(57)【要約】  アンテナの動作周波数帯域を決定すること、および、この動作周波数帯域に応じてチューナブル負荷のキャパシタンスを調整することであって、チューナブル負荷は寄生アームを介してアンテナに電磁的に結合され、動作周波数帯域はキャパシタンスに依存する、調整することを含む、アンテナを同調させる方法。
2016509393.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナを同調させる方法であって、
前記アンテナの動作周波数帯域を決定するステップと、
前記動作周波数帯域に応じてチューナブル負荷のキャパシタンスを調整するステップであって、前記チューナブル負荷は寄生アームを介して前記アンテナに電磁的に結合され、前記動作周波数帯域は前記キャパシタンスに依存する、調整するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記アンテナの前記動作周波数帯域に関連するキャパシタンス値をメモリに記憶されたテーブルから取り出すステップ
をさらに含み、
前記キャパシタンスを調整するステップは、前記キャパシタンスを、前記メモリに記憶されたテーブルから取り出された前記キャパシタンス値に合わせるステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記動作周波数帯域は複数の利用可能な動作周波数帯域のうちの1つであり、前記方法は、
前記複数の利用可能な動作周波数帯域の中から前記アンテナの第2の動作周波数帯域を決定するステップと、
前記第2の動作周波数帯域に応じて前記チューナブル負荷の前記キャパシタンスを調整するステップと
をさらに含む、請求項2に記載の方法。
【請求項４】
前記アンテナはハウジング上に存在し、前記寄生アームはプリント回路基板(PCB)上に存在する、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記チューナブル負荷は、可変キャパシタ、デジタルチューナブルキャパシタ、微小電気機械システム(MEMS)キャパシタアレイ、およびバラクタのうちの1つを備える、請求項3に記載の方法。
【請求項６】
前記チューナブル負荷の前記キャパシタンスは、約1.8ピコファラド(pF)〜約5pFの範囲においてチューナブルであり、前記チューナブル負荷が約1.8pFである場合、動作周波数低帯域は約0.69ギガヘルツ(GHz)〜約0.75GHz、動作周波数高帯域は約1.66GHz〜約2.26GHzであり、前記チューナブル負荷が約2.5pFである場合、前記動作周波数低帯域は約0.81GHz〜約0.89GHz、前記動作周波数高帯域は約1.74GHz〜2.27GHzであり、前記チューナブル負荷が約1.8pFである場合、前記動作周波数低帯域は約0.87GHz〜約0.96GHz、前記動作周波数高帯域は約1.42GHz〜約1.59GHzである、請求項3に記載の方法。
【請求項７】
アンテナと、
前記アンテナに電磁的に結合された寄生アームと、
前記寄生アームに結合されたチューナブル負荷であって、チューナブル負荷のキャパシタンスは可変であり、前記アンテナの動作周波数帯域は前記キャパシタンスに依存する、チューナブル負荷と
を備える装置。
【請求項８】
前記チューナブル負荷は、制御信号を受信し、前記制御信号に応じて前記キャパシタンスを調整するように構成される、請求項7に記載の装置。
【請求項９】
前記アンテナはプリント回路基板(PCB)上に存在し、前記寄生アームは、前記アンテナが前記PCBから物理的に分離されることを可能にするハウジング上に存在する、請求項8に記載の装置。
【請求項１０】
前記アンテナは、ループアンテナ、スロットアンテナ、逆Fアンテナ、および折り返し逆コンフォーマルアンテナのうちの1つである、請求項8に記載の装置。
【請求項１１】
前記チューナブル負荷の前記キャパシタンスは、約1.8ピコファラド(pF)〜約5ピコファラドの範囲においてチューナブルであり、前記チューナブル負荷が約1.8pFである場合、動作周波数低帯域は約0.69ギガヘルツ(GHz)〜約0.75GHz、動作周波数高帯域は約1.66GHz〜約2.26GHzであり、前記チューナブル負荷が約2.5pFである場合、前記動作周波数低帯域は約0.81GHz〜約0.89GHz、前記動作周波数高帯域は約1.74GHz〜2.27GHzであり、前記チューナブル負荷が約1.8pFである場合、前記動作周波数低帯域は約0.87GHz〜約0.96GHz、前記動作周波数高帯域は約1.42GHz〜約1.59GHzである、請求項8に記載の装置。
【請求項１２】
前記寄生アームはプリント回路基板(PCB)上に存在し、前記アンテナは、前記アンテナが前記PCBから物理的に分離されることを可能にするハウジング上に存在する、請求項11に記載の装置。
【請求項１３】
アンテナと、
前記アンテナに電磁的に結合された寄生アームと、
前記寄生アームに結合されたチューナブル負荷であって、チューナブル負荷のキャパシタンスは可変であり、前記アンテナの動作周波数帯域は前記キャパシタンスに依存する、チューナブル負荷と、
前記チューナブル負荷に結合され、
第1の動作周波数帯域を選択し、
前記第1の動作周波数帯域を達成するように、前記キャパシタンスをある値に設定する
ように構成されたプロセッサと
を備えるワイヤレス通信デバイス。
【請求項１４】
前記プロセッサに結合されたメモリ
をさらに備え、
前記プロセッサが、
前記メモリに記憶されたテーブルにアクセスし、前記テーブルは、少なくとも1つの動作周波数帯域に関連する少なくとも1つのキャパシタンス値を含み、
前記テーブル内の、前記第1の動作周波数帯域に関連するキャパシタンス値を取り出し、
前記第1の動作周波数帯域を達成するように前記キャパシタンスを前記値に設定するステップは、前記キャパシタンスを、前記テーブルについて前記第1の動作周波数帯域に関連する前記キャパシタンス値に設定するように制御信号を前記チューナブル負荷に送信するステップをさらに含む
ようにさらに構成される、請求項13に記載のワイヤレス通信デバイス。
【請求項１５】
前記第1の動作周波数帯域は複数の利用可能な動作周波数帯域の中から選択され、前記プロセッサは、
前記複数の利用可能な動作周波数帯域の中から、前記第1の動作周波数帯域と異なる第2の動作周波数帯域を選択し、
前記第2の動作周波数帯域を達成するように、前記キャパシタンスを第2の値に設定する
ようにさらに構成される、請求項14に記載のワイヤレス通信デバイス。
【請求項１６】
