JP5380462B2 - アレーアンテナ装置及び無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、給電素子間のアイソレーションを十分に確保するとともに、複数の周波数で動作することが可能なアレーアンテナ装置と、それを用いた無線通信装置とに関する。

近年、携帯電話機等の携帯無線通信装置の小型化、薄型化が急速に進んでいる。また、携帯無線通信装置は、従来の電話機として使用されるのみならず、電子メールの送受信やｗｗｗ（ワールドワイドウェブ）によるウェブページの閲覧などを行うデータ端末機に変貌を遂げている。取り扱う情報も従来の音声や文字情報から写真や動画像へと大容量化を遂げており、通信品質のさらなる向上が求められている。このような状況の中、複数のアンテナ素子を備えたアレーアンテナ装置で複数のチャンネルの無線信号を同時に送受信するＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）技術を用いたアンテナ装置が提案されている。

アレーアンテナの結合劣化を改善する技術の１つとして、移相回路を設けた構成が開示されている（特許文献１参照）。特許文献１によると、２つの周波数の電波を送信あるいは受信するアンテナ装置において、異なる共振周波数を有する２つのアンテナ素子の給電点がそれぞれ、位相を変化させる２つの移相回路を介して無線回路と接続されることを特徴とする。このようなアンテナ装置では、アンテナ素子が移相回路を介し給電点に接続されることで隣接する他のアンテナ素子の共振周波数でのインピーダンス特性を高く調整することができる。そのためアンテナ間の影響が取り除かれ、単純な構成で比較的近接した異なる周波数での使用が可能になる。

アレーアンテナの結合劣化を改善する技術の１つとして、各アンテナの電流経路を異なるようにする構成が開示されている（特許文献２参照）。特許文献２においては、長方形形状の導電性の基板と、上記基板上に誘電体を介して設けられた平板状のアンテナとを備えたアンテナ装置が開示されている。このアンテナ装置は、アンテナを所定方向に励振させることにより基板上の一方の対角線方向に電流を流れさせるとともに、アンテナを異なる方向に励振させることにより基板上の他方の対角線方向に電流を流すことを特徴とする。このように、特許文献２のアンテナ装置では、基板上を流れる電流の方向を変えることによって、アンテナ装置の２つのアンテナが電磁的に結合するという問題の発生を防止できる。

特開２００１−２６７８４１号公報。 国際公開ＷＯ２００２／０３９５４４。

S. Ranvier et al., "Mutual Coupling Reduction For Patch Antenna Array", Proceedings of EuCAP 2006, Nice in France, ESA SP-626, October 2006.

しかしながら、上述の特許文献１に開示された方式によると、２つの素子の共振周波数が異なり、一方のアンテナ素子において他方のアンテナ素子の共振周波数で使用されたときに高インピーダンスとなる。そのため位相を変化させるため２つの素子を同周波数で同時に駆動させる最大比合成法（ＭＲＣ（Maximum Ratio Combining））やＭＩＭＯアンテナ装置には使用することができない。また特許文献２に開示された方式によると、各アンテナの電流経路を変えることでアンテナが電磁的に結合する問題を抑制することが可能である。しかし、スイッチ切り替えを行うため特許文献１と同様に同時に動作することができないため、ＭＲＣやＭＩＭＯアンテナ装置には使用することができない。

また、携帯電話機のような小型の無線通信装置にアレーアンテナを設ける場合、給電素子間の距離が短くなることを余儀なくされ、そのため、給電素子間のアイソレーションが不十分になるという問題点があった。さらに、例えば複数のアプリケーションに係る通信を行うために、ＭＩＭＯ通信を実行可能であることに加えて、複数の周波数帯で動作することが可能なアンテナ装置を提供することが望ましい。特許文献１及び２には、このようなアンテナ装置は開示されていなかった。

図２９は非特許文献１において開示された従来技術に係るアレーアンテナ装置の平面図である。図２９において、誘電体基板７０上にパッチアンテナ７１，７２が形成され、それぞれマイクロストリップ線路７３，７４を介して給電されている。ここで、矢印７６に示すように、パッチアンテナ７１から空間を伝搬してパッチアンテナ７２に入る高周波信号を打ち消すために、マイクロストリップ線路７５を各給電点前のマイクロストリップ線路７３，７４の間に接続されている。しかしながら、パッチアンテナ７１からパッチアンテナ７２に入る高周波信号を打ち消すために、空間的な結合を逆相とする設計が極めて難しいという問題点があった。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、例えばＭＩＭＯ通信などに使用可能なアレーアンテナ装置であって、簡単な構成でありながら給電素子間のアイソレーションを十分に確保できる複数の周波数帯で動作することが可能なアレーアンテナ装置、及びそのようなアレーアンテナ装置を備えた無線通信装置を提供することにある。

