JP6514366B2 - 集束アンテナを備えた集積型トランシーバ - Google Patents

Description

本発明は無線通信システムに関し、特に、無線トランシーバ（送受信機）に関する。

従来の完全集積型内蔵式(fully integrated self-contained)無線トランシーバのような無線トランシーバは、当該技術において周知であり、短い通信距離のために提供及び設計されている。この種のトランシーバの課題は、その短い通信距離に起因して、リンクの単純な拡張に対応できず、その代わり、リピータ素子のような追加的なアクティブ素子が必要となることである。アンテナにより達成可能な利得と伝送距離もまた、内蔵式無線トランシーバの内部のアンテナによって制約され、その結果、内蔵式無線トランシーバが使用されるべき環境の特徴に対し、利得及び達成可能な伝送距離を修正または適用することが不可能である。あるパッケージ又はハウジングの内部にラジオ信号処理回路およびアンテナを含む内蔵式無線トランシーバは、あるアンテナを有するが、そのアンテナによって放射されるビームの形状および方向はそのアンテナによって支配されるので、内蔵式無線トランシーバ内に元々準備されていたアンテナにより定義されるオリジナルのアンテナ放射特性とは異なる所望のアンテナ放射特性を提供することはできない。

長距離通信を提供するために従来の手法が知られており、例えば、衛星通信システムにおいては、受信または送信アンテナが反射器と共に設けられているが、しかし無線ラジオシステムとの完全な統合は見られない。例えば、衛星通信の分野においては、中間周波数インターフェイスと信号処理用の別個のモデムとを有する衛星ＬＮＢが存在する。

他の手法は、非特許文献１に記載されているように、反射器の代わりに専用の高利得アンテナと送信構造とを準備することである。

P. Serbe et al. "SencityTM link 60 - a wireless point-to-point transparent ethernet bridge," in 8th European Conference on Fixed Wireless Networks and Technologies, 2007

本発明の目的は、集積型の内蔵式無線トランシーバに基づいて、より大きな通信距離を用いて作動する、改善された装置およびシステムを提供することである。

この目的は、独立項請求項に定義されている装置及びシステムにより達成される。

本発明は、１つのアンテナを有する完全集積型で内蔵式のラジオ装置(電波装置：radio device)と、アンテナ素子と、を備えた装置であって、ラジオ装置およびアンテナ素子は、ラジオ装置のアンテナにより放射されたラジオ信号（電波信号：radio signal)が少なくとも１つの所定の空間方向において増幅されるように配置されている、装置を提供する。

実施形態によれば、ラジオ装置及びアンテナ素子は、少なくとも１つの所定の空間方向から受信されたラジオ信号をアンテナ素子がラジオ装置のアンテナに向かって方向付けるように、配置されている。

実施形態によれば、ラジオ装置は、データ信号を受信し、データ信号を出力するよう構成されたインターフェイスと、インターフェイス及びアンテナに連結されたラジオ信号処理回路と、を含み、ラジオ信号処理回路は、インターフェイスからデータ信号を受信し、ラジオ信号を生成するためにその受信されたデータ信号を処理し、ラジオ信号を放射するためにラジオ信号をアンテナへと供給するよう構成され、アンテナからラジオ信号を受信し、データ信号を生成するためにその受信されたラジオ信号を処理し、データ信号をインターフェイスへと供給するよう構成されている。

実施形態によれば、ラジオ装置は、制御信号を受信するよう構成された制御信号インターフェイスと、電力信号(power signal)を受信するよう構成された電力供給インターフェイスと、の少なくとも１つをさらに含む。

実施形態によれば、ラジオ装置のインターフェイスは、制御信号と電力供給信号との少なくとも１つを受信するよう構成されている。

実施形態によれば、ラジオ装置のインターフェイスは、デジタルデータを受信および出力するよう構成されたシリアル・インターフェイスを含む。

実施形態によれば、ラジオ装置のアンテナは、アンテナチップ、アンテナパッケージ（antenna in package）、又はアンテナ基板を含む。

実施形態によれば、ラジオ装置のアンテナは、アンテナ素子により反射されるラジオ信号よりも広い放射角度を持って広角ラジオ信号を放射する。

実施形態によれば、アンテナ素子は、ラジオ装置のアンテナにより伝送されたエネルギーをある焦点に向かって集束させ、受信されたエネルギーをラジオ装置のアンテナに向かって集束させるよう構成されている。

