WO2017168632A1 - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

　第１のスイッチ１３０が短絡された状態では、第１の入出力点１０４と第２の入出力点１１４に送信機または受信機を接続する事で第１の逆Ｆアンテナ１００と第２の逆Ｆアンテナ１１０として動作し、第１のスイッチ１３０が解放された状態では、第３の入出力点１４１から見ると第１の逆Ｆアンテナ１００の素子と第２の逆Ｆアンテナ１１０の素子がダイポールアンテナ１５０の各素子として利用でき、第４の入出力点から見ると第１の短絡線１０２と第２の短絡線１１２をモノポールアンテナ素子として利用できるアンテナ装置。

Description

アンテナ装置

　この発明は、無線通信装置に用いられるアンテナ装置に関するものである。

　マルチパスフェージングなどによる通信品質低下への対策、通信の高速化、大容量化のため、無線通信装置にダイバーシチ機能を持たせることが有効である。ダイバーシチの効果を向上させるためには、複数のアンテナ間の相関を低くする必要が有る。アンテナ相関はアンテナの放射パターンから計算され、両アンテナの放射パターンが似ていれば高く、異なっていれば低い値となる。アンテナ相関を低くするためには設置されているアンテナの間隔を大きくすることが一般的である。

　しかし、近年の無線通信装置は小型化が強く望まれており、複数のアンテナを必要とするダイバーシチと要求が相反する。また、アンテナを複数搭載できたとしても無線通信装置の小型化のためアンテナ間距離を十分に確保することができず、相関が上昇しダイバーシチの効果が十分得られない事が考えられる。

　更に小型通信装置に搭載される小形アンテナは、搭載される小型通信装置の金属構造物だけでなく装置の周囲に存在するあらゆる物体、例えば壁面、テーブル、人体などの影響を受け特性が変化することが広く知られている。そのため、設計時には、アンテナ間の相関が低くダイバーシチ機能が有効に働くアンテナ装置であっても、実利用環境においては周囲の環境の影響によってアンテナ相関を含むアンテナの特性が変化し、ダイバーシチ機能が有効に働かなくなる可能性がある。

　これらの問題に対し、ダイバーシチアンテナを省スペースに実装する方法が検討されている。例えば、特許文献１では、スイッチによってアンテナの給電点の位置を変更することで１つのアンテナ素子を２つのアンテナとして動作できるようにし、ダイバーシチの効果を得られるようにしたアンテナ装置が開示されている。
　また、特許文献２では、１つの構造に給電点を複数設けることで２つのアンテナとして動作できるようにし、ダイバーシチの効果を得られるようにしたアンテナ装置が開示されている。

特開平５－３０８２１６公報 特開２００５－３４７９５８公報

　従来のアンテナ装置は、以上のように構成されているので、２つのアンテナを省スペースに実装できダイバーシチアンテナとして利用できることが期待されているが、下記のような課題があった。
　特許文献１の場合、半ループ形状の１／４波長モノポールのアンテナ素子の両端に何れかの端から給電するための連結スイッチを有している。そのため連結スイッチを切り替えることで給電点が変更されるが、いずれの端部から給電した場合でもアンテナは逆Ｌアンテナとして動作するものであり、放射パターンに大きな差は無い。そのため、スイッチの切り替え前後でのアンテナ相関は高く、ダイバーシチアンテナとしての効果は低いと考えられる。
　また、特許文献２は、１つの構造に複数の給電点を設ける事でそれぞれ折り返しダイポールアンテナと逆Ｆアンテナとして動作させる方法が開示されている。この方法によると、折り返しダイポールアンテナと逆Ｆアンテナは放射パターンが全く異なっているためアンテナ間の相関は低くなると考えられ、ダイバーシチアンテナとしての効果は高くなる。しかしこの技術では、周囲環境によってアンテナ性能が変化しダイバーシチの効果が低下する課題は解決できていない。
　特許文献２では１つの通信装置に前述のダイバーシチアンテナを２つ以上搭載する方法も開示されており、この場合２つのダイバーシチアンテナを搭載すれば４アンテナによるダイバーシチ機能を有することになるが、アンテナ素子を複数搭載する必要があるため実装に必要なスペースが大きくなると言う課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、一つのアンテナ素子を相関が低い４つのアンテナで共用することで、小さな実装スペースしか必要とせず、かつ高いダイバーシチの効果が得られるアンテナ装置を得ることを目的とする。

　この発明に係るアンテナ装置は、地板と、第１のアンテナ素子と、第１のスイッチと、第１の端が前記第１のアンテナ素子と接続し、第２の端が前記第１のスイッチを介して前記地板と接続する第１の短絡線と、第１の端が前記第１のアンテナ素子と接続し、第２の端が第１の入出力部と接続する第１の給電線と、第２のアンテナ素子と、第１の端が前記第２のアンテナ素子と接続し、第２の端が前記第１の短絡線の第２の端と導体を介して接続する第２の短絡線と、第１の端が前記第２のアンテナ素子と接続し、第２の端が第２の入出力部と接続する第２の給電線と、前記導体に接続する第３の入出力部と、前記第１の短絡線の第１の端と前記第２の短絡線の第１の端と接続する第４の入出力部と、を有し、前記第１のアンテナ素子、前記第１の給電線、前記第１の短絡線、前記第１のスイッチ、前記第１の入出力部で第１の逆Ｆアンテナを構成し、前記第２のアンテナ素子、前記第２の給電線、前記第２の短絡線、前記導体、前記第２の入出力部で第２の逆Ｆアンテナを構成し、前記第１のアンテナ素子、前記第１の短絡線、前記第２のアンテナ素子、前記第２の短絡線、前記導体、前記第３の入出力部でモノポールアンテナを構成し、前記第１のアンテナ素子、前記第１の短絡線、前記第２のアンテナ素子、前記第２の短絡線、前記導体、前記第４の入出力部でダイポールアンテナを構成し、前記第１のスイッチを短絡した場合、前記第１の逆Ｆアンテナと前記第２の逆Ｆアンテナからなるダイバーシチアンテナを形成し、前記第１のスイッチを開放した場合、前記モノポールアンテナと前記ダイポールアンテナからなるダイバーシチアンテナを形成することを特徴とする。

