JP2010245789A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】指向性可変な小型のアンテナ装置を実現すること。
【解決手段】アンテナ装置１は、接地された金属板１０を有していて、金属板１０に対して垂直に第１金属配線１１が配置され、第１金属配線１１と金属板１０との間には給電部１５が設けられている。給電部１５とは反対側の第１金属配線１１の端部には、金属板１０に対して平行に４本の直線状の第２金属配線１２が接続され、４本の金属配線１２は互いに直交している。各第２金属配線１２の、第１金属配線１１と接続している側とは反対側の端部には、第３金属配線１３がそれぞれ接続している。第３金属配線１３は、金属板１０に対して垂直であり、可変抵抗素子１４を介して金属板１０に接続している。アンテナ装置１は、波長の１／１０以下のサイズであり、可変抵抗素子１４の抵抗値を変えることにより指向性を制御することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、指向性を変化させることができるアンテナ装置に関するものであって、特に小型化が可能であることに特徴を有するものである。

指向性を変化させることができるアンテナ装置として、従来よりエスパアンテナと呼ばれるアンテナ装置が知られており、たとえば特許文献１に記載がある。この特許文献１に記載のアンテナ装置は、給電素子から１／４波長離れた位置に複数の無給電素子を配置し、各無給電素子に可変リアクタンス素子を接続した構成であり、可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることでアンテナ装置の指向性を変化させることができる。

特開２００１−２４４３１

しかし特許文献１のアンテナ装置では、給電素子と無給電素子との間隔を１／４波長とする必要があり、アンテナ装置を小型化することが困難であった。

そこで本発明の目的は、指向性を変化させることができ、かつ小型なアンテナ装置を実現することにある。

第１の発明は、ループ面が互いに角度を成すよう放射状に配置された複数のループ状金属配線と、放射状の中心に設けられ、各ループ状金属配線に給電する給電部と、各ループ状金属配線に挿入された可変インピーダンス素子と、を有することを特徴とするアンテナ装置である。

ループの形状は特に限定されるものではなく、円や楕円などの曲線で構成されるものや、三角形、四角形などの直線で構成されるものであってもよいし、曲線と直線の双方によって構成されるものであってもよい。

また、各ループ状金属配線は、そのループごとに完全に独立したものである必要はなく、一部の金属配線が共通するものであってもよい。また、接地導体を用いることで、ループ状金属配線の半分を電気的鏡像によって構成してもよい。

本発明のアンテナ装置は、送信アンテナと受信アンテナの両方に用いることができる。したがって、本明細書中で用いている「給電」の語は、受信アンテナとして本発明のアンテナ装置を用いる場合においては「受電」の意であるとして解釈する。

第２の発明は、第１の発明において、ループ状金属配線は、三角形または四角形のループ状に形成されている、ことを特徴とするアンテナ装置である。

第３の発明は、第１の発明において、ループ状金属配線は、各ループ状金属配線において共通する１辺であって給電点が設けられた直線状の第１金属配線と、第１金属配線の両端において第１金属配線に直交して接続する、互いに平行な２本の第２金属配線と、２本の第２金属配線の端部を連結し、可変インピーダンス素子が挿入された第３金属配線と、によって形成された長方形のループ状である、ことを特徴とするアンテナ装置である。

第４の発明は、第３の発明において、第２金属配線の長さは、第１金属配線および第３金属配線の長さの３〜５倍であることを特徴とするアンテナ装置である。

第５の発明は、第１の発明から第４の発明において、可変インピーダンス素子は、可変抵抗素子であることを特徴とするアンテナ装置である。

第６の発明は、第１の発明から第４の発明において、インピーダンス可変素子は、可変キャパシタ、または可変インダクタであることを特徴とするアンテナ装置である。

第７の発明は、第１の発明から第６の発明において、アンテナ装置の放射状の中心からの半径は、１／２０波長以下である、ことを特徴とするアンテナ装置である。

第８の発明は、接地導体を用いて電気的鏡像を形成することにより、第１の発明から第７の発明のアンテナ装置を構成する、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によると、あるループ状金属配線の可変インピーダンス素子によって反射された電波は、他のループ状金属配線にも伝搬する。そして、可変インピーダンス素子のインピーダンス値を変化させると、その可変インピーダンス素子による反射波の位相、振幅が変化するため、他のループ状金属配線へと伝搬する電波の位相、振幅も変化し、全体の電波の分布が変化する。そのため、可変インピーダンス素子のインピーダンス値を変化させることでアンテナ装置の指向性を変化させることができ、すべての可変インピーダンス素子のインピーダンス値を等しくすれば、無指向性にもできる。また、本発明のアンテナ装置は給電部が１つであり、複数のアンテナ素子に給電を必要とする指向性可変のアンテナ装置に比べて安価に製造することができる。また、本発明のアンテナ装置は、使用する電波の波長の１／１０以下の小型とすることができる。

