JP2006261800A - マイクロストリップアンテナ、無線モジュール、無線システム及びマイクロストリップアンテナの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 多周波に対応し、かつ、指向性の制御を行うことができ、さらに、対応する可変周波数帯が広いマイクロストリップアンテナ、無線モジュール、無線システム及びマイクロストリップアンテナの制御方法を提供する。
【解決手段】 第１の基板８の上には地板１を設け、該地板１の上には誘電体２を設け、誘電体２の上部に矩形形状の給電素子３と、給電素子３を中心としてマトリクス状に配置された第１の無給電素子４を積層する。また、隣接する給電素子３と第１の無給電素子４との間及び隣接する第１の無給電素子４同士の間を、対向する辺の幅よりも短い幅の微小導体５で接続する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、マイクロストリップアンテナ、無線モジュール、無線システム及びマイクロストリップアンテナの制御方法に関し、特に、多周波に対応可能で、かつ、指向性制御が可能なマイクロストリップアンテナ、無線モジュール、無線システム及びマイクロストリップアンテナの制御方法に関する。

従来、衛星通信、移動体通信等の無線通信においては、等方的な放射強度分布を持つ無指向性アンテナが用いられていた。

しかし、無指向性アンテナによる無線通信が同一エリア内で行われた場合、他の無線による電波が他の無線通信のノイズ源となってしまうことがある。無線通信においてノイズが発生すると、任意のポイントにおける受信したい信号の振幅とそのポイントでの雑音信号の振幅との比率であるＳ／Ｎ（ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）が低下し、伝送誤り率が増加してしまうというデメリットが生じる。また、通信品質を保つためには高出力の送信が必要となるので、消費電力を増加せざるを得ない。

近年では、電波も有限な資源とみなす電波エコロジが提唱され、電波の周波数や電力を効率良く使用することのできる指向性アンテナが注目されている。なお、指向性アンテナとは特定の方向の電波のみを選択的に送受信するアンテナのことである。

この指向性アンテナを用いることで同一エリア内の電波を空間的に分離することができ、エリア内での通信容量を飛躍的に向上させることが可能となる。また、指向性制御アンテナはビームの最大放射角方向におけるアンテナ利得が無指向性アンテナより大きいので、受信側に用いれば、受信電力の向上、Ｓ／Ｎの改善を図ることができる。さらに、ノイズ源に対して放射強度が小さいポイントであるヌル点を向ければ、妨害波・干渉波の受信強度を縮小できるので、Ｓ／Ｎの改善、伝送誤り率の縮減を図ることが可能となる。さらに、無線通信の送信側に指向性アンテナを用いれば、最大放射角方向でのアンテナ利得が大きいので、送信電力が少なくて済み、消費電力の低減が期待できる。

通常の伝搬環境はマルチパスフェージング環境であり、電波の電界強度の変化（フェージング）が発生してしまう。このマルチパスフェージングを根本的に解決するためには伝搬路を最小にする必要があり、この点からも指向性アンテナは重要視されている。

特に、現在においては、携帯電話ではＰＤＣ、ＦＯＭＡ、ＣＤＭＡ２０００、ＰＨＳ等、無線ＬＡＮではＩＥＥＥ８０２.１１ａやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ等、ＩＴＳではＧＰＳ、 ＶＩＣＳ、ＥＴＣ等のように複数の無線規格が同時に採用されており、将来的にも複数の規格が並存する環境が続くと予想される。そのため１個の装置で複数の無線規格に対応できるマルチバンド（多周波対応可能）な指向性アンテナが注目されている。

このような多周波対応可能な指向性アンテナに関する技術としては次のものが提案されている。

特許文献１では、金属片をＰＩＮダイオードで接続してダイポールアンテナを構成し、該ＰＩＮダイオードにバイアスを印加して導通／遮断を切り替えて共振長を変化させ、指向性を制御するアンテナ装置が提案されている。

また、特許文献２では、アンテナ素子に１個の給電点と複数の接地点を設け、接地点を対応するスイッチで切り替えることで共振長を変化させ指向性を制御するアンテナ装置が提案されている。

また、特許文献３では、ＲＦフロントエンド回路に移相器を設けフェイズドアレイアンテナを利用して、アンテナの放射ビームパターンを自車位置の高精度検知情報に基づいて電子的に可変制御する自動車用アンテナ装置が提案されている。

また、非特許文献１では、マトリクス状に配置された要素素子が各々ＦＥＴスイッチで接続され、平衡電流によって１箇所の給電点で励振されるアンテナ装置が提案されている。このアンテナ装置においては、該ＦＥＴスイッチのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせによって放射素子の形状を変化させ、周波数と指向性を切り替えることが可能となっている。
特開２０００−２３６２０９号公報 特開２００２−２６１５３３号公報 特開２０００−１５６６０６号公報 Ｔｈｅ ＧＴＲＩ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ａｎｔｅｎｎａ（２００３年ＩＥＥＥ Ａｎｔｅｎｎａ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ，ｐ６８３〜６８６）

しかし、上記の技術は以下の問題点を有している。

特許文献１に記載のアンテナ装置では、ダイポールアンテナを平衡電流で励振する必要があるが、ＲＦ回路に用いられる線路はマイクロストリップ線路やコプレナー線路等の不平衡電流を用いる場合が多いので、平衡電流が必要な場合はアンテナと線路の間にバランを設けなければならない。一般にバランは帯域が狭いので複数の周波数には対応できず、１個の周波数に対して１個ずつバランが必要となる。そのため、マルチバンドに対応するためにはダイポールアンテナの給電点近傍にマルチバンドの数だけバランを配置する必要があり、バランの設置面積でマルチバンドの数が制限されてしまう。よって、デュアルバンド等の周波数帯の少ないものいは対応することができるが、周波数帯の多いマルチバンドには対応することができない。

また、特許文献２に記載のアンテナ装置では、スイッチで短絡点を切り替えるため各周波数でアンテナの入力インピーダンスが変化してしまう。よって、整合の取れる範囲内でしか接地点を動かすことができず、マルチバンドで可変しうる周波数範囲を大きくすることができない。実際に特許文献２で開示された可変周波数帯は１．５５〜２．２ＧＨｚであり、中心周波数１．８ＧＨｚに対して３０％と小さい。そのため、携帯電話等の比較的近接した周波数帯を用いる場合は対応可能であるが、無線ＬＡＮのように２．４ＧＨｚ帯と５ＧＨＺ帯を用いる場合には対応することができない。

また、特許文献１、特許文献２に記載のアンテナ装置は、指向性制御について何ら記載がなく、指向性制御を行うことができないと考えられる。

また、特許文献３に記載のアンテナ装置では、１個のフェイズドアレイアンテナを多周波化（多周波対応）する方法について全く提案しておらず、指向性制御と多周波化を同時に実現するためにはファイズドアレイアンテナを必要なバンドの数だけ準備する必要がある。そのため、コストが高くなり、無線ＬＡＮ等では現実的ではない。

また非特許文献１のアンテナ装置では、ＦＥＴスイッチのＯＮ／ＯＦＦを遺伝的アルゴリズムを用いて選択するため演算回路が複雑になってしまう。また、給電点が１箇所であり、放射素子の入力インピーダンスを給電線の特性インピーダンスに合わせる必要があるので、放射素子の形状の自由度が小さく可変できる周波数範囲が制限され手しまう。実際に上記の文献で報告された可変周波数範囲は１〜２ＧＨｚ程度であり、±５０％の帯域幅に対応できる程度であった。また、平衡電流で励振することからＲＦ回路に広く用いられているマイクロストリップ線路やコプレナー線路に接続するためにバランが必要となるので、バランの設置面積によってマルチバンドの数が制限されるという問題もある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、多周波に対応し、かつ、指向性の制御を行うことができ、さらに、対応する可変周波数帯が広いマイクロストリップアンテナ、無線モジュール、無線システム及びマイクロストリップアンテナの制御方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、給電素子と、前記給電素子を中心にマトリクス状に配置された第１の無給電素子と、前記給電素子、前記第１の無給電素子、の各素子間を接続する導体と、前記第１の無給電素子を短絡するか否かを切り替える第１のスイッチ手段と、を有し、前記給電素子単体を共振することで高周波に対応し、前記給電素子及びマトリクス状に配置された第１の無給電素子で構成される第１の放射素子を共振することで低周波に対応し、前記高周波対応時には、前記第１のスイッチ手段の切り替えることでアンテナの指向性を制御することを特徴とするマイクロストリップアンテナである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記給電素子と前記第１の無給電素子とは略同一形状であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記導体の幅は、前記導体が接続する前記各素子の対抗する辺よりも短いことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記給電素子は、整合回路に接続されていることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記第１のスイッチ手段は、ＰＩＮダイオードであることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記第１のスイッチ手段は、ＭＥＭＳスイッチであることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１から６のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記導体は、前記導体が接続する前記各素子間に複数設けられていることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１から７のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記導体は屈曲した形状であることを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記第１の放射素子を中心にマトリクス状に配置され、前記第１の放射素子と同じ周波数で共振する無給電の第２の放射素子と、前記第２の放射素子を短絡するか否かを切り替える第２のスイッチ手段と、をさらに有し、前記低周波対応時には、前記第２のスイッチ手段の切り替えることでアンテナの指向性を制御することを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項９記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記第２のスイッチ手段は、ＰＩＮダイオードであることを特徴とする。

