JPWO2008133033A1

JPWO2008133033A1 - 二偏波アンテナ

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Publication number: JPWO2008133033A1
Application number: JP2009511775A
Authority: JP
Inventors: 晶夫倉本; 宏行遊佐
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2007-04-12
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2028-04-11
Also published as: WO2008133033A1; US20090251380A1; US7936314B2; EP2058902A1; CN101542841B; EP2058902A4; JP4952789B2; CN101542841A

Abstract

素子間の相関の小さな二偏波アンテナを提供する。１枚のプリント基板を用いて、垂直偏波と水平偏波のアンテナを構成した、2種類の偏波を放射するアンテナであって、垂直偏波のアンテナは、プリント基板の下部から、プリント基板の長手方向に沿って、第１のマイクロストリップ線路を形成し、その先端に、第１の導体放射素子を配置し、さらに直列に、位相遅延回路を設け、その先端に、第２の導体放射素子を付加し、第１の導体放射素子と第１のマイクロストリップ線路との接続面の裏側グランド導体に、第３の導体放射素子を付加した構造を有することを特徴とする。

Description

本発明は、ＭＩＭＯ(Multiple Input Multiple Output)技術などで用いられる二偏波アンテナに関する。

近年、ＷｉＭＡＸ(Worldwide Interoperability for Microwave Access)など、ＭＩＭＯ技術を用いた通信サービスが行われようとしている。ＭＩＭＯ技術は、複数の伝搬路を通ってきた多数の電波を受信し、伝送速度や通信品質を向上させる技術であり、２つ以上のアンテナを使用し、かつ、使用する２つのアンテナ間の相関が小さい方が、大きな効果が得られる。

偏波が異なることで、お互いの相関を小さくすることができ、かつ、無指向性の放射パターンを有することで、ＭＩＭＯに有効な多重反射波を多数受信することができ、かつ、コンパクトなアンテナは、ＷｉＭＡＸ技術を用いた通信サービスの端末に最適である。
特開２００３−３４７８２２号公報特開２００５−１６７７０５号公報特開平０７−０８６８２５号公報特開平０９−０６４６３９号公報特開平１０−１０７５３３号公報

特許文献１には、受信強度の落ち込みを防止するダイバーシティ効果が高いＬＡＮ用ダイバーシティアンテナを提供することを目的とし、同一の誘導体基板上に、垂直偏波の信号波を送受信する第１のアンテナと、水平偏波の信号波を送受信する第２のアンテナとを併設する発明が記載されている。

特許文献２には、水平面での充分な無指向性を実現しながら、構造が簡易で生産性に優れ、且つ、設置に適した機械的強度を確保することが可能な水平偏波無指向性アレイアンテナを提供することを目的とし、半円環状のアンテナ素子の対を備える構成を有する発明が記載されている。

特許文献３には、準マイクロ波帯の無線周波数信号を受信することができるような指向性ダイバーシティアンテナを提供することを目的とし、放射素子と他の放射素子との間にλ／４の移相回路が設けられた発明が記載されている。

特許文献４には、偏波面について相関関係のない複数の受信系統を設け、それらにおける受信電力の切換えなどをして伝搬変動を減少させる偏波ダイバーシティにおいて、それぞれの受信動作における相互干渉を抑制し、受信感度の高い一方を的確に選択切換することが可能なダイバーシティアンテナ回路を提供することを目的とし、水平偏波面を受信するアンテナと垂直偏波面を受信するアンテナとが併設された発明が記載されている。

特許文献５には、通常、空中に設けられるアンテナにはないプリント基板独自の特性を活かすことによって、アンテナ自体を小型化できるプリント基板製のアンテナを提供することを目的とし、ブラウンアンテナとほぼ等価なアンテナを形成し、基板上における給電線路パターン及び外部導体部パターンが、それぞれ、ブラウンアンテナにおける同軸ケーブルの内部導体及び外部導体に対応し、グランド部パターン及びアンテナ素子パターンが、それぞれ、ブラウンアンテナにおける地線（グランド側エレメント）及び垂直導体（ＨＯＴ側エレメント）に対応する発明が記載されている。

