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WO2018198981A1 - アンテナ及びmimoアンテナ - Google Patents

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WO2018198981A1
WO2018198981A1 PCT/JP2018/016328 JP2018016328W WO2018198981A1 WO 2018198981 A1 WO2018198981 A1 WO 2018198981A1 JP 2018016328 W JP2018016328 W JP 2018016328W WO 2018198981 A1 WO2018198981 A1 WO 2018198981A1
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antenna
resonator
reflector
ground
radiating element
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PCT/JP2018/016328
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English (en)
French (fr)
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龍太 園田
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AGC Inc
Original Assignee
Asahi Glass Co Ltd
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Publication date
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    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q19/28Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using a secondary device in the form of two or more substantially straight conductive elements
    • H01Q19/30Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using a secondary device in the form of two or more substantially straight conductive elements the primary active element being centre-fed and substantially straight, e.g. Yagi antenna
    • HELECTRICITY
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    • H01Q21/00Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061Two dimensional planar arrays
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    • H01Q21/28Combinations of substantially independent non-interacting antenna units or systems
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    • H01Q5/00Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/40Imbricated or interleaved structures; Combined or electromagnetically coupled arrangements, e.g. comprising two or more non-connected fed radiating elements
    • H01Q5/48Combinations of two or more dipole type antennas
    • H01Q5/49Combinations of two or more dipole type antennas with parasitic elements used for purposes other than for dual-band or multi-band, e.g. imbricated Yagi antennas

Definitions

  • the present invention relates to an antenna and a MIMO (Multiple Input and Multiple Output) antenna.
  • MIMO Multiple Input and Multiple Output
  • the present disclosure provides an antenna that can obtain directivity in a specific direction without a balun.
  • a ground plane A first resonator connected to a feed point with respect to the ground plane; A second resonator that is fed non-contact by electromagnetic coupling or magnetic field coupling by the first resonator; And at least one waveguide located away from the first resonator and the second resonator, Use the ground plane located on the opposite side of the second resonator as the reflector, or on the opposite side of the waveguide from the second resonator.
  • An antenna is provided with a reflector located.
  • directivity in a specific direction can be obtained without a balun.
  • the device can be made compact and the performance of the antenna can be improved.
  • the degree of freedom in designing the equipment is improved and the design is improved.
  • FIG. 6 is a diagram (part 1) for explaining that the direction of the main beam can be controlled by adjusting the relative positional relationship of each element. It is FIG. (2) explaining that the direction of a main beam can be controlled by adjusting the relative positional relationship of each element.
  • the X axis, the Y axis, and the Z axis represent orthogonal axes, and the X axis direction, the Y axis direction, and the Z axis direction are parallel to the X axis, the Y axis, and the Z axis, respectively. Represents the direction.
  • FIG. 1 is a plan view schematically showing an example of the configuration of an antenna according to the present disclosure.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of the configuration of the antenna according to the present disclosure.
  • the antenna 25 shown in FIGS. 1 and 2 is mounted on an electronic device having a wireless communication function.
  • the electronic device performs wireless communication using the antenna 25.
  • Specific examples of the electronic device on which the antenna 25 is mounted include a wireless terminal device (mobile phone, smartphone, IoT (Internet of Things) device), a wireless base station, and the like.
  • the antenna 25 corresponds to, for example, a fifth generation mobile communication system (so-called 5G), a wireless communication standard such as Bluetooth (registered trademark), and a wireless LAN (Local Area Network) standard such as IEEE 802.11ac.
  • 5G fifth generation mobile communication system
  • the antenna 25 is configured to be able to transmit and receive radio waves in the SHF (Super High Frequency) band with a frequency of 3 to 30 GHz and radio waves in the EHF (Extremely High High Frequency) band with a frequency of 30 to 300 GHz.
  • the antenna 25 is connected to the end 12 of the unbalanced transmission line that uses the ground 14.
  • transmission lines include microstrip lines, strip lines, coplanar waveguides with ground planes (coplanar waveguides having a ground plane disposed on the surface opposite to the conductor surface on which signal lines are formed), and coplanar strip lines. Etc.
  • the antenna 25 includes a ground 14, a feeding element 21, and a radiating element 22.
  • the ground 14 is an example of a ground plane.
  • the ground outer edge 14 a is an example of a linear outer edge of the ground 14 that extends in the X-axis direction.
  • the ground 14 is arranged in parallel to the XY plane including the X axis and the Y axis, and is, for example, a ground pattern formed on the substrate 13 parallel to the XY plane.
  • the substrate 13 is a member whose main component is a dielectric.
  • a specific example of the substrate 13 is an FR4 (Flame Retardant Type 4) substrate.
  • the substrate 13 may be a flexible substrate having flexibility.
  • the substrate 13 has a first substrate surface and a second substrate surface opposite to the first substrate surface.
  • an electronic circuit is mounted on the first substrate surface, and a ground 14 is formed on the second substrate surface.
  • the ground 14 may be formed on the surface of the first substrate or may be formed inside the substrate 13.
  • the electronic circuit mounted on the substrate 13 is, for example, an integrated circuit including at least one of a reception function for receiving a signal via the antenna 25 and a transmission function for transmitting a signal via the antenna 25.
  • the electronic circuit is realized by, for example, an IC (Integrated Circuit) chip.
  • An integrated circuit including at least one of a reception function and a transmission function is also referred to as a communication IC.
  • the feeding element 21 is an example of a first resonator connected to a feeding point with a ground plane as a reference.
  • the feed element 21 is connected to the end 12 of the transmission line.
  • the terminal end 12 is an example of a feeding point with the ground 14 as a ground reference.
  • the power feeding element 21 may be disposed on the substrate 13 or may be disposed at a place other than the substrate 13.
  • the power feeding element 21 is, for example, a conductor pattern formed on the first substrate surface of the substrate 13.
  • the feeding element 21 extends in a direction away from the ground 14, and is connected to a feeding point (termination 12) with the ground 14 as a ground reference.
  • the feeding element 21 is a linear conductor that can be fed to the radiating element 22 in a non-contact manner in a high frequency manner.
  • a feeding element 21 formed in an L shape by a linear conductor extending in a direction perpendicular to the ground outer edge 14a and a linear conductor extending parallel to the ground outer edge 14a is shown. Illustrated.
  • the power feeding element 21 extends from the end portion 21a with the terminal end 12 as a starting point, then bends at the bent portion 21c, and extends to the front end portion 21b.
  • the tip portion 21b is an open end to which no other conductor is connected.
  • the feed element 21 has a conductor portion having a directional component parallel to the X axis.
  • the shape of the feeding element 21 may be other shapes such as a straight line shape, a meander shape, and a loop shape.
  • the radiating element 22 is an example of a second resonator close to the first resonator.
  • the radiating element 22 is disposed away from the power feeding element 21 and functions as a radiating conductor when the power feeding element 21 resonates.
  • the radiating element 22 functions as a radiating conductor by being fed non-contacted by, for example, electromagnetic coupling or magnetic field coupling with the feeding element 21.
  • Electromagnetic field coupling means non-contact coupling by electromagnetic waves.
  • the magnetic field coupling means non-contact coupling by electromagnetic coupling or electromagnetic induction.
  • capacitive coupling also simply referred to as electrostatic coupling or capacitive coupling
  • the capacitance value fluctuates when the distance between the plate capacitors fluctuates
  • the capacitance coupling occurs between the two conductors
  • the value of the capacitance formed between the two conductors is: This is because it fluctuates due to a variation in distance, and the resonance frequency also varies due to a variation in capacitance value.
  • electromagnetic field coupling is used, the change in the resonance frequency due to the variation in distance can be suppressed to preferably within 10%, more preferably within 5%, and even more preferably within 3%.
  • capacitive coupling does not exist as a mode that controls substantial coupling. Specifically, two conductors are used as separate resonators. As long as it works, it means that capacitive coupling can be ignored.
  • the radiating element 22 has a conductor portion having a directional component parallel to the X axis.
  • the radiating element 22 includes a conductor portion 41 extending along the ground outer edge 14a parallel to the X-axis direction.
  • the conductor portion 41 is located away from the ground outer edge 14a.
  • the feeding element 21 and the radiating element 22 are arranged, for example, separated by a distance that allows electromagnetic coupling to each other.
  • the radiating element 22 includes a power feeding unit that receives power from the power feeding element 21.
  • a conductor portion 41 is shown as a power feeding portion.
  • the radiating element 22 is fed in a non-contact manner by electromagnetic coupling through the feeding element 21 in the feeding section. By being fed in this way, the radiating element 22 functions as a radiating conductor of the antenna 25.
  • the radiating element 22 is fed in a non-contact manner by electromagnetic coupling by the feeding element 21, so that a resonance current similar to that of the half-wavelength dipole antenna (a standing wave shape between one tip portion 23 and the other tip portion 24). Current distributed on the radiation element 22. That is, the radiating element 22 functions as a dipole antenna by being fed in a non-contact manner by electromagnetic coupling by the feeding element 21.
