JP2021118458A - アンテナおよび無線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無線装置の近傍に誘電体や導電体が位置する場合であっても、放射性能が劣化しにくいアンテナを提供すること。【解決手段】アンテナは、無線信号の入出力を行う入出力点と、第一のグランドおよび第一の放射手段が配置された第一の基板と、第二のグランドおよび第二の放射手段が配置され、第一の基板に対して略平行に重なる第二の基板と、第一の基板のグランドと第二の基板のグランドとを電気的に接続する導体と、第一の放射手段および第二の放射手段のいずれを入出力点に電気的に接続するかを切り替え可能な切替手段と、を備え、入出力点と電気的に接続されない第一の放射手段および第二の放射手段のいずれかは、第一のグランドおよび第二のグランドと電気的に接続される。【選択図】 図１

Description

本発明は、主にアンテナおよび無線装置に関する。

広いグランド面上にアンテナ素子を配置し、グランド面に対して垂直方向に指向性を持たせるアンテナ設計方法がある。グランド面の反対側へは放射せず、またグランド面で隔てられることでアンテナ素子と反対側の構造は放射特性に影響を与えないという利点がある。また、上記利点を生かし、人体への近接や、金属面などに設置しても使用可能な無線通信システムも提案されており、人体装着型のウェアラブル無線システム等、様々なユースケースが検討されている。

特開２０１４−２７４１６号公報 特開２０１６−２０８２２３号公報

特許文献１に記載のアンテナは、電力分配回路を設けた基板と、基板から離間した位置に並んで配置された複数のエレメント（アンテナ素子）から構成され、放射方向は基板からエレメントを挟んだ方向となる。特許文献１に記載のアンテナを人体に装着する場合、エレメントが人体側となるよう装着してしまう場合があり、誘電体の近接によってエレメントの放射特性が劣化するだけでなく、電磁波そのものが人体に遮蔽されるため、人体から離れる方向には放射しない。

特許文献２に記載のアンテナは、グランドとグランドを囲む逆Ｆ型のアンテナ素子が複数個、基板に一体で構成され、放射方向は基板を貫く垂直方向となる。特許文献２に記載のアンテナを金属製の机に天板と平行となるよう設置した場合、導電体の近接によってアンテナ素子の放射特性が劣化するため、天板と正対する方向には放射しない。

このように、導電体または誘電体の近接によって、無線装置の通信距離が短くなる場合があり、このような場合におけるアンテナの放射性能の改善が課題であった。

そこで本発明は、無線装置の近傍に誘電体や導電体が位置する場合であっても、放射性能が劣化しにくいアンテナを提供することを目的とする。

上述のような課題を解決するため、本発明に係るアンテナの一態様は、アンテナであって、無線信号の入出力を行う入出力点と、第一のグランドおよび第一の放射手段が配置された第一の基板と、第二のグランドおよび第二の放射手段が配置され、前記第一の基板に対して略平行に重なる第二の基板と、前記第一の基板のグランドと前記第二の基板のグランドとを電気的に接続する導体と、前記第一の放射手段および前記第二の放射手段のいずれを前記入出力点に電気的に接続するかを切り替え可能な切替手段と、を備え、前記入出力点と電気的に接続されない前記第一の放射手段および前記第二の放射手段のいずれかは、グランドとして機能する。

また、上述のような課題を解決するため、本発明に係る無線装置の一態様は、無線装置であって、無線信号の送受信を行う送受信手段と、第一のグランドおよび第一のアンテナが配置された第一の基板と、第二のグランドおよび第二のアンテナが配置され、前記第一の基板に対して略平行に重なる第二の基板と、前記第一の基板のグランドと前記第二の基板のグランドとを電気的に接続する導体と、前記第一のアンテナおよび前記第二のアンテナのいずれを前記送受信手段に電気的に接続するかを切り替え可能な切替手段と、所定の条件に基づいて前記切替手段を制御する制御手段と、を含み、前記送受信手段と電気的に接続されない前記第一のアンテナおよび前記第二のアンテナのいずれかは、グランドとして機能する。

本発明により、無線装置の近傍に誘電体や導電体が位置する場合であっても、放射性能が劣化しにくいアンテナを提供することができる。

実施例１に係るアンテナの一例を示す図。 実施例１に係るアンテナの機能ブロック。 実施例１に係るアンテナの基板Ａの上方図および下方図。 実施例１に係るアンテナの基板Ｂの上方図および下方図。 実施例１に係るアンテナの動作シーケンス図。 実施例１に係るアンテナの動作例を示す図。 図６に示す動作例におけるアンテナの放射特性を示す図。 図３および図４に示す基板Ａ及び基板Ｂの他の実施例を示す図。 図２に示す機能ブロックの他の実施例を示す図。 図９に示すアンテナの基板Ｃ及び基板Ｄの上方図および下方図。 実施例２に係るアンテナの一例を示す図。 図１１に示すアンテナの基板Ｅの上方図。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

＜実施例１＞
本実施例におけるアンテナとして動作する無線装置１の構成を図１に示す。以降、図中で同じ塗りつぶしパターンの部分は指示のない限り同様の機能を有しているものとする。また、図示していない機能や実装部品であっても、同様の効果が得られる全ての構成は本実施例中に含まれる。

無線装置は基板１０１及び基板１０２を含み、基板の厚み方向であるＺ軸方向に略平行に重ねて構成される。基板１０１及び基板１０２は中央部分にグランド１０３及びグランド１０４をそれぞれ有し、グランド１０３および１０４は、複数の導通部（導体）１０５によって同電位としている。なお、図１の例では、基板１０１および基板１０２は異なる基板であるものとして説明するが、多層基板の異なるレイヤ上に実装されてもよい。

