JP2015133570A - アンテナ装置および無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域での送受信を可能としつつ、小型化できるアンテナ装置を提供する。【解決手段】給電点３００とアンテナ素子Ｌ３０との間には、ＬＣ並列回路５００が設けられる。給電点３００は、アンテナ素子Ｌ３４と結合し、さらにアンテナ素子Ｌ３４の先には、アンテナ素子Ｌ３２が設けられる。アンテナ素子Ｌ３２とＬ３４の結合点とグランドとの間には、ＬＣ直列回路６００が設けられる。送受信の対象となる通信帯域に含まれる各周波数帯域に対応する複数のアンテナ素子のアンテナ効率は、通信帯域において、無線通信の伝搬損失とアンテナ効率との合計損失を所定の範囲以内に補償するように設定されている。【選択図】図１３

Description

本発明はアンテナ装置およびそれを用いた無線通信装置に関する。

従来から、たとえば、携帯電話などでは、マルチバンド（たとえば、８００ＭＨｚ帯，１．５ＧＨｚ帯，２ＧＨｚ帯））に対して、通信を行うために異なった周波数帯に対応するためのアンテナ構造が提案されている。

たとえば、特許文献１には、多周波共用型のアンテナ装置として、誘電体基板、給電点、モノポールアンテナ、並列回路、アンテナ素子、無給電素子を備える、アンテナ装置が開示されている。このアンテナ装置では、モノポールアンテナは、周波数ｆ１において単独で動作し、誘電体基板への漏洩電流の抑圧を行う。モノポールアンテナ、並列回路およびアンテナ素子は、周波数ｆ２の波長の約１／４長の長さを有し、周波数ｆ２で共振し、周波数ｆ２においてアンテナ装置として動作する。周波数ｆ２において、周波数ｆ１で用いるモノポールアンテナを兼用しているので、アンテナ装置の小型化を図ることができる。

一方で、ＬＴＥ−Ａ（Long Term Evolution-Advanced）では、ＬＴＥよりも高速の通信を実現することが要求され、ＬＴＥ−Ａでは、ＬＴＥよりも広帯域（ＬＴＥの２０ＭＨｚの帯域を越える１００ＭＨｚまでの帯域）をサポートすることが求められている。

しかしながら、世界的に連続した広帯域の周波数領域をＬＴＥ−Ａ用として確保することは難しい。それゆえ、ＬＴＥ−Ａでは、ＬＴＥとの互換性を可能な限り維持する目的から、キャリアアグリゲーション（ＣＡ：Career Aggregation）技術が採用されている。キャリアアグリゲーション技術は、コンポーネントキャリア（ＣＣ：Component Career）と呼ばれる帯域幅が２０ＭＨｚまでの周波数帯域を複数まとめて通信を行うことにより最大１００ＭＨｚの帯域幅を確保し、これにより高速かつ大容量の通信を実現させる技術である。

したがって、アンテナとしては、互いに分離した複数の周波数帯に単に対応するだけでなく、より広帯域の送受信を行うことが可能なアンテナ構造が要求されている。

そこで、たとえば、特許文献２では、操作キーのグランドパターンをアンテナパターンとしても利用可能とする電子機器に関する技術が開示されている。

ただし、上記のような広帯域に対する要求以上に、アンテナに対して、さらなる広帯域化が要求される事情が生じている。

すなわち、近年、周波数のひっ迫に伴い、周波数利用効率の向上手段の１つとして、空間的・時間的に空いている周波数帯の有効利用が挙げられる。

このような周波数帯の有効利用の方法の１つとして、非特許文献２には、広帯域離散ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：直交周波数分割多重）通信方式についての開示がある。

一般に伝搬特性の観点から無線通信には１ＧＨｚ以下の周波数帯が適している。移動通信システムが用いる周波数帯としては、アナログ地上波テレビ放送の停波等に伴う周波数再編によって７００ＭＨｚ帯および９００ＭＨｚ帯の周波数が追加されている。

しかしながら、１ＧＨｚ以下の周波数帯に高速無線伝送を収容可能な、まとまった広さの空き周波数帯域を今後新たに確保することは非常に困難な状況である。

一方、１ＧＨｚ以下の実際の周波数利用状況を見たとき、既存の各通信システムの帯域間に、狭帯域ではあるが空き周波数帯域が離散的に存在している。時間的、地理的に利用状況が変動はするものの、これらの多くの小さな空き周波数帯域を柔軟に束ねて使用すれば、高速無線伝送を実現しうる帯域幅を確保できる可能性がある。

そのためには既存通信システムとは異なり、伝送帯域の分割および複数の周波数帯域での伝送に柔軟に対応可能な通信技術の開発が必要である。ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：直交周波数分割多重）通信方式は、互いに直交する複数の比較的狭帯域なキャリア（サブキャリア） に情報を多重し伝送する方式であり、送受信機において、ＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transform：高速フーリエ逆変換）/ＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）を用いたディジタル信号処理を行うことで、伝送帯域の分割が比較的容易であるという特徴を有する。このＯＦＤＭ方式を用いて、上記のように離散的に存在する空き周波数帯域にサブキャリアを配置し、それらのサブキャリアを束ねて伝送路を構成し高速伝送を実現する離散ＯＦＤＭ（Non-Contiguous OFDM）技術が検討されている。

図２０は、このような離散ＯＦＤＭの基本概念を示す図である。

離散ＯＦＤＭでは、他の既存通信システムの信号と干渉しないようにサブキャリアを配置することによって、互いに干渉なく通信を行うことが可能となる。

図２１は、１ＧＨｚ以下の周波数帯で使用される従来のバイコニカルアンテナの構成を示す外観図である。

図２１に示した寸法のアンテナでは、たとえば、２００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの信号を送受信の対象とすることができる。

ただし、最大寸法は、４４０ｍｍと小型化は困難である。

特開２００６−６７２３４号明細書 特開２０１３−１２３０８６号明細書

高草木 恵二、長谷川晃朗、柴田達雄著、「広帯域離散ＯＦＤＭ技術の研究」、信学技報， vol．113， no．57， SR2013-16， pp．83-89， 2013年5月