前記チューナブル負荷は、可変キャパシタ、デジタルチューナブルキャパシタ、微小電気機械システム(MEMS)キャパシタアレイ、またはバラクタのうちの1つを備える、請求項14に記載のワイヤレス通信デバイス。
【請求項１７】
前記アンテナは、ループアンテナ、スロットアンテナ、逆Fアンテナ、および折り返し逆コンフォーマルアンテナのうちの1つである、請求項14に記載のワイヤレス通信デバイス。
【請求項１８】
前記寄生アームおよび前記チューナブル負荷はプリント回路基板(PCB)上に存在し、前記アンテナは前記PCB上に存在しない、請求項14に記載のワイヤレス通信デバイス。
【請求項１９】
前記プロセッサに結合された近接センサをさらに備え、前記プロセッサは、近接センサ測定値を受信し、前記第1の動作周波数帯域を選択する際に前記近接センサ測定値を考慮に入れるようにさらに構成される、請求項14に記載のワイヤレス通信デバイス。
【請求項２０】
前記寄生アームおよび前記アンテナはプリント回路基板(PCB)の一方の側に存在し、前記寄生アームは、前記PCBの対向する側でバイアを使用してグランドプレーンに結合する、請求項14に記載のワイヤレス通信デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、2012年12月31日に出願した「Method and Apparatus for a Tunable Antenna」という名称の米国非仮特許出願第13/732,097号の優先権を主張するものであり、同出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本願発明は、チューナブルアンテナのための方法および装置に関するものである。
【０００２】
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
該当なし。
【０００３】
マイクロフィッシュの付録の参照
該当なし。
【背景技術】
【０００４】
ワイヤレス通信技術およびサービスは引き続き普及し、いくつかの例を挙げると、新しい音声およびデータサービス、キャリアアグリゲーション、およびローミングに対する新しい要求をもたらす。技術が進歩し、サービスに対するユーザの要求が増加するにつれて、ワイヤレス通信デバイスは、技術およびサービスをサポートするために、サポートする動作周波数帯数の増加が必要である。同時に、ワイヤレス通信デバイスは小型化している。たとえば、携帯電話はますます薄くなり、その結果、アンテナ構造およびシステムのために利用可能な体積の減少ならびにアンテナの周囲での電気機械的構成要素の共存のための空間の減少があり得る。デバイスの小型化により、よりコンパクトなアンテナの必要性がもたらされることがある。しかしながら、よりコンパクトなアンテナは、満足な動作に十分な周波数帯域をカバーしないことがある。これらの対立する傾向すなわちアンテナのために利用可能な体積を縮小させながらアンテナに対する要求を増加させることは、アンテナ設計の改善の必要性につながる。したがって、さまざまなサービスのために要求される周波数帯域をカバーしながら現代のワイヤレス通信デバイスに収まるのに十分なほどコンパクトなアンテナを提供することが必要とされている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態では、本開示は、アンテナの動作周波数帯域を決定すること、および、この動作周波数帯域に応じてチューナブル負荷のキャパシタンスを調整することであって、チューナブル負荷は寄生アームを介してアンテナに電磁的に結合され、動作周波数帯域はキャパシタンスに依存する、調整することを含む、アンテナを同調させる方法を含む。
【０００６】
別の実施形態では、本開示は、アンテナと、このアンテナに電磁的に結合された寄生アームと、この寄生アームに結合されたチューナブル負荷であって、チューナブル負荷のキャパシタンスは可変であり、アンテナの動作周波数帯域はキャパシタンスに依存する、チューナブル負荷とを備える装置を含む。
【０００７】
さらに別の実施形態では、本開示は、アンテナと、このアンテナに電磁的に結合された寄生アームと、この寄生アームに結合されたチューナブル負荷であって、チューナブル負荷のキャパシタンスは可変であり、アンテナの動作周波数帯域はキャパシタンスに依存する、チューナブル負荷と、このチューナブル負荷に結合され、第1の動作周波数帯域を選択し、この第1の動作周波数帯域を達成するように、キャパシタンスをある値に設定するように構成されたプロセッサとを備えるワイヤレス通信デバイスを含む。
【０００８】
上記その他の特徴は、添付の図面および特許請求の範囲と併せて取り上げる以下の詳細な説明からより明確に理解されるであろう。
【０００９】
本開示をより完全に理解するために、次に、添付の図面および詳細な説明と併せて取り上げる以下の簡単な説明を参照する。同じ参照番号は同じ部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】チューナブルアンテナの一実施形態の概略図である。
【図２Ａ】チューナブルアンテナの一実施形態の切欠図である。
【図２Ｂ】チューナブルアンテナの一実施形態の切欠図である。
【図３Ａ】チューナブルアンテナの一実施形態の斜視切欠図である。
【図３Ｂ】チューナブルアンテナの一実施形態の斜視切欠図である。
【図４】ワイヤレスデバイスにおいて使用され得る一般的なチューナブル負荷のブロック図である。
【図５】チューナブル負荷を有する寄生アームの異なる実施形態の切欠図である。
【図６】チューナブル負荷を有する寄生アームの異なる実施形態の切欠図である。
【図７】チューナブル負荷を有する寄生アームの異なる実施形態の切欠図である。
【図８】チューナブル負荷を有する寄生アームの異なる実施形態の切欠図である。
【図９】チューナブル負荷を有する寄生アームの異なる実施形態の切欠図である。
【図１０】チューナブル負荷を有する寄生アームの異なる実施形態の切欠図である。
【図１１】チューナブル負荷を有する寄生アームの異なる実施形態の切欠図である。
【図１２】チューナブル負荷を有する寄生アームの異なる実施形態の切欠図である。
【図１３】チューナブル負荷を有する寄生アームの異なる実施形態の切欠図である。
【図１４】チューナブルアンテナの別の実施形態の側面図である。
【図１５】チューナブルアンテナのさらに別の実施形態の側面図である。
【図１６Ａ】チューナブルアンテナのさらに別の実施形態のさまざまな切欠図である。
【図１６Ｂ】チューナブルアンテナのさらに別の実施形態のさまざまな切欠図である。
【図１６Ｃ】チューナブルアンテナのさらに別の実施形態のさまざまな切欠図である。
