JP2007174017A - アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】利得低下を引き起こすことなく容易に所望した周波数特性を得ることが可能なアンテナを提供する。
【解決手段】アンテナ素子１１の切り替えを行うスイッチ部１３に併設した光信号処理部１４とアンテナ基部に配置するスイッチ制御回路１６とが光導波路１７で接続され、スイッチ部１３に対する制御信号が光通信によって伝送される。スイッチ部１３がＯＮ／ＯＦＦ制御されることでアンテナ素子１１の物理的長さが変わり、周波数特性が変化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナに係り、特にアンテナ素子長の切り替えによりアンテナ特性を可変とするアンテナに関する。

近年、地上波デジタルテレビ放送の商用化が開始されたのを受けて、携帯電話、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、ポータブルテレビ、ノート型パソコン等の同放送を受信できる携帯情報端末の開発が盛んに行われている。地上波デジタルテレビ放送では、周波数帯域として、従来のアナログテレビのＶＨＦおよびＵＨＦ帯が使用される。例えば、日本では４７０〜７７０ＭＨｚのＵＨＦ帯、韓国では１７０〜２２０ＭＨｚのＶＨＦ帯である。また、上記の携帯情報端末は携帯性、すなわち小型の機器であることを特徴としているが、そのアンテナにも当然のことながら高性能であることに加えて小型化が要求されることになる。

ここで、従来のアンテナについて説明する。
一般的に、携帯情報端末のアンテナとしては、構造の簡単なモノポールアンテナが採用される。モノポールアンテナは、使用する周波数をｆ_ｃとした時、空間波長λ（＝ｃ／ｆ_ｃ；ｃは光速）の1/4の長さのアンテナ素子を用い、携帯情報端末のグラウンドをそのアンテナ地板とした構成のアンテナである。図７に、モノポールアンテナの構成図を示す。このモノポールアンテナの物理的長さは、アンテナ形状が直線状の場合、例えば日本のＵＨＦ帯（中心周波数ｆ_ｃ＝６２０ＭＨｚ）では約１４０ｍｍとなる。なお、アンテナ形状をヘリカル状にすることで、アンテナ長を短縮することが可能である。

図８は、モノポールアンテナの周波数特性を示した図である。直線状のモノポールアンテナは、比帯域Δｆ／ｆ_ｃが１０％以下であることが知られている。Δｆはアンテナの受信帯域幅である。すると、上記のＵＨＦ帯ではΔｆは６０ＭＨｚ程度となり、全放送帯域幅の３００ＭＨｚには及ばないことになる。またアンテナをヘリカル状にすると比帯域は小さくなり、Δｆも小さくなる。したがって、通常のモノポールアンテナでは、地上波デジタルテレビ放送の全帯域をカバーする広帯域受信は不可能ということになる。

これを解決する一つの手段として、モノポールアンテナにリアクタンス素子を装荷することで共振周波数を電気的に可変とし、受信周波数を所望の帯域に制御するという方法がある。図９はこの周波数可変アンテナの構成を示す図である。リアクタンス素子３１は、その特性を連続的または段階的（スイッチ的）に制御を行う関係上、制御回路が搭載されているアンテナ基部、すなわち電力供給部１５近傍に配置される（同図（ａ））。また、リアクタンス素子３１を直列に接続した場合（同図（ｂ））、コンデンサ３２を用いると元の共振周波数に対して周波数は高くなり、コイル３３を用いると逆に周波数は低くなる。

上記のモノポールアンテナにおいて、装荷したリアクタンス素子３１の容量やインダクタンスを連続的または断続的に変化させれば、図１０に示すように周波数特性が調整でき広帯域での動作が可能となる。
しかし、モノポールアンテナの基部はアンテナの共振モードにおいて最も電流分布が大きい箇所であるため、そこに装荷されたリアクタンス素子の高周波抵抗３４（図９（ｃ）参照）によって電力損失が大きくなり、その結果アンテナ利得が低下してしまうという問題があることが知られている。
特開平１１−２９８２３１号公報

