JP4747648B2

JP4747648B2 - アンテナ装置

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Publication number: JP4747648B2
Application number: JP2005114812A
Authority: JP
Inventors: 裕二木村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-04-12
Filing date: 2005-04-12
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2025-04-12
Also published as: JP2006295630A

Description

本発明は、無線信号の送受信に用いられるアンテナ装置に係り、特に、例えば空間多重を利用した伝送路上で高速なデータ伝送を行なうＭＩＭＯ通信方式において利用されるアンテナ装置に関する。

さらに詳しくは、本発明は、偏波識別度を重要としないで無線通信端末間を接続する通信環境において使用されるアンテナ装置に係り、特に、同一周波数で垂直、水平、右旋、左旋の各偏波を効率よく送信並びに受信できるアンテナ装置に関する。

旧来の有線通信方式における配線から解放するシステムとして、無線ネットワークが注目されている。無線ネットワークに関する標準的な規格として、ＩＥＥＥ（ＴｈｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｓ）８０２．１１などを挙げることができる。

また、ＩＥＥＥ８０２．１１ａの規格では最大で５４Ｍｂｐｓの通信速度を達成する変調方式をサポートしているが、さらなる高ビットレートを実現できる無線規格が求められている。無線通信の高速化を実現する技術の１つとして、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−ＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）通信が注目を集めている。これは、送信機側と受信機側の双方において複数のアンテナ素子を備え、空間多重した伝送路（以下、「ＭＩＭＯチャネル」とも呼ぶ）を実現する通信方式である。すなわち、送信機において複数のアンテナに送信データを分配して送出する。一方、受信機では複数のアンテナにより受信した空間信号に信号処理を行なうことによって、各信号をクロストークなしに取り出すことができる（例えば、特許文献１を参照のこと）。

無線ＬＡＮやＰＡＮ（ＰｅｒｓｏｎａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）を始めとする無線通信では、アンテナを介した情報伝送が行なわれる。５ＧＨｚ帯の広帯域を利用するＭＩＭＯ通信などでは、偏波識別度を重要としないで無線通信端末間を接続する通信環境が想定され、同一周波数で垂直、水平、右旋、左旋の各偏波を効率よく送信並びに受信できるアンテナ構造が求められる。

アンテナは、放射素子と、これに給電する給電線と、放射素子を接地するグランドで構成されるが、中央から給電されるループ・アンテナとして「中央給電ループ・アンテナ」が知られている（例えば、非特許文献１を参照のこと）。その基本構造は、図２３に示すように、密結合された共通平面を有する２つのループを１つに圧縮させ、そのループの対称軸でループに接続された中央線を通して給電される、というものである。

図２４には、中央給電ループ・アンテナの電流モーメントと電流分布の関係を示している。同図からも分かるように、「３−ｗｉｒｅｆｏｌｄｅｄ−ｄｉｐｏｌｅａｎｔｅｎｎａ」として考えることができ、すなわち電気的に小さなアンテナとして扱われる。

図２３に示したように、中央給電ループ・アンテナの構成は、半径Ｒ_bの円形ループ導体と長さが２ｂの中央線を有する形状からなり、導体はすべて完全導体である。この構造を基本アンテナとして用い、種々のアンテナを構成することができる（例えば、非特許文献２を参照のこと）。例えば、図２５に示す３角形双ループ・アンテナが挙げられる。

中央給電ループ・アンテナは、完全導体のみから構成されるので、シンプルな構造であるが、使用用途がＵＨＦ帯であるので、サイズや重量の点で問題となり、また、給電部の構成が複雑になる。

また、電磁結合により給電導体からループ素子に給電して水平偏波と垂直偏波を選択的に送受信し、さらには左旋円偏波と右旋円偏波を選択的に送受信できるループ・アンテナについて提案がなされている（例えば、特許文献２を参照のこと）。

