(57)【要約】【課題】指向性を制御可能で小型なアンテナ装置を実現すること。【解決手段】アンテナ装置は、給電素子１と、４つの無給電素子２で構成されている。無給電素子２は、給電素子１の線路方向に平行であって、間隔Ｒ隔てて配置されている。無給電素子２は、平行な２本の第１金属配線１１、第２金属配線１２を有し、第１金属配線１１、第２金属配線１２の線路方向に４つの単位回路１０を縦続接続してなる梯子型の回路であり、左手系で動作する。単位回路１０は、第１金属配線１１に直列的に挿入された２つのキャパシタ１４と、その２つのキャパシタ１４の接続点と第２金属配線１２との間を連絡する１つのインダクタ１３と、により構成されている。また、第１金属配線１１が給電素子１側となる配置であり、キャパシタ１４のキャパシタンスは可変である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電素子と、前記給電素子の線路方向に対して平行に一定の間隔離れて配置された少なくとも１つの無給電素子と、を備えたアンテナ装置において、
前記無給電素子は、
平行に配置された第１金属配線および第２金属配線と、前記第１金属配線と前記第２金属配線とを連絡するインダクタと、前記第１金属配線に挿入されたキャパシタと、を有する構造を単位回路とし、同一または類似の複数の前記単位回路を金属配線方向に縦続接続した直線状の梯子型線路であって、全体として左手系で動作する素子であり、
前記無給電素子のリアクタンスは可変である、
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記キャパシタのキャパシタンスを可変とすることで、前記無給電素子のリアクタンスを可変とすることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記アンテナ装置は、複数の前記無給電素子を有し、
前記無給電素子は、前記給電素子を中心とした放射状に配置され、前記給電素子と各前記無給電素子との間隔が、すべて等しいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記給電素子および前記無給電素子は、誘電体基板と、前記誘電体基板上に形成された導体箔パターンによって構成されている、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記給電素子は、ダイポールアンテナであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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おり、たとえば特許文献１に記載がある。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、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２４４３１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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り、アンテナ装置を小型化することができなかった。
【０００５】
そこで本発明の目的は、指向性を変化させることができ、かつ小型なアンテナ装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、給電素子と、給電素子に対して平行に一定の間隔離れて配置された少なくとも１つの無給電素子と、を備えたアンテナ装置において、無給電素子は、平行に配置された第１金属配線および第２金属配線と、第１金属配線と第２金属配線とを連絡するインダクタと、第１金属配線に挿入されたキャパシタとを有する構造を単位回路とし、同一または類似の複数の単位回路を金属配線方向に縦続接続した直線状の梯子型線路であって、全体として左手系で動作する素子であり、無給電素子のリアクタンスは可変である、ことを特徴とするアンテナ装置である。
【０００７】
給電素子の周囲に複数の無給電素子を配置する場合には、給電素子から各無給電素子までの間隔はすべて等しくしてもよいし、異なるようにしてもよい。また、給電素子を中心として等角度に無給電素子を配置してもよいし、等角度でなくてもよい。また、給電素子に対する第１金属配線および第２金属配線の配置は、第１金属配線が第２金属配線よりも給電素子に近い側となるよう配置してもよいし、遠い側となるよう配置してもよい。これらは、所望の指向性に応じて設計すればよい。
【０００８】
