JP7454703B2 - アンテナ装置及び通信デバイス - Google Patents

Description

本発明は、通信デバイス用のアンテナ装置に関する。本発明は更に、そのようなアンテナ装置を有する通信デバイスに関する。

現在、ユーザ装置（ＵＥ）などのモバイル機器のアンテナは、損失の多い困難な環境に置かれながら、効率的な放射を提供しなければならない。これは、小型アンテナの究極の効率限界に近づく実用的なアンテナ構造を必要とする。最適なアンテナ形状を見つけることは、電磁シミュレーションの高い計算負荷、及びアンテナ形状とその電気的特性と間の複雑な関係により、非常に困難で骨の折れる作業になる場合がある。従って、設計者が最適解を見つけられる保証はない。

理論的及び数値的な電磁気学の研究コミュニティは、数学的に最適な解を見つけることに重点を置いている。研究コミュニティは、帯域幅及び効率の観点から、電気的に小さいアンテナの性能の上限を定義する有名なチュー限界など、アンテナの基本的な制限を導き出した。研究コミュニティはまた、可能な限り最良の放射特性をもたらし得るアンテナの最終的に最良の電流又は電界分布を見つけるための比較的簡単な方法を確立した。しかし、このような最適な電流分布を実際のアンテナ設計に組み込むことは困難である。

本発明の実施形態の目的は、従来の解決法の欠点及び課題を軽減又は解決する解決法を提供することである。

上記の及び更なる目的は、独立請求項の主題によって解決される。本発明の更なる有利な実施形態は、従属請求項で見つけられる。

本発明の第１態様に従って、上記の及び他の目的は、通信デバイス用のアンテナ装置であって、
上面及び底面を有する基板と、
前記上面に配置され、第１セクション及び該第１セクションに隣接している第２セクションを有するトップ導電性パッチと、
前記トップ導電性パッチと反対の位置で前記底面に配置されるボトム導電性パッチと、
前記トップ導電性パッチへ又はそれから無線周波数，ＲＦ，信号を運ぶよう構成される１つ以上のフィード回路と
を有し、
前記トップ導電性パッチは、該トップ導電性パッチが前記１つ以上のフィード回路へ結合される２つ以上の結合ポイントを有し、該２つ以上の結合ポイントは、前記第１セクションに位置している第１結合ポイントと、前記第２セクションに位置している第２結合ポイントとを有し、それにより、前記ＲＦ信号は、前記第１結合ポイントで第１位相を、及び前記第２結合ポイントで第２位相を有し、
第１スロットが、前記第１結合ポイントと前記第２結合ポイントとの間で前記トップ導電性パッチにおいて延在する、
アンテナ装置により達成される。

トップ導電性パッチは、ＲＦ信号を捕捉又は放射するアンテナとして動作可能であり、一般に、パッチアンテナとして当該技術で知られている設計のものであってよい。トップ導電性パッチは、従って、ここではアンテナパッチとも呼ばれ得る。ボトム導電性パッチは接地面として動作可能であり、ここでは接地パッチとも呼ばれ得る。

結合ポイントは、トップ導電性パッチの面積と比較して小さい空間的広がりを有する点状領域に対応する、とここでは理解され得る。

第１態様に係るアンテナ装置の利点は、結合ポイントの形態での複数のフィードポイントが、ただ１つの結合ポイントしか有さない単フィードアンテナと比較して、アンテナ構造内の電流分布をより良く制御することを可能にすることである。電流分布のより良い制御は、高い放射効率、望ましい指向若しくは偏光特性、及び／又は望ましい入力インピーダンスを達成することを可能にする。

第１態様に係るアンテナ装置の実施形態において、アンテナ装置は、
前記第１スロットに配置され、該第１スロットの電気長を変化させるよう構成される第１可制御キャパシタを更に有する。

この実施形態に係るアンテナ装置の利点は、制御可能なキャパシタがアンテナ上の電流分布を制御することを可能にし、アンテナが固定されている場合と比較して更に優れていることである。電流分布のより良い制御は、例えばユーザの手がアンテナの近くにある場合など、様々な使用シナリオで、より広い周波数帯域にわたって高い放射効率、良好なマッチング、及び起こり得る他の放射特性を維持することを容易にする。

第１態様に係るアンテナ装置の実施形態において、前記第１スロットは、開放端及び閉塞端を有し、前記第１可制御キャパシタは、前記第１スロットの開放端から閉塞端の間に配置される。第１可制御キャパシタは更に、第１スロットの開放端又は閉塞端に配置されてもよい。

この実施形態に係るアンテナ装置の利点は、潜在的に高い電界がスロット／ギャップにわたって形成され、その結果、電流に対する制御可能なキャパシタの効果が増大することである。スロットは、潜在的に、制御可能なキャパシタによる電流の制御性を向上させる。

第１態様に係るアンテナ装置の実施形態において、前記第２位相は、前記第１位相（Ｐ１）に対して１８０度位相回転されている。

この実施形態に係るアンテナ装置の利点は、異なる結合ポイントのフィード間の１８０度位相オフセットが、一般的に、高い効率及び良好なインピーダンスマッチングをもたらすことである。更に、１８０度の位相差は、いくつかの異なる受動構造で簡単に実現できる。

第１態様に係るアンテナ装置の実施形態において、アンテナ装置は、
前記ＲＦ信号が第３結合ポイントで第３位相を有するように前記第１セクションに位置している前記第３結合ポイントと、
前記ＲＦ信号が第４結合ポイントで第４位相を有するように前記第２セクションに位置している前記第４結合ポイントと、
前記トップ導電性パッチにおいて延在し、前記第３結合ポイントと前記第４結合ポイントとの間に配置される第２スロットと
を更に有する。

この実施形態係るアンテナ装置の利点は、アンテナの制御性が結合ポイント／フィードの数の増加とともに改善することである。結合ポイントが２つである場合と比較して、４つの結合ポイントは、潜在的に、より良い電気的アンテナ性能を提供する。

第１態様に係るアンテナ装置の実施形態において、
前記第１位相及び前記第３位相は同じ位相を有し、前記第２位相及び前記第４位相は同じ位相を有し、あるいは、
前記第１位相、前記第２位相、前記第３位相、及び前記第４位相は異なる位相を有する。

