WO2010004739A1 - 可変指向性アンテナ装置 - Google Patents

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antenna
parasitic
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野口渡
万木弘之
名越方彦
新海宗太郎
汐月昭彦
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パナソニック株式会社
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065Patch antenna array

Definitions

  • the present invention relates to a variable directional antenna device for a wireless communication system using, for example, a MIMO (Multiple Input Multiple Multiple Output) wireless system.
  • MIMO Multiple Input Multiple Multiple Output
  • variable directivity antenna devices for wireless communication systems using, for example, the MIMO wireless system (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
  • Patent Document 1 discloses an array antenna device that has a simpler structure than conventional antennas and that can easily form excitation elements and non-excitation elements.
  • the array antenna device at least one dielectric substrate on which at least one of a plurality of non-excitation elements is formed is provided around the excitation element, or at least one of the excitation element and the plurality of non-excitation elements And at least one second dielectric substrate on which at least another one of the non-excitation elements is formed around the excitation element. It is said.
  • the antenna element structure is devised so that the directivity / omnidirectionality, radiation polarization, and radiation direction of the antenna device are in a desired state without causing an increase in size and cost.
  • An antenna device that can be controlled has been proposed.
  • a conductive excitation element having a predetermined length and disposed on a dielectric substrate, a parasitic element made of a semiconductive plastic, and the parasitic element are connected.
  • a control electrode, and a DC bias voltage supplied to the control electrode is controlled to switch the parasitic element to insulating or / and conductive.
  • An omnidirectional antenna device is configured by making the reflector insulative.
  • JP 2002-261532 A Japanese Patent Laid-Open No. 2007-013692.
  • the electric field level is weak because the distance between wireless devices is too long for the output power of radio waves.
  • the second problem is that fading occurs in the band required for communication due to interference of reflected waves from walls and ceilings.
  • the antenna element since there are many problems in places where there is almost no difference in level between the direct wave and the reflected wave, the antenna element has directivity as described above and does not receive radio waves other than the desired wave. Thus, interference can be suppressed.
  • SISO Single Input Single Output
  • MRC is not the simple antenna selection diversity but the receiver side. This is a problem when processing (Maximum Ratio Combination) is performed.
  • directivity is given to two antenna elements, and one antenna element receives a direct wave, and the other When the antenna element receives a reflected wave having a longer delay time than the estimated time of the guard interval with respect to the direct wave, signal degradation in the desired band is inevitable.
  • OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex
  • the MIMO wireless communication system represented by the IEEE802.11n standard receives a radio wave by a plurality of antennas and greatly reduces the communication speed by decomposing into a plurality of streamings by a propagation channel generated from the path difference.
  • the path difference in propagation from each antenna element is positively utilized.
  • a plurality of omnidirectional antennas such as a dipole antenna and a sleeve antenna are used. The correlation becomes large, and a sufficient propagation channel for ensuring transmission quality cannot be generated.
  • there is a method of tilting each antenna element in a different direction to combine different polarizations but there is a mounting problem that the antenna element must be physically tilted. there were.
  • the antenna device of the wireless device using the MIMO wireless system cannot be generally downsized.
  • the object of the present invention is to solve the above-described problems and to greatly reduce the distance between antenna elements in an environment where fading is likely to occur with a large number of reflected waves, so that the antenna device can be miniaturized and transmission in the MIMO radio system can be performed.
  • An object of the present invention is to provide a variable directivity antenna device capable of improving quality.
  • the variable directivity antenna device is A first parasitic element; A plurality of antenna elements provided in close proximity so as to be electromagnetically coupled to the first parasitic element; A first switch means connected to the first parasitic element and for switching whether or not the first parasitic element is grounded; By outputting a control signal for switching whether or not to operate the first parasitic element as a parasitic element by turning on or off the first switch means, the radiation pattern from the variable directional antenna device is changed. And a control means for changing.
  • variable directional antenna device is characterized by comprising two antenna elements.
  • variable directivity antenna device at least one second parasitic element provided in close proximity so as to be electromagnetically coupled to each antenna element; And further comprising at least one second switch means connected to the second parasitic element and switching whether or not each second parasitic element is grounded,
  • the control means outputs another control signal for selectively switching whether or not to operate each parasitic element as a parasitic element by selectively turning on or off each switch means.
  • variable directivity antenna device is characterized by comprising two antenna elements and one second parasitic element.
  • variable directional antenna device is characterized by comprising two antenna elements and four second parasitic elements.
  • variable directivity antenna device is characterized by including three antenna elements and three second parasitic elements.
  • variable directivity antenna device is characterized by comprising four antenna elements and four second parasitic elements.
  • each antenna element is provided away from the first parasitic element by an electrical length of 1 ⁇ 4 wavelength.
  • Variable directional antenna element is provided away from the first parasitic element by an electrical length of 1 ⁇ 4 wavelength.
  • each antenna element is provided apart from the first parasitic element by an electrical length of 1 ⁇ 4 wavelength
  • Each of the second parasitic elements is provided apart from each of the antenna elements by an electrical length of 1 ⁇ 4 wavelength.
  • each switch means is a PIN diode connected between each parasitic element and an installation conductor.
  • variable directivity antenna device of the present invention the distance between each antenna element and each parasitic element is set such that the antenna element and the parasitic element are electromagnetically coupled to each other, and each of the switch means
  • the radiation pattern from the variable directivity antenna device is changed by outputting a control signal for selectively switching whether or not each parasitic element is operated as a parasitic element by selectively turning on or off Since the control means is provided, the radiation pattern from the variable directivity antenna device can be selectively changed to direct the main beam in a desired direction.
  • variable directional antenna device that can greatly reduce the distance between the antenna elements, thereby reducing the size of the antenna device and improving the transmission quality of the MIMO radio system. Can be provided.
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a control circuit 30 of parasitic elements 12a to 12d in FIG.
