JP2006109372A - 指向性制御マイクロストリップアンテナ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】誘電体の上面に中心に給電点12を有する放射素子10と前記誘電体の下面に地板を備え、かつ前記放射素子10の内部にスイッチによって前記地板と短絡ないし開放となる接続ピン13、14を、前記給電点12を中心に対称に配置した指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、前記放射素子10の長さをL、前記接続ピン13、14と前記放射素子10の端部との距離をLdとするとLd<L−Ldであり、かつ前記スイッチによって一方の接続ピンを前記地板と短絡した場合、他方の接続ピンを開放にする。
【選択図】図1
Description
近年電波も有限な資源と見なす電波エコロジが提唱され、電波の周波数や電力を効率良く使用するため指向性制御アンテナが注目されている。また、通常の伝搬環境はマルチパスフェージング環境であるため、フェージングを抑制するためダイバシティ受信が行われる場合があるが、マルチパスフェージングの根本的な解決法はマルチパスを最小にすることであり、その点からも指向性制御アンテナは重要性を増している。
また指向性アンテナとしては八木・宇田アンテナが知られている。八木・宇田アンテナとはダイポールアンテナの前後にダイポールアンテナよりも電気長の短い導波器と、ダイポールアンテナよりも電気長の長い反射器を置いて指向性を付与するものである。
図15は八木・宇田アンテナの原理を2次元の指向性制御に用いた例として示す概略図である。図15には特許文献1の開示を示している。この特許文献1では給電素子1の回りに複数の無給電素子2を配置し、これらの無給電素子2にキャパシタンス5と地板3とを導通するスイッチ4を並列に設け、スイッチ4を導通ないし遮断することによって無給電素子2を導波器ないし反射器として作用させて指向性を制御している。
特許文献1では導波器や反射器を共通化できるためアンテナの占有面積を小さくできるが、この特許文献1を含め八木・宇田アンテナを用いる指向性制御アンテナは本質的に導波器、放射素子、反射器を構成する3つのアンテナを必要とし、無指向性アンテナの約3倍の面積を占有する。そのためアンテナの小型化には限界があった。
特許文献2では誘電体6裏面に地板3を設け、誘電体6表面には外周部が地板3と短絡した円環放射導体7を設け、さらに円環状放射導体7の内部には地板3と短絡するダイオード8を配置している。
ダイオードのオン、オフにより2つの励振モードを選択でき、TM110モードとTM210モードを同じ周波数にすると、図17および図18に示す2つの放射パターン、すなわち、第1および第2の放射パターンの切り換えが可能となる。
しかしながら、特許文献2では選択できる放射パターンは2つに限定され、よりきめ細かい指向性制御は不可能であり、指向性制御アンテナとしては限定的な用途にしか使えないのが現状である。
またフェーズドアレイアンテナやアダプティブアレイアンテナのように複数のアンテナからの放射パターンを合成して指向性を制御する方法もある。これらの方法は信号をベクトル加算することで指向性を制御するが、信号を合成する回路が複雑であり、また複数のRF回路やアンテナが必要になることから基地局に用いられる程度であった。
しかしながら、アダプティブアレイアンテナにおいて空間ビーム形成によって信号を合成するエスパアンテナが提唱され、回路が簡略化できることから大きな期待を集めている。
エスパアンテナの例としては特許文献3および4が開示されている。特許文献3および4ではモノポールアンテナからなる給電素子の回りに複数の無給電素子を配置し、無給電素子のインピーダンスをスイッチによって切り換えることで指向性を制御している。
さらに、特許文献5ないし8にはテーパードスロットアンテナに関して技術が開示されている。テーパードスロットアンテナは指向性の高い円形の放射パターンを得ることができるが、アンテナ単体では指向性を制御することはできない。
そこで、本発明の目的は、上述した実情を考慮して、放射パターンの最大放射角度を1次元または2次元で制御でき、アンテナでの反射を抑制し、指向性をさらに高める小型なマイクロストリップアンテナを提供することにある。
また、請求項2に記載の発明は、前記スイッチによって線対称をなす片側の前記接続ピンを前記地板と短絡した場合、線対称をなす他方の側の接続ピンを開放するようにしたことを特徴とする。
