(57)【要約】アンテナの下方領域に位置決めされた第１の導電素子と、アンテナの上方領域で第１の導電素子（９０２）の上に位置決めされた第２の導電素子（９０６）とを備えるアンテナ（９００）。導電素子の一方は、信号を送受信する能動素子（９０６）であり、他方の素子は、接地素子（９０２）である。
2005526434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナの下方領域に位置決めされた第１の導電素子と、
前記第１の導電素子の上の前記アンテナの上方領域に位置決めされた第２の導電素子とを備えたアンテナであって、
前記第１および第２の導電素子の一方は、信号を送受信する能動素子であり、他方の素子は、接地素子であることを特徴とするアンテナ。
【請求項２】
前記第１の導電素子は、接地素子であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記第２の導電素子は、前記アンテナを伝送線に結合し易くするためのフィードストリップに結合されたセンターフィードを含むことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ。
【請求項４】
前記第２の導電素子は、接地素子であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
【請求項５】
前記第１の導電素子は、エンドフィードを含むことを特徴とする請求項４に記載のアンテナ。
【請求項６】
前記接地素子は、接地面に結合されたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
【請求項７】
前記第１の導電素子は、接地素子であることを特徴とする請求項６に記載のアンテナ。
【請求項８】
前記第２の導電素子は、前記アンテナを伝送線に結合し易くするためのフィードストリップに結合されたセンターフィードを含むことを特徴とする請求項７に記載のアンテナ。
【請求項９】
前記第２の導電素子は、接地素子であることを特徴とする請求項６に記載のアンテナ。
【請求項１０】
前記第１の導電素子は、エンドフィードを含むことを特徴とする請求項９に記載のアンテナ。
【請求項１１】
前記接地面は、プレーナであることを特徴とする請求項６に記載のアンテナ。
【請求項１２】
前記接地面は、前記第１および第２の導電素子に対してほぼ平行に位置決めされたことを特徴とする請求項１１に記載のアンテナ。
【請求項１３】
前記接地面は、前記第１および第２の導電素子に対してほぼ垂直に位置決めされたことを特徴とする請求項１１に記載のアンテナ。
【請求項１４】
前記接地面は、円錐形であり、前記円錐表面の頂点が前記接地素子および能動素子の近位に位置決めされ、前記表面の底部が前記接地素子および能動素子から遠位に位置決めされたことを特徴とする請求項６に記載のアンテナ。
【請求項１５】
基板をさらに備え、前記第１および第２の導電素子が前記基板上に位置決めされたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
【請求項１６】
前記第１および第２の導電素子は、前記基板の同じ側に位置決めされたことを特徴とする請求項１５に記載のアンテナ。
【請求項１７】
前記第１および第２の導電素子は、前記基板の反対側に位置決めされたことを特徴とする請求項１５に記載のアンテナ。
【請求項１８】
前記基板は、誘電材料で作られたことを特徴とする請求項１５に記載のアンテナ。
【請求項１９】
前記第１および第２の素子は、導電金属で作られたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
【請求項２０】
前記能動素子は、ピーク利得が前記接地素子によってほぼアースの水平線に沿って向けられたアンテナパターンを有する信号を送受信することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
【請求項２１】
前記ピーク利得は、水平線から上に約１０°の角度に向けられたことを特徴とする請求項２０に記載のアンテナ。
【請求項２２】
前記第１および第２の導電素子は、プレーナであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
【請求項２３】
基板と、
前記基板上でアンテナの下方領域に位置決めされた第１の導電素子と、
前記基板上で前記第１の導電素子の上の前記アンテナの上方領域に位置決めされた第２の導電素子とを備えたアンテナであって、
前記第１と第２の導電素子の一方は、信号を送受信する能動素子であり、他方の素子は、接地素子であることを特徴とするアンテナ。
【請求項２４】
前記能動素子および接地素子は、前記基板の対面に位置決めされたことを特徴とする請求項２３に記載のアンテナ。
【請求項２５】
前記第１の導電素子は、接地素子であることを特徴とする請求項２４に記載のアンテナ。
【請求項２６】
前記第２の導電素子は、前記アンテナを伝送線に結合し易くするためのフィードストリップに結合されたセンターフィードを含むことを特徴とする請求項２５に記載のアンテナ。
【請求項２７】
前記第２の導電素子は、接地素子であることを特徴とする請求項２４に記載のアンテナ。
【請求項２８】
前記第１の導電素子は、エンドフィードを含むことを特徴とする請求項２７に記載のアンテナ。
【請求項２９】
前記接地素子は、接地面に結合されたことを特徴とする請求項２４に記載のアンテナ。
【請求項３０】
前記第１の導電素子は、接地素子であることを特徴とする請求項２９に記載のアンテナ。
