JP6984019B2 - アンテナアレイ及び無線通信デバイス - Google Patents

Description

本出願は、２０１７年１２月６日に出願され、「アンテナアレイ及び無線通信デバイス」と題する中国特許出願第２０１７１１２７８７５１．Ｘ号の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。

本出願は通信分野に関し、特に、アンテナアレイ及び無線通信デバイスに関する。

アンテナの耐干渉能力は、電磁波を特定の方向に指向することによって改善されうる。異なる方向に指向する複数の指向性アンテナによって形成されたスマートアンテナは、アンテナの無線受信及び送信の方向を変更しうる。指向性アンテナは大きな体積を有するため、異なる方向に指向する複数の指向性アンテナによって形成されるスマートアンテナを小型化することは困難である。

本出願は、小型化されたスマートアンテナを実現するために、アンテナアレイ及び無線通信デバイスを提供する。

第１の態様によれば、第１の指向性アンテナ及び第２の指向性アンテナを含むアンテナアレイが提供される。第１の指向性アンテナ及び第２の指向性アンテナが異なる方向にある。第１の指向性アンテナが、第１のアンテナ素子と、第１の反射体と、第１のアンテナ素子に接続された第１のフィードラインと、第１のフィードラインを制御するための第１のスイッチと、を含む。第２の指向性アンテナが、第２のアンテナ素子と、第２の反射体と、第２のアンテナ素子に接続された第２のフィードラインと、第２のフィードラインを制御するための第２のスイッチと、を含む。第１のアンテナ素子がマイクロストリップダイポールアンテナ素子である。第１のアンテナ素子の長さがアンテナアレイの動作波長のおよそ半分である。第１の反射体が寄生マイクロストリップアンテナ素子である。第１の反射体の長さが第１のアンテナ素子の長さよりもわずかに長い。第１の反射体の中央点と第１のアンテナ素子との間の距離が、動作波長のおよそ四分の一である。第１の反射体の２つの端部が第１のアンテナ素子に向かって曲げられている。第２のアンテナ素子がマイクロストリップダイポールアンテナ素子である。第２のアンテナ素子の長さが動作波長のおよそ半分である。第２の反射体が寄生マイクロストリップアンテナ素子である。第２の反射体の長さが第２のアンテナ素子の長さよりもわずかに長い。第２の反射体の中央点と第２のアンテナ素子との間の距離が、動作波長のおよそ四分の一である。第２の反射体の２つの端部が第２のアンテナ素子に向かって曲げられている。第１の反射体の中央点と第２の反射体の中央点との間の距離が、第１のアンテナ素子の中央点と第２のアンテナ素子の中央点との間の距離よりも小さい。

前述のアンテナアレイの反射体は、指向性アンテナのアンテナ素子によって囲まれたパターンの内側に位置する。したがって、アンテナアレイの大きさが小さい。各反射体の２つの端部はアンテナ素子に向かって曲げられており、アンテナ素子によって囲まれたパターンの内側に位置する反射体が互いに重なるのを防ぐことができる。

第１の態様に関し、第１の態様の第１の実施例において、アンテナアレイがさらに、第１の印刷回路基板と、第２の印刷回路基板と、を含む。第１のアンテナ素子、第１のフィードライン、第１のスイッチ、第２のアンテナ素子、第２のフィードライン、及び第２のスイッチが、第１の印刷回路基板に配置される。第１の反射体及び第２の反射体が、第２の印刷回路基板に配置される。第１の印刷回路基板が、第２の印刷回路基板に対して平行であり、第２の印刷回路基板に固定される。

フィードラインもアンテナ素子によって囲まれた囲まれたパターンの内側にあるため、フィードライン及び反射体を印刷回路基板上に配置するために、アンテナアレイの設計が複雑になりうる。アンテナアレイは、フィードライン及び反射体を異なる印刷回路基板に配置することによって単純化されうる。

第１の態様または第１の態様の第１の実施例に関し、第１の態様の第２の実施例において、第１の反射体の長さが、動作波長のおよそ０．５４倍から０．６倍である。第２の反射体の長さが、動作波長のおよそ０．５４倍から０．６倍である。

第１の態様、第１の態様の第１の実施例、または第１の態様の第２の実施例に関して、第１の態様の第３の実施例において、第１のスイッチ及び第１のスイッチがＰＩＮダイオードである。

