JP4667310B2 - 無給電素子を備えたマルチアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、マルチアンテナに関し、特に複数の給電素子及び無給電素子を備えた移動通信端末用マルチアンテナに関するものである。

従来、移動通信端末用のマルチアンテナまたはアレーアンテナとしては、ダイバーシティアンテナが一般的であり、１／２波長ダイポールアンテナを用いてアンテナ素子間隔を０．５波長程度とした理想的なアンテナ条件が前提とされている。これは、アレー理論に基づいてグレーティング・ローブを発生させずに高いアンテナ利得を得るためであり、素子間結合の影響による利得の低下を避けるためにも、アンテナ素子間隔を０．５波長程度とするものが多い。

１／２波長ダイポールアンテナにより構成される０．５波長間隔のマルチアンテナは、ビームフォーミングにより高いアンテナ利得が得られ、またアンテナ素子間の相関係数も小さくなる反面、アンテナ給電方式やアンテナ容積について考慮した場合、特に小型化が求められる携帯端末等に搭載することは困難であった。また、これまでのマルチアンテナに関する検討は、現実的なアンテナ構成を考慮したものではなかった。

さらに、端末用のマルチアンテナとしてＰＤＣ方式の携帯端末では例えば図１７に示すようにホイップ形状と逆Ｆ形状の２本のアンテナを素子間隔０．５波長以下として配置したものがあった。しかしながら、これは単にダイバーシティ効果を得るためのアンテナ配置であり、次世代の移動通信システムへの適用が検討されているビームフォーミングやダイバーシティ、MIMO伝送を両立させるアンテナ構成について検討したものではなかった。

例えば、ビームフォーミングやダイバーシティ、MIMO伝送を行う移動通信システムで利用可能な端末用マルチアンテナとしては、図１８に示すようにノート型パソコンの外部拡張スロットに搭載するカード型無線端末の端部に突起状の放射素子を複数配置する構成が考えられる。これは、回路基板１８０と給電点１８１、モノポール形状の給電素子１８２から構成される。このマルチアンテナ構成の場合、アンテナ間相互結合の影響が大きいため放射効率が低下し、十分なアンテナ性能を得ることが難しかった。そこで、相互結合の影響が小さい移動通信システムに適用可能なマルチアンテナが望まれていた。

従来、無給電素子の追加によりアンテナ特性を改善するものとして、以下のような特許文献が知られている。しかしながら、いずれも単数の給電素子を用いるものであり、複数の給電素子を有するマルチアンテナを用いるものであった。
特開２００３−２８３２３８号公報 特開２００４−６４３１２号公報 特開２００５−２８６８９５号公報 特開２００６−５０４９６号公報 特開２００６−６７２３４号公報

本発明の特徴に従ったマルチアンテナは、複数の給電点を備えた回路基板；一端が開放され他端が給電点にそれぞれ接続された複数の給電素子；及び一端が開放され他端が回路基板に接続された単数または複数の無給電素子；を備え、
給電素子および無給電素子は使用周波数帯の波長で換算して０．２波長乃至０．３波長の長さの素子長を有し；かつ無給電素子を任意の前記給電点近傍において回路基板に接続することを特徴とする。

給電素子または無給電素子は折り曲げ構造を有しても良い。

給電素子および無給電素子は分岐構造を有しても良い。

無給電素子を任意の誘電率を有する誘電体の表面または内部に配置しても良い。

給電素子は回路基板に対して垂直および平行に配置され、無給電素子は回路基板に対して垂直に配置された給電素子の給電点近傍において回路基板と接続するように構成することができる。

