JP4734655B2 - Antenna device - Google Patents
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Description
本発明は、薄板形状を有し、その広がり方向にビーム走査可能なアンテナ装置に関する。 The present invention relates to an antenna device having a thin plate shape and capable of beam scanning in its spreading direction.
従来から、コンピュータの拡張スロットとして、PC(Personal Computer)カード(以前は、PCMCIAカードという名称で利用されていた。)が広く利用されている。このカードは、薄板形状を有し、ノート型コンピュータのほとんどでは、机や膝の上に設置されるキーボードと平行に、すなわち、PCカードの上面と下面が略水平になるように、挿入される。 Conventionally, a PC (Personal Computer) card (previously used as a PCMCIA card) has been widely used as an expansion slot for computers. This card has a thin plate shape, and in most notebook computers, it is inserted in parallel with a keyboard installed on a desk or knee, that is, the upper and lower surfaces of the PC card are substantially horizontal. .
発明者らは、PCカードのような薄板形状に適用できるアンテナ装置の提案を、以下の文献に開示している。
上記文献に開示される技術では、薄板状態の形状を有する直方体の表面に導体を貼付しつつ、その直方体上面(面積が最も広い二面のうちの一方)から3つの平行な帯状の部分の導体を除去し、上面に3つの隙間(スロット)ができるようにしている。 In the technique disclosed in the above document, a conductor is applied to the surface of a rectangular parallelepiped having a thin plate shape, and three parallel strip-shaped conductors from the upper surface of the rectangular parallelepiped (one of the two surfaces having the largest area). And three gaps (slots) are formed on the upper surface.
そして、スロットの1つの対向する長辺にまたがって給電部を設けるとともに、残りの2つのスロットの対向する長辺にまたがって可変リアクタを装荷し、可変リアクタに印加するDC(Direct Current)電圧を変化させることで、指向性を変化させている。 A power supply unit is provided across one opposing long side of the slot, a variable reactor is loaded across the opposing long sides of the remaining two slots, and a DC (Direct Current) voltage applied to the variable reactor is set. By changing it, the directivity is changed.
一方で、無線アドホック通信等の分野では、端末同士の間で通信を行う場合、無線同士の地面に対する高さは略等しいと考えられることから、ビームを水平面に走査できる機能が必要となる。 On the other hand, in the field of wireless ad hoc communication or the like, when communicating between terminals, the height of the wireless with respect to the ground is considered to be substantially equal, so a function capable of scanning the beam on a horizontal plane is required.
したがって、ノート型コンピュータとPCカードの組み合わせを上記の無線アドホック通信の端末として利用したい場合等には、薄板形状を有し、その広がり方向へのビーム走査が効率良くできる小型のアンテナ装置が強く望まれている。 Therefore, when using a combination of a notebook computer and a PC card as a terminal for the above wireless ad hoc communication, a small antenna device having a thin plate shape and capable of efficiently scanning a beam in the spreading direction is strongly desired. It is rare.
本発明は、上記のような課題を解決するためのものであり、薄板形状を有し、その広がり方向にビーム走査可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an antenna device having a thin plate shape and capable of beam scanning in the spreading direction.
以上の目的を達成するため、本発明の原理にしたがって、下記の発明を開示する。 In order to achieve the above object, the following invention is disclosed in accordance with the principle of the present invention.
本発明の第1の観点に係るアンテナ装置は、導体部、給電部、可変リアクタ、制御部を備え、以下のように構成する。 An antenna device according to a first aspect of the present invention includes a conductor part, a power feeding part, a variable reactor, and a control part, and is configured as follows.
すなわち、導体部は、略直方体の表面において、上面から側面の1つを経て下面に至る帯状の領域(以下「スロット」という。)を複数除去した形状である。 That is, the conductor portion has a shape obtained by removing a plurality of band-like regions (hereinafter referred to as “slots”) from the upper surface to one of the side surfaces to the lower surface on the substantially rectangular parallelepiped surface.
一方、給電部は、当該導体部において、当該複数のスロットの1つ(以下「給電用スロット」という。)の長手方向の2辺において対向する点のそれぞれの近傍に接続される。 On the other hand, the power feeding portion is connected to the vicinity of each of the opposing points on two sides in the longitudinal direction of one of the plurality of slots (hereinafter referred to as “power feeding slot”) in the conductor portion.
さらに、可変リアクタは、当該複数のスロットのうち当該給電用スロット以外のスロット(以下「装荷用スロット」という。)のそれぞれについて、当該装荷用スロットの長手方向の2辺において対向する点のそれぞれの近傍に接続される。 Furthermore, the variable reactor has a slot other than the power supply slot (hereinafter referred to as “loading slot”) of the plurality of slots, and each of the opposing points on the two sides in the longitudinal direction of the load slot. Connected in the vicinity.
