WO2007119316A1 - 偏波切換・指向性可変アンテナ - Google Patents

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WO2007119316A1
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WO
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conductor plate
switching
slot
directivity
polarization
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PCT/JP2007/054517
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English (en)
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Inventor
Akio Matsushita
Tomoyasu Fujishima
Original Assignee
Panasonic Corporation
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/44—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0442—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular tuning means

Definitions

  • the present invention is to perform high-quality wireless communication by switching between a circularly polarized wave turning direction and a maximum gain direction of radiation directivity in wireless communication in a microwave 'millimeter wave band'.
  • a circularly polarized wave turning direction for switching between a circularly polarized wave turning direction and a maximum gain direction of radiation directivity in wireless communication in a microwave 'millimeter wave band'.
  • suitable antennas for suitable antennas.
  • Circular polarization is an electromagnetic wave that travels with the direction of the electric field vector rotating over time.When the direction of travel is fixed and the traveling direction is viewed, the circularly polarized wave whose electric field vector rotates clockwise is rotated clockwise. Circularly polarized waves and circularly polarized waves that rotate counterclockwise are called left-handed circularly polarized waves.
  • the axial ratio serves as an index that represents the characteristics of circularly polarized waves. It can be said that the smaller the axial ratio, the better the circular polarization characteristics. For ordinary circular antennas, the axial ratio is 3 dB or less.
  • An antenna designed to transmit and receive right-handed circularly polarized waves cannot transmit and receive left-handed circularly polarized waves.
  • antennas designed to transmit and receive left-hand circularly polarized waves will transmit right-handed circularly polarized waves.
  • a circularly polarized wave incident on an obstacle such as a wall is reflected as a circularly polarized wave of reverse rotation.
  • the right-handed circularly polarized wave is reflected once, it becomes a left-handed circularly polarized wave, and if it is reflected again, it becomes a right-handed circularly polarized wave.
  • the multinos component due to a single reflection can be suppressed.
  • FIG. 17A is a schematic diagram showing a general linearly polarized antenna
  • FIGS. 17B and 17C are schematic diagrams showing the structure of a general circularly polarized antenna described in Non-Patent Document 1.
  • FIG. 1 In order to generate circularly polarized waves, two linearly polarized components with orthogonal polarization planes and 90 ° out of phase are required.
  • a circularly polarized antenna as shown in FIGS. 17 (b) and 17 (c) is not suitable as an antenna for a laptop built-in antenna or a mopile device.
  • a circularly polarized antenna with a fixed turning direction cannot transmit and receive when the orientation is reversed.
  • an antenna capable of controlling the turning direction of circularly polarized waves is required as an antenna capable of high-quality and high-efficiency communication in mobile terminals.
  • Fig. 18 (a) is a block diagram showing the configuration of one unit of the conventional circularly polarized wave switching type-phased array antenna described in Patent Document 1
  • Fig. 18 (b) is a circularly polarized wave switching type phased array. It is a block diagram which shows the whole structure of an antenna.
  • the conventional circular polarized-wave replaceable 'phased array antenna in each unit of the antenna, the control of the external signal S 41, s42, the turning direction of the circularly polarized wave And switching the radiation phase of the antenna by controlling external signals s43, s44, and s45.
  • This single unit is multi-inted as shown in Fig. 18 (b), and all external signals are controlled using an external control device. The maximum gain direction can be switched at the same time.
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-223927
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 9-307350
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-304226
  • Non-Patent Literature l Ramash Garg et al., “Microstrip Antenna Design Handbook”, published by Artech House, p. 493-515
  • the antenna with the conventional configuration requires a plurality of phase shifters and is complicated in configuration and control, requires switching of a plurality of feeder lines, and has a large insertion loss of the switching element. For this reason, there is a problem that it is not suitable for use as an antenna of a small device or a terminal.
  • the present invention solves the above-described conventional problems, and does not use any phase shifter, and has a maximum gain of radiation directivity of an antenna in a configuration in which a single feeder is not required to be switched.
  • the purpose is to provide an antenna that can simultaneously switch the direction and the direction of rotation of circularly polarized waves with good characteristics with an axial ratio of 3 dB or less in the maximum gain direction.
  • the present invention for solving the above problems is a polarization switching 'directivity variable antenna, which is a dielectric substrate 11 having two opposing surfaces, and a radiation conductor plate formed on one surface of the dielectric substrate. 12, a feeding point provided on the radiation conductor plate, a ground conductor plate 14 formed on the other surface of the dielectric substrate, and at least provided on the ground conductor plate side of the dielectric substrate. Both have one directivity switching element 15 and at least two polarization switching elements 16 provided on the ground conductor plate side of the previous dielectric substrate.
  • the radiating conductor plate has a shape symmetrical with respect to a straight line passing through the center of gravity of the radiating conductor plate and the feeding point 13, and the at least one directivity switching element 15 is the ground conductor plate. 14 between the first slot 20a formed by removing the loop 14 and the inner conductor 19 surrounded by the first slot 20a and the ground conductor plate 14 surrounding the first slot 20a. And at least two directivity changeover switches 17 connected to each other.
  • the first slot 20a resonates at a frequency approximately equal to the resonance frequency of the radiating conductor plate 12, and the first slot 20a has a round length of one effective wavelength at the operating frequency. Correspond.
  • the at least two directivity switching switches 17 serve as both ends.
  • Each of the directivity switching switches 17 is provided at a position where the length of the divided slot is less than the half effective wavelength or greater than the half effective wavelength and less than 1 effective wavelength.
  • Each of the at least two polarization switching elements 16 includes second slots 20b and 20c formed by removing the ground conductor plate 14 in a loop shape, and the second slots 20b, At least one polarization switching switch 18 is connected between the inner conductor 19 surrounded by 20c and the grounding conductor plate 14 surrounding the second slot 20b.
  • a part of each of the second slots 20b and 20c is provided at a position overlapping the radiation conductor plate 12, and a region surrounded by one second slot 20b and 20c and the radiation conductor Circular polarization index QO A sZs is 0, where A is the area where plate 1 and 2 are overlapped, s is the area of radiating conductor plate 12, and s is the unloaded Q of radiating conductor plate 12. The value is 8 or more and 1. 6 or less.
  • the second slot 20b of the at least two polarization switching elements has an angle greater than 0 ° and less than 90 °.
  • the other second slot 20c of the at least two polarization switching elements is greater than ⁇ force ⁇ 0 ° and 180 °. Is less than or less than 360 ° and less than 360 °.
  • the circularly polarized wave index is 1.1 or more and 1.3 or less. Under the above conditions, even better circular polarization characteristics can be obtained.
  • the second slot 20b '20c constituting the polarization switching element also serves as the first slot 20a constituting the directivity switching element, and the polarization switching switch 18 and the directivity switching switch 17 Are provided in the second slots 20b ′ 20c, the polarization switching element 16 may have both functions of polarization switching and directivity switching. With this configuration, an element that serves as both a directivity switching element and a polarization switching element can be realized, and the maximum gain direction can be switched more efficiently in many directions.
  • a switching element that is simple in structure without using a phase shifter, has a single feeding line, and is necessary for switching a plurality of feeding lines.
  • the configuration capable of avoiding the insertion loss it is possible to simultaneously realize the switching of the maximum gain direction of the radiation directivity and the switching of the turning direction of the circularly polarized wave having a good axial ratio characteristic in the maximum gain direction.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a polarization switching 'directivity variable antenna according to Embodiment 1 of the present invention, where (a) is a transmission diagram of the first surface of the substrate, and (b) is a second surface of the substrate. A transmission diagram, (c) is a cross-sectional view of the substrate A1-A2.
  • FIG. 2 is a perspective view of a polarization switching 'directivity variable antenna according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 Expansion of the slot portion of the polarization switching 'directivity variable antenna in Embodiment 1 of the present invention It is a big picture.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the circular polarization index and the axial ratio of the polarization switching 'directivity variable antenna according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing a change in radiation directivity of the polarization switching 'directivity variable antenna according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8] (a) to (d) are diagrams showing an example of switch control of the polarization switching 'directivity variable antenna according to the first embodiment of the present invention.
  • (a) and (b) are diagrams showing an example of switch control of the polarization switching 'directivity variable antenna and the change in radiation directivity in Embodiment 1 of the present invention.
  • [12] (a) and (b) are the radiation directivity and the circle of the polarization switching 'directivity variable antenna according to the first embodiment of the present invention. It is a figure showing switching of a polarization turning direction.
  • ⁇ 13 Schematic diagram of polarization switching 'directivity variable antenna in Embodiment 2 of the present invention.
  • ⁇ 14] (a) and (b) are polarization switching' directivity variable antennas of Embodiment 2 of the present invention. It is a figure showing the other Example of this.
  • FIG. 17 (a) to (c) are diagrams showing the structures of general linear antennas and circularly polarized antennas.
