JP5282097B2 - アンテナ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電気的に主放射方向を切り替え可能である指向性可変なアンテナ装置に関する。
ＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｂ／ｇ規格に準拠した無線ＬＡＮシステムやＢｌｕｅｔｏｏｔｈなど、無線技術を応用した機器が近年急速に普及している。ＩＥＥＥ８０２．１１ａやＩＥＥＥ８０２．１１ｇは、データの伝送速度が５４Ｍｂｐｓとされているが、最近では、さらに高速な伝送速度を実現するための無線方式の研究開発が盛んになっている。
無線通信システムの高速化を実現する技術の１つとして、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）通信システムが注目を集めている。これは、送信機側と受信機側の双方において複数のアンテナ素子を備え、空間多重した伝送路を実現することにより、伝送容量の拡大を図り、通信速度向上を達成する技術であり、無線ＬＡＮのみならず、携帯電話通信システムや、ＩＥＥＥ８０２．１６ｅ（ＷｉＭＡＸ）など、次世代無線通信システムにおいて必須の技術とされる。
ＭＩＭＯ通信方式は、送信機において複数のアンテナ素子に送信データを分配し、同時刻に、同一周波数にて送出を行う。送出された電波は、それぞれ空間中の様々な伝搬路を経由後、複数の受信アンテナ素子に到達する。受信機では、送信アンテナと受信アンテナとの間の伝達関数を推定し、演算処理を行うことで元のデータを復元する。一般的に、ＭＩＭＯ通信方式を使用した無線機器の場合、ダイポールアンテナやスリーブアンテナなど無指向性給電素子が複数本使用される。この場合、給電素子間の距離を十分に離す、若しくは各給電素子を別の方向に傾け異なる偏波の組み合わせにするといった工夫を行わない限り、互いの給電素子間の相関が大きくなり、伝送品質が悪くなるといった問題点があった。
この問題点を解決するための従来技術として、例えば、特許文献１に開示された指向性適応型アンテナであるアレーアンテナ装置を使用することが考えられる。特許文献１のアレーアンテナ装置は、誘電体支持基板上に垂直に設置された半波長ダイポールアンテナの周囲を取り囲むように、３つのプリント配線基板が配置されて構成されている。半波長ダイポールアンテナへは、平衡型給電ケーブルを介して高周波信号が供給される。また、各プリント配線基板の裏面には、２つのプリントアンテナ素子（導体パターンにてなる素子）を一組として、２組の無給電素子が平行に設けられており、各無給電素子において、２つのプリントアンテナ素子は所定の隙間を有して対向するように設けられている。各プリントアンテナ素子の対向側端部にはスルーホール導体が設けられ、プリント配線基板の表側の電極端子に接続されている。各無給電素子において、２つの電極端子間には可変容量ダイオードが実装され、各電極端子はさらに高周波阻止用高抵抗を介してペアケーブルに接続され、ペアケーブルは、当該アンテナ装置の指向特性を制御するコントローラの印加バイアス電圧端子ＤＣ＋及びＤＣ−に接続されている。コントローラからの印加バイアス電圧を切り替えることにより、無給電素子に接続された可変容量ダイオードのリアクタンス値が変化する。これにより、各無給電素子の電気長を、半波長ダイポールアンテナと比較して変化させ、当該アレーアンテナ装置の平面指向特性を変化させている。
特許文献１のアレーアンテナ装置のような指向性適応型アンテナをＭＩＭＯ通信用アンテナとして採用し、アンテナ間の相関が発生しないよう、それぞれの指向性を設定することで、給電素子間の距離を小さくすることが可能となる。
特開２００２−２６１５３２号公報。
特許文献１に記載の適応型アンテナをＭＩＭＯ通信に使用することにより、給電素子間の距離を狭めることができる。しかしながら、前記従来の適応型アンテナを複数配置された場合、それぞれの給電素子の周囲に無給電素子を配置する必要があるので、設置に必要な空間が非常に大きくなる。小型化のために、給電素子と無給電素子を一枚の基板上に設置することが考えられるが、その場合、基板の垂線方向への電界強度は変化しないという問題点があった。
本発明の目的は、前述した従来の問題点を解決するもので、設置に必要な空間が小さく、基板の垂線方向への電界強度も変化することができるＭＩＭＯ通信用指向性可変アンテナ装置を提供することにある。
本発明に係るアンテナ装置は、
互いに平行な第１及び第２の面を有する第１の誘電体基板と、
互いに平行な第１及び第２の面を有する第２の誘電体基板と、
上記第１の誘電体基板の第１及び第２の面のうちの少なくとも一方に設けられ、無線信号を送受信する第１の給電素子と、
上記第１の誘電体基板の第１及び第２の面のうちの少なくとも一方に設けられた第１の無給電素子と、
上記第２の誘電体基板の第１及び第２の面のうちの少なくとも一方に設けられ、無線信号を送受信する第２の給電素子と、
上記第２の誘電体基板の第１及び第２の面のうちの少なくとも一方に設けられた第２の無給電素子と、
上記各第１及び第２の無給電素子を反射器として動作させるか否かを切り換える制御手段とを備え、
上記第１の無給電素子は、上記第１及び第２の給電素子と電磁的に結合するように近接して配置され、
上記第２の無給電素子は、上記第１及び第２の給電素子と電磁的に結合するように近接して配置されたことを特徴とするアンテナ装置。
上記アンテナ装置において、上記第１の給電素子及び第１の無給電素子は、上記第１の誘電体基板の第１の面に設けられ、
上記第２の給電素子及び第２の無給電素子は、上記第２の誘電体基板の第１の面に設けられ、
上記第１の誘電体基板の第２の面と上記第２の誘電体基板の第２の面とは互いに対向するように、上記第１及び第２の誘電体基板は一体の誘電体基板にてなることを特徴とする。
また、上記アンテナ装置において、上記第１及び第２の無給電素子はそれぞれ、１／４波長の電気長を有する２本の無給電導体素子が一直線上に設けられたダイポール素子であり、
上記制御手段は、
上記第１の無給電素子の２本の無給電導体素子の間に直列に接続されたＰＩＮダイオードと、
上記第２の無給電素子の２本の無給電導体素子の間に直列に接続されたＰＩＮダイオードとを備えたことを特徴とする。
さらに、上記アンテナ装置において、上記第１及び第２の無給電素子はそれぞれ、１／４波長の電気長を有する２本の無給電導体素子が一直線上に設けられたダイポール素子であり、
上記制御手段は、
上記第１の無給電素子の２本の無給電導体素子の間に直列に接続された可変容量ダイオードと、
上記第２の無給電素子の２本の無給電導体素子の間に直列に接続された可変容量ダイオードとを備えたことを特徴とする。
またさらに、上記アンテナ装置において、上記第１及び第２の無給電素子はそれぞれ、１／４波長の電気長を有する１本の無給電導体素子が接地導体に対して垂直に設けられたモノポール素子であり、
上記制御手段は、
上記第１の無給電素子の無給電導体素子と上記接地導体との間に接続されたＰＩＮダイオードと、
上記第２の無給電素子の無給電導体素子と上記接地導体との間に接続されたＰＩＮダイオードとを備えたことを特徴とする。
また、上記アンテナ装置において、上記第１及び第２の無給電素子はそれぞれ、１／４波長の電気長を有する１本の無給電導体素子が接地導体に対して垂直に設けられたモノポール素子であり、
上記制御手段は、
上記第１の無給電素子の無給電導体素子と上記接地導体との間に接続された可変容量ダイオードと、
上記第２の無給電素子の無給電導体素子と上記接地導体との間に接続された可変容量ダイオードとを備えたことを特徴とする。
さらに、上記アンテナ装置において、上記第１及び第２の給電素子はそれぞれ、ダイポールアンテナであることを特徴とする。
