JP5112204B2 - アンテナエレメント間の相互結合を抑制可能なアンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明はアンテナ装置に関し、特に、アンテナエレメント間の相互結合を抑制可能なアンテナ装置に関する。

近来、マルチバンド化や種々の用途に用いられるために、携帯端末や無線ネットワーク装置内等で複数のアンテナが用いられている。限られたスペースに複数のアンテナが収容されると、アンテナエレメント間に相互結合が生じ、アンテナ利得の低下や指向性の乱れが生じ得る。

このような相互結合を防止するために、従来から種々の相互結合量の抑制手法が考えられてきた。例えば、個々のパッチアンテナエレメントを金属壁で覆う手法、パッチアンテナエレメント間にスロット（凹状溝等）を設ける手法等が存在する。

また、モノポールアンテナにおいて、地板が有限の場合、地板表面に流れる電流が地板端部で回折する影響により地板表面に電磁波の放射が生じ、これがアンテナ利得の低下や指向性の乱れを生じ得るという問題もあった。これを解決するものとして、例えば特許文献１には、地板表面にＥＢＧ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂａｎｄ Ｇａｐ）素子を等間隔に配置して、地板表面の電磁波の伝搬を抑制したものが開示されている。

特開２００３−３０４１１３号公報

従来のアンテナエレメント間の相互結合量の抑制については、金属壁の高さやスロットの高さの分、装置が大きくなってしまうという問題があった。また、パッチアンテナエレメントの放射指向性は、パッチアンテナエレメント上面側に向いているものであり、複数のパッチアンテナエレメントの相互結合は主に地板表面を介して生じるものであった。そこで、ＥＢＧ素子を用いて地板表面の電磁波の伝搬を抑制することにより、このようなパッチアンテナエレメント間の相互結合を抑制することはある程度可能であった。

しかしながら、モノポールアンテナエレメントの場合、放射指向性はアンテナの垂直方向だけでなく水平方向にも向いているため、複数のモノポールアンテナエレメントを用いた場合には、地板表面を介した相互結合は抑制できたとしても、アンテナエレメント自体の間の相互結合を十分に抑制できていなかった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、アンテナエレメント間の相互結合を十分に抑制可能なアンテナ装置を提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による２以上のアンテナエレメント間の相互結合を抑制可能なアンテナ装置は、有限地板に平行な放射部を有し、有限地板上に１／２波長分間隔を置いて夫々平行且つ同一方向に配置される一対のアンテナエレメントと、有限地板上且つ一対のアンテナエレメント間に配置される複数のＥＢＧ素子であって、該複数のＥＢＧ素子は、一対のアンテナエレメントのターゲット周波数がバンドギャップ内に包含されるように設計され、一対のアンテナエレメントの放射部の長手方向に３行且つ短辺方向に２列のマトリックス状に配置される、複数のＥＢＧ素子と、を具備するものである。

ここで、一対のアンテナエレメントの各給電点は、２行目に配置されるＥＢＧ素子の中心点間を結ぶ線の延長線である中心線上から放射部側にＥＢＧ素子の１／２配置周期分ずらした位置上から、中心線上から放射部と反対側にＥＢＧ素子の１／４配置周期分ずらした位置上の範囲内に配置されれば良い。

また、一対のアンテナエレメントの各給電点は、中心線上、又は中心線上から放射部側にＥＢＧ素子の１／２配置周期分ずらした位置上、又は中心線上から放射部と反対側にＥＢＧ素子の１／４配置周期分ずらした位置上の何れかに配置されれば良い。

また、一対のアンテナエレメントは、逆Ｆアンテナエレメント、又は逆Ｌアンテナエレメントであれば良い。

さらに、ＥＢＧ素子は、正方形のパッチ素子であれば良い。

本発明のアンテナ装置には、アンテナエレメント間の相互結合を抑制可能であるという利点がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明のアンテナ装置の構成を説明するための図であり、図１（ａ）はその上面図を、図１（ｂ）はその正面図を、図１（ｃ）はその側面図を表している。図示の通り、本発明のアンテナ装置は、有限地板１上に配置された、一対のアンテナエレメント１１，１２とＥＢＧ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂａｎｄ Ｇａｐ）構造２０とから構成されている。

