JP6698970B2 - アンテナ装置及び無線通信装置 - Google Patents
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Description
この円偏波切換形アンテナは、以下の構成要素(1)〜(4)を備えている。
(1)2個の給電点を有し、かつ、互いに直交する2つの直線偏波を放射する放射素子
(2)一端が放射素子における一方の給電点と接続され、信号の位相を0度又は180度だけ移相する第1の移相器
(3)一端が放射素子における他方の給電点と接続され、信号の位相を0度又は180度だけ移相する第2の移相器
(4)入力信号を位相差が90度である2つの信号に分配し、分配した一方の信号を第1の移相器に出力し、分配した他方の信号を第2の移相器に出力する90゜ハイブリッド回路
想定したアンテナ装置では、第1の放射素子が90゜ハイブリッド回路の第1の出力端子と接続され、第2の放射素子が第2の移相器を介して90゜ハイブリッド回路の第2の出力端子と接続されているものとする。
想定したアンテナ装置では、第2の移相器の移相量を切り換えれば、4ブランチのダイバーシチアンテナとして機能することが可能である。
しかし、想定したアンテナ装置では、第1の放射素子と第2の放射素子との間隔が狭く、例えば、間隔が動作周波数の波長の2分の1以下である場合、第1の放射素子と第2の放射素子との間の相互結合が強くなる。第1の放射素子と第2の放射素子との間の相互結合が強くなることで、第1の放射素子から放射された信号の多くが第2の放射素子に入射されるようになる。第1の放射素子から放射された信号の多くが第2の放射素子に入射されることで、信号の反射が大きくなってしまうという課題があった。
また、この発明は、信号の反射を抑えることができるアンテナ装置を備える無線通信装置を得ることを目的とする。
図1は、実施の形態1によるアンテナ装置4を備える無線通信装置を示す構成図である。
図1において、送信機1は、送信信号を送受切替スイッチ3に出力する通信機器である。
受信機2は、送受切替スイッチ3から出力された受信信号の受信処理を実施する通信機器である。
送受切替スイッチ3は、送信機1から出力された送信信号をアンテナ装置4の第1の入出力端子11又は第2の入出力端子12に出力し、第1の入出力端子11又は第2の入出力端子12から出力された受信信号を受信機2に出力する。
アンテナ装置4は、第1の入出力端子11及び第2の入出力端子12を有している。
アンテナ装置4は、2つのアンテナを用いて、4ブランチのダイバーシチアンテナとして機能する。
第2の入出力端子12は、送受切替スイッチ3から出力された送信信号を入力、あるいは、アンテナ装置4の受信信号を送受切替スイッチ3に出力するための端子である。
図2において、第1の放射素子21は、方向性結合器23の第3の端子23cと接続されているアンテナである。
第2の放射素子22は、第1の移相器24と接続されているアンテナである。
方向性結合器23は、例えば、ブランチライン形の方向性結合器であり、第1の端子23a、第2の端子23b、第3の端子23c及び第4の端子23dを有している。
第1の端子23aは、第2の移相器25の一端と接続されている。
第2の端子23bは、第3の移相器26の一端と接続されている。
第3の端子23cは、第1の放射素子21と接続されている。
第4の端子23dは、第1の移相器24の一端と接続されている。
方向性結合器23は、例えば、第1の端子23a又は第2の端子23bから送信信号が入力されると、送信信号を2つに分配する。
そして、方向性結合器23は、分配した一方の送信信号を第3の端子23cに出力するとともに、分配した他方の送信信号を第4の端子23dに出力する。
第1の端子23aから送信信号が入力された場合、分配した一方の送信信号に対する他方の送信信号の位相差は、φ度である。
第2の端子23bから送信信号が入力された場合、分配した他方の送信信号に対する一方の送信信号の位相差は、(π−φ)度である。
方向性結合器23は、例えば、第3の端子23c又は第4の端子23dから受信信号が入力されると、受信信号を2つに分配する。
そして、方向性結合器23は、分配した一方の受信信号を第1の端子23aに出力するとともに、分配した他方の受信信号を第2の端子23bに出力する。
第3の端子23cから受信信号が入力された場合、分配した一方の受信信号に対する他方の受信信号の位相差は、(π−φ)度である。
第4の端子23dから受信信号が入力された場合、分配した他方の受信信号に対する一方の受信信号の位相差は、φ度である。
実施の形態1では、方向性結合器23として、例えば、結合度が√0.5(3dB)の方向性結合器が用いられる。
第1の移相器24は、移相量を0度又はθ度に切り替えが可能な移相器である。
第1の移相器24は、第4の端子23dから送信信号が出力されると、送信信号の位相を0度又はθ度だけ移相し、位相を移相した送信信号を第2の放射素子22に出力する。
第1の移相器24は、第2の放射素子22から受信信号が出力されると、受信信号の位相を0度又はθ度だけ移相し、位相を移相した受信信号を第4の端子23dに出力する。
第2の移相器25は、移相量を0度又は2分のθ(以下、「θ/2」と表記する)度に切り替えが可能な移相器である。
