JP4205758B2 - 指向性可変アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波、ミリ波などの高周波電磁波を利用した装置に用いられる指向性可変アンテナに関する。

携帯電話に搭載されるホイップアンテナなどの線状アンテナは、通常、通話時に端末を立てて保持する場合にアンテナが大地に対して垂直になるように設計される。このとき、線状の給電導体に対して垂直な平面（水平面）内で等方的な指向性を有している。この様子を図１４に示す。大地に対して直立した端末１０２１のアンテナ放射指向性１０３１が大地（水平面）に対して平行方向となることで広範囲に放射利得を得られるため、基地局１００１とのアクセスのために好都合である。

しかし、携帯電話を情報端末として利用する場合には端末を寝かせて利用することが多い。このように大地に対して寝かせた端末１０２２の線状アンテナの給電導体の方向は水平に近くなり、放射利得の得られる方向が傾くために基地局１００１へ向かう方向の放射利得が得られず、通信感度が低下する恐れがある。

この問題を解決するためには、アンテナの放射利得をアンテナの長手方向を含む平面（垂直面）内で変化させた放射指向性（１０３３で示す）が必要になる。

また、主に屋内で使用される無線ＬＡＮの場合は、人の往来で電波が妨害されたり、マルチパスによるフェージングにより通信が確立しづらい場所が生じたりする。この傾向は、通信に利用される周波数が上がると、電磁波の回折が弱くなるために、特に顕著に現れる。そのため、より高い周波数を利用する通信方式が一般化されていく際に大きな問題となる。

これらの課題を解決する一つの方法として、直接到来波を受信して通信が確立できる方向のアンテナの放射利得を向上し、妨害波が到来する方向の利得を低下させることで干渉を抑圧し通信の感度を向上させる方法がある。そのために、電波伝搬の状況に応じて放射指向性を変更できるアンテナが必要である。

一方で、モノポールアンテナやダイポールアンテナなどの線状導体を利用するアンテナは回転対称軸（長手方向）に対して軸対称な放射指向性を有する。このようなアンテナに、無給電導体素子を併用して水平面内の指向性を変化させるアンテナについて多くの提案がされており、例えば特許文献１などがある。

このようなアンテナは給電素子の外側に設けた無給電素子と給電素子の結合度を最適化して利用するために半波長から４分の１波長程度の距離を離す必要があり、アンテナ全体の占有体積が大型化しやすいという課題がある。

これを改善する技術の一例として特許文献２がある。この技術を図１６に示す。この発明は、線状の給電導体素子１６３以外に、給電導体素子１６３を中心とする円周上に少なくとも２本以上の線状導体を配置し、該線状導体は少なくても２個の長さの異なる線状導体１６４および１６６をスイッチング素子１６５によって接続した構造であり、スイッチング素子１６５を駆動するための制御部への接続手段（１６９および１６０）を有し、制御部が任意の前記スイッチング素子を駆動して当該スイッチング素子を開閉する手段を設けたアンテナ装置である。

特許文献２によれば、無給電の線状導体素子のスイッチングにより所定の長さを設定して導波器として機能させた場合、導波器を設けた方向に放射指向性を向けることができ、水平面内の放射特性を制御することができる。

また、使用しない無給電線状導体は、スイッチにより所定の電磁波に対して影響を与えない長さとすることができるため、無給電線状導体を給電導体素子に近接して配置することができ、給電導体素子の周りでアンテナが占有する空間を小型化できるというメリットがある。

このようなアンテナを携帯電話などの携帯用無線通信端末に搭載することを想定すると、保持する体勢が変わったり、通信状態が変わったりした場合でも、放射指向性を制御することにより、アンテナの利得を改善し、通信感度を向上する効果が期待できる。

しかし、特許文献２に記載されている技術によれば、水平面内の放射指向性制御しか実現できず、垂直面内の放射指向性制御ができないという課題がある。垂直面内の放射指向性を変化させるためには、給電素子をその長手方向に複数配列してアレー（コリニアアレー）を形成、素子間の位相を制御することで実現可能である。この技術の一例が特許文献３に開示されている。以下、図１８を参照しながら、特許文献３に示された技術を説明する。

図１８に示すアンテナは、誘電体１８１を挟み、同心円状に配設された一対の円筒導体１８９、１８０と、前記一対の円筒導体１８９、１８０のうちの外側の円筒導体１８９に０．７波長未満の間隔で周期的に設けられた複数の環状スロット１８２と、該複数の環状スロット１８２の周りにそれぞれ各スロットを挟んで対称に配設され、円筒形スカートにより形成される複数の半波長ダイポールアンテナ素子１８３と、前記一対の円筒導体のうちの内側の円筒導体１８０の内部を貫通するように設けられ、前記一対の円筒導体の内側および外側の円筒導体１８９、１８０とそれぞれ導通する外導体および内導体を有する同軸給電線１８４とを有する。

周期的に配列された環状スロット１８２により、隣接するアンテナ素子１８３間に一定の位相差が生じるように給電されるため、垂直面のビームチルトが実現される。

しかし、特許文献３に開示された技術では、水平面内の放射指向性の制御ができないことに加え、アンテナ素子を多段に縦列に配列するため、配列した段の数に応じてアンテナ装置が長大化し、小型化が要求される携帯用無線通信端末に搭載するには不向きである。

この課題を解決する別の技術として特許文献４がある。この発明を図１７に示す。この発明は、線状放射素子（給電素子）１７０と、給電素子と平行で、かつ一定の距離を保つように配置され、１つで所望の送信周波数の半波長の長さを有するか、２つ以上の素子がスイッチ１７２を介して接続されて長さを有する少なくとも１つの線状無給電素子１７３と、前記線状放射素子１７０の一端に近接して配置された、互いに平行な２つの腕部を備えるＵ字型無給電素子１７１とを有し、前記Ｕ字型無給電素子１７１は、前記２つの腕部を含む平面に垂直な方向から見た場合に、前記線状放射素子１７０の一端が前記２つの腕部の間に該腕部の端部側から挿入された配置になっていることを特徴とする線状アンテナである。

特許文献４によれば、線状無給電素子１７３を多数に分割してスイッチ１７２で接続することにより、垂直面及び水平面の両方で、給電素子と相互作用させる無給電素子の位置を可変することができる。

そのため、垂直面内での放射指向性の変化が実現できる。なお、Ｕ字型無給電素子１７１は、整合を取るために設けられたものであり、本発明の課題である放射指向性の制御とは本質的に無関係である。
特開２００１−０２４４３１号公報 特開２００１−１２７５４０号公報 特開平０５−１６０６３０号公報 特許第３４９１６８２号公報

特許文献４に記述されているように、反射器として用いる無給電素子は、略半波長の長さが必要であり、導波器として用いる無給電素子においても、給電素子と近接して用いるためには、実質的に半波長程度の長さが必要である。

放射指向性を垂直面内において変化させるためには、導波器または反射器として機能させる無給電素子の中心位置を給電素子の中心位置から長手（長軸）方向に（すなわち水平面に対して垂直な方向へ）ずらす必要がある。このような設計例を図１５に示す。

給電素子対１０の長さＤ２に対し、直線型無給電素子２０の長さＬ２はほぼ同等の長さである。垂直面内で仰角方向に放射指向性を変化させるためには、給電素子対１０の長手方向に直線型無給電素子の中心をずらす必要がある。図１５ではこの長さをＬ１としている。

しかし、互いの中心位置をずらした長さだけアンテナ全体が長くなる。そのために、アンテナの占有体積が増大し、小型化が要求される携帯用無線通信端末には望ましくないという課題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、ダイポールアンテナなどの線状アンテナの放射指向性を、給電素子を含む平面（垂直面）および給電素子に垂直な平面（水平面）内で制御することができ、かつ無給電素子のためにアンテナ全体の長手（長軸）方向の長さが長くならないアンテナ装置を提供することにある。

本発明の指向性可変アンテナは、Ｚ軸に平行な線状導体からなる給電素子（１１、１２）と、無給電素子（２）とを有し、前記無給電素子（２）は、前記Ｚ軸に平行なｎ本の線状（ｎは３以上の自然数）の無給電素子本体（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）を有し、前記無給電素子本体（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）は、前記給電素子（１１、１２）の周囲を取り囲むように配置され、前記無給電素子本体（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）は、それぞれ、前記Ｚ軸に平行に配列された複数の素子片（２１１ａ〜２１１ｈ、２１２ａ〜２１２ｈ、２１３ａ〜２１３ｈ、２１４ａ〜２１４ｈ）と、前記素子片（２１１ａ〜２１１ｈ、２１２ａ〜２１２ｈ、２１３ａ〜２１３ｈ、２１４ａ〜２１４ｈ）の間を導通され得る少なくとも１個の第１スイッチ素子（５１、５２、５３、５４）とを有する、指向性可変アンテナ（１）であって、前記無給電素子（２）は、さらに、前記ｎ本の無給電素子本体（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）のうちの隣接する２つをオン時には電気的に接続し、オフ時には電気的に絶縁する少なくとも１個の第２スイッチ素子（５５、５６、５７、５８）を有し、前記少なくとも１個の第１スイッチ素子（５１、５２、５３、５４）および前記少なくとも１個の第２スイッチ素子（５５、５６、５７、５８）のオン、オフを切り替えることにより指向性が変化する。

