JP6461039B2

JP6461039B2 - 可変特性アンテナ

Info

Publication number: JP6461039B2
Application number: JP2016088008A
Authority: JP
Inventors: 藤原　正樹; 正樹藤原
Original assignee: 大井電気株式会社
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2016-04-26
Publication date: 2019-01-30
Anticipated expiration: 2036-04-26
Also published as: JP2017200002A

Description

本発明は、可変特性アンテナに関し、特に、２つの素子を備えるアンテナに関する。

工場、オフィスビル、各家庭等の建造物には、ガスメータや電力量計等の計測器が設けられている。ガス、電力等を供給するインフラ事業者の作業員は、計測器が設置されている場所に定期的に出向き、その指示値を読み取る。インフラ事業者は、計測器の指示値に応じて需用者から料金を徴収する。

近年では、計測器の指示値を読み取る労力を軽減するため、テレメータリングシステムの研究開発が広く行われている。テレメータリングシステムでは、計測器と共に無線機が需用者の建造物に設けられる。無線機は、計測器の指示値を無線信号によって中継機に送信し、中継機は通信網を介してインフラ事業者の事業所に指示値を送信する。これによって、インフラ事業者は各計測器の指示値を回収する。

また、近年では、インターネット等の有線通信網にアクセスするための公衆無線ＬＡＮ（Local Area Network）が普及している。コンピュータやスマートフォンは、公衆無線ＬＡＮを介して有線通信網に通信接続される。

テレメータリングシステムに用いられる無線機や、コンピュータ、スマートフォン等に内蔵される無線機のアンテナには、特許文献１および２に示されているような逆Ｆアンテナがある。逆Ｆアンテナは、接地導体板に沿って延伸する構造を有するため、小型化に適している。また、特許文献３には、本発明に関連するアンテナとして、ダイポールアンテナと逆Ｆアンテナとを組み合わせたアンテナが記載されている。

特開２０１５−５０５８０号公報特開２０１０−７４４８９号公報特開２００１−３４５６２５号公報

テレメータリングシステムの無線機が設置される建造物の構造は様々である。また、コンピュータ、スマートフォン等の携帯端末は環境が異なる様々な場所で使用される。そのため、無線機で送受信される無線信号の伝搬状況は一定ではなく、無線機が置かれた環境によっては、無線機のアンテナの性能を十分に発揮できないことがある。

本発明は、環境の変化によるアンテナの性能の劣化を抑制することを目的とする。

本発明は、可変特性アンテナにおいて、第１素子および第２素子を備え、前記第１素子および前記第２素子のそれぞれは、第１方向に伸びる給電区間と、前記給電区間の一端から前記第１方向とは異なる第２方向に伸びる本体区間と、前記本体区間の中途点と接地導体との間に設けられ、前記給電区間に対向する短絡区間と、を備え、前記第１素子における前記給電区間、および、前記第２素子における前記給電区間は、並べて配置されており、前記第１素子における前記本体区間と、前記第２素子における前記本体区間とは、互いに離れる方向に伸びており、前記可変特性アンテナは、前記第２素子における前記給電区間の他端と前記接地導体との間に接続されたスイッチを備えることを特徴とする。

望ましくは、前記第１素子における前記本体区間、および前記第２素子における前記本体区間は、直線状に配置されており、前記第１素子および前記第２素子は、同一平面上に形成されている。