実施形態によれば、アンテナ素子は、反射アレイアンテナ（reflectarray antenna）又は平面レンズアンテナを含む。

実施形態によれば、ラジオ装置は、アンテナ及びラジオ信号処理回路を収納するためのハウジング又はパッケージを含む。

実施形態によれば、前記装置は、ラジオ装置を第１位置に保持し、アンテナ素子を第２位置に保持するよう構成された、取付構造を含む。

実施形態によれば、取付構造は、アンテナ素子により放射されるビームを操作するために、アンテナ素子とラジオ装置との間の相対位置の機械的調節を提供するよう構成されている。

実施形態によれば、前記装置は、１つのアンテナを含む完全集積型で内蔵式の少なくとも１つの追加的なラジオ装置を備え、ラジオ装置と追加的なラジオ装置との各アンテナにより放射されたラジオ信号が少なくとも２つの異なる空間方向において増幅されるような状態で、ラジオ装置と追加的なラジオ装置とがアンテナ素子に対して配置されている。

本発明はあるシステムを提供し、そのシステムは、本発明の第１の装置であって、ラジオ装置を第１位置に保持しアンテナ素子を第２位置に保持するよう構成された取付構造を有し、その取付構造が、アンテナ素子により放射されるビームを操作するために、アンテナ素子とラジオ装置との間の相対位置の機械的調節を提供するよう構成されている、第１の装置、又は、アンテナを含み完全集積型で内蔵式の少なくとも１つの追加的なラジオ装置を備え、各ラジオ装置の各アンテナにより放射されたラジオ信号が少なくとも２つの異なる空間方向において増幅されるような状態で、ラジオ装置と追加的なラジオ装置とがアンテナ素子に対して配置されている第１の装置と、ポイントツーマルチポイント通信（a point-to-mulitpoint communication）及び／又はリレー通信を可能にするように、第１の装置から離れた異なる位置に配置されている、複数の本発明の第２の装置と、を含む。

このように、本発明によれば、短距離（short range）の通信に意図された集積型の内蔵式無線トランシーバが、パッシブ集束アンテナとの組合せにおいて使用され、長距離（long range）の方向性通信リンクを確立できる。

従来の手法と比較した場合、より具体的には従来の集積型の内蔵式無線トランシーバと比較した場合、リピータ又はその類似物のような追加的アクティブ素子を必要とせずに、膨大なリンク拡張が達成可能となる。例えばファンビームなど所望のアンテナ特性を可能とするために、本発明の装置を所望の特定のアンテナ利得および距離へと拡縮することが可能であり、追加的なアンテナパターンを提供することも可能である。本発明の手法は、上述の衛星通信システムのような従来の手法と比較して、実質的なサイズ及び重量の低減を伴う簡素な機械的構造を可能にするという利点がある。なぜなら、元々高度に集積型の内蔵式無線トランシーバが、追加的で別個の通信素子の準備を必要とせずに、反射器と一緒に提供されるからである。大量消費市場製品と大量生産技術とを使用することで、装置のコストを低減することができる。更なる利点は、大きなアンテナ間距離による追加的な送信損失が発生しないことである。

以下に添付図面を参照しながら本発明の実施形態をより詳細に説明する。

本発明の一実施形態に従う装置の概略図である。 本発明の実施形態に従って使用され得る集積型の内蔵式無線トランシーバの概略図である。 本発明の一実施形態である、トランシーバとアンテナ素子とを相互に連結する一例を示す、構造の側面図である。 本発明の一実施形態である、トランシーバとアンテナ素子とを相互に連結する一例を示す、図３Ａの構造の平面図である。 図３に関して説明した調節可能な支持体を使用する場合のトランシーバの様々な位置を一例に従って示す。 反射器に対して異なる位置に配置された２個の集積型の内蔵式無線トランシーバを含む、本発明の一実施形態を示す。 本発明に従う３個のトランシーバ／反射器の組合せを含む、システムの一例を示す。

