JP2019103140A - デュアルバンドアンテナ及び無線通信装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 デュアルバンドアンテナ及び無線通信装置が開示される。【解決手段】 デュアルバンドアンテナは、第1印刷回路基板(PCB)上に構成された第1アンテナと、第2PCB上に構成された第2アンテナと、反射板とを含む。第1アンテナの動作周波数は第1周波数帯である。第2アンテナの動作周波数は第2周波数帯である。第1周波数帯は第2周波数帯より高い。第2PCBは、第1PCBと反射板との間に配置される。反射板は、人工磁気導体を含む。人工磁気導体の共振周波数帯は第2周波数帯を含む。第1周波数帯は第2周波数帯の外側である。デュアルバンドアンテナは小さなサイズを有する。【選択図】 図1

Description

本願は、通信分野に関し、特にデュアルバンドアンテナ及び無線通信装置に関する。
無線ローカルエリアネットワーク(WLAN)の共通の周波数帯は、2.4ギガヘルツ(GHz)周波数帯及び5GHz周波数帯を含む。異なる周波数帯で動作する2個のアンテナを使用するWLAN装置と比べて、デュアルバンドアンテナを使用するWLAN装置は、より便利に展開される。しかしながら、デュアルバンドアンテナは大きなサイズを有する。
本願は、小型化デュアルバンドアンテナを実装するために、デュアルバンドアンテナ及び無線通信装置を提供する。
第1の態様によると、デュアルバンドアンテナが提供される。デュアルバンドアンテナは、第1印刷回路基板(PCB)上に構成された第1アンテナと、第2PCB上に構成された第2アンテナと、反射板とを含む。第1アンテナの動作周波数は第1周波数帯である。第2アンテナの動作周波数は第2周波数帯である。第1周波数帯は第2周波数帯より高い。第2PCBは、第1PCBと反射板との間に配置される。反射板は、人工磁気導体を含む。人工磁気導体の共振周波数帯は第2周波数帯を含む。第1周波数帯は第2周波数帯の外側である。
アンテナと反射板301との間の距離は、一般的に、周波数が動作周波数帯の範囲内にある且つ媒体中の電磁波の波長の約4分の1である。前述のデュアルバンドアンテナは、第2PCBと反射板との間の距離を短縮するために、第2PCBが第1PCBと反射板との間に配置されるよう、人工磁気導体を含む反射板を使用する。デュアルバンドアンテナの体積は、PCBの面積と、反射板及び反射板から最も遠いPCBの間の距離との積である。したがって、前述のデュアルバンドアンテナの体積は、PCBの面積と周波数が第2周波数帯の範囲内にあり且つ媒体中の電磁波の波長の4分の1との積から、PCBの面積と周波数が第1周波数帯の範囲内にあり且つ媒体中の電磁波の波長の4分の1との積に減少する。
任意で、第1アンテナ及び第2アンテナはマイクロストリップアンテナであり、したがって、前述のデュアルバンドアンテナのサイズは縮小される。
第1の態様を参照して、第1の態様の第1の可能な実装では、第2PCB上の第1アンテナの投影は、第2アンテナを部分的にのみ覆い、したがって第2アンテナ上で第1アンテナにより引き起こされる遮断を低減する。
第1の態様の第1の実装を参照して、第1の態様の第2の実装では、第2アンテナは、第1要素と、第2要素と、出力分割器とを含む。出力分割器の第1ブランチは第1要素に接続され、出力分割器の第2ブランチは第2要素に接続される。第1要素は、第2PCB上の第1アンテナの投影により覆われる。第2要素の少なくとも一部は、第2PCB上の第1アンテナの投影の外側にある。第2ブランチの長さは、第1ブランチの長さより長い。
第2PCB上の第1アンテナの投影は、第2アンテナを部分的にのみ覆う。したがって、第2アンテナにより放射される電磁波が第1アンテナを通過するとき、電磁波の位相が影響される。結果として、第2アンテナにより放射された電磁波の指向性が影響を受ける可能性がある。第2アンテナにより放射される電磁波の方向を補正するために、前述の実装における出力分割器の1つのブランチは、2個の要素間の位相差を補償するために拡張される。このように、第2アンテナにより放射される電磁波の方向は補正される。
