JP5427226B2

JP5427226B2 - 送受信分離偏波共用アンテナ

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Publication number: JP5427226B2
Application number: JP2011268961A
Authority: JP
Inventors: 啓介佐藤; 雅之中野; 宏己松野
Original assignee: Denki Kogyo Co Ltd; KDDI Corp
Current assignee: Denki Kogyo Co Ltd; KDDI Corp
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2031-12-08
Also published as: EP2790270A4; KR101602083B1; US9379434B2; US20150180116A1; EP2790270B1; CN104054215B; WO2013084585A1; EP2790270A1; JP2013121115A; KR20140099469A; CN104054215A

Description

本発明は、特に移動体通信基地局において使用して好適である送受信分離偏波共用アンテナに関する。

データ伝送速度の高速化に伴って増加するビット当りの電力を確保するためには、給電系の低損失化が有効である（例えば、非特許文献１参照）。この給電系の低損失化を実現する手段のひとつとして、送受信フロントエンド回路とアンテナとを一体化する構成があり、図２０にその構成の一例を示す。

図２０において、アンテナ１０１の直下には送受信帯を分離するダイプレクサ１０３が設けられ、このダイプレクサ１０３の後段には不要な周波数帯を除去するバンドパスフィルタ１０５、１０７が設けられている。バンドパスフィルタ１０５の後段に配置された低雑音増幅器（LNA：Low Noise Amplifier）１０９及びバンドパスフィルタ１０７の後段に配置された電力増幅器（PA：Power Amplifier）１１１は、それぞれ受信帯及び送信帯における信号レベルの増大のために設けられている。

上記の構成によれば、受信帯では雑音指数（NF：Noise Figure）の低減を、送信帯では所要放射電力の低減を実現することができる。しかし、周波数分割複信（FDD：Frequency Division Duprex）システムに適用する場合には、送受信帯の信号を分離するために不要周波数帯の信号に対する阻止量の要求値が高くなるので、多段化した大型のダイプレクサおよびバンドパスフィルタを使用してその要求値に対応しなければならないという問題を生じる。

そこで、フィルタの小型化を実現するために、ダイプレクサ機能を付加した特許文献１〜３に係る送受信分離アンテナが提案されている。この送受信分離アンテナは、送信帯アンテナと受信帯アンテナの相互結合（以下、送受信問結合と記述）を低減して、アンテナの後段に配置されるフィルタの段数低減を実現するものである。
特許文献１に係るアンテナは、送信帯の偏波と受信帯の偏波が直交する構成において送受信間結合を低減するものであり、約−３５ｄＢの送受信問結合が得られる。
特許文献２に係るアンテナは、帯城阻止を目的とした無給電索子を配置することによって、同一偏波間にも関わらず送信帯における送受信間結合を約−３０ｄＢに低減するものである。
特許文献３に係るアンテナは、送受信帯アンテナに同一旋回方向の円偏波アンテナを用い、片方の素子構造を回転させることによって送受信間結合を約−５０ｄＢに低減するものである。

上記特許文献１、２に係るアンテナは、マイクロストリップラインを用いた送受信分離パッチアンテナとしての基本構造を有する。ここで、この送受信分離パッチアンテナを偏波共用化した場合の送受信間結合について考察する。
図２１に給電線をマイクロストリップラインとした送受信分離偏波共用パッチアンテナの斜視図を示し、図２２に該パッチアンテナの分解図を示す。
この送受信分離偏波共用パッチアンテナは、送信帯用パッチアンテナ２０１−Ｔ及び受信帯用パッチアンテナ２０１−Ｒを備えている。送信帯用パッチアンテナ２０１−Ｔは、パッチ２０３と、該パッチ２０３の下方に位置された十字形の給電スロット２０５と、該給電スロット２０５の下方に位置された給電線２０７ａ，２０７ｂとによって構成されている。受信帯用パッチアンテナ２０１−Ｒも同様の構成を有する。
パッチアンテナ２０１−Ｔ，２０１−Ｒの給電スロット２０５は、共通の接地導体板２０９に形成されている。また、接地導体板２０９と給電線２０７ａ，２０７ｂとの間には、は、誘電体基板２１１が配置されている。
なお、この送受信分離偏波共用パッチアンテナは、特許文献２に係るアンテナに含まれている帯域阻止を実現するための構造を有していない。

