JP4235251B2 - 偏波切換・指向性可変アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波・ミリ波帯における無線通信において、円偏波の旋回方向、および放射指向性の最大利得方向を切り換えて通信することにより、高品質な無線通信を行うことに適したアンテナに関する。

近年、室内無線ＬＡＮ等に代表される室内など閉じた空間における高速大容量通信の需要が高まっている。室内のような閉空間では、アンテナ間の見通し（Ｌｉｎｅ−ｏｆ−Ｓｉｇｈｔ）の直接波に加えて、壁や天井などからの反射による遅延波が存在し、マルチパス伝搬の環境となる。このマルチパス伝搬が、通信の品質を劣化させる要因となっている。

マルチパス伝搬環境下での、遅延波による通信品質の劣化の抑制に、放射指向性の最大利得方向の切り換えが可能なアンテナを用いる方法がある。これは、アンテナの最大利得方向を切り換え、最適な状態を選んで送受信することにより、通信の品質を高める方法である。

一方、マルチパス伝搬環境下での、遅延波による通信品質の劣化の抑制に、円偏波アンテナを用いる方法がある。円偏波とは、時間と共に電界ベクトルの向きが回転して進行する電磁波のことであり、場所を固定して進行方向を見た時、電界ベクトルが右回りに回転する円偏波を右旋円偏波、左回りに回転する円偏波を左旋円偏波という。

通常、完全な円偏波を発生させることは困難であり、逆旋回の偏波成分と合成されて、楕円偏波となる。この楕円の長軸と短軸の比を軸比と呼び、円偏波の特性を表す指標となっている。軸比が小さいほど円偏波特性は良好であると言える。通常の円偏波アンテナの場合、軸比は３ｄＢ以下の値を取る。

右旋円偏波を送受信するよう設計されたアンテナは、左旋円偏波を送受信できない。同様に、左旋円偏波を送受信するよう設計されたアンテナは、右旋円偏波を送受信できない。一般に、壁などの障害物に入射した円偏波は逆旋回の円偏波となって反射する。つまり、右旋円偏波が一回反射すると、左旋円偏波になり、さらにもう一度反射すると右旋円偏波になる。このため、室内通信に円偏波を用いることにより、一回反射によるマルチパス成分を抑圧することができる。

円偏波の送受信が可能な平面アンテナとしては、例えば非特許文献１に記載されているものがよく知られている。図１５（ａ）は一般的な直線偏波のアンテナを、図１５（ｂ）、（ｃ）は、非特許文献１に記載の一般的な円偏波アンテナの構造を示す概略図である。円偏波を発生させるためには、直交する偏波面を持ち、かつ位相が９０°ずれた二つの直線偏波成分が必要であるが、通常用いられる図１５（ａ）に示すような、放射導体板の重心３２と給電点を通る直線に線対称な形状の放射導体板３１では、上記直線の方向に電流が振動する共振のみが生じ、この振動方向に偏波面を持った直線偏波となる。

上記の線対称な形状の放射導体板３１から、円偏波を発生させるためには、上記の共振を二つの直交する共振に分離する必要がある。上記の共振を分離するためには、例えば図１５（ｂ）、（ｃ）のように、放射導体板３１の構造の対称性を崩してやればよい。このとき、対称性を崩す位置によって、図１５（ｂ）では左旋円偏波が、図１５（ｃ）では右旋円偏波が、それぞれ励振される。

しかしながら、ラップトップの内蔵アンテナやモバイル機器用のアンテナとしては、図１５（ｂ）、（ｃ）のような円偏波アンテナは不適であった。上記のような移動体の端末では、端末の位置や向きが大きく変化するため、旋回方向が固定された円偏波アンテナでは向きを反転したときなどに送受信できない。そのため、移動体端末における高品質・高効率な通信が可能なアンテナとして、円偏波の旋回方向の制御が実現できるアンテナが求められている。

また、上記の二つのマルチパス除去に有効な機能、「放射指向性の最大利得方向の切り換え機能」と、「円偏波の旋回方向の切り換え機能」を同時に実現すれば、さらなる高品質・高効率な通信が可能である。

従来、上記の二つの機能、「円偏波の旋回方向の切り換え」と、「放射指向性の最大利得方向の切り換え」を同時に実現するアンテナとしては、円偏波の切り換え可能なアンテナをアレー素子として、フェーズドアレーアンテナを実現するものがあった（特許文献１参照）。図１６（ａ）は、前記特許文献１に記載された従来の円偏波切換型・フェーズドアレーアンテナの１ユニットの構成を示すブロック図、図１６（ｂ）は円偏波切換型・フェーズドアレーアンテナの全体構成を示すブロック図である。

図１６（ａ）に示すように、従来の円偏波切換型・フェーズドアレーアンテナでは、アンテナの１ユニットごとにおいて、外部信号ｓ４１、ｓ４２の制御により、円偏波の旋回方向の切り換えを、また外部信号ｓ４３、ｓ４４、ｓ４５の制御により、アンテナの放射位相の切り換えを行っている。この１ユニットを、図１６（ｂ）のように多素子化し、外部制御装置を用いてすべての外部信号を制御することにより、フェーズドアレーアンテナ全体としての円偏波の旋回方向と、放射指向性の最大利得方向の切り換えを同時に実現している。
特開２０００−２２３９２７号公報 特開平９−３０７３５０号公報 Ｒａｍａｓｈ Ｇａｒｇ他著、「Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ａｎｔｅｎｎａ Ｄｅｓｉｇｎ Ｈａｎｄｂｏｏｋ」、Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ 刊、ｐ．４９３−５１５

