JP2011135425A

JP2011135425A - アンテナ装置

Info

Publication number: JP2011135425A
Application number: JP2009294156A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Nagoshi; 方彦名越; Wataru Noguchi; 渡野口; Hiroyuki Yurugi; 弘之万木
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2011-07-07

Abstract

【課題】偏波ダイバーシチアンテナの構成において、送受信端末が上下階間で対角線の位置関係にある場合は、ダイバーシチ効果が十分に得られる構成ではないという課題があった。
【解決手段】従来の課題を解決するために、本発明では、各アンテナの設置方向をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各々に対して角度を傾けることにより、いずれのアンテナでも垂直、水平偏波の双方を受信しやすい構成とする。そのため、反射や回折により、偏波の変動した電波に対応しやすくなる。
また、送受信端末が上下階間で対角線の位置関係にある場合、角度を傾ける、特に４５度に傾けることにより、相手先の送受信端末の設置方向に対して、アンテナの放射パターンの最大方向が合致するため、受信信号レベルが向上する。
【選択図】図２

Description

本発明は、偏波ダイバーシチアンテナの構成方法に関するものである。

偏波ダイバーシチアンテナの従来の構成例として、特許文献１に示すアンテナがある。図９は、特許文献１におけるアンテナ装置の一構成図である。

図９に示すアンテナ装置は、無線回路基板１１上に送受信する電波の偏波面が互いに異なる２つのアンテナ１、アンテナ２と、アンテナ１、アンテナ２が取り付けられる筐体の向きを検出する傾斜センサ１５と、傾斜センサ１５が検出する筐体の向きに応じて、２つのアンテナのうち、通信相手の無線装置が送受信する電波の偏波面に対応するアンテナを選択して送受信回路１３に接続する選択手段１２とを備える。

特許文献１のアンテナ装置は、複数のアンテナが取り付けられる筐体の向きを検出し、その向きに応じて通信相手の無線装置が送受信する電波の偏波面に対応するアンテナを選択することにより、双方のアンテナの偏波面を合わせることができる。すなわち、従来のように受信電力を検出してアンテナ切り替えを行う構成に比べて、低消費電力な回路構成により簡単に送受信間の偏波面を合わせることができる。

また、偏波ダイバーシチアンテナの他の構成例として、特許文献２に示すアンテナ装置がある。図１０は、特許文献２におけるアンテナ装置の一構成図である。

図１０に示すアンテナ装置を備えた移動通信端末２０は、３次元空間における通信を考慮した放射パターンを有する複数個のアンテナ２１，２２，２３，２４，２５，２６と、この複数個のアンテナ２１，２２，２３，２４，２５，２６の各々から得られる受信強度情報により最適なアンテナを選択する選択手段とを具備するものである。すなわち、地面に対して水平方向で無指向性となる放射パターンを有するアンテナと、地面に対して垂直方向上方で最大となる放射パターンを有するアンテナと、地面に対して垂直方向下方で最大となる放射パターンを有するアンテナとより成るダイバーシチアンテナシステムを具備するものである。

特許文献２によれば、３次元空間における通信を考慮した放射パターンを有する複数個のアンテナを具備し、受信レベルを判断して、最適なアンテナを選択するようにしているので、指向性ダイバーシチ効果が得られ、例えば家庭内において、上下階間での通信等の３次元空間において良好な通信が実現できる。

特開２００６−２５２２３号公報特開２００１−２８５６０号公報

ところで、家電製品や窓のサッシなど金属反射物が多数存在する一般家屋、航空機や列車など金属で囲まれた環境では、垂直偏波で送信された電波が反射や回折により、水平偏波や斜め向きの偏波などに変動する場合がある。

しかしながら、特許文献１では、アンテナ装置を有する機器として、設置方向が一定でないポータブル機器が想定されており、各アンテナが対応する偏波は機器の設置方向によって変動するため、最適な配置ではない場合があった。

特許文献２では、水平面内に拡がる垂直偏波、または、地面に対して垂直方向上方及び下方で夫々最大となる放射パターンであるため、送受信端末が上下階間で対角線の位置関係にある場合は、送受信端末間の直線距離が最も長く、受信信号レベルが最も厳しくなり、ダイバーシチ効果が十分に得られないという問題があった。

本発明は、アンテナの偏波を最適な組合せとし、偏波ダイバーシチ効果を向上させるアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明のアンテナ装置、各アンテナの設置方向をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各々に対して角度を傾けることにより、いずれのアンテナでも垂直、水平偏波の双方を受信しやすい構成とする。

