JP3987058B2

JP3987058B2 - アンテナ装置

Info

Publication number: JP3987058B2
Application number: JP2004179724A
Authority: JP
Inventors: 藤敬義伊; 根秀一関
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2024-06-17
Also published as: JP2006005645A

Description

本発明は、指向性を可変可能なアンテナ装置に関する。

従来、双指向性を実現するアンテナの構成として、地板上に設置された給電モノポールアンテナの周囲に、導波器もしくは反射器として機能する無給電素子を配置する構成が提案されている。また、基板の両面にパッチアンテナを設置する構成も提案されている。

さらに、電気的に指向性を可変させるアンテナの構成として、使用周波数の半波長の間隔で配置された２つのアンテナへの給電位相を切り替える構成が提案されている。

また、地板上に設置された給電モノポールアンテナの周囲に、一端が可変リアクタンス素子に接続された無給電素子を配置する構成が提案されている。

さらに、給電モノポールアンテナの周囲に一端が高周波スイッチによって短絡と開放を切り替える構成が提案されている（特許文献１参照）。
米国特許公報５，２３５，３４３

給電位相を切り替えて放射指向性を変える従来技術では、位相器とハイブリッド回路のコストと挿入損失が問題である。また、無給電素子を給電素子の導波器や反射器として用いる従来技術では、可変リアクタンスによる無給電素子上の電流位相を適当に制御する必要がある。

一方、給電素子とその周囲に配置された無給電素子の指向性合成を用いる従来技術では、給電素子の放射が支配的となるため、ビーム幅を絞ることができず、急峻な指向性が得られない。また、給電素子と無給電素子の配置間隔が狭いために、低姿勢化が難しいという問題がある。

本発明の目的は、指向性を簡易な手順で切り替えることができ、高い放射利得を得ることができるアンテナ装置を提供することにある。

本発明の一態様によれば、導電性材料からなる地板上または地板に近接して設置される給電点と、前記給電点に放射状に接続される少なくとも４本のメアンダ状素子を有する線状素子と、前記メアンダ状素子のそれぞれに対応して設けられる高周波スイッチと、前記メアンダ状素子のそれぞれに対向配置され、対応する前記高周波スイッチを介して前記地板に接続される複数の逆Ｌ状素子と、前記線状素子を構成する前記少なくとも４本のメアンダ状素子の交点と前記給電点とを接続する給電線路と、を備え、前記複数の逆Ｌ状素子の地板との接続点から前記高周波スイッチを介してその先端位置までの長さはそれぞれ、動作周波数の略１／４波長であり、前記メアンダ状素子の前記給電点からその先端位置までの長さはそれぞれ、動作周波数の略１／４波長であることを特徴とするアンテナ装置が提供される。

また、本発明の一態様によれば、導電性材料からなる地板上または地板に近接して配置される給電点と、一端が前記給電点に接続されるヘリカル状素子と、前記ヘリカル状素子の他端に放射状に接続される少なくとも４本の線状素子と、前記線状素子のそれぞれに対応して設けられる高周波スイッチと、前記線状素子のそれぞれに対向配置され、対応する前記高周波スイッチを介して前記地板に接続される複数の逆Ｌ状素子と、を備え、前記複数の逆Ｌ状素子の地板との接続点から前記高周波スイッチを介して先端位置までの長さはそれぞれ、動作周波数の略１／４波長であり、前記給電点から前記ヘリカル素子を通って前記線状素子の先端位置までの長さは、動作周波数の略１／４波長であることを特徴とするアンテナ装置が提供される。

本発明によれば、指向性を簡易な手順で切り替えることができ、高い放射利得を得ることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す斜視図、図２は図１のアンテナ装置の側面図、図３はその上面図である。図１のアンテナ装置は、導電性材料からなる地板上に設置される給電点１と、給電点１に放射状に接続される４本のメアンダ状素子２を有する線状素子と、メアンダ状素子２のそれぞれに対応して設けられる高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ４と、メアンダ状素子２のそれぞれに対向配置されて高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ４に接続される複数の逆Ｌ状素子３と、を備えている。

