JP2012186562A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型無線端末においてパターンダイバーシチ効果を得る。
【解決手段】アンテナ装置は、第１導体と、第２導体と、給電部と、スイッチとを含む。第１導体は面状であり開口部を有する。第２導体は第１導体の面を前記開口部に仮想的に延長した延長面と交わる。給電部は第２導体に電力を供給する。スイッチは、第２導体に流れる電流の向きを変化させる。第２導体に流れる電流と第１導体に誘起される電流とのベクトル和が、スイッチの切り替えによって異なるように配置される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、アンテナ装置に関する。

アンテナを設置するスペースが限られている小型無線端末において通信品質を向上させるためには、１つのアンテナで放射パターンを切り替え、ダイバーシチ利得が得られることが望ましい。また、電池駆動などの理由から低消費電力での動作が求められる無線端末が増えており、スイッチなどのアクティブ素子は、可能な限り少数の使用でダイバーシチ効果を実現することが望ましい。

従来、スイッチを用いてアンテナとグランドとの短絡位置を切り替え、主偏波を切り替えることが出来るアンテナが知られている。

特開２０００−７７９３４号公報

しかしながら、アンテナの放射パターンの主方向を切り替えることが出来ず、パターンダイバーシチの効果を得ることができないという課題がある。またスイッチを２つ以上使用する必要があり、消費電力ならびにコストの観点から課題がある。

本発明が解決しようとする課題は、小型無線端末においてパターンダイバーシチ効果を得ることができるアンテナ装置を提供することである。

実施形態によれば、アンテナ装置は、第１導体と、第２導体と、給電部と、スイッチとを含む。第１導体は面状であり開口部を有する。第２導体は第１導体の面を前記開口部に仮想的に延長した延長面と交わる。給電部は第２導体に電力を供給する。スイッチは、第２導体に流れる電流の向きを変化させる。第２導体に流れる電流と第１導体に誘起される電流とのベクトル和が、スイッチの切り替えによって異なるように配置される。

第１の実施形態に係わるアンテナ装置を示す図。 アンテナ装置の電流分布を説明するための図。 アンテナ装置の電流分布を説明するための図。 図１のアンテナ装置の放射パターンの解析結果を示す図（（ａ）と（ｂ）で給電部の接続先が異なる）。 第１の実施形態に係わるアンテナ装置の第１の変形例を示す図。 第１の実施形態に係わるアンテナ装置の第２の変形例を示す図。 第１の実施形態に係わるアンテナ装置において不要な共振が生じる場合を説明するための図。 第１の実施形態に係わるアンテナ装置において放射パターンの変化が失われる場合を説明するための図。 第２の実施形態に係わるアンテナ装置を示す図。 第１の実施形態および第２の実施形態に係わるアンテナ装置のＶＳＷＲを示す図。 第３の実施形態に係わるアンテナ装置を示す図。 第２の実施形態および第３の実施形態に係わるアンテナ装置のＶＳＷＲを示す図。 第３の実施形態に係わるアンテナ装置を示す図。 電池駆動する小型無線通信端末に実施形態に係わるアンテナ装置を設置した態様を示す図。

以下、図面を参照しながら実施形態に係るアンテナ装置について詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。
実施形態では特に放射パターンを変化させるダイバーシチアンテナに関して説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態のアンテナ装置は図１に示すように、給電部１０１、開口部１０３を有する導体１０２、導体１０４、およびスイッチ１０５を含む。図１は、第１の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図である。
給電部１０１はスイッチ１０５を介して導体１０４に電力を供給する。

導体１０２は、開口部１０３を有している導体であるが、その他の形状、大きさに制限はないが、例えば面状の形状を有する。導体１０２は通常接地されている。

導体１０４は有限の大きさを持つ導体であり、通常、開口部１０３の内部に配置する。導体１０４は２つの端点を有していて通常屈曲している。導体１０４の形状は通常、線状または板状であるが、任意の形状でも構わない。導体１０４は例えばフィルム状の導体を用いたフレキシブルな導体でもよい。導体１０４は導体１０２の面を開口部１０３に仮想的に延長した延長面と交わる。例えば導体１０２が平面状の板状導体である場合、導体１０４はこの平面に垂直に交わるように配置する。このように導体１０４を配置することで、導体１０４は導体１０２から離れる部分が多くなり、導体１０４がアンテナとして放射効率を向上させることができる。

