JPWO2014125832A1 - デュアルバンドアンテナ装置 - Google Patents

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Abstract

第1長素子、該第1長素子と異なる共振周波数を持つ第1短素子、第1長素子に設けられて共振周波数を調整する第1周波数調整素子、及び、給電端をなす第1給電ポートを含む第1アンテナ部と、第2長素子、該第2長素子と異なる共振周波数を持つ第2短素子、第2長素子に設けられて共振周波数を調整する第2周波数調整素子、及び、給電端をなす第2給電ポートを含む第2アンテナ部と、第1アンテナ部と第2アンテナ部との相互のインピーダンスを調整しながら第1アンテナ部と第2アンテナ部とを接続する結合素子と、を備える。

Description

本発明は、複数の周波数帯の電波を送受波するデュアルバンド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無線通信装置内に同一の共振周波数を持つ複数のアンテナ部を備えるアンテナ装置が実装され始めている。このMIMOシステムでは、送信側の複数のアンテナからそれぞれ異なる情報ストリームが送信され、受信側の複数のアンテナで受信される空間多重伝送が採用されることで伝送容量の向上が図られる。
しかし、実装面積の少ない携帯通信端末内に同一の共振周波数を持つ複数のアンテナ部が近接して配置されると、アンテナ部の間で電磁カップリングが生じ、この結果アンテナ放射効率の低下や相関係数増加に伴う信号劣化が生じる。
このための解決策として、例えば特許第4723673号公報においては、図14に示すような構成のアンテナが提案されている。このアンテナでは、隣接するアンテナ素子101、102が連結素子により連結されて、電磁カップリングによるアンテナ部間のアドミタンス成分を打ち消すようになっている。
特許第4723673号公報
しかしながら、特許第4723673号公報にかかるアンテナにおいては、連結素子によるアイソレーション効果がアンテナ間の周波数位相特性に敏感であるため、特定の狭い周波数帯域でのみ有効となり、アンテナの周波数帯域幅が狭くなってしまう問題があった。
また、連結素子が接続されているアンテナを低姿勢化・小形化することで、アンテナの放射抵抗の減少によりQ値が増加するため、さらに周波数帯域幅が狭くなってしまう問題があった。
そこで、本発明の主目的は、連結素子を用いたアンテナ装置であっても周波数帯域の狭帯域化を抑制したデュアルバンドアンテナ装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、複数の周波数帯の電波を送受波するデュアルバンドアンテナ装置は、第1長素子、該第1長素子と異なる共振周波数を持つ第1短素子、第1長素子に設けられて共振周波数を調整する第1周波数調整素子、及び、給電端をなす第1給電ポートを含む第1アンテナ部と、第2長素子、該第2長素子と異なる共振周波数を持つ第2短素子、第2長素子に設けられて共振周波数を調整する第2周波数調整素子、及び、給電端をなす第2給電ポートを含む第2アンテナ部と、第1アンテナ部と第2アンテナ部との相互のインピーダンスを調整しながら第1アンテナ部と第2アンテナ部とを接続する結合素子と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、所定の結合素子を用い、かつ、周波数調整素子を用いることで、周波数帯域の狭帯域化が抑制できる。
本発明の第1実施形態にかかるアンテナ装置の構成図である。 アンテナ装置のSパラメータと周波数との関係を示した図である。 給電ポート間で受信される信号の相関を示す相関係数を表した図である。 アンテナ装置において第1給電ポートから給電した際の放射効率を示した図である。 周波数調整素子の高さによるSパラメータの変化を示す図である。 複数の第1アンテナ部及び第2アンテナ部を備えるアンテナ装置の斜視図である。 突起形状の周波数調整素子の構成を示した図である。 リング形状の周波数調整素子の構成を示した図である。 T字型形状の周波数調整素子の構成を示した図である。 周波数調整素子をインダクタとキャパシタとで構成した場合の図である。 本発明の第2実施形態にかかるアンテナ装置の構成図である。 アンテナ装置の周波数に対するSパラメータを示した図である。 アンテナ装置の放射効率を示した図である。 本発明の第3実施形態にかかるアンテナ装置の構成図である。 アンテナ部を折曲げた構成のアンテナ装置の構成図である。 関連技術の説明に適用されるアンテナの構成図である。
