(57)【要約】【課題】  ２次元または３次元の指向性制御が可能で帯域幅が改善でき、かつ小型化が可能な指向性制御マイクロストリップアンテナおよび無線モジュールならびに無線システムを実現すること。【解決手段】  誘電体１０と、該誘電体１０の下面に設けられた地板１５と、誘電体１０の上面に設けられた矩形の給電素子１１と、該給電素子１１を取り囲むようにマトリックス状に配置され、かつ該給電素子とほぼ同じ共振長を有する矩形の８個の第１の無給電素子１２と、隣接した前記第１の無給電素子間１２を選択的に接続あるいは遮断する第１のスイッチ１３とを有する。【選択図】      図１
2006115451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体と、該誘電体の下面に設けられた地板と、前記誘電体の上面に設けられた矩形の給電素子と、該給電素子を取り囲むようにマトリックス状に配置され、かつ該給電素子とほぼ同じ共振長を有する矩形の８個の第１の無給電素子と、隣接した前記第１の無給電素子間を選択的に接続あるいは遮断する第１のスイッチとを有することを特徴とする指向性制御マイクロストリップアンテナ。
【請求項２】
請求項１に記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、
前記８個の第１の無給電素子の少なくとも一部の無給電素子に、前記地板との間を選択的に短絡するための第２のスイッチを有することを特徴とする指向性制御マイクロストリップアンテナ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、
前記第１のスイッチは、隣接する第１の無給電素子の対向する辺のほぼ全面で選択的に接続または遮断される構造を有することを特徴とする指向性制御マイクロストリップアンテナ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、
前記第１の無給電素子の外周に前記給電素子とほぼ同じ共振長を有する矩形の第２の無給電素子と、隣接した前記第１の無給電素子と前記第２の無給電素子の間、および、前記第２の無給電素子同士間を選択的に接続または遮断するための第３のスイッチとを有することを特徴とする指向性制御マイクロストリップアンテナ。
【請求項５】
請求項４に記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、
前記第２の無給電素子の少なくとも一部の無給電素子に、前記地板との間を選択的に短絡するための第４のスイッチを有することを特徴とする指向性制御マイクロストリップアンテナ。
【請求項６】
請求項４〜５のいずれかに記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、
前記第３のスイッチは、隣接する無給電素子の対向する辺のほぼ全面で接続または遮断される構造を有することを特徴とする指向性制御マイクロストリップアンテナ。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれかに記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、
前記第１のスイッチと第３のスイッチは他のスイッチと対向する先端部分の形状をＶ字形状に延長し、対向する４つのスイッチの間隔がＸ字状になるようにしたことを特徴とする指向性制御マイクロストリップアンテナ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、
前記矩形の給電素子と、矩形の第１の無給電素子は第５のスイッチによって接続または遮断されることを特徴とする多周波対応の指向性制御マイクロストリップアンテナ。
【請求項９】
請求項８に記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、
前記第５のスイッチは隣接する給電素子と第１の無給電素子の対向する辺のほぼ全面で接続または遮断される構造を有することを特徴とする多周波対応の指向性制御マイクロストリップアンテナ。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、
前記第１のスイッチ，第３のスイッチ，第５のスイッチは他のスイッチと対向する先端部分の形状をＶ字形状に延長し、対向する４つのスイッチの間隔がＸ字状になるようにしたことを特徴とする多周波対応の指向性制御マイクロストリップアンテナ。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれかに記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、
前記給電素子の給電点に整合回路を設けたことを特徴とする多周波対応の指向性制御マイクロストリップアンテナ。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、
前記第１のスイッチは、ＰＩＮダイオードまたはＭＥＭＳスイッチであることを特徴とする指向性制御マイクロストリップアンテナ。
【請求項１３】
請求項２〜６のいずれかに記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、
前記第２のスイッチは、ＰＩＮダイオードまたはＭＥＭＳスイッチであることを特徴とする指向性制御マイクロストリップアンテナ。
【請求項１４】
請求項４〜６のいずれかに記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、
前記第３のスイッチは、ＰＩＮダイオードまたはＭＥＭＳスイッチであることを特徴とする指向性制御マイクロストリップアンテナ。
【請求項１５】
請求項５に記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、
前記第４のスイッチは、ＰＩＮダイオードまたはＭＥＭＳスイッチであることを特徴とする指向性制御マイクロストリップアンテナ。
【請求項１６】
請求項８〜１１のいずれかに記載の多周波対応の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、
前記第５のスイッチは、ＰＩＮダイオードまたはＭＥＭＳスイッチであることを特徴とする多周波対応の指向性制御マイクロストリップアンテナ。
【請求項１７】
請求項１〜１０のいずれかに記載の指向性制御マイクロストリップアンテナを用いたことを特徴とする無線モジュール。
【請求項１８】
請求項１１に記載の無線モジュールを使用した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、アンテナモジュール技術に係り、特に指向性制御が可能なマイクロストリップアンテナ、多周波対応の指向性制御が可能なマイクロストリップアンテナおよび該アンテナを用いた無線モジュールならびに無線システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の情報化社会において無線通信はますます重要性を高めている。従来の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が、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する電波にとってノイズ源となり、S／Nを低下させて所望する電波の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、より高出力で送信する必要があるが、高出力での送信は消費電力を増加させる一因になっていた。
【０００３】
近年、環境問題が重要視され、電波も有限な資源と見なす電波エコロジが提唱されており、電波の周波数や電力を効率良く使用するための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という利点がある。
【０００４】
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、干渉波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。
【０００５】
一方、指向性制御アンテナを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。
【０００６】