逆Ｌ状素子３の地板との接続位置から給電点までの（物理的）長さは動作周波数の約1/4波長である。また、メアンダ状素子２の給電点からその先端位置までの長さも、動作周波数の約1/4波長である。メアンダ状素子２の場合、線状素子が複数に折り返されているため、リアクタンス成分が増え、物理的な長さは1/4波長よりも多少長くなる。

メアンダ状素子２は、４本以上であれば、特にその本数に制限はないが、以下では、４本の場合について説明する。４本のメアンダ状素子２は、約９０°ごとに異なる角度で配置されている。

図４は高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の詳細構成の一例を示す回路図である。図４の高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、並列接続されたPINダイオード１１と、スイッチ制御回路１２とを有する。スイッチ制御回路１２から出力される電圧レベルを変えることにより、PINダイオード１１を導通させたり、遮断させたりすることができ、PINダイオード１１がスイッチとして作用する。

図５は高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の変形例を示す回路図である。図５の高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、並列接続されたインダクタ素子１３、可変容量素子（バリキャップ）１４およびスイッチ制御回路１２を有する。スイッチ制御回路１２の出力電圧が変わると、可変容量素子１４の容量が変化し、これにより高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のオン・オフが切り替わる。

図６は高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の他の変形例を示す回路図である。図６の高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、FET１５と、このFET１５のゲート電圧を制御するスイッチ制御回路１２とを有する。スイッチ制御回路１２の出力電圧が変わると、FET１５のオン・オフが切り替わり、これにより、高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチングが可能となる。

図７は、高周波スイッチＳＷ１，ＳＷ３をオンして、高周波スイッチＳＷ２，ＳＷ４をオフした場合のｘｙ面放射パターンを示す図である。図７は図８に示す形状およびサイズのメアンダ状素子２と逆Ｌ状素子３についてのｘｙ面放射パターンを示している。

図７に示すように、高周波スイッチＳＷ１が接続された逆Ｌ状素子３の垂直部分と、高周波スイッチＳＷ２が接続された逆Ｌ状素子３の垂直部分とは、1/2波長だけ離れているため、ｘ軸方向では各アンテナ素子からの放射が逆位相となって利得が低くなる。また、ｙ軸方向では、各アンテナ素子からの放射が同位相になって利得が高くなる。その結果、双指向性パターンが形成される。

図９は、図８と同サイズのメアンダ状素子２と逆Ｌ状素子３を用いた場合に、高周波スイッチＳＷ１，ＳＷ３をオフして、高周波スイッチＳＷ２，ＳＷ４をオンした場合のｘｙ面放射パターンを示す図である。

この場合、図９に示すように、ｙ軸方向では各アンテナ素子からの放射が逆位相となって利得が低くなる。ｘ軸方向では各アンテナ素子からの放射が同位相となって利得が高くなる。その結果、高周波スイッチＳＷ１，ＳＷ３をオンにした場合のパターンを90°回転させたものに等しい双指向性パターンが形成される。

図１において、給電点１に接続されるメアンダ状素子２は、構造的にコイルに似た形状であり、インダクタンスが高いという特徴をもつ。このため、放射抵抗を小さくでき、放射パターンに与える影響を低減でき、双指向性の利得を高くすることができる。

このように、第１の実施形態では、給電点１に放射状に接続される４本のメアンダ状素子２と、これらメアンダ状素子２に対向配置される逆Ｌ状素子３と、各逆Ｌ状素子３に接続される高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ４とを設けるため、高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ４をオン・オフさせることで、放射パターンを大きく変化させることができる。また、メアンダ状素子２はインダクタンスが高いという特徴をもつため、放射抵抗を削減でき、双指向性の利得を向上できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１の実施形態とは異なる形状のメアンダ状素子２を設けるものである。