　この発明によれば、まずスイッチが短絡された状態では、第１の高周波入出力ポートと第２の高周波入出力ポートに送信機または受信機を接続する事で第１の逆Ｆアンテナと第２の逆Ｆアンテナはそれぞれの逆Ｆアンテナとして動作する。このとき、両アンテナの相関が低くなるようにアンテナが設計されている。
　またスイッチが解放された状態では、第３の高周波入出力ポートから見ると第１の逆Ｆアンテナの素子と第２の逆Ｆアンテナの素子がダイポールアンテナの各素子として利用でき、第４の高周波入出力ポートから見ると第１の逆Ｆアンテナの短絡線と第２の逆Ｆアンテナの短絡線をモノポールアンテナ素子として利用できる。
　すなわち、スイッチを切り替えることで１つの構造を４つのアンテナとして利用でき、ダイバーシチの効果が高くなる。

実施の形態１に係るアンテナ装置の一例を示す構成図である。 実施の形態２に係るアンテナ装置の一例を示す構成図である。 実施の形態３に係るアンテナ装置の一例を示す構成図である。 実施の形態４に係るアンテナ装置の一例を示す構成図である。 実施の形態４に係るアンテナ装置の動作を説明する説明図である。 実施の形態４に係るアンテナ装置の動作を説明する説明図である。 実施の形態５に係るアンテナ装置の一例を示す構成図である。

実施の形態１．
　本発明を適用したアンテナ装置を例にとり発明の効果を説明する。

　図１は、この発明のアンテナ装置を示す構成図である。図１において、実施の形態１に係るアンテナ装置には、第１の逆Ｆアンテナ１００、第２の逆Ｆアンテナ１１０、モノポールアンテナ１４０とダイポールアンテナ１５０が設けられている。
　第１の逆Ｆアンテナ１００は、第１のアンテナ素子１０１と第１の短絡線１０２と第１の給電線１０３と第１の高周波入出力ポート（第１の入出力点）１０４から構成され、地板１６０と第１の短絡線１０２の間に短絡スイッチ１３０（第１のスイッチ）を有する。
　第２の逆Ｆアンテナ１１０は、第２のアンテナ素子１１１と第２の短絡線１１２と第２の給電線１１３と第２の高周波入出力ポート（第２の入出力点）１１４から構成され、第２の短絡線１１２は導体１２１と導体１２２を介して短絡スイッチ１３０と第１の短絡線１０２との接点に接続する。
　モノポールアンテナ１４０は、第１のアンテナ素子１０１と第１の短絡線１０２と導体１２０と第２の短絡線１１２と第２のアンテナ素子１１１から構成され、導体１２０と地板１６０の間に第３の高周波入出力ポート（第３の入出力点）１４１を有する。
　ダイポールアンテナ１５０は、第１のアンテナ素子１０１と第１の短絡線１０２と導体１２０と第２の短絡線１１２と第２のアンテナ素子１１１から構成され、第１のアンテナ素子１０１と第１の短絡線１０２の接続点と第２のアンテナ素子１１１と第２の短絡線１１２の接続点との間に第４の高周波入出力ポート（第４の入出力点）１５１を有する。

　本アンテナ装置の動作を説明する。まず、短絡スイッチ１３０が短絡されている場合について説明する。なお、本実施の形態では、短絡スイッチとして高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）や高周波ダイオード（ＰＩＮダイオード）などの半導体素子を用いた高周波スイッチを用いた場合を念頭に説明する。この場合、第１のアンテナ素子１０１は、第１の短絡線１０２と短絡スイッチ１３０によって地板１６０に接続されるため、第１の高周波入出力ポート１０４に送受信機を接続する事で第１の逆Ｆアンテナ１００として動作する。
　同時に、第２のアンテナ素子１１１は、第２の短絡線１１２と導体１２０、短絡スイッチ１３０によって地板１６０に接続されるため、第２の給電線１１３を介して第２の高周波入出力ポート１１４に送受信機を接続する事で、第２の逆Ｆアンテナ１１０として動作する。
　典型的には、第１のアンテナ素子１０１の長さと第１の短絡線の長さを合わせた長さおよび、第２のアンテナ素子１１１の長さと第２の短絡線の長さを合計した長さは、いずれも波長の１／４の長さを持つアンテナ素子であるが、長さがそれ以外であっても本発明は実施可能であり、アンテナ性能を向上させるため長さを波長の１／４位が意図する事はアンテナ技術では一般的である。

　ここで、第１の逆Ｆアンテナと第２の逆Ｆアンテナの結合が小さい場合には、各アンテナは独立して動作可能であり、すなわちアンテナ相関が低くなる。従って、第１の逆Ｆアンテナと第２の逆Ｆアンテナの結合が小さくなるようにアンテナ装置を設計すれば、短絡スイッチ１３０を短絡した状態において第１の逆Ｆアンテナ１００と第２の逆Ｆアンテナ１１０の２アンテナからなるダイバーシチアンテナが得られる。
　例えば、第１の高周波入出力ポート１０４と第２の高周波入出力ポート１１４に接続した高周波入出力ポートに接続した受信機の受信レベルを比較し、受信レベルが高いほうのアンテナを送受信アンテナとして利用する選択ダイバーシチなどに利用できる。