【図１７Ａ】チューナブルアンテナのさらに別の実施形態のさまざまな切欠図である。
【図１７Ｂ】チューナブルアンテナのさらに別の実施形態のさまざまな切欠図である。
【図１７Ｃ】チューナブルアンテナのさらに別の実施形態のさまざまな切欠図である。
【図１８】チューナブルアンテナ方法の一実施形態の流れ図である。
【図１９】チューナブルアンテナの3つの負荷のリターンロスを示す線グラフである。
【図２０】チューナブルアンテナの3つの負荷のシステム効率を示す線グラフである。
【図２１】通信デバイスの一実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
最初に、1つまたは複数の実施形態の例示的な実装形態が以下で提供されているが、開示のシステムおよび/または方法は、現在知られているかまたは現存するかにかかわらず、任意の数の技法を使用して実装されてよいことを理解されたい。本開示は、本明細書で図示および説明される例示的な設計および実装形態を含む、以下に示される例示的な実装形態、図面、および技法に決して限定されるべきではないが、等価物の全範囲に加えて、添付の特許請求の範囲内で修正されてよい。従来の技術の特定の態様は、本開示を容易にするために論じられるが、出願人は、決してこれらの技術的側面を否認せず、本開示が、本明細書で検討される従来の技術的側面のうちの1つまたは複数を包含し得ることが企図されている。
【００１２】
チューナブルアンテナが本明細書で開示される。たとえば、チューナブルアンテナの動作周波数帯域は、アンテナに電磁的に結合された寄生アームの負荷を変化させることによって調整され得る。アンテナを同調させる方法も本明細書で開示される。たとえば、アンテナは、アンテナに電磁的に結合された寄生アームの負荷を調整することによって同調され得る。チューナブルアンテナ装置および方法は、コンパクトなワイヤレス通信デバイスにおける実装形態に適してよい。
【００１３】
図1は、チューナブルアンテナの一実施形態の概略図である。チューナブルアンテナ100は、図1に示すように構成された、アンテナ102と、給電線110と、寄生アーム104と、チューナブル負荷106とを備える。アンテナ102は、アンテナ給電線110を介してトランシーバ(図示せず)に結合され得る。寄生アーム104は、アンテナ102に電磁的に結合されるように、アンテナ102と十分接近して設置される。しかしながら、図示のように、寄生アーム104とアンテナ102の間に直接接続がないことがある。さらに、寄生アーム104は、チューナブル負荷106に結合され得る。チューナブル負荷106は、図示のようにグランドに接続されてもよいし、実質的に一定の非ゼロ電圧レベルに維持されてもよい。チューナブル負荷は、可変インピーダンスすなわちチューナブルなインピーダンス(すなわち、抵抗、キャパシタンス、および/またはインダクタンスの組み合わせ)を有することがある。たとえば、固定インダクタすなわち非チューナブルなインダクタは、可変インピーダンスを提供するために、チューナブルキャパシタと直列に配置されることがある。チューナブルキャパシタは、無線周波数(RF)スイッチングデバイス、バラクタ、単極多投(「SPxT」)スイッチ、デジタルチューナブルキャパシタ(「DTC」)、または微小電気機械システム(「MEMS」)キャパシタアレイとして実施され得る。チューナブル負荷106は任意の適切な技術によって実施され得るので、上記は例示的な例である。
【００１４】
アンテナ102は、チューナブル負荷106を調整することによって可変かつ連続的な同調を可能にする任意のアンテナタイプであってよい。そのようなアンテナタイプとしては、限定するものではないが、逆Fアンテナ(「IFA」)、ループアンテナ、スロットアンテナ、または折り返し逆コンフォーマルアンテナ(FICA:folded inverted conformal antenna)がある。
【００１５】
使用されるアンテナまたはチューナブル負荷のタイプに関係なく、寄生アーム104とアンテナ102は、電磁的に互いに結合される。寄生アーム104は、寄生アームに結合されたチューナブル負荷106を変化させることによって、アンテナから個別に同調され得る。チューナブル負荷を変化させることは、アンテナ102の動作周波数帯域に影響を与え、したがって、キャパシタンスをアンテナに直接追加せずにアンテナ102の少なくとも1つの動作パラメータを調整する。
【００１６】
アンテナ102の連続的な同調は、チューナブル負荷106の同調能力が連続的である場合、可能であり得る。たとえば、DTCキャパシタアレイとMEMSキャパシタアレイの両方が連続的にチューナブルであり得るので、これらのチューナブル負荷のどちらかを選択することは、連続的にチューナブルなアンテナをもたらすことがある。さらに、アンテナ装置は、ヘッド検出のための前面近接センサまたは他のセンサ/検出器などのさまざまなるアンテナ装荷を軽減するための適切なフィードバック機構を有する動的にチューナブルな構成を可能にするように実施され得る。たとえば、チューナブル負荷106のキャパシタンスは1.8ピコファラド(pF)〜5pFの範囲であってよく、異なる負荷は、Table 1(表1)に示されるようなアンテナ102の異なる帯域につながる。チューナブル負荷のインダクタンスは、約10ナノヘンリー(nH)で比較的一定であってよい。(Table 1(表1)では、「低帯域」は-4デシベル(dB)未満のリターンロスを有することができ、「高帯域」は-6dB未満のリターンロスを有することができる)。Table 1(表1)に示されるように、約1.8pFの寄生アームの装荷の場合、低帯域は約870メガヘルツ(MHz)〜960MHzの範囲であってよく、高帯域は約1.42〜1.59ギガヘルツ(GHz)の範囲であってよい。約2.5pFの寄生アームの装荷の場合、低帯域は約810MHz〜890MHzの範囲であってよく、高帯域は約1.74GHz〜2.27GHzの範囲であってよい。約5pFの寄生アームの装荷の場合、低帯域は約690MHz〜750MHzの範囲であってよく、高帯域は約1.66GHz〜2.26GHzの範囲であってよい。チューナブル負荷106を調整することによって、アンテナ性能は、チューナブルアンテナ100を用いるワイヤレスデバイスの要件に応じて、あらかじめ定義された周波数帯域に対して同調されてもよいし、特定の動作チャネルに対して同調されてもよい。Table 1(表1)の特性を有するチューナブルアンテナは、例として、ロングタームエボリューション(LTE)帯域11、12、13、17、18、19、および21をサポートすることができる。なぜなら、帯域12、13、17、18、および19は690MHzから960MHzの範囲であってよく、帯域11および21は1.42GHzから1.51GHzの範囲であってよいからである。そのようなチューナブルアンテナは、850MHz、900MHz、1800MHz、および1900MHzにある周波数帯域などの、複数のユニバーサル移動体通信システム(「UMTS」)/広帯域符号分割多元接続(W-CDMA)/Global System for Mobile Communications(「GSM」(登録商標))周波数帯域もサポートすることができる。
