JP2017511667A - アンテナアイソレーションの提供を有する容量結合型ループアンテナを用いたアンテナシステム - Google Patents

Abstract

第１のアンテナと、第２のアンテナと、グランドプレーンと、第１及び第２のアンテナに結合された共振アイソレータとを含むアンテナシステムが提供される。各アンテナは、容量結合された複合ループアンテナとなるように構成され、共振アイソレータは、共振時に２個のアンテナ間のアイソレーションを提供するように構成される。２個のアンテナは対称又は非対称であって、磁界を放射する第１の素子と、磁界に直交する電界を発生させる第２の素子とを含む。第２の素子の放射素子は、第２の素子の残りの部分に容量結合することができる。共振アイソレータは、単一の導電性素子、又は互いに容量結合される２個の導電性素子を備えてもよい。

Description

本開示は、複合ループアンテナに関する。

関連出願との相互参照．
本願は、２０１４年４月１５日付けの米国特許出願第１４／２５３，６７８号の利益を主張する。

新しい世代の携帯電話機及びその他の無線通信装置が、アプリケーションの増加に伴って小型化されかつ埋め込まれている。これらの装置の固有の限界に対処し、新しい能力を可能にするために、新しいアンテナ設計が必要とされる。従来のアンテナ構造では、特定の周波数で、特定の帯域幅での共振アンテナ構造を生成するためにある物理量が必要となる。しかしながら、そのようなアンテナの効果的な実装は、装置のの使用可能なスペースが限られているために、しばしばサイズの制約に直面する。

米国特許第８１４４０６５号明細書（２０１２年３月２７日登録） 米国特許第８１４９１７３号明細書（２０１２年４月３日登録） 米国特許第８１６４５３２号明細書（２０１２年４月２４日登録） 米国特許第９４３１７０８号明細書（２０１６年８月３０日登録）２０１２年１１月５日付け米国出願の発明の名称「容量結合された複合ループアンテナ」）

アンテナの効率は、装置の性能を決定する重要なパラメータの１つである。特に、
放射効率は、放射がいかに効果的に発生するかを記述し、アンテナの入力電力に対する放射電力の比として表される。より効率的なアンテナは、給電されるエネルギーのより高い割合を放射する。同様に、アンテナの本質的な相反性のために、より効率的なアンテナは、より多くの受信エネルギーを電気エネルギーに変換する。このため、効率が良くコンパクトなサイズのアンテナは多くの場合様々なアプリケーションに対して望ましい。

従来のループアンテナは、典型的には、主に磁気（Ｈ）磁界を発生する。従って、それらは典型的には送信機としては適していない。このことは、特に小型ループアンテナ（すなわち、１波長未満の直径を有する）に当てはまる。ループアンテナによって受信される放射エネルギーの量は、その面積によって部分的に決定される。典型的には、ループの領域が半分になるたびに、受け取ることができるエネルギーの量は約３ｄＢ減少する。従って、サイズ効率のトレードオフは、ループアンテナ設計の主な考慮事項の１つである。

例えば電界（Ｅ）と磁界（Ｈ）の両方を放射するダイポールなどの電圧給電型アンテナは送信モードと受信モードの両方で使用できる。複合アンテナは、横方向の磁気（ＴＭ）モードと横方向の電界（ＴＥ）モードの両方が励起され、例えば広い帯域幅（低いＱ）、大きな放射強度／電力／利得、及び良好な効率のような、多くの利点を有する、パフォーマンス上の利点をもたらすアンテナである。２次元の非複合アンテナの多くの例があり、これらは一般に回路基板上に印刷された金属ストリップを含む。これらのアンテナのほとんどは電圧給電される。このようなアンテナの１つの例は、逆Ｆ平面アンテナ（ＰＩＦＡ）である。多数のアンテナ設計が１／４波長（又は１／４波長のいくらかの倍数）の電圧給電型ダイポールアンテナを利用する。

ＭＩＭＯ（多入力多出力）技術の使用は、今日の無線通信装置において増加しており、エラー率を最小にしながらデータ通信レートを向上させる。ＭＩＭＯシステムは、同一ではないが同じメッセージの異なる変形である、異なる複数の信号を送信するために複数の送信（Ｔｘ）アンテナを同時に使用し、異なる信号を受信するために複数の受信（Ｒｘ）アンテナを同時に使用することで、マルチパス環境からの干渉を軽減するように設計される。ＭＩＭＯシステムは、一般に、追加の帯域幅なしでデータスループットの大幅な増加をもたらすことができ、又はアレイ利得を達成するようにアンテナ全体にわたって同じ総送信電力を拡散することによって増加された送信電力を有する。ＭＩＭＯプロトコルは、例えば、ＩＥＥＥ ８０２．１１ｎ（Ｗｉ−Ｆｉ）、４Ｇ、ＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）、ＷｉＭＡＸ及びＨＳＰＡ＋のような無線ネットワークを介して通信することができる無線通信規格の一部を構成する。しかしながら、複数のアンテナを有する構成では、サイズの制約が厳しくなる傾向があり、複数のアンテナの中での電磁結合による干渉効果により発生する干渉効果が送受信特性が大きく劣化させる可能性がある。同時に、多くの場合効率が低下することがあり、複数の経路が励起され、電力消費が増加する。

第１のアンテナ、第２のアンテナ、グランドプレーン、及び第１及び第２のアンテナに結合された共振アイソレータを含むアンテナシステムが提供される。各アンテナは、容量結合された複合ループアンテナとなるように構成され、共振アイソレータは、共振時に２個のアンテナ間のアイソレーションを提供するように構成される。２個のアンテナは対称又は非対称であり、磁界を放射する第１の素子と、磁界に直交する電界を発生させる第２の素子とを含む。第２の素子の放射素子は、第２の素子の残りの部分に容量結合することができる。共振アイソレータは、単一の導電性素子、又は容量結合された２個の導電素子を含む。