しかしながら、前記従来の構成のアンテナでは、複数の移相器が必要で構成や制御が複雑である、複数の給電線の切り換えが必要であり切換素子の挿入損失が大きい、などの問題から、小型の機器や端末のアンテナとして用いるのには不適であるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、移相器をひとつも使用せず、また給電線が単一で切り換えの必要がない構成において、アンテナの放射指向性の最大利得方向の切り換えと、最大利得方向において良好な軸比特性を持った円偏波の旋回方向の切り換えを、同時に実現するアンテナを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は偏波切換・指向性可変アンテナであって、
誘電体基板１１と、
前記誘電体基板１１の一つの面に形成された接地導体板１２と、
前記接地導体板内に設けられた少なくとも一つの放射素子１３と、
前記放射素子への給電部１４と、
前記誘電体基板１１の前記接地導体板側に設けられた少なくとも一つの指向性切換素子１５と、
前記誘電体基板１１の前記接地導体板側に設けられた少なくとも二つの偏波切換素子１６と
を有し、
前記少なくとも一つの放射素子１３は、
前記接地導体板をループ状に除去して形成された第一のスロット１７ａを有し、
前記第一のスロット１７ａは、一周の長さが動作周波数において一実効波長に対応し、
前記第一のスロット１７ａに囲まれている内部導体の重心２１と前記給電部１４が前記放射素子１３に接する点である給電点２２とを通る直線に対して線対称な形状を有し、
前記少なくとも一つの指向性切換素子１５は、
前記接地導体板をループ状に除去して形成された第二のスロット１７ｂ、および
前記第二のスロット１７ｂに囲まれている内部導体２０と前記第二のスロットを取り囲む前記接地導体板との間に接続された少なくとも二つの指向性切換スイッチ１８と
を有し、
前記第二のスロット１７ｂは、前記第一のスロット１７ａの共振周波数と概等しい周波数において共振し、
前記第二のスロット１７ｂは、一周の長さが動作周波数において一実効波長に対応し、
前記少なくとも二つの指向性切換スイッチ１８をいずれも導通させることによって、前記第二のスロットを高周波的に複数のスロットに分割した際に、前記少なくとも二つの指向性切換スイッチ１８を両端とする分割されたスロットの長さが、半実効波長未満、もしくは半実効波長より大きく１実効波長未満となる位置に、前記各指向性切換スイッチ１８が設けられ、
前記少なくとも二つの偏波切換素子１６は、それぞれ、
前記第一のスロット１７ａを取り囲む接地導体板を、前記第一のスロットと連続するように線状に除去して形成された第三のスロット１７ｃ、および
前記第三のスロット１７ｃを横断するように、前記第三のスロット１７ｃを取り囲む前記接地導体板に接続された、少なくとも一つの偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄと
を有し、
前記偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄを開放した際に、前記第一のスロット１７ａと結合する前記第三のスロット１７ｃの面積の合計をΔｓ、前記第一のスロットのスロット部の面積をｓ、前記第一のスロットの無負荷ＱをＱ０としたとき、円偏波指標Ｑ０（Δｓ／ｓ）が２．２以上、４．０以下の値をとり、
前記第一のスロットの重心と前記給電点を通る直線と、前記第一のスロットの重心と前記第一のスロットから前記第三のスロットが分岐している点を通る直線の間の角度をξとするとき、
前記少なくとも二つの偏波切換素子の内、一つの第三のスロットが、ξが０°より大きく９０°未満の範囲、もしくは１８０°より大きく２７０°未満の範囲のどちらかに設けられ、
前記少なくとも二つの偏波切換素子の内、他の第三のスロットが、ξが９０°より大きく１８０°未満の範囲、もしくは２７０°より大きく、３６０°未満の範囲のどちらかに設けられ、
前記第二のスロットが、第三のスロットを介して第一のスロットと連続している
という構成によって、最大利得方向の切り換えと、最大利得方向において円偏波の旋回方向の切り換えを同時に実現できる。

また、前記円偏波指標Ｑ０が、２．７以上、３．２以下であればさらに好ましい。上記
条件によって、さらに良好な円偏波特性を得ることができる。

また、前記少なくとも二つの偏波切換素子が有する、すべての第三のスロットに、前記指向性切換素子が有する第二のスロットが連続していてもよい。本構成によって、放射指向性の最大利得方向を、複数の方向に変化させることが可能となる。

本発明の偏波切換・指向性可変アンテナによれば、移相器を全く使用しない簡易な構成でありながら、放射指向性の最大利得方向の切り換えと、最大利得方向において良好な軸比特性を持った円偏波の旋回方向の切り換えを実現することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施形態１）
まず、本発明の実施形態１を示す図１（ａ）から図１（ｃ）を参照する。図１（ａ）は誘電体基板１１の第一の面（以下、表面）の透視図であり、図１(ｂ)は誘電体基板１１における第一の面と対向する第二の面（以下、裏面）の透視図である。図１(ｃ)は、図１（ａ）のＡ１-Ａ２線断面図である。

