JP2015056810A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、偏波を変更可能で、アンテナ利得の低下を抑制することが可能なアンテナ装置を提供する。【解決手段】実施形態のアンテナ装置は、方形形状を有し、対角線上に給電点が設けられた放射素子と、放射素子上の電位レベルがグランドレベルと見なせる位置に設けられた短絡／開放点と、を備えている。そして、短絡／開放部は、短絡／開放点をグランドに電気的に接続／切断する。【選択図】図１Ａ

Description

本発明の実施形態は、アンテナ装置に関する。

近年様々な機器の無線化が進んでおり、無線機器間で大容量の情報を通信する要求が高まっている。大容量化の要求は、映像データのやりとりであり、これらは家庭内の無線通信の他にも、産業用での監視や遠隔操作等でも要求がある。
このような大容量の通信を行うためには、無線機に到達する受信レベルが大きい程よい。これは、受信機の入力点においてＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）を向上させることで、多値化された信号をエラーなく受信できるからである。

また、他の無線による干渉があると等価的にＳＮＲが悪くなるため、他の干渉を排除する機能があると便利である。
他の無線による干渉を防ぐ方法の一つとして偏波ダイバシティーがある。
これは偏波面が直交する２つの偏波のうち、受信状態のよい方向の偏波を選択して受信する方法である。しかし、通常のアンテナは、最適な偏波が固定となっているため、２つの偏波の異なるアンテナを用いる必要があった。

これを実現するためには、受信側に受信機を２つ準備するか、あるいは、偏波の異なるアンテナをスイッチ等で切り替える必要がある。前者はコストが高くなり、後者はスイッチによる挿入損失により、受信レベルが下がる問題がある。
このため、給電点を１箇所にして、偏波を変更する偏波切替アンテナの方式が提案されている。

給電点を１点て固定して偏波を直交方向に変更する方法として、特許文献１記載の方法は、放射素子（給電素子）の周囲に導体を配置し、この導体と給電素子をスイッチ素子により接続／切断して、放射素子の大きさを等価的に変更することにより、偏波方向を変更していた。

特開２００８−２３６６５６号公報

しかしながら、放射素子の大きさを等価的に変更するためには、多くのスイッチ素子を設ける必要があり、コストが上昇してしまっていた。また、スイッチ素子自体が放射素子の一部となるため、スイッチ素子が有する電磁界的な振る舞いの影響を考慮する必要があり、設計が複雑になっていた。
そこで、本発明は、簡易な構成で、偏波の方向を変更可能で、アンテナ利得の低下を抑制することが可能なアンテナ装置を提供することを目的としている。

実施形態のアンテナ装置は、方形形状を有し、対角線上に給電点が設けられた放射素子と、放射素子上の電位レベルがグランドレベルと見なせる位置に設けられた短絡／開放点と、を備えている。そして、短絡／開放部は、短絡／開放点をグランドに電気的に接続／切断する。

図１Ａは、第１実施形態のアンテナ装置の平面図である。 図１Ｂは、第１実施形態のアンテナ装置の構造説明断面図である。 図１Ｃは、第１実施形態の放射素子の構成説明図である。 図１Ｄは、第１実施形態のアンテナ装置の底面図である。 図２Ａは、短絡／開放点を設けない場合のアンテナ装置の誘電体基板内のＺ軸方向の電界状態の模式図である。 図２Ｂは、短絡／開放点を地導体に短絡させた場合のアンテナ装置の誘電体基板内のＺ軸方向の電界状態の模式図である。 図３Ａは、図２Ａの状態における誘電体基板内のＺ軸方向の電界の状態を共振器モデルで計算した場合の計算結果説明図である。 図３Ｂは、γ＝０．３とした場合の（２）式の計算結果の説明図である。 図３Ｃは、γ＝０．５とした場合の（２）式の計算結果の説明図である。 図４Ａは、短絡／開放点を複数設ける場合の具体例の説明図である。 図４Ｂは、図４Ａの放射素子近傍の詳細説明図である。 図４Ｃは、図４Ａの底面図である。 図５Ａは、短絡/開放点５の位置を、Ｙ軸上に配置した場合のアンテナ装置の平面図である。 図５Ｂは、図５Ａの放射素子近傍の詳細説明図である。 図５Ｃは、図５Ａの底面図である。 図６Ａは、第３実施形態のアンテナ装置の平面図である。 図６Ｂは、第３実施形態のアンテナ装置の構造説明断面図である。 図６Ｃは、第３実施形態の放射素子の構成説明図である。 図６Ｄは、第３実施形態のアンテナ装置の底面図である。 図７Ａは、スイッチ素子をダイオードで実現した場合の等価回路説明図である。 図７Ｂは、スイッチ素子をトランジスタで実現した場合の等価回路説明図である。 図７Ｃは、スイッチ素子をＭＥＭＳスイッチ（あるいは高周波リレー）で実現する場合の等価回路説明図である。 図８Ａは、第５実施形態のアンテナ装置の平面図である。 図８Ｂは、第５実施形態のアンテナ装置の構造説明断面図である。 図８Ｃは、第５実施形態の放射素子の構成説明図（誘電体基板は不図示）である。 図８Ｄは、第３実施形態のアンテナ装置の底面図である。 図９Ａは、第６実施形態のアンテナ装置の平面図である。 図９Ｂは、第６実施形態の放射素子の構成説明図である。 図１０Ａは、第７実施形態のアンテナ装置の平面図である。 図１０Ｂは、第７実施形態のアンテナ装置の構造説明断面図である。 図１０Ｃは、第７実施形態のアンテナ装置の平面透視図である。 図１０Ｄは、第７実施形態のアンテナ装置の底面図である。 図１１は、第８実施形態のアンテナ装置の平面図である。 図１２Ａは、第６実施形態及び第８実施形態で用いた無給電素子長変更部をダイオードで実現した場合の等価回路説明図である。 図１２Ｂは、第６実施形態及び第８実施形態で用いた無給電素子長変更部をトランジスタで実現した場合の等価回路説明図である。 図１２Ｃは、第６実施形態及び第８実施形態で用いた無給電素子長変更部をＭＥＭＳスイッチ（あるいは高周波リレー）で実現する場合の等価回路説明図である。 図１３Ａは、図１２Ａの変形例の説明図である。 図１３Ｂは、図１３Ａの変形例の説明図である。

