JP2023077176A - 広帯域アンテナ、アンテナシステムおよび無線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型の広帯域アンテナ、広帯域アンテナを用いたアンテナシステム及び無線装置を提供する。【解決手段】広帯域アンテナ１は、ボウタイ型のアンテナを末広がり方向の直線で二分割して得られる形状を有する第１アンテナ素子１０及び第２アンテナ素子２０を備える。接地導体板３０は、第１アンテナ素子の末広がり方向側に配置されている。第１アンテナ素子の末広がった先の縁は、接地導体板の縁に対向している。第１給電線１２は、第１アンテナ素子の末広がり元から前方向に延び、基板３２の前側の長辺に至った位置で左方向に折れ曲がり、さらに、基板の前側の長辺に沿って左方向に延びて接地導体板に至る。第２給電線２２は、第２アンテナ素子の末広がり元から基板を挟んで第１給電線に対向して延び、第１給電線に対向して延びた先で、基板を挟んで接地導体板に対向して延びて、基板上の給電導体板２４に至る。【選択図】図１

Description

本発明は、広帯域アンテナ、アンテナシステムおよび無線装置に関し、特に、アンテナの構造に関する。

移動通信システムが広く用いられている。移動通信システムでは、スマートフォン等のモバイル端末の相互間で通話が可能である他、インターネット通信が可能である。モバイル端末は無線通信を介してインターネットに情報を送信し、あるいはインターネットから情報を取得する。近年では、５Ｇ（5th Generation）の規格に従う移動通信システムが実用化され、情報伝送の高速化が図られている。これによって、インターネットからモバイル端末に大容量のコンテンツが高速に提供される。

米国特許出願公開第２００８／０３０３７３３号明細書 特表２０２０－５０９６９１号公報 特表２０１８－５３８７３８号公報

Dinh Thanh Le, and Yoshio Karasawa, "A Simple Broadband Antenna for MIMO Applications in Cognitive Radio", IEICE Trans. Commun., vol.E95-B, no.01, pp.18-26, Jan. 2012.

モバイル端末の使用形態の１つとして、自動車の車室にモバイル端末を固定するものがある。この使用形態では車載用の外部アンテナが用いられる。外部アンテナは、車室内に引き込まれた給電線によってモバイル端末に接続される。外部アンテナは、スポイラ、バンパ、天井等における限られた領域に配置されるため、小型であることが望まれる。

また、複数のアンテナを用いて無線通信を行う技術（特許文献１、非特許文献１等）によって、マルチパス環境下で電波信号を良好に送受信する基地局がある。この場合も、複数のアンテナを配置する領域を確保するため、各アンテナの小型化が望まれる。しかし、以下に説明するように、情報伝送の高速化という条件の下では、アンテナを小型にすることが困難な場合がある。

一般に、無線通信において情報伝送速度を大きくすると、電波信号の占有帯域幅が広くなる。しかし、占有帯域幅が広い電波信号を良好に送受信するためには、アンテナが大きくなってしまうことがある。例えば、特許文献２および３に記載されているボウタイアンテナのような、自己補対アンテナを原型とするアンテナは、広い使用周波数帯域（アンテナの性能が確保される周波数帯域）を確保する構造を有し、占有帯域幅が広い電波信号を良好に送受信する。しかし、自己補対アンテナを原型とするアンテナは、線状アンテナ等の一般的なアンテナに比べて大型である。

本発明は、アンテナの使用周波数帯域を広げると共に、アンテナを小型化することを目的とする。

本発明は、互いに反対方向に向かって末広がる第１アンテナ素子および第２アンテナ素子と、前記第１アンテナ素子の末広がり方向側に配置された接地導体板と、前記第１アンテナ素子の末広がり元に一端が接続され、他端が前記接地導体板に接続された第１給電線と、前記第２アンテナ素子の末広がり元に一端が接続され、前記第１給電線に対向して延びる第２給電線と、を備え、前記第１アンテナ素子の末広がった先の縁が、前記接地導体板の縁に対向していることを特徴とする。

