JP2010213270A - コンパクトなアンテナシステム - Google Patents

Abstract

【課題】２つのアンテナ間のアイソレーションの問題に対処すること。
【解決手段】本発明は、基板（３）上に少なくとも第１のプリント放射素子（１）および第２のプリント放射素子（２）を備え、その各々が給電線路（４、５）によって給電され、２つの放射素子の間に、第１の先端部（１０ａ）および第２の先端部（１０ａ）を有する少なくとも１つの伝送線路（１０）を備えるアンテナシステムに関する。伝送線路の第１の先端部および第２の先端部は、放射素子の間の物理的差に関連する比１：ｂ（ｂ＞１）および位相Φを有する結合機能に従って、第１の放射素子および第２の放射素子にそれぞれ結合され（１ａ、２ａ）、伝送線路の長さは、位相差ΘがΦを補償するようなΘをもたらす。本発明は、ＷＩＦＩ対応のアンテナに適用される。
【選択図】図４

Description

本発明は、コンパクトなアンテナシステムに関し、より詳細には、マルチスタンダードデジタルプラットフォーム等のワイヤレス通信デバイスのためのアンテナシステムに関する。

現在市場に出ているデジタルプラットフォームは、ワイヤレスリンクを介してマルチサービスを提供する。したがって、デジタルプラットフォームは、様々な規格、特に、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ、ｂ、ｇ規格等の、ワイヤレス高ビットレート通信用に実装される規格、また今ではＷＩＦＩ機能のための８０２．１１ｎ規格をサポートできなければならない。このタイプのワイヤレス通信は、特に、非常に不都合な電磁波伝播状態が観測される閉鎖的な施設の内部でも行われる。システム損失および２つのワイヤレスデバイス間のビットレートを改善するために、（「多入力多出力（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ）」を表す）ＭＩＭＯとして知られる技法が使用される。この技法は、少なくとも２つのアンテナ、アンテナ間の良好な無相関および良好なアイソレーション（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）を必要とする。

国際公開第２００６／０１８５６７号パンフレット

A. DIALLO, C. LUXEY, Ph. LE THUC, R. STARAJ, G. KOSSIAVAS, "Enhanced two-antenna structures for universal mobile telecommunications system diversity terminal", IET Microwaves, Antennas and Propagation, vol. 2, no. 1, pp. 93-101, February 2008

２つのアンテナ間のアイソレーションの問題に対処するために一般に使用される解決策は、十分なアイソレーションを保証するためにアンテナを互いに空間的に遠ざけることである。しかし、この解決策では、コンパクトなシステムを得ることはできない。

２つのアンテナ間のアイソレーションを改善できる別の解決策が非特許文献１に提示された。この解決策は、導電線を用いて２つのＰＩＦＡ型アンテナ、すなわち逆Ｆアンテナを接続することを提案する。この懸垂導電線（ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｌｉｎｅ）は、アンテナ短絡点においてアンテナに直接接続され、２つのアンテナ間に存在する電磁結合（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を補償することができる。この導電線は、信号の一部を一方のアンテナから他方に伝え、それらを線の長さに応じて多かれ少なかれアイソレートする。

アンテナ間のアイソレーションを増大させるために、２つのアンテナ間に４分の１波長ノッチ（ｑｕａｒｔｅｒ ｗａｖｅ ｎｏｔｃｈ）を追加することも提案されている。

本発明は、１／４波長スロット又は１／２波長スロット、環状スロット、テーパースロット（ＴＳＡ、ヴィヴァルディ（Ｖｉｖａｌｄｉ））等のスロット型アンテナ、及びパッチ型アンテナ又は他のプリントアンテナに適用される特定の解決策に関する。

したがって、本発明は、基板上に少なくとも第１のプリント放射素子（ｐｒｉｎｔｅｄ ｒａｄｉａｔｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）および第２のプリント放射素子を備え、その各々が給電線路によって給電され、前記２つの放射素子の間に、第１の先端部（ｅｘｔｒｅｍｉｔｙ）および第２の先端部を有する少なくとも１つの伝送線路を備えるアンテナシステムに関する。前記伝送線路の前記第１および第２の先端部は、とりわけ前記放射素子の間の物理的な差に関連する、比１：ｂ（ｂ＞１）および位相Φを有する結合機能に従って、前記第１の放射素子および第２の放射素子にそれぞれ結合される。前記伝送線路の長さは、前記位相差Θが前記位相Φを補償するようなΘをもたらす。