またさらに、上記アンテナ装置において、上記第１及び第２の給電素子はそれぞれ、スリーブアンテナであることを特徴とする。
また、上記アンテナ装置において、上記第１及び第２の給電素子はそれぞれ、モノポールアンテナであることを特徴とする。
さらに、上記アンテナ装置において、上記第１の無給電素子は、上記第１及び第２の給電素子から１／４波長の距離だけ離れて設けられ、
上記第２の無給電素子は、上記第１及び第２の給電素子から１／４波長の距離だけ離れて設けられたことを特徴とする。
またさらに、上記アンテナ装置において、１つの上記第１の給電素子と、２つの上記第１の無給電素子と、２つの上記第２の給電素子と、２つの上記第２の無給電素子とを備えたことを特徴とする。
また、上記アンテナ装置において、少なくとも１つの上記第１の給電素子と、少なくとも１つの上記第１の無給電素子と、少なくとも１つの上記第２の給電素子と、少なくとも１つの上記第２の無給電素子とを備えたことを特徴とする。
本発明のアンテナ装置によれば、第１の誘電体基板に配された第１の無給電素子と、第２の誘電体基板に配された第２の無給電素子には、各無給電素子を反射器として動作させるか否かを切り換えるための電気長切り替え回路が上記制御手段として接続されている。各電気長切り替え回路は、ＰＩＮダイオードや、可変リアクタンス素子によって構成されており、回路に適切な電圧を印加することで、当該電気長切り換え回路に接続された無給電素子は反射器として動作する。ここで、第１の無給電素子は、第１及び第２の給電素子と電磁的に結合するように近接して配置され、かつ第２の無給電素子は、第１及び第２の給電素子と電磁的に結合するように近接して配置されているので、一つの無給電素子を反射器として動作させることで、第１及び第２の給電素子の主放射方向が変化する。
これにより、第１及び第２の誘電体基板の垂線方向への放射電力を増減することが可能であり、各給電素子の指向性の組み合わせが最適になるように制御できるので、ＭＩＭＯ通信方式に適した指向性切り替え機能を備えたアンテナ装置を提供することができる。また、第１及び第２の誘電体基板を一体のブロック（誘電体基板である）とし、全ての素子をこの１枚のブロック上に設けた場合には、当該ブロックを無線モジュール基板に半田付けすることなどによって表面実装可能な為、通常同軸ケーブルによって発生する伝搬損失を無視することが可能となる。
本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置をおもて面から見たときの斜視図である。 図１のアンテナ装置を裏面から見たときの斜視図である。 図１及び図２のアンテナ装置の上面図である。 図２のアンテナ装置における電気長調整回路４０２の拡大図である。 本発明の第１の実施形態の第１の変形例に係るアンテナ装置の上面図である。 本発明の第１の実施形態の第２の変形例に係るアンテナ装置の上面図である。 本発明の第１の実施形態の第３の変形例に係るアンテナ装置の上面図である。 本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置の斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係るプリント配線基板２２ａの正面図である。 本発明の第２の実施形態に係るプリント配線基板２２ｂの正面図である。 図１０のプリント配線基板２２ｂの第１の面２２ｂ−ｓ１のレイアウト例を示す正面図である。 図１０のプリント配線基板２２ｂの第２の面２２ｂ−ｓ２のレイアウト例を示す正面図である。 図９のプリント配線基板２２ａの第１の面２２ａ−ｓ１のレイアウト例を示す正面図である。 図９のプリント配線基板２２ａの第２の面２２ａ−ｓ２のレイアウト例を示す正面図である。 図８のアンテナ装置において無給電アンテナ素子４０１、５０１、６０１、７０１を動作させない場合（オフ状態）の水平面指向特性図である。 図８のアンテナ装置において無給電アンテナ素子４０１、５０１、６０１、７０１を動作させた場合（オン状態）の水平面指向特性図である。 本発明の第３の実施形態に係るアンテナ装置を備えた無線モジュール基板２５の概略構成を示す斜視図である。 図１７の誘電体基板２１をおもて面から見たときの斜視図である。 図１７の誘電体基板２１を裏面から見たときの斜視図である。 図１７の誘電体基板２１を下面から見たときの斜視図である。 図１７のアンテナ装置における電気長調整回路４０２Ａの拡大図である。 本発明の第３の実施形態の第１の変形例に係る電気長調整回路４０２Ｃの拡大図である。 本発明の第１の実施形態の第４の変形例に係る電気長調整回路４０２Ｂの拡大図である。 本発明の第４の実施形態に係るアンテナ装置をおもて面から見たときの斜視図である。 図２４のアンテナ装置を裏面から見たときの斜視図である。 図２４及び図２５のアンテナ装置の上面図である。 本発明の第４の実施形態の第１の変形例に係るアンテナ装置の上面図である。 本発明の第４の実施形態の第２の変形例に係るアンテナ装置の上面図である。 本発明の第４の実施形態の第３の変形例に係るアンテナ装置の上面図である。 本発明の第４の実施形態の第４の変形例に係るアンテナ装置の上面図である。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。明細書及び図面を通じて、同様の構成要素には同様の符号を用い、繰り返しの説明は省略する。
第１の実施形態．
図１は本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置をおもて面から見たときの斜視図であり、図２は図１のアンテナ装置を裏面から見たときの斜視図である。また、図３は図１及び図２のアンテナ装置の上面図である。本実施形態に係るアンテナ装置は、誘電体基板２１上に３つのダイポールアンテナ素子１０１，２０１，３０１と、４つの無給電アンテナ素子（無給電素子である。）４０１，５０１，６０１，７０１を備えて構成される。また、図１乃至図３に示すように、３次元のＸＹＺ座標を導入する。
詳細後述するように、本実施形態に係るアンテナ装置は、誘電体基板２１と、誘電体基板２１の一方の面に設けられ無線信号を送受信する給電アンテナ素子１０１と、誘電体基板２１の一方の面に設けられた無給電アンテナ素子４０１，７０１と、誘電体基板２１の他方の面に設けられ無線信号を送受信する給電アンテナ素子２０１，３０１と、誘電体基板の他方の面に設けられた無給電アンテナ素子５０１，６０１と、各無給電素子４０１，５０１，６０１，７０１をそれぞれ反射器として動作させるか否かを切り換えるコントローラ１及び電気長調整回路４０２，５０２，６０２，７０２とを備え、無給電アンテナ素子４０１は給電アンテナ素子１０１及び２０１と電磁的に結合するように近接して配置され、無給電アンテナ素子５０１は給電アンテナ素子１０１及び２０１と電磁的に結合するように近接して配置され、無給電アンテナ素子６０１は給電アンテナ素子１０１及び３０１と電磁的に結合するように近接して配置され、無給電アンテナ素子７０１を給電アンテナ素子１０１及び３０１と電磁的に結合するように近接して配置されたことを特徴としている。
ダイポールアンテナ素子１０１は、誘電体基板２１の表面に導体パターンとして形成された２つのストリップ形状の給電導体素子１０１ａ，１０１ｂから構成され、給電導体素子１０１ａ，１０１ｂは互いに所定間隔を有して一直線上に配置されている。各給電導体素子１０１ａ，１０１ｂの対向した側に設けた給電点１０２は、無線通信回路（図示せず）と接続され、これによりダイポールアンテナ素子１０１を介して無線信号が送受信される。