一般に、無線通信を行う場合で、ダイバーシティ技術やＭＩＭＯ技術を用いた通信を行うとき、２つのアンテナが用いられるが、２つのアンテナは、相関がなるべく少なく、かつ、コンパクトなアンテナが良い。

ＭＩＭＯ技術を用いた通信に使用するアンテナは、方位方向に無指向性のモノポールアンテナと、方位方向に無指向性のダイポールアンテナと、を２本ならべて用いるものであった。この方法は、２本のアンテナが、まったく同じ指向性を有するため、２本のアンテナが近い距離で置かれた場合、相関が十分小さくならないため、ＭＩＭＯ伝送の効果が十分得られないという問題があった。

図５Ａ、図５Ｂに、関連技術のアンテナの例を示す。関連技術のアンテナは、モノポールアンテナやブラウンアンテナなど、垂直偏波の無指向性アンテナを２本使用し、かつ、２つのアンテナを位置的に離して置いて使用する方法が用いられていた。２つのアンテナは、同じ垂直偏波で、無指向性のため、近接して置くと、相関が大きくなり、ダイバーシティやＭＩＭＯの効果が十分発揮されない。一方で、２つのアンテナを離して用いると、場所をとってしまうというデメリットが生じる。例えば、２．５ＧＨｚで１０波長離すと考えると、１ｍを越える距離となり、同軸ケーブル損失が多くなり、端末としては非現実的な大きさになってしまう。

本発明は、スペースをとらず、コンパクトであり、素子間の相関の小さな二偏波アンテナを提供することを目的とする。

本発明によれば、１枚のプリント基板を用いて、垂直偏波と水平偏波のアンテナを構成した、2種類の偏波を放射するアンテナであって、垂直偏波のアンテナは、プリント基板の下部から、プリント基板の長手方向に沿って、第１のマイクロストリップ線路を形成し、その先端に、第１の導体放射素子を配置し、さらに直列に、位相遅延回路を設け、その先端に、第２の導体放射素子を付加し、第１の導体放射素子と第１のマイクロストリップ線路との接続面の裏側グランド導体に、第３の導体放射素子を付加した構造を有することを特徴とする偏波アンテナが提供される。

本発明によれば、コンパクトで、２つの偏波で、水平面において無指向性で使用可能なアンテナが構成できる。

本発明の二偏波アンテナの第１の実施形態の側面透視図である。本発明の二偏波アンテナの第１の実施形態の上面図である。本発明の二偏波アンテナの第１の実施形態の表面斜視図である。本発明の二偏波アンテナの第１の実施形態の裏面斜視図である。本発明の二偏波アンテナの第２の実施形態の側面透視図である。本発明の二偏波アンテナの第２の実施形態の上面図である。本発明の二偏波アンテナの第２の実施形態の表面斜視図である。本発明の二偏波アンテナの第２の実施形態の裏面斜視図である。本発明の二偏波アンテナの第３の実施形態の側面透視図である。本発明の二偏波アンテナの第３の実施形態の上面図である。本発明の二偏波アンテナの第３の実施形態の表面斜視図である。本発明の二偏波アンテナの第３の実施形態の裏面斜視図である。本発明の二偏波アンテナの第４の実施形態の側面透視図である。本発明の二偏波アンテナの第４の実施形態の上面図である。本発明の二偏波アンテナの第４の実施形態の表面斜視図である。本発明の二偏波アンテナの第４の実施形態の裏面斜視図である。関連技術のモノポールアンテナの例を示す図である。関連技術のブラウンアンテナの例を示す図である。