  • the antenna 25 can be connected to an unbalanced transmission line without a balun.
  • the antenna 25 can be connected to an unbalanced transmission line without a balun even in a form in which the radiating element 22 is fed in a non-contact manner by magnetic coupling by the feeding element 21.
  • the operating frequency of the antenna is increased to 6 GHz or higher, it is conceivable to arrange the antenna and the communication IC on the same substrate in order to reduce transmission loss between the communication IC and the antenna. In such a case, it is necessary to select an antenna substrate material in consideration of heat generation from the communication IC.
  • the communication IC and the antenna can be physically separated from each other. This can prevent the number of options for the antenna substrate (for example, the base material portion 30). For example, a resin having low heat resistance can be used as the antenna substrate material.
  • the radiating element 22 is provided on the dielectric base 30.
  • the base material part 30 is a board
  • the antenna 25 has a configuration including a planar Yagi-Uda antenna constituted by the radiating element 22, the director 50, and the reflector 60.
  • the radiating element 22 functions as a radiator (radiator).
  • the director 50 and the reflector 60 are conductor elements arranged away from the feeding element 21 and the radiating element 22.
  • the antenna 25 includes at least one waveguide 50 positioned in a specific direction with respect to the radiation element 22 (in the illustrated form, the positive side in the Y-axis direction parallel to the ground 14).
  • the director 50 has a conductor portion having a directional component parallel to the X axis. In the drawing, two directors 51 and 52 are shown. Each of the directors 51 and 52 is shorter than the length of the radiating element 22.
  • the director is also referred to as a waveguide element.
  • the lengths of the radiating element 22 and the waveguide elements 51 and 52 are L 22 , L 51 , and L 52 , respectively.
  • L 51 is preferably 0.8 to 0.99 times L 22 and more preferably 0.85 to 0.95 times.
  • L 52 is preferably shorter than L 51, more preferably 0.8 to 0.99 times L 51 , and even more preferably 0.85 to 0.95 times.
  • the figure shows an example in which there are two waveguide elements. However, three or more waveguide elements may be used, and in this case, the length of each waveguide element is gradually reduced while maintaining a relationship such as L 51 and L 52. It is preferable that
  • the radiating element 22 and the waveguide elements 51 and 52 are preferably arranged in parallel or substantially in parallel, and the distance between them (the shortest distance between the two elements) d 1 and d 2 is the wavelength at resonance ⁇ In this case, it is preferable that both be 0.2 to 0.3 ⁇ , and more preferably 0.23 to 0.27 ⁇ .
  • the directors 51 and 52 are provided on the base material portion 30, and are arranged on the inner surface of the base material portion 30 in the illustrated form. In the illustrated embodiment, the directors 51 and 52 are disposed on the same surface as the radiating element 22.
  • the antenna 25 includes one reflector 60 located on the side opposite to the director 50 with respect to the radiating element 22.
  • the reflector 60 has a conductor portion having a directional component parallel to the X axis.
  • the reflector 60 is located on the opposite side of the director 50 with respect to the radiating element 22 and the feeding element 21. Since the reflector 60 is located on the opposite side of the director 50 with respect to both the radiating element 22 and the feeding element 21, the reflector 60 is located on the radiating element 22 side with respect to the feeding element 21.
  • the reflector is also referred to as a reflective element.
  • the length of the reflector 60 is longer than the length of the radiating element 22.
  • L 60 is preferably set to 1.01 to 1.2 times the L 22, and more preferably to 1.05 to 1.15 times.
  • the reflector 60 and the radiating element 22 are preferably arranged in parallel or substantially in parallel, and the distance (the shortest distance between the two elements) d 3 is 0 when the wavelength at resonance is ⁇ . Preferably, it is set to 0.2 to 0.3 ⁇ , more preferably 0.23 to 0.27 ⁇ .
  • the reflector 60 is provided on the base member 30 and is disposed on the inner surface of the base member 30 in the illustrated form. Further, in the illustrated embodiment, the reflector 60 is disposed on the same surface as the radiating element 22 so as to face the ground 14. A reflector 60 is disposed to face the ground 14. Thereby, compared with the form (For example, the form in which the reflector 60 is located in the radiation
  • the antenna 25 includes at least one waveguide 50 positioned in a specific direction with respect to the radiating element 22 (in the illustrated example, on the positive side in the Y-axis direction parallel to the ground 14), and the radiating element 22. And one reflector 60 located on the opposite side of the director 50.
  • the antenna 25 having directivity in a specific direction with respect to the radiating element 22 (in the illustrated form, the positive side in the Y-axis direction parallel to the ground 14).
  • the radiating element 22, the director 50 and the reflector 60 each have a conductor portion having a directional component parallel to the ground 14. Therefore, the antenna gain of horizontally polarized waves can be increased in a specific direction with respect to the radiating element 22 (in the illustrated form, the positive side in the Y-axis direction parallel to the ground 14).
  • the antenna 25 includes a reflector 60 located on the opposite side of the radiating element 22 from the director 50.
  • the antenna 25 may use the ground 14 located on the opposite side of the radiating element 22 from the director 50 as a reflector.
  • the illustrated reflector 60 may be omitted. Even in this case, it is possible to realize the antenna 25 having directivity in a specific direction with respect to the radiating element 22 (in the illustrated form, the positive side in the Y-axis direction parallel to the ground 14). Further, the radiating element 22 and the director 50 may be on the same plane as the feeding element 21.
  • the waveguide element 50 and the radiating element 22 may be stacked with a conductor 31 (for example, a casing of a portable device) interposed therebetween.
  • a conductor 31 for example, a casing of a portable device
  • FIG. 26 shows an example in which the number of waveguide elements 50 is one, but the number of waveguide elements 50 may be two or more. In that case, it is preferable to interpose a dielectric between the waveguide elements.
  • the interval is preferably 0.2 to 0.3 ⁇ , and more preferably 0.23 to 0.27 ⁇ , where ⁇ is the wavelength at resonance.
  • the length relationship among the waveguide element, the reflection element, and the radiation element is also preferably the same as that in FIG.
  • the directivity can also be controlled.
  • the main radiation direction A1 is the perpendicular direction Z1.
  • the main radiation direction A1 is changed from the direction Z1 perpendicular to the length direction of one of the elements in a stepwise manner to the main radiation direction A1. Can be tilted away in stages.
  • FIG. 3 is a plan view schematically illustrating the first embodiment of the antenna according to the present disclosure.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically illustrating the first embodiment of the antenna according to the present disclosure. Description of the same configuration as the above-described configuration in the configuration of the first embodiment is omitted or simplified by using the above description.
  • the antenna 125 is an example of the antenna 25 (see FIG. 1).
  • the antenna 125 includes a ground 114, a feeding element 121, a radiating element 122, a director 150, and a reflector 160.
  • the ground 114 is an example of the ground 14 (see FIG. 1).
  • the ground outer edge 114 a is an example of a linear outer edge of the ground 114.
  • the ground 114 is, for example, a ground pattern formed on the substrate 113 parallel to the XY plane.
  • the substrate 113 is an example of the substrate 13 (see FIG. 1).
  • the power feeding element 121 is an example of the power feeding element 21 (see FIG. 1).
  • the feed element 121 is connected to the end 112 of the transmission line.
  • the end 112 is an example of a feeding point with the ground 114 as a ground reference.
  • the radiating element 122 is an example of the radiating element 22 (see FIG. 1).
  • the radiating element 122 is electromagnetically coupled to the power feeding element 121 to be fed in a non-contact manner and function as a radiating conductor.
  • the director 150 is an example of the director 50 (see FIG. 1). In the drawing, two directors 151 and 152 are shown.
  • the reflector 160 is an example of the reflector 60 (see FIG. 1).
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a simulation in which the return loss characteristic of the antenna 125 is analyzed.
  • Microwave Studio registered trademark
  • the vertical axis represents the reflection coefficient S11 of the S parameter (Scattering parameters).
  • the frequency at which S11 becomes the minimum value is a frequency at which impedance matching can be taken, and this frequency can be used as the operating frequency (resonance frequency) of the antenna 125. As shown in FIG. 5, according to the antenna 125, good impedance matching can be obtained in a band including 28 GHz.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a simulation result obtained by analyzing the directivity in the horizontal plane when the antenna 125 is horizontally polarized.
  • the one end of the radiating element 122 of the antenna 125 (the end on the side close to the feeding element 121) is the origin at which the X axis, the Y axis, and the Z axis intersect.
  • ⁇ (Phi) represents an angle formed by an arbitrary direction in the plane including the X axis and the Y axis and the X axis
  • ⁇ (Theta) is an arbitrary angle in the plane including the direction indicated by ⁇ and the Z axis. This represents the angle between the direction and the Z axis.