しかしながら、たとえば、上記のような離散ＯＦＤＭを実現しようとする場合、空いている周波数帯は、広い周波数の範囲に分布することになるため、従来では、想定されていないような、より広帯域の通信に対応できるアンテナ装置が必要となる。

以上説明したように、空いている周波数を安定して利用するためには、できるだけ広帯域の周波数に対応した無線機を用意することが望ましい。しなしながら、広帯域な無線システム、特に低い周波数帯へ広帯域に対応するにはアンテナの大型化が課題となる。従来の技術では広帯域に対応したアンテナが様々存在するが、小型無線機に搭載し得る大きさではないという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、広帯域での無線の送受信を可能としつつ、小型化できるアンテナ装置を提供することである。

この発明の他の目的は、アンテナ装置の小型化を図りながら、広帯域での無線の送受信を可能とする無線通信装置を提供することである。

この発明の１つの局面に従うと、無線通信のためのアンテナ装置であって、無線通信のためのアンテナ装置であって、アンテナ部と、給電点とアンテナ部との間で送受信信号の伝達を行うための信号伝達経路とを備え、信号伝達経路は、送受信の対象となる最低周波数と最高周波数の間の通信帯域に含まれる各周波数帯域に対応して、アンテナ部および信号伝達経路で規定されるアンテナ効率を、無線通信の伝搬損失とアンテナ効率との合計損失を所定の範囲以内に補償するように調整する。

好ましくは、アンテナ部は、各周波数帯域に対応する複数のアンテナ素子を含み、各アンテナ素子は、アンテナ効率が、対応する周波数帯域で、合計損失を通信帯域において所定の範囲以内に補償するためのディメンションに設定されており、信号伝達経路は、複数のアンテナ素子を介して送受信する対象となる周波数が、それぞれ対応する周波数帯域となるように調整するためのインピーダンスを有する複数の信号経路を含む。

好ましくは、複数のアンテナ素子の一部は、複数の周波数帯域で共用されており、複数の信号経路は、複数の周波数帯域のうちの第１の周波数帯域で、共用されたアンテナ素子を送受信がアンテナとして動作し、複数の周波数帯域のうちの第２の周波数帯域で、共用されたアンテナ素子および他のアンテナ素子がアンテナとして動作するようなインピーダンスを有する。

好ましくは、信号伝達経路は、アンテナ効率を制御するための可変アッテネータを含む。

好ましくは、信号伝達経路は、アンテナ効率を制御するための可変利得アンプを含む。

この発明の他の局面に従うと、無線通信装置であって、送信の対象となる最低周波数と最高周波数の間の通信帯域において、送信を行う周波数域を選択する選択部と、選択部で選択された複数の周波数域で同時に送信を行う高周波信号を生成するための送信信号処理部と、送信信号処理部からの高周波信号を送出するためのアンテナ部と、送信信号処理部とアンテナ部との間に設けられ、送信信号の伝達を行うための信号伝達経路とを備え、信号伝達経路は、送受信の対象となる最低周波数と最高周波数の間の通信帯域に含まれる各周波数帯域に対応して、アンテナ部および信号伝達経路で規定されるアンテナ効率を、無線通信の伝搬損失とアンテナ効率との合計損失を所定の範囲以内に補償するように調整する。

好ましくは、選択部は、通信帯域において、既存システムの使用していない空き周波数域を選択し、送信信号処理部は、選択された空き周波数域にサブキャリアを配した直交周波数分割多重方式で、高周波信号を生成する、請求項６記載の無線通信装置。

好ましくは、アンテナ部は、各周波数帯域に対応する複数のアンテナ素子を含み、各アンテナ素子は、アンテナ効率が、対応する周波数帯域で、合計損失を通信帯域において所定の範囲以内に補償するためのディメンションに設定されており、信号伝達経路は、複数のアンテナ素子を介して送受信する対象となる周波数が、それぞれ対応する周波数帯域となるように調整するためのインピーダンスを有する複数の信号経路を含む。

好ましくは、複数のアンテナ素子の一部は、複数の周波数帯域で共用されており、複数の信号経路は、複数の周波数帯域のうちの第１の周波数帯域で、共用されたアンテナ素子を送受信がアンテナとして動作し、複数の周波数帯域のうちの第２の周波数帯域で、共用されたアンテナ素子および他のアンテナ素子がアンテナとして動作するようなインピーダンスを有する。

好ましくは、信号伝達経路は、アンテナ効率を制御するための可変アッテネータを含む。

好ましくは、信号伝達経路は、アンテナ効率を制御するための可変利得アンプを含む。

この発明によれば、アンテナ装置を、広帯域での無線の送受信を可能としつつ、小型化できる。

また、この発明によれば、アンテナ装置の小型化を図りながら、広帯域での無線の送受信を可能とする無線通信装置を実現できる。

本実施の形態の無線通信システム１０００の構成の例を示す機能ブロック図である。 自由空間の伝搬損失を示す図である。 自由空間での伝搬損と４つの周波数帯に対応するアンテナのアンテナ効率の例を示す図である。 λ／４のモノポールアンテナ１を基板に形成した場合の構成を示す図である。 アンテナの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の周波数依存性のシミュレーション結果を示す図である。 λ／４のモノポールアンテナ２を基板に形成した場合の構成を示す図である。 アンテナの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の周波数依存性のシミュレーション結果を示す図である。 λ／４のモノポールアンテナ３を基板に形成した場合の構成を示す図である。 アンテナの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の周波数依存性のシミュレーション結果を示す図である。 λ／４のモノポールアンテナ４を基板に形成した場合の構成を示す図である。 アンテナの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の周波数依存性のシミュレーション結果を示す図である。 アンテナ１〜４を組み合わせた場合のアンテナのトータルの減衰を示す図である。 実施の形態１の広帯域アンテナであるアンテナ装置の基板上のパターンの一例を示す図である。 図１３に示したアンテナ装置の等価回路を示す図である。 実施の形態２のアンテナ装置の基板上のパターンの一例を示す図である。 図１５に示したアンテナ装置の等価回路を示す図である。 実施の形態３のアンテナ装置の基板上のパターンの一例を示す図である。 図１７に示したアンテナ装置の等価回路を示す図である。 可変アッテネータを設けたアンテナを基板上に形成した場合の構成を説明するための概念図である。 離散ＯＦＤＭの基本概念を示す図である。 １ＧＨｚ以下の周波数帯で使用される従来のバイコニカルアンテナの構成を示す外観図である。

