、本発明は種々形体で具現化することが可能であるので、以下に説明する実施形態に限定されないものと解すべきである。むしろ、これらの実施形態は、本明細書における開示内容が完璧かつ完全になるように、さらに当業者に本発明の範囲を十分に伝えるように提供されている。本明細書全体を通して同様の要素は同様の符号で示され、代替実施形態における同様のエレメントはプライム符号を用いて示されている。
最初に図１と図２を参照して説明すると、図示のモバイル加入者ユニット２０は低背型(low profile)スマートアンテナ２２を装備している。スマートアンテナ２０はモバイル加入者ユニット２０のハウジング２４から突出しているが、能動型と受動型アンテナ素子３０、３２が突出している距離は、携帯性と外観を向上するように縮減されている。図示していないが、能動型と受動型アンテナ素子３０、３２は、オプションとして保護コーティングまたはシールドで被覆することが可能である。
スマートアンテナ２２は、セルラハンドセット(cellular handset)の場合には基地局(base station)との間で、無線ローカルエリアネットワーク(wireless local area network - WLAN)プロトコルを利用する無線データユニット(wireless data unit)の場合にはアクセスポイントから、無線通信信号(radio communication signals)の指向性送受信を可能にする。
スマートアンテナ２２がモバイル加入者ユニット２０に組み込まれている状態を示す図２の分解図では、スマートアンテナはプリント回路基板(printed circuit board)上に形成され、モバイル加入者ユニットのリアハウジング２４（１）内に設置されている。中央モジュール(center module)２６には、電子回路、無線受信／送信機器などを収めておくことができる。外側ハウジング２４（２）は、例えば、モバイル加入者ユニット２０のフロントカバーとして利用することができる。リアハウジング２４（１）と外側ハウジング２４（２）を一緒に接続すると、モバイル加入者ユニット２０のハウジング２４が形成される。
スマートアンテナ２２をプリント回路基板で実現すると、ハンドセットのフォームファクタ(form factor)内に収まりやすくなる。代替実施形態では、スマートアンテナ２２は、中央モジュール２６と一体に形成されるので、スマートアンテナと中央モジュールを同じプリント回路基板上に作ることが可能になっている。
スマートアンテナ２２の接地部分(ground portion)４１はハウジング２４の内部に埋め込まれている。能動型と受動型アンテナ素子３０、３２を突出させると、これらの素子は自由に放射することが可能になる。低背型スマートアンテナ２２のフォームファクタは、特許文献１に開示されているスマートアンテナのフォームファクタよりも、ハンドセットにパッケージ化することが容易になっている。
能動型と受動型アンテナ素子３０、３２の高さの縮減は、いくつかのステップで行なわれる。第一のステップでは、中央の能動型アンテナ素子３０の高さが縮減される。第二のステップでは、ビーム形成とスイッチングを行なうのに十分な放射結合(radiation coupling)を保ちながら、能動型アンテナ素子３０に隣接する受動型アンテナ素子３２の高さが縮減される。第三のステップでは、アンテナ素子３０、３２のサイズの縮減に起因して失われた利得が回復される。
モバイル加入者ユニットの他の実施形態では、スマートアンテナ２２は、図３と図４に図示するようにハウジング２４に内蔵させることが可能になっている。言い換えれば、能動型と受動型アンテナ素子３０、３２の高さを縮減すると、当業者ならば容易に理解できるように、スマートアンテナ２２をハウジング２４によって格納できるという利点がある。
以下では、図５から図７を参照してスマートアンテナ２２について詳しく説明する。スマートアンテナ２２は、プリント回路基板のような誘電体基板４０上に配置され、その中には中央能動型アンテナ素子３０と外側受動型アンテナ素子３２が含まれている。受動型アンテナ素子３２の各々は、以下で詳しく説明するように、反射(reflective)または指向性(directive)モードで動作させることができる。
