(57)【要約】【課題】指向性制御および多周波対応の少なくとも一方を実現できるアンテナ装置、無線モジュールおよび無線システムを提供する。【解決手段】アンテナ装置に、地板と、地板の一主面に形成された誘電体と、誘電体に対して地板とは反対側の上面に形成された略矩形の給電素子と、給電素子に対し電界面および磁界面に沿って対称に配置された略矩形の無給電素子と、無給電素子の４つの頂点近傍の領域のうち少なくとも１箇所に形成され、給電素子と地板と短絡する第１のスイッチとを備えることにより上記課題を解決する。【選択図】図１Ａ
2006261941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地板と、
前記地板の一主面に形成された誘電体と、
前記誘電体に対して前記地板とは反対側の上面に形成された略矩形の給電素子と、
前記給電素子に対し電界面および磁界面に沿って対称に配置された略矩形の複数の第１の無給電素子と、
前記第１の無給電素子の４つの頂点近傍の領域のうち少なくとも１箇所に形成され、前記第１の無給電素子と前記地板とを短絡する第１のスイッチと
を備えることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のアンテナ装置において、
前記第１の無給電素子は、前記給電素子を取り囲むように、前記上面にマトリックス状に配置されることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のアンテナ装置において、
前記第１の無給電素子を取り囲むように、前記上面に配置される略矩形の第２の無給電素子を備えることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
前記給電素子の直交する２辺の各中点を通り、それぞれ各辺と垂直となる垂線上および前記給電素子の対角線上の３箇所のうち、少なくとも２箇所に形成された給電点と、
前記給電点を切り替える第２のスイッチと
を備えることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項５】
請求項４に記載のアンテナ装置において、
前記地板に対して前記誘電体とは反対側の下面に形成された第２の基板
を備え、
前記第２のスイッチは前記第２の基板に形成されることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
隣接する前記給電素子と前記第１の無給電素子との間の導通と遮断、および隣接する前記第１の無給電素子間の導通と遮断とを切り替える第３のスイッチ
を備えることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項７】
請求項６に記載のアンテナ装置において、
前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチおよび前記第３のスイッチは、ＰＩＮダイオードおよびＭＥＭＳスイッチのうちの一方で構成されることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載のアンテナ装置において、
前記第３のスイッチは、前記給電素子および前記第１の無給電素子の各辺と略同一長に形成されることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項９】
請求項８に記載のアンテナ装置において、
前記第３のスイッチは、他の第３のスイッチと対向する部分がＶ字形状であることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
給電点に整合回路を備えることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のアンテナ装置を備えることを特徴とする無線モジュール。
【請求項１２】
請求項１１に記載の無線モジュールを備えることを特徴とする無線システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線システムに関し、特に指向性制御が可能なアンテナ装置、無線モジュールおよび無線システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信では無指向性アンテナが用いられる場合が多い。同一エリア内で多くの無線通信が使われるようになると、他の無線による電波は所望波にとってノイズ源となり、S/Nを低下させて伝送誤り率を増加させる原因となっていた。また、通信品質を保つためにはより高出力の送信が必要となり、消費電力を増加させる一因にもなっていた。
【０００３】
近年、電波も有限な資源と見なす電波エコロジが提唱され、電波の周波数や電力を効率良く使用するため指向性制御アンテナが注目されている。指向性制御アンテナを用いると、同一エリア内で電波を空間的に分離でき、エリア内での通信容量を飛躍的に向上できる。また、指向性制御アンテナはビームの最大放射角方向で無指向性アンテナより利得が大きいため、受信側に用いると受信電力が大きくなりS/Nが改善される。また、ノイズ源にヌル点を向けると、干渉波の受信強度を小さくでき、同様にS/Nを改善できる。その結果、伝送誤り率を向上できる。
【０００４】
一方、送信側に用いた場合は最大放射角方向で利得が大きいため、同じ情報を送るためには送信電力が少なくて済み、消費電力の低減が期待できる。
【０００５】
また、通常の伝搬環境はマルチパスフェージング環境であり、フェージングを抑制するためダイバーシチィ受信が行われる場合があるが、マルチパスフェージングを根本的に解決する方法は伝搬路を最小にすることであり、その点からも指向性制御アンテナは重要である。
【０００６】
指向性制御アンテナとしては、携帯電話の基地局においてセクタアンテナにより通信路を空間的に分離する方法が採用されている。しかしながら、セクタアンテナはビーム幅を絞ったアンテナを複数本準備し、異なる方向へ個々のアンテナを向ける必要があり、アンテナが大型化して携帯端末や無線LANへの導入は困難である。
【０００７】
また、指向性制御アンテナとしては八木・宇田アンテナが知られている。八木・宇田アンテナとは、ダイポールアンテナの前後にダイポールアンテナよりも電気長の短い導波器と、ダイポールアンテナよりも電気長の長い反射器とを置いて指向性を付与するものである。
【０００８】
八木・宇田アンテナの原理を2次元の指向性制御に用いた例について、図２１を参照して説明する（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
特許文献１では、給電素子の回りに複数の無給電素子を配置し、無給電素子にキャパシタと地板と導通するスイッチを並列に設け、スイッチを導通ないし遮断することによって無給電素子を導波器ないし反射器として作用させて指向性を制御する。特許文献１では、導波器や反射器を共通化できるためアンテナの占有面積を小さくできるが、給電素子や無給電素子にモノポールアンテナを用いるためアンテナが立体的になり、携帯端末や無線LAN端末へは採用できない。
【００１０】
指向性を制御する他の方法について、図２２Ａおよび図２２Ｂを参照して説明する（特許文献２参照）。特許文献２に記載されたアンテナを図２２Ａに、その放射パターンを図２２Ｂに示す。特許文献２では、誘電体裏面に地板を設け、誘電体表面には外周部が地板と短絡した円環放射導体を設け、更に円環状導体の内部には地板と短絡するダイオードを配置している。ダイオードのON，OFFにより2つの励振モードを選択でき、TM110モードとTM210モードを同じ周波数にすると2つの放射パターンの切り替えが可能となる。しかしながら選択できる放射パターンは2つに限定され、きめ細かい指向性制御は不可能であり、限定的な用途にしか使えない。
【００１１】
また、フェーズドアレイアンテナやアダプティブアレイアンテナのように複数のアンテナからの放射パターンを合成して指向性を制御する方法もある。フェーズドアレイアンテナでは、アンテナの数だけ移相器とフロントエンド回路が必要で、移相器を制御する演算回路も必要であることから無線モジュールが複雑化・大型化し、現状ではレーダーとして利用されているに過ぎず、携帯端末や無線LANへの導入は困難である。また、移相器の挿入ロスによって送受信の電力が低下する欠点もある。
【００１２】
アダプティブアレイアンテナでは、ベクトル合成するための演算回路と、ベクトル合成をベースバンドで行う場合はアンテナの数だけベースバンド回路やフロントエンド回路が必要である。ベクトル合成をフロントエンドで行う場合はアンテナの数だけフロントエンド回路が必要であり、無線モジュールの複雑化・大型化は避けられない。
【００１３】
しかしながら、空間ビーム形成によって信号を合成するエスパアンテナが提案され、ベクトル合成するための演算回路は必要であるが、ベースバンド回路とフロントエンド回路とが1個で良いことから大きな期待を集めている（例えば、特許文献３および特許文献４参照）。特許文献３および４では、図２３に示すように、モノポールアンテナからなる給電素子の回りに複数の可変リアクタンスを装荷した無給電素子を配置し、無給電素子のリアクタンスを変えることで指向性を制御する。しかしながら、特許文献３および４では給電素子の回りに多くの無給電素子を配置する必要があり、アンテナの小型化にも限界がある。またモノポールアンテナを用いるためアンテナが立体化し、携帯端末や無線LAN端末への採用は難しい。更に、エスパアンテナでは指向性を制御するアルゴリズムが複雑であると言われており、ベクトル加算の回路の簡略化にもある程度限界があると思われる。
【００１４】
また、図２４に示すように、給電素子の周りに複数の無給電素子を配置し、無給電素子をスイッチによって地板と短絡して無給電素子のインピーダンスを切り替えて指向性を制御する方法が提案されている（例えば、特許文献５および特許文献６参照）。しかしながら、特許文献５および６においても多くの無給電素子が必要であり、かつモノポールアンテナを用いるためアンテナが立体化するため、携帯端末や無線LAN端末へは不向きである。
【００１５】
また、平面アンテナを用いて指向性を制御する方法についても提案されている（例えば、非特許文献１、２、３および４参照）。
【００１６】
Electronically Steering Yagi-Uda Microstrip Patch Antenna arrayでは、図２５に示すように、マイクロストリップアンテナを用い、反射器を共通して八木・宇田アンテナを4方向で構成し、給電素子を切り替えることで4方向の指向性制御を実現している。
【００１７】
Electronic beam steering using switched parasitic patch elementsでは、図２６に示すように、マイクロストリップアンテナをE面方向で配列し、中心の素子を給電素子、両端の素子を無給電素子とし、無給電素子は励振方向と直交する方向では中央でかつ励振方向では端部に地板と短絡するスイッチを設けている。両端の無給電素子の一方を地板と短絡させることで反射器として機能させ、E面方向で指向性を切り替える。
【００１８】
ビーム成形用マイクロストリップアレーアンテナでは、図２７に示すようにマイクロストリップアンテナからなる給電素子の両端に可変リアクタンス回路が装荷された無給電素子を配置し、無給電素子のリアクタンスを変化させH面で指向性制御を行っている。尚、可変リアクタンス回路を装荷する位置は給電素子の給電点と同じ位置、つまり励振方向と直交する方向では中心で、かつ励振方向では無給電素子の入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンスと等しい（通常は50Ω）位置にしている。
【００１９】
X字型配列マイクロストリップアレーアンテナは前記の効果を利用したものであり、給電素子の回り4方向に可変リアクタンス回路を装荷した無給電素子を配置し、2次元での指向性制御を実現している。
【００２０】
上記の例はマイクロストリップアンテナを用いているため、特許文献１,エスパアンテナ,特許文献５および特許文献６と異なり低背化されているため、アンテナの小型化には有利である。しかしながらElectronically Steering Yagi-Uda Microstrip Patch Antenna arrayはX方向とY方向で励振される方向が90度異なり、X方向で指向性を切り替える場合はX方向の偏波となり、Y方向で指向性を切り替える場合はY方向の偏波が放射される。そのため同一の偏波では一方向のみの指向性制御となり、指向性の可変範囲は狭くなる。
【００２１】
Electronic beam steering using switched parasitic patch elementsはE面のみで指向性制御が可能であり、同様に指向性の可変範囲は広くない。また、H面で指向性制御を行う条件は文献には全く記載されていない。ビーム成形用マイクロストリップアレーアンテナもH面のみで指向性制御が可能であり、指向性の可変範囲は広くない。
【００２２】
一方、X字型配列マイクロストリップアレーアンテナは、XY方向の2次元で指向性制御が可能であり、かつ励振される方向は1方向なので、1個の偏波で広い可変範囲を実現できる。しかしながら可変リアクタンス回路は可変キャパシタと線路を直列接続した回路から構成され、Electronically Steering Yagi-Uda Microstrip Patch Antenna array やElectronic beam steering using switched parasitic patch elementsのようにスイッチを設ける場合と比較して制御系が複雑になる。
【００２３】
また、現在、携帯電話ではPDC,FOMA,CDMA2000,PHS,等、無線LANではIEEE802.11a,802.11b,802.11gやBluetooth等、ITSではGPS, VICS，ETC等のように複数の無線規格が同時に採用されており、将来も複数の規格が並存する環境が続くと予想される。このような電波環境では偏波を積極的に制御して通信容量を改善する方法も必要となる。既に水平偏波と垂直偏波とを切り替える偏波ダイバーシチィや衛星通信では円偏波が採用されている。
【００２４】
偏波切り替えに特化したアンテナとしては非特許文献５および非特許文献６等がある。Polarization Reconfigurable Patch Antennaでは、図２８に示すように、パッチアンテナの直交する2辺に切り欠きを作り、一方の切り欠きにはメタルスタブを持ったMEMSアクチュエータを設けておく。給電はパッチアンテナの頂点からなされる。MEMSアクチュエータがOFFの場合は励振される2方向で位相差が90度となり、円偏波が放射される。MEMSアクチュエータがONの場合はメタルスタブがアンテナに接続されるため一方の共振長が伸びて、2つの励振方向の位相差が90度からずれ楕円偏波あるいは直線偏波が放射される。
【００２５】
偏波切換えマイクロストリップアンテナでは、図２９に示すように、マイクロストリップアンテナの地板に2つの励振方向に対応する電磁結合用スロットを2個設け、更に地板に下にY字のマイクロストリップ線路を配置し、Y字の線路の逆向きのPINダイオードを設けて地板と短絡しておく。PINダイオードのON,OFFによって一方の電磁結合用のスロットを選択できるため、直交する2つの偏波を切り替えることができる。
【００２６】
しかしながら上記のPolarization Reconfigurable Patch Antenna、偏波切換えマイクロストリップアンテナとも偏波切り替えのみが可能であり、指向性制御との両立はできていない。
【００２７】
一方、指向性の可変範囲が広いX字型配列マイクロストリップアレーアンテナは1個の直線偏波にのみ対応しており、偏波切り替えは実現できていない。
【００２８】
一般に1個のマイクロストリップアンテナで水平偏波と垂直偏波に切り替えを行なう場合、励振方向を切り替えるためにマイクロストリップアンテナの中心に対し直交した2点でかつアンテナの入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンス（通常は50Ω）になる点に給電点を各々設け、スイッチによって給電点を切り替えれば良い。よってX字型配列マイクロストリップアレーアンテナにおいても水平偏波と垂直偏波とを切り替えるためには給電素子に直交する2方向で各々給電点を設ければ良い。
【００２９】
しかしながら無給電素子に装荷する可変リアクタンス回路の位置は無給電素子の入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンス（通常は50Ω）となる位置であることから、水平偏波と垂直偏波の2方向で指向性制御を行う場合は、1個の無給電子に水平偏波と垂直偏波に対応する2個の可変リアクタンス回路を設ける必要があり、回路面積が大きくなる。特にサブミリ波〜ミリ波対応ではマイクロストリップアンテナの面積が小さくなり、1個の無給電素子に2個の可変リアクタンス回路を設けることは実質的に不可能となり、偏波切り替えと指向性制御とは両立できない。
【００３０】
更に、X字型配列マイクロストリップアレーアンテナの構造を円偏波に用いることができるかは文献には全く明記されていない。直線偏波のマイクロストリップアンテナでは、励振方向と直交する方向の中心にリアクタンスを装荷した場合、直交偏波は天頂を向き指向性は変化しない。よって円偏波アンテナで一方向の中心にリアクタンスを装荷した場合は、直交する2方向でビームの向く方向が異なると予想され、X字型配列マイクロストリップアレーアンテナの構造では円偏波での指向性制御は不可能と考えられる。
【００３１】
また、無線通信では単一周波数のアンテナが用いられており、複数の周波数に対応する無線装置では複数のアンテナを設ける必要があり、大型化していた。また、無線装置表面で電波を良好に送受信できる領域は限られており、全てのアンテナを良好な電波環境に設置するには限界があった。そこで近年では1個のアンテナで複数の周波数に対応できる多周波(マルチバンド)対応アンテナが注目されている。
【００３２】
マルチバンド対応アンテナとしては、１つはアンテナに複数の周波数に対応した放射素子を持たせる構造がある。例えば共振長の異なる複数の放射素子を用いた構造が提案されている（例えば、非特許文献７、８および９参照）。
【００３３】
しかしながら上記のアンテナは複数のアンテナを1箇所に配置した構造であり、無線装置表面で電波を良好に送受信できる領域は限られているため所望の電波全てを良好に送受信するのは困難であった。
【００３４】
また1つの放射素子に複数の共振長を持たせた構造も提案されいる（例えば、非特許文献１０および１１参照）。
【００３５】
しかしながら変形シルピンスキー型マイクロストリップアンテナでは3つのバンドで放射パターンが異なり、同一エリアにおいて3周波を同じ条件で送受信できない課題があった。また2周波スロットボウタイアンテナは構造上3周波程度までしか対応できないと思われる。
【００３６】
そこでアンテナの共振長をスイッチで切り替える方法が提案されている（例えば、特許文献７、８、９および１０、非特許文献１２および１３参照）。
【００３７】
特許文献７では、図３０に示すように、金属片をPINダイオードで接続してダイポールアンテナを構成している。PINダイオードにバイアスを印加してPINダイオードの導通/遮断を切り替えて共振長を変化させる。用いられるダイポールアンテナは平衡電流で励振する必要がある。しかしながらRF回路に用いられる線路はマイクロストリップ線路やコプレナー線路等の不平衡電流を用いる場合が多く、平衡電流が必要な場合はアンテナと線路の間にバランを設けなければならない。
【００３８】
一般にバランは帯域が狭いため複数の周波数には対応できず、1個の周波数に対して1個ずつバランが必要となる。そのためマルチバンドに対応するためには、ダイポールアンテナの給電点近傍にマルチバンドの数だけバランを配置する必要があり、バランの設置面積でマルチバンドの数が制限されてしまう。よって特許文献７はデュアルバンド等の周波数帯の少ない場合は使えるが、周波数帯の多いマルチバンドには対応できないと思われる。