以下に、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態をより詳細に説明する。各図において同一又は同等な機能を有する構成要素は、以下の説明では同一の参照番号によって示されている。

図１は本発明の一実施形態に従う装置の概略的表現である。この装置は、アンテナ及びモデム又はラジオ信号処理回路を含む、内蔵式無線トランシーバ１００を備える。そのトランシーバ１００は、ラジオ装置とも称されており、インターフェイス１０２を含み、そのインターフェイスに外部接続ライン１０４が接続されている。そのインターフェイスは、例えばデータビットであるデータ信号をライン１０４を介して受信するための、シリアル・デジタルインターフェイスであってもよい。受信されたデータ信号はトランシーバ１００内のモデムによって処理され、広角なラジオ信号１０６を放射するためにアンテナトランシーバ１００へと供給される。この装置は、反射アレイであり得るアンテナ素子１０８をさらに含む。トランシーバ１００とアンテナ素子１０８とは、トランシーバ１００のアンテナから放射されるラジオ信号１０６がアンテナ素子１０８に向かって方向付けられるよう配置されており、そのアンテナ素子１０８は、集束されたラジオ信号１１０が所望の方向へと反射されるような構造を有する。トランシーバ１００は、ある実施形態によれば送信機として作動し、他の実施形態においては受信機としても作動し得る。受信機として作動している場合、アンテナ素子１００はラジオ信号を受信し、その受信されたラジオ信号をトランシーバ１００のアンテナに対して方向付けるか又は反射させる。このように、幾つかの実施形態によれば、図１に示すように、完全に統合された内蔵式無線送信機及び受信機（トランシーバ）１００が、集束反射器１０８の前に配置されており、その結果、トランシーバアンテナからの送信されたエネルギー１０６は遠隔ステーションに向かって集束され、遠隔ステーションから到来するエネルギーはトランシーバアンテナに向かって集束される。

実例によれば、集束反射器１０８はパッシブ反射アレイとして構築されており、プリント回路基板１１２を含み、その基板上には特異な形態または形状の複数の反射素子またはパッチ１１４が配置されている。個々の反射素子１１４のデザインに起因して、ある方向から到来する複数の平面ラジオ波(planar radio waves)が１つの焦点に向かって集束する。反射器およびパッチのサイズ及び特性は、送信アンテナであるトランシーバアンテナの送信パターンと、反射器１０８に対するトランシーバ１００の位置と、に対して適応されている。

図２は本発明の実施形態に従って使用され得る、集積型の内蔵式無線トランシーバの概略図である。このトランシーバ１００は、アンテナチップ、アンテナパッケージ又はアンテナ基板であり得る、集積型アンテナＡを含む。その集積型アンテナＡは、広角のラジオ信号１０６を放射し、かつ信号を受信する。ラジオ装置１００は、インターフェイス１０２とアンテナＡとの間に接続され又は結合された、ラジオ信号処理回路Ｓをさらに含む。回路Ｓは、例えばデータ信号である信号をインターフェイス１０２を介して受信し、送信用のラジオ信号を生成し、そのラジオ信号をアンテナＡにより放射するために供給する。また、回路Ｓは、アンテナＡからラジオ信号を受信し、そのラジオ信号を処理してインターフェイス１０２を介して出力されるデータ信号を生成する。インターフェイス１０２はデジタルデータ・インターフェイスであってもよく、例えばイーサネット（登録商標）インターフェイス又はＵＳＢインターフェイスのようなシリアル・インターフェイスであってもよい。インターフェイス１０２はまた、トランシーバ１００への制御信号および電力供給信号に対してインターフェイスすることもできる。代替的に、制御信号および電力供給のインターフェイスをそのインターフェイス１０２と合体または統合する代わりに、別個のインターフェイス、例えば別個の制御信号インターフェイス及び別個の電力供給インターフェイスが設けられてもよい。

