JP4807705B2 - 低姿勢型アンテナ構造体 - Google Patents

Description

本発明は、低姿勢なアンテナ構造体に関し、特に指向性を電気的に制御することができるアンテナ構造体に関する。

アンテナの指向性を変更するのに、アンテナを空間的に傾斜、回転等する方法の他、電気的な手法がある。この手法は、指向性の異なった複数のアンテナを設けて、それを択一的に選択するダイバーシティアンテナや、特許文献１に開示のアレーアンテナが知られている。
また、特許文献２には、テレビ受像機の背面等に設けた給電素子と無給電素子とを磁気結合させることにより、指向性を可変とする技術が開示されている。
特開２００２−１１８４１４号公報 特開２００５−２５２４０６号公報

しかしながら、特許文献２のものはテレビ受像機等の電波到来方向がある程度しぼられた用途で有用なものであるが、移動体通信システムでは、空間分割多重（以下、ＳＤＭ：Ｓｐａｃｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術を適用するため、より指向性の高いアンテナが必要である。特にビーム・ヌル形成を高い自由度で制御する技術が必要とされる。

さらに移動体通信システムで用いる送受信機は、携帯機器であることが多く小型化も要求される。例えば、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）用途では２．４５ＧＨｚ帯の高周波帯域を利用することで、アンテナの小型化が図られている。このように、使用周波数を高くすることでアンテナ素子の小型化が可能であるため、今後より高い周波数の帯域利用をみこして、そのサイズメリットを活かせるアンテナ構造体が求められる。

しかし特許文献１のアンテナは、高周波帯域の利用によりアンテナ素子自体は小型化可能であるものの、ダイポール素子やモノポール素子から構成されるため、送受信機の金属筐体や回路基板から十分離して設置するか、それらを地板として、そこから起立する状態で設けざるを得ない。そのため、アンテナが送受信機から外側へ大きく突出し、持ち運びに不便な構成となってしまう。

本発明はかかる点に鑑み、高周波帯域を利用した場合のサイズメリットを活かした低姿勢型であり、且つ高い自由度で指向性を制御できるアンテナ構造体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るアンテナ構造体は、地板上において、低姿勢型の逆Ｆ型アンテナである給電素子２個が、Ｘ軸上の原点を挟んで正負方向等距離の位置に配置されるとともに、前記給電素子と外形寸法が同一の逆Ｆ型アンテナである無給電素子２個が、Ｘ軸に直交したＹ軸上の原点を挟んで正負方向に、原点から前記給電素子までの距離と等距離の位置に配置され、前記２個の給電素子は、給電素子間において所望する位相差をもたせて給電する給電手段が接続され、前記２個の無給電素子は、それぞれに可変リアクタンス素子が接続され、リアクタンス値に応じて各無給電素子の電気長を変更できる構成とされていることを特徴とする。

上記の構成により、本発明に係るアンテナ構造体では、複数の給電素子間に給電する信号の位相差を調整することにより、フェーズドアレーアンテナを形成し、給電素子の配列方向に指向性を制御することができる。その一方で無給電素子に接続された可変リアクタンス素子を、容量性と誘導性との間で調整すると、無給電素子の電気長が変更される。ここで無給電素子は、電気長を短くすることで導波器の特性を示し、電気長を長くすることで反射器の特性を示すので、本発明に係るアンテナ構造体では、無給電素子の配列方向にも指向性を制御することができる。

このように本発明に係るアンテナ構造体は、フェーズドアレーアンテナと八木・宇田アンテナの特徴を併せ持つことから、高い自由度で指向性を制御することができる。さらに、給電素子、無給電素子のいずれもが低姿勢構造のため嵩張らず、携帯機器への内蔵用途に適した薄型構造を実現することができる。
ここで、前記給電素子、及び前記無給電素子の本数が、それぞれ２本であり、２本の給電素子がＸ軸上の原点を挟んで正負方向等距離の位置に配置され、無給電素子は、Ｘ軸に直交したＹ軸上の原点を挟んで正負方向等距離の位置に配置された構成とすることができる。

この構成によって、Ｘ軸方向には給電素子間に給電する信号の位相差調整により指向性を制御することができ、Ｙ軸方向には無給電素子に装荷した可変リアクタンス素子のリアクタンス値調整により指向性を制御することができる。
従って、本発明に係るアンテナ構造体は、給電素子、無給電素子があわせて４本という少素子構成でありながら、ＸＹ軸を含む水平面内で指向性を様々な方向に振り向けることができる。

また、前記給電素子と無給電素子は、いずれも外形寸法が同一の逆Ｆ型アンテナであり、前記給電素子のＸ軸上原点からの距離と、前記無給電素子のＹ軸上原点からの距離とが等しく調整された構成とすることができる。
また、前記逆Ｆ型アンテナの、地板に垂直に交差する２本の導体部分と両導体部分の上端を短絡する水平導体部分とを素子本体部分と称し、前記水平導体部分の一端から更に地板に並行に延出され、延出端が遊端となった長尺導体部分をインピーダンス整合部と称した場合、給電素子の素子本体部分がＸ軸上に配置され、インピーダンス整合部は、Ｙ軸と平行な方向に延伸されており、無給電素子の素子本体部がＹ軸上に配置され、インピーダンス整合部は、Ｘ軸と平行な方向に延伸される形態で実施することができる。

また、前記２本の給電素子のインピーダンス整合部同士の延伸方向、並びに２本の無給電素子のインピーダンス整合部同士の延伸方向は、互いに反対方向とされ、且つ、給電素子のインピーダンス整合部と、隣の無給電素子のインピーダンス整合部とは、何れか一方が他方へ近づく方向に延伸され、前記他方が前記一方から離れる方向に延伸されている形態で実施することができる。

