WO2006030583A1

WO2006030583A1 - アンテナ装置及びマルチビームアンテナ装置

Info

Publication number: WO2006030583A1
Application number: PCT/JP2005/013380
Authority: WO
Inventors: Hiroyuki Uno; Yutaka Saito; Genichiro Ohta; Yoshio Koyanagi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2006-03-23
Also published as: JP2006086578A; EP1791214A1; DE602005026138D1; EP1791214B1; JP3800549B2; US20070216594A1; US7633458B2; EP1791214A4

Abstract

　小型無線機に搭載しやすい小型な平面構造で、垂直偏波を有した主ビームを高仰角方向と低仰角方向に形成することができるアンテナを提供する。　基板１１の表面に約１／２波長の長さを有するスロット素子１３Ａ及び１３Ｂを所定の間隔ｄ１を隔てて平行に配置し、スロット素子１３Ａ及び１３Ｂの実装面から所定の間隔ｈを隔てて反射板１４を配置する。基板１１の裏面には、無給電素子１５Ａ～１５Ｄが銅箔パターンにより形成され、スロット素子１３Ａ及び１３Ｂと直交するように配列される。切替素子１６Ａは無給電素子１５Ａと１５Ｂに、切替素子１６Ｂは無給電素子１５Ｃと１５Ｄにそれぞれ接続されている。

Description

明細書

アンテナ装置及びマルチビームアンテナ装置

技術分野

[0001] 本発明は、無線 LANシステムの固定無線機及び端末無線機などに用いるアンテナ装置及びマルチビームアンテナ装置に関するものである。

背景技術

[0002] 無線 LANシステムなどの高速無線通信においては、マルチパスフェージングゃシャドーイングにより伝送品質が劣化するという問題があり、特に屋内では顕著である。このため、このような伝送品質の劣化を回避するための一つの手段として、これまでにセクタアンテナが検討されている。このセクタアンテナとは、異なる方向に主ビームが向けられた複数のアンテナ素子を配置し、電波伝搬環境に応じて複数のアンテナ素子を選択的に切り替えるものである。

また、一般的に、天井に設置される固定無線機や机上で使用されるノートパソコン用の端末無線機などに搭載されるアンテナとしては、生産上や持ち運びの観点から平面構造であることが求められる。また、屋内通信環境を考えた場合、これらアンテナの指向性は、主ビームの仰角がアンテナ面に対して垂直方向力水平方向に傾斜 (チルト)していることが望ましぐさらには通信先の設置位置を考慮すると、このチルト角を制御できることが望ま U、。

[0003] このような水平方向にチルトして、る放射特性を実現するセクタアンテナとして、非特許文献 1に記載の「スロット八木 ·宇田アレー」を用いた平面マルチセクタアンテナが提案されている。

このマルチセクタアンテナについて、図 11を参照しながら説明する。このマルチセクタアンテナは、基板 101上に 6個のスロットアレー 102A〜1102Fを放射状に円形配列したものであり、この 6個のスロットアレー 102A〜102Fは、それぞれ 5素子のスロットから構成されている。このスロットアレーは、単体特性として、垂直面の仰角 Θが 60度の方向に主ビームが形成され、円錐面パターンの半値角は約 56度となる。このマルチセクタアンテナは、このスロットアレーを水平面に 60度間隔で 6個配列し、各スロットアレーを選択的に給電することで、水平面の 360度を 6分割した 6セクタァンテナを構成している。このセクタアンテナの寸法は、例えば、動作周波数を 5GHz にすれば、直径 L7が 273mm (4. 55波長）で、面積が 58535平方 mmとなる。

[0004] また、他のアンテナとして、特許文献 1に記載の「導波素子共有パッチ八木'宇田ァレー」を用いたマルチセクタアンテナが提案されて、る。

このマルチセクタアンテナについて、図 12を参照しながら説明する。このマルチセクタアンテナは、円形の誘電体基板 201の表面に形成されているとともに、正六角形型導波素子 202の周囲に放射状に長方形パッチの導波素子 203A〜203Fが配列されており、さらに、導波素子 203A〜203Fの外側に、給電素子 204A〜204Fを配置している。このように、 3列の導波素子列が正六角形型導波素子 202を中心に互いに 60度の角度で交差することにより、 6列のノツチ八木 ·宇田アレーを構成して！/、る。ここで、 1つの給電素子に給電した場合、正六角形型導波素子を含めた導波素子列が八木 ·宇田アレーとして動作する。このとき、垂直面の仰角 Θが 45度の方向に主ビームが形成され、円錐面パターンの半値角は約 63度となる。このように、給電素子を選択的に給電することで、水平面の 360度を 6分割した 6セクタアンテナを構成できる。このセクタアンテナの寸法は、例えば、動作周波数を 5GHzにすれば、直径 L8が 1. 83波長（110mm)であり、面積は 9503平方讓となる。

非特許文献 1 :電子情報通信学会論文誌 (B) , Vol.J85-B, No.9,ppl633-1643, Sep. 2002.