この実施形態に係るアンテナ装置の利点は、固定フィード位相により、フィード位相が可変である実現よりも簡単なフィード構造がもたらされることである。比較的に優れた性能が、固定フィード位相を用いて、比較的に広い帯域にわたってさえ通常は取得され得る。このようにして、制御可能なＲＦ位相シフタは必要とされず、フィード構造はより簡単である。

第１態様に係るアンテナ装置の実施形態において、アンテナ装置は、
前記第２スロットに配置され、該第２スロットの電気長を変化させるよう構成される第２可制御キャパシタを更に有する。

この実施形態に係るアンテナ装置の利点は、電流の制御性がアンテナでの制御可能なキャパシタの数とともに改善することである。より良い制御性は、より広い帯域及びより幅広い使用ケースにわたって良好なマッチング、高い効率、及び他の性能パラメータを保つことを可能にする。更に、制御可能なキャパシタの数が増えると、潜在的に、構造上の電流部分布がより一様になる。より一様な電流分布は、結果として、導電損失の低下をもたらす。

第１態様に係るアンテナ装置の実施形態において、前記第２スロットは、開放端及び閉塞端を有し、前記第２可制御キャパシタは、前記第２スロットの開放端から閉塞端の間に配置される。第２可制御キャパシタは更に、第２スロットの開放端又は閉塞端に配置されてもよい。

この実施形態に係るアンテナ装置の利点は、スロットにわたる電界が、特にスロットの開放端の近くでかつスロットの閉鎖端から遠く離れて、典型的に大きいことである。制御可能なキャパシタの電界が大きいほど、電流分布に対するその潜在的な影響は大きくなる。従って、制御可能なキャパシタを備えた構造の制御性は、スロットを導入し、それを挟んで制御可能なキャパシタを配置することによって、改善可能である。

第１態様に係るアンテナ装置の実施形態において、前記第１スロットの開放端及び前記第２スロットの開放端は、トップ導電性パッチの対辺に配置される。

この実施形態に係るアンテナ装置の利点は、対称なレイアウトを有するこの種の構造が極めて一様な電流分布及び更に良好な電流制御性をもたらし得ることである。一様な電流分布は、潜在的に、導電損失の低下をもたらす。

第１態様に係るアンテナ装置の実施形態において、前記第１スロット及び前記第２スロットは、反対の方向に延在し、互いに整列される。

この実施形態に係るアンテナ装置の利点は、このような対称な配置が対称なフィードポイントインピーダンス及びフィード信号位相をもたらすことである。これは、潜在的に、フィードネットワークを簡素化し、固定された１８０度位相シフトされたフィード信号を使用するのを容易にする。

第１態様に係るアンテナ装置の実施形態において、前記第１スロット及び前記第２スロットは、前記第１セクション及び前記第２セクションを互いに少なくとも部分的に境界を画定する。

第１態様に係るアンテナ装置の実施形態において、前記第１結合ポイント、前記第２結合ポイント、前記第３結合ポイント、及び前記第４結合ポイントは、前記トップ導電性パッチに対称的に配置される。

この実施形態に係るアンテナ装置の利点は、このような対称な配置が対称なフィードポイントインピーダンス及びフィード信号位相をもたらすことである。これは、潜在的に、フィードネットワークを簡素化し、固定された１８０度位相シフトされたフィード信号を使用するのを容易にする。

第１態様に係るアンテナ装置の実施形態において、各結合ポイントで前記ＲＦ信号は同じ振幅を有する。

この実施形態に係るアンテナ装置の利点は、フィードネットワークが、フィード信号振幅が任意又は制御可能であるべき場合と比べて、潜在的に簡単であることである。

第１態様に係るアンテナ装置の実施形態において、アンテナ装置は、
前記ＲＦ信号を運ぶよう構成される単一フィード回路と、
前記単一フィード回路へ結合され、前記ＲＦ信号を各結合ポイントに分けるよう構成される電力分配器と、
各結合ポイントのための位相シフタと
を更に有し、各位相シフタは前記電力分配器へ結合され、各自の結合ポイントへ供給される前記ＲＦ信号の位相を制御するよう構成される。

この実施形態に係るアンテナ装置の利点は、可変位相シフタがアンテナ構造における電流分布の優れた制御を提供することである。これは、幅広い使用ケースにわたってかつ広い帯域にわたって良好な性能を達成することを可能にする。他方で、集積回路技術により実現された可変位相シフタは、非常に安価であり、小さく、アンテナと一体化するのが容易である。留意すべきは、電力分配器もマルチチャネル位相シフタチップ内に実現され得る点である。マルチチャネル位相シフタチップを使用すると、単一のチップがアンテナ構造全体に給電することができる。

第１態様に係るアンテナ装置の実施形態において、アンテナ装置は、
前記第１位相で前記ＲＦ信号を運ぶよう構成される第１フィード回路と、
前記第２位相で前記ＲＦ信号を運ぶよう構成される第２フィード回路と、
前記第３位相で前記ＲＦ信号を運ぶよう構成される第３フィード回路と、
前記第４位相で前記ＲＦ信号を運ぶよう構成される第４フィード回路と
のうちの少なくとも１つを更に有する。

この実施形態に係るアンテナ装置の利点は、電力分配器及び位相シフタが必要とされないことである。

本発明の第２態様に従って、上記の及び他の目的は、無線通信システム用の通信デバイスであって、第１態様に係るアンテナ装置の上記の実施形態のいずれか１つに係るアンテナ装置を有する通信デバイスにより達成される。

第２態様に係る通信デバイスの実施形態において、通信デバイスは、
筐体と、
ガラス層と、
前記筐体と前記ガラス層との間に配置される誘電体層と
を有し、
前記アンテナ装置が前記筐体と前記誘電体層との間に配置される。

