JP5071903B2 - 複数のアンテナを重畳した可変デバイス装荷アンテナ - Google Patents

Description

この発明は、平面形状を有し周波数特性あるいは指向性の異なる特性を有する複数のアンテナを重畳することで、アンテナ自体を交換することなく複数の周波数帯あるいは複数の指向性から特定の周波数帯や指向特性を選択することができる機能をそなえる複数のアンテナを重畳した可変デバイス装荷アンテナに関している。

本発明は、例えば、複数の周波数帯をカバーできることからマルチバンドアンテナに、また、複数の指向性を提供できることからセクタアンテナに、適用することができるので、以下により詳しく説明する。

＜マルチバンドアンテナ＞
携帯電話などの小型無線装置では、複数のバンドの電波を送受信するためのマルチバンドアンテナが用いられる。携帯電話には、携帯に便利なサイズに上限があるにもかかわらず、ＧＰＳ受信器、テレビ受像機、カメラ等の機能が追加され、また液晶画面が大型化されるなど、多様化や小形化が求められ、また搭載されるアンテナも、より一層の小型化、省スペース化が求められている。さらに、ヨーロッパ・アジア・アメリカ等の各地で使用できるマルチバンド対応の携帯電話が求められているため、アンテナ内蔵式の携帯電話を実現できるマルチバンドアンテナの実現が待たれている。

マルチバンドアンテナとしては、例えば、ＵＷＢ帯で使われるＯＦＤＭ方式通信用の連続した複数バンドに渡る周波数帯用のものと、上記した複数国で使用できる携帯電話の様に、離間した複数の周波数帯で使用できるものと、がある。本発明は、後者に係わるものであり、例えば次のようなマルチバンドアンテナが開示されている。

特許文献１（特開２００４−１７２９１２号公報）に逆Ｆ型の小型のマルチバンドアンテナが開示されている。また、特許文献２（特開平９−１９９９３９号公報）に複数の小形のチップアンテナで構成したマルチバンドアンテナが開示されている。また、特許文献３（特開２００４−１９４３３１号公報）に、並列にガルバーニ電気接続した少なくとも２つの放射子、及び接地面を有するキャリヤーを備えるマルチバンドアンテナが開示されている。また、特許文献４（特開２００５−９４０７８号公報）に、マルチバンドに対応した平板状アンテナが開示されている。

しかし、これらの特許文献１から４に記載されたマルチバンドアンテナは、アンテナを電気的に切換えることによってマルチバンド化したものではない点において、本発明とは相異している。

＜セクタアンテナ＞
移動体通信においては、無線通信領域をそれぞれが小さい領域であるセルに分割して各セルに基地局を設置したり、基地局からみた角度で各セルを複数のセクタにさらに分割したりして、周波数資源の有効利用が図られている。セクタアンテナは、後者の方式において用いられるものである。隣接領域との干渉なしにセクタ数を増やすために、あるいは、マルチパスフェージングなどの影響を抑制するために、指向性の高いセクタアンテナが求められている。

セクタアンテナとして、（１）全体では放射状の指向性をもつ多数のアンテナからひとつを選択して用いるものや、（２）能動素子や受動素子を多数配置して、それぞれの放射特性の合成としてのアンテナ特性をもつアレーアンテナ、などが知られている。

例えば、特許文献５（特開２００１−１２７５４０号公報）には、屋内無線通信に用いられる水平面内の全周を複数の指向性ビームで網羅するセクタアンテナに関し、アンテナ装置の直径を小さく構成することの可能な棒状セクタアンテナの実現を目的とするアンテナ装置が開示されている。これは、水平面内の全周を複数の指向性ビームで網羅するように構成されたセクタアンテナであって、給電素子を具備すると共に、該給電素子を中心とする円周上に少なくとも２本以上の棒状導体を配置し、該棒状導体は、それぞれ、少なくとも２個の長さの異なる短い棒状導体をスイッチング素子を介して連接して１本の棒状導体とした構造であって、前記スイッチング素子を駆動するための制御部への接続手段を有し、制御部が任意の前記スイッチング素子を駆動して当該スイッチング素子を開閉する手段を設けることにより構成するものである。

