JP2006186851A - Antenna system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、指向性を可変可能なアンテナ装置に関する。 The present invention relates to an antenna device capable of changing directivity.
無給電素子を用いて指向性を可変する技術が提案されている(特許文献1参照)。この種の従来の技術として、素子を配置している面内において、素子を配置している方向へアンテナの指向性を向けることが可能であり、無給電素子上のスイッチを切り替えることで無給電素子の動作を導波器と反射器のどちらかに切り替え、素子を配置している面内で指向性を切り替える八木・宇多アンテナが知られている。また、給電素子の周囲に複数の無給電素子を配置し、使用する無給電素子をスイッチで切り替えることで指向性を可変するエスパーアンテナがある。
しかしながら、上述した八木・宇多アンテナでは、給電素子と無給電素子との位相差を150度〜180度前後で変化さああせる。このため、指向性を大幅に変化させることができない。また、上述したエスパーアンテナは、構成が複雑になるという問題がある。 However, with the Yagi / Uta antenna described above, the phase difference between the feed element and the parasitic element can be changed around 150 to 180 degrees. For this reason, directivity cannot be changed significantly. Further, the above-described esper antenna has a problem that the configuration is complicated.
本発明は、簡易な構成で、指向性を大幅に変更可能なアンテナ装置を提供するものである。 The present invention provides an antenna device that can change the directivity with a simple configuration.
本発明の一態様によれば、所定周波数で共振する電気長を持ち、給電点と、折り曲げられた第1先端部とを有する給電素子と、前記第1先端部と向き合って近接配置され折り曲げられた第2先端部を有する無給電素子と、前記無給電素子上に少なくとも一つ設けられ、前記無給電素子の電気長を可変可能な電気長切替部と、を備えることを特徴とするアンテナ装置を提供するものである。 According to one aspect of the present invention, a feed element having an electrical length that resonates at a predetermined frequency, having a feed point and a bent first tip portion, and disposed adjacent to the first tip portion and bent. An antenna device comprising: a parasitic element having a second tip portion; and an electrical length switching unit that is provided on the parasitic element and is capable of changing an electrical length of the parasitic element. Is to provide.
本発明によれば、構造を複雑にすることなく、指向性を大幅に変更することができる。 According to the present invention, directivity can be significantly changed without complicating the structure.
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。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(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形状を示す図である。図1のアンテナ装置は、給電素子1と無給電素子2とを備えている。給電素子1は、折り曲げられた先端部1aを有し、所定周波数で共振する電気長を持つ。同様に無給電素子2は、折り曲げられた先端部2aを有する。これら先端部1a,2aは、互いに向き合わせて近接配置されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a schematic shape of an antenna device according to a first embodiment of the present invention. The antenna device of FIG. 1 includes a
給電素子1は、給電点3を挟んで対称構造になっている。無給電素子2上には、無給電素子2の電気長を可変制御するための3つのスイッチSW1,SW2,SW3が設けられており、これらスイッチは個別にオン・オフが可能である。スイッチSW2は無給電素子2の中央に設けられ、このスイッチSW2を挟んで無給電素子2は対称構造になっている。スイッチSW2,SW3は無給電素子2の先端部2aに設けられている。
The
スイッチSW1〜SW3をすべてオンすると、無給電素子2の電気長は最も長くなる。スイッチSW2をオフすると、無給電素子2の電気長は所定周波数で動作しない長さになる。スイッチSW1またはSW3の一方をオフすると、無給電素子2の電気長が短くなる。
When all the switches SW1 to SW3 are turned on, the electrical length of the
