アンテナシステム
【課題】本発明では、さらなる小型化が可能であり、設計が容易なアンテナシステムを提供することを目的とする。
【解決手段】第１のスロットアンテナおよび第１の人工媒質を有する第１のアンテナと、該第１のアンテナと隣り合うように配置された、第２のスロットアンテナおよび第２の人工媒質を有する第２のアンテナと、を少なくとも有し、前記第１および第２の人工媒質は、絶縁層の同一平面上に配置され、電磁波が結合された際、第１の人工媒質には、第１の方向に電流が流れ、第２の人工媒質には、第１の方向とは異なる第２の方向に電流が流れることを特徴とするアンテナシステム。
【解決手段】第１のスロットアンテナおよび第１の人工媒質を有する第１のアンテナと、該第１のアンテナと隣り合うように配置された、第２のスロットアンテナおよび第２の人工媒質を有する第２のアンテナと、を少なくとも有し、前記第１および第２の人工媒質は、絶縁層の同一平面上に配置され、電磁波が結合された際、第１の人工媒質には、第１の方向に電流が流れ、第２の人工媒質には、第１の方向とは異なる第２の方向に電流が流れることを特徴とするアンテナシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナシステムに関し、特にＭＩＭＯ技術等に適用されるアンテナシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のアンテナを組み合わせて、無線システムの伝送容量を増大させるＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｕｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）と呼ばれる無線通信技術がある。この技術では、複数のアンテナで、同時に異なるデータが送信される。一方、受信時には、異なるデータが合成される。従って、ＭＩＭＯ技術では、擬似的に広帯域化が実現され、通信の高速化が可能となる。理論的には、設置したアンテナの本数に比例して、帯域幅を増加させることができる。
【０００３】
しかしながら、一般に、各アンテナ同士の間の距離が近づけば近づくほど、アンテナ同士の結合（カップリング）が大きくなり、一つのアンテナが他のアンテナの動作に及ぼす影響が無視できなくなる。特に、携帯電話機のような小型機器の場合、このようなアンテナ同士の結合の影響は、極めて顕著となる。そのため、ＭＩＭＯ技術を小型機器に適用する上で、アンテナシステムの小型化は、極めて大きな技術的課題となっている。
【０００４】
近年、このような問題を克服するため、自然界では得られない電磁気的特性を有する、人工媒質（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｍｅｄｉｕｍ）と呼ばれる人工的な媒体を使用することにより、複数のアンテナ同士の結合（カップリング）を弱め、これらのアンテナを相互に独立に作動させる技術が検討されている（特許文献１−２、および非特許文献１）。
【０００５】
例えば、非特許文献１には、矩形状の人工媒質を同一平面内に平行に配置し、さらにこれらの人工媒質のそれぞれの上面に、アンテナを相互に平行に配置することにより、アンテナシステムの小型化が可能であることが報告されている。
【０００６】
また、特許文献１には、２本のアンテナを媒質の表面上に平行に配置し、この媒質中に、両アンテナの間と、それぞれのアンテナの上側とに、実効的に比誘電率が負となるようなＳＮＧメタマテリアル材料（Ｓｉｎｇｌｅ Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ）が「Ｔ」字型に配置されるようにして、アンテナシステムを構成することにより、両アンテナ間の結合を分離する技術が報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０２５８９９３号公報
【特許文献２】国際公開第ＷＯ２００８／１３６５３０号パンフレット
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｍａｈａｒａ ＡＣＨＯＵＲ，Ａｊａｙ ＧＵＭＭＡＬＬＡ，Ｃｈｅｎｇ−Ｊｕｎｇ ＬＥＥ，Ｇｒｅｇｏｒｙ ＰＯＩＬＡＳＮＥ，ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ ＷＯＲＫＳＨＯＰ ＡＮＤ ＥＸＩＢＩＴＯＮＳ（ＭＷＥ），２００８年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前述の非特許文献１に記載のアンテナシステムにおいても、２つのアンテナ間の距離は、アンテナの動作周波数の波長で規格化すると、０．３７波長程度までしか近づけることはできず、この構造では、アンテナシステムのさらなる小型化を図ることは難しい。
【００１０】
また、前述の特許文献１に記載のアンテナシステムでは、上面側（媒質の厚さ方向）から見たとき、グラウンドプレーン（Ｇｒｏｕｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）は、それぞれのアンテナの下側（すなわち「Ｔ」字型のＳＮＧメタマテリアル材料によって囲まれていない側）に配置されるようにして、媒質の表面と同一の平面内に配置される。しかしながら、このような構成では、グラウンドプレーンの分だけ、アンテナの作動に必要な面内領域が広がってしまうため、アンテナシステム全体としての小面積化を図ることが難しくなるという問題がある。また、このような構成では、アンテナの特性がグラウンドプレーンの寸法（縦横の長さ）に大きく影響されるため、最適なシステム設計を行うことが難しいという問題がある。例えば、アンテナ特性を最適化するためには、グラウンドプレーンの寸法の他にも、ＳＮＧメタマテリアル材料の寸法、配置および比誘電率、ならびにアンテナの構造パラメータ等、多くのパラメータを調整する必要が生じる。
【００１１】
この他、アンテナシステムの小型化を目的として、ダイポールアンテナシステムが提案されている（特許文献２）。しかしながら、ダイポールアンテナシステムは、使用部品等の観点から、例えば携帯電話のような小型機器に適用することには、あまり適してはいないという問題がある。
【００１２】
本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、さらなる小型化が可能であり、設計が容易なアンテナシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明では、
第１のスロットアンテナおよび第１の人工媒質を有する第１のアンテナと、
該第１のアンテナと隣り合うように配置された、第２のスロットアンテナおよび第２の人工媒質を有する第２のアンテナと、
を少なくとも有し、
前記第１および第２の人工媒質は、絶縁層の同一平面上に配置され、
電磁波が結合された際、第１の人工媒質には、第１の方向に電流が流れ、第２の人工媒質には、第１の方向とは異なる第２の方向に電流が流れることを特徴とするアンテナシステムが提供される。
【００１４】
ここで、当該アンテナシステムは、さらに、前記第２のアンテナと隣り合う第３のアンテナを有し、
該第３のアンテナは、第３のスロットアンテナおよび第３の人工媒質を有し、
前記第３の人工媒質は、前記絶縁層の前記同一平面上に配置され、
当該アンテナシステムに電磁波が結合された際、前記第３の人工媒質には、前記第２の方向とは異なる第３の方向に、電流が流れても良い。
【００１５】
また、当該アンテナシステムは、第１および第２の２つのアンテナを備え、前記第１の方向と前記第２の方向は、実質的に直交していても良い。
【００１６】
また、本発明によるアンテナシステムにおいて、前記人工媒質の少なくとも一つは、矩形状であっても良い。
【００１７】
また、本発明によるアンテナシステムにおいて、前記各スロットアンテナのスロットの延伸方向は、実質的に等しくなっていても良い。
【００１８】
また、本発明によるアンテナシステムにおいて、前記人工媒質は、誘電体層と、該誘電体層の表裏面に設置された導電性素子とにより構成されても良い。
【００１９】
また、本発明によるアンテナシステムにおいて、前記第１、第２および／または第３のスロットアンテナは、スロットを備えるグラウンドプレーンで構成されても良い。
【００２０】
さらに、本発明では、
第１面および該第１面に対向する第２面を有する絶縁体と、
前記絶縁体の前記第１面上に設けられたグランドプレーンであって、前記絶縁体の前記第１面の一部を露出する、少なくとも一つのスロットが形成されたグランドプレーンと、
前記絶縁体の第２面に、前記絶縁体を介して、前記グランドプレーンに形成された前記スロットを覆うように設置された人工媒質と、
を備えるアンテナシステムが提供される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明では、さらなる小型化が可能であり、設計が容易なアンテナシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来のアンテナシステム１を概略的に示した斜視図である。