この送受信分離偏波共用パッチアンテナにおいて、送信帯用パッチアンテナ２０１−Ｔのパッチ２０３は、対応する給電スロット２０５を介した給電線２０７ａ，２０７ｂとの電磁結合によって偏波を共用するように給電される。受信帯用パッチアンテナ２０１−Ｒのパッチ２０３も同様である。
図２３にこの送受信分離偏波共用パッチアンテナの送受信間結合特性を示す。この図において、ｆ_Ｒは受信帯の中心周波数を、ｆ_Ｔは送信帯の中心周波数を、ｆ_０は受信帯下限周波数と送信帯上限周波数の中心の周波数をそれぞれ示し、ｆ_Ｒ＝０．９５３ｆ_０、ｆ_Ｔ＝１．０４７ｆ_０である。

この結合特性から明らかなように、この送受信分離偏波共用パッチアンテナによれば、直交偏波間（受信帯用垂直偏波と送信帯用水平偏波間、受信帯用水平偏波と送信帯用垂直偏波間）での送受信問結合は−４０ｄＢ以下に低減できるものの、同一偏波間（受信帯用垂直偏波と送信帯用垂直偏波間、受信帯用水平偏波と送信帯用水平偏波間）でのそれは最悪値が−２０ｄＢ以上となる。このように、上記送受信分離偏波共用パッチアンテナでは、同一偏波間での結合が強くなる。

特開平５−４１６０８号公報特開２００９−７１７９５号公報特開平５−１７５７２７号公報長敬三山口良蒋恵玲 "次世代移動体通信システム実現に向けた基地局・端末アンテナ技術" 電子情報通信学会論文誌 Vol．J85-B No.9 pp．886-900 Sept 2008

ＬＴＥ（Long Term Evolution）に代表される今後の移動体通信では、ＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）が主要な技術となるが、これに適用するためには、送受信帯の双方において偏波共用を実現しつつ、送受信間結合を低減する必要がある。しかし、上記したように、従来の送受信分離パッチアンテナを偏波共用化した場合、同一偏波間での送受信間結合が低減されないという問題を生じる。

そこで、本発明は、送受信帯の双方において偏波共用を実現しながら、送受信間結合を低減することができる送受信分離偏波共用アンテナを提供することを目的とする。

本発明の送受信分離偏波共用アンテナは、所定の間隔をおいて配設されかつ個別に給電される送信帯用パッチアンテナ及び受信帯用パッチアンテナを有する。前記送信帯用パッチアンテナ及び受信帯用パッチアンテナは、重ね合わせ配置される上段、中段及び下段の誘電体基板と、前記中段の誘電体基板の上面に被着された金属箔からなる上段接地導体と、前記下段の誘電体基板の下面に被着された金属箔からなる下段接地導体と、前記下段の誘電体基板の上面に被着された金属箔からなる水平偏波用給電導体及び垂直偏波用給電導体と、前記上段接地導体に形成した給電スロットと、前記上段の誘電体基板の上面に被着され、前記給電スロットを介して前記水平偏波用給電導体及び垂直偏波用給電導体と電磁結合される金属箔からなるパッチと、前記水平偏波用給電導体及び垂直偏波用給電導体の周囲に位置する形態で前記上段接地導体と下段接地導体に接続された電磁遮蔽体と、を備え、前記送信帯用パッチアンテナにおける前記上段、中段及び下段の誘電体基板と前記受信帯用パッチアンテナにおける前記上段、中段及び下段の誘電体基板は互いに分離して設けられる。

前記電磁遮蔽体は、例えば、前記上段接地導体から下段接地導体に至る形態で前記水平偏波用給電導体及び垂直偏波用給電導体の周囲に所定の間隔で配列する多数本のスルーホールによって形成される。また、前記電磁遮蔽体は、前記上段接地導体から下段接地導体に至る形態で前記水平偏波用給電導体及び垂直偏波用給電導体の周囲に配設した金属板によって形成することができる。

