JP6787415B2 - 平面アンテナ及びアンテナエレメント間の結合低減方法 - Google Patents
平面アンテナ及びアンテナエレメント間の結合低減方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、平面アンテナ及びアンテナエレメント間の結合低減方法に関する。
近年、周波数の利用効率を向上させるためにMultiple Input Multiple Output（ＭＩＭＯ）方式が利用されている。このＭＩＭＯ方式によって通信する端末は、複数のアンテナを備えており、端末と基地局との間で複数のチャネルを同時に用いて通信することができる。
しかし、端末が複数のアンテナを備えていると、アンテナ間の結合により、受信性能が低下するという問題がある。例えば、２個のアンテナを備えている端末の場合、一方のアンテナから送信された信号を他方のアンテナが受信してしまうことにより、他方のアンテナの受信性能が低下することがある。すなわち、アンテナ間に結合が生じることにより、アンテナ間の相関が高くなり、ＭＩＭＯ方式における通信のスループットの低下を招く恐れがある。
しかし、端末が複数のアンテナを備えていると、アンテナ間の結合により、受信性能が低下するという問題がある。例えば、２個のアンテナを備えている端末の場合、一方のアンテナから送信された信号を他方のアンテナが受信してしまうことにより、他方のアンテナの受信性能が低下することがある。すなわち、アンテナ間に結合が生じることにより、アンテナ間の相関が高くなり、ＭＩＭＯ方式における通信のスループットの低下を招く恐れがある。
上述した理由により、ＭＩＭＯ方式における複数のアンテナ間の結合が低いほど、すなわちアンテナ間の相関が「０」に近い方が好ましい。
また、グランド励振型のアンテナは低姿勢でありながら、高いアンテナゲインを確保することが可能である。一方、このグランド励振型のアンテナはグランドを介してアンテナ間の結合が生じやすいという欠点を有している。
また、グランド励振型のアンテナは低姿勢でありながら、高いアンテナゲインを確保することが可能である。一方、このグランド励振型のアンテナはグランドを介してアンテナ間の結合が生じやすいという欠点を有している。
このため、メタマテリアル構造の一種であるスプリットリングリゾネータ（ＳＲＲ；Split-ring resonator）をアンテナ間に設けることにより、アンテナ間の結合を抑制する構成がある（例えば、非特許文献１参照）。
また、メタマテリアル構造として、マッシュルーム構造を用いた電磁バンドギャップ構造をアンテナ間に設けて、アンテナ間の結合を抑制する構成がある（例えば、非特許文献２参照）。
すなわち、上記メタマテリアル構造により、電磁波のエネルギーを吸収することで、アンテナ間において一方から他方への電磁波の伝搬を抑制し、アンテナ間における結合を低減させることができる。
また、メタマテリアル構造として、マッシュルーム構造を用いた電磁バンドギャップ構造をアンテナ間に設けて、アンテナ間の結合を抑制する構成がある（例えば、非特許文献２参照）。
すなわち、上記メタマテリアル構造により、電磁波のエネルギーを吸収することで、アンテナ間において一方から他方への電磁波の伝搬を抑制し、アンテナ間における結合を低減させることができる。
Dimitra A. Ketzaki, Traianos V. Yioultsis; Metamaterial-Based Design of Planer Compact MIMO Monopoles,IEEE Trans. Antennas Propagation, Vol.61, No.5, pp.2758-2766, May 2013.
伊藤淳、道下尚文、森下久；マッシュルーム構造を用いた逆Ｆアンテナ間の相互結合抑制法、電子情報通信学会論文誌．Ｂ、通信 J92-B、No.6、pp.930-937、2009
しかしながら、上述した電磁バンドギャップ構造などのメタマテリアル構造を用いた場合、メタマテリアル構造の複数個のセルをアンテナ間に周期的に配置する必要がある。このため、メタマテリアル構造の配置面積の増加により、アンテナ基板の面積が増大してしまう。そのため、１枚の誘電体基板上に複数のアンテナを形成し、アンテナを小さくするという本来の目的が達成できなくなる。
また、メタマテリアル構造の設計は、共振周波数の調整などの複雑な作業が必要となり、かつ電磁界シミュレータなどのツールを用いた設計が必要となり、処理工程に時間がかかる。
また、メタマテリアル構造の設計は、共振周波数の調整などの複雑な作業が必要となり、かつ電磁界シミュレータなどのツールを用いた設計が必要となり、処理工程に時間がかかる。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、平面アンテナの面積を増大させずに同一周波数帯のアンテナ間の結合を低減できる平面アンテナ及びアンテナエレメント間の結合低減方法を提供する。
上述した課題を解決するために、本発明の平面アンテナは、同一の周波数帯で電磁波を放射する複数のアンテナエレメントと、当該アンテナエレメントの各々の間に設けられた無給電アンテナエレメントとが形成された第１層と、グランドプレーンが形成される第２層と、前記第１層と前記第２層との間に形成された誘電体からなる第３層と、前記アンテナエレメントを構成するパターンにおける第１アンテナパターンを直流的に前記グランドプレーンに接続する前記第３層に形成されるビアホールとを備え、前記第１アンテナパターンの対向する辺の各々に対して、それぞれ個別の前記無給電アンテナエレメントが対向して設けられており、当該無給電アンテナエレメントが、前記グランドプレーンに接続されていないことを特徴とする。
本発明の平面アンテナは、前記第１エレメントパターンの長辺と前記無給電アンテナエレメントの第２アンテナパターンの長辺とが対向して設けられていることを特徴とする。
本発明の平面アンテナは、前記第１エレメントパターンの長辺と前記無給電アンテナエレメントの第２アンテナパターンの長辺とが対向して設けられていることを特徴とする。
本発明の平面アンテナは、前記無給電アンテナエレメントが前記周波数帯に対して誘導性リアクタンスを有する長さであり、このリアクタンス値と、前記アンテナエレメントとの間の間隙により形成されるギャップ容量の容量値とによる共振周波数が前記周波数帯であることを特徴とする。
本発明の平面アンテナは、前記無給電アンテナエレメントが、前記アンテナエレメントの放射する電波の周波数帯で共振することにより、前記アンテナエレメントの各々の間における前記グランドを介して伝搬する電磁波のエネルギーを低減することを特徴とする。
本発明の平面アンテナは、前記無給電アンテナエレメントを、前記アンテナエレメントの前記周波数帯に対して誘導性リアクタンスとなる長さで形成することで、前記アンテナエレメントの前記周波数帯に対応した共振器とすることを特徴とする。
本発明の平面アンテナは、前記無給電アンテナエレメントが、Ｌ字形状に形成されていることを特徴とする。
本発明の平面アンテナは、前記Ｌ字形状の無給電アンテナエレメントにおいて、前記アンテナエレメントの各々の間に配置される一のパターン部分の幅より、当該一のパターンと直角に形成される他のパターン部分の幅が太いことを特徴とする。
本発明の平面アンテナは、前記無給電アンテナエレメントの長さが、前記周波数帯の波長λに対して、λ／４からλ／２であることを特徴とする。
本発明の平面アンテナは、前記無給電アンテナエレメントが、前記アンテナエレメントの外周部分に沿って形成されていることを特徴とする。
本発明の平面アンテナは、前記無給電アンテナエレメントが、複数のサブ無給電アンテナエレメントに分離して設けられ、当該サブ無給電アンテナエレメントの各々がギャップ容量で結合していることを特徴とする。
本発明のアンテナエレメント間の結合低減方法は、同一の周波数帯で電磁波を放射する複数のアンテナエレメントと、当該アンテナエレメントの各々の間に設けられた無給電アンテナエレメントとが形成された第１層と、グランドプレーンが形成される第２層と、前記第１層と前記第２層との間に形成された誘電体からなる第３層と、前記アンテナエレメントを構成するパターンにおける第１アンテナパターンを直流的に前記グランドプレーンに接続する前記第３層に形成されるビアホールとを備え、前記第１アンテナパターンと前記無給電アンテナエレメントとが対向して設けられている平面アンテナにおいて、同一の周波数帯で電磁波を放射する前記アンテナエレメントの各々の間における結合低減方法であり、前記第１アンテナパターンの対向する辺の各々に対して、それぞれ個別の前記無給電アンテナエレメントを対向して配置し、当該無給電アンテナエレメントが前記グランドプレーンに接続されておらず、前記無給電アンテナエレメントにより、前記アンテナエレメントの各々の間の結合を低減させることを特徴とする。