また、請求項3に記載の発明は、誘電体の上面に中心に給電点を有する正2n角形状(nは2以上の正の整数)の放射素子と前記誘電体の下面に地板を備え、かつ前記放射素子の内部にスイッチによって前記地板と短絡ないし開放となる接続ピンを、前記給電点を中心に前記放射素子を縮小した正2n角形状(nは2以上の正の整数)状で配置したマイクロストリップアンテナにおいて、前記放射素子の対辺の間隔をL、前記接続ピンと前記放射素子の端部との距離をLdとするとLd<L−Ldであり、かつ前記スイッチによって前記正2n角形状の1辺にある前記接続ピンを前記地板と短絡した場合、向かい合う辺にある接続ピンを開放にし、さらに他の辺にある接続ピンを開放するようにしたことを特徴とする。
また、請求項5に記載の発明は、前記給電点に整合回路を接続した請求項1ないし4項のいずれか一項記載の指向性制御マイクロストリップアンテナを特徴とする。
また、請求項6に記載の発明は、前記放射素子に近接してリアクタンススイッチを介して電気長を変化させるリアクタンスが接続されている無給電素子を配置し、前記無給電素子の前記リアクタンススイッチを導通あるいは遮断することで前記無給電素子を導波器または反射器とし作用させことを特徴とする。
また、請求項7に記載の発明は、前記リアクタンスがキャパシタンスであり、前記無給電素子の長さをLpとするとLp<2×Ldとなっており、前記リアクタンススイッチを遮断した場合に、前記無給電素子が導波器となり、前記リアクタンススイッチを導通した場合に前記無給電素子に前記キャパシタンスが装荷されて反射器となる請求項6記載の指向性制御マイクロストリップアンテナを特徴とする。
また、請求項8に記載の発明は、前記リアクタンスがインダクタンスであり、前記無給電素子の長さをLpとするとLp>2×(L−Ld)となっており、前記リアクタンススイッチを遮断した場合に前記無給電素子が反射器となり、前記リアクタンススイッチを導通した場合に前記無給電素子に前記インダクタンスが装荷されて導波器となる請求項6記載の指向性制御マイクロストリップアンテナを特徴とする。
また、上記の構造ではL−Ldでほぼλ/4の定在波が立ち、Ld<L−Ldの関係があることから、放射素子の長さLはλ/2よりも短くなる。よって通常のλ/2マイクロストリップアンテナよりも小さい面積で指向性制御アンテナを実現できる。
本発明の指向性制御アンテナは比誘電率3.9の石英基板からなる誘電体6の上面に銅箔パターンからなる正方形の放射素子10と、誘電体6の下面には銅箔パターンからなる地板3が形成されている。給電点12は放射素子10の中心に設けられており、石英の裏面から同軸線からなる給電線9によって放射素子10においてRF信号が供給される構造となっている。
また、放射素子10内部には石英基板(誘電体)6を貫通した1組の接続ピン(第1および第2の接続ピン)13、14が給電点12を中心に対称に配置しされている。
第1および第2の接続ピン13、14の一端はMEMSからなる第1および第2のスイッチ15、11に接続され、これらの第1および第2のMEMSスイッチ15、11のオン(導通)、オフ(遮断)によって地板3と短絡状態ないし開放状態となる。
ここで、放射素子10の長さをL、第1および第2の接続ピン13、14と放射素子10の端部との距離をLdとすると、Ld<L−Ldとなっている。
本発明の指向性制御アンテナではスイッチによって一方の接続ピンが地板3と短絡した場合、他方の接続ピンは開放になる。つまり第1のMEMSスイッチ15をオン(導通)した場合、放射素子10は第1の接続ピン13で地板3と短絡する。一方第2のMEMSスイッチ11はオフ(遮断)となり、第2の接続ピン14は地板3と開放状態になる。
ここで、正方形の放射素子10の辺のうち第1の接続ピン13に近い辺を辺A、第2の接続ピン14に近い辺を辺Bとすると、辺Bと第1の接続ピン13の間の領域は第1の接続ピン13で短絡した放射部となる。
そこで、L−Ldをほぼλ/4とする定在波が生じ、辺B近傍の磁流から電波を放射する。一方辺Aと第1の接続ピン13の間の領域は、第1の接続ピン13で短絡した放射部に接して、一端が短絡した無給電素子があると見なすことができる。
放射パターンを天頂方向から辺Bの方向へ傾かせるためには前記と逆の操作を行えば良い。つまり、第2のMEMSスイッチ11をオン(導通)して放射素子10を第2の接続ピン14で地板3と短絡し、一方第1のMEMSスイッチ15はオフ(遮断)にして第1の接続ピン13は地板3と開放状態にする。
その結果辺Aと第2の接続ピン14の間の領域は第2の接続ピン14で短絡した放射部となり、L−Ldをほぼλ/4とする定在波が生じて、辺A近傍の磁流から電波を放射する。
一方、辺Bと第2の接続ピン14の間の領域はLd<L−Ldの関係があるため導波器として作用し、辺A近傍の磁流による電波の放射パターンを天頂方向から辺Bの方向へ傾かせることができる。
以上のように本発明の構造を採用すると、接続ピン13、14に接続されたMEMSスイッチ15、11のオン、オフによって放射パターンを1次元の方向で切り換えることが可能となる。