無給電素子は給電素子に対して厳密に平行に配置する必要はなく、給電素子と無給電素子の電気的結合が得られる程度に配置されていればよい。また、第１金属配線と第２金属配線２もまた、厳密に平行に配置する必要はなく、左手系の動作が得られる程度に配置されていればよい。
【０００９】
なお、本発明のアンテナ装置は、送信アンテナと受信アンテナの両方に用いることができる。したがって、本明細書中で用いている「給電」の語は、受信アンテナとして本発明のアンテナ装置を用いる場合においては「受電」の意であるとして解釈するものとする。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、キャパシタのキャパシタンスを可変とすることで、無給電素子のリアクタンスを可変とすることを特徴とするアンテナ装置である。
【００１１】
第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、アンテナ装置は、複数の無給電素子を有し、無給電素子は、給電素子を中心とした同心円状に配置され、給電素子と各無給電素子との間隔が、すべて等しいことを特徴とするアンテナ装置である。
【００１２】
第３の発明のように複数の無給電素子を同心円状状に配置する場合、それぞれの無給電素子を給電素子を中心に等角度で配置するようにしてもよいし、異なる角度に配置してもよい。
【００１３】
第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、給電素子および無給電素子は、誘電体基板と、誘電体基板上に形成された導体箔パターンによって構成されている、ことを特徴とするアンテナ装置である。
【００１４】
インダクタは、たとえば導体箔をメアンダ状のパターンとすることで構成することができ、キャパシタはインターデジタルパターンとすることで構成することができる。また、給電素子および無給電素子をスロットパターンによって構成することもできる。
【００１５】
第５の発明は、第１の発明から第４の発明において、給電素子はダイポールアンテナであることを特徴とするアンテナ装置である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のアンテナ装置では、無給電素子のリアクタンスを変化させることで無給電素子の共振周波数を変化させることができる。無給電素子の共振周波数を給電素子の共振周波数付近とすると、無給電素子は給電素子と電気的に接合し、給電素子の指向性を変化させることができる。また、無給電素子を左手系で動作する構造としたため、給電素子と無給電素子との間隔をλ／４よりも短くすることができ、小型で指向性を制御可能なアンテナ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例１のアンテナ装置の構成を示す図。
【図２】無給電素子２の構成を示す図。
【図３】無給電素子２を給電素子として用いた場合の反射特性を示す図。
【図４】無給電素子２を１つ配置したアンテナ装置の反射特性を示す図。
【図５】無給電素子２を１つ配置したアンテナ装置の構成を示す図。
【図６】無給電素子２を１つ配置したアンテナ装置の共振状態における反射特性を示す図。
【図７】無給電素子２を１つ配置したアンテナ装置の共振状態における指向性を示す図。
【図８】７５５ＭＨｚにおける位相・振幅特性を示す図。
【図９】７５０ＭＨｚにおける位相・振幅特性を示す図。
【図１０】７６０ＭＨｚにおける位相・振幅特性を示す図。
【図１１】実施例１のアンテナ装置の反射特性を示す図。
【図１２】実施例１のアンテナ装置の指向性を示す図。
【図１３】実施例２のアンテナ装置の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【実施例１】
【００１９】
図１は、実施例１のアンテナ装置の構成を示す図である。アンテナ装置は、給電素子１と４つの無給電素子２とにより構成されている。給電素子１は、直線状導体で形成されたダイポールアンテナである。給電素子１単体での共振周波数は約７４０ＭＨｚである。図１（ａ）は、アンテナ装置を斜め上方向から俯瞰した図であり、給電素子１の給電点を原点として給電素子１の線路方向をｚ軸、給電素子１の線路方向に直交する方向にｘ軸、ｙ軸を設定して示している。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるｚ軸方向からアンテナ装置を見た図である。
【００２０】