従来の円偏波アンテナとして、クロス・ダイポール・アンテナと呼ばれる２本のダイポール・アンテナを互いに中央で直角に交差させ、各々に９０度の位相差を持たせて給電して円偏波を発生させるアンテナや（図２６を参照のこと）、誘電体セラミックの上面に方形若しくは円形の放射導体を形成し、空間的に直交する２軸の共振モードを利用し、各々２つの給電点に９０度の位相差を持たせて給電して円偏波を発生させる誘電体セラミック・パッチ・アンテナなどが知られている（図２７を参照のこと）。

後者の誘電体セラミック・パッチ・アンテナはＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｅｔｅｍ）を使用したカー・ナビゲーション・システムなどでよく使用されている。その特徴として、比誘電率を高くして小型化できる反面、狭帯域となる。このため、比較的広い帯域を使用する無線ＬＡＮなどのアンテナとしては不向きであると思料される。また、アンテナ構造が複雑で、且つ、構成材料が高価であることから、製造コストや材料コストの面で不利である。

その他、直交する２つの偏波を切り換え又は同時に送受信することができる偏波共用アンテナ（例えば、特許文献３を参照のこと）や、広帯域且つ低姿勢の偏波共用アンテナ（例えば、特許文献４を参照のこと）、放射方向における寸法及び放射方向に直角な面における占有面積が小さく、且つ周波数帯域が広く、左旋円偏波と右旋円偏波とのアイソレーションの大きい円偏波共用アンテナ（例えば、特許文献５を参照のこと）について提案がなされている。

特開２００２−４４０５１号公報特開平１１−２２０３１７号公報特開２００２−７６７６７号公報特開２０００−３１７３２号公報特開２００４−８８１８５号公報Ｔ．Ｔｓｕｊｉｉ，Ｍ．Ｅ．，"Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｅｎｔｅｒ−ｌｉｎｅ−ｄｒｉｖｅｒ−ｌｏｏｐ−ａｎｔｅｎｎａ"（Ｍ．Ｉ．Ｅ．Ｃ．Ｅ．（Ｊａｐａｎ）ＰＲＯＣ．ＩＥＥ，Ｖｏｌ１２１，Ｎｏ．１１，Ｎｏｖ．１９７４，ｐｐ．１３５５−１３５９）築地雄彦著「電波・アンテナ入門」（ｐｐ．１８４−１９０）

本発明の目的は、偏波識別度を重要としないで無線通信端末間を接続する通信環境において使用される優れたアンテナ装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、同一周波数で垂直、水平、右旋、左旋の各偏波を効率よく送信並びに受信できる、優れたアンテナ装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、
略平面状の基板と、
前記基板の表面に形成された、略左右対称となるループ形状の放射素子パターンと、
前記基板の前記放射素子パターンと同一面上に形成された、前記放射素子パターンを該ループの両端で短絡するグランド・プレーンと、
前記放射素子パターンの略中央から該ループの中心に向かって形成された中央給電ラインと、を具備し、
前記グランド・プレーンの前記中央給電ラインの方向の幅を略前記放射素子パターンの前記中央給電ラインの方向の幅と等しくし、
左右対称に９０度ずつ位相差を付けて円偏波を構成するように動作させる
ことを特徴とするアンテナ装置である。

無線通信ではアンテナを介した情報伝送が行なわれるが、５ＧＨｚ帯の広帯域を利用するＭＩＭＯ通信などでは偏波識別度を重要としないで無線通信端末間を接続する通信環境が想定され、同一周波数で垂直、水平、右旋、左旋の各偏波を効率よく送信並びに受信できるアンテナ構造が求められる。

本発明に係るアンテナ装置は、例えば両面基板を用い、基板表面にループ・パターンとグランド・プレーンを印刷するとともに、裏面にマイクロストリップ・ラインを印刷することによって構成される。ここで、放射素子としてのループ・パターンは例えば半円形状であり、パターンの両端でグランド・プレーンに短絡されている。また、ループ・パターンの略中央から該ループの中心に向かって中央給電ラインが形成される。そして、中央給電ラインの略先端には基板の裏面に通じるスルーホールが穿設され、このスルーホールを介して裏面側に印刷されたテーパ状のマイクロストリップ・ラインに接続されている。ループ・パターンの外側の大きさを以って低い周波数帯を共振するように動作し、また、中央給電ラインの長さを以って高い周波数帯を共振するように動作する。