そして、制御部は、可変リアクタのそれぞれのリアクタンス値を変化させて指向性を制御する。 And a control part changes each reactance value of a variable reactor, and controls directivity.
また、本発明のアンテナ装置において、当該略直方体は、板状の形状であり、当該上面および当該下面の辺の長さは、いずれも、当該上面と当該下面との間の距離よりも長いように構成することができる。 In the antenna device of the present invention, the substantially rectangular parallelepiped has a plate shape, and the lengths of the sides of the upper surface and the lower surface are both longer than the distance between the upper surface and the lower surface. Can be configured.
また、本発明のアンテナ装置において、当該複数のスロットの長手方向は、互いに略平行で等間隔に配置され、当該複数のスロットの長手方向は、当該側面の1つに垂直に配置され、当該複数のスロットの長手方向の端点の、当該側面の一つからの距離は、いずれも等しいように構成することができる。 In the antenna device of the present invention, the longitudinal directions of the plurality of slots are substantially parallel to each other and arranged at equal intervals, and the longitudinal directions of the plurality of slots are disposed perpendicular to one of the side surfaces, The distances from one of the side surfaces of the longitudinal end points of the slots can be configured to be equal.
また、本発明のアンテナ装置において、当該複数のスロットは、3つであり、当該給電用スロットは、当該2つの装荷用スロットに挟まれるように配置されるように構成することができる。 In the antenna device of the present invention, the plurality of slots may be three, and the feeding slot may be arranged so as to be sandwiched between the two loading slots.
また、本発明のアンテナ装置において、可変リアクタは、逆直列に接続されたバラクタの対であり、制御部は、当該バラクタの対に印加する直列電圧を変化させて、当該リアクタンス値を変化させるように構成することができる。 In the antenna device of the present invention, the variable reactor is a pair of varactors connected in anti-series, and the control unit changes the series voltage applied to the pair of varactors so as to change the reactance value. Can be configured.
本発明によれば、薄板形状を有し、その広がり方向にビーム走査可能なアンテナ装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an antenna device having a thin plate shape and capable of beam scanning in the spreading direction.
以下に本発明の一実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態は説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれと均等なものに置換した実施形態を採用することが可能であるが、これらの実施形態も本発明の範囲に含まれる。 An embodiment of the present invention will be described below. In addition, embodiment described below is for description and does not limit the scope of the present invention. Therefore, those skilled in the art can employ embodiments in which each or all of these elements are replaced with equivalent ones, and these embodiments are also included in the scope of the present invention.
図1は、本実施形態に係るアンテナ装置にて用いられる導体部の形状を説明する説明図である。以下、本図を参照して説明する。 FIG. 1 is an explanatory view illustrating the shape of a conductor used in the antenna device according to the present embodiment. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.
本図に示すように、導体部102の概形は、薄板形状の直方体の表面を覆う。したがって、直方体の内部には導体は充填されておらず、中空もしくは絶縁体(誘電体)が充填されている。ここで、面積が最も広い2つの面が、上面151と下面152であり、4つの側面のうちの1つが前面153、これに対向する側面が背面154である。
As shown in the figure, the general shape of the
本図では、上面151から前面153を経て下面152に至る帯状の領域が3つ、一点鎖線により示されている。この帯状の領域がスロット161のための領域である。本実施形態では、スロット161の数は3つであり、いずれも同じ形状で、その長手方向は互いに平行、前面153にその長手方向が垂直となっており、前面153からスロット161の端点への距離は、上面151と下面152とで同じである。
In this figure, three belt-like regions extending from the
本図では導体部102の概形を示しているが、導体部102の実際の形状は、以下の通りである。すなわち、本図に示す直方体表面を覆う導体のうち、スロット161のための領域から導体を除去したものが、実際の導体部102の形状である。このように、隙間の空いた中空(内部に絶縁体が充填等されることもある)の導体部102は、薄型平面形状の共振器として働く。
Although the outline of the
このような構造は、導体板や導体箔を折り曲げたりプレス一体整形したりこれらを組み合わせた後に、適宜不要な領域を除去することにより構成することもできるし、プリント配線板におけるエッチング等の技術を応用して構成することも可能である。 Such a structure can be configured by bending a conductor plate or conductor foil, pressing and shaping, or combining them, and then removing unnecessary areas as appropriate, or using techniques such as etching in a printed wiring board. It is also possible to configure by applying.
本実施形態では、中央のスロット161を給電用スロット181とし、これを挟む2つのスロット161を装荷用スロット182とする。
In the present embodiment, the
図2は、本実施形態に係るアンテナ装置の概要構成を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。 FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the antenna device according to the present embodiment. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.
