JP2018007032A - アンテナ装置 - Google Patents

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誠 桧垣
誠也 岸本
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誠也 岸本
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Makoto Sano
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Abstract

【課題】本発明の一実施形態は、アンテナの数に応じてスイッチを増加させることなく、アンテナの指向性を変化させる。【解決手段】本発明の一実施形態としてのアンテナ装置は、導体地板と、第1のアンテナ部と、前記導体地板と前記第1のアンテナ部との間に接続されたスイッチと、前記第1のアンテナ部と容量結合が可能な位置に配置された複数の第2のアンテナ部と、を備える。【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。
アンテナ装置は、一般的に、地板上に設けられたT字型アンテナ(給電アンテナ)と、当該T字型アンテナの両脇に配置され、スイッチを介して地板に短絡された無給電素子(無給電アンテナ)を備える。そして、当該スイッチが短絡または開放されることにより、アンテナ装置の指向性の可変性が実現される。
しかし、アレーアンテナに代表されるような、多数のアンテナを有するアンテナ装置に指向性を持たせようとすると、アンテナの数だけスイッチが必要となり、コストが増大するという問題がある。
特開2006−319772号公報
本発明の一実施形態は、アンテナの数に応じてスイッチを増加させることなく、アンテナの指向性を変化させる。
本発明の一実施形態としてのアンテナ装置は、導体地板と、第1のアンテナ部と、前記導体地板と前記第1のアンテナ部との間に接続されたスイッチと、前記第1のアンテナ部と容量結合が可能な位置に配置された複数の第2のアンテナ部と、を備える。
第1の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成の一例を示す斜視図。 第1の実施形態に係るアンテナ装置の上面図。 図2に示した切断線による断面図。 第1の実施形態に係るアンテナ装置の動作説明図。 第1の実施形態に係るアンテナ装置のその他の例を示す図。 第2の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成の一例を示す斜視図。 第3の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成の一例を示す斜視図。 第3の実施形態に係るアンテナ装置の上面図。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、各図に示される直交座標を用いて、実施形態の構成要素等の方向を説明する。直交座標は、鉛直方向をZ軸方向とし、水平面をXY平面とする。また、重力方向を下、重力方向と反対方向を上と記載する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成の一例を示す斜視図である。第1の実施形態に係るアンテナ装置は、導体地板1と、第1のアンテナ部(無給電アンテナ)2と、スイッチ3と、第2のアンテナ部(給電アンテナ)4と、同軸線路5とを備える。第1のアンテナ部2は、第1の導体部21と、第2の導体部22とを備える。第2のアンテナ部4は、第3の導体部41と、第4の導体部42とを備える。同軸線路5は、外導体51と、内導体52とを備える。
第2のアンテナ部4は複数存在し、同軸線路5は第2のアンテナ部4と同数存在する。本説明では、複数ある構成要素を符号の添え字のアルファベットにて区別する。図1の例では、第2のアンテナ部4は4aおよび4bの2つが存在し、同軸線路5は5aおよび5bの2つが存在する。
本実施形態では、導体地板1は水平面に平行に置かれているとする。導体地板1の上方に、第1のアンテナ部2と、スイッチ3と、第2のアンテナ部4が存在する。また、導体地板1の下方に、同軸線路5が存在する。スイッチ3は、導体地板1と第1のアンテナ部2との間に接続される。また、同軸線路5の外導体51は、導体地板1に接続される。同軸線路5の内導体52は、導体地板1に設けられた穴などを介して、第3の導体部41と接続される。
