JP2013526164A - 多入力多出力アンテナシステム - Google Patents

Abstract

本発明は多入力多出力アンテナシステムを開示し、該システムは、第一放射ユニット、第二放射ユニット、放射接地板、誘電体基板、寄生素子を備え、第一放射ユニット、第二放射ユニット及び寄生素子は前記誘電体基板の上表面にプリントされ、該放射接地板は誘電体基板の下表面にプリントされ、第一放射ユニットと第二放射ユニットは平面型モノポールアンテナであり、寄生素子は第一放射ユニットと第二放射ユニットとの間に位置する。本発明のシステムは、アンテナの小型化を実現し、且つアンテナの2つのポートが高い隔離度を有するとともに優れる放射性能を保持することを保証すことができる。

Description

本発明は無線通信分野に関し、特にMIMO（Multiple Input Multiple Output、多入力多出力）アンテナシステムに関する。

無線通信技術の急速の発展に従って、周波数資源の深刻不足は日増しに無線通信事業の発展を抑制するボトルネックになる。無線通信は、大容量、高伝達率及び高信頼性方向に向いて発展し、限りがある周波数スペクトル資源に対して、どのように最大限に周波数スペクトルの利用率を向上するかは現在の研究のホットなテーマになる。LTE（Long Term Evolution、長期的進化）産業の推進に従って、現在4Gに必要なMIMOアンテナシステムは端末アンテナの設計と評価にまた新たな挑戦を提出し、一方、ユーザは小型化高品質のユーザ体験を要求し、他方、MIMOアンテナシステムはそれぞれのアンテナがバランスよい無線周波数と電磁性能を有するとともに、高隔離度と低関連性係数を有することを要求している。多方面の矛盾はLTE端末アンテナの設計とシステム方案の段階ではすでにはっきりと現れている。過去二十年あまりの無線通信技術方面の研究結果を総括して、常規の送信ダイバーシチ又は受信ダイバーシチを採用することでも、知能アンテナ技術でも、現今大チャネル容量と高品質通信への需要を満たすことができず、周波数スペクトル效率の向上又は通信容量の増加に採用されるもっとも重要な技術はマルチアンテナ高隔離度技術である。

MIMO技術は無線移動通信分野の大躍進であり、マルチアンテナ技術であり、即ち無線通信システムの受信端と送信端にともに複数のアンテナが配置され、複数の並行する空間チャネルを創造し、複数の情報の流れが複数のチャネルを通過して同一周波数帯域に同時に伝送され、従って、システム容量を2倍に追加し、周波数スペクトルの利用效率を向上させることができる。MIMOシステムの中心思想は時空信号処理、即ち、即もとの時間次元の上、複数のアンテナを使用することによって空間次元を追加し、従って多重次元信号処理を実現し、空間多重化利得又は空間ダイバーシチ利得を取得する。MIMO技術はデータ伝送率の向上の重要な手段として注目され、未来の新世代の移動通信システム(4G)の重要な技術の一つと考えられる。従って、近年来幅広く研究され注目されている。

ところが、今まで、MIMO技術はセル方式移動通信システムにおいて商業実現を行なったことが少なく、3Gにおける応用もいくつかの要素に制限されている。1つの重要な要素はアンテナ問題である。アンテナはMIMO無線通信システムにおける受信と送信装置として、その電気性能及びアレー配置はMIMOシステム性能を影響する重要な要素である。アレーユニットの数、アレー構造、アレー置き方式、アンテナユニットの設計等の要素は直接にMIMOチャネルの空間関連性を影響する。MIMOシステムはアレーにおける各アンテナユニットが小さい関連性を有することを要求し、そのようにしてMIMOチャネルの応答マトリックスがフルランクに接近することを保証できる。しかし、受信機又は送信機の寸法及び構造に制限されるため、往々にして限りがある空間にアンテナユニットをできるだけ多く配置する必要があり、これは、アンテナの小型化と複数のアンテナの間のカップリング問題がすぐに解決する必要がある問題の1つになる。