請求項１１記載の発明は、請求項９記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記第２のスイッチ手段は、ＭＥＭＳスイッチであることを特徴とする。

請求項１２記載の発明は、請求項９から１１のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記第２の放射素子は、１つの第２の無給電素子から構成されることを特徴とする。

請求項１３記載の発明は、請求項９から１１のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記第２の放射素子は、複数の第２の無給電素子と、前記無給電素子間を接続する前記導体と、から構成されることを特徴とする。

請求項１４記載の発明は、請求項１３記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記複数の第２の無給電素子のうち少なくとも１つは、前記第２のスイッチ手段を有することを特徴とする。

請求項１５記載の発明は、請求項１３または１４に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記第２の放射素子は、前記第１の放射素子と同一の配置構成であることを特徴とする。

請求項１６記載の発明は、給電素子と、前記給電素子を中心にマトリクス状に配置された第１の無給電素子と、前記マトリクス状に配置された前記第１の無給電素子を中心にマトリクス状に複数周配置された第２の無給電素子と、前記給電素子、前記第１の無給電素子、前記第２の無給電素子、の各素子間を接続する導体と、前記第１の無給電素子を短絡するか否かを切り替える第１のスイッチ手段と、前記第２の無給電素子を短絡するか否かを切り替える第２のスイッチ手段と、を有し、前記第１のスイッチ手段及び前記第２のスイッチ手段を切り替えることで、複数周波でアンテナの指向性を制御することを特徴とするマイクロストリップアンテナである。

請求項１７記載の発明は、請求項１６記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記給電素子と、前記第１の無給電素子と、前記第２の無給電素子と、は略同一形状であることを特徴とする。

請求項１８記載の発明は、請求項１６または１７に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記導体の幅は、前記導体が接続する前記各素子の対抗する辺よりも短いことを特徴とする。

請求項１９記載の発明は、請求項１６から１８のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記給電素子は、整合回路に接続されていることを特徴とする。

請求項２０記載の発明は、請求項１６から１９のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記第１のスイッチ手段は、ＰＩＮダイオードであることを特徴とする。

請求項２１記載の発明は、請求項１６から１９のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記第１のスイッチ手段は、ＭＥＭＳスイッチであることを特徴とする。

請求項２２記載の発明は、請求項１６から２１のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記第２のスイッチ手段は、ＰＩＮダイオードであることを特徴とする。

請求項２３記載の発明は、請求項１６から２１のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記第２のスイッチ手段は、ＭＥＭＳスイッチであることを特徴とする。

請求項２４記載の発明は、請求項１６から２３のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記導体は、前記導体が接続する前記各素子間に複数設けられていることを特徴とする。

請求項２５記載の発明は、請求項１６から２４のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナにおいて、前記導体は屈曲した形状であることを特徴とする。

請求項２６記載の発明は、請求項１から２５のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナを用いた無線モジュールである。

請求項２７記載の発明は、請求項２６記載の無線モジュールを用いた無線システムである。

請求項２８記載の発明は、給電素子と、前記給電素子を中心にマトリクス状に配置された第１の無給電素子と、前記給電素子、前記第１の無給電素子、の各素子間を接続する導体と、前記第１の無給電素子を短絡するか否かを切り替える第１のスイッチ手段と、を有するマイクロストリップアンテナの制御方法であって、前記給電素子単体を共振させることで高周波に対応させ、前記給電素子及びマトリクス状に配置された第１の無給電素子で構成される第１の放射素子を共振させることで低周波に対応させ、前記高周波対応時には、前記第１のスイッチ手段の切り替えることでアンテナの指向性を制御することを特徴とするマイクロストリップアンテナの制御方法である。

請求項２９記載の発明は、給電素子と、前記給電素子を中心にマトリクス状に配置された第１の無給電素子と、前記給電素子、前記第１の無給電素子、の各素子間を接続する導体と、前記第１の無給電素子を短絡するか否かを切り替える第１のスイッチ手段と、前記第１の放射素子を中心にマトリクス状に配置され、前記第１の放射素子と同じ周波数で共振する無給電の第２の放射素子と、前記第２の放射素子を短絡するか否かを切り替える第２のスイッチ手段と、を有するマイクロストリップアンテナの制御方法であって、前記給電素子単体を共振させることで高周波に対応させ、前記給電素子及びマトリクス状に配置された第１の無給電素子で構成される第１の放射素子を共振させることで低周波に対応させ、前記高周波対応時には、前記第１のスイッチ手段の切り替えることでアンテナの指向性を制御し、前記低周波対応時には、前記第２のスイッチ手段の切り替えることでアンテナの指向性を制御することを特徴とするマイクロストリップアンテナの制御方法である。

請求項３０記載の発明は、給電素子と、前記給電素子を中心にマトリクス状に配置された第１の無給電素子と、前記マトリクス状に配置された前記第１の無給電素子を中心にマトリクス状に複数周配置された第２の無給電素子と、前記給電素子、前記第１の無給電素子、前記第２の無給電素子、の各素子間を接続する導体と、前記第１の無給電素子を短絡するか否かを切り替える第１のスイッチ手段と、前記第２の無給電素子を短絡するか否かを切り替える第２のスイッチ手段と、を有するマイクロストリップアンテナの制御方法であって、前記第１のスイッチ手段及び前記第２のスイッチ手段を切り替えることで、複数周波でアンテナの指向性を制御することを特徴とするマイクロストリップアンテナの制御方法である。

本発明により、マイクロストリップアンテナを多周波に対応させることが可能となる。また、同マイクロストリップアンテナにおいて指向性の制御を行うことが可能となる。さらには、対応する可変周波数帯を大きくすることが可能となる。

以下、本発明にかかる実施形態を説明する。なお、以下の説明においては、図１８に示す座標系を用いて、空間内の位置をＸＹＺの３軸による直交座標で表し、Ｘ軸からＹ軸への回転角をφ、Ｚ軸からＸＹ平面への回転角をθと表記する。なお、Ｚ軸の正方向は天頂方向を表し、ＸＹ平面は水平面を表す。また、Ｘ軸は給電素子の励振方向と垂直な軸（Ｈ面方向）、Ｙ軸は給電素子の励振方向と平行な軸（Ｅ面方向）を表す。

＜第１の実施形態＞
第１の実施形態のマイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）について説明する。本実施形態のＭＳＡは、低周波と高周波の２モードで動作する２周波アンテナであり、高周波モード時に指向性切り替えを行うことが可能となっている。

図１、図２に本実施形態のＭＳＡの構成を示す。なお、図１はＭＳＡの上面図、図２はＭＳＡの断面図を示す。

ＭＳＡは、地板１と、誘電体２と、給電素子３と、第１の無給電素子４と、微小導体５と、給電点６と、第１のスイッチ７と、第１の基板８と、整合回路９と、給電線１０と、から構成される。

第１の基板８の上には地板１が設けられ、地板１の上には誘電体２が設けられている。誘電体２の上部には、矩形形状の給電素子３と、給電素子３を中心としてマトリクス状に配置された第１の無給電素子４が積層されている。なお、無給電素子４は、矩形形状の給電素子３と同形状である。また、隣接する給電素子３と第１の無給電素子４との間及び隣接する第１の無給電素子４同士の間は、対向する辺の幅よりも短い幅の微小導体５で接続されている。

給電素子３には給電点６が設けられている。この給電点６は、誘電体２、地板１及び第１の基板８を貫通するビアホール１９と給電線１０とを介して整合回路９に接続されている。なお、給電線１０はマイクロストリップ線路で構成される。

第１の無給電素子４には第１のスイッチ７が設けられている。第１のスイッチ７は、第１の無給電素子４と地板１間の導通／遮断状態の切り替えを行う。第１のスイッチ７が導通状態の場合には第１の無給電素子４は地板１と短絡し、遮断状態の場合には第１の無給電素子４は地板から開放される。なお、第１のスイッチ７の切り替えはバイアスラインを介してなされる。

なお、以下の説明では、給電素子３、第１の無給電素子４、微小導体５から構成される放射系を、「第１の放射素子２０」と表記する。この第１の放射素子２０は、図１の点線で囲まれた箇所に該当する。

本実施形態のＭＳＡにおいて、第１の放射素子２０の共振モードとしては、給電素子３のＹ方向の長さＬ１を概ね半波長とする共振モードと、第１の放射素子２０のＹ方向の長さＬ２を概ね半波長とする共振モードの２種類のモードが存在する。以下、具体的に説明する。

