JP2013201675A

JP2013201675A - アンテナ装置

Info

Publication number: JP2013201675A
Application number: JP2012069684A
Authority: JP
Inventors: Makoto Higaki; 垣誠桧; Shinki Nishio; 尾真貴西; Ippei Kashiwagi; 木一平柏
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2013-10-03
Anticipated expiration: 2032-03-26
Also published as: JP5675683B2; US9196955B2; US20130249769A1

Abstract

【課題】放射パターンを可変なアンテナ装置を低コストなものとして提供する。
【解決手段】本発明の一態様としてのアンテナ装置は、有限地板と、給電点と、複数の給電アンテナ素子と、切替スイッチと、複数の無給電素子とを備える。前記給電点は、前記有限地板に設けられる。前記複数の給電アンテナ素子は、前記有限地板の面から所定の高さにおいて、前記給電点に対し、放射状に配置される。前記切替スイッチは、前記複数の給電アンテナ素子から選択した1つの一端を前記給電点に接続する。前記複数の無給電素子は前記給電アンテナ素子にそれぞれに対応配置され、一端が前記有限地板に接続され、他端が前記給電アンテナ素子の他端と容量結合する。前記無給電素子の長さは、使用する無線周波数の略1／4波長である。前記給電アンテナ素子の他端から前記給電点までの長さは、前記無給電素子よりも短い。
【選択図】図1

Description

この発明の実施形態は、アンテナ装置に関し、たとえば放射指向性可変アンテナの構成に関する。

地板上に設置された給電モノポールアンテナの周囲に、一端が可変リアクタンス素子に接続された複数の無給電素子を配置する構成を有するアンテナ装置が提案されている。

特開2001-24431号公報

上記のアンテナ装置では、給電モノポールアンテナの周囲に配置された複数の無給電素子のそれぞれに可変リアクタンス素子を用いるため、必要な部品点数が多くなり、コストが増大するという問題があった。

本発明の一側面は、放射パターンを可変なアンテナ装置を低コストなものとして提供することを目的とする。

本発明の一態様としてのアンテナ装置は、有限地板と、給電点と、複数の給電アンテナ素子と、切替スイッチと、複数の無給電素子とを備える。

前記給電点は、前記有限地板に設けられる。

前記複数の給電アンテナ素子は、前記有限地板の面から所定の高さにおいて、前記給電点に対し、放射状に配置される。

前記切替スイッチは、前記複数の給電アンテナ素子から選択した1つの一端を前記給電点に接続する。

前記複数の無給電素子は前記給電アンテナ素子にそれぞれに対応配置され、一端が前記有限地板に接続され、他端が前記給電アンテナ素子の他端と容量結合する。

前記無給電素子の長さは、使用する無線周波数の略1／4波長である。

前記給電アンテナ素子の他端から前記給電点までの長さは、前記無給電素子よりも短い。

第一実施形態に係るアンテナ装置の構成図。図１のアンテナ装置の断面図。第二実施形態に係るアンテナ装置の構成図。第二実施形態に係るアンテナ装置により得られる放射指向性の一例を示す図。

以下、図面を参照しながら、本実施の形態について詳細に説明する。

図1は、第一実施形態に係るアンテナ装置の構成図である。図2は、図1のアンテナ装置の無給電素子4-1,4-3を含む面で切った断面図を示す。無給電素子4-2,4-4を含む面で切った断面図も、図2と同様であり、従ってその図示を省略する。

図1のアンテナ装置は、有限地板1と、有限地板1上に配置された給電点Pと、給電アンテナ2(2-0, 2-1, 2-2, 2-3, 2-4)と、切替スイッチ3と、無給電素子4-1, 4-2, 4-3, 4-4とを備える。

給電アンテナ2の導体素子（給電線）2-0は、一端が給電点Pに接続され、他端は地板に垂直方向に向いた線状素子である。

4つの枝（給電アンテナ素子）2-1, 2-2, 2-3, 2-4は、それぞれ有限地板1の面から所定の高さ（距離）で配置される線状の導体素子である。各枝は、有限地板1に平行であり、給電点Pを中心として、放射状に配置されている。本例では、互いに略等間隔（図示の例では平面的に略90度間隔）で配置されている。給電点P側から見ると、導体素子2-0の他端が、4つの枝2-1, 2-2, 2-3, 2-4に分岐したように見える。各枝は、本例では線状素子であるが、板状素子であってもよい。

それぞれの給電アンテナ素子の長さ、より詳細には給電アンテナ素子の他端（開放端）から給電点Pまでの導体素子2-0を含めた電気的な長さは、すべて使用する無線周波数に対応する波長の4分の1未満である。

