JP2012209619A - 指向性可変アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】小型アンテナの指向性を切り換えることができるようにすること。
【解決手段】ループ状のアンテナにおいて、第１給電／受電端１１ａを有する第１線状部１１と、第１線状部に平行に対向して配設された第２線状部１２と、第１線状部の第１給電／受電端と異なる他端と、その他端に対応する第２線状部の端とを直角方向に接続し、少なくとも１往復半だけ折り返された第１接続部１３とを有する第１ループアンテナ１０を有している。第１ループアンテナの面上において、その第１ループアンテナの内周の内側に配設されたループ状アンテナであって、第１ループアンテナと相似形状の第２ループアンテナ２０を有する。第１給電／受電端１１ａと第２ループアンテナの第２給電／受電端２１ａとの一方の給電／受電端から給電／受電し、他方の給電／受電端は線路インピーダンスに接続する状態を、第１給電／受電端と第２給電／受電端とで、切り換え可能に制御する切換装置を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のループ状アンテナを用いた、指向性を変化させることができるアンテナ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、アンテナを小型化することができなかった。

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

第１の発明は、ループ状のアンテナにおいて、第１給電／受電端を有する第１線状部と、第１線状部に平行に対向して配設された第２線状部と、第１線状部の第１給電／受電端と異なる他端と、その他端に対応する第２線状部の端とを直角方向に接続し、少なくとも１往復半だけ折り返された第１接続部とを有する第１ループアンテナと、第１ループアンテナの面上において、その第１ループアンテナの内周の内側に配設されたループ状アンテナであって、第２給電／受電端を有する第３線状部と、第３線状部に平行に対向して配設された第４線状部と、第３線状部の第２給電／受電端と異なる他端と、その他端に対応する第４線状部の端とを直角方向に接続し、少なくとも１往復半だけ折り返された第２接続部とを有する第２ループアンテナと、第１給電／受電端と第２給電／受電端との一方の給電／受電端から給電／受電し、他方の給電／受電端は線路インピーダンスに接続する状態を、第１給電／受電端と第２給電／受電端とで、切り換え可能に制御する切換装置と、を有し、第１接続部と第２接続部とを高次モードで電磁界結合させ、切換装置により給電する給電／受電端子を切り換えて、高次モードで励振させるループアンテナを切り換えることにより、指向性を切り換える指向性可変アンテナである。

第１ループアンテナと第２ループアンテナとは、相似形状をして、同一平面上に配置されている。第２ループアンテナが、第１ループアンテナの内側に存在する。第１接続部、第２接続部は、少なくとも１往復半だけ折り返されている。これらの第１接続部と第２接続部とが、電磁界結合をして、高次のモードが励振される。電磁波の放射や受電は、第１線状部、第２線状部、第３線状部、第４線状部での励振により行われる。高次モードで励振される周波数を用いて、第１接続部と第２接続部とを電磁界結合状態での共振状態とすることで、第１ループアンテナと第２ループアンテナとの指向性が変化する。本発明はこの特徴を利用した指向性可変アンテナである。接続部の折り返し回数は、２往復半、３往復半、…ｎ往復半が用いられる。使用周波数を一定とすると、第１線状部と第２線状部との間隔が狭くなるので、アンテナの大きさ、使用周波数との関係から、折り返し回数は、適正に選択される。ただし、ｎは自然数である。なお、本発明のアンテナは、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、上記では、給電と受電が行われる端子を給電／受電端と表現したが、送信アンテナについては給電端であり、受信アンテナについては受電端の意味である。実質上、両者は、同一であるので、給電端と表現されていても、受信アンテナの場合には、受電端の意味に解釈するものとする。