以下、本発明の実施の形態のアンテナ装置を、一例として、上述した離散ＯＦＤＭ方式の無線通信装置に対して使用する場合を例にとって説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素および処理工程は、同一または相当するものであり、必要でない場合は、その説明は繰り返さない。

本実施の形態のアンテナ装置は、離散ＯＦＤＭ方式の無線通信装置に限らず、広帯域の周波数の送受信を行う小型の無線通信装置に対して、適用可能なものである。

（実施の形態の前提の説明）
図１は、本実施の形態の無線通信システム１０００の構成の例を示す機能ブロック図である。

なお、以下の構成では、特に限定されるものではないが、伝送に関する各機能はのLTE規格をベースとしているものとして、説明する。

図１を参照して、無線通信システム１０００においては、送受信の対象とする周波数帯域が極めて広いため、たとえば、ダウンリンクのためには、送信側も受信側も、それぞれの周波数に対応して高周波ユニットを配置する。図１においては、例として、４系統を配置した構成を示している。

また、基地局からユーザー端末への下りリンク（ダウンリンク）帯域と、ユーザー端末から基地局への上りリンク（アップリンク）帯域とを完全に離した周波数帯に独立して確保する（ＦＤＤ：周波数分割多重）構成または異なる時間で使用する（ＴＤＤ：時間分割多重）構成を採用することが可能である。ただし、極めて広い周波数帯域幅を使用して、通信を行うことを想定すると、帯域の確保の観点からは、ＴＤＤの構成の方が、望ましい。

一方で、各高周波ユニットによって、対象とする周波数が異なるため、伝搬減衰やドップラー周波数などの通信路の品質が大きく異なる。

そこで、まず、無線通信システム１０００の送信側では、通信路の品質に応じた伝送により周波数利用効率を高めるために、チャネルエンコーダ１１０−１および１１０−２が２系統設けられている。チャネルエンコーダ１１０−１および１１０−２は、それぞれ、Turbo符号等の伝送路誤り訂正符号化、およびインターリーブ等の処理を実行する。このチャネルエンコーダは、対象とする空き周波数帯の通信品質に応じた適応変調等の処理を実施する。

以下では、通信を行う空き周波数帯として、どの周波数帯を使用するかは、送信側および受信側で、既知であるものとして説明する。

チャネルエンコーダ１１０−１および１１０−２の処理後に、送信信号に対して、変調器１１２−１および１１２−２が所定のデジタル変調処理を実行する。デジタル変調としては、たとえば、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭなどを使用することが可能である。

無線通信システム１０００においては、サブキャリアの離散的な配置を実現するために、ＩＦＦＴ／ＦＦＴ処理を利用する。所定の帯域をカバーする高周波ユニットひとつにＩＦＦＴ／ＦＦＴポイント数（たとえば、８１９２個）を割り当てることで、ＩＦＦＴ／ＦＦＴポイントそれぞれが所定の帯域幅（たとえば、１５ｋＨｚ）のサブキャリアに相当することになる。言い換えると、各高周波ユニットは、ＩＦＦＴ／ＦＦＴポイント数分のサブキャリアの送信能力を有する。

サブキャリアマッパ１２０は、送信側（たとえば、基地局装置）は、高周波ユニットのサブキャリアのうち送信するサブキャリアに対応するＩＦＦＴポイントに変調データを配置する。このようなサブキャリアの配置は、通信が行われる場所や時間などにより空き周波数帯が変動することに応じて、変更されうる。このような配置の情報は、送信側および受信側で事前に共通な情報を有しているものとする。

その後、高周波ユニットごとに、ＩＦＦＴ部１３０−１〜１３０−４が、ＩＦＦＴ処理を実行し、Ｄ／Ａ変換器１３２‐１〜１３２−４で、それぞれ、アナログ信号に変換される。

Ｄ／Ａ変換器１３２‐１〜１３２−４の出力は、ＩＦ発振器１３３からのＩＦ信号とミキサ１３４−１〜１３４−４と混合され、さらに、各周波数帯に対応する局部発振器１４０−１〜１４０−４の出力と、ミキサ１３６−１〜１３６−４で混合される。

無線通信システム１０００では、対象となる無線周波数（ＲＦ）は、たとえば、１７０ＭＨｚ〜１ＧＨｚであり、無線送受信機の装置構成上、通常はＲＦ周波数より低く設定する中間周波数（ＩＦ）を確保することが困難である。そこで、図１では、ＲＦより高いＩＦ周波数を使用する構成としている。なお、ＩＦを用いないダイレクトコンバージョン方式を採用してもよい。

機能ブロック１４２は、ＦＤＤを実装する場合は、ＦＤＤデュープレクサとしての機能を実行し、ＴＤＤを実装する場合は、ＴＤＤスイッチとしての機能を実行する機能ブロックである。

ブロック１４２からの信号は、アンテナ１５０から送出される。

一方、受信側では、アンテナ２００で受信した信号は、機能ブロック２０２により、ＦＤＤデュープレクサまたはＴＤＤスイッチとしての機能が実行された後、各周波数帯に対応する局部発振器２０４−１〜２０４−４の出力と、ミキサ２１０−１〜２１０−４で混合される。

