(57)【要約】デュプレックス・フィルタを構築する際に使用されることが可能なメタ媒質フィルタが、提供される。このメタ媒質フィルタは、基板と、基板上に周期的に位置付けられた複数の金属ストリップと、複数の金属ストリップから間隔をあけられたグラウンド面とから成る。この複数の金属ストリップは、単一周期的に構成されても、２重周期的に構成されてもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に周期的に位置付けられた複数の金属ストリップと、
前記複数の金属ストリップから間隔をあけられたグラウンド面とを含むメタ媒質フィルタ。
【請求項２】
金属のストリップの中を延びる少なくとも１つのスロットを有する金属の該ストリップから形成される前記複数の金属ストリップをさらに含む請求項１に記載のメタ媒質フィルタ。
【請求項３】
約０．２ｍｍの幅を有する前記スロットをさらに含む請求項２に記載のメタ媒質フィルタ。
【請求項４】
前記金属ストリップは、約５０ｍｍの長さを有する請求項１に記載のメタ媒質フィルタ。
【請求項５】
前記グラウンド面は、約２ｍｍの距離だけ前記金属ストリップから間隔をあけられる請求項１に記載のメタ媒質フィルタ。
【請求項６】
前記複数の金属ストリップは、前記複数の金属ストリップのそれぞれがスロットによって分離されている周期パターンに構成された少なくとも第１のサイズのストリップおよび第２のサイズのストリップを含む請求項１に記載のメタ媒質フィルタ。
【請求項７】
前記複数の金属ストリップは、前記複数の金属ストリップのそれぞれがスロットによって分離されている単一周期パターンに構成された少なくとも第１のサイズのストリップおよび第２のサイズのストリップを含む請求項１に記載のメタ媒質フィルタ。
【請求項８】
前記複数の金属ストリップは、前記複数の金属ストリップのそれぞれがスロットによって分離されている２重周期パターンに構成された少なくとも第１のサイズのストリップおよび第２のサイズのストリップを含む請求項１に記載のメタ媒質フィルタ。
【請求項９】
前記基板上に形成され、前記複数の金属ストリップの少なくとも１つに結合された入力ラインと、前記基板上に形成され、前記複数の金属ストリップの少なくとも１つに結合された出力ラインとをさらに含む請求項１に記載のメタ媒質フィルタ。
【請求項１０】
前記第１のメタ媒質フィルタに結合されてデュプレックス・フィルタを形成する第２のメタ媒質フィルタをさらに含むメタ媒質フィルタであって、
前記第２のメタ媒質フィルタは、
基板と、
前記基板上に周期的に位置付けられた複数の金属ストリップと、
前記複数の金属ストリップから間隔をあけられたグラウンド面とを含む請求項１に記載のメタ媒質フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には遠隔通信に関し、より詳細には無線通信に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠隔通信システムにおいて、広い地理的分布を有するネットワーク・サービスエリアは、通常、セルなどの複数の移動通信区域に分割され、各セルは、そのセル内の１つまたは複数の移動局または無線デバイスとの無線通信を実現する基地局などの通信ノードを含む。ネットワーク・サービスエリアは、一般に、移動局が、基地局を含むセルサイトにおいて目標ＳＮＲ（信号対雑音比）を実現するのに十分な出力を有する区域内のＱｏＳ（サービス品質）と見合った最低限のレベルで機能するように設計されている無線リンクに基づく。
【０００３】
移動通信のユーザの数が増え続けることは、多くの無線ネットワーク事業者またはサービス・プロバイダが、自分たちのネットワークの容量を増加させる新たな方法を見出さなければならないことを意味する。アンテナ・システムは、移動通信ネットワークにおける容量を増加させるように開発されることが可能な分野である。具体的には、移動通信基地局アンテナの多くの従来の設備は、同一の方向を向き、互いに離隔された少なくとも２つのアンテナを要求する、空間ダイバーシチ技術（例えば、ＭＩＭＯ（多入力多出力）システム）を利用する。典型的な基地局は、現在、独自のデュプレックス・フィルタをそれぞれが要求する６つもの送信アンテナ、および６つもの受信アンテナを使用することが可能である。
【０００４】
