JP6391886B2 - アンテナ装置 - Google Patents
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Description
また、特許文献2では、1つの構造に給電点を複数設けることで2つのアンテナとして動作できるようにし、ダイバーシチの効果を得られるようにしたアンテナ装置が開示されている。
特許文献1の場合、半ループ形状の1/4波長モノポールのアンテナ素子の両端に何れかの端から給電するための連結スイッチを有している。そのため連結スイッチを切り替えることで給電点が変更されるが、いずれの端部から給電した場合でもアンテナは逆Lアンテナとして動作するものであり、放射パターンに大きな差は無い。そのため、スイッチの切り替え前後でのアンテナ相関は高く、ダイバーシチアンテナとしての効果は低いと考えられる。
また、特許文献2は、1つの構造に複数の給電点を設ける事でそれぞれ折り返しダイポールアンテナと逆Fアンテナとして動作させる方法が開示されている。この方法によると、折り返しダイポールアンテナと逆Fアンテナは放射パターンが全く異なっているためアンテナ間の相関は低くなると考えられ、ダイバーシチアンテナとしての効果は高くなる。しかしこの技術では、周囲環境によってアンテナ性能が変化しダイバーシチの効果が低下する課題は解決できていない。
特許文献2では1つの通信装置に前述のダイバーシチアンテナを2つ以上搭載する方法も開示されており、この場合2つのダイバーシチアンテナを搭載すれば4アンテナによるダイバーシチ機能を有することになるが、アンテナ素子を複数搭載する必要があるため実装に必要なスペースが大きくなると言う課題があった。
またスイッチが解放された状態では、第3の高周波入出力ポートから見ると第1の逆Fアンテナの素子と第2の逆Fアンテナの素子がダイポールアンテナの各素子として利用でき、第4の高周波入出力ポートから見ると第1の逆Fアンテナの短絡線と第2の逆Fアンテナの短絡線をモノポールアンテナ素子として利用できる。
すなわち、スイッチを切り替えることで1つの構造を4つのアンテナとして利用でき、ダイバーシチの効果が高くなる。
本発明を適用したアンテナ装置を例にとり発明の効果を説明する。
第1の逆Fアンテナ100は、第1のアンテナ素子101と第1の短絡線102と第1の給電線103と第1の高周波入出力ポート(第1の入出力点)104から構成され、地板160と第1の短絡線102の間に短絡スイッチ130(第1のスイッチ)を有する。
第2の逆Fアンテナ110は、第2のアンテナ素子111と第2の短絡線112と第2の給電線113と第2の高周波入出力ポート(第2の入出力点)114から構成され、第2の短絡線112は導体121と導体122を介して短絡スイッチ130と第1の短絡線102との接点に接続する。
モノポールアンテナ140は、第1のアンテナ素子101と第1の短絡線102と導体120と第2の短絡線112と第2のアンテナ素子111から構成され、導体120と地板160の間に第3の高周波入出力ポート(第3の入出力点)141を有する。
ダイポールアンテナ150は、第1のアンテナ素子101と第1の短絡線102と導体120と第2の短絡線112と第2のアンテナ素子111から構成され、第1のアンテナ素子101と第1の短絡線102の接続点と第2のアンテナ素子111と第2の短絡線112の接続点との間に第4の高周波入出力ポート(第4の入出力点)151を有する。
同時に、第2のアンテナ素子111は、第2の短絡線112と導体120、短絡スイッチ130によって地板160に接続されるため、第2の給電線113を介して第2の高周波入出力ポート114に送受信機を接続する事で、第2の逆Fアンテナ110として動作する。
典型的には、第1のアンテナ素子101の長さと第1の短絡線の長さを合わせた長さおよび、第2のアンテナ素子111の長さと第2の短絡線の長さを合計した長さは、いずれも波長の1/4の長さを持つアンテナ素子であるが、長さがそれ以外であっても本発明は実施可能であり、アンテナ性能を向上させるため長さを波長の1/4位が意図する事はアンテナ技術では一般的である。
例えば、第1の高周波入出力ポート104と第2の高周波入出力ポート114に接続した高周波入出力ポートに接続した受信機の受信レベルを比較し、受信レベルが高いほうのアンテナを送受信アンテナとして利用する選択ダイバーシチなどに利用できる。
第1の高周波入出力ポート104に波源を接続した場合、第1の逆Fアンテナ100が動作し、空間に電磁波が放射される。放射された電磁波は遠方へ伝播していくが、一部は近接して存在する第2の逆Fアンテナ110に受信され、第2の高周波入出力ポート114に吸収される。これがアンテナ間の結合であり、アンテナ間の相関が劣化する要因と成る。
