JP2004128600A

JP2004128600A - 指向性可変型誘電体アンテナ

Info

Publication number: JP2004128600A
Application number: JP2002286312A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Nakamura; 中村　直史
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】モノポール型指向性可変誘電体アンテナにおいて、無給電素子を反射器、導波器のいずれとしてもそれぞれ最適の共振周波数になるよう設定して、切り替え可能にする。
【解決手段】１個の放射素子及び反射器または導波器として動作する少なくとも１個の無給電素子を配置した指向性可変型誘電体アンテナであって、放射素子の周囲に配置される無給電素子は放射素子と同じ構造で、整合端子ピンにリアクタンス素子となる分布定数線路を直列に接続し、分布定数線路は他端が電気的に開放もしくはグラウンド板のアースパターンと接続され、さらにその中間的位置にスイッチ素子を接続したものである。分布定数線路を導波器または反射器のいずれか一方の最適共振周波数が得られる長さに設定し、その中間においてスイッチを接続する位置を他方の最適共振周波数が得られる長さに設定して、切り替えによって最適の指向性を得る。
【選択図】　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１点と複数ポイントとの無線通信を行う無線ＬＡＮ等に利用するアンテナに関するもので、通信相手の機器の方向に良好な指向性を得るためにビームを向けることができる、指向性の切り替えが可能な誘電体アンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
小電力でアクセスポイントと特定方向にある端末との通信を行う場合、あるいは端末が最適のアクセスポイントを選択して接続を行う場合には、特定の方向にビームを向けられ、さらにその方向を適宜切り替えられることが、電波干渉を低減できるため望ましい。そのため、指向性可変型アンテナの利用が検討されている。
【０００３】
従来の指向性可変型アンテナには、中央に棒状のモノポール放射器を配置し、その周囲に複数の棒状の無給電素子に直列に固定リアクタンス素子と並列にスイッチ素子を配置してアース間を接続し、そのスイッチをオン／オフすることでその共振周波数を、放射器の共振周波数より低めの反射器共振周波数と放射器より高めの導波器共振周波数に切り替えて指向性を切り替える方法があり、また、特開２００１−２４４３１号公報のように固定リアクタンス素子と並列になったスイッチ素子対に代えて電気的に連続制御可能な可変リアクタンス素子を用いて指向方向を連続可変としたものがあった。
しかし、棒状のモノポールアンテナでは周波数に応じた一定の長さが必要となるため、例えば５．２ＧＨｚ帯では１／４波長の１５ｍｍ程度の高さになり、ＰＣＶカード等通信装置の筐体内に設置すると装置が大型化するとともに、棒状のモノポールアンテナ素子とアース間に直列にリアクタンス素子とスイッチ素子の並列回路または可変リアクタンス素子を挿入することは構造的に不自然になり、高さの低減が難しかった。また、指向性連続制御型は制御信号を得るアルゴリズムが複雑で制御の高速化が困難であった。
【０００４】
そこで、先に本出願人等は、誘電体アンテナ放射素子を中心とする同心円上に、無給電素子が配置され、所定の方向にある１素子または２素子が導波器を構成し、残りの無給電素子は反射器を構成して指向性が切り替えられるように、整合端子ピンを持つ誘電体モノポール素子の整合端子ピンを直接にまたは直列接続したリアクタンス素子とスイッチ素子を介してアースに接続し、無給電素子を反射器、導波器のいずれとしても利用可能とすることによって、電気的に指向性の切り替えが可能で、低背、小型の指向性切り替え型のアンテナを特願２００２−５３３３４号として提案し、上記の課題を解決した。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２４４３１号公報
【特許文献２】
特願２００２−５３３３４号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、グラウンド板上に放射器となる放射素子を１個と、その周囲に近接して配置した複数の反射器、導波器またはそれ以外の素子となる無給電素子を有するアンテナの指向性は、グラウンド板の寸法、放射素子と各無給電素子間の距離及び無給電素子の共振周波数によって決まる。また、指向性の切り替えは、無給電素子に直接装荷されたリアクタのリアクタンス値を変えることにより実現できる。無給電素子の共振周波数は、反射器と導波器では異なっており、それぞれで独立に決定できることが望ましい。すなわち、無給電素子に直接装荷されたリアクタのリアクタンス値を独立に設定でき切り換えができることが望ましい。
