JP2005051572A - アンテナ装置及びそれを用いた無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の周波数や複数の通信方式を使用する場合においても、単一のアンテナで対応することができ、かつ指向性の制御をも可能として通信性能の向上を図ったアンテナ装置を得る。
【解決手段】 アンテナ形状を自在に変化させることができる構成として指向性の変化を可能とすると同時に、任意の周波数帯に対応させることが可能となる。すなわち、複数のアンテナ素子１を配置しておき、隣接素子同士間に、これら素子間を接続・非接続状態に切り替えるスイッチ２を設け、これらスイッチの制御によりアンテナの形状を変化させて、９０度折り曲げられたダイポール形状１０とすることで、指向性を得、またダイポールの長さの制御により、周波数帯域の切替えが可能となる。更に、ダイポールアンテナ１０と相似形状の反射器２０を形成して、指向性の向上を図ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明はアンテナ装置及びそれを用いた無線通信装置に関し、特に携帯無線端末に用いて好適なアンテナ装置の改良に関するものである。

無線通信装置のうち特に移動通信における携帯電話機や携帯情報端末などの携帯無線端末に用いられるアンテナは無指向性のものが多い。その理由は、通信相手である基地局の方向が携帯無線端末の位置や移動により変化して不定であることによる。従来のアンテナにおいて無指向性のものとしては、例えば、携帯電話機では、モノポールアンテナや、ヘリカルアンテナ、逆Ｆ型内蔵アンテナなどが多く使用されている。

しかしながら、データ通信の高速化や通信距離の増加の要求が高くなってきており、アンテナに対する性能の要求も高くなっている。アンテナの性能向上の方法としては、アンテナに指向性を持たせることにより利得を向上させることが考えられる。この場合、不要な信号方向に利得を低下させるという効果も考えられるために、受信感度のみならず、ＳＩＲ（Signal to Interference Ratio：信号対妨害波比）の向上も期待できる。

また、同一の携帯無線端末において、複数の通信周波数あるいは複数の通信方式に対応する端末も要求されており、この場合には、各通信周波数あるいは各通信方式にそれぞれ対応した複数のアンテナを実装するか、同一のアンテナで複数の周波数に対応したものが必要となる。

また、高速通信に対応するためには、使用する周波数範囲が広く、あるいは通信方式によっては、使用する周波数を切り換えて通信が行われるために、全ての周波数範囲をカバーする広帯域アンテナが要求されている。

無線通信装置において、特に携帯無線端末において、指向性を制御する場合、従来では、アレイアンテナなど複数のアンテン素子を使用する方法が考えられる。この場合、素子間隔がある程度必要なためにアンテナ自体が大きくなってしまう。また、指向性を制御するために、各素子の信号制御が必要となり、よって処理が複雑化すると同時に、消費電力を増大させることにもなる。更に、複数の通信周波数あるいは複数の通信方式に対応する場合に、複数のアンテナを用いる場合は、アンテナの大きさやアンテナ同士の干渉など、実装上の問題も発生することになる。

また、それぞれのアンテナを切り替えるためのスイッチが必要になり、このスイッチによる電力ロスも問題となる。複数の周波数に対応したアンテナの場合、使用する周波数に制限があるという問題や、実際には、各周波数で共振する素子を持っている場合があり、やはり、大きさが増加するという問題がある。

ここで、非特許文献１を参照すると、複数の周波数に対応するために、４個のアンテナ素子を２×２のマトリック状に配置して、隣接素子間を相互に接続したり、非接続状態にしたりするためのスイッチを設け、当該スイッチによりアンテナ形状を変化制御して２つの周波数帯域、すなわち、Ｌバンド（１〜２ＧＨｚ）とＸバンド（８〜１２．５ＧＨｚ）に対応可能な形状可変アンテナ装置が提案されている。なお、スイッチとしては、０〜４０ＭＨｚに対応可能な広帯域のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）スイッチが用いられている。