【００３９】
特許文献８は、図３１に示すように、アンテナ素子18に1個の給電点19と複数の接地点20a,20b,20c,20dを設け、接地点をスイッチSW21a,21b,21c,21dで切り替えて共振長を変化させる。しかしながら特許文献８ではスイッチで短絡点を切り替えるため各周波数でアンテナの入力インピーダンスが変化する。よって整合の取れる範囲内でしか接地点を動かすことができず、マルチバンドで可変しうる周波数範囲を大きくできない。実際に特許文献８で開示された可変周波数帯は1.55〜2.2GHzであり、中心周波数1.8GHzに対して30%と小さい。よって携帯電話等の比較的近接した周波数帯を用いる場合は対応可能であるが、無線LANのように2.4GHz帯と5GHz帯を用いる場合は対応できないと予想される。
【００４０】
特許文献９は、図３２Ａおよび図３２Ｂに示すように、3つの放射素子20,30,40が切り替え可能な給電点と短絡点を共有しており、スイッチSW60,SW62によって給電点と短絡点を切り替えることで4つの周波数帯を実現している。しかしながら特許文献９では、3つの放射素子を同一平面に配置する必要があり、無線装置表面で電波を良好に送受信できる領域は限られていることから、4つの電波全てを良好に送受信するのは困難である。
【００４１】
特許文献１０は、図３３に示すように、マトリックス状に配置された要素素子が各々MEMSスイッチで接続される構造となっている。全てのMEMSスイッチをOFF(遮断状態)にした場合は個々の要素素子の1辺が共振長となり、高周波に対応する。一方全てのMEMSスイッチをON(導通状態)にした場合は個々の要素素子は接続されて1個の矩形の放射素子となり、低周波で共振する。
【００４２】
ここで、特許文献１０では、線路の特性インピーダンス（通常は50Ωを用いる）と整合するため高周波と低周波で異なる給電点を用いる。そのためマトリックス状に配置されたアレイアンテナに配置できる給電点の数によって対応できるマルチバンドの数が限定される欠点がある。
【００４３】
またMEMSスイッチ上には給電点を設けることが困難といった欠点もある。図33に示す例では1個の要素素子で共振させる給電点（High frequency feed point）と3×3アレイで共振させる給電点（Low frequency feed point）は要素素子上に配置できるが、2×2アレイを共振させたい場合はMEMSスイッチ上に給電点が来るため、3×3アレイを使っても2周波のみにしか対応できない。
【００４４】
更にMEMSスイッチで接続される導体幅は隣接した要素素子の幅よりも小さいため、全てのMEMSスイッチをONにして1個の矩形の放射素子を形成した場合、放射素子の内部には大きな空隙が生じる。その結果放射素子を流れる電流は空隙によって制限され、帯域幅が減少し、通信に必要な帯域幅を確保することが困難になる問題も発生する。
【００４５】
なお上記の積層構造のマルチバンドアンテナ,変形シルピンスキー型マイクロストリップアンテナ,2周波スロットボウタイアンテナ、特許文献７、８、９および１０には指向性制御について何らの記載がない。
【００４６】
GTRI Prototype Aperture Antennaは、図３４に示すように、マトリックス状に配置された要素素子が各々FETスイッチで接続され、平衡電流によって1箇所の給電点で励振される構造となっている。GTRI Prototype Aperture AntennaはFETスイッチのON,OFFの組み合わせによって放射素子の形状を変化させ、周波数と指向性を切り替えることができる。但しFETスイッチのON,OFFを遺伝的アルゴリズムを用いて選択するため演算回路が複雑になる。
【００４７】
また給電点が1箇所であり、放射素子の入力インピーダンスを給電線の特性インピーダンスに合わせる必要があり、放射素子の形状の自由度が小さく、可変できる周波数範囲が制限される可能性が高い。実際に上記の文献で報告された可変周波数範囲は1GHz〜2GHz程度であり、約±50%の帯域幅に対応できる程度であった。また平衡電流で励振することからRF回路に広く用いられているマイクロストリップ線路やコプレナー線路に接続するためにはバランが必要となる。よってバランの設置面積によってもマルチバンドの数が制限される問題もある。
【特許文献１】特開２００１−３６３３７号公報
【特許文献２】特開平６−１１２７２７号公報
【特許文献３】特開２００１−２４４３１号公報
【特許文献４】特開２００２−１６２４７号公報
【特許文献５】特開平１０−１５４９１１号公報
【特許文献６】特開２００２−３２５０１２号公報
【特許文献７】特開２０００−２３６２０９号公報
【特許文献８】特開２００２−２６１５３３号公報
【特許文献９】特開２００３−１２４７３０号公報
【特許文献１０】米国特許第６１９８４３８号明細書
【特許文献１１】特開平１０−１３１４１号公報
【特許文献１２】特開平１０−１３１４３号公報
【特許文献１３】特開平１０−１７３４３２号公報
【特許文献１４】特開平１１−１６３６２６号公報
【非特許文献１】"Electronically Steering Yagi-Uda Microstrip Patch Antenna array”, IEEE Antenna and Propagation Society International Symposium,p1870, 1995
【非特許文献２】”Electronic beam steering using switched parasitic patch elements”, Electronics Letters,vol. 33, No.1, p7-8, 1997
【非特許文献３】「ビーム成形用マイクロストリップアレーアンテナ」、2002年電子情報通信学会総合大会,講演番号B-1-234、2002
【非特許文献４】「X字型配列マイクロストリップアレーアンテナによる2次元ビーム成形」、2003年電子情報通信学会総合大会,講演番号B-1-248
【非特許文献５】”Polarization Reconfigurable Patch Antenna using Microelectromechanical System(MEMS) Actuators”, IEEE Antenna and Propagation Society International Symposium Digest,p6〜9, 2002
【非特許文献６】「ダイオードを用いた偏波切換えマイクロストリップアンテナ」、2003年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会,講演番号B-1-176、2003
【非特許文献７】「多層板構成の3周波共振アンテナの設計と実測結果」、電子情報通信学会技術報告,AP2002-141,p41〜46,2003年
【非特許文献８】”Multifrequency Microstrip Patch Antenna Using Multiple Stacked Elements”, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol.13, No.3, pp. 123-124, 2003
【非特許文献９】「2周波共用マイクロストリップアンテナ構成法の一検討」、2003年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会,講演番号B-1-161、2003
【非特許文献１０】「変形シルピンスキー型マイクロストリップアンテナの放射特性に関する一検討」、  2003年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会,講演番号B-1-162、 2003
【非特許文献１１】「2周波スロットボウタイアンテナ」、  2003年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会,講演番号B-1-176, 2003
【非特許文献１２】"GTRI Prototype Reconfigurable Aperture Design”, IEEE Antenna and Propagation Society International Symposium Digest,p473〜476, 2002
【非特許文献１３】"The GTRI Prototype Reconfigurable Aperture Antenna” IEEE Antenna and Propagation Society International Symposium Digest,p683〜686, 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４８】
しかしながら、上述した背景技術には以下の問題がある。
【００４９】
以上のように指向性制御と多周波対応の両方が実現できるアンテナの提案は少ない。両方の機能を持つGTRI Prototype Aperture Antennaにおいても、FETスイッチのON,OFFを遺伝的アルゴリズムを用いて切り替えるため演算回路が複雑で、平衡電流で給電するためバンドの数だけバランが必要となる。また、GTRI Prototype Aperture Antennaは、可変周波数範囲も1〜2GHz程度と狭い等の欠点を持ち、多周波に特化したアンテナと比較して周波数可変のパフォーマンスは非常に悪い。
【００５０】
また、テーパードスロットアンテナに関して提案が行われている（例えば、特許文献１１、１２、１３および１４参照）。しかし、テーパードスロットアンテナは指向性の高い円形の放射パターンを得ることができるが、アンテナ単体では指向性を制御することはできない問題がある。
【００５１】
そこで、本発明は、指向性制御および多周波対応の少なくとも一方を実現できるアンテナ装置、無線モジュールおよび無線システム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】
【００５２】
上記課題を解決するため、本発明のアンテナ装置は、地板と、前記地板の一主面に形成された誘電体と、前記誘電体に対して前記地板とは反対側の上面に形成された略矩形の給電素子と、前記給電素子に対し電界面および磁界面に沿って対称に配置された略矩形の第１の無給電素子と、前記第１の無給電素子の４つの頂点近傍の領域の少なくとも１箇所に形成され、前記第１の給電素子と前記地板とを短絡する第１のスイッチとを備えることを特徴の１つとする。
【００５３】
このように構成することにより、直線偏波と円偏波の両方において指向性制御を実現できる。
【００５４】
また、本発明の無線モジュールは、上記マイクロストリップアンテナを備えることを特徴の１つとする。
【００５５】
このように構成することにより、直線偏波と円偏波の両方において得られる利得を改善できる。
【００５６】
また、本発明の無線システムは、上記無線モジュールを備えることを特徴の１つとする。
【００５７】
このように構成することにより、直線偏波と円偏波の両方において得られる利得を改善できる。
【発明の効果】
【００５８】
本発明の実施例によれば、指向性制御および多周波対応の少なくとも一方を実現できるアンテナ装置、無線モジュールおよび無線システムを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５９】
次に、本発明を実施するための最良の形態を、以下の実施例に基づき図面を参照しつつ説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を用い、繰り返しの説明は省略する。
【００６０】
本発明の第１の実施例にかかるアンテナ装置について、図１Ａおよび図１Ｂを参照して説明する。図１Ａは上面図、図１Ｂは図１ＡのＡ１−Ｂ１線における断面図を示す。
【００６１】
本実施例にかかるアンテナ装置１００は、地板１０２と、地板１０２の一主面に形成された誘電体１０４と、誘電体１０４に対し地板１０２とは反対の上面に形成された略矩形の給電素子１０６および給電素子１０６に対し、電界面（以下、Ｅ面と呼ぶ）および磁界面（以下、Ｈ面と呼ぶ）に沿って対称に配置された４個の略矩形の第１の無給電素子１０８と、第1の無給電素子１０８の４つの頂点の近傍の領域のうち、１箇所に備えられ、第１の無給電素子１０８と地板１０２とを短絡する第１のスイッチ１１０とを備える。
【００６２】
アンテナの構成について詳細に説明する。
【００６３】
例えば比誘電率４．２５のガラスからなる誘電体１０４の下面に、例えばＣｕ層からなる地板１０２が形成され、誘電体１０４の上面には、例えばＣｕ層からなる略矩形の給電素子１０６および給電素子１０６に対し、４個の略矩形の第１の無給電素子１０８が、例えばピッチ０．３５λo(λo:自由空間での共振長さ)でＥ面及びＨ面に沿って対称に配置される。給電素子１０６に対して、Ｅ面の方向をＹ軸、Ｈ面の方向をＸ軸とし、Ｘ軸およびＹ軸と直交する方向をＺ軸とする。給電素子１０６および第１の無給電素子１０８の形状は略同一であり、Ｘ方向の長さはＷ１、Ｙ方向の長さはＬ１である。
【００６４】
また、各々の第１の無給電素子１０８には４つの頂点近傍の領域うち１箇所に、例えばＰＩＮダイオードからなる第１のスイッチ１１０が設けられる。第１のスイッチ１１０が導通状態では第１の無給電素子１０８は地板１０２と短絡され、第１のスイッチ１１０が遮断状態では第１の無給電素子１０８は地板１０２から開放される。尚、４個の第１の無給電素子１０８に各々形成された４個の第１のスイッチ１０８は、図示されていないバイアスラインによって個別に導通・遮断状態が選択できる。
【００６５】
次に、給電点および励振方向について説明する。給電点Ａ１１２は、給電素子１０６のＸ方向の辺の中点を通りＸ軸に垂直となる垂線上で、かつ給電素子１０６の入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンス(通常は５０Ω)と等しくなる点に設けられる。したがって、給電素子１０６は、Ｙ方向で励振され、共振長はほぼＬ１となり、Ｙ方向の直線偏波を放射する。尚、給電点Ａ１１２はアンテナ裏面から同軸線によって給電される。
【００６６】
４個の第１の無給電素子１０８は、給電素子１０６と０．３５λoのピッチで配置されるため大きな相互結合が生じ、給電素子１０６から放射されるＹ方向の直線偏波を受けてＹ方向で励振され、給電素子１０６と同じ共振周波数を持つＹ方向の直線偏波を生じる。ピッチが０．３５λoの場合、第１の無給電素子１０８の電圧は給電素子１０６の電圧よりも位相が遅れ、第１の無給電素子１０８は導波器として作用する。
【００６７】
給電素子と無給電素子とをアレイ化したマイクロストリップアンテナでは、無給電素子を地板と短絡する方法によって指向性を制御する方法が知られている。例えば、給電素子とＥ面で隣接する２個の無給電素子に対し、励振方向と直交する辺の中点近傍に地板と短絡するスイッチを設け、一方のスイッチを地板と短絡することによって、短絡した側の無給電素子に流れる電流を抑制し指向性を切り替える（非特許文献２参照）。他の文献においても地板と短絡するスイッチの位置は無給電素子に対し励振方向と直交する辺の中点の垂線上である。
【００６８】
また、マイクロストリップアンテナは給電点の位置によって直交する２辺を、各々励振できることが知られており、直線偏波切り替えに適したアンテナとなっている。更に、直交する２辺を同時に励振し、かつ各モードに位相差を持たせることによって円偏波が実現できることから非常に有用なアンテナである。
【００６９】
しかしながら、これまでのマイクロストリップアンテナの指向性制御は、一方向の直線偏波に対して行なわれているのみで、直交する２つの直線偏波や円偏波を対象とした方法は全く無かった。直交する２つの直線偏波については、Electronic beam steering using switched parasitic patch elementsの方法から類推すると、１個の無給電素子においてX方向の直線偏波に対しては励振方向と直交する辺、つまりY方向の辺の中点近傍に地板と短絡するスイッチを設け、Y方向の直線偏波に対しては励振方向と直交する辺、つまりX方向の辺の中点近傍に地板と短絡するスイッチを別に設け、偏波毎に１個の無給電素子においても地板と短絡するスイッチを切り替えることで対応できると予想されるが、地板と短絡するスイッチが増加して望ましくない。
【００７０】
本実施例においては、上記の点に鑑み、１個の無給電素子においてＸ方向とＹ方向の各モードで励振された電流に対し効果のある短絡点を鋭意検討し、略矩形の無給電素子において、４つの頂点近傍の領域に短絡点を備えることにより、この短絡点はＸ方向で励振されたモードの電流とＹ方向で励振されたモードの電流の両方を抑制できることを見出した。
【００７１】
また、短絡点は４つの頂点近傍の領域の全てに設けるのが最良であるが、４つの頂点近傍の領域のうち１箇所のみに設けた場合もＸ方向とＹ方向の各モードの電流を抑制できることを発見した。
【００７２】
本実施例では、Ｙ方向に励振される給電素子に対して、Ｅ面及びＨ面に沿って対称に配置された４個の略矩形の第１の無給電素子は、４つの頂点近傍の領域のうち少なくとも１箇所において地板と短絡する第１のスイッチが設けられる。したがって、第１のスイッチを導通状態にして第１の無給電素子を地板と短絡させると、短絡させた第１の無給電素子のＹ方向の電流は抑制される。そのため、Ｘ方向およびＹ方向の２次元で指向性の切り替えが可能である。
【００７３】
例えば、Ｅ面方向での指向性の切り替えは以下のように行う。
【００７４】
Ｅ面の沿って配列された第１の無給電素子１０８の内、上部に配置された第１の無給電素子、すなわち給電素子１０６に対し＋Ｙ方向に配置された第１の無給電素子に設けられた第１のスイッチ１１０を導通状態にすることによりＥ面方向の上部に配置された第１の無給電素子を地板１０２と短絡する。
【００７５】
一方、Ｅ面方向の下部の第１の無給電素子、すなわち給電素子１０６に対し−Ｙ方向に配置された第１の無給電素子に設けられた第１のスイッチは遮断状態にしてＥ面方向の下部に配置された第１の無給電素子を地板と開放する。
【００７６】
このようにすることにより、アンテナ１００から放射されるビームは天頂（Ｚ軸）からＥ面方向下側、すなわち−Ｙ方向に１０度〜１５度傾く。
【００７７】
逆に、Ｅ面方向上部、すなわち＋Ｙ方向に配置された第１の無給電素子を地板１０２と開放し、Ｅ面方向下部、すなわち−Ｙ方向に配置された第１の無給電素子を地板１０２と短絡すると、アンテナから放射されるビームは天頂（Ｚ軸）からＥ面方向上側、すなわち＋Ｙ方向に１０度〜１５度傾く。
【００７８】
Ｈ面方向でも同様であり、Ｈ面に沿って配列された第１の無給電素子のうち、左側にある第１の無給電素子、すなわち給電素子１０６に対し−Ｘ方向にある第１の無給電素子に設けられた第１のスイッチを導通状態にすることによりＨ面方向左側の第１の無給電素子と地板１０２とを短絡し、Ｈ面方向の右側の第１の無給電素子、すなわち給電素子１０６に対し＋Ｘ方向にある第１の無給電素子に設けられた第１のスイッチを遮断状態にすることによりＨ面方向右側の第１の無給電素子を地板１０２から開放することにより、アンテナから放射されるビームは天頂（Ｚ軸）からＨ面方向右側、すなわち＋Ｘ方向へ１０度〜１５度傾く。
【００７９】
逆に、Ｈ面方向左側の第１の無給電素子を地板１０２と開放し、Ｈ面方向右側の第１の無給電素子と地板とを短絡することにより、アンテナから放射されるビームは天頂からＨ面方向左側、すなわち−Ｘ方向に１０度〜１５度傾く。
【００８０】
指向性制御に関与しない第１の無給電素子、例えばＥ面方向での指向性切り替えでは、Ｈ面に沿って配列された第１の無給電素子は第１のスイッチを導通して地板１０２と短絡させておけば良い。
【００８１】
以上のように構成することにより、Ｘ、Ｙの２次元で指向性を切り替えることができるため、所望の方向にアンテナの最大放射角を向けることができ、良好な通信が可能となる。
【００８２】
本実施例においては、第１のスイッチ１１０としてＰＩＮダイオードを用いた場合について説明した。ＰＩＮダイオードは安価なチップ部品が入手でき、かつ２０ＧＨｚまでは良好に高周波信号を遮断できることから、２．４ＧＨｚや５ＧＨｚを用いた無線ＬＡＮや携帯端末での指向性制御に適している。
