JP7161750B2

JP7161750B2 - ループアンテナの給電装置

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Publication number: JP7161750B2
Application number: JP2018158123A
Authority: JP
Inventors: 啓人大塚; 昭斉藤; 和彦本城; 亮石川
Original assignee: THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS
Current assignee: THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS
Priority date: 2018-08-27
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2022-10-27
Anticipated expiration: 2038-08-27
Also published as: JP2020036067A

Description

本発明は、アンテナへの給電装置に関し、特にループアンテナへの給電装置に関する。

近年、インターネットの豊富なコンテンツと、光回線による超高速ネットワークならびに最終ユーザへの無線ネットワークの普及で、“いつでも、どこでも、誰とでも”、さらには“いまだけ、ここだけ、あなただけ”という個人のニ－ズに合わせた情報の提供を可能にする高度情報社会への進展が急速に進んでいる。さらに、センサーネットワークを用いた人を介さない通信によるビッグデータの収集も並行して進んでいる。これらを支える無線システムとして、携帯電話、Ｗｉｍａｘ（Worldwide Interoperability for Microwave Access）、無線ＬＡＮ（Local Area Network）、Bluetooth（登録商標）、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）、ジグビー等多様なシステムが提供されている。

加えて、これらのシステムをシームレスに接続し、各システムを組み合わせて提供するサービスも進展している。これらの無線システムは、固有の通信帯域を占有して通信を行うものであり、特に大量のデータを高速に伝送するためには広い周波数帯域を用いる必要があり、貴重な資源である周波数資源を多く必要とするという問題があった。このため、有効利用の指標として伝送情報量を帯域幅で割った周波数あたりの伝送レート（bit/Hz）を向上できる技術の重要性が増大している。

周波数あたりの伝送レートを向上できる技術の１つとして、複数のアンテナを送信側と受信側に配置したＭＩＭＯ（multiple-input and multiple-output）と称される技術が知られている。ＭＩＭＯは、同じ時間内に同じ帯域内で、伝搬特性の違いを活用して多重化する空間多重化の手法である。例えば、送信側と受信側のそれぞれがｎ個（ｎは任意の整数）のアンテナを備えた場合、送信アンテナの電圧電流と受信アンテナの電圧電流の関係は、伝搬路の伝達関数（例えばＺ行列）で一意に定めることができ、ｎ行×ｎ列の正方行列として表現される。

この行列の固有ベクトルを用いるとｎ行×ｎ列の正方行列は対角化でき、ｎ個の固有ベクトルに関する伝達関数は独立となるので、ｎ重の多重化が可能となる。しかしながら、ＭＩＭＯでは、混ざり合った信号を数学的に分離するため、複雑な信号処理が必要になるという問題がある。また、複数のアンテナを協調させて動作させることになるので、システム構成が複雑になるという問題もあった。

このような状況を踏まえて、近年、同一の周波数における多重化の手法として、ＯＡＭ(Orbital Angular Momentum)通信が提案されている。この手法は、電磁界の軌道角運動量が保存される場合にのみ相互作用が許容される現象を活用するものであり、電磁波に軌道角運動量（ＯＡＭ）の情報を持たせて伝送する手法である。
レーザのようなビーム断面がガウス分布系となる波動では、断面における方位φに関する位相空間分布は、通常の波では一定である。一方、ＯＡＭ波では、ｅｘｐ（ｊｍφ）（但し、ｍはＯＡＭ波のモード次数で磁気量子数と呼ばれる）に従い、方位φに対して線形に変化して、同一位相面が螺旋状に進む。
このようなＯＡＭ波は、光通信の場合には、レーザとホログラムあるいはスパイラル位相板を用いて比較的簡単に実現することができる。一方、マイクロ波の場合には、固有モードの送信方法や受信方法、及び絞られたビームの伝送方法が光通信と大きく異なるため、ＯＡＭ波の実現は容易ではない。