さらに、ミキサ２１０−１〜２１０−４の出力は、ＩＦ発振器２１１からのＩＦ信号とミキサ２１２−１〜２１２−４と混合され、Ａ／Ｄ変換器２１４−１〜２１４−４でＡ／Ｄ変換されて、ＦＦＴ部２２０−１〜２２０−４において、ＩＦＦＴ処理の逆処理であるＦＦＴ処理が実行される。

ＦＦＴ部２２０−１〜２２０−４からのサブキャリアごとに分離された信号に対して、サブキャリアデマッパ２３０は、サブキャリアマッパ１２０の逆処理により、対応するＦＦＴポイントのデータを抜き出し、復調器２４０−１〜２４０−２が、復調処理を実行する。さらに、チャネルデコーダ２５０−１〜２５０−２は、デインターリーブ処理や誤り訂正処理を実行する。

アップリンク側の構成も、基本的には、ダウンリンク側の構成と同様であるが、図１では、図示を簡略化している。

フィードバックチャネル変調エンコーダ２８０は、適応変調などの制御を行うために、受信側（たとえば、移動局装置）の受信状況を基地局側にフィードバックする制御信号を変調し、フィードバックチャネル復調デコーダ１８０は、このようなフィードバック制御信号を復調する。
（アンテナ装置の構成の前提）
以下では、アンテナ１５０またはアンテナ２００として使用される広帯域アンテナの構成について、さらに詳しく説明する。

まず、本実施の形態の広帯域アンテナの構成を説明する前提を説明する。

図２は、自由空間の伝搬損失を示す図である。

図２に示す通り、周波数によって伝搬損失が異なる。

たとえば、自由空間を１０ｍ伝搬した場合の損失は、以下のようになる。

２００ＭＨｚ 38．5dB
４００ＭＨｚ 44．5dB
７００ＭＨｚ 49．3dB
１０００ＭＨｚ 52．4dB
つまり、２００ＭＨｚと１０００ＭＨｚを同時に使って無線通信する場合、同じ電力を送信しても２００ＭＨｚの方が約15dB強く受信することになる。

言い換えると、２００ＭＨｚと１０００ＭＨｚのアンテナ利得に15dB差がつくように構成しておけば、２００ＭＨｚと１０００ＭＨｚの受信電力は同じとなるといえる。

（自由空間の伝搬損の分散値）
自由空間の伝搬損失の周波数特性式は、一般に、周波数をｆとするとき、
20*log（f）
と表される。

さらに、マイクロ波帯の伝搬において、伝搬損失の周波数特性を表す傾きは伝搬式、実環境ともに自由空間損失のものと大きくは変わらないことが多い。

アンテナ効率、伝搬損失、アンテナ効率と伝搬損失との合計ロス（Total Attenuation）を下記の通り定義する。

周波数f、伝搬距離xに対するアンテナ効率をＧ（f） [dB]とし、伝搬損失をＰ（x，f） [dB]とすると、アンテナ効率と伝搬損失の合計ロスＴ（x，f）は、以下の式で表される
Ｔ（x，f）＝ Ｇ（f）＋Ｐ（x，f） [dB]
このとき、ある伝搬距離 x に対する Ｔ（x，f） の分散値σ²の計算式は下記のようになる。

したがって、分散値σ²は、所定の周波数範囲（ｆ＝ｆ（０）〜ｆ（Ｎ−１））にわたるアンテナ効率と伝搬損失の合計ロスの不均一性を示す指標となる。

ここで、一般的な伝搬損失式は下記で表される。

Ｐ（x，f） ＝ a＊Log（x）＋b＊Log（f）＋c [dB]
a： 距離減衰係数 x： 伝搬距離[km]
b： 周波数特性係数 f： 周波数[MHz]
c： 定数
ここで、自由空間の場合、a ＝ b ＝ 20、c ＝ 32．44である。

このうち、a＊Log（x） と c の項は周波数に寄らない項のため分散計算時にゼロとなり、b＊Log（f） の項だけが分散値に影響する。

ある周波数範囲において、アンテナ効率の周波数特性Ｇ（ｆ）が決まれば、基本的に、任意の伝搬距離ｘ に対して分散値 σ² は決まった値となる。

なお、より一般的には、実際に電波の伝搬する空間の伝搬損失は、上述した自由空間のものとはずれが存在するが、その中で周波数特性を表すb＊Log（f）の項については大きな差は無く、b＝20〜25程度となる事が多い。つまり、自由空間の式で分散値σ² は十分近似できる。そのため以下では、電波の伝搬する空間の伝搬損失は、自由空間での伝搬損失と同様であるものとして説明する。必要があれば、たとえば、実測値などを参考にして、上記の自由空間での伝搬損失に修正を加えることで、より現実に近い伝搬損失を考慮することも可能である。

図３は、自由空間での伝搬損と４つの周波数帯に対応するアンテナのアンテナ効率の例を示す図である。

上述のとおり、自由空間での伝搬損があるため、複数の周波数帯についてそれぞれ対応するする複数のアンテナを設け、各アンテナの効率（またはアンテナの利得）を、対応する周波数帯の自由空間での伝搬損に合わせて設計する。言い換えると、伝搬損の大きな周波数帯では、それに合わせて、アンテナ効率（またはアンテナの利得）をより大きく設定し、伝搬損の小さな周波数帯では、それに合わせて、アンテナ効率（またはアンテナの利得）をより小さく設定して、伝搬損とアンテナ効率との合計損失を補償するようにする。

ここで、「アンテナの効率」とは、アンテナの共振時の放射効率のことをいい、「アンテナ利得」は、理想アンテナ（アイソトロピックアンテナ）の特性に対して、そのアンテナの指向性により生じる利得のことをいうものとする。「アンテナの効率」も「アンテナ利得」も、より高い方が、そのアンテナを介して送受信される信号の強度は高くなる。アンテナ効率もしくはアンテナ利得のどちらか一方を使用してレベルダイヤを設計しシステム全体の無線通信品質を確保するが、どちらを使用するかは無線システムによって異なる。そこで、以下では、上記のような補償のために調整するアンテナの特性である、アンテナの効率またはアンテナの利得を、総称して、単に、「アンテナ効率」と呼ぶことにする。