【００８３】
ＰＩＮダイオードの実装は誘電体１０４裏面（下面）の地板１０２を一部切り欠き、その領域に表面実装によって設置し、ＰＩＮダイオードの一端を地板１０２と接続し、他端を誘電体１０４を貫通するビアホールを介して第１の無給電素子１０８と接続するようにすればよい。ＰＩＮダイオードのバイアスラインにはケーブル等を用いことができる。
【００８４】
また、第１のスイッチ１１０としては、例えばＭＥＭＳスイッチも使用できる。ＭＥＭＳスイッチを用いた場合は１００ＧＨｚ程度までの高周波信号も良好に遮断でき、更に挿入ロスも小さいことから、より高い周波数、例えばサブミリ波〜ミリ波を対象とした指向性制御アンテナを構成することができる。
【００８５】
ＭＥＭＳスイッチも表面実装によって誘電体１０４の下面に設置すればよい。また、第２の基板にＭＥＭＳスイッチ(第１のスイッチ)をバルクマイクロマシーンプロセスまたは表面マイクロマシンプロセスによって形成した後、誘電体１０４の下面に第２の基板を貼り付け、ＭＥＭＳスイッチの一端を地板１０２と接続し、他端を誘電体１０４を貫通するビアホールを介して第１の無給電素子１０８と接続するようにしてもよい。このような方法を用いることにより、ＭＥＭＳスイッチを駆動するバイアスラインを第２の基板上に形成できる。
【００８６】
尚、本実施例では、第１の無給電素子１０８の４つの頂点近傍の領域のうち、１箇所に地板１０２と短絡する第１のスイッチ１１０を設ける場合について説明した。しかし、１箇所に限定される必要はなく、第１の無給電素子１０８の４つの頂点近傍の領域のうち２〜４箇所に、第１の無給電素子１０８と地板１０２とを短絡する第１のスイッチ１１０を設けるようにしてもよい。第１のスイッチ１１０の数を多くすることにより、第１の無給電素子１０８に励起される電流をより効率的に抑制でき、ビームのチルト角を大きくできる。後述する実施例においても同様である。
【００８７】
また、ビームのチルト角は給電素子１０６と第１の無給電子１０８との間のピッチ、つまり給電素子１０６と第１の無給電子１０８との相互結合の大きさによっても制御することができる。したがって、アンテナに必要とされるビームのチルト角可変範囲にしたがって第１のスイッチ１１０の数や給電素子１０６と第１の無給電素子１０８のピッチを最適化すればよい。
【００８８】
また、本実施例においては、給電素子１０６と第１の無給電素子１０８との外形が略同一である場合について説明した。しかし、給電素子１０６のＹ方向の直線偏波によって第１の無給電素子１０８が励振できればよいので、同一である必要はない。
【００８９】
次に、本発明の第２の実施例にかかるアンテナ装置について、図２Ａおよび図２Ｂを参照して説明する。図２Ａは上面図、図２Ｂは図２ＡのＡ２−Ｂ２線における断面図を示す。
【００９０】
本実施例にかかるアンテナ装置１００は、第１の実施例において説明したアンテナ装置と、給電素子上での給電点の位置が異なる。
【００９１】
本実施例にかかるアンテナ装置における給電点Ｂ１１６は給電素子１０６のＹ方向の辺の中点を通りＹ軸に垂直となる垂線上で、かつ給電素子１０６の入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンス(通常は５０Ω)と等しくなる点に設けられる。そのため、給電素子１０６はＸ方向で励振され、共振長はほぼＷ１となり、Ｘ方向の直線偏波を放射する。
【００９２】
本実施例においては、給電素子１０６に対して、Ｅ面の方向をＸ軸、Ｈ面の方向をＹ軸とし、Ｘ軸およびＹ軸と直交する方向をＺ軸とする。
【００９３】
また、４個の第１の無給電素子１０８は給電素子１０６との相互結合によって、給電素子１０６から放射されるＸ方向の直線偏波を受けてＸ方向で励振され、給電素子１０６と同じ共振周波数を持つＸ方向の直線偏波を生じる。ここで、給電素子１０６と第１の無給電素子１０８との間のピッチは第１の実施例と同じく０．３５λoである。したがって、第１の無給電素子１０８は、その電圧の位相が給電素子１０６の電圧の位相より遅れるため、導波器として働く。
【００９４】
本実施例では、Ｘ方向に励振される給電素子１０６に対して、Ｅ面およびＨ面に沿って対称に配置された４個の略矩形の第１の無給電素子１０８は、４つの頂点近傍の領域のうち１箇所に第１の無給電素子１０８と地板１０２とを短絡する第１のスイッチ１１０が設けられる。したがって、第１のスイッチ１１０を導通状態にして第１の無給電素子１０８を地板１０２と短絡させることにより、短絡した第１の無給電素子１０８のＸ方向の電流は抑制される。そのため、Ｘ、Ｙ方向の２次元で指向性の切り替えが可能である。
【００９５】
Ｈ面方向(Ｙ方向)での指向性の切り替えでは、Ｈ面に沿って配列された２個の第１の無給電素子のうち一方の第１の無給電素子に設けられた第１のスイッチを導通状態にして地板１０２と短絡し、他方のＨ面配列された第１の無給電素子に設けられた第１のスイッチは遮断状態にして地板１０２を開放する。これにより、アンテナから放射されるビームは天頂（Ｚ軸）からＨ面方向で短絡された第１の無給電素子１０８とは反対側へ１０度〜１５度傾く。
【００９６】
Ｅ面方向（Ｘ方向）の指向性の切り替えにおいても同様であり、Ｅ面に沿って配列された２個の第１の無給電素子のうち一方の第１の無給電素子に設けられた第１のスイッチを導通状態にして地板１０２と短絡し、他方のＥ面に沿って配列された第１の無給電素子に設けられた第１のスイッチは遮断状態にして地板１０２と開放することにより、ビームを天頂からＥ面方向で短絡された無給電素子とは反対側へ１０度〜１５度傾かせることができる。
【００９７】
尚、本実施例においても、第１の実施例と同様に指向性制御に関与しない配列の第１の無給電素子は第１のスイッチを導通して地板１０２と短絡させておけばよい。また、ビームのチルト角は給電素子１０６と第１の無給電子との間のピッチや１個の無給電素子１０６に設ける第１のスイッチの数によって制御することができる。
【００９８】
次に、本発明の第３の実施例にかかるアンテナ装置について、図３Ａおよび図３Ｂを参照して説明する。図３Ａは上面図、図１Ｂは図３ＡのＡ３−Ｂ３線における断面図を示す。
【００９９】
本実施例にかかるアンテナ装置は、円偏波に対応したアンテナ装置であり、第１および第２の実施例と給電素子上での給電点の位置が異なる。
【０１００】
本実施例にかかるアンテナ装置の給電点Ｃ１１８は給電素子１０６の対角線上でかつ給電素子１０６の入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンス(通常は５０Ω)と等しくなる点に設けられる。そのため、給電素子１０６はＸ、Ｙ方向の２方向で同時に励振され、共振長はＸ方向でほぼＷ１、Ｙ方向ではＬ１となる。ここで、Ｗ１とＬ１の長さの比を適切に選ぶことによりＸ方向のモードとＹ方向のモードでは位相差が９０度となり円偏波を放射できる。
【０１０１】
具体的にはＸ、Ｙの両辺が等しい正方形マイクロストリップアンテナの無負荷ＱをＱoとした場合、Ｌ１＜Ｗ１の場合は、式（１）とすることにより円偏波となる。
【０１０２】
Ｗ１／Ｌ１＝１＋（１／Ｑo）      （１）
なお、本実施例によれば、軸比が１からずれた楕円偏波についても同様に適用できる。
【０１０３】
また、給電素子１０６と第１の無給電素子１０８との間のピッチは第１の実施例と同じく０．３５λoであるため、４個の第１の無給電素子１０８は給電素子１０６との相互結合によって、給電素子１０６から放射される円偏波を構成するＸ方向、Ｙ方向の２つのモードを受けてＸ、Ｙ方向で同時に励振される。給電素子１０６の２つのモードの位相差は９０度であるため第１の無給電素子１０６に励振される２つのモードの位相差もほぼ９０度となり、給電素子１０６と同じ共振周波数で同一旋回方向の円偏波を生じる。尚、本実施例においてもピッチが０．３５λoであるため、第１の無給電素子１０８は導波器として作用する。
【０１０４】
また、本実施例においては、円偏波を放射する給電素子１０６に対してＥ面およびＨ面に沿って対称に配置された４個の略矩形の第１の無給電素子１０８は４つの頂点近傍の領域のうち１箇所に地板１０２と短絡する第１のスイッチ１１０が設けられる。
【０１０５】
第１のスイッチ１１０を導通状態にして第１の無給電素子１０８と地板１０２とを短絡させると、短絡させた第１の無給電素子１０８では地板１０２への短絡点、つまり導通状態の第１のスイッチ１１０が無給電素子１０８の頂点近傍の領域にあるためＸ方向、Ｙ方向の２つのモードとも電流が抑制される。そのためＸ、Ｙ方向の２次元で円偏波を実現しながら指向性の切り替えが可能である。
【０１０６】
次に、指向性の制御について説明する。本実施例にかかるアンテナ装置における指向性制御も第１および第２の実施例と同様な方法を用いる。
【０１０７】
Ｙ方向での指向性の切り替えでは、Ｙ方向に配列された２個の第１の無給電素子のうち一方の第１の無給電素子に設けられた第１のスイッチ１１０を導通状態にして地板１０２と短絡し、他方のＹ方向に配列された第１の無給電素子に設けられた第１のスイッチは遮断状態にして地板１０２と開放する。これにより、アンテナ１００から放射されるビームは天頂（Ｚ軸）からＹ方向で短絡させた第１の無給電素子とは反対側へ傾く。
【０１０８】
Ｘ方向での指向性の切り替えにおいても同様であり、Ｘ方向に配列された２個の第１の無給電素子のうち、一方の第１の無給電素子に設けられた第１のスイッチを導通状態にして地板１０２と短絡し、他方のＸ方向に配列された第１の無給電素子に設けられた第１のスイッチは遮断状態にして地板１０２と開放することにより、ビームを天頂からＸ方向で短絡させた第１の無給電素子とは反対側へ傾かせることができる。
【０１０９】
本実施例においても第１および第２の実施例と同様に、指向性の制御に関与しない配列の第１の無給電素子は第１のスイッチ１１０を導通させて地板１０２と短絡させておけばよい。
【０１１０】
また、ビームのチルト角は給電素子１０６と第１の無給電素子１０８との間のピッチや１個の第１の無給電素子１０８に設ける第１のスイッチ１１０の数によって制御することができる。
【０１１１】
以上述べたように給電素子１０６を中心として、Ｅ面およびＨ面に沿って対称に４個の略矩形の第１の無給電素子を配置し、かつ第１の無給電素子の４つの頂点近傍の領域のうち少なくとも１箇所に地板１０２と短絡させる第１のスイッチを設けることにより直線偏波と円偏波の両方で指向性の切り替えを実現できる。
【０１１２】
次に、本発明の第４の実施例にかかるアンテナ装置について、図４Ａおよび図４Ｂを参照して説明する。図４Ａは上面図、図４Ｂは図４ＡのＡ４−Ｂ４線における断面図を示す。
【０１１３】
本実施例にかかるアンテナ装置１００は、地板１０２と、地板１０２の一主面に形成された誘電体１０４と、誘電体１０４に対し地板１０２とは反対の上面に形成された略矩形の給電素子１０６および給電素子１０６を取り囲むようにマトリックス状に配置された８個の略矩形の第１の無給電素子１０８と、第１の無給電素子１０８の４つの頂点近傍の領域のうち、１箇所に備えられ、第１の無給電素子１０８と地板１０２とを短絡する第１のスイッチ１１０とを備える。給電素子１０６に対して、Ｅ面の方向をＹ軸、Ｈ面の方向をＸ軸とし、Ｘ軸およびＹ軸と直交する方向をＺ軸とする。
【０１１４】
アンテナ装置の構成について詳細に説明する。
【０１１５】
例えば比誘電率２．６のテフロン（登録商標）ガラスファイバー基板からなる誘電体１０４の下面に、例えばＣｕ層からなる地板１０２が形成される。誘電体１０４の上面には、例えばＣｕ層からなる略矩形の給電素子１０６および給電素子１０６を取り囲むようにマトリックス状に配置された８個の略矩形の第１の無給電素子１０８がＸ、Ｙ方向ともピッチ０．４λo(λo:自由空間での共振長さ)で配置される。つまり給電素子１０６と第１の無給電素子１０８は給電素子１０６を中心にしてピッチ０．４λoの３×３マトリックス配置となる。
【０１１６】
給電素子１０６および第１の無給電素子１０８は全てその形状が略同一であり、Ｘ方向の長さはＷ１、Ｙ方向の長さはＬ１である。また、８個の第１の無給電素子１０８には４つの頂点近傍の領域のうち１箇所に、例えばＰＩＮダイオードからなる第１のスイッチ１１０が設けられており、第１のスイッチ１１０が導通状態では第１の無給電素子１０８と地板１０２とが短絡され、第１のスイッチ１１０が遮断状態では第１の無給電素子１０８は地板１０２から開放される。
【０１１７】
尚、８個の第１の無給電素子１０８に各々接続された８個の第１のスイッチ１１０は図示されていないバイアスラインによって個別に導通・遮断状態が選択できる。
【０１１８】
次に、給電点および励振方向について説明する。
【０１１９】
給電点Ａ１１２は、給電素子１０６のＸ方向の辺の中点を通りＸ軸に垂直となる垂線上で、かつ給電素子１０６の入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンス(通常は50Ω)と等しくなる点に設けられる。したがって、給電素子１０６はＹ方向で励振され、共振長はほぼＬ１となり、Ｙ方向の直線偏波を放射する。
【０１２０】
尚、給電点Ａ１１２は第１〜第３の実施例と同様にアンテナ裏面から同軸線によって給電される。
【０１２１】
８個の第１の無給電素子１０８は、給電素子１０６と０．４λoのピッチで配置される。このため、第１の無給電素子１０８と給電素子１０６とは、大きな相互結合が生じ、給電素子１０６から放射されるＹ方向の直線偏波を受けてＹ方向で励振され、給電素子１０６と同じ共振周波数を持つＹ方向の直線偏波を生じる。ピッチが０．４λoの場合、第１の無給電素子１０８の電圧は給電素子１０６の電圧よりも位相が遅れるため、第１の無給電素子１０８は導波器として作用する。
【０１２２】
本実施例ではＹ方向に励振される給電素子に対して、８個の略矩形の第１の無給電素子１０８がＥ面およびＨ面に沿って対称に配置されており、かつ８個の第１の無給電素子１０８は４つの頂点近傍の領域のうち１箇所に地板１０２と短絡する第１のスイッチ１１０が設けられているので、Ｘ、Ｙ方向の２次元で第１の実施例よりも細かい方位角で指向性切り替えが可能である。
【０１２３】
Ｅ面方向すなわちＹ方向と、Ｈ面方向すなわちＸ方向では、第１の実施例で述べた方法によって指向性切り替えが可能である。しかし、本実施例では給電素子１０６に対し４５度方向で配列された１組の第１の無給電素子を用いることにより、４５度方向での指向性切り替えが実現できる。
【０１２４】
例えば、Ｈ面から方位角４５度と２２５度に配列された１組の第１の無給電素子において、４５度の第１の無給電素子に設けられた第１のスイッチを導通状態にして地板１０２と短絡し、２２５度の第１の無給電素子に設けられた第１のスイッチは遮断状態にして地板１０２と開放する。このようにすることにより、アンテナ装置から放射されるビームは天頂からＨ面を基準として２２５度方向、つまり短絡した第１の無給電素子とは反対側へ傾く。同様な方法によってビームを天頂（Ｚ軸）からＨ面を基準として４５°、１３５°、２２５°、３１５°方向へ傾かせることができる。
【０１２５】
また、本実施例ではＸ方向、Ｙ方向で隣接した２個の第１の無給電素子（無給電素子Ａおよび無給電素子Ｂとする）と地板１０２とを短絡し、給電素子１０６を中心として、無給電素子Ａおよび無給電素子Ｂとは対称の位置にある２個の第１の無給電素子（無給電素子Ｃおよび無給電素子Ｄとする）を地板１０２から開放することにより、ビームを無給電素子Ｃおよび無給電素子Ｄの間に傾かせることも可能である。
【０１２６】
尚、本実施例においても第１〜第３の実施例と同様に指向性制御に関与しない配列の第１の無給電素子は第１のスイッチ１１０を導通して地板１０２と短絡させる。また、ビームのチルト角は給電素子１０６と第１の無給電素子１０８との間のピッチや１個の第１の無給電素子１０８に設ける第１のスイッチ１１０の数によって制御することができる。
【０１２７】
以上のように、給電素子１０６を取り囲むように第１の無給電素子１０８をマトリックス状に配置することにより、Ｘ，Ｙの２次元でより細かい指向性制御が可能となる。その結果、所望の方向にアンテナの最大放射角をより向けやすくなり、良好な通信が可能となる。
【０１２８】
尚、本実施例ではＹ方向の直線偏波に対応したアンテナについて説明したが、第２の実施例において説明したように給電素子のＹ方向の辺の中点を通りＹ軸に垂直となる垂線上で、かつアンテナの入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンスと等しくなる位置に給電点を設けることによりＸ方向の直線偏波でＸ、Ｙの２次元でより細かい指向性制御が可能となる。
【０１２９】
また、第３の実施例において説明したように給電素子１０６の対角線上で、かつアンテナの入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンスと等しくなる位置に給電点を設け、更にＸ、Ｙの両辺が等しい正方形マイクロストリップアンテナの無負荷ＱをＱoとした場合、Ｌ１＜Ｗ１の場合は、上述した式（１）のようにすることにより、円偏波でＸ、Ｙの２次元でより細かい指向性制御が可能なアンテナを実現できる。
【０１３０】
次に、本発明の第５の実施例にかかるアンテナ装置について、図５Ａおよび図５Ｂを参照して説明する。図５Ａは上面図、図５Ｂは図５ＡのＡ５−Ｂ５線における断面図を示す。
【０１３１】
本実施例にかかるアンテナ１００は、第１の実施例において説明したアンテナに、誘電体１０４の上面に、第１の無給電素子１０８に対して給電素子１０６とは反対側の外周に、例えばＣｕ層からなる略矩形の第２の無給電素子１２０を、第１の無給電素子１０８に対して各々１個ずつ、計４個配置された構造である。
【０１３２】
アンテナ装置の構造について詳細に説明する。
【０１３３】
給電素子１０６と第１の無給電素子１０８との間のピッチ、第１の無給電素子１０８と第２の無給電素子１２０との間のピッチはいずれも０．３５λo(λo:自由空間での共振長さ)であり、給電素子１０６を中心として対称に配置される。
【０１３４】
また、給電素子１０６、第１の給電素子１０８、第２の給電素子１２０は、全ての形状が略同一であり、Ｘ方向の長さはＷ１、Ｙ方向の長さはＬ１である。
【０１３５】
本実施例においても第１の無給電素子１０８には４つの頂点近傍の領域のうち１箇所に例えばＰＩＮダイオードからなる第１のスイッチ１１０が設けられており、第１のスイッチ１１０が導通状態では第１の無給電素子１０８と地板１０２とは短絡され、第１のスイッチ１１０が遮断状態では第１の無給電素子１０８は地板１０２から開放される。
【０１３６】
尚、４個の第１の無給電素子１０８に各々接続された４個の第１のスイッチ１１０は図示されていないバイアスラインによって個別に導通・遮断状態が選択できる。
【０１３７】
次に、給電点および励振方向について説明する。
【０１３８】
給電点Ａ１１２は、給電素子１０６のＸ方向の辺の中点を通りＸ軸に垂直となる垂線上で、かつ給電素子１０６の入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンス(通常は５０Ω)と等しくなる点に設けられる。したがって、給電素子１０６はＹ方向で励振され、共振長はほぼＬ１となり、Ｙ方向の直線偏波を放射する。給電点Ａ１１２はアンテナ裏面から同軸線によって給電される。
【０１３９】
第１の無給電素子１０８と第２の無給電素子１２０との間は、０．３５λoのピッチで配置されるため大きな相互結合が生じる。一方、給電素子１０６と第２の無給電素子１２０との間のピッチは０．７０λoであるため大きな相互結合は生じない。そのため、第１の無給電素子１０８に設けられた第１のスイッチ１１０が地板１０２と遮断されて地板１０２から開放されている場合は、第１の無給電素子１０８は給電素子１０６から放射されるＹ方向の直線偏波を受けてＹ方向で励振され、給電素子１０６と同じ共振周波数を持つＹ方向の直線偏波を生じる。
【０１４０】
また、地板１０２から開放されている第１の無給電素子に隣接した第２の無給電素子１２０は第１の無給電素子１０８から放射されるＹ方向の直線偏波を受けてＹ方向で励振され、給電素子１０６と第１の無給電素子１０８と同じ共振周波数を持つＹ方向の直線偏波を生じる。
【０１４１】