【請求項３１】
前記第２の導電素子は、前記アンテナを伝送線に結合し易くするためのフィードストリップに結合されたセンターフィードを含むことを特徴とする請求項３０に記載のアンテナ。
【請求項３２】
前記第２の導電素子は、接地素子であることを特徴とする請求項２９に記載のアンテナ。
【請求項３３】
前記第１の導電素子は、エンドフィードを含むことを特徴とする請求項３２に記載のアンテナ。
【請求項３４】
前記接地面は、プレーナであることを特徴とする請求項２９に記載のアンテナ。
【請求項３５】
前記接地面は、前記第１および第２の導電素子に対してほぼ平行に位置決めされたことを特徴とする請求項３４に記載のアンテナ。
【請求項３６】
前記接地面は、前記第１および第２の導電素子に対してほぼ垂直に位置決めされたことを特徴とする請求項３４に記載のアンテナ。
【請求項３７】
前記接地面は、円錐形であり、前記円錐表面の頂点が前記接地素子および能動素子の近位に位置決めされ、前記表面の底部が前記接地素子および能動素子から遠位に位置決めされたことを特徴とする請求項２９に記載のアンテナ。
【請求項３８】
前記第１および第２の素子は、前記基板の同じ側に位置決めされたことを特徴とする請求項２３に記載のアンテナ。
【請求項３９】
前記第１の素子は、接地素子であることを特徴とする請求項３８に記載のアンテナ。
【請求項４０】
前記第２の導電素子は、前記アンテナを伝送線に結合し易くするためのフィードストリップに結合されたセンターフィードを含むことを特徴とする請求項３９に記載のアンテナ。
【請求項４１】
前記第２の導電素子は、接地素子であることを特徴とする請求項３８に記載のアンテナ。
【請求項４２】
前記第１の導電素子は、エンドフィードを含むことを特徴とする請求項４１に記載のアンテナ。
【請求項４３】
前記接地素子は、接地面に結合されたことを特徴とする請求項３８に記載のアンテナ。
【請求項４４】
前記第１の導電素子は、接地素子であることを特徴とする請求項４３に記載のアンテナ。
【請求項４５】
前記第２の導電素子は、前記アンテナを伝送線に結合し易くするためのフィードストリップに結合されたセンターフィードを含むことを特徴とする請求項４４に記載のアンテナ。
【請求項４６】
前記第２の導電素子は、接地素子であることを特徴とする請求項４５に記載のアンテナ。
【請求項４７】
前記第１の導電素子は、エンドフィードを含むことを特徴とする請求項４６に記載のアンテナ。
【請求項４８】
前記接地面は、プレーナであることを特徴とする請求項４３に記載のアンテナ。
【請求項４９】
前記接地面は、前記第１および第２の導電素子に対してほぼ平行に位置決めされたことを特徴とする請求項４８に記載のアンテナ。
【請求項５０】
前記接地面は、前記第１および第２の導電素子に対してほぼ垂直に位置決めされたことを特徴とする請求項４８に記載のアンテナ。
【請求項５１】
前記接地面は、円錐形であり、前記円錐表面の頂点が前記接地素子および能動素子の近位に位置決めされ、前記表面の底部が前記接地素子および能動素子から遠位に位置決めされたことを特徴とする請求項４３に記載のアンテナ。
【請求項５２】
前記能動素子は、ピーク利得が前記接地素子によってほぼアースの水平線に沿って向けられたアンテナパターンを有する信号を送受信することを特徴とする請求項２３に記載のアンテナ。
【請求項５３】
前記ピーク利得は、水平線から上に約１０°の角度に向けられたことを特徴とする請求項５２に記載のアンテナ。
【請求項５４】
前記第１および第２の導電素子は、プレーナであることを特徴とする請求項２３に記載のアンテナ。
【請求項５５】
前記基板は、誘電材料で作られたことを特徴とする請求項２３に記載のアンテナ。
【請求項５６】
前記第１および第２の素子は、導電金属で作られたことを特徴とする請求項２３に記載のアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アレイアプリケーションのアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）通信システムを使用して、基地局と１つまたは複数の加入者ユニットとの間で無線通信を提供することができる。基地局は通常、地上ベースの公衆交換電話ネットワーク（ＰＳＴＮ）に相互接続されるコンピュータ制御の１組のスイッチングトランシーバである。基地局は、フォワードリンク無線周波数信号を移動加入者ユニットに送信するためのアンテナ装置を備える。基地局アンテナは、各移動ユニットから送信されたリバースリンク無線周波数信号を受信することも担う。各移動加入者ユニットもまた、フォワードリンク信号を受信しリバースリンク信号を送信するためのアンテナ装置を備える。代表的な移動加入者ユニットは、デジタルセルラ電話ハンドセット、または無線セルラモデムに結合されたパーソナルコンピュータである。
【０００３】
移動加入者ユニットで信号を送受信するのに使用される最も一般的なタイプのアンテナは、全方位モノポールアンテナである。このタイプのアンテナは、加入者ユニット内のトランシーバに結合された単一のワイヤまたはアンテナ素子で構成される。トランシーバは、加入者ユニット内の回路から伝送されるリバースリンク信号を受け取り、これらの信号をこの加入者ユニットに割り当てられた指定の周波数でアンテナ素子上に変調する。指定の周波数でアンテナ素子によって受信されたフォワードリンク信号は、トランシーバによって復調され、加入者ユニット内の処理回路に供給される。ＣＤＭＡセルラシステムでは、複数の移動加入者ユニットが、同じ周波数上の信号を送受信することができ、符号化アルゴリズムを使用して、個々の加入者ユニットに向けられたシグナリング情報をユニットベースごとに検出することができる。