図３では、一例として、４つのアンテナ１〜４が、各周波数帯に対応する場合を例示している。

このように設計すると、図３に示すように、４つのアンテナの組合せとして実現される広帯域アンテナのアンテナ効率は、広い周波数帯域にわたって、ほぼ一定とすることが可能となる。

アンテナ１〜４については、後に説明するように、各周波数帯域の信号が伝搬する経路のインピーダンスを調整することにより、対応する周波数についての送受信アンテナとして機能させることができる。

（モノポールアンテナのサイズと電圧定在波比）
以下では、図３に示したアンテナ１〜４の具体的な構成について、さらに説明する。

図４は、λ／４のモノポールアンテナ１（アンテナ３０２−１）を厚み１ｍｍの基板に形成した場合の構成を示す図である。

基板上にモノポールアンテナを形成する点については、たとえば、上述した特許文献１と同様である。

基板としては、特に限定されないが、たとえば、低温同時焼成セラミックス基板、ガラスエポキシ基板、コンポジット基板などを用いることができ、基板上には、無線通信装置の回路を形成する。

給電点３００からモノポールアンテナ３０２−１へ給電がされる。また、図４において、灰色で示した領域３１０は、実際は、ＲＦ回路を含めた電子回路が形成される領域であるものの、アンテナ素子から見た場合は、グランドとして機能する。

図４は、２００ＭＨｚから３００ＭＨｚに対応することを想定したモノポールアンテナであり、図５は、このアンテナの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の周波数依存性のシミュレーション結果を示す図である。

図５に示すように、アンテナとして動作するためには、ＶＳＷＲが３以下が望ましく、２００ＭＨｚから３００ＭＨｚにの周波数帯で、この条件を満たしている。すなわち、自由空間での伝搬損失のことを考慮すれば、この周波数帯に対して、約２００ｍｍの寸法のアンテナを使用することができる。

図６は、λ／４のモノポールアンテナ２（アンテナ３０２−２）を厚み１ｍｍの基板に形成した場合の構成を示す図である。

基板等の構成は、図４と同様である。

図６は、３００ＭＨｚから５００ＭＨｚに対応することを想定したモノポールアンテナであり、図７は、このアンテナの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の周波数依存性のシミュレーション結果を示す図である。

図７に示すように、３００ＭＨｚから５００ＭＨｚの帯域において、ＶＳＷＲが３以下となっている。すなわち、自由空間での伝搬損失のことを考慮すれば、この周波数帯に対して、約１５０ｍｍの寸法のアンテナを使用することができる。

図８は、λ／４のモノポールアンテナ３（アンテナ３０２−３）を厚み１ｍｍの基板に形成した場合の構成を示す図である。

基板等の構成は、図４と同様である。

図８は、５００ＭＨｚから８００ＭＨｚに対応することを想定したモノポールアンテナであり、図９は、このアンテナの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の周波数依存性のシミュレーション結果を示す図である。

図９に示すように、５００ＭＨｚから８００ＭＨｚの帯域において、ＶＳＷＲが３以下となっている。すなわち、自由空間での伝搬損失のことを考慮すれば、この周波数帯に対して、約８５ｍｍの寸法のアンテナを使用することができる。

図１０は、λ／４のモノポールアンテナ４（アンテナ３０２−４）を厚み１ｍｍの基板に形成した場合の構成を示す図である。

基板等の構成は、図４と同様である。

図１０は、８００ＭＨｚから１０００ＭＨｚに対応することを想定したモノポールアンテナであり、図１１は、このアンテナの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の周波数依存性のシミュレーション結果を示す図である。

図１１に示すように、８００ＭＨｚから１０００ＭＨｚの帯域において、ＶＳＷＲが３以下となっている。すなわち、自由空間での伝搬損失のことを考慮すれば、この周波数帯に対して、約６０ｍｍの寸法のアンテナを使用することができる。

図１２は、上述したようなアンテナ１〜４を組み合わせた場合のアンテナのトータルの減衰を示す図である。

従来のバイコニカルアンテナなどを用いた場合、低周波数の側が強く受信されるのに対して、アンテナ１〜４を組み合わせることで、広帯域にわたって、アンテナ効率と伝搬損失の合計ロス（Total Attenuation）の周波数特性がフラットになる。

すなわち、基地局から同じ電力を送信した際、本発明の移動局で受信する電力が周波数によらず略一定となる。

言い換えれば、本実施の形態のアンテナ装置では、送受信の対象となる最低周波数と最高周波数の間の通信帯域に含まれる各周波数帯域に対応する複数のアンテナ素子を備えており、各アンテナ素子のアンテナ効率は、通信帯域において、無線通信の伝搬損失とアンテナ効率との合計損失を「所定の範囲」以内に補償するように設定されている。このような「所定の範囲」が極力小さく設定され、上述したＴ（x，f） の分散値が小さくなることが望ましい。

以上で、本実施の形態のアンテナ装置の構成を説明するための前提となる条件について、説明したので、以下では、より具体的な構成について説明する。
（実施の形態１）
図１３は、実施の形態１の広帯域アンテナであるアンテナ装置の基板上のパターンの一例を示す図である。

以下では、周波数帯を以下のような名称で呼ぶことにする。

バンド１ ： １７０〜３００ＭＨｚ
バンド２ ： ３００〜５００ＭＨｚ
バンド３ ： ５００〜８００ＭＨｚ
バンド４ ： ８００〜１０００ＭＨｚ
このように、本実施の形態で、無線通信の対象とする周波数帯域は、最低周波数と最高周波数の比が少なくとも３倍以上あるという広帯域を対象としている。