望ましくは、前記第１素子および前記第２素子が配置された絶縁体板を備え、前記第１素子と前記第２素子は、前記絶縁体板の異なる面に配置されている。

望ましくは、前記第１素子および前記第２素子の少なくとも一方における前記短絡区間と前記接地導体との間に設けられた接地スイッチを備える。

望ましくは、前記第１素子および前記第２素子の少なくとも一方における前記短絡区間と前記接地導体との間に設けられた可変リアクタンス素子を備える。

望ましくは、前記給電区間の幅は、前記本体区間の幅よりも広い。

本発明によれば、環境の変化によるアンテナの性能の劣化を抑制することができる。

可変特性アンテナの構成を模式的に示す図である。特性切り換えスイッチがオフの場合における可変特性アンテナの構成を模式的に示す図である。特性切り換えスイッチがオンの場合における可変特性アンテナの構成を模式的に示す図である。絶縁体板上に形成された可変特性アンテナを示す図である。可変特性アンテナの各部の大きさを示す図である。給電端から可変特性アンテナ側を見た入力インピーダンスを示す図である。給電端から可変特性アンテナ側を見た反射係数を示す図である。垂直偏波についてのｚｘ平面での指向性を示す図である。垂直偏波についてのｘｙ平面での指向性を示す図である。水平偏波についてのｚｘ平面での指向性を示す図である。水平偏波についてのｘｙ平面での指向性を示す図である。第１素子と第２素子とを絶縁体板の互いに反対側の面に配置した可変特性アンテナを示す図である。給電線としてコプレーナ線路を用いた可変特性アンテナを示す図である。接地スイッチを用いた可変特性アンテナを示す図である。可変容量ダイオードを用いた可変特性アンテナを示す図である。本体区間をクランク形状とした可変特性アンテナを示す図である。本体区間を渦巻き形状とした可変特性アンテナを示す図である。可変特性アンテナを用いた無線機の構成を示す図である。

図１には、本発明の実施形態に係る可変特性アンテナの構成が模式的に示されている。ｘ軸正方向は奥側から手前側に向かう方向に対応する。ｙ軸正方向は水平右方向に対応し、ｚ軸正方向は鉛直上方向に対応する。以下の説明では、ｙ軸方向を水平方向とし、ｚ軸方向を鉛直方向としているが、この定義は構造を説明するための便宜上のものであり、可変特性アンテナの姿勢を限定するものではない。

可変特性アンテナは、第１素子１０、第２素子２０、特性切り換えスイッチ１４、および接地導体１６を備える。第１素子１０は、給電区間１０２、本体区間１０４、および短絡区間１０６を備える。給電区間１０２はｚ軸方向に伸びている。本体区間１０４は、給電区間１０２の上端からｙ軸正方向に伸びている。短絡区間１０６は、本体区間１０４の中途の位置からｚ軸負方向に接地導体１６まで伸びており、給電区間１０２に対向している。

第２素子２０は、第１素子１０に対して左右対称の構造を有している。すなわち、第２素子２０は、給電区間２０２、本体区間２０４、および短絡区間２０６を備える。特性切り換えスイッチ１４の一端は接地導体１６に接続されており、特性切り換えスイッチ１４の他端に給電区間２０２の一端が接続されている。給電区間２０２は特性切り換えスイッチ１４の他端からｚ軸正方向に伸びている。本体区間２０４は、給電区間２０２の上端からｙ軸負方向に伸びている。短絡区間２０６は、本体区間２０４の中途の位置からｚ軸負方向に接地導体１６まで伸びており、給電区間２０２に対向している。

このように、第１素子１０および第２素子２０のそれぞれは、第１方向（ｚ軸方向）に伸びる給電区間と、給電区間の一端（上端）から第１方向とは異なる第２方向（ｙ軸方向）に伸びる本体区間と、本体区間の中途点と接地導体１６との間に設けられ、給電区間に対向する短絡区間とを備えている。第１素子１０における給電区間１０２、および、第２素子２０における給電区間２０２は、延伸方向をｚ軸方向に揃えて並べて配置されており、第１素子１０における本体区間１０４と、第２素子２０における本体区間２０４とは、互いに離れる方向に伸びている。

第１素子１０の本体区間１０４は、給電区間１０２の上端からｙ軸正方向よりも上側を見上げる方向に伸びた区間であってもよいし、給電区間１０２の上端からｙ軸正方向よりも下側を見下げる方向に伸びた区間であってもよい。同様に、第２素子２０の本体区間２０４は、給電区間２０２の上端からｙ軸負方向よりも上側を見上げる方向に伸びた区間であってもよいし、給電区間２０２の上端からｙ軸負方向よりも下側を見下げる方向に伸びた区間であってもよい。

また、第１素子１０における給電区間１０２および第２素子２０における給電区間２０２は平行でなくてもよい。すなわち、これらの給電区間は、上側ほど間隔が広がるような位置関係で並べて配置されていてもよいし、下側ほど間隔が広がるような位置関係で並べて配置されてもよい。さらに、第１素子１０における短絡区間１０６および第２素子２０における短絡区間２０６は、ｚ軸方向に対して斜めに伸びた区間であってもよい。

