JP2004328224A - ステアリングアンテナ装置及び無線機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】使用電波の波長に対して1波長以下の第1の地導体13と、その第1の地導体13に対して、直立して配置されたアンテナエレメント11と、そのアンテナエレメントの周囲に配置された1又は2以上のパラスティックエレメント12と、第1の地導体13の下方に配置された第2の地導体14とを備え、第1の地導体13上を流れる電流を等価的に打ち消す第2の地導体14を設け、パラスティックエレメント12を反射器として有効に動作させて、小型で高利得を可能にしたステアリングアンテナ装置1である。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線通信端末に使用されるステアリングアンテナ装置及びこのステアリングアンテナ装置を搭載した無線機に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、今までは主に有線でデータを通信していたインターネットなどの技術も、準マイクロ波帯やマイクロ波帯を使用した無線通信により行われるようになってきている。このような無線通信においては、自分の所望する方向からの受信感度を上げる等のより高品質な無線回路が要望されるため、アンテナとしてはステアリングアンテナが用いられる。
【0003】
このステアリングアンテナは、近年の無線通信において受信感度を上げるため及びフェージングの影響を軽減させるために、アンテナの指向性を変化させ、特定方向の利得を上げる機能を有することから使用されるようになってきている(例えば、特許文献1および2参照)。一方、端末の小型化のニーズも高まってきている。
【0004】
図11は、従来のステアリングアンテナの一例を示す図である。図11に示すステアリングアンテナは、アンテナエレメント111、複数のパラスティックエレメント(prasitic element)112、地導体113を有する。
【0005】
アンテナエレメント111は、電気的長さが使用電波の波長に対して概略1/4波長である導体棒であり、地導体113と共にモノポールアンテナを形成し、下端は整合回路を経由して無線回路に接続されている。
【0006】
パラスティックエレメント112a、112b、112c、112dは、アンテナエレメントから概略1/4波長の位置に配置されており、そのエレメント長は電気的長さが使用電波の波長に対して概略1/4波長である。各々のパラスティックエレメント112a、112b、112c、112dは、インピーダンスを選択的に変化させるインピーダンス・スイッチング回路を有している。
【0007】
地導体113は、波長に対して十分に大きな直径を有しており、エレメントに電流が流れているとき、境界条件より地導体113上での電界の接線成分は0となり、鏡像効果によりダイーポールアンテナと同等の放射特性を示す。
【0008】
矢印方向114に電力を放射するときは、パラスティックエレメント112c、112dに接続されている回路のインピーダンスを変化させ、地導体113のグランドに短絡させることで使用周波数に対して共振して反射器として動作し、図12のような指向特性を得ることができる。このとき、パラスティックエレメント112a、112bは両端開放の状態となっており使用周波数に対して共振せずに指向性にはほとんど影響しない。
【0009】
【特許文献1】
特開平10−154911号公報
【特許文献2】
特開2002−164730号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図11に示す従来のステアリングアンテナの場合、地導体の直径が1波長以下になると、地導体上に流れる電流が無視できなくなり、地導体に短絡された動作状態のパラスティックエレメントが正常に動作せず、特性が劣化してしまう。また、地導体の形状がアンテナエレメントに対して非対称となっている場合、最短部方向の利得が劣化してしまい、水平方向の放射方向に対して利得差が生じてしまう。よって1波長以下の地導体の小型化、地導体の形状を変えることは困難である。
