JP2018037732A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で多くの放射パターンを設定できる。【解決手段】本実施形態に係るアンテナ装置は、基板と、複数のスロット素子と、給電線路と、複数のスイッチ素子とを含む。複数のスロット素子は、前記基板の第１面に形成される。給電線路は、前記第１面に対向する前記基板の第２面に配置され、前記複数のスロット素子に給電する。複数のスイッチ素子は、各スロット素子を短絡するかどうかを切り替える。【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。

従来のアンテナとして、スロットを２つ有し、各スロットに位相差給電が可能な給電線路を２つ備えたアンテナがある。電波を放射する際に使用する給電線路を切り替えることで、各スロットへの位相差給電を切り替えることができ、結果としてアンテナの指向性を制御および変化させることができる。

特許第４１５３８８６号

しかし、上述の従来例では、アンテナの基本構成が２つのスロットおよび２つの給電線路であるため、スロットを４つに増やした場合でも、基本構成は２つのスロットおよび２本の給電線路となる。よって、従来例では、４つのスロットがある場合でも４つの放射パターンしか切り替えることができない。すなわち、可変できる放射パターン数はスロット数と同数しかないため、実現可能な放射パターン数がスロット数に制限されてしまうという問題がある。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で多くの放射パターンを設定できるアンテナ装置を提供することを目的とする。

本実施形態に係るアンテナ装置は、基板と、複数のスロット素子と、給電線路と、複数のスイッチ素子とを含む。複数のスロット素子は、前記基板の第１面に形成される。給電線路は、前記第１面に対向する前記基板の第２面に配置され、前記複数のスロット素子に給電する。複数のスイッチ素子は、各スロット素子を短絡するかどうかを切り替える。

第１の実施形態に係るアンテナ装置を示す図。 アンテナ部の側面図および第２面から見た上面図。 第１の実施形態に係るアンテナ装置の放射パターンの一例を示す図。 インピーダンス整合を考慮すべき放射パターンの一例を示す図。 アンテナ部の第１の変形例を示す図。 アンテナ部の第２の変形例を示す図。 第２の実施形態に係るアンテナ装置を示す図。

以下、図面を参照しながら本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、同一の参照符号を付した部分は同様の動作をおこなうものとして、重複する説明を適宜省略する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係るアンテナ装置について図１を参照して説明する。
第１の実施形態に係るアンテナ装置１００は、基板１０１と、複数のスロット素子１０２と、給電線路１０３と、複数のスイッチ素子１０４と、制御線路１０５と、無線部１０６と、制御部１０７とを含む。
基板１０１、複数のスロット素子１０２、給電線路１０３および複数のスイッチ素子１０４を合わせてアンテナ部１０８とも呼ぶ。

基板１０１は、例えば誘電体基板であり、アンテナの作製に用いられる一般的な基板を用いればよい。基板１０１は、第１面および第１面に対向する第２面を有する。図１では、基板１０１の第１面を見た上面図である。

複数のスロット素子１０２は、それぞれ基板１０１の第１面上に形成される。スロット素子１０２は、ここでは、第１面上に積層される導体層の一部を切り取ることで形成される空隙がスロット素子として振る舞う場合を想定する。なお、スロット素子１０２は、第１面上に導体で形成されてもよい。複数のスロット素子１０２は、第１面に対し垂直方向（ｚ軸方向）から見て、基板１０１の任意の点（第１点１０９ともいう）を中心に回転対称に配置されてもよい。
また、スロット素子１０２の形状は、ここでは長方形を想定するが、折り曲がった形状や曲線による形状などでもよい。すなわち、スロット素子１０２の形状は、長手方向と短手方向とが存在し、かつ使用する無線周波数帯の電波を適切に放射できる形状であることが望ましい。なお、スロット素子１０２の形状は、必要に応じて、正方形または円形など、長手方向および短手方向が存在しないような形状（スロット素子１０２の中心から各辺まで等距離となるような形状）であってもよい。