第１素子１０の給電区間１０２の下端は可変特性アンテナの給電端Ｆとなる。すなわち、給電区間１０２の下端には給電線が接続され、給電線から供給された送信信号に応じた電磁波が可変特性アンテナから放射される。また、可変特性アンテナで受信された電磁波に基づく受信信号が給電端Ｆから出力される。なお、給電線として同軸ケーブル等の不平衡ケーブルを用いる場合、給電線に伴う接地導体線は接地導体１６に接続される。

第１素子１０は、本体区間１０４の一端側に給電区間１０２が設けられ、本体区間１０４の中途の位置に短絡区間１０６が設けられた逆Ｆアンテナを形成している。同様に、第２素子２０もまた、本体区間２０４の一端側に給電区間２０２が設けられ、本体区間の中途の位置に短絡区間２０６が設けられた逆Ｆアンテナを形成している。特性切り換えスイッチ１４がオフの場合、図２に示されているように、第２素子２０の給電区間２０２は接地導体１６から切り離される。

図２に示される構成では、給電端Ｆと接地導体１６との間に信号源１８が接続されている。この信号源１８は、給電端Ｆと接地導体１６との間に送信信号が入力されることを概念的に示すものである。信号源１８は接地導体線を伴う不平衡ケーブルに置き換えられてもよい。

信号源１８が給電端Ｆと接地導体１６との間に送信信号を入力することで、第１素子１０の給電区間１０２、本体区間１０４および短絡区間１０６のそれぞれに電流が流れる。第１素子１０の各区間に流れる電流と、第１素子１０の各区間に流れる電流に伴って接地導体１６に流れる帰路電流によって電磁波が放射される。

図２に示される構成では、第１素子１０における給電区間１０２にｚ軸方向の不平衡電流が集中する傾向がある。給電区間１０２に不平衡電流が集中した場合、第１素子１０から放射される垂直偏波の大きさは、第１素子１０から放射される水平偏波の大きさよりも大きくなる。

第１素子１０における短絡区間１０６のｙ軸方向の位置を変化させると、給電端Ｆから可変特性アンテナ側を見た入力インピーダンスが変化する。短絡区間１０６のｙ軸方向の位置は、例えば、入力インピーダンスと、給電端Ｆから信号源１８側を見た信号源インピーダンスとが整合条件を満たすように決定される。整合条件は、入力インピーダンスと信号源インピーダンスとが複素共役の関係にあるという条件である。

第１素子１０は、電磁波の波長の１／４の長さが給電区間１０２と本体区間１０４とを併せた長さに近いときの周波数で共振する場合が多い。ただし、共振周波数は、短絡区間１０６の影響を受けるという条件下で定まる。可変特性アンテナから送信される電磁波の大きさは、送信信号の周波数と共振周波数とが一致するときに大きくなる。

次に、特性切り換えスイッチ１４がオンの場合の動作について説明する。この場合、図３（ａ）に示されているように、第２素子２０の給電区間２０２の下端が接地導体１６に接続される。そして、第１素子１０および第２素子２０が並べて配置されたアンテナが形成される。

信号源１８が、給電端Ｆと接地導体１６との間に送信信号を入力することで、第１素子１０の給電区間１０２の下端と、第２素子２０の給電区間２０２の下端との間に送信信号が入力される。これによって、第１素子１０および第２素子２０の各区間に電流が流れる。

第１素子１０の本体区間１０４と第２素子２０の本体区間２０４は直線状に配置されており、これらの本体区間には同一方向の電流が流れる。したがって、第１素子１０の本体区間１０４および第２素子２０の本体区間２０４は、ダイポールアンテナを形成する２つの素子として機能する。

また、第１素子１０の給電区間１０２と第２素子２０の給電区間２０２は方向を揃えて並べられている。第１素子１０の給電区間１０２の下端と、第２素子２０の給電区間２０２の下端とでは電圧の極性が異なるため、これらの給電区間に互いに逆方向の平衡電流が流れる。この平衡電流は、給電区間１０２および２０２に同一方向に流れる不平衡電流よりも大きい。したがって、給電区間１０２および２０２から放射される電磁波は、図２に示される状態に比べて小さい。

