JP5322943B2 - アレーアンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気的にビーム方向を切り替え可能である指向性可変なアレーアンテナ装置に関し、特にその指向性制御回路に関する。

ＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｂ／ｇ規格に準拠した無線ＬＡＮ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及び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て送出し、複数の仮想的なＭＩＭＯチャネルを利用して伝送し、受信機では複数のアンテナ素子により受信した信号から信号処理によって受信データを得るものである。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アンテナ素子が複数本使用される。この場合、アンテナ素子間の距離を十分に離す、又はそれぞれのアンテナ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、互いのアンテナ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があった。

この問題を解決するための従来技術として、例えば、特許文献１に記載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組の非励振素子（無給電素子）が平行に設けられており、各非励振素子において、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。各非励振素子において、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、当該アレーアンテナ装置の指向特性を制御するコントローラ（図示せず）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、非励振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、各非励振素子の電気長を、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、アンテナ間の距離を小さくすることが可能となる。

また、ＭＩＭＯ通信に指向性適応型アンテナを採用することで、次の二つの利点が考えられる。第１の利点として、受信側で電界レベルが弱い場合に、強い電波が到来してくる方向に指向性を向けることで、安定した電界レベルでの受信が可能となる。第２の利点として、壁や天井からの反射波によるフェージングが発生した場合、あるアンテナが直接波を受信し、他のアンテナが遅延時間の長い反射波を受信することにより、より効果のあるＭＩＭＯ無線通信が可能となる。

特開２００２−２６１５３２号公報。

特許文献１に記載の指向性適応型アンテナをＭＩＭＯ通信システムに使用することにより、アンテナ間の相関の低減、通信品質の向上、受信電力の向上といった、前述した３つのメリットを享受し、アンテナ装置の占める領域を小さくすることができる。

しかしながら、前記従来の指向性適応型アンテナを近距離に配置した場合、無給電素子を制御する可変容量ダイオードに接続された直流電圧供給線路が、隣接したアンテナの指向性に影響を与え、所望の指向性切り替え特性が望めないという面で課題があった。

また、前記従来の指向性適応型アンテナでは、指向性を切り替えるスイッチング素子として可変容量ダイオードのリアクタンス変化を使用している。ところが、可変容量ダイオードなどの可変リアクタンス素子は、数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚのセンチメートル波領域においては、電圧に対するリアクタンス値の変動が起こらなくなり、従って指向性の切り替えが起こらないという課題があった。

本発明の目的は、前述した２つの従来の課題を解決するもので、アンテナ間の距離を近づけた場合や、数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚのセンチメートル波領域においても、「無指向に放射する状態」と「特定の方向にビームを持った状態」とを切り替えることができ、ＭＩＭＯ通信方式に適したアレーアンテナ装置を提供することにある。

本発明の態様に係るアレーアンテナ装置によれば、複数の可変指向性アンテナを備えたアレーアンテナ装置において、上記複数の可変指向性アンテナのそれぞれは、
給電アンテナ素子と、
上記給電アンテナ素子から所定方向に所定距離だけそれぞれ離隔するように上記給電アンテナ素子に対してそれぞれ並置され、第１の導体部分と第２の導体部分とをそれぞれ備えた少なくとも１つの無給電アンテナ素子と、
上記少なくとも１つの無給電アンテナ素子のそれぞれに設けられた一対の整流素子とを備え、上記一対の整流素子は上記第１の導体部分及び上記第２の導体部分の間に設けられ、両方の整流素子のアノードは互いに接続され、一方の整流素子のカソードは上記第１の導体部分に接続され、他方の整流素子のカソードは上記第２の導体部分に接続され、上記一対の整流素子は、バイアス電圧印加手段からバイアス電圧が印加されたときに上記無給電アンテナ素子を反射器として動作させ、
上記複数の可変指向性アンテナのそれぞれはさらに、
上記各整流素子を上記バイアス電圧印加手段に接続する制御線と、
上記各制御線において、当該制御線が接続された整流素子を備えた可変指向性アンテナとは異なる他の可変指向性アンテナと電磁的に結合した部分に所定間隔で設けられた少なくとも２つの第１のインダクタとを備え、
上記少なくとも２つの第１のインダクタを設ける間隔は、上記制御線における上記第１のインダクタ間の区間が上記可変指向性アンテナの動作周波数において実質的に共振しない長さに設定されることを特徴とする。

上記アレーアンテナ装置において、上記少なくとも２つの第１のインダクタを設ける間隔は、上記制御線における上記第１のインダクタ間の区間が上記可変指向性アンテナの動作波長の４分の１の整数倍とは異なる長さに設定されることを特徴とする。

また、上記アレーアンテナ装置の上記各制御線において、当該制御線が接続された整流素子を備えた可変指向性アンテナと電磁的に結合した部分に設けられた少なくとも１つの第２のインダクタをさらに備え、上記制御線における上記整流素子と上記第２のインダクタとの間の区間は、上記可変指向性アンテナの動作周波数において実質的に共振しない長さに設定されることを特徴とする。

さらに、上記アレーアンテナ装置はプリント配線基板上にパターン形成され、
上記複数の可変指向性アンテナのそれぞれは、上記給電アンテナ素子を挟むように設けられた２つの無給電アンテナ素子を備えたことを特徴とする。

またさらに、上記アレーアンテナ装置は複数のプリント配線基板上にパターン形成され、
上記複数の可変指向性アンテナのそれぞれは、上記複数のプリント配線基板のうちの少なくとも１つに設けられた少なくとも１つの無給電アンテナ素子を備えたことを特徴とする。

