(57)【要約】  無線機器のアンテナは望ましい中心周波数へのチューニングを動的に維持され、環境影響により起こりうる離調を補償することができる。センサはコントローラにフィードバック信号を提供して、可変コンデンサから適切なキャパシタンス値を選択して、前記無線機器のアンテナをチューニングする。前記可変コンデンサは、並列配置された複数の固定コンデンサとＭＥＭＳスイッチとを含むことができ、あるいは、固定された下方板と弾力性のある上方板とを持つ可変ＭＥＭＳコンデンサを含むことができる。【選択図】なし
2008517568.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナと、
前記アンテナに動作可能なように接続された可変コンデンサモジュールと、
前記アンテナの近傍に配置されて、アンテナ放射の電力を検知するセンサと、
前記センサから信号を受け取り、前記可変コンデンサモジュールのキャパシタンスを変化させて前記アンテナを望ましい中心周波数へとチューニングするコントローラとを含む装置。
【請求項２】
前記アンテナはパッチアンテナを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記センサでは、フィードバックループ上にコイルと方向性結合器のうちの一方が配置されている、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記可変コンデンサモジュールは、
並列配置された複数の固定コンデンサと、
前記複数の固定コンデンサのうちの幾つかを選択する複数のマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）スイッチとを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記可変コンデンサモジュールは、
固定板と、前記固定板から距離を隔てられた弾力性のある板とを含み、前記距離は前記固定板と前記弾力性のある板とに加えられる制御電圧に応じて変化できる、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記望ましい中心周波数のために前記可変コンデンサモジュールの前記キャパシタンスを決定するためにルックアップテーブルをさらに含む、請求項３に記載の装置。
【請求項７】
可変コンデンサモジュールのキャパシタンスを変化させることで、アンテナを望ましい周波数にチューニングする工程と、
センサを前記アンテナの近傍に配置して、前記望ましい周波数からのドリフトを示すためフィードバック信号を生成する工程と、
前記可変コンデンサモジュールのキャパシタンス値を変化させて前記アンテナを前記望ましい周波数にチューニングされた状態に維持する工程とを含む、方法。
【請求項８】
前記キャパシタンス値を動的に変化させる工程は、
複数の固定コンデンサを並列に配置することと、
前記複数の固定コンデンサに接続された、選択されたマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）スイッチを起動することとを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記キャパシタンス値を動的に変化させる工程は、
起動電圧をマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）コンデンサに供給して、上方板を下方板のほうへと撓ませることを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
フーリエ変換を使用して、前記フィードバックループからの近傍フィールド信号を遠方フィールド信号へ変換する工程をさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記遠方フィールド信号を使用して起動電圧を決定し、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）コンデンサのコンデンサ値を変化させる工程をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記遠方フィールド信号を使用して複数のマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）スイッチの幾つかを起動するよう決定し、並列接続された固定コンデンサのバンクのコンデンサ値を変更する工程をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
パッチアンテナに送信（Ｔｘ）信号を供給する電力増幅器と、
前記パッチアンテナを前記電力増幅器と低ノイズ増幅器間で切り替えるよう接続されたアンテナ切り替えフィルタ（ＡＳＦ）と、
前記パッチアンテナを望ましい中心周波数にチューニングする可変コンデンサ手段と、
前記パッチアンテナの実際の中心周波数を示すフィードバック信号を生成するセンサと、
前記可変コンデンサ手段のキャパシタンス値を前記フィードバック信号に基づき選択して、前記パッチアンテナを前記望ましい中心周波数にチューニングされた状態に維持する、コントローラとを含む、無線システム。
【請求項１４】
前記可変コンデンサ手段は、
並列配置された複数の固定コンデンサと、