デュプレックス・フィルタの主な役目は、アンテナ・ポートにおいて送信周波数と受信周波数を分離することである。このため、通常のデュプレックス・フィルタは、アンテナのために１つ、送信機のために１つ、および受信機のために１つの、計３つのポートを有する。通常のデュプレックス・フィルタは、高いフィルタ選択性をもたらすのに必要とされる高いＱ値（例えば、約５０００）を実現するのに高度な製造技術および材料を要求する同軸共振器から成る。フィルタ選択性が、基地局において重要であるのは、非常に感度のよい受信機が、強力な送信機と並行して動作させられるからである。一部の応用例において、ＭＩＭＯシステムは、デュプレックス・フィルタの費用だけで、法外な費用がかかることが分かっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、前述した問題の１つまたは複数の影響に対処することを対象とする。以下に、本発明のいくつかの態様の基本的な理解をもたらすために、本発明の簡略化された概要を提示する。この概要は、本発明の網羅的な概観ではない。この概要は、本発明の重要な要素または不可欠な要素を特定すること、または本発明の範囲を線引きすることは意図していない。この概要の唯一の目的は、後述するより詳細な説明の前置きとして、いくつかの概念を簡略化された形態で提示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態においては、メタ媒質デュプレックス・フィルタが提供される。このフィルタは、基板と、基板上の周期的に位置付けられた複数の金属ストリップと、グラウンド面とを含む。グラウンド面は、複数の金属ストリップから間隔をあけられる。
【０００７】
本発明は、同様の符号が同様の要素を識別する、添付の図面と併せて解釈される以下の説明を参照することによって理解することができる。
【０００８】
本発明は、様々な変形形態および代替形態が可能であるが、本発明の特定の実施形態が、例として、図面に示され、本明細書で詳細に説明される。しかし、特定の実施形態の本明細書における説明は、本発明を、開示される特定の形態に限定することは意図しておらず、それどころか、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の趣旨および範囲に含まれるすべての変形形態、均等形態、および代替形態を包合することを意図しているということを理解されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の例示的な実施形態が、以下に説明される。明確にするために、実際の実施形態のすべての特徴が本明細書で説明されることは限らないかもしれない。もちろん、いずれのそのような実際の実施形態の開発においても、実施形態ごとに異なる可能性がある、システム関連の制約およびビジネス関連の制約の遵守などの、開発者の固有の目標を達成するように、多数の実施形態固有の決定が行われることが可能である。さらに、そのような開発作業は、複雑で、時間がかかる可能性があるが、それでも、本開示を利用する当業者には、日常業務的な取り組みであることが可能であることが理解されよう。
【００１０】
本発明は、次に、添付の図を参照して説明される。様々な構造、システム、およびデバイスが、単に説明の目的で、当業者にはよく知られている詳細によって本発明を分かりにくくしないように、図面に概略的に示される。それでも、添付の図面は、本発明の例示的な例を記載および説明するために含まれている。本明細書で使用される語および句は、当業者によるそれらの語および句の理解と合致する意味を有するように理解され、解釈されなければならない。語または句の特殊な定義、すなわち、当業者によって理解される通常の慣習的な意味とは異なる定義が、本明細書における語または句の一貫した用法によって暗示されることは全く意図されていない。或る語または句が、特殊な意味、すなわち、当業者によって理解される以外の意味を有することが意図される限りにおいては、そのような特殊な定義は、その語または句に関するその特殊な定義を直接かつ、明確に与える定義方法で本明細書において明示的に説明される。
【００１１】
次に図面を参照し、図１を特に参照すると、本発明の一実施形態による通信システム１００が示されている。説明の目的で、図１の通信システム１００は、ＵＭＴＳ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｔｅｌｅｐｈｏｎｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）であるが、本発明は、データ通信および／または音声Ｇｆｉ通信、またはマルチメディアなどの他の形態の通信をサポートする他のシステムにも適用可能であり得る。通信システム１００は、１つまたは複数のＡＴ（アクセス端末装置）１２０が、１つまたは複数の基地局１３０を介して、インターネットなどのデータ網１２５および／またはＰＳＴＮ１６０と通信することを可能にする。ＡＴ１２０は、セルラー電話機、ＰＤＡ（パーソナル・デジタル・アシスタント）、ラップトップ・コンピュータ、デジタル・ポケットベル、無線カード、ならびに基地局１３０を介してデータ網１２５にアクセスすることができる他の任意のデバイスを含め、様々なデバイスのいずれのデバイスの形態をとることもできる。
【００１２】
