JP2005159401A

JP2005159401A - 指向性制御アンテナ

Info

Publication number: JP2005159401A
Application number: JP2003390511A
Authority: JP
Inventors: Ushio Sagawa; 潮寒川; Takeyasu Fujishima; 丈泰藤島; Hiroshi Sugano; 浩菅野; Kazuyuki Sakiyama; 一幸崎山
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2003-11-20
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】簡便なアンテナ構成でありながら、半天球上で放射指向性を良好に制御可能なアンテナを提供すること。
【解決手段】誘電体基板１０１上に、１個の放射器１０２と無給電素子である４個の寄生素子１０３〜１０６を備え、放射器１０２のＥ面に対し４５°，１３５°の角度をなす２つの平面と誘電体基板１０１との交線上に放射器１０２から等距離に各寄生素子１０３〜１０６を配置することによって、放射器１０１と各寄生素子間の電磁界結合を等価にするとともに、高周波回路と放射器１０２との接続と、スイッチと開放スタブから構成される負荷と各寄生素子１０３〜１０６との接続をスロットを介して行うことによって素子単体指向性の対称性を向上させることにより、５個の素子で構成されるアレイアンテナの放射指向性を向上させ、かつ、スイッチのオン・オフによる負荷の変化を用いた指向性制御特性をも向上させることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、比較的小さな通信エリアにおける、半固定通信局間、あるいは、固定対半固定通信局間の通信網で構成される高速大容量無線通信システムの通信品質を高めるのに適した、指向性制御アンテナに関するものである。

近年、室内無線ＬＡＮに代表される小通信エリア上での高速大容量無線通信システムの社会的需要がつとに高まっている。このシステムに必要とされる通信装置は、既存の移動体通信システムと同様に高い通信品質はもとより、通信装置自体の可搬性が重視されるために小型・低消費電力であることが望まれる。ところで、これらの通信装置に対する要求を具現化するのに適した装置構成部位は、電波の出入り口であるアンテナであると断言しても過言ではない。なぜならば、例えば、受信機におけるアンテナの低損失化をとってみても、これは初段増幅器の増幅率を軽減し、それに付随して得られる低消費電力化をはじめ、受信信号の対ノイズ比を向上させるという非常に良い面を持っており、直接的な解決を与えるからである。

さて、近年の通信システムの大容量化の流れは搬送波周波数をより高い周波数帯へと遷移させているが、それに伴う放射電磁界の低回折性と大きな距離減衰により、これまでの移動体通信システムで普通に用いられていた固定指向性を有したアンテナによる回線確保が困難な状況が報告され始めている。そのため、上述の低損失性とともに、新たに指向性の動的可変性という特徴を併せ持ったアンテナ、すなわち指向性制御アンテナの実現が急がれている。

これまでにも、指向性制御アンテナとしては、機械的にアンテナの位置・方位制御を行うもの，アンテナの各放射素子への給電経路中に移相器を配置することによって指向性を制御するもの，放射指向性の周波数依存性を高めたアンテナ構造を有するものなど、様様な方式のアンテナが提案されている。これらのアンテナ方式は非常に高い放射指向性制御特性を実現可能であるが、例えば、室内無線ＬＡＮの移動局として用いる場合を想定すると、先述の高速大容量性というシステム仕様に由来する高い搬送周波数と広い通信帯域、および、小型・低消費電力の観点から実機上への適用は困難を極め、更なる技術開発が必要とされている。

以上の概観の中で、現在、その実システムへの応用に具体性を持っていると考えられるのが、アレイアンテナを構築する上で敬遠されがちの放射素子間の電磁界結合を積極的に用いた指向性制御アンテナである。この方式のアンテナは、「放射器」と呼ばれる電波の入出力を行う（すなわち、高周波回路と接続されている）アンテナ素子と、全く回路とは接続されていない無給電のアンテナ素子である「寄生素子」から構成される。放射器に近接するように寄生素子を配置することによって、放射器と寄生素子は電磁界結合するようになるが、この電磁界結合は放射器から寄生素子への電磁界エネルギーの移送を可能にする。すなわち、寄生素子への回路からの電力供給は全くないが、電磁界結合によって放射器から電磁界エネルギーの一部を受け取り、それによって寄生素子は放射素子として機能するために全体としてアレイアンテナとして機能する。この電磁界結合は、寄生素子の放射素子としての機能を放射電磁界の強度と位相を決定するので、寄生素子に制御可能な負荷を装荷することによってその強度・位相を変化させ、アレイアンテナの指向性制御を行うことができる。これが、放射素子間の電磁界結合を積極的に用いた指向性制御アンテナの動作原理である。

このような寄生素子との電磁界結合を用いた指向性制御アンテナの従来の構造としては、１つの直線偏波を有する放射器のＨ面（アンテナ最大放射方向を含み、その方向の電磁波の磁界ベクトルに平行な平面）方向に、放射器を挟むように放射器と同一素子構造を有する２個の寄生素子を配置しているものがあった（例えば、非特許文献１参照）。

図１０は、前記文献１に記された従来の指向性制御アンテナを示すものである。図１０において、誘電体基板１００６上に、１つの放射器１００１と、それを挟むように２つの寄生素子１００２，１００３が各々放射器１００１と同一間隔を持って配置されている。放射器１００１は、５０Ω整合点である給電点１００４において、ビアホールを介して接続される高周波回路から点給電されている正方マイクロストリップアンテナであり、その名の通り、正方パッチ１００５上に発生する最低次の電気的共振を通して自由空間への電磁波の放射や受信を行う機能を有する。寄生素子１００２と１００３は放射器１００１と同一サイズの正方パッチ１００５を有した無給電アンテナである。放射器１００１と同様に、２つの素子１００２，１００３は正方パッチ１００５の５０Ω整合点において開放スタブ１００７が接続されているが、その長さは寄生素子毎に異なる値を有している。