第2の移相器25は、第1の整合回路27から送信信号が出力されると、送信信号の位相を0度又はθ/2度だけ移相し、位相を移相した送信信号を第1の端子23aに出力する。
第2の移相器25は、第1の端子23aから受信信号が出力されると、受信信号の位相を0度又はθ/2度だけ移相し、位相を移相した受信信号を第1の整合回路27に出力する。
第3の移相器26は、移相量を0度又はθ/2度に切り替えが可能な移相器である。
第3の移相器26は、第2の整合回路28から送信信号が出力されると、送信信号の位相を0度又はθ/2度だけ移相し、位相を移相した送信信号を第2の端子23bに出力する。
第3の移相器26は、第2の端子23bから受信信号が出力されると、受信信号の位相を0度又はθ/2度だけ移相し、位相を移相した受信信号を第2の整合回路28に出力する。
第1の整合回路27は、第1の入出力端子11から第2の移相器25側を見たインピーダンスと、第1の入出力端子11から送受切替スイッチ3側を見たインピーダンスとを整合する回路である。
第2の整合回路28は、一端が第3の移相器26の他端と接続され、他端が第2の入出力端子12と接続されている。
第2の整合回路28は、第2の入出力端子12から第3の移相器26側を見たインピーダンスと、第2の入出力端子12から送受切替スイッチ3側を見たインピーダンスとを整合する回路である。
図2では、第1の整合回路27及び第2の整合回路28のそれぞれが、3つの集中定数素子を含むΠ型回路である例を示しているが、これに限るものではなく、2つ以下の集中定数素子を含むΠ型回路であってもよい。
また、第1の整合回路27及び第2の整合回路28のそれぞれは、例えば、3つ以下の集中定数素子を含むT型回路であってもよい。
第1の移相器24、第2の移相器25及び第3の移相器26のそれぞれは、図3に示すようなスイッチドライン形移相器を用いることができる。
図3において、スイッチ31及びスイッチ32のそれぞれは、SPDT(Single−Pole Double−Throw)スイッチなどで実現される。
線路33は、スイッチ31とスイッチ32との間を接続する線路である。線路33は、線路長を無視できるほどに、線路長が短い線路である。したがって、線路33は、線路33を通過する信号の位相に影響を与えないものとする。
迂回線路34は、移相器の移相量に相当する長さを有する線路である。
図3に示す移相器が、第1の移相器24であれば、スイッチ31及びスイッチ32のそれぞれは、移相量が0度に設定される場合、線路33と接続される。スイッチ31及びスイッチ32のそれぞれが線路33と接続されることで、第4の端子23dが第2の放射素子22と接続される。
スイッチ31及びスイッチ32のそれぞれは、移相量がθ度に設定される場合、迂回線路34と接続される。スイッチ31及びスイッチ32のそれぞれが迂回線路34と接続されることで、第4の端子23dが迂回線路34の一端と接続され、かつ、迂回線路34の他端が第2の放射素子22と接続される。
図3に示す移相器が、第2の移相器25であれば、スイッチ31及びスイッチ32のそれぞれは、第2の移相器25の移相量が0度に設定される場合、線路33と接続される。スイッチ31及びスイッチ32のそれぞれが線路33と接続されることで、第1の端子23aが第1の整合回路27の一端と接続される。
スイッチ31及びスイッチ32のそれぞれは、移相量が2分のθ度に設定される場合、迂回線路34と接続される。スイッチ31及びスイッチ32のそれぞれが迂回線路34と接続されることで、第1の端子23aが迂回線路34の一端と接続され、かつ、迂回線路34の他端が第1の整合回路27の一端と接続される。
図3に示す移相器が、第3の移相器26であれば、スイッチ31及びスイッチ32のそれぞれは、移相量が0度に設定される場合、線路33と接続される。スイッチ31及びスイッチ32のそれぞれが線路33と接続されることで、第2の端子23bが第2の整合回路28の一端と接続される。
スイッチ31及びスイッチ32のそれぞれは、第3の移相器26の移相量が2分のθ度に設定される場合、迂回線路34と接続される。スイッチ31及びスイッチ32のそれぞれが迂回線路34と接続されることで、第2の端子23bが迂回線路34の一端と接続され、かつ、迂回線路34の他端が第2の整合回路28の一端と接続される。
なお、スイッチ31及びスイッチ32のそれぞれは、図示せぬ制御装置によって操作されるものであってもよいし、ユーザの手動によって操作されるものであってもよい。
アンテナ装置4は、第1の移相器24、第2の移相器25及び第3の移相器26におけるそれぞれの移相量が切り換えられることで、4ブランチのダイバーシチアンテナとして機能することが可能である。
図4は、2つのダイバーシチモードと、4つのブランチと、第1から第3の移相器の移相量と、給電点と、第1の放射素子21の励振位相と第2の放射素子22の励振位相との位相差との関係を示す説明図である。
アンテナ装置4は、給電点として、第1の入出力端子11と第2の入出力端子12とを有している。
ダイバーシチモードのモード(1)には、ブランチ(1)とブランチ(2)が含まれ、ダイバーシチモードのモード(2)には、ブランチ(3)とブランチ(4)が含まれる。