チョーク構造は通常深さが波長の1/4の長さを持つ物が基本の形状として知られているが、第1の短絡線102と第2の短絡線112の長さが波長の1/4で無い場合でも同様の効果は得られる。第1の短絡線102と第2の短絡線112の長さが波長の1/4に近づくほど結合低減効果は大きくなり、すなわち第1の逆Fアンテナ100と第2の逆Fアンテナ110の相関は改善、つまりダイバーシチの効果が高くなる。
第3の高周波入出力ポート141は、導体120と地板160間に設けられた高周波入出力ポートであり、第3の高周波入出力ポート141に送受信機を接続する事で、第1のアンテナ素子101、第1の短絡線102、導体120、第2の短絡線112、第2のアンテナ素子111によってモノポールアンテナ140が得られる。
これらの導体(導体120、第1のアンテナ素子101、第1の短絡線102、第2のアンテナ素子111、第2の短絡線112)は、全て第3の高周波入出力ポート141の同極に接続されているため、導体上の高周波電流分布は全て同相となる。
すなわち、第3の高周波入出力ポート141に波源を接続した場合、第1のアンテナ素子101に流れる高周波電流から放射される電磁波と第2のアンテナ素子111に流れる高周波電流から放射される電磁波は逆位相となり弱めあう。
更に、導体120を第3の高周波入出力ポート141との接続点によって第1の導体部121と第2の導体部122に分割すると、第1の導体部121と第2の導体部122それぞれ流れる高周波電流から放射される電磁波も逆位相となり弱めあう。
従って、逆位相となる電磁波が完全に打ち消しあう場合を考えると、遠方への放射に寄与するのは第1の短絡線102と第2の短絡線112に分布する高周波電流だけであり、第3の高周波入出力ポートから見た場合には、第1の短絡線102と第2の短絡線112を導体としたモノポールアンテナが構成されている事に等しい。
この場合、モノポールアンテナ140から放射される電磁波は、第1の短絡線102と第2の短絡線112に分布する高周波電流から放射される垂直偏波が主偏波となる。
第4の高周波入出力ポート151に波源を接続した場合、第1のアンテナ素子101、第1の短絡線102、導体120、第2の短絡線112、第2のアンテナ素子111をアンテナ素子とするダイポールアンテナ150が得られる。
ダイポールアンテナ150において、短絡線102、導体120、短絡線112はダイポールアンテナの高周波入出力ポート両極を短絡するショートスタブとして動作しており、インピーダンス整合に資する。また第1の短絡線102と第2の短絡線112に分布する高周波電流から放射された電波は逆位相となるため弱めあい、第4の高周波入出力ポート151に接続された波源からの放射は第1のアンテナ素子101、導体120、第2のアンテナ素子111に分布する高周波電流から放射される水平偏波が主偏波となる。
ダイバーシチの方式が、複数のアンテナから最も受信電力が大きい、または信号対雑音比(Signal to Noise ratio)が最も大きいアンテナを選択して利用する切り替え方式の場合、同時に利用されるアンテナは1つだけとなる。従って、以下のような動作が考えられる。
まずは、短絡スイッチ130を短絡し、第1の逆Fアンテナ100と第2の逆Fアンテナ110の受信波を比較する。次に短絡スイッチ130を開放し、モノポールアンテナ140とダイポールアンテナ150の受信波を比較する。なお、本実施の形態では、短絡スィッチ130の短絡、開放の操作を行っているのは、図示していない制御装置が行うものとする。
短絡スイッチ130の各状態のうち、受信レベルが高いアンテナ同士を比較することで、4つのアンテナから最良の受信波を受信できるアンテナを選択する事ができる。従って、アンテナ装置の周囲環境の変化によってアンテナ性能が変化する性能劣化を軽減する事ができる。
次に短絡スイッチ130を開放し、モノポールアンテナ140とダイポールアンテナ150の受信波を合成した信号を受信する。短絡スイッチ130の各状態の合成された受信信号同士を比較することで、2つのダイバーシチアンテナ装置のうち特性に優れた方を選択する事ができる。なお、短絡スイッチ130を先に短絡しても開放してもどちらでも良い。
従って、アンテナ装置の周囲環境の変化によってアンテナ性能が変化しダイバーシチ性能が劣化する場合であっても、短絡スイッチ130を切り替えることでもう一組のダイバーシチアンテナが得られるので、優れたほうを採用する事でダイバーシチ効果の劣化を軽減する事ができる。
また、給電回路は、同軸ケーブルのような不平衡線路を介して接続しても良いし、ダイポールアンテナ150のような平衡系のアンテナの場合には、平衡不平衡変換回路を介して給電することが広く行われるため、このように接続してもよい。
