(57)【要約】アンテナアセンブリは、少なくとも２つのアクティブまたは主放射オムニアンテナ素子（１００−１、１００−２）と、反射器（３０５）として使用される少なくとも１つのビーム制御またはパッシブアンテナ素子（１１５）とを含む。１つまたは複数のビーム制御またはパッシブアンテナ素子（１１５）は、その素子を電気的に成端してアクティブアンテナ素子（１００−１、１００−２）とビーム制御またはパッシブアンテナ素子（１１５）とを組み合わせたものにより生成される入力または出力ビームパターン（１８０、１９０）を調整することができる複数のリアクタンス素子（１５０−１、１５０−２）を有することができる。より詳細には、ビーム制御アンテナ素子（１１５）は、種々の成端リアクタンス（１５０−１、１５０−２）に結合して、指向性やビーム角幅などのビーム特性を変化させることができる。どの成端リアクタンスを使用するか選択する処理を利用することもできる。
2005539458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアクティブアンテナ素子と、
前記アクティブアンテナ素子のサブセットに電磁的に結合した少なくとも１つのビーム制御アンテナ素子であって、前記複数のアクティブアンテナ素子のうちの少なくとも２つのアクティブアンテナ素子間に電磁的に配置した少なくとも１つのビーム制御アンテナ素子と
を備えたことを特徴とするアンテナアセンブリ。
【請求項２】
請求項１において、本アンテナアセンブリにより形成された少なくとも１つのアンテナビームパターンに影響を及ぼすため、前記少なくとも１つのビーム制御アンテナ素子に動作可能に結合した少なくとも１つのデバイスをさらに含むことを特徴とするアンテナアセンブリ。
【請求項３】
請求項２において、前記少なくとも１つのデバイスは、前記アクティブアンテナ素子の少なくとも２つの間の電磁結合に影響を及ぼすため、前記少なくとも１つのビーム制御アンテナ素子に動作可能に結合したことを特徴とするアンテナアセンブリ。
【請求項４】
請求項２において、前記少なくとも１つのデバイスは、前記アンテナアセンブリに対して少なくとも２つの動作モードを提供することを特徴とするアンテナアセンブリ。
【請求項５】
請求項４において、前記少なくとも２つのモードは、ノンオムニ指向性モードと、実質的オムニ指向性モードとを含むことを特徴とするアンテナアセンブリ。
【請求項６】
請求項４において、前記少なくとも２つのモードは、少なくとも前記アクティブアンテナ素子サブセット間の電磁結合度により電磁結合を減少させることを特徴とするアンテナアセンブリ。
【請求項７】
請求項１において、前記ビーム制御アンテナ素子は、グランドに直接取り付けるか、又はリアクタンスを介してグランドに接続したことを特徴とするアンテナアセンブリ。
【請求項８】
請求項４において、前記少なくとも１つのデバイスは、スイッチを含むことを特徴とするアンテナアセンブリ。
【請求項９】
請求項８において、前記スイッチは、数個のスイッチ状態と、これらスイッチ状態と同数のリアクタンス素子であって前記スイッチに結合されたリアクタンス素子と、を含むことを特徴とするアンテナアセンブリ。
【請求項１０】
請求項１において、前記アクティブアンテナ素子間の間隔は、前記アクティブアンテナ素子が送信または受信する搬送波信号波長の約１／２であることを特徴とするアンテナアセンブリ。
【請求項１１】
請求項１において、前記アクティブアンテナ素子とビーム制御アンテナ素子との間隔は、前記アクティブアンテナ素子が送信または受信する搬送波信号波長の約１／４であることを特徴とするアンテナアセンブリ。
【請求項１２】
請求項２において、前記アクティブアンテナ素子と前記少なくとも１つのデバイスとに結合されたプロセッサをさらに含み、前記少なくとも１つのデバイスの状態設定を選択するために使用される論理は、前記アクティブアンテナ素子が受信する信号に基づくことを特徴とするアンテナアセンブリ。
【請求項１３】
請求項１において、前記アクティブアンテナ素子は、１次元アレイ状又は曲線アレイ状に配列したことを特徴とするアンテナアセンブリ。
【請求項１４】
請求項１において、前記アクティブアンテナ素子は、２次元アレイ状に配列されたことを特徴とするアンテナアセンブリ。
【請求項１５】
請求項１４において、前記２次元アレイは、実質的に環状パターンであることを特徴とするアンテナアセンブリ。
【請求項１６】
請求項１において、複数のビーム制御アンテナ素子を含み、前記ビーム制御アンテナ素子は、１次元アレイ状に配列したことを特徴とするアンテナアセンブリ。
【請求項１７】
請求項１において、複数のビーム制御アンテナ素子を含み、前記ビーム制御アンテナ素子は、２次元アレイ状に配列したことを特徴とするアンテナアセンブリ。
【請求項１８】
請求項１において、前記複数のアクティブアンテナ素子とともに動作するようにした複数の送信機又は複数の受信機を有するＭＩＭＯ（multiple-input multiple-output）処理装置をさらに含むことを特徴とするアンテナアセンブリ。
【請求項１９】
請求項１において、基地局、ハンドセット、ワイヤレスアクセスポイント、あるいはクライアントデバイスもしくはステーションデバイスにおいて使用されることを特徴とするアンテナアセンブリ。
【請求項２０】
