JP2006005756A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成で、偏波・放射パターンを変更でき、共振周波数も変更できるようにする。
【解決手段】 アンテナ装置は、導電性材料からなる有限地板１と、有限地板１上に給電点２をもつＴ字型アンテナ３と、Ｔ字型アンテナ３上に装荷される２つの可変インピーダンス回路４，５と、を備えている。Ｔ字型アンテナ３の分岐された２本の線状導体６，７にそれぞれ可変インピーダンス回路４，５を設けて、可変インピーダンス回路４，５のインピーダンスを可変できるようにしたため、地板１に流れる電流も少なくなり、放射パターンと共振周波数を大きく切り替えることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、偏波を含む放射パターンを切替可能なアンテナ装置に関する。

給電点を切り替えるアンテナスイッチの切替により、Ｘ型の２直線の導体に沿った２偏波を切替可能なアンテナ装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−３３８７８３公報

この種の従来のアンテナ装置では、Ｘ型の２直線の導体それぞれが逆Ｆアンテナとして動作するため、主放射源は地板に垂直な導体である。このため、偏波の切替特性が小さくなるという問題がある。

また、従来のアンテナ装置では、偏波または放射パターンの切替に対して、アンテナの入力インピーダンスが変化しないこと、地板とアンテナを合わせた体積を小さくできないこと、有限地板からのアンテナの高さを低くできないこと等の問題があった。

本発明の目的は、簡易な構成で、偏波・放射パターンを変更でき、共振周波数も変更可能なアンテナ装置を提供することにある。

本発明は、給電点から見て２分岐された線状導体を有するアンテナと、前記２分岐された線状導体のそれぞれに装荷される２つの可変インピーダンス回路と、を備える。

本発明によれば、簡易な構成で、偏波・放射パターンを変更でき、共振周波数も変更できる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図である。図１のアンテナ装置は、導電性材料からなる有限地板１と、有限地板１上に給電点２をもつＴ字型アンテナ３と、Ｔ字型アンテナ３上に装荷される２つの可変インピーダンス回路４，５と、を備えている。

Ｔ字型アンテナ３は、給電点２から見て、２分岐された線状導体６，７を有し、各線状導体６，７にそれぞれ可変インピーダンス回路４，５が装荷されている。この２分岐された線状導体６，７は、直線形状でもよいし、図１のように途中で折れ曲がっていてもよい。また、必ずしも全体が線状である必要はなく、Ｔ字型アンテナ３の任意の箇所が板状、円柱状または角柱状でもよい。

可変インピーダンス回路４，５は、後に詳述するように、スイッチ、可変抵抗素子、可変容量素子および可変インダクタ素子の少なくとも一つを含んで構成される。可変インピーダンス回路４，５は、制御信号により、少なくとも２つのインピーダンスに可変可能な２端子回路である。可変インピーダンス回路４，５が、制御信号として所定のバイアス電圧を必要とする場合、例えば無線周波数の信号を阻止可能な十分に大きな値のインダクタ、または無線周波数の信号を阻止可能かつ可変インピーダンスに必要なバイアス電圧を供給可能な抵抗を介して、アンテナの先端および給電点２からバイアス電圧を供給すればよい。

図２は給電点２付近の構造を示す図である。アンテナ装置への給電は、同軸線やマイクロストリップラインなどを介して行われる。図２の例では、同軸線３１で給電を行う例を示しており、同軸線３１の外導体３２は地板１に接続され、内導体３３はＴ字型アンテナ３の端部に接続される。

次に、図１のアンテナ装置の動作を説明する。可変インピーダンス回路４，５のインピーダンスは、バイアス電圧に応じて変化する。可変インピーダンス回路４，５のインピーダンスを変えることにより、Ｔ字型アンテナ３上の電流分布を可変でき、放射パターンを切り替えることができる。

