JP4126002B2 - Directional variable antenna - Google Patents
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Description
本発明は、特に携帯電話や情報端末など各種情報機器に使用される送受信用アンテナとして好適な指向性可変アンテナに関する。 The present invention relates to a variable directivity antenna particularly suitable as a transmission / reception antenna used in various information devices such as mobile phones and information terminals.
近年、無線通信技術を利用した製品の普及に伴い、時間や空間、そして偏波や符号といった多次元にわたる信号の多重化によって伝送容量の拡大を図る研究に大きな期待が寄せられている。なかでも空間による多重化に関しては、複数の無指向性アンテナを採用し、それらの信号をベクトル合成する回路からなるアダプティブアレイアンテナの実現が考えられている。しかし、アダプティブアレイアンテナは、複数の無指向性アンテナの大きさや間隔が広がって大型化することから、使用機器によっては実用化の大きなネックとなっている。特に、モバイル機器への採用には、アンテナの大きさをできるだけ小型化することが求められている。 In recent years, with the spread of products using wireless communication technology, great expectations are placed on research for expanding transmission capacity by multiplexing signals in multiple dimensions such as time and space, and polarization and code. In particular, with regard to multiplexing by space, it is considered to realize an adaptive array antenna including a circuit that employs a plurality of omnidirectional antennas and vector-synthesizes these signals. However, the adaptive array antenna has become a large practical bottleneck depending on the equipment used because the size and interval of a plurality of omnidirectional antennas are increased and the size thereof is increased. In particular, for use in mobile devices, it is required to reduce the size of the antenna as much as possible.
一方、そうした無指向性アンテナに対して、アンテナ指向性を変化させることができる指向性可変アンテナが周知である。指向性可変アンテナは、一組のアンテナと給電回路によって指向性を変化させる構造であり、前述のアダプティブアレイアンテナと比べて小型化できる可能性があることから、小型アンテナ実用化にむけて有力視されてはいるが、現在その研究や報告例は少ない。 On the other hand, a variable directivity antenna that can change the antenna directivity with respect to such an omnidirectional antenna is well known. The directivity variable antenna is a structure that changes the directivity by a pair of antennas and a feeding circuit, and can be downsized compared to the above-described adaptive array antenna. However, there are few studies and reports at present.
指向性可変アンテナの従来例として、以下のものがある。
図5は下記特許文献1に開示されたものであり、放射素子1の周囲を反射素子2が「機械的」に周回することにより、アンテナ指向性を変化させる構造となっている。
また、図6は下記特許文献2に開示されたものであり、円形の接地導体3上に中央駆動素子4と、これを放射状に取り囲んでパラスティック素子5が配置されている。パラスティック素子5の下部に設けたインピーダンス負荷6を切り替えることにより、アンテナ指向性を「電気的」に切り替える構造である。中央駆動素子4とパラスティック素子5の間隔はλ/4程度の値となり、アンテナ全体では2λ以上の大きさの波長となる。
さらに、図7は下記特許文献3に開示されたものであり、この場合も円形の接地導体7を有し、この接地導体7上に給電アンテナ素子8と、これを放射状に取り囲んで無給電可変リアクタンス素子9が配置されている。給電アンテナ素子と無給電可変リアクタンス素子の間隔dはλ/4程度の値となり、アンテナ全体ではλ程度の大きさの波長を有する。
The following are examples of conventional directional variable antennas.
FIG. 5 is disclosed in Patent Document 1 below, and has a structure in which the antenna directivity is changed by the
FIG. 6 is disclosed in
Further, FIG. 7 is disclosed in the following Patent Document 3, which also has a circular grounding conductor 7, a feeding antenna element 8 on the grounding conductor 7, and a power-feeding variable surrounding it radially. A reactance element 9 is arranged. The distance d between the feeding antenna element and the parasitic variable reactance element has a value of about λ / 4, and the entire antenna has a wavelength of about λ.
これら図5、図6、図7に従来例として挙げた指向性可変アンテナの場合、「機械的」または「電気的」にアンテナ指向性を変える構造が主体となっている。すなわち、アンテナ本体である放射器の周辺に無給電素子を配置し、放射器と無給電素子の電磁的な相互結合を利用してアンテナの指向性を制御している。こうした指向性制御システムは、アンテナの等価的な合成開口を大きくして利得を高めることによって指向性制御を行うものであるが、動作原理を考えると、アンテナの大きさを相対的に無指向性アンテナと同一サイズまで小型化することは困難である。特に、図5の従来例の場合、反射素子2が周回するスペースを設けることから、勢いアンテナ全体の大型化は避けられない。また、一般的な問題として、使用波長が数GHz以下と低い場合、波長の長さが10cm以上となり、わずかな寸法の増大が著しく機器の利便性を妨げていた。そうした理由から指向性可変アンテナを通信端末などに利用することができなかった。
The directivity variable antennas shown as conventional examples in FIGS. 5, 6, and 7 mainly have a structure that changes the antenna directivity to “mechanical” or “electrical”. That is, a parasitic element is arranged around the radiator, which is the antenna body, and the directivity of the antenna is controlled using electromagnetic mutual coupling between the radiator and the parasitic element. Such a directivity control system performs directivity control by increasing the equivalent synthetic aperture of the antenna and increasing the gain, but considering the operating principle, the antenna size is relatively non-directional. It is difficult to reduce the size to the same size as the antenna. In particular, in the case of the conventional example shown in FIG. 5, since the space around which the
本発明者らは、以上の問題について鋭意研究を行った結果、小型化を実現し易い無指向性アンテナを基本構造として応用し、等価的な合成開口を大きくすることなく、無指向性アンテナへの給電時の電界分布を不均一にすることにより、アンテナ指向性を変えることができる構造を開発した。その背景となる理由は次の点である。
(1)通常、無指向性アンテナに給電する伝送線路として同軸線路が用いられ、その同軸線路の内部では電界分布が均一となっていること。
(2)同軸線路の電界分布を何らかの技法で変化させた場合でも、同軸線路内を伝搬中に電界分布がすぐに均一に戻ってしまう特性がある。
(3)したがって、無指向性アンテナに給電する直前の段階で同軸線路内の電界分布を意図的に変化させてやれば、電界分布が均一にもどる前にアンテナから放射させてしまうことができる。すなわち、給電時の電界分布を不均一にすることが可能となる。
As a result of diligent research on the above problems, the present inventors applied an omnidirectional antenna that can be easily downsized as a basic structure, and thus achieved an omnidirectional antenna without increasing the equivalent synthetic aperture. We have developed a structure that can change the antenna directivity by making the electric field distribution nonuniform in the power supply. The reason behind this is as follows.