アンテナ装置101の薄板形状を定める導体部102は、1つの給電用スロット181と、2つの装荷用スロット182を有する。
The
給電用スロット181には、その長手方向を跨ぐように、給電点が定められ、給電部103が接続されている。なお、アンテナ装置101を送信用に用いる場合には、給電部103によりRF(Radio Frequency)電圧を印加することとなるが、送受の可逆性により、アンテナ装置101を受信用に用いることも可能である。受信用に用いる場合には、給電部103は、接続点間の電圧の変化を検知することにより、信号を取得する。
In the
装荷用スロット182のそれぞれには、その長手方向を跨ぐように、接続点が定められ、可変リアクタ104が接続されている。制御部105は、可変リアクタ104に印加するDC電圧を変化させて、そのリアクタンス値(電気容量)を変化させる。
Each
本図においては、理解を容易にするために、導体部102の形状である直方体の外側に給電部103と可変リアクタ104を図示しているが、上記のように、導体部102は中空もしくは誘電体が充填された導体であるから、その内部に給電部103と可変リアクタ104を配置し、アンテナ装置の小型化を図るのが典型的である。
In this figure, for easy understanding, the
給電部103に対して給電を行うと、給電用スロット181および装荷用スロット182の長手方向に沿って上面151から前面153を経て下面152へ、あるいは、下面152から前面153を経て上面151へ、磁流が流れる。この磁流が変化することにより、電磁波が放射される。
When power is supplied to the
上面151にて流れる磁流と、下面152にて流れる磁流とは互いに打ち消し合うから、電磁波の放射に主に寄与するのは、前面153を上から下へ、あるいは、下から上へ流れる磁流である。したがって、電磁波は、上面151や下面152に平行な方向に放射されることになる。
Since the magnetic current flowing on the
もっとも、給電用スロット181および装荷用スロット182の上面151や下面152の部分は、磁流を励起するために必要である。したがって、給電用スロット181および装荷用スロット182の長手方向の全長、すなわち、上面151の端点から前面153を経て下面152の端点に至るまでの距離は、放射する電磁波の半波長程度の長さとすることが望ましい。
However, the
可変リアクタ104のリアクタンス値を変化させることで給電用スロット181および装荷用スロット182のそれぞれから放射される電磁波の強度等が変化するが、それぞれの電磁波が放射される方向は、上面151や下面152に平行な方向(アンテナ装置101の薄板形状の広がり方向)であるから、リアクタンス値を変化させることで、(アンテナ装置101の薄板形状の広がり方向に、電磁波の指向性を走査することができる。
By changing the reactance value of the
なお、本図に示すように、本実施形態では、
(1)上面151および下面152の大きさは、a×bであり、
(2)前面153および背面154の大きさは、a×hであり、
(3)給電用スロット181は、長さaの辺を2つに割るように中央に配置され、
(4)給電用スロット181と装荷用スロット182の距離はdであり、
(5)前面153から給電用スロット181および装荷用スロット182の端点への距離は、上面151および下面152においてLであり、
(6)給電用スロット181および装荷用スロット182の幅は、wであり、
(7)給電部103と前面153との距離(給電点オフセット)は、Lfであり、
(8)可変リアクタ104と前面153との距離(装荷点オフセット)は、Lrである。
As shown in the figure, in this embodiment,
(1) The size of the
(2) The size of the
(3) The
(4) The distance between the feeding
(5) The distances from the
(6) The width of the
(7) The distance (feed point offset) between the
(8) the distance between the
また、以下の説明では、電磁波の波長を、λ0とし、設計用の例として、L = 0.217λ0を想定するものとする。 In the following description, it is assumed that the wavelength of the electromagnetic wave is λ 0 and L = 0.217λ 0 is assumed as an example for design.
図3は、本実施形態に係る可変リアクタ104の一つを示す回路図である。以下、本図を参照して説明する。
FIG. 3 is a circuit diagram showing one of the
可変リアクタ104は、2つのバラクタ(可変容量ダイオードあるいはバリキャップと呼ばれることもある。)301を逆直列に接続したものであり、制御部105によるDC電圧は、高い抵抗302を介して、バラクタ301が逆直列に接続された点に印加される。抵抗302は、DC電圧の制御線にRF電流が流れるのを防止するためのものである。
The
ここで、装荷用スロット182の長手方向の対向する辺の導体は、DC電圧的に同じ電位であるので、バラクタ301を一つだけ装荷してもDC電圧を印加することはできない。本図に示すように逆直列対にすることによってはじめて、DC電圧を印加することが可能となる。
Here, since the conductors on the opposite sides in the longitudinal direction of the
また、このような逆接続を利用することにより、高調波歪みを低減することができるほか、印加するDC電圧に対するリアクタンス値可変幅が、単一バラクタ301のときの可変幅の2倍になる、という利点がある。
Further, by utilizing such reverse connection, harmonic distortion can be reduced, and the reactance value variable width with respect to the applied DC voltage is twice the variable width when the
図4は、本実施形態に係るアンテナ装置の大まかな回路構成を示す回路図である。以下、本図を参照して説明する。 FIG. 4 is a circuit diagram showing a rough circuit configuration of the antenna device according to the present embodiment. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.