【図２】従来のダイポールアンテナシステム１０を概略的に示した上面図である。
【図３】従来のダイポールアンテナシステム１０におけるダイポールアンテナ素子の全長とＳ１１特性の関係の一例を示した図である。
【図４】本発明によるアンテナシステムの概略的な上面図である。
【図５】本発明によるアンテナシステムの概略的な断面図である。
【図６】本発明によるアンテナシステムの概略的な底面図である。
【図７】本発明によるアンテナシステム１００を備えたＭＩＭＯアンテナ装置２００を示した図である。
【図８】実施例１に係る、２つのアンテナを有するアンテナシステムの構成を概略的に示した図である。
【図９】実施例１に係るアンテナシステムにおいて得られた、アンテナ特性のシミュレーション結果である。
【図１０】実施例２に係るアンテナシステムにおいて得られた、アンテナ特性のシミュレーション結果である。
【図１１】実施例３に係るアンテナシステムにおいて得られた、アンテナ特性のシミュレーション結果である。
【図１２】実施例４に係るアンテナシステムにおいて得られた、アンテナ特性のシミュレーション結果である。
【図１３】本発明による別のアンテナシステム１００'の概略的な底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明について説明する。
【００２４】
まず、本発明の特徴およびその有意性をより良く理解するため、従来のアンテナシステムの構成について説明する。
【００２５】
図１には、人工媒質を使用した、従来の（特許文献１に記載された）アンテナシステム１の構成の一例を模式的に示す。
【００２６】
従来のアンテナシステム１は、通常の媒質２の第１表面３上に、相互に平行に設置したアンテナ４Ａ、４Ｂと、メタマテリアル５と、グラウンドプレーン６とを有する。メタマテリアル５は、通常の媒質２内に、Ｔ字状に埋設されている。上面（図１のＺ方向）から見たとき、メタマテリアル５により、アンテナ４Ａと４Ｂの間が分離されるとともに、各アンテナ４Ａ、４Ｂと、通常の媒質２の上方（Ｙ方向）側とが分離される。グラウンドプレーン６は、通常の媒質２のＹ方向負側に設置され、グラウンドプレーン６には、各アンテナ４Ａ、４Ｂが結合される。
【００２７】
このアンテナシステム１では、メタマテリアル５により、アンテナ４Ａと４Ｂの間が分離されており、アンテナシステムの小型化を図ることができる。
【００２８】
しかしながら、このアンテナシステム１では、グラウンドプレーン６の分だけ、アンテナの作動に必要な面内領域が広がってしまうため、全体としてアンテナシステム１のＸＹ平面での小面積化を図ることが難しくなるという問題がある。
【００２９】
また、このような構成では、アンテナ４Ａ、４Ｂの特性がグラウンドプレーン６の寸法（Ｘ方向の幅Ｗ１およびＹ方向の長さＬ１）に大きく影響されるため、最適なシステム設計を行うことが煩雑で難しくなるという問題がある。例えば、アンテナシステム１の特性を最適化するためには、グラウンドプレーン６の寸法（Ｗ１、Ｌ１）の他にも、メタマテリアル５の寸法、比誘電率およびアンテナ４Ａ、４Ｂとの距離、ならびにアンテナ４Ａ、４Ｂの構造パラメータ等、多くのパラメータを調整する必要が生じる。
【００３０】
一方、図２には、特許文献２において、アンテナシステムの小型化を目的として提案された、ダイポールアンテナシステム１０を示す。このアンテナシステム１０は、ダイポールアンテナ素子群２０Ａ〜２０Ｃと、誘電体基板３０と、人工媒質群５０Ａ〜５０Ｃと、をこの順に積層することにより構成される。なお、図２の上面図では、人工媒質群５０Ａ〜５０Ｃは、誘電体基板３０の存在により、直接視認することはできないため、破線で示されている。
【００３１】
このようなダイポールアンテナシステム１０を採用することにより、各アンテナ間の距離（正確には、隣り合うアンテナ同士の給電点間の距離）ＳＰを狭めることができることが示されている。
【００３２】
ここで、前述のようなＭＩＭＯ技術を、例えば携帯電話のような小型機器に適用することを想定した場合、アンテナシステムの形態として、ダイポールアンテナ方式を採用することは、あまり現実的ではない。これは、ダイポールアンテナは、平衡系であるのに対し、多くのＩＣチップの出力は、非平衡系であるため、ＩＣチップとダイポールアンテナの間を接続する場合、バランと呼ばれる素子が必要になるからである。一般に、バランは、平衡系のアンテナに、非平衡伝送線路を結合する際に必要となる素子であり、この素子の追加により、アンテナシステムは、より大型化してしまう。また、無線機内には必ずグラウンドプレーンなどの金属が存在し、ダイポールアンテナは、これらの影響を受け易いと言う問題がある。
【００３３】
従って、小型機器に適用する場合、より簡単な構造で、必要な素子が少ないアンテナ方式、例えばマイクロストリップ線路などの非平衡線路との結合が可能な、スロットアンテナ方式のアンテナシステムを採用することが望ましいと考えられる。
【００３４】
しかしながら、これまでに、スロットアンテナと人工媒質を組み合わせたアンテナシステムは、提案されていない。これは、前述のようなダイポールアンテナシステム１０の構造を、そのままスロットアンテナシステムに適用することは難しいためである。例えば、スロットアンテナに人工媒質を近接させると、入力インピーダンスが影響を受けるが、この影響の度合いは、ダイポールアンテナを用いた場合とは、異なることが予想される。
【００３５】
図３には、本願発明者らによって測定された、前述のダイポールアンテナシステム１０におけるダイポールアンテナ素子の全長とＳ１１特性の関係の一例を示す。例えば５ＧＨｚの電磁波を想定した場合、共振が生じるアンテナ素子の全長は、λ（波長）／２、すなわち、３０ｍｍ〜４０ｍｍ程度であることが設計的に予想される。図の結果は、この予想に一致しており、ダイポールアンテナシステム１０の場合、アンテナ素子の長さが約４０ｍｍの際に、良好な特性が得られることがわかる。
【００３６】
一方、ダイポールアンテナ部分だけをスロットアンテナに変更して、スロットアンテナシステムにおいて同様の計算を行った場合、アンテナ素子の長さを約４０ｍｍとしても、良好な特性は得られない。図３において、白丸は、この計算結果を示しており、スロットアンテナシステムの場合、アンテナ素子の長さを約４０ｍｍとしても、適正な反射特性は得られないことがわかる。
【００３７】
これは、ダイポールアンテナとスロットアンテナとでは、人工媒質をそれぞれのアンテナに近接させた場合、その影響が異なることを示すものである。すなわち、単に人工媒質の共振周波数とアンテナの共振周波数を合わせただけでは、インピーダンスは、適正に結合しない場合がある。従って、スロットアンテナを備えるアンテナシステムを適正に動作させるためには、アンテナの形状、材料構成、および／または人工媒質の配置を最適化して、インピーダンスを適正に調整しなければならない。
【００３８】
本願発明者らは、このような背景の下、小型化が可能であり、設計が容易なアンテナシステムについて、鋭意研究開発を進め、本願発明に至った。すなわち、本発明では、
第１のスロットアンテナおよび第１の人工媒質を有する第１のアンテナと、
該第１のアンテナと隣り合うように配置された、第２のスロットアンテナおよび第２の人工媒質を有する第２のアンテナと、
を少なくとも有し、
前記第１および第２の人工媒質は、絶縁層の同一平面上に配置され、
電磁波が結合された際、第１の人工媒質には、第１の方向に電流が流れ、第２の人工媒質には、第１の方向とは異なる第２の方向に電流が流れることを特徴とするアンテナシステムが提供される。
【００３９】
（本発明のアンテナシステムの構成）
以下、図４〜図６を参照して、本発明によるアンテナシステムについて、詳しく説明する。図４は、本発明によるアンテナシステムの概略的な上面図を示す。図５は、図４のＩ−Ｉ線での模式的な断面図である。また、図６は、本発明によるアンテナシステムの概略的な底面図である。
【００４０】
なお、図４〜図６は、説明のための単なる一例であって、本発明によるアンテナシステムは、他の構成であっても良い。例えば、図において、アンテナシステムは、３つのアンテナを有するように示されている。しかしながら、この数は、異なっていても良く、アンテナの数は、例えば２つまたは４つ以上であっても良い。
【００４１】
図４〜図６に示すように、本発明によるアンテナシステム１００は、３つのアンテナ１０５A〜１０５Ｃを有する。また、本発明によるアンテナシステム１００は、３つのスロット１１０Ａ〜１１０Ｃを有するグラウンドプレーン１２０と、絶縁層１３０と、３つの人工媒質１５０Ａ〜１５０Ｃとを有する。絶縁層１３０は、グラウンドプレーン１２０と、人工媒質１５０Ａ〜１５０Ｃの間に設置されている。人工媒質１５０Ａ〜１５０Ｃは、絶縁層１３０の同一平面上に配置される。
【００４２】
