JP2014112824A - アンテナ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 2つの放射素子間のアイソレーションを高く維持した状態で、動作周波数帯を容易にシフトさせることができるアンテナ装置を提供する。
【解決手段】 第1のポートから第1の放射素子に給電され、第2のポートから第2の放射素子に給電される。デカップリング回路が、第1の放射素子と第2の放射素子とを接続する。デカップリング回路は、第1のポートと第1の放射素子との間の第1の点と、第2のポートと第2の放射素子との間の第2の点とを相互に接続するブリッジ素子を含む。さらに、第1の点と第1の放射素子との間に、第1の放射素子に対して直列に挿入された第1のリアクタンス素子、及び第2の点と第2の放射素子との間に、第2の放射素子に対して直列に挿入された第2のリアクタンス素子を含む。第1のリアクタンス素子及び第2のリアクタンス素子の少なくとも一方は、リアクタンスの値を変化させることができるように構成されている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、複数の放射素子を含み、放射素子間のアイソレーションを高くしたアンテナ装置に関する。
送信側及び受信側の双方に複数の放射素子を設置して空間多重化を行うMIMO(Multi−Input Multi−Output)伝送技術により、高速かつ大容量の無線通信を行うことができる。MIMOアンテナには、複数の放射素子の間の低結合化及び低相関化が求められる。特許文献1〜4に、2つのアンテナ素子同士を接続素子で接続することにより、アンテナ素子間の結合を低減させる技術が開示されている。特許文献1に開示された技術では、低結合化のための接続素子に、可変リアクタンス回路が用いられる。
特開2011−109440号公報 特開2011−205316号公報 特表2009−521898号公報 特表2010−525680号公報
アンテナ装置が動作する周波数帯をシフトさせる技術が望まれている。従来の技術では、動作周波数帯をシフトさせることが困難であった。本発明の目的は、2つの放射素子間のアイソレーションを高く維持した状態で、動作周波数帯を容易にシフトさせることができるアンテナ装置を提供することである。
本発明の一観点によると、
第1の放射素子と、
第2の放射素子と、
前記第1の放射素子に給電を行う第1のポートと、
前記第2の放射素子に給電を行う第2のポートと、
前記第1の放射素子と前記第2の放射素子とを接続するデカップリング回路と
を有し、
前記デカップリング回路は、
前記第1のポートと前記第1の放射素子との間の第1の点と、前記第2のポートと前記第2の放射素子との間の第2の点とを相互に接続するブリッジ素子と、
前記第1の点と前記第1の放射素子との間に、前記第1の放射素子に対して直列に挿入された第1のリアクタンス素子と、
前記第2の点と前記第2の放射素子との間に、前記第2の放射素子に対して直列に挿入された第2のリアクタンス素子とを有し、
前記第1のリアクタンス素子及び前記第2のリアクタンス素子の少なくとも一方は、リアクタンスの値を変化させることができるように構成されているアンテナ装置が提供される。
第1のリアクタンス素子及び第2のリアクタンス素子の少なくとも一方のリアクタンス
の値を変化させることにより、第1のポートと第2のポートとの間の透過係数が極小となる周波数をシフトさせることができる。周波数のシフト後も、小さなリターンロスを維持することが可能である。
前記第1の放射素子及び前記第2の放射素子の各々を、第1の周波数帯、及び前記第1の周波数帯よりも高い第2の周波数帯で共振するように構成してもよい。
さらに、前記第1のポートと前記第1の点との間に挿入された第1のマッチング回路と、前記第2のポートと前記第2の点との間に挿入された第2のマッチング回路とを有する構成とすることが好ましい。前記第1のマッチング回路及び前記第2のマッチング回路の各々は、前記第1の周波数帯及び前記第2の周波数帯でインピーダンス整合するように構成される。
第1のリアクタンス素子及び第2のリアクタンス素子の少なくとも一方のリアクタンスの値を変化させることにより、第1のポートと第2のポートとの間の透過係数が極小となる周波数をシフトさせることができる。周波数のシフト後も、小さなリターンロスを維持することが可能である。
