(57)【要約】【課題】複数本のアンテナを使用するマルチアンテナシステムに適用され、ビームフォーミング、ダイバーシティ、ＭＩＭＯ伝送を両立させることのできる端末用マルチアンテナ装置を提供する。【解決手段】複数の給電点を備えた回路基板と、前記給電点に一端が接続され、他端部が開放された複数の放射素子を備え、前記複数の放射素子は、前記給電点から第１の面内で立ち上がる第１のアンテナ群と、前記給電点から、第１の面と垂直な第２の面内で立ち上がる第２のアンテナ群とを含み、各放射素子は、送受信する信号周波数帯の約１／４波長の電気長を有する。【選択図】図３
2007142878.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の給電点を備えた回路基板と、
前記給電点に一端が接続され、他端部が開放された複数の放射素子
を備え、前記複数の放射素子は、
前記給電点から第１の面内で立ち上がる第１のアンテナ群と、
前記給電点から、第１の面と垂直な第２の面内で立ち上がる第２のアンテナ群と
を含み、
各放射素子は、送受信する信号周波数帯の約１／４波長の電気長を有する
ことを特徴とする端末用マルチアンテナ装置。
【請求項２】
前記放射素子の数をＮとすると、
Ｎが偶数の場合には、前記第１アンテナ群と第２アンテナ群に含まれる放射素子の数はそれぞれＮ／２であり、
Ｎが奇数の場合には、前記第１アンテナ群と第２アンテナ群のいずれか一方の放射素子の数は、（Ｎ−１）／２である
ことを特徴とする請求項１に記載の端末用マルチアンテナ装置。
【請求項３】
前記複数の放射素子のうち、少なくとも両端に位置する放射素子は、同じ面内に配置されることを特徴とする請求項１に記載の端末用マルチアンテナ装置。
【請求項４】
前記給電点の間隔は、前記送受信する信号周波数帯の約１／１０波長の電気長を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の端末用マルチアンテナ装置。
【請求項５】
ダイバーシティ制御部と、
伝搬環境に応じて指向性制御を行う指向性制御部と、
空間的な物理チャネルの並列伝送を行うＭＩＭＯ伝送制御部と、
前記ダイバーシティ制御部、指向性制御部、およびＭＩＭＯ伝送制御部を切り換えるモード選択部を
をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の端末用マルチアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動通信システムの端末に用いて好適なアンテナ装置に関し、特に、複数のアンテナ素子を備えたマルチアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動通信用のマルチアンテナまたはアレーアンテナとして、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を前提としたものが多く検討されている（たとえば、非特許文献１参照）。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。
【０００３】
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。しかし、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、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。
【０００４】
端末用のマルチアンテナとしては、図１に示すように、ＰＤＣ（Personal Digital Cellular）方式の携帯端末で、それぞれ対応する給電点１３１から延びるホイップ形状のアンテナ１３２と、逆Ｆ形状のアンテナ１３３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存在する。逆Ｆ型アンテナ１３３は、筐体１３０の素材によって、筐体１３０の外側または内側に配置される。
【０００５】
しかしながら、図１に示す構成は、既存の無線システムでもっぱら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での適用が検討されているＭＩＭＯ（Multiple Input-Multiple Output）伝送や、ビームフォーミング、ダイバーシティを両立させるアンテナ配置について考慮したものではない。
【０００６】