好ましい一実施形態によれば、前記放射素子は、スロット型アンテナであり、前記伝送線路は、スロット線路である。前記放射素子は、パッチとすることもでき、この場合、前記伝送線路は、マイクロストリップまたはコプレナー線路（ｃｏｐｌａｎａｒ ｌｉｎｅ）である。

前記結合機能は、前記放射素子の一部を前記伝送線路の対応する終端部（ｅｎｄ）と平行に配置することによって達成され、平行な部分の間の距離ｄおよび平行な部分の長さが、前記結合機能のパラメータを決定する。

さらに、前記伝送線路の全長は、他方のアンテナから到来する複素信号の成分を最小化することを可能にし、これが、２つのスロット型放射素子の間の良好なアイソレーションを得ることを可能にする。

本発明の他の特徴および利点は、本発明の好ましい一実施形態についての説明を読むことで明らかになり、当該説明は、付属書内の添付図面を参照して行われる。

本発明の原理を説明する２つのアンテナを有するＭＩＭＯシステムの図である。 本発明が適用される２つのスロット型放射素子の上面図である。 各アンテナのインピーダンス整合と、２つの放射素子の間のアイソレーションを周波数に応じて与える曲線を示す図である。 本発明によるアンテナシステムの上面図である。 図４のシステムの周波数に応じたインピーダンス整合曲線とアイソレーション曲線を示す図である。 伝送線路と放射素子の平行部分間の距離Ｄを変化させた本発明の様々な実施形態を示す図である。 （ａ）は、Ｄの値と周波数に応じたインピーダンス整合曲線を示す図であり、（ｂ）は、距離Ｄに応じた２つの放射素子の間のアイソレーション曲線を示す図である。 伝送線路の電気的長さ（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ）Θに応じた本発明の様々な実施形態の図である。 （ａ）は、図８の様々な実施形態のインピーダンス整合曲線を示す図であり、（ｂ）は、図８の様々な実施形態のアイソレーション曲線を示す図である。 本発明の別の実施形態によるアンテナシステムの上面図である。 （ａ）は、伝送線路のないアンテナシステムの周波数に応じたインピーダンス整合曲線およびアイソレーション曲線を示す図であり、（ｂ）は、図１０に示されるようなアンテナシステムの周波数に応じたインピーダンス整合曲線およびアイソレーション曲線を示す図である。 本発明のさらに別の実施形態によるアンテナシステムの上面図である。 （ａ）は、伝送線路のないアンテナシステムの周波数に応じたインピーダンス整合曲線およびアイソレーション曲線を示す図であり、（ｂ）は、図１２に示されるようなアンテナシステムの周波数に応じたインピーダンス整合曲線およびアイソレーション曲線を示す図である。 本発明の一実施形態の変形の上面図である。 本発明の一実施形態の別の変形の上面図である。 （ａ）は、伝送線路のない図１５の実施形態のインピーダンス整合曲線を示す図であり、（ｂ）は、伝送線路のない図１５の実施形態のアイソレーション曲線を示す図である。 （ａ）は、図１５に示されるような伝送線路を有するインピーダンス整合曲線を示す図であり、（ｂ）は、図１５に示されるような伝送線路を有するアイソレーション曲線を示す図である。

説明を簡素化するため、図と同様に、同じ要素は同じ参照番号を有する。

まず、本発明において実施される原理を、ＭＩＭＯ技術を使用する２つのアンテナＡ１およびＡ２を示す図１を参照して説明する。

ＭＩＭＯ技術の寄与から最大の利益を得るには、各アンテナは、それに固有の伝播チャネルで信号を伝送しなければならず、すなわち、アンテナシステムレベルにおいてアンテナはデカップリングされていなければならず、最初はアイソレートされていなければならない。図１は、受信用に使用される２つのアンテナを有するシステムを図示している。この場合、各アンテナは、分けられた信号Ｐを、すなわち、アンテナＡ１でＰ１を、アンテナＡ２でＰ２を受信する。

２つの受信アンテナは接近しているので、２つのアンテナ間の距離に関係する比１：ａ（ａ＞１）と位相Φとに従って互いに結合する。結果として、アンテナＡ１は、信号Ｐ１＋ａＰ２ｅ^iΦを受信し、アンテナＡ２は、信号Ｐ２＋ａＰ１ｅ^iΦを受信する。

本発明によれば、結合比が１：ｂ（ｂ＞１）となるように、結合機能（ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を提供する素子が各アンテナの実際の構造に追加される。これら２つの結合素子は、位相差がΘの電気的長さを有する伝送線路によって接続される。そのため、Φに対するΘの値の調整により、他方のアンテナからの複素信号成分を最小化することが可能になる。