以上説明したように、本発明によれば、アンテナ間に無給電アンテナエレメントを介挿する簡易な構成を用いることで、平面アンテナの面積を増大させずに、グランドに接続されたパターンを励振するアンテナから、隣接するアンテナに対してグランドを介して伝搬する電磁波のエネルギーを低減させることができる。このため、電磁波の伝搬をメタマテリアル構造を用いて抑制するよりも簡易に、隣接するアンテナ間の結合を低減することが可能となる。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の本実施形態による誘電基板上にＭＩＭＯアンテナとして形成した平面アンテナの構成例を示す平面図である。この図１は、後述する本発明における平面アンテナ（ＭＩＭＯアンテナ）の基本構成の概念図である図１２の構成を、以下に示す実施形態に対応させてより具体化したものである。
平面アンテナ１は、誘電体基板３上に形成されているアンテナエレメント１１、アンテナエレメント１２、アンテナエレメント１３、アンテナエレメント１４、アンテナエレメント１５及びアンテナエレメント１６の各々の６個のアンテナエレメントを備えている。
アンテナエレメント１１、アンテナエレメント１３及びアンテナエレメント１５の各々は、５ＧＨｚ帯のＭＩＭＯアンテナである。また、アンテナエレメント１２、アンテナエレメント１４及びアンテナエレメント１６の各々は、２．４ＧＨｚ帯のＭＩＭＯアンテナである。
図１は、本発明の本実施形態による誘電基板上にＭＩＭＯアンテナとして形成した平面アンテナの構成例を示す平面図である。この図１は、後述する本発明における平面アンテナ（ＭＩＭＯアンテナ）の基本構成の概念図である図１２の構成を、以下に示す実施形態に対応させてより具体化したものである。
平面アンテナ１は、誘電体基板３上に形成されているアンテナエレメント１１、アンテナエレメント１２、アンテナエレメント１３、アンテナエレメント１４、アンテナエレメント１５及びアンテナエレメント１６の各々の６個のアンテナエレメントを備えている。
アンテナエレメント１１、アンテナエレメント１３及びアンテナエレメント１５の各々は、５ＧＨｚ帯のＭＩＭＯアンテナである。また、アンテナエレメント１２、アンテナエレメント１４及びアンテナエレメント１６の各々は、２．４ＧＨｚ帯のＭＩＭＯアンテナである。
本実施形態においては、後述するように、アンテナエレメント間における電磁波の伝搬を抑制するため同一の周波数帯のアンテナエレメント（アンテナエレメント１１、アンテナエレメント１３、アンテナエレメント１５の５ＧＨｚ帯のアンテナエレメント、あるいはアンテナエレメント１２、アンテナエレメント１４、アンテナエレメント１６の２．４ＧＨｚ帯のアンテナエレメント）である隣接するアンテナエレメント間に無給電アンテナエレメントが設けられている。
この無給電アンテナエレメントは、モノポールアンテナ、ダイポールアンテナなどのいずれを用いても良い。すなわち、アンテナエレメントと無給電アンテナエレメントとの容量結合におけるギャップ容量の容量値と無給電アンテナの誘導性リアクタンスとによる共振周波数が、アンテナエレメントの周波数帯域となる形状に構成されていれば、どのような種類あるいは形状の無給電アンテナエレメントを用いても良い。本実施形態においては、この無給電アンテナエレメントの一例として、以下に示すようにモノポールアンテナ（寄生モノポールアンテナ）を用いている。
この無給電アンテナエレメントは、モノポールアンテナ、ダイポールアンテナなどのいずれを用いても良い。すなわち、アンテナエレメントと無給電アンテナエレメントとの容量結合におけるギャップ容量の容量値と無給電アンテナの誘導性リアクタンスとによる共振周波数が、アンテナエレメントの周波数帯域となる形状に構成されていれば、どのような種類あるいは形状の無給電アンテナエレメントを用いても良い。本実施形態においては、この無給電アンテナエレメントの一例として、以下に示すようにモノポールアンテナ（寄生モノポールアンテナ）を用いている。
アンテナエレメント１１とアンテナエレメント１３との間には、寄生モノポールアンテナ２１が設けられている。この寄生モノポールアンテナ２１は、アンテナエレメント１１及びアンテナエレメント１３の間における電磁波の伝搬を抑制し、アンテナエレメント１１とアンテナエレメント１３との結合を低減させる。
アンテナエレメント１３とアンテナエレメント１５との間には、寄生モノポールアンテナ２３が設けられている。この寄生モノポールアンテナ２３は、アンテナエレメント１３からアンテナエレメント１５への電磁波の伝搬を抑制し、アンテナエレメント１３とアンテナエレメント１５との結合を低減させる。
アンテナエレメント１３とアンテナエレメント１５との間には、寄生モノポールアンテナ２５が設けられている。この寄生モノポールアンテナ２５は、アンテナエレメント１５からアンテナエレメント１３への電磁波の伝搬を抑制し、アンテナエレメント１３とアンテナエレメント１５との結合を低減させる。ここで、寄生モノポールアンテナ２３と寄生モノポールアンテナ２５は、アンテナエレメント１３とアンテナエレメント１５との間に設けられる場合を例示している。アンテナエレメント１３と寄生モノポールアンテナ２３との距離は、アンテナエレメント１３と寄生モノポールアンテナ２５との距離よりも短い。また、アンテナエレメント１５と寄生モノポールアンテナ２５との距離は、アンテナエレメント１５と寄生モノポールアンテナ２３との距離よりも短い。
アンテナエレメント１３とアンテナエレメント１５との間には、寄生モノポールアンテナ２３が設けられている。この寄生モノポールアンテナ２３は、アンテナエレメント１３からアンテナエレメント１５への電磁波の伝搬を抑制し、アンテナエレメント１３とアンテナエレメント１５との結合を低減させる。
アンテナエレメント１３とアンテナエレメント１５との間には、寄生モノポールアンテナ２５が設けられている。この寄生モノポールアンテナ２５は、アンテナエレメント１５からアンテナエレメント１３への電磁波の伝搬を抑制し、アンテナエレメント１３とアンテナエレメント１５との結合を低減させる。ここで、寄生モノポールアンテナ２３と寄生モノポールアンテナ２５は、アンテナエレメント１３とアンテナエレメント１５との間に設けられる場合を例示している。アンテナエレメント１３と寄生モノポールアンテナ２３との距離は、アンテナエレメント１３と寄生モノポールアンテナ２５との距離よりも短い。また、アンテナエレメント１５と寄生モノポールアンテナ２５との距離は、アンテナエレメント１５と寄生モノポールアンテナ２３との距離よりも短い。
また、アンテナエレメント１２とアンテナエレメント１４との間には、寄生モノポールアンテナ２２が設けられている。この寄生モノポールアンテナ２２は、アンテナエレメント１２からアンテナエレメント１４への電磁波の伝搬を抑制し、アンテナエレメント１２とアンテナエレメント１４との結合を低減させる。
また、アンテナエレメント１２とアンテナエレメント１４との間には、寄生モノポールアンテナ２４が設けられている。この寄生モノポールアンテナ２４は、アンテナエレメント１４からアンテナエレメント１２への電磁波の伝搬を抑制し、アンテナエレメント１２とアンテナエレメント１４との結合を低減させる。
アンテナエレメント１２とアンテナエレメント１６との間には、寄生モノポールアンテナ２６が設けられている。この寄生モノポールアンテナ２６は、アンテナエレメント１２及びアンテナエレメント１６間における電磁波の伝搬を抑制し、アンテナエレメント１２とアンテナエレメント１６との結合を低減させる。ここで、寄生モノポールアンテナ２４と寄生モノポールアンテナ２２は、アンテナエレメント１４とアンテナエレメント１２との間に設けられる場合を例示している。アンテナエレメント１４と寄生モノポールアンテナ２４との距離は、アンテナエレメント１４と寄生モノポールアンテナ２２との距離よりも短い。また、アンテナエレメント１２と寄生モノポールアンテナ２２との距離は、アンテナエレメント１２と寄生モノポールアンテナ２４との距離よりも短い。