(1) Usually, a coaxial line is used as a transmission line for feeding power to the omnidirectional antenna, and the electric field distribution is uniform inside the coaxial line.
(2) Even when the electric field distribution of the coaxial line is changed by some technique, there is a characteristic that the electric field distribution immediately returns to uniform during propagation in the coaxial line.
(3) Therefore, if the electric field distribution in the coaxial line is intentionally changed immediately before feeding to the omnidirectional antenna, the antenna can be radiated before the electric field distribution returns uniformly. That is, the electric field distribution during power feeding can be made non-uniform.
ただし、上記(1)〜(3)について留意すべきことは、同軸線路の電界分布を変化させるためには、動作波長との関係から寸法的にもある程度の大きさをもつ同軸線路を必要とする点である。このことは、波長と比べて非常に小さな構造では電磁波として認識できなくなることからも容易に理解できる。たとえば、一般的なSMAコネクタなどに使用される同軸回路において、内蔵した接地導体の内径が約4mmのもので8GHz程度以上の周波数によって同軸線路の電界分布を変化させることが可能である。したがって、接地導体の内径を8mm、16mmと大きなものにするほど、それぞれ4GHz程度、2GHz程度の周波数まで同軸線路の電界分布を変化させることができる。 However, it should be noted about the above (1) to (3) that in order to change the electric field distribution of the coaxial line, a coaxial line having a certain size in dimension is required from the relationship with the operating wavelength. It is a point to do. This can be easily understood from the fact that a structure very small compared to the wavelength cannot be recognized as an electromagnetic wave. For example, in a coaxial circuit used for a general SMA connector or the like, it is possible to change the electric field distribution of the coaxial line with a frequency of about 8 GHz or more when the internal ground conductor has an inner diameter of about 4 mm. Therefore, as the inner diameter of the ground conductor is increased to 8 mm and 16 mm, the electric field distribution of the coaxial line can be changed to frequencies of about 4 GHz and 2 GHz, respectively.
このように、同軸線路に内蔵された接地導体の内径仕様を大きくすれば、電界分布を変化させることが理解されるが、同軸線路を大きくするにも制限があり、できれば市販一般の寸法仕様による同軸線路を給電側に接続して利用することが望ましい。そうした事情を満足するには、アンテナの給電部に接続される同軸線路に一般寸法仕様のものを用い、給電部直前でその同軸線路の径を拡大した構造とすることにより、低周波域でも同軸線路の電界分布を変化させることが可能となる。 As described above, it is understood that if the inner diameter specification of the ground conductor incorporated in the coaxial line is increased, the electric field distribution is changed. However, there is a limit to increasing the coaxial line, and if possible, it depends on the general size specifications on the market. It is desirable to use a coaxial line connected to the feeding side. In order to satisfy such circumstances, the coaxial line connected to the feeding part of the antenna has a general size specification, and the diameter of the coaxial line is enlarged immediately before the feeding part, so that it can be coaxial even in the low frequency range. It becomes possible to change the electric field distribution of the line.
本発明の目的は、数GHzの周波数帯域においても動作可能で、無指向性アンテナと同程度の大きさのものが得られ、小型化が求められる移動通信端末などへの応用が期待できる指向性可変アンテナを提供することにある。 The object of the present invention is to operate in a frequency band of several GHz, and have a directivity that can be obtained as large as an omnidirectional antenna and can be expected to be applied to a mobile communication terminal that requires a reduction in size. It is to provide a variable antenna.
上記目的を達成するために、本発明にかかる請求項1記載の指向性可変アンテナは、同軸線路を用いて給電する指向性可変アンテナであるものとし、無指向性のアンテナ部と、このアンテナ部との接続部が径を拡大形成された拡径部となっており、中心軸上の信号線と同軸上の筒状の接地導体とからなる同軸線路と、この拡径部に電気的に接続されて電界分布を特定方向に指向変化させる電界分布可変手段とを備えているものとする。 In order to achieve the above object, the directional variable antenna according to claim 1 of the present invention is a directional variable antenna that feeds power using a coaxial line, and includes an omnidirectional antenna unit and the antenna unit. Is connected to the coaxial line consisting of a signal line on the central axis and a cylindrical grounding conductor on the same axis, and is electrically connected to the enlarged diameter part. And electric field distribution varying means for changing the electric field distribution in a specific direction.