【０００４】
モノポールアンテナから送信される送信信号は、性質上、全方位である。すなわち、信号は、概ね水平な面においてすべての方向に同じ信号強度で送信される。モノポールアンテナ素子での信号の受信も、同様に全方位である。モノポールアンテナは、ある方向の信号の検出と、別の方向からくる同じまたは異なる信号の検出とを区別する能力がない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
無線通信システムの移動加入者ユニット上で使用される先行技術のアンテナには、様々な問題が内在する。通常、走査機能を有するアンテナアレイは、グランドプレーンの上に位置するいくつかのアンテナ素子で構成される。加入者ユニットが携帯性の要件を満たすためには、グランドプレーンは物理的に小さくなければならない。例えば、セルラ通信のアプリケーションでは、グランドプレーンは通常、送受信される信号の波長よりも小さい。この小さなグランドプレーンと、通常はモノポール素子であるアンテナ素子との間の相互作用のために、アレイによって形成されるビームのピーク強度は、ビームそれ自体が水平線に沿って向けられているにもかかわらず、そのピーク強度は水平線から上に、例えば約３０°上がる。それに対応して、水平線に沿ったビームの強度は、ピーク強度よりも約３ｄｂ低くなる。一般に、加入者ユニットは基地局から遠くに位置し、そのため加入者ユニットと基地局との間の入射角はほぼ０になる。グランドプレーンは、ピークビームを水平線の方に下げることができるためには、送信／受信信号の波長よりもかなり大きくなければならないであろう。例えば、８００ＭＨｚのシステムでは、グランドプレーンは直径１４インチ（３５．５６ｃｍ）よりもかなり大きくなければならず、約１９００ＭＨｚで動作するＰＣＳシステムでは、グランドプレーンは直径約６．５インチ（１６．５１ｃｍ）よりもかなり大きくなければならないであろう。このように大きいサイズのグランドプレーンは、加入者ユニットを携帯デバイスとして使用できなくするであろう。したがって、加入者ユニットが移動可能になるように、小さいグランドプレーンに搭載されたアンテナ素子でビームのピーク強度を水平線に沿って向けることが望まれる。さらに、これらのビーム方向付け機能を有するアンテナ素子を、低コストの量産技術を使用して生産することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、前述の先行技術のアンテナシステムでみられる問題を大幅に低減する。本発明は、ＣＤＭＡセルラ通信ネットワークなど、無線の同一周波数のネットワーク通信システムにおける移動加入者ユニットで使用するための安価なアンテナを提供する。アンテナは、プリント構造を正確に制御するためにプリント回路板（ＰＣＢ）フォトエッチング技術を使用して製作することができる。
【０００７】
一態様では、本発明は、アンテナの下方領域に位置決めされた第１の導電素子と、第１の導電素子の上のアンテナの上方領域に位置決めされた第２の導電素子とを備えるアンテナを提供する。導電素子の一方は信号を送受信する能動素子であり、他方の素子は接地素子である。
【０００８】
この態様の実施形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。いくつかの実施形態では、第１の導電素子は接地素子であり、第２の導電素子はアンテナを伝送線に結合するのを容易し易くするためのフィードストリップに結合されたセンターフィードを備えることができる。他の実施形態では、第２の導電素子は接地素子であり、第１の導電素子はエンドフィードを備えることができる。
【０００９】
接地素子は接地面に結合させることができる。接地面はプレーナとすることができる。プレーナ型の接地面は、第１および第２の導電素子に対してほぼ平行または垂直に位置決めすることができる。別法としてまたは追加で、第１および第２の導電素子はプレーナとすることができる。
【００１０】
特定の実施形態では、接地面は円錐形であり、円錐表面の頂点が接地素子および能動素子の近位に位置決めされ、表面の底部が接地素子および能動素子から遠位に位置決めされる。
【００１１】
アンテナは、例えば一般的なプリント回路板（ＰＣＢ）材料であるポリスチレンやテフロン（登録商標）などの誘電材料から作られた基板を備えることができる。第１および第２の導電素子は、基板の反対側または同じ側に位置決めすることができる。第１および第２の素子は、銅などの導電金属で作られたものとすることができる。
【００１２】
いくつかの構成では、能動素子は、ピーク利得が接地素子によってほぼアースの水平線に沿って向けられたアンテナパターンを有する信号を送受信する。ピーク利得は、水平線から上に約１０°の角度に向けることができる。
【００１３】
本発明の前述およびその他の目的、特徴および利点は、添付の図面に示す本発明の好ましい実施形態についての以下のより具体的な記述から明らかになるであろう。各図を通して、同じ参照文字は同じ部分を指す。図面は必ずしもスケールするものではなく、本発明の原理を例示することに重点を置いている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の好ましい実施形態について以下に述べる。これらの実施形態は、本発明の限定としてではなく例として提供するものである。
【００１５】
