JP2004214863A

JP2004214863A - アンテナ装置および通信端末装置

Info

Publication number: JP2004214863A
Application number: JP2002380747A
Authority: JP
Inventors: Tomoshige Furutoi; 知重古樋
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2004-07-29

Abstract

【課題】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、また、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構成する。
【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

【０００１】
【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（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）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

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。