この構成によって、本発明に係るアンテナ構造体は、Ｘ軸方向には給電素子の素子本体部の設置位置より外方でインピーダンス整合部が占める空間を抑えることができ、Ｙ軸方向には無給電素子の素子本体部の設置位置より外方でインピーダンス整合部が占める空間を抑えることができる。このような素子形状は、アンテナ構造体の占有面積低減に効果がある。

また、給電素子の地板に垂直に交差する２本の導体部分の一方には、給電電源が挿入され、他方は、地板に接続されており、無給電素子の地板に垂直に交差する２本の導体部分の一方には、可変リアクタンス素子が挿入され、他方は、地板に接続されている形態で実施することができる。
また、前記給電素子は、給電電源が挿入された導体部分の基端からインピーダンス整合部の遊端までの長さが、おおよそλ／４とされ（λは送信信号の波長）、前記給電素子、無給電素子の各々は、ＸＹ平面の原点からλ／８離れた所に配置される形態で実施することができる。

さらに、前記給電素子、無給電素子のインピーダンス整合部の遊端側が、基端側に対して地板に平行で、隣の無給電素子、給電素子の素子本体部に近づく方向に折り曲げられている形態で実施することができる。
これによって、インピーダンス整合部が占める空間をさらに抑えることができる。
例えば、インピーダンス整合部の遊端側を、給電素子、無給電素子の素子本体部の設置位置を囲む正方形の各辺に沿って折り曲げることで、本発明に係るアンテナ構造体の占有面積を、図３１の上段に示すように、一辺がおおよそλ／４の正方形に収めることができる。このような構造であれば、図３１の下段に示す特許文献１のものに比較して、同じ使用周波数で横幅１／２、縦幅１／√３にサイズを抑えることができる。

また、前記給電手段は、２つの給電素子に給電する信号の位相を、少なくともｎπ／２ラジアン（ｎ＝１、２、３、４）並びにこれらの位相の間の中間的な位相に変化する可変位相器を含む構成とすることができる。
これによって、複数の給電素子を、エンドファイアアレー、ブロードサイドアレー等、様々なアレーアンテナとして機能させることができ、ＸＹ面内の指向性を、更に高い自由度で制御することができる。

ここで、前記給電素子、無給電素子は、地板上に配置された逆Ｆ型アンテナと地板を取り去った状態で等価となる、逆Ｆ型アンテナ部分とＦ型アンテナ部分とを接合した構成のアンテナ素子で置換された構成とすることができる。
また、前記複数の給電素子、複数の無給電素子の少なくとも一以上が逆Ｌ型アンテナ若しくはＴ型アンテナ素子である構成とすることができる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
〔実施の形態１〕
<構成>
図１は、本発明に係るアンテナ構造体１の斜視図である。
アンテナ構造体１は金属板（以下、地板という。）１５上に、給電素子１１、１２、無給電素子１３、１４を配置した構成である。

地板１５内のＸＹ直交座標系において、給電素子１１、１２は、Ｙ軸上の原点からそれぞれ正方向、負方向にλ／８離れた位置に配置され（λは、送信または受信周波数の空間波長）、無給電素子１３、１４は、Ｘ軸上の原点からそれぞれ正方向、負方向にλ／８離れた位置に配置されている。たとえば、使用周波数を２．４５ＧＨｚとすれば、給電素子１１、１２間の距離はλ／４＝３０．５ｍｍとなる。

本実施形態では、給電素子１１、１２、無給電素子１３、１４の何れも外形寸法が同一の逆Ｆ型アンテナ構造のものを使用している。
図２の（ａ）は、給電素子１２の構造を模式的に示す図である。
給電素子１２は、素子本体部１２ｃとインピーダンス整合部１２ｄとからなる。
素子本体部１２ｃは、地板１５に垂直に交差する第１、第２の導体部分１２ａ、１２ｂと、これらの導体部分の上端を短絡する地板平行部分とからなる。第１、第２の導体部分１２ａ、１２ｂは距離Ｌｐの間隔でＹ軸上に垂下しており、第１の導体部分１２ａの垂下端には給電回路２２から信号が給電され、第２の導体部分１２ｂの垂下端は地板１５に接地されている。

第１の導体部分１２ａに接続されている給電回路２２は可変位相器を含み、励振振幅、並びに励振位相を任意の値に調整して給電素子１２へ信号を給電することができる。
ここで素子本体部１２ｃの地板平行部分とインピーダンス整合部１２ｄとは地板１５に対して平行であり、一般に逆Ｆ型アンテナ素子では地板に平行な部分は非放射素子となるため、給電素子１２では、地板１５に垂直な第１、第２の導体部分１２ａ、１２ｂから垂直偏波が放射される。

インピーダンス整合部１２ｄは、第１の導体部分１２ａの上端からＸ軸に平行にＸ軸の負方向へ長さＬ１延出した後、Ｙ軸の正方向に屈曲し、延出端が遊端となっている。第１の導体部分１２ａの垂下端からインピーダンス整合部１２ｄの遊端までの長さ（ｈ＋Ｌ１＋Ｌ２）が、おおよそλ／４となるようにインピーダンス整合部１２ｄの長さを設定することで、給電系インピーダンスに対して良好な整合特性が得られる。

本実施形態では、第１、第２の導体部分１２ａ、１２ｂの長さｈ、第１、第２の導体部分１２ａ、１２ｂの間隔Ｌｐ、及びインピーダンス整合部１２ｄの各部位の長さＬ１、Ｌ２は、使用周波数２．４５ＧＨｚで給電素子１２の入力インピーダンスの虚数部が０になるよう、以下の値に調整されている。
ｈ＝１１．０ｍｍ （０．０９００λ）
Ｌ１＝１７．８ｍｍ （０．１４５２λ）
Ｌ２＝４．９ｍｍ （０．０４００λ）
Ｌｐ＝２．５ｍｍ （０．０２０２λ）
もう一方の給電素子１１は、給電素子１２と略同一の形状であり、給電素子１２に対してＸＹ座標の原点対称に配置されている。そのため、給電素子１１のインピーダンス整合部は、第１の導体部分の上端から、給電素子１２とは逆にＸ軸の正方向へ延伸した後、Ｙ軸の負方向に屈曲している。