本発明の実施形態の更なる応用及び利点は、以下の詳細な説明から明らかである。

添付の図面は、本発明の様々な実施形態を明らかにし、そして説明するよう意図される。

本発明の実施形態に係るアンテナ装置を示す。 本発明の実施形態に係るアンテナ装置を示す。 本発明の実施形態に係るアンテナ装置を示す。 本発明のトップ導電性パッチの種々の例示的な形状を示す。 本発明のトップ導電性パッチの種々の例示的な形状を示す。 本発明のトップ導電性パッチの種々の例示的な形状を示す。 本発明のトップ導電性パッチの種々の例示的な形状を示す。 本発明のトップ導電性パッチの種々の例示的な形状を示す。 アンテナ装置の種々の例示的な形状を示す。 アンテナ装置の種々の例示的な形状を示す。 アンテナ装置の種々の例示的な形状を示す。 アンテナ装置の種々の例示的な形状を示す。 アンテナ装置の種々の例示的な形状を示す。 本発明の実施形態に係るアンテナ装置の単フィード配置を示す。 本発明の実施形態に係るアンテナ装置の複数フィード配置を示す。 本発明の実施形態に係る通信デバイスに含まれるアンテナ装置の側面図を示す。 本発明の実施形態に係る通信デバイスに含まれるアンテナ装置の上面図を示す。 本発明の実施形態に係るアンテナ装置を有する通信デバイスを示す。 無線通信システムにおいて通信するよう構成される通信デバイスを示す。

アンテナの最適な電流又は電界分布は、理論上、数値最適化により決定可能である。しかし、実際のアンテナ設計に最適な電流分布を組み込むことは困難である。計算されたアンテナ構造は、最新の無線デバイス内のアンテナ構造の複雑なモデルとはかけ離れた単純な形状であることがよくある。主な課題は、如何なる実際の励起要素も最適な分布を容易に変更するので、求められた電流分布が実際には励起するのが難しいことである。

最適な電流分布を得るための従来のアンテナソリューションは、開口結合を通じて又は単一アンテナによって励起される寄生金属ピクセル層、共同給電アンテナ素子、マルチフィードパッチアンテナ、差動信号で給電される２つの分離パッチ、単一フィード又は２つの別個のフィードを備えたピクセル状／格子状アンテナを含む。

従来のソリューションは、例えば、アンテナの非最適なフィード、複雑な励起が使用されていること、及び比較的厚いアンテナが必要であること、などの問題を抱えている。従って、従来のソリューションのいずれも、制御された体系的な方法でアンテナに最適な電流分布を提供することに成功していない。

そのため、本発明の目的は、上述の欠点に対処し、アンテナ装置における電流分布を改善することである。改善された電流分布は、制御された体系的な方法で所望の電流分布がアンテナにおいて実現されることを可能にする本発明に係るアンテナ装置によって達成される。

図１ａ～ｂは、本発明の実施形態に係る通信デバイス２００用のアンテナ装置１００の実施形態を示す。アンテナ装置１００は、トップ導電性パッチ１０２及びボトム導電性パッチ１６０が配置されている基板１５０を有する。アンテナ装置１００は、トップ導電性パッチ１０２へ又はそれから無線周波数（ＲＦ）信号を運ぶよう構成される１つ以上のフィード回路１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ、・・・、１４２ｄ（図５～６に図示）を更に有する。

図１ａを参照して、基板１５０は上面１５２及び底面１５４を備えている。トップ導電性パッチ１０２は上面１５２に配置され、ボトム導電性パッチ１６０は、トップ導電性パッチ１０２と反対の位置で底面１５４に配置される。トップ導電性パッチ１０２は、ＲＦ信号を吸収又は放射するアンテナとして動作するよう構成可能であり、一般的に、パッチアンテナとして当該技術で知られている設計のものであってよい。トップ導電性パッチ１０２は、従って、ここでは、アンテナパッチとも呼ばれ得る。ボトム導電性パッチ１６０は、接地面として動作するよう構成可能であり、ここでは接地パッチとも呼ばれ得る。

トップ導電性パッチ１０２は、図１ｂに示されるように、第１セクション１０６及び第１セクション１０６に隣接する第２セクション１１０を有する。トップ導電性パッチ１０２は、トップ導電性パッチ１０２が１つ以上のフィード回路１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ、・・・、１４２ｄへ結合される２つ以上の結合ポイントを更に有する。結合ポイントは、トップ導電性パッチ１０２の面積と比較して小さい空間的広がりを持った点状領域に対応する、とここでは理解され得る。結合ポイントの面積は、例えば、トップ導電性パッチ１０２の面積の１０から１パーセントに満たなくてもよい。２つ以上の結合ポイントは更に、能動又は受動ポートであってよい。能動ポートは、トランシーバから給電され得、受動ポートは、インピーダンス、例えば、キャパシタ、インダクタ、開回路、短絡回路、伝送線路区間を搭載し得る。インピーダンス負荷は、集中又は分散コンポーネントで、例えば、印刷回路基板（ＰＣＢ）にモノリシックに集積されたインダクタ若しくはキャパシタにより又は集中要素により、つまり、金属層を適切にパターニングすることによって、又は伝送線路区間をパターニングすることによって、実現可能である。

図１ａ～ｂに示される実施形態では、トップ導電性パッチ１０２は２つの結合ポイント、つまり、第１セクション１０６に位置している第１結合ポイント１０４、及び第２セクション１１０に位置している第２結合ポイント１０８を有する。トップ導電性パッチ１０２は、トップ導電性パッチ１０２への又はそれからのＲＦ信号が第１結合ポイント１０４では第１位相Ｐ１を、及び第２結合ポイント１０８では第２位相Ｐ２を有するように、第１結合ポイント１０４及び第２結合ポイント１０８で１つ以上のフィード回路１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ、・・・、１４２ｄへ結合される。第１結合ポイント１０４及び第２結合ポイント１０８でのＲＦ信号は、夫々、振幅は同じだが、位相が異なり得る。よって、第２位相Ｐ２は第１位相Ｐ１とは異なってよい。実施形態において、第２位相Ｐ２は、第１位相Ｐ１に対して１８０度位相回転される。