次に図面を参照して、実施形態について詳細に説明する。
［１］第１実施形態
図１Ａは、第１実施形態のアンテナ装置の平面図である。
図１Ｂは、第１実施形態のアンテナ装置の構造説明断面図である。
図１Ｃは、第１実施形態の放射素子の構成説明図である。
図１Ｄは、第１実施形態のアンテナ装置の底面図である。

アンテナ装置ＡＮＴ１は、いわゆる方形マイクロストリップアンテナとして構成されており、大別すると、１辺の長さｄの正方形状を有する誘電体基板１と、正方形状を有する放射素子（給電素子）２と、放射素子２に対して誘電体基板１と反対側に設けられた地導体板３と、給電点４に電気的に接続された給電端子Ｔ４と、誘電体基板１を介して地導体板３に電気的に短絡／開放可能に設けられた短絡／開放点５と、短絡／開放点５をグランドレベル（接地レベル）にあり、グランド（接地）として機能する地導体板３に電気的に接続／切断するための配線２０と、地導体板３側に設けられ、配線２０を介して短絡／開放点５を地導体板３に電気的に接続／切断するためのスイッチ素子７と、を備えている。

誘電体基板１の厚さｔは、放射素子２の長さよりも十分短くなっている。
放射素子２は、図１Ｃに示すように、１辺の長さがａの正方形状を有しており、給電点４は、対角線上に設けられている。
この場合に、長さａは、送信あるいは受信の対象となる電波の波長λの略1/2の長さとされている。波長λは、誘電体基板１内における電波の波長の長さである。

また、誘電体基板１及び地導体板３は、放射素子２よりも物理的に大きい構成（平面視した場合に、放射素子２の面積が、誘電体基板１及び地導体板３のいずれの面積よりも小さい）となっており、誘電体基板１及び地導体板３は、それぞれ一辺がｄの長さを持っている。また、誘電体基板１の厚さｔは、放射素子２の長さに対して、十分短く設定されている。

地導体板３の厚さは、明記していないが、通常の印刷基板に用いる数１０μｍの厚さとすれば良い。しかしながら、通常の印刷基板に用いる厚さよりも厚くすることも可能である。
給電点４の位置は、放射素子２の対角線上のいずれの位置でも設定可能であるが、通常は無線機の出力インピーダンスに整合する位置に設定するのが好ましい。

短絡／開放点５は、放射素子２の中心点を通るＸ軸上（放射素子の一対の辺に平行な軸上）において、放射素子２の中心点からの距離ａγ（０＜ｒ≦０．５）の位置に設けられている。
短絡／開放点５は、短絡時と、開放時とで、Ｚ軸を回転軸として、偏波(偏波面）を切り替えることとなる。

以上の構成において、放射素子２及び地導体板３は、銅などの電気を通す導体であれば材質を問わない。
また、誘電体基板１は、印刷基板材としてのガラスエポキシ以外の材料でもよく、単なる空気層を誘電体基板１に代えて用いることも可能である。単なる空気層を誘電体基板１に代えて用いる場合には、放射素子２を地導体板３に対して所定距離を介して固定するための支持部が必要であるが、これらを非導電性の材料で放射素子２の一点、または、複数点で支持するように構成すればよい。

以下、偏波(偏波面）の切り替えについて詳細に説明する。
図２Ａは、短絡／開放点を設けない場合のアンテナ装置の誘電体基板内のＺ軸方向の電界状態の模式図である。

給電点４を放射素子２の対角線上に配置しているため、誘電体基板１内のＺ軸方向の電界は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向共に位置により振幅が変化するＴＭ１１モードで励振する。このため、放射素子２から放射される電波の偏波面は、対角線及びＺ軸を含む平面と平行となる。

図２Ｂは、短絡／開放点を地導体に短絡させた場合のアンテナ装置の誘電体基板内のＺ軸方向の電界状態の模式図である。
短絡/開放点５がＸ軸上にあるため、この付近の電界は著しく小さくなる。このため、Ｘ軸方向の電界の位置による振幅が小さくなるが、Ｙ軸方向の電界は比較的変化が小さいため、ＴＭ０１モードの動作に近づく。
このため、放射素子２から放射される電波の偏波面は、ＴＭ０１モードと同じＹ軸及びＺ軸を含む平面（Ｙ−Ｚ平面）と平行となる。

図３Ａは、図２Ａの状態における誘電体基板内のＺ軸方向の電界の状態を共振器モデルで計算した場合の計算結果説明図である。
共振器モデルによる誘電体基板１内のＺ軸方向の電界Ｅｚは（１）式で表現することが可能である。

ただし、振幅は１に規格化（ノーマライズ）している。
式（１）で表される電界Ｅｚを３次元的に表現した図が図３Ａであり、図３ＡにおけるＺ軸方向は、電界Ｅｚの電界振幅を表している。
これに対して、短絡／開放点５をＸ軸上に設け、放射素子２を地導体板３と短絡した場合には、短絡点（短絡状態の短絡／開放点５）が拘束条件に加わることとなる。
したがって、拘束条件を加味して共振器モデルの条件も含めて最小二乗法を用いてとくと、電界Ｅｚは、（２）式で表現できる。
ただし、０＜γ≦０．５である。
すなわち、短絡／開放点５の位置は、（ａγ，０）で表すことができる。