図１０は本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置の斜視図、図１１は図１０のアンテナ装置の側面図、図１２は図１０のアンテナ装置の上面図である。図１０では、図１と共通する構成部分には同一符号を付しており、以下では、相違点を中心に説明する。図１０のアンテナ装置は、図１とは異なる形状のメアンダ状素子２を備えている。図１０のメアンダ状素子２は、給電点１に近いほど、地板からの高さが低くなっており、かつ折り返しの間隔が短くなっている。

メアンダ状素子２は、給電点１からその先端位置までが約1/4波長の長さをもつため、給電点１に近いほど電流が多く流れる。したがって、給電点１に近いほど、素子の高さを低くすると、電流の方向が頻繁に入れ替わることになり、電流が互いに打ち消し合う効果が高くなる。また、メアンダ状素子２の折り返し間隔が短いほど、電流が多く流れる給電点１に近い位置の電流からの放射が打ち消し合う。

図１０の逆Ｌ状素子３は、約９０°ごとに配置される。対角線上に配置された２組の逆Ｌ状素子３のいずれか一方に対応する高周波スイッチ（ＳＷ１，ＳＷ３）または（ＳＷ２，ＳＷ４）がオンし、他方の組に対応する高周波スイッチはオフする。高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のオン・オフを組ごとに切り替えることで、第１の実施形態と同様に、放射パターンを大きく変化させることができる。

このように、第２の実施形態では、給電点１に近いほど、メアンダ素子の高さを低くし、かつメアンダ素子の折り返し間隔を短くするため、不要電波の放射をより効率的に抑制でき、双指向性の利得をよりいっそう向上できる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、メアンダ状素子２の代わりに、ヘリカル状素子を設けるものである。

図１３は本発明の第３の実施形態に係るアンテナ装置の斜視図、図１４は図１３のアンテナ装置の側面図、図１５は図１３のアンテナ装置の上面図である。図１３では、図１と共通する構成部分には同一符号を付しており、以下では、相違点を中心に説明する。図１３のアンテナ装置は、一端が給電点１に接続されるヘリカル状素子２１と、ヘリカル状素子２１の他端に放射状に接続される少なくとも４本の線状素子２２と、これら線状素子２２に対向配置される逆Ｌ状素子３と、逆Ｌ状素子３にそれぞれ接続される高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ４とを備えている。

線状素子２２は、４本以上であれば、特にその本数に制限はないが、以下では、４本の場合について説明する。４本の線状素子は、約９０°ごとに異なる角度で配置されている。

ヘリカル状素子２１は、メアンダ状素子２と同様に、高いインダクタンスを持つため、放射抵抗が小さく、不要電波の放射を抑制できる。

また、図１３のアンテナ装置では、無給電の逆Ｌ状素子３との電気的結合を強めるために、ヘリカル状素子２１の端部から逆Ｌ状素子３の方向に、放射状に線状素子２２を設けている。無給電の逆Ｌ状素子３の数が増やした場合には、それに応じて線状素子２２を増やすことで、ヘリカル状素子２１自体を増やす必要はない。

第３の実施形態においても、逆Ｌ状素子３は、約９０°ごとに配置される。対角線上に配置された２組の逆Ｌ状素子３のいずれか一方に対応する高周波スイッチ（ＳＷ１，ＳＷ３）または（ＳＷ２，ＳＷ４）がオンし、他方の組に対応する高周波スイッチはオフする。高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のオン・オフを組ごとに切り替えることで、第１および第２の実施形態と同様に、放射パターンを大きく変化させることができる。

このように、第３の実施形態では、給電点１に接続されたヘリカル状素子２１と、ヘリカル状素子２１に放射状に接続される線状素子２２と、これら線状素子２２に対向配置される逆Ｌ状素子３とを設けるため、第１の実施形態と同様に、放射抵抗を小さくでき、放射パターンを大きく変化できるとともに、双指向性の利得を向上できる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態は、第３の実施形態の変形例であり、放射状に配置された線状素子の代わりに、円板状素子を設けるものである。