平面ＣＰＬアンテナの一例を示す。 平面Ｃ２ＣＰＬアンテナの一例を示す。 ２個のＣ２ＣＰＬアンテナを有する二アンテナシステムを示しており、図３Ａは、アンテナ１、アンテナ２及び第１のグランドプレーンを含む第１の層の上面図を示す。 ２個のＣ２ＣＰＬアンテナを有する二アンテナシステムを示しており、第２のグランドプレーンを含む第２の層の底面図を示す。 ２個のアンテナをデカップリングする共振アイソレータを備えた２個のＣ２ＣＰＬアンテナを有する二アンテナシステムを示しており、アンテナ１、アンテナ２及び第１のグランドプレーンを含む第１の層の上面図を示す。 ２個のアンテナをデカップリングする共振アイソレータを備えた２個のＣ２ＣＰＬアンテナを有する二アンテナシステムを示しており、第２のグランドプレーン及び共振アイソレータを含む第２の層の底面図を示す。 二アンテナシステムを有する装置の実装例を示しており、装置の平面図を示す。 二アンテナシステムを有する装置の実装例を示しており、装置の底面図を示す。 測定された周波数に対するＳパラメータを示すプロットである。 測定された周波数に対する効率を示すプロットである。 Ｙ−Ｚ平面上において２．４５ＧＨｚで測定された放射パターンを示すプロットである。 Ｘ−Ｙ平面上において２．４５ＧＨｚで測定された放射パターンを示すプロットである。 Ｘ−Ｚ平面上において２．４５ＧＨｚで測定された放射パターンを示すプロットである。 ２個のアンテナをデカップリングする共振アイソレータを備えた２個のＣ２ＣＰＬを有する二アンテナシステムの別の例を示しており、アンテナ１、アンテナ２、第１グランドプレーン及び共振アイソレータを含む第１の層の上面図を図示する。 容量結合共振アイソレータを有する二アンテナシステムの一例を示す上面図を示す。 容量結合共振アイソレータを有する二アンテナシステムの一例を示す下面図を示す。 両方の動作周波数において、図１０Ａ及び図１０Ｂに示された例について測定された周波数に対するＳパラメータを示すプロットである。 図１０Ａ及び図１０Ｂに２．４５ＧＨｚで示した例において、Ｙ−Ｚ平面上で測定された放射パターンを示すプロットを示す。 図１０Ａ及び図１０Ｂに２．４５ＧＨｚで示した例において、Ｘ−Ｙ平面上で測定された放射パターンを示すプロットを示す。 図１０Ａ及び図１０Ｂに２．４５ＧＨｚで示した例において、Ｘ−Ｚ平面上で測定された放射パターンを示すプロットを示す。 ５．５ＧＨｚで図１０Ａ及び図１０Ｂに示す例において、Ｙ−Ｚ平面上で測定された放射パターンを示す。 ５．５ＧＨｚで図１０Ａ及び図１０Ｂに示す例において、Ｘ−Ｙ平面上で測定された放射パターンを示す。 ５．５ＧＨｚで図１０Ａ及び図１０Ｂに示す例において、Ｘ−Ｚ平面上で測定された放射パターンを示す。 ２．４５ＧＨｚで図１０Ａ及び図１０Ｂに示す例において、測定された周波数に対する効率を示すプロットである。 ５．５ＧＨｚで図１０Ａ及び図１０Ｂに示す例において、測定された周波数に対する効率を示すプロットである。

従来のアンテナに関連する既知の制限を考慮して、特に放射効率に関しては、修正されたループアンテナとも呼ばれる複合ループアンテナ（ＣＰＬ）は、同等のサイズを有する従来のアンテナよりも高い効率で送信モードと受信モードの両方を提供するように考案される。ＣＰＬアンテナの構成及び実装例は、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３に記載される。ＣＰＬアンテナの主な特徴を、図１に示す例を参照して以下に要約する。

図１は、平面ＣＰＬアンテナ１００の一例を示す。この例では、平面ＣＰＬアンテナ１００は、プリント回路基板（ＰＣＢ）１０４上に印刷され、この場合には２個の端部１１２及び１１６を提供する開いたベース部分を有する矩形の複数の縁に沿ってトレース（配線）として形成されて延在するループ素子１０８を含む。一端部１１２は、電流が給電されるアンテナの給電点である。他端部１１６は接地される。ＣＰＬアンテナ１００は、Ｊ字形のトレース１２４とミアンダトレース１２８とを有する放射素子１２０をさらに含む。この例では、ミアンダトレース１２８は、Ｊ字形トレース１２４をループ素子１０８に結合するように構成される。放射素子１２０は、本質的に、インダクタンス及びキャパシタンスを直列に給電する直列共振回路として機能し、それらの値は、共振がアンテナの動作周波数で生じるように選択される。ミアンダトレース１２８を使用する代わりに、Ｊ型トレース１２４の形状及び寸法は、ループ素子１０８に直接接続し、依然として目標の共振を提供するように調整することができる。

典型的に電流給電される従来のループアンテナと同様に、平面ＣＰＬアンテナ１００のループ素子１０８は、磁界（Ｈ）を発生する。直列共振回路特性を有する放射素子１２０は、電界（Ｅ）放射器として効果的に動作する（もちろん、同様にアンテナ固有の相反性のためこれは電界受信機である）。放射素子１２０とループ素子１０８との接続点は、互いに実質的に直交する、電界及び磁界を発生／受信するための平面ＣＰＬアンテナ１００において重要である。この直交関係は、アンテナによって放射された電磁波が空間を介して効果的に伝搬することを可能にする効果を有する。互いに直交するように配置された電界及び磁界がない場合、電磁波は短距離を越えて効果的に伝搬しない。この効果を達成するために、放射素子１２０は、放射素子１２０によって発生される電界が、ループ素子１０８によって発生された磁界に対して位相から、９０°又は２７０°だけずれている位置に配置される。具体的には、放射素子１２０は、給電点１１２からループ素子１０８に沿って、実質的に９０°（又は２７０°）の電気長の位置に配置される。あるいは、放射素子１２０は、ループ素子１０８を流れる電流が反射最小値にある、ループ素子１０８の位置に接続されてもよい。