請求項１において、セルラー網、ＷＬＡＮ（wireless local area network）、ＴＤＭＡ（time division multiple access）システム、ＣＤＭＡ（code division multiple access）システム、またはＧＳＭシステムにおいて使用されることを特徴とするアンテナアセンブリ。
【請求項２１】
ＲＦ通信をサポートする方法であって、
複数のアクティブアンテナ素子によって少なくとも１つのアンテナビームパターンを形成するステップと、
前記複数のアクティブアンテナ素子のうちの少なくとも２つのアクティブアンテナ素子に電磁結合された少なくとも１つのビーム制御アンテナ素子であって、前記少なくとも２つのアクティブアンテナ素子の間に電磁的に配置した少なくとも１つのビーム制御アンテナ素子によって、前記少なくとも１つのアンテナビームパターンに影響を及ぼすステップと
を備えたことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２１において、前記複数のアクティブアンテナ素子により形成される少なくとも１つのアンテナビームパターンに影響を及ぼすため、前記少なくとも１つのビーム制御アンテナ素子のリアクタンスを調整するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２２において、前記少なくとも１つのビーム制御アンテナ素子のリアクタンスを調整するステップは、少なくとも２つのアクティブアンテナ素子間の電磁結合に影響を及ぼすことを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２２において、前記少なくとも１つのビーム制御アンテナ素子のリアクタンスを調整するステップは、少なくとも２つの動作モードを提供することを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２４において、前記２つの動作モードは、ノンオムニ指向性モードと実質的オムニ指向性モードとを含むことを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２５において、前記少なくとも２つの動作モードは、少なくとも前記アクティブアンテナ素子サブセット間の電磁結合度を減少させることを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２１において、前記ビーム制御アンテナ素子は、グランドに直接取り付けられるか、又はリアクタンスを介してグランドに接続されることを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２４において、前記少なくとも２つの動作モードを提供するステップは、前記少なくとも１つのビーム制御アンテナ素子に結合されたデバイスを動作させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２８において、前記デバイスを動作させるステップは、少なくとも１つのリアクタンス素子を前記少なくとも１つのビーム制御アンテナ素子に選択的に結合するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３０】
請求項２１において、前記アクティブアンテナ素子間の間隔は、前記アクティブアンテナ素子が送信または受信する搬送波信号の波長の約１／２未満であることを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項３０において、前記アクティブアンテナ素子とビーム制御アンテナ素子の間の間隔は、前記アクティブアンテナ素子が送信または受信する搬送波信号の波長の約１／４であることを特徴とする方法。
【請求項３２】
請求項２２において、前記少なくとも１つのビーム制御アンテナ素子のリアクタンスを調整するステップは、前記アクティブアンテナ素子が受信した信号を処理して前記リアクタンスを調整することを含むことを特徴とする方法。
【請求項３３】
請求項２１において、前記アクティブアンテナ素子を１次元アレイまたは曲線アレイで動作させるステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項３４】
請求項２１において、前記アクティブアンテナ素子を２次元アレイで動作させるステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項３５】
前記２次元アレイは、実質的に環状のパターンであることを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
請求項２１において、前記複数のビーム制御アンテナ素子は、１次元アレイ状に配列したことを特徴とする方法。
【請求項３７】
請求項２１において、複数のビーム制御アンテナ素子は、２次元アレイ状に配列したことを特徴とする方法。
【請求項３８】
請求項２１において、前記アクティブアンテナ素子と前記アクティブアンテナ素子と動作するようにした複数の送信機または受信機を有するＭＩＭＯ（multiple-input multiple-output）処理装置との間でＲＦ信号を授受するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項３９】
請求項２１において、基地局、ハンドセット、ワイヤレスアクセスポイント、あるいはクライアントデバイスもしくはステーションデバイスにおいて使用されることを特徴とする方法。
【請求項４０】