本発明に係るアンテナ装置は、このような平面基板構造で容易に構成することができ、非常にシンプル、低コストで且つスマートなアンテナ装置である。

また、アンテナのグランドを強化するために、基板の裏面に形成されたマイクロストリップ・ラインの両側にもグランド・プレーン領域を設け、複数のスルーホールにより基板表面のグランド・プレーンと共有させた構造としてもよい。

また、ループ・パターンなどが印刷されている基板表面に基板材料若しくは誘電体材料を用いて積層した多層構造にすることによって、アンテナ導体の劣化を防止することができるとともに、波長短縮効果を得て周波数を低域へ調整することができる。

また、本発明に係るアンテナ装置の変形例として、基板の片面にループ・パターン及び給電ラインとグランド・プレーンをすべて実装したコプレーナ構造も考えられる。例えば、中央給電ラインの先端から伝導ラインを形成し、グランド・プレーンはこの伝導ラインの両側に形成する。このような場合、より容易且つ低コストに製作することができるようになる。

本発明によれば、偏波識別度を重要としないで端末間を接続する通信環境において使用される優れたアンテナ装置を提供することができる。

また、本発明によれば、同一周波数で垂直、水平、右旋、左旋の各偏波を効率よく送信並びに受信できる、優れたアンテナ装置を提供することができる。

本発明に係るアンテナ装置は、両面基板の表面に中央給電の左右対称ループ・パターンとグランド・プレーンを印刷し、裏面にテーパ状のマイクロストリップ・ラインを印刷することにより構成される。このようなアライメントにすることにより、広帯域でありながら同一周波数で垂直、水平、右旋、左旋の各偏波を効率よく受信又は送信することができる。

本発明に係るアンテナ装置は、偏波識別度を重要としない無線通信端末間を無線で接続する環境で利用することができる。その構造は、平面基板構造から容易に構成することができ、非常にシンプル、低コストで且つスマートなアンテナ装置を提供することができる。

本発明に係る広帯域円偏波平面アンテナは、製造コストや材料コストが低く、軸比が３ｄＢ以下である帯域が使用周波数に対して１４％得られる。

また、本発明に係る広帯域円偏波平面アンテナは、積層構造にすることによってアンテナ導体の劣化を防止することができ、周波数を低域へ調整することができる。

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。

図１及び図２には、本発明の一実施形態に係るアンテナ装置の表面及び裏面の構造をそれぞれ示している。図示のアンテナ装置は、両面基板の表面にループ・パターン２とグランド・プレーン３を印刷するとともに、裏面にマイクロストリップ・ライン４を印刷することによって構成される。その構造は平面基板構造から容易に構成することができ、非常にシンプル、低コストで且つスマートなアンテナ装置である。また、積層構造にすることによってアンテナ導体の劣化を防止することができ、周波数を低域へ調整することができる。

放射素子となるループ・パターン２は、左右対称な形状であり、典型的には図示の通り円弧を描いている。また、グランド・プレーン３はこのループ・パターン２の両端で放射素子に接続されている。また、ループ・パターン２のほぼ中央からは、中央給電ライン５が円弧の中心に向かって伸びている。また、中央給電ライン５の先端部には、両面基板の裏面につながるスルーホールが穿設されており、裏面側ではこのスルーホールを通じて中央給電ライン５に接続されるテーパ状のマイクロストリップ・ライン４が形成されている。