放射器１００１と２つの寄生素子１００２，１００３は概ね等しい共振周波数を有しているので、共振周波数において特に隣り合う素子間の電磁界相互結合が顕著になるために、ほぼ同一周波数帯において３つの素子は共振をはじめる。相互結合の強度は、放射器１００１と各寄生素子間１００２，１００３の距離が等しいことから、両寄生素子においてほぼ同じ強度を有するが、位相に関しては寄生素子１００２，１００３に接続されている開放スタブ１００７の長さが異なるために一般には異なる値となる。そこで、各寄生素子１００２，１００３に接続されている開放スタブの長さＬ１，Ｌ２の長さを選択することによって、３つの素子から放射される電磁波の間の適当な位相差を設けることによって、３つの素子で構成されるアンテナ全体が誘電体基板１００６の法線方向から傾いた指向性を有した１次元アレイアンテナと等価となるように動作させれば傾いた指向性が実現できる。

これは、スタブの長さＬ１，Ｌ２の長さをうまく選べば、指向性の最大利得方向を変化させることが可能であることを意味しており、例えば、各寄生素子の開放スタブ１００７の替わりに、バラクターダイオードのように動的に電気特性（ここでは容量値）を変化させることができる素子を用いることによって、動的な指向性制御アンテナとしての動作が可能となる。
社団法人電子情報通信学会編，羽石操，平澤一紘，鈴木康夫著「小型・平面アンテナ」初版，ＩＳＢＮ４−８８５５２−１３８−６，ｐｐ１７７−１８１．

しかしながら、前記従来の構成ではアンテナ構造が１次元アレイであるために、アレイに平行で誘電体基板に垂直な面内における指向性制御は実現可能であるが、その面内以外の指向性制御は不可能であるという課題を有していた。また、たとえ、従来の構造の１次元アレイに直交するように、誘電体基板面上に放射器を挟むように寄生素子を２個設け、新たな１次元アレイを構成することによってこの問題を回避する方策も考えられるが、各素子の２つの１次元アレイ方向（上の記述によればＥ面とＨ面を指す）における指向性が異なるという事実と、それに付随して現れる放射器と４つの寄生素子間の電磁界結合特性が各アレイ毎に異なるという点に起因する、２つの１次元アレイの指向性の相違によって、全体としての指向性制御特性が乱れるという新たな課題が発生する。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、小型かつ非常に簡便なアンテナ構成でありながら、半天球上で複数の固定された指向性を実現したり、更には、連続的な指向性制御が可能な指向性制御アンテナを提供することを目的とする。

１個のアンテナ素子と４個の寄生素子を備え、前記アンテナ素子と前記４個の寄生素子は、最大指向性利得方向へ直線偏波を有する電磁波を放射するとともに概ね等しい放射指向性を有し、前記アンテナ素子は高周波回路に接続されているが前記４個の寄生素子は高周波回路には接続されておらず各々可変な負荷が接続されており、前記アンテナ素子と前記４個の寄生素子は全て概平面上に配置され、前記アンテナ素子と前記４個の寄生素子各々との距離は概ね等しくなっており、前記アンテナ素子と前記４個の寄生素子の最大指向性利得方向は全て一致しているとともに前記概平面の法線方向に平行であり、前記アンテナ素子と前記４個の寄生素子から放射される前記直線偏波を有する電磁波の偏波面は互いに平行であり、前記４個の寄生素子の中心は前記アンテナ素子の中心を通り前記最大放射方向に平行な直線を回転軸として前記偏波面を４５°、および、１３５°回転させた２つの平面と前記概平面との２つの交線上に位置し、前記２つの交線の交点上に前記アンテナ素子は配置され、前記４個の寄生素子は互いに前記アンテナ素子の中心を含み前記偏波面と、前記アンテナ素子の中心を含み前記偏波面に直交する平面の２つの平面を対称面とした鏡像対称性を有しており、前記負荷を変化させることにより、前記放射素子と前記寄生素子で構成されるアレイアンテナの放射指向性を動的に制御を行う。

本構成によって、放射器と各寄生素子単体のＥ面（誘電体基板法線を含み、放射電磁界の法線成分における電界ベクトルに平行な平面）指向性のＨ面（誘電体基板法線を含み、先述のＥ面に直交する平面）に対する対称性を飛躍的に向上させるとともに、放射器と各寄生素子の電磁界結合を全て等しくすることができ、良好な放射指向性の制御特性を実現することができる。

本発明の指向性制御アンテナによれば、小型で簡便なアンテナ構造でありながら、半天球上で自由に指向性制御が実現できるので、通信装置の向きに寄らず最大受信電力が得られる通信経路を常に確保でき、従って、高い通信品質を有する通信システムを提供することができる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
最初に、本発明の指向性制御アンテナの実施の形態１における構成と各構成要素の詳細構造について述べる。次に、その動作原理と機能について述べ、そして最後に具体的構成例を挙げる。

まず、本発明の指向性制御アンテナ全体の概略装置構成について述べる。図１は本発明の実施の形態１における指向性制御アンテナの概略構成図である。図１において、本発明の指向性制御アンテナは、誘電体基板１０１上に設けられた１つの放射器１０２と、互いに同一構造を有する＃１〜＃４の総数４個の寄生素子１０３，１０４，１０５，１０６から構成されている。各構成要素の相対的な位置関係は、４個の寄生素子１０３，１０４，１０５，１０６が放射器１０２の周囲を取り囲むように配置されており、各寄生素子と放射器１０２との距離は等しくなっている。図１に記したように、誘電体基板１０１の法線方向にｚ軸をとり、放射器１０２の矩形状のパターン（形状の説明は後述する）の対角線方向にｘ軸，ｙ軸を設定したとき、各寄生素子は、放射器１０２の中心を含みｘｚ平面，ｙｚ平面に平行な面に関して鏡像対称に配置されている。

本発明の第１の実施の形態における指向性制御アンテナのそれぞれの構成要素の詳細構造を順次以下に記す。

最初に誘電体基板１０１の構造について述べる。図２は誘電体基板１０１の層構造を示した基板断面図である。誘電体基板１０１は５層からなり、図面に記したｚ軸の負方向から順に、給電回路２０１，下部誘電体層２０２，接地導体２０３，上部誘電体層２０４，アンテナ回路２０５と呼ぶことにする。なお、図２中の座標軸は図１に記したものと対応が取れており、図１の斜視図の表層に見えている面が図２のアンテナ回路２０５に相当している。