ここでは、無線通信装置が、アンテナ装置4を送信アンテナとして用いる例を説明するが、アンテナ装置4の可逆性により、無線通信装置が、アンテナ装置4を受信アンテナとして用いても、同様の効果が得られることは自明である。
送受切替スイッチ3は、送信機1から出力された送信信号を受けると、例えば、アンテナ装置4のダイバーシチモードがモード(1)に設定され、ブランチがブランチ(1)に設定されていれば、送信信号を第1の入出力端子11に出力する。
送受切替スイッチ3は、アンテナ装置4のダイバーシチモードがモード(1)に設定され、ブランチがブランチ(2)に設定されていれば、送信信号を第2の入出力端子12に出力する。
送受切替スイッチ3は、アンテナ装置4のダイバーシチモードがモード(2)に設定され、ブランチがブランチ(3)に設定されていれば、送信信号を第1の入出力端子11に出力する。
送受切替スイッチ3は、アンテナ装置4のダイバーシチモードがモード(2)に設定され、ブランチがブランチ(4)に設定されていれば、送信信号を第2の入出力端子12に出力する。
第2の移相器25は、図4に示すように、ブランチ(1)であれば、ダイバーシチモードがモード(1)であるため、移相量がθ/2度に設定される。
第2の移相器25は、図4に示すように、ブランチ(3)であれば、ダイバーシチモードがモード(2)であるため、移相量が0度に設定される。
したがって、第2の移相器25は、ブランチ(1)であれば、送信信号の位相をθ/2度だけ移相し、θ/2度だけ移相した送信信号を第1の端子23aに出力する。
第2の移相器25は、ブランチ(3)であれば、送信信号の位相を0度だけ移相し、0度だけ移相した送信信号を第1の端子23aに出力する。
第3の移相器26は、図4に示すように、ブランチ(2)であれば、ダイバーシチモードがモード(1)であるため、移相量がθ/2度に設定される。
第3の移相器26は、図4に示すように、ブランチ(4)であれば、ダイバーシチモードがモード(2)であるため、移相量が0度に設定される。
したがって、第3の移相器26は、ブランチ(2)であれば、送信信号の位相をθ/2度だけ移相し、θ/2度だけ移相した送信信号を第2の端子23bに出力する。
第3の移相器26は、ブランチ(4)であれば、送信信号の位相を0度だけ移相し、0度だけ移相した送信信号を第2の端子23bに出力する。
このとき、方向性結合器23は、第3の端子23cに出力する送信信号に対する第4の端子23dに出力する送信信号の位相差がφ度になるように、送信信号を2つに分配する。
方向性結合器23は、分配した一方の送信信号を第3の端子23cに出力するとともに、分配した他方の送信信号を第4の端子23dに出力する。
このとき、方向性結合器23は、第4の端子23dに出力する送信信号に対する第3の端子23cに出力する送信信号の位相差が(π−φ)度になるように、送信信号を2つに分配する。
方向性結合器23は、分配した一方の送信信号を第3の端子23cに出力するとともに、分配した他方の送信信号を第4の端子23dに出力する。
第4の端子23dから出力された送信信号は、第1の移相器24に到達する。
第1の移相器24は、図4に示すように、ダイバーシチモードがモード(1)であれば、移相量が0度に設定され、ダイバーシチモードがモード(2)であれば、移相量がθ度に設定される。
したがって、第1の移相器24は、ダイバーシチモードがモード(1)であれば、第4の端子23dから出力された送信信号の位相を0度だけ移相し、0度だけ移相した送信信号を第2の放射素子22に出力する。
第1の移相器24は、ダイバーシチモードがモード(2)であれば、第4の端子23dから出力された送信信号の位相をθ度だけ移相し、θ度だけ移相した送信信号を第2の放射素子22に出力する。
第1の放射素子21は、第3の端子23cから出力された送信信号を空間に放射する。
第2の放射素子22は、第1の移相器24から出力された送信信号を空間に放射する。
したがって、第1の放射素子21の励振位相に対する第2の放射素子22の励振位相の差は、φ度になる。
ブランチがブランチ(2)であるときは、第2の入出力端子12から入力された送信信号の位相が0度であるとすれば、第1の放射素子21の励振位相は、(θ/2+(π−φ))度であり、第2の放射素子22の励振位相は、θ/2度になる。ここでは、説明の簡単化のため、第2の整合回路28を通過する際の送信信号の位相の回転と、第2の端子23bから第4の端子23dを通過する際の送信信号の位相の回転とを無視している。
したがって、第1の放射素子21の励振位相に対する第2の放射素子22の励振位相の差は、−(π−φ)度になる。
ブランチがブランチ(3)であるときは、第1の入出力端子11から入力された送信信号の位相が0度であるとすれば、第1の放射素子21の励振位相は、0度であり、第2の放射素子22の励振位相は、(φ+θ)度になる。
したがって、第1の放射素子21の励振位相に対する第2の放射素子22の励振位相の差は、(φ+θ)度になる。
ブランチがブランチ(4)であるときは、第2の入出力端子12から入力された送信信号の位相が0度であるとすれば、第1の放射素子21の励振位相は、(π−φ)度であり、第2の放射素子22の励振位相は、θ度になる。
したがって、第1の放射素子21の励振位相に対する第2の放射素子22の励振位相の差は、(−(π−φ)+θ)度になる。