能動型アンテナ素子３０は、誘電体基板４０上に配置された「Ｔ」形状の導電放射体(conductive radiator)を含んでいる。誘電体基板４０上には受動型アンテナ素子３２も配置され、各々は、その側面が能動型アンテナ素子３０に隣接する逆Ｌ形状部分を含んでいる。Ｔ形状の能動型アンテナ素子３０および受動型アンテナ素子３２のＬ形状部分は、モバイル加入者ユニット２０のハウジング２４から突出するスマートアンテナ２２の高さを縮減するという利点がある。
能動型アンテナ素子３０がモバイル加入者ユニット２０のハウジング２４から突出する長さの縮減は、トップローディング(top loading)を可能にし、同時にアンテナの本体を遅波構造(slow wave structure)にすることにより達成される。その結果の能動型アンテナ素子３０は、高さが６０％以上縮減されている。このように低背型設計にしても、特許文献１におけると同じように、指向性と無指向性のアンテナパターンが得られる。
放射素子のサイズ縮減のために利用できるテクノロジの１つとして、蛇行線(meander-line)テクノロジがある。その他の手法としては、例えば、誘電体ローディング(dielectric loading)と波形(corrugation)がある。能動型アンテナ素子３０の図示構造は蛇行線であるが、これは例として示したものである。
能動型アンテナ素子３０と受動型アンテナ素子３２は、好ましくは、それぞれの素子がその上に配置されているプリント回路基板のような、単一の誘電体基板から作られている。アンテナ素子３０、３２は、変形可能またはフレキシブルな基板上に配置することも可能である。
受動型アンテナ素子３２の各々は、上部導電セグメント(upper conductive segment)３２（１）（Ｌ形状部分を含む）と、対応する下部導電セグメント(lower conductive segment)３２（２）とを有している。受動型アンテナ素子３２の高さは、逆Ｌ形状が得られるようにその上部分を曲げることよって縮減されている。別の方法として、トップローディング(top loading)を使用することもできる。受動型アンテナ素子３２の本体に遅波構造を付加することができるが、必ずしもそうする必要はない。その理由は、給電ポイント(feed point)におけるキャパシタンス負荷と誘電負荷６０（１）、６０（２）は高さの変化を補償するように調整できるので、受動型アンテナ自体の補償は不要であるからである。
逆Ｌ形状は、能動型アンテナ素子３０のトップローディングセグメントに合致するが、接触しないように作られ、より多くの電力が能動型アンテナ素子３０から受動型アンテナ素子３２に結合されて、ビーム形成が最適化されるようにしている。能動型アンテナ素子３０および受動型アンテナ素子３２の上部導電セグメント３２（１）の高さは、図示のように０．６インチであり、これは、特許文献１に図示されているタイプのアンテナ素子の場合の対応する高さよりも約０．９インチだけ低くなっている。
スマートアンテナ２２の物理的サイズを縮小すると、利得が低減されることが予想される。サイズに制約のあるケースによっては、この利得低減はパッケージ化要件に見合うように受容できる場合がある。しかし、この損失を少なくするために、種々の手法を使用することができる。必要とする高さ縮減は、スマートアンテナ２２のうちハウジング２４の外側部分にあるので、埋め込まれた部分、すなわち、下部導電セグメント３２（２）の長さは、縮減した高さを埋め合わせるように大きくすることができる。
このようにすると、受動型アンテナ素子３２はオフセット給電ダイポール(offset fed dipoles)になるという効果がある。受動型アンテナ素子３２は、制御可能な振幅と位相をもつリフレクタ(reflector)／ディレクタ(director)素子として働くために使用される。無効負荷６０を整合するための入力インピーダンスはない。実際には、無損失不整合(lossless mismatch)が望まれるのは、負荷６０が低損失で、不整合位相が制御可能である限り、長さの変化とオフセット給電がスマートアンテナ２２のパフォーマンスを妨げないようにするためである。