給電線路１０３は、複数のスロット素子１０２が形成される第１面と対向する基板１０１の第２面に配置され、複数のスロット素子１０２のそれぞれに給電する。図１の例では、給電線路１０３は、基板１０１の第１面（または第２面）に対し垂直方向から見て、第１点１０９を分岐点として回転対称であり、かつ第１点から複数のスロット素子１０２のそれぞれに給電可能となる位置まで直線状に延在する。なお、給電線路１０３の形状は、曲線でもよく、各スロット素子１０２に給電可能であればどのような形状でもよい。

複数のスイッチ素子１０４は、複数のスロット素子１０２のそれぞれと対になるように基板１０１に配置される。複数のスイッチ素子１０４は、後述の制御部１０７からの制御信号によりオンオフが切り替えられることで、スロット素子１０２の短手方向（図１の例では、２つの長辺間）を短絡または開放する。スイッチ素子１０４がオンである場合は、スロット素子１０２の短手方向が短絡され、スイッチ素子１０４がオフである場合は、スロット素子１０２が開放、すなわちスロット素子１０２の動作に影響がない状態となる。なお、複数のスイッチ素子１０４の配置は、第１面、第２面または基板１０１の層間でもよく、スロット素子１０２の短手方向を短絡または開放できるように配置されればよい。なお、スロット素子１０２の形状が、正方形または円形など長手方向および短手方向が存在しない形状である場合、スイッチ素子１０４は、スロット素子１０２が短絡の場合と開放の場合とで位相差が生じるように、オンオフを切り替え可能に配置されればよい。

スイッチ素子１０４により短絡されるスロット素子１０２における部分は、長辺の中心部分を想定するが、これに限られない。なお、スイッチ素子１０４は、使用する無線周波数帯においてスロット素子１０２を短絡または開放することが実現できれば、ＰＩＮダイオードなどの半導体、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）またはインピーダンスを可変とする機能を有する素子など、どのような手法を用いてもよい。

制御線路１０５は、複数のスイッチ素子１０４のそれぞれに電気的に接続され、後段の制御部１０７からの制御信号をスイッチ素子１０４に伝達する。

無線部１０６は、アンテナ部１０８からスロット素子１０２を介して送受信される無線信号の伝搬状態を取得する。伝搬状態としては、例えば、受信信号強度（ＲＳＳＩ：Ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）やエラーベクトル振幅（ＥＶＭ：Ｅｒｒｏｒ Ｖｅｃｔｏｒ Ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）といった指標を用いることを想定するが、これらに限らず伝搬状態を表す指標であればどのような指標を用いてもよい。

制御部１０７は、制御線路１０５を介して複数のスイッチ素子１０４と電気的に接続される。制御部１０７は、無線部１０６から伝搬状態を受け取り、伝搬状態に基づいてスイッチ素子１０４を制御し、スロット素子１０２の短絡または開放するための制御信号を生成する。例えば、制御部１０７は、伝搬状態の値が閾値よりも低い状態であれば、伝搬状態が閾値以上となる放射パターンに切り替えるようにスイッチ素子１０４を制御する。なお、無線部１０６および制御部１０７は、説明の便宜上ｘｙ平面上に図示されているが、アンテナ部１０８に接続されていればよく、どのような位置に存在してもよい。

次に、アンテナ部１０８の側面図および基板１０１の第２面から見た上面図を図２に示す。
図２（ａ）に示すように、基板１０１の第１面２０１には、複数のスロット素子１０２が形成され、複数のスイッチ素子１０４が配置され、基板１０１の第２面２０２には、給電線路１０３が配置される。
また、図２（ｂ）に示すように、基板１０１の第２面に給電線路１０３が配置される。給電線路１０３は、十字形状となる交点部分に給電される。

次に、第１の実施形態に係るアンテナ装置１００の放射パターンの一例について図３を参照して説明する。
図３に示すテーブル３００には、スロット素子１０２の識別番号であるスロット番号３０１と複数のスロット素子１０２の位相差により決まる放射パターン３０２とが対応付けられる。

スイッチ素子１０４がスロット素子１０２の短手方向（長辺間）を短絡または開放することにより、スロット素子１０２周囲の電磁界の状態が変化し、これに伴いスロット素子１０２の短絡状態と開放状態との間に位相差が生じる。よって、複数のスロット素子１０２から放射される電波の位相を制御することで、放射パターンを切り替えることができる。