よって、アンテナ装置4は、第1の移相器24、第2の移相器25及び第3の移相器26におけるそれぞれの移相量が図4のように切り換えられることで、4つの異なる放射パターンを形成することが可能である。
第1の放射素子21での信号反射が0、第2の放射素子22での信号反射が0であるとすると、第1の入出力端子11から第2の入出力端子12への結合としては、図5に示すように、経路R1を通る送信信号と、経路R2を通る送信信号との結合が考えられる。
図5は、第1の入出力端子11から第2の入出力端子12への結合を示す説明図である。
経路R1は、第1の入出力端子11から入力された送信信号が、第1の整合回路27、第2の移相器25、方向性結合器23、第1の放射素子21、第2の放射素子22、第1の移相器24、方向性結合器23、第3の移相器26、第2の整合回路28を通って、第2の入出力端子12に到達する経路である。
経路R2は、第1の入出力端子11から入力された送信信号が、第1の整合回路27、第2の移相器25、方向性結合器23、第1の移相器24、第2の放射素子22、第1の放射素子21、方向性結合器23、第3の移相器26、第2の整合回路28を通って、第2の入出力端子12に到達する経路である。
したがって、第1の入出力端子11から入力された送信信号の位相が0度であるとすれば、方向性結合器23の第2の端子23bにおいて、経路R1を通る送信信号の位相は、θ/2度である。
また、第2の端子23bにおいて、経路R2を通る送信信号の位相は、θ/2+φ+(π−φ)=(θ/2+π)度である。
第2の端子23bにおいては、経路R1を通る送信信号の位相と、経路R2を通る送信信号の位相との位相差がπになる。
よって、経路R1を通る送信信号と、経路R2を通る送信信号とは、第2の端子23bにおいて、等振幅かつ逆相となり、相殺されるので、第1の入出力端子11から第2の入出力端子12への結合は、低減される。
経路R3は、第2の入出力端子12から入力された送信信号が、第2の整合回路28、第3の移相器26、方向性結合器23、第1の移相器24、第2の放射素子22、第1の放射素子21、方向性結合器23、第2の移相器25、第1の整合回路27を通って、第1の入出力端子11に到達する経路である。
経路R4は、第2の入出力端子12から入力された送信信号が、第2の整合回路28、第3の移相器26、方向性結合器23、第1の放射素子21、第2の放射素子22、第1の移相器24、方向性結合器23、第2の移相器25、第1の整合回路27を通って、第1の入出力端子11に到達する経路である。
したがって、第2の入出力端子12から入力された送信信号の位相が0度であるとすれば、方向性結合器23の第1の端子23aにおいて、経路R3を通る送信信号の位相は、θ/2度である。
また、第1の端子23aにおいて、経路R4を通る送信信号の位相は、θ/2+(π−φ)+φ=(θ/2+π)度である。
第1の端子23aにおいては、経路R3を通る送信信号の位相と、経路R4を通る送信信号の位相との位相差がπになる。
よって、経路R3を通る送信信号と、経路R4を通る送信信号とは、第1の端子23aにおいて、等振幅かつ逆相となり、相殺されるので、第2の入出力端子12から第1の入出力端子11への結合は、低減される。
図2に示すアンテナ装置4において、第1の整合回路27及び第2の整合回路28を実装していないアンテナ装置を想定する。
想定するアンテナ装置では、第1の放射素子21での信号反射が0、第2の放射素子22での信号反射が0であるとする。
想定するアンテナ装置は、ブランチ(1)又はブランチ(3)のとき、図6に示すように、第1の入出力端子11において、経路R5を通る送信信号の反射と、経路R6を通る送信信号の反射とが発生する。
図6は、第1の入出力端子11における送信信号の反射を示す説明図である。
経路R5は、第1の入出力端子11から入力された送信信号が、第2の移相器25、方向性結合器23、第1の放射素子21、第2の放射素子22、第1の移相器24、方向性結合器23、第2の移相器25を通って、第1の入出力端子11に到達する経路である。
経路R6は、第1の入出力端子11から入力された送信信号が、第2の移相器25、方向性結合器23、第1の移相器24、第2の放射素子22、第1の放射素子21、方向性結合器23、第2の移相器25を通って、第1の入出力端子11に到達する経路である。
第1の整合回路27は、第1の入出力端子11から第2の移相器25側を見たインピーダンスと、第1の入出力端子11から送受切替スイッチ3側を見たインピーダンスとの整合をとっている。
したがって、図2に示すアンテナ装置4では、第1の整合回路27の作用によって、ブランチ(1)又はブランチ(3)のとき、経路R5を通る送信信号の反射と、経路R6を通る送信信号の反射とが抑えられる。
第2の整合回路28は、第2の入出力端子12から第3の移相器26側を見たインピーダンスと、第2の入出力端子12から送受切替スイッチ3側を見たインピーダンスとの整合をとっている。
したがって、図2に示すアンテナ装置4では、第2の整合回路28の作用によって、ブランチ(2)又はブランチ(4)のとき、第2の入出力端子12での信号反射が抑えられる。