第1の態様を参照して、第1の態様の第3の実装では、第2PCB上の第1アンテナの投影は、第2アンテナを部分的にのみ覆う。第1アンテナは複数の要素を含み、第1アンテナの複数の要素は第1PCBの端に構成される。第2アンテナは複数の要素を含む。第1PCB上の第2アンテナの複数の要素の中心の投影は、第1アンテナの複数の要素の中心により囲まれたグラフの範囲内に配置される。この実装は、複数要素構造において、第2アンテナ上で第1アンテナにより引き起こされる遮断を低減する任意的方法である。この実装では、第2アンテナにより放射される電磁波は、第1PCBの中央部分を通過するとき遮断されない。
第1の態様の第3の実装を参照して、第1の態様の第4の実装では、第2アンテナの複数の要素の各々は、第1要素と、第2要素と、出力分割器とを含む。出力分割器の第1ブランチは、第1要素に接続される。出力分割器の第2ブランチは、第2要素に接続される。第1要素は、第2PCB上の第1アンテナの投影により覆われる。第2要素の少なくとも一部は、第2PCB上の第1アンテナの投影の外側にある。第2ブランチの長さは、第1ブランチの長さより長い。この実装は、複数要素構造において、第2アンテナにより放射される電磁波の方向を補正する任意的方法である。
第1の態様の第4の実装を参照して、第1の態様の第5の実装では、第1アンテナの複数の要素の各々は、複数のダイポールマイクロストリップ要素を含む。高出力が、複数のダイポールマイクロストリップ要素のうち、中心位置にあるダイポールマイクロストリップ要素に割り当てられる。低出力が、複数のダイポールマイクロストリップ要素のうち、周辺位置にあるダイポールマイクロストリップ要素に割り当てられる。第1周波数帯の周波数が第2周波数帯の周波数の倍数である場合、第1アンテナにより放射される電磁波は、第2アンテナにより放射される電磁波に影響し得る。高出力は、複数のダイポールマイクロストリップ要素のうち、中心位置にあるダイポールマイクロストリップ要素に割り当てられ、第1アンテナにより放射される電磁波のエネルギ中心は第2アンテナの一部のみを覆い、それにより、第2アンテナ上の周波数逓倍電磁波の影響を低減する。
第2の態様によると、無線通信装置であって、第1の態様又は第1の態様の第1乃至第4の実装のいずれか1つによるデュアルバンドアンテナを含む無線通信装置が提供される。無線通信装置は、動作周波数帯が第1周波数帯である第1無線周波数回路と、動作周波数帯が第2周波数帯である第2無線周波数回路と、を更に含む。第1無線周波数回路は、第1アンテナに接続される。第2無線周波数回路は、第2アンテナに接続される。
本発明の一実施形態による視野角からのデュアルバンドアンテナの3次元概略図である。
本発明の一実施形態による別の視野角からのデュアルバンドアンテナの3次元概略図である。
本発明の一実施形態による第1アンテナのずれたデュアルバンドアンテナの概略図である。
本発明の一実施形態による要素位相調整構造を備える第2アンテナの概略図である。
本発明の一実施形態による無線通信装置の概略図である。
本発明の一実施形態によるデュアルバンドアンテナの2.4GHz周波数帯の指向性パターンである。
本発明の一実施形態によるデュアルバンドアンテナの5GHz周波数帯の指向性パターンである。
以下は、図1〜図4を参照して本発明の実施形態を記載する。
図1及び図2は、本発明の一実施形態によるデュアルバンドアンテナの3次元概略図である。デュアルバンドアンテナは、第1印刷回路基板(PCB)110上に構成された第1アンテナ120と、第2PCB210上に構成された第2アンテナ220と、を含む。デュアルバンドアンテナは、反射板301を更に含む。第1PCB110、第2PCB210、及び反射板301は、互いに平行である。
デュアルバンドアンテナのサイズを削減するために、第1アンテナ120及び第2アンテナ220はマイクロストリップアンテナである。第1アンテナ120の動作周波数は第1周波数帯である。第2アンテナ220の動作周波数は第2周波数帯である。第1周波数帯は第2周波数帯より高い。第1周波数帯が第2周波数帯より高いことは、第1周波数帯の周波数範囲の下限が、第2周波数帯の周波数範囲の上限より高いことを意味する。例えば、第1周波数帯は5GHz周波数帯であり、第2周波数帯は2.4GHz周波数帯である。国々における規定に幾つかの違いはあるが、5GHz周波数帯の周波数範囲の下限は、間違いなく、2.4GHz周波数帯の周波数範囲の上限より高い。米国における規定が一例として用いられる。2.4GHz周波数帯の範囲は2400メガヘルツ(MHz)〜2483.5MHzであり、5GHz周波数帯の範囲は5170MHz〜5835MHzである。5GHz周波数帯の下限5170MHzは、2.4GHz周波数帯の上限2483.5MHzより高い。
