(57)【要約】複数の周波数帯域で作動できる指向性アンテナは、能動アンテナ素子と、この能動アンテナ素子に従動的に結合される少なくとも１つの受動アンテナ素子とを有する。受動アンテナ素子は、（i）能動アンテナ素子の基本周波数、および（ii）この基本周波数に関連する基本周波数よりも高い共振周波数で作動するように、実質的に最適化された長さおよび間隔を有する。受動アンテナ素子の空間高調波電流分布を利用して、複数の動作周波数帯域を生成する。指向性アンテナはまた、受動アンテナ素子に接続される装置を備え、複数の周波数帯域で動作するように、この装置は基本共振周波数、高い共振周波数、またはこれら両方の周波数の信号を能動アンテナ素子に供給することにより生成されるアンテナ・ビームを方向付ける。
2005509345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の周波数帯域で作動できる指向性アンテナであって、
能動アンテナ素子と、
この能動アンテナ素子に従動的に結合され、（i）前記能動アンテナ素子の基本周波数、または（ii）この基本周波数に関連する高い共振周波数で選択的に作動するように、実質的に最適化された長さおよび間隔を有する、少なくとも１つの受動アンテナ素子と、
前記少なくとも１つの受動アンテナ素子に接続される装置であって、複数の周波数帯域で作動するように、前記基本周波数または基本周波数よりも高い共振周波数の信号を前記能動アンテナ素子に供給することにより生成される少なくとも１つのアンテナ・ビームを方向付ける装置と、を備えた指向性アンテナ。
【請求項２】
請求項１において、前記高い共振周波数が基本周波数の第２高調波である指向性アンテナ。
【請求項３】
請求項１において、前記指向性アンテナが前記基本周波数および高い共振周波数におけるアンテナ・ビームを同時に方向付ける指向性アンテナ。
【請求項４】
請求項１において、さらに、前記少なくとも１つの受動アンテナ素子とグラウンドの間に接続された無効負荷を有する指向性アンテナ。
【請求項５】
請求項４において、前記無効負荷が、接続された受動アンテナ素子を、（i）基本周波数において反射器とし、同一の無効負荷が高い共振周波数において、接続された受動アンテナ素子を導波器に変え、または（ii）基本周波数において導波器とし、同一の無効負荷が高い共振周波数において、接続された受動アンテナ素子を反射器に変える、指向性アンテナ。
【請求項６】
請求項１において、前記アンテナ素子がモノポールまたはダイポールである指向性アンテナ。
【請求項７】
請求項１において、前記アンテナ素子が、３つ以上の共振に対応する指向性アンテナ。
【請求項８】
請求項１において、アンテナ素子の前記長さおよび間隔が３つ以上の周波数帯域に対応する指向性アンテナ。
【請求項９】
請求項１において、前記アンテナ素子が、基本周波数の整数倍ではない高い共振周波数をサポートする指向性アンテナ。
【請求項１０】
請求項１において、前記アンテナ素子は、前記高い共振周波数が基本周波数の非整数倍となるように構成されている指向性アンテナ。
【請求項１１】
請求項１において、さらに、所望の帯域内の共振を最適化するために、所望の帯域にわたって前記アンテナ・アレイに接続された入力インピーダンスを備え、
前記入力インピーダンスが、折返しアーム、集中インピーダンス素子、誘導性素子、容量性素子、または伝送ライン・セグメントの内の少なくとも１つを有する、指向性アンテナ。
【請求項１２】
請求項１において、前記指向性アンテナが、携帯電話システム、ハンドセット、無線インターネット、ＷＬＡＮ（無線ローカル・エリア・ネットワーク）、アクセス・ポイント、遠隔アダプタ、端末器、リピータ、および802.11ネットワークにおいて利用される、指向性アンテナ。
【請求項１３】
無線通信システムの加入者ユニットで使用する方法であって、
ＲＦ信号を、少なくとも１つの能動アンテナ素子と、この少なくとも１つの能動アンテナ素子に電磁的に結合された少なくとも１つの受動アンテナ素子とを有するアンテナ集合体に供給し、またはこの集合体から受け取り、
アンテナ集合体内の前記少なくとも１つの受動アンテナ素子に電気的に接続された、独立的に選択可能なインピーダンス構成部品のインピーダンス状態を選択することにより、再反射された各ＲＦ信号の位相に影響を与えて、前記少なくとも１つの受動アンテナ素子上の対応する空間高調波電流分布によって発生する少なくとも１つの合成ビームを第１動作周波数帯域または第２動作周波数帯域において生成する、加入者ユニットでの使用方法。
【請求項１４】
