JP4560450B2

JP4560450B2 - アンテナ装置

Info

Publication number: JP4560450B2
Application number: JP2005204642A
Authority: JP
Inventors: 悟菅原
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2025-07-13
Also published as: JP2007027982A

Description

この発明は、アンテナの指向性を切替える事が可能な指向性可変アンテナ装置に関し、特に、数ＧＨｚ帯でも動作可能で、無指向性アンテナと同程度の大きさの指向性可変アンテナを、低コストで容易な実装法を用いながら、ワイヤー接続部を無くして特性改善することができるアンテナ装置に関するものである。

近年の無線通信技術の飛躍的な発展に伴い、無線技術を利用した製品が広く普及し始め、無線通信路の伝送容量拡大に大きな期待がかけられている。特に最近は時間や空間、偏波、符号といった多次元にわたる信号の多重化によって、伝送容量の拡大を図る研究が活発に行われている。
空間による多重化は、複数の無指向性アンテナとその信号をベクトル合成する回路からなるアダプティブアレイアンテナで実現されると考えられているが、アダプティブアレイアンテナは各アンテナの大きさや間隔が大きくなり、その応用先を制限する原因となっていた。特に、移動通信端末で使用する為には、アンテナの大きさは出来るだけ小さい事が望まれている。
指向性可変アンテナは通常一組のアンテナと給電回路でその指向性を変化させる事が出来ることから、アダプティブアレイアンテナよりも小さくできる可能性があり、空間による多重化を実現する小型アンテナの候補として期待されているが、指向性可変アンテナの小型化に関してはその研究例が少なく、その開発が期待されてきている。

従来の指向性可変アンテナの一例としては、図６に示すようなものが知られている（特許文献１）。図６に示すように、このアンテナは、放射素子１０１の周囲を反射素子１０３が機械的に周回出来るようになっているので、アンテナの指向性を容易に変化させる事が出来る。このアンテナの場合、反射素子が付加された事により、アンテナの大きさは格段に大きくなっている。
また、図７には、電気的に指向性を切替え可能なアンテナの例が開示されている（特許文献２）。図７に示すように、このアンテナでは、円形の接地導体１１０上に中央駆動素子１１３とそれを放射状に取り囲む位置にパラスティック素子１１５が配置されており、パラスティック素子１１５の下部にはインピーダンス負荷１１７が設けてあり、このインピーダンスの切替えにより、指向性を切替えるようになっている。中央駆動素子１１３とパラスティック素子１１５の間隔はλ／４程度の値となり、アンテナ全体では２λ以上の大きさを持つ。
また、図８には、従来の指向性可変アンテナの同様な例が開示されている（特許文献３）。図８に示すように、このアンテナでは、円形の接地導体１２０上に給電アンテナ素子Ａ０とそれを放射状に取り囲む位置に無給電可変リアクタンス素子Ａ１〜Ａ６が配置されている。給電アンテナ素子と無給電可変リアクタンス素子の間隔ｄは、λ／４程度の値となり、アンテナ全体ではλ程度の大きさを持つ。
この様に、上記従来の指向性可変アンテナは、無指向性アンテナに比べてその大きさが大きくなってしまっていた。それに対し、無指向性アンテナと同程度の大きさの指向性可変アンテナが提案されている（特許文献４）。
このアンテナの一実現形態の詳細な特性が、非特許文献１に開示されており、広い周波数帯域にわたって無指向性アンテナと同等な大きさで指向性が変えられる事が示されている。

また、非特許文献２には、同アンテナのダイオードをフリップチップ実装し、ワイヤーによる接続部を無くして短絡部の形状再現性を高める事により、指向性形状のばらつきを低減している例が報告されている。図９は、非特許文献２で開示されている指向性可変アンテナの図である。この指向性可変アンテナは、アンテナ給電部の同軸線路１３０に同軸線路の内導体１３０ａと外導体１３０ｂとを短絡する為の短絡線１３１と、短絡線の途中に短絡・非短絡状態を切替えるためのスイッチ１３３と、短絡線１３１を地板に高周波的に接地するためのキャパシタ１３５とを地板１３７上に備えている。
また、図１０は、図９の指向性可変アンテナにおける従来のワイヤー接続部ありの状態を示し、図１１は、図９の指向性可変アンテナにおけるワイヤー接続部無しの状態を示す。
特開平０６−３５０３３４号公報特開平１０−１５４９１１号公報特開２００１−２４４３１公報特開２００４−３０４７８５公報菅原，星，廣居，佐藤，"同軸短絡構造によるアンテナ指向性制御技術の提案"，信学技報，AP2003-274., 2004 菅原，星，廣居，"同軸短絡構造を用いた指向性可変アンテナ"，信学ソ大，B-1-146., 2004