特許文献 1 :特開 2003— 142919号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] し力しながら、上記したマルチセクタアンテナのうち、前者の「スロット八木 ·宇田ァレ一」を用いた平面マルチセクタアンテナは、セクタ毎に各スロットアレーを独立して動作させるため、セクタ数分のスロットアレーを必要とし、平面寸法が大きくなるという問題がある。また、垂直面において主ビームの仰角 Θ力 0度で一定であるため、通信先の設置位置によっては通信品質が劣化しやすいという問題がある。

[0006] また、後者の「導波素子共有パッチ八木 ·宇田アレー」を用いたマルチセクタアンテナは、アンテナ素子として一辺が約 1Z2波長のパッチを複数用いているため、平面寸法が大きくなるという問題がある。また、垂直面において主ビーム方向が 45度で一定であるため、通信先の設置位置によっては通信品質が劣化しやすいという問題がある。

[0007] 本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、小型無線機に搭載しやす!ヽ小型な平面構造で、水平方向にチルトした垂直偏波の主ビームを形成し、さらには垂直面において主ビーム方向を制御できるアンテナ装置及びマルチビームアンテナ装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0008] 本発明のアンテナ装置は、導体板に所定の間隔を隔てて平行に配置した略 1Z2 波長の電気長を有する第 1のスロット素子及び略 1Z2波長の電気長を有する第 2のスロット素子と、前記導体板から平行に所定の間隔を隔てた位置に配置した反射板と、前記導体板と前記反射板の間に前記第 1及び第 2のスロット素子と直交するように所定の間隔を隔てて直列に配列した第 1乃至第 4の線状無給電素子と、前記第 1及び第 2の線状無給電素子との間に設け、前記第 1及び第 2の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第 1の切替素子と、前記第 3及び第 4 の線状無給電素子との間に設け、前記第 3及び第 4の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第 2の切替素子とを備えることを特徴としている。

この構成により、平面構造で、垂直面において低仰角方向と高仰角方向に主ビームを切り替えることができる小型なマルチビームアンテナを実現することができる。

[0009] また、本発明のアンテナ装置は、前記第 1及び第 2のスロット素子と直交するように、前記導体板に所定の間隔を隔てて平行に配置した略 1Z2波長の電気長をそれぞれ有する第 3のスロット素子及び第 4のスロット素子と、前記第 1乃至第 4の線状無給電素子と同一平面で、かつ、前記第 3及び第 4のスロット素子と直交するように、所定の間隔を隔てて直列に配列した第 5乃至第 8の線状無給電素子と、前記第 5及び第 6の線状無給電素子との間に設け、前記第 5及び第 6の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第 3の切替素子と、前記第 7及び第 8の線状無給電素子との間に設け、前記第 7及び第 8の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第 4の切替素子とを備えることを特徴としているこの構成によれば、平面構造で、垂直面において主ビーム方向を切り替えられる小型な 4方向のセクタアンテナを実現することができる。

[0010] また、本発明のアンテナ装置は、一辺が略 1Z4波長乃至 3Z8波長の長さを有し、前記導体板にひし形形状に配置する 4本のスロット素子と、第 5のスロット素子の一端と第 6のスロット素子の一端を接続した位置に給電する第 1の給電手段と、前記第 5のスロット素子の他端と第 7のスロット素子の一端とに接続し、略 1Z4波長の長さを保持して折り返した形状を有する第 1のスロット迂回素子と、前記第 6のスロット素子の他端と第 8のスロット素子の一端とに接続し、略 1Z4波長の長さを保持して折り返した形状を有する第 2のスロット迂回素子と、前記導体層から平行に所定の間隔を隔てた位置に配置した反射板と、前記第 5及び第 6のスロット素子の接続部と前記第 7及び第 8のスロット素子の接続部とを結ぶラインに平行で、かつ、前記導体板と前記反射板の間に所定の間隔を隔てて直列に配列した第 9乃至第 12の線状無給電素子と、前記第 9及び第 10の線状無給電素子との間に設け、前記第 9及び第 10の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第 5の切替素子と、前記第 11及び第 12の線状無給電素子との間に設け、前記第 11及び第 12の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第 6の切替素子とを備えることを特徴としている。

この構成によれば、平面構造で、垂直面において低仰角方向と高仰角方向に主ビームを切り替えることができる小型な 2方向のマルチビームアンテナを実現することができる。

[0011] また、本発明のアンテナ装置は、前記第 2の給電手段を、前記第 7のスロット素子の他端と前記第 8のスロット素子の他端を接続した位置に配置することを特徴としているこの構成によれば、平面構造で、垂直面において低仰角方向と高仰角方向に主ビームを切り替えることができる小型な 4方向のマルチビームアンテナを実現することができる。

[0012] また、本発明のアンテナ装置は、前記スロット素子及び前記スロット迂回素子を、誘電性の基板上の表面の銅箔パターンで構成するとともに、前記線状無給電素子は、前記基板上の裏面の銅箔パターンにより構成することを特徴としている。

この構成によれば、容易に製作ができる生産性の高、アンテナ装置を実現することができる。

[0013] また、本発明のアンテナ装置は、前記導体板と前記反射板との間隔を、略 1Z4波長以上で略 1Z2波長以下に設定するとともに、前記スロット素子と前記線状無給電素子との間隔は、略 1Z6波長以上で略 1Z4波長以下に設定することを特徴としている。

