(57)【要約】マルチポートアンテナ構造は、中心軸の周りにほぼ対称的に配置された複数の導電性素子を含み、隣接する導電性素子同士の間にはギャップ又は隙間がある。導電性素子の各々は、反対の位置にある対向端部と対向端部同士の間にある屈曲部とを有し、屈曲部は対向端部よりも中心軸に近くにある。導電性素子の各々は、1つ以上の選択された周波数範囲の中でほぼ最適な動作をもたらすように選択された電気長を有するように形成される。複数のアンテナポートの各々が、或る所望の信号周波数範囲において他のアンテナポートから電気的に絶縁するように且つ本アンテナ構造がダイバーシチアンテナパターンを生成するように、複数のアンテナポートの各々が、隣接する導電性素子の間のギャップを横切るように接続される。
2012513730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチポートアンテナ構造であって、
中心軸の周りにほぼ対称的に配置された複数の導電性素子と、
複数のアンテナポートと
を有し、隣接する導電性素子同士の間にはギャップがあり、前記導電性素子の各々は、反対の位置にある対向端部と対向端部同士の中間にある屈曲部とを有し、該屈曲部は対向端部よりも前記中心軸の近くにあり、
前記導電性素子の各々は、1つ以上の選択された周波数範囲の中でほぼ最適な動作をもたらすように選択された電気長を有するように形成されており、
前記複数のアンテナポートの各々は、隣接する導電性素子との間のギャップを横切って該隣接する導電性素子に接続され、前記複数のアンテナポートの各々は、或る所望の信号周波数範囲において他のアンテナポートから電気的にほぼ絶縁され、当該マルチポートアンテナ構造はダイバーシチアンテナパターンを生成する、マルチポートアンテナ構造。
【請求項２】
前記複数の導電性素子が、3つの導電性素子を含む、請求項1記載のマルチポートアンテナ構造。
【請求項３】
前記導電性素子の各々が、平面的な構造を有する、請求項1記載のマルチポートアンテナ構造。
【請求項４】
前記導電性素子の各々が、ワイヤ状の形状を有する、請求項1記載のマルチポートアンテナ構造。
【請求項５】
前記導電性素子の各々が、前記屈曲部から伸びた追加的な端部を有する、請求項1記載のマルチポートアンテナ構造。
【請求項６】
前記導電性素子の端部各々の長さが、別の半波長共振周波数に対応するものである、請求項5記載のマルチポートアンテナ構造。
【請求項７】
アンテナポートの各々が2つの末端部を含み、無線回路に接続される同軸ケーブルのシールド部分が一方の末端部に接続され、該同軸ケーブルの中心導体が他方の末端部に接続されている、請求項1記載のマルチポートアンテナ構造。
【請求項８】
当該マルチポートアンテナ構造が誘電体構造を更に有し、該誘電体構造に前記導電性素子の各々が形成されている、請求項1記載のマルチポートアンテナ構造。
【請求項９】
前記誘電体構造が円形又は6角形の形状を有する、請求項1記載のマルチポートアンテナ構造。
【請求項１０】
前記導電性素子が、所望の動作周波数に対応する波長のほぼ半分である電気長を有する、請求項1記載のマルチポートアンテナ構造。
【請求項１１】
隣接する導電性素子同士の間の前記ギャップを横切って接続される複数のインピーダンス整合回路を更に有する、請求項1記載のマルチポートアンテナ構造。
【請求項１２】
前記複数の導電性素子が共通の平面内にあり、前記中心軸が前記共通の平面に垂直である、請求項1記載のマルチポートアンテナ構造。
【請求項１３】
通信装置において電磁波信号を送信及び受信するマルチモードアンテナ構造であって、前記通信装置は当該マルチモードアンテナ構造との間で送受信される信号を処理する回路を含み、当該マルチモードアンテナ構造は、
共通の平面内にある複数の導電性素子と、
前記回路に動作可能に結合された複数のアンテナポートと
を有し、前記複数の導電性素子は、前記共通の平面に垂直に伸びる中心軸の周りにほぼ対称的に配置され、隣接する導電性素子同士の間にはギャップがあり、
前記導電性素子の各々は、反対の位置にある対向端部と対向端部同士の中間にある屈曲部とを有し、該屈曲部は対向端部よりも前記中心軸の近くにあり、