ところで、誘電体基板１０１の大きさであるが、良好な放射特性を実現するためには基板端において必ず発生する回折波による基板裏面への放射電力の回り込みを抑圧することが重要であり、これを実現するために誘電体基板１０１の面積を可能な限り大きくとることが望ましい。しかし、本アンテナの通信装置内への導入を考えた場合の現実的な大きさを見積もると、本発明の指向性制御アンテナの動作周波数帯での最も高い周波数における自由空間中での電磁波の伝搬波長で換算して４波長程度は必要である。

アンテナに入力された電力を効率良く空間へ放射し、また、その逆にアンテナで受信した電力を効率良く回路へ導くためには、アンテナの動作周波数帯において誘電体基板１０１に対して低損失性が具備されていなければならない。そのためには、上部・下部誘電体層２０２，２０４はアンテナの動作周波数帯において低誘電損失性の材質である必要がある。具体的には例を挙げれば、テフロン（Ｒ），アルミナセラミック，溶融石英，サファイア，樹脂系コンポジット材料などが適用可能である。更に、誘電体基板１０１の低損失性を推進するためには、アンテナの動作周波数帯において、給電回路２０１，接地導体２０３，アンテナ回路２０５を良導性の導体で構成することが必要となる。ここでも例を挙げれば、銅，銀，金，アルミなどの良導性金属を、アンテナの動作周波数帯における表皮厚さ以上の厚みで均一に、かつ、表皮厚さに比べ十分小さな表面粗さで構成すればよい。ここで、周波数ｆ（Ｈｚ）における表皮厚さ（ｍ）は、金属導体膜の透磁率をμ（Ｈ／ｍ），導電率をσ（Ｓｉｅ／ｍ）とすると

で与えられる。

上部・下部誘電体層２０２，２０４に厚さの選択について言及しておく。放射器１０２の放射効率（＝放射電力の総和／入力電力）は基板の厚さと誘電率に依存している。後述するように、本実施の形態で述べる放射器１０２はマイクロストリップアンテナであり、上部誘電体層２０４の厚さを厚くするほど、また、誘電率を低く設定するほど放射効率を高めることが可能である。ただし、この結論は上部誘電体層２０４で発生する表面波による電力漏洩を無視できる状況においてのみ得られるものであって、一般には厚い誘電帯においては表面波が必ず存在し、表面波の抑制のために誘電率をも含めた基板厚さに上限が設けられる。その上限ｈ（ｃｍ）は、上部誘電体層２０４の比誘電率をε_ｒ、周波数をｆ（ＧＨｚ）とすれば

で与えられる。そこで、ｈを目安として基板を設定すれば良く、放射効率を高めながらこの条件を満足するためには、上部誘電体層２０４として出来るだけ低誘電率材を用いればよいことが、この式より理解できる。

下部誘電体層２０２においても、上部誘電体層２０４と同様な観点より諸仕様を設定することができる。放射器１０２放射効率を高めるためには、給電回路２０１における伝送損失を低減することが必要である。本実施の形態１においては、給電回路２０１はマイクロストリップ線路で構成されており、例えば線路の特性インピーダンス値を５０Ωに固定した場合においては、マイクロストリップ線路を低損失に構成するためには出来るかぎり線路幅が広くなるようにすればよい。そのためには厚い低誘電率材を用いればよく、基板厚さに限定がなくなるように思われるが、実際には上で記した上限厚みｈが歯止めをかけることになる。なぜならば、厚い誘電体層を用いた場合、マイクロストリップ線路の不連続部や屈曲部でやはり表面波が発生し、マイクロストリップ線路を流れる電力の一部が表面波に変換され漏洩されて行くために損失となるからである。そこで、下部誘電体層２０２の厚さをｄとすれば、

となるようにする必要がある。

誘電体基板１０１の説明として、最後に基板の作成法について言及する。本実施の形態１の基板構成においては、接地導体２０３に対しても回路を作りこむことが必要となる。そのため、２種類の基板を張り合わせて誘電体基板１０１を構成することが必要となる。本実施の形態記載の誘電体基板１０１を、従来の多層高周波回路の作成法を踏襲して実現する場合、先述の２種類の基板は、基板１）（給電回路２０１＋下部誘電体層２０２＋接地導体２０３）と、基板２）（上部誘電体層２０４＋アンテナ回路２０５）に分けて独立に作成される。基板１）は、表裏面に金属箔が積層された両面誘電体基板に対して、写真製版とエッチング技術を用いて給電回路２０１と接地導体２０３をパターンニングすることによって作成される。また、基板２）は基板１）と同様に、ただし片面のみ金属箔が積層された片面誘電体基板に対し、アンテナ回路２０５をパターンニングすることによって作成される。そして、最終的に低誘電損失性の薄い接着性を有した誘電体膜を介して基板１）と基板２）を積層することによって、誘電体基板１０１は構成される。

基板１）と基板２）の層構造であるが、上記の分割とは異なり、基板１）（給電回路２０１＋下部誘電体層２０２）と、基板２）（接地導体２０３＋上部誘電体層２０４＋アンテナ回路２０５）に分けて作成することも可能であると考えられるが、良好な特性を実現するためには、このような層構造を採ることは好ましくない。なぜならば、２つの基板の積層には何らかの接着層（上では、誘電体膜に相当）が必要であるが、接着層の電気的物性値や厚み管理が十分な精度をもって管理可能であれば、設計段階において予め接着層の効果を考慮することが可能であるが、上で述べた従来の多層回路作成技術の範疇においてはそのような精度の実現は困難であるからである。そこで、比較的基板厚さに対する公差が緩い上部誘電体層２０４に接着層による誤差を含ませる方が、再現性良く本発明の指向性制御アンテナを作成することができ賢明である。