この構成によれば、垂直面において低仰角方向と高仰角方向に主ビームを切り替えることができ、かつ垂直面の角度変化を大きくすることができる。

[0014] また、本発明のアンテナ装置は、前記誘電体基板の厚さを、誘電体内の実効波長の略 1Z6以上で略 1Z4以下に設定するとともに、前記基板上の裏面の銅箔パターンと前記反射板との間隔は、自由空間波長の略 1Z4以上で略 1Z3以下に設定することを特徴としている。

[0015] また、本発明のマルチビームアンテナ装置は、請求項 1乃至 7の何れか 1項に記載の複数のアンテナ装置を平面上にそれぞれ等角的に配置してあることを特徴としている。

この構成によれば、平面構造で、所望の方向に主ビームを形成するセクタアンテナを実現することができる。

発明の効果

[0016] 本発明によれば、約 1Z2波長の電気長を有する第 1及び第 2のスロット素子を所定の間隔を隔てて平行に配置し、スロット素子の配置面力所定の間隔を隔てて反射板を設けて、スロット素子の配置面と反射板面との間にスロット素子と直交するように複数個の線状無給電素子を形成し、スロット素子を位相差給電するとともに、線状無給電素子を切替素子によって接続 Z未接続を切り替えて長さを調整することで、水平方向にチルトした垂直偏波の主ビームを低仰角方向と高仰角方向に形成することが可能になるとともに、位相差を調整することで水平面においても主ビーム方向を切り替えることができ、小型で平面構造のマルチビームアンテナ装置を実現することができる。

[0017] また、本発明によれば、平行に配置された 2つのスロット素子を 2組備え、その 2組のスロット素子をその放射方向が直交するように配置することにより、小型で平面構造の 4セクタアンテナを実現することができる。また、約 1Z3波長の長さを有するスロット素子を正方形形状に配置し、対向する一組の頂点にスロット迂回素子をそれぞれ設け、さらにはスロット素子の配置面に対して平行に所定の間隔を隔てた位置に反射板を配置し、スロット素子の配置面と反射板面との間に複数個の線状無給電素子を形成し、線状無給電素子を切替素子によって接続 Z未接続を切り替えて長さを調整することで、水平方向にチルトした垂直偏波の主ビームを低仰角方向と高仰角方向に形成することができる小型で平面構造のマルチビームアンテナを実現することができる。

図面の簡単な説明

[0018] [図 1]本発明の第 1の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示すものであり、（A)は平面図、（B)は側面図、（C)は裏力もみた平面図

[図 2]本発明の第 1の実施形態に係るアンテナ装置の切替素子に逆バイアスを印加したときの動作説明図

[図 3]そのときのアンテナ装置の指向性を示す図

[図 4]本発明の第 1の実施形態に係るアンテナ装置の切替素子に順バイアスを印加したときの動作説明図

[図 5]そのときのアンテナ装置の指向性を示す図

[図 6]本発明の第 2の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示すものであり、 (A)は平面図、（B)は側面図、（C)は裏力もみた平面図

[図 7]本発明の第 2の実施形態に係るアンテナ装置のいずれかの切替素子に順バイァスを印加したときの指向性を示す図 [図 8]本発明の第 3の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示すものであり、 (A)は平面図、（B)は側面図、（C)は裏力もみた平面図

[図 9]そのアンテナ装置の切替素子に逆バイアスを印加したときの指向性を示す図 [図 10]そのアンテナ装置の切替素子に順バイアスを印加したときの指向性を示す図 [図 11]従来のマルチセクタアンテナの構成を示す平面図

[図 12]従来の他のマルチセクタアンテナの構成を示す平面図

符号の説明

[0019] 11 (誘電体)基板

12 銅箔層

13Aゝ 13B スロット素子

14 反射板

15A〜15D 無給電素子

16A、 16B 切替素子

17A、 17B 給電部

21A、 21B、 31A、 31B 点波源

22A、 22B、 32A、 32B イメージ波源

a〜p 指向性

発明を実施するための最良の形態

[0020] 以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

[第 1の実施形態]

図 1は、本発明の第 1の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示すものであり、このアンテナ装置は、誘電体で形成した基板 11と、銅箔層 12と、スロット素子 13A、 13 Bと、反射板 14と、無給電素子 15A〜15Dと、切替素子 16A、 16Bと、給電部 17A、 17Bとを備えている。なお、本実施形態では、アンテナの動作周波数を 5GHzとして説明する。

[0021] 基板 11は、例えば、比誘電率 ε rが 2. 6で、厚さ tが 8mm (0. 21波長（誘電体中の実効波長））であり、寸法 L1 X L2は 44mm X 46mm (0. 73波長 X O. 77波長）である。銅箔層 12は、基板 11の +Z側面に接着された銅箔で構成してある。

スロット素子 13A、 13Bは、銅箔層 12を切削して形成された空隙であり、例えば長さが 18. 5mm (約 0. 5波長）で、幅が lmmである。これらのスロット素子 13A、 13B は、素子間隔 dlを例えば 20mmとして平行に配置され、基板 11の中央に形成される。

反射板 14は、スロット素子 13A、 13Bが配置された面から、距離 hが例えば 25mm (0. 42波長)だけ—Z側に離れた位置に配置された導体板である。

無給電素子 15A〜15Dは、基板 11の— Z側面に銅箔パターンにより形成され、長さ L3が約 10mm (約 0. 27波長）である。無給電素子 15A〜15Dは、基板 11の中央に、スロット素子 13A、 13Bと直交するように直列に配置される。