図４に示すように、アンテナシステム１００を上面から見た場合、グラウンドプレーン１２０の各スロット１１０Ａ〜１１０Ｃは、それぞれ、人工媒質１５０Ａ〜１５０Ｃと重なるようにして配置される。これにより、スロット１１０Ａおよび人工媒質１５０Ａを含むスロットアンテナ１０５Ａと、スロット１１０Ｂおよび人工媒質１５０Ｂを含むスロットアンテナ１０５Ｂと、スロット１１０Ｃおよび人工媒質１５０Ｃを含むスロットアンテナ１０５Ｃの３つのアンテナが形成される。
【００４３】
なお、図の例では、各スロット１１０は、いずれもＸ方向に対して４５゜傾斜した状態で、構成されている。しかしながら、これは、一例であって、スロット１１０の方向は、特に限られないことは、当業者には明らかである。各スロット１１０は、該スロット１１０の中心が、Ｚ方向に沿って、対応する人工媒質１５０の中心に配置されるようにして配置される。
【００４４】
各人工媒質１５０（１５０Ａ〜１５０Ｃ）は、誘電体層１５２（１５２Ａ〜１５２Ｃ）の上下面に、それぞれ、導電性素子１５１（１５１Ａ〜１５１Ｃ）および１５３（１５３Ａ〜１５３Ｃ）を配置することにより構成される。
【００４５】
図の例では、各人工媒質１５０は、矩形状となっており、同一の形状を有する。ただし、各人工媒質１５０（例えば１５０Ｂ）は、隣り合う人工媒質（例えば１５０Ａおよび１５０Ｃ）に対して、長辺が９０゜回転した状態で、絶縁層１３０上に配置される。
【００４６】
このようなアンテナシステム１００において、例えば、スロットアンテナ１１０Ａに給電した場合、スロットアンテナ１１０Ａからは、図６のＸ方向、Ｙ方向の両方の成分を有する磁界が発生する。この磁界が、人工媒質１５０Ａを構成する対向する導電性素子１５１Ａ、１５３Ａの内部を貫くことにより、人工媒質１５０Ａの導電性素子１５１Ａ、１５３Ａに電流が誘起される。このとき、人工媒質１５０Ａは、結合する磁界方向によって、２種類のモードで動作する。この２つのモードの周波数は、人工媒質１５０Ａに誘起される電流の方向に沿った長さと、構成する誘電体１５２Ａの比誘電率に応じた波長短縮効果を考慮して決定される。Ｘ方向の磁界と結合した場合には、人工媒質１５０Ａの長手方向に電流が流れ（モード１）、また、Ｙ方向の磁界と結合した場合には、短手方向に電流が流れるため（モード２）、結果的に、人工媒質１５０Ａは、異なる２種類の周波数で動作する。人工媒質１５０Ｂにおいても、同様のことが言え、同じ周波数で隣り合う人工媒質１５０同士を、互いに直交した状態で動作させることが可能となる。その結果、アンテナ１０５間の結合を、減らすことができる。
【００４７】
なお、係る人工媒質１５０の形状および配置は、一例であって、図とは異なる配置で、図とは異なる形状の人工媒質を配置しても良い。例えば、人工媒質１５０の形状は、長軸と短軸を有する楕円形、菱形等であっても良い。また、各人工媒質１５０の形状および／または寸法は、異なっていても良い。また、特に、矩形状の人工媒質１５０を使用する場合、各人工媒質は、隣り合う人工媒質と長手方向が平行になっていない限り、いかなる配置で、絶縁層１３０上に配置されても良い。
【００４８】
（本発明のアンテナシステムの特徴）
本発明によるアンテナシステムでは、以下に示すような有意な効果が得られる。
（ｉ）各人工媒質１５０Ａ〜１５０Ｃは、アンテナシステムの共振時の電流の流れが、隣り合う人工媒質の電流の流れと非平行となるように設置されている。このため、２つの隣り合うアンテナ１０５を接近させても、カップリングの影響は、生じ難くなる。従って、各アンテナ１０５同士の間隔（ＳＰ）を小さくことができる。これにより、各アンテナ１０５の特性を劣化させることなく、アンテナシステム１００全体の小型化を行うことが可能となる。
（ｉｉ）グラウンドプレーン１２０は、アンテナシステム１００の厚さ方向（図５のＺ方向）において、人工媒質１５０と重なるようにして配置され、アンテナシステム１００の平面（図４のＸＹ平面）が広がるようには配置されない。従って、前述の図１の場合とは異なり、アンテナシステム１００全体の小面積化が可能となる。
（ｉｉｉ）本発明のアンテナシステム１００では、アンテナ特性は、グラウンドプレーン１２０の寸法にあまり影響を受けない。従って、グラウンドプレーン１２０の寸法毎に、アンテナ特性を最適化する必要性が排除される。また、図１に示すような従来のアンテナシステム１とは異なり、設計パラメータには、人工媒質１５０の寸法およびスロット１１０の寸法等しか含まれない。従って、設計の際に使用されるパラメータ数が有意に抑制され、アンテナシステムの設計がより容易となる。
（ｉｖ）本発明のアンテナシステム１００は、スロットアンテナと人工媒質を組み合わせた構成であるため、従来のダイポールアンテナと人工媒質を組み合わせた構成に比べて、必要な部品が少なくなり、構造が単純となる。従って、より小型機器への適用に適したアンテナシステムを提供することができる。
【００４９】
（本発明によるアンテナシステムの適用例）
図７には、本発明によるアンテナシステムの適用例を模式的に示す。この図には、本発明によるアンテナシステム１００を用いて、ＭＩＭＯアンテナ装置２００を構成した例が示されている。図７（ａ）は、ＭＩＭＯアンテナ装置２００の概略的な上面図であり、図７（ｂ）は、ＭＩＭＯアンテナ装置２００の概略的な底面図である。
【００５０】
ＭＩＭＯアンテナ装置２００は、前述のアンテナシステム１００と、ＩＣチップ２１０と、伝送線路（マイクロストリップ線路）２２０（２２０Ａ〜２２０Ｃ）とを有する。
【００５１】
アンテナシステム１００のグラウンドプレーン１２０の上面には、各スリット１１０Ａ〜１１０Ｃと交差するようにして、それぞれ、伝送線路（マイクロストリップライン）２２０Ａ〜２２０Ｃが設置されている。これらの伝送線路２２０Ａ〜２２０Ｃは、グラウンドプレーン１２０の上面に配置されたＩＣチップ２１０に、一端が結合される。
【００５２】
前述のように、アンテナシステム１００により、各アンテナ１０５同士の間隔は、有意に狭めることができる。これによりＭＩＭＯアンテナ装置２００も小型化され、ＭＩＭＯアンテナ装置２００を携帯電話等の小型機器に収容することが可能となる。
【実施例】
【００５３】
次に、本発明の実施例について説明する。
【００５４】
（実施例１）
図８に示すような、２つのアンテナを有するアンテナシステムを想定し、得られる特性をシミュレーションで予測した。
【００５５】
図８において、（ａ）は、２つのアンテナ１０５Ａ、１０５Ｂを有するアンテナシステム５００の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩＩ−ＩＩ線での断面図であり、（ｃ）は、アンテナシステム５００の底面図である。なお、アンテナシステム５００を構成する各素子には、図４〜図６の対応する各素子において付した参照符号と同様の参照符号が付されている。
【００５６】
２つのアンテナ１０５Ａ、１０５Ｂの間の間隔（２つのスロットの給電点の間隔）ＳＰは、５７．５ｍｍとした。
【００５７】
スロット１１０Ａ、１１０Ｂの全長は、２０ｍｍで、幅は、２ｍｍであり、いずれも、Ｘ軸に対して、半時計方向に４５゜回転した状態で設置した。
【００５８】
絶縁層１３０は、厚さが１．６ｍｍであり、比誘電率は、１０とした。
【００５９】
各人工媒質１５０Ａ、１５０Ｂは、厚さが０．８ｍｍで比誘電率が１６の誘電体層（１５２Ａ、１５２Ｂ）の両側に、厚さが０．０１ｍｍの導電性素子（１５１Ａ、１５３Ａ、１５１Ｂ、１５３Ｂ）を配置することにより構成される。各人工媒質１５０Ａ、１５０Ｂは、縦１５ｍｍ、横１０ｍｍの矩形状とした。
【００６０】
図９には、アンテナシステム５００において得られた、アンテナ１０５のシミュレーション結果を示す。このシミュレーションには、ＦＩＴ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）法（有限積分法）による３次元電磁界シミュレーションを用いた。
【００６１】
図において、太線は、一方のアンテナ（例えば１０５Ａ）の反射特性（Ｓ１１特性）を表しており、細線は、同アンテナから他方のアンテナ（例えば１０５Ｂ）への素子間結合（Ｓ２１特性）を表している。この図において、２．６ＧＨｚでＳ１１＜−１０ｄＢとなっており、アンテナが良好に作動することがわかる。また、Ｓ２１特性は、−２０ｄＢ以下と低く抑えられており、図８に示したアンテナシステム５００は、良好なアンテナ特性を示すことがわかる。このときのアンテナ間の間隔ＳＰは、アンテナの動作周波数２．６ＧＨｚの波長で規格化した場合、１／２波長に相当する。なお、ここで言う波長とは、全て真空中の波長である。
【００６２】
（実施例２）
図８に示すアンテナシステム５００を用いて、実施例１と同様のシミュレーションを実施した。ただし、実施例２では、２つのアンテナの間隔ＳＰを、２８．７５ｍｍとした。
【００６３】
