JP2004266367A - アンテナ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】水平方向から鉛直方向を含む半球面にわたる全方向に高い利得が得られ、小型かつ簡易な構成のアンテナ装置を提供すること。
【解決手段】誘電体基板１０１は、比誘電率εｒ、厚さｔ、一辺が長さＷｄの正方形状の基板である。接地導体１０２は、誘電体基板１０１の一面に誘電体基板１０１と同形状で設けられている。ＭＳＡ素子１０３は、誘電体基板１０１の他面中央に、一辺が長さＷｐの正方形状の銅箔で形成されている。モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄは、直径Ｄ、長さＬの銅線であり、ＭＳＡ素子１０３の対角線上に等間隔で、かつ、誘電体基板１０１に対して垂直に配置されている。ＭＳＡ素子１０３とモノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄは受信電力の高い方が選択的に給電される。モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄを選択した場合には、各素子の位相及び振幅が制御される。
【選択図】 図１
【解決手段】誘電体基板１０１は、比誘電率εｒ、厚さｔ、一辺が長さＷｄの正方形状の基板である。接地導体１０２は、誘電体基板１０１の一面に誘電体基板１０１と同形状で設けられている。ＭＳＡ素子１０３は、誘電体基板１０１の他面中央に、一辺が長さＷｐの正方形状の銅箔で形成されている。モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄは、直径Ｄ、長さＬの銅線であり、ＭＳＡ素子１０３の対角線上に等間隔で、かつ、誘電体基板１０１に対して垂直に配置されている。ＭＳＡ素子１０３とモノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄは受信電力の高い方が選択的に給電される。モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄを選択した場合には、各素子の位相及び振幅が制御される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波帯及びミリ波帯に対応するアンテナ装置に関し、例えば、無線ＬＡＮシステムの固定局装置に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ノート型パソコンなどの通信端末装置と無線回線を介して接続する無線ＬＡＮシステムが普及しつつある。無線ＬＡＮシステムでは、５ＧＨｚ帯や２５ＧＨｚ帯などの高い周波数が割り当てられている。このため、電波の直進性が顕著になり、電波の送信距離が確保しにくくなる。そこで、一つの固定局装置で電波の送信可能エリアを広く確保するため、指向性を任意の方向に形成するアレーアンテナが考えられている。従来、このようなアンテナ装置として、特許文献１に開示の発明が知られている。
【０００３】
図１５は、従来のアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図及び断面図である。この図において、有限反射板１１は、直径が動作周波数の１波長程度の円形状であり、外周縁に沿って円筒状の導体板１４が設けられている。放射素子１２は、１／２波長程度の長さを有し、有限反射板１１の上面中央部に垂直に設けられている。無給電素子１３は、放射素子１２の周辺に等間隔で、有限反射板１１の上面に対して垂直に複数配置されている。可変リアクタンス素子１５は、有限反射板１１の下面において、無給電素子１３にそれぞれ接続されている。
【０００４】
このような構成を有するアンテナ装置において、可変リアクタンス素子１５を制御し、リアクタンス値を変化させることにより、水平面内の全方向に主ビームを走査させることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１６４２７号公報（［００１１］［００１２］及び図１参照）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、無線ＬＡＮシステムの固定局装置は、上述した特許文献１が想定しているように、通信端末装置とほぼ同じ高さに設置することも考えられるが、この場合、電波の障害物が多く存在するため、屋内であれば天井などの比較的高い位置に設置されることが望ましい。上記従来のアンテナ装置では、水平方向の全方向にわたって十分な利得が得られるものの、鉛直方向及び鉛直方向から傾斜（チルト）させた方向には十分な利得が得られない。このため、例えば、従来のアンテナ装置を天井に設けた場合には、低い位置に存在する通信端末装置と良好な通信を維持することが困難であるという問題がある。
【０００７】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、水平方向から鉛直方向を含む半球面にわたる全方向に高い利得が得られ、小型かつ簡易な構成のアンテナ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、本発明のアンテナ装置は、所定の誘電率の誘電体基板と、前記誘電体基板の表面に配置されたマイクロストリップアンテナ素子と、前記誘電体基板の表面に放射状に、かつ垂直に配置された複数の線状アンテナ素子と、前記線状アンテナ素子を給電する信号の振幅及び位相を素子毎に制御する制御手段と、前記マイクロストリップアンテナ素子又は前記複数の線状アンテナ素子を選択的に給電する切り替え手段と、を具備する構成を採る。
【０００９】
この構成によれば、誘電体基板面に対して垂直に配置された複数の線状アンテナ素子を、振幅及び位相が制御された信号で給電することにより、誘電体基板面に対し水平方向に最大放射方向を任意の方向に向けることができ、マイクロストリップアンテナ素子を設けたことにより、誘電体基板面に対して垂直方向に放射方向を向けることができる。
【００１０】
本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記切り替え手段が、前記複数の線状アンテナ素子の受信状態と前記マイクロストリップアンテナ素子の受信状態とを比較する比較手段を具備し、前記比較手段によって受信状態が良好と判断された信号を受信したアンテナ素子を給電する構成を採る。
【００１１】
この構成によれば、マイクロストリップアンテナ素子か複数の線状アンテナ素子のいずれかで受信した信号のうち、受信状態が良好なアンテナを給電することから、安定した電波の放射を行うことができる。
【００１２】
本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記マイクロストリップアンテナ素子の中央に、当該マイクロストリップアンテナ素子及び前記誘電体基板を貫いて設けられた孔部と、前記孔部に設けられた支柱と、前記支柱から放射状に継合され、前記線状アンテナ素子を支持する支持部材と、を具備する構成を採る。
【００１３】
この構成によれば、例えば、ダイポールアンテナのように、誘電体基板に直接配置することができないようなアンテナ素子であっても、支持することができる。
【００１４】
本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記複数の線状アンテナ素子が、前記誘電体基板の表面に対して垂直方向に多段化して配置される構成を採る。
【００１５】
この構成によれば、複数の線状アンテナ素子を多段化して配置することにより、段毎に位相差を持たせれば、低仰角の垂直面において指向性制御を行うことができると共に、また、低仰角方向の利得を高くすることができる。
【００１６】
本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記マイクロストリップアンテナ素子が、前記誘電体基板に複数配置され、前記制御手段が、前記複数のマイクロストリップアンテナ素子を給電する信号の振幅及び位相を素子毎に制御する構成を採る。
【００１７】
この構成によれば、誘電体基板面に配置された複数の線状アンテナ素子を、振幅及び位相が制御された信号で給電することにより、より高い利得が得られ、かつ、高仰角において指向性を制御することができる。
【００１８】
本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記複数の線状アンテナ素子として、モノポールアンテナ又はダイポールアンテナを用いた構成を採る。
【００１９】
この構成によれば、線状アンテナ素子をモノポールアンテナとした場合でもダイポールアンテナとした場合でも、同様の放射パターンが得られるため、いずれか所望のアンテナを用いることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の骨子は、誘電体基板の表面にマイクロストリップアンテナ素子を配置し、誘電体基板の表面に放射状に、かつ垂直に複数の線状アンテナ素子を配置し、線状アンテナ素子を給電する信号の振幅及び位相を素子毎に制御すると共に、マイクロストリップアンテナ素子又は複数の線状アンテナ素子を選択的に給電することである。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。この図において、誘電体基板１０１は、比誘電率εｒ、厚さｔ、一辺が長さＷｄの正方形状の基板である。
【００２３】
接地導体１０２は、誘電体基板１０１の−Ｚ方向（図１に示す座標系参照）の面に誘電体基板１０１と同形状で設けられている。
【００２４】
マイクロストリップアンテナ素子（以下、「ＭＳＡ素子」という）１０３は、誘電体基板１０１の＋Ｚ方向の面上中央に、一辺が長さＷｐの正方形状の銅箔で形成されている。図中黒点は、給電点の位置を示しており、給電線のインピーダンスに対して整合がとれる位置に設定されている。
【００２５】
モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄは、直径Ｄ、長さＬの銅線であり、ＭＳＡ素子１０３の対角線上に等間隔（素子間隔ｄ１）で、かつ、誘電体基板１０１に対して垂直に配置されている。以下、モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄを総称してモノポールアレーということがある。
【００２６】
図２は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図２が図１と共通する部分には、図１と同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。この図において、モノポールアダプティブアレー２０１は、モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄに給電する信号の位相及び振幅を制御し、最大放射方向及びヌル点方向を制御する。