請求項１３において、前記第２動作周波数帯域が前記第１動作周波数帯域の第２高調波周波数である、加入者ユニットでの使用方法。
【請求項１５】
請求項１３において、さらに、前記第１動作周波数帯域に対応する合成ビームと、前記第２動作周波数帯域に対応する合成ビームとを同時に方向付ける、加入者ユニットでの使用方法。
【請求項１６】
請求項１３において、前記独立に選択可能なインピーダンス構成部品のインピーダンス状態の選択が、このインピーダンス構成部品に接続されたスイッチを作動する工程を有する、加入者ユニットでの使用方法。
【請求項１７】
請求項１６において、前記インピーダンス状態の選択が、接続された受動アンテナ素子を、（i）前記第１動作周波数帯域において反射性とし、同一のインピーダンス状態が前記接続された受動アンテナ素子を、前記第２動作周波数帯域において導波性とし、または（ii）前記第１動作周波数帯域において導波性とし、同一のインピーダンス状態が前記接続された受動アンテナ素子を、前記第２動作周波数帯域において反射性とする、加入者ユニットでの使用方法。
【請求項１８】
請求項１３において、前記アンテナ素子がモノポールまたはダイポールである、加入者ユニットでの使用方法。
【請求項１９】
請求項１３において、前記独立に選択可能なインピーダンス構成部品のインピーダンス状態の選択が、３つ以上の共振の位相に影響を与える、加入者ユニットでの使用方法。
【請求項２０】
請求項１３において、アンテナ素子の前記長さおよび間隔が３つ以上の動作周波数帯域に対応する、加入者ユニットでの使用方法。
【請求項２１】
請求項１３において、前記第２動作周波数帯域が前記第１動作周波数帯域の非整数倍である、加入者ユニットでの使用方法。
【請求項２２】
請求項１３において、前記アンテナ素子は、前記受動素子の前記第２空間高調波電流分布が前記第１動作周波数帯域の非整数倍となるように構成されている、加入者ユニットでの使用方法。
【請求項２３】
請求項１３において、さらに、前記アンテナ集合体の入力インピーダンスを調整する、加入者ユニットでの使用方法。
【請求項２４】
請求項１３において、携帯電話システム、ハンドセット、無線インターネット、ＷＬＡＮ（無線ローカル・エリア・ネットワーク）、アクセス・ポイント、遠隔アダプタ、端末器、リピータ、および802.11ネットワークにおいて用いられる、加入者ユニットでの使用方法。
【請求項２５】
複数の周波数帯域において動作可能な指向性アンテナであって、
ＲＦ信号を、少なくとも１つの能動アンテナ素子と、この少なくとも１つの能動アンテナ素子に電磁的に結合された複数の受動アンテナ素子とを有するアンテナ集合体に供給し、またはこの集合体から受け取る手段と、
アンテナ集合体内の各受動アンテナ素子に電気的に接続された、独立的に選択可能なインピーダンス構成部品のインピーダンス状態を選択することにより、再反射された各信号の位相に影響を与えて、前記受動アンテナ素子上の対応する空間高調波電流分布によって発生する合成ビームを第１または第２動作周波数帯域において生成する手段と、を備えた指向性アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の周波数帯域で使用可能な指向性アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
無線ネットワークは成熟し、広範囲に利用されるのに伴い、高速データ・レートが提供されている。このような無線ネットワークの一例は、802.11、802.11aまたは802.11bプロトコル（以後は802.11プロトコルと概して称する）を用いるＷＬＡＮ（無線ローカル・エリア・ネットワーク）である。802.11プロトコルは、従来サービスに対しては2.4GHz（802.11b）搬送周波数、新しい高速データ・レート・サービスに対しては5.2GHz（802.11a）および5.7GHz（802.11g）搬送周波数を規定している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
他の無線通信と同様に、無線ネットワーク・アダプタはアンテナに接続される送信機および受信機を有する。アンテナは所定の周波数において最大利得を提供するように設計される。例えば、モノポール・アンテナが2.4GHzにおいて最大効率で作動するように設計されているならば、このアンテナは5GHzにおける最適動作をサポートしない。同様に、指向性アンテナが5GHzにおいて最大効率で作動するように設計されているならば、2.4GHz（802.11）との後方互換性が損なわれている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