図1Aは、実施例1によるアンテナ装置の等価回路図であり、図1Bは、実施例1によるアンテナ装置の概略斜視図である。 図2は、実施例1によるアンテナ装置の、初期状態、第1状態、及び第2状態のときのSパラメータのシミュレーション結果を示すグラフである。 図3は、比較例によるアンテナ装置のSパラメータのシミュレーション結果を示すグラフである。 図4Aは、実施例2によるアンテナ装置の等価回路図であり、図4Bは、実施例2によるアンテナ装置の概略斜視図である。 図5は、実施例2によるアンテナ装置の、第3状態及び第4状態のときのSパラメータのシミュレーション結果を示すグラフである。
[実施例1]
図1Aに、実施例1によるアンテナ装置の等価回路図を示す。アンテナ装置の第1のポート10から第1の放射素子11に給電が行われ、第2のポート20から第2の放射素子21に給電が行われる。第1の放射素子11及び第2の放射素子21は、単一の共振周波数で共振するように構成されている。第1のポート10及び第2のポート20は、送受信回路30に接続されている。送受信回路30は、例えばMIMO伝送方式に対応している。デカップリング回路40が、第1のポート10、第2のポート20、第1の放射素子11、及び第2の放射素子21を相互に接続する。
デカップリング回路40は、ブリッジ素子41、第1のリアクタンス素子12、及び第2のリアクタンス素子22を含む。ブリッジ素子41は、第1のポート10と第1の放射素子11との間の第1の点13と、第2のポート20と第2の放射素子21との間の第2の点23とを相互に接続する。第1のリアクタンス素子12は、第1の点13と第1の放射素子11との間に、第1の放射素子11に対して直列に挿入されている。第2のリアクタンス素子22は、第2の点23と第2の放射素子21との間に、第2の放射素子21に対して直列に挿入されている。
第1のリアクタンス素子12及び第2のリアクタンス素子22の少なくとも一方は、リ
アクタンスの値を変化させることができるように構成されている。一例として、第1のリアクタンス素子12及び第2のリアクタンス素子22には、可変インダクタまたは可変キャパシタが用いられる。なお、第1のリアクタンス素子12及び第2のリアクタンス素子22の各々に、インダクタンスの異なる複数の固定インダクタを配置し、スイッチで1つの固定インダクタを選択するようにしてもよい。ブリッジ素子41には、固定インダクタまたは固定キャパシタが用いられる。
第1のポート10と第1の点13との間に、第1のマッチング回路14が挿入されており、第2のポート20と第2の点23との間に、第2のマッチング回路24が挿入されている。
第1のポート10から第1の放射素子11に給電を行なったときのリターンロスをS11、第2のポート20への透過係数をS21で表し、第2のポート20から第2の放射素子21に給電を行なったときのリターンロスをS22、第1のポート10への透過係数をS12で表す。デカップリング回路40は、透過係数S21及びS12を小さくする。すなわち、第1の放射素子11と第2の放射素子21とのアイソレーションを高くする。
図1Bに、実施例1によるアンテナ装置の概略斜視図を示す。ほぼ長方形の平面形状を有するグランド板50の縁の近傍に高周波回路51が配置されている。高周波回路51は、デカップリング回路40、第1のマッチング回路14、第2のマッチング回路24(図1A)、及びこれらの回路を接続する伝送線路を含む。伝送線路は、例えばマイクロストリップラインで構成される。高周波回路51に含まれるリアクタンス素子及びキャパシタンス素子は、集中定数素子または分布定数回路で構成される。
第1の放射素子11及び第2の放射素子21には、例えば平面モノポールアンテナが用いられる。第1の放射素子11及び第2の放射素子21は、グランド板50の1つの辺のやや外側に配置されている。第1の放射素子11及び第2の放射素子21の各々の一端が、高周波回路51に接続されている。
グランド板50を形成するための基板として、例えばガラスエポキシ等の誘電体板が用いられる。第1の放射素子11及び第2の放射素子21を形成するためのキャリアに、例えばABS樹脂が用いられる。図1Bには、誘電体板及びキャリアは表示されていない。
実施例1によるアンテナ装置のSパラメータをシミュレーションにより算出した。シミュレーションの条件として、図1Bに示したグランド板50の縦方向の寸法Y1及び横方向の寸法Xを、それぞれ100mm及び60mmとし、グランド板50の厚さを1mmとした。第1の放射素子11及び第2の放射素子21が配置されるアンテナ領域の縦方向の寸法Y2及び横方向の寸法Xを、それぞれ10mm及び60mmとした。第1の放射素子11と第2の放射素子21とは、相互に面対称の幾何学的形状を有する。第1の放射素子11及び第2の放射素子21の各々の長さは27.4mmであり、両者の間隔は5.2mmである。グランド板50、第1の放射素子11、及び第2の放射素子21には銅を用いた。