IEEE International Symposium, Antennas and Propagation Society, Vol.3,8-13 July,2001 pp.654-65, 「MEMS-Switched Reconfigurable Antenna」（William H. Weedon, et al. ）

上述した非特許文献１に開示のアンテナ装置では、２つの周波数帯域に対応したアンテナを１つの装置で実現するものであるが、指向性については全く考慮されておらず、よって指向性の制御ができないという欠点がある。

本発明の目的は、複数の周波数や複数の通信方式を使用する場合においても、単一のアンテナで対応することができ、かつ指向性の制御をも可能として通信性能の向上を図ったアンテナ装置を提供することである。

本発明によるアンテナ装置は、複数のアンテナ素子と、前記アンテナ素子の隣接する素子同士を接続・非接続状態に制御するスイッチとを含むアンテナ装置であって、前記スイッチの制御によりアンテナ指向性の制御をなすようにしたことを特徴としている。

そして、これらスイッチにより互いに接続されたアンテナ素子群により、９０度に折り曲げられた形状のダイポールアンテナを形成してなることを特徴とし、また、前記スイッチが可変リアクタンス成分を含み、また前記アンテナ素子群の少なくとも一つに入出力のための信号線が接続されていることを特徴とする。更に、前記信号線に接続されて給電される前記アンテナ素子群は放射素子として作用し、前記アンテナ素子群から所定間隔離れた位置の他のアンテナ素子群を、前記スイッチにより互いに接続して反射器または導波器として作用させてなることを特徴とする。そして、前記他のアンテナ素子群も、９０度に折り曲げられた形状となっていることを特徴とする。

そして、前記スイッチは、高周波トランジスタ、ピンダイオード、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）スイッチのいずれかにより構成されていることを特徴とし、また前記アンテナ素子及びスイッチが誘電体上に形成されていることを特徴とする。更に、前記スイッチの接続・非接続の状態の組み合わせを予め複数組記憶した記憶手段と、制御信号に応じて前記記憶手段から所定の前記組み合わせを読出して前記スイッチの制御をなす制御手段とを含むことを特徴とする。

本発明の作用を述べる。アンテナ形状を自在に変化させることができる構成として指向性の変化を可能とすると同時に、任意の周波数帯に対応させることが可能となる。すなわち、複数のアンテナ素子を配置しておき、隣接素子同士間に、これら素子間を接続・非接続状態に切り替えるスイッチを設け、これらスイッチの制御によりアンテナの形状を変化させて指向性を制御する。例えば、９０度折り曲げられたダイポール形状とすることで、指向性を得、またダイポールの長さの制御により、周波数帯域の切替えが可能となる。

本発明によれば、複数のスイッチ素子を互いに近接して配置し、隣接アンテナ素子相互間をスイッチにより接続し、これらスイッチによりオンオフ接続制御を行うことで、アンテナ形状を自在に変化させるようにしたので、指向性の制御が可能になると共に、周波数の切替え制御も容易ななるという効果がある。

以下に、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の実施の形態によるアンテナ構造１００を示す平面図であり、図２はその一部拡大図である。両図を参照すると、一辺が２．５ｍｍ角のアンテナ素子１が、０．５ｍｍの間隔で、縦横２１個からなるマトリックス状に配置されている。そして、隣接するアンテナ素子同士はスイッチ２により互いに接続されており、スイッチ２をオンオフ制御することによって、隣接アンテナ素子同士を、電気的に接続・非接続状態にすることができるようになっている。

図１においては、黒く塗りつぶされているアンテナ素子群が信号給電される放射器として作用し、アンテナとしては、ダイポールアンテナ１０として動作する。そのために、これ等黒く塗りつぶされているアンテナ素子間のスイッチがオン状態になっている。なお、スイッチがオフされているアンテナ素子は、信号の波長に対して十分小さいために、放射特性に影響を与えることはない。本例では、アンテナに指向性を持たせるために、直線形状ではなく、９０度折り曲げた形状として、クロスダイポールアンテナ１０の放射器としている。このクロスダイポールアンテナ１００の信号給電点３は、その中心に位置するアンテナ素子となっている。

