JP5686859B2 - 電磁バンドギャップ構造を有するｍｉｍｏアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、ＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）アンテナに関するものであって、特に、電磁バンドギャップ（ＥＢＧ：electromagnetic band gap）構造を有するＭＩＭＯアンテナに関するものである。

デジタルデータ伝送の要求の増加に伴い、関連する通信標準は、さらに高いデータ伝送速度をサポートしている。たとえば、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎは、ＭＩＭＯ技術をサポートして、伝送速度を増加することができる。関連する通信標準は、たとえば、ＬＴＥ（Long Term Evolution）およびＩＥＥＥ８０２．１１ａｄも、ＭＩＭＯ動作をサポートする。実際のところ、モバイルデバイスにおいて、複数のアンテナを使用する傾向にある。しかし、複数のアンテナはモバイルデバイスの制限された空間に設置されるので、これらのアンテナ間のアイソレーションは、設計者により考慮されなければならない。

従来、アイソレーションを改善し、ＭＩＭＯアンテナ間の相互結合を減少させる方法は、二個の隣接するアンテナ間にアイソレーション素子を配置するもので、アイソレーション素子はアンテナとほぼ等しい共振周波数を有し、よって、アンテナ間の相互結合が拒否される。本方法の欠点は、アンテナ効率が低いこと、および、放熱性能が悪いことである。

本発明は、電磁バンドギャップ構造を有するＭＩＭＯアンテナを提供することを目的とする。

本発明によるＭＩＭＯアンテナは、システムグランドプレーン（system ground plane）と、システムグランドプレーンの第一部分と重複するアンテナグランドプレーン（antenna ground plane）と、システムグランドプレーンの第二部分上に形成されるＥＢＧ（電磁バンドギャップ）構造と、ＥＢＧ構造に近接して設置され、実質上、第一方向に延伸する第一アンテナ素子、および、ＥＢＧ構造に近接して設置され、実質上、第一方向と異なる第二方向に延伸する第二アンテナ素子、を含むものである。

本発明は、複数のアンテナ素子間におけるアンテナ効率に優れると共に高いアイソレーションを提供することができる。

本発明の第一実施例のＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）アンテナの平面図である。 図１ＡのＭＩＭＯアンテナの点線 LL1に沿う断面図である。 本発明の第一実施例のＥＢＧ（電磁バンドギャップ）セルの詳細を示す説明図である。 本発明の第一実施例のＭＩＭＯアンテナのＳパラメータを示す説明図である。 本発明の第二実施例のＭＩＭＯアンテナの平面図である。 本発明の第二実施例のＭＩＭＯアンテナのＳパラメータを示す説明図である。 本発明の第二実施例の一方向のＭＩＭＯアンテナの主偏波および交さ偏波を示す説明図である。 本発明の第二実施例の別の方向のＭＩＭＯアンテナの主偏波および交さ偏波を示す説明図である。 本発明の第三実施例のＭＩＭＯアンテナの平面図である。 本発明の第三実施例の一直線に沿ったＭＩＭＯアンテナの断面図である。 本発明の第三実施例の一方向のＭＩＭＯアンテナの主偏波および交さ偏波を示す説明図である。 本発明の第三実施例の別の方向のＭＩＭＯアンテナの主偏波および交さ偏波を示す説明図である。 接地構造がある場合およびない場合のＭＩＭＯアンテナの偏波アイソレーションを説明する説明図である。 接地構造がある場合およびない場合のＭＩＭＯアンテナのピーク実行利得を説明する説明図である。

図１Ａは、本発明の第一実施例のＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）アンテナ１００の平面図である。図１Ｂは、図１ＡのＭＩＭＯアンテナ１００の点線 LL1に沿う断面図である。図１Ａと図１Ｂに示されるように、ＭＩＭＯアンテナ１００は、システムグランドプレーン１１０、アンテナグランドプレーン１２０、ＥＢＧ（Electromagnetic Band-gap：電磁バンドギャップ）構造１３０、第一アンテナ素子１５０および第二アンテナ素子１６０を有している。これらの構成部材は、たとえば、銀や銅のような金属で形成されている。第一アンテナ素子１５０および第二アンテナ素子１６０は、第一信号源１９０および第二信号源１９２により、それぞれ励起される。