第1の放射素子11及び第2の放射素子21の各々は、単一の共振周波数850MHzで共振するように構成されている。図1Aに示したデカップリング回路40は、周波数850MHzで透過係数S21が極小になるように構成した。具体的には、第1のリアクタンス素子12及び第2のリアクタンス素子22は、それぞれインダクタL1、L2が用いられ、そのインダクタンスは共に3.28nHである。ブリッジ素子41にもインダクタLBが用いられ、そのインダクタンスは3.52nHである。
第1のマッチング回路14及び第2のマッチング回路24は、周波数850MHzでリターンロスS11、S22が極小になるように構成した。具体的には、第1のマッチング回路14及び第2のマッチング回路24を、6.5nHのシャントインダクタンスと、5.0pFのシリーズキャパシタンスで構成した。上述の状態を初期状態Q0ということとする。
透過係数S21、S12が、850MHzよりも低い周波数750MHzで極小値を示すという条件で、第1のリアクタンス素子12及び第2のリアクタンス素子22の素子定数を算出した。このとき、ブリッジ素子41、第1のマッチング回路14、及び第2のマッチング回路24の回路定数は変化させない。上記条件で、第1のリアクタンス素子12及び第2のリアクタンス素子22のインダクタンスは6.10nHであった。この状態を第1状態Q1ということとする。
同様に、透過係数S21、S12が、850MHzよりも高い周波数950MHzで極小値を示すという条件で、第1のリアクタンス素子12及び第2のリアクタンス素子22の素子定数を算出した。その結果、第1のリアクタンス素子12及び第2のリアクタンス素子22のインダクタンスは1.25nHであった。この状態を第2状態Q2ということとする。
図2に、初期状態Q0、第1状態Q1、及び第2状態Q2のときのアンテナ装置のSパラメータのシミュレーショ結果を示す。横軸は周波数を単位「GHz」で表し、縦軸はSパラメータの大きさを単位「dB」で表す。図2に示した実線が透過係数S21を示し、破線がリターンロスS11を示す。最も太い線が初期状態Q0を示し、2番目に太い線が第1状態Q1を示し、最も細い線が第2状態Q2を示す。初期状態Q0では、透過係数S21及びリターンロスS11の両方が、設計目標どおりに、周波数850MHzで極小値を示している。なお、放射素子と回路の対称性により、リターンロスS22はリターンロスS11と等しく、透過係数S12は透過係数S21と等しい。
第1状態Q1では、透過係数S21が、設計目標どおりに、750MHzで極小値を示している。このとき、リターンロスS11も、約750MHzで極小値を示している。このため、アンテナ装置は、第1状態Q1のときに、周波数750MHzの近傍の周波数帯で、効率的な動作が可能である。
第2状態Q2では、透過係数S21が、設計目標どおりに、950MHzで極小値を示している。このとき、リターンロスS11も、約950MHzで極小値を示している。このため、アンテナ装置は、第2状態Q2のときに、周波数950MHzの近傍の周波数帯で、効率的な動作が可能である。
図3を参照して、比較例によるアンテナ装置のSパラメータのシミュレーション結果について説明する。比較例では、図1Aに示した第1のリアクタンス素子12及び第2のリアクタンス素子22のインダクタL1、L2のインダクタンスを固定にし、ブリッジ素子41の回路定数を変化させた。比較例におけるアンテナ装置の初期状態Q0は、実施例1によるアンテナ装置(図1A、図1B、図2)の初期状態Q0と同一である。
透過係数S21、S12が、750MHzで極小値を示す(第1状態Q1)という条件で、ブリッジ素子41の回路定数を算出したところ、ブリッジ素子41のインダクタンスが13.0nHであった。透過係数S21、S12が、950MHzで極小値を示す(第2状態Q2)という条件で、ブリッジ素子41の回路定数を算出したところ、ブリッジ素子41は容量性に変化し、そのキャパシタンスは27pFであった。