トップ導電性パッチ１０２は、図１ｂに示されるように、第１結合ポイント１０４と第２結合ポイント１０８との間でトップ導電性パッチ１０２に延在する第１スロット１１２を更に有する。第１結合ポイント１０４及び第２結合ポイント１０８は、従って、第１スロットの両側に位置し得る。第１スロット１１２は更に、第１セクション１０６と第２セクション１１０との間の境界上に延在して、第１セクション１０６を第２セクション１１０から少なくとも部分的に画定するよう配置されてもよい。

第１可制御キャパシタ１１４が第１スロット１１２に配置され、第１スロット１１２の電気長を変化させるよう構成されてもよい。第１可制御キャパシタ１１４は、従って、第１スロット１１２の電気長を、ひいてはアンテナ装置１００の共振周波数をチューニングし得る。制御可能なキャパシタは、例えば、バラクタダイオード、強誘電体バラクタ、又は集積回路若しくはＭＥＭＳ（微小電気機械システム）技術で実現される切り替え可能なキャパシタバンクであることができる。バラクタダイオード及び強誘電体バラクタはアナログデバイスであり、それらのキャパシタンスはＤＣ（直流）バイアス電圧又は電流によって制御される。それらは通常、バイアス回路をＲＦ回路から分離するようＤＣブロックキャパシタ及びＲＦチョークインダクタを使用してアンテナ回路に接続される。キャパシタバンクは通常デジタルコンポーネントである。それらはＲＦ信号及びデジタル制御信号のための別々のポートを備えている。デジタル制御信号は、コンポーネントのキャパシタンスを利用可能な個別のキャパシタンス状態の組から選択するために使用される。キャパシタンスはアンテナ構造の電流分布に影響を与え、電流分布はその後、入力インピーダンス、放射効率、放射パターン、及び偏光を含むアンテナの全ての電気的特性を決定する。従って、キャパシタンスを変化させること／変更することによって、アンテナの特性は制御可能である。

図１ｂを参照して、第１スロット１１２は開放端１３２及び閉塞端１３２’を備えてよく、第１可制御キャパシタ１１４は第１スロット１１２の開放端１３２から閉塞端１３２’の間に配置されてよい。第１可制御キャパシタ１１４は、端部１３２、１３２’を含む第１スロット１１２に沿ってどこでも配置されてよい。通常、スロットにわたる電界は、その開放端で最も高い。その結果、キャパシタにかかる電圧が大きいほど、それが電流分布に影響を及ぼす可能性は高くなる。潜在的に、最大のチューニング効果は、スロットの開放端にキャパシタを置くことによって達成される。よって、第１可制御キャパシタ１１４は、実施形態において、第１スロット１１２の開放端１３２又は閉塞端１３２’に配置されてよい。図１に示される実施形態では、第１可制御キャパシタ１１４は、第１スロット１１２の開放端１３２に配置されている。

図２は、本発明の実施形態に係る通信デバイス２００用のアンテナ装置１００の更なる実施形態を示す。図２に示される実施形態では、アンテナ装置１００はトップ導電性パッチ１０２及び４つの結合ポイントを有する。図１ｂを参照して説明された第１及び第２結合ポイント１０４、１０８に加えて、第３結合ポイント１１６及び第４結合ポイント１１８がある。第３結合ポイント１１６は、ＲＦ信号が第３結合ポイント１１６で第３位相Ｐ３を有するように、第１セクション１０６に位置し、一方、第４結合ポイント１１８は、ＲＦ信号が第４結合ポイント１１８で第４位相Ｐ４を有するように、第２セクション１１０に位置している。各結合ポイント１０４、１０８、１１６、１１８でＲＦ信号は同じ振幅を有してよい。

実施形態において、第１位相Ｐ１及び第３位相Ｐ３は同じ位相を有し、第２位相Ｐ２及び第４位相Ｐ４は同じ位相を有する。かような実施形態では、第２位相Ｐ２及び第４位相Ｐ４は、第１位相Ｐ１及び第３位相Ｐ３に対して１８０度位相回転されてよい。しかし、第１位相Ｐ１、第２位相Ｐ２、第３位相Ｐ３、及び第４位相Ｐ４は、実施形態において代わりに、異なる位相を有してもよい。点どうしの１８０度の位相差は通常、特に、構造が対称である場合に、良好な放射特性及びインピーダンスマッチングをもたらす。アンテナが非対称である場合、又はそれが非対称な環境に、例えば、移動体電話機のサイズに、置かれる場合には、１８０度以外のオフセットフィード信号の方が優れた性能をもたらすことがある。

図２を参照して、第１結合ポイント１０４、第２結合ポイント１０８、第３結合ポイント１１６、及び第４結合ポイント１１８は、トップ導電性パッチ１０２に対称に配置されてもよい。結合ポイントが対称に配置されることは、結合ポイントがトップ導電性パッチ１０２で対称なパターンを形成することとして理解され得る。しかし、第１結合ポイント１０４、第２結合ポイント１０８、第３結合ポイント１１６、及び第４結合ポイント１１８の他の配置も、本発明の範囲から逸脱せずに可能である。従って、非対称な設計又はパターンも可能である。

４つの結合ポイント１０４、１０８、１１６、１１８を備えたアンテナ装置１００は、トップ導電性パッチ１０２に延在しかつ第３結合ポイント１１６と第４結合ポイント１１８との間に配置されている、第１スロット１１２とは異なる第２スロット１２０を更に有する。第１スロット１１２の場合と同様に、第２可制御キャパシタ１２２が第２スロット１２０に配置され、第２スロット１２０の電気長を変化させるよう構成されてよい。実施形態において、第２スロット１２０は、開放端１３４及び閉塞端１３４’を含む、第２スロット１２０の開放端１３４から閉塞端１３４’の間に配置されてよい。図２に示される実施形態では、第２可制御キャパシタ１２２は第２スロット１２０の開放端１３４に配置されている。

図２を参照して、第１スロット１１２の開放端１３２及び第２スロット１２０の開放端１３４は、トップ導電性パッチ１０２の対辺に配置されてよい。更に、第１スロット１１２の開放端１３２及び第２スロット１２０は、反対の方向に延在してよく、かつ、互いに整列されてよい。第１スロット１１２は、例えば、トップ導電性パッチ１０２の一辺からトップ導電性パッチ１０２の真ん中に向かって延在してよく、一方、第２スロット１２０は、トップ導電性パッチ１０２の反対の辺からトップ導電性パッチ１０２の真ん中に向かってかつ第１スロット１１２の方に延在する。このようにして、第１スロット１１２及び第２スロット１２０は、第１セクション１０６及び第２セクション１１０を互いに少なくとも部分的に境界を画定してよく、つまり、トップ導電性パッチ１０２を第１セクション１０６及び第２セクション１１０に少なくとも部分的に分割する。

