(57)【要約】  差動給電線路１０３ｃによって、動作時のスロット長が四分の一実効波長となるよう設定された先端開放スロット共振器６０１、６０３、６０５、６０７を対動作させ、逆相等振幅で励振されたスロット共振器群を回路内に出現させ、各スロット共振器内の選択性放射部位６０１ｂ、６０１ｃ、６０３ｂ、６０３ｃ、６０５ｂ、６０７ｂの先端開放終端点の配置条件を動的に切り替える。
2008065995.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板（１０１）と、
前記誘電体基板の裏面に設けられた有限の面積の接地導体（１０５）と、
前記誘電体基板の表面に配置された二本の鏡面対称な信号導体（１０３ａ、１０３ｂ）からなる差動給電線路（１０３ｃ）と、
前記接地導体（１０５）に形成され、前記信号導体（１０３ａ、１０３ｂ）の一本（１０３ａ）とのみ一部が交差し、動作周波数における四分の一実効波長に相当するスロット長を有し先端が開放終端される第一のスロット共振器（６０１、６０５）と、
前記接地導体面（１０５）に形成され、前記第一のスロット共振器が一部で交差した信号導体（１０３ａ）とは異なる側の前記信号導体（１０３ｂ）とのみ一部が交差し、前記動作周波数における四分の一実効波長に相当するスロット長を有し先端が開放終端される第二のスロット共振器（６０３、６０７）と
を備え、
前記第一のスロット共振器（６０１、６０５）および第二のスロット共振器（６０３、６０７）は、逆相に給電され、  前記スロット共振器（６０１、６０３、６０５、６０７）の少なくともいずれか一つのスロット共振器は、高周波構造可変機能および動作状態切り替え機能の少なくとも一方の可変機能を備えることにより、２つ以上の異なる放射指向性を実現する差動給電指向性可変スロットアンテナであって、
前記第一、第二のスロット共振器（６０１、６０３、６０５、６０７）は、前記信号導体（１０３ａ、１０３ｂ）と一部が交差する給電部位（６０１ａ〜６０７ａ）と、前記信号導体（１０３ａ、１０３ｂ）とは交差しない選択性放射部位（６０１ｂ、６０１ｃ、６０３ｂ、６０３ｃ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０７ｂ、６０７ｃ）の直列接続構造から構成され、
前記給電部位は、前記第一の信号導体と前記第二の信号導体間の領域と対向する領域において、少なくとも一部が信号導体と平行な方向への配向成分を有して八分の一実効波長未満の長さにわたって延長され、短絡終端され、
前記選択性放射部位は、前記給電部位と接続される側とは逆側の先端部が開放終端され、
前記可変機能を備える前記スロット共振器（６０１、６０３、６０５、６０７）では、前記給電部位に複数の前記選択性放射部位が接続されており、高周波スイッチ（６０１ｄ、６０１ｅ）が、前記給電部位から前記複数の選択性放射部位の先端開放点（６０１ｂｏｐ、ｃｏｐ、〜６０７ｂｏｐ、６０７ｃｏｐ）までの経路のそれぞれにおいて少なくとも一箇所で前記スロット共振器を幅方向に跨いで挿入され、前記高周波スイッチ素子は、前記スロット共振器が跨ぐ両側の前記接地導体面を短絡するか、しないかを制御し、
前記高周波構造可変機能は、前記高周波スイッチにより、前記複数の選択性放射部位の一つが選択されて前記給電部位とともにスロット構造を形成することによって実現され、
前記動作状態切り替え機能は、前記高周波スイッチが前記スロット構造を短絡することによって実現される、差動給電指向性可変スロットアンテナ。
【請求項２】
前記差動給電線路が開放終端された箇所から給電回路側への距離が動作周波数における四分の一実効波長に相当する地点で、前記第一のスロット共振器と前記第二のスロット共振器が給電される請求項１に記載の差動給電指向性可変スロットアンテナ。
【請求項３】
前記差動給電線路の終端点がそれぞれ同じ抵抗値の抵抗により接地終端される請求項１に記載の差動給電指向性可変スロットアンテナ。
【請求項４】
前記第一の信号導体の終端点と前記第二の信号導体の終端点が抵抗を介して電気的に接続される請求項１に記載の差動給電指向性可変スロットアンテナ。
【請求項５】
前記二つ以上の異なる放射指向性のうち一つの放射指向性は、
前記第一のスロット共振器の前記第一の選択性放射部位の第一の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器の前記第二の選択性放射部位の第二の先端開放部位とが、動作周波数における四分の一実効波長未満の距離に近接して配置された二対のスロット共振器対群を構成し、
前記第一のスロット共振器対の第一の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器対の第一の先端開放部位とを、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置し、
前記第一のスロット共振器対の第二の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器対の第二の先端開放部位とを、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置することにより実現され、
前記一つの放射指向性は、前記差動給電線路に直交し、前記誘電体基板面に平行な二方向に放射成分を有する放射指向性である請求項１に記載の差動給電指向性可変スロットアンテナ。
【請求項６】
前記二つ以上の異なる放射指向性のうち一つの放射指向性は、
前記第一のスロット共振器の前記第一の選択性放射部位の第一の先端開放部位と前記第二のスロット共振器の前記第二の選択性放射部位の第二の先端開放部位とが、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置された二対のスロット共振器対群を構成し、
前記第一のスロット共振器対の第一の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器対の第一の先端開放部位とを、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置し、
前記第一のスロット共振器対の第二の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器対の第二の先端開放部位とを、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置することにより実現され、
前記一つの放射指向性は、前記差動給電線路に平行な二方向に放射成分を有する放射指向性である請求項１に記載の差動給電指向性可変スロットアンテナ。
【請求項７】
前記二つ以上の異なる放射指向性のうち一つの放射指向性は、
前記第一のスロット共振器の前記第一の選択性放射部位の第一の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器の前記第二の選択性放射部位の第二の先端開放部位とを、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置し、
前記差動給電指向性可変スロットアンテナ内で動作状態に設定されるスロット共振器が一対だけ対動作し、
前記第一の先端開放部位と、前記第二の先端開放部位とを結ぶ第一の方向への放射利得が抑圧され、
前記第一の方向に直交する面内のいずれかの方向に主ビームが向いた放射指向性が実現される請求項１に記載の差動給電指向性可変スロットアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波帯、およびミリ波帯などのアナログ高周波信号、もしくはデジタル信号を送信、受信する差動給電アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコン系トランジスタの飛躍的な特性向上に伴い、デジタル回路だけでなくアナログ高周波回路部においても、化合物半導体トランジスタからシリコン系トランジスタへの置換、更にはアナログ高周波回路部とデジタルベースバンド部との１チップ化が加速している。【０００３】
この結果、高周波回路の主流であったシングルエンド回路は、正負の符号の信号をバランス動作させる差動信号回路へと置換されつつある。これは、差動信号回路が、不要輻射の劇的な低減、移動体端末内に無限面積の接地導体を配置できない条件化での良好な回路特性の確保、などの利点を有するからである。差動信号回路において個々の回路素子はバランスを維持して動作する必要があるが、シリコン系トランジスタでは特性ばらつきが少なく信号の差動バランスが維持できる。また、シリコン基板自体が有する損失を回避するためにも差動線路を用いることが好ましいという理由もある。結果として、シングルエンド回路において確立されていた高い高周波特性を保ちつつ、差動信号給電に対応することが、アンテナやフィルタなどの高周波デバイスへの強い要望となっている。【０００４】
図１７（ａ）に上面より臨んだ透視模式図を、図１７（ｂ）に図中の直線Ａ１−Ａ２で切断した断面構造図を示したのは、シングルエンド線路１０３により給電される二分の一波長スロットアンテナ（従来例１）である。誘電体基板１０１の裏面に形成された接地導体面１０５に、二分の一実効波長のスロット長Ｌｓを有するスロット共振器６０１が形成されている。入力整合条件を満足するため、シングルエンド線路１０３の開放終端点１１３からスロット６０１と交差するまでの距離Ｌｍは、動作周波数における四分の一実効波長に設定される。スロット共振器６０１は、接地導体面１０５の一部領域における導体を厚さ方向に全て切除することによって得られている。図中に示したように、給電線路の伝送方向に平行な方向をＸ軸、誘電体基板形成面をＸＹ面とする座標系を定義する。従来例１の典型的な放射指向特性の一例を図１８に示す。図１８（ａ）はＹＺ面、図１８（ｂ）はＸＺ面の放射指向性を示している。図より明らかなように、従来例１は、±Ｚ方向で最大利得を示す放射指向特性が得られる。また、±Ｘ方向でヌル特性が、±Ｙ方向でも主ビーム方向に対して１０ｄＢ程度の利得低減効果が得られる。【０００５】
また、図１９（ａ）に上面より臨んだ透視模式図を、図１９（ｂ）に図中の直線Ａ１−Ａ２で切断した断面構造図を示したのは、シングルエンド線路１０３により給電される四分の一波長スロットアンテナ（従来例２）である。誘電体基板１０１の裏面に形成された有限の面積の接地導体１０５に、四分の一実効波長のスロット長Ｌｓを有するスロット共振器６０１が形成されている。スロット共振器の片端９１１は接地導体１０５の縁部において、開放終端されている。図２０（ａ）はＹＺ面、図２０（ｂ）はＸＺ面、図２０（ｃ）はＸＹ面での放射指向性を示している。図より明らかなように、従来例２は、マイナスＹ方向で最大利得を示すブロードな放射指向特性が実現できる。【０００６】
特許文献１においては、上記スロット構造を、差動給電線路の直下に伝送方向に直交させて配置させる回路構造が開示されている（従来例３）。すなわち、特許文献１の回路構成は、スロット共振器を給電する回路を、シングルエンド線路から差動給電線路へと置換した構成である。特許文献１の目的は、差動信号に意図せず重畳した不要同相信号のみを選択的に反射させる機能の実現であり、この目的からも明らかなように、特許文献１に開示された回路構造は、差動信号を自由空間に放射する機能を有さない。図２１（ａ）、（ｂ）にシングルエンド線路、差動給電線路によりそれぞれ給電した場合に、二分の一波長スロット共振器内に生じる電界分布の様子を模式的に比較図示した。シングルエンド線路によって給電した場合のスロットでは、両端において最小強度、中央部が最大強度となるよう、スロット幅方向に配向して電界２０１が分布する。一方、差動給電線路によって給電した場合は、正の符号の電圧によってスロット内に生じる電界２０１ａと、負の符号の電圧によってスロット内に生じる電界２０１ｂは等強度且つ逆向きのベクトルを持つので、総合的には両電界は相殺してしまう。このため、二分の一波長スロット共振器を差動給電線路で給電しても、電磁波の効率的な放射は原理的に不可能である。また、ごく近傍の励振点から逆相の電圧が給電されれば、相殺しあってしまい効率的な放射に結びつかないという点は、二分の一波長スロット共振器を四分の一波長スロット共振器へと置換した場合でも同様である。よって、差動給電線路をスロット共振器構造と結合させ実用的なアンテナ特性を実現するのは、シングルエンド線路によって給電する場合と比較して容易でない。【０００７】
非特許文献１においては、差動線路の裏面の接地導体を分割し、端部が開放されたスロット構造を形成することにより、線路に意図せず重畳した同相モードの除去が可能であることが報告されている。この場合も、差動信号成分の効率的な放射が目的でないことは明らかである。【０００８】
一般的に、差動伝送回路から効率的に電磁波を放射するためには、スロット共振器を用いず、差動給電線路の二本の信号線路の間隔を広げることによりダイポールアンテナとして動作させる方法が用いられる（従来例４）。図２２（ａ）に差動給電ストリップアンテナの斜視透視模式図を、図２２（ｂ）に上面模式図を図２２（ｃ）に下面模式図を示す。図２２においても、図１７と同様の座標軸を設定する。【０００９】
差動給電ストリップアンテナにおいては、誘電体基板１０１の上面に形成された差動給電線路１０３ｃの線路間隔が、終端側でテーパ状に広がっている。また、誘電体基板１０１の裏面側については、入力端子側領域１１５ａでは接地導体１０５が形成されているが、差動給電線路１０３ｃの終端箇所の直下領域１１５ｂでは接地導体は設定されない。従来例３の典型的な放射指向性特性の一例を図２３に示す。図２３（ａ）にはＹＺ面での、図２３（ｂ）にはＸＺ面での放射指向性特性を示している。図より明らかなように、従来例４において主ビーム方向は＋Ｘ方向であり、ＸＺ平面に分布する広い半値幅の放射特性を示す。また、原理的に、従来例４では±Ｙ方向への放射利得は得られない。放射する電磁波が接地導体１０５により反射されるため、マイナスＸ方向への放射も抑圧させることはできる。【００１０】
また、特許文献２には、シングルエンド線路により給電した可変スロットアンテナが開示されている（従来例５）。特許文献２の明細書の図１を、図２４として示す。誘電体基板１０の表面に配置されたシングルエンド線路６によって、基板裏面に設定した二分の一波長スロット共振器５を給電する点は、従来例１と同様の構成であるが、給電された二分の一波長スロット共振器５の先端に、更に複数の二分の一波長スロット共振器１、２、３、４を選択的に接続していくことによって、自由度の高いスロット共振器配置を実現している。スロット共振器配置を変化させることにより、電磁波の主ビーム方向を変化させる機能が発現した、としている。