実施例１のアンテナ装置１の構成を示す図。 Ａ−Ａにおけるアンテナ装置１の断面を示す図。 ｘｙ平面での放射特性を示す図。 ｘｙ平面での放射特性を示す図。 ｘｙ平面での放射特性を示す図。 実施例２のアンテナ装置２の構成を示す図。 実施例３のアンテナ装置３の構成を示す図。 実施例４のアンテナ装置４の構成を示す図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１のアンテナ装置１の構成について示した図である。また、図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。アンテナ装置１は、接地された金属板１０を有していて、金属板１０に対して垂直に直線状の第１金属配線１１が配置されている。以下説明の簡便のため、図１のように、金属板１０に垂直方向にｚ軸、金属板１０に平行な面にｘ軸とｙ軸をとる。第１金属配線１１と金属板１０との間には給電部１５が設けられている。

給電部１５とは反対側の第１金属配線１１の端部には、金属板１０に対して平行に、すなわち第１金属配線１１に直交して４本の直線状の第２金属配線１２が接続されている。この第１金属配線１１と４本の第２金属配線１２が接続する点を以下分岐点１６とする。また、４本の金属配線１２は互いに直交している。したがって、第２金属配線１２は、分岐点１６を中心として、第１金属配線１１に直交する方向に等角度の放射状に配置されている。ここで、４本の第２金属配線１２のうち、分岐点１６からｘ軸正方向に延伸するものを第２金属配線１２ａ、ｘ軸負方向に延伸するものを第２金属配線１２ｃ、ｙ軸正方向に延伸するものを第２金属配線１２ｂ、ｙ軸負方向に延伸するものを第２金属配線１２ｄとする。

各第２金属配線１２ａ〜ｄの、第１金属配線１１と接続している側とは反対側の端部には、第３金属配線１３ａ〜ｄがそれぞれ接続している。第３金属配線１３ａ〜ｄは、金属板１０に対して垂直であり、可変抵抗素子１４ａ〜ｄを介して金属板１０に接続している。

このアンテナ装置１は、第１金属配線１１、第２金属配線１２、第３金属配線１３と、金属板１０によるこれらの電気的鏡像によって、長方形状のループが４つ、給電部１５を中心として放射状に配置された構成となっていて、この長方形状のループが本発明におけるループ状金属配線に相当している。

可変抵抗素子１４は、ＳＰＤＴスイッチの入力ポートに第３金属配線１３を接続し、２つの出力ポートに１０Ωの抵抗と２５０Ωの抵抗をそれぞれ接続した構成の素子である。ＳＰＤＴスイッチの切り換えによって、第３金属配線１３に接続する抵抗を１０Ωと２５０Ωの２値に切り換えることで、抵抗値を可変としている。ＳＰＤＴスイッチは、たとえば２つのＰＩＮダイオードを用い、制御電圧によってＰＩＮダイオードのオンオフを制御することによって接続を切り換える構成である。

次に、アンテナ装置１の動作について説明する。給電部１５より供給された電波は、金属板１０と第１金属配線１１を伝搬する。第１金属配線１１を伝搬する電波は、分岐点１６から４本の第２金属配線１２ａ〜ｄへと伝搬し、さらに第３金属配線１３ａ〜ｄへと伝搬していく。この伝搬中において電波は少しずつ漏洩して放射される。放射される電波は、その放射の場所により位相が異なり、複数の離散的なアレーアンテナに位相差給電するのと等価であり、指向性を形成する。

伝搬中に放射されなかった電波は、可変抵抗素子１４に到達し、反射、吸収される。反射された電波は、分岐点１６から第１金属配線１１や他の３本の第２金属配線１２側に伝搬していき、電波の分布を変化させる。すなわち、第２金属配線１２および第３金属配線１３における電波の分布は、給電部１５より給電され分岐点１６において分岐して各可変抵抗素子１４ａ〜ｄへと伝搬する電波と、可変抵抗素子１４によって反射された電波と、可変抵抗素子１４によって反射され分岐点１６において分岐されて他の可変抵抗素子１４へと伝搬する電波と、によって決定される。また、第１金属配線１１における電波の分布は、給電部１５より給電された電波と、可変抵抗素子１４によって反射されて分岐点１６から給電部１５側へと伝送する電波と、によって決定される。これらの電波の分布によって、アンテナ装置１の放射特性が決定される。