好ましい実施形態において、前記無給電素子本体（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）と前記給電素子（１１，１２）との距離が、放射する電磁波の波長の１／４以下である。

好ましい実施形態において、前記無給電素子本体（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）は、それぞれ給電素子（１０）よりも長さが短い。

好ましい実施形態において、前記無給電素子（２）は、さらに、前記第１スイッチ素子（５１、５２、５３、５４）および／または第２スイッチ素子（５５、５６、５７、５８）が実装された平面基板（３１、４１）を具備し、前記平面基板（３１，４１）の位置が前記給電素子（１１、２１）によって保持されている。

本発明の指向性可変アンテナによれば、アンテナの長手（長軸）方向サイズを無給電素子のために長大化させることなく、放射指向性を給電素子の長手方向を含む平面（「垂直面」）内および給電素子に垂直な平面（「水平面」）内において所望の方向に変化させることが可能になる。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。

なお、以下の説明においては、「結合」、「接続」、「導通」の用語を異なる意義を有するものとして使い分けている。２つの要素間の「結合」は、それらの要素間における電磁結合を意味し、要素間でエネルギのやりとりは生じるが、外見上は連続していない。２つの要素間の「接続」は、特に他の修飾語と組み合わせられない限り、２つの要素が外見上連続していることを意味する。ただし、「電気的接続」は、以下の「導通」と同じ意味で使用し得る。２つの要素間の「導通」は、２つの要素間を直流電流が流れ得る状態にあることを示し、「短絡（ショート）」または「電気的接続」と同意義である。

（実施形態）
まず、図１と図２を参照しながら、本発明による実施形態を説明する。

最初に、本明細書において使用するＸＹＺ座標系と仰角θと方位角φの関係を図１３に示す。３次元空間に任意の点Ｐがあるとき、原点Ｏに対し点Ｐの方向は、次のように仰角θと方位角φで表せる。

Ｚ軸上で正の方向にある任意の点Ａから定義する角Ｐ−Ｏ−Ａが仰角θであり、点ＰをＸＹ平面に正射影した点をＰ１とするとき、原点Ｏに対しＸ軸上で正の方向にある任意の点Ｂを介して、Ｚ軸の正の方向から見て原点を中心として点Ｂから反時計回りに定義する角Ｐ１−Ｏ−Ｂが方位角φである。

本明細書において、アンテナの長手（長軸）方向をＺ軸とするので、仰角θとはアンテナの長手（長軸）方向を含む面内（これを垂直面と呼ぶ）でのＺ軸の正の方向から測った角度を表し、方位角φはアンテナの長手（長軸）方向に垂直な面内（これを水平面と呼ぶ）でのＸ軸の正の方向から測った角度に相当する。

本明細書においては、参照符号の末尾に小文字のアルファベット（ａ、ｂ、ｃ、ｄ・・・）を付することがある（たとえば、「素子片２１１ａ」など）。これは複数個の同じ部材が用いられている場合、各部材を厳密に区別する場合に用いている。参照符号のみであり、小文字のアルファベットが付されていない場合（たとえば、「素子片２１１」など）には、当該参照符号は、複数個の同じ部材を全て包含している。

図１は、基板の多層化を利用して形成する本発明の指向性可変アンテナ１（以下、単に「アンテナ１」ということがある）の斜視図である。

本実施形態の指向性可変アンテナ１は、給電素子対１０と無給電素子部２とを備えている。

給電素子対１０は、アンテナの中心を貫通する線状もしくは棒状の導体である一対の給電素子１１、１２から構成された１本のダイポールアンテナとして機能する。本実施形態では、給電素子１１および給電素子１２の両方がＺ軸上に配置されている。

無給電素子２は、給電素子対１０に平行な棒状導体からなる無給電素子本体２１と、その主面の法線方向が給電素子対１０に対して平行となるように配置された複数の第１平面基板３１および第２平面基板４１とを備えている。

無給電素子本体２１は、Ｚ軸に平行に配置され、相互に絶縁された４本の棒状導体２１ａ〜２１ｄから構成されている。これら４本の棒状導体２１ａ〜２１ｄは、全体として給電素子対１０を取り囲むように配置されている。それぞれの棒状導体２１は、第１平面基板３１および第２平面基板４１により、各々が短い長さを有する複数の棒状導体（これを「素子片」と呼ぶ）に分割されている。すなわち、無給電素子本体２１ａは、素子片２１１ａ、２１１ｂ、・・・、２１１ｈから構成され、無給電素子本体２１ｂは、素子片２１２ａ、２１２ｂ、・・・、２１２ｈから構成されている。他の無給電素子本体２１ｃ、２１ｄも、無給電素子本体２１ａ、２１ｂと同様に、複数の素子片から構成されている。

本実施形態の無給電素子２には、５枚の第１平面基板３１ａ〜３１ｅが用いられており、それぞれの主面法線はＺ軸の方向を向くように配置されている。同様に、本実施形態の無給電素子２には、４枚の第２平面基板４１ａ〜４１ｄが用いられており、それぞれの主面法線はＺ軸の方向を向くように配置されている。第１平面基板３１上には、それぞれ、導体パターン３２１〜３５２などが形成され、スイッチ５１〜５４が実装されている。第２平面基板４１上には、それぞれ、導体パターン４２〜４５などが形成され、スイッチ５５〜５８が実装されている。

給電素子１１、１２は、これらの第１平面基板３１および第２平面基板４１の中央を順次貫いている。複数の第１平面基板３１および第２平面基板４１は、相互に直接には接触せず、互いに距離を空け、給電素子対１０に沿って配列されている。

なお、図１では、第１平面基板３１と第２平面基板４１が、給電素子対１０に沿って交互に配列した例を示している。しかし、必ずしも交互に配列される必要はなく、例えば複数の第１平面基板３１が間に第２平面基板４１を挟むことなく連続していても良い。また、図１では、第１平面基板３１および第２平面基板４１の間隔がすべて等しいように記載されているが、平面基板３１，４１の間隔は一定である必要はない。第１平面基板３１および第２平面基板４１のそれぞれの枚数も、図１に示す枚数（それぞれ５枚および４枚）に限定されない。

図２（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、第２平面基板４１および第１平面基板３１の平面レイアウトを示している。第１平面基板３１には、それぞれ、互いに同一の導体パターンが設けられており、第２平面基板４１にも、それぞれ、互いに同一の導体パターンが設けられている。図２は、これらを代表して第１平面基板３１ｂの導体パターンと第２平面基板４１ａの導体パターンとを示している。

図２（ａ）に示す第２平面基板４１の平面形状は正方形であり、その中心はＺ軸上にある。四辺がＸ軸、およびＹ軸のいずれかと平行な方向を向いている。第２平面基板４１には、その四隅に沿った４個のＬ字型の導体パターン４２〜４５と、給電素子対の貫通孔４１０とが形成されている。すなわち、方位角４５度の方向にある導体パターン４２は、Ｘ軸に平行な短冊形の導体パターン４２２と、Ｙ軸に平行な短冊形の導体パターン４２１の、平面基板の頂点に近い側の互いの端部（点Ａ）を共有するように接続してＬ字型を形成している。

このＬ字型の導体パターン４２は、上述の無給電素子本体２１に対して垂直な面内にあり、後に述べるように無給電素子本体２１ａと導通して無給電素子２の一部として用いられる。このようにＬ字型の導体パターン４２は、無給電素子本体２１から分岐した形状であるので、無給電素子２の分岐素子部（以下、単に「分岐素子部」）と呼ぶ。

同様にして、方位角１３５度の方向にある導体パターン４３は、Ｘ軸方向に平行な短冊形の導体パターン４３１とＹ軸方向に平行な短冊形の導体パターン４３２の、平面基板の頂点に近い側の互いの端部（点Ｄ）を共有するように接続してＬ字型の導体パターン４３を形成したものである。

分岐素子部である導体パターン４２２と４３１は、放射する電磁波の波長よりきわめて短い一定の距離を離間して絶縁されており、その間における導体パターン４２２側の端部（点Ｂ）と導体パターン４３１側の端部（点Ｃ）の間はスイッチ５５で接続されている（図１）。

同様に、方位角２２５度の方向と方位角３１５度の方向にある導体パターンは、それぞれＸ軸方向に平行な短冊形の導体パターンとＹ軸方向に平行な短冊形の導体パターンの、平面基板の頂点に近い側の端部（点Ｇおよび点Ｊ）を共有するように接続されてＬ字型の導体パターン４４および４５を形成している。