なお、本実施の形態では正方形の放射素子を例にとって説明したが、放射素子の形状は正方形に限定される必要はなく、円形、楕円、長方形等の給電点12に対して対称な形状であれば何ら構わない。
また、本実施の形態では、スイッチとしてMEMSスイッチを採用したが、本発明に使用できるスイッチはアンテナに入力されるRF信号を遮断できるものであれば何ら制限は無く、周波数によってはリレースイッチ、PINダイオード、FET等も使用できる。
MEMSスイッチ、PINダイオード、リレースイッチは誘電体基板裏面にザグリを設け、表面マウンティングによって固定し、スイッチの一端を接続ピンと接続した後、スイッチの他端を地板と接続すれば良い。
また、GaAs基板等の高抵抗半導体基板を誘電体として用いる場合は、半導体プロセスを用いてMEMSスイッチやFETを基板内部に作り込み、ビアホール等で地板と接続しても良い。このような場合は半導体基板を貫通し、メタルで埋め込んだビアホールを接続ピンとして用いても良い。
この誘電体6の上面にアルミニウムに金メッキをした正方形の放射素子10と、誘電体6の下面には銅箔パターンからなる地板3が形成されている。給電点12は放射素子10の中心に設けられており、ER4基板の裏面から同軸線からなる給電線9によって放射素子10においてRF信号が供給される構造となっている。
また、放射素子10内部にはER4基板を貫通した1組の接続ピン13、14を、給電点12を通る中心線(図中に点線で中心線を表示)を対称軸にして3組配置した。
3個の第1の接続ピン13はその一端が各々別のPINダイオード16からなるスイッチに接続され、PINダイオード16のオン(導通)、オフ(遮断)によって地板3と短絡状態ないし開放状態となる。
また、3個の第2の接続ピン14も同様にその一端が各々別のPINダイオード17からなるスイッチに接続され、PINダイオード17のオン(導通)、オフ(遮断)によって地板3と短絡状態ないし開放状態となる
ここで、放射素子10の長さをL、接続ピン13、14、と放射素子10の端部との距離をLdとするとLd<L−Ldとなっている。
本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様に、PINダイオード16をオン(導通)した場合、放射素子10は3個の第1の接続ピン13で地板3と短絡し、PINダイオード17はオフ(遮断)となって3個の第2の接続ピン14は地板3と開放状態になる。
ここで、正方形の放射素子10の辺のうち第1の接続ピン13に近い辺を辺A、第2の接続ピン14に近い辺を辺Bとすると、辺Bと3個の第1の接続ピン13の間の領域は3個の第1の接続ピン13で短絡した放射部となり、L−Ldをほぼλ/4とする定在波が生じ、辺B近傍の磁流から電波を放射する。
よって、第1の実施の形態と同様に本構造においても、辺B近傍の磁流による電波の最大放射角度を天頂方向から辺Aの方向へ傾かせることができる。また、PINダイオード16をオフ(遮断)、PINダイオード17をオン(導通)すると、辺A近傍の磁流による電波の放射パターンを天頂方向から辺Bの方向へ傾かせることができ、第1の実施の形態と同様に1次元で指向性を切り換えることができる。
とくに本実施の形態の構造を採用すると、地板3と短絡する接続ピン13、14を一方向について複数個設けることができるため接地面積が広くなる。その結果、第1の実施の形態よりも放射部と無給電素子の境界を明確に分離することができ、放射パターンの指向性が向上する。
なお、本実施の形態では接続ピン13、14を、給電点12を含む中心線を対称軸にして3個ずつ配置したが、本発明は前記の数に限定されず、給電点12を含む中心線を対称軸にして複数組配置してあれば良い。
また、本実施の形態では6個の接続ピンは全て異なるPINダイオードに接続されているが、対称軸の片側にある3個の第1の接続ピン13を1個のPINダイオード16に接続し、3個の第2の接続ピン14を別の1個のPINダイオード17に接続し、2個のPINダイオード16、17のオン、オフによって対称軸の片側にある3個ずつの接続ピン13、14を地板3に短絡ないし開放の状態にしても良い。
給電点12は放射素子10の中心に設けられており、石英の裏面から同軸線からなる給電線9によって放射素子10においてRF信号が供給される構造となっている。
また、放射素子10内部には石英基板を貫通した接続ピン13、14、18、19が給電点12を中心に放射素子10を縮小した正方形状に配置されている(図中に点線で正方形形状を表示)。
正方形状の各辺には各々3組ずつ接続ピンがあるので、放射素子10には計12個の接続ピンが配置されている。接続ピン13、14、18、19の一端は各々別のPINダイオード16、17からなるスイッチに接続され、PINダイオード16、17のオン(導通)、オフ(遮断)によって地板3と短絡状態ないし開放状態となる。