【特許文献１】米国特許第６７６５４５０号明細書
【特許文献２】特開２００４−２７４７５７号公報
【非特許文献１】“Ｒｏｕｔｉｎｇ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｉ／Ｏ  ｓｉｇｎａｌｓ  ａｃｒｏｓｓ  ｓｐｌｉｔ  ｇｒｏｕｎｄ  ｐｌａｎｅｓ  ａｔ  ｔｈｅ  ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ  ｆｏｒ  ＥＭＩ  ｃｏｎｔｒｏｌ”    ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ，  Ｄｉｇｅｓｔ  Ｖｏｌ．１  ２１−２５  ｐｐ．３２５−３２７  ２０００年８月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の差動給電アンテナ、スロットアンテナ、可変アンテナ、には以下に示す原理的な課題があった。【００１２】
第一に、従来例１においては、±Ｚ軸方向にしか主ビームが向かず、±Ｙ軸方向、±Ｘ軸方向へ主ビーム方向を向けることは困難である。また、何よりも差動給電への対応が未達成なので、給電信号変換にバラン回路が必要であり、素子数増加、集積化の妨げになる、などの課題が生じていた。【００１３】
第二に、従来例２においては、＋Ｙ方向へのブロードな主ビームが形成されるが、その他の方向へのビーム形成が困難である。また、何よりも差動給電への対応が未達成なので、給電信号変換にバラン回路が必要であり、素子数増加、集積化の妨げになる、などの課題が生じていた。また、従来例２の放射特性は、半値幅が広いため、通信品質劣化の回避が困難であった。例えば、所望信号がマイナスＹ方向から到来する場合、＋Ｘ方向から到来する不要信号の受信強度は抑圧されない。信号反射が多い室内環境で高速通信を行うにあたって生じる深刻なマルチパス問題の回避や、妨害波が多く到達する状況下での通信品質維持が著しく困難であった。【００１４】
第三に、従来例３に示したように、二分の一波長スロット共振器や四分の一波長スロット共振器は、シングルエンド線路による給電を差動給電線路に置換しただけでは非放射特性しか得られず、効率的なアンテナ動作が困難であった。【００１５】
第四に、従来例４においては、±Ｙ軸方向への主ビーム配向が困難であった。なお、差動線路を曲げると、曲げ部分における二配線間の位相差より、不要同相信号の反射が生じるため、給電線路を曲げて主ビーム方向を曲げるという解決策は従来例３においては採用できない。よって、室内環境で用いる移動端末に用いるアンテナとしては、主ビーム方向が配向できない方向が生じるのは極めて好ましくない。【００１６】
第五に、従来例４の放射特性は、半値幅が広いため、通信品質劣化の回避が困難であった。例えば、所望信号がＺ軸方向から到来する場合、＋Ｘ方向から到来する不要信号の受信強度は抑圧されない。信号反射が多い室内環境で高速通信を行うにあたって生じる深刻なマルチパス問題の回避や、妨害波が多く到達する状況下での通信品質維持が著しく困難であった。【００１７】
第六に、従来例５においても、第四の課題と同様、所望信号が到達する方向とは異なる方向から到来する不要信号が通信品質へ与える悪影響を抑圧することが困難であった。すなわち、主ビーム方向の配向についての制御が可能であっても、妨害波の抑圧が不十分であるという問題があった。勿論、第一の課題と同様に、差動給電への対応も未達成である。【００１８】
以上の課題をまとめると、従来技術のいずれを用いても、３つの課題を解決することが困難である。すなわち、第一に差動給電回路との親和性があり、第二に広い立体角範囲で主ビーム方向を切り替えることが可能で、第三に主ビーム以外の方向から到来する妨害波の除去効果をも有する可変アンテナの実現が困難であった。  本発明は、上記従来の三課題を解決し、好ましくは、可変制御により得られる複数の放射パターンが互いに全立体角をカバーするにあたり相補しあうような特性を有する可変アンテナの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナは、誘電体基板（１０１）と、前記誘電体基板の裏面に設けられた有限の面積の接地導体（１０５）と、前記誘電体基板の表面に配置された二本の鏡面対称な信号導体（１０３ａ、１０３ｂ）からなる差動給電線路（１０３ｃ）と、前記接地導体（１０５）に形成され、前記信号導体（１０３ａ、１０３ｂ）の一本（１０３ａ）とのみ一部が交差し、動作周波数における四分の一実効波長に相当するスロット長を有し先端が開放終端される第一のスロット共振器（６０１、６０５）と、前記接地導体面（１０５）に形成され、前記第一のスロット共振器が一部で交差した信号導体（１０３ａ）とは異なる側の前記信号導体（１０３ｂ）とのみ一部が交差し、前記動作周波数における四分の一実効波長に相当するスロット長を有し先端が開放終端される第二のスロット共振器（６０３、６０７）とを備え、前記第一のスロット共振器（６０１、６０５）および第二のスロット共振器（６０３、６０７）は、逆相に給電され、前記スロット共振器（６０１、６０３、６０５、６０７）の少なくともいずれか一つのスロット共振器は、高周波構造可変機能および動作状態切り替え機能の少なくとも一方の可変機能を備えることにより、２つ以上の異なる放射指向性を実現する差動給電指向性可変スロットアンテナであって、前記第一、第二のスロット共振器（６０１、６０３、６０５、６０７）は、前記信号導体（１０３ａ、１０３ｂ）と一部が交差する給電部位（６０１ａ〜６０７ａ）と、前記信号導体（１０３ａ、１０３ｂ）とは交差しない選択性放射部位（６０１ｂ、６０１ｃ、６０３ｂ、６０３ｃ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０７ｂ、６０７ｃ）の直列接続構造から構成され、前記給電部位は、前記第一の信号導体と前記第二の信号導体間の領域と対向する領域において、少なくとも一部が信号導体と平行な方向への配向成分を有して八分の一実効波長未満の長さにわたって延長され、短絡終端され、前記選択性放射部位は、前記給電部位と接続される側とは逆側の先端部が開放終端され、前記可変機能を備える前記スロット共振器（６０１、６０３、６０５、６０７）では、前記給電部位に複数の前記選択性放射部位が接続されており、高周波スイッチ（６０１ｄ、６０１ｅ）が、前記給電部位から前記複数の選択性放射部位の先端開放点（６０１ｂｏｐ、６０１ｃｏｐ、〜６０７ｂｏｐ、６０７ｃｏｐ）までの経路のそれぞれにおいて少なくとも一箇所で前記スロット共振器を幅方向に跨いで挿入され、前記高周波スイッチ素子は、前記スロット共振器が跨ぐ両側の前記接地導体面を短絡するか、しないかを制御し、前記高周波構造可変機能は、前記高周波スイッチにより、前記複数の選択性放射部位の一つが選択されて前記給電部位とともにスロット構造を形成することによって実現され、前記動作状態切り替え機能は、前記高周波スイッチが前記スロット構造を短絡することによって実現される。【００２０】
好ましい実施形態において、前記差動給電線路が開放終端された箇所から給電回路側への距離が動作周波数における四分の一実効波長に相当する地点で、前記第一のスロット共振器と前記第二のスロット共振器が給電される。【００２１】
好ましい実施形態において、前記差動給電線路の終端点がそれぞれ同じ抵抗値の抵抗により接地終端される。【００２２】
好ましい実施形態において、前記第一の信号導体の終端点と前記第二の信号導体の終端点が抵抗を介して電気的に接続される。【００２３】
好ましい実施形態において、前記二つ以上の異なる放射指向性のうち一つの放射指向性は、前記第一のスロット共振器の前記第一の選択性放射部位の第一の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器の前記第二の選択性放射部位の第二の先端開放部位とが、動作周波数における四分の一実効波長未満の距離に近接して配置された二対のスロット共振器対群を構成し、前記第一のスロット共振器対の第一の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器対の第一の先端開放部位とを、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置し、前記第一のスロット共振器対の第二の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器対の第二の先端開放部位とを、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置することにより実現され、前記一つの放射指向性は、前記差動給電線路に直交し、前記誘電体基板面に平行な二方向に放射成分を有する放射指向性である。【００２４】
好ましい実施形態において、前記二つ以上の異なる放射指向性のうち一つの放射指向性は、前記第一のスロット共振器の前記第一の選択性放射部位の第一の先端開放部位と前記第二のスロット共振器の前記第二の選択性放射部位の第二の先端開放部位とが、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置された二対のスロット共振器対群を構成し、前記第一のスロット共振器対の第一の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器対の第一の先端開放部位とを、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置し、前記第一のスロット共振器対の第二の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器対の第二の先端開放部位とを、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置することにより実現され、前記一つの放射指向性は、前記差動給電線路に平行な二方向に放射成分を有する放射指向性である。【００２５】
好ましい実施形態において、前記二つ以上の異なる放射指向性のうち一つの放射指向性は、前記第一のスロット共振器の前記第一の選択性放射部位の第一の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器の前記第二の選択性放射部位の第二の先端開放部位とを、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置し、前記差動給電指向性可変スロットアンテナ内で動作状態に設定されるスロット共振器が一対だけ対動作し、前記第一の先端開放部位と、前記第二の先端開放部位とを結ぶ第一の方向への放射利得が抑圧され、前記第一の方向に直交する面内のいずれかの方向に主ビームが向いた放射指向性が実現される。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナにおいて、逆相に給電されるスロット共振器対の可変機能を用いれば、従来の差動給電アンテナでは実現不可能であった方向へ主ビーム方向を配向させた効率的な放射が初めて実現できるだけでなく、主ビーム方向と異なる方向での放射利得を同時に原理的に抑圧できる。このため、従来のアンテナが有していた三課題を解決することが出来る。本アンテナが主ビーム方向を配向させられる角度範囲は極めて広く、全立体角のカバーも可能である。【００２７】
よって、本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナによれば、第一に、従来の差動給電アンテナにおいて実現不可能であった方向への効率的な放射を実現し、且つ、第二に主ビーム方向を広い立体角範囲で可変し、且つ、第三に主ビーム方向と異なる方向で原理的に利得抑圧を実現するという三つの効果が実現できる。従って、本アンテナは、室内環境において高速通信用途で使用される移動体端末用アンテナとして極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナの実施形態の上面から臨んだ透視模式図である。
【図２】図１の差動給電指向性可変スロットアンテナの実施形態の断面構造図であって、（ａ）は図１の直線Ａ１−Ａ２を切断面とする断面構造図、（ｂ）は図１の直線Ｂ１−Ｂ２を切断面とする断面構造図、（ｃ）は図１の直線Ｃ１−Ｃ２を切断面とする断面構造図である。
【図３】スロット共振器６０１周辺構造の拡大図である。
【図４】スロット共振器６０１内の構造拡大図である。
【図５】スロット共振器６０１の構造変化例を示す図であって、（ａ）は高周波構造可変機能により発現するスロット共振器の構造図、（ｂ）は高周波構造可変機能により発現するスロット共振器の構造図、（ｃ）は動作状態可変機能により非動作状態に制御された場合のスロット共振器の構造図である。
【図６】本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナの第一の制御状態での構造図である。
【図７】本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナの第二の制御状態での構造図である。
【図８】本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナの第三の動作状態での構造図である。
【図９】本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナの第四の動作状態での構造図である。
【図１０】本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナの第五の動作状態での構造図である。
【図１１】（ａ）は先端開放四分の一実効波長スロット共振器対が逆相励振された場合にスロット共振器内に生じる電界ベクトルの模式図、（ｂ）は両端開放二分の一実効波長スロット共振器が逆相励振された場合にスロット共振器内に生じる電界ベクトルの模式図、（ｃ）は本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナ内の両端開放二分の一実効波長スロット共振器と差動給電線路の関係模式図である。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第一の実施例の放射指向パターン図である。