【００２７】
ウェイト調整器２０２ａ〜２０２ｄは、モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄの後段にそれぞれ接続されており、アダプティブプロセッサ２０４の制御に基づいて、給電信号の位相及び振幅にウェイトをかける。
【００２８】
電力分配合成器２０３は、ウェイト調整器２０２ａ〜２０２ｄを介して入力された信号の電力が合成され、合成された信号がアダプティブプロセッサ２０４、電力比較部２０６に出力されると共に、高周波スイッチ２０５を介して送受信モジュール２０７に出力される。また、送受信モジュール２０７から出力された信号をモノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄに分配する。
【００２９】
アダプティブプロセッサ２０４は、モノポールアレーで受信した信号と電力分配合成器２０３から出力された信号とに基づいて、ウェイト調整器２０２ａ〜２０２ｄを制御する。具体的には、モノポールアレーで受信した信号の振幅及び位相の計算と、電力分配合成器２０３から出力された信号の電力の測定を行い、電力分配合成器２０３から出力される信号の電力（レベル）が最も高くなるように、モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄを給電する信号の位相及び振幅を調整するため、ウェイト調整器２０２ａ〜２０２ｄを制御する。なお、ウェイト調整器２０２ａ〜２０２ｄ及びアダプティブプロセッサ２０４は、制御手段として機能する。
【００３０】
切り替え手段としての高周波スイッチ２０５は、例えば、ＰＩＮダイオードやＧａＡｓ−ＦＥＴ（ＧａＡｓ−Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などであり、電力比較部２０６の制御に基づいて、電力の大きい信号を受信したアンテナを送受信モジュールと接続する。すなわち、モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄとＭＳＡ素子１０３のいずれかを選択的に給電することになる。
【００３１】
比較手段としての電力比較部２０６は、電力分配合成器２０３から出力された信号と、ＭＳＡ素子１０３で受信した信号との電力を測定し、いずれの電力が大きいかを比較判定した結果に基づいて、電力の大きい信号を受信したアンテナを動作させるため、高周波スイッチ２０５を制御する。
【００３２】
送受信モジュール２０７は、Ａ／Ｄ変換やダウンコンバートなどの所定の受信処理と、Ｄ／Ａ変換やアップコンバートなどの所定の送信処理を行う。
【００３３】
次に、上述した構成を有するアンテナ装置の動作について説明する。電力比較部２０６は、モノポールアレーで受信した信号の合成電力と、ＭＳＡ素子１０３で受信した信号の電力とを比較し、電力の大きい方のアンテナと送受信モジュールを接続するように高周波スイッチ２０５を制御する。ここで、モノポールアレーが動作アンテナとして選択されたものとする。
【００３４】
モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄでそれぞれ受信された信号は、アダプティブプロセッサ２０４において、振幅及び位相が計算される。また、ウェイト調整された受信信号の合成電力が測定される。アダプティブプロセッサ２０４は、合成電力が最大となるように、各モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄで受信した信号の位相及び振幅をそれぞれ調整するため、ウェイト調整器２０２ａ〜２０２ｄを制御する。これにより、水平（図１に示すＸ−Ｙ）面における指向性を変化させることができ、最大放射方向を任意の方向に向けることができる。
【００３５】
電力比較部２０６において、動作アンテナをＭＳＡ素子１０３として選択された場合、高周波スイッチ２０５は、ＭＳＡ素子１０３と送受信モジュール２０７を接続する。
【００３６】
このように、モノポールアレーとＭＳＡ素子１０３とを、受信電力に基づいて選択的に給電することで、安定した電波を放射することができる。なお、送信時には、受信時に使用したアンテナを選択することができる。
【００３７】
次に、上記アンテナ装置の動作周波数を５．２ＧＨｚとして設定した場合の放射特性について具体的に説明する。
【００３８】
ここで、図１に示すアンテナ装置を構成するパラメータを以下のように設定する。
【００３９】
εｒ＝２．６
ｔ＝１．５［ｍｍ］
Ｗｄ＝８０［ｍｍ］（約１．４波長）
Ｗｐ＝１５．５［ｍｍ］
Ｄ＝１［ｍｍ］
Ｌ＝２９［ｍｍ］（約０．５波長）
ｄ１＝２９［ｍｍ］（約０．５波長）
【００４０】
図３は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の放射パターンを示す図である。図３（Ａ）〜（Ｃ）において、実線はＭＳＡ素子１０３の放射パターンを、点線はモノポールアレーの放射パターンを示す。
【００４１】
図３（Ａ）は、図１の座標軸において方位角φ＝０°（Ｘ−Ｙ面）における垂直面放射パターンである。このとき、モノポールアレーの放射パターンは最大放射方向の方位角φが０°となるように、モノポールアンテナ１０４ａ及び１０４ｃの位相が０°、モノポールアンテナ１０４ｂ及び１０４ｄの位相が１８０°に設定されている。
【００４２】
図３（Ｂ）は、方位角φ＝４５°における垂直面放射パターンである。このとき、モノポールアレーの放射パターンは最大放射方向の方位角φが４５°となるように、モノポールアンテナ１０４ａの位相が０°、モノポールアンテナ１０４ｂ及び１０４ｃの位相が−１２７．３°、モノポールアンテナ１０４ｄの位相が１０５．４°に設定されている。
【００４３】
図３（Ｃ）は、方位角φ＝９０°（Ｙ−Ｚ面）における垂直面放射パターンである。このとき、モノポールアレーの放射パターンは最大放射方向の方位角φが９０°となるように、モノポールアンテナ１０４ａ及び１０４ｂの位相が０°、モノポールアンテナ１０４ｃ及び１０４ｄの位相が１８０°に設定されている。
【００４４】
図３（Ａ）〜（Ｃ）から分かるように、ＭＳＡ素子１０３の最大放射方向は＋Ｚ方向であり、最大利得は９．４［ｄＢｉ］である。また、モノポールアレーの最大放射方向の仰角θは約６５°であり、最大利得は約８［ｄＢｉ］である。さらに、仰角θが約４５°の方向では、ＭＳＡ素子１０３の利得とモノポールアレーの利得とが共に落ち込み、等しくなっているが、４［ｄＢｉ］以上の利得が得られる。
【００４５】
なお、モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄの位相を調整することにより、モノポールアレーの最大放射方向の方位角φを変化させていくと、φ＝１８０°における垂直面放射パターンは図３（Ａ）とほぼ同等の特性となり、φ＝１３５°、２２５°、３１５°における垂直面放射パターンは図３（Ｂ）と、φ＝２７０°における垂直面放射パターンは図３（Ｃ）とほぼ同等の特性となる。
【００４６】
図４は、仰角θが６５°の円錐面で切断したときのモノポールアレーの円錐面放射パターンを示す図である。この図において、実線４０１は図３（Ａ）におけるモノポールアレーの円錐面放射パターンを、点線４０２は図３（Ｂ）におけるモノポールアレーの円錐面放射パターンを、一点鎖線４０３は図３（Ｃ）におけるモノポールアレーの円錐面放射パターンをそれぞれ示す。
【００４７】
この図から分かるように、モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄの位相を変えることにより、モノポールアレーの最大放射方向を水平面の全方向に向けることができる。
【００４８】
このような放射特性を有することから、例えば、上記構成を有するアンテナ装置を屋内の天井に設置した場合、＋Ｚ方向が床方向になり、−Ｚ方向が天井側になる。すなわち、床方向（仰角θが４５°以下の高仰角）に指向性を向けたい場合、ＭＳＡ素子１０３を動作アンテナとして選択する。また、仰角θが４５°以上の低仰角方向に指向性を向けたい場合、モノポールアレーを動作アンテナとして選択する。このように、ＭＳＡ素子１０３とモノポールアレーのいずれかを選択して動作させることで、＋Ｚ方向の半球面にわたる全方向で４［ｄＢｉ］以上の十分な利得を得ることができる。すなわち、上記アンテナ装置は、通信端末装置に対して高い位置に設置される固定局装置に適用するのに好適である。
【００４９】
このように本実施の形態によれば、誘電体基板面にマイクロストリップアンテナを配置し、マイクロストリップアンテナの周囲に等間隔に、かつ、誘電体基板面に対して垂直に４本のモノポールアンテナを配置してモノポールアレーを構成し、マイクロストリップアンテナとモノポールアレーを選択的に給電することにより、＋Ｚ方向の半球面にわたる全方向で高い利得が得られるアンテナ装置を実現することができる。また、小型で簡易な構成のアンテナ装置を実現することができる。
【００５０】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。この図において、誘電体基板５０３は、比誘電率εｒ、厚さｔ、一辺が長さＷｄの正方形状の基板であり、基板中央に一辺が長さＷｈの正方形状の空洞部（孔部）５０２が形成されている。
【００５１】
接地導体５０３は、誘電体基板５０１の−Ｚ方向の面に誘電体基板５０１と同一形状で設けられている。
【００５２】
ＭＳＡ素子５０４は、一辺が長さＷｐの正方形状の銅箔で形成され、銅箔中央が空洞部５０２と同一形状に切り抜かれている。ＭＳＡ素子５０４は、切り抜き部分と空洞部５０２とを合わせて誘電体基板５０１の＋Ｚ方向の面上に配置される。図中黒点は、給電点の位置を示しており、給電線のインピーダンスに対して整合がとれる位置に設定されている。
【００５３】
支柱５０５は、空洞部５０２で基底部が固定され、基底部から長さ約Ｌ／２の高さに支持部材５０６ａ〜５０６ｄが放射状に継合されている。
【００５４】
支持部材５０６ａ〜５０６ｄは、ＭＳＡ素子５０４の対角線と平行に設けられており、一辺が長さｄ１の正方形の頂点に支持部材の先端５０６ａ〜５０６ｄがそれぞれ位置し、支持部材５０６ａ〜５０６ｄの先端でダイポールアンテナ５０７ａ〜５０７ｄの中心を支持する。これにより、ダイポールアンテナのように誘電体基板５０１に直接配置することができないアンテナ素子であっても、支持することができる。
【００５５】
ダイポールアンテナ５０７ａ〜５０７ｄは、直径Ｄ、長さＬの銅線であり、誘電体基板５０１から間隔ｈだけ隔て、かつ、誘電体基板５０１に対して垂直に配置される。
【００５６】
給電線路５０８ａ〜５０８ｄは、支柱５０５及び支持部材５０６ａ〜５０６ｄの内部に配設され、支持部材５０６ａ〜５０６ｄの先端でダイポールアンテナ５０７ａ〜５０７ｄを給電する。
【００５７】
なお、支柱５０５及び支持部材５０６ａ〜５０６ｄは、金属で形成した場合でも、アンテナ装置の動作に与える影響は小さいが、アンテナ装置の動作により影響を与えないためにも、樹脂で形成されることが望ましい。