図２に概略的に示されるように、トランシーバ１００はハウジングＨ又はパッケージを含み、その中にトランシーバ１００のそれぞれの素子、即ちアンテナＡと回路Ｓとが配置されており、それにより、素子１００はそれ自身、他の従来型の無線通信装置のような短距離の無線通信が可能である、完全に集積された内蔵式無線通信装置である。図１に関して説明したような本発明の手法は、無線通信装置の如何なる変更をも実質的に必要とせず、トランシーバ１００の短い通信距離を拡張することを可能にするので、例えば、如何なる従来型の短距離の無線トランシーバも本発明の手法と共に使用することができ、そのような従来型の内蔵式完全集積型トランシーバと反射アレイとを一緒に使用することで通信距離を向上させることができ、その結果、達成可能な通信特性に関し、上述の利点を獲得することができる。

図３は本発明の一実施形態を示し、トランシーバとアンテナ素子１０８とを相互に取り付ける一例を示す。図３Ａはその構造の側面図であり、図３Ｂは図３Ａの構造の平面図である。実施形態によれば、取付構造１１６が設けられ、その取付構造は、床または設置面１２０の上に載るベース１１８を含む。反射素子１０８はベース１１８に対して安定して取り付けられ得る。取付構造１１６は支持アーム１２２をさらに含み、その支持アームの第１端部はベース１１８に取り付けられ、第２端部にはトランシーバ１００が取り付けられている。取付構造１１８は第１ヒンジ又はピボット点１２４を含み、支持アーム１２２がベース１１８を中心にｘ／ｙ面にそって回転できるようになっている。この様子は図３Ｂにおいて矢印１２６により概略的に示されている。本発明の実施形態では、その第２端部において追加的ヒンジ構造１２８を含む取付構造１１６を提供し、このヒンジ構造は、設置面１２０に対して矢印１３０で概略的に示すように（図３Ａを参照）所望の角度だけ傾斜するように、トランシーバを取り付ける。加えて、支持アーム１２２は、トランシーバ１００をベース１１８に対して垂直方向に変位可能とする、中間ヒンジ１３２を含んでもよい。

図３は、反射アレイ１０８に対するトランシーバの位置を機械的に調節できる取付構造１１６を示したが、他の実施形態では、機械的な調節はできないが、トランシーバ１００と反射器１０８とを相互に連結するためだけの取付構造が設けられてもよく、その場合、トランシーバ１００のアンテナからの信号が反射アレイによって所望の方向へと反射され、又は反射器において受信された信号がトランシーバ１００のアンテナへと方向付けられるように構成される。

トランシーバの位置を機械的に調節可能とすることにより、反射器１０８から放射されるビーム１１０又は反射器１０８を介した異なる方向からの受信信号を操作することが可能となるため、有利である。図４は、図３に関して説明した調節可能な支持体を使用した場合のトランシーバの様々な位置を一例に従って示す。図４において、実線は、トランシーバ１００の第１位置と、トランシーバから反射器１０８に向かって出力された信号１０６と、反射された信号１１０とを表す。トランシーバ１００の位置が反射器１０８の位置に対して変化する機械的調節を、矢印１３４によって概略的に表す。これにより、ビーム１１０はビーム１１０’で示す異なる方向へと操作される。

他の実施形態によれば、２つ以上の集積型トランシーバ１００が設けられてもよい。図５は、反射器１０８に対して異なる位置に配置された２個の集積型の内蔵式無線トランシーバ１００及び２００を含む、本発明の一実施形態を示す。追加的トランシーバ２００は、トランシーバ１００と同じ構造を有してもよく、広角ラジオ信号２０６を出力し、そのラジオ信号は反射器１０８によって集束済み信号２１０として反射される。図５に示すように２つ以上の集積型トランシーバを設けることで、集束済み信号１１０と２１０で示すような異なる反射角度での信号の送信が可能となり、また、異なる焦点や異なる偏波（polarizations）を有する送信をも可能となる。