図１に示すように、本実施形態のアンテナは、誘電体基板１１の表面上に接地導体板１２を有している。接地導体板１２内には、ループ状の第一のスロット１７ａ、ループ状の第二のスロット１７ｂおよび線状の第三のスロット１７ｃが設けられている。スロット１７ｂには少なくとも二つの指向性切換スイッチ１８が設けられ、スロット１７ｃには少なくとも一つの偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄが設けられている。誘電体基板１１の裏面には給電部１４が設けられている。指向性切換スイッチ１８の制御により、最大利得方向の切り換えを実現し、偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄの制御により、円偏波の旋回方向の切り換えを実現できる。

本実施形態の構成は、移相器を全く使用しない簡易な構成であり、また単一の給電線によって動作可能であるため、複数の給電線を切り換えるために必要な切換素子の挿入損失を回避できる。

図２に、本発明の実施形態１のアンテナの、基板第1の面の斜視図を示す。本実施形態１のアンテナでは、図２に示したようにφ軸とθ軸を定義する。以下、本明細書においては、この座標系に従って放射指向性を示す。

ここで、本発明の本実施形態１の、偏波切換・指向性可変アンテナの、円偏波の切り換えと、放射指向性の最大利得の切り換えの原理について詳細に述べる。

（円偏波切り換え）
まず、円偏波の切り換えの原理について述べる。円偏波の切り換えは偏波切換素子１６により行われる。以下、偏波切換素子について述べる。偏波切換素子１６は接地導体板１２内に少なくとも二つ形成され、各々が線状の第三のスロット１７ｃと、偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄからなる。第三のスロット１７ｃは、ループ状の第一のスロット１７ａより分岐して形成されており、偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄの導通と開放を制御することにより、放射素子１３を形成する第一のスロット１７ａの対称性を崩し、共振を分離している。

図３に本発明の実施形態１の、放射素子１３および偏波切換素子１６の拡大図を示す。第三のスロット１７ｃは、ループ状の第一のスロット１７ａ（図３の斜線部）と連続するように、接地導体板１２を線状に除去して形成される。このとき平面透過図において、第一のスロット１７ａの内部導体の重心２１と給電部１４が放射素子１３に接する点である給電点２２の２点を通る直線と、内部導体の重心２１と第一のスロット１７ａから第三のスロット１７ｃが分岐している分岐点２３の２点を通る直線の間の角度をξとするとき、少なくとも二つの偏波切換素子１６の内、一つの第三のスロット１７ｃが、ξが０°より大きく９０°未満の範囲、もしくは１８０°より大きく２７０°未満の範囲のどちらかに設けられ、少なくとも二つの偏波切換素子１６の内、他の第三のスロットが、ξが９０°より大きく１８０°未満の範囲、もしくは２７０°より大きく、３６０°未満の範囲のどちらかに設けられる。

第三のスロット１７ｃが、ξが０°、９０°、１８０°、２７０°の位置に設けられた場合、放射素子１３の対称性は崩れず、円偏波を発生させる効果が得られない。したがって、第三のスロット１７ｃは、ξが０°、９０°、１８０°、２７０°以外の位置に設けられなければならない。なお、上記ξは、好ましくは４５°、１３５°、２２５°、３１５°である。

また、少なくとも二つの偏波切換素子１６の内、すべての第三のスロット１７ｃが、ξが０°より大きく９０°未満、および１８０°より大きく２７０°未満の対向する二つの範囲のみに設けられている場合、偏波切換スイッチ1９を切り換えても、旋回方向が同一の方向になってしまい、偏波の切り換え効果が得られない。したがって、偏波切り換えの機能を得るためには、少なくとも二つの偏波切換素子１６の内、一つの第三のスロット１７ｃは、ξが０°より大きく９０°未満の範囲、もしくは１８０°より大きく２７０°未満の範囲のどちらかに設けられ、また少なくとも二つの偏波切換素子１６の内、他の第三のスロット１７ｃは、ξが９０°より大きく１８０°未満の範囲、もしくは２７０°より大きく、３６０°未満の範囲のどちらかに設けられていなければならない。

なお、放射素子１３を形成する第一のスロット１７ａが、第一のスロットの内部導体の重心２１と給電点２２を通る直線に線対称でない場合には、偏波切換素子１６を設けなくても、すでに放射素子１３の対称性が崩れてしまっている。この場合、すでにどちらかの旋回方向の円偏波（楕円偏波）となっており、偏波切換素子１６を設置することによって旋回方向を切り換えることは困難である。したがって、第一のスロット１７ａは、内部導体の重心２１と給電点２２を通る直線に線対称である必要がある。

偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄは、第三のスロット１７ｃを取り囲む接地導体板１２間を、第三のスロット１７ｃを横断するように接続されている。この偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄのうち少なくとも一つを開放させることにより、円偏波を発生させることができる。このとき開放させる偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄの位置を切り換えることにより、円偏波の旋回方向の切り換えを実現できる。表１に、図１のアンテナにおいて、偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄを切り換えたときの、本実施形態1の各動作状態での円偏波の旋回方向を示す。

表１のように、偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄのうち、いずれかひとつを選択して導通させることによって、円偏波の旋回方向を切り換えることが可能である。同様に、偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄのうち、対角線上の二つのスイッチ（１９ａと１９ｃ、または１９ｂと１９ｄ）のいずれか一組を選択して導通させた場合にも、円偏波の旋回方向を切り換えることができる。さらに、偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄのうち、三つを選択して導通させた場合にも円偏波の旋回方向を切り換えることができる。

なお、隣り合った二つのスイッチ（例えば１９ａと１９ｂ）のみを導通した場合、および偏波切換スイッチをすべて導通、またはすべて開放にした場合には、アンテナから直線偏波を得ることができる。