請求項1の発明では、無指向性のアンテナ部としてたとえばモノポールアンテナを基本構造とすることにより、このモノポールアンテナと相対的に同一の大きさでもって、数GHzの周波数帯域でも感度の高い指向性可変アンテナを実現することができる。そうした無指向性のアンテナ部に給電する直前にて接続される同軸線路の拡径部において電界分布を不均一に変化させることにより、特定方向への指向性を変化させることができる。すなわち、同軸線路の拡径部における電界分布を電気的に変化させることで、無指向性アンテナと相対的に同一の大きさでもって、高速に指向性の切り替えが可能な指向性可変アンテナを実現できる。 According to the first aspect of the present invention, for example, a monopole antenna is used as a basic structure as an omnidirectional antenna portion, so that it is relatively the same size as this monopole antenna and has high sensitivity even in a frequency band of several GHz. A directional variable antenna can be realized. Directivity in a specific direction can be changed by changing the electric field distribution nonuniformly in the diameter-enlarged portion of the coaxial line connected immediately before feeding to such an omnidirectional antenna portion. In other words, by electrically changing the electric field distribution in the diameter-enlarged part of the coaxial line, a directional variable antenna that can switch the directivity at high speed with the same size as the omnidirectional antenna is realized. it can.
また、請求項2に記載の指向性可変アンテナは、上記アンテナ部を構成する導体板にこの中心から放射状にスリットまたは溝を設けたことを特徴とする。
The variable directivity antenna according to
無指向性のアンテナ部の形状によっては、放射素子(放射器)から放射する過程において、その直前で接続される同軸線路の拡径部で電界分布をせっかく不均一に変化させたにもかかわらず、電界分布が均一な状態に戻ってしまうことが考えられる。これを回避するため、アンテナ部の導体板の中心から放射状にスリットまたは溝を設けると有効である。放射状にスリットまたは溝を設けることで、電界分布が均一に戻ろうとする際に発生するアンテナ表面の電流パスを中心から放射方向のみに制限する効果がある。これにより給電部での不均一な電界分布を維持したまま、放射状に電磁波を放射することが可能となる。 Depending on the shape of the omnidirectional antenna, the electric field distribution may be unevenly changed in the enlarged diameter part of the coaxial line connected immediately before the radiation from the radiating element (radiator). It can be considered that the electric field distribution returns to a uniform state. In order to avoid this, it is effective to provide slits or grooves radially from the center of the conductor plate of the antenna section. Providing slits or grooves in a radial manner has an effect of limiting the current path on the antenna surface that occurs when the electric field distribution tries to return uniformly to only the radiation direction from the center. As a result, it is possible to radiate electromagnetic waves radially while maintaining a non-uniform electric field distribution in the power feeding unit.
また、請求項3に記載の指向性可変アンテナは、上記電界分布可変手段が、上記同軸線路の信号線および接地導体間の一部を短絡させる短絡手段を備えていることを特徴とする。 The variable directivity antenna according to claim 3 is characterized in that the electric field distribution variable means includes a short-circuit means for short-circuiting a part between the signal line of the coaxial line and the ground conductor.
同軸線路の電界分布を不均一にする技法として、アンテナ部の指向性切り替えを高速に行うためには、アンテナ外部から同軸線路の電界分布を電気的に変化させる必要がある。すなわち、短絡手段によって信号線と接地導体と間の一部分だけを電気的に短絡させることにより、同軸線路の電界分布を変化させることができる。この場合、同軸線路の信号線および接地導体間の面積に対して、短絡させる部分の面積を十分に小さくすることが必要である。この短絡する部分の面積が同軸線路の信号線および接地導体間の面積に対して十分に小さくない場合、ここでの反射が大きくなり、アンテナ自体の放射効率が低下してしまう。このような反射が大きくならないように、短絡させる部分の面積を小さくしてやれば、短絡時には同軸線路の電界分布を変化させることができる。もちろん短絡は電気的に制御できるので、短絡個所を高速に切替えて指向性を変化させたり、短絡部分を全て開放すれば無指向性に戻すこと容易に可能である。 As a technique for making the electric field distribution of the coaxial line non-uniform, it is necessary to electrically change the electric field distribution of the coaxial line from the outside of the antenna in order to switch the directivity of the antenna section at high speed. That is, the electric field distribution of the coaxial line can be changed by electrically short-circuiting only a part between the signal line and the ground conductor by the short-circuit means. In this case, it is necessary to sufficiently reduce the area of the portion to be short-circuited with respect to the area between the signal line of the coaxial line and the ground conductor. If the area of the short-circuited portion is not sufficiently small with respect to the area between the signal line of the coaxial line and the ground conductor, the reflection here becomes large and the radiation efficiency of the antenna itself is lowered. If the area of the portion to be short-circuited is reduced so that such reflection does not increase, the electric field distribution of the coaxial line can be changed at the time of short-circuit. Of course, since the short circuit can be electrically controlled, it is possible to easily change the directivity by switching the short circuit part at high speed, or to return to the non-directivity if all the short circuit parts are opened.
