JP4153886B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置に関し、例えば、無線ＬＡＮシステムの固定無線機及び端末無線機に適用して好適なものである。

無線ＬＡＮシステムなどの高速無線通信においては、マルチパスフェージングやシャドーイングにより伝送品質が劣化するという問題があり、特に屋内では顕著である。このため、このような伝送品質の劣化を回避するための一つの手段として、これまでにセクタアンテナが検討されている。セクタアンテナとは、異なる方向に主ビームが向けられた複数のアンテナ素子を配置し、電波伝搬環境に応じて複数のアンテナ素子を選択的に切り替えるものである。

また、一般的に、天井に設置される固定無線機や机上で使用されるノートパソコン用の端末無線機に搭載されるアンテナとしては、生産性や持ち運びの観点から平面構造であることが求められる。また、屋内通信環境を考えた場合、これらアンテナの指向性は、主ビームの仰角がアンテナ面に対して垂直方向から水平方向に傾斜（チルト）していることが望ましい。

このような放射特性を実現するセクタアンテナとして、非特許文献１にスロット八木・宇田アレーを用いた平面マルチセクタアンテナが開示されている。図１４は、非特許文献１に記載のマルチセクタアンテナの構成を示す図である。この図に示すマルチセクタアンテナは、基板１１上に６個のスロットアレー１２ａ〜１２ｆを放射状に円形配列したものである。６個のスロットアレー１２ａ〜１２ｆは、それぞれ５素子のスロットから構成されている。このとき、スロットアレーの単体特性としては、垂直面の仰角θが６０度の方向に主ビームが形成され、円錐面パターンの半値角は約５６度となる。このようなスロットアレーを水平面に６０度間隔で配列し、各スロットアレーを選択的に給電することで、水平面の３６０度を６分割した６セクタアンテナを構成している。このセクタアンテナの寸法は、例えば、動作周波数を５ＧＨｚにすれば、直径Ｌ８が２７３ｍｍ（４．５５波長）で、面積が５８５３５平方ｍｍとなる。

また、他のアンテナとして、非特許文献２に開示された導波素子共有パッチ八木・宇田アレーを用いたマルチセクタアンテナが提案されている。図１５は、非特許文献２に記載のマルチセクタアンテナの構成を示す図である。この図に示すマルチセクタアンテナは、円形の誘電体基板２１の表面に形成され、正六角形型導波素子２２の周囲に放射状に長方形パッチの導波素子２３ａ〜２３ｆが配列され、導波素子２３ａ〜２３ｆの外側に給電素子２４ａ〜２４ｆを配置して構成される。このように３列の導波素子列が正六角形型導波素子２２を中心に互いに６０度の角度で交差することにより、６列のパッチ八木・宇田アレーを構成している。ここで、１つの給電素子を給電した場合、正六角形型導波素子を含めた導波素子列が八木・宇田アレーとして動作する。このとき、垂直面の仰角θが４５度の方向に主ビームが形成され、円錐面パターンの半値角は約６３度となる。このように給電素子を選択的に給電することで、水平面の３６０度を６分割した６セクタアンテナを構成している。このセクタアンテナの寸法は、例えば、動作周波数を５ＧＨｚにすれば、直径Ｌ９が１１０ｍｍ（１．８３波長）であり、面積は９５０３平方ｍｍとなる。
川村輝雄他、「スロット八木・宇田アレーを用いた平面マルチセクタアンテナ」、電子情報通信学会論文誌（Ｂ） Vol.J85-B、財団法人電子情報通信学会通信ソサイエティ、2002年9月、第9号、p.1633-1643 本間他、「導波素子共有パッチ八木・宇田アレーによる小型６セクタアンテナ」、電子情報通信学会技術研究報告、財団法人電子情報通信学会、2001年10月、A・P2001-81, RCS2001-120、p.53-58

しかしながら、上記非特許文献１に記載のスロット八木・宇田アレーを用いた平面マルチセクタアンテナは、セクタ毎に各スロットアレーを独立して動作させるため、セクタ数分のスロットアレーを必要とするので、平面寸法が大きくなるという問題がある。また、各スロットアレーを放射状に配置するため、円形形状となり、小型無線機に搭載しにくいという問題がある。

また、上記非特許文献２に記載の導波素子共有パッチ八木・宇田アレーを用いたマルチセクタアンテナは、アンテナ素子として一辺が約１／２波長のパッチを複数用いているため、平面寸法が大きくなるという問題がある。また、正六角形型導波素子を中心に放射状に長方形パッチを配置するため、円形形状となり、小型無線機に搭載しにくいという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、小型無線機に搭載しやすい小型な平面構造で、水平方向にチルトした垂直偏波の主ビームを形成するアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明のアンテナ装置は、使用周波数の略１／２波長の電気長を有する第１スロット素子と、使用周波数の略１／２波長の電気長を有し、前記第１スロット素子と所定の間隔を隔てて略平行に導体板に配置された第２スロット素子と、前記導体板と略１／４波長から略１／２波長以内の間隔を隔てて前記導体板と略平行に配置された反射板と、分岐点を有し、当該分岐点から前記第１スロット素子と前記第２スロット素子までの電気長が異なり、前記第１スロット素子と前記第２スロット素子とに電力を分配して給電する第１給電線路と、分岐点を有し、当該分岐点から前記第１スロット素子と前記第２スロット素子までの電気長が前記第１給電線路における分岐点から前記第１スロット素子と前記第２スロット素子までの電気長と異なり、前記第１スロット素子と前記第２スロット素子とに電力を分配する第２給電線路と、使用周波数の略１／２波長の電気長を有し、前記第１スロット素子と直交するように前記導体板に配置された第３スロット素子と、使用周波数の略１／２波長の電気長を有し、前記第３スロット素子と所定の間隔を隔てて略平行に前記導体板に配置された第４スロット素子と、分岐点を有し、当該分岐点から前記第３スロット素子と前記第４スロット素子までの電気長が異なり、前記第３スロット素子と前記第４スロット素子とに電力を分配して給電する第３給電線路と、分岐点を有し、当該分岐点から前記第３スロット素子と前記第４スロット素子までの電気長が前記第３給電線路における分岐点から前記第３スロット素子と前記第４スロット素子までの電気長と異なり、前記第３スロット素子と前記第４スロット素子とに電力を分配する第４給電線路と、前記第１給電線路から前記第４給電線路のうちいずれか一つを給電点に選択的に接続し、残りを開放する切り替えを行う切替手段と、を具備する構成を採る。