各々のＬ字型の導体パターン間は、放射する電磁波の波長よりきわめて短い一定の距離を離間して絶縁されており、スイッチ（番号は不図示）で接続されている（図１）。

次に、図２（ｂ）に示す第１平面基板３１の導体パターンを説明する。第１平面基板３１は、第２平面基板４１と同一形状および大きさを有しており、その中心がＺ軸上にある。給電素子対１０の貫通孔３１０を中心に、方位角４５度、１３５度、２２５度、３１５度の方向に導体パターンが形成されているが、これらは互いにＸ軸及びＹ軸に対して鏡面対称な形状であるので、方位角４５度の方向の形状について特に説明する。

方位角４５度の方向には、二つの導体パターン３２１、３２２があり、これらは互いに絶縁されている。これらは、平面基板３１、４１を接続する棒状導体である素子片２１２の間をスイッチによって導通させるために形成されている。例えば第１平面基板３１ｂの場合、素子片２１１ｂと素子片２１１ｃとの間がスイッチ５１ｂによって電気的に接続される。

導体パターン３２１ｂは、基板の頂点の近傍に一方の端部（点Ｍ）を有しており、点Ｍにおいて素子片２１１ｂと接続される。導体パターン３２１ｂの他方の端部を点Ｎとする。導体パターン３２２上の点を点Ｐで表すと、点Ｐと点Ｎ間はスイッチ５１ｂで接続される（図１）。導体パターン３２１と導体パターン３２２などの平面基板３１上の導体パターンは、スイッチの実装上の必要に応じて形成する部分であり、損失が増大しない限り、その大きさは波長に比べてきわめて小さいことが望ましい。

このような２種類の第１平面基板３１および第２平面基板４１上における導体パターンは、給電素子対１０に対して電気的には接触していない。ただし、第１平面基板３１および第２平面基板４１は、給電素子対１０と構造的に接触している。具体的には、給電素子対１０が貫通する貫通孔３１０、４１０がそれぞれの平面基板３１、４１の中央に設けられており、この貫通孔３１０、４１０との接触によって平面基板３１、４１は固定されている。その結果、給電素子対１０に対する平面基板３１、４１の位置と方向、および、平面基板３１、４１の相対的な間隔と方向が決定される。

本実施形態では、無給電素子２の分岐素子部（４２、４３、４４、４５）が形成する多角形（ここでは正方形）の内部に貫通孔３１０、４１０が位置し、これらの貫通孔３１０、４１０が上述したように給電素子対１０を貫通させて固定している。

本実施形態では、平面基板３１、４１が、それぞれ、給電素子１０に沿って等間隔で配置されている。また、第１平面基板３１および第２平面基板４１の四隅の方向が同じ方向を向くように（すなわち、平面基板の四隅の方向が、例えば方位角４５度、１３５度、２２５度、３１５度方向となるように）設けられている。

次に、図３（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ、平面基板３１、４１上の導電パターンと無給電素子本体２１との接続を説明する。

まず、図３（ａ）を参照する。図３（ａ）は、第２平面基板４１ａの方位角４５度方向の拡大斜視図である。第２平面基板４１ａの上面には、分岐素子部であるＬ字型の導体パターン４２ａが設けられており、その裏面には、導体パターン４２３ａが設けられている。導体パターン４２３ａは、上面のＬ字型の導体パターン４２ａの屈曲部である点Ａの直下である点Ａ２を含むように設けられている。

棒状導体である素子片２１１ａおよび２１１ｂは、第2平面基板４１ａの図示された点に接続される。すなわち、素子片２１１ａは、基板の上面側の点Ａに接続され、素子片２１１ｂは裏面の点Ａ２に接続される。さらに、第２平面基板４１ａには、点Ａと点Ａ２を基板内で接続するヴィアホール４２４ａが設けられている。従って、素子片２１１ａ、２１１ｂ、および導体パターン４２ａ、４２３ａ、ヴィアホール４２４ａは、すべて電気的に相互に接続されている。

上記の構成は、後述する図６（ｂ）に示す無給電単位素子８００と電気的に等価である。従って、素子片２１１ａ、２１１ｂは、別々の部材である必要は無い。これらの素子片２１１ａ、２１１ｂを一体の棒状導体から形成してもよい。この場合、点Ａと点Ａ２を通る貫通孔を平面基板４１ａに設け、この貫通孔を上記の棒状導体に通過させ、導体パターン４２ａ、４２３ａと電気的に接触させるようにしてもよい。この場合、ヴィアホール形成用の導体パターンとして機能する導体パターン４２３ａは、不要になることもある。

図３（ｂ）は、第１平面基板３１ｂの方位角４５度方向の拡大斜視図である。第１平面基板３１ｂの上面には、二つの導体パターン３２１ｂ、３２２ｂが設けられ、その裏面には導体パターン３２３ｂが設けられている。導体パターン３２１ｂの一端は、第１平面基板３１ｂの頂点の近傍の点Ｍを含み、点Ｍにおいて素子片２１１ｂと接続されている。導体パターン３２１ｂの他方の端部（点Ｎ）は、導体パターン３２２ｂ（点Ｐを含む）との間をスイッチ５１ｂで接続される。導体パターン３２２ｂ上の点Ｐと、点Ｐの直下にある裏面の点Ｐ２（裏面の導体パターン３２３ｂに含まれる）との間はヴィアホール３２４ｂを介して接続される。裏面のパターン３２３ｂは、点Ｐ２から基板の頂点近傍の点Ｍ２（点Ｍの直下に位置する）に到る形状になっていて、点Ｍ２において棒状導体である素子片２１１ｃと接続されている。

スイッチ５１ｂが導通状態のとき、素子片２１１ｂと素子片２１１ｃとは導通し、スイッチ５１ｂが開放状態のとき、素子片２１１ｂと素子片２１１ｃとの間は開放される。

図３（ｃ）は、第２平面基板４１ａの方位角９０度方向の拡大斜視図である。第２平面基板４１ａの上面には二つの導体パターン４２２ａ、４３１ａが、それぞれの端部（点Ｂ、点Ｃ）を近接させて設けられており、スイッチ５５ａで点Ｂ−点Ｃ間が接続されている。従って、スイッチ５５ａが導通状態のとき、導体パターン４２２ａと導体パターン４３１ａとは導通し、スイッチ５５ａが開放状態のとき、導体パターン４２２ａと導体パターン４３１ａとの間は開放される。

これらの２種類の平面基板３１、４１を、給電素子対１０を中心軸として順次配列し、隣接する平面基板３１、４１間を棒状導体である素子片２１１、２１２、２１３、２１４で接続することにより、図１の指向性可変アンテナ１が実現する。

なお、平面基板の材料としては、一般に高周波回路で使用される低損失な基板材料が望ましい。例えば、ガラスエポキシ樹脂基板、セラミック基板、半導体基板などで実施が可能である。導体パターンは銅やアルミニウムなどでプリント技術やメッキ加工により形成できる。

スイッチとしては、手動式のスイッチでも良いし、ＰＩＮダイオードやＦＥＴなどの半導体スイッチでも実現可能である。

図４を参照して、本実施形態におけるアンテナへの給電方法を説明する。図４は、一対の給電素子１１、１２の間に配置された平面基板６０を示している。この平面基板６０は、図１では、第１平面基板３１ｃとして記載されている。

平面基板６０の両面には、対向する位置に短冊型の給電線路６２、６３が設けられている。給電線路６２および６３は、それぞれ、基板中央部で給電素子１１および１２に接続するように、基板端から基板中央部に向かって延びている。給電線路６２および６３は、平面基板６０の端部において送受信機６１に電気的に接続される。図４（ｂ）に示すように、給電線路６２、６３に整合用スタブ６２１などを設けることにより、アンテナの整合を改善することも可能である。

図１に示す実施形態では、第１平面基板３１ｃを給電用平面基板６０として用いているが、給電用の平面基板６０としては、他の平面基板３１、４１のいずれかを用いることもできるし、第１平面基板３１および第２平面基板４１以外に給電線路対のみを設けた基板を追加的に導入して使用することもできる。また、給電用平面基板６０の大きさおよび形状は、上記の他の平面基板と同一でなくても良い。

次に、図５を参照して、図３のスイッチの実装形態をより詳細に説明する。図５はスイッチ５５の実装に関する第２平面基板４１の模式図である。

ここでは、第２平面基板４１を選び、導体パターンとして設けられた分岐素子部４２２と分岐素子部４３１との間を接続するスイッチ５５としてＰＩＮダイオード７０を用いる例を説明する。ここで説明することは、他の平面基板、他の位置のスイッチについても同様に適用可能であり、スイッチとしてＦＥＴなどの３端子素子を用いる場合にも応用され得る。

