WO2004051790A2

WO2004051790A2 - アクティブアンテナ

Info

Publication number: WO2004051790A2
Application number: PCT/JP2003/014562
Authority: WO
Inventors: Takashi Enoki; Tomohiro Seki; Takeo Atsugi; Masahiro Umehira
Original assignee: Panasonic Mobile Comm Co Ltd; Nippon Telegraph & Telephone; Takashi Enoki; Tomohiro Seki; Takeo Atsugi; Masahiro Umehira
Priority date: 2002-11-15
Filing date: 2003-11-17
Publication date: 2004-06-17
Also published as: EP1562258A4; WO2004051790B1; AU2003280813A1; WO2004051790A3; US20060061511A1; JPWO2004051790A1; EP1562258A2; AU2003280813A8; CN1706071A

Abstract

ＭＳＡ（１１２）およびＭＳＡ（１１２）に給電するＭＳＡ給電回路（１１３）がアンテナ基板（１０６）に配置され、アクティブ素子である高出力増幅器（１０２）、低雑音増幅器（１０３）等がＲＦ基板（１０７）に実装される。アンテナ基板（１０６）とＲＦ基板（１０７）の間にはさまれた放熱ブロック（１１１）を有する。ＲＦ−アンテナ接続部（１０５）は、アンテナ基板（１０６）上に配置されたＭＳＡ給電回路（１１３）とＲＦ基板（１０７）上の給電ライン（１０９）との間を非放射の結合スロット（１０８）により電磁界結合させる。これにより、高出力で、消費電力の大きいデバイスを使用した場合にも、その特性劣化を抑圧し、簡易な構成にて、小型化可能なアクティブアンテナを提供することができる。

Description

技術分野

本発明は、高出力増幅器、低雑音増幅器等のアクティブ素子をアンテナのエレメントと一体化させた構造を採るアクティブアンテナに関する。

明背景技術

準ミリ波帯以上の周波数では、空間での書電磁波の伝搬減衰が大きいため、充分な通信エリアを確保するためには、出力電力の向上おょぴアンテナの高利得化が必要である。

従来の無線機は、独立したアンテナと無線機本体を同軸ケーブル等により接続しているため、ケーブル損失を補うために、最終段にある増幅器を高出力化 ·高利得化する必要があった。この一つの解決策として、アンテナと R

F回路 (ァタティブ素子が実装された）を一体化したアクティブァンテナが存在する。

従来のアクティブアンテナの実装断面図を図 1に示す。アクティブアンテナの R F回路は、 R F—アンテナ一体多層基板 1 1上または内層に配置される。アンテナをマイクロストリップアンテナ（M S A) 1 2とした場合には、アンテナの構成上 G N D (グランド) 層 1 3が必要であり、電力増幅器、低雑音増幅器、送受切換器等の MM I C (Microwave Monolithic Integrated Circuit) 1 4は、アンテナと反対の面に通常実装される。送受切換器およびアンテナは R F—アンテナ結合スルーホール 1 5によって結合される。

しかしながら、準ミリ波帯以上を使用するシステムにおいては、図 1のようなアンテナ一 R F回路間の損失を減少させる構成を採り、更に通話エリアの拡大、および伝送品質の確保のために、高出力な電力増幅器を用いる必要がある。上記のように基板上に MM I Cを実装した場合には、その放熱量にも限界があり、デバイスが高温条件下で動作する場合には、その特性劣化等も考慮しなければならず、最悪、長時間使用時には、破壌してしまう可能性もある。発明の開示

本発明の目的は、高出力で、消費電力の大きいデバイスを使用した場合にも、その特性劣化を抑圧し、簡易な構成にて、小型化可能なアクティブアンテナを提供することである。

この目的は、アンテナと、信号を増幅して前記アンテナに出力する高出力増幅器と、前記アンテナに受信された信号を増幅する低雑音増幅器とを具備するアクティブアンテナであって、前記アンテナおよび前記アンテナに給電する給電回路を含むァンテナ基板と、ァクティブ素子である前記高出力増幅器および前記低雑音増幅器を実装する R F基板と、前記アンテナ基板と前記 R F基板の間に挿入される放熱ブロックとを具備し、前記アンテナ基板と前記 R F基板との間を結合スロットにより電磁界結合させるアクティブアンテナにより解決される。図面の簡単な説明