ここで、放射素子10の対辺の間隔をL、接続ピン13、14、18、19と放射素子10の端部との距離をLdとすると、Ld<L−Ldとなっている。
つまり、正方形状の1辺にある接続ピン13はPINダイオード16がオン(導通)になって、放射素子10が3個の接続ピン13で地板3と短絡し、正方形状の1辺と向かい合う辺にある接続ピン14はPINダイオード17がオフ(遮断)となり、地板3と開放状態となる。
さらに、正方形状のその他の辺にある接続ピン18、19も図示されていないPINダイオードがオフ(遮断)となり、地板3と開放状態となる。その結果、第2の実施の形態と同様に正方形の放射素子10の辺のうち第1の接続ピン13に近い辺を辺A、第2の接続ピン14に近い辺を辺Bとすると、辺Bと3個の接続ピンAの間の領域は3個の第1の接続ピン13で短絡した放射部となり、L−Ldをほぼλ/4とする定在波が生じ、辺B近傍の磁流から電波を放射する。
一方、辺Aと3個の第1の接続ピン13の間の領域は、第1の接続ピン13で短絡した放射部に接して、一端が短絡した無給電素子からなる導波器と見なすことができ、辺B近傍の磁流による電波の最大放射角度を天頂方向から辺Aの方向へ傾かせることができる。
以上のように本実施の形態の構造を採用すると、スイッチによって正方形状の1辺にある接続ピンを地板3と短絡した場合、向かい合う辺にある接続ピンを開放にし、さらに他の辺にある短絡ピンを開放にすることによって、放射パターンの最大強度をX、Yの4方向に渡って可変することができる。つまり、本実施の形態は第2の実施の形態の構造をX、Yの2方向で実現できる構造となっている。
なお、本実施の形態では正方形の放射素子を例にとって説明したが、正六角形の放射素子を用いた場合は給電点12を中心に正六角形状に接続ピンを配置し、スイッチによって正六角形状の1辺にある接続ピンを地板3と短絡した場合、向かい合う辺にある接続ピンを開放にし、さらに他の辺にある接続ピンを開放にすることによって、放射パターンの最大放射角度を6方向に渡って可変することができる。
以上のように本実施の形態の構造を採用すると、正n角形(n=2,3,4・・・・)の辺を増やすことによって指向性をより細かく制御できる。
この誘電体6の上面にアルミニウムに金メッキをした円形の放射素子10と、誘電体6の下面の銅箔パターンからなる地板3が形成されている。給電点12は放射素子10の中心に設けられており、PCBの裏面から同軸線からなる給電線9によって放射素子10においてRF信号が供給される構造となっている。
また、放射素子10内部にはPCB基板を貫通した接続ピン13、14、18、19が給電点12を中心に正方形状に配置されている(図中に点線で正方形状を表示)。
正方形状の各辺には各々3組ずつ接続ピンがあるので、放射素子10には計12個の接続ピンが配置されている。接続ピン13、14、18、19の一端は各々別のMEMSスイッチ15、11に接続され、これらのMEMSスイッチ15、11のオン(導通)、オフ(遮断)によって地板と短絡状態ないし開放状態となる。
ここで、放射素子10の直径をL、接続ピン13、14、18、19と放射素子10の端部との距離をLdとすると、Ld<L−Ldとなっている。
本実施の形態においても正方形状の1辺にある第1の接続ピン13はMEMSスイッチ15がオン(導通)になって、放射素子10が3個の第1の接続ピン13で地板3と短絡した場合、正方形状の1辺と向かい合う辺にある第2の接続ピン14はMEMSスイッチ11がオフ(遮断)となり、地板3と開放状態となる。
さらに正方形状のその他の辺にある接続ピン18、19も図示されていないMEMSスイッチがオフ(遮断)となり、地板と開放状態となる。その結果、給電点12を含み第1の接続ピン13と放射素子10外周で囲まれた領域は第1の接続ピン13で短絡した放射部となり、第2の接続ピン14に近い放射素子10の端部で磁流が起こり電波を放射する。
一方、給電点12を含まず第1の接続ピン13と放射素子10外周で囲まれた領域はLd<L−Ldの関係があるため、前記の放射部に対して導波器となり、磁流による電波の最大放射角度を天頂方向から第1の接続ピン13の方向へ傾かせることができる。
以上のように本実施の形態の構造を採用すると、円形の放射素子を用いた場合でも第3の実施の形態と同様にスイッチによって正方形状の1辺にある接続ピンを地板3と短絡した場合、向かい合う辺にある接続ピンを開放にし、さらに他の辺にある接続ピンを開放にすることによって、放射パターンの最大放射角度をX、Yの4方向に渡って可変することができる。