本実施形態１のアンテナでは、接地導体板１２内に設けられた第三のスロット１７ｃにより、円偏波を発生させている。このとき、第一のスロット１７ａのスロット部の面積ｓ（図３の斜線部）と、偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄを開放した際に、第一のスロット１７ａと結合する第三のスロット１７ｃの面積Δｓ（図３の縦線部）の二つのパラメータにより決定される摂動量をΔｓ／ｓ、放射素子１３の無負荷ＱをＱ０とすると、放射素子１３の円偏波の軸比は、摂動量と無負荷Ｑの積で定義される 円偏波指標 Ｑ０（Δｓ／ｓ）に依存する。

Ｑ０は、誘電体基板１１の誘電率、放射素子１３の第一のスロット１７ａの幅などにより決定される値であり、Ｑ０に対して、Δｓを最適な値となるように第三のスロット１７ｃの長さ、幅を決定することにより、良好な軸比を持った円偏波アンテナを実現できる。

表２は、本実施形態１のアンテナにおいて、放射素子１３のＱ０を４．５８、５．５５、７．６２としたときの、円偏波指標に対する円偏波の軸比の値をまとめた表である。

表２では、誘電体基板１１の誘電率を一定として、放射素子１３の第一のスロット１７ａの幅を変えることにより、放射素子１３のＱ０を、４．５８、５．５５、７．６２と変化させた。また図４は、表２の放射素子１３のＱ０を４．５８、５．５５、７．６２としたときの、円偏波指標に対する円偏波の軸比の値をまとめた図である。図４では、横軸が円偏波指標の値を、縦軸が本実施形態１のアンテナの円偏波の軸比を示している。表２および図４より、本実施形態１のアンテナでは、円偏波指標が２．２以上、４．０以下の範囲になるように設計すれば、三つの条件ともに軸比が３ｄＢ以下を達成できる。また、円偏波指標を、２．７以上、３．２以下の範囲になるように設計することにより、軸比が１ｄＢ以下となり、さらに良好な軸比特性を持った円偏波が得られる。

なお、少なくとも２つの偏波切換素子の第三のスロット１７ｃの各スロットにおいて、その面積Δｓが異なった場合でも、それぞれのΔｓの値が、上記の範囲であれば問題なく使用できる。

（放射指向性の最大利得方向の切り換え）
次に、本実施形態１のアンテナの最大利得方向の切り換え原理について述べる。最大利得方向の切り換えは、指向性切換素子１５により行なわれる。指向性切換素子１５は、ループ状の第二のスロット１７ｂと指向性切換スイッチ１８からなる。

第二のスロット１７ｂは、放射素子１３の第一のスロット１７ａの共振周波数と概等しい周波数において共振し、一周の長さが一実効波長に相当している。このとき、第二のスロット１７ｂは無給電のアンテナ素子（以下、無給電素子）として機能する。通常、無給電素子は、無給電素子の共振周波数が給電されているアンテナ素子（以下、給電素子）の共振周波数より高い場合には、導波器として作用し、アンテナ全体の指向性利得は、無給電素子が設置されている方向に傾き、また、無給電素子の共振周波数が、給電素子の共振周波数より低い場合には、反射器として作用し、アンテナ全体の指向性利得は、無給電素子が設置されている方向とは反対の方向に傾くことが知られている。本実施形態１では、給電素子である第一のスロット１７ａの隣に、無給電素子として第二のスロット１７ｂを配し、アンテナの最大利得方向を変化させている。

指向性切換スイッチ１８は、第二のスロット１７ｂに囲まれた内部導体２０と、第二のスロット１７ｂを取り囲む接地導体板１２との間を、第二のスロット１７ｂを横断するように少なくとも二つ接続されている。指向性切換スイッチ１８が開放されている場合には、第二のスロット１７ｂは、上記の導波器または反射器の機能を示す。しかし、指向性切換スイッチ１８を導通させることにより、第二のスロット１７ｂは二つ以上のスロットに分割され、上記の導波器または反射器の機能は消滅する。したがって、指向性切換スイッチ１８の導通と開放を制御すれば、最大利得方向を切り換える機能を実現する事が可能である。

ただし、指向性切換スイッチ１８は、指向性切換スイッチ１８を導通させた場合に、第二のスロット１７ｂが第一のスロット１７ａとは共振しない位置に配置されなければならない。指向性切換スイッチ１８を導通させた際に、指向性切換スイッチ１８を両端として分割されたスロットが共振器として作用する場合、このスロット共振器も上記の導波器または反射器と同様の効果を示してしまう。そのため、指向性切換スイッチ１８を導通させ第二のスロット１７ｂを分割しても、導波器または反射器の効果を消去することができない。例えば、指向性切換スイッチ１８が導通した際に、指向性切換スイッチ１８を両端とする分割されたスロットの長さが半実効波長となる場合には、スロットを分割しても、分割されたスロットが半実効波長の共振器となり、指向性切換スイッチ１８の制御による指向性切換の効果が得られない。

したがって、指向性切換スイッチ１８は、指向性切換スイッチ１８が導通した際に、隣接する二つの指向性切換スイッチ１８を両端とする分割された第二のスロット１７ｂの長さが、半実効波長未満、もしくは半実効波長より大きく１実効波長未満となる位置に設けなければならない。これによって、指向性切換スイッチ１８を導通させた場合の、指向性切換スイッチ１８を両端とする分割されたスロットの好ましくない共振効果を消滅させることができる。