前記導電性素子の各々は、1つ以上の選択された周波数範囲の中でほぼ最適な動作をもたらすように選択された電気長を有するように形成されており、
前記アンテナポートの各々は、隣接する導電性素子との間のギャップを横切って該隣接する導電性素子に接続され、1つのアンテナポートにより励振されるアンテナモードは、或る所望の信号周波数範囲において他のアンテナポートにより励振されるアンテナモードから電気的にほぼ絶縁され、当該マルチモードアンテナ構造はダイバーシチアンテナパターンを生成する、マルチモードアンテナ構造。
【請求項１４】
前記導電性素子の各々が、平面的な構造又はワイヤ状の形状を有する、請求項13記載のマルチモードアンテナ構造。
【請求項１５】
前記導電性素子の各々が、前記屈曲部から伸びた追加的な端部を有する、請求項13記載のマルチモードアンテナ構造。
【請求項１６】
前記導電性素子の端部各々の長さが、別の半波長共振周波数に対応するものである、請求項15記載のマルチモードアンテナ構造。
【請求項１７】
アンテナポートの各々が2つの末端部を含み、無線回路に接続される同軸ケーブルのシールド部分が一方の末端部に接続され、該同軸ケーブルの中心導体が他方の末端部に接続されている、請求項13記載のマルチモードアンテナ構造。
【請求項１８】
前記複数の導電性素子が、3つの導電性素子を含む、請求項12記載のマルチモードアンテナ構造。
【請求項１９】
前記導電性素子が、所望の動作周波数に対応する波長のほぼ半分である電気長を有する、請求項13記載のマルチモードアンテナ構造。
【請求項２０】
隣接する導電性素子同士の間の前記ギャップを横切って接続される複数のインピーダンス整合回路を更に有する、請求項13記載のマルチモードアンテナ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に無線通信装置の技術分野に関連し、特にそのような装置で使用されるアンテナに関連する。
【背景技術】
【０００２】
多くの通信装置は、近接して設けられ(例えば、4分の1波長よりも接近して配置され)かつ同一の周波数帯域内で同時に動作することが可能な複数のアンテナを必要とする。そのような通信装置の一般的な具体例は、無線アクセスポイントやフェムトセル等における通信製品を含む。(多入力多出力(MIMO)方式やダイバーシチ方式等を利用する)多くの通信システムアーキテクチャは、同時に動作する複数のアンテナを必要とする。そのような通信システムアーキテクチャは、無線LANに関する802.11nや、3Gデータ通信(例えば、802.16e(WiMAX)、HSDPA及び1xEVDO等)のような移動無線通信装置要の標準プロトコルを使用する。
【０００３】
なお、本願は「Planar  Three-Port  Antenna  and  Dual  Feed  Antenna」と題する西暦2008年12月23日付けで出願された米国仮特許出願第61/140,370号による優先的利益を享受し、その内容は本願のリファレンスに組み入れられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、改善されたマルチポートアンテナ構造及びマルチモードアンテナ構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施例によるマルチポートアンテナ構造は、
中心軸の周りにほぼ対称的に配置された複数の導電性素子と、
複数のアンテナポートと
を有し、隣接する導電性素子同士の間にはギャップがあり、前記導電性素子の各々は、反対の位置にある対向端部と対向端部同士の中間にある屈曲部とを有し、該屈曲部は対向端部よりも前記中心軸の近くにあり、
前記導電性素子の各々は、1つ以上の選択された周波数範囲の中でほぼ最適な動作をもたらすように選択された電気長を有するように形成されており、
前記複数のアンテナポートの各々は、隣接する導電性素子との間のギャップを横切って該隣接する導電性素子に接続され、前記複数のアンテナポートの各々は、或る所望の信号周波数範囲において他のアンテナポートから電気的にほぼ絶縁され、当該マルチポートアンテナ構造はダイバーシチアンテナパターンを生成する、マルチポートアンテナ構造である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の1つ以上の実施形態に関する平面3ポートアンテナの一例を示す概略図。