無給電アンテナ素子４０１，７０１は、ダイポールアンテナ素子１０１を挟むように、ダイポールアンテナ素子１０１が位置する直線に対して、通信時の動作波長λの４分の１の距離だけ離れた平行線上にそれぞれ配置される。また、無給電アンテナ素子５０１，６０１は、ダイポールアンテナ素子１０１が位置する直線に対して、通信時の動作波長λの４分の１の距離だけ離れた平行線上であり、誘電体基板上の、ダイポールアンテナ素子１０１が配置された面と対向する面に、それぞれ配置される。ここで、動作波長λの４分の１の距離は、ダイポールアンテナ素子と無給電アンテナ素子とが互いに電磁的に結合する距離であって、使用する誘電体基板の誘電率によって変化し、誘電率が高いほど短くなる。
無給電アンテナ素子４０１は、誘電体基板２１の導体パターンとして形成された２つのストリップ形状の無給電導体素子４０１ａ，４０１ｂから構成されたダイポール素子である。ここで、無給電導体素子４０１ａ，４０１ｂは、１／４波長（λ／４）の電気長を有し、互いに所定間隔を有して一直線上に配置されている。各無給電導体素子４０１ａ，４０１ｂの対向した側には、電気長調整回路４０２が設けられる。
図４は図２のアンテナ装置における電気長調整回路４０２の拡大図である。すなわち、図４において、電気長調整回路４０２と、それに近接した無給電導体素子４０１ａ，４０１ｂとを含む部分を示す。
図４において、無給電導体素子４０１ａ，４０１ｂの対向した側には、一対のＰＩＮダイオード４０３ａ，４０３ｂが設けられる。ＰＩＮダイオード４０３ａのカソード端子は無給電導体素子４０１ａに接続され、ＰＩＮダイオード４０３ｂのカソード端子は無給電導体素子４０１ｂに接続され、ＰＩＮダイオード４０３ａ，４０３ｂのアノード端子は互いに接続される。ＰＩＮダイオード４０３ａ，４０３ｂのアノード端子は、制御線４０４ａを介して、制御電圧（すなわちバイアス電圧）を印加してアンテナ装置の指向特性を制御するコントローラ１の印加バイアス電圧端子（ＤＣ端子）ＤＣ４に接続され、ＰＩＮダイオード４０３ａ，４０３ｂのカソード端子は、制御線４０４ｂを介して、コントローラ１の接地端子（ＧＮＤ端子）ＧＮＤに接続される。従って、制御線４０４ａ，４０４ｂはそれぞれ、無給電アンテナ素子４０１制御用の直流電圧供給線路とＧＮＤ線路である。制御線４０４ａ上において、ＰＩＮダイオード４０３ａ，４０３ｂのアノード端子に近接するように、高周波阻止用の、例えば数十ｎＨ程度のインダクタンスを有するインダクタ（コイル）４０５ｂが設けられ、制御線４０４ａ上にはさらに、数キロオーム程度の電流制御用の抵抗４０６が設けられる。また、制御線４０４ｂ上において、ＰＩＮダイオード４０３ａ，４０３ｂのカソード端子に近接するように、高周波阻止用の、例えば数十ｎＨ程度のインダクタンスを有するインダクタ４０５ａ，４０５ｃが設けられる。ここで、インダクタ４０５ａ，４０５ｂ，４０５ｃは、無給電アンテナ素子４０１にて励振した高周波信号が、制御線４０４ａ，４０４ｂ上に漏洩することを防ぐ役割を持つ。
無給電アンテナ素子５０１，６０１，７０１もまた、無給電アンテナ素子４０１と同様に構成される。無給電アンテナ素子５０１は、２つのストリップ形状の無給電導体素子５０１ａ，５０１ｂと、各無給電導体素子５０１ａ，５０１ｂの対向した側の電気長調整回路５０２から構成される。無給電アンテナ素子６０１は、２つのストリップ形状の無給電導体素子６０１ａ，６０１ｂと、各無給電導体素子６０１ａ，６０１ｂの対向した側の電気長調整回路６０２から構成される。無給電アンテナ素子７０１は、２つのストリップ形状の無給電導体素子７０１ａ，７０１ｂと、各無給電導体素子７０１ａ，７０１ｂの対向した側の電気長調整回路７０２から構成される。また、電気長調整回路５０２，６０２，７０２もまた、電気長調整回路４０２と同様に構成される。ここで、電気長調整回路５０２の２つのＰＩＮダイオードの各アノード端子はコントローラ１の印加バイアス電圧端子ＤＣ５に接続される一方、各カソード端子はグランド端子ＧＮＤに接続される。電気長調整回路６０２の２つのＰＩＮダイオードの各アノード端子はコントローラ１の印加バイアス電圧端子ＤＣ６に接続される一方、各カソード端子はグランド端子ＧＮＤに接続される。電気長調整回路７０２の２つのＰＩＮダイオードの各アノード端子はコントローラ１の印加バイアス電圧端子ＤＣ７に接続される一方、各カソード端子はグランド端子ＧＮＤに接続される。
さらに、ダイポールアンテナ素子２０１，３０１もまた、ダイポールアンテナ素子１０１と同様に構成される。
図３は、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置を、上から見た平面図である。前述のように、無給電アンテナ素子４０１，５０１，６０１，７０１は、ダイポールアンテナ素子１０１から通信時の動作波長λの４分の１の距離の位置に設置されている。この距離は、使用する誘電体基板の誘電率に依存する。
ダイポールアンテナ素子２０１は、無給電アンテナ素子４０１と、無給電アンテナ素子５０１から通信時の動作波長λの４分の１の距離の位置に設置されている。また、ダイポールアンテナ素子３０１は、無給電アンテナ素子６０１と、無給電アンテナ素子７０１から通信時の動作波長λの４分の１の距離の位置に設置されている。
以上のように構成されたアンテナ装置において、コントローラ１の制御電圧がオフの場合には、全ての電気長調整回路４０２，５０２，６０２，７０２内のＰＩＮダイオードに電圧が印加されないので、無給電アンテナ素子４０１，５０１，６０１，７０１は励振されず、無給電アンテナ素子４０１，５０１，６０１，７０１がダイポールアンテナ素子１０１，２０１，３０１の指向特性に影響しない。
一方、コントローラ１が、例えば無給電アンテナ素子４０１への制御電圧をオンにする場合には、ＤＣ端子ＤＣ４からの印加バイアス電圧を、制御線４０４ａを介してＰＩＮダイオード４０３ａ，４０３ｂのアノード側に印加し、例えば０.８Ｖ程度のＰＩＮダイオード４０３ａ，４０３ｂの動作電圧よりも大きくすることによって、ＰＩＮダイオード４０３ａ，４０３ｂは導通状態になる。この時、無給電アンテナ素子４０１は、ダイポールアンテナ素子１０１から放射される電波によって励振され、電波を再放射する。ダイポールアンテナ素子１０１と無給電アンテナ素子４０１との間隔は動作波長λの４分の１であるので、無給電アンテナ素子４０１から再放射される電波は、ダイポールアンテナ素子１０１から放射される電波よりも位相が９０度遅れたものとなる。２つの電波の重ね合わせにより、無給電アンテナ素子４０１よりも＋Ｙ方向に向かう電波は打ち消され、ダイポールアンテナ素子１０１よりも−Ｙ方向に向かう電波は強められる。
またこのとき、無給電アンテナ素子４０１は、ダイポールアンテナ素子２０１から放射される電波によっても励振され、電波を再放射する。ダイポールアンテナ素子２０１と無給電アンテナ素子４０１との間隔は動作波長λの４分の１であるので、無給電アンテナ素子４０１から再放射される電波は、ダイポールアンテナ素子２０１から放射される電波よりも位相が９０度遅れたものとなる。２つの電波の重ね合わせにより、無給電アンテナ素子４０１よりも−（Ｘ＋Ｙ）方向に向かう電波は打ち消され、ダイポールアンテナ素子１０１よりも＋（Ｘ＋Ｙ）方向に向かう電波は強められる。このように、無給電アンテナ素子４０１に接続された電気長調整回路４０２にバイアス電圧が印加されたとき当該無給電アンテナ素子４０１はダイポールアンテナ素子１０１，２０１に対して反射器として動作するので、ダイポールアンテナ素子１０１の指向特性を、−Ｙ方向に主放射が向いた状態へと切り替え、ダイポールアンテナ素子２０１の指向特性を、＋（Ｘ＋Ｙ）方向に主放射が向いた状態へと切り替えることができる。
