JP2010119067A - アンテナ装置 - Google Patents

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Junya Muramatsu
潤哉 村松
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Abstract

【課題】同時に利用可能な複数の共振周波数帯を提供し、それらの間で独立に各帯域周波数を制御可能にすると共に、阻止帯域の周波数を任意に設定可能にすること。
【解決手段】一方の給電点p1が一端に接続された金属配線からなる第1送電部101の他端c1は、点a1,a2を両端とする第1電力分配/合成部103に接続されている。第1のループ配線部105の一端は、第1電力分配/合成部103に点a2で接続されており、その他端は、点b2にて第2電力分配/合成部104に接続されている。ただし、第1のループ配線部105の途中の接続点a2近傍には、第1リアクタンス素子Xa2が挿入されている。インダクタまたはキャパシタで構成される各リアクタンス素子Xa1,Xa2,Xb1,Xb2は、各ループ配線部の実効長を変化させる作用・効果を奏する。
【選択図】図1

Description

本発明は、互いに隔たった複数の周波数帯域に渡って共用することができる別帯域間共用の送信又は受信アンテナ装置に関する。特に、使用帯域の周波数位置を調整することができるようにしたアンテナ装置に関する。
互いに隔たった複数の周波数帯域に渡って共用することができる別帯域間共用のアンテナ装置としては、例えば下記の特許文献1に記載されているアンテナ装置が知られている。この従来装置は、金属ワイヤ間に設置されたスイッチング素子を用いて、金属ワイヤ間の導通、遮断を任意に制御し、これによって、アンテナ素子の放射部分の長さを選択的に可変制御して、アンテナの共振周波数を任意に変化させるものである。
特開2006−54639
しかしながら、上記の従来装置では、複数の金属ワイヤ間を物理的に導通/遮断することによって、組み合わされた金属ワイヤの形状や大きさに依存する各周波数帯域を選択的に利用するものである。したがって、上記の制御素子、即ち、スイッチング素子によって、電磁波を放射、受信しない個々の阻止帯域の中心周波数を自在に可変制御することはできない。また、上記の従来装置では、1つのタイミングでは、単一の周波数帯だけが利用可能なのであって、同時刻に異なる周波数帯域での通信を並行に実行することはできない。
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、共振周波数の位置が調整可能な多周波共用の送信又は受信アンテナにおいて、同時に利用可能な複数の共振周波数帯を提供し、それらの間で独立に各帯域周波数を制御可能にすると共に、電磁波を放射又は受信しない阻止帯域の周波数を任意に変更したり調整したりすることを可能にすることである。
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本第1の発明は、1面上に展開された金属配線を有するアンテナ装置であって、2点で1組の給電点からなる給電部と、一方の給電点に一端が接続され、この給電点に対して電力を分配/合成する金属配線からなる第1電力分配/合成部と、他方の給電点に一端に接続され、この給電点に対して電力を分配/合成する金属配線からなる第2電力分配/合成部と、一端が第1電力分配/合成部に接続され、他端が第2電力分配/合成部に接続されたループ状の金属配線からなる、互いに交わらない複数のループ配線部と、各ループ配線部と第1電力分配/合成部との各接続点近傍に挿入された各第1リアクタンス素子と、各ループ配線部と第2電力分配/合成部との各接続点近傍に挿入された各第2リアクタンス素子とを有し、複数のループ配線部は、対応する使用周波数が最も高いループ配線部を最も内側にして、対応する使用周波数が低くなるにつれて順次その外側に配置されていることを特徴とするアンテナ装置である。