一実施形態では、複数の基地局１３０は、１つまたは複数の接続１３９によってＲＮＣ（無線ネットワークコントローラ）１３８（１〜２）に結合されることが可能である。２つのＲＮＣ１３８（１〜２）が示されているが、さらなるＲＮＣ１３８が、多数の基地局１３０とインタフェースをとるのに利用されてもよいことが、当業者には理解されよう。一般に、ＲＮＣ１３８は、ＲＮＣ１３８が接続されている基地局１３０を制御し、調整するように動作する。
【００１３】
また、ＲＮＣ１３８は、接続１４５を介してＣＮ（コアネットワーク）１６５にも結合される。一般に、ＣＮ１６５は、データ網１２５および／またはＰＳＴＮ１６０に対するインタフェースとして動作する。ＣＮ１６５は、ユーザ認証などの、様々な機能および動作を実行するが、ＣＮ１６５の構造および動作の詳細な説明は、本発明の理解および評価に必要ではない。したがって、本発明を不必要に分かりにくくするのを回避するため、ＣＮ１６５のさらなる詳細は、本明細書では提示されない。
【００１４】
このように、通信システム１００は、ＡＴ１２０とデータ網１２５の間の通信を円滑にすることが、当業者には理解されよう。しかし、図１の通信システム１００の構成は、例示的な性質のものであり、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、さらなる構成要素が、通信システム１００の他の実施形態において使用されることも可能であることを理解されたい。
【００１５】
次に図２を参照すると、基地局１３０は、第１のアンテナから第６のアンテナまでを有する複数のアンテナ２３０（１〜６）を含むアンテナ構成を有するマルチセクタ・アンテナ２３０を含むことが可能である。アンテナ２３０（１〜６）は、複数のサービス・カバレッジ・エリア２３５（１〜３）の少なくとも１つに情報を通信し、そのような少なくとも１つから情報の通信を受けるように構成されることが可能である。マルチセクタ・アンテナ２３０は、複数のアンテナ２３０（１〜６）が円形パターンに構成されることが可能であるアンテナ構成を含むことが可能であり、ＡＴ１２０は、いずれの特定のサービス・カバレッジ・エリアにも限定されない。
【００１６】
ＡＴ１２０からアンテナ２３０（１〜６）において受信された無線通信信号は、デュプレックス・フィルタ２４０を通されることが可能である。同様に、基地局１３０によって伝送される信号も、アンテナ２３０（１〜６）に送られる前に、デュプレックス・フィルタ２４０を通されることが可能である。図２Ｂは、アンテナ２３０（１）、デュプレックス・フィルタ２４０、送信機回路２５０、および受信機回路２５５の間の関係の例示的な実施形態を示す。
【００１７】
図３は、デュプレックス・フィルタ２４０を構築するのに使用されることが可能である均等なネットワーク・ユニット・セル３００を示す。図示されている実施形態では、いくつかの容量および誘導率を有する１次元のメタ媒質に関する均等なネットワーク・ユニット・セル３００が示されている。フィルタ効果をもたらすのに、セル３００は、周期的に繰り返される。単一ユニット・セル３００のパフォーマンス、および要求される全体的なパフォーマンスからユニット・セル３００の数が得られることが可能である。
【００１８】
メタ媒質に基づくデュプレックス・フィルタ２４０の１つの目標は、１ｄＢ未満の減衰（標準のＣＤＭＡダイプレクサと同様の）を得ることである。これらの小さい損失を実現するのに、構造の非常に良好な整合が要求される。このため、本発明の一部の応用例において、特性インピーダンスも最適化することが有用である可能性がある。このインピーダンスは、式（１）が指摘するとおり、周波数、つまりオメガの関数であることを理解されたい。
【００１９】
【数１】
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【００２０】
デュプレックス・フィルタ２４０の他の設計上の考慮事項には、グループ遅延変動および位相応答が含まれる。位相速度、およびもたらされる値プロットを計算するのに、位相「定数」ベータが使用される。ベータは、式（２）を使用して計算される。
【００２１】
【数２】
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また、直列部分（式３）および並列部分（式４）の共振周波数は、これらの周波数が、バンドギャップのエッジを規定するため、構造の重要なパラメータである。
【００２２】
【数３】
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【００２３】
図４Ａおよび図４Ｂは、１０のユニット・セルを有する通常の最適化されていないＣＬＲＨ構造の伝送‐ベータ・グラフを示す。最初のグラフにおけるピークは、ベータ＝＋／−ｎ＊ｐｉ／Ｎ（Ｎ＝セルの数、ｎ＝共振インデックス）における構造における共振（定在波）の結果である。