しかしながら、図６の構成を実現するためには、誘電体フィルム程度の厚さを持つキャパシタを使用する必要があり、その実装方法も複雑になってしまっていた。
この様にワイヤー接続部を無くして特性改善された無指向性アンテナと同程度の大きさを持つ指向性可変アンテナは、誘電体フィルム程度の厚さを持つキャパシタを使用する必要があり、その実装方法も複雑になってしまっていた。そのためキャパシタの選択自由度が低く実装も難しかったため、コスト低減が難しかった。このため該指向性可変アンテナを通信端末等で利用することが難しかった。
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、数ＧＨｚ帯でも動作可能で、無指向性アンテナと同程度の大きさの指向性可変アンテナを、低コストで容易な実装法を用いながら、ワイヤー接続部を無くして特性改善することができるアンテナ装置を提供することである。

上述の目的を達成するために、請求項１記載の発明は、放射素子と地板とからなる無指向性アンテナと、前記無指向性アンテナに連続して設けられた同軸線路と、前記地板上に設けられた誘電体からなる誘電体フィルムと、前記同軸線路の内導体と外導体を短絡するために前記誘電体フィルム上の導体パターンで形成された短絡線と、前記短絡線の途中に短絡、非短絡状態を切り替えるために設けられたスイッチと、前記短絡線を前記地板に高周波的に接地するためのキャパシタとを備えたアンテナ装置であって、前記誘電体フィルムは、前記放射素子と前記同軸線路との接続部において、前記短絡線、前記スイッチ及び前記キャパシタを有し、前記キャパシタを構成する電極の一方が、前記短絡線と同じ工程で形成された導体パターンで構成され、他方の電極が、前記誘電体フィルムの反対の面に形成された、前記地板の一部からなる対向電極からなり、前記キャパシタの誘電体層を、前記誘電体フィルムにより構成したことを特徴とする。
また、請求項２記載の発明は、前記地板が、前記対向電極を伸延して形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、前記キャパシタの誘電体層を、前記誘電体フィルムで構成しているので、数ＧＨｚ帯でも動作可能で、無指向性アンテナと同程度の大きさの指向性可変アンテナを、低コストで容易な実装法を用いながら、ワイヤー接続部を無くして特性改善することが可能となり、通信端末等で指向性可変アンテナを利用することが可能となる。

以下に添付の図を参照してこの発明の実施形態を詳細に説明する。
＜実施例＞
図１は、本発明によるアンテナ装置の要部に関する第１実施形態の構成図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
図１に示すように、このアンテナ装置は、同軸線路１で給電される無指向性アンテナとして放射素子３と地板５からなるディスコーンアンテナとなっており、地板５上に設けられた誘電体からなる誘電体フィルム１５と、同軸線路１の内導体１ａと外導体１ｂを短絡するために誘電体フィルム１５上の導体パターンで形成された短絡線１１と、短絡線１１の途中に短絡、非短絡状態を切り替えるために設けられたスイッチ９と、短絡線１１を地板５に高周波的に接地するためのキャパシタ１３とを備えた構成となっている。
すなわち、地板５上には、同軸線路１と放射素子３の接続部として、バイアス線７、スイッチ９、短絡線１１及び、キャパシタ１３の一方の電極１３ａが形成された誘電体フィルム１５が貼付けられており、地板５面内の４方向に電気的に短絡をＯＮ／ＯＦＦする事が出来るようになっている。
キャパシタ１３は、電極１３ａと誘電体フィルム１５、及び対向電極１７から構成されており、両電極１３ａ、１７は、誘電体フィルム１５上の金属パターンで形成されている。すなわち、キャパシタ１３を構成する一方の電極１３ａは、短絡線１１と同じ工程で形成された導体パターンの電極１３ａで構成されている。
キャパシタ１３の外縁形状は、同軸線路１を中心とした円弧部１３ｂと放射方向に沿った直線形状部１３ｃからなっており、同軸線路１に近接しながら、アンテナの放射に寄与する地板電流を妨げにくくなっている。すなわち、この第１実施形態では、キャパシタ１３の誘電体層が、誘電体フィルム１５で構成されている。
この第１の実施形態では、スイッチ９としてＰＩＮダイオードを用いており、アンテナ外部より、バイアス線７を用いて電気的にＯＮ／ＯＦＦの状態を制御できる。全てのスイッチ９をＯＦＦにすれば、同軸線路１の電界分布に乱れはなく、アンテナの放射パターンは無指向性のままとなる。
一方、スイッチ９を一つだけ入れた場合は同軸線路１内の電界が乱され、アンテナの放射パターンは指向性を持つようになる。またＯＮにするスイッチを切りかえる事により、アンテナの指向性を切り換えることも可能である。