【００１７】
【表１】
2016509393.tif 000003
【００１８】
Table 1(表1)。チューナブルアンテナ実施形態におけるさまざまな負荷に対する低帯域および高帯域。
【００１９】
アンテナの動作周波数帯域を調整することは、寄生アーム上の同調負荷を変化させることによって可能になるので、アンテナ性能は、より大型のアンテナを必要とすることなく、より広範囲にわたる帯域幅を可能にする。したがって、性能を増加させながらアンテナを小型化することを可能にする結果として、全体としてアンテナ装置に必要とされる面積の量は減少されることがあり、より小型のデバイスの生産を可能にする。
【００２０】
アンテナ装置を設計する際に、周囲回路構成要素からの電気エネルギーの量、ならびに外部環境の影響が考慮に入れられることがある。たとえば、アンテナ性能は、隣接する回路構成要素によって放出される周囲回路基板内の追加電気エネルギーによって影響され得る。この理由で、アンテナは、銅を含まない、「禁止(keepout)」区域と呼ばれることがある領域(たとえば接地)またはPCB上の電気構成要素に配置され得る。禁止区域は、アンテナを、アンテナ性能を低下させ得る任意の近くの導体または/電気構成要素から遠ざけるように意図され得る。さらに、アンテナ装置は、外部環境問題(たとえば、アンテナ装置を含むモバイルデバイスにユーザの頭部が近接していること)によって影響され得る。
【００２１】
図2Aおよび図2Bは、ワイヤレス通信デバイス200におけるチューナブルアンテナの一実施形態の切欠図である。このチューナブルアンテナは、アンテナ204と、寄生アーム206とを備える。図2Aと図2Bの両方は、寄生アーム206を備える例示的なワイヤレス通信デバイス200のx-y平面図を示す。しかしながら、図2Bでは、寄生要素結合がよりはっきりと見えるように、アンテナが省略されている。具体的には、図2Aは、装置に対する寄生アーム206の例示的な配置、形状、およびサイズを全体として示す。
【００２２】
図2Aを再び参照すると、寄生アーム206は、導電材料(たとえば銅)から作製されてよく、プリント回路基板(PCB)上にトレースされ、アンテナ204に電磁的に結合される。多くの場合、PCBはFR4であってよく、FR4はガラス繊維強化エポキシ樹脂であってよい。寄生アーム206とアンテナ204の両方が、PCBの禁止区域202内で支持およびカプセル化される。寄生アーム206はアンテナ204に電磁的に結合され、アンテナ204に対する物理的結合を必要としないので、寄生アーム206は、アンテナ204近傍の複数の場所に配置され得る。たとえば、寄生アームとアンテナの間に4ミリメートルの空間が存在することがある。
【００２３】
寄生アームの配置および結合をよりはっきりと理解するために、図2Bは、アンテナが取り外されたアンテナ装置を示す。具体的には、寄生アーム206は、非導電性禁止区域202内に設置され、チューナブル負荷208に結合される。寄生アーム206とチューナブル負荷208の両方は、アンテナに電磁的に結合されるが、物理的には結合されない。寄生アーム206は固定インダクタンスを有し、チューナブル負荷208はチューナブルキャパシタを備える。チューナブル負荷208は、チューナブルキャパシタと並列な固定インダクタをさらに備えることができる。寄生アーム206とチューナブル負荷208の組み合わせは、可変インピーダンスとしてみなされ得る。チューナブル負荷208は、グランドプレーン216に接続され得る。当業者には理解されるように、グランドプレーン216は、実質的に平坦な導電性の面であってよい。さらに、図には示されていないが、グランドプレーン216によって占有されていると示されている区域の一部を占有する他の電気構成要素が存在することがある。
【００２４】
図3Aは、アンテナ204に対する寄生アーム206の関係をさらに示すために、ワイヤレス通信デバイス200の斜視切欠図を示す。図3Aに示されるように、寄生アーム206は、アンテナ素子204の上方に、かつアンテナ素子204の2つの端部の間に設置され得る。さらに、図3Aは、アンテナ204が結合される、アンテナ給電線210ならびにアンテナグランド線212を示す。給電線210はアンテナ204をトランシーバに結合し、アンテナグランド線212はアンテナ204をグランドに結合する。
【００２５】
アンテナ204は、PCBの4ミリメートル上方に存在するアンテナ運搬装置すなわちプラスチック製ハウジング(図示せず)上に存在してもよい。寄生アーム206は、PCB上に印刷されてよく、したがって、アンテナ204の4ミリメートル下方に存在してもよい。
【００２６】
図3Bは、図3Aのワイヤレス通信デバイス200の同じ斜視切欠図を示すが、ハウジング214が示されている。寄生アーム206、アンテナ給電線210、およびアンテナグランド線212のビュー(view)はハウジング214によって遮られることに留意されたい。ハウジング214は、PCBから分離された面を提供し、その面の上にアンテナ204のすべてまたは一部が存在し得る。たとえば、アンテナ204は、ハウジング214上に置かれ得るまたはトレースされ得る。
【００２７】
図2A、図2B、図3A、および図3Bに示されるチューナブルアンテナ構成は、Table 1(表1)に示される結果を達成するために使用され得る。図2A、図2B、図3A、および図3Bに示される関係は、電磁結合をもたらす、アンテナ204などのアンテナと寄生アーム206などの寄生アームとの多数の可能な関係の一例である。Table 1(表1)の結果(および以下の図18および図19の結果)のために使用されるチューナブル負荷は、固定インダクタと並列なDTCである。
【００２８】
