JP2010130115A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設置スペースが少なく通信容量が大きい高性能のＭＩＭＯアンテナ装置を提供する。
【解決手段】アンテナ選択方式のＭＩＭＯアンテナ装置１００は、矩形の基板３０と、基板３０の相対的に短い一辺の両端に１つずつ搭載された一対の第１アンテナ群と、基板の相対的に長い両辺に１つずつ搭載された一対の第２アンテナ群とを備える。第１アンテナ群と第２アンテナ群とは同じ偏波面を有するとともに、基板のグラウンド面上に流れる第１アンテナ郡の電流分布が互いに直交し、第１および第２アンテナ群のうちいずれか２つのアンテナが駆動される。各アンテナ素子の相関係数が小さくなり、輻射効率が高められることにより、通信容量の大きい高性能のアンテナ装置とすることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明はアンテナ装置に係り、より詳細には無線通信におけるアンテナ選択方式のＭＩＭＯアンテナに関する。

端末機におけるデータ送受信の帯域を広げるために、複数のアンテナを組み合わせて使用するＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）技術が開発されている。本発明者による特願２００７−２９４６７８号の無線通信アンテナ装置もＭＩＭＯアンテナとして利用可能な携帯端末用の小型アンテナの一つである。

ＭＩＭＯ通信に使用する携帯端末では、複数のアンテナのうちいくつかを選択的に切り替えて指向性を持たせるアンテナ選択方式が採用されている。図７（ａ）および（ｂ）に示すのはこの方式によるアンテナ装置の例で、４本のアンテナから２本を選択して通信に使用し通信容量を大きくしようとするものである。図７（ａ）のアンテナ装置１２０においては、４つのアンテナ素子２２１〜２２４を基板３０の一端部に搭載している。また、図７（ｂ）の装置１３０においては、４つのアンテナ素子２３１〜２３４を基板３０の四隅に搭載している。

ところで、アンテナ装置１２０のように４つのアンテナ素子を近接して配置した場合、素子間の相互結合が大きくなり、中央の２つのアンテナ素子２２２および２２３の輻射効率が低下するという問題がある。また、この配置では、アンテナ素子間の間隔が十分に確保されず、相関係数が大きくなるため通信容量が低下してしまう。

図８は各アンテナ素子２２１〜２２４の輻射パターンおよび電流分布を示す図である。図８の上部分に示された４つの形状（２２１）〜（２２４）は、各アンテナ素子の輻射パターンを３次元で表し真横（Ｙ軸）方向から見たものであって、濃い部分は電界強度の強い箇所を表す。一方、図８の下部分は電流分布図で、濃い部分は電流が多く流れている箇所を表す。

一般に、４つのアンテナ素子を並置したアレイアンテナにおいては、同一の周波数の信号を送ると輻射パターンが合成される。これに対し、アンテナ装置１２０のようなＭＩＭＯアンテナの場合、各アンテナ素子２２１〜２２４の輻射パターンは合成されない。図８に示す輻射パターンは、４つのうち１つのアンテナ素子２２１のみを給電して駆動させ、その他のアンテナ素子２２２〜２２４は５０Ωで終端させた場合のものである。アンテナ素子２２１については給電点４２１で給電され、アンテナ素子２２２〜２２４については給電点４２２〜４２４で終端されている。

図８の輻射パターンを参照すると、各アンテナ素子２２１〜２２４のいずれにおいても図の下方が濃くなっていることから、各輻射パターンの相違が小さく、アンテナの切り替えにより得られる効果は小さいことがわかる。電流分布図を参照しても、アンテナ素子２２１〜２２４の付近のみが濃くなっており、アンテナ素子２２１〜２２４は互いに干渉が大きく、期待するような特性が得られない。

図９に示すのはアンテナ装置１２０のＳパラメータである。Ｓ３２はアンテナ素子２２３および２２２、Ｓ４３はアンテナ素子２２４および２２３、Ｓ２１はアンテナ素子２２２および２２１、Ｓ４１はアンテナ素子２２４および２２１、Ｓ４２はアンテナ素子２２４および２２２、Ｓ３１はアンテナ素子２２３および２２１が容量結合されていることを表す。

図９を参照すると、Ｓ３２に示されるように、４つのアンテナ素子２２１〜２２４のうち中央の２つのアンテナ素子２２２および２２３の相互結合が大きくなっており、これにより輻射効率の低下が起きる。このことは図８の輻射パターンにも表れている。

一方、図７（ｂ）のアンテナ装置１３０の場合、４つのアンテナ素子２３１〜２３４は間隔が十分に確保され、輻射パターンの相違も大きくなるものの、受信機の配置やケーブルの配置が難しいという問題がある。さらに、携帯端末に適用することを考えれば、アンテナ装置１２０または１３０のいずれにしろ可能な限り小型化することも重要である。

これらの課題に鑑み、本発明は、省スペースでの配置を可能としたままで、アンテナ間隔を確保し、輻射パターンの相違をより大きくした高効率のアンテナ選択方式ＭＩＭＯアンテナ装置を提供しようとするものである。