また、各高周波入出力ポート部にギャップを設け、各ギャップに近接して設けた伝送線路からの結合によって給電する結合給電方式も考えられる。給電方法に係わらず本発明を適用したアンテナ装置が実現できる。
実施の形態1では、地板160と第1の短絡線102の間に短絡スイッチ130を設けたことにより、第1の逆Fアンテナと第2の逆Fアンテナが動作するモードとモノポールアンテナとダイポールアンテナが動作するモードを切り替えられるようにすることで、ダイバーシチの効果を高めた場合について説明した。
本実施の形態では、短絡スイッチを更に設けた場合について説明する。
図2は、本実施の形態に係るアンテナ装置の一例を示す構成図であり、図2において、図1と同一符号は同一または相当部分を示している。
本実施の形態に係るアンテナ装置は、実施の形態1と基本的な構成は同じであるが、第1のアンテナ素子101と第1の給電線103との間に第3のスイッチ201を設け、第2のアンテナ素子111と第2の給電線113との間に第4のスイッチ202を設け、第1のアンテナ素子101と第4の高周波入出力ポート151の間に第5のスイッチ203を設け、第2の短絡線112と導体120の接続点と地板160の間に第2の短絡スイッチ131(第2のスイッチ)を設けた点が異なる。
第1の短絡スイッチ130が短絡されている場合、第1の逆Fアンテナ100と第2の逆Fアンテナ110に高周波入出力ポートを接続するため、第3のスイッチ201と第4のスイッチ202を短絡する。同時に、第5のスイッチ203は開放する。第2の短絡スイッチ131は短絡する。
こうすることで、第3の高周波入出力ポート141と第4の高周波入出力ポート151を第1の逆Fアンテナ100と第2の逆Fアンテナ110から切り離すまたは短絡する事ができるので、第1の逆Fアンテナ100と第2の逆Fアンテナ110の性能が向上する。
例えば、本アンテナ装置を送信アンテナとして動作させる場合、第1の高周波入出力ポート104および第2の高周波入出力ポート114から給電した電力が、第3の高周波入出力ポート141と第4の高周波入出力ポート151に吸収される事を防ぐことができるので、給電した電力のうち遠方への放射に寄与する電力の割合を増やす事が可能となる。
こうすることで、第1の高周波入出力ポート104と第2の高周波入出力ポート114をモノポールアンテナ140およびダイポールアンテナ150から切り離す事ができるので、モノポールアンテナ140およびダイポールアンテナ150の性能が向上する。
例えば、本アンテナ装置を送信アンテナとして動作させる場合、第3の高周波入出力ポート141および第4の高周波入出力ポート151から給電した電力が、第1の高周波入出力ポート104と第2の高周波入出力ポート114に吸収される事を防ぐことができるので、給電した電力のうち遠方への放射に寄与する電力の割合を増やす事が可能となる。
なお、本実施の形態では、2つの短絡スイッチと3つのスイッチを用いた構成を例に用いて説明したが、これらのスイッチを全て利用することは必須ではなく、一部のスイッチのみを配置した場合でも効果が得られる事は明らかである。またスイッチは先に述べた半導体で構成される電気的なスイッチであっても良いし、リレーや微小電気機械システム(MEMS)のような機械的なスイッチでもよい。
実施の形態2では、短絡スイッチ130、短絡スイッチ131、スイッチ201、スイッチ202、スイッチ203を用いることにより、給電した電力のうち遠方への放射に寄与する電力の割合を増やす場合について説明した。
本実施の形態3では、これらのスイッチを集中定数素子(定数素子)に置き換えた場合について説明する。
図3は、本実施の形態に係るアンテナ装置の一例を示す構成図であり、図3において、図2と同一符号は同一または相当部分を示している。
本実施の形態に係るアンテナ装置は、実施の形態2と基本的な構成は同じであるが、第3のスイッチ201を第1の集中定数素子301で置き換え、第4のスイッチ202を第2の集中定数素子302で置き換え、第5のスイッチ203を第3の集中定数素子303で置き換え、第1の短絡スイッチ130を第4の集中定数素子330で置き換え、第2の短絡スイッチ131を第5の集中定数素子331で置き換えた点が異なる。
第1の集中定数素子301は、第1のアンテナ素子101と第1の給電線103を接続するように設けられている。第2の集中定数素子302は第2のアンテナ素子111と第2の給電線113を接続するように設けられている。第3の集中定数素子303は第4の高周波入出力ポート151を第1の短絡線102に接続するように設けられている。第4の集中定数素子330は第1の短絡線102を地板160に短絡するように設けられている。第5の集中定数素子331は第2の短絡線112を地板160に短絡するように設けられている。
