JP5974057B2 - Thin antenna - Google Patents
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Description
本発明は、メタマテリアル技術を用いて構成された薄型アンテナに関する。 The present invention relates to a thin antenna configured using metamaterial technology.
近年、携帯電話等の移動通信技術は目覚ましく進歩し、それに伴って、その利用者は年々増加している。さらに、スマートフォンの普及により個人のデータ通信容量も増大している。
このような状況から、移動通信システムの基地局アンテナには周波数利用効率の向上等が求められている。そのため、基地局アンテナとしては、偏波ダイバーシチもしくは偏波間MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output)を行うことが可能な偏波共用(垂直偏波・水平偏波)アンテナが主流となっている。
In recent years, mobile communication technologies such as mobile phones have advanced remarkably, and the number of users has increased year by year. Furthermore, personal data communication capacity is also increasing due to the spread of smartphones.
Under such circumstances, the base station antenna of a mobile communication system is required to improve frequency utilization efficiency. Therefore, as a base station antenna, a polarization-sharing (vertical polarization / horizontal polarization) antenna capable of performing polarization diversity or inter-polarization MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output) is mainly used.
一方、これまでの基地局アンテナがカバーしてきたエリアよりも狭いスモールセルと呼ばれるエリアをカバーするアンテナが多く報告されている。このスモールセルのアンテナは、鉄塔やビルの屋上に配置されるマクロセルのアンテナと異なり、高さの低い場所に取り付けられるので人の目に触れやすく、そのため、美観上の観点から、小型化、薄型化が求められている。 On the other hand, many antennas have been reported that cover an area called a small cell that is narrower than the area covered by conventional base station antennas. Unlike small cell antennas placed on steel towers or building rooftops, this small cell antenna is easy to touch because it is installed in a low-height location, so it is compact and thin from an aesthetic point of view. Is required.
薄型アンテナは多く報告されている。例えば、特許文献1では容易に構成することができる薄型アンテナが提案されている。また、特許文献2及び特許文献3等では、人工磁気壁を用いた薄型アンテナが提案されている。 Many thin antennas have been reported. For example, Patent Document 1 proposes a thin antenna that can be easily configured. Further, Patent Document 2 and Patent Document 3 propose a thin antenna using an artificial magnetic wall.
しかし、特許文献1に記載のアンテナは平衡−不平衡変換器を設けなればならず、このため、構造が複雑になる、高さが増すなどのデメリットを生じる。また、特許文献2、3等に係るアンテナは、人工磁気壁を構成するためのFSS(Frequency Selective Surface)もしくはEBG(Electromagnetic Band Gap)の上部にアンテナ素子を配置するという構造を持つことになる。従って、薄型にはなるものの、基板を複数枚用意しなければならないために、構造が複雑になってしまう。 However, the antenna described in Patent Document 1 must be provided with a balanced-unbalanced converter, which causes disadvantages such as a complicated structure and increased height. Further, the antennas according to Patent Documents 2, 3 and the like have a structure in which an antenna element is arranged on the top of an FSS (Frequency Selective Surface) or EBG (Electromagnetic Band Gap) for forming an artificial magnetic wall. Therefore, although the thickness is reduced, the structure becomes complicated because a plurality of substrates must be prepared.
そこで、本発明の目的は、薄型化と構造の簡単化を図ることが可能な薄型アンテナを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a thin antenna that can be thinned and simplified in structure.
本発明は、上記の目的を達成するため、グランド板と、前記グランド板の上部に配置された誘電体基板と、前記誘電体基板の上面及び下面にプリントされた導体パターンとを用いて構成したCRLH線路(Composite Right / Left Handed)からなる複数のアンテナ部を備え、前記誘電体基板の上面にプリントされた導体パターンの一部と、前記誘電体基板の下面にプリントされた導体パターンの一部とは、前記誘電体基板を挟んで互いに対向しており、複数の偏波に対応するように前記複数のアンテナ部の給電位相を設定するようにしている。 In order to achieve the above object, the present invention is configured using a ground plate, a dielectric substrate disposed on the ground plate, and conductor patterns printed on the upper and lower surfaces of the dielectric substrate. A plurality of antenna parts composed of CRLH lines (Composite Right / Left Handed), a part of a conductor pattern printed on the top surface of the dielectric substrate, and a part of a conductor pattern printed on the bottom surface of the dielectric substrate Are opposed to each other across the dielectric substrate, and the feeding phases of the plurality of antenna units are set so as to correspond to a plurality of polarized waves.