無給電素子１３、１４についても給電素子１２と略同一の形状であるが、図２の（ｂ）に無給電素子１３の例を示すように、第１の導体部分１３ａの垂下端に、可変リアクタ２３が装荷され接地されている点で給電素子１２と相違する。可変リアクタ２３は、コントロール回路（不図示）からの制御信号によりリアクタンス値を任意の値に調整することができる。

また、無給電素子１３は、第１、第２の導体部分１３ａ、１３ｂが距離Ｌｐの間隔でＸ軸上に垂下しており、無給電素子１３のインピーダンス整合部１３ｄは、第１の導体部分１３ａの上端から、Ｙ軸の正方向へ延伸した後、Ｘ軸の正方向に屈曲している。
無給電素子１３と原点対称に配置された、もう一方の無給電素子１４のインピーダンス整合部は、第１の導体部分の上端から、無給電素子１３とは逆にＹ軸の負方向へ延伸した後、Ｘ軸の負方向に屈曲している。

以上のように構成することで、図３に示すように、アンテナ構造体１は、地板１５の鉛直上方から俯瞰した場合、給電素子１１、１２、無給電素子１３、１４が、一辺が（λ／４＋２×Ｌｐ）＝３５．５ｍｍの正方形内に収まる形状となる。
＜動作＞
次に上記構成において、Ｘ軸方向へビーム形成する原理を説明する。図４は、アンテナ構造体１においてＸ軸方向へビーム形成する原理を模式的に示す図である。

給電素子１１、１２は、給電する信号の励振位相φ１、φ２を一致させ同相励振させると、ブロードサイドアレーとして動作し、ＸＹ水平面内において、Ｘ軸の正負両方向へビームを形成する。
無給電素子１３、１４は、装荷された可変リアクタ２３、２４のリアクタンス値Ｘ３、Ｘ４を変化させると、リアクタンス値に応じて電気長が変化する。具体的には、リアクタンス値Ｘ３、Ｘ４を負の値に調整し容量性をもたせると無給電素子１３、１４のアンテナ長が給電素子のそれより短くなり、無給電素子は導波器としての特性になる。逆に、リアクタンス値Ｘ３、Ｘ４を正の値に調整し誘導性をもたせると無給電素子１３、１４のアンテナ長が給電素子のそれより長くなり、無給電素子は反射器としての特性となる。

したがって、同相励振により給電素子１１、１２をブロードサイドアレーとして動作させつつ、このとき、Ｘ軸の正負相反する位置に配置された無給電素子１３、１４のアンテナ長を相反する方向へ変更することで一方を導波器、他方を反射器として機能させることにより、アンテナ構造体１を八木・宇田アンテナと同様に機能させることができる。
具体的には、図４の（ａ）に示すように、給電回路２１、２２に同相で給電させつつ、可変リアクタ２３のリアクタンス値Ｘ３を大きく、可変リアクタ２４のリアクタンス値Ｘ４を小さくすることで、Ｘ軸の正方向へビームを形成することができる。逆に、図４の（ｂ）に示すように、給電回路２１、２２に同相で給電させつつ、可変リアクタ２３のリアクタンス値Ｘ３を小さく、可変リアクタ２４のリアクタンス値Ｘ４を大きくすることで、Ｘ軸の負方向へビームを形成することができる。

続いて上記構成において、Ｙ軸方向へビーム形成する原理を説明する。図５は、アンテナ構造体１においてＹ軸方向へビーム形成する原理を模式的に示す図である。
給電素子１１、１２は、素子間がλ／４離間しているため、それぞれに給電する信号の励振位相φ１、φ２に、９０°の位相差を与えると、エンドファイアアレーとして動作し、Ｙ軸の正方向、又は負方向へビームを形成する。

したがって、可変リアクタ２３、２４のリアクタンス値Ｘ３、Ｘ４を同じ値に調整することにより、Ｙ軸を対称軸として無給電素子１３、１４を同様の特性で機能させつつ、このとき、励振位相φ１、φ２に９０°の位相差を与えることで給電素子１１、１２をエンドファイアアレーとして動作させることにより、アンテナ構造体１を２給電素子からなるフェーズドアレーアンテナと同様に機能させることができる。

具体的には、図５の（ａ）に示すように、可変リアクタ２３、２４のリアクタンス値Ｘ３、Ｘ４を一致させ、給電回路２１が供給する信号の位相を、給電回路２２が供給する信号の位相よりも９０°遅らせることで、Ｙ軸の正方向へビームを形成することができる。また、図５の（ｂ）に示すように、可変リアクタ２３、２４のリアクタンス値Ｘ３、Ｘ４を一致させ、給電回路２１が供給する信号の位相を、給電回路２２が供給する信号の位相よりも９０°進ませることで、Ｙ軸の負方向へビームを形成することができる。

さらに、上記構成においてアンテナ構造体１は、給電回路２１、２２から給電素子１１、１２へ給電する信号の励振振幅Ａ１、Ａ２を調整することによっても指向性制御が可能であり、これらを励振位相φ１、φ２、リアクタンス値Ｘ３、Ｘ４に組み合せて調節することで、より高い自由度でビーム形成制御が可能となる。
図６〜図１０は、モーメント法の電磁界解析プログラムであるＮＥＣ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｄｅ）を用いて計算したアンテナ構造体１の水平面内指向性利得Ｇｄを示す図である。図中、Ａ１、Ａ２の単位は［Ｖ］、φ１、φ２の単位は［ｄｅｇ］、Ｘ３、Ｘ４の単位は［Ω］、Ｇｄの単位は［ｄＢ］であり、方位角Φは、Ｘ軸正方向を０°としている。