システムグランドプレーン１１０は、第一部分１１１および第二部分１１２を有している。アンテナグランドプレーン１２０はシステムグランドプレーン１１０上に配列され、システムグランドプレーン１１０の第一部分１１１と重複している。ＥＢＧ構造１３０は、システムグランドプレーン１１０の第二部分１１２上に形成されている。ある例において、システムグランドプレーン１１０上のＥＢＧ構造１３０の全高は、アンテナグランドプレーン１２０とシステムグランドプレーン１１０間の距離にほぼ等しい。第一アンテナ素子１５０および第二アンテナ素子１６０はモノポールアンテナである。第一アンテナ素子１５０は、ＥＢＧ構造１３０の上方で、且つ、ＥＢＧ構造１３０に近接して設置され、実質的に第一方向ＤＲ１に延伸している。第二アンテナ素子１６０は、ＥＢＧ構造１３０の上方で、且つ、ＥＢＧ構造１３０に近接して設置され、実質的に、第一方向ＤＲ１と異なる第二方向ＤＲ２に延伸している。第一信号源１９０と第二信号源１９２間の距離ＤＡは、第一アンテナ素子１５０および第二アンテナ素子１６０が動作する中央動作周波数の０．５波長より小さい。好ましい実施例において、第一方向ＤＲ１は、第二方向ＤＲ２にほぼ垂直である。つまり、第一アンテナ素子１５０および第二アンテナ素子１６０は互いにほぼ直交しており、互いのアイソレーションが効果的に改善されるようになっている。

第一アンテナ素子１５０および第二アンテナ素子１６０は、さらに、それぞれ、整合スタブ１５２、１５４を有している。整合スタブ１５２、１５４が設置されて、ＭＩＭＯアンテナ１００の整合インピーダンスを微調整する。一例において、整合スタブ１５２の一端は、短絡ビア１５３により、アンテナグランドプレーン１２０に電気的に結合され、整合スタブ１５４の一端は、短絡ビア１５５により、アンテナグランドプレーン１２０に電気的に結合されている。別の例において、整合スタブ１５２、１５４の前述の端子は開口端である。注意すべきことは、整合スタブ１５２と１５４は任意のものであり、別の実施例では、ＭＩＭＯアンテナ１００から除かれている。

図１Ｂに示されるように、ＭＩＭＯアンテナ１００は、さらに、第一誘電材料１７１および第二誘電材料１７２を有している。第一誘電材料１７１はシステムグランドプレーン１１０上に形成され、アンテナグランドプレーン１２０は第一誘電材料１７１上に設置され、ＥＢＧ構造１３０は第一誘電材料１７１内に形成されている。好ましい実施例において、第一誘電材料１７１の高さＨ１は、中央動作周波数の0.1 波長より小さい。第二誘電材料１７２は、ＥＢＧ構造１３０およびアンテナグランドプレーン１２０上に形成され、第一アンテナ素子１５０および第二アンテナ素子１６０は、第二誘電材料１７２上に設置されている。同様に、第二誘電材料１７２の高さＨ２は、中央動作周波数の０．１波長より小さい。第一誘電材料１７１の誘電率は第二誘電材料１７２と異なる。好ましい実施例において、ＭＩＭＯアンテナ１００の全高（約Ｈ１とＨ２の合計）は、中央動作周波数の０．１２５波長より小さい。