図２は、無給電素子２の構成を示す図である。無給電素子２は、平行な２本の直線状導体である第１金属配線１１、第２金属配線１２と、第１金属配線１１と第２金属配線１２との間を連絡するインダクタ１３と、第１金属配線１１に直列的に挿入されたキャパシタ１４と、によって構成された梯子型の回路であり、４つの単位回路１０を縦続接続してなる周期的な構造である。単位回路１０は、第１金属配線１１に直列的に挿入された２つのキャパシタ１４と、その２つのキャパシタ１４の接続点と第２金属配線１２との間を連絡する１つのインダクタ１３と、により構成されている。インダクタ１３、キャパシタ１４はいずれもチップ部品であり、キャパシタ１４はキャパシタンスを変化させることができる。キャパシタンスは、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可変としてもよいし、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可変としてもよい。無給電素子２の線路方向の長さは任意であるが、アンテナ装置の小型化のため給電素子の線路方向の長さ以下とすることが望ましい。
【００２１】
無給電素子２のインダクタ１３のインダクタンス、キャパシタ１４のキャパシタンスは、左手系で動作するように設計されている。図３は、キャパシタ１４のキャパシタンスを０．６５ｐＦ、１．６５ｐＦとして、無給電素子２の第１金属配線１１の中央に給電点を設けて給電素子として用いた場合の反射特性を示す図である。キャパシタンスを０．６５ｐＦとした場合には約７６０ＭＨｚで共振が生じ、キャパシタンスを１．６５ｐＦとした場合には約６００ＭＨｚで共振が生じていて、キャパシタンスを変化させることにより共振周波数を変化させることができることがわかる。
【００２２】
４つの無給電素子２は、間隔Ｒの同心円状で給電素子１に対して平行に配置されている。また、図２に示すように、ｘｙ平面において、給電素子１を中心とした放射状に９０度ごとに配置されていて、正のｙ軸上に無給電素子２ａ、正のｘ軸上に無給電素子２ｂ、負のｙ軸上に無給電素子２ｃ、負のｘ軸上に無給電素子２ｄとなるように配置されている。また、各無給電素子２ａ〜ｄは、ｘｙ平面上において、第２金属配線１２から第１金属配線１１に向かう方向が給電素子１へ向かう方向であるように配置されている。そのため、キャパシタ１４が挿入された第１金属配線１１が給電素子１側となるような配置となっている。
【００２３】
無給電素子２の共振周波数の変化は、アンテナ装置の特性に影響を及ぼす。図４は、給電素子１の周囲に無給電素子２を１つ配置したアンテナ装置（図５参照）の反射特性を示す図である。また、比較のため給電素子１を単独で用いた場合の反射特性についても図４に示している。図４のように、無給電素子２の共振周波数が給電素子１の共振周波数付近となるようにキャパシタ１４のキャパシタンスを０．６５ｐＦとした場合、無給電素子２は給電素子１に対して電気的に強く結合し、給電素子１の反射特性に影響を及ぼしていることがわかる。一方、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た値となるようキャパシタ１４のキャパシタンスを１．６５ｐＦとした場合、無給電素子２は給電素子１に対して電気的に結合せず、給電素子１の反射特性に与える影響は小さいことがわかる。
【００２４】
以下、共振状態とは、キャパシタ１４のキャパシタンスを無給電素子２の共振周波数が給電素子１の共振周波数付近となるように選択した場合を意味し、非共振状態とは、キャパシタ１４のキャパシタンスを無給電素子２の共振周波数が給電素子１の共振周波数から離れた値となるよう選択した場合を意味するものとする。
【００２５】
共振状態としたときの指向性の変化について、より詳しく説明する。図６は、図５のように無給電素子２を１つ配置したアンテナ装置の共振状態における反射特性である。図６のように、７５５ＭＨｚ付近に反射特性の劣化している帯域（以下、阻止帯域）が形成されている。図７は、この阻止帯域よりも低い周波数である７５０ＭＨｚ、阻止帯域よりも高い周波数である７６０ＭＨｚ、および阻止帯域である７５５ＭＨｚにおける図５のアンテナ装置のｘｙ平面での指向性を示した図である。共振状態において形成される阻止帯域を中心として、阻止帯域よりも低い周波数では無給電素子２は導波器として作用し、阻止帯域よりも高い周波数では無給電素子２は反射器として作用することがわかる。
【００２６】
また、図８〜１０は、それぞれ、７５５ＭＨｚ、７５０ＭＨｚ、７６０ＭＨｚにおける給電素子１、および無給電素子２の第１金属配線１１、第２金属配線１２上の位相・振幅特性を示す図である。給電素子１および第１金属配線１１を流れる電流の位相は、いずれの周波数においてもほぼ等しいが、給電素子１を流れる電流の位相と第２金属配線１２を流れる電流の位相との差は７５５ＭＨｚで１８０度、７５０ＭＨｚで２００度、７６０ＭＨｚで１６０度となっている。また、いずれの周波数においても、電流振幅が最も強いのは第２金属配線１２を流れる電流であり、次に給電素子１である。したがって、給電素子１を流れる電流と第２金属配線１２を流れる電流との位相差が、指向性に大きく影響していることがわかる。また、阻止帯域におけるその位相差よりも位相差が大きい場合には無給電素子２が導波器として作用し、阻止帯域におけるその位相差よりも位相差が小さい場合には無給電素子２が反射器として作用していることがわかる。