反射板301は導電体グランド板である。反射板301は、マイクロストリップアンテナにより生成される電磁波が良好な指向性を有するように、マイクロストリップアンテナと協働する。アンテナと反射板301との間の距離は、アンテナの動作周波数体、及びアンテナと反射板301との間の媒体の特性により決定される。アンテナと反射板301との間の距離は、マイクロストリップアンテナの利得を向上するために、一般的に、周波数が動作周波数帯の範囲内にある且つ媒体中の電磁波の波長の約4分の1である。第1周波数帯が第2周波数帯より高いので、媒体中の第1周波数帯の電磁波の波長は、同じ媒体中の第2周波数帯の電磁波の波長より短い。したがって、反射板301が共通の金属グランド板により置き換えられる場合、第1アンテナ120と共通金属グランド板との間の距離は、第2アンテナ220と共通金属グランド板との間の距離より短くなるべきである。言い換えると、第1PCB110は、第2PCB210と共通金属グランド板との間に配置される。
アンテナのサイズは、アンテナの動作周波数の電磁波の周波数に逆比例する。したがって、第1アンテナ120及び第2アンテナ220が同じ構造を用いるとき、第1アンテナ120のサイズは第2アンテナ220のサイズより小さい。アンテナの電磁波は、反射板301からアンテナへの方向に沿って送信される。この方向は、アンテナの順方向である。アンテナは導体であるので、背面アンテナにより放射される電磁波は前面のアンテナにより遮断される。第1PCB110が第2PCBと反射板301との間に配置される、つまり第2PCB210が第1PCBの前にある場合、第2アンテナ220は第1アンテナ120により放射される電磁波を遮断する。したがって、より大きなサイズの第2アンテナ220は、第1アンテナ120により放射される電磁波に対して高い遮断効果を有する。
電磁波に対してデュアルバンドアンテナの2つのアンテナにより引き起こされる相互の遮断を低減するために、第2PCB210は、第1PCB110と反射板301との間に配置される。第1PCB110と反射板301との間の距離は、一般的な距離、つまり媒体中で第1周波数帯の電磁波の波長の約4分の1に設定される。一般的な距離より短い反射板301からの距離を有する第2アンテナ220の高い利得を維持するために、第2アンテナ220と反射板301との間の電磁波の位相を変化させるために、反射板301を製造するのに人工磁気導体(英語:artificial magnetic conductor、AMC)が使用される。AMCは人工金属電磁構造である。AMCは、通常、AMCの共振周波数帯に対応する周期的パターンを有する。AMCの共振周波数帯内の電磁波に対して、AMCは完全磁気導体(英語:perfect magnetic conductor、PMC)である。AMCの共振周波数帯の外側の電磁波に対して、AMCは共通反射板である。AMCを含む反射板301は、共振周波数帯の範囲内の電磁波の位相を換えることができ、それにより、反射板301とアンテナとの間の必要距離を短縮する。第1アンテナ120と反射板301との間の距離を変化させることなく、第2アンテナ220と反射板301との間の距離を短縮するために、AMCの共振周波数帯は、第2周波数帯を含み、第1周波数帯を含まない。言い換えると、第1周波数帯はAMCの共振周波数帯の外側である。