想定するアンテナ装置では、モード(1)であるときの反射位相が、モード(2)であるときの反射位相よりもθだけ小さくなる。想定するアンテナ装置は、第2の移相器25及び第3の移相器26を備えていなくても、モード(1)であるときの反射振幅と、モード(2)であるときの反射振幅とは、同じになる。
図2に示すアンテナ装置4は、モード(1)での反射位相とモード(2)での反射位相とを同じにするため、第2の移相器25及び第3の移相器26を備えている。
第2の移相器25及び第3の移相器26におけるそれぞれの移相量は、モード(1)のときの移相量と、モード(2)のときの移相量とで変えられている。
モード(1)のときの移相量は、θ/2であり、モード(2)のときの移相量は、0である。
図2に示すアンテナ装置4は、モード(1)での反射位相とモード(2)での反射位相とが同じであるため、第1の整合回路27及び第2の整合回路28のそれぞれを、モード(1)又はモード(2)のいずれであっても使用することができる。
一般的には2つの放射素子の間の距離が、送信信号の波長の2分の1以下の距離になると、2つの入出力端子間の相互結合が高くなり、アンテナ装置が有効に動作しなくなることが知られている。ここでは、第1の放射素子21と第2の放射素子22との間の距離が、送信信号の波長の2分の1以下の距離であっても、図2に示すアンテナ装置4が有効に動作することを説明する。
図7に示す2素子アンテナアレーでは、方形の地板40の上に2つの逆Fアンテナ41,42がそれぞれ設置されている。
図7において、λcは、送信信号の周波数(動作周波数)fcにおける自由空間波長である。
図8Aは、Sパラメータを示すスミスチャートであり、図8Bは、振幅の周波数特性を示す説明図である。図8Bでは、周波数が動作周波数fcで規格化されている。
図7の例では、逆Fアンテナ41と逆Fアンテナ42との間の距離が0.15λcであり、0.5λcよりも短い。
図8Bより、逆Fアンテナ41と逆Fアンテナ42との間の結合|S21|は、動作周波数fcにおいて、約−3dBであり、非常に高いことが確認される。
最初に、図2に示すアンテナ装置4において、第2の移相器25及び第3の移相器26と、第1の整合回路27及び第2の整合回路28とが実装されていないアンテナ装置を考察する。
考察するアンテナ装置では、第1の放射素子21として、逆Fアンテナ41が用いられ、第2の放射素子22として、逆Fアンテナ42が用いられる。
図9は、第1の入出力端子11及び第2の入出力端子12のそれぞれから、逆Fアンテナ41,42側を見たときのSパラメータのシミュレーション結果を示す説明図である。Sパラメータのシミュレーションにおいて、θ=90°、φ=−90°としている。
図9Aは、モード(1)である場合のSパラメータを示すスミスチャートであり、図9Bは、モード(2)である場合のSパラメータを示すスミスチャートである。
図9A及び図9Bに示すように、モード(1)とモード(2)のいずれであっても、逆Fアンテナ41と逆Fアンテナ42との間の結合|S21|が、スミスチャートの中心に位置しており、結合が十分に低いことが分かる。
動作周波数fcにおいて、スミスチャートの中心からの距離は、モード(1)でのS11と、モード(2)でのS11とで同じであるが、位置が異なる。同様に、動作周波数fcにおいて、モード(1)でのS22のスミスチャートの中心からの距離と、モード(2)でのS22のスミスチャートの中心からの距離は同じであるが、位置が異なる。このことは、モード(1)とモード(2)では、振幅が同じであるが、位相が異なることを意味している。つまり、モード(1)で必要な整合回路と、モード(2)で必要な整合回路とが異なり、モード(1)とモード(2)では、別々の整合回路を実装する必要があることを意味している。
したがって、考察するアンテナ装置は、モード(1)用の第1の整合回路27及びモード(1)用の第2の整合回路28と、モード(2)用の第1の整合回路27及びモード(2)用の第2の整合回路28とが必要になる。
考察するアンテナ装置では、第1の放射素子21として、逆Fアンテナ41が用いられ、第2の放射素子22として、逆Fアンテナ42が用いられる。
図10は、第1の入出力端子11及び第2の入出力端子12のそれぞれから、逆Fアンテナ41,42側を見たときのSパラメータのシミュレーション結果を示す説明図である。Sパラメータのシミュレーションにおいて、θ=90°、φ=−90°としている。
図10Aは、モード(1)である場合のSパラメータを示すスミスチャートであり、図10Bは、モード(2)である場合のSパラメータを示すスミスチャートである。
図10A及び図10Bに示すように、モード(1)とモード(2)のいずれであっても、逆Fアンテナ41と逆Fアンテナ42との間の結合|S21|が、スミスチャートの中心に位置しており、結合が十分に低いことが分かる。
動作周波数fcにおいて、第2の移相器25及び第3の移相器26が実装されたことでモード(1)での位相が90°回転し、モード(1)でのS11の位置と、モード(2)でのS11の位置とが一致している。また、モード(1)でのS22の位置と、モード(2)でのS22の位置とが一致している。このことは、モード(1)で必要な整合回路と、モード(2)で必要な整合回路とを共通化できることを意味している。