【図２Ａ】印刷回路基板上に作成された本発明の1つ以上の実施形態に関するシングルバンド平面3ポートアンテナの具体例を示す斜視図。
【図２Ｂ】図2Aに示すアンテナの平面図。
【図３Ａ】図2A及び2Bに示すアンテナのリターンロス(S11)を示すグラフ。
【図３Ｂ】図2A及び2Bに示すアンテナのポート間カップリング(S12)を示すグラフ。
【図３Ｃ】図2A及び2Bに示すアンテナの放射効率を示すグラフ。
【図３Ｄ】図2A及び2Bに示すアンテナのパターン相関係数の二乗を示すグラフ。
【図３Ｅ】図2A及び2Bに示すアンテナの方位角ゲインをプロットしたグラフ。
【図４】印刷回路基板上に作成された本発明の1つ以上の実施形態に関するデュアルバンド平面3ポートアンテナの具体例を示す斜視図。
【図５Ａ】図4に示すアンテナのVSWRを示すグラフ。
【図５Ｂ】図4に示すアンテナのポート間カップリング(S12)を示すグラフ。
【図５Ｃ】図4に示すアンテナの放射効率を示すグラフ。
【図５Ｄ】図4に示すアンテナのパターン相関係数の二乗を示すグラフ。
【図５Ｅ】図4に示すアンテナの2440MHzにおける方位角ゲインを示すグラフ。
【図５Ｆ】図4に示すアンテナの5250MHzにおける方位角ゲインを示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の1つ以上の実施形態によるマルチポートアンテナ構造は、中心軸の周りにほぼ対称的に配置された複数の導電性素子を含み、隣接する導電性素子同士の間にはギャップ又は隙間がある。導電性素子の各々は、反対の位置にある端部(対向端部)と対向端部同士の中間又は中央にある屈曲部とを有し、屈曲部は対向端部よりも中心軸に近くにある。導電性素子の各々は、1つ以上の選択された周波数範囲の中でほぼ最適な動作をもたらすように選択された電気長(electrical  length)を有するように形成される。複数のアンテナポートの各々が、或る所望の信号周波数範囲において他のアンテナポートから電気的に絶縁するように且つ本アンテナ構造がダイバーシチアンテナパターンを生成するように、複数のアンテナポートの各々が、隣接する導電性素子の間のギャップを横切るように接続される。
【０００８】
本発明の様々な実施形態が以下の詳細な説明により与えられる。理解されるように、本発明は他の及び異なる実施形態で実現することもでき、実施形態における詳細について、本発明の範囲から逸脱することなく、関連する様々な修正を行うことができる。従って、明細書及び図面はその性質上例示的なものと解釈されるものであり、特許請求の範囲を制約又は制限するものではない。
【実施例１】
【０００９】
多くの無線通信プロトコルは、情報スループットを増大させるため又は無線リンクの範囲や信頼性を増大させるために、同一の周波数帯域において複数の無線チャネルを利用する必要がある。従って、これらのプロトコルに従うシステムを実現するには、複数の独立したアンテナを利用する必要がある。移動電話、スマートフォン、PDA、モバイルインターネット装置及び無線ルータ等のような最近の無線装置の場合、一般に、アンテナ系又はアンテナシステムのサイズを小さくするために、通常、複数のアンテナをできるだけ一緒に接近させて配置することが望ましい。しかしながら、アンテナ同士を近接させて配置すると、アンテナポート同士の間の直接的なカップリング、インピーダンスの低下、アンテナ放射パターンに関する相関の上昇等による望まれない影響を招いてしまう。
【００１０】