スイッチ１０５は導体１０４に流れる電流の向きを変化させる。スイッチ１０５は、給電部１０１と導体１０４の２つの端点のいずれか一方とを接続し、給電部１０１から導体１０４に電力を供給する。スイッチ１０５は給電部１０１から電力を供給する端点を切り替える。スイッチ１０５は、例えば半導体スイッチやＣＭＯＳスイッチなどを利用することができ、１つの入力ポートと２つの出力ポートを有するＳＰＤＴ（single-pole double-throw）構成のスイッチで十分であり、低消費電力で動作させることができる。スイッチ１０５と接続する導体１０４の２つの端点の距離がいずれであっても、放射パターンの主方向を切り替えることはできる。しかしながら、これら端点の距離が大きいほど切り替え前後の放射パターンの主方向の変化度合いが大きくなる。
導体１０４は、導体１０４に流れる電流と導体１０２に誘起される電流とのベクトル和が、スイッチ１０５の切り替えによって異なるように配置される。

続いて、アンテナ装置の動作原理について図２Ａ、図２Ｂ、図３を参照して説明する。
アンテナ装置は、導体１０４の電気長Ｌ（スイッチ１０５を介して給電部１０１と接続された位置から、導体１０４の他端までの電気長）が略４分の１波長となる周波数ｆで共振して電磁波を放射するアンテナ素子である。

導体１０４上の電流は、開口部１０３の周囲の導体と電気的に結合し周囲の導体に電流を誘起する。図２Ａ、図２Ｂは、導体１０４上の電流の向きと開口部１０３の周囲の電流の向きの関係を模式的に示す図である。図２Ａのように、スイッチ１０５を介して導体１０４の始点２０３に給電したとき、電流２０１との間に強い結合が生じる。一方、図２Ｂのように、導体１０４の終点２０４に給電したとき、電流２０２との間に強い結合が生じることになる。

図２Ａ、図２Ｂを比較すると、給電位置をスイッチ１０５によって切り替えることにより、導体１０４上の電流の向きは反転している。しかしながら、開口部１０３の周囲の導体に誘起される電流の向きは変化していない。放射パターンは導体１０２ならびに１０４の電流分布のベクトル的な足し合わせであり、電流の向きの関係が給電位置の切り替えにより変化すると、放射パターンが変化することになる。

図３は第１の実施形態における放射パターンの電磁界解析結果の一例である。図３の（ａ）は図２Ａに対応する放射パターン、図３の（ｂ）は図２Ｂに対応する放射パターンの解析結果である。これらの解析結果から、放射パターンの主方向がスイッチ１０５による給電位置の切り替えによって変わっていることが確認できる。図３の放射パターンの解析結果から、以下の式（１）に示す相関係数ρを求めると、０．４９であった。これは、理論上十分なダイバーシチ利得が得られる値であり、本実施形態のアンテナ装置の有効性が実証された。ただし、式（１）において、Ｅ_ｉ（Ω）はｉ番目のアンテナの複素電界指向性であり、＊は複素共役を意味している。また、Ωは全立体角を示しており、式（１）は球面Ωの積分演算である。

（変形例）
第１の実施形態の第１の変形例について図４を参照して説明する。開口部１０３は、図４のように導体１０２の一部に切り込みが入ったスリット形状であってもよい。このときの動作原理は上述した第１の実施形態と同様である。すなわち、開口部１０３の周囲に誘起される電流の向きは給電位置の切り替えによって変わらないのに対し、導体１０４上の電流の向きは反転するため、ベクトルの合成である放射パターンが変化するのである。

第１の変形例では、導体１０２は一部に切り込みが入ったスリット形状であるが、この開口部１０３の形状は円形に限定されない。スイッチの切り替えによって放射パターンが変化すれば開口部１０３はどんな形状でも構わない。導体１０４の周囲の一部に導体１０２があればよい。この切り込みが入ったとしても切り込みが無い場合と同様な効果を得ることができる。