アンテナ構造体１は、パラメータＡ１、Ａ２、φ１、φ２、Ｘ３、Ｘ４の各値を、図６の（ａ）〜（ｄ）に示すように調整すると、Φ＝０°、３０°、６０°、９０°の各方向にビームを形成している。また、９０°〜１８０°、１８０°〜２７０°、２７０°〜３６０°の各方向についても、図６の（ａ）〜（ｄ）に示すパラメータ条件で、それぞれＸ軸、原点、Ｙ軸について対称な位置の給電回路、可変リアクタを調整することにより同様の結果が得られる。

これらにより、アンテナ構造体１は、励振振幅Ａ１、Ａ２、励振位相φ１、φ２、及びリアクタンス値Ｘ３、Ｘ４の各値を適切に調節することで、ＸＹ水平面内の任意方向にビーム形成が可能であることが分かる。
さらにアンテナ構造体１は、パラメータＡ１、Ａ２、φ１、φ２、Ｘ３、Ｘ４の各値を、図７の（ａ）〜（ｅ）に示すように調整すると、Φ＝０°方向へビームを形成しつつ、黒塗り矢印で指す様々な方向にヌルを形成している。

同様に、パラメータＡ１、Ａ２、φ１、φ２、Ｘ３、Ｘ４の各値を、図８の（ａ）〜（ｆ）、図９の（a）〜（f）、図１０の（a）〜（e）に示すように調整すると、それぞれビーム方向をΦ＝３０°、６０°、９０°に固定しつつ、黒塗りの矢印で指す様々な方向にヌルを形成している。
以上より、アンテナ構造体１は、励振振幅Ａ１、Ａ２、励振位相φ１、φ２、及びリアクタンス値Ｘ３、Ｘ４の各値を適切に調節することで、任意方向へのビーム形成に加えて、ＸＹ水平面内で高い自由度でヌル形成を制御可能であることが分かる。
〔実施の形態１の変形〕
基本的な構成は、実施の形態１と同じであるが、細部においては異なった形で実施することのできる構成を列挙する。

1) 給電素子、無給電素子のインピーダンス整合部を屈曲させることなく、図１１に示すように、給電素子３１、３２のインピーダンス整合部を地板３５上のＹ軸と平行に、無給電素子３３、３４のインピーダンス整合部をＸ軸と平行に延伸させて構成する。この構成とすれば、アンテナ構造体の全体としての占有面積は実施の形態１より大きくなるが、給電素子、無給電素子とも平板形状となり、銅等の金属板から打ち抜いて形成することができる。このように打ち抜き形状とする場合は、大量生産に向き、コスト低減が図れ、実用的価値が高い。なお、打ち抜き型でなく、Ｆ型パターンを形成したプリント基板を用いることもできる。

2) 図１２に示すように、給電素子４１、４２の素子本体部をＹ軸に直交させて配置し、無給電素子４３、４４の素子本体部をＸ軸に直交させて配置する。この構成とすれば、給電素子、無給電素子の占有面積が実施の形態１の場合と同様でありながら、素子本体部の地板平行部分に対してインピーダンス整合部を屈曲させて延出する必要がなく、給電素子、無給電素子とも形状が簡易なものとなる。

3) 給電素子１１、１２、無給電素子１３、１４を、図１３に示すように、逆Ｌ型アンテナ構造の給電素子５１、５２、無給電素子５３、５４で構成する。逆Ｌ型アンテナは逆Ｆ型アンテナよりも構造が簡易であるため、この構成とすれば、コスト低減を図ることができる。
4) 給電素子１１、１２、無給電素子１３、１４を、図１４に示すように、Ｔ型アンテナ構造の給電素子６１、６２、無給電素子６３、６４で構成する。Ｔ型アンテナ素子は、実施の形態１で用いた逆Ｆ型アンテナ素子よりも構造が簡易であるため、コスト低減を図ることができる。

5) 図１５に示すように、給電素子１４１、１４２、無給電素子１４３、１４４とも、図１に示すそれぞれの給電素子、無給電素子に鏡像対称な逆Ｆ型アンテナ素子を接合した構造とする。この構成においては、地板は存在しない。
給電素子１４１、１４２、無給電素子１４３、１４４とも、垂直導体部分の長さは、実施の形態１の各素子の第１、第２の導体部分の長さの２倍となるが、支持面１４５の鉛直上方から俯瞰した場合、インピーダンス整合部は、実施の形態１と同様に一辺３５．５ｍｍの正方形の範囲内に収まる。図中、１４６、１４７、１４８、１４９は、給電素子１４１、１４２、無給電素子１４３、１４４を支持面１４５から適当距離離して保持するための保持具である。支持面１４５は、前の各実施の形態と異なり、地板である必要は無い。

電気的特性は実施の形態１と同じである。
〔実施の形態２〕
上記の実施の形態１に係るアンテナ構造体１は、２つの給電素子と２つの無給電素子とを地板に配置した構成とされていたが、実施の形態２では、アンテナ素子数を増やし、より細やかに指向性を制御できるアンテナ構造体について説明する。

具体的には、実施の形態２に係るアンテナ構造体２は、３つの給電素子と３つの無給電素子とを地板７１上の正六角形の頂点に交互に配置した構造としている。図１６は、その構成を示している。
アンテナ構造体２において、給電素子７２、７３、７４、無給電素子７５、７６、７７が配置される正六角形は一辺の長さがλ／４√３であり、給電素子同士の間隔はλ／４となり、それぞれの無給電素子同士の間隔はλ／４となる。

給電素子７２、７３、７４、無給電素子７５、７６、７７は、何れも逆Ｆアンテナ構造であり、インピーダンス整合部を、正六角形の中心を通る対角線と平行に延伸させている。
給電素子７２、７３、７４の一方の垂下導体部分には、給電回路７８、７９、８０が接続され、無給電素子７５、７６、７７の一方の垂下導体部分には、可変リアクタ８１、８２、８３が挿入されている。