AMCを含む反射板が使用されるとき、第2PCB210は第1PCB110と反射板301との間に配置される。つまり、第1PCB110が第2PCBの前にある。小さなサイズの第1アンテナ120は、第2アンテナ220により放射された電磁波に対して低い遮断効果を有する。それにより、デュアルバンドアンテナの2つのアンテナにより電磁波に対して引き起こされる相互遮断の全体的低減をもたらす。さらに、デュアルバンドアンテナの体積は、PCBの面積と、反射板301及び反射板301から最も遠いPCBの間の距離との積である。したがって、AMCを含まないデュアルバンドアンテナと比べて、AMCを含むデュアルバンドアンテナの体積は、PCBの面積及び媒体中の第2周波数帯の電磁波の波長の4分の1との積から、PCBの面積及び媒体中の第1周波数帯の電磁波の波長の4分の1との積にまで減少する。第1周波数帯が5GHz周波数帯であり、第2周波数帯が2.4GHz周波数帯である一例が用いられる。AMCを含む反射板を使用するデュアルバンドアンテナの体積は、共通金属グランド板を使用するデュアルバンドアンテナの体積の約半分である。
第2アンテナ220上で第1アンテナ120により引き起こされる遮断を更に低減するために、第2PCB210上の第1アンテナ120の投影が第2アンテナ220を部分的にのみ覆うように、第1アンテナ120はずらされて良い。
第1アンテナ120の中心の投影が第2アンテナ220の中心から外れるように、第1アンテナ120全体が、ある距離だけ移動されて良い。このように、第1アンテナ120はずらされる。図3に示すように、第1アンテナ120及び第2アンテナ220がそれぞれ複数の要素を含む場合、第1アンテナ120がずらされ及び要素間の部分が広がるように、第1アンテナ120の複数の要素は第1PCB110の端に構成されて良い。第2アンテナ220は、依然として従来の方法で構成される。このように、第1PCB110上の第2アンテナ220の複数の要素の投影は、第2アンテナ220により放射される電磁波が要素間の部分を通過するとき第1アンテナ120により遮断されないように、第1アンテナ120の複数の要素の中心により囲まれるグラフの範囲内に配置される。
図3を参照すると、図3は、第1アンテナ120及び第2アンテナ220がそれぞれ4個の要素を含む例を用いてデュアルバンドアンテナの構造を示す。図3の右上部分にあるPCBは第1PCB110であり、第1アンテナ120は第1PCB110上に構成される。第1アンテナ120の4個の要素は、第1PCB110の4個の角に構成され、それにより要素間の部分を残す。図3の左上部分にあるPCBは第2PCB210であり、第2アンテナ220は第2PCB210上に構成される。第2アンテナ220は、従来の方法で構成される。図3の下部は、デュアルバンドアンテナが設置された後に第2アンテナ220が第1PCB110上に投影されることを示す概略図である。第1アンテナ120は、実線ボックスにより表される。第2アンテナ220の投影は、破線ボックスにより表される。
第2PCB210上の第1アンテナ120の投影が第2アンテナ220を部分的にのみ覆う場合、第2アンテナ220により放射された電磁波の、第1アンテナ120を通過する部分の位相が影響を受ける。結果として、第2アンテナ220により放射された電磁波の指向性が影響を受ける可能性がある。
第2アンテナ220が少なくとも2個の要素を含む場合、各要素の位相は、第2アンテナ220により放射された電磁波の方向を補正するよう調整されて良い。例えば、第2アンテナ220は、第1要素と、第2要素と、出力分割器とを含む。出力分割器の第1ブランチは、第1要素に接続される。出力分割器の第2ブランチは、第2要素に接続される。第1要素は、第2PCB210上の第1アンテナ120の投影により覆われる。第2要素の少なくとも一部は、第1アンテナ120の投影の外側にある。言い換えると、第2要素により放射される電磁波と比べて、第1要素により放射される電磁波の位相は遅れる。相応して、第2ブランチの長さが増大される(第2ブランチの長さは第1ブランチの長さより長い)。短いブランチにより送信される無線周波数信号と比べて、長いブランチにより送信される無線周波数信号の位相は遅れる。言い換えると、第2要素により放射される電磁波の位相は遅れ、したがって、第1要素及び第2要素により放射される電磁波の位相が同じになり、第2アンテナ220により放射される電磁波の方向が補正される。