結果を図１０に示す。この結果から、実施例２においても、２．６ＧＨｚでＳ１１＜−１０ｄＢとなっており、アンテナシステム５００は、良好に作動することがわかる。なお、アンテナの動作周波数は、実施例１と同様、約２．６ＧＨｚであり、変化していない。また、このときのＳ２１特性は、−２０ｄＢ以下と、依然低く抑えられている。
【００６４】
実施例２におけるアンテナ間の間隔ＳＰは、アンテナの動作周波数２．６ＧＨｚの波長で規格化した場合、１／４波長に相当する。このことから、アンテナシステム５００では、アンテナ間隔ＳＰを１／４波長程度に近づけても、実施例１で示したような、アンテナ間隔ＳＰを１／２波長とした場合と同等の特性が得られることがわかる。
【００６５】
（実施例３）
図８に示すアンテナシステム５００を用いて、実施例１と同様のシミュレーションを実施した。ただし、実施例３では、２つのアンテナの間隔ＳＰを、１９．１７ｍｍとした。
【００６６】
結果を図１１に示す。この結果から、実施例３においても、２．６ＧＨｚでＳ１１＜−１０ｄＢとなっており、アンテナシステム５００は、良好に作動することがわかる。なお、アンテナの動作周波数は、実施例１と同様、約２．６ＧＨｚであり、変化していない。また、このときのＳ２１特性は、−１５ｄＢ以下と、依然低く抑えられている。
【００６７】
実施例３におけるアンテナ間の間隔ＳＰは、アンテナの動作周波数２．６ＧＨｚの波長で規格化した場合、１／６波長に相当する。このことから、アンテナシステム５００では、アンテナ間隔ＳＰを１／６波長程度に近づけても、アンテナシステム５００は、良好なアンテナ特性を示すことがわかる。
【００６８】
このように、本発明によるアンテナシステム５００は、アンテナ１０５間の距離が、その動作周波数の１／６波長となっても、良好な特性を示すことがわかった。これは、アンテナシステム５００は、非特許文献１と同等の性能を維持しながら、小型化できることを示すものである。
【００６９】
（実施例４）
前述の図４〜６に示したような、３つのアンテナ１０５Ａ〜１０５Ｃを有するアンテナシステム１００について、得られる特性をシミュレーションで予測した。シミュレーションには、ＦＩＴ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）法（有限積分法）による３次元電磁界シミュレーションを用いた。
【００７０】
隣り合うアンテナ１０５Ａ〜１０５Ｃの間の間隔ＳＰは、いずれも１９．１７ｍｍとした。また、各スロット１１０Ａ〜１１０Ｃの全長は、２０ｍｍで、幅は、２ｍｍであり、いずれも、Ｘ軸に対して、半時計方向に４５゜回転した状態で設置されていると想定した。
【００７１】
絶縁層１３０は、厚さが１．６ｍｍであり、比誘電率は、１０とした。
【００７２】
各人工媒質１５０Ａ〜１５０Ｃは、厚さが０．８ｍｍで比誘電率が１６の誘電体層（１５２Ａ、１５２Ｂ、１５２Ｃ）の両側に、厚さが０．０１ｍｍの導電性素子（１５１Ａ、１５３Ａ、１５１Ｂ、１５３Ｂ、１５１Ｃ、１５３Ｃ）を配置することにより構成される。各人工媒質１５０１５０Ａ〜１５０Ｃは、縦１５ｍｍ、横１０ｍｍの矩形状とした。
【００７３】
図１２には、アンテナシステム１００において得られた、アンテナ１０５のシミュレーション結果を示す。
【００７４】
図において、太線は、一つのアンテナ（例えば１０５Ａ）の反射特性（Ｓ１１特性）を表しており、細線は、同アンテナ（例えば１０５Ａ）から隣り合うアンテナ（例えば１０５Ｂへの結合（Ｓ２１特性）を表しており、破線は、同アンテナ（例えば１０５Ａ）から、配置方向の等しい他のアンテナ（例えば１０５Ｃ）への結合（Ｓ１３特性）を表している。この図において、Ｓ２１特性およびＳ１３特性は、低く抑えられており、さらにＳ１１特性は、十分に低くなっている。このことから、３つのアンテナを有するアンテナシステム１００においても、良好なアンテナ特性を維持したまま、各アンテナ間の距離を狭めることが可能であることがわかった。
【００７５】
なお、隣り合うアンテナの素子間結合、すなわちＳ２１は、２素子の場合、隣り合う人工媒質が互いに直交して配置される構成において、最も小さくなる。しかしながら、３素子以上になると、必ずしもそのような構成が最適であるとは限られない。なぜなら、アンテナ間の間隔が狭くなると、隣り合うアンテナ同士の結合だけではなく、その他のアンテナ間の結合も、全体的な特性に影響を及ぼすようになるからである。例えば、図６のアンテナシステム１００において、人工媒質１５０Ａおよび１５０Ｃは、同じ配置となっている。しかしながら、この配置では、アンテナ間隔ＳＰが短くなると、素子間結合が上昇し始める。
【００７６】
そこで、例えば、図１３に示すように、アンテナシステム１００'において、人工媒質１５０Ａ〜１５０Ｃを、順次、時計方向に６０゜ずつ回転させて、配置することが考えられる。なお、図１３は、アンテナシステム１００'の概略的な底面図である。
【００７７】
この場合、アンテナ間隔ＳＰが短くなっても、各アンテナ１０５Ａ〜１０５Ｃの素子間結合を有意に抑制することができる。ただし、この場合、各アンテナ１０５と人工媒質１５０の組（１０５Ａ−１５０Ａ、１０５Ｂ−１５０Ｂ、および１０５Ｃ−１５０Ｃ）は、各アンテナ１０５のスロット１１０に流れる磁流（磁界）の方向（図１３のＢ１〜Ｂ３の方向）と、対応する人工媒質１５０の長手方向が平行にならないようにして、相互に配置する必要がある。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、例えば、ＭＩＭＯ技術を適用した携帯電話等に利用することができる。
【符号の説明】
【００７９】
１０ 従来のアンテナシステム
２０ ダイポールアンテナ素子群
３０ 誘電体基板
５０ 人工媒質群
１００ 本発明によるアンテナシステム
１００' 本発明による別のアンテナシステム
１０５（１０５Ａ、１０５Ｂ、１０５Ｃ） アンテナ
１１０（１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ） スロット
１２０ グラウンドプレーン
１３０ 絶縁層
１５０（１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃ）人工媒質
１５１（１５１Ａ、１５１Ｂ、１５１Ｃ）導電性素子
１５２（１５２Ａ、１５２Ｂ、１５２Ｃ）誘電体層
１５３（１５３Ａ、１５３Ｂ、１５３Ｃ）導電性素子
２００ ＭＩＭＯアンテナ装置
２１０ ＩＣチップ
２２０（２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃ） 伝送線路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナシステムに関し、特にＭＩＭＯ技術等に適用されるアンテナシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のアンテナを組み合わせて、無線システムの伝送容量を増大させるＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｕｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）と呼ばれる無線通信技術がある。この技術では、複数のアンテナで、同時に異なるデータが送信される。一方、受信時には、異なるデータが合成される。従って、ＭＩＭＯ技術では、擬似的に広帯域化が実現され、通信の高速化が可能となる。理論的には、設置したアンテナの本数に比例して、帯域幅を増加させることができる。
【０００３】
しかしながら、一般に、各アンテナ同士の間の距離が近づけば近づくほど、アンテナ同士の結合（カップリング）が大きくなり、一つのアンテナが他のアンテナの動作に及ぼす影響が無視できなくなる。特に、携帯電話機のような小型機器の場合、このようなアンテナ同士の結合の影響は、極めて顕著となる。そのため、ＭＩＭＯ技術を小型機器に適用する上で、アンテナシステムの小型化は、極めて大きな技術的課題となっている。
【０００４】
近年、このような問題を克服するため、自然界では得られない電磁気的特性を有する、人工媒質（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｍｅｄｉｕｍ）と呼ばれる人工的な媒体を使用することにより、複数のアンテナ同士の結合（カップリング）を弱め、これらのアンテナを相互に独立に作動させる技術が検討されている（特許文献１−２、および非特許文献１）。
【０００５】
例えば、非特許文献１には、矩形状の人工媒質を同一平面内に平行に配置し、さらにこれらの人工媒質のそれぞれの上面に、アンテナを相互に平行に配置することにより、アンテナシステムの小型化が可能であることが報告されている。
【０００６】
また、特許文献１には、２本のアンテナを媒質の表面上に平行に配置し、この媒質中に、両アンテナの間と、それぞれのアンテナの上側とに、実効的に比誘電率が負となるようなＳＮＧメタマテリアル材料（Ｓｉｎｇｌｅ Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ）が「Ｔ」字型に配置されるようにして、アンテナシステムを構成することにより、両アンテナ間の結合を分離する技術が報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０２５８９９３号公報