電界と磁界の直交性に加えて、電界と磁界はそれらの大きさが互いにコンパラブルで同等である。これらの２個の要因、すなわち、直交性及び同等の大きさは、次式で定義されるポインティングベクトル（ベクトル出力密度）を見ることによって評価することができる。
［数１］
Ｐ＝Ｅ×Ｈ（ボルト／ｍ×アンペア／ｍ＝ワット／ｍ^２）
指向ベクトルを表面上に積分することによって、アンテナを取り囲む表面から出る全放射電力が求められる。従って、量Ｅ×Ｈは、放射されたパワー、従って放射効率の直接の尺度である。まず第一に、ＥとＨが互いに直交するとき、ベクトル積は最大を与えることに注目される。第二に、２個の量の積の全体的な大きさは、２個の量（この場合、｜Ｈ｜と｜Ｅ｜）を有するように、可能な限り近づけば、最適な製品価値が得られる。上述したように、平面ＣＰＬアンテナでは、放射素子１２０を、給電点１１２からループ素子１０８に沿った実質的に９０°（又は２７０°）の電気長の位置に配置することで直交性が達成される。さらに、ループ素子１０８及び放射素子１２０のそれぞれの形状及び寸法はそれぞれ、同等の高い｜Ｈ｜及び｜Ｅ｜の大きさを提供するように構成することができる。このため、従来のループアンテナとは対照的に、平面ＣＰＬアンテナは、送信モードと受信モードの両方を提供するだけでなく、放射効率を高めることができる。

小型化を実現することは、ＣＰＬアンテナのループ素子及び／又は放射素子に直列キャパシタンスを導入することによって達成される。このようなアンテナ構造は、容量結合された複合ループアンテナ（Ｃ２ＣＰＬ）と呼ばれ、従来のアンテナよりも効率的で小型の送信モードと受信モードの両方を提供するように考案される。Ｃ２ＣＰＬアンテナの構造及び実装の例は、特許文献４に記載されている。図２に示す例を参照して、Ｃ２ＣＰＬアンテナの主な特徴について以下に要約する。

図２は、平面Ｃ２ＣＰＬアンテナ２００の一例を示す。この例では、平面Ｃ２ＣＰＬアンテナ２００は、プリント回路基板（ＰＣＢ）２０４上に印刷され、第１のループセクション２０８Ａ及び第２のループセクション２０８Ｂを有するループ素子２０８を含み、第１のループセクション２０８Ａ及び第２のループセクション２０８Ｂは間隙２１０を介して容量結合される。従って、Ｃ２ＣＰＬの場合、ループ素子２０８は、２個の導電性セクション２０８Ａ及び２０８Ｂ並びに容量性間隙２１０を含む第１の素子である考えることができる。容量値は間隙２１０の幅及び長さを調整することによって達成される。第１のループセクション２０８Ａの容量結合端とは反対側に位置する端部２１２はアンテナの電流給電点である。第２のループセクション２０８Ｂの容量結合端とは反対側に位置する別の端部２１６はグランドプレーンに短絡される。Ｃ２ＣＰＬアンテナ２００は、ループ素子２０８に結合される第２の素子である放射素子２２０をさらに含む。ＣＰＬアンテナと同様に、ループ素子２０８に対する放射素子２２０の接続点は、相互に実質的に直交する電界及び磁界を発生／受信するために、Ｃ２ＣＰＬアンテナ２００において重要である。この効果を達成するために、放射素子２２０は、給電点２１２からループ素子２０８に沿って実質的に９０°（又は２７０°）の電気長の位置に配置される。アンテナ構造の各素子の形状及び寸法は、目標の共振を得るように調整することができる。例えば、図２のアンテナ構造は、特定の無線アプリケーションに２．４／５．８ＧＨｚデュアルバンドを有するように調整することができる。図２に示すこの例では、間隙２１０がループ素子２０８に導入される。代替的又は追加的に、放射素子２２０に間隙を導入して小型化を図ることができる。すなわち、間隙が第１の素子及び／又は第２の素子に導入されてもよく、分割されたセクションは、サイズ縮小のために容量結合されるように構成される。

上述したように、Ｃ２ＣＰＬアンテナは小型化して高効率を達成することができる。従って、これらのアンテナは、例えば、ＭＩＭＯシステム、ＵＳＢドングルなどの、多重アンテナシステムに使用される良好な候補である。図３Ａ及び図３Ｂは、図２に示す例と同様である２個のＣ２ＣＰＬアンテナを図示する。アンテナ構造及びグランドプレーンの導電性部分は、誘電体基板、プリント基板、セラミック、アルミナなどの上に印刷されてもよい。あるいは、これらの部品は、部品間にエア間隙又は発泡スチロールを形成することができる。図３Ａは、アンテナ１、アンテナ２、及び第１のグランドプレーン３１８Ａを含む第１の層を図示する。図３Ｂは、第２のグランドプレーン３１８Ｂを含む第２の層を図示する。第１及び第２のグランドプレーン３１８Ａ及び３１８Ｂは、第１及び第２のグランドプレーン３１８Ａ及び３１８Ｂに垂直に形成されたグランド（接地）バイアスによって（グランドバイアスは図中に複数の小さな円で示される）等電位となるようにする。

図３Ａ及び図３Ｂのこの例では、アンテナ１は、図２に示すものと同様の構造を有する平面Ｃ２ＣＰＬアンテナであり、第１の層のループ素子３０８と、第１のループセクション３０８Ａと第２のループセクション３０８Ｂとを有し、ここで、第１のループセクション３０８Ａと第２のループセクション３０８Ｂは間隙３１０を介して容量結合される。このため、Ｃ２ＣＰＬアンテナのループ素子３０８は、２個の導電性セクション３０８Ａ及び３０８Ｂ並びに容量性間隙３１０を含む第１の素子であると考えることができる。第１のループセクション３０８Ａの容量結合端とは反対側に位置する第１の終点３１２はアンテナ１の電流給電点である。給電点３１２はポート１に接続され、第１のグランドプレーン３１８Ａ内に形成されるが、第１のグランドプレーン３１８Ａから分離されており、この例では、第１の層の層である。第２のループセクション３０８Ｂの容量結合端とは反対側に位置する第２の終点３１６は第１のグランドプレーン３１８Ａに短絡される。アンテナ１は放射素子３２０をさらに含み、放射素子３２０は第２の素子であり、ループ素子３０８に結合される。相互に実質的に直交する電界と磁界の発生／受信のために、放射素子３２０は、給電点３１２からループ素子３０８に沿って実質的に９０°（又は２７０°）の電気長の位置に配置される。この例では、間隙３１０は、ループ素子３０８に導入される。代替的又は追加的に、放射素子３２０に間隙を導入して小型化を図ることができる。すなわち、第１の素子及び／又は第２の素子に間隙を導入し、分割されたセクションは、サイズ縮小のために容量結合されるように構成される。