本発明のアレーアンテナ装置によれば、前記従来の課題を解決するために、無給電アンテナ素子の中央部に隙間を設け、一対の整流素子（例えばＰＩＮダイオード）をアノード端子が向かい合うように直列に装着し、アノード端子はバイアス電圧印加手段（コントローラ）のオン/オフ端子へ接続されるように、また、カソード端子はバイアス電圧印加手段のＧＮＤ端子へ接続されるように、それぞれ制御線を介して接続することを特徴とする。また、制御線上において、制御線が可変指向性アンテナに電磁的に結合した部分において（好ましくは、隣接する可変指向性アンテナから最も距離が近い制御線上の点と、そこから所定の距離だけ離れた制御線上の２点の計３箇所に）、所定のインダクタンスを有するインダクタを所定間隔で挿入していることを特徴とする。インダクタ間の距離は、好ましくは、通信時の動作波長の４分の１の整数倍とは異なる長さにし、例えば動作波長の４分の１よりも短くする。

コントローラからの電圧がダイオードの動作電圧よりも低い場合、ダイオードは小容量キャパシタンスとインピーダンスの直列回路と等価となり、無給電アンテナ素子がアンテナの放射に影響を与えることはなく、電波は無指向に放射する。一方、コントローラからの電圧がダイオードの動作電圧よりも高い場合、ダイオードは導通状態となり、無給電アンテナ素子は反射器として作用する。この回路により、可変リアクタンス素子が機能しない高周波領域においても、ＭＩＭＯ向けアンテナの指向性切り替えが可能となる。

また、制御線上に配置したインダクタは、制御線の望ましくない共振を阻止する。インダクタ間の距離を動作波長の４分の１よりも短くすることにより、制御線の共振周波数は動作周波数よりも高くなる。このように構成することにより、制御線の共振が、隣接するアンテナの指向性に影響を及ぼすことを防ぐことが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置の概略構成を示す平面図である。 図１のアレーアンテナ装置の一部の詳細構成を示す透視図である。 本発明の第１の実施形態の実装例に係るプリント配線基板１を示す平面図である。 図３のプリント配線基板１の下面を示す透視図である。 本発明の第１の実施形態のシミュレーション結果であり、無給電アンテナ素子１１１，１１２への制御電圧をオフにしたときの可変指向性アンテナ１００の指向特性を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態のシミュレーション結果であり、無給電アンテナ素子１１１への制御電圧をオンにしたときの可変指向性アンテナ１００の指向特性を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置の概略構成を示す上面図である。 図７のプリント配線基板１ａの概略構成を示す平面図である。 図７のプリント配線基板１ｂの概略構成を示す平面図である。 図７のプリント配線基板１ｃの概略構成を示す平面図である。

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レーアンテナ装置の概略構成を示す平面図である。図２は、図１の一部の詳細構成を示す透視図である。本実施形態のアレーアンテナ装置は、プリント配線基板１上に２組の可変指向性アンテナ１００，２００を備えて構成される。また、図１に示すようにＸＹＺ座標を導入し、ここで、Ｙ軸については、図１の手前から奥に向かう方向を正の向きであるとする。

可変指向性アンテナ１００は、給電アンテナ素子である１つの半波長ダイポールアンテナ素子１０１と、２つの無給電アンテナ素子１１１，１１２とを備えて構成される。ダイポールアンテナ素子１０１は、プリント配線基板１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１０２ａ，１０２ｂはそれぞれ、平衡型高周波ケーブル（図示せず。）を介して無線通信回路（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１１１，１１２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。無給電アンテナ素子１１１もまた、プリント配線基板１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１１１ａ，１１１ｂから構成され、無給電導体素子１１１ａ，１１１ｂは、互いに所定間隔を有して一直線上に配置されている。各無給電導体素子１１１ａ，１１１ｂの対向した側には、一対のＰＩＮダイオード１２１ａ，１２１ｂが設けられる。ＰＩＮダイオード１２１ａのカソード端子は無給電導体素子１１１ａに接続され、ＰＩＮダイオード１２１ｂのカソード端子は無給電導体素子１１１ｂに接続され、ＰＩＮダイオード１２１ａ，１２１ｂのアノード端子は互いに接続される。ＰＩＮダイオード１２１ａ，１２１ｂのアノード端子は、制御線１３１ａを介して、制御電圧（すなわちバイアス電圧）を印加してアレーアンテナ装置の指向特性を制御するコントローラ（図示せず。）の印加バイアス電圧端子（ＤＣ端子）に接続され、ＰＩＮダイオード１２１ａ，１２１ｂのカソード端子は、制御線１３１ｂを介して、コントローラの接地端子（ＧＮＤ端子）に接続される。従って、制御線１３１ａ，１３１ｂはそれぞれ、無給電アンテナ素子１１１制御用の直流電圧供給線路とＧＮＤ線路である。