本発明のアンテナ装置は、送信アンテナとしても、受信アンテナとしても用いることができる。第1リアクタンス素子及び第2リアクタンス素子は、それぞれ、第1電力分配/合成部及び第2電力分配/合成部と各ループ配線部との接続点に、なるべく近い点に配設されることが望ましい。最も望ましいのは、接続点である。すなわち、第1リアクタンス素子及び第2リアクタンス素子は、各ループ配線部の両端点に、配設されることが、特性を敏感に制御する観点から、最も望ましい。各ループ配線部の形状としては、同心平行な矩形、円形、多角形など任意である。
また、第1リアクタンス素子又は第2リアクタンス素子のリアクタンス成分を可変制御する可変制御手段を備えることが望ましい。可変制御手段としては、メアンダ構造のリアクタンス素子の長さを変更できるように、リアクタンス素子の経路に多数の端子を設けて、その端子と、出力端子との間をバイパスできるようすることが考えられる。キャパシタを用いる場合にも、バイパス回路で、並列又は直列接続された任意のキャパシタの端子間を短絡させることで、リアクタンスを可変することができる。さらに、バリスタなどを用いて、ダイオードの逆方向に電圧を印加して、接合容量を電気的に変化させるようにしても良い。また、可変容量ダイオード(バリスタ)と、固定のインダクタ、または、インダクタを可変できるメアンダ構造のインダクタとを直列又は並列接続しても良い。
また、第2の発明は、1面上に展開された金属配線を有するアンテナ装置であって、導体板と、導体板の上部に設けられた給電点を有した給電部と、導体板の上部に配設され、給電点に一端が接続され、この給電点に対して電力を分配/合成する金属配線からなる電力分配/合成部と、導体板の上部に導体板と離間して配設され、一端が電力分配/合成部に接続され、他端が導体板に接続されたループ状の金属配線からなる、互いに交わらない複数のループ配線部と、各ループ配線部と電力分配/合成部との各接続点近傍に挿入配設された各リアクタンス素子とを有し、複数のループ配線部は、対応する使用周波数が最も高いループ配線部を最も導体板に近い側にして、対応する使用周波数が低くなるにつれて順次その外側に配置されていることを特徴とするアンテナ装置である。
本発明は、導体板を、各ループ配線部に誘導される電磁界に分布に対するミラーとして作用されることで、第1の発明と等価な回路を実現するものである。各ループ配線部の鏡像が、導体板を中心として鏡面対称の位置に、形成されることになる。これにより、アンテナ装置を小型化することができる。この導体板は、車の車体の金属板とすることができる。この導体板は、通常は、接地して使用される。
この第2の発明においても、上記したように、リアクタンス素子のリアクタンス成分を可変制御する可変制御手段を設けることが望ましい。
以上の本発明の手段により、の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
以上の本発明によって得られる効果は以下の通りである。
即ち、本発明の第1の発明によれば、各ループ配線部毎に配設される第1リアクタンス素子及び第2リアクタンス素子のリアクタンス成分を、各ループ配線部毎に、独立して調整することにより、共振特性を変化させることができる。すなわち、2つの共振点、1つの反共振点の周波数位置を、低周波側、又は、高周波側に移動させることができる。したがって、本第1の発明によれば、隣接帯域を利用する異なるシステムに対して、各々に必要な帯域を分配することが可能な多周波共用アンテナを提供することができ、更に、阻止帯域の中心周波数を独立に調整することができるので、これによって隣接帯域への干渉を低減することができる。また、アンテナは、それだけが、自由空間に置かれた場合の特性と、そのアンテナが自動車などの金属体の付近に設置された場合の特性とは、異なる。したがって、本発明によると、アンテナが車などに設置された後に、第1リアクタンス素子又は第2リアンクタンス素子のリアクタンスを変化させることで、特性を最適に調整することかできる。
また、リアクタンスを変更できる可変制御手段を設けることで、第1の発明において、上記の調整を動的に自在に実行することができる。即ち、利用するアプリケーションシステムやアンテナ装置の設置環境などに応じて、任意に、各ループ配線部毎に配設される上記の第1リアクタンス素子及び第2リアクタンス素子のリアクタンス成分を、それぞれ、独立して動的に調整することができる。