第１の発明に係るアレーアンテナ装置は、
第１の給電点と接続され、第１の周波数で共振する第１のアンテナ素子と、
第２の給電点と接続され、上記第１の周波数で共振する第２のアンテナ素子とを備えたアレーアンテナ装置において、
上記第１のアンテナ素子内の第１の接続点と、上記第２のアンテナ素子内の第３の接続点とを電気的に接続する第１の接続線と、
上記第１のアンテナ素子内の第２の接続点と、上記第２のアンテナ素子内の第４の接続点とを電気的に接続する第２の接続線とを備え、
上記第２の給電点から上記第３の接続点と上記第１の接続線と上記第１の接続点とを介して上記第１の給電点に至る第１の信号経路を伝搬する第１の高周波信号と、上記第２の給電点から上記第４の接続点と上記第２の接続線と上記第２の接続点とを介して上記第１の給電点に至る第２の信号経路を伝搬する第２の高周波信号との位相差が上記第１の給電点において実質的に１８０度となるように、上記第１及び第２のアンテナ素子の各電気長、並びに上記第１及び第２の接続線の各電気長を設定することにより、上記第１の周波数と、上記第１の周波数よりも高い第２の周波数とを含む複数の周波数で共振することを特徴とする。

上記アレーアンテナ装置において、上記位相差は、上記第１の周波数と上記第２の周波数との平均周波数において実質的に１８０度となるように設定されたことを特徴とする。

また、上記アレーアンテナ装置において、上記第１の接続点と上記第２の接続点との間に接続された第１の移相器と、上記第１の接続点と上記第３の接続点との間に接続された第２の移相器と、上記第３の接続点と上記第４の接続点との間に接続された第３の移相器と、上記第２の接続点と上記第４の接続点との間に接続された第４の移相器とをさらに備えたことを特徴とする。

さらに、上記アレーアンテナ装置において、上記各移相器は入力される高周波信号を実質的に９０度だけ移相して出力する９０度移相器であることを特徴とする。

またさらに、上記アレーアンテナ装置において、上記各移相器は、上記第２の周波数を有する高周波信号を遮断する低域通過フィルタであって、上記低域通過フィルタはインダクタとキャパシタとを含むように構成されたことを特徴とする。

また、上記アレーアンテナ装置において、上記各移相器は、上記第２の周波数の共振周波数を有し、上記第２の周波数を有する高周波信号を遮断する並列共振回路であり、上記並列共振回路はインダクタとキャパシタとを含むように構成されたことを特徴とする。

さらに、上記アレーアンテナ装置において、上記各移相器は、並列共振回路と直列共振回路とを含み、
上記並列共振回路は、上記第２の周波数の共振周波数を有し、上記第２の周波数を有する高周波信号を遮断し、インダクタとキャパシタとを含むように構成され、
上記直列共振回路は、上記第１の周波数の共振周波数を有し、上記第１の周波数を有する高周波信号を通過させ、インダクタとキャパシタとを含むように構成されたことを特徴とする。

またさらに、上記アレーアンテナ装置において、上記第１のアンテナ素子と上記第２のアンテナ素子は互いに非対称な回路となるように構成されたことを特徴とする。

またさらに、上記アレーアンテナ装置において、上記第１の移相器が接続された上記第１の接続点と上記第２の接続点との間の位置と、上記第２の移相器が接続された上記第１の接続点と上記第３の接続点との間の位置と、上記第３の移相器が接続された上記第３の接続点と上記第４の接続点との間の位置と、上記第４の移相器が接続された上記第２の接続点と上記第４の接続点との間の位置とを除いた、上記第１のアンテナ素子と上記第２のアンテナ素子の少なくとも一方に、上記第１の周波数及び上記第２の周波数以外の共振周波数を有する並列共振回路を挿入することにより、上記第１の周波数及び上記第２の周波数以外の共振周波数で共振するように構成されたことを特徴とする。

第２の発明に係る無線通信装置は、上記アレーアンテナ装置と、上記アレーアンテナ装置を用いて無線通信を行う無線通信回路とを備えたことを特徴とする。

従って、本発明に係るアレーアンテナ装置によれば、例えばＭＩＭＯ通信などに使用可能なアレーアンテナ装置であって給電素子間のアイソレーションを十分に確保するとともに、複数の周波数帯で動作することが可能なアレーアンテナ装置、及びそのようなアレーアンテナ装置を備えた無線通信装置を提供することができる。従って、本発明によれば、高域側の周波数帯においてＭＩＭＯ通信を行うときに、給電素子間の十分なアイソレーションを確保することができる。さらに、給電素子数を増大させることなく、低域側の周波数帯において他のアプリケーションのための通信を行うことができる。

本発明による最大の効果としては、アンテナ素子内に例えば４個の９０度移相器を直列に接続されてなる移相回路を備えることで、１つのアンテナ素子に２給電する。また、同時に駆動した際でもアンテナ間のアイソレーションを低くすることができる。９０度移相回路を集中定数素子であるインダクタとキャパシタで構成し、低域側の周波数帯において９０度の移相回転を与え、高域側の周波数で開放となるような定数を選ぶことで複数の周波数帯で共振することが可能となる。