複数の無線ネットワーク搬送周波数に対する適合性を有することに関する問題に対処するため、本発明の指向性アンテナは、複数の動作周波数において高い利得および指向性を提供する。この方法では、本発明の指向性アンテナを使用するシステムは、複数の無線システムに適合し、802.11のＷＬＡＮシステムの場合には、2.4GHzおよび5GHz搬送周波数における適合性を提供することにより、後方および前方互換性を実現する。
【０００５】
指向性アンテナは広範囲の具現化が可能で、間隔、長さ、アンテナ構造、グラウンドへの無効結合、およびグラウンド平面構成が複数の周波数サポートを実現する諸要素の例である。少なくとも１つの能動アンテナ素子に従動的に（parasitically）結合される受動素子の複数の空間高調波電流分布を利用して、複数の周波数帯域動作を実現する。
【０００６】
一実施形態では、本発明の指向性アンテナは、複数の周波数帯域で作動でき、１つの能動アンテナ素子と、この能動アンテナ素子に従動的に結合される少なくとも１つの受動素子とを有する。受動アンテナ素子は、（i）能動アンテナ素子の基本周波数、または（ii）基本周波数に関連する高い共振周波数で選択的に動作するように、実質的に最適化された長さおよび間隔を有する。高い共振周波数は基本周波数の第２高調波であってもよい。
【０００７】
指向性アンテナはまた、受動アンテナ素子に結合された装置を有することにより、基本周波数または基本周波数よりも高い共振周波数の信号を能動アンテナ素子に供給して生成されるアンテナ・ビームを方向付け、これにより複数の周波数帯域での作動が可能になる。
【０００８】
指向性アンテナは、基本周波数および高い共振周波数におけるアンテナ・ビームを同時に方向付けることができる。
【０００９】
指向性アンテナはさらに、受動アンテナ素子とグラウンド平板との間をスイッチで結合する無効負荷素子を有してもよい。無効負荷素子を受動アンテナ素子に接続して、結合された受動アンテナ素子を基本周波数において反射器とすることができる。同一の無効負荷素子が、接続された受動アンテナ素子を高い共振周波数において導波器に変えることができる。正反対の状態が、無効負荷素子によって達成されてもよい。
【００１０】
アンテナ素子はモノポールまたはダイポールであってもよい。さらに、アンテナ素子を２次元および３次元素子として、３つ以上の共振周波数に対応するようにできる。さらにアンテナ素子は、３つ以上の周波数帯域をサポートできる長さおよび間隔を有することができる。さらにアンテナ素子は、基本周波数の整数倍ではない高い共振周波数をサポートする素子にできる。
【００１１】
アンテナ素子は、高い共振周波数が基本周波数の非整数倍となるように構成することができる。指向性アンテナはさらに、所望の帯域全体にわたりアレイに結合される入力インピーダンスを有し、最適化手法を用いて最適化できる。この最適化手法には、適当な厚みの折返しアームをアンテナ素子に追加すること、集中インピーダンス素子を使用すること、伝送ライン・セグメントを使用すること、またはこれら最適化手法の組合せが挙げられる。
【００１２】
指向性アンテナは、携帯電話システム、ハンドセット、無線インターネット、ＷＬＡＮ（無線ローカル・エリア・ネットワーク）、アクセス・ポイント、遠隔アダプタ、リピータ、および802.11ネットワークにおいて利用できる。
【００１３】
本発明の前述およびその他の目的、特徴、および利点は、添付図面に示す本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明で明らかになるであろう。図面では、同一参照符号は異なる図面においても同一部品を指す。図面は必ずしも縮尺通りではなく、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
【００１５】
図１は無線ネットワークの一例の概略図であり、このネットワークにおいて、本発明の実施形態の指向性を有し、複数の周波数帯域のアンテナを利用できる。無線ネットワークは配信システム（distribution system）１０５を有するＷＬＡＮ（無線ローカル・エリア・ネットワーク）１００である。アクセス・ポイント１１０ａ，１１０ｂおよび１１０ｃは有線接続により配信システム１０５に接続されている。アクセス・ポイント１１０のそれぞれは対応するゾーン１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃを有し、各ゾーン内では端末１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃそれぞれとＲＦ信号の送信および受信が可能である。これら端末は、配信システム１０５にアクセスするように、無線ローカル・エリア・ネットワークのハードウェアおよびソフトウェアによってサポートされている。