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シチー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。
【０００７】
指向性アンテナとしては、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従来から採用されている。
【０００８】
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。
【０００９】
また、指向性アンテナとしては八木・宇田アンテナが広く知られている。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を置いて指向性を付与するものである。
【００１０】
八木・宇田アンテナの原理を２次元の指向性制御アンテナに用いた例としては特開２００１−３６３３７号公報（特許文献１）に開示されたものがある。
【００１１】
特許文献１においては、図２６に示すように、給電素子１００の回りに複数の無給電素子１０１を配置し、この無給電素子１０１にキャパシタ１０２と地板１０３と導通するスイッチ回路１０４を並列に設け、該スイッチ回路１０４を選択的に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ようにしている。
【００１２】
特許文献１に開示されたものは、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することは可能であるが、給電素子１００や無給電素子１０１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端末にはやはり採用できない。
【００１３】
指向性を制御する他の方法としては、特開平６−１１２７２７号公報（特許文献２）に開示されたものがある。特許文献２に開示された指向性制御構成を図２７（ａ）に、その放射パターンを図２７（ｂ）（ｃ）に示す。
【００１４】
特許文献２においては、図２７（ａ）に示すように、誘電体１１０の裏面に地板１１１を設け、誘電体１１０の表面には外周部が地板１１１と短絡した円環放射導体１１２を設け、さらに円環放射導体１１２の内部には地板１１１と短絡するダイオード１１３を配置している。
【００１５】
この構成によれば、ダイオード１１３のＯＮ／ＯＦＦ制御により２つの励振モード（ＴＭ１１０モード（図２７（ｂ））とＴＭ２１０モード（図２７（ｃ）））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替えが可能となる。
【００１６】
しかしながら、特許文献２の場合、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。
【００１７】
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提案されている。
【００１８】
しかしながら、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。
【００１９】
一方、アダプティブアンテナは、ベクトル合成するための演算回路およびベクトル合成をベースバンドで行な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り、またベクトル合成をフロントエンドで行な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、したがって無線モジュールの複雑化・大型化は避けられない。
【００２０】
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ている。エスパアンテナは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が１個で良いことから大きな期待を集めている。
【００２１】
エスパアンテナの従来例としては、例えば特開２００１−２４４３１号公報（特許文献３），特開２００２−１６４２７号公報（特許文献４）などが知られている。例えば特許文献３には、図２８に示すように、接地導体１２０上に、モノポールアンテナからなる給電素子１２１（Ａ０）と、そ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１２２（Ａ１〜Ａ６）とを配置し、無給電素子１２２のリアクタンスを変えることで指向性を制御するようにしたものが開示されている。
【００２２】
しかしながら、この場合、給電素子１２１の回りに多くの無給電素子１２２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。さら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。
【００２３】
また、特開平１０−１５４９１１号公報（特許文献５），特許第３２９４１５５号公報（特許文献６）には、可変リアクタンスの代わりに可変インピーダンスを用いたものがある。例えば特許文献５には、図２９に示すように、接地導体１３０上に、給電素子１３１とその周りに複数の無給電素子１３２を配置し、無給電素子１３２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負荷１３３を高インピーダンス／低インピーダンスで切替えて指向性を制御する方法が提案されている。
【００２４】
しかしながら、特許文献５および特許文献６に提案された方法も、多くの無給電素子１３２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。
【００２５】
また、平面アンテナを用いて指向性を制御する方法としては、『Electronically Steering Yagi-Uda Microstrip Patch Antenna array（1995年IEEE Antenna and Propagation Society International Symposium,p1870）』（非特許文献１）、『Electronic beam steering using switched parasitic patch elements（Electronics Letters,vol.33,No.1,p7-8,1997年）』（非特許文献２）、『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）』（非特許文献３）、『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４）等に開示された方法がある。
【００２６】
非特許文献１に開示されたものは、図３０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、給電素子を切替えることで４方向の指向性制御を実現している。
【００２７】
また、非特許文献２に開示されたものは、図３１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短絡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替える。
【００２８】
非特許文献３の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３２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（Ｆ−ＭＳＡ）の両端に可変リアクタンスが装荷された無給電素子（Ｐ−ＭＳＡ）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なっている。
【００２９】
なお、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。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。
【００３０】
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のアンテナ，特許文献３および特許文献４のエスパアンテナ，特許文献５や特許文献６のアンテナ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。
【００３１】
しかしながら、非特許文献１は４個の給電素子を切替えるためのスイッチが必要であり、フロントエンド回路が複雑になる。また、指向性は４方向に限定され、指向性の可変範囲は広くない。非特許文献２はE面のみで指向性制御が可能であり、指向性の可変範囲は狭い。