第1のアンテナ部2と、第2のアンテナ部4それぞれとは、所定の距離以下となるように配置される。第1のアンテナ部2と第2のアンテナ部4との距離は、第1のアンテナ部2の表面と、第2のアンテナ部4の表面との最短距離を意味するものとする。図1の例では、第2の導体部22の一部と、第4の導体部42の一部との距離になる。所定の距離とは、容量結合が可能な最長の距離以下の距離である。すなわち、第1のアンテナ部2と第2のアンテナ部4とは、容量結合が可能な位置に配置される。
なお、図1の例は、作りやすさが勘案された構成であり、アンテナ装置が備える各構成要素および各構成要素の構成は、図1の例に限られるものではない。また、当該各構成要素は、所定の位置に固定されていればよく、構成要素の間は、中空であってもよいし、図示していない誘電体などがあってもよい。なお、以降は、アンテナ装置が誘電体基板にて作成されると想定して、説明を行う。
図2は、第1の実施形態に係るアンテナ装置の上面図である。図1の例では、第2の導体部22および第4の導体部42が位置する高さが異なり、第2の導体部22と第4の導体部42とは、Z軸方向において一部重なるように配置されている。図2に示された点線は、第2の導体部22により隠されている第4の導体部42の境界を示す。
但し、前述の通り、第1のアンテナ部2と第2のアンテナ部4とは、容量結合が可能な位置に配置されていればよく、必ずしもZ軸方向において一部重なるように配置されていなくともよい。第2の導体部22と第4の導体部42が位置する高さが同じでもよい。また、第2の導体部22と第4の導体部42との重なる位置は、図2の例に限られない。
図3は、図2に示した切断線による断面図である。前述の通り、アンテナ装置は誘電体基板にて作成され、図3の例では、誘電体6が導体地盤1に載せられている。なお、誘電体6は、1つまたは複数の層により構成されていてもよい。第2の導体部22と第4の導体部42とは誘電体6にパターニングされており、第1のアンテナ部2と第2のアンテナ部4それぞれは、電気的に絶縁されているとする。第2の導体部22と第4の導体部42との間にある誘電体6の金属パターンにより、絶縁することができる。
なお、図3は、第1の導電部21および第3の導電部41が、スルーホールによる線状導体にて形成される場合を示す。第1の導電部21のスルーホールでは、一端にスイッチ3が、他端に第2の導電部22が接続されている。第3の導電部41のスルーホールでは、一端に内導体52が、他端に第4の導電部42が接続されている。スルーホールは、誘電体基板に設けられた穴の内壁面と当該穴の周囲にメッキが施される。なお、第1の導電部21および第3の導電部41がスルーホール以外で形成されていてもよい。
次に、アンテナ装置の各構成要素の役割について説明する。
導体地板1は、金属などの導電性材料により生成されたものであり、接地電位の役割を担う。導体地板1は、例えば、平坦な金属板などでもよい。
第1のアンテナ部2は、表面に電流が生じることにより、空間に電磁波を放射するアンテナとして動作する。第1の導体部21は、スイッチ3と接続される。第2の導体部22は、第2のアンテナ部4と容量結合を行う。これにより、第2の導体部22に電流が生じる。また、第1の導体部21と第2の導体部22は、電気的に繋がっており、スイッチ3の動作に応じて、第1の導体部21に電流が生じる。第1のアンテナ部2の電流の詳細については、後述する。
なお、第1の導体部21と第2の導体部22は、電気的に繋がっていればよく、第1の導体部21と第2の導体部22との間に他の導体部が存在してもよい。
なお、第1の導体部21と第2の導体部22は、それぞれ別の導電性部材から構成されていてもよい。例えば、第1の導体部21として線状導体を、第2の導体部22として導体板を用いてもよい。また、1つの導電性部材により、第1の導体部21と第2の導体部22が構成されていてもよい。例えば、1つの導電性部材が、第1の導体部21に対応する突出部と、第2の導体部22に対応する平坦部を有していてもよい。