<第1実施形態>
次に、本発明の第1実施形態を説明する。図1は、第1実施形態にかかるアンテナ装置2Aの構成図である。アンテナ装置2Aは、第1アンテナ部11、第2アンテナ部12、及び、これらを結合する結合素子13を基本構成としている。
この第1アンテナ部11は、第1長素子21a(21)、第1短素子22a(22)、第1周波数調整素子23a(23)、第1給電ポート24a(24)を含んでいる。また、第2アンテナ部12は、第2長素子21b(21)、第2短素子22b(22)、第2周波数調整素子23b(23)、第2給電ポート24b(24)を含んでいる。このとき、長素子21(21a,22a)における「長」は、短素子22(22a,22b)より長いブランチ構造の素子であることを示している。即ち、長素子21と短素子22とは、長さが異なり、長素子21の方が長く、異なる共振周波数を持つことを示している。
そして、周波数調整素子23(23a、23b)は、長素子21(21a、21b)に設けられている。また、第1アンテナ部11と第2アンテナ部12とは、結合素子13により連結されると共に、給電ポート24(24a、24b)を介してグランド板16に接続されている。
なお、第1アンテナ部11と第2アンテナ部12とは、対称な形状に形成されているので、以下の説明においては、第1アンテナ部11を例に説明することがある。
図2は、上記構成のアンテナ装置2AのSパラメータと周波数との関係を示した図である。このとき、アンテナ装置2Aの寸法は、高さh=5.5mm、幅L=43.6mm、周波数調整素子23の高さw=1.4mmに設定し、WLAN(Wireless Local Area Network)の周波数帯2.4GHzと5GHzとの電波の送受信が行えるように調整されている。
図2において、実線は第1給電ポート24aの反射係数を表すSパラメータS11を示し、点線は第1給電ポート24aから第2給電ポート24bへの伝送係数を表すSパラメータS21を示している。なお、第2給電ポート24bの反射係数を表すSパラメータS22及び、第2給電ポート24bから第1給電ポート24aへの伝送係数を表すSパラメータS12は、第1アンテナ部11と第2アンテナ部12とで構成が対称であるため、S11=S22,S12=S21となる。
図1のアンテナ装置2Aは結合素子13により接続されている。従って、第1給電ポート24a又は第2給電ポート24bから供給された電力が、互いのポートで消費されることが危惧される。しかし、本発明においては、かかる不都合を防止するために、第1アンテナ部11と第2アンテナ部12とを結合する結合素子13のインピーダンスが設定されている。
なお、結合素子13は、第1アンテナ部11と第2アンテナ部とを電気的に接続する限りにおいて、種々の構成が可能である。例えば、金属線を折り曲げて構成された結合素子、ミアンダ形状に構成された結合素子が可能であり、さらにはインダクタやキャパシタ、フィルタ、移相器により構成された結合素子でも良い。
このインピーダンスの設定は、以下のように行う。先ず、アンテナ装置2Aにおいて給電点からアンテナ部11,12をみたときのS21の位相が±π/2の位置に結合素子13を設置する。この状態で結合素子13の長さを調整する。これらの調整処理においては、結合素子13やグランド板16、また空間を介して一方の給電ポートから他方の給電ポートに回り込む電流値が最小になるように、つまりS21が最小となるようにする。これにより結合素子13のインピーダンスが調整されて、一方の給電ポートから給電された電流が他方の給電ポートに流れ込む不都合が抑制できる。