従って実施の形態2におけるスイッチの接続を本実施の形態における集中定数素子の接続に、実施の形態2におけるスイッチの開放を本実施の形態における集中定数素子の除去に置き換えることで、実施の形態2と同様の効果を得ることが出来る。
また、機械的、電気的なスイッチは、いずれもジャンパ抵抗よりも高コストである。そのため、内蔵先ごとに最適なスイッチの状態を設計段階の事前評価によってあらかじめ特定しておき、スイッチの開放を集中定数素子の除去、スイッチの接続を集中定数素子の接続にそれぞれ置き換えて本アンテナを通信機器に内蔵することで、実施の形態2と同様の効果を得つつ通信装置の低コスト化を図ることが出来る。
また、実施の形態2において必要となるスイッチの制御線やバイアス線が必要なくなるため、アンテナ装置の構造が簡易化できるという効果を有する。
P=(Rd+Rr+Rp+jX)II*
ここで、jは虚数単位、I*は複素数Iの共役複素数である。この式から明らかな通り、アンテナに供給される電力Pが一定である場合、Rpが大きいほど放射電力RrII*は小さくなる。
XC=1/(2πfC)
実施の形態1から3では平面状の地板160上にアンテナ装置が設けられた場合について述べてきた。本実施の形態4では、略垂直の角を持つ地板400を用いてアンテナ装置を構成した場合について説明する。
図4は、本実施の形態に係るアンテナ装置の一例を示す構成図であり、図4において、図1と同一符号は同一または相当部分を示している。
本実施の形態に係るアンテナ装置は、実施の形態1と基本的な構成は同じであるが、地板160の代わりに、地板400を有する点が異なる。
地板400は、略垂直な角を持つ地板であって、地板400には第1の逆Fアンテナ100と第2の逆Fアンテナ110が第1の短絡スイッチ130と導体120を介して接地されている。
第1の高周波入出力ポート104は、第1の給電線103と地板400の間に設けられており、第2の高周波入出力ポート114は第2の給電線113と地板400の間に設けられている。
地板400は、第1のアンテナ素子101に沿った方向の辺401と、第2のアンテナ素子111に沿った方向の辺402とを持つ。
まず、スイッチ130を短絡し第1の逆Fアンテナ100および第2の逆Fアンテナ110が動作する状態について説明する。逆Fアンテナのように地板上に設けられるアンテナ(不平衡給電アンテナ)は、アンテナに給電する際に地板にも高周波電流(不平衡電流)が流れることが知られている。また特に小形アンテナでは、地板に流れる不平衡電流からの放射が無視出来ず、アンテナそのものに流れる高周波電流からの放射と同程度またはそれよりも大きくなる場合もあることが知られている。また、高周波電流は、表皮効果の影響により導体の端部に集中して流れることが知られている。
実施の形態1から3においては、第1の高周波入出力ポートに給電した際に流れる不平衡電流と第2の高周波入出力ポートに給電した際に流れる不平衡電流はどちらも地板160の端部を流れる。すなわち2つの不平衡電流は平行な関係にあり、不平衡電流から空間に放射される電磁波の偏波も平行である。(電流の流れる向き=電磁波の偏波)
一方、第2の高周波入出力ポート114から給電した場合、不平衡電流は地板400の辺402に集中して流れる。従って、第2の高周波入出力ポート114に給電した場合にアンテナ装置から放射される電磁波は、典型的には辺402に平行な偏波が主偏波となる。
一般的に、偏波が直交する場合、アンテナ間の相関は小さくなることが知られている。また、第1の給電線103と第2の給電線113は平行であるので、これらに分布する高周波電流からの放射は同じ偏波方向となってしまうものの、第1のアンテナ素子101と第2のアンテナ素子111は略直交しているため、これらに分布する高周波電流からの放射は偏波が直交している。すなわち本実施の形態のように、地板400にアンテナ装置を設けることで、第1の逆Fアンテナ100と第2の逆Fアンテナ110間の相関を小さくでき、これはすなわちダイバーシチの効果が大きいことを示す。
まずは図5を用いてモノポールアンテナ140の動作を説明する。図5はモノポールアンテナとして動作している部分のみを取り出した図であり、導体に沿って描かれている破線矢印は高周波入出力ポートから給電した場合の電流の方向を示している。なお、X座標とY座標を図5のように定義する。
本実施の形態では、第1のアンテナ素子100と第2のアンテナ素子110、第1の短絡線102と第2の短絡線112、辺401と辺402が対称形状であり、方向Xは第1および第2の短絡線に沿った方向である場合を仮定しているが、そうでない場合でも類似の効果が得られるのは明らかである。
また、第1のアンテナ素子100と第2のアンテナ素子110は辺401と辺402に沿った方向でなくとも同様の効果が得られる。
