(57)【要約】【課題】  構造を複雑にすることなく、指向性を大幅に変更する。【解決手段】  アンテナ装置は、給電素子１と無給電素子２とを備え、給電素子１は、折り曲げられた先端部１ａを有し、所定周波数で共振する電気長を持つ。同様に無給電素子２は、折り曲げられた先端部２ａを有する。これら先端部１ａ，２ａは、互いに向き合わせて近接配置されている。無給電素子２上には、無給電素子２の電気長を可変制御するための３つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３が設けられる。給電素子１の先端部と無給電素子２の先端部を向き合わせて近接配置し、無給電素子２の基端部と先端部にスイッチを設けるため、これらスイッチを任意にオン・オフすることにより、無給電素子２の電気長を可変制御できる。【選択図】  図１
2006186851.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定周波数で共振する電気長を持ち、給電点と、折り曲げられた第１先端部とを有する給電素子と、
前記第１先端部と向き合って近接配置され折り曲げられた第２先端部を有する無給電素子と、
前記無給電素子上に少なくとも一つ設けられ、前記無給電素子の電気長を可変可能な電気長切替部と、を備えることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記電気長切替部は、その切替により前記給電素子および前記無給電素子を流れる電流の位相差が変化する位置に配置され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】
前記電気長切替部による切替を行っても前記給電点から見たインピーダンスが変化しないように、前記給電点と前記第１先端部との間に一端が接続される整合用素子を備え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。
【請求項４】
前記給電点から見たインピーダンスは、前記整合用素子の長さと、前記整合用素子の接続点から前記第1先端部までの長さとの和によって決定されることを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記給電点が配置され、かつ前記無給電素子の一端が接続される導体板を有し、
前記給電素子および前記無給電素子は、前記導体板の一方の面上に配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記給電素子は、前記給電点を通る面に対して対称的な構造を有し、
前記無給電素子は、前記面に対して対称的な構造を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記無給電素子は、前記第２先端部と、前記第２先端部に接続される基端部とを有し、
前記電気長切替部は、
前記基端部上の所定位置に設けられる第１切替部と、
前記第２先端部上の所定位置に設けられる第２切替部と、を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項８】
前記無給電素子の電気長を、前記第１および第２切替部を閉じて前記基端部および前記第２先端部を合わせた長さに応じた値に設定するか、前記第１切替部を閉じて前記第２切替部を開いて前記基端部の長さに応じた値に設定するか、前記第１切替部を開いて前記無給電素子の電気長を前記所定周波数で動作しない長さに設定するかを切替制御する切替制御部を備えることを特徴とする請求項７に記載のアンテナ装置。
【請求項９】
前記電気長切替部の切替を制御する切替制御部を備え、
前記電気長切替部は、少なくとも一つのダイオードであり、
前記切替制御部は、前記ダイオードに印加する電圧の向きを制御することにより前記無給電素子の電気長を可変させることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか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、指向性を可変可能なアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無給電素子を用いて指向性を可変する技術が提案されている（特許文献１参照）。この種の従来の技術として、素子を配置している面内において、素子を配置している方向へアンテナの指向性を向けることが可能であり、無給電素子上のスイッチを切り替えることで無給電素子の動作を導波器と反射器のどちらかに切り替え、素子を配置している面内で指向性を切り替える八木・宇多アンテナが知られている。また、給電素子の周囲に複数の無給電素子を配置し、使用する無給電素子をスイッチで切り替えることで指向性を可変するエスパーアンテナがある。
【特許文献１】特開2004-128557公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した八木・宇多アンテナでは、給電素子と無給電素子との位相差を150度〜180度前後で変化さああせる。このため、指向性を大幅に変化させることができない。また、上述したエスパーアンテナは、構成が複雑になるという問題がある。
【０００４】