そこで、利得低下を避けつつモノポールアンテナを広帯域化する他の方法として、アンテナ素子長自体を変化させる方法が従来用いられている。図１１は、本方法によるモノポールアンテナの構成を示した図である。
同図（ａ）において、アンテナ素子１１は、３本の棒状の導体１２ａ〜１２ｃとその間に設けられた２つの高周波リレースイッチ１３１によって構成される。高周波リレースイッチ１３１には、アンテナ基部内に設けられたスイッチ制御回路１６からの制御線３５が接続されている。このアンテナ素子１１は、高周波リレースイッチ１３１を適宜ＯＮ／ＯＦＦすることによって、その物理的な長さをＡ１、Ａ２、Ａ３のように切り替えることが可能である。この素子長切り替えによって、対応する３つの周波数に当該モノポールアンテナの共振周波数を同調させることができる。
なお、同図（ｂ）に示すようにＦＥＴ（電界効果トランジスタ）スイッチ１３２を使った構成や、その他高周波ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スイッチを使った構成とすることもある。
上記の方法では、高周波リレースイッチ１３１やＦＥＴスイッチ１３２はアンテナ素子の中間部に設けられているので、これらスイッチ自体を流れるアンテナ共振電流は比較的（図９（ｃ）の高周波抵抗を流れる電流と比べて）小さい。よって、スイッチのＯＮ抵抗による電力損失は小さくなるため、アンテナ利得の低下は少ない。

ところが、制御線３５は導体であるため、アンテナ素子１１を流れる共振電流によってこの制御線３５にも同様の共振電流が誘起される。すなわち、高周波的には制御線３５はアンテナ素子１１の一部と見做されることとなる。したがって、制御線３５を設けたことによってモノポールアンテナの周波数特性が変化してしまい、所望の特性が得られないということが大きな問題となっていた。
また、制御線３５の途中に高インピーダンス素子を挿入して電流の誘起を防止することも考えられるが、構造が複雑となり、当該素子による電力損失が増加することから、その実用化は難しかった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、利得低下を引き起こすことなく容易に所望した周波数特性を得ることが可能なアンテナを提供することにある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、請求項１に記載の発明は、電波を送受信するアンテナ手段と、前記アンテナ手段の周波数特性を光信号によって制御する光制御回路と、からなるアンテナである。

また、請求項２に記載の発明は、アンテナ素子の一部をなす複数の導体と、前記複数の導体の間に設けられ、導体間を電気的に接続または切断するスイッチと、光信号によって前記スイッチを操作する光制御回路と、を備えたアンテナである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のアンテナにおいて、前記光制御回路は、前記アンテナ素子から離れた位置に設けられ、前記スイッチを制御するための光信号を送出する制御手段と、前記アンテナ素子の近傍に設けられ、前記制御手段から送られた光信号を受信して電気信号に変換し、該電気信号を前記スイッチへ伝達する光信号処理手段と、前記制御手段と前記光信号処理手段を結ぶ光導波路と、を備え、前記スイッチは、前記伝達された電気信号に従って動作することを特徴とする。

本発明によれば、アンテナ素子の切り替え制御にアンテナ電流と電磁結合しない光信号を利用する光制御回路を適用したので、アンテナの性能に影響を与えることなくその周波数特性を変化させることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態による周波数可変アンテナの電気的な構成図である。同図において、アンテナ素子１１は３本の導体１２ａ〜１２ｃから構成され、各導体間にはスイッチ部１３と光信号処理部１４がそれぞれ１つずつ設けられている。各スイッチ部１３は光信号処理部１４に電気的に接続され、また各光信号処理部１４はアンテナ基部に設けられたスイッチ制御回路１６と光導波路１７によって光学的に接続される。

各スイッチ部１３のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられると、アンテナ素子１１の物理的な導体長が変わってアンテナ共振周波数が変化する。本実施形態では導体が３本であるので周波数は３つの帯域に可変可能であるが、この可変数すなわち導体の本数は必要に応じて任意の値とすることができる。
各スイッチ部１３は、スイッチ制御回路１６による制御を受けてスイッチのＯＮ／ＯＦＦ切り替えを行う。この切り替え制御のための制御信号は、スイッチ制御回路１６で生成されて同回路内に設けたＬＥＤ１６６（発光ダイオード、図５参照）から光信号として送出され、光導波路１７を通って光信号処理部１４へ伝達されて光−電気変換された後、スイッチ部１３に入力される。

