JP4957980B2 - アンテナ装置及び通信装置 - Google Patents
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Description
特許文献1には、この種の通信装置用のアンテナの一例についての記載がある。特許文献1に記載のものは、複数のアンテナ素子を配置して、いわゆるダイバーシティ効果を持たせるようにしたものである。
また本発明は、良好なダイバーシティ特性を持ったアンテナ装置を提供することを目的とする。
そして、第1のアンテナ素子と分岐回路を接続する伝送線路と、第2のアンテナ素子と前記分岐回路を接続する伝送線路との長さを変えて一方の伝送線路で遅延処理を行う。
1.第1の実施の形態
1.1 アンテナ装置の構成(図1)
1.2 アンテナ素子の配置例(例1:図2)
1.3 アンテナ素子の配置例(例2:図3)
1.4 特性例(図4)
1.5 例2のアンテナの配置例(図5,図6)
1.6 例2のアンテナの別の配置例(図7,図8)
1.7 図7の構成の特性例(図9,図10,図11)
2.第2の実施の形態
2.1 アンテナ装置の構成(図12,図13)
2.2 特性例(図14,図15,図16)
3.第3の実施の形態
3.1 アンテナ装置の構成(図17,図18)
3.2 特性例(図19)
4.変形例
以下、本発明の第1の実施の形態の例を、図1〜図4を参照して説明する。
図1は、本実施の形態のアンテナ装置を備えた通信装置の構成例を示した図である。
図1に示したアンテナ装置の構成の概要を説明すると、第1アンテナ素子11と、第2アンテナ素子12と、第1アンテナ素子11と第2アンテナ素子12とがそれぞれ別の伝送線路15,16を介して接続される分配回路13とを有する。そして、第1アンテナ素子11と分配回路13を接続する伝送線路15と、第2アンテナ素子12と分配回路13を接続する伝送線路16との長さを変えて一方の伝送線路で遅延処理を行うようにした。このような遅延処理を行うことで、第1及び第2アンテナ素子11,12の入力インピーダンス及び/又は位相を調整して、第1及び第2アンテナ素子11,12単独でのアンテナ特性よりも広帯域な特性となるようにした。
通信装置10は、例えば数百MHzから数GHzの周波数帯域で無線通信を行う無線通信装置であり、その通信装置10に取り付けられたアンテナ装置として、第1アンテナ素子11と第2アンテナ素子12とを備える。
本実施の形態の場合には、それぞれのアンテナ素子11,12は、いわゆる逆F型モノポールアンテナとして構成してあり、それぞれのアンテナ素子11,12は同じ長さの素子としてある。2つのアンテナ素子11,12の配置例の詳細については後述するが、ここでは棒状の2つのアンテナ素子11,12が所定の間隔をあけて、ほぼ直線状に並ぶように配置してある。なお、図1の例では、2つのアンテナ素子11,12は直線状に配置してあるが、2つのアンテナ素子11,12を、ある程度の角度を持って配置させてもよい。
ここで、2つの伝送線路15,16の内で、一方の伝送線路16については、他方の伝送線路15よりも長さを長くして、遅延線路として機能するようにしてある。例えば、2GHz帯の送受信用アンテナとして構成させた場合に、伝送線路15の長さL1を100mmとし、遅延線路として機能する伝送線路16の長さL2を160mmとする。この長さL1,L2の値は一例である。
図2は、アンテナ素子11,12の配置例を示したものである。
図2に示すように、それぞれが逆F型モノポールアンテナとして構成されたアンテナ素子11,12は、接地電位部であるGND面17の表面に、その表面からわずかな距離を離して、直線状に並ぶように配置してある。
そして、第1アンテナ素子11の給電点11aを、伝送線路15に接続してある。給電点11aは、接続導体11bを介してGND面17と接続させてある。
また、第2アンテナ素子12の給電点12aを、伝送線路16に接続してある。給電点12aは、接続導体12bを介してGND面17と接続させてある。