符号の説明

１プリント基板
１０アンテナ
１１素子
１２遅延素子
１３素子
１４素子、
１５給電線
１６給電線
２０アンテナ
２１素子
２２素子
２３給電線
２４給電線

１）本実施形態の二偏波アンテナは、プリント基板を用いて、垂直偏波と水平偏波のアンテナを構成するものである。垂直偏波のアンテナは、プリント基板の下部から、プリント基板の長手方向に沿って、マイクロストリップ線路を形成し、その先端に、長さ約１／４波長の導体放射素子を配置し、さらに直列に、１８０度の位相遅延回路を設け、その先端に、長さ約１／２波長の導体放射素子を付加し、前記１／４波長の導体放射素子とマイクロストリップ線路との接続面の裏側グランド導体に、下側に伸びる逆Ｕ字状で、それぞれの縦部分の長さが約１／４波長の放射導体素子を付加した構造とする。水平偏波のアンテナは、前記垂直偏波のアンテナのマイクロストリップ線路から０．１〜０．３波長程度近接した位置に、垂直偏波のアンテナのマイクロストリップ線路と平行にマイクロストリップ線路を配置し、前記垂直偏波アンテナの１８０度位相遅延回路の位置まで延長し、その裏表の先端部に、長さが約１／４波長の半円環状の導体放射素子を、円環の面が水平になるように、それぞれ接続し、かつ、円環の先端部が、前記１８０度位相遅延回路に近接して配置される構造とする。

２）上記１）の二偏波アンテナについて、垂直偏波のアンテナは同じ構成とし、水平偏波のアンテナについて、前記１）同様に、垂直偏波のアンテナのマイクロストリップ線路から０．１〜０．３波長程度近接した位置に、平行にマイクロストリップ線路を配置し、前記１）垂直偏波アンテナの１８０度位相遅延回路の位置まで延長し、その部分から側面にマイクロストリップ線路を折り曲げ、わずかな水平部分を確保した後、上下方向に分配するように、マイクロストリップ線路を配置する。このとき、上下方向に、約１／５〜１／３波長の長さのマイクロストリップ線路で引き回し、それぞれの裏表の先端部に、長さが約１／４波長の半円環状の導体放射素子を、円環の面が水平になるように、それぞれ接続し、かつ、円環の先端部が、垂直偏波アンテナの導体放射素子に近接して配置される構造とする。

３）上記２）の二偏波アンテナの垂直偏波のアンテナ部分について、導体放射素子部を幅広にした構造とする。

４）上記２）、３）の二偏波アンテナの水平偏波のアンテナ部分について、半円環状放射素子の先端をテーパ状に広げた構成とする。

以上説明したように、本実施形態の二偏波アンテナは、プリント基板を用いて、垂直偏波と水平偏波のアンテナを構成するものである。垂直偏波のアンテナは、プリント基板の下部から、プリント基板の長手方向に沿って、マイクロストリップ線路を形成し、その先端に、長さ約１／４波長の導体放射素子を配置し、さらに直列に、１８０度の位相遅延回路を設け、その先端に、長さ約１／２波長の導体放射素子を付加し、前記１／４波長の導体放射素子とマイクロストリップ線路との接続面の裏側グランド導体に、下側に伸びる逆Ｕ字状で、それぞれの縦部分の長さが約１／４波長の放射導体素子を付加した構造とする。水平偏波のアンテナは、前記垂直偏波のアンテナのマイクロストリップ線路から０．１〜０．３波長程度近接した位置に、平行にマイクロスストリップ線路を配置し、長さが約１／４波長の半円環状の導体放射素子を、円環の面が水平になるように接続する。

以下、図面を参照して本実施形態を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

本実施形態の二偏波アンテナは、ＭＩＭＯ技術を用いた通信に使用するアンテナである。近年、ＷｉＭＡＸ技術を用いた通信システムには、ＭＩＭＯ技術が採用されており、本実施形態のマルチビームアンテナを用いることにより、ＭＩＭＯ技術を有効に活用することが可能になる。