このように、スイッチSW1〜SW3のオン・オフを切り替えることにより、無給電素子2の電気長を3通りに変化させることができる。無給電素子2の電気長を変化させることにより、給電素子1と無給電素子2を流れる電流の位相差が変化し、図1のアンテナ装置の指向性パターンも大きく変化する。本実施形態の場合、給電素子1と無給電素子2を流れる電流の位相差は、0度前後から130度前後まで大きく変化する。
Thus, the electrical length of the
図2は図1のアンテナ装置の変形例であり、図1のアンテナ装置と電気的に同一の特性を示すアンテナ装置の概略形状を示す図である。図2のアンテナ装置は、導体板4に設けられる給電点3から上方に配置された給電素子1と、一端が導体板4に接続されて導体板4の上方に配置された無給電素子2とを備えている。
FIG. 2 is a modification of the antenna device of FIG. 1, and is a diagram showing a schematic shape of the antenna device that exhibits the same characteristics as the antenna device of FIG. The antenna device of FIG. 2 includes a
図2のアンテナ装置は、図1のアンテナ装置の上半分だけを取り出した形状になっている。図2のアンテナ装置の場合、導体板4に影像電流が流れるため、電気的には図1のアンテナ装置と同じ特性を示す。給電素子1は折り曲げられた先端部1aを有し、同様に無給電素子2も折り曲げられた先端部2aを有する。これら先端部1a,2aは、互いに向き合わせて近接配置されている。
The antenna device of FIG. 2 has a shape in which only the upper half of the antenna device of FIG. 1 is taken out. In the case of the antenna device of FIG. 2, since an image current flows through the
無給電素子2の先端部2aにはスイッチSW1が設けられ、基端部にはスイッチSW2が設けられている。基端部の一端は先端部2aに接続され、他端は導体板4に接続されている。
A switch SW1 is provided at the
スイッチSW1,SW2は個別にオン・オフが可能であり、これらスイッチのオン・オフにより、無給電素子2の電気長が変化する。両スイッチSW1,SW2をオンすると、無給電素子2の電気長は最大になり、スイッチSW1をオフしてスイッチSW2をオンすると、無給電素子2の電気長は短くなり、スイッチSW2をオフすると、無給電素子2の電気長は所定周波数で動作しない長さになる。このように、スイッチSW1,SW2のオン・オフにより、無給電素子2の電気長を3通りに変更できる。
The switches SW1 and SW2 can be individually turned on / off, and the electrical length of the
図3はスイッチSW1,SW2のオン・オフにより給電素子1と無給電素子2の電流の位相差が変化する様子を示す図である。図3の横軸は無給電素子2の電気長を示している。スイッチSW1,SW2のオン・オフにより、無給電素子2の電気長が変化するが、無給電素子2の電気長により、給電素子1と無給電素子2の電流の位相差が変化する。図3の場合、位相差は、-20度〜140度まで変化する。位相差が変化すると、電波の指向性パターンも変化する。
FIG. 3 is a diagram showing how the phase difference between the currents of the
図4はスイッチSW1,SW2のオン・オフと電波の指向性との関係を示す図、図5は電波の指向性を示す指向性パターンを示す図である。図5(a)は図4の状態1(スイッチSW1,SW2がともにオン)の指向性パターン、図5(b)は図4の状態2(スイッチSW1がオフでスイッチSW2がオン)の指向性パターン、図5(c)は図4の状態3(スイッチSW1,SW2がともにオフ)の指向性パターンを示している。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between on / off of the switches SW1 and SW2 and the directivity of radio waves, and FIG. 5 is a diagram showing a directivity pattern showing the directivity of radio waves. 5A shows the directivity pattern in state 1 (both switches SW1 and SW2 are on) in FIG. 4, and FIG. 5B shows the directivity in
スイッチSW1,SW2のオン・オフ制御は、手動で行ってもよいが、電波の受信状況に応じて自動的に行うことも可能である。 The on / off control of the switches SW1 and SW2 may be performed manually, but can also be performed automatically according to radio wave reception conditions.
図6はスイッチSW1,SW2のオン・オフ制御を自動化したアンテナ装置の一例を示すブロック図である。図6では、スイッチSW1,SW2の具体例として、ダイオードを用いている。なお、ダイオードの代わりに、トランジスタ等の他のスイッチング手段を用いてもよい。 FIG. 6 is a block diagram showing an example of an antenna device that automates on / off control of the switches SW1 and SW2. In FIG. 6, diodes are used as specific examples of the switches SW1 and SW2. Instead of the diode, other switching means such as a transistor may be used.