本発明の1つ以上の実施形態によれば、複数のアンテナポートを伴うアンテナ構造が、コンパクトなサイズを達成する一方、ポート間の分離度及びアンテナインピーダンスを概ね維持するように提供される。図1には、1つ以上の実施形態によるアンテナ構造100が模式的に示されている。アンテナ構造100は3つの導電性素子101、102及び103を有し、導電性素子の各々は名目上(nominally)所望の動作周波数に対応する波長の半分の電気長を有する。素子101、102及び103は全てが1つの幾何学的な平面内にあり、その平面に垂直な共通の対称軸110の周りにある。素子101、102及び103の各々は、反対側にある対向端部又は遠方端部と対向端部同士の間にある屈曲部とを有する。素子101、102及び103各々の屈曲部は対称軸110に接近しており、対向端部は中心軸から離れるように伸びている。隣接する素子101、102及び103の間のギャップを横切るように、アンテナポート104、105及び106が設けられている。
【００１１】
ポート104、105及び105の何れかに信号を印加してアンテナ100を励振させると、素子101、102及び103の各々に電流が流れて共鳴状態を示す。しかし、隣接する素子101、102及び103の間のポート104、105及び106のアタッチメントは、ポートを通じて流れることなく素子101、102及び103各々に電流が流れることを可能にするので、ポート104、105及び106が互いにほぼ絶縁又は分離されたままでいることを可能にする。分離度はポートの位置と導電性素子同士の間のカップリングとに依存する関数である。カップリングは、素子同士の間の距離によって制御され、特に、導電性素子の端部が互いにどの程度接近するかによって制御される。素子の両端部が互いに接近するように素子が曲げられると、素子自身のカップリングが大きくなる反面、隣接する素子に対するカップリングは減少する。従って、素子の端部同士の間で大きな角度をなすように素子が曲げられると、隣接する素子に対するカップリングが増加する。
【００１２】
アンテナの入力インピーダンスは幾何学形状にも依存するので、分離どの観点から最適な幾何学形状と所望の入力インピーダンス(例えば、50オーム)の観点から最適な幾何学形状との間で、具体的な設計は二律背反又はトレードオフになる。入力インピーダンスを絶縁性に依存しないように変換するために、整合素子又はマッチング素子が付加されてもよい。一般に、細いワイヤではない平坦な幅を有するアンテナ素子は、アンテナ帯域幅の拡大及び寄生損失の低減を図る観点から有利である。
【００１３】
一般に、適切な絶縁性及び50オームに整合するインピーダンスは、導電性素子の共振周波数に対応する波長の半分に対応する周波数(半波長周波数)の近辺で得られる。従って、複数の半波長周波数と共に導電性素子を利用することで、複数の動作周波数帯域が得られる。これを行う方法の1つは、複数の素子が複数の分岐を有し、各分岐の長さが異なる半波長共振周波数に対応するように、素子を分割することである。1つ又は複数の周波数の場合に、素子の電気長を増やすように素子を設計する、ロードする又は負荷を持たせる(loading)ことで、アンテナの物理的なサイズは小さくなる。負荷を持たせる際の一般的な2つの方法は、導体をメアンダ状に曲げる(meandering)又は巻くことで(経路を蛇行させることで)経路の長さを増やす、或いはアンテナを高誘電体材料の上又は中に設けることである。
【００１４】
アンテナポートの各々は、隣接する導電性素子の間のギャップ両端における2つの端子の位置によって規定される。ポートの位置は、適切な伝送線路を用いることで別の場所に引き延ばしてもよい。その一例は、シールド部を一端に及び中心導体を他端に接続するようにして同軸ケーブルをポートの位置に取り付けることである。ケーブルは、無線回路部のような所望の接続点までポートを延長する。より相応しい方法の場合、平衡伝送線路又はバラン(balun)構造を用いて、アンテナにおける伝送線路の影響を低減する。
【００１５】
図2A及び2Bには、単独の周波数バンドで動作するように設計されたアンテナの一例が示されている。アンテナ構造200は、単独の銅の層からエッチングされた概ね同一の導電性素子201、202及び203を有する誘電体構造207と、3つの同軸ケーブル204、205及び206と、3つの個別整合インダクタ208、209及び210又はインピーダンス整合回路網とを含む。この例の構造は、厚さが1mmで半径が23mmの円盤状であり、ロジャースコーポレーション(Rogers  Corporation)により製造されている材料FR408から切り出されたものである。銅の素子201、202及び203は共通の中心軸の周りに対称的に配置され、素子の端部が半径22mmの円にありかつ外側の端部同士のなす角度が60度の範囲を規定するように、素子が配置されている。この外半径に至る部分(素子)同士は、60度の円弧によって分離される(約23mm)。