図３ａ～３ｅは、アンテナ装置１００のトップ導電性パッチ１０２の種々の非限定的な例示的形状を示す。図３ａ～３ｅに示されるように、トップ導電性パッチ１０２は、図１及び図２に開示されている長方形形状に加えて、多種多様な形状を有し得る。異なるように成形されたパッチは異なる電流分布をもたらし、更には異なるアンテナ特性ももたらすことがよく知られている。最良の形状は、望ましいアンテナ特性、環境、及び使用ケースに依存する。しばしば、アンテナは、計画された応用に適合しかつモバイル機器などのデバイスの設計に従うように成形される必要がある。

図４ａ～４ｅは、アンテナ装置１００の第１スロット１１２及び第２スロット１２０の種々の非限定的な例示的形状を示す。図４ａ～４ｅに示されるように、第１スロット１１２及び第２スロット１２０は多種多様な形状を有し得る。更に、第１スロット１１２及び第２スロット１２０の形状は同じであっても異なってもよい。図４ａ～４ｅ内の矢印は、スロット１１２；１２０の開放端１３２；１３４が位置し得る場所を示す。パッチ内のスロットはアンテナでの電流分布に影響を与える。スロットは、アンテナ特性を向上させるよう、例えば、効率を高めたり又は共振を導入してより広いインピーダンス帯域を達成したりするよう、電流分布を変更するために使用され得る。スロットはまた、制御性を高めるために制御可能なチューニングキャパシタに対してアンテナを敏感するためにも使用され得る。１つのオプションは、アンテナのユーザ効果又はユーザ、つまり、本アンテナ装置１００を有するモバイル機器を把持又は操作する人による比吸収率（ＳＡＲ）を低減させるためにスロットを使用することである。

図５は、本発明の実施形態に係るアンテナ装置１００を示し、アンテナ装置１００は単一フィード回路１４２を有する。単一フィード回路１４２は電力分配器１４４へ接続され、その出力ポイントは、続いて、ＲＦ信号とのアンテナ装置１００の結合ポイントへ接続される。図５に示される実施形態では、アンテナ装置１００は４つの結合ポイント１０４、１０８、１１６、１１８を有する。よって、単一フィード回路１４２は、電力分割器１４４を通じて４つ全ての結合ポイント１０４、１０８、１１６、１１８へＲＦ信号を運ぶよう構成される。制御可能なキャパシタ１１４及び１２２などの固定された又は制御可能なりアクティブ負荷が、例えば、実現に応じてスロットの開放端で、受動アンテナポートへ接続される。

アンテナ装置１００は、単一フィード回路１４２へ結合され、ＲＦ信号を各結合ポイントへ分けるよう構成された電力分配器１４４を更に有する。図５に示される実施形態では、これは、電力分配器１４４が単一フィード回路１４２からのＲＦ信号を第１結合ポイント１０４、第２結合ポイント１０８、第３結合ポイント１１６、及び第４結合ポイント１１８の夫々へ分けることを意味する。各結合ポイント１０４、１０８、１１６、１１８へ供給されるＲＦ信号が同じ振幅を有する場合に、４つのＲＦ信号は夫々、図５に示されるように、単一フィード回路１４２によって供給されるＲＦ信号よりも６ｄＢ小さい振幅を有し得る。

アンテナ装置１００は、各結合ポイント１０４、１０８、１１６、１１８のための位相シフタ１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄを更に有する。各位相シフタ１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄは、電力分配器１４４へ結合され、その各々の結合ポイント１０４、１０８、１１６、１１８へ供給されるＲＦ信号の位相を制御するよう構成される。よって、各位相シフタ１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄは、電力分配器１４４からＲＦ信号を受信し、特定の位相を有するＲＦ信号をその各々の結合ポイント１０４、１０８、１１６、１１８へ供給する。

図５に示される実施形態では、第１結合ポイント１０４及び第３結合ポイント１１６に夫々関連した位相シフタ１４６ａ、１４６ｂは、第１位相Ｐ１を供給するよう構成されてよく、一方、第２結合ポイント１０８及び第４結合ポイント１１８に夫々関連した位相シフタ１４６ｃ、１４６ｄは、第１位相Ｐ１とは異なる第２位相Ｐ２を供給するよう構成されてよい。第２位相Ｐ２は、例えば、第１位相Ｐ１に対して１８０度位相回転されてよい。従って、第１位相Ｐ１がゼロ位相である場合に、第２位相は位相回転されて１８０度である。

図６は、本発明の実施形態に係るアンテナ装置１００を示し、アンテナ装置１００は代わりに、結合ポイント１０４、１０８、１１６、１１８ごとにフィード回路１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ、１４２ｄを有する。アンテナ装置１００は、従って、第１結合ポイント１０４へ結合され、第１位相Ｐ１でＲＦ信号を運ぶよう構成される第１フィード回路１４２ａと、第２結合ポイント１０８へ結合され、第２位相Ｐ２でＲＦ信号を運ぶよう構成される第２フィード回路１４２ｂと、第３結合ポイント１１６へ結合され、第３位相Ｐ３でＲＦ信号を運ぶよう構成される第３フィード回路１４２ｃと、第４結合ポイント１１８へ結合され、第４位相Ｐ４でＲＦ信号を運ぶよう構成される第４フィード回路１４２ｄとを有してよい。各結合ポイント１０４、１０８、１１６、１１８はそれ自体のフィード回路１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ、１４２ｄを備えているので、電力分配器又は別個の位相シフタはこの実施形態では不要である。代わりに、各フィード回路１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ、１４２ｄが、特定の位相Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４を有するＲＦ信号をその関連する結合ポイント１０４、１０８、１１６、１１８へ夫々供給することができる。