【００５８】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様、ＭＳＡ素子５０４で受信した信号の電力とダイポールアレーで受信した信号の電力との比較に基づいて、動作アンテナを選択する。
【００５９】
次に、上記アンテナ装置の動作周波数を５．２ＧＨｚとして設定した場合の放射特性について具体的に説明する。
【００６０】
ここで、図５に示すアンテナ装置を構成するパラメータを以下のように設定する。
【００６１】
εｒ＝２．６
ｔ＝１．５［ｍｍ］
Ｗｄ＝８０［ｍｍ］（約１．４波長）
Ｗｐ＝１５．５［ｍｍ］
Ｄ＝１［ｍｍ］
Ｌ＝２９［ｍｍ］（約０．５波長）
ｄ１＝２９［ｍｍ］（約０．５波長）
ｈ＝１［ｍｍ］
Ｗｈ＝８［ｍｍ］
【００６２】
図６は、本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の放射パターンを示す図である。図６（Ａ）〜（Ｃ）において、実線はＭＳＡ素子５０４の放射パターンを、点線はダイポールアレーの放射パターンを示す。
【００６３】
図６（Ａ）は、図５の座標軸において方位角φ＝０°（Ｘ−Ｙ面）における垂直面放射パターンである。このとき、ダイポールアレーの放射パターンは最大放射方向の方位角φが０°となるように、ダイポールアンテナ５０７ａ及び５０７ｃの位相が０°、ダイポールアンテナ５０７ｂ及び５０７ｄの位相が１８０°に設定されている。
【００６４】
図６（Ｂ）は、方位角φ＝４５°における垂直面放射パターンである。このとき、ダイポールアレーの放射パターンは最大放射方向の方位角φが４５°となるように、ダイポールアンテナ５０７ａの位相が０°、ダイポールアンテナ５０７ｂ及び５０７ｃの位相が−１２７．３°、ダイポールアンテナ５０７ｄの位相が１０５．４°に設定されている。
【００６５】
図６（Ｃ）は、方位角φ＝９０°（Ｙ−Ｚ面）における垂直面放射パターンである。このとき、ダイポールアレーの放射パターンは最大放射方向の方位角φが９０°となるように、ダイポールアンテナ５０７ａ及び５０７ｂの位相が０°、ダイポールアンテナ５０７ｃ及び５０７ｄの位相が１８０°に設定されている。
【００６６】
図６（Ａ）〜（Ｃ）から分かるように、ＭＳＡ素子５０４の最大放射方向は＋Ｚ方向であり、最大利得は８．１［ｄＢｉ］である。また、ダイポールアレーの最大放射方向の仰角θは約６５°であり、最大利得は約７．５［ｄＢｉ］である。さらに、仰角θが約４５°の方向では、ＭＳＡ素子５０４の利得とダイポールアレーの利得とが共に落ち込み、等しくなっているが、４［ｄＢｉ］以上の利得が得られる。
【００６７】
なお、ダイポールアンテナ５０７ａ〜５０７ｄの位相を調整することにより、ダイポールアレーの最大放射方向の方位角φを変化させていくと、φ＝１８０°における垂直面放射パターンは図６（Ａ）とほぼ同等の特性となり、φ＝１３５°、２２５°、３１５°における垂直面放射パターンは図６（Ｂ）と、φ＝２７０°における垂直面放射パターンは図６（Ｃ）とほぼ同等の特性となる。
【００６８】
図７は、仰角θが６５°の円錐面で切断したときのダイポールアレーの円錐面放射パターンを示す図である。この図において、実線７０１は図６（Ａ）におけるダイポールアレーの円錐面放射パターンを、点線７０２は図６（Ｂ）におけるダイポールアレーの円錐面放射パターンを、一点鎖線７０３は図６（Ｃ）におけるダイポールアレーの円錐面放射パターンをそれぞれ示す。
【００６９】
この図から分かるように、ダイポールアンテナ５０７ａ〜５０７ｄの位相を変えることにより、ダイポールアレーの最大放射方向を水平面の全方向に向けることができる。
【００７０】
このような放射特性を有することから、仰角θが４５°以下の高仰角方向に指向性を向けたい場合には、ＭＳＡ素子５０４を動作アンテナとして選択し、仰角θが４５°以上の低仰角方向に指向性を向けたい場合には、ダイポールアレーを動作アンテナとして選択する。このように、ＭＳＡ素子５０４とダイポールアレーのいずれかを選択して動作させることで、＋Ｚ方向の半球面にわたる全方向で４［ｄＢｉ］以上の十分な利得を得ることができる。
【００７１】
このように本実施の形態によれば、誘電体基板面にマイクロストリップアンテナを配置し、マイクロストリップアンテナの周囲に等間隔に、かつ、誘電体基板面に対して垂直に４本のダイポールアンテナを配置してダイポールアレーを構成し、マイクロストリップアンテナとダイポールアレーを選択的に給電することにより、＋Ｚ方向の半球面にわたる全方向で高い利得が得られるアンテナ装置を実現することができる。
【００７２】
なお、本実施の形態では、誘電体基板の中央に支柱を設け、支柱に支持部材を継合し、支持部材の先端でダイポールアンテナを支持したが、誘電体基板の周囲に複数の支柱を設け、それぞれの支柱に支持部材を継合し、支持部材がダイポールアンテナを支持するようにしてもよい。
【００７３】
（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。ただし、図８が図５と共通する部分は図５と同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。図８が図５と主に異なる点は、ダイポールアレーを２段構成にした点である。
【００７４】
支柱８０１は、空洞部５０２で基底部が固定され、基底部からの長さがＬ／２程度の高さに支持部材５０６ａ〜５０６ｄが、３Ｌ／２程度の高さに支持部材８０２ａ〜８０２ｄがそれぞれ放射状に継合されている。
【００７５】
支持部材８０２ａ〜８０２ｄは、支持部材５０６ａ〜５０６ｄそれぞれと平行に間隔ｄ２だけ隔てて設けられており、一辺が長さｄ１の正方形の頂点に支持部材の先端がそれぞれ位置し、支持部材８０２ａ〜８０２ｄの先端でダイポールアンテナ８０３ａ〜８０３ｄの中心を支持する。
【００７６】
ダイポールアンテナ８０３ａ〜８０３ｄは、直径Ｄ、長さＬの銅線であり、ダイポールアンテナ５０７ａ〜５０７ｄの延長線上に配置される。すなわち、４素子のダイポールアレーを２段構成にしたことになる。これにより、各ダイポールアンテナの位相を調整することで、水平面に加えて垂直面においてもアダプティブに指向性を制御することができる。
【００７７】
以下、誘電体基板面から近いダイポールアンテナ５０７ａ〜５０７ｄを第１ダイポールアレーと称し、誘電体基板面から遠いダイポールアンテナ８０３ａ〜８０３ｄを第２ダイポールアレーと称することがある
【００７８】
給電線路８０４ａ〜８０４ｄは、支柱８０１及び支持部材８０２ａ〜８０２ｄの内部に配設され、支持部材８０２ａ〜８０２ｄの先端でダイポールアンテナ８０３ａ〜８０３ｄを給電する。
【００７９】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様、ＭＳＡ素子５０４で受信した信号の電力と第１及び第２ダイポールアレーで受信した信号の電力との比較に基づいて、動作アンテナを選択する。
【００８０】
次に、上記アンテナ装置の動作周波数を５．２ＧＨｚとして設定した場合の放射特性について具体的に説明する。
【００８１】
ここで、図８に示すアンテナ装置を構成するパラメータを以下のように設定する。
【００８２】
εｒ＝２．６
ｔ＝１．５［ｍｍ］
Ｗｄ＝８０［ｍｍ］（約１．４波長）
Ｗｐ＝１５．５［ｍｍ］
Ｄ＝１［ｍｍ］
Ｌ＝２９［ｍｍ］（約０．５波長）
ｄ１＝２９［ｍｍ］（約０．５波長）
ｄ２＝３０［ｍｍ］（約０．５波長）
ｈ＝１［ｍｍ］
Ｗｈ＝８［ｍｍ］
【００８３】
図９は、本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の放射パターンを示す図である。図９（Ａ）〜（Ｃ）において、実線はＭＳＡ素子５０４の放射パターンを、点線は第１ダイポールアレーの位相が第２ダイポールアレーの位相より４５°進んでいる場合の放射パターンを、一点鎖線は第１ダイポールアレーの位相が第２ダイポールアレーの位相より１２０°進んでいる場合の放射パターンを示す。
【００８４】
図９（Ａ）は、図８の座標軸において、方位角φが０°の方向にダイポールアレーの最大放射方向が向くように、ダイポールアレーの位相が調整されている。また、図９（Ｂ）は、方位角φが４５°の方向に、図９（Ｃ）は、方位角φが９０°の方向にそれぞれダイポールアレーの最大放射方向が向くように、ダイポールアレーの位相が調整されている。
【００８５】
図９（Ａ）〜（Ｃ）から分かるように、ＭＳＡ素子５０４の最大放射方向は＋Ｚ方向であり、最大利得は６．３［ｄＢｉ］である。また、ダイポールアレーの最大放射方向の仰角θは、第１ダイポールアレーと第２ダイポールアレーに位相差を持たせることにより、６０°〜７５°の範囲で変化させることができ、最大利得は９［ｄＢｉ］以上である。
【００８６】
さらに、仰角θが約３５°の方向では、第１ダイポールアレーの位相が第２ダイポールアレーの位相より１２０°進んでいる場合の利得（図９に示す一点鎖線）とＭＳＡ素子５０４の利得とが共に落ち込み、等しくなっているが、約４［ｄＢｉ］以上の利得が得られる。
【００８７】
なお、ダイポールアンテナ５０７ａ〜５０７ｄ及び８０３ａ〜８０３ｄの位相を調整することにより、ダイポールアレーの最大放射方向の方位角φを変化させていくと、φ＝１８０°における垂直面放射パターンは図９（Ａ）とほぼ同等の特性となり、φ＝１３５°、２２５°、３１５°における垂直面放射パターンは図９（Ｂ）と、φ＝２７０°における垂直面放射パターンは図９（Ｃ）とほぼ同等の特性となる。
【００８８】
図１０は、仰角θが６０°の円錐面で切断したときのダイポールアレーの円錐面放射パターンを示す図である。この図では、第１ダイポールアレーの位相が第２ダイポールアレーの位相より１２０°進んでいる場合のダイポールアレーの放射パターンを示す。実線１００１は図９（Ａ）におけるダイポールアレーの円錐面放射パターンを、点線１００２は図９（Ｂ）におけるダイポールアレーの円錐面放射パターンを、一点鎖線１００３は図９（Ｃ）におけるダイポールアレーの円錐面放射パターンをそれぞれ示す。
【００８９】
この図から分かるように、ダイポールアレーを２段構成にしたことにより、低仰角の垂直面において指向性制御を行うことができると共に、また、低仰角方向の利得を高くすることができる。
【００９０】
このように本実施の形態によれば、８本のダイポールアンテナを４本１組で２段構成のダイポールアレーとし、マイクロストリップアンテナとダイポールアレーを選択的に給電することにより、実施の形態２の効果に加え、低仰角の垂直面において指向性制御を行うことができると共に、また、低仰角方向の利得を高くすることができる。
【００９１】
（実施の形態４）
図１１は、本発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。ただし、図１１が図１と共通する部分については図１と同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。
【００９２】