本発明の一実施形態によれば、図２に示されるように、２つのアンテナが、２つのスロット型放射素子１、２を用いて達成される。好ましくは、スロット１および２は、メタライズ基板（ｍｅｔａｌｌｉｚｅｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）３の上にエッチングされる。４分の１波長スロットまたは半波長スロットとすることができる放射スロットは、λｇ／４またはλｇ／２などの長さを有し、ここで、λｇは、アンテナシステムの動作周波数における導波長（ｇｕｉｄｅｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）である。サイズを制限するため、スロット１および２は、９０°折り曲げられ、それらの短絡された先端部は、互いに対向する。しかし、本発明の範囲から逸脱することなく、他の構造、特にリニアスロットを考えることができる。

知られており、図２にも示されているように、スロット型放射素子１および２は、マイクロストリップ技術を使用してメタライズ側とは反対側の基板上に作製された給電線路４、５による電磁結合によって給電される。各マイクロストリップ線路は、インピーダンス変成器を形成する直線部分８、９によって、それぞれ励振ポート（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｐｏｒｔ）６、７まで延在する。この場合、Ｔｈｏｍｓｏｎ Ｌｉｃｅｎｓｉｎｇ名義の特許文献１において説明されているように、線路／スロット結合を達成することができる。

図２に示されるようなシステムを、モーメント法（ｍｏｍｅｎｔｓ ｍｅｔｈｏｄ）に基づいた（Ｚｅｌａｎｄ製の）ＩＥ３Ｄ商用ソフトウェアを使用することによってシミュレートした。

電磁シミュレーションが、以下の特性を有するＦＲ４型基板を使用することによって実行された。

誘電率＝４．４
損失正接（ｌｏｓｓ ｔａｎｇｅｎｔ）＝０．０２３
基板厚さ＝１．４ｍｍ
メタライゼーション厚さ＝１７．５μｍ
この場合、スロット幅が０．３ｍｍの４分の１波長スロットからなる２つの放射素子１、２が作製され、当該２つの放射素子は、２９．５ｍｍの長さだけ離隔されている。

シミュレーション結果は、図３の曲線によって与えられており、この曲線は、２つの放射素子の周波数に応じたインピーダンス整合パラメータＳ１１およびＳ２２と、周波数に応じた２つの放射素子の間のアイソレーションＳ２１を示している。図３の曲線は、２．４ＧＨｚの動作周波数に対して１１．５ｄＢのアイソレーションしかを示さない。

本発明によれば、図４に示されるように、スロット線路によって構成される伝送線路１０が、２つの放射素子１、２の間に配置され、図１を参照して説明されたように、放射素子とともに結合素子を形成する。

より正確には、図４に示されるように、２つの放射素子１、２は、システムの大きさを制限するために９０°折り曲げられた部分に対応するスロット部分１ａ、２ａを備える。伝送線路１０の各先端部１０ａは、アンテナシステムの放射素子１および２のスロット部分１ａ、２ａと平行に配置されている。部分１０ａの長さＬと、伝送線路の要素１０ａと放射素子のそれぞれの部分１ａおよび２ａとの間の距離ｄは、図１を参照して説明されたような、放射素子の各々との結合を生じるように選択される。

さらに、２つの放射素子１および２の間の集積を可能にするため、伝送線路１０は、図４に示されるように折り曲げられている。２つの結合素子間の伝送線路１０の長さＬ’は、以下本明細書でより詳細に説明するように、位相シフトΦを補償することによって、２つの放射素子１および２の間のアイソレーションを最適化するように選択する。

図４に示される構造は、アンテナシステムの全サイズを最小化するために、伝送スロット線路および２つの放射素子について最適化された構成の一例である。この構造も、図２の構造のようにシミュレートされた。シミュレーション結果が、図５に示されている。

８０２．１１ｂ、ｇ規格に対応する周波数帯域、すなわち２．４ＧＨｚ帯域では、２つのポート６および７における５０オームインピーダンス整合が、−１４ｄＢよりも大きいことに留意されたい。２つのアクセスの間のアイソレーションは、考察中の周波数帯域では２７ｄＢよりも大きいが、図２を参照して述べたように、スロット伝送線路がない場合は、同じサイズについてのアイソレーションは、１１．５ｄＢに過ぎなかった。

伝送線路の終端部１０ａとスロット型放射素子の部分２ａおよび１ａとの間の距離ｄ及び伝送線路の長さ等、様々なパラメータの所望の結果に対する影響が図６から図９を参照して、以下で示される。