【００１６】
本発明の手法はアクセス・ポイント１１０および端末１２０にアンテナのダイバーシティを提供する。２つのアンテナの内の１つを選択する能力を持つアクセス・ポイント１１０および端末１２０は、アンテナのダイバーシティによって、受け取った信号の品質に基づいて送信および受信機能を遂行できる。２つのアンテナの内の一方のアンテナを選択するのは、マルチパス・フェージングが発生する場合である。このフェージングでは、アンテナまでの２つの異なる経路を取る信号は、一方のアンテナでは打消し合いが生じるが、他方のアンテナではこれが発生しない。別の例では、同一のアンテナで受信した２つの異なる信号によって干渉が発生する場合がある。２つのアンテナの内の一方を選択するさらに別の理由は、例えば端末１２０ｃが第３ゾーン１１５ｃから第１および第２ゾーン１２０ａ，１２０ｂにそれぞれ移動したときのような環境変化に起因するものである。
【００１７】
ＷＬＡＮ１００では、アクセス・ポイントＡおよびＣは従来の2.4GHz搬送周波数の802.11プロトコルを使用する。しかしアクセス・ポイントＢは、新しい広帯域の5GHz搬送周波数の802.11プロトコルを使用する。これは、端末１２０ｃが第３ゾーン１１５ｃから第２ゾーン１１５ｂに移動する場合、ダイバーシティ経路を提供するアンテナが第１および第３ゾーンそれぞれの2.4GHz搬送周波数に対して設計されているならば、このアンテナが第２ゾーン１１５ｂ内で最大利得を実現するのに適合しないことを意味する。同様に、アンテナが5GHzで作動するように設計されているならば、このアンテナは2.4GHzゾーンＡおよびＣ内では最大利得を実現しない。いずれの場合も、アンテナが「元来」ゾーンにないときは、アンテナ設計に起因してデータ転送速度は低下する。さらに、アンテナのダイバーシティを一般に使用するモノポール・アンテナは、全方向性ビーム・パターンが固定利得を有するという不利な条件において開始される。
【００１８】
アンテナのダイバーシティを実現する単純なモノポール・アンテナとは異なり、指向性アンテナは、アンテナ・アレイと呼ばれることもある。このようなアレイを用いることにより、アンテナ・ビームを方向付けて特定の方向において最大利得を得ることができる。2001年5月16日出願の、米国特許出願第09/859,001号の発明の名称「無線通信システムに使用するアダプティブ・アンテナ」（代理人ファイル番号2479.2042-001）に開示されているように、あるタイプのアンテナ・アレイは、受動１／４波長モノポールまたは半波長ダイポール・アンテナ素子がその１次共振近くにあるとき、負荷条件を変更することによりアンテナは反射性または導波性を有するものとなる、という特性を利用する。前記特許出願の全内容は参照により本明細書に引用したものとする。能動および受動素子の両方が長ければ、指向性利得は向上する。
【００１９】
本発明が提案する概念は、第２空間高調波共振のような空間高調波共振の近傍において、半波長モノポールまたは全波長ダイポールのように受動素子が長い場合、この受動素子が反射性または導波性を有するものとなり、複数の周波数帯域で作動するようにできることである。
【００２０】
空間高調波近傍での共振の概念を用いることにより、本発明の原理を用いる直線状、円形状または他の形状のアンテナ・アレイは、非共振指向性アンテナに比べて50%以上の3dB帯域幅を有し、約２倍の指向性利得を得ることができる。第１共振（すなわち、2.4GHzのような基本周波数における共振）に追加される場合、全体帯域幅は２つの別個の側波帯において１オクターブよりも広い範囲を十分にカバーする。
【００２１】
このように、引き続き図１を参照すると、第３端末１２０ｃが第３ゾーン１１５ｃから第２ゾーン１１５ｂを経て第１ゾーン１１５ａに移動する場合、移動の間にわたり、配信システム１０５に対するシームレスな無線コネクションを維持して高いアンテナ利得を享受する。このシームレスな無線コネクションは、第３端末１２０ｃが2.4GHzの802.11から5GHzの802.11に移動し、さらに2.4GHzの802.11に戻る場合においても、アクセス・ポイントＣ，ＢおよびＡとのコネクション（この順番で）を介して維持される。