受動型アンテナ素子３２が反射モード(reflective mode)と指向性モード(directive mode)のどちらでも動作するために、上部導電セグメント３２（１）は、少なくとも１つのインピーダンス素子６０を介して下部導電セグメント３２（２）に接続されている。少なくとも１つのインピーダンス素子６０はキャパシタンス負荷６０（１）と誘導負荷６０（２）を含み、各々の負荷はスイッチ６２を介して上部と下部導電セグメント３２（１）、３２（２）の間に接続されている。スイッチ６２としては、例えば、単極双投スイッチ(single pole, double throw switch SPDT)にすることができる。
上部導電セグメント３２（１）が誘導負荷６０（２）を介してそれぞれの下部導電セグメント３２（２）に接続されたときは、受動型アンテナ素子３２は反射モードで動作する。その結果、無線周波数(radio frequency RF)エネルギは受動型アンテナ素子３２からそのソースに向かって逆反射されることになる。
上部導電セグメント３２（１）がキャパシタンス負荷６０（２）を介してそれぞれの下部導電セグメント３２（２）に接続されたときは、受動型アンテナ素子３２は指向性モードで動作する。その結果、ＲＦエネルギはそのソースから離れた受動型アンテナ素子３２に向かって指向されることになる。
スイッチ制御・駆動回路６４(switch control and driver circuit)６４からは、導電トレース(conductive trace)６６を通してロジック制御信号がそれぞれのスイッチ６２の各々に与えられる。スイッチ６２、スイッチ制御・駆動回路６４および導電トレース６６は、アンテナ素子３０、３２と同じ誘電体基板４０上に配置することができる。
上述したように、電子回路、無線受信／送信機器などは、中央モジュール２６上に配置することができる。これとは別に、この機器はスマートアンテナ２２と同じ誘電体基板４０上に配置しておくことも可能である。図６に図示のように、この機器には、アンテナビームを選択するためのビームセレクタ(beam selector)７０および能動型アンテナ素子３０の給電部(feed)６８に結合されたトランシーバ７２が含まれている。
アンテナステアリングアルゴリズムモジュール(antenna steering algorithm module)７４では、最良の受信が得られるのはどのアンテナビームであるかを判断するためのアンテナステアリングアルゴリズムが実行されている。アンテナステアリングアルゴリズムは、信号を受信するための複数のアンテナビームを走査するためにビームセレクタ７０を動作させている。
以下では、図示の低背型スマートアンテナ２０のパフォーマンスについて、図８を参照して説明する。スマートアンテナ２２は１．８７ＧＨｚの周波数で動作しており、２受動型アンテナ素子３２の各々には２位置スイッチ６２が使用されるので４つのモードが利用可能になっている。最高利得は４ｄＢｉであり、これはライン８０に対応している。ライン８０は、受動型アンテナ素子の一方が指向性モードにあることを表し、他方の受動型アンテナ素子は反射モードにあることを表している。これは、例えば、全長の素子が１．５インチである類似スマートアンテナの場合よりも約１１／２ｄＢだけ低くなっている。ゼロ点(null)は尋数点(deep)と同じであり、これは多くの妨害拒絶アプリケーションでは高く望ましいとされている。
ここでも図８のグラフを参照して説明すると、ライン８２はライン８０に類似しており、それぞれの受動型アンテナ素子３２では反射／指向性モードの反転を表している。この反転に対応するピークのアンテナ利得はライン８２で表されている。ライン８２は、ライン８０に関連するアンテナ利得と同じアンテナ利得をもっている。ライン８４は、受動型アンテナ素子３２の両方が指向性モードにあることを表し、これは、無指向性アンテナのピーク利得が約２ｄＢｉであることに相当している。ライン８６は反射モードにある受動型アンテナ素子３２の両方を表し、これはピークのアンテナ利得が約−５ｄＢｉであることに相当している。