  • FIG. 3 is a simulation result of the variable directivity antenna device 21 of FIG. 1 in which the parasitic element 12a is turned off, the parasitic element 12b is turned off, the parasitic element 12c is turned off, and the parasitic element 12d is turned off.
  • FIG. 3 is a simulation result of the variable directivity antenna device 21 of FIG. 1 in which the parasitic element 12a is turned on, the parasitic element 12b is turned off, the parasitic element 12c is turned off, and the parasitic element 12d is turned off. It is a plane radiation pattern characteristic.
  • FIG. 3 is a simulation result of the variable directivity antenna device 21 of FIG. 1 in which the parasitic element 12a is turned off, the parasitic element 12b is turned on, the parasitic element 12c is turned off, and the parasitic element 12d is turned off. It is a plane radiation pattern characteristic.
  • FIG. 3 is a simulation result of the variable directivity antenna device 21 of FIG.
  • FIG. 3 is a simulation result of the variable directivity antenna device 21 of FIG. 1 in which the parasitic element 12a is turned off, the parasitic element 12b is turned off, the parasitic element 12c is turned on, and the parasitic element 12d is turned off. It is a plane radiation pattern characteristic.
  • FIG. 3 is a simulation result of the variable directivity antenna device 21 of FIG. 1 in which the parasitic element 12a is turned on, the parasitic element 12b is turned off, the parasitic element 12c is turned on, and the parasitic element 12d is turned off.
  • FIG. 3 is a simulation result of the variable directivity antenna device 21 of FIG. 1 when the parasitic element 12a is turned off, the parasitic element 12b is turned on, the parasitic element 12c is turned on, and the parasitic element 12d is turned off. It is a plane radiation pattern characteristic.
  • FIG. 3 is a simulation result of the variable directivity antenna device 21 of FIG. 1 in which the parasitic element 12a is turned on, the parasitic element 12b is turned on, the parasitic element 12c is turned on, and the parasitic element 12d is turned off. It is a plane radiation pattern characteristic.
  • FIG. 3 is a simulation result of the variable directivity antenna device 21 of FIG.
  • FIG. 3 is a simulation result of the variable directivity antenna device 21 of FIG. 1 in which the parasitic element 12a is turned on, the parasitic element 12b is turned off, the parasitic element 12c is turned off, and the parasitic element 12d is turned on. It is a plane radiation pattern characteristic.
  • FIG. 3 is a simulation result of the variable directivity antenna device 21 of FIG. 1 in which the parasitic element 12a is turned off, the parasitic element 12b is turned off, the parasitic element 12c is turned off, and the parasitic element 12d is turned on.
  • FIG. 3 is a simulation result of the variable directivity antenna device 21 of FIG. 1 in which the parasitic element 12a is turned on, the parasitic element 12b is turned on, the parasitic element 12c is turned off, and the parasitic element 12d is turned on. It is a plane radiation pattern characteristic.
  • FIG. 3 is a simulation result of the variable directivity antenna device 21 of FIG. 1 in which XY when the parasitic element 12a is turned off, the parasitic element 12b is turned off, the parasitic element 12c is turned on, and the parasitic element 12d is turned on. It is a plane radiation pattern characteristic.
  • FIG. 3 is a simulation result of the variable directivity antenna device 21 of FIG.
  • FIG. 3 is a simulation result of the variable directivity antenna device 21 of FIG. 1 in which XY when the parasitic element 12a is turned off, the parasitic element 12b is turned on, the parasitic element 12c is turned on, and the parasitic element 12d is turned on. It is a plane radiation pattern characteristic.
  • FIG. 3 is a simulation result of the variable directivity antenna device 21 of FIG. 1 in which the parasitic element 12a is turned on, the parasitic element 12b is turned on, the parasitic element 12c is turned on, and the parasitic element 12d is turned on.
  • FIG. 24B is a side view of the variable directivity antenna device 21D of FIG. 24A.
  • FIG. 1A is a plan view showing the configuration of the variable directivity antenna device 21 according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a side view of the variable directivity antenna device 21
  • FIG. 2 is a perspective view of the variable directivity antenna device 21 of FIG.
  • the variable directivity antenna device is on the circumference of a predetermined radius d having a center where the parasitic element 12a is provided on the dielectric substrate 10 having the ground conductor 13 formed on the back surface.
  • the antenna element 11a, the parasitic element 12d, the antenna element 11c, the parasitic element 12c, the antenna element 11b, and the parasitic element 12b are provided clockwise at the positions of the respective apexes of the regular hexagon. It has been.
  • Each of the elements 11a to 11c and 12a to 12d has a circular patch antenna having a predetermined circumferential length at the top, and is supported on a dielectric substrate 10 by a support member 14 incorporating a feed line and the like.
  • Each of the elements 11a to 11c and 12a to 11d may be, for example, a quarter wavelength whip antenna.
  • the element interval d is set to 14 mm corresponding to an electrical length of about 1 / 4 ⁇ of an operating frequency of 5.2 GHz so that adjacent antenna elements and parasitic elements are electromagnetically coupled. When communication is performed at a distance of about 31 mm, the distance may be about 31 mm.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of the wireless communication device 20 using the variable directivity antenna device 21 of FIG. 1
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of the control circuit 30 of the parasitic elements 12a to 12d of FIG.
  • the radio communication apparatus includes a variable directivity antenna apparatus 21 shown in FIGS. 1 and 2, three radio transmission / reception circuits 22a, 22b, and 22c, a MIMO modulation / demodulation circuit 23, and a baseband signal.
  • a processing circuit 24, a MAC (Media Access Control) circuit 26, a variable directivity antenna device 21, and a controller 25 for controlling these circuits are provided.
  • MAC Media Access Control
  • each of the radio transmission / reception circuits 22a, 22b, and 22c includes a duplexer, a radio transmission circuit, and a radio reception circuit.