他の実施形態によれば、本発明は、ポイントツーマルチポイント通信及び／又はリレー通信を可能にする、多数のトランシーバ及び反射器を統合したシステムを提供する。図６は、そのような一例として、本発明に従う３個のトランシーバ／反射器の組合せを含む、システムの一例を示す。第１の装置または組合せは、例えば図５に示したような、２つのトランシーバ１００と２００とを含むものであってもよい。代替的な実施形態において、図４に示すような機械的調節を可能とする取付構造を含むトランシーバが提供されてもよい。このシステムは、トランシーバ３００及び反射器３０８、トランシーバ４００及び反射器４０８を含む、追加的な装置を含む。このような構造において、トランシーバ１００及び２００を含む第１の装置から、トランシーバ３００及び４００が配置された他の地点への通信が実現される。

本発明は反射アレイの文脈において説明されてきたが、しかし、集束済み信号１１０を提供する他のアンテナ素子、例えば平面レンズアンテナ又はその類似物が準備されてもよい。

種々の実施形態に関して上述した本発明は、別個のアンテナ素子を有するデジタルデータ通信用のラジオ部分から形成される組合せであって、ラジオ部分またはラジオ装置の統合されたアンテナにより放射されたラジオ信号が、それぞれの空間方向において増幅されるような組合せを提供し、その場合、ラジオ装置は完全に内蔵式であり、デジタルシリアル・インターフェイスを介してデータを交換するものであり、アンテナ素子は反射アレイ又は平面レンズであってもよい。

これまで幾つかの態様を装置の文脈で示してきたが、これらの態様は対応する方法の説明をも表しており、１つのブロック又は装置が１つの方法ステップ又は方法ステップの特徴に対応することは明らかである。同様に、方法ステップを説明する文脈で示した態様もまた、対応するブロック、項目、又は対応する装置の特徴を表している。

上述の実施形態は、本発明の原理の単なる説明に過ぎない。上述の装置及び詳細の修正及び変更が当業者にとって明らかなことは理解されよう。従って、以下に添付する特許請求の範囲の主題によってのみ限定されるべきであり、実施形態の説明及び解説の方法で表現された特定の詳細によっては限定されない。

上述の結果を導いた研究は、欧州連合によって促進されてきたものである。

Claims (13)