次に、第１の実施形態の第２の変形例について図５を参照して説明する。図５のように、アンテナ装置の背面に別の導体５０１が近接しても、上述した動作原理は変わらない。導体５０１が近接していて電流が流れていても、この電流がアンテナの放射パターンに及ぼす影響は、スイッチを切り替えても変わらない。そのため、スイッチ切り替えによりアンテナの放射パターンが変化し、パターンダイバーシチが得られる。そのため、例えば２層以上の層を有する基板上に実施形態のアンテナ装置を実装する際、導体１０４が実装される層以外の下層には導体が存在していてもよく、基板上の配線等の自由度を落とすことなく、パターンダイバーシチが得られる。

再び、図１のアンテナ装置の説明に戻る。開口部１０３の周囲長が、本アンテナ装置の所望周波数ｆに対応する略１波長となると、開口部１０３の周囲の電流分布が共振状態となる。このときの電流分布の解析結果の一例を図６に示す。

このとき、開口部１０３はそれ自体が共振するスロットアンテナとして動作し、導体１０４によって設計した所望のアンテナ装置として動作しなくなる。すなわち、開口部１０３の周囲長は、所望周波数ｆに対応する１波長以下であることが望ましい。換言すれば、開口部１０３の周囲長が１波長以上になると、開口部１０３での共振がアンテナの共振周波数と同等となり、不要な共振が生じて所望の動作が得られなくなるため、周囲長は１波長以下であることが望ましい。

次に、図１のアンテナ装置において導体１０４が１つの折返しアンテナとして動作するときの条件について図７を参照して説明する。図７は、第１の実施形態において、導体１０４が１つの折返しアンテナとして動作するときの条件を模式的に表した図である。
導体１０４の近接する２つの部分が、所望周波数ｆに対応する波長の略４０分の１以下となると、導体１０４上には、電流７０１のように同じ向きの電流が誘起される。すなわち、１つの折返しアンテナとして動作する。実施形態のアンテナ装置の目的は、給電位置の切り替えによって放射パターンを変化させることである。アンテナ装置が１つの折返しアンテナとして動作するとき、上述した動作原理による放射パターン変化は生じず、この目的を達成することが出来なくなる。すなわち、導体１０４の近接する２つの部位は、所望周波数に対応する波長の４０分の１波長以上離して形成されることが望ましい。

第１の実施形態のアンテナ装置によれば、開口部の中にアンテナの始点と終点が存在することで、開口部周囲の導体とアンテナとが電気的に結合し、給電位置の切り替えによりアンテナの放射パターンを変えることができる。この結果、１つのアンテナと１つのスイッチを使用して放射パターンの主方向を切り替え、パターンダイバーシチ効果を得ることができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、導体１０４と導体１０２との空間的距離が十分でないとき、アンテナの入力インピーダンスが低くなり、通常５０Ωの給電部１０１との間でインピーダンス不整合が生じる場合がある。そこで、第２の実施形態に係わるアンテナ装置では、給電部１０１と接続された導体８０１をさらに有することを特徴とする。

本実施形態のアンテナ装置は図８に示すように、第１の実施形態のアンテナ装置に加え、導体８０１を含んでいる。図８は、本発明の第２の実施形態に係わるアンテナ装置の概略構成を示す図である。

第２の実施形態では、スイッチ１０５は、給電位置を切り替えるのではなく、導体１０４と導体１０２との短絡位置を切り替えるために用いられる。導体８０１は、線上または板状の導体で構成され、給電部１０１から電力を給電される。導体８０１は、導体１０４と電気的に結合し、導体１０４へさらに電力を給電する。導体８０１は、導体１０４に電気的に結合し電力を供給できればどの場所に配置されてもよい。

次に、第１の実施形態および第２の実施形態それぞれでのＶＳＷＲ（voltage standing wave ratio）について図９を参照して説明する。ＶＳＷＲは最小値が１であり、値が小さいほどインピーダンス不整合が小さく、損失が小さいことを意味する。