また、アンテナエレメント１２とアンテナエレメント１４との間には、寄生モノポールアンテナ２４が設けられている。この寄生モノポールアンテナ２４は、アンテナエレメント１４からアンテナエレメント１２への電磁波の伝搬を抑制し、アンテナエレメント１２とアンテナエレメント１４との結合を低減させる。
アンテナエレメント１２とアンテナエレメント１６との間には、寄生モノポールアンテナ２６が設けられている。この寄生モノポールアンテナ２６は、アンテナエレメント１２及びアンテナエレメント１６間における電磁波の伝搬を抑制し、アンテナエレメント１２とアンテナエレメント１６との結合を低減させる。ここで、寄生モノポールアンテナ２４と寄生モノポールアンテナ２２は、アンテナエレメント１４とアンテナエレメント１２との間に設けられる場合を例示している。アンテナエレメント１４と寄生モノポールアンテナ２４との距離は、アンテナエレメント１４と寄生モノポールアンテナ２２との距離よりも短い。また、アンテナエレメント１２と寄生モノポールアンテナ２２との距離は、アンテナエレメント１２と寄生モノポールアンテナ２４との距離よりも短い。
図１においては、周波数帯域２．４ＧＨｚに対し、３×３のＭＩＭＯに対応して３個のアンテナエレメントが設けられている。同様に、周波数帯域５ＧＨｚに対し、３×３のＭＩＭＯに対応して３個のアンテナエレメントが設けられている。しかしながら、周波数帯域２．４ＧＨｚ及び周波数帯域２．４ＧＨｚの各々において、２×２のＭＩＭＯに対応して２個のアンテナエレメントが設けられている構成でも良い。
また、周波数帯域２．４ＧＨｚのアンテナエレメントが１個、周波数帯域５ＧＨｚのアンテナエレメントが１個である１×１の場合、上述した寄生モノポールアンテナによる同一周波数の２個のアンテナエレメント間の減結合を行う必要がない。この場合、１×１の場合において、寄生モノポールアンテナは、誘電体基板３におけるグランド（図２におけるレイヤー３３）での電磁波の伝搬による高周波電流の広がりを抑制する働きをする。
また、周波数帯域２．４ＧＨｚのアンテナエレメントが１個、周波数帯域５ＧＨｚのアンテナエレメントが１個である１×１の場合、上述した寄生モノポールアンテナによる同一周波数の２個のアンテナエレメント間の減結合を行う必要がない。この場合、１×１の場合において、寄生モノポールアンテナは、誘電体基板３におけるグランド（図２におけるレイヤー３３）での電磁波の伝搬による高周波電流の広がりを抑制する働きをする。
図２は、図１における誘電体基板３の断面構造を示す図である。本実施形態における誘電体基板３は、レイヤー３１、レイヤー３２、レイヤー３３、補強誘電体層３４及びコア基板３５を備えている。すなわち、コア基板３５の表面には、例えば、厚さ３５μｍの銅箔からなるレイヤー３２が形成されている。コア基板３５の裏面には、例えば、厚さ３５μｍの銅箔からなるレイヤー３３が形成されている。レイヤー３２の表面には、プレプレグとしての補強誘電体層３４が形成されている。補強誘電体層３４の表面には、例えば、厚さ３５μｍの銅箔からなるレイヤー３１が形成されている。また、補強誘電体層３４は、例えば、比誘電率が４．３であり、厚さが０．２ｍｍである。コア基板３５は、例えば、比誘電率が４．３であり、厚さが０．４ｍｍである。
レイヤー３３の裏面には、さらに他の層が追加されていても良い。本実施形態においては、レイヤー３３を基準プレーン、すなわちグランドプレーンとして、アンテナエレメント１１からアンテナエレメント１６の各々を、レイヤー３１の銅箔をパターンニングして形成している。アンテナエレメント１１からアンテナエレメント１６の各々に対しては、電磁波を放射するための給電を、レイヤー３１から行っている。また、レイヤー３２の銅箔は全面において除去してある。
図３は、図１におけるアンテナエレメント１４とアンテナエレメント１４に対して設けられた寄生モノポールアンテナ２４の構成例を示す図である。図３において、図１に示すアンテナエレメント１２、アンテナエレメント１４、アンテナエレメント１６の３個はほぼ同様の構成である。このため、これらから構成されるＭＩＭＯアンテナから、代表としてアンテナエレメント１４の構成を図３を用いて説明する。
アンテナエレメント１４は、電磁界を放射するメインエレメント（領域Ａの部分）の外寸が３４．５ｍｍ（図１のＹ軸方向）×１１ｍｍ（図１のＸ軸方向）である。
アンテナエレメント１４は、給電点１４１から給電パターン１４３を介して、エレメントパターン１４２Ｒ及びエレメントパターン１４２Ｌに対して接続されている。また、エレメントパターン１４２Ｒは、一方の端部が給電パターン１４３と接続されており、他の端部がエレメントパターン１４２ＲＣの一方の端部に接続されている。
アンテナエレメント１４は、電磁界を放射するメインエレメント（領域Ａの部分）の外寸が３４．５ｍｍ（図１のＹ軸方向）×１１ｍｍ（図１のＸ軸方向）である。
アンテナエレメント１４は、給電点１４１から給電パターン１４３を介して、エレメントパターン１４２Ｒ及びエレメントパターン１４２Ｌに対して接続されている。また、エレメントパターン１４２Ｒは、一方の端部が給電パターン１４３と接続されており、他の端部がエレメントパターン１４２ＲＣの一方の端部に接続されている。
エレメントパターン１４２Ｌは、一方の端部が給電パターン１４３と接続されており、他の端部がエレメントパターン１４２ＬＣの一方の端部に接続されている。エレメントパターン１４２ＲＣ及びエレメントパターン１４２ＬＣの各々は、ビアホール１４４により、図２におけるレイヤー３３に接続されている。ビアホール１４４は、エレメントパターン１４２ＲＣの一方の端部から他方の端部にわたって、略等間隔に複数設けられる。また、ビアホール１４４は、同様にエレメントパターン１４２ＬＣの一方の端部から他方の端部にわたって、略等間隔に複数設けられる。グラウンドパッド１４０は、ビアホール１４５によりレイヤー３３に接続されている。このグラウンドパッド１４０は、給電点１４１の近傍に設けられている。
寄生モノポールアンテナ２４は、アンテナエレメント１４の周波数帯域である２．４ＧＨｚを共振周波数とする共振器である。
このため、寄生モノポールアンテナ２４は、特性が誘導性リアクタンスとなる長さに形成される必要がある。このため、アンテナエレメント１４の波長がλＬとすると、寄生モノポールアンテナ２４の長さは、λＬ／４より長くλＬ／２より短くする必要がある。本実施形態においては、λＬ／４の１．３倍から１．５倍の長さとし、約λＬ／３としている。寄生モノポールアンテナ２４は、上述したように特性が誘導性リアクタンスとなる長さであれば、屈曲した形状でもよい。
このため、寄生モノポールアンテナ２４は、特性が誘導性リアクタンスとなる長さに形成される必要がある。このため、アンテナエレメント１４の波長がλＬとすると、寄生モノポールアンテナ２４の長さは、λＬ／４より長くλＬ／２より短くする必要がある。本実施形態においては、λＬ／４の１．３倍から１．５倍の長さとし、約λＬ／３としている。寄生モノポールアンテナ２４は、上述したように特性が誘導性リアクタンスとなる長さであれば、屈曲した形状でもよい。
図３において、アンテナエレメント２４は、屈曲した位置を基準として、アンテナエレメント２４１とアンテナエレメント２４２とを含んで構成されている。アンテナエレメント１４の周波数帯域が２．４ＧＨｚであり、波長短縮率を７０％とするとλＬ＝８５．４ｍｍである。このため、寄生モノポールアンテナ２４の長さは、アンテナパターン２４１の長さ１６ｍｍと、アンテナパターン２４２の長さ１３．５ｍｍを加算した長さである２９．５ｍｍである。このアンテナパターン２４１及びアンテナパターン２４２を加算した長さである２９．５ｍｍは、約λＬ／２．９に対応する。
また、寄生モノポールアンテナ２４は、アンテナエレメント１４の近傍において、同一の周波数帯域の他のアンテナエレメント（図１におけるアンテナエレメント１２）の間に設けられている。また、寄生モノポールアンテナ２４は、Ｌ字形状をしており、アンテナパターン２４２に対してアンテナパターン２４１が直角に接続されている。アンテナパターン２４１は幅が０．５ｍｍであり、アンテナパターン２４２は幅が１ｍｍである。
寄生モノポールアンテナ２４におけるアンテナパターン２４１は、長辺がアンテナエレメント１４２ＬＣの長辺と平行となるように設けられている。アンテナパターン２４１とアンテナエレメント１４２ＬＣとの間隙の距離は、λＬ／４０以下の数値で設定される。
寄生モノポールアンテナ２４におけるアンテナパターン２４１は、長辺がアンテナエレメント１４２ＬＣの長辺と平行となるように設けられている。アンテナパターン２４１とアンテナエレメント１４２ＬＣとの間隙の距離は、λＬ／４０以下の数値で設定される。