1. アンテナ（Ａ）を含むラジオ装置（１００）と、
   前記ラジオ装置（１００）の前記アンテナ（Ａ）により送信されたエネルギーをある焦点に向かって集束させ、受信されたエネルギーを前記ラジオ装置（１００）の前記アンテナ（Ａ）に向かって集束させる、アンテナ素子（１０８）と、
   を備えた装置であって、
   前記装置は、前記ラジオ装置（１００）を第１位置に保持し、前記アンテナ素子（１０８）を第２位置に保持するよう構成された取付構造（１１６）を含み、前記取付構造（１１６）は、前記アンテナ素子（１０８）から放射されるビームを操作するために、前記アンテナ素子（１０８）と前記ラジオ装置（１００）との間の相対位置の機械的調節を提供するよう構成され、
   前記ラジオ装置（１００）及び前記アンテナ素子（１０８）は、前記ラジオ装置（１００）の前記アンテナ（Ａ）により放射されたラジオ信号（１０６）が少なくとも１つの所定の空間方向において増幅されるように配置されており、
   前記ラジオ装置（１００）は、前記アンテナ（Ａ）及びラジオ信号処理回路（Ｓ）を収納するためのハウジング（Ｈ）又はパッケージを含む完全集積型内蔵式ラジオ装置であり、前記アンテナ（Ａ）は、アンテナチップ、アンテナパッケージ、又はアンテナ基板を含む集積型アンテナであり、
   前記ラジオ装置（１００）は、デジタルデータ信号を受信しデジタルデータ信号を出力するよう構成されたインターフェース（Ｉ）と、前記インターフェイス（Ｉ）及び前記アンテナ（Ａ）に接続されたラジオ信号処理回路（Ｓ）と、を含み、前記ラジオ信号処理回路（Ｓ）は、前記インターフェイス（Ｉ）から前記デジタルデータ信号を受信し、前記ラジオ信号（１０６）を生成するためにその受信されたデジタルデータ信号を処理し、前記ラジオ信号を放射するために前記ラジオ信号（１０６）を前記アンテナ（Ａ）へ供給すると共に、前記アンテナ（Ａ）から前記ラジオ信号を受信し、前記デジタルデータ信号を生成するためにその受信されたラジオ信号を処理し、前記デジタルデータ信号を前記インターフェイス（Ｉ）へと供給するよう構成され、
   前記アンテナ素子（１０８）はパッシブ集束アンテナである、
   装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、
   前記取付構造（１１６）は、
   前記アンテナ素子（１０８）を安定に取り付けるベース（１１８）と、
   前記ベース（１１８）に一端部が取り付けられ、前記ラジオ装置（１００）に他端部が取り付けられた支持アーム（１２２）と、を備える装置。
3. 請求項２に記載の装置であって、
   前記支持アーム（１２２）の一端部には、前記支持アーム（１２２）が前記ベース（１１８）を中心に前記アンテナ素子（１０８）の表面と垂直な面にそって回転できるようにする第１ヒンジ（１２４）が設けられている、装置。
4. 請求項２又は３に記載の装置であって、
   前記支持アーム（１２２）の他端部には、前記ラジオ装置（１００）を前記アンテナ素子（１０８）の表面と垂直な面に対して所望角度だけ傾斜可能に取り付ける第２ヒンジ（１２８）が設けられている、装置。
5. 請求項２乃至４のいずれか一項に記載の装置であって、
   前記支持アーム（１２２）の中間部には、前記ラジオ装置（１００）を前記アンテナ素子（１０８）の表面と垂直な面に対して垂直方向に変位可能とする第３ヒンジ（１３２）が設けられている、装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置であって、前記ラジオ装置（１００）及び前記アンテナ素子（１０８）は、前記少なくとも１つの所定の空間方向から受信されたラジオ信号を前記アンテナ素子（１０８）が前記ラジオ装置（１００）の前記アンテナ（Ａ）に向かって方向付けるように配置されている、装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置であって、前記ラジオ装置（１００）は、制御信号を受信するよう構成された制御信号インターフェイスと、電力信号を受信するよう構成された電力供給インターフェイスと、の少なくとも１つをさらに含む、装置。
8. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置であって、前記ラジオ装置（１００）の前記インターフェイス（Ｉ）は、制御信号と電力供給信号との少なくとも１つを受信するよう構成されている、装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の装置であって、前記ラジオ装置（１００）の前記インターフェイス（Ｉ）は、シリアル・インターフェイスを含む、装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の装置であって、前記ラジオ装置（１００）の前記アンテナ（Ａ）は、前記アンテナ素子（１０８）により反射された前記ラジオ信号（１１０）よりも広い放射角度を持って広角ラジオ信号（１０６）を放射する、装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の装置であって、前記アンテナ素子（１０８）は、反射アレイアンテナ又は平面レンズアンテナを含む、装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の装置であって、アンテナ（Ａ）を含む少なくとも１つの追加的な完全集積型内蔵式ラジオ装置（２００）を備え、前記完全集積型内蔵式ラジオ装置（１００,２００）のアンテナ（Ａ）により放射されたラジオ信号（１０６，２０６）が少なくとも２つの異なる空間方向へ方向付けられるように、前記完全集積型内蔵式ラジオ装置（１００）と前記追加的な完全集積型内蔵式ラジオ装置（２００）とが前記アンテナ素子（１０８）に対して配置されている、装置。
13. 請求項１２に記載の第１の装置と、
    請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の複数の第２の装置であって、ポイントツーマルチポイント通信又はリレー通信を可能にするように、前記第１の装置から離れた異なる位置に配置されている第２の装置と、
    を備えたシステム。

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