また、第1の導体部21および第2の導体部22の形態も、線状、板状などに限られるものではない。第1の導体部21が板状であってもよいし、第2の導体部22が線状であってもよい。図2に示された第2の導体部22の表面は長方形であるが、正方形でもよいし、円形でも他の多角形でもよい。
また、図3に示すように、第2の導体部22は導体地板1と略平行に配置され、第1の導体部21と第2の導体部22とは略垂直に接続されることを想定するが、特に限られるものではない。
なお、本説明において略という言葉は、修飾する語句そのものも含まれるものとする。例えば、略平行には、平行も含まれる。
スイッチ3は、第1のアンテナ部2と導体地板1との間を開放(Open)または短絡(Short)するように動作する。そして、スイッチ3が開放と短絡の2つの状態を切り替えることにより、第1のアンテナ部2の電流の方向が変化する。ゆえに、第1のアンテナ部2の指向性が変化する。スイッチ3は、具体的には、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)スイッチ、半導体スイッチ等により実現可能である。
複数の第2のアンテナ部4それぞれは、給電される(高周波信号が印加される)ことにより、空間に電磁波を放射するアンテナとして動作する。また、第1のアンテナ部2に容量結合による電流を生じさせる。第3の導体部41は、給電を行う同軸線路5の内導体52と接続されている。第2の第4の導体部42は、第2の第3の導体部41と電気的に繋がっている。また、第2の第4の導体部42は、第1のアンテナ部2と容量結合を行う。これにより、第2の導体部22に電流が生じる。第2のアンテナ部4の電流の詳細については、後述する。
なお、第3の導体部41と第4の導体部42は、電気的に繋がっていればよく、第3の導体部41と第4の導体部42との間に他の導体部が存在してもよい。
なお、第3の導体部41と第4の導体部42は、それぞれ別の導電性部材から構成されていてもよい。例えば、第3の導体部41として線状導体を、第4の導体部42として導体板を用いてもよい。また、1つの導電性部材により、第3の導体部41と第4の導体部42が構成されていてもよい。例えば、1つの導電性部材が、第3の導体部41に対応する突出部と、第4の導体部42に対応する平坦部を有していてもよい。また、第3の導体部41と第4の導体部42は、一体であってもよい。
また、第3の導体部41および第4の導体部42の形態も、線状、板状などに限られるものではない。第3の導体部41が板状であってもよいし、第4の導体部42が線状であってもよい。図1に示された第4の導体部42の表面は長方形であるが、正方形でもよいし、円形でも他の多角形でもよい。
また、図3に示すように、第4の導体部42は導体地板1と略平行に配置され、第3の導体部41と第4の導体部42とは略垂直に接続されることを想定するが、特に限られるものではない。
同軸線路5は、高周波用線路である。同軸線路5の内導体52から第3の導体部41に給電が行われる(高周波信号が印加される)。第3の導体部41がスルーホールにて形成される場合に、図3に示すように、スルーホールの穴の周囲のメッキ(ランド)に高周波信号を印加すれば、第2のアンテナ部4を給電することができる。
次に、第1のアンテナ部2の指向性について説明する。図4は、第1の実施形態に係るアンテナ装置の動作説明図である。図4(A)は、スイッチ3が開放されている場合を示す。図4(B)は、スイッチ3が短絡されている場合を示す。第2のアンテナ部4には、同軸線路5を介して給電が行われ、電流が生じている。図に示された矢印は、電流の方向を示す。なお、第2のアンテナ部4aおよび4bの両方に給電が行われてもよいし、いずれか一方に行われてもよい。また、電流の方向も、任意に変更してよい。
第2のアンテナ部4に給電された電流により、第2のアンテナ部4と容量結合された第2の導体部22に電流が生じる。スイッチ3が開放されている場合では、第1の導体部21に電流は生じない。一方、スイッチ3が短絡されている場合では、第1の導体部21に電流が生じる。第1の導体部21に生じた電流の方向は、スイッチ3と導体地板1との接続点である短絡点において電流が最大となるため、短絡点から、第1の導体部21と第2の導体部22との接続点に向かう方向となる。そして、第2の導体部22の電流は、第1の導体部21と第2の導体部22との接続点を中心に放射状に流れる。ゆえに、図4に示すように、第2の導体部22に流れる電流の方向が、スイッチ3の動作の前後で変化する。