望ましくは、前記第１アンテナ素子は、前記第１アンテナ素子の末広がり方向に対して対称に末広がる形状を、前記第１アンテナ素子の末広がり方向に延びる第１直線で二分割して得られる形状を有し、前記第２アンテナ素子は、前記第２アンテナ素子の末広がり方向に対して対称に末広がる形状を、前記第２アンテナ素子の末広がり方向に延びる第２直線で二分割して得られる形状を有する。

望ましくは、前記第１給電線および前記第２給電線は、前記第１アンテナ素子の末広がり方向に沿って延びる部分を有する。

また、本発明の実施形態に係るアンテナシステムは、六面体形状における１２辺のそれぞれに対応する位置に前記広帯域アンテナを備え、前記六面体形状の各辺が延びる方向と、前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子の各末広がり方向とが揃えられた姿勢で、各前記広帯域アンテナが配置されている。

本発明の実施形態に係る無線装置は、前記広帯域アンテナを複数備え、各前記広帯域アンテナで受信された電波信号のレベルを検出する検出部と、前記検出部で検出された電波信号のレベルに基づいて、複数の前記広帯域アンテナのうちいずれかを選択する選択部と、前記選択部によって選択された前記広帯域アンテナによって無線通信を行う無線部と、 を備える。

本発明によれば、アンテナの使用周波数帯域を広げると共に、アンテナを小型化することができる。

本発明の実施形態に係る広帯域アンテナの斜視図である。 本発明の実施形態に係る広帯域アンテナの分解斜視図である。 反射係数のシミュレーション結果を示す図である。 定在波比のシミュレーション結果を示す図である。 同軸コネクタが固定された広帯域アンテナを示す図である。 同軸コネクタが固定された広帯域アンテナを示す図である。 広帯域アンテナが自動車の内装品または外装品に配置される例を示す図である。 本発明の応用実施形態に係るアンテナシステムの斜視図である。 反射係数のシミュレーション結果を示す図である。 定在波比のシミュレーション結果を示す図である。 透過係数のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第２の応用実施形態に係るＭＩＭＯ無線装置の構成を示す図である。

各図を参照して本発明の実施形態について説明する。複数の図面に示されている同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を簡略化する。

図１には、本発明の実施形態に係る広帯域アンテナ１の斜視図が示されている。図２には、広帯域アンテナ１を仮に分解した場合の斜視図が示されている。図１および図２では、基板３２の長辺に沿った方向が左右方向と定められ、基板３２の短辺に沿った方向が前後方向として定められている。各図に示された「右」「前」および「上」の用語は説明の便宜上のものであり、広帯域アンテナ１を配置する際の姿勢を限定するものではない。

広帯域アンテナ１は、第１アンテナ素子１０、第１給電線１２、第２アンテナ素子２０、第２給電線２２、給電導体板２４および基板３２を備えている。基板３２は、絶縁体によって長方形状に形成されている。第１アンテナ素子１０、第１給電線１２および接地導体板３０は基板３２の下面に配置され、第２アンテナ素子２０、第２給電線２２および給電導体板２４は基板３２の上面に配置されている。

第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０は、互いに反対方向に向かって末広がる形状を有する。すなわち、第１アンテナ素子１０は左方向に向かって末広がる形状を有し、第２アンテナ素子２０は右方向に向かって末広がる形状を有する。第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０のそれぞれは、左右に延びる縁と、前後に延びる縁とが９０°の角を形成する略直角三角形状に形成されている。第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０の左右に延びる縁は、基板３２の後ろ側の長辺に揃えられている。

第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０は、ボウタイ型のアンテナ（ボウタイアンテナ）を末広がり方向の直線Ｌで二分割して得られる形状を有する。ボウタイアンテナは、一対のアンテナ素子が互いに反対方向に二等辺三角形状（末広がり方向に対して対称に末広がる形状）に広がったアンテナである。すなわち、第１アンテナ素子１０は、第１アンテナ素子１０の末広がり方向に対して対称に末広がる形状を、第１アンテナ素子１０の末広がり方向に延びる第１直線で二分割して得られる形状を有する。第２アンテナ素子２０は、第２アンテナ素子２０の末広がり方向に対して対称に末広がる形状を、第２アンテナ素子２０の末広がり方向に延びる第２直線で二分割して得られる形状を有する。これによって、第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０のそれぞれは、ボウタイアンテナの各アンテナ素子よりも占有面積が狭くなる。