【００３２】
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、非特許文献１や非特許文献２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ってしまう。
【００３３】
なお、上記の指向性制御アンテナは全て１周波に対応しており、多周波に対しての記述はない。
【００３４】
また現在、携帯電話ではＰＤＣ（Personal Digital Celluler），ＦＯＭＡ，ＣＤＭＡ２０００，ＰＨＳ（Personal Handyphone System）等の第２世代の携帯電話、無線ＬＡＮではIEEE802.11a，802.11b，802.11gやBluetooth等、ＩＴＳ（Intelligent Transport Systems）ではＧＰＳ（Global Positioning System），ＶＩＣＳ（Vehicle Information Communication System），ＥＴＣ（Electronic Toll Collection System）等の無線規格に対応して複数の周波数が用いられており、将来も複数の周波数が並存する環境が続くと予想されている。そのため、１個の装置で複数の無線規格に対応できるマルチバンド無線システムが注目されている。
【００３５】
しかし、従来の無線通信では単一周波数のアンテナが用いられていたため、複数の周波数に対応する無線装置では単一周波数のアンテナを複数設ける必要があり、大型化してしまうという問題があった。
【００３６】
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。
【００３７】
マルチバンド対応アンテナの従来例としては、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としては、『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５）、『Multifrequency Microstrip Patch Antenna Using Multiple Stacked Elements (IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol.13, No.3, p123-124,2003年) 』（非特許文献６）、『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）』（非特許文献７）等に開示されている。
【００３８】
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。
【００３９】
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ている。例えば、『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）』（非特許文献８）、『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）』（非特許文献９）等の文献がある。
【００４０】
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という課題があった。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。
【００４１】
そこで、アンテナの共振長をスイッチで切替える方法が多数提案されている。例えば、特開２０００−２３６２０９号公報（特許文献７），特開２００２−２６１５３３号公報（特許文献８），特開２００３−１２４７３０号公報（特許文献９），米国特許（ＵＳＰ）第６１９８４３８号（特許文献１０），『GTRI Prototype Reconfigurable Aperture Design（2002年IEEE Antenna and Propagation Society International Symposium Digest,p473〜476）』（非特許文献１０），『The GTRI Prototype Reconfigurable Aperture Antenna（2003年IEEE Antenna and Propagation Society International Symposium Digest,p683〜686）』（非特許文献１１）等がある。
【００４２】
特許文献７では、図３３に示すように、金属片２０１をＰＩＮダイオード２０２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２０２にバイアスを印加してＰＩＮダイオード２０２の導通／遮断を切替えて共振長を変化させる。
【００４３】
そのため、１個の周波数に対してのみ共振し、所望以外の周波数の電波に対しては利得を小さくできるので、信号のＳ／Ｎ低下を抑制できる。特許文献７に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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
特許文献８では、図３４に示すように、アンテナ素子パターン２１８に１個の給電点（給電パターン）２１９と複数の接地点（接地パターン）２２０a，２２０b，２２０ｃ，２２０ｄを設け、これらの接地点２２０a，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄをそれぞれスイッチＳＷ２２１ａ，ＳＷ２２１ｂ，ＳＷ２２１ｃ，ＳＷ２２１ｄで切替えて共振長を変化させるものである。２１１はアンテナ部、２１２は配線基板、２１３はグランドパターン、２１４はＲＦモジュールである。
【００４７】
しかしながら、特許文献８ではスイッチで短絡点を切替えるため、各周波数でアンテナの入力インピーダンスが変化してしまう。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と思われる。
【００４８】
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５.２ＧＨｚ帯を用いる場合は対応できないと予想される。
【００４９】
特許文献９では、図３５（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１の放射素子３２０，第２の放射素子３３０，第３の放射素子３４０の３つの放射素子が切替え可能な給電点と短絡点を共有しており、スイッチＳＷ３６０，ＳＷ３６２によって給電点と短絡点を切替えることで４つの周波数帯を実現している。同図において、３００はアンテナ構造、３０５は短絡平面、３１０はサブアンテナ構造、３２２は第１の端部、３２４は給電ライン、３３２は第２の端部、３３４は間隔、３４２は第３の端部、３５０は給電ライン、３７０と３７２は無線周波数モジュール、Ａ１，Ａ２は開口である。
【００５０】
しかしながら、特許文献９では３つの放射素子３２０，３３０，３４０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。
【００５１】
特許文献１０では、図３６に示すように、マトリックス状に配置された要素素子４００が各々ＭＥＭＳスイッチ４２０で接続される構造となっている。
【００５２】
全てのＭＥＭＳスイッチ４２０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全体が１個の矩形の放射素子となり、低周波で共振する。
【００５３】
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、高周波の給電点４０５（個々の要素素子毎に設けられる）と低周波の給電点４１０（全体で一個設けられる）を異なる点を用いる。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。
【００５４】
また、また給電点を切替えるスイッチが必要になることから、アンテナの構造が複雑化してしまう。さらに、ＭＥＭＳスイッチ４２０上には給電点を設けることが困難といった欠点もある。
【００５５】
図３６の例では、１個の要素素子で共振させる高周波給電点４０５と３×３アレイ全体で共振させる低周波給電点４１０は要素素子（放射素子４００）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、たとえ３×３アレイを使っても２周波のみにしか対応できない。