  • the MIMO modulation / demodulation circuit 23 performs modulation / demodulation processing on radio signals transmitted and received by the three antenna elements 11a to 11c and the radio transmission / reception circuits 22a to 22c using a known MIMO modulation / demodulation method.
  • the baseband signal processing circuit 24 is connected to the MIMO modulation / demodulation circuit 23 and the MAC circuit 26.
  • the data signal input from the MAC circuit 26 is subjected to predetermined baseband signal processing and output to the MIMO modulation / demodulation circuit 23.
  • Predetermined baseband signal processing is performed on the demodulated signal from the circuit 23 and output to the MAC circuit 26.
  • the MAC circuit 26 generates a predetermined data signal by performing signal processing for a predetermined MAC and outputs the predetermined data signal to the baseband signal processing circuit 24, while inputting the data signal from the baseband signal processing circuit 24 and performing the predetermined processing MAC processing is performed.
  • the antenna elements 11a, 11b, and 11c are connected to the radio transmission / reception circuits 22a, 22b, and 22c, respectively, and the parasitic elements 12a, 12b, 12c, and 12d are connected to the control circuit 30 of FIG. And a control signal for each parasitic element 12 a, 12 b, 12 c, 12 d is supplied from the controller 25 to each control circuit 30.
  • each parasitic element 12a, 12b, 12c, 12d is connected to a connection point 36 via an impedance matching capacitor 33, and the connection point 36 has a high frequency having a sufficiently high impedance with respect to the operating frequency.
  • the PIN diode 34 is connected to the control signal input terminal 31 via the blocking inductor 32 and connected to the anode of the PIN diode 34.
  • the cathode of the PIN diode 34 is connected via the inductor 35 for increasing the electrical length of the parasitic element. Grounded.
  • each PIN diode 34 operates as a plurality of switch means for switching whether or not each parasitic element 12a, 12b, 12c, 12d is grounded.
  • variable directivity antenna device 21 of FIG. 1 are simulation results of the variable directivity antenna device 21 of FIG. 1, and are radiation pattern characteristics on the XY plane when the parasitic elements 12a to 12d are turned on or off.
  • the directivity radiated from the antenna device 21 is directed in different directions, so that interference between the antenna elements is reduced and the correlation value is low. .
  • the wireless communication device 20 including the variable directivity antenna device 21 configured as described above can solve the following two problems.
  • one of the two antenna elements (two of 11a, 11b, and 11c) has a direct wave. And the other antenna element receives the reflected wave having a long delay time, thereby enabling more effective MIMO wireless communication.
  • the present embodiment can adjust and align the signal strength of each other to some extent by switching the directivity pattern of the antenna device. Demonstrate.
  • the effect of the AGC is not limited to the MIMO communication method, but the effect is the same in a wireless communication apparatus that simultaneously receives a plurality of wireless signals, such as MRC (Maximum Ratio Combination) described above. It is.
  • each antenna element 11a to 11c for each antenna element since there is one feeding path to each antenna element 11a to 11c for each antenna element, a plurality of antenna elements are prepared and compared with the selective diversity system in which the antenna elements are switched. Thus, even when connecting to a wireless device using a coaxial cable and a high-frequency connector, there is a specific effect that production can be performed at low cost with a small amount.
  • FIG. 21 is a plan view showing a configuration of a variable directivity antenna apparatus 21A according to the second embodiment of the present invention.
  • the variable directivity antenna device according to the present embodiment includes four directional antenna devices at each vertex of a square having a center where the parasitic element 70 is provided on the dielectric substrate 10 having a ground conductor formed on the back surface.
  • Parasitic elements 71, 72, 73, 74 are provided, and antenna elements 61, 62, 63, 64 are respectively provided at the midpoints (intermediate points of the square sides) between a pair of parasitic elements adjacent to each other.
  • the distance between each antenna element and the parasitic element adjacent thereto is set to a quarter-wave distance d so that the adjacent antenna element and the parasitic element are electromagnetically coupled.
  • Each parasitic element 70 to 74 includes the control circuit 30 of FIG.
  • variable directional antenna device 21A can be configured by using the four antenna elements 61 to 64 and the five parasitic elements 70 to 74. Except for the number of circuits connected to the elements 61 to 64 and the number of control signals input to the parasitic elements 70 to 74, the configuration is the same as that of the wireless communication apparatus of FIG. 3 according to the first embodiment. Has a working effect.
  • FIG. 22 is a plan view showing a configuration of a variable directivity antenna device 21B according to the third embodiment of the present invention.
  • the variable directivity antenna device 21B according to the present embodiment is characterized in that the antenna elements 63 and 64 are removed as compared with the variable directivity antenna device 21A of FIG.
  • variable directional antenna device 21B can be configured using the two antenna elements 61 and 62 and the five parasitic elements 70 to 74, and the antenna Except for the number of circuits connected to the elements 61 and 62 and the number of control signals input to the parasitic elements 70 to 74, the configuration is the same as that of the wireless communication apparatus of FIG. 3 according to the first embodiment. Has a working effect.
  • FIG. 23A is a plan view showing a configuration of a variable directivity antenna apparatus 21C according to the fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 24A is a side view of the variable directivity antenna apparatus 21C of FIG. 23A.
  • the variable directivity antenna device 21C according to the present embodiment includes two antenna elements 11b and 11d provided on the Y axis and one parasitic element 12a.
  • the distance between the antenna elements 11b and 11d and the parasitic element 12a is set to a distance d of 1 ⁇ 4 wavelength.
  • the parasitic element 12a includes the control circuit 30 shown in FIG.
  • variable directional antenna device 21C can be configured by using the two antenna elements 11b and 11d and the parasitic element 12a, and the antenna element 11b. 3d except for the number of circuits connected to 11d and the number of control signals input to the parasitic element 12a, and having the same function and effect as the wireless communication apparatus of FIG. 3 according to the first embodiment. .