ＭＳＡ素子１０３ａ〜１０３ｄは、誘電体基板１０１の＋Ｚ方向の面上に、一辺が長さＷｐの正方形状の銅箔でそれぞれ形成されている。また、ＭＳＡ素子１０３ａ〜１０３ｄは、Ｘ方向及びＹ方向において等間隔に配置される。このとき、ＭＳＡ素子１０３ａ〜１０３ｄの素子間隔はｄ３に設定される。なお、ＭＳＡ素子１０３ａ〜１０３ｄは図示せぬアダプティブプロセッサ及びウェイト調整器によって、信号の位相及び振幅が調整され、指向性が制御される。以下、ＭＳＡ素子１０３ａ〜１０３ｄをマイクロストリップアレーと称することがある。
【００９３】
モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄは、直径Ｄ、長さＬの銅線であり、ＭＳＡ素子間に等間隔（素子間隔ｄ１）で、かつ、誘電体基板１０１に対して垂直に配置される。
【００９４】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様、マイクロストリップアレーで受信した信号の電力とモノポールアレーで受信した信号の電力との比較に基づいて、動作アンテナを選択する。
【００９５】
次に、上記アンテナ装置の動作周波数を５．２ＧＨｚとして設定した場合の放射特性について具体的に説明する。
【００９６】
ここで、図１１に示すアンテナ装置を構成するパラメータを以下のように設定する。
【００９７】
εｒ＝２．６
ｔ＝１．５［ｍｍ］
Ｗｄ＝８０［ｍｍ］（約１．４波長）
Ｗｐ＝１５．５［ｍｍ］
Ｄ＝１［ｍｍ］
Ｌ＝２９［ｍｍ］（約０．５波長）
ｄ１＝２９［ｍｍ］（約０．５波長）
ｄ３＝２９［ｍｍ］（約０．５波長）
【００９８】
図１２は、本発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の放射パターンを示す図である。図１２（Ａ）〜（Ｃ）において、実線はＭＳＡ素子１０３ａ〜１０３ｄを同位相としたときのマイクロストリップアレーの放射パターンを、点線はＭＳＡ素子１０３ａ〜１０３ｄの位相を変化させたときのマイクロストリップアレーの放射パターンを、一点鎖線はモノポールアレーの放射パターンを示す。
【００９９】
図１２（Ａ）は、図１１の座標軸において方位角φ＝０°（Ｘ−Ｙ面）における垂直面放射パターンである。このとき、点線が示す放射パターンは、ＭＳＡ素子１０３ａ及び１０３ｃの位相を同位相とし、ＭＳＡ素子１０３ｂ及び１０３ｄの位相より１２０°遅らせた場合を示している。また、一点鎖線が示すモノポールアレーの放射パターンは、モノポールアンテナ１０４ａ及び１０４ｄの位相が０°、モノポールアンテナ１０４ｂの位相が−１２７．３°、モノポールアンテナ１０４ｃの位相が１２７．３°に設定された場合を示している。
【０１００】
図１２（Ｂ）は，方位角φ＝４５°における垂直面放射パターンである。このとき、点線が示す放射パターンは、ＭＳＡ素子１０３ａの位相が０°、ＭＳＡ素子１０３ｂ及び１０３ｃの位相が−１２０°、ＭＳＡ素子１０３ｄの位相が−２４０°に設定されている。また、一点鎖線が示すモノポールアレーの放射パターンは、モノポールアンテナ１０４ａ及び１０４ｃの位相が０°、モノポールアンテナ１０４ｂ及び１０４ｄの位相が１８０°に設定された場合を示している。
【０１０１】
図１２（Ｃ）は、方位角φ＝９０°（Ｙ−Ｚ面）における垂直面放射パターンである。このとき、点線が示す放射パターンは、ＭＳＡ素子１０３ａ及び１０３ｂの位相を同位相とし、ＭＳＡ素子１０３ｃ及び１０３ｄの位相より１２０°遅らせた場合を示している。また、一点鎖線が示すモノポールアレーの放射パターンは、モノポールアンテナ１０４ａの位相が１２７°、モノポールアンテナ１０４ｂ及び１０４ｃの位相が０°、モノポールアンテナ１０４ｄの位相が−１２７．３°に設定された場合を示している。
【０１０２】
図１２から分かるように、マイクロストリップアレーの最大放射方向の仰角θは、ＭＳＡ素子１０３ａ〜１０３ｄ間に位相差を持たせることにより、０°〜２５°の範囲で変化させることができ、最大利得は１０［ｄＢｉ］以上である。また、モノポールアレーの最大放射方向の仰角θは約７０°であり、最大利得は７［ｄＢｉ］以上である。
【０１０３】
さらに、仰角θが約５５°の方向では、マイクロストリップアレーの利得とモノポールアレーの利得とが共に落ち込み、等しくなっているが、約７［ｄＢｉ］以上の利得が得られる。
【０１０４】
図１３は、仰角θが２５°の円錐面で切断したときのマイクロストリップアレーの円錐面放射パターンを示す図である。この図において、実線１３０１は図１２（Ａ）の点線が示すマイクロストリップアレーの円錐面放射パターンを、点線１３０２は図１２（Ｂ）の点線が示すマイクロストリップアレーの円錐面放射パターンを、一点鎖線１３０３は図１２（Ｃ）が示すマイクロストリップアレーの円錐面放射パターンをそれぞれ示す。
【０１０５】
この図から分かるように、ＭＳＡ素子１０３ａ〜１０３ｄの位相を変えることにより、仰角θが２５°の高仰角において、マイクロストリップアレーの最大放射方向を水平面内の全方向に向けることができる。
【０１０６】
また、図１４は、図１２において、仰角θが７０°の円錐面で切断したときのモノポールアレーの円錐面放射パターンを示す図である。この図において、実線１４０１は図１２（Ａ）におけるモノポールアレーの円錐面放射パターンを、点線１４０２は図１２（Ｂ）におけるモノポールアレーの円錐面放射パターンを、一点鎖線１４０３は図１２（Ｃ）におけるモノポールアレーの円錐面放射パターンをそれぞれ示す。
【０１０７】
この図から分かるように、モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄの位相を変えることにより、モノポールアレーの最大放射方向を水平面内の全方向に向けることができる。
【０１０８】
このような放射特性を有することから、仰角θが４５°以下の高仰角方向で指向性を制御する場合には、ＭＳＡ素子１０３ａ〜１０３ｄを動作アンテナとして選択し、仰角θが４５°以上の低仰角方向で指向性を制御する場合には、モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄを動作アンテナとして選択する。このように、マイクロストリップアレーとモノポールアレーのいずれかを選択して動作させることで、＋Ｚ方向の半球面にわたる全方向で７［ｄＢｉ］以上の十分な利得を得ることができる。
【０１０９】
このように本実施の形態によれば、誘電体基板面に４素子からなるマイクロストリップアレーと４素子からなるモノポールアレーを配置し、それぞれのアレーアンテナを選択的に給電すると共に、給電するアレーの各素子の位相を制御することにより、＋Ｚ方向の半球面にわたる全方向でより高い利得が得られ、かつ、低仰角のみならず高仰角においても指向性を制御することができる。
【０１１０】
なお、上述した各実施の形態では、線状アンテナ素子の数を４本（実施の形態３においては一段の数）として説明したが、本発明はこれに限らず、３本以上の複数本であればよい。
【０１１１】
また、上述した各実施の形態では、誘電体基板及びＭＳＡ素子の形状を正方形状として説明したが、本発明はこれに限らない。従って、線状アンテナ素子もＭＳＡ素子の対角線上に等間隔に配置することに限らず、放射状に配置すればよい。
【０１１２】
また、上述した各実施の形態で示したアンテナ装置を構成するパラメータは、動作周波数帯に応じて所定の放射特性が得られるパラメータであれば何でもよい。
【０１１３】
また、上述した各実施の形態は、アンテナ装置を構成するパラメータを適宜変更したうえで、組み合わせて実施することができる。
【０１１４】
また、上述した各実施の形態では、線状アンテナアレーとＭＳＡ素子（マイクロストリップアレー）とを、それぞれのアンテナで受信した信号の電力に基づいて選択的に給電しているが、各アンテナのＳ／Ｎ比や電界強度等の受信状態を示すパラメータに基づいて選択的に給電するようにしてもよい。
【０１１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、誘電体基板の表面にマイクロストリップアンテナ素子を配置し、誘電体基板の表面に放射状に、かつ垂直に複数の線状アンテナ素子を配置し、線状アンテナ素子を給電する信号の振幅及び位相を素子毎に制御すると共に、マイクロストリップアンテナ素子又は複数の線状アンテナ素子を選択的に給電することにより、誘電体基板面上の３次元領域にわたる全方向で高い利得が得られるアンテナ装置を実現することができる。また、小型で簡易な構成のアンテナ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図
【図２】本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示すブロック図
【図３】本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の放射パターンを示す図
【図４】仰角θが６５°の円錐面で切断したときのモノポールアレーの円錐面放射パターンを示す図
【図５】本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図
【図６】本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の放射パターンを示す図
【図７】仰角θが６５°の円錐面で切断したときのダイポールアレーの円錐面放射パターンを示す図
【図８】本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図
【図９】本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の放射パターンを示す図
【図１０】仰角θが６０°の円錐面で切断したときのダイポールアレーの円錐面放射パターンを示す図
【図１１】本発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図
【図１２】本発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の放射パターンを示す図
【図１３】仰角θが２５°の円錐面で切断したときのマイクロストリップアレーの円錐面放射パターンを示す図
【図１４】仰角θが７０°の円錐面で切断したときのモノポールアレーの円錐面放射パターンを示す図
【図１５】従来のアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図及び断面図
【符号の説明】
１０１、５０１ 誘電体基板
１０２、５０３ 接地導体
１０３、５０４ マイクロストリップアンテナ素子
１０４ａ〜１０４ｄ モノポールアンテナ
２０１ モノポールアダプティブアレー
２０２ ウェイト調整器
２０３ 電力分配合成器
２０４ アダプティブプロセッサ
２０５ 高周波スイッチ
２０６ 電力比較部
２０７ 送受信モジュール
５０２ 空洞部
５０５、８０１ 支柱
５０６ａ〜５０６ｄ、８０２ａ〜８０２ｄ 支持部材
５０７ａ〜５０７ｄ、８０３ａ〜８０３ｄ ダイポールアンテナ