【0011】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、薄型筐体に実装可能な薄型ステアリングアンテナ装置及びこのステアリングアンテナ装置を搭載する無線機を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明のステアリングアンテナ装置は、電気的長さが、使用電波の波長に対して1波長以下の平坦部を有する第1の地導体と、前記第1の地導体の平坦部のほぼ垂直方向に立設され下端部に給電端子を有するアンテナエレメントと、前記第1の地導体の平坦部のほぼ垂直方向に立設され、前記アンテナエレメントの周囲に配置された1又は2以上のパラスティックエレメントと、前記パラスティックエレメントの下端部に接続されたインピーダンス可変器とを有するステアリングアンテナ装置であって、前記第1の地導体の下方、かつ前記第1の地導体の周囲に配置された第2の地導体を備えたことを特徴とする。
【0013】
第2の地導体は、動作状態のパラスティック素子による第1の地導体上に流れる電流を等価的に打ち消す向きに電流を流す機能を有し、動作状態のパラスティック素子を反射器として正常に動作させ、所望の方向に、より高利得で良好な水平面指向性特性を得ることができる。
【0014】
本発明のステアリングアンテナ装置は、前記第1の地導体が最長部方向及び最短部方向の端部を有する非対称な形状であり、前記最短部方向の端部にのみ前記第2の地導体が単一又は複数個配置されたことが好ましい。
【0015】
これにより、最短部方向のパラスティックエレメントが動作状態の場合、前記第1の地導体に流れる電流を打ち消し、最短部方向にビームを放射したときの正面方向放射利得を向上させることができ、すべての放射方向に対して同等の特性を得ることができるステアリングアンテナ装置を実現できる。
【0016】
本発明のステアリングアンテナ装置は、前記第2の地導体の幅が前記第1の地導体の最長部方向の端部の幅より短く設定されたことが好ましい。
【0017】
これにより、最短部方向の放射利得を向上させることができると共に、最短部方向のパラスティックエレメントが反射器として動作状態に該第2の地導体上を流れる電流の方向を制限することが可能となり、FB比も向上させることができる。
【0018】
本発明のステアリングアンテナ装置は、前記第2の地導体の長さが使用電波の波長に対して概略1/4波長であることが好ましい。
【0019】
本発明のステアリングアンテナ装置は、前記第1の地導体の最長部方向の端部の長さが、前記パラスティックエレメントから使用電波の波長に対して概略1/4波長の距離の位置に地導体端があることが好ましい。
【0020】
これにより、動作状態の概略1/4波長の電気的長さを有するパラスティック素子による第1の地導体上に流れる電流を等価的に打ち消す向きに電流を流す機能を有し、前記パラスティック素子を反射器として正常に動作させ、第1の地導体上を流れる電流はほとんど無視できるほど小さくすることができ、さらに最長部方向の放射利得を向上させることができると共に、FB比も向上させることができる。
【0021】
本発明のステアリングアンテナ装置は、前記第2の地導体が、階段状の導体で形成されたことが好ましい。
【0022】
これにより、ステアリングアンテナ装置下部に前記第1の地導体の最短部方向の幅より広い導体が配置されたときにおいても、ステアリングアンテナ装置を配置することができる。
【0023】
本発明のステアリングアンテナ装置は、前記複数の第2の地導体が一体で形成されたことが好ましい。
【0024】
これにより、前記第2の導体の配置、形状の変更を容易に行うことができる。
【0025】
本発明のステアリングアンテナ装置は、前記複数の第2の地導体と前記第1の地導体の一部分が一体で形成されたことが好ましい。
【0026】
これにより、前記第1の地導体を容易に追加、変更することができる。
【0027】
本発明に係る無線機は、本発明のステアリングアンテナ装置と、無線回路を実装した無線機本体部とを備えたことを特徴とする。
【0028】
本発明の無線機は、前記無線機本体部の上面部に前記ステアリングアンテナ装置を配置し、前記ステアリングアンテナ装置の第2の地導体を前記無線機本体部の側面の形状に沿って配置した、縦置きで薄型であることが好ましい。
【0029】
これにより、様々な形状かつ小型で薄型の無線機が実現できる。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係るステアリングアンテナ装置を示す図である。