【図１３】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第二の実施例の放射指向パターン図である。
【図１４】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第三の実施例の放射指向パターン図である。
【図１５】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第四の実施例の放射指向パターン図である。
【図１６】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第五の実施例の放射指向パターン図である。
【図１７】シングルエンド線路給電二分の一波長スロットアンテナ（従来例１）の構造図であって、（ａ）は上面透視模式図、（ｂ）は断面構造図である。
【図１８】従来例１の放射指向特性図であって、（ａ）はＹＺ面での放射指向特性図、（ｂ）はＸＺ面での放射指向特性図である。
【図１９】シングルエンド線路給電四分の一実効波長スロットアンテナ（従来例２）の構造図であって、（ａ）は上面透視模式図、（ｂ）は断面構造図である。
【図２０】従来例２の放射指向特性図であって、（ａ）はＹＺ面での放射指向特性図、（ｂ）はＸＺ面での放射指向特性図、（ｃ）はＸＹ面での放射指向特性図である。
【図２１】二分の一波長スロット共振器内の電界ベクトル分布の模式図であって、（ａ）はシングルエンド給電線路により給電された場合の模式図、（ｂ）は差動給電線路により給電された場合の模式図である。
【図２２】差動給電ストリップアンテナ（従来例４）の構造図であって、（ａ）は斜視透視模式図、（ｂ）は上面模式図、（ｃ）は下面模式図である。
【図２３】従来例４の差動給電ストリップアンテナの放射指向特性図であって、（ａ）はＹＺ面での放射指向特性図、（ｂ）はＸＺ面での放射指向特性図である。
【図２４】特許文献２（従来例５）の図１であり、シングルエンド給電可変アンテナの模式構造図である。
【図２５】給電部位６０１の拡大図である。
【図２６】他の態様の給電部位６０１の拡大図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０１  誘電体基板
１０３  信号導体
１０３ａ、１０３ｂ  差動信号線路の対の信号導体
１０５、１０５ａ、１０５ｂ  接地導体
６０１、６０３、６０５、６０７  スロット共振器
１１３  給電線路の終端点
１１５ａ  誘電体基板裏面の入力端子側領域
１１５ｂ  誘電体基板裏面の差動給電線路終端箇所の直下領域
３１１  対称面
３１３  スタブ
６０１ａ、６０３ａ、６０５ａ、６０７ａ  給電部位
６０１ｂ、６０１ｃ、６０３ｂ、６０３ｃ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０７ｂ、６０７ｃ  選択性放射部位
６０１ｄ、６０１ｅ、６０３ｄ、６０３ｅ、６０５ｄ、６０７ｄ  高周波スイッチ素子
９１１  スロット共振器の方端
Ｌｍ  終端点から給電部位までの距離
Ｈ  基板厚
Ｗ  信号導体の配線幅
Ｇ  信号導体間の間隙幅
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明による差動給電指向性可変スロットアンテナの実施形態を説明する。本実施形態によれば、従来の差動給電アンテナでは放射不可能であった方向を含む様々な方向へ効率的な放射を実現する動的な放射指向性の可変性を実現することが可能である。また、主ビーム方向と異なる方向での放射利得の抑圧という、産業上有用な効果を実現することも可能である。【００３１】
（実施形態）
図１は、本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナの実施形態の構造を示す図であり、誘電体基板裏面の接地導体側から臨む透視模式図である。図２（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、図１の直線Ａ１−Ａ２、直線Ｂ１−Ｂ２、直線Ｃ１−Ｃ２で回路構造を切断した場合の断面構造図である。従来例の構成、放射方向を示した図１７、図２２とは、座標軸や符号の設定を対応させている。【００３２】
図１に示すように、誘電体基板１０１の裏面には有限の面積の接地導体１０５が形成されており、表面には差動給電線路１０３ｃが形成されている。差動給電線路１０３ｃは、鏡面対称な一対の信号導体１０３ａ、１０３ｂによって構成されている。接地導体１０５の一部領域では、導体を厚み方向に完全に除去してスロット回路（すなわち、スロット共振器６０１等）を構成する。【００３３】
図１の例においては、接地導体１０５内に四つのスロット共振器６０１、６０３、６０５、６０７が配置されている。図３にスロット共振器６０１周辺構造の拡大図を示す。スロット共振器６０１は、給電部位６０１ａと第１の選択性放射部位６０１ｂとが直列に接続され、かつ、給電部位６０１ａと第２の選択性放射部位６０１ｃとが直列に接続されることによって構成されている。１つの給電部位に接続される選択性放射部位の個数は、本実施形態における個数（２個）に限定されない。【００３４】
複数のスロット共振器の内、少なくとも一つのスロット共振器は、高周波構造可変機能および動作状態切り替え機能の少なくともいずれかの可変機能を有している。高周波構造可変および動作状態切り替えは、外部から与えられる制御信号（外部制御信号）に応じて実行される。【００３５】
図３には、高周波構造可変機能と動作状態切り替え機能の両機能を実現できるスロット共振器６０１の周辺部が拡大して示されている。外部制御信号は、給電部位６０１ａと第１の選択性放射部位６０１ｂとの間に配置された第１の高周波スイッチ素子６０１ｄ、および、給電部位６０１ａと第２の選択性放射部位６０１ｃとの間に配置された第２の高周波スイッチ素子６０１ｅを制御し、それによって可変機能を実現する。高周波スイッチ素子６０１ｄ、６０１ｅは、選択性放射部位６０１ｂ、６０１ｃの一部を跨いでもよい。選択性放射部位６０１ｂ、６０１ｃは、給電部位６０１ａと接続される側とは逆側の先端終端箇所において接地導体１０５の縁部と接し、先端開放終端点６０１ｂｏｐ、６０１ｃｏｐにおいて開放終端される。【００３６】
図４は、高周波スイッチ素子６０１ｄ、６０１ｅ付近を拡大して示している。例えば高周波スイッチ素子６０１ｄは、スロットを跨ぐ両側の接地導体領域１０５ａ、１０５ｂを接続するか接続しないかを制御する。高周波スイッチ素子６０１ｅを開放状態に制御すれば、選択性放射部位６０１ｃの先端開放終端箇所６０１ｃｏｐは給電部位６０１ａと高周波的に直列に接続された状態となり、四分の一実効波長スロット共振器の終端点として機能する。しかし、高周波スイッチ素子６０１ｅを導通状態に制御すれば、選択性放射部位６０１ｃの先端開放終端箇所６０１ｃｏｐは給電部位６０１ａと高周波的に切断された状態となり、四分の一実効波長スロット共振器の終端点として機能しなくなる。このように、高周波スイッチ素子の制御により、接地導体１０５上に出現するスロット共振器６０１の高周波構造が機能するかしないかを可変することが出来るようになる。なお、高周波スイッチ素子６０１ｄの配置位置は、必ずしも選択性放射部位と給電部位の間である必要はなく、選択性放射部位６０１ｂ、６０１ｃの先端開放終端箇所６０１ｂｏｐ、６０１ｃｏｐ以外の箇所でスロット構造を幅方向に跨いでも構わない。【００３７】
高周波構造可変機能を有するスロット共振器は、少なくとも二つの選択性放射部位を含む。しかし、動作時に、スロット共振器内で選択される選択性放射部位の数は一つに限定される。非選択となった残りの選択性放射部位の、特に先端開放終端点は、スロット共振器からは高周波的に分離される。【００３８】
図５（ａ）〜（ｃ）は、図３のスロット共振器６０１における高周波構造の変化の例を示している。図５では、非選択とされた選択性放射部位は図示していない。図５（ａ）に示した例では、高周波スイッチ素子６０１ｄが開放され、高周波スイッチ素子６０１ｅが導通、すなわち短絡されている。その結果、給電部位６０１ａと選択性放射部位６０１ｃとの間の接続が切断され、スロット共振器は給電部位６０１ａと選択性放射部位６０１ｂとが直列に接続された構造から形成される。この場合、四分の一実効波長スロット共振器６０１の先端開放点は参照符号「６０１ｂｏｐ」に示される部分である。【００３９】
逆に、図５（ｂ）に示した例では、高周波スイッチ素子６０１ｄが導通され、高周波スイッチ素子６０１ｅが開放されている。その結果、給電部位６０１ａと選択性放射部位６０１ｂと間の接続が切断され、スロット共振器は給電部位６０１ａと選択性放射部位６０１ｃとが直列に接続された構造から形成される。この場合、四分の一実効波長スロット共振器６０１の先端開放点は参照符号「６０１ｃｏｐ」に示される部分である。【００４０】
動作状態切り替え機能は、スロット共振器自体を動作状態とするか非動作状態とするかを切り替える機能である。図５（ｃ）は、図３のスロット共振器６０１を非動作状態に切り替えた場合の構造を示している。高周波スイッチ素子６０１ｄ、６０１ｅを共に導通状態に制御することにより、給電部位６０１ａと接続される全ての選択性放射部位、更には、全ての先端開放終端点をスロット共振器から高周波的に分離する。一方、動作状態では、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、選択性放射部位を一つだけ、給電部位６０１ａに接続すればよい。なお、本発明では、選択的導通手段６０１ｄ、６０１ｅをどちらも開放状態に制御することはない。【００４１】
以下の表１に、高周波スイッチ素子６０１ｄ、６０１ｅの開放／導通の組み合わせと、スロット共振器６０１の高周波回路構造変化との関係をまとめた。【００４２】
【表１】
2008065995.tif 000003
【００４３】
給電部位と選択性放射部位の実効電気長は、動作状態にある全てのスロット共振器のスロット長が常に四分の一実効波長となるようあらかじめ設定される。給電部位の長さは選択性放射部位よりも短く設定されることが好ましく、全スロット長の半分の長さ未満である八分の一実効波長未満には設定される必要がある。【００４４】
また、給電部位６０１ａは信号導体と交差する箇所においては、図２５に示すように、選択性放射部位６０１ｂ、６０１ｃに接続される部分６０１ａ１と、信号導体１０３と直交する成分（部分）６０１ａ２と、当該成分（部分）６０１ａ２から選択性放射部位６０１ｂ、６０１ｃに接続されない側の短絡終端点６０１ａ４に至るまでの間で信号導体１０３ａに平行な成分（部分）６０１ａ３を有する経路を持たなければならない。すなわち、給電部位は必ず折れ曲がり部を有することになる。差動伝送線路においては、差動伝送モードの特性インピーダンスの増大を回避するため、第一、第二の信号導体間の間隙幅を大きな値に設定することは不可能となり、上記折れ曲がり部を設定しないと、第一の信号導体と第一のスロット共振器間の十分な結合を得ることができない。また、第二の信号導体と第二のスロット共振器間の結合についても同様である。【００４５】
なお、ここで「成分（部分）」と記述した理由であるが、給電部位６０１ａは、信号導体１０３と完全に直交する部分６０１ａ２と信号導体１０３ａに完全に平行な部分６０１ａ３とを有する必要はないためである。すなわち、図２６に示すように、給電部位６０１ａは、湾曲する曲線状であってもよい。図２６に示すように、この湾曲する曲線状の給電部位６０１ａが、信号導体１０３と直交する成分６０１ａ２（すなわち、Ｙ方向の成分）と、信号導体１０３と平行な成分６０１ａ３（すなわち、Ｘ方向の成分）とを有すればよい。【００４６】
また、スロット共振器は必ず対構成で動作する。すなわち、第一の信号導体１０３ａと結合し動作状態にあるスロット共振器の数Ｎ１と、第二の信号導体１０３ｂと結合し、動作状態にあるスロット共振器の数Ｎ２は等しくなるように各スロット共振器の状態は制御される。具体的に、図１の構成において、対構成で動作しうるスロット共振器の組み合わせと、対構成で動作できないスロット共振器の組み合わせを表２にまとめた。【００４７】
【表２】
2008065995.tif 000004
【００４８】
なお、本発明のスロット共振器の選択性放射部位６０１ｂ、６０１ｃは、一対の信号導体１０３の鏡面対称面から臨んで、給電部位６０１ａが結合する信号導体側に配置される。例えば、第一のスロット共振器６０１の給電部位６０１ａは第一の信号導体１０３ａと結合するので、選択性放射部位６０１ｂ、６０１ｃは、一対の信号導体１０３の鏡面対称面から臨んで第一の信号導体１０３ａの方向に配置されている。【００４９】
また、対動作するスロット共振器は、二本の信号導体１０３ａ、１０３ｂから等強度の電力給電を受けるよう設定する。この条件を満足するには、対動作するスロット共振器を二本の信号導体１０３ａ、１０３ｂに対して物理的に鏡面対称に配置すればよい。また、スロット共振器対が物理的に鏡面対称配置とならない場合においても、スロット共振器対の高周波的特性を対称に設定することでも同様の効果は実現できる。すなわち、対動作する各スロット共振器は共振周波数が等しく、且つ、結合する信号導体との結合度を等強度に保てばよい。【００５０】
［スロット形状の可変性による主ビーム配向可変性］
以下、本発明の実施形態により、実用的に極めて有用な放射指向性を実現するための、スロット共振器群の制御法を説明する。【００５１】
まず、第一の制御状態として、図１に示した構成の差動給電指向性可変スロットアンテナにおいて、４つのスロット共振器の高周波構造可変機能を用いて、図６に示した高周波構造を出現させた。すなわち、第一から第四のスロット共振器において、選択性放射部位６０１ｂ〜６０７ｂを選択し、６０１ｃ〜６０７ｃを非選択へと制御する。非選択となった選択性放射部位は図中には表示していない。制御の結果、図中座標軸においてＸ軸方向に平行な二対のスロット共振器が接地導体１０５上に配向した状態が実現する。第一の制御状態での本発明の差動給電指向性可変アンテナの放射特性は、主ビーム方向が±Ｙ方向にほぼ対照的に配向し、ＸＺ面内への放射は強制的に抑圧された特性となる。すなわち、主ビーム方向に直交する面内の任意の方向から到来する妨害波を効率的に抑圧することが出来る。本発明の差動給電指向性可変アンテナにおいては、対構成に配置された対称性の高いスロット共振器へ、差動給電線路から等振幅、且つ逆位相の信号を入力するため、遠方界において電界が打ち消しあう条件が広範囲に成立することになる。シングルエンド給電で指向性可変を実現した従来例５のアンテナにおいては、給電されるシングルエンド信号を打ち消す等振幅、逆位相の信号が存在しないため、高い利得抑圧が得られる条件が成立しないか、成立したとしても極めて限定的な角度範囲や利得抑圧度が低い特性に留まってしまう。すなわち、本発明の構成によって初めて、主ビーム方向の配向と利得抑圧の効果が同時に得られることになる。【００５２】