なお、接続ピンの配置は正方形状に限定されるわけではなく、正2n角形状(n=2,3,4・・・・)に配置することで指向性を2n方向で制御でき、nを増やすことでより細かい指向性制御が可能になる。
第3の実施の形態の指向性制御マイクロストリップアンテナは放射素子10の中心に給電点12があるため、アンテナの入力インピーダンスは給電線9の特性インピーダンス(通常は50Ωを使用)に一致しないことが多い。
しかし、第3の実施の形態の構造を見ると、1個の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいてPINダイオード16、17のオン、オフ状態から構成される4つのアンテナ形状は給電点12を中心として90°ずつ回転した形である。よって給電点12から見ると、指向性を制御している4つのアンテナ形状は入力インピーダンスが等しいと考えられる。
よって給電点12に1個の整合回路20を設けることで、指向性を制御している4つのアンテナ形状の入力インピーダンスを給電線9の特性インピーダンスに整合できる。
整合回路の構成としては、アンテナの共振周波数が比較的小さい場合はキャパシタンスやインダクタンスの集中定数素子をL型、π型、T型に構成した回路を用いれば良い。
アンテナの共振周波数が高い場合はスタブ等の分布定数回路をL型、π型、T型に構成した回路を用いることができる。またλ/4変成器によって抵抗を変換しても良く、一般的に知られている整合回路をアンテナの共振周波数に合わせて使い分ければ良い。
なお、本実施の形態は第3の実施の形態の指向性制御マイクロストリップアンテナに整合回路20を設けたものであるが、第1、第2および第4の実施例についてもスイッチ21のオン、オフ状態から構成される指向性を制御するアンテナ形状は全て給電点12を中心に回転した形状である。
このことから、スイッチ21のオン、オフで作られ、指向性を制御しているアンテナ形状の入力インピーダンスは等しい。よって本発明の1個の指向性制御マイクロストリップアンテナは1個の整合回路20で給電線9と整合を取ることが可能である。
以上のように本実施の形態の構造を採用すると、指向性制御アンテナの入力インピーダンスは整合回路20によって給電線9の特性インピーダンスとほぼ一致させることが可能となるため、アンテナでの反射が小さくなり、より効率的に電波を放射できる。
また、本発明の指向性制御マイクロストリップアンテナではスイッチ21のオン、オフの状態で指向性を制御しているアンテナ形状が全て給電点12を中心に回転した形状になっているため、同じ入力インピーダンスと考えられ、そのため1個の整合回路20によってスイッチ21のオン、オフによる指向性を制御している全てのアンテナ形状と整合できる。
このリアクタンススイッチ22を介して電気長を変化させるリアクタンスとしてキャパシタンス24が接続されている無給電素子23を配置している。無給電素子23はアルミニウムに金メッキをした長方形のパターンからなり、長さはLpである。
PINダイオード16をオン(導通)して第1の接続ピン13を地板3に短絡させ、PINダイオード17をオフ(遮断)して第2接続ピン14を地板3から開放状態にすると、辺B近傍の磁流から放射される電波は最大放射角度が辺Aの方向に傾く。
ここで、無給電素子23のリアクタンススイッチを遮断すると、無給電素子23はキャパシタンス24から切断される。よって無給電素子23の電気長はLpとなり、Lp<2×LdとなるようにLpを選択しておけば、無給電素子23は第1の接続ピン13で短絡した放射部に対して導波器として作用し、辺B近傍の磁流から放射される電波は最大放射角度を辺Aの方向に傾かせながら指向性を高めることができる。
一方、PINダイオード17をオン(導通)して第2の接続ピン14を地板3に短絡させ、PINダイオード16をオフ(遮断)して第1接続ピン13を地板3から開放状態にすると、辺A近傍の磁流から放射される電波は最大放射角度が辺Bの方向に傾く。この場合は無給電素子23のリアクタンススイッチ22を導通し、無給電素子23にキャパシタンス24を接続して電気長をLpよりも長くする。
ここで、キャパシタンス24が接続された場合の寄生素子の電気長をLpxとすると、Lpx>2×(L−Ld)となるようにキャパシタンスを選んでおくと、キャパシタンス24が接続された無給電素子23は反射器として作用し、辺A近傍の磁流から放射される電波は最大放射角度が辺Bの方向に傾かせながら指向性を高めることができる。
同様にリアクタンススイッチを介して電気長を変化させるリアクタンスがインダクタンス(図示せず)である場合は、PINダイオード16をオン(導通)して第1の接続ピン13を地板3に短絡させ、PINダイオード17をオフ(遮断)して第2の接続ピン14を地板3から開放状態にすると、辺B近傍の磁流から放射される電波は最大放射角度が辺Aの方向に傾く。