　送信アンテナの例を用いて、結合について説明を行う。
　第１の高周波入出力ポート１０４に波源を接続した場合、第１の逆Ｆアンテナ１００が動作し、空間に電磁波が放射される。放射された電磁波は遠方へ伝播していくが、一部は近接して存在する第２の逆Ｆアンテナ１１０に受信され、第２の高周波入出力ポート１１４に吸収される。これがアンテナ間の結合であり、アンテナ間の相関が劣化する要因と成る。

　ここで、第１の短絡スイッチ１３０によって導体１２０は地板１６０と接続されるため、理想的には地板の一部と見なせる。第１の逆Ｆアンテナ１００と第２の逆Ｆアンテナ１１０の間には、第１の短絡線１０２、第２の短絡線１１２、導体１２０で構成された凹型の構造が存在する。この構造はチョーク構造として動作し、第１の逆Ｆアンテナ１００と第２の逆Ｆアンテナ１１０間の結合を低減する効果が得られる。
　チョーク構造は通常深さが波長の１／４の長さを持つ物が基本の形状として知られているが、第１の短絡線１０２と第２の短絡線１１２の長さが波長の１／４で無い場合でも同様の効果は得られる。第１の短絡線１０２と第２の短絡線１１２の長さが波長の１／４に近づくほど結合低減効果は大きくなり、すなわち第１の逆Ｆアンテナ１００と第２の逆Ｆアンテナ１１０の相関は改善、つまりダイバーシチの効果が高くなる。

　次に、短絡スイッチ１３０が開放されている場合について説明する。この場合、第１の逆Ｆアンテナ１００と第２の逆Ｆアンテナ１１０は地板１６０と接続されていないため、逆Ｆアンテナとして動作する事はできない。

　第３の高周波入出力ポート１４１に波源を接続した場合について述べる。
　第３の高周波入出力ポート１４１は、導体１２０と地板１６０間に設けられた高周波入出力ポートであり、第３の高周波入出力ポート１４１に送受信機を接続する事で、第１のアンテナ素子１０１、第１の短絡線１０２、導体１２０、第２の短絡線１１２、第２のアンテナ素子１１１によってモノポールアンテナ１４０が得られる。
　これらの導体（導体１２０、第１のアンテナ素子１０１、第１の短絡線１０２、第２のアンテナ素子１１１、第２の短絡線１１２）は、全て第３の高周波入出力ポート１４１の同極に接続されているため、導体上の高周波電流分布は全て同相となる。
　すなわち、第３の高周波入出力ポート１４１に波源を接続した場合、第１のアンテナ素子１０１に流れる高周波電流から放射される電磁界と第２のアンテナ素子１１１に流れる高周波電流から放射される電磁波は逆位相となり弱めあう。
　更に、導体１２０を第３の高周波入出力ポート１４１との接続点によって第１の導体部１２１と第２の導体部１２２に分割すると、第１の導体部１２１と第２の導体部１２２それぞれ流れる高周波電流から放射される電磁波も逆位相となり弱めあう。
　従って、逆位相となる電磁波が完全に打ち消しあう場合を考えると、遠方への放射に寄与するのは第１の短絡線１０２と第２の短絡線１１２に分布する高周波電流だけであり、第３の高周波入出力ポートから見た場合には、第１の短絡線１０２と第２の短絡線１１２を導体としたモノポールアンテナが構成されている事に等しい。
　この場合、モノポールアンテナ１４０から放射される電磁波は、第１の短絡線１０２と第２の短絡線１１２に分布する高周波電流から放射される垂直偏波が主偏波となる。

　次に第４の高周波入出力ポート１５１に波源を接続した場合について述べる。
　第４の高周波入出力ポート１５１に波源を接続した場合、第１のアンテナ素子１０１、第１の短絡線１０２、導体１２０、第２の短絡線１１２、第２のアンテナ素子１１１をアンテナ素子とするダイポールアンテナ１５０が得られる。
　ダイポールアンテナ１５０において、短絡線１０２、導体１２０、短絡線１１２はダイポールアンテナの高周波入出力ポート両極を短絡するショートスタブとして動作しており、インピーダンス整合に資する。また第１の短絡線１０２と第２の短絡線１１２に分布する高周波電流から放射された電波は逆位相となるため弱めあい、第４の高周波入出力ポート１５１に接続された波源からの放射は第１のアンテナ素子１０１、導体１２０、第２のアンテナ素子１１１に分布する高周波電流から放射される水平偏波が主偏波となる。

　このように、図１のような位置関係にあるダイポールアンテナとモノポールアンテナは偏波が直交している。そのため、モノポールアンテナ１４０とダイポールアンテナ１５０は相関が小さく、ダイバーシチアンテナとして有効に動作する。これはダイバーシチの効果が高い、つまり、２つのアンテナがそれぞれ異なった送受信特性をもつため、アンテナが１つしかない場合と比較して通信のロバスト性が向上する事を示す。