図３Ｂは、γ＝０．３とした場合の（２）式の計算結果の説明図である。
図３Ａに示した場合と比較して、Ｘ＝ａ／２上の電界の振幅が抑圧されていることがわかる。
このため、Ｘ軸方向の偏波は抑圧され、Ｙ軸方向の偏波は抑圧が少ないため、結果として、偏波面を４５°回転した状態（ほぼＹ−Ｚ平面と平行な偏波面）に変更することができる。

図３Ｃは、γ＝０．５とした場合の（２）式の計算結果の説明図である。
すなわち、図３Ｃは、短絡/開放点５を放射素子２の端部（辺上）においた時の誘電体基板１内のＺ軸方向の電界Ｅｚの電界の振幅を示している。
図３に示すように、図３Ｂの場合と比較して、Ｘ＝ａ／２の点における電界Ｅｚの振幅がさらに抑圧されていることがわかる。

このため、Ｘ軸方向に沿った偏波面を有する直線偏波の成分と、Ｙ軸方向に沿った偏波面を有する直線偏波の成分と、の成分比を大きくとることができる。
この場合において、式２から明らかなように、γ＝O、つまり(Ｘ，Ｙ)＝(０，０）である)の放射素子２の中心位置では、（１）式のＴＭ１１モードと同一動作となるため、直線偏波成分の抑圧効果を得ることができない。

以上の説明においては、放射素子上に一つの短絡／開放点を設ける構成を採っていたが、複数設けるように構成することも可能である。
このような構成を採ることにおり、様々な偏波特性（偏波面の向き等）を得ることが可能となる。

図４Ａは、短絡／開放点を複数設ける場合の具体例の説明図である。
図４Ｂは、図４Ａの放射素子近傍の詳細説明図である。
図４Ｃは、図４Ａの底面図である。

図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃの例においては、Ｘ軸上に短絡／開放点５−１及び短絡／開放点５−２の２点配置している。
図４、図４Ｂ、図４Ｃの例の場合、Ｘ軸正方向に短絡／開放点５−１を設け、Ｘ軸負方向に短絡／開放点５−２を設けているが、Ｘ軸正方向のみ、あるいは、Ｘ軸負方向のみに複数の短絡／開放点を設けるように構成したり、Ｘ軸正方向及びＸ軸負方向の双方にそれぞれ複数の短絡／開放点を設けるように構成したりすることも可能である。

表１に示すように、短絡点なしの場合は、対角線方向の電界強度に対して、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の電界強度は各々約３ｄＢの電界強度比となる。
これに対し、短絡/開放点５による短絡点をγ＝０．３あるいはγ＝０．５となる位置に設けることで、Ｘ軸方向の偏波が抑圧され、Ｘ軸方向の電界強度と、Ｙ軸方向の電界強度との比が大きくなることがわかる。

また、短絡/開放点５を２か所設けることで、Ｘ軸とＹ軸の電界強度比がさらに大きくなることがわかる。
以上の説明においては、給電点４を放射素子２の対角線上に配置していたが、Ｘ軸上あるいはＹ軸上を除く場所であれば、いずれであっても設置することが可能である。

［２］第２実施形態
上記第１実施形態においては、短絡／開放点をＸ軸上に設けていたが、本第２実施形態は、短絡／開放点をＹ軸上に設けた場合の実施形態である。
第１実施形態と、同様の考え方で、短絡/開放点５の位置を、Ｙ軸上に配置すれば、今度はＴＭ１０を疑似した偏波特性を得ることが可能となる。

図５Ａは、短絡/開放点５の位置を、Ｙ軸上に配置した場合のアンテナ装置の平面図である。
図５Ｂは、図５Ａの放射素子近傍の詳細説明図である。
図５Ｃは、図５Ａの底面図である。
本第２実施形態の動作は、原理的に第１実施形態と同様であり、短絡／開放点５を短絡点とすることにより、短絡/開放点５がＹ軸上にあるため、この付近の電界は著しく小さくなる。このため、Ｙ軸方向の電界の位置による振幅が小さくなるが、Ｘ軸方向の電界は比較的変化が小さいため、ＴＭ１０モードの動作に近づく。
このため、放射素子２から放射される電波の偏波面は、ＴＭ１０モードと同じＸ軸及びＺ軸を含む平面（Ｘ−Ｚ平面）と平行となる。

［３］第３実施形態
次に第３実施形態について説明する。
図６Ａは、第３実施形態のアンテナ装置の平面図である。
図６Ｂは、第３実施形態のアンテナ装置の構造説明断面図である。
図６Ｃは、第３実施形態の放射素子の構成説明図である。
図６Ｄは、第３実施形態のアンテナ装置の底面図である。

本第３実施形態においては、第１実施形態で説明したｘ軸上に設けた短絡/開放点である第１の短絡／開放点５に加えて、Ｙ軸上に第２の短絡／開放点である第２の短絡/開放点６を設けて、放射素子２と、地導体板３との間を短絡/開放する構成を採っている。

本構成によれば、以下に説明するように、アンテナ装置が放射する電波の偏波特性を３つのパターンに変更することができる。

表２に示したように、偏波方向（偏波面の向き）を切り替えることが出来るため、偏波ダイバシティーを一つのアンテナ装置で実現可能となる。
なお、Ｘ軸上に短絡／開放点５を設け、Ｙ軸上に短絡／開放点６を設けたが、複数設けても良い。その場合は、各軸上にある開放/短絡点をまとめて、短絡/開放設定を行うことで、切替を行うことが出来る。
このような解放/短絡の機能を電子的に制御することで、自由に偏波方向（偏波面）を変えることが可能となる。