図３Ａに示すように、第２のアンテナ（アンテナ２）は基本的に第１のアンテナ、アンテナ１の鏡像である。図示のように、アンテナ２はポート２に結合され、アンテナ１から独立して電流給電される。ポート２も、第１のグランドプレーン３１８Ａに形成されるが、第１のグランドプレーン３１８Ａから分離される。この例では、アンテナ１及びアンテナ２は、同じ構造を有し、対称的に配置されるように示される。しかしながら、異なる形状のＣ２ＣＰＬアンテナを使用することができ、配置は二アンテナシステムを形成するために対称的である必要はない。アンテナ１及びアンテナ２の各素子の形状及び寸法は、目標の共振に応じて変化させることができる。さらに、３つ以上のＣ２ＣＰＬアンテナをマルチアンテナシステムを形成するために使用されてもよい。

上述したように、複数のアンテナが密集している構成は、アンテナ間の電磁結合による干渉効果が送受信の品質や効率を著しく低下させることがある。このため、マルチアンテナシステムにはアンテナアイソレーション方式がしばしば必要となる。この明細書は、システム内の２個のアンテナを結合するように構成され、共振時にアンテナの電磁的アイソレーションを達成する共振アイソレータの実施例を開示する。

図４Ａ及び図４Ｂは、図３Ａ及び図３Ｂに示された２個のＣ２ＣＰＬアンテナシステムの一例を示し、ここで、共振アイソレータをさらに含み、２個のアンテナを分離し、共鳴して２個のアンテナを電磁的に分離する。２個のアンテナ構造とグランドプレーンの導電部分はプリント配線基板、セラミック、アルミナなどの誘電体基板上に印刷することができる。あるいは、これらの部品は、部品間にエアギャップ又は発泡スチロールを形成することができる。図４Ａは、アンテナ１、アンテナ２、及び第１のグランドプレーン４１８Ａを含む第１の層を図示する。図４Ｂは、第２のグランドプレーン４１８Ｂ及び共振アイソレータ４２８を含む第２層の底面図を示す。２個のグランドプレーンは複数の円で示されるグランドバイアスと結合されることで同電位に保持する。

図４Ａ及び図４Ｂの例では、アンテナ１は、図３Ａに示すものと同様の構造を有する平面Ｃ２ＣＰＬアンテナである。給電点４１２Ａ−１がポート１に結合され、ポート１はこの例では第１のグランドプレーン４１８Ａに形成されるが、そこから分離される。第２のアンテナ（アンテナ２）の給電点４１２Ａ−２はアンテナ２はポート２に結合され、アンテナ１から独立して給電される。ポート２も、第１のグランドプレーン内に形成されているが、第１のグランドプレーンから分離されている。この例では、アンテナ１及びアンテナ２は、同じＣ２ＣＰＬアンテナ構造を有し、対称的に配置されるように示されている。しかしながら、異なるＣ２ＣＰＬアンテナを使用することができ、配置は、二アンテナシステムを形成するために対称的である必要はない。アンテナ１とアンテナ２の各要素の形状と寸法は、
共振アイソレータ４２８と同様に、目標の共振に応じて変化させることができる。

共振アイソレータ４２８の第１及び第２の端部４１２Ｂ−１及び４１２Ｂ−２はそれぞれ、アンテナ１及びアンテナ２の給電点４１２Ａ−１及び４１２Ａ−２に結合される。垂直方向のバイアスは、共振アイソレータ４２８の第１の端部４１２Ｂ−１をアンテナ１の給電点４１２Ａ−１に結合する第１のビアと、共振アイソレータ４２８の第２の端部４１２Ｂ−２をアンテナ２の給電点４１２Ａ−２に結合する第２のビアを用いて、点４１２Ａ１／４１２Ｂ−１と４１２Ａ−２／４１２Ｂ−２の間の第１層と第２層に形成される。第２の層における共振アイソレータ４２８の位置は、第１の層に形成された第１のグランドプレーン４１８Ａのフットプリントと重なるように予め定められている。言い換えると、第１のグランドプレーン４１８Ａは、共振アイソレータ４２８を上側に覆い被さる（オーバーハングする）ように構成される。この構成は、そうでなければ得ることができるよりも良好な周波数調整を可能にする。

一実施形態によれば、共振アイソレータ４２８の第１の端部４１２Ｂ−１及び第２の端部４１２Ｂ−２は、それぞれ、アンテナ１及びアンテナ２の給電点４１２Ａ−１及び４１２Ａ−２に結合され、それは電流が各アンテナにおいて最大値を有する点の位置に設けられる。さらに、共振アイソレータ４２８の電気長は、実質的に９０°又はその奇数倍（２７０°、４５０°など）である。この構成は、２個のアンテナ間の最適なアイソレーションを提供する。

さらに、共振アイソレータ４２８上の共振電流に関連する後進波は、共振アイソレータの電気長は９０°に設定されるから、前進波に対して１８０°の位相シフトを受ける。このため、１８０°の位相オフセットを有する前進波と後進波は、アンテナ１を表す電流のコースのノードに対して有効に開回路を生成するように合成される。このように、アンテナ１とアンテナ２は、電気長が９０°である共振アイソレータ４２８の存在のために、共振時に実質的に分離することができる。