本実施形態のＭＳＡにおいて、第１の放射素子２０の第１の無給電素子４の第１のスイッチ７を全て遮断した場合には、第１の放射素子２０のＹ方向の長さＬ２を概ね半波長とする共振モードとなる。ここでは、この共振モードを「低周波側の共振モード」と呼ぶことにする。なお、実際には、共振周波数は第１の放射素子２０に生じる定在波の電流パスが微小導体５によって長くなるため低周波側へ数１０％シフトする。

この低周波側の共振モードと一致するＲＦ信号（無線周波数信号）を給電素子３に与えると、低周波で共振する。よって、第１の放射素子２０を低周波に対応させることが可能となる。

他方、給電素子３のＹ方向の長さＬ１を概ね半波長とするＲＦ信号を給電素子３に与えると、ＲＦ信号は給電素子３のＸ方向の辺で反射され、概ねＬ１を半波長とする定在波が生じる。この共振モードを「高周波側の共振モード」と呼ぶことにする。なお、実際の共振周波数は給電素子３に接続された微小導体５の幅等によってシフトする。

この際に、給電素子３に接続された第１の無給電素子では、給電素子３との素子間相互結合によって給電素子３と同じ周波数の電流が励起されるので、第１の放射素子２０を高周波に対応させることが可能となる。なお、全ての第１のスイッチ７を遮断した場合、すなわち第１の無給電素子４を地板から開放した場合には、放射パターンは給電素子３と８個の第１の無給電素子４の放射パターンが合成された形となるので、ビームは天頂方向を向く。

次に、高周波側の共振モードでの指向性の制御方法について説明する。指向性の制御は、第１の放射素子２０において、給電素子３を取り囲む８個の第１の給電素子５の短絡状態を切り替えること、言い換えれば第１のスイッチ７の導通／遮断状態を切り替えることでなされる。

例えば、高周波側の共振モードにおいて、１個の無給電素子５のみを地板１から開放し、他の７個の第１の無給電素子４を地板１と短絡するような第１のスイッチ７の導通／遮断の組み合わせを選択すると、地板１と短絡した７個の第１の無給電素子４の電流は大きく低下するが、地板１から開放された１個の第１の無給電素子４と給電素子３には大きな電流が流れる。

そのため、この第１の放射素子２０における放射パターンは給電素子３と地板１から開放された１個の無給電素子５に大きく影響され、地板１から開放された無給電素子５とは反対側に傾くかたちでビームが放射される。

このように本実施形態のＭＳＡでは、第１の放射素子２０が低周波側の共振モードと高周波側の共振モードの２つの共振モードを持つので、低周波と高周波の２周波に対応させることが可能となる。また、高周波側の共振モードにおいては、第１の無給電素子４の短絡状態によってビームの切り替え、すなわち指向性制御を行うことが可能となる。

本実施形態のＭＳＡにおいて、地板１をＣｕ板で、誘電体２を比誘電率２．２のテフロン（登録商標）ガラスファイバー基板で、給電素子３を４．４ｍｍ四方のＣｕ板で、第１の無給電素子４を４．４ｍｍ四方のＣｕ板で、微小導体５を幅８００μｍのＣｕ板で構成し、かつ、給電素子３をマトリクス状に取り囲む第１の無給電素子を０．４ｍｍ間隔で配置した場合には、φ＝０、４５、９０、１３５、１８０、２２５、２７０、３１５°等で、ビームをθ方向で２０〜３５°傾けることができ、ビーム切り替えが実現できた。

なお、ＭＳＡの入力インピーダンスには、アンテナ端での入力インピーダンスＲａとインセット給電での入力インピーダンスＲｉｎとがあるが、この値は以下の数式から算出することができる。

上記の式の各パラメータは以下の通りである。図３に各パラメータが示唆するものを示す。
Ｌ：共振方向の辺の長さ
Ｗ：共振方向と直交する辺の長さ
Ｌ´：給電点のインセット位置
εｒ：誘電体の比誘電率

上記の数式から、アンテナ端での入力インピーダンスＲａは（Ｌ／Ｗ）²に比例し、インセット給電での入力インピーダンスＲｉｎは(Ｌ´／Ｌ)の値により変動することがわかる。

上記の数式は、本実施形態のＭＳＡにも適応することができる。

本実施形態のＭＳＡにおいては、給電素子３単体で共振する高周波側の共振モードと、第１の放射素子２０で共振する低周波側での共振モードとでは（Ｌ´／Ｌ）が大きく異なるので、入力インピーダンスが同値とはならない。そのため、給電素子３の入力インピーダンスを給電線１０の特性インピーダンス（５０Ω）に合わせて低周波側の共振モードを実行すると、アンテナの入力インピーダンスが給電線１０の特性インピーダンスと大きくずれるので、反射が大きくなってしまう。

そこで、本実施形態のＭＳＡでは、整合回路９を設けることで上記の反射問題の解決を図る。以下、整合回路について説明する。

整合回路９の構成を、図４を参照して説明する。整合回路９は、スパイラルインダクタ１１とキャパシタ１２をπ型に組み合わせた回路から構成される。なお、整合回路９と５０Ωの給電線１０の接続ラインの切り替えは、切り替えスイッチ１３によって行われる。

次に、整合回路９と給電線１０との切り替え制御について説明する。

例えば、給電素子３の入力インピーダンスが５０Ωになるように給電点６を配置した場合、高周波側の共振モードでは切り替えスイッチ１３を５０Ωの給電線１０側に入れてアンテナとＲＦ回路を直結する。その結果、高周波側の共振モードでは、アンテナの入力インピーダンスが指向性切り替えを行った場合でも給電素子３の入力インピーダンスとほぼ同値になるので、反射が抑制されて良好な送受信を行うことが可能となる。

他方、低周波側の共振モードでは切り替えスイッチ１３を整合回路９側に入れてアンテナとＲＦ回路を接続する。この際に、整合回路９のＬ、Ｃの定数を適切に選ぶことによって、第１の放射素子２０の入力インピーダンスを５０Ωに整合することができるので、低周波側の共振モードでも反射が抑制されて良好な送受信を行うことが可能となる。

このようにＭＳＡに整合回路９を設けることによって、反射を抑制することができ２周波とも良好な送受信を行うことが可能となる。

なお、上記の整合回路９はπ型の回路構成であるとしているが、π型に限らずＴ型やＬ型の回路構成でもよい。また、スパイラルインダクタとキャパシタだけではなく、λ/4変成器や移相器を組み合わせた構成であってもよい。

また、定数が変更可能な整合回路を用いる場合には、アンテナに整合回路を直結し、高周波側／低周波側でのアンテナの入力インピーダンスに合わせて定数を適切に選ぶことによって整合が可能となり、良好な送受信を行うことが可能となる。

本実施形態のＭＳＡにおいて、第１のスイッチ７にはＰＩＮダイオードを用いることができる。ＰＩＮダイオードは安価に入手でき、かつ２０ＧＨｚまでは良好に高周波信号を遮断できることから、２．４ＧＨｚや５ＧＨｚの無線ＬＡＮや携帯端末における２周波対応の指向性制御アンテナを構成することができる。

ＰＩＮダイオードは、誘電体２の裏面の地板１を一部切り取り、切り取られた領域に実装する。この際に、ＰＩＮダイオードの一端を地板１と接続し、他端を誘電体２を貫通するビアホールを介して第１の無給電素子４と接続する。なお、ＰＩＮダイオードを制御するバイアスラインは第１の基板８上に配線し、第１の基板８を貫通するビアホールによってＰＩＮダイオードと接続する。

また、第１のスイッチ７としてＭＥＭＳスイッチを用いることもできる。ＭＥＭＳスイッチは、１００ＧＨｚ程度までの高周波信号も良好に遮断でき、かつ挿入ロスも小さいことから、例えばサブミリ波〜ミリ波のような高い周波数を対象とした２周波対応の指向性制御アンテナを構成することができる。

ＭＥＭＳスイッチの実装は、上述のＰＩＮダイオードと同様に誘電体２下面に設置する。また、第１の基板８にＭＥＭＳスイッチをバルクマイクロマシーンプロセスあるいは表面マイクロマシンプロセスによって形成した後、誘電体２の下面に第１の基板８を貼り付け、ＭＥＭＳスイッチの一端を地板１と接続し、他端を誘電体２を貫通するビアホールを介して第１の無給電素子４と接続することで実装させることもできる。このような方法を用いるとＭＥＭＳスイッチを制御するバイアスラインを第１の基板８上に配線することができる。

なお、本実施形態では、給電素子３と第１の無給電素子４は同形状であるとしたが、給電素子３単体で共振した場合に素子間相互結合によって第１の無給電素子４が励振できればよいので、同一である必要はなく、ほぼ同形状であればよい。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態のマイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）について説明する。

第１の実施形態のＭＳＡでは、隣接する給電素子３と第１の無給電素子４の間及び隣接する第１の無給電素子４同士の間は１個の微小導体５で接続されているので内部に大きな空隙が生じてしまう。そのため、第１の放射素子２０で共振する低周波側の共振モードでは、この空隙が空隙により帯域幅が低下してしまう。