［４］第４実施形態
本第４実施形態は、上記各実施形態で示したスイッチ素子７を具体的に実現する場合の実施形態である。
図７Ａは、スイッチ素子をダイオードで実現した場合の等価回路説明図である。
図７Ａにおいて、スイッチ素子７として機能するダイオード７Ａは、高周波遮断素子として機能するコイル９及び制御スイッチ１０を介して、高電位側電源１１と接続されている。

また、ダイオード７Ａのアノードは、ハイパスフィルタとして機能するコンデンサ８を介して、短絡/開放点５に接続され、カソードは、地導体板３に接続されている。
この場合において、これらの回路の短絡/開放点５への電気的接続は、誘電体基板１にスルーホールを設けてコンデンサ８と短絡/開放点５と、を接続する。

そして、ダイオード７Ａ等の他の電子部品は、すべて地導体板３上に配置するか、別の基板に配置するか、3:地導体上に多層配置した誘電体基板上１上に設けてもよい。
そして、トランジスタ等として構成された制御スイッチ１０を閉状態（オン状態）とすることで、スイッチ素子７としてのダイオード７Ａを導通状態（オン状態）とする。
この結果、短絡/開放点５と、地導体板３とを、高周波的に短絡状態とすることができる。

図７Ｂは、スイッチ素子をトランジスタで実現した場合の等価回路説明図である。
トランジスタ(FET)１２Ａのドレインは、高周波遮断素子として機能するコイル９とトランジスタ等として構成された制御スイッチ１０を介して、高電位側電源１１に電気的に接続されている。
トランジスタ１２Ａのソースは、地導体板３に接続され、ゲートは、プルアップ抵抗１５を介して、第１分圧抵抗１３及び第２分圧抵抗１４で分圧された高電位側電源１１の電圧が印加されている。

このとき、制御スイッチ１０の他端は、地導体板３に接続されているので、制御スイッチを閉／開（オン／オフ）することで、プルアップ抵抗１５に印加される電圧が、地導体板３の電圧（電位）と、高電位側電源１１の分圧電圧とで、切り替わることとなり、実効的には、トランジスタ１２Ａのオン抵抗が変化し、短絡／開放点５の短絡及び開放を実現できる。

図７Ｃは、スイッチ素子をＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スイッチ（あるいは高周波リレー）で実現する場合の等価回路説明図である。
ＭＥＭＳスイッチ１６Ａの一端は、電気的に直接短絡/開放点５に接続し、他端に接続する。また、スイッチの駆動端子は、制御スイッチ１０を介して、高電位側電源１１に接続する。

上記構成において、制御スイッチ１０を閉状態／開状態（オン状態／オフ状態）とすることで、ＭＥＭＳスイッチ１６Ａが閉状態／開状態（オン状態／オフ状態）となるので、短絡／開放点５の短絡及び開放を実現できる。
なお、ＭＥＭＳスイッチ１６Ａを、高周波リレーに置き換えてもよい。
本第４実施形態の構成によれば、電子的に偏波の方向（偏波面の向き）を変更することが出来る。

［５］第５実施形態
以上の各実施形態は、偏波の方向（偏波面の向き）を変更可能な実施形態であったが、本第５実施形態は、さらにアンテナ装置の指向性を変更可能とした実施形態である。
図８Ａは、第５実施形態のアンテナ装置の平面図である。
図８Ｂは、第５実施形態のアンテナ装置の構造説明断面図である。
図８Ｃは、第５実施形態の放射素子の構成説明図（誘電体基板は不図示）である。
図８Ｄは、第３実施形態のアンテナ装置の底面図である。

図８Ａ及び図８Ｄに示すように、無給電素子１７は、誘電体基板１の上面に設けられた第１の無給電素子１７−１と、誘電体基板１の下面に設けられた第２の無給電素子１７−２と、を備えている。
第１の無給電素子１７−１は、線状の素子であり、放射素子２の各辺に平行に、誘電体基板１の上面に設けられている。さらに４つの第１の無給電素子１７−１は、図８Ｂに示すように、放射素子２の中心点Ｏからそれぞれ長さｈ１だけ離れた位置に配置されている。

同様に、第２の無給電素子１７−２は、線状の素子であり、地導体板３の各辺に平行に、誘電体基板１の下面に設けられている。さらに４つの第２の無給電素子１７−２は、図８Ｂに示すように、放射素子２の中心点Ｏからそれぞれ長さｈ１だけ離れた位置に配置されている。

この結果、放射素子２の放射面と平行な仮想平面上への、地導体板３の正射影は、放射素子２の当該仮想平面上への正射影を含み、複数の無給電素子１７−１、１７−２の当該仮想平面上への正射影を含まないこととなっている。

さらに誘電体基板１の同一の辺に平行な第１の無給電素子１７−１と、第２の無給電素子１７−２と、は、それらの端部で、スルーホールに設けられた無給電素子長変更部１８を介して電気的に接続／切断可能とされている。

上記構成において、第１の無給電素子１７−１は、図８Ｃに示すように、長さｂ１とされている。また、第２の無給電素子１７−１は、図８Ｄに示すように、長さｂ２とされ、無給電素子長変更部１８により互いに電気的に接続された場合には、誘電体基板１の厚さｔを加えて、無給電素子１７としての長さが実効的に放射波長λに対して、およそ３／２λとなるようにされている。また、無給電素子長変更部１８により電気的に切断された状態では、第１の無給電素子１７−１の長さが、実効的に放射波長λに対して、およそ１／２λとなるようにされている。