本実施形態における給電素子対１０は、中空円筒状の導体であり、表面に微小な貫通孔１０１、１０２が設けられている。なお、給電素子対１０の構成は、このような例に限定されない。

図５に示される例では、第２平面基板４１上に、導体パターンである分岐素子部４２２、４３１がそれぞれの端部（点Ｂおよび点Ｃ）を対向させて設けられている。また、分岐素子部４２２、４３１のそれぞれの端部を接続するようにスイッチ５５が実装されている。

スイッチ５５には、二本の制御線路７１０および７２０が接続されている。制御線路は、ローパスフィルタ７１１または７２１のいずれかを経由して給電素子対１０の内部へ到り、直流電源７３へ接続されている。

スイッチ５５は、キャパシタ７１および７２と、ＰＩＮダイオード７０とから構成されており、分岐素子部４２２、４３１の端部の間が、直列に接続されたキャパシタ、ＰＩＮダイオード、およびキャパシタによって契合している。

スイッチ５５の両端に位置するキャパシタ７１、７２の外側の端子が、第２平面基板４１上の導体パターンの点Ｂおよび点Ｃにそれぞれ接続されている。キャパシタ７１、７２は、直流電流をカットする役割であり、分岐素子部４２２および４３１に対し、ＰＩＮダイオード７０は直流的に遮断されている。

なお、点Ｂおよび点Ｃは、分岐素子部４２２、４３１の端部を表す符号にすぎず、実装は、フリップチップやワイヤーボンディングなどの技術を利用して実行される。

スイッチ５５においてキャパシタ７１とＰＩＮダイオード７０とを接続している線路の途中から制御線路７１０（点Ｃ２−点Ｃ５間）が分岐し、キャパシタ７２とＰＩＮダイオード７０とを接続する線路の途中から、他方の制御線路７２０（点Ｂ２−点Ｂ５間）が分岐している。それぞれの制御線路は、平面基板上の導体パターン（不図示）として形成され、ローパスフィルタ７１１または７２１の端子（点Ｃ２および点Ｂ２）に接続されている。

ローパスフィルタの他方の端子である点Ｃ５および点Ｂ５は、給電素子対１０内部を通過する制御リード線７１２または７２２へ接続されている。制御リード線７１２および７２２は、例えば給電基板６０上において、給電素子対１０の外部へ達し、さらにその末端の直流電源７３まで接続される。

それぞれのローパスフィルタは、インダクタとキャパシタからなるＴ型回路の構成である。ローパスフィルタ７１１の具体的な構成は、スイッチ側へ直列に接続されるインダクタ７１３と、並列に接続されるキャパシタ７１４と、直流電源側のインダクタ７１５とから構成されている。ローパスフィルタ７２１および図示しない他のローパスフィルタについても、同様の構成を採用することが可能であるので、これらのローパスフィルタについての詳細な説明は省略する。

ローパスフィルタとしては、貫通コンデンサなどのＥＭＩフィルタを用いることができ、給電素子対１０に設けられた貫通孔１０１を通過させて実装して利用することが可能である。貫通孔１０１の部分で並列キャパシタ７１４のアース側端子を給電素子対１０に接続する。これらの貫通孔１０１の直径は、放射する電磁波の波長に比べて極めて小さいこととする。

リード線付の貫通コンデンサを利用する場合は、リード線自体がインダクタンスとして利用できる。給電素子対１０の内部を通過させるリード線７１２も、誘導性である線路を利用することにより、スイッチの制御線路端子である点Ｂ２およびＣ２から、直流電源に到る制御線路の末端までを全体としてローパスフィルタとして構成することができる。給電素子対１０１の内部の中空の領域を導波管として機能させ、放射する周波数がカットオフ周波数以下となるように設計すれば、アンテナから放射する電磁波が給電素子対１０の内部の中空部分を伝搬しないようにすることが可能になる。

上述した構成を採用することにより、図５に示す外部の直流電源７３の操作により、スイッチ５５の導通／開放を切り替えることができる。

以下、図６および図７（ａ）、（ｂ）を参照しつつ、本実施形態における無給電素子２の構成を説明する。図６および図７（ｂ）は、本実施形態のアンテナの原理的構成を説明するための３次元的な模式図であり、図７（ａ）は、図７（ｂ）に対応する２次元的な模式図である。

図６（ａ）および図７（ｂ）では、図１における指向性可変アンテナ１の導体部分の主要形状とスイッチのみが等価的に記載されている。すなわち、図１の第１平面基板３１および第２平面基板４１の誘電体部分、図３（ｂ）に示す導体パターン（導体パターン３２１ｂなど）、図４に示す給電線路６２、および６３、図５に示す制御線路７１０のような、本実施形態の指向性可変アンテナを実現するための最低構成要素に該当しない部分は図示が省略されている。残る部分が、本実施形態における指向性可変アンテナの放射特性に関わる主要な構成要素である。すなわち、給電素子対１０と、給電素子対１０（すなわち給電素子１１および１２）に平行な棒状導体である無給電素子本体２１と、給電素子対１０に対して垂直な平面上にあり無給電素子本体から分岐した導体パターンである分岐素子部４２１ａなどと、スイッチ５５ａ、および５１ｂなどが本実施形態における主要な構成要素である。

図では、無給電素子本体２１と分岐素子部４２１などを四角柱で示し、スイッチを直方体で表現している。図６（ａ）の無給電素子本体２１を構成する導体部分は、図６（ｂ）に表す無給電単位素子８００を複数配列した構成を備えている。

素子片２１１ａ、２１１ｂと、分岐素子部４２ａ（すなわち分岐素子部４２１ａと分岐素子部４２２ａ）とから、無給電単位素子８１ａが構成される。同じように、素子片２１２ａ、２１２ｂと分岐素子部４３ａ（すなわち分岐素子部４３１ａと分岐素子部４３２ａ）から、無給電単位素子８２ａが構成される。

なお、図６（ａ）では、導通／開放の切り替えの効果が小さいため、図１の指向性可変アンテナの両端に位置する第１平面基板３１ａ、３１ｅに実装されたスイッチ５１ａ〜５４ａなどを省略している。

図６（ａ）では、図６（ｂ）に示す無給電単位素子８００と電気的に等価な形状の複数の無給電単位素子が規則的に所定の向きで配列して形成する「格子」の中に、給電素子対１０が格納されている。無給電単位素子８００は、棒状導体である素子片８０１の中心から、素子片８０１に垂直な面内において、互いに９０度をなす角度で二本の等しい長さの棒状導体である分岐素子部８０２および８０３が接合されている。隣接する無給電単位素子８００の間をスイッチが接続しており、スイッチの開閉の切り替えにより、隣接する無給電単位素子８００間の電気的接続を変更することができる。

上記の構成により、制御すべき電磁波の周波数および放射指向性が決定される。以下、無給電単位素子の形成する「格子」の形状について更に詳しく説明する。

直線状もしくは棒状導体である給電素子対１０の中心軸がＺ軸上にあるとき、無給電単位素子８１ａの素子片２１１ａおよび２１１ｂをＺ軸に平行に、分岐素子部４２２ａをＸ軸、分岐素子部４２１ａをＹ軸に平行に設定する。同様に、無給電単位素子８２ａについても、素子片２１２ａおよび２１２ｂをＺ軸に平行に、分岐素子部４３１ａをＸ軸、分岐素子部４３２ａをＹ軸に平行に設定する。このとき、分岐素子部４２２、４３１は、給電素子対１０に対して垂直な同一のＸＹ平面上にあることとする。

分岐素子部４２２ａと分岐素子部４３１ａはＸ軸に平行な同一直線上で一定の距離を離れて向き合う配置であり、スイッチ５５ａで接続される。分岐素子部４２１ａ、４２２ａ、４３１ａおよび４３２ａの接続によってコの字型を形成し、コの字の開放部が、給電素子対１０の方向（ここでは、Ｙ軸の負の向き）を向くようにする。同様に、無給電単位素子８３ａと無給電単位素子８４ａを用いて、給電素子対１０に垂直な同一平面上で、それらの分岐素子部がコの字型を形成し、コの字の開放部が、給電素子対１０の方向（Ｙ軸の正の向き）を向くようにする。

これら二つのコの字型を同一のＸＹ平面上で向かい合わせてスイッチ５６ａ、５８ａで接続し、全体として分岐素子部がロの字型の閉ループを作り、そのループの内側に給電素子対１０が含まれるようにする。このとき、給電素子対１０に垂直な方向から指向性可変アンテナ１を見て、給電素子対１０の両端より外側に、無給電単位素子８１ａ〜８４ａがはみ出さないようにする。すなわち、給電素子対１０に垂直で、給電素子対１０の両端部（給電部分は端部とは見なさない）のいずれか一方を含む二つの平面で挟まれる領域に、無給電単位素子８１ａ〜８４ａが納まるようにする。また、隣接する無給電単位素子間のスイッチで接続される分岐素子部の端部間の距離は、放射する電磁波の波長よりきわめて短いこととする。