第一の状態においては、第一のスロット共振器の先端開放終端点６０１ｂｏｐと第二のスロット共振器の先端開放終端点６０３ｂｏｐとの間の距離は、動作周波数における四分の一実効波長未満に設定されなければならない。また、第三のスロット共振器の先端開放終端点６０５ｂｏｐと第四のスロット共振器の先端開放終端点６０７ｂｏｐとの間の距離も、動作周波数における四分の一実効波長未満に設定されなければならない。そして、先端開放終端点６０１ｂｏｐと先端開放終端点６０５ｂｏｐ、先端開放終端点６０３ｂｏｐと先端開放終端点６０７ｂｏｐ間の距離は、動作周波数における二分の一実効波長程度に設定される。距離が四分の一実効波長未満は慣れた二つの先端開放終端点からの遠方界への放射に対する寄与は、配置距離により生じる位相差は少なく同相に近い。また、距離が二分の一実効波長程度に設定された二つの先端開放終端点からの遠方界への放射に対する寄与は、配置距離により生じる位相差が大きく逆相に近くなる。上記関係と、対構成のスロット共振器が逆相に給電されることから、第一の制御状態において放射が強めあう方向と消しあう方向の関係が論理的に説明できる。【００５３】
また、第二の制御状態として、図１に示した構成の差動給電指向性可変スロットアンテナにおいて、４つのスロット共振器の高周波構造可変機能を用いて、図７に示した高周波構造を出現させる。すなわち、第一から第四のスロット共振器において、選択性放射部位６０１ｂ〜６０７ｂを非選択とし、選択性放射部位６０１ｃ〜６０７ｃを選択制御する。制御の結果、図中座標軸においてＹ軸方向に平行な二対のスロット共振器が接地導体１０５上に配向した状態が実現する。第二の制御状態での本発明の差動給電指向性可変アンテナの放射特性は、主ビーム方向が±Ｘ方向にほぼ対照的に配向し、ＹＺ面内への放射は強制的に抑圧された特性となる。すなわち、第二の状態でも、主ビーム方向に直交する面内の任意の方向から到来する妨害波を効率的に抑圧することが出来る。そして、第一の状態と第二の状態では、主ビーム方向が完全に直交しており、単一アンテナで広い立体角範囲のカバーが可能となる。【００５４】
第二の状態においては、第一のスロット共振器の先端開放終端点６０１ｃｏｐと第二のスロット共振器の先端開放終端点６０３ｃｏｐとの間の距離、及び第三のスロット共振器の先端開放終端点６０５ｃｏｐと第四のスロット共振器の先端開放終端点６０７ｃｏｐの間の距離は、それぞれ動作周波数における二分の一実効波長程度に設定される。また、先端開放終端点６０１ｃｏｐと先端開放終端点６０５ｃｏｐ、先端開放終端点６０３ｃｏｐと先端開放終端点６０７ｃｏｐ間の距離は、動作周波数における四分の一実効波長未満に設定されなければならない。【００５５】
次に、第三の制御状態として、図１に示した構成の差動給電指向性可変スロットアンテナにおいて、４つのスロット共振器の高周波構造可変機能と動作状態可変機能を用いて、図８に示した高周波構造を出現させる。すなわち、第一と第二のスロット共振器を非動作状態に選択し、第三と第四のスロット共振器において、選択性放射部位６０５ｃと選択性放射部６０７ｃを選択する。非選択となった選択性放射部位は図中には表示していない。制御の結果、図中座標軸においてＹ軸方向に平行な一対のスロット共振器が配向した状態が実現する。【００５６】
第三の制御状態での本発明の差動給電指向性可変アンテナの放射特性は、主ビーム方向がＸＺ面内に広く分布し、ややマイナスＸ方向へ傾いたものとなる。そして、±Ｙ方向への放射は強制的に抑圧された特性となる。この放射特性は、ＸＺ面内の放射が抑圧され、±Ｙ方向への放射のみが許された第一の制御状態と互いに全立体角を相補しあう放射特性であり、両制御状態を同時に満足する本発明の差動給電指向性可変アンテナの高い有用性が主張される。【００５７】
第三の制御状態においては、第三のスロット共振器の先端開放終端点６０５ｃｏｐと第四のスロット共振器の先端開放終端点６０７ｃｏｐとの間の距離は、動作周波数における二分の一実効波長程度に設定される。【００５８】
次に、第四の制御状態として、図１に示した構成の差動給電指向性可変スロットアンテナにおいて、４つのスロット共振器の高周波構造可変機能と動作状態可変機能を用いて、図９に示した高周波構造を出現させる。すなわち、第三と第四のスロット共振器を非動作状態に選択し、第一と第二のスロット共振器において、選択性放射部位６０１ｃと選択性放射部６０３ｃを選択する。非選択となった選択性放射部位は図中には表示していない。制御の結果、図中座標軸においてＹ軸方向に平行な一対のスロット共振器が配向した状態が実現する。第三の制御状態との差異は、スロット共振器対の給電部位と差動給電線路１０３ｃとの位置関係である。第三の制御状態と同様に、第四の制御状態においても、主ビーム方向がＸＺ面内に広く分布し、また、±Ｙ方向への放射は強制的に抑圧された放射特性が得られる。すなわち、第四の制御状態も、第一の制御状態と互いに全立体角を相補しあう放射特性である。第三の制御状態との高周波構造の差異は、主ビーム方向の傾きに現れる。すなわち、主ビーム方向は第三の制御状態と同様ＸＺ面内に広く分布するが、やや＋Ｘ方向へ傾いた放射特性を実現することができる。【００５９】
以上のように、本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナにおいては、従来差動給電では困難であった方向である±Ｙ方向への効率放射を果たすのみでなく、広い立体角での指向性可変機能を有すると共に、各制御状態においては、他の制御状態において主ビーム方向であった方向で原理的に利得抑圧効果を発現することが可能である。【００６０】
また、第五の制御状態として、図１に示した構成の差動給電指向性可変スロットアンテナにおいて、４つのスロット共振器の高周波構造可変機能と動作状態可変機能を用いて、図１０に示した高周波構造を出現させる。すなわち、第三と第四のスロット共振器を非動作状態に選択し、第一と第二のスロット共振器において、選択性放射部位６０１ｂと選択性放射部６０３ｂを選択する。非選択となった選択性放射部位は図中には表示していない。制御の結果、図中座標軸においてＸ軸方向に平行な一対のスロット共振器が配向した状態が実現する。第五の制御状態においても、主ビーム方向はＸＺ面内に広く分布させることが出来、また、この制御状態においては、±Ｙ方向からの放射の主ビームに対する利得抑圧度は１０ｄＢにも達さず、強い利得抑圧を発現させたくない用途に対して最適な放射特性を提供しうる。すなわち、本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナは、広い立体角範囲から到来する可能性がある所望波の待ち受け時などに最適な放射特性も実現できるということになる。【００６１】
差動給電線路１０３ｃは終端点１１３において、開放終端処理されてよい。終端点１１３からスロット共振器６０１、６０３、６０５、６０７の各給電部位までの給電整合長を、動作周波数における差動線路における差動伝送モード伝搬特性に対して四分の一実効波長となるよう設定すれば、スロット共振器への入力整合特性を改善することが出来る。また、差動給電線路１０３ｃの終端点において、第一の信号導体１０３ａ、第二の信号導体１０３ｂを等しい値の抵抗素子を介して接地終端してしまってもよい。また、差動給電線路１０３ｃの終端点において、第一の信号導体１０３ａと第二の信号導体１０３ｂを、抵抗素子を介して接続してしまってもよい。差動給電線路の終端点への抵抗素子の導入は、導入した抵抗素子において、アンテナ回路への入力電力の一部を消費することになるため、放射効率の低下を招くものの、スロット共振器への入力整合条件の緩和を可能とし、給電整合長の値を減じることも可能とする方法である。【００６２】
高周波スイッチ素子６０１ｄ、６０１ｅ、６０３ｄ、６０３ｅ、６０５ｄ、６０５ｅ、６０７ｄ、６０７ｅを実現する方法としては、ダイオードスイッチ、高周波スイッチ、ＭＥＭＳスイッチなどの利用が可能である。例えば、市販されているダイオードスイッチを用いれば、例えば、導通時の直列抵抗値が５Ω、開放時の寄生直列容量値が０．０５ｐＦ弱程度の良好な切り替え特性を２０ＧＨｚ以下の周波数帯域で容易に得ることが出来る。【００６３】
以上のように、本発明の構造を採用することにより、従来のスロットアンテナや差動給電アンテナでは実現できない方向への主ビームの配向、及び配向方向の広い立体角範囲での切り替え、及び、主ビーム方向と主に直交する方向での放射利得の抑圧により、互いに全立体角を相補的にカバーできる可変アンテナの提供が可能となる。【００６４】
（実施例）
Ｘ軸方向に３０ｍｍ、Ｙ軸方向に３２ｍｍ、Ｚ軸方向に１ｍｍのサイズのＦＲ４基板上に、図１に示すような本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナを作製した。基板表面には配線幅１．３ｍｍ、配線間間隔１ｍｍ、の差動給電線路１０３ｃを作製した。基板裏面全面に形成された接地導体１０５から、一部の領域の導体をウェットエッチングで除去してスロット構造を実現した。導体は厚さ３５ｍｍの銅である。４つのスロット共振器は、形状は全て等しくした。スロット共振器６０１とスロット共振器６０３、更には、スロット共振器６０５とスロット共振器６０７は、それぞれ、鏡面対称に配置した。スロット共振器６０１とスロット共振器６０５、更にはスロット共振器６０３とスロット共振器６０７も、それぞれ、鏡面対称に配置した。【００６５】
鏡面対称面をＸ＝０と定義する。差動信号線路１０３ｃはＸ＝１４．５で開放終端した。スロット幅は、図中細い箇所で０．５ｍｍ、太い箇所は１ｍｍとした。スロット共振器６０１とスロット共振器６０５間の給電部位間の最近接距離は１．５ｍｍとし、スロット共振器の給電部位の折れ曲がり部位の長さは５ｍｍとした。給電部位６０１ａと給電部位６０３ａの折れ曲がり部位間の最近接距離は０．２ｍｍとした。【００６６】
本実施例では、高周波スイッチとして市販のＰＩＮダイオードを使用した。各スイッチ部は、導通時に直流抵抗４オームで動作し、開放時に３０ｆＦの直流容量として機能した。高周波スイッチの制御により、５つの制御状態で動作させた。各状態において、２．５７ＧＨｚで、差動信号入力に対してマイナス１０ｄＢ未満の十分低い値の反射強度特性が得られた。【００６７】
以下、各制御状態において得られた放射特性を説明する。各制御状態において、差動信号入力に対する同相モード信号反射強度はマイナス３０ｄＢ未満に留まった。【００６８】
（第一の実施例）
第一の実施例では、各スロット共振器に付属する高周波スイッチの制御を行い、図６に示す第一の制御状態を実現した。本実施例における各座標面での放射指向性を図１２に示す。図１２より明らかなように、第一の制御状態によって、±Ｙ方向への主ビーム方向配向が実現できることが証明された。また、Ｚ軸方向においては主ビーム方向の利得に対して２５ｄＢを超える利得抑圧効果が、Ｘ軸方向でも、主ビーム方向の利得に対して２０ｄＢ近い利得抑圧効果が得られた。【００６９】
（第二の実施例）
第二の実施例では、各スロット共振器に付属する高周波スイッチの制御を行い、図７に示した第二の制御状態を実現した。本実施例における各座標面での放射指向性パターンを図１３に示す。図１３より明らかなように、第二の制御状態によって、±Ｘ方向への主ビーム方向配向が実現できることが証明された。また、Ｚ軸方向においては主ビーム方向の利得に対して３０ｄＢを超える利得抑圧効果が、Ｙ軸方向でも、主ビーム方向の利得に対して１５ｄＢを超える強い利得抑圧効果が得られた。【００７０】
（第三の実施例）
第三の実施例では、各スロット共振器に付属する高周波スイッチの制御を行い、図８に示した第三の制御状態を実現した。本実施例における各座標面での放射指向性パターンを図１４に示す。図１４より明らかなように、第三の制御状態によって、ＸＺ面内に分布した放射が、特にマイナスＸ方向への主ビーム方向配向が実現できることが証明された。また、Ｙ軸方向においては主ビーム方向の利得に対して２５ｄＢを超える強い利得抑圧効果が得られた。【００７１】
（第四の実施例）
第四の実施例では、各スロット共振器に付属する高周波スイッチの制御を行い、図９に示した第四の制御状態を実現した。本実施例における各座標面での放射指向性パターンを図１５に示す。図１５より明らかなように、第四の制御状態によって、ＸＺ面内に分布した放射が、特に＋Ｘ方向への主ビーム方向配向が実現できることが証明された。また、Ｙ軸方向においては主ビーム方向の利得に対して２５ｄＢを超える強い利得抑圧効果が得られた。【００７２】
（第五の実施例）
第五の実施例では、各スロット共振器に付属する高周波スイッチの制御を行い、図１０に示した第五の制御状態を実現した。本実実施例における各座標面での放射指向性パターンを図１６に示す。図１６より明らかなように、第五の制御状態によって、ＸＺ面内に分布したブロードな放射が実現できることが証明された。また、第四の制御状態とは異なり、Ｙ軸方向においては主ビーム方向の利得に対して７ｄＢ程度の利得低下にとどまる放射特性が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明にかかる差動給電指向性可変スロットアンテナは、従来の差動給電アンテナでは放射が困難であった方向を含む様々な方向への効率的な放射を行うことが可能である。また、主ビーム方向の切り替え角が広いため、全立体角をカバーする指向性可変アンテナを実現できるだけでなく、主ビーム方向に直交する方向での指向性利得を原理的に抑圧することが可能である。【００７４】