図 1は、従来のアクティブアンテナの実装断面図、

図 2は、本発明の実施の形態 1に係るアクティブアンテナの構成を示すブ口ッグ図、

図 3は、本発明の実施の形態 1に係るアクティブアンテナの実装断面図、図 4 Aは、本発明の実施の形態 1に係る R F—アンテナ接続部詳細図（Top view)、

図 4 Bは、本発明の実施の形態 1に係る R F—アンテナ接続部詳細図 (Cross-sectionai view)ヽ図 5は、本発明の実施の形態 2に係るァクティプアンテナの構成を示すブロック図、

図 6は、本発明の実施の形態 3に係るアクティブアンテナの構成を示すプロック図、

図 7は、本発明の実施の形態 4に係るアクティブアンテナの構成を示すブロック図、

図 8は、本発明の実施の形態 5に係るアクティブアンテナの構成を示すブ口ック図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

(実施の形態 1 )

図 2は、本発明の実施の形態 1に係るアクティブアンテナの回路構成を示すブロック図である。

図 2に示すアクティブアンテナの回路は、アンテナ 1 0 0と、高出力増幅器（P A) 1 0 2と、低雑音増幅器（L N A) 1 0 3と、アンテナ信号ラインを送信側および受信側のそれぞれに分離する送受切換器 1 0 1と、無線装置に接続される信号ラインを送信側および受信側のそれぞれに分離する送受切換器 1 0 4とを有する。

信号経路は次のようになっている。無線装置結合端 1 1 4を介し無線装置から入力された送信信号は、送受切換器 1 0 4で出力先が切り換えられ、高出力増幅器 1 0 2に出力される。高出力増幅器 1 0 2によって電力が増幅された送信信号は、送受切換器 1 0 1で出力先が切り換えられ、アンテナ 1 0 0を介し空間上に放射される。一方、アンテナ 1 0 0を介し受信された信号は、送受切換器 1 0 1で出力先が切り換えられ、低雑音増幅器 1 0 3に出力される。低雑音増幅器 1 0 3によって増幅された受信信号は、送受切換器 1 0 4で出力先が切り換えられ、無線装置結合端 1 1 4を介し無線装置に出力される。

ここで、送受切換器 1 0 1および送受切換器 1 04は、適用するシステムにより構成が異なり、例えば、送受信で同一周波数を用いる TDD( ime Division Duplex)システムであれば、ある時間で送信側、受信側を選択するスィッチ構成になり、 FDD (Frequency Division Duplex)システムであれば、フィルタを組み合わせた共用器、あるいはスィツチとフィルタの組み合わせでもよく、特定の構成に限定されるものではない。

また、低雑音増幅器 1 03は、システム全体の所要雑音指数 (NF)によつては、本実施の形態に係るアクティブアンテナ側に必ずしも実装されていなくてもよく、無線装置結合端 1 1 4に接続される無線装置側に実装されていてもよい。

次に、本実施の形態に係るアクティブアンテナの実装断面図を図 3に示す。ここでは、アンテナとしてマイクロストリップアンテナ (MS A)l 1 2を例にとつて示す。また、説明を簡単にするため 1つのパッチのみを示している 1 複数のパッチアンテナでも構わない。

図 3に示すように、本実施の形態実施に係るアクティブアンテナの主な構成は、アンテナ基板 1 06と放熱ブロック 1 1 1と RF基板 10 7とからなる。放熱ブロック 1 1 1は、筐体および GND (グランド）としての役目も負っている。

MS A 1 1 2はアンテナ基板 1 06上に、また、 MSA 1 1 2に給電する MS A給電回路（埋込給電回路） 1 1 3はアンテナ基板 1 06の内部に配置されている。また、アクティブ素子である高出力増幅器 1 02および低雑音増幅器 1 03等を実装する MM I C 1 1 0は、 RF基板 1 07上に配置されている。