よって、特性切り換えスイッチ１４がオンの場合には、図３（ｂ）に示されているように、第１素子１０における給電区間１０２および本体区間１０４と、第２素子２０における給電区間２０２および本体区間２０４とによって形成されるダイポールアンテナとしての動作が支配的となる。これによって、第１素子１０および第２素子２０から放射される水平偏波の大きさは、第１素子１０および第２素子２０から放射される垂直偏波の大きさよりも大きくなる。

特性切り換えスイッチ１４がオンである場合、可変特性アンテナは、電磁波の波長の半分の長さが、第１素子１０の本体区間１０４および第２素子２０の本体区間２０４を併せた長さに近いときの周波数で共振する。ただし、共振周波数は、各短絡区間および接地導体１６の影響を受けるという条件下で定まる。可変特性アンテナから送信される電磁波の大きさは、送信信号の周波数と共振周波数とが一致するときに大きくなる。

このように、特性切り換えスイッチ１４がオフの場合、可変特性アンテナは第１素子１０単独の不平衡アンテナとして動作する。これによって、可変特性アンテナから放射される垂直偏波は水平偏波よりも大きくなる。一方、特性切り換えスイッチ１４がオンの場合、可変特性アンテナは、第１素子１０および第２素子２０のそれぞれにおける給電区間および本体区間によって形成されるダイポールアンテナ（平衡アンテナ）としての動作が支配的となる。これによって、可変特性アンテナから放射される水平偏波は垂直偏波よりも大きくなる。したがって、特性切り換えスイッチ１４を制御することで、可変特性アンテナは、垂直偏波の送信に適した状態、または、水平偏波の送信に適した状態に切り換えられる。

ここでは、可変特性アンテナが電磁波を送信する動作について説明した。受動素子で構成されるアンテナには送信特性および受信特性について可逆性がある。したがって、可変特性アンテナで受信される電磁波に基づき給電端Ｆから出力される受信信号は、電磁波の周波数と可変特性アンテナの共振周波数とが一致するときに大きくなる。

そして、特性切り換えスイッチ１４がオフの場合、可変特性アンテナは、水平偏波に対する受信感度よりも垂直偏波に対する受信感度の方が大きくなる。また、特性切り換えスイッチ１４がオンの場合、可変特性アンテナは、垂直偏波に対する受信感度よりも水平偏波に対する受信感度の方が大きくなる。さらに、後述する指向性は、電磁波を送信する場合と受信する場合とで同一となる。なお、受信感度は、一定の強度の電磁波が到来している状況下で給電端Ｆから出力される受信信号の大きさとして定義される。

図４には、絶縁体板上に形成された可変特性アンテナが示されている。可変特性アンテナは、絶縁体板２２、第１素子１０、第２素子２０および接地導体板２４を備えている。絶縁体板２２の下辺から高さＨ１までの長方形の領域には接地導体板２４が接合されている。

第１素子１０および第２素子２０は、接地導体板２４より上側の領域で絶縁体板２２に接合されている。給電線として同軸ケーブルを用いる場合、給電端Ｆに内導体が接続され、接地導体板２４に外導体が接続される。

第２素子２０の給電区間２０２の下端と接地導体板２４の上辺との間には、特性切り換えスイッチ１４が接続されている。特性切り換えスイッチ１４には、例えば、略直方体形状に形成され半田付けによって固定されるチップ部品が採用される。

図５には、図４に示された可変特性アンテナについて、使用周波数を２．８ＧＨｚとした場合の各部の大きさの例がミリメートルの単位で示されている。第２素子２０は、第１素子１０に対して左右対称の形状を有しているため、図５には第１素子１０の大きさのみが示されている。絶縁体板の厚みは、１．６ｍｍ、比誘電率は４〜５である。

第１素子１０および第２素子２０のそれぞれにおける各区間の幅は、例えば、給電端におけるインピーダンス整合条件によって定められる。図５に示される例では、給電区間の幅が本体区間の幅よりも広く、短絡区間の幅が本体区間の幅よりも狭い。また、第１素子１０および第２素子２０のそれぞれにおける各区間の幅は、後述の水平偏波についての指向性または垂直偏波についての指向性が所望の特性となるように定められてもよい。