なお、基板３２の短辺方向の幅を後方に広げ、第１アンテナ素子１０の形状を図２の一点鎖線で示すように、後ろ側の縁が左斜め後方に延びた形状としてもよい。同様に、第２アンテナ素子２０の形状を、後ろ側の縁が右斜め後方に延びた形状としてもよい。

接地導体板３０は、第１アンテナ素子１０の末広がり方向側（左側）に配置され、基板３２の短辺方向全域に亘って基板３２の下面を覆っている。接地導体板３０の第１アンテナ素子１０側には、前後方向に延びる直線状の縁が形成されている。第１アンテナ素子１０の末広がった先の縁は、接地導体板３０の縁に対向している。第１アンテナ素子１０の縁と接地導体板３０の縁との間は、第１アンテナ素子１０と接地導体板３０とが電磁気的に結合する距離で隔てられている。

第１給電線１２の一端は、第１アンテナ素子１０の末広がり元に接続され、他端は接地導体板３０に接続されている。第１給電線１２は、第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０の各末広がり方向に交わる方向に延びる部分と、第１アンテナ素子１０の末広がり方向に沿って延びる部分とを有する。すなわち、第１給電線１２は、第１アンテナ素子１０の末広がり元から前方向に延び、基板３２の前側の長辺に至った位置で左方向に折れ曲がり、さらに、基板３２の前側の長辺に沿って左方向に延びて接地導体板３０に至る。

第２給電線２２の一端は、第２アンテナ素子２０の末広がり元に接続され、他端は給電導体板２４に接続されている。すなわち、第２給電線２２は、基板３２を挟んで第１給電線１２に対向して延び、第１給電線１２に対向して延びた先で、基板３２を挟んで接地導体板３０に対向して延びて、基板３２上の給電導体板２４に至る。給電導体板２４は、第２給電線２２の末端から後ろ方向に延びた長方形状に形成されている。

広帯域アンテナ１が電磁波を放射する動作について説明する。給電導体板２４と接地導体板３０との間に送信信号が入力されると、送信信号は第１給電線１２および第２給電線２２に沿って伝搬し、第１アンテナ素子１０の末広がり元と第２アンテナ素子２０の末広がり元との間に至る。これによって、第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０に電流が流れ、第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０から電磁波が放射される。

第１給電線１２および第２給電線２２に平衡モード電流が流れることで、第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０がダイポールアンテナとして動作し、第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０から電磁波が放射される。ここで、平衡モード電流は、第１給電線１２および第２給電線２２に互いに同振幅かつ逆位相で流れる電流である。

広帯域アンテナ１では、平衡モード電流に加えて、第１給電線１２および第２給電線２２に同位相の不平衡モード電流が流れる。これによって、第１給電線１２および第２給電線２２がモノポールアンテナとして動作し、第１給電線１２および第２給電線２２からも電磁波が放射される。

第１給電線１２および第２給電線２２に不平衡モード電流が流れる理由は、第１アンテナ素子１０の末広がった先の縁が接地導体板３０の縁に対向することで、第１アンテナ素子１０が接地導体板３０に電磁気的に結合するためである。これによって、第１アンテナ素子１０の接地導体板３０に対するインピーダンスが低下する。さらに、第２給電線２２は第１給電線１２に電磁気的に結合しているので、第２給電線２２および第１給電線１２を通り、第１アンテナ素子１０を介して接地導体板３０に至る電流経路が形成される。この電流経路を形成する第１給電線１２および第２給電線２２に、送信信号に基づく不平衡モード電流が流れる。

広帯域アンテナ１の使用周波数帯域について説明する。一般に、アンテナでは放射効率等が実用的となる使用周波数帯域が限られる。ここで、放射効率とは、アンテナに入力された信号の電力に対する、アンテナから放射される電磁波の電力の比率をいう。広帯域アンテナ１では、第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０から電磁波が放射される周波数帯域に対し、第１給電線１２および第２給電線２２から電磁波が放射される周波数帯域が低域または高域にずれるように設計条件が定められる。設計条件には、第１アンテナ素子１０、第２アンテナ素子２０、第１給電線１２および第２給電線２２の配置位置や、形状、大きさ等がある。これによって、広帯域アンテナ１の使用周波数帯域が広くなる。