【特許文献２】国際公開第ＷＯ２００８／１３６５３０号パンフレット
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｍａｈａｒａ ＡＣＨＯＵＲ，Ａｊａｙ ＧＵＭＭＡＬＬＡ，Ｃｈｅｎｇ−Ｊｕｎｇ ＬＥＥ，Ｇｒｅｇｏｒｙ ＰＯＩＬＡＳＮＥ，ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ ＷＯＲＫＳＨＯＰ ＡＮＤ ＥＸＩＢＩＴＯＮＳ（ＭＷＥ），２００８年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前述の非特許文献１に記載のアンテナシステムにおいても、２つのアンテナ間の距離は、アンテナの動作周波数の波長で規格化すると、０．３７波長程度までしか近づけることはできず、この構造では、アンテナシステムのさらなる小型化を図ることは難しい。
【００１０】
また、前述の特許文献１に記載のアンテナシステムでは、上面側（媒質の厚さ方向）から見たとき、グラウンドプレーン（Ｇｒｏｕｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）は、それぞれのアンテナの下側（すなわち「Ｔ」字型のＳＮＧメタマテリアル材料によって囲まれていない側）に配置されるようにして、媒質の表面と同一の平面内に配置される。しかしながら、このような構成では、グラウンドプレーンの分だけ、アンテナの作動に必要な面内領域が広がってしまうため、アンテナシステム全体としての小面積化を図ることが難しくなるという問題がある。また、このような構成では、アンテナの特性がグラウンドプレーンの寸法（縦横の長さ）に大きく影響されるため、最適なシステム設計を行うことが難しいという問題がある。例えば、アンテナ特性を最適化するためには、グラウンドプレーンの寸法の他にも、ＳＮＧメタマテリアル材料の寸法、配置および比誘電率、ならびにアンテナの構造パラメータ等、多くのパラメータを調整する必要が生じる。
【００１１】
この他、アンテナシステムの小型化を目的として、ダイポールアンテナシステムが提案されている（特許文献２）。しかしながら、ダイポールアンテナシステムは、使用部品等の観点から、例えば携帯電話のような小型機器に適用することには、あまり適してはいないという問題がある。
【００１２】
本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、さらなる小型化が可能であり、設計が容易なアンテナシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明では、
第１のスロットアンテナおよび第１の人工媒質を有する第１のアンテナと、
該第１のアンテナと隣り合うように配置された、第２のスロットアンテナおよび第２の人工媒質を有する第２のアンテナと、
を少なくとも有し、
前記第１および第２の人工媒質は、絶縁層の同一平面上に配置され、
電磁波が結合された際、第１の人工媒質には、第１の方向に電流が流れ、第２の人工媒質には、第１の方向とは異なる第２の方向に電流が流れることを特徴とするアンテナシステムが提供される。
【００１４】
ここで、当該アンテナシステムは、さらに、前記第２のアンテナと隣り合う第３のアンテナを有し、
該第３のアンテナは、第３のスロットアンテナおよび第３の人工媒質を有し、
前記第３の人工媒質は、前記絶縁層の前記同一平面上に配置され、
当該アンテナシステムに電磁波が結合された際、前記第３の人工媒質には、前記第２の方向とは異なる第３の方向に、電流が流れても良い。
【００１５】
また、当該アンテナシステムは、第１および第２の２つのアンテナを備え、前記第１の方向と前記第２の方向は、実質的に直交していても良い。
【００１６】
また、本発明によるアンテナシステムにおいて、前記人工媒質の少なくとも一つは、矩形状であっても良い。
【００１７】
また、本発明によるアンテナシステムにおいて、前記各スロットアンテナのスロットの延伸方向は、実質的に等しくなっていても良い。
【００１８】
また、本発明によるアンテナシステムにおいて、前記人工媒質は、誘電体層と、該誘電体層の表裏面に設置された導電性素子とにより構成されても良い。
【００１９】
また、本発明によるアンテナシステムにおいて、前記第１、第２および／または第３のスロットアンテナは、スロットを備えるグラウンドプレーンで構成されても良い。
【００２０】
さらに、本発明では、
第１面および該第１面に対向する第２面を有する絶縁体と、
前記絶縁体の前記第１面上に設けられたグランドプレーンであって、前記絶縁体の前記第１面の一部を露出する、少なくとも一つのスロットが形成されたグランドプレーンと、
前記絶縁体の第２面に、前記絶縁体を介して、前記グランドプレーンに形成された前記スロットを覆うように設置された人工媒質と、
を備えるアンテナシステムが提供される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明では、さらなる小型化が可能であり、設計が容易なアンテナシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来のアンテナシステム１を概略的に示した斜視図である。
【図２】従来のダイポールアンテナシステム１０を概略的に示した上面図である。
【図３】従来のダイポールアンテナシステム１０におけるダイポールアンテナ素子の全長とＳ１１特性の関係の一例を示した図である。
【図４】本発明によるアンテナシステムの概略的な上面図である。
【図５】本発明によるアンテナシステムの概略的な断面図である。
【図６】本発明によるアンテナシステムの概略的な底面図である。
【図７】本発明によるアンテナシステム１００を備えたＭＩＭＯアンテナ装置２００を示した図である。
【図８】実施例１に係る、２つのアンテナを有するアンテナシステムの構成を概略的に示した図である。
【図９】実施例１に係るアンテナシステムにおいて得られた、アンテナ特性のシミュレーション結果である。
【図１０】実施例２に係るアンテナシステムにおいて得られた、アンテナ特性のシミュレーション結果である。
【図１１】実施例３に係るアンテナシステムにおいて得られた、アンテナ特性のシミュレーション結果である。
【図１２】実施例４に係るアンテナシステムにおいて得られた、アンテナ特性のシミュレーション結果である。
【図１３】本発明による別のアンテナシステム１００'の概略的な底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明について説明する。
【００２４】
まず、本発明の特徴およびその有意性をより良く理解するため、従来のアンテナシステムの構成について説明する。
【００２５】
図１には、人工媒質を使用した、従来の（特許文献１に記載された）アンテナシステム１の構成の一例を模式的に示す。
【００２６】
従来のアンテナシステム１は、通常の媒質２の第１表面３上に、相互に平行に設置したアンテナ４Ａ、４Ｂと、メタマテリアル５と、グラウンドプレーン６とを有する。メタマテリアル５は、通常の媒質２内に、Ｔ字状に埋設されている。上面（図１のＺ方向）から見たとき、メタマテリアル５により、アンテナ４Ａと４Ｂの間が分離されるとともに、各アンテナ４Ａ、４Ｂと、通常の媒質２の上方（Ｙ方向）側とが分離される。グラウンドプレーン６は、通常の媒質２のＹ方向負側に設置され、グラウンドプレーン６には、各アンテナ４Ａ、４Ｂが結合される。
【００２７】
このアンテナシステム１では、メタマテリアル５により、アンテナ４Ａと４Ｂの間が分離されており、アンテナシステムの小型化を図ることができる。
【００２８】
しかしながら、このアンテナシステム１では、グラウンドプレーン６の分だけ、アンテナの作動に必要な面内領域が広がってしまうため、全体としてアンテナシステム１のＸＹ平面での小面積化を図ることが難しくなるという問題がある。
【００２９】
また、このような構成では、アンテナ４Ａ、４Ｂの特性がグラウンドプレーン６の寸法（Ｘ方向の幅Ｗ１およびＹ方向の長さＬ１）に大きく影響されるため、最適なシステム設計を行うことが煩雑で難しくなるという問題がある。例えば、アンテナシステム１の特性を最適化するためには、グラウンドプレーン６の寸法（Ｗ１、Ｌ１）の他にも、メタマテリアル５の寸法、比誘電率およびアンテナ４Ａ、４Ｂとの距離、ならびにアンテナ４Ａ、４Ｂの構造パラメータ等、多くのパラメータを調整する必要が生じる。
【００３０】
一方、図２には、特許文献２において、アンテナシステムの小型化を目的として提案された、ダイポールアンテナシステム１０を示す。このアンテナシステム１０は、ダイポールアンテナ素子群２０Ａ〜２０Ｃと、誘電体基板３０と、人工媒質群５０Ａ〜５０Ｃと、をこの順に積層することにより構成される。なお、図２の上面図では、人工媒質群５０Ａ〜５０Ｃは、誘電体基板３０の存在により、直接視認することはできないため、破線で示されている。