【0031】
図1に示すステアリングアンテナ装置1は、アンテナエレメント11と、アンテナエレメント11の周りに配置されたパラスティックエレメント12と、直径が1波長よりも小さい円形の第1の地導体13と、第2の地導体14を有する。
【0032】
アンテナエレメント11と、アンテナエレメント11の周りに配置されたパラスティックエレメント12は、第1の地導体13の平坦部にほぼ垂直に立設されている。詳しくは、アンテナエレメント11およびパラスティックアンテナ12は、第1の地導体13の平坦部に対して所定の許容誤差範囲内で(設定された電波の放射方向および強度が得られる範囲内)傾いた角度で立設されている。
【0033】
アンテナエレメント11は、電気的長さが使用電波の波長に対して実質的に概略1/4波長である導体棒であり、第1の地導体13と第2の地導体14と共にモノポールアンテナを形成し、下端部は整合回路を経由して無線回路に接続されている。上記整合回路は、例えば、マイクロストリップライン等の能動素子からなるインピーダンスマッチング回路であり、無線回路は、後記する無線機本体部の導体95,105内に収納されるRF回路等である。
【0034】
4本のパラスティックエレメント12は、アンテナエレメント11から概略1/4波長の位置に配置されており、そのエレメント長は電気的長さが使用電波の波長に対して概略1/4波長である。4本のパラスティックエレメント12は、各々が第1のパッド15、PINダイオード16を経由して第2のパッド17に接続されており、第2のパッド17は第1の地導体13のグランドと電気的に等価である。PINダイオード16は、後記する無線機本体部の導体95または105内の制御回路(図示せず)からの信号によって制御され、PINダイオード16に一定以上の電圧がかかると、低インピーダンスの状態となりパラスティックエレメント12はグランドに対して短絡する。このとき、パラスティックエレメント12は、使用電波の波長に対して1/4波長の片端短絡のエレメントとなるため、使用周波数に対して共振し、反射器として動作する。PINダイオード16が動作していないパラスティックエレメント12は、両端開放のエレメントになるため、使用周波数に対して共振せずに指向性には影響を及ぼさない。上記制御回路は、隣り合うパラスティックエレメント12に接続されているPINダイオード16を2つ1組で動作させることにより、反射特性がより向上し、4つの方向にビームを振り分けることができる。
【0035】
第2の地導体14は、第1の地導体13の円周上を囲むように配置されている薄い導体で、第1地導体13との垂直方向の長さは1/4波長に設定されている。第2の地導体14は、第1の地導体13上を流れる電流に対して等価的に打ち消す方向に電流を流す機能をもち、第1の地導体13上に流れる電流を等価的に減少させ、短絡されたパラスティックエレメント12は反射器として正常に動作し、小型で高利得なステアリングアンテナ装置1が実現できる。
【0036】
また、図1においてアンテナエレメント11はモノポールアンテナとなっているがジグザグ形状、コイル状等の形状のアンテナを用いてもよい。また、パラスティックエレメント12は4本に限定しなくてもよく、PINダイオード16を用いずに半導体夢接点スイッチング素子や、他のリアクタンス制御回路を用いてもよく、1度に制御する素子は2つでなくてもよい。
【0037】
(実施の形態2)
図2は、本発明の実施の形態2に係るステアリングアンテナ装置を示す図である。
【0038】
図2に示すステアリングアンテナ装置は、上述の実施の形態1に示す第1の地導体13、第2の地導体14の形状を変化させた例である。
【0039】
アンテナエレメント21は、電気的長さが使用電波の波長に対して概略1/4波長である導体棒であり、第1の地導体23と第2の地導体24と共にモノポールアンテナを形成し、下端部では整合回路を経由して無線回路に接続されている。
【0040】
4本のパラスティックエレメント22a、22b、22c、22dは、アンテナエレメント21から概略1/4波長の位置に配置されており、エレメント長は電気的長さが使用電波の波長に対して概略1/4波長である。4本のパラスティックエレメント22は、実施の形態1と同様に、各々がPINダイオード16を有する制御回路を有しており、この制御回路は、隣り合うパラスティックエレメント22に接続されているPINダイオード16を2つ1組で動作させることにより、反射特性がより向上し4つの方向にビームを振り分けることができる。