特許文献１の無線通信装置は、送信アンテナと、送信アンテナから送信された無線信号を受信する受信アンテナとを有する無線通信装置である。
送信アンテナ及び受信アンテナは、それぞれが無線通信周波数から決まる波長の約整数倍の異なる周囲長を持ち、同一の平面に同心円状に配置される複数の円形ループアンテナと、複数の円形ループアンテナに個別に接続される複数の給電部とを備える。
そして、送信アンテナの複数の円形ループアンテナの中心軸と、受信アンテナの複数の円形ループアンテナの中心軸とを、ほぼ直線状に配置した構成としている。

また特許文献１のアンテナ装置は、それぞれが無線通信周波数から決まる波長の約整数倍の異なる周囲長を持ち、同一の平面に同心円状に配置される複数の円形ループアンテナと、複数の円形ループアンテナに個別に接続される複数の給電部とを備え、複数の給電部に、それぞれ別の送信部又は受信部を接続するようにしている。

特許文献１によれば、シンプルな構造で安価かつ量産性に優れたアンテナ装置を使用してＯＡＭ波を実現していることから、周波数あたりの伝送レートを向上させた無線通信を実現することができる。しかも、特許文献１の場合、アンテナ装置に接続される送信部や受信部として、複数の系の信号の分離や混合などのための特別な構成を必要としないので、無線通信装置全体としても簡単な構成で、周波数あたりの伝送レートを向上させた無線通信が可能になるという効果を有する。

また特許文献２によれば、端子方位を変更することで特許文献１でのＯＡＭ波のモード間のアイソレーションの向上させている。

国際公開第ＷＯ２０１７／１８８１７２国際出願番号ＰＣＴ／ＪＰ２０１８／０１７４２０

特許文献１及び特許文献２のＯＡＭ波のモードはアンテナ導体上の電流分布により決定されるが、給電回路の電流による誘起電流がアンテナ導体の電流分布を乱し、モードの単一性を悪化させていた。

このように従来の給電回路では、ＯＡＭ波のモードの単一性が悪化するという問題があり、導体上の電流分布に影響を与えない構成の給電回路が望まれていた。

本発明の目的は、アンテナ導体上の電流分布に影響を与えない給電回路を提供することにある。

請求項１に記載のループアンテナの給電装置は、無線通信周波数から決まる波長の約整数倍の周囲長を有する送信側と受信側の円形ループアンテナが、波長毎に複数、同一平面上、且つ、同心円状となるように構成され対向して配置されるループアンテナであって、送信側と受信側の各円形ループアンテナに接続される給電装置は、この円形ループアンテナが構成される平面に対して垂直で、かつ対向した送信側の円形ループアンテナと受信側の円形ループアンテナの間に突出しない裏側に配置されることを特徴とする。
請求項２に記載のループアンテナの給電装置は、ループアンテナの一端に接続される第１の給電装置と、このループアンテナの他端に接続される第２の給電装置とで構成され、第１の給電装置と第２の給電装置は、実インピーダンス変換を行うバランとして機能する構成としたことを特徴とする。
請求項３に記載のループアンテナの給電装置は、第１および第２の給電装置の間には誘電体が設けられていることを特徴とする。
請求項４に記載のループアンテナの給電装置は、ループアンテナの背面に反射板が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、アンテナ導体上の電流分布に影響を与えない給電回路を提供することができる。

本発明の一実施の形態例による無線通信装置の全体構成例を示す図である。本発明の一実施の形態例によるアンテナ構成を示す平面図である。本発明の一実施の形態例によるアンテナ構成を示す俯瞰図である。本発明の一実施の形態例によるアンテナの給電部付近を拡大して示す俯瞰図である。本発明の一実施の形態例によるアンテナの給電部付近を拡大して示す側面からの俯瞰図である。本発明の一実施の形態例によるアンテナの給電部の平面図である。本発明の一実施の形態例によるアンテナの給電部の側面図である。図２のＩ－Ｉ´断面図である。本発明の一実施の形態例による送受信間の通過特性の例を示す特性図である。