  • FIG. 18 (a) and (b) are schematic diagrams of a conventional circularly polarized wave switching type phased array antenna.
  • FIG. 1 (a) to FIG. 1 (c) showing Embodiment 1 of the present invention will be referred to.
  • FIG. 1 (a) is a perspective view of the first surface of the dielectric substrate 11
  • FIG. 1 (b) is a perspective view of the second surface of the dielectric substrate 11 facing the first surface.
  • FIG. 1 (c) is a cross-sectional view taken along line A1-A2 of FIG. 1 (a).
  • the polarization switching element 16 has both a polarization switching function and a directivity switching function. That is, the polarization switching element 16 also serves as the directivity changing element 15.
  • the antenna of this embodiment has a radiating conductor plate 12 on a first surface of a dielectric substrate 11 and a grounding conductor plate 14 on an opposing second surface. Yes. Slots 21a to 21d are provided in the ground conductor plate 14 on the second surface. The slots 21a to 21d are provided with at least two directivity switching switches 22a to 22d and at least one polarization switching switch 23a to 23d, respectively.
  • the maximum gain direction can be switched by controlling the directivity switching switches 22a to 22d, and the turning direction of the circularly polarized wave can be switched by controlling the polarization switching switches 23a to 23d.
  • the configuration of the present embodiment is a simple configuration that does not use a phase shifter at all, and can be operated by a single power supply line. Therefore, a switching element necessary for switching a plurality of power supply lines is used. Insertion loss can be avoided.
  • FIG. 2 is a perspective view of the first surface of the substrate of the antenna according to the first embodiment of the present invention.
  • the ⁇ axis and the ⁇ axis are defined as shown in FIG.
  • radiation directivity is shown according to this coordinate system.
  • the principle of switching circularly polarized waves will be described. Switching of circular polarization is performed by a polarization switching element.
  • the polarization switching element will be described.
  • At least two polarization switching elements are formed in the ground conductor plate 14, and each comprises a loop-shaped slot 21a-21d and at least one polarization switching switch 23a-23d.
  • the slots 21a to 21d are installed at positions overlapping the radiation conductor plate 12, and the conduction and disconnection of the polarization switching switches 23a to 23d are controlled, thereby breaking the symmetry of the radiation conductor plate 12. , Separating the resonances.
  • FIG. 3 shows an enlarged view of the slot portion according to the first embodiment of the present invention.
  • the slots 21a to 21d are formed by removing the ground conductor plate 14 in a loop shape.
  • the angle between the straight line passing through the centroid 24 of the radiating conductor plate and the feed point and the straight line passing through the centroid 24 of the radiating conductor plate and the centroid 25 of the slot 25 At least one in the range of less than °, or greater than 180 ° and less than 270 °, and from 0 ° There must be at least one in the range of greater than 180 ° or greater than 270 ° and less than 360 °.
  • the slots 21a to 21d When the forces ⁇ of the slots 21a to 21d are set at 0 °, 90 °, 180 ° and 270 °, the symmetry of the radiating conductor plate 12 is not broken and the effect of generating circularly polarized waves is obtained. Absent. Therefore, the slots 21a to 21d must be provided at positions other than ⁇ force ⁇ 0 °, 90 °, 180 ° and 270 °.
  • the above ⁇ is preferably 45 °, 135 °, 225 °, or 315 °.
  • one of the slots 21a to 21d is either in the range of greater than 0 ° and less than 90 °, or in the range of greater than 180 ° and less than 270 °. And at least one other is provided in the range where ⁇ is greater than 90 ° and less than 180 °, or greater than 270 ° and less than 360 °.
  • slot 21 is one in the range where 6 is greater than 0 ° and less than 90 °, one in the range greater than F and less than 180 °, and one in the range greater than 180 ° and less than 270 °. Needless to say, they are provided one by one in the range of more than 270 ° and less than 360 °!
  • the radiating conductor plate 12 is not line symmetric with respect to the straight line passing through the center of gravity 24 of the radiating conductor plate and the feed point, the symmetry of the radiating conductor plate is already provided without providing a polarization switching element. Has collapsed. In this case, the circular polarization (elliptical polarization) is already in one of the turning directions, and it is difficult to switch the turning direction by installing a polarization switching element. Therefore, the radiating conductor plate 12 needs to be line-symmetric with respect to the straight line passing through the center of gravity 24 of the radiating conductor plate and the feed point.
  • the polarization switching switches 23a to 23d cross the slots 21a to 21d between the inner conductor 19 surrounded by the slots 21a to 21d and the ground conductor plate 14 surrounding the slots 21a to 21d. It is connected to the.
  • Circular polarization can be generated by making at least one of the polarization switching switches 23a to 23d conductive. Polarization switching switch to be conducted at this time 2 By switching the positions 3a to 23d, it is possible to switch the direction of rotation of the circularly polarized wave.
  • Table 1 shows the turning directions of the circularly polarized waves in each operation state of the first embodiment when the polarization switching switches 23a to 23d are switched in the antenna of FIG.
  • Circularly polarized wave excitation condition QO (A sZs) (Fig. 4)
  • circularly polarized waves are generated by the slots 21a to 21d provided in the ground conductor plate 14 on the second surface of the substrate.
  • the amount of perturbation determined by two parameters, the area s of the radiating conductor plate 12 and the area ⁇ s (the hatched portion in FIG. 3) of the portion where the region surrounded by the radiating conductor plate 12 and the slots 21a to 21d overlaps each other.
  • the axial ratio of the circularly polarized wave of the radiating conductor plate 12 is the ⁇ circular polarization index '' defined by the product of the perturbation and unloaded Q, that is, Depends on QO (A s / s).
  • QO is a value determined by the thickness of the dielectric substrate 11, the dielectric constant, etc.
  • FIG. 4 shows the circular polarization index dependency of the axial ratio of the circular polarization when the QO of the radiation conductor plate 12 is changed in the antenna of the first embodiment.
  • the horizontal axis represents the value of the circularly polarized wave index
  • the vertical axis represents the axial ratio of the circularly polarized wave of the antenna of the first embodiment.
  • the antenna of Embodiment 1 can achieve an axial ratio of 3 dB or less under all three conditions if the circular polarization index is designed to be in the range of 0.8 or more and 1.6 or less. . Also, by designing the circular polarization index so that it is in the range of 1.1 or more and 1.3 or less, the axial ratio becomes less than ldB, and circular polarization with better axial ratio characteristics can be obtained. It is done.
  • the directivity switching element includes loop-shaped slots 21a to 21d and directivity switching switches 22a to 22d.
  • the loop-shaped slots 21a to 21d resonate at a frequency substantially equal to the resonance frequency of the radiation conductor plate 12, and the length of one round corresponds to one effective wavelength. At this time, the slots 21a to 21d function as parasitic antenna elements (hereinafter referred to as parasitic elements).
  • the parasitic element acts as a director when the resonant frequency of the parasitic element is higher than the resonant frequency of the fed antenna element (hereinafter referred to as the “feeding element”), and the directional gain of the entire antenna is If the parasitic element is tilted in the direction in which the parasitic element is installed, and the resonant frequency of the parasitic element is lower than the resonant frequency of the feeder element, it acts as a reflector, and the directional gain of the entire antenna is It is known to tilt in the direction opposite to the direction in which the feed element is installed.
  • slots 21a to 21d are arranged as parasitic elements around the radiation conductor plate 12 which is a feeding element, and the maximum gain direction of the antenna is changed.
  • the directivity switching switches 22a to 22d are connected to the inner conductor 19 surrounded by the slots 21a to 21d, and to the switches. At least two ground conductor plates 14 surrounding the lots 21a to 21d are connected across the slots 21a to 21d.
  • the slots 21a to 21d indicate the function of the above-described director or reflector.
  • the directivity switching switches 22a to 22d are turned on, the slots 21a to 21d are divided into two or more slots, and the function of the above-described director or reflector is lost. Therefore, the function of switching the maximum gain direction can be realized by controlling the conduction and release of the directivity switching switches 22a to 22d.
  • the directivity switching switches 22a to 22d must be arranged at positions where the slots 21a to 21d do not resonate when the directivity switching switches 22a to 22d are conducted.
  • the directivity switching switches 22a to 22d are turned on and the slot divided with the directivity switching switches 22a to 22d as both ends acts as a resonator, this slot resonator is also used as the above-described waveguide or reflector. Will show the same effect. Therefore, even if the directivity switching switch 17 is made conductive and the slots 21a to 21d are divided, the effect of the director or the reflector cannot be eliminated.
  • FIG. 5 shows an unfavorable arrangement example of the directivity switching switches 22a to 22d in the antenna of the first embodiment.
  • the directivity switching switches 22a to 22d are turned on, if the length of the divided slots with the directivity switching switches 22a to 22d at both ends becomes a semi-effective wavelength, the directivity switching The divided slots having both ends of the switches 22a to 22d serve as a semi-effective wavelength resonator, and the maximum gain direction cannot be switched by controlling the directivity switching switches 22a to 22d.