他の無給電アンテナ素子５０１，６０１，７０１をオンにする場合にも、同様に指向特性を制御することができ、例えば無給電アンテナ素子４０１と無給電アンテナ素子５０１を同時にオンした場合には、ダイポールアンテナ素子１０１の指向特性は−（Ｘ＋Ｙ）方向に主放射が向き、別の例として無給電アンテナ素子５０１と無給電アンテナ素子６０１を同時にオンした場合には、ダイポールアンテナ素子１０１の指向特性は−Ｘ方向に主放射が向く。
つまり、ダイポールアンテナ素子１０１がとりうる指向性形状の数は、ダイポールアンテナ素子１０１に対して影響を与える無給電アンテナ素子の本数が４本であることから、２４＝８通りであり、ダイポールアンテナ素子２０１，３０１がとりうる指向性形状の数は、影響を与える無給電アンテナ素子の本数が２本であることから、２２＝４通りとなる。
図５は本発明の第１の実施形態の第１の変形例に係るアンテナ装置の上面図である。図５において、２つのダイポールアンテナ素子１０１，２０１と４つの無給電アンテナ素子４０１，５０１，６０１，７０１を備えた変形例を図示している。
図６は本発明の第１の実施形態の第２の変形例に係るアンテナ装置の上面図である。図６において、３つのダイポールアンテナ素子１０１，２０１，３０１と５つの無給電アンテナ素子４０１，５０１，６０１，７０１，８０１を備えた変形例を図示している。
図７は本発明の第１の実施形態の第３の変形例に係るアンテナ装置の上面図である。図７において、５つのダイポールアンテナ素子１０１，２０１，３０１，９０１，１００１と５つの無給電アンテナ素子４０１，５０１，６０１，７０１，８０１を備えた変形例を図示している。
なお、本実施形態では、給電素子としてダイポールアンテナ素子１０１，２０１，３０１を用いた場合を示したが、水平面（Ｘ−Ｙ面）指向特性が無指向性に近いものであれば使用可能であるため、スリーブアンテナ、コリニアアンテナ又はモノポールアンテナを用いても、本実施形態と同様に動作するアンテナ装置を実現できる。また、本実施形態では、誘電体基板２１上に２つ〜５つの励振アンテナ素子と４つ〜５つの無給電アンテナ素子を配置された例を示したが、それぞれの素子の数は、増減してもよい。
さらに、本実施形態では、電気長を調整するために、ＰＩＮダイオードの導通／非導通を利用したが、例えば、図２３に示すように、バリキャップダイオード（可変容量ダイオード）４０３ａｖ、４０３ｂｖを使用し、リアクタンス値を変化させることで電気長を切り替えても良い。図２３は、本発明の第１の実施形態の第４の変形例に係る電気長調整回路４０２Ｂの拡大図である。電気長調整回路４０２Ｂは、電気長調整回路４０２Ａに比較して、ＰＩＮダイオード４０３ａ，４０３ｂに代えてバリキャップダイオード４０３ａｖ，４０３ｂｖを設けた点が異なる。図２３において、バリキャップダイオード４０３ａｖのカソード端子は無給電導体素子４０１ａに接続され、バリキャップダイオード４０３ｂｖのカソード端子は無給電導体素子４０１ｂに接続され、バリキャップダイオード４０３ａｖ，４０３ｂｖのアノード端子は互いに接続される。バリキャップダイオード４０３ａｖ，４０３ｂｖのアノード端子は、インダクタ４０５ｂ、抵抗４０６及び制御線４０４ａを介して、コントローラ１の印加バイアス電圧端子ＤＣ４に接続される。さらに、バリキャップダイオード４０３ａｖのカソード端子は、インダクタ４０５ａ及び制御線４０４ｂを介して、コントローラ１の接地端子ＧＮＤに接続され、バリキャップダイオード４０３ｂｖのカソード端子は、インダクタ４０５ｃ及び制御線４０４ｂを介して、コントローラ１の接地端子ＧＮＤに接続される。コントローラ１は、バリキャップダイオード４０３ａｖ、４０３ｂｖに印加するバイアス電圧を連続的に変化させることによりバリキャップダイオード４０３ａｖ、４０３ｂｖの各容量値を変化させ、無給電アンテナ素子４０１の電気長を連続的に変化させる。
以上説明したように、本実施形態のアンテナ装置によれば、無給電アンテナ素子４０１，５０１，６０１，７０１を、誘電体基板２１の第１の面にある給電素子１０１と第２の面にある給電素子２０１，３０１のうちの１つの指向特性を同時に変化できる位置に配置し、各給電素子１０１，２０１，３０１を、第１の面にある無給電アンテナ素子４０１，７０１のうちの１つと第２の面にある無給電アンテナ素子５０１，６０１のうちの１つの影響を受ける位置に配置した。より具体的には、無給電アンテナ素子４０１を給電アンテナ素子１０１及び２０１と電磁的に結合するように近接して配置し、無給電アンテナ素子５０１を給電アンテナ素子１０１及び２０１と電磁的に結合するように近接して配置し、無給電アンテナ素子６０１を給電アンテナ素子１０１及び３０１と電磁的に結合するように近接して配置し、無給電アンテナ素子７０１を給電アンテナ素子１０１及び３０１と電磁的に結合するように近接して配置した。これにより、誘電体基板２１の垂線方向への電力を増減することが可能であり、各給電素子１０１，２０１，３０１の指向性の組み合わせが最適になるように制御できるので、ＭＩＭＯ通信方式に適した指向性切り替え機能を備えた小型なアンテナ装置を提供することができる。また、全ての素子が一体のブロック（誘電体基板２１である）上に位置することから、無線モジュール基板に半田付けなどによって表面実装可能な為、通常同軸ケーブルによって発生する通過損失を無視することが可能となる。
第２の実施形態．
図８は本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置の斜視図である。また、図９は本発明の第２の実施形態に係るプリント配線基板２２ａの正面図であり、図１０は本発明の第２の実施形態に係るプリント配線基板２２ｂの正面図である。
図８に示すように、本実施形態のアンテナ装置は、ディスプレイの金属筐体２３を切り欠き、樹脂窓２４を組み込んだ部分に沿うように配置された、互いに平行に設けられた２つの誘電体にてなるプリント配線基板２２ａ，２２ｂとして構成される。ここで、プリント配線基板２２ａは互いに平行な第１の面２２ａ−ｓ１及び第２の面２２ａ−ｓ２を有し、プリント配線基板２２ｂは互いに平行な第１の面２２ｂ−ｓ１及び第２の面２２ｂ−ｓ２を有する。さらに、プリント配線基板２２ａの第２の面２２ａ−ｓ２とプリント配線基板２２ｂの第２の面２２ｂ−ｓ２とは対向する。アンテナ装置は、給電アンテナ素子であるスリーブアンテナ素子１０１Ａ，２０１Ａ，３０１Ａと、無給電アンテナ素子４０１，５０１，６０１，７０１とを備えて構成され、スリーブアンテナ素子１０１Ａ及び無給電アンテナ素子４０１，７０１は、プリント配線基板２２ｂの第１の面２２ｂ−ｓ１上に設けられ、スリーブアンテナ素子２０１Ａ，３０１Ａ及び無給電アンテナ素子５０１，６０１はプリント配線基板２２ａの第１の面２２ａ−ｓ１上に設けられる。無線モジュール基板２５上の信号入出力端子２６−１と、プリント配線基板２２ｂのスリーブアンテナ素子１０１Ａに接続されたコネクタＣ１０１とは、高周波同軸ケーブル２７−１を介して接続され、これによりスリーブアンテナ素子１０１Ａに給電される。また、無線モジュール基板２５上の信号入出力端子２６−２と、プリント配線基板２２ａのスリーブアンテナ素子２０１Ａに接続されたコネクタＣ２０１とは、高周波同軸ケーブル２７−２を介して接続され、これによりスリーブアンテナ素子２０１Ａに給電される。さらに、無線モジュール基板２５上の信号入出力端子２６−３と、プリント配線基板２２ａのスリーブアンテナ素子３０１Ａに接続されたコネクタＣ３０１とは、高周波同軸ケーブル２７−３を介して接続され、これによりスリーブアンテナ素子３０１Ａに給電される。