このように、スイッチ3が導体地板1と第1のアンテナ部2との間を短絡または開放することにより、容量結合により第2の導体部22に生じた電流の方向を変化させることができる。また、第2の導体部22の電流は、いずれの第2のアンテナ部4に給電した場合でも生じる。したがって、1つのスイッチ3により、第1のアンテナ部2は、複数の第2のアンテナ部4それぞれの信号に対して、指向性を有する。
なお、スイッチ3の開放時において、第1のアンテナ部2における電流の経路の長さは、
使用する無線周波数に対応する波長の略2分の1とする。一方、スイッチ3の短絡時において、第1のアンテナ部2における電流の経路の長さは、当該波長の略4分の1とする。そうすると、スイッチ3の短絡時も、鏡像により、電流の経路の長さを当該波長の略2分の1とみなすことができる。
なお、図4の例おいて、スイッチ3の開放時の電流の経路の長さは、第4の導体部が存在する側の第2の導体部22の端部から反対側の端部までの長さである。スイッチ3の短絡時の電流の経路の長さは、第1の導体部21の長さと、第4の導体部が存在する側の第2の導体部22の端部から、第1の導体部21と第2の導体部22との接続点までの長さの和となる。
なお、第1の導体部21の長さが無視可能なほど短ければ、スイッチ3の開放時に第2の導体部22に流れる電流の経路長を当該波長の略2分の1とし、スイッチ3の短絡時に第2の導体部22に流れる電流の経路長を当該波長の略4分の1した場合、第2のアンテナ部のアンテナ入力インピーダンスの変化を小さく抑えることができる。上記の場合、第2の導体部22の電流は、スイッチ3の開放および短絡時に、第1の導体部21と第2の導体部22との接続点を境として位相だけが変わるため、給電点でのアンテナ入力インピーダンスの変化が小さい。ゆえに、インピーダンス整合の状態の維持が容易となる。
また、第1のアンテナ部2と第2のアンテナ部4との距離、図1の例では第2の導体部22と第4の導体部42の距離は、当該波長の略8分の1以下とすることが好ましい。第1のアンテナ部2と第2のアンテナ部4との距離が当該波長の略8分の1以下の場合、当該第2のアンテナ部4以外の電流の影響を受けにくくなり、第1のアンテナ部2と当該第2のアンテナ部との容量結合が強くなる。これにより、スイッチ3を切り替えた時の指向性の変化を大きくすることができる。なお、第1のアンテナ部との距離が、使用される無線周波数の波長の略8分の1以下になるように配置された第2のアンテナ部は、少なくとも1つあればよく、全てでなくともよい。
なお、第1のアンテナ部2と第2のアンテナ部4とは、様々な配置が考えられるが、その配置により、特性が変化する。図5は、第1の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成のその他の例を示す上面図である。第1のアンテナ部2と第2のアンテナ部4の位置関係は、図5(A)、5(B)および5(C)のいずれの配置でもよい。また、第2の導体部22および第4の導体部42が位置する高さは、図3のように一致していなくともよいし、一致していてもよい。第4の導体部42それぞれの高さも一致していなくともよいし、一致していてもよい。
但し、第1の導体部21を軸として、第1のアンテナ部2と第2のアンテナ部4が、回転対称となるように配置されることが好ましい。例えば、図5において、黒丸で示された位置が第1の導体部21と第2の導体部22との接続点とし、複数の第4の導体部42それぞれの高さが同じとすると、図5(A)は回転対称の配置ではないが、図5(B)および5(C)は第1の導体部21を軸とした回転対称の配置である。このような回転対称の配置とすることにより、回転対称の2つの第2のアンテナ部4それぞれのインピーダンスが同一となり、当該2つの第2のアンテナ部4に対しては入力インピーダンス整合の調整を行う必要がなくなる。なお、少なくとも2つの第2のアンテナ部が回転対称となるように配置されていればよく、全ての第2のアンテナ部4が回転対称に配置されていなくともよい。