図2に示すアンテナ装置4では、第1の放射素子21として、逆Fアンテナ41が用いられ、第2の放射素子22として、逆Fアンテナ42が用いられる。
図2に示すアンテナ装置4では、3つの集中定数素子を用いている第1の整合回路27を示している。しかし、これは一例に過ぎず、2つの集中定数素子を用いている第1の整合回路27であってもよい。
2つの集中定数素子としては、例えば、第2の移相器25の他端と第1の入出力端子11との間に直列に接続されるジャンパー素子と、一端がジャンパー素子の一端又は他端と接続され、他端が接地される並列キャパシタとが考えられる。
また、図2に示すアンテナ装置4では、3つの集中定数素子を用いている第2の整合回路28を示している。しかし、これは一例に過ぎず、2つの集中定数素子を用いている第2の整合回路28であってもよい。
2つの集中定数素子としては、例えば、第3の移相器26の他端と第2の入出力端子12との間に直列に接続されるジャンパー素子と、一端がジャンパー素子の一端又は他端と接続され、他端が接地される並列キャパシタとが考えられる。
図11は、第1の入出力端子11及び第2の入出力端子12のそれぞれから、逆Fアンテナ41,42側を見たときのSパラメータのシミュレーション結果を示す説明図である。Sパラメータのシミュレーションにおいて、θ=90°、φ=−90°としている。
図11Aは、モード(1)である場合のSパラメータを示すスミスチャートであり、図11Bは、モード(2)である場合のSパラメータを示すスミスチャートである。
図11A及び図11Bに示すように、モード(1)とモード(2)のいずれであっても、逆Fアンテナ41と逆Fアンテナ42との間の結合|S21|が、スミスチャートの中心に位置しており、結合が十分に低いことが分かる。
動作周波数fcにおいて、モード(1)でのS11の位置と、モード(2)でのS11の位置とが一致している。また、モード(1)でのS11の位置と、モード(2)でのS11の位置とが、スミスチャートの略中心に位置しており、反射が十分に低いことが分かる。動作周波数fcにおいて、モード(1)でのS22の位置と、モード(2)でのS22の位置とが一致している。また、モード(1)でのS22の位置と、モード(2)でのS22の位置とが、スミスチャートの略中心に位置しており、反射が十分に低いことが分かる。
図2に示すアンテナ装置4における第1の整合回路27は、モード(1)とモード(2)の双方に対応しており、第2の整合回路28は、モード(1)とモード(2)の双方に対応している。
図12は、モード(1)のブランチ(1)であり、給電点が第1の入出力端子11であるときの放射パターンのシミュレーション結果を示している。
図13は、モード(1)のブランチ(2)であり、給電点が第2の入出力端子12であるときの放射パターンのシミュレーション結果を示している。
図14は、モード(2)のブランチ(3)であり、給電点が第1の入出力端子11であるときの放射パターンのシミュレーション結果を示している。
図15は、モード(2)のブランチ(4)であり、給電点が第2の入出力端子12であるときの放射パターンのシミュレーション結果を示している。
図12から図15に示すシミュレーション結果を比べると、ブランチ(1)〜(4)では、放射パターンが互いに異なっていることが分かる。
第1の放射素子21と第2の放射素子22との相関は、第1の放射素子21の放射パターンと第2の放射素子22の放射パターンとから計算される。
図16では、ブランチ(1)とブランチ(2)の間の相関係数は、0.0であり、ブランチ(1)とブランチ(3)の間の相関係数は、0.5であり、ブランチ(1)とブランチ(4)の間の相関係数は、0.5であることを示している。
また、図16では、ブランチ(2)とブランチ(3)の間の相関係数は、0.5であり、ブランチ(2)とブランチ(4)の間の相関係数は、0.5であることを示している。
さらに、図16では、ブランチ(3)とブランチ(4)の間の相関係数は、0.0であることを示している。
第1の放射素子21の放射パターンと第2の放射素子22の放射パターンとが似ていれば、相関が高くなり、似ていなければ、相関が低くなる。
アンテナ装置は、第1の放射素子21と第2の放射素子22との相関係数が0.5以下であれば、相関係数が0であるときとほぼ同等のダイバーシチ性能が得られることが知られている。
図16より、図2に示すアンテナ装置4では、ブランチ(1)〜(4)の間の相関係数が、0.5以下であることが分かる。
しかし、第1の放射素子21及び第2の放射素子22のそれぞれは、逆Fアンテナに限るものではなく、反射が大きな放射素子であってもよい。
第1の放射素子21及び第2の放射素子22として、例えば、それぞれ反射が大きな放射素子を用いる場合、アンテナ装置は、図17に示すように、第3の整合回路51と、第4の整合回路52とを備えるようにすればよい。
図17において、図2と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
第3の整合回路51は、一端が第3の端子23cと接続され、他端が第1の放射素子21と接続されている。
第3の整合回路51は、第3の端子23cから第1の放射素子21側を見たインピーダンスと、第3の端子23cから方向性結合器23側を見たインピーダンスとを整合する回路である。