ＭＩＭＯでは、マルチパスの多い多重伝搬路空間において、送信側と受信側で複数のアンテナを用い、複数の異なる伝搬路を用いた伝送を行うことで、伝送速度を向上させるものである。このとき、送信側及び受信側で用いる複数のアンテナは、お互いに相関が小さいことが望ましい。例えば、受信側で２つのアンテナを用いる場合、その２つのアンテナの相関が小さくなるように、２つのアンテナ間の設置位置をなるべく離して置くことで、相関を小さくすることができる。

本実施形態の二偏波アンテナは、垂直偏波のアンテナと水平偏波の２種類のアンテナを組み合わせて構成している。２つのアンテナは、垂直偏波と水平偏波であり、理論的に結合しないため、相関は非常に小さくなり、ＭＩＭＯ技術を用いた通信に最適と考えられる。

２つのアンテナは、通常、近接して配置する場合、お互いの放射素子が物理的に近くなり、インピーダンス整合がうまく調整できないが、お互いのアンテナの給電部分及び給電線路部分を遠ざけ、水平偏波の放射素子と垂直偏波の放射素子のみを近接して配置することにより、良好な特性を得ることができる。

このような構成とすることで、偏波の異なる２つのアンテナは水平面無指向性を有し、互いに相関が非常に小さく、かつ場所的には、近接して配置されているため、コンパクトなアンテナが構成可能である。

２つの相関のないアンテナを、ダイバーシティ技術やＭＩＭＯ技術を用いた通信に使用することで、回線レベルを安定させることができ、回線品質や伝送速度を向上させることができる。

図１Ａ〜図１Ｄは、本発明の二偏波アンテナの第１の実施形態の構成図である。図１Ａは、側面透視図、図１Ｂは、上面図、図１Ｃは、表面斜視図、図１Ｄは、裏面斜視図を示している。

本アンテナは、プリント基板１に、アンテナ１０とアンテナ２０を配置構成したものである。

アンテナ１０は、プリント基板１の表面に、導体パターンより形成される、素子１１、遅延素子１２、素子１３が直列に配置され、給電線１５に接続される。プリント基板１の裏面には、導体パターンより形成される給電線１６が配置されている。給電線１５と給電線１６は、プリント基板１の表裏で、対となってマイクロストリップ線路を構成している。給電線１６の上部では、その幅は、給電線１５の幅と同程度か、やや広い程度で、平衡型に近い伝送線路となっている。そして、下端に行くほど、給電線１６の幅がテーパ状に広がり、完全な不平衡なマイクロストリップ線路に変換される。また、給電線１６の上端には、逆Ｕ字状の素子１４が接続されている。

電気的には、素子１３と素子１４は、約１／４波長の長さに調整され、スリーブアンテナのように動作することになる。さらに、素子１１は、約１／２波長の長さに調整され、素子１３と同位相の電流が分布する。これは、遅延素子１２も、電気長が約１／２波長になるように調整され、ここを通る高周波電流は、位相が１８０度遅れるため、素子１１と１３の高周波電流は同位相となる。これより、素子１１、及び、素子１３と１４から放射される電波の位相は、横方向で同位相となり、水平方向に無指向性の垂直源波の電波が放射される。

アンテナ２０は、半円弧状の導体板より形成される素子２１、２２と、プリント基板１の表面に、導体パターンより形成される給電線２３と、裏面に、導体パターンより形成される給電線２４より構成される。素子２１、２２は、給電線２３、２４の上端部で、ハンダ付け等で接続される。素子２１、２２は、対となって、プリント基板１に対して水平に配置され、上面から観ると、概ね円状に形成される。さらに、給電線２３と給電線２４は、プリント基板１の表裏で、対となってマイクロストリップ線路を構成している。給電線２４の上部では、その幅は、給電線２３の幅と同程度か、やや広い程度で、平衡型に近い伝送線路となっている。そして、下端に行くほど、給電線２４の幅がテーパ状に広がり、完全な不平衡なマイクロストリップ線路に変換される。