【００５６】
さらに、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。
【００５７】
なお、上記の非特許文献８〜９、特許文献７〜１０には、指向性制御について何らの記載がない。
【００５８】
非特許文献１０、１１に記載されたGTRI Prototype Aperture Antennaは、図３７に示すように、基板５００上にマトリックス状に配置された要素素子５０１が各々ＦＥＴスイッチ５０２で接続され、平衡電流によって１箇所の給電点５０３で励振される構造となっている。GTRI Prototype Aperture AntennaはＦＥＴスイッチ５０２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替えることができる。
【００５９】
但し、ＦＥＴスイッチ５０２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。また給電点５０３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。
【００６０】
実際に上記の非特許文献で報告された可変周波数範囲は１〜２ＧＨｚ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。
【００６１】
また、特開２０００−１５６６０６号公報（特許文献１１）では、ＩＴＳ環境に特化した多周波指向性制御アンテナが提案されている。特許文献１１には指向性制御を実現する方法としてＲＦフロントエンド回路に移相器を設けたフェイズドアレイアンテナが記載されているが、１個のフェイズドアレイアンテナを多周波化する方法は全く記載されておらず、指向性制御と多周波化を同時に実現するためにはファイズドアレイアンテナを必要なバンドの数だけ準備する必要があり、コストが高く無線ＬＡＮ等では現実的ではないと思われる。
【００６２】
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く、上記文献に開示されている両方の機能を持つGTRI Prototype Aperture Antennaや特許文献１１に開示されたものにおいても、 性能・コストの点で問題がある。
【００６３】
なお、本出願人は、テーパードスロットアンテナに関して、特許出願を行っている。例えば、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（特許文献１５）等がある。
【００６４】
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。
【００６５】
【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２００２−１６４２７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（ＵＳＰ）第６１９８４３８号
【特許文献１１】特開２０００−１５６６０６号公報
【特許文献１２】特開平１０−１３１４１号公報
【特許文献１３】特開平１０−１３１４３号公報
【特許文献１４】特開平１０−１７３４３２号公報
【特許文献１５】特開平１１−１６３６２６号公報
【非特許文献１】1995年IEEE Antenna and Propagation Society International Symposium,p1870（Electronically Steering Yagi-Uda Microstrip Patch Antenna array）
【非特許文献２】Electronics Letters,vol.33,No.1,p7-8,1997年（Electronic beam steering using switched parasitic patch elements）
【非特許文献３】２00２年電子情報通信学会総合大会，講演番号B-1-234（ビーム成形用マイクロストリップアレーアンテナ）
【非特許文献４】２００３年電子情報通信学会総合大会，講演番号B-1-248  （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）
【非特許文献５】電子情報通信学会技術報告,AP2002-141,p41〜46,2003年（多層板構成の3周波共振アンテナの設計と実測結果）
【非特許文献６】IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol.13, No.3, p123-124,2003年（Multifrequency Microstrip Patch Antenna Using Multiple Stacked Elements ）
【非特許文献７】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（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）
【非特許文献８】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（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）
【非特許文献９】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（２周波スロットボウタイアンテナ）
【非特許文献１０】2002年IEEE Antenna and Propagation Society International Symposium Digest,p473〜476（GTRI Prototype Reconfigurable Aperture Design）
【非特許文献１１】2003年IEEE Antenna and Propagation Society International Symposium Digest,p683〜686（The GTRI Prototype Reconfigurable Aperture Antenna）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００６６】
本発明は、上記問題点を解消し、２次元または３次元の指向性制御が可能で帯域幅が改善でき、かつ小型化が可能な指向性制御マイクロストリップアンテナおよび無線モジュールならびに無線システムを提供することを目的とする。以下、請求項毎の目的を述べる。
【００６７】
請求項１〜１６記載の発明は、指向制御が可能な平面アンテナの構造を提供することを目的としている。
【００６８】
請求項３，６，７記載の発明は、上記の目的に加えてアンテナの帯域幅を改善することを目的としている。
【００６９】
請求項８〜１１記載の発明は、指向制御が可能な多周波対応平面アンテナの構造を提供することを目的としている。
【００７０】
請求項９，１０記載の発明は、上記の目的に加えて多周波アンテナの帯域幅を改善することを目的としている。
【００７１】
請求項１１記載の発明は、上記の目的に加えて多周波で整合が可能なアンテナの構造を提供することを目的としている。
【００７２】
請求項１２〜１６記載の発明は、無線ＬＡＮや携帯端末に適用できる指向性制御平面アンテナの構造を提供することを目的としている。また、サブミリ波〜ミリ波に対応できる指向性制御平面アンテナの構造を提供することを目的としている。
【００７３】
請求項１７記載の発明は、良好な送受信が行なえる小型な無線モジュールの構造を提供することを目的にしている。
【００７４】
請求項１８記載の発明は、良好な送受信が行なえる小型な無線システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００７５】
本発明は、上記目的を達成するために、次のような特徴ある構成を採用した。以下、請求項毎の構成を記す。
【００７６】
（１）請求項１記載の発明は、誘電体と、該誘電体の下面に設けられた地板と、前記誘電体の上面に設けられた矩形の給電素子と、該給電素子を取り囲むようにマトリックス状に配置され、かつ該給電素子とほぼ同じ共振長を有する矩形の８個の第１の無給電素子と、隣接した前記第１の無給電素子間を選択的に接続あるいは遮断する第１のスイッチとを有することを特徴とする指向性制御マイクロストリップアンテナである。
【００７７】
ｂ）請求項２記載の発明は、請求項１に記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、前記８個の第１の無給電素子の少なくとも一部の無給電素子に、前記地板との間を選択的に短絡するための第２のスイッチを有することを特徴とするものである。
