JP6197793B2 - アンテナ装置 - Google Patents

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＋Ｌ_ｍ１），Ｌ_ｍ２／２およびキャパシタＣ，２Ｃ_ｍ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_ｍ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、Ｌ_ｍ１，Ｌ_ｍ２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。

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_０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_ｅ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。

相関係数ρ_ｅ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１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１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１〜３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。

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