電気的には、素子２１と素子２２は、約１／４波長の長さに調整され、水平のダイポールを円弧状に丸めたように構成される。このように構成することで、水平偏波の無指向性の放射パターンが得られる。

上記において、給電線１５と２３は、使用する波長において、０．１〜０．３波長程度の距離だけ離間して配置される。

図２Ａ〜２Ｄは、本発明の二偏波アンテナの第２の実施例の構成図である。図２Ａは、側面透視図、図２Ｂは、上面図、図２Ｃは、表面斜視図、図２Ｄは、裏面斜視図を示している。

図２Ａ〜図２Ｄの構成は、図１Ａ〜図１Ｄの構成のアンテナ２０の代わりに、アンテナ３０を配置した点が異なる。すなわち、アンテナ３０は、素子２１及び２２の対が２組配置されている。上下２組の素子は、表裏で、表裏に配置されている給電線３１で接続され、その後、給電線３２、３３によって、プリント基板１の下端部に導かれる。電気的には、素子２１と素子２２の上下の対は、給電線３１によって、並列給電されていることになる。上下の素子２１の間隔は、０．４〜０．７波長となり、給電線３１と３２の接合点から上下方向に、１／５波長〜１／３波長程度の長さとなる。

図３Ａ〜図３Ｄは、本発明の二偏波アンテナの第３の実施例の構成図である。図３Ａは、側面透視図、図３Ｂは、上面図、図３Ｃは、表面斜視図、図３Ｄは、裏面斜視図を示している。

図３Ａ〜図３Ｄの構成は、図２Ａ〜図２Ｄの構成のアンテナ１０の代わりに、アンテナ４０を配置した点が異なる。アンテナ４０とアンテナ１０の違いは、素子１１の代わりに素子４１が、素子１３の代わりに素子４３が用いられていることである。素子４１、４３は、素子１１、１３に比べて中央部分が幅広になるように構成されている。横幅を幅広にすることで、広帯域な特性を得ることができる。

図４Ａ〜図４Ｄは、本発明の二偏波アンテナの第４の実施例の構成図である。図４Ａは、側面透視図、図４Ｂは、上面図、図４Ｃは、表面斜視図、図４Ｄは、裏面斜視図を示している。

図４Ａ〜図４Ｄの構成は、図２Ａ〜図２Ｄの構成のアンテナ２０の代わりに、アンテナ５０を配置した点が異なる。アンテナ５０とアンテナ２０の違いは、素子２１、２２の代わりに素子５１、５２が用いられていることである。素子５１、５２は、先端が上下方向にテーパ状に広がっており、広帯域な特性を持たせることができる。

本願は、日本の特願２００７−１０４８３７（２００７年４月１２日に出願）に基づいたものであり、又、特願２００７−１０４８３７に基づくパリ条約の優先権を主張するものである。特願２００７−１０４８３７の開示内容は、特願２００７−１０４８３７を参照することにより本明細書に援用される。

本発明の代表的な実施形態が詳細に述べられたが、様々な変更(changes)、置き換え(substitutions)及び選択(alternatives)が請求項で定義された発明の精神と範囲から逸脱することなくなされることが理解されるべきである。また、仮にクレームが出願手続きにおいて補正されたとしても、クレームされた発明の均等の範囲は維持されるものと発明者は意図する。