図2において、共振周波数f21は、第1給電ポート24aから給電した際の、第1長素子21aと第2長素子21bとの1次共振周波数が合成された周波数に対応している。このときSパラメータS21のグラフにおいてはSパラメータS11のグラフと同様に、共振周波数f21でSパラメータが低下している。このことは第1給電ポート24aからのインピーダンス整合が適正に設定され、かつ、第1給電ポート24aと第2給電ポート24bとはアイソレーションされていることを意味している。第2給電ポート24bから給電した際も同じことが言える。
また、共振周波数f22は、第1短素子22aと第2短素子22bとの1次共振周波数が合成された周波数に対応し、SパラメータS21のグラフ及びSパラメータS11のグラフは、共に低い値を示している。
一方、共振周波数f23においてもSパラメータS21のグラフ及びSパラメータS11のグラフは、低い値を示している。この共振周波数f23は、第1長素子21aと第2長素子21bの2次共振に相当している。
本来、第1長素子21aと第2長素子21bとの2次共振周波数f23は、共振周波数f21の3倍の周波数である7.5GHz付近で発生する筈であるが、第1周波数調整素子23aと第2周波数調整素子23bとが接続されているために5.5GHz付近まで低下している。このことは、周波数調整素子23は、第1 長素子21の線の長さが共振周波数の4分の3波長に相当する長さのときに、第1長素子21の素子先端から2分の1波長の長さの所に設けることが好ましいことを示している。
これにより共振周波数f22と共振周波数f23とが合成されて、アンテナ装置2Aは、本来の帯域よりも広い範囲で共振するようになる。
図3は、第1給電ポート24aと第2給電ポート24bにおいて、それぞれのポートで受信される各信号の相関を示す相関係数を表した図である。
ポート間の相関係数は、下記の式1のようにSパラメータであらわすことができるため、図2の結果を用いて計算することができる。
Figure 2014125832
図3において所望の帯域である2.4GHz帯と5GHz帯とにおいて、相関係数は0.1以下となり、アンテナ装置2Aは、MIMO通信品質を劣化させない程度の十分低い値を示すことがわかる。
図4は、図1のアンテナ装置2Aにおいて第1給電ポート24aから給電した際の放射効率を示したグラフである。なお、第2給電ポート24bから給電した場合にも同様の結果が得られる。図4から、アンテナ装置2Aは、所望の帯域(2.4GHz帯と5GHz帯の周波数)において50%以上の十分高い放射効率を示し、アンテナとして十分動作していることが理解できる。
また、図5は、周波数調整素子23の効果を検証するために、周波数調整素子23の高さwを変化させた場合のSパラメータのグラフである。周波数調整素子23の高さwは、w=1.0、1.2、1.4mmと長くなるに従い、短素子22の2次共振周波数f53が徐々に低い周波数側にシフトすることがわかる。
一方、第1長素子21a、第2長素子21bの1次共振周波数f51と第1短素子22a、第2短素子22bの1次共振周波数f52の位置は、周波数調整素子23の高さwの変化に対し殆ど変化していない。
以上により、周波数調整素子の高さ(寸法)を制御することで、アンテナ装置の共振周波数を自由に変化させることが可能になる。また、結合素子のインピーダンス調整が行われるので、アンテナ装置の帯域幅が狭くなる不都合が抑制できる。
なお、上記説明においては、一対の第1アンテナ部や第2アンテナ部でアンテナ装置を構成する場合について説明したが、本発明は、係る構成に限定するものではない。例えば、図6に示すように、複数対の第1アンテナ部11と第2アンテナ部12とを用いてアンテナ装置を構成しても良い。図6においては、4対の第1アンテナ部11と第2アンテナ部12を放射状に配置し、これらを1つの結合素子30で結合した場合を例示している。
また、周波数調整素子23の構造も図1に示したような矩形板状の構成に限定するものではなく、例えば図7A〜図7Cに示すような構成であっても良い。図7Aは短冊の要素を複数所定間隔で併設した突起形状の周波数調整素子27(23)、図7Bは内部に打抜きが形成されたリング形状の周波数調整素子28(23)は、図7CはT字型形状の周波数調整素子29(23)を示している。