  • an antenna 125 having directivity on the positive side in the Y-axis direction with respect to the radiating element 122 can be realized. Therefore, by arranging the antenna 125 so that the ground 114 is parallel to the horizontal plane, the directivity on the positive side in the Y-axis direction is improved in the direction parallel to the horizontal plane (horizontal direction). Therefore, it is possible to increase the antenna gain (operation gain) of horizontally polarized waves that arrive from the positive side in the Y-axis direction or radiate to the positive side in the Y-axis direction.
  • each conductor of the antenna 125 in the Z-axis direction is 0.018 ⁇ m. Further, no balun is connected to the feeding point (termination 112).
  • FIG. 8 is a plan view schematically illustrating a second embodiment of the antenna according to the present disclosure. The description of the configuration similar to the above-described configuration among the configurations of the second embodiment is omitted or simplified by using the above description.
  • the antenna 225 is an example of a MIMO (Multiple Input and Multiple Output) antenna including a plurality of antennas having different feeding points.
  • the antenna 225 includes two antennas 125A and 125B.
  • the antennas 125A and 125B have the same configuration as the antenna 125 (see FIGS. 3 and 4).
  • the antennas 125A and 125B are arranged side by side in the X-axis direction and share the ground 114.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a simulation result obtained by analyzing a correlation coefficient between the antenna 125A and the antenna 125B in the antenna 225.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a simulation in which the return loss characteristic of the antenna 225 is analyzed.
  • Microwave Studio registered trademark
  • CST Microwave Studio
  • the vertical axis shows the reflection coefficient S11 and the transmission coefficient S12 of S parameters (Scattering parameters).
  • the frequency at which the reflection coefficient S11 becomes a minimum value is a frequency at which impedance matching can be performed, and this frequency can be used as the operating frequency (resonance frequency) of the antenna 125. Further, the frequency at which the transfer coefficient S12 becomes a minimum value is a frequency at which the isolation between the antennas can be increased (in other words, a frequency at which the correlation coefficient between the antennas can be decreased).
  • the reflection coefficient S11 represents the reflection characteristic of the antenna 125A
  • the transfer coefficient S12 represents the transfer coefficient from the antenna 125B to the antenna 125A.
  • the reflection coefficient S11 and the transmission coefficient S12 are kept low in a band (for example, 25 to 30 GHz) including the resonance frequency 28 GHz of the antenna 225. Therefore, the antenna 225 can function as a MIMO antenna in which the isolation between the antenna 125A and the antenna 125B is increased at a resonance frequency of 28 GHz.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of a simulation result obtained by analyzing the directivity in the horizontal plane when the antenna 225 is horizontally polarized.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a simulation result obtained by analyzing the directivity in the vertical plane when the antenna 225 is horizontally polarized.
  • the X axis, the Y axis, and the Z axis cross each other at the midpoint between one tip of the radiating element 122 of the antenna 125A and one tip of the radiating element 122 of the antenna 125B.
  • One tip of each of the two antennas represents a tip on the side where the feeding element 121 is close.
  • ⁇ (Phi) represents an angle formed by an arbitrary direction in the plane including the X axis and the Y axis and the X axis
  • ⁇ (Theta) is an arbitrary angle in the plane including the direction indicated by ⁇ and the Z axis. This represents the angle between the direction and the Z axis.
  • an antenna 225 having directivity on the positive side in the Y-axis direction with respect to the two radiating elements 122 can be realized. Therefore, by arranging the antenna 225 so that the ground 114 is parallel to the horizontal plane, the directivity on the positive side in the Y-axis direction is improved in the direction parallel to the horizontal plane (horizontal direction). Therefore, it is possible to increase the antenna gain (operation gain) of horizontally polarized waves that arrive from the positive side in the Y-axis direction or radiate to the positive side in the Y-axis direction.
  • FIG. 13 is a perspective view schematically illustrating a third embodiment of the antenna according to the present disclosure.
  • FIG. 14 is a plan view schematically illustrating a third embodiment of the antenna according to the present disclosure.
  • FIG. 15 is a side view schematically illustrating the third embodiment of the antenna according to the present disclosure. The description of the configuration similar to the above-described configuration in the configuration of the third embodiment is omitted or simplified by using the above description.
  • the antenna 325 is an example of the antenna 25 (see FIG. 1).
  • the antenna 325 includes a ground 114, a feeding element 321, a radiating element 322, a director 350, and a reflector 360.
  • the ground 114 is an example of the ground 14 (see FIG. 1).
  • the ground outer edge 114 a is an example of a linear outer edge of the ground 114.
  • the ground 114 is, for example, a ground pattern formed on the substrate 113 parallel to the XY plane.
  • the substrate 113 is an example of the substrate 13 (see FIG. 1).
  • the power feeding element 321 is an example of the power feeding element 21 (see FIG. 1).
  • the feed element 321 is connected to the end 312 of the transmission line.
  • the end 312 is an example of a feeding point with the ground 114 as a ground reference.
  • the radiating element 322 is an example of the radiating element 22 (see FIG. 1).
  • the radiating element 322 functions as a radiating conductor by being fed in a non-contact manner by being electromagnetically coupled to the feeding element 321.
  • the director 350 is an example of the director 50 (see FIG. 1). In the drawing, one director 350 is shown.
  • the reflector 360 is an example of the reflector 60 (see FIG. 1).
  • the radiating element 322, the director 350, and the reflector 360 have conductor portions 322b, 360b, and 350b having directional components parallel to the normal direction of the ground 114, respectively.
  • the antenna gain of the vertically polarized wave can be increased in a specific direction with respect to the radiating element 22 (in the illustrated form, the positive side in the Y-axis direction parallel to the ground 114).
  • the radiating element 322, the director 350, and the reflector 360 are U-shaped (including J-shaped) conductors, respectively.
  • Each U-shaped opening opens toward the negative side in the Y-axis direction, and specifically opens toward the side where the reflector 360 is disposed with respect to the radiating element 322.
  • the radiating element 322 includes a pair of conductor portions 322a and 322c facing each other in the Z-axis direction, and a conductor portion 322b that connects each of positive ends of the pair of conductor portions 322a and 322c in the Y-axis direction.
  • the pair of conductor portions 322a and 322c extends in the Y-axis direction, and the conductor portion 322b extends in the Z-axis direction.
  • the director 350 includes a pair of conductor portions 350a and 350c that face each other in the Z-axis direction, and a conductor portion 350b that connects each of positive ends of the pair of conductor portions 350a and 350c in the Y-axis direction.
  • the pair of conductor portions 350a and 350c extends in the Y-axis direction, and the conductor portion 350b extends in the Z-axis direction.
  • the reflector 360 includes a pair of conductor portions 360a and 360c that face each other in the Z-axis direction, and a conductor portion 360b that connects each of positive ends of the pair of conductor portions 360a and 360c in the Y-axis direction.
  • the pair of conductor portions 360a and 360c extends in the Y-axis direction, and the conductor portion 360b extends in the Z-axis direction.
  • the antenna 325 includes a reflector 360 located on the opposite side of the director 350 from the radiating element 322.
  • the antenna 325 may use, as a reflector, the ground 114 located on the opposite side of the director 350 from the radiating element 322.
  • the illustrated reflector 360 may be omitted. Even in this case, it is possible to realize the antenna 325 having directivity in a specific direction with respect to the radiating element 322 (in the illustrated form, the positive side in the Y-axis direction parallel to the ground 14).
  • FIG. 16 is a diagram illustrating an example of a simulation in which the return loss characteristic of the antenna 325 is analyzed.
  • Microwave Studio registered trademark
  • the vertical axis represents the reflection coefficient S11 of the S parameter (Scattering parameters).
  • the frequency at which S11 becomes the minimum value is a frequency at which impedance matching can be taken, and this frequency can be set as the operating frequency (resonance frequency) of the antenna 325. As shown in FIG. 16, according to the antenna 325, good impedance matching can be obtained in a band including 28 GHz.
  • FIG. 17 is a diagram showing an example of a simulation result obtained by analyzing the directivity in the vertical plane when the antenna 325 is vertically polarized.
  • FIG. f 28 GHz
  • the intersection of the YZ plane including the radiating element 322, the director 350, and the reflector 360 and the ground outer edge 114a is the origin at which the X axis, the Y axis, and the Z axis intersect.
  • ⁇ (Phi) represents an angle formed by an arbitrary direction in the plane including the X axis and the Y axis and the X axis
  • ⁇ (Theta) is an arbitrary angle in the plane including the direction indicated by ⁇ and the Z axis. This represents the angle between the direction and the Z axis.
  • an antenna 325 having directivity on the positive side in the Y-axis direction with respect to the radiating element 322 can be realized. Therefore, by arranging the antenna 325 so that the ground 114 is parallel to the horizontal plane, the directivity on the positive side in the Y-axis direction is improved in the direction parallel to the horizontal plane (horizontal direction). Therefore, it is possible to increase the antenna gain (operation gain) of vertically polarized waves that arrive from the positive side in the Y-axis direction or radiate to the positive side in the Y-axis direction.
