JP2016058839A - 薄型アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】薄型化と構造の簡単化を図る。【解決手段】グランド板（７）と、グランド板（７）の上部に配置された誘電体基板（９）と、誘電体基板（９）にプリントされた導体パターン（１１，１３）とを用いて構成したＣＲＬＨ線路からなる複数のアンテナ部（３−１〜３−４）を備え、複数の偏波に対応するように複数のアンテナ部（３−１〜３−４）の給電位相が設定される。【選択図】図１

Description

本発明は、メタマテリアル技術を用いて構成された薄型アンテナに関する。

近年、携帯電話等の移動通信技術は目覚ましく進歩し、それに伴って、その利用者は年々増加している。さらに、スマートフォンの普及により個人のデータ通信容量も増大している。
このような状況から、移動通信システムの基地局アンテナには周波数利用効率の向上等が求められている。そのため、基地局アンテナとしては、偏波ダイバーシチもしくは偏波間ＭＩＭＯ（Multiple-Input and Multiple-Output）を行うことが可能な偏波共用（垂直偏波・水平偏波）アンテナが主流となっている。

一方、これまでの基地局アンテナがカバーしてきたエリアよりも狭いスモールセルと呼ばれるエリアをカバーするアンテナが多く報告されている。このスモールセルのアンテナは、鉄塔やビルの屋上に配置されるマクロセルのアンテナと異なり、高さの低い場所に取り付けられるので人の目に触れやすく、そのため、美観上の観点から、小型化、薄型化が求められている。

薄型アンテナは多く報告されている。例えば、特許文献１では容易に構成することができる薄型アンテナが提案されている。また、特許文献２及び特許文献３等では、人工磁気壁を用いた薄型アンテナが提案されている。

特開平１０−２４７８１８号公報 特開２００９−０４４５５６号公報 特開２０１４−１０７７８２号公報

しかし、特許文献１に記載のアンテナは平衡−不平衡変換器を設けなればならず、このため、構造が複雑になる、高さが増すなどのデメリットを生じる。また、特許文献２、３等に係るアンテナは、人工磁気壁を構成するためのＦＳＳ（Frequency Selective Surface)もしくはＥＢＧ（Electromagnetic Band Gap）の上部にアンテナ素子を配置するという構造を持つことになる。従って、薄型にはなるものの、基板を複数枚用意しなければならないために、構造が複雑になってしまう。

そこで、本発明の目的は、薄型化と構造の簡単化を図ることが可能な薄型アンテナを提供することにある。

本発明は、上記の目的を達成するため、グランド板と、前記グランド板の上部に配置された誘電体基板と、前記誘電体基板にプリントされた導体パターンとを用いて構成したＣＲＬＨ線路（Composite Right / Left Handed）からなる複数のアンテナ部を備え、複数の偏波に対応するように前記複数のアンテナ部の給電位相を設定するようにしている。

一態様として、前記ＣＲＬＨ線路は、並列インダクタの一端が前記グランド板の立上げ部に短絡される。
他の態様として、前記ＣＲＬＨ線路は、チップキャパシタからなる直列キャパシタ及び／又はチップインダクタからなる並列インダクタを含むことができる。
更に別の態様として、前記ＣＲＬＨ線路は、並列インダクタの一端がピンを介して前記グランド板に短絡される。

また、別の態様として、前記ＣＲＬＨ線路は、並列インダクタの一端が前記グランド板の立上げ部に接近して位置され、前記並列インダクタの一端が該一端と前記グランド板の立上げ部との間の隙間に形成されるキャパシタを介して前記グランド板に接続される。
別の態様として、前記ＣＲＬＨ線路は、直列キャパシタがインターデジタルキャパシタとして形成される。
更に別の態様として、前記ＣＲＬＨ線路は、並列インダクタがスパイラルインダクタもしくはメアンダラインインダクタとして形成される。
他の態様として、前記ＣＲＬＨ線路は、直列キャパシタ及び並列インダクタが前記誘電体基板の上面に形成され、また、前記グランド板が前記誘電体基板の下面にプリント形成される。
他の態様として、無給電素子を付加してもよい。

本発明によれば、不平衡線路であるマイクロストリップ線路を応用したＣＲＬＨ線路による薄型アンテナを提供することができる。このアンテナは、同軸コネクタを平衡−不平衡変換器なしで接続すること可能であるとともに、マイクロストリップ線路を応用しているため薄型に構成することが可能である。更に、ＣＲＬＨ線路を形成した誘電体基板をグランド板上に配置することによって構成することができるので、組立が容易である。