切替素子 16A、 16Bは、例えば PINダイオードで構成してある。このうち、切替素子 16Aは、無給電素子 15Aと無給電素子 15Bに接続されている一方、切替素子 16B は、無給電素子 15Cと無給電素子 15Dに接続されている。なお、切替素子 16A、 16 Bに逆ノィァスを印加する場合、 PINダイオードはオフ状態となり開放となるため、無給電素子 15Aと無給電素子 15B、無給電素子 15Cと無給電素子 15Dは未接続状態となる。また、切替素子 16A、 16Bに順バイアスを印加する場合、 PINダイオードはオン状態となり短絡する。このため、無給電素子 15Aと無給電素子 15B、無給電素子 15Cと無給電素子 15Dはそれぞれ接続されることになり、約 20mm (約 0. 54波長）の 2つの無給電素子が直列に配列されている状態と等価となる。

[0022] 次に、上述した構成を有するアンテナ装置において、スロット素子 13A、 13Bが位相差励振される場合の動作について、説明する。なお、スロット素子 13A、 13Bは、給電部 17A、 17Bによりそれぞれ励振され、例えば、このときの給電部 17Aの励振位相が給電部 17Bの励振位相に対して約 50度遅れているとものする。

[0023] (I)まず、切替素子 16A、 16Bに逆バイアスを印加したときの動作にっ、て、説明する。

逆ノィァスを印加する場合、無給電素子 15A〜15Dは、電気的に接続されないため、これらの長さは動作周波数の半波長よりも十分に短くなり、アンテナ特性に影響を及ぼすことはない。図 2は、このときの状態を示す動作説明図であり、反射板 14の効果を写像の原理によりモデルィ匕しており、垂直 (XZ)面のみに着目したものである。

図 2では、図 1に示すスロット素子 13A, 13Bを点波源 21A, 21Bでモデル化している。点波源 21A, 21Bのイメージ波源 22A, 22Bは、反射板 14に対して対称な位置、つまり— Z側に 2h (50mm(0. 84波長））離れた位置に想定されることになる。このときのイメージ波源 22A, 22Bの励振位相は、点波源 21 A及び 21Bの励振位相に対して、それぞれ 180度反転したものとなる。

以上の 4つの波源力の放射を合成することにより、 +Z方向から +X側へ 60度チルトした方向に主ビームが形成されることになる。このとき、主偏波成分は、垂直偏波 E Θ成分となる。

[0024] 図 3は、切替素子 16A, 16Bに逆バイアスを印加したときの図 1に示すアンテナ装置の指向性を示す放射パターンである。図 3において、（A)は垂直 (XZ)面の指向性、（B)は仰角 Θが 60度における円錐面の指向性を示している。

同図 (A)において、指向性 aは、垂直偏波 E Θ成分の指向性を示しており、仰角 Θ 力 S60度の方向へチルトした主ビームが得られていることが確認できる。また、同図（B )において、指向性 bは、指向性 aと同様に、垂直偏波 E Θ成分の指向性を示しており、主ビームが +X方向へ向いていることが確認できる。このとき、主ビームの指向性利得は 12. 3dBi、円錐面パターンの半値角は 87度である。

[0025] (Π)次に、切替素子 16A, 16Bに順バイアスを印加したときの動作を説明する。

順バイアスが印加される場合、無給電素子 15Aと無給電素子 15B、無給電素子 15 Cと無給電素子 15Dは、それぞれ接続された状態となるため、約 0. 54波長の線状素子となり、反射素子として動作することになる。これは、反射板 14の位置を擬似的にスロット素子に近接させた状態と同じである。

図 4は、このときの状態を写像の原理によりモデルィ匕し、垂直 (XZ)面のみに着目したモデルである。同図において、スロット素子 13A, 13Bを点波源 31A, 31Bでモデルイ匕している。点波源 31A, 31Bのイメージ波源 32A, 32Bは、反射素子に対して対称な位置、つまり Z側に 2t (16mm (0. 27波長））離れた位置に想定されることになる。これらの 4つの波源からの放射を合成することにより、 +Z方向から +X側へ 3 0度チルトした方向に主ビームが形成されることになる。このとき、主偏波成分は、垂直偏波 E Θ成分となる。

[0026] 図 5は、切替素子 16A, 16Bに順バイアスを印加したときの図 1に示すアンテナ装の指向性を示す放射パターンである。図 5において、（A)は垂直 (XZ)面の指向性、 (B)は仰角 Θが 30度における円錐面の指向性を示している。

図 5 (A)において、指向性 cは、垂直偏波 E Θ成分の指向性を示しており、仰角 Θ 力 S30度の方向へチルトした主ビームが得られていることが確認できる。また、図 5 (B) において、指向性 dは、指向性 cと同様に垂直偏波 E Θ成分の指向性を示しており、主ビームが +X方向へ向いていることが確認できる。このとき、主ビームの指向性利得は 9. 4dBi、円錐面パターンの半値角は 86度である。