前述したように、実施形態にかかる二アンテナシステムは、実質的に９０°（又はその奇数倍）の電気長を有する共振アイソレータによってデカップリングされた２個のＣ２ＣＰＬアンテナを含み、実質的に直交する電界及び磁界の発生のために効率が高められ、容量結合アンテナ素子を構成することにより小型化が図られ、共振時の２個のアンテナ間のアイソレーションは、２個のアンテナを分離する共振アイソレータのために強化される。図５Ａ及び５Ｂは、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、共振アイソレータによって分離された２個のＣ２ＣＰＬアンテナを有する二アンテナシステムを有する装置の実施例を示す。装置の平面図及び底面図はそれぞれ、第１の層と第２の層上に形成された構造の輪郭を一緒に示すことによって図５Ａ及び図５Ｂに示されている。図５Ａ及び図５Ｂに提供された例では、各素子のサイズ及び寸法は２．４ＧＨｚ帯域を得るように調整されるが、マルチバンドの実装も可能である。

図６は、図５Ａ及び図５Ｂに示された装置の周波数に対する測定されたＳパラメータを示すプロットであり、ここで、３つのＳパラメータが別々にプロットされる。このプロットのＳ２１パラメータ値によって示されるように、２．４ＧＨｚ共振付近で高いアイソレーションが達成される。共振アイソレータを備えたこの二アンテナシステムは、この領域内の２個のアンテナ間の強い結合のために生じる、低周波数で高いＲＦ伝送を示すローパスフィルタ特性を有することが分かる。

図７は、図５Ａ及び図５Ｂに示された装置の周波数に対する測定された効率を示すプロットであり、ここでアンテナ１の効率とアンテナ２の効率は別々にプロットされる。５０％近くの効率値が、Ｃ２ＣＰＬアンテナの使用によって与えられる小さな装置のサイズにもかかわらず、２．４ＧＨｚの共振の近傍で達成されている。

図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃはそれぞれ、Ｙ−Ｚ平面上、Ｘ−Ｙ平面上及びＸ−Ｚ平面上において、２．４５ＧＨｚで測定された放射パターンを示すプロットであり、図５Ａ及び図５Ｂに示された装置に対して、アンテナ１の放射パターンとアンテナ２の放射パターンがそれぞれの図で別々にプロットされる。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、挿入図に示すように、Ｙ−Ｚ平面に沿って配置された装置に対して割り当てられる。図８Ａ及び８Ｂから分かるように、２個のアンテナの間の高いアイソレーションのために、アンテナ１とアンテナ２の放射パターンが互いに相補的に発生される。図８ＣのＸ−Ｚ平面上の放射パターンは、電磁エネルギーの大部分が相対的に小さなエネルギーで下向きに進む上半球にあることを示す。これは、その装置が例えばＰＣに挿入されるＵＳＢドングルとして使用される場合に望ましい特性である。この構成では、下方に向かう放射パターンは最小であり、従って、ＰＣ内の電子機器への電磁干渉は最小限に抑えられる。

本開示は、２個のＣ２ＣＰＬアンテナ構造の１つの例と、共振アイソレータの実施形態を含む。しかしながら、上記特許文献４に記載されるようなアンテナ及びそれらのバリエーションなどの任意のＣ２ＣＰＬアンテナは小型で高効率で孤立した二アンテナシステムを得ることができる。これについて共振アイソレータの使用をＮ個のアンテナシステムに拡大することも可能である。従って、本開示は、２個のＣ２ＣＰＬアンテナに限定されず、本開示はＣＰＬアンテナのみに限定されず、同様に広範囲の他のアンテナと共に使用することができる。加えて、２個のアンテナを分離するための共振アイソレータは、上記の例では１つの特定の共振用に構成されるが、共振アイソレータを再構成することが可能であり、マルチバンドシステムのための２つ以上の共振でのアイソレーションを提供することができる。

図９は、図２に示す例と同様に、２個のＣ２ＣＰＬアンテナを有する二アンテナシステムの別の例を示し、ここで、共振アイソレータが含まれて２個のアンテナを分離し、共振して２個のアンテナを電磁的に分離する。このアンテナシステムの構造は、図４Ａ及び図４Ｂに示す例と同様であり、共振アイソレータ９２８が第２の層の代わりに第１の層に配置される点が異なる。図９は、アンテナ１、アンテナ２、第１のグランドプレーン９１８、及び共振アイソレータ９２８を含む第１の層の上面図を示す。第２のグランドプレーンは、第１の層が形成される、第２の層表面と反対側の基板表面上にある。２個のグランドプレーンはグランドバイアスに接続され、それらを同電位に保持する。とって代わって、本アンテナシステムは、第２の層内に第２のグランドプレーンを有さずに全ての素子を収容する１つの層を有するように構成してもよい。アンテナ１及びアンテナ２の各々は、図２に示すものと同様の構造を有する平面Ｃ２ＣＰＬアンテナである。アンテナ１の給電点はポート１に接続され、アンテナ２の給電点は、アンテナ１から独立して給電されるようにポート２に結合される。
この例では、アンテナ１及びアンテナ２は、同じＣ２ＣＰＬアンテナ構造を有し、鏡面対称に配置されるように図示される。しかしながら、異なるＣ２ＣＰＬアンテナを使用することができ、配置は二アンテナシステムを形成するために鏡面対称である必要はない。アンテナ１及びアンテナ２、並びに共振アイソレータ１０２８の各素子の形状及び寸法は、目標の共振に応じて変化させることができる。

共振アイソレータ１０２８の第１及び第２の端部９１２−１及び９１２−２はそれぞれアンテナ１及びアンテナ２の給電点の近くの位置に結合され、ここで、電流は各アンテナにおいて最大値を有する。さらに、共振アイソレータ９２８の電気長は、実質的に９０°又はその奇数倍（２７０°、４５０°など）になるように構成される。

上記の例では、二アンテナシステムは単一周波数で動作し、共振アイソレータは連続した導電素子である。図１０Ａ及び図１０Ｂに示す二アンテナシステムの例は、誘電体基板１０００上に実装されたマルチバンド二アンテナシステムの上面図及び底面図をそれぞれ示し、ここで、共振アイソレータは、容量結合される２個の別個の導電素子により形成される。アンテナ１及び２は、先に図示したものとは異なる構造を有する平面Ｃ２ＣＰＬアンテナである。アンテナ１及び２は、第１のループセクション１００２Ａ及び第２のループセクション１００２Ｂを有するループ素子１００２を含み、第１のループセクション１００２Ａ及び第２のループセクション１００２Ｂは間隙１００４を介して容量結合される。このため、Ｃ２ＣＰＬアンテナの各々におけるループ素子１００２は、２個の導電性部分１００２Ａ及び１００２Ｂ並びに容量性間隙１００４を含む第１の素子であると考えられる。アンテナ１の第１のループセクション１００２Ａは、アンテナ１の第１の端部及び電流給電点１００２Ａ−１で給電され、アンテナ２の第１のループセクション１００２Ａは、アンテナ２の第１の端部及び電流給電点１００２Ａ−２で給電される。給電点１００２Ａ−１，１００２Ａ−２のそれぞれは、それぞれポート１及びポート２に結合される。ポート１とポート２は、第１のグランドプレーン１００６Ａから分離される。