本発明に係る薄型アンテナの第１の実施形態を示す俯瞰図である。 図１のアンテナの部分拡大図である。 ユニットセル５の拡大斜視図である。 図３のＡ矢視図である。 図３のＢ矢視図である。 ユニットセルの等価回路モデルである。 ユニットセルの分散特性である。 垂直偏波の水平面内指向性を示すグラフである。 水平偏波の水平面内指向性を示すグラフである。 垂直偏波の垂直面内指向性を示すグラフである。 水平偏波の垂直面内指向性を示すグラフである。 アンテナ上の電流分布の一例を示す平面図である。 アンテナ上の電流分布の他の例を示す平面図である。 ハイブリッドカプラを用いた偏波共用化のための給電回路を示す回路図である。 （ａ）は本発明に係る薄型アンテナの第２の実施形態を示す俯瞰図、（ｂ）はこのアンテナの部分拡大図である。 （ａ）は本発明に係る薄型アンテナの第３の実施形態を示す俯瞰図、（ｂ）はこのアンテナの部分拡大図である。 （ａ）は本発明に係る薄型アンテナの第４の実施形態を示す俯瞰図、（ｂ）はこのアンテナの部分拡大図である。 本発明に係る薄型アンテナの第５の実施形態を示す俯瞰図である。 図１８のアンテナにおけるユニットセルの等価回路モデルである。 本発明に係る薄型アンテナの第６の実施形態を示す俯瞰図である。

本発明では、メタマテリアル技術のひとつであるＣＲＬＨ（Composite Right / Left Handed) 伝送線路を用いている。ＣＲＬＨ伝送線路とは、一般的な伝送線路（右手系伝送線路）に直列キャパシタや並列インダクタといった左手系のエレメントを追加して特異な性質をもたせたものである。特異な性質の例としては、負の共振モードをもつことや漏れ波を生じることが挙げられる。

図１は、本発明に係る薄型アンテナの第１の実施形態を示す俯瞰図である。この薄型アンテナ１−１は、４つのアンテナ部３−１〜３−４を備えている。アンテナ部３−１〜３−４は、それぞれｚ方向に配列する複数（本実施形態では７つ）のユニットセル５によって構成されている。
図３にユニットセル５の拡大斜視図を示し、図４及び図５に図１のＡ矢視図及びＢ矢視図を示す。図６は、ユニットセル５の等価回路モデルである。

ユニットセル５は、ｙｚ平面に設置されたグランド板（接地導体）７、このグランド板７の上方に対向配置された誘電体基板９、この誘電体基板９の上面に形成した導体パターン１１、及び、誘電体基板９の下面に形成した導体パターン１３を備えている。
導体パターン１１，１３は、印刷配線板の作成手法を用いてｙ方向に沿う形態で形成されている。従って、この導体パターン１１，１３は、誘電体基板９の面に貼着された金属箔（例えば銅箔）によって形成されている。

導体パターン１１の一部と導体パターン１３の一部は、誘電体基板９を挟んで互いに対向しているので、平行平板キャパシタを構成している。このキャパシタは、図６に示す直列キャパシタＣ_Ｌに対応する。また、このキャパシタは寄生インダクタをもち、この寄生インダクタは図４に示す直列インダクタＬ_Ｒの一構成要素となる。更に、このキャパシタは、グランド板７との間に寄生キャパシタを形成し、この寄生キャパシタは図４に示す並列キャパシタＣ_Ｒの一構成要素となる。
一方、導体パターン１１はインダクタを構成する。このインダクタは、導体パターン１１の一端がグランド板７の立上げ部７ａにハンダ付け等の手段で短絡されていることから、図６に示す並列インダクタＬ_Ｌに対応する。
以上から明らかなように、ユニットセル５は、ＣＲＬＨ線路を構成している。