第1のアンテナ部2と、第2のアンテナ部4とが、スイッチ3の開放状態時の第1のアンテナ部2に生じる電流の方向と直行する方向において、少なくとも一部重なることが好ましい。一部が重なることにより、第1のアンテナ部2を流れる電流の強度および方向を変化させやすくなる、つまりアンテナの指向性を変化させやすくなるためである。例えば、図5の(A)、(B)および(C)では、第2の導体部22にX軸方向の電流が生じる。ゆえに、X軸と異なるY軸およびZ軸方向において、第1のアンテナ部2と第2のアンテナ部4とが重なるほうが好ましい。図5(A)および図5(C)では、第2の導体部22と第4の導体部42とはY軸方向おいて重なるが、図5(B)では、第2の導体部22と第4の導体部42はX軸方向おいて重なる。ゆえに、図5(B)がZ軸方向においても一部重なっていなければ、図5(B)よりも図5(A)および図5(C)の配置のほうが好ましい。なお、少なくとも1つの第2のアンテナ部4が、第1のアンテナ部2と一部重なるように配置されていればよく、全ての第2のアンテナ部4が一部重なるように配置されていなくともよい。
以上のように、本実施形態は、1つのスイッチ3により、各第2のアンテナ部4との容量結合により生じた第1のアンテナ部2の電流の向きを変化させることができる。ゆえに、アンテナの数に応じてスイッチを増加させることなく、1つのスイッチ3により、複数の信号に係る指向性を同時に変化させることができる。
(第2の実施形態)
図6は、第2の実施形態に係るアンテナ装置の構成図である。第1の実施形態では、第1のアンテナ部2および第2のアンテナ部4は、導体地板1の上方に配置された。本実施形態では、第1のアンテナ部2および第2のアンテナ部4は、導体地板1のX軸方向またはY軸方向、つまり導体地板1の側面に配置される。なお、アンテナ装置の各構成要素は、第1の実施形態と同様であり、説明は省略する。
本実施形態の第1のアンテナ部2と、第2のアンテナ部4とは、厚さが薄い帯状(ストリップ状)の導電性部材により、実現される。ゆえに、アンテナ装置の全体の厚さを第1の実施形態よりも薄くすることができる。
なお、同軸線路5の内導体52と第2のアンテナ部4とにおける接続部と、導体地板1とは、隙間を開けて配置されるなどにより、絶縁されているとする。
スイッチ3の動作による、第1のアンテナ部2に生じる電流の変化は、XY平面において、図4に示した第1の実施形態と同様となる。ゆえに、第1の実施形態と同様、第1のアンテナ部2の指向性を変化させることができる。
以上のように、本実施形態では、帯状の導電性部材により構成された第1のアンテナ部2および第2のアンテナ部4を、導体地板1の側面に配置することにより、アンテナ装置の厚さを薄くすることができる。
(第3の実施形態)
図7は、第3の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成の一例を示す図である。本実施形態は、4つの信号に係る指向性を同時に変化させる場合の構成の一例である。これまでの実施形態と同様な点は、説明を省略する。
本実施形態は、4つの第2のアンテナ部4a、4b、4c、および4dを備える。また、本実施形態の第2の導体部22は、略十字型の形態をとる。そして、第2の導体部22の略十字型の4つの突出部それぞれと、当該突出部に対応する第2のアンテナ部4それぞれとが容量結合を行う。
図8は、図7に示した第3の実施形態に係るアンテナ装置の上面図である。図8の点線は、第2の導体部22の突出部からの延長線を示す。各第4の導体部42は、当該延長線からX軸方向またはY軸方向にずらされ、第2の導体部22の突出部それぞれと略平行に配置されている。また、各第4の導体部42は、X軸方向またはY軸方向において、第2の導体部22の突出部と重なる部分を有する。図2の例のように、Z軸方向において一部重なるように配置されてもよいが、図8のように、X軸方向またはY軸方向において、一部重なるように配置されてもよい。
また、図8のように、第1のアンテナ部2と4つの第2のアンテナ部4は、4回対称の構造を取る。つまり、第1の導体部21を軸にして90度単位で回転させると、元の形状と丁度重なる。そして、90度単位で4回転させると、元の位置に戻る。
スイッチ3の動作による、第1のアンテナ部2に生じる電流の変化は、ZX平面およびYZ平面の2つの平面において、図4に示した第1の実施形態と同様となる。また、スイッチ3による電流の変化は、4つの第2のアンテナ部4a、4b,4c、4dのいずれを給電した場合も生じる。したがって、1つのスイッチ3により、第2のアンテナ部4それぞれに対応する4つの信号に対する指向性を変化させることができる。
