JP5504944B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、給電素子と無給電素子とにより構成された、指向性を変化させることができるアンテナ装置に関するものであって、特に小型化が可能であることに特徴を有するものである。

指向性を変化させることができるアンテナ装置として、従来よりエスパアンテナと呼ばれるアンテナ装置が知られている（たとえば特許文献１）。この特許文献１に記載のアンテナ装置は、給電素子から１／４波長離れた位置に複数の無給電素子を配置し、各無給電素子に可変リアクタンス素子を接続した構成であり、給電素子および各無給電素子は、それぞれ接地導体上に配置されたモノポールアンテナである。無給電素子に設けられた可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることで、アンテナ装置の指向性を変化させることができる。

２００１−２４４３１

しかし、特許文献１のアンテナ装置では、給電素子と無給電素子との間隔を１／４波長とする必要があった。また、給電素子、無給電素子それぞれは、モノポールアンテナであり、高さは約１／４波長であった。そのため、アンテナ装置全体の大きさは、１／２波長×１／２波長×１／４波長程度となっており、小型に構成することができなかった。

そこで本発明の目的は、給電素子と無給電素子とにより構成される指向性可変なアンテナ装置を小型化することである。

第１の発明は、給電素子と、給電素子から所定距離離間して配置された少なくとも１つの無給電素子と、によって構成されたアンテナ装置において、接地導体を有し、給電素子は、接地導体の上部に、その接地導体と離間し、かつその接地導体の主面に平行に、配置された第１金属板と、接地導体と第１金属板との間に設けられた給電部と、接地導体と第１金属板とを電気的に接続する少なくとも１つの第１短絡部と、を有し、無給電素子は、所定の周波数において左手系で動作する伝送線路であり、第１金属板は、少なくとも１つの切り欠きを有し、平面視でその切り欠きの内側に、無給電素子の全部ないし一部を配置させる、ことを特徴とするアンテナ装置である。

無給電素子は、所望の周波数帯域において左手系で動作する伝送線路であれば、任意の構造のものを用いることができる。特に、接地導体の上部に離間し、かつその接地導体に平行に、金属板を複数配置し、それら金属板を金属ワイヤなどの短絡部によって接地導体と接続した構造（いわゆるマッシュルーム構造）の左手系伝送線路を用いることが望ましい。無給電素子の高さを給電素子の高さと同程度とすることができ、アンテナ装置全体の高さを低減することができる。また、左手系伝送線路として、いわゆる梯子型構造の伝送線路を用いてよい。これは、所定距離離間して配置された２本の金属線と、２本の金属線のうち少なくとも一方に直列に挿入されたキャパシタと、２本の金属線に並列に接続されたインダクタと、によって構成された単位セルを直線状に配列した構造の伝送線路である。

また、無給電素子には、可変リアクタを設けることが望ましい。リアクタンスの変更によって無給電素子の共振周波数が変化し、給電素子と無給電素子との結合状態が変化するために、アンテナ装置の指向性を可変とすることができる。特に可変キャパシタを設けることが、構造上簡便で望ましい。

給電素子の第１金属板は、任意の平面パターンでよいが、アンテナ装置の設計、作製の容易さから正方形、長方形、菱形、円形などの対称性を有したパターンが望ましい。また、給電素子の第１短絡部は、接地導体と第１金属板とを電気的に接続するものであれば任意であるが、金属ワイヤを用いるのが簡便で好ましい。他にも第１短絡部としてスルーホールなどを用いてもよい。第１短絡部は、整合をとるために設けるものであり、複数の第１短絡部を設けて整合をとってもよい。

また、第１金属板と接地導体との間には、誘電体を設けてもよい。誘電体を設ける場合には、第１金属板と接地導体との間を完全に埋めるようにしてもよいし、一部を埋めるようにしてもよい。

また、本発明のアンテナ装置は、送信アンテナ、受信アンテナの双方に用いることができる。

第２の発明は、第１の発明において、無給電素子は、接地導体の上部に、その接地導体と離間し、かつその接地導体の主面に平行に、配置され、それぞれが所定距離離間して周期的に配置された複数の第２金属板と、接地導体と、複数の第２金属板のうち少なくとも１つとを接続する、少なくとも１つの第２短絡部と、を有することを特徴とするアンテナ装置である。