下部導電セグメント３２（２）はその一方の側面に開口をもつループ９０を含むことも可能である。その開口にまたがってエレクトロニックコンポーネント９２がループ９０に接続されている。エレクトロニックコンポーネント９２の例として、キャパシタがある。他の実施形態では、エレクトロニックコンポーネント９２は能動型デバイスにすることもできる。可変リアクタンスデバイスまたはエレクトロニックコンポーネント９２をもつループ９０は、スマートアンテナ２２をもっと効果的にチューニングする働きをする。さらに、ループ９０とエレクトロニックコンポーネント９２を組み合わせると、アンテナ２２の全長を縮減するのに役立っている。
接地平面とアンテナ２２の間の間隔距離が極端に狭いと、スマートアンテナ２２の効率性だけでなく、その帯域幅も大幅な影響を受けることになる。低背型スマートアンテナ２２は、アンテナが接地平面４１の上方の約１．７５ｍｍの高さにあるとき、そのバンド幅を大幅に向上することを示している。帯域幅の向上とアンテナ２２の全長縮減の向上は、下部導電セグメント３２（２）にループ９０が含まれる改良設計によるものである。ループ９０とループに関連するエレクトロニックコンポーネント９２を使用すると、アンテナ２２が接地平面４１に近接していると起こるカップリングの悪影響を阻止できる効果がある。
アンテナ２２と接地平面４１の間の間隔距離は１．７５ｍｍまでに小さくすることができる。この場合も、低背型スマートアンテナ２２はプリント回路基板４０上に作ることができる。寸法の詳細並びに接地平面４１に対するアンテナの相対位置は、フリップバージョン(flip version)と非フリップバージョン(non-flip version)のどちらのセルラハンドセットにも組み込むのに適している。
本発明のさらに別の側面は、低背型２周波数帯域スマートアンテナ２２’を提供することである。モバイル通信システムでは、マルチバンドオペレーションが要求されるのが通常である。例えば、動作帯域としては、８２４ＭＨｚから９６０ＭＨｚおよび１．７５ＧＨｚから２．５ＧＨｚが可能になっている。モバイル加入者ユニットでは、当業者ならば理解されるように、他の動作帯域も適用可能である。上述したスマートアンテナ２２は、例えば、１．７５ＧＨｚから２．５ＧＨｚの周波数範囲、つまり、高周波数帯域にわたって動作する。
次に、図９から図１２を参照して説明すると、スマートアンテナ２２'は、例えば、８２４Ｍｈｚから９６０ＭＨｚの周波数範囲、つまり、低周波数帯域でも動作するように改良されている。接地部分４１'はアンテナ２２'と対になって共振を行い、スマートアンテナの動作を制御する電子回路の基盤となっている。高周波数帯域(１．７５ＧＨｚから２．５ＧＨｚ)は、下部導電セグメント３２（２）によってサポートされている。低周波数帯域は、導電延長セグメント３２（３）'および下部導電セグメント３２（２）'に接続されたスイッチ１００'によってサポートされている。各々のスイッチ１００'は、例えば、図９に図示のように、ＬＣタンク回路(tank circuit)などのフィルタにすることができる。
高周波数帯域で動作するときは、フィルタ１００'は、導電延長素子３２（３）'が接地平面４１'に接続されていないように見せる働きをする。これに対して、低周波数帯域で動作するときは、フィルタ１００'は、導電延長素子３２（３）'が接地平面４１'に接続されているように見せる働きをする。
スマートアンテナ２２'アセンブリの上部分はプレーナ２層構造(planar two-layer structure)になっている。能動型アンテナ素子３０'は、上述したようにＴ形状にすることも、図９と図１０に図示のように矩形形状にすることも可能である。能動型アンテナ素子３０'のこの部分は高周波数帯域での動作をサポートしている。
低周波数帯域での動作をサポートするために、第二能動型アンテナ素子１０２'は導電ポスト１１２'を介して能動型アンテナ素子３０'に電気的に接続されている。第二能動型アンテナ素子１０２'は、層間テーパ状導電ストリップ(inter-layer tapered conducting strip)１０６'を通してＲＦ入力１０４'に接続されている。ＲＦ入力１０４'は上述したように能動型アンテナ素子３０'に接続されるのではなく、ＲＦ入力は第二能動型アンテナ素子１０２'に接続されている。図１０は、２周波数帯域スマートアンテナの分解図を示したものである。