基板１０１はグランド１０３を囲むように配置した４つのアンテナ素子（放射部）１０６を有する。逆Ｆ型アンテナの接地端（接地点）はグランド１０３に電気的に接続され、信号を送受信する給電端（給電点）は給電部１０７に電気的に接続される。アンテナ素子１０６は＋Ｘ方向、＋Ｙ方向、−Ｘ方向、−Ｙ方向にそれぞれ延伸し、開放端の向きが９０度ずつ異なるように配置される。

同様に、基板１０２はグランド１０４を囲むように配置したアンテナ素子１０８を４つ備え、４つのアンテナ素子１０８は同形状の逆Ｆ型アンテナである。逆Ｆ型アンテナの接地端はグランド１０４と導通し、信号を送受信する給電端は給電部１０９に接続する。アンテナ素子１０８は＋Ｘ方向、＋Ｙ方向、−Ｘ方向、−Ｙ方向にそれぞれ延伸し、開放端の向きが９０度ずつ異なるように配置する。なお、アンテナ素子１０６及びアンテナ素子１０８の延伸方向は、逆回り、すなわち図１のアンテナを左右反転させた配置であってもよい。

なお、本実施例において、基板１０１と基板１０２とは、λ／４以下、例えばλ／８以下の距離で離間する。これによって、無線装置１のＺ方向のサイズを小さくすることができる。しかしながら、別の例では、例えばλ／４以上の距離で離間してもよい。これによって、基板１０１のアンテナ素子と基板１０２のアンテナ素子とが結合することを防ぐことができ、容易にアンテナの設計を行うことができる。なお、本実施例において、アンテナ素子１０６および１０８は同形状の逆Ｆ型アンテナであるものとして説明を行うが、モノポールアンテナ、パッチアンテナ、導波管アンテナ、およびスロットアンテナの少なくともいずれかが適用されてもよい。

続いて、本実施例に係る無線装置１の機能ブロックを図２に示す。図中において、図１で示した基板１０１は基板Ａに、基板１０２は基板Ｂに対応する。また、実線はアンテナが電磁波を放射する周波数帯域のＲＦ信号が通過する経路、点線は特定の機能を制御する信号や情報のやりとりを行う信号が通過する経路、破線は特定の機能や名称を示す。

無線装置１からのＲＦ信号の送信時に、送受信部２０１から送信されたＲＦ信号は、切替部２０２によって経路ａか経路ｂのいずれかに出力される。ＲＦ信号が経路ａに出力される場合、ＲＦ信号は移相部２０３において４つに分配され、分配された４つのＲＦ信号は位相をそれぞれ０度、９０度、１８０度、２７０度回転され、アンテナ素子２０５である基板Ａアンテナ１、２、３、４に出力される。

同様に、ＲＦ信号が経路ｂに出力される場合、ＲＦ信号は移相部２０４において４つに分配され、分配された４つのＲＦ信号は位相をそれぞれ０度、９０度、１８０度、２７０度回転され、アンテナ素子２０６である基板Ｂアンテナ１、２、３、４に出力される。

検出部２０７は、経路ａ及びｂの特性インピーダンスをモニタリングし、モニタリングしている経路の特性インピーダンスの変化量が閾値を上回った場合に、誘電体や導電体の近接を通知する信号を制御部２０８へ送信する。ここで、経路ａの特性インピーダンスは、経路ａおよび経路ａに接続されたアンテナを含む特性インピーダンスである。特性インピーダンスは、アンテナ素子２０５やアンテナ素子２０６に誘電体や導電体が近接することで増減するため、変化量は方向性結合器などを用いて反射波の電力（反射電力）を測定することで判定可能である。すなわち、検出部２０７は、反射電力に基づいて誘電体や導電体の近接を検出し、制御部２０８に通知する。

なお、一例では、検出部２０７から制御部２０８へは、経路ａの特性インピーダンスの変化量と経路ｂの特性インピーダンスの変化量とのいずれが小さいかを示す信号が送信されてもよい。あるいは、経路ａおよび経路ｂの特性インピーダンスの変化量から、どちらの経路を使用するべきかを示す信号であってもよい。また、別の例では、検出部２０７は、経路ａおよび経路ｂの少なくとも何れかの特性インピーダンスの値または特性インピーダンスの変化量を示す信号を制御部２０８に送信し、制御部２０８が何れの経路を使用するかを判定してもよい。

なお、一例では、検出部２０７は、照度センサ、重力センサ、地磁気センサ、加速度センサ、および静電容量センサを少なくとも含むセンサを有し、センサから取得した値によって物体の近接を知らせる信号を制御部に通知してもよい。例えば、基板Ａおよび基板Ｂに配置された照度センサから、基板Ａ側の照度の方が低く、重力センサから、基板Ａが地面側を向いていると判定した場合、検出部２０７は、無線装置が基板Ａ側を下に向けて置かれたことを検知しうる。これによって、制御部２０８は地面側に向いていない基板Ｂを用いて無線信号の送受信を行うことができ、放射性能の劣化を防ぐことができる。

制御部２０８は、検出部２０７から受け取った信号に基づいて切替部２０２を制御し、合わせて制御結果を記憶部２０９に書き込む。切替部２０２の制御処理については図５を参照して後述する。なお、無線装置１が電磁波を受信する場合は、ＲＦ信号が通過する経路が送信時と逆順となるだけで各ブロックにおける機能は変化しない。即ち、アンテナ素子２０５またはアンテナ素子２０６で受信したＲＦ信号は、制御部２０８によって選択された経路ａおよび経路ｂの少なくともいずれかを通じて送受信部２０１に入力される。

次に、図２に記載した基板Ａの実施例を図３に示す。基板Ａの表層３０１は、グランド３０２及びアンテナ素子３０３、ＲＦ線路３０４を備え、アンテナ素子３０３の接地端はグランド３０２と接続され、アンテナ素子３０３の給電端はＲＦ線路３０４と接続点（α、β、γ、δとする）と接続される。接続点α、β、γ、δは、アンテナ素子３０３にとってはＲＦ信号の入出力点として機能する。ＲＦ線路３０４は、グランド３０２、並びに後述するグランド３０８およびビア３０９と併せて、マイクロストリップラインとして動作する。なお、図３では、アンテナ素子３０３とＲＦ線路３０４との説明を容易にするために接続点を使用して説明しているが、接続点は導電体上の点であるため、実際には確認できなくてもよい。

