JP7384533B2 - アンテナ構造及び無線通信装置 - Google Patents

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Description

本発明は、アンテナ構造及び無線通信装置に関する。
一般的には、ｓｕｂ－７ＧＨｚの帯域で第５世代移動通信システム（５Ｇ ｎｅｗ ｒａｄｉｏ；５Ｇ ＮＲ）規格の高い要求を満たすために、広い動作帯域幅及びアンテナ間の高隔離度（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）を処理し、更に高いデータ伝送速度（ｄａｔａ ｒａｔｅ）及び多入力多出力システム（ｍｕｌｔｉ－ｉｎｐｕｔ ｍｕｌｔｉ－ｏｕｔｐｕｔ；ＭＩＭＯ）の高いスループット（ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）を得るように、アンテナを更に設計する必要がある。
５Ｇ ＮＲ規格より前のシステムでは、アンテナの動作帯域は、通常、比較的小さい。一般的なアンテナ設計によれば、このような帯域幅の要求を満たすことができる。しかしながら、このようなアンテナ設計は、広い動作帯域幅及びアンテナ間の高隔離度を満たすことができない場合が多い。従って、如何に５Ｇ ＮＲ規格に基づいて広い動作帯域幅及びアンテナ間の高隔離度を満たすアンテナを設計するかは、当業者が早急に解決しようとする課題である。
本発明は、第１の表面及び第２の表面を含む基板と、第１の表面に設けられ、放射部、給電部及び給電線を含むアンテナユニットと、前記第２の表面に設けられる金属接地部と、を備え、給電線は、相互に垂直であるとともに相互に接続される第１の伝送線と第２の伝送線を含み、第１の伝送線は、給電部を介して放射部に接続され、金属接地部は、放射部の金属接地部への投影に垂直であるエッジを有し、金属接地部に設けられる共振スロットは、その位置が第１の伝送線の金属接地部への投影とエッジとの間に対応するアンテナ構造を提供する。
本発明は、第１の表面及び第２の表面を含む基板と、第１の表面に設けられ、そのうちの隣り合う両者が互いに垂直である少なくとも２つのアンテナユニットと、第２の表面に設けられる少なくとも１つの金属接地部と、を備え、少なくとも２つのアンテナユニットは、少なくとも２つの放射部、少なくとも２つの給電部及び少なくとも２つの給電線を含み、少なくとも２つの給電線のそれぞれは、相互に垂直であるとともに相互に接続される第１の伝送線と第２の伝送線を含み、少なくとも２つの給電線の第１の伝送線は、それぞれ少なくとも２つの給電部を介して少なくとも２つの放射部に接続され、少なくとも１つの金属接地部に設けられる少なくとも１つの隔離スロットは、その位置がそれぞれ少なくとも２つのアンテナユニットのうちの隣り合う両者の、少なくとも１つの金属接地部への投影の間に対応し、少なくとも１つの金属接地部は、そのうちの隣り合う両者が互いに垂直であるとともに、それぞれ少なくとも２つの放射部の金属接地部への投影に垂直である少なくとも２つのエッジを有し、少なくとも１つの金属接地部に設けられる少なくとも２つの共振スロットは、その位置が少なくとも２つの給電線の第２の伝送線の金属接地部への投影と少なくとも２つのエッジのうちの対応する者との間に対応する無線通信装置を提供する。
以上に基づき、本発明の提供する無線通信装置は、金属接地板の共振スロットによってアンテナの動作帯域幅を大幅に増やすことができる。また、隔離スロット及び垂直であるアンテナユニットの位置設計によってアンテナ間の隔離度を更に増やすことができる。
本発明の実施例による無線通信装置を示す底面透視図である。 本発明の実施例による無線通信装置を示す上面図である。 本発明の実施例による無線通信装置における１つのアンテナユニットを示す上面図である。 本発明の実施例による無線通信装置を示す底面図である。 本発明の別の実施例による無線通信装置を示す底面透視図である。 本発明の実施例による２つのアンテナユニットの隔離度と周波数を示す模式図である。 本発明の実施例による２つのアンテナユニットの動作帯域のＳパラメータ（反射損失）を示す模式図である。
図１は、本発明の実施例による無線通信装置１００を示す底面透視図である。図２は、本発明の実施例による無線通信装置１００を示す上面図である。図３は、本発明の実施例による無線通信装置における１つのアンテナユニットを示す上面図である。図４は、本発明の実施例による無線通信装置１００を示す底面図である。図１～図４を同時に参照し、無線通信装置１００は、基板１１０と、ペアになったアンテナユニット１２０（１）～１２０（２）と、金属接地部１３０と、を備えてよい。