図６〜図９には、図５に示された大きさの可変特性アンテナの特性についてのシミュレーション結果が示されている。図６には、給電端から可変波長アンテナ側を見た入力インピーダンスがスミスチャートによって示されている。このスミスチャートは、中心点のインピーダンスを５０Ωとしたものである。周波数範囲は２ＧＨｚから３ＧＨｚである。インピーダンス軌跡Ｚ１は、特性切り換えスイッチがオフである場合の入力インピーダンスを示す。インピーダンス軌跡Ｚ２は、特性切り換えスイッチがオンの場合の入力インピーダンスを示す。各インピーダンス軌跡に示されている矢印は、周波数が増加したときに軌跡が伸びる方向を示す。マーカＭ１は、特性切り換えスイッチがオフであるときの周波数２．８ＧＨｚでの入力インピーダンスを示し、マーカＭ２は、特性切り換えスイッチがオンであるときの周波数２．８ＧＨｚでの入力インピーダンスを示す。いずれのインピーダンス軌跡も２．８ＧＨｚ付近で中心点に近付いている。

図７には、給電端から可変特性アンテナ側を見た反射係数（反射損失）が示されている。横軸は周波数を示し、縦軸はデシベルスケールの反射係数を示す。反射係数Γｏｆｆは、特性切り換えスイッチがオフであるときの反射係数を示し、反射係数Γｏｎは、特性切り換えスイッチがオンであるときの反射係数を示す。特性切り換えスイッチがオフである場合、２．８ＧＨｚでの反射係数は−１１．４ｄＢであり、定在波比ＶＳＷＲに換算すると１．７４である。特性切り換えスイッチがオンである場合、２．８ＧＨｚでの反射係数は−１５．５ｄＢであり、定在波比ＶＳＷＲに換算すると１．４である。

図８Ａには、垂直偏波についてのｚｘ平面での指向性が示されている。図８Ｂには、垂直偏波についてのｘｙ平面での指向性が示されている。指向性の単位はｄＢｉであり、この単位は無指向性アンテナを基準とした指向性を表す。実線で示された指向性Ｖｆは特性切り換えスイッチをオフにした場合の指向性を示す。破線で示された指向性Ｖｎは指向性切り換えスイッチをオンにした場合の指向性を示す。指向性Ｖｆは、ｘｙ平面におけるｙ軸正方向の強度が若干、指向性Ｖｎよりも小さいものの、広い角度範囲に亘って指向性Ｖｆの強度の方が、指向性Ｖｎの強度よりも大きい。このように、図８Ａおよび図８Ｂには、特性切り換えスイッチをオフにして不平衡アンテナとしての動作を支配的にした方が、特性切り換えスイッチをオンにしてダイポールアンテナとしての動作を支配的にした場合よりも、広い角度範囲に亘って垂直偏波に対する特性が良好であることが示されている。

図９Ａには、水平偏波についてのｚｘ平面での指向性が示されている。図９Ｂには、水平偏波についてのｘｙ平面での指向性が示されている。指向性の単位はｄＢｉである。実線で示された指向性Ｈｆは特性切り換えスイッチをオフにした場合の指向性を示す。破線で示された指向性Ｈｎは特性切り換えスイッチをオンにした場合の指向性を示す。指向性Ｈｎの強度は、総ての角度範囲について指向性Ｈｆの強度よりも大きい。このように、図９Ａおよび図９Ｂには、特性切り換えスイッチをオンにしてダイポールアンテナとしての動作を支配的にした方が、特性切り換えスイッチをオフにして不平衡アンテナとしての動作を支配的にした場合よりも、水平偏波に対する特性が良好であることが示されている。

図１０には、第１素子１０と第２素子２０とを絶縁体板２２の互いに反対側の面に配置した可変特性アンテナが示されている。第２素子２０および接地導体板２４は図４に示されている構造と同一の構造を有している。裏面には、表面の接地導体板２４に対向する接地導体板２４Ｂが接合されている。第１素子１０は絶縁体板２２の裏面側に配置されている。なお、裏面に接地導体板２４Ｂを設けない構造とし、第１素子１０の給電区間１０２の下端に裏面から表面に至るスルーホールを設けた構造としてもよい。この場合、スルーホールの表側の端に給電端としてのランドが設けられてもよい。また、第１素子１０の短絡区間１０６の下端には、裏面から表面に至り、表面に設けられた接地導体板２４に接続されるスルーホールが設けられてもよい。