ここで、上部誘電体層２０４の方が下部誘電体層２０２に比べて公差が緩いことについて若干言及しておく。上部誘電体層２０４の厚さは、アンテナ回路２０５単体での共振周波数と、以下で述べる接地導体２０３に設けられた矩形開口「スロット」とアンテナ回路２０５の電磁界的な結合度を決めるが、これらの量は比較的誘電体厚さの変動に対して感受性が弱い。ところが、下部誘電体層２０２の厚さは給電回路２０１を構成するマイクロストリップ線路の特性インピーダンスや伝搬定数などの伝搬特性に直接影響を及ぼす。特に誘電体厚さの特性インピーダンスに対する影響は大きく、給電回路２０１がアンテナ回路と上記スロットで構成される共振器とマイクロストリップ線路間のインピーダンス整合器として動作することを考えると、下部誘電体層２０２の厚さ変動は大きな影響を整合特性に与えることとなり、アンテナ全体としての動作に直接影響する結果となる。以上が、上部誘電体層２０４の方が下部誘電体層２０２に比べて公差が緩いことの理由である。

条件にも依るが、一般的に用いられる上部誘電体層２０４と下部誘電体層２０２の厚さの目安をここで与えておく。比誘電率が２〜６の誘電体材を用いた場合、アンテナの動作周波数における自由空間における波長に換算すれば、上部誘電体層２０４の厚さは約４％〜１０％、下部誘電体層２０２の厚さは約２．５％未満に選択されることが多い。

以上、誘電体基板１０１の詳細について説明した。これまでの誘電体基板１０１の説明においては、特に面形状に関しては言及しなかった。後述の本発明の指向性制御アンテナの動作原理の説明から自ずと推測されることになるが、指向性制御特性を最も良好に発現しうる面形状は平面である。しかし、曲率の緩やかな任意の面形状であれば、近似的に平面の場合と同等な特性は実現可能であるので、誘電体基板１０１は必ずしも厳密な平面である必要はない。

次に、放射器１０２の構造について説明する。

図３は、放射器１０２を図１におけるｚ軸のプラス側から眺めた回路パターンの透視図である。以後現れる図面（従来構成を示す図面は除く）には全て直交座標が記されているが、それらは全て図１に記された座標に準じている。図３において、放射器１０２は、アンテナ回路２０５層にパターンニングされた正方形の導体パターンであるパッチ３０１，接地導体２０３層にパターンニングされたスロット３０２、および、給電回路２０１層にパターンニングされた給電線路３０３の３つの要素から構成されている。

まず、パッチ３０１の大きさについてであるが、パッチ３０１の一辺の長さＬは上部誘電体層２０４の比誘電率をε_ｒ（上）とするとき、本実施の例における放射器１０２の動作周波数における自由空間中での電磁波の波長λ_０をε_ｒ（上）^１／２で割った、いわゆる、上部誘電体層２０４内の伝搬波長で換算して、約１／２波長となっている。

放射器１０２の動作周波数において以上のようなサイズにパッチ３０１の一辺の長さを調整することによって、パッチ３０１は１／２波長共振器として動作するようになる。共振器はその共振周波数帯において最も良く電磁界エネルギーを内部に蓄積しうるが、一般にその一部は導体損失，誘電体損失，放射損失の３つの損失として散逸する。上で上部誘電体層２０４の厚さについて言及したが、その厚さを増すことによって３つの損失のうち放射損失、すなわち、電磁界エネルギーが外界に放射されることによって発生する損失が、共振器の全損失の大部分を占めるようにすることによって、パッチ３０１はアンテナとして動作するようになるのである。

図３ではスロット３０２は金属導体であるかのように表現されているが、実際は接地導体２０３に設けられた金属箔のない矩形状の開口となっている。すなわち、スロット３０２と記されている破線で囲まれた領域のみ導体がなく、その外部は一面導体で覆われた状況となっている。今、下部誘電体層２０２の比誘電率をε_ｒ（下），上部誘電体層２０４の比誘電率をε_ｒ（上）とすると、スロット３０２の長手方向の長さは、放射器１０２の動作周波数における自由空間での伝搬波長λ_０としたとき、

にほぼ等しく設定されている。これは、上部・下部誘電体層２０２，２０４と接地導体２０３で構成されたスロット線路上を伝搬する、放射器１０２の動作周波数における高周波信号の伝搬波長の１／２波長分に相当する。

スロット３０２の幅は、上記長さを超えない範囲で広く設定する方が放射器１０２に対して広帯域特性を付与できるが、幅を広く取りすぎると放射器１０２から放射される電力が給電回路２０１面側に漏洩しアンテナ利得が得られなくなるので、通常、スロットの長手方向の長さの１／５程度以下にスロット幅は設定される。スロット３０２の長さを上述のようにすれば、パッチ３０１と同様にスロット３０２もほぼ同一周波数で共振する１つの共振器として動作する。

図４に示すように給電線路３０３は下部誘電体層２０２と接地導体２０３から構成されるマイクロストリップ線路構造を有している。通常、アンテナに接続される回路のインピーダンスは５０Ωに設定されおり、インピーダンスの不整合により発生する給電損失を低減するためにはアンテナ入力端におけるインピーダンスは５０Ωでなければならない。そこで、本実施の構成においても給電線路３０３は特性インピーダンスとして５０Ωを実現する線路幅が適用されている。

ところで、各構成要素の相対的位置関係であるが、図３に示したようにスロット３０２とパッチ３０１の概略重心は一致しており、スロット３０２の長手方向がパッチ３０１の対角線に平行になるように配置されている。また、給電線路３０３の中心線もパッチ３０１の対角線に平行になるように配置されており、給電線路３０３とスロット３０２はパッチ３０１の中央で直交している。なお、給電線路３０３の片方は開放端を有しており、スロット３０２の中央から開放端までの給電線路３０３は高周波回路としてはスタブ３０４として作用する。

パッチ３０１への電力供給は、スロット３０２を介して給電線路３０３とパッチ３０１を電磁界結合させることによりなされる。スロット３０２とパッチ３０１は共にほぼ同じ周波数帯で共振する共振器であるとともに互いに隣接しているので、両者は共振周波数帯において非常に強く電磁界結合しており、給電線路３０３からスロット３０２への電力供給が行われればパッチ３０１への電力移送はスムーズに行われる。そのためには、スロット３０２とパッチ３０１より成る連成共振器のインピーダンスの実部に対して、給電線路３０３の特性インピーダンス５０Ωの整合をとることによって電力の反射減衰を被ることなくパッチ３０１への給電が達成される。スタブ３０４はこのインピーダンス整合作用を担っている。スタブ３０４の線路長を、給電線路３０３上の伝搬波長で換算して０〜１／２波長で変化させることにより良好なインピーダンス整合を実現することが可能であり、これによりインピーダンス不整合に起因する損失を低減している。