注意すべきなのは、本実施例のアンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の数は２であり、且つ金属接地部１３０の数は１であるが、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の数は２より大きい任意の正偶数であってもよく、且つ金属接地部１３０の数は１より大きい任意の正整数であってもよいことである。また、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の数は、金属接地部１３０の数の２倍である。
一例として、図５は、本発明の別の実施例による無線通信装置１００を示す底面透視図である。図５を参照し、この実施例では、１つの基板１１０、８つのアンテナユニット１２０（１）～１２０（８）、４つの金属接地部１３０（１）～１３０（４）の例が示される。
なお、再び図１～図４を同時に参照し、基板１１０は、相互に対応する第１の表面１１１及び第２の表面１１２を含んでよく、図２に示すのは第１の表面１１１であり、図４に示すのは第２の表面１１２である。アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）は、第１の表面１１１に設けられてよく、金属接地部１３０は、第２の表面１１２に設けられてよい。また、図３は、更にアンテナユニット１２０（１）の構造の細部を示す。
いくつかの実施例において、基板１１０は、絶縁材質で製造されたプリント回路板（ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ；ＰＣＢ）であってよく、基板１１０の材質は、テフロン（登録商標）（ＰＴＦＥ）又はエポキシ樹脂（ＦＲ４）などの、ＰＣＢの製造によく用いられる材質であってよい。それにより、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）を印刷により基板１１０に直接設けることができる。
アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）は、互いに垂直であってよく、アンテナユニット１２０（１）は、放射部１２１、給電部１２２、接地部１２３及び給電線１２４を含んでよく、給電線１２４は、相互に垂直であるとともに相互に接続される第１の伝送線１２４１と第２の伝送線１２４２を含んでよく、第１の伝送線１２４１は、給電部１２２を介して放射部１２１に接続されてよい。
また、給電線１２４は、給電点１２４３を更に含んでよく、アンテナユニット１２０（１）は、給電点１２４３により信号源から給電信号を受信することができる。
注意すべきなのは、アンテナユニット１２０（２）は、アンテナユニット１２０（１）と同じである上記構造を有してもよいため、ここで繰り返して説明しないことである。
上記アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の設置形態により、アンテナユニット１２０（１）の分極方向はｙ方向とされてよく、アンテナユニット１２０（２）の分極方向はｘ方向とされてよい。すると、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の隔離度（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）を大幅に向上させることができる（例えば、隔離度は、－１０ｄＢ程度に低下する）。
いくつかの実施例において、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）は、いずれも逆Ｆ形状の平面逆Ｆアンテナ（ｐｌａｎａｒ ｉｎｖｅｒｔｅｄ－Ｆ ａｎｔｅｎｎａ；ＰＩＦＡ）であってよい。また、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）は、上記給電線構造を有する他のタイプのアンテナ（例えば、モノポールアンテナ（ｍｏｎｏｐｏｌｅ ａｎｔｅｎｎａ））であってもよく、上記給電線構造を有する異なるタイプのアンテナであってもよく（例えば、アンテナユニット１２０（１）はＰＩＦＡアンテナであるが、アンテナユニット１２０（２）はモノポールアンテナである）、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）のタイプに対して別途制限を加えていない。
いくつかの実施例において、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）がいずれもＰＩＦＡアンテナである場合、アンテナユニット１２０（１）の放射部１２１は、第１の放射部１２１１、第２の放射部１２１２及び第３の放射部１２１３を含んでよく、第３の放射部１２１３はＬ形状であってよい。
また、第１の放射部１２１１の第１の端は、第２の放射部１２１２と第３の放射部１２１３の間に接続され、第１の放射部１２１１の第２の端は、給電部１２２に接続される。また、第３の放射部１２１３は、接地部１２３に接続されてよく、接地部１２３は、ビア（ｖｉａ）を介して金属接地部１３０に接続されてよい。
