JP4212540B2

JP4212540B2 - 可変指向性アンテナ装置

Info

Publication number: JP4212540B2
Application number: JP2004279260A
Authority: JP
Inventors: 茂長田; 武男鈴木
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2024-09-27
Also published as: DE602005003419D1; DE602005003419T2; EP1641072B1; JP2006094287A; EP1641072A1

Description

本発明は、指向性を切り替えることの可能な可変指向性アンテナ装置に関する。

図４、図５に従って従来の可変指向性アンテナ装置を説明する。図４において、第１のアンテナ１０は、使用する周波数に共振するλ／２の電気長を有し、２本の棒状導体にて形成されたダイポールアンテナであり、給電部１１を介して無線装置１２に接続される。無線装置１２は、送信装置１６、受信装置１７、及び送受信時のアンテナを共用するためのアンテナ共用器１８からなり、第１のアンテナ１０は給電部１１からアンテナ共用器１８を介して送信装置及び受信装置１７に接続される。

受信装置１７は、受信電界強度に応じた電圧を出力し、制御回路１５に設けられたＡ／Ｄコンバータ１９に接続され、Ａ／Ｄコンバータ１９の出力をＣＰＵ２０に接続する。第２のアンテナ１３も２本の棒状導体にて形成されたダイポールアンテナの構造を有し、第１のアンテナ１０から少し隔てて平行に配置され、可変インピーダンス回路１４に接続される。

可変インピーダンス回路１４は図５に示す如く、可変容量ダイオード２１、コンデンサ２２、コイル２３、高周波チョークコイル２４からなる。第２のアンテナ１３は、コイル２３、コンデンサ２２、可変容量ダイオード２１と直列に接続され、高周波チョークコイル２４を介して制御回路１５内のＤ／Ａコンバータ２５の出力側に接続される。Ｄ／Ａコンバータ２５の入力側は、ＣＰＵ２０に接続される。また、ＣＰＵ２０はメモリ２６に接続される。

可変容量ダイオード２１の両端にかかる電圧が低いときには（Ｄ／Ａコンバータ２５の出力電圧Ｖ１）は、可変容量ダイオード２１の容量性のために第２のアンテナ１３は電気長が本来の電気長よりも短くなって導波器として動作し、第２のアンテナ１３側に強い放射電界が得られる。また、電圧を上げて行くと（Ｖ２）可変容量ダイオード２１の容量値が減少するために第２のアンテナ１３は電気長が長くなって反射器として動作し、第１のアンテナ１０側に強い放射電界が得られる。第２のアンテナ１３を導波器及び反射器として動作するときのＤ／Ａコンバータ２５の出力電圧Ｖ１、Ｖ２に対応するデータＤ１、Ｄ２は予めメモリ２６に格納しておく。

まず、ＣＰＵ２０は第２のアンテナ１３が導波器となるようにメモリ２６のデータＤ１を選択してＤ／Ａコンバータ２５の出力電圧をＶ１とする。その時の受信電波の電圧（第１の電界強度データ）をＡ／Ｄコンバータ１９を介してＣＰＵ２０に取り込み、メモリ２６に格納する。次に、第２のアンテナ１３が導波器となるようにメモリ２６のデータＤ２を選択してＤ／Ａコンバータ２５の出力電圧をＶ２とする。その時の受信電波の電圧（第２の電界強度データ）をＡ／Ｄコンバータ１９を介してＣＰＵ２０に取り込み、メモリ２６に格納する。ＣＰＵ２０は第１の電界強度データと第２の電界強度データの比較を行い、その比較から第２のアンテナ１３を導波器又は反射器として動作するように設定する（例えば、特許文献１参照。）。

特許第３３９９５４５号公報（第１図、第２図）

従来の可変指向性アンテナ装置は、第１のアンテナ側又は第２のアンテナ側の２方向だけにしか指向性がないので、たえず進行方向が変わる移動体に搭載した場合には満足する電界強度が得られないという欠点がある。