一対のアンテナエレメント１１，１２の例として、有限地板１に平行な放射部を有している逆Ｆアンテナエレメントが図示されている。また一対のアンテナエレメント１１，１２は、有限地板１上に１／２波長分間隔を置いてそれぞれ平行且つ同一方向に配置されている。即ち、各アンテナエレメントの放射部が同一方向を向いており、その放射部間の距離がアンテナエレメントのターゲット周波数の波長の１／２となるように配置されている。

アンテナエレメントのターゲット周波数が、例えば２ＧＨｚ帯となるように設計された逆Ｆアンテナエレメントは、例えば以下のような寸法である。即ち、直径１ｍｍの銅線により構成され、有限地板に平行な放射部の長さが３８ｍｍ、垂直方向の高さ（給電線の長さ）が６ｍｍ、給電点から短絡点までの距離が５ｍｍである。

なお、図示例のアンテナエレメントとして、逆Ｆアンテナエレメントを示したが、本発明のアンテナエレメントはこれに限定されず、有限地板に平行な放射部を有するアンテナ構造であれば、例えば逆Ｌアンテナエレメント等、種々のアンテナエレメントを適用可能である。また、図示例の逆Ｆアンテナエレメントでは、放射部の端部から有限地板側に延びる線を給電線とし、放射部の途中から有限地板側に延びる線を短絡線として示したが、本発明はこれに限定されず、給電線と短絡線を逆に配置しても勿論構わない。

次に、ＥＢＧ構造２０について説明する。ＥＢＧ構造２０は、６つのＥＢＧ素子２１−２６から構成されており、これらが一対のアンテナエレメント１１，１２間に配置されている。複数のＥＢＧ素子２１−２６は、一対のアンテナエレメント１１，１２のターゲット周波数がバンドギャップ内に包含されるように設計されるものである。また、複数のＥＢＧ素子２１−２６は、図示のように、一対のアンテナエレメント１１，１２の放射部の長手方向に３行且つ短辺方向に２列のマトリックス状に配置されるものである。

図１に示されるように、個々のＥＢＧ素子（単位セル）は、誘電体や金属で形成された正方形パッチ素子２８と短絡ピン２９によって構成されるマッシュルーム型構造を有している。このような個々のＥＢＧ素子を３行×２列のマトリックス状となるように複数周期的に配置することで、ＥＢＧ構造２０が構成されている。

ＥＢＧ構造は、左手系と右手系のバンドギャップの範囲内の電磁波に対して、電磁波の抑制効果がある。したがって、アンテナエレメントのターゲット周波数が例えば２ＧＨｚ帯の場合、この帯域がバンドギャップ内に包含されるようにＥＢＧ構造を設計すれば良い。なお、本発明のアンテナ装置においては、ＥＢＧ構造の単位セル当たりの位相進みをπ／２で設計し、２セル配置（２列）とする。このように設計されたＥＢＧ構造は、例えば以下のような寸法である。即ち、各ＥＢＧ素子の正方形パッチ素子の一辺の長さが３０ｍｍ、短絡ピンの高さが４ｍｍ、短絡ピンの直径が２ｍｍ、正方形パッチ素子間のギャップが２ｍｍ、各ＥＢＧ素子の配置周期が３２ｍｍである。

なお、本発明のアンテナ装置において、ＥＢＧ素子については、上述の図示例のようにパッチ素子が正方形であるものには限定されず、ＥＢＧ素子である限り、六角形等、他の形状のものであっても構わない。

本発明のアンテナ装置では、上述のような構成とすることで、アンテナエレメント間の相互結合を大幅に低減することが可能となる。図２は、本発明のアンテナ装置のインピーダンス特性を表すグラフである。図中、黒色の実線が本発明のアンテナ装置のインピーダンス特性を表しており、他のグレー線については、比較例としてのＥＢＧ構造が５行×２列、２行×２列、１行×２列の場合のインピーダンス特性を表している。なお、測定条件としては、上述の通り、各ＥＢＧ素子の正方形パッチ素子の一辺の長さが３０ｍｍ、短絡ピンの高さが４ｍｍ、短絡ピンの直径が２ｍｍ、正方形パッチ素子間のギャップが２ｍｍ、各ＥＢＧ素子の配置周期が３２ｍｍのものを用いた。図示の通り、リターンロスＳ１１に関しては特性の大幅な違いはないが、相互結合量Ｓ２１については、本発明のものと他の比較例とでは大きく異なる特性が表れている。即ち、他の例では相互結合量の低下のピークが表れないが、本発明のものでは、大幅な低下のピークが表れる帯域が存在することが分かる。これは、ＥＢＧ構造の単位セル当たりの位相進みをπ／２で設計し、２セル配置とすることで位相進みがπとなり、位相反転が起こることで空間を介する電磁波の結合が相殺されたためと考えられる。