本発明の一実施形態における携帯電話機用アレーアンテナ装置１０１の外観を示す斜視図である。 図１の移相回路２０の内部構成を示す回路図である。 図２の移相回路２０の電流経路を示す回路図である。 図１の９０度移相器２１，２２，２３，２４の構成を示す回路図である。 図４Ａの回路の第１の変形例の構成を示す回路図である。 図４Ａの回路の第２の変形例の構成を示す回路図である。 図４Ａの９０度移相器２１，２２，２３，２４の反射係数Ｓ_１１の一例を示すスミスチャートである。 図４Ａの９０度移相器２１，２２，２３，２４の通過係数Ｓ_２１の一例を示すグラフである。 周波数ｆ１における図１のアレーアンテナ装置１０１の電流経路を示す回路図である。 周波数ｆ２（ｆ１＜ｆ２）における図１のアレーアンテナ装置の電流経路を示す回路図である。 図４Ａの９０度移相器２１，２２，２３，２４の移相誤差とアイソレーションとの関係を示すグラフである。 本発明の変形例１に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置１０２の外観を示す斜視図である。 図８Ａの並列共振回路の一例を示す回路図である。 周波数ｆ１における図８Ａのアレーアンテナ装置１０２の電流経路を示す回路図である。 周波数ｆ２（ｆ１＜ｆ２）における図８Ａのアレーアンテナ装置１０２の電流経路を示す回路図である。 周波数ｆ３（ｆ２＜ｆ３）における図８Ａのアレーアンテナ装置１０２の電流経路を示す回路図である。 本発明の変形例２に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置１０３の外観を示す斜視図である。 本発明の変形例３に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置１０４の外観を示す斜視図である。 本発明の変形例４に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置１０５の外観を示す斜視図である。 本発明の変形例５に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置１０６の外観を示す斜視図である。 本発明に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。 本発明の実施例１に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。 本発明の実施例２に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。 本発明の実施例３に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。 本発明の実施例４に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。 本発明の実施例５に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。 本発明の実施例６に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。 本発明の実施例７に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。 本発明の実施例８に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。 本発明の実施例９に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。 本発明の実施例１０に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。 本発明の実施例１１に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。 本発明の試作例に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。 図２６の携帯電話機用アレーアンテナ装置の通過係数Ｓ２１及び反射係数Ｓ１１の周波数特性を示すグラフである。 図２６の携帯電話機用アレーアンテナ装置の反射係数Ｓ１１のインピーダンス特性を示すスミスチャートである。 従来技術に係るアレーアンテナ装置の平面図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

図１は本発明の一実施形態における携帯電話機用アレーアンテナ装置１０１の外観を示す斜視図である。本実施形態のアレーアンテナ装置１０１は、裏面が金属接地導体１１にてなる誘電体回路基板１０上の２つの給電点Ｑ１，Ｑ２に１本の線状アンテナ素子１の両端が接続され、給電点Ｑ１，Ｑ２の間のアンテナ素子１内に、４個の９０度移相器２１〜２４を直列に接続して構成された移相回路２０を備えたことを特徴としている。ここで、給電点Ｑ１，Ｑ２には無線通信回路３が接続され（図１において図示するが、以降の図面においては図示を省略する。）、アンテナ素子１は２本の線状のアンテナ素子部分１ａ，１ｂに２分割されてその分割点に移相回路２０が挿入されている。

図２は図１の移相回路２０の内部構成を示す回路図である。図２において、移相回路２０は格子状に互いに直列に接続された４個の９０度移相器２１〜２４で構成されている。ここで、９０度移相器２１〜２４は入力される高周波信号を実質的に９０度だけ移相して出力する。高域側の周波数帯において動作するときは、移相回路２０により高域側の周波数帯の高周波信号を遮断して、給電点Ｑ１，Ｑ２からそれぞれアンテナ素子部分１ａ，１ｂを互いに独立に励振させてＭＩＭＯ通信を行う一方、低域側の周波数帯において動作するときは、給電点Ｑ１，Ｑ２間に接続された線状アンテナとして励振させて２周波動作で無線通信することを特徴とする。ここで、アレーアンテナ装置１０１は、図１に示すように、回路基板１０上に給電点Ｑ１，Ｑ２を備え、給電点Ｑ１，Ｑ２は例えば同一平面内にあって、互いに所定距離だけ離隔するように設けられる。

図３は図２の移相回路２０の電流経路を示す回路図である。すなわち、図３は給電点Ｑ２からアンテナ素子１に流れる電流を示した図である。給電点Ｑ２からの電流ＩはＡ点にて９０度移相器２２側の電流Ｉ１と、９０度移相器２３側の電流Ｉ２に分岐する。Ａ点を位相の基準とするとＢ点に到達した電流Ｉ１はＡ点に対して位相が９０度進んでいる。これに対して、電流Ｉ２は９０度移相器２３，２４，２１を通過するため、Ａ点に対して位相が２７０度進んだものがＢ点に到達する。そのため、Ｂ点における電流Ｉ１と電流Ｉ２は位相差が１８０度であるため、双方が打ち消しあい給電点Ｑ２からの電流が給電点Ｑ１に入り込まない。そのため、１つのアンテナ素子１に給電点を２つ備えた状態でもその双方のアイソレーションを非常に高くすることができる。逆に給電点Ｑ１からの電流も同様なことが言える。

図４Ａは図１の９０度移相器２１，２２，２３，２４の構成の一例を示す回路図である。図４Ａにおいて、９０度移相器２１，２２，２３，２４はインダクタ３１とキャパシタ３２とをＬ型回路で構成されており、この回路構成は低域側の周波数成分を通過させ、高域側の周波数を遮断する低域通過フィルタとして働く。なお、キャパシタ３２は、インダクタ３１と接地導体１１との間の浮遊容量で構成してもよい。