基板Ａの裏層３０７は、グランド３０８及びＲＦ線路３０４、実装部品３１０〜３１２を備え、グランド３０８はビア３０９によってグランド３０２と接続される。ＲＦスイッチ３１０はＳＰＤＴ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｐｏｌｅ Ｄｏｕｂｌｅ−Ｔｈｒｏｗ）構造であって、Ｐｏｌｅ側にＲＦ信号を送受信する無線ＩＣ３１１が接続され、Ｔｈｒｏｗ側の一方にＲＦ線路３１３が、他方にＲＦコネクタ３１２が接続される。基板Ａの表層３０１の接続点３０６（ξとする）と、基板Ａの裏層３０７の接続点３１４とはビアによって接続される。ＲＦ線路３１３は、無線ＩＣ３１１と接続点３１４とを接続する。ＲＦスイッチ３１０を検出部（非図示）及び制御部（非図示）によって切り替えることで、無線ＩＣ３１１をビア３０６とＲＦコネクタ３１２のどちらかに接続する。

ＲＦ線路３０４は、各接続点（α、β、γ、δ）と接続点３０６（ξ）とを電気的に接続する。ＲＦ線路３０４の線路長は、無線装置の設計周波数におけるＲＦ信号の波長λとξ−α間の線路長Ｌ₀を用いて、Ｌ₀＋λ／４（ξ−β間）、Ｌ₀＋２λ／４（ξ−γ間）、Ｌ₀＋３λ/４（ξ−δ間）と表せる。設計周波数のＲＦ信号が線路長λ／４の信号線を伝搬する場合、信号の位相は９０度回転するため、無線装置の送信動作において、ξに入力したＲＦ信号は各接続点（α、β、γ、δ）において、０度、９０度、１８０度、２７０度回転して出力される。このため、４つのアンテナ素子３０３から放射される電磁波を合成したもの（合成波）は円偏波特性を備える。

なお、移相部３０５でＲＦ信号に与えられる位相差の順番は問わず、逆回りの場合は、接続点ξに入力されたＲＦ信号は各接続点（α、β、γ、δ）において、０度、２７０度、１８０度、９０度回転して出力される。この場合も４つのアンテナ素子３０３からの合成波は円偏波特性を備える。

また、本実施形態では、アンテナ３０３は、基板３０１の表層に配置されるものとして説明したが、図３の例において、アンテナ３０３を基板３０１の裏層に配置してもよい。また、基板Ａを２層基板として示しているが、多層基板の異なるレイヤに実装され、移相部３０５を多層基板のいずれかのレイヤに設けても良い。

次に、図２の無線装置の基板Ｂの実施例を図４に示す。基板Ａと同様に、基板Ｂの表層４０１は、グランド４０２及びアンテナ素子４０３、ＲＦ線路４０４を備え、アンテナ素子４０３の接地端はグランド４０２と接続し、アンテナ素子４０３の給電端はＲＦ線路４０４と接続する。移相部４０５において、アンテナ素子４０３と接続点４０６とを結ぶＲＦ線路４０４は、反時計回りにλ／４ずつ線路長を長くしている。

基板Ｂの裏層４０７は、グランド４０８及びＲＦ線路４０４、実装部品であるＲＦコネクタ４１０を備え、グランド４０８はビア４０９によってグランド４０２と接続される。ＲＦ線路４１１は、ＲＦコネクタ４１０と接続点４０６とを接続する。なお、基板ＡのＲＦコネクタ３１２と基板ＢのＲＦコネクタ４１０とは、同軸ケーブル（非図示）で接続される。

無線装置１が無線信号を送信する場合、接続点４０６から移相部４０５に入力されたＲＦ信号は、ＲＦ線路４０４によって０度、９０度、１８０度、２７０度回転してアンテナ素子４０３に入力される。このため、４つのアンテナ素子４０３からの合成波は図３を参照して説明したものと同様に円偏波特性を備える。なお、基板Ａと同様に、移相部４０５で与える位相差の順番は問わない。また、図３の例と同様に、図４の例においても、アンテナ４０３は、基板４０１の表層に配置されるものとして説明したが、アンテナ４０３を基板４０１の裏層に配置してもよい。また、基板Ｂを２層基板として示しているが、多層基板として移相部４０５を内層に設けても良い。

次に、図２に示す無線装置のフローチャートを図５に示す。図５に示すフローチャートは、無線処理へ電源が投入された場合に制御部２０８または検出部２０７によって実行される。無線装置が動作を開始すると、制御部２０８は記憶部２０９から初期設定を読み込み、切替部２０２を制御する（Ｓ５０１）。初期設定は、切替部２０２の初期経路の設定情報、および制御部２０８が基板に誘電体または導電体が近接していると判定するために使用する経路の特性インピーダンスの変化量などに関する情報の少なくとも何れかを含む。続いて、送受信部２０１が信号の送受信を開始すると、送受信が完了するまで、以下のＳ５０２〜Ｓ５０９の近接の検出と切り替えの制御を繰り返し実行する。