ここで図面に目を向けると、図１Ａに、本発明により構成されたアンテナ装置１０が示してある。アンテナ装置１０は、無線セルラモデムに結合されたラップトップコンピュータ１４などの加入者ユニットが基地局１２との無線信号の送信および受信を行うための手段として働く。加入者ユニットは、無線データおよび／または音声サービスを提供し、ラップトップコンピュータ１４や携帯情報端末（ＰＤＡ）などのデバイスを、基地局１２を介してネットワークに接続することができる。ネットワークは、公衆交換電話ネットワーク（ＰＳＴＮ）、パケット交換コンピュータネットワーク、またはインターネットもしくは私設イントラネットなどのその他のデータネットワークとすることができる。基地局１２は、任意の数の種々の効率的な通信プロトコルを介してネットワークと通信することができ、通信プロトコルは、プライマリＩＳＤＮ、さらにはネットワークがインターネットなどのイーサネット（登録商標）ネットワークである場合にはＴＣＰ／ＩＰなどである。加入者ユニットは、性質上、移動体とすることができ、基地局１２と通信しながら、ある位置から別の位置に移動することができる。
【００１６】
また、当業者には理解されることであるが、図１は、ＣＤＭＡ、ＴＤＭＡ、ＧＳＭまたはその他のシステムなど、基地局１２と加入者ユニット１４との間でデータおよび／または音声信号を搬送するために無線チャネルが割り当てられる標準的なセルラタイプの通信システムとすることができる。好ましい一実施形態では、図１はＣＤＭＡのようなシステムであり、米国特許第６，１５１，３３２号明細書に規定されるもののような符号分割多重化原理を用いる。
【００１７】
アンテナ装置１０は、８つのアンテナ素子２２が搭載されているベースまたはグランドプレーン２０を備えている。図示のように、アンテナ装置１０は、ラップトップコンピュータ１４（スケールするように描かれていない）に結合される。アンテナ装置１０は、ラップトップコンピュータ１４が、基地局１２から送信されるフォワードリンク信号３０と基地局１２に送信されるリバースリンク信号３２とを介して無線通信を行うことができるようにする。
【００１８】
好ましい一実施形態では、各アンテナ素子２２は、図に示すようにグランドプレーン２０上に分散して配置されている。すなわち、好ましい一実施形態は、正方形の角に対応する位置にそれぞれ配置された４つの素子と、それぞれが正方形の辺に沿ってそれぞれの角の素子の間に位置決めされた追加の４つの素子とを備える。
【００１９】
図２Ａに注目すると、加入者アクセスユニット１１を制御する電子機構のブロック図が示してある。加入者アクセスユニット１１は、アンテナアレイ１０、アンテナ無線周波数（ＲＦ）サブアセンブリ４０および電子機構サブアセンブリ４２を備えている。基地局１２から到着した無線信号は、アンテナ素子２２−１、２２−２、．．．、２２−Ｎで構成されるアンテナアレイ１０で最初に受信される。各アンテナ素子に到着した信号は、ＲＦサブアセンブリ４０に供給される。このＲＦサブアセンブリは、例えば位相シフタ（またはインピーダンス素子）５６、遅延５８、および／またはスイッチ５９を含む。各アンテナ素子２２には、関連する位相シフタ５６、遅延５８および／またはスイッチ５９がある。
【００２０】
次いで信号は、コンバイナディバイダ回路網６０を介して供給され、通常、各信号チェーン中のエネルギーを加算して、合計信号を電子機構サブアセンブリ４２に提供する。
【００２１】
送信方向では、電子機構サブアセンブリ４２によって提供された無線周波数信号が、コンバイナディバイダ回路網６０に供給される。送信される信号は、スイッチ５９、遅延５８および／または位相シフタ５６を含む信号チェーンを介して、アンテナ素子２２のそれぞれへと続き、そこから基地局に向けて送信される。
【００２２】
受信方向では、電子機構サブアセンブリ４２がデュプレクサフィルタ６２で無線信号を受信し、受信信号が受信機６４に提供される。無線受信機６４は、復調された信号をデコーダ回路６６に提供し、変調符号化を取り除く。例えばこのようなデコーダは、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）タイプの符号化を取り除くように動作することができ、これは、当技術分野で周知の方式であり擬似ランダム符号および／またはウォルシュ符号を使用して、特定の加入者ユニットに向けられた様々な信号を分離することを伴うことがある。次いで、復号された信号はデータバッファリング回路６８に供給され、次いで、復号された信号がデータインターフェース回路７０に供給される。インターフェース回路７０は次いで、データ信号を、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）、ＰＣＭＣＩＡタイプのインターフェース、シリアルインターフェース、またはラップトップコンピュータ１４に適合するその他の周知のコンピュータインターフェースなどによって提供することのできるような通常のコンピュータインターフェースに提供することができる。コントローラ７２は、データインターフェースからのメッセージをメッセージインターフェース回路７４との間で受信および／または送信して、デコーダ６６およびエンコーダ７４の動作、送信機７６および受信機６４のチューニングを制御することができる。コントローラはまた、スイッチ５９、遅延５８および／または位相シフタ５６の状態の制御に関連する制御信号７８を提供することもできる。例えば、制御信号の第１のセット７８−３は、各個々の位相シフタ５６がそれぞれのアンテナ素子２２によって受信または送信される信号の１つに特定の所望の位相シフトを与えるように、位相シフタの状態を制御することができる。これにより、アンテナアレイ１０全体を特定の所望の方向に操作することができ、それによってこの機器で達成することのできる利用可能な総データレートを増大させることができる。例えば、アクセスユニット１１が、そのアレイを特定方向に向けるようコマンドする基地局からの制御メッセージを受信することができ、そして／または、受信機６４および／またはデコーダ６６に関連する回路が、信号強度指示をコントローラ７２に提供することができる。コントローラ７２は次に、位相シフタ５６に対する値を定期的に設定する。