  • FIG. 19 is a perspective view schematically showing a fourth embodiment of the antenna according to the present disclosure.
  • FIG. 20 is a plan view schematically showing a fourth embodiment of the antenna according to the present disclosure. The description of the configuration similar to the above-described configuration in the configuration of the fourth embodiment is omitted or simplified by using the above description.
  • an antenna 425 is an example of a MIMO antenna including a plurality of antennas having different feeding points.
  • the antenna 425 includes two antennas 325A and 325B.
  • the antennas 325A and 325B each have the same configuration as the antenna 325 (see FIGS. 13 to 15).
  • the antennas 325A and 325B are arranged side by side in the X-axis direction and share the ground 114.
  • FIG. 21 is a diagram illustrating an example of a simulation result obtained by analyzing the correlation coefficient between the antenna 425A and the antenna 425B in the antenna 425.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating an example of a simulation in which the return loss characteristic of the antenna 425 is analyzed.
  • Microwave Studio registered trademark
  • CST Microwave Studio
  • the vertical axis shows the reflection coefficient S11 and the transmission coefficient S12 of S parameters (Scattering parameters).
  • the frequency at which the reflection coefficient S11 becomes a minimum value is a frequency at which impedance matching can be performed, and this frequency can be used as the operating frequency (resonance frequency) of the antenna 425. Further, the frequency at which the transfer coefficient S12 becomes a minimum value is a frequency at which the isolation between the antennas can be increased (in other words, a frequency at which the correlation coefficient between the antennas can be decreased).
  • the reflection coefficient S11 represents the reflection characteristic of the antenna 325A
  • the transfer coefficient S12 represents the transfer coefficient from the antenna 325B to the antenna 325A.
  • the reflection coefficient S11 and the transfer coefficient S12 are kept low in a band (for example, 25 to 30 GHz) including the resonance frequency 28 GHz of the antenna 425. Therefore, the antenna 425 can function as a MIMO antenna in which the isolation between the antenna 325A and the antenna 325B is increased at a resonance frequency of 28 GHz.
  • FIG. 23 is a plan view schematically illustrating a fifth embodiment of the antenna according to the present disclosure.
  • the description of the same configuration as the above-described configuration in the configuration of the fifth embodiment is omitted or simplified by using the above description.
  • the antenna 525 is an example of a MIMO antenna including a plurality of antennas having different feeding points.
  • the antenna 525 includes two antennas 125C and 325C.
  • the antenna 125C is an example of a first antenna having the same configuration as the antenna 125 (see FIGS. 3 and 4).
  • the antenna 325C is an example of a second antenna having the same configuration as the antenna 325 (see FIGS. 13 to 15).
  • the antennas 125C and 325C are arranged side by side in the X-axis direction and share the ground 114.
  • the radiating element 122, the director 150, and the reflector 160 each have a conductor portion having a directional component parallel to the ground 114.
  • the radiating element 322, the director 350, and the reflector 360 each have a conductor portion having a direction component parallel to the normal direction of the ground 114.
  • FIG. 24 is a diagram illustrating an example of a simulation result obtained by analyzing a correlation coefficient between the antenna 125C and the antenna 325C in the antenna 525.
  • FIG. 25 is a diagram illustrating an example of a simulation in which the return loss characteristic of the antenna 525 is analyzed.
  • Microwave Studio registered trademark
  • CST Microwave Studio
  • the vertical axis shows reflection coefficients S11 and S22 and transmission coefficients S12 and S21 of S parameters (Scatteringatterparameters).
  • the frequency at which the reflection coefficients S11 and S22 are minimized is a frequency at which impedance matching can be performed, and this frequency can be set as the operating frequency (resonance frequency) of the antenna 425. Further, the frequency at which the transfer coefficients S12 and S21 are minimized is a frequency at which the isolation between the antennas can be increased (in other words, the frequency at which the correlation coefficient between the antennas can be decreased).
  • the reflection coefficients S11 and S22 represent the reflection characteristics of the antennas 125C and 325C, respectively.
  • the transfer coefficient S12 represents a transfer coefficient from the antenna 325C to the antenna 125C.