[0027] このように、スロット素子 13Aをスロット素子 13Bに対して約 50度遅れて励振させることで、 +X側にチルトした主ビームが得られ、無給電素子 15A〜15Dの長さを切替素子により切り替えることで、垂直 (XZ)面において主ビーム方向を切り替えることができる。なお、スロット素子 13Aをスロット素子 13Bに対して約 50度早く励振させると、 —X側にチルトした主ビームが得られることから、図 1に示すアンテナ構成とすることで、 4方向の主ビームを形成することができる。

また、仰角 Θが 60度の低仰角方向に主ビームを形成する場合は利得が高ぐ仰角 Θが 30度の高仰角方向に主ビームを形成する場合は利得が低くなることから、例えば、天井に設置する固定局やノートパソコンに挿入されるカード型端末用のアンテナに適している。天井に設置する固定局は、高仰角方向は床方向になるため高い利得は必要とせず、低仰角方向は遠方の端末との通信を行うため高い利得が必要となる

[0028] 以上のように、本実施形態によれば、基板の表面に 2つのスロット素子を所定の間隔で平行に配置するとともに、基板の裏面にスロット素子と直交するように複数個の線状無給電素子を形成し、さらに、スロット素子力所定の間隔を隔てて反射板を設けて、スロット素子を位相差給電するとともに、線状無給電素子を切替素子によって、接続 Z未接続を切り替えて長さを調整している。これにより、小型かつ平面構造で、垂直面において低仰角方向と高仰角方向に主ビームを切り替えることができる。さらには、スロット素子の位相差を調整することで、水平面においても主ビーム方向を切り替えることができるマルチビームアンテナを実現することができる。

[0029] なお、本実施形態では、スロット素子と反射板との距離 hを 25mm (0. 42波長）として説明したが、距離 hを変化させることにより、垂直面チルト角 αを変化させることができる。無給電素子を反射素子として動作させない場合、距離 hを小さくすると垂直面チルト角 OCは小さくなり、距離 hを大きくすると垂直面チルト角 ocは大きくなる傾向にある。ただし、距離 hを大きくしていくと、 X方向の主ビーム方向と反対の方向にノックローブが生じてしまうため、用途に応じた距離 hを 1Z4波長から 1Z2波長の範囲で適切に選ぶことが望ましい。本実施形態では、距離 hを 0. 42波長 (基板の厚さを考慮すると、電気的な距離が約 0. 5波長）としており、 FZB比が良好で垂直面チルト角が最も大きくなる値である。また、この値は、垂直面ビーム切替時の角度差を大きくするためで、無給電素子を反射素子として動作させない場合は、できるかぎり主ビームを低仰角方向に向けるように設定されて、る。

[0030] また、本実施形態では、基板の厚さ tを 8mm (0. 21波長）として説明した力この厚さ tを変化させることにより、無給電素子を反射素子として動作させた場合、厚さ tを小さくすると垂直面チルト角は小さくなり、厚さ tを大きくすると垂直面チルト角は大きくなる傾向にある。このため、用途に応じて厚さ tを 1Z6波長から 1Z4波長の範囲で適切に選ぶことが望ましい。本実施形態では、厚さ tを 0. 21波長とした力これは高仰角方向への垂直面チルト角と FZB比を最適にする値であるとともに、垂直面ビーム切替時の角度差を大きくするように設定して、る。

また、本実施形態では、基板の厚さを 8mmとして説明したが、 2枚の薄い誘電体で形成した基板の間に榭脂を挟んだ構成としても、同様な効果が得られる。

[0031] また、本実施形態では、スロット素子を直接給電する構成について説明したが、スロット素子をマイクロストリップラインを用いて給電する構成としても、同様な効果を得ることができる。このとき、位相差給電方法として、 T分岐回路や π分岐回路等により実現することができる。

また、本実施形態では、スロット素子を基板上の銅箔パターンによって形成している力例えば、導体板に空隙を設けてスロット素子を構成しても、同様な効果が得られる。このとき、基板による波長短縮を考慮すると、スロット素子と反射板との間隔は広くする必要がある。

また、本実施形態では、切替素子として PINダイオードを用いた力 FET等の他のデバイスを用いて構成しても同様な効果を得ることができる。

[0032] [第 2の実施形態]

次に、本発明の第 2の実施形態に係るアンテナ装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本実施形態において、図 1に示す第 1の実施形態と同一部分には同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。なお、本実施形態でも、アンテナの動作周波数を 5GHzとして説明する。

図 6は、本発明の第 2の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示すものであり、スロット素子 13A, 13Bのほ力に、スロット素子 41A, 41Bを備えており、第 1の実施形態に係るアンテナ装置を 2組直交に配列した構成のものである。

[0033] スロット素子 41A, 41Bは、銅箔層 12を切削して形成された空隙であり、例えば長さが 18. 5mmで、幅が lmmである。スロット素子 41A, 41Bは、スロット素子 13Aとスロット素子 13Bの素子間隔 dlと同じ 20mmとして、スロット素子 13A, 13Bと直交するように配置され、スロット素子 13A, 13Bとともに正方形形状を構成する。

無給電素子 42A〜42Dは、基板 11の— Z側面に銅箔パターンにより形成され、無給電素子 15A〜15Dの長さ L3と同じ 10mm (約 0. 27波長）である。無給電素子 42 C〜42Dは、基板 11の中央に、スロット素子 41A, 41B、無給電素子 15A〜15Dと直交するように直列に配列される。