第１金属板と第２金属板は、同一平面内にあってもよいし、同一平面内になくてもよい。第２短絡部は、第１短絡部と同様に、接地導体と第２金属板とを電気的に接続するものであれば任意のものでよいが、金属ワイヤを用いるのが簡便で好ましい。他にも第２短絡部としてスルーホールなどを用いて接続してもよい。複数の第２金属板は、周期的な配列により左手系で動作するのであれば任意のパターンに配列してよく、直線状に１列に配列してもよいし、格子状に配列してもよい。

また、第２金属板と接地導体との間には、誘電体を設けてもよい。誘電体を設ける場合には、第２金属板と接地導体との間を完全に埋めるようにしてもよいし、一部を埋めるようにしてもよい。

第３の発明は、第２の発明において、複数の第２金属板のうち、第２短絡部と接続された第２金属板に隣接する２つの第２金属板には、第２短絡部が接続されていない、ことを特徴とするアンテナ装置である。

第４の発明は、第２の発明または第３の発明において、複数の第２金属板は、直線状に１列に配列されている、ことを特徴とする。

第５の発明は、第２の発明から第４の発明において、第２短絡部は、金属ワイヤであることを特徴とするである。

第６の発明は、第１の発明から第５の発明において、無給電素子は、可変リアクタまたは可変キャパシタを有することを特徴とするアンテナ装置である。

第７の発明は、第２の発明から第５の発明において、各第２金属板の間に直列に接続された可変キャパシタを有することを特徴とするアンテナ装置である。

第８の発明は、第２の発明から第５の発明、および第７の発明において、第２金属板と接地導体との間に誘電体を有することを特徴とするアンテナ装置である。

第９の発明は、第１の発明から第８の発明において、第１短絡部は、金属ワイヤであることを特徴とするアンテナ装置である。

第１０の発明は、第１の発明から第９の発明において、第１金属板と接地導体との間に誘電体を有することを特徴とするアンテナ装置である。

第１の発明によると、給電素子と無給電素子とで構成されるアンテナ装置の大きさを小型にすることができる。特に、給電素子の高さ（接地導体の面に垂直な方向）を、約１／２０波長と大きく低減することができる。また、無給電素子を給電素子の給電部側により近づけることができるので、アンテナ装置全体の大きさをさらに小型化することができる。

また、第２の発明によると、無給電素子の高さも約１／２０波長と大きく低減することができ、アンテナ装置全体の高さを大きく低減することができる。

また、第３、４の発明によると、左手系で動作する無給電素子を容易に設計、作製することができる。

また、第５の発明のように、第２短絡部として金属ワイヤを用いることで、本発明のアンテナ装置における無給電素子を容易に作製することができる。

また、第６の発明のように、無給電素子のリアクタンスを可変とすることで、無給電素子の共振周波数が変化するため、給電素子と無給電素子との結合状態が変化し、これによってアンテナ装置の指向性を変化させることができる。特に、無給電素子のキャパシタンスを可変とすることで、より容易にアンテナ装置の指向性を可変とすることができる。また、第７の発明によれば、可変キャパシタを有する無給電素子を容易に設計、作製することができる。

また、第８の発明によれば、無給電素子をより小型化することができるので、アンテナ装置全体の大きさをより小型にすることができる。

また、第９の発明のように、第１短絡部として金属ワイヤを用いることで、本発明のアンテナ装置における給電素子を容易に作製することができる。

また、第１０の発明によれば、給電素子をより小型化することができるので、アンテナ装置全体の大きさをより小型にすることができる。

実施例１のアンテナ装置の構成を示した図。 無給電素子２の構成を示した図。 単位セル２０の構成を示した平面図。 単位セル２０の構成を示した断面図。 単位セル２０の分散特性を示した図。 無給電素子の反射特性を示した図。 アンテナ装置の反射特性を示した図。 アンテナ装置の指向性を示した図。 本発明の他のアンテナ装置の構成を示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１のアンテナ装置の構成を示した図である。アンテナ装置は、１つの給電素子１と、１つの無給電素子２とにより構成されており、いずれも接地導体３上部に配置されている。