上記の帯域幅の問題を改善するには空隙をなくすことが望ましいが、空隙を完全になくしてしまうと第１の放射素子２０は純四角形となってしまい、給電素子３の辺で電流が反射しないため高周波側の共振モードを得ることができない。

そこで、本実施形態のＭＳＡでは、図５に示すように、隣接する給電素子３と第１の無給電素子４との間及び隣接する第１の無給電素子４同士の間を複数（図では２つ）の微小導体５で接続する。

このように構成することにより、低周波側の共振モードでは、第１の放射素子２０内部の空隙が減少し帯域幅が改善される。また、高周波側の共振モードでは、第１の放射素子２０内部に給電素子３の辺が存在するので、比較的大きな定在波を得ることができ、微小導体５が１個のＭＳＡと比較して高周波側の共振モードでのアンテナ利得低下を小さくできる。

具体的な比較例を挙げて説明する。Ｃｕ層からなる地板１と、比誘電率２．２のテフロン（登録商標）ガラスファイバー基板からなる誘電体２と、Ｃｕ層からなる４．４ｍｍ四方の給電素子３と、Ｃｕ層からなる４．４ｍｍ四方の第１の無給電素子４と、Ｃｕからなる幅８００μｍの微小導体５とで構成し、かつ、給電素子３をマトリクス状に取り囲む第１の無給電素子を０．４ｍｍ間隔で配置したＭＳＡにおいて、素子間の微小導体５が１個であるＭＳＡ（第１の実施形態のＭＳＡ／図１）の低周波側の共振モードでの帯域幅と、素子間の微小導体５が２個であるＭＳＡ（本実施形態のＭＳＡ／図５）の低周波側の共振モードでの帯域幅とを比較した場合、後者の帯域幅のほうが約１５％大きいという比較結果が得られた。

なお、本実施形態のＭＳＡにおいて、微小導体５の個数や幅については、要求されるアンテナの帯域幅、アンテナ利得等に応じて決定される。

＜第３の実施形態＞
第３の実施形態のマイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）について説明する。

第１の実施形態のＭＳＡでは、高周波側の共振モードでのビームのチルト角は給電素子３と地板１から開放された第１の無給電素子４によってほぼ決まる。つまり、給電素子３と第１の無給電素子４のピッチ間隔に強く影響される。また、低周波側の共振モードの共振周波数は第１の放射素子２０のＬ２によってほぼ決まるので、こちらも給電素子３と第１の無給電素子４のピッチ間隔に強く影響される。

そのため高周波側の共振モードにおいて、ビームのチルト角と、低周波側の共振モードでの共振周波数と、を独立に制御することが困難である。

そこで、本実施形態のＭＳＡでは、図６に示すように、隣接する給電素子３と第１の無給電素子４との間及び隣接する第１の無給電素子４同士の間を屈曲した微小導体５で接続する。なお、図６においては、２箇所で直角に屈曲した微小導体を用いている。

このように構成することにより、給電素子３と第１の無給電素子４のピッチ間隔を一定としたまま第１の放射素子２０の電流パスを長くすることができるので、高周波側の共振モードでのビームのチルト角をほとんど変化させずに低周波側の共振モードを低周波化できる。すなわち、高周波側の共振モードでのビームのチルト角と、低周波側の共振モードでの共振周波数と、をほぼ独立に制御することが可能となる。

具体的な比較例を挙げて説明する。Ｃｕ層からなる地板１と、比誘電率２．２のテフロン（登録商標）ガラスファイバー基板からなる誘電体２と、Ｃｕ層からなる４．４ｍｍ四方の給電素子３と、Ｃｕ層からなる４．４ｍｍ四方の第１の無給電素子４と、Ｃｕからなる幅８００μｍの微小導体５とで構成し、かつ、給電素子３をマトリクス状に取り囲む第１の無給電素子を０．４ｍｍ間隔で配置したＭＳＡにおいて、微小導体５がひとつであるＭＳＡ（第１の実施形態のＭＳＡ／図１）と、２箇所で直角に屈曲した微小導体５が３つ設けられたＭＳＡ（本実施形態のＭＳＡ／図６）とを比較した場合、後者のＭＳＡの方が低周波側の共振周波数が約１５％小さいという比較結果が得られた。

なお、微小導体５の屈曲形状については限定されるものではなく、給電素子３と第１の無給電素子４のピッチ間隔を一定としたまま第１の放射素子２０の電流パスを長くすることのできる形状であればよい。

＜第４の実施形態＞
第４の実施形態のマイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）について説明する。図７、図８に本実施形態のＭＳＡの構成を示す。なお、図７はＭＳＡの上面図、図８はＭＳＡの断面図を示す。

本実施形態のＭＳＡは、第１の実施形態のＭＳＡの第１の放射素子２０と、第１の放射素子２０とほぼ同一の周波数で共振する給電されていない「第２の放射素子２１」とから構成され、第２の放射素子２１が第１の放射素子２０を中心としてマトリクス状に配置されている。この第２の放射素子２１は、素子単体で構成されている。また、第２の放射素子２１は、地板１と接続する第２のスイッチ１４が設けられており、この第２のスイッチ１４の導通／遮断状態の切り替え制御はバイアスラインを介してなされる。

本実施形態のＭＳＡにおいて第１の放射素子２０の第１の無給電素子４を短絡する第１のスイッチ７を全て遮断した場合には、第１の放射素子２０のＹ方向の長さＬ２を概ね半波長とする低周波側の共振モードが生じる。よって、給電素子３に低周波側の共振モードと一致するＲＦ信号を与えることで低周波対応を実現できる。

また、本実施形態のＭＳＡでは第１の放射素子２０とほぼ同じ共振周波数を持つ第２の放射素子２１によって第１の放射素子２０が取り囲まれているため、低周波側の共振モードでは第１の放射素子２０と第２の放射素子２１との素子間相互結合によって第２の放射素子２１に第１の放射素子２０と同じ共振周波数（低周波側の共振モード）の電流が誘起される。その結果、低周波側での共振モードの放射パターンは第１の放射素子２０と第２の放射素子２１の合成された形となる。第２の放射素子２１には地板１と短絡する第２のスイッチ１４が設けられているので、第１の放射素子２０に対し対称に配置された一対の第２の放射素子２１のうち一方を地板１と短絡することで、放射パターンを傾かせることが可能となる。

他方、本実施形態のＭＳＡに給電素子３のＹ方向の長さＬ１を概ね半波長とするＲＦ信号を給電素子に３与えると、ＲＦ信号は給電素子３のＸ方向の辺でほぼ反射されるので、高周波側の共振モードが実現できる。この共振モードにおいては、給電素子３は８個の第１の無給電素子４によって取り囲まれているので、第１のスイッチ７によって第１の無給電素子４の短絡制御をすることにより高周波側の共振モードでの指向性切り替えを実現できる。

なお、第２の放射素子２１と給電素子３とではピッチ及び共振周波数が大きく異なり、素子間相互結合が小さい。そのため、第２の放射素子２１には高周波側の共振モードがほとんど立たないので、第２の放射素子２１が放射パターンへ与える影響は非常に小さいものとなる。

また、第２のスイッチ１４によって第２の放射素子２１を地板１に短絡させると、第２の放射素子２１の電流は更に抑制される。よって、第２の放射素子２１の短絡制御を行うことで、高周波側の共振モードの指向性切り替えに対する第２の放射素子２１の影響を更に小さくすることができる。

このように本実施形態のＭＳＡでは、給電素子３と第１の無給電素子４が微小導体５で接続され一体となった第１の放射素子２０が２つの共振モードを持つので、低周波と高周波の2周波対応を実現できる。また、高周波側の共振モードでは、８個の第１のスイッチ７の導通／遮断の組み合わせによってビームの切り替え、すなわち指向性の制御が可能となる。また、低周波側の共振モードでも、８個の第２のスイッチ１４の導通／遮断の組み合わせによってビームの切り替え、すなわち指向性の制御が可能となる。

本実施形態のＭＳＡにおいて、地板１をＣｕ板で、誘電体２を比誘電率２．２のテフロン（登録商標）ガラスファイバー基板で、給電素子３を４．４ｍｍ四方のＣｕ板で、第１の無給電素子４を４．４ｍｍ四方のＣｕ板で、微小導体５を幅８００μｍのＣｕ板で構成し、かつ、第１の無給電素子４を間隔４．８ｍｍピッチで配置することで第１の放射素子２０を形成し、さらに、この第１の放射素子２０の周りに１４．０ｍｍ四方（第１の放射素子２０と同サイズ）の第２の放射素子２１を間隔幅１．０ｍｍで配置して構成した場合には、第２のスイッチ１４の導通／遮断の組み合わせによって、φ＝０、４５、９０、１３５、１８０、２２５、２７０、３１５°等で、ビームをθ方向に２０〜３０°傾けることができ、ビーム切り替えが実現できた。また、第２のスイッチ１４を全て導通して第２の放射素子２１を地板１と短絡させた場合、第１のスイッチ７の導通／遮断の組み合わせによって、φ＝０、４５、９０、１３５、１８０、２２５、２７０、３１５°等で、ビームをθ方向に２０〜３５°傾けることができ、高周波側の共振モードでもビーム切り替えが実現できた。