第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０が構成するアンテナは、ボウタイアンテナよりも占有面積を狭くしたものである。そのため、第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０のみによってアンテナを構成したのでは、ボウタイアンテナよりも使用周波数帯域が狭くなる可能性がある。広帯域アンテナ１では、第１給電線１２および第２給電線２２からの放射電磁波によって、占有面積を狭くしたことによる使用周波数の狭帯域化が補償される。これによって、第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０を小型にしつつ使用周波数帯域が広げられる。

なお、基板３２の短辺方向の幅を後方に広げ、第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０のそれぞれを、末広がり方向（左右方向）に対して対称に末広がるボウタイアンテナと同様の形状としてもよい。さらに、各アンテナ素子の末広がり方向の長さを、理想的な使用周波数帯域が得られるボウタイアンテナより短くしてもよい。これによって、第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０が構成するアンテナの使用周波数帯域幅が狭くなる可能性があるが、第１給電線１２および第２給電線２２からの放射電磁波によって使用周波数の狭帯域化が補償される。したがって、第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０を小型にしつつ使用周波数帯域が広げられる。

次に、広帯域アンテナ１の指向性について、第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０の指向性と、第１給電線１２および第２給電線２２の指向性とに分けて説明する。第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０は、それぞれの末広がり方向に対して垂直な方向に指向性を有する。また、第１給電線１２および第２給電線２２のうち、第１アンテナ素子１０の末広がり方向に沿って延びる部分は、第１アンテナ素子１０の末広がり方向に対して垂直な方向に指向性を有する。したがって、広帯域アンテナ１は、広い周波数帯域に亘って、第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０の各末広がり方向に垂直な方向に指向性を有し、それぞれの末広がり方向に垂直な平面内で放射電力が大きくなる。

図３には、広帯域アンテナ１について得られたシミュレーション結果が示されている。横軸は周波数を示し、縦軸は反射係数を示す。ここで、反射係数とは、給電導体板２４に入射した信号の電力に対する、給電導体板２４で反射した信号の電力の比率をいう。反射係数が小さい程、広帯域アンテナ１から放射される電磁波の電力が大きい。

図３に示されているように、３．３ＧＨｚ、４．１１ＧＨｚおよび４．８５ＧＨｚのそれぞれにおいて反射係数が極小となる。３．３ＧＨｚで反射係数が極小となる特性は、第１給電線１２および第２給電線２２によって実現されている。４．８５ＧＨｚで反射係数が極小となる特性は、第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０によって実現されている。４．１１ＧＨｚで反射係数が極小となる特性は、第１給電線１２および第２給電線２２による特性と、第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０による特性との組み合わせによって実現されている。５Ｇの規格で使用される３．３ＧＨｚ以上４．９９ＧＨｚ以下の周波数帯域で、反射係数は－１０．５ｄＢ以下である。

図４には、定在波比（VSWR：Voltage Standing Wave Ratio）のシミュレーション結果が示されている。横軸は周波数を示し、縦軸は定在波比を示す。定在波比は、反射係数と同様の物理的意義を有し、反射係数をΓとし、定在波比をρとした場合にはρ = （１＋Γ）／（１－Γ）の関係がある。定在波比が小さい程、広帯域アンテナ１から放射される電磁波の電力が大きい。

上記では、広帯域アンテナ１が電磁波を放射する動作が示された。アンテナの放射特性が良好である場合には、アンテナの受信特性も良好であることが物理学的に証明されている。例えば、アンテナの放射効率が大きい周波数では受信感度も大きくなる。また、アンテナから放射される電磁波とアンテナで受信される電磁波については指向性が同一となる。したがって、広帯域アンテナ１によれば、電磁波を受信する場合についても使用周波数帯域が広くなる。

