JP6197793B2 - アンテナ装置 - Google Patents

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Description

本発明はMIMOシステムを利用した無線通信装置におけるアンテナ装置に関する。
近年、MIMO(Multiple−Input Multiple−Output)システムの普及に伴い、携帯通信端末のような装置内に同一周波数を有する複数のアンテナ素子が実装され始めている。しかし、実装面積の少ない端末内に同一周波数を有する複数のアンテナ素子が近接していると、相互結合を生じ、アンテナ放射効率の低下や空間相関係数を悪化させるため、MIMO通信性能を低下させる要因となってしまう。
そのための解決策として、例えば特許文献1の図10Bに記載されているアンテナ構造物では、隣接するアンテナ素子間に連結素子を設け、連結素子の長さや設置箇所を調整することで適切なサセプタンス値を与え、アンテナポート間のアイソレーションを抑制することができる構造を採用している。
特許第4723673号公報
しかしながら、特許文献1に開示されたアンテナ構造物には次のような問題がある。互いに共通の複数周波数帯を有する、複数のアンテナ素子の場合、各アンテナ素子間に連結素子を挿入するだけでは、連結素子がインダクタとしての単調な周波数動作しか持たないため、特定の周波数帯でしかアンテナポート間アイソレーションが実現できない。むしろその他の周波数帯ではかえってアンテナポート間の相互結合が強くなる可能性が高く、MIMO通信性能を低下させる原因となる。
本発明は、互いに共通の複数周波数帯を有する、複数のアンテナ素子に対し、各周波数帯においてアンテナポート間のアイソレーションを補償するアンテナ装置を提供しようとするものである。
本発明におけるアンテナ装置は、少なくとも2本のアンテナ素子と、前記各アンテナ素子にそれぞれ接続される伝送線路と、前記各伝送線路の間に接続されるフィルタ回路と、前記各伝送線路の終端部に接続される整合回路と、を含み、前記各アンテナ素子は互いに共通の複数周波数帯を有する。前記フィルタ回路は前記アンテナ素子の特定の周波数帯で通過域を有する。前記フィルタ回路はまた、集中定数回路あるいは分布定数回路を用いて構成され、前記アンテナ素子間の位相差と前記伝送線路の電気長の合計を±90°とし、かつ前記フィルタ回路の相互インピーダンスがアンテナ間の結合係数で決まる非結合値を与えることで、アンテナ間の相互結合を抑制する。
本発明によれば、互いに共通の複数周波数帯を有する複数のアンテナ素子に関し、全てのアンテナポート間において複数の周波数帯でアイソレーションがとれるアンテナ装置を提供することができる。
図1は、本発明の第1の実施形態によるアンテナ装置の回路図である。
図2は、図1の第1の実施形態のアンテナ端部に整合回路を追加した回路図である。
図3は、本発明の第1の実施形態に適用され得る低域フィルタの一例を表した回路図である。
図4は、本発明の第1の実施形態を具現化したアンテナ装置を表す図である。
図5は、図4におけるフィルタ回路および整合回路の詳細を説明した図である。
図6は、図4のアンテナ装置のSパラメータの周波数特性を示す図である。
図7は、図4のアンテナ装置の相関係数の周波数特性を示す図である。
図8は、本発明の第2の実施形態によるアンテナ装置の回路図である。
図9は、本発明の第3の実施形態によるアンテナ装置を示す回路図である。
図10は、本発明の第4の実施形態によるアンテナ装置を示す回路図である。
[構造]
本発明に係るアンテナ装置の第1の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は本発明の第1の実施形態によるアンテナ装置の基本構造を表す回路図である。
図1において、101,102は第1,第2のアンテナ素子、103,104は第1,第2の伝送線路、105はフィルタ回路、106,107は第1,第2の整合回路である。第1の整合回路106,第2の整合回路107は、第1のアンテナ素子101,第2のアンテナ素子102側を覗いた際のインピーダンス整合を行う。
第1のアンテナ素子101と第2のアンテナ素子102は同じ周波数帯を有する限りにおいて、異なる構造、異なる種類、異なる配置をとっていても良い。
第1の伝送線路103と第2の伝送線路104は、以後に説明する式(1)の条件を満たす限りにおいてはどのような種類、長さ、形状をとっていても良い。
フィルタ回路105は、例えば低域フィルタ、高域フィルタ、帯域フィルタ、帯域除去フィルタを用いることができ、集中定数回路や分布定数回路を用いたフィルタを用いることができる。回路105においてフィルタ回路を用いることで、アンテナポート間アイソレーションを実現する上で重要な非結合値を決定する上でのサセプタンスの周波数特性に複雑な変化を与えることができ、マルチバンドでのアンテナポート間アイソレーションを容易にする。