図４Ｂは図４Ａの回路の第１の変形例の構成を示す回路図である。図４Ｂにおいて、図４Ａの９０度移相器２１，２２，２３，２４に代えて、移相器２５を備えてもよい。ここで、移相器２５は、高域側の周波数帯の高周波信号を遮断する、インダクタ３１及びキャパシタ３２を備えて構成された並列共振回路である。すなわち、移相器２５において、高域側の周波数帯の高周波信号を遮断してトラップ回路として動作し、携帯電話機用アレーアンテナ装置を２周波動作させることができる。

図４Ｃは図４Ａの回路の第２の変形例の構成を示す回路図である。図４Ｃにおいて、図４Ａの９０度移相器２１，２２，２３，２４に代えて、移相器２６を備えてもよい。ここで、移相器２６は、高域側の周波数帯の高周波信号を遮断するインダクタ３１及びキャパシタ３２を備えて構成された並列共振回路と、インダクタ３３及びキャパシタ３４を備えて構成された直列共振回路とが直列に接続されて構成される。ここで、後者の直列共振回路は、高域側の周波数帯の高周波信号を通過させかつ２つの電流経路Ｋ１，Ｋ２（図１４参照）で一方の給電点Ｑ１において２つの電流経路Ｋ１，Ｋ２を通過した２つの高周波信号が互いに相殺するように、給電点Ｑ１において２つの高周波信号の位相差が１８０度となるように調整するために設けられる。なお、電流の方向が上記の場合と逆になるときは、給電点Ｑ２において２つの電流経路Ｋ１，Ｋ２（図１４参照）を通過した２つの高周波信号が互いに相殺するように、給電点Ｑ２において２つの高周波信号の位相差が１８０度となるように調整するために設けられる。これにより、移相器２６において、高域側の周波数帯の高周波信号を遮断し、かつ２つの電流経路Ｋ１，Ｋ２を通過した２つの高周波信号が給電点Ｑ１又はＱ２において互いに相殺し、携帯電話機用アレーアンテナ装置を２周波動作させることができる。

図５Ａは図４Ａの９０度移相器２１，２２，２３，２４の反射係数Ｓ_１１の一例を示すスミスチャートであり、図５Ｂは図４Ａの９０度移相器２１，２２，２３，２４の通過係数Ｓ_２１の一例を示すグラフである。図５Ａ及び図５Ｂにおいて、ｆ１とｆ２は周波数を示しており、大小関係はｆ１＜ｆ２の関係にある。図５Ａから明らかなように、低域側の周波数ｆ１で５０Ωにインピーダンス整合が取れており、高域側の周波数ｆ２で５０Ωよりも高いインピーダンスとなっていることがわかる。図５Ｂから明らかなように、周波数ｆ１にてＡ−Ｂ点間の位相差が９０度になっており、図４Ａのインダクタ３１とキャパシタ３２を用いた回路構成で９０度移相器として動作しているといえる。

図６Ａは周波数ｆ１における図１のアレーアンテナ装置１０１の電流経路を示す回路図であり、図６Ｂは周波数ｆ２（ｆ１＜ｆ２）における図１のアレーアンテナ装置の電流経路を示す回路図である。すなわち、図６Ａ及び図６Ｂはアンテナ素子１が２共振状態となる状態を示した図である。図６Ａは低域側の周波数ｆ１の電流経路を示しており、図６Ｂは高域側の周波数ｆ２の電流経路を示している。図６Ａ及び図６Ｂから明らかなように、低域側の周波数ｆ１は移相回路２０を通過し、高域側の周波数ｆ２は移相回路２０の前で遮断されている。このように、アンテナ素子に電気長が異なる電流経路を複数設けると、その電気長に応じた複数の周波数で共振状態が得られる。ここで、共振状態とは、モノポールアンテナの電気長を例えばｎλ／４（ｎは自然数であり、λは波長である。）に設定した場合である。

無線システムでは通信品質を向上させるために、例えばＭＩＭＯ通信システムにおいて、複数のチャンネルを設けている。各チャンネルも無線システムに応じた帯域幅を持っている。図５Ｂで示したように位相の大きさは周波数で変化するため、帯域内で必ず移相器の位相が９０度から外れてしまう。図３において給電点からのアンテナ素子１に流れる電流の振幅をＩａ、位相差の誤差をΔθとするとアイソレーションＩｓｏは次式で表される。

図７は図４Ａの９０度移相器２１，２２，２３，２４の移相誤差ΔθとアイソレーションＩｓｏとの関係を示すグラフである。すなわち、図７は式（１）を用いて９０度移相器２１，２２，２３，２４の移相誤差と給電点間のアイソレーションＩｓｏの関係を示した図である。必要な帯域幅とアイソレーションより、９０度移相器２１，２２，２３，２４の設計に役立てることができる。例えば、２周波動作の場合において、アイソレーションＩｓｏを１０ｄＢ以上確保するためには、移相誤差Δθが１８度程度であってもよい。すなわち、移相器２１，２２，２３，２４の位相差は９０度に限定されず、好ましくは７０〜１１０度、より好ましくは７２〜１０８度、最も好ましくは８０〜１００度に設定してもよく、実質的に９０度又は９０度近傍の位相差に設定してもよい。また、２周波動作の２つの周波数ｆ１，ｆ２の中間周波数又は平均周波数で移相器２１，２２，２３，２４の位相差が実質的に９０度となるように設定すればよい。