前記複数の固定コンデンサの各々と関連付けられた複数のマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）スイッチとを含む、請求項１３に記載の無線システム。
【請求項１５】
前記可変コンデンサ手段は、
固定された下方板と弾力性のある上方板とを含むマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）コンデンサを含む、請求項１３に記載の無線システム。
【請求項１６】
前記センサはピックアップコイルと方向性結合器のうちの一方を含む、請求項１３に記載の無線システム。
【請求項１７】
前記コントローラと関連付けられており、前記可変コンデンサ手段のキャパシタンス値を選択するためのルックアップテーブルをさらに含む、請求項１３に記載の無線システム。
【請求項１８】
前記無線システムは携帯電話を含む、請求項１３に記載の無線システム。
【請求項１９】
アンテナと、
前記アンテナの周波数をチューニングする可変マイクロエレクトロメカニカルコンデンサ手段と、
前記可変マイクロエレクトロメカニカルコンデンサ手段に動作可能なように接続されて、キャパシタンス値を選択して前記アンテナを望ましい中心周波数へとチューニングするコントローラとを含む、装置。
【請求項２０】
前記可変マイクロエレクトロメカニカルコンデンサ手段は、固定された下方板と弾力性のある上方板とを含むマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）コンデンサを含む、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記可変マイクロエレクトロメカニカルコンデンサ手段は、
並列配置された複数の固定コンデンサと、
前記複数の固定コンデンサの各々と関連付けられた複数のマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）スイッチとを含む、請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
前記コントローラに動作可能なように接続された前記アンテナから放射される電力レベルを決定して、前記アンテナのリアルタイム中心周波数を決定する手段をさらに含む、請求項１９に記載の装置。
【請求項２３】
前記電力レベルを決定する手段は、フィードバックループから前記コントローラに配置された前記アンテナの近傍のセンサを含む、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記電力レベルを決定する手段は、前記アンテナへ電力を配給し、配給電力に比例する信号を前記コントローラに配給する電力増幅器を含む、請求項２２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００３年９月１１日に提出された米国仮出願シリアル番号６０／５０２，４６６の優先権を主張しており、その内容をここに参照の形で組み込む。
【０００２】
本発明の実施形態は、アンテナ、より詳しくは、ＭＥＭＳ（マイクロメカニカルシステムズ）チューナブル・アンテナに関している。
【背景技術】
【０００３】
電子通信機器はもはや配線に拘束される必要がない。昨今では、無線通信が、アナログ・デジタル情報両方を通信する、よく知られた、しばしば経済的で便利な方法となっている。特に、携帯電話、および携帯情報端末（ＰＤＡｓ）、パーム型およびラップトップ型のコンピュータデバイスなどその他の携帯通信機器が、サービスプロバイダに無線リンク経由で接続している。
【０００４】
そのような無線機器は、送信用（Ｔｘ）の高周波（ＲＦ）信号放射、受信用（Ｒｘ）のＲＦ放送信号収集の際、アンテナ技術に頼っている。しばしば同じアンテナあるいはアンテナアレイがこれら送信・受信機能の両方を行う。アンテナは無線システムの最も肝要な要素ではあるかもしれないが、エネルギー損失のうちの大部分を占める最も非効率な要素の一つである場合もある。
【０００５】
携帯電話などの携帯機器の大きさを縮小しようとする試みが続けられる中、アンテナの大きさを縮小しようとする努力が行われている。この努力をさらに推し進めるべく、現代の携帯電話は、Ｔｘ／Ｒｘの二重・三重・四重帯域に対応するよう設計されてもよい。大きさを考慮に入れると、専用アンテナを各周波数帯域で操作させるのは難しい場合もある。例えば図１は、あわせて８２４ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚ（メガヘルツ）に及ぶ、携帯通信（ＧＳＭ）８５０およびＧＳＭ９００帯域のグローバルシステムの周波数範囲を示している。ＧＳＭは現在、世界の多くで支配的なデジタル携帯電話基準である。示されているように、ＧＳＭ８５０はＴｘ、Ｒｘ各々に２５ＭＨｚを使用しており、ＧＳＭ９００はＴｘ、Ｒｘ各々に３５ＭＨｚを使用している。ＧＳＭプロトコルは、携帯電話がセルタワーの陸上のネットワークと通信する方法を定めている。従って、現代の携帯通信機器は、このような広い範囲で効率的に操作できる小さいアンテナを必要としている。
【０００６】