更なる指向性の改善のために、反射器２０を有する構造としている。この反射器２０も、クロスダイポールアンテナ（放射器）１０と相似形状となる様に、スイッチ２の接続状態が制御されている。すなわち、放射器１０を構成する黒塗りのアンテナ素子群からそれぞれ所定距離だけ離れた位置のアンテナ素子群（ハッチングで示す）が、隣接アンテナ素子間に位置するスイッチ２により電気的に接続されており、９０°折り曲げられた形状となっている。

図３は図１に示したアンテナの反射特性を示す図である。本アンテナは２ＧＨｚと６ＧＨｚの付近に共振点を有するマルチバンド特性となっている。これは、信号波長λのλ／２と３λ／２で共振するダイポールアンテナの特性を示している。また、他の周波数で共振させる場合には、例えば、２ＧＨｚ〜６ＧＨｚの間で共振させる場合には、ダイポールアンテナの素子長を短くすれば良い。すなわち、スイッチ２のオンオフ状態を変化させて、接続すべきアンテナ素子数を、図１のものよりも減少させて、ダイポールアンテナ１０の全体の長さを短くすれば良い。なお、図において、実線は実測データ、点線はシミュレーションデータである。

図４は２ＧＨｚ付近での共振周波数における水平面での放射特性を示しており、図５は６ＧＨｚ付近での共振周波数における水平面での放射性を示している。両図に示す如く、両周波数共に、ほぼ４５度の方向でゲインが最大となる指向性を有することになる（図１の平面図においても、図の４５度の方向）。この指向性の方向を変化させるには、放射器１０、反射器２０が中心点（給電点３）を中心にして回転するような形状に、各スイッチのオンオフ状態を制御することにより実現できる。このとき素子間に給電点３の位置も同時に変化させる必要が生じる場合も考えられるが、これは給電点位置をスイッチにより切変えることで実現できるものである。なお、図４，５において、実線は実測データ、点線はシミュレーションデータである。

図６は本発明の他の実施の形態を示す平面図であり、図１と同等部分は同一符号により示している。本例では、図１の実施の形態に対して、導波器３０を付加したものである。すなわち、放射器１０に対して、反射器２０とは反対側に、放射器１０よりは短くなる様にアンテナ素子群をスイッチ２により接続して、配置するようにすれば良い。すなわち、放射器１０のアンテナ素子群とは一定距離だけ離れて位置するアンテナ素子群を、各アンテナ素子間のスイッチをオンとして、相互に電気的に接続して、放射器１０と相似形の９０度折りまげられた形状のものとする。

スイッチ２は高周波トランジスタにより実現できる他に、ピンダイオードや、ＭＥＭＳスイッチにより実現することができる。特に、ＭＥＭＳスイッチによる機械的なスイッチは高周波においても低損失のスイッチとして実現可能である。また、スイッチ２に対して、可変容量や可変インダクタンス等の可変リアクタンス成分を付加することにより、アンテナ素子１間の電気長や結合量を変化させることが可能となり、更に複雑な指向性パターンを形成することができる。

本アンテナ構造１００のアンテナ素子１やスイッチ２は通常の集積回路技術やＭＥＭＳ回路製造技術を用いて製造可能である。回路基板には、シリコン等の半導体材料を用いることができる他に、ガラス等の誘電体材料を用いることも可能である。本アンテナの構造上、放射特性をより発揮させるためには、アルミニュウム等の導体基板よりも、非導電性の基板を使用するのが良い。また、高誘電材料を用いることによって、波長短縮効果によりアンテナの大きさを小型化できる。