現在、アンテナ間のカップリングの減少について、多種類の方法、例えば、アンテナ間隔の増大、EBG（Electromagnetic Band Gap、電磁バンドギャップ）構造の導入、接地板の切欠などがある。アンテナ間隔の増大は実際の応用中に往々にしてアンテナ取り付け体積に制限され、EBG構造の導入及び接地板の切欠はともに大きい接地板が必要であり、同様にアンテナの小型化に不利である。

本発明の目的は、上記の既存の低カップリングのマルチアンテナの体積が大きい欠点を克服し、MIMOシステムに使用できる新型の緊密配列、低カップリングの小型化アンテナシステムを提案することにある。

上記問題を解決するために、本発明は、多入力多出力アンテナシステムを提供し、第一放射ユニット、第二放射ユニット、放射接地板、誘電体基板、寄生素子を備え、前記第一放射ユニット、第二放射ユニット及び寄生素子は前記誘電体基板の上表面にプリントされ、前記放射接地板は前記誘電体基板の下表面にプリントされ、前記第一放射ユニットと第二放射ユニットは平面型モノポールアンテナであり、前記寄生素子は前記第一放射ユニットと第二放射ユニットとの間に位置する。

好ましくは、前記アンテナシステムは、さらに整合ネットワークを備え、前記整合ネットワークは第一整合回路及び/又は第二整合回路を含み、前記第一整合回路は第一放射ユニットに接続され、前記第二整合回路は第二放射ユニットに接続され、前記第一整合回路と第二整合回路はいずれも1つ又は複数の集中素子からなる。

好ましくは、前記第一整合回路は、インダクタンスＬ_１を含み、前記インダクタンスＬ_１は一端が第一放射ユニットに接続され、他端がフィードポイントであり、
前記第二整合回路は、順に接続されるコンデンサーＣ、インダクタンスＬ_２及びインダクタンスＬ_３を含み、コンデンサーＣは一端が第二放射ユニットに接続され、他端がインダクタンスＬ_２に接続され、インダクタンスＬ_３は一端がインダクタンスＬ_２に接続され、且つ該端がフィードポイントであり、他端が接地される。

好ましくは、前記第一放射ユニットと第二放射ユニットは前記誘電体基板の上表面の対角線の位置に分布し、いずれも曲折しているマイクロストリップ線路からなる。

好ましくは、前記放射接地板はコーナーカットを含む矩形であり、前記誘電体基板の下表面の中間位置にプリントされた銅箔で製造される。

好ましくは、前記寄生素子は矩形であり、前記誘電体基板の上表面にプリントされたマイクロストリップ線路からなる。

好ましくは、前記誘電体基板は誘電率が4.4のFR-4矩形誘電体基板である。

本発明は従来の技術に比べて以下のメリットを有する。

1、アンテナユニット（放射ユニット）は曲折形構造を採用し、アンテナの小型化を実現し、
2、アンテナ配列方法は対角が誘電体基板の同側に置かれ、アンテナの2つのポートが高い隔離度を有するとともに優れる放射性能を保持することを保証し、
3、寄生素子を導入してデカップリングユニットとし、有効的にアンテナユニット間のカップリング問題を解決するとともに、前記寄生素子から離れた1つの放射ユニットに要求された周波数領域に広い帯域幅を有しさせ、同時に、該周波数領域の中心周波数ポイント以外の他の周波数ポイントにおけるカップリングが同じく小さく、
4、コーナーカットを含む構造の放射接地板を採用し、有限空間内に集中素子で整合を完成する。

理論計算の結果は、上記のそれぞれの技術が該発明を各種類のMIMOシステムに使用可能にさせたことを判明した。

図1は本発明実施例によるMIMOアンテナシステムの上面図である。 図2は本発明実施例によるMIMOアンテナシステムの下面図である。 図3は本発明実施例によるMIMOアンテナシステムの第一放射ユニットと第一整合回路の構造模式図である。 図4は本発明実施例によるMIMOアンテナシステムの第二放射ユニットと第二整合回路の構造模式図である。 図5は本発明実施例によるMIMOアンテナシステムの寄生素子構造図である。 図6は本発明実施例によるMIMOアンテナシステムの放射接地板の構造図である。 図7は本発明実施例によるMIMOアンテナシステムの第一放射ユニットの動作周波数-電圧定在波比グラフである。 図8は本発明実施例によるMIMOアンテナシステムの第二放射ユニットの動作周波数-電圧定在波比グラフである。 図9は本発明実施例によるMIMOアンテナシステムの2つの放射ユニット間の隔離度グラフである。 図10aは本発明実施例によるMIMOアンテナシステムの遠方界利得指向図であり、x-y面遠方界指向図である。 図10bは本発明実施例によるMIMOアンテナシステムの遠方界利得指向図であり、x-z面遠方界指向図である。 図10cは本発明実施例によるMIMOアンテナシステムの遠方界利得指向図であり、y-z面遠方界指向図である。