５０８ａ〜５０８ｄ、８０４ａ〜８０４ｄ 給電線路
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波帯及びミリ波帯に対応するアンテナ装置に関し、例えば、無線ＬＡＮシステムの固定局装置に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ノート型パソコンなどの通信端末装置と無線回線を介して接続する無線ＬＡＮシステムが普及しつつある。無線ＬＡＮシステムでは、５ＧＨｚ帯や２５ＧＨｚ帯などの高い周波数が割り当てられている。このため、電波の直進性が顕著になり、電波の送信距離が確保しにくくなる。そこで、一つの固定局装置で電波の送信可能エリアを広く確保するため、指向性を任意の方向に形成するアレーアンテナが考えられている。従来、このようなアンテナ装置として、特許文献１に開示の発明が知られている。
【０００３】
図１５は、従来のアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図及び断面図である。この図において、有限反射板１１は、直径が動作周波数の１波長程度の円形状であり、外周縁に沿って円筒状の導体板１４が設けられている。放射素子１２は、１／２波長程度の長さを有し、有限反射板１１の上面中央部に垂直に設けられている。無給電素子１３は、放射素子１２の周辺に等間隔で、有限反射板１１の上面に対して垂直に複数配置されている。可変リアクタンス素子１５は、有限反射板１１の下面において、無給電素子１３にそれぞれ接続されている。
【０００４】
このような構成を有するアンテナ装置において、可変リアクタンス素子１５を制御し、リアクタンス値を変化させることにより、水平面内の全方向に主ビームを走査させることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１６４２７号公報（［００１１］［００１２］及び図１参照）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、無線ＬＡＮシステムの固定局装置は、上述した特許文献１が想定しているように、通信端末装置とほぼ同じ高さに設置することも考えられるが、この場合、電波の障害物が多く存在するため、屋内であれば天井などの比較的高い位置に設置されることが望ましい。上記従来のアンテナ装置では、水平方向の全方向にわたって十分な利得が得られるものの、鉛直方向及び鉛直方向から傾斜（チルト）させた方向には十分な利得が得られない。このため、例えば、従来のアンテナ装置を天井に設けた場合には、低い位置に存在する通信端末装置と良好な通信を維持することが困難であるという問題がある。
【０００７】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、水平方向から鉛直方向を含む半球面にわたる全方向に高い利得が得られ、小型かつ簡易な構成のアンテナ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、本発明のアンテナ装置は、所定の誘電率の誘電体基板と、前記誘電体基板の表面に配置されたマイクロストリップアンテナ素子と、前記誘電体基板の表面に放射状に、かつ垂直に配置された複数の線状アンテナ素子と、前記線状アンテナ素子を給電する信号の振幅及び位相を素子毎に制御する制御手段と、前記マイクロストリップアンテナ素子又は前記複数の線状アンテナ素子を選択的に給電する切り替え手段と、を具備する構成を採る。
【０００９】
この構成によれば、誘電体基板面に対して垂直に配置された複数の線状アンテナ素子を、振幅及び位相が制御された信号で給電することにより、誘電体基板面に対し水平方向に最大放射方向を任意の方向に向けることができ、マイクロストリップアンテナ素子を設けたことにより、誘電体基板面に対して垂直方向に放射方向を向けることができる。
【００１０】
本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記切り替え手段が、前記複数の線状アンテナ素子の受信状態と前記マイクロストリップアンテナ素子の受信状態とを比較する比較手段を具備し、前記比較手段によって受信状態が良好と判断された信号を受信したアンテナ素子を給電する構成を採る。
【００１１】
この構成によれば、マイクロストリップアンテナ素子か複数の線状アンテナ素子のいずれかで受信した信号のうち、受信状態が良好なアンテナを給電することから、安定した電波の放射を行うことができる。
【００１２】
本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記マイクロストリップアンテナ素子の中央に、当該マイクロストリップアンテナ素子及び前記誘電体基板を貫いて設けられた孔部と、前記孔部に設けられた支柱と、前記支柱から放射状に継合され、前記線状アンテナ素子を支持する支持部材と、を具備する構成を採る。
【００１３】
この構成によれば、例えば、ダイポールアンテナのように、誘電体基板に直接配置することができないようなアンテナ素子であっても、支持することができる。
【００１４】
本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記複数の線状アンテナ素子が、前記誘電体基板の表面に対して垂直方向に多段化して配置される構成を採る。
【００１５】
この構成によれば、複数の線状アンテナ素子を多段化して配置することにより、段毎に位相差を持たせれば、低仰角の垂直面において指向性制御を行うことができると共に、また、低仰角方向の利得を高くすることができる。
【００１６】
本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記マイクロストリップアンテナ素子が、前記誘電体基板に複数配置され、前記制御手段が、前記複数のマイクロストリップアンテナ素子を給電する信号の振幅及び位相を素子毎に制御する構成を採る。
【００１７】
この構成によれば、誘電体基板面に配置された複数の線状アンテナ素子を、振幅及び位相が制御された信号で給電することにより、より高い利得が得られ、かつ、高仰角において指向性を制御することができる。
【００１８】
本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記複数の線状アンテナ素子として、モノポールアンテナ又はダイポールアンテナを用いた構成を採る。
【００１９】
この構成によれば、線状アンテナ素子をモノポールアンテナとした場合でもダイポールアンテナとした場合でも、同様の放射パターンが得られるため、いずれか所望のアンテナを用いることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の骨子は、誘電体基板の表面にマイクロストリップアンテナ素子を配置し、誘電体基板の表面に放射状に、かつ垂直に複数の線状アンテナ素子を配置し、線状アンテナ素子を給電する信号の振幅及び位相を素子毎に制御すると共に、マイクロストリップアンテナ素子又は複数の線状アンテナ素子を選択的に給電することである。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。この図において、誘電体基板１０１は、比誘電率εｒ、厚さｔ、一辺が長さＷｄの正方形状の基板である。
【００２３】
接地導体１０２は、誘電体基板１０１の−Ｚ方向（図１に示す座標系参照）の面に誘電体基板１０１と同形状で設けられている。
【００２４】
マイクロストリップアンテナ素子（以下、「ＭＳＡ素子」という）１０３は、誘電体基板１０１の＋Ｚ方向の面上中央に、一辺が長さＷｐの正方形状の銅箔で形成されている。図中黒点は、給電点の位置を示しており、給電線のインピーダンスに対して整合がとれる位置に設定されている。
【００２５】
モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄは、直径Ｄ、長さＬの銅線であり、ＭＳＡ素子１０３の対角線上に等間隔（素子間隔ｄ１）で、かつ、誘電体基板１０１に対して垂直に配置されている。以下、モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄを総称してモノポールアレーということがある。
【００２６】
図２は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図２が図１と共通する部分には、図１と同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。この図において、モノポールアダプティブアレー２０１は、モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄに給電する信号の位相及び振幅を制御し、最大放射方向及びヌル点方向を制御する。
【００２７】
ウェイト調整器２０２ａ〜２０２ｄは、モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄの後段にそれぞれ接続されており、アダプティブプロセッサ２０４の制御に基づいて、給電信号の位相及び振幅にウェイトをかける。
【００２８】
電力分配合成器２０３は、ウェイト調整器２０２ａ〜２０２ｄを介して入力された信号の電力が合成され、合成された信号がアダプティブプロセッサ２０４、電力比較部２０６に出力されると共に、高周波スイッチ２０５を介して送受信モジュール２０７に出力される。また、送受信モジュール２０７から出力された信号をモノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄに分配する。
【００２９】
アダプティブプロセッサ２０４は、モノポールアレーで受信した信号と電力分配合成器２０３から出力された信号とに基づいて、ウェイト調整器２０２ａ〜２０２ｄを制御する。具体的には、モノポールアレーで受信した信号の振幅及び位相の計算と、電力分配合成器２０３から出力された信号の電力の測定を行い、電力分配合成器２０３から出力される信号の電力（レベル）が最も高くなるように、モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄを給電する信号の位相及び振幅を調整するため、ウェイト調整器２０２ａ〜２０２ｄを制御する。なお、ウェイト調整器２０２ａ〜２０２ｄ及びアダプティブプロセッサ２０４は、制御手段として機能する。
【００３０】
切り替え手段としての高周波スイッチ２０５は、例えば、ＰＩＮダイオードやＧａＡｓ−ＦＥＴ（ＧａＡｓ−Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などであり、電力比較部２０６の制御に基づいて、電力の大きい信号を受信したアンテナを送受信モジュールと接続する。すなわち、モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄとＭＳＡ素子１０３のいずれかを選択的に給電することになる。
【００３１】