両面基板１の表面に印刷されたループ・パターン２は、半円を描いた放射素子であり、その内半径ｒ₁は０．７３λ_g、半径ｒ₂は０．７８λ_g、外半径ｒ₃は０．８３λ_g、周囲長は１．２１λ_gである（但し、λ_gは所望信号の波長である）。また、ループ・パターン２のループの両端部分では、Ｇ１＝０．８３λ_gのグランド・プレーン３に短絡されている。ループ・パターン２のほぼ中央で接続された中央給電ライン５の幅Ｗ１は０．０３７λ_gである。

両面基板１の裏面には、５０Ωのマイクロストリップ・ライン幅から表面の給電ライン幅Ｗ１へのテーパ状をなすマイクロストリップ・ライン４が印刷されている。このマイクロストリップ・ライン４の先端には、両面基板表面のアンテナに給電するための内径φが０.０１３８７λのスルーホールを設けられている。

なお、ループ・パターン２の形状は、円弧に必ずしも限定されず、例えば矩形であってもよい。但し、円弧のようにエッジのない形状を用いることで、エッジからの放射を少なくすることができる。

また、アンテナのグランドを強化するために、図３及び図４に示すように裏面のマイクロストリップ・ライン４の両側にグランド・プレーン領域３’及び３”を設け、複数のスルーホールにより両面基板１の表面側のグランド・プレーン３と基準電位を共有させた構造としてもよい。

なお、アンテナの先端をグランドに短絡させた形状自体は当業界において周知である（例えば、非特許文献２を参照のこと）。

本実施形態に係るアンテナ装置は、例えば５ＧＨｚ帯で使用する無線通信端末を無線でつなぐ環境用のアンテナである。図５及び図６には、図３及び図４に示したアンテナ装置を５ＧＨｚ帯で使用する場合における、そのアンテナ・パターンの構成を詳細に示している（同図中に記載のサイズの単位はミリ・メートルである）。

両面基板１の裏面は、表面のグランド・プレーン３領域を利用した、長さ２２．５［ｍｍ］で幅１．９〜１．０［ｍｍ］へ細くなるテーパ状のマイクロストリップ・ライン４がある。その先端には、表面のアンテナに接続するための内径φが０．８［ｍｍ］のスルーホールがある。

両面基板１の表面には、幅が１［ｍｍ］、長さ１９．５［ｍｍ］ある中央給電ライン５があり、そのライン端には左右対称に内径１９．５［ｍｍ］、外径２２．５［ｍｍ］をなす円弧状の先端がグランド・プレーン３に短絡したループ素子２がある。これは、左右対称に９０度ずつ位相差を付けることができ、容易に円偏波を構成するように動作させている。また、アンテナの外側の大きさを以って低い周波数帯を共振するように動作させるとともに、アンテナ・パターンの内側にあるスリット状の中央給電ライン５の長さを以って高い周波数を共振するように動作させている。

両面基板１には、例えばＦＲ−４を使用し、そのサイズは４５×４５×１［ｍｍ］＝縦×横×厚さ、導体厚０．０３５［ｍｍ］である。

続いて、本実施形態に係るアンテナ装置の入力特性、利得、指向性について検討してみる。

図７〜図９には、図５及び図６に示したアンテナ装置の入力特性としてｒｅｔｕｒｎｌｏｓｓ（反射減衰量）［ｄＢ］の理論値、実測値、並びに理論値と実測値の比較をそれぞれ示している。いずれの場合も、５．２ＧＨｚ近辺の周波数帯域において−１０ｄＢ以下の入力特性を満足しており、目的に適った周波数帯域において共振を得ることができ、放射効率を上げていることが分かる。

また、図１０〜図１２には、図５及び図６に示したアンテナ装置の入力特性としてＶＳＷＲ（ＶｏｌｔａｇｅＳｔａｎｄｉｎｇＷａｖｅＲａｔｉｏ：電圧定在波比）の理論値、実測値、理論値と実測値の比較をそれぞれ示している。いずれの場合も、５．２ＧＨｚ近辺の周波数帯域においてＶＳＷＲが２．０以下を満足しており、目的に適った周波数帯域において共振を得ることができ、放射効率を上げていることが分かる。