  • the transfer coefficient S21 represents a transfer coefficient from the antenna 125C to the antenna 325C.
  • the reflection coefficients S11 and S22 and the transfer coefficients S12 and S21 are kept low in a band (for example, 25 to 30 GHz) including the resonance frequency 28 GHz of the antenna 525. Therefore, the antenna 525 can function as a MIMO antenna in which the isolation between the antenna 125C and the antenna 325C is increased at a resonance frequency of 28 GHz.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • Various modifications and improvements such as combinations and substitutions with some or all of the other embodiments are possible within the scope of the present invention.

Landscapes

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Abstract

【課題】バランなしでも特定の方向に指向性が得られるアンテナの提供。 【解決手段】グランドプレーンと、前記グランドプレーンを基準とする給電点に接続された第1の共振器と、前記第1の共振器によって電磁界結合又は磁界結合で非接触に給電される第2の共振器と、前記第1の共振器及び前記第2の共振器から離れて位置する少なくとも一つの導波器とを備え、前記第2の共振器に対して前記導波器とは反対側に位置する前記グランドプレーンを反射器として使用する、又は、前記第2の共振器に対して前記導波器とは反対側に位置する反射器を備えた、アンテナ。

Description

アンテナ及びMIMOアンテナ
 本発明は、アンテナ及びMIMO(Multiple Input and Multiple Output)アンテナに関する。
 従来、回路基板に対して平行な方向に指向性を有する平面八木宇田アンテナが知られている(例えば、特許文献1を参照)。
特開2009-200719号公報
 特許文献1に記載された技術では、平衡系のアンテナ部分と不平衡系の伝送線路との接続にバランが必要となる。しかしながら、バランを配置するスペースを必ずしも用意できない場合がある。
 そこで、本開示では、バランなしでも特定の方向に指向性が得られるアンテナが提供される。
 本開示の一態様では、
 グランドプレーンと、
 前記グランドプレーンを基準とする給電点に接続された第1の共振器と、
 前記第1の共振器によって電磁界結合又は磁界結合で非接触に給電される第2の共振器と、
 前記第1の共振器及び前記第2の共振器から離れて位置する少なくとも一つの導波器とを備え、
 前記第2の共振器に対して前記導波器とは反対側に位置する前記グランドプレーンを反射器として使用する、又は、前記第2の共振器に対して前記導波器とは反対側に位置する反射器を備えた、アンテナが提供される。
 本開示によれば、バランなしでも特定の方向に指向性を得ることができる。本発明を携帯情報機器に適用することにより、機器のコンパクト化と共にアンテナの高性能化も図ることができる。そのため、機器の設計の自由度が上がり、デザイン性の向上も図れる。
本開示に係るアンテナの構成の一例を模式的に示す平面図である。 本開示に係るアンテナの構成の一例を模式的に示す断面図である。 本開示に係るアンテナの第1の実施例を模式的に示す平面図である。 本開示に係るアンテナの第1の実施例を模式的に示す断面図である。 本開示に係るアンテナの第1の実施例のリターンロス特性を解析したシミュレーションの一例を示す図である。 本開示に係るアンテナの第1の実施例において、水平偏波のときの水平面内の指向性を解析したシミュレーション結果の一例を示す図である。 本開示に係るアンテナの第1の実施例において、水平偏波のときの垂直面内の指向性を解析したシミュレーション結果の一例を示す図である。 本開示に係るアンテナの第2の実施例を模式的に示す平面図である。 本開示に係るアンテナの第2の実施例において、アンテナ間の相関係数を解析したシミュレーション結果の一例を示す図である。 本開示に係るアンテナの第2の実施例のリターンロス特性を解析したシミュレーションの一例を示す図である。 本開示に係るアンテナの第2の実施例において、水平偏波のときの水平面内の指向性を解析したシミュレーション結果の一例を示す図である。 本開示に係るアンテナの第2の実施例において、水平偏波のときの垂直面内の指向性を解析したシミュレーション結果の一例を示す図である。 本開示に係るアンテナの第3の実施例を模式的に示す斜視図である。 本開示に係るアンテナの第3の実施例を模式的に示す平面図である。 本開示に係るアンテナの第3の実施例を模式的に示す側面図である。 本開示に係るアンテナの第3の実施例のリターンロス特性を解析したシミュレーションの一例を示す図である。 本開示に係るアンテナの第3の実施例において、水平偏波のときの水平面内の指向性を解析したシミュレーション結果の一例を示す図である。 本開示に係るアンテナの第3の実施例において、水平偏波のときの垂直面内の指向性を解析したシミュレーション結果の一例を示す図である。 本開示に係るアンテナの第4の実施例を模式的に示す斜視図である。 本開示に係るアンテナの第4の実施例を模式的に示す平面図である。 本開示に係るアンテナの第4の実施例において、アンテナ間の相関係数を解析したシミュレーション結果の一例を示す図である。 本開示に係るアンテナの第4の実施例のリターンロス特性を解析したシミュレーションの一例を示す図である。 本開示に係るアンテナの第5の実施例を模式的に示す平面図である。 本開示に係るアンテナの第5の実施例において、アンテナ間の相関係数を解析したシミュレーション結果の一例を示す図である。 本開示に係るアンテナの第5の実施例のリターンロス特性を解析したシミュレーションの一例を示す図である。 導波素子と放射素子と導体を挟んで積層した形態を模式的に示す図である。 各素子の相対的な位置関係を調整することにより、主ビームの方向を制御できることを説明する図(その1)である。 各素子の相対的な位置関係を調整することにより、主ビームの方向を制御できることを説明する図(その2)である。
 以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、X軸とY軸とZ軸は、互いに直交する軸を表し、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向は、それぞれ、X軸、Y軸、Z軸に平行な方向を表す。
 図1は、本開示に係るアンテナの構成の一例を模式的に示す平面図である。図2は、本開示に係るアンテナの構成の一例を模式的に示す断面図である。図1,2に示されるアンテナ25は、無線通信機能を備えた電子機器に搭載される。電子機器は、アンテナ25を用いて無線通信を行う。アンテナ25が搭載される電子機器の具体例として、無線端末装置(携帯電話、スマートフォン、IoT(Internet of Things)機器など)や、無線基地局などが挙げられる。
 アンテナ25は、例えば、第5世代移動通信システム(いわゆる、5G)、ブルートゥース(登録商標)等の無線通信規格、IEEE802.11ac等の無線LAN(Local Area Network)規格に対応する。アンテナ25は、例えば、周波数が3~30GHzのSHF(Super High Frequency)帯の電波や、周波数が30~300GHzのEHF(Extremely High Frequency)帯の電波を送受可能に形成されている。アンテナ25は、グランド14を利用する不平衡な伝送線路の終端12に接続される。
 伝送線路の具体例として、マイクロストリップライン、ストリップライン、グランドプレーン付きコプレーナウェーブガイド(信号線の形成される導体面とは反対側の表面にグランドプレーンが配置されたコプレーナウェーブガイド)、コプレーナストリップラインなどが挙げられる。
 アンテナ25は、グランド14と、給電素子21と、放射素子22とを備える。
 グランド14は、グランドプレーンの一例である。グランド外縁14aは、X軸方向に延在し、グランド14の直線的な外縁の一例である。グランド14は、X軸及びY軸を含むXY平面に平行に配置され、例えば、XY平面に平行な基板13に形成されたグランドパターンである。
 基板13は、誘電体を主成分とする部材である。基板13の具体例として、FR4(Flame Retardant Type4)基板が挙げられる。基板13は、可撓性を有するフレキシブル基板でもよい。基板13は、第1の基板表面と、第1の基板表面とは反対側の第2の基板表面とを有する。例えば、第1の基板表面には、電子回路が実装され、第2の基板表面には、グランド14が形成されている。なお、グランド14は、第1の基板表面に形成されていても、基板13の内部に形成されていてもよい。
 基板13に実装される電子回路は、例えば、アンテナ25を介して信号を受信する受信機能と、アンテナ25を介して信号を送信する送信機能との少なくとも一方の機能を含む集積回路である。電子回路は、例えば、IC(Integrated Circuit)チップによって実現される。受信機能と送信機能との少なくとも一方の機能を含む集積回路は、通信用ICとも称される。
 給電素子21は、グランドプレーンを基準とする給電点に接続された第1の共振器の一例である。給電素子21は、伝送線路の終端12に接続されている。終端12は、グランド14をグランド基準とする給電点の一例である。
 給電素子21は、基板13に配置されてもよいし、基板13以外の箇所に配置されてもよい。給電素子21が基板13に配置されている場合、給電素子21は、例えば、基板13の第1の基板表面に形成された導体パターンである。
 給電素子21は、グランド14から離れる方向に延伸し、グランド14をグランド基準とする給電点(終端12)に接続されている。給電素子21は、放射素子22に対して非接触で高周波的に結合して給電可能な線状導体である。図面には、グランド外縁14aに対して直角な方向に延在する直線状導体と、グランド外縁14aに並走して延在する直線状導体とによって、L字状に形成された給電素子21が例示されている。図示の場合、給電素子21は、終端12を起点に端部21aから延伸してから曲折部21cで折れ曲がり、先端部21bまで延伸する。先端部21bは、他の導体が接続されていない開放端である。給電素子21は、X軸に平行な方向成分を持つ導体部分を有する。図面には、L字状の給電素子21が例示されているが、給電素子21の形状は、直線状、メアンダ状、ループ状などの他の形状でもよい。