ＥＢＧ構造１３０は、−１８０度の反射位相差異を有するＰＥＣ（Perfect Electrical Conductor）と異なり、０度の反射位相差異を有するＰＭＣ（Perfect Magnetic Conductor）とも異なる。一般に、ＥＢＧ構造１３０は、４５度から１３５度の反射位相差異を提供する。固有の反射位相差異を有する周期的なＥＢＧ構造１３０が設置されて、アンテナゲインとアンテナ効率を改善する。図１Ａと図１Ｂに示されるように、ＥＢＧ構造１３０は複数のＥＢＧセル１３２を有し、各ＥＢＧセル１３２は、ほぼ、マッシュルームのような形状である。ＥＢＧセル１３２は複数の分割ギャップ１４０により分割されている。一例において、一部の分割ギャップ１４０はＸ方向（horizontal direction）に設置され、残りの分割ギャップ１４０はＹ方向（vertical direction）に設置される。各分割ギャップ１４０の幅は所望の周波数バンドに従って調整される。図１Ｃは、本発明の実施例によるＥＢＧセル１３２を詳細に説明する説明図である。図１Ｃに示されるように、各ＥＢＧセル１３２は、パッチ１３４とセルビア１３６を有し、パッチ１３４は、セルビア１３６により、システムグランドプレーン１１０に電気的に結合されている。好ましい実施例において、各パッチ１３４は方形で、各セルビア１３６は、パッチ１３４の長さより大幅に小さい半径を有する円筒形である。本発明は上記の内容に限定されないことは、勿論である。別の例において、ＥＢＧセル１３２は異なる形状を有し（たとえば、円形マッシュルーム形状）、別の種類の周期的な構造を形成している。

図２は、本発明の第一実施例によるＭＩＭＯアンテナ１００のＳパラメータを説明する説明図である。縦軸はＳパラメータ（dB）を示し、横軸は動作周波数（GHz）を示す。図２に示されるように、第一アンテナ素子１５０の反発係数（S11）曲線２１１は、第二アンテナ素子１６０の反発係数（S22）曲線２２２とほぼ一致する。好ましい実施例において、第一アンテナ素子１５０および第二アンテナ素子１６０はバンドＦＢ１を被覆し、バンドＦＢ１は、約５７GHzから６６GHzである。注意すべきことは、第一アンテナ素子１５０と第二アンテナ素子１６０間のアイソレーションを示すアイソレーション（S21）曲線２２１は、バンドＦＢ１中、実質上、−１０dBより低い点である。

図３は、本発明の第二実施例によるＭＩＭＯアンテナ３００の平面図である。第二実施例中のＭＩＭＯアンテナ３００は、第一実施例中のＭＩＭＯアンテナ１００に類似する。これらの主な差異は、ＭＩＭＯアンテナ３００のＥＢＧ構造５３０が４５度傾斜していることである。つまり、複数のＥＢＧセル５３２および複数の分割ギャップ５４２、５４４（異なる方向）は、図１Ａと比較すると、４５度傾斜している。別の差異は、ＭＩＭＯアンテナ３００の二個の整合スタブ３５２、３５４は、互いに離れて延伸することである。整合スタブ３５２、３５４は、それぞれ、短絡ビア３５３、３５５により、アンテナグランドプレーン１２０に電気的に結合している。第二実施例において、ある分割ギャップ５４２は、第一アンテナ素子１５０が延伸する第一方向ＤＲ１にほぼ水平で、残りの分割ギャップ５４４は、第二アンテナ素子１６０が延伸する第二方向ＤＲ２にほぼ水平である。傾斜後、ＥＢＧ構造５３０は、第一アンテナ素子１５０と第二アンテナ素子１６０と同じ方向で延伸することにより、第一アンテナ素子１５０と第二アンテナ素子１６０間のアイソレーションを改善する。

図４は、本発明の第二実施例によるＭＩＭＯアンテナ３００のＳパラメータを説明する説明図である。縦軸はＳパラメータ（dB）を示し、横軸は動作周波数（GHz）を示す。比較すると、傾斜したＥＢＧ構造５３０を有するＭＩＭＯアンテナ３００のアイソレーション（S21）曲線４２１は、元のＥＢＧ構造１３０を有するＭＩＭＯアンテナ１００のアイソレーション（S21）曲線２２１よりずっと大きい。ＭＩＭＯアンテナ３００のアイソレーション（S21）曲線４２１は、バンドＦＢ１中、−１８dBより低い。言い換えると、傾斜したＥＢＧ構造５３０は、少なくとも８dBで、第一アンテナ素子１５０および第二アンテナ素子１６０間のアイソレーションを改善することができる。