ここで、無給電素子１７（第１の無給電素子１７−１及び第２の無給電素子１７−２）は線状の素子であるため、電界の励振方向がその長さ方向に沿っている場合に励振される。
本実施形態においては、給電点４は、放射素子２の対角線上にあるため、ＴＭ１１モードが励振される。

したがって、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の双方向に電界の励振方向が存在するため、４つのすべての無給電素子１７を励振することが可能となっている。

この場合において、無給電素子１７の長さ（第１の無給電素子１７−１単独あるいは第１の無給電素子１７−１と第２の無給電素子１７-２を電気的に接続した場合の無給電素子１７としての実効長）が、用いる電波の誘電体基板１内における波長λに対し、略１／２λである場合は、無給電素子１７が共振し、無給電素子１７から電波が再放射される。

ここで、再放射される電波は、無給電素子１７の長さ（無給電素子１７の実効長）が１／２λよりも短い場合は、導波器として動作する。また、再放射される電波は、無給電素子１７の長さ（無給電素子１７の実効長）が１／２λよりも長い場合は、反射器として動作する。

これらに対し、無給電素子１７の長さ（無給電素子１７の実効長）が略３／４λまたは、略１／４λの場合には、共振が起こらずに、導波器あるいは反射器としての動作をしなくなる。

したがって、無給電素子１７の長さを変えることにより、放射する電波の方向（アンテナ装置の指向性）を、Ｘ軸の正負の方向あるいはＹ軸の正負の方向に変えることができる。

本第５実施形態において、給電点４は、対角線上に設けられているため、給電点４に入力された電力は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に等分に分配される。
したがって、Ｘ軸方向に分配される電力及びＹ軸方向に分配される電力は、給電点４に入力された電力の１／２となる。

このため、給電点４をＹ軸上においた場合の共振モードであるＴＭ０１モードよりも無給電素子１７を励振する電界は小さいこととなる。
しかし、第１の短絡／開放点５及び第２の短絡／開放点６により、無給電素子１７を励振する電界を強くすることが可能である。

これは、前述したように、第１短絡／開放点５を短絡した場合には、共振モードがＴＭ１１モードからＴＭ０１モードに近いモードとなるため、Ｙ軸方向の電界が支配的になって、Ｘ軸方向に沿って平行に配置された無給電素子１７よりも、Ｙ軸方向に沿って平行に配置された無給電素子１７を強く励振することができるからである。
この結果、第１の短絡／開放点５を短絡し、かつ、Ｙ軸に平行な無給電素子１７の長さを略１／２λとすることにより、Ｘ軸方向に沿ってアンテナ装置の指向性を変更することができ、Ｘ軸方向に沿って電波の放射方向を傾けることができる。

同様にして、第２の短絡／開放点６を短絡した場合には、共振モードがＴＭ１１モードからＴＭ１０モードに近いモードとなるため、Ｘ軸方向の電界が支配的になって、Ｙ軸方向に沿って平行に配置された無給電素子１７よりも、Ｘ軸方向に沿って平行に配置された無給電素子１７を強く励振することができ、第２の短絡／開放点６を短絡し、かつ、Ｘ軸に平行な無給電素子１７の長さを略１／２λとすることにより、Ｙ軸方向に沿ってアンテナ装置の指向性を変更することができ、Ｙ軸方向に沿って電波の放射方向を傾けることができる。

この場合において、無給電素子１７を励振／非励振を切り替えるためには、無給電素子長変更部１８により、無給電素子１７の実効長が切り替えられるようにすればよい。

具体的には、第１の無給電素子１７−１の長さを略１／２λとし、第２の無給電素子１７−２の長さを略１／４λとし、無給電素子長変更部１８により、第１の無給電素子１７−１と第２の無給電素子１７−２とを、電気的に接続あるいは切断するようにして、無給電素子１７の実効長を、略１／２λと略３／４λとの間で切り替えるようにすれば良い。

すなわち、ｃが第１の無給電素子１７−１と第２の無給電素子１７−２とを、電気的に切断した場合には、無給電素子１７の実効長は、第１の無給電素子１７−１の長さである略１／２λとなる。

この場合において、第１の無給電素子１７-１の長さを、１／２λよりもやや短くしておけば、無給電素子１７は、導波器として機能し、第１の無給電素子１７-１の長さを、１／２λよりもやや長くしておけば、無給電素子１７は、反射器として機能する。
表３は、無給電素子を反射器として動作させた場合の指向性の方向を説明する表である。

表３に示すように、Ｘ軸上に設けた第１の短絡／開放点５及びＹ軸上に設けた第２の短絡／開放点６の短絡あるいは開放を制御することにより、アンテナ装置の指向性を所望の方向とすることができる。

これに対し、無給電素子長変更部１８が第１の無給電素子１７−１と第２の無給電素子１７−２とを、電気的に接続した場合には、無給電素子１７の実効長は、第１の無給電素子１７−１の長さ及び第２の無給電素子１７-２の長さを加えた略３／４λとなるため、無給電素子１７は非励振状態となり、何ら機能せずにアンテナ装置本来の指向性の向きとなる。なお、実際には、誘電体基板１の厚さｔも無給電素子１７の実効長に含まれる。

以上の説明のように、本第５実施形態によれば、Ｚ軸方向のみならず、Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向に対しても、指向性を可変することができる。また、Ｚ軸方向については、第１実施形態乃至第４実施形態と同様に偏波方向（偏波面）を変えることが可能となる。

［６］第６実施形態
上記第５実施形態では、誘電体基板１の上面に設けた第１の無給電素子１７-１と、誘電体基板１の下面に設けた第２の無給電素子１７−２と、を電気的に接続／切断することで無給電素子１７の実効長を切り替えていた場合であったが、本第６実施形態は、誘電体基板１の上面に設けた無給電素子１７を電気的に分割することにより無給電素子の長さを変更する場合の実施形態である。