請求項２１において、セルラー網、ＷＬＡＮ、ＴＤＭＡシステム、ＣＤＭＡシステム、またはＧＳＭネットワークにおいて使用されることを特徴とする方法。
【請求項４１】
複数のアクティブアンテナ素子と、
前記複数のアクティブアンテナ素子により形成される少なくとも１つのアンテナビームパターンに影響を及ぼすビーム制御手段であって、前記複数のアクティブアンテナ素子のうちの少なくとも２つのアクティブアンテナ素子に電磁結合され、前記少なくとも２つのアクティブアンテナ素子間に電磁的に配置したビーム制御手段と
を備えたことを特徴とするアンテナアセンブリ。
【請求項４２】
複数のアクティブアンテナ素子と、
前記複数のアクティブアンテナ素子に電磁結合した少なくとも１つのビーム制御アンテナ素子であって、前記複数のアクティブアンテナ素子のうちの少なくとも２つのアクティブアンテナ素子間に電磁的に配置した少なくとも１つのビーム制御アンテナ素子と、
本アンテナアセンブリにより形成される少なくとも１つのアンテナビームパターンに影響を及ぼすため、前記少なくとも１つの受動アンテナ素子のリアクタンスを調整する手段と
を備えたことを特徴とするアンテナアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、必要に応じて複数のレシーバを使用するワイヤレス通信分野用の適応性アンテナアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
ポータビィリティを向上させるため無線機器を小型化することが益々重要になっている。例えば、現在市販の最小のセルラーフォーンハンドセットは、シャツのポケットや小さな財布にすっぽり収まり便利である。実際には、無線機器の小型化を強調するあまり、アンテナ利得が極めて低くなっている。例えば、最も小型のハンドヘルドフォーンは、そのアンテナ利得がわずか−３ｄＢｉ以下である。その結果、このような携帯電話のレシーバにあっては、一般に干渉を緩和するか、またはフェージングを軽減することができない。
【０００３】
従来技術に係るシステムの中には、これらの目的のために、複数の素子ビーム形成器を備えているものがある。これらのアンテナシステムは、少なくとも２つの放射素子と、複合振幅／位相重み付けフィルタを使用する少なくとも２つのレシーバと、を有することを特徴とする。これらの機能は、ディスクリートアナログ部品によるか、又はデジタル信号プロセッサによるか、のいずれかによって、インプリメントすることができる。このタイプのアンテナシステムにおいて、問題は、性能がアンテナ素子とアンテナ素子との間隔によって多大な影響を受ける点にある。仮にアンテナ素子どうしが近過ぎる場合か、又は仮にアンテナ素子の配置が適正でない場合には、ビーム形成能力が大幅に制限される。数多くの小型ワイヤレス電子装置、例えば、セルラーハンドセット、ワイヤレスアクセスポイント等においては、そうであり、ビーム形成能力を向上させるため、アンテナ素子間の間隔を十分にとるか、又はアンテナ素子を適正に配置することは、極めて困難である。
【０００４】
屋内マルチパスにおいては、主ビームの外側が主ビーム信号と干渉し、フェージングが生じることが多い。また、屋内マルチパスは定常波のヌル点も生じる。仮に指向性アンテナがこれらヌル点に位置している場合には、受信が妨げられる。慣用のアレイにあっては、仮にそのアレイの１つの素子がヌル点に位置している場合には、受信信号が大きく低下する。相反定理によって、この現象は伝送方向においても生じる。
【０００５】
本発明は、高い性能が得られると同時に、複数の別個の空間的アンテナビームを形成する、または集約的なアンテナビームを生じるという利点もさらに備えた、低コストの小型アンテナシステムを提供する。このアンテナシステムは、複数の受信機能および送信機能を同時にパフォームするために使用することができ、ＭＩＭＯ（multiple-input multiple-output）の分野に適している。
【０００６】
本発明の基礎となる技術の恩恵を受けることができるデバイスとしては、次のようなシステム及び機器において用いられるようなセルラーフォーンハンドセットが含まれるが、これらに限定されるものではない。これらシステム及び機器としては、例えば、ＩＳ−９５、ＩＳ−２０００、及びＣＤＭＡ２０００等のようなＣＤＭＡ（code division multiple access）システム、ＴＤＭＡ（time division multiple access）システム、ＦＤＭＡ（frequency division multiple access）システム、ＩＥＥＥ８０２．１１又はＷｉＦｉアクセス機器のようなＷＬＡＮ機器、及び／又は、ManPacks等のような軍用通信機器、がある。
【０００７】
一実施形態では、アンテナアセンブリにおいては、少なくとも２つのアクティブまたは主放射アンテナ素子の間に、少なくとも１つのビーム制御またはパッシブアンテナ素子が電磁気的に配置されている。当該ビーム制御アンテナ素子は、ここでは、ビーム制御またはパッシブアンテナ素子といわれるが、アクティブアンテナ素子としては使用されない。当該ビーム制御アンテナ素子は、その信号端子を固定または可変リアクタンスに成端することにより、反射器として使用される。結局、このアンテナアセンブリを使用したシステムは、少なくとも１つの主放射アンテナ素子と、１つまたは複数のビーム制御アンテナ素子とを組み合わせることにより生成される入力または出力ビームパターンを調整することができる。特に、指向性やビーム角幅などのビーム特性を変更するため、ビーム制御アンテナ素子は、スイッチを介して（これは任意選択である）、種々の成端リアクタンスに接続することができ、あるいは、直接グランドに接続することもできる。どの成端リアクタンスを使用するかを選択するための処理を採用することができる。結局、当該アンテナの放射パターンを、特定の目標受信機／送信機により容易に向けることができ、信号対雑音干渉レベルを低下させ、及び／又は、利得を向上させることができる。この放射パターンによれば、屋内マルチパス効果も含むマルチパス効果を軽減させることもできる。その１つの結果が、セルラーフェージングを最小限に抑えることができることである。