無給電素子は互いに直交して配置しても良い。

上記のマルチアンテナは、指向性を制御するビームフォーミングを行うように構成しても良い。

上記のマルチアンテナは、ダイバーシティを行うように構成しても良い。

上記のマルチアンテナは、空間的な物理チャネルの並列伝送により伝送容量を増大させるMIMO伝送を行うように構成しても良い。

上記のマルチアンテナは、通信を行う周辺の伝搬環境に応じてビームフォーミング、ダイバーシティまたはMIMO伝送を切替えて使用するように構成しても良い。

本発明の実施例に従ったマルチアンテナによれば、複数のアンテナを使用するマルチアンテナにおいて相互結合による性能劣化の少ないマルチアンテナを提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明に従ったアンテナ装置の実施例について説明する。

図１は、本発明の第１実施例に従ったマルチアンテナ８の基本構成を示す概略図である。マルチアンテナ８は基本的に、回路基板１０、回路基板１０上の複数の給電点１１、及び複数の給電素子１２を備えている。各給電素子１２は一端が開放され、他端が対応する給電点１１にそれぞれ接続されている。マルチアンテナ８はさらに、一端が開放され他端が回路基板１０に接続された単数または複数の無給電素子１３を備えている。給電素子１２および無給電素子１３は、使用周波数帯の波長で換算して０．２波長乃至０．３波長の長さを有する。無給電素子１３は任意の給電点１１の近傍において回路基板１０と接続されている。

携帯端末用のアンテナとしては、小型化および内蔵化が可能な１／４波長モノポール方式のアンテナを採用することが多く、本実施例においても素子長約１／４波長のモノポールアンテナを用いている。

また、図1の実施例では、給電素子１２は２本あり、回路基板１０の端部に配置され、それぞれ給電点１１に接続されている。無給電素子１３は１本であり、回路基板の端部において片方の給電点の近傍に接続されている（給電点には接続されていない）。

図２のグラフに、第１実施例に従った端末用マルチアンテナ８と、図１８に示すような従来構成の端末用マルチアンテナとの特性の比較を示す。図２に示した値は、モーメント法による数値計算を用いてマルチアンテナを構成する各アンテナの相互結合量と放射効率とを算出した結果の値である。従来構成の端末用マルチアンテナは、図１８に示すように無給電素子を備えていない。

図２のグラフより、従来構成の端末用マルチアンテナの場合には、相互結合量が−１０ｄＢ以上であり、その強い相互結合に起因して放射効率が約１ｄB劣化していることが分かる。一方、本発明第１実施例のマルチアンテナの場合には、相互結合量は−１５ｄＢ程度であって、放射効率の劣化を０．１ｄＢ程度に抑えていることが分かる。
［無給電素子の長さについて］
ここで、無給電素子１３の長さについて説明する。図３のグラフに、第１実施例に従った端末用マルチアンテナ８の無給電素子１３の長さに対する相互結合量を数値計算により評価した値を示す。

図４のグラフには、第１実施例に従った端末用マルチアンテナ８の無給電素子１３の長さに対する放射効率を数値計算により評価した値を示す。

図３より、例えば相互結合量を−１０ｄＢ以下にするためには、無給電素子１３の長さを使用周波数帯の波長で換算して０．２波長乃至０．３波長とする必要があることが分かる。また、図４より、例えば放射効率の劣化を０．２ｄＢ以内にするためには、無給電素子１３の長さを使用周波数帯の波長で換算して０．２波長乃至０．３波長とする必要があることが分かる。つまり、本発明者らは、無給電素子１３の長さを給電素子１２と同様に約１／４波長とし、給電素子１２だけでなく無給電素子１３にも電流を積極的に生じさせることで、アンテナ間の結合を低減させ放射効率を改善できることを確認した。

図５は、本発明の第１実施例に従った端末用アンテナであるが、給電素子を３本備えた端末用アンテナ５８の基本構成を示す概略図である。３本の給電素子５２のうち、２本に各々１本ずつ無給電素子５３が配置されている。