【００７８】
ｃ）請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、前記第１のスイッチは、隣接する第１の無給電素子の対向する辺のほぼ全面で選択的に接続または遮断される構造を有することを特徴とするものである。
【００７９】
ｄ）請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、前記第１の無給電素子の外周に前記給電素子とほぼ同じ共振長を有する矩形の第２の無給電素子と、隣接した前記第１の無給電素子と前記第２の無給電素子の間、および、前記第２の無給電素子同士間を選択的に接続または遮断するための第３のスイッチとを有することを特徴とするものである。
【００８０】
ｅ）請求項５記載の発明は、請求項４に記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、前記第２の無給電素子の少なくとも一部の無給電素子に、前記地板との間を選択的に短絡するための第４のスイッチを有することを特徴とするものである。
【００８１】
ｆ）請求項６記載の発明は、請求項４〜５のいずれかに記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、前記第３のスイッチは、隣接する無給電素子の対向する辺のほぼ全面で接続または遮断される構造を有することを特徴とするものである。
【００８２】
ｇ）請求項７記載の発明は、請求項４〜６のいずれかに記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、前記第１のスイッチと第３のスイッチは他のスイッチと対向する先端部分の形状をＶ字形状に延長し、対向する４つのスイッチの間隔がＸ字状になるようにしたことを特徴とするものである。
【００８３】
ｈ）請求項８記載の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、前記矩形の給電素子と、矩形の第１の無給電素子は第５のスイッチによって接続または遮断されることを特徴とするものである。
【００８４】
ｉ）)請求項９記載の発明は、請求項８に記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、前記第５のスイッチは隣接する給電素子と第１の無給電素子の対向する辺のほぼ全面で接続または遮断される構造を有することを特徴とするものである。
【００８５】
ｊ）請求項１０記載の発明は、請求項８〜９のいずれかに記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、前記第１のスイッチ，第３のスイッチ，第５のスイッチは他のスイッチと対向する先端部分の形状をＶ字形状に延長し、対向する４つのスイッチの間隔がＸ字状になるようにしたことを特徴とするものである。
【００８６】
ｋ）請求項１１記載の発明は、請求項８〜１０のいずれかに記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、前記給電素子の給電点に整合回路を設けたことを特徴とするものである。
【００８７】
ｌ）請求項１２記載の発明は、請求項１〜１１のいずれかに記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、前記第１のスイッチは、ＰＩＮダイオードまたはＭＥＭＳスイッチであることを特徴とするものである。
【００８８】
ｍ）請求項１３記載の発明は、請求項２〜６のいずれかに記載のに記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、前記第２のスイッチは、ＰＩＮダイオードまたはＭＥＭＳスイッチであることを特徴とするものである。
【００８９】
ｎ）請求項１４記載の発明は、請求項４〜６のいずれかに記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、前記第３のスイッチは、ＰＩＮダイオードまたはＭＥＭＳスイッチであることを特徴とするものである。
【００９０】
ｏ）請求項１５記載の発明は、請求項５に記載の指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、前記第４のスイッチは、ＰＩＮダイオードまたはＭＥＭＳスイッチであることを特徴とするものである。
【００９１】
ｐ）請求項１６記載の発明は、請求項８〜１１に記載の多周波対応指向性制御マイクロストリップアンテナにおいて、前記の第５のスイッチはＰＩＮダイオードまたはＭＥＭＳスイッチであることを特徴とする多周波対応指向性制御マイクロストリップアンテナ。
【００９２】
ｑ）請求項１７記載の発明は、請求項１〜１６のいずれかに記載の指向性制御マイクロストリップアンテナを用いたことを特徴とする無線モジュールである。
【００９３】
ｒ）請求項１８記載の発明は、請求項１７に記載の無線モジュールを使用したことを特徴とする無線システムである。
【発明の効果】
【００９４】
本発明は、上記構成を採用することにより、２次元または３次元の指向性制御が可能で帯域幅が改善でき、かつ小型化が可能な指向性制御マイクロストリップアンテナおよび無線モジュールならびに無線システムを実現することができる。以下、請求項毎の効果を述べる。
【００９５】
ａ）請求項１の指向性制御マイクロストリップアンテナは、誘電体と、該誘電体の下面に設けられた地板と、前記誘電体の上面に設けられた矩形の給電素子と、該給電素子を取り囲むようにマトリックス状に配置され、かつ該給電素子とほぼ同じ共振長を有する矩形の８個の第１の無給電素子と、隣接した前記第１の無給電素子間を選択的に接続あるいは遮断する第１のスイッチとを有する。そのため、第１のスイッチをＯＮ状態とすると隣接した第１の無給電素子を接続できる。
【００９６】
給電素子が基本モードで励振された場合、第１の無給電素子は給電素子との相互作用によって励振される。第１のスイッチがＯＦＦ状態である第１の無給電素子は給電素子と共振長がほぼ同じであるため基本モードで励振される。
【００９７】
一方、第１のスイッチを介して接続された第１の無給電素子は給電素子の２〜３倍の共振長を持つことができるので２〜３次モードを選択できる。
【００９８】
よって、第１のスイッチを介して接続された第１の無給電素子を給電素子に対して非対称に配置することによって、放射パターンを天頂から傾かせることができる。
【００９９】
また、第１の無給電素子は給電素子を取り囲みマトリックス状に８個配置されているため、高次モードで励振される接続された第１の無給電素子を給電素子に対して種々の方向で配置できるため、ＸＹの２次元で指向性を制御できる。
【０１００】
また、第１のスイッチのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせによって２次元で指向性制御を実現できるためＸ字型配列マイクロストリップアレーアンテナのような指向性を切替えるための特別な回路を必要とせず、安価に指向性制御アンテナを作製できる。
【０１０１】
さらに、給電素子，第１の無給電素子はマイクロストリップアンテナ構造を採用しているため平面構造であり、アンテナを小型化できる。
【０１０２】
ｂ）請求項２の指向性制御マイクロストリップアンテナは、前記８個の第１の無給電素子の少なくとも一部の無給電素子に、前記地板との間を選択的に短絡するための第２のスイッチを有する。そのため、第２のスイッチをＯＮ状態にすると第１の無給電素子は地板と短絡し、第１の無給電素子を流れる電流は著しく抑制されて放射パターンへの寄与は小さくなる。
【０１０３】
また、第２のスイッチをＯＦＦ状態にすると、第１の無給電素子は地板と開放されるため、第１の無給電素子を流れる電流は抑制されず放射パターンへ寄与する。よって第２のスイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御することによって放射パターンの仰角を変化させることが可能となる。
【０１０４】
その結果、第１のスイッチ，第２のスイッチの組み合わせによって３次元での指向制御を実現でき、所望の方向にアンテナの最大放射角をより向けることができるためさらに良好な通信が可能となる。
【０１０５】