制御線１３１ａ上において、ＰＩＮダイオード１２１ａ，１２１ｂ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）１４１ａが設けられ、制御線１３１ａ上にはさらに、数百オーム程度の電流制御用の抵抗１５１が設けられる。また、制御線１３１ｂ上において、ＰＩＮダイオード１２１ａ，１２１ｂ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１４１ｃ，１４１ｄが設けられる。ここで、インダクタ１４１ａ，１４１ｃ，１４１ｄは、無給電アンテナ素子１１１にて励振した高周波信号が、制御線１３１ａ，１３１ｂ上に漏洩することを防ぐ役割を持つ。制御線１３１ａ，１３１ｂ上にはさらに、可変指向性アンテナ１００又は他の可変指向性アンテナから放射される電波によって制御線１３１ａ，１３１ｂが共振し、この共振が可変指向性アンテナの放射に影響することを防止するために、例えば数ｎＨ程度のインダクタンスを有するインダクタを所定の間隔で設ける。図１の例では、制御線１３１ａ上のインダクタ１４１ｂと、制御線１３１ｂ上のインダクタ１４１ｅとを設けた状態を示す。望ましくない共振を阻止するためのインダクタの設置方法についての詳細は後述する。

さらに、無給電素子１１２の側もまた、無給電アンテナ素子１１１の側と同様に構成される。無給電アンテナ素子１１２は、無給電アンテナ素子１１１の無給電導体素子１１１ａ，１１１ｂと同様に構成されて配置された、無給電導体素子１１２ａ，１１２ｂから構成される。各無給電導体素子１１２ａ，１１２ｂの対向した側には、無給電アンテナ素子１１１に接続されたＰＩＮダイオード１２１ａ，１２１ｂと同様に、一対のＰＩＮダイオード１２２ａ，１２２ｂが設けられ、ＰＩＮダイオード１２２ａ，１２２ｂは、制御線１３２ａ，１３２ｂを介してアレーアンテナ装置のコントローラに接続される。制御線１３２ａ，１３２ｂ上には、制御線１３１ａ，１３１ｂ上のインダクタ１４１ａ乃至１４１ｅ及び抵抗１５１と同様に、インダクタ１４２ａ乃至１４２ｅ及び抵抗１５２が設けられる。

可変指向性アンテナ２００もまた、可変指向性アンテナ１００と同様に、１つのダイポールアンテナ素子２０１と、２つの無給電アンテナ素子２１１，２１２とを備えて構成され、無給電アンテナ素子２１１にはＰＩＮダイオード２２１ａ，２２１ｂが接続され、無給電アンテナ素子２１２にはＰＩＮダイオード２２２ａ，２２２ｂが接続される。ＰＩＮダイオード２２１ａ，２２１ｂは、制御線２３１ａ，２３１ｂを介してアレーアンテナ装置のコントローラに接続され、ＰＩＮダイオード２２２ａ，２２２ｂは、制御線２３２ａ，２３２ｂを介してアレーアンテナ装置のコントローラに接続される。制御線２３１ａ，２３１ｂ上には、制御線１３１ａ，１３１ｂ上のインダクタ１４１ａ，１４１ｃ，１４１ｄ及び抵抗１５１と同様に、インダクタ２４１ａ，２４１ｅ，２４１ｆ及び抵抗２５１が設けられる。また、制御線２３１ａ，２３１ｂ上にはさらに、可変指向性アンテナ２００又は他の可変指向性アンテナから放射される電波によって制御線２３１ａ，２３１ｂが共振し、この共振が可変指向性アンテナの放射に影響することを防止するために、制御線１３１ａ，１３１ｂ上のインダクタ１４１ｂ，１４１ｅと同様のインダクタを所定の間隔で設ける。図１の例では、制御線２３１ａ上のインダクタ２４１ｂ，２４１ｃ，２４１ｄと、制御線２３１ｂ上のインダクタ２４１ｇ，２４１ｈ，２４１ｉとを設けた状態を示す。望ましくない共振を阻止するためのインダクタの設置方法についての詳細は後述する。また、制御線２３２ａ，２３２ｂ上には、制御線２３１ａ，２３１ｂ上のインダクタ２４１ａ乃至２４１ｉ及び抵抗２５１と同様に、インダクタ２４２ａ乃至２４２ｉ及び抵抗２５２が設けられる。本実施形態において、可変指向性アンテナ１００，２００の向き及び位置は、これら可変指向性アンテナ１００，２００の両方を無指向性で動作させたときにそれぞれの放射方向が互いに重なり合うことがないように決定される。図１の場合、各可変指向性アンテナ１００，２００の半波長ダイポールアンテナ素子１０１，２０１が、Ｚ軸方向に平行に設けられるとともに、Ｚ軸方向に関して異なる位置に配置され、それに応じて、無給電アンテナ素子１１１，１１２，２１１，２１２もまた、Ｚ軸方向に平行に設けられるとともに、Ｚ軸方向に関して異なる位置に配置される。これは、アンテナが互いに近づいたときにアンテナ間の相関性が高くなることにより、ＭＩＭＯ方式での通信品質が落ちることを避けるためである。別の一例として、図３及び図４に示したように３つの可変指向性アンテナ１００，２００，３００を備えたアレーアンテナ装置の場合、そのうちの任意の２つの可変指向性アンテナの並ぶ方向が、他の２つの可変指向性アンテナの並ぶ方向とは異なるとともに、ダイポールアンテナ素子の向き（この場合はＺ軸に平行な向き）とも異なるように配置されることが好ましい。