図６のグラフは、図２と同様に、本発明の第１実施例に従った端末用マルチアンテナ５８と、従来構成の端末用マルチアンテナとの特性の比較を示す。給電素子を３本とした場合、図６のグラフより、従来構成の端末用マルチアンテナの場合には、相互結合量が−５ｄＢ程度であり、その相互結合に起因して放射効率が２ｄＢ以上劣化していることが分かる。一方、本発明第１実施例のマルチアンテナ５８の場合には、相互結合量は−１０ｄＢ程度であって、放射効率の劣化を１ｄＢ以内に抑えていることが分かる。

アンテナ容積が限られる携帯端末に複数のアンテナを搭載するマルチアンテナにおいては、十分なアンテナ間距離を確保することができないため、アンテナ間相互結合の影響により放射効率が劣化しやすい。そうした課題に対し、本発明の第１実施例では、使用周波数帯の波長で換算して０．２波長乃至０．３波長の長さを有する無給電素子を任意の給電点付近において各々１本ずつ回路基板と接続して配置することにより、給電素子だけでなく無給電素子上にも電流を生じさせ、アンテナ間の結合を低減し放射効率を改善することができる。
なお、本実施例においては、無給電素子の数を各給電点において多くとも各々１本ずつ配置する例を示したが、各給電点において２本以上配置しても効果は変わらないため、各給電点において各々１本ずつの無給電素子で十分である。

図７は、本発明の第２実施例に従ったマルチアンテナ７８の基本構成を示す概略図である。この実施例は、第１実施例と同様な構成であるが、マルチアンテナ７８の給電素子７２または無給電素子７３が折り曲げ構造を有している点が相違する。折り曲げ構造を有する給電素子７２または無給電素子７３についても、その素子長を周波数帯の波長で換算して０．２波長乃至０．３波長とし、無給電素子７３を任意の給電点近傍において各々１本ずつ回路基板と接続することにより、給電素子７２だけでなく無給電素子７３上にも電流を生じさせ、第１実施例と同様な効果を得ることができる。

給電素子７２または無給電素子７３を折り曲げ構造とすることで、アンテナの低姿勢化や任意形状の携帯端末筐体への内蔵化が可能となり、アンテナ性能とデザイン性の両立を図ることができる。

図８は、本発明の第３実施例に従ったマルチアンテナ８８の基本構成を示す概略図である。この実施例は、第１実施例と同様な構成であるが、マルチアンテナ８８の給電素子８２および無給電素子８３が分岐構造を有している点が相違する。分岐構造を有する給電素子８２または無給電素子８３についても、給電点から分岐点を経由して開放端までの長さを、使用周波数帯の波長で換算して０．２波長乃至０．３波長とし、無給電素子を任意の給電点近傍において各々１本ずつ回路基板と接続することにより、給電素子８２だけでなく無給電素子８３上にも電流を生じさせ、第１実施例と同様な効果を得ることができる。

給電素子８２または無給電素子８３を分岐構造とすることで、同一のアンテナ構成を用いながらも複数の周波数帯へ適用可能なマルチバンドを実現することができ、複数の周波数帯における相互結合の低減効果と放射効率の改善効果を得ることができる。

図９は、本発明の第４実施例に従ったマルチアンテナ９８の基本構成を示す概略図である。この実施例は、第１実施例と同様な構成であるが、マルチアンテナ９８の無給電素子９３が任意の誘電率を有する誘電体９４の表面または内部に配置されている点が相違する。任意の誘電率を有する誘電体９４の表面または内部に配置される無給電素子９３についても、その素子長を使用周波数帯の誘電率を考慮した波長で換算して０．２波長乃至０．３波長とし、無給電素子９３を任意の給電点近傍において各々１本ずつ回路基板と接続することにより、給電素子９２だけでなく無給電素子９３上にも電流を生じさせ、第１実施例と同様な効果を得ることができる。