また、本第3の発明によれば、導体板を用いた鏡像法に基づいて、第1の発明と等価なアンテナ装置を構成することができるので、アンテナ装置の低背化や小形化に効果がある。また、本発明においても、リアクタンスを変更できる可変制御手段を設けることで、第1の発明において、上記の調整を動的に自在に実行することができる。即ち、利用するアプリケーションシステムやアンテナ装置の設置環境などに応じて、任意に、各ループ配線部毎に配設される上記のリアクタンス素子リアクタンス成分を、それぞれ、独立して動的に調整することができる。
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
図1は、本実施例1のアンテナ装置100の平面図である。給電部Pは2つの給電点p1,p2からなり、ある特性インピーダンスを持った平衡伝送線路より給電される。一方の給電点p1が一端に接続された金属配線からなる第1送電部101の他端c1は、点a1,a2を両端とする第1電力分配/合成部103に接続されている。請求項の第1電力分配/合成部は、この実施例の第1電力分配/合成部103と第1送電部101とを含む概念である。また、他方の給電点p2が一端に接続された金属配線からなる第2送電部102の他端c2は、点b1,b2を両端とする第2電力分配/合成部104に接続されている。請求項の第2電力分配/合成部は、この実施例の第2電力分配/合成部104と第2送電部102とを含む概念である。第1のループ配線部105の一端は、第1電力分配/合成部103に点a2で接続されており、その他端は、点b2にて第2電力分配/合成部104に接続されている。ただし、第1のループ配線部105の途中の接続点a2近傍には、第1リアクタンス素子Xa2が挿入されている。また、第1のループ配線部105の途中の接続点b2近傍には、第2リアクタンス素子Xb2が挿入されている。第1、第2アリクタンス素子Xa2、Xb2は、接続点a2、b2、それぞれ、配設されるのが最も望ましい。
また、第2のループ配線部106の一端は、第1電力分配/合成部103に点a1で接続されており、その他端は、点b1にて第2電力分配/合成部104に接続されている。ただし、第2のループ配線部106の途中の接続点a1近傍には、第1リアクタンス素子Xa1が挿入されている。また、第2のループ配線部106の途中の接続点b1近傍には、第2リアクタンス素子Xb1が挿入されている。第1、第2アリクタンス素子Xa1、Xb1は、接続点a1、b1、それぞれ、配設されるのが最も望ましい。第2のループ配線部106は、第1のループ配線部105の外側に配置されており、第1のループ配線部105が送受信する電波よりも波長の長い電波を送受信する。
本実施例1の第1のループ配線部105及び第2のループ配線部106は、何れも正方形に近い形状をしており、第1のループ配線部105が取り扱う電波の波長λ1と第1のループ配線部105の縦横の各長さL1、W1との間にはW1=L1≒λ1/4なる関係がある。また、同様に、第2のループ配線部106が取り扱う電波の波長λ2と第2のループ配線部106の縦横の各長さL2、W2との間にはW2=L2≒λ2/4なる関係がある。そして、インダクタまたはキャパシタで構成される各リアクタンス素子Xa1,Xa2,Xb1,Xb2は、これらの実効長を変化させる作用・効果を奏する。
ここで、Xa1=Xa2=Xb1=Xb2=0jΩとした場合(リアクタンス素子なしの場合)と、Xa1=Xa2=Xb1=Xb2=100jΩとした場合(リアクタンス素子有りの場合)とを比較したシミュレーションの結果を図2、図3に示す。図2において、曲線A1は、リアクタンス素子を設けた場合の給電点p1,p2からアンテナ素子を見たインピーダンスの実部、曲線A2は、そのインピーダンスの虚部である。また、曲線B1は、リアクタンス素子を設けない場合の給電点p1,p2からアンテナ素子を見たインピーダンスの実部、曲線B2は、そのインピーダンスの虚部である。また、図3において、曲線Cは、リアクタンス素子を設けた場合の給電点p1,p2におけるリターンロス、曲線Dは、リアクタンス素子を設けない場合の給電点p1,p2におけるリターンロスである。何れの特性からも理解されるように、リアクタンス素子を設けた場合のアンテナの特性は、リアクタンス素子を設けない場合の特性を、約100MHzだけ、低周波数側にシフトしたものとなっている。このことから、共振周波数帯域や阻止帯域が、インダクタの挿入によって低周波数側に移動することが分かる。