本発明のアンテナ装置は、矩形の基板と、基板の相対的に短い一辺の両端に搭載された一対の第１アンテナ群と、基板の相対的に長い両辺に１つずつ搭載された一対の第２アンテナ群とを備え、第１アンテナ群と第２アンテナ群とは同じ偏波面を有するとともに、基板のグラウンド面上に流れる第１アンテナ群および第２アンテナ群の電流分布が互いに直交し、一対の第１アンテナ群と一対の第２アンテナ群とのうちいずれか２つのアンテナが駆動されることを特徴とするものである。このような構成とすることにより、小型でかつ通信容量が大きい高効率のアンテナ装置を提供することができる。

このアンテナ装置において、第２アンテナ群は、基板の相対的に長い両辺の中央よりも第１アンテナ群が配置された相対的に短い一辺に近い位置に配置されてもよい。これにより、携帯端末の使用時に端末機を手で持ったとき、その影響を受けにくくし、通信容量を大きくすることができるので有利である。

また、このアンテナ装置において、第１アンテナ群を構成するアンテナは逆Ｆアンテナとし、第２アンテナ群を構成するアンテナはスリット型モノポールアンテナとし、スリット型モノポールアンテナは、基板の相対的に長い両辺にコ字状の開口である切欠部を形成し、切欠部の開口よりも短い長さのモノポールアンテナ素子を開口の近傍に基板の相対的に長い辺と平行するように配置してもよい。これにより、アンテナ間の輻射パターンの相違のより大きい高効率のアンテナ装置を実現できる。

本発明のアンテナ装置によれば、互いの輻射効率への影響が少ない電流分布を有する異種の複数のアンテナ素子を用いて構成するため、小型で伝送容量の高い高性能のアンテナ選択方式ＭＩＭＯアンテナ装置を実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
図１に示すのは、本発明の一実施形態によるアンテナ装置１００である。アンテナ装置１００は、矩形の基板３０と、基板３０の相対的に短い一端に配置された２つの逆Ｆアンテナ２０３および２０４と、基板３０の両長辺にそれぞれ配置された２つのスリット型モノポールアンテナ２０１および２０２とを備える。アンテナ装置１００は携帯端末に搭載して使用され、環境に応じてアンテナ素子２０１〜２０４のうちいずれか２つを適宜駆動させる。

携帯端末の使用周波数帯域を３．８ＧＨｚ帯（３．７７５ＧＨｚ）と想定した場合、基板の大きさは例えば９４ｍｍ×６０ｍｍとし、逆Ｆアンテナ２０３および２０４とスリット型モノポールアンテナ２０１および２０２との間の距離Ｌ１は例えば１０ｍｍとするのが望ましい。距離Ｌ１が広がるほどアンテナ装置の性能は高くなるものの、実際に携帯端末に搭載された場合には、基板の大部分が端末使用者の手によって覆われることになる。その影響を最小限とするためには、端末機を手に持ったとき、アンテナ素子２０１〜２０４のすべてが基板の一短辺の近傍、すなわち端末機の上方に位置するよう配置されるのが好適である。

図２には、スリット型モノポールアンテナ２０１の拡大図を概略的に示す。ここで、スリット型モノポールアンテナとは便宜的な呼称であり、具体的には、基板３０の長辺に形成されたコの字型の切欠部５０１に、基板３０の長辺と平行するようにアンテナ素子２０１を取り付けたものをいう。アンテナ素子２０１の一端には給電点４０１が設けられている。アンテナ素子２０１の長さＬ２は切欠部５０１の開口部の長さよりも短く、前述した３．８ＧＨｚ帯での使用を想定すると、例えば７〜８ｍｍである。アンテナ素子２０１の先端部と基板３０との間には間隙が設けられる。

なお、図２はスリット型モノポールアンテナの形態の一例を示すものであって、例えば基板３０にスルーホールを設けて基板３０の裏側から給電を行うようにするなど、適宜変更を加えてもよい。本発明において肝要なのは、基板の相対的に短い一端に配置された一対のアンテナ素子群と基板の両長辺に配置された一対のアンテナ素子群とが同じ偏波面を有し、且つ基板のグラウンド面上に流れる両アンテナ群の電流分布が互いに直交するという点であり、スリット型モノポールアンテナの形状についてもその範囲において変更することが可能である。また、基板やアンテナ素子等の寸法は周波数帯域によって変化するものであり、周波数帯域に応じて適宜変更して設計することができる。

図３はアンテナ装置１００の電流分布図である。図３（ａ）は逆Ｆアンテナに給電した場合を、図３（ｂ）はスリット型モノポールアンテナに給電した場合をそれぞれ示すものであり、濃い部分は電流が多く流れている箇所であることを表している。図４にはアンテナ装置１００のＳパラメータを示す。

図３（ａ）に示すように、一方の逆Ｆアンテナ２０４のみに給電を行うと、他方の逆Ｆアンテナ２０３には電流が流れるが、２つのスリット型モノポールアンテナ２０１および２０２には電流がほとんど流れない。逆Ｆアンテナ２０３と２０４との間では容量結合が生じるものの、各々が基板３０の両端部に配置されていることからアンテナ間隔が十分に広く、相関係数は小さくなる。