以上放射器１０２の構造について述べたが、ここで本実施の形態の放射器１０２の構造の従来の構造に対する優位点について述べる。上記従来の構造で述べたように、マイクロストリップアンテナにおいては、一般にパッチ３０１への給電は給電線路３０３から直接ビアホールを通じて行われる。本実施の形態において、従来の給電方法を利用しなかった理由は２点有る。まずその１点目は、放射器１０１の広帯域化に関する点である。先述の従来の給電方法によるマイクロストリップアンテナの動作周波数は、比帯域で３％程度の狭帯域特性を示すのが普通であるが、本実施の例のようにスロットを介した給電方法を用いることによって、５％を超える比帯域を確保可能となる。現在の通信システムの広帯域化への流れを考えると、広帯域特性を有したアンテナの実現を当然考慮しなければならず、本実施の形態においてはその点において従来の給電方式に対して有利である。

また２点目としては、本実施の形態の給電方法を用いる方が、放射指向性の対称性が向上し易い点である。従来のビアホールを用いた給電方法においては、Ｅ面（図３でｘｚ平面）放射指向性のＨ面（図３でｙｚ平面）に対する対称性が悪化しやすいが、本実施の例においては悪化の程度が軽微である。なぜならば、従来の給電方法に比べ、パッチ３０１へ給電する作用を担うスロット３０２は、Ｈ面に関して完全な鏡像対称性を有しているからである。後述するが、本発明の指向性制御アンテナにおいては、アンテナ全体としての放射指向性が放射器１０２と４つの寄生素子１０３，１０４，１０５，１０６の放射指向性の対称性に強く依存する。従って、本実施の形態に記したスロットを介した給電方法を採ることによってより良好な放射特性を持った指向性制御アンテナが実現される。

以上、放射器１０１の詳細構造について述べた。次に、寄生素子１０４，１０５，１０６，１０７の詳細構成について述べる。

図１において説明したように、４つの寄生素子は全て同一構造であるので、ここでは寄生素子１０４を代表にとり説明する。図５は寄生素子１０４を誘電体基板１０１のｚ軸プラス側から見たパターン透視図である。本実施の例においては、パッチ，スロット，給電線路に関して、寄生素子１０４と放射器１０２は同一構造であるので、同一構成要素に対しては図３に記載した記号と同一記号を図５においても用いる。しかし、放射器１０２と異なり、寄生素子１０４は異なる構成要素である、負荷調整用スタブ５０１とスイッチ５０２を有していることに注意されたい。

一見して分かるように、寄生素子１０４は放射器１０２と概ね等しい周波数で動作するアンテナとして動作するが、給電線路３０３からの電力供給は一切行われない。従って、電力供給は受信電力としてパッチ３０１から行われると共にパッチ３０１から再び受信電力を放射するという無給電アンテナとして寄生素子１０４は動作する。今、寄生素子１０４の入力ポートと出力ポートをパッチ３０１と考えると、寄生素子１０４は１端子回路と見なすことができる。寄生素子１０４は給電線路３０３にスイッチ５０２とそれにつながる負荷調整用スタブ５０１が接続されており、スイッチ５０２のオンオフによって給電線路３０３の長さが変化することになるが、それによって前述の１端子回路の回路特性が変化し、入力信号に対する出力信号の位相が変化する。以上のことから、寄生素子１０４は２値の移相器の付いた反射器と見なすことが可能である。すなわち、外部から入射してきた電磁波の振幅・位相に応じて特定の振幅と位相を有した電磁波を放射するが、その振幅は入射波の振幅と線形関係にあり、またその位相は負荷の２値性を反映した位相を有している。

以上、本発明の指向性制御アンテナの個々の構成要素について詳述した。次に本実施の形態の指向性制御アンテナとしての動作原理について説明する。

図６は、本発明の指向性制御アンテナを誘電体基板１０１のｚ軸のプラス側から見たパターン透視図である。各構成要素の概略的な位置関係については図１の説明において述べたのでここでは繰り返さない。図６において、放射器１０２と寄生素子１０３，１０４，１０５，１０６の配置を見れば分かるように、それぞれのＥ面，Ｈ面は平行になっており、それぞれの指向面を図６中の座標軸で表せばｘｚ平面，ｙｚ平面に相当する。図面の直交座標に対して極座標を設定すると、各寄生素子は方位角φ＝４５°，１３５°，２２５°，３１５°方向にあり、放射器１０２と各寄生素子１０３，１０４，１０５，１０６がＥ面・Ｈ面に対して鏡像対称性を有していることから、各寄生素子に接続されている負荷が全て等しい場合には、放射器１０２と寄生素子１０３，１０４，１０５，１０６の電磁界相互作用は同一値を示す。

寄生素子１０４の説明において述べたように、各寄生素子は入射波の振幅に比例した振幅を有し、かつ負荷に応じた２値性の位相を有した電磁波を放射する作用を有するため、放射器１０２から放射された電磁波は直接外界へ伝播してゆく成分以外に、各寄生素子で一旦受信され再放射される成分があり、本実施の形態の指向性制御アンテナの放射指向性は両成分の電磁波の重ね合わせにより生成される。すなわち、本実施の形態の指向性制御アンテナは、給電は１素子に対してしか行われないものの、実質５素子で構成される２次元アレイアンテナとして動作する。