【００３１】
このようなダイポールアンテナシステム１０を採用することにより、各アンテナ間の距離（正確には、隣り合うアンテナ同士の給電点間の距離）ＳＰを狭めることができることが示されている。
【００３２】
ここで、前述のようなＭＩＭＯ技術を、例えば携帯電話のような小型機器に適用することを想定した場合、アンテナシステムの形態として、ダイポールアンテナ方式を採用することは、あまり現実的ではない。これは、ダイポールアンテナは、平衡系であるのに対し、多くのＩＣチップの出力は、非平衡系であるため、ＩＣチップとダイポールアンテナの間を接続する場合、バランと呼ばれる素子が必要になるからである。一般に、バランは、平衡系のアンテナに、非平衡伝送線路を結合する際に必要となる素子であり、この素子の追加により、アンテナシステムは、より大型化してしまう。また、無線機内には必ずグラウンドプレーンなどの金属が存在し、ダイポールアンテナは、これらの影響を受け易いと言う問題がある。
【００３３】
従って、小型機器に適用する場合、より簡単な構造で、必要な素子が少ないアンテナ方式、例えばマイクロストリップ線路などの非平衡線路との結合が可能な、スロットアンテナ方式のアンテナシステムを採用することが望ましいと考えられる。
【００３４】
しかしながら、これまでに、スロットアンテナと人工媒質を組み合わせたアンテナシステムは、提案されていない。これは、前述のようなダイポールアンテナシステム１０の構造を、そのままスロットアンテナシステムに適用することは難しいためである。例えば、スロットアンテナに人工媒質を近接させると、入力インピーダンスが影響を受けるが、この影響の度合いは、ダイポールアンテナを用いた場合とは、異なることが予想される。
【００３５】
図３には、本願発明者らによって測定された、前述のダイポールアンテナシステム１０におけるダイポールアンテナ素子の全長とＳ１１特性の関係の一例を示す。例えば５ＧＨｚの電磁波を想定した場合、共振が生じるアンテナ素子の全長は、λ（波長）／２、すなわち、３０ｍｍ〜４０ｍｍ程度であることが設計的に予想される。図の結果は、この予想に一致しており、ダイポールアンテナシステム１０の場合、アンテナ素子の長さが約４０ｍｍの際に、良好な特性が得られることがわかる。
【００３６】
一方、ダイポールアンテナ部分だけをスロットアンテナに変更して、スロットアンテナシステムにおいて同様の計算を行った場合、アンテナ素子の長さを約４０ｍｍとしても、良好な特性は得られない。図３において、白丸は、この計算結果を示しており、スロットアンテナシステムの場合、アンテナ素子の長さを約４０ｍｍとしても、適正な反射特性は得られないことがわかる。
【００３７】
これは、ダイポールアンテナとスロットアンテナとでは、人工媒質をそれぞれのアンテナに近接させた場合、その影響が異なることを示すものである。すなわち、単に人工媒質の共振周波数とアンテナの共振周波数を合わせただけでは、インピーダンスは、適正に結合しない場合がある。従って、スロットアンテナを備えるアンテナシステムを適正に動作させるためには、アンテナの形状、材料構成、および／または人工媒質の配置を最適化して、インピーダンスを適正に調整しなければならない。
【００３８】
本願発明者らは、このような背景の下、小型化が可能であり、設計が容易なアンテナシステムについて、鋭意研究開発を進め、本願発明に至った。すなわち、本発明では、
第１のスロットアンテナおよび第１の人工媒質を有する第１のアンテナと、
該第１のアンテナと隣り合うように配置された、第２のスロットアンテナおよび第２の人工媒質を有する第２のアンテナと、
を少なくとも有し、
前記第１および第２の人工媒質は、絶縁層の同一平面上に配置され、
電磁波が結合された際、第１の人工媒質には、第１の方向に電流が流れ、第２の人工媒質には、第１の方向とは異なる第２の方向に電流が流れることを特徴とするアンテナシステムが提供される。
【００３９】
（本発明のアンテナシステムの構成）
以下、図４〜図６を参照して、本発明によるアンテナシステムについて、詳しく説明する。図４は、本発明によるアンテナシステムの概略的な上面図を示す。図５は、図４のＩ−Ｉ線での模式的な断面図である。また、図６は、本発明によるアンテナシステムの概略的な底面図である。
【００４０】
なお、図４〜図６は、説明のための単なる一例であって、本発明によるアンテナシステムは、他の構成であっても良い。例えば、図において、アンテナシステムは、３つのアンテナを有するように示されている。しかしながら、この数は、異なっていても良く、アンテナの数は、例えば２つまたは４つ以上であっても良い。
【００４１】
図４〜図６に示すように、本発明によるアンテナシステム１００は、３つのアンテナ１０５A〜１０５Ｃを有する。また、本発明によるアンテナシステム１００は、３つのスロット１１０Ａ〜１１０Ｃを有するグラウンドプレーン１２０と、絶縁層１３０と、３つの人工媒質１５０Ａ〜１５０Ｃとを有する。絶縁層１３０は、グラウンドプレーン１２０と、人工媒質１５０Ａ〜１５０Ｃの間に設置されている。人工媒質１５０Ａ〜１５０Ｃは、絶縁層１３０の同一平面上に配置される。
【００４２】
図４に示すように、アンテナシステム１００を上面から見た場合、グラウンドプレーン１２０の各スロット１１０Ａ〜１１０Ｃは、それぞれ、人工媒質１５０Ａ〜１５０Ｃと重なるようにして配置される。これにより、スロット１１０Ａおよび人工媒質１５０Ａを含むスロットアンテナ１０５Ａと、スロット１１０Ｂおよび人工媒質１５０Ｂを含むスロットアンテナ１０５Ｂと、スロット１１０Ｃおよび人工媒質１５０Ｃを含むスロットアンテナ１０５Ｃの３つのアンテナが形成される。
【００４３】
なお、図の例では、各スロット１１０は、いずれもＸ方向に対して４５゜傾斜した状態で、構成されている。しかしながら、これは、一例であって、スロット１１０の方向は、特に限られないことは、当業者には明らかである。各スロット１１０は、該スロット１１０の中心が、Ｚ方向に沿って、対応する人工媒質１５０の中心に配置されるようにして配置される。
【００４４】
各人工媒質１５０（１５０Ａ〜１５０Ｃ）は、誘電体層１５２（１５２Ａ〜１５２Ｃ）の上下面に、それぞれ、導電性素子１５１（１５１Ａ〜１５１Ｃ）および１５３（１５３Ａ〜１５３Ｃ）を配置することにより構成される。
【００４５】
図の例では、各人工媒質１５０は、矩形状となっており、同一の形状を有する。ただし、各人工媒質１５０（例えば１５０Ｂ）は、隣り合う人工媒質（例えば１５０Ａおよび１５０Ｃ）に対して、長辺が９０゜回転した状態で、絶縁層１３０上に配置される。
【００４６】
このようなアンテナシステム１００において、例えば、スロットアンテナ１１０Ａに給電した場合、スロットアンテナ１１０Ａからは、図６のＸ方向、Ｙ方向の両方の成分を有する磁界が発生する。この磁界が、人工媒質１５０Ａを構成する対向する導電性素子１５１Ａ、１５３Ａの内部を貫くことにより、人工媒質１５０Ａの導電性素子１５１Ａ、１５３Ａに電流が誘起される。このとき、人工媒質１５０Ａは、結合する磁界方向によって、２種類のモードで動作する。この２つのモードの周波数は、人工媒質１５０Ａに誘起される電流の方向に沿った長さと、構成する誘電体１５２Ａの比誘電率に応じた波長短縮効果を考慮して決定される。Ｘ方向の磁界と結合した場合には、人工媒質１５０Ａの長手方向に電流が流れ（モード１）、また、Ｙ方向の磁界と結合した場合には、短手方向に電流が流れるため（モード２）、結果的に、人工媒質１５０Ａは、異なる２種類の周波数で動作する。人工媒質１５０Ｂにおいても、同様のことが言え、同じ周波数で隣り合う人工媒質１５０同士を、互いに直交した状態で動作させることが可能となる。その結果、アンテナ１０５間の結合を、減らすことができる。
【００４７】
なお、係る人工媒質１５０の形状および配置は、一例であって、図とは異なる配置で、図とは異なる形状の人工媒質を配置しても良い。例えば、人工媒質１５０の形状は、長軸と短軸を有する楕円形、菱形等であっても良い。また、各人工媒質１５０の形状および／または寸法は、異なっていても良い。また、特に、矩形状の人工媒質１５０を使用する場合、各人工媒質は、隣り合う人工媒質と長手方向が平行になっていない限り、いかなる配置で、絶縁層１３０上に配置されても良い。
【００４８】
（本発明のアンテナシステムの特徴）
本発明によるアンテナシステムでは、以下に示すような有意な効果が得られる。
（ｉ）各人工媒質１５０Ａ〜１５０Ｃは、アンテナシステムの共振時の電流の流れが、隣り合う人工媒質の電流の流れと非平行となるように設置されている。このため、２つの隣り合うアンテナ１０５を接近させても、カップリングの影響は、生じ難くなる。従って、各アンテナ１０５同士の間隔（ＳＰ）を小さくことができる。これにより、各アンテナ１０５の特性を劣化させることなく、アンテナシステム１００全体の小型化を行うことが可能となる。