アンテナ１と２の他の端部は、第２のループセクション１００２Ｂの容量結合端とは反対側であって、第１のグランドプレーン１００６Ａに短絡される。アンテナ１及び２はさらに、それぞれ異なる周波数で動作し、ループセクション１００２Ａ、１００２Ｂのそれぞれに形成される２個の放射素子を含む。互いに実質的に直交するアンテナ１の電界と磁界を発生／受信するために、第２のループセクション１００２Ｂの放射素子は、給電点１００２Ａ−１からループ素子１００２Ｂに沿って実質的に９０°（又は２７０°）の電気長の位置に配置される。同様の設定がアンテナ２で行われる。間隙１００４は、上述のようにサイズ縮小の目的で構成されてもよい。図１０Ｂは、間隙１０１０によって分離された第１のセクション１００８Ａ及び第２のセクション１００８Ｂで形成される、第２のグランドプレーン１００６Ｂ及び共振アイソレータ１００８を含む。２個のグランドプレーンは図１０Ａ及び図１０Ｂには示されていないが、上記の他の図のいくつかに示されるように複数の円で示されるが、グランドバイアスと結合され、それらを同電位に保持する。図１０Ａ及び図１０Ｂに示すアンテナ装置は鏡面対称であるが、対称性は本質的ではなく、異なる形状及び構成のアンテナを二アンテナシステムの一部として使用することができる。

図１０Ｂに示す容量性負荷共振アイソレータの実施例は、２個の密集したアンテナ間のアイソレーションを大幅に改善することができ、それらはアンテナの動作波長未満で分離される。さらに、この例では、両方のバンドでアイソレーションを強化してデュアルバンド動作をサポートする目的で使用するために、Ｃ２ＣＰＬアンテナアートワーク内で領域を再利用することができる。各アンテナの共振アイソレータは、アンテナの給電点に、低ローカルインピーダンス点（すなわち、局所的な電流の最大値）近傍で接続することができる。容量性負荷共振アイソレータの全長は、その構造を流れる電流が、共用接続点１００２Ｂ−１，１００２Ｂ−２において、アンテナの非アクティブ部分に励起された電流を加算的に打ち消す位相変化をうけるように構成してもよい。共振アイソレータのアートワークに容量性素子を導入することにより、小型化とデュアルバンド動作が同時に可能になる。

図１１は、両方の動作周波数において図１０Ａ及び図１０Ｂに示す例において測定された、周波数に対するＳパラメータを示し、ここで、２個のＳパラメータが別々にプロットされる。このプロットのＳ２，１パラメータ値によって示されるように、２．４ＧＨｚの共振付近で高いアイソレーションが実現される。Ｓ２，２のパラメータで示されるように５．５ＧＨｚでそれほどではない。

図１２Ａ、図１２Ｂ及び図１２Ｃは、図１０Ａ及び図１０Ｂに２．４５ＧＨｚで例示された例についてそれぞれ示される、Ｙ−Ｚ平面、Ｘ−Ｙ平面及びＸ−Ｚ平面上において、測定された放射パターンを示すプロットを示す。図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１３Ｃは、５．５ＧＨｚで図１０Ａ及び図１０Ｂに示す例において、Ｙ−Ｚ平面上、Ｘ−Ｙ平面上及びＸ−Ｚ平面上において測定された放射パターンを示す。

図１４は、図１０Ａ及び図１０Ｂに２．４５ＧＨｚで示した例において、測定された周波数に対する効率を示すプロットである。図１５は、５．５ＧＨｚで図１０Ａ及び図１０Ｂに示す例において、測定された周波数に対する効率を示すプロットである。
図１４では、約６０％の周波数に対する効率は、Ｃ２ＣＰＬアンテナの使用によって与えられる小さな装置のサイズにもかかわらず、２．４５ＧＨｚの共振の近傍で達成され、図１５では、５．５ＧＨｚでの効率は８０％に近くなっている。

一実施形態では、アンテナシステムは、第１のアンテナと第２のアンテナとを有する少なくとも一対のアンテナを含む第１の層を備え、第１の層は第１のグランドプレーンをさらに含む。前記アンテナシステムは、共振アイソレータと第２のグランドプレーンとを含む第２の層とを備え、前記共振アイソレータは第１の端部と第２の端部とを有し、第２のグランドプレーンから絶縁された第２の層上又は当該第２の層内に設けられ、前記共振アイソレータは、第１のアンテナが第１のビアにより第１の端部に接続されかつ第２のアンテナが第２のビアによって第２の端部に接続されるときの共振時に、前記第１のアンテナを前記第２のアンテナから分離するように構成される。前記第１のビア及び前記第２のビアは前記第１の層及び前記第２の層に垂直であり、前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナのそれぞれは、電流給電点に第１の終点で結合された第１の素子であって、第２の終点において第１のグランドプレーンに短絡され、磁界を放射する第１の素子と；給電点から実質的に９０度又は９０度の奇数倍の電気長で第１の素子に結合された第２の素子であって、磁界と実質的に直交する電界を発生する第２の素子とを備える。

本実施形態では、前記第１の素子は、第１のセクションと、第２のセクションと、前記第１のセクションと前記第２のセクションとの間に形成された間隙とを備え、前記第１のセクション及び前記第２のセクションは、前記間隙を介して容量結合される。本実施形態では、前記第２の素子は、第１のセクションと、第２のセクションと、前記第１のセクションと前記第２のセクションとの間に形成された間隙とを備え、前記第１のセクション及び前記第２のセクションは、前記間隙を介して容量結合される。