図９のＶＳＷＲ９０１は第１の実施形態での導体８０１を用いずに導体１０４に給電する場合を示し、ＶＳＷＲ９０２は第２の実施形態での導体８０１を用いて給電する場合を示す。図９に示すように、第２の実施形態での導体８０１を用いたアンテナ装置では、動作帯域は狭帯域化するものの、所望周波数ｆ周辺でＶＳＷＲが小さくなっており、インピーダンス不整合による損失を大きく改善することができる。給電部１０１からより大きな電力をアンテナに給電することができ、より良い放射特性を得ることが可能となる。このように、アンテナに、別の導体との容量結合によって給電することで、アンテナの入力インピーダンスを高くすることが出来、インピーダンス不整合を大幅に改善することが可能となる。

図８に示す第２の実施形態のアンテナ装置では、給電部１０１を開口部１０３の奥側に、スイッチ１０５を開口部１０３の手前側に設けている。給電部１０１とスイッチ１０５は、例えば開口部１０３の手前側に並べて設けてもよく、この場合にもパターンダイバーシチが得られる。しかしながら、図８のように、給電部１０１とスイッチ１０５とを開口部１０３の別々の側に設けることにより、開口部１０３の周囲の導体に誘起される電流は強められ、放射パターンの変化量を大きくすることが出来、より大きなパターンダイバーシチ効果が期待できる。

第２の実施形態のアンテナ装置によれば、導体８０１を介して電気的に結合した導体１０４に給電することで、入力インピーダンスを高めることができ、インピーダンス不整合損失を改善できる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態に係わるアンテナ装置について図１０を参照して説明する。本実施形態のアンテナ装置は、インピーダンス素子１００１をスイッチの一端に設けることを特徴とする。

インピーダンス素子１００１は、例えばチップキャパシタ、チップインダクタ、チップ抵抗など、半田付け可能なチップ素子を使用することができる。また、バリキャップダイオードやＭＥＭＳ可変キャパシタなどのアクティブ素子を用いてもよい。

スイッチ１０５は、例えばＤＰＤＴ（double-pole double-throw）スイッチで構成され、２つ以上の入力ポートと２つ以上の出力ポートを持っている。スイッチ１０５の入力ポートのうち一つは給電部に接続され、他方の入力ポートはインピーダンス素子に接続される。スイッチ１０５の出力ポートのうちの一つは導体１０４の始点２０３に接続し、他方の出力ポートは導体１０４の終点２０４に接続される。

次に、インピーダンス素子１００１としてキャパシタ及びインダクタを用いたときの、それぞれのＶＳＷＲの変化について図１１を参照して説明する。
インピーダンス素子１００１としてキャパシタを取り付けると、ＶＳＷＲ１１０１のように、ＶＳＷＲは周波数の高い側へシフトする。また、チップ素子の内部抵抗のためにアンテナの損失が増加しＶＳＷＲの幅は広くなる。キャパシタとして可変キャパシタ素子を使用すると、可変キャパシタの可変範囲に対応する周波数ｆからｆ’までの範囲で、動作周波数を調整するチューナブルアンテナとして動作させることが可能になる。一方、インピーダンス素子１００１としてインダクタを取り付けると、ＶＳＷＲ１１０２のように、ＶＳＷＲは周波数の低い側へシフトすることになる。
このように、インピーダンス素子をスイッチ１０５と導体１０２との間に設けることで、整合のとれる周波数を容易に調整することができる。ただし、素子の内部抵抗が大きくなると、アンテナの放射効率を劣化させることにもつながるので、必要な放射効率を達成することができる程度に素子の内部抵抗を設定する。

次に、図１０のアンテナ装置の変形例について図１２を参照して説明する。
本変形例のアンテナ装置は図８のアンテナ装置に加え、スイッチ１０５と導体１０２との間に、インピーダンス素子１００１をさらに設けることを特徴とする。インピーダンス素子をスイッチ１０５と導体１０２との間に設けることで、図１２に示すように整合のとれる周波数を容易に調整することができる。
第３の実施形態のアンテナ装置によれば、インピーダンス素子を装荷することで、共振周波数を容易に設計出来るほか、アンテナ自体のＱ値を下げて、動作帯域を広帯域化させることが出来る。したがって、所望周波数でアンテナ装置を動作させることが容易になる。