なお、図7および8に示した構造は、第1の実施形態で示した効果等を勘案したものであり、第2のアンテナ部4が4つある場合の構造は、図7および8に示した例に限られない。4つの第2のアンテナ部4全てを回転対称に配置しなくてもよいし、回転対称に配置する場合も、必ずしも90度単位の回転対称でなくともよい。つまり、略十字型の突出部同士で挟まれた角度が90度でなくともよい。また、回転対称とする場合は、第2の導体部22は回転対称となり得る形態であればよく、略十字型でなくともよい。また、各第4の導体部42は、X軸方向またはY軸方向において、必ずしも第2の導体部22の突出部と重なる部分を有しなくともよい。
以上のように、本実施形態では、1つのスイッチ3により、4つの信号に係る指向性を同時に変化させることができる。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
1 導体地板
2 第1のアンテナ部(無給電アンテナ)
21 第1の導体部
22 第2の導体部
3 スイッチ
4 第2のアンテナ部(給電アンテナ)
41 第3の導体部
42 第4の導体部
5 同軸線路
51 外導体
52 内導体
6 誘電体

Claims (9)

  1. 導体地板と、
    第1のアンテナ部と、
    前記導体地板と前記第1のアンテナ部との間に接続されたスイッチと、
    前記第1のアンテナ部と容量結合が可能な位置に配置された複数の第2のアンテナ部と、
    を備えるアンテナ装置。
  2. 前記複数の第2のアンテナ部は、給電されることにより、前記第1のアンテナ部に前記容量結合による電流を生じさせ、
    前記スイッチは、前記導体地板と前記第1のアンテナ部との間を短絡または開放する
    請求項1に記載のアンテナ装置。
  3. 前記第1のアンテナ部は、
    前記スイッチに接続された第1の導体部と、
    前記第1の導体部と電気的に繋がる第2の導体部と、
    をさらに備え、
    前記複数の第2のアンテナ部は、前記第2の導体部と容量結合が可能な位置に配置された
    請求項1または2に記載のアンテナ装置。
  4. 前記第1のアンテナ部と、前記複数の第2のアンテナ部の少なくとも2つとが、前記第1の導体部を軸として回転対称となるように配置された
    請求項3に記載のアンテナ装置。
  5. 前記第2の導体部の第1端部から前記第1端部と反対側の端部までの長さが、使用される無線周波数の波長の略2分の1であり、前記第1端部から前記第1の導体部と前記第2の導体部との接続点までの長さが、前記使用される無線周波数の波長の略4分の1である
    請求項3または4に記載のアンテナ装置。
  6. 前記第1のアンテナ部と、前記複数の第2のアンテナ部の少なくとも1つとが、使用される無線周波数の波長の略8分の1以下の距離になるように配置された
    請求項1ないし5のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
  7. 前記第1のアンテナ部と、前記第2のアンテナ部の少なくとも1つとが、前記スイッチが前記導体地板と前記第1のアンテナ部との間を開放している場合における前記第1のアンテナ部の電流の方向と直交する方向において、少なくとも一部重なるように配置された
    請求項1ないし6のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
  8. 前記第1のアンテナ部および前記複数の第2のアンテナ部が、前記導体地板の側面方向に配置された
    請求項1ないし7のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
  9. 前記第2の導体部は十字型であり、
    前記複数の第2のアンテナ部は、対応する前記第2の導体部の十字型の突出部と、前記容量結合を行う可能な位置に配置された
    請求項3または請求項3に従属する請求項4ないし8のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
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