図6のアンテナ装置は、誘電体基板5上に銅パターンにて形成される給電素子1および無給電素子2と、無給電素子2上に設けられるダイオードD1,D2と、無給電素子2上に接続されるバイアス線b1,b2と、バイアス線b1,b2上に接続されるインダクタ素子6,7と、ダイオードD1,D2のオン・オフを制御する電源PS1,PS2と、電源PS1,PS2を制御する制御部8と、図6のアンテナの受信電力を検出する受信電力検出部9とを備えている。
The antenna device of FIG. 6 includes a
給電点3には、例えば同軸ケーブル10からなる給電線路10が接続され、給電線路10の外導体は導体板4に接地され、内導体は給電素子1に接続される。
For example, a
ダイオードD1,D2とインダクタ素子はそれぞれ例えばチップ部品であり、誘電体基板5上に個別に実装される。電源PS1,PS2は、制御部8からの指示に基づいて、正負逆の電圧を切り替えて出力可能である。制御部8は、図6のアンテナ装置の受信電力に基づいて、受信電力が大きくなるように電源PS1,PS2を制御する。
The diodes D1 and D2 and the inductor element are, for example, chip parts, and are individually mounted on the
給電素子1と無給電素子2との電流の位相差は、導体板4上の給電点3と無給電素子2の接地点との間隔(以下、接続位置間隔)により変化する。この位相差に対して、ダイオードD1,D2に印加する電圧の向きを制御することにより、図5のX方向またはY方向への放射を打ち消すような位相差が生じる。
The phase difference between the currents of the
接続位置間隔は、例えば0.35波長〜0.65波長に設定される。無給電素子2の全長は、例えば0.25波長〜0.3波長に設定される。給電素子1と無給電素子2の基端部の長さ(導体板4から折れ曲がった位置までの長さ)は、例えば0.05波長〜0.25波長に設定される。給電素子1の全長は、図6のアンテナ装置の共振周波数の波長の1/4倍に設定される。
The connection position interval is set to, for example, 0.35 wavelength to 0.65 wavelength. The total length of the
一例として、給電素子1の基端部(給電点3から折れ曲がった位置まで)の長さは0.1波長、先端部(折れ曲がった位置から先端位置まで)の長さは0.2波長である。無給電素子2の基端部(導体板4の接続位置から折れ曲がった位置まで)の長さは0.1波長、先端部(折れ曲がった位置から先端位置まで)の長さは0.16波長である。給電素子1の給電点3と無給電素子2の導体板4の接続点との間の間隔(接続位置間隔)は0.387波長で、給電素子1と無給電素子2の先端同士の間隔は0.034波長である。スイッチSW1の接続位置は、無給電素子2の折れ曲がった位置から先端に向かって0.14波長の位置、スイッチSW2の接続位置は、無給電素子2と導体板4との接続点である。
As an example, the length of the proximal end portion (from the
電源PS1,PS2は、制御部8の制御により、+側端子を3Vで−側端子を0Vにするか、あるいは+側端子を0Vで−側端子を3Vにする。
The power supplies PS1 and PS2 are controlled by the
電源PS1の+側端子が3Vで−側端子が0Vになると、ダイオードD1に順バイアスがかかり、ダイオードD1には電流が流れる。すなわち、この状態はスイッチSW1がオンの状態に相当する。一方、電源PS1の+側端子が0Vで−側端子が3Vになると、ダイオードD1には逆バイアスがかかり、ダイオードD1には電流が流れない。すなわち、この状態はスイッチSW1がオフの状態に相当する。 When the + side terminal of the power supply PS1 is 3V and the − side terminal is 0V, the diode D1 is forward biased, and a current flows through the diode D1. That is, this state corresponds to a state in which the switch SW1 is on. On the other hand, when the positive side terminal of the power source PS1 is 0V and the negative side terminal is 3V, the diode D1 is reverse-biased and no current flows through the diode D1. That is, this state corresponds to a state in which the switch SW1 is off.
電源PS2の+側端子が3Vで−側端子が0Vになると、ダイオードD2に順バイアスがかかり、ダイオードD2には電流が流れる。すなわち、この状態はスイッチSW1がオンの状態に相当する。一方、電源PS2の+側端子が0Vで−側端子が3Vになると、ダイオードD2には逆バイアスがかかり、ダイオードD2には電流が流れない。すなわち、この状態はスイッチSW1がオフの状態に相当する。 When the + side terminal of the power source PS2 becomes 3V and the − side terminal becomes 0V, a forward bias is applied to the diode D2, and a current flows through the diode D2. That is, this state corresponds to a state in which the switch SW1 is on. On the other hand, when the positive side terminal of the power source PS2 is 0V and the negative side terminal is 3V, the diode D2 is reverse-biased and no current flows through the diode D2. That is, this state corresponds to a state in which the switch SW1 is off.