ここで、第１の無給電素子１０８と第２の無給電素子１２０との間のピッチは０．３５λoである。このため、第２の無給電素子１２０の電圧は第１の無給電素子１０８の電圧よりも位相が遅れ、第２の無給電素子１２０は第１の無給電素子１０８に対して導波器として作用する。したがって、給電素子１０６には導波器が２個配列された形となる。
【０１４２】
一方、第１の無給電素子１０８に設けられた第１のスイッチ１１０が地板１０２と導通して地板１０２と短絡されている場合は、第１の無給電素子１０８は給電素子１０６から放射されるＹ方向の直線偏波を受けてもＹ方向の電流は抑制され、強度の小さなＹ方向の直線偏波しか放射されない。そのため、地板１０２と短絡している第１の無給電素子１０８に隣接した第２の無給電素子１２０に励起されるＹ方向の電流は非常に小さくなる。
【０１４３】
よって、Ｅ面またはＨ面に沿って対称に配列された一対の第１の無給電素子１０８において、一方の第１の無給電素子１０８に形成された第１のスイッチ１１０を導通状態にし、他方の第１の無給電素子１０８に形成された第１のスイッチ１１０を遮断状態にすることにより、上記の２つの効果によって、第１の実施例において説明したアンテナよりもビームを天頂からより大きく傾けることができる。
【０１４４】
指向性制御に関与しない配列の第１の無給電素子１０８は、本実施例においても第１のスイッチ１１０を導通させ地板１０２と短絡させておけばよい。本実施例ではＥ面、Ｈ面方向とも天頂から、例えば２５°〜３５°ビームを傾かせることができる。
【０１４５】
以上のように本実施例にかかるアンテナ装置によれば、Ｘ、Ｙの２次元でより低角方向にアンテナの最大放射角を向けることができ、より良好な通信が可能となる。
【０１４６】
また、本実施例にかかるアンテナ装置では、ビームのチルト角は第１の無給電素子１０８に設けられる第１のスイッチ１１０の数と、給電素子１０６と第１の無給電子１０８との間のピッチに加え、第１の無給電素子１０８と第２の無給電素子１２０との間のピッチ、つまり第１の無給電素子１０８と第２の無給電子１２０との相互結合の大きさによっても制御することができる。したがって、本実施例にかかるアンテナでは、アンテナに必要とされるビームのチルト角可変範囲にしたがって、第１のスイッチ１１０の数、給電素子１０６と第１の無給電素子１０８との間のピッチ、および第１の無給電素子１０８と第２の無給電素子１２０との間のピッチを最適化すればよい。
【０１４７】
また、本実施例では、給電素子１０６、第１の無給電素子１０８、第２の無給電素子１２０の形状は全て略同一である場合について説明した。しかし、給電素子１０６のＹ方向の直線偏波によって第１の無給電素子１０８が励振され、第１の無給電素子１０８のＹ方向の直線偏波によって第２の無給電素子１２０が励振できればよいので、同一である必要はない。
【０１４８】
尚、本実施例では、第１の実施例にかかるアンテナにおいて、第１の無給電素子１０８の外周に略矩形の第２の無給電素子１２０を１周配置する例について説明したが、１周に限定される必要はなく、第２の無給電素子１２０を複数周配置してもよい。その場合は給電素子１０６に更に多くの導波器が配置された構造を実現できるのでビームを天頂からより大きく傾けることが可能となる。
【０１４９】
また、本実施例では給電素子１０６に対し第２の無給電素子１２０をＸ方向、Ｙ方向で同じ個数配置した場合について説明したが、少なくとも４個の第１の無給電素子１０８のみで指向性切り替えは可能であり、第２の無給電素子１２０はその効果をエンハンスする機能を有する。したがって、第２の無給電素子１２０を給電素子１０６に対してＸ，Ｙの４方向で異なる個数配置してもよく、特定の方向は第２の無給電素子１２０を配置しなくても何ら構わない。
【０１５０】
また、本実施例では第１の実施例にかかるアンテナ装置において、第１の無給電素子１０８の外周に略矩形の第２の無給電素子１２０を配置した例について説明したが、第２〜第４の実施例にかかるアンテナ装置においても第１の無給電素子１０８の外周に略矩形の第２の無給電素子１２０を配置することにより、ビームを天頂から更に大きく傾かせることができる。
【０１５１】
次に、本発明の第６の実施例にかかるアンテナ装置について、図６Ａおよび図６Ｂを参照して説明する。図６Ａは上面図、図６Ｂは図６ＡのＡ６−Ｂ６線における断面図を示す。
【０１５２】
本実施例にかかるアンテナは、第４の実施例にかかるアンテナ装置に、誘電体１０４の上面に第１の無給電素子１０８を取り囲むように、例えばＣｕ層からなる１６個の略矩形の第３の無給電素子１２２がマトリックス状に配置される。また、第３の無給電素子１２２の４つの頂点近傍の領域のうち１箇所に地板１０２と短絡する第１のスイッチ１１０が設けられる。
【０１５３】
アンテナ装置の構造について詳細に説明する。
【０１５４】
隣接した素子、すなわち給電素子１０６、第１の無給電素子１０８、第３の無給電素子１２２のピッチはいずれも０．４λo(λo:自由空間での共振長さ)であり、給電素子１０６を８個の第１の無給電素子１０８が取り囲み、その外周を１６個の第３の無給電素子１２２が取り囲み、全体で５×５のマトリックスを構成する。
【０１５５】
給電素子１０６、第１の給電素子１０８、第３の給電素子１２２は全ての形状が略同一であり、Ｘ方向の長さはＷ１、Ｙ方向の長さはＬ１である。本実施例においても第１の無給電素子１０８の４つの頂点近傍の領域のうち１箇所に、例えばＰＩＮダイオードからなる第１のスイッチ１１０が設けられる。第１のスイッチ１１０が導通状態では第１の無給電素子１０８は地板１０２と短絡され、第１のスイッチ１１０が遮断状態では第１の無給電素子は地板１０２から開放される。
【０１５６】
第３の無給電素子１２２は４つの頂点近傍の領域のうち１箇所に、例えばＰＩＮダイオードからなる第１のスイッチ１１０が設けられる。第１のスイッチ１１０が導通状態では第３の無給電素子１２２は地板１０２と短絡され、第１のスイッチ１１０が遮断状態では第３の無給電素子１２２は地板１０２から開放される。また、１６個の第３の無給電素子１２２に各々接続された１６個の第１のスイッチ１１０は図示されていないバイアスラインによって個別に導通・遮断状態が選択できる。
【０１５７】
次に、給電点および励振方向について説明する。
【０１５８】
給電点Ａ１１２は給電素子１０６のＸ方向の辺の中点を通りＸ軸に垂直となる垂線上で、かつ給電素子１０６の入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンス(通常は50Ω)と等しくなる点に設けられる。よって、給電素子１０６はＹ方向で励振され、共振長はほぼＬ１となり、Ｙ方向の直線偏波を放射する。尚、給電点A１１２は第１〜第５の実施例と同様にアンテナ裏面から同軸線によって給電される。
【０１５９】
第１の無給電素子１０８と第３の無給電素子１２２との間は０．４λoのピッチで配置される。このため、第１の無給電素子１０８と第３の無給電素子１２２との間には大きな相互結合が生じる。一方、給電素子１０６と第３の無給電素子１２２との間のピッチは０．８λoであるため大きな相互結合は生じない。そのため、第１の無給電素子１０８に設けられた第１のスイッチ１１０が地板１０２と遮断されて地板１０２から開放されている場合、第１の無給電素子１０８は給電素子１０６から放射されるＹ方向の直線偏波を受けてＹ方向で励振され、給電素子１０６と同じ共振周波数を持つＹ方向の直線偏波を生じる。
【０１６０】
更に、地板１０２から開放されている第１の無給電素子１０８に隣接した第３の無給電素子１２２（第３の無給電素子Ａと略す）は、第１の無給電素子１０８から放射されるＹ方向の直線偏波を受けてＹ方向で励振される。ここで、第３の無給電素子Ａに設けられている第１のスイッチ１１０を遮断状態にして、第３の無給電素子Ａを地板１０２から開放すると、第３の無給電素子ＡはＹ方向の電流が抑制されないので、給電素子１０６と第１の無給電素子１０８とは同じ共振周波数を持つＹ方向の直線偏波を放射する。
【０１６１】
また、第１の無給電素子１０８と第３の無給電素子１２２との間のピッチは０．４λoであるので、第３の無給電素子Ａの電圧は第１の無給電素子１０８の電圧よりも位相が遅れ、第３の無給電素子Ａは第１の無給電素子１０８に対して導波器として作用する。したがって、給電素子１０６には導波器が２個配列された形となる。
【０１６２】
一方、第１の無給電素子１０８に設けられた第１のスイッチ１１０が地板１０２と導通して地板１０２と短絡されている場合は、第１の無給電素子１０８は給電素子１０６から放射されるＹ方向の直線偏波を受けてもＹ方向の電流が抑制されるため強度の小さなＹ方向の直線偏波しか放射されない。そのため、地板１０２と短絡している第１の無給電素子１０８に隣接した第３の無給電素子１２２（第３の無給電素子Ｂと略す）に励起されるＹ方向の電流は非常に小さくなる。
【０１６３】
更に、第３の無給電素子Ｂに設けられている第１のスイッチ１１０を導通状態にして第３の無給電素子Ｂと地板１０２とを短絡させると、第３の無給電素子Ｂの短絡点が頂点近傍の領域にあるため第３の無給電素子Ｂに流れるＹ方向の電流は更に抑制される。
【０１６４】
よって、誘電体１０４上に、給電素子１０６に対して、Ｅ面、Ｈ面、４５°面に沿って対称に配列された一対の第１の無給電素子１０８と第３の無給電素子１２２において、一方の第１の無給電素子１０８と第３の無給電素子１２２の第１のスイッチ１１０を各々導通状態にし、他方の第１の無給電素子１０８と第３の無給電素子１２２の第１のスイッチ１１０を各々遮断状態にすることにより、上記の２つの効果によって第４の実施例において説明したアンテナよりもビームのチルト角を大きくできる。
【０１６５】
また、地板１０２から開放されている第１の無給電素子１０８に隣接した第３の無給電素子Ａの第１のスイッチ１１０を導通状態にして第３の無給電素子Ａと地板１０２と短絡させると、第３の無給電素子Ａに流れるＹ方向の電流は抑制されて第３の無給電素子１２２は導波器として機能しない。その結果、給電素子１０６には１個の導波器のみが配列された形となり、第４の実施例において説明したアンテナと同程度のチルト角となる。
【０１６６】
以上のように本実施例にかかるアンテナ装置では給電素子１０６に対し、一方向で対称に配列された第１の無給電素子１０８および第３の無給電素子１２２の第１のスイッチ１１０の導通、遮断の組み合わせによって天頂方向からのビームのチルト角を制御できる。本実施例によればＥ面、Ｈ面方向、４５°方向に沿って配置された第１の無給電素子１０８および第３の無給電素子１２２の第１のスイッチ１１０の導通、遮断の組み合わせによって、天頂から、例えば１０°〜１５°および２５°〜３５°の２領域でビームを傾かせることができる。
【０１６７】
以上のように本実施例によれば、Ｘ、Ｙの２次元で、より低角方向にアンテナの最大放射角を向けることができる。またチルト角自体も制御可能となることから、所望の方向に最大放射角を更に向けやすくなり、更に良好な通信が可能となる。
【０１６８】
また、本実施例においてはビームのチルト角は第１の無給電素子１０８に設ける第１のスイッチ１１０の数、給電素子１０６と第１の無給電素子１０８との間のピッチに加え、第１の無給電素子１０８と第３の無給電素子１２２と間のピッチ、つまり第１の無給電素子１０８と第３の無給電子１２２との相互結合の大きさおよび第３の無給電素子１２２に設ける第１のスイッチの数によって制御することができる。したがって、アンテナ装置に必要とされるビームのチルト角可変範囲にしたがって、第１のスイッチ１１０の数、給電素子１０６と第１の無給電素子１０８との間のピッチ、および第１の無給電素子１０８と第３の無給電素子１２２との間のピッチを最適化すればよい。
【０１６９】
また、本実施例では、給電素子１０６、第１の無給電素子１０８、第３の無給電素子１２２の形状は全て略同一とした場合について説明した。しかし、給電素子１０６のＹ方向の直線偏波によって第１の無給電素子１０８が励振され、第１の無給電素子１０８のＹ方向の直線偏波によって第３の無給電素子１２２が励振できればよいので同一である必要はない。
【０１７０】
また、本実施例では、第４の実施例にかかるアンテナ装置において、第１の無給電素子１０８の外周に略矩形の第３の無給電素子１２２を１周配置した例について説明したが、第３の無給電素子１２２が第１の無給電素子１０８を取り囲んでマトリックス状に配置されていれば良く、第３の無給電素子１２２を複数周配置するようにしてもよい。その場合は、給電素子１０６に更に多くの導波器が配置された構造を実現でき、ビームを天頂からより大きく傾けることができる。加えて第３の無給電素子１２２の導通,遮断の組み合わせによってチルト角を広い範囲で制御できる。
【０１７１】
また、本実施例では給電素子１０６に対して、第３の無給電素子１２２をＸ方向、Ｙ方向で同じ個数配置した場合について説明したが、少なくとも４個の第１の無給電素子１０８のみで指向性の切り替えは可能であり、第３の無給電素子１２２はその効果をエンハンスする機能を有する。したがって、第３の無給電素子１２２を給電素子１０６に対してＸ方向、Ｙ方向に配置される第３の無給電素子１２２の４方向で異なる個数配置するようにしてもよい。
【０１７２】
また、本実施例では、Ｙ方向の直線偏波に対応したアンテナ装置を例にして説明したが、第４の実施例と同様な構造によってＸ方向の直線偏波や円偏波に対応したアンテナについても、本実施例のアンテナ装置を適用することによりＸ方向、Ｙ方向の２次元でより低角方向にアンテナ装置の最大放射角を向けることができる。またチルト角自体も制御可能である。
【０１７３】
次に、本発明の第７の実施例にかかるアンテナ装置について、図７Ａおよび図７Ｂを参照して説明する。図７Ａは上面図、図７Ｂは図７ＡのＡ７−Ｂ７線における断面図を示す。
【０１７４】
本実施例にかかるアンテナ装置１００は、地板１０２と、地板１０２の一主面に形成された誘電体１０４と、誘電体１０４に対し地板１０２とは反対の上面に形成された略矩形の給電素子１０６および給電素子１０６に対しＥ面およびＨ面に沿って対称に配置された４個の略矩形の第１の無給電素子１０８と、第１の無給電素子１０８に対し給電素子１０６とは反対側の外周に各々1個ずつ配置された略矩形の第２の無給電素子１２とを備える。
【０１７５】
また、第１の無給電素子１０８の４つの頂点近傍の領域のうち１箇所に、第１の無給電素子１０８と地板１０２とを短絡する第１のスイッチ１１０が設けられ、更に、給電素子１０６上には給電素子１０６の直交する２辺、つまりＸ方向およびＹ方向の中点を通り、それぞれＸ軸およびＹ軸に垂直となる垂線上と、給電素子１０６の対角線上の３箇所に給電点(給電点Ａ、給電点Ｂおよび給電点Ｃ)があり、給電点は第２のスイッチ１２６によって切り替えられる。
【０１７６】
アンテナの構成について、詳細に説明する。
【０１７７】
例えば、比誘電率４．２５のガラスからなる誘電体１０４の下面にＣｕ層からなる地板１０２が形成される。地板１０２の下には、例えばアルミナからなる第２の基板１２４が積層される。誘電体１０４の上面には、例えばＣｕ層からなる略矩形の給電素子１０６および給電素子１０６に対してＥ面およびＨ面に沿って対称に４個の略矩形の第１の無給電素子１０８がピッチ０．３５λo(λo:自由空間での共振長さ)で配置され、更に第１の無給電素子１０８の外周には各々１個ずつ略矩形の第２の無給電素子１２０がピッチ０．３５λo(λo:自由空間での共振長さ)で配置される。
【０１７８】
給電素子１０６、第１の無給電素子１０８、第２の無給電素子１２０は全て形状が略同一であり、Ｘ方向の長さはＷ１、Ｙ方向の長さはＬ１であり、更にＸ、Ｙの両辺が等しい正方形マイクロストリップアンテナの無負荷ＱをＱoとした場合、Ｌ１＜Ｗ１の場合は、上述した式（１）となる。
【０１７９】
また、各々の第１の無給電素子１０８には４つの頂点近傍の領域のうち１箇所に、例えばＭＥＭＳスイッチからなる第１のスイッチ１１０が設けられる。第１のスイッチ１１０が導通状態では第１の無給電素子１０８は地板１０２と短絡され、第１のスイッチ１１０が遮断状態では第１の無給電素子１０８は地板１０２から開放される。
【０１８０】
第１のスイッチ１１０は、可動電極、固定電極、可動電極に接続されたヒンジ、バイアスラインから構成される。第１のスイッチ１１０の可動電極にバイアスラインからバイアスが印加されると可動電極と固定電極間に静電引力が生じ、可動電極が下方に動いて第１の無給電素子１０８に設けられたビアと地板１０２に接触し、第１の無給電素子１０８を短絡させる。また、可動電極のバイアスを遮断すると可動・固定電極間の静電引力が無くなり、可動電極はヒンジの剛性によって元に戻り、ビアと地板１０２から遮断され、第１の無給電素子１０８を地板１０２から開放する。尚、４個の第１の無給電素子１０８に各々接続された４個の第１のスイッチ１１０は個別に導通・遮断状態が選択できる。
【０１８１】
また、給電素子１０６のＸ方向の辺の中点を通り、Ｘ軸に垂直となる垂線上で、かつアンテナの入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンス（通常は５０Ω）と等しくなる位置には給電点Ａ１１２が形成される。また、給電素子１０６のＹ方向の辺の中点を通り、Ｙ軸に垂直となる垂線上で、かつアンテナの入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンス（通常は５０Ω）と等しくなる位置には給電点Ｂ１１６が形成される。また、給電素子１０６の対角線上で、かつアンテナの入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンス（通常は５０Ω）と等しくなる位置には給電点Ｃ１１８が形成される。
【０１８２】
給電点Ａ、給電点Ｂおよび給電点Ｃは、誘電体１０４と第２の基板１２４を貫通したビアを介して第２の基板上に形成された第２のスイッチ１２６に各々接続され、第２の基板上に形成されたマイクロストリップ線からなる給電線１２８によって給電される。
【０１８３】
第２のスイッチ１２６も、例えばＭＥＭＳスイッチから構成され、上部電極１３２と、下部電極１３０と、上部電極１３２に接続されたヒンジと、バイアスラインとから構成され、上部電極１３２はヒンジによって可動して給電点を切り替える。第２のスイッチ１２６の上部電極１３２にバイアスラインからバイアスが印加されると上部電極１３２と下部電極１３０間に静電引力が生じ、上部電極１３２が上方に動いて給電線と接触し、所望の給電点を選択できる。また、上部電極１３２のバイアスを遮断すると上下電極間の静電引力が無くなり、上部電極１３２はヒンジの剛性によって下方へ動き、給電線と遮断される。その場合は別の給電点に接続された別の第２のスイッチを導通状態にすることにより別の給電点を選択できる。
【０１８４】
次に、本実施例にかかるアンテナ装置の動作を説明する。
【０１８５】
給電点Ａ１１２に接続された第２のスイッチ１２６のみを導通し、他の２個の第２のスイッチを遮断状態にして給電点Ａ１１２を選択すると、給電点Ａ１１２はＸ方向の辺の中点を通りＸ軸に垂直となる垂線上にあるので、給電素子１０６はＹ方向の直線偏波を放射する。
【０１８６】
ここで、給電素子１０６の回りにはＥ面、Ｈ面に沿って対称に４つの第１の無給電素子１０８が配置され、第１の無給電素子１０８の外周には第２の無給電素子１２０が配置され、かつ第１の無給電素子１０８には４つの頂点近傍の領域のうち１箇所に地板１０２と短絡する第１のスイッチ１１０が設けられる。
【０１８７】
したがって、第５の実施例において説明したようにＥ面あるいはＨ面に沿って対称に配置された一対の第１の無給電素子１０８において、一方の第１の無給電素子１０８に設けられた第１のスイッチを導通して第１の無給電素子１０８を地板１０２と短絡し、他方の第１の無給電素子１０８に設けられた第１のスイッチ１１０を遮断して第１の無給電素子１０８を地板１０２から開放することによって、Ｘ方向、Ｙ方向の２次元でビームの切り替えができる。
【０１８８】