更に、ある制御状態で実現した放射特性と相補しあう放射特性が別の制御状態で原理的に得られるので、特に、マルチパスが多い室内環境での高速通信を実現する用途において有益である。また通信分野の用途に広く応用できるだけでなく、無線電力伝送やＩＤタグなどの無線技術を使用する各分野においても使用され得る。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年3月31日(2008.3.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板（１０１）と、
前記誘電体基板の裏面に設けられた有限の面積の接地導体（１０５）と、
前記誘電体基板の表面に配置された二本の鏡面対称な信号導体（１０３ａ、１０３ｂ）からなる差動給電線路（１０３ｃ）と、
前記接地導体（１０５）に形成され、前記信号導体（１０３ａ、１０３ｂ）の一本（１０３ａ）とのみ一部が交差し、動作周波数における四分の一実効波長に相当するスロット長を有し先端が開放終端される第一のスロット共振器（６０１、６０５）と、
前記接地導体面（１０５）に形成され、前記第一のスロット共振器が一部で交差した信号導体（１０３ａ）とは異なる側の前記信号導体（１０３ｂ）とのみ一部が交差し、前記動作周波数における四分の一実効波長に相当するスロット長を有し先端が開放終端される第二のスロット共振器（６０３、６０７）と
を備え、
前記第一のスロット共振器（６０１、６０５）および第二のスロット共振器（６０３、６０７）は、逆相に給電され、  前記スロット共振器（６０１、６０３、６０５、６０７）の少なくともいずれか一つのスロット共振器は、高周波構造可変機能および動作状態切り替え機能の少なくとも一方の可変機能を備えることにより、２つ以上の異なる放射指向性を実現する差動給電指向性可変スロットアンテナであって、
前記第一、第二のスロット共振器（６０１、６０３、６０５、６０７）は、前記信号導体（１０３ａ、１０３ｂ）と一部が交差する給電部位（６０１ａ〜６０７ａ）と、前記信号導体（１０３ａ、１０３ｂ）とは交差しない選択性放射部位（６０１ｂ、６０１ｃ、６０３ｂ、６０３ｃ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０７ｂ、６０７ｃ）の直列接続構造から構成され、
前記給電部位は、前記第一の信号導体と前記第二の信号導体間の領域と対向する領域において、少なくとも一部が信号導体と平行な方向への配向成分を有して八分の一実効波長未満の長さにわたって延長され、短絡終端され、
前記選択性放射部位は、前記給電部位と接続される側とは逆側の先端部が開放終端され、
前記可変機能を備える前記スロット共振器（６０１、６０３、６０５、６０７）では、前記給電部位に複数の前記選択性放射部位が接続されており、高周波スイッチ（６０１ｄ、６０１ｅ）が、前記給電部位から前記複数の選択性放射部位の先端開放点（６０１ｂｏｐ、ｃｏｐ、〜６０７ｂｏｐ、６０７ｃｏｐ）までの経路のそれぞれにおいて少なくとも一箇所で前記スロット共振器を幅方向に跨いで挿入され、前記高周波スイッチ素子は、前記スロット共振器が跨ぐ両側の前記接地導体面を短絡するか、しないかを制御し、
前記高周波構造可変機能は、前記高周波スイッチにより、前記複数の選択性放射部位の一つが選択されて前記給電部位とともにスロット構造を形成することによって実現され、
前記動作状態切り替え機能は、前記高周波スイッチが前記スロット構造を短絡することによって実現される、差動給電指向性可変スロットアンテナ。
【請求項２】
前記差動給電線路が開放終端された箇所から給電回路側への距離が動作周波数における四分の一実効波長に相当する地点で、前記第一のスロット共振器と前記第二のスロット共振器が給電される請求項１に記載の差動給電指向性可変スロットアンテナ。
【請求項３】
前記差動給電線路の終端点がそれぞれ同じ抵抗値の抵抗により接地終端される請求項１に記載の差動給電指向性可変スロットアンテナ。
【請求項４】
前記第一の信号導体の終端点と前記第二の信号導体の終端点が抵抗を介して電気的に接続される請求項１に記載の差動給電指向性可変スロットアンテナ。
【請求項５】
前記二つ以上の異なる放射指向性のうち一つの放射指向性は、
前記第一のスロット共振器の前記第一の選択性放射部位の第一の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器の前記第二の選択性放射部位の第二の先端開放部位とが、動作周波数における四分の一実効波長未満の距離に近接して配置された二対のスロット共振器対群を構成し、
前記第一のスロット共振器対の第一の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器対の第一の先端開放部位とを、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置し、
前記第一のスロット共振器対の第二の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器対の第二の先端開放部位とを、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置することにより実現され、
前記一つの放射指向性は、前記差動給電線路に直交し、前記誘電体基板面に平行な二方向に放射成分を有する放射指向性である請求項１に記載の差動給電指向性可変スロットアンテナ。
【請求項６】
前記二つ以上の異なる放射指向性のうち一つの放射指向性は、
前記第一のスロット共振器の前記第一の選択性放射部位の第一の先端開放部位と前記第二のスロット共振器の前記第二の選択性放射部位の第二の先端開放部位とが、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置された二対のスロット共振器対群を構成し、
前記第一のスロット共振器対の第一の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器対の第一の先端開放部位とを、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置し、
前記第一のスロット共振器対の第二の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器対の第二の先端開放部位とを、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置することにより実現され、
前記一つの放射指向性は、前記差動給電線路に平行な二方向に放射成分を有する放射指向性である請求項１に記載の差動給電指向性可変スロットアンテナ。
【請求項７】
前記二つ以上の異なる放射指向性のうち一つの放射指向性は、
前記第一のスロット共振器の前記第一の選択性放射部位の第一の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器の前記第二の選択性放射部位の第二の先端開放部位とを、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置し、
前記差動給電指向性可変スロットアンテナ内で動作状態に設定されるスロット共振器が一対だけ対動作し、
前記第一の先端開放部位と、前記第二の先端開放部位とを結ぶ第一の方向への放射利得が抑圧され、
前記第一の方向に直交する面内のいずれかの方向に主ビームが向いた放射指向性が実現される請求項１に記載の差動給電指向性可変スロットアンテナ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波帯、およびミリ波帯などのアナログ高周波信号、もしくはデジタル信号を送信、受信する差動給電アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコン系トランジスタの飛躍的な特性向上に伴い、デジタル回路だけでなくアナログ高周波回路部においても、化合物半導体トランジスタからシリコン系トランジスタへの置換、更にはアナログ高周波回路部とデジタルベースバンド部との１チップ化が加速している。
【０００３】
この結果、高周波回路の主流であったシングルエンド回路は、正負の符号の信号をバランス動作させる差動信号回路へと置換されつつある。これは、差動信号回路が、不要輻射の劇的な低減、移動体端末内に無限面積の接地導体を配置できない条件化での良好な回路特性の確保、などの利点を有するからである。差動信号回路において個々の回路素子はバランスを維持して動作する必要があるが、シリコン系トランジスタでは特性ばらつきが少なく信号の差動バランスが維持できる。また、シリコン基板自体が有する損失を回避するためにも差動線路を用いることが好ましいという理由もある。結果として、シングルエンド回路において確立されていた高い高周波特性を保ちつつ、差動信号給電に対応することが、アンテナやフィルタなどの高周波デバイスへの強い要望となっている。
【０００４】
図１７（ａ）に上面より臨んだ透視模式図を、図１７（ｂ）に図中の直線Ａ１−Ａ２で切断した断面構造図を示したのは、シングルエンド線路１０３により給電される二分の一波長スロットアンテナ（従来例１）である。誘電体基板１０１の裏面に形成された接地導体面１０５に、二分の一実効波長のスロット長Ｌｓを有するスロット共振器６０１が形成されている。入力整合条件を満足するため、シングルエンド線路１０３の開放終端点１１３からスロット６０１と交差するまでの距離Ｌｍは、動作周波数における四分の一実効波長に設定される。スロット共振器６０１は、接地導体面１０５の一部領域における導体を厚さ方向に全て切除することによって得られている。図中に示したように、給電線路の伝送方向に平行な方向をＸ軸、誘電体基板形成面をＸＹ面とする座標系を定義する。従来例１の典型的な放射指向特性の一例を図１８に示す。図１８（ａ）はＹＺ面、図１８（ｂ）はＸＺ面の放射指向性を示している。図より明らかなように、従来例１は、±Ｚ方向で最大利得を示す放射指向特性が得られる。また、±Ｘ方向でヌル特性が、±Ｙ方向でも主ビーム方向に対して１０ｄＢ程度の利得低減効果が得られる。
【０００５】
また、図１９（ａ）に上面より臨んだ透視模式図を、図１９（ｂ）に図中の直線Ａ１−Ａ２で切断した断面構造図を示したのは、シングルエンド線路１０３により給電される四分の一波長スロットアンテナ（従来例２）である。誘電体基板１０１の裏面に形成された有限の面積の接地導体１０５に、四分の一実効波長のスロット長Ｌｓを有するスロット共振器６０１が形成されている。スロット共振器の片端９１１は接地導体１０５の縁部において、開放終端されている。図２０（ａ）はＹＺ面、図２０（ｂ）はＸＺ面、図２０（ｃ）はＸＹ面での放射指向性を示している。図より明らかなように、従来例２は、マイナスＹ方向で最大利得を示すブロードな放射指向特性が実現できる。
【０００６】
特許文献１においては、上記スロット構造を、差動給電線路の直下に伝送方向に直交させて配置させる回路構造が開示されている（従来例３）。すなわち、特許文献１の回路構成は、スロット共振器を給電する回路を、シングルエンド線路から差動給電線路へと置換した構成である。特許文献１の目的は、差動信号に意図せず重畳した不要同相信号のみを選択的に反射させる機能の実現であり、この目的からも明らかなように、特許文献１に開示された回路構造は、差動信号を自由空間に放射する機能を有さない。図２１（ａ）、（ｂ）にシングルエンド線路、差動給電線路によりそれぞれ給電した場合に、二分の一波長スロット共振器内に生じる電界分布の様子を模式的に比較図示した。シングルエンド線路によって給電した場合のスロットでは、両端において最小強度、中央部が最大強度となるよう、スロット幅方向に配向して電界２０１が分布する。一方、差動給電線路によって給電した場合は、正の符号の電圧によってスロット内に生じる電界２０１ａと、負の符号の電圧によってスロット内に生じる電界２０１ｂは等強度且つ逆向きのベクトルを持つので、総合的には両電界は相殺してしまう。このため、二分の一波長スロット共振器を差動給電線路で給電しても、電磁波の効率的な放射は原理的に不可能である。また、ごく近傍の励振点から逆相の電圧が給電されれば、相殺しあってしまい効率的な放射に結びつかないという点は、二分の一波長スロット共振器を四分の一波長スロット共振器へと置換した場合でも同様である。よって、差動給電線路をスロット共振器構造と結合させ実用的なアンテナ特性を実現するのは、シングルエンド線路によって給電する場合と比較して容易でない。
【０００７】
非特許文献１においては、差動線路の裏面の接地導体を分割し、端部が開放されたスロット構造を形成することにより、線路に意図せず重畳した同相モードの除去が可能であることが報告されている。この場合も、差動信号成分の効率的な放射が目的でないことは明らかである。
【０００８】
一般的に、差動伝送回路から効率的に電磁波を放射するためには、スロット共振器を用いず、差動給電線路の二本の信号線路の間隔を広げることによりダイポールアンテナとして動作させる方法が用いられる（従来例４）。図２２（ａ）に差動給電ストリップアンテナの斜視透視模式図を、図２２（ｂ）に上面模式図を図２２（ｃ）に下面模式図を示す。図２２においても、図１７と同様の座標軸を設定する。
【０００９】
差動給電ストリップアンテナにおいては、誘電体基板１０１の上面に形成された差動給電線路１０３ｃの線路間隔が、終端側でテーパ状に広がっている。また、誘電体基板１０１の裏面側については、入力端子側領域１１５ａでは接地導体１０５が形成されているが、差動給電線路１０３ｃの終端箇所の直下領域１１５ｂでは接地導体は設定されない。従来例３の典型的な放射指向性特性の一例を図２３に示す。図２３（ａ）にはＹＺ面での、図２３（ｂ）にはＸＺ面での放射指向性特性を示している。図より明らかなように、従来例４において主ビーム方向は＋Ｘ方向であり、ＸＺ平面に分布する広い半値幅の放射特性を示す。また、原理的に、従来例４では±Ｙ方向への放射利得は得られない。放射する電磁波が接地導体１０５により反射されるため、マイナスＸ方向への放射も抑圧させることはできる。
【００１０】
また、特許文献２には、シングルエンド線路により給電した可変スロットアンテナが開示されている（従来例５）。特許文献２の明細書の図１を、図２４として示す。誘電体基板１０の表面に配置されたシングルエンド線路６によって、基板裏面に設定した二分の一波長スロット共振器５を給電する点は、従来例１と同様の構成であるが、給電された二分の一波長スロット共振器５の先端に、更に複数の二分の一波長スロット共振器１、２、３、４を選択的に接続していくことによって、自由度の高いスロット共振器配置を実現している。スロット共振器配置を変化させることにより、電磁波の主ビーム方向を変化させる機能が発現した、としている。