【０００８】
一実施形態においては、少なくとも１つのビーム制御アンテナ素子が、２つのアクティブアンテナ素子と共通線上に位置するようにしてあるが、これは、１次元アレイ又は曲線（curvi-linear）アレイと呼ばれる。ただし、アプリケーションにおけるニーズによって、アクティブアンテナ素子とビーム制御アンテナ素子とがどの程度まで同一線上にあるかは、異なる可能性がある。別の実施形態では、３つ以上のアクティブアンテナ素子を、環状など所定の形状に配列し、少なくとも１つのビーム制御アンテナ素子をそのアクティブアンテナ素子に電磁的に結合する。１次元アレイまたは曲線アレイ以外の形状は、一般に２次元アレイと呼ばれる。
【０００９】
アクティブアンテナ素子とビーム制御アンテナ素子との間隔も、適用分野によって変化する可能性がある。例えば、ビームステアリング性を高めるために、ビーム制御アンテナ素子は、２つのアクティブアンテナ素子のそれぞれから約１／４波長のところに位置決めすることができる。これはつまり、セルラーフォーンのようないくつかの小型携帯デバイスで使用する場合には、約０．５inch（１．２７cm）から１．５inch（３．８１cm）までの間隔になるということになる。このアンテナシステムは、アンテナが動作することを期待される対応するワイヤレス波長の１／４波長よりこの間隔が小さくなっても、期待通りに機能する。
【００１０】
本発明は、従来技術に優る多くの利点を有する。例えば、アクティブアンテナ素子と１つまたは複数のビーム制御アンテナ素子とを組み合わせて使用することにより、入力／出力ビームパターンのビーム幅を調整することができる。使用する構成要素の数が少ないので、本発明の原理を利用したアンテナシステムは、セルラーフォーンやＰＤＡ（personal digital assistance）などの小型デバイスに容易に組み込むことができる。そうであるから、このステアリング可能なアンテナシステムは、製造コストを低く抑えることができる。  
【００１１】
本発明の上記その他の目的、特徴および利点は、添付の図面に図示した、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読めば明らかになるであろう。図面では、全体を通して、同じ部分は同じ参照番号で示してある。また、本発明の原理を説明することに重点を置いているため、これらの図面は必ずしも等倍ではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の好ましい実施形態を説明する。
【００１３】
図１は従来技術のマルチプル素子ビーム形成器を示す。このようなシステムの特徴は、少なくとも２つの能動または放射アンテナ素子１００−１、１００−２が、それぞれ、全指向性放射パターン１０１−１、１０１−２を有する点にある。アンテナ素子１００は、対応する無線レシーバ、例えばダウンコンバータ１１０−１及び１１０−２に接続されている。ダウンコンバータ１１０−１及び１１０−２は、それぞれ、一対のＡ／Ｄコンバータ（analog-to-digital converter）１２０−１、１２０−２に、ベースバンド信号を供給する。受信されたデジタル信号は、ＤＳＰ（digital signal processor）１３０に供給される。このＤＳＰ１３０は、ベースバンドビーム形成アルゴリズム、例えば、アンテナ素子１００により受信された信号と、複合振幅／位相重み関数と結合するアルゴリズムをパフォームする。
【００１４】
このタイプのシステムの問題は、アンテナ素子１００の配置間隔と幾何学的形状とにより、性能が大きな影響を受ける点にある。例えば、仮にアンテナ素子１００の配置間隔が狭すぎる場合には、ビーム形成性能が低下する。さらには、アンテナ素子１００自体も、典型的には、その幾何学的形状が、所望の全方向性パターンを得るのに適しているだけでなく、所望の波長に適した幾何学的形状をもって動作するのに適した幾何学的形状でなければならない。そこで、このアーキテクチャ（architecture）は、小型のハンドヘルドワイヤレス電子装置、例えば、セルラーフォーン、及び／又は、低コストワイヤレスアクセスポイント若しくはステーション（これを、クライアントデバイス又はステーションデバイスともいう。）など、素子１００間に十分な間隔を確保する、または低コストでアンテナの幾何学的形状を作製することが困難なで使用することは望ましくない。
【００１５】
