JP2004214863A - アンテナ装置および通信端末装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】板状接地導体2と、この板状接地導体2に対して略垂直に配置したアンテナ素子としての放射素子1を設け、接地導体2の外周縁から放射素子1が設けられた側とは反対側に傾斜する寄生導体3a,3bを設け、接地導体2と寄生導体3aとの間および寄生導体3aと3bとの間にそれぞれスイッチ素子4a,4bを実装する。このスイッチ素子4a,4bの断続によって、垂直面内の放射パターンの制御を行う。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、移動体通信システムなどで用いるアンテナ装置およびそれを備えた通信端末装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、有限な接地導体を備えたモノポールアンテナが、例えば移動体通信システムにおける通信端末装置に備えられている。図7はその構成例を示す図である。図7において接地導体2は円板形状をなし、その中央部に、接地導体2に対して垂直方向にのびる放射素子1を設けている。
【0003】
このような接地導体を備えたモノポールアンテナは、その接地導体が無限大の大きさであれば垂直面内の利得は水平方向で最大となるが、実際には接地導体は有限であり、その縁効果により垂直面内の放射パターンは水平方向より上向きとなる。この放射パターンの最大利得の得られる仰角は接地導体の大きさおよび構造に依存する。
【0004】
無線LANなどに用いられるアンテナ装置においては、水平面内の放射パターンだけでなく、一般には垂直面内の放射パターンも、所定の通信品質を確保するうえで重要である。垂直面内での放射パターンを制御するようにしたアンテナ装置としては特許文献1が開示されている。また、垂直面内の最大利得の仰角を低くし、水平面内での利得を改善するものとしては特許文献2が開示されている。
一方、水平面内の放射パターンを制御するものとして、接地導体板に対して垂直方向に放射素子を設けるとともに、その放射素子の周囲に複数の導波素子を配置した電子制御導波器アレー(ESPAR) アンテナが特許文献3に開示されている。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−53530
【特許文献2】
特開2002−16427
【特許文献3】
特開2001−24431
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献1に示されている構造のアンテナ装置は、同一接地導体を用いて異なる周波数によりモノポールアンテナを励振した場合に、各周波数に応じて垂直面内の最大利得が得られる仰角が変化するという問題を改善するために、平面上に広がる接地導体の大きさを単に電気的に切り替えるように構成しただけである。そのため、接地導体の面積をある程度以上大きくしても垂直面内の放射パターンの低仰角への変化が大きくとれないという問題があった。また、特許文献3に示されている従来のエスパアンテナにおいては垂直面内の利得を制御することはできなかった。
【0007】
この発明の目的は、垂直面内の放射パターンをより低仰角方向へも制御できるようにしたアンテナ装置およびそれを備えた通信端末装置を提供することにある。
また、この発明の他の目的は、水平面内の放射パターンを制御するとともに垂直面内の放射パターンをも同時に制御できるようにしたアンテナ装置およびそれを備えた通信端末装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この発明のアンテナ装置は、板状接地導体と、該板状接地導体に対して略垂直に配置されたアンテナ素子と、前記板状接地導体の外周縁から前記アンテナ素子が設けられた側より反対側に傾斜する寄生導体と、前記板状接地導体と前記寄生導体との間のインピーダンスを変化させる可変インピーダンス回路と、該可変インピーダンス回路を制御する手段とを備えている。
【0009】
このように、アンテナ素子の設けられている側より反対側に傾斜する寄生導体は、その法線方向が低仰角方向を向くので、この寄生導体を接続することによって、垂直面内の放射パターンをより低仰角方向にまで向けることができる。そして、その寄生導体と板状接地導体の外周縁との間に設けた可変インピーダンス回路のインピーダンスの変化によって、より低仰角方向で垂直面内の放射パターンを制御することが可能となる。
【0010】