但し、図２の特性では、リターンロスＳ１１と相互結合量Ｓ２１の低下のピークの帯域がずれているため、次に、最適な特性が得られるよう調整したものについて説明する。図３は、本発明のアンテナ装置のパッチ素子の長さとパッチ素子間のギャップを変化させた場合のインピーダンス特性を表すグラフである。測定条件としては、上述の通り、各ＥＢＧ素子の短絡ピンの高さが４ｍｍ、短絡ピンの直径が２ｍｍ、各ＥＢＧ素子の配置周期が３２ｍｍのものを用いた。そして、正方形パッチ素子の一辺の長さＷを３０ｍｍ、２９．５ｍｍ、２９ｍｍ、そのときの各ギャップＧをそれぞれ２ｍｍ、２．５ｍｍ、３ｍｍと変化させたときのインピーダンス特性である。図示の通り、正方形パッチ素子の一辺の長さＷを２９．５ｍｍ、ギャップＧを２．５ｍｍとしたときに、リターンロスＳ１１と相互結合量Ｓ２１の低下のピークの帯域が概ね一致し、２ＧＨｚ帯において相互結合量を低下させることが可能となった。なお、このときの相互結合量は、−４８ｄＢまで低下していた。このように、本発明のアンテナ装置では、パッチ素子の大きさやギャップを調整することにより、所望の特性となるように構成することが可能である。これにより、アンテナエレメント間の相互結合が大幅に低減可能となる。

次に、図４を用いて、本発明のアンテナ装置の放射特性について説明する。図４は、本発明のアンテナ装置の放射特性を説明するためのグラフであり、図４（ａ）が本発明のアンテナ装置のもの、図４（ｂ）が比較例としてＥＢＧ構造を設けない場合のアンテナ装置のものである。なお、この放射特性は、図１（ａ）のアンテナエレメント１１を給電し、アンテナエレメント１２は５０Ω（特性インピーダンス）で終端した場合の結果である。図示の通り、ｚ−ｘ平面では、ＥＢＧ構造を設けていないものと比べて、本発明のアンテナ装置は給電したアンテナエレメント側に約４５度方向に強い指向性を持った放射特性となることがわかる。

また、図５を用いて、本発明のアンテナ装置の有限地板の大きさについて説明する。図５は、本発明のアンテナ装置の、有限地板の１辺の長さに対する相互結合量の変化を表すグラフである。なお、有限地板は正方形とした。図示の通り、有限地板の１辺の長さが１５０ｍｍよりも小さくなると、急激に結合抑制効果が弱くなることが分かる。これは、ＥＢＧ構造の単位セル当たりの位相進みをπ／２で設計し、２セル配置とすることで位相反転が起こり、空間を介する電磁波の結合が相殺されるような構成としていたものが、有限地板を小型化していくと単位セル当たりの位相進みが異なってしまったために起きたものと考えられる。また、地板が大きいときには、地板上に流れる電流がアンテナエレメントの給電部から広く分散していたが、地板が小さくなると、ＥＢＧ構造を迂回して流れる電流密度が高くなってしまったものと考えられる。

次に、本発明のアンテナ装置のアンテナエレメントとＥＢＧ構造との位置関係について説明する。図６は、本発明のアンテナ装置のアンテナエレメントとＥＢＧ素子の位置関係を説明するための概略図である。一対のアンテナエレメントの各給電点を、２行目に配置されるＥＢＧ素子２２，２５の中心点間を結ぶ線の延長線である中心線上から±１Ｔ（但し、ＴはＥＢＧ素子の配置周期）の範囲で、１／４Ｔ間隔で変化させたときのインピーダンス特性を検討した。このときの測定結果が図７及び図８である。なお、アンテナエレメントやＥＢＧ構造の寸法等は上述の例と同様である。図７は＋ｙ軸方向にアンテナエレメントの給電点の配置位置をずらした場合のインピーダンス特性を表すグラフであり、図８は−ｙ軸方向にアンテナエレメントの給電点の配置位置をずらした場合のインピーダンス特性を表すグラフである。