[0034] 次に、上述した本実施形態に係るアンテナ装置の動作を説明する。

同図において、スロット素子 13A, 13Bとスロット素子 41A, 41Bは、それぞれ選択的に励振される。つまり、スロット素子 13A, 13Bを位相差励振する場合は、 ±X方向に主ビームが切り替えられ、スロット素子 41A, 41Bを位相差励振する場合は、士 Y 方向に主ビームが切り替えられることになる。このとき、励振されないスロット素子は、例えば、素子中央で短絡される。

以上のように、スロット素子 13A, 13Bを位相差励振することと、スロット素子 41A, 4 1Bを位相差励振することは、主ビーム方向が異なる以外、動作は同様であるので、ここではスロット素子 41A, 41Bを位相差励振する場合の動作のみについて説明する。

[0035] この場合、第 1の実施形態で説明したように、給電部 44Aの励振位相が給電部 44 Bの励振位相に対して約 50度遅れており、かつ、切替素子 43A, 43Bに逆バイアスが印加される場合、無給電素子 42C〜42Dは、電気的に接続されない。このため、アンテナ特性に影響は無ぐ +Z方向から +Y側へ 60度チルトした主ビームが形成されることになる。このときの主偏波成分は、垂直偏波 E Θ成分となるため、主偏波と直交して形成されているスロット素子 13A, 13B、無給電素子 15A〜15Dはアンテナ特性に影響を及ぼすことはな、。

また、切替素子 43A, 43Bに順バイアスが印加される場合、無給電素子 42Aと無給電素子 42B、無給電素子 42Cと無給電素子 42Dはそれぞれ接続された状態となる。このため、約 0. 54波長の線状素子となり、反射素子として動作する。その結果、 +Z方向から +Y側へ 30度チルトした主ビームが形成されることになる。

なお、給電部 44Aの励振位相が給電部 44Bの励振位相に対して約 50度進んでヽる場合、主ビームは +Z方向から Y側へチルトした方向に形成されることになる。

[0036] 図 7は、図 6に示すアンテナ装置の指向性を示す図である。

ここで、図 7 (A)は、切替素子 16A, 16B、または切替素子 43A, 43Bに逆バイアスを印加し、主ビームを仰角 Θが 60度の低仰角方向に形成した場合の指向性を示す図である。同図（A)において、指向性 eは、スロット素子 13Aの励振位相がスロット素子 13Bの励振位相に対して約 50度遅らせた場合の円錐面の指向性を示しており、指向性 fは、スロット素子 13Aの励振位相がスロット素子 13Bの励振位相に対して約 50度進めた場合の円錐面の指向性を示している。

また、指向性 gは、スロット素子 41 Aの励振位相がスロット素子 41Bの励振位相に対して約 50度遅らせた場合の円錐面の指向性を示しており、指向性 hは、スロット素子 41 Aの励振位相がスロット素子 41Bの励振位相に対して約 50度進めた場合の円錐面の指向性を示している。これらの指向性 e〜hは、いずれも指向性利得が 12. 3dBi 、円錐面パターンの半値角が 87度となり、仰角 Θが 60度における水平面の全方位をカバーできる 4セクタアンテナが形成される。 [0037] 一方、図 7 (B)は、切替素子 16A, 16B、または切替素子 43A, 43Bに順バイアスを印加し、主ビームを仰角 Θが 30度の低仰角方向に形成した場合の指向性を示す図である。また、同図（C)において、指向性 iは、スロット素子 13Aの励振位相がスロット素子 13Bの励振位相に対して約 50度遅らせた場合の円錐面の指向性を示しており、指向性 jは、スロット素子 13Aの励振位相がスロット素子 13Bの励振位相に対して約 50度進めた場合の円錐面の指向性を示している。

また、指向性 kは、スロット素子 41Aの励振位相がスロット素子 41Bの励振位相に対して約 50度遅らせた場合の円錐面の指向性を示しており、指向性 1は、スロット素子 4 1Aの励振位相がスロット素子 41Bの励振位相に対して約 50度進めた場合の円錐面の指向性を示している。これらの指向性 i〜lは、いずれも指向性利得が 9. 4dBi、円錐面パターンの半値角が 86度となり、仰角 Θが 30度における水平面の全方位を力バーできる 4セクタアンテナが形成される。

[0038] 以上のように、本実施形態によれば、低仰角方向と高仰角方向の水平面の全方位をカバーできるセクタアンテナが形成される。従って、本実施形態のように、基板の表面に 4つのスロット素子を正方形状に配置し、基板の裏面にスロット素子と直交する方向に複数個の線状無給電素子を形成し、対向する 2組のスロット素子を選択的に位相差をもたせて励振させ、かつ、線状無給電素子を切替素子によって接続 Z未接続を切り替えて長さを調整することで、小型かつ平面構造で、垂直面において主ビーム方向を切り替えることができる 4方向のマルチセクタアンテナを実現できる。

[0039] [第 3の実施形態]

次に、本発明の第 3の実施形態に係るアンテナ装置について図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本実施形態において、図 1に示す第 1の実施形態と同一部分には同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。なお、本実施形態でも、アンテナの動作周波数を 5GHzとして説明する。

図 8は、本発明の第 3の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示すものであり、スロット素子 51A〜51Dと、接続導体 52A〜52Dと、無給電素子 15A〜15Dと、スロット迂回素子 53A, 53Bと、給電部 54とを、基板 11の銅箔層 12に備えている。