この構成によれば、第１及び第２給電線路がそれぞれ分岐点から第１及び第２スロット素子までの電気長が異なることにより、所定の間隔を隔てて略平行に配置された第１及び第２スロット素子を位相差給電することになり、第１及び第２スロット素子の電流位相がずれ、これにより放射される電波と反射板によって反射される電波の合成により、水平方向にチルトした垂直偏波の主ビームを形成することができ、また、第１及び第２給電線路を選択的に給電することにより、第１及び第２スロット素子を異なる位相差で給電することができるので、小型な平面構造の２方向マルチビームアンテナを実現することができる。また、この構成によれば、第３及び第４給電線路がそれぞれ分岐点から第３及び第４スロット素子までの電気長が異なることにより、所定の間隔を隔てて略平行に配置された第３及び第４スロット素子を位相差給電することになり、第３及び第４スロット素子の電流位相がずれ、これにより放射される電波と反射板によって反射される電波の合成により、水平方向にチルトした垂直偏波の主ビームを形成することができ、また第１から第４給電線路を選択的に給電することにより、対向する２組のスロット素子をそれぞれ位相差給電することになり、４方向に主ビームを形成するマルチセクタアンテナを実現することができる。

本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記第２給電線路が、前記分岐点から前記第１スロット素子と前記第２スロット素子までの電気長が前記第１給電線路における分岐点から前記第１スロット素子と前記第２スロット素子までの電気長と逆の関係にある構成を採る。

この構成によれば、第２給電線路が、分岐点から第１及び第２スロット素子までの電気長が第１給電線路における分岐点から第１及び第２スロット素子までの電気長と逆の関係にあることにより、第１給電線路で給電する位相差と第２給電線路で給電する位相差との正負が異なるのみでこれらの絶対値は等しいので、等しい仰角で水平方向にチルトし、水平面における放射方向が１８０度異なる主ビームを形成することができる。

本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記第１給電線路及び前記第２給電線路が、分岐点から前記第１スロット素子及び前記第２スロット素子までを共有する構成を採る。

この構成によれば、第１及び第２給電線路の分岐点から第１及び第２スロット素子までを共有することにより、給電線路の配置を簡略化し、占有する面積を小さくすることができる。

本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記第１給電線路及び第２給電線路が、給電点から分岐点までが略１／２波長の整数倍の電気長を有する構成を採る。

この構成によれば、第１及び第２給電線路の分岐点から第１及び第２スロット素子までを共有しているので、２つの分岐点があり、一方の給電線路を用いて給電する場合、他方の給電線路における分岐点から給電点側に電流が流れてしまうが、給電点から分岐点までを略１／２波長の整数倍の電気長とすることにより、給電点側で反射された電流の影響を考慮する必要がなくなり、見かけ上電流が流れないようにすることができる。

本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記第１スロット素子と所定の間隔を隔てて略平行に、かつ、前記第２スロット素子と反対側に前記導体板に配置された第１無給電スロット素子と、前記第２スロット素子と所定の間隔を隔てて略平行に、かつ、前記第１スロット素子と反対側に前記導体板に配置された第２無給電スロット素子と、を具備する構成を採る。

この構成によれば、略平行に配置された第１及び第２スロット素子の外側に所定の間隔を隔てて略平行に第１及び第２無給電スロット素子を配置することにより、第１及び第２無給電スロット素子が導波スロット素子として動作し、利得及びＦ／Ｂ比の向上を図ることができると共に、仰角を大きくして水平方向にチルトさせることができる。

本発明のアンテナ装置は、上記のいずれかに記載のアンテナ装置を複数用いて、水平面における放射方向が等角度ずつ異なるように前記複数のアンテナ装置が平面上に配置された構成を採る。

この構成によれば、複数のアンテナ装置を選択的に給電することにより、所望の方向に主ビームを形成する小型な平面構造のセクタアンテナを実現することができる。

本発明のアンテナ装置は、上記のいずれかに記載のアンテナ装置を３組備え、水平面における放射方向が略６０度毎に異なるように前記３組のアンテナ装置が平面上に配置された構成を採る。

この構成によれば、上記いずれのアンテナ装置も水平面における放射方向が１８０度異なるので、３組のアンテナ装置を水平面におけるその放射方向が略６０度毎に異なるように平面上に配置することにより、小型な平面構造の６セクタアンテナを実現することができる。

本発明のアンテナ装置は、上記構成において、前記各スロット素子及び前記各無給電スロット素子を誘電体基板の一方の主面に銅箔パターンで形成し、前記各給電線路を前記誘電体基板の他方の主面に銅箔パターンでマイクロストリップ線路を形成した構成を採る。