例えば、図３におけるアンテナパターン２４１とアンテナエレメント１４２ＬＣとの間隙の距離は、約λＬ／６０（実際にはλＬ／５７）の１．５ｍｍとしている。この間隙の距離は、アンテナパターン２４１とアンテナパターン１４２ＬＣとの間で、容量結合が十分とれる距離で設定される。すなわち、アンテナパターン２４１とアンテナパターン１４２ＬＣとは、容量結合により交流的に接続されている。そして、この間隙の容量結合におけるギャップ容量の容量値と寄生モノポールアンテナ２４の誘導性リアクタンスとによる共振周波数が、アンテナエレメント１４の周波数帯域となる数値に設定される。
アンテナパターン２４１は、エレメントパターン１４２Ｌと対向する辺に対して平行に配置されている。また、アンテナパターン２４１及びアンテナパターン２４２の各々は、所定の幅に設定されるが、例えば図２のレイヤー３３に対する容量結合を低くするため、幅を細く設定している。一方、アンテナパターン２４１は幅が１．０ｍｍであり、アンテナパターン２４２は幅が０．５ｍｍである。
図４は、図１におけるアンテナエレメント１１とアンテナエレメント１１に対して設けられた寄生モノポールアンテナ２１の構成例を示す図である。図４において、図１に示すアンテナエレメント１１、アンテナエレメント１３、アンテナエレメント１５の３個はほぼ同様の構成である。このため、これらから構成されるＭＩＭＯアンテナから、代表としてアンテナエレメント１１の構成を説明する。
アンテナエレメント１１は、電磁界を放射するメインエレメント（領域Ｂの部分）の外寸が１６ｍｍ（図１のＹ軸方向）×１１ｍｍ（図１のＸ軸方向）である。
アンテナエレメント１１は、電磁界を放射するメインエレメント（領域Ｂの部分）の外寸が１６ｍｍ（図１のＹ軸方向）×１１ｍｍ（図１のＸ軸方向）である。
アンテナエレメント１１は、給電点１１１から給電パターン１１３を介して、エレメントパターン１１２Ｒ及びエレメントパターン１１２Ｌに対して接続されている。また、エレメントパターン１１２Ｒは、一方の端部が給電パターン１１３と接続されており、他の端部がエレメントパターン１１２ＲＰの一方の端部に接続されている。エレメントパターン１１２ＲＰは、他方の端部がエレメントパターン１１２ＲＣの一方の端部に接続されている。エレメントパターン１１２ＲＣは、エレメントパターン１１２ＲＰに対して直角に接続されている。
また、エレメントパターン１１２Ｌは、一方の端部が給電パターン１１３と接続されており、他の端部がエレメントパターン１１２ＬＰの一方の端部に接続されている。エレメントパターン１１２ＬＰは、他方の端部がエレメントパターン１１２ＬＣに接続されている。エレメントパターン１１２ＬＣは、エレメントパターン１１２ＬＰに対して直角に接続されている。また、エレメントパターン１１２ＲＣ及びエレメントパターン１１２ＬＣの各々は、ビアホール１１４により、図２におけるレイヤー３３に接続されている。ビアホール１１４は、エレメントパターン１１２ＲＣの一方の端部から他方の端部にわたって、略等間隔に複数設けられる。また、ビアホール１４４は、同様にエレメントパターン１１２ＬＣの一方の端部から他方の端部にわたって、略等間隔に複数設けられる。グラウンドパッド１１０は、ビアホール１１５によりレイヤー３３に接続されている。このグラウンドパッド１１０は給電点１１１の近傍に設けられている。
寄生モノポールアンテナ２１は、アンテナエレメント１１の周波数帯域である５ＧＨｚを共振周波数とする共振器である。
このため、寄生モノポールアンテナ２１は、特性が誘導性リアクタンスとなる長さに形成される必要がある。このため、アンテナエレメント１１の波長がλＨとすると、寄生モノポールアンテナ２１の長さは、λＨ／４より長くλＨ／２より短くする必要がある。本実施形態においては、λＨ／４の１．３倍から１．５倍の長さとし、約λＨ／２．８としている。寄生モノポールアンテナ２１は、上述したように特性が誘導性リアクタンスとなる長さであれば、屈曲した形状でもよい。
このため、寄生モノポールアンテナ２１は、特性が誘導性リアクタンスとなる長さに形成される必要がある。このため、アンテナエレメント１１の波長がλＨとすると、寄生モノポールアンテナ２１の長さは、λＨ／４より長くλＨ／２より短くする必要がある。本実施形態においては、λＨ／４の１．３倍から１．５倍の長さとし、約λＨ／２．８としている。寄生モノポールアンテナ２１は、上述したように特性が誘導性リアクタンスとなる長さであれば、屈曲した形状でもよい。
図４において、アンテナエレメント２４は、屈曲した位置を基準として、アンテナエレメント２４１とアンテナエレメント２４２とを含んで構成されている。アンテナエレメント１１の周波数帯域が５ＧＨｚであり、波長短縮率を７０％とするとλＨ＝３８．５ｍｍである。このため、寄生モノポールアンテナ２１の長さは、アンテナパターン２１１の長さ７ｍｍと、アンテナパターン２１２の長さ７ｍｍを加算した長さである１４ｍｍである。このアンテナパターン２１１及びアンテナパターン２１２を加算した長さである１４ｍｍは、約λＨ／２．８に対応する。
また、寄生モノポールアンテナ２１は、アンテナエレメント１１の近傍において、同一の周波数帯域の他のアンテナエレメント（図１におけるアンテナエレメント１３）の間に設けられている。また、寄生モノポールアンテナ２１は、Ｌ字形状をしており、アンテナパターン２１１に対してアンテナパターン２１２が直角に接続されている。例えば、アンテナパターン２１１は幅が０．５ｍｍであり、アンテナパターン２１２は幅が１ｍｍである。
寄生モノポールアンテナ２１におけるアンテナパターン２１２は、長辺がエレメントパターン１１２ＬＰの長辺と平行となるように設けられている。寄生モノポールアンテナ２１におけるアンテナパターン２１１は、長辺がエレメントパターン１１２ＬＣの長辺と平行となるように設けられている。アンテナパターン２１１とエレメントパターン１１２ＬＣとの間隙の距離は、λＬ／４０以下で設定される。
例えば、図４におけるアンテナパターン２１１とエレメントパターン１１２ＬＣとの間隙の距離は、約λＨ／６０（図４においてはλＨ／７７）の０．５ｍｍとしている。この間隙の距離は、アンテナパターン２１１とエレメントパターン１１２ＬＣとの間で、容量結合が十分とれる距離で設定される。アンテナパターン２１１とエレメントパターン１１２ＬＣとは、容量結合により交流的に接続されている。そして、この間隙の容量結合におけるギャップ容量の容量値と寄生モノポールアンテナ２１の誘導性リアクタンスとによる共振周波数が、アンテナエレメント１１の周波数帯域となる数値に設定される。
また、アンテナパターン２１１及びアンテナパターン２１２の各々は、所定の幅に設定されるが、例えば図２のレイヤー３３に対する容量結合を低くするため、幅を細く設定している。一方、アンテナパターン２１２は幅が１．０ｍｍであり、アンテナパターン２１１は幅が０．５ｍｍである。
また、アンテナパターン２１１及びアンテナパターン２１２の各々は、所定の幅に設定されるが、例えば図２のレイヤー３３に対する容量結合を低くするため、幅を細く設定している。一方、アンテナパターン２１２は幅が１．０ｍｍであり、アンテナパターン２１１は幅が０．５ｍｍである。
図５は、寄生モノポールアンテナを設けた場合の効果を示す電磁界シミュレーションの結果を表す図である。図５は２．４ＧＨｚの周波数帯におけるアンテナエレメント１２が励振して電磁波を放射した場合に、アンテナエレメント１２がアンテナエレメント１４に対して与える影響を示している。図５において、領域の明るさが励振した際の電流密度分布の強度を示しており、他のアンテナエレメントの電磁波により共振した場合にも電流密度分布が高くなり明るさが増大する。したがって、励振していないアンテナエレメントの領域が明るければ明るいほど、他の励振したアンテナエレメントが放射し、グランド（図２におけるレイヤー３３）を伝搬する電磁波により共振している程度が大きい。
図５（ａ）は、アンテナエレメント１２とアンテナエレメント１４と間に寄生モノポールアンテナ２２を設けない場合の電磁界シミュレーションの結果を示している。
この図５（ａ）において、アンテナエレメント１４近傍の領域が他の同一周波数帯のアンテナエレメント１６近傍の領域に比較して明るい部分が多い。これにより、アンテナエレメント１２の電磁波がレイヤー３３を介してアンテナエレメント１４に対して伝搬し、アンテナエレメント１４がアンテナエレメント１２の放射した電磁波に共振していることが判る。