[0040] スロット素子 51A〜51Dは、銅箔層 12を切削して形成された空隙であり、正方形形状に配置されており、素子長 L4が 16. 3mm (約 1Z3波長）、素子幅が例えば lmm である。ここで、スロット素子 51A, 51Bの接続部と、スロット素子 51C, 51Dの接続部とを結んだライン上に、無給電素子 15A〜 15Dが配置されるようにする。

[0041] 接続導体 52A〜52Dは、スロット素子 51A〜51Dと同一平面上に、例えば銅箔パターンにより形成されており、長さ L5が約 5mmの位置でそれぞれのスロット素子 51 A〜51Dを分断するようにスロット素子の内側の銅箔層と外側の銅箔層を接続している。このように、接続導体 52A〜 52Dにより、スロット素子 51A〜51Dの内側の銅箔層と外側の銅箔層を接続することで、スロット素子 51 A〜51 Dのインピーダンスを安定ィ匕させることができる。

[0042] スロット迂回素子 53A, 53Bは、スロット素子 51A〜51Dと同様に銅箔層 12を切削して形成された空隙であり、全長が 13mm (約 1Z4波長）で、長さ L6力 . 5mm (約 1Z8波長）で折り返した構成となっている。素子幅は lmmである。スロット迂回素子 5 3Aは、スロット素子 51Aとスロット素子 51Cの間に接続され、スロット迂回素子 53Bは、スロット素子 51Bとスロット素子 51Dの間に接続される。なお、スロット素子 51 Aとスロット素子 51B、スロット素子 51Cとスロット素子 5 IDは、それぞれ接続されており、ここではスロット素子 51Aとスロット素子 51Bの間に挿入された給電部 54によってスロット素子が励振される。

[0043] 従って、本実施形態によれば、このように構成することで、スロット素子 51A, 51Bの接続部及びスロット素子 51C, 51Dの接続部において、電界がピーク点をとることになり、スロット迂回素子 53A, 53Bにより、それぞれのピーク点間において位相差が生じることになる。このため、これらの電界ピーク点力の放射を簡略ィ匕すると、 X軸方向偏波のスロットアンテナを 2つ平行に配列した構成と見なすことができる。この構成においては、第 1の実施形態で説明したように、 +Z方向から ±X方向にチルトした主ビームが形成されることになる。

[0044] (I)図 9は、切替素子 16A, 16Bに逆バイアスを印加したときに、図 8に示すアンテナ装置の指向性を示す図である。図 9において、（A)は垂直 (XZ)面の指向性、（B) は仰角 Θが 60度における円錐面の指向性を示している。

同図 (A)において、指向性 mは、垂直偏波 E Θ成分の指向性を示しており、仰角 Θ 力 S60度の方向へチルトした主ビームが得られていることが確認できる。一方、同図（B )において、指向性 nは、指向性 mと同様に垂直偏波 E Θ成分の指向性を示しており、主ビームが +X方向へ向いていることが確認できる。このとき、主ビームの指向性利得は 13. 2dBi、円錐面パターンの半値角は 62度である。

[0045] (Π)次に、図 10は、切替素子 16A, 16Bに順バイアスを印加したときの図 8に示すアンテナ装置の指向性を示す図である。図 10において、同図（A)は垂直 (XZ)面の指向性、同図（B)は仰角 Θが 20度における円錐面の指向性を示している。

図 10 (A)において、指向性 oは、垂直偏波 E Θ成分の指向性を示しており、仰角 Θ 力 S 20度の方向へチルトした主ビームが得られていることが確認できる。また、図 10 (B )において、指向性 pは、指向性 oと同様に垂直偏波 E Θ成分の指向性を示しており、主ビームが +X方向へ向いていることが確認できる。このとき、主ビームの指向性利得は 8. 9dBi、円錐面パターンの半値角は 84度である。

[0046] このように、図 8に示すような本実施形態の構成とすることで、 +X側にチルトした主ビームが得られ、無給電素子 15A〜15Dの長さを切替素子により切り替えることで、垂直 (XZ)面にお、て高仰角方向と低仰角方向に主ビーム方向を切り替えることができる。また、図 8に示す構成では、スロット素子 51A, 51Bの間にのみ給電部 54を設けたが、スロット素子 51C, 51Dの間にも給電部を設けて、選択的に励振することで、主ビーム方向を ±X方向に切り替えることができる。このとき、励振しない給電部は開放とする必要がある。また、図 8に示す本実施形態のような構成のものを、複数平面上に等角度ずつ回転させて配列することで、水平面の全方位をカバーできるセクタアンテナを構成することもできる。

[0047] 以上のように、本実施形態のアンテナ装置によれば、基板 11の表面に正方形形状に形成されたスロット素子 51 A〜51Dと正方形の対向する一組の頂点にスロット迂回素子 53A, 53Bを設けるとともに、基板 11の裏面に複数個の線状無給電素子 15A 〜15Dを形成し、さらにはスロット素子 51A〜51D面から一定の距離を離して反射板 14を設けて、線状無給電素子 51A〜51Dを切替素子 16A, 16Bによって接続 Z 未接続を切り替えて長さを調整することができる。従って、小型かつ平面構造で、垂直面において低仰角方向と高仰角方向に主ビームを切り替えることができる、換言すれば、 1つのアンテナで複数のビームを送受信可能なマルチビームアンテナ装置を実現することができる。なお、本実施形態では、スロット素子を正方形形状に配列した力正方形形状に限らず、円形形状やひし形形状としても良い。