図4を参照すると、図4は、要素位相調整構造を備える第2アンテナ220の概略図である。第1アンテナ120及び第2アンテナ220がそれぞれ複数の要素を含む場合、第1アンテナ120の複数の要素は第1PCB110の端に構成され、第2アンテナ220の複数の要素の各々は少なくとも2個の要素を含み、第2アンテナ220の複数の要素の各々の構造は、第2アンテナ220により放射される電磁波の方向を補正するために調整されて良い。例えば、第2アンテナ220の複数の要素の各々は、第1要素221と、第2要素222と、出力分割器とを含む。出力分割器の第1ブランチB1は、第1要素221に接続される。出力分割器の第2ブランチB2は、第2要素222に接続される。第1要素221は、第2PCB210上の第1アンテナ120の投影により覆われる。第2要素222の少なくとも一部は、第1アンテナ120の投影の外側にある。第2ブランチB2の長さは、第1ブランチB1の長さより長い。
第1周波数帯が5GHz周波数帯であり、且つ第2周波数帯が2.4GHz周波数帯である場合、第1周波数帯の周波数は第2周波数帯の周波数の約2倍なので、第1アンテナ120により放射される電磁波は第2アンテナ220により放射される電磁波に影響を与え得る。周波数逓倍電磁波の第2周波数帯の電磁波に与える影響を低減するために、第1アンテナ120により放射される電磁波のエネルギ中心に第2アンテナ220の一部のみを覆うようにさせるよう、第1アンテナ120の要素の出力分割が調整されて良い。例えば、図3の第1アンテナ120が一例として用いられる。第1アンテナ120は、4個のアンテナ要素グループを含む。各アンテナ要素グループは、16(4×4)個のダイポールマイクロストリップ要素を含む。16個のダイポールマイクロストリップ要素のうち中心位置にある4個のダイポールマイクロストリップ要素に高出力が割り当てられ、16個のダイポールマイクロストリップ要素のうち周辺位置にある12個のダイポールマイクロストリップ要素に低出力が割り当てられるように、16個のダイポールマイクロストリップ要素の出力割り当ては調整されて良い。このように、第1アンテナ120の各アンテナ要素グループのエネルギ中心は、第2アンテナ220の第1要素221だけを覆う。それにより、周波数逓倍電磁波の第2アンテナ220への影響を低減する。
第1アンテナ120及び第2アンテナ220の各々の中の要素の数は任意の正整数であって良い。第1アンテナ120及び第2アンテナ220は、異なる数の要素を有して良い。図1〜図4は、第1アンテナ120及び第2アンテナ220がそれぞれ4個の要素を含む例を用いる本発明の実施形態におけるデュアルバンドアンテナの概略図を示す。
図5は、本発明の一実施形態による無線通信装置の概略図である。無線通信装置は、図1〜図4に示した実施形態のうちのいずれか1つによるデュアルバンドアンテナと、動作周波数帯が第1周波数帯である第1無線周波数(RF)回路RF1と、動作周波数帯が第2周波数帯である第2無線周波数(RF)回路RF2と、を含む。第1RF回路RF1は、第1アンテナ120に接続される。第2RF回路RF2は、第2アンテナ220に接続される。RF回路は、RFモジュールとしても参照され、RF信号を受信し及び送信するよう構成される。第1RF回路RF1及び第2RF回路RF2は、1個のチップに統合されて良く、又は互いに独立したチップであって良い。
図6は、本発明の一実施形態によるデュアルバンドアンテナの2.4GHz周波数帯の指向性パターンである。図6は、2450MHz信号を一例として用い、図1〜図4に示した実施形態における構造を用いるデュアルバンドアンテナの各方向における利得を示す。水平軸は、角度を表し、度の単位である。0度はデュアルバンドアンテナの正面方向を表す。水平軸の範囲は、−200度〜200度である。−180度〜180度の範囲が有効範囲である。垂直軸は、利得を表し、デシベル(dB)の単位である。垂直軸の範囲は、−25dB〜12.5dBである。
図7は、本発明の一実施形態によるデュアルバンドアンテナの5GHz周波数帯の指向性パターンである。図7は、5500MHz信号を一例として用い、図1〜図4に示した実施形態における構造を用いるデュアルバンドアンテナの各方向における利得を示す。水平軸は、角度を表し、度の単位である。0度はデュアルバンドアンテナの正面方向を表す。水平軸の範囲は、−200度〜200度である。−180度〜180度の範囲が有効範囲である。垂直軸は、利得を表し、dBの単位である。垂直軸の範囲は、−30dB〜15dBである。