本発明は、上述のアンテナにおいて、無給電素子を切り替えて反射器、導波器のいずれにした場合も最適の共振周波数可能になるようにして、電気的に切り替え可能な、良好な指向性を持つ指向性可変型アンテナを提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、グラウンド板上に１個の放射素子及び切り替えられて反射器または導波器として動作する少なくとも１個の無給電素子を平面的に配置した指向性可変型誘電体アンテナであって、放射素子は、誘電体基板の中央に貫通孔を有し、表面の容量電極と裏面のアース電極とを接続する放射電極となる複数の導体が貫通孔壁面部に形成され、貫通孔に挿入された整合端子ピンを介して放射電極中間の整合点を引き出し外部の送受信回路と接続して給電される誘電体素子であり、放射素子の周囲に配置される無給電素子は放射素子と同じ構造で、整合端子ピンにリアクタンス素子となる分布定数線路を直列に接続し、分布定数線路は他端が電気的に開放もしくはグラウンド板のアースパターンと接続され、またはそれらのいずれかの選択ができ、さらに分布定数線路はその中間的位置にスイッチ素子を接続したことを特徴とするものである。
この、指向性可変型誘電体アンテナは、無給電素子の反射器と導波器の切り替えに当たり、分布定数線路の長さを導波器または反射器のいずれか一方の最適共振周波数が得られるように設定し、分布定数線路の中間においてスイッチを接続する位置を他方の最適共振周波数が得られる位置すなわち最適なリアクタンス値の得られる位置に設定できることを特徴とし、これにより最適の指向性を得ようとするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
例えば５．２ＧＨｚ帯であれば、誘電体モノポールアンテナは比誘電率が８程度の誘電体材料で形成された直径１０ｍｍ程度、厚さ３ｍｍ程度の素子を用いることができる。これを中心の放射素子として整合端子ピンを外部回路と接続し、その周囲に同心円状に位置するように同様の構造の無給電素子を配置する。
指向性可変のためには、無給電素子は１個以上でよいが、通常２方向切り替えの場合は１直線上に３素子が配置され、４方向の切り替えの場合は同心円上に９０°づつずらして４個配置する。
【０００９】
無給電素子に直接装荷されたリアクタに接続され、リアクタンス値を変えるスイッチ素子としてはＰＩＮダイオードなどを使用する。
無給電素子に接続されたリアクタンス素子としての分布定数線路の端部に接続したスイッチをオンさせて接地することによって、負荷が短絡する。スイッチがオフであれば、無給電素子に接続された負荷は開放状態となる。
スイッチ素子がオンとなる無給電素子は整合端子ピンがアースパターンと電気的に接続されて共振周波数が上がって導波器とされ、スイッチ素子がオフとなる無給電素子は電気的に接続されず共振周波数が下がって反射器とされ、スイッチ素子の制御によって、指向性が切り替えられる。しかし、それだけでは導波器及び反射器の双方に最適な共振周波数は得られず、良好な指向性が得られない。
【００１０】
本発明では、分布定数線路の中間の位置にもスイッチを接続する。
無給電素子に接続された分布定数線路の長さを導波器または反射器のいずれか一方として最適共振周波数が得られる長さに設定しておき、他方分布定数線路の中間の位置に接続したスイッチをオンさせて接地することによって、負荷が短絡される。そのスイッチの接続位置を選ぶことによって他方の反射器または導波器を最適値に設定できる。
【００１１】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について、説明する。
本発明に使用する誘電体モノポールアンテナの例を図１に示す。
図１（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面断面図である。円板状の誘電体基板１０は比誘電率が７．９のセラミック誘電体材料の成形、焼成体で外径は１０ｍｍ、厚さは３ｍｍで、中央に直径４ｍｍの貫通孔が形成されている。
【００１２】
表面の貫通孔の開口周囲には導体膜が印刷、焼付されて容量電極１１が形成されており、裏面のほぼ全面にはアース電極１４が形成される。容量電極１１とアース電極１４とは、貫通孔壁面部に複数形成される放射電極１２によって接続される。この放射電極１２は貫通孔の壁面に当接するように導体板から切り起こされた２本の導体片で構成しても良いし、孔内面に印刷された複数の導体パターンで形成しても良い。２本の放射電極を用いることで誘電体素子の重心位置にある孔中心の１本の放射電極と等価になる。
【００１３】
貫通孔には表面側に鍔を有する整合端子ピン１３が挿入される。この端子ピン１３は表面側が貫通孔の内径よりも僅かに小さい太さとなっており、その太さの部分が貫通孔内のインピーダンス整合点すなわち給電点まで続いている。そこから裏面側は直径が小さくなっており、放射電極１２とは接触しない。整合端子ピン１３の細い先端は誘電体素子の中心軸部にありこれを放射素子として用いる場合には整合端子ピン１３を外部回路（送受信回路）と接続した給電素子とする。