図３の例では、図１に示す４つのスロット素子１０２が形成されるアンテナ部１０８を想定し、スロット番号３０１は、４つのスロット素子１０２に対して任意に割り当てればよい。アンテナ部１０８から放射される電波は、各スロット素子１０２から放射される電波の合成となる。よって、各スロット素子１０２で２つの位相差が設定可能となるので、テーブル３００に示すように合成される放射パターン３０２は、２^４＝１６通りとなる。

図３では、スロット素子１０２が開放状態にある場合の位相を「α」、スロット素子１０２が短絡状態にある場合の位相を「β」と表すものとする。例えば、全てのスロット素子１０２が開放状態にあれば、放射パターン３０２「１」であり、スロット１およびスロット２が開放状態にあり、スロット３およびスロット４が短絡状態にあれば、放射パターン３０２「８」である。このように、第１の実施形態に係るアンテナ装置１００によれば、２^ｎ（ｎはスロット数）個の放射パターンを有することができる。

通常、設定された放射パターンの指向性に応じてインピーダンス整合の必要があるため、一般的に放射パターンの数と同数のインピーダンス整合を考慮して設計する必要がある。しかし、第１の実施形態に係るアンテナ装置１００では、複数のスロット素子１０２および給電線路１０３をｚ方向から見て第１点を中心に回転対称に配置することで、インピーダンス整合を考慮すべき放射パターンの数を減少させることができる。

インピーダンス整合を考慮すべき放射パターンの一例について図４を参照して説明する。
図４に示す放射パターンは、図３に示す放射パターンのうちのインピーダンス整合が必要な放射パターンを図示したものである。

例えば、スロット素子が１つだけ開放されており（位相：α）、他のスロット素子が短絡している（位相：β）状態を想定する。この場合、スロット１だけが開放されているケース（放射パターン３０２「１３」）と、スロット２だけが開放されているケース（放射パターン３０２「１４」）とは回転対称であるので、同じインピーダンス整合を行えばよい。よって、図３に示す放射パターン３０２「１２」から放射パターン３０２「１５」までは、図４の左下のパターンに集約される。

このように対称性を考慮することで、図３の例では１６通りの放射パターン３０２のうち、全ての放射パターンについてインピーダンス整合を考慮せずに、６つの放射パターンだけについてインピーダンス整合を考慮すればよい。これにより、アンテナ装置設計の簡易化及び効率化を図ることができる。

次に、アンテナ部１０８の第１の変形例について図５を参照して説明する。
図５は、説明の便宜上アンテナ部１０８の基板１０１を省略し、基板１０１の第１面２０１をｚ方向から見た透視図である。
図１の例では、給電線路１０３が回転対称の中心となる第１点１０９から４つのスロット素子１０２に向かって直線状に延在する十字形状であるが、回転対称であり、かつスロット素子１０２に給電および励振可能な位置に延在する形状であればよい。例えば、図５に示すように、給電線路１０３が「Ｚ」が交差したような複雑な形状で配置されてもよい。

次に、スロット素子１０２の配置の第２の変形例について図６を参照して説明する。図６も図５と同様の透視図である。
図６に示すように、偶数ではなく奇数である３つのスロット素子１０２でも、第１点１０９を中心に回転対称にスロット素子１０２が形成され、第１点１０９から給電線路１０３が延在することにより、図１および図５の構成と同様の効果を得ることができる。

以上に示した第１の実施形態によれば、複数のスロット素子のそれぞれを解放または短絡できるようにスイッチ素子を設けることで、ｎ個のスロット素子を有する場合、２^ｎ通りもの放射パターンを設定できる。また、基板に対し垂直方向から見て複数のスロット素子および給電線路を第１点を中心に回転対称に配置することで、インピーダンス整合を考慮すべき放射パターンを減少させることができる。よって、アンテナ装置を簡易な構成で設計容易としつつ多くの放射パターンを設定できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、反射板が配置され、制御線路が基板に対して垂直方向から見て回転対称に配置される点が第１の実施形態と異なる。