【００２３】
ここで図１Ｂおよび２Ｂを参照すると、アクセスユニット１１のアンテナアレイ１０の代替構成が示してある。この構成では、単一の能動アンテナ素子２２−Ａがグランドプレーン２０の中央に位置決めされ、受動アンテナ素子２２−１、２２−２、２２−３、．．．、２２−Ｎのセットによって囲まれている。（図１Ｂでは８つの受動アンテナ素子が示されている。）ここでは、能動アンテナ素子２２−Ａだけが、デュプレクサフィルタ６２を通して直接、電子機構サブアセンブリ４２に接続されている。受動アンテナ素子２２−１、２２−２、２２−３、．．．、２２−Ｎにはそれぞれ、関連する遅延５８、可変または集中インピーダンス素子５７およびスイッチ５９が接続されている。
【００２４】
図１Ｂおよび２Ｂに示す構成では、送信／受信信号は、基地局と能動アンテナ素子２２−Ａとの間で通信される。次に能動アンテナ素子２２−Ａは、電子機構サブアセンブリ４２に信号を提供するか、アセンブリ４２から信号を受け取る。受動アンテナ素子２２−１、２２−２、２２−３、．．．、２２−Ｎは、信号を反射するか、あるいは信号を能動アンテナ素子２２−Ａに向ける。コントローラ７２は、制御信号７８を提供して、遅延５８、インピーダンス素子５７およびスイッチ５９の状態を制御することができる。
【００２５】
図３Ａおよび３Ｂに示すように、各アンテナ素子２２は基板１４０を備え、導電プレーナ素子１４２が基板１４０の下方領域の片側１４４にプリントされ、導電プレーナ接地パス１４６が基板１４０の上方領域の反対側１４８にプリントされている。導電プレーナ素子１４２は短いフィード線１５０を備え、フィード線は、導電プレーナ素子１４２の拡大正方形部分１５１の下部から延び、基板１４０の下端１５４に位置する下部フィード点１５３で伝送線１５２に接続している。導電プレーナ素子１４２および伝送線１５２は、グランドプレーン２０から電気的に絶縁されている。フィード線１５０は、フィード点１５３から導電プレーナ素子１４２までの遅延を最小限に抑えるために短くなっている。
【００２６】
アンテナ素子２２が受動素子として働くとき、伝送線１５２は遅延線５８に接続され、次に遅延線は、可変または集中インピーダンス素子５７およびスイッチ５９に接続される。特定の容量値をアンテナへのフィード線に意図的に導入し、アンテナを反射アンテナから指向性アンテナに、そしてその逆に変更するのに必要な遅延を約４分の１波長離れるように調整して、受動アンテナ素子２２の有効受動帯域幅を最大にすることができる。
【００２７】
次に図３Ｂを特に参照すると、導電プレーナ接地パッチ１４６は、拡大正方形部分１７０を備え、拡大正方形部分１７０の下部から基板１４０の下端１５４に延びる垂直ストリップ１７２に接続される。垂直ストリップ１７２は、導電プレーナ接地パッチ１４６をグランドプレーン２０に結合する。
【００２８】
基板１４０は誘電材料から作られる。例えば、基板はポリスチレンやテフロン（登録商標）などのＰＣＢ材料から作ることができる。ＰＣＳ帯域幅（１８５０ＭＨｚから１９９０ＭＨｚ）におけるアプリケーションでは、基板１４０は約２．４インチ（６．０９６ｃｍ）の長さ「ｌ」と、約０．８インチ（２．０３２ｃｍ）の幅「ｗ」を有し、約０．０３１インチ（０．０７８７４ｃｍ）の厚さ「ｔ」を有する。導電プレーナ素子１４２、垂直ストリップ１７２、導電プレーナ接地パッチ１４６は、プリント回路板技術を使用して、それぞれの銅層を基板１４０の両側１４４と１４８に厚さ約０．００１５インチ（０．００３８１ｃｍ）で蒸着させ、次いで銅層を所望の形状にフォトエッチングすることによって製造される。
【００２９】
使用中、導電プレーナ素子１４２は、モノポールアンテナとして働くように短いフィード線１５０を介してフィード点１５３から直接にフィードされる。通常の帯域幅要件を満たすためには、導電プレーナ素子１４２によって形成されるビームは、グランドプレーンに大きく依存する。したがって、導電プレーナ接地パッチが存在しない場合、導電プレーナ素子によって形成されるビームのピークビーム強度は水平線から上に約３０°傾斜する。しかし、ほとんどのアプリケーションでは、基地局と加入者ユニットとの間の入射角は約０°である。したがって、導電プレーナ接地パッチ１４６を導電プレーナ素子１４２の上に配置して、ピークビームを水平線に沿うように押し下げる。このような積層構成により、アンテナアレイ１０は、水平線から約１０°も上がらないピークビーム強度を有するビームを伝送することができる（図４）。
【００３０】
上述のように、導電プレーナ素子１４２は、アンテナ２２の帯域幅を最大にするために正方形になっている。ＰＣＳのアプリケーションでは、アンテナ素子２２は、約１０％の帯域幅を有する中心周波数「ｆｃ」、例えば約１．９２ＧＨｚで共振する。導電プレーナ素子１４２は、正方形に形成されて、アンテナ２２の帯域幅をさらに最大にする。代替実施形態では、導電プレーナ素子１４２は、アンテナ素子２２がデュアルバンドや狭いシングルバンドなど他の帯域要件で伝送できるようにするために、正方形以外の形状を有することもできる。
【００３１】