上述されたように、第１位相Ｐ１及び第３位相Ｐ３は同じ位相を有してよく、第２位相Ｐ２及び第４位相Ｐ４は同じ位相を有してよく、あるいは、第１位相Ｐ１、第２位相Ｐ２、第３位相Ｐ３、及び第４位相Ｐ４は異なる位相を有してもよい。

実施形態において、第１フィード回路１４２ａ及び第３フィード回路１４２ｃは、従って、第１位相Ｐ１を有するＲＦ信号を第１結合ポイント１０４及び第３結合ポイント１１６へ夫々供給してよく、一方、第２フィード回路１４２ｂ及び第４フィード回路１４２ｄは、第２位相Ｐ２を有するＲＦ信号を第２結合ポイント１０８及び第４結合ポイント１１８へ夫々供給してよい。代替的に、第１フィード回路１４２ａ、第２フィード回路１４２ｂ、第３フィード回路１４２ｃ、第４フィード回路１４２ｄは、異なる位相Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４をそれらの各々の結合ポイント１０４、１０８、１１６、１１８へ供給してもよい。

単一フィード回路１４２が使用される実施形態及び複数のフィード回路１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ、１４２ｄが使用される実施形態の両方で、フィード回路は、ビア、容量性フィード、開口結合、及びマイクロストリップ線路フィードのうちの少なくとも１つを用いて実装されてよい。

実施形態において、トップ導電性パッチ１０２は金属パッチであり、例えば、Ｔｅｆｌｏｎなどの低損失基板のような基板１５０に実装されてよい。トップ導電性パッチ１０２は更に、ＰＣＢ上に実現されたプレナーパッチであってもよい。更に、トップ導電性パッチ１０２が金属パッチである代わりに、実施形態において、トップ導電性パッチ１０２は、そうでなければ金属構造の上部層の穴として実装されてもよい。このような構造は、前述の構造の陰性であり、つまり、非金属領域と金属領域とが入れ替わっている。このような陰性の又は相補的な構造は、アンテナで一般的に使用されている。

図７及び図８は、本発明の実施形態に係る無線通信システム４００用の通信デバイス２００を示す。通信デバイス２００は、アンテナ装置１００のここで記載される実施形態のいずれか１つに係るアンテナ装置１００を有する。図７は、通信デバイス２００の断面側面図を示し、一方、図８は、通信デバイス２００の平面Ａ（図７に図示）の上面図を示す。

図７を参照して、通信デバイス２００は、筐体２０２、ガラス層２０４、及び筐体２０２とガラス層２０４との間に配置された誘電体層２０６を有し得る。通信デバイス２００は、筐体２０２と誘電体層２０６との間に配置されたアンテナ装置１００を更に有し得る。

筐体２０２は、通信デバイス２００の表されている基体２０２又は本体２０２であってもよく、図７又は図８に示されていない１つ以上のプロセッサ及びメモリデバイスを含む１つ以上のＰＣＢ構造並びに１つ以上のバッテリとを有してもよい。誘電体層２０６は、空気、又は例えば、セラミック、ガラス、ポリマー、液体、又はそのような物質の合成物のようなその他の適切な誘電媒質であってよい。更に、ガラス層２０４は、通信デバイス用の従来のガラスであってよく、通信デバイス２００のディスプレイの部分であってよい。

非限定的な例では、ガラス層２０４の厚さは０．５５ｍｍであってよく、誘電体層２０６の厚さは０．３ｍｍであってよく、アンテナ装置１００の厚さは０．５ｍｍであってよく、筐体２０２の厚さは２．５ｍｍであってよい。

図８は、図７に示される平面Ａでの通信デバイス２００の上面図を示し、筐体２０２におけるアンテナ装置１００の１つの可能な位置を示す。しかし、アンテナ装置１００の位置及びサイズは、アンテナ装置１００が使用されている通信デバイス２００の設計及びタイプに応じて変化してもよい。非限定的な例では、アンテナ装置１００のサイズは３０ｍｍ×３０ｍｍであってよい。

図９は、本発明の実施形態に係る通信デバイス２００を示す。図９に示される実施形態では、通信デバイス２００は、モバイル機器の形をしたクライアントデバイス２００として表されている。モバイル機器２００は、少なくとも１つのプロセッサ（図９に図示せず）、少なくとも１つのディスプレイ２１２、及び少なくとも１つの通信手段（図９に図示せず）を収容している。モバイル機器は、ディスプレイ２１２へ通信可能に接続されている、例えばキーボード２１６の形をした入力手段を更に有する。モバイル機器は、例えばスピーカ２１４の形をした出力手段を更に有する。モバイル機器は、本発明の実施形態に係るアンテナ装置１００を更に有する。

図１０は、無線通信システム４００、例えば、ロング・ターム・エボリューション（ＬＴＥ）又はニュー・ラジオ（ＮＲ）システムにおける、ネットワークアクセスノード３００（例えば、基地局）と、例えば、図９に示されるモバイル機器２００のような、通信デバイス２００との間の通信を示す。そのようなシステムで、通信は、ネットワークアクセスノード３００と通信デバイス２００との間でダウンリンク（ＤＬ）で及びアップリンク（ＵＬ）で実行され得る。また、いわゆるサイドリンク（ＳＬ）通信が通信デバイス２００と通信システム４００内の他の通信デバイスとの間で行われ得るが、ここでは示されていない。

アンテナ装置１００は、他の困難な環境でアンテナを実現するために更に使用されてもよい。例えば、ウェアラブル及び埋め込み型デバイスでのアンテナは、損失が大きくなる傾向があり、本発明に係るアンテナ装置１００は、そのようなデバイスで効率を向上させるのに役立ち得る。

更に、非常に薄いコンフォーマルアンテナが多くのアプリケーションで必要とされている。例えば、自動車のアンテナは視覚的に見えないことが好ましく、スクリーン又は他の表面上で実現されることが更に好ましい。コンフォーマルアンテナは、飛行機、列車、船舶でも必要とされる。本発明に係るアンテナ装置１００は、非常に薄いコンフォーマルアンテナの効率を高めるのに役立つことができる。