図6及び図7から、本発明の実施形態における構造を用いるデュアルバンドアンテナは良好な指向性及び高利得を有することが分かる。
上述の説明は、本発明の単なる特定の実装であり、本発明の保護範囲を制限するものではない。本発明で開示された技術範囲内にある、当業者により直ちに考案される変形又は置換は、本発明の保護範囲に包含される。したがって、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲に従う。
110 第1PCB
120 第1アンテナ
210 第2PCB
220 第2アンテナ
301 反射板

Claims (8)

  1. デュアルバンドアンテナであって、第1印刷回路基板(PCB)上に構成された第1アンテナと、第2PCB上に構成された第2アンテナと、反射板と、を含み、
    前記第1アンテナの動作周波数帯は第1周波数帯であり、前記第2アンテナの動作周波数帯は第2周波数帯であり、前記第1周波数帯は前記第2周波数帯より高く、
    前記第2PCBは前記第1PCBと前記反射板との間に配置され、
    前記反射板は人工磁気導体を含み、前記人工磁気導体の共振周波数帯は前記第2周波数帯を含み、前記第1周波数帯は前記共振周波数帯の外側である、デュアルバンドアンテナ。
  2. 前記第2PCB上の前記第1アンテナの投影は、前記第2アンテナを部分的にのみ覆う、請求項1に記載のデュアルバンドアンテナ。
  3. 前記第2アンテナは、第1要素と、第2要素と、出力分割器とを含み、前記出力分割器の第1ブランチは前記第1要素に接続され、前記出力分割器の第2ブランチは前記第2要素に接続され、
    前記第1要素は前記第2PCB上の前記第1アンテナの前記投影により覆われ、前記第2要素の少なくとも一部は、前記第2PCB上の前記第1アンテナの前記投影の外側にあり、前記第2ブランチの長さは前記第1ブランチの長さより長い、請求項2に記載のデュアルバンドアンテナ。
  4. 前記第2PCB上の前記第1アンテナの投影は、前記第2アンテナを部分的にのみ覆い、
    前記第1アンテナは複数の要素を含み、前記第1アンテナの前記複数の要素は、前記第1PCBの端に構成され、
    前記第2アンテナは複数の要素を含み、前記第1PCB上の前記第2アンテナの前記複数の要素の中心の投影は、前記第1アンテナの前記複数の要素の中心により囲まれたグラフ内に位置する、
    請求項1に記載のデュアルバンドアンテナ。
  5. 前記第2アンテナの前記複数の要素の各々は、第1要素と、第2要素と、出力分割器とを含み、前記出力分割器の第1ブランチは前記第1要素に接続され、前記出力分割器の第2ブランチは前記第2要素に接続され、
    前記第1要素は前記第2PCB上の前記第1アンテナの前記投影により覆われ、前記第2要素の少なくとも一部は、前記第2PCB上の前記第1アンテナの前記投影の外側にあり、前記第2ブランチの長さは前記第1ブランチの長さより長い、請求項4に記載のデュアルバンドアンテナ。
  6. 前記第1アンテナ及び前記第2アンテナはマイクロストリップアンテナである、請求項1乃至5のいずれか一項に記載のデュアルバンドアンテナ。
  7. 前記第1周波数帯の周波数は前記第2周波数帯の周波数の倍数であり、
    前記第1アンテナの前記複数の要素の各々は、複数のダイポールマイクロストリップ要素を含み、前記複数のダイポールマイクロストリップ要素のうち中心位置にあるダイポールマイクロストリップ要素に高出力が割り当てられ、前記複数のダイポールマイクロストリップ要素のうち周辺位置にあるダイポールマイクロストリップ要素に低出力が割り当てられる、
    請求項5に記載のデュアルバンドアンテナ。
  8. 無線通信装置であって、請求項1乃至7のいずれか一項に記載のデュアルバンドアンテナと、動作周波数帯が前記第1周波数帯である第1無線周波数回路と、動作周波数帯が前記第2周波数帯である第2無線周波数回路と、を含み、前記第1無線周波数回路は前記第1アンテナに接続され、前記第2無線周波数回路は前記第2アンテナに接続される、無線通信装置。
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