【００２２】
図２Ａは第１端末１２０ａの等角図であり、この端末はそのシャーシの外側にある円形アレイで構成された指向性アンテナ・アレイ２００を使用する。別の実施形態では、指向性アンテナ・アレイ２００は第１端末１２０ａの内部に設置されたＰＣＭＣＩＡカード上に配置できる。いずれの実施形態においても、指向性アンテナ・アレイ２００は５つのモノポール受動アンテナ素子２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃ，２０５ｄおよび２０５ｅ（まとめて受動アンテナ素子２０５）と、少なくとも１つの能動アンテナ素子２０６とを有する。別の実施形態では、指向性アンテナ・アレイ２００は、少なくとも１つの能動アンテナ素子に従動的に結合されたわずか１つの受動アンテナ素子を有してもよい。指向性アンテナ・アレイ２００はＵＳＢ（ユニバーサル・システム・バス）ポート２１５を介して端末１２０ａに接続される。
【００２３】
指向性アンテナ・アレイ２００中の受動アンテナ素子２０５を従動的に能動アンテナ素子２０６に結合することにより、指向性アンテナ・アレイ２００を走査できる。走査により、指向性アンテナ・アレイ２００の少なくとも１つのアンテナ・ビームを、受動アンテナ素子２０５の数に応じた増分を単位として360度回転させることができることになる。走査角度を決定する例としての手法は、例えば各走査角度でビーコン信号をサンプリングし、最大の信号対雑音比を示す角度を選択する。別の実施手法も利用でき、さらに、最良の走査角度を決定するより高性能の技術を指向性アンテナ・アレイ２００と組み合わせて利用することもできる。
【００２４】
指向性アンテナ・アレイ２００をまた、全方向モードで用いて、全方向アンテナ・パターン（図示せず）を提供することもできる。送信に先立つキャリア検知のために、端末１２０は全方向パターンを用いてもよい。端末１２０はまた、アクセス・ポイント１１０との間で送受信するとき、選択された指向性アンテナを使用してもよい。「特別な」ネットワークにおいて、端末１２０は他のあらゆる端末１２０と通信する可能性があるため、端末１２０は全方向−単独方向のアンテナ構成（omni-only antenna configuration）に戻ることができる。
【００２５】
走査特性に加えて、指向性アンテナ・アレイ２００は2.4ＧＨｚのビーム２２０ａおよび5ＧＨｚのビーム２２０ｂ（まとめて、ビーム２２０）を提供できる。ビーム２２０は同時または異なる時間に発生できる。ビームの発生はアンテナ長さおよび間隔を適切に選択することによりサポートされる。別の要因もまた、例えば接地、入力インピーダンス、アンテナ素子形状等のような要因がデュアル・ビーム性能に影響する。なお、2.4GHzおよび5GHzは単に例示のための周波数であり、さらに基本周波数の整数倍または非整数倍の組み合わせは、本発明の原理に従う適切な設計選択によって可能になることは理解されるべきである。
【００２６】
図２Ｂは、前述の受動アンテナ素子２０５および能動アンテナ素子２０６を有する指向性アンテナ・アレイ２００の詳細図である。指向性アンテナ・アレイ２００はまた、グラウンド平板３３０を有し、この平板に、図２Ｃを参照して以下に説明するように、受動アンテナ素子が電気的に結合されている。
【００２７】
指向性アンテナ・アレイ２００は、アンテナ素子２０５ａおよび２０５ｅから傾斜して離れた2.4GHzの802.11ＷＬＡＮに対するアンテナ・ローブのような指向性アンテナ・ローブを提供する。これは、アンテナ素子２０５ａおよび２０５ｅが「反射」すなわち「指向性」モードにあり、アンテナ素子２０５ｂ，２０５ｃおよび２０５ｄが「透過」モードにあることを意味する。言い換えると、受動アンテナ素子２０５および能動アンテナ素子２０６との間の相互結合により、指向性アンテナ・アレイ２００が指向性アンテナ・ローブ２２０ａを走査可能になり、この事例では、ローブは受動アンテナ素子２０５が設定されているモードの結果として示されるように方向付けられる。受動アンテナ素子２０５の異なるモードの組み合わせにより、さまざまなアンテナ・ローブ２２０ａパターンおよび角度が生じる。
【００２８】