  • FIG. 24A is a plan view showing a configuration of a variable directivity antenna apparatus 21D according to the fifth embodiment of the present invention
  • FIG. 24B is a side view of the variable directivity antenna apparatus 21D of FIG. 24A.
  • the variable directivity antenna device 21D according to the present embodiment is characterized in that the antenna element 11b and the parasitic elements 12b and 12c are removed as compared with the variable directivity antenna device 21 of FIG. 1A.
  • variable directional antenna device 21D can be configured by using the two antenna elements 11a and 11c and the two parasitic elements 12a and 12d, and the antenna Except for the number of circuits connected to the elements 11a and 11c and the number of control signals input to the parasitic elements 12a and 12d, the configuration is the same as that of the wireless communication apparatus of FIG. 3 according to the first embodiment. Has a working effect.
  • each antenna element and each parasitic element is set so that the antenna element and the parasitic element are electromagnetically coupled to each other, and each of the switch means is selectively turned on or off.
  • each of the switch means is selectively turned on or off.
  • the radiation pattern from the variable directivity antenna device can be selectively changed to direct the main beam in a desired direction.
  • a variable directional antenna device that can greatly reduce the distance between the antenna elements, thereby reducing the size of the antenna device and improving the transmission quality of the MIMO radio system.
  • the present invention particularly relates to home appliances such as a wireless communication device using an antenna device using a MIMO wireless communication system. And it can be used for all other industrial equipment.

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  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

 可変指向性アンテナ装置は、無給電素子(12a)と、無給電素子(12a)から1/4波長の電気長だけ離れて設けられた複数のアンテナ素子(11b、11e)と、無給電素子(12a)に接続され、当該各無給電素子(12a)を接地するか否かを切り換えるPINダイオード(34)とを備えて構成される。PINダイオード34を選択的にオン又はオフすることにより無給電素子(12a)を無給電素子として動作させるか否かを切り換える制御信号を出力することにより、可変指向性アンテナ装置からの放射パターンを変化させる。

Description

可変指向性アンテナ装置
 本発明は、例えばMIMO(Multiple Input Multiple Output)無線方式を使用した無線通信システムのための可変指向性アンテナ装置に関する。
 従来、例えばMIMO無線方式を使用した無線通信システムのための可変指向性アンテナ装置として種々のアレーアンテナ装置が提案されている(例えば、特許文献1及び2参照。)。
 特許文献1においては、従来技術のアンテナに比較して構造が簡単であって、励振素子や非励振素子を容易に形成することができるアレーアンテナ装置が開示されている。当該アレーアンテナ装置において、複数の非励振素子のうちの少なくとも1つが形成された少なくとも1枚の誘電体基板を励振素子の周囲に設け、もしくは、励振素子と、複数の非励振素子のうちの少なくとも1つとが形成された第1の誘電体基板を備え、非励振素子のうちの少なくとも別の1つが形成された少なくとも1枚の第2の誘電体基板を励振素子の周囲に設けたことを特徴としている。
 また、特許文献2では、アンテナ素子の構造を工夫して、その大型化及び高コスト化を招くことなく、当該アンテナ装置の指向性/無指向性、放射偏波、放射方向を所望の状態に制御できるアンテナ装置が提案されている。当該アンテナ装置では、所定の長さを有して誘電性の基板上に配置された、導電性の励振素子と、半導電性のプラスチックから成る無給電素子と、この無給電素子に接続された制御電極とを備え、この制御電極に供給する直流バイアス電圧を制御して無給電素子を絶縁性又は/及び導電性に切り換えるものである。導電性に切り換えた2つの無給電素子を組合せて、導波器や反射器等を含んだ指向性アンテナ装置を構成すること、及び、この励振素子(給電器)を残して、導波器や反射器を絶縁性とすることで、無指向性アンテナ装置を構成することを特徴としている。