また、特許文献６（特開２００１−２４４３１号公報）には、従来技術に比較して構成が簡単であって製造コストを大幅に軽減でき、しかも指向特性の制御が容易であることを目的とするアレーアンテナ装置が開示されている。このアレーアンテナ装置においては、無線信号が給電される放射素子と、放射素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が給電されない少なくとも１個の非励振素子とを備えて構成され、非励振素子に可変リアクタンス素子が接続される。ここで、可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、アレーアンテナ装置の指向特性を変化させる。このアレーアンテナ装置においては、無給電可変リアクタンス素子ＡＡ１乃至ＡＡ６が導波器又は反射器として有効に機能する旨記載されている。

上記のアンテナ装置は、給電素子あるいは放射素子を中心とする１つの円周上に、複数の非給電素子を配置したものである。したがって、上記のアンテナ装置で八木宇田アンテナと等価になるように構成する場合、利用できる反射器と導波器はそれぞれ最大１つずつである。

本発明は、図７の各アンテナ単位を平面状に配置したアンテナである。平面形状になるように，複数の八木宇田アンテナをアンテナ面の高さと向きを変えて配置した場合に問題になるのは、図７の放射器を共通にできない点である。

また、本発明では、八木宇田アンテナを別々に離して配置した場合より、専有面積を小さくすることが可能であり、また、給電素子までの配線長を短くできるので給電回路損失を小さくできる。

特開２００４−１７２９１２号公報 特開平９−１９９９３９号公報 特開２００４−１９４３３１号公報 特開２００５−９４０７８号公報 特開２００１−１２７５４０号公報 特開２００１−２４４３１号公報

周波数特性あるいは指向性を変更可能であるアンテナで、複数のアンテナ単位を重畳して提供する場合、可変デバイスを多層基板に干渉することなく各アンテナ単位に装荷したもの提案する。

本発明の複数のアンテナを重畳した可変リアクタ装荷アンテナについては、周波数帯や指向特性を変更できるアンテナを容易に製造することができるようになり、移動体無線通信におけるマルチパスフェージングや混信による通信品質の悪化を容易に抑制することができるようになる。

本発明は、概略、異なる周波数特性あるいは指向特性を有する複数のアンテナ単位を並べて重畳し、所望の特性以外のアンテナ単位は可変デバイス装荷することで用いる周波数帯における透明化を図ることにより、電気的にアンテナ特性を可変にするものである。上記の複数のアンテナは、絶縁体層と導体層とが交互に積層された多層基板を用いて製造する。さらに、上記可変デバイスは、特定の導体層に達するに穴を上記多層基板に設けてそれぞれの一部あるいは一部につながる配線を露出した導体層部分に電気的に接続して、装荷する。

より詳細に述べると、複数のアンテナを重畳した可変デバイス装荷アンテナなる本発明は、八木宇田アンテナをアンテナ単位として、それらの複数を平面状に配置したアンテナである。上記のアンテナ単位のそれぞれは、予め決められた周波数の電波に対して、アンテナ機能が有効になる状態と透明になる状態とを切換えるアンテナ機能切換え手段を備えたアンテナである。それぞれのアンテナ単位の給電素子として機能する放射器に、電磁結合によって給電する共通の給電電極と、上記複数のアンテナ単位から１つを選択して上記周波数の電波に対して有効にし、他のアンテナ単位は上記周波数の電波に対して透明である状態にする制御器と、をさらに備えている。特に、上記給電電極の共振周波数は、上記の予め決められた周波数とは異なるようにしておく事で、上記給電電極のアンテナ特性への擾乱を防止する。また、上記の複数のアンテナは、絶縁体層と導体層とが交互に積層された多層基板で構成するものである。隣接する２つのアンテナの導波器どうしあるいは反射器どうしは前記多層基板の互いに異なる導体層を用いて構成する。また、上記アンテナ機能切換え手段は、上記アンテナ単位を構成する導体層に達する穴を上記多層基板に設けて、上記アンテナ単位の放射器、反射器、または導波器、の少なくともいずれか１つの一部に、あるいは上記導体層で形成され上記一部から伸びる配線を露出した部分に、上記アンテナ機能切換え手段を電気的に接続して、装荷する。

上記アンテナ機能切換え手段は、アンテナ単位のリアクタンスを変更する可変リアクタあるいはスイッチで実現することができる。

上記給電電極は、上記アンテナ単位の近傍に設けた平面導電体で実現することができる。

上記給電電極は、例えば、円弧状の１対の平面導電体である。

また、例えば、それぞれの上記八木宇田アンテナの導波器、放射器、および反射器にアンテナ機能切換え手段を設け、さらに、放射器のアンテナパターンに近接する位置に上記共通の給電電極を設ける。