図3のグラフでは、リアクタンス素子を設けない場合の特性では、F1点の周波数737MHzと、F2点の周波数855MHzの2つの共振周波数帯域の各中心周波数が、リアクタンス素子挿入した場合の特性では、G1点の周波数638MHzと、G2点の周波数755MHzに、それぞれ、シフトしている。これらの中心周波数におけるリターンロスは、挿入の有無に係わらず−30dB以下と非常に低い。
また、リターンロスが0dBとなっているH点で示される阻止帯域の中心周波数も、760MHzから、I点の周波数655MHzにまで、低下している。ただし、リアクタンス素子を設置しない場合の共振点における放射抵抗は150Ω、リアクタンス素子を設置した場合の放射抵抗は100Ωであり、図3のリターンロスはそれぞれの放射抵抗で規格化している。
これらのシミュレーション結果より、2つの周波数帯域で共用可能なアンテナ装置100の各共振周波数帯及び阻止帯域のそれぞれの中心周波数をリアクタンス素子の挿入によって自在にシフトさせられることが分る。また、インダクタの代わりにキャパシタを挿入した場合には、各特性グラフは、それぞれ高周波数側にシフトすることができる。
図4に、本実施例1のアンテナ装置100において、リアクタンスを独立に変化させた際のリターンロス特性について示す。ここでは、図1の各リアクタンス素子の値を以下に示す3通りに設定して、各場合におけるリターンロス特性をグラフ化した。
(ケース1)Xa1=Xb1=100jΩ,
Xa2=Xb2=100jΩ.
(ケース2)Xa1=Xb1=100jΩ,
Xa2=Xb2=130jΩ.
(ケース3)Xa1=Xb1=130jΩ,
Xa2=Xb2=100jΩ.
本図4のグラフでは、ケース1の結果を実線(曲線J)で、ケース2の結果を点線(曲線K)で、ケース3の結果を一点鎖線(曲線L)でそれぞれ示した。
ケース1は、4つのリアクタンス素子のリアクタンスを全て100jとした。
ケース2では、ケース1に対して、第1のループ配線部105上の第1リアクタンス素子Xa2と第1のループ配線部105上の第2リアクタンス素子Xb2の各リアクタンスの値を100jΩから130jΩに増加させた。
この場合、低周波数側の共振周波数帯域、即ち、第2のループ配線部106の側の共振周波数帯域には、リアクタンス素子のリアクタンスを変化させていないので、特段の変化が見られないが、リアクタンス素子の値を増加させた第1のループ配線部105の側の共振周波数帯域、即ち、高周波側の共振周波数帯域の中心周波数がM1点の周波数754MHzからM2点の周波数737MHzに低下していることが理解される。また、これに伴い、阻止帯域の中心周波数も、M3点の周波数656MHzからM4点の周波数647MHzに低下していることが理解される。
一方、ケース3では、ケース1に対して、第2のループ配線部106上の第1リアクタンス素子Xa1と第2のループ配線部106上の第2リアクタンス素子Xb1の各リアクタンスの値を100jΩから130jΩに増加させた。この場合、高周波数側の共振周波数帯域、即ち、第1のループ配線部105の側の共振周波数帯域には特段の変化が見られないが、リアクタンス素子の値を増加させた第2のループ配線部106の側の共振周波数帯域、即ち、低周波側の共振周波数帯域の中心周波数が、M5点の周波数638MHzからM6点の周波数618MHzに低下していることが分かる。また、これに伴い、阻止帯域の中心周波数も、M3点の周波数656MHzからM7点の周波数646MHzに低下していることが理解される。この様に、アンテナ装置100では、2つの共振周波数帯域の中心周波数の内の一方だけを独立にシフトさせることができることが分る。また、それに伴って、阻止帯域の中心周波数も、同じ方向に若干シフトさせることができる。