給電回路７８、７９、８０が給電する信号の励振振幅、励振位相を変化させて給電素子７２、７３、７４をフェーズドアレーとして動作させ、可変リアクタ８１、８２、８３のリアクタンス値を変化させて無給電素子７５、７６、７７に導波器、反射器の特性を発揮させるのは、実施の形態１に係るアンテナ構造体１と同様であるので、説明は省略する。
以上の構成によりアンテナ構造体２は、実施の形態１に係るアンテナ構造体１に比較して、給電素子、無給電素子ともに素子数が多いため、励振振幅、励振位相、リアクタンス値の調整は複雑となるが、３本の給電素子からなるフェーズドアレーと、導波器または反射器として機能する３本の無給電素子とをそれぞれ機能させることで、アンテナ構造体１よりも細やかに指向性を制御することができる。

また、アンテナ構造体２は、実施の形態１に係るアンテナ構造体１に比較して占有面積は大きくなるが、嵩高さは同程度であり、機器への内蔵用途に有益な薄型形状で構成することができる。
〔実施の形態２の変形〕
1) 図１７に示すように、４つの給電素子と４つの無給電素子とを地板９１上の正八角形の頂点に交互に配置する。正八角形の中心を通る１本の対角線上に配置された２つの給電素子間の間隔はλ／４である。正八角形の中心を通る１本の対角線上に配置された２つの無給電素子間の間隔も同様にλ／４である。

給電素子９２、９３、９４、９５の一方の垂下導体部分には、給電回路１００、１０１、１０２、１０３が接続され、無給電素子９６、９７、９８、９９の一方の垂下導体部分には、可変リアクタ１０４、１０５、１０６、１０７が装荷されている。
給電回路１００、１０１、１０２、１０３が給電する信号の励振振幅、励振位相を変化させて給電素子９２、９３、９４、９５をフェーズドアレーとして動作させ、可変リアクタ１０４、１０５、１０６、１０７のリアクタンス値を変化させて無給電素子９６、９７、９８、９９に導波器、反射器の特性を発揮させるのは、実施の形態１に係るアンテナ構造体１と同様である。

2) 図１８に示すように、地板１１１上にλ／４離間して給電素子１１２、１１３を配置する。給電素子１１２、１１３は、これらの素子の配列軸と平行でそれぞれ互いに相反する方向にインピーダンス整合部が延伸する。さらに給電素子１１２、１１３の何れか一方を中心とし他方を１頂点とした地板１１１上の２つの正六角形の残りの各頂点に、無給電素子１１４〜１２１を配置する。

給電素子１１２、１１３の一方の垂下導体部分には、給電回路１２２、１２３が接続され、無給電素子１１４〜１２１の一方の垂下導体部分には、可変リアクタ１２４〜１３１が装荷されている。
給電回路１２２、１２３が給電する信号の励振振幅、励振位相を変化させて給電素子１１２、１１３をフェーズドアレーとして動作させ、可変リアクタ１２４〜１３１のリアクタンス値を変化させて無給電素子１１４〜１２１に導波器、反射器の特性を発揮させる。
〔実施の形態３〕
上記実施の形態１、２、並びにそれらの変形例では、給電素子、及び無給電素子として逆Ｆ型アンテナ素子を用いる構成について説明したが、本発明に係るアンテナ構造体は他の低姿勢型アンテナ素子を用いて構成することもできる。実施の形態３では、低姿勢型アンテナ素子の他の例であるパッチアンテナ素子を用いて構成したアンテナ構造体について説明する。

図１９は、本発明に係るアンテナ構造体３の斜視図である。
アンテナ構造体３は、誘電体基板２０１の一方の面（以下、下面という）に地板２０２を設け、誘電体基板２０１の他の面（以下、上面という）に給電素子２１１〜２１３、無給電素子２１４〜２１６、及び中心素子２１７を設けた構成である。
給電素子２１１〜２１３、無給電素子２１４〜２１６、及び中心素子２１７は、何れも導体板部分が同一寸法の正六角形をしたパッチアンテナ構造のものを使用している。

アンテナ構造体３を比誘電率ε_ｒの誘電体基板２０１の鉛直上方から俯瞰すると、図２０に示すように、中心素子２１７は、誘電体基板２０１上のＸＹ直交座標系の原点に配置され、給電素子２１１〜２１３は、Ｘ軸正方向を０°として２７０、３０、１５０°の各方向でＸＹ原点からそれぞれの導体板部分の中心までの距離が等しい位置に配置され、無給電素子２１４〜２１６は、２１０、３３０、９０°の各方向でＸＹ原点からそれぞれの導体板部分の中心までの距離が等しい位置に配置されている。ここで、ＸＹ原点から給電素子２１１〜２１３及び無給電素子２１４〜２１６のそれぞれの導体板部分の中心までの距離は、おおよそλｅ／２程度（λe＝λ／√ε_ｒ）に調整することが好ましい。

本実施の形態に係るアンテナ構造体３では、使用周波数を５．６ＧＨｚ、誘電体基板の比誘電率ε_ｒを４．４、誘電体基板の厚さを１．５ｍｍとして、一辺８ｍｍの正六角形の導体板部分を１ｍｍの間隔をあけて配列させることで、隣り合う導体板部分の中心間距離が１４．９ｍｍに調整されている。
また、本実施の形態では使用周波数５．６ＧＨｚで給電系インピーダンスとの整合をとるために、給電素子２１１〜２１３は、それぞれ原点からの距離が１１．３６ｍｍの位置で導体板から地板側に垂下した垂下導体部分２１１ａ〜２１３ａに、給電回路からの信号が給電されている。

また、無給電素子２１４〜２１６も同様に、原点からの距離が１１．３６ｍｍの位置で地板側に垂下導体部分２１４ａ〜２１６ａが垂下しており、この垂下導体部分２１４ａ〜２１６ａに可変リアクタが装荷されている。
中心素子２１７については、ＸＹ原点の位置で導体板の中央から垂下導体部分２１７ａが垂下し地板２０２と接地している。