第1のアンテナ素子に流れる高周波電流からの放射は、X方向とY方向両方の偏波成分をもつ。そして、第2のアンテナ素子に流れる高周波電流からの放射も、X方向とY方向両方の偏波成分をもつ。
ここで、第1のアンテナ素子からの放射のX成分と第2のアンテナ素子からの放射のX成分は、同相であるので強めあう。
その一方、第1のアンテナ素子からの放射のY成分と第2のアンテナ素子からの放射のY成分は、逆位相であるので打ち消しあう。
同様に辺401および辺402に流れる高周波電流からの放射は、X方向とY方向両方の偏波成分をもち、X方向成分は強めあい、Y方向成分は打ち消しあう。
以上より、第3の高周波入出力ポート141から給電した場合のアンテナ装置からの放射電界はX方向成分しか持たない。
第1のアンテナ素子に流れる高周波電流からの放射は、X方向成分とY方向成分両方を持つ。そして、第2のアンテナ素子に流れる高周波電流からの放射も、X方向成分とY方向成分両方を持つ。
ここで、第1のアンテナ素子と第2のアンテナ素子は、第4の高周波入出力ポートのそれぞれの極に接続されている事を踏まえると、X成分同士は打ち消しあい、Y成分同士は強めあう事が分かる。
以上より、第4の高周波入出力ポートから給電した場合のアンテナ装置からの放射電界はY方向成分しか持たない。
すなわち偏波が直交しているため、モノポールアンテナとダイポールアンテナ間の相関を小さくでき、ダイバーシチの効果を高められるという効果が得られる。
また動作原理から明らかな通り、第1の逆Fアンテナ100が設けられる地板400の辺401と第2の逆Fアンテナ110が設けられる地板400の辺402が、完全に垂直でない場合でも類似の効果が得られる。
例えば、辺が垂直から±15度以内の偏差を持っている場合、偏波間の結合は、20log10sin(15°)=−11.7dB以下となり、十分な効果が得られる。
実施の形態1から4では、第1の短絡線102と第2の短絡線112の形状が通常の場合について説明した。本実施の形態では、第1の短絡線102と第2の短絡線112を、少なくとも向かい合う一辺がメアンダ形状とした場合について説明する。
図7は、本実施の形態に係るアンテナ装置の一例を示す構成図であり、図7において、図1と同一符号は、同一または相当部分を示している。
本実施の形態に係るアンテナ装置は、実施の形態1と基本的に同じであるが、第1の短絡線102の代わりに短絡線の一辺だけがメアンダ形状である第3の短絡線501を、第2の短絡線112の代わりに短絡線の一辺だけがメアンダ形状である第4の短絡線502を設けた点が異なる。
実施の形態1の場合と違い、本実施の形態では、チョーク構造の壁面となる第3の短絡線501と第4の短絡線502がメアンダ形状となっているため、電気的にはチョークの深さが深くなっているように見える。
すなわち、第1の逆Fアンテナと第2の逆Fアンテナの高さが1/4波長よりも短い場合であっても、短絡線の部分を第3の短絡線501と第4の短絡線502とすることで結合低減効果が大きくなる。
例えば、第1のアンテナ素子100、第2のアンテナ素子110の一部をメアンダ形状や渦巻き形状として小形化を実現する事や、アンテナ素子にリアクタンス素子を装荷しインピーダンス整合を改善することはアンテナ技術として一般的であり、容易に想定される変更である。またアンテナ素子を分岐させたり非励振素子を組み合わせたりする事でアンテナ装置を複数周波数に対応させる事、アンテナ装置を基板上に銅箔パターンで作製する事で小型化、低コスト化を実現する事なども当該分野で一般的な技術であり、適用が想定される。
実施の形態3では、短絡スイッチを集中定数素子(定数素子)に置き換えた場合について説明した。
本実施の形態6では、これらの集中定数素子を短絡する目的で使用するだけではなく、放射パターンの調整に使用した場合について説明する。
図8は、本実施の形態に係るアンテナ装置の一例を示す構成図であり、図8において、図3と同一符号は同一または相当部分を示している。
つまり、実施の形態3で説明した、第1の集中定数素子301は第1の集中定数素子接続用端子701に、第2の集中定数素子302は第2の集中定数素子接続用端子702に、第3の集中定数素子303は第3の集中定数素子接続用端子703に、第4の集中定数素子330は第4の集中定数素子接続用端子730に、第5の集中定数素子331は第5の集中定数素子接続用端子731に取り付けたり、取り外したりすることが可能である。
なお、図示していないが、第6の集中定数素子は第6の集中定数素子接続用端子710に、第7の集中定数素子は第7の集中定数素子接続用端子711に取り付けたり、取り外したりすることが可能である。