ダイオードD1,D2がともに順バイアスの場合は、図4の状態1に対応し、図5(a)のように、図6のY方向に伸びる指向性パターンが得られる。ダイオードD1が逆バイアスで、ダイオードD2が順バイアスの場合は、図4の状態2に対応し、図5(b)のように、図6のX方向に伸びる指向性パターンが得られる。ダイオードD2が逆バイアスの場合は、図4の状態3に対応し、図5(c)のように、給電素子1のみの放射パターンが得られる。
When both of the diodes D1 and D2 are forward biased, it corresponds to the
このように、第1の実施形態では、給電素子1の先端部と無給電素子2の先端部を向き合わせて近接配置し、無給電素子2の基端部と先端部にスイッチSW1,SW2を設けて、これらスイッチを任意にオン・オフすることにより、無給電素子2の電気長を可変制御でき、アンテナ装置の指向性パターンを大きく可変させることができる。
Thus, in the first embodiment, the distal end portion of the
(第2の実施形態)
第2の実施形態は、給電素子1の形状が第1の実施形態と異なることを特徴とする。
(Second Embodiment)
The second embodiment is characterized in that the shape of the
図7は本発明の第2の実施形態に係るアンテナ装置の概略形状を示す図である。図7のアンテナ装置は、給電素子1の形状が図1の給電素子1と異なっている。具体的には、図1の給電素子1に整合用素子11を追加した形状になっている。整合用素子11は、給電素子1の基端部に接続されており、給電点3を挟んで対称的に2つ設けられている。無給電素子2の構造は、図1と同様である。
FIG. 7 is a diagram showing a schematic shape of an antenna device according to the second embodiment of the present invention. In the antenna device of FIG. 7, the shape of the
このような整合用素子11を追加する理由は、無給電素子2上のスイッチSW1,SW2のオン・オフを切り替えても、給電点3から見たアンテナ装置のインピーダンスが変化しないようにするためであり、整合用素子11を設けることにより、給電線路10とアンテナ装置との整合がずれなくなる。
The reason for adding such a
整合用素子11は、図7のような線状素子に限らず、種々の形状が考えられる。
The matching
図8は整合用素子11の第1の変形例を示す図である。給電点3を有する基端部に略並列に整合用素子11が接続され、基端部と整合用素子11の両方が先端部1aに接続されている。
FIG. 8 is a view showing a first modification of the matching
図9は整合用素子11の第2の変形例を示す図である。給電点3の両端に整合用素子11が接続され、基端部のみが先端部1aに接続されている。
FIG. 9 is a view showing a second modification of the matching
第2の実施形態においても、第1の実施形態と同様に、影像電流を利用することで、図7〜図9の上半分のアンテナ素子だけで、図7〜図9と電気的に略等しい特性を得ることができる。 Also in the second embodiment, similarly to the first embodiment, by using an image current, only the upper half of the antenna elements of FIGS. 7 to 9 is electrically equivalent to FIGS. 7 to 9. Characteristics can be obtained.