第２の実施形態に係るアンテナ装置について図７を参照して説明する。
第２の実施形態に係るアンテナ装置７００は、アンテナ部１０８と、反射板７０１と、制御線路７０２ａおよび７０２ｂ（以下、制御線路７０２ともいう）と、無線部１０６と、制御部１０７とを含む。

アンテナ部１０８、無線部１０６および制御部１０７は、第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
なお、給電線路１０３は、第１の実施形態のように、基板１０１の第２面に配置され、かつアンテナ部１０８において回転対称に配置される複数のスロット素子１０２の第１点から垂直方向（ｚ軸方向）に延在するものとする。

反射板７０１は、導体で形成される。反射板７０１は、アンテナ部１０８の給電線路１０３が配置される第２面２０２から第１面２０１と反対方向（図７中、ｚ軸方向）でかつ使用周波数の２分の１波長以内の距離ｄとなる位置に、第２面２０２と略平行に配置される。

制御線路７０２は、アンテナ部１０８の基板１０１の第２面２０２から垂直方向（ｚ軸方向）に延在する。なお、制御線路７０２は、アンテナとして動作してしまう可能性があり、アンテナ部１０８から放射される電波に干渉して伝搬状態を乱す場合がある。干渉がある場合、アンテナ部１０８の放射パターンを変更しても指向性可変効果が小さくなる。

そこで、指向性可変効果が減少することを防ぐため、制御線路７０２は、図７に示すようにアンテナ部１０８の中心部付近に集約され、かつアンテナ部１０８の基板１０１の第１面２０１に対し垂直方向（ｚ軸方向）から見て回転対称に配置される。このように配置することにより、各制御線路７０２がアンテナとして動作し放射される電波が打ち消し合うことが期待され、どの放射パターンにおいても回転対称の位置に制御線路７０２が存在するので、打ち消し合わなかった電波も回転対称に放射されるため、指向性可変効果を乱すことがない。

以上に示した第２の実施形態によれば、反射板を設置し、制御線路を回転対称に配置することにより、複数のスロット素子のイメージをアンテナ部とは反対側に鏡像として作成できる。よって、電波の放射方向を制限しつつ、反射板がない場合よりもより半平面に対して電波を放射できる。また、反射板によって、無線部や制御部からのアンテナ部への影響を遮断し、電波に対する感度を向上させることができる。
すなわち、第１の実施形態と同様に簡易な構成で多くの放射パターンを設定できることに加えて、アンテナ部から放射される電波の指向性をよりロバストに制御することができる。

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、変更を行なうことができる。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。

１００，７００・・・アンテナ装置、１０１・・・基板、１０２・・・スロット素子、１０３・・・給電線路、１０４・・・スイッチ素子、１０５・・・制御線路、１０６・・・無線部、１０７・・・制御部、１０８・・・アンテナ部、１０９・・・第１点、２０１・・・第１面、２０２・・・第２面、３００・・・テーブル、３０１・・・スロット番号、３０２・・・放射パターン、７０１・・・反射板、７０２・・・制御線路。

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板の第１面に形成される複数のスロット素子と、
   前記第１面に対向する前記基板の第２面に配置され、前記複数のスロット素子に給電する給電線路と、
   各スロット素子を短絡するかどうかを切り替える複数のスイッチ素子と、を具備するアンテナ装置。
2. 前記複数のスロット素子は、前記第１面に対し垂直方向から見て前記基板の第１点を中心に回転対称に形成され、
   前記給電線路は、前記垂直方向から見て前記第１点を中心に回転対称であり、かつ当該第１点から前記複数のスロット素子に給電可能となる位置まで延在する請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第１面に対し垂直方向から見て前記第１点を中心に回転対称かつ前記第２面から前記第１面と反対方向に延在する、前記複数のスイッチ素子を制御するための制御線路をさらに具備する請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記複数のスロット素子を介して送受信される無線信号の伝搬状態を取得する無線部と、
   前記伝搬状態に基づいて、放射パターンを切り替えるように前記複数のスイッチ素子を制御する制御部と、をさらに具備する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
5. 前記第２面から前記第１面と反対方向かつ使用周波数の２分の１波長以内の位置に、当該第１面と平行に配置される導体である反射板をさらに具備する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。