本発明は、簡易な構成で、指向性を大幅に変更可能なアンテナ装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、所定周波数で共振する電気長を持ち、給電点と、折り曲げられた第１先端部とを有する給電素子と、前記第１先端部と向き合って近接配置され折り曲げられた第２先端部を有する無給電素子と、前記無給電素子上に少なくとも一つ設けられ、前記無給電素子の電気長を可変可能な電気長切替部と、を備えることを特徴とするアンテナ装置を提供するものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、構造を複雑にすることなく、指向性を大幅に変更することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。
【０００８】
（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概略形状を示す図である。図１のアンテナ装置は、給電素子１と無給電素子２とを備えている。給電素子１は、折り曲げられた先端部１ａを有し、所定周波数で共振する電気長を持つ。同様に無給電素子２は、折り曲げられた先端部２ａを有する。これら先端部１ａ，２ａは、互いに向き合わせて近接配置されている。
【０００９】
給電素子１は、給電点３を挟んで対称構造になっている。無給電素子２上には、無給電素子２の電気長を可変制御するための３つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３が設けられており、これらスイッチは個別にオン・オフが可能である。スイッチＳＷ２は無給電素子２の中央に設けられ、このスイッチＳＷ２を挟んで無給電素子２は対称構造になっている。スイッチSW2,SW3は無給電素子２の先端部２ａに設けられている。
【００１０】
スイッチＳＷ１〜ＳＷ３をすべてオンすると、無給電素子２の電気長は最も長くなる。スイッチＳＷ２をオフすると、無給電素子２の電気長は所定周波数で動作しない長さになる。スイッチＳＷ１またはＳＷ３の一方をオフすると、無給電素子２の電気長が短くなる。
【００１１】
このように、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３のオン・オフを切り替えることにより、無給電素子２の電気長を３通りに変化させることができる。無給電素子２の電気長を変化させることにより、給電素子１と無給電素子２を流れる電流の位相差が変化し、図１のアンテナ装置の指向性パターンも大きく変化する。本実施形態の場合、給電素子１と無給電素子２を流れる電流の位相差は、０度前後から130度前後まで大きく変化する。
【００１２】
図２は図１のアンテナ装置の変形例であり、図１のアンテナ装置と電気的に同一の特性を示すアンテナ装置の概略形状を示す図である。図２のアンテナ装置は、導体板４に設けられる給電点３から上方に配置された給電素子１と、一端が導体板４に接続されて導体板４の上方に配置された無給電素子２とを備えている。
【００１３】
図２のアンテナ装置は、図１のアンテナ装置の上半分だけを取り出した形状になっている。図２のアンテナ装置の場合、導体板４に影像電流が流れるため、電気的には図１のアンテナ装置と同じ特性を示す。給電素子１は折り曲げられた先端部１ａを有し、同様に無給電素子２も折り曲げられた先端部２ａを有する。これら先端部１ａ，２ａは、互いに向き合わせて近接配置されている。
【００１４】
無給電素子２の先端部２ａにはスイッチＳＷ１が設けられ、基端部にはスイッチＳＷ２が設けられている。基端部の一端は先端部２ａに接続され、他端は導体板４に接続されている。
【００１５】
スイッチＳＷ１，ＳＷ２は個別にオン・オフが可能であり、これらスイッチのオン・オフにより、無給電素子２の電気長が変化する。両スイッチＳＷ１，ＳＷ２をオンすると、無給電素子２の電気長は最大になり、スイッチＳＷ１をオフしてスイッチＳＷ２をオンすると、無給電素子２の電気長は短くなり、スイッチＳＷ２をオフすると、無給電素子２の電気長は所定周波数で動作しない長さになる。このように、スイッチＳＷ１，ＳＷ２のオン・オフにより、無給電素子２の電気長を３通りに変更できる。
【００１６】
図３はスイッチＳＷ１，ＳＷ２のオン・オフにより給電素子１と無給電素子２の電流の位相差が変化する様子を示す図である。図３の横軸は無給電素子２の電気長を示している。スイッチＳＷ１，ＳＷ２のオン・オフにより、無給電素子２の電気長が変化するが、無給電素子２の電気長により、給電素子１と無給電素子２の電流の位相差が変化する。図３の場合、位相差は、-20度〜140度まで変化する。位相差が変化すると、電波の指向性パターンも変化する。
【００１７】
図４はスイッチＳＷ１，ＳＷ２のオン・オフと電波の指向性との関係を示す図、図５は電波の指向性を示す指向性パターンを示す図である。図５（ａ）は図４の状態１（スイッチＳＷ１，ＳＷ２がともにオン）の指向性パターン、図５（ｂ）は図４の状態２（スイッチＳＷ１がオフでスイッチＳＷ２がオン）の指向性パターン、図５（ｃ）は図４の状態３（スイッチＳＷ１，ＳＷ２がともにオフ）の指向性パターンを示している。
【００１８】
スイッチＳＷ１，ＳＷ２のオン・オフ制御は、手動で行ってもよいが、電波の受信状況に応じて自動的に行うことも可能である。