【００２７】
実施例１のアンテナ装置では、無給電素子２ａ〜ｄの共振状態と非共振状態とを切り換えることで指向性を変化させることができる。図１１は、Ｒ＝２０ｍｍとした図１に示すアンテナ装置の無給電素子２ａ〜ｄの共振状態と非共振状態を切り換えた場合の反射特性であり、図１２は、アンテナ装置の７６０ＭＨｚにおけるｘｙ平面での指向性を示した図である。
【００２８】
無給電素子２ａ〜ｄのすべてを非共振状態とした場合には、無給電素子２ａ〜ｄが給電素子１に与える影響は少なく、無指向性となる。
【００２９】
無給電素子２ａのみを共振状態とし、他の無給電素子２ｂ〜ｄを非共振状態とした場合には、図１１のように、阻止帯域が７６０ＭＨｚよりも低い周波数に生じている。そのため、無給電素子２ａが反射器として作用し、ヌル点を有したｙ軸の負方向に最大利得の指向性となる。
【００３０】
無給電素子２ａ、ｂを共振状態とし、無給電素子２ｃ、ｄを非共振状態とした場合は、阻止帯域が７６０ＭＨｚよりも高い周波数に生じている。そのため、無給電素子２ａ、ｂが導波器として作用し、第１象限側に最大利得方向が向いた指向性となる。
【００３１】
無給電素子２ａ〜ｃを共振状態とし、無給電素子ｄを非共振状態とした場合は、阻止帯域が７６０ＭＨｚよりも高い周波数に生じている。そのため、無給電素子２ａ〜ｃが導波器として作用し、ｘ軸正方向に最大利得の指向性となる。
【００３２】
無給電素子２ａ、ｃを共振状態とし、無給電素子２ｂ、ｄを非共振状態とした場合は、阻止帯域が７６０ＭＨｚよりも高い周波数に生じている。そのため、無給電素子２ａ、ｃが導波器として作用する。また、７６０ＭＨｚは阻止帯域に非常に近い周波数であり、反射特性が劣化する周波数となるため、利得が全体的に下がり、ｙ軸方向が長径の楕円型の指向性となる。
【００３３】
無給電素子２ａ〜ｄのすべてを共振状態とした場合は、阻止帯域が７６０ＭＨｚよりも高い周波数に生じている。そのため、無給電素子２ａ〜ｄのすべてが導波器として作用して無指向性となるが、無給電素子２ａ〜ｄのすべてを非共振状態とした場合に比べて全体の利得は下がっている。
【００３４】
この図１２の結果からわかるように、キャパシタ１４のキャパシタンスを変化させて無給電素子２ａ〜ｄのいずれか１つのみを共振状態とすることで、ｘ軸の正・負方向、ｙ軸の正・負方向の４方向のうち、所望の１方向へビームを形成することが可能である。たとえばｘ軸の負方向へビームを形成したい場合は無給電素子２ｂのみを共振状態とし、無給電素子２ａ、ｃ、ｄについては非共振状態とすればよい。
【００３５】
以上のように、実施例１のアンテナ装置では、動作周波数７６０ＭＨｚ（波長約４００ｍｍ）に対し、給電素子１と無給電素子２の間隔を１／２０波長の２０ｍｍとして指向性可変機能が得られている。従来のアンテナ装置では給電素子１と無給電素子２との間隔が１／４波長必要であったのに対し、実施例１のアンテナ装置ではその１／５の間隔で済んでおり、小型なアンテナ装置を実現できている。
【実施例２】
【００３６】
図１３は、実施例２のアンテナ装置の構成を示す図である。実施例２のアンテナ装置は、それぞれの面が直交するよう十字型に貼り合わされた誘電体基板２０ａ〜ｄと、誘電体基板２０ａ〜ｄ上にそれぞれ金属箔で形成された無給電素子２２ａ〜ｄと、誘電体基板２０ａ上であって、誘電体基板２０ｂ〜ｄと接合している側の一辺に沿って金属箔で形成された、ダイポールアンテナである給電素子２１と、で構成されている。
【００３７】
無給電素子２２ａ〜ｄは、平行な２本の第１金属配線２１１、第２金属配線２１２を有し、第１金属配線２１１、第２金属配線２１２の線路方向に４つの単位回路２１０を縦続接続してなる梯子型の回路である。単位回路２１０は、第１金属配線２１１に直列的に挿入された２つのキャパシタ２１４と、その２つのキャパシタ２１４の接続点と第２金属配線２１２との間を連絡する１つのインダクタ２１３と、により構成されている。
【００３８】
インダクタ２１３は、金属箔をメアンダ状としたパターンで構成されていて、キャパシタ２１４は、金属箔を櫛歯型状に欠落させたインターデジタル状のパターンで構成されている。また、インダクタ２１３のインダクタンス、キャパシタ２１４のキャパシタンスは、無給電素子２２ａ〜ｄが左手系で動作するように設計されている。また、キャパシタ２１４はキャパシタンスが可変であるよう構成されていて、キャパシタンスを変化させることにより各無給電素子２２ａ〜ｄの共振状態と非共振状態を切り換えることができる。