図２は、上記の周波数可変アンテナの外観図である。アンテナ素子１１を構成する各導体１２ａ〜１２ｃは、プリント基板１８の表面に３個のプリントパターンとして形成される。各プリントパターンの中間には、スイッチ部１３と光信号処理部１４がワンチップモジュール化されたスイッチモジュール１９が搭載される。また、各導体１２ａ〜１２ｃとスイッチ部１３とは電気的に結合され、最下部の導体１２ａの下側端面は電力供給部１５（図示しない）に接続されている。
なお、このスイッチモジュール１９のチップサイズはおよそ５ｍｍ角程度の大きさであり、アンテナ周波数における波長に対して十分に小さいため、アンテナの性能には影響を与えない。

プリント基板１８の裏面には、樹脂で成形された光導波路１７が装備される。同図のアンテナ下部にはスイッチ制御回路１６（図示しない）が隣接して配置されており、光導波路１７の下側端面が同回路のＬＥＤ１６６と光学的に結合している。また、スイッチモジュール１９に相対する位置に光導波路１７のもう一方の端面が開口しており、プリント基板１８に開けた小孔を通して、光信号処理部１４に設けた受光ダイオード１４１（図３参照）と光学的に結合している。

図３は、光信号処理部１４の構成を示すブロック図である。
同図において、受光ダイオード１４１は、スイッチ制御回路１６から送出された光信号を受信して、光−電気変換を行う。変換された電気信号は整流ダイオード１４５によって整流され、これによって電力が取り出される。この電力は、光信号処理部１４およびスイッチ部１３の内部電源に利用される。変換された電気信号の交流成分は波形整形部１４２によって波形整形され、クロック抽出部１４４によってクロックが抽出される。また、波形整形後の信号はデータ受信部１４３に入力され、抽出されたクロックによってシフトレジスタにラッチされてアドレス検出とデータの抽出が行われる。こうして、受信した制御信号からスイッチ部１３に対するＯＮ／ＯＦＦ命令が判定されて、その結果が出力される。

図４は、スイッチ部１３の回路図である。スイッチ部１３には周知のスイッチ回路を利用する。同図（ａ）は高周波リレースイッチ１３１を適用したものであり、同図（ｂ）はＦＥＴスイッチ１３２を適用したものである。なお、図中において、ＦＥＴの直流バイアス回路は省略してある。これ以外にも、高周波ＭＥＭＳスイッチ等の一般的なスイッチ素子を用いてもよい。
光信号処理部１４から入力される前記のＯＮ／ＯＦＦ命令に従ってスイッチ１３３が開閉されると、それに応じて高周波リレースイッチ１３１やＦＥＴスイッチ１３２が開状態または閉状態となる。これにより、各導体１２ａ〜１２ｃが互いに電気的に接続され、あるいはその接続が解除され、アンテナ素子１１の長さが変化する。

図５は、スイッチ制御回路１６の構成を示すブロック図である。
データ生成部１６３は、各スイッチ部１３のＯＮ／ＯＦＦを指定する情報を受け取ると予め定められた形式に従って制御データを生成し、それをシフトレジスタ１６４にセットする。シフトレジスタ１６４は、データ転送制御部１６２からデータの転送が指示されると、セットされた制御データからクロック生成部１６１のクロックによってシリアルデータ列を生成して、ＬＥＤ駆動部１６５へ出力する。当該シリアルデータは、ＬＥＤ駆動部１６５により駆動されるＬＥＤ１６６によって光信号に変換され、光導波路１７に送出される。なお、ＬＥＤ１６６に代えてレーザダイオード（半導体レーザ）を利用することもできる。