各スイッチ２のオンオフの状態を予め記憶しておくためのメモリ（記憶回路）を付加することにより、使用する周波数及び必要な指向性の設定の切換えを実施することができる。図７は、この場合のブロック図であり、予め複数組のスイッチオンオフ状態を記憶したＲＯＭ等のメモリ５０と、このメモリ５０の内容を、アンテナ切換制御信号により読出して各スイッチ２のオンオフ制御信号とするアンテナ切換制御部４０とからなっている。図７に示す回路は、半導体集積化技術により、アンテナ構造１００と同一基板上で作成することができる。スイッチ２の制御信号を考慮すると、制御信号の本数が多くなるために、同一基板上での作成が有利となる。

上記各実施の形態における各素子の形状、大きさ、数及び配置などに関しては、必要な周波数等の使用条件に応じて種々の変更が可能であり、図示の例に限定されることはないことは勿論である。

本発明は、携帯電話機や、ＷＬＡＮ（Wireless Local Area Network ）などの無線通信装置用アンテナで、特に無線端末用アンテナや無線通信装置、あるいはＧＰＳ（Global Positioning System ）、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification：無線タグ）用のアンテナに用いることができる。

本発明の一実施の形態を示す平面図である。 図１の一部拡大図である。 本発明の一実施の形態のアンテナの反射特性図である。 本発明の一実施の形態のアンテナの放射特性の一例を示す図である。 本発明の一実施の形態のアンテナの放射特性の他の例を示す図である。 本発明の他の実施の形態を示す平面図である。 本発明の一実施の形態におけるスイッチの制御回路の機能ブロック図である。

符号の説明

１ アンテナ素子
２ スイッチ
３ 給電点
１０ クロスダイポールアンテナ（放射器）
２０ 反射器
３０ 導波器
４０ アンテナ切替制御部
５０ メモリ
１００ アンテナ構造

Claims (10)

1. 複数のアンテナ素子と、前記アンテナ素子の隣接する素子同士を接続・非接続状態に制御するスイッチとを含むアンテナ装置であって、前記スイッチの制御によりアンテナ指向性を制御するようにしたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 複数のアンテナ素子と、前記アンテナ素子の隣接する素子同士を接続・非接続状態に制御するスイッチとを含むアンテナ装置であって、前記スイッチによって互いに接続されたアンテナ素子群により、９０度に折り曲げられた形状のダイポールアンテナを形成してなることを特徴とするアンテナ装置。
3. 前記スイッチが可変リアクタンス成分を含むことを特徴とする請求項１または２記載のアンテナ装置。
4. 前記スイッチにより接続されたアンテナ素子群の少なくとも一つに入出力のための信号線が接続されていることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載のアンテナ装置。
5. 前記信号線に接続されて給電される前記アンテナ素子群は放射素子として作用し、前記アンテナ素子群から所定間隔離れた位置の他のアンテナ素子群を、前記スイッチにより互いに接続して反射器または導波器として作用させてなることを特徴とする請求項４記載のアンテナ装置。
6. 前記他のアンテナ素子群も、９０度に折り曲げられた形状となっていることを特徴とする請求項５記載のアンテナ装置。
7. 前記スイッチは、高周波トランジスタ、ピンダイオード、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）スイッチのいずれかにより構成されていることを特徴とする請求項１〜６いずれか記載のアンテナ装置。
8. 前記アンテナ素子及びスイッチが誘電体上に形成されていることを特徴とする請求項１〜７いずれか記載のアンテナ装置。
9. 前記スイッチの接続・非接続の状態の組み合わせを予め複数組記憶した記憶手段と、制御信号に応じて前記記憶手段から所定の前記組み合わせを読出して前記スイッチの制御をなす制御手段とを、更に含むことを特徴とする請求項１〜８いずれか記載のアンテナ装置。
10. 請求項１〜９いずれか記載のアンテナ装置を含むことを特徴とする無線通信装置。
    

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