比較手段としての電力比較部２０６は、電力分配合成器２０３から出力された信号と、ＭＳＡ素子１０３で受信した信号との電力を測定し、いずれの電力が大きいかを比較判定した結果に基づいて、電力の大きい信号を受信したアンテナを動作させるため、高周波スイッチ２０５を制御する。
【００３２】
送受信モジュール２０７は、Ａ／Ｄ変換やダウンコンバートなどの所定の受信処理と、Ｄ／Ａ変換やアップコンバートなどの所定の送信処理を行う。
【００３３】
次に、上述した構成を有するアンテナ装置の動作について説明する。電力比較部２０６は、モノポールアレーで受信した信号の合成電力と、ＭＳＡ素子１０３で受信した信号の電力とを比較し、電力の大きい方のアンテナと送受信モジュールを接続するように高周波スイッチ２０５を制御する。ここで、モノポールアレーが動作アンテナとして選択されたものとする。
【００３４】
モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄでそれぞれ受信された信号は、アダプティブプロセッサ２０４において、振幅及び位相が計算される。また、ウェイト調整された受信信号の合成電力が測定される。アダプティブプロセッサ２０４は、合成電力が最大となるように、各モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄで受信した信号の位相及び振幅をそれぞれ調整するため、ウェイト調整器２０２ａ〜２０２ｄを制御する。これにより、水平（図１に示すＸ−Ｙ）面における指向性を変化させることができ、最大放射方向を任意の方向に向けることができる。
【００３５】
電力比較部２０６において、動作アンテナをＭＳＡ素子１０３として選択された場合、高周波スイッチ２０５は、ＭＳＡ素子１０３と送受信モジュール２０７を接続する。
【００３６】
このように、モノポールアレーとＭＳＡ素子１０３とを、受信電力に基づいて選択的に給電することで、安定した電波を放射することができる。なお、送信時には、受信時に使用したアンテナを選択することができる。
【００３７】
次に、上記アンテナ装置の動作周波数を５．２ＧＨｚとして設定した場合の放射特性について具体的に説明する。
【００３８】
ここで、図１に示すアンテナ装置を構成するパラメータを以下のように設定する。
【００３９】
εｒ＝２．６
ｔ＝１．５［ｍｍ］
Ｗｄ＝８０［ｍｍ］（約１．４波長）
Ｗｐ＝１５．５［ｍｍ］
Ｄ＝１［ｍｍ］
Ｌ＝２９［ｍｍ］（約０．５波長）
ｄ１＝２９［ｍｍ］（約０．５波長）
【００４０】
図３は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の放射パターンを示す図である。図３（Ａ）〜（Ｃ）において、実線はＭＳＡ素子１０３の放射パターンを、点線はモノポールアレーの放射パターンを示す。
【００４１】
図３（Ａ）は、図１の座標軸において方位角φ＝０°（Ｘ−Ｙ面）における垂直面放射パターンである。このとき、モノポールアレーの放射パターンは最大放射方向の方位角φが０°となるように、モノポールアンテナ１０４ａ及び１０４ｃの位相が０°、モノポールアンテナ１０４ｂ及び１０４ｄの位相が１８０°に設定されている。
【００４２】
図３（Ｂ）は、方位角φ＝４５°における垂直面放射パターンである。このとき、モノポールアレーの放射パターンは最大放射方向の方位角φが４５°となるように、モノポールアンテナ１０４ａの位相が０°、モノポールアンテナ１０４ｂ及び１０４ｃの位相が−１２７．３°、モノポールアンテナ１０４ｄの位相が１０５．４°に設定されている。
【００４３】
図３（Ｃ）は、方位角φ＝９０°（Ｙ−Ｚ面）における垂直面放射パターンである。このとき、モノポールアレーの放射パターンは最大放射方向の方位角φが９０°となるように、モノポールアンテナ１０４ａ及び１０４ｂの位相が０°、モノポールアンテナ１０４ｃ及び１０４ｄの位相が１８０°に設定されている。
【００４４】
図３（Ａ）〜（Ｃ）から分かるように、ＭＳＡ素子１０３の最大放射方向は＋Ｚ方向であり、最大利得は９．４［ｄＢｉ］である。また、モノポールアレーの最大放射方向の仰角θは約６５°であり、最大利得は約８［ｄＢｉ］である。さらに、仰角θが約４５°の方向では、ＭＳＡ素子１０３の利得とモノポールアレーの利得とが共に落ち込み、等しくなっているが、４［ｄＢｉ］以上の利得が得られる。
【００４５】
なお、モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄの位相を調整することにより、モノポールアレーの最大放射方向の方位角φを変化させていくと、φ＝１８０°における垂直面放射パターンは図３（Ａ）とほぼ同等の特性となり、φ＝１３５°、２２５°、３１５°における垂直面放射パターンは図３（Ｂ）と、φ＝２７０°における垂直面放射パターンは図３（Ｃ）とほぼ同等の特性となる。
【００４６】
図４は、仰角θが６５°の円錐面で切断したときのモノポールアレーの円錐面放射パターンを示す図である。この図において、実線４０１は図３（Ａ）におけるモノポールアレーの円錐面放射パターンを、点線４０２は図３（Ｂ）におけるモノポールアレーの円錐面放射パターンを、一点鎖線４０３は図３（Ｃ）におけるモノポールアレーの円錐面放射パターンをそれぞれ示す。
【００４７】
この図から分かるように、モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄの位相を変えることにより、モノポールアレーの最大放射方向を水平面の全方向に向けることができる。
【００４８】
このような放射特性を有することから、例えば、上記構成を有するアンテナ装置を屋内の天井に設置した場合、＋Ｚ方向が床方向になり、−Ｚ方向が天井側になる。すなわち、床方向（仰角θが４５°以下の高仰角）に指向性を向けたい場合、ＭＳＡ素子１０３を動作アンテナとして選択する。また、仰角θが４５°以上の低仰角方向に指向性を向けたい場合、モノポールアレーを動作アンテナとして選択する。このように、ＭＳＡ素子１０３とモノポールアレーのいずれかを選択して動作させることで、＋Ｚ方向の半球面にわたる全方向で４［ｄＢｉ］以上の十分な利得を得ることができる。すなわち、上記アンテナ装置は、通信端末装置に対して高い位置に設置される固定局装置に適用するのに好適である。
【００４９】
このように本実施の形態によれば、誘電体基板面にマイクロストリップアンテナを配置し、マイクロストリップアンテナの周囲に等間隔に、かつ、誘電体基板面に対して垂直に４本のモノポールアンテナを配置してモノポールアレーを構成し、マイクロストリップアンテナとモノポールアレーを選択的に給電することにより、＋Ｚ方向の半球面にわたる全方向で高い利得が得られるアンテナ装置を実現することができる。また、小型で簡易な構成のアンテナ装置を実現することができる。
【００５０】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。この図において、誘電体基板５０３は、比誘電率εｒ、厚さｔ、一辺が長さＷｄの正方形状の基板であり、基板中央に一辺が長さＷｈの正方形状の空洞部（孔部）５０２が形成されている。
【００５１】
接地導体５０３は、誘電体基板５０１の−Ｚ方向の面に誘電体基板５０１と同一形状で設けられている。
【００５２】
ＭＳＡ素子５０４は、一辺が長さＷｐの正方形状の銅箔で形成され、銅箔中央が空洞部５０２と同一形状に切り抜かれている。ＭＳＡ素子５０４は、切り抜き部分と空洞部５０２とを合わせて誘電体基板５０１の＋Ｚ方向の面上に配置される。図中黒点は、給電点の位置を示しており、給電線のインピーダンスに対して整合がとれる位置に設定されている。
【００５３】
支柱５０５は、空洞部５０２で基底部が固定され、基底部から長さ約Ｌ／２の高さに支持部材５０６ａ〜５０６ｄが放射状に継合されている。
【００５４】
支持部材５０６ａ〜５０６ｄは、ＭＳＡ素子５０４の対角線と平行に設けられており、一辺が長さｄ１の正方形の頂点に支持部材の先端５０６ａ〜５０６ｄがそれぞれ位置し、支持部材５０６ａ〜５０６ｄの先端でダイポールアンテナ５０７ａ〜５０７ｄの中心を支持する。これにより、ダイポールアンテナのように誘電体基板５０１に直接配置することができないアンテナ素子であっても、支持することができる。
【００５５】
ダイポールアンテナ５０７ａ〜５０７ｄは、直径Ｄ、長さＬの銅線であり、誘電体基板５０１から間隔ｈだけ隔て、かつ、誘電体基板５０１に対して垂直に配置される。
【００５６】
給電線路５０８ａ〜５０８ｄは、支柱５０５及び支持部材５０６ａ〜５０６ｄの内部に配設され、支持部材５０６ａ〜５０６ｄの先端でダイポールアンテナ５０７ａ〜５０７ｄを給電する。
【００５７】
なお、支柱５０５及び支持部材５０６ａ〜５０６ｄは、金属で形成した場合でも、アンテナ装置の動作に与える影響は小さいが、アンテナ装置の動作により影響を与えないためにも、樹脂で形成されることが望ましい。
【００５８】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様、ＭＳＡ素子５０４で受信した信号の電力とダイポールアレーで受信した信号の電力との比較に基づいて、動作アンテナを選択する。
【００５９】
次に、上記アンテナ装置の動作周波数を５．２ＧＨｚとして設定した場合の放射特性について具体的に説明する。
【００６０】
ここで、図５に示すアンテナ装置を構成するパラメータを以下のように設定する。
【００６１】
εｒ＝２．６
ｔ＝１．５［ｍｍ］
Ｗｄ＝８０［ｍｍ］（約１．４波長）
Ｗｐ＝１５．５［ｍｍ］
Ｄ＝１［ｍｍ］
Ｌ＝２９［ｍｍ］（約０．５波長）
ｄ１＝２９［ｍｍ］（約０．５波長）
ｈ＝１［ｍｍ］
Ｗｈ＝８［ｍｍ］
【００６２】
図６は、本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の放射パターンを示す図である。図６（Ａ）〜（Ｃ）において、実線はＭＳＡ素子５０４の放射パターンを、点線はダイポールアレーの放射パターンを示す。
【００６３】
図６（Ａ）は、図５の座標軸において方位角φ＝０°（Ｘ−Ｙ面）における垂直面放射パターンである。このとき、ダイポールアレーの放射パターンは最大放射方向の方位角φが０°となるように、ダイポールアンテナ５０７ａ及び５０７ｃの位相が０°、ダイポールアンテナ５０７ｂ及び５０７ｄの位相が１８０°に設定されている。
【００６４】
図６（Ｂ）は、方位角φ＝４５°における垂直面放射パターンである。このとき、ダイポールアレーの放射パターンは最大放射方向の方位角φが４５°となるように、ダイポールアンテナ５０７ａの位相が０°、ダイポールアンテナ５０７ｂ及び５０７ｃの位相が−１２７．３°、ダイポールアンテナ５０７ｄの位相が１０５．４°に設定されている。
【００６５】
図６（Ｃ）は、方位角φ＝９０°（Ｙ−Ｚ面）における垂直面放射パターンである。このとき、ダイポールアレーの放射パターンは最大放射方向の方位角φが９０°となるように、ダイポールアンテナ５０７ａ及び５０７ｂの位相が０°、ダイポールアンテナ５０７ｃ及び５０７ｄの位相が１８０°に設定されている。