通常、円偏波が送受信可能な放射素子１３においても、放射素子１３と共振する無給電素子であれば、どんな形状、大きさであっても、アンテナの最大利得方向を変化させることが可能であるが、最大利得方向が変化した状態において、良好な軸比特性を得ることは困難である。これは無給電素子からの放射電磁波が、放射素子１３から放射されている円偏波の軸比特性を悪化させてしまうからである。

本実施形態１では、無給電素子として一実効波長の長さを持ったループ状のスロット（第二のスロット１７ｂ）を用いている。無給電素子として一実効波長のループ状スロットを用いることにより、この無給電素子のスロットにも、円偏波を励振することが可能となる。

しかしながら、図５（ａ）、（ｂ）のように、無給電素子である第二のスロット１７ｂと偏波切換素子の第三のスロット１７ｃが連続していない場合、給電素子である第一のスロット１７ａに円偏波が励起されたときに、第一のスロット及び第二のスロットを取り囲む接地導体板１２に、図中の点線のように電流が流れる。この電流により、第二のスロットには第一のスロットと逆方向の旋回方向を持った円偏波が励起される。この状態では、アンテナ全体の円偏波の軸比特性は劣化してしまう。

本実施形態１では、図５（ｃ）のように、第二のスロット１７ｂは第三のスロット１７ｃと必ず連続している。本構成では、スロットを取り囲む接地導体板には、図中の点線のように電流が流れ、第二のスロット１７ｂには第一のスロット１７ａと同じ旋回方向を持った円偏波が励起可能である。このように、給電素子である第一のスロット１７ａと無給電素子である第二のスロット１７ｂの両方に、同じ旋回方向を持った円偏波が励振されることによって、良好な軸比を保ったまま、最大利得方向の切り換えが可能となる。

また、第一のスロット１７ａに励起されている円偏波の旋回方向を切り換えたときには、第二のスロット１７ｂに励振されている円偏波の旋回方向も同時に切り換わる。上記のように、給電素子と無給電素子の旋回方向が、同時に切り換わることによって、最大利得方向において良好な軸比特性を保ったまま、円偏波の旋回方向の切り換えが可能となる。

本実施形態１では、放射素子１３が有する第一のスロット１７ａと指向性切換素子１６が有する第二のスロット１７ｂは、一周の長さが一実効波長に対応したループ状のスロットとなっている。通常、ループ状のスロットは、一周の長さがＮ実効波長（Ｎは整数）に対応して共振するが、一実効波長の時に放射指向性の最大利得方向がθ＝０°の方向のみを向くのに対し、一以外のＮ実効波長では、放射指向性は複数の方向に最大利得方向が向く。このように、あらかじめ複数方向に最大利得方向が向いた状態では、無給電素子を用いても、意図した方向に指向性を変化させることは困難である。したがって本実施形態１では、放射素子１３が有する第一のスロット１７ａおよび指向性切換素子１６が有する第二のスロット１７ｂとして、一周の長さが一実効波長に対応したループ状のスロットとを用いる。

（その他）
以下、その他の構成要素について簡単に述べる。本実施形態１における誘電体基板１１としては、通常高周波回路において用いられる基板を用いることができる。例えば、アルミナセラミック等の無機材料、テフロン（登録商標）、エポキシ、ポリイミド等の樹脂系材料が考えられる。これらの材料は、使用する周波数や用途、基板の厚さ、大きさなどに応じて適切に選択すればよい。また、接地導体板１２は良導電性の金属のパターンであり、その材料としては、例えば、銅やアルミニウムなどを挙げることができる。

本実施形態１において、接地導体板１２の大きさは特に規定されないが、指向性切換素子１５の第二のスロット１７ｂに接地導体板１２の端が近接する場合には、第二のスロット１７ｂを取り囲む接地導体板に電流が流れにくくなり、指向性切換の効果が得られにくくなる。これを防ぐためには、第二のスロット１７ｂと接地導体板１２の端の間の距離を、スロット幅と同じ程度かそれ以上開けておけばよい。

本実施形態１の図１では、給電部１４としてマイクロストリップ給電を用いたが、同軸給電など、スロットに給電する通常の方法であれば使用することが可能である。

本実施形態１における、指向性切換スイッチ１８および偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄとしては、通常高周波領域において使用されているＰＩＮダイオードやＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）スイッチなどを用いればよい。

なお、本実施形態１では、放射素子１３の第一のスロット１７ａとして正方形のスロットを、第二のスロット１７ｂとして、正方形のスロットをそれぞれ用いているが、図６に示すように、ループ状であればそれ以外の形状のスロットでも同様の効果は得られる。

また、本実施形態１では、一軸上における最大利得方向の切り換えについて示したが、変化させたい方向の数に応じて、指向性切換素子の数を増加しＮ個（Ｎは自然数）とすれば、Ｎ通りの最大利得方向の切り換えが可能である。

（実施例１）
以下に、本発明の実施例１を示す。本実施例１のアンテナは、図１（ａ）〜（ｃ）に示される構成を有しており、第一のスロット部の拡大図を図３に示す。本実施例１の各構成要素について表３に示す。