これに対して、本発明の１つの態様では、複数の指向性を有する固定アンテナビーム、例えば、セミオムニ（semi-omni）パターンやいわゆる「ピーナツ」パターンをきわめて小さな空間において形成する。詳細には、図２を参照すると、図１の従来例と同様の一対のアクティブアンテナ素子１００−１、１００−２を示す。ただし、本発明の原理によれば、これらのアクティブアンテナ素子１００の間に、パッシブまたはビーム制御アンテナ素子１１５が挿入される。受信モードにおいては、従来例と同様に、受信信号は、対応する一対のダウンコンバータ１１０−１、１１０−２と、Ａ／Ｄコンバータ１２０−１、１２０−２と、ＤＳＰ１３０とに送られる。
【００１６】
この構成では、ビーム制御アンテナ素子１１５が第１の成端リアクタンス１５０−１に切り換わるか、第１の成端リアクタンス１５０−１に給電されると、２つのビーム１８０−１、１８０−２を互いに反対方向に同時に形成することができる。第１の成端リアクタンス１５０−１は、特に、ビーム制御アンテナ素子１１５をこのモードで反射器として機能させるために選択される。これら２つのパターン１８０−１、１８０−２は、半球の約半分をカバーするので、使用可能なアンテナシステムに十分な指向性を与える可能性が高い。
【００１７】
任意選択の構成として、破線で示す「ピーナツ」パターン１９０のような異なるアンテナパターンが必要な場合には、マルチプル素子スイッチ１７０を利用して、第２の成端リアクタンス１５０−２をビーム制御アンテナ素子１１５に電気的に接続することもできる。マルチプル素子スイッチ１７０を使用して複数のリアクタンス１５０から選択して種々のパターンを組み合わせ、１つまたは複数の「ピーナツ」パターン１９０を生じることができる。
【００１８】
そこで、最小コストで異なるアンテナパターン１８０、１９０を発生させるため、中央のビーム制御アンテナ素子１１５を、１つの固定リアクタンスに接続するか、又は、複数の異なるリアクタンスを切り換えるか、のいずれかを行うことができるが、知られている。好ましい実施形態においては、２つのアクティブアンテナ素子１００と１つのパッシブ素子１１５とを含む少なくとも３つのアンテナ素子を、平行に整列させるため、一列に配置してある。ただし、実施形態によっては、当然、これらのアンテナ素子が互いに種々の角度をなすように配列することもできる。
【００１９】
アンテナ素子１００と、スイッチ１７０と、パッシブビーム制御アンテナ素子１１５とについては、その数及び構成を変えることも可能である。例えば、本実施形態では、複数（例えば１６個）のアクティブアンテナ素子１００の間にそれぞれ４つのパッシブビーム制御アンテナ素子１１５を配置して使用することもできる。各パッシブビーム制御アンテナ素子１１５が、アクティブアンテナ素子１００のサブセットに電磁的に結合され、サブセットは、２つのアクティブアンテナ素子で構成することもできるし、１６個のアクティブアンテナ素子で構成することもできる。
【００２０】
次に、図３のアンテナアセンブリ３００を参照して、本発明の原理に係るアンテナアセンブリの別の実施形態について述べる。アンテナアセンブリ３００は、反射器若しくはビーム制御アンテナ素子３０５、又は複数の反射アンテナ素子（図示せず）と、アクティブアンテナ素子３１０のフェーズドアレイと、を使用している。アンテナ素子３０５、３１０は、本実施形態では、グランドプレーン（ＧＰ）３１５上に機械的に配置される。反射アンテナ素子３０５は、それ自体のマルチパスを生成するために使用される。
【００２１】
このマルチパスは簡単なものであり、アクティブアンテナ素子３１０内に存在する。反射アンテナ素子３０５がアクティブアンテナ素子３１０に近接して存在するので、他の複数のマルチパスが無効化され、こられ複数のマルチパスによって生成されたヌル点が除去される。この新たなマルチパスは、その性質が予測可能であるから制御可能である。フェーズドアレイを使用してそのビームを信号に収束させることができ、反射アンテナ素子３０５とアクティブアンテナ素子３１０とを組み合わせることにより、フェージングが除去され、ＴＶ受信でよく見られる「ゴースト」の原因となる信号パスのミスアライメントが除去される。
【００２２】
本実施形態では、反射器３０５は円筒形であり、アクティブアンテナ素子３１０のサーキュラアレイ３００の中心に位置している。アクティブアンテナ素子３１０と反射アンテナ素子３０５の導電面との間の距離は、１／４波長以下に保つことができる。円筒形の反射アンテナ素子３０５が存在するから、どの波もアクティブアンテナ素子３１０のサーキュラアレイ３００を通過することができない。したがって、反対方向に進行する波４０５が干渉して定常波が形成されることも防止される。これを図４Ａに矢印４１５で示す。その結果、屋内のヌル点４１０はアレイの各素子３１０の付近から除去される。ただし、ビーム制御アンテナ素子３０５は、図４Ｂに示すようにそれ自体の定常波を発生させる。
【００２３】
次に図４Ｂを参照すると、進行波４０５は、反射器４２０に向かって（すなわち矢印４１５の方向に）進行する。反射器４２０は、反射器４２０においてノード４１０を形成し、１／４波長だけ離間していることにより、反射アンテナ素子３０５を取り囲むアンテナ素子３１０においてピークを有する定常波４０５を形成する。この構成によって、この環境からヌル点が除去される。同時に、この構成によって、最も強い信号パスに向いたビームに位相を合わせようとするビーム信号のピークが、アクティブアンテナ素子３１０に限定される。ここに、最も強い信号パスは、アンテナアレイ３００に結合されたプロセッサ（例えば図２のＤＳＰ１３０）によって決定される。
【００２４】