広帯域アンテナ１は同軸ケーブルに接続されてもよい。この場合、図５に示されているように、基板３２の下面側に同軸コネクタ４０が固定される。同軸コネクタ４０は、筒状導体４２、筒状導体４２の一端に導体によって形成されたフランジ４４、および筒状導体４２の内側に筒状導体４２と中心軸を共通にして配置された線状の内導体４６を備えている。筒状導体４２と内導体４６との間には絶縁体が充填されてもよい。接地導体板３０には、内導体４６が貫通する開口４８が形成されている。フランジ４４の上面は接地導体板３０に接合されている。内導体４６は開口４８および基板３２を貫通し、基板３２の上面に配置された給電導体板２４に接続されている。同軸ケーブルの先端に設けられたコネクタが同軸コネクタ４０に接続されることで、同軸ケーブルの芯線と内導体４６とが導通し、同軸ケーブルの外導体と筒状導体４２とが導通する。これによって同軸ケーブルの芯線と給電導体板２４とが導通し、同軸ケーブルの外導体と接地導体板３０とが導通する。

同軸コネクタ４０は、基板３２の周辺に固定されてもよい。図６に示されている例では、同軸コネクタ４０のフランジ４４が基板３２に対して垂直に、基板３２の後ろ側の長辺に固定され、接地導体板３０に接合されている。給電導体板２４は、第２給電線２２の末端から基板３２の後ろ側の長辺に至り、同軸コネクタ４０の内導体４６は給電導体板２４に接続されている。ここでは、基板３２の後ろ側の長辺に同軸コネクタ４０が固定された例が示されたが、同軸コネクタ４０は、基板３２の左側の短辺に固定されてもよい。この場合、給電導体板２４は、第２給電線２２の末端から後方に延び、基板３２上で左方向に折れ曲がって左側の短辺に向かって延びる。

広帯域アンテナ１は、５Ｇ以降の規格に従うモバイル端末の車載用外部アンテナとして用いられてよい。この場合、広帯域アンテナ１は、図７に示されているように、自動車５０のスポイラ５２、ドアミラー５４等の外装品や、車室におけるバックミラー５６等の内装品に配置されてよい。また、広帯域アンテナ１は、シャークフィンアンテナ５８に用いられてもよい。この場合、自動車５０の天井に固定されるシャークフィン状のケース内に、第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０の各末広がり方向を鉛直方向に向けた姿勢で、広帯域アンテナ１が配置されてよい。図７には、自動車５０の内装品または外装品に２つの広帯域アンテナ１が配置された例が示されている。自動車５０に搭載されるモバイル端末は、２つの広帯域アンテナ１のうち、通信状況が良好なものを選択して用いる処理を実行してもよい。

図８には、本発明の応用実施形態に係るアンテナシステム２が示されている。アンテナシステム２は、立方体形状の各辺に上記の広帯域アンテナ１と同様の構造を有する広帯域アンテナ１―ｋ（ｋ＝１～１２）を配置したものである。ただし、広帯域アンテナ１－１～１－１２には、図１に示された広帯域アンテナ１に対して鏡像の関係にある構造を有するものも含まれる。

アンテナシステム２では、立方体形状の各辺が延びる方向と、第１アンテナ素子１０および第２アンテナ素子２０の各末広がり方向とが揃えられた姿勢で、各広帯域アンテナ１－ｋが配置されている。１２本の辺に配置された広帯域アンテナ１－１～１－１２は異なる位置で電磁波を放射し、受信する。また、延在方向が異なる辺に配置された広帯域アンテナは、異なる方向に電磁波を放射し、異なる方向から到来した電磁波を受信する。

アンテナシステム２は、ダイバーシティ無線装置に用いられてよい。ダイバーシティ無線装置は、広帯域アンテナ１－１～１－１２のうち受信状況が良好なものを選択的に用いる。また、アンテナシステム２は、後述するＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）無線装置に用いられてもよい。ＭＩＭＯ無線装置もまた、広帯域アンテナ１－１～１－１２のうち受信状態が良好なものを選択的に用いる。ＭＩＭＯ無線装置は、選択した複数の広帯域アンテナのそれぞれによって個別に無線通信を行い、他のＭＩＭＯ無線装置との間で多重通信を行う。アンテナシステム２は、車載用外部アンテナの他、移動通信システムの基地局等、一般的な無線装置に用いられてもよい。