第二能動型アンテナ素子１０２'は、例えば、パッチ導体、ループまたは蛇行線にすることができる。第二能動型アンテナ素子１０２'とそのトップローディング部１０８'は、レイヤ１に置かれている。トップローディング部１０８'は、側面部分１０８（１）'および側面部分に対して曲折または角度をなしている上部分１０８（２）'を含んでいる。このようにすると、スマートアンテナ２２'を低背型に保つことができる。
ＲＦ入力１０４'は、誘電体基板４０'上に形成され、レイヤ２または中央モジュール２６'に置かれているＲＦ回路構造によってサポートされている。スマートアンテナアセンブリ２２'は小さな物理的体積を占有し、高周波数帯域のほかに８００ＭＨｚの低周波数帯域でも動作する。
第二能動型アンテナ素子１０２'とメタルストリップ１０８（１）'の両方を可能な限り大きくするために、メタルストリップ１０８（２）'の一部は、上述したようにレイヤ２の方向に向かって屈曲されている。屈曲部分１０８（２）'はメタルストリップ１０８（１）'に接続され、モノリシック部品を形成している。メタルストリップ１０８（１）'は、屈曲部分１０８（２）'と一緒に、例えば、ランプインダクタ(lump inductor)などのインピーダンス素子１１０'を介して第二能動型アンテナ素子１０２'に接続されている。
受動型アンテナ素子３２'は逆Ｌ形状になっているため、上述したように、電気的パフォーマンスを保ちながらｚ方向の高さを縮減している。Ｌ形状を形成する２つの小導電プレート３５'は、ランプインピーダンス素子３３'を介して上部導電セグメント３２（１）'に接続され、入力インピーダンス整合調整が行なえるようにしている。導電プレート３５'は、２周波数帯域スマートアンテナ２２'の反射減衰量(return loss)も大幅に改善する。
２周波数帯域スマートアンテナ２２'にはいくつかの利点がある。アンテナ構造の放射部分は、大部分のメーカから提供されるセル電話や他のハンドヘルド無線デバイスに収まりやすいように小型化されている。アンテナ２２'は２層プレーナ構造上に作られるため、プリント回路テクノロジで低コストの製造を可能にしている。
２つのフィルタ１００'は低周波数帯域でのパフォーマンスを向上すると共に、仰角平面におけるアンテナビームの方向を調整しやすくしている。２つの小導電プレート３５'は、ランプ素子(lump element)３３'と一緒になって、アンテナ２２'の入力インピーダンスを制御しやすくしている。これにより、無指向性アンテナビームモードと指向性アンテナビームモードの両方において、アンテナを単一ＲＦ入力ポート１０４'に整合することが大幅に改善される。
低周波数帯域の周波数ｆ１は、テーパ状給電構造(tapered feeding structure)をトップローディングテクノロジと併用することによって実現される。この結果、比較的小さな物的体積内で動作可能にすることが可能になっている。このアンテナの実施形態は、２周波数帯域または３周波数帯域で動作することも可能になっている。アンテナは、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３で動作させることができ、ここでｆ１＜ｆ２＜ｆ３であり、ｆ１はｆ２の約半分である。例えば、低周波数帯域ｆ１は８００ＭＨｚ帯域（ＧＳＭ、ＡＭＰＳ）をカバーできるのに対し、高周波数帯域は１．７５ＧＨｚから２．５ＧＨｚ（ＰＣＳ，８０２．１１ｂ）をカバーできる。言い換えれば、高周波数帯域は、当業者ならば容易に理解できるように、いくつかの帯域に分割することができる。
フィルタ１００'は低周波数帯域でのパフォーマンスを向上するほかに、仰角平面におけるビーム方向を調整しやすくする。スマートアンテナ２２'は、無指向性アンテナビームのほかに、相反方向に指向する２指向性アンテナビームを発生することができる。
低背型２周波数帯域スマートアンテナ２２'の放射パターンは図１３と図１４に示されている。ライン１２０は、高周波数帯域での無指向性アンテナビームのパターンを表している。同様に、ライン１２２は、低周波数帯域での無指向性アンテナビームのパターンを表している。２周波数帯域スマートアンテナ２２'の反射減衰量の代表的周波数応答は、図１５に示されている。２周波数帯域特性は、ライン１２４、１２６および１２８で示すように、明確に識別することができる。