一態様として、前記CRLH線路は、並列インダクタの一端が前記グランド板の立上げ部に短絡される。
更に別の態様として、前記CRLH線路は、並列インダクタの一端がピンを介して前記グランド板に短絡される。
As one aspect, in the CRLH line, one end of the parallel inductor is short-circuited to the rising portion of the ground plate .
As yet another aspect, the CRLH line has one end of a parallel inductor short-circuited to the ground plate via a pin.
また、別の態様として、前記CRLH線路は、並列インダクタの一端が前記グランド板の立上げ部に接近して位置され、前記並列インダクタの一端が該一端と前記グランド板の立上げ部との間の隙間に形成されるキャパシタを介して前記グランド板に接続される。
更に別の態様として、前記CRLH線路は、並列インダクタがスパイラルインダクタもしくはメアンダラインインダクタとして形成される。
他の態様として、無給電素子を付加してもよい。
As another aspect, the CRLH line has one end of the parallel inductor positioned close to the rising portion of the ground plate, and one end of the parallel inductor is between the one end and the rising portion of the ground plate. It is connected to the ground plate through a capacitor formed in the gap .
In yet another aspect, the CRLH line has a parallel inductor formed as a spiral inductor or a meander line inductor .
As another aspect, a parasitic element may be added.
本発明によれば、不平衡線路であるマイクロストリップ線路を応用したCRLH線路による薄型アンテナを提供することができる。このアンテナは、同軸コネクタを平衡−不平衡変換器なしで接続すること可能であるとともに、マイクロストリップ線路を応用しているため薄型に構成することが可能である。更に、CRLH線路を形成した誘電体基板をグランド板上に配置することによって構成することができるので、組立が容易である。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the thin antenna by the CRLH line which applied the microstrip line which is an unbalanced line can be provided. This antenna can be connected to a coaxial connector without a balanced-unbalanced converter, and can be made thin because a microstrip line is applied. Further, since the dielectric substrate on which the CRLH line is formed can be arranged on the ground plate, assembly is easy.
本発明では、メタマテリアル技術のひとつであるCRLH(Composite Right / Left Handed) 伝送線路を用いている。CRLH伝送線路とは、一般的な伝送線路(右手系伝送線路)に直列キャパシタや並列インダクタといった左手系のエレメントを追加して特異な性質をもたせたものである。特異な性質の例としては、負の共振モードをもつことや漏れ波を生じることが挙げられる。 In the present invention, a CRLH (Composite Right / Left Handed) transmission line, which is one of metamaterial technologies, is used. The CRLH transmission line has a unique property by adding a left-handed element such as a series capacitor or parallel inductor to a general transmission line (right-handed transmission line). Examples of peculiar properties include having a negative resonance mode and generating a leaky wave.