また、同一平面上に配置されるループアンテナの数は、２以上であり、任意である。アンテナの大きさ、切り換える指向性の方向の数などを考慮して、適正に選択される。

また、第２発明は、ループアンテナを３つ以上、ｎ個用いた場合である。すなわち、第２発明は、第２ループアンテナと相似の単数又は複数のループアンテナが、順次、同一面上において、隣接するループアンテナの内周の内側に配設され、少なくとも、隣接する接続部が、高次モードで電磁界結合し、切換装置は、複数の給電／受電端のうち一つの給電／受電端から給電／受電し、残りの全ての給電／受電端は線路インピーダンスとする装置であることを特徴とする指向性可変アンテナである。

本発明におけるループアンテナは、線状の導線が、実体として、一巡するループアンテナであっても、各給電／受電端を端とする各ループの１／２、すなわち、 第１発明で言えば、第１給電／受電端よりも上方の第１線状部、第１接続部、第１給電／受電端の対応端よりも上方の第２線状部と、第２給電／受電端よりも上方の第３線状部、第２接続部、第２給電／受電端の対応端よりも上方の第４線状部とを、平面導体上に立設し、他の１／２のループを平面導体に対する鏡像で構成したものであっても良い。すなわち、第３の発明は、各ループアンテナは、各給電／受電端を端とする各ループの１／２で構成され、他のループの１／２は、各線状部に垂直な平面状導体に対する鏡像で構成されることを特徴とする指向性可変アンテナである。

また、第４の発明は、各ループアンテナは、各給電／受電端と対応する部分で、相互に接続されていることを特徴とする指向性可変アンテナである。第１発明で言えば、第２線状部と第４線状部とが、第１給電／受電端及び第２給電／受電端と対向する部分（給電／受電端の第１接続部及び第２接続部の方向に略平行な部分）で接続されていることを意味しする。

後述するように、本発明のループ状アンテナを用いると、各アンテナの基本モードでの励振周波数は異なる。しかし、各接続部が高次モードで電磁界結合した状態では、各ループアンテナについて、高次の励振モードの周波数は一致している。そして、その高次の励振モードで、各ループアンテナを選択して励振した場合に、それぞれ、指向性が異なることが、本発明者らによって、初めて明らかにされた。本発明は、この特性を用いて、指向性を可変制御するものである。本発明は、同一平面上に、順次、内側に、多重化されているループアンテナの一つを選択して、他のループアンテナの給電／受電端を線路インピーダンスとして整合をとり、選択されたループアンテナの給電／受電端からのみ給電して、そのループアンテナを励振させるものである。この結果、給電するループアンテナに対応した指向性を選択することで、指向性を可変することができる。また、寸法としては、平板導体を用いた鏡像を用いたアンテナにおいては、１辺を約波長／８の程度に大きさに小型化できる。鏡像を用いないループアンテナの場合には、短辺が波長／８、長辺が波長／４の長方形に、小型化できる。

実施例１の指向性可変アンテナの構成を示す図。 同実施例１の切換装置の構成を示す図。 同実施例１の指向性可変アンテナの反射特性を示す図。 同実施例１の指向性可変アンテナの第１高次モード共振における電流分布特性を示す図。 同実施例１の指向性可変アンテナの第２高次モード共振における電流分布特性を示す図。 同実施例１の指向性可変アンテナの第１高次モード共振と第２高次モード共振における、ループアンテナを切り換えた場合の指向性を示す図。 実施例２の指向性可変アンテナの構成を示す図。 実施例３の指向性可変アンテナの構成を示す図。