ここで、無給電素子23のリアクタンススイッチを導通すると、無給電素子23にはインダクタンスが接続されて電気長はLpよりも短くなる。ここでインダクタンスが接続された時の無給電素子23の電気長をLpxとすると、Lpx<2×Ldとなるようにインダクタンスを選択しておけば、無給電素子23は第1の接続ピン13で短絡した放射部に対して導波器として作用し、辺B近傍の磁流から放射される電波は最大放射角度を辺Aの方向に傾かせながら指向性を高めることができる。
この場合は無給電素子23のリアクタンススイッチを遮断すると無給電素子23はインダクタンスと切断され、無給電素子23の電気長はLpとなる。ここでLp>2×(L−Ld)となるように無給電素子23の長さを選んでおくと、インダクタンスと切断された無給電素子23は反射器として作用し、辺A近傍の磁流から放射される電波は最大放射角度が辺Bの方向に傾かせながら指向性を高めることができる。
なお、本実施の形態に使用できるリアクタンススイッチは第1ないし第5の実施の形態で述べたスイッチと同様にRF信号が遮断できるスイッチであれば良く、リレースイッチ、MEMSスイッチ、PINダイオード、FET等が使われる。
以上のように放射素子10に近接してリアクタンススイッチを介して電気長を変化させるリアクタンスが接続されている無給電素子23を配置すると、無給電素子23のリアクタンススイッチ22を導通あるいは遮断することで無給電素子23は導波器または反射器となるため、放射素子10からの放射パターンの最大放射角度を希望の方向へ向かせたまま指向性を高めることができる。
図13は本発明の指向性制御マイクロストリップアンテナの第7の実施の形態を示す上面図である。本実施の形態は第3の実施の形態の指向性制御マイクロストリップアンテナの放射素子10に近接してリアクタンススイッチ33、34、35、36を介して電気長を変化させるリアクタンスとしてキャパシタンス25、26、27、28が接続された無給電素子29、30、31、32を4個に配置した例である。
なお、無給電素子29、30、31、32は銅箔パターンに金メッキをした長方形のパターンからなり、無給電素子29、30、31、32の長さをLpとすると、Lp<2×Ldとなっている。
正方形状の1辺にある第1の接続ピン13は図示されていないPINダイオードがオン(導通)になると、放射素子10は3個の第1の接続ピン13で地板3と短絡する。
その場合正方形状の1辺と向かい合う辺にある第2の接続ピン14は図示されていないPINダイオードがオフ(遮断)となり、地板3と開放状態となる。さらに正方形状のその他の辺にある接続ピン18、19も図示されていないPINダイオードC、Dがオフ(遮断)となって地板3と開放状態となる。
その結果、辺B近傍の磁流によって発生する電波は最大放射角度を天頂方向から辺Aの方向へ傾かせることができる。ここで、辺Aと近接した無給電素子29ではリアクタンススイッチ33がオフになり、無給電素子29とキャパシタンス25は切断される。
よって辺Aに近接した無給電素子29の電気長はLpとなる。ここで、Lp<2×Ldの関係があるので、無給電素子29は第1の接続ピン13で短絡した放射部に対して導波器として作用する。
よって第1の接続ピン13で短絡した放射部に対して最大放射角度が辺Aの方向に傾いた場合は、辺Aに近接して導波器があり、辺Bに近接して反射器がある構造となるため、第3の実施の形態と比較して辺Bの近傍の磁流から放射される電波は最大放射角度を辺Aの方向に傾かせながらさらに指向性を高めることができる。
なお、第1の接続ピン13を短絡、接続ピン14〜19を地板3から開放状態にして放射部からの最大放射角度を辺Aの方向に傾けた場合、無給電素子31、32は導波器、反射器とはならないが、アンテナの共振周波数をシフトさせる働きがあるので、リアクタンススイッチ35、36はオン、オフのどちらかの状態であれば良い。
第3の実施の形態の指向性制御マイクロストリップアンテナはPINダイオードのオン、オフにより接続ピン13〜19を地板3と短絡あるいは開放させて4方向で指向性を制御できる。
このことから、上記のように放射パターンが傾いた方向の無給電素子に接続された、リアクタンススイッチをオンあるいはオフすることで、無給電素子にキャパシタンスを接続あるいは切断して、無給電素子を反射器あるいは導波器にすることができるので、本実施の形態の構造では4方向で指向性を制御しながら指向性をさらに改善できる。
図14は本発明の指向性制御マイクロストリップアンテナの第8の実施の形態を示す上面図である。本実施の形態は第3の実施の形態の指向性制御マイクロストリップアンテナの放射素子に近接してリアクタンススイッチ37、38、39、40を介して電気長を変化させるリアクタンスとしてインダクタンス41、42、43、44が接続された無給電素子45、46、47、48を4個に配置した例である。