この図５（ａ）において、アンテナエレメント１４近傍の領域が他の同一周波数帯のアンテナエレメント１６近傍の領域に比較して明るい部分が多い。これにより、アンテナエレメント１２の電磁波がレイヤー３３を介してアンテナエレメント１４に対して伝搬し、アンテナエレメント１４がアンテナエレメント１２の放射した電磁波に共振していることが判る。
一方、図５（ｂ）は、アンテナエレメント１２とアンテナエレメント１４と間に寄生モノポールアンテナ２２を設けた場合の電磁界シミュレーションの結果を示している。
この図５（ｂ）において、アンテナエレメント１４近傍の領域が図５（ａ）のアンテナエレメント１４近傍の領域に比較して明るい部分が少ない。これにより、寄生モノポールアンテナ２２がアンテナエレメント１２の放射する電磁波のグランド（図２のレイヤー３３）を介してのアンテナエレメント１４に対する伝搬を抑制していることが判る。すなわち、アンテナエレメント１４がアンテナエレメント１２の放射した電磁波に共振していないことが判る。
また、図５（ｂ）において、寄生モノポールアンテナ２２近傍の領域は、非常に明るい状態となっており、アンテナエレメント１２が放射する電磁波に対して共振し、効率的にグランド（図２のレイヤー３３）を伝搬する電磁破のエネルギーを吸収していることが判る。
この図５（ｂ）において、アンテナエレメント１４近傍の領域が図５（ａ）のアンテナエレメント１４近傍の領域に比較して明るい部分が少ない。これにより、寄生モノポールアンテナ２２がアンテナエレメント１２の放射する電磁波のグランド（図２のレイヤー３３）を介してのアンテナエレメント１４に対する伝搬を抑制していることが判る。すなわち、アンテナエレメント１４がアンテナエレメント１２の放射した電磁波に共振していないことが判る。
また、図５（ｂ）において、寄生モノポールアンテナ２２近傍の領域は、非常に明るい状態となっており、アンテナエレメント１２が放射する電磁波に対して共振し、効率的にグランド（図２のレイヤー３３）を伝搬する電磁破のエネルギーを吸収していることが判る。
図６は、寄生モノポールアンテナを設けた場合の効果を示す電磁界シミュレーションの結果を表す図である。図６は５ＧＨｚの周波数帯におけるアンテナエレメント１３が励振して電磁波を放射した場合に、アンテナエレメント１３がアンテナエレメント１５に対して与える影響を示している。図６においても図５と同様に、領域の明るさが励振した際の電流密度分布の強度を示しており、他のアンテナエレメントの電磁波により共振した場合にも電流密度分布が高くなり明るさが増大する。したがって、励振していないアンテナエレメントの領域が明るければ明るいほど、他の励振したアンテナエレメントが放射し、グランド（図２のレイヤー３３）を伝搬する電磁波により共振している程度が大きい。
図６（ａ）は、アンテナエレメント１３とアンテナエレメント１５と間に寄生モノポールアンテナ２３を設けない場合の電磁界シミュレーションの結果を示している。
この図６（ａ）において、アンテナエレメント１５近傍の領域が他の同一周波数帯のアンテナエレメント１１近傍の領域に比較して明るい部分が多い。これにより、アンテナエレメント１３の電磁波がレイヤー３３を介してアンテナエレメント１５に対して伝搬し、アンテナエレメント１５がアンテナエレメント１３の放射した電磁波に共振していることが判る。
この図６（ａ）において、アンテナエレメント１５近傍の領域が他の同一周波数帯のアンテナエレメント１１近傍の領域に比較して明るい部分が多い。これにより、アンテナエレメント１３の電磁波がレイヤー３３を介してアンテナエレメント１５に対して伝搬し、アンテナエレメント１５がアンテナエレメント１３の放射した電磁波に共振していることが判る。
一方、図６（ｂ）は、アンテナエレメント１３とアンテナエレメント１５と間に寄生モノポールアンテナ２３を設けた場合の電磁界シミュレーションの結果を示している。
この図６（ｂ）において、アンテナエレメント１５近傍の領域が図６（ａ）のアンテナエレメント１５近傍の領域に比較して明るい部分が少ない。これにより、寄生モノポールアンテナ２３がアンテナエレメント１３の放射する電磁波のレイヤー３３を介してのアンテナエレメント１５に対する伝搬を抑制していることが判る。すなわち、アンテナエレメント１５がアンテナエレメント１３の放射した電磁波に共振していないことが判る。
また、図６（ｂ）において、寄生モノポールアンテナ２３近傍の領域は、非常に明るい状態となっており、図５（ｂ）の場合と同様に、アンテナエレメント１３が放射する電磁波に対して共振し、効率的にグランド（図２のレイヤー３３）を伝搬する電磁破のエネルギーを吸収していることが判る。
この図６（ｂ）において、アンテナエレメント１５近傍の領域が図６（ａ）のアンテナエレメント１５近傍の領域に比較して明るい部分が少ない。これにより、寄生モノポールアンテナ２３がアンテナエレメント１３の放射する電磁波のレイヤー３３を介してのアンテナエレメント１５に対する伝搬を抑制していることが判る。すなわち、アンテナエレメント１５がアンテナエレメント１３の放射した電磁波に共振していないことが判る。
また、図６（ｂ）において、寄生モノポールアンテナ２３近傍の領域は、非常に明るい状態となっており、図５（ｂ）の場合と同様に、アンテナエレメント１３が放射する電磁波に対して共振し、効率的にグランド（図２のレイヤー３３）を伝搬する電磁破のエネルギーを吸収していることが判る。
図７は、２．４ＧＨｚの周波数帯域に対応するアンテナエレメント１２、１４及び１６の各々の結合のレベルを示す図である。この図７において、｜Ｓ４２｜は、アンテナエレメント１２とアンテナエレメント１４との結合の度合いを示すレベル（以下、結合レベルとする）を示している。また、｜Ｓ６２｜は、アンテナエレメント１２とアンテナエレメント１６との結合レベルを示している。｜Ｓ６４｜は、アンテナエレメント１４とアンテナエレメント１６との結合レベルを示している。
図７（ａ）は、アンテナエレメント１２、１４及び１６の各々の間に寄生モノポールアンテナを配置していない場合におけるアンテナエレメント１２、１４及び１６それぞれの結合のレベルを示している。この図７（ａ）において、横軸は周波数を示し、縦軸は結合レベル（ｄＢ）を示している。｜Ｓ４２｜は実線で示され、｜Ｓ６２｜は破線で示され、｜Ｓ６４｜は点線で示されている。
周波数が２．４ＧＨｚ近傍において、｜Ｓ４２｜、｜Ｓ６２｜及び｜Ｓ６４｜の各々の結合レベルが−２０ｄＢより大きいことが判る。特に、｜Ｓ４２｜の結合レベルは、−１４ｄＢ程度と高い。これは、アンテナエレメント１２及び１４間の距離が、アンテナエレメント１２及び１６の間の距離、及びアンテナエレメント１４及び１６の間の距離より近いため、伝搬する電磁波のエネルギーが強いためである。
図７（ａ）は、アンテナエレメント１２、１４及び１６の各々の間に寄生モノポールアンテナを配置していない場合におけるアンテナエレメント１２、１４及び１６それぞれの結合のレベルを示している。この図７（ａ）において、横軸は周波数を示し、縦軸は結合レベル（ｄＢ）を示している。｜Ｓ４２｜は実線で示され、｜Ｓ６２｜は破線で示され、｜Ｓ６４｜は点線で示されている。
周波数が２．４ＧＨｚ近傍において、｜Ｓ４２｜、｜Ｓ６２｜及び｜Ｓ６４｜の各々の結合レベルが−２０ｄＢより大きいことが判る。特に、｜Ｓ４２｜の結合レベルは、−１４ｄＢ程度と高い。これは、アンテナエレメント１２及び１４間の距離が、アンテナエレメント１２及び１６の間の距離、及びアンテナエレメント１４及び１６の間の距離より近いため、伝搬する電磁波のエネルギーが強いためである。
図７（ｂ）は、アンテナエレメント１２、１４及び１６の各々の間に寄生モノポールアンテナを配置した場合におけるアンテナエレメント１２、１４及び１６それぞれの結合のレベルを示している。この図７（ｂ）において、横軸は周波数を示し、縦軸は結合レベル（ｄＢ）を示している。｜Ｓ４２｜は実線で示され、｜Ｓ６２｜は破線で示され、｜Ｓ６４｜は点線で示されている。
周波数が２．４ＧＨｚ近傍において、｜Ｓ４２｜、｜Ｓ６２｜及び｜Ｓ６４｜の各々の結合レベルが−２２ｄＢより小さいことが判る。特に、｜Ｓ４２｜の結合レベルは、図７（ａ）の−１４ｄＢ程度から、−２５ｄＢと大きく低下していることが判る。他の｜Ｓ６２｜及び｜Ｓ６４｜についても、図７（ａ）の場合に比較して結合レベルが低下していることがわかる。これにより、アンテナエレメント１２、１４及び１６の各々の間に寄生モノポールアンテナを配置することで、アンテナエレメント１２、１４及び１６それぞれの結合レベルを低下させていることが判る。