図10は図7と電気的に同じ特性を有するアンテナ装置の概略形状を示す図である。給電点3の近くの基端部に一端が接続された整合用素子11を備えている。図10のアンテナ装置の場合、整合用素子11の長さと、整合用素子11の接続点から給電素子1の先端位置までの長さとの和によって、インピーダンスが決定される。
FIG. 10 is a diagram showing a schematic shape of an antenna device having the same electrical characteristics as those in FIG. A matching
図11は図8と電気的に同じ特性を有するアンテナ装置の概略形状を示す図である。図11のアンテナ装置の場合、整合用素子11の導体板4との接続位置から給電素子1の先端位置までの長さと、給電点3から給電素子1の先端位置までの長さによって、インピーダンスが決定される。
FIG. 11 is a diagram showing a schematic shape of an antenna device having the same electrical characteristics as those in FIG. In the case of the antenna device of FIG. 11, the impedance depends on the length from the connection position of the matching
図12は図9と電気的に同じ特性を有するアンテナ装置の概略形状を示す図である。図12のアンテナ装置の場合、整合用素子11の導体板4との接続点から給電素子1の先端位置までの長さと、給電点3から給電素子1の先端位置までの長さによって、インピーダンスが決定される。
FIG. 12 is a diagram showing a schematic shape of an antenna device having the same electrical characteristics as those in FIG. In the case of the antenna device of FIG. 12, the impedance depends on the length from the connection point of the matching
図13は本発明の第2の実施形態に係るアンテナ装置の詳細なブロック図である。図13では、図6と共通する構成部分には同一符号を付し、以下では相違点を中心に説明する。図13のアンテナ装置は、図6のアンテナ装置に、図10と同じ形状の整合用素子11を追加したものである。無給電素子2の構造は図6と同様であり、無給電素子2上のスイッチSW1,SW2としてダイオードD1,D2が設けられ、これらダイオードD1,D2に順バイアスまたは逆バイアスを印加することにより、無給電素子2の電気長を変化させる。
FIG. 13 is a detailed block diagram of an antenna apparatus according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 13, the same reference numerals are given to components common to FIG. 6, and the differences will be mainly described below. The antenna device of FIG. 13 is obtained by adding a matching
このように、図13に示す第2の実施形態によるアンテナ装置の場合、整合用素子11を有するため、無給電素子2の電気長が変化しても、アンテナ装置のインピーダンスがずれなくなり、アンテナ装置と給電線路10との整合性がよくなる。
Thus, in the case of the antenna device according to the second embodiment shown in FIG. 13, since the matching
上述した各実施形態では、無給電素子2上に2つのスイッチSW1,SW2(ダイオードD1,D2)を設けているが、スイッチの数は一つ以上であれば、その数に制限はない。
In each embodiment described above, two switches SW1 and SW2 (diodes D1 and D2) are provided on the
1 給電素子
2 無給電素子
3 給電点
4 導体板
5 誘電体基板
6,7 インダクタ素子
8 制御部
9 受信電力検出部
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記第1先端部と向き合って近接配置され折り曲げられた第2先端部を有する無給電素子と、
前記無給電素子上に少なくとも一つ設けられ、前記無給電素子の電気長を可変可能な電気長切替部と、を備えることを特徴とするアンテナ装置。 A feed element having an electrical length that resonates at a predetermined frequency and having a feed point and a bent first tip;
A parasitic element having a second tip portion that is disposed in close proximity to the first tip portion and bent;
An antenna device comprising: an electrical length switching unit provided on at least one of the parasitic elements and capable of changing an electrical length of the parasitic element.
前記給電素子および前記無給電素子は、前記導体板の一方の面上に配置されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のアンテナ装置。 A conductive plate to which the feeding point is arranged and to which one end of the parasitic element is connected;
The antenna device according to claim 1, wherein the feeding element and the parasitic element are arranged on one surface of the conductor plate.
前記無給電素子は、前記面に対して対称的な構造を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のアンテナ装置。 The feeding element has a symmetric structure with respect to a plane passing through the feeding point,
The antenna device according to claim 1, wherein the parasitic element has a symmetrical structure with respect to the surface.
前記電気長切替部は、
前記基端部上の所定位置に設けられる第1切替部と、
前記第2先端部上の所定位置に設けられる第2切替部と、を有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のアンテナ装置。 The parasitic element includes the second distal end portion and a proximal end portion connected to the second distal end portion,
The electrical length switching unit
A first switching portion provided at a predetermined position on the base end portion;
The antenna device according to claim 1, further comprising a second switching unit provided at a predetermined position on the second tip.
前記電気長切替部は、少なくとも一つのダイオードであり、
前記切替制御部は、前記ダイオードに印加する電圧の向きを制御することにより前記無給電素子の電気長を可変させることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載のアンテナ装置。 A switching control unit for controlling switching of the electrical length switching unit;
The electrical length switching unit is at least one diode,
The antenna apparatus according to claim 1, wherein the switching control unit varies the electrical length of the parasitic element by controlling a direction of a voltage applied to the diode.
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