次いで、図１の実施形態に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置１０１に代わる種々の変形例について以下に説明する。

図８Ａは本発明の変形例１に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置１０２の外観を示す斜視図であり、図８Ｂは図８Ａの並列共振回路の一例を示す回路図である。図８Ａにおいて、アレーアンテナ装置１０２は、回路基板１０上に１つのアンテナ素子１の２つの給電点Ｑ１，Ｑ２が設けられ、その２つの給電点Ｑ１，Ｑ２間のアンテナ素子１内に移相回路２０を備えている。さらに、移相回路２０と給電点Ｑ１，Ｑ２のそれぞれの間に並列共振回路４１，４２を備えたことを特徴とする。この並列共振回路４１，４２は、図８Ｂに示すように、インダクタ３５とキャパシタ３６の並列共振回路（トラップ回路）で構成され、特定の周波数成分を遮断し、それ以外の周波数を通過させることができる。

図９Ａは周波数ｆ１における図８Ａのアレーアンテナ装置１０２の電流経路を示す回路図であり、図９Ｂは周波数ｆ２（ｆ１＜ｆ２）における図８Ａのアレーアンテナ装置１０２の電流経路を示す回路図であり、図９Ｃは周波数ｆ３（ｆ２＜ｆ３）における図８Ａのアレーアンテナ装置１０２の電流経路を示す回路図である。すなわち、図９Ａ〜図９Ｃはアンテナ素子１が３共振となる状態を示した図である。図９Ａ〜図９Ｃから明らかなように、低域側の周波数ｆ１は並列共振回路４１，４２と移相回路２０を通過し、周波数ｆ２は移相回路２０の前で遮断されており、周波数ｆ３は並列共振回路４１，４２で遮断されている。このように、アンテナ素子１に電気長が異なる電流経路を複数設けると、その電気長に応じた３周波数などの複数の周波数で共振が得られる。

以上説明したように、本実施形態のアレーアンテナ装置によれば、簡単な構成でありながら給電素子間のアイソレーションを十分に確保するとともに、複数の周波数帯で動作することができる。

以上の本実施形態及び変形例１では、図１又は図８Ａのように回路基板１０の面上にアンテナ素子１を備えたが、これに限定されるものではない。図１０は本発明の変形例２に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置１０３の外観を示す斜視図である。図１０に示すように、回路基板１０の面の外側にアンテナ素子２を備えても良いことは言うまでない。図１０において、アンテナ素子２はアンテナ素子部分２ａ，２ｂに２分割され、その分割点に移相回路２０が挿入されている。

以上の実施形態及び変形例では、線状のアンテナ素子１又は２を備えたが、これに限定されるものではない。図１１は本発明の変形例３に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置１０４の外観を示す斜視図である。図１１に示すように、アンテナ素子２の一部又はすべて（すなわち、少なくとも一部）を板状アンテナ素子にしてもよい。図１１においては、移相回路２０の２端子にアンテナ素子部分２ａ，２ｂが接続され、他の２端子にそれぞれ板形状のアンテナ素子５１，５２が接続されている。

以上の実施形態及び変形例では給電点Ｑ１，Ｑ２を挟んだ面（アンテナ素子１又は２の略中央部）でアンテナ素子１又は２が対称回路構成になっていたが、本発明はこれに限らず、非対称の回路構成でもよい。図１２は本発明の変形例４に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置１０５の外観を示す斜視図である。図１２に示すように、給電点Ｑ１，Ｑ２から見て移相回路２０より外側のアンテナ素子２は、対称回路構成でなくてもよい。図１２においては、移相回路２０の２端子にアンテナ素子部分２ａ，２ｂが接続され、他の２端子にそれぞれ板形状のアンテナ素子５１及びインダクタ（延長コイル）５３が接続されている。

以上の実施形態及び変形例では、給電点Ｑ１，Ｑ２を挟んだ面（アンテナ素子１又は２の略中央部）でアンテナ素子１又は２が対称の回路構成になっていたが、本発明はこれに限らず、非対称の回路構成でもあってもよい。図１３は本発明の変形例５に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置１０６の外観を示す斜視図である。図１３に示すように、給電点Ｑ１，Ｑ２から見て移相回路２０より内側のアンテナ素子２は、アンテナ素子部分２ａ，２ｂの電気長が等しければ、対称の回路構成でなくてもよい。図１３において、アンテナ素子部分２ａはインダクタ５４を含むように構成され、アンテナ素子部分２ｂはアンテナ素子部分５５を含むように構成される。

以上詳述したように、本発明の実施形態及び変形例に係るアレーアンテナ装置によれば、例えばＭＩＭＯ通信などに使用可能なアレーアンテナ装置であって給電素子間のアイソレーションを十分に確保するとともに、複数の周波数帯で動作することが可能なアレーアンテナ装置、及びそのようなアレーアンテナ装置を備えた無線通信装置を提供することができる。従って、本発明によれば、高域側の周波数帯においてＭＩＭＯ通信を行うときに、給電素子間の十分なアイソレーションを確保することができる。さらに、給電素子数を増大させることなく、低域側の周波数帯において他のアプリケーションのための通信を行うことができる。