Ｔ字型アンテナ３は、構造的に有限地板１上に流れる電流が少ないため、地板１を流れる電流の影響を受けるおそれがなくなり、放射パターンを大きく切り替えることができる。また、可変インピーダンス回路４，５のインピーダンスを変えることにより、アンテナで送受される無線信号の共振周波数を可変させることもできる。

このように、第１の実施形態では、Ｔ字型アンテナ３の分岐された２本の線状導体６，７にそれぞれ可変インピーダンス回路４，５を設けて、可変インピーダンス回路４，５のインピーダンスを可変できるようにしたため、地板１に流れる電流も少なくなり、放射パターンと共振周波数を大きく切り替えることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、Ｔ字型アンテナ３の２分岐された線状導体６，７を対称構造にするものである。

図３は本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図である。図３のアンテナ装置は、給電点２を通過して地板１に直交する平面Ｓに対して対称構造の線状導体６，７を有するＴ字型アンテナ３を備えている。各線状導体６，７には、図１と同様に可変インピーダンス回路４，５が平面Ｓに対して対称な位置に装荷されている。

可変インピーダンス回路４，５の一方のインピーダンスをＺ１として他方のインピーダンスをＺ２とする状態を状態Ａとし、可変インピーダンス回路４，５の一方のインピーダンスをＺ２として他方のインピーダンスをＺ１とする状態を状態Ｂとしたときに、本実施形態では、状態Ａ，Ｂを切り替える。

このように、可変インピーダンス回路４，５のインピーダンスを切り替える際に、Ｔ字型アンテナ３全体としてのインピーダンスが同一になるようにインピーダンスを切り替えるため、可変インピーダンス回路４，５のインピーダンスを切り替えても、Ｔ字型アンテナ３の入力インピーダンスは略一定になる。したがって、放射パターンが可変インピーダンス回路４，５のインピーダンス切替の影響を受けなくなる。

上述したように、第２の実施形態では、Ｔ字型アンテナ３の２分岐された線状導体６，７を対称構造にするため、可変インピーダンス回路４，５のインピーダンスを切り替えても、Ｔ字型アンテナ３の入力インピーダンスは変化しなくなり、放射パターンがインピーダンス切替の影響を受けなくなることから、放射パターンを大きく変化させることができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、第２の実施形態の変形例であり、有限地板１を平面Ｓに対して対称構造にするものである。

図４は本発明の第３の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図である。図４のアンテナ装置は、基本的な構造は図３と同じであるが、有限地板１を平面Ｓに対して対称構造にしている点で図３と異なる。

有限地板１を平面Ｓに対して対称構造にすることにより、仮に有限地板１に電流が流れたとしても、その電流による影響を、Ｔ字型アンテナ３の２つの線状導体６，７で均等化することができる。したがって、可変インピーダンス回路４，５のインピーダンスを切り替えても、アンテナ装置の入力インピーダンスはより変化しなくなる。

このように、第３の実施形態では、Ｔ字型アンテナ３の線状素子を平面Ｓに対して対称的に配置するだけでなく、有限地板１を平面Ｓに対して対称構造にするため、地板１に流れる電流による影響をより受けにくくなり、入力インピーダンスの変動をより抑制できる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態は、Ｔ字アンテナの２分岐された線状導体６，７を地板１の縁に沿って、あるいは縁の外側に配置するものである。

図５は本発明の第４の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図である。図５のアンテナ装置は、図１と同様に、Ｔ字型アンテナ３の２分岐された線状導体６，７上にそれぞれ可変インピーダンス回路４，５を設けている。これら線状導体６，７は、図１と異なり、有限地板１の縁に沿って、あるいは縁よりも外側に形成されている。

Ｔ字型アンテナ３は、上述したように、構造的に地板１上に電流が流れないが、まったく流れないわけでなく、多少は流れる。地板１に電流が流れると、Ｔ字型アンテナ３の線状導体６，７を流れる電流が地板１の電流の影響を受けてしまう。