特開2002-261532号公報。 特開2007-013692号公報。
 しかしながら、あらゆる環境下において、無線通信が不安定な場合における要因として、大きく分けて2つの問題に分類される。
 一つ目は、電波の出力電力に対して、無線機器間の距離が長すぎるため、電界レベルが弱い場合である。この問題においては、基地局、及び端末それぞれの、またはどちらか一方のアンテナ素子に指向性を持たせ、互いの方向に向けることで、安定した電界レベルで受信できることが可能となる。
 二つ目の問題は、壁や天井からの反射波の干渉により、通信に必要な帯域内でフェージングが発生することである。この場合、電波の直接波と反射波とのレベル差がほとんどないような箇所において問題となることが多いため、前述同様に、アンテナ素子に指向性を持たせ、所望波以外の電波を受信しないことで、干渉を抑制が可能となる。だが、この方式においては、SISO(Single Input Single Output)で受信機側のアンテナ素子を切り替えるアンテナ選択ダイバーシティを採用している場合は問題にならないが、単なるアンテナ選択ダイバーシティではなく、受信機側でMRC(Maximum Ratio Combination:最大比合成)の処理を行っている場合には問題となる。例えば、IEEE802.11a/g規格に代表されるOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex)の無線通信システムの場合、2つのアンテナ素子に指向性を付与し、一方のアンテナ素子が直接波を受信し、もう一方のアンテナ素子が直接波に対して、ガードインターバルの想定時間よりも遅延時間が長い反射波を受信した場合、所望帯域での信号劣化は避けられない。
 ここに、IEEE802.11n規格に代表されるMIMO無線通信方式は、複数のアンテナで電波を受信し、その経路差から生成される伝搬チャネルにより、複数のストリーミングに分解することにより通信速度を大幅に向上させるという、各アンテナ素子からの伝搬における経路差を積極的に利用する方式である。通常、このMIMO無線通信方式を使用した無線機器の場合、一般的にダイポールアンテナやスリーブアンテナなどの無指向性アンテナを複数使用するが、アンテナ間の距離を1波長以上離さない限り、アンテナ間の相関が大きくなり、伝送品質を確保するための十分な伝搬チャネルの生成は行えない。また、このアンテナ相関を下げる為、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方法も挙げられるが、アンテナ素子を物理的に傾けないといけないという実装上の問題点があった。
 いずれにしても、現段階ではMIMO無線方式を使用した無線機器のアンテナ装置は一般的に小型化できないといった問題点があった。
 本発明の目的は以上の問題点を解決し、反射波が多いフェージングが発生しやすい環境下において、アンテナ素子間距離を大幅に短縮できることにより、アンテナ装置を小型化でき、かつMIMO無線方式の伝送品質を向上できる可変指向性アンテナ装置を提供することにある。
 本発明に係る可変指向性アンテナ装置は、
 第1の無給電素子と、
 上記第1の無給電素子と電磁的に結合するように近接して設けられた複数のアンテナ素子と、
 上記第1の無給電素子に接続され、当該第1の無給電素子を接地するか否かを切り換える第1のスイッチ手段と、
 上記第1のスイッチ手段をオン又はオフすることにより上記第1の無給電素子を無給電素子として動作させるか否かを切り換える制御信号を出力することにより、可変指向性アンテナ装置からの放射パターンを変化させる制御手段とを備えたことを特徴とする。
 上記可変指向性アンテナ装置において、2個のアンテナ素子を備えたことを特徴とする。
 また、上記可変指向性アンテナ装置において、上記各アンテナ素子と電磁的に結合するように近接して設けられた少なくとも1つの第2の無給電素子と、
 上記第2の無給電素子に接続され、当該各第2の無給電素子をそれぞれ接地するか否かを切り換える少なくとも1つの第2のスイッチ手段とをさらに備え、
 上記制御手段は、上記各スイッチ手段を選択的にオン又はオフすることにより上記各無給電素子を無給電素子として動作させるか否かを選択的に切り換える別の制御信号を出力することを特徴とする。
 さらに、上記可変指向性アンテナ装置において、2個のアンテナ素子と、1個の第2の無給電素子とを備えたことを特徴とする。
 またさらに、上記可変指向性アンテナ装置において、2個のアンテナ素子と、4個の第2の無給電素子とを備えたことを特徴とする。
 また、上記可変指向性アンテナ装置において、3個のアンテナ素子と、3個の第2の無給電素子とを備えたことを特徴とする。
 さらに、上記可変指向性アンテナ装置において、4個のアンテナ素子と、4個の第2の無給電素子とを備えたことを特徴とする。
 またさらに、上記可変指向性アンテナ装置において、上記各アンテナ素子は、上記第1の無給電素子から1/4波長の電気長だけ離れて設けられたことを特徴とする請求項1又は2記載の可変指向性アンテナ素子。
 また、上記可変指向性アンテナ装置において、上記各アンテナ素子は、上記第1の無給電素子から1/4波長の電気長だけ離れて設けられ、
 上記各第2の無給電素子はそれぞれ、上記各アンテナ素子から1/4波長の電気長だけ離れて設けられたことを特徴とする。
 さらに、上記可変指向性アンテナ装置において、上記各スイッチ手段は、上記各無給電素子と設置導体との間に接続されたPINダイオードであることを特徴とする。
 従って、本発明に係る可変指向性アンテナ装置によれば、各アンテナ素子と各無給電素子間の距離はアンテナ素子と無給電素子とが互いに電磁的に結合するように設定され、上記各スイッチ手段を選択的にオン又はオフすることにより上記各無給電素子を無給電素子として動作させるか否かを選択的に切り換える制御信号を出力することにより、可変指向性アンテナ装置からの放射パターンを変化させる制御手段とを備えたので、当該可変指向性アンテナ装置からの放射パターンを選択的に変化させ、その主ビームを所望の方向に向けることができる。これにより、反射波が多いフェージングが発生しやすい環境下において、アンテナ素子間距離を大幅に短縮できることにより、アンテナ装置を小型化でき、かつMIMO無線方式の伝送品質を向上できる可変指向性アンテナ装置を提供することができる。