Ｓ５０２では、検出部２０７から取得した信号に基づいて、制御部２０８は基板Ａへの誘電体や導電体などの近接があるか否かを判定する。Ｓ５０２における近接検知は、制御部２０８が切替部２０２を切り替えるように制御するための所定の条件のうちの１つである。制御部２０８が基板Ａへの誘電体や導電体などの近接がないと判定した場合（Ｓ５０２でＮ）、制御部２０８は処理をＳ５０５に進め、切替部２０２を制御してＲＦ信号の出力先を経路ａに設定する。基板Ａへの誘電体や導電体などの近接があると制御部２０８が判定した場合（Ｓ５０２でＹ）、制御部２０８は処理をＳ５０４に進め、検出部２０７から取得した信号に基づいて、基板Ｂへの誘電体や導電体などの近接があるかを判定する。制御部２０８が誘電体や導電体などの近接がないと判定した場合（Ｓ５０４でＮ）、制御部２０８は処理をＳ５０７に進め、切替部２０２を制御してＲＦ信号の出力先を経路ｂに設定する。

制御部２０８が基板Ａ及び基板Ｂの両方に近接があると判定した場合（Ｓ５０４でＹ）、制御部２０８は処理をＳ５０８に進め、基板Ａ及び基板Ｂの近接度を比較する。一例では、近接度は、それぞれの経路ａおよびｂの特性インピーダンスの変化量であってもよい。基板Ｂの近接度より基板Ａの近接度の方が大きくないと制御部２０８が判定した場合（Ｓ５０６でＮ）、制御部２０８は切替部２０２を制御してＲＦ信号の出力先を経路ａに設定する（Ｓ５０７）。一方、基板Ｂの近接度より基板Ａの近接度の方が大きいと判定した場合（Ｓ５０６でＹ）、制御部２０８は切替部２０２を制御してＲＦ信号の出力先を経路ｂに設定する（Ｓ５０８）。

Ｓ５０３、Ｓ５０５、Ｓ５０７、またはＳ５０８の処理の後、制御部２０８は処理をＳ５０９に進め、送受信が完了したか否かを判定する。送受信が完了していないと制御部２０８が判定した場合（Ｓ５０９でＮ）、制御部２０８は処理をＳ５０２に戻す。一方、送受信が完了したと制御部２０８が判定した場合（Ｓ５０９でＹ）、制御部２０８は最後に設定した経路に関する接続設定を記憶部２０９に書き込み（Ｓ５１０）、図５の動作を終了する。

なお、本動作シーケンスは一例であって、Ｓ５０２、Ｓ５０４、およびＳ５０６の何れかを実施するのみでも良いし、処理の順序を入れ替えても良い。

図５のフローチャートに従って動作する図１の無線装置の動作例を図６に示す。図６（Ａ）は−Ｚ方向、即ち、基板１０２の下方に、誘電体６０１が近接した状態であり、この場合は図５のＳ５０３及びＳ５０７で説明したように、ＲＦ信号の出力先は基板Ａ（＋Ｚ方向）に設定される。Ｓ５０３及びＳ５０７では、アンテナ素子１０６の給電点は給電部１０７に接続するものの、アンテナ素子１０８の給電端は開放となり、接地端によってグランド１０４とアンテナ素子１０８がほぼ同電位となる。このため、アンテナ素子１０６に対して、グランド１０３に加えて、導通部１０５で接続されたグランド１０４及びアンテナ素子１０８がグランドとして機能する。Ｚ軸方向に見てアンテナ素子１０６と誘電体６０１の間にグランドが挟まることで、誘電体６０１によるアンテナ素子１０６の放射性能への影響を抑え、アンテナ素子１０６の指向性を＋Ｚ方向に向けながら円偏波特性を維持することが可能となる。

図６（Ｂ）は＋Ｚ方向、即ち、基板１０１の上方に誘電体６０２が近接した状態であり、この場合は図５のＳ５０５及びＳ５０８で説明したように、ＲＦ信号の出力先は基板Ｂ（−Ｚ方向）に設定される。Ｓ５０５及びＳ５０８では、アンテナ素子１０８の給電端は給電部１０９に接続するものの、アンテナ素子１０６の給電端は開放となり、接地端によってグランド１０３とアンテナ素子１０６がほぼ同電位となる。そのため、アンテナ素子１０８に対して、グランド１０４に加えて、導通部１０５で接続されたグランド１０３及びアンテナ素子１０６がグランド面として機能する。Ｚ軸方向に見てアンテナ素子１０８と誘電体６０２の間にグランド面が挟まることで、誘電体６０２によるアンテナ素子１０８の放射性能への影響を抑え、アンテナ素子１０８の指向性を−Ｚ方向に向けながら円偏波特性を維持することが可能となる。

これによって、例えば本無線装置を人体に装着する場合であっても、誘電体の近接によらず人体から離れる方向に放射することが可能となる。また、本アンテナを金属製の机に天板と平行となるよう設置する際に、導電体の近接によらず天板から離れる方向に放射することが可能となる。ここで、誘電体６０１及び誘電体６０２は、人体を想定しているが、特性インピーダンスに影響を与える材質であれば良く、金属などの導電体に対しても同様に機能することができる。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）の９２０ＭＨｚにおける放射特性を図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示す。ここで、基板１０１及び基板１０２は基板厚が１ｍｍ、比誘電率が４．３であり、基板１０１と基板１０２との間隔は１０ｍｍであり、誘電体６０１及び誘電体６０２は厚みが２００ｍｍ、比誘電率が４０であり、逆Ｆ型アンテナの素子長は約λ／４である。また、図７（Ａ）において基板１０２と誘電体６０１との間隔は３ｍｍであり、図７（Ｂ）において基板１０１と誘電体６０２との間隔は３ｍｍである。

図７（Ａ）においては＋Ｚ方向に、図７（Ｂ）においては−Ｚ方向に最も強い電界強度である、すなわち、図７（Ａ）は＋Ｚ方向に、図７（Ｂ）は−Ｚ方向にメインローブ（主ビーム）が向いていることがわかる。ここから、誘電体から離れる方向に電磁波を放射していることがわかる。また、図７（Ａ）および図７（Ｂ）において水平偏波成分と垂直偏波成分が同程度に放射していることから、どちらの配置であっても円偏波特性を備えていることがわかる。なお、ここで示した基板の形状、材質やアンテナサイズは一例であって、アンテナ素子の周囲への高誘電体の封入、樹脂との一体成型、および基板間の支持部材と導通部の共用化など、同様の効果が得られる全ての変形例は本実施例中に含まれる。例えば、基板間の支持部材と導通部を共用化する場合は、導通部１０５は金属柱であり、基板間の固定部材としても機能する。また、基板１０１と基板１０２に分離せず、アンテナ素子１０６及びアンテナ素子１０８、グランド１０３、およびグランド１０４といった構成要素を多層基板中に設けても良い。この場合、導通部１０５は層間を接続するビアによって構成することができる。