マルチアンテナシステムにおいて、単一アンテナが励振する時、放射が発生し、アンテナユニットの間の間隔が小さいため、隣接するアンテナユニットの間が相互作用して散乱が発生し、従ってアンテナ間の隔離度が低い。本発明は、従来のマルチアンテナシステム中の隔離度を追加する方法の代わりに、隣接するアンテナ間に寄生素子を置いて反射ユニットとして両者の間のカップリングを減少することを採用する。

モノポールアンテナ構造は幅広く各種の通信アンテナの設計に用いられ、本発明は曲折構造のモノポールアンテナを採用してMIMOアンテナの小型化を実現する。アンテナの負荷インピーダンスがアンテナポートの定在波を影響し、従って、マルチアンテナシステムにデカップリングユニットを追加した後、アンテナに対してインピーダンス整合を行なう必要がある。本発明は、集中素子でアンテナを整合し、従来のマイクロストリップ線路整合に比べて、マルチアンテナシステムの小型化にもっと有利的であり、同時に、接地板の形状もアンテナユニットの整合を影響する。従って、本発明は集中素子と接地板の共同作用によってアンテナの整合を実現する。

前記原理に従って、本発明はモノポールを採用してマルチアンテナシステムの放射ユニットとし、寄生素子構造を導入して隣接するアンテナユニット間の隔離度を向上させ、インピーダンス整合は集中素子を採用して実現される。

図1と図2に示すように、本発明実施例のMIMOアンテナシステムは、第一放射ユニット1、第二放射ユニット2、放射接地板9、誘電体基板4及び寄生素子3を備え、前記第一放射ユニット1、第二放射ユニット2及び寄生素子3は前記誘電体基板4の上表面にプリントされ、前記放射接地板9は前記誘電体基板の下表面にプリントされ、前記第一放射ユニット1と第二放射ユニット2は平面型モノポールアンテナであり、前記寄生素子3は前記第一放射ユニット1と第二放射ユニット2との間に位置する。

そのうち、好ましくは、前記第一放射ユニット1と第二放射ユニット2は前記誘電体基板4の上表面の対角線の位置に分布し、いずれも曲折しているマイクロストリップ線路からなる。

選択可能に、本発明のアンテナシステムは整合ネットワークを備え、前記整合ネットワークは第一整合回路と第二整合回路を含み、又は、そのうちの1つの整合回路だけを含んでも良い。前記第一整合回路は第一放射ユニットに接続され、前記第二整合回路は第二放射ユニットに接続され、前記第一整合回路と第二整合回路はいずれも1つ又は複数の集中素子からなり、負荷整合を実現する。図1に示すように、第一整合回路は集中素子5を含み、第二整合回路は集中素子6、7、8を含む。

図3に示すように、第一放射ユニット1は誘電体基板の上表面にプリントされた曲折マイクロストリップ線路からなり、集中素子6（即ち、インダクタンスＬ_１）を採用してインピーダンス整合を行なう。インダクタンスＬ_１は一端が第一放射ユニット1に接続され、他端がフィードポイントである。

図4に示すように、第二放射ユニット2は誘電体基板の上表面にプリントされた曲折マイクロストリップ線路からなり、集中素子6（即ちコンデンサーＣ）、7（インダクタンスＬ_２）及び8（インダクタンスＬ_３）を採用してインピーダンス整合を行なう。そのうち、コンデンサーは一端が第二放射ユニットに接続され、他端がインダクタンスＬ_２に接続され、インダクタンスＬ_３は一端がインダクタンスＬ_２に接続され、且つ該端がフィードポイントであり、他端が接地される。