アンテナ装置101の導体部102の一端は、接地されており、給電部103の電圧v0は、導体部102に設けられた給電用スロット181の間のRF電圧である。
One end of the
また、制御部105により制御されるDC電圧v1、v2は、バラクタ301の間に対して印加され、これによって、装荷用スロット182に装荷された可変リアクタ104のリアクタンス値X1、X2が変化する。
Also, the DC voltages v 1 and v 2 controlled by the
(設計の一例)
以下では、アンテナ装置101の指向特性を設計するためのシミュレーション手法について説明する。
(Example of design)
Hereinafter, a simulation method for designing the directivity characteristics of the
アンテナ特性のシミュレーションには、モーメント法によるシミュレーションソフトウェアIE3D(商標)を利用する。 For simulation of the antenna characteristics, simulation software IE3D (trademark) by the moment method is used.
等価ステアリングベクトルモデルを用いることにより、アンテナ装置101による遠方電界E(θ,φ)は、以下のように表現することができる。
By using the equivalent steering vector model, the far electric field E (θ, φ) by the
ここで、φは、アンテナ装置101の背面154から前面153に向かう軸からの、上面151および下面152に沿った角度を表し、θは、アンテナ装置101の背面154から前面153に向かう軸からの、上面151および下面152に垂直な角度を表す。
Here, φ represents an angle along the
ここで、M = 2であり、添字m = 0は、給電部103によるポートを、添字m = 1,2は可変リアクタ104によるポートを、それぞれ意味する。
Here, M = 2, the subscript m = 0 means a port by the
また、um (v)(θ,φ)は、構造パラメータであり、リアクタンス値Xmに依存しないので、一同だけ計算しておけば良い。構造パラメータは、上記のように、モーメント法によるシミュレーションソフトウェアにより解析することができる。 Further, u m (v) (θ, φ) is a structural parameter and does not depend on the reactance value X m , so it is only necessary to calculate all of them. As described above, the structural parameters can be analyzed by simulation software based on the moment method.
また、Zm,nは、ポートmとポートnの間のインピーダンスとし、給電部103に対して給電回路が与える開放電圧vs、給電回路の内部インピーダンスZsとすると、以下のような計算が可能である。
Z m, n is the impedance between the port m and the port n, the open circuit voltage v s provided by the power feeding circuit to the
ここで、Zm,nはリアクタンスXmに依存しない構造パラメータであるから、um (v)(θ,φ)とともに、IE3Dによる繰り返し計算を行う前に一度計算しておけば、あとは定数として扱うことができる。 Here, since Z m, n is a structural parameter that does not depend on the reactance X m , if it is calculated once before iterative calculation by IE3D together with u m (v) (θ, φ), the rest is a constant. Can be treated as
これらに基づけば、水平面内における最大利得Ga(不整合損を含まない絶対利得)は、以下のように計算できる。ここで、rはアンテナからの距離、Zoは自由空間のインピーダンス、Zinは入力インピーダンスを意味する。 Based on these, the maximum gain Ga (absolute gain not including mismatch loss) in the horizontal plane can be calculated as follows. Here, r is the distance from the antenna, Z o is the free space impedance, and Z in is the input impedance.
最大利得Gaや入力インピーダンスZinはZsに依存しないので、上記の計算においては、Zs = 0として、計算を簡単にすることができる。 Since the maximum gain Ga and the input impedance Z in is not dependent on Z s, in the above calculation, as Z s = 0, calculation can be simplified.
反射係数Γ、電圧定在波比vswr、不整合損を含んだ動作利得Gwは、次式で計算できる。 The operation gain Gw including the reflection coefficient Γ, the voltage standing wave ratio vswr, and the mismatch loss can be calculated by the following equation.
また、主ビーム方向は、φmaxは、水平面内における最大利得Ga(0,φ)が最大となるφの方向である。 Further, in the main beam direction, φ max is a direction of φ in which the maximum gain Ga (0, φ) in the horizontal plane is maximized.
本アンテナ装置101では、可変リアクタ104を用いて指向性を変化させるので、指向性を変化させると、整合も変化する。コストを低減するため、給電部103に整合のための可変機能を設けないこととすると、Zsとして実際の値を用いる必要があり、同軸ケーブルをアンテナ装置101に接続する場合には、Zs = 50Ωという固定の値を与えることになる。
In this
リアクタンス値と、上記のような各種のアンテナ特性との関係は非線型であり、実現可能なアンテナ制御状態も未知であるから、最適制御状態を解析的に求めることは難しい。 Since the relationship between the reactance value and the various antenna characteristics as described above is non-linear, and the realizable antenna control state is unknown, it is difficult to analytically determine the optimal control state.