【特許文献１】米国特許第６７６５４５０号明細書
【特許文献２】特開２００４−２７４７５７号公報
【非特許文献１】“Ｒｏｕｔｉｎｇ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｉ／Ｏ  ｓｉｇｎａｌｓ  ａｃｒｏｓｓ  ｓｐｌｉｔ  ｇｒｏｕｎｄ  ｐｌａｎｅｓ  ａｔ  ｔｈｅ  ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ  ｆｏｒ  ＥＭＩ  ｃｏｎｔｒｏｌ”    ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ，  Ｄｉｇｅｓｔ  Ｖｏｌ．１  ２１−２５  ｐｐ．３２５−３２７  ２０００年８月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の差動給電アンテナ、スロットアンテナ、可変アンテナ、には以下に示す原理的な課題があった。
【００１２】
第一に、従来例１においては、±Ｚ軸方向にしか主ビームが向かず、±Ｙ軸方向、±Ｘ軸方向へ主ビーム方向を向けることは困難である。また、何よりも差動給電への対応が未達成なので、給電信号変換にバラン回路が必要であり、素子数増加、集積化の妨げになる、などの課題が生じていた。
【００１３】
第二に、従来例２においては、＋Ｙ方向へのブロードな主ビームが形成されるが、その他の方向へのビーム形成が困難である。また、何よりも差動給電への対応が未達成なので、給電信号変換にバラン回路が必要であり、素子数増加、集積化の妨げになる、などの課題が生じていた。また、従来例２の放射特性は、半値幅が広いため、通信品質劣化の回避が困難であった。例えば、所望信号がマイナスＹ方向から到来する場合、＋Ｘ方向から到来する不要信号の受信強度は抑圧されない。信号反射が多い室内環境で高速通信を行うにあたって生じる深刻なマルチパス問題の回避や、妨害波が多く到達する状況下での通信品質維持が著しく困難であった。
【００１４】
第三に、従来例３に示したように、二分の一波長スロット共振器や四分の一波長スロット共振器は、シングルエンド線路による給電を差動給電線路に置換しただけでは非放射特性しか得られず、効率的なアンテナ動作が困難であった。
【００１５】
第四に、従来例４においては、±Ｙ軸方向への主ビーム配向が困難であった。なお、差動線路を曲げると、曲げ部分における二配線間の位相差より、不要同相信号の反射が生じるため、給電線路を曲げて主ビーム方向を曲げるという解決策は従来例３においては採用できない。よって、室内環境で用いる移動端末に用いるアンテナとしては、主ビーム方向が配向できない方向が生じるのは極めて好ましくない。
【００１６】
第五に、従来例４の放射特性は、半値幅が広いため、通信品質劣化の回避が困難であった。例えば、所望信号がＺ軸方向から到来する場合、＋Ｘ方向から到来する不要信号の受信強度は抑圧されない。信号反射が多い室内環境で高速通信を行うにあたって生じる深刻なマルチパス問題の回避や、妨害波が多く到達する状況下での通信品質維持が著しく困難であった。
【００１７】
第六に、従来例５においても、第四の課題と同様、所望信号が到達する方向とは異なる方向から到来する不要信号が通信品質へ与える悪影響を抑圧することが困難であった。すなわち、主ビーム方向の配向についての制御が可能であっても、妨害波の抑圧が不十分であるという問題があった。勿論、第一の課題と同様に、差動給電への対応も未達成である。
【００１８】
以上の課題をまとめると、従来技術のいずれを用いても、３つの課題を解決することが困難である。すなわち、第一に差動給電回路との親和性があり、第二に広い立体角範囲で主ビーム方向を切り替えることが可能で、第三に主ビーム以外の方向から到来する妨害波の除去効果をも有する可変アンテナの実現が困難であった。  本発明は、上記従来の三課題を解決し、好ましくは、可変制御により得られる複数の放射パターンが互いに全立体角をカバーするにあたり相補しあうような特性を有する可変アンテナの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナは、誘電体基板（１０１）と、前記誘電体基板の裏面に設けられた有限の面積の接地導体（１０５）と、前記誘電体基板の表面に配置された二本の鏡面対称な信号導体（１０３ａ、１０３ｂ）からなる差動給電線路（１０３ｃ）と、前記接地導体（１０５）に形成され、前記信号導体（１０３ａ、１０３ｂ）の一本（１０３ａ）とのみ一部が交差し、動作周波数における四分の一実効波長に相当するスロット長を有し先端が開放終端される第一のスロット共振器（６０１、６０５）と、前記接地導体面（１０５）に形成され、前記第一のスロット共振器が一部で交差した信号導体（１０３ａ）とは異なる側の前記信号導体（１０３ｂ）とのみ一部が交差し、前記動作周波数における四分の一実効波長に相当するスロット長を有し先端が開放終端される第二のスロット共振器（６０３、６０７）とを備え、前記第一のスロット共振器（６０１、６０５）および第二のスロット共振器（６０３、６０７）は、逆相に給電され、前記スロット共振器（６０１、６０３、６０５、６０７）の少なくともいずれか一つのスロット共振器は、高周波構造可変機能および動作状態切り替え機能の少なくとも一方の可変機能を備えることにより、２つ以上の異なる放射指向性を実現する差動給電指向性可変スロットアンテナであって、前記第一、第二のスロット共振器（６０１、６０３、６０５、６０７）は、前記信号導体（１０３ａ、１０３ｂ）と一部が交差する給電部位（６０１ａ〜６０７ａ）と、前記信号導体（１０３ａ、１０３ｂ）とは交差しない選択性放射部位（６０１ｂ、６０１ｃ、６０３ｂ、６０３ｃ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０７ｂ、６０７ｃ）の直列接続構造から構成され、前記給電部位は、前記第一の信号導体と前記第二の信号導体間の領域と対向する領域において、少なくとも一部が信号導体と平行な方向への配向成分を有して八分の一実効波長未満の長さにわたって延長され、短絡終端され、前記選択性放射部位は、前記給電部位と接続される側とは逆側の先端部が開放終端され、前記可変機能を備える前記スロット共振器（６０１、６０３、６０５、６０７）では、前記給電部位に複数の前記選択性放射部位が接続されており、高周波スイッチ（６０１ｄ、６０１ｅ）が、前記給電部位から前記複数の選択性放射部位の先端開放点（６０１ｂｏｐ、６０１ｃｏｐ、〜６０７ｂｏｐ、６０７ｃｏｐ）までの経路のそれぞれにおいて少なくとも一箇所で前記スロット共振器を幅方向に跨いで挿入され、前記高周波スイッチ素子は、前記スロット共振器が跨ぐ両側の前記接地導体面を短絡するか、しないかを制御し、前記高周波構造可変機能は、前記高周波スイッチにより、前記複数の選択性放射部位の一つが選択されて前記給電部位とともにスロット構造を形成することによって実現され、前記動作状態切り替え機能は、前記高周波スイッチが前記スロット構造を短絡することによって実現される。
【００２０】
好ましい実施形態において、前記差動給電線路が開放終端された箇所から給電回路側への距離が動作周波数における四分の一実効波長に相当する地点で、前記第一のスロット共振器と前記第二のスロット共振器が給電される。
【００２１】
好ましい実施形態において、前記差動給電線路の終端点がそれぞれ同じ抵抗値の抵抗により接地終端される。
【００２２】
好ましい実施形態において、前記第一の信号導体の終端点と前記第二の信号導体の終端点が抵抗を介して電気的に接続される。
【００２３】
好ましい実施形態において、前記二つ以上の異なる放射指向性のうち一つの放射指向性は、前記第一のスロット共振器の前記第一の選択性放射部位の第一の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器の前記第二の選択性放射部位の第二の先端開放部位とが、動作周波数における四分の一実効波長未満の距離に近接して配置された二対のスロット共振器対群を構成し、前記第一のスロット共振器対の第一の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器対の第一の先端開放部位とを、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置し、前記第一のスロット共振器対の第二の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器対の第二の先端開放部位とを、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置することにより実現され、前記一つの放射指向性は、前記差動給電線路に直交し、前記誘電体基板面に平行な二方向に放射成分を有する放射指向性である。
【００２４】
好ましい実施形態において、前記二つ以上の異なる放射指向性のうち一つの放射指向性は、前記第一のスロット共振器の前記第一の選択性放射部位の第一の先端開放部位と前記第二のスロット共振器の前記第二の選択性放射部位の第二の先端開放部位とが、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置された二対のスロット共振器対群を構成し、前記第一のスロット共振器対の第一の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器対の第一の先端開放部位とを、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置し、前記第一のスロット共振器対の第二の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器対の第二の先端開放部位とを、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置することにより実現され、前記一つの放射指向性は、前記差動給電線路に平行な二方向に放射成分を有する放射指向性である。
【００２５】
好ましい実施形態において、前記二つ以上の異なる放射指向性のうち一つの放射指向性は、前記第一のスロット共振器の前記第一の選択性放射部位の第一の先端開放部位と、前記第二のスロット共振器の前記第二の選択性放射部位の第二の先端開放部位とを、動作周波数における二分の一実効波長程度離して配置し、前記差動給電指向性可変スロットアンテナ内で動作状態に設定されるスロット共振器が一対だけ対動作し、前記第一の先端開放部位と、前記第二の先端開放部位とを結ぶ第一の方向への放射利得が抑圧され、前記第一の方向に直交する面内のいずれかの方向に主ビームが向いた放射指向性が実現される。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナにおいて、逆相に給電されるスロット共振器対の可変機能を用いれば、従来の差動給電アンテナでは実現不可能であった方向へ主ビーム方向を配向させた効率的な放射が初めて実現できるだけでなく、主ビーム方向と異なる方向での放射利得を同時に原理的に抑圧できる。このため、従来のアンテナが有していた三課題を解決することが出来る。本アンテナが主ビーム方向を配向させられる角度範囲は極めて広く、全立体角のカバーも可能である。
【００２７】
よって、本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナによれば、第一に、従来の差動給電アンテナにおいて実現不可能であった方向への効率的な放射を実現し、且つ、第二に主ビーム方向を広い立体角範囲で可変し、且つ、第三に主ビーム方向と異なる方向で原理的に利得抑圧を実現するという三つの効果が実現できる。従って、本アンテナは、室内環境において高速通信用途で使用される移動体端末用アンテナとして極めて有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明による差動給電指向性可変スロットアンテナの実施形態を説明する。本実施形態によれば、従来の差動給電アンテナでは放射不可能であった方向を含む様々な方向へ効率的な放射を実現する動的な放射指向性の可変性を実現することが可能である。また、主ビーム方向と異なる方向での放射利得の抑圧という、産業上有用な効果を実現することも可能である。
【００２９】
（実施形態）
図１は、本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナの実施形態の構造を示す図であり、誘電体基板裏面の接地導体側から臨む透視模式図である。図２（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、図１の直線Ａ１−Ａ２、直線Ｂ１−Ｂ２、直線Ｃ１−Ｃ２で回路構造を切断した場合の断面構造図である。従来例の構成、放射方向を示した図１７、図２２とは、座標軸や符号の設定を対応させている。
【００３０】
図１に示すように、誘電体基板１０１の裏面には有限の面積の接地導体１０５が形成されており、表面には差動給電線路１０３ｃが形成されている。差動給電線路１０３ｃは、鏡面対称な一対の信号導体１０３ａ、１０３ｂによって構成されている。接地導体１０５の一部領域では、導体を厚み方向に完全に除去してスロット回路（すなわち、スロット共振器６０１等）を構成する。
【００３１】
図１の例においては、接地導体１０５内に四つのスロット共振器６０１、６０３、６０５、６０７が配置されている。図３にスロット共振器６０１周辺構造の拡大図を示す。スロット共振器６０１は、給電部位６０１ａと第１の選択性放射部位６０１ｂとが直列に接続され、かつ、給電部位６０１ａと第２の選択性放射部位６０１ｃとが直列に接続されることによって構成されている。１つの給電部位に接続される選択性放射部位の個数は、本実施形態における個数（２個）に限定されない。
【００３２】
複数のスロット共振器の内、少なくとも一つのスロット共振器は、高周波構造可変機能および動作状態切り替え機能の少なくともいずれかの可変機能を有している。高周波構造可変および動作状態切り替えは、外部から与えられる制御信号（外部制御信号）に応じて実行される。
【００３３】