  • the length of the divided slots having the directivity switching switches 22a to 22d at both ends is less than the semi-effective wavelength, or
  • the directional switching switches 22a to 22d are conducted by providing them at a position larger than the half effective wavelength and less than one effective wavelength, it is not preferable for the divided slots having the directional switching switches 22a to 22d at both ends. It is necessary to eliminate the resonance effect.
  • FIG. 6 shows an example of a change in radiation directivity of the antenna of the first embodiment when the directivity switching switches 22a to 22d are switched.
  • the finger The direction switching switch 22a is turned on (1), and the opened state is (2).
  • the slot 21a becomes a waveguide
  • the changed angle is about 30 °.
  • the maximum gain direction can be switched by controlling the directivity switching switches 22a to 22d.
  • the maximum gain direction of the antenna can be determined regardless of the shape and size of the parasitic element that resonates with the radiating conductor plate 12. Although it is possible to change, it is difficult to obtain good axial ratio characteristics when the maximum gain direction is changed. This is because the radiated electromagnetic wave from the parasitic element deteriorates the axial ratio characteristic of the circularly polarized wave radiated from the radiation conductor plate 12.
  • the loop-shaped slots 21a to 21d having a length of one effective wavelength are used as the parasitic elements, thereby avoiding this bad axial ratio characteristic.
  • a loop slot with one effective wavelength is used as a parasitic element
  • circularly polarized waves are excited in the radiating conductor plate 12, and at the same time, circularly polarized waves having the same turning direction are also applied to the looped slots.
  • circularly polarized waves with the same turning direction are excited in both the feed element and the parasitic element, so that the maximum gain direction can be switched while maintaining a good axial ratio. Become.
  • the direction of circular polarization of the radiation conductor plate 12 is switched, the direction of circular polarization of the circularly polarized waves excited in the loop-shaped slots 21a to 21 is also switched at the same time.
  • the turning directions of the feed element and the parasitic element are switched at the same time, it is possible to switch the turning direction of the circularly polarized wave while maintaining good axial ratio characteristics in the maximum gain direction. .
  • the slot constituting the polarization switching element also serves as the slot constituting the directivity switching element, and the polarization switching switches 23a to 23d and the directivity switching switch 22a.
  • the polarization switching element functions as both a polarization switching element and a directivity switching element.
  • a substrate usually used in a high frequency circuit can be used.
  • inorganic materials such as alumina ceramic, and resin materials such as Teflon (registered trademark), epoxy, and polyimide can be considered. These materials may be appropriately selected according to the frequency and application to be used, the thickness and size of the substrate, and the like.
  • the radiation conductor plate 12 and the ground conductor plate 14 are good conductive metal patterns, for example, copper or aluminum can be used.
  • the QO of the radiating conductor plate 12 is normally used in the range of about 10 to 30 considering that the radiation efficiency of the radiating conductor plate 12 is inversely proportional to the QO.
  • the above materials are selected, it is possible to use QO within the above range if the thickness of the dielectric substrate 11 is appropriately selected.
  • any ordinary method for feeding the radiation conductor plate such as force microstrip feeding or slot feeding using coaxial feeding as a feeding circuit, can be used.
  • the directivity switching switches 22a to 22d and the polarization switching switches 23a to 23d are PIN diodes, FETs (Field Effect Transistors), MEMS (Micro Electro ⁇ Mechanical System) Use a switch.
  • Example 1 of the present invention will be described below.
  • the antenna of Example 1 is shown in Figs. 1 (a) to (c).
  • FIG. 3 shows an enlarged view of the slot portion.
  • Table 2 shows the components of Example 1.
  • the radiation conductor plate is sized to resonate in the TM mode at 25.4 GHz.
  • Q0 of the radiating conductor plate 12 is calculated to be 22.8, and the circular polarization index is 1.00.
  • the directivity switching element functions as a director.
  • Figs. 8 (a), (b), (c), and (d) show the control of the directivity switching switches 22a to 22d and the polarization switching switches 23a to 23d when the maximum gain direction is changed. It is a figure which shows an example. In Fig. 8 (a) to (d), the switches that are painted black are in the conductive state, and the switches that are not painted are in the open state. In other words, Fig. 8 (a) shows that the directivity switching switches 22a, 22c, 22d and the polarization switching switch 23c in Fig. 1 are conductive and all the remaining switches are open! /.
  • Figs. 9 (a) to (d) show that the directivity switching switches 22a to 22d and the polarization switching switches 23a to 23d are controlled as shown in Figs. 8 (a) to (d).
  • the radiation directivities of the antennas of Example 2 are shown respectively.
  • Fig. 9 (a) to (d) As shown by B>, an axial ratio of 3 dB or less was achieved under all conditions in the maximum gain direction.
  • Fig. 10 (a) shows the state of the switch when the directivity switching switches 22a to 22d are all turned on
  • Fig. 10 (b) shows the state of the antenna in the state of Fig. 10 (a).
  • the maximum gain direction of the antenna is 0 °.
  • FIGS. 11A and 11B show an example of control of the polarization switching switches 23a to 23d.
  • Fig. 12 (a
  • Figs. 12 (a) and 12 (b) by switching the polarization switching switches 23a to 23d, the turning direction of the circularly polarized wave could be switched from left to right.
  • Table 3 summarizes the turning direction and the maximum gain direction of circularly polarized waves when the directivity switching switches 22a to 22d and the polarization switching switches 23a to 23d in the first embodiment are switched. .
  • the maximum gain direction is switched to multiple directions by adopting the configuration as described above.
  • an antenna capable of switching the direction of circular polarization rotation in the maximum gain direction could be realized.
  • FIG. 13 is a transmission diagram of the first surface of the substrate in Embodiment 2 of the present invention.
  • the portion drawn with a broken line indicates that it is formed on the second surface of the substrate. Detailed description of the same parts as those in the first embodiment will be omitted.
  • the polarization switching element 16 has both the polarization switching function and the directivity switching function. However, in the second embodiment, each is formed independently. .
  • the polarization switching element 16 includes a loop-shaped slot 20b and polarization switching switches 18a and 18b.
  • the conditions to be satisfied by the polarization switching element 16 are the same as those described in the first embodiment. Similar to the first embodiment, it is possible to switch the turning direction of the circularly polarized wave by controlling the polarization switching switches 18a and 18b.
  • the directivity switching element 15 includes a loop-shaped slot 20 a and a directivity switching switch 17.
  • the conditions to be satisfied by the directivity switching element 15 are the same as those described in the first embodiment.
  • the maximum gain direction can be switched to the direction in which the directivity switching element 15 exists by controlling the directivity switching switch 17.
  • the directivity switching element and the polarization switching element are made independent of each other, so that the polarization swirl direction can be switched and uniaxially configured with a simpler configuration than that of the first embodiment.
  • the maximum gain direction can be switched.
  • the directivity switching element 15 and the polarization switching element 16 can be configured to use slots having a shape other than a square.
  • FIG. 13 is a transmission diagram of the first surface of the antenna substrate of Example 2
  • FIG. 15 is an enlarged view of the radiation conductor plate 12 and the slots 20a and 20b.
  • the dielectric substrate 11 and the radiation conductor plate 12 are the same as in the first embodiment.
  • the length si of one side of the slot 20a is 2.9 mm
  • the width wl is 0.2 mm
  • the distance z to the radiation conductor plate 12 is 0.2 mm.
  • the length s2 of one side of the slot 20b is 2.9 mm
  • the width w2 is 0.2 mm
  • the length d of one side of A s is 1.15 mm.
  • the circular polarization index is 1.10.
  • the directivity switching element functions as a director.
  • FIG. 16 shows the radiation directivity of the antenna of the second embodiment.
  • Fig. 16 (b) shows the directivity switching switch 17 opened, the polarization switching switch 18a opened, and 18b conducted.
  • Table 4 summarizes the turning direction and the maximum gain direction of the circularly polarized wave in each operation state when the directivity switching switch 17 and the polarization switching switches 18a and 18b are switched in the second embodiment. It is a table.
  • the polarization switching 'directivity variable antenna according to the present invention is characterized by being capable of simultaneously switching the turning direction of the circular polarization and switching the maximum gain direction of the radiation directivity while having a simple configuration. It is useful as an antenna for use in indoor mobile terminals. It is also useful as a small receiving antenna for satellite broadcasting and on-board antenna for ETC, which are currently transmitting and receiving with circular polarization. It is also useful as an antenna for wireless power transmission.