第２の態様によれば、前述の第１の態様または第１の態様の第１の実施例から第３の実施例のいずれか１つのアンテナアレイを含む無線通信デバイスが提供される。無線通信デバイスがさらに、制御回路を含む。制御回路が、アンテナアレイを指向性モードにあるように制御するために、第１のスイッチまたは第２のスイッチをスイッチオフするように構成される。

第２の態様に関して、第２の態様の第１の実施例において、制御回路がさらに、アンテナアレイを無指向性モードにあるように制御するために、第１のスイッチ及び第２のスイッチをスイッチオンするように構成される。

本発明の実施形態に従う２つの指向性アンテナを含むアンテナアレイの概略図である。 本発明の実施形態に従う４つの指向性アンテナを含むアンテナアレイの概略図である。 本発明の実施形態に従う、フィードライン及び反射体が異なる印刷回路基板に配置されたアンテナアレイの概略図である。 本発明の実施形態に従う無線通信デバイスの概略図である。

図１から４を参照して、以下に本発明の実施形態を説明する。

図１から３は、本発明の実施形態に従うアンテナアレイの概略図である。アンテナアレイは、少なくとも２つの指向性アンテナを含む。指向性アンテナは異なる方向にある。例えば、図１に示されるように、アンテナアレイは、２つの指向性アンテナを含み、左側の指向性アンテナは左前方に指向し、右側の指向性アンテナは右前方に指向する。別の例において、図２に示されるように、アンテナアレイは４つの指向性アンテナを含み、左側の指向性アンテナは左側に指向し、右側の指向性アンテナは右側に指向し、前方の指向性アンテナは前方に指向し、後ろ側の指向性アンテナは後ろ側に指向する。アンテナアレイに含まれる指向性アンテナの数は、３、５、６、またはそれより多くてもよい。全ての指向性アンテナは、中心対称で配置され、外側に指向する。

指向性アンテナのそれぞれの指向性アンテナは、アンテナ素子と、反射体と、アンテナ素子に接続されたフィードライン（ｆｅｅｄ ｌｉｎｅ）と、フィードラインを制御するためのスイッチと、を含む。アンテナアレイの大きさを低減するために、指向性アンテナはマイクロストリップアンテナである。フィードラインは、両面平行ストリップライン（ｄｏｕｂｌｅ−ｓｉｄｅｄ ｐａｒａｌｌｅｌ−ｓｔｒｉｐ ｌｉｎｅ）でありうる。スイッチは、ＰＩＮダイオードでありうる。

アンテナアレイの大きさを低減するために、アンテナ素子は、マイクロストリップダイポールアンテナ素子である。アンテナ素子はフィードラインに接続され、そのため、被駆動素子（ｄｒｉｖｅｎ ｅｌｅｍｅｎｔ）である。アンテナ素子の長さは、アンテナアレイの動作波長（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）のおよそ半分である。動作波長は、アンテナアレイの動作帯域（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｂａｎｄ）の中心周波数に対応する電磁波の波長であり、以下ではλとも呼ばれる。λは媒体内の波長であり、誘電率に関連する。アンテナが媒体の表面に印刷されている場合、λに対応する誘電率は、媒体の誘電率及び空気の誘電率の両方に相関する。例えば、λに対応する誘電率は、媒体の誘電率及び空気の誘電率の平均値である。例えば、アンテナが４．４の誘電率を有する媒体の表面に印刷される場合、λに対応する誘電率は、およそ（４．４＋１）／２＝２．７である。アンテナの動作帯域はある範囲であり、複数のチャンネルを含んでもよく、アンテナ素子の長さは固定された値であり、アンテナ素子が動作周波数において電磁波の最適な共振を達成することができないようにするものである。したがって、アンテナ素子の長さは、正確に１／２λである必要はない。アンテナ素子の長さは、１／２λに近い必要があるのみであり、例えばおよそ０．４４λから０．５３λの範囲である。