そして、アンテナ基板 1 06と RF基板 1 0 7の間に放熱プロック 1 1 1 が挟まれ（挿入され）、アンテナ基板 1 06と放熱プロック 1 1 1の間、および放熱ブロック 1 1 1と RF基板 1 0 7の間は互いに密着する構成となっている。このように互いに密着する構成を採ることにより、アクティブアンテナとしての一体性が保たれる。また、放熱ブロック 1 1 1と RF基板 1 07 とが密着していることにより、 RF基板 1 07で発生した熱を効率良く放熱することができる。

また、この放熱ブロック 1 1 1には中空の結合スロット 1 08が設けられている。アンテナ基板 106と R F基板 1 07は、この結合スロット 1 08 を有する R F—アンテナ接続部 1 05を介して、互いに接続されている。ここで、結合スロット 1 08は、通常のスロットアンテナと同様の構成を有するものであり、外部に不必要な放射をしない非放射スロットである。結合スロット 1 08は、その表裏にある MS A給電回路 1 1 3および給電ライン 1 09を電磁界結合させる（すなわち、送信時であれば、給電ライン 1 0 9から放射された電磁波は、スロット中のエア等を通り、 ]\43 給電回路1 1 3に到達する。また、受信時であれば、 MSA 1 1 2で受信された電磁波は、 1^3 給電回路1 1 3を通り、スロット内に放射され、給電ライン 1 0 9に到達する）。

なお、結合スロットとアンテナ間の相互結合を低減する為に、結合スロット 1 08を有する RF—アンテナ接続部 1 05は、アンテナ基板 1 06上で MS A 1 1 2から所定の距離だけ離れた位置に配置される。

図 4に RF_アンテナ接続部 1 05のさらに詳細な構造を示す。ただし、ここでは、 MSA給電回路1 1 3が図 3と異なる位置に配置されている場合の例を示す。図 3では、 MS A給電回路 1 1 3が給電ライン 10 9と同じように結合スロット 108の左側に設置されている場合を例にとって説明した、図 4に示すように、 ]^3 給電回路1 1 3は結合スロット 1 08の（図 3でいう）右側に設置されていても良い。

図 4 Aは、 R F—アンテナ接続部 1 05を上面（図 3の上方向）から見た図である。放熱ブロック 1 1 1は図のように長方形状にくり抜かれ、結合スロット 1 08を形成している。ここで、結合スロット 1 08と MS A給電回路 1 1 3のフィードライン（給電線）は、電磁波の放射効率（インピーダンス特性）を良くするために、互いに直交するように設置されている。なお、図示しないが、同様に結合スロット 1 0 8と給電ライン 1 0 9も互いに直交するように設置されている。

また、 Wの値は、結合スロット 1 0 8のインピーダンス特性を考慮すると小さいほど望ましい。一方、 Lの値も、非放射スロットにするためには小さレ、ほど望ましいが、放熱プロック 1 1 1の厚さ tも考慮して、使用する周波数に応じて決定される。すなわち、放熱ブロック 1 1 1の厚さ tは、放熱特性を考えると大きい値ほど望ましいが、 Lと tには比例関係があることがわかっており、 tに応じて Lを大きくすると結合スロット 1 0 8を非放射とすることが困難となる。よって、非放射の実現と放熱特性の向上はトレードォフの関係にあり、 Lは使用する周波数を考慮して決定される。

なお、ここでは、結合スロット 1 0 8を上面から見た場合の形状が長方形である場合を例にとって説明したが、これに限定されず、 Wと Lが上記の条件を満たす形状であれば他の形状であつても良い。

図 4 Bは、 R F—アンテナ接続部 1 0 5を図 3と同じ方向から見た断面図である。ここで、 d l、 d 2は、結合スロット 1 0 8のインピーダンス特性が最適となる値に決定される。

—般に、高出力増幅器 1 0 2のようなアクティブ素子には、素子自体の最大許容温度が規定されており、素子の温度がそれ以下の温度になるように放熱を考える必要がある。放熱が十分にできない場合には、そのような大電力を扱う素子は実装できないことになる。また、アクティブ素子は、高温になると利得が低下する特徴があり、素子温度を上げないような設計をすることで特性劣化を抑圧することができる。