周波数が２．４ＧＨｚ近傍において、｜Ｓ４２｜、｜Ｓ６２｜及び｜Ｓ６４｜の各々の結合レベルが−２２ｄＢより小さいことが判る。特に、｜Ｓ４２｜の結合レベルは、図７（ａ）の−１４ｄＢ程度から、−２５ｄＢと大きく低下していることが判る。他の｜Ｓ６２｜及び｜Ｓ６４｜についても、図７（ａ）の場合に比較して結合レベルが低下していることがわかる。これにより、アンテナエレメント１２、１４及び１６の各々の間に寄生モノポールアンテナを配置することで、アンテナエレメント１２、１４及び１６それぞれの結合レベルを低下させていることが判る。
図８は、５ＧＨｚの周波数帯域に対応するアンテナエレメント１１、１３及び１５の各々の結合のレベルを示す図である。この図８において、｜Ｓ３１｜は、アンテナエレメント１１とアンテナエレメント１３との結合の度合いを示すレベル（以下、結合レベルとする）を示している。また、｜Ｓ５１｜は、アンテナエレメント１１とアンテナエレメント１５との結合レベルを示している。｜Ｓ５３｜は、アンテナエレメント１３とアンテナエレメント１５との結合レベルを示している。｜Ｓ３１｜は実線で示され、｜Ｓ５１｜は破線で示され、｜Ｓ５３｜は点線で示されている。
図８（ａ）は、アンテナエレメント１１、１３及び１５の各々の間に寄生モノポールアンテナを配置していない場合におけるアンテナエレメント１１、１３及び１５それぞれの結合のレベルを示している。この図８（ａ）において、横軸は周波数を示し、縦軸は結合レベル（ｄＢ）を示している。
周波数が５ＧＨｚ近傍において、｜Ｓ５３｜の結合レベルが−８．５ｄＢ程度であることが判る。これは、アンテナエレメント１３及び１５間の距離が、アンテナエレメント１１及び１３の間の距離、及びアンテナエレメント１１及び１５の間の距離より近いため、伝搬する電磁波のエネルギーが強いためである。
図８（ａ）は、アンテナエレメント１１、１３及び１５の各々の間に寄生モノポールアンテナを配置していない場合におけるアンテナエレメント１１、１３及び１５それぞれの結合のレベルを示している。この図８（ａ）において、横軸は周波数を示し、縦軸は結合レベル（ｄＢ）を示している。
周波数が５ＧＨｚ近傍において、｜Ｓ５３｜の結合レベルが−８．５ｄＢ程度であることが判る。これは、アンテナエレメント１３及び１５間の距離が、アンテナエレメント１１及び１３の間の距離、及びアンテナエレメント１１及び１５の間の距離より近いため、伝搬する電磁波のエネルギーが強いためである。
図８（ｂ）は、アンテナエレメント１１、１３及び１５の各々の間に寄生モノポールアンテナを配置した場合におけるアンテナエレメント１１、１３及び１５それぞれの結合のレベルを示している。この図８（ｂ）において、横軸は周波数を示し、縦軸は結合レベル（ｄＢ）を示している。｜Ｓ３１｜は実線で示され、｜Ｓ５１｜は破線で示され、｜Ｓ５３｜は点線で示されている。
周波数が５ＧＨｚ近傍において、｜Ｓ３１｜及び｜Ｓ５１｜の各々の結合レベルが図８（ａ）の場合とほぼ変化していないことが判る。また、｜Ｓ５３｜の結合レベルは、図８（ａ）の−１０ｄＢ程度から、最も低い値である−２２ｄＢ程度まで低下しており、結合レベルが約１３．５ｄＢ改善されていることが判る。これにより、アンテナエレメント１１、１３及び１５の各々の間に寄生モノポールアンテナを配置することで、アンテナエレメント１１、１３及び１５それぞれの結合レベルを低下させていることが判る。
周波数が５ＧＨｚ近傍において、｜Ｓ３１｜及び｜Ｓ５１｜の各々の結合レベルが図８（ａ）の場合とほぼ変化していないことが判る。また、｜Ｓ５３｜の結合レベルは、図８（ａ）の−１０ｄＢ程度から、最も低い値である−２２ｄＢ程度まで低下しており、結合レベルが約１３．５ｄＢ改善されていることが判る。これにより、アンテナエレメント１１、１３及び１５の各々の間に寄生モノポールアンテナを配置することで、アンテナエレメント１１、１３及び１５それぞれの結合レベルを低下させていることが判る。
図９は、ＭＩＭＯアンテナにおける各アンテナエレメント間の相関の大きさを示す図である。ＭＩＭＯアンテナにおける各アンテナエレメント間の相関を表す方法として、以下の（１）式で表される包絡線相関係数が知られている。包絡線相関係数が高いほど、アンテナエレメント間の相関が高いことを示す。この図９において、「without PM」は寄生モノポールアンテナが相関を見ているアンテナエレメント間に設けられていない場合の周波数と包絡線相関係数との関係を示す曲線を示している。また、「with PM」は寄生モノポールアンテナが相関を見ているアンテナエレメント間に設けられている場合の包絡線相関係数との関係を示す曲線を示している。
以下の（１）式において、｜ρｉｊ｜は包絡線相関係数である。Ｓｉｉは、アンテナエレメントｉの入力インピーダンスを示している。Ｓｉｊはアンテナエレメントｊからアンテナエレメントｉに対する結合度を示している。また、＊は共役複素数を意味している。
以下の（１）式において、｜ρｉｊ｜は包絡線相関係数である。Ｓｉｉは、アンテナエレメントｉの入力インピーダンスを示している。Ｓｉｊはアンテナエレメントｊからアンテナエレメントｉに対する結合度を示している。また、＊は共役複素数を意味している。
図９（ａ）は、２．４ＧＨｚの周波数帯域のアンテナエレメント１２、１４及び１６の各々の間の包絡線相関係数｜ρｉｊ｜を示している。図９（ａ）において、横軸が周波数を示し、縦軸が包絡線相関係数を示している。
｜ρ４２｜は、アンテナエレメント１２からアンテナエレメント１４への相関を示す包絡線相関係数を示している。｜ρ６２｜は、アンテナエレメント１２からアンテナエレメント１６への相関を示す包絡線相関係数を示している。｜ρ６４｜は、アンテナエレメント１４からアンテナエレメント１６への相関を示す包絡線相関係数を示している。｜ρ４２｜は実線で示され、｜ρ６２｜は破線で示され、｜ρ６４｜は点線で示されている。
｜ρ４２｜は、アンテナエレメント１２からアンテナエレメント１４への相関を示す包絡線相関係数を示している。｜ρ６２｜は、アンテナエレメント１２からアンテナエレメント１６への相関を示す包絡線相関係数を示している。｜ρ６４｜は、アンテナエレメント１４からアンテナエレメント１６への相関を示す包絡線相関係数を示している。｜ρ４２｜は実線で示され、｜ρ６２｜は破線で示され、｜ρ６４｜は点線で示されている。
また、アンテナエレメント間に寄生モノポールアンテナが設けられていない場合を細い線、アンテナエレメント間に寄生モノポールアンテナが設けられている場合を太い線で示している。
２．４ＧＨｚの周波数帯において、｜ρ４２｜、｜ρ６２｜及び｜ρ６４｜の各々が、アンテナエレメント間に寄生モノポールアンテナを設けることにより、低下して０に近くなることが判る。
２．４ＧＨｚの周波数帯において、｜ρ４２｜、｜ρ６２｜及び｜ρ６４｜の各々が、アンテナエレメント間に寄生モノポールアンテナを設けることにより、低下して０に近くなることが判る。
図９（ｂ）は、５ＧＨｚの周波数帯域のアンテナエレメント１１、１３及び１５の各々の間の包絡線相関係数｜ρｉｊ｜を示している。図９（ｂ）において、横軸が周波数を示し、縦軸が包絡線相関係数を示している。
｜ρ３１｜は、アンテナエレメント１１からアンテナエレメント１３への相関を示す包絡線相関係数を示している。｜ρ５１｜は、アンテナエレメント１１からアンテナエレメント１５への相関を示す包絡線相関係数を示している。｜ρ５３｜は、アンテナエレメント１３からアンテナエレメント１５への相関を示す包絡線相関係数を示している。｜ρ３１｜は実線で示され、｜ρ５１｜は破線で示され、｜ρ５３｜は点線で示されている。
｜ρ３１｜は、アンテナエレメント１１からアンテナエレメント１３への相関を示す包絡線相関係数を示している。｜ρ５１｜は、アンテナエレメント１１からアンテナエレメント１５への相関を示す包絡線相関係数を示している。｜ρ５３｜は、アンテナエレメント１３からアンテナエレメント１５への相関を示す包絡線相関係数を示している。｜ρ３１｜は実線で示され、｜ρ５１｜は破線で示され、｜ρ５３｜は点線で示されている。
また、アンテナエレメント間に寄生モノポールアンテナが設けられていない場合を細い線で示し、アンテナエレメント間に寄生モノポールアンテナが設けられている場合を太い線で示している。
５ＧＨｚの周波数帯において、｜ρ３１｜及び｜ρ５１｜の各々はそれほど変化はしていない。しかしながら、アンテナエレメント１３及びアンテナエレメント１５の間に寄生モノポールアンテナ２３を設けることにより、｜ρ５３｜については大幅に低下し、大きな改善が見られる。