図６は、図６（ａ）〜（ｄ）に示されるように２つの先端部１０ａとスロットのそれぞれの部分２ａ、１ａとの間の距離ｄの調整によってスロット型放射素子とスロット型伝送線路との結合がうける影響を示す。この場合、結合レベルにおけるスロット部分の長さＬは固定され、５２ｍｍであるが、Ｄは、最適距離のｄ＝１ｍｍから０．６ｍｍ刻みで変化する。

図６（ａ）は、距離ｄ＋１．２ｍｍに等しい距離Ｄ１に対応する。図６（ｂ）は、Ｄ２＝ｄ＋０．６ｍｍに対応する。図６（ｃ）は、Ｄ３＝ｄ、すなわち最適距離に対応し、図６（ｄ）は、Ｄ４＝ｄ−０．６ｍｍに対応する。

図７（ａ）及び（ｂ）には、上記の４つの構成Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４の各々に対して、２．４ＧＨｚ帯域におけるスロット型放射素子の５０オームインピーダンス整合曲線Ｓ１１と、同じ帯域における２つのスロット型放射素子の間の分離曲線Ｓ１２とが表されている。

これらの曲線は、−１７ｄＢより良好なインピーダンス整合レベルの場合、距離Ｄの調整が、１７．５ｄＢより良好で最適なアイソレーションを得ることを可能にすることを示している。

図８には、放射素子の間のスロット型伝送線路の様々な長さ及び位置が示されており、物理的な長さの影響、したがって２つの放射素子に結合されるスロット線路位相の影響を示している。２つのカプラの間のスロット線路の位相は、９０°＋Θ（Ｌ１構成）から４５°刻み（Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４構成）で−９０°＋Θ（Ｌ５構成）まで変化し、ここで、Θの値は、２．４５ＧＨｚ周波数で２２５°、すなわち５２ｍｍの長さである。図８に示される５つのＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５構成において、伝送スロット線路の先端部と放射スロットの部分との間の距離は同じであり、ｄ＝１ｍｍである。

これら５つの構成の各々に対して、図９（ａ）及び（ｂ）は、２．４ＧＨｚ帯域における放射素子のアクセスを伴う５０オームインピーダンス整合曲線と、同じ周波数帯域における２つの放射素子の間のアイソレーション曲線をそれぞれ示している。これらの曲線は、−１２ｄＢより良好なインピーダンス整合レベルの場合、スロット型伝送線路の長さの調整が、１８ｄＢより良好で最適なアイソレーションを得ることを可能にすることを示している。

ここで、図１０および図１１を参照して本発明の別の実施形態を説明する。この場合、各放射素子２０、２１は、例えばヴィヴァルディ型アンテナなどのテーパースロットで構成される。標準的な方式では、テーパースロットは、マイクロストリップ２２、２３による電磁結合によって給電される。本発明によれば、スロット線路によって構成される伝送線路２４が、スロット線路の先端部２４ａがテーパースロットのテーパーエッジ２０ａおよび２１ａと平行になるように、２つのテーパースロットの間に設けられる。この場合、線路／スロット遷移（ｌｉｎｅ／ｓｌｏｔ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）の後、すなわち放射素子形状（ｐｒｏｆｉｌｅ）の一部において結合機能が生じる。

図１１（ａ）及び（ｂ）は、伝送線路のない構成および図１０の構成のパラメータＳをそれぞれ示している。これらの曲線は、２つの構成について、２．４ＧＨｚ帯域における−１０ｄＢより良好なインピーダンス整合レベルを示している。そのため、この構成で実施される原理によれば、最初は６ｄＢより大きいアンテナ間のアイソレーションが（図１１（ａ））、この例では１９ｄＢより大きなレベルに達するまで改善される。

本発明のさらに別の実施形態を、図１２および図１３を参照して説明する。この場合、放射素子は、パッチ３０および３１によって構成される。

図１２（ａ）は、上記と同じ特性を有する、基板ＦＲ４上の一辺３０ｍｍの２つのパッチ３０および３１を示している。２つのパッチは、縁端から縁端までの間に４ｍｍの間隔をあけて配置されている。図１３（ａ）は、そのような構造のパラメータＳを示しており、２つのパッチアンテナは２．４５ＧＨｚ周辺において−１０ｄＢに合致する。この周波数周辺におけるアイソレーションは、−９．５ｄＢである。