図２（ｃ）は、図１（ａ）、（ｂ）におけるスイッチ９の一例を示す等価回路図である。図２（ｃ）において、Ａ，Ｂ，Ｅは端子、ＤはＰＩＮダイオード、Ｃはキャパシタ、Ｌはインダクタ、Ｒは抵抗をそれぞれ示しており、端子Ａは同軸線路１の信号線に、端子Ｂは同軸線路１の接地導体に、端子Ｅは誘電体フィルム１５上のバイアス線７にそれぞれ接続される。ＰＩＮダイオードＤは、キャパシタＣによって高周波的に接地されており、端子Ｅに加えるＤＣバイアスの値を変化させることにより、ＰＩＮダイオードＤの抵抗値が大きく変わるため、スイッチとして動作させることができるようになっている。
図２（ｄ）は、第１の実施形態における指向性可変アンテナの指向性を説明するための特性図である。図２（ｄ）は、地板５より４５度の仰角のアンテナ利得を、放射器を中心に、ＯＮにするスイッチ９を基準（０度）として３６０度分表示したものである。
図２（ｄ）中の実線は角度０度の方向のスイッチ９を一個所ＯＮにした場合、点線は全てのスイッチ９をＯＦＦにした場合の利得を示している。同図から明らかなように、全てのスイッチ９をＯＦＦにした場合は、どの角度にも一定の利得となり、無指向性となる。また、スイッチをＯＮにすることにより、指向性が変化し、ＯＮにしたスイッチと反対の方向の放射強度が強くなることを示している。
この第１の実施形態から明らかなように、本発明による指向性可変アンテナは通常の無指向性アンテナと同等の大きさで、指向性の切替えを行う事が可能である。また同軸短絡部１のワイヤー接続部を無くして特性改善しているが、誘電体フィルム１５でキャパシタ１３を実現した事により、キャパシタ１３の低コスト化、実装の簡素化を実現している。

次に、図３を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。
図３は、本発明によるアンテナ装置の要部に関する第２実施形態の構成図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
図３に示すように、本第２実施形態のアンテナ装置は、同軸線路１で給電される無指向性アンテナとして放射素子３と地板５からなるディスコーンアンテナとなっており、地板５上に設けられた誘電体からなる誘電体フィルム１５と、同軸線路１の内導体１ａと外導体１ｂを短絡するために誘電体フィルム１５上の導体パターンで形成された短絡線１１と、短絡線１１の途中に短絡、非短絡状態を切り替えるために設けられたスイッチ９と、短絡線１１を地板５に高周波的に接地するためのキャパシタ１３とを備えた構成となっている。
すなわち、地板５上には、同軸線路１と放射素子３の接続部として、バイアス線７、スイッチ９、短絡線１１及び、キャパシタ１３の一方の電極１３ａが形成された誘電体フィルム１５が貼付けられており、地板５面内の４方向に電気的に短絡をＯＮ／ＯＦＦする事が出来るようになっている。
この第２実施形態では、キャパシタ１３は、電極１３ａと誘電体フィルム１５、及び地板５の一部から構成されており、電極１３ａは、誘電体フィルム１５上の金属パターンで形成されている。すなわち、キャパシタ１３を構成する電極の一方は、短絡線１１と同じ工程で形成された導体パターンの電極１３ａで構成し、もう一方である対向電極は、アンテナの地板５の一部からなる電極で構成している。
キャパシタ１３の外縁形状は、同軸線路１を中心とした円弧部１３ｂと放射方向に沿った直線形状部１３ｃからなっており、同軸線路１に近接しながら、アンテナの放射に寄与する地板電流を妨げにくくなっている。すなわち、キャパシタ１３の誘電体層が、誘電体フィルム１５で構成されている。
ここでは、スイッチ９としてＰＩＮダイオードを用いており、アンテナ外部より、バイアス線７を用いて電気的にＯＮ／ＯＦＦの状態を制御できるようになっている。
全てのスイッチ９をＯＦＦにすれば同軸線路の電界分布に乱れはなく、アンテナの放射パターンは無指向性のままとなる。一方、スイッチ９を一つだけ入れた場合は同軸線路１内の電界が乱され、アンテナの放射パターンは指向性を持つようになる。また、ＯＮにするスイッチ９を切り換える事により、アンテナの指向性を切り換える事も可能である。