この図2の例の場合には、第1アンテナ素子11の給電点11aと、第2アンテナ素子12の給電点12aとを近接させてある。
図3は、アンテナ素子11′,12′の別の配置例を示したものである。
この図3の例の場合にも、2つのアンテナ素子11′,12′は直線上に配置してある。そして、その2つのアンテナ素子11′,12′の配置関係を図2の例とは逆にしたものである。
即ち、図3に示すように、それぞれが逆F型モノポールアンテナとして構成されたアンテナ素子11′,12′は、第1アンテナ素子11′の給電点11aと、第2アンテナ素子12′の給電点12aとを離して配置してある。そして、第1アンテナ素子11′の先端と第2アンテナ素子12′の先端とを近接させてある。
この図3の例の場合にも、2つのアンテナ素子11′,12′は直線状に配置してあるが、2つのアンテナ素子11′,12′を、ある程度の角度を持って配置させてもよい。
アンテナ装置を構成する場合、図2に示す配置と、図3に示す配置のいずれを適用してもよい。また、後述する第2,第3の実施の形態でもアンテナ素子の配置は説明しないが、この図2又は図3の構成が適用可能である。
図4は、本実施の形態のアンテナ素子の周波数特性例を示したものであり、横軸が周波数で2GHz帯を示してあり、縦軸がリターンロスを示す。
図4において、破線で示す特性S1は、第1アンテナ素子11単独で使用したアンテナ装置の場合の周波数特性である。実線で示す特性S2は、図1に示した本実施の形態の構成のアンテナ装置の場合の周波数特性である。
この図4で例えば−10dB以上のリターンロスが得られる周波数範囲がアンテナ装置として使用できる範囲であるとした場合、1本のアンテナ素子を単独で使用したアンテナ装置の特性S1の場合には、送受信できる帯域幅が約144MHzである。これに対して、図1の構成のアンテナ装置の特性S2の場合には、送受信できる帯域幅が約483MHzである。
従って、本実施の形態の構成のアンテナ装置によると、アンテナ特性を非常に広帯域化することができる。この広帯域化は、伝送線路15,16の内の一方の伝送線路16を長くした遅延線路として構成したことによるものである。即ち、遅延線路を有することで、それぞれのアンテナ素子11,12の入力インピーダンス又は位相が調整され、総合的な特性S2を、1本のアンテナ素子だけの特性S1よりも広帯域化することができる。例えば上述したように、一方の伝送線路15を100mmとし、他方の伝送線路16を160mmとして、長さを60mmとし、2GHzの周波数に対して約70°の位相差を設けたことになり、その位相差の信号の合成で広帯域化が図れている。
次に、図3の例のアンテナ装置のより具体的な構成例ついて、図5及び図6を参照して説明する。
図5及び図6に示したアンテナ装置の構成の概要を説明すると、第1アンテナ素子11と、第2アンテナ素子12とを、距離D1だけ離して設置する。距離D1は、各アンテナ素子上の電流分布における絶対値が最大になる箇所を結ぶ距離である。第1アンテナ素子11と第2アンテナ素子12とは、それぞれ別の伝送線路15,16を介して分配回路13に接続する。伝送線路15,16の距離の差を、距離D2とする。そして、mを0以上の整数、nを1以上の整数としたとき、|D1−D2|=m・λ0、ならびに、D1+D2=n・λ0の条件を満足するように構成する。
また、第1アンテナ素子11′と分配回路13を接続する伝送線路15の長さをL1とし、第2アンテナ素子12′と分配回路13を接続する伝送線路16の長さをL2としたとき、L2−L1=D2とする。つまり、伝送線路15と伝送線路16の長さの差を、D2とする。この距離D2は、伝送線路で構成される遅延線の長さに相当する。
このように定義した距離D1,D2を簡易的に図6に示すと、2つのアンテナ素子11,12は、距離D1だけ離れて設置されると共に、伝送線路の長さがD2だけ異なることになる。図6では、アンテナ素子11,12として示してあるが、アンテナ素子11′,12′でも同じである。