いくつかの実施例において、金属接地部１３０は逆Ｌ形状であってよく、且つ銅箔などの金属材質で製造されてよい。
なお、金属接地部１３０の隔離スロット１３１は、金属接地部１３０に設けられてよく、隔離スロット１３１の位置がそれぞれアンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の金属接地部１３０への投影の間に対応してよく、隔離スロット１３１の数は金属接地部１３０の数に等しくてよい。
いくつかの実施例において、隔離スロット１３１は矩形であり、隔離スロット１３１とアンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の金属接地部１３０への投影との間の距離Ｄ１は１ｍｍより大きくてよい。また、隔離スロット１３１の幅Ｗ１は３．６ｍｍであってよく、隔離スロット１３１の長さＬ１は、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の動作帯域の中心周波数の波長の四分の一であってよい。
詳しくは、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の動作帯域の中心周波数の波長は、基板１１０の材質に影響されてよい（即ち、異なる材質は異なる波長に対応してよい（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｉｎ ｆｒｅｅ ｓｐａｃｅ））。
つまり、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の動作帯域の中心周波数の波長は、主に基板１１０の材質の等価誘電率（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ；Ｄｋｅｆｆ）に関する（即ち、大抵、誘電率（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ；Ｄｋ）に１を加算して２で割った値）。一例として、テフロン（登録商標）の誘電率は３．０～４．５であるが、ＦＲ４の誘電率は３．５である。
更に、まず上記等価誘電率の平方根を計算して相当値を得ることができ、且つ、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の動作帯域の中心周波数の波長は、この相当値に反比例する。
上記した隔離スロット１３１の設置形態により、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）に生じた信号をブロックし、更にアンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の隔離度を大幅に増やす（例えば、隔離度が更に－２０ｄＢ以下に低下する）ように、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）と隔離スロット１３１を共振させることができる。
図６は、本発明の実施例による２つのアンテナユニットの隔離度と周波数を示す模式図である。図１及び図６を同時に参照し、上記した隔離スロット１３１の設置形態により、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の隔離度は、明らかに－２０ｄＢ以下に低下することができる。つまり、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の隔離度は、第５世代移動通信システム（５Ｇ ｎｅｗ ｒａｄｉｏ；５Ｇ ＮＲ）規格の隔離度の要求（即ち、－２０ｄＢより小さい）を満たすことができる。
なお、再び図１～図４を同時に参照し、金属接地部１３０はエッジＥ１～Ｅ２を有し、エッジＥ１～Ｅ２は、互いに垂直であってよく、且つ、それぞれアンテナユニット１２０（１）～１２０（２）における放射部の金属接地部１３０への投影に垂直であってよい。
つまり、エッジＥ１は、放射部１２１の給電部１２２に近い部分の金属接地部１３０への投影に垂直であってよい。同様に、エッジＥ２も、類似する設置形態を有してよい。
いくつかの実施例において、エッジＥ１～Ｅ２の長さは、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の動作帯域の中心周波数の波長の二分の一であってよい。
なお、共振スロット１３２（１）～１３２（２）は、金属接地部１３０に設けられてよく、共振スロット１３２（１）～１３２（２）の位置がアンテナユニット１２０（１）～１２０（２）における給電線の第２の伝送線の金属接地部１３０への投影とエッジＥ１～Ｅ２のうちの対応する者との間に対応してよい。
つまり、共振スロット１３２（１）の位置は、給電線１２４の第２の伝送線１２４２の金属接地部１３０への投影とエッジＥ１との間であってよい。同様に、共振スロット１３２（２）の位置も、類似する設置形態を有してよい。