なお、図１に示した構成で、アンテナ装置が使用される場合は、単一のバンド内で、図２０に示したような空き周波数が分布していてもよいし、複数のバンドにまたがって、空き周波数域が分布していてもよい。ただし、複数のバンドにまたがって、空き周波数域が分布している方が、より一般的である。しかも、どのバンドのどの周波数域が通信に使用されるかは、場所や時間により変動する可能性があり、事前に特定のバンドの使用が規定されているわけではないということになる。

また、図１４は、図１３に示したアンテナ装置の等価回路を示す図である。

図１３を参照して、基板上の領域３１０には、送信用高周波回路ＲＦ＿Ｔｘと受信用高周波回路ＲＦ＿Ｒｘと、回路ＲＦ＿Ｔｘおよび回路ＲＦ＿Ｒｘと給電点３００との間に設けられるデュープレクサ（またはスイッチ）回路３２２とが設けられる。

また、図１３に示したアンテナ装置に対して、グランドは、回路基板およびメタルケースであるものとする。

図１３および図１４を参照して、給電点３００とアンテナ素子Ｌ３０との間には、ＬＣ並列回路５００が設けられる。特に限定されないが、たとえば、アンテナ素子Ｌ３０の先端には、頂部負荷ＴＬ１が設けられる。具体的には、たとえば、頂部にコイルを設けることで、実効的なアンテナ長が長くなったのと等価に動作させることができる。

さらに、給電点３００は、アンテナ素子Ｌ３４と結合し、さらにアンテナ素子Ｌ３４の先には、アンテナ素子Ｌ３２が設けられる。アンテナ素子Ｌ３２とＬ３４の結合点とグランドとの間には、ＬＣ直列回路６００が設けられる。特に限定されないが、たとえば、アンテナ素子Ｌ３２の先端にも、頂部負荷ＴＬ２が設けられる。

図１４に示すように、ＬＣ並列回路５００には、インダクタＬ３８とキャパシタＣ３８とが並列に設けられる。

また、ＬＣ直列回路６００には、インダクタＬ３６とキャパシタＣ３６とが直列に設けられる。

Ｃ成分に対しては、線路間のギャップまたはチップ型コンデンサなどにより実現できる。Ｌ成分については、コイル素子、チップ型素子、ミアンダー線路などにより実現できる。

アンテナ素子Ｌ３０に結合するインダクタＬ３８に対して並列にキャパシタＣ３８が設けられており、バンド１のような低周波側では、ＬＣ並列回路５００中のＬ成分で共振周波数を下げることにより、より小型のアンテナとしている。

すなわち、頂部付加ＴＬ１とインダクタＬ３８とにより、たとえば、図４においては、バンド１に対応するアンテナの物理長は、２００mmとしていたが、ここでは、約１００mmで実現できている。

また、バンド３においては、ＬＣ並列回路５００中のＬＣ成分はバンド３においてはバンド１よりＣ成分の影響が大きくなるため、 ＬＣ並列共振により電気的にＣ成分に見えるように、Ｌ成分およびＣ成分の大きさが調整されている。これにより、共振周波数をバンド３へ合わせることができる。

バンド１およびバンド３とも、λ／４のモノポールアンテナとして動作する。

一方、アンテナ素子Ｌ３２とＬ３４の結合部とグランドとの間に設けられるＬＣ直列回路６００については、バンド２に対しては、ＬＣ直列回路６００のＣ成分で共振周波数を下げることにより、より小型のアンテナとしている。バンド２でも、λ／４のモノポールアンテナとして動作する。

バンド４については、ＬＣ直列回路６００のＬＣ成分はバンド４においてはバンド２よりＬ成分の影響が大きくなるため、ＬＣ直列共振により電気的に短絡して見える。これにより、バンド４においてはループアンテナとして動作する。

以上のとおり、アンテナ素子Ｌ３０は、バンド１とバンド３とで共通にアンテナ素子として機能し、ＬＣ並列回路５００により、アンテナとして機能する周波数が変えられる構成となっている。

同様に、アンテナ素子Ｌ３４は、バンド２とバンド４とで共通にアンテナ素子として機能し、ＬＣ直列回路６００により、アンテナとして機能する周波数が変えられる構成となっている。

一般的には、低い周波数になるほどアンテナ体積を大きくする必要があるため、小型無線機の大きさに対して波長が長い周波数（小型無線機の長辺がλ/２以下程度）のときは、アンテナ体積を抑えられるλ/４系アンテナが多く用いられる。

ここで、アンテナが動作する周波数は、一般には、アンテナの物理的な長さや体積とそのアンテナの配置される周囲の誘電率や分布インピーダンス等で規定される。本件明細書では、アンテナが動作する周波数を規定するするアンテナの大きさ（アンテナの物理長やアンテナ体積）のことを「アンテナのディメンション」と呼ぶ。

ところで、本実施の形態の場合、低い周波数においてアンテナ効率を低く設計することになる。つまり、低周波側では、アンテナ効率を低くして良いため、低い周波数になるほどλ/４より短いアンテナ物理長であっても実現できることになる。

つまり、２本のアンテナＡＮａ、ＡＮｂがありそれぞれ周波数ｆａ（波長λａ），ｆｂ（波長λｂ（＞λａ））に対応している場合、周波数がｆａ＞ｆｂであったとしてもアンテナ物理長がＬａ＞Ｌｂになり得る。また、アンテナ体積も、一般には、周波数に反比例するが、本実施の形態のような設計指針の場合、比例する必要がないので、アンテナ体積がＶａ＞Ｖｂとなり得る。

このようなアンテナ装置の構成により、広帯域での無線の送受信を可能としつつ、小型化できる。
（実施の形態２）
図１５は、実施の形態２のアンテナ装置の基板上のパターンの一例を示す図である。

図１３に示した実施の形態１のアンテナ装置との相違は、デュープレクサ（またはスイッチ）回路３２２と給電点との間に、アンテナスイッチ回路３２０が設けられ、給電点が、給電点３００−１と給電点３００−２の２つに分かれる構成となっている点である。給電点３００−１は、バンド１およびバンド３の信号を給電し、給電点３００−２は、バンド２およびバンド４の信号を給電する。