第5の短絡線601のもう一方の端(第6の集中定数素子接続用端子710と接続していない方の端)は第1の短絡線102と接続するように設けられ、第6の短絡線602のもう一方の端(第6の集中定数素子接続用端子710と接続していない方の端)は第2の短絡線112と接続するように設けられている。
第7の集中定数素子接続用端子711は導体120と第3の高周波入出力ポート141を接続するように設けられている。
まず、第1の集中定数素子接続用端子701に第1の集中定数素子301を、第2の集中定数素子接続用端子702に第2の集中定数素子302を接続し、第1の逆Fアンテナ100および第2の逆Fアンテナ110が動作する状態について説明する。なお、第1の集中定数素子301および第2の集中定数素子302としてジャンパ抵抗等、短絡できるものであれば何でもよい。
また、第4の集中定数素子接続用端子730には第4の集中定数素子330が、第5の集中定数素子接続用端子731には第5の集中定数素子331が、第6の集中定数素子接続用端子710には第6の集中定数素子が接続されており、第3の集中定数素子接続用端子703および第7の集中定数素子接続用端子711には集中定数素子が接続されていないものとする。
実施の形態3の場合と違い、本実施の形態では、強い高周波電流が流れる短絡箇所に接続されている第4の集中定数素子330および第5の集中定数素子331を、ジャンパ抵抗等、短絡できるものではなく、インダクタもしくはキャパシタとする。このようにすることで、アンテナ上および地板上の電流分布を変更することができる。すなわち、電流分布を変更できるということは、放射パターンを所望の形状に調整することができる。
また、第1の短絡線102、導体120、第2の短絡線112で囲まれたチョーク構造として動作する凹型部分にも強い高周波電流が流れるため、第6の集中定数素子をインダクタもしくはキャパシタとすることで、アンテナ上および地板上の電流分布を変更することができる。
例えば、第1の逆Fアンテナから放射された電磁波の一部は近接して存在する第2の逆Fアンテナ110に直接到達するが、金属体あるいは誘電体などの物体で反射して第2の逆Fアンテナ110に到達する電磁波もある。
これらの電磁波が逆位相で弱めあう場合、第2の高周波入出力ポート114に吸収される電磁波は低減される。つまり、チョーク構造が無くてもアンテナ間の結合が低くなる。
第6の集中定数素子をインダクタもしくはキャパシタとすることでアンテナ間の結合は高くなるが、その結合度合を見極めつつ第6の集中定数素子を調整することで、放射パターンを所望の形状に調整することができる。
また、第4の集中定数素子接続用端子730には第4の集中定数素子330が、第5の集中定数素子接続用端子731には第5の集中定数素子331が接続されており、第1の集中定数素子接続用端子701、第2の集中定数素子接続用端子702および第6の集中定数素子接続用端子710には集中定数素子が接続されていないものとする。
まずはモノポールアンテナ140の動作を説明する。
実施の形態1での説明のとおり、第4の集中定数素子330および第5の集中定数素子331を開放とした場合、第1のアンテナ素子101に流れる高周波電流から放射される電磁波と第2のアンテナ素子111に流れる高周波電流から放射される電磁波は逆位相となり弱めあう。更に、第1の導体部121と第2の導体部122それぞれに流れる高周波電流から放射される電磁波も逆位相となり弱めあう。
従って、第1のアンテナ素子101と第2のアンテナ素子111と第1の導体部121と第2の導体部122からの放射も、遠方への放射に寄与することになり、すなわち放射パターンを所望の形状に調整することができる。
次に、ダイポールアンテナ150の動作を説明する。
典型的な例として、第4の高周波入出力ポート151から給電した場合、アンテナ素子101、第2のアンテナ素子111に分布する高周波電流は同振幅、同位相となり、第4の高周波入出力ポート151からアンテナ素子対して垂直方向への放射が最も強くなる。
しかし、本実施の形態では、第3の集中定数素子303を、インダクタもしくはキャパシタとすることで、アンテナ素子101に流れる高周波電流を変更し、各アンテナ素子に分布する高周波電流を非対称とすることが可能である。
従って、第1のアンテナ素子101、第2のアンテナ素子111から強く放射される方向を変えることになり、すなわち放射パターンを所望の形状に調整することができる。
なお、本実施の形態においては、図8にアンテナ装置の構成例を示したが、第1の集中定数素子接続用端子701および第2の集中定数素子接続用端子702の位置はこれに限定される物ではない。すなわち、第1の集中定数素子接続用端子701は必ずしも第1の短絡線103の第1のアンテナ素子側の端部に配置する必要は無く、第1の短絡線103の第1の高周波入出力ポート104側の端部に配置しても良いし、短絡線103の途中に挿入しても良い。いずれも類似の効果が得られる。また第2の集中定数素子接続用端子702に関しても同様である。