図4は、ワイヤレスデバイスにおいて使用され得る一般的なチューナブル負荷300のブロック図である。チューナブル負荷300は、寄生アーム310と、可変インピーダンス320とを備える。チューナブル負荷は、任意選択で、図示のように、固定インピーダンス330と、グランド(またはグランドプレーン)に接続された固定インピーダンス340とを含むことができる。固定インピーダンス330および340の各々は、インダクタであってもよいし、キャパシタであってもよいし、抵抗であってもよい。可変インピーダンス320は、チューナブルキャパシタであってよい。したがって、固定インピーダンス330は可変インピーダンス320と並列であってよく、それらの組み合わせは、固定インピーダンス340と直列であってよい。チューナブル負荷300は、寄生アーム310を介してアンテナに電磁的に結合され得る。
【００２９】
寄生アームのサイズは、アンテナ装置を利用するデバイスの必要性に応じて変化することがある。たとえば、一実施形態では、寄生アームは、より広範囲にわたるアクセス可能な帯域幅を可能にするために、より大きなサイズであってよい。しかしながら、別の実施形態では、寄生アームは、小型および/または薄型のハンドヘルドモバイルデバイスなどの小型デバイスにおけるアンテナの同調を提供するために、より小さなサイズであってよい。
【００３０】
寄生アームの形状は、アンテナ装置を利用するデバイスの必要性に応じて変化することがあるので、寄生アームは1つの形状のみに制限されない。たとえば、一実施形態では、デバイスは、長方形のプリント回路基板(PCB)を備える長方形のスマートフォンであることがある。したがって、一実施形態では、寄生アームの形状は、長方形PCBに最適な結合を可能にするために「L」字形であることがある。しかしながら、別の実施形態では、アンテナ同調の性能を可能にするために、寄生アームは、直線または「S」字形などの別の形状であってよい。
【００３１】
例示的な一実施形態では、アンテナ装置を含むデバイスは、携帯電話などのハンドヘルドワイヤレスデバイスであることがある。この実施形態では、携帯電話は、直径が4インチであることがあり、禁止区域は、厚さが9ミリメートル(mm)であることがある。寄生アーム206の負荷は、約1.8pF〜5pFのキャパシタ同調範囲を有し、約1〜2.7の最小キャパシタンスと最大キャパシタンスとの比が得られることがある。
【００３２】
図2A、図2B、図3A、および図3Bは例示的な実施形態を示すので、本開示によるチューナブルアンテナは、これらの図の特定の実施形態に限定されない。本開示によるチューナブルアンテナは、さまざまな実施形態を有することができる。図4〜図12は、チューナブル負荷を有する寄生アームの例示的な実施形態を示す。図4〜図12は、本開示によってカバーされる寄生アームのさまざまな形状を示す。チューナブルアンテナの動作周波数帯域は、チューナブル負荷のインピーダンスに依存するだけでなく、寄生アームの形状にも依存する。
【００３３】
図5は、ワイヤレス通信デバイス400における寄生アーム402およびチューナブル負荷404の一実施形態の切欠図である。同様に、図6〜図10はそれぞれ、寄生アーム502、602、702、802、および902の実施形態の切欠図である。図6〜図10の寄生アームはそれぞれ、チューナブル負荷504、604、704、804、および904に結合され、これらのチューナブル負荷はグランドプレーンに接続される。図11および図12は、寄生アーム1002および1102の実施形態の切欠図である。寄生アーム1002および1102の各々はそれぞれ、寄生アームの一端において、チューナブル負荷1004および1104に結合され得る。さらに、寄生アーム1002および1102の各々は、図示のように、別の端において、グランドプレーンに結合され得る。図5〜図12の寄生アームは、図3Aおよび図3Bのアンテナ204などのアンテナに電磁的に結合され得る。図5〜図12はそれぞれ、ワイヤレス通信デバイス400〜1100の一部分を表す。
【００３４】
図13は、2つの寄生アーム1202および1206の一実施形態の切欠図であり、寄生アーム1202および1206はアンテナに電磁的に結合され得る。寄生アーム1202および1206はそれぞれ、チューナブル負荷1204および1208に結合され得る。したがって、チューナブルアンテナの動作周波数帯域は、寄生アームおよびチューナブル負荷の数にも依存することがある。
【００３５】
図14は、チューナブルアンテナ1300の別の実施形態の側面図である。このチューナブルアンテナは、アンテナ1310と、寄生アーム1308とを備える。アンテナ1310は、第1のハウジング1304上に存在することがあり、寄生アーム1308は第2のハウジング1308上に存在することがある。チューナブルアンテナは、チューナブル負荷(図示せず)をさらに備える。
【００３６】
図15は、チューナブルアンテナ1400の別の実施形態の側面図である。このチューナブルアンテナは、アンテナ1410と、寄生アーム1408とを備える。アンテナ1410は、第1のハウジング1406上に存在することがあり、寄生アーム1408は第2のハウジング1404上に存在することがある。チューナブルアンテナは、チューナブル負荷(図示せず)をさらに備える。
【００３７】
図16Aは、ワイヤレス通信デバイス1500におけるチューナブルアンテナの別の実施形態の切欠側面図である。このチューナブルアンテナは、図16Aに示されるように、ハウジング1504上に位置するアンテナ1508を備える。図16Bは、チューナブルアンテナの上面図を示す。この上面図は、寄生アーム1506をチューナブルアンテナ1500の一部として示す。図16Cもチューナブルアンテナの側面図であるが、グランドプレーンへの接続1510および1512が示されている(これらの接続は図16Aには示されていない)。接続1510は寄生アーム1506をグランドプレーンに接続し、接続1512はアンテナ1508をグランドプレーンに接続する。チューナブルアンテナは、寄生アーム1506とグランドプレーンの間に配置され得るチューナブル負荷をさらに備えることができる。
【００３８】
図17Aは、ワイヤレス通信デバイス1600におけるチューナブルアンテナの別の実施形態の切欠側面図である。このチューナブルアンテナは、図17Aに示されるように、PCB上に位置するアンテナ1608を備える。図17Bは、チューナブルアンテナの上面図を示す。この上面図は、寄生アーム1606をチューナブルアンテナの一部として示す。図17Cもチューナブルアンテナの側面図であるが、グランドプレーンへの接続1610が示されている(この接続は図17Aには示されていない)。接続1610は、バイアを使用して、寄生アーム1606をグランドプレーンに接続する。チューナブルアンテナは、寄生アーム1606とグランドプレーンの間に配置され得るチューナブル負荷をさらに備えることができる。チューナブルアンテナはPCBの一方の側にあってよく、グランドプレーンはPCBの対向する側にあってよい。図17A〜図17Cは、チューナブルアンテナはPCB上にのみ存在してよい(すなわち、ハウジングを使用しなくてもよい)ことを示す。