給電素子１は、第１金属板１０と、給電ピン１１と、金属ワイヤからなる４つの短絡ピン１２（本発明の第１短絡部に相当）と、によって構成されたマッシュルーム構造の素子である。第１金属板１０は、接地導体３の上部に接地導体３に対して平行に配置されている。第１金属板１０と接地導体３との間隔は、０．０３λ１である。ここで、λ１は７００ＭＨｚでの電磁波の自由空間波長である。第１金属板１０の中央部と接地導体３との間に、接地導体３に垂直な給電ピン１１が設けられている。第１金属板１０は一辺が０．３５λ１の正方形であり、４つの切り欠き１３を有している。切り欠き１３は、正方形の各辺に平行な辺で構成された長方形であり、第１金属板１０の中央部を中心として十字型に４つの切り欠き１３を有している。切り欠き１３の幅は０．０６λ１、長さは０．１４λ１である。この４つの切り欠きにより、第１金属板１０は給電ピン１１の接続する正方形状の中央部と、中央部の４つの角にそれぞれ接続する４つの正方形状の領域とに区画されている。４つの正方形状の領域は、それぞれが接地導体３に垂直な短絡ピン１２によって接地導体３と接続されている。この短絡ピン１２は、整合をとるために設けたものであり、必要に応じて短絡ピン１２の数を増減してもよい。

図２は、無給電素子２の構成を示した図である。無給電素子２は、単位セル２０を一方向に直線状に４つ並べた構造である。図３は、単位セル２０の構成を拡大して示した平面図、図４は、単位セル２０の構成を拡大して示した断面図である。

単位セル２０は、図３、図４のように、第２金属板２１と、誘電体基板２２と、短絡ピン２３（本発明の第２短絡部に相当）と、可変キャパシタ２４と、によって構成されたマッシュルーム構造である。誘電体基板２２は、接地導体３の上部に接地導体３に対して平行に配置されている。誘電体基板２２は厚さ０．００４λ２、誘電率２．６である。ここで、λ２は７５０ＭＨｚでの電磁波の自由空間波長である。第２金属板２１は、誘電体基板２２の接地導体３と対向する側とは反対側の表面上に形成されている。接地導体３と第２金属板２１との間隔は０．０３λ２である。単位セル２０において第２金属板２１は、長辺が０．０５λ２、短辺が０．０１５λ２である３つの長方形の金属板２１ａ、２１ｂ、２１ｃで構成されており、長方形の短手方向に０．００２５λ２の間隔を開けて並べて配置されている。３つの金属板２１ａ、２１ｂ、２１ｃのうち、中央の金属板２１ｂは短絡ピン２３と接続されていて、短絡ピン２３によって接地導体３と金属板２１ｂとが接続されている。短絡ピン２３の半径は０．００１２λ２である。この中央の金属板２１ｂに隣接する金属板２１ａ、２１ｃには短絡ピン２３は接続されていない。金属板２１ａと２１ｂとの間、および、２１ｂと２１ｃとの間には、それぞれ可変キャパシタ２４が直列に接続されている。可変キャパシタ２４には、たとえばバラクタを用い、印加する電圧を制御することでキャパシタンスを可変とする。他にも、複数のキャパシタをスイッチによって切り換えることでキャパシタンスを可変としてもよい。

なお、単位セル２０同士が隣接する部分では、一方の単位セル２０の金属板２１ａと他方の単位セル２０の金属板２１ｃ、または一方の単位セル２０の金属板２１ｃと他方の単位セル２０の金属板２１ａが電気的に接続されるが、無給電素子２ではこれは金属板２１ａと金属板２１とが一体となった連続する１枚の金属板で構成している。

このように、実施例１のアンテナ装置における無給電素子２では、短絡ピン２３と接続された金属板２１ｂに隣接する金属板２１ａ、２１ｃには、短絡ピン２３を設けないことにより、所望の周波数帯域において左手系で動作する無給電素子２を容易に設計することができるようにしている。また、実施例１のアンテナ装置における無給電素子２では、誘電体基板２２上に第２金属板２１を形成することで、無給電素子２を小型化している。

図５は、単位セル２０の分散特性を示した図である。可変キャパシタ２４のキャパシタンスを５．４５ｐＦとした場合には、７５０ＭＨｚにおいて単位セル２０の位相変化量がπ／４となり、可変キャパシタ２４のキャパシタンスを６．４５ｐＦとした場合には、７００ＭＨｚにおいて単位セルの位相変化量がπ／４となっていることがわかる。また、図５の分散曲線を見るとわかるように、位相速度は正、群速度は負となっており、左手系で動作していることがわかる。この単位セルを４つ直線状に周期的に配置して無給電素子２を構成することで、左手系の基本モードの共振を得ることができる。