図１２（ｂ）は、上記と同じ構成の２つのパッチ３０および３１を示している。この場合、電磁結合を得るために、パッチの辺３０ａおよび辺３１ａの一方に、結合機能が配置されている。２つのカプラＣの間の伝送線路３２はマイクロストリップ線路であり、その長さはアイソレーションを調整することを可能にする。図１３（ｂ）は、そのような構造のパラメータＳを示しており、２つのアンテナは２．４５ＧＨｚ周辺において−１０ｄＢに合致する。この周波数周辺におけるアイソレーションは１９ｄＢであり、すなわち、ほぼ１０ｄＢ改善している。

本発明の他の実施形態を、図１４から図１７を参照して説明する。

図１４では、図４に示されるようなアンテナシステムが使用されている。しかし、この実施形態では、２つのカプラ１１ａ、１０ａ、１ａおよび１１ａ、１０ａ、２ａを作製し、それらを２つの伝送線路１０および１１を用いて互いに結び付けることが可能なように、第２のスロット型伝送線路１１が、第１のスロット型伝送線路１０と同様に領域内に集積されている。伝送線路の長さと、各伝送線路と放射素子との間の距離が、アンテナシステムの動作にとって望ましくない周波数を拒絶するために、アンテナ動作周波数に近い周波数またはより大きく離れた周波数を拒絶するように調整される。伝送線路がスロット線路である場合、これは、線路／スロット遷移とスロット型放射素子１、２の短絡平面の間で、または線路／スロット遷移の反対側で行うことができる。

図１５には、３つの放射素子Ａ１０、Ａ２０、Ａ３０を有する別の実施形態が示されており、中央の素子Ａ２０は、他の２つの素子からアイソレートされなければならない。

したがって、図４と比較して、第３の４分の１波長スロットＡ３０が図１５に示されるように追加される。２つの結合機能（Ｃ１’およびＣ１”）が、放射素子Ａ２０の上に配置され、１つの結合機能（Ｃ２およびＣ３）が、他の２つの放射素子Ａ１０およびＡ３０の各々の上に配置される。第１のスロット線路Ｌ’１が、放射素子Ａ１０の結合機能Ｃ１’を放射素子Ａ２０の結合機能Ｃ２に結び付ける。第２のスロット線路Ｌ’２が、放射素子Ａ１０の結合機能Ｃ１’を放射素子Ａ３０の結合機能Ｃ３に結び付ける。２つのカプラを配置し、それらを伝送線路を用いて互いに結び付けることが可能なように、第２のスロット線路Ｌ’２は、第１のスロット線路Ｌ’１と同様に領域内に集積される。

図１６（ａ）及び（ｂ）は、伝送線路のない図１５の構成のパラメータＳを示しており、一方、図１７（ａ）及び（ｂ）は、図１５の構成の同じパラメータを示している。図１７（ａ）及び（ｂ）に示されるように、２．４ＧＨｚ周波数帯域における５０オームインピーダンス整合は、１３ｄＢよりも良好である。したがって、この構成で実施される原理によれば、最初は９ｄＢより大きいアンテナ間のアイソレーションが（図１６（ａ））、この例では１８ｄＢより大きなレベルに達するまで改善される。

Claims (5)

1. 基板（３）上に、少なくとも第１のプリント放射素子（１）および第２のプリント放射素子（２）を備え、
   前記第１及び第２のプリント放射素子の各々は、給電線路（４、５）によって給電され、
   前記２つの放射素子の間に、第１の先端部（１０ａ）および第２の先端部（１０ａ）を有する少なくとも１つの伝送線路（１０）を備えるアンテナシステムであって、
   前記伝送線路の前記第１及び第２の先端部はそれぞれ、前記第１の放射素子と前記第２の放射素子との間の物理的差に関連する比１：ｂ（ｂ＞１）および位相Φを有する結合機能に従って、前記第１及び第２の放射素子に結合され（１ａ、２ａ）、
   前記伝送線路の長さは、Φを補償するような位相差Θをもたらすことを特徴とするアンテナシステム。
2. 前記放射素子は、スロット型（１、２、２０）またはパッチ型（３０、３１）のプリントアンテナによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記伝送線路は、スロット線路（１０、２４）又はマイクロストリップ（３２）であることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記結合機能を提供する素子は、前記伝送線路の先端部（１０ａ）に平行な前記放射素子の一部（１ａ、２ａ、３０ａ、３１ａ）によって形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
5. 前記結合は、前記平行な一部の長さＬおよび前記平行な部分間の距離ｄに依存することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のシステム。