また、請求項4に記載の指向性可変アンテナは、上記短絡手段が、一端が上記信号線に接続され、かつ他端が上記接地導体の筒内周面に接続されて全方位の等角位置から延びる複数本の短絡線を含んでいることを特徴とする。 The directivity variable antenna according to claim 4, wherein the short-circuit means has one end connected to the signal line and the other end connected to the cylinder inner peripheral surface of the ground conductor so as to be equiangular in all directions. It includes a plurality of short-circuit wires extending from.
請求項4の発明では、短絡手段の具体例である短絡線を短絡させるのに、それをオン/オフ操作するスイッチとしてたとえばPINダイオードやMEMSスイッチを用いることで、同軸線路の電界分布を電気的に変化させることができる。 In the invention of claim 4, the electric field distribution of the coaxial line is electrically reduced by using, for example, a PIN diode or a MEMS switch as a switch for turning on / off the short-circuit line as a specific example of the short-circuit means. Can be changed.
また、請求項5に記載の指向性可変アンテナは、上記電界分布可変手段が、上記同軸線路の信号線と上記接地導体の間に設けられた浮遊導体板の一部を、上記接地導体と短絡する短絡線を有していることを特徴とする。 Further, in the variable directivity antenna according to claim 5, the electric field distribution varying means short-circuits a part of the floating conductor plate provided between the signal line of the coaxial line and the ground conductor with the ground conductor. It is characterized by having a short circuit line.
同軸線路の信号線と接地導体の間に浮遊導体板を設けても、これだけでは同軸線路の電界分布が乱されることはない。しかし、この浮遊導体板の一部、好ましくは同軸線路の信号が伝播する方向の先端部分をPINダイオードやMEMSスイッチを利用して接地導体と短絡することにより、同軸線路の電界分布を電気的に変化させることができる。そして
この場合も浮遊状態と接地導体との短絡は電気的に制御できるので、短絡個所を高速に切り替えて指向性を変化させたり、短絡部分を全て開放したりすれば、無指向性に戻すことも容易にできる。
すなわち無指向性アンテナと同じ大きさで高速に指向性切り替え可能な指向性可変アンテナを実現できる。
Even if a floating conductor plate is provided between the signal line of the coaxial line and the ground conductor, this alone does not disturb the electric field distribution of the coaxial line. However, the electric field distribution of the coaxial line is electrically reduced by short-circuiting a part of this floating conductor plate, preferably the tip part in the direction in which the signal of the coaxial line propagates, to the ground conductor using a PIN diode or a MEMS switch. Can be changed. And also in this case, the short circuit between the floating state and the ground conductor can be electrically controlled, so if the directivity is changed by switching the short-circuited part at high speed, or if all the short-circuited parts are opened, the omnidirectionality can be restored. Can also be easily done.
That is, it is possible to realize a variable directivity antenna having the same size as the omnidirectional antenna and capable of switching directivity at high speed.
また、請求項6に記載の指向性可変アンテナは、上記同軸線路の信号線と上記接地導体の間に浮遊導体板が複数設けられてなり、それぞれ動作周波数に応じた長さを有していることを特徴とする。 The variable directivity antenna according to claim 6 includes a plurality of floating conductor plates provided between the signal line of the coaxial line and the ground conductor, each having a length corresponding to the operating frequency. It is characterized by that.
同軸線路の信号線と接地導体の間に設けた浮遊導体板の一部を、接地導体と短絡して同軸線路の電界分布を変化させる方法においては、浮遊導体板の大きさに依存した特定の周波数でのみ効果を得ることができる。したがって、異なる長さの浮遊導体を用いれば、それぞれ異なる動作周波数をもつことになる。したがって、異なる長さをもつ浮遊導体を独立して制御すれば、各浮遊導体の長さに応じた周波数での指向性を独立して制御することが可能となる。 In the method of changing the electric field distribution of the coaxial line by short-circuiting a part of the floating conductor plate provided between the signal line of the coaxial line and the ground conductor with the ground conductor, a specific method depending on the size of the floating conductor plate is used. The effect can be obtained only at the frequency. Therefore, if floating conductors having different lengths are used, they have different operating frequencies. Therefore, if floating conductors having different lengths are controlled independently, directivity at a frequency corresponding to the length of each floating conductor can be independently controlled.
請求項7に記載の指向性可変アンテナは、上記電界分布可変手段が、上記同軸線路の拡径部における信号線および接地導体間に介在して接触し、一部の誘電率が変えられるようになっている誘電体を含むことを特徴とする。 The directivity variable antenna according to claim 7, wherein the electric field distribution varying means is interposed between and in contact with the signal line and the ground conductor in the diameter-enlarged portion of the coaxial line so that a part of the dielectric constant can be changed. It is characterized by including the dielectric material.
請求項7の発明によれば、同軸線路の信号線および接地導体間において、誘電体の誘電率を電気的に一部分だけ変化させることにより、同軸線路の電界分布を電気的に変化させることができる。この場合、単純に屈折率差を用いた分布を形成することも、あるいは屈折率差を用いた周期構造で等価的なインピーダンスを変えることにより、電界分布を形成することも可能である。なお、誘電体の具体例として液晶材料を用いることができる。 According to the seventh aspect of the present invention, the electric field distribution of the coaxial line can be electrically changed by electrically changing only a part of the dielectric constant of the dielectric between the signal line of the coaxial line and the ground conductor. . In this case, it is possible to simply form a distribution using the refractive index difference, or to form an electric field distribution by changing the equivalent impedance in a periodic structure using the refractive index difference. Note that a liquid crystal material can be used as a specific example of the dielectric.