一方、本実施形態のように、線状導体６，７を有限地板１の縁付近か、縁よりも外側に配置すると、仮に地板１に電流が流れても、線状導体６，７はその影響を受けなくなり、放射パターンも影響を受けなくなる。

このように、第４の実施形態では、Ｔ字型アンテナ３の２分岐された線状導体６，７を、有限地板１の縁に沿って、あるいは縁よりも外側に配置するため、線状導体６，７は有限地板１上を流れる電流の影響をまったく受けなくなり、良好な放射パターンが得られる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態は、第１の実施形態の変形例であり、マルチシステムに対応すべく、複数の周波数の無線信号を放射できるようにしたものである。

第５の実施形態のアンテナ装置は、図１と同様の構造をもつため、構造の説明は省略する。Ｔ字型アンテナ３の給電点２から見て２分岐された線状導体６，７の全長は周波数ｆ１の半波長λ1／２程度に設定される。各線状素子の先端と対応する装荷位置との距離のうち長い方の長さは、周波数ｆ２の半波長λ2／２程度に設定される。これら２つの線状導体６，７の各装荷位置間の長さは、周波数ｆ３の半波長λ3／２程度に設定される。

本実施形態のアンテナ装置は、３種類の共振周波数f1,f2,f3を有する。したがって、可変インピーダンス回路４，５のインピーダンスを切り替えることにより、放射パターンを可変できるだけでなく、３種類の共振周波数の切替が可能になる。

（第６の実施形態）
第６の実施形態は、Ｔ字型アンテナ３の２分岐された２つの線状導体６，７の全長を周波数ｆ１の半波長λ1／２程度以上にするものである。

第６の実施形態のアンテナ装置も、図１と同様の構造をもつため、構造の説明は省略する。Ｔ字型アンテナ３の給電点２から見て２分岐された２つの線状導体６，７の全長は周波数ｆ１の半波長λ1／２程度以上である。本実施形態では、第１の実施形態と同様に放射パターンと共振周波数を可変できるだけでなく、２分岐された線状導体６，７上に少なくとも２つ以上の電流ピークが現れる。このため、多様な放射パターンを得ることができ、マルチビームを形成可能である。

（第７の実施形態）
第７の実施形態は、Ｔ字型アンテナ３の代わりに、ダイポールアンテナを設けるものである。

図６は本発明の第７の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図である。図６のアンテナ装置は、地板１上の給電点２，８から給電を受けるダイポールアンテナ１０と、このダイポールアンテナ１０の２本の線状導体６，７上に装荷される可変インピーダンス回路４，５とを備えている。

図７は図６の給電点２，８付近の構造を示す図である。図７では、ダイポールアンテナ１０の一方の線状導体６，７に同軸線３１の外導体３２を接続し、他方の線状導体６，７に同軸線３１の内導体３３を接続している。

図６のアンテナ装置の動作は図１と基本的に同一であるため、説明を省略する。図６のアンテナ装置の場合、ダイポールアンテナ１０上の電流が電波の主放射源であるため、第１の実施形態と同様に、放射パターンを可変できるとともに、共振周波数も可変できる。

（第８の実施形態）
第８の実施形態は、Ｔ字型アンテナ３やダイポールアンテナ１０の代わりに、スロットアンテナを設けるものである。

図８は本発明の第８の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図である。有限地板１上の一部にコの字状の切り欠きが形成され、切り欠きの２箇所に可変インピーダンス回路４，５が接続され、これによりスロットアンテナ１１が形成されている。

スロットアンテナ１１では、切り欠きの長手方向に沿って発生される磁流Ｍ＝Ｅ×ｎ（Ｅは電界、ｎは地板１に垂直なベクトル）が電波の主放射源となる。可変インピーダンス回路４，５のインピーダンスを切り替えることにより、第１〜第７の実施形態と同様に、放射パターンと共振周波数を切り替えることができる。

スロットアンテナ１１の場合、地板１と同じ高さにアンテナが形成されるため、第１〜第７の実施形態のいずれよりも低姿勢化を実現でき、スペースの限られている小型機器（例えば、携帯電話）などに適している。