図６は、無給電素子２の一端からマイクロストリップ線路で給電した場合の無給電素子２の反射特性を示した図である。可変キャパシタ２４のキャパシタンスは５．４５ｐＦとした。この図から、７１２ＭＨｚにおいて共振が得られていることがわかる。なお、図５に示した分散特性の共振点と周波数が異なっているのは、無給電素子２の単位セル数が有限であることと、線路終端が開放となっていることによるものである。

なお、実施例１のアンテナ装置における無給電素子２では、単位セルを直線状に一列に並べた周期的構造としたが、単位セルをマトリクス状に配列するなど他の周期的な配列とした構造として左手系動作を実現してもよい。

以上のようにして構成された無給電素子２は、図１に示されているように、平面視において給電素子１の切り欠き１３の内部にその一部（４セル中約３セル分）が含まれるように配置されている。これにより、無給電素子２を給電素子１の給電ピン１１側に近づけることができ、アンテナ装置全体の大きさをより小型とすることができる。ここで、給電素子１の第１金属板１０と接地導体との間隔は０．０３λ１、無給電素子２の第２金属板２１と接地導体との間隔は０．０３λ２であり、第１金属板１０と第２金属板２１とが同一平面内にないが、同一平面内となるように設計してもよい。

図７は、実施例１のアンテナ装置の反射特性を示した図である。可変キャパシタ２４のキャパシタンスを５．４５ｐＦとした場合には７１５ＭＨｚ、６．４５ｐＦとした場合には６６０ＭＨｚで急峻な阻止帯域が形成されていることがわかる。つまり、無給電素子２の可変キャパシタ２４のキャパシタンスを変化させることでアンテナ装置の反射特性を変化させることができることがわかる。これは、可変キャパシタ２４のキャパシタンスの変化によって無給電素子２の共振周波数が変化し、給電素子１と無給電素子２との電気的な結合状態が変化するためである。

図８は、可変キャパシタ２４のキャパシタンスを５．４５ｐＦとした場合の阻止帯域近傍の７１２ＭＨｚにおけるアンテナ装置の指向性を示した図である。座標軸は、図８（ｃ）に示されているように、給電ピン１１と第１金属板１０との接続点を原点とし、第１金属板１０に垂直な方向をｚ軸正方向、ｚ軸に垂直で、無給電素子２の線路方向をｘ軸正方向、ｚ軸とｘ軸に垂直な方向をｙ軸とした。図８（ａ）は、ｚｘ平面における指向性であり、図８（ｂ）は、ｘｙ平面における指向性である。６．４５ｐＦとした場合には、水平面（ｘｙ平面）において無指向性のパターンが得られている。これは、可変キャパシタ２４のキャパシタンスを６．４５ｐＦとした場合における無給電素子２の共振周波数が、給電素子１の共振周波数から離れているため、無給電素子２と給電素子１との電気的結合が弱く、給電素子１にほとんど影響を与えないためである。一方、５．４５ｐＦとした場合には、無給電素子２の共振周波数が給電素子１の共振周波数に近いため、給電素子１と無給電素子２とが電気的に強く結合し、７１２ＭＨｚにおいては無給電素子２が反射器として作用するため、ヌル点を有したｘ軸の負方向に最大利得の指向性となる。

このように、可変キャパシタ２４のキャパシタンスを変化させることで、無給電素子２の共振状態（給電素子１と無給電素子２とが電気的に強く結合する状態）と非共振状態（給電素子１と無給電素子２とが電気的に結合しない状態）とを切り替えることができ、アンテナ装置の指向性を変化させることができる。

この指向性可変な実施例１のアンテナ装置は、動作周波数７１２ＭＨｚ（自由空間波長で約４２．１ｃｍ、以下λとする）に対し、水平面（ｘｙ平面）での大きさは、おおよそ０．４λ四方であり、おおよそ０．５λ四方となる従来のエスパアンテナに比べて小型にすることができている。また、アンテナ装置の高さ（ｚ軸方向の長さ）は、第１金属板１０と接地導体３との間隔におおよそ等しく０．０３λであり、おおよそ０．２５λの高さとなる従来のエスパアンテナに比べて非常に低背化することができている。