今、図６において指向面φ＝４５°におけるｚ軸から測った仰角θに関する本発明のアンテナの放射指向性に着目する。この面内における指向性を決定するのは、放射器１０２と２つの寄生素子１０３，１０５であり、この３素子で構成される１次元アレイアンテナについて以下考える。図５に記した寄生素子の給電線路３０３と負荷調整スタブ５０１の長さを上手に選択すれば、スイッチ５０２のオン・オフで放射器１０２から放射される電磁波に対して、それぞれ振幅比Ａ（ｏｎ），Ａ（ｏｆｆ）、位相差ψ（ｏｎ）＝ψ，ψ（ｏｆｆ）＝−ψの電磁波を各寄生素子は放射するようにすることができる。各寄生素子１０３，１０５と放射器１０２との距離はほぼ同一であること、また、放射器１０２の放射指向性の対称性が高いことから、オン・オフ時の振幅比Ａ（ｏｎ），Ａ（ｏｆｆ）に関しては近似的にＡ（ｏｎ）≒Ａ（ｏｆｆ）≡Ａとなる。そこで、例えば、＃１の寄生素子１０３をオフにし＃３の寄生素子１０５をオンにすると、各素子間距離をｄとすれば、指向面φ＝４５°における放射指向性は、

の絶対値に比例する（ここで、ｋは放射器１０２から放射される電磁波の波数であり、θは上述の極座標における仰角を表している。また、放射器１０２と各寄生素子の放射指向性は同一の単体放射指向性を有するとし、更に、それはほぼ無指向性であるとして上式では比例定数とみなして省いてある。）。従って、この指向性の式からから容易にわかるように、本発明の指向性制御アンテナは、上述のスイッチのオン・オフ状態において

が最大放射方向となる。また、スイッチの切り替えを先ほどと逆にすれば−θｍａｘが最大放射方向となり、更には、全ての寄生素子のスイッチを同時にオン・オフすることによって、先述の２つの放射指向性とは異なるθ＝０を対称軸とした対称な放射指向性が得られる。

以上のように、給電線路３０３と負荷調整スタブ５０１の長さを調整することによって、スイッチ５０１のオン・オフ時に再放射される電磁波の位相の絶対値が一致する場合には、各寄生素子１０３，１０５のスイッチ５０２のオンオフの組み合わせで３つの異なる指向性が実現可能である。また、更に一般的に、図５に記した負荷調整用スタブ５０１の線路長を予め調整することによって、スイッチ５０２のオン・オフ時に寄生素子から放射される電磁波の位相をψ，−ψ＋δψ（ただし、｜δψ／ψ｜≪１）とすれば、各寄生素子のスイッチのオン・オフの組み合わせで４（＝２＾２）種類の異なる放射指向性を実現することが可能となる。

上で説明した現象は、＃２と＃４の２つの寄生素子１０４，１０６と放射器１０２により構成される１次元アレイアンテナにおいても同様に発現することは、指向面φ＝４５°における１次元アレイアンテナと指向面φ＝１３５°における１次元アレイアンテナが幾何学的に同一構造とみなすことが可能であることから容易に理解される。以上のことから、本発明の指向性制御アンテナを構成する４つの寄生素子１０３，１０４，１０５，１０６の各スイッチ５０２のオン・オフの組み合わせによって、半天球上（極座標において、０≦θ≦π／２，０≦φ＜２πの角度領域を指す）で最大２＾４＝１６通りの異なる指向性を実現することが可能となる。

以上の本発明の指向性制御アンテナの動作原理の説明で、指向性制御用の素子として可変な負荷を各寄生素子に装荷することが重要であり、可変な負荷として開放スタブである負荷調整用スタブ５０１と高周波スイッチ５０２を用いる例を示した。しかし、可変な負荷の構成は開放スタブに限らず、ビアホールを介して接地導体２０３に端部を接続した短絡スタブを負荷調整用スタブ５０１として使用しても同様な作用を実現しうることは、分布乗数線路の概念から容易に類推できる。また、下で具体的実現例として高周波スイッチとしてミリ波帯ＩＣを用いる例を示すが、ミリ波帯のスイッチング用ＩＣはＰＩＮダイオードのアレイから構成されていることから考えても、直接ＰＩＮダイオードをスイッチ５０２として用いても同様な作用が実現できることは言うまでもない。

ここで、放射器１０２と４つの寄生素子との間隔ｄの選択について述べておく。サイドローブなどの指向特性を制御するためには、寄生素子からの放射電磁界強度を増すことが必要であり、そのためにはｄを小さくとることが望ましい。ところが、ｄをあまりに小さくとると各寄生素子と放射器１０２の相互結合が強くなるために、各寄生素子のスイッチ５０２のオン・オフの影響が放射器１０２の電気特性に大きな影響を与え、放射器１０２とそれに接続されている給電線路３０３のインピーダンス整合特性がスイッチ５０２の動作によって不安定になってしまう。そこで、スイッチ５０２のオン・オフの影響が問題とならない程度ｄを大きくとる必要があることは言うまでもない。

また、これまでの説明において、放射器１０２と各寄生素子のパッチ３０１は同一サイズであると記したが、これを合えて異なるサイズで構成することも可能である。フィルタ合成における共振器間の結合を設計する場合、各共振器のサイズを若干変えて結合させることにより、フィルタ全体としての特性のバランスをとるのと同様に、本実施の形態においても放射器１０２と各寄生素子のパッチ３０１のサイズを変えることによって上手にバランスをとり、良好な共振特性を実現することが可能である。このような構造を適用することによって、共振器１０２単体の動作周波数を若干広げることが可能となり、本発明の指向性制御アンテナに広帯域特性を付与することができる。

以上、本発明の指向性制御アンテナの第１の実施の形態の詳細について述べた。そこで、以下に実際に２５ＧＨｚで動作可能な具体的な構成例について述べる。

○ 誘電体基板１０１の構成
□ 上部誘電体層２０４：比誘電率２．１７，誘電正接０．０００８５，厚さ５０８μｍ
□ 下部誘電体層２０２：比誘電率２．１７，誘電正接０．０００８５，厚さ２５４μｍ
□ 給電回路２０１，接地導体２０３，アンテナ回路２０５：銅箔，厚さ１８μｍ
○ 放射器１０２の構成
□ パッチ３０１：一辺３．３５ｍｍの方形
□ スロット３０２：長さ２ｍｍ，幅０．２ｍｍの矩形開口
□ 給電線路３０３：線路幅８１２μｍ
□ スタブ３０４：１．５ｍｍ
○ 寄生素子１０３，１０４，１０５，１０６の構成
□ パッチ３０１：一辺３．３５ｍｍの方形
□ スロット３０２：長さ２ｍｍ，幅０．２ｍｍの矩形開口
□ 給電線路３０３：線路幅８１２μｍ
□ スタブ３０４：１．５ｍｍ
□ 負荷調整用スタブ５０１：線路幅８１２μｍ，長さ１．４ｍｍ
□ スイッチ５０２：２５ＧＨｚ用２端子スイッチ（ＭＭＩＣ）
○ 指向性制御アンテナ全体の構成
□ 誘電体基板１０１の大きさ：５０ｍｍ×５０ｍｍ
□ 放射器１０２と各寄生素子との間隔：５．２３ｍｍ
以上のように構成することにより、実際に動作可能な第１の実施の形態における指向性制御アンテナが実現できる。