図５Ａは、本発明の第二実施例による第二方向ＤＲ２のＭＩＭＯアンテナ３００の主偏波および交さ偏波を説明する説明図である。図５Ａに示されるように、主偏波曲線５０１は主偏波領域を示し、交さ偏波曲線５０２は交さ偏波領域を示し、前述の偏波は、ＸＹ平面上の直線 x-y=0に平行な第二方向ＤＲ２に沿って測定される。図５Ｂは、本発明の第二実施例による第一方向ＤＲ１ ＭＩＭＯアンテナ３００の主偏波および交さ偏波を説明する説明図である。図５Ｂに示されるように、主偏波曲線５０３は主偏波領域を示し、交さ偏波曲線５０４は交さ偏波領域を示し、前述の偏波は、ＸＹ平面上の直線 x+y=0に平行な第一方向ＤＲ１に沿って測定される。図５Ａと図５Ｂによると、第二実施例中のＭＩＭＯアンテナ３００の偏波アイソレーション（主偏波／交さ偏波）は約８dBである。

図６Ａは、本発明の第三実施例によるＭＩＭＯアンテナ６００の平面図である。図６Ｂは、本発明の第三実施例による点線LL2に沿ったＭＩＭＯアンテナ６００の断面図である。第三実施例中のＭＩＭＯアンテナ６００は、第二実施例中のＭＩＭＯアンテナ３００に類似する。それらの主な差異は、ＭＩＭＯアンテナ６００のＥＢＧ構造６３０が、第一ＥＢＧ部分５５１と第二ＥＢＧ部分５５２を有し、ＭＩＭＯアンテナ６００は、さらに、接地構造５８０を有することである。同様に、第一ＥＢＧ部分５５１と第二ＥＢＧ部分５５２のそれぞれは、複数の傾斜した分割ギャップ５４２、５４４により分離される複数の傾斜したＥＢＧセル５３２を有する。含む。第三実施例において、接地構造５８０は、電気的にシステムグランドプレーン１１０に結合し、接地構造５８０は、第二ＥＢＧ部分５５２から、第一ＥＢＧ部分５５１を分離する。接地構造５８０は、第一アンテナ素子１５０と第二アンテナ素子１６０間に位置する。第一アンテナ素子１５０は第一ＥＢＧ部分５５１に近接し、第二アンテナ素子１６０は第二ＥＢＧ部分５５２に近接する。接地構造５８０の幅は、第一信号源１９０、第二信号源１９２間の距離ＤＡにほぼ等しい。図６Ｂを参照すると、ある例において、接地構造５８０は、ただ、中間グランドプレーン５８２だけを含み、分割ギャップがない。好ましい実施例において、接地構造５８０は、さらに、複数の接地バイアス５８６を含み、中間グランドプレーン５８２は、接地バイアス５８６により、システムグランドプレーン１１０に電気的に結合される。接地構造５８０により、ＭＩＭＯアンテナ６００は、ＭＩＭＯアンテナ３００よりさらに対称な構造を有する。注意すべきことは、第一ＥＢＧ部分５５１と第二ＥＢＧ部分５５２は、それぞれ、アンテナグランドプレーン１２０と接地構造５８０により囲まれる二端子を有する。対称なグランドプレーンのため、ＭＩＭＯアンテナ６００の偏波アイソレーションは大幅に改善される。

図７Ａは、本発明の第三実施例による第二方向ＤＲ２のＭＩＭＯアンテナ６００の主偏波および交さ偏波を説明する説明図である。図７Ａに示されるように、主偏波曲線７０１は主偏波領域を示し、交さ偏波曲線７０２は交さ偏波領域を示し、前述の偏波は、ＸＹ平面上の直線 x-y=0に平行な第二方向ＤＲ２に沿って測定される。図７Ｂは、本発明の第三実施例による第一方向ＤＲＩのＭＩＭＯアンテナ６００の主偏波および交さ偏波を説明する説明図である。図７Ｂに示されるように、主偏波曲線７０３は主偏波領域を示し、交さ偏波曲線７０４は交さ偏波領域を示し、前述の偏波は、ＸＹ平面上の直線 x+y=0に平行な第一方向ＤＲＩに沿って測定される。図７Ａと図７Ｂによると、第三実施例中のＭＩＭＯアンテナ６００の偏波アイソレーションは約１８dBで、第二実施例よりずっとよい。