 放射素子22は、第1の共振器に近接する第2の共振器の一例である。放射素子22は、例えば、給電素子21から離れて配置され、給電素子21が共振することにより放射導体として機能する。放射素子22は、例えば、給電素子21と電磁界結合又は磁界結合することにより非接触に給電されて放射導体として機能する。電磁界結合とは、電磁波による非接触結合を意味する。磁界結合とは、電磁結合又は電磁誘導による非接触結合を意味する。
 すなわち、本発明では、非接触結合のうち、静電容量結合(単に、静電結合又は容量結合とも称す)は、除かれる。なぜなら、平板コンデンサ間の距離が変動すると静電容量値が変動する場合と同様に、2つの導体間に静電容量結合が発生すると、2つの導体間に形成される静電容量の値は、距離の変動により変動し、静電容量の値の変動により共振周波数も変動するからである。逆にいえば、電磁界結合していれば、距離の変動による共振周波数の変化は好ましくは10%以内、より好ましくは5%以内、さらに好ましくは3%以内に抑えることができる。
 また、2つの導体間に静電容量結合が発生すると、2つの導体間には変位電流が流れ(平板コンデンサ間に変位電流が流れるのと同じ)、2つの導体は、別々の共振器としてではなく、一体となって1つの共振器として作用するからである。
 なお、静電容量結合を除くとは、静電容量結合が実質的な結合を支配する態様としては存在していないことを意味し、具体的には、2つの導体がそれぞれ別の共振器として働いている限りにおいて、静電容量結合のことは無視できるとの意味である。
 放射素子22は、X軸に平行な方向成分を持つ導体部分を有する。例えば、放射素子22は、X軸方向に平行なグランド外縁14aに沿うように延在する導体部分41を有する。導体部分41は、グランド外縁14aから離れて位置する。放射素子22がグランド外縁14aに沿った導体部分41を有することによって、例えば、アンテナ25の指向性を容易に調整することが可能となる。
 給電素子21と放射素子22は、例えば、互いに電磁界結合可能な距離で離れて配置されている。放射素子22は、給電素子21から給電を受ける給電部を有している。図面には、給電部として、導体部分41が示されている。放射素子22は、給電部で給電素子21を介して電磁界結合によって非接触で給電される。このように給電されることによって、放射素子22は、アンテナ25の放射導体として機能する。
 放射素子22は、給電素子21によって電磁界結合で非接触に給電されることにより、半波長ダイポールアンテナと同様の共振電流(一方の先端部23と他方の先端部24との間を定在波状に分布する電流)が放射素子22上に流れる。すなわち、放射素子22は、給電素子21によって電磁界結合で非接触に給電されることにより、ダイポールアンテナとして機能する。
 したがって、放射素子22は給電素子21によって電磁界結合で非接触で給電されるので、バランが無くてもアンテナ25を不平衡の伝送線路に接続することができる。なお、放射素子22が給電素子21によって磁界結合で非接触で給電される形態でも同様に、バランが無くてもアンテナ25を不平衡の伝送線路に接続することができる。また、アンテナの動作周波数が6GHz以上と高周波化すると、通信用ICとアンテナ間の伝送損失を低減するために、アンテナと通信用ICを同一基板上に配置することが考えられる。このような場合、通信用ICからの発熱を考慮したアンテナ基板材料の選定が必要になるが、本技術では、通信用ICとアンテナを物理的に離して接続できるため、アンテナへの熱伝導を防ぐことができ、アンテナ基板(例えば、基材部30)の選択肢を増やすことができる。例えば、耐熱性の低い樹脂などをアンテナ基板材料として使用できる。
 放射素子22は、誘電性の基材部30に設けられている。基材部30は、例えば、平面部を有する基板である。放射素子22の一部又は全部は、基材部30の表面に設けられてもよいし、基材部30の内部に設けられてもよい。図示の形態では、放射素子22は、基材部30の内側表面(グランド14に対向する表面)に配置されている。また、基材部30は、低誘電損失材料であることが好ましい。このような構成にすることにより、アンテナ性能を向上させることができる。また、基板13上にアンテナを形成する必要がないため、基板13にFR4などの汎用基板材料を利用することが可能となる。
 アンテナ25は、放射素子22と、導波器50と、反射器60とによって構成された平面八木宇田アンテナを含む構成を有する。放射素子22は、放射器(輻射器)として機能する。導波器50及び反射器60は、給電素子21及び放射素子22から離れて配置された導体エレメントである。
 アンテナ25は、放射素子22に対して特定の方向(図示の形態では、グランド14に平行なY軸方向の正側)に位置する少なくとも一つの導波器50を備える。導波器50は、X軸に平行な方向成分を持つ導体部分を有する。図面には、2つの導波器51,52が示されている。導波器51,52の各々の長さは、放射素子22の長さよりも短い。導波器は、導波素子とも称する。
 すなわち、放射素子22、導波素子51、52の長さをそれぞれL22、L51、L52とする。L51は、L22の0.8~0.99倍とすることが好ましく、0.85~0.95倍とすることがより好ましい。同様に、L52は、L51より短くすることが好ましく、L51の0.8~0.99倍とすることがより好ましく、0.85~0.95倍とすることがさらに好ましい。図では、導波素子が2個の場合の例であるが、3個以上でもよく、その場合は、L51とL52のような関係を持ちながら、各々の導波素子の長さを漸減させることが好ましい。
 また、放射素子22と導波素子51、52とは、平行又は略平行に配置することが好ましく、その間隔(2素子間の最短の距離)d、dは、共振時の波長をλとすると、いずれも0.2~0.3λとすることが好ましく、0.23~0.27λとすることがより好ましい。
 導波器51,52は、基材部30に設けられ、図示の形態では、基材部30の内側表面に配置されている。また、図示の形態では、導波器51,52は、放射素子22と同一の表面に配置されている。
 アンテナ25は、放射素子22に対して導波器50とは反対側に位置する一つの反射器60を備える。反射器60は、X軸に平行な方向成分を持つ導体部分を有する。図示の形態では、反射器60は、放射素子22及び給電素子21に対して、導波器50とは反対側に位置する。反射器60が放射素子22と給電素子21との両方に対して導波器50とは反対側に位置するので、反射器60が給電素子21に対して放射素子22側に位置する形態に比べて、アンテナ25の小型化が可能となる。反射器は、反射素子とも称する。
 反射器60の長さは、放射素子22の長さよりも長い。反射器60の長さをL60とすると、L60はL22の1.01~1.2倍とすることが好ましく、1.05~1.15倍とすることがより好ましい。また、反射器60と放射素子22とは、平行又は略平行に配置することが好ましく、その間隔(2素子間の最短の距離)dは、共振時の波長をλとすると、いずれも0.2~0.3λとすることが好ましく、0.23~0.27λとすることがより好ましい。
 反射器60は、基材部30に設けられ、図示の形態では、基材部30の内側表面に配置される。また、図示の形態では、反射器60は、グランド14に対向するように放射素子22と同一の表面に配置されている。反射器60がグランド14に対向して配置されている。これにより、反射器60がグランド14に対向していない箇所に配置されている形態(例えば、反射器60がグランド外縁14aに対して放射素子22側に位置する形態)に比べて、アンテナ25の小型化が可能となる。
 このように、アンテナ25は、放射素子22に対して特定の方向(図示の形態では、グランド14に平行なY軸方向の正側)に位置する少なくとも一つの導波器50と、放射素子22に対して導波器50とは反対側に位置する一つの反射器60とを備える。これにより、放射素子22に対して特定の方向(図示の形態では、グランド14に平行なY軸方向の正側)に指向性を有するアンテナ25を実現することができる。特に、放射素子22、導波器50及び反射器60は、それぞれ、グランド14に平行な方向成分を持つ導体部分を有する。したがって、放射素子22に対して特定の方向(図示の形態では、グランド14に平行なY軸方向の正側)において、水平偏波のアンテナ利得を高めることができる。
 図1,2において、アンテナ25は、放射素子22に対して導波器50とは反対側に位置する反射器60を備える。しかしながら、アンテナ25は、放射素子22に対して導波器50とは反対側に位置するグランド14を反射器として使用してもよい。グランド14を反射器として使用する場合、図示の反射器60は無くてもよい。この場合でも、放射素子22に対して特定の方向(図示の形態では、グランド14に平行なY軸方向の正側)に指向性を有するアンテナ25を実現することができる。また、放射素子22および導波器50は、給電素子21と同一平面上にあってもよい。
 別の態様としては、導波素子50と放射素子22とを導体31(例えば、携帯機器の筐体など)を挟んで積層してもよい。概略図を図26に示す。図26では、導体31の両面に導波器50と放射素子22を積層させたものである。なお、図26は、導波素子50が1個の例を示すが、導波素子50の個数は、2個以上の複数としてもよい。その場合には導波素子間には誘電体を介在させることが好ましい。導波素子が複数の場合、その間隔は共振時の波長をλとするとき、0.2~0.3λとすることが好ましく、0.23~0.27λとすることがより好ましい。また、導波素子と反射素子と放射素子との長さの関係も図1と同様にすることが好ましい。
 また、図27に示すように、導波素子50、放射素子22及び反射素子(又は、グランド14)を平行又は略平行に積層した状態で各素子の相対的な位置関係を調整することにより、指向性を制御することもできる。例えば、図27のように、各素子のうち一の素子の長さ方向に対して垂直な方向Z1に、各素子の中心を直線状に揃えると、主たる放射方向A1は、その垂直な方向Z1になる。一方、図28のように、各素子のうち一の素子の長さ方向に対して垂直な方向Z1から、各素子の中心を段階的に離れるようにすることにより、主たる放射方向A1を、その段階的に離していく方向に傾けることができる。図27の構成を有するアンテナと図28の構成を有するアンテナとを併用することにより、全方位の方向に放射するアンテナを疑似的に形成できる。
 <第1の実施例>
 図3は、本開示に係るアンテナの第1の実施例を模式的に示す平面図である。図4は、本開示に係るアンテナの第1の実施例を模式的に示す断面図である。第1の実施例の構成のうち上述の構成と同様の構成についての説明は、上述の説明を援用することで省略又は簡略する。
 図3,4において、アンテナ125は、アンテナ25(図1参照)の一例である。アンテナ125は、グランド114と、給電素子121と、放射素子122と、導波器150と、反射器160とを備える。