また、この発明のアンテナ装置は、前記アンテナ素子を、少なくとも1つの放射器と該放射器の周囲に配置された少なくとも1つの無給電素子とから構成するとともに、無給電素子の実効素子長を電気的に変化させる制御手段を設けたことを特徴としている。この構造により、放射素子と無給電素子とによって水平面内のパターンも合わせて制御できるようになる。
【0011】
また、この発明のアンテナ装置は、前記寄生導体を、板状接地導体の外周縁に沿って設けられた筒状の導体とする。この構造により、寄生導体の作成が容易になるとともに、垂直面内の放射パターンの最大利得方向をより低仰角(水平方向)へ効果的に向けることができる。
【0012】
また、この発明のアンテナ装置は、前記板状接地導体を略円形にしたことを特徴としている。これにより、水平面内の放射パターンを回転対称形にすることができ、且つ、全方位方向について垂直面内の最大利得の仰角を低くできるようになる。
【0013】
また、この発明のアンテナ装置は、放射素子とその周囲に配置した少なくとも1つの無給電素子によるアンテナ素子を板状接地導体に設け、寄生導体を板状接地導体に隣接させ、且つ、板状接地導体と略同一平面上に設けたことを特徴としている。この構造により、寄生導体の作成およびインピーダンス回路の実装を容易にできる。
【0014】
また、この発明のアンテナ装置は、前記可変インピーダンス回路を、制御電圧によって電極間のスイッチ制御を行うMEMS素子で構成したことを特徴としている。これにより、可変インピーダンス回路実装部分の小型化およびミリ波帯領域やサブミリ波帯領域への応用も容易となる。
【0015】
また、この発明の通信端末装置は、上記いずれかの構成のアンテナ装置とそのアンテナ装置を用いて無線LAN用の信号を送受信する通信手段とを備えて構成したことを特徴としている。
【0016】
【発明の実施の形態】
第1の実施形態に係るアンテナ装置について、図1および図2を参照して説明する。
図1の(A)はアンテナ装置の外観斜視図である。ここで、2は円板形状の接地導体である。この接地導体2の中心に接地導体2に対して垂直方向に延びる放射素子1を設けている。接地導体2の外周縁に沿って円筒形状の寄生導体3aを設けている。さらに、この寄生導体3aの下周縁に沿ってもう1つの円筒形状の寄生導体3bを配置している。この例では、接地導体2に対する寄生導体3の傾斜角度を90°としている。接地導体2と寄生導体3aとの間にはスイッチ素子4aを実装していて、寄生導体3aと3bの間にはスイッチ素子4bを実装している。このスイッチ素子4a,4bがインピーダンス回路を構成している。
【0017】
図1の(B)は、このアンテナ装置を回路図として表したものである。寄生導体3a,3bがなす円筒形状の内部には放射素子1に対する給電回路5およびスイッチ素子4a,4bに対する制御回路6を備えている。スイッチ4a,4bはMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)素子からなり、制御電圧の印加によって電極間の断続を行う。制御回路6は、これらのスイッチ素子4a,4bに対する制御電圧を与える。スイッチ素子4a,4bが導通状態になると、その両端のインピーダンスは非常に小さくなる。
【0018】
図2は、図1に示したアンテナ装置の垂直面内の放射パターンの例を示している。ここで、P1はスイッチ素子4a,4bを共にオフ状態にした時の、すなわち接地導体2のみを本来の接地導体として作用させた時の放射パターンである。
P2はスイッチ素子4aをオン状態、4bをオフ状態として、寄生導体3aを接地導体2から延長した導体として作用させた時の放射パターンである。P3はスイッチ素子4a,4bを共にオン状態として、寄生導体3a,3bを接地導体2から延長した接地導体として作用させた時の放射パターンである。また、θ1は放射パターンP1の最大利得の得られる仰角、θ2は放射パターンP2の最大利得の得られる仰角、θ3は放射パターンP3の最大利得の得られる仰角をそれぞれ示している。このように、寄生導体3aを接地導体として作用させることにより、最大利得の仰角はθ1からθ2へ低くなり、さらに寄生導体3bも接地導体として作用させることにより、最大利得の仰角をθ3まで低くすることができる。なお、図1に示した例では、接地導体2と寄生導体3aとの間および寄生導体3aと3bとの間に、それぞれ接地導体2の中央を中心とする対称位置関係にスイッチ素子4a,4bを実装したが、3つ以上のスイッチ素子を等角度間隔または非等角度間隔で実装してもよい。また、単一のスイッチ素子を実装するようにしてもよい。
【0019】
また、図1に示した例では、二重の寄生導体3a,3bを設け、垂直面内の放射パターンを2段階に切り替えられるようにしたが、垂直面内の放射パターンの切り替えが1段階でよければ、寄生導体3aのみを用いてもよい。
【0020】