この構成によれば、各スロット素子、各無給電スロット素子及び各給電線路を銅箔パターンで形成することにより、アンテナ装置を容易に生産することができるので、生産性を向上させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、約１／２波長の電気長を有する第１及び第２のスロット素子を所定の間隔を隔てて略平行に配置し、スロット素子の配置面に対して所定の間隔で平行に離間させて反射板を配置し、第１及び第２スロット素子を分岐点からの電気長がそれぞれ異なる第１及び第２マイクロストリップ線路で給電し、第１及び第２マイクロストリップ線路の切り替えを高周波スイッチで行うことにより、第１スロット素子と第２スロット素子を位相差給電し、さらにその位相差を切り替えて給電することができるので、水平方向にチルトした垂直偏波の主ビームを形成する小型な平面構造の２方向マルチビームアンテナを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す図である。以下、アンテナの動作周波数を５ＧＨｚとして説明する。なお、この図では、紙面右側を＋Ｘ方向とし、紙面上側を＋Ｙ方向とし、紙面手前側を＋Ｚ方向とする。

図１において、基板１０１は、比誘電率εｒが例えば２．６で、厚さが１．６ｍｍである誘電体であり、寸法Ｌ１×Ｌ２は４６ｍｍ×４４ｍｍ（０．７７波長×０．７３波長）である。

銅箔層１０２は、基板１０１の＋Ｚ側面に接着された銅箔である。スロット素子１０３ａ、１０３ｂは、銅箔層１０２を切削して形成された空隙であり、例えば長さが２０ｍｍ（約０．５波長）で、幅が１ｍｍである。これらのスロット素子１０３ａ、１０３ｂは、素子間隔ｄ１を例えば２０ｍｍとして平行に配置される。反射板１０４は、スロット素子１０３ａ及び１０３ｂが配置された面から距離ｈが例えば２５ｍｍ（０．４２波長）だけ−Ｚ側に離れた位置に配置された導体板である。

マイクロストリップライン１０５、１０６ａ、１０６ｂ、１０７は、基板１０１の−Ｚ側面に銅箔パターンにより形成される。マイクロストリップライン１０５は、スロット素子１０３ａ及び１０３ｂを通過するようにＸ方向に沿って形成されており、マイクロストリップライン１０５の先端とスロット素子１０３ａ及び１０３ｂとの結合部の距離Ｌ３は例えば２ｍｍに、幅Ｗ１は特性インピーダンスがほぼ１００Ωとなるように１ｍｍに設定される。このように構成することで、マイクロストリップライン１０５とスロット素子１０３ａ及び１０３ｂは電磁界的に結合され、スロット素子が励振される。また、距離Ｌ３を適切な長さに設定することで、インピーダンス整合が可能となる。

また、マイクロストリップライン１０６ａ及び１０６ｂは、Ｙ方向に沿って形成され、幅Ｗ２及びＷ３は、特性インピーダンスがほぼ５０Ωとなるように４ｍｍに設定される。マイクロストリップライン１０６ａ及び１０６ｂのそれぞれの一端はマイクロストリップライン１０５と接続され、他端は高周波スイッチ１０８に接続される。このとき、マイクロストリップライン１０６ａは、マイクロストリップライン１０５の中央からスロット素子１０３ａ側へ３ｍｍシフトして接続され、マイクロストリップライン１０６ｂは、マイクロストリップライン１０５の中央からスロット素子１０３ｂ側へ３ｍｍシフトして接続される。このように、マイクロストリップライン１０５とマイクロストリップライン１０６ａ及び１０６ｂは、π字型の分岐回路を構成している。

また、マイクロストリップライン１０７は、Ｙ方向に沿って形成され、幅Ｗ４は特性インピーダンスがほぼ５０Ωとなるように４ｍｍに設定される。マイクロストリップライン１０７の一端は高周波スイッチ１０８、他端は給電部１０９にそれぞれ接続される。高周波スイッチ１０８は、１つの入力端子と２つの出力端子を有するＳＰＤＴ（Single Pole Double Throw）スイッチである。入力端子がマイクロストリップライン１０７、出力端子がマイクロストリップライン１０６ａ及び１０６ｂにそれぞれ接続される。

次に、上述した構成を有するアンテナ装置の動作を図２〜図７を用いて説明する。図２は、高周波スイッチにおける接続状態を示す図であり、高周波スイッチ１０８においてマイクロストリップライン１０６ａと１０７が接続された場合の構成を示す図である。この図において、高周波スイッチ１０８のマイクロストリップライン１０６ｂ側の端子がオープンと仮定すると、マイクロストリップライン１０６ｂの長さＬ４を１／２波長の整数倍とすることで、マイクロストリップライン１０５と１０６ｂとの接続部においてオープンとなり、マイクロストリップライン１０６ｂに流れてくる電流がスイッチ１０８側の端部で反射してもその影響を無視することができるので、図２は等価的に図３と同等な構成と見なすことができる。

図３は、高周波スイッチ１０８においてマイクロストリップライン１０６ａと１０７が接続された場合のイメージを示す図である。この図において、マイクロストリップライン３０１は、マイクロストリップライン１０７と１０６ａを接続したものである。給電部１０９から入力された信号は、マイクロストリップライン１０５と３０１で構成されたＴ分岐回路により等分配され、スロット素子１０３ａと１０３ｂへ供給される。このとき、マイクロストリップライン３０１は、マイクロストリップライン１０５の中央からスロット素子１０３ａ側にシフトして接続されているため、スロット素子１０３ｂの励振位相は、スロット素子１０３ａの励振位相に対して約５０度遅れることになる。