なお、第２のスイッチ１４にはＰＩＮダイオードを用いることができる。ＰＩＮダイオードは安価に入手でき、かつ２０ＧＨｚまでは良好に高周波信号を遮断できることから、２．４ＧＨｚや５ＧＨｚの無線ＬＡＮや携帯端末における２周波対応の指向性制御アンテナを構成することができる。

ＰＩＮダイオードは、誘電体２の裏面の地板１を一部切り取り、切り取られた領域に実装する。この際に、ＰＩＮダイオードの一端を地板１と接続し、他端を誘電体２を貫通するビアホールを介して第２の放射素子２１と接続する。なお、ＰＩＮダイオードを制御するバイアスラインは第１の基板８上に配線し、第１の基板８を貫通するビアホールによってＰＩＮダイオードと接続する。

また、第２のスイッチ１４としてＭＥＭＳスイッチを用いることもできる。ＭＥＭＳスイッチは、１００ＧＨｚ程度までの高周波信号も良好に遮断でき、かつ挿入ロスも小さいことから、例えばサブミリ波〜ミリ波のような高い周波数を対象とした２周波対応の指向性制御アンテナを構成することができる。

ＭＥＭＳスイッチの実装は、上述のＰＩＮダイオードと同様に誘電体２下面に設置する。また、第１の基板８にＭＥＭＳスイッチをバルクマイクロマシーンプロセスあるいは表面マイクロマシンプロセスによって形成した後、誘電体２の下面に第１の基板８を貼り付け、ＭＥＭＳスイッチの一端を地板１と接続し、他端を誘電体２を貫通するビアホールを介して第２の放射素子２１と接続することで実装させることもできる。このような方法を用いるとＭＥＭＳスイッチを制御するバイアスラインを第１の基板８上に配線することができる。

なお、上記の説明においては、第２の放射素子２１の形状を１４．０ｍｍ四方としたが、第１の放射素子２０との素子間相互結合によって効率的に電流が誘起され、第１の放射素子２０とほぼ同じ共振周波数を持つのであればこれに限定されるものではない。

また、上記の説明においては、給電素子３と第１の無給電素子４は同形状であるとしたが、給電素子３単体で共振した場合に素子間相互結合によって第１の無給電素子４が励振できればよいので、同一である必要はなく、略同形状であればよい。

また、本実施形態では、第１の放射素子２０の各素子間を接続する微小導体５は１つであるが、第２の実施形態のＭＳＡのように、各素子間を接続する微小導体５は複数であってもよい。このように構成することにより、低周波側の共振モードでの帯域幅を改善することができる。また、第３の実施形態のように微小導体５を屈曲形状にしてもよい。このように構成することにより、高周波側のビームのチルト角と低周波側の共振周波数をほぼ独立に制御することが可能となる。

＜第５の実施形態＞
第５の実施形態のマイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）について説明する。図９、図１０に本実施形態のＭＳＡの構成を示す。なお、図９はＭＳＡの上面図、図１０はＭＳＡの断面図を示す。

本実施形態のＭＳＡは、第４の実施形態のＭＳＡにおいて、第２の放射素子２１が第２の無給電素子１５をマトリクス状に配置し、素子間を微小導体５で接続した構成となっている。すなわち、第２の放射素子２１が第１の放射素子２０とほぼ同じ配置構成をとっている。なお、第２の放射素子２１には地板１と短絡する第２のスイッチ１４が複数個（図８では３つ）設けられている。

本実施形態の構造では、第２の放射素子２１の形状が第１の放射素子２０と略同形状であるため、第２の放射素子２１が第１の放射素子２０の低周波側の共振モードと同じ共振モードを持つことになる。そのため第１の放射素子２０が低周波側の共振モードで励起された場合、第２の放射素子２１には第１の放射素子２０との素子間相互結合によって大きな電流が誘起されるので、第２のスイッチ１４の導通／遮断の組み合わせによって、低周波側の共振モードにおいて効率的にビームを傾かせることが可能となる。

本実施形態のＭＳＡにおいて、地板１をＣｕ板で、誘電体２を比誘電率２．２のテフロン（登録商標）ガラスファイバー基板で、給電素子３を４．４ｍｍ四方のＣｕ板で、第１の無給電素子４を４．４ｍｍ四方のＣｕ板で、微小導体５を幅８００μｍのＣｕ板で構成し、かつ、第１の無給電素子４を０．４ｍｍ間隔で配置することで第１の放射素子２０を形成し、さらに、Ｃｕ層からなる４．４ｍｍ四方の第２の無給電素子１５が０．４ｍｍ間隔で３×３のマトリクス状に配置された第２の放射素子２１を、第１の放射素子２０の周りに間隔幅１．０ｍｍで配置して構成した場合には、第２のスイッチ１４の導通／遮断の組み合わせにより、φ＝０、４５、９０、１３５、１８０、２２５、２７０、３１５°等で、ビームをθ方向で最大２５〜３５°傾けることができ、低周波側の共振モードでビーム切り替えが実現できた。

さらに、本構成では、第２の放射素子２１に３個の第２のスイッチ１４を設けており、導通させるスイッチ数を変えることで第２の放射素子２１に誘起される電流を調整できるので、θ方向でのビームのチルト角の微調整が可能となる。

上記の説明から、本構成により、低周波側の共振モードにおいて第２の放射素子２１に効率的に電流を誘起することができ、第２のスイッチ１４によって第２の放射素子２１を短絡制御することで指向性切り替えを効率的に実現できる。また、第２の放射素子２１に複数の第２のスイッチ１４を設けて制御することにより、低周波側の共振モードにおいてより細かい指向性制御が可能となる。

なお、上記の説明においては、第２のスイッチ数１４を３個としているが、第２のスイッチ数１４は３個に限定されるものではない。また、第２のスイッチ１４を設ける箇所についても、図９に示す箇所に限定されるものではない。また、第１の放射素子２０と第２の放射素子２１の配置形状を略同一としたが、第１の放射素子２０で共振する低周波側での共振モードで第２の放射素子２１が効率的に励振されるのであれば、略同一である必要はない。

＜実施形態６＞
第６の実施形態のマイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）について説明する。本実施形態のＭＳＡは、低周波、中間周波、高周波の３モードで動作する３周波アンテナであり、かつ各々の周波数帯で指向性の切り替えを行うことが可能となっている。

図１１、図１２に本実施形態のＭＳＡの構成を示す。なお、図１１はＭＳＡの上面図、図１２はＭＳＡの断面図を示す。

ＭＳＡは、地板１と、誘電体２と、給電素子３と、第１の無給電素子４と、微小導体５と、給電点６と、第１のスイッチ７と、第１の基板８と、整合回路９と、給電線１０と、第２のスイッチ１４と、第２の無給電素子１５と、から構成される。

第１の基板８の上には地板１が設けられ、地板１の上には誘電体２が設けられている。誘電体２の上部には、矩形形状の給電素子３と、給電素子３を中心としてマトリクス状に配置された第１の無給電素子４が積層されている。なお、無給電素子５は、矩形形状の給電素子３と同形状である。また、隣接する給電素子３と第１の無給電素子４との間及び隣接する第１の無給電素子４同士の間は、対向する辺の幅よりも短い幅の微小導体５で接続されている。

給電素子３には給電点６が設けられている。この給電点６は、誘電体２、地板１及び第１の基板８を貫通するビアホール１９と給電線１０とを介して整合回路９に接続されている。なお、給電線１０はマイクロストリップ線路で構成される。また、第１の無給電素子４には第１のスイッチ７が設けられている。第１のスイッチ７は、第１の無給電素子４と地板１間の導通／遮断状態の切り替えを行う。第１のスイッチ７が導通状態の場合には第１の無給電素子４は地板１と短絡し、遮断状態の場合には第１の無給電素子４は地板から開放される。この給電素子３、第１の無給電素子４、微小導体５は第１の放射素子２０を構成する。

また、誘電体２の上部には、第１の放射素子２０をマトリクス状に取り囲むように、第２の無給電素子１５が積層されている。第２の無給電素子１５の形状は第１の無給電素子４と略同形状である。この第２の無給電素子１５は、第１の放射素子２０を６周取り囲んでいる。また、隣接する第１の無給電素子４と第２の無給電素子１５の間及び隣接する第２の無給電素子１５の間は、対向する辺の幅よりも短い幅の微小導体５で接続されている。

第２の無給電素子１５には第２のスイッチ１４が設けられている。第２のスイッチ１４は第２の無給電素子１５と地板１の導通／遮断状態の切り替えを行う。なお、第１のスイッチ７や第２のスイッチ１４のスイッチ切り替え選択はバイアスラインを介してなされる。