【００１９】
図６はスイッチＳＷ１，ＳＷ２のオン・オフ制御を自動化したアンテナ装置の一例を示すブロック図である。図６では、スイッチＳＷ１，ＳＷ２の具体例として、ダイオードを用いている。なお、ダイオードの代わりに、トランジスタ等の他のスイッチング手段を用いてもよい。
【００２０】
図６のアンテナ装置は、誘電体基板５上に銅パターンにて形成される給電素子１および無給電素子２と、無給電素子２上に設けられるダイオードＤ１，Ｄ２と、無給電素子２上に接続されるバイアス線ｂ１，ｂ２と、バイアス線ｂ１，ｂ２上に接続されるインダクタ素子６，７と、ダイオードＤ１，Ｄ２のオン・オフを制御する電源ＰＳ１，ＰＳ２と、電源ＰＳ１，ＰＳ２を制御する制御部８と、図６のアンテナの受信電力を検出する受信電力検出部９とを備えている。
【００２１】
給電点３には、例えば同軸ケーブル１０からなる給電線路１０が接続され、給電線路１０の外導体は導体板４に接地され、内導体は給電素子１に接続される。
【００２２】
ダイオードＤ１，Ｄ２とインダクタ素子はそれぞれ例えばチップ部品であり、誘電体基板５上に個別に実装される。電源ＰＳ１，ＰＳ２は、制御部８からの指示に基づいて、正負逆の電圧を切り替えて出力可能である。制御部８は、図６のアンテナ装置の受信電力に基づいて、受信電力が大きくなるように電源ＰＳ１，ＰＳ２を制御する。
【００２３】
給電素子１と無給電素子２との電流の位相差は、導体板４上の給電点３と無給電素子２の接地点との間隔（以下、接続位置間隔）により変化する。この位相差に対して、ダイオードＤ１，Ｄ２に印加する電圧の向きを制御することにより、図５のＸ方向またはＹ方向への放射を打ち消すような位相差が生じる。
【００２４】
接続位置間隔は、例えば0.35波長〜0.65波長に設定される。無給電素子２の全長は、例えば0.25波長〜0.3波長に設定される。給電素子１と無給電素子２の基端部の長さ（導体板４から折れ曲がった位置までの長さ）は、例えば0.05波長〜0.25波長に設定される。給電素子１の全長は、図６のアンテナ装置の共振周波数の波長の1/4倍に設定される。
【００２５】
一例として、給電素子１の基端部（給電点３から折れ曲がった位置まで）の長さは0.1波長、先端部（折れ曲がった位置から先端位置まで）の長さは0.2波長である。無給電素子２の基端部（導体板４の接続位置から折れ曲がった位置まで）の長さは0.1波長、先端部（折れ曲がった位置から先端位置まで）の長さは0.16波長である。給電素子１の給電点３と無給電素子２の導体板４の接続点との間の間隔（接続位置間隔）は0.387波長で、給電素子１と無給電素子２の先端同士の間隔は0.034波長である。スイッチＳＷ１の接続位置は、無給電素子２の折れ曲がった位置から先端に向かって0.14波長の位置、スイッチＳＷ２の接続位置は、無給電素子２と導体板４との接続点である。
【００２６】
電源ＰＳ１，ＰＳ２は、制御部８の制御により、＋側端子を３Ｖで−側端子を０Ｖにするか、あるいは＋側端子を０Ｖで−側端子を３Ｖにする。
【００２７】
電源ＰＳ１の＋側端子が３Ｖで−側端子が０Ｖになると、ダイオードＤ１に順バイアスがかかり、ダイオードＤ１には電流が流れる。すなわち、この状態はスイッチＳＷ１がオンの状態に相当する。一方、電源ＰＳ１の＋側端子が０Ｖで−側端子が３Ｖになると、ダイオードＤ１には逆バイアスがかかり、ダイオードＤ１には電流が流れない。すなわち、この状態はスイッチＳＷ１がオフの状態に相当する。
【００２８】
電源ＰＳ２の＋側端子が３Ｖで−側端子が０Ｖになると、ダイオードＤ２に順バイアスがかかり、ダイオードＤ２には電流が流れる。すなわち、この状態はスイッチＳＷ１がオンの状態に相当する。一方、電源ＰＳ２の＋側端子が０Ｖで−側端子が３Ｖになると、ダイオードＤ２には逆バイアスがかかり、ダイオードＤ２には電流が流れない。すなわち、この状態はスイッチＳＷ１がオフの状態に相当する。
【００２９】
ダイオードＤ１，Ｄ２がともに順バイアスの場合は、図４の状態１に対応し、図５（ａ）のように、図６のＹ方向に伸びる指向性パターンが得られる。ダイオードＤ１が逆バイアスで、ダイオードＤ２が順バイアスの場合は、図４の状態２に対応し、図５（ｂ）のように、図６のＸ方向に伸びる指向性パターンが得られる。ダイオードＤ２が逆バイアスの場合は、図４の状態３に対応し、図５（ｃ）のように、給電素子１のみの放射パターンが得られる。
【００３０】
このように、第１の実施形態では、給電素子１の先端部と無給電素子２の先端部を向き合わせて近接配置し、無給電素子２の基端部と先端部にスイッチＳＷ１，ＳＷ２を設けて、これらスイッチを任意にオン・オフすることにより、無給電素子２の電気長を可変制御でき、アンテナ装置の指向性パターンを大きく可変させることができる。
【００３１】
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、給電素子１の形状が第１の実施形態と異なることを特徴とする。
【００３２】
図７は本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置の概略形状を示す図である。図７のアンテナ装置は、給電素子１の形状が図１の給電素子１と異なっている。具体的には、図１の給電素子１に整合用素子１１を追加した形状になっている。整合用素子１１は、給電素子１の基端部に接続されており、給電点３を挟んで対称的に２つ設けられている。無給電素子２の構造は、図１と同様である。