アンテナシステム２の具体的な構造について説明する。図８では、立方体形状の辺に沿って奥側に向かう方向が、アンテナシステム２の前方向として定義されている。また、立方体形状の辺に沿って右側および上側に向かう方向が、それぞれ、アンテナシステム２の右方向および上方向として定義されている。図８に示された「右」「前」および「上」の用語は説明の便宜上のものであり、アンテナシステム２を配置する際の姿勢を限定するものではない。

アンテナシステム２は、立方体形状の各辺をなすフレーム基板構造６０を備えている。フレーム基板構造６０は、上枠基板６２、下枠基板６４、および柱基板６６Ａ～６６Ｄを有する。上枠基板６２は、帯状の板が正方形状に周回した構造を有する。下枠基板６４は上枠基板６２と同一の形状を有し、上枠基板６２の下方で、上枠基板６２に対して平行に対向している。柱基板６６Ａ～６６Ｄは、上枠基板６２の四隅と下枠基板６４の四隅との間を結んでいる。

より詳細には、柱基板６６Ａは、上枠基板６２の左前の角の前側と、下枠基板６４の左前の角の前側とを結んでいる。柱基板６６Ｂは、上枠基板６２の右後ろの角の後ろ側と、下枠基板６４の右後ろの角の後ろ側とを結んでいる。柱基板６６Ｃは、上枠基板６２の右前の角の右側と、下枠基板６４の右前の角の右側との間を結んでいる。柱基板６６Ｄは、上枠基板６２の左後ろの角の左側と、下枠基板６４の左後ろの角の左側との間を結んでいる。フレーム基板構造６０の各辺の長さは、使用周波数帯域の中心周波数に対応する波長の約半分であってよい。

上枠基板６２の各辺に対応するフレームには、広帯域アンテナ１－１～１－４が構成されている。上枠基板６２に構成される広帯域アンテナ１－１～１－４は、上枠基板６２および下枠基板６４のそれぞれの内側を貫く中心線７０に関し、９０°回転対称構造を有する。上枠基板６２のうち左側で前後方向に延びるフレームには広帯域アンテナ１－１が構成され、反時計回りに順に、広帯域アンテナ１－２～１－４が上枠基板６２の各フレームに構成されている。

広帯域アンテナ１－１～１－４のそれぞれの第１アンテナ素子１０、第１給電線１２および接地導体板３０は、上枠基板６２の下面に配置され、第２アンテナ素子２０、第２給電線２２および給電導体板２４は、上枠基板６２の上面に配置されている。また、広帯域アンテナ１－１～１－４は、それぞれの第２アンテナ素子２０の末広がり方向が反時計周り方向となるように、上枠基板６２に構成されている。

下枠基板６４には広帯域アンテナ１－５～１－８が構成されている。広帯域アンテナ１－５～１－８は、それぞれ、広帯域アンテナ１－１～１－４に対し、上下対称の構造を有する。

柱基板６６Ａには広帯域アンテナ１－９が構成されている。広帯域アンテナ１－９の第１アンテナ素子１０、第１給電線１２および接地導体板３０は、柱基板６６Ａの後面に配置され、第２アンテナ素子２０、第２給電線２２および給電導体板２４は、柱基板６６Ａの前面に配置されている。また、広帯域アンテナ１－９は、第２アンテナ素子２０の末広がり方向が上向きとなるように、柱基板６６Ａに構成されている。

柱基板６６Ｄには広帯域アンテナ１－１２が構成されている。広帯域アンテナ１－１２の第１アンテナ素子１０、第１給電線１２および接地導体板３０は、柱基板６６Ｄの右側の面に配置され、第２アンテナ素子２０、第２給電線２２および給電導体板２４は、柱基板６６Ｄの左側の面に配置されている。また、広帯域アンテナ１－１２は、第２アンテナ素子２０の末広がり方向が下向きとなるように、柱基板６６Ｄに構成されている。