以下、本発明の一実施の形態例（以下、「本例」と称する。）を、図１～図９を参照して説明する。
［１．アンテナ装置の構成］
図１は、本発明の給電回路を特許文献１及び特許文献２に用いた無線通信装置全体の構成例を示す図である。送信アンテナ１００と受信アンテナ２００は同一の構成であり、複数（ここでは４個）の円形ループアンテナ１１０～１４０，２１０～２４０を備える。

すなわち、送信アンテナ１００は、４本の円形ループアンテナ１１０，１２０，１３０，１４０と反射板１０１を備える。この４本の円形ループアンテナ１１０，１２０，１３０，１４０は、中心位置ｃ_１を一致させた状態で同一の平面内に配置される。
また、受信アンテナ２００についても、４本の円形ループアンテナ２１０，２２０，２３０，２４０と反射板２０１を備え、４本の円形ループアンテナ２１０，２２０，２３０，２４０が、中心位置ｃ_２を一致させた状態で同一の平面内に配置される。
なお、本例の円形ループアンテナ１１０～１４０，２１０～２４０は、後述するように給電部で途切れた円形の導体で構成され、導体が環状には繋がっていない（図４及び図５参照）。

送信アンテナ１００及び受信アンテナ２００を構成する各円形ループアンテナ１１０～１４０，２１０～２４０は、それぞれが独立しており、本例の無線通信装置で無線伝送する周波数から決まる波長の整数倍となる長さを有する。各円形ループアンテナ１１０～１４０，２１０～２４０の長さの詳細については後述する。

図１に示すように、送信アンテナ１００の中心位置ｃ_１を円形ループアンテナ１１０～１４０と直交する方向に延長させた中心軸φ_０は、受信アンテナ２００の中心位置ｃ_２を通過する。すなわち、送信アンテナ１００と受信アンテナ２００とは、それぞれの中心軸φ_０をほぼ一致させた状態で配置される。

また特許文献２よりループアンテナ１１０，２１０の端子方位を０°とし、ループアンテナ１２０，２２０は１１５°、ループアンテナ１３０，２３０は２２５°、ループアンテナ１４０，２４０は５０°とした。

送信側の構成について説明すると、送信データ生成部１０が、４つの送信データ系列を生成し、生成した４つの送信データ系列を、４つの送信部２１，２２，２３，２４に供給する。各送信部２１，２２，２３，２４は、供給される送信データ系列を、それぞれ同じ送信周波数に変調された送信信号とする。各送信部２１，２２，２３，２４で得た送信信号は、信号線３１，３２，３３，３４を介して、４本の円形ループアンテナ１１０，１２０，１３０，１４０に垂直に接続された給電部１１１，１２１，１３１，１４１に供給される。
そして、４本の円形ループアンテナ１１０，１２０，１３０，１４０は、各給電部１１１，１２１，１３１，１４１に得られる送信信号を無線伝送する。

特許文献１及び特許文献２によれば、ループアンテナから放射されるＯＡＭ波のモード比は、ループアンテナ上の電流分布をフーリエ級数展開したときの展開係数の比となる。この展開係数の値はループ半径、ループの導体幅、それぞれのループの位置関係から決定されるため、適切なパラメータで設計を行うことで任意のモードのＯＡＭ波を最大に放射するループアンテナが設計できる。

ある導体を流れる電流による他の導体の誘起電流は、ある導体中の電流の流れる方向にしか誘起されない。そのためアンテナと同一平面に給電回路を設けると、給電回路に流れた電流による誘起電流がループアンテナに生じる。この誘起電流により、理想的に設計したループアンテナであっても、その電流分布が乱され、放射するＯＡＭ波のモード単一性が悪化する。

それに対し本発明の給電部１１１，１２１，１３１，１４１はループアンテナ１１０，１２０，１３０，１４０と直交した導体のみで構成されるため、ループアンテナ、給電部それぞれの電流はそれぞれの導体に誘起電流を生じない。これによりループアンテナ上の電流分布がバランの誘起電流によって乱されることがなくなり、放射するＯＡＭ波のモード単一性のバランによる悪化がなくなる。