次に、本実施形態のＭＳＡにおいて、各周波数毎の共振モードの制御について説明する。

まず、高周波側の共振モードにおける制御について説明する。本実施形態のＭＳＡにおいて、給電素子３のＹ方向の長さＬ１を概ね半波長とするＲＦ信号を給電素子３に与えると、ＲＦ信号は給電素子３のＸ方向の辺でほぼ反射されるので、高周波側の共振モードが実現できる。また、給電素子３は８個の第１の無給電素子４によって取り囲まれているので、第１のスイッチ７によって第１の無給電素子４の短絡制御を行うことにより、高周波側の共振モードでの指向性の切り替えを行うことができる。

さらに、本実施形態のＭＳＡでは、第２の無給電素子１５が、第１の無給電素子４及び給電素子３と略同形状であるため、第１の放射素子２０と近接している第２の無給電素子１５は、高周波側の共振モードで励振している給電素子３や第１の無給電素子４との素子間相互結合によって高周波側の共振モードで励起される。そのため、第１の放射素子２０に近接した第２の無給電素子１５によって、高周波側の共振モードの放射パターンを若干制御することができる。具体的な一例を挙げれば、地板１から開放されている第１の無給電素子４に近接した第２の無給電素子１５を地板１から開放すると、ビームのチルト角をエンハンスすることができる。

次に、中間周波側の共振モードについて説明する。本実施形態のＭＳＡでは、給電素子３と第１の無給電素子４が微小導体５で接続されて第１の放射素子を２０形成しているので、第１のスイッチ７を全て遮断した場合は第１の放射素子のＹ方向の長さＬ２を概ね半波長とする中間周波数帯の共振モードが生じる。そのため給電素子３に中間周波数帯の共振モードと一致するＲＦ信号を与えると、中間周波数帯で共振するので中間周波数に対応させることができる。

ここで、第１の放射素子２０は第２の無給電素子１５に取り囲まれており、かつ、第２の無給電素子１５同士は微小導体５で接続されているため、第１の放射素子２０に近接した３×３素子の領域は第１の放射素子２０との強い素子間相互結合を受けて中間周波数の共振モードで励振される。この３×３の素子領域を第２の放射素子２１とみた場合、図１３のように、第１の放射素子２０の周囲に３×３素子からなる第２の放射素子２１が８個マトリクス状に配置されているとみなすことができる。

よって、第２のスイッチ１４を用いて第２の放射素子２１の短絡制御を行うことで、中間周波数帯でも指向性切り替えを行うことが可能となる。

また、第２の放射素子２１には複数の第２のスイッチ１４が設けられているので、同一の第２の放射素子２１に接続された第２のスイッチ１４の導通／遮断を組み合わせることで、θ方向でビームのチルト角の微調整を行うことが可能となる。

次に、低周波側の共振モードについて説明する。本実施形態のＭＳＡでは、第１の放射素子２０と第２の無給電素子１５が微小導体５によって接続されているので、第１のスイッチ７を全て遮断し、かつ、第１の放射素子２０に隣接した１６個の第２の無給電素子１５を地板１から開放すると、図１４に示す５×５の形状の「第３の放射素子２２」として機能し、第３の放射素子２２のＹ方向の長さＬ３を概ね半波長とする低周波数側の共振モードが生じる。よって、給電素子３に低周波数側の共振モードと一致するＲＦ信号を与えると、低周波数側で共振するので低周波対応が実現できる。

この第３の放射素子２２は、第１の無給電素子４と同じ形状の第２の無給電素子１５で５周取り囲まれており、かつ、第２の無給電素子１５同士は微小導体５で接続されている。よって、第３の放射素子２２に近接した５×５形状の「第４の放射素子２３」は、第３の放射素子２２との強い素子間相互結合を受けて低周波側の共振モードで励振される。

上述のＭＳＡの状態は、５×５サイズの給電素子を含む放射素子（第３の放射素子２２）の周りに同一サイズの無給電素子で構成された放射素子（第４の放射素子２３）が８個マトリックス状に配置された形と見なすことができる。よって、第４の放射素子２３に接続された第２のスイッチ１４を制御して第３の放射素子２２に隣接した第４の放射素子２３の短絡制御を行うことで、低周波側でも指向性切り替えを行うことが可能となる。

また、第４の放射素子２３には複数の第２のスイッチ１４が設けられているので、同一の第４の放射素子２３に接続された第２のスイッチ１４の導通／遮断を組み合わせにより、θ方向でビームのチルト角の微調整を行うことが可能となる。

このように本実施形態では、低周波、中間周波、高周波の３モードで動作するので３つの共振モードに対応することが可能となる。かつ、各々の周波数帯で指向性の切り替えを行うことが可能となる。

図１１のＭＳＡにおいて、第１の放射素子２０を、Ｃｕ層からなる地板１と、比誘電率２．２のテフロン（登録商標）ガラスファイバー基板からなる誘電体２と、Ｃｕ層からなる４．４ｍｍ四方の給電素子３と、Ｃｕ層からなる４．４ｍｍ四方の第１の無給電素子４と、Ｃｕからなる幅８００μｍの微小導体５とを用いて、給電素子３をマトリクス状に取り囲む第１の無給電素子を０．４ｍｍ間隔で配置して構成し、この第１の放射素子２０の周囲をＣｕ層からなる４．４ｍｍ四方の第２の無給電素子１５によって素子間隔０．４ｍｍでマトリクス状に６周取り囲み、隣接する第１の無給電素子４と第２の無給電素子１５の間及び第２の無給電素子１５同士の間をＣｕからなる幅８００μｍの微小導体５で接続した場合には、第１のスイッチ７、第２のスイッチ１４の導通／遮断の組み合わせによって、高周波側の共振モードにおいて、φ＝０、４５、９０、１３５、１８０、２２５、２７０、３１５°等で、ビームをθ方向に２０〜４０°傾けることができた。また、第２のスイッチ１４の導通／遮断の組み合わせによって、中間周波数帯の共振モードにおいてもφ＝０、４５、９０、１３５、１８０、２２５、２７０、３１５°等で、ビームをθ方向に２５〜３５°傾けることができた。さらに、第２のスイッチ１４の導通／遮断の組み合わせによって、低周波側の共振モードにおいても、φ＝０、４５、９０、１３５、１８０、２２５、２７０、３１５°等で、ビームをθ方向に１５〜３０°傾けることができた。つまり、低周波、中間周波、高周波の３つの周波数帯でＸＹの２次元でのビーム切り替え、指向性の切り替えを行うことができた。

なお、本実施形態のＭＳＡは上述したように３周波対応であるため、各周波数帯で放射素子のＬ´／Ｌが大きく異なってしまうので、良好な送受信を行うことができない恐れがある。そこで、定数の変更することのできる整合回路９を用いて調整を行う。以下、具体的に説明する。

整合回路９の構成を、図１５を参照して説明する。整合回路９は、バラクタダイオード１６とスパイラルインダクタ１１をＣ−Ｌ−Ｃでπ型に組んだ回路から構成される。整合回路９と５０Ωの給電線１０の切り替えは、切り替えスイッチ１３によって行われる。

例えば、給電素子３の入力インピーダンスが５０Ωになるように給電点３を配置した場合、高周波側での共振モードでは、切り替えスイッチ１３を５０Ωの給電線１０側に入れてアンテナとＲＦ回路を直結する。その結果、高周波側の共振モードではアンテナの入力インピーダンスは指向性切り替えを行っても給電素子３の入力インピーダンスとほぼ等しくなるので、反射が抑制され良好な送受信が可能となる。

また、中間周波側の共振モードと低周波側の共振モードでは、切り替えスイッチ１３を整合回路９側に入れ、整合回路９を介してアンテナとＲＦ回路を接続する。整合回路９のバラクタダイオードのＣを適切に選ぶことで第１の放射素子２０の入力インピーダンスや第３の放射素子２２の入力インピーダンスを５０Ωに整合させれば、中間周波側の共振モード、低周波側の共振モードとも反射が抑制され良好な送受信が可能となる。

上記説明のように、定数を変更できる整合回路９を用いることによって３周波とも良好な送受信が可能となる。

なお、上述の整合回路９はπ型整合回路であるが、このような型の整合回路に限られるものではなく、Ｔ型、Ｌ型の整合回路であってもよい。また、バラクタダイオード１６とスパイラルインダクタ１１の組み合わせのみに限らず、移相器、インダクタ、キャパシタの組み合わせでも何ら構わない。

また、上記説明では、定数が可変できる素子としてバラクタダイオード１６を用いたが、これに限らず、ＭＥＭＳによる可変インダクタを用いてもよい。

また、空間的余裕がある場合には、中間周波側用の固定式の整合回路と低周波側用の固定式の整合回路を各々設け、切り替えスイッチによって各周波数帯で５０Ωの給電線と中間周波数用／低周波側用の２個の整合回路を切り替えるようにしてもよい。