図１１には、給電線としてコプレーナ線路を用いた可変特性アンテナが示されている。接地導体板２４は、第１接地導体板２４１と第２接地導体板２５２の２つに分離されており、第１接地導体板２４１と第２接地導体板２５２との間には帯状の隙間２６が形成されている。この隙間２６には、給電端Ｆに一端が接続され、他端が無線回路３０に接続された線状導体２８が設けられている。線状導体２８、第１接地導体板２４１、第２接地導体板２５２および絶縁体板２２はコプレーナ線路を形成する。コプレーナ線路は、可変特性アンテナおよび無線回路３０との間で信号を伝送する。

図１２には、第１素子１０の短絡区間１０６の下端と接地導体１６との間に第１接地スイッチ１３２が設けられ、第２素子２０の短絡区間２０６の下端と接地導体１６との間に第２接地スイッチ２３２が設けられた例が示されている。

可変特性アンテナにつき不平衡アンテナとしての動作を支配的とする場合、特性切り換えスイッチ１４をオフにし、第１接地スイッチ１３２をオンにする。第２接地スイッチ２３２はオンまたはオフのいずれの状態であってもよい。

一方、可変特性アンテナにつきダイポールアンテナとしての動作を支配的とする場合、特性切り換えスイッチ１４をオンにする。その状態で、必要な特性に応じて第１接地スイッチ１３２をオンまたはオフとし、第２接地スイッチ２３２をオンまたはオフとする。例えば、受信された電磁波に基づき給電端Ｆから出力される受信信号の大きさが所定値を超えるか、あるいは、最も大きくなるように、第１接地スイッチ１３２および第２接地スイッチ２３２の状態を切り換える。

なお、第１接地スイッチ１３２および第２接地スイッチ２３２は、必ずしも両方が設けられている必要はなく、一方のみが設けられてもよい。また、第１接地スイッチ１３２および第２接地スイッチ２３２は、可変容量ダイオード等の可変リアクタンス素子に置き換えられてもよい。可変リアクタンス素子のリアクタンスを変化させることで、可変特性アンテナの特性が変化する。

図１３には、可変リアクタンス素子として可変容量ダイオードを用いた場合の回路構成例が示されている。第１素子１０の短絡区間１０６の下端と接地導体１６との間には、容量切り換えスイッチ１４２の切り換えに応じて容量が変化する第１容量切り換え回路１３４が設けられている。第１容量切り換え回路１３４は、直流阻止キャパシタ１３６、可変容量ダイオード１３８、容量切り換えスイッチ１４２、および直流電圧源１４０を備える。

第１素子１０の短絡区間１０６の下端には、直流阻止キャパシタ１３６の一端が接続されている。直流阻止キャパシタ１３６の他端には、可変容量ダイオード１３８のカソード端子が接続されている。可変容量ダイオード１３８のアノード端子は接地導体１６に接続されている。直流電圧源１４０の負極端子は接地導体１６に接続され、正極端子は容量切り換えスイッチ１４２の一端に接続されている。容量切り換えスイッチ１４２の他端は、直流阻止キャパシタ１３６と可変容量ダイオード１３８との接続点に接続されている。

直流阻止キャパシタ１３６の容量は、使用周波数でのインピーダンスが十分小さくなるように決定されている。容量切り換えスイッチ１４２がオンになると、直流電圧源１４０によって可変容量ダイオード１３８に逆方向バイアス電圧が印加され、逆方向バイアス電圧が印加されていないときよりも可変容量ダイオード１３８の容量が小さくなる。直流阻止キャパシタ３６が設けられていることで、直流電圧源１４０から短絡区間１０６に直流電流が流入することはない。

このような回路構成によれば、容量切り換えスイッチ１４２が切り換えられることで、可変容量ダイオード１３８の容量が変化し、本体区間１０４から短絡区間１０６および可変容量ダイオード１３８を経て接地導体１６に至るまでの電気長が変化する。