切替スイッチ3は、導体素子2-0の他端を、各枝のいずれか選択した1つの枝の一端に、電気的に切替接続する多段切替型の高周波スイッチである。切替スイッチ3は、実際にはPIN(P-intrinsic-N)ダイオードスイッチ, FET(Field Effect Transistor)スイッチ, MEMS(Micro Electro Mechanical System)スイッチなどが使用される。どの枝を選択するかは、外部からの制御信号に応じて決定される。

無給電素子4-1, 4-2, 4-3, 4-4は、逆L字型の導体素子であり、いずれも一端が有限地板1に接続している。より詳細に、無給電素子4-1, 4-2, 4-3, 4-4は、地板1に平行な導体素子5-1, 5-2, 5-3, 5-4と、当該導体素子の一端を地板1に接続する導体素子6-1, 6-2, 6-3, 6-4とを含む。これらの導体素子は、本例では線状素子であるが、板状素子であってもよい。このとき、導体素子5-1, 5-2, 5-3, 5-4に対応する板状素子の面は、有限地板1に平行であっても垂直であってもよい。また無給電素子4-1, 4-2, 4-3, 4-4は、メアンダ形状を有しても良い。

導体素子5-1, 5-2, 5-3, 5-4は、導体素子2-1, 2-2, 2-3, 2-4と平行であり、導体素子2-1, 2-2, 2-3, 2-4より高い高さにおいて、互いに近接配置されている。平面的に見て、導体素子5-1, 5-2, 5-3, 5-4は、導体素子2-1, 2-2, 2-3, 2-4と一部互いに重なり合っている。

ただし、これは一例であり、本実施形態は、これに限定されない。たとえば平面的に見て、導体素子5-1, 5-2, 5-3, 5-4の一端が、導体素子2-1, 2-2, 2-3, 2-4の他端と、一直線状に向かいあうように配置されてもよい。ただし、この場合、設計の自由度が少なくなり、実用性は低下するが、装置の大型化が許容される場合は、採用される可能性もある。また、導体素子5-1, 5-2, 5-3, 5-4は、平面的に導体素子2-1, 2-2, 2-3, 2-4と重ならずに、間隔を開けて配置されてもよい。このとき、導体素子2-1, 2-2, 2-3, 2-4と同じ高さに配置されてもよい。

無給電素子4-1, 4-2, 4-3, 4-4は、使用する無線周波数に対応する波長λの略4分の1の長さを有する。給電アンテナ素子の開放端から給電点までの電気的な長さは、上述したように、当該波長の4分の1よりも小さく、無給電素子よりも短い。

無給電素子4-1, 4-2, 4-3, 4-4の開放端側の一部分と、給電アンテナの開放端側（枝2-1, 2-2, 2-3, 2-4の他端側）の一部分は、上述のように1対1で近接しており、これにより容量結合を形成する。

容量結合のため無給電素子と枝間の距離は、それぞれ波長λの10分の1以下であることが好ましい。10分の1波長以下では、先端の電荷同士静電界による結合が他の結合（誘導界＋放射界）よりも強くなるためである。これにより、後述するように、動作時に、給電アンテナよりも、無給電素子に多くの電流が流れ、所望の放射特性が得られる。

以上の構成により、アンテナの放射指向性を変化させることができる。以下、その動作について説明する。

給電点Pから給電アンテナ2に給電された無線信号は、高周波電流として切替スイッチ3で選択されている1つの枝に流れ、無給電素子4-1, 4-2, 4-3, 4-4のうち当該枝と近接している無給電素子に容量結合して、その無給電素子に高周波電流が流れる。

このとき、無給電素子は、無線周波数に対応する波長λの4分の1の全長を有するので、それよりも短い給電アンテナ素子よりも強く共振し、高周波電流は主に無給電素子側に流れる。よって、切替スイッチ3を切り替えると、高周波電流が流れる無給電素子も切り替わるため、放射指向性を変化させることができる。無給電素子の接地点を物理的に離れた場所に配置できるため、単一のスイッチを用いながら、放射パターンを大きく変化させることができる。

さらに、給電アンテナ素子の長さと無給電素子の長さを極端に違えて、給電アンテナ素子に流れる電流を小さくすれば、より大きく放射指向性を変化させることができる。これにより、実装スペースが小さくても、放射指向性可変な本アンテナを容易に実装できる。

また、地板が有限の大きさであるため、放射指向性は有限地板1に流れる電流にも影響される。高周波電流が流れる無給電素子が切り替わるため、有限地板上の電流の方向も変化し、よって、有限地板上の電流に起因する放射指向性も大きく変化させることができる。