ＭＩＭＯ伝送では、受信側と送信側で複数のアンテナ素子を使用し、異なるデータを同一周波数に重ねて送信（空間分割多重）することで、周波数帯域を増やすことなく全体として伝送速度を向上できる（たとえば、非特許文献２参照）。
【０００７】
しかし、物理的に複数のアンテナを使用するので、アンテナ間で互いの相関が低くなるように、アンテナ間隔を設定する必要がある。このため、上述したように、アンテナ素子を１／２波長の間隔で配置し、アンテナ素子ごとにビームフォーミングを行なってビーム間の干渉を防止する必要があり、小型化に限界がある。
【０００８】
一方、偏波ダイバーシティでは、一方の偏波（たとえば水平偏波）と、それに交差する偏波（たとえば垂直偏波）のフェージング相関は、アンテナ間隔に依存せずに十分に低い。したがって、二重偏波アンテナ素子を用いることにより、１箇所のアンテナの配置で２ブランチのダイバーシティを構成することができ、アンテナ構成の小型化に適している。偏波ダイバーシティをＭＩＭＯ通信に適用する場合は、基地局とユーザ通信装置の各々に対して、複数の二重偏波アンテナ素子を設定することになる（たとえば、特許文献１参照）。
【０００９】
しかし、携帯端末が多様化して移動側から送信される偏波面が傾くことにより、垂直偏波と水平偏波の受信レベル不等中央値が変動する。垂直偏波あるいは右旋偏波と、水平偏波あるいは左旋偏波の平均受信レベルの差が大きくなると、所要送信Ｅｂ／Ｎ０が増大する。
【非特許文献１】藤本京平、“図解  移動通信用アンテナシステム”、総合電子出版社
【非特許文献２】G.J. Foschini, “Layered Space-Time Architecture for Wireless Communication in a Fading Environment When Using Multiple-element Antennas", Bell Las Tech, Journal Autumn, pp. 41-59, 1996
【特許文献１】特表２００４−５１７５４９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ビームフォーミングやダイバーシティ、ＭＩＭＯ伝送を行うシステムで利用可能な端末用マルチアンテナ装置として、図２に示すように、たとえば、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に、突起状の放射素子を複数、同一平面内に配置する構造が考えられる。具体的には、回路基板（地板）１０の端部に、給電点１１が設定され、各給電点１１から、モノポール形状のアンテナ放射素子１２が、第１の面内に複数配置されている。
【００１１】
このマルチアンテナ構成では、素子間隔が狭く、相互結合の影響が大きいため、十分な利得、通信容量を得ることが難しい。したがって、移動通信システムに適用可能であり、かつ相互結合の影響の小さい端末用マルチアンテナが望まれる。
【００１２】
そこで本発明は、携帯用の無線端末に複数本のアンテナ素子を搭載する場合にも、相互結合の影響が少なく、各アンテナ素子において十分な特性を得られ、システム全体として利得や通信容量を増大することのできる端末用マルチアンテナを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の一態様として提供される端末用マルチアンテナ装置は、
複数の給電点を備えた回路基板と、
前記給電点に一端が接続され、他端部が開放された複数の放射素子
を備え、前記複数の放射素子は、
前記給電点から第１の面内で立ち上がる第１のアンテナ群と、
前記給電点から、前記第１の面に垂直な第２の面内で立ち上がる第２のアンテナ群を含み、
各放射素子は、送受信する信号周波数帯の約１／４波長の電気長を有する。
【００１４】
良好な構成例では、放射素子の数をＮとすると、Ｎが偶数の場合には、前記第１アンテナ群と第２アンテナ群に含まれる放射素子の数はそれぞれＮ／２であり、Ｎが奇数の場合には、前記第１アンテナ群と第２アンテナ群のいずれか一方の放射素子の数は、（Ｎ−１）／２である。
【００１５】
さらに別の構成例では、複数の放射素子のうち、少なくとも両端に位置する放射素子は、同じ面内に配置されている。
【００１６】
小型化に適した構成例として、給電点の間隔は、送受信する信号周波数帯の約１／１０波長の電気長を有する。
【００１７】
さらに別の好ましい構成例として、端末用アンテナ装置は、ダイバーシティ制御部と、伝搬環境に応じて指向性制御を行う指向性制御部と、空間的な物理チャネルの並列伝送を行うＭＩＭＯ伝送制御部と、前記ダイバーシティ制御部、指向性制御部、ＭＩＭＯ伝送制御部を切り換えるモード選択部とをさらに備える。
【００１８】