本発明の第1の実施形態に係る可変指向性アンテナ装置21の構成を示す平面図である。 図1Aの可変指向性アンテナ装置21の側面図である。 図1の可変指向性アンテナ装置21の斜視図である。 図1の可変指向性アンテナ装置21を用いた無線通信装置20の構成を示すブロック図である。 図1の無給電素子12a~12dの制御回路30の構成を示す回路図である。 図1の可変指向性アンテナ装置21のシミュレーション結果であって、無給電素子12aをオフし、無給電素子12bをオフし、無給電素子12cをオフし、無給電素子12dをオフしたときのXY平面の放射パターン特性である。 図1の可変指向性アンテナ装置21のシミュレーション結果であって、無給電素子12aをオンし、無給電素子12bをオフし、無給電素子12cをオフし、無給電素子12dをオフしたときのXY平面の放射パターン特性である。 図1の可変指向性アンテナ装置21のシミュレーション結果であって、無給電素子12aをオフし、無給電素子12bをオンし、無給電素子12cをオフし、無給電素子12dをオフしたときのXY平面の放射パターン特性である。 図1の可変指向性アンテナ装置21のシミュレーション結果であって、無給電素子12aをオンし、無給電素子12bをオンし、無給電素子12cをオフし、無給電素子12dをオフしたときのXY平面の放射パターン特性である。 図1の可変指向性アンテナ装置21のシミュレーション結果であって、無給電素子12aをオフし、無給電素子12bをオフし、無給電素子12cをオンし、無給電素子12dをオフしたときのXY平面の放射パターン特性である。 図1の可変指向性アンテナ装置21のシミュレーション結果であって、無給電素子12aをオンし、無給電素子12bをオフし、無給電素子12cをオンし、無給電素子12dをオフしたときのXY平面の放射パターン特性である。 図1の可変指向性アンテナ装置21のシミュレーション結果であって、無給電素子12aをオフし、無給電素子12bをオンし、無給電素子12cをオンし、無給電素子12dをオフしたときのXY平面の放射パターン特性である。 図1の可変指向性アンテナ装置21のシミュレーション結果であって、無給電素子12aをオンし、無給電素子12bをオンし、無給電素子12cをオンし、無給電素子12dをオフしたときのXY平面の放射パターン特性である。 図1の可変指向性アンテナ装置21のシミュレーション結果であって、無給電素子12aをオフし、無給電素子12bをオフし、無給電素子12cをオフし、無給電素子12dをオンしたときのXY平面の放射パターン特性である。 図1の可変指向性アンテナ装置21のシミュレーション結果であって、無給電素子12aをオンし、無給電素子12bをオフし、無給電素子12cをオフし、無給電素子12dをオンしたときのXY平面の放射パターン特性である。 図1の可変指向性アンテナ装置21のシミュレーション結果であって、無給電素子12aをオフし、無給電素子12bをオンし、無給電素子12cをオフし、無給電素子12dをオンしたときのXY平面の放射パターン特性である。 図1の可変指向性アンテナ装置21のシミュレーション結果であって、無給電素子12aをオンし、無給電素子12bをオンし、無給電素子12cをオフし、無給電素子12dをオンしたときのXY平面の放射パターン特性である。 図1の可変指向性アンテナ装置21のシミュレーション結果であって、無給電素子12aをオフし、無給電素子12bをオフし、無給電素子12cをオンし、無給電素子12dをオンしたときのXY平面の放射パターン特性である。 図1の可変指向性アンテナ装置21のシミュレーション結果であって、無給電素子12aをオンし、無給電素子12bをオフし、無給電素子12cをオンし、無給電素子12dをオンしたときのXY平面の放射パターン特性である。 図1の可変指向性アンテナ装置21のシミュレーション結果であって、無給電素子12aをオフし、無給電素子12bをオンし、無給電素子12cをオンし、無給電素子12dをオンしたときのXY平面の放射パターン特性である。 図1の可変指向性アンテナ装置21のシミュレーション結果であって、無給電素子12aをオンし、無給電素子12bをオンし、無給電素子12cをオンし、無給電素子12dをオンしたときのXY平面の放射パターン特性である。 本発明の第2の実施形態に係る可変指向性アンテナ装置21Aの構成を示す平面図である。 本発明の第3の実施形態に係る可変指向性アンテナ装置21Bの構成を示す平面図である。 本発明の第4の実施形態に係る可変指向性アンテナ装置21Cの構成を示す平面図である。 図23Aの可変指向性アンテナ装置21Cの側面図である。 本発明の第5の実施形態に係る可変指向性アンテナ装置21Dの構成を示す平面図である。 図24Aの可変指向性アンテナ装置21Dの側面図である。
 以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。
第1の実施形態.
 図1(a)は本発明の第1の実施形態に係る可変指向性アンテナ装置21の構成を示す平面図であり、図1(b)は当該可変指向性アンテナ装置21の側面図である。また、図2は図1の可変指向性アンテナ装置21の斜視図である。
 本実施形態に係る可変指向性アンテナ装置は、裏面に接地導体13が形成されてなる誘電体基板10上において、無給電素子12aが設けられた中心を有する所定の半径dの円周上であって、正六角形の各頂点の位置においてそれぞれ、右回りで、アンテナ素子11aと、無給電素子12dと、アンテナ素子11cと、無給電素子12cと、アンテナ素子11bと、無給電素子12bとが設けられている。各素子11a~11c,12a~12dは頂頭部に所定の円周長を有する円形パッチアンテナを有し、誘電体基板10上に給電線路などを内蔵した支持部材14で支持されている。なお、各素子11a~11c,12a~11dは例えば1/4波長ホイップアンテナであってもよい。ここで、素子間隔dは、隣接するアンテナ素子と無給電素子とが電磁的に結合するように、動作周波数5.2GHzの電気長約1/4λに相当する14mmとしているが、2.4GHz帯での通信を行う場合は、約31mmの電気長で間隔をあければよい。以上のように構成された可変指向性アンテナ装置において、詳細後述するように、4つの無給電素子12a~12dのそれぞれの制御信号をオン/オフすることによって、当該可変指向性アンテナ装置21から計16(=2)通りの指向性パターンを生成することができる。
 図3は図1の可変指向性アンテナ装置21を用いた無線通信装置20の構成を示すブロック図であり、図4は図1の無給電素子12a~12dの制御回路30の構成を示す回路図である。図3において、本実施形態に係る無線通信装置は、図1及び図2の可変指向性アンテナ装置21と、3個の無線送受信回路22a,22b,22cと、MIMO変復調回路23と、ベースバンド信号処理回路24と、MAC(Media Access Control)回路26と、可変指向性アンテナ装置21及びこれらの回路を制御するコントローラ25とを備えて構成される。ここで、無線送受信回路22a,22b,22cはそれぞれデュプレクサと無線送信回路と無線受信回路とを備えて構成される。MIMO変復調回路23は3つのアンテナ素子11a~11c及び無線送受信回路22a~22cにより送受信される無線信号を、公知のMIMO変復調方式を用いて変復調処理を行う。ベースバンド信号処理回路24はMIMO変復調回路23及びMAC回路26に接続され、MAC回路26から入力されるデータ信号を所定のベースバンド信号処理を実行してMIMO変復調回路23に出力する一方、MIMO変復調回路23からの復調信号に対して所定のベースバンド信号処理を実行してMAC回路26に出力する。MAC回路26は所定のMACのための信号処理を行うことにより所定のデータ信号を生成してベースバンド信号処理回路24に出力する一方、ベースバンド信号処理回路24からのデータ信号を入力して所定のMAC処理を行う。