なお、図１の構成の場合、一方の可変指向性アンテナ２００の制御線２３２ａ，２３２ｂが、他方の可変指向性アンテナ１００の無給電アンテナ素子１１１の近傍を通ることになる。さらに、プリント配線基板１は両面基板として構成され、制御線１３１ａ，１３１ｂ，１３２ａ，１３２ｂ，２３１ａ，２３１ｂ，２３２ａ，２３２ｂは、プリント配線基板１の両側にそれぞれ導体パターンとして設けられることが好ましい。本実施形態では、アレーアンテナ装置のコントローラのＤＣ端子に接続された制御線１３１ａ，１３２ａ，２３１ａ，２３２ａが、可変指向性アンテナ１００，２００と同じ側に設けられ、アレーアンテナ装置のコントローラのＧＮＤ端子に接続された制御線１３１ｂ，１３２ｂ，２３１ｂ，２３２ｂが、実質的に、その逆側に設けられる。

図２は、無給電アンテナ素子１１１と、それに近接した制御線２３２ａ，２３２ｂとを含む部分の拡大図である。ここで、制御線１３１ａは、それぞれその一部となる制御線１３１ａａ〜１３１ａｃから構成され、同様に、制御線１３１ｂは、制御線１３１ｂａ〜１３１ｂｇから構成され、制御線２３２ａは、制御線２３２ａａ〜２３２ａｄから構成され、制御線２３２ｂは、制御線２３２ｂａ〜２３２ｂｄから構成される。制御線１３１ｂｂ，１３１ｂｃ，１３１ｂｅ〜１３１ｂｇと、制御線２３２ｂａ〜２３２ｂｄとは、プリント配線基板１の裏側に設けられ、図２ではこれらを点線で示す。制御線１３１ａａは、無給電アンテナ素子１１１の無給電導体素子１１１ａ，１１１ｂの間の位置に設けられる。無給電導体素子１１１ａと制御線１３１ａａとが近接した位置にそれぞれ設けられた電極端子Ｅ１ａ，Ｅ１ｂに、ＰＩＮダイオード１２１ａがハンダ付け等により実装され、同様に、無給電導体素子１１１ｂと制御線１３１ａａとが近接した位置にそれぞれ設けられた電極端子Ｅ２ａ，Ｅ２ｂに、ＰＩＮダイオード１２１ｂが実装される。ここで、各ＰＩＮダイオード１２１ａ，１２１ｂのアノード端子が、制御線１３１ａａ上の電極端子Ｅ１ｂ，Ｅ２ｂにそれぞれ接続される。制御線１３１ａａ，１３１ａｂが対向する位置にそれぞれ設けられた電極端子Ｅ３ａ，Ｅ３ｂに、インダクタ１４１ａが実装され、制御線１３１ａｂ，１３１ａｃが対向する位置にそれぞれ設けられた電極端子Ｅ４ａ，Ｅ４ｂに、抵抗１５１が実装される。制御線１３１ａｃはさらに、アレーアンテナ装置のコントローラの印加バイアス電圧端子に接続されている。各電極端子Ｅ１ａ，Ｅ２ａは、制御線１３１ｂａ，１３１ｂｄを介してスルーホール導体Ｔ１，Ｔ２にそれぞれ接続され、各スルーホール導体Ｔ１，Ｔ２は、プリント配線基板１の裏側まで貫通して、制御線１３１ｂｂ，１３１ｂｅにそれぞれ接続される。制御線１３１ｂｂ，１３１ｂｃが対向する位置にそれぞれ設けられた電極端子Ｅ５ａ，Ｅ５ｂに、インダクタ１４１ｃが実装され、制御線１３１ｂｅ，１３１ｂｆが対向する位置にそれぞれ設けられた電極端子Ｅ６ａ，Ｅ６ｂに、インダクタ１４１ｄが実装される。さらに、制御線１３１ｂｃ，１３１ｂｆはともに制御線１３１ｂｇに接続され、制御線１３１ｂｇは、アレーアンテナ装置のコントローラのＧＮＤ端子に接続されている。前述のように、制御線１３１ａ，１３１ｂ上において、可変指向性アンテナ１００又は他の可変指向性アンテナから放射される電波によって制御線１３１ａ，１３１ｂが共振し、この共振が可変指向性アンテナの放射に影響することを防止するために、所定の間隔でインダクタを設ける。一方、制御線２３２ａ，２３２ｂ上においても、可変指向性アンテナ２００又は他の可変指向性アンテナから放射される電波によって制御線２３２ａ，２３２ｂが共振し、この共振が可変指向性アンテナの放射に影響することを防止するために、所定の間隔でインダクタを設ける。制御線２３２ａにおいて、制御線２３２ａａ，２３２ａｂが対向する位置にそれぞれ設けられた電極端子Ｅ７ａ，Ｅ７ｂに、インダクタ２４２ｂが実装され、制御線２３２ａｂ，２３２ａｃが対向する位置にそれぞれ設けられた電極端子Ｅ８ａ，Ｅ８ｂに、インダクタ２４２ｃが実装され、制御線２３２ａｃ，２３２ａｄが対向する位置にそれぞれ設けられた電極端子Ｅ９ａ，Ｅ９ｂに、インダクタ２４２ｄが実装される。同様に、制御線２３２ｂにおいて、制御線２３２ｂａ，２３２ｂｂが対向する位置にそれぞれ設けられた電極端子Ｅ１０ａ，Ｅ１０ｂに、インダクタ２４２ｇが実装され、制御線２３２ｂｂ，２３２ｂｃが対向する位置にそれぞれ設けられた電極端子Ｅ１１ａ，Ｅ１１ｂに、インダクタ２４２ｈが実装され、制御線２３２ｂｃ，２３２ｂｄが対向する位置にそれぞれ設けられた電極端子Ｅ１２ａ，Ｅ１２ｂに、インダクタ２４２ｉが実装される。