このように位置と向きを決定した無給電単位素子８１ａ〜８４ａと同一の向きで、給電素子対１０に沿って無給電単位素子を並べていく。具体的には、無給電単位素子８１ａと無給電素子本体が平行で、かつ分岐素子部の向きが同じ向きであるように無給電単位素子８１ｂを配列する。このとき、無給電単位素子８１ａ、８１ｂの素子片が同一直線上であるようにし、素子片の間をスイッチ５１ｂで接続する。同様に、給電素子対１０に沿って、順に無給電単位素子８１ｃ、８１ｄを並べ、各々の素子片間をスイッチ５１ｃ、５１ｄで接続する。

無給電単位素子８１ｂ、８１ｃ、および８１ｄのそれぞれを起点として、上記で既に位置関係を説明した無給電単位素子８１ａ〜８４ａと同じように、無給電単位素子８１ｂ〜８４ｂ、８１ｃ〜８４ｃ、および８１ｄ〜８４ｄのそれぞれの分岐素子部が、給電素子対１０の周りに閉ループを作るように無給電単位素子を並べる。

さらに、隣接する分岐素子部間、素子片間をスイッチで接続する。結果として、無給電単位素子群が形成する四角柱状の格子の中心を給電素子対１０が貫通する配置となる。

給電素子対１０に垂直な方向から指向性可変アンテナ１を見て、給電素子対１０の両端より外側に、いずれの無給電単位素子もはみ出さないようにする。すなわち、給電素子対１０に垂直で、給電素子対１０の両端部（給電部分は端部とは見なさない）のいずれか一方を含む二つの平面で挟まれる領域に、全ての無給電単位素子が納まるようにする。

こうして、無給電単位素子８１が形成する格子構造の中央に給電素子が挿入された図６の形状が形成される。

以下では、図６に示す原理的なモデルを利用して、無給電単位素子の形状、大きさ、配置する個数について検討する。その結果を、図１に示す物理的に構成可能なモデルに反映して所望の特性が得られるアンテナを設計することが可能である。

給電素子対１０に垂直な平面に沿って、給電素子対１０の周りに配列される無給電単位素子の個数は、図６（ａ）に示す無給電単位素子８１ａ〜８４ａのように４個である必要はなく、３個でもよいし、４個より多くてもよい。たとえば、６個の無給電単位素子を使用して、分岐素子部により正六角形の閉ループを形成することも可能である。この場合は、図６（ｂ）における分岐素子部間のなす角度αを９０度ではなく、１２０度とすればよい。

給電素子対１０に沿って配列する無給電単位素子の個数は、図６（ａ）の無給電単位素子８１ａ〜８１ｄのように４個である必要はなく、さらに多くても少なくても良い。Ｚ軸方向に沿って一列に配列する無給電単位素子の個数に応じて、図６（ｂ）における無給電単位素子８００の素子片８０１の長さＸ４を調整すればよい。

無給電単位素子８１、８２、８３、８４における素子片２１１、２１２、２１３、２１４の中心軸と給電素子対１０の中心軸との距離と、給電素子対１０の周りに配列する無給電単位素子の個数とに応じて、図６（ｂ）における分岐素子部８０２および８０３の長さＸ２を調整する必要がある。無給電素子本体の長さＸ４が給電素子対１０の長さ以下に制限されるのに対して、分岐素子部８０２、８０３の長さＸ２は制限を受けない。しかし、無給電素子本体の長さＸ４に対して分岐素子部の長さＸ２が長い場合は、分岐素子部間を接続するスイッチの開閉によって無給電素子の共振周波数が大きく変化してしまうため、無給電素子の共振周波数の調整が難しくなる。

それに対して、分岐素子部の長さＸ２が短いほど、分岐素子部間を接続するスイッチの開閉により、形成する無給電素子の共振周波数の調整が行いやすい傾向がある。ただし、無給電単位素子が給電素子に接近するため、給電素子との電磁気的な結合が強くなる。結論としては、放射周波数と指向性の制御の観点からは、無給電素子本体の長さＸ４と分岐素子部の長さＸ２を同程度となるように設計する場合が最も望ましい。

無給電素子本体と給電素子との間の距離は、電磁結合が起きる範囲で遠ざけることは可能である。遠ざけるほど、特定の周波数における放射指向性の制御の効果が小さくなる。

以下に示す実施例では、放射の中心周波数である４ＧＨｚ（波長７５ｍｍ）に対し、無給電素子本体と給電素子の距離（３．２ｍｍ）を２０分の１波長程度に設定しているが、より遠ざけても指向性の変化が得られる。放射指向性の制御の効果を十分に得るためには、無給電素子本体と給電素子の間の距離は放射する電磁波の波長の８分の１程度以下とすることが望ましい。また、無給電素子の周波数調整の観点からは、無給電単位素子８００の素子片の長さＸ４を短く設定し、給電素子に沿って配列する個数が多いことが望ましい。しかし、分岐素子部を利用した無給電素子の設計が可能であることと、配列する個数が多くなるとスイッチの個数の増大や制御信号の数の増大が問題となることから、素子片を短くしすぎる必要もない。従って、必要とされる放射周波数の変更の精度に応じた設計を行えばよい。

４ＧＨｚ帯において、１００ＭＨｚ程度の周波数精度で良い場合は、以下の実施例のように、無給電素子本体の長さは１／２０波長、分岐素子部の長さは１／２４波長程度で実施可能となる。棒状無給電素子しか用いない場合に無給電素子を１／２０波長ずつ分割して無給電素子の設計をすると、４ＧＨｚ帯では４００ＭＨｚの精度でしか無給電素子の共振周波数の変更はできないが、本発明によると１００ＭＨｚ程度の精度が実現できるのは、分岐素子部を利用するためである。

他の周波数帯においても同様に、分岐素子部を利用することにより、無給電素子の共振周波数の変更の精度を向上することができる。従って、スイッチの制御により無給電単位素子間の導通または開放状態を切り替えて形成した無給電素子の共振周波数と、給電素子に対する相対位置を決定することにより、給電素子との電磁結合の結果として、所定の周波数において放射指向性を制御することができる。

従来の指向性制御アンテナでは、給電素子に平行な直線形状の無給電素子を使用することが行われてきたが、本実施形態では、図１に示す給電素子４２ａなどの給電素子に平行でない方向の導体パターン（分岐素子部）を無給電素子の構成要素として導入して、無給電素子本体間の導通を取ることを可能にした。従来の直線形状の無給電素子を用いる場合は垂直面内でのビームチルトのためには、無給電素子をずらして配置するために指向性可変アンテナが長大化したが、本発明では同等の放射指向性の変化を指向性可変アンテナが長大化しないような構成で実現することができる。このことは、小型化が要求される携帯用無線通信端末にとって好適である。また、本発明によると、給電素子の放射帯域であれば、無給電素子の共振周波数の設計により放射指向性を制御する電磁波の周波数を選択、変更することができる。

これらの効果を示す無給電素子の設計について図７（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図７（ａ）は、図６（ａ）の指向性可変アンテナの無給電単位素子とスイッチの接続の配列を２次元的に表現した図である。図中のハッチングされた十字型の図形が無給電単位素子である。図の横方向がＺ軸方向であり、縦方向には方位角φに沿った配列の順序を示している。すなわち、十字型で表される無給電単位素子の横方向に伸びる腕部が無給電素子本体ｓ（素子片）、縦方向に伸びる腕部が分岐素子部を表す。また白塗りの長方形は開放状態のスイッチ、黒塗りの長方形は導通状態のスイッチを示している。

図７（ｂ）は、図７（ａ）に示されている無給電素子を備える指向性可変アンテナの斜視図である。図７（ｂ）では、導通状態にあるスイッチのみを描き、開放状態にあるスイッチを図示せずに表現した。図７（ｂ）は、給電素子対１０と、図７（ａ）で表現される無給電素子２の位置関係を３次元的に表現している。

図７（ａ）および（ｂ）で表される無給電素子２は、無給電単位素子８１ｂ、８１ｃ、８１ｄ、８２ｄのそれぞれの間を接続するスイッチ５１ｃ、５１ｄ、５５ｄを導通状態にすることで形成される。この無給電素子２は、所定の共振周波数において給電素子対１０と電磁結合を行い、放射指向性を変化させる効果を持つ。具体的には、無給電素子２は、無給電単位素子８１ｂ、８１ｃおよび８１ｄが導通されており、これらの素子片が一直線上に導通されて形成する無給電素子本体２１ａが、無給電素子２を構成する他の無給電素子本体と比べ最も長い。そのため、無給電素子本体２１ａが最も強く給電素子対１０と電磁結合する。このような無給電素子本体を主軸部と呼ぶことにする。この場合、放射指向性の変化は、給電素子対１０と、無給電素子本体の主軸部２１ａを含む平面内で起きる。また、無給電素子本体の主軸部２１ａをＺ軸上に投影したとき、投影像の中心は原点に対しＺ軸の負の方向にあるため、下記の実施例で示すように、無給電素子２が導波器として働く周波数においては、給電素子対１０の中心から見て無給電素子本体の主軸部２１ａの中心の方向、すなわち仰角が９０度〜１８０度の方向に放射指向性が変化する。