図6に示したアンテナ装置の構成について説明すると、このようにD1,D2を定義したとき、以下の式となるようにD1,D2の値を決めて、アンテナ装置を製作するのが好ましい。
|D1−D2|=m・λ0
D1+D2=n・λ0
ここで、mは0以上の整数であり、nは1以上の整数である。λ0はアンテナ装置で送信又は受信を行う中心周波数の波長である。
D1=(1/4+m′)λ0
D2=(1/4+n′)λ0
ここで、m′は0以上の整数であり、n′は0以上の整数である。λ0はアンテナ装置で送信又は受信を行う中心周波数の波長である。
この例の場合には、m′=n′=0が最も望ましい。
この例のように設定した場合には、第1アンテナ素子11から第2アンテナ素子12への結合は同相になり、第2アンテナ素子12から第1アンテナ素子11への結合は逆相になる。従って、第1アンテナ素子11から第2アンテナ素子12へ向かう放射指向性が強くなる。
D1=(3/4+m′)λ0
D2=(1/4+n′)λ0
ここで、m′は0以上の整数であり、n′は0以上の整数である。λ0はアンテナ装置で送信又は受信を行う中心周波数の波長である。
この例の場合には、m′=n′=0が最も望ましい。
この例のように設定した場合には、第1アンテナ素子11から第2アンテナ素子12への結合は逆相になり、第2アンテナ素子12から第1アンテナ素子11への結合は同相になる。従って、第2アンテナ素子12から第1アンテナ素子11へ向かう放射指向性が強くなる。
図7及び図8は、図3に示したアンテナ装置を、接地電位部であるGND面17の端面に配置した例である。図8は図7のアンテナ素子部分を拡大して示した図である。
図7及び図8に示したアンテナ装置の構成の概要を説明すると、第1アンテナ素子11′と、第2アンテナ素子12′とを、所定の距離だけ離して、接地電位部であるGND面17の端辺17aに配置する。各アンテナ素子11′,12′を平行に伸ばす方向と、端辺17aとを平行にする。さらに。各アンテナ素子11′,12′を端辺17aから離す高さ方向を、GND面17の面として広がっている方向と平行とする。第1アンテナ素子11′と第2アンテナ素子12′との設置状態、及びそれぞれのアンテナ素子に接続される伝送線路の構成については、例えば、図5及び図6などで説明した構成が適用される。
図7に示すように、接地電位部であるGND面17は、縦方向の長さV1を約190mmとしてあり、横方向の長さH1を約300mmとしてある。このGND面17のサイズは、例えばノート型パーソナルコンピュータ装置に搭載される基板のサイズを想定している。
図8に拡大して示すように、各アンテナ素子11′,12′を構成する素材は、厚さTaが約0.1mmで、幅Tbが約2mmの線材を使用してある。
さらに、接続導体11b,12bを含んだ各アンテナ素子11′,12′の長さDa(図8)を、約102mmとしてある。このDaは、2つのアンテナ素子11′,12′の先端間の距離を含んだ長さである。
なお、図8ではアンテナ素子11′,12′の内の一方の長さ,高さ、厚さ,幅だけを示してあるが、2つのアンテナ素子11′,12′でこれらの値は同じとしてある。
各アンテナ素子11′,12′に接続される伝送線路と分配回路の構成については、例えば、図5及び図6などで説明した構成が適用される。
次に、図7及び図8の構成のアンテナ装置の放射特性例を、図9,図10,図11に示す。
図9は、スミスチャートで示した特性である。特性S11は、第1アンテナ素子11′だけを配置したアンテナ装置の放射特性であり、特性C11は、図7に示すように2つのアンテナ素子11′,12′を備えた構成の場合の放射特性である。
図10は、リターンロス特性として示したものであり、2GHzを中心として1.3GHzから2.8GHzまでの特性を示している。特性S12は、第1アンテナ素子11′だけを配置したアンテナ装置のリターンロス特性であり、特性C12は、図7に示すように2つのアンテナ素子11′,12′を備えた構成の場合のリターンロス特性である。