図1は、本発明に係る薄型アンテナの第1の実施形態を示す俯瞰図である。この薄型アンテナ1−1は、4つのアンテナ部3−1〜3−4を備えている。アンテナ部3−1〜3−4は、それぞれz方向に配列する複数(本実施形態では7つ)のユニットセル5によって構成されている。
図3にユニットセル5の拡大斜視図を示し、図4及び図5に図1のA矢視図及びB矢視図を示す。図6は、ユニットセル5の等価回路モデルである。
FIG. 1 is an overhead view showing a first embodiment of a thin antenna according to the present invention. The thin antenna 1-1 includes four antenna units 3-1 to 3-4. The antenna units 3-1 to 3-4 are each configured by a plurality (seven in this embodiment) of
FIG. 3 shows an enlarged perspective view of the
ユニットセル5は、yz平面に設置されたグランド板(接地導体)7、このグランド板7の上方に対向配置された誘電体基板9、この誘電体基板9の上面に形成した導体パターン11、及び、誘電体基板9の下面に形成した導体パターン13を備えている。
導体パターン11,13は、印刷配線板の作成手法を用いてy方向に沿う形態で形成されている。従って、この導体パターン11,13は、誘電体基板9の面に貼着された金属箔(例えば銅箔)によって形成されている。
The
The
導体パターン11の一部と導体パターン13の一部は、誘電体基板9を挟んで互いに対向しているので、平行平板キャパシタを構成している。このキャパシタは、図6に示す直列キャパシタCLに対応する。また、このキャパシタは寄生インダクタをもち、この寄生インダクタは図4に示す直列インダクタLRの一構成要素となる。更に、このキャパシタは、グランド板7との間に寄生キャパシタを形成し、この寄生キャパシタは図4に示す並列キャパシタCRの一構成要素となる。
一方、導体パターン11はインダクタを構成する。このインダクタは、導体パターン11の一端がグランド板7の立上げ部7aにハンダ付け等の手段で短絡されていることから、図6に示す並列インダクタLLに対応する。
以上から明らかなように、ユニットセル5は、CRLH線路を構成している。
Since a part of the
On the other hand, the
As is apparent from the above, the
上記ユニットセル5を複数配列してなる図1に示すアンテナ部3−1〜3−4もCRLH線路を構成する。このアンテナ部3−1〜3−4は、組み立てやすさの観点から終端が開放され、かつ、それぞれの端部に給電点P1〜P4が設けられている。給電点P1は、図2に示すように、誘電体基板9の下面に対して垂直に配置された金属板(銅箔)15とグランド板7との間に設けられている。金属板15は、ユニットセル5の導体パターン13と接続されているので、給電点P1への給電によってアンテナ部3−1が励振される。他のアンテナ部3−2〜3−4の給電点P2〜P4も同様の形態で設けられている。
なお、アンテナ部3−1〜3−4は、ユニットセル5の配列数が多いほど高利得となる。
The antenna units 3-1 to 3-4 shown in FIG. 1 in which a plurality of the
The antenna units 3-1 to 3-4 have a higher gain as the number of arrangement of the
図7にユニットセル5の分散特性(各周波数におけるセル間の位相変化量)を示す。図において、横軸は位相定数βpの絶対値、縦軸は正規化周波数である。図から明らかなように、使用周波数f0においてはアンテナの位相が変化していない。このことから、アンテナ部3−1〜3−4が正面方向に漏れ波を放射することが理解される。 FIG. 7 shows the dispersion characteristic of the unit cell 5 (phase change amount between cells at each frequency). In the figure, the horizontal axis represents the absolute value of the phase constant βp, and the vertical axis represents the normalized frequency. As apparent from the figure, the antenna of the phase does not change in the operating frequency f 0. From this, it is understood that the antenna units 3-1 to 3-4 radiate leaky waves in the front direction.
本実施形態に係るアンテナ1−1は、以下に述べるように、アンテナ部3−1〜3−4の給電位相を変えることによって使用する偏波を変更することができる。
なお、以下の説明では、給電点P1, P2と給電点P3, P4間の給電位相差を180°とする場合の給電方法をA、給電点P1, P3と給電点P2, P4間の給電位相差を180°とする場合の給電方法をBとする。
As described below, the antenna 1-1 according to the present embodiment can change the polarization to be used by changing the feeding phase of the antenna units 3-1 to 3-4.
In the following description, the feeding method when the feeding phase difference between feeding points P1 and P2 and feeding points P3 and P4 is 180 ° is A, and the feeding position between feeding points P1 and P3 and feeding points P2 and P4. Let B be the power supply method when the phase difference is 180 °.