図5に示すように、寄生素子3は矩形であり、前記誘電体基板4の上表面にプリントされたマイクロストリップ線路からなる。

図6に示すように、前記放射接地板9はコーナーカットを含む矩形であり、前記誘電体基板4の下表面の中間位置にプリントされた銅箔で製造される。

誘電体基板4は矩形であり、通常誘電率が4.4のFR-4誘電体基板であり、その寸法が６０ｍｍ×２０ｍｍ×０．８ｍｍであってもよい。

本発明において、2つの放射ユニットは空間ダイバーシチ方式を採用して関連性を低減させ、ユニットの間の相対位置が本発明アンテナシステムの性能を保証する。

前記説明から、本発明は以下のいくつの特徴を有することが発見した。

第一、本発明において、マルチアンテナシステムは2つのアンテナからなり、且つ総寸法が６０ｍｍ×２０ｍｍ×０．８ｍｍであり、MIMOシステムのアンテナ小型化への要求に合致する。

第二、本発明において、2つのアンテナ間の関連性が小さく、MIMOの使用要求に合致する。

第三、本発明において、2つの平面型モノポールアンテナは誘電体基板にプリントされ、製作コストが低い。

前記構造によれば、本発明設計が提供するMIMOシステムに用いられた2つのアンテナからなるマルチアンテナシステムの具体的の応用示例は以下の通りである。

放射ユニット1は、平面型モノポールアンテナであり、厚みが0.8mm、比誘電率が4.4、寸法がＬ_ｓ×Ｗ_ｓ＝６０ｍｍ×２０ｍｍの矩形誘電体基板上にプリントされたマイクロストリップ線路の寸法がＬ×Ｗ＝１９ｍｍ×７ｍｍであり、ｄ＝１．５ｍｍで、Ｈ＝９．５ｍｍであり、インダクタンスＬ_１＝３．３ｎＨを採用してインピーダンス整合を行なう。

放射ユニット2は、平面型モノポールアンテナであり、寸法が放射ユニット1と同じ、厚みが０．８ｍｍ、比誘電率が4.4、寸法がＬ_ｓ×Ｗ_ｓ＝６０ｍｍ×２０ｍｍの矩形誘電体基板上にプリントされたマイクロストリップ線路であり、コンデンサーＣ＝１ｐＦ、インダクタンスＬ_２＝４．３ｎＨ、Ｌ_３＝１．６ｎＨを採用してインピーダンス整合を行なう。

寄生素子金属片3は、厚みが０．８ｍｍ、比誘電率が4.4、寸法がＬ_ｓ×Ｗ_ｓ＝６０ｍｍ×２０ｍｍの矩形誘電体基板上にプリントされたマイクロストリップ線路であり、その寸法がＬ_ｐ×Ｗ_ｐ＝３８ｍｍ×１ｍｍである。

放射接地板9は、厚みが０．８ｍｍ、比誘電率が4.4、寸法がＬ_ｓ×Ｗ_ｓ＝６０ｍｍ×２０ｍｍの矩形誘電体基板上にプリントされた銅箔であり、総寸法がＬ_ｇ×Ｗ_ｇ＝２０ｍｍ×２０ｍｍであり、そのうち、矩形コーナーカット寸法がＬ_ｃ×Ｗ_ｃ＝４ｍｍ×６ｍｍである。

本発明実施例における整合ネットワークは集中素子を採用し、具体的な素子の選択及び素子抵抗値の選択は、実際のインピーダンス情况に応じて確定される。

本発明実施例における2つのモノポールアンテナは、他の形状のモノポールアンテナで取り替えてもよい。

本発明実施例における2つのアンテナはいずれも2.4GHz周波数領域に動作し、モノポールアンテナの寸法を改変すると、動作周波数を改変することができる。

本発明のメリットを以下のシミュレーション及びテストによってさらに説明することができる。

1、シミュレーションテストの内容
シミュレーションソフトウェアを利用して前記実施例のアンテナの電圧定在波比、隔離度及び遠方界放射指向図に対してシミュレーション計算を行い、さらに現物を作って、測量する。