前記送信帯用パッチアンテナ及び受信帯用パッチアンテナの配置間隔は、０．５λ_０（λ_０は、受信帯の下限周波数と送信帯の上限周波数の中間の周波数の波長）以下に設定することが好ましい。また、前記給電スロットは、正方形または十字形をなすように形成することができる。
更に、前記送受信分離偏波共用アンテナを多段配列することによってアレー構成の送受信分離偏波共用アンテナを実現することができる。

本発明によれば、送受信帯ともに偏波共用を実現しつつ、送受信間結合を低減することができる。一例として、送信帯用パッチアンテナ及び受信帯用パッチアンテナの素子間隔が０．４λ_０（λ_０は、受信帯の下限周波数と送信帯の上限周波数の中間の周波数の波長）という狭い間隔に設定されている場合においても、−３０ｄＢ以下の送受信間結合を実現することが可能である。また、本発明によれば、送受信フロントヱンド回路内のダイプレクサを省略して、後段のバンドバスフィルタの小型化を図ることが可能となる。

本発明に係る送受信分離偏波共用パッチアンテナの実施形態を示す斜視図である。実施形態に係るアンテナの平面図である。送信帯用パッチアンテナ及び受信帯用パッチアンテナの分解斜視図である。パッチ、上段接地導体、給電線及び下段接地導体の平面構造をそれぞれ示す平面図である。給電スロットの他の例を示す平面図である。スルーホールの配列態様を示す斜視図である。スルーホールに代えて使用した金属板を示す斜視図である。実施形態に係るアンテナのリターンロス特性を示すグラフである。実施形態に係るアンテナの送受信結合特性を示すグラフである。実施形態に係るアンテナの受信帯垂直偏波のｘｙ面指向性を示すグラフである。実施形態に係るアンテナの受信帯水平偏波のｘｙ面指向性を示すグラフである。実施形態に係るアンテナの送信帯垂直偏波のｘｙ面指向性を示すグラフである。実施形態に係るアンテナの送信帯水平偏波のｘｙ面指向性を示すグラフである。（ａ）は実施形態に係るアンテナの電界強度分布を示す図であり、（ｂ）はスルーホールがない場合の電界強度分布を示す図である。アレー構成の送受信分離偏波共用パッチアンテナを示す斜視図である。アレー構成の送受信分離偏波共用パッチアンテナにおける受信帯ｙｚ面の指向性を示すグラフである。アレー構成の送受信分離偏波共用パッチアンテナにおける送信帯のｙｚ面指向性を示すグラフである。素子間隔を変化させたアレー構成の送受信分離偏波共用パッチアンテナにおける受信帯のｙｚ面指向性を示すグラフである。素子間隔を変化させたアレー構成の送受信分離偏波共用パッチアンテナにおける送信帯のｙｚ面指向性を示すグラフである。送受信フロントエンド回路とアンテナとを一体化した構成を示すブロック図である。従来の送受信分離偏波共用パッチアンテナを示す斜視図である。従来の送受信分離偏波共用パッチアンテナの分解図である。従来の送受信分離偏波共用パッチアンテナの送受信間結合特性を示すグラフである。

以下の説明においては、受信帯の下限周波数と送信帯の上限周波数の中間の周波数とその波長をそれぞれｆ_０、λ_０、受信帯の中心周波数とその波長をそれぞれｆ_Ｒ、λ_Ｒ、送信帯の中心周波数とその波長をそれぞれｆ_Ｔ、λ_Ｔとし、ｆ_Ｒ＝０．９５３ｆ_０（波長λ_Ｒ＝１．０４９λ_０）、ｆ_Ｔ＝１．０４７ｆ_０（波長λ_Ｔ＝０．９５５λ_０）とする。

図１及び図２は、それぞれ本発明に係る送受信分離偏波共用パッチアンテナの実施形態を示す斜視図及び平面図である。これらの図においては、z軸方向を大地に対して垂直とし、ｘｙ平面を大地に対して水平な面としている。
本実施形態に係る送受信分離アンテナは、導体基板１上に設置した送信帯用パッチアンテナ３−Ｔ及び受信帯用パッチアンテナ３−Ｒを備える。この受信帯用パッチアンテナ３−Ｒと送信帯用パッチアンテナ３−Ｔは、それらの間隔ｄが０．５λ_０以下となるように配置され、本実施形態ではこの間隔ｄが０．４λ_０に設定されている。