また、反射板１０４の効果を、写像の原理によりモデル化すると、スロット素子１０３ａと１０３ｂのイメージ波源を−Ｚ側に２ｈ（５０ｍｍ（０．８４波長））離れた位置に想定することができる。このとき、イメージ波源の励振位相は、スロット素子１０３ａ及び１０３ｂの励振位相に対して、それぞれ１８０度反転したものとなる。

以上の４つの波源からの放射を合成することにより、＋Ｚ方向から−Ｘ側へ４５度チルトした方向に主ビームが形成されることになる。このとき、主偏波成分は、垂直偏波Ｅθ成分となる。

図４は、図３に示すアンテナ装置の指向性を示す図である。図４において、図４（ａ）は垂直（ＸＺ）面の指向性を、図４（ｂ）は仰角θが４５度における円錐面の指向性をそれぞれ示している。

図４（ａ）において、指向性４０１は、垂直偏波Ｅθ成分の指向性を示しており、仰角θが４５度の方向へチルトした主ビームが得られていることが確認できる。また、図４（ｂ）において、指向性４０２は、指向性４０１と同様に垂直偏波Ｅθ成分の指向性を示しており、主ビームが−Ｘ方向へ向いていることが確認できる。このとき、主ビームの指向性利得は９．５ｄＢｉ、円錐面パターンの半値角は８８度、Ｆ／Ｂ比は８ｄＢである。

次に、高周波スイッチ１０８において、マイクロストリップライン１０６ｂと１０７が接続された場合について説明する。

図５は、高周波スイッチにおける接続状態を示す図であり、高周波スイッチ１０８においてマイクロストリップライン１０６ｂと１０７が接続された場合の構成を示す図である。図２のときと同様に、マイクロストリップライン１０６ａの長さＬ４を１／２波長の整数倍とすることで、マイクロストリップライン１０５と１０６ａとの接続部においてオープンとなることから、図５は等価的に図６と同等な構成と見なすことができる。

図６は、高周波スイッチ１０８においてマイクロストリップライン１０６ｂと１０７が接続された場合のイメージを示す図である。この図において、マイクロストリップライン６０１は、マイクロストリップライン１０７と１０６ｂを接続したものである。給電部１０９から入力された信号は、マイクロストリップライン１０５と６０１で構成されたＴ分岐回路により等分配され、スロット素子１０３ａと１０３ｂへ供給される。このとき、マイクロストリップライン６０１は、マイクロストリップライン１０５の中央からスロット素子１０３ｂ側にシフトして接続されているため、スロット素子１０３ａの励振位相は、スロット素子１０３ｂの励振位相に対して約５０度遅れることになる。ここで、反射板１０４の効果を、写像の原理によりイメージ波源を想定し、４つの波源からの放射を合成することで、＋Ｚ方向から＋Ｘ側へ４５度チルトした方向に主ビームが形成されることになる。このとき、主偏波成分は、垂直偏波Ｅθ成分となる。

図７は、図６に示すアンテナ装置の指向性を示す図である。図７において、図７（ａ）は垂直（ＸＺ）面の指向性を、図７（ｂ）は仰角θが４５度における円錐面の指向性をそれぞれ示している。

図７（ａ）において、指向性７０１は、垂直偏波Ｅθ成分の指向性を示しており、仰角θが４５度の方向へチルトした主ビームが得られていることが確認できる。また、図７（ｂ）において、指向性７０２は、指向性７０１と同様に垂直偏波Ｅθ成分の指向性を示しており、主ビームが＋Ｘ方向へ向いていることが確認できる。このとき、主ビームの指向性利得は９．５ｄＢｉ、円錐面パターンの半値角は８８度、Ｆ／Ｂ比は８ｄＢである。

このように本実施の形態によれば、誘電体基板の表面に２つのスロット素子を所定の間隔で平行に配置し、誘電体基板の裏面にマイクロストリップラインにより構成されたπ字型の分岐回路を設け、スロット素子から所定の距離を隔てて反射板を配置し、π字型の分岐回路を高周波スイッチにより切り替えてスロット素子を位相差給電し、励振しないマイクロストリップラインの分岐部においてオープンとなるように動作させることで、小型無線機に搭載するのに適した小型な平面構造の２方向マルチビームアンテナを実現することができるとともに、垂直面チルト角が４５度で垂直偏波Ｅθ成分を有する主ビームを形成することができる。

なお、本実施の形態では、スロット素子から反射板までの距離ｈを０．４２波長として説明したが、距離ｈを変化させることで垂直面チルト角を変化させることができる。距離ｈを小さくすると垂直面チルト角が小さくなり、距離ｈを大きくすると垂直面チルト角が大きくなる。但し、距離ｈを大きくしすぎると、主ビームと反対方向に生じるバックローブが大きくなる。このため、距離ｈは１／４波長から１／２波長の範囲で選択することが望ましい。

また、本実施の形態では、スロット素子を誘電体基板上の銅箔パターンによって形成しているが、例えば、導体板に空隙を設けてスロット素子を構成しても同様な効果が得られる。

また、本実施の形態では、スロット素子を直線形状としたが、屈曲した形状でも同等の放射特性を得ることができる。屈曲した形状とした場合、アンテナ寸法の縦横比が変化するため、アンテナの実装するスペースに合わせてスロット素子形状を選択することが可能となる。

（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す図である。ただし、図８において、図１と共通する部分には図１と同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。以下、アンテナの動作周波数を５ＧＨｚとして説明する。なお、この図では、紙面右側を＋Ｘ方向とし、紙面上側を＋Ｙ方向とし、紙面手前側を＋Ｚ方向とする。