アンテナスイッチ回路３２０は、送受信に使用する信号の周波数に応じて、給電する給電点を振り分ける。ただし、このような振り分けのためには、必ずしも、アンテナスイッチ回路である必要はなく、単に高周波ショートした回路でもよい。アンテナ装置の設計仕様によってどちらも用いられる。

図１６は、図１５に示したアンテナ装置の等価回路を示す図である。

給電点が、給電点３００−１と給電点３００−２の２つに分かれる構成となっている以外は、図１４に示した構成と同様であるので、説明は繰り返さない。

このようなアンテナ装置の構成によっても、広帯域での無線の送受信を可能としつつ、小型化できる。
（実施の形態３）
図１７は、実施の形態３のアンテナ装置の基板上のパターンの一例を示す図である。

図１３に示した実施の形態１のアンテナ装置との相違は、デュープレクサ（またはスイッチ）回路３２２と給電点との間に、アンテナスイッチ回路３２０が設けられ、給電点が、給電点３００−１〜３００−４の４つに分かれ、アンテナスイッチ回路３２０と給電点３００−１〜３００−４との間に、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）回路またはハイパスフィルタ（ＨＰＦ）回路が設けられる構成となっている点である。具体的には、給電点３００−１は、バンド１の信号を給電し、スイッチ回路３２０と給電点３００−１との間には、ＬＰＦ回路３１８−１が設けられる。給電点３００−２は、バンド２の信号を給電し、スイッチ回路３２０と給電点３００−２との間には、ＬＰＦ回路３１８−２が設けられる。給電点３００−３は、バンド３の信号を給電し、スイッチ回路３２０と給電点３００−３との間には、ＨＰＦ回路３１８−３が設けられる。給電点３００−４は、バンド４の信号を給電し、スイッチ回路３２０と給電点３００−４との間には、ＨＰＦ回路３１８−４が設けられる。

アンテナスイッチ回路３２０は、送受信に使用する信号の周波数に応じて、給電する給電点を振り分ける。ただし、このような振り分けのためには、必ずしも、アンテナスイッチ回路である必要はなく、単に高周波ショートした回路でもよい。アンテナ装置の設計仕様によってどちらも用いられる。

図１８は、図１７に示したアンテナ装置の等価回路を示す図である。

ＬＰＦ回路３１８−１を通過したバンド１の信号は、インダクタＬ３８を介してアンテナ素子Ｌ３０に供給される。すなわち、より小型にするため、インダクタＬ３８でアンテナ素子Ｌ３０の共振周波数を下げている。また、ＬＰＦ回路３１８−１でバンド３の信号を遮断しており、逆に、バンド３の給電部３１０−３のＨＰＦ回路３１８−３でバンド１の信号を遮断することにより、バンド１とバンド３とのアイソレーションを確保している。

ＬＰＦ回路３１８−２を通過したバンド２の信号は、アンテナ素子Ｌ３０およびＬＰＦ回路３３０を介してアンテナ素子Ｌ３４に供給される。すなわち、アンテナ素子Ｌ３０とアンテナ素子Ｌ３４とで、バンド２の信号にの共振する構成となっている。また、バンド２の給電部３１０−２のＬＰＦ回路３１８−２でバンド４の信号を遮断し、バンド４の給電部３１０−４のＨＰＦ回路３１８−４でバンド２の信号を遮断することにより、バンド２とバンド４とのアイソレーションを確保している。

また、ＬＰＦ回路３３０は、バンド４の信号に対してはオープンとなるようにカットオフ周波数が設定されているものとする。なお、ＬＰＦ回路３３０の部分は、ローパスフィルタで構成するだけでなく、高周波ショートの構成とすることも可能であり、どちらで構成するかによって帯域や共振周波数の調整ができる。

図１８においては、バンド１〜バンド４のいずれの信号に対しても、アンテナは、λ／４系のアンテナとして動作する。

このようなアンテナ装置の構成によっても、広帯域での無線の送受信を可能としつつ、小型化することが可能である。
（実施の形態４）
以上の説明では、各バンド１〜４について、それぞれ異なる信号の伝達経路が設けられ、各経路によりアンテナとしての共振周波数が異なるようになる構成としていた。

ただし、たとえば、あるバンドの信号の送受信をするタイミングと他のバンドの信号の送受信をするタイミングとが、分離できるような通信方式の場合であれば、アンテナへの給電点に可変アッテネータを設けることで、１つのアンテナ素子を、各周波数に対応したアンテナとして動作させることが可能である。

図１９は、このような可変アッテネータを設けたアンテナを基板上に形成した場合の構成を説明するための概念図である。

すなわち、たとえば、可変アッテネータ４００の減衰量を所定の値としたときに、バンド３でのアンテナとして動作するように、アンテナ３０２を調整する。

可変アッテネータの構成としては、特に限定されないが、たとえば、以下の文献に記載されたような構成のものを採用することが可能である。

文献：特開２０１１−１８２０４８号公報明細書
文献：特開２０１０−２５２２４１号公報明細書
バンド４については、アッテネータ４００の減衰量を減少させて、バンド３のときと比べて、バンド４のアンテナ効率が、無線通信の伝搬損失とアンテナ効率との合計損失を「所定の範囲」以内に補償するように設定されている。

同様に、バンド２、バンド１についても、減衰量を調整して、各バンドでのアンテナ効率がバンド３のときと比べて、バンド４のアンテナ効率が、無線通信の伝搬損失とアンテナ効率との合計損失を「所定の範囲」以内に補償するように設定されている。

なお、以上の説明では、アンテナ３０２のアンテナ効率をバンド１〜４で調整するために可変アッテネータを使用するものとして説明したが、給電部に設けられるものとしては、可変利得アンプであってもよい。このような可変利得アンプは、たとえば、以下の文献にも記載されるように周知である。