Landscapes

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Abstract

　本発明の偏波切換・指向性可変アンテナは、誘電体基板１１の表面に放射導体板１２を、裏面に接地導体板１４を有している。裏面の接地導体板１４内に少なくとも一つの指向性切換素子と少なくとも二つの偏波切換素子が設けられている。指向性切換素子は、接地導体板１４をループ状に除去して形成された第一のスロットと、少なくとも二つの指向性切換スイッチ２２ａ～２２ｄを有している。偏波切換素子は、接地導体板１４をループ状に除去して形成された第一のスロットと、少なくとも一つの偏波切換スイッチ２３ａ～２３ｄとを有している。指向性切換スイッチ２２ａ～２２ｄの制御によりアンテナの放射指向性の最大利得方向の切り換えを、偏波切換スイッチ２３ａ～２３ｄの制御によりアンテナから放射される円偏波の旋回方向の切り換えを実現できる。

Description

明 細 書
偏波切換'指向性可変アンテナ
技術分野
[0001] 本発明は、マイクロ波 'ミリ波帯における無線通信において、円偏波の旋回方向、 および放射指向性の最大利得方向を切り換えて通信することにより、高品質な無線 通信を行うことに適したアンテナに関する。
背景技術
[0002] 近年、室内無線 LAN等に代表される室内など閉じた空間における高速大容量通 信の需要が高まっている。室内のような閉空間では、アンテナ間の見通し (Line-of-Si ght)の直接波に加えて、壁や天井などからの反射による遅延波が存在し、マルチパ ス伝搬の環境となる。このマルチパス伝搬が、通信の品質を劣化させる要因となって いる。
[0003] マルチパス伝搬環境下での、遅延波による通品品質の劣化の抑制に、放射指向性 の最大利得方向の切り換えが可能なアンテナを用いる方法がある。これは、アンテナ の最大利得方向を切り換え、最適な状態を選んで送受信することにより、通信の品質 を高める方法である。
[0004] 一方、マルチパス伝搬環境下での、遅延波による通品品質の劣化の抑制に、円偏 波アンテナを用いる方法がある。円偏波とは、時間と共に電界ベクトルの向きが回転 して進行する電磁波のことであり、場所を固定して進行方向を見た時、電界ベクトル が右回りに回転する円偏波を右旋円偏波、左回りに回転する円偏波を左旋円偏波と いう。
[0005] 通常、完全な円偏波を発生させることは困難であり、逆旋回の偏波成分と合成され て、楕円偏波となる。この楕円の長軸と短軸の比を軸比と呼び、円偏波の特性を表す 指標となっている。軸比が小さいほど円偏波特性は良好であると言える。通常の円偏 波アンテナの場合、軸比は 3dB以下の値で用いられる。
[0006] 右旋円偏波を送受信するよう設計されたアンテナは、左旋円偏波を送受信できな い。同様に、左旋円偏波を送受信するよう設計されたアンテナは、右旋円偏波を送 受信できない。一般に、壁などの障害物に入射した円偏波は逆旋回の円偏波となつ て反射する。つまり、右旋円偏波が一回反射すると、左旋円偏波になり、さらにもう一 度反射すると右旋円偏波になる。このため、室内通信に円偏波を用いることにより、 一回反射によるマルチノ ス成分を抑圧することができる。
[0007] 円偏波の送受信が可能な平面アンテナとしては、例えば非特許文献 1に記載され ているものがよく知られている。図 17 (a)は一般的な直線偏波のアンテナを、図 17 (b ) (c)は、非特許文献 1に記載の一般的な円偏波アンテナの構造を示す概略図であ る。円偏波を発生させるためには、直交する偏波面を持ち、かつ位相が 90° ずれた 二つの直線偏波成分が必要であるが、通常用いられる図 17 (a)のような、放射導体 板の重心 32と給電点を通る直線に線対称な形状の放射導体板 31では、上記直線 の方向に電流が振動する共振のみが生じ、この振動方向に偏波面を持った直線偏 波となる。
[0008] 上記の線対称な形状の放射導体板 31から、円偏波を発生させるためには、上記の 共振を二つの直交する共振に分離する必要がある。上記の共振を分離するために は、例えば図 17 (b) (c)のように、放射導体板 31の構造の対称性を崩してやればよ い。このとき、対称性を崩す位置によって、図 17 (b)では左旋円偏波が、図 17 (c)で は右旋円偏波が、それぞれ励振される。
[0009] しかしながら、ラップトップの内蔵アンテナゃモパイル機器用のアンテナとしては、 図 17 (b) (c)のような円偏波アンテナは不適であった。上記のような移動体の端末で は、端末の位置や向きが大きく変化するため、旋回方向が固定された円偏波アンテ ナでは向きを反転したときなどに送受信できない。そのため、移動体端末における高 品質，高効率な通信が可能なアンテナとして、円偏波の旋回方向の制御が実現でき るアンテナが求められている。
[0010] また、上記の二つのマルチパス除去に有効な機能、「放射指向性の最大利得方向 の切り換え機能」と、「円偏波の旋回方向の切り換え機能」を同時に実現すれば、さら なる高品質，高効率な通信が可能である。
[0011] 従来、上記の二つの機能、「円偏波の旋回方向の切り換え」と、「放射指向性の最 大利得方向の切り換え」を同時に実現するアンテナとしては、円偏波の切り換え可能 なアンテナをアレー素子として、フェーズドアレーアンテナを実現するものがあった（ 特許文献 1参照)。図 18 (a)は、前記特許文献 1に記載された従来の円偏波切換型- フェーズドアレーアンテナの 1ユニットの構成を示すブロック図、図 18 (b)は円偏波切 換型 ·フェーズドアレーアンテナの全体構成を示すブロック図である。
[0012] 図 18 (a)に示すように、従来の円偏波切換型'フェーズドアレーアンテナでは、アン テナの 1ユニットごとにおいて、外部信号 S41、 s42の制御により、円偏波の旋回方向 の切り換えを、また外部信号 s43、 s44、 s45の制御により、アンテナの放射位相の切 り換えを行っている。この 1ユニットを、図 18 (b)のように多素子化し、外部制御装置 を用いてすべての外部信号を制御することにより、フェーズドアレーアンテナ全体とし ての円偏波の旋回方向と、放射指向性の最大利得方向の切り換えを同時に実現し ている。
特許文献 1：特開 2000— 223927号公報
特許文献 2：特開平 9 - 307350号公報
特許文献 3：特開 2004 - 304226号公報
非特許文献 l :Ramash Garg他著、「Microstrip Antenna Design Handboo k」、Artech House刊、 p. 493— 515
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0013] し力しながら、前記従来の構成のアンテナでは、複数の移相器が必要で構成や制 御が複雑である、複数の給電線の切り換えが必要であり切換素子の挿入損失が大き い、などの問題から、小型の機器や端末のアンテナとして用いるのには不適であると いう課題を有していた。
[0014] 本発明は、前記従来の課題を解決するもので、移相器を一つも使用せず、また給 電線が単一で切り換えの必要がない構成において、アンテナの放射指向性の最大 利得方向の切り換えと、最大利得方向において軸比が 3dB以下と良好な特性を持つ た円偏波の旋回方向の切り換えを、同時に実現するアンテナを提供することを目的と する。
課題を解決するための手段 [0015] 上記課題を解決する本発明は偏波切換 '指向性可変アンテナであって、対向する 二つの面を持った誘電体基板 11と、前記誘電体基板の一面に形成された放射導体 板 12と、前記放射導体板上に設けられた給電点と、前記誘電体基板の他方の面に 形成された接地導体板 14と、前記誘電体基板の前記接地導体板側に設けられた少 なくとも一つの指向性切換素子 15と、前前記誘電体基板の前記接地導体板側に設 けられた少なくとも二つの偏波切換素子 16を有している。
[0016] 前記放射導体板は、前記放射導体板の重心と前記給電点 13とを通る直線に対し て線対称な形状を有し、前記少なくとも一つの指向性切換素子 15は、前記接地導体 板 14をループ状に除去して形成された第一のスロット 20a、および前記第一のスロッ ト 20aに囲まれている内部導体 19と前記第一のスロット 20aを取り囲む前記接地導体 板 14との間に接続された少なくとも二つの指向性切換スィッチ 17とを有している。
[0017] 前記第一のスロット 20aは、前記放射導体板 12の共振周波数と概等しい周波数に おいて共振し、前記第一のスロット 20aは、一周の長さが動作周波数において一実 効波長に対応する。前記少なくとも二つの指向性切換スィッチ 17をいずれも導通さ せることによって、前記第一のスロット 20aを高周波的に複数のスロットに分割した際 に、前記少なくとも二つの指向性切換スィッチ 17を両端とする分割されたスロットの 長さが、半実効波長未満、もしくは半実効波長より大きく 1実効波長未満となる位置 に、前記各指向性切換スィッチ 17が設けられている。