また、給電点Ｂ１１６に接続された第２のスイッチ１２６のみを導通し、他の２個の第２のスイッチを遮断状態にして給電点Ｂ１１６を選択すると、給電点ＢはＹ方向の辺の中点を通りＹ軸に垂直となる垂線上にあるので、給電素子１０６はＸ方向の直線偏波を放射する。ここで給電素子１０６の回りにはＥ面、Ｈ面に沿って対称に４つの第１の無給電素子が配置され、第１の無給電素子１０８の外周には第２の無給電素子１２が配置され、かつ第１の無給電素子１０８には４つの頂点近傍の領域のうち１箇所に地板１０２と短絡する第１のスイッチ１１０が設けられているので、上述した実施例と同様にＥ面あるいはＨ面に沿って対称に配置された一対の第１の無給電素子１０８の第１のスイッチ１１０の導通、遮断の組み合わせによって、Ｘ方向の直線偏波でもＸ方向、Ｙ方向の２次元でビームの切り替えができる。
【０１８９】
また、給電点Ｃ１１８に接続された第２のスイッチ１２６のみを導通し、他の２個の第２のスイッチを遮断状態にして給電点Ｃ１１８を選択すると、給電点Ｃ１１８は給電素子１０６の対角線上にあり、かつ給電素子１０６のＸ、Ｙ方向の辺が、上述した式（１）を満足しているので、給電素子は円偏波を放射する。
【０１９０】
ここで、給電素子１０６の回りにはＥ面、Ｈ面に沿って対称に４つの第１の無給電素子１０８が配置され、第１の無給電素子１０８の外周には第２の無給電素子が配置され、かつ第１の無給電素子１０８には４つの頂点近傍の領域のうち１箇所に地板１０２と短絡する第１のスイッチ１１０が設けられているので、上述した実施例と同様にＥ面あるいはＨ面に沿って対称に配置された一対の第１の無給電素子の第１のスイッチの導通、遮断の組み合わせによって、円偏波においてもＸ、Ｙの２次元でビームの切り替えができる。
【０１９１】
以上のように本実施例にかかるアンテナ装置によれば、偏波切り替えと指向性切り替えの２つの機能が可能となる。
【０１９２】
また、本実施例では第２のスイッチ１２６として、例えばＭＥＭＳスイッチを用いている。ＭＥＭＳスイッチは１００ＧＨｚ程度までの高周波信号を良好に遮断できる。更に、ＭＥＭＳスイッチは、挿入ロスも小さいことから、高い周波数,例えばサブミリ波〜ミリ波を対象とした偏波切り替えに対応でき、指向性制御アンテナを構成することができる。
【０１９３】
また、第２のスイッチ１１０としては、例えばＰＩＮダイオードも使用できる。ＰＩＮダイオードは安価なチップ部品が入手でき、かつ２０ＧＨｚまでは良好にＲＦ信号を遮断できることから、２．４ＧＨｚや５ＧＨｚを用いた無線ＬＡＮや携帯端末での偏波切り替えに対応でき、指向性制御アンテナに適している。
【０１９４】
本実施例においては第２のスイッチ１２６は誘電体１０４の下層に積層された第２の基板１２４に形成される。そのため、第２のスイッチ１２６を駆動するバイアスラインを第２の基板上に形成できる。
【０１９５】
また、一般にＭＥＭＳスイッチやＰＩＮダイオードは1mm□以下の大きさである。一方、マイクロストリップアンテナは６０ＧＨｚのミリ波に対応するとした場合、誘電体１０４の比誘電率が４．２５の時はほぼ1mm□となり、Ｘ方向、Ｙ方向の２次元で指向性の制御を行うためには少なくとも3mm□程度が必要である。したがって、本実施例にかかるアンテナ装置では、第２の基板上において給電素子１０６と第１の無給電素子１０８の占有面積に相当するエリア内に第２のスイッチ１２６を全て集積することができる。
【０１９６】
第２の基板の比誘電率を大きくして波長短縮を大きくすれば給電素子１０６と第１の無給電素子１０８の大きさも小さくなるが、アンテナの放射効率も同時に低下するため好ましくなく、アンテナアレイの縮小には限界があり、第２の基板１２４に形成される第２のスイッチ１２６が占有する面積がアンテナアレイの占有面積から著しく大きくなることはない。
【０１９７】
以上のように本実施例では誘電体１０４に給電素子１０６、第１の無給電素子１０８、第２の無給電素子１２０が形成され、第２の基板１２４には第２のスイッチ１２６が形成され、誘電体１０４と第２の基板１２４は積層される。したがって、誘電体１０４の面積でアンテナモジュールの面積がほぼ決まり、アンテナモジュールを小型化できる。
【０１９８】
尚、本実施例では２つの直線偏波と円偏波の切り替えが可能な指向性制御アンテナを例にして説明したが、３つの偏波全てに対応できる必要はなく給電素子１０６の直交する２辺をＸ軸およびＹ軸とした場合、この２辺の各中点を通り、それぞれＸ軸およびＹ軸に垂直となる垂線上と、対角線上の３箇所のうち２箇所に給電点を設け、第２のスイッチ１２６によって２個の給電点を切り替えて２つの偏波に対応させるようにしてもよい。
【０１９９】
また、第１〜第３の実施例にかかるアンテナ装置に給電素子の直交する２辺の各中点を通り、それぞれＸ軸およびＹ軸に垂直となる垂線上と、対角線上の３箇所のうち少なくとも２箇所に給電点を設け、給電点を第２のスイッチ１２６によって切り替えるようにしてもよい。
【０２００】
本実施例においても、ビームのチルト角は第１の無給電素子１０８に設ける第１のスイッチ１１０の数と、給電素子１０６と第１の無給電素子との間のピッチと、第１の無給電素子１０８と第２の無給電素子１２０との間のピッチとによって制御することができる。したがって、アンテナ装置に必要とされるビームのチルト角の可変範囲にしたがって、第１のスイッチ１１０の数、給電素子１０６と第１の無給電素子１０８との間のピッチ、および第１の無給電素子１０８と第２の無給電素子１２０との間のピッチを最適化すればよい。
【０２０１】
また、本実施例では給電素子１０６、第１の無給電素子１０８、第２の無給電素子１２０の形状は全て略同一とした場合について説明したが、給電素子１０６によって第１の無給電素子１０８が励振され、第１の無給電素子１０８によって第２の無給電素子１２０が励振できればよいので、同一である必要はない。
【０２０２】
次に、本発明の第８に実施例にかかる指向性制御アンテナについて、図８Ａおよび図８Ｂを参照して説明する。図８Ａは上面図、図８Ｂは図８ＡのＡ８−Ｂ８線における断面図を示す。
【０２０３】
本実施例にかかるアンテナ装置は、地板１０２と、地板１０２の一主面に形成された誘電体１０４と、誘電体１０４に対し地板１０２とは反対側の上面に形成された略矩形の給電素子１０６および給電素子１０６を取り囲みマトリックス状に配置された８個の略矩形の第１の無給電素子１０８とを備える。
【０２０４】
また、第１の無給電素子１０８は４つの頂点近傍の領域のうち１箇所には地板１０２と短絡する第１のスイッチ１１０が設けられる。更に、給電素子１０６上には給電素子１０６の直交する２辺、つまりＸ方向およびＹ方向の各中点を通り、それぞれＸ軸およびＹ軸に垂直となる垂線上と、対角線上の３箇所に給電点（給電点Ａ、ＢおよびＣ）を備え、給電点は第２のスイッチ１２６によって切り替えることができる。
【０２０５】
アンテナ装置の構成について、詳細に説明する。
【０２０６】
例えば、比誘電率２．６のテフロン（登録商標）ガラスファイバー基板からなる誘電体１０４の下面に、たとえばＣｕ層からなる地板１０２が形成され、地板１０２に対して誘電体１０４とは反対の下面には、例えば石英からなる第２の基板１２４が積層される。誘電体１０４の上面には、例えばＣｕ層からなる略矩形の給電素子１０６および給電素子１０６を取り囲みマトリックス状に配置された８個の略矩形の第１の無給電素子１０８がＸ、Ｙ方向ともピッチ０．４λo(λo:自由空間での共振長さ)で配置される。
【０２０７】
つまり、給電素子１０６と第１の無給電素子１０８は給電素子１０６を中心にしてピッチ０．４λoの３×３マトリックス配置となる。給電素子１０６および第１の無給電素子１０８は全て形状が略同一であり、Ｘ方向の長さはＷ１、Ｙ方向の長さはＬ１である。更に、Ｘ方向、Ｙ方向の両辺が等しい正方形マイクロストリップアンテナの無負荷ＱをＱoとした場合、Ｌ１＜Ｗ１の場合は、上述した式（１）となる。
【０２０８】
また、８個の第１の無給電素子１０８には、４つの頂点近傍の領域のうち１箇所に、例えばＰＩＮダイオードからなる第１のスイッチ１１０が設けられる。第１のスイッチ１１０が導通状態では第１の無給電素子１０８は地板１０２と短絡され、第１のスイッチ１１０が遮断状態では第１の無給電素子１０８は地板１０２から開放される。
【０２０９】
また、８個の第１の無給電素子１０８に各々接続された８個の第１のスイッチ１１０は図示されていないバイアスラインによって個別に導通・遮断状態が選択できる。
【０２１０】
更に、給電素子１０６のＸ方向の辺の中点を通りＸ軸に垂直となる垂線上で、かつアンテナの入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンス（通常は５０Ω）と等しくなる位置には給電点Ａ１１２が形成される。また、給電素子１０６のＹ方向の辺の中点を通りＹ軸に垂直となる垂線上で、かつアンテナの入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンス（通常は５０Ω）と等しくなる位置には給電点Ｂ１１６が形成される。
【０２１１】
また、給電素子１０６の対角線上で、かつアンテナの入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンス（通常は５０Ω）と等しくなる位置には給電点Ｃ１１８が形成される。
【０２１２】
給電点Ａ、給電点Ｂおよび給電点Ｃは、誘電体１０４と第２の基板１２４を貫通したビアを介して第２の基板上に形成された第２のスイッチ１２６に各々接続され、第２の基板上に形成されたマイクロストリップ線からなる給電線１２８によって給電される。
【０２１３】
第２のスイッチは、例えばＭＥＭＳスイッチから構成され、上部電極１３２と、下部電極１３０と、上部電極１３２に接続されたヒンジと、バイアスラインとから構成され、上部電極１３２はヒンジによって可動して給電点を切り替える。
【０２１４】
次に本実施例にかかるアンテナ装置の動作を説明する。
【０２１５】
給電点Ａ１１２に接続された第２のスイッチ１２６のみを導通し、他の２個の第２のスイッチを遮断状態にして給電点Ａ１１２を選択すると、給電点Ａ１１２はＸ方向の辺の中点を通りＸ軸に垂直となる垂線上にあるので、給電素子１０６はＹ方向の直線偏波を放射する。
【０２１６】
ここで、給電素子１０６の回りには８個の第１の無給電素子１０８がマトリックス状に配置され、第１の無給電素子１０８には４つの頂点近傍の領域のうち１箇所に地板１０２と短絡する第１のスイッチ１１０が設けられる。したがって、第４の実施例において説明したように、一方向で対称に配置された一対の第１の無給電素子１０８において、一方の第１の無給電素子１０８の第１のスイッチ１１０を導通して第１の無給電素子１０８を地板１０２と短絡し、他方の第１の無給電素子１０８の第１のスイッチ１１０を遮断して第１の無給電素子１０８を地板１０２から開放することによって、Ｘ方向、Ｙ方向の２次元でビームの切り替えができる。
【０２１７】
また、給電点Ｂ１１６に接続された第２のスイッチ１２６のみを導通し、他の２個の第２のスイッチ１２６を遮断状態にして給電点Ｂ１１６を選択すると、給電点Ｂ１１６はＹ方向の辺の中点を通りＹ軸に垂直となる垂線上にあるので、給電素子１０６はＸ方向の直線偏波を放射する。
【０２１８】
ここで、給電素子１０６の回りには８個の第１の無給電素子１０８がマトリックス状に配置され、第１の無給電素子１０８には４つの頂点近傍の領域うち１箇所に地板１０２と短絡する第１のスイッチ１１０が設けられる。したがって、一方向で対称に配置された一対の第１の無給電素子１０８の第１のスイッチ１１０の導通、遮断の組み合わせによって、Ｘ方向の直線偏波でもＸ方向、Ｙ方向の２次元で指向性切り替えを行うことができる。
【０２１９】
また、給電点Ｃ１１８に接続された第２のスイッチ１２６のみを導通し、他の２個の第２のスイッチ１２６を遮断状態にして給電点Ｃ１１８を選択すると、給電点Ｃ１１８は給電素子１０６の対角線上にあり、かつ給電素子１０６のＸ方向、Ｙ方向の辺が、上述した式（１）を満足しているので、給電素子は円偏波を放射する。
【０２２０】
ここで、給電素子１０６の回りには８個の第１の無給電素子１０８がマトリックス状に配置されており、第１の無給電素子１０８には４つの頂点近傍の領域のうち１箇所に地板１０２と短絡する第１のスイッチ１１０が設けられている。したがって、一方向で対称に配置された一対の第１の無給電素子１０８の第１のスイッチ１１０の導通、遮断の組み合わせによって、円偏波でもＸ方向、Ｙ方向の２次元で指向性切り替えを実現できる。
【０２２１】
以上のように本実施例にかかるアンテナ装置によれば、偏波切り替えと指向性制御の２つの機能が可能となる。更に、Ｘ方向、Ｙ方向の２次元での方位角は第７の実施例よりも細かく設定できる。
【０２２２】
尚、本実施例では２つの直線偏波と円偏波の切り替えが可能なアンテナ装置を例にして説明したが、３つの偏波全てに対応できる必要はなく、給電素子１０６の直交する２辺をＸ軸およびＹ軸とした場合において、これら２辺の各中点を通り、それぞれＸ軸およびＹ軸に垂直となる垂線上と、対角線上の３箇所のうち２箇所に給電点を設け、第２のスイッチ１２６によって２個の給電点を切り替えて２つの偏波に対応するアンテナを構成するようにしてもよい。更に、第６の実施例にかかるアンテナ装置に、給電素子１０６の直交する２辺の各中点を通り、それぞれＸ軸およびＹ軸に垂直となる垂線上と、対角線上の３箇所のうち少なくとも２箇所に給電点を設け、給電点を第２のスイッチによって切り替えるようにしてもよい。
【０２２３】
尚、本実施例においても、ビームのチルト角は第１の無給電素子１０８に設ける第１のスイッチ１１０の数と、給電素子１０６と第１の無給電子１０８との間のピッチによって制御することができる。したがって、アンテナに必要とされるビームのチルト角可変範囲にしたがって、第１のスイッチ１１０の数、給電素子１０６と第１の無給電素子１０８との間のピッチを最適化すれよい。また、本実施例では給電素子１０６および第１の無給電素子１０８の形状は全て略同一である場合について説明したが、給電素子１０６によって第１の無給電素子１０８が励振できればよいので、同一である必要はない。
【０２２４】
次に、本発明の第９の実施例にかかるアンテナ装置について、図９Ａおよび図９Ｂを参照して説明する。図９Ａは上面図、図９Ｂは図９ＡのＡ９−Ｂ９線におけるの断面図を示す。
【０２２５】
本実施例にかかるアンテナ装置１００は、地板１０２と、地板１０２の一主面に形成された誘電体１０４と、誘電体１０４に対し地板１０２とは反対の上面に形成された略矩形の給電素子１０６および給電素子１０６を取り囲むようにマトリックス状に配置された８個の略矩形の第１の無給電素子１０８と、第１の無給電素子１０８を取り囲むようにマトリックス状に配置された略矩形の複数の第３の無給電素子１２２とを備える。
【０２２６】
また、第１の無給電素子１０８および第３の無給電素子１２２の４つの頂点近傍の領域のうち１箇所には地板１０２と短絡する第１のスイッチ１１０が設けられる。更に、給電素子１０６、第１の無給電素子１０８および第３の無給電素子１２２は隣接する２辺が第３のスイッチ１３６によって接続され、第３のスイッチ１３６の導通、遮断の組み合わせによって複数の共振長をもつ矩形の放射素子を形成する。また、給電素子１０６に形成される給電点Ａ１１２は図示されていない切り替えスイッチを介して整合回路１３４に接続される。
【０２２７】
アンテナ装置の構成について詳細に説明する。
【０２２８】
例えば、比誘電率３．９の石英からなる誘電体１０４の下面に、例えばＣｕ層からなる地板１０２が形成され、誘電体１０４の上面には、例えばＣｕ層からなる略矩形の給電素子１０６および給電素子１０６を取り囲むように８個の略矩形の第１の無給電素子１０８がピッチ０．４０λo(λo:自由空間での共振長さ)でマトリックス状に配置される。また、誘電体１０４の上面には、第１の無給電素子１０８を取り囲むように７２個の略矩形の第３の無給電素子１２２がピッチ０．４０λo(λo:自由空間での共振長さ)でマトリックス状に配置される。したがって、誘電体１０４の上面には、９×９のアンテナアレイが構成される。
【０２２９】
給電素子１０６、第１の無給電素子１０８および第３の無給電素子１２２は全て形状が略同一であり、Ｘ方向の長さはＷ１、Ｙ方向の長さはＬ１である。
【０２３０】
また、第１無給電素子１０８および第３の無給電素子１２２は、４つの頂点近傍のうち１箇所に、例えばＰＩＮダイオードからなる第１のスイッチが設けられる。第１のスイッチ１１０が導通状態では第１の無給電素子１０８と地板１０２とが短絡され、第１のスイッチ１１０が遮断状態では第１の無給電素子１０８は地板１０２から開放される。尚、各々の第１および第３の無給電素子に接続された８０個の第１のスイッチ１１０は図示されていないバイアスラインによって個別に導通・遮断状態が選択できるようになっている。
【０２３１】
また、給電素子１０６、第１の無給電素子１０８および第３の無給電素子１２２の間には、例えばＭＥＭＳスイッチからなる第３のスイッチ１３６が設けられている。第３のスイッチ１３６の拡大図を図１０に示す。第３のスイッチ１３６は上部電極１３２と、下部電極１３０と、上部電極１３２と接続されたヒンジと、バイアスラインとから構成される。上部電極１３２はヒンジによって可動できる構造を持ち、給電素子１０６、第１の無給電素子１０８および第３の無給電素子１２２は、第３のスイッチ１３６によって各々接続できる。
【０２３２】
具体的に説明する。
【０２３３】
第３のスイッチ１３６の上部電極１３２にバイアスラインからバイアスが印加されると上部電極１３２と下部電極１３０との間に静電引力が生じる。その結果、上部電極１３２が下方に動いて２つの素子（給電素子１０６、第１の無給電素子１０８、第３の無給電素子１２２）と接触し、隣接した素子間は導通状態となる。
【０２３４】
一方、上部電極１３２のバイアスを遮断すると上下電極間の静電引力が無くなり、上部電極１３２はヒンジの剛性によって上方へ動き、２つの素子と遮断されて隣接した素子間は遮断状態となる。尚、１４４個の第３のスイッチ１３６は形状が全て略同一で、誘電体１０４上に形成される。
【０２３５】
また、給電点Ａ１１２は給電素子１０６のＸ方向の辺の中点を通りＸ軸に垂直となる垂線上で給電素子１０６の入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンス(通常は５０Ω)と等しくなる点に設けられる。また、給電点は誘電体１０４と石英からなる第２の基板１２４を貫通したビアを通り、第２の基板１２４上に形成された図示されていない切り替えスイッチを介して整合回路１３４に接続されてアンテナを励振する構造となっている。尚、整合回路１３４は、例えばスパイラルインダクタとキャパシタとをπ型に組み合わせた回路から構成される。
【０２３６】
次に、多周波に対応しながら指向性制御を行う場合の動作について説明する。
【０２３７】
本実施例にかかるアンテナ装置では、１個の給電素子１０６と、８個の第１の無給電素子１０８と、７２個の第３の無給電素子１２２とが９×９個のマトリックス状に配置される。更に、給電素子１０６、第１の無給電素子１０８および第３の無給電素子１２２は、隣接する２辺が第３のスイッチによって接続される。そのため、第３のスイッチ１３６の導通／遮断の組み合わせによって放射素子の共振長を変化させることができる。
【０２３８】
高周波へ対応する場合の第３のスイッチ１３６の導通／遮断の組み合わせを、図１１を参照して説明する。
【０２３９】
例えば、９×９のアンテナアレイにおいて、第３のスイッチ１３６を全て遮断して給電素子１０６と、第１および第３の無給電素子とを分離すると、給電点によって直接励振される素子は給電素子１０６のみとなる。この場合の放射素子を放射素子Ａとする（図中の実線で囲まれた素子）。放射素子Ａでは、給電点ＡはＸ方向の辺の中点を通りＸ軸に垂直となる垂線上に配置されるため、励振方向はＹ方向となる。給電素子１０６のＹ方向の辺の長さをＬ１とすると、概ねＬ１を半波長とする周波数ｆ０で共振する。実際には漏れ電界によるフリンジング長さによって共振長は若干長くなる。
【０２４０】
ここで、放射素子Ａの周辺には、放射素子Ａと共振長が同じ第１の無給電素子１０８と、第３の無給電素子１２２とが素子間ピッチ０．４０λoでマトリックス状に配置されている。第１の無給電素子１０８および第３の無給電素子１２２の４つの頂点近傍の領域のうち１箇所には地板１０２と短絡する第１のスイッチ１１０が設けられている。したがって、第６の実施例と同様に第１のスイッチ１１０によって第１の無給電素子１０８や第３の無給電素子１２２を地板１０２と短絡または開放することによって、高周波対応の場合はＸ方向、Ｙ方向の２次元で指向性を切り替えることができる。