図3に、比較例によるアンテナ装置の、初期状態Q0、第1状態Q1、及び第2状態Q2のときのSパラメータのシミュレーション結果を示す。横軸は周波数を単位「GHz」で表し、縦軸はSパラメータの大きさを単位「dB」で表す。図3に示した実線が透過係数S21を示し、破線がリターンロスS11を示す。最も太い線が初期状態Q0を示し、2番目に太い線が第1状態Q1を示し、最も細い線が第2状態Q2を示す。
第1状態Q1では、透過係数S21が設計目標どおりに、750MHzで極小値を示している。ところが、リターンロスS11は、780MHzで極小値を示しており、透過係数S21が極小値をとる周波数からずれている。750MHzにおいて、リターンロスS11が大きいため、比較例によるアンテナ装置は、750MHz近傍の周波数帯での動作に適さない。
第2状態Q2では、透過係数S21が設計目標どおりに、950MHzで極小値を示している。また、リターンロスS11も、約950MHzで極小値を示している。ところが、図2の第2状態Q2のSパラメータと比較すると、比較例によるアンテナ装置の第2状態Q2の950MHzに現れている谷が浅いことがわかる。すなわち、図2に示した実施例1によるアンテナ装置の第2状態Q2に比べて、第1のポート10と第2のポート20(図1A)とのアイソレーションが弱く、かつリターンロスS11が大きい。このため、比較例によるアンテナ装置は、950MHz近傍の周波数帯での動作に適さない。
上述のように、実施例1によるアンテナ装置では、図1Aに示したブリッジ素子41の回路定数を固定し、第1のリアクタンス素子12及び第2のリアクタンス素子22の回路定数を可変とした。これにより、アンテナ装置が動作する周波数帯をシフトさせることが可能になり、かつ動作周波数帯がシフトした後においても、小さな透過係数S21(高いアイソレーション)及び小さなリターンロスS11を維持することができる。
さらに、実施例1では、動作周波数帯を750MHzから950MHzまでの間で変化させるために、インダクタL1、L2のインダクタンスを1.25nHから6.10nHまで変化させればよい。その変化量は4.85nHである。これに対し、図3に示した比較例では、動作周波数帯を850MHzから750MHzまで変化させるために、ブリッジ素子41のインダクタンスを3.52nHから13.0nHまで変化させなければならず、その変化量は9.48nHであった。さらに、比較例では、動作周波数帯を850MHzから950MHzまで変化させるために、ブリッジ素子41を誘導性から容量性に変化させなければならない。このように、実施例1では、比較例に比べて、動作周波数帯をシフトさせための回路定数の変化量を小さくすることができる。
[実施例2]
図4A、図4B、及び図5を参照して、実施例2によるアンテナ装置について説明する。以下、実施例1との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。実施例1では、第1の放射素子11及び第2の放射素子21(図1B)が、単一の共振周波数で共振するように構成されていた。実施例2では、第1の放射素子11及び第2の放射素子21が、2つの共振周波数で共振するように構成されている。一例として、第1の放射素子11及び第2の放射素子21において、基本波と高調波とを利用して2共振特性が得られる。
図4Aに、実施例2によるアンテナ装置の等価回路図を示す。実施例2では、上述のように、第1の放射素子11及び第2の放射素子21が2共振特性を有する。第1のリアクタンス素子12及び第2のリアクタンス素子22には、それぞれ可変キャパシタCB1、CB2が用いられる。第1のマッチング回路14にはT型回路が採用されており、シリーズインダクタLD1、シャントインダクタLC1、及びシリーズキャパシタCC1を含む
。一例として、シリーズインダクタLD1のインダクタンスは1.5nHであり、シャントインダクタLC1のインダクタンスは9nHであり、シリーズキャパシタCC1のキャパシタンスは5pFである。第2のマッチング回路24も同様の構成を有し、シリーズインダクタLD2、シャントインダクタLC2、及びシリーズキャパシタCC2を含む。ブリッジ素子41にインダクタLBが用いられ、そのインダクタンスは4nHである。
図4Bに、実施例2によるアンテナ装置の概略斜視図を示す。第1の放射素子11及び第2の放射素子21として、逆Fアンテナが用いられている。送受信回路30(図4A)が、高周波回路51を通して、第1の放射素子11及び第2の放射素子21の給電点に給電する。