衛星受信に使用されるパラボラアンテナは、見た目に問題があると見なされることがよくある。衛星アンテナは薄く、目立たないように建物の壁に設置するのが理想的である。しかし、そのような薄い平面アンテナは、従来の方法で実現した場合、効率が低いという欠点がある。従って、本発明に係るアンテナ装置１００は、そのようなアンテナにおいても効率を高めるのに役立つことができる。

放射効率を最大にする結合ポイント電流の分析的解法における最初のステップは、ポート電流の線形結合で遠方場パターンを構成することである。遠方場は

であり、ここで、

は、ポートｋでの電流ｉ_ｋを遠方場ベクトルにマッピングする。全てのポートについて電流遠方場基底Ｋは、Ｎ個の方程式の定式化を必要とする：

ここで、
（外１）

は、ポートｋのみが励起され、残りのポートは終端される場合の遠方場である。

電流要素ｉ_ｋ，ｊは、ポートｋが励起される場合のポートｊでの誘導電流である。この場合に、ポート固有の遠方場は、夫々の角度及び周波数について行列の分解として定義され得る：

ここで、Ｅ及びＫは、要素
（外２）

を夫々含む長さＮの列ベクトルである。Ｉは、要素ｉｋ，ｊを含むＮ×Ｎ行列である。個々のポート励起についての遠方場及び電流が知られている場合に、Ｋを計算するのは簡単である。

電流遠方場基底Ｋが知られている場合に、任意の電流励起ベクトルに対応する放射効率を計算することができる：

なお、ｉ_ｋは、ポートｋでの総電流である。

この場合に、遠方場へ放射される時間平均された電力は、

と表され得る。ここで、Δθ＝θ_ｐ＋１－θ_ｐ、Δφ＝φ_ｑ＋１－φ_ｑ、かつ

であり、
（外３）

は、要素

を含む列ベクトルである。よって、行列のサイズは２ＰＱ×Ｎである。

アンテナ構造に受け入れられる電力は、ポート電圧及び電流から計算される：

ここで、Ｚは、Ｎポートアンテナのインピーダンス行列である。しかし、電力の実部のみが放射電力に寄与する。つまり：

結果として、放射効率は、

として、２つの電力に関して記述され得る。

計算された放射効率は、電流Ｉについての一般的な固有値問題として解くことができるレイリー商の一般式を有する。最大放射効率は、

によって得られ、対応する固有ベクトルが最適な電流を与える。

本発明の実施形態は、従来の解決法と比べて改善された性能を有する。本アンテナ装置の放射効率は約－６ｄＢから－２ｄＢであり得る、と結論づけられている。全体の効率も－６ｄＢ未満から－４ｄＢ超に増加する。全体の効率が増加する一方で、放射パターンの全体の形状は本アンテナ装置では同じままである。また、ビーム幅は本アンテナ装置の方が大きく、広報への放射は従来の解決法と比較して約５ｄＢだけ減少する。

更に、キャパシタンス値が変化するにつれて、アンテナの総有効反射係数はシフトされ得る。キャパシタンス値が０．８４７～２．９６ｐＦの間で変化する場合、瞬間帯域幅は１００ＭＨｚであり、一方で、約－５．８ｄＢを超える総合効率が３．３～４．２ＧＨｚの間で達成可能である。

可変キャパシタンス（バリキャップとしても知られる）の非限定的な例示的な値は、用途に応じて、０．４～２．５ｐＦ又は１．０～５．０ｐＦなど、０．４～５．０ｐＦであってもよい。可変キャパシタンスのチューニング範囲は、例えば、１：５であってよい。

本開示の通信デバイス２００又はモバイル機器２００は、スマートフォン、携帯電話機、コードレス電話機、セッション開始プロトコル（ＳＩＰ）電話機、無線ローカルループ（ＷＬＬ）局、パーソナル・デジタル・アシスタント（ＰＤＡ）、無線通信機能を備えた手持ち式デバイス、ウェアラブルデバイス、モバイルカー若しくは車に設置された装置などの統合アクセスバックホールノード（ＩＡＢ）、ドローン、デバイス・ツー・デバイス（Ｄ２Ｄ）デバイス、無線カメラ、移動局、アクセス端末、ユーザユニット、無線通信デバイス、無線ローカルアクセスネットワーク（ＷＬＡＮ）のステーション、無線対応タブレットコンピュータ、ラップトップ埋め込み型装置、ユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）ドングル、無線カスタマ構内設備（ＣＰＥ）、及び／又はチップセットを含むが、これらに限られない。インターネット・オブ・シングス（ＩＯＴ）シナリオでは、通信デバイス２００は、他の無線デバイス及び／又はネットワーク設備との通信を実行するマシン又は他のデバイス又はチップセットを表してもよい。ＵＥは、移動体電話機、携帯電話機、無線能力を備えたコンピュータタブレット又はラップトップとも呼ばれ得る。この文脈中のＵＥは、例えば、無線アクセスネットワークを介して、他の受信器又はサーバなどの他のエンティティと音声及び／又はデータを通信することができる、持ち運び可能な、ポケット収納可能な、手持ち式の、コンピュータ内蔵型の、又は車載型のモバイル機器であってもよい。ＵＥは、ＩＥＥＥ８０２．１１準拠の媒体アクセス制御（ＭＡＣ）及び無線媒体（ＭＷ）への物理層（ＰＨＹ）インターフェース任意のデバイスであるステーション（ＳＴＡ）であることができる。ＵＥは３ＧＰＰ関連のＬＴＥ及びＬＴＥ－Ａｄｖａｎｃｅｄでの、ＷｉＭＡＸ及びその進化での、並びにＮＲなどの第５世代無線技術での通信のために構成されてもよい。

更に、通信デバイス２００の実施形態は、例えば、ソリューションを実行するための機能、手段、ユニット、要素などの形で必要な通信能力を備えることが、当業者によって理解される。他のそのような手段、ユニット、要素、及び機能の例は、ソリューションを実行するために適切に一緒に配置されているプロセッサ、メモリ、バッファ、制御ロジック、エンコーダ、デコーダ、レートマッチング装置、デレートマッチング装置、マッピングユニット、乗算器、決定ユニット、選択ユニット、スイッチ、インターリーバ、デインターリーバ、変調器、復調器、入力、出力、アンテナ、増幅器、受信ユニット、送信ユニット、ＤＳＰ、ＭＳＤ、ＴＣＭエンコーダ、ＴＣＭデコーダ、電源ユニット、給電装置、通信インターフェース、通信プロトコルなどである。