そこで、リアクタンス値X1、X2を座標値とするように等高線表示することで、アンテナ特性を可視化する。そして、この等高線図から、グローバルな最適制御状態を見つけたり、ビームを走査するためのリアクタンス値制御を軌跡として得ることができる。 Therefore, the antenna characteristics are visualized by displaying contour lines so that the reactance values X 1 and X 2 are coordinate values. From this contour map, a global optimum control state can be found, and reactance value control for scanning the beam can be obtained as a trajectory.
なお、アンテナ特性のリアクタンス値依存性は、周波数に依存しないので、対波長比で考えたときに同じ寸法となるアンテナであれば、任意の周波数帯に対して同じ等高線図を利用することができる。 Since the reactance value dependency of the antenna characteristic does not depend on the frequency, the same contour map can be used for any frequency band as long as the antenna has the same dimensions when considered in terms of the wavelength ratio. .
図5は、設計例で用いるアンテナ装置のサイズの諸元を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。本図に示すように、アンテナ装置101のサイズとしてtype 1からtype 7までの7種類を用意した。以下、それぞれについて検討する。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing specifications of the size of the antenna device used in the design example. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG. As shown in the figure, seven types from
なお、これらの諸元は、PCカードの先端にアンテナ装置101を配置し、5.2GHz帯で利用する場合に適用可能なものであり、この場合のアンテナ部分の諸元は、a = 43.3mm,b=12.5mm,h=1mmに相当する。
These specifications are applicable when the
(基本特性)
type 1とtype 2は、給電点オフセットLfが異なる。図6は、type 1とtype 2との特性を比較する等高線図である。本図(a−1)、(a−2)、(a−3)、(a−4)は、X1,X2を変化させたときのtype 1のvswr,Ga,Gw,φmaxを示す等高線図であり、本図(b−1)、(b−2)、(b−3)、(b−4)は、X1,X2を変化させたときのtype 2のvswr,Ga,Gw,φmaxを示す等高線図である。以下、本図を参照して説明する。
(Basic characteristics)
本図に示すように、給電点オフセットLfを変化させても指向性の変化はほとんどないが、整合が大きく変化することがわかる。また、本図から、給電点を0.154波長程度とすることにより、整合可能なリアクタンス領域と、高い指向性利得が得られる領域と、の2つが一致するように調整可能であることがわかる。 As shown in the figure, there is almost no change in directivity even when the feed point offset Lf is changed, but it can be seen that the matching changes greatly. In addition, it can be seen from this figure that by adjusting the feeding point to about 0.154 wavelength, it is possible to adjust the matching reactance region and the region where a high directivity gain can be obtained. .
本図(b−3)、(b−4)において、点A(X1 = 300,X2 = -300)〜点B(X1 = 0,X2 = 0)〜点A'(X1 = 300,X2 = 300)を通過する軌跡を考える。このときに通過する等高線の様子を見ると、ビーム指向性は、−45度程度から45度程度まで走査できることがわかる。 In the drawings (b-3) and (b-4), the point A (X 1 = 300, X 2 = −300) to the point B (X 1 = 0, X 2 = 0) to the point A ′ (X 1 = 300, X 2 = 300). Looking at the state of the contour lines passing at this time, it can be seen that the beam directivity can be scanned from about -45 degrees to about 45 degrees.
図7は、点Aおよび点Bにおける動作利得特性をIE3Dにより計算した結果を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。 FIG. 7 is an explanatory diagram showing the results of calculating the operating gain characteristics at points A and B by IE3D. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.
本図に示す動作利得Gwmaxと、主ビーム方向φmaxは、図6に示す結果と良く一致することが確認できるほか、約4dBiの動作利得Gwmaxのビームが形成できることがわかる。この値は、極めて大きいとはいえないものの、水平方向へのアンテナの射影は0.75波長のダイポール相当であることを考慮すれば、利得が十分にある、と考えることも可能である。 It can be seen that the operating gain Gw max shown in this figure and the main beam direction φ max are in good agreement with the results shown in FIG. 6 and that a beam with an operating gain Gw max of about 4 dBi can be formed. Although this value is not very large, it can be considered that there is sufficient gain considering that the projection of the antenna in the horizontal direction is equivalent to a 0.75 wavelength dipole.
また、大きなサイドローブがあるとともに、ヌルが複数形成できることもわかる。ヌルは干渉波信号の抑圧に効果的なので、ヌル走査可能であることも、重要な特性である。 It can also be seen that there are large side lobes and a plurality of nulls can be formed. Since null is effective in suppressing interference wave signals, the capability of null scanning is also an important characteristic.