無給電素子とする場合は、整合端子ピンをリアクタンス素子と直列に接続し、その他端で電気制御可能なＰＩＮダイオード等のスイッチ素子を介してアースに接続すると、スイッチのオン・オフにより共振周波数を高めの導波器周波数と低めの反射器周波数に切り替えられ、指向性が切り替え制御できる。
【００１４】
リアクタンス素子としてはマイクロストリップラインによる分布定数スタブなどを使用できる。
リアクタンス素子が約１／４波長マイクロストリップラインの場合は、先端のスイッチをオンした時にショートスタブとなり、整合端子ピン位置で無限大インピーダンスとなってスイッチ開放と等価になる。スイッチオフの場合はオープンスタブとなりスイッチ短絡と等価になる。
【００１５】
図２（Ａ）は、本発明が適用されるアンテナの１例を示す上面斜視図である。５０×５０ｍｍのグラウンド板２４の中心に前記の誘電体素子を放射素子２５として配置し、周囲の９０°づつ異なる４方向に１７ｍｍの中心間隔で４つの無給電素子２６を配置したものである。誘電体素子を搭載するグラウンド板は、両面または片面の配線基板を用いることができる。
図２（Ｂ）はグラウンド板の底面斜視図である。ほぼ全面にアースパターン２７が施されているが、上面の無給電素子に対応する位置には１／４波長マイクロストリップライン２８が設けられ、無給電素子の整合端子ピンに接続されている。
図２（Ｃ）はマイクロストリップラインを拡大した説明図である。マイクロストリップライン２８の先端は開放状態となっている。マイクロストリップラインの中間位置はスイッチ素子２９であるＰＩＮダイオードを介してアースに接続されている。チップ抵抗３０は、ＰＩＮダイオードを駆動するための制御電圧端子に接続されている。
【００１６】
図２は、無給電素子の２つを導波器Ｄ、残りの２つを反射器Ｒとしたもので、導波器Ｄは整合端子ピンがグラウンド板のアースパターンとはオープン（開放）された状態となり、共振周波数が放射器周波数よりも高めに移動し、反射器Ｒはグラウンド板のアースパターンと導通されショート（短絡）状態となって、共振周波数が放射器周波数よりも低めとなっている。導波器と反射器を入れ替えれば指向性が逆になることは言う迄もない。
【００１７】
上記のような配置を採用したときに指向性を決定するのは、無給電素子が導波器Ｄであるか、反射器Ｒであるかであるが、両者を併用し切り換えて用いる場合には、従来はマイクロストリップラインの中間にスイッチ素子を設けていないので、一方が最適共振周波数であっても、他方が必ずしも最適共振周波数とはならず、最良の指向性を示すことは困難であった。
【００１８】
図８の従来例では、無給電素子にマイクロストリップラインを接続し、他端はスイッチ素子を介してアースに接続し、スイッチ素子をオン・オフした場合、マイクロストリップラインで決定されるリアクタンスは、例えば図３に示したように、放射素子の共振周波数が５．２ＧＨｚのとき、先端開放状態で導波器に最適な共振周波数となるようにマイクロストリップラインの長さＬを設定したとすると、先端短絡状態での反射器の最適な共振周波数にならないのである。また、先端開放状態で反射器に最適な共振周波数に合わせたとすると、先端短絡状態での導波器の最適な共振周波数にはならない。
【００１９】
そこで、本発明においては、図４に示したように、無給電素子にマイクロストリップラインを接続して、その長さＬ１を先端開放状態で導波器に最適な共振周波数が得られるように設定し、マイクロストリップラインの中間位置には先端短絡状態での反射器が最適な共振周波数になるリアクタンス値が得られる位置Ｌ２を選定してスイッチ素子２９を介してアースに接続されている。こうすることによって、導波器として使う場合にはスイッチ素子２９をオフすればよく、反射器として使う場合にはスイッチ素子２９をオンして使えばよい。
【００２０】
図５は、５．２ＧＨｚの放射素子を用いたとき、無給電素子に接続したマイクロストリップラインの長さＬ１を導波器共振周波数が得られるような最適なものとし、さらに、最適な反射器共振周波数が得られるようにＰＩＮダイオードの接続位置Ｌ２を設定したときの特性図である。スイッチをオン／オフして、最適な導波器、反射器の共振周波数が得られる。
【００２１】
また、図６（Ａ）（Ｂ）に示した他の実施例のように、無給電素子に長さＬ１のマイクロストリップライン２８を接続してその先端をバイパスコンデンサＣを介して高周波的にアースに短絡し、中間位置のスイッチの開放状態で導波器に最適な共振周波数が得られるように設定する。
マイクロストリップラインの中間位置Ｌ２は、短絡状態で反射器の最適な共振周波数になるように設定しスイッチ素子２９を介してアースに接続されている。
こうすることによって、導波器として使う場合にはスイッチ素子２９をオフすればよく、反射器として使う場合にはスイッチ２９をオンして使えばよい。