図８は、接地構造５８０があるおよびないＭＩＭＯアンテナの偏波アイソレーションを説明する説明図である。縦軸は偏波アイソレーション（dB）を示し、横軸は動作周波数（GHz）を示す。図８に示されるように、５７GHzから６６GHzの偏波した接地構造５８０を有するＭＩＭＯアンテナ６００アイソレーションは、接地構造５８０がないＭＩＭＯアンテナ３００より大幅に高い。したがって、接地構造５８０が組み込まれて、第一アンテナ素子１５０と第二アンテナ素子１６０間のアイソレーションを効果的に増加する。

図９は、接地構造５８０があるおよびないＭＩＭＯアンテナのピーク実行利得を説明する説明図である。縦軸はピーク実行利得（dBi）を示し、横軸は動作周波数（GHz）を示す説明図である。図９に示されるように、５７GHzから６６GHzの接地構造５８０を有するＭＩＭＯアンテナ６００のピーク実行利得は、接地構造５８０を有するＭＩＭＯアンテナ３００よりさらに安定する。したがって、接地構造５８０が組み込まれ、ＭＩＭＯアンテナ６００のピーク実行利得の変動を効果的に減少させる。

本発明のＥＢＧ構造を有する各ＭＩＭＯアンテナは、複数のアンテナ素子間におけるアンテナ効率に優れると共に、高いアイソレーションを提供することができる。理論上、これらのＭＩＭＯアンテナは６０GHzバンドで動作し、高速データ伝送をサポートする。本発明は、低コストで、各種のアプリケーション、たとえば、ＣＰ（円形偏波）アンテナ、ＭＭＷ（Millimeter Wave）アンテナおよびダイバーシティアンテナアレイに用いることができる。本発明において好ましい実施例を前述の通り開示したが、本発明はこれらの実施例に限定するものではなく、逆に種々の変更や当業者に明らかな同様のアレンジをしたものを含むものである。従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲にて示した内容を基準とする。

１００ ＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）アンテナ
１１０ システムグランドプレーン
１１１ 第一部分
１１２ 第二部分
１２０ アンテナグランドプレーン
１３０ ＥＢＧ（電磁バンドギャップ）構造
１３２ ＥＢＧセル
１３４ パッチ
１３６ セルビア
１４０ 分割ギャップ
１５０ 第一アンテナ素子
１５２、１５４ 整合スタブ
１５３ 短絡ビア
１５５ 短絡ビア
１６０ 第二アンテナ素子
１７１ 第一誘電材料
１７２ 第二誘電材料
１９０ 第一信号源
１９２ 第二信号源
３００ ＭＩＭＯアンテナ
３５２、３５４ 整合スタブ
３５３、３５５ 短絡ビア
５０１ 主偏波曲線
５０２ 交さ偏波曲線
５０３ 主偏波曲線
５０４ 交さ偏波曲線
５３０ ＥＢＧ構造
５３２ ＥＢＧセル
５４２、５４４ 分割ギャップ
５８０ 接地構造
５５１ 第一ＥＢＧ部分
５５２ 第二ＥＢＧ部分
５８２ 中間グランドプレーン
５８６ 接地バイアス
６００ ＭＩＭＯアンテナ
６３０ ＥＢＧ構造
７０１ 主偏波曲線
７０２ 交さ偏波曲線
７０３ 主偏波曲線
７０４ 交さ偏波曲線。

Claims (20)