図６は、上記のシリアルデータのフォーマットを示したものである。ここでは、一般的な非同期シリアルデータ伝送のフォーマットを利用している。データの先頭にはクロック同期のためのプリアンブルが設けられ、次いでスタートビット判定用のスタートデータ、光信号処理部１４を指定するスイッチ用アドレス、当該スイッチ部に対するＯＮ／ＯＦＦデータの順に各データが配置される。また、受信側（光信号処理部１４）では、プリアンブルにて生成したクロックでデータをラッチした後、アドレス判定を行い、自己アドレスへの命令であればＯＮ／ＯＦＦデータを取得する。

このように、本実施形態によれば、アンテナ素子１１の切り替えを行うスイッチ部１３に併設した光信号処理部１４とアンテナ基部に配置するスイッチ制御回路１６とが光導波路１７で接続され、スイッチ部１３に対する制御信号が光通信によって伝送される。これにより、制御線（光導波路１７）によるアンテナ性能への影響を生じさせることなく、アンテナの周波数特性を可変とすることができる。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、アンテナ素子１１を構成している各導体の構成は、図２に示したようなプリントパターン形成されたものに限定されず、バルクの棒状やヘリカル状の形状をしていてもよい。さらに、アンテナ素子１１の全体としての形状も、図１や図２に示したような直線形状に限定されず、平面形状など任意の形状のアンテナの一部を電気的に切り離したり、接続したりするようにすることが可能である。

また、光導波路１７は光信号の伝送に用いられるものであればその種類は問われない。例えば、シート状のポリマー光導波路やケーブル状のプラスチック光ファイバを使えば安価であるが、ガラス製の光ファイバ等も適用することができる。さらに、空間を光導波路としてもよい。

この発明は、携帯電話、ＰＤＡ、ポータブルテレビ、ラップトップコンピュータ等の携帯情報端末用のアンテナ、特に地上波デジタルテレビ放送向けの広帯域アンテナに用いて好適である。

本発明の一実施形態による周波数可変アンテナの電気的な構成図である。 図１の周波数可変アンテナの外観図である。 光信号処理部のブロック図である。 スイッチ部の回路図である。 スイッチ制御回路のブロック図である。 スイッチ制御回路から送信されるシリアルデータのフォーマットである。 従来の一般的なモノポールアンテナの構成図である。 従来の一般的なモノポールアンテナの周波数特性である。 従来の周波数可変アンテナの構成図である。 図９の周波数可変アンテナの周波数特性である。 従来の他の周波数可変アンテナの構成図である。

符号の説明

１１…アンテナ素子 １２…導体 １３…スイッチ部 １４…光信号処理部 １５…電力供給部 １６…スイッチ制御回路 １７…光導波路 １８…プリント基板 １９…スイッチモジュール ３１…リアクタンス素子 ３２…コンデンサ ３３…コイル ３４…高周波抵抗 ３５…制御線 １４１…受光ダイオード １４２…波形整形部 １４３…データ受信部 １４４…クロック抽出部 １４５…整流ダイオード １３１…高周波リレースイッチ １３２…ＦＥＴスイッチ １３３…スイッチ １６１…クロック生成部 １６２…データ転送制御部 １６３…データ生成部 １６４…シフトレジスタ １６５…ＬＥＤ駆動部 １６６…ＬＥＤ

Claims (3)

1. 電波を送受信するアンテナ手段と、
   前記アンテナ手段の周波数特性を光信号によって制御する光制御回路と、
   からなるアンテナ。
2. アンテナ素子の一部をなす複数の導体と、
   前記複数の導体の間に設けられ、導体間を電気的に接続または切断するスイッチと、
   光信号によって前記スイッチを操作する光制御回路と、
   を備えたアンテナ。
3. 前記光制御回路は、
   前記アンテナ素子から離れた位置に設けられ、前記スイッチを制御するための光信号を送出する制御手段と、
   前記アンテナ素子の近傍に設けられ、前記制御手段から送られた光信号を受信して電気信号に変換し、該電気信号を前記スイッチへ伝達する光信号処理手段と、
   前記制御手段と前記光信号処理手段を結ぶ光導波路と、
   を備え、
   前記スイッチは、前記伝達された電気信号に従って動作する
   ことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ。
   

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