本発明は４方向に指向性を切り替えられる新規な可変指向性アンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明の第一の解決手段として、第１のアンテナと前記第１のアンテナに装荷された第１の容量手段とからなる第１の装荷アンテナと、前記第１のアンテナと離間して配置された第２のアンテナと前記第２のアンテナに装荷された第２の容量手段とからなる第２の装荷アンテナとを備え、前記第２の容量手段の容量値を切り替えることによって前記第２の装荷アンテナの電気長を前記第１の装荷アンテナの電気長よりも長く又は短く又は等しくなるように３段階に切り替えるように構成し、前記第１の装荷アンテナの電気長と前記第２の装荷アンテナの電気長とを等しくしたときに前記第１の装荷アンテナで受信した信号と前記第２の装荷アンテナで受信した信号とを合成した。

また、第２の解決手段として、前記第１の容量手段には前記第１のアンテナに接続された第１の可変容量ダイオードを設けると共に、前記第１の可変容量ダイオードと接地間に介挿された第１の容量素子を設け、前記第２の容量手段には前記第２のアンテナに接続された第２の可変容量ダイオードを設けると共に、前記第２の可変容量ダイオードと接地間に介挿された第２、第３及び第４の容量素子を設け、前記第２、第３及び第４の容量素子を、前記第２及び又は第３及び又は第４の容量素子の合成容量値が前記第１の容量素子の容量値に対し小さく又は大きく又は同一になることを可能にするような構成とし、前記第１の可変容量ダイオードと前記第２の可変容量ダイオードとにこれらの容量値を変えるための同一の電圧を印加した。

また、第３の解決手段として、前記第３の容量素子は、第１の開閉手段を介して前記第２の容量素子に並列接続されており、前記第４の容量素子は、第２の開閉手段を介して前記第２の容量素子に並列接続されていると共に、前記第２の容量素子と前記第３の容量素子との各容量値の和を前記第１の容量素子の容量値と等しくし、前記第１及び第２の開閉手段を共にオン、又は共にオフ、又は前記第１の開閉手段をオンとすると共に前記第２の開閉手段をオフとした。

また、第４の解決手段として、出力端が受信回路に結合された切替手段と、出力端と二つの入力端とを有する合成手段と、前記第１の装荷アンテナと前記合成手段の一方の入力端との間に接続された第３の開閉手段とを設け、前記合成手段の他方の入力端を前記第２の装荷アンテナに結合し、前記第１及び第２の開閉手段を共にオン又はオフにしたときに前記第３の開閉手段をオフにすると共に、前記切替手段の出力端を前記第１の装荷アンテナに結合し、前記第１の開閉手段をオンとすると共に前記第２の開閉手段をオフとしたときに前記第３の開閉手段をオンとすると共に、前記切替手段の出力端を前記合成手段の出力端に結合した。

また、第５の解決手段として、少なくとも前記第１の装荷アンテナをＵＨＦ帯域に共振させた。

第１の解決手段によれば、第１の容量手段を有する第１の装荷アンテナと、第２の容量手段を有する第２の容量手段とからなる第２の装荷アンテナとを備え、第２の容量手段の容量値を切り替えることによって第２の装荷アンテナの電気長を第１の装荷アンテナの電気長よりも長く又は短く又は等しくなるように３段階に切り替えるように構成し、第１の装荷アンテナの電気長と第２の装荷アンテナの電気長とを等しくしたときに第１の装荷アンテナで受信した信号と第２の装荷アンテナで受信した信号とを合成したので、第２の装荷アンテナの電気長を第１の装荷アンテナの電気長よりも短くするか長くすることによって、導波器又は反射器として動作させ、第２のアンテナ側又は第１のアンテナ側に強い放射電界が得られる。電気長を等しくすれば、二つのアンテナの並び方向に直角な方向に強い放射電界が得られる。よって、４方向に向いた放射電界がえられるので、移動体受信機に好適なアンテナ装置とすることができる。