　以上で説明した通り、本アンテナ装置は、短絡スイッチ１３０の短絡および開放の２状態それぞれにおいて相関が低い２つのアンテナを得るものである。

　次に、本アンテナ装置を、ダイバーシチ機能を有する通信端末に適用した場合の動作について説明する。なお、本実施の形態では、受信アンテナ装置を例にとり説明する。
　ダイバーシチの方式が、複数のアンテナから最も受信電力が大きい、または信号対雑音比（Ｓｉｇｎａｌ　ｔｏ　Ｎｏｉｓｅ　ｒａｔｉｏ）が最も大きいアンテナを選択して利用する切り替え方式の場合、同時に利用されるアンテナは１つだけとなる。従って、以下のような動作が考えられる。
　まずは、短絡スイッチ１３０を短絡し、第１の逆Ｆアンテナ１００と第２の逆Ｆアンテナ１１０の受信波を比較する。次に短絡スイッチ１３０を開放し、モノポールアンテナ１４０とダイポールアンテナ１５０の受信波を比較する。なお、本実施の形態では、短絡スィッチ１３０の短絡、開放の操作を行っているのは、図示していない制御装置が行うものとする。
　短絡スイッチ１３０の各状態のうち、受信レベルが高いアンテナ同士を比較することで、４つのアンテナから最良の受信波を受信できるアンテナを選択する事ができる。従って、アンテナ装置の周囲環境の変化によってアンテナ性能が変化する性能劣化を軽減する事ができる。

　ダイバーシチの方式が、複数のアンテナで受信した信号を合成して受信する方式の場合、２つのアンテナが同時に利用される。従って、以下のような動作が考えられる。まず、短絡スイッチ１３０を短絡し、第１の逆Ｆアンテナ１００と第２の逆Ｆアンテナ１１０の受信波を合成した信号を受信する。
　次に短絡スイッチ１３０を開放し、モノポールアンテナ１４０とダイポールアンテナ１５０の受信波を合成した信号を受信する。短絡スイッチ１３０の各状態の合成された受信信号同士を比較することで、２つのダイバーシチアンテナ装置のうち特性に優れた方を選択する事ができる。なお、短絡スイッチ１３０を先に短絡しても開放してもどちらでも良い。
　従って、アンテナ装置の周囲環境の変化によってアンテナ性能が変化しダイバーシチ性能が劣化する場合であっても、短絡スイッチ１３０を切り替えることでもう一組のダイバーシチアンテナが得られるので、優れたほうを採用する事でダイバーシチ効果の劣化を軽減する事ができる。

　また、以上の説明では、本アンテナ装置がダイバーシチ機能の実現に有効である事を述べてきたが、アンテナ間の相関が低い事から、本アンテナ装置はＭＩＭＯ（ｍｕｌｔｉｐｌｅ－ｉｎｐｕｔ　ａｎｄ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ－ｏｕｔｐｕｔ）用のアンテナとしても利用できる事は明らかである。この場合、短絡スイッチ１３０の短絡状態と開放状態のそれぞれにおいてＭＩＭＯ用アンテナ装置として利用できるため、短絡スイッチ１３０の切り替えによってＭＩＭＯの性能が高いほうの状態を選択することにより、アンテナ装置の周囲環境の変化によってアンテナ性能が変化することによるＭＩＭＯの性能劣化を軽減する事ができる。

　本実施の形態では、各高周波入出力ポートに接続される給電回路の構造に関しては特定して説明していないが、本発明の効果は特定の給電構造に限定されるものではない。
　また、給電回路は、同軸ケーブルのような不平衡線路を介して接続しても良いし、ダイポールアンテナ１５０のような平衡系のアンテナの場合には、平行不平衡変換回路を介して給電することが広く行われるため、このように接続してもよい。
　また、各高周波入出力ポート部にギャップを設け、各ギャップに近接して設けた伝送線路からの結合によって給電する結合給電方式も考えられる。給電方法に係わらず本発明を適用したアンテナ装置が実現できる。

実施の形態２．
　実施の形態１では、地板１６０と第１の短絡線１０２の間に短絡スイッチ１３０を設けたことにより、第１の逆Ｆアンテナと第２の逆Ｆアンテナが動作するモードとモノポールアンテナとダイポールアンテナが動作するモードを切り替えられるようにすることで、ダイバーシチの効果を高めた場合について説明した。
　本実施の形態では、短絡スイッチを更に設けた場合について説明する。
　図２は、本実施の形態に係るアンテナ装置の一例を示す構成図であり、図２において、図１と同一符号は同一または相当部分を示している。
　本実施の形態に係るアンテナ装置は、実施の形態１と基本的な構成は同じであるが、第１のアンテナ素子１０１と第１の給電線１０３との間に第３のスイッチ２０１を設け、第２のアンテナ素子１１１と第２の給電線１１３との間に第４のスイッチ２０２を設け、第１のアンテナ素子１０１と第４の高周波入出力ポート１５１の間に第５のスイッチ２０３を設け、第２の短絡線１１２と導体１２０の接続点と地板１６０の間に第２の短絡スイッチ１３１（第２のスイッチ）を設けた点が異なる。

　本アンテナ装置の動作を説明する。
　第１の短絡スイッチ１３０が短絡されている場合、第１の逆Ｆアンテナ１００と第２の逆Ｆアンテナ１１０に高周波入出力ポートを接続するため、第３のスイッチ２０１と第４のスイッチ２０２を短絡する。同時に、第５のスイッチ２０３は開放する。第２の短絡スイッチ１３１は短絡する。
　こうすることで、第３の高周波入出力ポート１４１と第４の高周波入出力ポート１５１を第１の逆Ｆアンテナ１００と第２の逆Ｆアンテナ１１０から切り離すまたは短絡する事ができるので、第１の逆Ｆアンテナ１００と第２の逆Ｆアンテナ１１０の性能が向上する。
　例えば、本アンテナ装置を送信アンテナとして動作させる場合、第１の高周波入出力ポート１０４および第２の高周波入出力ポート１１４から給電した電力が、第３の高周波入出力ポート１４１と第４の高周波入出力ポート１５１に吸収される事を防ぐことができるので、給電した電力のうち遠方への放射に寄与する電力の割合を増やす事が可能となる。