例えば、図１２の変形例を、９５０ＭＨｚ帯で動作する小型無線通信端末に設置する場合、導体１０４の経路長は略８０ｍｍ程度必要となる。また、開口部１０３の長手方向の長さは略３５ｍｍ以上あることが望ましい。しかしながら、基板設計の各種制約により、前記の長さを確保できないことや、開口部１０３と導体１０４の距離が離れすぎてパターンダイバーシチ効果を十分得られない可能性がある。このとき、図１２の変形例のように、インピーダンス素子１００１として１ｐＦ程度のキャパシタや数ｎＨのインダクタを使用することで、アンテナの共振周波数を容易に調整することができ、パターンダイバーシチ効果を高める設計が可能となる。 以下に、上述した実施形態のアンテナ装置を電池駆動の小型無線通信端末に設置したときの概略構成を説明する。
図１３は、アンテナ装置を電池駆動の小型無線通信端末に設置するときの概略を示す図である。電池１３０１の実装および無線機等を実装することを想定すると、基板上にアンテナを２つ以上配置してパターンダイバーシチを得ることは難しい。しかしながら、上述した実施形態のアンテナ装置を使用することで、アンテナ１つのスペースでパターンダイバーシチ効果を得ることができ、通信品質の向上が見込まれる。

アンテナ装置では、例えば導体８０１は基板の上面に設置され、スルーホール１３０２と基板の下面に設置されるスイッチ１０５を介して基板の下面にある給電部（図１３では図示せず）に接続している。図１３の例では基板の下面に導体１０４も設置されている。

また、電池１３０１が実装されない小型無線通信端末でも、アンテナ１つのスペースでパターンダイバーシチ効果を得ることができるため、筐体サイズを小さくすることができる。例えば、９５０ＭＨｚ帯で動作する小型無線端末であれば、５０ｍｍ×６５ｍｍ程度にまで筐体サイズを小さくしてもパターンダイバーシチ効果が期待できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０１…給電部、１０２、１０４、５０１、８０１…導体、１０３…開口部、１０５…スイッチ、２０１、２０２、７０１…電流、２０３…始点、２０４…終点、１００１…インピーダンス素子、１３０１…電池、１３０２…スルーホール。

Claims (8)

1. 開口部を有する面状の第１導体と、
   前記第１導体の面を前記開口部に仮想的に延長した延長面と交わる第２導体と、
   前記第２導体に電力を供給する給電部と、
   前記第２導体に流れる電流の向きを変化させるスイッチと、を具備し、
   前記第２導体は、前記第２導体に流れる電流と前記第１導体に誘起される電流とのベクトル和が、前記スイッチの切り替えによって異なるように配置されることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記第１導体は切り込みが入っ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. 前記第１導体は平面状の板状導体であり、前記第２導体は前記延長面に垂直に交わることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記開口部の周囲長が、所望の周波数ｆに対応する波長以下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。
5. 前記延長面上にある複数の第２導体の間の最小の距離は、前記周波数ｆに対応する波長の４０分の１以上であることを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 前記第１導体に平行な面状の第３導体をさらに具備し、
   前記給電部は前記第３導体に接続して該第３導体を介して前記第２導体に電力を供給し、
   前記スイッチは、前記第２導体の２つの端のいずれか一方と前記第１導体とを電気的に短絡させることにより前記電流の向きを変化させることを特徴とする請求項５に記載のアンテナ装置。
7. 前記給電部および前記スイッチは、前記開口部を挟んで対角線上での前記第２導体上に設置されることを特徴とする請求項６に記載のアンテナ装置。
8. 前記スイッチと前記第１導体との間に設置され、該スイッチと該第１導体とを接続するインピーダンス素子をさらに具備することを特徴とする請求項７に記載のアンテナ装置。

Images