柱基板６６Ｂおよび柱基板６６Ｃには、それぞれ、広帯域アンテナ１－１０および１－１１が構成されている。広帯域アンテナ１－１０および１－１１は、それぞれ、広帯域アンテナ１－９および１－１２を、中心線７０を中心に１８０°回転させたものと同様の構造を有する。

上記では、立方体形状の各辺に広帯域アンテナ１－ｋを配置した構造が示された。アンテナシステム２は、一般的な六面体形状の各辺に広帯域アンテナ１－ｋを配置した構成を有してもよい。すなわち、立方体形状を一般的な六面体形状に変形させて、アンテナシステム２の特性を調整してもよい。

図９には、アンテナシステム２について得られた反射係数のシミュレーション結果が示されている。横軸は周波数を示し、縦軸は反射係数を示す。アンテナシステム２の構造の対称性から、広帯域アンテナ１－１～１－１２は、特性が近似する３つのアンテナグループに分けられる。第１のアンテナグループは、広帯域アンテナ１０－１、１０－３、１０－６および１０－８からなるグループである。第２のアンテナグループは、広帯域アンテナ１０－２、１０－４、１０－５および１０－７からなるグループである。第３のアンテナグループは、広帯域アンテナ１０－９～１０－１２からなるグループである。図９には、第１～第３のアンテナグループについてそれぞれ計算された反射係数群Γ１～Γ３が示されている。反射係数群Γ１～Γ３のそれぞれは、対応するアンテナグループに属する４つの反射係数を含み、各反射係数群が示す４本の特性曲線は近接し、または重なっている。

図１０には、アンテナシステム２について得られた定在波比のシミュレーション結果が示されている。横軸は周波数を示し、縦軸は反射係数を示す。図１０には、第１～第３のアンテナグループについてそれぞれ計算された定在波比群ρ１～ρ３が示されている。定在波比群ρ１～ρ３のそれぞれは、対応するアンテナグループに属する４つの定在波比を含み、各定在波比群が示す４本の特性曲線は近接し、または重なっている。

図１１には、アンテナシステム２について得られた透過係数のシミュレーション結果が示されている。横軸は周波数を示し、縦軸は透過係数を示す。透過係数は、ある１つの広帯域アンテナの給電導体板２４に入射した信号の電力に対する、他の１つの広帯域アンテナの給電導体板２４から出力される信号の電力の比率をいう。図１１には、広帯域アンテナ１－１～１－１２から２つを選択する６６通りの組み合わせについての透過係数が示されている。透過係数が小さい程、２つの広帯域アンテナの結合が小さい。アンテナシステム２がダイバーシティ無線装置やＭＩＭＯ無線装置に用いられる場合、２つの広帯域アンテナ間の透過係数が小さいことが望まれる。

図１１に示されたシミュレーション結果では、広帯域アンテナ１－２および１－１０の組、広帯域アンテナ１－４および１－９の組、広帯域アンテナ１－５および１－１２の組、広帯域アンテナ１－７および１－１１の組について計算された透過係数群Ｔに含まれる透過係数が、使用周波数帯域内で－９．８ｄＢ以下である。図８に示されているように、これらの広帯域アンテナの組では、第２アンテナ素子２０が互いに近接しており、他の広帯域アンテナの組に比較して、透過係数が大きい傾向にある。

上記では、立方体形状の各辺に広帯域アンテナ１－ｋを配置したアンテナシステム２が示された。アンテナシステム２を構成する１２個の広帯域アンテナ１－１～１－１２のうち、複数個のいずれかを切り離したアンテナシステムが構成されてもよい。例えば、上枠基板６２における４つの広帯域アンテナ１－１～１－４のみによってアンテナシステムが構成されてもよい。また、立方体形状の角を形成する３辺に配置された３つの広帯域アンテナのみ、あるいは、立方体形状の角を形成する２辺に配置された２つの広帯域アンテナのみによってアンテナシステムが構成されてもよい。さらに、平行に配置された２つの広帯域アンテナのみによってアンテナシステムが構成されてもよい。