（ｉｉ）グラウンドプレーン１２０は、アンテナシステム１００の厚さ方向（図５のＺ方向）において、人工媒質１５０と重なるようにして配置され、アンテナシステム１００の平面（図４のＸＹ平面）が広がるようには配置されない。従って、前述の図１の場合とは異なり、アンテナシステム１００全体の小面積化が可能となる。
（ｉｉｉ）本発明のアンテナシステム１００では、アンテナ特性は、グラウンドプレーン１２０の寸法にあまり影響を受けない。従って、グラウンドプレーン１２０の寸法毎に、アンテナ特性を最適化する必要性が排除される。また、図１に示すような従来のアンテナシステム１とは異なり、設計パラメータには、人工媒質１５０の寸法およびスロット１１０の寸法等しか含まれない。従って、設計の際に使用されるパラメータ数が有意に抑制され、アンテナシステムの設計がより容易となる。
（ｉｖ）本発明のアンテナシステム１００は、スロットアンテナと人工媒質を組み合わせた構成であるため、従来のダイポールアンテナと人工媒質を組み合わせた構成に比べて、必要な部品が少なくなり、構造が単純となる。従って、より小型機器への適用に適したアンテナシステムを提供することができる。
【００４９】
（本発明によるアンテナシステムの適用例）
図７には、本発明によるアンテナシステムの適用例を模式的に示す。この図には、本発明によるアンテナシステム１００を用いて、ＭＩＭＯアンテナ装置２００を構成した例が示されている。図７（ａ）は、ＭＩＭＯアンテナ装置２００の概略的な上面図であり、図７（ｂ）は、ＭＩＭＯアンテナ装置２００の概略的な底面図である。
【００５０】
ＭＩＭＯアンテナ装置２００は、前述のアンテナシステム１００と、ＩＣチップ２１０と、伝送線路（マイクロストリップ線路）２２０（２２０Ａ〜２２０Ｃ）とを有する。
【００５１】
アンテナシステム１００のグラウンドプレーン１２０の上面には、各スリット１１０Ａ〜１１０Ｃと交差するようにして、それぞれ、伝送線路（マイクロストリップライン）２２０Ａ〜２２０Ｃが設置されている。これらの伝送線路２２０Ａ〜２２０Ｃは、グラウンドプレーン１２０の上面に配置されたＩＣチップ２１０に、一端が結合される。
【００５２】
前述のように、アンテナシステム１００により、各アンテナ１０５同士の間隔は、有意に狭めることができる。これによりＭＩＭＯアンテナ装置２００も小型化され、ＭＩＭＯアンテナ装置２００を携帯電話等の小型機器に収容することが可能となる。
【実施例】
【００５３】
次に、本発明の実施例について説明する。
【００５４】
（実施例１）
図８に示すような、２つのアンテナを有するアンテナシステムを想定し、得られる特性をシミュレーションで予測した。
【００５５】
図８において、（ａ）は、２つのアンテナ１０５Ａ、１０５Ｂを有するアンテナシステム５００の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩＩ−ＩＩ線での断面図であり、（ｃ）は、アンテナシステム５００の底面図である。なお、アンテナシステム５００を構成する各素子には、図４〜図６の対応する各素子において付した参照符号と同様の参照符号が付されている。
【００５６】
２つのアンテナ１０５Ａ、１０５Ｂの間の間隔（２つのスロットの給電点の間隔）ＳＰは、５７．５ｍｍとした。
【００５７】
スロット１１０Ａ、１１０Ｂの全長は、２０ｍｍで、幅は、２ｍｍであり、いずれも、Ｘ軸に対して、半時計方向に４５゜回転した状態で設置した。
【００５８】
絶縁層１３０は、厚さが１．６ｍｍであり、比誘電率は、１０とした。
【００５９】
各人工媒質１５０Ａ、１５０Ｂは、厚さが０．８ｍｍで比誘電率が１６の誘電体層（１５２Ａ、１５２Ｂ）の両側に、厚さが０．０１ｍｍの導電性素子（１５１Ａ、１５３Ａ、１５１Ｂ、１５３Ｂ）を配置することにより構成される。各人工媒質１５０Ａ、１５０Ｂは、縦１５ｍｍ、横１０ｍｍの矩形状とした。
【００６０】
図９には、アンテナシステム５００において得られた、アンテナ１０５のシミュレーション結果を示す。このシミュレーションには、ＦＩＴ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）法（有限積分法）による３次元電磁界シミュレーションを用いた。
【００６１】
図において、太線は、一方のアンテナ（例えば１０５Ａ）の反射特性（Ｓ１１特性）を表しており、細線は、同アンテナから他方のアンテナ（例えば１０５Ｂ）への素子間結合（Ｓ２１特性）を表している。この図において、２．６ＧＨｚでＳ１１＜−１０ｄＢとなっており、アンテナが良好に作動することがわかる。また、Ｓ２１特性は、−２０ｄＢ以下と低く抑えられており、図８に示したアンテナシステム５００は、良好なアンテナ特性を示すことがわかる。このときのアンテナ間の間隔ＳＰは、アンテナの動作周波数２．６ＧＨｚの波長で規格化した場合、１／２波長に相当する。なお、ここで言う波長とは、全て真空中の波長である。
【００６２】
（実施例２）
図８に示すアンテナシステム５００を用いて、実施例１と同様のシミュレーションを実施した。ただし、実施例２では、２つのアンテナの間隔ＳＰを、２８．７５ｍｍとした。
【００６３】
結果を図１０に示す。この結果から、実施例２においても、２．６ＧＨｚでＳ１１＜−１０ｄＢとなっており、アンテナシステム５００は、良好に作動することがわかる。なお、アンテナの動作周波数は、実施例１と同様、約２．６ＧＨｚであり、変化していない。また、このときのＳ２１特性は、−２０ｄＢ以下と、依然低く抑えられている。
【００６４】
実施例２におけるアンテナ間の間隔ＳＰは、アンテナの動作周波数２．６ＧＨｚの波長で規格化した場合、１／４波長に相当する。このことから、アンテナシステム５００では、アンテナ間隔ＳＰを１／４波長程度に近づけても、実施例１で示したような、アンテナ間隔ＳＰを１／２波長とした場合と同等の特性が得られることがわかる。
【００６５】
（実施例３）
図８に示すアンテナシステム５００を用いて、実施例１と同様のシミュレーションを実施した。ただし、実施例３では、２つのアンテナの間隔ＳＰを、１９．１７ｍｍとした。
【００６６】
結果を図１１に示す。この結果から、実施例３においても、２．６ＧＨｚでＳ１１＜−１０ｄＢとなっており、アンテナシステム５００は、良好に作動することがわかる。なお、アンテナの動作周波数は、実施例１と同様、約２．６ＧＨｚであり、変化していない。また、このときのＳ２１特性は、−１５ｄＢ以下と、依然低く抑えられている。
【００６７】
実施例３におけるアンテナ間の間隔ＳＰは、アンテナの動作周波数２．６ＧＨｚの波長で規格化した場合、１／６波長に相当する。このことから、アンテナシステム５００では、アンテナ間隔ＳＰを１／６波長程度に近づけても、アンテナシステム５００は、良好なアンテナ特性を示すことがわかる。
【００６８】
このように、本発明によるアンテナシステム５００は、アンテナ１０５間の距離が、その動作周波数の１／６波長となっても、良好な特性を示すことがわかった。これは、アンテナシステム５００は、非特許文献１と同等の性能を維持しながら、小型化できることを示すものである。
【００６９】
（実施例４）
前述の図４〜６に示したような、３つのアンテナ１０５Ａ〜１０５Ｃを有するアンテナシステム１００について、得られる特性をシミュレーションで予測した。シミュレーションには、ＦＩＴ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）法（有限積分法）による３次元電磁界シミュレーションを用いた。
【００７０】
隣り合うアンテナ１０５Ａ〜１０５Ｃの間の間隔ＳＰは、いずれも１９．１７ｍｍとした。また、各スロット１１０Ａ〜１１０Ｃの全長は、２０ｍｍで、幅は、２ｍｍであり、いずれも、Ｘ軸に対して、半時計方向に４５゜回転した状態で設置されていると想定した。
【００７１】
絶縁層１３０は、厚さが１．６ｍｍであり、比誘電率は、１０とした。
【００７２】
各人工媒質１５０Ａ〜１５０Ｃは、厚さが０．８ｍｍで比誘電率が１６の誘電体層（１５２Ａ、１５２Ｂ、１５２Ｃ）の両側に、厚さが０．０１ｍｍの導電性素子（１５１Ａ、１５３Ａ、１５１Ｂ、１５３Ｂ、１５１Ｃ、１５３Ｃ）を配置することにより構成される。各人工媒質１５０１５０Ａ〜１５０Ｃは、縦１５ｍｍ、横１０ｍｍの矩形状とした。
【００７３】
図１２には、アンテナシステム１００において得られた、アンテナ１０５のシミュレーション結果を示す。
【００７４】
図において、太線は、一つのアンテナ（例えば１０５Ａ）の反射特性（Ｓ１１特性）を表しており、細線は、同アンテナ（例えば１０５Ａ）から隣り合うアンテナ（例えば１０５Ｂへの結合（Ｓ２１特性）を表しており、破線は、同アンテナ（例えば１０５Ａ）から、配置方向の等しい他のアンテナ（例えば１０５Ｃ）への結合（Ｓ１３特性）を表している。この図において、Ｓ２１特性およびＳ１３特性は、低く抑えられており、さらにＳ１１特性は、十分に低くなっている。このことから、３つのアンテナを有するアンテナシステム１００においても、良好なアンテナ特性を維持したまま、各アンテナ間の距離を狭めることが可能であることがわかった。