また、上記給電電極を、上記多層基板の表面側と裏面側の両方に設けることによって、より均一な給電ができるようになる。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

図１は、図７に示す八木宇田アンテナをアンテナ単位に用い、それを複数重畳して、可変デバイス装荷アンテナを構成した例を示す。これは、多層基板を用いて構成する例で、例えば、図２（ａ）から（ｅ）までのパターンを用いて構成する。それぞれのアンテナ単位は、放射器４の中心が概略共通の点上になるように重ねて構成する。ここで、放射器４は、それぞれの層に形成することができることは当然であるが、図１（ｃ）に示す様に、ひとつの導電層にまとめて形成することもできる。また、給電電極８は、例えば、（ｂ）あるいは（ｄ）の層に形成する。

また、給電のし易さを考えると、給電電極８は、最も外側にある方が都合がよい。この場合は、例えば、図１（ｃ）のパターンの裏面に給電電極８を設け、その上に、その他のパターンを順に積層するようにする。

また、図１に示す様に、それぞれの導波器２、反射器３には可変デバイス１を装荷し、所望指向方向（ただし整合周波数）以外の素子を電気的に透明化することによりビーム方向を切換える。この場合も、可変デバイスは例えば図５（１）または（２）に示す可変リアクタ、あるいは、図６（１）、（２）または（３）に示すスイッチで構成することができる。

放射器についてより詳細に図３に示す。例えば、図１（ａ）のアンテナ単位の放射器４は、可変デバイス９を点対象中心とする両側の１対の棒状の導体であり、他のアンテナ単位についても同様である。また、図３（２）に示す様に、この１対の棒状の導体に近接して、可変デバイス９に対称となるように１対の給電電極８を設けている。この１対の給電電極８には、送信時には、逆相の信号を印加する。また、受信時には、逆相の信号出力が得られる。

その他の放射器への給電についても、図３（２）に示す様に、図１（ａ）のアンテナ単位の放射器と共通の給電電極になるように、それぞれの１対の棒状の導体に近接して、給電電極８としている。この給電電極８は、給電部自体は波長に比べ短くし、素子自体では共振しないようにする。つまり、給電電極８は、放射素子として機能しないようにする。

図１（ａ）から（ｅ）までのアンテナ単位からいずれかを選択する際に、上記の様に、導波器あるいは反射器に設けた可変デバイスを用いるが、放射器についても同様に可変デバイスを用いて選択する。図４は、放射器に関する可変デバイス９の内部構成例を示す図である。上記の１対の棒状の導体を可変リアクタを介して高周波的に接続することで選択する構成になっている。例えば、（ａ）の放射器に対応する可変リアクタはＺａである。この可変リアクタとしては、例えば図５（１）または（２）に示す可変リアクタ、あるいは、図６（１）、（２）または（３）に示すスイッチ切換えのリアクタを用いることができる。ここで、図５（３）は、直流電圧を印加して前記可変リアクタを制御するための制御器の例を示す。

図７に、アンテナ単位に用いる八木宇田アンテナの例を示す。また、具体的なサイズ例を図８に示す。この例では、導波器と反射器との間隔は、放射器の長さよりも長い。この様に、放射器と導波器や反射器との重なりが無い構成が可能であることが分かる。

また、可変デバイスの実装に関しては、次の点に留意することが望ましい。
（１）給電電極との電磁結合を強くするために、それを放射電極になるべく接近させた配置とする。
（２）それぞれの放射器と、共通の給電電極との電磁結合を均一にするために、放射器は同一導体層で形成することが望ましい。

一般に、可変デバイスをアンテナ単位に直接装荷した場合、複数のアンテナ単位を多層基板として重ね合わせると、可変デバイスが邪魔をするため、基板を隙間無く平行に設置することが難しい。