[0018] 前記少なくとも二つの偏波切換素子 16は、それぞれ、前記接地導体板 14をルー プ状に除去して形成された第二のスロット 20b、 20c、および、前記第二のスロット 20 b、 20cに囲まれている内部導体 19と前記第二のスロット 20bを取り囲む前記接地導 体板 14との間に接続された、少なくとも一つの偏波切換スィッチ 18を有している。
[0019] 前記各第二のスロット 20b、 20cの一部は、前記放射導体板 12と重なった位置に設 けられ、一つの前記第二のスロット 20b、 20cにより囲まれた領域と前記放射導体板 1 2とが重なっている部分の面積を A s、前記放射導体板 12の面積を s、前記放射導体 板 12の無負荷 Qを Q0としたとき、円偏波指標 QO A sZsが 0. 8以上、 1. 6以下の値 をとる。
[0020] 前記放射導体板 12の重心 24と前記給電点を通る直線と、前記放射導体板の重心 24と前記第二のスロットの重心 25を通る直線の間の角度を とするとき、前記少なく とも二つの偏波切換素子のうち一つの第二のスロット 20bが、 が 0° より大きく 90° 未満の範囲、もしくは 180° より大きく 270° 未満の範囲のどちらかに設けられ、前 記少なくとも二つの偏波切換素子のうち他の第二のスロット 20cが、 ξ力^ 0° より大 きく 180° 未満の範囲、もしくは 270° より大きく、 360° 未満の範囲のどちらかに設 けられている。
[0021] このような構成を採用することにより、最大利得方向の切り換えと、最大利得方向に おいて円偏波の旋回方向の切り換えを同時に実現できる。
[0022] 前記円偏波指標が、 1. 1以上、 1. 3以下であればさらに好ましい。上記条件によつ て、さらに良好な円偏波特性を得ることができる。
[0023] 前記偏波切換素子を構成する第二のスロット 20b ' 20cが、前記指向性切換素子を 構成する第一のスロット 20aを兼ね、前記偏波切換スィッチ 18と前記指向性切換スィ ツチ 17の両方が前記第二のスロット 20b ' 20cに設けられていることにより、前記偏波 切換素子 16が偏波切 能と指向性切 能の両方の機能を有していてもよい。 本構成によって、指向性切換素子と偏波切換素子を兼用する素子が実現でき、より 効率的に多くの方向への最大利得方向の切り換えが可能となる。
発明の効果
[0024] 本発明の偏波切換'指向性可変アンテナによれば、移相器を全く使用しない簡易 な構成で、また給電線が単一で、複数の給電線を切り換えるために必要な切換素子 の挿入損失を回避可能な構成において、放射指向性の最大利得方向の切り換えと 、最大利得方向において良好な軸比特性を持った円偏波の旋回方向の切り換えを、 同時に実現することができる。
図面の簡単な説明
[0025] [図 1]本発明の実施形態 1における偏波切換'指向性可変アンテナの概略図であつ て、（a)は基板第一面の透過図、（b)は基板第二面の透過図、（c)は基板 A1-A2の 断面図である。
[図 2]本発明の実施形態 1における偏波切換'指向性可変アンテナの斜視図である。
[図 3]本発明の実施形態 1における偏波切換'指向性可変アンテナのスロット部の拡 大図である。
圆 4]本発明の実施形態 1における偏波切換'指向性可変アンテナの円偏波指標と 軸比の関係を示す図である。
圆 5] (a)〜 (c)は、本発明の実施形態 1における偏波切換'指向性可変アンテナの 指向性切換スィッチの好ましくない配置例を示す図である。
圆 6]本発明の実施形態 1における偏波切換'指向性可変アンテナの放射指向性の 変化を示す図である。
圆 7] (a)〜 (c)は、本発明の実施形態 1の偏波切換'指向性可変アンテナのその他 の実施例を表す図である。
[図 8] (a)〜（d)は、本発明の実施例 1の偏波切換'指向性可変アンテナのスィッチの 制御の一例を示す図である。
圆 9] (a)〜 (d)は、本発明の実施例 1の偏波切換'指向性可変アンテナの放射指向 性の変化を表す図である。
圆 10] (a)および (b)は、本発明の実施形態 1における偏波切換'指向性可変アンテ ナのスィッチの制御の一例および放射指向性の変化を表す図である。
圆 11] (a)および (b)は、本発明の実施例 1の偏波切換'指向性可変アンテナのスィ ツチの制御の一例を示す図である。
圆 12] (a)および (b)は、本発明の実施例 1の偏波切換'指向性可変アンテナの放射 指向性および円である。偏波旋回方向の切り換えを表す図である。
圆 13]本発明の実施形態 2における偏波切換'指向性可変アンテナの概略図である 圆 14] (a)および (b)は、本発明の実施形態 2の偏波切換'指向性可変アンテナのそ の他の実施例を表す図である。
圆 15]本発明の実施例 2の偏波切換'指向性可変アンテナの拡大図である。
圆 16] (a)〜(c)は、本発明の実施例 2の偏波切換'指向性可変アンテナの放射指向 性および偏波成分の変化を表す図である。
[図 17] (a)〜 (c)は、一般的な直線アンテナおよび円偏波アンテナの構造を示す図 である。 [図 18] (a)および (b)は、従来の円偏波切換型 ·フェーズドアレーアンテナの概略図 である。
符号の説明
[0026] 11 誘電体基板
12 放射導体板
13 給電点
14 接地導体板
15 指向性切換素子
16 偏波切換素子
17 指向性切換スィッチ
18a、 18b 偏波切換スィッチ
19 内部導体
20a、 20b スロッ卜
21a, 21b、 21c、 21d スロット
22a, 22b, 22c, 22d 指向性切換スィッチ
23a、 23b、 23c、 23d 偏波切換スィッチ
24 放射導体板の重心
25 スロットの重心
31 放射導体板
32 給電点
発明を実施するための最良の形態
[0027] 以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
[0028] (実施形態 1)
まず、本発明の実施形態 1を示す図 1 (a)から図 1 (c)を参照する。図 1 (a)は誘電 体基板 11の第一の面の透視図であり、図 1(b)は誘電体基板 11における第一の面と 対向する第二の面の透視図である。図 1(c)は、図 1 (a)の A1-A2線断面図である。
[0029] 実施形態 1では、偏波切換素子 16は、偏波切換機能と指向性切換機能の両方の 機能を有している。すなわち、偏波切換素子 16は、指向性変化素子 15を兼ねてい る。
[0030] 図 1に示すように、本実施形態のアンテナは、誘電体基板 11の第一の面上に放射 導体板 12を、対向する第二の面上に接地導体板 14を有している。第二の面の接地 導体板 14内にはスロット 21a〜21dが設けられている。スロット 21a〜21dには、それ ぞれ、少なくとも二つの指向性切換スィッチ 22a〜22dと、少なくとも一つの偏波切換 スィッチ 23a〜23dが設けられている。指向性切換スィッチ 22a〜22dの制御により、 最大利得方向の切り換えを実現し、偏波切換スィッチ 23a〜23dの制御により、円偏 波の旋回方向の切り換えを実現できる。
[0031] 本実施形態の構成は、移相器を全く使用しない簡易な構成であり、また単一の給 電線によって動作可能であるため、複数の給電線を切り換えるために必要な切換素 子の挿入損失を回避できる。
[0032] 図 2に、本発明の実施形態 1のアンテナの、基板第 1の面の斜視図を示す。本実施 形態 1のアンテナでは、図 2に示すように φ軸と Θ軸を定義する。以下、本明細書に おいては、この座標系に従って放射指向性を示す。
[0033] ここで、本実施形態 1の、偏波切換'指向性可変アンテナにおける円偏波の切り換 えと放射指向性の最大利得の切り換えの原理を詳細に説明する。
[0034] (円偏波切り換え）
まず、円偏波の切り換えの原理について述べる。円偏波の切り換えは偏波切換素 子により行われる。以下、偏波切換素子について述べる。偏波切換素子は接地導体 板 14内に少なくとも二つ形成され、各々がループ状のスロット 21a〜21dと、少なくと も一つの偏波切換スィッチ 23a〜23dからなる。本実施形態 1では、スロット 21a〜21 dを放射導体板 12と重なる位置に設置し、偏波切換スィッチ 23a〜23dの導通と切 断を制御することにより、放射導体板 12の対称性を崩し、共振を分離している。
[0035] 図 3に本発明の実施形態 1の、スロット部の拡大図を示す。スロット 21a〜21dは、 接地導体板 14をループ状に除去して形成される。放射導体板の重心 24と給電点を 通る直線と、放射導体板の重心 24とスロットの重心 25を通る直線の間の角度を と するとき、スロット 21a〜21dは、 ξが 0° より大きく 90° 未満の範囲、もしくは 180° より大きく 270° 未満の範囲のどちらかに少なくとも一つ設けられ、また カ^ 0° より 大きく 180° 未満の範囲、もしくは 270° より大きく、 360° 未満の範囲のどちらかに 少なくとも一つ設けられる。