スロット素子８０１ａ〜８０１ｄは、銅箔層１０２を切削して形成された空隙であり、例えば長さが２０ｍｍで、幅が１ｍｍである。スロット素子８０１ａ〜８０１ｄは、素子間隔ｄ２を例えば２１ｍｍとして正方形状に配置される。このとき、スロット素子８０１ａと８０１ｂ、スロット素子８０１ｃと８０１ｄがそれぞれ対向するように配置される。

マイクロストリップライン８０２ａ〜８０２ｄは、基板１０１の−Ｚ側面に銅箔パターンにより形成される。マイクロストリップライン８０２ａは、スロット素子８０１ａと交差するように形成されたＬ字型の銅箔パターンであり、一端が高周波スイッチ８０６ａに接続されている。マイクロストリップライン８０２ａの開放端とスロット素子８０１ａとの結合部から距離Ｌ５は例えば２ｍｍに、幅Ｗ５は特性インピーダンスがほぼ１００Ωとなるように１ｍｍに設定される。同様にして、マイクロストリップライン８０２ｂ〜８０２ｄもスロット素子８０１ｂ〜８０１ｄとそれぞれ交差するようにＬ字型に形成された銅箔パターンであり、結合部から距離Ｌ５の位置で開放される。マイクロストリップライン８０２ｄは、マイクロストリップライン８０２ａと同様に一端が高周波スイッチ８０６ａに接続され、マイクロストリップライン８０２ｂ及び８０２ｃは、一端が高周波スイッチ８０６ｂに接続されている。このように構成することで、マイクロストリップライン８０２ａ〜８０２ｄとスロット素子８０１ａ〜８０１ｄはそれぞれ電磁界的に結合され、スロット素子が励振される。なお、マイクロストリップライン８０２ａ〜８０２ｄは全て同じ長さに設定される。

マイクロストリップライン８０３は、両端が高周波スイッチ８０６ａ及び８０６ｂにそれぞれ接続されるように形成され、幅Ｗ５は特性インピーダンスがほぼ１００Ωとなるように１ｍｍに設定される。マイクロストリップライン８０４ａ及び８０４ｂは、一端がマイクロストリップライン８０３の中央からそれぞれ反対の方向へ３ｍｍシフトしてマイクロストリップライン８０３と接続され、他端は高周波スイッチ８０６ｃに接続される。このとき、マイクロストリップライン８０４ａ及び８０４ｂの幅Ｗ６は、特性インピーダンスがほぼ５０Ωとなるように４ｍｍに設定される。このように、マイクロストリップライン８０３とマイクロストリップライン８０４ａ及び８０４ｂは、π字型の分岐回路を構成している。また、マイクロストリップライン８０５は、一端が高周波スイッチ８０６ｃ、他端は給電部８０７にそれぞれ接続されている。

高周波スイッチ８０６ａ〜８０６ｃは、１つの入力端子と２つの出力端子を有したＳＰＤＴスイッチである。高周波スイッチ８０６ａの入力端子はマイクロストリップライン８０３、出力端子はマイクロストリップライン８０２ａ及び８０２ｄにそれぞれ接続されている。また、高周波スイッチ８０６ｂの入力端子はマイクロストリップライン８０３、出力端子はマイクロストリップライン８０２ｂ及び８０２ｃに、高周波スイッチ８０６ｃの入力端子はマイクロストリップライン８０５、出力端子はマイクロストリップライン８０４ａ及び８０４ｂにそれぞれ接続されている。

次に、上述した構成を有するアンテナ装置の動作について説明する。まず、スロット素子８０１ａ及び８０１ｂを励振し、±Ｘ方向に主ビームを切り替える動作について説明する。

この場合、高周波スイッチ８０６ａはマイクロストリップライン８０２ａと８０３が接続されるように、また高周波スイッチ８０６ｂはマイクロストリップライン８０２ｂと８０３が接続されるように動作する。ここで、高周波スイッチ８０６ｃがマイクロストリップライン８０３と８０４ａが接続されるように動作する場合、給電部８０７から入力された信号は、マイクロストリップライン８０５、高周波スイッチ８０６ｃを介して、マイクロストリップライン８０３と８０４ａで構成されたＴ分岐回路により、スロット素子８０１ａと８０１ｂへ供給される。このとき、高周波スイッチ８０６ｃのマイクロストリップライン８０４ｂ側の端子でオープンと仮定すると、マイクロストリップライン８０３と８０４ｂとの接続部でオープンとなるようにマイクロストリップライン８０４ｂの長さが１／２波長の整数倍に設定されている。マイクロストリップライン８０４ａはマイクロストリップライン８０３の中央からスロット素子８０１ｂ側にシフトして接続されているため、スロット素子８０１ａの励振位相は、スロット素子８０１ｂの励振位相に対して約５０度遅れることになる。このため、実施の形態１で説明したようにイメージ波源を含めた４つの波源の合成を考えると、＋Ｚ方向から＋Ｘ側へ４５度チルトした方向に主ビームが形成されることになる。このとき、主偏波成分は、垂直偏波Ｅθ成分となる。

また、高周波スイッチ８０６ｃがマイクロストリップライン８０３と８０４ｂが接続されるように動作する場合、スロット素子８０１ｂに励振される励振位相は、スロット素子８０１ａに励振される励振位相に対して約５０度遅れることになる。このため、＋Ｚ方向から−Ｘ側へ４５度チルトした方向に主ビームが形成されることになる。このとき、高周波スイッチ８０６ｃのマイクロストリップライン８０４ａ側の端子でオープンと仮定すると、マイクロストリップライン８０３と８０４ａとの接続部でオープンとなるようにマイクロストリップライン８０４ａの長さが１／２波長の整数倍に設定されている。

