JP4475226B2

JP4475226B2 - アンテナ装置

Info

Publication number: JP4475226B2
Application number: JP2005332704A
Authority: JP
Inventors: 新樹大野; 育彦浦田; 正人佐藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2025-11-17
Also published as: JP2007142721A

Description

この発明は、スイッチを使用して動作周波数を可変するアンテナ装置に関するものである。

半導体微細加工技術を用いて製造される電気的或いは機械的なデバイスを製造する技術であるMicro-Electro Mechanical Systems技術を適用したスイッチ（以下ＭＥＭＳスイッチ）を具備するマイクロ波やミリ波等のアンテナ装置に関し、ＭＥＭＳスイッチのＯＮ／ＯＦＦによりアンテナの動作周波数を可変するアンテナ装置は、ＭＥＭＳスイッチを微小パッチ導体間に配置した構成が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

US6198438（Fig.1.）

従来のアンテナ装置は、アンテナを構成する微小パッチ導体の枚数を、複数のＭＥＭＳスイッチを動作させて可変することにより、動作周波数を変えることができるが、ＭＥＭＳスイッチの制御が複雑であるという問題点があり、導体の接続の仕方によって、給電点の位置が変わってしまうという問題点がある。

この発明は、係る課題を解決するために成されたものであり、マイクロストリップアンテナの基本導体と延伸用導体間を接続する複数のＭＥＭＳスイッチの動作パターンにより、給電点を変更せずに、簡単にアンテナの動作周波数を変えるができるようにすることを目的とする。

この発明のするアンテナ装置は、誘電体基板上に形成されたマイクロストリップアンテナの基本導体と、上記マイクロストリップアンテナの基本導体の周囲で、上記マイクロストリップアンテナの基本導体を中心に、相互が対称に配置された複数のマイクロストリップアンテナの延伸用導体と、上記マイクロストリップアンテナの基本導体と、上記マイクロストリップアンテナの延伸用導体を接続する複数のＭＥＭＳスイッチとを具備するものである。

この発明によれば、方形マイクロストリップアンテナの基本導体と、２つの方形マイクロストリップアンテナの延長用導体と、上記基本導体と延長用導体とを接続する複数のＭＥＭＳスイッチを具備するアンテナ装置において、複数のＭＥＭＳスイッチのＯＮ／ＯＦＦを組あわせることにより、給電点を変更せずに、アンテナの動作周波数を可変することができるという効果を得ることができる。

実施の形態１．
図１は実施の形態１を示すアンテナ装置の構成図であり、図２乃至図４はＭＥＭＳスイッチの切り換えによるアンテナ導体上を流れる電流経路を表した図である。
１は誘電体基板、２は誘電体基板１上に形成された方形マイクロストリップアンテナの基本導体、３は誘電体基板１上に形成された方形マイクロストリップアンテナの延伸用導体、４は方形マイクロストリップアンテナの基本導体と、方形マイクロストリップアンテナの延伸用導体とを接続するＭＥＭＳスイッチ、５はマイクロストリップアンテナの給電点、６はＯＦＦの状態であるＭＥＭＳスイッチ、７はアンテナ上を流れる電流経路を表す矢印、８はＯＮの状態であるＭＥＭＳスイッチである。

動作周波数を可変することができ、給電点の移動がない簡易な構成のアンテナ装置に関して、方形マイクロストリップアンテナの動作周波数は、マイクロストリップアンテナの導体長の略２倍の長さを１波長とする周波数となることが知られている。
このため、マイクロストリップアンテナ上を流れる電流経路を長くした場合、あたかもマイクロストリップアンテナの導体長が長くなっているように見え、動作周波数が低下するという特徴を有している。

図１のように構成されたアンテナ装置において、複数のＭＥＭＳスイッチ４ａ乃至４ｆのＯＮ／ＯＦＦ状態の変移に合わせて、方形マイクロストリップアンテナの基本導体２と、方形マイクロストリップアンテナの延伸用導体３ａ乃至３ｂとの接続位置も変移することとなる。
このため、マイクロストリップアンテナの表面を流れる電流長が変化し、マイクロストリップアンテナの動作周波数もこの長さに反比例するように変化する。