スリーブアンテナ素子１０１Ａ，２０１Ａ，３０１Ａ及び、無給電アンテナ素子４０１，５０１，６０１，７０１の素子同士の間隔は、第１の実施形態の場合と同様に設定される。すなわち、無給電アンテナ素子４０１，５０１，６０１，７０１は、スリーブアンテナ素子１０１Ａから通信時の動作波長λの４分の１の距離の位置に設置されている。スリーブアンテナ素子２０１Ａは、無給電アンテナ素子４０１と、無給電アンテナ素子５０１から通信時の動作波長λの４分の１の距離の位置に設置されている。また、スリーブアンテナ素子３０１Ａは、無給電アンテナ素子６０１と、無給電アンテナ素子７０１から通信時の動作波長λの４分の１の距離の位置に設置されている。誘電体基板２２ａ、２２ｂ間の距離は、スリーブアンテナ素子１０１Ａ，２０１Ａ，３０１Ａ及び、無給電アンテナ素子４０１，５０１，６０１，７０１の素子同士の間隔が上述した間隔になるように設定される。
本実施形態のアンテナ装置の動作を、図９及び図１０を参照して以下説明する。例えば無給電アンテナ素子４０１，５０１，６０１，７０１にそれぞれ接続した、電気長調整回路４０２，５０２，６０２，７０２への制御電圧が印加されない場合、スリーブアンテナ素子１０１Ａの指向性は、図８のＸＹ面、即ち、ディスプレイの設置面において無指向に広がる。スリーブアンテナ素子１０１Ａの指向性を−Ｘ方向に向けたい場合、電気長調整回路５０２，６０２へ電圧を印加する。これにより、無給電アンテナ素子５０１，６０１が励振されて、スリーブアンテナ素子１０１Ａの反射器として動作し、スリーブアンテナ素子１０１Ａよりも＋Ｘ方向では電波の振幅が弱められ、−Ｘ方向では振幅が強められる。これにより、スリーブアンテナ素子１０１Ａの指向性は、−Ｘ方向を向くことになる。なお、この時無給電アンテナ素子５０１は、スリーブアンテナ素子２０１Ａに対しても反射器として動作し、スリーブアンテナ素子２０１Ａの指向性を、＋Ｙ方向に変化させる。また、同様に無給電アンテナ素子６０１は、スリーブアンテナ素子３０１Ａの指向性を−Ｙ方向に変化させる。
同様にして、励振させる（すなわち反射器として動作させる）無給電アンテナ素子の組み合わせを変えることで、２４＝１６通りに指向性を組み合わせることが可能である。
図１１は図１０のプリント配線基板２２ｂの第１の面２２ｂ−ｓ１のレイアウト例を示す正面図であり、図１２は図１０のプリント配線基板２２ｂの第２の面２２ｂ−ｓ２のレイアウト例を示す正面図である。また、図１３は図９のプリント配線基板２２ａの第１の面２２ａ−ｓ１のレイアウト例を示す正面図であり、図１４は図９のプリント配線基板２２ａの第２の面２２ａ−ｓ２のレイアウト例を示す正面図である。さらに、図１５は図８のアンテナ装置において無給電アンテナ素子４０１、５０１、６０１、７０１を動作させない場合（オフ状態）の水平面指向特性図であり、図１６は図８のアンテナ装置において無給電アンテナ素子４０１、５０１、６０１、７０１を動作させた場合（オン状態）の水平面指向特性図である。
すなわち、図１１から図１４は、本実施形態におけるプリント配線基板のレイアウトであり、図１５及び図１６は、図１１乃至図１４のプリント配線基板上のアンテナ素子の指向特性を、電波暗室にて実測した結果である。図１５は、無給電アンテナ素子４０１、５０１、６０１、７０１への制御電圧をオフにしたときのスリーブアンテナ素子１０１Ａ、２０１Ａ，３０１Ａの指向特性を示すグラフであり、図１６は、無給電アンテナ素子４０１、５０１、６０１、７０１への制御電圧をオンにしたときのスリーブアンテナ素子１０１Ａ、２０１Ａ，３０１Ａの指向特性を示すグラフである。
図１６を参照すると、スリーブアンテナ素子１０１Ａに対して＋Ｘ方向に位置した無給電アンテナ素子５０１，６０１を反射器として動作させることにより、主放射が−Ｘ方向に向かうことがわかる。
以上説明したように、本実施形態のアンテナ装置によれば、無給電アンテナ素子４０１，５０１，６０１，７０１を、プリント配線基板２２ｂの第１の面２２ｂ−ｓ１にある給電素子１０１Ａとプリント配線基板２２ａの第１の面２２ａ−ｓ１にある給電素子２０１Ａ，３０１Ａのうちの１つの指向特性を同時に変化できる位置に配置し、各給電素子１０１Ａ，２０１Ａ，３０１Ａを、面２２ｂ−ｓ１にある無給電アンテナ素子４０１，７０１のうちの１つと面２２ａ−ｓ１にある無給電アンテナ素子５０１，６０１のうちの１つの影響を受ける位置に配置した。より具体的には、無給電アンテナ素子４０１を給電アンテナ素子１０１Ａ及び２０１Ａと電磁的に結合するように近接して配置し、無給電アンテナ素子５０１を給電アンテナ素子１０１Ａ及び２０１Ａと電磁的に結合するように近接して配置し、無給電アンテナ素子６０１を給電アンテナ素子１０１Ａ及び３０１Ａと電磁的に結合するように近接して配置し、無給電アンテナ素子７０１を給電アンテナ素子１０１Ａ及び３０１Ａと電磁的に結合するように近接して配置した。これにより、プリント配線基板２２ａ，２２ｂの垂線方向への電力を増減することが可能であり、各給電素子１０１Ａ，２０１Ａ，３０１Ａの指向性の組み合わせが最適になるように制御できるので、ＭＩＭＯ通信方式に適した指向性切り替え機能を備えた小型なアンテナ装置を提供することができる。
ここで、プリント配線基板２２ｂの第１の面２２ｂ−ｓ１には、１つの給電素子１０１Ａと、２つの無給電アンテナ素子４０１，７０１を前記給電素子１０１Ａの両側に約４分の１波長（λ／４）離隔して配置し、プリント配線基板２２ａの第１の面２２ａ−ｓ１には、２つの給電素子２０１Ａ，３０１Ａと、前記２つの給電素子２０１Ａ，３０１Ａ間に、２つの無給電アンテナ素子５０１，６０１を配置し、各素子の間隔が約４分の１波長（λ／４）になるように配置することを特徴としている。
本実施形態において、無給電アンテナ素子の個数は４つに限定されず、３本以下の無給電アンテナ素子又は５本以上の無給電アンテナ素子を備えた構成も可能である。同様に、スリーブアンテナ素子も、３本に限定されない。
また、説明した実施形態では、給電アンテナ素子は、スリーブアンテナ素子として構成した例を示したが、ダイポールアンテナやコリニアアンテナを用いても、本実施形態と同様に動作するアンテナ装置を実現できる。また、給電アンテナ素子及び無給電アンテナ素子は、接地導体上に設けられたモノポールアンテナ素子として構成されてもよい。
第３の実施形態．
図１７は本発明の第３の実施形態に係るアンテナ装置を備えた無線モジュール基板２５の概略構成を示す斜視図である。また、図１８は図１７の誘電体基板２１をおもて面から見たときの斜視図であり、図１９は図１７の誘電体基板２１を裏面から見たときの斜視図であり、図２０は図１７の誘電体基板２１を下面から見たときの斜視図である。ここで、図１７は、本発明の第３の実施形態に係るアンテナ装置の使用形態を示す。
図１７乃至図２０において、本実施形態のアンテナ装置は、誘電体基板２１上に３つのモノポールアンテナ素子１０１Ｂ，２０１Ｂ，３０１Ｂと、４つの無給電アンテナ素子４０１Ａ，５０１Ａ，６０１Ａ，７０１Ａを備えて構成され、モノポールアンテナ素子１０１Ｂ及び無給電アンテナ素子４０１Ａ，７０１Ａは、誘電体基板２１の表面上に設けられ、モノポールアンテナ素子２０１Ｂ，３０１Ｂ及び無給電アンテナ素子５０１Ａ，６０１Ａは誘電体基板２１の裏面上に設けられる。ここで、誘電体基板２１は、給電部２８を半田付けすることにより無線モジュール基板２５上に実装される。
モノポールアンテナ素子１０１Ｂ，２０１Ｂ，３０１Ｂ及び、無給電アンテナ素子４０１Ａ，５０１Ａ，６０１Ａ，７０１Ａの素子同士の間隔は、第１の実施形態の場合と同様に設定される。すなわち、無給電アンテナ素子４０１Ａ，５０１Ａ，６０１Ａ，７０１Ａは、モノポールアンテナ素子１０１Ｂから通信時の動作波長λの４分の１の距離の位置に設置されている。モノポールアンテナ素子２０１Ｂは、無給電アンテナ素子４０１Ａと、無給電アンテナ素子５０１Ａから通信時の動作波長λの４分の１の距離の位置に設置されている。また、モノポールアンテナ素子３０１Ｂは、無給電アンテナ素子６０１Ａと、無給電アンテナ素子７０１Ａから通信時の動作波長λの４分の１の距離の位置に設置されている。