次に、図４を参照して本発明の第３の実施形態について説明する。
図４は、本発明によるアンテナ装置の要部に関する第３実施形態の構成図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
図４に示すように、本第３実施形態のアンテナ装置は、同軸線路１で給電される無指向性アンテナとして放射素子３と地板２３からなるディスコーンアンテナとなっており、地板２３上に設けられた誘電体からなる誘電体フィルム１５と、同軸線路１の内導体１ａと外導体１ｂを短絡するために誘電体フィルム１５上の導体パターンで形成された短絡線１１と、短絡線１１の途中に短絡、非短絡状態を切り替えるために設けられたスイッチ９と、短絡線１１を地板２３に高周波的に接地するためのキャパシタ１３とを備えた構成となっている。
すなわち、誘電体で構成された支持板２１上には、バイアス線７とスイッチ９、短絡線１１及びキャパシタ１３の一方の電極１３ａと対向電極２３ａを伸延した地板２３が形成された誘電体フィルム１５が貼付けられており、同軸線路１と放射素子３の接続部で、地板５面内の４方向に電気的に短絡をＯＮ／ＯＦＦする事が出来るようになっている。すなわち、この第３実施形態では、地板２３は、対向電極２３ａを伸延したものとなっている。

キャパシタ１３は、電極１３ａと誘電体フィルム１５、及び対向電極２３ａから構成されており、両電極１３ａ、２３ａは、誘電体フィルム上の金属パターンで形成されている。すなわち、キャパシタを構成する電極１３の一方は、短絡線１１と同じ工程で形成された導体パターンからなる電極１３ａで構成し、もう一方の電極（対向電極）２３ａを誘電体フィルム１５の反対の面に形成した構成となっている。
キャパシタ１３の外縁形状は、同軸線路を中心とした円弧部１３ｂと放射方向に沿った直線形状部１３ｃからなっており、同軸線路１に近接しながら、アンテナの放射に寄与する地板電流を妨げにくくなっている。なお、この第３実施形態では、キャパシタ１３の円弧部１３ｂの長さが、前記第１および第２実施形態よりも長くなっている。
ここでは、スイッチ９としてＰＩＮダイオードを用いており、アンテナ外部より、バイアス線７を用いて電気的にＯＮ／ＯＦＦの状態を制御できるようになっている。
全てのスイッチ９をＯＦＦにすれば同軸線路１の電界分布に乱れはなく、アンテナの放射パターンは無指向性のままとなる。
一方、スイッチ９を一つだけ入れた場合は同軸線路１内の電界が乱され、アンテナの放射パターンは指向性を持つようになる。また、ＯＮにするスイッチ９を切り換える事により、アンテナの指向性を切り換える事も可能である。