文献：特開２０１３−２３６４１０号公報明細書
文献：特開２０１０−１５４２４６号公報明細書
このような構成によっても、アンテナ装置の構成によっても、広帯域での無線の送受信を可能としつつ、小型化することが可能である。

また、以上説明したような広帯域アンテナとして動作するアンテナ装置を、図１に示したような無線通信システム１０００において使用することで、離散ＯＦＤＭ通信を実現することが可能となる。

今回開示された実施の形態は、本発明を具体的に実施するための構成の例示であって、本発明の技術的範囲を制限するものではない。本発明の技術的範囲は、実施の形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲の文言上の範囲および均等の意味の範囲内での変更が含まれることが意図される。

１１０−１，１１０−２ チャネルエンコーダ、１１２−１，１１２−２ 変調器、１２０ サブキャリアマッパ、１３０−１〜１３０−４ ＩＦＦＴ部、１３２‐１〜１３２−４ Ｄ／Ａ変換器、１３３，２１１ ＩＦ発振器、１３４−１〜１３４−４，１３６−１〜１３６−４，２１０−１〜２１０−４，２１２−１〜２１２−４ ミキサ、１４０−１〜１４０−４，２０４−１〜２０４−４ 局部発振器、１５０，２００ アンテナ、１８０ フィードバックチャネル復調デコーダ、２１４−１〜２１４−４ Ａ／Ｄ変換器、２２０−１〜２２０−４ ＦＦＴ部、２３０ サブキャリアデマッパ、２４０−１〜２４０−２ 復調器、２５０−１〜２５０−２ チャネルデコーダ、２８０ フィードバックチャネル変調エンコーダ、３０２，３０２−１〜３０２−４ アンテナ、３００，３００−１〜３００−４ 給電部、３１０ 基板、１０００ 無線通信システム。

Claims (11)

1. 無線通信のためのアンテナ装置であって、
   アンテナ部と、
   給電点と前記アンテナ部との間で送受信信号の伝達を行うための信号伝達経路とを備え、
   前記信号伝達経路は、送受信の対象となる最低周波数と最高周波数の間の通信帯域に含まれる各周波数帯域に対応して、前記アンテナ部および前記信号伝達経路で規定されるアンテナ効率を、前記無線通信の伝搬損失と前記アンテナ効率との合計損失を所定の範囲以内に補償するように調整する、アンテナ装置。
2. 前記アンテナ部は、各前記周波数帯域に対応する複数のアンテナ素子を含み、
   各アンテナ素子は、前記アンテナ効率が、対応する前記周波数帯域で、前記合計損失を前記通信帯域において所定の範囲以内に補償するためのディメンションに設定されており、
   前記信号伝達経路は、前記複数のアンテナ素子を介して送受信する対象となる周波数が、それぞれ対応する周波数帯域となるように調整するためのインピーダンスを有する複数の信号経路を含む、請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記複数のアンテナ素子の一部は、前記複数の周波数帯域で共用されており、
   前記複数の信号経路は、前記複数の周波数帯域のうちの第１の周波数帯域で、前記共用されたアンテナ素子を送受信がアンテナとして動作し、前記複数の周波数帯域のうちの第２の周波数帯域で、前記共用されたアンテナ素子および他のアンテナ素子がアンテナとして動作するようなインピーダンスを有する、請求項２記載のアンテナ装置。
4. 前記信号伝達経路は、前記アンテナ効率を制御するための可変アッテネータを含む、請求項１記載のアンテナ装置。
5. 前記信号伝達経路は、前記アンテナ効率を制御するための可変利得アンプを含む、請求項１記載のアンテナ装置。
6. 送信の対象となる最低周波数と最高周波数の間の通信帯域において、送信を行う周波数域を選択する選択部と、
   前記選択部で選択された複数の周波数域で同時に送信を行う高周波信号を生成するための送信信号処理部と、
   前記送信信号処理部からの高周波信号を送出するためのアンテナ部と、
   前記送信信号処理部と前記アンテナ部との間に設けられ、送信信号の伝達を行うための信号伝達経路とを備え、
   前記信号伝達経路は、送受信の対象となる最低周波数と最高周波数の間の通信帯域に含まれる各周波数帯域に対応して、前記アンテナ部および前記信号伝達経路で規定されるアンテナ効率を、前記無線通信の伝搬損失とアンテナ効率との合計損失を所定の範囲以内に補償するように調整する、無線通信装置。
7. 前記選択部は、前記通信帯域において、既存システムの使用していない空き周波数域を選択し、
   前記送信信号処理部は、前記選択された空き周波数域にサブキャリアを配した直交周波数分割多重方式で、前記高周波信号を生成する、請求項６記載の無線通信装置。
8. 前記アンテナ部は、各前記周波数帯域に対応する複数のアンテナ素子を含み、
   各アンテナ素子は、アンテナ効率が、対応する前記周波数帯域で、前記合計損失を前記通信帯域において所定の範囲以内に補償するためのディメンションに設定されており、
   前記信号伝達経路は、前記複数のアンテナ素子を介して送受信する対象となる周波数が、それぞれ対応する周波数帯域となるように調整するためのインピーダンスを有する複数の信号経路を含む、請求項６または７記載の無線通信装置。
9. 前記複数のアンテナ素子の一部は、前記複数の周波数帯域で共用されており、
   前記複数の信号経路は、前記複数の周波数帯域のうちの第１の周波数帯域で、前記共用されたアンテナ素子を送受信がアンテナとして動作し、前記複数の周波数帯域のうちの第２の周波数帯域で、前記共用されたアンテナ素子および他のアンテナ素子がアンテナとして動作するようなインピーダンスを有する、請求項８記載の無線通信装置。
10. 前記信号伝達経路は、前記アンテナ効率を制御するための可変アッテネータを含む、請求項６記載の無線通信装置。
11. 前記信号伝達経路は、前記アンテナ効率を制御するための可変利得アンプを含む、請求項６記載の無線通信装置。