以上、本発明の指向性制御アンテナの第１の実施の形態について、アンテナ全体としての装置構成，各構成要素の詳細構造，全体としての動作原理と指向性制御方法について説明するとともに、２５ＧＨｚ帯において実際に動作可能な具体例について述べた。そこで、最後に本発明の指向性制御アンテナの通信システムへの応用を考えたときに生まれる効用について述べておく。

室内無線ＬＡＮの適用状況を考えると、一般に移動局は机上に位置されるので見晴らしの良い天井に複数の基地局を配置するという通信状況が実現される。机上にある移動局はパーテーションなどの遮蔽体が近接することが多く、ミリ波帯などの高い周波数帯を用いた高速無線通信網を実現するためには、同周波数帯における電磁波の低回折性による遮蔽体の通信品質への影響を軽減することが必要となる。そこで、本発明の指向性制御アンテナを適用し、各寄生素子へ接続されたスイッチ５０２のオン・オフを組み合わせることによって指向性の角度スキャンを実行し、受信電力値の比較を行うことによって常に最大受信電力方向に回線を確保することが可能となる。しかも、他の方式の指向性制御アンテナに比べ小型で非常に簡便なアンテナ構成でありながら、半天球上で最大１６通りもの指向性制御が可能となり、この指向性制御性を用いて遮蔽体より影響を受けない通信経路を選択することにより遮蔽体の通信品質への影響を軽減することが可能となり、ひいては高い通信品質を有した通信網を実現できる。

（実施の形態２）
図７は本発明の指向性制御アンテナの実施の形態２のパターン透視図である。図７において、給電回路以外の構成要素に関しては、実施の形態１記載の構成要素と全く同一構造・同一構成であるので同じ符号を用いるとともにそれらの説明を省略する。

実施の形態２記載の指向性制御アンテナは、実施の形態１記載のものと、寄生素子１０３，１０６の配置、および、寄生素子１０４，１０５の給電線路３０３の長さに相違がある。まず、寄生素子１０３，１０６の配置に関してであるが、図６記載のものは４つの寄生素子の配置はｘｚ平面，ｙｚ平面に対して鏡像対称性を持っていたが、図７記載の実施の形態２においては、ｙｚ平面に対する鏡像対称性が失われている（ここで言っている「対称性」とは、アンテナ回路２０５と接地導体２０３、および、給電回路２０１の全てを含めたアンテナ素子全体を対象としてみていることに注意）。そのため、寄生素子１０３と寄生素子１０６、寄生素子１０４と寄生素子１０５の組は同相で電磁波を放射するが、この対称性の欠如により、寄生素子１０３と寄生素子１０４、寄生素子１０５と寄生素子１０６の放射する電磁波は、放射器１０２の共振周波数帯において、互いに（１／２）πだけ位相がずれている。そこで、その位相差を補正するために、寄生素子１０４，１０５の給電線路３０３の長さは、寄生素子１０３，１０６に比べ、放射器１０２の共振周波数帯の中心周波数における給電線路３０３上の伝搬波長λ_ｇで換算して（１／２）λ_ｇだけ延長されている。

寄生素子１０４，１０５の給電線路３０３が延長されたために、実施の形態１記載の構成に比べ若干狭帯域化されるが、以上のようにアンテナを構成することによっても実施の形態１記載のものと同一作用を実現することができる。

（実施の形態３）
図８は本発明の指向性制御アンテナの実施の形態３のパターン透視図である。図８において、パッチ３０１以外の構成要素に関しては、実施の形態１記載の構成要素と全く同一構造・同一構成であるので同じ符号を用いるとともにそれらの説明を省略する。

実施の形態に１におけるパッチ３０１と異なり、図８における実施の形態３におけるパッチ３０１は円形状になっている。この円形パッチの中心は、スロット３０２の中心と一致している。円形パッチの半径は、本発明の指向性制御アンテナの動作周波数帯の中心周波数において最低次の共振を行うように選択されている。

今、スイッチ５０２としてミリ波帯ＩＣなどの半導体スイッチを用いた場合について考える。放射器１０２に大電力信号が入力され、電磁界結合による電力移送であってもなお各寄生素子へは大きな電力が入力され、スイッチ５０２の線形動作が不可能となる場合には各寄生素子から再放射される電磁波には高調波成分が混入することとなり、他の周波数帯を用いているシステムに干渉を与えることが想定される。この問題を解決するためには、パッチ３０１形状を正方形から円形にすると効果的である。正方形のパッチは最低次共振周波数の整数倍においても共振するために先述の高周波成分を放射するが、円形のパッチにおける高次共振周波数は最低次のものの整数倍にならない。そのため、例えスイッチ５０２が非線形動作をしていてもそこで発生する高調波は放射されずに抑圧される。

以上のように構成することによって、高調波成分の放射抑圧特性に優れた大電力送信用の指向性制御アンテナを提供することができる。

（実施の形態４）
図９は本発明の指向性制御アンテナの実施の形態４における寄生素子のパターン透視図である。図９においては、実施の形態１または２における負荷調整用スタブ５０１とスイッチ５０２を除いた構成要素は全て同一構造・同一構成であるので同じ符号を用いるとともにそれらの説明を省略する。