給電方法Aでの周波数f0の垂直偏波の水平面(θ=90°面)内放射パターンを図8に示し、給電方法Bでの周波数f0の水平偏波の水平面内放射パターンを図9に示す。
これらの図から明らかなように、本実施形態に係るアンテナ1−1によれば、給電方法Aを採用した場合に垂直偏波が放射され、給電方法Bを採用した場合に水平偏波が放射される。
給電方法Aでの周波数f0の垂直偏波の垂直面(φ=0°面)内放射パターンを図10に示し、給電方法Bでの周波数f0の水平偏波の垂直面内放射パターンを図11に示す。これらの図から明らかなように、垂直面内においても、同様の結果が得られる。
FIG. 8 shows a radiation pattern in the horizontal plane (θ = 90 ° plane) of the vertically polarized wave with the frequency f 0 in the feeding method A, and FIG. 9 shows a radiation pattern in the horizontal plane of the horizontally polarized wave with the frequency f 0 in the feeding method B. Shown in
As is clear from these figures, according to the antenna 1-1 according to the present embodiment, vertical polarization is radiated when the feeding method A is adopted, and horizontal polarization is radiated when the feeding method B is adopted. Is done.
FIG. 10 shows the radiation pattern in the vertical plane (φ = 0 ° plane) of the vertical polarization with the frequency f 0 in the feeding method A, and shows the radiation pattern in the vertical plane of the horizontal polarization with the frequency f 0 in the feeding method B. As shown in FIG. As is clear from these figures, similar results are obtained even in the vertical plane.
給電方法Aの場合におけるアンテナ部3−1〜3−4上の電流分布を図12に示す。給電方法Aの場合には、給電点P1, P2と給電点P3, P4間で電流が逆位相となるため、電流分布が図示のようになる。この電流分布によれば、y方向に流れる電流成分は左右対称になるので放射に寄与しないが、z方向に流れる電流成分は強め合うため放射に寄与することになる。そのため給電方法Aでは、垂直偏波のみが放射され、交差偏波成分である水平偏波は放射されない。 The current distribution on the antenna units 3-1 to 3-4 in the case of the power feeding method A is shown in FIG. In the case of the feeding method A, the current distribution is as shown in the figure because the current is in an antiphase between the feeding points P1 and P2 and the feeding points P3 and P4. According to this current distribution, the current component flowing in the y direction is bilaterally symmetric and does not contribute to radiation, but the current component flowing in the z direction contributes to radiation because it intensifies. Therefore, in the power feeding method A, only vertical polarization is radiated, and horizontal polarization that is a cross polarization component is not radiated.
一方、給電方法Bの場合におけるアンテナ部3−1〜3−4上の電流分布を図13に示す。給電方法Aの場合には、給電点P1, P3と給電点P2, P4間で電流が逆位相となるため、電流分布が図示のようになる。この電流分布によれば、z方向に流れる電流成分は上下対称になるので放射に寄与しないが、y方向に流れる電流成分は強め合うため放射に寄与することになる。そのため、給電方法Bでは、水平偏波のみが放射され、交差偏波成分である垂直偏波は放射されない。 On the other hand, the current distribution on the antenna units 3-1 to 3-4 in the case of the feeding method B is shown in FIG. In the case of the feeding method A, the current distribution is as shown in the figure because the current is in an antiphase between the feeding points P1 and P3 and the feeding points P2 and P4. According to this current distribution, the current component flowing in the z direction is vertically symmetric and thus does not contribute to radiation. However, the current component flowing in the y direction contributes to radiation because it intensifies. Therefore, in the power feeding method B, only horizontal polarization is radiated, and vertical polarization that is a cross polarization component is not radiated.
従って、上記構成の本実施形態に係るアンテナ1−1によれば、給電方法A,Bの選択によって垂直偏波アンテナとしての機能と水平偏波アンテナとしての機能とを切り替えることが可能である。なお、給電方法A,Bを選択的に実行するための給電手段は周知の給電回路を用いて容易に構成することができるので、ここではその説明を省略する。 Therefore, according to the antenna 1-1 according to the present embodiment having the above-described configuration, the function as the vertical polarization antenna and the function as the horizontal polarization antenna can be switched by selecting the feeding methods A and B. In addition, since the power supply means for selectively executing the power supply methods A and B can be easily configured using a known power supply circuit, the description thereof is omitted here.