図３には、高周波構造可変機能と動作状態切り替え機能の両機能を実現できるスロット共振器６０１の周辺部が拡大して示されている。外部制御信号は、給電部位６０１ａと第１の選択性放射部位６０１ｂとの間に配置された第１の高周波スイッチ素子６０１ｄ、および、給電部位６０１ａと第２の選択性放射部位６０１ｃとの間に配置された第２の高周波スイッチ素子６０１ｅを制御し、それによって可変機能を実現する。高周波スイッチ素子６０１ｄ、６０１ｅは、選択性放射部位６０１ｂ、６０１ｃの一部を跨いでもよい。選択性放射部位６０１ｂ、６０１ｃは、給電部位６０１ａと接続される側とは逆側の先端終端箇所において接地導体１０５の縁部と接し、先端開放終端点６０１ｂｏｐ、６０１ｃｏｐにおいて開放終端される。
【００３４】
図４は、高周波スイッチ素子６０１ｄ、６０１ｅ付近を拡大して示している。例えば高周波スイッチ素子６０１ｄは、スロットを跨ぐ両側の接地導体領域１０５ａ、１０５ｂを接続するか接続しないかを制御する。高周波スイッチ素子６０１ｅを開放状態に制御すれば、選択性放射部位６０１ｃの先端開放終端箇所６０１ｃｏｐは給電部位６０１ａと高周波的に直列に接続された状態となり、四分の一実効波長スロット共振器の終端点として機能する。しかし、高周波スイッチ素子６０１ｅを導通状態に制御すれば、選択性放射部位６０１ｃの先端開放終端箇所６０１ｃｏｐは給電部位６０１ａと高周波的に切断された状態となり、四分の一実効波長スロット共振器の終端点として機能しなくなる。このように、高周波スイッチ素子の制御により、接地導体１０５上に出現するスロット共振器６０１の高周波構造が機能するかしないかを可変することが出来るようになる。なお、高周波スイッチ素子６０１ｄの配置位置は、必ずしも選択性放射部位と給電部位の間である必要はなく、選択性放射部位６０１ｂ、６０１ｃの先端開放終端箇所６０１ｂｏｐ、６０１ｃｏｐ以外の箇所でスロット構造を幅方向に跨いでも構わない。
【００３５】
高周波構造可変機能を有するスロット共振器は、少なくとも二つの選択性放射部位を含む。しかし、動作時に、スロット共振器内で選択される選択性放射部位の数は一つに限定される。非選択となった残りの選択性放射部位の、特に先端開放終端点は、スロット共振器からは高周波的に分離される。
【００３６】
図５（ａ）〜（ｃ）は、図３のスロット共振器６０１における高周波構造の変化の例を示している。図５では、非選択とされた選択性放射部位は図示していない。図５（ａ）に示した例では、高周波スイッチ素子６０１ｄが開放され、高周波スイッチ素子６０１ｅが導通、すなわち短絡されている。その結果、給電部位６０１ａと選択性放射部位６０１ｃとの間の接続が切断され、スロット共振器は給電部位６０１ａと選択性放射部位６０１ｂとが直列に接続された構造から形成される。この場合、四分の一実効波長スロット共振器６０１の先端開放点は参照符号「６０１ｂｏｐ」に示される部分である。
【００３７】
逆に、図５（ｂ）に示した例では、高周波スイッチ素子６０１ｄが導通され、高周波スイッチ素子６０１ｅが開放されている。その結果、給電部位６０１ａと選択性放射部位６０１ｂと間の接続が切断され、スロット共振器は給電部位６０１ａと選択性放射部位６０１ｃとが直列に接続された構造から形成される。この場合、四分の一実効波長スロット共振器６０１の先端開放点は参照符号「６０１ｃｏｐ」に示される部分である。
【００３８】
動作状態切り替え機能は、スロット共振器自体を動作状態とするか非動作状態とするかを切り替える機能である。図５（ｃ）は、図３のスロット共振器６０１を非動作状態に切り替えた場合の構造を示している。高周波スイッチ素子６０１ｄ、６０１ｅを共に導通状態に制御することにより、給電部位６０１ａと接続される全ての選択性放射部位、更には、全ての先端開放終端点をスロット共振器から高周波的に分離する。一方、動作状態では、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、選択性放射部位を一つだけ、給電部位６０１ａに接続すればよい。なお、本発明では、選択的導通手段６０１ｄ、６０１ｅをどちらも開放状態に制御することはない。
【００３９】
以下の表１に、高周波スイッチ素子６０１ｄ、６０１ｅの開放／導通の組み合わせと、スロット共振器６０１の高周波回路構造変化との関係をまとめた。
【００４０】
【表１】
2008065995.tif 000031
【００４１】
給電部位と選択性放射部位の実効電気長は、動作状態にある全てのスロット共振器のスロット長が常に四分の一実効波長となるようあらかじめ設定される。給電部位の長さは選択性放射部位よりも短く設定されることが好ましく、全スロット長の半分の長さ未満である八分の一実効波長未満には設定される必要がある。
【００４２】
また、給電部位６０１ａは信号導体と交差する箇所においては、図２５に示すように、選択性放射部位６０１ｂ、６０１ｃに接続される部分６０１ａ１と、信号導体１０３と直交する成分（部分）６０１ａ２と、当該成分（部分）６０１ａ２から選択性放射部位６０１ｂ、６０１ｃに接続されない側の短絡終端点６０１ａ４に至るまでの間で信号導体１０３ａに平行な成分（部分）６０１ａ３を有する経路を持たなければならない。すなわち、給電部位は必ず折れ曲がり部を有することになる。差動伝送線路においては、差動伝送モードの特性インピーダンスの増大を回避するため、第一、第二の信号導体間の間隙幅を大きな値に設定することは不可能となり、上記折れ曲がり部を設定しないと、第一の信号導体と第一のスロット共振器間の十分な結合を得ることができない。また、第二の信号導体と第二のスロット共振器間の結合についても同様である。
【００４３】
なお、ここで「成分（部分）」と記述した理由であるが、給電部位６０１ａは、信号導体１０３と完全に直交する部分６０１ａ２と信号導体１０３ａに完全に平行な部分６０１ａ３とを有する必要はないためである。すなわち、図２６に示すように、給電部位６０１ａは、湾曲する曲線状であってもよい。図２６に示すように、この湾曲する曲線状の給電部位６０１ａが、信号導体１０３と直交する成分６０１ａ２（すなわち、Ｙ方向の成分）と、信号導体１０３と平行な成分６０１ａ３（すなわち、Ｘ方向の成分）とを有すればよい。
【００４４】
また、スロット共振器は必ず対構成で動作する。すなわち、第一の信号導体１０３ａと結合し動作状態にあるスロット共振器の数Ｎ１と、第二の信号導体１０３ｂと結合し、動作状態にあるスロット共振器の数Ｎ２は等しくなるように各スロット共振器の状態は制御される。具体的に、図１の構成において、対構成で動作しうるスロット共振器の組み合わせと、対構成で動作できないスロット共振器の組み合わせを表２にまとめた。
【００４５】
【表２】
2008065995.tif 000032
【００４６】
なお、本発明のスロット共振器の選択性放射部位６０１ｂ、６０１ｃは、一対の信号導体１０３の鏡面対称面から臨んで、給電部位６０１ａが結合する信号導体側に配置される。例えば、第一のスロット共振器６０１の給電部位６０１ａは第一の信号導体１０３ａと結合するので、選択性放射部位６０１ｂ、６０１ｃは、一対の信号導体１０３の鏡面対称面から臨んで第一の信号導体１０３ａの方向に配置されている。
【００４７】
また、対動作するスロット共振器は、二本の信号導体１０３ａ、１０３ｂから等強度の電力給電を受けるよう設定する。この条件を満足するには、対動作するスロット共振器を二本の信号導体１０３ａ、１０３ｂに対して物理的に鏡面対称に配置すればよい。また、スロット共振器対が物理的に鏡面対称配置とならない場合においても、スロット共振器対の高周波的特性を対称に設定することでも同様の効果は実現できる。すなわち、対動作する各スロット共振器は共振周波数が等しく、且つ、結合する信号導体との結合度を等強度に保てばよい。
【００４８】
［スロット形状の可変性による主ビーム配向可変性］
以下、本発明の実施形態により、実用的に極めて有用な放射指向性を実現するための、スロット共振器群の制御法を説明する。
【００４９】
まず、第一の制御状態として、図１に示した構成の差動給電指向性可変スロットアンテナにおいて、４つのスロット共振器の高周波構造可変機能を用いて、図６に示した高周波構造を出現させた。すなわち、第一から第四のスロット共振器において、選択性放射部位６０１ｂ〜６０７ｂを選択し、６０１ｃ〜６０７ｃを非選択へと制御する。非選択となった選択性放射部位は図中には表示していない。制御の結果、図中座標軸においてＸ軸方向に平行な二対のスロット共振器が接地導体１０５上に配向した状態が実現する。第一の制御状態での本発明の差動給電指向性可変アンテナの放射特性は、主ビーム方向が±Ｙ方向にほぼ対照的に配向し、ＸＺ面内への放射は強制的に抑圧された特性となる。すなわち、主ビーム方向に直交する面内の任意の方向から到来する妨害波を効率的に抑圧することが出来る。本発明の差動給電指向性可変アンテナにおいては、対構成に配置された対称性の高いスロット共振器へ、差動給電線路から等振幅、且つ逆位相の信号を入力するため、遠方界において電界が打ち消しあう条件が広範囲に成立することになる。シングルエンド給電で指向性可変を実現した従来例５のアンテナにおいては、給電されるシングルエンド信号を打ち消す等振幅、逆位相の信号が存在しないため、高い利得抑圧が得られる条件が成立しないか、成立したとしても極めて限定的な角度範囲や利得抑圧度が低い特性に留まってしまう。すなわち、本発明の構成によって初めて、主ビーム方向の配向と利得抑圧の効果が同時に得られることになる。
【００５０】
第一の状態においては、第一のスロット共振器の先端開放終端点６０１ｂｏｐと第二のスロット共振器の先端開放終端点６０３ｂｏｐとの間の距離は、動作周波数における四分の一実効波長未満に設定されなければならない。また、第三のスロット共振器の先端開放終端点６０５ｂｏｐと第四のスロット共振器の先端開放終端点６０７ｂｏｐとの間の距離も、動作周波数における四分の一実効波長未満に設定されなければならない。そして、先端開放終端点６０１ｂｏｐと先端開放終端点６０５ｂｏｐ、先端開放終端点６０３ｂｏｐと先端開放終端点６０７ｂｏｐ間の距離は、動作周波数における二分の一実効波長程度に設定される。距離が四分の一実効波長未満は慣れた二つの先端開放終端点からの遠方界への放射に対する寄与は、配置距離により生じる位相差は少なく同相に近い。また、距離が二分の一実効波長程度に設定された二つの先端開放終端点からの遠方界への放射に対する寄与は、配置距離により生じる位相差が大きく逆相に近くなる。上記関係と、対構成のスロット共振器が逆相に給電されることから、第一の制御状態において放射が強めあう方向と消しあう方向の関係が論理的に説明できる。
【００５１】
また、第二の制御状態として、図１に示した構成の差動給電指向性可変スロットアンテナにおいて、４つのスロット共振器の高周波構造可変機能を用いて、図７に示した高周波構造を出現させる。すなわち、第一から第四のスロット共振器において、選択性放射部位６０１ｂ〜６０７ｂを非選択とし、選択性放射部位６０１ｃ〜６０７ｃを選択制御する。制御の結果、図中座標軸においてＹ軸方向に平行な二対のスロット共振器が接地導体１０５上に配向した状態が実現する。第二の制御状態での本発明の差動給電指向性可変アンテナの放射特性は、主ビーム方向が±Ｘ方向にほぼ対照的に配向し、ＹＺ面内への放射は強制的に抑圧された特性となる。すなわち、第二の状態でも、主ビーム方向に直交する面内の任意の方向から到来する妨害波を効率的に抑圧することが出来る。そして、第一の状態と第二の状態では、主ビーム方向が完全に直交しており、単一アンテナで広い立体角範囲のカバーが可能となる。
【００５２】
第二の状態においては、第一のスロット共振器の先端開放終端点６０１ｃｏｐと第二のスロット共振器の先端開放終端点６０３ｃｏｐとの間の距離、及び第三のスロット共振器の先端開放終端点６０５ｃｏｐと第四のスロット共振器の先端開放終端点６０７ｃｏｐの間の距離は、それぞれ動作周波数における二分の一実効波長程度に設定される。また、先端開放終端点６０１ｃｏｐと先端開放終端点６０５ｃｏｐ、先端開放終端点６０３ｃｏｐと先端開放終端点６０７ｃｏｐ間の距離は、動作周波数における四分の一実効波長未満に設定されなければならない。
【００５３】
次に、第三の制御状態として、図１に示した構成の差動給電指向性可変スロットアンテナにおいて、４つのスロット共振器の高周波構造可変機能と動作状態可変機能を用いて、図８に示した高周波構造を出現させる。すなわち、第一と第二のスロット共振器を非動作状態に選択し、第三と第四のスロット共振器において、選択性放射部位６０５ｃと選択性放射部６０７ｃを選択する。非選択となった選択性放射部位は図中には表示していない。制御の結果、図中座標軸においてＹ軸方向に平行な一対のスロット共振器が配向した状態が実現する。
【００５４】
第三の制御状態での本発明の差動給電指向性可変アンテナの放射特性は、主ビーム方向がＸＺ面内に広く分布し、ややマイナスＸ方向へ傾いたものとなる。そして、±Ｙ方向への放射は強制的に抑圧された特性となる。この放射特性は、ＸＺ面内の放射が抑圧され、±Ｙ方向への放射のみが許された第一の制御状態と互いに全立体角を相補しあう放射特性であり、両制御状態を同時に満足する本発明の差動給電指向性可変アンテナの高い有用性が主張される。
【００５５】
第三の制御状態においては、第三のスロット共振器の先端開放終端点６０５ｃｏｐと第四のスロット共振器の先端開放終端点６０７ｃｏｐとの間の距離は、動作周波数における二分の一実効波長程度に設定される。
【００５６】
次に、第四の制御状態として、図１に示した構成の差動給電指向性可変スロットアンテナにおいて、４つのスロット共振器の高周波構造可変機能と動作状態可変機能を用いて、図９に示した高周波構造を出現させる。すなわち、第三と第四のスロット共振器を非動作状態に選択し、第一と第二のスロット共振器において、選択性放射部位６０１ｃと選択性放射部６０３ｃを選択する。非選択となった選択性放射部位は図中には表示していない。制御の結果、図中座標軸においてＹ軸方向に平行な一対のスロット共振器が配向した状態が実現する。第三の制御状態との差異は、スロット共振器対の給電部位と差動給電線路１０３ｃとの位置関係である。第三の制御状態と同様に、第四の制御状態においても、主ビーム方向がＸＺ面内に広く分布し、また、±Ｙ方向への放射は強制的に抑圧された放射特性が得られる。すなわち、第四の制御状態も、第一の制御状態と互いに全立体角を相補しあう放射特性である。第三の制御状態との高周波構造の差異は、主ビーム方向の傾きに現れる。すなわち、主ビーム方向は第三の制御状態と同様ＸＺ面内に広く分布するが、やや＋Ｘ方向へ傾いた放射特性を実現することができる。