一実施形態では、前記共振アイソレータは、前進波と後進波が合成されたときの共振時に開回路となる、前進波と、位相オフセットを有する後進波とを発生する、実質的に９０度又は実質的に９０度の奇数倍の電気長を有することで、第１のアンテナと第２のアンテナとの間のアイソレーションを提供する。本実施形態では、前記共振アイソレータは、第１のアンテナと第２のアンテナとの間において、実質的に９０度の位相遅延、又は実質的に９０度の位相遅延の奇数倍のいずれかを提供する電気長を有する。

一実施形態では、前記第１のビアは、電流値が最大である第１のアンテナの前記電流給電点に結合され、第２のビアは、電流値が最大である第２のアンテナの電流給電点に結合される。

一実施形態では、第１の層はＮ対のアンテナを含み、第２の層はＮ個の共振アイソレータを含み、Ｎ個の共振アイソレータのうちの１つの共振アイソレータは、Ｎ対のアンテナのうちの各アンテナ対に対応する。

一実施形態では、前記アンテナシステムはマルチバンドアンテナシステムであり、前記共振アイソレータは、マルチバンドアンテナシステムの各共振時において第１のアンテナを第２のアンテナから分離するように構成される。

一実施形態では、前記共振アイソレータは、第１の端部を第２の端部に連結する導電線を含み、一実施形態では、前記共振アイソレータは、前記第１の端部と前記第２の端部との間に形成された間隙を含み、前記第１の端部と前記第２の端部とは、前記間隙を介して容量結合される。

一実施形態では、アンテナシステムは、第１のアンテナ及び第２のアンテナを含む第１のアンテナ対と、グランドプレーンと、第１のアンテナに結合された第１の端部を有しかつ第２のアンテナに結合された第２の端部とを備える共振アイソレータとを備え、共振アイソレータは、第１のアンテナが第１の端部に接続されかつ第２のアンテナが第２の端部に接続されるときの共振時に第１のアンテナを第２のアンテナから分離するように構成される。前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナのそれぞれは、第１の終点で電流給電点に結合されかつ第２の終点でグランドプレーンに短絡される第１の素子であって磁界を放射する第１の素子と、給電点から実質的に９０度又は９０度の奇数倍の電気長で第１の素子に結合された第２の素子であって、磁界と実質的に直交する電界を発生する第２の素子とを備える。

本実施形態では、前記第１の素子は、第１のセクションと、第２のセクションと、前記第１のセクションと前記第２のセクションとの間に形成された間隙とを備え、前記第１のセクション及び前記第２のセクションは、前記間隙を介して容量結合される。本実施形態では、前記第２の素子は、第１のセクションと、第２のセクションと、前記第１のセクションと前記第２のセクションとの間に形成された間隙とを備え、前記第１のセクション及び前記第２のセクションは、前記間隙を介して容量結合される。

一実施形態では、前記共振アイソレータは、前進波と、前進波と後進波が合成されたときの共振時に開回路となる位相オフセットを有する後進波とを発生する、実質的に９０度又は実質的に９０度の奇数倍の電気長を有し、第１のアンテナと第２のアンテナとの間のアイソレーションを提供する。本実施形態では、前記共振アイソレータは、第１のアンテナと第２のアンテナとの間において、実質的に９０度の位相遅延、もしくは又は実質的に９０度の位相遅延の奇数倍のいずれかを提供する電気長を有する。

一実施形態では、前記第１の端部は、電流値が最大である前記第１のアンテナの前記給電点において前記第１のアンテナに結合され、第２の端部は、電流値が最大である第２のアンテナの給電点に接続される。

本実施形態では、前記共振アイソレータは、第１の端部を第２の端部に連結する導電線を含む。本実施形態では、前記共振アイソレータは、前記第１の端部と前記第２の端部との間に形成された間隙を含み、前記第１の端部と前記第２の端部とは、前記間隙を介して容量結合される。

本実施形態では、第１の素子はループ素子であり、第２の素子は放射モノポール素子である。

本実施形態では、放射素子は、第１の周波数で動作し、第１の素子は第１の周波数と実質的に異なる第２の周波数で動作する第２の放射素子をさらに含む。

本実施形態では、Ｎ対のアンテナ及びＮ個の共振アイソレータをさらに備え、Ｎ個の共振アイソレータのうちの１つの共振アイソレータは、Ｎ対のアンテナのうちの各アンテナ対に対応する。

本実施形態では、前記アンテナシステムはマルチバンドアンテナシステムであり、前記共振アイソレータは、マルチバンドアンテナシステムの各共振時に、第１のアンテナを第２のアンテナから分離するように構成される。

この文書には多くの詳細説明を含むが、これらは発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではなく、請求される可能性のあるものとして解釈され、むしろ本発明の特定の実施形態に特有の特徴の説明として解釈されるべきである。別個の実施形態の文脈でこの文書に記載される特定の特徴は、単一の実施形態において組み合わせて実施することもできる。逆に、単一の実施形態の文脈で記載される様々な特徴は別々に又は任意の適切なサブコンビネーションで複数の実施形態で実施することもできる。複数の特徴は、特定の組み合わせで作用するものとして上に説明されており、当初はそのように主張されていても、クレームされた組み合わせからの１つ以上の特徴は、ある場合には、その組み合わせから行使されることができ、請求された組み合わせは、サブコンビネーション又はサブコンビネーションのバリエーションに向けられ得る。

Claims (22)