図９Ａは、第６実施形態のアンテナ装置の平面図である。
図９Ｂは、第６実施形態の放射素子の構成説明図である。
本第６実施形態は、無給電素子の長さを略１／２λ（励振状態）と、略１／４λ（非励振状態）と、で切り替える場合を例として説明する。

無給電素子１７は、線状の素子であり、放射素子２の各辺に平行に、誘電体基板１の上面に設けられている。さらに４つの無給電素子１７は、放射素子２の中心点Ｏからそれぞれ長さｈ１だけ離れた位置に配置されている。

各無給電素子１７は、中央で２分割されて、第１の無給電素子１７−１１及び第２の無給電素子１７−１２として構成されている。
第１の無給電素子１７−１１及び第２の無給電素子１７−１２は、無給電素子長変更部１８ｂを介して電気的に接続／切断可能とされている。
このとき、第１の無給電素子１７−１１及び第２の無給電素子１７−１２は、それぞれ略１／４λの長さとされている。

したがって、第１の無給電素子１７−１１及び第２の無給電素子１７−１２は、無給電素子長変更部１８ｂを介して電気的に接続されると、無給電素子１７の実効長は、略１／２λとなり、無給電素子１７は、励振状態となる。
これにより、第５実施形態と同様に、アンテナ装置の指向性を変更することができ、電波の放射方向を傾けることができる。

この場合において、第１の無給電素子１７−１１及び第２の無給電素子１７−１２を電気的に接続した状態の無給電素子１７の長さ（実効長）を、１／２λよりもやや短くしておけば、無給電素子１７は、導波器として機能し、第１の無給電素子１７−１１及び第２の無給電素子１７−１２を電気的に接続した状態の無給電素子１７の長さ（実効長）を、１／２λよりもやや長くしておけば、無給電素子１７は、反射器として機能する。

本第６実施形態の動作は、第５実施形態と同様であり、より詳細には、無給電素子１７を反射器として動作させた場合は、表３において、無給電素子長変更部の動作を「短絡」を「開放」と読み替え、「開放」を「短絡」と読み替えることで、第５実施形態と同じ指向性制御動作を達成することができる。

[７］第７実施形態
本第７実施形態は、第５実施形態における無給電素子１７を放射素子２の各辺に対しそれぞれ一対ずつ設け、指向性をより水平方向に向けるようにした実施形態である。
図１０Ａは、第７実施形態のアンテナ装置の平面図である。
図１０Ｂは、第７実施形態のアンテナ装置の構造説明断面図である。
図１０Ｃは、第７実施形態のアンテナ装置の平面透視図である。
図１０Ｄは、第７実施形態のアンテナ装置の底面図である。

図１０Ｂに示すように、放射素子２の中心点Ｏから内側の無給電素子１７までの距離をｈ３、内側の無給電素子１７と外側の無給電素子１７との距離をｈ４とし、地導体板３は、放射素子２の端からそれぞれ長さｈ２だけ大きくなっている。

この結果、放射素子２の放射面と平行な仮想平面上への、地導体板３の正射影は、放射素子２の当該仮想平面上への正射影を含み、無給電素子１７を構成している複数の無給電素子１７−１、１７−２の当該仮想平面上への正射影を含まないこととなっている。

ここで、長さｈ２は、放射素子２の一辺の長さａに対し、以下の関係を満たしている。
ａ／２＜（ａ／２）＋ｈ２＜ｈ３

本第７実施形態は、第５実施形態と同様に、無給電素子１７の長さを略３／４λまたは１／２λにすることで、指向性を変化させる。

この場合において、放射素子２の各辺に対して、無給電素子１７を２つずつ設けているので、無給電素子長変更部１８ｂを制御することで、無給電素子１７から発生する電波を強くすることができ、指向性をより水平方向に向けることが可能となる。無給電素子１７を反射器として用いる場合、第７実施形態の動作は、第５実施形態と同様であり、無給電素子長変更部１８ｂの短絡／開放と、第１の短絡／開放点５及び第２の短絡／開放点６の短絡／開放の組み合わせで、指向性を変更することができる。

［８］第８実施形態
図１１は、第８実施形態のアンテナ装置の平面図である。
本第８実施形態は、第６実施形態の無給電素子１７を放射素子２の辺毎に二つ設けた場合の実施形態である。

本第８実施形態においては、無給電素子長変更部１８ｂを制御することで、無給電素子１７から発生する電波を強くすることができ、指向性をより水平方向に向けることが可能となる。無給電素子１７を反射器として用いる場合、第８実施形態の動作は、第６実施形態と同様であり、無給電素子長変更部１８ｂの短絡／開放と、第１の短絡／開放点５及び第２の短絡／開放点６の短絡／開放の組み合わせで、指向性を変更することができる。

［９］第９実施形態
本第９実施形態は、第５実施形態、第６実施形態、第7実施形態及び第８実施形態で用いた無給電素子長変更部１８ｂを具体的に実現する場合の実施形態である。
図１２Ａは、第５実施形態、第６実施形態、第7実施形態及び第８実施形態で用いた無給電素子長変更部をダイオードで実現した場合の等価回路説明図である。

図１２Ａにおいて、無給電素子長変更部１８ｂとして機能するダイオード７Ｂのアノードは、高周波遮断素子として機能するコイル９Ａ、制御スイッチ１０及び第１の無給電素子１７−１、または、１７−１１を介して、高電位側電源１１と接続されている。
また、ダイオード７Ａのカソードは、第２の無給電素子１７−２、または、１７−１２、高周波遮断素子として機能するコイル９Ｂを介して地導体板３とは異なる低電位３Ａに接続されている。