図２乃至図４を用いて具体的に説明する。
図２乃至図４は方形マイクロストリップアンテナの基本導体２と、２つの方形マイクロストリップアンテナの延伸用導体３ａ及び３ｂとの間を各々３つのＭＥＭＳスイッチ４ａ乃至４ｆで接続した場合の構成図である。

上記場合において、図２は全てのＭＥＭＳスイッチ４ａ乃至４ｆをＯＦＦの状態にした電流経路を矢印で表した図であり、ＭＥＭＳスイッチがＯＦＦにより方形マイクロストリップアンテナの基本導体２のみに電流が流れる。
このため、マイクロストリップアンテナは上記導体長により決定される周波数で動作する。

図３は全てのＭＥＭＳスイッチ４ａ乃至４ｆをＯＮの状態にした電流経路を矢印で表した図であり、ＭＥＭＳスイッチがＯＮにより方形マイクロストリップアンテナの基本導体２、及び２つの方形マイクロストリップアンテナの延伸用導体３ａ及び３ｂに電流が流れる。
このため、マイクロストリップアンテナは上記基本導体長（Ｌ）と、ＭＥＭＳスイッチ長（Ｓ１、Ｓ２）、延伸用導体長（Ｌ１、Ｌ２）とにより決定される周波数で動作する。
この場合は図２と比較して電流経路長（Ｌ＝Ｓ１＋Ｓ２＋Ｌ１＋Ｌ２）が長くなるため、動作周波数は図２よりも低い周波数となる。

図４はＭＥＭＳスイッチ４ｂ及び４ｅのみをＯＦＦとし、残りのＭＥＭＳスイッチをＯＮの状態にした電流経路を矢印で表した図であり、ＭＥＭＳスイッチがＯＮにより方形マイクロストリップアンテナの基本導体２、及び２つの方形マイクロストリップアンテナの延伸用導体３ａ及び３ｂに電流が流れる。
この場合には、方形マイクロストリップアンテナの基本導体２と、方形マイクロストリップアンテナの延伸用導体３ａ及び３ｂとを流れる電流経路に蛇行部が生じるため図３と比較してさらに電流経路長が長くなり、動作周波数は図３よりもさらに低い周波数となる。

図５は電磁界解析シミュレータを用いて、スイッチの接続の変化によりアンテナの動作周波数の変化を確認するために、反射特性を計算した結果であり、基本導体２の縦横幅を略０.４λg、ＭＥＭＳスイッチ長及び延長用導体長を略０.０６λg、給電点位置（Ｐ）は基本導体の中心（Ｃ）からｍ＝０.０７λgとした場合である。

横軸は方形マイクロストリップアンテナの基本導体２のみで動作する共振周波数で規格化した値であり、縦軸はアンテナからの反射電力を表すものであり、落ち込みが深いほどアンテナからの反射電力が少ないこと、言うなればアンテナから効率良く電磁波が放射されていることを表している。
９は図２に示すＭＥＭＳスイッチの状態の反射特性を表しており、１０は図３に示すＭＥＭＳスイッチの状態の反射特性を表しており、１１は図４に示すＭＥＭＳスイッチの状態の反射特性を表している。
１２はＭＥＭＳスイッチ４ｂ及び４ｅをＯＮとし、残るＭＥＭＳスイッチをＯＦＦした状態の反射特性である。

図５に示すようにＭＥＭＳスイッチの切り換えによりアンテナの動作周波数を表す、反射特性での落ち込み部が変化することが読み取れる。

以上のように、方形マイクロストリップアンテナの基本導体と、２つの方形マイクロストリップアンテナの延長用導体と、上記基本導体と延長用導体とを接続する複数のＭＥＭＳスイッチを具備するアンテナ装置において、複数のＭＥＭＳスイッチのＯＮ／ＯＦＦを適当に変化させることによりアンテナ上を流れる電流経路を変化させることが可能であり，上記電流経路長の変化に伴い動作周波数を離散的に可変する効果を得ることができる。

また、延長用導体を両側に設けることで給電点を移動可変しなくてもアンテナの動作周波数に関係なく反射特性を良好に保つ効果も得られる。

本実施の形態では、２つの方形マイクロストリップアンテナの延長用導体を方形マイクロストリップアンテナの基本導体の両サイドに配置する例で説明しているが、方形マイクロストリップアンテナの延長用導体を４個を、左右、上下の方向で配置すると良い。