続いて、基板Ａ及び基板Ｂの他の構成例を図８に示す。基板Ａ及び基板Ｂの表層８０１は、グランド８０２及びアンテナ素子８０３、ＲＦ線路８０４を備える。

アンテナ素子８０３の接地端はグランド８０２と接続し、グランド８０２は裏層（非図示）に導通するビア８０５を備え、アンテナ素子８０３の給電端はＲＦ線路８０４と接続点（α、β、γ、δとする）で接続する。ＲＦ線路８０４はコプレナ線路またはグランド付きコプレナ線路として動作する。

移相部８０６は内部を通過するＲＦ信号にｎ×π／２度（ｎは整数）の位相差を与えることが可能な実装部品であり、ビアを介して裏層（非図示）に導通する接続点８０７（ξとする）と各接続点（α、β、γ、δ）にＲＦ線路８０４を通じて接続する。無線装置が電磁波を放射する場合、接続点ξに入力したＲＦ信号は各接続点（α、β、γ、δ）において、０度、９０度、１８０度、２７０度回転して出力される。これによって、４つのアンテナ素子８０３から放射される電磁波の合成波は円偏波特性を備える。なお、移相部８０６で与える位相差の順番は変更されてもよい。例えば、接続点ξに入力したＲＦ信号は各接続点（α、β、γ、δ）において、０度、２７０度、１８０度、９０度回転して出力されてもよく、この場合にも４つのアンテナ素子８０３からの合成波は円偏波特性を備える。

なお、本無線装置は、例えばＲＦＩＤ（Radio Frequency Identifier）やＧＰＳ（Global Positioning System）、Ｗｉ−ＦｉやＬＴＥ（Long Term Evolution）などの無線通信システムにも適用可能である。

以上説明したように、実施例１に係る無線装置は、基板の近傍に誘電体や導電体が位置する場合に、基板のどちらの面により近接しているかを判定し、判定に基づいて電磁波の送受信を行う基板を決定する。これによって、無線装置の近傍に誘電体や導電体が位置する場合であっても、放射性能の劣化を抑えることができる。

＜実施例２＞
実施例１では、送受信部から出力されたＲＦ信号を切替部でいずれかの基板に出力し、それぞれの基板ごとにＲＦ信号に位相シフトする構成について説明した。実施例２では、送受信部から出力されたＲＦ信号を４つに分配し、移相器で分配したＲＦ信号のそれぞれを移相した後、移相した４つのＲＦ信号のそれぞれに対して切替部でいずれかの基板に出力を切り替える構成について説明する。なお、実施例１と同様の構成、機能、または処理については同様の参照符号を使用し、説明を省略する。

本実施例における無線装置の機能ブロックを図９に示す。図中において、図１で示した基板１０１が基板Ｃに、基板１０２が基板Ｄに対応するものとして説明を行う。すなわち、基板Ｃは、Ｚ軸方向で基板Ｄの上方で、基板Ｄと略平行になるように配置される。無線装置からのＲＦ信号の送信時に、送受信部９０１から出力されたＲＦ信号は移相部９０２を経て、４つに分配されて４つの切替部９０３にそれぞれ入力される。移相部９０２では、入力されたＲＦ信号を４つに分配した上で位相をそれぞれ０度、９０度、１８０度、２７０度回転させ、４つの切替部９０３に出力する。

切替部９０３では、入力されたＲＦ信号を経路ｃか経路ｄのいずれに出力するかを切り替える。経路ｃは、移相部９０２からの出力信号をそれぞれアンテナ素子９０４である基板Ｃアンテナ１、基板Ｃアンテナ２、基板Ｃアンテナ３、基板Ｃアンテナ４に出力するためのＲＦ線路である。一方、経路ｄは、移相部９０２からの出力信号をそれぞれアンテナ素子９０５である基板Ｄアンテナ１、基板Ｄアンテナ２、基板Ｄアンテナ３、基板Ｄアンテナ４に出力するためのＲＦ線路である。

検出部９０６は、経路ｃ及びｄの特性インピーダンスをモニタリングし、モニタリングしている経路の特性インピーダンスの変化量が閾値を上回った場合に、誘電体や導電体の近接を通知する信号を制御・記憶部９０７に通知する。ここで、経路ｃの特性インピーダンスは、経路ｃおよび経路ｃに接続されたアンテナを含む特性インピーダンスである。検出部９０６は、基板Ｃのアンテナ１からアンテナ４のうちの少なくとも１つ、及び基板Ｄのアンテナ１からアンテナ４のうちの少なくとも１つのアンテナの特性インピーダンスをモニタリングする。制御・記憶部９０７は検出部９０６が通知した情報を元に切替部９０３を制御し、その制御結果を保持する。

次に、図１０（Ａ）に基板Ｃの上方図を、図１０（Ｂ）に基板Ｄの上方図を示す。基板Ｃの表層１００１には、グランド１００２、アンテナ素子１００３、およびＲＦ線路１００４が配置される。アンテナ素子１００３の接地端はグランド１００２と接続し、グランド１００２は、裏層（非図示）に導通するビア１００５を備え、アンテナ素子１００３の給電端はＲＦ線路１００４と接続する。