図１６は本発明の第４の実施形態に係るアンテナ装置の斜視図、図１７は図１６のアンテナ装置の側面図、図１８は図１６のアンテナ装置の上面図である。

図１６では、図１３と共通する構成部分には同一符号を付しており、以下では、相違点を中心に説明する。図１６のアンテナ装置は、一端が給電点１に接続されたヘリカル状素子２１の他端に接続される円板状素子２３を備えている。この円板状素子２３に対して放射状に逆Ｌ状素子３が配置されている。

逆Ｌ状素子３は、約９０°ごとに配置される。対角線上に配置された２組の逆Ｌ状素子３のいずれか一方に対応する高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ４がオンし、他方の組に対応する高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ４はオフする。高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のオン・オフを組ごとに切り替えることで、第１〜第３の実施形態と同様に、放射パターンを大きく変化させることができる。

第３の実施形態の場合、線状素子とそれに対応する逆Ｌ状素子３とが直線状に配置されるように位置合わせを行う必要があったが、本実施形態では、位置合わせを行う必要がなくなり、実装が容易となる。

このように、第４の実施形態では、線状素子の代わりに円板状素子２３を設けるため、位置合わせが容易になり、製造工程を簡略化できる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態は、メアンダ状素子２を誘電体の内部に形成するものである。

図１９は本発明の第５の実施形態に係るアンテナ装置の斜視図である。図１９のアンテナ装置は、図１のアンテナ装置と基本的な構造は同じであるが、メアンダ状素子２を誘電体２４の内部に形成している。誘電体２４の内部では、自由空間に比べて波長が短くなるため、メアンダ状素子２の電気長を変えることなく、低姿勢化することができる。低姿勢化により、メアンダ状素子２の放射抵抗がさらに小さくなり、不要な電波の放射をよりいっそう抑制できる。

また、図２０は図１９の変形例であり、図１３のアンテナ装置のヘリカル状素子２１を誘電体２４の内部に形成したものである。

第５の実施形態においても、逆Ｌ状素子３は、約９０°ごとに配置される。対角線上に配置された２組の逆Ｌ状素子３のいずれか一方に対応する高周波スイッチ（ＳＷ１，ＳＷ３）または（ＳＷ２，ＳＷ４）がオンし、他方の組に対応する高周波スイッチはオフする。高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のオン・オフを組ごとに切り替えることで、第１〜第４の実施形態と同様に、放射パターンを大きく変化させることができる。

このように、第５の実施形態では、メアンダ状素子２やヘリカル状素子２１を誘電体２４内部に形成するため、波長を短くできることから、よりいっそうの低姿勢化が可能になり、小型化が実現できる。

（第６の実施形態）
第６の実施形態は、メアンダ状素子２と逆Ｌ状素子３の本数を増やしたものである。

図２１は本発明の第６の実施形態に係るアンテナ装置の斜視図である。図２１のアンテナ装置は、基本的な構造は図１と同じであるが、メアンダ状素子２と逆Ｌ状素子３が４５°間隔で８本設けられている。

図２１の場合、高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ８のうち、軸対称の２本の逆Ｌ状素子３に接続された高周波スイッチ（ＳＷ１，ＳＷ５）または（ＳＷ２，ＳＷ６）または（ＳＷ３，ＳＷ７）または（ＳＷ４，ＳＷ８）のみがオンし、他の高周波スイッチはオフする。したがって、高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ８の切替方法として４種類が考えられ、合計４種類の放射パターンが得られる。これら４種類の放射パターンが図２２〜図２５に示されている。図２２〜図２５は、図２６に示すサイズのメアンダ素子２と逆Ｌ状素子３についてのｘｙ面放射パターンを示している。

このように、第６の実施形態では、メアンダ状素子２と逆Ｌ状素子３を８本に増やしたため、放射パターンの種類を４種類を増やすことができ、多様な放射パターンを生成できる。