以下に、給電素子、無給電素子、及び中心素子の構造について詳細を説明する。
図２１の（ａ）は、Ｙ軸を含み誘電体基板２０１に直交する面での、給電素子２１１の断面構造を模式的に示す図である。給電素子２１１は、垂下導体部分２１１ａと導体板部分２１１ｂとからなる。垂下導体部分２１１ａは、図２０に示すように、導体板部分２１１ｂの中心と原点とを結ぶ線分上で、原点からの距離が１１．３６ｍｍの位置で導体板部分２１１ｂから垂下しており、誘電体基板２０１及び地板２０２に穿たれたビアを貫通して、その垂下端に給電回路２２１から信号が給電されている。

垂下導体部分２１１ａに接続されている給電回路２２１は、実施の形態１の給電回路２１と同様に可変位相器を含み、励振振幅、並びに励振位相を任意の値に調整して給電素子２１１へ信号を給電することができる。
給電素子２１２、２１３についても、給電素子２１１と同様に構成されている。
図２１の（ｂ）は、無給電素子２１４及び中心素子２１７の導体板中心を通り誘電体基板２０１に直交する面での、無給電素子２１４の断面構造を模式的に示す図である。無給電素子２１４は、垂下導体部分２１４ａと導体板部分２１４ｂとからなり、垂下導体部分２１４ａは、導体板部分２１４ｂの中心と原点とを結ぶ線分上で、原点からの距離が１１．３６ｍｍの位置で導体板部分２１４ｂから垂下しており、誘電体基板２０１及び地板２０２に穿たれたビアを貫通して、その垂下端に可変リアクタ２２４が装荷され接地されている。可変リアクタ２２４は、実施の形態１の可変リアクタ２３と同様の構成であり、そのリアクタンス値を任意の値に調整することで、無給電素子２１４の電気長を調整することができる。

無給電素子２１５、２１６についても、無給電素子２１４と同様に構成されている。
図２１の（ｃ）は、Ｙ軸を含み誘電体基板２０１に直交する面での、中心素子２１７の断面構造を模式的に示す図である。
中心素子２１７は、垂下導体部分２１７ａと導体板部分２１７ｂとからなり、垂下導体部分２１７ａは、導体板部分２１４ｂの中心から垂下しており、誘電体基板２０１に穿たれたビアを貫通して、その垂下端が地板２０２に接地されている。

以上がアンテナ構造体３の構成についての説明である。
＜動作＞
次に上記構成において、給電素子方向へビーム形成する原理を説明する。図２２は、アンテナ構造体３において給電素子方向へビーム形成する原理を模式的に示す図である。
給電素子２１１〜２１３は、給電回路から給電される信号の励振位相φ２２１〜φ２２３に応じてビーム形成方向を制御することができる所謂フェーズドアレーアンテナとして機能する。

ここでビーム形成させたい方向の給電素子に隣接する２つの無給電素子が導波器、ビーム形成させたい方向の給電素子と原点を挟んで対向する無給電素子が反射器として機能するよう可変リアクタ２２４〜２２６のリアクタンス値Ｘ２２４〜Ｘ２２６を調整することで、給電素子方向へのビームをより絞ることができる。
具体的には、図２２に示すように、給電回路２２２、２２３が給電する信号の励振位相φ２２２、φ２２３を適切な値に設定して給電素子２１２、２１３を同相励振させることで、給電素子２１１〜２１３をＹ軸にそってビーム形成するフェーズドアレーとして動作させる。さらに、給電素子２１１に隣接する無給電素子２１４、２１５に装荷された可変リアクタのリアクタンス値Ｘ２２４、Ｘ２２５を小さくし、原点を挟んで給電素子２１１と対向する無給電素子２１６に装荷された可変リアクタ２２６のリアクタンス値Ｘ２２６を大きくして、無給電素子２１４、２１５に導波器、無給電素子２１６に反射器としての特性を持たせることで、ビーム形成方向を給電素子２１１方向に絞ることができる。

続いて上記構成において、無給電素子方向へビーム形成する原理を説明する。図２３は、アンテナ構造体３において無給電素子方向へビーム形成する原理を模式的に示す図である。
何れかの給電素子方向へビーム形成する場合には、無給電素子２１４〜２１６のうち２つを導波器、１つを反射器として機能させたが、何れかの無給電素子方向へビーム形成する場合には、ビーム形成させたい方向の無給電素子を導波器、残りの２つの無給電素子を反射器として機能させる。

具体的には、図２３に示すように、給電回路２２１及び２２３が給電する信号の励振位相φ２２１及びφ２２３を一致させて給電素子２１１及び２１３を同相励振させつつ、給電回路２２２が給電する信号の励振位相φ２２２を励振位相φ２２１及びφ２２３に対して適切な値に設定することで、給電素子２１１〜２１３を、Ｘ軸をＹ軸方向に６０°回転させた軸に沿ってビーム形成するフェーズドアレーとして動作させる。さらにここで、無給電素子２１４に装荷された可変リアクタのリアクタンス値Ｘ２２４を小さくし、原点を挟んで無給電素子２１４に対向する給電素子２１１の両隣の無給電素子２１５、２１６に装荷された可変リアクタ２２５、２２６のリアクタンス値Ｘ２２５、Ｘ２２６を大きくして、無給電素子２１４に導波器、無給電素子２１５、２１６に反射器としての特性を持たせることで、ビーム形成方向を無給電素子２１４方向に絞ることができる。

以下、アンテナ構造体３によるビーム形成の具体例を説明する。
図２４〜図２９は、アンテナ構造体３の三次元指向性利得を示す図である。図中、φ２２１〜φ２２３の単位は［ｒａｄ．］、Ｘ２２４〜Ｘ２２６の単位は［Ω］である。
アンテナ構造体３は、パラメータφ２２１〜φ２２３、Ｘ２２４〜Ｘ２２６の各値を、図２４〜図２９の各図に示すように調整することで、各図においてＸ軸正方向を０°として、３０°、９０°、１５０°、２１０°、２７０°、３３０°の各方向にビームを形成している。