本実施形態のＭＳＡにおいて、第１のスイッチ７、第２のスイッチ１４にはＰＩＮダイオードを用いることができる。ＰＩＮダイオードは安価に入手でき、かつ２０ＧＨｚまでは良好に高周波信号を遮断できることから、２．４ＧＨｚや５ＧＨｚの無線ＬＡＮや携帯端末における３周波対応の指向性制御アンテナを構成することができる。

ＰＩＮダイオードは、誘電体２の裏面の地板１を一部切り取り、切り取られた領域に実装する。この際に、ＰＩＮダイオードの一端を地板１と接続し、他端を誘電体２を貫通するビアホールを介して第１の無給電素子４、第２の無給電素子１５と接続する。なお、ＰＩＮダイオードを制御するバイアスラインは第１の基板８上に配線し、第１の基板８を貫通するビアホールによってＰＩＮダイオードと接続する。

また、第１のスイッチ７、第２のスイッチ１４としてＭＥＭＳスイッチを用いることもできる。ＭＥＭＳスイッチは、１００ＧＨｚ程度までの高周波信号も良好に遮断でき、かつ挿入ロスも小さいことから、例えばサブミリ波〜ミリ波のような高い周波数を対象とした３周波対応の指向性制御アンテナを構成することができる。

ＭＥＭＳスイッチの実装は、上述のＰＩＮダイオードと同様に誘電体２下面に設置する。また、第１の基板８にＭＥＭＳスイッチをバルクマイクロマシーンプロセスあるいは表面マイクロマシンプロセスによって形成した後、誘電体２の下面に第１の基板８を貼り付け、ＭＥＭＳスイッチの一端を地板１と接続し、他端を誘電体２を貫通するビアホールを介して第１の無給電素子４、第２の無給電素子１５と接続することで実装させることもできる。このような方法を用いるとＭＥＭＳスイッチを制御するバイアスラインを第１の基板８上に配線することができる。

また、本実施形態のＭＳＡにおいて、第２の実施形態のＭＳＡと同様に、隣接する各素子同士を複数の微小導体５で接続すれば、第１／第２／第３／第４の放射素子内部の空隙を小さくすることができ、中間周波側の共振モード・低周波側の共振モードの帯域幅の改善を図ることが可能となる。

また、第３の実施形態のＭＳＡのように屈曲構造の微小導体５を用いることで、中間周波側の共振モード・低周波側の共振モードでは電流パスが長くなって低周波化するので、高周波側のビームのチルト角と中間周波側・低周波側の共振周波数をほぼ独立に制御することが可能となる。

なお、本実施形態のＭＳＡにおいては、給電素子３と、第１の無給電素子４と、第２の無給電素子１５は同一形状としたが、給電素子３単体で共振した場合に第１の無給電素子４や第２の無給電素子１５が素子間相互結合によって励振されれば良いので、同一である必要はなく、略同形状であれば良い。

また、本実施形態のＭＳＡにおいては、第１の放射素子２０を第２の無給電素子１５が６周取り囲む構造であるため３周波対応となっているが、第１の放射素子２０を更に多くの第２の無給電素子１５でマトリクス状に取り囲めば、より多くの周波数帯で指向性切り替えが可能となる。

また、本実施形態のＭＳＡにおいては、第２の無給電素子１５の全てに地板１と短絡する第２のスイッチ１４を設けたが、要求されるアンテナのチルト角によっては一部の第２の無給電素子にのみ第２のスイッチ１４を設ければよい。

＜第７の実施形態＞
次に、本発明の第７の実施形態として、上記のＭＳＡを利用した無線モジュールについて説明する。本実施形態の無線モジュールは、搭載するＭＳＡとして第６の実施形態のＭＳＡを用いている。

以下、具体的に説明する。図１６は、無線モジュールを説明するための図であり、第６の実施形態のＭＳＡを用いた無線モジュールを示す。

無線モジュールは、多孔質ポリイミド基板からなる第２の基板１７上にＭＳＡが設けられた構造を持つ。第２の基板１７には、チップ部品からなるフロントエンド回路１８が構成されており、第２の基板１７を貫通するビアホール１９によってフロントエンド回路１８と給電線１０が接続されている。

本実施形態の無線モジュールは、第６の実施形態のＭＳＡを用いているので、３周波制御ができ、かつ、各々の周波数での指向性制御が可能となっている。そのため各周波数帯で所望波の方向にアンテナの最大放射角を向けることができるので、大きな利得が得られ良好な送受信を行うことが可能となる。また、３周波に対応できるため１個の無線モジュールで複数の規格に対応でき、無線モジュールの小型化に資することが可能となる。

なお、上記の説明においては、第６の実施形態のＭＳＡを用いた無線モジュールについて説明したが、第１〜第５の実施形態のＭＳＡを用いてもよい。

また、上記の説明においては、第２の基板１７にフロントエンド回路１８のみを実装したが、フロントエンド回路とベースバンド回路の両方を実装してもよい。また、フロントエンド回路とベースバンド回路の一部のみを実装してもよい。このように構成することにより、無線モジュールの小型化を図ることが可能となる。

＜第８の実施形態＞
次に、本発明の第８の実施形態として、第７の実施形態の無線モジュールを利用した無線システムについて説明する。図１７は本実施形態の無線システムの回路構成を示すものであり、第６の実施形態のＭＳＡを利用した無線モジュール（図１６）を利用している。

本実施形態の無線システムは、ＭＳＡと、整合回路９と、フロントエンド回路１８と、制御回路３１と、第１のスイッチバイアス発生回路３２と、第２のスイッチバイアス発生回路３３と、切り替えスイッチバイアス発生回路３４と、バラクダダイオードバイアス発生回路３５と、送受信切り替えスイッチバイアス発生回路３６と、送受信切り替えスイッチ３７と、から構成される

本実施形態の無線システムは、所望の周波数、指向性を達成できるように、制御回路３１によって第１のスイッチ７、第２のスイッチ１４の導通／遮断の組み合わせを設定する。

そして、高周波対応であれば、制御回路３１から制御信号Ａを第１のスイッチバイアス発生回路３２に、制御信号Ｂを第２のスイッチバイアス発生回路３３に与えることで所定のバイアスを発生させ、第１のスイッチ７、第２のスイッチ１４の導通／遮断を行い、地板と１短絡させる第１の無給電素子４、第２の無給電素子１５を切り替えてＸＹの２次元でビーム切り替えを行う。

また、中間周波対応であれば、制御回路３１から制御信号Ａを第１のスイッチバイアス発生回路３２に与えて所定のバイアスを発生させ、第１のスイッチ７を遮断状態にして第１の無給電素子４を地板１から開放して第１の放射素子２０を形成し、さらに、制御回路３１から制御信号Ｂを第２のスイッチバイアス発生回路３３に与えて所定のバイアスを発生させ、第２のスイッチ１４を遮断あるいは導通して３×３素子の第２の無給電素子１５と微小導体５からなる第２の放射素子２１を地板１と開放／短絡させＸＹの２次元でビーム切り替えを行う。

また、低周波対応であれば、制御回路３１から制御信号Ａを第１のスイッチバイアス発生回路回路３２に、制御信号Ｂを第２のスイッチバイアス発生回路３３に与えることで所定のバイアスを発生させて、第１のスイッチ７と、第１の放射素子２０に隣接する第２の無給電素子１５に接続された第２のスイッチ１４を遮断状態にし第３の放射素子２２を形成する。そして、その他の第２の無給電素子１５に接続された第２のスイッチ１４を遮断／導通して、第３の放射素子２２に隣接した５×５素子の第２の無給電素子２１と微小導体５からなる第４の放射素子２３を地板１と開放／短絡させることでＸＹの２次元でビーム切り替えを行う。

なお、３周波でのインピーダンス整合は、制御回路３１から制御信号Ｃを切り替えスイッチバイアス発生回路３４に与えることで所定のバイアスを発生させ、整合回路９の切り替えスイッチ１３の切り替え制御を行う。具体的には、高周波対応ではアンテナをフロントエンド回路１８に給電線１０を介して接続し、中間周波対応、低周波対応ではアンテナを整合回路９に接続してからフロントエンド回路１８に接続する。

なお、中間周波／低周波対応では、制御信号Ｃをバラクタダイオードバイアス発生回路３５にも与えることで所定のバイアスを発生させ、整合回路９のバラクタダイオード１６の定数を変化させ中間周波数帯／低周波側でのアンテナの入力インピーダンスを５０Ωにマッチングさせる。

さらに、送信あるいは受信モードの切り替えのために、制御回路３１から制御信号Ｄを送受信切り替えスイッチバイアス発生回路３６に与えることで所定のバイアスを発生させ、送受信切り替えスイッチ３７にて送受信の切り替えを行いアンテナとフロントエンド回路を電気的に導通して通信を行う。