上記構成の本実施形態に係るアンテナ1−1を偏波共用アンテナとして動作させる場合には、図14に示すようにハイブリッドカプラ17,19を併用すればよい。ハイブリッドカプラ17,19は、Σ結合入力ポート側から信号を入力した場合に、この入力信号を出力ポートから同位相のまま出力し、また、Δ結合入力ポート側から信号を入力した場合に、この入力信号を出力ポートから逆位相で出力する。従って、端子TA、端子TBに選択的に信号を入力することによって偏波を共用することが可能になる。
なお、ハイブリッドカプラ17,19は、誘電体基板9上にマイクロストリップラインを用いて容易に形成することができる。
When the antenna 1-1 according to the present embodiment having the above configuration is operated as a dual-polarized antenna,
The
図15(a)は、本発明に係る薄型アンテナの第2の実施形態を示す俯瞰図である。この第2の実施形態のアンテナ1−2は、図6に示す直列キャパシタCLがインターデジタルキャパシタによって構成されている。
インターデジタルキャパシタは、図15(b)に拡大して示すように、導体パターン110(図5の導体パターン11に対応)に形成された複数の櫛歯状突起110aと、導体パターン130(図5の導体パターン13に対応)に形成された櫛歯状突起130aとを組み合すことによって構成される。図5の導体パターン13は誘電体基板9の下面に形成されているが、導体パターン130は誘電体基板9の上面に形成されている。従って、この第2の実施形態のアンテナ1−2によれば、誘電体基板9の片面に導体パターンを設計することが可能となる。
FIG. 15A is an overhead view showing a second embodiment of the thin antenna according to the present invention. Antenna 1-2 of the second embodiment, a series capacitor C L shown in FIG. 6 is constituted by a interdigital capacitor.
As shown in an enlarged view of FIG. 15B, the interdigital capacitor includes a plurality of comb-
図16(a)は、本発明に係る薄型アンテナの第3の実施形態を示す俯瞰図である。この第3の実施形態のアンテナ1−3は、図16(b)に示すチップインダクタ112及びチップキャパシタ132を用いている。
チップインダクタ112は、導体パターン111(図5の導体パターン11に対応)の長手方向中間部に介在する形態で設けられている。また、チップキャパシタ132は、導体パターン111とこれに隣接する導体パターン131との間に介在する形態で設けられている。このチップインダクタ112及びチップキャパシタ132は、図6に示す並列インダクタLL及び直列キャパシタCLをそれぞれ構成する。
FIG. 16A is an overhead view showing a third embodiment of a thin antenna according to the present invention. The antenna 1-3 according to the third embodiment uses the
The
図17(a)は、本発明に係る薄型アンテナの第4の実施形態を示す俯瞰図である。この第4の実施形態のアンテナ1−4は、図17(b)に示すように、ユニットセル5を構成する導体パターン11をピン21を介してグランド板7に短絡するようにしている。ピン21はグランド板7に植設されており、その先端に導体パターン11の端部がハンダ等の手段で接続される。
この第4の実施形態のアンテナ1−4によれば、グランド板7に立ち上げ部7a(図1参照)を設けなくてもよいので、製造コストの低減を図ることができる。
なお、短絡手段としての上記ピン21は、図15に示すアンテナ1−2や、図16に示すアンテナ1−3にも適用することができる。
FIG. 17A is an overhead view showing a fourth embodiment of a thin antenna according to the present invention. In the antenna 1-4 according to the fourth embodiment, the
According to the antenna 1-4 of the fourth embodiment, it is not necessary to provide the rising
Note that the
図18(a)は、本発明に係る薄型アンテナの第5の実施形態を示す俯瞰図である。この第5の実施形態のアンテナ1−5は、ユニットセル5を構成する導体パターン11の端がグランド板7の立上げ部7aの手前に位置するように、換言すれば、導体パターン11の端とグランド板7の立上げ部7aとの間に所定の隙間23が形成されるように構成されている。
この構成によれば、ユニットセル5の等価回路モデルが図19のように表される。すなわち、導体パターン11のインダクタLLは、上記隙間23によって形成されるキャパシタCL’を介してグランド板7に容量結合される。
この第4の実施形態のアンテナ1−4によれば、導体パターン11の端をグランド板7の立上げ部7aにハンダ付けする必要がなくなるため、組立コストの低減を図ることができる。
FIG. 18A is an overhead view showing a fifth embodiment of the thin antenna according to the present invention. The antenna 1-5 of the fifth embodiment is arranged so that the end of the
According to this configuration, an equivalent circuit model of the
According to the antenna 1-4 of the fourth embodiment, it is not necessary to solder the end of the
図20は、本発明に係る薄型アンテナの第6の実施形態を示す俯瞰図である。この第6の実施形態のアンテナ1−6は、アンテナ部3−1〜3−4の給電点P1〜P4を図1に示す給電点P1〜P4とは逆の位置に設けた構成を有する。このように、給電点P1〜P4に位置を変更しても、線路上の電流分布は変わらないため、同等の特性が得られる。 FIG. 20 is an overhead view showing a sixth embodiment of a thin antenna according to the present invention. The antenna 1-6 of the sixth embodiment has a configuration in which the feeding points P1 to P4 of the antenna units 3-1 to 3-4 are provided at positions opposite to the feeding points P1 to P4 shown in FIG. In this way, even if the position is changed to the feeding points P1 to P4, the current distribution on the line does not change, and therefore equivalent characteristics can be obtained.