また、第２の解決手段によれば、前記第１の容量手段には前記第１のアンテナに接続された第１の可変容量ダイオードを設けると共に、前記第１の可変容量ダイオードと接地間に介挿された第１の容量素子を設け、前記第２の容量手段には前記第２のアンテナに接続された第２の可変容量ダイオードを設けると共に、前記第２の可変容量ダイオードと接地間に介挿された第２、第３及び第４の容量素子を設け、前記第２、第３及び第４の容量素子を、前記第２及び又は第３及び又は第４の容量素子の合成容量値が前記第１の容量素子の容量値に対し小さく又は大きく又は同一になることを可能にするような構成とし、前記第１の可変容量ダイオードと前記第２の可変容量ダイオードとにこれらの容量値を変えるための同一の電圧を印加したので、各装荷アンテナの共振周波数を連続して可変することでテレビジョン放送のように広帯域に跨る信号を受信できる。

また、第３の解決手段によれば、前記第３の容量素子は、第１の開閉手段を介して前記第２の容量素子に並列接続されており、前記第４の容量素子は、第２の開閉手段を介して前記第２の容量素子に並列接続されていると共に、前記第２の容量素子と前記第３の容量素子との各容量値の和を前記第１の容量素子の容量値と等しくし、前記第１及び第２の開閉手段を共にオン、又は共にオフ、又は前記第１の開閉手段をオンとすると共に前記第２の開閉手段をオフとしたので、第２の装荷アンテナの電気長を第１の装荷アンテナの電気長よりも短く又は長く又は等しくすることができる。

また、第４の解決手段によれば、出力端が受信回路に結合された切替手段と、出力端と二つの入力端とを有する合成手段と、第１の装荷アンテナと合成手段の一方の入力端との間に接続された第３の開閉手段とを設け、合成手段の他方の入力端を第２の装荷アンテナに結合し、第１及び第２の開閉手段を共にオン又はオフにしたときに第３の開閉手段をオフにすると共に、切替手段の出力端を第１の装荷アンテナに結合し、第１の開閉手段をオンとすると共に第２の開閉手段をオフとしたときに第３の開閉手段をオンとすると共に、切替手段の出力端を合成手段の出力端に結合したので、受信回路には常に大きな電界強度の信号を入力できる。

また、第５の解決手段によれば、少なくとも前記第１の装荷アンテナをＵＨＦ帯域に共振させたので、テレビジョン信号の受信に好適なアンテナ装置が得られる。

図１及び図２を参照して本発明の可変指向性アンテナ装置を説明する。第１の装荷アンテナ３０は、第１のアンテナ３１と、第１のアンテナ３１に装荷された第１の容量手段３２とから構成される。第１の容量手段３２は第１のアンテナ３１の一端と接地間に接続され、第１のアンテナの３１の一端にアノードが接続された第１の可変容量ダイオード３２ａと、そのカソードと接地間に接続された第１の容量素子３２ｂとからなる。第１の可変容量ダイオード３２ａのアノードは抵抗３３によって直流的に接地される。

また、第２の装荷アンテナ４０は、第１のアンテナ３１と離間して配置された第２のアンテナ４１と、第２のアンテナ４１に装荷された第２の容量手段４２とから構成される。第２の容量手段４２は第２のアンテナ４１の一端と接地間に接続され、第２のアンテナの４１の一端にアノードが接続された第２の可変容量ダイオード４２ａと、そのカソードと接地間に接続された第２の容量素子４２ｂと、第１の開閉手段４２ｃを介して第２の容量素子４２ｂに並列接続された第３の容量素子４２ｄと、第２の開閉手段４２ｅを介して第２の容量素子４２ｂに並列接続された第４の容量素子４２ｆとからなる。第２の可変容量素子４２ａのアノードは抵抗４３よって直流的に接地される。