アンテナアレイの大きさを低減するために、反射体は、寄生（ｐａｒａｓｉｔｉｃ）マイクロストリップアンテナ素子である。反射体の長さは、アンテナ素子の長さよりもわずかに長く、例えば、約０．５４λから０．６λの範囲である。反射体の中央点とアンテナ素子との間の距離は、およそ１／４λである。反射体の長さはアンテナ素子の長さよりわずかに長いため、反射体は誘導性リアクタンスを有し、これは、反射体の電流の位相が、受信場によって生じる開回路電圧の位相よりも遅れることを意味する。反射体及びアンテナ素子によって放出された電磁波は、前方（反射体からアンテナ素子へ向かう方向）において互いに強め合って干渉し、反対方向（アンテナ素子から反射体に向かう方向）において互いに弱め合って干渉する。したがって、アンテナ素子及び反射体の組合せによって放出された電磁波は、反射体からアンテナ素子へ向かう方向に指向する。

アンテナアレイの大きさを低減するために、全ての反射体は、指向性アンテナのアンテナ素子によって囲まれたパターンの内側に配置される。したがって、２つの反射体の中央点の間の距離は、２つの対応するアンテナ素子の中央点の間の距離よりも小さい。しかし、反射体はアンテナ素子よりも長いため、反射体がアンテナ素子によって囲まれたパターンの内側に配置される場合、反射体は互いに重なりうる。反射体が互いに影響を及ぼすのを防止するために、反射体の両端はアンテナ素子の方へ曲げられ、反射体が互いに重なるのを防止する。

前述の構造を使用するアンテナの大きさは小さい。例えば、動作帯域が２．４ギガヘルツ（ＧＨｚ）である図２に示された４指向性アンテナアレイの大きさは、５６ミリメートル（ｍｍ）＊５６ｍｍまで低減可能である。

フィードラインもアンテナ素子によって囲まれたパターンの内側にあるため、フィードライン及び反射体を印刷回路基板（ＰＣＢ）上に配置するために、アンテナアレイの設計は複雑になりうる。アンテナアレイを単純化するために、フィードライン及び反射体は、異なるＰＣＢ上に配置されうる。図３を参照すると、この構造を使用するアンテナアレイは２つのＰＣＢ、すなわち第１のＰＣＢ３０１及び第２のＰＣＢ３０２を含む。第１のＰＣＢ３０１及び第２のＰＣＢ３０２は重ねられて配置され、すなわち、第１のＰＣＢ３０１及び第２のＰＣＢ３０２は互いに対して平行であり、第１のＰＣＢ３０１及び第２のＰＣＢ３０２の射影が重なる。第１のＰＣＢ３０１は第２のＰＣＢ３０２に固定される。例えば、第１のＰＣＢ３０１及び第２のＰＣＢ３０２において互いに平行であり、互いに対応する位置に穴が設けられ、対応する穴を通過する固定具（例えば、プラスチックねじ、プラスチックスタンドオフまたはスペーサー支持具（ｓｐａｃｅｒ ｓｕｐｐｏｒｔ））が、第１のＰＣＢ３０１と第２のＰＣＢ３０２とを固定するために使用される。フィードラインはアンテナ素子に接続されるため、各指向性アンテナのアンテナ素子、フィードライン、及びスイッチは第１のＰＣＢ３０１に配置され、各指向性アンテナの反射体は第２のＰＣＢ３０２に配置される。図３は、第１のＰＣＢ３０１の一方の側を示しているのみであり、マイクロストリップダイポールアンテナ素子の１つの腕部がその側に配置されており、マイクロストリップダイポールアンテナ素子の別の腕部が第１のＰＣＢの別の側に配置される。図３の第２のＰＣＢ３０２は第１のＰＣＢ３０１の上方にある。第２のＰＣＢ３０２は、代替的に、第１のＰＣＢの下にあってもよい。

図４は、本発明の実施形態に従う無線通信デバイスの概略図である。無線通信デバイスは、制御回路及び、図１から図３に示された実施形態におけるアンテナアレイを含む。制御回路は、アンテナアレイを指向性モードにあるように制御するために、指向性アンテナの１つまたはいくつかのスイッチをスイッチオフすることができる。制御回路はさらに、アンテナアレイを無指向性モードにあるように制御するために、全ての指向性アンテナのスイッチをスイッチオンすることができる。各スイッチがＰＩＮダイオードである場合、制御回路は、スイッチをオンにするために、フォワードバイアス（ｆｏｒｗａｒｄ ｂｉａｓ）をスイッチオンされるスイッチに印加しうる。無線通信デバイスはさらに、フィードラインに接続された高周波（ＲＦ）回路を含む。ＲＦ回路はさらに、ＲＦモジュールとも呼ばれ、ＲＦ信号を受信及び送信するように構成される。制御回路はＲＦ回路内に集積されてもよく、別のデバイスであってもよい。例えば、制御回路は、複合プログラマブルロジックデバイス（ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ，ＣＰＬＤ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、中央演算ユニット（ＣＰＵ）、またはそれらの任意の組合せでありうる。