【００１６】
アンテナ構造200の中心に向かうと、隣接する素子201、202及び203の間の間隔は、1mm幅のギャップにまで小さくなる。同軸ケーブル204、205及び206は、中心から9mmの半径方向の距離において、1mmのギャップを横切るように取り付けられている。各々のケーブルは、ギャップの一方端のホール220を通じて隣接する銅の素子に至る(ギャップの一方端においてケーブルのシールドはハンダ付けされている)。各ケーブルの中心導体222は、ギャップを横切るように曲げられ、ギャップの他方端において隣接する銅の素子にハンダ付けされている。整合インダクタ208、209及び210は、中心から10mmの半径方向の距離において給電線に隣接してギャップを横切るようにハンダ付けされている。各インダクタは公称値4.7nHの巻線型の0402チップインダクタである。
【００１７】
図2A及び2Bに示すアンテナのパフォーマンスが、アンソフト(Ansoft)HFSSによりシミュレーションされ、さらに試作器を用いて測定された。リターンロス(S11)及びカップリング(S12)に関するシミュレーション結果が図3A及び3Bに示されている。シミュレーションの場合、幾何学的形状は完全な対称性を有するので、全ての反射項(reflection  term)はS11と同一であり、カップリング項はS12に一致することに留意を要する。
【００１８】
図3A及び3Bには、アンテナ200の散乱パラメータ(scattering  parameter)の測定結果が示されている。測定されたデータについては、ポート各々につき1つの合計3つのデータがプロットされている。測定されプロットされたデータの相違は、測定の再現性及び試作器の設計誤差等に起因する。測定された周波数応答の形状はシミュレーションにより予測されるものと一致しているが、約70MHz程度(2.3％)低い方にずれている。
【００１９】
図3Eには、3GHzの周波数の場合に方位角平面において測定されたゲインパターンが示されている。プロットされたデータの各々は、水平面内にある(すなわち、アンテナの面内にある)ダイポールの放射パターンと同様な放射パターンを示している。説明の便宜上、ケーブル204、205及び206に対するアタッチメント(取付部)をそれぞれポート1、ポート2及びポート3としている。ポート1を励振させて生じるパターンは、x軸上にある大ポートと同様である。対称性から他の2つのポートは概ね同じパターンを示すが、z軸の周りに120度又は240度回転させたものが得られている。これらのプロットは各パターンの角度方向(angular  orientation)を示す。任意の2つのポートにより生じるパターン同士の相関(correlation)は、図3Dに示すように非常に低い。測定された実現可能な効率は、図3Cに示すように約70％である。
【００２０】
図4には、2つの周波数バンドで動作するように設計された別のアンテナの例が示されている。このアンテナ400は図2に示すアンテナと同様な基本構造を有するが、主な相違は素子402、404及び406の各々が分岐した部分(ブランチ)を有することである。この例の場合、分岐の長さは、2.4ないし2.5GHz及び5.15ないし5.85GHzのWLANの帯域における動作周波数に整合するように最適化されている。内側の分岐(ブランチ)の長さは高周波側の帯域(5GHz)の周波数を規定し、外側の分岐(ブランチ)の長さは低周波側の帯域(2.4GHz)の周波数を規定する。素子402、404及び406のサイズは、外側の頂点(端部)が半径26mmの円上にあるように規定されている。
【００２１】
この例における誘電体材料は、円形ではなく6角形状に切り出されている。ただし、規則的な三重の対称性を有する如何なる形状も、3つのアンテナポート全てが等しいパフォーマンスを発揮するのに適している。誘電体の影響は小さいので、この対称性を有しない形状(例えば、正方形や四角形)を利用しても、多くの製品用途において許容可能なパフォーマンスが得られるであろう。