無給電素子９３を任意の誘電率を有する誘電体９４の表面または内部に配置することで、無給電素子９３の搭載に必要とされる容積を削減することができ、アンテナの小型化を図ることができる。例えば、図９に示す本発明第４実施例に従ったマルチアンテナ９８の基本構成において、比誘電率３の誘電体を用いた場合には、相互結合の低減効果および放射効率の改善効果を維持したまま、誘電体の配置による波長短縮効果により無給電素子の物理的な素子長を短縮し、アンテナ容積を約１／２とすることができる。

図１０は、本発明の第５実施例に従ったマルチアンテナ１０８の基本構成を示す概略図である。この実施例は、第１実施例と同様な構成であるが、マルチアンテナ１０８の各給電素子１０２がそれぞれ回路基板１００に対して垂直および平行に配置された点が相違する。無給電素子１０３は回路基板１００に対して垂直に配置された放射素子１０２の給電点近傍において回路基板と接続されている。回路基板に対して垂直および平行に配置された給電素子１０２についても、その素子長を周波数帯の波長で換算して０．２波長乃至０．３波長とし、無給電素子１０３を図示のように回路基板１００と接続することにより、給電素子１０２だけでなく無給電素子１０３上にも電流を生じさせ、第１実施例と同様な効果を得ることができる。

給電素子１０２を垂直および平行に配置することで、アンテナ間の相互結合を低減することが可能となる。また、垂直に配置された給電素子１０２の給電点近傍に無給電素子１０３を配置することで、垂直に配置された給電素子１０２のグランド機能が強化され、垂直に配置された給電素子１０２の放射パターンについて垂直偏波成分が増大する。

例えば、本実施例に従ったマルチアンテナ１０８を携帯端末に搭載して使用する場合、端末周辺の到来波は垂直偏波成分が支配的であるため、端末の放射特性と到来波の整合性が向上し携帯端末における実効的な利得が改善する。

図１１は、本発明の第６実施例に従ったマルチアンテナ１１８の基本構成を示す概略図である。この実施例は、第１実施例と同様な構成であるが、マルチアンテナ１１８の無給電素子１１３が互いに直交して配置されている点が相違する。図１１に示す実施例の場合には、３本の給電素子１１２が接続された全ての給電点１１１の近傍に各々１本ずつ無給電素子１１３が配置されており、かつ、前記無給電素子１１３は互いに直交して配置されている。互いに直交する無給電素子１１３を配置した場合においても、その素子長を使用周波数帯の誘電率を考慮した波長で換算して０．２波長乃至０．３波長とし、無給電素子１１３を任意の給電点近傍において各々１本ずつ回路基板１１０と接続することにより、給電素子１１２だけでなく無給電素子１１３上にも電流を生じさせ、第１実施例と同様な効果を得ることができる。無給電素子１１３を互いに直交させて配置することで、無給電素子間に生じる相互結合の影響を低減することが可能となり、アンテナ間相互結合の低減および放射効率の改善を図ることができる。

なお、本実施例においては、直交する無給電素子を回路基板が配置されている面と同一面内に構成した例を示したが、同一ではない面内に各無給電素子を配置した場合においても同様な効果が得られる。

図１２は、本発明の第７実施例に従ったマルチアンテナ１２８の基本構成を示す概略図である。この実施例は、指向性の合成により利得の増大効果が得られるビームフォーミングに対して本発明に係るマルチアンテナを応用した例である。この実施例は、第１乃至第５実施例のいずれかのマルチアンテナを用いて構成され、指向性の合成を行うビームフォーミング回路１２４を具備している。本実施例におけるマルチアンテナ装置１２８は、アンテナとして第１から第５実施例に記載のマルチアンテナを使用しているため、アンテナ間の相互結合の影響が小さく、高い放射効率を得ることができる。従って、指向性の合成を行うビームフォーミングにおいても、高い利得の増大効果を得ることができる。