 グランド114は、グランド14(図1参照)の一例である。グランド外縁114aは、グランド114の直線的な外縁の一例である。グランド114は、例えば、XY平面に平行な基板113に形成されたグランドパターンである。基板113は、基板13(図1参照)の一例である。給電素子121は、給電素子21(図1参照)の一例である。給電素子121は、伝送線路の終端112に接続されている。終端112は、グランド114をグランド基準とする給電点の一例である。放射素子122は、放射素子22(図1参照)の一例である。放射素子122は、給電素子121と電磁界結合することにより非接触に給電されて放射導体として機能する。導波器150は、導波器50(図1参照)の一例である。図面には、2つの導波器151,152が示されている。反射器160は、反射器60(図1参照)の一例である。
 図5は、アンテナ125のリターンロス特性を解析したシミュレーションの一例を示す図である。電磁界シミュレーションとして、Microwave Studio(登録商標)(CST社)が使用される。縦軸は、Sパラメータ(Scattering parameters)の反射係数S11を示す。
 S11が極小値になる周波数が、インピーダンスマッチングをとることのできる周波数であり、この周波数をアンテナ125の動作周波数(共振周波数)とすることができる。図5に示されるように、アンテナ125によれば、28GHzを含む帯域で、良好なインピーダンスマッチングが得られる。
 図6は、アンテナ125において、水平偏波のときの水平面内の指向性を解析したシミュレーション結果の一例を示す図である。図7は、アンテナ125において、水平偏波のときの垂直面内の指向性を解析したシミュレーション結果の一例を示す図である。図6,7は、アンテナ125の基本モードの共振周波数f(=28GHz)における指向性利得を表す。
 図6,7の解析時において、アンテナ125の放射素子122の一方の先端部(給電素子121が近接する側の先端部)を、X軸とY軸とZ軸とが交わる原点とする。φ(Phi)は、X軸及びY軸を含む平面内の任意の方向とX軸とがなす角度を表し、θ(Theta)は、φが指す方向とZ軸とを含む平面内の任意の方向とZ軸とがなす角度を表す。
 図6,7に示されるように、放射素子122に対してY軸方向の正側に指向性を有するアンテナ125を実現することができる。したがって、グランド114が水平面に平行になるようにアンテナ125が配置されることにより、水平面に平行な方向(水平方向)においてY軸方向の正側の指向性が向上する。よって、Y軸方向の正側から到来又はY軸方向の正側に放射する水平偏波のアンテナ利得(動作利得)を増大させることができる。
 なお、図5~7においてSパラメータ及びアンテナ利得を解析した時において、図3,4に示された各部の寸法は、単位をmmとすると、
 L1:10
 L2:4
 L3:12
 L4:3.6
 L5:0.12
 L6:3.8
 L7:4.2
 L8:1.88
 L9:1.88
 L10:5
 L11:1.88
 L12:0.94
 L13:1.06
 L14:0.56
 L15:0.12
 L16:0.25
 L17:0.05
である。また、アンテナ125の各導体のZ軸方向の厚さは、0.018μmである。また、給電点(終端112)には、バランが接続されていない。
 <第2の実施例>
 図8は、本開示に係るアンテナの第2の実施例を模式的に示す平面図である。第2の実施例の構成のうち上述の構成と同様の構成についての説明は、上述の説明を援用することで省略又は簡略する。
 図8において、アンテナ225は、給電点が互いに異なる複数のアンテナを備えるMIMO(Multiple Input and Multiple Output)アンテナの一例である。アンテナ225は、2つのアンテナ125A、125Bを有する。アンテナ125A,125Bは、それぞれ、アンテナ125と同じ構成(図3,4参照)を有する。アンテナ125A,125Bは、X軸方向に並べて配置され、グランド114を共用する。
 図9は、アンテナ225において、アンテナ125Aとアンテナ125Bとの間の相関係数を解析したシミュレーション結果の一例を示す図である。図9に示されるように、相関係数は、アンテナ125Aとアンテナ125Bの各々の共振周波数f(=28GHz)を含む帯域において所定値(例えば、0.3)以下の低い状態にある。したがって、アンテナ225を水平偏波用のMIMOアンテナとして機能させることができる。
 図10は、アンテナ225のリターンロス特性を解析したシミュレーションの一例を示す図である。電磁界シミュレーションとして、Microwave Studio(登録商標)(CST社)が使用される。縦軸は、Sパラメータ(Scattering parameters)の反射係数S11及び伝達係数S12を示す。
 反射係数S11が極小値になる周波数が、インピーダンスマッチングをとることのできる周波数であり、この周波数をアンテナ125の動作周波数(共振周波数)とすることができる。また、伝達係数S12が極小値になる周波数が、アンテナ間のアイソレーションを高くすることのできる周波数(言い換えれば、アンテナ間の相関係数を低くすることのできる周波数)である。
 図10において、反射係数S11は、アンテナ125Aの反射特性を表しており、伝達係数S12は、アンテナ125Bからアンテナ125Aへの伝達係数を表す。図10に示されるように、アンテナ225の共振周波数28GHzを含む帯域(例えば、25~30GHz)において、反射係数S11及び伝達係数S12が低く抑えられている。したがって、アンテナ225を、共振周波数28GHzでアンテナ125Aとアンテナ125Bとの間のアイソレーションを高くしたMIMOアンテナとして機能させることができる。
 図11は、アンテナ225において、水平偏波のときの水平面内の指向性を解析したシミュレーション結果の一例を示す図である。図12は、アンテナ225において、水平偏波のときの垂直面内の指向性を解析したシミュレーション結果の一例を示す図である。図11,12は、アンテナ225の基本モードの共振周波数f(=28GHz)における指向性利得を表す。
 図11,12の解析時において、アンテナ125Aの放射素子122の一方の先端部と、アンテナ125Bの放射素子122の一方の先端部との中点を、X軸とY軸とZ軸とが交わる原点とする。両アンテナの各々の一方の先端部とは、給電素子121が近接する側の先端部を表す。φ(Phi)は、X軸及びY軸を含む平面内の任意の方向とX軸とがなす角度を表し、θ(Theta)は、φが指す方向とZ軸とを含む平面内の任意の方向とZ軸とがなす角度を表す。
 図11,12に示されるように、2つの放射素子122に対してY軸方向の正側に指向性を有するアンテナ225を実現することができる。したがって、グランド114が水平面に平行になるようにアンテナ225が配置されることにより、水平面に平行な方向(水平方向)においてY軸方向の正側の指向性が向上する。よって、Y軸方向の正側から到来又はY軸方向の正側に放射する水平偏波のアンテナ利得(動作利得)を増大させることができる。
 なお、図9~12においてSパラメータ及びアンテナ利得を解析した時において、図8に示された各部の寸法は、単位をmmとすると、
 L1:10
 L2:4
 L3:12
 L20:5.2
 L21:1.08
である。それ以外の寸法については、第1の実施例と同じである。また、2つの給電点(終端112)には、バランが接続されていない。
 <第3の実施例>
 図13は、本開示に係るアンテナの第3の実施例を模式的に示す斜視図である。図14は、本開示に係るアンテナの第3の実施例を模式的に示す平面図である。図15は、本開示に係るアンテナの第3の実施例を模式的に示す側面図である。第3の実施例の構成のうち上述の構成と同様の構成についての説明は、上述の説明を援用することで省略又は簡略する。
 図13~15において、アンテナ325は、アンテナ25(図1参照)の一例である。アンテナ325は、グランド114と、給電素子321と、放射素子322と、導波器350と、反射器360とを備える。
 グランド114は、グランド14(図1参照)の一例である。グランド外縁114aは、グランド114の直線的な外縁の一例である。グランド114は、例えば、XY平面に平行な基板113に形成されたグランドパターンである。基板113は、基板13(図1参照)の一例である。給電素子321は、給電素子21(図1参照)の一例である。給電素子321は、伝送線路の終端312に接続されている。終端312は、グランド114をグランド基準とする給電点の一例である。放射素子322は、放射素子22(図1参照)の一例である。放射素子322は、給電素子321と電磁界結合することにより非接触に給電されて放射導体として機能する。導波器350は、導波器50(図1参照)の一例である。図面には、1つの導波器350が示されている。反射器360は、反射器60(図1参照)の一例である。
 アンテナ325において、放射素子322、導波器350及び反射器360は、それぞれ、グランド114の法線方向に平行な方向成分を持つ導体部分322b,360b,350bを有する。これにより、放射素子22に対して特定の方向(図示の形態では、グランド114に平行なY軸方向の正側)において、垂直偏波のアンテナ利得を高めることができる。
 図示の形態では、放射素子322、導波器350及び反射器360は、それぞれ、U字状(J字状を含む)の導体である。それぞれのU字状の開口部は、Y軸方向の負側に向けて開口し、具体的には、放射素子322に対して反射器360が配置されている側に向けて開口している。
 放射素子322は、Z軸方向に対向する一対の導体部分322a,322cと、一対の導体部分322a,322cのY軸方向の正側の端部のそれぞれを接続する導体部分322bとを有する。一対の導体部分322a,322cは、Y軸方向に延在し、導体部分322bは、Z軸方向に延在する。
 導波器350は、Z軸方向に対向する一対の導体部分350a,350cと、一対の導体部分350a,350cのY軸方向の正側の端部のそれぞれを接続する導体部分350bとを有する。一対の導体部分350a,350cは、Y軸方向に延在し、導体部分350bは、Z軸方向に延在する。
 反射器360は、Z軸方向に対向する一対の導体部分360a,360cと、一対の導体部分360a,360cのY軸方向の正側の端部のそれぞれを接続する導体部分360bとを有する。一対の導体部分360a,360cは、Y軸方向に延在し、導体部分360bは、Z軸方向に延在する。
 図13~15において、アンテナ325は、放射素子322に対して導波器350とは反対側に位置する反射器360を備える。しかしながら、アンテナ325は、放射素子322に対して導波器350とは反対側に位置するグランド114を反射器として使用してもよい。グランド114を反射器として使用する場合、図示の反射器360は無くてもよい。この場合でも、放射素子322に対して特定の方向(図示の形態では、グランド14に平行なY軸方向の正側)に指向性を有するアンテナ325を実現することができる。
 図16は、アンテナ325のリターンロス特性を解析したシミュレーションの一例を示す図である。電磁界シミュレーションとして、Microwave Studio(登録商標)(CST社)が使用される。縦軸は、Sパラメータ(Scattering parameters)の反射係数S11を示す。