【０２４１】
低周波へ対応する場合の第３のスイッチ１３６の導通／遮断の組み合わせを、図１２を参照して説明する。給電素子１０６と８個の第１の無給電素子１０８との間にある第３のスイッチ１３６を導通させると、給電点Ａ１１２によって直接励振される素子は給電素子１０６と８個の第１の無給電素子１０８によって形成される略矩形の放射素子Ｂ（図中の実線で囲まれた領域）となる。ここで、給電点Ａ１１２は給電素子１０６に対しＸ方向の辺の中点を通りＸ軸に垂直である垂線上に配置されている。
【０２４２】
したがって、放射素子Ｂに対してもＸ方向の辺の中点を通りＸ軸に垂直である垂線上に配置されることになり、放射素子Ｂも励振方向はＹ方向となる。放射素子ＢのＹ方向の辺の長さをＬ２とすると、概ねＬ２を半波長とする周波数ｆ０´で共振する。ここで、Ｌ２は３×Ｌ１よりも大きいためｆ０´はｆ０の１／３以下となる。したがって、本実施例にかかるアンテナ装置では第３のスイッチ１３６の導通／遮断の組み合わせによって、２周波で共振可能となり、２周波対応アンテナを実現できる。尚、共振周波数ｆ０´は厳密にはフリンジ効果や第３のスイッチ１３６で囲まれた空隙による影響も考慮する必要がある。
【０２４３】
また、放射素子Ｂの周辺には７２個の第３の無給電素子１２２がマトリックス状に配置されており、第３の無給電素子１２２も第３のスイッチ１３６によって接続できる構造となっている。よって、第３のスイッチ１３６によって第３の無給電素子１２２を３×３個づつ接続する。つまり、放射素子Ｂと同じ共振長Ｌ２を持つように接続すると、放射素子Ｂを取り囲むように放射素子Ｂと同じ共振周波数ｆ０´を持つ無給電素子（無給電素子Ｂと記述、図中の一点鎖線で囲まれた領域）をマトリックス状に配置することができる。無給電素子Ｂは９個の第３の無給電素子１２２を接続しているので、素子内には地板１０２と短絡する第１のスイッチ１１０が９個設けられる。
【０２４４】
次に、素子間のピッチについて説明する。
【０２４５】
共振周波数ｆ０´での自由空間での波長をλo´、第３のスイッチ幅をＬｓとすると、高周波対応の場合での第３の無給電素子１２２の素子間ピッチｄおよび低周波対応での放射素子Ｂと無給電素子Ｂの素子間ピッチｄ´は、式（２）、式（３）となる。
【０２４６】
ｄ＝（Ｌ１＋Ｌｓ）／λo＝０．４０      （２）
ｄ´＝（Ｌ２＋Ｌｓ）／λo´
＝（３Ｌ１＋３Ｌｓ）／λo´＝３×０．４０（λo／λo´）      (３)
ここで、共振周波数ｆ０´は高周波対応での共振周波数ｆ０の１/３以下であることからλo´はλoの３倍以上となり、ｄ´は０．４０λo´より若干小さくなり放射素子Ｂと無給電素子Ｂ´には大きな相互結合が生じ、放射素子Ｂが励振されると無給電素子Ｂにも大きな電圧が励起される。
【０２４７】
よって、無給電素子Ｂにある第１のスイッチ１１０を地板１０２と短絡または開放することによって、放射素子ＢもＸ方向、Ｙ方向の２次元で指向性を切り替えることができる。
【０２４８】
尚、本実施例の９×９アンテナアレイはマイクロストリップアンテナの構造であるため、低姿勢であり、マイクロストリップ線路やコプレナー線路等の不平衡電流で励振できるため、バランが必要なく構造が簡単である。また、形状の同じ給電素子と無給電素子とを接続して矩形の放射素子を形成するため、比較的離れた周波数帯に対応する多周波アンテナを実現できる。
【０２４９】
次に、９×９アンテナアレイの入力インピーダンスについて説明する。矩形のマイクロストリップアンテナの入力インピーダンスは近似式から求めることができ、図１３に示すように、共振方向の辺の長をＬ、共振方向と直交する辺の長さをＷ、給電点のインセット位置をＬｉ´、誘電体の比誘電率をεｒ、アンテナ端での入力インピーダンスをＲａ、インセット給電での入力インピーダンスをＲｉｎとすると、式（４）、式（５）のように記述される。
【０２５０】
Ｒａ＝９０（εｒ）２／（εｒ−１）（Ｌ／Ｗ）２      （４）
Ｒｉｎ＝Ｒａ{ｃｏｓ（π／Ｌ×Ｌｉ´）}２      （５）
上記の式で判るように矩形のマイクロストリップアンテナではアンテナ端での入力インピーダンスＲａは（Ｌ／Ｗ）２に比例し、インセット給電での入力インピーダンスＲｉｎは（Ｌｉ´／Ｌ）に影響される。
【０２５１】
本実施例にかかるアンテナアレイでは高周波で共振した場合(図１１)と低周波で共振した場合で（Ｌｉ´／Ｌ）が大きく異なるため、同等の入力インピーダンスにならない。また、本実施例のアンテナ装置１００では給電素子の入力インピーダンスを給電線の特性インピーダンスに合わせているため、低周波で動作させるとアンテナの入力インピーダンスは給電線の特性インピーダンスと大きくずれ、大きな反射が生じる。
【０２５２】
本実施例では給電点は切り替えスイッチを介して整合回路１３４に接続される。整合回路１３４は、例えばスパイラルインダクタとキャパシタとをπ型に組み合わせた回路により構成され、９×９アンテナアレイを低周波で動作させた場合の入力インピーダンスを５０Ωに整合するように素子定数を決めている。
【０２５３】
９×９アンテナアレイを低周波で動作させた場合、切り替えスイッチによってアンテナアレイは整合回路１３４に接続され、アンテナアレイの入力インピーダンスは給電線の特性インピーダンス(５０Ω)に整合されて反射が抑制される。
【０２５４】
一方、９×９アンテナアレイを高周波で動作させた場合、切り替えスイッチによってアンテナアレイは直接給電線に接続される。高周波でのアンテナアレイの入力インピーダンスは給電素子１０６の入力インピーダンスとほぼ等しいので、アンテナアレイの入力インピーダンスは給電線の特性インピーダンスとほぼ一致して反射が抑制され、両方の周波数で整合を取ることができる。
【０２５５】
以上のように、給電素子１０６、第１の無給電素子１０８および第３の無給電素子１２２の隣接する２辺を第３のスイッチによって接続し、第３のスイッチの導通、遮断の組み合わせによって２個の共振長をもつ矩形の放射素子を形成できる構造にすることにより、２周波に対応しながら指向性制御が可能となる。
【０２５６】
また、給電点を切り替えスイッチを介して整合回路１３４に接続する構造にし、整合回路１３４の素子定数を適切に選択することにより、高周波と低周波で動作させた両方において反射を抑制できる。
【０２５７】
尚、本実施例ではπ型の整合回路を用いる場合について説明したが、整合回路としては、例えばＴ型整合回路、Ｌ型整合回路でも良く、λ／４変成器や移相器とインダクタ、キャパシタの組み合わせでもよく、一般的に使用されている整合回路が使用できる。
【０２５８】
また、本実施例では第３のスイッチにＭＥＭＳスイッチを用いた場合について説明した。ＭＥＭＳスイッチは、１００ＧＨｚ程度までの高周波信号を良好に遮断できる。更に、ＭＥＭＳスイッチは、挿入ロスも小さいことから、高い周波数、例えばサブミリ波〜ミリ波を対象とした多周波対応・指向性制御アンテナを構成することができる。
【０２５９】
また、第３のスイッチとしては、例えばＰＩＮダイオードも使用できる。ＰＩＮダイオードは安価なチップ部品が入手でき、かつ２０ＧＨｚまでは良好にＲＦ信号を遮断できることから、２．４ＧＨｚや５ＧＨｚの無線LANでの複数規格に対応する指向性制御アンテナに適している。
【０２６０】
また、本実施例においては、ビームのチルト角は第１のスイッチ１１０の数、給電素子１１０と第１の無給電子１０８との間のピッチ、第１の無給電素子１０８と第３の無給電素子１２２との間のピッチによって制御することができる。したがって、ビームのチルト角を制御するためには、高周波と低周波でアンテナに必要とされるビームのチルト角にしたがって上記のパラメーターを最適化すればよい。
【０２６１】
また、本実施例では、給電素子１０６、第１の無給電素子１０８および第３の無給電素子１２２の形状が略同一である場合について説明した。しかし、給電素子１０６のＹ方向の直線偏波によって、第１の無給電素子１０８が励振され、第１の無給電素子１０８のＹ方向の直線偏波によって第３の無給電素子１２２が励振できればよく、同一である必要はない。
【０２６２】
また、本実施例においては９×９のアンテナアレイについて説明した。しかし、第３の無給電素子１２２が第１の無給電素子１０８を取り囲んでマトリックス状に配置され、かつ給電素子１０６、第１の無給電素子１０８および第３の無給電素子１２２は隣接する２辺が第３のスイッチによって接続される構造を備え、第３のスイッチ１３６の導通、遮断の組み合わせによって複数の共振長をもつ矩形の放射素子を形成する構造を備えていればよく、９×９アレイに限定されるものではない。
【０２６３】
また、多くの第３の無給電素子１２２をマトリックス状に配置し、第３のスイッチ１３６によって接続できる構造とすると、更に多くの周波数に対応でき、かつビームを天頂からより大きく傾けることができる。但し、３周波以上に対応する場合は固定式の整合回路では全ての周波数を５０Ωに整合することは困難であり、そのような場合は素子定数を可変できる整合回路が必要となる。素子定数が可変できる整合回路としては、例えば可変移相器とバラクタダイオードとの組み合わせた回路や、ＭＥＭＳによる可変キャパシタや可変インダクタの組み合わせた回路がある。
【０２６４】
また、本実施例ではＹ方向の直線偏波に対応したアンテナを例にして説明したが、Ｘ方向の直線偏波や円偏波に対応したアンテナについても本実施例の構造を適用することにより、多周波を実現しながらＸ方向、Ｙ方向の２次元で指向性制御が可能になる。
【０２６５】
次に、本発明の第１０の実施例にかかるアンテナ装置について、図１４を参照して説明する。
【０２６６】
本実施例にかかるアンテナ装置は、第９の実施例において説明したアンテナ装置において、第３のスイッチが給電素子または第１の無給電素子、第３の無給電素子の辺とほぼ同じ長さにわたって形成される。
【０２６７】
アンテナ装置の構成について詳細に説明する。
【０２６８】
例えば、比誘電率３．９の石英からなる誘電体１０４の下面に、例えばＣｕ層からなる地板１０２が形成される。誘電体１０４の上面には、例えばＣｕ層からなる略矩形の給電素子１０６および給電素子１０６を取り囲むように、例えばＣｕ層からなる略矩形の第１および第３の無給電素子がピッチ０．４０λo(λo:自由空間での共振長さ)でマトリックス状に配置される。したがって、誘電体１０４の上面には、９×９のアンテナアレイが構成される。
【０２６９】
給電素子１０６、第１の無給電素子１０８および第３の無給電素子１２２は、全て形状が略同一であり、Ｘ方向の長さはＷ１、Ｙ方向の長さはＬ１である。
【０２７０】
また、第１の無給電素子１０８と第３の無給電素子１２２には４つの頂点近傍の領域のうち１箇所に地板１０２と短絡するための、例えばＰＩＮダイオードからなる第１のスイッチ１１０が設けられる。
【０２７１】
更に、給電素子１０６、第１の無給電素子１０８および第３の無給電素子１２２の間には、例えばＭＥＭＳスイッチからなる第３のスイッチ１３６が設けられる。第３のスイッチ１３６は、上部電極と、下部電極と、上部電極に接続されたヒンジと、バイアスラインとから構成され、上部電極は隣接する素子（給電素子、第１の無給電素子，第３の無給電素子）の辺とほぼ同じ長さであり、ヒンジによって可動できる。
【０２７２】
第３のスイッチ１３６の動作について、詳細に説明する。
【０２７３】
第３のスイッチ１３６の上部電極にバイアスラインからバイアスが印加されると上部電極と下部電極間に静電引力が生じ、上部電極が下方に動いて２つの素子と接触する。ここで、上部電極は隣接する素子の辺とほぼ同じ長さであるため、第３のスイッチは隣接する素子の辺のほぼ全面で導通することになる。
【０２７４】
一方、上部電極のバイアスを遮断すると上下電極間の静電引力が無くなり、上部電極はヒンジの剛性によって上方へ動き、２つの素子と遮断される。ここで上部電極は隣接する素子の辺とほぼ同じ長さであるため、第３のスイッチは隣接する素子の辺のほぼ全面で遮断されることになる。
【０２７５】
そのため、第９の実施例と同様に第３のスイッチ１３６の導通、遮断状態の組み合わせによって、略矩形の放射素子Ｂ（給電素子１０６と８個の第１の無給電素子１０８とからなる３×３アレイを接続）を形成した場合、放射素子Ｂの内部では４個の第３のスイッチによって囲まれた空隙が第９の実施例の場合よりも小さくなる。そのため放射素子Ｂの比帯域を第９の実施例よりも拡大できる。
【０２７６】
次に、４個の第３のスイッチ１３６で囲まれた空隙を更に小さくするスイッチの構造について、図１５を参照して説明する。
【０２７７】
４つの第３のスイッチ１３６が対向する先端部分の形状をＶ形状に延長し、４つの第３のスイッチの間隔がＸ形状になるようにする。その結果、第３のスイッチで囲まれた空隙は更に小さくなり、第３のスイッチ１３６の導通、遮断状態の組み合わせによって矩形の放射素子Ｂ（給電素子１０６と８個の第１の無給電素子１０８とからなる３×３アレイを接続）を形成した場合、第９の実施例の放射素子Ｂよりも比帯域を更に拡大できる。
【０２７８】
次に、本発明の第１１の実施例にかかるアンテナ装置について、図１６Ａおよび図１６Ｂを参照して説明する。図１６Ａは上面図、図１６Ｂは図１６ＡのＡ１６−Ｂ１６線における断面図を示す。
【０２７９】
本実施例にかかるアンテナ装置は、第１０の実施例にかかるアンテナに、給電素子１０６上に給電素子１０６の直交する２辺、つまりＸ方向およびＹ方向の各中点を通り、それぞれＸ軸およびＹ軸に垂直となる垂線上と、対角線上の３箇所に給電点（給電点Ａ、給電点Ｂおよび給電点Ｃ）を備え、給電点は第２のスイッチ１２６によって切り替えることができる。
【０２８０】
アンテナ装置の構成について詳細に説明する。
【０２８１】
例えば、比誘電率３．９の石英からなる誘電体１０４の下面に、例えばＣｕ層からなる地板１０２が形成され、誘電体１０４の上面には、例えばＣｕ層からなる略矩形の給電素子１０６および給電素子１０６を取り囲むように、例えばＣｕ層からなる略矩形の第１および第３の無給電素子がピッチ０．４０λo(λo:自由空間での共振長さ)でマトリックス状に配置される。
【０２８２】
したがって、誘電体１０４の上面には、９×９のアンテナアレイが構成される。給電素子１０６、第１の無給電素子１０８および第３の無給電素子１２２は全て形状が略同一であり、Ｘ方向の長さはＷ１、Ｙ方向の長さはＬ１であり、Ｘ方向、Ｙ方向の両辺が等しい正方形マイクロストリップアンテナの無負荷ＱをＱoとした場合、Ｌ１＜Ｗ１の場合は、上述した式（１）となる。
【０２８３】
また、第１の無給電素子１０８と第３の無給電素子１２２には４つの頂点近傍の領域のうち１箇所に地板１０２と短絡するための、例えばＰＩＮダイオードからなる第１のスイッチ１１０が設けられる。
【０２８４】
更に、隣接する給電素子１０６、第１の無給電素子１０８および第３の無給電素子１２２の間には、例えばＭＥＭＳスイッチからなる第３のスイッチが設けられる。第３のスイッチは上部電極と、下部電極と、上部電極に接続されたヒンジと、バイアスラインとから構成される。上部電極は隣接する素子（給電素子、第１の無給電素子、第３の無給電素子）の辺と略同一長であり、ヒンジによって可動できる。
【０２８５】
また、給電素子１０６のＸ方向の辺の中点を通りＸ軸に垂直となるの垂線上で、かつ給電素子１０６の入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンス（通常は５０Ω）と等しくなる位置には給電点Ａ１１２が形成される。また、給電素子１０６のＹ方向の辺の中点を通りＹ軸に垂直となる垂線上で、かつ給電素子１０６の入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンス（通常は５０Ω）と等しくなる位置には給電点Ｂ１１６が形成される。また、給電素子１０６の対角線上で、かつ給電素子１０６の入力インピーダンスが給電線の特性インピーダンス（通常は５０Ω）と等しくなる位置には給電点Ｃ１１８が形成される。
【０２８６】
給電点Ａ、給電点Ｂおよび給電点Ｃは、誘電体１０４と第２の基板１２４とを貫通したビアを介して第２の基板１２４上に形成された第２のスイッチ１２６に各々接続され、第２の基板上１２４に形成されたマイクロストリップ線からなる給電線によって給電される。第２のスイッチ１２６は、例えばＭＥＭＳスイッチから構成され、上部電極と、下部電極と、上部電極に接続されたヒンジと、バイアスラインとから構成される。上部電極はヒンジによって可動して給電点を切り替える。
【０２８７】
また、給電線の途中には図示されていない切り替えスイッチを介して整合回路１３４が設けられる。整合回路１３４は、例えば可変移相器とバラクタダイオードとを直列に接続した構成である。
【０２８８】
本実施例にかかるアンテナ装置を高周波に対応させる場合について述べる。
【０２８９】
全ての第３のスイッチ１３６を遮断して、高周波対応の放射素子Ａを形成した場合、給電点Ａ１１２に接続された第２のスイッチ１２６のみを導通し、他の２個の第２のスイッチを遮断状態にして給電点Ａ１１２を選択すると、給電点Ａ１１２はＸ方向の辺の中点を通りＸ軸に垂直となる垂線上にあるので、放射素子ＡはＹ方向の直線偏波を放射する。
【０２９０】
ここで放射素子Ａの周辺には放射素子Ａと共振長が同じ第１の無給電素子１０８と第３の無給電素子１２２とがマトリックス状に配置される。第１の無給電素子１０８および第３の無給電素子１２２の４つの頂点近傍の領域のうち１箇所には地板１０２と短絡する第１のスイッチ１１０が設けられる。したがって、第１のスイッチ１１０によって第１の無給電素子１０８や第３の無給電素子１２２を地板１０２と短絡または開放することによりＸ方向、Ｙ方向の２次元で指向性を切り替えることができる。
【０２９１】
同様に、給電点Ｂ１１６に接続された第２のスイッチのみを導通し、他の２個の第２のスイッチ１２６を遮断状態にして給電点Ｂ１１６を選択すると、給電点Ｂ１１６はＹ方向の辺の中点を通りＹ軸と垂直となる垂線上にあるので、放射素子ＡはＸ方向の直線偏波を放射する。
【０２９２】
また、給電点Ｃ１１８に接続された第２のスイッチのみを導通し、他の２個の第２のスイッチを遮断状態にして給電点Ｃ１１８を選択すると、給電点Ｃ１１８は給電素子１０６の対角線上にあり、かつ給電素子のＸ、Ｙ方向の辺が、上述した式（１）を満足しているので、放射素子Ａは円偏波を放射する。
【０２９３】
ここで、放射素子Ａの周辺には放射素子Ａと同じ共振長を持つ第１の無給電素子１０８、第３の無給電素子１２２が形成される。それらの素子の第１のスイッチ１１０を地板１０２と短絡または開放することによりＸ方向、Ｙ方向の２次元で指向性を切り替えることができる。
【０２９４】
次に、低周波対応の場合について説明する。
【０２９５】
第９の実施例で説明したように、第３のスイッチ１３６の導通／遮断の組み合わせによって、給電素子１０６と８個の第１の無給電素子１０８とを接続して放射素子Ｂを形成して低周波対応とした場合、第３の無給電素子１２２を３×３個づつ接続し、放射素子Ｂを取り囲むように放射素子Ｂと同じ共振周波数を持つ無給電素子Ｂをマトリックス状に配置することができる。
【０２９６】
ここで、給電点Ａ１１２は、給電素子１０６のＸ方向の辺の中点を通りＸ軸に垂直となる垂線上にあるので、放射素子Ｂに対しても給電素子１０６のＸ方向の辺の中点を通りＸ軸に垂直となる垂線上にあることになる。また、給電点Ｂ１１６は給電素子１０６のＹ方向の辺の中点を通りＹ軸に垂直となる垂線上にあるので、放射素子Ｂに対しても給電素子のＹ方向の辺の中点を通りＹ軸に垂直となる垂線上にあることになる。
【０２９７】
また、給電点Ｃ１１８は給電素子１０６の対角線上にあるため、放射素子Ｂに対しても給電点Ｃ１１８は対角線上にあることになる。
【０２９８】
給電点Ａ１１２に接続された第２のスイッチ１２６のみを導通し、他の２個の第２のスイッチ１２６を遮断状態にして給電点Ａ１１２を選択すると、給電点Ａ１１２は放射素子Ｂに対しＸ方向の辺の中点を通りＸ軸に垂直となる垂線上にあるので、放射素子Ｂは低周波に対応するＹ方向の直線偏波を放射する。また、放射素子Ｂの周辺には放射素子Ｂと共振長が同じ無給電素子Ｂがマトリックス状に配置され、無給電素子Ｂには地板１０２と短絡する第１のスイッチ１１０が９個形成されるため、それらのスイッチによって無給電素子Ｂを地板１０２と短絡または開放することによってＸ、Ｙの２次元で指向性を切り替えることができる。