請求項8に記載の指向性可変アンテナにおいては、上記同軸線路の接続部における拡径部が、外径が前記アンテナ部に向かって漸次大きくなるようにテーパー加工されていることを特徴とする。 The variable directivity antenna according to claim 8 is characterized in that a diameter-enlarged portion in the connection portion of the coaxial line is tapered so that an outer diameter gradually increases toward the antenna portion.
同軸線路の拡径部において電磁波の反射防止をより効果的にするには、その拡径部をテーパー形状にすることで反射を最小限に抑えることができる。 In order to more effectively prevent reflection of electromagnetic waves in the enlarged diameter portion of the coaxial line, reflection can be minimized by making the enlarged diameter portion tapered.
また、請求項9に記載の指向性可変アンテナは、上記無指向性のアンテナ部が、進行波型アンテナであることを特徴とする。 The directional variable antenna according to claim 9 is characterized in that the omnidirectional antenna section is a traveling wave antenna.
本発明による指向性の制御は、同軸線路の電界分布変調を利用しているので、周波数による制御があまり無いのが特徴である。言い換えれば、無指向性アンテナを広帯域にしさえすれば、広帯域な指向性可変アンテナを実現することができる。すなわち無指向性アンテナを進行波型アンテナとしたことにより、無指向性アンテナと同じ大きさで、広帯域な指向性アンテナを実現できる。 The directivity control according to the present invention utilizes the electric field distribution modulation of the coaxial line, and therefore has a feature that there is not much control by frequency. In other words, as long as the omnidirectional antenna is widened, a wideband directional variable antenna can be realized. That is, by using a traveling wave antenna as the omnidirectional antenna, a broadband directional antenna having the same size as the omnidirectional antenna can be realized.
請求項10に記載の指向性可変アンテナは、上記進行波型アンテナがディスコーンアンテナであることを特徴とする。
The variable directivity antenna according to
請求項10の発明においては、無指向性の進行波型アンテナの具体例として、最も簡単な構造のディスコーンアンテナを採用したことにより、広帯域な指向性アンテナを低コストで製造することができる。 In a tenth aspect of the present invention, by adopting a discone antenna having the simplest structure as a specific example of a non-directional traveling wave antenna, a broadband directional antenna can be manufactured at low cost.
本発明にかかる請求項1記載の指向性可変アンテナにおいては、無指向性のアンテナ部としてたとえばモノポールアンテナを基本構造としたことにより、このモノポールアンテナと相対的に同一の大きさでもって、数GHzの周波数帯域でも感度の高い指向性可変アンテナを実現することができた。すなわち、無指向性のアンテナ部に給電する直前にて接続される同軸線路の拡径部において電界分布を不均一に変化させることにより、特定方向への指向性を変化させることができ、同軸線路の拡径部における電界分布を電気的に変化させることで、無指向性アンテナと相対的に同一の大きさでもって、高速に指向性の切り替えが可能な指向性可変アンテナを実現できた。 In the directivity variable antenna according to claim 1 according to the present invention, for example, a monopole antenna having a basic structure as a non-directional antenna portion has a relatively same size as the monopole antenna. A highly directional variable antenna could be realized even in a frequency band of several GHz. That is, the directivity in a specific direction can be changed by changing the electric field distribution non-uniformly in the diameter-enlarged portion of the coaxial line connected immediately before feeding to the omnidirectional antenna part. By electrically changing the electric field distribution in the diameter-expanded portion, a directional variable antenna capable of switching the directivity at high speed with the same size as that of the omnidirectional antenna could be realized.
請求項2に記載の指向性可変アンテナにおいては、無指向性のアンテナ部の導体部分に、中心から放射状にスリットまたは溝を設けたことにより、電界分布が均一に戻ろうとする際に発生するアンテナ表面の電流パスを中心から放射方向のみに制限する効果が得られ、給電部での不均一な電界分布を維持したまま、放射状に電磁波を放射することが可能となった。
3. The directional variable antenna according to
請求項3に記載の発明によれば、同軸線路の電界分布をアンテナ外部から電気的に変化させることができるようにしたことにより、無指向性アンテナと同じ大きさで、高速に指向性切り替え可能な指向性可変アンテナとすることができた。 According to the third aspect of the present invention, since the electric field distribution of the coaxial line can be electrically changed from the outside of the antenna, the directivity can be switched at high speed with the same size as the omnidirectional antenna. The directivity variable antenna could be achieved.
請求項4に記載の指向性可変アンテナによれば、同軸線路の電界分布を変化させる手段が、同軸線路の信号線と接地導体間の一部を短絡する構成としたことにより、無指向性アンテナと同じ大きさで、高速に指向性切り替え可能な、指向性可変アンテナを実現することができた。 According to the directional variable antenna according to claim 4, the means for changing the electric field distribution of the coaxial line is configured to short-circuit a part between the signal line of the coaxial line and the ground conductor. It was possible to realize a variable directivity antenna with the same size and capable of switching directivity at high speed.