 可変指向性アンテナ装置21において、各アンテナ素子11a,11b,11cはそれぞれ無線送受信回路22a,22b,22cに接続され、各無給電素子12a,12b,12c,12dはそれぞれ図4の制御回路30を有し、コントローラ25から各無給電素子12a,12b,12c,12dに対する制御信号が各制御回路30に供給される。図4において、各無給電素子12a,12b,12c,12dは、インピーダンス整合用キャパシタ33を介して接続点36に接続され、当該接続点36は、動作周波数に対して十分に高いインピーダンスを有する高周波阻止用インダクタ32を介して制御信号入力端子31に接続されるとともに、PINダイオード34のアノードに接続され、当該PINダイオード34のカソードは、無給電素子の電気長をさせるためのインダクタ35を介して接地される。制御信号入力端子31に所定の正の直流電圧を有する制御信号を入力することにより、PINダイオード34はオンし、各無給電素子12a,12b,12c,12dはそれぞれアンテナ素子11a,11b,11cよりも電気長が長い無給電素子(反射器)として動作する一方、制御信号入力端子31に例えば接地電位のオフの制御信号を入力することにより、PINダイオード34はオフし、各無給電素子12a,12b,12c,12dはそれぞれ無給電素子として動作しない。すなわち、各PINダイオード34は、各無給電素子12a,12b,12c,12dをそれぞれ接地するか否かを切り換える複数のスイッチ手段として動作する。
 図5乃至図20は、図1の可変指向性アンテナ装置21のシミュレーション結果であって、無給電素子12a~12dをオン又はオフしたときのXY平面の放射パターン特性である。図5乃至図20から明らかなように、4つの無給電素子12a~12dのそれぞれの制御信号をオン/オフすることによって、当該可変指向性アンテナ装置21から計16(=2)通りの指向性パターンを生成することができる。従って、可変指向性アンテナ装置21から放射される無線信号の放射パターンを変化させることができ、主ビームの方向を所望の方向に向けることができる。特に、各無給電素子12b,12c,12dをオンにした場合、当該アンテナ装置21から放射される指向性は、互いに異なる方向に向けられるため、アンテナ素子間の干渉が少なくなり、相関値が低い。
 以上のように構成された可変指向性アンテナ装置21を備えた無線通信装置20では、以下の二つの問題が解決できる。
 一つ目は壁や天井からの反射波による、帯域内でフェージングが発生した場合においても、2つのアンテナ素子(11a,11b,11cのうちの2つ)のうち、一方のアンテナ素子が直接波を受信し、もう一方のアンテナ素子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無線通信を可能となる。
 二つ目は、それぞれの無線送受信回路22a~22cの無線受信回路に入力する信号強度をある程度調整できることである。当該無線受信回路のAGC(Auto Gain Control)による信号の引き込みは、一般的にパケットのプリアンブル部で行わないとならないため、MIMO通信方式のように、同時に信号の受信を行う無線通信装置において、それぞれの無線受信回路に対して、AGCを個別に行うことは難しい。信号の飽和を防ぐためには、一番大きい信号レベルに調整せざるを得ないため、受信レベルが大きく異なる環境下に対しては、弱い強度の信号の確保は厳しくなる。本実施形態は、この点においても、アンテナ装置の指向性パターンを切り替えることにより、お互いの信号強度をある程度調整、揃えることが可能となるため、受信レベルが大きく異なる環境下においても、その効果を発揮する。また、このAGCの課題については、MIMO通信方式だけではなく、前述のMRC(Maximum Ratio Combination:最大比合成)のように、同時に複数の無線信号を受信する無線通信装置においても、その効果は同様である。
 さらに、その他の効果としては、各アンテナ素子11a~11cへの給電経路は、アンテナ素子一つに対して1通りであるため、複数のアンテナ素子を用意し、アンテナ素子を切替える選択ダイバーシティ方式に比べて、同軸ケーブル及び高周波用コネクターで無線機器と接続する場合でも少なくすみ、安価に生産ができるという特有の効果を有する。
第2の実施形態.
 図21は、本発明の第2の実施形態に係る可変指向性アンテナ装置21Aの構成を示す平面図である。本実施形態に係る可変指向性アンテナ装置は、裏面に接地導体が形成されてなる誘電体基板10上において、無給電素子70が設けられた中心を有する正方形の各頂点の位置においてそれぞれ、4個の無給電素子71,72,73,74を設けるとともに、互いに隣接する1対の無給電素子の間の中点(正方形の辺の中間点)にそれぞれアンテナ素子61,62,63,64を設ける。ここで、各アンテナ素子と、それに隣接する無給電素子との間の距離は、隣接するアンテナ素子と無給電素子とが電磁的に結合するように、1/4波長の距離dに設定されている。なお、各無給電素子70~74は、図4の制御回路30を備える。
 以上のように構成された本実施形態によれば、4個のアンテナ素子61~64と、5個の無給電素子70~74を用いて可変指向性アンテナ装置21Aを構成することができ、アンテナ素子61~64に接続される回路数及び無給電素子70~74に入力される制御信号の数を除いて、第1の実施形態に係る図3の無線通信装置と同様に構成され、同様の作用効果を有する。
第3の実施形態.
 図22は、本発明の第3の実施形態に係る可変指向性アンテナ装置21Bの構成を示す平面図である。本実施形態に係る可変指向性アンテナ装置21Bは、図21の可変指向性アンテナ装置21Aに比較して、アンテナ素子63,64を除去したことを特徴としている。
 以上のように構成された本実施形態によれば、2個のアンテナ素子61,62と、5個の無給電素子70~74を用いて可変指向性アンテナ装置21Bを構成することができ、アンテナ素子61,62に接続される回路数及び無給電素子70~74に入力される制御信号の数を除いて、第1の実施形態に係る図3の無線通信装置と同様に構成され、同様の作用効果を有する。
第4の実施形態.