これらの図により、アンテナ構造体３は、励振位相φ２２１〜φ２２３、及びリアクタンス値Ｘ２２４〜Ｘ２２６の各値を適切に調節することで、ＸＹ水平面内の任意方向へのビーム形成を制御可能であることが分かる。
また、図３０は、アンテナ構造体３から中心素子２１７を取り除いたアンテナ構造体で３０°方向へビーム形成した場合の三次元指向性を示す図である。図２４と図３０とでは各パラメータの値が同じ値に調整されているが、中心素子２１７を取り除いたアンテナ構造体では、図２４の場合と比較して打ち上げ角が高くなり地板に垂直なＺ軸方向への放射が強くなっている。

このように、中心素子２１７の有無によって、垂直面指向性の異なるアンテナ構造体を設計可能であることが分かる。
以上の構成によりアンテナ構造体３は、アンテナ素子としてパッチアンテナ構造のものを使用することで、実施の形態１、２に係るアンテナ構造体１、２に比較してより薄型の形状で構成することができる。
〔実施の形態３の変形〕
尚、実施の形態３では、パッチアンテナ素子を用いた給電素子及び無給電素子を３個ずつ有する構成のアンテナ構造体について説明したが、本発明は、他の構成としても実施可能である。

例えば、パッチアンテナ素子を用いた給電素子及び無給電素子が等間隔に、アンテナ構造体の中心から等距離に配置されたアンテナ構造体として、給電素子及び無給電素子を２個ずつ有する構成としても実施することができる。さらに、給電素子及び無給電素子の個数は、それぞれ４個以上であってもよい。
〔その他の変形例〕
最後に、上記各実施の形態は、給電素子、無給電素子はそれぞれ同一形状のものを使用しているが、本発明はこれに限られるものではなく、逆Ｆ型アンテナ素子、逆Ｌ型アンテナ素子、Ｔ型アンテナ素子、パッチアンテナ素子等の低姿勢アンテナ素子を任意に組み合せて実施することができる。

本発明に係るアンテナ構造体は、嵩張らず占有面積が小さいため携帯機器への内蔵用途に適し、特に水平面内の任意方向へ高い自由度でビーム・ヌルを形成することができるため、ＳＤＭ技術を適用した移動体通信システム用の携帯通信機器に有用である。

実施の形態１に係るアンテナ構造体１を示す図である。 （ａ）は、給電素子１１の構造を模式的に示す図、（ｂ）は、無給電素子１３の構造を模式的に示す図である。 アンテナ構造体１を地板１５の鉛直上方から俯瞰した図である。 （a）（b）は、アンテナ構造体１においてＸ軸方向へビーム形成する原理を模式的に示す図である。 （a）（b）は、アンテナ構造体１においてＹ軸方向へビーム形成する原理を模式的に示す図である。 （a）（b）（c）（d）は、方位角Φ＝０°〜９０°方向へビーム形成した場合の指向性利得Ｇｄを示す図である。 （a）（b）（c）（d）（e）は、Φ＝０°方向へビームを固定し、他の方向にヌルを形成した場合の指向性利得Ｇｄを示す図である。 （a）（b）（c）（d）（e）（f）は、Φ＝３０°方向へビームを固定し、他の方向にヌルを形成した場合の指向性利得Ｇｄを示す図である。 （a）（b）（c）（d）（e）（f）は、Φ＝６０°方向へビームを固定し、他の方向にヌルを形成した場合の指向性利得Ｇｄを示す図である。 （a）（b）（c）（d）（e）は、Φ＝９０°方向へビームを固定し、他の方向にヌルを形成した場合の指向性利得Ｇｄを示す図である。 実施の形態１の１変形例を示す図である。 実施の形態１の他の変形例を示す図である。 実施の形態１の他の変形例を示す図である。 実施の形態１の他の変形例を示す図である。 実施の形態１の他の変形例を示す図である。 実施の形態２のアンテナ構造体を示す図である。 実施の形態２の１変形例を示す図である。 実施の形態２の他の変形例を示す図である。 実施の形態３に係るアンテナ構造体３の斜視図である。 アンテナ構造体３を誘電体基板２０１の鉛直上方から俯瞰した図である。 （ａ）は、Ｙ軸を含み誘電体基板２０１に直交する面での、給電素子２１１の断面構造を模式的に示す図、（ｂ）は、無給電素子２１４及び中心素子２１７の導体板中心を通り誘電体基板２０１に直交する面での、無給電素子２１４の断面構造を模式的に示す図、（ｃ）は、Ｙ軸を含み誘電体基板２０１に直交する面での、中心素子２１７の断面構造を模式的に示す図である。 は、アンテナ構造体３において給電素子方向へビーム形成する原理を模式的に示す図である。 は、アンテナ構造体３において無給電素子方向へビーム形成する原理を模式的に示す図である。 方位角Φ＝３０°方向へビーム形成した場合の三次元指向性を示す図である。 方位角Φ＝９０°方向へビーム形成した場合の三次元指向性を示す図である。 方位角Φ＝１５０°方向へビーム形成した場合の三次元指向性を示す図である。 方位角Φ＝２１０°方向へビーム形成した場合の三次元指向性を示す図である。 方位角Φ＝２７０°方向へビーム形成した場合の三次元指向性を示す図である。 方位角Φ＝３３０°方向へビーム形成した場合の三次元指向性を示す図である。 アンテナ構造体３から中心素子２１７を取り除いたアンテナ構造体で方位角Φ＝３０°方向へビーム形成した場合の三次元指向性を示す図である。 図１のアンテナ構造体の利点を説明する図である。