このほか、裏(背面154)方向へも放射が強いことが分かり、裏方向との通信が可能である。 In addition, it can be seen that the radiation is strong in the back (back 154) direction, and communication with the back direction is possible.
またビームを走査した場合、正面方向(点B)で形成されるビーム利得は約1dBiであり、45度方向とは約3dBの利得変化がある。 When the beam is scanned, the beam gain formed in the front direction (point B) is about 1 dBi, and there is a gain change of about 3 dB in the 45 degree direction.
これは、給電部103にも可変リアクタを装荷するなどの手法を適用することにより、整合調整機能を持たせることとすれば、このような動作利得の減少を低減できる。
This can reduce such a decrease in operating gain if a matching adjustment function is provided by applying a method such as loading a variable reactor to the
このほか、点Aおよび点A'ではほぼ整合がとれている。そこで、点Aおよび点A'だけを利用し、DC電圧の極性の切り換えにより指向性ダイバーシチ効果を得ることもできる。 In addition, the points A and A ′ are almost matched. Therefore, the directivity diversity effect can be obtained by switching only the polarity of the DC voltage using only the point A and the point A ′.
点Aと点Aを切り換えた場合の、水平面内指向性の相関係数ρの絶対値二乗は0.11である。 When the point A and the point A are switched, the square of the absolute value of the correlation coefficient ρ of the directivity in the horizontal plane is 0.11.
なお、点Bにおけるビームの半値角は約80度であるが、点Aでは半値角は約55度となっており、狭ビーム化されていることがわかる。 The half-value angle of the beam at point B is about 80 degrees, but at point A, the half-value angle is about 55 degrees, indicating that the beam is narrowed.
(共振器厚さ依存性)
type 3は、厚さhをtype 2の2倍にしたものである。図8は、type 3のアンテナ特性を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。
(Resonator thickness dependence)
In
本図に示すように、厚さhを変化させたとしても整合の変化や指向性の変化は小さい。 As shown in this figure, even if the thickness h is changed, the change in alignment and the change in directivity are small.
本図(b)からは、指向性利得Gaの最大値が5dBiを超える設計が可能でありことがわかる。 From this figure (b), it can be seen that a design in which the maximum value of the directivity gain Ga exceeds 5 dBi is possible.
本図(c)からは、−45度から45度にビーム走査するために必要なリアクタンス可変幅が、厚さhを増すことによってわずかに狭くなることがわかる。しかし、厚さを2倍にしたことに比べ、これらの改善量は小さいので、コンパクト性の利点を選び、本設計例では、type 2を基本構成とする。
From this figure (c), it can be seen that the reactance variable width required for beam scanning from −45 degrees to 45 degrees is slightly narrowed by increasing the thickness h. However, since these improvements are small compared to doubling the thickness, the advantage of compactness is selected, and in this design example,
(リアクタンス装荷位置依存性)
type 4は、装荷点オフセットLrをtype2よりも大きくしたものである。図9は、type 4のアンテナ特性を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。
(Reactance loading position dependency)
In
動作利得Gwの値が大きくなるリアクタンス領域や、ビーム走査に必要なリアクタンス領域が、X1 = X2の対称軸に近づいていることが分かる。 It can be seen that the reactance region in which the value of the operating gain Gw increases and the reactance region necessary for beam scanning approach the symmetry axis of X 1 = X 2 .
本図の点C(X1 = -7,X2 = -93)〜点C'(X1 = -93,X2 = -7)を通過する軌跡を通るようにリアクタンス制御すると、−40度から40度のビーム走査が実現可能であることがわかる。すなわち、−7Ωから−93Ωのリアクタンス可変範囲で上記のビーム走査幅が実現可能である。 When reactance control is performed so as to pass through a locus passing from point C (X 1 = −7, X 2 = −93) to point C ′ (X 1 = −93, X 2 = −7) in the figure, −40 degrees It can be seen that beam scanning of 40 degrees can be realized. That is, the above beam scanning width can be realized in a reactance variable range of −7Ω to −93Ω.
図10は、点Cにおける動作利得指向性をに示すグラフである。以下、本図を参照して説明する。 FIG. 10 is a graph showing the operational gain directivity at point C. In FIG. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.
本図を見ると、ビームが40度方向に形成されており、動作利得が4.06dBi、半値角が約59度であることがわかる。また、X1とX2の値を交換したときの相関係数ρの二乗は0.0734である。 As can be seen from the figure, the beam is formed in the direction of 40 degrees, the operating gain is 4.06 dBi, and the half-value angle is about 59 degrees. The square of the correlation coefficient ρ when the values of X 1 and X 2 are exchanged is 0.0734.