図2は図1で表すアンテナ装置に対し、アンテナ素子101−1、102−1付近にそれぞれ整合回路101−2、102−2を付加したアンテナ装置の回路図である。
図2における整合回路101−2と整合回路102−2は設計において必ずしも必要ではないが、アンテナ装置の設計を簡単にするために実装することができるのでここでは便宜的に導入する。
図1あるいは図2におけるフィルタ回路105は、例えば図3のようなインダクタ(L+Lm1),Lm2/2およびキャパシタC,2Cを組み合わせた低域フィルタ回路で構成できる。Lは低域フィルタを構成するインダクタのインダクタンス、C,Cは低域フィルタを構成するキャパシタのキャパシタンス、Lm1,Lm2は低域フィルタを構成するインダクタのインダクタンスである。
図4は本発明の第1の実施形態を具体的に基板で実現したアンテナ装置を表す図である。ここではアンテナ素子として逆Fアンテナを用い、基板両側のアンテナ素子A1,A2からそれぞれマイクロストリップ線路M1,M2が配線され、基板の中央にあるフィルタ回路F及び整合回路へと接続される。図2における整合回路101−2と整合回路102−2は逆Fアンテナにおけるショートラインに相当する。2本のアンテナ素子A1,A2は共に850MHz帯および2.1GHz帯で周波数帯を持つように設計されている。
図5は図4のアンテナ装置におけるフィルタ回路Fおよび整合回路の詳細を説明した図である。L1〜L3およびC1〜C3まではフィルタ回路Fを構成する集中定数であり、L4、L5、C4、C5は整合回路を構成する集中定数を表す。具体的には、L1〜L3は低域フィルタを構成するインダクタのインダクタンス、L4,L5は整合回路を構成するインダクタのインダクタンス、C1〜C3は低域フィルタを構成するキャパシタのキャパシタンス、C4,C5は整合回路を構成するキャパシタのキャパシタンスである。ここでは、L1=3.8nH,L2=4.5nH,L3=4.5nH,L4=1nH,L5=1nH,C1=2.7pF,C2=2.05pF,C3=2.05pF,C4=2pF,C5=2pFである。
フィルタ回路Fは850MHz帯においてパスバンド、2.1GHz帯でストップバンドを持つように設計されている。
アンテナポート間のアイソレーションを実現するためには、所望の複数の周波数帯において以下の条件式(1)を満たすように、第1の伝送線路であるマイクロストリップ線路M1の電気長θ1、第2の伝送線路であるマイクロストリップ線路M2の電気長θ2およびフィルタ回路Fの集中定数値を設計する。
Figure 0006197793
上記式(1)において、Bはフィルタ回路Fのサセプタンスを表し、αとφはそれぞれアンテナ素子A1,A2のみが実装されていた場合におけるアンテナ素子A1,A2間の結合係数と位相差を表す。またYは特性アドミタンスである。アンテナ素子A1,A2間の位相差とマイクロストリップ線路M1、M2の電気長の合計を±90°(π/2)とし、かつフィルタ回路Fのサセプタンスがアンテナ素子A1,A2間の結合係数αで決まる非結合値Bとなるように、所望の複数の周波数帯で設計することで、アンテナ素子A1,A2間の相互結合を抑制することができる。ここで、フィルタ回路Fのサセプタンスが、上記式(1)における非結合値Bとなるのは、後述するSパラメータS21(あるいはS12)が極小となる状況を指す。よって、フィルタ回路F内の集中定数をパラメータとして上記式(1)の条件を探すことができる。具体的には、パラメータとしてL1、L2、L3、C1を用いることができる。
図6は、図4の基板のSパラメータの周波数特性を表す図である。ここでは、図4に示した給電部P1と給電部P2をアンテナポートとした際のSパラメータを表している。ここではS11とS21のみを示したが、S22とS12もそれぞれS11とS21と同様の結果を示す。これは、アンテナ基板の対称性・可逆性からS22=S11,S12=S21が保障されるからである。アンテナの周波数帯である850MHzおよび2.1GHzにおいてS11とS21は共にディップを示していることから、両帯域において、アンテナの共振特性とともにアンテナポート間のアイソレーションが取れていることが分かる。
図7は図6のSパラメータから計算されたポート間の相関係数である。相関係数ρは2本のアンテナ構造が対称的な構造を持つ場合には以下のような式(2)で表すことができる。
Figure 0006197793
相関係数ρはちょうど850MHzと2.1GHzにおいてほぼゼロとなることが分かり、MIMO通信で良質な特性を得るために必要な低相関性を十分に満足している。
[他の実施形態]
上記第1の実施形態において、フィルタ回路を多段に実装することでより複数の帯域においてもアイソレーションが実現可能となる。
そのための構成を、第2の実施形態として図8に示す。