４本の円形ループアンテナ１１０，１２０，１３０，１４０から無線伝送された信号は、受信アンテナ２００の４本の円形ループアンテナ２１０，２２０，２３０，２４０で個別に受信される。４本の円形ループアンテナ２１０，２２０，２３０，２４０は、それぞれ別の給電部２１１，２２１，２３１，２４１を備え、各給電部２１１，２２１，２３１，２４１に得られる受信信号が、信号線４１，４２，４３，４４を介して個別の受信部５１，５２，５３，５４に供給される。各受信部５１，５２，５３，５４は、同じ周波数で伝送された信号を受信処理して、受信データ系列を得る。各受信部５１，４２，５３，５４で得られた受信データ系列は、受信データ処理部６０に供給される。

［２．アンテナ装置の構成］
図２及び図３は、送信アンテナ１００の構成を示す。図２及び図３は、送信アンテナ１００の構成を示すが、受信アンテナ２００も送信アンテナ１００と同じ構成であるから、図２及び図３の説明を適用することができる。
図２に示すように、送信アンテナ１００が備える４本の円形ループアンテナ１１０，１２０，１３０，１４０は、同心円状に配置される。それぞれの円形ループアンテナ１１０，１２０，１３０，１４０を構成する導体の長さは、送信信号の周波数から決まる波長の約整数倍に設定する。

図４及び図５は、円形ループアンテナ１１０に接続される給電部１１１の詳細構成を拡大して示したものである。
円形ループアンテナ１１０の一端１１０ａと裏面にある他端１１０ｂとの間は非導通状態で近接し、一端１１０ａ及び他端１１０ｂには、比誘電率４．７のプリント基板上の直線状の結合線路１１１ａ及び裏面にある直線状の結合線路１１１ｂがパッド１１１ｃ及び裏面にあるパッド１１１ｄによって接続される。また１１１ａ及び１１１ｂの他端にはパッド１１１ｅ及び裏面にあるパッド１１１ｆが形成される。１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ，１１１ｅ，１１１ｆは比誘電率４．７のプリント基板１１１ｇ上に配置される。
２つのパッド１１１ｅ及び１１１ｆには、図１に示す送信部２１から互いに逆極性の差動信号が供給される。

図６及び図７に示す構成の給電部１１１は、実インピーダンス変換を行うバランとして機能する。このバランとしての機能を持つ給電部１１１により、例えば円形ループアンテナ１１０の入力インピーダンスを、同軸ケーブルのインピーダンスである５０Ωに合わせることができる。
また、ループアンテナの導体と直交した導体のみで構成されるため、給電部とループアンテナは互いに誘起電流を生じない。

送信アンテナ１００が備える他の円形ループアンテナ１２０，１３０，１４０に接続された給電部１２１，１３１，１４１についても、図３に示す給電部１１１と同様の構成であり、それぞれの給電部１２１，１３１，１４１に対応した送信部２２，２３，２４から差動信号が供給される。

また、受信アンテナ２００の各円形ループアンテナ２１０，２２０，２３０，２４０に接続された給電部２１１，２２１，２３１，２４１についても、図１に示す給電部１１１と同様の構成である。すなわち、各給電部２１１，２２１，２３１，２４１のパッド（図３に示すパッド１１１ｅ及び１１１ｆと同様の構成）に、各円形ループアンテナ２１０，２２０，２３０，２４０で受信した差動信号が得られ、パッドに得られる差動信号が各受信部５１，５２，５３，５４に供給される。