例えば図５を参照すると、Ｔ字型の導電プレーナ素子２００が示してある。素子２００は、水平ストリップ部分２０４の中央セクションから延びる垂直ストリップ部分２０２を有する。導電プレーナ素子１４２（図３Ａおよび３Ｂ）と同様、垂直ストリップ部分２０２は、伝送線１５２などの伝送フィード線に接続されたフィード点２０６で終端する。
【００３２】
図６に示す別の実施形態では、導電プレーナ素子３００もほぼＴ字型の構造を有している。導電プレーナ素子３００は、プレーナ素子３００の下部に位置するフィード点３０４でフィード線と接続された垂直ストリップ部分３０２を含む。垂直ストリップ部分は、水平ストリップ部分３０６に延びる。水平ストリップ部分３０６の両端に、導電プレーナ素子３００の下部に向かって延びる下方延長部分３０８がある。
【００３３】
図７に示す本発明のさらに別の実施形態では、導電プレーナ素子４００は垂直なフィードストリップ４０２を備え、この垂直フィードストリップ４０２の一方の端はフィード点４０４で終端し、他方の端は導電プレーナ素子４００の第２部分４０６の中央セクションに接続されている。導電プレーナ素子４００の第２部分４０６は、その両端にテーパーセクション４０８を含み、垂直ストリップ４０２に向かって水平面から下に傾斜している。各テーパーセクション４０８および垂直ストリップ４０２は、約４５°の角度「α」を規定する。
【００３４】
上に論じた実施形態はモノポールアンテナの関連で述べたが、ダイポールアンテナとして機能するアンテナも本発明の範囲内である。例えば、次に図８Ａおよび８Ｂを参照すると、いわゆる「チョークされた」ダイポールデザインを有するアンテナ素子５２２が示してある。
【００３５】
各アンテナ素子５２２は基板５４０を備え、導電プレーナ素子５４２が基板５４０の上方領域の片側５４４にプリントされ、導電プレーナ接地パッチ５４６が基板５４０の下方領域の反対側５４８にプリントされている。フィードストリップ５５０が、導電プレーナ素子の下部から延び、基板５４０の下端５５４に位置する下部フィード点５５３で伝送線１５２に接続している。導電プレーナ素子５４２および伝送線１５２は、グランドプレーン２０から電気的に絶縁されている。フィードストリップ５５０は、拡大セクション５５１を含む。拡大セクション５５１のサイズ、ならびにフィードストリップ５５０に沿ったその位置を変えて、アンテナ素子５２２のインピーダンスを変更することができる。通常、アンテナ素子５２２のインピーダンスは、フィードインピーダンスと合致させる。
【００３６】
アンテナ素子２２に関して上述したように、アンテナ素子５２２は、伝送線１５２を介して位相シフタ（またはインピーダンス素子）５６に接続され、次に遅延線５８およびスイッチ５９に接続される。アンテナ素子５２２が位相シフタではなくインピーダンス素子５６に接続される場合、インピーダンス素子は可変インピーダンス素子または集中インピーダンス素子とすることができる。伝送線１５２は、アンテナ素子５２２への送信信号およびアンテナ素子５２２からの受信信号のパスを提供する。各アンテナ素子５２２の位相シフタ５６は、アンテナ素子５２２から送信される信号の位相を変更し易くするために、独立して調節可能である。
【００３７】
導電プレーナ素子５４２は、フィードストリップ５５０に垂直に位置合わせされたベース５６０を備える。ベース５６０から上に、より幅の広い中央アーム５６２と、より幅の狭い２つの外側アーム５６４とが延びている。これらのアーム５６２および５６４は、基板５４０の上端５６６まで延びている。
【００３８】
次に図８Ｂで素子５２２の反対側の図を参照すると、導電プレーナ接地パッチ５４６は細長い中央部分５７０を含み、この中央部分は、水平ストリップ５７２の中央セクションから拡大ベース５７４まで延びている。（例示のために、図８Ｂには導電プレーナ素子５４２の輪郭も示してある。）拡大ベース５７４は、グランドプレーン２０に接続されて、導電接地パッチ５４６をグランドプレーン２０に電気的に結合する。水平ストリップ５７２の両端には、下に延びたアーム５７６が位置している。各アーム５７６は、細長い中央部分５７０から張り出した張出しセクション５７８を含む。
【００３９】
基板５４０は誘電材料から作られる。例えば、基板５４０はポリスチレンやテフロン（登録商標）などのＰＣＢ材料から作ることができる。ＰＣＳ帯域幅（１８５０ＭＨｚから１９９０ＭＨｚ）におけるアプリケーションでは、基板は約３．０３５インチ（７．７０８９ｃｍ）の長さ「ｌ」と、約０．８３３インチ（２．１１５８２ｃｍ）の幅「ｗ」を有し、厚さは約０．０３１インチ（０．０７８７４ｃｍ）である。導電プレーナ素子５４２、フィードストリップ５５０、導電プレーナ接地パッチ５４６は、プリント回路板技術を使用して、それぞれの銅層を基板５４０の両側５４４と５４８に厚さ約０．００１５インチ（０．００３８１ｃｍ）で蒸着し、次いで銅を所望の形状にフォトエッチングすることによって製造される。銅の最上部に、後続の約０．０００１インチ（０．０００２５４ｃｍ）の厚さで、金、はんだ材料またははんだマスクの薄層を重ねる。
【００４０】
使用中、導電プレーナ素子５４２は、フィード点５５３を介してフィードストリップ５５０に沿ってフィードされる。しかし、導電プレーナ素子５４２と導電プレーナ接地パッチ５４６との間の容量結合のために、基板５４０の中央領域に分散フィード点５８０を提供する接合部がある。したがって、フィードストリップ５５０が導電プレーナ接地パッチ５４６に直接にフィードしないにもかかわらず、導電プレーナ素子５４２と導電プレーナ接地パッチ５４６の組み合わせは、分散フィード点５８０でフィードされる不平衡ダイポールアンテナとして働く。すなわち、導電プレーナ素子５４２に提供されるエネルギーのいくらかは分かれ、導電プレーナ接地パッチ５４６のアーム５７６に供給される。外側アーム５７６のセクション５７８は、導電プレーナ接地パッチ５４６の中央の細長い部分５７０から張り出して、共振するアーム５７６が、グランドプレーン２０に結合された中央の細長い部分５７０と相互作用または結合するのを防止する。