図3は、第2の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図3において、2は円板形状の接地導体、1は接地導体2の中央に、接地導体2に対して垂直方向に延びる放射素子である。接地導体2の外周縁から放射素子1が設けられた側と反対側に傾斜する寄生導体3を設けている。この寄生導体3と接地導体2との間に電気的に断続するスイッチ素子4を実装している。このように、接地導体2に対する寄生導体3の傾斜角度が90°でなくても、放射素子1を設けた側と反対側に寄生導体3が傾斜していれば、スイッチ素子4をオンして、寄生導体3を寄生導体2から連続する接地導体として作用させれば、垂直面内の放射パターンの最大利得を低仰角にできる。
【0021】
次に、第3の実施形態に係るアンテナ装置の構成を図4を基に説明する。
図4の(A)に示す例では、円板状の接地導体2に対して垂直方向に延びる放射素子11および無給電素子12a〜12fを設けている。放射素子11の下端部には給電回路を設けている。無給電素子12a〜12fの下端部には可変リアクタンス回路を設けている。これらの可変リアクタンス回路を制御することによって無給電素子12a〜12fの等価的な電気長が変化し、導波器としてまたは反射器として選択的に作用する。これにより、電子制御導波器アレー(ESPAR) アンテナを構成している。例えば、無給電素子12dを反射器、無給電素子12aを導波器として作用させれば、放射素子11から無給電素子12aに向かう方向に水平面内の放射パターンの中心が向くことになる。接地導体2に対する寄生導体3およびスイッチ素子4の関係は第1の実施形態の場合と同様である。
【0022】
図4の(A)では、寄生導体として単一の寄生導体3を設けていて、(B)の例では、第1の実施形態の場合と同様に2つの寄生導体3a,3bを設けている。
スイッチ素子4,4a,4bの制御により、これらの寄生導体3または3a,3bを選択的に接地導体として作用させることにより、垂直面内の放射パターンも同時に制御できる。
【0023】
なお、図4に示した例では、複数の無給電素子12a〜12fを設けたが、少なくとも1つの無給電素子を設け、その無給電素子の電気長の制御によって、水平面内の放射パターンを制御するようにしてもよい。
【0024】
図5は第4の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。この例では、円板形状の接地導体2の外周に接地導体2と同一平面上に寄生導体3を配置して、接地導体2と寄生導体3との間にスイッチ素子4を実装している。接地導体2には放射素子11および無給電素子12a〜12fを配置している。この接地導体2と放射素子11および無給電素子12a〜12f部分の構成は図4に示したアンテナ装置と同様である。この例では、寄生導体3が接地導体2と同一平面をなすので、その製造およびスイッチ素子4の実装が容易となり、全体に低価格化が図れる。
【0025】
次に、第5の実施形態に係る通信端末装置の構成をブロック図として図6に示す。ここで、100は第1〜第4の実施形態で示したアンテナ装置である。送受信回路101は、このアンテナ装置100を用いて所定周波数帯域での送受信を行う。制御回路102は送受信回路101との間でデータ伝送を行うとともにアンテナ装置100の指向性に関する制御を行う。すなわち、スイッチ素子4,4a,4bの制御を行う。また、放射素子と少なくとも1つの無給電素子を用いた場合には、その無給電素子に対する制御も行って、水平面内および垂直面内の放射パターンの制御を行う。LANインタフェース回路103は、LANに接続されている機器との間でデータ通信制御を行う。
【0026】
なお、以上に示した実施形態では、接地導体と寄生導体との間および寄生導体同士の間に実装するインピーダンス回路としてMEMS素子を用いた。しかし、高周波的に所定のリアクタンス成分をもって両者が接続され、そのリアクタンスが変化すればよいので、例えばダイオードを用いて高周波スイッチ回路を構成してもよい。
【0027】
【発明の効果】
この発明によれば、アンテナ素子の設けられている側より反対側に傾斜する寄生導体は、その法線方向が低仰角方向を向くので、この寄生導体を接続することにより、垂直面内の放射パターンをより低仰角方向にまで向けることができ、その寄生導体と板状接地導体の外周縁との間に設けた可変インピーダンス回路のインピーダンスの制御によって、より低仰角方向で垂直面内の放射パターンを制御できるようになる。その結果、略水平方向に電磁波の放射/入射を行う通信環境で、高い通信品質が得られる。
【0028】