本発明は上記実施形態に限定されず、以下に例示するような更に別の変形態様を含み得るものである。
・図16のアンテナにおけるチップインダクタ112に変えてスパイラルインダクタまたはメアンダラインインダクタを使用することができる。もちろん、これらのインダクタは、誘電体基板9の上面もしくは下面にプリント形成される。
・図15のアンテナ1−2や図16のアンテナ1−3においては、誘電体基板9の下面にグランド板7に相当するグランド導体をプリント形成することが可能になる。この構成によれば、誘電体基板9にグランド板7を併設する必要がなくなるので、一層の薄型化と構成の簡単化を図ることができる。
・無給電素子を付加することができる。この無給電素子は、アンテナ部3−1〜3−4の近傍に設けられ、誘電体基板9にプリント形成することも可能である。
・上記実施形態では、CRLH線路からなる4つのアンテナ部3−1〜3−4を形成しているが、4つ以上のアンテナ部を形成して、その数に対応した給電方法を適用することも可能である。また、アンテナ部3−1〜3−4の位置も上記に限定されず、例えば、これらを縦方向もしくは横方向に配列することも可能である。もちろん、この場合には、その配置位置に対応した給電方法を適用することになる。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and may include still another modification as exemplified below.
A spiral inductor or meander line inductor can be used instead of the
In the antenna 1-2 of FIG. 15 and the antenna 1-3 of FIG. 16, a ground conductor corresponding to the
-A parasitic element can be added. This parasitic element is provided in the vicinity of the antenna units 3-1 to 3-4, and can be printed on the
In the above embodiment, four antenna units 3-1 to 3-4 made of CRLH lines are formed, but four or more antenna units are formed and a feeding method corresponding to the number is applied. Is also possible. Further, the positions of the antenna units 3-1 to 3-4 are not limited to the above, and for example, they can be arranged in the vertical direction or the horizontal direction. Of course, in this case, a power feeding method corresponding to the arrangement position is applied.
1−1〜1−6 薄型アンテナ
3−1〜3−4 アンテナ部
5 ユニットセル
7 グランド板
7a 立上げ部
9 誘電体基板
11 導体パターン
13 導体パターン
15 金属板
17,19 ハイブリッドカプラ
21 ピン
23 隙間
110 導体パターン
110a 櫛歯状突起
112 チップインダクタ
130 導体パターン
130a 櫛歯状突起
132 チップキャパシタ
P1〜P4 給電点
1-1 to 1-6 Thin antenna 3-1 to 3-4
Claims (6)
複数の偏波に対応するように前記複数のアンテナ部の給電位相を設定するようにしたことを特徴とする薄型アンテナ。 Comprising ground and plate, a dielectric substrate disposed on top of the ground plate, a plurality of antenna units comprising a CRLH line constructed with a conductor pattern the is the dielectric upper surface and printed on the lower surface of the substrate, the A portion of the conductor pattern printed on the upper surface of the dielectric substrate and a portion of the conductor pattern printed on the lower surface of the dielectric substrate are opposed to each other across the dielectric substrate,
A thin antenna characterized in that feeding phases of the plurality of antenna units are set so as to correspond to a plurality of polarized waves.
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