2、シミュレーションテスト結果
図7は第一放射ユニットの動作周波数-電圧定在波比であり、図8は第二放射ユニットの動作周波数-電圧定在波比である。図7と図8から、動作周波数帯域2.3GHz-2.5GHzの範囲内に反射損失が小さく、特に2.4GHzの動作周波数帯域をよく覆うことが分かった。

図9は2つの放射ユニット間の隔離度である。図9から、本発明アンテナシステムにおいて放射ユニット間のカップリングは動作周波数領域に有効的に抑えられることが分かった。

図10はマルチアンテナの遠方界利得指向図であり、そのうち、（a）がx-y面遠方界指向図で、（b）がx-z面遠方界指向図で、（c）がy-z面遠方界指向図である。図10から、本発明のアンテナシステムは優れる全方向性を有することが分かった。

一般の当業者は上記方法の全部或は一部のステップがプログラムを用いて関連ハードウェアに対して命令を出し、完成させることができ、上記プログラムはコンピューターの可読記憶媒体、例えば読み出し専用メモリ、磁気ディスク或は光ディスク等に記憶できると理解可能である。前記実施例の全部或は一部のステップは1つ或は複数の集積回路を使用することで実現するという選択肢もある。それに対応し、前記実施例における各モジュール/ユニットはハードウェア形式で実現でき、またソフトウェアの機能モジュール形式でも実現できる。本発明は如何なる特定した形式のハードウェアとソフトウェアの結合にも限定されない。

以上は本発明の好ましい実施例しかに過ぎず、本発明を制限するものではなく、当業者にとって、本発明が各種の変更と変化を行なうことができる。本発明の精神と原則の内に行なった如何なる修正、同等交替、改良などはいずれも本発明の保護範囲内に含まれるべきである。

従来技術に比べて、本発明のマルチアンテナシステムは2つのアンテナからなり、且つ総寸法が６０ｍｍ×２０ｍｍ×０．８ｍｍであり、MIMOシステムのアンテナ小型化への要求に合致し、2つのアンテナ間の関連性が小さく、MIMOの使用要求に合致し、2つの平面型モノポールアンテナは誘電体基板にプリントされ、生産コストが低い。

Claims (7)

1. 第一放射ユニット、第二放射ユニット、放射接地板、誘電体基板、寄生素子を備え、前記第一放射ユニット、第二放射ユニット及び寄生素子は前記誘電体基板の上表面にプリントされ、前記放射接地板は前記誘電体基板の下表面にプリントされ、前記第一放射ユニットと第二放射ユニットは平面型モノポールアンテナであり、前記寄生素子は前記第一放射ユニットと第二放射ユニットとの間に位置する多入力多出力アンテナシステム。
2. さらに整合ネットワークを備え、前記整合ネットワークは第一整合回路及び/又は第二整合回路を含み、前記第一整合回路は第一放射ユニットに接続され、前記第二整合回路は第二放射ユニットに接続され、前記第一整合回路と第二整合回路はいずれも1つ又は複数の集中素子からなる請求項１に記載のアンテナシステム。
3. 前記第一整合回路は、インダクタンスＬ_１を含み、前記インダクタンスＬ_１は一端が第一放射ユニットに接続され、他端がフィードポイントであり、
   前記第二整合回路は、順に接続されるコンデンサーＣ、インダクタンスＬ_２及びインダクタンスＬ_３を含み、コンデンサーＣは一端が第二放射ユニットに接続され、他端がインダクタンスＬ_２に接続され、インダクタンスＬ_３は一端がインダクタンスＬ_２に接続され、且つ該端がフィードポイントであり、他端が接地される請求項２に記載のアンテナシステム。
4. 前記第一放射ユニットと第二放射ユニットは前記誘電体基板の上表面の対角線の位置に分布し、いずれも曲折しているマイクロストリップ線路からなる請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナシステム。
5. 前記放射接地板はコーナーカットを含む矩形であり、前記誘電体基板の下表面の中間位置にプリントされた銅箔で製造される請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナシステム。
6. 前記寄生素子は矩形であり、前記誘電体基板の上表面にプリントされたマイクロストリップ線路からなる請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナシステム。
7. 前記誘電体基板は誘電率が4.4のFR-4矩形誘電体基板である請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナシステム。

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