（その他の実施形態）
上述した第１〜第８の実施形態で説明した可変インピーダンス回路４，５は、例えば図９のような回路で構成される。図９の可変インピーダンス回路４，５は、２端子間に直列接続されるキャパシタ素子Ｃ１およびFET１２と、FET１２のソース−ゲート間に直列接続されるインダクタ素子Ｌ１，Ｌ２、可変電圧源１３およびインダクタ素子Ｌ１，Ｌ２とを有する。FET１２のソースとドレインは互いに逆にしてもよい。

図９のキャパシタ素子Ｃ１は、高周波信号は通すが、直流信号は遮断する。キャパシタ素子Ｃ１により、バイアス電圧がアンテナの給電点２側に供給されないようにする。可変電圧源１３の出力電圧があるしきい値電圧を超えると、FET１２がオンし、可変インピーダンス回路４，５は導通する。FET１２がオフの間は可変インピーダンス回路４，５は無線信号を遮断する。このように、可変インピーダンス回路４，５は、高周波スイッチとして作用する。

インダクタ素子Ｌ１，Ｌ２は、無線信号を十分に遮断できるインダクタンスを持ち、可変インピーダンス回路４，５の２端子間を通過する無線信号が可変電圧源１３の方向に流れるのを防止する。

なお、複数のFET１２を用いたり、抵抗素子、インダクタ素子およびキャパシタ素子を追加してもよい。

図１０は可変インピーダンス回路４，５の変形例を示す回路図である。図１０の可変インピーダンス回路４，５は、FET１２の代わりにダイオードＤ１を設けたものである。図１０においても、可変電圧源１３の出力電圧が所定電圧以上のときに、ダイオードＤ１は無線信号を伝達し、所定電圧未満であれば、ダイオードＤ１は無線信号を遮断する。

なお、図１０では、キャパシタ側にダイオードＤ１のカソードを配置しているが、場合によっては、ダイオードＤ１の向きを逆にしてもよい。

ダイオードＤ１は、例えば、PINダイオードまたはバリキャップダイオードである。PINダイオードＤ１は、アノードとカソード間の電圧があるしきい値以上になるとオンし、しきい値未満になるとオフする高周波スイッチとして作用する。バリキャップダイオードＤ１は、アノード−カソード間に印加する負のバイアス電圧に応じて端子間容量が変化する高周波デバイスとして作用する。

図９および図１０に示すように、可変インピーダンス回路４，５は、可変電圧源１３を有する。可変電圧源１３は、例えば電池等のバッテリで構成することもできるが、携帯電話等の小型のアンテナ装置の場合、内部にバッテリを設けることはできない。このような場合、可変インピーダンス回路４，５とは別個にバッテリを設けて、配線やパターンにより可変インピーダンス回路４，５にバイアス電圧を供給する必要がある。

図１１は図１のアンテナ装置内の可変インピーダンス回路４，５にバイアス電圧を供給する方法の一例を示す図である。図１１のアンテナ装置では、可変インピーダンス回路４，５から地板１の裏に向かってバイアス線を配置する。そして、地板１の裏から地板１の外部に伸びる電源経路を設ける。必要に応じて、地板１の裏面には、シールド用導体１５を設けて、このシールド用導体の内部にバイアス線を配置してもよい。

図１２は図１１の可変インピーダンス回路４，５周辺の拡大図である。図１２の可変インピーダンス回路４，５は図９と同様の回路で構成されている。図１２に示すように、地板１上の基板に図９と同様の回路が形成され、可変インピーダンス回路４，５のバイアス線２３，２４は上の基板の端部からスルーホールを介して地板１上を這って外部に伝達される。

このように、バイアス線２３，２４は地板１の上下方向にも配置されるが、その長さは図１２に示すように十分に短く、かつインダクタ素子Ｌ１，Ｌ２により無線周波数の信号が遮断されているため、バイアス線２３，２４がアンテナとして作用するおそれはない。また、有限地板１を這うバイアス線２３，２４が長いために無線信号が漏洩するような場合でも、シールド用導体を設けることで、バイアス線２３，２４上の無線信号を抑圧可能である。