同様に、無給電素子２が反射器として働く周波数においては、給電素子対１０の中心から見て無給電素子本体の主軸部２１ａの中心とは反対の方向、すなわち仰角が０度〜９０度の方向に放射指向性が変化する。

さらに、分岐素子部を介するスイッチ５５ｄを導通することにより、無給電素子本体の主軸部２１ａから無給電単位素子８２ｄが接続されている。これは無給電単位素子８２ｄが導通されていない状態に比べ、無給電素子２の共振周波数が低下する効果がある。

分岐素子部を利用した屈曲部のある形状を採用することにより、同一の共振周波数を持つ直線的な形状の導体の部材と比較して、給電素子対１０に沿った方向の無給電素子２の長さを短縮する効果がある。

分岐素子部間を接続するスイッチ５５ｄなどを導通させず開放とした状態でも、無給電単位素子が元来保持している分岐素子部（例えば、無給電単位素子８１ａにおける分岐素子部４２ａ）により、同一の共振周波数を持つ直線的な形状の導体の部材と比較して、無給電素子２の長さを短縮する効果がある。

さらに、スイッチ５５ｄを開放してスイッチ５５ｂを導通させたり、スイッチ５５ｄとスイッチ５８ｄを同時に導通させたりすることにより、無給電素子２の共振周波数をわずかに変化させることができる。この効果により、放射指向性を制御する周波数を変更することができる。

図１７に示されている従来の技術では、同様の周波数選択性を持つように棒状導体の無給電素子を作成する場合は、給電素子に沿った方向の多数の無給電素子の分割とスイッチが必要になる。

本発明の好ましい実施形態において、分岐素子部間を接続するスイッチを使用することにより、同様の周波数選択性を有するための無給電素子の分割の回数、すなわち必要なスイッチの個数を減らすことができる。さらに、設定する無給電素子の個数は複数であってもよく、その場合は複数の無給電素子の効果を組み合わせた放射指向性の変化を起こすことができる。

（実施例）
図８は、本発明の実施形態による指向性可変アンテナの実施例の断面図であり、給電素子対１０の中心軸を含む平面における指向性可変アンテナの断面を示している。図８において、給電素子対１０の中心軸をＺ軸とし、ＹＺ平面が紙面に平行な平面である。

このアンテナに使用されている平面基板は、第１平面基板３１と第２平面基板４１であり、それぞれが交互に配列されている。第１平面基板３１ｅを除く第１平面基板３１および第２平面基板４１の中心を給電素子１１または１２が貫通している。平面基板３１、４１の配列の中央に位置する第１平面基板３１ｅは、給電基板６０として設計されている。すなわち、給電素子１１、１２は、第１平面基板３１ｅを貫通しておらず、第１平面基板３１ｅは、図４（ａ）に示す給電線路６２、６３を有している。給電線路６２、６３は、平面基板３１ｅの両面上において給電素子１１および１２へ接続されている。

図９（ａ）は、図８に示す指向性可変アンテナのＺ軸に垂直な平面ＡＥにおける断面図、図９（ｂ）は、第２平面基板４１のＺ軸の正の方向の面の平面図、図９（ｃ）は、第１平面基板３１のＺ軸の正の方向の面の平面図、図９（ｄ）は第１平面基板３１のＺ軸の負の方向の面の平面図、図９（ｅ）は給電基板６０としての役割を有する第１平面基板３１ｅのＺ軸の正の方向の面の平面図である。

給電素子対１０は、二本の中空円筒状導体である給電素子１１および１２からなり、それらはＺ軸上で原点に対して対称に向き合っていることとする。給電素子１１および１２の長さＤＺ１は５．０ｍｍ、外径ＤＲ１は０．６ｍｍ、内径ＤＲ２は０．３ｍｍ、給電素子間の間隔ＤＺ２は、第１平面基板３１および第２平面基板４１の基板厚さＳＺ１と等しい。すなわち、ＤＺ２＝ＳＺ１＝０．３ｍｍの関係が成立する。なお、第１平面基板および第２平面基板の間隔ＳＺ２は１．５ｍｍである。

図８に示すように、無給電素子本体と分岐素子部からなる無給電単位素子は、給電素子対１０に垂直で給電素子１１、１２の両端のいずれかを含む二つの平面に挟まれる領域に含まれる。したがって、素子片間のスイッチを全て導通させたときに形成する無給電素子の給電素子に沿った方向の長さ（図８の設計では、第１平面基板３１ａと３１ｉの間の距離とほぼ等しい）が、給電素子対全体の長さ（給電素子の長さＤＺ１の２倍の長さとほぼ等しい）より長くなることはない。なお、無給電単位素子間のスイッチを全て導通させたときに形成される無給電素子の中心は、給電素子対の中心（原点に位置する）と一致している。

まず、図９（ａ）を参照しつつ、給電素子対１０に垂直な断面における給電素子１１と無給電素子の素子片２１１ａ〜２１４ａとの位置関係を説明する。

素子片２１１ａ〜２１４ａの中心間を結んでできる正方形の中心に給電素子１１の中心が位置する配置であり、給電素子１１の中心を座標原点とするとき、無給電平行素子２１１ａ〜２１４ａの中心位置の図８の平面ＡＥ内におけるＸＹ座標はそれぞれ、（±ＰＤＸ１、±ＰＤＹ１）で表される。ここで、ＰＤＸ１＝ＰＤＹ１＝２．５ｍｍであり、無給電素子本体の半径ＰＲ１は０．２ｍｍである。

次に、図９（ｂ）〜（ｅ）を参照しつつ、第１平面基板３１および第２平面基板４１の導体パターン形状を説明する。

第２平面基板４１の形状は正方形であり、図９（ｂ）に示すように、その大きさについては、ＳＸ１＝ＳＹ１＝５．８ｍｍが成立する。図９（ｃ）に示すように、第１平面基板３１についても、ＳＸ２＝ＳＹ２＝５．８ｍｍが成立する。なお、図９（ｂ）は、第２平面基板４１のＺ軸の正の方向の面の平面図である。第２平面基板４１におけるＬ字型の導体パターンである分岐素子部４２〜４５の長手方向の長さについては、ＰＡＹ１＝ＰＡＸ１＝２．５ｍｍが成立し、隣接する導体パターン間の間隔については、ＰＡＹ２＝ＰＡＸ２＝０．４ｍｍが成立し、パターンの幅については、ＰＡＹ３＝ＰＡＸ３＝０．４ｍｍが成立する。すなわち、図９（ａ）および図９（ｂ）からわかるように、図９（ｂ）の分岐素子部４２〜４５のＬ字型パターンの屈曲部の近傍で無給電素子本体と接続できる。

図９（ｃ）は、第１平面基板３１のＺ軸の正の方向の面の平面図である。第１平面基板３１において、Ｚ軸の正の方向の面で無給電素子本体２１と接続される導体パターン３２１、３３１、３４１、３５１の位置に関して、ＰＢＸ１＝ＰＢＹ１＝１．５ｍｍ、ＰＢＸ２＝ＰＢＹ２＝１．２ｍｍ、および導体パターンの幅ＰＢＹ３＝ＰＢＸ３＝０．４ｍｍが成立することにより、上記の一連の導体パターンと無給電素子本体との位置関係が図３（ｂ）に示すような配置で互いに接続される。その他、スイッチ接続用のパターン３２２などに関して、ＰＢＹ４＝ＰＢＹ５＝ＰＢＸ４＝ＰＢＸ５＝０．４ｍｍが成立する。

図９（ｄ）は、第１平面基板３１のＺ軸の負の方向の面の平面図である。第１平面基板３１において、Ｚ軸の負の方向の面で無給電素子本体２１と接続され、また、図３（ｂ）に示すヴィアホール３２４などを通じて、上記のＺ軸の正の方向の面上に設けたスイッチ接続用の導体パターン３２２などと接続する導体パターン３２３、３３３、３４３、３５３の位置に関して、ＰＢＸ６＝ＰＢＹ６＝２．７ｍｍ、ＰＢＸ７＝０．４ｍｍ、ＰＢＹ７＝１．２ｍｍが成立する。

図９（ｅ）は、給電基板６０としての役割を有する第１平面基板３１ｅのＺ軸の正の方向の面の平面図である。他の第１平面基板３１と異なる点は、中心において給電素子対１０の直径に対応する円形の電極６２２が設けられていることと、電極６２２から基板端まで短冊状の導体パターンである給電線路６２が設けられていることである。