請求項5に記載の指向性可変アンテナによれば、同軸線路の電界分布を変化させる手段が、同軸線路の信号線と接地導体の間に設けた浮遊導体板の一部を接地導体と短絡する構成としたことにより、無指向性アンテナと同じ大きさで、高速に指向性切り替え可能な、指向性可変アンテナを実現することができた。 According to the variable directivity antenna according to claim 5, the means for changing the electric field distribution of the coaxial line short-circuits a part of the floating conductor plate provided between the signal line of the coaxial line and the ground conductor. By adopting the configuration, it was possible to realize a variable directivity antenna having the same size as the omnidirectional antenna and capable of switching directivity at high speed.
請求項6に記載の指向性可変アンテナによれば、同軸線路の信号線と接地導体の間に浮遊導体板が複数設け、それぞれ動作周波数に応じた長さを有しているものとし、異なる長さをもつ浮遊導体を独立して制御することにより、各浮遊導体の長さに応じた周波数での指向性を独立して制御することが可能となった。 According to the variable directivity antenna according to claim 6, a plurality of floating conductor plates are provided between the signal line of the coaxial line and the ground conductor, each having a length corresponding to the operating frequency, and different lengths. By controlling each floating conductor independently, it becomes possible to independently control the directivity at a frequency corresponding to the length of each floating conductor.
請求項7に記載の指向性可変アンテナによれば、同軸線路の信号線および接地導体間において、誘電体の誘電率を電気的に一部分だけ変化させることにより、同軸線路の電界分布を電気的に変化させることができた。この場合、単純に屈折率差を用いた分布を形成することも、あるいは屈折率差を用いた周期構造で等価的なインピーダンスを変えることにより、電界分布を形成することが可能である。なお、誘電体の具体例として液晶材料を用いることができる。 According to the directional variable antenna according to claim 7, the electric field distribution of the coaxial line is electrically changed by electrically changing only a part of the dielectric constant of the dielectric between the signal line of the coaxial line and the ground conductor. I was able to change it. In this case, it is possible to form an electric field distribution by simply forming a distribution using a refractive index difference or by changing an equivalent impedance in a periodic structure using the refractive index difference. Note that a liquid crystal material can be used as a specific example of the dielectric.
請求項8に記載の指向性可変アンテナによれば、同軸線路の拡径部をテーパー形状にしたことにより、同軸線路の拡径部において電磁波の反射防止をより効果的にすることができた。 According to the directivity variable antenna of the eighth aspect, since the diameter-expanded portion of the coaxial line is tapered, it is possible to more effectively prevent electromagnetic waves from being reflected at the diameter-expanded portion of the coaxial line.
請求項9に記載の指向性可変アンテナによれば、無指向性アンテナを進行波型アンテナとしたことにより、無指向性アンテナと相対的に同じ大きさでもって、言い換えれば大型化することなく広帯域な指向性可変アンテナを容易に実現できた。 According to the directional variable antenna of the ninth aspect, since the omnidirectional antenna is a traveling wave type antenna, it has the same size as the omnidirectional antenna, in other words, a wideband without increasing the size. The directivity variable antenna can be easily realized.
請求項10に記載の指向性可変アンテナによれば、上記無指向性の進行波型アンテナとして最も簡単な構造のディスコーンアンテナを採用したことにより、広帯域な指向性アンテナを低コストで製造することができた。
According to the directional variable antenna according to
以下、本発明にかかる指向性可変アンテナの実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
〔第1の実施の形態〕
図1(a)、(b)は、本発明の第1の実施の形態を示す斜視図と断面図である。伝送線路としてこの場合、同軸線路10の先端部に無指向性アンテナの一種であるモノポールアンテナが接続されている。このモノポールアンテナの本体は、円板状の地板20と、この中心部から突出した放射器(放射素子)30からなっている。地板20では、誘電材料の円板21の表面に金属膜(または金属箔)22が、皮膜処理またはコーティングされている。その地板20の中心に貫通孔23を有し、貫通孔23に連通して同軸線路10が接続金具13を介して円板21背面に接続されている。同軸線路10は、中心軸上の信号線11で放射器30の基端部に接続されている。また、同軸線路10は信号線11の外側同軸上に円筒状の接地導体12を有し、この端部が地板20の表面の金属膜22に接続されている。
Embodiments of a variable directivity antenna according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
[First Embodiment]
1 (a) and 1 (b) are a perspective view and a cross-sectional view showing a first embodiment of the present invention. In this case, a monopole antenna, which is a kind of omnidirectional antenna, is connected to the tip of the