また、図５及び図６に示した平面基板構造のアンテナ装置の変形例として、図１３に示すように同じ基板材料若しくは誘電体材料を用いて多層構造にすることも考えられる。この場合、空気の部分を誘電体で埋めることにより波長短縮効果を得ることができる。図１４には、ループ・パターン２が形成されている両面基板１の表面上に厚さ１ｍｍの誘電体を積層した場合におけるアンテナ入力特性としてｒｅｔｕｒｎｌｏｓｓを示している。同図からも−１０ｄＢを得る周波数領域が低周波数帯へ移動しており、波長短縮効果を確認することができる。また、この場合のＶＳＷＲ２．０以下を得る周波数領域も、図中の符号Ａで示す５．０〜７．０ＧＨｚから符号Ｂで示す４．５〜６．４ＧＨｚ帯へと移動しており、波長短縮効果が得られることが確認できる。すなわち、アンテナ装置を積層構造にすることによって、アンテナ導体の劣化を防止することができ、周波数を低域へ調整することができる。

また、図１５〜図１６には、図５及び図６に示したアンテナ装置の直線偏波での指向特性の理論値と実測値をそれぞれ示している。但し、図１７に示した座標系の設定に従うものとする。各図から、垂直な偏波面では指向性がないが、水平な偏波面では指向性があることが確認される。

また、図１８〜図１９には、図５及び図６に示したアンテナ装置の右旋及び左旋の円偏波での指向特性の理論値と実測値をそれぞれ示している。そして、図２０〜図２１には、当該アンテナ装置の円偏波の軸比と周波数特性を示している。軸比の測定には、送信側に直線偏波を放射するアンテナと、受信側に円偏波を放射するアンテナを用いて行なう。具体的には、被測定アンテナの向きをピーク方向に固定し、送信アンテナの軸回転を１８０度以上回転することで、偏波楕円の長軸と短軸のレベル比を受信振幅レベルとして測定することができ、測定値の最大値と最小値の比をデシベル表記で示したものを軸比として記録する。

図１及び図２に示したアンテナ装置は両面基板を用い、その表面に放射素子としてのループ・パターン及び給電ラインとグランド・プレーンを形成するとともに、裏面側にマイクロストリップ・ラインを形成することにより構成されている。この変形例として片面基板上にこれらのパターンをすべて形成したコプレーナ構造とすることも考えられる。

図２２には、コプレーナ構造とした本発明の実施形態を示している。基板の上面には、左右対称な半円状からなるループ・パターンが放射素子として印刷されている。グランド・プレーンは、このループ・パターンの両端で放射素子をグランドに短絡している。ループ・パターンのほぼ中央からは、中央給電ラインが円弧の中心に向かって伸びている。そして、中央給電ラインの先端からは、同軸ケーブルと等価な動作をする伝導ラインが形成されている。グランド・プレーンをなすパターンは、この伝導ラインを通すために、中央で切断されている。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