なお、無給電素子45、46、47、48は銅箔パターンに金メッキをした長方形のパターンからなり、無給電素子45、46、47、48の長さをLpとすると、Lp>2×(L−Ld)となっている。
正方形状の1辺にある第1の接続ピン13は図示されていないPINダイオードがオン(導通)になると、放射素子10は3個の第1の接続ピン13で地板(図示せず)と短絡する。
その場合、正方形状の1辺と向かい合う辺にある第2の接続ピン14は図示されていないPINダイオードがオフ(遮断)となり、地板と開放状態となる。さらに正方形状のその他の辺にある接続ピン18、19も図示されていないPINダイオードがオフ(遮断)となって地板と開放状態となる。
その結果、辺B近傍の磁流によって発生する電波は最大放射角度を天頂方向から辺Aの方向へ傾かせることができる。ここで、辺Bと近接した無給電素子46ではリアクタンススイッチ38がオフとなり、無給電素子46とインダクタンス42は切断される。
よって辺Bに近接した無給電素子46の電気長はLpとなる。ここで、Lp>2×(L−Ld)の関係があるので、無給電素子46は第1の接続ピン13で短絡した放射部に対して反射器として作用する。
一方、辺Aに近接する無給電子素子45について見ると、リアクタンススイッチ37がオンとなって無給電素子45とインダクタンス41が接続される。ここで、インダクタンス41が接続されたときの無給電素子45の電気長をLpxとすると、Lpx<2×Ldとなるようにインダクタンス41を選んでおけば、無給電素子45は第1の接続ピン13で短絡した放射部に対して導波器として作用する。
よって、第7の実施の形態と同様に第1の接続ピン13で短絡した放射部に対して最大放射角度が辺Aの方向に傾いた場合は、辺Aに近接して導波器があり、辺Bに近接して反射器がある構造となるため、第3の実施の形態と比較して辺Bの近傍の磁流から放射される電波は最大放射角度を辺Aの方向に傾かせながらさらに指向性を高めることができる。
本実施の形態においても、第7の実施の形態と同様に、PINダイオード(図示せず)のオン、オフにより接続ピン13〜19を地板と短絡ないし開放させて4方向で指向性を制御できる。
このことから、上記のように放射パターンが傾いた方向の無給電素子に接続されたリアクタンススイッチをオンあるいはオフすることで、無給電素子にインダクタンスを接続あるいは切断して、無給電素子を導波器あるいは反射器にすることができるので、4方向で指向性を制御しながら指向性をさらに改善できる。
本発明によれば、地板3と短絡する接続ピンを一方向について複数設けることができ、より接地面積が広くなる。その結果、放射部と無給電素子の境界を明確に分離することができ、放射パターンの指向性を向上できる。
本発明によれば、第1の接続ピン13で短絡した放射部の電気長はL−Ld、一端が短絡した無給電素子の電気長はLdであり、Ld<L−Ldの関係があることから、一端が短絡した無給電素子の電気長は第1の接続ピン13で短絡した放射部の電気長よりも短くなり、導波器と見なすことができ、前記の磁流による電波の最大放射角度を天頂方向から短絡した第1の接続ピン13の方向へ傾かせることができる。
同様な操作により放射パターンの最大放射角度をXYの2次元において2n方向で可変することができる。また、この構造でもL−Ldでほぼλ/4の定在波が立ち、Ld<L−Ldの関係があることから、放射素子10の長さLはλ/2よりも短くなる。よって通常のλ/2マイクロストリップアンテナよりも小さい面積で指向性制御アンテナを実現できる。
本発明によれば、放射素子10に近接してリアクタンススイッチを介して電気長を変化させるリアクタンスが接続されている無給電素子が配置され、無給電素子のリアクタンススイッチを導通あるいは遮断することで無給電素子は導波器または反射器とし作用する。そのため放射素子からの放射パターンの最大放射角度を1次元ないし2次元で可変しながら放射パターンの指向性を高めることができる。
本発明によれば、キャパシタンスが接続されたときの無給電素子の電気長をLpxとすると、Lpx>2×(L−Ld)となるようにキャパシタンスを選んでおけば、無給電素子は放射部に対して反射器として作用する。
よって放射部からの放射パターンの最大放射強度が傾いた方向に導波器があり、他方には反射器がある構造を実現でき、磁流から放射される電波は最大放射角度を2次元で制御しながらさらに指向性を高めることが可能となる。
本発明によれば、インダクタンが接続されたときの無給電素子の電気長をLpxとすると、Lpx<2×Ldとなるようにインダクタンスを選んでおけば、無給電素子は放射部に対して導波器として作用する。