【００３３】
このような整合用素子１１を追加する理由は、無給電素子２上のスイッチＳＷ１，ＳＷ２のオン・オフを切り替えても、給電点３から見たアンテナ装置のインピーダンスが変化しないようにするためであり、整合用素子１１を設けることにより、給電線路１０とアンテナ装置との整合がずれなくなる。
【００３４】
整合用素子１１は、図７のような線状素子に限らず、種々の形状が考えられる。
【００３５】
図８は整合用素子１１の第１の変形例を示す図である。給電点３を有する基端部に略並列に整合用素子１１が接続され、基端部と整合用素子１１の両方が先端部１ａに接続されている。
【００３６】
図９は整合用素子１１の第２の変形例を示す図である。給電点３の両端に整合用素子１１が接続され、基端部のみが先端部１ａに接続されている。
【００３７】
第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、影像電流を利用することで、図７〜図９の上半分のアンテナ素子だけで、図７〜図９と電気的に略等しい特性を得ることができる。
【００３８】
図１０は図７と電気的に同じ特性を有するアンテナ装置の概略形状を示す図である。給電点３の近くの基端部に一端が接続された整合用素子１１を備えている。図１０のアンテナ装置の場合、整合用素子１１の長さと、整合用素子１１の接続点から給電素子１の先端位置までの長さとの和によって、インピーダンスが決定される。
【００３９】
図１１は図８と電気的に同じ特性を有するアンテナ装置の概略形状を示す図である。図１１のアンテナ装置の場合、整合用素子１１の導体板４との接続位置から給電素子１の先端位置までの長さと、給電点３から給電素子１の先端位置までの長さによって、インピーダンスが決定される。
【００４０】
図１２は図９と電気的に同じ特性を有するアンテナ装置の概略形状を示す図である。図１２のアンテナ装置の場合、整合用素子１１の導体板４との接続点から給電素子１の先端位置までの長さと、給電点３から給電素子１の先端位置までの長さによって、インピーダンスが決定される。
【００４１】
図１３は本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置の詳細なブロック図である。図１３では、図６と共通する構成部分には同一符号を付し、以下では相違点を中心に説明する。図１３のアンテナ装置は、図６のアンテナ装置に、図１０と同じ形状の整合用素子１１を追加したものである。無給電素子２の構造は図６と同様であり、無給電素子２上のスイッチＳＷ１，ＳＷ２としてダイオードＤ１，Ｄ２が設けられ、これらダイオードＤ１，Ｄ２に順バイアスまたは逆バイアスを印加することにより、無給電素子２の電気長を変化させる。
【００４２】
このように、図１３に示す第２の実施形態によるアンテナ装置の場合、整合用素子１１を有するため、無給電素子２の電気長が変化しても、アンテナ装置のインピーダンスがずれなくなり、アンテナ装置と給電線路１０との整合性がよくなる。
【００４３】
上述した各実施形態では、無給電素子２上に２つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２（ダイオードＤ１，Ｄ２）を設けているが、スイッチの数は一つ以上であれば、その数に制限はない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置の概略形状を示す図。
【図２】図１のアンテナ装置の変形例であり、図１のアンテナ装置と電気的に同一の特性を示すアンテナ装置の概略形状を示す図。
【図３】スイッチＳＷ１，ＳＷ２のオン・オフにより給電素子１と無給電素子２の電流の位相差が変化する様子を示す図。
【図４】スイッチＳＷ１，ＳＷ２のオン・オフと電波の指向性との関係を示す図。
【図５】電波の指向性を示す指向性パターンを示す図。
【図６】スイッチＳＷ１，ＳＷ２のオン・オフ制御を自動化したアンテナ装置の一例を示すブロック図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置の概略形状を示す図。
【図８】整合用素子１１の第１の変形例を示す図。
【図９】整合用素子１１の第２の変形例を示す図。
【図１０】図７と電気的に同じ特性を有するアンテナ装置の概略形状を示す図。
【図１１】図８と電気的に同じ特性を有するアンテナ装置の概略形状を示す図。
【図１２】図９と電気的に同じ特性を有するアンテナ装置の概略形状を示す図。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置の詳細なブロック図。
【符号の説明】
【００４５】
１  給電素子
２  無給電素子
３  給電点
４  導体板
５  誘電体基板
６，７  インダクタ素子
８  制御部
９  受信電力検出部
【図１】
2006186851.tif 000003
【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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