図８は、図２のＩ－Ｉ´断面図である。

図９は、送信アンテナ１００と受信アンテナ２００を図１に示すように配置した場合の、各円形ループアンテナ１１０～１４０，２１０～２４０の反射損失とアンテナ間の通過特性を評価した特性図である。
ここでは、各アンテナ１００，２００の４つの円形ループアンテナ１１０～１４０，２１０～２４０の半径及び導体幅として、以下のように設定する。
・円形ループアンテナ１１０，２１０：半径３．０５ｍｍ、導体幅０．２ｍｍ
・円形ループアンテナ１２０，２２０：半径６．８５ｍｍ、導体幅０．２ｍｍ
・円形ループアンテナ１３０，２３０：半径１０．４０ｍｍ、導体幅０．２ｍｍ
・円形ループアンテナ１４０，２４０：半径１３．９５ｍｍ、導体幅０．２ｍｍ
また、各円形ループアンテナ１１０～１４０，２１０～２４０を構成する導体を、０．１ｍｍの厚さで、比誘電率４．７のプリント基板上に配置する。そして、送信アンテナ１００と受信アンテナ２００とを１５ｍｍ間隔で対向して配置して評価したのが、図９である。この場合の電流及び電磁界のモード次数ｎは、ｎ＝１，２，３，４に相当する。また、各給電部１１１～１４１,２１１～２１４の端子インピーダンスは差動１００Ωとする。

図９Ａはループアンテナの反射損失、図９Ｂはループアンテナの相互インピーダンス、図９Ｃは送信アンテナ１００の給電部１１１と受信アンテナ２００の各給電部２１１，２２１，２３１，２４１との間の通過特性、図９Ｄは送信アンテナ１００の給電部１２１と受信アンテナ２００の各給電部２１１，２２１，２３１，２４１との間の通過特性、図９Ｅは送信アンテナ１００の給電部１３１と受信アンテナ２００の各給電部２１１，２２１，２３１，２４１との間の通過特性、図９Ｆは送信アンテナ１００の給電部１４１と受信アンテナ２００の各給電部２１１，２２１，２３１，２４１との間の通過特性をそれぞれ示す。

図９Ａに示す反射損失について説明すると、特性Ｓ１１は円形ループアンテナ１１０，２１０の反射損失、特性Ｓ２２は円形ループアンテナ１２０，２２０の反射損失、特性Ｓ３３は円形ループアンテナ１３０，２３０の反射損失、特性Ｓ４４は円形ループアンテナ１４０，２４０の反射損失である。図９Ａでは、１１ＧＨｚから１３ＧＨｚまでの反射損失を示している。
図９Ａに示すように反射損失は、周囲長が波長の整数倍となる概ね１２ＧＨｚの付近で、良好な特性となっている。

図９Ｂに示す相互インピーダンスについて説明すると、特性Ｓ２１は、円形ループアンテナ１１０，１２０の相互インピーダンス、特性Ｓ３１は、円形ループアンテナ１１０，１３０の相互インピーダンス、特性Ｓ４１は、円形ループアンテナ１１０，１４０の相互インピーダンス、特性Ｓ３２は、円形ループアンテナ１２０，１３０の相互インピーダンス、特性Ｓ４２は、円形ループアンテナ１２０，１４０の相互インピーダンス、特性Ｓ４３は、円形ループアンテナ１３０，１４０の相互インピーダンスである。図９Ｂでは、１１ＧＨｚから１３ＧＨｚまでの相互インピーダンスを示す。
図９Ｂに示すように隣接する円形ループアンテナ間の相互インピーダンスは、この周波数領域では－２１．８ｄＢ以下と小さく、サイズの異なることに起因する磁気量子数モードの違いで、その値は十分に小さく、従来例に比べて２．８ｄB改善した。

次に、図９Ｃ～図９Ｆの各アンテナの通過特性について説明する。図９Ｃ～図９Ｆは、１１ＧＨｚから１３ＧＨｚまでの通過特性を示している。
図９Ｃは送信アンテナ１００の円形ループアンテナ１１０の給電部１１１と受信アンテナ２００の各円形ループアンテナ２１０～２４０の給電部２１１～２４１との間の通過特性を示す。特性Ｓ５１は、給電部１１１と給電部２１１との通過特性を示す。特性Ｓ６１は、給電部１１１と給電部２２１との通過特性を示す。特性Ｓ７１は、給電部１１１と給電部２３１との通過特性を示す。特性Ｓ８１は、給電部１１１と給電部２４１との通過特性を示す。