送信帯用パッチアンテナ３−Ｔ及び受信帯用パッチアンテナ３−Ｒは、図３に分解斜視図を示すように、金属板からなる少なくとも４つの層を備えている。
第１層（最上層）は励振素子（アンテナ素子）である正方形状のパッチ５である。このパッチ５は、誘電体基板７の上面中央部に形成されている。第２層は上段接地導体９である。この上段接地導体９は、誘電体基板１１の上面に被着され、その中央部には給電スロット１３が形成されている。第３層は給電線１５である。この給電線１５は、誘電体基板１７の上面に形成された水平偏波用給電導体１５ａ及び垂直偏波用給電導体１５ｂと、後述のブリッジ導体１５ｃとを備えている。第４層（最下層）は下段接地導体１９である。

この下段接地導体１９は、誘電体基板１７の下面に被着され、その中央部にはスロット２１が形成されている。そして、このスロット２１の内方には、上記ブリッジ導体１５ｃが形成されている。なお、上段接地導体９、誘電体基板１１、給電線１５、誘電体基板１７及び下段接地導体１９は、いわゆるトリプレート給電線路を構成している。なお、本実施形態においては、誘電体基板７、１１及び１７として比誘電率ε_rが約３．３のものを使用している。

上記パッチ５、上段接地導体９、給電線１５及び下段接地導体１９は、それぞれ銅箔等の金属箔からなり、プリント配線パターンを形成する手法（エッチング処理等によって誘電体表面に所定の金属箔パターンを形成する手法）を用いてパターニングされる。誘電体基板７、１１、１７が重ね合わされた場合、パッチ５、上段接地導体９、給電線１５及び下段接地導体１９の中心点が共通の軸線上に位置されることになる。

図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、パッチ５、上段接地導体９、給電線１５及び下段接地導体１９の平面構造をそれぞれ示す。ここで、受信帯にて共振を得る場合の構造パラメータの値について説明する。パッチ７は、１辺が約０．２５λ_Ｒの正方形をなすように形成され、また上段接地導体９に設けられる給電スロット１３は、例えば１辺が約０．１λ_Ｒの正方形をなすように形成される。パッチ５と給電スロット１３の構造は、共振周波数帯に応じて決定され、本実施形態ではパッチ７の１辺を０．２２８λ_Ｒに、給電スロット１３の１辺を０．１２５λ_Ｒにそれぞれ設定している。
本実施形態での給電スロット１３は正方形をなすように形成されているが、これに限定されず、例えば図５に示す十字形の給電スロット２７を用いた場合でも同等の機能が得られる。

図３に示すように、上段接地導体９と下段接地導体１９は、誘電体基板１１、１７を貫通するスルーホール２３を介して電気的に短絡されている。したがって、両接地導体９，１９は同電位である。図４〜図６に示すように、スルーホール２３は、１辺約０．２５〜０．３５λ_Ｒの正方形状エリアの各辺上に０．０１〜０．０２λ_Ｒの間隔で配列している。なお、上記方形状エリアの中心点とパッチ５の中心点は、ｘｚ座標（図２参照）での値が同じである。

上記スルーホール２３に代えて、図７に示すような金属板２９を使用することも可能である。これらの金属板２９は、上記スルーホール２３の高さとほぼ同じ高さを有し、上記正方形状エリアの各辺に沿って設けられている。この金属板２９を用いて上段接地導体９と下段接地導体１９とを短絡する場合には、例えば、金属板２９を貫通させるスリットを上段接地導体９、電体基板１１、電体基板１７及び下段接地導体１９にそれぞれ形成し、これらのスリットに貫通させた金属板２９の上縁部及び下縁部をそれぞれ上段接地導体９の上面及び下段接地導体１９の下面にハンダ等の手段を用いて接続する。
受信帯にて共振を得る場合の構造パラメータの値は以上のとおりである。送信帯にて共振を得る場合の構造パラメータの値は、波長λ_Ｒを波長λ_Ｔに置き換えたものとなる。図１に示す受信帯用パッチアンテナ３−Ｒ及び送信帯用パッチアンテナ３−Ｔは、上記のように構造パラメータの値を設定することによって各々の使用周波数帯城のみで動作する。