上記ユニットセル５を複数配列してなる図１に示すアンテナ部３−１〜３−４もＣＲＬＨ線路を構成する。このアンテナ部３−１〜３−４は、組み立てやすさの観点から終端が開放され、かつ、それぞれの端部に給電点Ｐ１〜Ｐ４が設けられている。給電点Ｐ１は、図２に示すように、誘電体基板９の下面に対して垂直に配置された金属板（銅箔）１５とグランド板７との間に設けられている。金属板１５は、ユニットセル５の導体パターン１３と接続されているので、給電点Ｐ１への給電によってアンテナ部３−１が励振される。他のアンテナ部３−２〜３−４の給電点Ｐ２〜Ｐ４も同様の形態で設けられている。
なお、アンテナ部３−１〜３−４は、ユニットセル５の配列数が多いほど高利得となる。

図７にユニットセル５の分散特性（各周波数におけるセル間の位相変化量）を示す。図において、横軸は位相定数βｐの絶対値、縦軸は正規化周波数である。図から明らかなように、使用周波数ｆ_０においてはアンテナの位相が変化していない。このことから、アンテナ部３−１〜３−４が正面方向に漏れ波を放射することが理解される。

本実施形態に係るアンテナ１−１は、以下に述べるように、アンテナ部３−１〜３−４の給電位相を変えることによって使用する偏波を変更することができる。
なお、以下の説明では、給電点Ｐ１, Ｐ２と給電点Ｐ３, Ｐ４間の給電位相差を１８０°とする場合の給電方法をＡ、給電点Ｐ１, Ｐ３と給電点Ｐ２, Ｐ４間の給電位相差を１８０°とする場合の給電方法をＢとする。

給電方法Ａでの周波数ｆ_０の垂直偏波の水平面（θ＝９０°面）内放射パターンを図８に示し、給電方法Ｂでの周波数ｆ_０の水平偏波の水平面内放射パターンを図９に示す。
これらの図から明らかなように、本実施形態に係るアンテナ１−１によれば、給電方法Ａを採用した場合に垂直偏波が放射され、給電方法Ｂを採用した場合に水平偏波が放射される。
給電方法Ａでの周波数ｆ_０の垂直偏波の垂直面（φ＝０°面）内放射パターンを図１０に示し、給電方法Ｂでの周波数ｆ_０の水平偏波の垂直面内放射パターンを図１１に示す。これらの図から明らかなように、垂直面内においても、同様の結果が得られる。

給電方法Ａの場合におけるアンテナ部３−１〜３−４上の電流分布を図１２に示す。給電方法Ａの場合には、給電点Ｐ１, Ｐ２と給電点Ｐ３, Ｐ４間で電流が逆位相となるため、電流分布が図示のようになる。この電流分布によれば、ｙ方向に流れる電流成分は左右対称になるので放射に寄与しないが、ｚ方向に流れる電流成分は強め合うため放射に寄与することになる。そのため給電方法Ａでは、垂直偏波のみが放射され、交差偏波成分である水平偏波は放射されない。

一方、給電方法Ｂの場合におけるアンテナ部３−１〜３−４上の電流分布を図１３に示す。給電方法Ａの場合には、給電点Ｐ１, Ｐ３と給電点Ｐ２, Ｐ４間で電流が逆位相となるため、電流分布が図示のようになる。この電流分布によれば、z方向に流れる電流成分は上下対称になるので放射に寄与しないが、ｙ方向に流れる電流成分は強め合うため放射に寄与することになる。そのため、給電方法Ｂでは、水平偏波のみが放射され、交差偏波成分である垂直偏波は放射されない。

従って、上記構成の本実施形態に係るアンテナ１−１によれば、給電方法Ａ，Ｂの選択によって垂直偏波アンテナとしての機能と水平偏波アンテナとしての機能とを切り替えることが可能である。なお、給電方法Ａ，Ｂを選択的に実行するための給電手段は周知の給電回路を用いて容易に構成することができるので、ここではその説明を省略する。

上記構成の本実施形態に係るアンテナ１−１を偏波共用アンテナとして動作させる場合には、図１４に示すようにハイブリッドカプラ１７，１９を併用すればよい。ハイブリッドカプラ１７，１９は、Σ結合入力ポート側から信号を入力した場合に、この入力信号を出力ポートから同位相のまま出力し、また、Δ結合入力ポート側から信号を入力した場合に、この入力信号を出力ポートから逆位相で出力する。従って、端子Ｔ_Ａ、端子Ｔ_Ｂに選択的に信号を入力することによって偏波を共用することが可能になる。
なお、ハイブリッドカプラ１７，１９は、誘電体基板９上にマイクロストリップラインを用いて容易に形成することができる。