本発明の請求項１に係るアンテナ装置は、基板上に互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に各々配置された３つのアンテナと、前記３つのアンテナの受信状態を検出する受信状態検出部と、前記受信状態検出部により検出された各アンテナの受信状態のうち、最も受信状態の良いアンテナを受信アンテナとして選択する制御部と、前記制御部が選択したアンテナへ信号経路を選択して切り替える切替回路とを備え、前記３つのアンテナは、それぞれ前記基板に対して所定の角度を傾けて設置する。

また、請求項１に係るアンテナ装置において、前記Ｘ軸方向に配置されたアンテナと、前記Ｙ軸方向に配置されたアンテナは、ＸＹ平面に対して約４５度傾けて設置する。

また、請求項１に係るアンテナ装置において前記Ｚ軸方向に配置されたアンテナは、ＺＸ面に対して約４５度傾けて設置する。

また、請求項１に係るアンテナ装置において前記Ｘ軸方向に配置されたアンテナと、前記Ｙ軸方向に配置されたアンテナは、ＸＹ平面に対して約４５度傾けて設置し、前記Ｚ軸方向に配置されたアンテナは、ＺＸ面に対して約４５度傾けて設置する。

また、本発明のアンテナ装置において、前記受信状態検出部で検出するアンテナの受信状態は受信信号強度である。

また、前記受信状態検出部で検出するアンテナの受信状態はパケット誤り率である。

また、前記受信状態検出部で検出するアンテナの受信状態は物理レートである。

また、前記受信状態検出部で検出するアンテナの受信状態はパケットロスである。

また、前記受信状態検出部で検出するアンテナの受信状態は受信信号強度、パケット誤り率、物理レート、パケットロスのいずれかの組み合わせである。

本発明のアンテナ装置によれば、反射や回折によって偏波の変動した電波に対応しやすくなり、偏波ダイバーシチ効果の最大化をすることが可能となる。

また、相手先の送受信端末の設置方向に対して、アンテナの放射パターンの最大方向が合致するため、受信信号レベルが向上する。

また、相手先の送受信端末も同様のアンテナである場合、偏波ダイバーシチ効果が更に向上する。

本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の一構成例を示した図本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の設置例を３次元平面状に示した図２階建て一般家屋における、本実施の形態のアンテナ装置を有する機器の設置例を示す図本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の偏波の放射パターンを示す図本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の偏波の放射パターンを示す図２階建て一般家屋における、本実施の形態のアンテナ装置を有する機器の他の設置例を示す図本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の偏波の放射パターンを示す図本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の偏波の放射パターンを示す図従来のアンテナ装置の構成図従来の他のアンテナ装置の構成図

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるアンテナ装置の一構成例を示した構成図である。

図１において、本実施の形態のアンテナ装置は、第１アンテナ素子３１、第２アンテナ素子３２、第３アンテナ素子３３、アンテナ基板３４、ＧＮＤ３５、受信状態検出部３６、制御部３７、切替回路３８で構成されている。

アンテナ基板３４はＦＲ４（ＦｌａｍｅＲｅｔａｒｄａｎｔＴｙｐｅ４）やテフロン（登録商標）などを用いた回路基板である。ＧＮＤ３５（図１における塗りつぶし部分）はアンテナ基板３４に設けられたＧＮＤ面である。

第１アンテナ素子３１、第２アンテナ素子３２は、アンテナ基板３４に配置された逆Ｆ型の基板パターンアンテナである。第３アンテナ素子３３は、アンテナ基板３４に対して、垂直に設置された逆Ｆ型のアンテナであり、板金や樹脂などで構成される。図１に示すように、第１アンテナ素子３１、第２アンテナ素子３２、第３アンテナ素子３３は、互いに直交する配置に設置されている。互いに直交する配置とすることにより、互いのアンテナに対する相関が最も低くなるため、各々のアンテナに対する影響が最も小さく、偏波ダイバーシチ効果が高くなる。

なお、本実施の形態では、第１アンテナ素子３１、第２アンテナ素子３２、および第３アンテナ素子３３を逆Ｆ型のアンテナとしたが、これに限定するものではなく、異なる形状や材質のアンテナを使用しても上記の概念は損なわれない。

受信状態検出部３６は、アンテナ素子の受信状態（受信性能）を常時、もしくは所定の間隔など、予め設定された条件で検出し、検出結果を制御部３７に出力する。受信状態は受信信号強度（ＲＳＳＩ：ＲｅｃｅｉｖｅｄＳｉｇｎａｌＳｔｒｅｎｇｔｈＩｎｄｉｃａｔｏｒ）、物理レート（ＰＨＹｒａｔｅ：ＰｈｙｓｉｃａｌＬａｙｅｒｒａｔｅ）、パケットロス（ＰａｃｋｅｔＬｏｓｓ）、パケット誤り率（ＰＥＲ：ＰａｃｋｅｔＥｒｒｏｒＲａｔｅ）等で判定される。