図11は、放射効率特性として示したものであり、2GHzを中心として1.3GHzから2.8GHzまでの特性を示している。特性S13は、第1アンテナ素子11′だけを配置したアンテナ装置の放射効率特性であり、特性C13は、図7に示すように2つのアンテナ素子11′,12′を備えた構成の場合の放射効率特性である。
図11の放射効率特性から判るように、2つのアンテナ素子11′,12′を備えた本実施の形態の例の構成の方が、1本のアンテナ素子だけの場合に比べて、放射効率特性が良くなっている。
以下、本発明の第2の実施の形態の例を、図12〜図16を参照して説明する。この図12〜図16において、既に説明した第1の実施の形態に対応する部分には同一符号を付す。
この第2の実施の形態においては、図1に示した分配回路13の代わりに、90°移相器であるハイブリッド回路を接続した例である。
図12は、本実施の形態のアンテナ装置を備えた通信装置の構成例を示した図である。
このアンテナ装置の構成の概要を説明すると、第1アンテナ素子11と、第2アンテナ素子12とを備える。第1アンテナ素子11と第2アンテナ素子12とは、それぞれ別の伝送線路15,16で、90°ハイブリッド回路23に接続してある。第1アンテナ素子11と90°ハイブリッド回路23を接続する伝送線路15と、第2アンテナ素子12と90°ハイブリッド回路23を接続する伝送線路16との長さを変えて一方の伝送線路で遅延処理を行うようにした。90°ハイブリッド回路23は、それぞれのアンテナ素子11,12が接続される2つのポートの入力インピーダンス及び/又は位相を所定状態に設定したものである。
通信装置20は、例えば数百MHzから数GHzの周波数帯域で無線通信を行う無線通信装置であり、その通信装置20に取り付けられたアンテナ装置として、第1アンテナ素子11と第2アンテナ素子12とを備える。各アンテナ素子11,12の配置例については、ここでは第1の実施の形態で図1,図2などで説明した構成をそのまま適用する。
図13は、90°ハイブリッド回路23の構成の一例を示した図である。ここでは、配線基板上の導電体パターン24で90°ハイブリッド回路23を構成させてあり、第1ポート23aと第2ポート23bと第3ポート23cと第4ポート23dを備える。導電体パターン24を配置した基板の横方向の長さL11を約70mmとし、縦方向の長さL12を約68mmとする。
第1〜第4ポート23a〜23dは、四角形状に接続した導電体パターン24で隣接するポートと接続させた構成としてある。例えば、第1ポート23aは伝送線路15を介して第1アンテナ素子11と接続してあり、第2ポート23bは伝送線路16を介して第2アンテナ素子12と接続してある。また、第3ポート23cは給電ポート21と接続してあり、第4ポート23dは給電ポート22と接続してある。
さらに、アンテナ素子として、ある2つの周波数(例えば800MHzと2GHz)で動作するものを用いることにより、当該2つの周波数にて90°位相差を与えて合成すると共に、90°位相差で取り出すことになる。
図14は、90°ハイブリッド回路23の第3ポート23c及び第4ポート23dに得られる信号(即ち給電ポート21,22に得られる信号)の周波数特性例を示したものである。破線の特性S21は、1つの第1アンテナ素子11だけを使用した場合の特性を参考に示したものであり、実線の特性S12が、第3ポート23c及び第4ポート23dに得られる信号である。
この図14に示した特性S12から判るように、複数の周波数帯域で広帯域化が図られていることが判る。図14の例では、例えば800MHz帯と2GHz帯で広帯域化が図られている。
従って、第3ポート23cに得られる信号を、給電ポート21から通信回路に供給して受信される信号と、第4ポート23dに得られる信号を、給電ポート22から通信回路に供給して受信される信号とでは、空間ダイバーシティ効果が得られる。