ところで、偏波を共用するためには、水平偏波用給電導体１５ａと垂直偏波用給電導体１５ｂを分離する必要がある。導体素子１５ｂの中央部を切欠いてあるのはこのためである。切欠き部位に臨む導体素子１５ｂの各端は、誘電体基板１７を貫通するスルーホール２５を介して上記ブリッジ導体１５ｃに接続されている。このように、ブリッジ導体１５ｃ及びスルーホール２５は、切欠きによって二分された導体素子１５ｂを導体素子１５ａとの接触を迂回しながらブリッジ接続する。なお、ブリッジ導体１５ｃは、上段接地導体９の給電スロット１３内に設けても良い

本発明に係るアンアナは、その構成上、上記のように多層基板によって製作することが望ましい。
受信帯用パッチアンテナ３−Ｒにおいては、給電導体１５ａの一端及び給電導体１５ｂの一端がそれぞれ水平偏波及び垂直偏波についての給電点になる。送信帯用パッチアンテナ３−Ｔにおいても同様である。そして、この送信帯用パッチアンテナ３−Ｔ及び受信帯用パッチアンテナ３−Ｒは、それぞれ対応する給電スロット１３を介したパッチ５と給電線１５との電磁結合により、偏波を共用する形態で送信動作及び受信動作する。

図８に本実施形態に係るアンテナのリターンロスについてのシミュレーション結果を示す。このリターンロス特性から明らかなように、本実施形態に係るアンテナによれば、最も比帯城の狭い受信帯水平偏波において、リターンロス−９．６ｄＢ以下となる比帯域が約１．１％となる。

図９に本実施形態に係るアンテナにおける送受信間結合特性を示す。この送受信間結合特性から明らかなように、送受信帯とも同一偏波の場合で結合値が高くなる、しかし、最悪値が水平偏波同士の受信帯における−３０ｄＢであることから明らかなように、全体として良好な特性を有している。直交偏波間での送受信間結合は、送受信帯とも−６０ｄＢ以下と良好な値を示す。
このように、本実施形態に係るアンテナによれば、送受信帯の双方において偏波共用を実現しながら、送受信間結合を−３０ｄＢ以下に低減することができる。これは、図６に示すスルーホール２３あるいは図７に示す金属板２９が送受信間結合を抑制する電磁遮蔽体としての機能を有するからである。

図１０は本実施形態に係るアンテナの受信帯垂直偏波のｘｙ面指向性を、図１１は同アンテナの受信帯水平偏波のｘｙ面指向性を、図１２は同アンテナの送信帯垂直偏波のｘｙ面指向性を、図１３は同アンテナの送信帯水平偏波のｘｙ面指向性をそれぞれ示している。これらの図か明らかなように、本実施形態に係るアンテナによれば、送受信帯によらず、また、偏波の種類によらず半値幅約８０°の良好な指向性を得ることができる。

図１４（ａ）に本実施形態に係るアンテナの受信帯水平偏波励振時における電界強度分布を示す。また、図１４（ｂ）にスルーホール２３が無い比較例のアンテナにおける電界強度分布を示す。スルーホール２３を備える本実施形態に係るアンテナによれば、該スルーホール２３による電磁シールド作用によって、励振状態のパッチ５から非励振状態のパッチ５に回りこむ電界量が効果的に低減される。つまり、受信帯用パッチアンテナ３−Ｒと送信帯用パッチアンテナ３−Ｔ間の結合量が低減される。

図１５に図１に示した送受信分離偏波共用パッチアンテナを導体基板２９上に多段配置したアレー構成の送受信分離偏波共用パッチアンテナを示す。このアンテナでは、送信帯用パッチアンテナ３−Ｔと受信帯用パッチアンテナ３−Ｒが交互に配置される。そして、隣接する送信帯用パッチアンテナ３−Ｔのなす間隔及び隣接する受信帯用パッチアンテナ３−Ｒのなす間隔は、図２に示す素子間隔（パッチ５の間隔）ｄの２倍２ｄに設定される。