図５は、図２のリニアアンテナアセンブリによって形成される例示的なアンテナビームパターン５００を示す上面図である。本実施形態では、ビーム制御アンテナ素子１１５は、有効反射リング５０５−１、５０５−２をそれぞれ生成する複数のリアクタンス構成要素（例えば図２のリアクタンス構成要素１５０−１、１５０−２）に電気的に接続されている。例えば、インダクタンスが大きくなればなるほど、ビーム制御アンテナ素子１１５の周りのリング５０５の有効直径は、小さくなる。
【００２５】
これに応じて、リニアアレイとして配列されたアンテナアセンブリ５００が生じるアンテナビームパターン５１０、５１５は、破線で示すように腎臓の形をしている。反射リング５０５の直径が小さくなるほど、ビームは細くなり、したがって、当然に、リニアアレイの軸に対して垂直な方向のアクティブアンテナ素子１００の利得が大きくなる。アンテナビームパターン５１０、５１５は、結合されていないので、図２に示すような「ピーナツ」パターンを形成しない、ことに留意されたい。この「ピーナツ」パターンが形成されるかどうかは、リアクタンス構成要素１５０の選択によるところもある。
【００２６】
このアクティブアンテナ素子／ビーム制御アンテナ素子／アクティブアンテナ素子という構成にすることには、ビーム制御アンテナ素子１１５が２つのアクティブアンテナ素子１００を分離する傾向があり、これによりアレイを小型化できる可能性がある、という副次的な利点がある。当然、アクティブアンテナ素子１００の間隔は、適用分野に応じて接近させたり遠ざけたりすることができる。さらに、アクティブアンテナ素子１００の間に反射アンテナ素子１１５を電磁的に配置することにより、相互結合に起因する損失が低減される。ただし、ビーム制御アンテナ素子１１５に装荷すると、この素子が反射性ではなく指向性になり、これによりアクティブアンテナ素子１００間の結合が強まり、これにより、結合損失が増大する。であるから、リアクタンスにも、いくつかの適用分野に適したビーム制御アンテナ素子１１５に適用することができる種々のリアクタンスがある。
【００２７】
引き続き図５を参照すると、アンテナアレイの２つの基本動作モードが示してある。すなわち、（１）デュアルビーム高利得（すなわちノンオムニ）モードであり、このモードにおいては、ビーム制御アンテナ素子１１５が反射性である。（２）低相互結合のデュアルニアオムニ（near-omni）モードであって、このモードにおいては、中央のアンテナ素子１１５は短いが短すぎず、そのため各アクティブアンテナ素子１００において図示のような腎臓形ビーム５１０、５１５が得られる。これがニアオムニ（near-omni）を有するのは、アンテナアレイが環状でなく、真のオムニ指向性モードではないからである。上述のように、ビーム制御アンテナ素子１１５に電気的に接続されたリアクタンスを変化させると、アンテナアレイ５００の動作モードが変化する。
【００２８】
例えば、この中央のパッシブアンテナ素子１１５に適用することができるリアクタンスは、約−５００Ωから５００Ωの間にある。また、アクティブアンテナ素子１００の高さは約１．２inch（３．０５cm）にすることができ、パッシブアンテナ素子１１５の高さは、動作周波数２．４ＧＨｚで約１．４５inch（３．６８cm）にすることができる。これらのリアクタンスと寸法は例示にすぎず、互いに比例してまたは独立して変えることができる、ことに留意されたい。
【００２９】
図６はサーキュラーアンテナアセンブリ６００を示す図である。サーキュラーアンテナアセンブリ６００には、アクティブアンテナ素子６１０ａのサブセットが含まれ、このサブセットは、複数のビーム制御アンテナ素子６０５によって、別のアクティブアンテナ素子６１０ｂのサブセットから分離されている。アクティブアンテナ素子６１０ａ、６１０ｂは、サーキュラアレイを構成している。ビーム制御アンテナ素子６０５は、リニアアレイを構成している。
【００３０】
ビーム制御アンテナ素子６０５は、リアクタンス素子（図示せず）に電気的に接続されている。各ビーム制御アンテナ素子６０５は、スイッチを介して各リアクタンス素子に選択的に接続することができる。これらのリアクタンス素子は、ビーム制御アンテナ素子６０５を取り囲む方形反射器６２０の寸法を、ビーム制御アンテナ素子６０５の長さ方向に、同じ長さだけ伸ばすように、同じ範囲のリアクタンスまたはリアクタンス値のセットを含むことができる。方形反射器６２０の寸法を変えることにより、アクティブアンテナ素子６１０ａ及び６１０ｂにより形成されるビーム形状を変化させることができ、第２に、所与の適用分野においてアクティブアンテナ素子６１０ａ、６１０ｂの間の相互結合を増大または減少させることができる。種々の適用分野において、望ましいアクティブアンテナ素子６１０ａ、６１０ｂのビームパターン形状または相互結合状態に応じて、使用するビーム制御アンテナ素子６０５の数を増やすことも減らすこともできることを理解されたい。例えば、ビーム制御アンテナ素子６０５をリニアアレイとして構成する代わりに、環状のアレイまたは方形のアレイにすることもできる。
【００３１】
図７は、アンテナシステム７００の別の実施形態を示す図であり、このアンテナシステム７００には、ビーム制御アンテナ素子７０５と、反射面７０７上に環状に配置され、少なくとも１つのビーム制御アンテナ素子７０５に電磁的に結合された複数のアクティブアンテナ素子７１０と、を備えたアンテナアセンブリ７０２が含まれる。上述のように、ビーム制御アンテナ素子７０５は、グランドに電気的に接続された１つまたは複数のリアクタンス、例えば、インダクタ７５０ａ、遅延線７５０ｂ、コンデンサ７５０ｃに接続されている。他の実施形態では、集中リアクタンス、例えば、（ｉ）コンデンサ及びインダクタか、又は（ｉｉ）デジタル制御線を使用して設定される可変リアクタンス素子を含むこともできる。本実施形態では、リアクタンス性素子７５０は、単極多投スイッチ７４５を介して、フィードライン７１５に接続されている。フィードライン７１５によって、ビーム制御アンテナ素子７０５がスイッチ７４５に接続される。