制御部３７は、受信状態検出部３６が検出した各アンテナの受信状態の中で、最も受信状態の良いアンテナを選択する制御を行う。アンテナの選択タイミングは、例えば、所定の期間、同じアンテナ素子の受信状態が良好であるなど、予め定めた条件に一致するかどうかで決定する。切替回路３８は、第１アンテナ素子３１、第２アンテナ素子３２、第３アンテナ素子３３の各々に接続され、制御部３７で選択されたアンテナへ信号経路を選択して切り替える。

図２は、本実施の形態におけるアンテナ装置の設置例を３次元平面状に示した図である。図２において、直交座標はＸ、Ｙ、Ｚで示しており、０は座標原点である。Ｘ軸は手前が正（＋；プラス）方向、奥が負（−；マイナス）方向を示し、Ｙ軸は右方が正（＋；プラス）方向、左方が負（−；マイナス）方向、Ｚ軸は上方が正（＋；プラス）方向、下方が負（−；マイナス）方向を示す。

図２に示すように、本実施の形態における第１アンテナ素子３１、第２アンテナ素子３２は、ＺＸ面に対して、角度φの傾きを持って配置される。さらにアンテナ基板３４は、ＸＹ面に対して、角度θの傾きを持って配置される。

図３は、２階建て一般家屋における、本実施の形態のアンテナ装置を有する機器の設置例を示した図である。

図３に示すように、一般家屋５１の１階にＡＰ（アクセスポイント）５２が設置されており、対角線上に位置する２階の部屋にステーション端末５３が設置されている。図３において、図１、図２と同じ構成要素に対しては、同符号を付与し、説明を省略する。図３において、ステーション端末５３は、図１に示すアンテナ装置を有し、ＡＰ５２と無線通信を行う機器である。

本実施の形態では、第１アンテナ素子３１、第２アンテナ素子３２、第３アンテナ素子３３として逆Ｆ型アンテナを用いている。逆Ｆ型アンテナはＧＮＤ面３５（アンテナ基板３４）に対して、垂直方向の偏波を持ち、最大放射方向は偏波に対して直交する面となる。

図４に、図２に示すアンテナ装置がアンテナ基板３４とＸＹ面との角度θが０度で、角度φが４５度である場合の各アンテナ素子の偏波の放射パターンを示す。この場合、図４に示すように、第１アンテナ素子３１の放射パターン４１、第２アンテナ素子３２の放射パターン４２は、ＺＸ面に水平に広がる放射パターンとなる。また、第３アンテナ素子３３の放射パターン４３は、ＸＹ面、すなわちアンテナ基板３４に対して垂直方向の偏波、垂直偏波となる。また偏波の最大放射方向はＸＹ面に拡がるパターンとなる。

図４のような場合は、各アンテナ素子の偏波の最大放射方向はＡＰ５２の方向にはないので、受信信号レベルは低く、ＡＰ５２とステーション端末５３の無線通信はうまく行えないものとなる。

図５に、図３において、ＧＮＤ面３５とＸＹ面との角度θが４５度、かつ、ＺＸ面に対する傾きφが４５度である場合の各アンテナ素子の偏波の放射パターンを示す。

図５に示すように、第１アンテナ素子の放射パターン５４は、図４の放射パターン４１をＺＸ平面に対して４５度傾けたパターンとなる。また、第２アンテナ素子の放射パターン５５は、図４の放射パターン４２をＺＸ平面に対して、−４５度傾けたパターンとなる。さらに、第３アンテナ素子の放射パターン５６は、アンテナ基板３４に対して水平なパターン、すなわち、図４の放射パターン４３をＸＹ平面に対して４５度傾けたパターンとなる。

このように、ＺＸ面に対する傾きφだけでなく、ＸＹ面に対する傾きθを４５度とすると、第１アンテナ素子３１の最大放射方向はＡＰ５２の方向に合致することから、受信信号レベルが高くなり、通信距離が長くなる効果がある。

本実施の形態のアンテナ装置によれば、ＡＰ５２とアンテナ装置を備えた機器５３が対角線に配置されている場合に、ＺＸ面に対する傾きφと、ＸＹ面に対する傾きθを４５度とすると、通信エリアが広くなる効果がある。

（実施の形態２）
図６は２階建て一般家屋（模式図）における、本実施の形態のアンテナ装置の他の設置例を示した図である。図６において、図３と同じ構成要素に対しては、同符号を付与し、説明を省略する。図６の設置例は、ステーション端末５３の配置がＡＰ５２の真上となる場合である。

図７に第１アンテナ素子３１、第２アンテナ素子３２において、ＧＮＤ面３５とＸＹ面との角度θが０度、かつ、ＺＸ面に対する傾きφが４５度である場合の各アンテナ素子の偏波の放射パターンを示す。図７に示すように、第１アンテナ素子３１の放射パターン７１、第２アンテナ素子３２の放射パターン７２は、ＺＸ面に水平に広がる放射パターンとなる。また、第３アンテナ素子３３の放射パターン７３は、ＸＹ面、すなわちＧＮＤ面３５に対して垂直方向の偏波、垂直偏波となる。また偏波の最大放射方向はＸＹ面に拡がるパターンとなる。