第２素子２０の短絡区間２０６の下端と接地導体１６との間にも、第１素子１０側に設けられている第１容量切り換え回路１３４と同様の回路構成を有する第２容量切り換え回路２３４が設けられている。直流阻止キャパシタ２３６、可変容量ダイオード２３８、直流電圧源２４０、および容量切り換えスイッチ２４２は、それぞれ、直流阻止キャパシタ１３６、可変容量ダイオード１３８、直流電圧源１４０、および容量切り換えスイッチ１４２と同様の機能を有している。第２容量切り換え回路２３４の容量切り換えスイッチ２４２が切り換えられることで、第２容量切り換え回路２３４の可変容量ダイオード２３８の容量が変化し、本体区間２０４から短絡区間２０６および可変容量ダイオード２３８を経て接地導体１６に至るまでの電気長が変化する。

したがって、第１容量切り換え回路１３４の容量切り換えスイッチ１４２、または、第２容量切り換え回路２３４の容量切り換えスイッチ２４２を切り換えることで、可変特性アンテナの特性が切り換えられる。なお、直流電圧源１４０および２４０は、別々に設ける必要はなく共通の電圧源であってもよい。

ここでは、可変リアクタンスとして、可変容量ダイオードを用いた場合について取り上げたが、可変リアクタンスとしては、インダクタンスが可変となる素子が用いられてもよい。

図１４には、第１素子１０および第２素子２０のそれぞれにおける本体区間をクランク形状にした例が示されている。第１素子１０の本体区間１４４は、短絡区間１０６の上端の位置よりも右側の位置で、下方向、右方向、上方向、右方向の順に伸び、このクランク形状がｙ軸正方向に沿って２回に亘って繰り返された形状を有している。第２素子２０は、第１素子１０に対して左右対称の形状を有している。すなわち、第２素子２０の本体区間２４４は、短絡区間２０６の上端の位置よりも左側の位置で、下方向、左方向、上方向、左方向の順に伸び、このクランク形状がｙ軸負方向に沿って２回に亘って繰り返された形状を有している。

第１素子１０および第２素子２０の共振周波数は本体区間の長さに依存する。すなわち、本体区間が長い程共振周波数が低くなり、可変特性アンテナの使用周波数が低くなる。また、使用周波数が一定であるという条件の下では、本体区間の長さはほぼ一定である。そのため、クランク形状を採用することで、本体区間が横方向に占める長さが短くなる。したがって、このような構造によれば、使用周波数が一定であるという条件下で、第１素子１０および第２素子２０が横方向に占める長さが短くなる。また、第１素子１０および第２素子２０が横方向に占める長さを維持しつつ、使用周波数を低くする設計が容易となる。なお、クランク形状が繰り返される回数は任意であり、必要とされる特性に応じて定められる。

図１５には、第１素子１０および第２素子２０のそれぞれにおける本体区間を渦巻き形状にした例が示されている。第１素子１０の本体区間１４６は右端から下方向に延びた後、左方向、上方向、右方向、下方向、左方向の順に伸び、内側に向かいながら周回して終端に至る。第２素子２０は、第１素子１０に対して左右対称の形状を有している。すなわち、第２素子２０の本体区間２４６は左端から下方向に延びた後、右方向、上方向、左方向、下方向、右方向の順に伸び、内側に向かいながら周回して終端に至る。このような構造によれば、図１４に示される構造と同様の効果が得られる。すなわち、使用周波数が一定であるという条件下で、第１素子１０および第２素子２０が横方向に占める長さが短くなる。また、第１素子１０および第２素子２０が横方向に占める長さを維持しつつ、使用周波数を低くする設計が容易となる。なお、渦巻き形状の周回数は任意であり、必要とされる特性に応じて定められる。

図１６には可変特性アンテナを用いた無線機１００の構成が示されている。この無線機１００は、例えば、テレメータリングシステムにおける計測器と共に用いられる。また、無線ＬＡＮ用の無線モジュールとして、コンピュータ、携帯電話機、スマートホンに内蔵されてもよい。

無線機１００は、可変特性アンテナ５０および無線部５４を備える。可変特性アンテナ５０は電磁波を受信し受信信号を無線部５４に出力する。無線部５４は、受信信号の大きさに応じて可変特性アンテナ５０が備える特性切り換えスイッチ５２をオンまたはオフに設定する。例えば、特性切り換えスイッチ５２をオンにした場合の受信信号の大きさと、特性切り換えスイッチ５２をオフにした場合の受信信号の大きさとを比較し、受信信号が大きい方の状態に特性切り換えスイッチ５２の状態を設定する。