[0036] スロット 21a〜21d力 ξが 0° 、 90° 、 180° 、 270° の位置に設けられた場合、 放射導体板 12の対称性は崩れず、円偏波を発生させる効果が得られない。したがつ て、スロット 21a〜21dは、 ξ力 ^0° 、 90° 、 180° 、 270° 以外の位置に設けられな ければならない。なお、上記 ξは、好ましくは 45° 、 135° 、 225° 、315° である。
[0037] また、すべてのスロット 21a〜21dが、 ξ力0° より大きく 90° 未満、および 180° よ り大きく 270° 未満の対向する二つの範囲のみに設けられている場合、偏波切換ス イッチ 23a〜23dを切り換えても、旋回方向が同一の方向になってしまい、偏波の切 り換え効果が得られない。
[0038] したがって、偏波切り換えの機能を得るためには、スロット 21a〜21dのうちの一つ は、 が 0° より大きく 90° 未満の範囲、もしくは 180° より大きく 270° 未満の範囲 のどちらかに少なくとも一つ設けられ、また、他の一つは ξが 90° より大きく 180° 未 満の範囲、もしくは 270° より大きぐ 360° 未満の範囲のどちらかに少なくとも一つ 設けられていなければならない。なお、図 1では、スロット 21は、 6が 0° より大きく 90 ° 未満の範囲に一つ、 カ より大きく 180° 未満の範囲に一つ、 180° より大 きく 270° 未満の範囲に一つ、 270° より大きく、 360° 未満の範囲に一つずつ設け られて 、ることは言うまでもな!/、。
[0039] なお、放射導体板 12が、放射導体板の重心 24と給電点を通る直線に線対称でな い場合には、偏波切換素子を設けなくても、すでに放射導体板の対称性が崩れてし まっている。この場合、すでにどちらかの旋回方向の円偏波 (楕円偏波）となっており 、偏波切換素子を設置することによって旋回方向を切り換えることは困難である。した がって、放射導体板 12は放射導体板の重心 24と給電点を通る直線に線対称である 必要がある。
[0040] 偏波切換スィッチ 23a〜23dは、スロット 21a〜21dに囲まれた内部導体 19と、スロ ット 21a〜21dを取り囲む接地導体板 14との間を、スロット 21a〜21dを横断するよう に接続されている。この偏波切換スィッチ 23a〜23dのうち少なくとも一つを導通させ ることにより、円偏波を発生させることができる。このとき導通させる偏波切換スィッチ 2 3a〜23dの位置を切り換えることにより、円偏波の旋回方向の切り換えを実現できる 。表 1に、図 1のアンテナにおいて、偏波切換スィッチ 23a〜23dを切り換えたときの、 本実施形態 1の各動作状態での円偏波の旋回方向を示す。
[0041] [表 1]
Figure imgf000012_0001
[0042] 表 1のように、偏波切換スィッチ 23a〜23dのうち、いずれか一つを選択して導通さ せることによって、円偏波の旋回方向を切り換えることが可能である。同様に、偏波切 換スィッチ 23a〜23dのうち、対角線上の二つのスィッチ（23aと 23c、または 23bと 2 3d)のいずれか一組を選択して導通させた場合にも、円偏波の旋回方向を切り換え ることができる。さらに、偏波切換スィッチ 23a〜23dのうち、三つを選択して導通させ た場合にも円偏波の旋回方向を切り換えることができる。
[0043] なお、隣り合った二つのスィッチ（例えば 23aと 23b)のみを導通した場合、および 偏波切換スィッチをすベて導通、またはすベて開放にした場合には、アンテナから直 線偏波を得ることができる。
[0044] 円偏波励振条件 QO ( A sZs) (図 4)
本実施形態 1のアンテナでは、基板第二面の接地導体板 14内に設けられたスロッ ト 21a〜21dにより、円偏波を発生させている。このとき、放射導体板 12の面積 sと、 放射導体板 12とスロット 21a〜21dに囲まれた領域が重なる部分の面積 Δ s (図 3の 斜線部）の二つのパラメータにより決定される摂動量を A sZs、放射導体板 12の無 負荷 Qを QOとすると、放射導体板 12の円偏波の軸比は、摂動量と無負荷 Qの積で 定義される「円偏波指標」、すなわち、 QO ( A s/s)に依存する。
[0045] QOは、誘電体基板 11の厚さ、誘電率などにより決定される値であり、 QOに対して、 Δ sを最適な値となるようにスロット 21a〜21dを配置することで、良好な軸比を持った 円偏波アンテナを実現できる。
[0046] 図 4に、本実施形態 1のアンテナにおいて、放射導体板 12の QOを変化させたとき の円偏波の軸比の、円偏波指標依存性を示す。図 4では、横軸が円偏波指標の値 を、縦軸が本実施形態 1のアンテナの円偏波の軸比を示している。ここでは、誘電体 基板 11の誘電率を 2. 08で一定として、誘電体基板 11の厚さを変えることにより、放 射導体板の QOを、 29. 8、 22. 8、 18. 3と変化させた。図 4より、本実施形態 1のアン テナでは、円偏波指標が 0. 8以上、 1. 6以下の範囲になるように設計すれば、三つ の条件ともに軸比が 3dB以下を達成できる。また、円偏波指標を、 1. 1以上、 1. 3以 下の範囲になるように設計することにより、軸比が ldB以下となり、さらに良好な軸比 特性を持った円偏波が得られる。
[0047] なお、スロット 21a〜21dの各スロットにおいて Δ sが異なった場合でも、それぞれの
Δ sの値が、上記の範囲であれば問題なく使用できる。
[0048] (放射指向性の最大利得方向の切り換え）
次に、本実施形態 1のアンテナの最大利得方向の切り換え原理について述べる。 最大利得方向の切り換えは、指向性切換素子により行なわれる。指向性切換素子は 、ループ状のスロット 21a〜21dと指向性切換スィッチ 22a〜22dからなる。
[0049] ループ状のスロット 21a〜21dは、放射導体板 12の共振周波数と概等しい周波数 において共振し、一周の長さが一実効波長に相当している。このとき、スロット 21a〜 21dは無給電のアンテナ素子 (以下、無給電素子）として機能する。通常、無給電素 子は、無給電素子の共振周波数が給電されているアンテナ素子 (以下、給電素子） の共振周波数より高い場合には、導波器として作用し、アンテナ全体の指向性利得 は、無給電素子が設置されている方向に傾き、また、無給電素子の共振周波数が、 給電素子の共振周波数より低い場合には、反射器として作用し、アンテナ全体の指 向性利得は、無給電素子が設置されている方向とは反対の方向に傾くことが知られ ている。本実施形態 1では、給電素子である放射導体板 12の周りに、無給電素子と してスロット 21a〜21dを配し、アンテナの最大利得方向を変化させている。
[0050] 指向性切換スィッチ 22a〜22dは、スロット 21a〜21dに囲まれた内部導体 19と、ス ロット 21a〜21dを取り囲む接地導体板 14との間を、スロット 21a〜21dを横断するよ うに少なくとも二つ接続されている。指向性切換スィッチ 22a〜22dが開放されている 場合には、スロット 21a〜21dは、上記の導波器または反射器の機能を示す。しかし 、指向性切換スィッチ 22a〜22dを導通させることにより、スロット 21a〜21dは二つ以 上のスロットに分割され、上記の導波器または反射器の機能は消滅する。したがって 、指向性切換スィッチ 22a〜22dの導通と開放を制御すれば、最大利得方向を切り 換える機能を実現する事が可能である。
[0051] ただし、指向性切換スィッチ 22a〜22dは、指向性切換スィッチ 22a〜22dを導通 させた場合に、スロット 21a〜21dが共振しない位置に配置されなければならない。 指向性切換スィッチ 22a〜22dを導通させた際に、指向性切換スィッチ 22a〜22dを 両端として分割されたスロットが共振器として作用する場合、このスロット共振器も上 記の導波器または反射器と同様の効果を示してしまう。そのため、指向性切換スイツ チ 17を導通させスロット 21a〜21dを分割しても、導波器または反射器の効果を消去 することができない。
[0052] 図 5は、本実施形態 1のアンテナにおいて、指向性切換スィッチ 22a〜22dの、好ま しくない配置例を示したものである。図 5のように、指向性切換スィッチ 22a〜22dが 導通した際に、指向性切換スィッチ 22a〜22dを両端とする分割されたスロットの長さ が半実効波長となる場合には、指向性切換スィッチ 22a〜22dを両端とする分割され たスロットが半実効波長の共振器となり、指向性切換スィッチ 22a〜22dを制御によ つて最大利得方向を切り換えることができない。したがって、指向性切換スィッチ 22a 〜22dを、指向性切換スィッチ 22a〜22dが導通した際に、指向性切換スィッチ 22a 〜22dを両端とする分割されたスロットの長さが、半実効波長未満、もしくは半実効波 長より大きく 1実効波長未満となる位置に設けることにより、指向性切換スィッチ 22a 〜22dを導通させた場合の、指向性切換スィッチ 22a〜22dを両端とする分割された スロットの好ましくない共振効果を消滅させることが必要である。