なお、リアクタンス可変幅は高周波ほど狭くなる。リアクタンス値Xは、容量Cと通信角振動数ωを用いて1/(ωC)のように表現できるが、Cが0.7pFから9pFまで変化した場合、バラクタ逆直列対の可変幅は、500MHz帯で約840Ω、2.5GHz帯で約180Ω、5.2GHz帯で約87Ωとなる。 The reactance variable width becomes narrower as the frequency becomes higher. The reactance value X can be expressed as 1 / (ωC) using the capacitance C and the communication angular frequency ω. However, when C changes from 0.7 pF to 9 pF, the variable width of the varactor anti-series pair is 500 MHz. About 840Ω in the band, about 180Ω in the 2.5 GHz band, and about 87Ω in the 5.2 GHz band.
すなわち、5.2GHz帯であっても−7Ωから−93Ωのリアクタンス可変幅が実現できるから、−40度から40度のビーム走査が可能なアンテナが実現できることがわかる。 That is, it can be seen that even in the 5.2 GHz band, a reactance variable width of −7Ω to −93Ω can be realized, and thus an antenna capable of beam scanning of −40 ° to 40 ° can be realized.
(スロット間隔依存性)
type 5は、スロット間隔dをtype 2の半分にして小型化を図るとともに、絶対利得の取れるリアクタンス領域で整合が取れるようにするため、給電点オフセットLfをtype 2よりも増やしている。図11は、type 5のアンテナ特性を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。
(Slot interval dependency)
In type 5, the slot interval d is reduced to half that of
本図に示すように、type 5では約4dBiの利得が実現できるが、ビーム走査に必要なリアクタンス可変幅は大きくなることが分かる。 As shown in this figure, it is understood that a gain of about 4 dBi can be realized with type 5, but the reactance variable width necessary for beam scanning becomes large.
(上面・下面サイズ依存性)
type 6は、上面151、下面152の前面153に接する側の長さ(共振器の幅)aを半波長まで狭くして小型化を図るものである。図12は、type 6のアンテナ特性を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。
(Depends on top and bottom size)
In
本図に示すように、最大で得られる利得が約3.5dBiに低くなっている。 As shown in the figure, the maximum gain is as low as about 3.5 dBi.
これらの解析から、利得向上のためには、スロット間隔dと、共振器の幅aが重要であることが分かる。 From these analyses, it is understood that the slot interval d and the width a of the resonator are important for gain improvement.
(前面と背面の距離の影響)
type 7は、上面151、下面152の前面153に接しない側の長さ(共振器の奥行き)bがスロットの大きさLよりも長くしたもので、PCカードの先端に本発明のアンテナ装置101が接地され、残りの部分にもPCカードの導体ケースが配置されているような状況を考えたものである。
(Influence of distance between front and back)
In type 7, the length (resonator depth) b of the
図13は、type 7のアンテナ特性を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。 FIG. 13 is an explanatory diagram illustrating type 7 antenna characteristics. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.
本図に示すように、アンテナ後部の導体の長さが長くなると、整合特性と指向性の両方が影響を受けることが分かる。ビーム走査できる角度範囲も、−35度から35度に低下する。したがって、ビーム走査は可能であるが、アンテナ先端部以外の構造を考慮した設計が必要であることが分かる。 As shown in this figure, it can be seen that as the length of the conductor at the rear of the antenna increases, both the matching characteristics and the directivity are affected. The angle range in which the beam can be scanned also decreases from −35 degrees to 35 degrees. Therefore, although beam scanning is possible, it turns out that the design which considered structures other than the antenna front-end | tip part is required.
上記のように、各種諸元から等高線を用いた設計・解析が可能であり、所望の条件を満たすようなアンテナ装置101の諸元を定めることができる。
As described above, design and analysis using contour lines can be performed from various specifications, and specifications of the
なお、上記実施形態では、装荷用スロット182の個数は2つとしたが、この個数はこれに限られず、1つ以上であれば、任意の個数を採用することができる。
In the above embodiment, the number of
また、各スロット161の上面151における長さおよび下面152における長さは、いずれもLに等しいとして設計をしていたが、これらのそれぞれの長さは適宜変更してもよい。
In addition, the length of the
また、type 2とtype 7の違いにも見られるように、スロット161の端は、背面154にまで達していても良い(L = b)し、背面154と前面153の途中に配置する(L < b)こととしても良い。
Further, as can be seen from the difference between
さらに、装荷用オフセットは、各装荷用スロット182において異なる値としても良い。また、ある可変リアクタ104については上面151側に接続し、他の可変リアクタ104については下面152側に接続する、という手法も可能である。
Further, the loading offset may be a different value in each
このほか、各スロット161は必ずしも平行とする必要はなく、各スロット161の帯状の形状も、直線状とする必要はなく、複数のスロットを用意するような、種々の配置を採用することができる。
In addition, the
また、導体部102としては、共振器として機能するような薄板形状だけではなく、共振器と類似する原理で働く導波路のような形状のもの、共振器としては動作しない筒状のような形状のものとしても良い。すなわち、略直方体の形状には、角が丸みを帯びているようなものも含まれる。
The
以上説明したように、本発明によれば、薄板形状を有し、その広がり方向にビーム走査可能なアンテナ装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide an antenna device having a thin plate shape and capable of beam scanning in the spreading direction.