また、この発明によれば、前記アンテナ素子を、少なくとも1つの放射器と該放射器の周囲に配置された少なくとも1つの無給電素子とから構成するとともに、無給電素子の実効素子長を電気的に変化させる制御手段を設けたことにより、放射素子と無給電素子とによって水平面内のパターンも合わせて制御できるようになる。
【0029】
また、この発明によれば、寄生導体を、板状接地導体の外周縁に沿って設けられた筒状の導体とすることにより、寄生導体の作成が容易になるとともに、垂直面内の放射パターンの最大利得方向をより低仰角(水平方向)へ効果的に向けることができる。
【0030】
また、この発明によれば、板状接地導体を略円形にしたことにより、水平面内の放射パターンを回転対称形にすることができ、且つ、全方位方向について垂直面内の最大利得の仰角を低くできるようになる。
【0031】
また、この発明によれば、放射素子とその周囲に配置した少なくとも1つの無給電素子によるアンテナ素子を板状接地導体に設け、寄生導体を板状接地導体に隣接させ、且つ、板状接地導体と略同一平面上に設けたことにより、寄生導体の作成および可変インピーダンス回路の実装を容易にできる。
【0032】
また、この発明によれば、前記可変インピーダンス素子を、制御電圧によって電極間のスイッチ制御を行うMEMS素子としたことにより、可変インピーダンス回路実装部分の小型化およびミリ波帯領域やサブミリ波帯領域への応用も容易となる。
【0033】
また、この発明によれば、上記いずれかの構成のアンテナ装置とそのアンテナ装置を用いて無線LAN用の信号を送受信する通信手段とを備えたことにより、水平方向に電磁波の放射/入射を行う通信環境で、高い通信品質が得られる通信端末装置が構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係るアンテナ装置の外観斜視図および回路図
【図2】同アンテナ装置の垂直面内の放射パターンの例を示す図
【図3】第2の実施形態に係るアンテナ装置の外観斜視図
【図4】第3の実施形態に係るアンテナ装置の外観斜視図
【図5】第4の実施形態に係るアンテナ装置の外観斜視図
【図6】第5の実施形態に係る通信端末装置の構成を示すブロック図
【図7】従来のアンテナ装置の外観斜視図
【符号の説明】
1−放射素子
2−接地導体
3−寄生導体
4−スイッチ素子
11−放射素子
12−無給電素子
100−アンテナ装置
Claims (7)
- 板状接地導体と、該板状接地導体に対して略垂直に配置されたアンテナ素子と、前記板状接地導体の外周縁から前記アンテナ素子が設けられた側より反対側に傾斜する寄生導体と、前記板状接地導体と前記寄生導体との間のインピーダンスを変化させる可変インピーダンス回路と、該可変インピーダンス回路を制御する手段とを備えたアンテナ装置。
- 前記アンテナ素子を、少なくとも1つの放射素子と該放射素子の周囲に配置された少なくとも1つの無給電素子とから構成するとともに、前記無給電素子の実効素子長を電気的に変化させる制御手段を設けた請求項1に記載のアンテナ装置。
- 前記寄生導体を、前記板状接地導体の外周縁に沿って設けられた筒状の導体とした請求項1または2に記載のアンテナ装置。
- 前記板状接地導体を略円形にした請求項1、2または3に記載のアンテナ装置。
- 板状接地導体と、該板状接地導体に対してそれぞれ略垂直方向に設けた少なくとも1つの放射素子と該放射素子の周囲に配置された少なくとも1つの無給電素子とからなるアンテナ素子と、前記無給電素子の実効素子長を電気的に変化させる制御手段と、前記板状接地導体に隣接し、且つ該板状接地導体と略同一平面上に広がる寄生導体と、前記板状接地導体と前記寄生導体との間のインピーダンスを変化させる可変インピーダンス回路と、該可変インピーダンス回路を制御する手段とを備えたアンテナ装置。
- 前記可変インピーダンス回路を、制御電圧によって電極間のスイッチ制御を行うMEMS素子で構成した請求項1〜5のいずれかに記載のアンテナ装置。
- 請求項1〜6のいずれかに記載のアンテナ装置と、該アンテナ装置で無線LAN用の信号を送受信する通信手段とを備えた通信端末装置。
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JP2002380747A JP2004214863A (ja) | 2002-12-27 | 2002-12-27 | アンテナ装置および通信端末装置 |
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2002
- 2002-12-27 JP JP2002380747A patent/JP2004214863A/ja active Pending
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