このとき、放射素子１３のＱ０は計算により５．５５と求められ、円偏波指標は、約３．１なっている。また、本実施例１では、指向性切換素子を導波器として機能させている。

図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、最大利得方向および円偏波の旋回方向を切り換える場合の、指向性切換スイッチ１８および偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄの制御の一例を示す図である。図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、黒く塗りつぶされているスイッチが導通の状態、塗りつぶされていないスイッチが開放の状態を示している。つまり、図７（ａ）では、図１における指向性切換スイッチ１８と偏波切換スイッチ１９ｂ、１９ｃ、１９ｄが導通、偏波切換スイッチ１９ａが開放となっていることを表している。

図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、指向性切換スイッチ１８と偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄを制御したときの、本実施例１のアンテナの周波数２．５ＧＨｚでの放射指向性をそれぞれ示す。図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ対応しており、φ＝−１３５°面における指向性利得のθ依存性を表している。また、図中の〈Ａ〉は放射指向性の最大利得方向を示している。

図８（ａ）、（ｂ）に〈Ａ〉で示すように、偏波切換スイッチ１９ａを開放、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄを導通の状態において、指向性切換スイッチ１８を制御することにより、φ＝−１３５°面においてアンテナの円偏波の旋回方向を右旋円偏波に保ったまま、放射指向性の最大利得方向を（ａ）は０°の方向、（ｂ）では＋２０°の方向へと切り換えることが出来た。また、図８（ｂ）、（ｃ）中に〈Ａ〉で示すように、指向性切換スイッチ１８を固定し、偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄを、図７（ｂ）と（ｃ）のように制御することにより、最大利得方向を＋２０°に傾けた状態において、円偏波の旋回方向を（ｂ）右旋（ｃ）左旋と切り換えることが出来た。このとき、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の全条件において、最大利得方向での軸比３ｄＢ以下を達成することが出来た。

図９は指向性切換スイッチ１８を制御した時の、本実施例１のアンテナの、放射指向性の最大利得方向における円偏波の軸比の周波数依存性を示している。また、表４は、図９の放射指向性の最大利得方向における円偏波の軸比の周波数依存性をまとめた表である。

表４の軸比（ａ）、軸比（ｂ）および、図９中の（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、図７の（ａ）、（ｂ）の状態に対応している。図９および表４より、円偏波において放射指向性の最大利得方向を切り換えた時に、周波数２．４０〜２．５２ＧＨｚ、比帯域４．８８％と、非常に広帯域に軸比３ｄＢ以下を達成することが出来た。

表５は、本実施例１における指向性切換スイッチ１８および偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄを切り換えた時の、円偏波の旋回方向および最大利得方向をまとめた表である。

表５のように、指向性切換スイッチ１８と偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄを制御することにより、円偏波の旋回方向の切り換えと、最大利得方向の多方向への切り換えが同時に可能となる。

したがって、以上のような構成をとることにより、最大利得方向の切り換えと、最大利得方向において円偏波の旋回方向を切り換えることが可能なアンテナを実現することが出来た。

（実施形態２）
以下、本発明の実施形態２における偏波切換・指向性可変アンテナについて、図面を参照しながら説明する。図１０は、本発明の実施形態２における基板第一の面（表面）の透過図である。破線で描かれている部分は、基板第二の面（裏面）に形成されていることを示している。なお、実施形態1と同じ部分に関しては、詳細な説明は省略する。

本実施形態２の偏波切換・指向性可変アンテナでは、偏波切換素子１６のすべての第三のスロット１７ｃの、第一のスロット１７ａと連続していない方の端に、指向性切換素子１５の第二のスロット２４ａ〜２４ｄが接続されている。また、第三のスロット１７ｃを横断するように、第二のスロット２４ａ〜２４ｄと隣接する位置に、第二の偏波切換スイッチ２６ａ〜２６ｄが接続されている。

本実施形態２において、放射素子１３および偏波切換素子１６が満たすべき条件は、実施形態１において述べた条件と同じである。このとき、実施形態１と同様に、偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄを制御することにより、円偏波の旋回方向を切り換えることが可能である。

本実施形態２において、指向性切換素子１５は、ループ状の第二のスロット２４ａ〜２４ｄと指向性切換スイッチ２５ａ〜２５ｄからなる。指向性切換素子１５の第二のスロット２４ａ〜２４ｄおよび指向性切換スイッチ２５ａ〜２５ｄが満たすべき条件は、実施形態１において述べた条件と同じである。実施形態１と同様、指向性切換スイッチ２５ａ〜２５ｄの制御により、指向性切換素子１５が存在する方向へ、最大利得方向を切り換えることが可能である。

本実施形態２のアンテナでは、第三のスロット１７ｃを横断して第二のスロット２４ａ〜２４ｄと隣接する位置に第二の偏波切換スイッチ２６ａ〜２６ｄが接続されている。上記第二の偏波切換スイッチ２６ａ〜２６ｄを設けることで、偏波切換素子１６と指向性切換素子１５を分離することができ、偏波切換素子１６と指向性切換素子１５の効果をより明確に出来る。ただし、実施形態１の図５（ｂ）において示したように、指向性切換スイッチ２５ａ〜２５ｄが開放された状態で、第二の偏波切換スイッチ２６ａ〜２６ｄが切断されていると、第一のスロット１７ａと第二のスロット２４ａ〜２４ｄには逆の旋回方向を持った円偏波が励起され、本実施例２のアンテナ全体の軸比を劣化させてしまう。したがって、図５（ｃ）のように、指向性切換素子１５の指向性切換スイッチ２５ａ〜２５ｄが開放された状態では、必ず第二の偏波切換スイッチ２６ａ〜２６ｄも開放されなければならない。