　第１の短絡スイッチ１３０が開放されている場合、第２の短絡スイッチ１３１、第３のスイッチ２０１、第４のスイッチ２０２は開放し、第５のスイッチ２０３は短絡する。
　こうすることで、第１の高周波入出力ポート１０４と第２の高周波入出力ポート１１４をモノポールアンテナ１４０およびダイポールアンテナ１５０から切り離す事ができるので、モノポールアンテナ１４０およびダイポールアンテナ１５０の性能が向上する。
　例えば、本アンテナ装置を送信アンテナとして動作させる場合、第３の高周波入出力ポート１４１および第４の高周波入出力ポート１５１から給電した電力が、第１の高周波入出力ポート１０４と第２の高周波入出力ポート１１４に吸収される事を防ぐことができるので、給電した電力のうち遠方への放射に寄与する電力の割合を増やす事が可能となる。

　以上のように、本実施の形態では、短絡スイッチ１３０の他に、短絡スイッチ１３１、スイッチ２０１、スイッチ２０２、スイッチ２０３を設けることにより、給電した電力のうち遠方への放射に寄与する電力の割合を増やすと言う効果を得ることが可能となった。
　なお、本実施の形態では、２つの短絡スイッチと３つのスイッチを用いた構成を例に用いて説明したが、これらのスイッチを全て利用することは必須ではなく、一部のスイッチのみを配置した場合でも効果が得られる事は明らかである。またスイッチは先に述べた半導体で構成される電気的なスイッチであっても良いし、リレーや微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）のような機械的なスイッチでもよい。

　また本実施の形態においては、図２にアンテナ装置の構成例を示したが、スイッチの位置はこれに限定される物ではない。すなわち、第３のスイッチ２０１は必ずしも第１の短絡線１０３の第１のアンテナ素子側の端部に配置する必要は無く、第１の短絡線１０３の第１の高周波入出力ポート１０４側の端部に配置しても良いし、短絡線１０３の途中に挿入しても良い。いずれも類似の効果が得られる。また第４のスイッチ２０２、第５のスイッチ２０３、第１の短絡スイッチ１３０、第２の短絡スイッチ１３１に関しても同様である。

実施の形態３．
　実施の形態２では、短絡スイッチ１３０、短絡スイッチ１３１、スイッチ２０１、湿地２０２、スイッチ２０３を用いることにより、給電した電力のうち遠方への放射に寄与する電力の割合を増やす場合について説明した。
　本実施の形態３では、これらのスイッチを集中定数素子（定数素子）に置き換えた場合について説明する。
　図３は、本実施の形態に係るアンテナ装置の一例を示す構成図であり、図３において、図２と同一符号は同一または相当部分を示している。
　本実施の形態に係るアンテナ装置は、実施の形態２と基本的な構成は同じであるが、第３のスイッチ２０１を第１の集中定数素子３０１で置き換え、第４のスイッチ２０２を第２の集中定数素子３０２で置き換え、第５のスイッチ２０３を第３の集中定数素子３０３で置き換え、第１の短絡スイッチ１３０を第４の集中定数素子３３０で置き換え、第２の短絡スイッチ２０２を第５の集中定数素子３３１で置き換えた点が異なる。

　本アンテナ装置の動作を説明する。
　第１の集中定数素子３０１は、第１のアンテナ素子１０１と第１の給電線１０３を接続するように設けられている。第２の集中定数素子３０２は第２のアンテナ素子１０２と第２の給電線１１３を接続するように設けられている。第３の集中定数素子３０３は第４の高周波入出力ポート１５１を第１の短絡線１０２に接続するように設けられている。第４の集中定数素子３３０は第１の短絡線１０２を地板１６０に短絡するように設けられている。第５の集中定数素子３３１は第２の短絡線１１２を地板１６０に短絡するように設けられている。

　各集中定数素子はジャンパ抵抗等、短絡できるものであれば何であってよい。先に述べたとおり、図３に示したように、本実施の形態に係るアンテナ装置は、図２に示した実施の形態２に係るアンテナ装置におけるスイッチを集中定数素子で置き換えたものである。
　従って実施の形態２におけるスイッチの接続を本実施の形態における集中定数素子の接続に、実施の形態２におけるスイッチの開放を本実施の形態における集中定数素子の除去に置き換えることで、実施の形態２と同様の効果を得ることが出来る。

　なお、本実施の形態を適用することでスイッチの開放または短絡を動的に切り替えることはできなくなる。しかし、例えばさまざまな機器に内蔵される通信装置においては、内蔵される機器によってアンテナ性能、すなわち受信アンテナ装置であれば受信機に入力される信号レベルが最大となり、送信アンテナ装置であれば空間に放射される電力が最大となるダイバーシチアンテナが得られるスイッチの状態は異なるものの、時間によってアンテナ性能、特にここではアンテナ間の結合は変化しない。
　また、機械的、電気的なスイッチは、いずれもジャンパ抵抗よりも高コストである。そのため、内蔵先ごとに最適なスイッチの状態を設計段階の事前評価によってあらかじめ特定しておき、スイッチの開放を集中定数素子の除去、スイッチの接続を集中定数素子の接続にそれぞれ置き換えて本アンテナを通信機器に内蔵することで、実施の形態２と同様の効果を得つつ通信装置の低コスト化を図ることが出来る。
　また、実施の形態２において必要となるスイッチの制御線やバイアス線が必要なくなるため、アンテナ装置の構造が簡易化できるという効果を有する。