基板の裏面にも同様に、基板の中心に円形電極６３２、電極から基板端まで短冊状の導体パターンである給電線路６３が設けられている。したがって、基板端の給電線路６２、６３間に放射する信号を入力することにより、信号は給電線路６２、６３を平行平板モードとして伝搬し、電極６２２、６３２にて給電素子対１０へ入力される。

次に、無給電素子の設計例とそのときの放射指向性の例を説明する。

無給電単位素子の配列と素子間の導通、開放の設計を図７に準じた形式で図１１に示す。図１１では、図７と同様に、ハッチングされた十字形の図形が無給電単位素子である。図の横方向がＺ軸方向であり、縦方向には方位角φに沿った配列の順序を示している。十字形で示される無給電単位素子の横方向に伸びる腕部が無給電素子本体（素子片）、縦方向に伸びる腕部が分岐素子部を表す。また、隣接する無給電単位素子間を接続する長方形のうち、白塗りの長方形は開放状態のスイッチ、黒塗りの長方形は導通状態のスイッチを示す。

図８が示すように、本実施例では、図６（ｂ）の無給電単位素子８００と電気的に等価な形状を有する無給電単位素子が、給電素子対１０に平行に８個配列されている。また、図６（ａ）に示す例と同様に、給電素子対１０に垂直な平面にそって、給電素子対の周囲を４個の無給電単位素子が分岐素子部間を近接させて取り囲んでいる。このときに、それぞれの無給電単位素子の素子片は、給電素子対に対して方位角φ＝４５度、１３５度、２２５度、３１５度のいずれかの方向にある。

図１１（ａ）は全てのスイッチが、すべて開放状態にあることを表している。それに対し、図１１（ｂ）では、無給電単位素子８１ｅ、８１ｆ、８１ｇ、８１ｈ、８２ｆ、８２ｇ、８４ｇが、それぞれを接続するスイッチ５１ｆ、５１ｇ、５１ｈ、５５ｆ、５５ｇ、５８ｇにより互いに導通状態とされていることを表している。図１１（ｃ）および（ｄ）についても同様である。

なお、以下に示す試作例では、スイッチの開放位置は、図９に示す導体パターンがそのまま開放された状態とし、スイッチの導通位置は、導体パターンを同一幅（断面積）のまま延長して導通させた状態に設定している。

既に説明したように、図１１（ｂ）および（ｃ）に示した設計例において、無給電単位素子８１ｅから８１ｈまでの、給電素子に平行な方向に一直線上に並んだ複数の無給電単位素子が導通していることにより、これらの形成する無給電素子本体の主軸部２１ａが、放射指向性の変化に大きな影響を与える。すなわち、給電素子対１０と無給電素子本体の主軸部２１ａを含む平面である、方位角４５度方向の垂直面内に放射指向性の変化が生じ、主ビーム方向が向く。この方位角４５度方向の垂直面とは、図１０の点ＡＡ−ＡＢ−ＡＣ―ＡＤで結んで形成される平面である。

一方、図１１（ｄ）に示す例では、無給電単位素子８１ｅ、８１ｆ、８１ｇ、および８１ｈに到る方位角４５度方向の無給電素子本体２１ａと、無給電単位素子８４ｅ、８４ｆ、８４ｇ、および８４ｈに到る方位角３１５度方向の無給電素子本体２１ｄがいずれも等しい長さで、最長の無給電素子本体であるため、無給電素子本体２１ａと２１ｄはいずれも主軸部として働く。この設計例では、設定周波数（４．３ＧＨｚ）で二個の無給電素子がいずれも同じ形状であり、同等の反射器として働くため、無給電素子本体の主軸部２１ａと２１ｄから等距離にある平面である、方位角０度方向の垂直面内で放射指向性が変化する。

これらの図１１（ａ）〜（ｄ）に示す無給電素子の設計に対応する垂直面上での放射指向性利得を図１２（ａ）〜（ｄ）に示す。図１２（ａ）〜（ｄ）は、図１１（ａ）〜（ｄ）のそれぞれの接続例に対応する。図１２（ａ）〜（ｃ）は、方位角４５度の垂直面での放射指向性利得であり、図１２（ｄ）は、方位角０度の垂直面での放射指向性利得である。

図１２（ａ）は、周波数４．１ＧＨｚにおける測定結果を示している。垂直面での放射指向性利得であるため、半波長ダイポールアンテナの元来の特性である仰角９０度と２７０度の方向へ指向性が生じる。

図１２（ｂ）は、周波数４．４ＧＨｚにおける測定結果、図１２（ｃ）は、周波数３．７ＧＨｚにおける測定結果を示している。無給電素子本体の主軸部を設定した方位角４５度の垂直面内において、給電素子対１０の中心にある給電点（原点）から見て、形成した無給電素子の無給電素子本体の主軸の中心に向かう方向（すなわち仰角９０度から１８０度の方向）へ放射志向性が変化している。図１２（ｂ）では３０度、図１２（ｃ）では２０度の放射指向性の変化が得られている。

図１２（ｄ）は、周波数４．３ＧＨｚにおいて、二つの無給電素子の無給電素子本体の主軸部から等距離にある平面である方位角０度の垂直面内において、無給電素子を設けた方向と逆の方向（すなわち仰角２７０度から０度の方向）へ、３０度の放射指向性の変化が得られた。

従って、図１２（ｂ）および（ｃ）の結果では、無給電素子が導波器として機能して、給電素子の中心から見て、無給電素子のある方向へ放射指向性が変化した。また、図１２（ｄ）の結果では、二つの無給電素子が反射器として機能した効果の合成として、給電素子の中心から見て、無給電素子のある方向とは逆の方向へ放射指向性が変化した。

図１２（ａ）〜（ｄ）は、異なる周波数での測定結果を示している。これを実現するためには、無給電素子の共振周波数の制御が必要である。そのとき、無給電素子本体の主軸部の長さだけでなく、分岐素子部を利用した無給電素子の設計が有用である。

図１１（ａ）〜（ｄ）は、無給電素子本体の主軸部はほぼ同じ構成であるが、分岐素子部を利用した形状設計が異なっており、これによって無給電素子の共振周波数を制御することができる。

無給電素子の共振周波数の精緻な調整を図１７に示すような直線状の無給電素子の多段分割で行う場合は、直線状の無給電素子を非常に多数に分割することが必要になるが、本発明のような分岐素子部を利用する場合は、分岐素子部を導通させる位置の選択によって共振周波数を変化させることができるため、図１１および図１２のように、放射指向性を変化させる方向だけでなく、電磁波の周波数まで含めて設計することができる。

最後に、無給電素子の設計の概念と背景について説明する。

無給電素子は、給電素子対１０との電磁気的な結合により給電されて放射する。従って、給電素子対１０とある程度近接して配置する必要があるとともに、給電素子対１０の放射する電界の方向に合わせて電流が流れ得るような方向の導体部分を含む構成をとる必要がある。

給電素子対１０を流れる電流はＺ軸の方向であるため、放射する電磁界の電界の方向はＺ軸を含む面内（従って、ＸＹ平面に垂直な平面である）の成分のみを有する。従って、ＸＹ平面に平行な（線状の）導体は給電素子対１０とは結合を行わない。一般には、給電素子対１０と無給電素子の電磁界の結合が強く生じるような配置を選び、図１６や図１７に示すように、無給電素子は、給電素子と平行な方向とされている。

しかし、既に述べたように、無給電素子を給電素子と平行な線状導体として構成すると、放射指向性を垂直面内で変化させたい場合に、導波器もしくは反射器としての無給電素子を給電素子に平行な方向（Ｚ軸方向）にずらす必要がある。このときは、無給電素子は、給電素子とほぼ等しい共振周波数（すなわち長さ）を有するため、ほぼそのずらした距離だけ無給電素子が給電素子の端部から外側へはみ出すことになり、アンテナの全長が長くなることが明らかである。

無給電素子は、必ずしも、給電素子に平行な方向の導体のみで構成する必要はない。無給電素子の一部は、給電素子に平行な方向の導体部分から、垂直な方向に枝分かれしてもよく、しかも、そのような形状を取ることで無給電素子の共振周波数を下げることができる。これは、無給電素子の、給電素子に平行な方向における長さを短縮することができる。従って、放射指向性を垂直面内で変化させたダイポールアンテナを、その長手（長軸）方向の長さが長くならないように設計することが可能になる。

ダイポールアンテナなどの線状アンテナの垂直面内（給電素子を含む面内）で放射指向性を大きく変化させるためには、従来の直線状の無給電素子を用いる場合、図１５のように、無給電素子２０を給電素子１０に対して長軸方向にずらす必要があった。そのため、ずらした長さだけ、アンテナ装置が長大化していた。