【0041】
第1の地導体23は、最長部方向および最短部方向の端部を有する長方形の形状となっており、パラスティックエレメント22から最長部方向の地導体端までの距離は1/4波長に設定している。
【0042】
ここで、最長部方向の端部とは、長方形の長辺部25をいい、最短部方向の端部とは、長方形の短辺部26をいう。
【0043】
第2の地導体24は、第1の地導体23の最短部方向の端部に取り付けたものである。その水平方向の長さは、第1の地導体23の長方形の長辺部25と等しい長さであり、その垂直方向の長さは、1/4波長に設定している。
【0044】
パラスティックエレメント22b、22cを反射器として動作させ、最短部方向にビームを放射したとき、第2の地導体24上には、第1の地導体23上を流れる電流に対して等価的に打ち消す方向に電流が流れ、短絡したパラスティック素子22b、22cは反射器として正常に動作する。
【0045】
本実施の形態によれば、最短部方向の水平方向正面利得を向上させることができ、第1の地導体23を長方形以外の形状に変えても4方向に等しい電力を放射することができる薄型のステアリングアンテナ装置を実現することができる。
【0046】
(実施の形態3)
図3は、本発明の実施の形態3に係るステアリングアンテナ装置を示す図である。
【0047】
図3に示すステアリングアンテナ装置は、上述した実施の形態2に示す第2の地導体24の水平方向の長さを変化させ、第1の地導体33の最長部方向の端部よりも短くしたものである。
【0048】
なお、実施の形態3においても実施の形態2と同様にアンテナエレメント31、パラスティックエレメント32a、32b、32c、32dを備える。
【0049】
パラスティックエレメント32b、32cを反射器として動作させ、最短部方向にビームを放射したとき、第2の地導体34上には、第1の地導体33上を流れる電流に対して等価的に打ち消す方向に電流が流れ、短絡したパラスティックエレメント32b、32cは反射器として正常に動作する。このとき第2の地導体34を流れる電流は幅が狭い分制限された方向に流れる。
【0050】
図4は、実施の形態2において、最短部方向にビームを放射した場合(パラスティックエレメント22b、22cに接続されているPINダイオード16を短絡した場合である)の水平方向指向性を示すグラフであり、図5は本実施の形態において、最短部方向にビームを放射した場合(パラスティックエレメント32b、32cに接続されているPINダイオード16を短絡した場合である)の水平方向指向性を示すグラフである。
【0051】
本実施の形態によれば、最短部方向の水平方向利得を向上させることができると共に、実施の形態2の場合よりも、第2の地導体34に流れる電流の向きが制限され、FB比(Front to Back Ratio)も向上させることができる。
【0052】
(実施の形態4)
図6は、本発明の実施の形態4に係るステアリングアンテナ装置を示す図である。
【0053】
図6に示すステアリングアンテナ装置は、実施の形態3に示した第2の地導体34を複数個に分割したものである。実施の形態4においても実施の形態3と同様にアンテナエレメント61、パラスティックエレメント62を備える。好適には、第1の地導体63に対する第2の地導体64の垂直方向の長さは、1/4波長に設定する。また、図6に示すように、第2の地導体64は、パラスティックエレメント62に近接して設置するようにする。
【0054】
本実施の形態によれば、最短部方向の水平方向の利得を向上させることができるとともに、実施の形態3の場合よりもさらに、第2の地導体64に流れる電流の向きが制限され、FB比も向上させることができ、より小型のステアリングアンテナ装置を実現することができる。
【0055】
(実施の形態5)
図7は、本発明の実施の形態5に係るステアリングアンテナ装置を示す図である。
【0056】
アンテナ部79は、誘電体基板73aと、誘電体基板73aの垂直方向に対して、所定の許容誤差範囲内で傾いた角度で立設され、電気的長さが、使用電波の波長に対して概略1/4波長のアンテナエレメント71と、そのアンテナエレメント71の周囲に配置された電気的長さが、使用電波の波長に対して概略1/4波長の4本のパラスティックエレメント72と、第1のネジ76および第1のネジ穴77を有している。