特に、通信デバイス２００のプロセッサは、例えば、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、プロセッシングユニット、プロセッシング回路、プロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、マイクロプロセッサ、又は命令を解釈し実行し得る他の処理ロジックを有してもよい。よって、「プロセッサ」という表現は、例えば、上述されたもののいずれか、いくつか又は全てといった複数のプロセッシング回路を有するプロセッシング回路構成であってよい。プロセッシング回路構成は更に、データバッファリングを含むデータの入力、出力、及び処理のためのデータ処理機能と、呼び出し処理制御、ユーザインターフェース制御、などのようなデバイス制御機能とを実行してもよい。

最後に、本発明は、上記の実施形態に制限されず、添付の独立請求項の範囲内の全ての実施形態にも関係があり、それを組み込む。

Claims (15)

1. 通信デバイス用のアンテナ装置であって、
   上面及び底面を有する基板と、
   前記上面に配置され、第１セクション及び該第１セクションに隣接している第２セクションを有するトップ導電性パッチと、
   前記トップ導電性パッチと反対の位置で前記底面に配置されるボトム導電性パッチと、
   前記トップ導電性パッチへ又はそれから無線周波数（ＲＦ）信号を運ぶよう構成される１つ以上のフィード回路と
   を有し、
   前記トップ導電性パッチは、該トップ導電性パッチが前記１つ以上のフィード回路へ結合される２つ以上の結合ポイントを有し、該２つ以上の結合ポイントは、前記第１セクションに位置している第１結合ポイントと、前記第２セクションに位置している第２結合ポイントとを有し、それにより、前記ＲＦ信号は、前記第１結合ポイントで第１位相を、及び前記第２結合ポイントで第２位相を有し、
   第１スロットが、前記第１結合ポイントと前記第２結合ポイントとの間にあるよう前記トップ導電性パッチの一辺から前記トップ導電性パッチの真ん中に向かって延在し、
   前記アンテナ装置は、
   前記ＲＦ信号が第３結合ポイントで第３位相を有するように前記第１セクションに位置している前記第３結合ポイントと、
   前記ＲＦ信号が第４結合ポイントで第４位相を有するように前記第２セクションに位置している前記第４結合ポイントと、
   前記第３結合ポイントと前記第４結合ポイントとの間にあるようかつ前記第１スロットと整列されるよう前記トップ導電性パッチの前記一辺とは反対の辺から前記トップ導電性パッチの前記真ん中に向かって延在する第２スロットと
   を更に有する、
   アンテナ装置。
2. 前記第１スロットに配置され、該第１スロットの電気長を変化させるよう構成される第１可制御キャパシタを更に有する、
   請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第１スロットは、開放端及び閉塞端を有し、
   前記第１可制御キャパシタは、前記第１スロットの前記開放端から前記閉塞端の間に配置される、
   請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第２位相は、前記第１位相に対して１８０度位相回転されている、
   請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載のアンテナ装置。
5. 前記第１位相及び前記第３位相は同じ位相を有し、前記第２位相及び前記第４位相は同じ位相を有し、あるいは、
   前記第１位相、前記第２位相、前記第３位相、及び前記第４位相は異なる位相を有する、
   請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載のアンテナ装置。
6. 前記第２スロットに配置され、該第２スロットの電気長を変化させるよう構成される第２可制御キャパシタを更に有する、
   請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載のアンテナ装置。
7. 前記第２スロットは、開放端及び閉塞端を有し、
   前記第２可制御キャパシタは、前記第２スロットの前記開放端から前記閉塞端の間に配置される、
   請求項６に記載のアンテナ装置。
8. 前記第１スロットの前記開放端及び前記第２スロットの前記開放端は、前記トップ導電性パッチの対辺に配置される、
   請求項７に記載のアンテナ装置。
9. 前記第１スロット及び前記第２スロットは、前記第１セクション及び前記第２セクションを互いに少なくとも部分的に境界を画定する、
   請求項１乃至８のうちいずれか一項に記載のアンテナ装置。
10. 前記第１結合ポイント、前記第２結合ポイント、前記第３結合ポイント、及び前記第４結合ポイントは、前記トップ導電性パッチに対称的に配置される、
    請求項１乃至９のうちいずれか一項に記載のアンテナ装置。
11. 各結合ポイントで前記ＲＦ信号は同じ振幅を有する、
    請求項１乃至１０のうちいずれか一項に記載のアンテナ装置。
12. 前記ＲＦ信号を運ぶよう構成される単一フィード回路と、
    前記単一フィード回路へ結合され、前記ＲＦ信号を各結合ポイントに分けるよう構成される電力分配器と、
    各結合ポイントのための位相シフタと
    を有し、
    各位相シフタは前記電力分配器へ結合され、各自の結合ポイントへ供給される前記ＲＦ信号の位相を制御するよう構成される、
    請求項１乃至１１のうちいずれか一項に記載のアンテナ装置。
13. 前記第１位相で前記ＲＦ信号を運ぶよう構成される第１フィード回路と、
    前記第２位相で前記ＲＦ信号を運ぶよう構成される第２フィード回路と、
    前記第３位相で前記ＲＦ信号を運ぶよう構成される第３フィード回路と、
    前記第４位相で前記ＲＦ信号を運ぶよう構成される第４フィード回路と
    のうちの少なくとも１つを有する、請求項１乃至１０のうちいずれか一項に記載のアンテナ装置。
14. 無線通信システム用の通信デバイスであって、
    請求項１乃至１３のうちいずれか一項に記載のアンテナ装置を有する通信デバイス。
15. 筐体と、
    ガラス層と、
    前記筐体と前記ガラス層との間に配置される誘電体層と
    を有し、
    前記アンテナ装置は、前記筐体と前記誘電体層との間に配置される、
    請求項１４に記載の通信デバイス。

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