【００４１】
導電プレーナ素子５４２がグランドプレーン２０から離れて位置し、「チョーク」として働く幅の狭いフィードストリップ５５０によってフィードされるので、導電プレーナ素子５４２とグランドプレーン２０との間の相互作用は最小限に抑えられる。こうすることにより、アンテナ素子５２２によって送信されるビームのピークビーム強度は、より水平線の方に向けられる。先に論じたアンテナ素子と同様、図８Ａおよび８Ｂのアンテナ素子のセット５２２は、図４に示したように水平線からわずか１０°しか上がらないピークビーム強度を有するビームを形成することのできるアンテナアレイ１０として構成することができる。
【００４２】
アーム５７６の長さ「ｌ２」は、伝送波の波長の４分の１の長さに等しい。これらのアーム５７６の長さ、ならびに導電プレーナ素子５４２のアーム５６２および５６４の長さをトリミングして、アンテナ素子５２２の伝送周波数を修正する。ＰＣＳのアプリケーションでは、アンテナ素子５２２は、約１０％の帯域幅を有する中心周波数「ｆｃ」、例えば約１．９２ＧＨｚで共振する（図９Ａ）。あるいは、導電プレーナ接地パッチ５４６のアーム５７６と、導電プレーナ素子５４２の中央アーム５６２および２つの外側アーム５６４とは、異なる周波数で共振するように、異なる長さを有することもできる。異なる共振周波数は、アンテナ素子５２２の帯域幅を例えば１５％まで実質的に広げる（図９Ｂ）か、あるいはアンテナ素子５２２が狭帯域幅にわたる２つの周波数「ｆｃ１」および「ｆｃ２」で共振すること（図９Ｃ）、または３つ以上の周波数で共振することを可能にする。
【００４３】
その他のアンテナ構成、例えば図１０Ａから１０Ｅに示すアンテナ素子も、本発明の範囲内である。これらのアンテナ素子は、能動素子および接地素子を支持するための基板の使用を必要としない。そうではなく、能動素子と接地素子は空隙で分離される。
【００４４】
図１０Ａを特に参照すると、能動素子６０２が接地素子６０４の上に位置決めされたアンテナ素子６００が示してある。能動素子６０２は、フィードストリップ６０７に接続された中心フィード点６０６を含み、フィードストリップ６０７は伝送線１５２に接続され、接地素子６０４は、垂直な接地面６０８に直接に結合されている。能動素子６０２と接地素子６０４との間には、垂直な間隙６１０がある。さらに、フィードストリップ６０７は、接地素子６０４から間隔が空いており、垂直な接地面６０８と物理的に接触していない。このように、能動素子６０２と接地素子６０４とは、空隙で電気的に絶縁されている。
【００４５】
図１０Ｂに移ると、アンテナ素子７００は、アンテナ素子の上部に位置決めされた接地素子７０２と、接地素子７０２の下に位置する能動素子７０４とを備え、接地素子７０２と能動素子７０４とは垂直な間隙７０５を規定する。この実施形態では、能動素子には、フィードストリップ７０７に接続されたボトムフィード７０６が備わり、フィードストリップは伝送線１５２に接続され、接地素子７０２は、ストリップ７１０によって垂直な接地面７０８に結合される。フィードストリップ７０７が接地面７０８に物理的に接触せず、ストリップ７１０が能動素子７０４から間隔を空けているので、能動素子７０４を接地素子７０２から分離する空隙がある。
【００４６】
次に図１０Ｃを参照すると、図８に示したアンテナ素子６００と同様の構成を有するアンテナ素子８００が示されている。アンテナ素子８００は、フィードストリップ８０６で伝送線１５２に接続されたセンターフィード点８０４を有する上の能動素子８０２と、垂直な接地面８０８に結合された下の接地素子８０７とを備える。アンテナ素子６００および７００と同様、能動素子８０２と接地素子８０７の間には垂直な間隙８１０がある。さらに、アンテナ素子６００（図８）とは異なり、フィードストリップ８０６が接地素子８０６から間隔を空けており、接地素子８０６と接触していないので、能動素子８０２と接地素子８０６は、誘電基板ではなく空隙で分離されている。
【００４７】
図３および８に示したアンテナ素子の実施形態は、接地パッチまたは接地素子に直角に配向されたグランドプレーンに結合され、図１０Ａ〜１０Ｃに関して論じたアンテナ素子の実施形態は、垂直な接地面に結合される。しかし、上に論じた、図３、８および１０Ａ〜１０Ｃに示したアンテナ素子はどれも、平面（プレーナ）でない接地面に結合することもできる。
【００４８】
例えば図１０Ｄに、アンテナ素子６００（図１０Ａ）と同様の構成のアンテナ素子９００が示してある。ここで、アンテナ素子９００は、円錐形の接地面９０４に結合された接地素子９０２を備え、円錐形の接地面の頂点が接地素子９０２に最も近接し、能動素子９０６が接地素子９０２の上に位置決めされている。能動素子９０６は、フィードストリップ９１０によって伝送線１５２に接続されたセンターフィード９０８を備える。能動素子９０６と接地素子９０２は、垂直な間隙９１１を規定する。伝送線１５２は、接地面９０４と接触せずに、接地面９０４の開口９１２を通って延びる。したがって、フィードストリップ９１０が接地素子９０２から物理的に分離されているので、能動素子９０６と接地素子９０２の間に空隙が提供される。
【００４９】