第4の整合回路52は、一端が第1の移相器24の他端と接続され、他端が第2の放射素子22と接続されている。
第4の整合回路52は、第1の移相器24の他端から第2の放射素子22側を見たインピーダンスと、第1の移相器24の他端から第1の移相器24側を見たインピーダンスとを整合する回路である。
第3の整合回路51及び第4の整合回路52のそれぞれは、図2に示す第1の整合回路27と同様に、3つ以下の集中定数素子を含むΠ型回路であってもよいし、3つ以下の集中定数素子を含むT型回路であってもよい。
実施の形態1のアンテナ装置4は、方向性結合器23がブランチライン形の方向性結合器である例を示している。
実施の形態2では、方向性結合器60が、複数の集中定数素子を含む90゜ハイブリッド回路であるアンテナ装置4について説明する。
図18において、図2と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
方向性結合器60は、図2に示す方向性結合器23と同様の機能を有する回路である。
方向性結合器60は、第1〜第12の集中定数素子を含む90゜ハイブリッド回路である。
第1の集中定数素子61は、一端が第1の端子23aと接続され、他端が第2の端子23bと接続されている。
第2の集中定数素子62は、一端が第1の集中定数素子61の一端と接続され、他端が接地されている。
第3の集中定数素子63は、一端が第1の集中定数素子61の他端と接続され、他端が接地されている。
第1の集中定数素子61、第2の集中定数素子62及び第3の集中定数素子63は、第1のΠ型回路を構成している。
第4の集中定数素子64は、一端が第1の端子23aと接続され、他端が第3の端子23cと接続されている。
第5の集中定数素子65は、一端が第4の集中定数素子64の一端と接続され、他端が接地されている。
第6の集中定数素子66は、一端が第4の集中定数素子64の他端と接続され、他端が接地されている。
第4の集中定数素子64、第5の集中定数素子65及び第6の集中定数素子66は、第2のΠ型回路を構成している。
第8の集中定数素子68は、一端が第7の集中定数素子67の一端と接続され、他端が接地されている。
第9の集中定数素子69は、一端が第7の集中定数素子67の他端と接続され、他端が接地されている。
第7の集中定数素子67、第8の集中定数素子68及び第9の集中定数素子69は、第3のΠ型回路を構成している。
第10の集中定数素子70は、一端が第2の端子23bと接続され、他端が第4の端子23dと接続されている。
第11の集中定数素子71は、一端が第10の集中定数素子70の一端と接続され、他端が接地されている。
第12の集中定数素子72は、一端が第10の集中定数素子70の他端と接続され、他端が接地されている。
第10の集中定数素子70、第11の集中定数素子71及び第12の集中定数素子72は、第4のΠ型回路を構成している。
例えば、方向性結合器が、図19に示すように、ブランチライン形の90°ハイブリッド回路で形成されているものとする。
図19は、ブランチライン形の90°ハイブリッド回路を示す構成図である。
ブランチライン形の90°ハイブリッド回路は、略正方形に配列されたリング状の伝送線路で形成される。
リング状の伝送線路を構成する4つの伝送線路のそれぞれは、一辺の長さが約λg/4である。λgは、動作周波数fcでの管内波長である。
したがって、ブランチライン形の90°ハイブリッド回路の一辺の長さは、90°ハイブリッド回路が基板に形成される場合、基板を構成する誘電体による波長短縮によって、自由空間波長λcよりも短くなる。
4つの伝送線路のそれぞれは、図18に示すように、3つの集中乗数素子を含むΠ型回路に置き換えることで、さらに回路の小型化を図ることができる。
式(1)〜(4)において、G1は、第1の端子23aの負荷コンダクタンス、G2は、第2の端子23bの負荷コンダクタンス、G3は、第3の端子23cの負荷コンダクタンス、G4は、第4の端子23dの負荷コンダクタンスである。
kは、方向性結合器60の結合度である。
式(5)において、ωcは、動作周波数fcにおける角周波数である。
図20は、キャパシタ及びインダクタを含む方向性結合器60を示す構成図である。
ただし、それぞれのΠ型回路は、図20に示すように、2つのキャパシタとインダクタとが配置されるものに限るものではない。
例えば、図20に示す方向性結合器60では、全部で8個のキャパシタを備えているが、隣り合う2つのキャパシタを結合することで、方向性結合器60が、全部で4個のキャパシタを備えているようにしてもよい。
図21は、全部で4個のキャパシタを備えている方向性結合器60を示す構成図である。
図21に示す方向性結合器60では、キャパシタンスC12のキャパシタと、キャパシタンスC23のキャパシタと、キャパシタンスC34のキャパシタと、キャパシタンスC41のキャパシタとを備えている。
キャパシタンスC12のキャパシタは、図20に示すキャパシタンスC1のキャパシタ(図中、左側のキャパシタ)と、図20に示すキャパシタンスC2のキャパシタ(図中、下側のキャパシタ)とが結合されたキャパシタである。
キャパシタンスC23のキャパシタは、図20に示すキャパシタンスC2のキャパシタ(図中、上側のキャパシタ)と、図20に示すキャパシタンスC3のキャパシタ(図中、左側のキャパシタ)とが結合されたキャパシタである。