第１の可変容量ダイオード３２ａのカソードと第１の容量素子３２ｂとの接続点は、切替手段５０の一方の入力端に結合されると共に、第３の開閉手段５１を介して合成手段５２の一方の入力端に結合される。また、第２の可変容量ダイオード４２ａのカソードと第２の容量素子４２ｂとの接続点は合成手段５２の他方の入力端に結合される。合成手段５２の出力端は切替手段５０の他方の入力端に接続される。そして、切替手段５０の出力端が受信回路５３に結合される。受信回路５３は、例えばＵＨＦチューナ等で構成される。

第１の装荷アンテナ３０と第２の装荷アンテナ４０において、第１のアンテナ３１と第２のアンテナ４１とは同じ電気長を有し、第２の容量素子４２ｂの容量値と第３の容量素子４２ｄの容量値との和は第１の容量素子３２ｂの容量値と等しい。また、第１の可変容量ダイオード３２ａと第２の可変容量ダイオード４２ａとは同じ特性を有する。そして、第１の可変容量ダイオード３２ａのカソードと第２の可変容量ダイオード４２ａのカソードには同じ値の同調電圧Ｖｔが印加される。この同調電圧は変えられるようになっている。

図２は第１のアンテナ３１及び第２のアンテナ４１の軸方向に対して直角となる面での第１の装荷アンテナ３０と第２の装荷アンテナ４０による放射電界強度の指向性を示し、図中、Ｍ及びＳはそれぞれ第１のアンテナ３１と第２のアンテナ４１の位置を示す。

ここで、第１の開閉手段４２ｃと第２の開閉手段４２ｅとが共にオフ（オープン）であれば、第２の装荷アンテナ４０の共振周波数は第１の装荷アンテナ３０の共振周波数よりも高くなり、第２の装荷アンテナ４０の電気長は第１の装荷アンテナ３０の電気長よりも短くなる。よって、第２の装荷アンテナ４０は導波器として作用し、放射電界強度は図２Ｃに示すように、第２のアンテナ４１側（Ｓ側）が大きくなる。この場合は、第３の開閉手段５１はオフとされ、切替手段５０の出力端は一方の入力端（第１の装荷アンテナ３０側）に切り替えられる。

また、第１の開閉手段４２ｃと第２の開閉手段４２ｅとが共にオン（ショート）であれば、第２の装荷アンテナ４０の共振周波数は第１の装荷アンテナ３０の共振周波数よりも低くなり、第２の装荷アンテナ４０の電気長は第１の装荷アンテナ３０の電気長よりも長くなる。よって、第２の装荷アンテナ４０は反射器として作用し、放射電界強度は図２Ｂに示すように、第１のアンテナ３１側（Ｍ側）が大きくなる。この場合も、第３の開閉手段５１はオフとされ、切替手段５０の出力端は一方の入力端（第１の装荷アンテナ３０側）に切り替えられる。

さらに、第１の開閉手段４２ｃがオン、第２の開閉手段４２ｅがオフであれば、第１の装荷アンテナ３０と第２の装荷アンテナ４０は同じ共振周波数となる。よって第２の装荷アンテナ４０の電気長は第１の装荷アンテナ３０の電気長と等しくなる。この場合は、第１の装荷アンテナ３０で受信した信号と第２の装荷アンテナ４０で受信した信号とを合成することで、第１のアンテナ３１側の放射電界と第２のアンテナ４１側の放射電界とが抑圧され、図２Ａに示すように、第１のアンテナ３１の位置と第２のアンテナ４１の位置とを結ぶ線に直角となる方向に放射電界強度が大きくなる。従って、この場合は、第３の開閉手段５１はオンとし、切替手段５０の出力端は他方の入力端（合成手段５２側）に切り替えられる。

従って、４方向に指向性を有するように切り替えられるので、移動体に搭載することでテレビジョン信号等の受信に好適なアンテナ装置が実現できる。

また、第１の装荷アンテナ３０と第２の装荷アンテナ４０とにそれぞれ第１の可変容量ダイオード３２ａ、第２の可変容量ダイオード４２ａを備えているので、同調電圧を変化することによって各装荷アンテナ３０、４０の共振周波数が連動して変化する。従って、受信周波数を変えても、図２の放射電界強度のパターンをそのまま維持できる。