[0053] 指向性切換スィッチ 22a〜22dを切り換えたときの、本実施形態 1のアンテナの、放 射指向性の変化の一例を図 6に示す。図 6は、指向性切換スィッチ 22aを制御した時 の、 φ =45° 面でのアンテナの指向性利得の Θ依存性を表している。図 6では、指 向性切換スィッチ 22aを導通させたときを (1)、開放した状態を (2)としている。図 6に 示すように、（1)の場合、最大利得方向は、ほぼ真上（Θ =0° )を向くのに対して、 ( 2)の場合、スロット 21aは導波器となり、最大利得方向はスロット 21aが設けられてい る方向（ 0 = 90° の方向）に変化する。このとき、変化した角度は約 30° である。上 記のように、指向性切換スィッチ 22a〜22dの制御によって、最大利得方向を切り換 えることが可能である。
[0054] 通常、円偏波が送受信可能な放射導体板 12においても、放射導体板 12と共振す る無給電素子であれば、どんな形状、大きさであっても、アンテナの最大利得方向を 変化させることが可能であるが、最大利得方向が変化した状態において、良好な軸 比特性を得ることは困難である。これは無給電素子からの放射電磁波が、放射導体 板 12から放射されている円偏波の軸比特性を悪ィ匕させてしまうからである。
[0055] 本実施形態 1では、無給電素子として一実効波長の長さを持ったループ状のスロッ ト 21a〜21dを用いることで、この軸比特性の悪ィ匕を回避している。無給電素子として 一実効波長のループ状スロットを用いた場合には、放射導体板 12に円偏波が励振 されるのと同時に、ループ状スロットにも、同じ旋回方向を持った円偏波を励振するこ とができる。上記のように、給電素子と無給電素子の両方に、同じ旋回方向を持った 円偏波が励振されることによって、良好な軸比を保ったまま、最大利得方向の切り換 えが可能となる。また、放射導体板 12の円偏波の旋回方向を切り換えたときには、ル ープ状のスロット 21a〜21に励振されている円偏波の旋回方向も同時に切り換わる。 上記のように、給電素子と無給電素子の旋回方向が、同時に切り換わることによって 、最大利得方向において良好な軸比特性を保ったまま、円偏波の旋回方向の切り換 えが可能となる。
[0056] 本実施形態 1では、上記の偏波切換素子を構成するスロットが、上記の指向性切換 素子を構成するスロットを兼ねており、偏波切換スィッチ 23a〜23dと指向性切換スィ ツチ 22a〜22dの両方を有することで、偏波切換素子が、偏波切換素子と指向性切 換素子の両方の機能を有している。これによつて、簡易な構成でありながら、多方向 への最大利得方向の切り換えと、円偏波の旋回方向の切り換えを同時に行うことが 可能なアンテナを実現できる。 [0057] (その他）
以下、その他の構成要素について簡単に述べる。本実施形態 1における誘電体基 板 11としては、通常高周波回路において用いられる基板を用いることができる。例え ば、アルミナセラミック等の無機材料、テフロン (登録商標）、エポキシ、ポリイミド等の 榭脂系材料が考えられる。これらの材料は、使用する周波数や用途、基板の厚さ、大 きさなどに応じて適切に選択すればよい。また、放射導体板 12、接地導体板 14は良 導電性の金属のパターンであり、例えば、銅やアルミニウムなどを用いることができる
[0058] 放射導体板 12の QOは、放射導体板 12の放射効率が QOと反比例することを考え ると、通常 10〜30程度の範囲において使用される。上記の材料を選択した場合、誘 電体基板 11の厚さを適切に選択すれば、 QOを上記の範囲内にお 、て使用すること が可能である。
[0059] 本実施形態 1では、給電回路として同軸給電を用いた力 マイクロストリップ給電や スロット給電など、放射導体板に給電する通常の方法であれば使用することが可能 である。
[0060] 本実施形態 1における、指向性切換スィッチ 22a〜22dおよび偏波切換スィッチ 23 a〜23dとしては、通常高周波領域において使用されている PINダイオードや FET ( Field Effect Transistor)、 MEMS (Micro Electro― Mechanical System) スィッチなどを用いればょ ヽ。
[0061] なお、本実施形態 1では、放射導体板 12として正方形の導体板を、スロット 21a〜2 Idとして、正方形のスロットをそれぞれ用いている力 図 7に示すように、それ以外の 形状の放射導体板、スロットでも同様の効果は得られる。
[0062] また、本実施形態 1では、四方向にスロット 21a〜21dを配置している力 正 N角形 の放射導体板を用いた場合、 N個のスロットを配置することが可能であり、したがって 、 N方向に最大利得方向を切り換えることが可能である。このとき、 Nは切り換えが必 要な方向の数に合わせて適切に選べば良 、。
[0063] (実施例 1)
以下に、本発明の実施例 1を説明する。本実施例 1のアンテナは、図 1 (a)〜（c)に 示される構成を有しており、スロット部の拡大図を図 3に示す。本実施例 1の各構成要 素について表 2に示す。
[0064] [表 2]
Figure imgf000017_0001
[0065] このとき、放射導体板は、 25. 4GHzにおいて、 TMモードで共振する大きさとなつ ている。このとき、放射導体板 12の Q0は計算により 22. 8と求められ、円偏波指標は 、 1.00となっている。また、本実施例 1では、指向性切換素子を導波器として機能さ せている。
[0066] 図 8 (a)、 (b)、 (c)、 (d)は、最大利得方向を変化させる場合の、指向性切換スイツ チ 22a〜22dおよび偏波切換スィッチ 23a〜23dの制御の一例を示す図である。図 8 (a)〜（d)において、黒く塗りつぶされているスィッチが導通の状態、塗りつぶされて いないスィッチが開放の状態となっている。つまり、図 8 (a)では、図 1における指向性 切換スィッチ 22a、 22c、 22dと偏波切換スィッチ 23cが導通、残りのスィッチすべて が開放となって 、ることを表して!/、る。
[0067] 図 9 (a)〜（d)に、指向性切換スィッチ 22a〜22d、偏波切換スィッチ 23a〜23dを、 図 8 (a)〜（d)に示すように制御したときの、本実施例 2のアンテナの放射指向性をそ れぞれ示す。図 9 (a)、（b)は、図 8 (a)、（b)に対応しており、 φ =-135° 面における 指向性利得の Θ依存性を示している。また、図 9 (c)、 (d)は、図 8 (c)、 (d)に対応し ており、 =-45° 面における指向性利得の 0依存性を表している。
[0068] 図 9 (a)、 (b)中に〈A〉で示すように、指向性切換スィッチ 22a〜22d、偏波切換スィ ツチ 23a〜23dを、図 8 (a)と（b)のように制御することにより、アンテナの左旋円偏波 成分の最大利得方向を、 φ =-135° 面において、（a)では +30° の方向に、（b)で は- 30° の方向に切り換えることができた。同様に、図 9 (c)、（d)中にく AMこ示すよう に、指向性切換スィッチ 22a〜22d、偏波切換スィッチ 23a〜23dを、図 8 (c)と（d)の ように制御することにより、 φ =-45° 面において、（c)では +30° の方向に、（d)で は- 30° 方向に最大利得方向を切り換えることができた。このとき、図 9 (a)〜（d)中く B〉で示すように、最大利得方向において、全条件で軸比 3dB以下を達成することが できた。
[0069] また、図 10 (a)は指向性切換スィッチ 22a〜22dをすベて導通とした時のスィッチ の状態を、図 10 (b)は、図 10 (a)の状態でのアンテナの φ =-135° 面での指向性 利得の Θ依存性をそれぞれ示している。図 10 (b)で示すように、指向性切換スィッチ 22a〜22dをすベて導通とした場合、アンテナの最大利得方向は、 0° となった。ま た、このとき Θ =0° において軸比は 3dB以下を達成することができた。
[0070] 図 11 (a)、 (b)は偏波切換スィッチ 23a〜23dの制御の一例を示している。図 12 (a
(b)は、図 11 (a)、（b)に示したアンテナの、 φ =- 135° 面での指向性利得の Θ 依存性をそれぞれ示している。図 12 (a) (b)で示すように、偏波切換スィッチ 23a〜2 3dを切り換えることによって、円偏波の旋回方向を左旋カも右旋に切り換えることが できた。
[0071] 表 3は、本実施例 1における指向性切換スィッチ 22a〜22dおよび偏波切換スイツ チ 23a〜23dを切り換えた時の、円偏波の旋回方向および最大利得方向をまとめた 表である。
[0072] [表 3]
Figure imgf000018_0001
[0073] 表 3のように、指向性切換スィッチ 22a〜22d、偏波切換スィッチ 23a〜23dを制御 することにより、円偏波の旋回方向の切り換えと、最大利得方向の多方向への切り換 えが同時に可能である。