さらに、上述した各周波数調整素子23は、グランド板16との容量結合等を行うことにより周波数調整機能を発現するが、周波数調整機能を集中定数素子で実現させても良い。例えば、図8に示すように2つのインダクタ25とキャパシタ26とを用いて、長素子21の間にインダクタ25を挿入すると共に、長素子21とグランド板16とをキャパシタ26を介して接続することも可能である。
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態を説明する。なお、第1実施形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
図9は、本実施形態にかかるアンテナ装置2Bの構成図である。アンテナ装置2Bは、アンテナ装置2Aと基本構成は同じであるが、第1アンテナ部11と第2アンテナ部12とが直交するように設けられ、かつ、グランド板16のコーナーに配置されている点が相違する。
そして、第1給電ポート24aと第2給電ポート24bとは、グランド板16のコーナー点の近傍位置で接続され、結合素子13はコーナーに沿って第1アンテナ部11と第2アンテナ部12を接続している。
このような第1アンテナ部11及び第2アンテナ部12のような逆L型のアンテナ装置2Bは、ダイポールアンテナと同様な電流モードを持つため、アンテナ装置2Aより放射特性が向上する。無論、グランド基板に対してどのように配置するかは、上記アンテナ特性のみならず、アンテナ装置2Bの実装上の都合に応じて選択できることは言うまでもない。
図10は、アンテナ装置2Bの周波数に対するSパラメータを示した図である。このときのアンテナ装置2Bは、高さh=5.5mm、L1=20.8mm、L2=6.5mmの寸法により形成されている。図10の特性を図2の特性と比較すると、アンテナ装置2BのSパラメータは、アンテナ装置2Aと同様の周波数特性を示すが、2.4GHz帯でSパラメータS11とSパラメータS21とが、アンテナ装置2Aの値より小さい値を示していることがわかる。
図11は、アンテナ装置2Bの放射効率を示した図である。図4と比べて2.4GHz帯での放射効率は、10%以上改善していることがわかる。
このようにアンテナ装置の実装上の観点及び放射特性の観点から第1アンテナ部と第2アンテナ部との配置構成を選択することが可能になり、設計の自由度が向上する。
<第3実施形態>
次に、本発明の第3実施形態を説明する。なお、第1実施形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
本実施形態にかかるアンテナ装置は、これまで説明したアンテナ装置に対し、さらなる小型化を図ったものである。即ち、第2の実施形態においては、アンテナ装置をグランド板のコーナーに配置した。これにより、アンテナ装置は実質的に長手方向の小型化が図られた。これに対し、本実施形態では、アンテナ装置の長素子を蛇行させてミアンダ構造にすることにより小型化を行った。
図12は、本実施形態にかかるアンテナ装置2Cの構成図である。同図に示すように、アンテナ装置2Cの第1アンテナ部11及び第2アンテナ部12は直交するようにグランド板のコーナーに配置され、かつ、第1長素子21a及び第2長素子21bはミアンダ構造に設けられている。
無論、アンテナ装置の小型化は図12の構成に限定されるものではない。例えば、図13に示すように、周波数調整素子23の位置で折曲げることにより3次元的に配置したアンテナ装置2Dにすることも可能である。
本発明はデュアルバンドアンテナ装置を用いる移動体通信向け基地局および端末、無線LAN(Local Area Network)のルータおよび端末等のMIMO無線通信機器に適用が可能である。
上記実施の形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
<付記1>
複数の周波数帯の電波を送受波するデュアルバンドアンテナ装置であって、
第1長素子、該第1長素子と異なる共振周波数を持つ第1短素子、前記第1長素子に設けられて共振周波数を調整する第1周波数調整素子、及び、給電端をなす第1給電ポートを含む第1アンテナ部と、