上記の場合と同様にして、スロット素子８０１ｃ及び８０１ｄを励振し、±Ｙ方向に主ビームを切り替える動作について説明する。この場合、高周波スイッチ８０６ａはマイクロストリップライン８０２ｄと８０３が接続されるように、また高周波スイッチ８０６ｂはマイクロストリップライン８０２ｃと８０３が接続されるように動作する。高周波スイッチ８０６ｃがマイクロストリップライン８０３と８０４ａが接続されるように動作する場合、スロット素子８０１ｄに励振される励振位相は、スロット素子８０１ｃに励振される励振位相に対して約５０度遅れることになる。このため、＋Ｚ方向から−Ｙ側へ４５度チルトした方向に主ビームが形成されることになる。

また、高周波スイッチ８０６ｃがマイクロストリップライン８０３と８０４ｂが接続されるように動作する場合、スロット素子８０１ｃに励振される励振位相は、スロット素子８０１ｄに励振される励振位相に対して約５０度遅れることになる。このため、＋Ｚ方向から＋Ｙ側へ４５度チルトした方向に主ビームが形成されることになる。

図９は、本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の指向性を示す図であり、仰角θが４５度における円錐面の指向性を示している。実線で示す指向性９０１ａは、スロット素子８０１ａの励振位相がスロット素子８０１ｂの励振位相に対して約５０度遅れているときの垂直偏波Ｅθ成分の指向性を示しており、主ビームが＋Ｘ方向へ向いていることが確認できる。

同様に、点線で示す指向性９０１ｂはスロット素子８０１ｂの励振位相がスロット素子８０１ａの励振位相に対して約５０度遅れているときの垂直偏波Ｅθ成分の指向性を、一点鎖線で示す指向性９０１ｃはスロット素子８０１ｃの励振位相がスロット素子８０１ｄの励振位相に対して約５０度遅れているときの垂直偏波Ｅθ成分の指向性を、二点鎖線で示す指向性９０１ｄはスロット素子８０１ｄの励振位相がスロット素子８０１ｃの励振位相に対して約５０度遅れているときの垂直偏波Ｅθ成分の指向性をそれぞれ示しており、主ビームは所望の方向に向いていることが確認できる。このとき、指向性９０１ａ〜９０１ｄはいずれも主ビームの指向性利得が９．５ｄＢｉ、円錐面パターンの半値角が８８度、Ｆ／Ｂ比が８ｄＢである。このように、円錐面パターンの半値角が約９０度となり、水平面の全方位をカバーできる４セクタアンテナを実現することができる。

このように本実施の形態によれば、誘電体基板の表面に４つのスロット素子を正方形状に配置し、誘電体基板の裏面に設けられたマイクロストリップラインにより対向する２組のスロット素子にそれぞれ位相差をもたせて励振させることにより、小型で平面構造の４方向のマルチセクタアンテナを実現することができる。

なお、本実施の形態では、３つの高周波スイッチを使用した給電回路の構成としているが、給電回路の構成はこれに限るものではない。

（実施の形態３）
図１０は、本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示す図である。ただし、図１０において、図１と共通する部分には図１と同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。以下、アンテナの動作周波数を５ＧＨｚとして説明する。なお、この図では、紙面右側を＋Ｘ方向とし、紙面上側を＋Ｙ方向とし、紙面手前側を＋Ｚ方向とする。

寄生素子（無給電スロット素子）１００１ａ及び１００１ｂは、銅箔層１０２を切削して形成された空隙であり、例えば長さが２０ｍｍで、幅１ｍｍである。寄生素子１００１ａは、スロット素子１０３ａからスロット素子１０３ｂの反対方向側（−Ｘ方向側）に間隔ｄ３が４ｍｍ隔てた位置にスロット素子１０３ａと平行に配置されている。また、寄生素子１００１ｂは、スロット素子１０３ｂからスロット素子１０３ａの反対方向側（＋Ｘ方向側）に間隔ｄ３を４ｍｍとして隔てた位置にスロット素子１０３ｂと平行に配置されている。上記構成を有するアンテナ装置の動作は、実施の形態１で説明した動作と同様であるので、ここでの説明を省略する。

図１１は、本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の指向性を示す図である。図１１において、図１１（ａ）は垂直（ＸＺ）面の指向性を、図１１（ｂ）は仰角θが５０度における円錐面の指向性をそれぞれ示している。

図１１（ａ）において、指向性１１０１ａは、マイクロストリップライン１０６ｂを介してスロット素子１０３ａ及び１０３ｂを位相差励振させたときの指向性を示しており、仰角θが５０度の方向へチルトした垂直偏波Ｅθ成分の主ビームが得られていることが確認できる。また、指向性１１０１ｂは、マイクロストリップライン１０６ａを介してスロット素子１０３ａ及び１０３ｂを位相差励振させたときの指向性を示している。