【００２２】
図5A及び5B  には、図4に示すアンテナ400について測定されたVSWR及びS21のグラフがそれぞれ示されている。この設計例の場合、所望の入力インピーダンスは、ポートの位置及び導電性素子同士の間のギャップを適宜選択することで得られ、個別的な整合回路(マッチング素子)は不要である。
【００２３】
2440MHz及び5250MHzの周波数に関し、方位角の面内において測定されたゲインパターンが、図5E及び5Fに示されている。2440MHzの場合ポート1を励振させることで生じるパターンはx軸上にあるダイポールのものと同様であるが、5250MHzの場合のパターンは、より指向性が強い。対称性により他の2つのパターンも同様なパターンを生じるが、z軸の周りに120度又は240度回転させたものが得られている。これらのプロットは各パターンの角度方向を示す。任意の2つのポートにより生じるパターン同士の相関は、図5Dに示すように非常に低い。測定された実現可能な効率は、図5Cに示すように約50％である。
【００２４】
3つの導電性素子及び3つのアンテナポートを有するアンテナの例が説明されたが、本願により説明された特徴を使用できるアンテナは、任意の数の導電性素子及びアンテナポートを含んでよいことが、理解されるべきである。特に、一実施例によれば、2つ以上の導電性素子及びアンテナポートを有するアンテナが想定されており、その場合、素子及びポートは共通な軸の周りに対称的に配置され、複数の素子は、素子各々の中央部分がその軸に接近しておりかつ端部が軸から遠く離れているように曲げられ、複数のポートは隣接する一対の導電性素子の間のギャップを横切って接続される。
【００２５】
更に、上記の例は、共通する平面内にある導電性素子を有するアンテナを示していたが、本願により説明された特徴を使用できるアンテナは、異なる平面にある導電性素子を含んでもよいことが、理解されるべきである。例えば、一実施例において、アンテナの導電性素子は共通の軸の周りに対称的に配置されるが、素子の端部は軸に垂直な平面に対して上方に又は下方に曲がっている(ある角度を形成している)。
【００２６】
本発明は特定の実施例の観点から説明されてきたが、上記の説明は例示的であるに過ぎず、本発明の範囲を限定するものでも規定するものでもないことが、理解されるべきである。以下のものに限定されないが様々な他の形態が特許請求の範囲内に含まれる。例えば、本願において説明された素子及び部材は、同様な機能を発揮しつつ、更に少ない素子数で構成されるように一体化されてもよいし或いは更なる素子に分割されてもよい。
【００２７】
以上、本発明の好適実施例を説明してきたが、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに変形がなされてもよいことは、明らかであろう。
【図１】
2012513730.tif 000003
【図２Ａ】
2012513730.tif 000004
【図２Ｂ】
2012513730.tif 000005
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2012513730.tif 000007
【図３Ｃ】
2012513730.tif 000008
【図３Ｄ】
2012513730.tif 000009
【図３Ｅ】
2012513730.tif 000010
【図４】
2012513730.tif 000011
【図５Ａ】
2012513730.tif 000012
【図５Ｂ】
2012513730.tif 000013
【図５Ｃ】
2012513730.tif 000014
【図５Ｄ】
2012513730.tif 000015
【図５Ｅ】
2012513730.tif 000016
【図５Ｆ】
2012513730.tif 000017
【国際調査報告】
2012513730.tif 000018
2012513730.tif 000019
2012513730.tif 000020