無給電アンテナ素子４０１Ａは、誘電体基板２１の導体パターンとして形成された１つのストリップ形状の無給電導体素子から構成されたモノポール素子であって、誘電体基板２１の接地導体１０に対して垂直に設けられる。ここで、無給電アンテナ素子４０１Ａは１／４波長の電気長を有する。さらに、無給電アンテナ素子４０１Ａと接地導体１０との間に電気長調整回路４０２Ａが設けられる。
図２１は、図１７のアンテナ装置における電気長調整回路４０２Ａの拡大図である。すなわち、図２１において、電気長調整回路４０２Ａと、それに近接した無給電導体素子である無給電アンテナ素子４０１Ａとを含む部分を示す。図２１において、無給電アンテナ素子４０１Ａと接地導体との間には、ＰＩＮダイオード４０３ｂが接続される。ＰＩＮダイオード４０３ｂのカソード端子は接地導体１０に接続され、ＰＩＮダイオード４０３ｂのアノード端子は無給電アンテナ素子４０１Ａに接続される。ＰＩＮダイオード４０３ｂのアノード端子は、制御線４０４ａを介して、制御電圧（すなわちバイアス電圧）を印加してアンテナ装置の指向特性を制御するコントローラ１の印加バイアス電圧端子ＤＣ４に接続され、ＰＩＮダイオード４０３ｂのカソード端子は、接地導体１０及び制御線４０４ｂを介して、コントローラ１の接地端子ＧＮＤに接続される。従って、制御線４０４ａ，４０４ｂはそれぞれ、無給電アンテナ素子４０１Ａ制御用の直流電圧供給線路とＧＮＤ線路である。制御線４０４ａ上において、ＰＩＮダイオード４０３ｂのアノード端子に近接するように、高周波阻止用の、例えば数十ｎＨ程度のインダクタンスを有するインダクタ（コイル）４０５ｂが設けられ、制御線４０４ａ上にはさらに、数キロオーム程度の電流制御用の抵抗４０６が設けられる。また、制御線４０４ｂ上において、ＰＩＮダイオード４０３ｂのカソード端子に近接するように、高周波阻止用の、例えば数十ｎＨ程度のインダクタンスを有するインダクタ４０５ｃが設けられる。ここで、インダクタ４０５ｂ，４０５ｃは、無給電アンテナ素子４０１Ａにて励振した高周波信号が、制御線４０４ａ，４０４ｂ上に漏洩することを防ぐ役割を持つ。
無給電アンテナ素子５０１Ａ，６０１Ａ，７０１Ａもまた、無給電アンテナ素子４０１Ａと同様に構成される。すなわち、無給電アンテナ素子５０１Ａ，６０１Ａ，７０１Ａはそれぞれ、接地導体１０に対して垂直に設けられた１つのストリップ形状の無給電導体素子と、当該無給電導体素子と接地導体１０との間に接続された電気長調整回路５０２Ａ，６０２Ａ，７０２Ａとから構成される。さらに、電気長調整回路５０２Ａ，６０２Ａ，７０２Ａはそれぞれ電気長調整回路４０２Ａと同様に構成される。ここで、電気長調整回路５０２ＡのＰＩＮダイオードのアノード端子はコントローラ１の印加バイアス電圧端子ＤＣ５に接続される一方、カソード端子はグランド端子ＧＮＤに接続される。電気長調整回路６０２Ａの１つのＰＩＮダイオードのアノード端子はコントローラ１の印加バイアス電圧端子ＤＣ６に接続される一方、カソード端子はグランド端子ＧＮＤに接続される。電気長調整回路７０２Ａの１つのＰＩＮダイオードのアノード端子はコントローラ１の印加バイアス電圧端子ＤＣ７に接続される一方、カソード端子はグランド端子ＧＮＤに接続される。
本実施形態のアンテナ装置の動作を、図１８乃至図２０を参照して以下説明する。例えば無給電アンテナ素子４０１Ａ，５０１Ａ，６０１Ａ，７０１Ａにそれぞれ接続した、電気長調整回路４０２Ａ，５０２Ａ，６０２Ａ，７０２Ａへの制御電圧が印加されない場合、モノポールアンテナ素子１０１Ｂの指向性は、図１７のＸＹ面、即ち、無線モジュール基板の設置面において無指向に広がる。モノポールアンテナ素子１０１の指向性を−Ｘ方向に向けたい場合、電気長調整回路５０２Ａ，６０２Ａへ電圧を印加する。これにより、無給電アンテナ素子５０１Ａ，６０１Ａが励振されて、モノポールアンテナ素子１０１Ｂの反射器として動作し、モノポールアンテナ素子１０１Ｂよりも＋Ｘ方向では電波の振幅が弱められ、−Ｘ方向では振幅が強められる。これにより、モノポールアンテナ素子１０１Ｂの指向性は、−Ｘ方向を向くことになる。なお、この時無給電アンテナ素子５０１Ａは、モノポールアンテナ素子２０１Ｂに対しても反射器として動作し、モノポールアンテナ素子２０１Ｂの指向性を、＋Ｙ方向に変化させる。また、同様に無給電アンテナ素子６０１Ａは、モノポールアンテナ素子３０１Ｂの指向性を−Ｙ方向に変化させる。
同様にして、励振させる（すなわち反射器として動作させる）無給電アンテナ素子の組み合わせを変えることで、２４＝１６通りに指向性を組み合わせることが可能である。
なお、本実施形態では、電気長を調整するために、ＰＩＮダイオードの導通／非導通を利用したが、例えば、図２２に示すように、バリキャップダイオード４０３ｂｖ（可変容量ダイオード）を使用し、リアクタンス値を変化させることで電気長を切り替えても良い。図２２は、本発明の第３の実施形態の第１の変形例に係る電気長調整回路４０２Ｃの拡大図である。電気長調整回路４０２Ｃは、電気長調整回路４０２Ａに比較して、ＰＩＮダイオード４０３ｂに代えてバリキャップダイオード４０３ｂｖを設けた点が異なる。図２２において、バリキャップダイオード４０３ｂｖのアノード端子は無給電アンテナ素子４０１Ａに接続され、カソード端子は接地導体１０に接続される。バリキャップダイオード４０３ｂｖのアノード端子は、インダクタ４０５ｂ、抵抗４０６及び制御線４０４ａを介して、コントローラ１の印加バイアス電圧端子ＤＣ４に接続される。さらに、バリキャップダイオード４０３ｂｖのカソード端子は、接地導体１０、インダクタ４０５ｃ及び制御線４０４ｂを介して、コントローラ１の接地端子ＧＮＤに接続される。コントローラ１は、バリキャップダイオード４０３ｂｖに印加するバイアス電圧を連続的に変化させることによりバリキャップダイオード４０３ｂｖの容量値を変化させ、無給電アンテナ素子４０１Ａの電気長を連続的に変化させる。
以上説明したように、本実施形態のアンテナ装置によれば、無給電アンテナ素子４０１Ａ，５０１Ａ，６０１Ａ，７０１Ａを、誘電体基板２１の第１の面にある給電素子１０１Ｂと第２の面にある給電素子２０１Ｂ，３０１Ｂのうちの１つの指向特性を同時に変化できる位置に配置し、各給電素子１０１Ｂ，２０１Ｂ，３０１Ｂを、第１の面にある無給電アンテナ素子４０１Ａ，７０１Ａのうちの１つと第２の面にある無給電アンテナ素子５０１Ａ，６０１Ａのうちの１つの影響を受ける位置に配置した。より具体的には、無給電アンテナ素子４０１Ａを給電アンテナ素子１０１Ｂ及び２０１Ｂと電磁的に結合するように近接して配置し、無給電アンテナ素子５０１Ａを給電アンテナ素子１０１Ｂ及び２０１Ｂと電磁的に結合するように近接して配置し、無給電アンテナ素子６０１Ａを給電アンテナ素子１０１Ｂ及び３０１Ｂと電磁的に結合するように近接して配置し、無給電アンテナ素子７０１Ａを給電アンテナ素子１０１Ｂ及び３０１Ｂと電磁的に結合するように近接して配置した。これにより、誘電体基板２１の垂線方向への電力を増減することが可能であり、各給電素子１０１Ｂ，２０１Ｂ，３０１Ｂの指向性の組み合わせが最適になるように制御できるので、ＭＩＭＯ通信方式に適した指向性切り替え機能を備えた小型なアンテナ装置を提供することができる。
また、説明した実施形態では、給電アンテナ素子１０１Ｂ，２０１Ｂ，３０１Ｂは、モノポールアンテナ素子として構成した例を示したが、スリーブアンテナ、逆Ｆ型アンテナ又はダイポールアンテナを用いても、本実施形態と同様に動作するアンテナ装置を実現できる。
第４の実施形態．
図２４は本発明の第４の実施形態に係るアンテナ装置をおもて面から見たときの斜視図であり、図２５は図２４のアンテナ装置を裏面から見たときの斜視図である。また、図２６は図２４及び図２５のアンテナ装置の上面図である。本実施形態に係るアンテナ装置は、第１の実施形態に係るアンテナ装置に比較して、ダイポールアンテナ素子３０１ならびに無給電アンテナ素子６０１及び７０１を除去したことを特徴としている。