図７に示すように、第１アンテナ素子３１の偏波パターン７１、第２アンテナ素子３２の偏波パターン７２は、ＡＰ５２の方向に合致することから、制御部３７は、受信状態検出部３６の検出結果より、第１アンテナ素子３１、第２アンテナ素子３２のうち、受信状態が良い方を選択するよう、切替回路３８を制御する。切替回路３８は制御部３７の制御に従って、アンテナ素子を選択する。

図８に、第１アンテナ素子３１、第２アンテナ素子３２のＧＮＤ面３５とＸＹ面との角度θ、ＺＸ面に対する傾きφを共に４５度にした場合の各アンテナ素子の偏波パターンを示す。

図８に示すように、第１アンテナ素子３１の偏波パターン８１、第２アンテナ素子３２の偏波パターン８２、第３アンテナ素子３３の偏波パターン８３は、全てＡＰ５２の方向に合致することから、制御部３７は、受信状態検出部３６の検出結果より、第１アンテナ素子３１、第２アンテナ素子３２、第３アンテナ素子３３のうち、受信状態が良い方を選択するよう、切替回路３８を制御する。切替回路３８は制御部３７の制御に従って、アンテナ素子を選択する。

家電製品や窓のサッシなど金属反射物が多数存在する一般家屋、航空機や列車など金属で囲まれた環境では、垂直偏波で送信された電波が反射や回折により、水平偏波や斜め向きの偏波などに変動する場合がある。この場合、図８に示すように、ＺＸ面に対する傾きφを４５度、ＸＹ面に対する傾きθを４５度とすると、第１アンテナ素子３１、第２アンテナ素子３２、第３アンテナ素子３３のいずれのアンテナでも垂直、水平偏波の双方を受信しやすい構成となる。そのため、反射や回折により、偏波が垂直、または、水平のいずれの偏波に変動した場合でも受信しやすくなる。

本実施の形態におけるアンテナ装置によれば、偏波が反射や回折により変動する環境に対応し、２階建て以上の建物における通信エリアを拡大する偏波ダイバーシチアンテナを構成できる。

なお、実施の形態１、実施の形態２において、傾きφ、傾きφを共に４５度に設定したが、４５度近傍の傾きに設定しても同様の効果が得られる。

本発明にかかるアンテナ構成方法は、無線通信における通信性能の向上技術として有用である。

３１第１アンテナ素子
３２第２アンテナ素子
３３第３アンテナ素子
３４アンテナ基板
３５ＧＮＤ
３６受信状態検出部
３７制御部
３８アンテナ切替回路

Claims

基板上に互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に各々配置された３つのアンテナと、
前記３つのアンテナの受信状態を検出する受信状態検出部と、
前記受信状態検出部により検出された各アンテナの受信状態のうち、最も受信状態の良いアンテナを受信アンテナとして選択する制御部と、
前記制御部が選択したアンテナへ信号経路を選択して切り替える切替回路とを備え、
前記３つのアンテナは、それぞれ前記基板に対して所定の角度を傾けて設置するアンテナ装置。
前記Ｘ軸方向に配置されたアンテナと、前記Ｙ軸方向に配置されたアンテナは、ＸＹ平面に対して約４５度傾けて設置する請求項１記載のアンテナ装置。
前記Ｚ軸方向に配置されたアンテナは、ＺＸ面に対して約４５度傾けて設置する請求項１記載のアンテナ装置。
前記Ｘ軸方向に配置されたアンテナと、前記Ｙ軸方向に配置されたアンテナは、ＸＹ平面に対して約４５度傾けて設置し、前記Ｚ軸方向に配置されたアンテナは、ＺＸ面に対して約４５度傾けて設置する請求項１記載のアンテナ装置。
前記受信状態検出部で検出するアンテナの受信状態は受信信号強度である請求項１ないし請求項４記載のアンテナ装置。
前記受信状態検出部で検出するアンテナの受信状態はパケット誤り率である請求項１ないし請求項４記載のアンテナ装置。
前記受信状態検出部で検出するアンテナの受信状態は物理レートである請求項１ないし請求項４記載のアンテナ装置。
前記受信状態検出部で検出するアンテナの受信状態はパケットロスである請求項１ないし請求項４記載のアンテナ装置。
前記受信状態検出部で検出するアンテナの受信状態は受信信号強度、パケット誤り率、物理レート、パケットロスのいずれかの組み合わせである請求項１ないし請求項４記載のアンテナ装置。