よって放射部からの放射パターンの最大放射強度が傾いた方向に導波器があり、他方には反射器がある構造を実現でき、磁流から放射される電波は最大放射角度2次元で制御しながらさらに指向性を高めることが可能となる。
6 誘電体
10 放射素子
11 スイッチ(MEMSスイッチ)
12 給電点
13 接続ピン(第1の接続ピン)
14 接続ピン(第2の接続ピン)
15 スイッチ(MEMSスイッチ)
16 スイッチ(PINダイオード)
17 スイッチ(PINダイオード)
18 接続ピン
19 接続ピン
20 整合回路
21 スイッチ
22 リアクタンススイッチ
23 無給電素子
24 キャパシタンス
25 キャパシタンス
26 キャパシタンス
29 無給電素子
30 無給電素子
33 リアクタンススイッチ
34 リアクタンススイッチ
37 リアクタンススイッチ
38 リアクタンススイッチ
41 インダクタンス
42 インダクタンス
45 無給電素子
46 無給電素子
Claims (8)
- 誘電体の上面に中心に給電点を有する放射素子と前記誘電体の下面に地板を備え、かつ前記放射素子の内部にスイッチによって前記地板と短絡ないし開放となる接続ピンを、前記給電点を中心に対称に配置した指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、前記放射素子の長さをL、前記接続ピンと前記放射素子の端部との距離をLdとするとLd<L−Ldであり、かつ前記スイッチによって一方の接続ピンを前記地板と短絡した場合、他方の接続ピンを開放するようにしたことを特徴とする指向性制御マイクロストリップアンテナ。
- 前記スイッチによって線対称をなす片側の前記接続ピンを前記地板と短絡した場合、線対称をなす他方の側の接続ピンを開放するようにしたことを特徴とする請求項1記載の指向性制御マイクロストリップアンテナ。
- 誘電体の上面に中心に給電点を有する正2n角形状(nは2以上の正の整数)の放射素子と前記誘電体の下面に地板を備え、かつ前記放射素子の内部にスイッチによって前記地板と短絡ないし開放となる接続ピンを、前記給電点を中心に前記放射素子を縮小した正2n角形状(nは2以上の正の整数)状で配置したマイクロストリップアンテナにおいて、前記放射素子の対辺の間隔をL、前記接続ピンと前記放射素子の端部との距離をLdとするとLd<L−Ldであり、かつ前記スイッチによって前記正2n角形状の1辺にある前記接続ピンを前記地板と短絡した場合、向かい合う辺にある接続ピンを開放にし、さらに他の辺にある接続ピンを開放するようにしたことを特徴とする指向性制御マイクロストリップアンテナ。
- 誘電体の上面に中心に給電点を持つ円形の放射素子と前記誘電体の下面に地板を有し、かつ放射素子内部にスイッチによって前記地板と短絡ないし開放となる接続ピンを、前記給電点を中心に正2n角形状(nは2以上の正の整数)状で配置したマイクロストリップアンテナにおいて、前記放射素子の直径をL、前記接続ピンと前記放射素子の端部との距離をLdとするとLd<L−Ldであり、かつ前記スイッチによって前記正2n角形状の1辺にある前記接続ピンを前記地板と短絡した場合、向かい合う辺にある接続ピンを開放にし、さらに他の辺にある接続ピンを開放するようにしたことを特徴とする指向性制御マイクロストリップアンテナ。
- 前記給電点に整合回路を接続したことを特徴とする請求項1ないし4項のいずれか一項記載の指向性制御マイクロストリップアンテナ。
- 前記放射素子に近接してリアクタンススイッチを介して電気長を変化させるリアクタンスが接続されている無給電素子を配置し、前記無給電素子の前記リアクタンススイッチを導通あるいは遮断することで前記無給電素子を導波器または反射器とし作用させことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項記載の指向性制御マイクロストリップアンテナ。
- 前記リアクタンスがキャパシタンスであり、前記無給電素子の長さをLpとするとLp<2×Ldとなっており、前記リアクタンススイッチを遮断した場合に、前記無給電素子が導波器となり、前記リアクタンススイッチを導通した場合に前記無給電素子に前記キャパシタンスが装荷されて反射器となることを特徴とする請求項6記載の指向性制御マイクロストリップアンテナ。
- 前記リアクタンスがインダクタンスであり、前記無給電素子の長さをLpとするとLp>2×(L−Ld)となっており、前記リアクタンススイッチを遮断した場合に前記無給電素子が反射器となり、前記リアクタンススイッチを導通した場合に前記無給電素子に前記インダクタンスが装荷されて導波器となることを特徴とする請求項6記載の指向性制御マイクロストリップアンテナ。
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