図１３は給電線路とバイアス線路を一体化したアンテナ装置を示す図である。図１３のアンテナ装置は、地板１上の給電点２と、給電点２に接続されるループ状線路とを備えている。ループ状線路は、給電点２から上方に伸びて２分岐し、可変インピーダンス回路４，５とインダクタ素子Ｌ１，Ｌ２を通過して、地板１に接地されている。ループ状線路には、２つのキャパシタ素子Ｃ２，ｃ３が並列に接続されている。

給電点２からは、無線信号と、可変インピーダンス回路４，５のバイアス電圧とが重畳して供給される。バイアス電圧は、直流電圧であるため、キャパシタ素子Ｃ１を通過しないで、インダクタ素子Ｌ１，Ｌ２を通過して可変インピーダンス回路４，５に供給される。また、無線信号は、交流信号であるため、キャパシタ素子Ｃ２，Ｃ３を通過して、接地線に流れる。

このように、図１３のようなループ状線路を設ければ、バイアス線を別個に設けなくてすむため、回路構成を簡略化でき、かつアンテナと地板１を接続する線路が少なくなるため、生産性が向上する。

本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図。 給電点２付近の構造を示す図。 本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図。 本発明の第３の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図。 本発明の第４の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図。 本発明の第７の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図。 図６の給電点２，８付近の構造を示す図。 本発明の第８の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図。 可変インピーダンス回路の内部構成の一例を示す回路図。 可変インピーダンス回路の内部構成の他の例を示す回路図。 図１のアンテナ装置内の可変インピーダンス回路４，５にバイアス電圧を供給する方法の一例を示す図。 図１１の可変インピーダンス回路４，５周辺の拡大図。 給電線路とバイアス線路を一体化したアンテナ装置を示す図。

符号の説明

１ 有限地板
２ 給電点
３ Ｔ字型アンテナ
４，５ 可変インピーダンス回路
６，７ 線状導体
１０ ダイポールアンテナ

Claims (8)

1. 給電点から見て２分岐された線状導体を有するアンテナと、
   前記２分岐された線状導体のそれぞれに装荷される２つの可変インピーダンス回路と、を備えることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記アンテナは、Ｔ字型アンテナまたはダイポールアンテナであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記２分岐された線状導体は、前記給電点を通過する平面に対して対称な形状およびサイズをもつことを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 前記給電点は、導電性材料からなる地板上に設置され、
   前記地板は、前記給電点を通過して前記地板に略直交する方向の平面に対して対称な形状およびサイズをもつことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のアンテナ装置。
5. 前記２分岐された線状導体はそれぞれ、前記地板の縁に沿って、あるいは該縁よりも外側に配置されることを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 前記可変インピーダンス回路は、
   高周波信号が通過する経路を遮断するか否かを切り替える切替回路と、
   前記切替回路の切替制御のためのバイアス電源を供給するバイアス線路と、を有し、
   前記バイアス線路は、前記可変インピーダンス回路から前記地板を貫通して前記地板の裏面に沿って配置されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のアンテナ装置。
7. 前記２分岐された線状導体のそれぞれに装荷されるインダクタ素子を備え、
   前記２分岐された線状導体は、それぞれ対応する前記可変インピーダンス素子および前記インダクタ素子を介して前記地板上に接地されるループ状線路を形成し、
   前記ループ状線路上に並列に接続されるキャパシタ素子をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のアンテナ装置。
8. 前記可変インピーダンス回路は、
   高周波信号が通過する経路を遮断するか否かを切り替える切替回路を有し、
   前記給電点は、前記アンテナから放射する高周波信号と、前記切替回路をオンするか否かを切り替えるバイアス電源とを供給することを特徴とする請求項７に記載のアンテナ装置。

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