図１５（ａ）は、本発明に係る薄型アンテナの第２の実施形態を示す俯瞰図である。この第２の実施形態のアンテナ１−２は、図６に示す直列キャパシタＣ_Ｌがインターデジタルキャパシタによって構成されている。
インターデジタルキャパシタは、図１５（ｂ）に拡大して示すように、導体パターン１１０（図５の導体パターン１１に対応）に形成された複数の櫛歯状突起１１０ａと、導体パターン１３０（図５の導体パターン１３に対応）に形成された櫛歯状突起１３０ａとを組み合すことによって構成される。図５の導体パターン１３は誘電体基板９の下面に形成されているが、導体パターン１３０は誘電体基板９の上面に形成されている。従って、この第２の実施形態のアンテナ１−２によれば、誘電体基板９の片面に導体パターンを設計することが可能となる。

図１６（ａ）は、本発明に係る薄型アンテナの第３の実施形態を示す俯瞰図である。この第３の実施形態のアンテナ１−３は、図１６（ｂ）に示すチップインダクタ１１２及びチップキャパシタ１３２を用いている。
チップインダクタ１１２は、導体パターン１１１（図５の導体パターン１１に対応）の長手方向中間部に介在する形態で設けられている。また、チップキャパシタ１３２は、導体パターン１１１とこれに隣接する導体パターン１３１との間に介在する形態で設けられている。このチップインダクタ１１２及びチップキャパシタ１３２は、図６に示す並列インダクタＬ_Ｌ及び直列キャパシタＣ_Ｌをそれぞれ構成する。

図１７（ａ）は、本発明に係る薄型アンテナの第４の実施形態を示す俯瞰図である。この第４の実施形態のアンテナ１−４は、図１７（ｂ）に示すように、ユニットセル５を構成する導体パターン１１をピン２１を介してグランド板７に短絡するようにしている。ピン２１はグランド板７に植設されており、その先端に導体パターン１１の端部がハンダ等の手段で接続される。
この第４の実施形態のアンテナ１−４によれば、グランド板７に立ち上げ部７ａ（図１参照）を設けなくてもよいので、製造コストの低減を図ることができる。
なお、短絡手段としての上記ピン２１は、図１５に示すアンテナ１−２や、図１６に示すアンテナ１−３にも適用することができる。

図１８（ａ）は、本発明に係る薄型アンテナの第５の実施形態を示す俯瞰図である。この第５の実施形態のアンテナ１−５は、ユニットセル５を構成する導体パターン１１の端がグランド板７の立上げ部７ａの手前に位置するように、換言すれば、導体パターン１１の端とグランド板７の立上げ部７ａとの間に所定の隙間２３が形成されるように構成されている。
この構成によれば、ユニットセル５の等価回路モデルが図１９のように表される。すなわち、導体パターン１１のインダクタＬ_Ｌは、上記隙間２３によって形成されるキャパシタＣ_Ｌ’を介してグランド板７に容量結合される。
この第４の実施形態のアンテナ１−４によれば、導体パターン１１の端をグランド板７の立上げ部７ａにハンダ付けする必要がなくなるため、組立コストの低減を図ることができる。

図２０は、本発明に係る薄型アンテナの第６の実施形態を示す俯瞰図である。この第６の実施形態のアンテナ１−６は、アンテナ部３−１〜３−４の給電点Ｐ１〜Ｐ４を図１に示す給電点Ｐ１〜Ｐ４とは逆の位置に設けた構成を有する。このように、給電点Ｐ１〜Ｐ４に位置を変更しても、線路上の電流分布は変わらないため、同等の特性が得られる。

本発明は上記実施形態に限定されず、以下に例示するような更に別の変形態様を含み得るものである。
・図１６のアンテナにおけるチップインダクタ１１２に変えてスパイラルインダクタまたはメアンダラインインダクタを使用することができる。もちろん、これらのインダクタは、誘電体基板９の上面もしくは下面にプリント形成される。
・図１５のアンテナ１−２や図１６のアンテナ１−３においては、誘電体基板９の下面にグランド板７に相当するグランド導体をプリント形成することが可能になる。この構成によれば、誘電体基板９にグランド板７を併設する必要がなくなるので、一層の薄型化と構成の簡単化を図ることができる。
・無給電素子を付加することができる。この無給電素子は、アンテナ部３−１〜３−４の近傍に設けられ、誘電体基板９にプリント形成することも可能である。
・上記実施形態では、ＣＲＬＨ線路からなる４つのアンテナ部３−１〜３−４を形成しているが、４つ以上のアンテナ部を形成して、その数に対応した給電方法を適用することも可能である。また、アンテナ部３−１〜３−４の位置も上記に限定されず、例えば、これらを縦方向もしくは横方向に配列することも可能である。もちろん、この場合には、その配置位置に対応した給電方法を適用することになる。