無給電アンテナ素子４０１及び５０１はそれぞれ、ダイポールアンテナ素子１０１から通信時の動作波長λの４分の１の距離であり、かつ、ダイポールアンテナ素子２０１から通信時の動作波長λの４分の１の距離である２つの位置に設置されている。これにより、ダイポールアンテナ素子１０１がとりうる指向性形状の数は、ダイポールアンテナ素子１０１に対して影響を与える無給電アンテナ素子の本数が２本であることから、２２＝４通りとなる。同様に、ダイポールアンテナ素子２０１がとりうる指向性形状の数は４通りとなる。本実施形態に係るアンテナ装置は、第１の実施形態に係るアンテナ装置と同様の効果を奏する。
なお、図２７に示すように、誘電体基板２１に代えて、２つのプリント配線基板２２ａ，２２ｂを用いてもよい。図２７は、本発明の第４の実施形態の第１の変形例に係るアンテナ装置の上面図である。本変形例に係るアンテナ装置は、第４の実施形態に係るアンテナ装置に比較して、誘電体基板２１に代えて、第２の実施形態と同様に互いに平行に設けられた２つのプリント配線基板２２ａ，２２ｂを用いたことを特徴としている。ここで、プリント配線基板２２ａ，２２ｂ間の距離は、ダイポールアンテナ素子１０１及び２０１ならびに無給電アンテナ素子４０１及び５０１間の素子間隔が上述した素子間隔になるように設定される。また、ダイポールアンテナ素子１０１及び無給電アンテナ素子４０１はプリント配線基板２２ｂの第１の面２２ｂ−ｓ１上に設けられ、ダイポールアンテナ素子２０１及び無給電アンテナ素子５０１はプリント配線基板２２ａの第１の面２２ａ−ｓ１上に設けられる。
また、図２８に示すように、ダイポールアンテナ素子１０１及び無給電アンテナ素子４０１をプリント配線基板２２ｂの第２の面２２ｂ−ｓ２上に設け、ダイポールアンテナ素子２０１及び無給電アンテナ素子５０１をプリント配線基板２２ａの第２の面２２ａ−ｓ２上に設けてもよい。図２８は、本発明の第４の実施形態の第２の変形例に係るアンテナ装置の上面図である。このとき、プリント配線基板２２ａ，２２ｂ間の距離は、ダイポールアンテナ素子１０１及び２０１ならびに無給電アンテナ素子４０１及び５０１間の素子間隔が上述した素子間隔になるように設定される。
さらに、図２９は本発明の第４の実施形態の第３の変形例に係るアンテナ装置の上面図である。図２９に示すように、ダイポールアンテナ素子１０１をプリント配線基板２２ｂの第１の面２２ｂ−ｓ１上に設け、無給電アンテナ素子４０１をプリント配線基板２２ｂの第２の面２２ｂ−ｓ２上に設け、ダイポールアンテナ素子２０１をプリント配線基板２２ａの第１の面２２ａ−ｓ１上に設け、無給電アンテナ素子５０１をプリント配線基板２２ａの第２の面２２ａ−ｓ２上に設けてもよい。
またさらに、図３０は本発明の第４の実施形態の第４の変形例に係るアンテナ装置の上面図である。図３０において、ダイポールアンテナ素子１０１及び無給電アンテナ素子４０１はそれぞれプリント配線基板２２ｂの両面に形成され、ダイポールアンテナ素子１０２及び無給電アンテナ素子５０１はそれぞれプリント配線基板２２ａの両面に形成されている。具体的には、ダイポールアンテナ素子１０１の給電導体素子１０１ａ（図２５参照。）は、プリント配線基板２２ｂの第１の面２２ｂ−ｓ１及び第２の面２２ｂ−ｓ２にそれぞれ形成された給電導体素子１０１ａ−１及び１０１ａ−２と、給電導体素子１０１ａ−１及び１０１ａ−２を電気的に接続するビア導体１０１ｖとを備える。また、無給電アンテナ素子４０１の無給電導体素子４０１ａ（図２５参照。）は、プリント配線基板２２ｂの第１の面２２ｂ−ｓ１及び第２の面２２ｂ−ｓ２にそれぞれ形成された無給電導体素子４０１ａ−１及び４０１ａ−２と、無給電導体素子４０１ａ−１及び４０１ａ−２を電気的に接続するビア導体４０１ｖとを備える。さらに、ダイポールアンテナ素子２０１の給電導体素子２０１ａ（図２４参照。）は、プリント配線基板２２ａの第１の面２２ａ−ｓ１及び第２の面２２ａ−ｓ２にそれぞれ形成された給電導体素子２０１ａ−１及び２０１ａ−２と、給電導体素子２０１ａ−１及び２０１ａ−２を電気的に接続するビア導体２０１ｖとを備える。また、無給電アンテナ素子５０１の無給電導体素子５０１ａ（図２４参照。）は、プリント配線基板２２ａの第１の面２２ａ−ｓ１及び第２の面２２ａ−ｓ２にそれぞれ形成された無給電導体素子５０１ａ−１及び５０１ａ−２と、無給電導体素子５０１ａ−１及び５０１ａ−２を電気的に接続するビア導体５０１ｖとを備える。
すなわち、第２の実施形態及び第４の実施形態の各変形例のように、２つのプリント配線基板２２ａ及び２２ｂを用い、又は、第１の実施形態及びその変形例、第３の実施形態、第４の実施形態のように、一体の誘電体基板２１を用いてもよい。また、２つのプリント配線基板２２ａ及び２２ｂを用いる場合には、プリント配線基板２２ａの第１及び第２の面２２ａ−ｓ１，２２ａ−ｓ２のうちの少なくとも一方に給電アンテナ素子２０１を設け、プリント配線基板２２ａの第１及び第２の面２２ａ−ｓ１，２２ａ−ｓ２のうちの少なくとも一方に無給電アンテナ素子５０１を設け、プリント配線基板２２ｂの第１及び第２の面２２ｂ−ｓ１，２２ｂ−ｓ２のうちの少なくとも一方に給電アンテナ素子１０１を設け、プリント配線基板２２ｂの第１及び第２の面２２ｂ−ｓ１，２２ｂ−ｓ２のうちの少なくとも一方に無給電アンテナ素子４０１を設ければよい。さらに、少なくとも１つの給電アンテナ素子１０１（第１の給電素子である。）と、少なくとも１つの給電アンテナ素子２０１（第２の給電素子である。）と、少なくとも１つの無給電アンテナ素子４０１（第１の無給電素子である。）と、少なくとも１つの無給電アンテナ素子５０１（第２の無給電素子である。）とを、第１の無給電素子が第１及び第２の給電素子と電磁的に結合し、かつ第２の無給電素子が第１及び第２の給電素子と電磁的に結合するように近接して配置すればよい。
本実施形態において、ダイポールアンテナ素子１０１，２０１に代えて、図１０のスリーブアンテナ素子１０１Ａ又は図１８のモノポールアンテナ素子１０１Ｂを用いてもよい。また、モノポール素子である無給電アンテナ素子４０１，５０１に代えて、図１８のダイポール素子である無給電アンテナ素子４０１を用いてもよい。このときは、電気長調整回路４０２に代えて、図２１の電気長調整回路４０２Ａ又は図２２の電気長調整回路４０２Ｃを用いる。
以上詳述したように、本発明のアンテナ装置によれば、第１の誘電体基板に配された第１の無給電素子と、第２の誘電体基板に配された第２の無給電素子には、各無給電素子を反射器として動作させるか否かを切り換えるための電気長切り替え回路が上記制御手段として接続されている。各電気長切り替え回路は、ＰＩＮダイオードや、可変リアクタンス素子によって構成されており、回路に適切な電圧を印加することで、当該電気長切り換え回路に接続された無給電素子は反射器として動作する。ここで、第１の無給電素子は、第１及び第２の給電素子と電磁的に結合するように近接して配置され、かつ第２の無給電素子は、第１及び第２の給電素子と電磁的に結合するように近接して配置されているので、一つの無給電素子を反射器として動作させることで、第１及び第２の給電素子の主放射方向が変化する。
本発明に係るアンテナ装置は、簡単な構成で、数多くの指向性パターンの組み合わせが実現可能であるので、複数の可変指向性アンテナを近接して設置する方法として有用である。
１…コントローラ、
１０…接地導体、
２１…誘電体基板、
２２ａ，２２ｂ…プリント配線基板、
２３…金属筐体、
２４…樹脂窓、
２５…無線モジュール基板、
２６−１，２６−２，２６−３…信号入出力端子、
２７−１，２７−２，２７−３…高周波同軸ケーブル、