以下、本発明の第3の実施の形態の例を、図17〜図19を参照して説明する。この図17〜図19において、既に説明した第1,第2の実施の形態に対応する部分には同一符号を付す。
この第3の実施の形態においては、図12に示した90°ハイブリッド回路23の代わりに、180°移相器であるハイブリッド回路を接続した例である。
図17は、本実施の形態のアンテナ装置を備えた通信装置の構成例を示した図である。
このアンテナ装置の構成の概要を説明すると、第1アンテナ素子11と、第2アンテナ素子12とを備える。第1アンテナ素子11と第2アンテナ素子12とは、それぞれ別の伝送線路15,16で、180°ハイブリッド回路33に接続してある。第1アンテナ素子11と180°ハイブリッド回路33を接続する伝送線路15と、第2アンテナ素子12と180°ハイブリッド回路33を接続する伝送線路16との長さを変えて一方の伝送線路で遅延処理を行うようにした。
通信装置30は、例えば数百MHzから数GHzの周波数帯域で無線通信を行う無線通信装置であり、その通信装置30に取り付けられたアンテナ装置として、第1アンテナ素子11と第2アンテナ素子12とを備える。各アンテナ素子11,12の配置例については、ここでは第1の実施の形態で図1,図2などで説明した構成をそのまま適用する。
図18は、180°ハイブリッド回路33の構成の一例を示した図である。ここでは、配線基板上の導電体パターン34で180°ハイブリッド回路33を構成させてあり、第1ポート33aと第2ポート33bと第3ポート33cと第4ポート33dを備える。導電体パターン34を配置した基板の横方向の長さL31を約73mmとし、縦方向の長さL32を約65mmとする。
第1ポート33aは伝送線路15を介して第1アンテナ素子11と接続してあり、第2ポート33bは伝送線路16を介して第2アンテナ素子12と接続してある。また、第3ポート33cは給電ポート31と接続してあり、第4ポート33dは給電ポート32と接続してある。
さらに、アンテナ素子として、ある2つの周波数(例えば800MHzと2GHz)で動作するものを用いることにより、当該2つの周波数にて、180°位相差を与えて合成すると共に、180°位相差で取り出すことになる。
図19は、180°ハイブリッド回路33の第3ポート33c及び第4ポート33dに得られる信号(即ち給電ポート31,32に得られる信号)の周波数特性例を示したものである。破線の特性S31は、1つの第1アンテナ素子11だけを使用した場合の特性を参考に示したものであり、実線の特性S32が、第3ポート33c及び第4ポート33dに得られる信号である。
この図19に示した特性S32から判るように、複数の周波数帯域で広帯域化が図られていることが判る。図19の例では、例えば800MHz帯と2GHz帯で広帯域化が図られている。なお、周波数特性だけを見た場合、図14の90°ハイブリッド回路23と図19の180°ハイブリッド回路33は同じ特性である。
上述した第2及び第3の実施の形態では、伝送線路15,16の内の一方を遅延線路とした上で、90°ハイブリッド回路23又は180°ハイブリッド回路33を接続したが、伝送線路15,16は同じ長さとしてもよい。即ち、90°ハイブリッド回路23や180°ハイブリッド回路33だけの調整で、広帯域化やダイバーシティの効果を得るようにしてもよい。また、第2及び第3の実施の形態では、2つの給電ポートを設けて、ダイバーシティ受信が行える構成としたが、ダイバーシティ受信が不要である場合には、1つの給電ポートを設けるだけでよい。
Claims (11)
- 第1のアンテナ素子と、
第2のアンテナ素子と、
前記第1のアンテナ素子と前記第2のアンテナ素子とがそれぞれ別の伝送線路を介して接続される分岐回路とを有し、