本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す斜視図。図１のアンテナ装置の側面図。図１のアンテナ装置の上面図。高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の詳細構成の一例を示す回路図。高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の変形例を示す回路図。高周波スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の他の変形例を示す回路図。高周波スイッチＳＷ１，ＳＷ３をオンして、高周波スイッチＳＷ２，ＳＷ４をオフした場合のｘｙ面放射パターンを示す図。図７の解析に用いたメアンダ状素子と逆Ｌ状素子の形状およびサイズを示す図。図８と同サイズのメアンダ状素子２と逆Ｌ状素子３を用いた場合に、高周波スイッチＳＷ１，ＳＷ３をオフして、高周波スイッチＳＷ２，ＳＷ４をオンした場合のｘｙ面放射パターンを示す図。本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置の斜視図。図１０のアンテナ装置の側面図。図１０のアンテナ装置の上面図。本発明の第３の実施形態に係るアンテナ装置の斜視図。図１３のアンテナ装置の側面図。図１３のアンテナ装置の上面図。本発明の第４の実施形態に係るアンテナ装置の斜視図。図１６のアンテナ装置の側面図。図１６のアンテナ装置の上面図。本発明の第５の実施形態に係るアンテナ装置の斜視図。図１９の変形例であり、図１３のアンテナ装置のヘリカル状素子２１を誘電体２４の内部に形成した例を示す斜視図。本発明の第６の実施形態に係るアンテナ装置の斜視図。図２１に対応する放射パターンの一例を示す図。図２１に対応する放射パターンの一例を示す図。図２１に対応する放射パターンの一例を示す図。図２１に対応する放射パターンの一例を示す図。図２２〜図２５の解析に用いたメアンダ状素子と逆Ｌ状素子の形状およびサイズを示す図。

符号の説明

１給電点
２メアンダ状素子
３逆Ｌ状素子
２１ヘリカル状素子
２２線状素子
２３円板状素子

Claims

導電性材料からなる地板上または地板に近接して設置される給電点と、
前記給電点に放射状に接続される少なくとも４本のメアンダ状素子を有する線状素子と、
前記メアンダ状素子のそれぞれに対応して設けられる高周波スイッチと、
前記メアンダ状素子のそれぞれに対向配置され、対応する前記高周波スイッチを介して前記地板に接続される複数の逆Ｌ状素子と、
前記線状素子を構成する前記少なくとも４本のメアンダ状素子の交点と前記給電点とを接続する給電線路と、を備え、
前記複数の逆Ｌ状素子の地板との接続点から前記高周波スイッチを介してその先端位置までの長さはそれぞれ、動作周波数の略１／４波長であり、
前記メアンダ状素子の前記給電点からその先端位置までの長さはそれぞれ、動作周波数の略１／４波長であることを特徴とするアンテナ装置。
前記メアンダ状素子の前記地板からの高さは、前記給電点に近いほど低いことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
前記メアンダ状素子を構成する線路の折り返し頻度は、前記給電点に近いほど多いことを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。
導電性材料からなる地板上または地板に近接して配置される給電点と、
一端が前記給電点に接続されるヘリカル状素子と、
前記ヘリカル状素子の他端に放射状に接続される少なくとも４本の線状素子と、
前記線状素子のそれぞれに対応して設けられる高周波スイッチと、
前記線状素子のそれぞれに対向配置され、対応する前記高周波スイッチを介して前記地板に接続される複数の逆Ｌ状素子と、を備え、
前記複数の逆Ｌ状素子の地板との接続点から前記高周波スイッチを介して先端位置までの長さはそれぞれ、動作周波数の略１／４波長であり、
前記給電点から前記ヘリカル素子を通って前記線状素子の先端位置までの長さは、動作周波数の略１／４波長であることを特徴とするアンテナ装置。
前記逆Ｌ状素子に対向配置され、少なくとも前記線状素子を収納する誘電体部を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のアンテナ装置。
前記複数の逆Ｌ状素子は、所定の角度ごとに偶数個配置され、
前記複数の逆Ｌ状素子のうち、軸対称のいずれか２つの逆Ｌ状素子に対応する前記高周波スイッチのみがオンし、その他の前記高周波スイッチはオフすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のアンテナ装置。