図１３は、本発明の第８実施例に従ったマルチアンテナ１３８の基本構成を示す概略図である。この実施例は、信号の合成により利得の増大効果が得られるダイバーシティに対して本発明に係るマルチアンテナを応用した例である。
この実施例は、第１乃至第５実施例のいずれかのマルチアンテナを用いて構成され、信号の合成を行うダイバーシティ回路１３４を具備している。本実施例におけるマルチアンテナ装置１３８は、アンテナとして第１から第５実施例に記載のマルチアンテナを使用しているため、アンテナ間の相互結合の影響が小さく、高い放射効率を得ることができる。また、アンテナ間相互結合の低減に伴い、ダイバーシティ利得と密接な関係にあるアンテナ間相関も十分低く抑えされている。したがって、信号の合成を行うダイバーシティにおいても、高い利得の増大効果を得ることができる。

また、図１４は、異なる偏波間の信号を合成することにより利得の増大効果が得られる偏波ダイバーシティに対して本発明に係るマルチアンテナを応用した例である。この例では、第５実施例のマルチアンテナを用いて構成されており、信号の合成を行うダイバーシティ回路１４４を具備している。本実施例におけるマルチアンテナ装置１４８は、アンテナとして第５実施例に記載のマルチアンテナを使用しているため、アンテナ間の相互結合の影響が小さく、高い放射効率を得ることができる。さらに、垂直に配置された給電素子１４２の給電点近傍に無給電素子１４３を配置しているため、垂直に配置された給電素子１４２は垂直偏波成分を有し、平行に配置された給電素子１４２は水平偏波成分を有する。その結果、マルチアンテナ１４８を構成する各アンテナが垂直・水平の独立した偏波特性を有するため、ダイバーシティ利得と密接な関係にあるアンテナ間相関を十分低く抑えることができる。したがって異なる偏波間の信号の合成を行う偏波ダイバーシティにおいて、高い利得の増大効果を得ることができる。

なお、従来技術である無給電素子を配置しない場合には、給電素子を回路基板に対して垂直に配置したときも、回路基板に生じる電流の影響により垂直偏波成分を得ることができず、偏波ダイバーシティを実現することはできなかった。

図１５は、本発明の第９実施例に従ったマルチアンテナ１５８の基本構成を示す概略図である。この実施例は、空間的な物理チャネルの並列伝送により伝送容量を増大させるMIMO伝送に対して本発明に係るマルチアンテナを応用した例である。この実施例は、第１乃至第５実施例のいずれかのマルチアンテナを用いて構成され、MIMO伝送に関する信号処理を行うMIMO伝送回路１５４を具備している。本実施例におけるマルチアンテナ装置１５８は、アンテナとして第１から第５実施例に記載のマルチアンテナを使用しているため、アンテナ間の相互結合の影響が小さく、高い放射効率を得ることができる。また、アンテナ間相関を低く抑えることができる。したがって、空間的な物理チャネルの並列伝送により伝送容量を増大させるMIMO伝送においても、高い伝送容量の増大効果を得ることができる。

図１６は、本発明の第１０実施例に従ったマルチアンテナ１６８の基本構成を示す概略図である。この実施例は、ビームフォーミングまたはダイバーシティまたはMIMO伝送を切り替えて使用するシステムに対して、本発明に係るマルチアンテナを応用した例である。この実施例は、第１から第５実施例のいずれかのマルチアンテナを用いて構成され、ビームフォーミングおよびダイバーシティおよびMIMO伝送に関する信号処理を行うビームフォーミング・ダイバーシティ・MIMO伝送回路１６４を具備している。本実施例におけるマルチアンテナ装置１６８は、アンテナとして第１から第５実施例に記載のマルチアンテナを使用しているため、アンテナ間の相互結合の影響が小さく、高い放射効率を得ることができる。また、アンテナ間相関を低く抑えることができる。従って、指向性の合成を行うビームフォーミングおよび信号の合成を行うダイバーシティおよび空間的な物理チャネルの並列伝送により伝送容量を増大させるMIMO伝送においても、高い利得の増大効果と高い伝送容量の増大効果を得ることができる。さらに、通信を行う周辺の伝搬環境に応じて、上記３種を切り替えて行うことで、環境に依存しない最適な信号伝送を常に行うことが可能となり、システム容量の増大を図ることができる。