５ＧＨｚの周波数帯において、｜ρ３１｜及び｜ρ５１｜の各々はそれほど変化はしていない。しかしながら、アンテナエレメント１３及びアンテナエレメント１５の間に寄生モノポールアンテナ２３を設けることにより、｜ρ５３｜については大幅に低下し、大きな改善が見られる。
図１０は、本実施形態における周波数帯域が２．４ＧＨｚのアンテナエレメントの放射特性を示す図である。この図１０は、ＸＺ平面における放射指向性特性を示しており、動径がアンテナエレメントのゲインを示し、角度が放射方向を示している。
図１０（ａ）は、アンテナエレメント１４の放射指向性特性を示している。図１０（ｂ）は、アンテナエレメント１２の放射指向性特性を示している。図１０（ｃ）は、アンテナエレメント１６の放射指向性特性を示している。
アンテナエレメントによって、最大ゲインとなる平面が異なるが、それぞれのアンテナエレメントの最大ゲインは約２ｄＢｉである。このため、本実施形態における２．４ＧＨｚのアンテナエレメント１２、１４及び１６の各々は、図９（ａ）の包絡線相関係数の数値を含めて、ＭＩＭＯ性能を発揮するための十分な特性を有したアンテナエレメント・アレイを構成している。
図１０（ａ）は、アンテナエレメント１４の放射指向性特性を示している。図１０（ｂ）は、アンテナエレメント１２の放射指向性特性を示している。図１０（ｃ）は、アンテナエレメント１６の放射指向性特性を示している。
アンテナエレメントによって、最大ゲインとなる平面が異なるが、それぞれのアンテナエレメントの最大ゲインは約２ｄＢｉである。このため、本実施形態における２．４ＧＨｚのアンテナエレメント１２、１４及び１６の各々は、図９（ａ）の包絡線相関係数の数値を含めて、ＭＩＭＯ性能を発揮するための十分な特性を有したアンテナエレメント・アレイを構成している。
図１１は、本実施形態における周波数帯域が５ＧＨｚのアンテナエレメントの放射特性を示す図である。この図１１は、図１０と同様に、ＸＺ平面における放射指向性特性を示しており、動径がアンテナエレメントのゲインを示し、角度が放射方向を示している。
図１１（ａ）は、アンテナエレメント１１の放射指向性特性を示している。図１１（ｂ）は、アンテナエレメント１３の放射指向性特性を示している。図１１（ｃ）は、アンテナエレメント１５の放射指向性特性を示している。
図１０の場合と同様に、アンテナエレメントによって、最大ゲインとなる平面が異なるが、それぞれのアンテナエレメントの最大ゲインは約２ｄＢｉである。このため、本実施形態における５ＧＨｚのアンテナエレメント１１、１３及び１５の各々は、図９（ｂ）の包絡線相関係数の数値を含めて、ＭＩＭＯ性能を発揮するための十分な特性を有したアンテナエレメント・アレイを構成している。
図１１（ａ）は、アンテナエレメント１１の放射指向性特性を示している。図１１（ｂ）は、アンテナエレメント１３の放射指向性特性を示している。図１１（ｃ）は、アンテナエレメント１５の放射指向性特性を示している。
図１０の場合と同様に、アンテナエレメントによって、最大ゲインとなる平面が異なるが、それぞれのアンテナエレメントの最大ゲインは約２ｄＢｉである。このため、本実施形態における５ＧＨｚのアンテナエレメント１１、１３及び１５の各々は、図９（ｂ）の包絡線相関係数の数値を含めて、ＭＩＭＯ性能を発揮するための十分な特性を有したアンテナエレメント・アレイを構成している。
上述したように、本実施形態は、アンテナエレメント間に寄生モノポールアンテナを介挿している。これにより、本実施形態によれば、グランドに接続されたパターンを励振するアンテナエレメントから、隣接する他のアンテナエレメントに対してグランドを介して伝搬する電磁波のエネルギーを低減させ、アンテナエレメント間の結合低減を行うことができる。また、本実施形態によれば、メタマテリアルを用いてアンテナエレメント間における電磁波のエネルギーを低減する構成に比較し、設計が簡単であり、かつ共振周波数に対応した波長の調整及びアンテナエレメントに対する減結合の周波数の修正が容易な寄生モノポールアンテナを用いることにより、隣接するアンテナ間の結合を簡易に低減することが可能となる。また、本実施形態によれば、メタマテリアルに比較して、寄生モノポールアンテナの面積が小さいため、余分な占有面積を取ることなく、ＭＩＭＯアンテナの形成する面積が大型化することは無い。
また、本実施形態における寄生モノポールアンテナは、複数のサブ寄生モノポールアンテナに分離して設けてもよい。隣接するサブ寄生モノポールアンテナ同士は、サブ寄生モノポールアンテナ間のギャップ容量で結合（容量結合）させ、高周波的に十分な電気長を有するエレメントとする。
また、本実施形態におけるアンテナエレメントは、ＳＲＲ（Split Ring Resonator）に変更しても良い。すなわち、本発明は、グラウンドを高周波電流の帰路及び放射エレメントの一部として利用するタイプのアンテナ、すなわちグラウンドに電磁波が伝搬しやすい構造の同一周波数帯のアンテナ間の結合低減に対して適用が可能である。
また、本実施形態において、無給電アンテナエレメント（寄生モノポールアンテナ）がＬ字形状である場合について説明したが、直線状あるいは曲線状の形状として形成されていても良い。
また、本実施形態において、無給電アンテナエレメント（寄生モノポールアンテナ）は、アンテナエレメントの外周部分におけるエレメントパターンに沿って形成されていれば良い。また、無給電アンテナエレメント（寄生モノポールアンテナ）が直線状である場合には、アンテナエレメントに対して平行になるように配置することもできる。
また、本実施形態におけるアンテナエレメントは、ＳＲＲ（Split Ring Resonator）に変更しても良い。すなわち、本発明は、グラウンドを高周波電流の帰路及び放射エレメントの一部として利用するタイプのアンテナ、すなわちグラウンドに電磁波が伝搬しやすい構造の同一周波数帯のアンテナ間の結合低減に対して適用が可能である。
また、本実施形態において、無給電アンテナエレメント（寄生モノポールアンテナ）がＬ字形状である場合について説明したが、直線状あるいは曲線状の形状として形成されていても良い。
また、本実施形態において、無給電アンテナエレメント（寄生モノポールアンテナ）は、アンテナエレメントの外周部分におけるエレメントパターンに沿って形成されていれば良い。また、無給電アンテナエレメント（寄生モノポールアンテナ）が直線状である場合には、アンテナエレメントに対して平行になるように配置することもできる。
図１２は、本発明の平面アンテナにおいて無給電アンテナによるアンテナエレメント間の結合低減の概念を示す図である。この図１２は、誘電体基板３（誘電体基板）の表面３Ｓ（誘電体基板の一方の面）に形成されたアンテナエレメント１０１及びアンテナエレメント１０２（複数のアンテナエレメント）から構成される平面アンテナを、平面視において示している。誘電体基板３（誘電体基板）の表面３Ｓ（誘電体基板の一方の面）上にはエレメントパターン（エレメントパターン）からなるアンテナエレメント１０１及びアンテナエレメント１０２（複数のアンテナエレメント）の各々が形成されている。アンテナエレメント１０１及びアンテナエレメント１０２（複数のアンテナエレメント）の各々は、それぞれグランドに直流的に接続されている（接続箇所は不図示）。また、アンテナエレメント１０１及びアンテナエレメント１０２（複数のアンテナエレメント）の各々は、励振することにより同一の周波数帯の電磁波を放射する。
アンテナエレメント１０１及びアンテナエレメント１０２（複数のアンテナエレメント）の各々の間には、誘電体基板３の表面３Ｓ上において、無給電アンテナエレメント１０３（無給電アンテナエレメント）が形成されている。無給電アンテナエレメント１０３（無給電アンテナエレメント）は、アンテナエレメント１０１及びアンテナエレメント１０２（複数のアンテナエレメント）のいずれかあるいは双方と容量結合により交流的に接続されている。
ここで、アンテナエレメント１０１及びアンテナエレメント１０２（複数のアンテナエレメント）の各々のいずれかあるいは双方と無給電アンテナエレメント１０３（無給電アンテナエレメント）との容量結合におけるギャップ容量の容量値と無給電アンテナエレメント１０３（無給電アンテナエレメント）の誘導性リアクタンスとによる共振周波数が、アンテナエレメント１０１及びアンテナエレメント１０２（複数のアンテナエレメント）の各々の放射する電磁波の周波数帯となる形状に無給電アンテナエレメント１０３（無給電アンテナエレメント）が構成されている。