本実施の形態では、方形マイクロストリップアンテナの基本導体と１つの方形マイクロストリップアンテナの延長用導体とを接続するＭＥＭＳスイッチの数を３つとしているが、スイッチの数が任意の整数個であっても同様の効果が得られることは云うまでもない。

また、本実施の形態ではＭＥＭＳスイッチのＯＮ／ＯＦＦの位置を基本導体の中心を基準として両軸対称としているが、ＭＥＭＳスイッチのＯＮ／ＯＦＦが任意であっても同様の効果が得られることは云うまでもない。

実施の形態２．
以上の実施の形態１においては、１対の方形マイクロストリップアンテナの延長用導体を具備したアンテナ装置を構成した場合であったが、複数対の方形マイクロストリップアンテナの延長用導体と、各々の延長用導体と基本導体とを接続する複数のＭＥＭＳスイッチを具備するアンテナ装置であることにより、より動作周波数可変領域を広げる効果が得られる。

図６は２対の方形マイクロストリップアンテナの延長用導体と、各々の延長用導体と基本導体とを接続する複数のＭＥＭＳスイッチとを具備したアンテナ装置の構成例である。このようにすることにより、ＭＥＭＳスイッチの切り換えの自由度が増え電流経路長の可変幅が広がるため、広帯域に渡って動作周波数を可変する効果が得られる。

実施の形態１を示すアンテナ装置の構成図である。実施の形態１において、全てのＭＥＭＳスイッチがＯＮの状態でのマイクロストリップアンテナ上の電流経路を表す図である。実施の形態１において、全てのＭＥＭＳスイッチがＯＦＦの状態でのマイクロストリップアンテナ上の電流経路を表す図である。実施の形態１において、ＭＥＭＳスイッチ４ｂ及び４ｅのみをＯＦＦとし、残りのＭＥＭＳスイッチをＯＮの状態にした電流経路を表す図である。実施の形態１における電磁界解析シミュレータによるアンテナの反射特性である。実施の形態２を示すアンテナ装置の構成図である。

符号の説明

１誘電体基板、２方形マイクロストリップアンテナの基本導体、３方形マイクロストリップアンテナの延伸用導体、４ＭＥＭＳスイッチ、５マイクロストリップアンテナの給電点、６ＯＦＦ状態のＭＥＭＳスイッチ、７マイクロストリップアンテナ上の電流経路を表す矢印、８ＯＮ状態のＭＥＭＳスイッチ、９図２に示すＭＥＭＳスイッチの状態の反射特性、１０図３に示すＭＥＭＳスイッチの状態の反射特性、１１図４に示すＭＥＭＳスイッチの状態の反射特性、１２ＭＥＭＳスイッチ４ｂ及び４ｅをＯＮとし、残るＭＥＭＳスイッチをＯＦＦした状態の反射特性。

Claims

誘電体基板上に形成され、給電点を有したマイクロストリップアンテナを構成する基本導体と、
上記基本導体を間に挟んで、当該基本導体の両側にそれぞれ離間配置されてマイクロストリップアンテナを構成する２つの延伸用導体と、
上記基本導体と上記それぞれの延伸用導体との間を接続する複数のＭＥＭＳスイッチと、
を備え、
上記複数のＭＥＭＳスイッチは、上記基本導体と上記２つの延伸用導体とを結ぶ直線上に配置される第１のＭＥＭＳスイッチと、上記第１のＭＥＭＳスイッチを間に挟んで、当該第１のＭＥＭＳスイッチの両側にそれぞれ離間して配置された第２、第３のＭＥＭＳスイッチを少なくとも有し、
上記全てのＭＥＭＳスイッチをオフにした第１の状態と、上記第１、第２、第３のＭＥＭＳスイッチをオンにした第２の状態と、上記第１のＭＥＭＳスイッチをオフとし上記第２、第３のＭＥＭＳスイッチをオンとした第３の状態と、上記第１のＭＥＭＳスイッチをオンとし上記第２、第３のＭＥＭＳスイッチをオフとした第４の状態とを切り替えることにより、上記基本導体を流れる電流経路長を変化させることで、マイクロストリップアンテナを異なる動作周波数に可変する、
ことを特徴とするアンテナ装置。