この場合において、ダイオード７Ｂ等の他の電子部品は、すべて地導体板３上に配置するか、別の基板に配置するか、地導体板３上に多層配置した誘電体基板１上に設けてもよい。
そして、トランジスタ等として構成された制御スイッチ１０を閉状態（オン状態）とすることで、無給電素子長変更部１８ｂとしてのダイオード７Ｂを導通状態（オン状態）とする。
この結果、第１の無給電素子１７−１と、第２の無給電素子１７−２とを、または、第１の無給電素子１７−１１と、第２の無給電素子１７−１２とを、電気的に接続して、無給電素子１７の実効長を長くすることができる。

図１２Ｂは、第５実施形態、第６実施形態、第7実施形態及び第８実施形態で用いた無給電素子長変更部をトランジスタで実現した場合の等価回路説明図である。
トランジスタ(FET)１２Ｂのドレインは、第１の無給電素子１７−１１及び高周波遮断素子として機能するコイル９Ａを介して高電位側電源１１に電気的に接続されている。

高電位側電源１１と地導体板３との間には、第１分圧抵抗１３及び第２分圧抵抗１４が設けられ、トランジスタ１２Ｂのゲートは、プルアップ抵抗１５を介して、第１分圧抵抗１３及び第２分圧抵抗１４で分圧された高電位側電源１１の電圧が印加されている。
また、トランジスタ１２Ｂのソースは、第２の無給電素子１７−１２及び高周波遮断素子として機能するコイル９Ｂを介して地導体板３とは異なる低電位３Ａに接続されている。

このとき、制御スイッチ１０の一端は、第１分圧抵抗１３と第２分圧抵抗１４の接続点に接続され、他端は、低電位３Ａに接続されているので、制御スイッチを閉／開（オン／オフ）することで、プルアップ抵抗１５に印加される電圧が、低電位側電源３Ａの電圧（電位）と、高電位側電源１１の分圧電圧とで、切り替わることとなり、実効的には、トランジスタ１２のオン抵抗が変化し、第１の無給電素子１７−１と第２の無給電素子１７−２との電気的接続／切断、または、第１の無給電素子１７−１１と第２の無給電素子１７−１２との、電気的接続／切断を実現できる。

図１２Ｃは、第５実施形態、第６実施形態、第7実施形態及び第８実施形態で用いた無給電素子長変更部１８ｂをＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スイッチ（あるいは高周波リレー）で実現する場合の等価回路説明図である。
ＭＥＭＳスイッチ１６の一端は、第１の無給電素子１７−１、または第1の無給電素子１７−１１に電気的に接続されている。

また、ＭＥＭＳスイッチ１６の他端は、第２の無給電素子１７−２、または、第２の無給電素子１７−１２に接続されている。
さらにＭＥＭＳスイッチ１６の駆動端子は、制御スイッチ１０を介して、高電位側電源１１に接続する。また、駆動のための基準電位を地導体板３とは異なる低電位側電源３Ａに接続する。

上記構成において、制御スイッチ１０を閉状態／開状態（オン状態／オフ状態）とすることで、ＭＥＭＳスイッチ１６が閉状態／開状態（オン状態／オフ状態）となるので、第１の無給電素子１７−１と第２の無給電素子１７−２との、または、第１の無給電素子１７−１１と第２の無給電素子１７−１２との電気的接続／切断を実現できる。

ここで、ＭＥＭＳスイッチ１６を、単純に高周波リレーに置き換えることも可能である。
本第９実施形態の構成によれば、電子的に指向性の方向を変更することが出来る。

第９実施形態では、第１の無給電素子１７−１と第２の無給電素子１７−２、または、第１の無給電素子１７−１１と第２の無給電素子１７−２の電位は、高電位側電源１１の電位、または、低電位側電源３Ａの電位となっているが、これらの電位と絶縁する方法を図１３Ａ、図１３Ｂに示す。

図１３Ａは、図１２Ａの変形例の説明図である。
図１３Ａにおいて、ダイオード７Ｂのアノード側は、直接コイル９Ａを介して高電位側電源１１に接続されている。

また、ダイオード７Ｂのカソード側を直接コイル９Ｂを介して、低電位側電源３Ａに接続されている。また、第１の無給電素子１７−１、または、第１の無給電素子１７−１１は、コンデンサ８を介してダイオード７Ｂのアノード側に接続されている。

また、第２の無給電素子１７−２、または、第２の無給電素子１７−１２は、コンデンサ８を介してダイオード７Ｂのカソードに接続されている。

このため、制御スイッチ１０を閉状態（オン状態）とすることで、無給電素子長変更部１８ｂとしてのダイオード７Ｂを導通状態（オン状態）とする。
この結果、第１の無給電素子１７−１と、第２の無給電素子１７−２とを高周波的に電気的に接続することにより、あるいは、第１の無給電素子１７−１１と、第２の無給電素子１７−１２とを高周波的に電気的に接続することにより無給電素子１７の実効長を長くすることができる。

図１３Ｂは、図１３Ａの変形例の説明図である。
図１３Ｂにおいて、トランジスタ（ＦＥＴ）１２Ｂのドレインは、コイル９Ａを介して高電位側電源１１に電気的に接続されている。また、トランジスタ１２Ｂのソースは、コイル９Ｂを介して低電位側電源３Ａに電気的に接続されている。

また、第１の無給電素子１７−１または第１の無給電素子１７−１１は、コンデンサ８を介してトランジスタ１２Ｂのドレイン側に接続されている。また、第２の無給電素子１７−２または第２の無給電素子１７−１２は、コンデンサ８を介してトランジスタ１２Ｂのカソード側に接続されている。