本発明の第１実施例に従ったマルチアンテナの基本構成を示す概略図である。 本発明の第１実施例に従ったマルチアンテナの相互結合量と放射効率を示す図である。 本発明の第１実施例に従ったマルチアンテナの無給電素子の長さに対する相互結合量を示す図である。 本発明の第１実施例に従ったマルチアンテナの無給電素子の長さに対する放射効率を示す図である。 本発明の第１実施例に従ったマルチアンテナの給電素子を３つとした場合の基本構成を示す概略図である。 本発明の第１実施例に従った図5に示すマルチアンテナの給電素子を３つとした場合の相互結合量と放射効率を示す図である。 本発明の第２実施例に従ったマルチアンテナの基本構成を示す概略図である。 本発明の第３実施例に従ったマルチアンテナの基本構成を示す概略図である。 本発明の第４実施例に従ったマルチアンテナの基本構成を示す概略図である。 本発明の第５実施例に従ったマルチアンテナの基本構成を示す概略図である。 本発明の第６実施例に従ったマルチアンテナの基本構成を示す概略図である。 本発明の第７実施例に従ったマルチアンテナの基本構成を示す概略図である。 本発明の第８実施例に従ったマルチアンテナの基本構成を示す概略図である。 本発明の第８実施例に従ったマルチアンテナを偏波ダイバーシティに適用した場合の基本構成を示す概略図である。 本発明の第９実施例に従ったマルチアンテナの基本構成を示す概略図である。 本発明の第１０実施例に従ったマルチアンテナの基本構成を示す概略図である。 従来の端末用ダイバーシティアンテナの基本構成を示す概略図である。 従来の端末用マルチアンテナの基本構成を示す概略図である。

符号の説明

８ マルチアンテナ
１０ 回路基板
１１ 給電点
１２ 給電素子
１３ 無給電素子

Claims (10)

1. 複数の給電点を備えた回路基板；
   一端が開放され他端が前記給電点にそれぞれ接続された複数の給電素子；及び
   一端が開放され他端が前記回路基板に接続された単数または複数の無給電素子；
   を備えたマルチアンテナであって：
   前記給電素子および前記無給電素子は使用周波数帯の波長で換算して０．２波長乃至０．３波長の長さの素子長を有し；かつ
   前記無給電素子を任意の前記給電点近傍において回路基板に接続すること
   を特徴とするマルチアンテナ。
2. 前記給電素子または無給電素子は折り曲げ構造を有することを特徴とする請求項１に記載のマルチアンテナ。
3. 前記給電素子および無給電素子は分岐構造を有することを特徴とする請求項１に記載のマルチアンテナ。
4. 前記無給電素子は任意の誘電率を有する誘電体の表面または内部に配置されることを特徴とする請求項１に記載のマルチアンテナ。
5. 前記給電素子は回路基板に対して垂直および平行に配置され、前記無給電素子は回路基板に対して垂直に配置された給電素子の給電点近傍において回路基板と接続することを特徴とする請求項１に記載のマルチアンテナ。
6. 前記無給電素子は互いに直交して配置されることを特徴とする請求項１に記載のマルチアンテナ。
7. 指向性を制御するビームフォーミングを行うこと特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のマルチアンテナ。
8. ダイバーシティを行うことを特徴とする請求項１乃至５に記載のマルチアンテナ。
9. 空間的な物理チャネルの並列伝送により伝送容量を増大させるMIMO伝送を行うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のマルチアンテナ。
10. 通信を行う周辺の伝搬環境に応じてビームフォーミング、ダイバーシティまたはMIMO伝送を切替えて使用することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のマルチアンテナ。

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