本発明のさらに別の側面は、スマートアンテナ２２を作る方法であって、能動型アンテナ素子３０を誘電体基板４０上に形成することを含み、能動型アンテナ素子はＴ形状を有していることを特徴とする方法を提供することである。この方法は、さらに、少なくとも１つの受動型アンテナ素子３２を誘電体基板４０上に形成することを含み、少なくとも１つの受動型アンテナ素子は、その側面が能動型アンテナ素子３０に隣接している逆Ｌ形状部分を含んでいる。少なくとも１つのインピーダンス素子６０は誘電体基板４０上に形成され、アンテナビームステアリングのために少なくとも１つの受動型アンテナ素子３２に選択的に接続可能になっている。
上述した説明と関連図面に提示されている教示事項の利益を受ける当業者が想到するように、本発明は種々態様の変更と他の実施形態が可能である。従って、当然に理解されるように、本発明はここに開示されている特定実施形態に限定されるものではなく、変更と実施形態は特許請求の範囲に記載されている本発明の範囲内に属するものである。
本発明によるスマートアンテナを備えたモバイル加入者ユニットを示す概略図である。 図１に図示のモバイル加入者ユニットにスマートアンテナが組み込まれている状態を示す分解図である。 モバイル加入者ユニットに内蔵された図１に図示のスマートアンテナを示す概略図である。 図３に図示のモバイル加入者ユニットにスマートアンテナが組み込まれている状態を示す分解図である。 図１から図４に図示のスマートアンテナを示す概略図である。 図５に図示のスマートアンテナが他のハンドセット回路に近接して誘電体基板上に置かれた状態を示す概略図である。 本発明による受動型アンテナ素子用のスイッチとインピーダンス素子を示す概略図である。 図１に図示のスマートアンテナの種々の放射パターンを示すグラフである。 本発明による２周波数帯域スマートアンテナを示す概略図である。 図９に図示の２周波数帯域スマートアンテナの一部を示す分解図である。 図１０に図示の導電プレート用のＲＦ入力を示す上面図である 図１０に図示の導電プレートを示す側面図である。 図９に図示の２周波数帯域スマートアンテナの高周波数帯域における放射パターンを示すグラフである。 図９に図示の２周波数帯域スマートアンテナの低周波数帯域における放射パターンを示すグラフである。 図９に図示の２周波数帯域スマートアンテナの反射減衰量を示すグラフである。

Claims (31)

  1. スマートアンテナであって、
    誘電体基板と、
    前記誘電体基板によって支えられていて、Ｔ形状を有し、高周波数帯域で動作するサイズである第一能動型アンテナ素子と、
    前記第一能動型アンテナ素子に並列に接続され、低周波数帯域で動作するサイズである第二能動型アンテナ素子と、
    当該誘電体基板によって支えられていて、前記第一能動型アンテナ素子に隣接する逆Ｌ形状部分と、前記逆Ｌ形状部分に接続された第一細長部分と、第二細長部分とを具備する少なくとも１つの受動型アンテナ素子であって、前記第一細長部分は、その一方の側に開口をもつループを含む、少なくとも１つの受動型アンテナ素子と、
    アンテナビームステアリングのために前記少なくとも１つの受動型アンテナ素子に選択的に接続可能な少なくとも１つのインピーダンス素子と、
    前記第二能動型アンテナ素子が前記低周波数帯域で動作しているときに前記第二細長部分を前記第一細長部分に接続するためのスイッチと
    を含むことを特徴とするスマートアンテナ。
  2. 請求項１に記載のスマートアンテナにおいて、前記第一能動型アンテナ素子は、底部分と、Ｔ形状を画するために前記底部分に接続された上部分とを具備し、前記底部分は蛇行形状を有していることを特徴とするスマートアンテナ。
  3. 請求項２に記載のスマートアンテナにおいて、前記上部分は第一部分に対して左右対称に配置され、ペアの逆Ｌ形状の端部を具備していることを特徴とするスマートアンテナ。
  4. 請求項１に記載のスマートアンテナにおいて、前記誘電体基板によって支えられていて、前記少なくとも１つの受動型アンテナ素子を前記少なくとも１つのインピーダンス素子に選択的に接続するための少なくとも１つの追加のスイッチを、さらに含むことを特徴とするスマートアンテナ。