なお、実施例１のアンテナ装置における給電素子１には、無給電素子２が配置されていない３つの切り欠き１３が設けられているが、これは図９に示すように、残り３つの切り欠きにも無給電素子２を配置することを考慮したものである。このように４つの無給電素子２を配置し、４つの無給電素子２のうち１つを共振状態、他の３つを非共振状態となるよう可変キャパシタ２４のキャパシタンスを制御することで、ｘ軸の正方向・負方向、ｙ軸の正方向・負方向の４方向のうち１方向にビームを向けることができる指向性可変で小型なアンテナ装置を実現することが可能である。

なお、実施例１では、無給電素子としてマッシュルーム構造のものを用いたが、本発明はこの構造に限るものではなく、所望の周波数帯域において左手系で動作する構造であれば任意の構造のものを用いることができる。たとえば、左手系で動作する梯子型伝送路を用いてもよい。

また、実施例１ではキャパシタのキャパシタンスを可変とすることで無給電素子２の共振周波数を変化させているが、インダクタンスを可変とすることで、またはキャパシタンスとインダクタンスの双方を可変とすることで共振周波数を変化させるようにしてもよい。また、動作周波数を変化させることでも、アンテナ装置の指向性を可変とすることができる。

また、実施例１の給電素子１では、第１金属板と接地導体との間に何も設けなかった（つまり、空気層により満たされている）が、誘電体を設けることで、給電素子の小型化を図ってもよい。この場合、誘電体は第１金属板と接地導体との間を完全に埋めるようにしてもよいし、一部を埋めるようにしてもよい。たとえば、無給電素子２と同様に、誘電体基板上に第１金属板を形成し、接地導体の上部に誘電体基板を配置する構成でもよい。また、実施例１の無給電素子２では、第２金属板を誘電体基板２２上に設けることで、第２金属板と接地導体との間の一部に誘電体を設けているが、第２金属板と接地導体との間を完全に誘電体で埋める構成としてもよい。

また、実施例１はアンテナ装置を送信アンテナとして用いた場合を示しているが、本発明のアンテナ装置は受信アンテナとしても用いることができる。

本発明の指向性可変なアンテナ装置は小型にできるため、ＵＨＦ帯を利用した無線通信システムに特に有効である。

１：給電素子
２：無給電素子
３：接地導体
１０：第１金属板
１１：給電ピン
１２、２３：短絡ピン
１３：切り欠き
２０：単位セル
２１：第２金属板
２２：誘電体基板
２４：可変キャパシタ

Claims (10)

1. 給電素子と、前記給電素子から所定距離離間して配置された少なくとも１つの無給電素子と、によって構成されたアンテナ装置において、
   接地導体を有し、
   前記給電素子は、
   前記接地導体の上部に、その接地導体と離間し、かつその接地導体の主面に平行に、配置された第１金属板と、
   前記接地導体と前記第１金属板との間に設けられた給電部と、
   前記接地導体と前記第１金属板とを電気的に接続する少なくとも１つの第１短絡部と、
   を有し、
   前記無給電素子は、所定の周波数において左手系で動作する伝送線路であり、
   前記第１金属板は、少なくとも１つの切り欠きを有し、平面視でその切り欠きの内側に、前記無給電素子の全部ないし一部を配置させる、
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記無給電素子は、
   前記接地導体の上部に、その接地導体と離間し、かつその接地導体の主面に平行に、配置され、それぞれが所定距離離間して周期的に配置された複数の第２金属板と、
   前記接地導体と、複数の前記第２金属板のうち少なくとも１つとを接続する、少なくとも１つの第２短絡部と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 複数の前記第２金属板のうち、前記第２短絡部と接続された前記第２金属板に隣接する２つの前記第２金属板には、前記第２短絡部が接続されていない、ことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 複数の前記第２金属板は、直線状に１列に配列されている、ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記第２短絡部は、金属ワイヤであることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
6. 前記無給電素子は、可変リアクタまたは可変キャパシタを有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
7. 前記第２金属板のそれぞれの間に直列に接続された可変キャパシタを有することを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
8. 前記第２金属板と前記接地導体との間に誘電体を有することを特徴とする請求項２ないし請求項５、請求項７のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
9. 前記第１短絡部は、金属ワイヤであることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
10. 前記第１金属板と前記接地導体との間に誘電体を有することを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のアンテナ装置。