そこで、本実施の形態においては、 R F基板 1 0 7に実装された高出力増幅器が発生する熱を、 R F基板 1 0 7を通して、 R F基板 1 0 7に密着して設けられている熱伝導率の良い（例えば、銅製の）放熱ブロック 1 1 1に伝え、この放熱ブロックを介してエア上に熱を放出する。

また、本実施の形態においては、放熱ブロック 1 1 1が存在するために、基板1 07 (給電ライン 1 0 9) およびアンテナ基板 1 06 (MS A給電回路 1 1 3) との間が電気的に分断されてしまうが、放熱プロック 1 1 1 の一部をくり抜いて結合スロット 108を設けることにより、給電ライン 1 0 9からの電力は、この結合スロット 1 08を通り、 MS A給電回路 1 1 3 に供給される。すなわち、 MS A給電回路 1 1 3および給電ライン 1 09は電磁界結合される。また、このように、 2つの基板間を、例えば同軸ケープルのような接続手段を用いて半田付け等で接続することなく結合することにより、通常の多層基板を製作するような工程で容易に製作することができる。このように、本実施の形態によれば、高出力で、消費電力の大きいデバイスを使用した場合にも、充分な放熱効果を有することができ、そのデバイスの温度上昇による特性劣化を抑圧することができる。また、簡易な構造で小型化可能なアクティブアンテナを提供することができる。

(実施の形態 2)

図 5は、本発明の実施の形態 2に係るアクティブアンテナの構成を示すブ口ック図である。なお、このアクティブアンテナは、図 2に示したァクティブアンテナと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態の特徴は、図 2に示したアンテナ 1 00を 2系統（アンテナ

1 00 a, アンテナ 1 00 b) 有し、信号の空間合成を実現する構成となつていることである。

図 5において、無線装置結合端 1 1 4を介し無線装置から入力された送信信号は、送受切換器 1 04で出力先が切り換えられ、分配合成器 204に出力され、 2つの信号に分配される。分配合成器 204の出力は、それぞれ高出力増幅器 1 02 a、 1 02 bに入力される。高出力増幅器 10 2 a、 1 0 2 bにより増幅された送信信号は、送受切換器 1 0 1 a、 1 0 1 bで出力先が切り換えられ、アンテナ 1 0 0 a、 1 0 0 bを介して空間上に放射される。 —方、アンテナ 1 0 0 a、 1 0 0 bを介し受信された信号は、送受切換器 1 0 1 a、 1 0 1 bで出力先が切り換えられ、分配合成器 2 0 3に入力され合成されて、低雑音増幅器 1 0 3に出力される。低雑音増幅器 1 0 3により増幅された受信信号は、送受切換器 1 0 4で出力先が切り換えられ、無線装置結合端 1 1 4を介し無線装置に出力される。

例えば、 2つのアンテナから送信された無線信号を空間合成する場合には、増幅器の出力電力は理論的には半分でよい。またトータルで同じ出力電力であっても、最大電力が小さい増幅器を複数個用いる方が一般的にトータルの消費電力は小さくなる。本実施の形態では、この効果を狙っている。

このように、本実施の形態によれば、アンテナを複数配置し、それに接続する高出力増幅器も複数配置するため、 1つの高出力増幅器の消費電力を下げることができ、高出力増幅器の特性を選択することで、 1つの高出力な増幅器を用いるときより全体の消費電力の削減を図ることができる。

なお、ここでは、アンテナ部を 2個有し、 2合成の場合を例にとって説明したが、同様な構成で更に複数合成であっても良い。

(実施の形態 3 )

図 6は、本発明の実施の形態 3に係るアクティブアンテナの構成を示すブ口ック図である。なお、このアクティブアンテナは、図 5に示したァクティブアンテナと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態の特徴は、分配合成器 2 0 4と高出力増幅器 1 0 2 a、 1 0 2 bとの間に、可変位相回路 3 0 1 a、 3 0 1 bを挿入した構成となっていることである。