1. システムグランドプレーンの第一部分と重複するアンテナグランドプレーンと、
   前記システムグランドプレーンの第二部分上に形成されるＥＢＧ構造と、
   前記ＥＢＧ構造に近接して設置され、実質上、第一方向に延伸する第一アンテナ素子、および、
   前記ＥＢＧ構造に近接して設置され、実質上、前記第一方向と異なる第二方向に延伸する第二アンテナ素子、
   を含むことを特徴とするＭＩＭＯアンテナ。
2. 前記第一方向は、実質上、前記第二方向に垂直であることを特徴とする請求項１に記載のＭＩＭＯアンテナ。
3. 前記システムグランドプレーン上に形成される第一誘電材料を含み、前記アンテナグランドプレーンは前記第一誘電材料上に設置され、前記ＥＢＧ構造は前記第一誘電材料中に形成されることを特徴とする請求項１に記載のＭＩＭＯアンテナ。
4. 前記第一誘電材料の高さは、前記第一アンテナ素子および前記第二アンテナ素子が動作する中央動作周波数の０．１波長より小さいことを特徴とする請求項３に記載のＭＩＭＯアンテナ。
5. 前記ＥＢＧ構造および前記アンテナグランドプレーン上に形成される第二誘電材料を含み、前記第一アンテナ素子および前記第二アンテナ素子が、前記第二誘電材料上に設置されることを特徴とする請求項１に記載のＭＩＭＯアンテナ。
6. 前記第二誘電材料の高さは、前記第一アンテナ素子および前記第二アンテナ素子が動作する中央動作周波数の０．１波長より小さいことを特徴とする請求項５に記載のＭＩＭＯアンテナ。
7. 前記ＥＢＧ構造は複数のＥＢＧセルを含み、前記ＥＢＧセルはそれぞれ、実質上、マッシュルーム形状であることを特徴とする請求項１に記載のＭＩＭＯアンテナ。
8. 前記ＥＢＧセルは、それぞれ、パッチとセルビアを含み、前記パッチは、前記セルにより、前記システムグランドプレーンに結合されることを特徴とする請求項７に記載のＭＩＭＯアンテナ。
9. 前記ＥＢＧセルは、複数の分割ギャップにより分割されることを特徴とする請求項７に記載のＭＩＭＯアンテナ。
10. 一部の前記分割ギャップは、実質上、前記第一方向に平行で、残りの前記分割ギャップは、実質上、前記第二方向に平行であることを特徴とする請求項９に記載のＭＩＭＯアンテナ。
11. 前記ＥＢＧ構造は第一ＥＧＢ部分および第二ＥＧＢ部分を含み、前記システムグランドプレーンに結合され、実質上、前記第一ＥＧＢ部分を前記第二ＥＧＢ部分から分離する接地構造を含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＩＭＯアンテナ。
12. 前記接地構造は、分割ギャップおよび複数の接地バイアスがない中間グランドプレーンを含み、且つ、前記中間グランドプレーンは、前記接地バイアスにより、前記システムグランドプレーンに結合されることを特徴とする請求項１１に記載のＭＩＭＯアンテナ。
13. 前記接地構造は、実質上、前記第一アンテナ素子と前記第二アンテナ素子の間に位置し、前記第一アンテナ素子は前記第一ＥＧＢ部分に近接し、前記第二アンテナ素子は前記第二ＥＧＢ部分に近接することを特徴とする請求項１１に記載のＭＩＭＯアンテナ。
14. 前記第一アンテナ素子と前記第二アンテナ素子間の距離は、前記第一アンテナ素子および前記第二アンテナ素子が動作する中央動作周波数の０．５波長より小さいことを特徴とする請求項１に記載のＭＩＭＯアンテナ。
15. 前記第一アンテナ素子および前記第二アンテナ素子は、モノポールアンテナであることを特徴とする請求項１に記載のＭＩＭＯアンテナ。
16. 前記第一アンテナ素子および前記第二アンテナ素子は、それぞれ整合スタブを含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＩＭＯアンテナ。
17. 前記整合スタブの一端は、短絡ビアにより、前記アンテナグランドプレーンに結合されることを特徴とする請求項１６に記載のＭＩＭＯアンテナ。
18. 前記第一アンテナ素子および前記第二アンテナ素子は、実質上、５７GHzから６６GHzのバンドを被覆することを特徴とする請求項１に記載のＭＩＭＯアンテナ。
19. 前期ＥＢＧ構造は、実質上、４５度から１３５度の反射位相差異を提供することを特徴とする請求項１に記載のＭＩＭＯアンテナ。
20. 全高は、前記第一アンテナ素子および前記第二アンテナ素子が動作する中央動作周波数の０．１２５波長より小さいことを特徴とする請求項１に記載のＭＩＭＯアンテナ。

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