【００７５】
なお、隣り合うアンテナの素子間結合、すなわちＳ２１は、２素子の場合、隣り合う人工媒質が互いに直交して配置される構成において、最も小さくなる。しかしながら、３素子以上になると、必ずしもそのような構成が最適であるとは限られない。なぜなら、アンテナ間の間隔が狭くなると、隣り合うアンテナ同士の結合だけではなく、その他のアンテナ間の結合も、全体的な特性に影響を及ぼすようになるからである。例えば、図６のアンテナシステム１００において、人工媒質１５０Ａおよび１５０Ｃは、同じ配置となっている。しかしながら、この配置では、アンテナ間隔ＳＰが短くなると、素子間結合が上昇し始める。
【００７６】
そこで、例えば、図１３に示すように、アンテナシステム１００'において、人工媒質１５０Ａ〜１５０Ｃを、順次、時計方向に６０゜ずつ回転させて、配置することが考えられる。なお、図１３は、アンテナシステム１００'の概略的な底面図である。
【００７７】
この場合、アンテナ間隔ＳＰが短くなっても、各アンテナ１０５Ａ〜１０５Ｃの素子間結合を有意に抑制することができる。ただし、この場合、各アンテナ１０５と人工媒質１５０の組（１０５Ａ−１５０Ａ、１０５Ｂ−１５０Ｂ、および１０５Ｃ−１５０Ｃ）は、各アンテナ１０５のスロット１１０に流れる磁流（磁界）の方向（図１３のＢ１〜Ｂ３の方向）と、対応する人工媒質１５０の長手方向が平行にならないようにして、相互に配置する必要がある。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、例えば、ＭＩＭＯ技術を適用した携帯電話等に利用することができる。
【符号の説明】
【００７９】
１０ 従来のアンテナシステム
２０ ダイポールアンテナ素子群
３０ 誘電体基板
５０ 人工媒質群
１００ 本発明によるアンテナシステム
１００' 本発明による別のアンテナシステム
１０５（１０５Ａ、１０５Ｂ、１０５Ｃ） アンテナ
１１０（１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ） スロット
１２０ グラウンドプレーン
１３０ 絶縁層
１５０（１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃ）人工媒質
１５１（１５１Ａ、１５１Ｂ、１５１Ｃ）導電性素子
１５２（１５２Ａ、１５２Ｂ、１５２Ｃ）誘電体層
１５３（１５３Ａ、１５３Ｂ、１５３Ｃ）導電性素子
２００ ＭＩＭＯアンテナ装置
２１０ ＩＣチップ
２２０（２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃ） 伝送線路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のスロットアンテナおよび第１の人工媒質を有する第１のアンテナと、
該第１のアンテナと隣り合うように配置された、第２のスロットアンテナおよび第２の人工媒質を有する第２のアンテナと、
を少なくとも有し、
前記第１および第２の人工媒質は、絶縁層の同一平面上に配置され、
電磁波が結合された際、第１の人工媒質には、第１の方向に電流が流れ、第２の人工媒質には、第１の方向とは異なる第２の方向に電流が流れることを特徴とするアンテナシステム。
【請求項２】
さらに、前記第２のアンテナと隣り合う第３のアンテナを有し、
該第３のアンテナは、第３のスロットアンテナおよび第３の人工媒質を有し、
前記第３の人工媒質は、前記絶縁層の前記同一平面上に配置され、
当該アンテナシステムに電磁波が結合された際、前記第３の人工媒質には、前記第２の方向とは異なる第３の方向に、電流が流れることを特徴とする請求項１に記載のアンテナシステム。
【請求項３】
当該アンテナシステムは、第１および第２の２つのアンテナを備え、
前記第１の方向と前記第２の方向は、実質的に直交していることを特徴とする請求項１に記載のアンテナシステム。
【請求項４】
前記人工媒質の少なくとも一つは、矩形状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載のアンテナシステム。
【請求項５】
前記各スロットアンテナのスロットの延伸方向は、実質的に等しいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載のアンテナシステム。
【請求項６】
前記人工媒質は、誘電体層と、該誘電体層の表裏面に設置された導電性素子とにより構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載のアンテナシステム。
【請求項７】
前記第１、第２および／または第３のスロットアンテナは、スロットを備えるグラウンドプレーンで構成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載のアンテナシステム。
【請求項８】
第１面および該第１面に対向する第２面を有する絶縁体と、
前記絶縁体の前記第１面上に設けられたグランドプレーンであって、前記絶縁体の前記第１面の一部を露出する、少なくとも一つのスロットが形成されたグランドプレーンと、
前記絶縁体の第２面に、前記絶縁体を介して、前記グランドプレーンに形成された前記スロットを覆うように設置された人工媒質と、
を備えたことを特徴とするアンテナシステム。
【請求項１】
第１のスロットアンテナおよび第１の人工媒質を有する第１のアンテナと、
該第１のアンテナと隣り合うように配置された、第２のスロットアンテナおよび第２の人工媒質を有する第２のアンテナと、
を少なくとも有し、
前記第１および第２の人工媒質は、絶縁層の同一平面上に配置され、
電磁波が結合された際、第１の人工媒質には、第１の方向に電流が流れ、第２の人工媒質には、第１の方向とは異なる第２の方向に電流が流れることを特徴とするアンテナシステム。
【請求項２】
さらに、前記第２のアンテナと隣り合う第３のアンテナを有し、
該第３のアンテナは、第３のスロットアンテナおよび第３の人工媒質を有し、
前記第３の人工媒質は、前記絶縁層の前記同一平面上に配置され、
当該アンテナシステムに電磁波が結合された際、前記第３の人工媒質には、前記第２の方向とは異なる第３の方向に、電流が流れることを特徴とする請求項１に記載のアンテナシステム。
【請求項３】
当該アンテナシステムは、第１および第２の２つのアンテナを備え、
前記第１の方向と前記第２の方向は、実質的に直交していることを特徴とする請求項１に記載のアンテナシステム。
【請求項４】
前記人工媒質の少なくとも一つは、矩形状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載のアンテナシステム。
【請求項５】
前記各スロットアンテナのスロットの延伸方向は、実質的に等しいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載のアンテナシステム。
【請求項６】
前記人工媒質は、誘電体層と、該誘電体層の表裏面に設置された導電性素子とにより構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載のアンテナシステム。
【請求項７】
前記第１、第２および／または第３のスロットアンテナは、スロットを備えるグラウンドプレーンで構成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載のアンテナシステム。
【請求項８】
第１面および該第１面に対向する第２面を有する絶縁体と、
前記絶縁体の前記第１面上に設けられたグランドプレーンであって、前記絶縁体の前記第１面の一部を露出する、少なくとも一つのスロットが形成されたグランドプレーンと、
前記絶縁体の第２面に、前記絶縁体を介して、前記グランドプレーンに形成された前記スロットを覆うように設置された人工媒質と、
を備えたことを特徴とするアンテナシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−２７３２７３（Ｐ２０１０−２７３２７３Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２５４３６（Ｐ２００９−１２５４３６）
【出願日】平成２１年５月２５日（２００９．５．２５）
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社 (2,665)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２５日（２００９．５．２５）
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社 (2,665)
【Ｆターム（参考）】
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