【００３２】
制御線７６５は、スイッチ７４５と磁気結合されたコイル７６０を介して、グランド７５５に接続されるか別個の信号帰線に接続される。コイル７６０をアクティベートすると、スイッチ７４５により、選択されたリアクタンス素子７５０を介してビーム制御アンテナ素子７０５がグランド７５５に接続される。本実施形態では、スイッチ７４５は、機械式スイッチとして示してある。他の実施形態では、スイッチ７４５は、光制御のような制御入力が異なる半導体スイッチその他のスイッチとすることができる。スイッチ７４５及びリアクタンス素子７５０は、種々の形態のもの、例えば、ハイブリッド回路７４０、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）７４０、回路基板上のディスクリート素子とすることができる。
【００３３】
プロセッサ７７０は、例えばＳＮＲ（single-to-noise ratio）を最大にするか、又は他のビーム指向性に関連する測定基準を最大にする方向を決定するため、アンテナアレイ７０２の出力を順序付けすることができる。そうすると、アンテナアセンブリ７０２は、プロセッサ７７０がない場合より信号容量を大きくすることができる。ＭＩＭＯ７３５によれば、３つ以上のアンテナ素子を有するダイバーシチアンテナの一形態であるアンテナシステム７００は、各部を常に見て、その結果を累積することができる。そこで、ＭＩＭＯ７３５を使用することにより、情報スループットが大幅に向上する。例えば、主方向のアンテナビームによって信号のみを受信するのではなく、ＭＩＭＯ７３５は、主信号とマルチパス信号とを同時に送信または受信することができる。各部を常に見ることができなければ、マルチパス方向からの信号が重なって信号強度が無くなる。
【００３４】
図８Ａは、指向性アンテナアレイ５０２ａが採用できる使用例を示す図である。この例では、例えば８０２．１１ネットワーク内のステーション８００ａか、又はＣＤＭＡネットワーク内の加入者装置は、携帯デジタルシステム８２０、例えば、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（personal digital assistance）、又は指向性アンテナアセンブリ５０２を使用するセルラーフォーンを含むことができる。指向性アンテナアセンブリ５０２は、複数のアクティブアンテナ素子８０５と、それらアクティブアンテナ素子８０５に電磁的に結合されたビーム制御アンテナ素子８０６とを含むことができる。指向性アンテナアセンブリ５０２ａは、ＵＳＢ（universal system bus）ポート８１５を介して、携帯デジタルシステム８２０に接続することができる。
【００３５】
別の実施形態では、図８Ｂに示すステーション８００ｂには、カード８２５上に指向性アンテナアセンブリ５０２ｂを含むＰＣＭＣＩＡカード８２５が含まれる。ＰＣＭＣＩＡカード８２５は、携帯デジタルデバイス８２０に装備される。
【００３６】
図８Ａまたは図８Ｂのいずれかのインプリメンテーションのアンテナアセンブリ５０２も、当然、８０２．１１ネットワークのアクセスポイント（ＡＰ）またはワイヤレスセルラー網の基地局に配置することもできる。さらに、本発明の原理は、Bluetoothネットワークその他のネットワークに使用することもできる。
【００３７】
図９ないし図１１は、アンテナアセンブリ９００と、アンテナアセンブリ９００により形成されるアンテナビームパターンの種々のシミュレーション結果と、を示す図である。
【００３８】
まず図９を参照すると、アンテナアセンブリ９００は、４つのアクティブアンテナ素子９１０が円の周縁部に配置してあり、ビーム制御アンテナ素子９０５がこの円の中央部に配置してある。アンテナ素子９０５及び９１０は、グランドプレーン（ground plane）９１５に機械的に接続してある。
【００３９】
本実施形態においては、アクティブアンテナ素子９１０は、その幅が０．２５inch（０．６４cm）から３．０inch（７．６２cm）までであり、その高さが０．５inch（１．２７cm）から３．０inch（７．６２cm）までである。これは、２．４ＧＨｚのＩＳＭ帯域（８０２．１１ｂ）に最適化されたものである。ビーム制御アンテナ素子９０５は、その幅が０．２inch（０．５１cm）であり、その高さが１．４５inch（３．６８cm）である。本実施形態においては、ビーム制御アンテナ素子９０５は、反射率を大きくするため、その高さをより高くしてあるが、その幅は指向特性が低下しない程度の幅にしてある。
【００４０】