【０２９９】
同様に、給電点Ｂ１１６に接続された第２のスイッチ１２６のみを導通した場合は低周波に対応するＸ方向の直線偏波を放射する。また、給電点Ｃ１１８に接続された第２のスイッチ１２６のみを導通した場合は、低周波に対応する円偏波を放射する。
【０３００】
また、放射素子Ｂの周辺にある無給電素子Ｂを第１のスイッチ１１０によって地板１０２と短絡または開放することによりＸ方向、Ｙ方向の２次元で指向性を切り替えることができる。
【０３０１】
以上のように本実施例にかかるアンテナ装置によれば、高周波と低周波の２周波において指向性制御と偏波切り替えを同時に実現できる。
【０３０２】
尚、給電素子１０６の入力インピーダンスが５０Ωになる位置に給電点Ａ、給電点Ｂおよび給電点Ｃを設けたので、高周波対応では９×９アンテナアレイは第２のスイッチ１２６によって給電点を選択された後に切り替えスイッチによって直接給電線に接続される。
一方低周波対応では、９×９アンテナアレイは第２のスイッチ１２６に接続された後に切り替えスイッチによって整合回路１３４に接続され、アンテナアレイの入力インピーダンスは給電線の特性インピーダンス(５０Ω)に整合される。
【０３０３】
尚、本実施例の整合回路１３４は可変移相器とバラクタダイオードとから構成されているため、素子定数を変化させることによって、Ｙ方向の直線偏波、Ｘ方向の直線偏波および円偏波を放射する場合の各々の入力インピーダンスを５０Ωに整合することができる。
【０３０４】
また、本実施例では９×９のアンテナアレイについて説明したが、第２のスイッチ１２６によって切り替えることができる３個の給電点を持つ給電素子１０６を第１の無給電素子１０８が取り囲むようにマトリックス状に配置され、更に第３の無給電素子１２２が第１の無給電素子１０８を取り囲んでマトリックス状に配置され、かつ給電素子１０６と第１の無給電素子１０８、第３の無給電素子１２２は隣接する２辺が第３のスイッチ１３６によって接続される構造を備え、第３のスイッチ１３６の導通、遮断の組み合わせによって複数の共振長をもつ矩形の放射素子を形成する構造を備えていればよく、９×９アレイに限定されるものではない。
【０３０５】
また、本実施例では給電素子１０６と８個の第１の無給電素子１０８とを接続して放射素子Ｂを構成する場合について説明した。つまり、放射素子Ｂの中心に給電素子１０６が配置されるように接続したため、低周波でも第２のスイッチ１２６によってＸ方向、Ｙ方向の直線偏波と円偏波との切り替えが可能になるが、第３のスイッチ１３６の導通／遮断の組み合わせによっては給電素子１０６が放射素子Ｂの中心に配置されない場合もある。その場合は、Ｘ方向、Ｙ方向の直線偏波と円偏波との切り替えではなく、直線偏波と楕円偏波との切り替え、または楕円偏波同士の切り替えとなる。上記の接続によっても指向性制御は可能であり、特定の用途では効果がある。したがって、本実施例にかかるアンテナを、このような構造に変更するようにしてもよい。
【０３０６】
また、多くの第３の無給電素子１２２をマトリックス状に配置し、第３のスイッチ１３６によって接続できる構造とすることにより、偏波切り替えを実現しながら更に多くの周波数に対応でき、かつビームを天頂からより大きく傾けることができる。
【０３０７】
次に、本発明の第１２の実施例にかかる無線モジュールについて、図１７Ａおよび図１７Ｂを参照して説明する。図１７Ａは上面図、図１７Ｂは図１７ＡのＡ１７−Ｂ１７線における断面図を示す。
【０３０８】
本実施例にかかる無線モジュール２００は第８の実施例にかかるアンテナ装置１００を備える。また、アンテナ装置１００を構成している第２の基板１２４の地板１０２が形成された面とは反対側の下層には、例えば多孔質ポリイミド基板からなる第３の基板１４０が積層された構造を持ち、第３の基板１４０上にはチップ部品を用いてフロントエンド回路１４２が構成され、第３の基板１４０を貫通するビアホールによってフロントエンド回路１４２と給電線１２８とが接続される。
【０３０９】
本実施例にかかる無線モジュール２００は、第８の実施例にかかるアンテナ装置１００を備えているので、偏波切り替えと指向性制御の２つの機能を備える。そのため、所望波の方向にアンテナの最大放射角を向けることにより大きな利得を実現でき、良好な送受信を行うことができる。また、２つの直交した直線偏波と円偏波との切り替えができるため、１個の無線モジュール２００で複数の偏波の規格に対応でき、無線モジュールを小型化できる。
【０３１０】
また、アンテナ装置１００の下層、すなわち第２の基板１２４の下方に第３の基板１４０を積層し、第３の基板１４０にフロントエンド回路１４２を設けているので、更に小型な無線モジュールを実現できる。
【０３１１】
尚、本実施例では第３の基板１４０にフロントエンド回路１４２のみを実装した場合について説明したが、フロントエンド回路１４２とベースバンド回路の両方を実装してもよく、フロントエンド回路とベースバンド回路の一部を実装しても同様に無線モジュールを小型化できる。
【０３１２】
次に、本実施例にかかる無線システム一例について、図１８を参照して説明する。
【０３１３】
本実施例にかかる無線システム３００は、図１７Ａおよび図１７Ｂを参照して説明した無線モジュール２００を備えており、アンテナ送信系・受信系を切り替える送受信切り替えスイッチ３１０に接続される。所望の偏波、指向性にしたがって、制御回路３０６によって第１および第２スイッチの導通、遮断の組み合わせを設定する。
【０３１４】
その後、制御回路３０６から制御信号Ａを第１のスイッチのバイアス発生回路３０２に入力し所定のバイアスを発生させ、第１のスイッチの導通、遮断を行い、地板１０２と短絡する無給電素子を切り替えてＸＹの２次元でビーム切り替えを行う。
【０３１５】
また、制御回路３０６から制御信号Ｂを第２のスイッチのバイアス発生回路３０４に入力し所定のバイアスを発生させ、第２のスイッチを導通または遮断して給電点Ａ、給電点Ｂおよび給電点Ｃから１個を選択し、偏波を決める。
【０３１６】
更に、送信モードあるいは受信モードを考慮し、制御回路３０６より制御信号Ｃを送受信切り替えスイッチ制御回路３０８に入力し所定のバイアスを発生させ、送受信切り替えスイッチ３１０にて送受信の切り替えを行いアンテナとフロントエンド回路を電気的に導通して通信を行う。
【０３１７】
以上のように本実施例の無線システム３００は３偏波に対応し、３偏波とも指向性制御が可能である。よって１個の無線システムで３偏波の規格に対応でき、無線システム自体を小型化できる。また、指向性制御が可能であるため、所望の方向に放射パターンを向けることによって高い利得を実現でき、良好な送受信が行える。また、電波状況によっては偏波、指向性を切り替えることにより、絶えず良好な送受信を行うことができる。
【０３１８】
なお、バイアス発生回路を省略して、制御信号Ａ〜Ｃを第１、第２のスイッチや送受信切り替えスイッチに直接与えてスイッチの導通／遮断を行なうようにしてもよい。
【０３１９】
次に、第１３の実施例にかかる無線モジュール２００について、図１９Ａおよび図１９Ｂを参照して説明する。
【０３２０】
本実施例にかかる無線モジュール２００は第１１の実施例にかかるアンテナ装置１００を備える。また、アンテナ１００を構成している第２の基板１２４の地板１０２の反対側の下層には、例えば多孔質ポリイミド基板からなる第３の基板１４０が積層された構造を持ち、第３の基板１４０上にはチップ部品を用いてフロントエンド回路１４２が構成され、第３の基板１４０を貫通するビアホールによってフロントエンド回路１４２と給電線１２８とが接続される。
【０３２１】
本実施例にかかる無線モジュール２００は、第１１の実施例にかかるアンテナ装置１００を備えるので、２周波に対応し、偏波切り替え、指向性制御の３つの機能を備える。そのため、２つの周波数帯において所望波の方向にアンテナの最大放射角を向けることによって大きな利得を実現でき、良好な送受信を行うことができる。
【０３２２】
また、２つの直交した直線偏波と円偏波との切り替えができるため、１個の無線モジュール２００で複数の偏波の規格に対応でき、無線モジュール２００を小型化できる。また、第２の基板１２４の下方に第３の基板１４０を積層し、第３の基板１４０にフロントエンド回路１４２を設けているので、更に小型な無線モジュールを実現できる。
【０３２３】
次に、本実施例にかかる無線システムの一例について、図２０を参照して説明する。本実施例では図１９Ａおよび図１９Ｂを参照して説明した無線モジュール２００を使用しており、アンテナ送信系・受信系を切り替える送受信切り替えスイッチ３１０に接続されている。所望の周波数、偏波、指向性にしたがって、制御回路３０６によって第１、第２および第３のスイッチの導通、遮断の組み合わせを設定する。
【０３２４】
その後、制御回路３０６から制御信号Ａを第１のスイッチのバイアス発生回路３０２に入力し所定のバイアスを発生させ、第１のスイッチの導通、遮断を行い、地板１０２と短絡する無給電素子を切り替えてＸ方向、Ｙ方向の２次元でビーム切り替えを行う。
【０３２５】
また、制御回路３０６から制御信号Ｂを第２のスイッチのバイアス発生回路３０４に入力し所定のバイアスを発生し、第２のスイッチを導通または遮断して給電点Ａ、給電点Ｂおよび給電点Ｃから１個を選択し、偏波を決める。
【０３２６】
また、制御回路３０６から制御信号Ｄを第３のスイッチのバイアス発生回路３１２に入力し所定のバイアスを発生し、第３のスイッチの導通、遮断を行い、所望の矩形の放射素子を形成して周波数の切り替えを行う。また、制御信号Ｄは切り替えスイッチのバイアス発生回路３１４にも入力し所定のバイアスを発生し、整合回路の切り替えスイッチをON/OFFさせ、高周波対応ではアンテナを直接フロントエンド回路１４２に接続し、低周波対応ではアンテナを整合回路１３４に接続してからフロントエンド回路１４２に接続し、アンテナの入力インピーダンスを給電線の特性インピーダンスとマッチングする。
【０３２７】
また、送信モードあるいは受信モードを考慮し、制御回路３０６より制御信号Ｃを送受信切り替えスイッチ制御回路３０８に入力し所定のバイアスを発生し、送受信切り替えスイッチ３１０にて送受信の切り替えを行いアンテナ装置１００とフロントエンド回路１４２とを電気的に導通して通信を行う。
【０３２８】
以上のように本実施例にかかる無線システム３００は、２周波と３偏波に対応して指向性制御が可能である。よって１個の無線システム３００で２個の周波数規格に対応でき、無線システム自体を小型化できる。また指向性制御が可能であるため、所望の方向に放射パターンを向けることによって高い利得を実現でき、良好な送受信を行うことができる。また、電波状況によっては偏波、指向性を切り替えることにより絶えず良好な送受信を行うことができる。
【０３２９】
なお、バイアス発生回路３０２、３０４、３１２および３１４を省略し、制御信号Ａ〜Ｄを第１〜第３のスイッチや切り替えスイッチ、送受信切り替えスイッチ３０８に直接入力しスイッチの導通／遮断を行うようにしてもよい。
【０３３０】
本発明の実施例にかかるアンテナ装置は、誘電体の下面に地板が形成され、前記誘電体の地板と反対側の上面には略矩形の給電素子および給電素子に対しＥ面およびＨ面に沿って対称に配置された４個の第１の矩形の無給電素子が形成され、かつ第１の無給電素子の４つの頂点近傍の領域のうち少なくとも１箇所に地板と短絡する第１のスイッチが設けられる。
【０３３１】
給電素子からＸ方向またはＹ方向の直線偏波が放射された場合、第１の無給電素子もＸ方向またはＹ方向の電流が励起されてＸ方向またはＹ方向の直線偏波を放射する。しかし、第１の無給電素子に設けられた第１のスイッチを導通し第１の無給電素子を地板と短絡すると、第１の無給電素子の短絡点が頂点近傍の領域に形成されているため、第１の無給電素子ではＸ方向で励振された電流またはＹ方向で励振された電流が抑制される。
【０３３２】
また、給電素子から円偏波が放射された場合、第１の無給電素子は円偏波を構成するＸ方向とＹ方向の電波によってＸ方向とＹ方向の電流が励起されて円偏波を放射する。しかし、第１の無給電素子に設けられた第１のスイッチを導通し、第１の無給電素子と地板とを短絡すると、第１の無給電素子の短絡点が頂点近傍の領域に形成されているため、第１の無給電素子ではＸ方向とＹ方向で励振された電流の２つとも抑制される。
【０３３３】
そのため、給電素子に対しＥ面方向あるいはＨ面方向に沿って対称に配置された一対の第１の無給電素子において、一方の第１の無給電素子の第１のスイッチを導通して第１の無給電素子を地板と短絡し、他方の第１の無給電素子の第１のスイッチを遮断して第１の無給電素子を地板から開放すると、地板から開放された第１の無給電素子は導波器として作用してビームが天頂から傾く。その結果、直線偏波用のアンテナと円偏波用のアンテナの両方において、Ｘ方向、Ｙ方向の２次元で指向性を切り替えることができる。その結果、所望の方向にアンテナの最大放射角を向けることができ、良好な通信が可能となる。
【０３３４】
また、本発明の実施例にかかる他のアンテナ装置は誘電体の下面に地板が形成され、前記誘電体の地板とは反対側の上面には略矩形の給電素子および給電素子を取り囲みマトリックス状に配置された８個の略矩形の第１の無給電素子が形成され、かつ第１の無給電素子の４つの頂点近傍の領域のうち少なくとも１箇所に、地板と短絡する第１のスイッチが設けられる。
【０３３５】
給電素子からＸ方向またはＹ方向の直線偏波が放射された場合、第１の無給電素子もＸ方向またはＹ方向の電流が励起されてＸ方向またはＹ方向の直線偏波を放射する。しかし、第１の無給電素子に設けられた第１のスイッチを導通し第１の無給電素子を地板と短絡すると、短絡点は第１の無給電素子の頂点近傍にあるため、第１の無給電素子ではＸ方向で励振された電流またはＹ方向で励振された電流を抑制する。
【０３３６】
また、給電素子から円偏波が放射された場合、第１の無給電素子は円偏波を構成するＸ方向とＹ方向の電波によってＸ方向とＹ方向の電流が励起されて円偏波を放射する。しかし、第１の無給電素子に設けられた第１のスイッチを導通し第１の無給電素子を地板と短絡すると、短絡点が第１の無給電素子の頂点近傍にあるため、第１の無給電素子ではＸ方向とＹ方向で励振された電流の２つとも抑制される。
【０３３７】
そのため、給電素子に対し一方向で対称に配置された一対の第１の無給電素子において、一方の第１の無給電素子の第１のスイッチを導通して第１の無給電素子を地板と短絡し、他方の第１の無給電素子の第１のスイッチを遮断して第１の無給電素子を地板から開放すると、地板から開放された第１の無給電素子は導波器として作用してビームを天頂から傾かせることができる。その結果、Ｘ方向、Ｙ方向の２次元で上述したアンテナよりも指向性をより細かく切り替えることが可能となる。そのため、直線偏波用のアンテナ装置と円偏波用のアンテナ装置の両方において、所望の方向にアンテナの最大放射角を容易に向けることができる。
【０３３８】
また、本発明の実施例のアンテナ装置においては、第１の無給電素子の外周に第２の矩形の無給電素子を配置するようにしてもよい。
【０３３９】
第１の無給電素子に設けられた第１のスイッチが地板と遮断されて地板から開放されている場合は、第１の無給電素子は給電素子から放射される直線偏波または円偏波を受けて、給電素子と同じ共振周波数を持つ直線偏波あるいは円偏波を生じる。
【０３４０】
更に、地板から開放されている第１の無給電素子に隣接した第２の無給電素子は第１の無給電素子から放射される直線偏波あるいは円偏波を受けて、給電素子と第１の無給電素子と同じ共振周波数を持つＹ方向の直線偏波を生じる。そのため第２の無給電素子は第１の無給電素子に対して導波器として作用し、給電素子には導波器が２個配列された形となる。
【０３４１】
一方、第１の無給電素子に設けられた第１のスイッチが地板と導通して地板と短絡されている場合、第１の無給電素子は給電素子から放射される直線偏波または円偏波を受けても、第１の無給電素子は４つの頂点近傍の領域のうち少なくとも１箇所で地板と短絡されているのでＸ方向、Ｙ方向の電流は抑制され、強度の小さな直線偏波あるいは円偏波しか放射されない。そのため、地板と短絡している第１の無給電素子に隣接した第２の無給電素子に励起される直線偏波や円偏波の強度は非常に小さくなり、導波器として作用しない。
【０３４２】
その結果、Ｘ方向、Ｙ方向の２次元で上述したアンテナよりも低角方向にアンテナの最大放射角を向けることができる。
【０３４３】
また、本発明の実施例のアンテナ装置において、第１の無給電素子を取り囲みマトリックス状に配置された複数の矩形の第３の無給電素子を備え、第３の無給電素子の４つの頂点近傍の領域のうち少なくとも１箇所に地板と短絡する第１のスイッチを備えるようにしてもよい。
【０３４４】
第１の無給電素子に設けられた第１のスイッチが地板と遮断されて地板から開放されている場合は、第１の無給電素子は給電素子から放射される直線偏波または円偏波を受けて、給電素子と同じ共振周波数を持つ直線偏波あるいは円偏波を生じる。更に、地板から開放される第１の無給電素子に隣接した第３の無給電素子(第３の無給電素子Ａと略す)は第１の無給電素子から放射される直線偏波あるいは円偏波を受ける。
【０３４５】
ここで、第３の無給電素子Ａに備えられた第１のスイッチを遮断状態にして第３の無給電素子を地板から開放すると、第３の無給電素子Ａに流れる電流は抑制されないため給電素子と第１の無給電素子と同じ共振周波数を持つ直線偏波または円偏波を生じる。その結果、第３の無給電素子Ａは第１の無給電素子に対して導波器として作用し、給電素子には導波器が２個配列された形となる。
【０３４６】
一方、第１の無給電素子に設けられた第１のスイッチが地板と導通して地板と短絡されている場合、第１の無給電素子は給電素子から放射される直線偏波または円偏波を受けても、第１の無給電素子は４つの頂点近傍の領域のうち少なくとも１箇所で地板と短絡されているのでＸ方向、Ｙ方向の電流は抑制され、強度の小さな直線偏波あるいは円偏波しか放射されない。よって地板と短絡している第１の無給電素子に隣接した第３の無給電素子(第３の無給電素子Ｂと略す)に励起される電流も小さくなる。
【０３４７】
ここで、第３の無給電素子Ｂに設けられた第１のスイッチを導通状態にして第３の無給電素子を地板と短絡すると、第３の無給電素子の短絡点は頂点近傍の領域にあるため、第３の無給電素子に流れる電流は更に抑制され、導波器として作用しない。
【０３４８】
その結果、Ｘ方向、Ｙ方向の２次元で上述したアンテナよりも低角方向にアンテナの最大放射角を向けることができる。
【０３４９】
また地板から開放されている第１の無給電素子に隣接した第３の無給電素子Ａの第１のスイッチを導通状態にして第３の無給電素子Ａを地板と短絡させると、第３の無給電素子Ａに流れる電流は抑制されて、第３の無給電素子は導波器として機能しない。その結果、給電素子には１個の導波器のみが配列した形となり、上述したアンテナと同程度のビーム傾きとなる。
【０３５０】
以上のように構成することにより、給電素子に対し対称に配列された第１の無給電素子および第３の無給電素子の第１のスイッチの導通、遮断の組み合わせによって、Ｘ方向、Ｙ方向の２次元でアンテナの最大放射角をより低角向けることができ、アンテナの最大放射角を改善できる。また、ビームのチルト角自体も制御できる。
【０３５１】
本発明の実施例にかかるアンテナ装置においては、給電素子の直交する２辺、つまりＸ方向およびＹ方向の中点を通り、それぞれＸ軸およびＹ軸に垂直となる垂線上と、給電素子の対角線上の３箇所のうち少なくとも２箇所に給電点があり、給電点は第２のスイッチによって切り替えられるようにしてもよい。
【０３５２】
給電素子のＸ方向の辺の中点を通りＸ軸に垂直となる垂線上に設けられた給電点を給電点Ａ、給電素子のＹ方向の辺の中点を通りＹ軸に垂直となる垂線上に設けられた給電点を給電点Ｂ、給電素子の対角線上に設けられた給電点を給電点Ｃとする。
【０３５３】
給電点Ａに接続された第２のスイッチのみを導通し、他の２個の第２のスイッチを遮断状態にして給電点Ａを選択すると、給電点ＡはＸ方向の辺の中点を通りＸ軸に垂直となる垂線上にあるので、給電素子はＹ方向の直線偏波を放射する。ここで、給電素子の回りには一方向で対称に配置された第１の無給電素子が形成され、かつ第１の無給電素子には４つの頂点近傍の領域のうち１箇所に地板と短絡する第１のスイッチが設けられる。したがって、第１の無給電素子に接続された第１のスイッチの導通・遮断の組み合わせによってＹ方向の直線偏波を放射する場合にはＸ方向、Ｙ方向の２次元で指向性制御ができる。