図３は第１乃至第３の開閉手段４２ｃ、４２ｅ、５１と切替手段５０の開閉、切替を自動的に制御するための制御回路の構成を示す。この制御回路は図示の如く、検波回路６１、Ａ／Ｄ変換器６２、テンポラリレジスタ６３、ＣＰＵ６４、ＭＡＸデータレジスタ６５、データ切替スイッチ６６、アンテナ制御回路６７等を有する。ＣＰＵ６４は比較手段を有する。また、アンテナ制御回路６７はＣＰＵ６４からのデータによって第１乃至第３の開閉手段４２ｃ、４２ｅ、５１及び切替手段５０を制御する。

以下の制御方法の説明においては、第２の装荷アンテナ３０の共振周波数が第１の装荷アンテナ４０の共振周波数に等しい場合をＡモード、第１装荷アンテナ３０の共振周波数よりも低い場合（第２の装荷アンテナ４０が反射器となる場合）をＢモード、第１の装荷アンテナ３０の共振周波数よりも高い場合（導波器となる場合）をＣモードとする。

まず、ＣＰＵ６４は受信回路５３（図１参照）内の増幅器（図示せず）に与えられているＡＧＣ電圧を一定値に設定すると共に、テンポラリレジスタ６３とＭＡＸデータレジスタ６５とをクリアする。そして、ＣＰＵ６４は最初にＡモードに設定すべくそのためのデータをアンテナ制御回路６７に出力し、これによって第１乃至第３の開閉手段４２ｃ、４２ｅ、５１がオンし、切替手段５０の出力端が一方の入力端（第１の装荷アンテナ３０側）に切り替えられる。

Ａモードでの受信信号は検波回路６１によって検波され、Ａ／Ｄ変換器６２によってデジタル変換されて受信強度データとしてテンポラリレジスタ６３に格納される。テンポラリレジスタ６３に格納された受信強度データはＭＡＸデータレジスタ６５のデータと比較されるが、この時点ではＭＡＸデータレジスタ６５はクリアされているので、当然テンポラリレジスタの受信強度データが大きい。そこで、ＣＰＵ６４はデータ切替スイッチ６６を閉じてテンポラリレジスタ６３の受信強度データをＭＡＸデータレジスタに転送する。

次に、ＣＰＵ６４がＢモードに切り換えると、第１及び第２の開閉手段４２ｃ、４２ｅがオン、第３の開閉手段５１がオフとなり、切替手段５０は出力端が他方の入力端（合成手段５２側）に切り替えられる。同様にして、Ｂモードにおける受信強度データはテンポラリレジスタ６３に格納され、ＭＡＸデータレジスタ６５のデータ（これは、Ａモードの受信強度データである）と比較され。その結果大きいと判断された受信強度データがＭＡＸデータレジスタ６５に格納される。

同様にして、次のＣモードの受信強度データが比較され、大きい方のデータがＭＡＸデータレジスタに格納される。そして、最終的にＭＡＸデータレジスタ６３に格納されたデータが最大値であるので、ＣＰＵ６４はそのデータに対応するモードの切替データをアンテナ制御回路６７に出力し、これによって開閉手段４２ｃ、４２ｅ、５１の開閉と切替手段５０の切替が制御される。以上説明した手順が繰り返されることで、可変指向性アンテナ装置は常に最良の受信状態を維持できる。

本発明の可変指向性アンテナ装置の構成を示す回路図である。本発明の可変指向性アンテナ装置の放射電界指向特性図である。本発明の可変指向性アンテナ装置を制御するための制御回路図である。従来の可変指向性アンテナ装置の構成を示す回路図である。従来の可変指向性アンテナ装置に装荷される可変インピーダンス回路図である。