本発明の実施形態による最大の効果としては、アンテナ素子１内に移相回路２０（４個の９０度移相回路２１〜２４を直列に接続されてなる）を構成することで、１つのアンテナ素子１に２個の給電点Ｑ１，Ｑ２を介して給電する。また、同時に駆動した際でもアンテナ素子部分間のアイソレーションを低くすることができる。９０度移相器２１〜２４を集中定数素子であるインダクタ３１とキャパシタ３２で構成し、低域側の周波数帯において９０度の移相回転を与え、高域側の周波数で開放となるような定数を選ぶことで複数の周波数帯で共振することが可能となる。

図１４は本発明に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。すなわち、図１４は本発明の装置の技術的思想の要旨を示す回路図であって、図１４において、アンテナ素子Ａ１とアンテナ素子Ａ２との間において、アンテナ素子Ａ１の接続点Ｐ１と、アンテナ素子Ａ２の接続点Ｐ３とが電気長Ｌ３１を有する接続線Ｍ１を介して電気的に接続されるとともに、アンテナ素子Ａ１の接続点Ｐ２と、アンテナ素子Ａ２の接続点Ｐ４とが電気長Ｌ３２を有する接続線Ｍ２を介して電気的に接続される。ここで、アンテナ素子Ａ１は、電気長Ｌ１１を有するアンテナ素子部分Ｅ１１と、電気長Ｌ１２を有するアンテナ素子部分Ｅ１２と、電気長Ｌ１３を有するアンテナ素子部分Ｅ１３とを備えて構成される。また、アンテナ素子Ａ２は、電気長Ｌ２１を有するアンテナ素子部分Ｅ２１と、電気長Ｌ２２を有するアンテナ素子部分Ｅ２２と、電気長Ｌ２３を有するアンテナ素子部分Ｅ２３とを備えて構成される。

以上のように構成されたアレーアンテナ装置において、低域側の周波数ｆ１の高周波信号を給電点Ｑ１に入力したときに、電気長（＝Ｌ１１＋Ｌ１２＋Ｌ１３）を有するアンテナ素子Ａ１が低域側の周波数ｆ１で共振状態となり、低域側の周波数ｆ１の高周波信号を給電点Ｑ２に入力したときに、電気長（＝Ｌ２１＋Ｌ２２＋Ｌ２３）を有するアンテナ素子Ａ２が低域側の周波数ｆ１で共振状態となるように設定される。また、高域側の周波数ｆ２の高周波信号を給電点Ｑ１に入力したときに、第１の電気長（＝Ｌ１１＋Ｍ１＋Ｌ２２＋Ｌ２３）又は第２の電気長（＝Ｌ１１＋Ｌ１２＋Ｍ２＋Ｌ２３）を有するアンテナ素子装置が高域側の周波数ｆ２で共振状態となり、第３の電気長（＝Ｌ２１＋Ｍ１＋Ｌ１２＋Ｌ１３）又は第２の電気長（＝Ｌ２１＋Ｌ２２＋Ｍ２＋Ｌ１３）を有するアンテナ素子装置が高域側の周波数ｆ２で共振状態となるように設定される。ここで、例えば、給電点Ｑ２で給電された低域側の周波数ｆ１の高周波信号の電流が、アンテナ素子部分Ｅ２１と、接続線Ｍ１と、アンテナ素子部分Ｅ１１とを介して電流経路Ｋ１で給電点Ｑ１に流れる一方、給電点Ｑ２で給電された低域側の周波数ｆ１の高周波信号の電流が、アンテナ素子部分Ｅ２１と、アンテナ素子部分Ｅ２２と、接続線Ｍ２と、アンテナ素子部分Ｅ１２と、アンテナ素子部分Ｅ１１とを介して電流経路Ｋ２で給電点Ｑ１に流れたときに、これら２つの電流経路Ｋ１，Ｋ２を介して流れた高周波信号が給電点Ｑ１において互いに逆相となるように、各電気長を調整する。なお、給電点Ｑ１で給電された低域側の周波数ｆ１の高周波信号の電流についても同様である。以上のように調整することにより、当該アレーアンテナ装置は２つの周波数ｆ１，ｆ２で動作させることができ、しかも２つのアンテナ素子Ａ１，Ａ２間で所定のアイソレーションを得ることができる。

図１５は本発明の実施例１に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。図１５において、アンテナ素子部分Ｅ１２に９０度移相器２１が挿入され、接続線Ｍ１に９０度移相器２２が挿入され、アンテナ素子部分Ｅ２２に９０度移相器２３が挿入され、接続線Ｍ２に９０度移相器２４が挿入されている。図１５の実施例１においては、アンテナ素子Ａ１，Ａ２はともに高域側の周波数ｆ２で共振状態となるように各電気長が調整される。ここで、例えば、接続点Ｐ３から接続線Ｍ１を介して接続点Ｐ１に至る電流経路と、接続点Ｐ３からアンテナ素子部分Ｅ２２、接続線Ｍ２及びアンテナ素子部分Ｅ１２を介して接続点Ｐ１に至る電流経路とは１８０度の位相差を有しており、また同様に、接続点Ｐ１から接続点Ｐ３に至る２つの電流経路についても同様であるので、低域側の周波数ｆ１の高周波信号を接続点Ｐ１又はＰ２で相殺することができ、当該アレーアンテナ装置は２つの周波数ｆ１，ｆ２で共振状態となり、しかも２つのアンテナ素子Ａ１，Ａ２間で所定のアイソレーションを得ることができる。