【０３５４】
また、給電点Ｂに接続された第２のスイッチのみを導通し、他の２個の第２のスイッチを遮断状態にして給電点Ｂを選択すると、給電点ＢはＹ方向の辺の中点を通りＹ軸に垂直となる垂線上にあるので、給電素子はＸ方向の直線偏波を放射する。ここで、給電素子の回りには一方向で対称の第１の無給電素子が形成され、かつ第１の無給電素子には４つの頂点近傍の領域のうち１箇所に地板と短絡する第１のスイッチが設けられている。したがって、第１の無給電素子に接続された第１のスイッチの導通・遮断の組み合わせによってＸ方向の直線偏波を放射する時もＸ方向、Ｙ方向の２次元で指向性制御ができる。
【０３５５】
更に、給電点Ｃに接続された第２のスイッチのみを導通し、他の２個の第２のスイッチを遮断状態にして給電点Ｃを選択すると、給電点Ｃは対角線上にあり、かつ給電素子のＸ方向、Ｙ方向の辺の長さをＸ、Ｙの両辺が等しい正方形マイクロストリップアンテナの無負荷ＱをＱoとした場合、Ｌ１＜Ｗ１の場合は、上述した式（１）とすると、給電素子は円偏波を放射する。
【０３５６】
ここで、給電素子の回りには一方向で対称の第１の無給電素子があり、かつ第１の無給電素子には４つの頂点近傍の領域のうち１箇所に地板と短絡する第１のスイッチが設けられている。したがって、第１の無給電素子に接続された第１のスイッチの導通・遮断の組み合わせによって円偏波を放射する時もＸ方向、Ｙ方向の２次元で指向性制御ができる。
【０３５７】
さらに、第１の無給電素子の外周に第２の無給電素子を設けることにより、ビームの天頂からのチルト角を更に大きくできる。
【０３５８】
また、第１の無給電素子の外周に第３の無給電素子を設けことにより、ビームを天頂からより大きく傾けることができる。また、第３の無給電素子に接続された第１のスイッチの導通・遮断の組み合わせによってチルト角を広い範囲で制御できる。
【０３５９】
以上のように構成することにより、指向性制御を実現しながら偏波切り替えが可能となる。
【０３６０】
本発明の実施例にかかるアンテナ装置においては、給電素子、第１の無給電素子および第３の無給電素子は隣接する２辺が第３のスイッチによって接続される構造を備えることにより、第３のスイッチの導通、遮断の組み合わせによって複数の共振長をもつ矩形の放射素子を形成することができる。
【０３６１】
最初に、高周波に対応する場合について述べる。第３のスイッチを全て遮断して高周波対応にすると、給電点によって直接励振される素子は給電素子のみとなる。この場合の放射素子を放射素子Ａとする。放射素子Ａの周辺には、第１の無給電素子と第３の無給電素子とがマトリックス状に配置されており、第１の無給電素子および第３の無給電素子の４つの頂点近傍の領域のうち少なとも１箇所には地板と短絡する第１のスイッチが設けられている。したがって、第１のスイッチにより、第１の無給電素子および第３の無給電素子と、地板とを短絡または開放することによりＸ方向、Ｙ方向の２次元で指向性を切り替えることができる。
【０３６２】
次に、低周波へ対応する場合について述べる。第３のスイッチにより、給電素子と無給電素子とを接続し、放射素子Ａよりも励振長の長い略矩形の放射素子Ｂを形成する。この場合も放射素子Ｂの周辺には無給電素子が存在するため、第３のスイッチによって無給電素子同士を接続して放射素子Ｂと相互作用をする無給電素子Ｂを形成することができる。
【０３６３】
放射素子Ｂは無給電素子を接続しているので、素子内には地板と短絡する第１のスイッチが複数個設けられることになる。よって、放射素子Ｂに設けられる第１のスイッチを地板と短絡または開放することによって、放射素子ＢもＸ方向、Ｙ方向の２次元で指向性を切り替えることができる。
【０３６４】
このように構成することにより、多周波に対応しながら指向性制御を実現できる。
【０３６５】
また、本発明の実施例にかかるアンテナ装置はマイクロストリップアンテナの構造を採用しているため低姿勢であり、マイクロストリップ線路やコプレナー線路等の不平衡電流で励振できるため、バランが必要なく構造が簡単である。
【０３６６】
更に、給電素子と無給電素子とを接続して略矩形の放射素子を形成するため、比較的離れた周波数帯に対応する多周波アンテナを実現できる。
【０３６７】
また、本発明の実施例にかかるアンテナ装置において、給電素子に設けられた給電点に整合回路を設けるようにしてもよい。
【０３６８】
第３のスイッチの導通／遮断の組み合わせによって、２周波（低周波対応と高周波対応）に対応する場合、予め高周波（あるいは低周波）においてアンテナの入力インピーダンスを給電線の特性インピーダンスに合わせておく。また、低周波（あるいは高周波）で用いる場合は切り替えスイッチによってアンテナを整合回路に接続することによりインピーダンスマッチング行う。高周波（あるいは低周波）で用いる場合は切り替えスイッチによって給電線から整合回路を遮断することでアンテナの入力インピーダンスを給電線の特性インピーダンスにマッチングさせる。その結果、２周波の両方で反射が小さくなり、損失を抑制できる。
【０３６９】
３周波以上に対応させる場合は素子定数を可変できる整合回路を用い、素子定数を適切に選択することにより、各周波数でアンテナの入力インピーダンスを給電線の特性インピーダンスにマッチングできる。このため、全ての周波数で反射を小さくなり損失を抑制できる。
【０３７０】
第３のスイッチを全て遮断して高周波対応にした場合の放射素子を放射素子Ａとすると、放射素子Ａは給電素子に一致する。給電点Ａに接続された第２のスイッチのみを導通し、他の２個の第２のスイッチを遮断状態にして、給電点Ａを選択すると、給電点Ａは放射素子ＡのＸ方向の辺の中点を通りＸ軸に垂直となる垂線上にあるので、放射素子ＡはＹ方向の直線偏波を放射する。ここで、放射素子Ａの回りにはマトリックス状に配置された第１および第３の無給電素子が形成され、かつ第１および第３の無給電素子には４つの頂点近傍の領域のうち１箇所に地板と短絡する第１のスイッチが設けられる。したがって、第１および第３の無給電素子に接続された第１のスイッチの導通・遮断の組み合わせによってＹ方向の直線偏波を放射する時はＸ方向、Ｙ方向の２次元で指向性制御ができる。
【０３７１】
同様に、給電点Ｂに接続された第２のスイッチのみを導通し、他の２個の第２のスイッチを遮断状態にして給電点Ｂを選択すると、給電点Ｂは放射素子ＡのＹ方向の辺の中点を通り、Ｙ軸に垂直となる垂線上にあるので、放射素子ＡはＸ方向の直線偏波を放射する。ここで放射素子Ａの回りにあるマトリックス状に配置された第１および第３の無給電素子の第１のスイッチによってＸ方向、Ｙ方向の２次元で指向性制御ができる。
【０３７２】
更に、給電点Ｃに接続された第２のスイッチのみを導通し、他の２個の第２のスイッチを遮断状態にして給電点Ｃを選択すると、給電点Ｃは対角線上にあり、かつ給電素子のＸ方向、Ｙ方向の辺の長さをＸ、Ｙの両辺が等しい正方形マイクロストリップアンテナの無負荷QをQoとした場合、L1＜W1の場合は上述した式（１）とすると、放射素子Ａは円偏波を放射する。ここで、放射素子Ａの回りにあるマトリックス状に配置された第１および第３の無給電素子に備えられた第１のスイッチによってＸ方向、Ｙ方向の２次元で指向性制御ができる。
【０３７３】
以上のように、高周波対応とした場合は、Ｘ方向、Ｙ方向の直線偏波と円偏波の切り替えと指向性制御が同時に実現できる。
【０３７４】
また、第３のスイッチによって給電素子と無給電素子とを接続して、給電素子が中心に配置された略矩形の放射素子Ｂを形成した場合は、給電点Ａは給電素子のＸ方向の辺の中点を通りＸ軸と垂直となる垂線上に設けられているので、放射素子Ｂに対しても給電点ＡはＸ方向の辺の中点を通りＸ軸に垂直となる垂線上に設けられることになる。
【０３７５】
また、給電点Ｂは給電素子のＹ方向の辺の中点を通りＹ軸に垂直となる垂線上に設けられているので、放射素子Ｂに対しても給電点ＢはＸ方向の辺の中点を通りＸ軸に垂直となる垂線上に設けられることになる。
【０３７６】
また、給電点Ｃは給電素子の対角線上に設けられているので、放射素子Ｂに対しても給電点Ｃは放射素子Ｂの対角線上に設けられることになる。よって、低周波対応とした場合もＸ方向、Ｙ方向の直線偏波と円偏波の切り替えと指向性制御とを同時に実現することができる。
【０３７７】
また、第３のスイッチによって、給電素子と無給電素子とを接続して給電素子が中心に配置されない矩形の放射素子を形成した場合は、直線偏波と楕円偏波、あるいは楕円偏波同士の切り替えと指向性制御を同時に実現することができる。
【０３７８】
以上のように、本発明の実施例にかかるアンテナ装置は、多周波対応，偏波切り替え、指向性制御の３機能を同時に実現することができる。
【０３７９】
また、本発明の実施例にかかるアンテナ装置においては、第１の無給電素子に設けられたの第１のスイッチを、例えばＰＩＮダイオード、ＭＥＭＳスイッチにより構成するようにしてもよい。
【０３８０】
ＰＩＮダイオードは安価なチップ部品が入手でき、かつ２０ＧＨｚまでは良好に高周波信号を遮断できる。したがって、第１のスイッチにＰＩＮダイオードを用いた場合は無線ＬＡＮや携帯端末用途での指向性制御アンテナを実現できる。
【０３８１】
一方、第１のスイッチにＭＥＭＳスイッチを用いた場合、ＭＥＭＳスイッチは１００ＧＨｚ程度までの高周波信号も良好に遮断でき、更に挿入ロスも小さいことから、より高い周波数、例えばサブミリ波〜ミリ波を対象とした指向性制御アンテナを実現できる。
【０３８２】
また、本発明の実施例にかかるアンテナ装置においては、第２のスイッチを、例えば、ＰＩＮダイオード、ＭＥＭＳスイッチにより構成するようにしてもよい。
【０３８３】
第２のスイッチにＰＩＮダイオードを用いた場合、ＰＩＮダイオードは安価なチップ部品が入手でき、かつ２０ＧＨｚまでは良好に高周波信号を遮断できることから、無線ＬＡＮや携帯端末用途での指向性制御アンテナを実現できる。一方、第２のスイッチにＭＥＭＳスイッチを用いた場合、ＭＥＭＳスイッチは１００ＧＨｚ程度までの高周波信号も良好に遮断でき、更に挿入ロスも小さいことから、より高い周波数,例えばサブミリ波〜ミリ波を対象とした指向性制御アンテナを実現できる。
【０３８４】
また、本発明の実施例にかかるアンテナ装置においては、第２のスイッチは前記誘電体の下層に積層された第２の基板に形成されるようにしてもよい。このように構成することにより、第２スイッチを駆動するバイアスラインを第２の基板上に形成できる。
【０３８５】
また、ＭＥＭＳスイッチやＰＩＮダイオードから構成される第２のスイッチは1mm□以下の大きさであるため、第２の基板上において給電素子と第１の無給電素子の占有面積に相当するエリア内に第２のスイッチを全て集積することができる。そのため、誘電体の面積でアンテナモジュールの面積がほぼ決まり、アンテナモジュールを小型にできる。
【０３８６】
また、本発明の実施例にかかるアンテナ装置において、第３のスイッチをＰＩＮダイオードにより構成するようにしてもよい。ＰＩＮダイオードは、安価なチップ部品が入手でき、かつ２０ＧＨｚまでは良好にＲＦ信号を遮断できることから、２．４ＧＨｚや５ＧＨｚの無線ＬＡＮの複数規格に対応する指向性制御アンテナに適している。
【０３８７】
また、第３のスイッチを、ＭＥＭＳスイッチにより構成するようにしてもよい。ＭＥＭＳスイッチは１００ＧＨｚ程度までの高周波信号を良好に遮断でき、更に挿入ロスも小さいことから、高い周波数、例えばサブミリ波〜ミリ波を対象とした多周波対応の指向性制御アンテナを構成することができる。
【０３８８】
また、第３のスイッチを、給電素子または無給電素子の辺と略同一長に形成するようにしてもよい。第３のスイッチの導通、遮断状態の組み合わせによって略矩形の放射素子を形成した場合、放射素子の内部では４個の第３のスイッチによって囲まれた空隙は小さくなる。その結果放射素子の比帯域を拡大できる。
【０３８９】
また、第３のスイッチを他のスイッチと対向する先端部分の形状をＶ字形状に延長するようにしてもよい。このようにすることにより、対向する４つのスイッチの間隔、言い換えれば隣接する部分をＸ字状になるようにできる。このため、第３のスイッチの導通、遮断状態の組み合わせによって略矩形の放射素子を形成した場合、第３のスイッチで囲まれた空隙を更に小さくでき、放射素子の比帯域を更に改善できる。
【０３９０】
また、本発明の実施例にかかる無線モジュールは、上述したアンテナ装置を備える。このため、指向性切り替えまたは指向性制御が可能である。したがって、所望の方向にアンテナの最大放射角を向けることによって高い利得を実現でき、良好な送受信を実現できる。
【０３９１】
また、本発明の実施例にかかる無線モジュールは、偏波の切り替えも可能とすることができることから、１個の無線モジュールで複数の偏波の規格に対応でき、無線モジュール自体を小型にできる。また、電波状況によっては偏波や指向性を切り替えることで絶えず良好な送受信を行うことが可能となる。
【０３９２】
また、本発明の実施例にかかる無線モジュールは、多周波に対応させることもできる。このため、１個の無線モジュールで複数の周波数規格に対応でき、無線モジュール自体を小型にできる。また、電波状況によっては指向性を切り替えることにより、絶えず良好な送受信を行うことが可能となる。
【０３９３】
また、本発明の実施例にかかる無線システムは、上述した無線モジュールを備える。このため、指向性切り替えまたは指向性制御が可能である。したがって、所望の方向にアンテナの最大放射角を向けることによって高い利得を実現でき、良好な送受信が実現できる。
【０３９４】
また、本発明の実施例にかかる無線システムは、偏波切り替えを可能とすることができ、１個の無線システムで複数の偏波の規格に対応でき、無線システム自体を小型にできる。また、電波状況によって偏波や指向性を切り替えることで、絶えず良好な送受信が可能となる。
【０３９５】
また、本発明の実施例にかかる無線システムは、多周波対応も可能となることから、１個の無線システムで複数の周波数規格に対応でき、無線システム自体を小型にできる。また、電波状況によっては指向性を切り替えることで絶えず良好な送受信を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０３９６】
【図１Ａ】本発明の一実施例にかかるアンテナを示す模式図である。
【図１Ｂ】本発明の一実施例にかかるアンテナを示す模式図である。
【図２Ａ】本発明の一実施例にかかるアンテナを示す模式図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施例にかかるアンテナを示す模式図である。
【図３Ａ】本発明の一実施例にかかるアンテナを示す模式図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施例にかかるアンテナを示す模式図である。
【図４Ａ】本発明の一実施例にかかるアンテナを示す模式図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施例にかかるアンテナを示す模式図である。
【図５Ａ】本発明の一実施例にかかるアンテナを示す模式図である。
【図５Ｂ】本発明の一実施例にかかるアンテナを示す模式図である。
【図６Ａ】本発明の一実施例にかかるアンテナを示す模式図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施例にかかるアンテナを示す模式図である。
【図７Ａ】本発明の一実施例にかかるアンテナを示す模式図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施例にかかるアンテナを示す模式図である。
【図８Ａ】本発明の一実施例にかかるアンテナを示す模式図である。
【図８Ｂ】本発明の一実施例にかかるアンテナを示す模式図である。
【図９Ａ】本発明の一実施例にかかるアンテナを示す模式図である。
【図９Ｂ】本発明の一実施例にかかるアンテナを示す模式図である。
【図１０】第３のスイッチを示す模式図である。
【図１１】第３のスイッチの導通／遮断の組み合わせの一例を示す説明図である。
【図１２】第３のスイッチの導通／遮断の組み合わせの一例を示す説明図である。
【図１３】マイクロストリップアンテナの入力インピーダンスの近似式を説明するための説明図である。
【図１４】本発明の一実施例にかかるアンテナを示す模式図である。
【図１５】第３のスイッチの構造を示す模式図である。
【図１６Ａ】本発明の一実施例にかかるアンテナを示す模式図である。
【図１６Ｂ】本発明の一実施例にかかるアンテナを示す模式図である。
【図１７Ａ】本発明の一実施例にかかる無線モジュールを示す模式図である。
【図１７Ｂ】本発明の一実施例にかかる無線モジュールを示す模式図である。
【図１８】本発明の一実施例にかかる無線システムを示す模式図である。
【図１９Ａ】本発明の一実施例にかかる無線モジュールを示す模式図である。
【図１９Ｂ】本発明の一実施例にかかる無線モジュールを示す模式図である。
【図２０】本発明の一実施例にかかる無線システムを示す模式図である。
【図２１】アンテナを示す模式図である。
【図２２Ａ】アンテナを示す模式図である。
【図２２Ｂ】アンテナの特性を示す特性図である。
【図２３】アンテナを示す模式図である。
【図２４】アンテナを示す模式図である。
【図２５】アンテナを示す模式図である。
【図２６】アンテナを示す模式図である。
【図２７】アンテナを示す模式図である。
【図２８】アンテナを示す模式図である。
【図２９】アンテナを示す模式図である。
【図３０】アンテナを示す模式図である。
【図３１】アンテナを示す模式図である。
【図３２Ａ】アンテナを示す模式図である。
【図３２Ｂ】アンテナを示す模式図である。
【図３３】アンテナを示す模式図である。
【図３４】アンテナを示す模式図である。
【符号の説明】
【０３９７】
１００    アンテナ
１０２    地板
１０４    誘電体
１０６    給電素子
１０８    第１の無給電素子
１１０    第１のスイッチ
１１２    給電点Ａ
１１４    給電線
１１６    給電点Ｂ
１１８    給電点Ｃ
１２０    第２の無給電素子
１２２    第３の無給電素子
１２４    第２の基板
１２６    第２のスイッチ
１２８    給電線
１３０    下部電極
１３２    上部電極
１３４    整合回路
１３６    第３のスイッチ
１３８    素子（給電素子、第１の無給電素子、第３の無給電素子）
１４０    第３の基板
１４２    フロントエンド回路
１４４    可動電極
１４６    固定電極
２００    無線モジュール
３００    無線システム
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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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１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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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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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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【図３３】
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【図３４】
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