図１０Ａから図１０Ｄまでは、図９のアンテナアセンブリ９００のシミュレーションされたビームパターンを示す図である。アンテナアセンブリ９００は、図１０Ｅに示すように、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸を用いて描き直してある。図１０Ａから図１０Ｄまでのシミュレーションされたビームパターンは、個別のアクティブアンテナ素子９１０についてのものである。このシミュレーションは、２．４５ＧＨｚの搬送波周波数を用いる８０２．１１ｂについてのものである。これらは、水平面（ｘｙ平面）においてφ＝０°からφ＝３６０°までで、仰角＝３０°すなわちθ＝６０°の、ビームパターンである。図１０Ａのシミュレーションされたビームパターンは、＋ｘ軸上に位置させたアクティブアンテナ素子９１０に対応する。方位１８０°のヌル点は、アクティブアンテナ素子９１０とビーム制御アンテナ素子９０５との相互作用を表す。同様に、図１０Ｂのシミュレーションされたビームパターンは、＋ｙ軸上に位置させたアクティブアンテナ素子に対応し、図１０Ｃのシミュレーションされたビームパターンは、−ｘ軸上に位置させたアクティブアンテナ素子９１０に対応し、図１０Ｄのシミュレーションされたビームパターンは、−ｙ軸上に位置させたアクティブアンテナ素子９１０に対応する。図１０Ｂから図１０Ｄまでのシミュレーションされたビームパターンにおけるヌル点は、それぞれのアクティブアンテナ素子９１０とビーム制御アンテナ素子９０５との相互作用に対応する。
【００４１】
次に図１１Ａ−１１Ｃを参照すると、これらシミュレーションされたアンテナ指向性（すなわちビーム）パターン（antenna directivity pattern、ＡＤＰ）は、＋ｘ軸上に位置させたアンテナアセンブリ９００のアクティブアンテナ９１０により生成されるアンテナビームに対応する。図１１Ａ−１１Ｃは、それぞれ、θ＝３０°、θ＝６０°、θ＝９０°の場合についての３つのアンテナ指向性曲線を示す。これらの角度は、天頂からの角度である（すなわち、０°が＋ｚ軸上にあることを意味する。）。図１１Ａから図１１Ｃまでのシミュレーションは、それぞれ、２．５０ＧＨｚ、２．４５ＧＨｚ、及び２．４０ＧＨｚについてのものである。
【００４２】
図１１Ｄ−１１Ｆは、図１１Ａから図１１Ｃまでのシミュレーションされたアンテナ指向性（すなわちビーム）パターンに対応する、仰角方向のシミュレーションされたアンテナ指向性パターンである。３つの曲線はφ＝０°、φ＝４５°、φ＝９０°に対応する。これらの角度は、天頂からの角度である。
【００４３】
図１２Ａ−１２Ｃは、図１１Ａ−１１Ｆの累積プロットに対応する３次元プロットである。
【００４４】
以上好ましい実施形態に関連して本発明について詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲に記載の発明の範囲を逸脱しない限り、種々の形態及び細部の変更を行うことができることは、当業者にとって当然のことである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】２つのアクティブアンテナ素子を備えた従来技術のビーム形成器アンテナシステムを示す概略図である。
【図２】本発明の原理による、２つのアクティブアンテナ素子と１つのビーム制御アンテナ素子とを含むアンテナアセンブリを備えたビーム形成器アンテナシステムを示す概略図である。
【図３】図２のアンテナアセンブリの別の実施形態を示す図である。
【図４Ａ】図１のアンテナアセンブリに関する一般化した波形図である。
【図４Ｂ】図２及び図３のアンテナアセンブリに関する波形図である。
【図５】図２のビーム形成器システムの別の実施形態によって形成されるビームパターンを示す上面図である。
【図６】図２のアンテナアセンブリの別の実施形態を示す図である。
【図７】図２のビーム形成器システムの別の実施形態を示す概略図である。
【図８Ａ】外部アンテナネットワークを備えた図７のビーム形成器システムを使用する、８０２．１１ネットワークのユーザステーションを示す図である。
【図８Ｂ】内部アンテナアセンブリを使用する、図８Ａのユーザステーションを示す図である。
【図９】図２のアンテナアセンブリの別の実施形態を示す図である。
【図１０Ａ】図９のアンテナアセンブリのアンテナ指向性パターンを示す図である。
【図１０Ｂ】図９のアンテナアセンブリのアンテナ指向性パターンを示す図である。
【図１０Ｃ】図９のアンテナアセンブリのアンテナ指向性パターンを示す図である。
【図１０Ｄ】図９のアンテナアセンブリのアンテナ指向性パターンを示す図である。
【図１０Ｅ】図９のアンテナアセンブリをｘ、ｙ、及びｚ座標軸上に示す図である。
【図１１Ａ】図９のアンテナアセンブリのアンテナ指向性パターンを示す図である。
【図１１Ｂ】図９のアンテナアセンブリのアンテナ指向性パターンを示す図である。
【図１１Ｃ】図９のアンテナアセンブリのアンテナ指向性パターンを示す図である。
【図１１Ｄ】図９のアンテナアセンブリのアンテナ指向性パターンを示す図である。
【図１１Ｅ】図９のアンテナアセンブリのアンテナ指向性パターンを示す図である。
【図１１Ｆ】図９のアンテナアセンブリのアンテナ指向性パターンを示す図である。
【図１２Ａ】図９のアンテナアセンブリの３次元アンテナ指向性パターンを示す図である。
【図１２Ｂ】図９のアンテナアセンブリの３次元アンテナ指向性パターンを示す図である。
【図１２Ｃ】図９のアンテナアセンブリの３次元アンテナ指向性パターンを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１１Ｆ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【国際調査報告】
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