以上のように構成されたアレーアンテナ装置の各可変指向性アンテナ１００，２００では、コントローラの制御電圧がオフの場合には、そのＤＣ端子より電圧が印加されないので、各ＰＩＮダイオード１２１ａ，１２１ｂ，１２２ａ，１２２ｂ，２２１ａ，２２１ｂ，２２２ａ，２２２ｂは小容量キャパシタンスとインピーダンスの直列回路と等価となる。よって、無給電アンテナ素子１１１，１１２，２１１，２１２は励振されず、無給電アンテナ素子１１１，１１２，２１１，２１２が可変指向性アンテナ１００，２００の指向特性に影響しない。一方、コントローラが、例えば無給電アンテナ素子１１１への制御電圧をオンにする場合には、ＤＣ端子からの印加バイアス電圧を、制御線１３１ａを介してＰＩＮダイオード１２１ａ，１２１ｂのアノード側に印加し、例えば０．８Ｖ程度のＰＩＮダイオード１２１ａ，１２１ｂ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１２１ａ，１２１ｂは導通状態になる。この時、無給電アンテナ素子１１１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１１１との間隔は動作波長の４分の１であるので、無給電アンテナ素子１１１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１１１よりも＋Ｘ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１１１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１１１はダイポールアンテナ素子１０１に対して反射器として動作するので、可変指向性アンテナ１００の指向特性を、−Ｘ方向にビーム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１１２，２１１，２１２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る。

ところで、本実施形態のようにアンテナ間の相関を避けるように配置した場合、可変指向性アンテナ１００には、可変指向性アンテナ２００の制御線２３２ａ，２３２ｂが至近距離に配置され、このため、可変指向性アンテナ１００と制御線２３２ａ，２３２ｂが電磁的に結合することになる。アンテナの近くに導体線路が配置された場合、アンテナから放射される電波によって、導体線路が励振され、アンテナの指向性を変化させる反射器として作用してしまうことが多い。各制御線２３２ａ，２３２ｂ上のインダクタ２４２ｂ〜２４２ｄ，２４２ｇ〜２４２ｉは、この現象を阻止する役割を持つ。以下、例として、制御線２３２ａと、その上のインダクタ２４２ｂ〜２４２ｄについて説明する。インダクタ２４２ｂ〜２４２ｄは、制御線２３２ａ上において、制御線２３２ａが可変指向性アンテナ１００に電磁的に結合する部分に設けられる。これらのインダクタ２４２ｂ〜２４２ｄは、好ましくは、隣接する可変指向性アンテナ１００から最も距離が近い制御線２３２ａ上の点と、そこから所定の距離だけ離れた制御線２３２ａ上の２点の計３箇所に挿入される。可変指向性アンテナ１００より放射された電波は、制御線２３２ａ上のインダクタ２４２ｂ，２４２ｃ間又はインダクタ２４２ｃ，２４２ｄ間で、制御線２３２ａｂ，２３２ａｃを励振させる。制御線２３２ａｂ，２３２ａｃの励振する周波数が通信時における可変指向性アンテナ１００の動作周波数と同一の場合、その周波数において制御線２３２ａｂ，２３２ａｃは反射器として作用し、可変指向性アンテナ１００の指向性に影響を与えてしまう。ここで、インダクタ２４２ｂ，２４２ｃ，２４２ｄ間の距離を、可変指向性アンテナ１００の動作周波数では実質的に共振しない長さに構成することにより、制御線２３２ａの望ましくない共振を阻止する。詳しくは、インダクタ間の距離を、動作波長λの４分の１の整数倍（ｎλ／４）とは異なる長さ、例えばｎλ／４に対して少なくとも１０％長いか又は短い長さに構成する。好ましくは、インダクタ間の距離をｎλ／４とは異なる長さにするとともに、さらに、動作波長λに対してλ／２未満の長さ、又はλ／４未満の長さに構成し、これにより、制御線２３２ａｂ，２３２ａｃの共振する周波数は可変指向性アンテナ１００の動作周波数よりも高くなり、制御線２３２ａの望ましくない共振を阻止することができる。以上の構成により、可変指向性アンテナ２００の制御線２３２ａが可変指向性アンテナ１００の指向性に与える影響を低減することが可能となる。制御線２３２ｂと、その上のインダクタ２４２ｇ〜２４２ｉも同様に構成され、制御線２３２ｂの望ましくない共振は阻止される。他の制御線１３１ａ，１３１ｂ，１３２ａ，１３２ｂ，２３１ａ，２３１ｂにおいても、隣接する他の可変指向性アンテナ（図示せず。）に近接してその可変指向性アンテナに電磁的に結合した部分に所定間隔でインダクタを設けることにより、当該制御線の望ましくない共振は阻止される。