また、図1(b)で明らかなように、接地導体12が地板20の貫通孔23に嵌合して接続された部分は筒内径Dを有するテーパー拡径部12bとなっており、筒体主部12aの筒内径dよりも一回り大きく段差成形されている。また、そうした接地導体12のテーパー拡径部12bでは、本発明でいう電界分布可変手段の具体例である短絡手段として、4本の短絡線40、41、42、43が角度90°の位相差でもって四方向へ放射状に、それぞれの一端で信号線11に接続され、他端で接地導体12の筒内周面に接続されている。さらに、それら各短絡線40、41、42、43の基端部にそれぞれスイッチ50、51、52、53が接続されている。
1B, the portion where the
スイッチ50、51、52、53としては、たとえばPINダイオードを用いることができ、アンテナ外部に配置した制御用電極(図示せず)によって電気的なオン/オフ操作の制御が可能となっている。その場合、たとえば4つのスイッチ50、51、52、53の全てを「オフ」にすると、同軸線路10における電界分布に乱れを生じないようにでき、アンテナとしての放射パターンを「無指向性」に維持することができる。それに対して、4つのうちどれか1つのスイッチを「オン」にすると、同軸線路10の電界分布に乱れが生じ、アンテナとして放射パターンに「指向性」をもたせることができる。また、4つのスイッチ50、51、52、53の「オン」状態を規則的にまたは不規則的に切り替え制御することにより、アンテナの指向性を切り替えて変更することも可能になっている。
As the
したがって、この第の1実施の形態の指向性可変アンテナは以下のように動作する。四方向の全てのスイッチ50、51、52、53をオフにすると、同軸線路10の電界分布に乱れはなく、アンテナの放射パターンは無指向性のままとなる。一方、四方向のスイッチ50、51、52、53のどれか一つだけをオンにした場合は同軸線路10内の電界が乱され、アンテナの放射パターンは指向性を持つようになる。またオン状態のスイッチを切り替えることで、アンテナの指向性を切り替えることもできる。これから明らかなように、通常の無指向性アンテナと相対的に同じ大きさでもって、すなわち大型化することなくアンテナ指向性を切り替えることができる。
Therefore, the variable directivity antenna according to the first embodiment operates as follows. When all the
〔第2の実施の形態〕
図2(a)、(b)は、本発明の第2の実施の形態を示す全体斜視図と断面図である。なお、図1(a)、(b)の第1の実施の形態で示した各部材の材質、形状および機能的に同一または共通する部材には同一符号を付している。この場合も無指向性アンテナのモノポールアンテナを基本構造としており、その地板20に貫通孔23から放射状にスリット24が延びて形成されている。それら複数のスリット24によって地板20は電気的に複数の領域に分割されている。
[Second Embodiment]
2A and 2B are an overall perspective view and a cross-sectional view showing a second embodiment of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or common member in the material of each member shown in 1st Embodiment of FIG. 1 (a), (b), a shape, and a function. In this case as well, a monopole antenna, which is an omnidirectional antenna, has a basic structure, and slits 24 extend radially from the through
また、この第2の実施の形態では、図2(b)に示すように、同軸線路10内の接地導体12のテーパー拡径部12bにおいて、本発明でいう電界分布可変手段の他の短絡手段として、4つの金属片60、61、62、63が設けられている。これら4つの金属片は角度90°の位相差でもって四方向へ放射状に信号線11や接地導体12と平行な方向へ、図でいう上下の方向へ垂下した形で浮遊状態となっている。すなわち、各金属片60、61、62、63はそれぞれ一部がスイッチ70、71、72、73を介して接地導体12のテーパー拡径部12bの筒内周面に電気的に接続されている。
Further, in the second embodiment, as shown in FIG. 2 (b), in the taper enlarged
スイッチ70、71、72、73としては、たとえばMEMSスイッチが用いられ、アンテナ外部に配置した制御用電極(図示せず)によって電気的なオン/オフ状態の制御が可能となっている。
As the
したがって、この第の2実施の形態の指向性可変アンテナは以下のように動作する。この場合も第1の実施の形態と同じく、たとえば4つのスイッチ70、71、72、73の全てを「オフ」にすると、同軸線路10における電界分布に乱れを生じないようにでき、アンテナとしての放射パターンを「無指向性」に維持することができる。それに対して、4つのうちどれか1つのスイッチを「オン」にすると、同軸線路10の電界分布に乱れが生じ、アンテナとして放射パターンに「指向性」をもたせることができる。また、4つのスイッチ70、71、72、73の「オン」状態を規則的にまたは不規則的に切り替え制御することにより、アンテナの指向性を切り替えて変更することも可能になっている。また、地板20に設けた放射状のスリット24によって、放射電界分布の不均一さを維持し易くなっている。
Therefore, the variable directivity antenna according to the second embodiment operates as follows. Also in this case, as in the first embodiment, for example, if all of the four
〔第3の実施の形態〕
図3(a)、(b)は、本発明の第3の実施の形態を示す全体斜視図と断面図である。なお、図1(a)、(b)の第1の実施の形態および図2(a)、(b)の第2の実施の形態でそれぞれ示した各部材の材質、形状および機能的に同一または共通する部材には同一符号を付している。この場合、無指向性のアンテナ部として上部の円錐型電極80と地板20からなるディスコーンアンテナが示されている。また、地板20および円錐型電極80にはそれぞれスリット24、81が放射状に設けられている。
[Third Embodiment]
FIGS. 3A and 3B are an overall perspective view and a sectional view showing a third embodiment of the present invention. The materials, shapes and functions of the respective members shown in the first embodiment of FIGS. 1A and 1B and the second embodiment of FIGS. 2A and 2B are the same. Or the same code | symbol is attached | subjected to the common member. In this case, a discone antenna comprising an upper