前記第1のアンテナ素子と前記分岐回路を接続する伝送線路と、前記第2のアンテナ素子と前記分岐回路を接続する伝送線路との長さを変えて一方の伝送線路で遅延処理を行うことで、前記第1及び第2のアンテナ素子の入力インピーダンス及び/又は位相を調整して、前記第1及び第2のアンテナ素子単独でのアンテナ特性よりも広帯域な特性となるようにし、
前記第1のアンテナ素子の電流分布における絶対値が最大になる箇所と、前記第2のアンテナ素子の電流分布における絶対値が最大になる箇所との間の距離をアンテナ間距離とし、前記2つの伝送線路の長さの違いにより生じる遅延線の長さを遅延線距離としたとき、
前記アンテナ間距離と前記遅延線距離の差の絶対値は、アンテナ装置で送信又は受信を行う周波数の波長の0以上の整数倍と等しくし、
前記アンテナ間距離と前記遅延線距離を加算した値は、アンテナ装置で送信又は受信を行うほぼ中心周波数の波長の1以上の整数倍と等しくした
アンテナ装置。 - 前記分岐回路として、前記それぞれのアンテナ素子が接続される2つのポートの入力インピーダンス及び/又は位相を所定状態に設定したハイブリッド回路として構成した
請求項1記載のアンテナ装置。 - 前記分岐回路として、通信回路に接続されるポートとして2つのポートを備えたハイブリッド回路として構成し、
前記通信回路に接続される2つのポートに得られる受信信号として、ダイバーシティ特性を有する
請求項1記載のアンテナ装置。 - 前記分岐回路として、前記それぞれのアンテナ素子が接続される2つのポートの入力インピーダンス及び/又は位相を所定状態に設定すると共に、通信回路に接続されるポートとして2つのポートを備えたハイブリッド回路として構成し、
前記通信回路に接続される2つのポートに得られる受信信号として、ダイバーシティ特性を有する
請求項1記載のアンテナ装置。 - 前記ハイブリッド回路は、第1の周波数に対して約90°の位相差を与える
請求項5記載のアンテナ装置。 - 前記ハイブリッド回路は、第1の周波数に対して約180°の位相差を与える
請求項5記載のアンテナ装置。 - 前記ハイブリッド回路は、第1の周波数に対して約90°の位相差を与えると共に、第2の周波数に対しても約90°の位相差を与える
請求項5記載のアンテナ装置。 - 前記ハイブリッド回路は、第1の周波数に対して約180°の位相差を与えると共に、第2の周波数に対しても約180°の位相差を与える
請求項5記載のアンテナ装置。 - 前記第1及び第2のアンテナ素子のインピーダンスが同じ周波数特性を有する
請求項5記載のアンテナ装置。 - 前記第1及び第2のアンテナ素子のインピーダンスが異なる周波数特性を有する
請求項1記載のアンテナ装置。 - アンテナ装置を有する通信装置であって、
前記アンテナ装置として、
第1のアンテナ素子と、
第2のアンテナ素子と、
前記第1のアンテナ素子と前記第2のアンテナ素子とがそれぞれ別の伝送線路を介して接続される分岐回路とを有し、
前記第1のアンテナ素子と前記分岐回路を接続する伝送線路と、前記第2のアンテナ素子と前記分岐回路を接続する伝送線路との長さを変えて一方の伝送線路で遅延処理を行うことで、前記第1及び第2のアンテナ素子の入力インピーダンス及び/又は位相を調整して、前記第1及び第2のアンテナ素子単独でのアンテナ特性よりも広帯域な特性となるようにし、
前記第1のアンテナ素子の電流分布における絶対値が最大になる箇所と、前記第2のアンテナ素子の電流分布における絶対値が最大になる箇所との間の距離をアンテナ間距離とし、前記2つの伝送線路の長さの違いにより生じる遅延線の長さを遅延線距離としたとき、
前記アンテナ間距離と前記遅延線距離の差の絶対値は、アンテナ装置で送信又は受信を行う周波数の波長の0以上の整数倍と等しくし、
前記アンテナ間距離と前記遅延線距離を加算した値は、アンテナ装置で送信又は受信を行うほぼ中心周波数の波長の1以上の整数倍と等しくした
通信装置。
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