好ましくは、各制御線上には、当該制御線が接続された可変指向性アンテナの放射に影響することを防止するために、その可変指向性アンテナに近接してその可変指向性アンテナに電磁的に結合した部分にインダクタを設ける。例えば、制御線１３１ａでは、ＰＩＮダイオード１２１ａ，１２１ｂまでの制御線１３１ａの長さ（又はインダクタ１４１ａもしくは抵抗１５１までの制御線１３１ａの長さ）がｎλ／４とは異なる長さ（例えばλ／４未満の長さ）になるようにインダクタ１４１ｂを設ける。これにより、可変指向性アンテナ１００に近接して可変指向性アンテナ１００に電磁的に結合した部分における制御線１３１ａの長さは、可変指向性アンテナ１００の動作周波数では実質的に共振しない長さになり、制御線１３１ａの望ましくない共振を阻止することができる。他の制御線１３１ｂ，１３２ａ，１３２ｂ，２３１ａ，２３１ｂ，２３２ａ，２３２ｂにおいても、当該制御線が接続された可変指向性アンテナに近接してその可変指向性アンテナに電磁的に結合した部分にインダクタを設けることにより、当該制御線の望ましくない共振は阻止される。

図３は、本発明の第１の実施形態の実装例に係るプリント配線基板１を示す平面図である。図４は、図３のプリント配線基板１の下面を示す透視図である。この実装例では、アレーアンテナ装置は、可変指向性アンテナ１００，２００と同様に構成されたもう１つの可変指向性アンテナ３００を備えて構成される。可変指向性アンテナ３００は、可変指向性アンテナ１００，２００と同様に、１つのダイポールアンテナ素子３０１と、２つの無給電アンテナ素子３１１，３１２とを備えて構成され、無給電アンテナ素子３１１，３１２にはＰＩＮダイオード（図示せず。）が接続され、アレーアンテナ装置のコントローラにより制御線３３１ａ，３３１ｂ，３３２ａ，３３２ｂを介して制御される。各可変指向性アンテナ１００，２００，３００の制御線は、プリント配線基板１上の端子群１０にまで延伸され、コントローラに接続される。１つのプリント配線基板１上に多数の可変指向性アンテナを形成する場合には、制御線を設ける場所を確保するために、それらの可変指向性アンテナが一直線上に位置しないようにすることが好ましく、例えば、それらの可変指向性アンテナのうちの任意の２つの可変指向性アンテナの並ぶ方向が、他の２つの可変指向性アンテナの並ぶ方向とは異なるとともに、ダイポールアンテナ素子の向きとも異なるように配置されることが好ましい。そのような構成を採用することにより、可変指向性アンテナを配置する面積を削減することができ、例えば可変指向性アンテナ間の距離がλ／２以下になる程度に省面積化を達成することができる。

図５及び図６は、本発明の第１の実施形態のシミュレーション結果であり、図５は、無給電アンテナ素子１１１，１１２への制御電圧をオフにしたときの可変指向性アンテナ１００の指向特性を示すグラフであり、図６は、無給電アンテナ素子１１１への制御電圧をオンにしたときの可変指向性アンテナ１００の指向特性を示すグラフである。図５及び図６のシミュレーションは、図３及び図４のプリント配線基板１上に構成されたアレーアンテナ装置のうちの可変指向性アンテナ１００に関して、その指向性を電波暗室で実測した結果を示す。特に、図６を参照すると、ダイポールアンテナ素子１０１に対して＋Ｘ方向に位置した無給電アンテナ素子１１１を反射器として作用させることにより、ビームが−Ｘ方向に向かうことがわかる。また、無給電アンテナ素子１１１に代えて無給電アンテナ素子１１２への制御電圧をオンにした場合には、無給電アンテナ素子１１２が反射器として作用し、これによりビームは＋Ｘ方向に向かう。

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を用いた場合を示したが、水平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レーアンテナ装置を実現できる。また、本実施形態では、プリント配線基板１上に２つの可変指向性アンテナ１００，２００又は３つの可変指向性アンテナ１００，２００，３００を配置した例を示したが、４つ以上の可変指向性アンテナを配置してもよい。

以上説明したように、本実施形態のアレーアンテナ装置によれば、アノードで互いに接続された一対のＰＩＮダイオードを備え、さらに制御線上に所定間隔でインダクタを備えたことにより、数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚのセンチメートル波領域で動作させる場合や、可変指向性アンテナ間の距離を近づけた場合においても、「無指向に放射する状態」と「特定の方向にビームを持った状態」とを切り替えることができ、ＭＩＭＯ通信方式に適した指向性制御回路を備えたアレーアンテナ装置を提供することができる。

第２の実施形態．
図７は、本発明の第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置の概略構成を示す上面図であり、図８乃至図１０はそれぞれ、図７のプリント配線基板１ａ，１ｂ，１ｃの概略構成を示す平面図である。本発明に係る実施形態のアレーアンテナ装置は、第１の実施形態のように１つのプリント配線基板１上に平面的に構成されることに限定されず、給電アンテナ素子を取り囲むように３つ以上の無給電アンテナ素子を３次元的に備えていてもよい。