移相部１００６は入力されたＲＦ信号を分岐し、ｎ×９０度（ｎは整数）の位相差を与えることが可能な実装部品であり、図１０（Ａ）の例では入力されたＲＦ信号を４つに分岐し、それぞれに０度、９０度、１８０度、２７０度の位相シフトを与える。移相部１００６からの４つの出力信号が４つのアンテナ素子１００３に入力されると、合成波として円偏波特性を備える。一例では、移相部１００６は可変移相器であってもよい。各ＲＦ線路１００４は、移相部１００６からアンテナ素子１００３の間に１入力２出力の切替部１００８を備え、切替部１００８の入力側はＲＦ線路１００４に接続される。切替部１００８の出力は、一方がアンテナ素子１００３に、他方がＲＦコネクタ１００９に接続される。

基板Ｄの表層１０１０は、グランド１０１１及びアンテナ素子１０１２、ＲＦ線路１０１３を備える。アンテナ素子１０１２の接地端はグランド１０１１と接続し、グランド１０１１は裏層（非図示）に導通するビア１０１４を備え、アンテナ素子１０１２の給電端はＲＦ線路１０１３を通じてＲＦコネクタ１０１５と接続する。本実施例において、基板ＣのＲＦコネクタ１００９と基板ＤのＲＦコネクタ１０１５とは、同軸ケーブル（非図示）で接続されるものとして説明を行うが、ＲＦコネクタ１００９および１０１５が電気的に接続されれば他の構成が採用されてもよい。一例では、基板ＣおよびＤが多層基板で実装される場合は、ＲＦコネクタ１００９および１０１５はビアによって接続される接続点であってもよい。

本実施例においても、図５を参照して説明した実施例１の放射切り替えに関するフローチャートを適用可能であるため、説明を省略する。

−Ｚ方向である基板Ｄの下方に誘電体または導電体が近接して位置する場合、切替部１００８はＲＦ線路１００４とアンテナ素子１００３を接続し、ＲＦコネクタ１００９側を開放とする。この場合、基板Ｄ上のアンテナ素子１０１２は接地端によってグランド１０１１及びグランド１００２とほぼ同電位となることで、アンテナ素子１００３に対してグランド面として機能する。これによって、アンテナ素子１００３の指向性を＋Ｚ方向に向けながら、−Ｚ方向に近接して位置する誘電体または導電体の有無に関わらず円偏波特性を維持することが可能となる。

一方、＋Ｚ方向である基板Ｃの上方に誘電体または導電体が近接して位置する場合、切替部１００８はＲＦ線路１００４とＲＦコネクタ１００９を接続し、アンテナ素子１００３を開放とする。アンテナ素子１００３は接地端によってグランド１００２及びグランド１０１１とほぼ同電位となることで、アンテナ素子１０１２に対してグランド面として機能する。これによって、アンテナ素子１０１２の指向性を−Ｚ方向に向けながら、＋Ｚ方向に近接して位置する誘電体または導電体の有無に関わらず円偏波特性を維持することが可能となる。

以上説明したように、実施例２に係る無線装置は、出力するＲＦ信号を、移相した後にいずれの基板に出力するかを切り替える。これによって、移相器を基板ごとに用意する必要がなく、移相器に係る回路規模またはコストを抑えることができる。

＜実施例３＞
本実施形態では、切替部２０２は、経路ａおよびｂのいずれかを送受信部２０１に電気的に接続するか、開放するかを切り替えるものとして説明を行った。一例では、切替部２０２は、経路ａおよびｂのいずれか一方を送受信部２０１に電気的に接続し、他方をグランドに電気的に接続するよう動作してもよい。この場合、アンテナ素子２０５およびアンテナ素子２０６は、グランドとの接続点を有しなくても、切替部２０２でグランドに接続された場合には、グランドとして機能することができる。これによって、グランドとの接続点を有しないアンテナを使用して無線装置１を実現することができる。

実施例３では、切替部および移相部とアンテナ素子とが異なる基板に配置される構成例について説明する。本実施例に係る無線装置の機能ブロックを図１１に示す。なお、実施例１及び実施例２と同様の構成、処理、機能に関しては説明を省略する。

無線装置は基板１１０１（基板Ｅ）および基板１１０２（基板Ｆ）、基板１１０３（基板Ｇ）を基板の厚み方向であるＺ軸方向に重ねて、基板ＥとＦとで基板Ｇを挟むように構成され、基板Ｇはグランド１１０４を中央部分に備える。

基板ＥはＺ軸方向から見てグランド１１０４を囲むように配置したアンテナ素子１１０５を４つ備え、４つのアンテナ素子１１０５は同形状の逆Ｆ型アンテナである。逆Ｆ型アンテナの接地端は導通部１１０６を通じてグランド１１０４と導通し、信号を送受信する給電端は導通部１１０７を通じて給電部１１０８に接続する。アンテナ素子１１０５は＋Ｘ方向、＋Ｙ方向、−Ｘ方向、−Ｙ方向にそれぞれ延伸し、開放端の向きが９０度ずつ異なるように配置する。

同様に、基板ＦはＺ軸方向から見てグランド１１０４を囲むように配置したアンテナ素子１１０９を４つ備え、４つのアンテナ素子１１０９は同じ形状の逆Ｆ型アンテナである。逆Ｆ型アンテナの接地端は導通部１１１０を通じてグランド１１０４と導通し、信号を送受信する給電端は導通部１１１１を通じて給電部１１０８に接続する。アンテナ素子１１０９は＋Ｘ方向、＋Ｙ方向、−Ｘ方向、−Ｙ方向にそれぞれ延伸し、開放端の向きが９０度ずつ異なるように配置する。

基板Ｇの構成例を図１２に示す。図１２において、基板Ｇの表層１２０１には、グランド１２０２及びＲＦ線路１２０３を備え、グランド１２０２は裏面（非図示）に導通するビア１２０４を備える。ＲＦ線路１２０３は、ビア１２０５と４つの切替部１２０７とを接続し、送受信部９０１からのＲＦ信号を４つに分岐し、分岐した４つのＲＦ信号の位相をずらす移相部１２０６として動作する。