これらの図から分かるように、２行目に配置されるＥＢＧ素子２２，２５の中心点間を結ぶ線の延長線である中心線上から放射部側にＥＢＧ素子の１／２配置周期分ずらした位置上から、前記中心線上から放射部と反対側にＥＢＧ素子の１／４配置周期分ずらした位置上の範囲内に配置されたときに、相互結合量Ｓ２１の低下のピークが表れることが分かる。即ち、中心線を基準に−１／４Ｔから＋１／２Ｔの間でアンテナエレメント１１，１２の各給電点をＥＢＧ素子に対して配置することが可能であることが分かる。特に、２行目に配置されるＥＢＧ素子２２，２５の中心点間を結ぶ線の延長線である中心線上（０Ｔ）、中心線上から放射部側にＥＢＧ素子の１／２配置周期分ずらした位置上（＋１／２Ｔ）、中心線上から放射部と反対側にＥＢＧ素子の１／４配置周期分ずらした位置上（−１／４Ｔ）の場合に所望の特性が得られることが分かる。

なお、リターンロスＳ１１と相互結合量Ｓ２１の低下のピークの帯域を一致させるためには、上述のように、例えばパッチ素子の大きさやギャップを調整すれば良い。

このように、本発明のアンテナ装置によれば、地板表面を伝搬する電磁波を抑制するだけでなく、アンテナエレメント自体の間の相互結合を抑制可能となる。

なお、本発明のアンテナエレメント間の相互結合を抑制可能なアンテナ装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。また、上述の説明で用いた寸法等については、あくまでも単なる一例であり、ターゲット周波数や用途に応じて種々変更を加え得ることは勿論である。

図１は、本発明のアンテナ装置の構成を説明するための図であり、図１（ａ）はその上面図を、図１（ｂ）はその正面図を、図１（ｃ）はその側面図を表している。 図２は、本発明のアンテナ装置のインピーダンス特性を表すグラフである。 図３は、本発明のアンテナ装置のパッチ素子の長さとパッチ素子間のギャップを変化させた場合のインピーダンス特性を表すグラフである。 図４は、本発明のアンテナ装置の放射特性を説明するためのグラフである。 図５は、本発明のアンテナ装置の、有限地板の１辺の長さに対する相互結合量の変化を表すグラフである。 図６は、本発明のアンテナ装置のアンテナエレメントとＥＢＧ素子の位置関係を説明するための概略図である。 図７は、＋ｙ軸方向にＥＢＧ構造の配置位置をずらした場合のインピーダンス特性を表すグラフである。 図８は、−ｙ軸方向にＥＢＧ構造の配置位置をずらした場合のインピーダンス特性を表すグラフである。

符号の説明

１ 有限地板
１１，１２ アンテナエレメント
２０ ＥＢＧ構造
２１−２６ ＥＢＧ素子
２８ 正方形パッチ素子
２９ 短絡ピン

Claims (4)

1. ２以上のアンテナエレメント間の相互結合を抑制可能なアンテナ装置であって、該アンテナ装置は、
   有限地板に平行な放射部を有し、有限地板上に１／２波長分間隔を置いて夫々平行且つ同一方向に配置される、逆Ｆアンテナエレメント、又は逆Ｌアンテナエレメントからなる一対のアンテナエレメントと、
   有限地板上且つ前記一対のアンテナエレメント間に配置される複数のＥＢＧ素子であって、該複数のＥＢＧ素子は、前記一対のアンテナエレメントのターゲット周波数がバンドギャップ内に包含されるように設計され、前記一対のアンテナエレメントの放射部の長手方向に３行且つ短辺方向に２列のマトリックス状に配置される、複数のＥＢＧ素子と、
   を具備することを特徴とするアンテナ装置
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、前記一対のアンテナエレメントの各給電点は、２行目に配置されるＥＢＧ素子の中心点間を結ぶ線の延長線である中心線上から放射部側にＥＢＧ素子の１／２配置周期分ずらした位置上から、前記中心線上から放射部と反対側にＥＢＧ素子の１／４配置周期分ずらした位置上の範囲内に配置されることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項２に記載のアンテナ装置において、前記一対のアンテナエレメントの各給電点は、前記中心線上、又は中心線上から放射部側にＥＢＧ素子の１／２配置周期分ずらした位置上、又は中心線上から放射部と反対側にＥＢＧ素子の１／４配置周期分ずらした位置上の何れかに配置されることを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載のアンテナ装置において、前記ＥＢＧ素子は、正方形のパッチ素子を具備することを特徴とするアンテナ装置。