1. 第１のアンテナと第２のアンテナとを有する、少なくとも一対のアンテナを含む第１の層と、
   共振アイソレータと第２のグランドプレーンとを含む第２の層とを備えるアンテナシステムであって、
   前記第１の層は第１のグランドプレーンをさらに含み、
   前記共振アイソレータは第１の端部及び第２の端部を有し、前記第２のグランドプレーンから分離された第２の層の上又は内部に配置され、
   前記共振アイソレータは、前記第１のアンテナが第１のビアにより第１の端部に接続されかつ前記第２のアンテナが第２のビアによって第２の端部に接続されるときの共振時に前記第１のアンテナを前記第２のアンテナから分離するように構成され、前記第１のビア及び前記第２のビアはそれぞれ前記第１の層及び前記第２の層に垂直であり、
   前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナのそれぞれは、
   第１の終点で電流給電点に結合され、第２の終点で第１のグランドプレーンに短絡された第１の素子であって、磁界を放射する第１の素子と、
   給電点から実質的に９０度又は９０度の奇数倍の電気長で前記第１の素子に結合される第２の素子であって、磁界と実質的に直交する電界を発生する第２の素子とを含むアンテナシステム。
2. 前記第１の素子は、第１のセクションと、第２のセクションと、前記第１のセクションと前記第２のセクションとの間に形成された間隙とを備え、
   前記第１のセクション及び前記第２のセクションは、前記間隙を介して容量結合される請求項１に記載のアンテナシステム。
3. 前記第２の素子は、第１のセクションと、第２のセクションと、前記第１のセクションと前記第２のセクションとの間に形成された間隙とを備え、
   前記第１のセクション及び前記第２のセクションは、前記間隙を介して容量結合される請求項１に記載のアンテナシステム。
4. 前記共振アイソレータは、前進波と、前進波と後進波が合成される共振時に開回路を生成する位相オフセットを有する後進波とを発生して、実質的に９０度又は実質的に９０度の奇数倍の電気長を有することで、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとの間のアイソレーションを提供する請求項１に記載のアンテナシステム。
5. 前記共振アイソレータは、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとの間において、実質的に９０度の位相遅延、又は実質的に９０度の位相遅延の奇数倍のいずれかの電気長を提供する請求項１に記載のアンテナシステム。
6. 前記第１のビアは、電流値が最大である前記第１のアンテナの電流給電点に結合され、前記第２のビアは、電流値が最大である前記第２のアンテナの電流給電点に結合される請求項１に記載のアンテナシステム。
7. 前記第１の層はＮ対のアンテナを含み、前記第２の層はＮ個の共振アイソレータを含み、
   前記Ｎ個の共振アイソレータのうちの１つの共振アイソレータは、前記Ｎ対のアンテナのうちの各アンテナ対に対応する請求項１に記載のアンテナシステム。
8. 前記アンテナシステムはマルチバンドアンテナシステムであり、
   前記共振アイソレータは、前記マルチバンドアンテナシステムの各共振時に前記第１のアンテナを前記第２のアンテナから分離するように構成される請求項１に記載のアンテナシステム。
9. 前記共振アイソレータは、第１の端部を第２の端部に連結する導電線を含む請求項１に記載のアンテナシステム。
10. 前記共振アイソレータは、前記第１の端部と前記第２の端部との間に形成された間隙を含み、
    前記第１の端部と前記第２の端部とは、前記間隙を介して容量結合される請求項１に記載のアンテナシステム。
11. 第１のアンテナと第２のアンテナとを含む第１のアンテナ対と、
    グランドプレーンと、
    前記第１のアンテナに結合された第１の端部と、前記第２のアンテナに結合された第２の端部とを有する共振アイソレータとを備えたアンテナシステムであって、
    前記共振アイソレータは、前記第１のアンテナが第１の端部に接続されかつ前記第２のアンテナは前記第２の端部に接続される共振時に前記第１のアンテナを前記第２のアンテナから分離するように構成され、
    前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナのそれぞれは、
    第１の終点で電流給電点に結合される第１の素子であって、第２の終点でグランドプレーンに短絡され、磁界を放射する第１の素子と、
    給電点から実質的に９０度又は９０度の奇数倍の電気長で前記第１の素子に結合される第２の素子であって、磁界と実質的に直交する電界を発生する第２の素子とを備えるアンテナシステム。
12. 前記第１の素子は、第１のセクションと、第２のセクションと、前記第１のセクションと前記第２のセクションとの間に形成された間隙とを備え、
    前記第１のセクション及び前記第２のセクションは、前記間隙を介して容量結合される請求項１１に記載のアンテナシステム。
13. 前記第２の素子は、第１のセクションと、第２のセクションと、前記第１のセクションと前記第２のセクションとの間に形成された間隙とを備え、
    前記第１のセクション及び前記第２のセクションは、前記間隙を介して容量結合される請求項１１に記載のアンテナシステム。
14. 前記共振アイソレータは、前進波と、前記前進波と後進波が合成される共振時に開回路を生成する位相オフセットを有する後進波とを発生する、実質的に９０度又は実質的に９０度の奇数倍の電気長を有することで、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとの間のアイソレーションを提供する請求項１１に記載のアンテナシステム。
15. 前記共振アイソレータは、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとの間において、実質的に９０度の位相遅延又は実質的に９０度の位相遅延の奇数倍のうちの１つを提供する電気長を有する請求項１１に記載のアンテナシステム。
16. 前記第１の端部は、電流値が最大である前記第１のアンテナの前記給電点において前記第１のアンテナに結合され、
    前記第２の端部は、電流値が最大である前記第２のアンテナの電流給電点に結合される請求項１１に記載のアンテナシステム。
17. 前記共振アイソレータは、前記第１の端部を前記第２の端部に連結する導電線を含む請求項１１に記載のアンテナシステム。
18. 前記共振アイソレータは、前記第１の端部と前記第２の端部との間に形成された間隙を含み、前記第１の端部と前記第２の端部とは、前記間隙を介して容量結合される請求項１１に記載のアンテナシステム。
19. 前記第１の素子はループ素子であり、前記第２の素子は放射モノポール素子である請求項１１に記載のアンテナシステム。
20. 放射素子は第１の周波数で動作し、
    前記第１の素子は前記第１の周波数と実質的に異なる第２の周波数で動作する第２の放射をさらに含む請求項１９に記載のアンテナシステム。
21. Ｎ対のアンテナ及びＮ個の共振アイソレータをさらに備え、
    前記Ｎ個の共振アイソレータのうちの１つの共振アイソレータは、前記Ｎ対のアンテナのうちの各アンテナ対に対応する請求項１１に記載のアンテナシステム。
22. 前記アンテナシステムはマルチバンドアンテナシステムであり、
    前記共振アイソレータは、前記マルチバンドアンテナシステムの各共振時において、前記第１のアンテナを前記第２のアンテナから分離するように構成される請求項１１に記載のアンテナシステム。

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