可変抵抗素子１４の抵抗値が変わると、反射量、吸収量が変化する。そのため、反射された電波が分岐点１６において第１金属配線１１や他の３本の第３金属配線１３へと伝搬する量にも変化を生じる。この結果、アンテナ装置１全体の電波の分布も変化し、放射特性も変化する。

図３〜５は、アンテナ装置１のｘｙ平面での放射特性についてシミュレーションにより求めた結果である。このシミュレーションにおいて、第１金属配線１１および第３金属配線１３の長さＨを３ｃｍ、第２金属配線１２の長さＷを７ｃｍとし、解析周波数は３１５ＭＨｚ（波長約９５ｃｍ）とした。

図３は、可変抵抗素子１４ａ、１４ｂ、１４ｄを１０Ω、可変抵抗素子１４ｃを２５０Ωとした場合である。４つの可変抵抗素子１４の抵抗値をこのように選択することにより、ＦＢ比、ＦＳ比ともに約３ｄＢで、可変抵抗素子１４ｃから可変抵抗素子１４ａに向かう方向（ｘ軸正方向）に向いた指向性ビームを形成できることがわかる。

図４は、可変抵抗素子１４ａ、１４ｃ、１４ｄを１０Ω、可変抵抗素子１４ｂを２５０Ωとした場合である。この場合も図３と同じように、ＦＢ比、ＦＳ比ともに約３ｄＢで、可変抵抗素子１４ｂから可変抵抗素子１４ｄに向かう方向（ｙ軸負方向）に向いた指向性ビームを形成できることがわかる。

この図３、図４から、４つの可変抵抗素子１４の抵抗値を変更することにより、ｘ軸正負方向、ｙ軸正負方向の４方向の指向性ビームを形成することができることがわかる。

また、図５は、４つの可変抵抗素子１４ａ〜ｄの抵抗値をすべて１０Ωとした場合である。各可変抵抗素子１４ａ〜ｄによる反射量はいずれも等しいので電波の分布は対称となり、図５のように、放射特性は無指向性となる。

以上のように、実施例１のアンテナ装置１は、可変抵抗素子１４の抵抗値を変えることで４方向にビームを切り換えることができ、また無指向性とすることもできる。また、第２金属配線１２の長さは７ｃｍであり、第１金属配線１１および第３金属配線１３の長さは３ｃｍであるから、波長（約９５ｃｍ）の１／１０以下のサイズで指向性可変とすることができている。

なお、第２金属配線１２の長さは、使用する周波数帯域の波長の１／２０以下とすることが望ましい。指向性ビームの形成が容易となるからである。また、第２金属配線１２の長さＷは、第１金属配線１１および第３金属配線１３の長さＨの３〜５倍とすることが望ましい。より鋭い指向性ビームを形成することができるからである。

図６は、実施例２のアンテナ装置２の構成を示す図である。アンテナ装置２は、第１金属配線１１、第２金属配線１２に替えて、給電部１５と、各第３金属配線１３ａ〜ｄの金属板１０側とは反対側の端部とを結ぶ第４金属配線２０ａ〜ｄを設けた構成である。このアンテナ装置２は、第４金属配線２０、第３金属配線１３と、金属板１０によるこれらの電気的鏡像によって、三角形状のループが４つ、給電部１５を中心として放射状に配置された構成となっている。

このアンテナ装置２では、給電部１５より供給された電波は、第４金属配線に伝搬し、さらに第３金属配線へと伝搬する。そして、可変抵抗素子１４によって反射された電波は、給電部１５を介して他の３本の第４金属配線２０へと伝搬する。したがって、アンテナ装置１と同様に、可変抵抗素子１４の抵抗値を変えることで、全体の電波の分布も変化させることができ、放射特性を変化させることができる。また、アンテナ装置２は、アンテナ装置１と同様に、使用する周波数帯域の波長の１／１０以下のサイズで指向性可変とすることができる。