ｃ）請求項３の指向性制御マイクロストリップアンテナは、前記第１のスイッチは、隣接する第１の無給電素子の対向する辺のほぼ全面で選択的に接続または遮断される構造を有する。そのため、第１のスイッチによって接続された第１の無給電素子を流れる電流は第１のスイッチの領域で制限されず、接続された第１の無給電素子の帯域幅は低下しにくい。また、アンテナ自体の帯域幅を請求項１〜２の指向性制御マイクロストリップアンテナより改善できる。
【０１０６】
ｄ）請求項４の指向性制御マイクロストリップアンテナは、前記第１の無給電素子の外周に前記給電素子とほぼ同じ共振長を有する矩形の第２の無給電素子と、隣接した前記第１の無給電素子と前記第２の無給電素子の間、および、前記第２の無給電素子同士間を選択的に接続または遮断するための第３のスイッチとを有する。そのため、第１のスイッチと第３のスイッチをＯＮ状態とすると、隣接した第１の無給電素子同士、第２の無給電素子同士、および第１の無給電素子と第２の無給電素子間を接続できる。
【０１０７】
給電素子が基本モードで励振された場合、第１，第２の無給電素子は給電素子との相互作用によって励振される。第１，第３のスイッチがＯＦＦ状態である第１，第２の無給電素子は給電素子と共振長がほぼ同じであるため基本モードで励振される。
【０１０８】
一方、第１のスイッチ，第３のスイッチを介して接続された無給電素子はH面方向では給電素子の２〜５倍の共振長を持つことができるので２〜５次モードで励振される。よって第１，第３のスイッチを介して接続された無給電素子を給電素子に対して非対称に配置することによって、放射パターンを天頂から傾かせることができる。
【０１０９】
また、第１の無給電素子は給電素子を取り囲みマトリックス状に８個配置されており、第２の無給電素子は第１の無給電素子の外周に配置されているため、高次モードで励振される接続された無給電素子を給電素子に対して種々の方向で配置できるため、ＸＹの２次元でより細かく指向性を制御できる。
【０１１０】
さらに、E面（垂直）方向で考えると、第１の無給電素子の外側に第２の無給電素子があり、前記の第１の無給電素子と第２の無給電素子は第３のスイッチで接続できるため、給電素子にE面で隣接する無給電素子は給電素子の２倍の共振長を持つことができ、２次モードを選択できる。よってE面方向でのビームチルト角を請求項１〜３のアンテナよりも大きくすることができる。
【０１１１】
以上のように請求項４の構造では第１のスイッチ，第３のスイッチのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせによって３次元方向で多様な指向性パターンが実現できる。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ることが可能となり、さらに良好な通信が可能となる。
【０１１２】
ｅ）請求項５の指向性制御マイクロストリップアンテナは、前記第２の無給電素子の少なくとも一部の無給電素子に、前記地板との間を選択的に短絡するための第４のスイッチを有する。そのため、第４のスイッチをＯＮ状態にすると第２の無給電素子は地板と短絡し、第２の無給電素子を流れる電流は著しく抑制されて放射パターンへの寄与は小さくなる。また、第４のスイッチをＯＦＦ状態にすると第２の無給電素子は地板と開放されるため、第２の無給電素子を流れる電流は抑制されず放射パターンへ寄与する。
【０１１３】
よって、第４のスイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御することによって放射パターンの仰角を変化させることが可能となる。そのため第１のスイッチ、第２のスイッチ、第４のスイッチのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせによって３次元での指向制御が実現できる。
【０１１４】
また、第１の無給電素子の少なくとも一部に地板と短絡する第２のスイッチを設けると、第２のスイッチと第４のスイッチのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせによってビームのチルト角をより細かく制御できるようになる。
【０１１５】
ｆ）請求項６の指向性制御マイクロストリップアンテナは、前記第３のスイッチは、隣接する無給電素子の対向する辺のほぼ全面で接続または遮断される構造を有する。そのため、第３のスイッチによって接続された第１の無給電素子と第２の無給電素子または第２の無給電素子間を流れる電流は第３のスイッチの領域で制限されず、接続された無給電素子の帯域幅は低下しにくい。そのためアンテナ自体の帯域幅を請求項５より改善できる。
【０１１６】
ｇ）請求項７の指向性制御マイクロストリップアンテナは、前記第１のスイッチと第３のスイッチは他のスイッチと対向する先端部分の形状をＶ字形状に延長し、対向する４つのスイッチの間隔がＸ字状になっている。そのため、４個のスイッチで囲まれた空隙は請求項６よりもさらに小さくなり、第１，第３のスイッチの導通、遮断状態の組み合わせによって接続された無給電素子を形成した場合、接続された無給電素子に流れる電流は第１のスイッチ，第３のスイッチでさらに制限されなくなる。その結果接続された無給電素子の帯域幅の低下はさらに抑制され、アンテナ自体の帯域幅を請求項６よりも改善できる。
【０１１７】
ｈ）請求項８の指向性制御マイクロストリップアンテナは、前記矩形の給電素子と、矩形の第１の無給電素子は第５のスイッチによって接続または遮断される構造となっている。そのため、第５のスイッチを全て遮断状態とすると、給電素子のみで共振するので高周波対応を実現できる。また第５のスイッチを全て導通状態にして給電素子と第１の無給電素子を接続して放射素子を形成すると、共振長が給電素子よりも長くなるので低周波側の共振モードを実現できる。さらに、第３のスイッチの一部も導通して前記の放射素子に第２の無給電素子を接続して別の形状の放射素子を形成すると、さらに共振長が長くなるのでより低周波側の共振モードに対応できる。
【０１１８】
また、給電素子や放射素子の周りには第１，第２の無給電素子があるので、第１または第３のスイッチによって無給電素子を接続すると、多周波に対応しながら指向性制御が実現できる。
【０１１９】
ｉ）請求項９の多周波対応の指向性制御マイクロストリップアンテナは、前記第５のスイッチは隣接する給電素子と第１の無給電素子の対向する辺のほぼ全面で接続または遮断される構造となっている。そのため、第５のスイッチを導通状態にして給電素子と第１の無給電素子を接続して低周波対応あるいは中間周波数対応の放射素子を形成した場合、放射素子内部の空隙を小さくできる。その結果、放射素子を流れる電流は第５のスイッチの領域で制限されず、放射素子の帯域幅は低下しにくい。そのため多周波で用いた場合、低周波側、中間周波数帯で帯域幅を向上できる。
【０１２０】
ｊ）請求項１０の多周波対応指向性制御マイクロストリップアンテナは、前記の第１のスイッチ，第３のスイッチ，第５のスイッチは他のスイッチと対向する先端部分の形状をＶ字形状に延長し、対向する４つのスイッチの間隔がＸ字状になっている。そのため４個のスイッチで囲まれた空隙は請求項９よりもさらに小さくなる。そのため、第１、第５のスイッチを導通状態にして給電素子と第１の無給電素子を接続して低周波対応あるいは中間周波数対応の放射素子を形成した場合、放射素子の帯域幅はさらに低下しないので、低周波側、中間周波数帯で帯域幅を請求項９よりも向上できる。
【０１２１】
ｋ）請求項１１の多周波対応指向性制御マイクロストリップアンテナは、前記給電素子の給電点に整合回路を設けている。
【０１２２】
例えば、２周波数対応の場合、給電素子の入力インピーダンスが５０Ωになるように給電点を配置した場合は、給電素子のみで共振する高周波側の共振モードではアンテナとRF回路を直結することで整合を取ることができる。一方、第１、第５のスイッチを導通して給電素子と第１の無給電素子が接続された放射素子を形成して低周波対応とする場合は、給電素子とRF回路の間に整合回路を設け、整合回路の各素子の定数を適切に選ぶことによって整合を取ることができる。そのため、各周波数帯で反射を抑制でき、良好な送受信が行なえる。
【０１２３】
なお、３周波以上に対応するアンテナの場合は、定数が可変できる素子による整合回路を用いるか、または各周波数帯で固定式の整合回路と各々設け、切替えスイッチによって各周波数帯で整合回路を切替えるのが良い。
【０１２４】
ｌ）請求項１２の指向性制御マイクロストリップアンテナは、前記第１のスイッチがＰＩＮダイオードまたはＭＥＭＳスイッチからなる。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。また、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、さら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。