  5. 請求項１に記載のスマートアンテナにおいて、各々のインピーダンス素子はそれぞれの受動型アンテナ素子と関連付けられていると共に、各々のインピーダンス素子は誘導負荷とキャパシタンス負荷を含み、前記誘導負荷と前記キャパシタンス負荷はそれぞれの受動型アンテナ素子に選択的に接続可能であることを特徴とするスマートアンテナ。
  6. 請求項１に記載のスマートアンテナにおいて、各々の第一細長部分は、その開口にまたがるように前記ループに接続されたインピーダンス素子を、さらに含むことを特徴とするスマートアンテナ。
  7. 請求項１に記載のスマートアンテナにおいて、さらに、前記少なくとも１つのインピーダンス素子に接続された接地平面を含むことを特徴とするスマートアンテナ。
  8. 請求項１に記載のスマートアンテナにおいて、前記第二能動型アンテナ素子は、パッチ導体(patch conductor)、ループおよび蛇行線の少なくとも１つを含むことを特徴とするスマートアンテナ。
  9. 請求項１に記載のスマートアンテナにおいて、前記低周波数帯域は、前記高周波数帯域の周波数範囲のほぼ半分である周波数範囲を有していることを特徴とするスマートアンテナ。
  10. 請求項１に記載のスマートアンテナにおいて、前記スイッチはフィルタを含むことを特徴とするスマートアンテナ。
  11. 請求項１に記載のスマートアンテナにおいて、前記第二アンテナ素子に結合されたテーパ状ＲＦ入力をさらに含むことを特徴とするスマートアンテナ。
  12. 請求項１１に記載のスマートアンテナにおいて、さらに、
    前記第二能動型アンテナ素子に接続されたインピーダンス素子と、
    当該第二能動型アンテナ素子をトップローディングするために前記インピーダンス素子に接続された導電ストリップと、
    を含むことを特徴とするスマートアンテナ。
  13. 請求項１２に記載のスマートアンテナにおいて、前記導電ストリップは、
    前記第二能動型アンテナ素子の側面に隣接する側面部分と、
    当該第二アンテナ素子に対して角度をなす方向に延びている上部分と、
    を含むことを特徴とするスマートアンテナ。
  14. 請求項１に記載のスマートアンテナにおいて、前記少なくとも１つの受動型アンテナ素子の前記逆Ｌ形状部分は、
    インピーダンス素子と、
    前記インピーダンス素子に結合された導電プレートと、
    を含むことを特徴とするスマートアンテナ。
  15. モバイル加入者ユニットであって、
    複数のアンテナビームを生成するためのスマートアンテナと、
    前記複数のアンテナビームの１つを選択するために前記スマートアンテナに接続されたビームセレクタコントローラと、
    前記ビームセレクタと当該スマートアンテナとに接続されたトランシーバと、
    を含み、
    当該スマートアンテナは、
    誘電体基板と、
    前記誘電体基板によって支えられていて、Ｔ形状を有し、高周波数帯域で動作するサイズである第一能動型アンテナ素子と、
    前記第一能動型アンテナ素子に並列に接続され、低周波数帯域で動作するサイズである第二能動型アンテナ素子と、
    当該誘電体基板によって支えられていて、前記第一能動型アンテナ素子に隣接し、第一細長部分及び第二細長部分を有する少なくとも１つの受動型アンテナ素子と、
    アンテナビームステアリングのために前記少なくとも１つの受動型アンテナ素子に選択的に接続可能である少なくとも１つのインピーダンス素子と、
    前記第二能動型アンテナ素子が前記低周波数帯域で動作しているときに前記第二細長部分を前記第一細長部分に接続するためのスイッチと
    を備えていることを特徴とするモバイル加入者ユニット。
  16. 請求項１５に記載のモバイル加入者ユニットにおいて、前記少なくとも１つの受動型アンテナ素子は逆Ｌ形状部分を含むことを特徴とするモバイル加入者ユニット。
  17. 請求項１５に記載のモバイル加入者ユニットにおいて、前記第一能動型アンテナ素子は底部分と、Ｔ形状を画するために前記底部分に接続された上部分とを具備し、前記底部分は蛇行形状を有していることを特徴とするモバイル加入者ユニット。