移相部１２０６では、入力されたＲＦ信号を４つに分岐し、分岐したＲＦ信号にそれぞれｎ×９０度（ｎは整数）の位相差を与える。図１２の例では入力されたＲＦ信号を４つに分岐し、それぞれに０度、９０度、１８０度、２７０度の位相シフトを与える。位相シフトされたＲＦ信号は、切替部１２０７に入力される。切替部１２０７は２つの出力（不図示）を有し、一方は基板Ｅの接続点１１０７に接続された同軸ケーブル（不図示）に接続され、他方は基板Ｆの接続点１１１１に接続された同軸ケーブル（不図示）に接続される。なお、４つの切替部１２０７は、ＲＦ信号の出力先が４つの切替部１２０７で同一となるように制御される。すなわち、切替部１２０７は、基板Ｅの４つのアンテナ１１０５にＲＦ信号が出力されるか、基板Ｆの４つのアンテナ１１０９にＲＦ信号が出力されるかを切り替える。これによって、アンテナ素子（非図示）からの合成波は円偏波特性を備える。なお、図１１で示した導通部１１１０はグランド１２０２のどこに接続しても良く、接続方法は同軸ケーブルのような実装部品ではなく、金属柱といった基板間の支持部材を流用することができる。

本実施例において、フローチャートの動作は実施例１及び２と同様であるため説明を省略する。すなわち、−Ｚ方向である基板Ｆの下方に誘電体または導電体が近接して位置する場合、アンテナ素子１１０５は給電部１１０８と接続し、アンテナ素子１１０９はグランド１１０４と接続する。このため、アンテナ素子１１０５の指向性を＋Ｚ方向に向けながら、−Ｚ方向にある誘電体の有無に関わらず円偏波特性を維持することが可能となる。一方、＋Ｚ方向である基板Ｅの上方に誘電体または導電体が近接して位置する場合、アンテナ素子１１０９は給電部１１０８と接続し、アンテナ素子１１０５はグランド１１０４と接続する。このため、アンテナ素子１１０９の指向性を−Ｚ方向に向けながら、＋Ｚ方向にある誘電体の有無に関わらず円偏波特性を維持することが可能となる。

以上説明したように、実施例３に係る無線装置は、切替部および移相部がアンテナとは異なる基板に配置される。これによって、切替部および移相部がアンテナに与える影響を小さくすることができ、アンテナの設計が容易になる。

＜その他の実施形態＞
本実施形態に係る無線装置は、記憶部２０９に記憶されたプログラムと検出部２０７の検出結果に基づいて切替部２０２を制御するものとして説明を行ったが、送受信部２０１で受信した制御信号に基づいて切替部２０２を制御してもよい。すなわち、制御部２０８は、アンテナ素子１０６およびアンテナ素子１０８の少なくともいずれかで受信した制御信号に基づいて切替部２０２を制御してもよい。

本実施形態に係る無線装置の基板は、４個のアンテナ素子を有するものとして説明を行ったが、アンテナ素子の数はこれに限定されない。例えば、基板は円状に配置されたｎ個（ｎは１以上の整数）のアンテナ素子を有し、ｎ個のアンテナ素子は時計回りにｉ番目のアンテナ素子ごとに、３６０／ｎ度のｉ倍（整数倍）の位相差で給電されてもよい。これによって、アンテナ素子の数によらず、楕円偏波の電磁波を送受信することができる。

本実施形態に係る無線装置は、誘電体または導電体が近接して位置する場合に、誘電体または導電体から離れる方向に電磁波を放射する実施例を用いて説明された。一例では、本実施形態に係る無線装置は、誘電体または導電体が近接して位置する場合に、誘電体または導電体から離れる方向に電波を放射する実施例にも適用可能である。例えば、人体に近接して配置される無線装置であって、体内にあるカプセル型の小腸内視鏡と通信する無線装置では、人体などの誘電体に近接した場合に、人体の内部に向けて電磁波を放射する必要がある。このため、無線装置は、人体に近接して配置された場合に、無線装置に誘電体または導電体が近接していない場合と比較して、アンテナの特性インピーダンスの変化が大きい基板側に電磁波を放射することで、体内にある通信装置と通信することができる。この場合、無線装置が備えるアンテナは、人体の比誘電率に合わせて設計されてもよい。

上述した実施形態は、以下の処理を実行することによっても実行される。すなわち、前述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記録媒体を、システムあるいは装置に供給する。そして、そのシステムあるいは装置のコンピュータ（またはＣＰＵまたはＭＰＵ）が記録媒体に格納されたプログラムコードを読み出し実行する。これによって、上述した目的を達成することができる。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現することとなり、そのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ、ＤＶＤなどを用いることができる。

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

１０１、１０２：基板、１０３、１０４：グランド、１０５：導通部、１０６、１０８：アンテナ素子、１０７、１０９：給電部、２０１：送受信部、２０２：切替部、２０３、２０４：移相部、２０７：検出部、２０８：制御部、２０９：記憶部

Claims (20)