実施の形態１，２，３記載の寄生素子１０３，１０４，１０５，１０６と異なり、実施の形態４の寄生素子は負荷調整機構がバラクターダイオード９０１と定電圧源９０２から構成されている。バラクターダイオード９０１は逆方向に電圧を印加することによって容量値が可変可能な能動素子である。そこで、定電圧源９０２の電圧を変えることにより負荷が変化し、実施の形態１で詳述した内容と同様な現象により、放射器１０２からの放射電磁波の振幅に比例した振幅値を有するとともに特定の位相差をもった電磁波を実施の形態４の寄生素子は放射する。ところが、先述の３つの実施の形態記載と異なり、負荷は定電圧源９０２からの印加電圧値によって連続的に変化するため、指向性制御はアナログ的に行うことが可能となる。従って、実施の形態４の構造を用いることにより、半天球上においてより柔軟に最適な伝搬経路を選択することが可能となり、高品質な通信システムを提供することが可能となる。

本発明にかかる指向性制御アンテナは、小型で非常に簡便な構造でありながら自由な指向性制御性を有しており、高周波無線タグ用に用いられる質問器用アンテナ等として有用である。また、アドホック通信網に適用されるアンテナ内蔵型無線通信チップ・モジュール等の用途にも応用できる。

本発明の実施の形態１における指向性制御アンテナの概略構成図本発明の実施の形態１における誘電体基板１０１の層構造を示した基板断面図本発明の実施の形態１における放射器１０２を図１におけるｚ軸のプラス側から眺めた回路パターン透視図本発明の実施の形態１における給電線路３０３の線路構造を示した概略構成図本発明の実施の形態１における寄生素子１０４を誘電体基板１０１のｚ軸プラス側から見たパターン透視図本発明の実施の形態１における指向性制御アンテナ誘電体基板１０１のｚ軸のプラス側から見たパターン透視図本発明の実施の形態２における指向性制御アンテナの実施の形態２のパターン透視図本発明の実施の形態３における指向性制御アンテナの実施の形態３のパターン透視図本発明の実施の形態４における寄生素子のパターン透視図従来の指向性制御アンテナの概略構成図

符号の説明

１０１誘電体基板
１０２放射器
１０３寄生素子＃１
１０４寄生素子＃２
１０５寄生素子＃３
１０６寄生素子＃４
２０１給電回路
２０２下部誘電体層
２０３接地導体
２０４上部誘電体層
２０５アンテナ回路
３０１パッチ
３０２スロット
３０３給電線路
３０４スタブ
５０１負荷調整用スタブ
５０２スイッチ
９０１バラクターダイオード
９０２定電圧源

Claims

１個のアンテナ素子と、４個の寄生素子を備え、
前記アンテナ素子と前記４個の寄生素子は、最大指向性利得方向へ直線偏波を有する電磁波を放射するとともに概ね等しい放射指向性を有し、
前記アンテナ素子は高周波回路に接続されているが、前記４個の寄生素子は高周波回路には接続されておらず、各々可変な負荷が接続されており、
前記アンテナ素子と前記４個の寄生素子は全て概平面上に配置され、
前記アンテナ素子と前記４個の寄生素子各々との距離は概ね等しくなっており、
前記アンテナ素子と前記４個の寄生素子の最大指向性利得方向は全て一致しているとともに、前記概平面の法線方向に平行であり、
前記アンテナ素子と前記４個の寄生素子から放射される前記直線偏波を有する電磁波の偏波面は互いに平行であり、
前記４個の寄生素子の中心は、前記アンテナ素子の中心を通り前記最大放射方向に平行な直線を回転軸として前記偏波面を４５°、および、１３５°回転させた２つの平面と前記概平面との２つの交線上に位置し、前記２つの交線の交点上に前記アンテナ素子は配置され、
前記４個の寄生素子は互いに、前記アンテナ素子の中心を含み前記偏波面と、前記アンテナ素子の中心を含み前記偏波面に直交する平面の２つの平面を対称面とした鏡像対称性を有しており、
前記負荷を変化させることにより、前記放射素子と前記寄生素子で構成されるアレイアンテナの放射指向性を動的に制御する指向性制御アンテナ。
１個のアンテナ素子と、４個の寄生素子を備え、
前記アンテナ素子と前記４個の寄生素子は、最大指向性利得方向へ直線偏波を有する電磁波を放射するとともに概ね等しい放射指向性を有し、
前記アンテナ素子は高周波回路に接続されているが、前記４個の寄生素子は高周波回路には接続されておらず、各々可変な負荷が接続されており、
前記アンテナ素子と前記４個の寄生素子は全て概平面上に配置され、
前記アンテナ素子と前記４個の寄生素子各々との距離は概ね等しくなっており、
前記アンテナ素子と前記４個の寄生素子の最大指向性利得方向は全て一致しているとともに、前記概平面の法線方向に平行であり、
前記アンテナ素子と前記４個の寄生素子から放射される前記直線偏波を有する電磁波の偏波面は互いに平行であり、
前記４個の寄生素子の中心は、前記アンテナ素子の中心を通り前記最大放射方向に平行な直線を回転軸として前記偏波面を４５°、および、１３５°回転させた２つの平面と前記概平面との２つの交線上に位置し、前記２つの交線の交点上に前記アンテナ素子は配置され、
前記４個の寄生素子は互いに、前記アンテナ素子の中心を含み前記偏波面を対称面とした鏡像対称性を有しており、
前記負荷を変化させることにより、前記放射素子と前記寄生素子で構成されるアレイアンテナの放射指向性を動的に制御する指向性制御アンテナ。
アンテナ素子と寄生素子は、方形マイクロストリップアンテナである
請求項１または２に記載の指向性制御アンテナ。
アンテナ素子と寄生素子は、円形マイクロストリップアンテナである
請求項１または２に記載の指向性制御アンテナ。
アンテナ素子と高周波回路との接続と、寄生素子と負荷との接続は、スロットを介してなされる、請求項３，請求項４に記載の指向性制御アンテナ。
負荷は、高周波スイッチと開放スタブ、ないしは、高周波スイッチと短絡スタブから構成される、請求項１，請求項２に記載の指向性制御アンテナ。
高周波スイッチはミリ波帯ＩＣである、請求項６に記載の指向性制御アンテナ。
高周波スイッチはＰＩＮダイオードである請求項６に記載の指向性制御アンテナ。
負荷は、バラクターダイオードと直流電源から構成される請求項１または２に記載の指向性制御アンテナ。