いくつかの実施例において、共振スロット１３２（１）～１３２（２）は、形状がＬ形状であってよく、長さ（即ち、長さＬ２と長さＬ３の合計長さ）がアンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の動作帯域の中心周波数の波長の四分の一であってよい。
いくつかの実施例において、共振スロット１３２（１）～１３２（２）は、幅Ｗ２が１ｍｍであってよく、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の金属接地部１３０への投影との間の距離Ｄ２が１ｍｍより大きくてよい。
つまり、共振スロット１３２（１）とアンテナユニット１２０（１）の給電部１２２の金属接地部１３０への投影との間の距離Ｄ２はそれぞれ１ｍｍより大きくてよい。同様に、共振スロット１３２（２）も、類似する設置形態を有してよい。
いくつかの実施例において、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の放射部（例えば、アンテナユニット１２０（１）の放射部１２１）の自体は共振して第１の共振帯域を発生させることができ、共振スロット１３２（１）～１３２（２）はそれぞれアンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の放射部と共振してこの第１の共振帯域に隣り合う第２の共振帯域を発生させることができ、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の動作帯域は、この第１の共振帯域及びこの第２の共振帯域を含んでよい。
上記共振スロット１３２（１）～１３２（２）の設置形態により、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の動作帯域を大幅に増やすことができる。
図７は、本発明の実施例による２つのアンテナユニットの動作帯域（反射係数と周波数）のＳパラメータ（反射損失）を示す模式図である。図１及び図７を同時に参照し、一般的には、第５世代移動通信システム（５Ｇ ｎｅｗ ｒａｄｉｏ；５Ｇ ＮＲ）規格の帯域ｎ７７／ｎ７８は、３．３ＧＨｚ～４．２ＧＨｚである（帯域幅は９００ＭＨｚである）。上記共振スロット１３２（１）～１３２（２）の設置形態により、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の動作帯域は３．１９～４．４６ＧＨｚである（反射損失は－１０ｄＢの帯域より小さい）。つまり、アンテナユニット１２０（１）～１２０（２）の動作帯域は、５Ｇ ＮＲ規格の帯域ｎ７７／ｎ７８を同時に満たすことができる。
すると、再び図１～図４を同時に参照し、アンテナユニット１２０（１）、共振スロット１３２（１）、基板１１０の一部及び金属接地部１３０の一部（この基板１１０の一部及びこの金属接地部１３０の一部がアンテナユニット１２０（１）及び共振スロット１３２（１）に対応する）は、１つの共振構造を形成可能である。同様に、アンテナユニット１２０（２）、共振スロット１３２（２）、基板１１０の他方の一部及び金属接地部１３０の他方の一部（この基板１１０の他方の一部及びこの金属接地部１３０の他方の一部がアンテナユニット１２０（２）及び共振スロット１３２（２）に対応する）も、もう１つの共振構造を形成可能である。
以上に基づき、上記した無線通信装置１００により、上記アンテナ構造を利用して更にｓｕｂ－７ＧＨｚの帯域で５Ｇ ＮＲ規格の広い動作帯域幅及びアンテナユニットの高隔離度を満たすことができる。
以上を纏めると、本発明が提供する無線通信装置は、隣り合うアンテナユニットの間の隔離スロット及びアンテナユニットの垂直設置形態により、アンテナユニットの隔離度を大幅に増やすことができる。また、本発明が提供する無線通信装置は、更にアンテナユニットの給電線に近い共振スロットにより、アンテナユニットの動作帯域幅を大幅に増やすことができる。すると、ｓｕｂ－７ＧＨｚの帯域で５Ｇ ＮＲ規格の広い動作帯域幅及びアンテナユニットの高隔離度を満たすことができる。
本発明は、実施例により前述の通りに開示されたが、実施例が本発明を限定するものではなく、当業者であれば、本発明の精神と範囲から逸脱しない限り、多様の変更や修飾を加えることができる。従って、本発明の保護範囲は、下記特許請求の範囲で指定した内容を基準とするものである。
１００ 無線通信装置
１１０ 基板
１１１ 第１の表面
１１２ 第２の表面
１２０（１）～１２０（８） アンテナユニット
１２１ 放射部
１２１１ 第１の放射部
１２１２ 第２の放射部
１２１３ 第３の放射部
１２２ 給電部
１２３ 接地部
１２４ 給電線
１２４１ 第１の伝送線
１２４２ 第２の伝送線
１２４３ 給電点
１３０、１３０（１）～１３０（４） 金属接地部
１３１ 隔離スロット
Ｅ１～Ｅ２ エッジ
１３２（１）～１３２（２） 共振スロット
Ｌ１～Ｌ３ 長さ
Ｗ１～Ｗ２ 幅
Ｄ１～Ｄ２ 距離

