JP2014112824A - アンテナ装置 - Google Patents

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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