　更に、機械的、電気的なスイッチも短絡時には完全な短絡とはならず、寄生抵抗を持つ事が知られており、アンテナとして動作させる場合には損失要因として振舞う。アンテナに供給される電力をＰとすると、アンテナを構成する導体のもつ抵抗成分Ｒｄ、電磁波の放射として消費される電力を表す等価的な抵抗Ｒｒ、スイッチの寄生抵抗Ｒｐ、アンテナの入力インピーダンスのリアクタンス成分Ｘ、高周波電流Ｉの関係は以下の式で表される。
　　　　　　　Ｐ＝（Ｒｄ＋Ｒｒ＋Ｒｐ＋ｊＸ）ＩＩ＊
　ここで、ｊは虚数単位、Ｉ＊は複素数Ｉの共役複素数である。この式から明らかな通り、アンテナに供給される電力Ｐが一定である場合、Ｒｐが大きいほど放射電力ＲｒＩＩ＊は小さくなる。

　本実施の形態では、スイッチのかわりに集中定数素子を用いており、そのジャンパ抵抗は例えば０．０５Ω等の極めて小さな寄生抵抗しか持たない。このため、その分電波の放射として利用される電力が大きくなり、放射される電波の強度が強くなるという効果を有する。

　また別の構成として、集中定数素子をキャパシタによって構成する方法も考えられる。キャパシタンスをＣ、高周波信号の周波数をｆとすると、キャパシタのリアクタンスＸＣは以下の式で計算される。
　　　　　　　ＸＣ＝１／（２πｆＣ）

　例えば、高周波信号の周波数が１ＧＨｚの場合、２２０ｐＦの容量を持つキャパシタのリアクタンス値は０．７２Ωであり電気的にはほぼ短絡と見なす事ができるので、集中定数素子としてジャンパ抵抗を利用した場合と同様の効果を得ることが出来る。

実施の形態４．
　実施の形態１から３では平面状の地板１６０上にアンテナ装置が設けられた場合について伸べてきた。本実施の形態４では、略垂直の角を持つ地板４００を用いてアンテナ装置を構成した場合について説明する。
　図４は、本実施の形態に係るアンテナ装置の一例を示す構成図であり、図４において、図１と同一符号は同一または相当部分を示している。
　本実施の形態に係るアンテナ装置は、実施の形態１と基本的な構成は同じであるが、地板１６０の代わりに、地板４００を有する点が異なる。
　地板４００は、略垂直な角を持つ地板であって、地板４００には第１の逆Ｆアンテナ１００と第２の逆Ｆアンテナ１１０が第１の短絡スイッチ１３０と導体１２０を介して接地されている。
　第１の高周波入出力ポート１０４は、第１の給電線１０３と地板４００の間に設けられており、第２の高周波入出力ポート１１４は第２の給電線１１３と地板４００の間に設けられている。
　地板４００は、第１のアンテナ素子１０１に沿った方向の辺４０１と、第２のアンテナ素子１１１に沿った方向の辺４０２とを持つ。

　本アンテナ装置の動作を、送信アンテナを例にとり説明する。
　まず、スイッチ１３０を短絡し第１の逆Ｆアンテナ１００および第２の逆Ｆアンテナ１１０が動作する状態について説明する。逆Ｆアンテナのように地板上に設けられるアンテナ（不平衡給電アンテナ）は、アンテナに給電する際に地板にも高周波電流（不平衡電流）が流れることが知られている。また特に小形アンテナでは、地板に流れる不平衡電流からの放射が無視出来ず、アンテナそのものに流れる高周波電流からの放射と同程度またはそれよりも大きくなる場合もあることが知られている。また、高周波電流は、表皮効果の影響により導体の端部に集中して流れることが知られている。
　実施の形態１から３においては、第１の高周波入力ポートに給電した際に流れる不平衡電流と第２の高周波入力ポートに給電した際に流れる不平衡電流はどちらも地板１６０の端部を流れる。すなわち２つの不平衡電流は平行な関係にあり、不平衡電流から空間に放射される電磁波の偏波も平行である。（電流の流れる向き＝電磁波の偏波）

　図４の第１の高周波入出力ポート１０４から給電した場合、不平衡電流は地板４００の辺４０１に集中して流れる。従って、第１の高周波入出力ポート１０４に給電した場合にアンテナ装置から放射される電磁波は、典型的には辺４０１に平行な偏波が主偏波となる。
　一方、第２の高周波入出力ポート１１４から給電した場合、不平衡電流は地板４００の辺４０２に集中して流れる。従って、第２の高周波入出力ポート１１４に給電した場合にアンテナ装置から放射される電磁波は、典型的には辺４０２に平行な偏波が主偏波となる。

　辺４０１と辺４０２は略垂直であるため、第１の高周波入出力ポート１０４と第２の高周波入出力ポート１１４から給電した場合に不平衡電流によってアンテナ装置から放射される電界の振動方向も略垂直となり、偏波が直交していることになる。
　一般的に、偏波が直交する場合、アンテナ間の相関は小さくなることが知られている。また、第１の給電線１０３と第２の給電線１１３は平行であるので、これらに分布する高周波電流からの放射は同じ偏波方向となってしまうものの、第１のアンテナ素子１０１と第２のアンテナ素子１１１は略直交しているため、これらに分布する高周波電流からの放射は偏波が直交している。すなわち本実施の形態のように、地板４００にアンテナ装置を設けることで、第１の逆Ｆアンテナ１００と第２の逆Ｆアンテナ１１０間の相関を小さくでき、これはすなわちダイバーシチの効果が大きいことを示す。