この構成により、ダイバーシティ、ビームフォーミング、ＭＩＭＯ伝送を適宜切り換えることができる。
【発明の効果】
【００１９】
複数の放射素子を、それぞれ直交する２つの面内に配置することにより、利得と伝送容量を十分に増大することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の良好な実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００２１】
図３（ａ）は、本発明の一実施形態に係る直交配置型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。回路基板（地板）１０の端部に沿って、複数の給電点１１が設けられている。給電点１１には、それぞれ対応する複数の放射素子１２の一端側が接続されている。各放射素子１２の他端部は開放され、各放射素子１２は、送受信する信号周波数帯の約１／４波長の電気長を有する。放射素子は、第１の面に配置される第１アンテナ群を構成する放射素子１２−１と、第１の面と直交する第２の面に配置される第２アンテナ群を構成する放射素子１２−２を含む。
【００２２】
放射素子の数をＮとすると、Ｎが偶数の場合は、第１の面に配置される放射素子１２−１の数と、第２の面に配置される放射素子１２−２の数は、それぞれＮ／２である。
【００２３】
放射素子の数Ｎが奇数の場合は、第１の面に配置される放射素子１２−１と、第２の面に配置される放射素子１２−２のいずれか一方の数は、（Ｎ−１）／２である。
【００２４】
図３の例では、放射素子の数は４であり、第１の面となるｚ−ｘ面内に、外側の２本のアンテナが給電点１１から立ち上がっており、第２の面となるｘ−ｙ面内に、内側の２本のアンテナが給電点１１から伸びている。
【００２５】
図４は、図３（ａ）に示す直交配置型の端末用マルチアンテナ装置と、図２に示す一般に考えられる端末用マルチアンテナ装置の放射効率を比較したグラフである。ハッチングで示すグラフは、図３（ａ）の端末用マルチアンテナ装置を、図３（ｂ）に示す２枚の金属板３０で模擬したノート型ＰＣに適用し、モーメント法による数値計算を用いて、各放射素子１２（ＡＮＴ１、ＡＮＴ２、ＡＮＴ３、ＡＮＴ４）の放射効率を算出したものである。比較例としての白のグラフは、図２の端末用マルチアンテナ装置を、同様にして２枚の金属板３０で模擬したノート型ＰＣに適用して、同一平面内に配置された各放射素子１２の放射効率を算出したものである。条件を同じくするために、図２のマルチアンテナ装置でも、各放射素子１２は、送受信する信号周波数帯の約１／４波長の電気長を有している。
【００２６】
図４から、本発明の実施形態では、アンテナ素子（放射素子）１２の数を４本とした場合に、すべてのアンテナの放射効率が−４ｄＢ以上であり、かつ、全体として均一な放射効率を有することがわかる。
【００２７】
一方、図２の一般的なマルチアンテナ構成では、両端のアンテナ素子ＡＮＴ１、ＡＮＴ４でかろうじて−４ｄＢを満たすものの、内側のアンテナ素子ＡＴＮ２，ＡＮＴ３で、放射効率が著しく劣る。換言すると、実施形態のマルチアンテナ構成では、従来構成と比較して相互結合の影響が小さいため、平均して、放射効率が２ｄＢ向上することが確認できる。
【００２８】
これは、互いに直交する異なる面内に放射素子を配置することにより、アンテナの放射端間の距離を十分に確保できることに加え、放射素子および基板に生じる電流がアンテナ間で異なることの効果が加わり、相互結合の影響を低減できるからである。
【００２９】
図５は、図３（ａ）に示す直交配置型のマルチアンテナ装置の適用例１を示す図である。この適用例では、放射素子３２は、モノポール形状の線状アンテナ素子であり、回路基板（地板）５０に設けられる給電点５１から、第１の面内に延びる放射素子３２−１と、第１の面に直交する第２の面内に延びる放射素子３２−２を含む。放射素子３２は、送受信する周波数帯の約１／４波長の電気長を有するのが好ましい。この構成は、図４のグラフに示すのと同様に、高い放射効率を達成する。
【００３０】
図６は、図３（ａ）に示す直交配置型のマルチアンテナ装置の適用例２を示す図である。この適用例では、放射素子４２は、Ｌ字形状のアンテナ素子であり、回路基板（地板）６０に設けられた給電点６１から、第１の面内に立ち上がる放射素子４２−１と、給電点６１から第１の面に直交する第２の面内に延びる放射素子４２−２を含む。放射素子４２をＬ字形状とすることで、アンテナを低姿勢にすることができ、アンテナ素子４２を端末の筐体（不図示）に内蔵することが可能になる。
【００３１】