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の指向性可変アンテナ１の構成を示す図である。本実施例では、この指向性可変アンテナは受信アンテナとしている。また、給電／受電端は、受信アンテナであるので、受電端と表現されるべきであるが、機能としては同一であるので、以下の実施例において、単に、給電端と表記する。指向性可変アンテナ１は、第１ループアンテナ１０と、第２ループアンテナ２０とを有している。第１ループアンテナ１０は、アースされた平板導体４０上に立設された第１線状部１１と、この第１線状部１１に平行で対向した第２線状部１２と、第１線状部１１の一端１１ｂと、第２線状部１２の一端１２ｂとを接続する第１接続部１３から成る。また、第１線状部１１の他端が、第１給電端１１ａである。第１給電端１１ａに対応する第２線状部１２の一端１２ａは、平板導体４０に接続されている。第１接続部１３は、第１線状部１１の一端１１ｂと第２線状部１２の一端１２ｂとの間を、第１線状部１１と第２線状部１２とに対して直角に、線状導体を、１往復半だけ折り曲げて形成されたものである。すなわち、第１接続部１３は、平行な第１線状部１１と第２線状部１２との間隔Ｄ₁ の３倍（３Ｄ₁ ）の線路長を有している。第２ループアンテナ２０は、第１ループアンテナ１０と、平面導体４０に垂直な同一平面上に配置されており、第２ループアンテナ２０は、第１ループアンテナ１０の内周の内側に配設されている。

その第２ループアンテナ２０は、平板導体４０上に立設された第３線状部２１と、この第３線状部２１に平行で対向した第４線状部２２と、第３線状部２１の一端２１ｂと、第４線状部２２の一端２２ｂとを接続する第２接続部２３から成る。また、第３線状部２１の他端が、第２給電端２１ａである。第２給電端２１ａに対応する第４線状部２２の一端２２ａは、第２線状部１２の端部に接続されている。すなわち、第４線状部２２の一端２２ａも平板導体４０に接続されているのと等価である。第２接続部２３は、第３線状部２１の一端２1 ｂと第４線状部２２の一端２２ｂとの間を、第３線状部２１と第４線状部２２とに対して直角に、線状導体を、１往復半だけ折り曲げて形成されたものである。すなわち、第２接続部２３は、平行な第３線状部２１と第４線状部２２との間隔Ｄ₂ の３倍（３Ｄ₂ ）の線路長を有している。第１線状部１１、第２線状部１２、第３線状部２１、第４線状部２２は、それぞれ、平行に形成されており、この部分が、受信アンテナでは、電波の受波部、放射アンテナでは電波の放射部となる。また、第１接続部１３と第２接続部２３とは平行に形成されており、電磁界結合をしている。

上記の間隔Ｄ₁ 、Ｄ₂ は、使用周波数の電波の空間波長λの略１／８に設定されている。また、第１線状部１１、第２線状部１２、第３線状部２１、第４線状部２２の長さは、略λ／８に設定されている。

切換装置５０は、図２のように構成されている。第１ループアンテナ１０の第１給電端１１ａには、接点ｂと接点ｃとを切り換えるリーレー１４が配設され、第２ループアンテナ２０の第２給電端２１ａには、接点ｂと接点ｃとを切り換えるリーレー２４が配設されている。各リレー１４、２４は、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）５１からの制御信号により、給電端１１ａ、２１ｂを、それぞれ、接点ｂと接点ｃへの接続に切り換えるスイッチである。接点ｃには、受信装置５２が接続されており、接点ｂには、線路インピーダンス５３（５０Ω）が接続さている。ＭＰＵ５１は、通常は、第１給電端１１ａと接点ｃとを接続するようにリレー１４を制御し、第１ループアンテナ１０と受信装置５２とを接続し、第２給電端２１ａと接点ｂとを接続するようにリレー２４を制御し、第２ループアンテナ２０と線路インピーダンス５３とを接続ように制御している。そして、ＭＰＵ５１は、受信装置４２で受信される信号レベルが所定値よりも低下した場合に、リレー１４、２４の接点を切り換えて、第１ループアンテナの第１給電端１１ａを線路インピーダンス５３に接続し、第２ループアンテナの第２給電端２１ａを受信装置５２に接続するようにしている。これにより、受信レベルが低下した場合に、指向性を変化させて、電磁波を受信するようにしている。