空間合成を行う回路においては、複数のアンテナより同位相で放射されなくてはならないが、実際には各デバイスのばらつき等によりずれることがあり、可変位相回路 3 0 1 a、 3 0 1 bはそのずれを補正する機能を持つ。このように、本実施の形態によれば、各デバイス自身のばらつき、および実装時の位相ばらつき等を補正するため、合成損を抑圧することができ、高利得なアクティブアンテナを実現することができる。

(実施の形態 4 )

図 7は、本発明の実施の形態 4に係るアクティブアンテナの構成を示すプ口ック図である。なお、このアクティブアンテナは、図 6に示したァクティブアンテナと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態の特徴は、分配合成器 2 0 4と可変位相回路 3 0 1 a、 3 0 1 bとの間に、可変利得回路 4 0 1 a、 4 0 1 bを挿入した構成となっていることである。

空間合成を行う回路においては、複数のアンテナより同振幅で放射されなくてはならないが、実際には各デバイスのばらつき等によりずれることがあり、可変利得回路 4 0 1 a、 4 0 1 bはそのずれを補正する機能を持つ。このように、本実施の形態によれば、各デバイス自身のばらつき、および実装時の振幅ばらつき等を補正するため、合成損を抑圧することができ、高利得なアクティブアンテナを実現することができる。また、デバイスのランクを指定して購入しなくてもよくなるため、低コスト化が可能となる。

(実施の形態 5 )

図 8は、本発明の実施の形態 5に係るアクティブアンテナの構成を示すブロック図である。なお、このアクティブアンテナは、図 7に示したァクティブアンテナと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態の特徴は、分配合成器 2 0 3と送受切換器 1 0 1 a、 1 0 1 bとの間に、可変位相回路 5 0 1 a、 5 0 1 bを挿入した構成となっていることである。

空間合成を行う回路においては、複数のアンテナより同位相で放射されなくてはならないが、受信信号に対しても同様であり、実際には各デバイスのばらつき等によりずれることがあり、可変位相回路 5 O l a, 50 1 bはそのずれを補正する機能を持つ。

このように、本実施の形態によれば、各デバイス自身のばらつき、および実装時の位相ばらつき等を補正するため、合成損を抑圧することができ、受信信号に対しても高利得なアクティブアンテナを実現することができる。以上説明したように、本発明によれば、高出力で、消費電力の大きいデバイスを使用した場合にも、その特性劣化を抑圧し、簡易に、小型化可能なァクティブアンテナを実現することができる。

本明細書は、 2002年 1 1月 1 5日出願の特願 2002-3 3 2 50 9 に基づく。この內容はすべてここに含めておく。産業上の利用可能性

本発明は、無線機等に搭載されるアンテナに適用することができる。

Claims

請求の範囲

1 . アンテナと、信号を増幅して前記アンテナに出力する高出力増幅器と、前記アンテナに受信された信号を増幅する低雑音増幅器とを具備するァクテイブアンテナであって、

前記アンテナおよび前記アンテナに給電する給電回路を含むアンテナ基板と、ァクティプ素子であ'る前記高出力増幅器および前記低雑音増幅器を実装する R F基板と、前記アンテナ基板と前記 R F基板の間に挿入される放熱プ口ックとを具備し、前記アンテナ基板と前記 R F基板との間を結合スロットにより電磁界結合させるアクティブアンテナ。

2 . 前記アンテナを複数有し、前記高出力増幅器を前記アンテナと同数有し、信号を前記アンテナの数に分配して前記高出力増幅器に出力する分配器と、前記各アンテナに受信された信号を合成して前記低雑音増幅器に出力する合成器とを具備し、信号の空間合成を行う請求の範囲 1記載のアクティブアンテナ。

3 . 前記高出力増幅器と前記分配器との間、あるいは、前記高出力増幅器と前記ァンテナとの間に可変位相回路を設ける請求の範囲 2記載のァクティブアンテナ。

4 . 前記高出力増幅器と前記分配器との間、あるいは、前記高出力増幅器と前記アンテナとの間に可変利得回路を設ける請求の範囲 2記載のァクティブアンテナ。

5 . 前記合成器と前記アンテナとの間に可変位相回路を設ける請求の範囲