２８…給電部、
１０１，２０１，３０１，９０１，１００１…ダイポールアンテナ素子、
１０１Ａ，２０１Ａ，３０１Ａ…スリーブアンテナ素子、
１０１Ｂ，２０１Ｂ，３０１Ｂ…モノポールアンテナ素子、
４０１，５０１，６０１，７０１，８０１，４０１Ａ，５０１Ａ，６０１Ａ，７０１Ａ…無給電アンテナ素子、
１０２，２０２，３０２…給電点、
４０２，５０２，６０２，７０２，４０２Ａ，４０２Ｂ，４０２Ｃ，５０２Ａ，６０２Ａ，７０２Ａ…電気長調整回路、
１０１ａ，１０１ｂ，２０１ａ，２０１ｂ，３０１ａ，３０１ｂ…アンテナ導体素子
４０１ａ，４０１ｂ，５０１ａ，５０１ｂ，６０１ａ，６０１ｂ，７０１ａ，７０１ｂ…無給電導体素子、
４０３ａ，４０３ｂ…ＰＩＮダイオード、
４０３ａｖ，４０３ｂｖ…バリキャップダイオード、
４０４ａ，４０４ｂ…制御線
４０５ａ，４０５ｂ…インダクタ、
４０６…抵抗、
Ｃ１０１，Ｃ２０１，Ｃ３０１…コネクタ。

Claims (13)

  1. 互いに平行な第１及び第２の面を有する第１の誘電体基板と、
    互いに平行な第１及び第２の面を有する第２の誘電体基板と、
    上記第１の誘電体基板の第１及び第２の面のうちの一方に設けられ、無線信号を送受信する第１の給電素子と、
    上記第１の誘電体基板の第１及び第２の面のうちの一方に設けられた第１の無給電素子と、
    上記第２の誘電体基板の第１及び第２の面のうちの一方に設けられ、無線信号を送受信する第２の給電素子と、
    上記第２の誘電体基板の第１及び第２の面のうちの一方に設けられた第２の無給電素子と、
    上記各第１及び第２の無給電素子を反射器として動作させるか否かを切り換える制御手段とを備え、
    上記第１の無給電素子は、上記第１及び第２の給電素子と電磁的に結合するように近接して配置され、
    上記第２の無給電素子は、上記第１及び第２の給電素子と電磁的に結合するように近接して配置されたことを特徴とするアンテナ装置。
  2. 上記第１の給電素子及び第１の無給電素子は、上記第１の誘電体基板の第１の面に設けられ、
    上記第２の給電素子及び第２の無給電素子は、上記第２の誘電体基板の第１の面に設けられ、
    上記第１の誘電体基板の第２の面と上記第２の誘電体基板の第２の面とは互いに対向するように、上記第１及び第２の誘電体基板は一体の誘電体基板にてなることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
  3. 互いに平行な第１及び第２の面を有する第１の誘電体基板と、
    互いに平行な第１及び第２の面を有する第２の誘電体基板と、
    上記第１の誘電体基板の第１及び第２の面にそれぞれ設けられかつ上記第１の誘電体基板を貫通する第１のビア導体により接続されて構成され、無線信号を送受信する第１の給電素子と、
    上記第１の誘電体基板の第１及び第２の面にそれぞれ設けられかつ上記第１の誘電体基板を貫通する第２のビア導体により接続されて構成された第１の無給電素子と、
    上記第２の誘電体基板の第１及び第２の面にそれぞれ設けられかつ上記第２の誘電体基板を貫通する第３のビア導体により接続されて構成され、無線信号を送受信する第２の給電素子と、
    上記第２の誘電体基板の第１及び第２の面にそれぞれ設けられかつ上記第２の誘電体基板を貫通する第４のビア導体により接続されて構成された第２の無給電素子と、
    上記各第１及び第２の無給電素子を反射器として動作させるか否かを切り換える制御手段とを備え、
    上記第１の無給電素子は、上記第１及び第２の給電素子と電磁的に結合するように近接して配置され、
    上記第２の無給電素子は、上記第１及び第２の給電素子と電磁的に結合するように近接して配置されたことを特徴とするアンテナ装置。
  4. 上記第１及び第２の無給電素子はそれぞれ、１／４波長の電気長を有する２本の無給電導体素子が一直線上に設けられたダイポール素子であり、
    上記制御手段は、
    上記第１の無給電素子の２本の無給電導体素子の間に直列に接続されたＰＩＮダイオードと、
    上記第２の無給電素子の２本の無給電導体素子の間に直列に接続されたＰＩＮダイオードとを備えたことを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載のアンテナ装置。
  5. 上記第１及び第２の無給電素子はそれぞれ、１／４波長の電気長を有する２本の無給電導体素子が一直線上に設けられたダイポール素子であり、
    上記制御手段は、
    上記第１の無給電素子の２本の無給電導体素子の間に直列に接続された可変容量ダイオードと、
    上記第２の無給電素子の２本の無給電導体素子の間に直列に接続された可変容量ダイオードとを備えたことを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載のアンテナ装置。
  6. 上記第１及び第２の無給電素子はそれぞれ、１／４波長の電気長を有する１本の無給電導体素子が接地導体に対して垂直に設けられたモノポール素子であり、
    上記制御手段は、
    上記第１の無給電素子の無給電導体素子と上記接地導体との間に接続されたＰＩＮダイオードと、
    上記第２の無給電素子の無給電導体素子と上記接地導体との間に接続されたＰＩＮダイオードとを備えたことを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載のアンテナ装置。
  7. 上記第１及び第２の無給電素子はそれぞれ、１／４波長の電気長を有する１本の無給電導体素子が接地導体に対して垂直に設けられたモノポール素子であり、
    上記制御手段は、
    上記第１の無給電素子の無給電導体素子と上記接地導体との間に接続された可変容量ダイオードと、
    上記第２の無給電素子の無給電導体素子と上記接地導体との間に接続された可変容量ダイオードとを備えたことを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載のアンテナ装置。
  8. 上記第１及び第２の給電素子はそれぞれ、ダイポールアンテナであることを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載のアンテナ装置。
  9. 上記第１及び第２の給電素子はそれぞれ、スリーブアンテナであることを特徴とする請求項１〜７のちのいずれか１つに記載のアンテナ装置。
  10. 上記第１及び第２の給電素子はそれぞれ、モノポールアンテナであることを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載のアンテナ装置。
  11. 上記第１の無給電素子は、上記第１及び第２の給電素子から１／４波長の距離だけ離れて設けられ、
    上記第２の無給電素子は、上記第１及び第２の給電素子から１／４波長の距離だけ離れて設けられたことを特徴とする請求項１〜１０のうちのいずれか１つに記載のアンテナ装置。
  12. １つの上記第１の給電素子と、
    ２つの上記第１の無給電素子と、
    ２つの上記第２の給電素子と、
    ２つの上記第２の無給電素子とを備えたことを特徴とする請求項１〜１１のうちのいずれか１つに記載のアンテナ装置。
  13. 少なくとも１つの上記第１の給電素子と、
    少なくとも１つの上記第１の無給電素子と、
    少なくとも１つの上記第２の給電素子と、
    少なくとも１つの上記第２の無給電素子とを備えたことを特徴とする請求項１〜１１のうちのいずれか１つに記載のアンテナ装置。
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