図２Ｃは、反射モードまたは透過モードに受動アンテナ素子２０５を設定するのに使用する回路すなわち装置の例の概略図である。反射モードは「長い」破線３０５で示され、透過すなわち導波モードは「短い」破線３１０で示される。表示の破線３０５および３１０は、誘導性素子３２０または容量性素子３２５をそれぞれ介してグラウンド平板３３０に受動アンテナ素子２０５ａを接続することにより得られる。誘導性素子３２０または容量性素子３２５を介する受動アンテナ素子２０５ａの接続はスイッチ３１５によりなされる。スイッチは、ここでのＲＦ用途に適する方法で、受動アンテナ素子２０５ａをグラウンド平板３３０に結合できる機械的または電気的スイッチであってもよい。スイッチ３１５は、一般的なスイッチ制御方法における制御信号３３５により設定される。
【００２９】
インダクタ３２０を通してグラウンド平板３３０に結合されると、受動アンテナ素子２０５ａは長い破線３０５で示されるように、実質的に長く延びる。これは、能動アンテナ素子２０６との相互結合により受動アンテナ素子２０５ａに結合されるＲＦ信号用の「背板」を提供すると考えることができる。図２Ｂの場合には、受動アンテナ素子２０５ａと２０５ｅの両方がそれぞれの誘導性素子３２０を通してグラウンド平板３３０に接続される。同時に、図２Ｂの例では、別の受動アンテナ素子２０５ｂ，２０５ｃおよび２０５ｄがそれぞれの容量素子３２５を通してグラウンド平板３３０に電気的に接続される。容量性結合は短い破線３１０で示すように受動アンテナ素子を実質的に短くする。すべての受動アンテナ素子２０５を容量性結合することにより、指向性アンテナ・アレイ２００は実質的に全方向アンテナとなる。
【００３０】
なお、受動アンテナ素子２０５とグラウンド平板の間に、例えば遅延線および集中インピーダンスのような別の結合技術を用いることもできる。
【００３１】
図３は、複数周波数のビーム走査の概念を説明するのに用いる３つのダイポール・アレイ３００の概略図である。中心の能動半波長ダイポールＤが発電機Ｇにより給電される。ダイポールＤの物理的全体長さは実線で示される。同じく実線で示される、能動ダイポールＤの両側の２つのダイポールＤ１およびＤ２はリアクタすなわちインピーダンスＸ１およびＸ２の負荷を有する。リアクタＸ１およびＸ２の値は１つのダイポール（例えばＤ１）を反射性とし、他方のダイポール（例えばＤ２）を導波性とすることにより、アンテナ・アレイ３００を伝統的な八木アレイと同様に機能させる。
【００３２】
３つのアンテナＤ，Ｄ１，Ｄ２が、破線で示すように長くなった場合（すなわち、長さが周波数に比例して拡大縮小される）、アンテナは第２共振に近くなり、各アンテナの電気的全体長さはほぼ全波になる。この場合もダイポールＤ１およびＤ２は同一負荷Ｘ１およびＸ２を伴い、反射性および導波性を有する。第２高調波共振に達したことの表示は、第１共振と異なるインピーダンス特性を有する第２高調波共振に起因して、反射器と導波器の位置が入れ替わることで明らかになる。
【００３３】
図４Ａは受動アンテナ素子Ｄ１，Ｄ２上の空間高調波電流分布の概略図である。基本周波数の空間高調波電流分布４０５はアンテナ素子に沿って単一ピークを有する。第２空間高調波電流分布４１０はアンテナ素子に沿って２つのピークを有する。第３高調波空間電流分布（図示せず）は３つのピークを有する（以下同様である）。
【００３４】
図４Ｂは、搬送周波数範囲を送信する能動アンテナ素子２０６との従動的結合によって生じる、受動アンテナ素子Ｄ１、Ｄ２の特性のグラフである。実軸との各交点において、受動アンテナは共振する。合成ビーム（例えば、図２のビーム２２０ａ，２２０ｂ）の生成に対して実質的な効果を与える形で受動アンテナ素子が共振する範囲は、実軸交点の±５％である。
【００３５】
図５は、本発明の原理を用いる別のモノポール・アレイ５００の概略図である。モノポール・アレイ５００は能動アンテナＤならびに受動アンテナＤ１およびＤ２を有する。グラウンド平板５０５は垂直であり、受動モノポール・アンテナ素子Ｄ１，Ｄ２を投影する平衡共振構造（balanced resonant structure）を形成する形状である。受動アンテナ素子Ｄ１およびＤ２は能動アンテナ素子Ｄに従動的に結合され、それぞれインピーダンス素子Ｘ１，Ｘ２を介してグラウンド平板５０５に電気的に接続されている。受動アンテナ素子Ｄ１，Ｄ２のグラウンド５０５への電気的な接続は、対応するスイッチ（図示せず）の状態を切り換えることによりなされる。さらに、インピーダンスＸ１およびＸ２は電気的に調整可能である。
【００３６】
作動においては、モノポール・アレイ５００は、能動アンテナ素子Ｄによって送信される搬送波信号（例えば、2.4GHzまたは5GHz）を再放射することによりアンテナ・ビームを誘導して、合成ビーム（ビーム２２０ａおよび２２０ｂ）を生成する。図６に示すように、再放射は進行性と考えられ、共振する受動および能動アンテナ素子のパターンにより生成される。