 S11が極小値になる周波数が、インピーダンスマッチングをとることのできる周波数であり、この周波数をアンテナ325の動作周波数(共振周波数)とすることができる。図16に示されるように、アンテナ325によれば、28GHzを含む帯域で、良好なインピーダンスマッチングが得られる。
 図17は、アンテナ325において、垂直偏波のときの垂直面内の指向性を解析したシミュレーション結果の一例を示す図である。図18は、アンテナ125において、垂直偏波のときの水平面内の指向性を解析したシミュレーション結果の一例を示す図である。図17,18は、アンテナ325の基本モードの共振周波数f(=28GHz)における指向性利得を表す。
 図17,18の解析時において、放射素子322、導波器350及び反射器360を含むYZ平面とグランド外縁114aとの交点を、X軸とY軸とZ軸とが交わる原点とする。φ(Phi)は、X軸及びY軸を含む平面内の任意の方向とX軸とがなす角度を表し、θ(Theta)は、φが指す方向とZ軸とを含む平面内の任意の方向とZ軸とがなす角度を表す。
 図17,18に示されるように、放射素子322に対してY軸方向の正側に指向性を有するアンテナ325を実現することができる。したがって、グランド114が水平面に平行になるようにアンテナ325が配置されることにより、水平面に平行な方向(水平方向)においてY軸方向の正側の指向性が向上する。よって、Y軸方向の正側から到来又はY軸方向の正側に放射する垂直偏波のアンテナ利得(動作利得)を増大させることができる。
 なお、図16~18においてSパラメータ及びアンテナ利得を解析した時において、図14,15に示された各部の寸法は、単位をmmとすると、
 L1:10
 L2:4
 L3:12
 L30:0.5
 L31:0.12
 L32:1
 L33:1.61
 L34:0.89
 L35:1.61
 L36:0.89
 L37:1.61
 L38:1.62
 L39:0.191
である。それ以外の寸法については、第1の実施例と同じである。また、給電点(終端312)には、バランが接続されていない。
 <第4の実施例>
 図19は、本開示に係るアンテナの第4の実施例を模式的に示す斜視図である。図20は、本開示に係るアンテナの第4の実施例を模式的に示す平面図である。第4の実施例の構成のうち上述の構成と同様の構成についての説明は、上述の説明を援用することで省略又は簡略する。
 図19,20において、アンテナ425は、給電点が互いに異なる複数のアンテナを備えるMIMOアンテナの一例である。アンテナ425は、2つのアンテナ325A、325Bを有する。アンテナ325A,325Bは、それぞれ、アンテナ325と同じ構成(図13~15参照)を有する。アンテナ325A,325Bは、X軸方向に並べて配置され、グランド114を共用する。
 図21は、アンテナ425において、アンテナ425Aとアンテナ425Bとの間の相関係数を解析したシミュレーション結果の一例を示す図である。図21に示されるように、相関係数は、アンテナ325Aとアンテナ325Bの各々の共振周波数f(=28GHz)を含む帯域において所定値(例えば、0.3)以下の低い状態にある。したがって、アンテナ425を垂直偏波用のMIMOアンテナとして機能させることができる。
 図22は、アンテナ425のリターンロス特性を解析したシミュレーションの一例を示す図である。電磁界シミュレーションとして、Microwave Studio(登録商標)(CST社)が使用される。縦軸は、Sパラメータ(Scattering parameters)の反射係数S11及び伝達係数S12を示す。
 反射係数S11が極小値になる周波数が、インピーダンスマッチングをとることのできる周波数であり、この周波数をアンテナ425の動作周波数(共振周波数)とすることができる。また、伝達係数S12が極小値になる周波数が、アンテナ間のアイソレーションを高くすることのできる周波数(言い換えれば、アンテナ間の相関係数を低くすることのできる周波数)である。
 図22において、反射係数S11は、アンテナ325Aの反射特性を表しており、伝達係数S12は、アンテナ325Bからアンテナ325Aへの伝達係数を表す。図22に示されるように、アンテナ425の共振周波数28GHzを含む帯域(例えば、25~30GHz)において、反射係数S11及び伝達係数S12が低く抑えられている。したがって、アンテナ425を、共振周波数28GHzでアンテナ325Aとアンテナ325Bとの間のアイソレーションを高くしたMIMOアンテナとして機能させることができる。
 なお、図21,22においてSパラメータ及びアンテナ利得を解析した時において、図20に示された各部の寸法は、単位をmmとすると、
 L1:10
 L2:4
 L3:12
 L40:2
 L41:1.38
である。それ以外の寸法については、第1の実施例と同じである。また、2つの給電点(終端312)には、バランが接続されていない。
 <第5の実施例>
 図23は、本開示に係るアンテナの第5の実施例を模式的に示す平面図である。第5の実施例の構成のうち上述の構成と同様の構成についての説明は、上述の説明を援用することで省略又は簡略する。
 図23において、アンテナ525は、給電点が互いに異なる複数のアンテナを備えるMIMOアンテナの一例である。アンテナ525は、2つのアンテナ125C、325Cを有する。アンテナ125Cは、アンテナ125と同じ構成(図3,4参照)を有する第1のアンテナの一例である。アンテナ325Cは、アンテナ325と同じ構成(図13~15参照)を有する第2のアンテナの一例である。アンテナ125C,325Cは、X軸方向に並べて配置され、グランド114を共用する。
 アンテナ125Cにおいて、放射素子122、導波器150及び反射器160は、それぞれ、グランド114に平行な方向成分を持つ導体部分を有する。一方、アンテナ325Cにおいて、放射素子322、導波器350及び反射器360は、それぞれ、グランド114の法線方向に平行な方向成分を持つ導体部分を有する。
 図24は、アンテナ525において、アンテナ125Cとアンテナ325Cとの間の相関係数を解析したシミュレーション結果の一例を示す図である。図24に示されるように、相関係数は、アンテナ125Cとアンテナ325Cの各々の共振周波数f(=28GHz)を含む帯域において所定値(例えば、0.3)以下の低い状態にある。したがって、アンテナ525を水平偏波用と垂直偏波用の両方に対応可能なMIMOアンテナとして機能させることができる。
 図25は、アンテナ525のリターンロス特性を解析したシミュレーションの一例を示す図である。電磁界シミュレーションとして、Microwave Studio(登録商標)(CST社)が使用される。縦軸は、Sパラメータ(Scattering parameters)の反射係数S11,S22及び伝達係数S12,S21を示す。
 反射係数S11,S22が極小値になる周波数が、インピーダンスマッチングをとることのできる周波数であり、この周波数をアンテナ425の動作周波数(共振周波数)とすることができる。また、伝達係数S12,S21が極小値になる周波数が、アンテナ間のアイソレーションを高くすることのできる周波数(言い換えれば、アンテナ間の相関係数を低くすることのできる周波数)である。
 図25において、反射係数S11,S22は、それぞれ、アンテナ125C,325Cの反射特性を表す。伝達係数S12は、アンテナ325Cからアンテナ125Cへの伝達係数を表す。伝達係数S21は、アンテナ125Cからアンテナ325Cへの伝達係数を表す。図25に示されるように、アンテナ525の共振周波数28GHzを含む帯域(例えば、25~30GHz)において、反射係数S11,S22及び伝達係数S12,S21が低く抑えられている。したがって、アンテナ525を、共振周波数28GHzでアンテナ125Cとアンテナ325Cとの間のアイソレーションを高くしたMIMOアンテナとして機能させることができる。
 なお、図24,25においてSパラメータ及びアンテナ利得を解析した時において、図23に示された各部の寸法は、単位をmmとすると、
 L1:10
 L2:4
 L3:12
 L50:1.38
である。それ以外の寸法については、第1の実施例及び第3の実施例と同じである。また、2つの給電点(終端112,312)には、バランが接続されていない。
 以上、アンテナ及びMIMOアンテナを実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。
 本国際出願は、2017年4月27日に出願した日本国特許出願第2017-088786号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第2017-088786号の全内容を本国際出願に援用する。
12 終端
14,114 グランド
21,121 給電素子
22 放射素子
25,125,225,325,425,525 アンテナ
30 基材部
31 導体
50,150,350 導波器
60,160,360 反射器
 

Claims (6)

  1.  グランドプレーンと、
     前記グランドプレーンを基準とする給電点に接続された第1の共振器と、
     前記第1の共振器によって電磁界結合又は磁界結合で非接触に給電される第2の共振器と、
     前記第1の共振器及び前記第2の共振器から離れて位置する少なくとも一つの導波器とを備え、
     前記第2の共振器に対して前記導波器とは反対側に位置する前記グランドプレーンを反射器として使用する、又は、前記第2の共振器に対して前記導波器とは反対側に位置する反射器を備えた、アンテナ。
  2.  前記反射器は、前記第1の共振器に対して前記導波器とは反対側に位置する、請求項1に記載のアンテナ。
  3.  前記反射器は、前記グランドプレーンに対向して配置された、請求項2に記載のアンテナ。
  4.  前記第2の共振器、前記導波器及び前記反射器は、それぞれ、前記グランドプレーンの法線方向に平行な方向成分を持つ導体部分を有する、請求項1から3のいずれか一項に記載のアンテナ。
  5.  給電点が互いに異なる複数のアンテナを備え、
     前記複数のアンテナは、それぞれ、
     グランドプレーンを基準とする給電点に接続された第1の共振器と、
     前記第1の共振器によって電磁界結合又は磁界結合で非接触に給電される第2の共振器と、
     前記第1の共振器及び前記第2の共振器から離れて位置する少なくとも一つの導波器とを備え、
     前記第2の共振器に対して前記導波器とは反対側に位置する前記グランドプレーンを反射器として使用する、又は、前記第2の共振器に対して前記導波器とは反対側に位置する反射器を備えた、MIMOアンテナ。
  6.  前記複数のアンテナは、第1のアンテナと第2のアンテナを含み、
     前記第1のアンテナにおいて、前記第2の共振器、前記導波器及び前記反射器は、それぞれ、前記グランドプレーンに平行な方向成分を持つ導体部分を有し、
     前記第2のアンテナにおいて、前記第2の共振器、前記導波器及び前記反射器は、それぞれ、前記グランドプレーンの法線方向に平行な方向成分を持つ導体部分を有する、請求項5に記載のMIMOアンテナ。
     
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