第2長素子、該第2長素子と異なる共振周波数を持つ第2短素子、前記第2長素子に設けられて共振周波数を調整する第2周波数調整素子、及び、給電端をなす第2給電ポートを含む第2アンテナ部と、
前記第1アンテナ部と前記第2アンテナ部との相互のインピーダンスを調整しながら前記第1アンテナ部と前記第2アンテナ部とを接続する結合素子と、
を備えることを特徴とするデュアルバンドアンテナ装置。
<付記2>
付記1に記載のデュアルバンドアンテナ装置であって、
前記第1アンテナ部、第2アンテナ部が対として複数対が設けられ、1つの前記結合素子がこれら複数対のアンテナ部を接続していることを特徴とするデュアルバンドアンテナ装置。
<付記3>
付記1又は2に記載のデュアルバンドアンテナ装置であって、
前記第1アンテナ部及び第2アンテナ部は、グランド板に設置され、かつ、前記第1周波数調整素子及び前記第2周波数調整素子は前記グランド板と電気的に結合するように設けられていることを特徴とするデュアルバンドアンテナ装置。
<付記4>
付記1乃至3のいずれか1項に記載のデュアルバンドアンテナ装置であって、
前記第1短素子及び前記第2短素子は、前記第1長素子及び前記第2長素子より前記グランド板から離れた位置に設けられていることを特徴とするデュアルバンドアンテナ装置。
<付記5>
付記1乃至4のいずれか1項に記載のデュアルバンドアンテナ装置であって、
前記第1周波数調整素子及び前記第2周波数調整素子は、前記第1長素子及び前記第2長素子の2次共振時において素子先端から1/2波長に相当する位置に設けられていることを特徴とするデュアルバンドアンテナ装置。
<付記6>
付記1乃至5のいずれか1項に記載のデュアルバンドアンテナ装置であって、
前記第1アンテナ部及び前記第2アンテナ部は、グランド板のコーナー位置に配置されていることを特徴とするデュアルバンドアンテナ装置。
<付記7>
付記1乃至6のいずれか1項に記載のデュアルバンドアンテナ装置であって、
前記第1長素子及び前記第2長素子は、ミアンダ形状に形成されていることを特徴とするデュアルバンドアンテナ装置。
<付記8>
付記1乃至7のいずれか1項に記載のデュアルバンドアンテナ装置であって、
前記第1長素子及び前記第2長素子は、前記第1周波数調整素子及び前記第2周波数調整素子の位置で折曲げられていることを特徴とするデュアルバンドアンテナ装置。
<付記9>
付記1乃至8のいずれか1項に記載のデュアルバンドアンテナ装置であって、
前記周波数調整素子は、矩形形状、突起形状、リング形状、T字型形状のいずれか1つの形状で形成されていることを特徴とするデュアルバンドアンテナ装置。
<付記10>
付記1乃至8のいずれか1項に記載のデュアルバンドアンテナ装置であって、
前記周波数調整素子は、インダクタ及びキャパシタにより形成されて、前記キャパシタの一端がグランド板に接続されていることを特徴とすることを特徴とするデュアルバンドアンテナ装置。
<付記11>
付記1乃至10のいずれか1項に記載のデュアルバンドアンテナ装置であって、
前記結合素子は、金属線を用いて形成され、かつ、折り曲げられ、又はミアンダ形状に形成されていることを特徴とするデュアルバンドアンテナ装置。
<付記12>
付記1乃至10のいずれか1項に記載のデュアルバンドアンテナ装置であって、
前記結合素子は、インダクタ、キャパシタ、フィルタ、移相器のいずれか1つを用いて形成されていることを特徴とすることを特徴とするデュアルバンドアンテナ装置。

以上、実施形態(及び実施例)を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態(及び実施例)に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ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。
この出願は、2013年2月18日に出願された日本出願特願2013−028747を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
2A〜2D アンテナ装置