【００３７】
図６を参照して、指向性アンテナ２００は左から右に移動する進行位相である。進行位相共振過程は以下のように発生する。すなわち、能動アンテナＤは搬送周波数（例えば基本または第２高調波周波数）で共振し、反射受動アンテナ素子Ｄ１はこれと同一周波数で共振し、能動アンテナ素子Ｄは反射受動アンテナ素子Ｄ１で発生する電磁波が通過する際に共振を継続し、これにより、導波受動アンテナＤ２が共振する。ＲＦ波６０５ａ，６０５ｂおよび６０５ｃはこの順序で発生し、その結果生じる合成ビーム（例えば、図２のビーム２２０ａ）は矢印６１０の方向に誘導される。一般に、能動アンテナ素子Ｄを受動アンテナ素子Ｄ１およびＤ２よりも短くすることにより、再放射ビームとの干渉を少なくできるという利点がある。
【００３８】
図７は、図５のモノポール・アレイをリング・アレイに配置した例である。生成される合成ビーム（図８Ａ，８Ｂ，９Ａおよび９Ｂを参照して説明される）は、インピーダンス素子Ｘ１〜Ｘ６に割り当てられた値を回転させることにより、方位角方向（水平方向）に走査できる。
【００３９】
このモノポール・リング・アレイ７００の例のシミュレーションの結果は以下のとおりである。この例のモノポール・リング・アレイ７００は、直径1.3インチ（33mm）×高さ1.72インチ（44mm）の全体寸法を有する。連続する受動素子の半分は3Ωの負荷を有し（一般に、短絡したスイッチの短絡回路抵抗）、残りの３素子は3+j600Ωの負荷を有する。
【００４０】
シミュレーションにより生成される5GHzにおける主な平面パターンは、図８Ａおよび８Ｂにプロットされている。仰角「切断」は右側にあり（図８Ａ）、方位角「切断」は左側にある（図８Ｂ）。シミュレーションにより示されるように、これらの切断は3.4GHz〜5.7GHzの範囲全体を通して同一の一般的形状を維持する。この帯域の通信可能範囲は50％であり、これはフェーズド・ダイポール・アレイとしては極めて広いと考えられる。この帯域内の指向性は7+dBi〜9+dBiであり、これもまた極めて優れている。
【００４１】
図９Ａおよび９Ｂには、2GHzにおいてシミュレーションされた放射パターンが示されている。θの関数としての仰角パターンは右側であり（図９Ｂ）、θ＝60°でのビームの円錐切断は左側である（図９Ａ）。指向性は約3dBiである。２つの周波数における方位角パターンの間の明瞭な差はビーム方向であり、この場合、2GHzビームは南を指し、5GHzビームは北を指す。これは異なる２つのモードが存在することを示している。5GHz帯域では、アンテナ・アレイは2GHzに比べて電気的に大きく、したがって、アレイ利得の上限は極めて大きい。この特定例についてシミュレーションされた利得差は5.5dBである。5GHz帯域の3dB帯域幅は広く、50％以上である。この理由は、異なる２つの利得最適化が作用しているからである。１つは素子共振ピークであり、もう１つはアレイ・ピークである。この２つのピークを、周波数でずらすことにより、帯域幅を拡大できる。
【００４２】
図１０は対数目盛で示した、アンテナ利得のプロットであり、性能は周波数において容易に拡大できる。図の指向性プロットは、シミュレーションされた２つのモデル、すなわち円形リング・アレイ７００の直径1.3インチ（33mm）および1.7インチ（44mm）それぞれのモデルに対して示されている。第１モデルはＩＥＥＥ801.11bおよび802.11aのＷＬＡＮ周波数で目盛上に示されており、指向性はそれぞれ、2.9および7.1dBiである。第２モデルの方が性能的に優れている。目盛で示されるように、指向性はそれぞれ、3.5および8.2〜8.7dBiである。この構成を用いると、802.11の全帯域を１つのアンテナ・アレイでカバーできる。別の構成では、他の無線ネットワークの帯域をカバーできる。この場合、搬送周波数は相互に実質的に高調波であるか、または搬送周波数は整数倍の高調波ではないが、指向性アンテナ・アレイは、非整数倍高調波共振をサポートするように設計されている。
【００４３】
能動アンテナ素子の入力インピーダンスは、折返しモノポール手法を用いて整合される。折返しモノポール手法を用いる場合、折返しアーム（図示せず）が、モノポール・アンテナ素子に並列に加えられ、グラウンドに分岐される。折返しアームは入力インピーダンスの倍率として作用する。折返しアームの厚みを変更すると前記倍率も変化する。さらに、アンテナ・アレイがカバーする主要帯域幅にわたる不可避な変動を補償するのに必要な整合は、無効構成部品を追加することにより得られる。伝送ライン・セグメントを使用して、インピーダンス整合を実現できる。これは、ラインを形成するのに、既に配置された回路基板を利用するという利点がある。任意の２つの組合せまたは３つの手法のすべてが利用可能であり、広帯域にわたる整合を最適化するために必要とされることもある。グラウンド平板は垂直である必要ななく、部分的に水平または全体が水平であってもよい。