1. アンテナであって、
   無線信号の入出力を行う入出力点と、
   第一のグランドおよび第一の放射手段が配置された第一の基板と、
   第二のグランドおよび第二の放射手段が配置され、前記第一の基板に対して略平行に重なる第二の基板と、
   前記第一の基板のグランドと前記第二の基板のグランドとを電気的に接続する導体と、
   前記第一の放射手段および前記第二の放射手段のいずれを前記入出力点に電気的に接続するかを切り替え可能な切替手段と、
   を備え、
   前記入出力点と電気的に接続されない前記第一の放射手段および前記第二の放射手段のいずれかは、グランドとして機能することを特徴とするアンテナ。
2. 前記第一の放射手段は、前記入出力点と電気的に接続された場合に、前記第一の放射手段から前記第二の基板の方向とは異なる方向にメインローブを有する電磁波を放射し、
   前記第二の放射手段は、前記入出力点と電気的に接続された場合に、前記第二の放射手段から前記第一の基板の方向とは異なる方向にメインローブを有する電磁波を放射することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記第一の放射手段および前記第二の放射手段の少なくともいずれかは、複数のアンテナ素子を有することを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ。
4. 前記複数のアンテナ素子は、前記第一のグランドおよび前記第二のグランドの少なくともいずれかの周囲を囲むように配置されることを特徴とする請求項３に記載のアンテナ。
5. 前記複数のアンテナ素子の少なくともいずれかは、
   前記第一のグランドまたは前記第二のグランドに電気的に接続される接地点と、
   前記切替手段と電気的に接続される給電点と、
   を有し、
   前記入出力点と電気的に接続されない前記第一の放射手段および前記第二の放射手段のいずれかが有する前記複数のアンテナ素子の給電点は電気的に開放されることを特徴とする請求項３または４に記載のアンテナ。
6. 前記第一の放射手段および前記第二の放射手段は、同じ数の複数のアンテナ素子を含み、
   前記第一の放射手段および前記第二の放射手段のそれぞれと前記切替手段との間に配置され、前記切替手段からの無線信号を前記複数のアンテナ素子の数に分岐させる分岐手段と、
   前記分岐手段と前記複数のアンテナ素子の少なくともいずれかとの間に配置された移相手段であって、前記複数のアンテナ素子の数の分岐の少なくとも１つに位相シフトを与える移相手段をさらに有することを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載のアンテナ。
7. 前記第一の放射手段および前記第二の放射手段は、同じ数の複数のアンテナ素子を含み、
   前記入出力点と前記切替手段との間に配置され、前記入出力点からの無線信号を前記複数のアンテナ素子の数に分岐させる分岐手段と、
   前記分岐手段と前記入出力点との間に配置された移相手段であって、前記複数のアンテナ素子の数の分岐の少なくともいずれかに位相シフトを与える移相手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載のアンテナ。
8. 前記移相手段は、前記複数のアンテナ素子の数をｎとした場合に、前記複数のアンテナ素子のそれぞれと前記入出力点との間の位相の差が３６０／ｎ度の整数倍となるよう位相シフトを与えることを特徴とする請求項６または７に記載のアンテナ。
9. 前記切替手段は、前記第一の基板に配置されることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のアンテナ。
10. 前記第一の基板と前記第二の基板との間に配置され、前記切替手段が配置される第三の基板をさらに有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のアンテナ。
11. 前記第一の基板と前記第二の基板は、設計周波数の波長λに対してλ／８以下の距離で離間することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のアンテナ。
12. 前記第一の基板と前記第二の基板は、多層基板の異なるレイヤに配置されることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のアンテナ。
13. 前記入出力点と電気的に接続されない前記第一の放射手段および前記第二の放射手段のいずれかは、前記第一のグランドおよび前記第二のグランドと電気的に接続されることでグランドとして機能することを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載のアンテナ。
14. 無線装置であって、
    無線信号の送受信を行う送受信手段と、
    第一のグランドおよび第一のアンテナが配置された第一の基板と、
    第二のグランドおよび第二のアンテナが配置され、前記第一の基板に対して略平行に重なる第二の基板と、
    前記第一の基板のグランドと前記第二の基板のグランドとを電気的に接続する導体と、
    前記第一のアンテナおよび前記第二のアンテナのいずれを前記送受信手段に電気的に接続するかを切り替え可能な切替手段と、
    所定の条件に基づいて前記切替手段を制御する制御手段と、
    を含み、
    前記送受信手段と電気的に接続されない前記第一のアンテナおよび前記第二のアンテナのいずれかは、グランドとして機能することを特徴とする無線装置。
15. 前記第一のアンテナおよび前記第二のアンテナに無線信号を入力した場合の反射電力の大きさに対応する値を検出する検出手段をさらに有し、
    前記所定の条件は、前記送受信手段と接続している前記第一のアンテナと前記第二のアンテナとのいずれかに無線信号を入力した場合の前記値が閾値を超えたことを含むことを特徴とする請求項１４に記載の無線装置。
16. 前記所定の条件は、前記送受信手段と接続している前記第一のアンテナと前記第二のアンテナとのいずれかに無線信号を入力した場合の前記値が閾値を超えないことをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の無線装置。
17. 前記所定の条件は、
    前記所定の条件は、前記送受信手段と接続している前記第一のアンテナと前記第二のアンテナとのいずれかに無線信号を入力した場合に前記検出手段が検出した前記値が閾値を超えることと、
    前記送受信手段と接続している前記第一のアンテナと前記第二のアンテナとのいずれかに対応する前記値より、前記送受信手段と接続している前記第一のアンテナと前記第二のアンテナとのいずれかに対応する前記値の方が小さいことと、を含むことを特徴とする請求項１５または１６に記載の無線装置。
18. 前記第一の基板及び前記第二の基板は、アンテナの近傍に位置する物体を検出するセンサをさらに有し、
    前記所定の条件は、前記センサで前記物体を検出したことを含むことを特徴とする請求項１４から１７のいずれか１項に記載の無線装置。
19. 前記第一のアンテナおよび前記第二のアンテナのいずれに前記送受信手段を電気的に接続しているかを指し示す接続設定を記憶するメモリをさらに備え、
    前記制御手段は、
    前記送受信手段による送信の前に前記メモリから前記接続設定を読み出し、
    前記送受信手段による送信の後に前記メモリへ前記接続設定を書き込むことを特徴とする請求項１４から１８のいずれか１項に記載の無線装置。
20. 前記制御手段は、前記第一のアンテナおよび前記第二のアンテナの少なくともいずれかを介して受信した制御信号に基づいて前記切替手段を制御することを特徴とする請求項１４から１９のいずれか１項に記載の無線装置。

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