本発明は、ＷｉＭＡＸ技術またはＭＩＭＯ技術を用いた基地局アンテナ、端末アンテナとして利用することができる。

Claims

１枚のプリント基板を用いて、垂直偏波と水平偏波のアンテナを構成した、2種類の偏波を放射するアンテナであって、
前記垂直偏波のアンテナは、プリント基板の下部から、プリント基板の長手方向に沿って、第１のマイクロストリップ線路を形成し、その先端に、第１の導体放射素子を配置し、さらに直列に、位相遅延回路を設け、その先端に、第２の導体放射素子を付加し、第１の導体放射素子と前記第１のマイクロストリップ線路との接続面の裏側グランド導体に、第３の導体放射素子を付加した構造を有することを特徴とする二偏波アンテナ。
請求項１に記載の二偏波アンテナであって、
前記第１の導体放射素子の長さは、約１／４波長であることを特徴とする二偏波アンテナ。
請求項１又は２に記載の二偏波アンテナであって、
前記位相遅延回路の位相遅延は１８０度であることを特徴とする二偏波アンテナ。
請求項１乃至３の何れか１項に記載の二偏波アンテナであって、
前記第２の導体放射素子の長さは、約１／２波長であることを特徴とする二偏波アンテナ。
請求項１乃至４の何れか１項に記載の二偏波アンテナであって、
前記第３の放射導体素子は、下側に伸びる逆Ｕ字状で、それぞれの縦部分の長さが約１／４波長であることを特徴とする二偏波アンテナ。
請求項１乃至５の何れか１項に記載の二偏波アンテナであって、
前記水平偏波のアンテナは、第２のマイクロストリップ線路を前記垂直偏波のアンテナの第１のマイクロストリップ線路と平行に配置し、垂直偏波のアンテナの位相遅延回路の位置まで延長し、その裏表の先端部に、それぞれ、半円環状放射素子を、それぞれ接続した構造を有することを特徴とする二偏波アンテナ。
請求項６に記載の二偏波アンテナであって、
前記第２のマイクロストリップ線路は、前記垂直偏波アンテナの第１のマイクロストリップ線路から０．１〜０．３波長程度近接した位置に配置されることを特徴とする二偏波アンテナ。
請求項６又は７に記載の二偏波アンテナであって、
前記半円環状導体放射素子は、長さが約１／４波長の半円環状であり、円環の面が水平になるように、前記第２のストリップ線路に接続され、かつ、円環の先端部が、前記位相遅延回路に近接して配置されることを特徴とする二偏波アンテナ。
請求項１乃至５の何れか１項に記載の二偏波アンテナであって、
前記水平偏波のアンテナについて、第３のマイクロストリップ線路を、前記垂直偏波のアンテナの第１のマイクロストリップ線路と平行に配置し、前記垂直偏波アンテナの位相遅延回路の位置まで延長し、その部分から側面に前記第３のマイクロストリップ線路を折り曲げ、わずかな水平部分を確保した後、上下方向に分配するように、第４のマイクロストリップ線路を配置し、上下方向に、長さの第５のマイクロストリップ線路で引き回し、それぞれの裏表の先端部に、長さが約１／４波長の半円環状導体放射素子を、円環の面が水平になるように、それぞれ接続し、かつ、円環の先端部が、前記垂直偏波アンテナの導体放射素子に近接して配置される構造としたことを特徴とする二偏波アンテナ。
請求項９に記載の二偏波アンテナであって、
前記第３のマイクロストリップ線路は、前記垂直偏波のアンテナのマイクロストリップ線路から０．１〜０．３波長程度近接した位置に、配置されることを特徴とする二偏波アンテナ。
請求項９又は１０に記載の二偏波アンテナであって、
前記第５のマイクロストリップ線路の長さは、約１／５〜１／３波長であることを特徴とする二偏波アンテナ。
請求項９乃至１１の何れか１項に記載の二偏波アンテナにおいて、
前記垂直偏波のアンテナ部分について、導体放射素子を幅広にした構造としたことを特徴とする二偏波アンテナ。
請求項９乃至１２の何れか１項に記載の二偏波アンテナであって、
前記水平偏波のアンテナ部分について、半円環状放射素子の先端をテーパ状に広げた構成としたことを特徴とする二偏波アンテナ。