【００２４】
ベータは、バンドギャップのエッジにおいて０である。エッジにおけるベータ＝０近くで、減衰も、０に近く、したがって、フィルタ・アプリケーションに極めて望ましい。しかし、バンドギャップ自体は、この箇所で波の伝搬が全く可能でないため、使用可能ではない。バンドギャップの外、およびバンドギャップの近くで、ベータが、０に近い場合、直列抵抗の中を流れている共振電流オーバシュートは、ほとんど存在せず、ほとんど損失は現れない。並列抵抗において、電圧は、この値が非常に高く実現されることが可能であるため、無視されることが可能である。したがって、バンドギャップにおけるフィルタの影響は、低い周波数距離における急な立ち上りエッジを介して非常に高い。さらに、高い片側Ｑが、実現可能であり、直列損失を被りにくい。
【００２５】
図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃは、デュプレックス・フィルタ２４０の半分を構築するのに使用されることが可能な３セル・メタ媒質フィルタ５０１の例示的な構造の３次元図、断面側面図、および断面平面図をそれぞれ示す。図示される実施形態では、メタ媒質デュプレックス・フィルタ５０１は、基板５２２上に付着させられ、グラウンド面５０３から間隔をあけられたマイクロストリップ・ライン５００から成る。マイクロストリップ・ライン５００とグラウンド面５０３との間の間隔は、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、相当に様々であることが可能であるが、本発明の１つの特定の実施形態では、間隔は、約２ｍｍである。マイクロストリップ・ライン５００は、小さい結合スロット５１４、５１６、５１８、および５２０によって第１の入力ライン５０４、第１のウイング乃至第３のウイング５０６、５０８、５１０、および第１の出力ライン５１２に分けられる。小さい結合スロット５１４、５１６、５１８、および５２０は、ＲＦライン内の潜在的な不連続を減らし、小さいスロットは、放射がより少なく、フィルタ５０１における損失を減らす。小さい結合スロット５１４、５１６、５１８、および５２０は、さもなければ使用される可能性がある、ＳＭＤまたはインターデジタル・キャパシタなどの、ディスクリートのキャパシタの必要性を解消する。ＳＭＤキャパシタを無くすことにより、構造への損失が低減され、したがって、通過帯域損失および選択性（例えば、フィルタ峻度）が高められる。同様に、インターデジタル・キャパシタを無くすことにより、さもなければ、拒絶帯の振舞いを劣化させる横共振が低減される。
【００２６】
フィルタ５０１のパフォーマンスは、スロット幅、およびウイング長を変えることによって変えられることが可能である。つまり、フィルタ５０１は、スロット幅およびウイング長を変えることによって、或る特定の周波数範囲および帯域幅に合わせられることが可能である。例えば、本発明の一実施形態では、スロットは、約０．２ｍｍ幅であるように選択され、ウイングは、約５０ｍｍ長である。本発明の１つの例示的な実施形態において、第１の入力ライン５０４および出力ライン５１２は、約９．７ｍｍの幅を有するように選択される。
【００２７】
マイクロストリップ・ライン５００の使用は、従来のプリント回路基板製造技術または半導体製造技術を使用したフィルタ５０１の製造を可能にする。さらに、小さい結合スロット５１４、５１６、５１８、および５２０も同様に、従来のプリント回路基板製造技術または半導体製造技術を使用して形成されることが可能である。
【００２８】
図５Ａ〜図５Ｃに示されるメタ媒質構造は、従来のフィルタと比べて、同一のフォームファクタ内で、はるかに高い選択性を提供する。実際、Ｑ値は、本発明の原理を使用して、同一のフォームファクタ内でＱ＝５からＱ＝４００まで増加したことが検証されている。
【００２９】
図５Ａ〜図５Ｃに示される本発明の例示的な実施形態において、マイクロストリップ・ライン５００を担持する基板５２２は、グラウンド面５０３とマイクロストリップ・ライン５００との間に位置してはおらず、むしろ、基板５２２は、マイクロストリップ・ライン５００から間隔をあけられ、これにより、電磁場が、基板５２２内にではなく、グラウンド面５０３とマイクロストリップ・ライン５００との間の空間５２６に集中させられる。このため、基板５２２の損失正接は、フィルタ５０１の損失機構に寄与しない。
【００３０】
基板５２２の上側５２４は、調整要素の制御ラインを担持するのに使用されることが可能であることを理解されたい。メタ媒質フィルタで可変容量ダイオードまたはＭＥＭＳバラクタのような電子調整要素を使用することは、これらの要素の損失が、通過帯域損失を主に劣化させるが、特に０次共振の場合に関して、フィルタ選択性にそれほど影響を及ぼさないことが示されることが可能であるので、魅力的である。