携帯電話の応用においてしばしば使用される、所謂マイクロストリップあるいは「パッチアンテナ」の効率は、その利用法によって大幅に変動しうる。例えば、放射効率は、アンテナの位置と周りの環境とにより、８０％から１５％あるいはそれ以下の範囲で変化しうる。環境条件には、地理的地域だけでなく、電話機が机上にあるか、ユーザが持っているか、ユーザの頭の近くにあるか、車内にあるか、などの、もっと動的な要因も含まれる。さらに、任意の無線セッションにおいて、ユーザが絶えず電話機を再配置することでアンテナが再配置されると、アンテナはこれら障害の全てに遭遇することがある。これら変動の主な原因は、環境からの追加的な容量性の負荷に起因する、アンテナの中心周波数の離調による場合がある。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ＧＳＭ８５０−ＧＳＭ９００の範囲で操作されるようにチューニングされた無線機器アンテナの周波数応答を図示する。
【０００８】
【図２】携帯電話などの無線機器用のパッチアンテナの平面図である。
【０００９】
【図３】ＧＳＭ８５０−ＧＳＭ９００の範囲内でＴｘおよびＲｘ帯域の中心周波数に動的チューニング可能な無線機器アンテナの周波数応答を図示する。
【００１０】
【図４】動的チューニング可能なアンテナのブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図２を参照すると、携帯電話などの携帯機器で使用できるパッチアンテナ２００が示されている。パッチアンテナ２００は、誘電材１４を挟んでいる二つの導電板１０、１２を含み、平行板コンデンサと同様の方法で形成することができる。アンテナの場合には、下方の導電板１０が「グランド板」と呼ばれ、上方の導電板１２が「パッチ」と呼ばれることがある。パッチ１２は銅あるいはアルミニウムなどの金属薄箔をもつこともあり、グランド板１０より小型でその上方中央に位置していてもよい。パッチ１２の一側面にはアンテナフィード１６が接続していてもよい。グランド板１０、パッチ１２、およびフィード１６は同じ導電材から出来ていてもよい。導電材１４は、例えば、シリコン、アルミナ、あるいはＦＲ−４などのプリント回路基板ラミネートであってもよい。
【００１２】
パッチはどんな形でもよいが、図示を簡単にする目的から正方形あるいは長方形で示している。パッチ１２の大きさはアンテナが操作される周波数との関連で選択することができ、アンテナ帯域はアンテナ量、つまり、長さ（Ｌ）×幅（Ｗ）×高さ（Ｈ）（Ｌ×Ｗ×Ｈ）に比例する。アンテナ効率と品質あるいは「Ｑファクタ」は、アンテナ設計の品質をクオリファイする二つの測定基準である。アンテナ効率は記号「η」で示すことができ、「η」は放射電力／入力電力に等しい。Ｑファクタは一般に、発振ラジアン毎の放散エネルギーに対する蓄積エネルギーの占める比率を意味すると理解されており、アンテナおよびその他の誘導性あるいは容量性の素子の説明に用いることができる。パッチアンテナに関しては、Ｑファクタは、アンテナの材料（金属および誘電体）だけでなく、アンテナの配置およびその周りの環境によっても決定される幾らかの要素に依存している。
【００１３】
発明の実施形態によれば、アンテナの中心周波数は可変ＭＥＭＳコンデンサあるいはバラクタを使用することなどによりチューニングされてもよい。図３に示すように、アンテナはＧＳＭ８５０あるいはＧＳＭ９００帯域のＴｘおよびＲｘ範囲の中心周波数にチューニングされてもよい。示されているように、ＧＭＳ８５０においては、Ｔｘの中心周波数は８３６．５ＭＨｚであり、Ｒｘの中心周波数は８８１．５ＭＨｚである。同様に、ＧＳＭ９００帯域においては、Ｔｘの中心周波数は８９７．５ＭＨｚであり、Ｒｘの中心周波数は９４２．５ＭＨｚである。例えば、容量性の負荷を変化させることで、複数の異なる帯域であっても、一つのアンテナを様々な中心周波数にチューニングすることもできる。さらには、環境により容量性の負荷が変化する場合でも（例えば、使用中にアンテナが移動および再配置される場合）チューニングを中心周波数にロックした状態を保持するよう、チューニングを動的に調整することもできる。
【００１４】
図４を参照すると、発明の一実施形態によるチューニング可能なアンテナ設計の一例が示されている。アンテナ２０は上述のパッチアンテナであってもよい。アンテナ２０は、下方の板あるいは「グランド」板１０と、上方の導電板あるいは「パッチ」１２を含んでもよい。パッチ１２は、銅あるいはアルミニウムなどの金属薄箔をもつこともあり、グランド板１０より小型でその上方中央に位置していてもよい。パッチ１２の一側面にはアンテナフィード１６が接続していてもよい。
【００１５】
アンテナスイッチフィルタ（ＡＳＦ）モジュール２２はアンテナ２０を、送信用（Ｔｘ）低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）２４と受信用（Ｒｘ）電力増幅器（ＰＡ）２６の間で切り替える。ＡＳＦモジュール２２、ＬＮＡ２４、ＰＡ２６は、例えば携帯電話のフロントエンドモジュールあるいはその他の無線機器をもってもよい。
【００１６】
前述のように、アンテナ２０は、当初様々な中心周波数にチューニングされ、環境上の負荷を補償するよう容量性の負荷を調節することで望ましい１中心周波数を維持するようにリアルタイム調節されていてもよい。図４は可変容量性モジュール３０および３２の二種類を示しており、下で詳述される通り、アンテナへの容量性の負荷を変化させる。可変容量性モジュール３０あるいは３２は、アンテナ２０のグランド板１０とパッチ１２とを接続する。