また、図４のＳ４３からわかるように、輻射効率に大きく影響するような結合はなく、高いＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）を実現可能である。図９に示したＳパラメータと比較しても、図４からは、アンテナ装置１００における各アンテナ素子のいずれの組み合わせであってもカップリングが小さくなっており、効率が高まっていることがわかる。

一方、図３（ｂ）に示すように、一方のスリット型モノポールアンテナ２０１のみに給電を行うと、このアンテナ２０１に最も近い位置にある逆Ｆアンテナ２０４に電流が流れるが、この電流は大きなものではない。その他のアンテナ２０２および２０３の近辺には濃い部分は見当たらず、他のアンテナへの影響がかなり少ないことがわかる。逆Ｆアンテナ２０４とスリット型モノポールアンテナ２０１との間隔は狭いが、それぞれのアンテナパターンが異なれば、相関係数は小さくなる。

そこで、アンテナ素子２０１〜２０４の輻射パターンを図５を参照して確認する。前述した図８と同様、図５において、４つの形状（２０１）〜（２０４）は輻射パターンを３次元で表し真横（Ｙ軸）方向から見たもので、濃い部分が電界強度の強い箇所である。図示するように、各アンテナ素子２０１〜２０４においてはそれぞれ異なる部分が濃くなっており、各輻射パターンが大きく相違し、輻射効果が高いことがわかる。すなわち、アンテナ選択方式のＭＩＭＯ通信における通信容量は大きくなる。

このようなアンテナ装置１００について、本発明のアンテナ装置１００について、屋内環境でのシミュレーションにより通信容量を計算した結果を表１に示す。比較のため、（１）基板の端部に２つの逆Ｆアンテナのみを搭載した場合と、（２）基板の端部に４つの逆Ｆアンテナを搭載しそのうち２つのみを使用した場合（図７（ａ）に示すアンテナ装置１２０）とをあわせて示している。ここでは、各アンテナ装置を内蔵した携帯端末の角度・方向・位置を変えて計算した通信容量すべての値の中央値をシミュレーション値とした。

このように、いずれの環境においても本発明が良好な特性を示している。
なお、本発明のアンテナ装置は、前述したように二対の同じ偏波面を有するアンテナ素子群を電流分布が互いに直交するように配置して構成されるものである。したがって、例えば図６に示すアンテナ装置１１０のように、アンテナ装置１００の場合とは逆Ｆアンテナとスリット型モノポールアンテナとの配置を逆転させることもできる。あるいは、逆Ｆアンテナの代わりに逆Ｌアンテナやモノポールアンテナ等を用いることも可能である。

以上、本発明のアンテナ装置の好適な実施形態を説明したが、本発明は他にも特許請求の範囲内において様々に実施することが可能である。

本発明によるアンテナ装置の概略図。 スリット型モノポールアンテナを説明する概略図。 本発明によるアンテナ装置における電流分布を示す図。 本発明によるアンテナ装置におけるＳパラメータを示す図。 本発明によるアンテナ装置における各アンテナ素子の輻射パターンを示す図。 本発明のアンテナ装置の別の実施形態を示す概略図。 （ａ）および（ｂ）は従来のＭＩＭＯアンテナの概略図。 図７（ａ）のアンテナ装置における各アンテナ素子の輻射パターンを示す図。 図７（ａ）のアンテナ装置におけるＳパラメータを示す図。

符号の説明

１００ アンテナ装置
２０１〜２０４ アンテナ素子
３０ 基板

Claims (3)

1. 矩形の基板と、
   前記基板の相対的に短い一辺の両端に１つずつ搭載された一対の第１アンテナ群と、
   前記基板の相対的に長い両辺に１つずつ搭載された一対の第２アンテナ群と、
   を備え、
   前記第１アンテナ群と前記第２アンテナ群とは同じ偏波面を有するとともに、前記基板のグラウンド面上に流れる前記第１アンテナ群および前記第２アンテナ群の電流分布が互いに直交し、
   前記一対の第１アンテナ群と前記一対の第２アンテナ群とのうちいずれか２つのアンテナが駆動されることを特徴とするアンテナ選択方式のＭＩＭＯアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記第２アンテナ群は、前記基板の相対的に長い両辺の中央よりも前記第１アンテナ群が配置された前記相対的に短い一辺に近い位置に配置されることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１または２に記載のアンテナ装置において、
   前記第１アンテナ群を構成するアンテナは逆Ｆアンテナであり、
   前記第２アンテナ群を構成するアンテナはスリット型モノポールアンテナであり、
   前記スリット型モノポールアンテナは、前記基板の相対的に長い両辺にコ字状の開口である切欠部を形成し、前記切欠部の前記開口よりも短い長さのモノポールアンテナ素子を前記開口の近傍に前記基板の相対的に長い辺と平行するように配置してなることを特徴とするアンテナ装置。

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