【００３１】
次に図６を参照すると、フィルタ５０１（１）と５０１（２）のペアが、デュプレックス・フィルタ２４０を形成するように構成されている。第１のフィルタ５０１（１）の入力ライン５０４（１）は、受信機に結合される。第２のフィルタ５０１（２）の出力ライン５１２（２）は、送信機に結合される。第１のフィルタ５０１（１）の出力ライン５１２（１）と、第２のフィルタ５０１（２）の入力ライン５０４（２）は、組み合わせられて、アンテナ２３０（１）に結合される。第１のフィルタ５０１（１）および第２のフィルタ５０１（２）のギャップおよびウイングの寸法は、事前選択された異なる周波数および帯域幅の信号が、これらのギャップおよびウイングを通過することを可能にするように選択されることが可能であることを理解されたい。メタ媒質を使用することは、デュプレックス・フィルタ２４０が、フィルタ２４０の通過帯域から高いポート・インピーダンスを得ることを可能にし、このことは、異なる帯域のフィルタが、アンテナ・ポートなどの共通ポイントに接続されることを可能にするので、特に有利である。
【００３２】
図７は、デュプレックス・フィルタ２４０を構築するのに使用されることが可能な２重周期５セル・メタ媒質フィルタ７０１の例示的な構造の断面平面図を示す。２重周期という性質のため、フィルタ７０１は、第１のサイズのウイング７０２と第２のサイズのウイング７０４のセットから構築される。これらの第１のサイズのウイング７０２と第２のサイズのウイング７０４は、２重周期構成で構成される。他方、図８は、デュプレックス・フィルタ２４０を構築するのに使用されることが可能な単一周期５セル・メタ媒質フィルタ８０１の例示的な構造の断面平面図を示す。単一周期という性質のため、フィルタ８０１は、５つの実質的に共通のサイズのウイング８０２のセットから構築される。フィルタ７０１、８０１の両方とも、ウイングの長さ、およびスロットの幅を選択することによって、入力信号の事前選択された周波数および帯域幅を通過させるように構成されることが可能である。
【００３３】
本発明は、本明細書の教示を利用する当業者には明白な様々ではあるが均等な方法で変形および、実施されることが可能であるので、上に開示された特定の実施形態は、単に例示的である。さらに、本明細書で示される構築または設計の詳細への限定は、添付の特許請求の範囲に記載される以外、全く意図されていない。したがって、上に開示された特定の実施形態は、変更または修正されることが可能であり、すべてのそのような変形形態は、本発明の範囲および趣旨に含まれるものと考えられる。したがって、本明細書で求められる保護は、添付の特許請求の範囲に記載されるとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】遠隔通信システムを示すブロック図である。
【図２Ａ】マルチセクタ・アンテナを使用して無線通信を制御する図１の遠隔通信システムの基地局を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａの基地局のデュプレックス・フィルタ、送信機、受信機、およびアンテナの間の関係を示すブロック図である。
【図３】図２のデュプレックス・フィルタを構築するのに使用されることが可能である均等なネットワーク・ユニット・セルを示す図である。
【図４Ａ】１０のユニット・セルを有する通常の最適化されていないＣＬＲＨ構造の伝送‐ベータ（位相定数）グラフである。
【図４Ｂ】１０のユニット・セルを有する通常の最適化されていないＣＬＲＨ構造の伝送‐ベータ（位相定数）グラフである。
【図５Ａ】３セル・メタ媒質フィルタの例示的な構造の３次元図、断面側面図、および断面平面図である。
【図５Ｂ】３セル・メタ媒質フィルタの例示的な構造の３次元図、断面側面図、および断面平面図である。
【図５Ｃ】３セル・メタ媒質フィルタの例示的な構造の３次元図、断面側面図、および断面平面図である。
【図６】アンテナに概念的に結合されたデュプレックス・フィルタの一実施形態を示す図である。
【図７】２重周期５セル・メタ媒質フィルタの例示的な構造の断面平面図である。
【図８】単一周期５セル・メタ媒質フィルタの例示的な構造の断面平面図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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2009528768.tif 000013
【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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2009528768.tif 000020
2009528768.tif 000021