　次に、スイッチ１３０を開放し、モノポールアンテナ１４０とダイポールアンテナ１５０が動作する場合について説明する。
　まずは図５を用いてモノポールアンテナ１４０の動作を説明する。図５はモノポールアンテナとして動作している部分のみを取り出した図であり、導体に沿って描かれている破線矢印は高周波入出力ポートから給電した場合の電流の方向を示している。なお、Ｘ座標とＹ座標を図５のように定義する。
　本実施の形態では、第１のアンテナ素子１００と第２のアンテナ素子１１０、第１の短絡線１０２と第２の短絡線１１２、辺４０１と辺４０２が対称形状であり、方向Ｘは第１および第２の短絡線に沿った方向である場合を仮定しているが、そうでない場合でも類似の効果が得られるのは明らかである。
　また、第１のアンテナ素子１００と第２のアンテナ素子１１０は辺４０１と辺４０２に沿った方向でなくとも同様の効果が得られる。

　次に、各導体に分布する高周波電流から放射される電界の偏波方向を考える。第１の短絡線および第２の短絡線に流れる高周波電流からの放射は、Ｘ方向の偏波成分のみをもつ。両放射は、同相であるので強めあう。
　第１のアンテナ素子に流れる高周波電流からの放射は、Ｘ方向とＹ方向両方の偏波成分をもつ。そして、第２のアンテナ素子に流れる高周波電流からの放射も、Ｘ方向とＹ方向両方の偏波成分をもつ。
　ここで、第１のアンテナ素子からの放射のＸ成分と第２のアンテナ素子からの放射のＸ成分は、同相であるので強めあう。
　その一方、第１のアンテナ素子からの放射のＹ成分と第２のアンテナ素子からの放射のＹ成分は、逆位相であるので打ち消しあう。
　同様に辺４０１および辺４０２に流れる高周波電流からの放射は、Ｘ方向とＹ方向両方の偏波成分をもち、Ｘ方向成分は強めあい、Ｙ方向成分は打ち消しあう。
　以上より、第３の高周波入出力ポート１４１から給電した場合のアンテナ装置からの放射電界はＸ方向成分しか持たない。

　次に、図６を用いてダイポールアンテナ１５０の動作を説明する。図６は、ダイポールアンテナとして動作している部分のみを取り出した図であり、図５と同様に座標と電流の方向を示している。
　第１のアンテナ素子に流れる高周波電流からの放射は、Ｘ方向成分とＹ方向成分両方を持つ。そして、第２のアンテナ素子に流れる高周波電流からの放射も、Ｘ方向成分とＹ方向成分両方を持つ。
　ここで、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子は、第４の高周波入出力ポートのそれぞれの極に接続されている事を踏まえると、Ｘ成分同士は打ち消しあい、Ｙ成分同士は強めあう事が分かる。
　以上より、第４の高周波入出力ポートから給電した場合のアンテナ装置からの放射電界はＹ方向成分しか持たない。

　まとめると、短絡スイッチ１３０を開放し、第３の高周波入出力ポートから給電した場合の放射電界は、Ｘ成分のみをもち、第４の高周波入出力ポートから給電した場合の放射電界はＹ成分のみを持つ。
　すなわち偏波が直交しているため、モノポールアンテナとダイポールアンテナ間の相関を小さくでき、ダイバーシチの効果を高められるという効果が得られる。

　以上より、本実施の形態のように地板４００にアンテナ装置を設けることで、スイッチ１３０の状態が短絡、開放のいずれの場合でも、相関の低いアンテナをスイッチ１３０の短絡状態と開放状態で２つずつ得ることが出来、ダイバーシチの効果を向上させる事ができる。
　また動作原理から明らかな通り、第１の逆Ｆアンテナ１００が設けられる地板４００の辺４０１と第２の逆Ｆアンテナ１１０が設けられる地板４００の辺４０２が、完全に垂直でない場合でも類似の効果が得られる。
　例えば、辺が垂直から±１５度以内の偏差を持っている場合、偏波間の結合は、２０ｌｏｇ１０ｓｉｎ（１５°）＝－１１．７ｄＢ以下となり、十分な効果が得られる。

実施の形態５．
　実施の形態１から４では、第１の短絡線１０２と第２の短絡線１１２の形状が通常の場合について説明した。本実施の形態では、第１の短絡線１０２と第２の短絡線１１２を、少なくとも向かい合う一辺がメアンダ形状とした場合について説明する。
　図７は、本実施の形態に係るアンテナ装置の一例を示す構成図であり、図７において、図１と同一符号は、同一または相当部分を示している。
　本実施の形態に係るアンテナ装置は、実施の形態１と基本的に同じであるが、第１の短絡線１０２の代わりに短絡線の一辺だけがメアンダ形状である第３の短絡線５０１を、第２の短絡線１１２の代わりに短絡線の一辺だけがメアンダ形状である第４の短絡線５０２を設けた点が異なる。

　実施の形態１と同様、第３の短絡線５０１、導体１２０、第４の短絡線５０２で囲まれた凹型の構造は、チョーク構造として動作する。そしてチョークの深さが波長の１／４のときに最もチョークが効果的に動作し、アンテナ間の結合を低減できることが知られている。
　実施の形態１の場合と違い、本実施の形態では、チョーク構造の壁面となる第３の短絡線５０１と第４の短絡線５０２がメアンダ形状となっているため、電気的にはチョークの深さが深くなっているように見える。
　すなわち、第１の逆Ｆアンテナと第２の逆Ｆアンテナの高さが１／４波長よりも短い場合であっても、短絡線の部分を第３の短絡線５０１と第４の短絡線５０２とすることで結合低減効果が大きくなる。