【００２２】
さらに、図７の他の実施例に示したように、無給電素子にマイクロストリップライン２８を接続してその先端をスイッチ素子を介してアースに接続し、先端アース開放、中間スイッチ開放状態で導波器に最適な共振周波数が得られるようにその長さＬ１を選択する。一方マイクロストリップラインの中間位置Ｌ２は、短絡状態で反射器の最適な共振周波数になるように設定しスイッチ素子２９を介してアースに接続されている。
こうすることによって、導波器として使う場合には２つのスイッチ素子をオフすればよく、反射器として使う場合にはスイッチ２９をオンして使えばよい。
また、マイクロストリップライン先端のスイッチをオン、中間位置のスイッチ素子２９をオフにすると先端短絡状態でその長さＬ１の導波器として、いずれのスイッチもオンすると反射器として、最適の共振周波数を選択することができ良好な指向性が得られる。
【００２３】
以上は、一つの無給電素子を取り上げて説明したが、複数の無給電素子がある場合には、必要なものを導波器として、また他のものを反射器として選択し、それぞれが最適なマイクロストリップラインの長さとなるように設定することによって、所望の指向性を得ることができる。また、以上の説明では、Ｌ１を導波器、Ｌ２を反射器として説明したが、これはマイクロストリップラインのリアクタンス値によっては逆となる場合がある。
【００２４】
また、上記実施例は、分布定数線路としてマイクロストリップラインを使用した例により説明したが、ストリップラインなど他の分布定数線路で構成することが本発明に含まれることは言う迄もない。
なお、スイッチ素子はＰＩＮダイオードに限るものではなく、トランジスタスイッチ等、外部から電気的に切り替え可能な他の素子を用いることができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、誘電体モノポールアンテナにおいて、無給電素子を反射器、導波器のいずれとしても最適の共振周波数で切り替えが可能にすることによって、電気的に良好な指向性の切り替え可能な、指向性可変型アンテナを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に使用される放射素子の例を示す（Ａ）平面図と（Ｂ）正面断面図
【図２】本発明が使用されるアンテナの例を示す（Ａ）上面斜視図と（Ｂ）下面斜視図及び（Ｃ）マイクロストリップラインの拡大図
【図３】無給電素子に接続したマイクロストリップラインの長さとその共振周波数の関係を示す特性曲線図
【図４】本発明の実施例を示す説明図
【図５】図４の実施例における無給電素子の共振周波数対マイクロストリップラインの長さの関係を示す特性曲線図
【図６】本発明の他の実施例を示す説明図
【図７】本発明のさらに他の実施例を示す説明図
【図８】無給電素子の従来例を示す説明図
【符号の説明】
１０：誘電体
１１：容量電極
１２：放射電極
１３：整合端子ピン
１４：アース電極
２４：グラウンド板
２５：給電素子
２６：無給電素子
２７アースパターン
２８、マイクロストリップライン
２９：スイッチ素子
Ｄ：導波器
Ｒ：反射器

Claims

グラウンド板上に１個の放射素子及び切り替えられて反射器または導波器として動作する少なくとも１個の無給電素子を平面的に配置した指向性可変型誘電体アンテナであって、
放射素子は、誘電体基板の中央に貫通孔を有し、表面の容量電極と裏面のアース電極とを接続する放射電極となる複数の導体が貫通孔壁面部に形成され、貫通孔に挿入された整合端子ピンを介して放射電極中間の整合点を引き出し外部の送受信回路と接続して給電される誘電体素子であり、
該放射素子の周囲に配置される無給電素子は放射素子と同じ構造で、整合端子ピンにリアクタンス素子となる分布定数線路を直列に接続し、
該分布定数線路は他端が電気的に開放もしくはグラウンド板のアースパターンと接続され、またはそれらのいずれかの選択ができ、該分布定数線路の中間的位置にスイッチ素子を接続したことを特徴とする指向性可変型誘電体アンテナ。
前記無給電素子の反射器と導波器の切り替えに当たり、該分布定数線路の長さを導波器または反射器のいずれか一方として最適共振周波数が得られる長さに設定し、該分布定数線路の中間においてスイッチを接続する位置を他方の最適共振周波数が得られるリアクタンス値の位置に設定したことを特徴とする請求項１記載の指向性可変型誘電体アンテナ。
前記分布定数線路の他端が電気的に開放され、該分布定数線路の中間的位置にスイッチ素子を介してアースが接続された請求項２記載の指向性可変型誘電体アンテナ。
前記分布定数線路の他端がグラウンド板のアースパターンと短絡され、該分布定数線路の中間的位置にスイッチ素子を介してアースが接続された請求項２記載の指向性可変型誘電体アンテナ。
前記分布定数線路の他端が電気的スイッチ素子を介してアースに接続され、かつ該分布定数線路の中間的位置にスイッチ素子を介してアースが接続された請求項２記載の指向性可変型誘電体アンテナ。