例えば、図4のリターンロス特性において、M5、M6点付近の低周波側で且つ狭い方の共振周波数帯域を車々間通信に割り当てて利用し、M1、M2点付近の高周波側で且つ広い方の共振周波数帯域を携帯電話に割り当てて利用し、これらの間の阻止帯域を他システムに割り当てるなどの利用方法などを考えることができる。また、外部の他システムとしては、例えばデジタルテレビやワイヤレスマイクなどを利用するシステムなどを想定することができる。
図5−A〜Cに、上記のアンテナ装置100のXa1、Xa2、Xb1、Xb2などに用いることができるリアクタンス素子の具体例を示す。図5−A〜Cの各図において、点α、βは、対応する各ループ配線部との接続点を示している。図5−Aのメアンダ状のインダクタには、点p1から点p6までの6つの接続点が示されている。この接続点は、ストリップ導体50と例えば半田などで接続すべき点を表しており、択一的に選択して、ストリップ導体50と接続する。この様な多岐選択によってインダクタ60の実際のインダクタンスを選択的に決定することができる。
図5−Bの回路には、バリキャップダイオードVC1〜VC4が並列に接続されていて、これらに対する直流印加電圧は、直流電源Eと可変抵抗VRの値より決定することができる。したがって、α−β間のキャパシタンスの値は、可変抵抗VRによる直流印加電圧の調整によって連続的かつ動的に決定することができる。なお、コンデンサC1,C2は、直流カット用のコンデンサであり、インダクタL1,L2は、交流カット用のインダクタである。また、各バリキャップダイオードVC1〜VC4に、個別に、独立して電圧を印加する手段を設けても良い。この場合には、各バリキャップダイオードのオンオフ制御により、全体としてのキャパシタのリアクタンスを段階的に変更することができる。また、各バリキャップダイオードVC1〜VC4に、個別独立して印加する電圧を連続して変化させるようにしても良い。この場合には、全体としてのキャパシタのリアクタンスを連続して変化させることができる。
また、図5−Cの回路には、バリキャップダイオードVC1とメアンダ状のインダクタ61との直列接続を示す。ただし、図5−Bと同様に、コンデンサC1,C2は、直流カット用のコンデンサであり、インダクタL1,L2は、交流カット用のインダクタである。例えば、この様にインダクタとキャパシタとを直列に接続して、リアクタンスの値を動的に可変制御してもよい。
図6に、本実施例2のアンテナ装置110の斜視図を示す。このアンテナ装置110は、先の実施例1のアンテナ装置100を鏡像法に基づいて再構成したものである。本アンテナ装置110の給電部は給電点p1からなり、この給電点p1には、例えば同軸ケーブルなどの不平衡な伝送線路から給電される。給電点p1は送電部101の一端に接続されており、送電部101の他端c1は、点a1,a2を両端に持つ電力分配/合成部103に接続されている。請求項の電力分配/合成部は、この実施例の電力分配/合成部103と、送電部101とを含む概念である。第1のループ配線部105′の長さは、先の実施例1のアンテナ装置100における第1のループ配線部105の半分である。その一端は、電力分配/合成部103の端部a2に接続されており、もう一方の他端は、接地された導体板109上の点d2に接続されている。ただし、第1のループ配線部105′上の途中の点a2近傍には、リアクタンス素子Xa2が挿入されている。
また、第2のループ配線部106′の長さは、先の実施例1のアンテナ装置100における第2のループ配線部106の半分である。その一端は、電力分配/合成部103の端部a1に接続されており、もう一方の他端は、導体板109上の点d1に接続されている。ただし、第2のループ配線部106′上の途中の点a1近傍には、リアクタンス素子Xa1が挿入されている。
この様なアンテナ装置110を構成すれば、イメージング法に基づいて、先の実施例1のアンテナ装置100と同様の動作をすることが保障される。
また、この様なアンテナ装置110の構成に従えば、アンテナの低背化や小形化を実現することができる。
〔その他の変形例〕
本発明の実施形態は、上記の形態に限定されるものではなく、その他にも以下に例示される様な変形を行っても良い。この様な変形や応用によっても、本発明の作用に基づいて本発明の効果を得ることができる。