そして、制御スイッチ１０を閉状態（オン状態）とすることで、無給電素子長変更部１８ｂとしてのトランジスタ１２Ｂを導通状態（オン状態）とする。
この結果、第１の無給電素子１７−１と、第２の無給電素子１７−２とを高周波的に電気的に接続することにより、あるいは、第１の無給電素子１７−１１と、第２の無給電素子１７−１２とを高周波的に電気的に接続することにより、無給電素子１７の実効長を長くすることができる。

［１０］実施形態の効果
上記各実施形態によれば、簡易な構成で、偏波の方向（偏波面の向き）を変更可能で、変更するための構成及び変更に伴うアンテナ利得の低下を抑制することができる。また、指向性をX軸方向及びＹ軸方向に沿って、天頂から水平方向に変更することが出来る。

［１１］実施形態の変形例
以上の説明においては、短絡／開放点をＸ軸上あるいはＹ軸上に設けていたが、電位レベルが地導体板３の電位レベル（グランドレベル）と実効的に同電位であると見なせる領域内（位置）であれば、Ｘ軸近傍あるいはＹ軸近傍に短絡／開放点を設けるように構成することも可能である。したがって、本明細書においては、これらもＸ軸上あるいはＹ軸上にあるものとして取り扱うものとする。

以上、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。

１ 誘電体基板
２ 放射素子
３ 地導体板
４ 給電点
５、５ｂ、５−１、５−１ｂ、５−２、５−２ｂ （第１の）短絡／開放点
６、６ｂ 第２の短絡／開放点
７ スイッチ素子
７Ａ ダイオード（スイッチ素子）
７Ｂ ダイオード（無給電素子長変更部）
８ コンデンサ
９、９Ａ、９Ｂ コイル
１０ 制御スイッチ
１１ 高電位側電源
１２ トランジスタ（スイッチ素子）
１２Ｂ トランジスタ（無給電素子長変更部）
１３ 第１分圧抵抗
１４ 第２分圧抵抗
１５ プルアップ抵抗
１６ ＭＥＭＳスイッチ（スイッチ素子）
１６Ｂ ＭＥＭＳスイッチ（無給電素子長変更部）
１７ 無給電素子
１７−１、１７−１１ 第１の無給電素子
１７−２、１７−１２ 第２の無給電素子
１８、１８ｂ 無給電素子長変更部
２０ 配線
Ｔ４ 給電端子

Claims (14)

1. 方形形状を有し、対角線上に給電点が設けられた放射素子と、
   前記放射素子上の電位レベルがグランドレベルと見なせる位置に設けられた短絡／開放点と、
   前記短絡／開放点をグランドに電気的に接続／切断する短絡／開放部と、
   を備えたアンテナ装置。
2. 前記前記放射素子上の電位レベルがグランドレベルと見なせる位置は、放射素子の中心点を通り、前記放射素子の交差する２本の辺に平行な直線上であって、前記中心点を除く位置である、
   請求項１記載のアンテナ装置。
3. １辺の長さが前記放射素子の１辺の長さよりも長い方形形状を有し、前記放射素子が一方の面上に形成された誘電体基板を備えた、
   請求項１又は請求項２記載のアンテナ装置。
4. １辺の長さが前記放射素子の１辺の長さよりも長い方形形状を有し、前記誘電体基板の前記放射素子が形成されていない面上に形成された地導体板を備えた、
   請求項３記載のアンテナ装置。
5. 前記地導体板の電位レベルは、前記グランドレベルとされている、
   請求項４記載のアンテナ装置。
6. 前記短絡／開放点は、複数箇所に設けられている、
   請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のアンテナ装置。
7. 前記短絡／開放部は、前記短絡／開放点を前記誘電体基板に設けられたスルーホールを介して電気的に前記地導体板と接続／切断可能に構成されている、
   請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のアンテナ装置。
8. 前記短絡／開放点を前記地導体板と電気的に接続するための素子として、ダイオード、トランジスタあるいはＭＥＭＳスイッチのいずれかを用いている、
   請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のアンテナ装置。
9. 前記放射素子の各辺と平行で所定距離離間した直線上のそれぞれに複数の無給電素子をそれぞれ配置し、
   同一の直線上の複数の無給電素子を互いに電気的に接続／切断する複数の無給電素子長変更部を備えた、
   請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のアンテナ装置。
10. 電位レベルが低電位側電源レベルとされた地導体板を備え、
    前記放射素子の放射面と平行な仮想平面上への、前記地導体板の正射影は、前記放射素子の前記仮想平面上への正射影を含み、前記複数の無給電素子の前記仮想平面上への正射影を含まない、
    請求項９記載のアンテナ装置。
11. 前記放射素子の各辺と平行で所定距離離間した直線上のそれぞれに二つの前記無給電素子を配置し、
    電気的に接続した状態における複数の無給電素子全体の長さを３／４放射波長とし、いずれか一方の無給電素子の長さを１／２放射波長とした、
    請求項９または請求項１０記載のアンテナ装置。
12. 前記放射素子の各辺と平行で所定距離離間した直線上のそれぞれに二つの前記無給電素子を配置し、
    電気的に接続した状態における複数の無給電素子全体の長さを１／２放射波長とし、いずれか一方の無給電素子の長さを１／４放射波長とした、
    請求項９または請求項１０記載のアンテナ装置。
13. 前記放射素子の各辺と平行でそれぞれ所定距離離間した複数の直線上にそれぞれ複数の前記無給電素子を配置した、
    請求項９乃至請求項１２のいずれかに記載のアンテナ装置。
14. 無給電素子長変更部を構成し、同一の直線上の複数の無給電素子を互いに電気的に接続／切断する素子として、ダイオード、トランジスタあるいはＭＥＭＳスイッチのいずれかを用いている、
    請求項９乃至請求項１３のいずれかに記載のアンテナ装置。

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