無線部５４は、オンまたはオフのうち、受信信号に応じて設定された特性切り換えスイッチ５２の状態で、可変特性アンテナ５０に送信信号を出力する。可変特性アンテナ５０は、無線部５４から出力された送信信号に応じた電磁波を送信する。

上述のように、可変特性アンテナ５０は、特性切り換えスイッチ５２がオフの場合には水平偏波よりも垂直偏波に対して特性が良好となる。そして、特性切り換えスイッチ５２がオンの場合には垂直偏波よりも水平偏波に対して特性が良好となる。

一方、可変特性アンテナ５０に到来する電磁波に含まれる垂直偏波の大きさと水平偏波の大きさは、無線機１００が設置される環境によって異なる。したがって、受信信号の大きさに応じて特性切り換えスイッチ５２を切り換えることで、無線機１００における受信状況が良好となる。また、可変特性アンテナ５０による受信状況が良好であるときは、その状態で信号を送信することで送信状況も良好になることが多い。したがって、受信信号の大きさに応じて特性切り換えスイッチ５２を切り換えることで、無線機１００における送信状況が良好となる。このように、無線機１００は、受信状況に応じて指向性（偏波特性）を切り換える指向性ダイバーシチ方式（偏波ダイバーシチ方式）の送受信を行う。

なお、図１２に示される可変特性アンテナを用いる場合には、無線部５４は、受信信号の大きさに応じて、特性切り換えスイッチ１４の他、第１接地スイッチ１３２および第２接地スイッチ２３２の状態を設定する。また、各接地スイッチに代えて可変リアクタンスを用いる場合には、無線部５４は、受信信号の大きさに応じて、特性切り換えスイッチの他、各可変リアクタンスのリアクタンスを変化させる。

１０第１素子、１４特性切り換えスイッチ、１６接地導体、１８信号源、２０第２素子、１０２，２０２給電区間、１０４，２０４，１４４，２４４，１４６，２４６本体区間、１０６，２０６短絡区間、２２絶縁体板、２４，２４Ｂ接地導体板、２４１第１接地導体板、２５２第２接地導体板、２６隙間、２８線状導体、３０無線回路、１３２第１接地スイッチ、２３２第２接地スイッチ、１３４第１容量切り換え回路、２３４第２容量切り換え回路、１３６，２３６直流阻止キャパシタ、１３８，２３８可変容量ダイオード、１４０，２４０直流電圧源、１４２，２４２容量切り換えスイッチ。

Claims

可変特性アンテナにおいて、
第１素子および第２素子を備え、前記第１素子および前記第２素子のそれぞれは、
第１方向に伸びる給電区間と、
前記給電区間の一端から前記第１方向とは異なる第２方向に伸びる本体区間と、
前記本体区間の中途点と接地導体との間に設けられ、前記給電区間に対向する短絡区間と、を備え、
前記第１素子における前記給電区間、および、前記第２素子における前記給電区間は、並べて配置されており、
前記第１素子における前記本体区間と、前記第２素子における前記本体区間とは、互いに離れる方向に伸びており、
前記可変特性アンテナは、
前記第２素子における前記給電区間の他端と前記接地導体との間に接続されたスイッチを備えることを特徴とする可変特性アンテナ。
請求項１に記載の可変特性アンテナにおいて、
前記第１素子における前記本体区間、および前記第２素子における前記本体区間は、直線状に配置されており、
前記第１素子および前記第２素子は、同一平面上に形成されていることを特徴とする可変特性アンテナ。
請求項１に記載の可変特性アンテナにおいて、
前記第１素子および前記第２素子が配置された絶縁体板を備え、
前記第１素子と前記第２素子は、前記絶縁体板の異なる面に配置されていることを特徴とする可変特性アンテナ。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の可変特性アンテナにおいて、
前記第１素子および前記第２素子の少なくとも一方における前記短絡区間と前記接地導体との間に設けられた接地スイッチを備えることを特徴とする可変特性アンテナ。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の可変特性アンテナにおいて、
前記第１素子および前記第２素子の少なくとも一方における前記短絡区間と前記接地導体との間に設けられた可変リアクタンス素子を備えることを特徴とする可変特性アンテナ。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の可変特性アンテナにおいて、
前記給電区間の幅は、前記本体区間の幅よりも広いことを特徴とする可変特性アンテナ。