【0057】
板金75は、第1の地導体の1部73bと、第2の地導体74と、第2のネジ穴78で構成されている。アンテナ部79と、板金75を接続したときに、第1の地導体の1部73bは、誘電体基板73aの最長部方向の端部よりも長く、外にはみ出す構造になっている。
【0058】
誘電体基板73bは、誘電体が導体で挟まれた形状をしており、表面と裏面がスルーホールでつながれており、第1の地導体の1部を形成すると共に誘電体基板73a上には、適宜給電回路及びパラスティックエレメント72のスイッチング回路が配置される。
【0059】
誘電体基板73aに第1のネジ穴77を、第2の地導体74に第2のネジ穴78を設けておくことにより、ネジ76により、板金75に絞りタップを設けるか、ナットを使用することで容易に取り付けることができ、誘電体基板73と板金75を電気的に接触させることで、地導体を一体化することができる。
【0060】
(実施の形態6)
図8は、本発明の実施の形態5に係るステアリングアンテナ装置を示す図である。
【0061】
アンテナ部89は、図7に示した構成と同様に、アンテナエレメント81と、4本のパラスティックエレメント82と、誘電体基板83と、第1のネジ穴87を有している。
【0062】
板金85は、第2の地導体84と、ネジ86および第2のネジ穴88を有しており、誘電体基板83に第1のネジ穴87を、第2の地導体84に第2のネジ穴88を設けておくことにより、ネジ86により容易に取り付けることができる。また、アンテナ上部から板金85をかぶせる構造となっているため、アンテナ部89を筐体などに固定し同軸線等で回路側と接続した場合においても、板金85を取り付け取り外しすることができ、メンテナンスなどの作業時に第2の地導体84が邪魔にならず作業性が向上する。
【0063】
本実施の形態においては、ネジにより固定を行っているが、ボスやビスなどによって固定してもよく、板金を第1の地導体にはめ込むようにしてもよい。
【0064】
(実施の形態7)
図9は、本発明の実施の形態6に係るステアリングアンテナ装置を搭載した無線機の斜視図である。ステアリングアンテナ装置の下部に第1の地導体93の最長部方向の端部よりも幅の狭い、無線回路や制御回路などを中に収納したシールドなどの無線機本体部の導体95が配置された場合を示している。このとき、無線機本体部の導体95に第2の地導体94が触れないように置くことで薄型形状の無線機本体部の導体95の上部にステアリングアンテナ装置を効率良く配置することが可能となり、薄型形状の筐体に収納することができ、縦置き薄型の無線機を実現することができる。
【0065】
(実施の形態8)
図10は、本発明の実施の形態7に係るステアリングアンテナ装置を搭載した無線機を示す斜視図である。ステアリングアンテナ装置下部の導体105の形状が、第1の地導体103の最長部方向の端部よりも幅の広い場合を示している。
【0066】
このとき、第2の地導体104の形状を無線機本体部の導体105の上部の形状に沿って階段状にすることで、幅の広い導体105の上部にもステアリングアンテナ装置を配置することが可能となり、縦置き薄型の無線機を実現することができる。また、図10では、第2の地導体104の形状は、階段状となっているが、曲線としても良い。
【0067】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のステアリングアンテナ装置は、第1の地導体の直径が1波長以下、またはアンテナに対して非対称な形状をしていても、第2の地導体を取り付けることにより、所望の方向の利得劣化を抑制でき、すべての放射方向に対してほぼ等しい電力を放射できる薄型筐体に適した形状のステアリングアンテナ装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1に係るステアリングアンテナ装置を示す斜視図である。
【図2】本発明の実施の形態2に係るステアリングアンテナ装置を示す斜視図である。
【図3】本発明の実施の形態3に係るステアリングアンテナ装置を示す斜視図である。
【図4】実施の形態2に係るステアリングアンテナ装置の水平方向指向性を示すグラフである。