なお、実施形態１と同様に、指向性切換素子１５および偏波切換素子１６として、正方形以外の形状のスロットを用いる構成も可能である。

また、本実施形態２では、四方向に第二のスロット２４ａ〜２４ｄを配置しているが、偏波切換素子１６の第三のスロット１７ｃは、ξが０°、９０°、１８０°、２７０°以外の位置であれば、複数本配置することが可能である。したがって、第二のスロット２４ａ〜２４ｄが重複せずに設置できる限り、何方向にも最大利得方向を切り換えることが可能である。

（実施例２）
以下に、本発明の実施例２を示す。図１０は、本実施例２のアンテナの基板第１面の透過図を示している。誘電体基板１１および接地導体板１２については、実施例1と同様である。第一のスロット１７ａの一辺の長さＬ１は２３．０ｍｍ、幅ｗ１は２．０ｍｍである。また、第二スロット２４ａ〜２４ｄの一辺の長さＬ２は２３．０ｍｍ、幅ｗ２は２．０ｍｍであり、また第三のスロット１７ｃの長さＬ３は１０．０ｍｍ、幅ｗ３は２．０ｍｍである。このとき、円偏波指標は、３．４である。また、実施例１と同様、指向性切換素子は導波器として機能させている。

図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、最大利得方向を変化させる場合の、指向性切換スイッチ２５ａ〜２５ｄおよび偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄおよび第二の偏波切換スイッチ２６ａ〜２６ｄの制御の一例を示す図である。実施例１と同様、図１１（ａ）〜（ｄ）において、黒く塗りつぶされているスイッチが導通、塗りつぶされていないスイッチが開放を示している。

図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に、本実施例２のアンテナの放射指向性を示す。図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の状態にそれぞれ対応している。また、図１２（ａ）、（ｂ）は、φ＝−１３５°面における指向性利得のθ依存性を、図１２（ｃ）、（ｄ）は、φ＝−４５°面における指向性利得のθ依存性をそれぞれ表している。

図１２（ａ）、（ｂ）中に〈Ｂ〉で示すように、指向性切換スイッチ２５ａ〜２５ｄ、偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄおよび第二の偏波切換スイッチ２６ａ〜２６ｄを、図１１（ａ）と（ｂ）のように制御することにより、アンテナの左旋円偏波成分の最大利得方向を、φ＝−１３５°面において、（ａ）ではθ＝＋２０°に、（ｂ）ではθ＝−２０°にそれぞれ切り換えることが出来た。同様に、図１２（ｃ）、（ｄ）中に〈Ｂ〉に示すように、指向性切換スイッチ２５ａ〜２５ｄ、偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄおよび第二の偏波切換スイッチ２６ａ〜２６ｄを、図１１（ｃ）と（ｄ）のように制御することにより、φ＝−４５°面において、（ｃ）ではθ＝＋２０°に、（ｄ）ではθ＝−２０°に最大利得方向をそれぞれ切り換えることが出来た。このとき、図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の全状態において、最大利得方向における軸比３ｄＢ以下を達成することが出来た。

図１３（ａ）、（ｂ）は偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄの制御の一例を示している。図１４（ａ）、（ｂ）は、図１３（ａ）、（ｂ）に示したアンテナの、φ＝−１３５°面での指向性利得のθ依存性をそれぞれ示している。図１４（ａ）、（ｂ）中に〈Ｃ〉として示すように、偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄの導通と開放を切り換えることによって、放射指向性の最大利得方向は変えずに、円偏波の旋回方向を左旋から右旋に切り換えることが出来た。

表６は、本実施例２における、指向性切換スイッチ２５ａ〜２５ｄおよび偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄを切り換えた時の、各動作状態での円偏波の旋回方向および最大利得方向をまとめた表である。

表６のように、指向性切換スイッチ２５ａ〜２５ｄ、偏波切換スイッチ１９ａ〜１９ｄを制御することにより、円偏波の旋回方向の切り換えと、最大利得方向の多方向への切り換えが可能である。

したがって、以上のような構成をとることにより、最大利得方向を多方向へと切り換えられ、同時に最大利得方向において円偏波の旋回方向を切り換えることが可能なアンテナを実現することが出来た。

本発明にかかる偏波切換・指向性可変アンテナは、複数の移相器や給電線の切り換えの必要がない簡易な構成でありながら、円偏波の旋回方向の切り換えと放射指向性の最大利得方向切り換えを同時に実現できるという特徴を持ち、移動体端末等に用いるアンテナとして有用である。また、現在円偏波での送受信が行われている、衛星放送用の小型受信アンテナ、ＥＴＣ用の車載アンテナや、円偏波と直線偏波の両方の偏波に対応することが必要なＳＤＡＲＳ（Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｕｄｉｏ Ｒａｄｉｏ Ｓｙｓｔｅｍ）のアンテナとしても有用である。さらに、無線電力伝送に用いられるアンテナとしても有用である。