  18. 請求項１７に記載のモバイル加入者ユニットにおいて、前記上部分は、前記第一部分に対して左右対称に配列されていて、ペアの逆Ｌ形状の端部を具備していることを特徴とするモバイル加入者ユニット。
  19. 請求項１５に記載のモバイル加入者ユニットにおいて、前記スマートアンテナは、前記誘電体基板に支えられていてかつ前記少なくとも１つの能動型アンテナ素子を前記少なくとも１つのインピーダンス素子に選択的に接続するための少なくとも１つのスイッチを、さらに含むことを特徴とするモバイル加入者ユニット。
  20. 請求項１５に記載のモバイル加入者ユニットにおいて、各々の第一細長部分は、その一方の側面に開口をもつループを含むことを特徴とするモバイル加入者ユニット。
  21. 請求項２０に記載のモバイル加入者ユニットにおいて、各々の第一細長部分は、その開口にまたがって前記ループに接続されたインピーダンス素子をさらに含むことを特徴とするモバイル加入者ユニット。
  22. 請求項１５に記載のモバイル加入者ユニットにおいて、前記少なくとも１つのインピーダンス素子に接続された接地平面をさらに含むことを特徴とするモバイル加入者ユニット。
  23. 請求項１５に記載のモバイル加入者ユニットにおいて、さらに、
    前記第二能動型アンテナ素子に接続されたインピーダンス素子と、
    前記第二能動型アンテナ素子をトップローディングするために前記インピーダンス素子に接続された導電ストリップと、
    を含むことを特徴とするモバイル加入者ユニット。
  24. 請求項２３に記載のモバイル加入者ユニットにおいて、前記導電ストリップは、前記第二能動型アンテナ素子の側面に隣接する側面部分と当該第二能動型アンテナ素子に対して角度をなす方向に延びている上部分と、を含むことを特徴とするモバイル加入者ユニット。
  25. 請求項１５に記載のモバイル加入者ユニットにおいて、前記第一及び第二能動型と受動型のアンテナ素子、前記ビームセレクタコントローラおよび前記トランシーバを含む前記スマートアンテナを格納するためのハウジングを、さらに含むことを特徴とするモバイル加入者ユニット。
  26. スマートアンテナを作るための方法であって、該方法は、
    Ｔ形状を有し、高周波数帯域で動作するサイズである第一能動型アンテナ素子を誘電体基板上に形成し、
    前記第一能動型アンテナ素子に並列に接続され、低周波数帯域で動作するサイズである第二能動型アンテナ素子を形成し、
    前記第一能動型アンテナ素子に隣接している逆Ｌ形状部分を含み、かつ、第一細長部分及び第二細長部分を含む少なくとも１つの受動型アンテナ素子を前記誘電体基板上に形成し、
    アンテナビームステアリングのために少なくとも１つの受動型アンテナ素子に選択的に接続可能である少なくとも１つのインピーダンス素子を前記誘電体基板上に形成し、
    前記第二能動型アンテナ素子が前記低周波数帯域で動作しているときに前記第二細長部分を前記第一細長部分に接続するためのスイッチを形成する、
    ことを含むことを特徴とする方法。
  27. 請求項２６に記載の方法において、前記第一能動型アンテナ素子は底部分と、Ｔ形状を画するために前記底部分に接続された上部分とを具備し、前記底部分は蛇行形状を有していることを特徴とする方法。
  28. 請求項２７に記載の方法において、前記上部分は、第一部分に対して左右対称に配列されていて、ペアの逆Ｌ形状の端部を具備していることを特徴とする方法。
  29. 請求項２６に記載の方法において、前記少なくとも１つの受動型アンテナ素子を前記少なくとも１つのインピーダンス素子に選択的に接続するための少なくとも１つの追加のスイッチを前記誘電体基板上に形成することを、さらに含むことを特徴とする方法。
  30. 請求項２６に記載の方法において、前記少なくとも１つの受動型アンテナ素子は、前記少なくとも１つのインピーダンス素子を介して前記Ｌ形状部分に接続された第１細長部分を、さらに含むことを特徴とする方法。
  31. 請求項３０に記載の方法において、各々の第一細長部分は、その一方の側面に開口をもつループと、その開口にまたがって前記ループに接続されたインピーダンス素子とを含むことを特徴とする方法。
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