図3(b)で明らかなように、同軸線路10とディスコーンアンテナの接続部では、同軸線路10の信号線11と接地導体12に平行に、この接地導体12のテーパー拡径部12bの筒内周面に一部が接続された第1金属片90、91、92、93と第2金属片110、111、112、113が信号線11との間で浮遊した状態で設けられている。この場合、信号線11と接地導体12との間の空隙には誘電率2.3の誘電体15が充填されており、この誘電体15に埋没した形で上記第1、第2金属片が上下2段で、角度90°の位相差で四方に等角度位置に接続されている。それら第1、第2金属片はそれぞれ第1スイッチ100、101、102、103と第2スイッチ120、121、122、123で接続されている。図示例では、第1金属片90、91、92、93のそれぞれ長さ寸法は0.8mmであり、第2金属片110、111、112、113のそれぞれ長さ寸法は1.2mmである。また、第1金属片は25GHz、第2金属片は19GHzの各周波数で電界分布を変化させることができるようになっている。第1、第2スイッチとしてはPINダイオードスイッチを用いており、アンテナ外部より、制御用電極(ここでは図示しない)を用いて電気的にオン/オフの状態を制御できる。
As is apparent from FIG. 3B, at the connection portion between the
したがって、この第2の実施の形態の指向性可変アンテナは以下のように動作する。第1、第2すべてのスイッチをオフにした場合、同軸線路10の電界分布に乱れはなく、アンテナの放射パターンは無指向性のままとなる。第1スイッチ100、101、102、103の一段だけをオンに投入した場合、25GHzの信号において同軸線路内の電界が乱され、25GHzの放射パターンは指向性を持つようになる。一方、第二段目の第2スイッチ120、121、122、123だけをオンに投入した場合、19GHzの信号において同軸線路内の電界が乱され、19GHzの放射パターンが指向性を持つようになる。オンに投入するスイッチの方向を切り替えることで、アンテナの指向性を切り替えることも可能であるし、各周波数を独立して制御することも可能である。また、地板20と上部の円錐型電極80の各スリット24、81によって、放射電界分布の不均一さを維持したまま放射しやすくなっている。本実施例からも明らかなように、通常の無指向性アンテナと相対的に同等の大きさでもって、複数の周波数において独立して指向性の切替えを行うことが可能である。
Therefore, the variable directivity antenna according to the second embodiment operates as follows. When all the first and second switches are turned off, the electric field distribution of the
〔第4の実施の形態〕
図4(a)、(b)は、本発明の第4の実施の形態を示す全体斜視図と断面図である。この場合、無指向性のアンテナ部として円錐型の上部電極140と下部電極130からなるバイコニカルアンテナを採用している。本実施の形態では、同軸線路10の接地導体12に設けたテーパー拡径部12bの上端に、円筒状の制御電極16が同軸で接続されており、この制御電極16と信号線11との間に、誘電体として液晶部材(アンテナ外部への取り出し電極は図示せず)150が充填されている。
[Fourth Embodiment]
FIGS. 4A and 4B are an overall perspective view and a sectional view showing a fourth embodiment of the present invention. In this case, a biconical antenna including a conical
したがって、この第4の実施の形態の動作は、制御電極16の制御によって任意部分の液晶部材150の誘電率を変化させることができる。液晶部材150の誘電率を変化させなければ同軸線路10の電界分布に乱れはなく、アンテナの放射パターンは無指向性のままとなる。一方、液晶部材150の誘電率を一部分だけ変化させた場合は同軸線路10内の電界が乱され、アンテナの放射パターンは指向性を持つようになる。また、液晶部材150の誘電率を変化させる場所を切り替えることで、アンテナの指向性を切り替えることも可能である。また上部電極140と下部電極130の各スリット141,131によって、放射電界分布の不均一さを維持したまま放射しやすくなっている。本実施の形態からも明らかなように、通常の無指向性アンテナと相対的に同等の大きさでもって、指向性の切り替えを行うことができる。
Therefore, the operation of the fourth embodiment can change the dielectric constant of the
なお、以上第1〜第4の各実施の形態について説明したが、各部材の形状、その他の要素との組合わせなど、ここで示した要件に本発明は限定されない。これらの点に関しては、本発明の主旨を損なわない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。 Although the first to fourth embodiments have been described above, the present invention is not limited to the requirements shown here, such as the shape of each member and the combination with other elements. These points can be changed within a range that does not impair the gist of the present invention, and can be appropriately determined according to the application form.
10 同軸線路
11 信号線
12 筒状の接地導体
12b テーパー拡径部
13 接続金具
15 誘電体
16 制御電極
20 地板
24 スリット
30 放射器
40〜43 短絡線(短絡手段)
50〜53 スイッチ
60〜63 浮遊金属片(短絡手段)
70〜73 スイッチ
80 円錐型電極
100〜103 第1金属片
110〜113 第2金属片
130 下部電極
140 上部電極
150 液晶部材(誘電体)
DESCRIPTION OF
50-53 Switch 60-63 Floating metal piece (short circuit means)
70 to 73
Claims (10)
無指向性のアンテナ部と、
上記アンテナ部との接続部が、径を拡大形成されてなる拡径部となっており、中心軸上の信号線と同軸上の筒状の接地導体とからなる同軸線路と、
上記拡径部に電気的に接続されて電界分布を特定方向に指向変化させる電界分布可変手段とを備えていることを特徴とする指向性可変アンテナ。 A directional variable antenna that feeds power using a coaxial line,
An omnidirectional antenna,
The connection part with the antenna part is an enlarged diameter part formed by expanding the diameter, and a coaxial line composed of a signal line on the central axis and a cylindrical ground conductor on the coaxial axis,
A variable directivity antenna, comprising: an electric field distribution variable means electrically connected to the diameter-expanded portion to change the electric field distribution in a specific direction.
The variable directivity antenna according to claim 9, wherein the traveling wave antenna is a discone antenna.
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