【図5】実施の形態2に係るステアリングアンテナ装置の水平方向指向性を示すグラフである。
【図6】本発明の実施の形態4に係るステアリングアンテナ装置を示す斜視図である。
【図7】本発明の実施の形態5に係るステアリングアンテナ装置を示す斜視図である。
【図8】本発明の実施の形態6に係るステアリングアンテナ装置を示す斜視図である。
【図9】本発明の実施の形態7に係る無線機を示す外観図である。
【図10】本発明の実施の形態8に係る無線機を示す外観図である。
【図11】従来のステアリングアンテナ装置の一例を示す概念図である。
【図12】従来のステアリングアンテナ装置における水平方向指向性示すグラフである。
【符号の説明】
1 ステアリングアンテナ装置
111 アンテナエレメント
112a、112b、112c、112d パラスティックエレメント
113 地導体
114 矢印方向
11、21、31、61、71、81、91、101 アンテナエレメント
12、22a、22b、22c、22d パラスティックエレメント
32a、32b、32c、32d パラスティックエレメント
62、72、82、92、102 パラスティックエレメント
13、23、33、63、93、103 第1の地導体
14、24、34、64、74、84、94、104 第2の地導体
15 第1のパッド
16 PINダイオード
17 第2のパッド
25 長方形の長辺部
26 長方形の短辺部
73a、73b、83 誘電体基板
75、85 板金
76、86 ネジ
77、87 第1のネジ穴
78、88 第2のネジ穴
79、89 アンテナ部
95、105 無線機本体部の導体
Claims (10)
- 電気的長さが、使用電波の波長に対して1波長以下の平坦部を有する第1の地導体と、
前記第1の地導体の平坦部のほぼ垂直方向に立設され下端部に給電端子を有するアンテナエレメントと、
前記第1の地導体の平坦部のほぼ垂直方向に立設され、前記アンテナエレメントの周囲に配置された1又は2以上のパラスティックエレメントと、
前記パラスティックエレメントの下端部に接続されたインピーダンス可変器とを有するステアリングアンテナ装置であって、
前記第1の地導体の下方かつ前記第1の地導体の周囲に配設された第2の地導体を備えたことを特徴とするステアリングアンテナ装置。 - 前記第1の地導体は、最長部方向及び最短部方向の端部を有する非対称な形状であり、前記最短部方向の端部にのみ前記第2の地導体が単一又は複数個配置されたことを特徴とする請求項1に記載のステアリングアンテナ装置。
- 前記第2の地導体の幅は、前記第1の地導体の最長部方向の端部の幅より短く設定されたことを特徴とする請求項2に記載のステアリングアンテナ装置。
- 前記第2の地導体の長さは、使用電波の波長に対して概略1/4波長であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のステアリングアンテナ装置。
- 前記第1の地導体の最長部方向の端部の長さは、前記パラスティックエレメントから使用電波の波長に対して概略1/4波長の距離の位置に地導体端があることを特徴とする請求項2から請求項4のいずれか1項に記載のステアリングアンテナ装置。
- 前記第2の地導体は階段状の導体で形成されたことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のステアリングアンテナ装置。
- 複数の前記第2の地導体が一体で形成されたことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のステアリングアンテナ装置。
- 複数の前記第2の地導体と前記第1の地導体の一部分が一体で形成されたことを特徴とするステアリングアンテナ装置。
- 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載のステアリングアンテナ装置と、無線回路を実装した無線機本体部と、を備えたことを特徴とする無線機。
- 前記無線機本体部の上面部に前記ステアリングアンテナ装置を配置し、前記ステアリングアンテナ装置の第2の地導体を前記無線機本体部の側面の形状に沿って配置した、縦置きで薄型であることを特徴とする請求項9に記載の無線機。
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