101 アンテナ装置
102 導体部
103 給電部
104 可変リアクタ
105 制御部
151 上面
152 下面
153 前面
154 背面
161 スロット
181 給電用スロット
182 装荷用スロット
301 バラクタ
302 抵抗
DESCRIPTION OF
Claims (6)
当該導体部において、当該複数のスロットの1つ(以下「給電用スロット」という。)の長手方向の2辺において対向する点のそれぞれの近傍に接続される給電部、
当該複数のスロットのうち当該給電用スロット以外のスロット(以下「装荷用スロット」という。)のそれぞれについて、当該装荷用スロットの長手方向の2辺において対向する点のそれぞれの近傍に接続される可変リアクタ、
前記可変リアクタのそれぞれのリアクタンス値を変化させて指向性を制御する制御部
を備え、
前記略直方体の内部は中空もしくは絶縁体が充填されていることを特徴とするアンテナ装置。 A conductor portion having a shape obtained by removing a plurality of band-like regions (hereinafter referred to as “slots”) from the upper surface to one of the side surfaces to the lower surface on the surface of the substantially rectangular parallelepiped;
In the conductor portion, a power feeding portion connected in the vicinity of each of opposing points on two sides in the longitudinal direction of one of the plurality of slots (hereinafter referred to as “power feeding slot”),
Of each of the plurality of slots, each of the slots other than the power supply slot (hereinafter referred to as “loading slot”) is connected to the vicinity of the opposing points on the two sides in the longitudinal direction of the load slot. Reactor,
A control unit for controlling directivity by changing each reactance value of the variable reactor ;
An antenna device, wherein the inside of the substantially rectangular parallelepiped is hollow or filled with an insulator .
当該略直方体は、板状の形状であり、当該上面および当該下面の辺の長さは、いずれも、当該上面と当該下面との間の距離よりも長い
ことを特徴とするアンテナ装置。 The antenna device according to claim 1,
The substantially rectangular parallelepiped has a plate shape, and the lengths of the sides of the upper surface and the lower surface are both longer than the distance between the upper surface and the lower surface.
当該複数のスロットの長手方向は、互いに略平行で等間隔に配置され、
当該複数のスロットの長手方向は、当該側面の1つに垂直に配置され、
当該複数のスロットの長手方向の端点の、当該側面の一つからの距離は、いずれも等しい
ことを特徴とするアンテナ装置。 The antenna device according to claim 1 or 2,
The longitudinal directions of the plurality of slots are substantially parallel to each other and arranged at equal intervals,
The longitudinal direction of the plurality of slots is arranged perpendicular to one of the side surfaces,
The distance between the end points in the longitudinal direction of the plurality of slots from one of the side surfaces is the same.
当該複数のスロットは、3つであり、
当該給電用スロットは、当該2つの装荷用スロットに挟まれるように配置され、
前記指向性の方向は、前記制御部が前記可変リアクタのリアクタンス値を変化させることにより、前記略直方体の上面ならびに下面に平行な広がり方向を走査することを特徴とするアンテナ装置。 The antenna device according to any one of claims 1 to 3,
The plurality of slots is three,
The power supply slot is arranged so as to be sandwiched between the two loading slots ,
The antenna device is characterized in that the direction of the directivity scans a spreading direction parallel to the upper surface and the lower surface of the substantially rectangular parallelepiped when the control unit changes a reactance value of the variable reactor .
前記可変リアクタは、逆直列に接続されたバラクタの対であり、
前記制御部は、当該バラクタの対に印加する直列電圧を変化させて、当該リアクタンス値を変化させる
ことを特徴とするアンテナ装置。 The antenna device according to any one of claims 1 to 4, wherein
The variable reactor is a pair of varactors connected in anti-series,
The said control part changes the series voltage applied to the pair of the said varactor, and changes the said reactance value. The antenna apparatus characterized by the above-mentioned.
当該スロットの当該上面から当該側面を経て当該下面に至るまでの全長は、通信に用いる電磁波の波長の約半分である
ことを特徴とするアンテナ装置。 The antenna device according to any one of claims 1 to 5,
The total length of the slot from the upper surface to the lower surface through the side surface is about half the wavelength of the electromagnetic wave used for communication.
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