また、本実施形態では、可変素子として、パッケージ化された多段切替スイッチ3を1つだけ使えば良いので、少ない部品点数でコストを、従来に比べて削減することができる。すなわち、従来のように無給電素子ごとに可変リアクタンス素子を配置する必要は無い。

図3は、第二実施形態に係るアンテナ装置の構成図である。図3に示すアンテナ装置は、有限地板1と、給電点Pと、給電アンテナ12（12-0,12-1,12-2）と、切替スイッチ13と、無給電素子14-1(15-1,16-1), 14-2(15-2,16-2)から構成されている。

第一の実施形態と異なり、給電点Pが地板の辺に配置されている。また、給電アンテナ12は、給電点P側からみて2つの枝に分岐した形状を有する。つまり、給電アンテナ12の枝の個数は2つ（12-1,12-2）となっている。これら以外は、基本的に、第一実施形態と同一である
無給電素子14-1, 14-2は、矩形の有限地板1の角に一端が接続されている。無給電素子14-1, 14-2の導体素子15-1,15-2は、有限地板1の辺に平行である。これ以外は、第一実施形態の無給電素子と同一である。

また、その他の構成部材は、第一実施形態に記載の内容と同一であるので、説明を割愛する。

第一実施形態の場合と同様、切替スイッチ13を切り替えることにより、高周波電流の流れる無給電素子も切り替わり、放射指向性を変化させることができる。

また、無給電素子が有限地板の角に接続されているため、有限地板上の高周波電流が、有限地板1の2つの対角線方向に切り替わり、放射指向性を大きく変化させることができる。これにより、無給電素子の有限地板1に垂直な方向の高さ（導体素子16-1,16-2の長さ）が小さく、そのために高周波電流の流れる無給電素子を切り替えても放射指向性が変化しにくいような状況であっても、放射指向性を大きく変化させることができる。

つまり、無給電素子の有限地板1に垂直な方向の高さ（導体素子16-1,16-2の長さ）が小さいと、導体素子16-1,16-2からの放射寄与は少なくなり、また、導体素子15-1,15-2の電流成分は地板を流れる電流との打ち消しにより放射寄与が少なくなる。しかしながら、本実施形態では、有限地板の角に無給電素子を接続することで、対角線方向に有限地板を流れる電流を切り換えることができるため、放射指向性を大きく変化させることができる。

なお、切替スイッチを1つだけ使えば良いので、少ない部品点数でコストを削減することができるのは第一の実施形態と同様である。

図4は図3のアンテナを解析した時のzx面内の放射指向性である。座標の取り方は図3に図示している。実線はスイッチが図3中のアンテナの枝12-1を選択した場合、破線は図3中のアンテナの枝12-2を選択した場合である。図4のように、有限地板1に垂直な+z方向に対して、選択した無給電素子側に傾いた放射指向性が得られており、大きく放射指向性が変化できることが理解される。

上述した第一実施形態では無給電素子が4つの場合、第二実施形態では無給電素子が2つの場合を示したが、この限りではなく、2以上の無給電素子数であれば、任意の個数が可能である。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

1…有限地板
2…給電アンテナ
P…給電点
2-0、12-0…導体素子（給電線）
2-1,2-2,2-3,2-4…枝（導体素子、給電アンテナ素子）
3…切替スイッチ
4-1, 4-2, 4-3, 4-4…無給電素子
5-1,5-2,5-3,5-4…導体素子
6-1,6-2,6-3,6-4…導体素子
12…給電アンテナ
12-1,12-2…枝（導体素子、給電アンテナ素子）
14-1,14-2…無給電素子
15-1,15-2…導体素子
16-1,16-2…導体素子

Claims

有限地板と、
前記有限地板に設けられる給電点と、
前記有限地板の面から所定の高さにおいて、前記給電点に対し、放射状に配置された複数の給電アンテナ素子と、
前記複数の給電アンテナ素子から選択した1つの一端を前記給電点に接続する切替スイッチと、
前記給電アンテナ素子にそれぞれに対応配置され、一端が前記有限地板に接続され、他端が前記給電アンテナ素子の他端と容量結合する、複数の無給電素子と、
を備え、
前記無給電素子の長さは、使用する無線周波数の略1／4波長であり、
前記給電アンテナ素子の他端から前記給電点までの長さは、前記無給電素子よりも短い、
アンテナ装置。
前記給電アンテナ素子と前記無給電素子間の距離は、前記使用する無線周波数の波長の10分の1以下である
請求項1に記載のアンテナ装置。
前記有限地板は矩形形状を有し、
前記無給電素子の一端は、前記有限地板の角に接続された
請求項1または2に記載のアンテナ装置。
前記無給電素子は、逆Ｌ字型の素子である
請求項1ないし3のいずれか一項に記載のアンテナ装置。