(変形例1)
例えば、上記の各実施例では、ループ配線部を2重ループとしたが、ループ配線部のループ数は、何重でもよい。例えば、3重の場合には、3つの共振点、3つの反共振点を実現することができる。そして、各ループ配線部毎に配設されるリアクタンス素子のリアクタンスを可変制御することにより、これらの共振点、反共振的の周波数位置を低周波側又は高周波側に移動させることができる。これにより、阻止帯域や通過帯域を、所望の周波数位置に配置させることが可能となる。
また、実施例1ではループの形状を略正方形にしたが、ループの形状は、矩形に限定されるものではなく、例えば円形、楕円形など任意でよい。
(変形例2)
また、アンテナを構成する金属配線は、支持物のない自立したワイヤーから構成してもよいし、支持物である誘電体基板の上に形成された金属配線から構成してもよい。
実施例1のアンテナ装置100の平面図 アンテナ装置100のインピーダンス特性を示すグラフ アンテナ装置100のリターンロス特性を示すグラフ アンテナ装置100のリターンロス特性を示すグラフ リアクタンス素子の具体例を示す回路図 リアクタンス素子の具体例を示す回路図 リアクタンス素子の具体例を示す回路図 実施例2のアンテナ装置110の斜視図
符号の説明
100 : アンテナ装置
101 : 第1送電部
102 : 第2送電部
103 : 第1電力分配/合成部
104 : 第2電力分配/合成部
105 : 第1のループ配線部
106 : 第2のループ配線部
Xa2 : 第1リアクタンス素子
Xb2 : 第2リアクタンス素子
P : 給電部
p1,p2 : 給電点

Claims (4)

  1. 1面上に展開された金属配線を有するアンテナ装置であって、
    2点で1組の給電点からなる給電部と、
    一方の前記給電点に一端が接続され、この給電点に対して電力を分配/合成する金属配線からなる第1電力分配/合成部と、
    他方の前記給電点に一端に接続され、この給電点に対して電力を分配/合成する金属配線からなる第2電力分配/合成部と、
    一端が前記第1電力分配/合成部に接続され、他端が前記第2電力分配/合成部に接続されたループ状の金属配線からなる、互いに交わらない複数のループ配線部と、
    各前記ループ配線部と前記第1電力分配/合成部との各接続点近傍に挿入された各第1リアクタンス素子と、
    各前記ループ配線部と前記第2電力分配/合成部との各接続点近傍に挿入された各第2リアクタンス素子とを有し、
    前記複数のループ配線部は、対応する使用周波数が最も高いループ配線部を最も内側にして、対応する使用周波数が低くなるにつれて順次その外側に配置されている
    ことを特徴とするアンテナ装置。
  2. 前記第1リアクタンス素子又は前記第2リアクタンス素子のリアクタンス成分を可変制御する可変制御手段を有する
    ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
  3. 1面上に展開された金属配線を有するアンテナ装置であって、
    導体板と、
    前記導体板の上部に設けられた給電点を有した給電部と、
    前記導体板の上部に配設され、前記給電点に一端が接続され、この給電点に対して電力を分配/合成する金属配線からなる電力分配/合成部と、
    前記導体板の上部に導体板と離間して配設され、一端が前記電力分配/合成部に接続され、他端が前記導体板に接続されたループ状の金属配線からなる、互いに交わらない複数のループ配線部と、
    各前記ループ配線部と前記電力分配/合成部との各接続点近傍に挿入配設された各リアクタンス素子とを有し、
    前記複数のループ配線部は、対応する使用周波数が最も高いループ配線部を最も前記導体板に近い側にして、対応する使用周波数が低くなるにつれて順次その外側に配置されている
    ことを特徴とするアンテナ装置。
  4. 前記リアクタンス素子のリアクタンス成分を可変制御する可変制御手段を有する
    ことを特徴とする請求項3に記載のアンテナ装置。
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