接地面は、球形とすることができ、あるいは任意の形状を有することができる。例として図１０Ｅに、セルラ電話１００４に結合された接地素子１００２を備えるアンテナ素子１０００が示してある。アンテナ素子６００（図１０Ａ）および９００（図１０Ｄ）と同様、アンテナ素子１０００は、接地素子１００２の上に位置決めされた能動素子１００６を備え、２つの素子間には垂直な間隙１００７が規定されている。能動素子１００６は、フィードストリップ１０１０を介してフィード点１００８でフィードされ、フィードストリップは、セルラ電話１００４内に位置する伝送線１５２に接続される。
【００５０】
図１０Ａ〜１０Ｅに示した実施形態のそれぞれの伝送フィード線１５２もやはり、位相シフタ（またはインピーダンス素子）に接続され、次に、図３と８のいずれかに示した位相シフタ５６、遅延線５８およびスイッチ５９と同様に、それぞれ遅延線およびスイッチに接続される。いくつかの特定の構成では、それぞれのアンテナ素子が位相シフタではなくインピーダンス素子５６に接続される場合、インピーダンス素子は可変インピーダンス素子または集中インピーダンス素子とすることができる。
【００５１】
前述のように、伝送線１５２は、アンテナ素子６００、７００、８００、９００、１０００への、具体的にはそれぞれの能動素子６０２、７０４、８０２、９０６、１００６への送信信号およびこれらからの受信信号のパスを提供する。各アンテナ素子の位相シフタ５６は、アンテナ素子から送信される信号の位相を変更し易くするために、独立して調節可能である。
【００５２】
図１０Ａ〜１０Ｅに示した本発明の実施形態では、能動素子と接地素子は空隙で分離される。別法として、能動素子と接地素子は、図３および８に示したように、例えば誘電材料で作られた基板の反対側に位置決めすることもできる。さらに、図３、８および１０に関して上に論じたアンテナ素子はどれも、能動素子と接地素子が基板の同じ側に位置決めされてもよい。このように、ＰＣＢ製作技術を使用して、能動素子と接地素子が基板の同じ側にあるときはコプレーナ導波構造を生み出すことができ、能動素子と接地素子が基板の反対側に配置されたアンテナ素子の場合はマイクロストリップ構造を生み出すことができる。
【００５３】
本発明を特にその好ましい実施形態に関して図示および記述したが、添付の特許請求の範囲に含まれる本発明の範囲から逸脱することなく、形態および詳細に様々な変更を加えることができることは、当業者には理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１Ａ】本発明による、セルラシステムの移動加入者ユニットによって使用されるアンテナ装置の好ましい構成を示す図である。
【図１Ｂ】本発明による、セルラシステムの移動加入者ユニットによって使用されるアンテナ装置の別の好ましい構成を示す図である。
【図２Ａ】図１Ａのアンテナアレイを制御する電子機構のシステムレベル図である。
【図２Ｂ】図１Ｂのアンテナアレイを制御する電子機構のシステムレベル図である。
【図３Ａ】図１の装置のアンテナ素子の側面図である。
【図３Ｂ】図３Ａのアンテナ素子を反対側から見た図である。
【図４】本発明により構成されたアンテナ素子によって水平線から１０°上に向けられたビームを示す図である。
【図５】本発明によるアンテナ素子の代替実施形態の図である。
【図６】本発明によるアンテナ素子の別の代替実施形態の図である。
【図７】本発明によるアンテナ素子のさらに別の代替実施形態の図である。
【図８Ａ】図１の装置のアンテナ素子の別の代替実施形態の側面図である。
【図８Ｂ】図８Ａのアンテナ素子を反対側から見た図である。
【図９Ａ】本発明のアンテナ素子の狭帯域幅の特徴を示す図である。
【図９Ｂ】本発明のアンテナ素子の広帯域幅の特徴を示す図である。
【図９Ｃ】本発明のアンテナ素子の複数帯域幅の特徴を示す図である。
【図１０Ａ】本発明による、上部の能動部分および下部の接地部分が垂直接地面に結合されたアンテナ素子の斜視図である。
【図１０Ｂ】本発明による、下部の能動部分および上部の接地部分が垂直接地面に結合されたアンテナ素子の斜視図である。
【図１０Ｃ】本発明による、垂直な接地面を有するチョークされたダイポールアンテナの斜視図である。
【図１０Ｄ】本発明による、円錐形の接地面を有するダイポールアンテナの斜視図である。
【図１０Ｅ】本発明による、セルラ電話が接地面として働くダイポールアンテナの斜視図である。
【図１Ａ】
2005526434.tif 000003
【図１Ｂ】
2005526434.tif 000004
【図２Ａ】
2005526434.tif 000005
【図２Ｂ】
2005526434.tif 000006
【図３Ａ】
2005526434.tif 000007
【図３Ｂ】
2005526434.tif 000008
【図４】
2005526434.tif 000009
【図５】
2005526434.tif 000010
【図６】
2005526434.tif 000011
【図７】
2005526434.tif 000012
【図８Ａ】
2005526434.tif 000013
【図８Ｂ】
2005526434.tif 000014
【図９Ａ】
2005526434.tif 000015
【図９Ｂ】
2005526434.tif 000016
【図９Ｃ】
2005526434.tif 000017
【図１０Ａ】
2005526434.tif 000018
【図１０Ｂ】
2005526434.tif 000019
【図１０Ｃ】
2005526434.tif 000020
【図１０Ｄ】
2005526434.tif 000021
【図１０Ｅ】
2005526434.tif 000022
【国際調査報告】
2005526434.tif 000023