図７は、実施例３のアンテナ装置３の構成を示す図である。アンテナ装置３は、アンテナ装置１において、第２金属配線１２を分岐点１６とは反対側の端部で２本の第５金属配線３０に分岐させたものである。さらに、第５金属配線３０の端部においてそれぞれ接続し、金属板１０に垂直な第６金属配線３１を設け、各第６金属配線３１を可変抵抗素子３４を介して金属板１０に接続したものである。

このアンテナ装置３では、可変抵抗素子３４によって反射された電波は、分岐点１６だけでなく、第２金属配線１２と第５金属配線３０との接続点においても分岐して伝搬し、電波の分布を変化させる。したがって、アンテナ装置１と同様に、可変抵抗素子３４の抵抗値を変えることで全体の電波の分布が変化するので、放射特性を変化させることができる。特に、第２金属配線１２を分岐させて８本の第５金属配線３０を設け、それぞれに可変抵抗素子３４を設けているため、実施例１のアンテナ装置１よりも細かな指向性の制御が可能となっている。また、このアンテナ装置４もアンテナ装置１と同様に、使用する周波数帯域の波長の１／１０以下のサイズで指向性可変とすることができる。

なお、アンテナ装置３では第２金属配線１２を２つに分岐させているが、３以上に分岐させてもよく、分岐の角度は任意でよい。

図８は、実施例４のアンテナ装置４の構成を示す図である。アンテナ装置４は、アンテナ装置１において第２金属配線１２と第３金属配線１３の接続点４１間を接続する４本の第７金属配線４０を設けたものである。第７金属配線４０は、金属板１０に平行で、かつ第２金属配線１２に対して４５度の角度を成している。

このアンテナ装置４では、可変抵抗素子１４によって反射された電波は、分岐点１６だけでなく、接続点４１においても分岐して伝搬し、電波の分布を変化させる。したがって、アンテナ装置１と同様に、可変抵抗素子１４の抵抗値を変えることで全体の電波の分布が変化するので、放射特性を変化させることができる。また、このアンテナ装置４もアンテナ装置１と同様に、使用する周波数帯域の波長の１／１０以下のサイズで指向性可変とすることができる。

なお、いずれの実施例も、金属配線と金属板による電気的鏡像とによってループを形成しているが、金属板を用いずに金属配線のみによってループを形成してもよい。

また、いずれの実施例も、給電部１５を中心として放射状に４つのループ状金属配線を設けた構成としているが、ループの数は、２以上であればよく、それぞれのループの成す角は等しくなくてもよい。ループの数をｎとすれば、可変抵抗素子の抵抗値を適当に選ぶことでｎ以下の方向の指向性ビームと、無指向性とを切り換え可能なアンテナ装置を実現することができる。

また、いずれの実施例もループを直線によって構成しているが、曲線によって構成してもよく、直線と曲線の双方を含んでいてもよい。

また、いずれの実施例においても、必ずしも可変抵抗素子を用いる必要はなく、インピーダンス可変な素子であればよい。たとえば、金属配線に直列、もしくは並列に可変キャパシタや可変インダクタを接続してもよい。

本発明のアンテナ装置は、無線通信に用いることができる。

１０：金属板
１１：第１金属配線
１２：第２金属配線
１３：第３金属配線
１４：可変抵抗素子
１５：給電点

Claims (8)

1. ループ面が互いに角度を成すよう放射状に配置された複数のループ状金属配線と、
   放射状の中心に設けられ、各前記ループ状金属配線に給電する給電部と、
   各前記ループ状金属配線に挿入された可変インピーダンス素子と、
   を有することを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記ループ状金属配線は、三角形または四角形のループ状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記ループ状金属配線は、
   各前記ループ状金属配線において共通する１辺であって給電点が設けられた直線状の第１金属配線と、
   前記第１金属配線の両端において前記第１金属配線に直交して接続する、互いに平行な２本の第２金属配線と、
   ２本の前記第２金属配線の端部を連結し、前記インピーダンス可変素子が挿入された第３金属配線と、
   によって形成された長方形のループ状である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 前記第２金属配線の長さは、前記第１金属配線および前記第３金属配線の長さの３〜５倍であることを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記可変インピーダンス素子は、可変抵抗素子であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
6. 前記可変インピーダンス素子は、可変キャパシタ、または可変インダクタであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
7. 前記アンテナ装置の放射状の中心からの半径は、１／２０波長以下である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
8. 接地導体を用いて電気的鏡像を形成することにより、請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のアンテナ装置を構成する、
   ことを特徴とするアンテナ装置。

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