１−１〜１−６ 薄型アンテナ
３−１〜３−４ アンテナ部
５ ユニットセル
７ グランド板
７ａ 立上げ部
９ 誘電体基板
１１ 導体パターン
１３ 導体パターン
１５ 金属板
１７，１９ ハイブリッドカプラ
２１ ピン
２３ 隙間
１１０ 導体パターン
１１０ａ 櫛歯状突起
１１２ チップインダクタ
１３０ 導体パターン
１３０ａ 櫛歯状突起
１３２ チップキャパシタ
Ｐ１〜Ｐ４ 給電点

本発明は、上記の目的を達成するため、グランド板と、前記グランド板の上部に配置された誘電体基板と、前記誘電体基板の上面及び下面にプリントされた導体パターンとを用いて構成したＣＲＬＨ線路（Composite Right / Left Handed）からなる複数のアンテナ部を備え、前記誘電体基板の上面にプリントされた導体パターンの一部と、前記誘電体基板の下面にプリントされた導体パターンの一部とは、前記誘電体基板を挟んで互いに対向しており、複数の偏波に対応するように前記複数のアンテナ部の給電位相を設定するようにしている。

一態様として、前記ＣＲＬＨ線路は、並列インダクタの一端が前記グランド板の立上げ部に短絡される。
更に別の態様として、前記ＣＲＬＨ線路は、並列インダクタの一端がピンを介して前記グランド板に短絡される。

また、別の態様として、前記ＣＲＬＨ線路は、並列インダクタの一端が前記グランド板の立上げ部に接近して位置され、前記並列インダクタの一端が該一端と前記グランド板の立上げ部との間の隙間に形成されるキャパシタを介して前記グランド板に接続される。
更に別の態様として、前記ＣＲＬＨ線路は、並列インダクタがスパイラルインダクタもしくはメアンダラインインダクタとして形成される。
他の態様として、無給電素子を付加してもよい。

Claims (9)

1. グランド板と、前記グランド板の上部に配置された誘電体基板と、前記誘電体基板にプリントされた導体パターンとを用いて構成したＣＲＬＨ線路からなる複数のアンテナ部を備え、
   複数の偏波に対応するように前記複数のアンテナ部の給電位相を設定するようにしたことを特徴とする薄型アンテナ。
2. 前記ＣＲＬＨ線路は、並列インダクタの一端が前記グランド板の立上げ部に短絡されることを特徴とする請求項１に記載の薄型アンテナ。
3. 前記ＣＲＬＨ線路は、チップキャパシタからなる直列キャパシタ及び／又はチップインダクタからなる並列インダクタを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の薄型アンテナ。
4. 前記ＣＲＬＨ線路は、並列インダクタの一端がピンを介して前記グランド板に短絡されることを特徴とする請求項１に記載の薄型アンテナ。
5. 前記ＣＲＬＨ線路は、並列インダクタの一端が前記グランド板の立上げ部に接近して位置され、前記並列インダクタの一端が該一端と前記グランド板の立上げ部との間の隙間に形成されるキャパシタを介して前記グランド板に接続されることを特徴とする請求項１に記載の薄型アンテナ。
6. 前記ＣＲＬＨ線路は、直列キャパシタがインターデジタルキャパシタとして形成されることを特徴とする請求項１，２，４，５のいずれかに記載の薄型アンテナ。
7. 前記ＣＲＬＨ線路は、並列インダクタがスパイラルインダクタもしくはメアンダラインインダクタとして形成されることを特徴とする請求項１，２，４，５のいずれかに記載の薄型アンテナ。
8. 前記ＣＲＬＨ線路は、直列キャパシタ及び並列インダクタが前記誘電体基板の上面に形成され、前記グランド板が前記誘電体基板の下面にプリント形成されていることを特徴とする請求項１に記載の薄型アンテナ。
9. 無給電素子を付加したことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の薄型アンテナ。

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