【００１７】
コントローラ３４は容量性のモジュール３０あるいは３２と接続して、最初にアンテナ２０を、例えば図３に示されているような望ましい中心周波数にチューニングするのに適切な容量を選択する。フィードバックループ３６は、放射電力を計測するセンサ３８（ピックアップコイルあるいは方向性結合器でもよい）と電力検知器４０とを含んでおり、アンテナ２０からの近傍フィールド放射電力を継続的に計測して、適切なチューニング訂正を提供する。コントローラ３４はフーリエ変換を用いて、検知された近傍フィールドを遠方フィールド計測値と関連付けて、アンテナ２０の目下のチューニング周波数を綿密に概算する。代わりに、アンテナ２０に供給される電力（放射されたものと必ずしも同量ではない）を使用して放射電力を概算して、監視を簡易化してもよい。例えば、電力増幅器２６は供給される電力に比例する信号を提供することもできる。コントローラ３４はその後、これをアンテナ２０にとって望ましいチューニング周波数と比較して、望ましい中心周波数からのドリフトを決定してもよい。コントローラ３４はその後、可変容量性モジュール３０あるいは３２を介して、容量性の負荷を調節してもよい。アンテナ２０の望ましいチューニングを生み出す可変容量性モジュール３０あるいは３２の適切な容量の概算は、コントローラ３４により算出されてもよく、あるいは例えばコントローラ３４内のルックアップテーブル４２によって得られてもよい。
【００１８】
ゆえに、アンテナ２０は、ホスト無線機器が周囲環境に対して再配置されるなどの外的要因によって常に離調されるので、発明の実施形態は継続的にリアルタイム補償を行い、アンテナ２０が望ましい中心周波数にチューニングされている状態を維持する。
【００１９】
図４を依然参照すると、様々な可変コンデンサ規格を使用することができる。一つの実施形態では、可変コンデンサモジュール３０は、それぞれが異なる容量性の値を持ってもよい並列に接続された高Ｑコンデンサ５０、５２、５４、および５８のバンクを含む。各コンデンサ５０、５２、５４、５８はＭＥＭＳスイッチ６０、６２、６４、６６、あるいは６８各々によって、ＯＮ・ＯＦＦ切り替えすることもできる。固体スイッチは一般に非線形機器であり、他の無線機器に干渉しかねない望ましくない周波数の側波帯を生成するので、固形スイッチよりもＭＥＭＳスイッチが好まれる。
【００２０】
示されているように、可変コンデンサモジュール３０は五個の固定コンデンサ５０―５８と、関連するＭＥＭＳスイッチ６０−６８のバンクを持つ。コンデンサ５０―５８はそれぞれ、例えば１ｐＦ（ピコファラド）から５ｐＦの値を持つことができる。ＭＥＭＳスイッチのうちの一以上を閉じるよう選択することで、アンテナ２０の望ましい中心周波数へのチューニングを維持するよう幅広い範囲の可変キャパシタンス値を実現することができる。これは、もちろん単なる例であり、使用されるコンデンサの数は五個よりも多くても少なくてもよく、各々のキャパシタンス値は提供されたものと異なっていてもよい。
【００２１】
別の実施形態では、可変容量性モジュール３２が、一つの板がキャパシタンス値を変化させるように移動される可変ＭＥＭＳ平行板コンデンサ７０を持っていてもよい。適切な可変ＭＥＭＳコンデンサの変形例としては、Ｍａ等の米国特許６，３５５，５３４およびＣｈｅｎｇ等の６，５９３，６７２などに挙げられている。示されているように、可変コンデンサ７０は固定電荷板７２、前記固定電荷板７２の上方にスペーサ７５により配置されている可動電荷板７４を含むこともできる。補強材７６を可動電荷板７４に取り付けてもよい。操作上、コントローラ３４などにより起動電圧が可変ＭＥＭＳコンデンサに加えられると、可動電荷板７４'を示す破線で示されるように、可動電荷板７２が下方へと撓む。このようにして、ＭＥＭＳコンデンサは連続範囲の可変キャパシタンス値を生成し、そのうちの固有値を選択してアンテナ２０を望ましい中心周波数にチューニングすることができる。
【００２２】
発明の実施形態によれば、アンテナ２０は多数の望ましい中心周波数に切り替えられ、その後継続的に監視され、高いアンテナ効率を促進するのに望ましい周波数を維持するようチューニングされてもよい。電力は、充電環境条件下で、放散されるのではなくて効率的に放射されてもよく、これにより電池寿命が伸び、範囲が改善される。
【００２３】
一例である発明の実施形態の上述の説明は、要約の記載もそうであるが、包括的な意図、あるいは発明を開示された特定の形に限定する意図で書かれてはいない。発明の特定の実施形態および例はここでは例示の目的で記載されたが、発明の範囲内において様々な均等的変形を加えることができることは、関連技術分野の当業者であれば認識できるところである。
【００２４】
これら変形例は上述の詳細な記載に鑑みて本発明に加えることができる。以下の請求項で使用される用語は、明細書および請求項が開示する特定の実施形態に発明を限定するべきものではない。そうではなくて、発明の範囲は以下の請求項により全体的に決定されるべきものであり、請求項解釈の確立した教義に則って解釈されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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