図７に示すように、本実施形態のアレーアンテナ装置は、互いに平行に設けられた３つのプリント配線基板１ａ，１ｂ，１ｃ上に、２組の可変指向性アンテナ１００Ａ，２００Ａを備えて構成される。可変指向性アンテナ１００Ａは、給電アンテナ素子である１つの半波長ダイポールアンテナ素子１０１と、４つの無給電アンテナ素子１１１〜１１４とを備えて構成され、ダイポールアンテナ素子１０１は中間のプリント配線基板１ｂ上に設けられ、無給電アンテナ素子１１１，１１２はプリント配線基板１ａ上に設けられ、無給電アンテナ素子１１３，１１４はプリント配線基板１ｃ上に設けられる。本実施形態のアレーアンテナ装置を上から（Ｚ軸方向から）見たときに、ダイポールアンテナ素子１０１を中心とする円上に、４つの無給電アンテナ素子１１１〜１１４が配置される。好ましくは、無給電アンテナ素子１１１〜１１４は、ダイポールアンテナ素子１０１が位置する直線に対して、通信時の動作波長の４分の１の距離だけ離れた平行線上に位置するように、それぞれ配置される。ダイポールアンテナ素子１０１は、第１の実施形態の場合と同様に構成され、無給電アンテナ素子１１１〜１１４は、第１の実施形態の無給電アンテナ素子１１１，１１２と同様に構成される。可変指向性アンテナ２００Ａもまた、可変指向性アンテナ１００Ａと同様に、１つのダイポールアンテナ素子２０１と、４つの無給電アンテナ素子２１１〜２１４とを備えて構成され、ダイポールアンテナ素子２０１は、第１の実施形態の場合と同様に構成され、無給電アンテナ素子２１１〜２１４は、第１の実施形態の無給電アンテナ素子２１１，２１２と同様に構成される。本実施形態においても、可変指向性アンテナ１００Ａ，２００Ａの向き及び位置は、アンテナ間の相関を防ぐため、第１の実施形態の可変指向性アンテナ１００，２００と同様に、これら可変指向性アンテナ１００Ａ，２００Ａの両方を無指向性で動作させたときにそれぞれの放射方向が互いに重なり合うことがないように決定される。各可変指向性アンテナ１００Ａ，２００Ａの半波長ダイポールアンテナ素子１０１，２０１が、Ｚ軸方向に平行に設けられるとともに、Ｚ軸方向に関して異なる位置に配置され、それに応じて、無給電アンテナ素子１１１〜１１４，２１１〜２１４もまた、Ｚ軸方向に平行に設けられるとともに、Ｚ軸方向に関して異なる位置に配置される。

本実施形態のアレーアンテナ装置の動作を、図７を参照して説明する。例えば可変指向性アンテナ１００Ａの無給電アンテナ素子１１１〜１１４への制御電圧が印加されない場合、ダイポールアンテナ素子１０１の指向性は、図７のＸＹ面において無指向に広がる。指向性を＋Ｘ方向に向けたい場合、無給電アンテナ素子１１２，１１３の制御端子へ電圧を印加する。これにより、無給電アンテナ素子１１２，１１３が励振されて、ダイポールアンテナ素子１０１の反射器として動作し、ダイポールアンテナ素子１０１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、可変指向性アンテナ１００Ａの指向性は、＋Ｘ方向を向くことになる。また、一方、無給電アンテナ素子１１２の制御端子のみに電圧を印加した場合、指向性は＋Ｘかつ−Ｙ方向を向くことになる。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、８方向のいずれかへ指向性を向けることが可能である。

図８乃至図１０からわかるように、ダイポールアンテナ素子１０１に隣接して、可変指向性アンテナ２００Ａの無給電アンテナ素子２１２の制御線２３２ａ，２３２ｂと、無給電アンテナ素子２１３の制御線２３３ａ，２３３ｂとが配置されている。アンテナの近くに導体線路を配置することで導体線路が励振され、アンテナの指向性に影響を与えることを防ぐため、第１の実施形態と同様にインダクタ２４２ｂ〜２４２ｄ，２４２ｇ〜２４２ｉ，２４３ｂ〜２４３ｄ，２４３ｇ〜２４３ｉが設置される。可変指向性アンテナ１００Ａより放射された電波は、例えば制御線２３２ａ上のインダクタ２４２ｂ，２４２ｃ間又はインダクタ２４２ｃ，２４２ｄ間で、制御線２３２ａｂ，２３２ａｃを共振させる。ここで、インダクタ２４２ｂ，２４２ｃ，２４２ｄ間の距離を、可変指向性アンテナ１００Ａの動作周波数では実質的に共振しない長さに構成することにより、制御線２３２ａの望ましくない共振を阻止する。この構成により、可変指向性アンテナ２００Ａの制御線２３２ａが可変指向性アンテナ１００Ａの指向性に与える影響を低減することが可能となる。他の制御線についても、以上の説明、及び第１の実施形態での説明と同様にインダクタを設けることにより、当該制御線の望ましくない共振は阻止される。

各可変指向性アンテナ１００Ａ，２００Ａ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、１本乃至３本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、それらの無給電アンテナ素子を複数のプリント配線基板のうちの少なくとも１つに配置した構成も可能である。

以上説明したように、本実施形態のアレーアンテナ装置によれば、アノードで互いに接続された一対のＰＩＮダイオードを備え、さらに制御線上に所定間隔でインダクタを備えたことにより、数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚのセンチメートル波領域で動作させる場合や、可変指向性アンテナ間の距離を近づけた場合においても、「無指向に放射する状態」と「特定の方向にビームを持った状態」とを切り替えることができ、ＭＩＭＯ通信方式に適した指向性制御回路を備えたアレー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、給電アンテナ素子と無給電アンテナ素子はいずれもダイポールアンテナ素子として構成した例を示したが、これらの素子は、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。また、各インダクタは、図２の電極端子にハンダ付け等により実装されるものに限定されず、プリント配線基板上の導体パターンとして構成されてもよい。