そこで、本発明では、図９に示す様に、上記多層基板の放射器付近に、前記多層基板の絶縁体層１０以外の絶縁体層を貫通し、複数の可変リアクタを装荷するのに充分なサイズの穴６を設ける。図９（a）は、放射器の場合、図９（ｂ）は、導波器または反射器の場合である。この穴内で、図４の結線に沿った配線を行なう。図９（a）では、絶縁体層１０上には、放射器４の導体層を設け、その裏面には、給電電極８を設けたものである。なお、図９（a）、（ｂ）において、絶縁体層間の空隙があるのは単に表示上の問題であって、実際にはこの空隙を設ける必要は無い。

また、図１０に示す様に、スルーホールビア１１または一端が隠されるブラインドビアを多層基板に設け、その中に貫通導体を通して、放射器４と可変デバイスと、を接続することによって、上記の可変デバイスを装荷するための穴の形成を避けることができる。図１０（a）は、放射器の場合、図１０（ｂ）は、導波器または反射器の場合である。

異なる２つのアンテナ構成単位のアンテナ素子に可変デバイスを装荷する様子を図１５に示す。図１５（a）に示す大きな穴を開ける方法では各デバイスを各アンテナ素子と同じ層に装荷することになるので、穴を先にあけた各アンテナ単位に可変デバイスを装荷した後に、アンテナ単位を重ね合わせる製造法が使えて便利である。一方、図１５（ｂ）に示すスルーホールを空ける方法では、アンテナ単体を重ねた後に、１つの基板層にまとめて可変デバイスを装荷する製造法が使えて便利である。

また、図１６に示す様に、平面図でみるとアンテナどうしが交差する場合には、アンテナ素子どうしが絶縁体基板で分離される構造とする。この場合、図１６（a）に示すように、可変デバイスを、この絶縁体基板で、洞の中に埋め込んだ構造とするか、図１６（ｂ）に示す様に、アンテナ導体から、同じ導体の配線で引き出して、穴の位置で可変デバイスを接続する構造とする。

上記の図１５あるいは図１６に示す構造は、多層基板のビルドアップ工法として知られる方法を用いて実現することができる。

放射器４に可変デバイスを装荷するための配線は、図４に示す様に、入り組んだものである。しかし、多層基板で配線を交差させるためのよく知られた方法を本発明にも適用することができる。つまり、図１１に示す様に、放射器４と可変デバイス間のいずれかの導電層とブラインドビア１２ａ、１２ｂを迂回様の配線として用いることで、配線の衝突を避けることができる。図１１（a）は、放射器の場合、図１１（ｂ）は、導波器または反射器の場合である。

上記の様に、スルーホールビアやブラインドビア、あるいはベリッドビアを用いることによって図１２に示す構造の可変デバイス装荷アンテナを容易に製造することができる。また、それぞれの層のパターン例を、図１３に示す。まる１からまる５は、多層構造の層順を示す。また、％１から％５は、パターンごとの番号を示す。この例は、放射器と導波器と反射器のパターンを同じ導電層で形成するものである。

なお、アンテナ本体と可変デバイスを接続する配線のみでなく、可変デバイスと制御装置を結ぶ制御線も必要となる。その制御線は、可変デバイスと同じ層に形成するか、あるいは別の層に形成してビアホールを用いて配線する。

上記の例では、給電電極は、上記の多層基板の表面あるいは裏面の一方に設ける例であるが、図１４に示す様に、給電電極８ａ、８ｂを多層基板の表面および裏面の両方に設けてもよい。これによって、放射器と給電電極と距離が変わっても、その電磁結合が不均一になることを抑制することができる。

本発明を適用して、アンテナ単位として八木宇田アンテナを用いたセクタアンテナを構成した場合には、それぞれの方向毎に異なる周波数特性や異なる指向性を持った八木宇田アンテナを用いたセクタアンテナを実現する旨説明したが、部分的にあるいは全て同じ周波数特性や同じ指向性をもった八木宇田アンテナを用いてセクタアンテナを構成してもよい。