　本発明は実施例を参照して説明されているが、当業者によって様々な変更がなされることが考えられ、本発明の観点から逸脱することなしに構成要素の配置や形状を変更したりすることも可能である。
　例えば、第１のアンテナ素子１００、第２のアンテナ素子１１０の一部をメアンダ形状や渦巻き形状として小形化を実現する事や、アンテナ素子にリアクタンス素子を装荷しインピーダンス整合を改善することはアンテナ技術として一般的であり、容易に想定される変更である。またアンテナ素子を分岐させたり非励振素子を組み合わせたりする事でアンテナ装置を複数周波数に対応させる事、アンテナ装置を基板上に銅箔パターンで作製する事で小型化、低コスト化を実現する事なども当該分野で一般的な技術であり、適用が想定される。

　更に、本発明の観点は、ここで説明した様々な実施例を組み合わせること、本質的な観点から逸脱することなしに、本発明を適用するため変更させることも可能である。それゆえ、発明は開示した実施例に限定されず、発明は付加した請求項の観点内に落とし込むためのすべての実施例を含むものであることが意図されている。

　また上記では説明を簡便にするため送信アンテナ装置または受信アンテナ装置を例にとり説明を行ったが、同様の効果はアンテナ装置の可逆性（ｒｅｃｉｐｒｏｃｉｔｙ）により送信アンテナ装置と受信アンテナ装置いずれでも得られる。

１００　第１の逆Ｆアンテナ、１０１　第１のアンテナ素子、１０２　第１の短絡線、１０３　第１の給電線、１０４　第１の高周波入出力ポート（第１の入出力点）、１１０　第２の逆Ｆアンテナ、１１１　第２のアンテナ素子、１１２　第２の短絡線、１１３　第２の給電線、１１４　第２の高周波入出力ポート（第２の入出力点）、１２０　導体、１２１　導体、１２２　導体、１３０　第１の短絡スイッチ（第１のスイッチ）、１３１　第２の短絡スイッチ（第２のスイッチ）、１４０　モノポールアンテナ、１４１　第３の高周波入出力ポート（第３の入出力点）、１５０　ダイポールアンテナ、１５１　第４の高周波入出力ポート（第４の入出力点）、１６０　地盤、２０１　第３のスイッチ、２０２　第４のスイッチ、２０３　第５のスイッチ、３０１　第１の集中定数素子、３０２　第２の集中定数素子、３０３　第３の集中定数素子、３３０　第４の集中定数素子、３３１　第５の集中定数素子、４００　地盤、４０１　辺、４０２　辺、５０１　第３の短絡線、５０２　第４の短絡線。

Claims (7)

1. 　地板と、
   　第１のアンテナ素子と、
   　第１のスイッチと、
   　第１の端が前記第１のアンテナ素子と接続し、第２の端が前記第１のスイッチを介して前記地板と接続する第１の短絡線と、
   　第１の端が前記第１のアンテナ素子と接続し、第２の端が第１の入出力部と接続する第１の給電線と、
   　第２のアンテナ素子と、
   　第１の端が前記第２のアンテナ素子と接続し、第２の端が前記第１の短絡線の第２の端と導体を介して接続する第２の短絡線と、
   　第１の端が前記第２のアンテナ素子と接続し、第２の端が第２の入出力部と接続する第２の給電線と、
   　前記導体に接続する第３の入出力部と、
   　前記第１の短絡線の第１の端と前記第２の短絡線の第１の端と接続する第４の入出力部と、を有し、
   　前記第１のアンテナ素子、前記第１の給電線、前記第１の短絡線、前記第１のスイッチ、前記第１の入出力部で第１の逆Ｆアンテナを構成し、
   　前記第２のアンテナ素子、前記第２の給電線、前記第２の短絡線、前記導体、前記第２の入出力部で第２の逆Ｆアンテナを構成し、
   　前記第１のアンテナ素子、前記第１の短絡線、前記第２のアンテナ素子、前記第２の短絡線、前記導体、前記第３の入出力部でモノポールアンテナを構成し、
   　前記第１のアンテナ素子、前記第１の短絡線、前記第２のアンテナ素子、前記第２の短絡線、前記導体、前記第４の入出力部でダイポールアンテナを構成し、
   　前記第１のスイッチを短絡した場合、前記第１の逆Ｆアンテナと前記第２の逆Ｆアンテナからなるダイバーシチアンテナを形成し、
   　前記第１のスイッチを開放した場合、前記モノポールアンテナと前記ダイポールアンテナからなるダイバーシチアンテナを形成することを特徴とするアンテナ装置。
2. 　前記第２の逆Ｆアンテナは、前記地板と前記第２の短絡線とを接続する第２のスイッチを有することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 　前記第１のアンテナ素子と前記第１の給電線との間に第３のスイッチを有することを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 　前記第２のアンテナ素子と前記第２の給電線との間に第４のスイッチを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
5. 　前記第１の接続点と前記第４の入出力点との間に第５のスイッチを有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
6. 　前記地板は、第１の平面と前記第１の平面と交わる第２の平面を有し、前記第１のアンテナ素子は、前記第１の平面と平行に配置し、前記第２のアンテナ素子は、前記第２の平面と平行に配置することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
7. 　前記第１の短絡線と前記第２の短絡線の少なくとも一方の表面を流れる電流の経路がメアンダ形状であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のアンテナ装置。

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