図９Ｄは送信アンテナ１００の円形ループアンテナ１２０の給電部１２１と受信アンテナ２００の各円形ループアンテナ２１０～２４０の給電部２１１～２４１との間の通過特性を示す。特性Ｓ５２は、給電部１２１と給電部２１１との通過特性を示す。特性Ｓ６２は、給電部１２１と給電部２２１との通過特性を示す。特性Ｓ７２は、給電部１２１と給電部２３１との通過特性を示す。特性Ｓ８２は、給電部１２１と給電部２４１との通過特性を示す。

図９Ｅは送信アンテナ１００の円形ループアンテナ１３０の給電部１３１と受信アンテナ２００の各円形ループアンテナ２１０～２４０の給電部２１１～２４１との間の通過特性を示す。特性Ｓ５３は、給電部１３１と給電部２１１との通過特性を示す。特性Ｓ６３は、給電部１３１と給電部２２１との通過特性を示す。特性Ｓ７３は、給電部１３１と給電部２３１との通過特性を示す。特性Ｓ８３は、給電部１３１と給電部２４１との通過特性を示す。

図９Ｆは送信アンテナ１００の円形ループアンテナ１４０の給電部１４１と受信アンテナ２００の各円形ループアンテナ２１０～２４０の給電部２１１～２４１との間の通過特性を示す。特性Ｓ５４は、給電部１４１と給電部２１１との通過特性を示す。特性Ｓ６４は、給電部１４１と給電部２２１との通過特性を示す。特性Ｓ７４は、給電部１４１と給電部２３１との通過特性を示す。特性Ｓ８４は、給電部１４１と給電部２４１との通過特性を示す。

これら図９Ｃ～図９Ｆに示すように、周囲長が同じ円形ループアンテナ同士の組み合わせの通過特性Ｓ５１，Ｓ６２，Ｓ７３，Ｓ８４と、周囲長が異なる場合の通過特性（例えば特性Ｓ６１，Ｓ７１，Ｓ８１）との比のは、１９．３ｄＢ以上であり、従来例に比べて１．０ｄB改善した。

以上説明したように、本例の給電回路によると、アンテナ１１０～１４０，２１０～２４０の電流分布を乱すことなく給電することができ、ＯＡＭ波のモード単一性を悪化させない

１０…送信データ生成部、２１～２４…送信部、３１～３４，４１～４４…信号線、５１～５４…受信部、６０…受信データ処理部、１００…送信アンテナ、１０１…反射板、１０２…アンテナ基板、１１０，１２０，１３０，１４０，２１０，２２０，２３０，２４０…ループ部、１１１，１２１，１３１，１４１，２１１，２２１，２３１，２４１…給電部

Claims

無線通信周波数から決まる波長の約整数倍の周囲長を有する送信側と受信側の円形ループアンテナが、波長毎に複数、同一平面上、且つ、同心円状となるように構成され対向して配置されるループアンテナであって、
送信側と受信側の前記各円形ループアンテナに接続される給電装置は、当該円形ループアンテナが構成される平面に対して垂直で、かつ対向した送信側の円形ループアンテナと受信側の円形ループアンテナの間に突出しない裏側に配置されることを特徴とするループアンテナの給電装置。
前記給電装置は、前記ループアンテナの一端に接続される第１の給電装置と、当該ループアンテナの他端に接続される第２の給電装置とで構成され、前記第１の給電装置と前記第２の給電装置は、実インピーダンス変換を行うバランとして機能する構成としたことを特徴とする請求項１記載のループアンテナの給電装置。
前記第１および第２の給電装置の間には誘電体が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のループアンテナの給電装置。
前記ループアンテナの背面には反射板が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のループアンテナの給電装置。