11 第1アンテナ部
12 第2アンテナ部
13、30 結合素子
16 グランド板
21 長素子
21a 第1長素子
21b 第2長素子
22 短素子
22a 第1短素子
22b 第2短素子
23、27〜29 周波数調整素子
23a 第1周波数調整素子
23b 第2周波数調整素子
24 給電ポート
24a 第1給電ポート
24b 第2給電ポート
25 インダクタ
26 キャパシタ

Claims (10)

  1. 複数の周波数帯の電波を送受波するデュアルバンドアンテナ装置であって、
    第1長素子、該第1長素子と異なる共振周波数を持つ第1短素子、前記第1長素子に設けられて共振周波数を調整する第1周波数調整素子、及び、給電端をなす第1給電ポートを含む第1アンテナ部と、
    第2長素子、該第2長素子と異なる共振周波数を持つ第2短素子、前記第2長素子に設けられて共振周波数を調整する第2周波数調整素子、及び、給電端をなす第2給電ポートを含む第2アンテナ部と、
    前記第1アンテナ部と前記第2アンテナ部との相互のインピーダンスを調整しながら前記第1アンテナ部と前記第2アンテナ部とを接続する結合素子と、
    を備えることを特徴とするデュアルバンドアンテナ装置。
  2. 請求項1に記載のデュアルバンドアンテナ装置であって、
    前記第1アンテナ部、第2アンテナ部が対として複数対が設けられ、1つの前記結合素子がこれら複数対のアンテナ部を接続していることを特徴とするデュアルバンドアンテナ装置。
  3. 請求項1又は2に記載のデュアルバンドアンテナ装置であって、
    前記第1アンテナ部及び第2アンテナ部は、グランド板に設置され、かつ、前記第1周波数調整素子及び前記第2周波数調整素子は前記グランド板と電気的に結合するように設けられていることを特徴とするデュアルバンドアンテナ装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載のデュアルバンドアンテナ装置であって、
    前記第1短素子及び前記第2短素子は、前記第1長素子及び前記第2長素子より前記グランド板から離れた位置に設けられていることを特徴とするデュアルバンドアンテナ装置。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載のデュアルバンドアンテナ装置であって、
    前記第1周波数調整素子及び前記第2周波数調整素子は、前記第1長素子及び前記第2長素子の2次共振時において素子先端から1/2波長に相当する位置に設けられていることを特徴とするデュアルバンドアンテナ装置。
  6. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載のデュアルバンドアンテナ装置であって、
    前記第1アンテナ部及び前記第2アンテナ部は、グランド板のコーナー位置に配置されていることを特徴とするデュアルバンドアンテナ装置。
  7. 請求項1乃至6のいずれか1項に記載のデュアルバンドアンテナ装置であって、
    前記第1長素子及び前記第2長素子は、ミアンダ形状に形成されていることを特徴とするデュアルバンドアンテナ装置。
  8. 請求項1乃至7のいずれか1項に記載のデュアルバンドアンテナ装置であって、
    前記第1長素子及び前記第2長素子は、前記第1周波数調整素子及び前記第2周波数調整素子の位置で折曲げられていることを特徴とするデュアルバンドアンテナ装置。
  9. 請求項1乃至8のいずれか1項に記載のデュアルバンドアンテナ装置であって、
    前記周波数調整素子は、矩形形状、突起形状、リング形状、T字型形状のいずれか1つの形状で形成されていることを特徴とするデュアルバンドアンテナ装置。
  10. 請求項1乃至8のいずれか1項に記載のデュアルバンドアンテナ装置であって、
    前記周波数調整素子は、インダクタ及びキャパシタにより形成されて、前記キャパシタの一端がグランド板に接続されていることを特徴とすることを特徴とするデュアルバンドアンテナ装置。
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