図１６は本発明の実施例２に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。図１６の実施例２は、図１５の実施例１に比較して、アンテナ素子部分Ｅ１３及びＥ２３を無くした（Ｌ１３＝Ｌ２３＝０）ことを特徴としている。以上のように構成しても、図１５の実施例１と同様の作用効果を有する。

図１７は本発明の実施例３に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。図１７の実施例３は、図１５の実施例１と同様の場合であって、各アンテナ素子１，２の電気長が実施例１と３で互いに同じで１／４波長の整数倍となる場合である。以上のように構成しても、図１５の実施例１と同様の作用効果を有する。

図１８は本発明の実施例４に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。図１８の実施例４は、図１７の実施例３に比較して、アンテナ素子部分Ｅ１１，Ｅ２１を
無くした（Ｌ１１＝Ｌ２１＝０）ことを特徴としている。以上のように構成しても、図１７の実施例３と同様の作用効果を有する。

図１９は本発明の実施例５に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。図１９の実施例５は、図１７の実施例３に比較して、アンテナ素子部分Ｅ２１を無くし、その代わりに、その電気長分をアンテナ素子部分Ｅ１３に付加したことを特徴としている。以上のように構成しても、図１７の実施例３と同様の作用効果を有する。

図２０は本発明の実施例６に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。図２０の実施例６は、図１７の実施例３と同様の場合であって、各アンテナ素子１，２の電気長が実施例１と３で異なるが１／４波長の整数倍となる場合である。以上のように構成しても、図１７の実施例３と同様の作用効果を有する。

以下の実施例７〜１１では、例えば並列共振回路を挿入して３周波共振となるように構成したものである。

図２１は本発明の実施例７に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。図２１の実施例７は、図１６の実施例２において、アンテナ素子部分Ｅ１１及びＥ２１にそれぞれ、周波数ｆ３（ｆ１＜ｆ２＜ｆ３）での共振周波数を有する並列共振回路６１，６２を挿入することにより、図１６の実施例２の２周波数ｆ１，ｆ２に加えて、周波数ｆ３で共振することができる。なお、周波数ｆ３は各給電点Ｑ１，Ｑ２からそれぞれ並列共振回路６１，６２までの電気長で共振する共振周波数である。

以下の実施例８〜１１では、各アンテナ素子Ａ１，Ａ２の共振周波数をｆ０（ｆ０＜ｆ１＜ｆ２＜ｆ３）と設定した場合の各実施例について以下に説明する。

図２２は本発明の実施例８に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。図２２の実施例８は、図１７の実施例３において、アンテナ素子部分Ｅ１１及びＥ２１にそれぞれ、周波数ｆ３（ｆ１＜ｆ２＜ｆ３）での共振周波数を有する並列共振回路６１，６２を挿入するとともに、アンテナ素子部分Ｅ１３及びＥ２３にそれぞれ、周波数ｆ１での共振周波数を有する並列共振回路６３，６４を挿入することにより、図１７の実施例３の２周波数ｆ１，ｆ２に加えて、周波数ｆ０，ｆ３で共振することができる。

図２３は本発明の実施例９に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。図２３の実施例９は、図２２の実施例８において、アンテナ素子部分Ｅ１１及びＥ２１を無くしことを特徴としており、これにより、周波数ｆ０，ｆ１，ｆ２で共振することができる。

図２４は本発明の実施例１０に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。図２４の実施例１０は、図１９の実施例５において、アンテナ素子部分Ｅ１３及びＥ２３にそれぞれ、周波数ｆ１での共振周波数を有する並列共振回路６３，６４を挿入することにより、図１７の実施例３の２周波数ｆ０，ｆ２に加えて、周波数ｆ１で共振することができる。

図２５は本発明の実施例１１に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。図２５の実施例１１は、図２０の実施例６において、アンテナ素子部分Ｅ１１及びＥ２１にそれぞれ、周波数ｆ３（ｆ１＜ｆ２＜ｆ３）での共振周波数を有する並列共振回路６１，６２を挿入するとともに、アンテナ素子部分Ｅ１３及びＥ２３にそれぞれ、周波数ｆ１での共振周波数を有する並列共振回路６３，６４を挿入することにより、図１７の実施例３の２周波数ｆ０，ｆ２に加えて、周波数ｆ１，ｆ３で共振することができる。

なお、図２１〜図２５の並列共振回路６１〜６４は例えば図４Ｂに示すように、インダクタ３１及びキャパシタ３２からなる並列共振回路である。

図２６は本発明の試作例に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置の回路図である。また、図２７は図２６の携帯電話機用アレーアンテナ装置の通過係数Ｓ２１及び反射係数Ｓ１１の周波数特性を示すグラフであり、図２８は図２６の携帯電話機用アレーアンテナ装置の反射係数Ｓ１１のインピーダンス特性を示すスミスチャートである。当該試作例に係る携帯電話機用アレーアンテナ装置は本発明者らにより試作されたものであって、図１４の携帯電話機用アレーアンテナ装置に対応する。ここで、本発明者らは、線路高及び線路幅を特性インピーダンス５０Ωで設計して試作した。図２７及び図２８から明らかなように、２ＧＨｚでインピーダンス整合しており、しかもより低い周波数１．８ＧＨｚ付近でアイソレーションが最大となっていることがわかる。