本発明では、分岐素子部を利用した無給電素子の設計を行うことにより、無給電素子の長軸方向の長さの短縮が可能になった。そのため、図８から明らかなように、無給電素子を給電素子の長軸方向へはみ出させることがない条件で、図１２（ｂ）〜（ｄ）に示したように、放射指向性を大きく変化させることが可能になった。

本発明の指向性可変アンテナは、ダイポールアンテナなどの線状アンテナの放射指向性を、給電素子を含む面内と給電素子に垂直な面内で変化させることができるため、放射指向性を目標物の方向へ向けて、妨害波の受信を抑圧することで通信品質を改善することができるだけでなく、アンテナが長手方向に長大化しないようにできるため、携帯用無線通信端末や屋内無線通信端末に利用すると極めて有用である。

本発明の実施形態における指向性可変アンテナを示す斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、いずれも、本実施形態の指向性可変アンテナに実装される平面基板の平面図である。 （ａ）から（ｃ）は、本実施形態の指向性可変アンテナにおいて、無給電素子の素子片間、および分岐素子部間の接続を示す斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、本実施形態の指向性可変アンテナにおいて、給電基板による給電方法を示す斜視図である。 本実施形態の指向性可変アンテナにおいて、スイッチの実装形態を示す模式図である。 （ａ）は、本実施形態の指向性可変アンテナにおいて導体部分とスイッチによる原理的な構成を示す斜視図であり、（ｂ）は、無給電単位素子の斜視図である。 （ａ）は、本実施形態の指向性可変アンテナにおいて、無給電単位素子の接続とスイッチの開閉を示す無給電素子の二次元模式図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す無給電素子を有するアンテナの斜視図である。 本実施形態の指向性可変アンテナの実施例におけるＹＺ平面での断面図である。 （ａ）は、本実施形態の指向性可変アンテナの実施例において、長軸方向に垂直な断面図であり、（ｂ）〜（ｅ）は、各平面基板の導体パターン図である。 本実施形態において指向性可変アンテナと、所定の方位角の方向の垂直面の関係を示す模式図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本実施形態の指向性可変アンテナの実施例において、無給電単位素子の配列と、スイッチの開閉を示す無給電素子の二次元模式図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本実施形態の指向性可変アンテナの実施例において、図１０の各々の無給電素子設計に対応する放射指向性利得のパターン図である。 直交座標系と方位角、仰角の方向を定義する模式図である。 携帯電話を情報端末として利用する場合の線状アンテナの課題を示す模式図である。 従来の技術である線状無給電素子を用いるアンテナ装置の平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、従来の技術におけるスイッチ切り替え型セクタアンテナの説明図である。 従来の技術における垂直面放射指向性切り替え型アンテナの説明図である。 従来の技術におけるコリニア、アレーアンテナの説明図である。

符号の説明

１ 指向性可変アンテナ
２ 無給電素子
１０ 給電素子対
１１、１２ 給電素子
２１ 無給電素子の無給電素子本体
２１１〜２１４ 無給電素子の素子片
３１ 第１平面基板
３１０、４１０ 貫通孔
３２１ 導体パターン
３２４、４２４ ヴィアホール
４１ 第２平面基板
４２〜４４ 無給電素子の分岐素子部
５１〜５８ スイッチ
６０ 給電基板
６１ 送受信機
６２、６３ 給電線路
７０ ＰＩＮダイオード
７１、７２ キャパシタ
７３ 直流電源
７１０、７２０ 制御線路
７１１、７２１ ローパスフィルタ
７１２、７２２ 制御リード線
７１３、７１５、７２３、７２５ インダクタ
８１〜８４、８００ 無給電単位素子
１０１、１０２ 給電素子上の貫通孔
１６３ スリーブアンテナ
１６４ 無給電素子（寸法の長い線状導体）
１６５ ダイオードスイッチ回路
１６６ 追加素子（寸法の短い線状導体）
１６７ 誘電体基板
１６８ レドーム
１６９ ＲＦ阻止用コイル
１７０ 線状放射素子
１７１ Ｕ字型無給電素子
１７２ スイッチ
１７３ 線状無給電素子
１８１ 誘電体
１８０、１８９ 円筒導体
１８２ 環状スロット
１８３ 半波長ダイポールアンテナ
１８４ 同軸給電線
１００１ 基地局
１０２１、１０２２ 携帯電話
１０３１、１０３２、１０３３ 放射指向性の模式図

Claims (12)

1. Ｚ軸に平行な線状導体からなる給電素子（１１、１２）と、
   無給電素子（２）と
   を有し、
   前記無給電素子（２）は、前記Ｚ軸に平行なｎ本の線状（ｎは３以上の自然数）の無給電素子本体（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）を有し、
   前記無給電素子本体（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）は、前記給電素子（１１、１２）の周囲を取り囲むように配置され、
   前記無給電素子本体（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）は、それぞれ、
   前記Ｚ軸に平行に配列された複数の素子片（２１１ａ〜２１１ｈ、２１２ａ〜２１２ｈ、２１３ａ〜２１３ｈ、２１４ａ〜２１４ｈ）と、
   前記素子片（２１１ａ〜２１１ｈ、２１２ａ〜２１２ｈ、２１３ａ〜２１３ｈ、２１４ａ〜２１４ｈ）の間を導通され得る少なくとも１個の第１スイッチ素子（５１、５２、５３、５４）と、
   を有する、指向性可変アンテナ（１）であって、
   前記無給電素子（２）は、さらに、
   前記ｎ本の無給電素子本体（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）のうちの隣接する２つをオン時には電気的に接続し、オフ時には電気的に絶縁する少なくとも１個の第２スイッチ素子（５５、５６、５７、５８）を有し、
   前記少なくとも１個の第１スイッチ素子（５１、５２、５３、５４）および前記少なくとも１個の第２スイッチ素子（５５、５６、５７、５８）のオン、オフを切り替えることにより指向性が変化し、
   前記第１スイッチ素子（５１、５２、５３、５４）は、複数枚の第１平面基板（３１）に形成されており、
   前記第２スイッチ素子（５５、５６、５７、５８）は、複数枚の第２平面基板（４１）に形成されており、
   各第１平面基板（３１）と各第２平面基板（４１）との間には、前記複数の素子片（２１１ａ〜２１１ｈ、２１２ａ〜２１２ｈ、２１３ａ〜２１３ｈ、２１４ａ〜２１４ｈ）が挟まれており、
   前記給電素子（１１、１２）は、前記複数枚の第１平面基板（３１）にそれぞれ設けられた貫通孔（３１０）および前記複数枚の第２平面基板（４１）にそれぞれ設けられた貫通孔（４１０）を貫通している、
   指向性可変アンテナ。
2. 前記無給電素子本体（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）と前記給電素子（１１、１２）との距離が、放射する電磁波の波長の１／４以下である、請求項１に記載の指向性可変アンテナ。
3. 前記無給電素子本体（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）は、それぞれ給電素子（１０）よりも長さが短い、請求項１に記載の指向性可変アンテナ。
4. 前記無給電素子（２）は、さらに、前記第１スイッチ素子（５１、５２、５３、５４）および／または第２スイッチ素子（５５、５６、５７、５８）が実装された平面基板（３１、４１）を具備し、
   前記平面基板（３１、４１）の位置が前記給電素子（１１、２１）によって保持されている、請求項１に記載の指向性可変アンテナ（１）。
5. 前記給電素子（１１、１２）に電気的に接続されている給電線路（６２、６３）が設けられている給電用平面基板（３１ｃ）をさらに備えている、請求項１に記載の指向性可変アンテナ（１）。
6. 前記給電線路（６２、６３）は、送受信機（６１）に電気的に接続されている、請求項５に記載の指向性可変アンテナ（１）。
7. 前記給電用平面基板（３１ｃ）に、前記第１スイッチ素子（５１、５２、５３、５４）が形成されている、請求項５に記載の指向性可変アンテナ（１）。
8. 前記給電用平面基板（３１ｃ）に、前記第２スイッチ素子（５５、５６、５７、５８）が形成されている、請求項５に記載の指向性可変アンテナ（１）。
9. 前記給電線路（６２、６３）に、スタブ（６２１）が形成されている、請求項５に記載の指向性可変アンテナ（１）。
10. 前記給電用平面基板（３１ｃ）には、前記給電素子（１１、１２）が貫通する貫通孔が設けられていない、請求項５に記載の指向性可変アンテナ（１）。
11. 複数枚の第１平面基板（３１）および複数枚の第２平面基板（４１）のうち、前記給電用平面基板（３１ｃ）から最も離間している平面基板（３１ａ・３１ｅ）が有する貫通孔（３１０）から前記給電素子（１１、１２）が突出している、請求項５に記載の指向性可変アンテナ（１）。
12. 前記給電素子（１１、１２）は、前記無給電素子本体（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）のＺ軸方向の長さよりも長い、請求項１に記載の指向性可変アンテナ（１）。

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