次に、本実施例の指向性可変アンテナ１の特性について説明する。指向性可変アンテナ１を送信アンテナとして、第１給電端１１ａから給電し、第２給電端２１ａを線路インピーダンス５３に接続して、第１ループアンテナ１０へ信号を出力した場合と、第２給電端２１ａから給電し、第１給電端１１ａを線路インピーダンス５３に接続して、第２ループアンテナ２０へ信号を出力した場合とにおいて、反射率をシュミレーションにより求めた。その結果を図３に示す。基本モード（主モード）の共振周波数について、全長が相対的に長い第１ループアンテナ１０の共振周波数は７４０ＭＨｚ位であり、全長が相対的に短い第２ループアンテナ２０の共振周波数は８５０ＭＨｚ位である。基本モードの共振周波数は異なり、両アンテナは独立して動作していることが分かる。すなわち、両アンテナは、異なる周波数で、独立した２本のアンテナとして用いることが可能である。図示されているように、高次モードについては、第１ループアンテナ１０も第２ループアンテナ２０も、共に、約１０２０ＭＨｚと、約１２２０ＭＨｚに、共振周波数が存在することが分かる。高次モードの共振周波数は、第１ループアンテナ１０と第２ループアンテナ２０とで等しいことが分かる。これは、第１ループアンテナ１０と第２ループアンテナ２０とが、電磁界結合していることを意味する。

次に、高次モードについて、電流分布を求めた。約１０２０ＭＨｚにおける高次モード共振１の電流分布を図４に、約１２２０ＭＨｚにおける高次モード共振２の電流分布を図５に示す。両図共に、（ａ）は、第１ループアンテナ１０に給電した場合であり、（ｂ）が第２ループアンテナ２０に給電した場合である。線の太さが電流の大きさを示している。図４から、１０２０ＭＨｚの高次モード共振１においては、給電するアンテナを切り換えても、第１ループアンテナ１０の第１接続部１３には、第２ループアンテナ２０の第２接続部２３よりも、電流が多く集中していることが分かる。図５から、１２２０ＭＨｚにおける高次モード共振２においては、給電するアンテナを切り換えても、第２ループアンテナ２０の第２接続部２３には、第１ループアンテナ１０の第１接続部１３よりも、電流が多く集中していることが分かる。このように、高次モードでは、両アンテナは、結合して共振することが理解される。

次に、本実施例の指向性可変アンテナ１の放射パターンのシミュレーション結果を図６に示す。図６（ａ）から理解されるように、１０２０ＭＨｚの高次モード共振１においては、第１ループアンテナ１０に給電した場合には、ループアンテナが配設される平面と平板導体４０との交線方向（第１線状部１１に垂直で第１接続１３の長さ方向）であるＹ軸の正方向（第２線状部１２から第１線状部１１へ向かう向き）に、強い指向性を示す。一方、第２ループアンテナ２０に給電した場合には、等方性の指向性を示していることが理解される。また、図６（ｂ）から理解されるように、１２２０ＭＨｚにおける高次モード共振２においては、第１ループアンテナ１０に給電した場合には、Ｙ軸の正方向に、強い指向性を示す。一方、第２ループアンテナ２０に給電した場合には、逆に、Ｙ軸負方向（第１線状部１１から第２線状部１２へ向かう向き）に、強い指向性を示していることが理解される。
以上のことから、本実施例の指向性可変アンテナ１は、上記のように、給電するループアンテナを切り換えることで、指向性を切り換えることができることが理解される。