【００６６】
図６（Ａ）〜（Ｃ）から分かるように、ＭＳＡ素子５０４の最大放射方向は＋Ｚ方向であり、最大利得は８．１［ｄＢｉ］である。また、ダイポールアレーの最大放射方向の仰角θは約６５°であり、最大利得は約７．５［ｄＢｉ］である。さらに、仰角θが約４５°の方向では、ＭＳＡ素子５０４の利得とダイポールアレーの利得とが共に落ち込み、等しくなっているが、４［ｄＢｉ］以上の利得が得られる。
【００６７】
なお、ダイポールアンテナ５０７ａ〜５０７ｄの位相を調整することにより、ダイポールアレーの最大放射方向の方位角φを変化させていくと、φ＝１８０°における垂直面放射パターンは図６（Ａ）とほぼ同等の特性となり、φ＝１３５°、２２５°、３１５°における垂直面放射パターンは図６（Ｂ）と、φ＝２７０°における垂直面放射パターンは図６（Ｃ）とほぼ同等の特性となる。
【００６８】
図７は、仰角θが６５°の円錐面で切断したときのダイポールアレーの円錐面放射パターンを示す図である。この図において、実線７０１は図６（Ａ）におけるダイポールアレーの円錐面放射パターンを、点線７０２は図６（Ｂ）におけるダイポールアレーの円錐面放射パターンを、一点鎖線７０３は図６（Ｃ）におけるダイポールアレーの円錐面放射パターンをそれぞれ示す。
【００６９】
この図から分かるように、ダイポールアンテナ５０７ａ〜５０７ｄの位相を変えることにより、ダイポールアレーの最大放射方向を水平面の全方向に向けることができる。
【００７０】
このような放射特性を有することから、仰角θが４５°以下の高仰角方向に指向性を向けたい場合には、ＭＳＡ素子５０４を動作アンテナとして選択し、仰角θが４５°以上の低仰角方向に指向性を向けたい場合には、ダイポールアレーを動作アンテナとして選択する。このように、ＭＳＡ素子５０４とダイポールアレーのいずれかを選択して動作させることで、＋Ｚ方向の半球面にわたる全方向で４［ｄＢｉ］以上の十分な利得を得ることができる。
【００７１】
このように本実施の形態によれば、誘電体基板面にマイクロストリップアンテナを配置し、マイクロストリップアンテナの周囲に等間隔に、かつ、誘電体基板面に対して垂直に４本のダイポールアンテナを配置してダイポールアレーを構成し、マイクロストリップアンテナとダイポールアレーを選択的に給電することにより、＋Ｚ方向の半球面にわたる全方向で高い利得が得られるアンテナ装置を実現することができる。
【００７２】
なお、本実施の形態では、誘電体基板の中央に支柱を設け、支柱に支持部材を継合し、支持部材の先端でダイポールアンテナを支持したが、誘電体基板の周囲に複数の支柱を設け、それぞれの支柱に支持部材を継合し、支持部材がダイポールアンテナを支持するようにしてもよい。
【００７３】
（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。ただし、図８が図５と共通する部分は図５と同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。図８が図５と主に異なる点は、ダイポールアレーを２段構成にした点である。
【００７４】
支柱８０１は、空洞部５０２で基底部が固定され、基底部からの長さがＬ／２程度の高さに支持部材５０６ａ〜５０６ｄが、３Ｌ／２程度の高さに支持部材８０２ａ〜８０２ｄがそれぞれ放射状に継合されている。
【００７５】
支持部材８０２ａ〜８０２ｄは、支持部材５０６ａ〜５０６ｄそれぞれと平行に間隔ｄ２だけ隔てて設けられており、一辺が長さｄ１の正方形の頂点に支持部材の先端がそれぞれ位置し、支持部材８０２ａ〜８０２ｄの先端でダイポールアンテナ８０３ａ〜８０３ｄの中心を支持する。
【００７６】
ダイポールアンテナ８０３ａ〜８０３ｄは、直径Ｄ、長さＬの銅線であり、ダイポールアンテナ５０７ａ〜５０７ｄの延長線上に配置される。すなわち、４素子のダイポールアレーを２段構成にしたことになる。これにより、各ダイポールアンテナの位相を調整することで、水平面に加えて垂直面においてもアダプティブに指向性を制御することができる。
【００７７】
以下、誘電体基板面から近いダイポールアンテナ５０７ａ〜５０７ｄを第１ダイポールアレーと称し、誘電体基板面から遠いダイポールアンテナ８０３ａ〜８０３ｄを第２ダイポールアレーと称することがある
【００７８】
給電線路８０４ａ〜８０４ｄは、支柱８０１及び支持部材８０２ａ〜８０２ｄの内部に配設され、支持部材８０２ａ〜８０２ｄの先端でダイポールアンテナ８０３ａ〜８０３ｄを給電する。
【００７９】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様、ＭＳＡ素子５０４で受信した信号の電力と第１及び第２ダイポールアレーで受信した信号の電力との比較に基づいて、動作アンテナを選択する。
【００８０】
次に、上記アンテナ装置の動作周波数を５．２ＧＨｚとして設定した場合の放射特性について具体的に説明する。
【００８１】
ここで、図８に示すアンテナ装置を構成するパラメータを以下のように設定する。
【００８２】
εｒ＝２．６
ｔ＝１．５［ｍｍ］
Ｗｄ＝８０［ｍｍ］（約１．４波長）
Ｗｐ＝１５．５［ｍｍ］
Ｄ＝１［ｍｍ］
Ｌ＝２９［ｍｍ］（約０．５波長）
ｄ１＝２９［ｍｍ］（約０．５波長）
ｄ２＝３０［ｍｍ］（約０．５波長）
ｈ＝１［ｍｍ］
Ｗｈ＝８［ｍｍ］
【００８３】
図９は、本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の放射パターンを示す図である。図９（Ａ）〜（Ｃ）において、実線はＭＳＡ素子５０４の放射パターンを、点線は第１ダイポールアレーの位相が第２ダイポールアレーの位相より４５°進んでいる場合の放射パターンを、一点鎖線は第１ダイポールアレーの位相が第２ダイポールアレーの位相より１２０°進んでいる場合の放射パターンを示す。
【００８４】
図９（Ａ）は、図８の座標軸において、方位角φが０°の方向にダイポールアレーの最大放射方向が向くように、ダイポールアレーの位相が調整されている。また、図９（Ｂ）は、方位角φが４５°の方向に、図９（Ｃ）は、方位角φが９０°の方向にそれぞれダイポールアレーの最大放射方向が向くように、ダイポールアレーの位相が調整されている。
【００８５】
図９（Ａ）〜（Ｃ）から分かるように、ＭＳＡ素子５０４の最大放射方向は＋Ｚ方向であり、最大利得は６．３［ｄＢｉ］である。また、ダイポールアレーの最大放射方向の仰角θは、第１ダイポールアレーと第２ダイポールアレーに位相差を持たせることにより、６０°〜７５°の範囲で変化させることができ、最大利得は９［ｄＢｉ］以上である。
【００８６】
さらに、仰角θが約３５°の方向では、第１ダイポールアレーの位相が第２ダイポールアレーの位相より１２０°進んでいる場合の利得（図９に示す一点鎖線）とＭＳＡ素子５０４の利得とが共に落ち込み、等しくなっているが、約４［ｄＢｉ］以上の利得が得られる。
【００８７】
なお、ダイポールアンテナ５０７ａ〜５０７ｄ及び８０３ａ〜８０３ｄの位相を調整することにより、ダイポールアレーの最大放射方向の方位角φを変化させていくと、φ＝１８０°における垂直面放射パターンは図９（Ａ）とほぼ同等の特性となり、φ＝１３５°、２２５°、３１５°における垂直面放射パターンは図９（Ｂ）と、φ＝２７０°における垂直面放射パターンは図９（Ｃ）とほぼ同等の特性となる。
【００８８】
図１０は、仰角θが６０°の円錐面で切断したときのダイポールアレーの円錐面放射パターンを示す図である。この図では、第１ダイポールアレーの位相が第２ダイポールアレーの位相より１２０°進んでいる場合のダイポールアレーの放射パターンを示す。実線１００１は図９（Ａ）におけるダイポールアレーの円錐面放射パターンを、点線１００２は図９（Ｂ）におけるダイポールアレーの円錐面放射パターンを、一点鎖線１００３は図９（Ｃ）におけるダイポールアレーの円錐面放射パターンをそれぞれ示す。
【００８９】
この図から分かるように、ダイポールアレーを２段構成にしたことにより、低仰角の垂直面において指向性制御を行うことができると共に、また、低仰角方向の利得を高くすることができる。
【００９０】
このように本実施の形態によれば、８本のダイポールアンテナを４本１組で２段構成のダイポールアレーとし、マイクロストリップアンテナとダイポールアレーを選択的に給電することにより、実施の形態２の効果に加え、低仰角の垂直面において指向性制御を行うことができると共に、また、低仰角方向の利得を高くすることができる。
【００９１】
（実施の形態４）
図１１は、本発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。ただし、図１１が図１と共通する部分については図１と同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。
【００９２】
ＭＳＡ素子１０３ａ〜１０３ｄは、誘電体基板１０１の＋Ｚ方向の面上に、一辺が長さＷｐの正方形状の銅箔でそれぞれ形成されている。また、ＭＳＡ素子１０３ａ〜１０３ｄは、Ｘ方向及びＹ方向において等間隔に配置される。このとき、ＭＳＡ素子１０３ａ〜１０３ｄの素子間隔はｄ３に設定される。なお、ＭＳＡ素子１０３ａ〜１０３ｄは図示せぬアダプティブプロセッサ及びウェイト調整器によって、信号の位相及び振幅が調整され、指向性が制御される。以下、ＭＳＡ素子１０３ａ〜１０３ｄをマイクロストリップアレーと称することがある。
【００９３】
モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄは、直径Ｄ、長さＬの銅線であり、ＭＳＡ素子間に等間隔（素子間隔ｄ１）で、かつ、誘電体基板１０１に対して垂直に配置される。
【００９４】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様、マイクロストリップアレーで受信した信号の電力とモノポールアレーで受信した信号の電力との比較に基づいて、動作アンテナを選択する。
【００９５】
次に、上記アンテナ装置の動作周波数を５．２ＧＨｚとして設定した場合の放射特性について具体的に説明する。
【００９６】
ここで、図１１に示すアンテナ装置を構成するパラメータを以下のように設定する。
【００９７】
εｒ＝２．６
ｔ＝１．５［ｍｍ］
Ｗｄ＝８０［ｍｍ］（約１．４波長）
Ｗｐ＝１５．５［ｍｍ］
Ｄ＝１［ｍｍ］
Ｌ＝２９［ｍｍ］（約０．５波長）
ｄ１＝２９［ｍｍ］（約０．５波長）
ｄ３＝２９［ｍｍ］（約０．５波長）
【００９８】
図１２は、本発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の放射パターンを示す図である。図１２（Ａ）〜（Ｃ）において、実線はＭＳＡ素子１０３ａ〜１０３ｄを同位相としたときのマイクロストリップアレーの放射パターンを、点線はＭＳＡ素子１０３ａ〜１０３ｄの位相を変化させたときのマイクロストリップアレーの放射パターンを、一点鎖線はモノポールアレーの放射パターンを示す。
【００９９】