図１は、本発明の一実施形態に係る平面基板構造のアンテナ装置の表面を示した図である。図２は、図１に示したアンテナ装置の裏面を示した図である。図３は、基板の裏面側にグランド・プレーン領域を設けてアンテナのグランド構造を強化したアンテナ装置の表面構造を示した図である。図４は、図３に示したアンテナ装置の裏面を示した図である。図５は、５ＧＨｚ帯で使用するように構成されたアンテナ装置の表面構造を示した図である。図６は、図５に示したアンテナ装置の裏面を示した図である。図７は、図５及び図６に示したアンテナ装置の入力特性としてｒｅｔｕｒｎｌｏｓｓ（反射減衰量）の理論値を示した図である。図８は、図５及び図６に示したアンテナ装置の入力特性としてｒｅｔｕｒｎｌｏｓｓ（反射減衰量）の実測値を示した図である。図９は、図５及び図６に示したアンテナ装置の入力特性としてｒｅｔｕｒｎｌｏｓｓ（反射減衰量）の理論値と実測値の比較を示した図である。図１０は、図５及び図６に示したアンテナ装置の入力特性としてＶＳＷＲＶＳＷＲ（電圧定在波比）の理論値を示した図である。図１１は、図５及び図６に示したアンテナ装置の入力特性としてＶＳＷＲＶＳＷＲ（電圧定在波比）の実測値を示した図である。図１２は、図５及び図６に示したアンテナ装置の入力特性としてＶＳＷＲＶＳＷＲ（電圧定在波比）の理論値と実測値の比較を示した図である。図１３は、同じ基板材料若しくは誘電体材料を用いて多層構造にしたアンテナ装置の構成例を示した図である。図１４は、図１３に示したアンテナ装置の入力特性としてｒｅｔｕｒｎｌｏｓｓを示した図である。図１５は、図５及び図６に示したアンテナ装置の直線偏波での指向特性の理論値を示した図である。図１６は、図５及び図６に示したアンテナ装置の直線偏波での指向特性の実測値を示した図である。図１７は、アンテナ装置の直線偏波での指向特性を示すための座標系を示した図である。図１８は、図５及び図６に示したアンテナ装置の右旋及び左旋の円偏波での指向特性の理論値を示した図である。図１９は、図５及び図６に示したアンテナ装置の右旋及び左旋の円偏波での指向特性の実測値を示した図である。図２０は、図５及び図６に示したアンテナ装置の円偏波の軸比と周波数特性を示した図である。図２１は、図５及び図６に示したアンテナ装置の円偏波の軸比と周波数特性を示した図である。図２２は、コプレーナ構造としたアンテナ装置の構成例を示した図である。図２３は、中央給電ループ・アンテナの構成例を示した図である。図２４は、中央給電ループ・アンテナの電流モーメントと電流分布の関係を示した図である。図２５は、３角形双ループ・アンテナの構成例を示した図である。図２６は、クロス・ダイポール・アンテナと呼ばれる２本のダイポール・アンテナを互いに中央で直角に交差させ、各々に９０度の位相差を持たせて給電して円偏波を発生させるアンテナの構成例を示した図である。図２７は、誘電体セラミック・パッチ・アンテナの構成例を示した図である。

符号の説明

１…両面基板
２…ループ・パターン
３…グランド・プレーン
４…マイクロストリップ・ライン
５…中央給電ライン

Claims

略平面状の基板と、
前記基板の表面に形成された、略左右対称となるループ形状の放射素子パターンと、
前記基板の前記放射素子パターンと同一面上に形成された、前記放射素子パターンを該ループの両端で短絡するグランド・プレーンと、
前記放射素子パターンの略中央から該ループの中心に向かって形成された中央給電ラインと、を具備し、
前記グランド・プレーンの前記中央給電ラインの方向の幅を略前記放射素子パターンの前記中央給電ラインの方向の幅と等しくし、
左右対称に９０度ずつ位相差を付けて円偏波を構成するように動作させる
ことを特徴とするアンテナ装置。
前記中央給電ラインの略先端には前記基板の裏面に通じるスルーホールが穿設され、前記基板の裏面には前記スルーホールを介して前記表面のアンテナに給電するためのテーパ状のマイクロストリップ・ラインが形成される、
ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
前記基板の裏面では、前記マイクロストリップ・ラインの両側に、前記基板の表面側のグランド・プレーンと共有されるグランド・プレーン領域が形成される、
ことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
前記放射素子パターンの外側の大きさを以って低い周波数帯を共振するように動作し、
前記中央給電ラインの長さを以って高い周波数帯を共振するように動作する、
ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
前記放射素子が形成されている前記基板の表面にさらに誘電体層が積層された多層構造をなす、
ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
前記基板の片面上で、前記中央給電ラインの先端から伝導ラインが形成され、
前記グランド・プレーンは前記伝導ラインの両側に形成される、
ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。