【０１２５】
ｍ）請求項１３の指向性制御マイクロストリップアンテナでは、前記第２のスイッチがＰＩＮダイオードまたはＭＥＭＳスイッチからなる。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。また、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、さら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。
【０１２６】
ｎ）請求項１４の指向性制御マイクロストリップアンテナでは、前記第３のスイッチがＰＩＮダイオードまたはＭＥＭＳスイッチからなる。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。また、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、さら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。
【０１２７】
ｏ）請求項１５の指向性制御マイクロストリップアンテナでは、前記第４のスイッチがＰＩＮダイオードまたはＭＥＭＳスイッチからなる。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。また、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、さら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。
【０１２８】
ｐ）請求項１６の多周波対応の指向性制御マイクロストリップアンテナは、前記第５のスイッチはＰＩＮダイオードまたはＭＥＭＳスイッチからなる。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や携帯端末での多周波対応指向性制御に適している。また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、さら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。
【０１２９】
ｑ）請求項１７の無線モジュールは、請求項１〜１６の指向性制御マイクロストリップアンテナのいずれかを用いている。そのため、２次元または３次元で指向性制御が可能である。その結果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、良好な送受信が行なえる。
【０１３０】
また、請求項８〜１１，１６のアンテナを用いた場合は多周波に対応しかつ各周波数帯で２次元または３次元で指向性制御が可能である。そのため、複数の周波数帯で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るので、１個の無線モジュールでありながら複数の無線規格で良好な送受信が実現できる。また、請求項１〜１６の指向性制御マイクロストリップアンテナは平面構造であるため無線モジュールを小型化できる。
【０１３１】
ｒ）請求項１８の無線システムは、請求項１７の無線モジュールを使用している。そのため、２次元または３次元で指向性制御が可能であり、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、良好な送受信が行なえる。また、請求項１１の無線モジュールは小型化であるため小型な無線システムを実現できる。
【０１３２】
特に、請求項８〜１１，１６のアンテナを用いた無線モジュールを使用した場合は多周波に対応し、かつ各周波数帯で２次元または３次元で指向性制御が可能であるので、１個の無線システムでありながら複数の無線規格において良好な送受信が行なえる。
また、請求項１７の無線モジュールは小型化であるため小型な無線システムを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１３３】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
【０１３４】
＜実施例１＞
本発明に係る指向性制御マイクロストリップアンテナの一実施例（実施例１）を説明する。
図１は、本発明の実施例１を説明するための図である。同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）は断面図を示している。
【０１３５】
本実施例の指向性制御マイクロストリップアンテナは、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、誘電体１０と、該誘電体１０の下面に設けられた地板１５と、前記誘電体１０の上面に設けられた５ＧＨｚに対応した共振長を持つ矩形の給電素子１１と、該給電素子１１を取り囲みマトリックス状に配置された給電素子１１とほぼ同じ共振長を有する８個の第１の矩形の無給電素子１２と有し、また隣接した第１の無給電素子同士は第１のスイッチ１３によって選択的に接続または遮断される構造をしている。１４は同軸線を介して高周波信号を供給する給電点である。
【０１３６】
本実施例における指向性制御マイクロストリップアンテナの構成を詳細に記述すると、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１０の下面にCu層からなる地板１５が形成されている。
【０１３７】
誘電体１０の上面にはCu層からなる矩形の給電素子１１と、給電素子１１を取り囲んで第１の矩形の無給電素子１２がピッチ０.３λo（λo:自由空間での共振周波数の波長）で８個配置されている。
【０１３８】
給電素子１１の大きさはＹ方向でＬ，Ｘ方向でWとなっており、誘電体１０の裏面から同軸線によって給電素子１１の給電点１４に高周波信号が供給されると、給電素子１１にはＹ方向の辺をλ／２（λ:誘電体中での共振周波数の波長）とする定在波を生じＹ方向の直線偏波を放射する。つまりＬを共振長とする基本モードで給電素子１１は励振される。
【０１３９】
８個の第１の無給電素子１２の大きさもＹ方向でＬ，Ｘ方向でWとなっており、給電素子１１と外形は同じである。給電素子１１が基本モードで励振された場合、第１の無給電素子１２は給電素子１１との素子間相互結合によってＹ方向の電流が励起される。本実施例では第１の無給電素子１２のＹ方向の長さがＬ、つまり給電素子１１の励振方向の長さと等しいため、第１の無給電素子１２は給電素子１１と同じ共振長を持つことになる。
【０１４０】
また、隣接した第１の無給電素子１２相互間にはＰＩＮダイオードからなる第１のスイッチ１３が設けられており、該第１のスイッチ１３がＯＮ状態では隣接した第１の無給電素子相互間は接続され、第１のスイッチ１３がＯＦＦ状態では隣接した第１の無給電素子相互間は遮断された状態となる。なお、第１のスイッチ１３のＯＮ／ＯＦＦは図示されていないバイアスラインによって個別に選択できるようになっている。
【０１４１】
次に、本発明の指向性制御の一実施例を説明する。
図２−Ａおよび図２−Ｂは、本発明の指向性制御の一実施例を説明するための図である。
【０１４２】
図２−Ａ（ａ）において、領域Ａ（点線内）は点線内にある２個の第１のスイッチ１３をＯＮ状態にして３個の第１の無給電素子１２を接続状態にした領域を示している。その他の第１のスイッチ１３はＯＦＦ状態であり、領域Ａの外側にある５個の第１の無給電素子１２は隣接した第１の無給電素子１２と遮断されている。
【０１４３】
ここで給電素子１１が基本モードで励振された場合、第１の無給電素子１２は給電素子１１との素子間相互結合によってＹ方向の電流が励起される。領域Ａの外側にある５個の第１の無給電素子１２はＹ方向の長さが給電素子１１の共振長と同じであるため、第１の無給電素子１２にもλ／２の基本モードが生じる。
【０１４４】
なお、第１の無給電素子１２と給電素子１１は０.３λoで配置されているため、領域Ａの外側にある５個の第１の無給電素子１２の電圧は給電素子１１よりも位相が遅れ、これら５個の第１の無給電素子１２は導波器として作用する。
【０１４５】