実施の形態6では、平面状の地板160上にアンテナ装置が設けられた場合について述べてきた。本実施の形態7では、略垂直の角を持つ地板620を用いてアンテナ装置を構成した場合について説明する。
図9は、本実施の形態に係るアンテナ装置の一例を示す構成図であり、図9において、図8と同一符号は同一または相当部分を示している。
本実施の形態に係るアンテナ装置は、実施の形態6と基本的な構成は同じであるが、地板160の代わりに、地板620を有する点が異なる。
地板620は、略垂直な角を持つ有限の大きさを有する地板(ここでは限定しないが、例えば方形等)である。
このような場合において、本実施の形態は有効であり、放射パターンを所望の状態に調整することで、水平方向への放射を改善させることが可能となる。
ここで、インダクタ、キャパシタを特性インピーダンス50Ωの給電系に接続した場合を考え、その反射係数から偏角を定義している。偏角をθとすると、反射係数の実部Re(Γ)、虚部Im(Γ)が以下の式から計算される。
Re(Γ)=COSθ
Im(Γ)=SINθ
また、特性インピーダンスを50Ωとした場合、反射係数の実部Re(Γ)、虚部Im(Γ)から入力インピーダンスのリアクタンス成分Xが以下の式から求められる。
X=(2×Im(Γ))/((1−Re(Γ))2+Im(Γ) 2)×50
偏角θが0〜180°の場合、入力インピーダンスのリアクタンス成分XからインダクタンスLが以下の式で表される。
L=X/(2πf)
偏角θが180〜360°の場合、入力インピーダンスのリアクタンス成分XからキャパシタンスCが以下の式で表される。
C=−1/(2πfX)
例えば、高周波信号の周波数fが1GHzで偏角θが90°の条件に調整する場合、8.2nHのインダクタを用いることで、その条件を得ることができる。
図11では、第4の集中定数素子330が偏角180°で第5の集中定数素子331が偏角90°で第6の集中定数素子が偏角0°の場合が条件1、第4の集中定数素子330が偏角180°で第5の集中定数素子331が偏角90°で第6の集中定数素子が偏角90°の場合が条件2、第4の集中定数素子330が偏角90°で第5の集中定数素子331が偏角90°で第6の集中定数素子が偏角90°の場合が条件3、第4の集中定数素子330が偏角90°で第5の集中定数素子331が偏角90°で第6の集中定数素子が偏角180°の場合が条件4を示している。
条件1では、−4dB以下の平均利得を示している。しかしながら、集中定数素子の条件を変更することで性能は改善し、条件4においは条件1に比べて1.9dB程度上昇している。
なお、本実施の形態においては、図10にアンテナ装置の構成例を示したが、近傍にある装置はL字型に限定される物ではない。
Claims (13)
- 地板と、
第1のアンテナ素子と、
第1のスイッチと、
第1の端が前記第1のアンテナ素子と接続し、第2の端が前記第1のスイッチを介して前記地板と接続する第1の短絡線と、
第1の端が前記第1のアンテナ素子と接続し、第2の端が第1の入出力点と接続する第1の給電線と、
第2のアンテナ素子と、
第1の端が前記第2のアンテナ素子と接続し、第2の端が前記第1の短絡線の第2の端と導体を介して接続する第2の短絡線と、
第1の端が前記第2のアンテナ素子と接続し、第2の端が第2の入出力点と接続する第2の給電線と、
前記導体に接続する第3の入出力点と、
前記第1の短絡線の第1の端と前記第2の短絡線の第1の端と接続する第4の入出力点と、を有し、
前記第1のアンテナ素子、前記第1の給電線、前記第1の短絡線、前記第1のスイッチ、前記第1の入出力点で第1の逆Fアンテナを構成し、
前記第2のアンテナ素子、前記第2の給電線、前記第2の短絡線、前記導体、前記第2の入出力点で第2の逆Fアンテナを構成し、
前記第1のアンテナ素子、前記第1の短絡線、前記第2のアンテナ素子、前記第2の短絡線、前記導体、前記第3の入出力点でモノポールアンテナを構成し、
前記第1のアンテナ素子、前記第1の短絡線、前記第2のアンテナ素子、前記第2の短絡線、前記導体、前記第4の入出力点でダイポールアンテナを構成し、
前記第1のスイッチを短絡した場合、前記第1の逆Fアンテナと前記第2の逆Fアンテナからなるダイバーシチアンテナを形成し、
前記第1のスイッチを開放した場合、前記モノポールアンテナと前記ダイポールアンテナからなるダイバーシチアンテナを形成することを特徴とするアンテナ装置。 - 前記第2の逆Fアンテナは、前記地板と前記第2の短絡線とを接続する第2のスイッチ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。