図１２（Ａ）は、図１１の座標軸において方位角φ＝０°（Ｘ−Ｙ面）における垂直面放射パターンである。このとき、点線が示す放射パターンは、ＭＳＡ素子１０３ａ及び１０３ｃの位相を同位相とし、ＭＳＡ素子１０３ｂ及び１０３ｄの位相より１２０°遅らせた場合を示している。また、一点鎖線が示すモノポールアレーの放射パターンは、モノポールアンテナ１０４ａ及び１０４ｄの位相が０°、モノポールアンテナ１０４ｂの位相が−１２７．３°、モノポールアンテナ１０４ｃの位相が１２７．３°に設定された場合を示している。
【０１００】
図１２（Ｂ）は，方位角φ＝４５°における垂直面放射パターンである。このとき、点線が示す放射パターンは、ＭＳＡ素子１０３ａの位相が０°、ＭＳＡ素子１０３ｂ及び１０３ｃの位相が−１２０°、ＭＳＡ素子１０３ｄの位相が−２４０°に設定されている。また、一点鎖線が示すモノポールアレーの放射パターンは、モノポールアンテナ１０４ａ及び１０４ｃの位相が０°、モノポールアンテナ１０４ｂ及び１０４ｄの位相が１８０°に設定された場合を示している。
【０１０１】
図１２（Ｃ）は、方位角φ＝９０°（Ｙ−Ｚ面）における垂直面放射パターンである。このとき、点線が示す放射パターンは、ＭＳＡ素子１０３ａ及び１０３ｂの位相を同位相とし、ＭＳＡ素子１０３ｃ及び１０３ｄの位相より１２０°遅らせた場合を示している。また、一点鎖線が示すモノポールアレーの放射パターンは、モノポールアンテナ１０４ａの位相が１２７°、モノポールアンテナ１０４ｂ及び１０４ｃの位相が０°、モノポールアンテナ１０４ｄの位相が−１２７．３°に設定された場合を示している。
【０１０２】
図１２から分かるように、マイクロストリップアレーの最大放射方向の仰角θは、ＭＳＡ素子１０３ａ〜１０３ｄ間に位相差を持たせることにより、０°〜２５°の範囲で変化させることができ、最大利得は１０［ｄＢｉ］以上である。また、モノポールアレーの最大放射方向の仰角θは約７０°であり、最大利得は７［ｄＢｉ］以上である。
【０１０３】
さらに、仰角θが約５５°の方向では、マイクロストリップアレーの利得とモノポールアレーの利得とが共に落ち込み、等しくなっているが、約７［ｄＢｉ］以上の利得が得られる。
【０１０４】
図１３は、仰角θが２５°の円錐面で切断したときのマイクロストリップアレーの円錐面放射パターンを示す図である。この図において、実線１３０１は図１２（Ａ）の点線が示すマイクロストリップアレーの円錐面放射パターンを、点線１３０２は図１２（Ｂ）の点線が示すマイクロストリップアレーの円錐面放射パターンを、一点鎖線１３０３は図１２（Ｃ）が示すマイクロストリップアレーの円錐面放射パターンをそれぞれ示す。
【０１０５】
この図から分かるように、ＭＳＡ素子１０３ａ〜１０３ｄの位相を変えることにより、仰角θが２５°の高仰角において、マイクロストリップアレーの最大放射方向を水平面内の全方向に向けることができる。
【０１０６】
また、図１４は、図１２において、仰角θが７０°の円錐面で切断したときのモノポールアレーの円錐面放射パターンを示す図である。この図において、実線１４０１は図１２（Ａ）におけるモノポールアレーの円錐面放射パターンを、点線１４０２は図１２（Ｂ）におけるモノポールアレーの円錐面放射パターンを、一点鎖線１４０３は図１２（Ｃ）におけるモノポールアレーの円錐面放射パターンをそれぞれ示す。
【０１０７】
この図から分かるように、モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄの位相を変えることにより、モノポールアレーの最大放射方向を水平面内の全方向に向けることができる。
【０１０８】
このような放射特性を有することから、仰角θが４５°以下の高仰角方向で指向性を制御する場合には、ＭＳＡ素子１０３ａ〜１０３ｄを動作アンテナとして選択し、仰角θが４５°以上の低仰角方向で指向性を制御する場合には、モノポールアンテナ１０４ａ〜１０４ｄを動作アンテナとして選択する。このように、マイクロストリップアレーとモノポールアレーのいずれかを選択して動作させることで、＋Ｚ方向の半球面にわたる全方向で７［ｄＢｉ］以上の十分な利得を得ることができる。
【０１０９】
このように本実施の形態によれば、誘電体基板面に４素子からなるマイクロストリップアレーと４素子からなるモノポールアレーを配置し、それぞれのアレーアンテナを選択的に給電すると共に、給電するアレーの各素子の位相を制御することにより、＋Ｚ方向の半球面にわたる全方向でより高い利得が得られ、かつ、低仰角のみならず高仰角においても指向性を制御することができる。
【０１１０】
なお、上述した各実施の形態では、線状アンテナ素子の数を４本（実施の形態３においては一段の数）として説明したが、本発明はこれに限らず、３本以上の複数本であればよい。
【０１１１】
また、上述した各実施の形態では、誘電体基板及びＭＳＡ素子の形状を正方形状として説明したが、本発明はこれに限らない。従って、線状アンテナ素子もＭＳＡ素子の対角線上に等間隔に配置することに限らず、放射状に配置すればよい。
【０１１２】
また、上述した各実施の形態で示したアンテナ装置を構成するパラメータは、動作周波数帯に応じて所定の放射特性が得られるパラメータであれば何でもよい。
【０１１３】
また、上述した各実施の形態は、アンテナ装置を構成するパラメータを適宜変更したうえで、組み合わせて実施することができる。
【０１１４】
また、上述した各実施の形態では、線状アンテナアレーとＭＳＡ素子（マイクロストリップアレー）とを、それぞれのアンテナで受信した信号の電力に基づいて選択的に給電しているが、各アンテナのＳ／Ｎ比や電界強度等の受信状態を示すパラメータに基づいて選択的に給電するようにしてもよい。
【０１１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、誘電体基板の表面にマイクロストリップアンテナ素子を配置し、誘電体基板の表面に放射状に、かつ垂直に複数の線状アンテナ素子を配置し、線状アンテナ素子を給電する信号の振幅及び位相を素子毎に制御すると共に、マイクロストリップアンテナ素子又は複数の線状アンテナ素子を選択的に給電することにより、誘電体基板面上の３次元領域にわたる全方向で高い利得が得られるアンテナ装置を実現することができる。また、小型で簡易な構成のアンテナ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図
【図２】本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示すブロック図
【図３】本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の放射パターンを示す図
【図４】仰角θが６５°の円錐面で切断したときのモノポールアレーの円錐面放射パターンを示す図
【図５】本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図
【図６】本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の放射パターンを示す図
【図７】仰角θが６５°の円錐面で切断したときのダイポールアレーの円錐面放射パターンを示す図
【図８】本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図
【図９】本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の放射パターンを示す図
【図１０】仰角θが６０°の円錐面で切断したときのダイポールアレーの円錐面放射パターンを示す図
【図１１】本発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図
【図１２】本発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の放射パターンを示す図
【図１３】仰角θが２５°の円錐面で切断したときのマイクロストリップアレーの円錐面放射パターンを示す図
【図１４】仰角θが７０°の円錐面で切断したときのモノポールアレーの円錐面放射パターンを示す図
【図１５】従来のアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図及び断面図
【符号の説明】
１０１、５０１ 誘電体基板
１０２、５０３ 接地導体
１０３、５０４ マイクロストリップアンテナ素子
１０４ａ〜１０４ｄ モノポールアンテナ
２０１ モノポールアダプティブアレー
２０２ ウェイト調整器
２０３ 電力分配合成器
２０４ アダプティブプロセッサ
２０５ 高周波スイッチ
２０６ 電力比較部
２０７ 送受信モジュール
５０２ 空洞部
５０５、８０１ 支柱
５０６ａ〜５０６ｄ、８０２ａ〜８０２ｄ 支持部材
５０７ａ〜５０７ｄ、８０３ａ〜８０３ｄ ダイポールアンテナ
５０８ａ〜５０８ｄ、８０４ａ〜８０４ｄ 給電線路
Claims (6)
- 所定の誘電率の誘電体基板と、
前記誘電体基板の表面に配置されたマイクロストリップアンテナ素子と、
前記誘電体基板の表面に放射状に、かつ垂直に配置された複数の線状アンテナ素子と、
前記線状アンテナ素子を給電する信号の振幅及び位相を素子毎に制御する制御手段と、
前記マイクロストリップアンテナ素子又は前記複数の線状アンテナ素子を選択的に給電する切り替え手段と、
を具備することを特徴とするアンテナ装置。 - 前記切り替え手段は、
前記複数の線状アンテナ素子の受信状態と前記マイクロストリップアンテナ素子の受信状態とを比較する比較手段を具備し、
前記比較手段によって受信状態が良好と判断された信号を受信したアンテナ素子を給電することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。 - 前記マイクロストリップアンテナ素子の中央に、当該マイクロストリップアンテナ素子及び前記誘電体基板を貫いて設けられた孔部と、
前記孔部に設けられた支柱と、
前記支柱から放射状に継合され、前記線状アンテナ素子を支持する支持部材と、
を具備することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。 - 前記複数の線状アンテナ素子は、前記誘電体基板の表面に対して垂直方向に多段化して配置されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のアンテナ装置。
- 前記マイクロストリップアンテナ素子は、前記誘電体基板に複数配置され、前記制御手段は、前記複数のマイクロストリップアンテナ素子を給電する信号の振幅及び位相を素子毎に制御することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のアンテナ装置。
- 前記複数の線状アンテナ素子として、モノポールアンテナ又はダイポールアンテナを用いたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のアンテナ装置。
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