図１２には、第２の応用実施形態に係るＭＩＭＯ無線装置３の構成が示されている。ＭＩＭＯ無線装置３は、アンテナシステム２、検出部８０、選択部８２および無線部８４を備えている。検出部８０は、広帯域アンテナ１－１～１－１２で受信された各電波信号のレベルを検出し、各電波信号の検出レベルを選択部８２に出力する。選択部８２は、検出レベルが大きい方からＭ個の広帯域アンテナを選択し、無線部８４に接続する。ここでＭは、予め定められた１以上１２以下の整数である。選択部８２は、所定の時間間隔でＭ個の広帯域アンテナを選択してもよい。

ＭＩＭＯ無線装置３は、選択部８２によって接続されたＭ個の広帯域アンテナによって無線通信を行う。通信相手のＭＩＭＯ無線装置がＮ個のアンテナを用いる場合、ＭＩＭＯ無線装置３は、Ｎ×Ｍ本の伝送路によって多重通信を行う。これによって、通信状況が良好でない伝送路による無線通信を、他の伝送路によって支援する無線通信が行われ、ＭＩＭＯ無線装置３は、マルチパス環境下を伝搬する電波信号を良好に送受信する。

ここでは、１２個の広帯域アンテナ１－１～１－１２を用いたＭＩＭＯ無線装置３が示されたが、ＭＩＭＯ無線装置３には、２～１１個または１３個以上の広帯域アンテナが用いられてもよい。

１，１－１～１－１２ 広帯域アンテナ、２ アンテナシステム、３ ＭＩＭＯ無線装置、１０ 第１アンテナ素子、１２ 第１給電線、２０ 第２アンテナ素子、２２ 第２給電線、２４ 給電導体板、３０ 接地導体板、３２ 基板、４０ 同軸コネクタ、４２ 筒状導体、４４ フランジ、４６ 内導体、４８ 開口、５０ 自動車、５２ スポイラ、５４ ドアミラー、５６ バックミラー、５８ シャークフィンアンテナ、６０ フレーム基板構造、６２ 上枠基板、６４ 下枠基板、６６Ａ～６６Ｄ 柱基板、７０ 中心線、８０ 検出部、８２ 選択部、８４ 無線部。

Claims (5)

1. 互いに反対方向に向かって末広がる第１アンテナ素子および第２アンテナ素子と、
   前記第１アンテナ素子の末広がり方向側に配置された接地導体板と、
   前記第１アンテナ素子の末広がり元に一端が接続され、他端が前記接地導体板に接続された第１給電線と、
   前記第２アンテナ素子の末広がり元に一端が接続され、前記第１給電線に対向して延びる第２給電線と、を備え、
   前記第１アンテナ素子の末広がった先の縁が、前記接地導体板の縁に対向していることを特徴とする広帯域アンテナ。
2. 請求項１に記載の広帯域アンテナにおいて、
   前記第１アンテナ素子は、
   前記第１アンテナ素子の末広がり方向に対して対称に末広がる形状を、前記第１アンテナ素子の末広がり方向に延びる第１直線で二分割して得られる形状を有し、
   前記第２アンテナ素子は、
   前記第２アンテナ素子の末広がり方向に対して対称に末広がる形状を、前記第２アンテナ素子の末広がり方向に延びる第２直線で二分割して得られる形状を有することを特徴とする広帯域アンテナ。
3. 請求項１または請求項２に記載の広帯域アンテナにおいて、
   前記第１給電線および前記第２給電線は、
   前記第１アンテナ素子の末広がり方向に沿って延びる部分を有することを特徴とする広帯域アンテナ。
4. 六面体形状における１２辺のそれぞれに対応する位置に、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の広帯域アンテナを備え、
   前記六面体形状の各辺が延びる方向と、前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子の各末広がり方向とが揃えられた姿勢で、各前記広帯域アンテナが配置されていることを特徴とするアンテナシステム。
5. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の広帯域アンテナを複数備える無線装置において、
   各前記広帯域アンテナで受信された電波信号のレベルを検出する検出部と、
   前記検出部で検出された電波信号のレベルに基づいて、複数の前記広帯域アンテナのうちいずれかを選択する選択部と、
   前記選択部によって選択された前記広帯域アンテナによって無線通信を行う無線部と、
   を備えることを特徴とする無線装置。

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