本発明に係る無線通信カード接続構造は、アンテナ近傍の導体が励振され、指向性に影響することを防ぐことが可能になるので、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。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ…プリント配線基板、
１０…端子群、
１００，１００Ａ，２００，２００Ａ，３００…可変指向性アンテナ、
１０１，２０１，３０１…ダイポールアンテナ素子、
１０１ａ，１０１ｂ，２０１ａ，２０１ｂ…給電導体素子、
１０２ａ，１０２ｂ，２０２ａ，２０２ｂ…給電点、
１１１，１１２，１１３，１１４，２１１，２１２，２１３，２１４，３１１，３１２…無給電アンテナ素子、
１１１ａ，１１１ｂ，１１２ａ，１１２ｂ，１１３ａ，１１３ｂ，１１４ａ，１１４ｂ，２１１ａ，２１１ｂ，２１２ａ，２１２ｂ，２１３ａ，２１３ｂ，２１４ａ，２１４ｂ…無給電導体素子、
１２１ａ，１２１ｂ，１２２ａ，１２２ｂ，１２３ａ，１２３ｂ，１２４ａ，１２４ｂ，２２１ａ，２２１ｂ，２２２ａ，２２２ｂ，２２３ａ，２２３ｂ，２２４ａ，２２４ｂ…ＰＩＮダイオード、
１３１ａ，１３１ａａ〜１３１ａｃ，１３１ｂ，１３１ｂａ〜１３１ｂｇ，１３２ａ，１３２ｂ，１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂ，２３１ａ，２３１ｂ，２３２ａ，２３２ａａ〜２３２ａｄ，２３２ｂ，２３２ｂａ〜２３２ｂｄ，２３３ａ，２３３ｂ，２３４ａ，２３４ｂ…制御線、
１４１ａ〜１４１ｅ，１４２ａ〜１４２ｅ，１４３ａ〜１４３ｅ，１４４ａ〜１４４ｅ，２４１ａ〜２４１ｉ，２４２ａ〜２４２ｉ，２４３ａ〜２４３ｉ，２４４ａ〜２４４ｉ…インダクタ、
１５１，１５２，１５３，１５４，２５１，２５２，２５３，２５４…抵抗、
Ｔ１，Ｔ２…スルーホール導体、
Ｅ１ａ，Ｅ１ｂ，Ｅ２ａ，Ｅ２ｂ，Ｅ３ａ，Ｅ３ｂ，Ｅ４ａ，Ｅ４ｂ，Ｅ５ａ，Ｅ５ｂ，Ｅ６ａ，Ｅ６ｂ，Ｅ７ａ，Ｅ７ｂ，Ｅ８ａ，Ｅ８ｂ，Ｅ９ａ，Ｅ９ｂ，Ｅ１０ａ，Ｅ１０ｂ，Ｅ１１ａ，Ｅ１１ｂ，Ｅ１２ａ，Ｅ１２ｂ…電極端子。

Claims (5)

1. 複数の可変指向性アンテナを備えたアレーアンテナ装置において、上記複数の可変指向性アンテナのそれぞれは、
   給電アンテナ素子と、
   上記給電アンテナ素子から所定方向に所定距離だけそれぞれ離隔するように上記給電アンテナ素子に対してそれぞれ並置され、第１の導体部分と第２の導体部分とをそれぞれ備えた少なくとも１つの無給電アンテナ素子と、
   上記少なくとも１つの無給電アンテナ素子のそれぞれに設けられた一対の整流素子とを備え、上記一対の整流素子は上記第１の導体部分及び上記第２の導体部分の間に設けられ、両方の整流素子のアノードは互いに接続され、一方の整流素子のカソードは上記第１の導体部分に接続され、他方の整流素子のカソードは上記第２の導体部分に接続され、上記一対の整流素子は、バイアス電圧印加手段からバイアス電圧が印加されたときに上記無給電アンテナ素子を反射器として動作させ、
   上記複数の可変指向性アンテナのそれぞれはさらに、
   上記各整流素子を上記バイアス電圧印加手段に接続する制御線と、
   上記各制御線において、当該制御線が接続された整流素子を備えた可変指向性アンテナとは異なる他の可変指向性アンテナと電磁的に結合した部分に所定間隔で設けられた少なくとも２つの第１のインダクタとを備え、
   上記少なくとも２つの第１のインダクタを設ける間隔は、上記制御線における上記第１のインダクタ間の区間が上記可変指向性アンテナの動作周波数において実質的に共振しない長さに設定されることを特徴とするアレーアンテナ装置。
2. 上記少なくとも２つの第１のインダクタを設ける間隔は、上記制御線における上記第１のインダクタ間の区間が上記可変指向性アンテナの動作波長の４分の１の整数倍とは異なる長さに設定されることを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
3. 上記各制御線において、当該制御線が接続された整流素子を備えた可変指向性アンテナと電磁的に結合した部分に設けられた少なくとも１つの第２のインダクタをさらに備え、上記制御線における上記整流素子と上記第２のインダクタとの間の区間は、上記可変指向性アンテナの動作周波数において実質的に共振しない長さに設定されることを特徴とする請求項１又は２記載のアレーアンテナ装置。
4. 上記アレーアンテナ装置はプリント配線基板上にパターン形成され、
   上記複数の可変指向性アンテナのそれぞれは、上記給電アンテナ素子を挟むように設けられた２つの無給電アンテナ素子を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載のアレーアンテナ装置。
5. 上記アレーアンテナ装置は複数のプリント配線基板上にパターン形成され、
   上記複数の可変指向性アンテナのそれぞれは、上記複数のプリント配線基板のうちの少なくとも１つに設けられた少なくとも１つの無給電アンテナ素子を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載のアレーアンテナ装置。

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