図７に、実施例２の指向性可変アンテナ２その構成を示す。実施例１に対して、第２ループアンテナの内側に、第３ループアンテナ３０を設けたことが特徴である。３つのループアンテナ１０、２０、３０は平板導体４０に垂直な平面上に配置されている。第３ループアンテナ３０も、第５線状部３１、第６線状部３２、第３接続部３３を有している。第５線状部３１、第６線状部３２は、第３線状部２１、第４線状部２２と平行である。第３接続部３３は、第１接続部１３及び第２接続部２３と平行であり、少なくとも、最も近い第２接続部２３と電磁界結合している。もちろん、第３接続部３３は、第１接続部１３とも電磁界結合していても良い。第５線状部３１は一端に第３給電端３１ａを有して、第６線状部３２の一端３２ａは、第２線状部１２に接続されることで、平板導体４０に接続されている。図２の切換装置５０において、リレーを３個用いて、線路インピーダンス５３を、ループアンテナの数から１減じた数だけ、準備して、各リレーの接点ｂに、それぞれ、接続するようにする。このような切換装置５０を用いることで、３つの給電端１１ａ、２１ａ、３１ａのうち、一つを選択して、給電又は受電し、他の全ての給電端を、それぞれ、並列に、線路インピーダンス５３に接続することで、高次の各共振周波数に対して、指向性を３方位に変更することができる。この場合には、高次モードの共振周波数は、３つ存在する。

図８に、実施例３の指向性可変アンテナ３その構成を示す。上記実施例において、平板導体４０を用いずに、実体として、ループアンテナを用いた場合である。図８には、３つのループアンテナが記載されているが、２つや、４つ以上設けても良い。この場合には、給電端は、線状のループを分断する一対の２端となり、この一対の２端から給電／受電される。給電／受電しない他のループアンテナの給電端は、短絡される。すなわち、給電端の両端が接続されて、アンテナは、ループとなる。このように構成しても、給電／受電されるループアンテナを切り換えることで、指向性を変化させることができる。

本発明の指向性可変アンテナは、移動体通信などの無線通信に用いることができる。

１０…第１ループアンテナ
１１…第１線状部
１２…第２線状部
１３…第１接続部
２０…第２ループアンテナ
２１…第３線状部
２２…第４線状部
２３…第２接続部
１１ａ…第１給電端
２１ａ…第２給電端

Claims (4)

1. ループ状のアンテナにおいて、
   第１給電／受電端を有する第１線状部と、第１線状部に平行に対向して配設された第２線状部と、前記第１線状部の前記第１給電／受電端と異なる他端と、その他端に対応する前記第２線状部の端とを直角方向に接続し、少なくとも１往復半だけ折り返された第１接続部とを有する第１ループアンテナと、
   前記第１ループアンテナの面上において、その第１ループアンテナの内周の内側に配設されたループ状アンテナであって、
   第２給電／受電端を有する第３線状部と、第３線状部に平行に対向して配設された第４線状部と、前記第３線状部の前記第２給電／受電端と異なる他端と、その他端に対応する前記第４線状部の端とを直角方向に接続し、少なくとも１往復半だけ折り返された第２接続部とを有する第２ループアンテナと、
   前記第１給電／受電端と前記第２給電／受電端との一方の給電／受電端から給電／受電し、他方の給電／受電端は線路インピーダンスに接続する状態を、前記第１給電／受電端と前記第２給電／受電端とで、切り換え可能に制御する切換装置と、
   を有し、
   前記第１接続部と前記第２接続部とを高次モードで電磁界結合させ、前記切換装置により給電する給電／受電端子を切り換えて、高次モードで励振させるループアンテナを切り換えることにより、指向性を切り換える指向性可変アンテナ。
2. 前記第２ループアンテナと相似の単数又は複数のループアンテナが、順次、同一面上において、隣接するループアンテナの内周の内側に配設され、少なくとも、隣接する接続部が、高次モードで電磁界結合し、切換装置は、複数の前記給電／受電端のうち一つの給電／受電端から給電／受電し、残りの全ての給電／受電端は線路インピーダンスとする装置である
   ことを特徴とする請求項１に記載の指向性可変アンテナ。
3. 前記各ループアンテナは、前記各給電／受電端を端とする各ループの１／２で構成され、他のループの１／２は、前記各線状部に垂直な平面状導体に対する鏡像で構成される
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の指向性可変アンテナ。
4. 前記各ループアンテナは、前記各給電／受電端と対応する部分で、相互に接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の指向性可変アンテナ。