キャパシタンスC34のキャパシタは、図20に示すキャパシタンスC3のキャパシタ(図中、右側のキャパシタ)と、図20に示すキャパシタンスC4のキャパシタ(図中、上側のキャパシタ)とが結合されたキャパシタである。
キャパシタンスC41のキャパシタは、図20に示すキャパシタンスC4のキャパシタ(図中、下側のキャパシタ)と、図20に示すキャパシタンスC1のキャパシタ(図中、右側のキャパシタ)とが結合されたキャパシタである。
また、この発明は、アンテナ装置を備える無線通信装置に適している。
Claims (10)
- 第1の端子又は第2の端子から信号が入力されると、前記信号を分配して、分配した一方の信号を第3の端子に出力するとともに、分配した他方の信号を第4の端子に出力する方向性結合器と、
前記第3の端子と接続されている第1の放射素子と、
一端が前記第4の端子と接続されている第1の移相器と、
前記第1の移相器の他端と接続されている第2の放射素子と、
一端が前記第1の端子と接続されている第2の移相器と、
一端が前記第2の端子と接続されている第3の移相器と、
一端が前記第2の移相器の他端と接続され、他端が第1の入出力端子と接続されている第1の整合回路と、
一端が前記第3の移相器の他端と接続され、他端が第2の入出力端子と接続されている第2の整合回路と
を備えたアンテナ装置。 - 前記方向性結合器は、前記第1の端子から信号が入力された場合、前記一方の信号に対する前記他方の信号の位相差をφ度とし、前記第2の端子から信号が入力された場合、前記他方の信号に対する前記一方の信号の位相差を(π−φ)度とし、
前記第1の移相器の移相量が0度であれば、前記第2の移相器及び前記第3の移相器におけるそれぞれの移相量が2分のθ度であり、前記第1の移相器の移相量がθ度であれば、前記第2の移相器及び第3の移相器におけるそれぞれの移相量が0度であることを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。 - 前記第1の移相器は、
θ度の移相量に対応する線路長を有する線路と、
移相量が0度であれば、前記第4の端子を前記第2の放射素子に接続し、移相量がθ度であれば、前記第4の端子を前記線路の一端に接続し、かつ、前記線路の他端を前記第2の放射素子に接続するスイッチとを備えていることを特徴とする請求項2記載のアンテナ装置。 - 前記第2の移相器は、
2分のθ度の移相量に対応する線路長を有する線路と、
移相量が0度であれば、前記第1の端子を前記第1の整合回路の一端に接続し、移相量が2分のθ度であれば、前記第1の端子を前記線路の一端に接続し、かつ、前記線路の他端を前記第1の整合回路の一端に接続するスイッチとを備えていることを特徴とする請求項2記載のアンテナ装置。 - 前記第3の移相器は、
2分のθ度の移相量に対応する線路長を有する線路と、
移相量が0度であれば、前記第2の端子を前記第2の整合回路の一端に接続し、移相量が2分のθ度であれば、前記第2の端子を前記線路の一端に接続し、かつ、前記線路の他端を前記第2の整合回路の一端に接続するスイッチとを備えていることを特徴とする請求項2記載のアンテナ装置。 - 前記方向性結合器は、ブランチライン形の方向性結合器であることを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。
- 前記方向性結合器は、複数の集中定数素子を含む90゜ハイブリッド回路であることを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。
- 前記第1の放射素子と前記第2の放射素子との間の距離が、0よりも大きく、かつ、前記第1の端子又は前記第2の端子から入力される信号の波長の2分の1以下であることを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。
- 一端が前記第3の端子と接続され、他端が前記第1の放射素子と接続されている第3の整合回路と、
一端が前記第1の移相器の他端と接続され、他端が前記第2の放射素子と接続されている第4の整合回路とを備えたことを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。 - アンテナ装置を備える無線通信装置であり、
前記アンテナ装置は、
第1の端子又は第2の端子から信号が入力されると、前記信号を分配して、分配した一方の信号を第3の端子に出力するとともに、分配した他方の信号を第4の端子に出力する方向性結合器と、
前記第3の端子と接続されている第1の放射素子と、
一端が前記第4の端子と接続されている第1の移相器と、
前記第1の移相器の他端と接続されている第2の放射素子と、
一端が前記第1の端子と接続されている第2の移相器と、
一端が前記第2の端子と接続されている第3の移相器と、
一端が前記第2の移相器の他端と接続され、他端が第1の入出力端子と接続されている第1の整合回路と、
一端が前記第3の移相器の他端と接続され、他端が第2の入出力端子と接続されている第2の整合回路とを備えたことを特徴とする無線通信装置。
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