【００３９】
また、無給電素子２２ａ〜ｄは、給電素子２１から間隔Ｒ隔てて給電素子２１の線路方向に平行に配置されている。
【００４０】
この実施例２のアンテナ装置もまた、実施例１のアンテナ装置と同様に、各無給電素子２２ａ〜ｄの共振状態と非共振状態とを切り換えることで指向性を制御することができ、給電素子２１と無給電素子２２ａ〜ｄの間隔Ｒを１／４波長より小さくできるため、従来のアンテナ装置よりも小型化が可能である。また、金属箔のパターンはエッチングなどによって容易に形成でき、低コストで製造することができる。
【００４１】
なお、各実施例では給電素子を中心として４つの無給電素子を同心円状に配置しているが、少なくとも１つの無給電素子を配置すれば良く、また等角度に配置する必要もない。無給電素子の数や配置角度は、所望のビームの方向に合わせて設計すればよい。
【００４２】
また、各実施例では給電素子と各無給電素子との間隔を等しくしているが、必ずしも等しくする必要はない。給電素子と各無給電素子との間隔は利得に影響するため、間隔が異なるようにすれば所望のビームの方向ごとに利得を変えることができる。たとえば、実施例１のアンテナ装置において、給電素子１と無給電素子２ａ〜ｃの間隔は等しくし、無給電素子２ｄだけ異なる間隔とすれば、それぞれ利得の等しいｙ軸正・負方向およびｘ軸負方向のビームと、それら３方向のビームとは利得の異なるｘ軸正方向のビームとを形成することができる。
【００４３】
また、各実施例では給電素子に対する無給電素子の配置を、第１金属配線が第２金属配線よりも給電素子側となるようにしているが、必ずしもこのような配置に限るものではなく、給電素子と第２金属配線が平行となる配置であればよい。給電素子と第２金属配線との距離、および給電素子と第２金属配線とを流れる電流の位相を調整することにより、実施例と同様に指向性を制御することができる。たとえば、実施例とは逆に第２金属配線が第１金属配線よりも給電素子側となるような配置とした場合にも、共振状態と非共振状態との切り替えにより指向性を変化させることができ、また、共振状態においては阻止帯域が形成されるので、阻止帯域よりも高い周波数で動作するか、低い周波数で動作するかによって、無給電素子を反射器、導波器のいずれかとして作用させることができる。
【００４４】
また、各実施例では給電素子をダイポールアンテナとしたが、他の構造のアンテナでも良く、右手系で動作するアンテナであってもよいし、左手系で動作するアンテナであってもよい。たとえば、無給電素子と同様の線路方向に周期的な、左手系または右手系で動作する梯子型回路であってもよい。
【００４５】
また、本発明のアンテナ装置において、給電素子、無給電素子を接地導体上に形成するなどによって線路方向の一端を接地して電気映像を形成すれば、線路方向の長さを半分にすることができ、アンテナ装置をより小型化することができる。
【００４６】
また、各実施例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の共振周波数を変化させているが、インダクタのインダクタンスを可変とすることで、またはキャパシタのキャパシタンスとインダクタの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。
【００４７】
また、無給電素子の構造は、各実施例に示した同一の単位回路を接続したものに限るものではなく、全体として左手系で動作するのであれば、類似の回路を用いるようにしてもよい。単位回路に類似の回路は、たとえば、各実施例で示した単位回路においてキャパシタを１つとした回路や、インダクタにキャパシタを直列または並列に挿入した回路や、キャパシタにインダクタを直列または並列に挿入した回路などである。
【００４８】
また、各実施例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。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明のアンテナ装置は、移動体通信などの無線通信に用いることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１、２１：給電素子
２、２２：無給電素子
１０、２１０：単位回路
１１、２１１：第１金属配線
１２、２１２：第２金属配線
１３、２１３：インダクタ
１４、２１４：キャパシタ
２０ａ〜ｄ：誘電体基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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