図５は、本発明によるアンテナ装置の要部に関する第４実施形態の構成図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
図５に示すように、本第４実施形態のアンテナ装置は、同軸線路１で給電される無指向性アンテナとして放射素子３と地板５からなるディスコーンアンテナとなっており、地板５上に設けられた誘電体からなる誘電体フィルム１５と、同軸線路１の内導体１ａと外導体１ｂを短絡するために誘電体フィルム１５に導体パターンで形成された短絡線１１と、短絡線１１の途中に短絡、非短絡状態を切り替えるために設けられたスイッチ９と、短絡線１１を地板５に高周波的に接地するためのキャパシタ１３とを備えた構成となっている。
すなわち、地板５上には、バイアス線７とスイッチ９、短絡線１１及びキャパシタ１３が形成された誘電体フィルム１５が貼付けられており、同軸線路１と放射素子３の接続部で、地板面内の４方向に電気的に短絡をＯＮ／ＯＦＦする事が出来るようになっている。
キャパシタ１３は、誘電体フィルム１５上に形成された短絡線１１と同じ工程で形成された導体パターンの電極１３ａと、対向電極となる金属パターン１７と、誘電体フィルム１５より薄い誘電体薄膜２５とで構成されており、誘電体フィルムをキャパシタに利用した場合よりも、同等の電極面積で大きな容量を実現できている。
すなわち、キャパシタ１３の誘電体層を、誘電体フィルム１５上より薄い誘電体薄膜２５で構成している。
キャパシタ１３の外縁形状は、同軸線路１を中心とした円弧部１３ｂと放射方向に沿った直線形状部１３ｃからなっており、同軸線路１に近接しながら、アンテナの放射に寄与する地板電流を妨げにくくなっている
ここでは、スイッチ９としてＰＩＮダイオードを用いており、アンテナ外部より、バイアス線７を用いて電気的にＯＮ／ＯＦＦの状態を制御できるようになっている。全てのスイッチ９をＯＦＦにすれば同軸線路の電界分布に乱れはなく、アンテナの放射パターンは無指向性のままとなる。
一方、スイッチ９を一つだけ入れた場合は同軸線路１内の電界が乱され、アンテナの放射パターンは指向性を持つようになる。またＯＮにするスイッチを切り換える事により、アンテナの指向性を切り換える事も可能である。
以上、実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に上げた形状、その他の要素との組合わせなど、ここで示した要件に本発明が限定されるものでは決してない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることが出来る。

本発明によるアンテナ装置の要部に関する第１実施形態の構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図。第１実施形態の説明図であり、（ｃ）は図１（ａ）、（ｂ）におけるスイッチの一例を示す等価回路図、（ｄ）は、第１の実施形態における指向性可変アンテナの指向性を説明するための特性図。本発明によるアンテナ装置の要部に関する第２実施形態の構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図。本発明によるアンテナ装置の要部に関する第３実施形態の構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図。本発明によるアンテナ装置の要部に関する第４実施形態の構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図。従来の指向性可変アンテナの一例を示す図。従来の指向性可変アンテナの一例を示す図。従来の指向性可変アンテナの一例を示す図。従来の指向性可変アンテナの一例を示す図。従来の指向性可変アンテナの一例を示す図。従来の指向性可変アンテナの一例を示す図。

符号の説明

１ａ…内導体、１ｂ…外導体、１…同軸線路、３…放射素子、５…地板、７…バイアス線、９…スイッチ、１１…短絡線、１３ａ…電極、１３ｂ…円弧部、１３ｃ…直線形状部、１３…キャパシタ、１５…誘電体フィルム、１７…対向電極、２１…支持板、２３ａ…対向電極、２３…地板、２５…誘電体薄膜

Claims

放射素子と地板とからなる無指向性アンテナと、前記無指向性アンテナに連続して設けられた同軸線路と、前記地板上に設けられた誘電体からなる誘電体フィルムと、前記同軸線路の内導体と外導体を短絡するために前記誘電体フィルム上の導体パターンで形成された短絡線と、前記短絡線の途中に短絡、非短絡状態を切り替えるために設けられたスイッチと、前記短絡線を前記地板に高周波的に接地するためのキャパシタとを備えたアンテナ装置であって、前記誘電体フィルムは、前記放射素子と前記同軸線路との接続部において、前記短絡線、前記スイッチ及び前記キャパシタを有し、前記キャパシタを構成する電極の一方が、前記短絡線と同じ工程で形成された導体パターンで構成され、他方の電極が、前記誘電体フィルムの反対の面に形成された、前記地板の一部からなる対向電極からなり、前記キャパシタの誘電体層を、前記誘電体フィルムにより構成したことを特徴とするアンテナ装置。
前記地板が、前記対向電極を伸延して形成されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。