図１６及び図１７は、素子間隔ｄが０．４λ_０である図１に示した送受信分離偏波共用パッチアンテナを４段配置したアレー構成の送受信分離偏波共用パッチアンテナの受信帯及び送信帯におけるｙｚ面指向性をそれぞれ示す。また、図１８及び図１９は、比較例として素子間隔ｄを０．５λ_０とした場合の受信帯及び送信帯におけるｙｚ面指向性をそれぞれ示す。
なお、これらの指向性は、各給電点を同位相、同振幅で励振した場合のものである。また、図１６〜図１９において、実線及び破線はそれぞれ垂直偏波及び水平偏波についての指向性を示している。
図１６、図１７と図１８、図１９との対比から明らかなように、素子間隔ｄが０．４λ_０の場合、試験範囲内での最大サイドローブレベルが約１３ｄＢとなって、ｄ＝０．５λ_０の場合よりもグレーティングローブが抑制される。
本発明に係るアレー構成の送受信分離偏波共用パッチアンテナにおいては、グレーティングローブを抑えながら結合量を低減するため、素子間隔ｄを０．５λ_０以下に設定するようにしている。

１金属導体
３−Ｔ送信帯用パッチアンテナ
３−Ｒ受信帯用パッチアンテナ
５パッチ
７誘電体基板
９上段接地導体
１１誘電体基板
１３給電スロット
１５給電線
１５ａ水平偏波用給電導体
１５ｂ垂直偏波用給電導体
１５ｃブリッジ導体
１７誘電体基板
１９下段接地導体
２１スロット
２３，２５スルーホール
２７給電スロット
２９金属板

Claims

所定の間隔をおいて配設されかつ個別に給電される送信帯用パッチアンテナ及び受信帯用パッチアンテナを有し、前記送信帯用パッチアンテナ及び受信帯用パッチアンテナは、
重ね合わせ配置される上段、中段及び下段の誘電体基板と、
前記中段の誘電体基板の上面に被着された金属箔からなる上段接地導体と、
前記下段の誘電体基板の下面に被着された金属箔からなる下段接地導体と、
前記下段の誘電体基板の上面に被着された金属箔からなる水平偏波用給電導体及び垂直偏波用給電導体と、
前記上段接地導体に形成した給電スロットと、
前記上段の誘電体基板の上面に被着され、前記給電スロットを介して前記水平偏波用給電導体及び垂直偏波用給電導体と電磁結合される金属箔からなるパッチと、
前記水平偏波用給電導体及び垂直偏波用給電導体の周囲に位置する形態で前記上段接地導体と下段接地導体に接続された電磁遮蔽体と、を備え、
前記送信帯用パッチアンテナにおける前記上段、中段及び下段の誘電体基板と前記受信帯用パッチアンテナにおける前記上段、中段及び下段の誘電体基板は互いに分離して設けられている、
ことを特徴とする送受信分離偏波共用アンテナ。
前記電磁遮蔽体は、前記上段接地導体から下段接地導体に至る形態で前記水平偏波用給電導体及び垂直偏波用給電導体の周囲に所定の間隔で配列する多数本のスルーホールによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の送受信分離偏波共用アンテナ。
前記電磁遮蔽体は、前記上段接地導体から下段接地導体に至る形態で前記水平偏波用給電導体及び垂直偏波用給電導体の周囲に配設した金属板によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の送受信分離偏波共用アンテナ。
前記送信帯用パッチアンテナ及び受信帯用パッチアンテナの配置間隔が０．５λ_０（λ_０は、受信帯の下限周波数と送信帯の上限周波数の中間の周波数の波長）以下に設定されることを特徴とする請求項１に記載の送受信分離偏波共用アンテナ。
前記給電スロットの形状が正方形または十字形であることを特徴とする請求項１に記載の送受信分離偏波共用アンテナ。
請求項１に係る送受信分離偏波共用アンテナを多段配列したことを特徴とするアレー構成の送受信分離偏波共用アンテナ。