【００４４】
本発明の指向性アンテナを用いるシステムは、前述のリング・アレイのような電気的に走査される受動アレイを利用することにより、デュアル・バンド動作を実現する。２つ（またはそれ以上）の帯域はオクターブよりも大きく隔てて分離される。この手法は広帯域走査アレイが必要な場合にも利用できる。広帯域用途では、従来技術を利用する同等の第１共振アレイの２倍の利得を提供する。このように、デュアル・バンドおよび広い上側帯域は、従来技術の第１共振アレイと同一タイプのアンテナおよび電子部品によってサポートでき、コストが大きくなることはない。
【００４５】
本発明を好ましい実施形態により図示し、説明してきたが、当業者には、添付の特許請求の範囲の請求項に定義された本発明の範囲から逸脱することなく、形態または細部に各種の変更を加えるのが可能であることは理解されるであろう。
【００４６】
例として、アンテナ素子はモノポールまたはダイポールである必要はない。これらは主共振の範囲を超える共振をサポートする別のタイプであってもよい。同様にアレイ素子の間隔は第２高調波だけに限定されず、第３高調波またはそれ以上の高調波であってもよい。
【００４７】
実際のアンテナ素子共振は基本周波数の整数倍でなくてもよく、２次元または３次元形状を用いて実現してもよい。素子のタイプを選択し、かつ素子形状を調整することによってこの特性を活用して、必要な帯域分離の所望の周波数帯域内で共振を得ることができる。同様の理由で、アレイ素子の高調波間隔は必ずしも連続する整数倍が続く必要はない。これは、アレイが２次元円形構造である場合に、アレイ自体の連続する固有共振を持たないからである。アレイ構造の最適化は、素子から素子への進行位相を生成することにより、波がほぼ一方向に伝播して指向性ビームを形成することである。高調波間隔のこの特性はまた、周波数帯域の最適化に柔軟性をもたらす。
【００４８】
なお、本発明の指向性アンテナは、ハンドセット、アクセス・ポイント、およびリピータなどのさまざまな無線電子装置によって用いられるものであり、また、携帯電話システム、無線インターネット、ＷＬＡＮ（無線ローカル・エリア・ネットワーク）、および802.11ネットワークなどのネットワークにおいて利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】802.11 ＷＬＡＮ（無線ローカル・エリア・ネットワーク）のような無線ネットワークの概略図であり、このネットワークにおいて本発明の指向性アンテナを利用できる。
【図２Ａ】図１のＷＬＡＮで作動するように指向性アンテナのモノポール実施形態を用いる無線端末の図である。
【図２Ｂ】図２Ａの指向性アンテナの等角図である。
【図２Ｃ】図２Ｂのアンテナ素子の位相を変更するのに用いられる無効負荷およびスイッチの例の概略図である。
【図３】図２Ａの指向性アンテナの別の実施形態を形成している、３つのダイポールの直線アレイの図である。
【図４Ａ】図２Ａの指向性アンテナの別の実施形態で使用されるダイポール・アンテナの空間周波数電流分布図である。
【図４Ｂ】図４Ａのアンテナ素子の共振点を示す周波数グラフである。
【図５】図３の指向性アンテナの変形形態であり、ダイポールの下半分を共通グラウンドに接続している。
【図６】図３の指向性アンテナのダイポール実施形態およびそれらの再放射の図である。
【図７】図５の指向性アンテナのリング・アレイ実施形態の等角図である。
【図８Ａ】図７の指向性アンテナの5GHzにおける仰角放射パターン図である。
【図８Ｂ】図７の指向性アンテナの5GHzにおける方位角放射パターン図である。
【図９Ａ】図７の指向性アンテナの2GHzにおける仰角放射パターン図である。
【図９Ｂ】図７の指向性アンテナの2ＧＨｚにおける方位角放射パターン図である。
【図１０】図７の指向性アンテナの指向性を示す利得グラフである。
【符号の説明】
【００５０】
２００  指向性アンテナ
２０５  受動アンテナ素子
２０６  能動アンテナ素子
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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