【００３９】
図18は、アンテナを同調させるための方法の一実施形態の流れ図1700である。ステップ1702では、アンテナの動作周波数帯域が選択または決定される。たとえば、アンテナは、0.69GHz〜0.75GHzの範囲の低帯域を使用する必要があるワイヤレス通信デバイスにおいて用いられることがある。ステップ1703では、ステップ1702の選択された周波数帯域に対応するチューナブル負荷のキャパシタンスが決定される。キャパシタンスは、キャパシタンス値に対応する動作周波数を含む、Table 1(表1)などのルックアップテーブルにアクセスすることによって決定され得る。ステップ1704では、チューナブル負荷のキャパシタンスは、周波数帯域に応じて調整され得る。流れ図1700におけるステップは、定期的に繰り返されてもよいし、所定の時間間隔で繰り返されてもよいし、この方法を用いるワイヤレス通信デバイスが動作周波数帯域を変更することを必要とするときはいつでも繰り返されてよい。
【００４０】
図18で説明するアンテナを同調させるための方法では、チューナブル負荷は寄生アームを介してアンテナに電磁的に結合され得、動作周波数帯域はキャパシタンスに依存する。一実施形態では、通信デバイスに結合されたプロセッサは、メモリに記憶された関連キャパシタンス値および動作周波数帯域のテーブルにアクセスすることができる。このテーブルは、キャパシタンスを特定の値に同調させると特定の範囲の動作周波数帯域がもたらされることを決定するために、研究室での実験またはシミュレーションモデルから生成され得る。通信デバイスが特定の動作周波数帯域を要求するとき、プロセッサは、テーブル内で、要求された動作周波数帯域に関連付けられたキャパシタンス値を探索することができる。プロセッサは、次いで、キャパシタンス値を取り出すように寄生アーム上の負荷を同調させ、アンテナの適切な同調がもたらされ得る。
【００４１】
図19は、図2A、図2B、図3A、および図3Bに示されるチューナブルアンテナの3つの負荷のリターンロスを示す線グラフである。これらの結果のために使用されるチューナブル負荷はDTCである。図19に示される実線によって表される状態Aは、チューナブル負荷が約5pFのキャパシタンスを有するときのリターンロスを表す。図19に示される破線によって表される状態Bは、チューナブル負荷が約2.5pFのキャパシタンスを有するときのリターンロスを表す。具体的には、図19は、状態Bの場合、チューナブルアンテナは、1GHzの周波数では約-21dBのリターンロスを有し、1.75GHzの周波数では約-13dBのリターンロスを、2.4GHzの周波数では0dBのリターンロスを有することを示す。図19に示される点線によって表される状態Cは、チューナブル負荷が約1.8pFのキャパシタンスを有するときのリターンロスを表す。たとえば、図19は、状態Cの場合、チューナブルアンテナは、1.45GHzの周波数では約0dBのリターンロスを有し、1.5GHzの周波数では約-24dBのリターンロスを、2GHzの周波数では-5dBのリターンロスを有することを示す。図19に示されるように、これらの結果は、状態AのチューナブルアンテナはLTE帯域17にとって満足な性能を示すことができ、状態Bのチューナブルアンテナは850MHzの低帯域動作周波数で満足な性能を示すことができ、状態Cのチューナブルアンテナは900MHzの低帯域動作周波数で満足な性能を示すことができることを示す。
【００４２】
図20は、図2A、図2B、図3A、および図3Bに示されるチューナブルアンテナの3つの負荷のシステム効率を示す線グラフを示す。当業者には理解されるように、システム効率は、アンテナに配電される電力が自由空間にどれくらい効率的に放射され得るかの尺度である。図20に示される実線によって表される状態Aは、チューナブル負荷が約5pFのキャパシタンスを有するときのシステム効率を表す。具体的には、図20は、状態Aが、約0.7GHZの周波数では55%のシステム効率を有し、1.78GHzの周波数では約92%のピーク効率を、2.5GHzの周波数では5%のシステム効率を有することを示す。図20に示される破線によって表される状態Bは、チューナブル負荷が約2.5pFのキャパシタンスを有するときのリターンロスを表す。具体的には、図20は、状態Bが、約1.5GHZの周波数では45%のシステム効率を有し、0.8GHzの周波数では約85%のピーク効率を、2.5GHzの周波数では5%のシステム効率を有することを示す。図20に示される点線によって表される状態Cは、チューナブル負荷が約1.8pFのキャパシタンスを有するときのリターンロスを表す。たとえば、図20は、状態Cでは、約1.0GHZの周波数では55%のシステム効率を有し、0.95GHzの周波数では約75%のピーク効率を、2.5GHzの周波数では5%のシステム効率を有することを示す。
【００４３】
図21は、ワイヤレス通信デバイス2000の一実施形態の概略図である。通信デバイス2000は、図21に示されるように、トランシーバ2004と、プロセッサ2006と、メモリ2012と、チューナブルアンテナ2014とを備える。チューナブルアンテナ2014は、図21に示されるように、アンテナ2002と、寄生アーム2008と、チューナブル負荷2010とを備える。チューナブルアンテナ2014は、寄生アーム2008とアンテナ2002が電磁的に結合されるように構成される。たとえば、チューナブルアンテナは、図2A、図2B、図3A、および図3Bに示されるチューナブルアンテナと同様に構成され得る。チューナブル負荷2010は、バラクタまたはMEMSキャパシタアレイなどの、本明細書で論じる任意のタイプのチューナブル負荷であってよい。プロセッサ2006は、1つまたは複数の中央処理装置すなわちCPUチップ、コア(たとえばマルチコアプロセッサ)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、特定用途向け集積回路(ASIC)、および/またはデジタル信号プロセッサ(DSP)として実施され得る。チューナブル負荷2010は、プロセッサ2006によって制御され得る。プロセッサ2006は、ハードウェア、ソフトウェア、または両方を使用して実施され得る。メモリ2012は、プロセッサ2006に対する命令を含む揮発性または不揮発性のデータを記憶するために使用され得る。メモリ2012は、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、および/またはテープドライブもしくはディスクドライブなどの二次記憶デバイスを含み得る。ワイヤレス通信デバイス2000は、セルラー電話、スマートフォン、タブレットコンピュータ、ラップトップコンピュータ、または複数の動作帯域を用いることを必要とする他の任意のタイプのワイヤレス通信デバイスであってよい。