図７は、図３（ａ）に示す直交配置型マルチアンテナ装置の適用例３を示す図である。この適用例では、放射素子はメアンダまたは櫛歯形状の放射素子を有する。図７（ａ）の例では、回路基板（地板）７０に設けられた給電点７１から、第１の面内に立ち上がる放射素子５２−１と、第１の面に直交する第２の面内に延びる放射素子５２−２を含む。放射素子５２をメアンダまたは櫛歯形状にすることで、放射素子の電気長を変えずに、第１の面に配置される放射素子５２−１を低姿勢にすることができ、端末の筐体（不図示）への内蔵が可能になる。
【００３２】
図７（ｂ）の例では、第１の面に配置される放射素子６２−１のうち、メアンダまたは櫛歯の部分を、回路基板７０と平行になるように、かつ、第２の面内に配置される放射素子５２−２と逆方向を向くように折り曲げる。この構成により、給電点７１から第１の面内に立ち上がる放射素子６２−１の姿勢をさらに低くでき、薄いカード型端末の内部にも容易に収容することができる。
【００３３】
この場合、両端のアンテナ素子の放射効率がわずかに低減することもあり得るが、図２の一般的なマルチアンテナ構成に比較すると、十分に改善された放射効率を有する。
【００３４】
図８は、図３（ａ）に示す直交配置型マルチアンテナ装置の適用例４を示す図である。この適用例では、先端に薄片を有するフラグ形状の放射素子を有する。図８（ａ）の例では、回路基板（地板）８０に設けられた給電点８１から、第１の面内に立ち上がる放射素子７２−１と、第１の面に直交する第２の面内に延びる放射素子７２−２を含む。放射素子７２の放射端を板状の薄片とすることで、放射素子の電気長を変えずに、第１の面に配置される放射素子７２−１を低姿勢にすることができ、端末の筐体（不図示）への内蔵が可能になる。
【００３５】
図８（ｂ）の例では、第１の面に配置される放射素子８２−１のうち、薄片の部分を、回路基板８０と平行になるように、かつ、第２の面内に配置される放射素子７２−２と逆方向を向くように折り曲げる。この構成により、給電点８１から第１の面内に立ち上がる放射素子８２−１の姿勢をさらに低くでき、薄いカード型端末の内部にも容易に収容することができる。
【００３６】
図９は、図３（ａ）の直交配置型のマルチアンテナ装置の変形例を示す。この例では、回路基板１０に設けられる給電点１１の間隔を、送受信する信号周波数帯の約１／１０波長の電気長としている。給電点１１の間隔を狭くすることで、アンテナ容積を低減でき、端末筐体を小型化することが可能になる。
【００３７】
上述したいずれのマルチアンテナ装置も、ビームフォーミング、ダイバーシティ、またはＭＩＭＯ伝送に適用することができる。いずれのマルチアンテナ装置も、互いに直交する第１および第２の面内に配置される第１アンテナ群と第２アンテナ群を有するので、各アンテナ（放射素子）において、高い放射効率が得られる。その結果、ビームフォーミング利得の増大効果、ダイバーシティ利得の増大効果、ＭＩＭＯ伝送容量の増大効果を得ることができる。
【００３８】
図１０は、本発明の実施形態に係る直交配置型のマルチアンテナ装置と、同一平面内に放射素子が配置される一般的なマルチアンテナ装置における、ビームフォーミングによる利得向上効果を比較したグラフである。具体的には、図５に示すモノポールアンテナ素子を用いたマルチアンテナデバイスと、同じモノポールアンテナ素子をすべて同一平面（第２の面）内に配置した従来構成とを比較したものである。
【００３９】
図１０に示すように、従来構成では、アンテナ素子間の相互結合の影響が大きいため、利得向上は０ｄＢとなり、ほとんど向上効果が見込めないが、実施形態のマルチアンテナ装置では、ビームフォーミングによる利得が３ｄＢ近く向上している。
【００４０】
図１１は、本発明の実施形態に係る直交配置型の端末用マルチアンテナ装置と、同一平面内に放射素子が配置される一般的な端末用マルチアンテナ装置における、相関係数の最大値を比較したグラフである。ここでも、図５に示すモノポールアンテナ素子を用いている。
【００４１】
一般に、ダイバーシティ構成のアンテナについては、所望のダイバーシティ利得を得るために相関係数を０．５以下とする必要があることが知られているが（非特許文献１参照）、実施形態のような直交配置型のマルチアンテナ構成とすると、相関係数が０．１以下と、非常に小さくすることができる。これに比べ、従来構成では、相関係数が０．５近くあり、ダイバーシティ利得の劣化が懸念される。
【００４２】
図１２は、本発明の実施形態に係る直交配置型の端末用マルチアンテナ装置と、同一平面内に放射素子が配置される一般的な端末用マルチアンテナ装置における、ＭＩＭＯ伝送容量の増大効果を比較したグラフである。ここでも、図５に示すモノポールアンテナ素子を用いている。