【００５７】
以上のように、本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナにおいては、従来差動給電では困難であった方向である±Ｙ方向への効率放射を果たすのみでなく、広い立体角での指向性可変機能を有すると共に、各制御状態においては、他の制御状態において主ビーム方向であった方向で原理的に利得抑圧効果を発現することが可能である。
【００５８】
また、第五の制御状態として、図１に示した構成の差動給電指向性可変スロットアンテナにおいて、４つのスロット共振器の高周波構造可変機能と動作状態可変機能を用いて、図１０に示した高周波構造を出現させる。すなわち、第三と第四のスロット共振器を非動作状態に選択し、第一と第二のスロット共振器において、選択性放射部位６０１ｂと選択性放射部６０３ｂを選択する。非選択となった選択性放射部位は図中には表示していない。制御の結果、図中座標軸においてＸ軸方向に平行な一対のスロット共振器が配向した状態が実現する。第五の制御状態においても、主ビーム方向はＸＺ面内に広く分布させることが出来、また、この制御状態においては、±Ｙ方向からの放射の主ビームに対する利得抑圧度は１０ｄＢにも達さず、強い利得抑圧を発現させたくない用途に対して最適な放射特性を提供しうる。すなわち、本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナは、広い立体角範囲から到来する可能性がある所望波の待ち受け時などに最適な放射特性も実現できるということになる。
【００５９】
差動給電線路１０３ｃは終端点１１３において、開放終端処理されてよい。終端点１１３からスロット共振器６０１、６０３、６０５、６０７の各給電部位までの給電整合長を、動作周波数における差動線路における差動伝送モード伝搬特性に対して四分の一実効波長となるよう設定すれば、スロット共振器への入力整合特性を改善することが出来る。また、差動給電線路１０３ｃの終端点において、第一の信号導体１０３ａ、第二の信号導体１０３ｂを等しい値の抵抗素子を介して接地終端してしまってもよい。また、差動給電線路１０３ｃの終端点において、第一の信号導体１０３ａと第二の信号導体１０３ｂを、抵抗素子を介して接続してしまってもよい。差動給電線路の終端点への抵抗素子の導入は、導入した抵抗素子において、アンテナ回路への入力電力の一部を消費することになるため、放射効率の低下を招くものの、スロット共振器への入力整合条件の緩和を可能とし、給電整合長の値を減じることも可能とする方法である。
【００６０】
高周波スイッチ素子６０１ｄ、６０１ｅ、６０３ｄ、６０３ｅ、６０５ｄ、６０５ｅ、６０７ｄ、６０７ｅを実現する方法としては、ダイオードスイッチ、高周波スイッチ、ＭＥＭＳスイッチなどの利用が可能である。例えば、市販されているダイオードスイッチを用いれば、例えば、導通時の直列抵抗値が５Ω、開放時の寄生直列容量値が０．０５ｐＦ弱程度の良好な切り替え特性を２０ＧＨｚ以下の周波数帯域で容易に得ることが出来る。
【００６１】
以上のように、本発明の構造を採用することにより、従来のスロットアンテナや差動給電アンテナでは実現できない方向への主ビームの配向、及び配向方向の広い立体角範囲での切り替え、及び、主ビーム方向と主に直交する方向での放射利得の抑圧により、互いに全立体角を相補的にカバーできる可変アンテナの提供が可能となる。
【００６２】
（実施例）
Ｘ軸方向に３０ｍｍ、Ｙ軸方向に３２ｍｍ、Ｚ軸方向に１ｍｍのサイズのＦＲ４基板上に、図１に示すような本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナを作製した。基板表面には配線幅１．３ｍｍ、配線間間隔１ｍｍ、の差動給電線路１０３ｃを作製した。基板裏面全面に形成された接地導体１０５から、一部の領域の導体をウェットエッチングで除去してスロット構造を実現した。導体は厚さ３５ｍｍの銅である。４つのスロット共振器は、形状は全て等しくした。スロット共振器６０１とスロット共振器６０３、更には、スロット共振器６０５とスロット共振器６０７は、それぞれ、鏡面対称に配置した。スロット共振器６０１とスロット共振器６０５、更にはスロット共振器６０３とスロット共振器６０７も、それぞれ、鏡面対称に配置した。
【００６３】
鏡面対称面をＸ＝０と定義する。差動信号線路１０３ｃはＸ＝１４．５で開放終端した。スロット幅は、図中細い箇所で０．５ｍｍ、太い箇所は１ｍｍとした。スロット共振器６０１とスロット共振器６０５間の給電部位間の最近接距離は１．５ｍｍとし、スロット共振器の給電部位の折れ曲がり部位の長さは５ｍｍとした。給電部位６０１ａと給電部位６０３ａの折れ曲がり部位間の最近接距離は０．２ｍｍとした。
【００６４】
本実施例では、高周波スイッチとして市販のＰＩＮダイオードを使用した。各スイッチ部は、導通時に直流抵抗４オームで動作し、開放時に３０ｆＦの直流容量として機能した。高周波スイッチの制御により、５つの制御状態で動作させた。各状態において、２．５７ＧＨｚで、差動信号入力に対してマイナス１０ｄＢ未満の十分低い値の反射強度特性が得られた。
【００６５】
以下、各制御状態において得られた放射特性を説明する。各制御状態において、差動信号入力に対する同相モード信号反射強度はマイナス３０ｄＢ未満に留まった。
【００６６】
（第一の実施例）
第一の実施例では、各スロット共振器に付属する高周波スイッチの制御を行い、図６に示す第一の制御状態を実現した。本実施例における各座標面での放射指向性を図１２に示す。図１２より明らかなように、第一の制御状態によって、±Ｙ方向への主ビーム方向配向が実現できることが証明された。また、Ｚ軸方向においては主ビーム方向の利得に対して２５ｄＢを超える利得抑圧効果が、Ｘ軸方向でも、主ビーム方向の利得に対して２０ｄＢ近い利得抑圧効果が得られた。
【００６７】
（第二の実施例）
第二の実施例では、各スロット共振器に付属する高周波スイッチの制御を行い、図７に示した第二の制御状態を実現した。本実施例における各座標面での放射指向性パターンを図１３に示す。図１３より明らかなように、第二の制御状態によって、±Ｘ方向への主ビーム方向配向が実現できることが証明された。また、Ｚ軸方向においては主ビーム方向の利得に対して３０ｄＢを超える利得抑圧効果が、Ｙ軸方向でも、主ビーム方向の利得に対して１５ｄＢを超える強い利得抑圧効果が得られた。
【００６８】
（第三の実施例）
第三の実施例では、各スロット共振器に付属する高周波スイッチの制御を行い、図８に示した第三の制御状態を実現した。本実施例における各座標面での放射指向性パターンを図１４に示す。図１４より明らかなように、第三の制御状態によって、ＸＺ面内に分布した放射が、特にマイナスＸ方向への主ビーム方向配向が実現できることが証明された。また、Ｙ軸方向においては主ビーム方向の利得に対して２５ｄＢを超える強い利得抑圧効果が得られた。
【００６９】
（第四の実施例）
第四の実施例では、各スロット共振器に付属する高周波スイッチの制御を行い、図９に示した第四の制御状態を実現した。本実施例における各座標面での放射指向性パターンを図１５に示す。図１５より明らかなように、第四の制御状態によって、ＸＺ面内に分布した放射が、特に＋Ｘ方向への主ビーム方向配向が実現できることが証明された。また、Ｙ軸方向においては主ビーム方向の利得に対して２５ｄＢを超える強い利得抑圧効果が得られた。
【００７０】
（第五の実施例）
第五の実施例では、各スロット共振器に付属する高周波スイッチの制御を行い、図１０に示した第五の制御状態を実現した。本実実施例における各座標面での放射指向性パターンを図１６に示す。図１６より明らかなように、第五の制御状態によって、ＸＺ面内に分布したブロードな放射が実現できることが証明された。また、第四の制御状態とは異なり、Ｙ軸方向においては主ビーム方向の利得に対して７ｄＢ程度の利得低下にとどまる放射特性が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明にかかる差動給電指向性可変スロットアンテナは、従来の差動給電アンテナでは放射が困難であった方向を含む様々な方向への効率的な放射を行うことが可能である。また、主ビーム方向の切り替え角が広いため、全立体角をカバーする指向性可変アンテナを実現できるだけでなく、主ビーム方向に直交する方向での指向性利得を原理的に抑圧することが可能である。
【００７２】
更に、ある制御状態で実現した放射特性と相補しあう放射特性が別の制御状態で原理的に得られるので、特に、マルチパスが多い室内環境での高速通信を実現する用途において有益である。また通信分野の用途に広く応用できるだけでなく、無線電力伝送やＩＤタグなどの無線技術を使用する各分野においても使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナの実施形態の上面から臨んだ透視模式図である。
【図２】図１の差動給電指向性可変スロットアンテナの実施形態の断面構造図であって、（ａ）は図１の直線Ａ１−Ａ２を切断面とする断面構造図、（ｂ）は図１の直線Ｂ１−Ｂ２を切断面とする断面構造図、（ｃ）は図１の直線Ｃ１−Ｃ２を切断面とする断面構造図である。
【図３】スロット共振器６０１周辺構造の拡大図である。
【図４】スロット共振器６０１内の構造拡大図である。
【図５】スロット共振器６０１の構造変化例を示す図であって、（ａ）は高周波構造可変機能により発現するスロット共振器の構造図、（ｂ）は高周波構造可変機能により発現するスロット共振器の構造図、（ｃ）は動作状態可変機能により非動作状態に制御された場合のスロット共振器の構造図である。
【図６】本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナの第一の制御状態での構造図である。
【図７】本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナの第二の制御状態での構造図である。
【図８】本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナの第三の動作状態での構造図である。
【図９】本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナの第四の動作状態での構造図である。
【図１０】本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナの第五の動作状態での構造図である。
【図１１】（ａ）は先端開放四分の一実効波長スロット共振器対が逆相励振された場合にスロット共振器内に生じる電界ベクトルの模式図、（ｂ）は両端開放二分の一実効波長スロット共振器が逆相励振された場合にスロット共振器内に生じる電界ベクトルの模式図、（ｃ）は本発明の差動給電指向性可変スロットアンテナ内の両端開放二分の一実効波長スロット共振器と差動給電線路の関係模式図である。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第一の実施例の放射指向パターン図である。
【図１３】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第二の実施例の放射指向パターン図である。
【図１４】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第三の実施例の放射指向パターン図である。
【図１５】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第四の実施例の放射指向パターン図である。
【図１６】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第五の実施例の放射指向パターン図である。
【図１７】シングルエンド線路給電二分の一波長スロットアンテナ（従来例１）の構造図であって、（ａ）は上面透視模式図、（ｂ）は断面構造図である。
【図１８】従来例１の放射指向特性図であって、（ａ）はＹＺ面での放射指向特性図、（ｂ）はＸＺ面での放射指向特性図である。
【図１９】シングルエンド線路給電四分の一実効波長スロットアンテナ（従来例２）の構造図であって、（ａ）は上面透視模式図、（ｂ）は断面構造図である。
【図２０】従来例２の放射指向特性図であって、（ａ）はＹＺ面での放射指向特性図、（ｂ）はＸＺ面での放射指向特性図、（ｃ）はＸＹ面での放射指向特性図である。
【図２１】二分の一波長スロット共振器内の電界ベクトル分布の模式図であって、（ａ）はシングルエンド給電線路により給電された場合の模式図、（ｂ）は差動給電線路により給電された場合の模式図である。
【図２２】差動給電ストリップアンテナ（従来例４）の構造図であって、（ａ）は斜視透視模式図、（ｂ）は上面模式図、（ｃ）は下面模式図である。
【図２３】従来例４の差動給電ストリップアンテナの放射指向特性図であって、（ａ）はＹＺ面での放射指向特性図、（ｂ）はＸＺ面での放射指向特性図である。
【図２４】特許文献２（従来例５）の図１であり、シングルエンド給電可変アンテナの模式構造図である。
【図２５】給電部位６０１の拡大図である。
【図２６】他の態様の給電部位６０１の拡大図である。
【符号の説明】
【００７４】
１０１  誘電体基板
１０３  信号導体
１０３ａ、１０３ｂ  差動信号線路の対の信号導体
１０５、１０５ａ、１０５ｂ  接地導体
６０１、６０３、６０５、６０７  スロット共振器
１１３  給電線路の終端点
１１５ａ  誘電体基板裏面の入力端子側領域
１１５ｂ  誘電体基板裏面の差動給電線路終端箇所の直下領域
３１１  対称面
３１３  スタブ
６０１ａ、６０３ａ、６０５ａ、６０７ａ  給電部位
６０１ｂ、６０１ｃ、６０３ｂ、６０３ｃ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０７ｂ、６０７ｃ  選択性放射部位
６０１ｄ、６０１ｅ、６０３ｄ、６０３ｅ、６０５ｄ、６０７ｄ  高周波スイッチ素子
９１１  スロット共振器の方端
Ｌｍ  終端点から給電部位までの距離
Ｈ  基板厚
Ｗ  信号導体の配線幅
Ｇ  信号導体間の間隙幅
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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