本発明の実施形態１における偏波切換・指向性可変アンテナの概略図であり、（ａ）は基板第一面の透過図、（ｂ）は基板第二面の透過図、（ｃ）は基板Ａ１-Ａ２の断面図である。 本発明の実施形態１における偏波切換・指向性可変アンテナの斜視図である。 本発明の実施形態１における偏波切換・指向性可変アンテナの放射素子および偏波切換素子の拡大図である。 本発明の実施形態１における偏波切換・指向性可変アンテナの円偏波指標の軸比依存性を示す図である。 （ａ）から（ｃ）は、本発明の実施例１の偏波切換・指向性可変アンテナにおける無給電素子への円偏波励起の様子を示す図である。 本発明の実施形態１の偏波切換・指向性可変アンテナのその他の実施例を表す図である。 （ａ）から（ｃ）は、本発明の実施例１の偏波切換・指向性可変アンテナのスイッチの制御の一例を示す図である。 （ａ）から（ｃ）は、本発明の実施例１の偏波切換・指向性可変アンテナの放射指向性の変化を表す図である。 本発明の実施例１の偏波切換・指向性可変アンテナの円偏波の軸比の周波数依存性を示す図である。 本発明の実施形態２における偏波切換・指向性可変アンテナの概略図である。 （ａ）から（ｄ）は、本発明の実施例２の偏波切換・指向性可変アンテナのスイッチの制御の一例を示す図である。 （ａ）から（ｄ）は、本発明の実施例２の偏波切換・指向性可変アンテナの放射指向性の変化を表す図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施例２の偏波切換・指向性可変アンテナのスイッチの制御の一例を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施例２の偏波切換・指向性可変アンテナの放射指向性の変化を表す図である。 （ａ）から（ｃ）は、一般的な直線アンテナおよび円偏波アンテナの構造を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、従来の円偏波切換型・フェーズドアレーアンテナ装置の概略図である。

符号の説明

１１ 誘電体基板
１２ 接地導体板
１３ 放射素子
１４ 給電部
１５ 指向性切換素子
１６ 偏波切換素子
１７ａ 第一のスロット
１７ｂ 第二のスロット
１７ｃ 第三のスロット
１８ 指向性切換スイッチ
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ 偏波切換スイッチ
２０ 内部導体
２１ 内部導体の重心
２２ 給電点
２３ 分岐点
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ 第二のスロット
２５ａ、２５ｄ、２５ｃ、２５ｄ 指向性切換スイッチ
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ 第二の偏波切換スイッチ
３１ 放射導体板
３２ 給電点

Claims (3)

1. 誘電体基板と、
   前記誘電体基板の一つの面に形成された接地導体板と、
   前記接地導体板内に設けられた少なくとも一つの放射素子と、
   前記放射素子への給電部と、
   前記誘電体基板の前記接地導体板側に設けられた少なくとも一つの指向性切換素子と、
   前記誘電体基板の前記接地導体板側に設けられた少なくとも二つの偏波切換素子と
   を有し、
   前記少なくとも一つの放射素子は、
   前記接地導体板をループ状に除去して形成された第一のスロットを有し、
   前記第一のスロットは、一周の長さが動作周波数において一実効波長に対応し、
   前記第一のスロットに囲まれている内部導体の重心と前記給電部が前記放射素子に接する点である給電点とを通る直線に対して線対称な形状を有し、
   前記少なくとも一つの指向性切換素子は、
   前記接地導体板をループ状に除去して形成された第二のスロット、および
   前記第二のスロットに囲まれている内部導体と前記第二のスロットを取り囲む前記接地導体板との間に接続された少なくとも二つの指向性切換スイッチと
   を有し、
   前記第二のスロットは、前記第一のスロットの共振周波数と概等しい周波数において共振し、
   前記第二のスロットは、一周の長さが動作周波数において一実効波長に対応し、
   前記少なくとも二つの指向性切換スイッチをいずれも導通させることによって、前記第二のスロットを高周波的に複数のスロットに分割した際に、前記少なくとも二つの指向性切換スイッチを両端とする分割されたスロットの長さが、半実効波長未満、もしくは半実効波長より大きく１実効波長未満となる位置に、前記各指向性切換スイッチが設けられ、
   前記少なくとも二つの偏波切換素子は、それぞれ、
   前記第一のスロットを取り囲む接地導体板を、前記第一のスロットと連続するように線状に除去して形成された第三のスロット、および
   前記第三のスロットを横断するように、前記第三のスロットを取り囲む前記接地導体板間に接続された、少なくとも一つの偏波切換スイッチとを有し、
   前記偏波切換スイッチを開放した際に、前記第一のスロットと結合する前記第三のスロットの面積をΔｓ、前記第一のスロットのスロット部の面積をｓ、前記第一のスロットの無負荷ＱをＱ０としたとき、円偏波指標Ｑ０（Δｓ／ｓ）が２．２以上、４．０以下の値をとり、
   前記第一のスロットの内部導体の重心と前記給電点を通る直線と、前記第一のスロットの内部導体の重心と前記第一のスロットから前記第三のスロットが分岐している分岐点を通る直線の間の角度をξとするとき、
   前記少なくとも二つの偏波切換素子の内、一つの第三のスロットが、ξが０°より大きく９０°未満の範囲、もしくは１８０°より大きく２７０°未満の範囲のどちらかに設けられ、
   前記少なくとも二つの偏波切換素子の内、他の第三のスロットが、ξが９０°より大きく１８０°未満の範囲、もしくは２７０°より大きく、３６０°未満の範囲のどちらかに設けられ、
   前記第二のスロットが、第三のスロットを介して第一のスロットと連続している、偏波切換・指向性可変アンテナ。
2. 前記円偏波指標Ｑ０（Δｓ／ｓ）が、２．７以上、３．２以下である、請求項１に記載の偏波切換・指向性可変アンテナ。
3. 前記少なくとも二つの偏波切換素子が有する、すべての第三のスロットに、前記指向性切換素子が有する第二のスロットが連続している、請求項１に記載の偏波切換・指向性可変アンテナ。

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