第1のリアクタンス素子12及び第2のリアクタンス素子22の回路定数を変化させて、アンテナ装置のSパラメータをシミュレーションにより算出した。第1のリアクタンス素子12及び第2のリアクタンス素子22の可変キャパシタCB1、CB2のキャパシタンスを8pFとした状態を第3状態Q3といい、可変キャパシタCB1、CB2のキャパシタンスを1pFとした状態を第4状態Q4ということとする。
図5に、実施例2によるアンテナ装置が第3状態Q3及び第4状態Q4のときの、透過係数S21及びリターンロスS11のシミュレーション結果を示す。横軸は周波数を単位「GHz」で表し、縦軸はSパラメータの大きさを単位「dB」で表す。図5中の実線は透過係数S21を示し、破線はリターンロスS11を示す。太い線は、第3状態Q3を示し、細い線は第4状態Q4を示す。
アンテナ装置が第3状態Q3のとき、700MHz近傍の第1の周波数帯61Aで透過係数S21及びリターンロスS11が極小値を示している。さらに、1.75GHz近傍の第2の周波数帯62Aで透過係数S21及びリターンロスS11が極小値を示している。このため、アンテナ装置は、第3状態Q3のときに、第1の周波数帯61A及び第2の周波数帯62Aの両方において、効率的な動作が可能である。
アンテナ装置が第4状態Q4のとき、880MHz近傍の第1の周波数帯61Bにおいて、透過係数S21及びリターンロスS11が極小値を示す。さらに、2GHz近傍の第2の周波数帯62Bにおいて、透過係数S21及びリターンロスS11が極小値を示している。このため、アンテナ装置は、第4状態Q4のときに、第1の周波数帯61B及び第2の周波数帯62Bの両方において、効率的な動作が可能である。
実施例2においては、相対的に低い第1の周波数帯と、相対的に高い第2の周波数帯との両方で動作するアンテナ装置において、低周波側及び高周波側の両方の動作周波数帯をシフトさせることができる。動作周波数帯をシフトさせても、高いアイソレーションと、低いリターンロスを維持することができる。
第1のマッチング回路14及び第2のマッチング回路24は、第1の周波数帯61A、61B、及び第2の周波数帯62A、62Bでインピーダンス整合するように設計されている。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
10 第1のポート
11 第1の放射素子
12 第1のリアクタンス素子
13 第1の点
14 第1のマッチング回路
20 第2のポート
21 第2の放射素子
22 第2のリアクタンス素子
23 第2の点
24 第2のマッチング回路
30 送受信回路
40 デカップリング回路
41 ブリッジ素子
50 グランド板
51 高周波回路
61A、61B 第1の周波数帯
62A、62B 第2の周波数帯

Claims (3)

  1. 第1の放射素子と、
    第2の放射素子と、
    前記第1の放射素子に給電を行う第1のポートと、
    前記第2の放射素子に給電を行う第2のポートと、
    前記第1の放射素子と前記第2の放射素子とを接続するデカップリング回路と
    を有し、
    前記デカップリング回路は、
    前記第1のポートと前記第1の放射素子との間の第1の点と、前記第2のポートと前記第2の放射素子との間の第2の点とを相互に接続するブリッジ素子と、
    前記第1の点と前記第1の放射素子との間に、前記第1の放射素子に対して直列に挿入された第1のリアクタンス素子と、
    前記第2の点と前記第2の放射素子との間に、前記第2の放射素子に対して直列に挿入された第2のリアクタンス素子と
    を有し、
    前記第1のリアクタンス素子及び前記第2のリアクタンス素子の少なくとも一方は、リアクタンスの値を変化させることができるように構成されているアンテナ装置。
  2. 前記第1の放射素子及び前記第2の放射素子の各々は、第1の周波数帯、及び前記第1の周波数帯よりも高い第2の周波数帯で共振するように構成されている請求項1に記載のアンテナ装置。
  3. さらに、
    前記第1のポートと前記第1の点との間に挿入された第1のマッチング回路と、
    前記第2のポートと前記第2の点との間に挿入された第2のマッチング回路と
    を有し、
    前記第1のマッチング回路及び前記第2のマッチング回路の各々は、前記第1の周波数帯及び前記第2の周波数帯でインピーダンス整合するように構成されている請求項2に記載のアンテナ装置。
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