以上の実施形態においては、電流経路Ｋ１，Ｋ２としているが、本発明はこれに限らず、電流経路を含む信号経路であってもよい。また、給電点Ｑ１，Ｑ２を互いに入れ替えて構成してもよい。

本発明のアンテナ装置及び無線通信装置によれば、例えば携帯電話機として実装することができ、あるいは無線ＬＡＮ用の装置として実装することもできる。このアンテナ装置は、例えばＭＩＭＯ通信を行うための無線通信装置に搭載することができるが、ＭＩＭＯに限らず、給電素子間のアイソレーションが大きいことを必要とする他の任意の通信のための無線通信装置に搭載することも可能である。

１，２…アンテナ素子、
１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ，Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１３，Ｅ２１，Ｅ２２，Ｅ２３…アンテナ素子部分、
３…無線通信回路、
１０…回路基板、
１１…接地導体、
２０…移相回路、
２１〜２４…９０度移相器、
２５，２６…移相器、
３１，３３，３５…インダクタ、
３２，３４，３６…キャパシタ、
４１，４２…並列共振回路、
５１，５２…板状アンテナ素子、
５３，５４…インダクタ、
５５…延長アンテナ素子部分、
６１〜６４…並列共振回路、
１０１〜１０６…携帯電話機用アレーアンテナ装置、
Ａ１，Ａ２…アンテナ素子、
Ｋ１，Ｋ２…電流経路、
Ｍ１，Ｍ２…接続線、
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４…接続点、
Ｑ１，Ｑ２…給電点。

Claims (8)

1. 第１の給電点と接続され、第１の周波数で共振する第１のアンテナ素子と、
   第２の給電点と接続され、上記第１の周波数で共振する第２のアンテナ素子とを備えたアレーアンテナ装置において、
   上記第１のアンテナ素子内の第１の接続点と、上記第１のアンテナ素子内の第２の接続点との間に電気的に接続された第１の移相器と、
   上記第１のアンテナ素子内の第１の接続点と、上記第２のアンテナ素子内の第３の接続点との間に電気的に接続された第２の移相器と、
   上記第２のアンテナ素子内の第３の接続点と、上記第２のアンテナ素子内の第４の接続点との間に電気的に接続された第３の移相器と、
   上記第１のアンテナ素子内の第２の接続点と、上記第２のアンテナ素子内の第４の接続点との間に電気的に接続された第４の移相器とを備え、
   上記第２の給電点から、上記第３の接続点と上記第２の移相器と上記第１の接続点とを介して、上記第１の給電点に至る第１の信号経路を伝搬する第１の高周波信号と、
   上記第２の給電点から、上記第３の接続点と上記第３の移相器と上記第４の接続点と上記第４の移相器と上記第２の接続点と上記第１の移相器と上記第１の接続点とを介して、上記第１の給電点に至る第２の信号経路を伝搬する第２の高周波信号と
   の位相差が、上記第１の給電点において実質的に１８０度となるように、上記第１から第４の移相器の各電気長を設定することを特徴とするアレーアンテナ装置。
2. 上記各移相器は入力される高周波信号を実質的に９０度だけ移相して出力する９０度移相器であることを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
3. 上記各移相器は、上記第１の周波数よりも高い第２の周波数を有する高周波信号を遮断する低域通過フィルタであって、上記低域通過フィルタはインダクタとキャパシタとを含むように構成されたことを特徴とする請求項２記載のアレーアンテナ装置。
4. 上記各移相器は、上記第１の周波数よりも高い第２の周波数の共振周波数を有し、上記第２の周波数を有する高周波信号を遮断する並列共振回路であり、上記並列共振回路はインダクタとキャパシタとを含むように構成されたことを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
5. 上記各移相器は、並列共振回路と直列共振回路とを含み、
   上記並列共振回路は、上記第１の周波数よりも高い第２の周波数の共振周波数を有し、上記第２の周波数を有する高周波信号を遮断し、インダクタとキャパシタとを含むように構成され、
   上記直列共振回路は、上記第１の周波数の共振周波数を有し、上記第１の周波数を有する高周波信号を通過させ、インダクタとキャパシタとを含むように構成されたことを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
6. 上記第１のアンテナ素子と上記第２のアンテナ素子は互いに非対称な回路となるように構成されたことを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載のアレーアンテナ装置。
7. 上記第１の移相器が接続された上記第１の接続点と上記第２の接続点との間の位置と、
   上記第２の移相器が接続された上記第１の接続点と上記第３の接続点との間の位置と、
   上記第３の移相器が接続された上記第３の接続点と上記第４の接続点との間の位置と、
   上記第４の移相器が接続された上記第２の接続点と上記第４の接続点との間の位置とを除いた、上記第１のアンテナ素子と上記第２のアンテナ素子の少なくとも一方に、上記第１の周波数及び上記第２の周波数以外の共振周波数を有する並列共振回路を挿入することにより、上記第１の周波数及び上記第２の周波数以外の共振周波数で共振するように構成されたことを特徴とする請求項３〜５のうちのいずれか１つに記載のアレーアンテナ装置。
8. 請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載のアレーアンテナ装置と、
   上記アレーアンテナ装置を用いて無線通信を行う無線通信回路とを備えたことを特徴とする無線通信装置。

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