【００４４】
ワイヤレス通信デバイス2000は、任意選択で、図21に示されるように、近接センサ2016を含むことができる。近接センサは、人間の頭部または他の物体の近接度を検出することができる。ワイヤレス通信デバイス2000近傍の物体は、アンテナ2002のリターンロスに影響を与えることがある。近接センサは、たとえば、人体の存在およびワイヤレスデバイスに対する近接度を検出する助けとなる1つまたは複数のキャパシタを備える容量センサを含み得る。当業者には、多くのタイプの利用可能な近接センサがあることが認識されるであろう。したがって、プロセッサ2006は、チューナブル負荷2010のキャパシタンスを選択する際に近接センサからのフィードバックを考慮に入れることがある。
【００４５】
プロセッサ2006がチューナブル負荷2010を制御することを可能にするために、プロセッサ2006とチューナブル負荷2010の間に制御インタフェースがあることがある。この制御インタフェースは、シリアルペリフェラルインタフェースバス(SPI)、Mobile Industry Processor Interface(MIPI)、または他の任意の適切なインタフェースであってよい。プロセッサ2006は、チューナブル負荷2010に制御信号を送信するように構成され得、チューナブル負荷2006は、制御信号を受信し、それに応じてキャパシタンスを調整するように構成され得る。
【００４６】
メモリ2012は、Table 1(表1)などの、通信デバイス2000の動作周波数帯域およびそれらの周波数帯域を達成するチューナブル負荷2010の関連キャパシタンス値のテーブルを記憶することができる。プロセッサ2006は、このテーブルをメモリ2012からロードするまたはこれにアクセスすることができる。通信デバイス2000が、周波数帯域を使用することを望む場合、プロセッサ2006は、テーブル内のチューナブル負荷2010の関連キャパシタンス値を探索し、チューナブル負荷2010のキャパシタンスを設定するためにチューナブル負荷に制御信号を送信することができる。たとえば、通信デバイス(たとえば携帯電話)は、約870MHz〜960MHzの動作周波数帯域を要求することができる。Table 1(表1)を一例として使用して、プロセッサ2006は、メモリ2012に記憶されたテーブルにアクセスして、約870MHz〜960MHzの動作周波数帯域を達成する関連キャパシタンス値が1.8pFであることを知ることができる。次いで、プロセッサ2006は、要求された動作周波数帯域を達成するために、チューナブル負荷2010のキャパシタンスを1.8pFに合わせる。さらに、メモリに記憶されるテーブルは、チューナブル負荷の探索において、近接センサからの読み取り値を考慮に入れることがある。たとえば、動作周波数帯域は、近接度測定値とチューナブル負荷の関数であってよい。
【００４７】
実行可能命令をプログラミングするおよび/または通信デバイス2000上にロードすることによって、プロセッサ2006またはメモリ2012のうち少なくとも一方が変更され、通信デバイス2000を、方法1700などの本開示によって教示される新規な機能を有する特定の機械または装置に部分的に変換することがあることを理解されたい。電気工学分野およびソフトウェア工学分野にとって、実行可能ソフトウェアをコンピュータにロードすることによって実施できる機能が、よく知られている設計ルールによってハードウェア実装形態に変換され得ることは基本である。概念をソフトウェアで実施するかハードウェアで実施するかの判断は、一般に、ソフトウェア領域(domain)からハードウェア領域への変換に関与する問題ではなく、生産されるべきユニットの設計および数の安定性の考慮事項で決まる。一般に、ハードウェア実装形態のリスピン(re-spinning)はソフトウェア設計のリスピンよりも費用がかかるので、依然として頻繁に変更される設計は、ソフトウェアで実施されることが好ましいことがある。一般に、大量生産工程の場合、ハードウェア実装形態はソフトウェア実装形態よりも費用がかからないことがあるので、大量生産される、安定した設計は、ハードウェアたとえばASICで実施されることが好ましいことがある。多くの場合、設計は、ソフトウェア形式で開発および試験され、後で、よく知られている設計ルールによって、ソフトウェアの命令を配線接続する特定用途向け集積回路において等価なハードウェア実装形態に変えられることがある。新しいASICによって制御される機械が特定の機械または装置であるのと同じ方法では、同様に、実行可能命令をプログラムおよび/またはロードしたコンピュータは、特定の機械または装置とみなされ得る。
【００４８】
少なくとも1つの実施形態が開示され、当業者によってなされる実施形態および/または実施形態の特徴の変形形態、組み合わせ、および/または修正形態は本開示の範囲内である。実施形態の特徴を結合、統合、および/または省略することから生じる代替実施形態も本開示の範囲内である。数値範囲または制限が明示的に述べられる場合、そのような明示的な範囲または制限は、明示的に述べられた範囲または制限に含まれる同じ大きさの反復する範囲または制限を含む(たとえば、約1から約10は2、3、4などを含む。0.10より大きいは、0.11、0.12、0.13などを含む)と理解されたい。たとえば、下限Rlおよび上限Ruを有する数値範囲が開示されるときはいつでも、その範囲に含まれる任意の数は具体的に開示される。具体的には、範囲内の以下の数は、R=Rl+k*(Ru-Rl)と具体的に開示され、ここで、kは1パーセントから100パーセントまでの、1パーセント刻みの可変範囲であり、すなわち、kは、1パーセント、2パーセント、3パーセント、4パーセント、5パーセント、…、50パーセント、51パーセント、52パーセント、…、95パーセント、96パーセント、97パーセント、98パーセント、99パーセント、または100パーセントである。さらに、上記で定義された2つのRの数によって定義される任意の数値範囲も具体的に開示される。請求項の任意の要素に対する「任意選択で」という用語の使用は、その要素が要求される、またはあるいは、要素は要求されず、両方の代替形態は請求項の範囲内にあることを意味する。備える、含む、および有するなどのより広義の用語の使用は、からなる、から本質的になる、およびから実質的になるなどの、より狭義の用語に対するサポートを提供すると理解されたい。したがって、保護の範囲は、上記で説明した説明によって制限されず、以下の特許請求の範囲によって定義され、その範囲は、特許請求の範囲の主題のすべての等価物を含む。あらゆる請求項は、さらなる開示として本明細書に組み込まれ、特許請求の範囲は、本開示の実施形態である。本開示における参照、特に本出願の優先日の後の公開日を有する任意の参照の説明は、それが従来技術であるという承認ではない。本開示において引用されるすべての特許、特許出願、および公報の開示は、本開示への補足の例示的な詳細、