上述したように、本実施形態の無線システムは３周波に対応して指向性制御を行うことが可能である。よって、１個の無線システムで３つの周波数規格に対応でき、無線システム自体を小型化できる。また、指向性制御が可能であるため、所望の方向に放射パターンを向けることによって高い利得を実現でき、良好な送受信を行うことが可能である。さらに、電波状況によっては周波数や指向性を切り替えることができるので、絶えず良好な送受信を行うことが可能である。

なお、上述した無線システムは一例であり、このような形態に限られるものではなく、バイアス発生回路を省略し、第１のスイッチ７、第２のスイッチ１４、切り替えスイッチ１３、送受信切り替えスイッチ３７に、制御信号Ａ／Ｂ／Ｃ／Ｄを直接与えることで導通／遮断制御を行ってもよい。

第１の実施形態のＭＳＡの上面図である。 第１の実施形態のＭＳＡの断面図である。 給電素子の拡大図である。 整合回路を説明するための図である。 第２の実施形態のＭＳＡを示す図である。 第３の実施形態のＭＳＡを示す図である。 第４の実施形態のＭＳＡの上面図である。 第４の実施形態のＭＳＡの断面図である。 第５の実施形態のＭＳＡの上面図である。 第５の実施形態のＭＳＡの断面図である。 第６の実施形態のＭＳＡの上面図である。 第６の実施形態のＭＳＡの断面図である。 中間周波対応を説明するための図である。 低周波対応を説明するための図である。 整合回路を説明するための図である。 無線モジュールを示す図である。 無線システムを示す図である。 座標系を示す図である。

符号の説明

３ 給電素子
４ 第１の無給電素子
５ 微小導体
７ 第１のスイッチ
９ 整合回路
１４ 第２のスイッチ
１５ 第２の無給電素子
２０ 第１の放射素子
２１ 第２の放射素子
２２ 第３の放射素子
２３ 第４の放射素子
３１ 制御回路

Claims (30)

1. 給電素子と、
   前記給電素子を中心にマトリクス状に配置された第１の無給電素子と、
   前記給電素子、前記第１の無給電素子、の各素子間を接続する導体と、
   前記第１の無給電素子を短絡するか否かを切り替える第１のスイッチ手段と、を有し、
   前記給電素子単体を共振することで高周波に対応し、
   前記給電素子及びマトリクス状に配置された第１の無給電素子で構成される第１の放射素子を共振することで低周波に対応し、
   前記高周波対応時には、前記第１のスイッチ手段の切り替えることでアンテナの指向性を制御することを特徴とするマイクロストリップアンテナ。
2. 前記給電素子と前記第１の無給電素子とは略同一形状であることを特徴とする請求項１記載のマイクロストリップアンテナ。
3. 前記導体の幅は、前記導体が接続する前記各素子の対抗する辺よりも短いことを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロストリップアンテナ。
4. 前記給電素子は、整合回路に接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナ。
5. 前記第１のスイッチ手段は、ＰＩＮダイオードであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナ。
6. 前記第１のスイッチ手段は、ＭＥＭＳスイッチであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナ。
7. 前記導体は、前記導体が接続する前記各素子間に複数設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナ。
8. 前記導体は屈曲した形状であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナ。
9. 前記第１の放射素子を中心にマトリクス状に配置され、前記第１の放射素子と同じ周波数で共振する無給電の第２の放射素子と、
   前記第２の放射素子を短絡するか否かを切り替える第２のスイッチ手段と、をさらに有し、
   前記低周波対応時には、前記第２のスイッチ手段の切り替えることでアンテナの指向性を制御することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナ。
10. 前記第２のスイッチ手段は、ＰＩＮダイオードであることを特徴とする請求項９記載のマイクロストリップアンテナ。
11. 前記第２のスイッチ手段は、ＭＥＭＳスイッチであることを特徴とする請求項９記載のマイクロストリップアンテナ。
12. 前記第２の放射素子は、１つの第２の無給電素子から構成されることを特徴とする請求項９から１１のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナ。
13. 前記第２の放射素子は、複数の第２の無給電素子と、前記無給電素子間を接続する前記導体と、から構成されることを特徴とする請求項９から１１のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナ。
14. 前記複数の第２の無給電素子のうち少なくとも１つは、前記第２のスイッチ手段を有することを特徴とする請求項１３記載のマイクロストリップアンテナ。
15. 前記第２の放射素子は、前記第１の放射素子と同一の配置構成であることを特徴とする請求項１３または１４に記載のマイクロストリップアンテナ。
16. 給電素子と、
    前記給電素子を中心にマトリクス状に配置された第１の無給電素子と、
    前記マトリクス状に配置された前記第１の無給電素子を中心にマトリクス状に複数周配置された第２の無給電素子と、
    前記給電素子、前記第１の無給電素子、前記第２の無給電素子、の各素子間を接続する導体と、
    前記第１の無給電素子を短絡するか否かを切り替える第１のスイッチ手段と、
    前記第２の無給電素子を短絡するか否かを切り替える第２のスイッチ手段と、を有し、
    前記第１のスイッチ手段及び前記第２のスイッチ手段を切り替えることで、複数周波でアンテナの指向性を制御することを特徴とするマイクロストリップアンテナ。
17. 前記給電素子と、前記第１の無給電素子と、前記第２の無給電素子と、は略同一形状であることを特徴とする請求項１６記載のマイクロストリップアンテナ。
18. 前記導体の幅は、前記導体が接続する前記各素子の対抗する辺よりも短いことを特徴とする請求項１６または１７に記載のマイクロストリップアンテナ。
19. 前記給電素子は、整合回路に接続されていることを特徴とする請求項１６から１８のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナ。
20. 前記第１のスイッチ手段は、ＰＩＮダイオードであることを特徴とする請求項１６から１９のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナ。
21. 前記第１のスイッチ手段は、ＭＥＭＳスイッチであることを特徴とする請求項１６から１９のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナ。
22. 前記第２のスイッチ手段は、ＰＩＮダイオードであることを特徴とする請求項１６から２１のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナ。
23. 前記第２のスイッチ手段は、ＭＥＭＳスイッチであることを特徴とする請求項１６から２１のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナ。
24. 前記導体は、前記導体が接続する前記各素子間に複数設けられていることを特徴とする請求項１６から２３のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナ。
25. 前記導体は屈曲した形状であることを特徴とする請求項１６から２４のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナ。
26. 請求項１から２５のいずれか１項に記載のマイクロストリップアンテナを用いた無線モジュール。
27. 請求項２６記載の無線モジュールを用いた無線システム。
28. 給電素子と、
    前記給電素子を中心にマトリクス状に配置された第１の無給電素子と、
    前記給電素子、前記第１の無給電素子、の各素子間を接続する導体と、
    前記第１の無給電素子を短絡するか否かを切り替える第１のスイッチ手段と、を有するマイクロストリップアンテナの制御方法であって、
    前記給電素子単体を共振させることで高周波に対応させ、
    前記給電素子及びマトリクス状に配置された第１の無給電素子で構成される第１の放射素子を共振させることで低周波に対応させ、
    前記高周波対応時には、前記第１のスイッチ手段の切り替えることでアンテナの指向性を制御することを特徴とするマイクロストリップアンテナの制御方法。
29. 給電素子と、
    前記給電素子を中心にマトリクス状に配置された第１の無給電素子と、
    前記給電素子、前記第１の無給電素子、の各素子間を接続する導体と、
    前記第１の無給電素子を短絡するか否かを切り替える第１のスイッチ手段と、
    前記第１の放射素子を中心にマトリクス状に配置され、前記第１の放射素子と同じ周波数で共振する無給電の第２の放射素子と、
    前記第２の放射素子を短絡するか否かを切り替える第２のスイッチ手段と、を有するマイクロストリップアンテナの制御方法であって、
    前記給電素子単体を共振させることで高周波に対応させ、
    前記給電素子及びマトリクス状に配置された第１の無給電素子で構成される第１の放射素子を共振させることで低周波に対応させ、
    前記高周波対応時には、前記第１のスイッチ手段の切り替えることでアンテナの指向性を制御し、
    前記低周波対応時には、前記第２のスイッチ手段の切り替えることでアンテナの指向性を制御することを特徴とするマイクロストリップアンテナの制御方法。
30. 給電素子と、
    前記給電素子を中心にマトリクス状に配置された第１の無給電素子と、
    前記マトリクス状に配置された前記第１の無給電素子を中心にマトリクス状に複数周配置された第２の無給電素子と、
    前記給電素子、前記第１の無給電素子、前記第２の無給電素子、の各素子間を接続する導体と、
    前記第１の無給電素子を短絡するか否かを切り替える第１のスイッチ手段と、
    前記第２の無給電素子を短絡するか否かを切り替える第２のスイッチ手段と、を有するマイクロストリップアンテナの制御方法であって、
    前記第１のスイッチ手段及び前記第２のスイッチ手段を切り替えることで、複数周波でアンテナの指向性を制御することを特徴とするマイクロストリップアンテナの制御方法。

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