【００４３】
図１２に示すように、従来構成では、アンテナ素子間の相互結合の影響が大きいため、ＭＩＭＯ伝送を行なったとしても約１．３倍までしか伝送容量が増大しないのに対し、実施形態の端末用マルチアンテナ構成では、１．７倍にまで伝送容量が増大する。
【００４４】
このように、互いに直交する面内に複数のアンテナ素子（放射素子）をそれぞれ配置することによって相互結合の影響が効果的に低減され、ビームフォーミングによる利得向上、ダイバーシティ利得、ＭＩＭＯ伝送による容量増大のすべてにおいて、効果が得られることがわかる。
【００４５】
そこで、図１３に示すように、端末用マルチアンテナ装置１に、ダイバーシティ制御部９２、指向性制御部９３、ＭＩＭＯ伝送制御部９４を設け、モード選択部９１で切り換える構成を採用することもできる。すなわち、ダイバーシティと、通信を行なう周辺の伝搬環境に応じて指向性制御を行うマルチフォーミングと、空間的な物理チャネルの並列伝送により情報転送速度を向上させるＭＩＭＯ伝送とを適宜切り換えて使用することにより、全体としてさらに利得や容量を増大させることができる。
【００４６】
なお、図示の都合上、複数の放射素子１２を同一平面内に描いてあるが、これらの
放射素子１２は、第１の面内に配置される第１アンテナ群を構成する放射素子１２−１と、第１の面と垂直な第２の面内に配置される第２のアンテナ群を構成する放射素子１２−２を含んでいる。
【００４７】
端末用マルチアンテナ装置１をカード型にする場合は、モード切り替え部９２をコンピュータ本体（不図示）側に設けてもよい。また、ダイバーシティ制御部９２、指向性制御部９３、ＭＩＭＯ伝送制御部９４、およびモード選択部９１全体を、コンピュータ本体側に設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】既存システムで用いられる従来の端末用マルチアンテナの一例を示す概略図である。
【図２】ＭＩＭＯ伝送システムで利用可能な端末用マルチアンテナの一例を示す図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明の実施形態に係る直交配置型マルチアンテナ構成を示す概略図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のマルチアンテナ構成を、２枚の金属板で模擬されるノート型ＰＣに適用する例を示す概略図である。
【図４】実施形態のマルチアンテナ装置を構成する各アンテナの放射効率の向上効果を、従来のマルチアンテナ構成と比較して示すグラフである。
【図５】図３（ａ）に示す直交配置型マルチアンテナ構成の適用例１を示す図である。
【図６】図３（ａ）に示す直交配置型マルチアンテナ構成の適用例２を示す図である。
【図７】図３（ａ）に示す直交配置型マルチアンテナ構成の適用例３を示す図である。
【図８】図３（ａ）に示す直交配置型マルチアンテナ構成の適用例４を示す図である。
【図９】図４に示す直交配置型マルチアンテナ構成の変形例を示す概略図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る端末用マルチアンテナ装置のビームフォーミングによる利得増大効果を、従来構成と比較して示すグラフである。
【図１１】本発明の実施形態に係る端末用マルチアンテナ装置のダイバーシティ構成時の相関係数を、従来構成と比較して示すグラフである。
【図１２】本発明の実施形態に係る端末用マルチアンテナ装置のＭＩＭＯ伝送による容量増大効果を、従来構成と比較して示すグラフである。
【図１３】本発明の別の実施形態に係る端末用マルチアンテナ装置の概略ブロック図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  端末用マルチアンテナ装置
１０、５０、６０、７０、８０  回路基板（地板）
１１、５１、６１、７１、８１  給電点
１２−１、３２−１、４２−１、５２−１、６２−１、７２−１、８２−１  第１のアンテナ群を構成する放射素子
１２−２、３２−２、４２−２、５２−２、７２−２  第２のアンテナ群を構成する放射素子
９１  モード選択部
９２  ダイバーシティ制御部
９３  指向性制御部
９４  ＭＩＭＯ伝送制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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