手順の詳細、または他の詳細を提供する程度まで、参照により本明細書に組み込まれる。
【００４９】
「一実施形態(one embodiment)」、「一実施形態(an embodiment)」、「いくつかの実施形態」、「さまざまな実施形態」などの参照は、特定の要素または特性が本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれることを示す。これらの句はさまざまな場所に出現することがあるが、句は、必ずしも同じ実施形態を参照するとは限らない。
【００５０】
上記の説明は、本発明の原理およびさまざまな実施形態を示すことを意味する。上記の開示がひとたび完全に諒解されると、多数の変形形態および修正形態が当業者に明らかになるであろう。たとえば、寄生アームに結合された可変チューナブルアンテナに関するさまざまな実施形態について説明してきたが、この文脈は、説明した実施形態のうちの1つまたは複数の範囲に関する制限と読まれないものとし、同じ技法は他の実施形態に使用されてよい。以下の特許請求の範囲は、かかるすべての変形形態および修正形態を包含すると解釈されることが意図されている。
【符号の説明】
【００５１】
11  LTE帯域、帯域
12  LTE帯域、帯域
13  LTE帯域、帯域
17  LTE帯域、帯域
18  LTE帯域、帯域
19  LTE帯域、帯域
100  チューナブルアンテナ
102  アンテナ
104  寄生アーム
106  チューナブル負荷
110  給電線、アンテナ給電線
200  ワイヤレス通信デバイス
202  禁止区域、非導電性禁止区域
204  アンテナ、アンテナ素子
206  寄生アーム
208  チューナブル負荷
210  給電線、アンテナ給電線
212  アンテナグランド線
214  ハウジング
216  グランドプレーン
300  チューナブル負荷
310  寄生アーム
320  可変インピーダンス
330  固定インピーダンス
340  固定インピーダンス
400  ワイヤレス通信デバイス
402  寄生アーム
404  チューナブル負荷
500  ワイヤレス通信デバイス
502  寄生アーム
504  チューナブル負荷
600  ワイヤレス通信デバイス
602  寄生アーム
604  チューナブル負荷
700  ワイヤレス通信デバイス
702  寄生アーム
704  チューナブル負荷
800  ワイヤレス通信デバイス
802  寄生アーム
804  チューナブル負荷
900  ワイヤレス通信デバイス
902  寄生アーム
904  チューナブル負荷
1000  ワイヤレス通信デバイス
1002  寄生アーム
1004  チューナブル負荷
1100  ワイヤレス通信デバイス
1102  寄生アーム
1104  チューナブル負荷
1200  ワイヤレス通信デバイス
1202  寄生アーム
1204  チューナブル負荷
1300  チューナブルアンテナ
1304  第1のハウジング
1308  第2のハウジング、寄生アーム
1310  アンテナ
1400  チューナブルアンテナ
1404  第2のハウジング
1406  第1のハウジング
1408  寄生アーム
1410  アンテナ
1500  ワイヤレス通信デバイス、チューナブルアンテナ
1504  ハウジング
1506  寄生アーム
1508  アンテナ
1510  接続
1512  接続
1600  ワイヤレス通信デバイス
1606  寄生アーム
1608  アンテナ
1610  接続
2000  ワイヤレス通信デバイス、通信デバイス
2002  アンテナ
2004  トランシーバ
2006  プロセッサ、チューナブル負荷
2008  寄生アーム
2010  チューナブル負荷
2012  メモリ
2014  チューナブルアンテナ
2016  近接センサ
【図１】
2016509393.tif 000004
【図２Ａ】
2016509393.tif 000005
【図２Ｂ】
2016509393.tif 000006
【図３Ａ】
2016509393.tif 000007
【図３Ｂ】
2016509393.tif 000008
【図４】
2016509393.tif 000009
【図５】
2016509393.tif 000010
【図６】
2016509393.tif 000011
【図７】
2016509393.tif 000012
【図８】
2016509393.tif 000013
【図９】
2016509393.tif 000014
【図１０】
2016509393.tif 000015
【図１１】
2016509393.tif 000016
【図１２】
2016509393.tif 000017
【図１３】
2016509393.tif 000018
【図１４】
2016509393.tif 000019
【図１５】
2016509393.tif 000020
【図１６Ａ】
2016509393.tif 000021
【図１６Ｂ】
2016509393.tif 000022
【図１６Ｃ】
2016509393.tif 000023
【図１７Ａ】
2016509393.tif 000024
【図１７Ｂ】
2016509393.tif 000025
【図１７Ｃ】
2016509393.tif 000026
【図１８】
2016509393.tif 000027
【図１９】
2016509393.tif 000028
【図２０】
2016509393.tif 000029
【図２１】
2016509393.tif 000030
【国際調査報告】
2016509393.tif 000031
2016509393.tif 000032