ここで、アンテナエレメント１０１及びアンテナエレメント１０２（複数のアンテナエレメント）の各々のいずれかあるいは双方と無給電アンテナエレメント１０３（無給電アンテナエレメント）との容量結合におけるギャップ容量の容量値と無給電アンテナエレメント１０３（無給電アンテナエレメント）の誘導性リアクタンスとによる共振周波数が、アンテナエレメント１０１及びアンテナエレメント１０２（複数のアンテナエレメント）の各々の放射する電磁波の周波数帯となる形状に無給電アンテナエレメント１０３（無給電アンテナエレメント）が構成されている。
これにより、無給電アンテナエレメント１０３（無給電アンテナエレメント）が、アンテナエレメント１０１及びアンテナエレメント１０１（複数のアンテナエレメント）のいずれかあるいは双方が放射した電磁波に共振することで、アンテナエレメント１０１及びアンテナエレメント１０２（複数のアンテナエレメント）の各々が直流的に接続されているグランドのレイヤー（不図示）を伝搬する電磁破のエネルギーを効率的に吸収し、アンテナエレメント１０１及びアンテナエレメント１０２（複数のアンテナエレメント）間における同一周波数帯の電磁波の結合を低減させている。
以下に、本発明の他の構成について記載する。
本発明の他の構成は、誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の面上に設けられており、グランドに直流的に接続されたエレメントパターンから形成され、同一の周波数帯で電磁波を前記エレメントパターンを励振させて放射する複数のアンテナエレメントと、前記アンテナエレメント間に設けられ、前記エレメントパターンに対して容量結合で交流的に接続されているパターンである無給電アンテナエレメントとを備えることを特徴とする。
また、本発明の他の構成は、誘電体基板の一方の面上に設けられており、グランドに直流的に接続されたエレメントパターンから形成された平面アンテナにおいて、同一の周波数帯で電磁波を前記エレメントパターンを励振させて放射する複数のアンテナエレメント間における結合低減方法であり、前記エレメントパターンに対して容量結合で交流的に接続されているパターンである無給電アンテナエレメントを配置し、当該無給電アンテナエレメントにより、アンテナエレメント間の結合を低減させる。
本発明の他の構成は、誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の面上に設けられており、グランドに直流的に接続されたエレメントパターンから形成され、同一の周波数帯で電磁波を前記エレメントパターンを励振させて放射する複数のアンテナエレメントと、前記アンテナエレメント間に設けられ、前記エレメントパターンに対して容量結合で交流的に接続されているパターンである無給電アンテナエレメントとを備えることを特徴とする。
また、本発明の他の構成は、誘電体基板の一方の面上に設けられており、グランドに直流的に接続されたエレメントパターンから形成された平面アンテナにおいて、同一の周波数帯で電磁波を前記エレメントパターンを励振させて放射する複数のアンテナエレメント間における結合低減方法であり、前記エレメントパターンに対して容量結合で交流的に接続されているパターンである無給電アンテナエレメントを配置し、当該無給電アンテナエレメントにより、アンテナエレメント間の結合を低減させる。
１…平面アンテナ ３…誘電体基板 １１，１２，１３，１４，１５，１６…アンテナエレメント ２１，２２，２３，２４，２５，２６…寄生モノポールアンテナ ３１，３２，３３…レイヤー ３４…補強誘電体層 ３５…コア基板 １１０，１４０…グラウンドパッド １１１，１４１…給電点 １１２Ｒ，１１２Ｌ，１１２ＬＣ，１１２ＬＰ，１１２ＲＣ，１１２ＲＰ，１４２Ｌ，１４２Ｒ，１４２ＬＣ，１４２ＲＣ…エレメントパターン １１３，１４３…給電パターン ２１１，２１２，２４１，２４２…アンテナパターン
Claims (11)
- 同一の周波数帯で電磁波を放射する複数のアンテナエレメントと、当該アンテナエレメントの各々の間に設けられた無給電アンテナエレメントとが形成された第１層と、
グランドプレーンが形成される第２層と、
前記第１層と前記第２層との間に形成された誘電体からなる第３層と、
前記アンテナエレメントを構成するパターンにおける第１アンテナパターンを直流的に前記グランドプレーンに接続する前記第３層に形成されるビアホールと
を備え、
前記第１アンテナパターンの対向する辺の各々に対して、それぞれ個別の前記無給電アンテナエレメントが対向して設けられており、
当該無給電アンテナエレメントが、前記グランドプレーンに接続されていない
ことを特徴とする平面アンテナ。 - 前記第１アンテナパターンの長辺と前記無給電アンテナエレメントの第２アンテナパターンの長辺とが対向して設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の平面アンテナ。 - 前記無給電アンテナエレメントが前記周波数帯に対して誘導性リアクタンスを有する長さであり、このリアクタンス値と、前記アンテナエレメントとの間の間隙により形成されるギャップ容量の容量値とによる共振周波数が前記周波数帯である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の平面アンテナ。 - 前記無給電アンテナエレメントが、前記アンテナエレメントの放射する電波の周波数帯で共振することにより、前記アンテナエレメントの各々の間における前記グランドプレーンを介して伝搬する電磁波のエネルギーを低減する
ことを特徴とする請求項３記載の平面アンテナ。 - 前記無給電アンテナエレメントを、前記アンテナエレメントの前記周波数帯に対して誘導性リアクタンスとなる長さで形成することで、前記アンテナエレメントの前記周波数帯に対応した共振器とする
ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の平面アンテナ。 - 前記無給電アンテナエレメントが、Ｌ字形状に形成されている
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の平面アンテナ。 - 前記Ｌ字形状の無給電アンテナエレメントにおいて、前記アンテナエレメントの各々の間に配置される一のパターン部分の幅より、当該一のパターンと直角に形成される他のパターン部分の幅が太いこと
を特徴とする請求項６に記載の平面アンテナ。 - 前記無給電アンテナエレメントの長さが、前記周波数帯の波長λに対して、λ／４からλ／２である
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の平面アンテナ。 - 前記無給電アンテナエレメントが、前記アンテナエレメントの外周部分に沿って形成されている
ことを特徴とする請求項１から請求項７いずれか一項に記載の平面アンテナ。 - 前記無給電アンテナエレメントが、
複数のサブ無給電アンテナエレメントに分離して設けられ、当該サブ無給電アンテナエレメントの各々がギャップ容量で結合している
ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の平面アンテナ。 - 同一の周波数帯で電磁波を放射する複数のアンテナエレメントと、当該アンテナエレメントの各々の間に設けられた無給電アンテナエレメントとが形成された第１層と、グランドプレーンが形成される第２層と、前記第１層と前記第２層との間に形成された誘電体からなる第３層と、前記アンテナエレメントを構成するパターンにおける第１アンテナパターンを直流的に前記グランドプレーンに接続する前記第３層に形成されるビアホールとを備え、前記第１アンテナパターンと前記無給電アンテナエレメントとが対向して設けられている平面アンテナにおいて、同一の周波数帯で電磁波を放射する前記アンテナエレメントの各々の間における結合低減方法であり、
前記第１アンテナパターンの対向する辺の各々に対して、それぞれ個別の前記無給電アンテナエレメントを対向して配置し、当該無給電アンテナエレメントが前記グランドプレーンに接続されておらず、前記無給電アンテナエレメントにより、前記アンテナエレメントの各々の間の結合を低減させる
ことを特徴とするアンテナエレメント間の結合低減方法。
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