- 前記第1のアンテナ素子と前記第1の給電線との間または前記第1の給電線と前記第1の入出力点との間に第3のスイッチを有することを特徴とする請求項1または2に記載のアンテナ装置。
- 前記第2のアンテナ素子と前記第2の給電線との間または前記第2の給電線と前記第2の入出力点との間に第4のスイッチを有することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
- 前記第1の短絡線の第1の端と前記第4の入出力点との間に第5のスイッチを有することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
- 地板と、
第1のアンテナ素子と、
第1の集中定数素子接続用端子と、
第1の端が前記第1のアンテナ素子と接続し、第2の端が前記第1の集中定数素子接続用端子を介して前記地板と接続する第1の短絡線と、
第1の端が前記第1のアンテナ素子と接続し、第2の端が第1の入出力点と接続する第1の給電線と、
第2のアンテナ素子と、
第1の端が前記第2のアンテナ素子と接続し、第2の端が前記第1の短絡線の第2の端と導体を介して接続する第2の短絡線と、
第1の端が前記第2のアンテナ素子と接続し、第2の端が第2の入出力点と接続する第2の給電線と、
前記導体に接続する第3の入出力点と、
前記第1の短絡線の第1の端と前記第2の短絡線の第1の端と接続する第4の入出力点と、を有し、
前記第1のアンテナ素子、前記第1の給電線、前記第1の短絡線、前記第1の集中定数素子接続用端子、前記第1の入出力点で第1の逆Fアンテナを構成し、
前記第2のアンテナ素子、前記第2の給電線、前記第2の短絡線、前記導体、前記第2の入出力点で第2の逆Fアンテナを構成し、
前記第1のアンテナ素子、前記第1の短絡線、前記第2のアンテナ素子、前記第2の短絡線、前記導体、前記第3の入出力点でモノポールアンテナを構成し、
前記第1のアンテナ素子、前記第1の短絡線、前記第2のアンテナ素子、前記第2の短絡線、前記導体、前記第4の入出力点でダイポールアンテナを構成し、
前記第1の集中定数素子接続用端子に集中定数素子を接続した場合、前記第1の逆Fアンテナと前記第2の逆Fアンテナからなるダイバーシチアンテナを形成し、
前記第1の集中定数素子接続用端子に集中定数素子を接続しなかった場合、前記モノポールアンテナと前記ダイポールアンテナからなるダイバーシチアンテナを形成することを特徴とするアンテナ装置。 - 前記第2の逆Fアンテナは、前記地板と前記第2の短絡線とを接続する第2の集中定数素子接続用端子を有することを特徴とする請求項6に記載のアンテナ装置。
- 前記第1のアンテナ素子と前記第1の給電線との間または前記第1の給電線と前記第1の入出力点の間に第3の集中定数素子接続用端子を有することを特徴とする請求項6または7に記載のアンテナ装置。
- 前記第2のアンテナ素子と前記第2の給電線との間または前記第2の給電線と前記第2の入出力点の間に第4の集中定数素子接続用端子を有することを特徴とする請求項6から8のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
- 前記第1の短絡線の第1の端と前記第4の入出力点との間に第5の集中定数素子接続用端子を有することを特徴とする請求項6から9のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
- 第6の集中定数素子接続用端子と、
第1の端が前記第1の短絡線と接続し、第2の端が前記第6の集中定数素子接続用端子の第1の端と接続する第5の短絡線と、
第1の端が前記第2の短絡線と接続し、第2の端が前記第6の集中定数素子接続用端子の第2の端と接続する第6の短絡線と、
第1の端が前記導体と接続し、第2の端が前記第3の入出力点と接続する第7の集中定数素子接続用端子とを有することを特徴とする請求項10に記載のアンテナ装置。 - 前記地板は、第1の平面と前記第1の平面と交わる第2の平面を有し、前記第1のアンテナ素子は、前記第1の平面と平行に配置し、前記第2のアンテナ素子は、前記第2の平面と平行に配置することを特徴とする請求項1から11のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
- 前記第1の短絡線と前記第2の短絡線の少なくとも一方の表面を流れる電流の経路がメアンダ形状であることを特徴とする請求項1から12のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
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