前述の説明は、本発明の特定の実施例に過ぎず、本発明の保護範囲を限定することを意図されるものではない。本発明において開示される技術的範囲において、当業者により容易に理解される任意の改変または置換は、本発明の保護範囲にあるものとする。したがって、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲の保護範囲にあるものとする。

３０１ 第１のＰＣＢ
３０２ 第２のＰＣＢ

Claims (5)

1. 第１の指向性アンテナ及び第２の指向性アンテナを含むアンテナアレイであって、
   前記第１の指向性アンテナ及び前記第２の指向性アンテナが異なる方向にあり、
   前記第１の指向性アンテナが、第１のアンテナ素子と、第１の反射体と、前記第１のアンテナ素子に接続された第１のフィードラインと、前記第１のフィードラインを制御するための第１のスイッチと、を含み、
   前記第２の指向性アンテナが、第２のアンテナ素子と、第２の反射体と、前記第２のアンテナ素子に接続された第２のフィードラインと、前記第２のフィードラインを制御するための第２のスイッチと、を含み、
   前記第１のアンテナ素子がマイクロストリップダイポールアンテナ素子であり、前記第１のアンテナ素子の長さが前記アンテナアレイの動作波長のおよそ半分であり、
   前記第１の反射体が寄生マイクロストリップアンテナ素子であり、前記第１の反射体の長さが前記第１のアンテナ素子の長さよりも長く、前記第１の反射体の中央点と前記第１のアンテナ素子との間の距離が、前記動作波長のおよそ四分の一であり、前記第１の反射体の２つの端部が前記第１のアンテナ素子に向かって曲げられており、
   前記第２のアンテナ素子がマイクロストリップダイポールアンテナ素子であり、前記第２のアンテナ素子の長さが前記動作波長のおよそ半分であり、
   前記第２の反射体が寄生マイクロストリップアンテナ素子であり、前記第２の反射体の長さが前記第２のアンテナ素子の長さよりも長く、前記第２の反射体の中央点と前記第２のアンテナ素子との間の距離が、前記動作波長のおよそ四分の一であり、前記第２の反射体の２つの端部が前記第２のアンテナ素子に向かって曲げられており、
   前記第１の反射体の中央点と前記第２の反射体の中央点との間の距離が、前記第１のアンテナ素子の中央点と前記第２のアンテナ素子の中央点との間の距離よりも小さく、
   前記アンテナアレイがさらに、第１の印刷回路基板と、第２の印刷回路基板と、を含み、
   前記第１のアンテナ素子、前記第１のフィードライン、前記第１のスイッチ、前記第２のアンテナ素子、前記第２のフィードライン、及び前記第２のスイッチが、前記第１の印刷回路基板に配置され、
   前記第１の反射体及び前記第２の反射体が、前記第２の印刷回路基板に配置され、
   前記第１の印刷回路基板が、前記第２の印刷回路基板に対して平行であり、前記第２の印刷回路基板に固定された、アンテナアレイ。
2. 前記第１の反射体の長さが、前記動作波長の０．５４倍から０．６倍であり、前記第２の反射体の長さが、前記動作波長の０．５４倍から０．６倍である、請求項１に記載のアンテナアレイ。
3. 前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチがＰＩＮダイオードである、請求項１に記載のアンテナアレイ。
4. 制御回路と、請求項１から３のいずれか一項に記載のアンテナアレイと、を含む無線通信デバイスであって、前記制御回路が、前記アンテナアレイを指向性モードにあるように制御するために、前記第１のスイッチまたは前記第２のスイッチをスイッチオフするように構成された、無線通信デバイス。
5. 前記制御回路がさらに、前記アンテナアレイを無指向性モードにあるように制御するために、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチをスイッチオンするように構成された、請求項４に記載の無線通信デバイス。

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