アンテナ単位に宇田八木アンテナ型を用いた電磁結合給電可変アンテナの例を示す図である。 宇田八木アンテナ型を用いた電磁結合給電可変アンテナを多層基板を用いて構成する場合の各層のパターン例を示す図である。 電磁結合給電可変アンテナの放射器の詳細を示す図である。 電磁結合給電可変アンテナの放射器に用いる可変デバイスの構成例を示す図である。 可変デバイスに可変リアクタを用いる例を示す図である。 可変デバイスにスイッチ切換えのリアクタを用いる例を示す図である。 アンテナ単位に用いる八木宇田アンテナの例を示す図である。 アンテナ単位に用いる八木宇田アンテナの例の、具体的なサイズ例を示す図である。 多層基板の放射器付近に穴を設けて、複数の可変デバイスを装荷する例を示す模式図であり、（ａ）は、放射器の場合、（ｂ）は、導波器または反射器の場合を示す図である。 多層基板上の放射器付近で、放射器と可変デバイスとをスルーホールビアのよって接続する例を示す模式図であり、（ａ）は、放射器の場合、（ｂ）は、導波器または反射器の場合を示す図である。 多層基板上の放射器付近で、放射器４と可変デバイス間のいずれかの導電層とブラインドビアとを迂回様の配線として用いることで、配線の衝突を避ける例を示す模式図であり、（ａ）は、放射器の場合、（ｂ）は、導波器または反射器の場合を示す図である。 スルーホールビアやブラインドビア、あるいはベリッドビアを用いることによって製造が容易になる、複数のアンテナを重畳した可変デバイス装荷アンテナの例を示す図である。 図１２の可変デバイス装荷アンテナを構成する層ごとのパターン例を示す図である。 給電電極を多層基板の表面および裏面の両方に設ける例を示す図である。 可変デバイスの装荷例を示す図である。 平面図でアンテナ素子が交差する場合の可変デバイスの装荷例を示す図である。

符号の説明

１ 可変デバイス
２ 導波器
３ 反射器
４ 放射器
５ 可変リアクタ
６a、６ｂ 穴
７ 送受信機
８、８ａ、８ｂ 給電電極
９ 可変デバイス
１０ 絶縁体層
１１ スルーホールビア
１２ａ、１２ｂ ブラインドビア

Claims (6)

1. 八木宇田アンテナをアンテナ単位とし、複数のアンテナ単位を平面状に配置したアンテナであって、
   上記のアンテナ単位のそれぞれは、予め決められた周波数の電波に対して、アンテナ機能が有効になる状態と透明になる状態とを切換えるアンテナ機能切換え手段を備えたアンテナであり、
   それぞれのアンテナ単位の給電素子として機能する放射器に電磁結合によって給電する共通の給電電極と、
   上記複数のアンテナ単位から１つを選択して、上記周波数の電波に対して有効である状態にし、他のアンテナ単位は上記周波数の電波に対して透明である状態にする制御器と、をさらに備え、
   上記給電電極の共振周波数は、上記の予め決められた周波数とは異なるものであり、
   さらに、上記の複数のアンテナ単位は、絶縁体層と導体層とが交互に積層された多層基板で構成し、隣接する２つのアンテナ単位の導波器どうしあるいは反射器どうしは前記多層基板の互いに異なる導体層を用いて構成したものであり、
   また、上記アンテナ単位を構成する導体層に達する穴を上記多層基板に設けて、上記アンテナ単位の放射器、反射器、または導波器、の少なくともいずれか１つの一部を露出した部分に、あるいは上記導体層で形成され上記一部から伸びる配線を露出した部分に、上記アンテナ機能切換え手段を電気的に接続することで装荷したものであることを特徴とする複数のアンテナを重畳した可変デバイス装荷アンテナ。
2. 上記アンテナ機能切換え手段は、アンテナ単位のリアクタンスを変更する可変リアクタあるいはスイッチである事を特徴とする請求項１に記載の複数のアンテナを重畳した可変デバイス装荷アンテナ。
3. 上記給電電極は、上記アンテナ単位の近傍に設けた平面導電体である事を特徴とする請求項１に記載の複数のアンテナを重畳した可変デバイス装荷アンテナ。
4. 上記給電電極は、円弧状の１対の平面導電体である事を特徴とする請求項３に記載の複数のアンテナを重畳した可変デバイス装荷アンテナ。
5. 上記アンテナ単位の導波器、放射器、および反射器にアンテナ機能切換え手段を設け、
   さらに放射器のアンテナパターンに近接する位置の２か所に上記共通の給電電極をそれぞれ設け、上記それぞれの給電電極にあらかじめ決められた位相差の信号を印加する事を特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の複数のアンテナを重畳した可変デバイス装荷アンテナ。
6. 上記給電電極は、上記多層基板の表面側と裏面側の両方に設けたものであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の複数のアンテナを重畳した可変デバイス装荷アンテナ。

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