Claims (12)

  1. 第１の表面及び第２の表面を含む基板と、
    前記第１の表面に設けられ、放射部、給電部及び給電線を含むアンテナユニットと、
    前記第２の表面に設けられる金属接地部と、
    を備え、
    また、前記給電線は、相互に垂直であるとともに相互に接続される第１の伝送線と第２の伝送線を含み、前記第１の伝送線は、前記給電部を介して前記放射部に接続され、
    前記放射部に隣接する前記金属接地部のエッジは、前記放射部の前記金属接地部への投影に垂直であり、
    前記金属接地部に設けられる共振スロットは、その位置が前記第２の伝送線の前記金属接地部への投影と前記エッジとの間に対応するアンテナ構造。
  2. 前記共振スロットは、形状がＬ形状であり、長さが前記アンテナユニットの動作帯域の中心周波数の波長の四分の一である請求項１に記載のアンテナ構造。
  3. 前記共振スロットは、幅が１ｍｍであり、且つ前記アンテナユニットの前記金属接地部への投影との間の距離が１ｍｍより大きい請求項１または２に記載のアンテナ構造。
  4. 前記エッジの長さは、前記アンテナユニットの動作帯域の中心周波数の波長の二分の一である請求項１～３のいずれか一項に記載のアンテナ構造。
  5. 前記放射部は逆Ｆ形状であり、前記給電線はＬ形状である請求項１～４のいずれか一項に記載のアンテナ構造。
  6. 前記放射部の自体は共振して第１の共振帯域を発生させ、前記共振スロットは前記放射部と共振して前記第１の共振帯域に隣り合う第２の共振帯域を発生させ、前記アンテナユニットの動作帯域は、前記第１の共振帯域及び前記第２の共振帯域を含む請求項１～５のいずれか一項に記載のアンテナ構造。
  7. 第１の表面及び第２の表面を含む基板と、
    前記第１の表面に設けられ、そのうちの隣り合う両者が互いに垂直である少なくとも２つのアンテナユニットと、
    前記第２の表面に設けられる少なくとも１つの金属接地部と、
    を備え、
    少なくとも２つのアンテナユニットは、少なくとも２つの放射部、少なくとも２つの給電部及び少なくとも２つの給電線を含み、前記少なくとも２つの給電線のそれぞれは、相互に垂直であるとともに相互に接続される第１の伝送線と第２の伝送線を含み、前記少なくとも２つの給電線の前記第１の伝送線は、それぞれ前記少なくとも２つの給電部を介して前記少なくとも２つの放射部に接続され、
    前記少なくとも１つの金属接地部に設けられる少なくとも１つの隔離スロットは、その位置がそれぞれ前記少なくとも２つのアンテナユニットのうちの隣り合う両者の、前記少なくとも１つの金属接地部への投影の間に対応し、
    前記少なくとも２つの放射部に隣接する前記少なくとも１つの金属接地部の少なくとも２つのエッジは、互いに垂直であるとともに、それぞれ前記少なくとも２つの放射部の前記金属接地部への投影に垂直であり、
    前記少なくとも１つの金属接地部に設けられる少なくとも２つの共振スロットは、その位置が前記少なくとも２つの給電線の前記第２の伝送線の前記金属接地部への投影と前記少なくとも２つのエッジのうちの対応する者との間に対応する無線通信装置。
  8. 前記少なくとも１つの隔離スロットは矩形であり、前記少なくとも２つの共振スロットは、形状がＬ形状であり、前記少なくとも１つの隔離スロットの長さ及び前記少なくとも２つの共振スロットの長さは、前記少なくとも２つのアンテナユニットの動作帯域の中心周波数の波長の四分の一であり、前記少なくとも２つのエッジの長さは、前記少なくとも２つのアンテナユニットの前記動作帯域の中心周波数の波長の二分の一である請求項７に記載の無線通信装置。
  9. 前記少なくとも１つの隔離スロットの幅は３．６ｍｍであり、前記少なくとも２つの共振スロットの幅は１ｍｍであり、前記少なくとも１つの隔離スロットと前記少なくとも２つのアンテナユニットのうちの隣り合う両者の前記金属接地部への投影との間の距離は１ｍｍより大きい請求項７または８に記載の無線通信装置。
  10. 前記少なくとも２つの放射部の自体は共振して第１の共振帯域を発生させ、前記少なくとも２つの共振スロットはそれぞれ前記少なくとも２つの放射部と共振して前記第１の共振帯域に隣り合う第２の共振帯域を発生させ、前記少なくとも２つのアンテナユニットの動作帯域は、前記第１の共振帯域及び前記第２の共振帯域を含む請求項７～９のいずれか一項に記載の無線通信装置。
  11. 前記少なくとも２つの放射部は逆Ｆ形状であり、且前記少なくとも２つの給電線はＬ形状である請求項７～１０のいずれか一項に記載の無線通信装置。
  12. 前記少なくとも１つの隔離スロットは、前記少なくとも２つのアンテナユニットの隔離度を増やすように前記少なくとも２つのアンテナユニットの間の信号伝達をブロックする請求項７～１１のいずれか一項に記載の無線通信装置。
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