[0074] したがって、以上のような構成をとることにより、最大利得方向を多方向へと切り換え られ、同時に最大利得方向において円偏波の旋回方向を切り換えることが可能なァ ンテナを実現することができた。
[0075] (実施形態 2)
次に、図面を参照しながら本発明の実施形態 2における偏波切換'指向性可変ァ ンテナを説明する。図 13は、本発明の実施形態 2における基板第一の面の透過図 である。破線で描かれている部分は、基板第二の面に形成されていることを示してい る。なお、実施形態 1と同じ部分に関しては、詳細な説明は省略する。
[0076] 実施形態 1では、偏波切換素子 16は、偏波切換機能と指向性切換機能の両方の 機能を有していたが、本実施形態 2では、それぞれを独立して形成している。
[0077] 本実施形態 2において、偏波切換素子 16は、ループ形状のスロット 20bと偏波切換 スィッチ 18a、 18bからなる。偏波切換素子 16が満たすべき条件は、実施形態 1にお いて述べたものと同じである。実施形態 1と同様に、偏波切換スィッチ 18a、 18bを制 御することにより、円偏波の旋回方向を切り換えることが可能である。
[0078] 本実施形態 2において、指向性切換素子 15は、ループ形状のスロット 20aと指向性 切換スィッチ 17からなる。指向性切換素子 15が満たすべき条件は、実施形態 1にお いて述べたものと同じである。実施形態 1と同様、指向性切換スィッチ 17の制御によ り、指向性切換素子 15が存在する方向へ、最大利得方向を切り換えることが可能で ある。
[0079] 本実施形態 2のアンテナでは、指向性切換素子と偏波切換素子を独立させることよ り、実施形態 1よりもさらに簡易な構成で、偏波の旋回方向の切り換えと、一軸上での 最大利得方向の切り換えを実現することができる。
[0080] なお、図 14 (a) (b)に示すように、指向性切換素子 15の位置を変化させた場合でも 、実施形態 2と同様な効果を示す。また、実施形態 1と同様に、指向性切換素子 15 および偏波切換素子 16として、正方形以外の形状のスロットを用いる構成も可能で ある。
[0081] また、本実施形態 2では、一軸上における最大利得方向の切り換えについて示した 力 変化させたい方向の数に応じて、指向性切換素子の数を増加し N個とすれば、 N通りの最大利得方向の切り換えが可能である。 [0082] (実施例 2)
以下、本発明の実施例 2を示す。図 13は、本実施例 2のアンテナの基板第 1面の 透過図を、図 15は放射導体板 12およびスロット 20a、 20bの拡大図をそれぞれ示し ている。誘電体基板 11および放射導体板 12については、実施例 1と同様である。ス ロット 20aの一辺の長さ siは 2. 9mm、幅 wlは 0. 2mmであり、放射導体板 12との距 離 zは 0. 2mmである。また、スロット 20bの一辺の長さ s2は 2. 9mm、幅 w2は 0. 2m mであり、 A sの一辺の長さ dを 1.15mmとした。このとき、円偏波指標は、 1.10である 。また、実施例 1と同様、指向性切換素子は導波器として機能させている。
[0083] 本実施例 2のアンテナの放射指向性を、図 16に示す。図 16 (a)は、図 13の指向性 切換スィッチ 17を導通、偏波切換スィッチ 18aを開放、 18bを導通としたときの、 φ = 0° 面の指向性利得の Θ依存性を示している。また、図 16 (b)は、指向性切換スイツ チ 17を開放、偏波切換スィッチ 18aを開放、 18bを導通としたときの、図 16 (c)は、指 向性切換スィッチ 17を開放、偏波切換スィッチ 18aを導通、 18bを開放としたときの、 φ =0° 面の指向性利得の Θ依存性をそれぞれ示している。
[0084] 図 16 (a)と図 16 (b)に〈C〉で示すように、指向性切換スィッチ 17を切り換えることに より、円偏波の旋回方向（右旋)を変えずに、アンテナの最大利得方向を切り換えるこ とができた。また、図 16 (b)と図 16 (c)に〈C〉で示すように、偏波切換スィッチ 18a、 1 8bを切り換えることにより、最大利得方向を固定した状態において、円偏波の旋回方 向を切り換えることができた。
[0085] 表 4は、本実施例 2における、指向性切換スィッチ 17および偏波切換スィッチ 18a、 18bを切り換えた時の、各動作状態での円偏波の旋回方向および最大利得方向を まとめた表である。
[0086] [表 4] 指向性切換 偏波切換スィッチ 円偏波
最大利得方向 スィッチ 1 7 18a 18b 旋回方向
1 導通 導通 開放 左旋 Θ = 0° 方向
2 導通 開放 導通 右旋 Θ = 0° 方向
3 開放 導通 開放 左旋 + 0方向
4 開放 開放 導通 右旋 + 0方向 [0087] したがって、以上のような構成をとることにより、指向性切換スィッチ 17の制御による 、一軸上での最大利得方向の切り換えと、偏波切換スィッチ 18a、 18bの制御による 、円偏波の旋回方向の切り換えが可能なアンテナを実現することができた。
産業上の利用可能性
[0088] 本発明にかかる偏波切換'指向性可変アンテナは、簡易な構成でありながら、円偏 波の旋回方向の切り換えと放射指向性の最大利得方向切り換えを同時に実現できる という特徴を持ち、室内移動体端末等で用いるアンテナとして有用である。また、現 在円偏波での送受信が行われている、衛星放送用の小型受信アンテナや、 ETC用 の車載アンテナとして有用である。さらに、無線電力伝送に用いられるアンテナとして も有用である。

Claims

請求の範囲
対向する二つの面を持った誘電体基板と、
前記誘電体基板の一面に形成された放射導体板と、
前記放射導体板上に設けられた給電点と、
前記誘電体基板の他方の面に形成された接地導体板と、
前記誘電体基板の前記接地導体板側に設けられた少なくとも一つの指向性切換 素子と、
前記誘電体基板の前記接地導体板側に設けられた少なくとも二つの偏波切換素 子と
を有し、
前記放射導体板は、前記放射導体板の重心と前記給電手段が前記放射導体板に 接する点である給電点とを通る直線に対して線対称な形状を有し、
前記少なくとも一つの指向性切換素子は、
前記接地導体板をループ状に除去して形成された第一のスロット、および 前記第一のスロットに囲まれている内部導体と前記第一のスロットを取り囲む前記 接地導体板との間に接続された少なくとも二つの指向性切換スィッチと
を有し、
前記第一のスロットは、前記放射導体板の共振周波数と概等しい周波数において 共振し、
前記第一のスロットは、一周の長さが動作周波数において一実効波長に対応し、 前記少なくとも二つの指向性切換スィッチをいずれも導通させることによって、前記 第一のスロットを高周波的に複数のスロットに分割した際に、前記少なくとも二つの指 向性切換スィッチを両端とする分割されたスロットの長さが、半実効波長未満、もしく は半実効波長より大きく 1実効波長未満となる位置に、前記各指向性切換スィッチが 設けられ、
前記少なくとも二つの偏波切換素子は、それぞれ、
前記接地導体板をループ状に除去して形成された第二のスロット、および 前記第二のスロットに囲まれている内部導体と前記第二のスロットを取り囲む前記 接地導体板との間に接続された、少なくとも一つの偏波切換スィッチ を有し、
前記各第二のスロットの一部は、前記放射導体板と重なった位置に設けられ、 一つの前記第二のスロットにより囲まれた領域と前記放射導体板とが重なっている 部分の面積を A s、前記放射導体板の面積を s、前記放射導体板の無負荷 Qを Q0と したとき、円偏波指標 QO ( A sZs)が 0. 8以上、 1. 6以下の値をとり、
前記放射導体板の重心と前記給電点を通る直線と、前記放射導体板の重心と前 記第二のスロットの重心を通る直線の間の角度を ξとするとき、
前記少なくとも二つの偏波切換素子のうち一つの第二のスロットが、 ξが 0° より大 きく 90° 未満の範囲、もしくは 180° より大きく 270° 未満の範囲のどちらかに設け られ、
前記少なくとも二つの偏波切換素子のうち他の第二のスロットが、 ξ力 より大き く 180° 未満の範囲、もしくは 270° より大きく、 360° 未満の範囲のどちらかに設け られている、偏波切換 4旨向性可変アンテナ。
[2] 前記円偏波指標が、 1. 1以上、 1. 3以下である、請求項 1に記載の偏波切換 4旨 向性可変アンテナ。
[3] 前記偏波切換素子を構成する第二のスロット (20b · 20c)が、前記指向性切換素子 を構成する第一のスロットを兼ね、前記偏波切換スィッチと前記指向性切換スィッチ の両方が前記第二のスロット（20b ' 20c)に設けられていることにより、前記偏波切換 素子が偏波切換機能と指向性切換機能の両方の機能を有する、請求項 1に記載の 偏波切換，指向性可変アンテナ。
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