符号の説明

３０：第１の装荷アンテナ
３１：第１のアンテナ
３２：第１の容量手段
３２ａ：第１の可変容量ダイオード
３２ｂ：第１の容量素子
３３：抵抗
４０：第２の装荷アンテナ
４１：第２のアンテナ
４２：第２の容量手段
４２ａ：第２の可変容量ダイオード
４２ｂ：第２の容量素子
４２ｃ：第１の開閉手段
４２ｄ：第３の容量素子
４２ｅ：第２の開閉手段
４２ｆ：第４の容量素子
４３：抵抗
５０：切替手段
５１：第３の開閉手段
５２：合成手段
５３：受信回路
６１：検波回路
６２：Ａ／Ｄ変換器
６３：テンポラリレジスタ
６４：ＣＰＵ
６５：ＭＡＸデータレジスタ
６６：データ切替スイッチ
６７：アンテナ制御回路

Claims

第１のアンテナと前記第１のアンテナに装荷された第１の容量手段とからなる第１の装荷アンテナと、前記第１のアンテナと離間して配置された第２のアンテナと前記第２のアンテナに装荷された第２の容量手段とからなる第２の装荷アンテナとを備え、前記第２の容量手段の容量値を切り替えることによって前記第２の装荷アンテナの電気長を前記第１の装荷アンテナの電気長よりも長く又は短く又は等しくなるように３段階に切り替えるように構成し、前記第１の装荷アンテナの電気長と前記第２の装荷アンテナの電気長とを等しくしたときに前記第１の装荷アンテナで受信した信号と前記第２の装荷アンテナで受信した信号とを合成して出力したことを特徴とする可変指向性アンテナ装置。
前記第１の容量手段には前記第１のアンテナに接続された第１の可変容量ダイオードを設けると共に、前記第１の可変容量ダイオードと接地間に介挿された第１の容量素子を設け、前記第２の容量手段には前記第２のアンテナに接続された第２の可変容量ダイオードを設けると共に、前記第２の可変容量ダイオードと接地間に介挿された第２、第３及び第４の容量素子を設け、前記第２、第３及び第４の容量素子を、前記第２及び又は第３及び又は第４の容量素子の合成容量値が前記第１の容量素子の容量値に対し小さく又は大きく又は同一になることを可能にするような構成とし、前記第１の可変容量ダイオードと前記第２の可変容量ダイオードとにこれらの容量値を変えるための同一の電圧を印加したことを特徴とする請求項１に記載の可変指向性アンテナ装置。
前記第３の容量素子は、第１の開閉手段を介して前記第２の容量素子に並列接続されており、前記第４の容量素子は、第２の開閉手段を介して前記第２の容量素子に並列接続されていると共に、前記第２の容量素子と前記第３の容量素子との各容量値の和を前記第１の容量素子の容量値と等しくし、前記第１及び第２の開閉手段を共にオン、又は共にオフ、又は前記第１の開閉手段をオンとすると共に前記第２の開閉手段をオフとしたことを特徴とする請求項２に記載の可変指向性アンテナ装置。
出力端が受信回路に結合された切替手段と、出力端と二つの入力端とを有する合成手段と、前記第１の装荷アンテナと前記合成手段の一方の入力端との間に接続された第３の開閉手段とを設け、前記合成手段の他方の入力端を前記第２の装荷アンテナに結合し、前記第１及び第２の開閉手段を共にオン又はオフにしたときに前記第３の開閉手段をオフにすると共に、前記切替手段の出力端を前記第１の装荷アンテナに結合し、前記第１の開閉手段をオンとすると共に前記第２の開閉手段をオフとしたときに前記第３の開閉手段をオンとすると共に、前記切替手段の出力端を前記合成手段の出力端に結合したことを特徴とする請求項３に記載の可変指向性アンテナ装置。
少なくとも前記第１の装荷アンテナをＵＨＦ帯域に共振させたことを特徴とする請求項２乃至４に記載の可変指向性アンテナ装置。