符号の説明

１ アンテナ構造体
２ アンテナ構造体
３ アンテナ構造体
１１、１２ 給電素子
１２ａ、１３ａ 第１の導体部分
１２ｂ、１３ｂ 第２の導体部分
１２ｃ、１３ｃ 素子本体部
１２ｄ、１３ｄ インピーダンス整合部
１３、１４ 無給電素子
１５ 地板
２１、２２ 給電回路
２３、２４ 可変リアクタ
３１、３２ 給電素子
３３、３４ 無給電素子
３５ 地板
４１、４２ 給電素子
４３、４４ 無給電素子
４５ 地板
５１、５２ 給電素子
５３、５４ 無給電素子
５５ 地板
６１、６２ 給電素子
６３、６４ 無給電素子
６５ 地板
７１ 地板
７２〜７４ 給電素子
７５〜７７ 無給電素子
７８〜８０ 給電回路
８１〜８３ 可変リアクタ
９１ 地板
９２〜９５ 給電素子
９６〜９９ 無給電素子
１００〜１０３ 給電回路
１０４〜１０７ 可変リアクタ
１１１ 地板
１１２、１１３ 給電素子
１１４〜１２１ 無給電素子
１２２、１２３ 給電回路
１２４〜１３１ 可変リアクタ
１４１、１４２ 給電素子
１４３、１４４ 無給電素子
１４５ 支持面
２０１ 誘電体基板
２０２ 地板
２１１〜２１３ 給電素子
２１４〜２１６ 無給電素子
２１７ 中心素子
２１１ａ〜２１７ａ 垂下導体部分
２１１ｂ、２１４ｂ、２１７ｂ 導体板部分
２２１〜２２３ 給電回路
２２４〜２２６ 可変リアクタ

Claims (10)

1. 地板上において、低姿勢型の逆Ｆ型アンテナである給電素子２個が、Ｘ軸上の原点を挟んで正負方向等距離の位置に配置されるとともに、前記給電素子と外形寸法が同一の逆Ｆ型アンテナである無給電素子２個が、Ｘ軸に直交したＹ軸上の原点を挟んで正負方向に、原点から前記給電素子までの距離と等距離の位置に配置され、
   前記２個の給電素子は、給電素子間において所望する位相差をもたせて給電する給電手段が接続され、
   前記２個の無給電素子は、それぞれに可変リアクタンス素子が接続され、リアクタンス値に応じて各無給電素子の電気長を変更できる構成とされていることを特徴とするアンテナ構造体。
2. 前記逆Ｆ型アンテナの、地板に垂直に交差する２本の導体部分と両導体部分の上端を短絡する水平導体部分とを素子本体部分と称し、前記水平導体部分の一端から更に地板に並行に延出され、延出端が遊端となった長尺導体部分をインピーダンス整合部と称した場合、
   給電素子の素子本体部分がＸ軸上に配置され、インピーダンス整合部は、Ｙ軸と平行な方向に延伸されており、
   無給電素子の素子本体部がＹ軸上に配置され、インピーダンス整合部は、Ｘ軸と平行な方向に延伸されている
   ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ構造体。
3. 前記２個の給電素子のインピーダンス整合部同士の延伸方向、並びに２個の無給電素子のインピーダンス整合部同士の延伸方向は、互いに反対方向とされ、且つ、
   給電素子のインピーダンス整合部と、隣の無給電素子のインピーダンス整合部とは、何れか一方が他方へ近づく方向に延伸され、前記他方が前記一方から離れる方向に延伸されている
   ことを特徴とする請求項２記載のアンテナ構造体。
4. 前記給電素子は、地板に垂直に交差する２本の導体部分の一方に給電電源が挿入され、当該給電電源が挿入された導体部分の基端からインピーダンス整合部の遊端までの長さが、λ／４とされ（λは送信信号の波長）、
   前記給電素子、無給電素子の各々は、前記２本の導体部分のうち原点に近い側が、原点からλ／８離れた位置で地板に交差することを特徴とする請求項３記載のアンテナ構造体。
5. 前記給電素子、無給電素子のインピーダンス整合部の遊端側が、基端側に対して地板に平行で、隣の無給電素子、給電素子の素子本体部に近づく方向に折り曲げられていることを特徴とする請求項４記載のアンテナ構造体。
6. 前記給電手段は、２つの給電素子に給電する信号の位相を、少なくともｎπ／２ラジアン（ｎ＝１、２、３、４）並びにこれらの位相の間の中間的な位相に変化する可変位相器を含む構成であることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載のアンテナ構造体。
7. 前記給電素子、無給電素子は、それぞれの素子に鏡像対称な逆Ｆ型アンテナ部分を接合した構成のアンテナで置換されていることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載のアンテナ構造体。
8. 頂点が２ｎ個の地板上の多角形において、１頂点から時計回りに各頂点に番号を付した場合、低姿勢型の給電素子ｎ個（ｎは２以上の整数）が、奇数番目の頂点に配置されるとともに、低姿勢型の無給電素子ｎ個が、偶数番目の頂点に配置され、
   前記ｎ個の給電素子は、給電素子間において所望する位相差をもたせて給電する給電手段が接続され、
   前記ｎ個の無給電素子は、それぞれに可変リアクタンス素子が接続され、リアクタンス値に応じて各無給電素子の電気長を変更できる構成とされており、
   前記ｎ個の給電素子、前記ｎ個の無給電素子の少なくとも一以上が逆Ｌ型アンテナ、Ｔ型アンテナ、若しくはパッチアンテナであることを特徴とするアンテナ構造体。
9. 前記給電素子、及び前記無給電素子の全てが導体板を含むパッチアンテナであり、
   前記多角形の中心から、それぞれの給電素子及び無給電素子の導体板の中心までの距離が等しく調整されていることを特徴とする請求項８に記載のアンテナ構造体。
10. 地板上の前記多角形の各頂点に給電素子及び無給電素子を配置した状態で、前記多角形中央部の空所に、地板と接地されている導体板が配置されていることを特徴とする請求項９に記載のアンテナ構造体。