また、図１１（ｂ）において、指向性１１０２ａは、指向性１１０１ａと同様にマイクロストリップライン１０６ｂを介してスロット素子１０３ａ及び１０３ｂを位相差励振させたときの指向性を示しており、主ビームが−Ｘ方向へ向いていることが確認できる。指向性１１０２ｂは、指向性１１０１ｂと同様にマイクロストリップライン１０６ａを介してスロット素子１０３ａ及び１０３ｂを位相差励振させたときの指向性を示しており、主ビームが＋Ｘ方向へ向いていることが確認できる。このとき、これらの主ビームの指向性利得は１０．９ｄＢｉ、円錐面パターンの半値角は５８度、Ｆ／Ｂ比は１２ｄＢである。このように、高周波スイッチ１０８により主ビームを２方向に切り替えることができる。また、寄生素子を設けることで、寄生素子を導波素子として動作させ、指向性利得が１ｄＢ程度、Ｆ／Ｂ比が４ｄＢ程度向上するとともに、垂直面チルト角が５度程度大きくなる。さらに、円錐面パターンの半値角が６０度程度となるため、６セクタアンテナに適した構成となる。

このように本実施の形態によれば、誘電体基板の表面に２つのスロット素子を所定の間隔で平行に配置し、寄生素子をスロット素子の外側に所定の間隔を隔ててそれぞれ配置し、誘電体基板の裏面に設けられたマイクロストリップラインにより構成されたＴ分岐回路を設け、スロット素子を位相差給電することで、寄生素子が無い場合に比べて、利得及びＦ／Ｂ比を向上させることができ、また、垂直面チルト角を大きくすることができる。

なお、本実施の形態では、寄生素子１００１ａ及び１００１ｂとスロット素子１０３ａ及び１０３ｂとの間隔ｄ３と寄生素子１００１ａ及び１００１ｂの長さは一例であり、これらのパラメータを変化させると指向性と利得が変化することになり、用途に応じたパラメータを適切に選ぶことができる。

また、本実施の形態では、寄生素子の数を２としたが、この数を３以上として±Ｘ方向へ列状に配列すればさらに高い利得が得られる。

（実施の形態４）
図１２は、本発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の構成を示す図である。図１２に示すスロットアンテナ素子は、図１０に示すアンテナ装置を直線上に３個配列して６セクタアンテナとして構成したものである。なお、この図では、紙面右側を＋Ｘ方向とし、紙面上側を＋Ｙ方向とし、紙面手前側を＋Ｚ方向とする。

図１２において、スロットアンテナ素子１２０１ａ〜１２０１ｃは、図１０に示すアンテナ装置と同一の構成である。また、スロットアンテナ素子１２０１ａ〜１２０１ｃは、主ビーム方向１２０２ａ〜１２０２ｆが水平（ＸＹ）面において３６０度を６分割するように６０度ずつ異なるように回転させて直線上に配列されている。

スロットアンテナ素子１２０１ａは、マイクロストリップライン１２０３ａから給電され、高周波スイッチ１２０４ａにより、主ビーム方向１２０２ａ又は１２０２ｂに切り替えられる。同様に、スロットアンテナ素子１２０１ｂは、マイクロストリップライン１２０３ｂから給電され、高周波スイッチ１２０４ｂにより、主ビーム方向１２０２ｃ又は１２０２ｄに切り替えられる。さらに、スロットアンテナ素子１２０１ｃは、マイクロストリップライン１２０３ｃから給電され、高周波スイッチ１２０４ｃにより、主ビーム方向１２０２ｅ又は１２０２ｆに切り替えられる。これらの各スロットアンテナ素子の動作は、実施の形態３で説明した動作と同様であるので、ここでの説明を省略する。

高周波スイッチ１２０５は、１つの入力端子と３つの出力端子から構成されるＳＰ３Ｔ（Single Pole 3 Throw）スイッチである。高周波スイッチ１２０５の入力端子は、マイクロストリップライン１２０７を介して給電部１２０６に接続され、３つの出力端子は、マイクロストリップライン１２０３ａ〜１２０３ｃを介して、高周波スイッチ１２０４ａ〜１２０４ｃの入力端子にそれぞれ接続される。

このように、スロットアンテナ素子１２０１ａ〜１２０１ｃをスイッチ１２０４ａ〜１２０４ｃ及び１２０５を用いて選択的に給電することにより、水平（ＸＹ）面の３６０度を６分割した６セクタアンテナを実現することができる。

以上のように構成された６セクタアンテナの外形寸法は、アンテナの動作周波数を５ＧＨｚとした場合、Ｌ６が４４ｍｍ（０．７３波長）、Ｌ７が８０ｍｍ（１．５７波長）であり、面積は３５２０平方ｍｍとなる。この面積は、図１５に示す従来の６セクタアンテナの面積の約４０％の大きさとなり、大幅に小型化されている。

また、アンテナの動作周波数が２５ＧＨｚの場合、６セクタアンテナの外形寸法は、８．８ｍｍ×１６ｍｍの長方形形状となり、例えばノートパソコン用の小型無線機に搭載されるアンテナとして適した形状及び大きさとなる。

次に、上述した構成を有するセクタアンテナの指向性について説明する。図１３は、本発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の指向性を示す図である。図１３（ａ）〜（ｃ）は、スロットアンテナ素子１２０１ａ〜１２０１ｃの主ビーム方向である仰角θが５０度の円錐面における垂直偏波（Ｅθ）成分の指向性１３０１ａ〜１３０１ｆをそれぞれ示している。

図１３から分かるように、水平（ＸＹ）面において６０度ずつ異なる方向に主ビームが向けられていることが確認できる。このとき、いずれも主ビームの指向性利得は１０．９ｄＢｉ、円錐面の半値角は５８度である。このため、利得が最も低くなる隣接する指向性の中間点でも最大利得より約−３ｄＢの利得が得られることになる。

このように本実施の形態によれば、実施の形態３で示したスロットアンテナ素子を３個直線上に６０度ずつ回転させて配列し、複数のスイッチにより各スロットアンテナ素子を選択的に給電することにより、小型な６セクタアンテナを実現することができる。