 図23Aは本発明の第4の実施形態に係る可変指向性アンテナ装置21Cの構成を示す平面図であり、図24Aは図23Aの可変指向性アンテナ装置21Cの側面図である。本実施形態に係る可変指向性アンテナ装置21Cは、Y軸上に設けられた2個のアンテナ素子11b及び11dならびに1個の無給電素子12aを備える。ここで、アンテナ素子11b及び11dと無給電素子12aとの間の距離はそれぞれ1/4波長の距離dに設定されている。また、無給電素子12aは、図4の制御回路30を備える。
 以上のように構成された本実施形態によれば、2個のアンテナ素子11b及び11dと、1個の無給電素子12aを用いて可変指向性アンテナ装置21Cを構成することができ、アンテナ素子11b及び11dに接続される回路数及び無給電素子12aに入力される制御信号の数を除いて、第1の実施形態に係る図3の無線通信装置と同様に構成され、同様の作用効果を有する。
第5の実施形態.
 図24Aは本発明の第5の実施形態に係る可変指向性アンテナ装置21Dの構成を示す平面図であり、図24Bは、図24Aの可変指向性アンテナ装置21Dの側面図である。本実施形態に係る可変指向性アンテナ装置21Dは、図1Aの可変指向性アンテナ装置21に比較して、アンテナ素子11bならびに無給電素子12b及び12cを除去したことを特徴としている。
 以上のように構成された本実施形態によれば、2個のアンテナ素子11a及び11cと、2個の無給電素子12a及び12dを用いて可変指向性アンテナ装置21Dを構成することができ、アンテナ素子11a及び11cに接続される回路数及び無給電素子12a及び12dに入力される制御信号の数を除いて、第1の実施形態に係る図3の無線通信装置と同様に構成され、同様の作用効果を有する。
 以上詳述したように、各アンテナ素子と各無給電素子間の距離はアンテナ素子と無給電素子とが互いに電磁的に結合するように設定され、上記各スイッチ手段を選択的にオン又はオフすることにより上記各無給電素子を無給電素子として動作させるか否かを選択的に切り換える制御信号を出力することにより、可変指向性アンテナ装置からの放射パターンを変化させる制御手段とを備えたので、当該可変指向性アンテナ装置からの放射パターンを選択的に変化させ、その主ビームを所望の方向に向けることができる。これにより、反射波が多いフェージングが発生しやすい環境下において、アンテナ素子間距離を大幅に短縮できることにより、アンテナ装置を小型化でき、かつMIMO無線方式の伝送品質を向上できる可変指向性アンテナ装置を提供することができる。本発明は、特に、MIMO無線通信方式を使用したアンテナ装置を用いた無線通信装置などの家電製品。及び、その他の産業機器全てに使用可能である。
10…誘電体基板、
11a,11b,11c,11d…アンテナ素子、
12a,12b,12c,12d…無給電素子、
13…接地導体、
14…支持部材、
20…無線通信装置、
21,21A,21B,21C,21D…可変指向性アンテナ装置、
22a,22b,22c…無線送受信回路、
23…MIMO変復調回路、
24…ベースバンド信号処理回路、
25…コントローラ、
26…MAC回路、
30…制御回路、
31…制御信号入力端子、
32…高周波阻止用インダクタ、
33…インピーダンス整合用キャパシタ、
34…PINダイオード、
35…インダクタ、
36…接続点、
61,62,63,64…アンテナ素子、
70,71,72,73,74…無給電素子。

Claims (10)

  1.  第1の無給電素子と、
     上記第1の無給電素子と電磁的に結合するように近接して設けられた複数のアンテナ素子と、
     上記第1の無給電素子に接続され、当該第1の無給電素子を接地するか否かを切り換える第1のスイッチ手段と、
     上記第1のスイッチ手段をオン又はオフすることにより上記第1の無給電素子を無給電素子として動作させるか否かを切り換える制御信号を出力することにより、可変指向性アンテナ装置からの放射パターンを変化させる制御手段とを備えたことを特徴とする可変指向性アンテナ装置。
  2.  2個のアンテナ素子を備えたことを特徴とする請求項1記載の可変指向性アンテナ装置。
  3.  上記各アンテナ素子と電磁的に結合するように近接して設けられた少なくとも1つの第2の無給電素子と、
     上記第2の無給電素子に接続され、当該各第2の無給電素子をそれぞれ接地するか否かを切り換える少なくとも1つの第2のスイッチ手段とをさらに備え、
     上記制御手段は、上記各スイッチ手段を選択的にオン又はオフすることにより上記各無給電素子を無給電素子として動作させるか否かを選択的に切り換える別の制御信号を出力することを特徴とする請求項1記載の可変指向性アンテナ装置。
  4.  2個のアンテナ素子と、1個の第2の無給電素子とを備えたことを特徴とする請求項3記載の可変指向性アンテナ装置。
  5.  2個のアンテナ素子と、4個の第2の無給電素子とを備えたことを特徴とする請求項3記載の可変指向性アンテナ装置。
  6.  3個のアンテナ素子と、3個の第2の無給電素子とを備えたことを特徴とする請求項3記載の可変指向性アンテナ装置。
  7.  4個のアンテナ素子と、4個の第2の無給電素子とを備えたことを特徴とする請求項3記載の可変指向性アンテナ装置。
  8.  上記各アンテナ素子は、上記第1の無給電素子から1/4波長の電気長だけ離れて設けられたことを特徴とする請求項1又は2記載の可変指向性アンテナ素子。
  9.  上記各アンテナ素子は、上記第1の無給電素子から1/4波長の電気長だけ離れて設けられ、
     上記各第2の無給電素子はそれぞれ、上記各アンテナ素子から1/4波長の電気長だけ離れて設けられたことを特徴とする請求項3から7までのうちのいずれか1つの請求項記載の可変指向性アンテナ装置。
  10.  上記各スイッチ手段は、上記各無給電素子と設置導体との間に接続されたPINダイオードであることを特徴とする請求項1から9までのうちのいずれか1つの請求項記載の可変指向性アンテナ装置。
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