[0048] なお、本発明は、上述した実施形態に何ら限定されるものではなぐその要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得るものである。例えば、本発明では、スロット素子の内側の銅箔層と外側の銅箔層を接続導体により同一平面で接続することとしたが、スルーホールを介して基板の裏面で接続しても同様な効果が得られる。本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。

本出願は、 2004年 9日 14日出願の日本特許出願 No.2004-266604に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

産業上の利用可能性

[0049] 本発明は、水平方向にチルトした垂直偏波を有した主ビームを低仰角方向と高仰角方向に形成し、さらには水平面において主ビーム方向を切り替えることができ、小型無線機に搭載する際に適した平面構造で小型なマルチビームアンテナを実現できるという効果を有し、固定無線機や端末無線機等の小型無線機に適用できる。

Claims

請求の範囲

[1] 導体板に所定の間隔を隔てて平行に配置した略 1Z2波長の電気長を有する第 1 のスロット素子及び略 1Z2波長の電気長を有する第 2のスロット素子と、

前記導体板力平行に所定の間隔を隔てた位置に配置した反射板と、前記導体板と前記反射板の間に前記第 1及び第 2のスロット素子と直交するように所定の間隔を隔てて直列に配列した第 1乃至第 4の線状無給電素子と、

前記第 1及び第 2の線状無給電素子との間に設け、前記第 1及び第 2の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第 1の切替素子と、前記第 3及び第 4の線状無給電素子との間に設け、前記第 3及び第 4の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第 2の切替素子とを備えることを特徴とするアンテナ装置。

[2] 前記第 1及び第 2のスロット素子と直交するように、前記導体板に所定の間隔を隔てて平行に配置した略 1Z2波長の電気長をそれぞれ有する第 3のスロット素子及び第 4のスロット素子と、

前記第 1乃至第 4の線状無給電素子と同一平面で、かつ、前記第 3及び第 4のスロット素子と直交するように、所定の間隔を隔てて直列に配列した第 5乃至第 8の線状無給電素子と、

前記第 5及び第 6の線状無給電素子との間に設け、前記第 5及び第 6の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第 3の切替素子と、前記第 7及び第 8の線状無給電素子との間に設け、前記第 7及び第 8の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第 4の切替素子とを備えることを特徴とする請求項 1記載のアンテナ装置。

[3] 一辺が略 1Z4波長乃至 3Z8波長の長さを有し、前記導体板にひし形形状に配置する 4本のスロット素子と、

第 5のスロット素子の一端と第 6のスロット素子の一端を接続した位置に給電する第 1の給電手段と、

前記第 5のスロット素子の他端と第 7のスロット素子の一端とに接続し、略 1Z4波長の長さを保持して折り返した形状を有する第 1のスロット迂回素子と、前記第 6のスロット素子の他端と第 8のスロット素子の一端とに接続し、略 1Z4波長の長さを保持して折り返した形状を有する第 2のスロット迂回素子と、

前記導体層力平行に所定の間隔を隔てた位置に配置した反射板と、前記第 5及び第 6のスロット素子の接続部と前記第 7及び第 8のスロット素子の接続部とを結ぶラインに平行で、かつ、前記導体板と前記反射板の間に所定の間隔を隔てて直列に配列した第 9乃至第 12の線状無給電素子と、

前記第 9及び第 10の線状無給電素子との間に設け、前記第 9及び第 10の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第 5の切替素子と、前記第 11及び第 12の線状無給電素子との間に設け、前記第 11及び第 12の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第 6の切替素子とを備えることを特徴とするアンテナ装置。

[4] 前記第 2の給電手段は、前記第 7のスロット素子の他端と前記第 8のスロット素子の他端を接続した位置に配置することを特徴とする請求項 3に記載のアンテナ装置。

[5] 前記スロット素子及び前記スロット迂回素子は、誘電性の基板上の表面の銅箔バターンで構成するとともに、

前記線状無給電素子は、前記基板上の裏面の銅箔パターンにより構成することを特徴とする請求項 1乃至 4の何れか 1項に記載のアンテナ装置。

[6] 前記導体板と前記反射板との間隔は、略 1Z4波長以上で略 1Z2波長以下に設定するとともに、

前記スロット素子と前記線状無給電素子との間隔は、略 1Z6波長以上で略 1Z4 波長以下に設定することを特徴とする請求項 1乃至 4の何れか 1項に記載のアンテナ装置。

[7] 前記誘電体基板の厚さは、誘電体内の実効波長の略 1Z6以上で略 1Z4以下に設定するとともに、

前記基板上の裏面の銅箔パターンと前記反射板との間隔は、自由空間波長の略 1 Z4以上で略 1Z3以下に設定することを特徴とする請求項 5に記載のアンテナ装置

[8] 請求項 1乃至 7の何れか 1項に記載の複数のアンテナ装置を平面上にそれぞれ等角的に配置してあることを特徴とするマルチビームアンテナ装置。