なお、本実施の形態では、実施の形態３で説明したアンテナ装置を用いてセクタアンテナを構成したが、実施の形態１又は２で説明したアンテナ装置を用いてセクタアンテナを構成してもよい。また、本実施の形態では、４つのスイッチを用いてスロットアンテナ素子を選択的に給電すると説明したが、スイッチの構成はこれに限るものではない。

また、上述した各実施の形態では、動作周波数を５ＧＨｚとして説明したが、本発明はこれに限らず、動作周波数を任意に設定し、動作周波数に応じた設計値としてもよい。

本願発明にかかるアンテナ装置は、小型無線機に搭載しやすい小型な平面構造で、水平方向にチルトした垂直偏波の主ビームを形成するという効果を有し、固定無線機や端末無線機等の小型無線機に適用できる。

本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す図 高周波スイッチにおける接続状態を示す図 高周波スイッチの接続状態におけるイメージ図 図３に示すアンテナ装置の指向性を示す図 高周波スイッチにおける接続状態を示す図 高周波スイッチの接続状態におけるイメージ図 図６に示すアンテナ装置の指向性を示す図 本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す図 本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の指向性を示す図 本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示す図 本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の指向性を示す図 本発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の構成を示す図 本発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の指向性を示す図 非特許文献１に記載のマルチセクタアンテナの構成を示す図 非特許文献２に記載のマルチセクタアンテナの構成を示す図

符号の説明

１０１ 基板
１０２ 銅箔層
１０３ａ、１０３ｂ、８０１ａ〜８０１ｄ スロット素子
１０４ 反射板
１０５、１０６ａ、１０６ｂ、１０７、８０２ａ〜８０２ｄ、８０３、８０４ａ、８０４ｂ、８０５、１２０３ａ〜１２０３ｃ、１２０７ マイクロストリップライン
１０８、８０６ａ〜８０６ｃ、１２０４ａ〜１２０４ｃ、１２０５ 高周波スイッチ
１０９、８０７、１２０６ 給電部
１００１ａ、１００１ｂ 寄生素子
１２０１ａ〜１２０１ｃ スロットアンテナ素子

Claims (8)

1. 使用周波数の略１／２波長の電気長を有する第１スロット素子と、
   使用周波数の略１／２波長の電気長を有し、前記第１スロット素子と所定の間隔を隔てて略平行に導体板に配置された第２スロット素子と、
   前記導体板と略１／４波長から略１／２波長以内の間隔を隔てて前記導体板と略平行に配置された反射板と、
   分岐点を有し、当該分岐点から前記第１スロット素子と前記第２スロット素子までの電気長が異なり、前記第１スロット素子と前記第２スロット素子とに電力を分配して給電する第１給電線路と、
   分岐点を有し、当該分岐点から前記第１スロット素子と前記第２スロット素子までの電気長が前記第１給電線路における分岐点から前記第１スロット素子と前記第２スロット素子までの電気長と異なり、前記第１スロット素子と前記第２スロット素子とに電力を分配する第２給電線路と、
   使用周波数の略１／２波長の電気長を有し、前記第１スロット素子と直交するように前記導体板に配置された第３スロット素子と、
   使用周波数の略１／２波長の電気長を有し、前記第３スロット素子と所定の間隔を隔てて略平行に前記導体板に配置された第４スロット素子と、
   分岐点を有し、当該分岐点から前記第３スロット素子と前記第４スロット素子までの電気長が異なり、前記第３スロット素子と前記第４スロット素子とに電力を分配して給電する第３給電線路と、
   分岐点を有し、当該分岐点から前記第３スロット素子と前記第４スロット素子までの電気長が前記第３給電線路における分岐点から前記第３スロット素子と前記第４スロット素子までの電気長と異なり、前記第３スロット素子と前記第４スロット素子とに電力を分配する第４給電線路と、
   前記第１給電線路から前記第４給電線路のうちいずれか一つを給電点に選択的に接続し、残りを開放する切り替えを行う切替手段と、
   を具備することを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記第２給電線路は、前記分岐点から前記第１スロット素子と前記第２スロット素子までの電気長が前記第１給電線路における分岐点から前記第１スロット素子と前記第２スロット素子までの電気長と逆の関係にあることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第１給電線路及び前記第２給電線路は、分岐点から前記第１スロット素子及び前記第２スロット素子までを共有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第１給電線路及び第２給電線路は、給電点から分岐点までが略１／２波長の整数倍の電気長を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のアンテナ装置。
5. 前記第１スロット素子と所定の間隔を隔てて略平行に、かつ、前記第２スロット素子と反対側に前記導体板に配置された第１無給電スロット素子と、
   前記第２スロット素子と所定の間隔を隔てて略平行に、かつ、前記第１スロット素子と反対側に前記導体板に配置された第２無給電スロット素子と、
   具備することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のアンテナ装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載のアンテナ装置を複数用いて、水平面における放射方向が等角度ずつ異なるように前記複数のアンテナ装置が平面上に配置されたことを特徴とするアンテナ装置。
7. 請求項１から請求項４のいずれかに記載のアンテナ装置を３組備え、水平面における放射方向が略６０度毎に異なるように前記３組のアンテナ装置が平面上に配置されたことを特徴とするアンテナ装置。
8. 前記各スロット素子及び前記各無給電スロット素子を誘電体基板の一方の主面に銅箔パターンで形成し、前記各給電線路を前記誘電体基板の他方の主面に銅箔パターンでマイクロストリップ線路を形成したことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載のアンテナ装置。

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