図8において、このアンテナ装置は、アンテナ素子101に接続した伝送線路103−1とアンテナ素子102に接続した伝送線路104−1の間にフィルタ回路105−1を接続すると共に、伝送線路103−1に接続した伝送線路103−2と伝送線路104−1に接続した伝送線路104−2の間にフィルタ回路105−2を接続した多段構成としている。106,107は整合回路である。第2の実施形態では、具体例として伝送線路間に2段のフィルタ回路105−1,105−2を挿入しているが、それ以上に実装しても問題ない。フィルタ回路を多段に挿入することで、複数の帯域におけるポート間アイソレーションが容易となる。
本発明は更に、第3の実施形態として図9に示すように、ポート間のアイソレーションのためにフィルタ回路105−4と、インダクタあるいはキャパシタからなるサセプタンス素子105−3を組み合わせて用いることでも複数の帯域に対応が可能となる。
図9において、第3の実施形態によるアンテナ装置は、アンテナ素子101に接続した伝送線路103−1とアンテナ素子102に接続した伝送線路104−1の間にサセプタンス素子105−3を接続すると共に、伝送線路103−1に接続した伝送線路103−2と伝送線路104−1に接続した伝送線路104−2の間にフィルタ回路105−4を接続した構成としている。第3の実施形態では、具体例としてフィルタ回路とサセプタンス素子をそれぞれ一つずつ用いた構成を示したが、これらを多段に挿入してもよい。106、107は整合回路である。
本発明は更に、アンテナ素子が3本以上の場合にも適用が可能である。そのための構成を第4の実施形態として図10に示す。
図10において、アンテナ素子111,121,131にそれぞれ伝送線路112,122,132が接続され、伝送線路112と伝送線路122の間にはフィルタ回路141、伝送線路122と伝送線路132の間にはフィルタ回路142、伝送線路112と伝送線路132の間にはフィルタ回路143がそれぞれ接続されている。伝送線路112の端部には整合回路113、伝送線路122の端部には整合回路123、伝送線路132の端部には整合回路133がそれぞれ接続されている。ここでは簡単のためにアンテナ素子が3本の場合を示しているが、それ以上の本数の場合にも同様にして適用可能である。
以上、本発明を、複数の実施形態を参照して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、請求項に記載された本発明の精神や範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
本発明は複数のアンテナ素子を用いた無線通信機器に適用可能である。例えば移動体通信向け基地局および端末、あるいは無線LAN(Local Area Network)ルータなどといった機器に搭載可能である。
この出願は、2012年9月13日に出願された日本出願特願2012−201884を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。
101,102,101−1,102−1,111,121,131 アンテナ素子
103,104,103−1、103−2,104−1,104−2,112,122,132 伝送線路
101−2,102−2,106,107,113,123,133 整合回路
105,105−1,105−2,105−4,141,142,143 フィルタ回路
105−3 サセプタンス素子

Claims (4)

  1. 少なくとも2本のアンテナ素子と、
    前記各アンテナ素子にそれぞれ接続される伝送線路と、
    前記各伝送線路の間に接続される少なくとも2つのフィルタ回路と、
    前記各伝送線路の終端部に接続される整合回路と、を有し、
    前記各アンテナ素子は共通の複数の共振周波数を有し、
    前記フィルタ回路は前記アンテナ素子の特定の共振周波数で通過域を有し、
    前記フィルタ回路は集中定数回路あるいは分布定数回路を用いて構成され、
    前記フィルタ回路は前記各アンテナ素子間の相互結合を、
    複数の周波数帯にわたって、前記アンテナ素子間の位相差と前記伝送線路の電気長の合計を±90°とし、かつ前記フィルタ回路の相互インピーダンスがアンテナ間の結合係数で決まる非結合値を与えることで抑制することを特徴とするアンテナ装置。
  2. 前記フィルタ回路を伝送線路間に複数段挿入することで、複数の共振周波数でアンテナ素子間の電磁結合を抑制することを特徴とする請求項に記載のアンテナ装置。
  3. 前記フィルタ回路と共にサセプタンス素子を1段以上挿入することで複数の共振周波数でアンテナ間の電磁結合を抑制することを特徴とする請求項に記載のアンテナ装置。
  4. 前記整合回路はアンテナ素子側のインピーダンスを整合することを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載のアンテナ装置。
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