一方、領域Ａでは第１のスイッチ１３がＯＮ状態になって３個の第１の無給電素子１２が接続されているため、Ｙ方向の長さはほぼ３Ｌとなり、Ｙ方向の辺を３λ／２とする高次モードが発生する。厳密には第１のスイッチ１３の長さによって接続された第１の無給電素子１２のＹ方向の長さは３Ｌにならないが、チップ部品のＰＩＮダイオードの長さは１〜２mm程度であり、第１の無給電素子１２のＹ方向の長さＬに対して十分小さいので、接続された第１の無給電素子１２にはλ３／２の高次モードが発生すると見なして問題ない。
【０１４６】
ここでH面（水平）の指向性を考えると、給電素子１１に対してＹ方向で対称に配置された２個の第１の無給電素子１２（図中、給電素子１１の上下にある２つの第１の無給電素子）は影響を与えないので、図２−Ａ（ａ）の基本モードで共振する３個の第１の無給電素子１２（図中、給電素子１１の右にある３個の第１の無給電素子）と給電素子１１と領域Ａの接続された第１の無給電素子１２（図中、給電素子１１の左にある接続された３個の第１の無給電素子）を考えれば良い。前記基本モードで共振する３個の第１の無給電素子（図中、給電素子１１の右にある３個の第１の無給電素子）は導波器となり、放射パターンを天頂から＋Ｘ側に傾ける作用をする（図２−Ａ（ｂ）参照）。
【０１４７】
一方、図２−Ｂ（ａ）に示すように、領域Ａの接続された３つの第１の無給電素子は３λ／２の定在波が生じているので、領域Ａは給電素子１１の−Ｘ側に隣接した１個の第１の無給電素子（素子（１）と略す）と、素子（１）の＋Ｙ側にある素子（１）とは逆位相の１個の第１の無給電素子（素子（２）と略す）と、素子（１）の−Ｙ側にある素子（１）とは逆位相の１個の第１の無給電素子（素子（３）と略す）と見なすことができる。
【０１４８】
素子（１）は、給電素子１１と０.３λoのピッチで配置されているため導波器となり、図２−Ｂ（ｂ）に示すように、放射パターンを天頂から−Ｘ側に傾ける作用をするが、素子（２）および素子（３）は、素子（１）と逆位相であるため反射器となり、図２−Ｂ（ｃ）に示すように、放射パターンを天頂から＋Ｘ側に傾ける作用をする。
【０１４９】
以上の結果、図２−Ｂ（ａ）に示す第１のスイッチ１３のＯＮ／ＯＦＦの組み合わせでは、アンテナの放射パターンは、上記図２−Ａ（ｂ）と図２−Ｂ（ｂ）および（ｃ）に示した効果が合成され、図２−Ｂ（ｄ）に示すように天頂から＋Ｘ側に１５〜２５°傾いた。
【０１５０】
また逆に、図３に示す第１のスイッチ１３のＯＮ／ＯＦＦの組み合わせ（給電素子１１の＋Ｘ側にある３個の第１の無給電素子を接続するとともに、給電素子１１の−Ｘ側にある３個の第１の無給電素子を遮断）では、放射パターンを天頂から−Ｘ側に１５〜２５°傾けることができた。
【０１５１】
また、図４に示す第１のスイッチ１３のＯＮ／ＯＦＦの組み合わせ（給電素子１１の＋Ｘ側にある３個の第１の無給電素子のうち２個の第１の無給電素子を接続し残りの第１の無給電素子を遮断し、−Ｘ側にある３個の第１の無給電素子についても＋Ｘ側の第１の無給電素子と同様な接続とする）では、放射パターンを天頂から＋Ｙ方向へ傾けることができた。
【０１５２】
さらに、給電素子１１を中心にしてＹ軸で第１のスイッチ１３のＯＮ／ＯＦＦの組み合わせをミラー反転させると放射パターンを天頂から−Ｙ方向へ傾けることができた。
【０１５３】
なお、図２−Ａ〜図４は第１のスイッチ１３のＯＮ／ＯＦＦの組み合わせの一実施例を示したに過ぎず、種々の組み合わせによってアンテナの放射パターンをＸＹの２次元で制御することができた。
【０１５４】
以上のように本実施例の構造を採用すると、第１のスイッチをＯＮ状態とすると隣接した第１の無給電素子を接続でき、該第１のスイッチを介して接続された第１の無給電素子は給電素子１１の２〜３倍の共振長を持つことができるため、２〜３次モードを選択できる。
【０１５５】
ここで第１のスイッチ１３を介して接続された第１の無給電素子を給電素子１１に対して非対称に配置することによって、放射パターンを天頂から傾かせることができる。
【０１５６】
また、第１の無給電素子は給電素子１１を取り囲みマトリックス状に８個配置されているため、高次モードで励振される接続された第１の無給電素子を給電素子１１に対して種々の位置に配置できるため、ＸＹの２次元で指向性を制御できる。
【０１５７】
また、本実施例では、第１のスイッチ１３のＯＮ／ＯＦＦの組み合わせによって２次元での指向性制御を行うためＸ字型配列マイクロストリップアレーアンテナのような指向性を切替えるための特別な回路を必要とせず、安価に指向性制御アンテナを作製できる。
【０１５８】
さらに、２次元での指向性制御を行うことによって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るため良好な通信が可能となる。
【０１５９】
さらに、本実施例の給電素子１１および複数の第１の無給電素子１２はマイクロストリップアンテナ構造を採用しているため平面構造であり、アンテナを小型化できる。そのため携帯端末や無線ＬＡＮ端末にも容易に採用できる。
【０１６０】
なお、上記実施例では第１のスイッチ１３としてＰＩＮダイオードを用いている。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アンテナに適している。ＰＩＮダイオードはダイボンダーを用いて第１の無給電素子間に表面実装によって設置すれば良いので、アンテナを容易に作製できる。
【０１６１】
なお、上記実施例１では第１のスイッチとしてＰＩＮダイオードを用いているが、ＭＥＭＳスイッチを使用することもできる。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、さら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。ＭＥＭＳスイッチは別基板に作製した後、表面実装によって第１の無給電素子間に設置すれば良い。
【０１６２】
また、ＭＥＭＳスイッチは表面マイクロマシンプロセスによって第１の無給電素子間に直接形成することも可能である。さらに、誘電体がガラスやセラミック基板，Si，GaAs基板の場合はＭＥＭＳ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第１の無給電素子間に直接形成することも可能である。ＭＥＭＳスイッチの具体的な一構成例については図１４を用いて実施例２以降において説明する。
【０１６３】
また、本実施例では無給電素子と給電素子のピッチを０.３λoとしたが、本発明はピッチが０.３λoに限定される必要はない。例えばピッチが０.６５λoである場合は給電素子と素子間相互結合によって基本モードで励振される第１の無給電素子の電圧は給電素子よりも位相が進み、反射器として作用する。よって前記と同様に第１のスイッチのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせによってＸＹの２次元で指向性制御が可能である。
【０１６４】
本発明は給電素子と第１の無給電素子の素子間相互結合によって第１の無給電素子に電圧を励起させるためピッチは１λoよりも小さい方が望ましい。１λoよりも大きくなると素子間相互結合が小さくなって指向性の可変範囲が狭くなる。
【０１６５】
また、本実施例では給電素子１１と第１の無給電素子１２の外形は同一としたが、第１の無給電素子の共振長が給電素子とほぼ同じであれば良く、給電素子と第１の無給電素子の外形は同一である必要はない。
【０１６６】
＜実施例２＞
次に、本発明の指向性制御マイクロストリップアンテナに係る別の実施例（実施例２）を説明する。
【０１６７】
図５は、本発明の実施例２を説明するための図である。同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）は断面図を示している。
【０１６８】
本実施例のアンテナは、誘電体１０と、該誘電体１０の下面に設けた地板１５と、誘電体１０の上面に設けた２０ＧＨｚに対応した矩形の給電素子１１と、該給電素子１１を取り囲みマトリックス状に配置された前記給電素子１１とほぼ同じ共振長の８個の矩形の第１の無給電素子１２とを有し、かつ隣接した第１の無給電素子間は、第１のスイッチ１３によって選択的に接続または遮断される構造を有している。さらに、８個の第１の無給電素子１２のうち６個には地板１５と短絡する第２のスイッチ１６が設けられている。１４は高周波信号１８を供給する給電点である。
【０１６９】
アンテナの構成をさらに詳細に記述すると、比誘電率３.９の石英基板からなる誘電体１０の下面にCu層からなる地板１５が形成されており、誘電体１０の上面にはCu層からなる矩形の給電素子１１と、該給電素子１１を取り囲んで第１の矩形の無給電素子１２がピッチ０.３λo（λo:自由空間での共振周波数の波長）で８個配置されている。
【０１７０】
給電素子１１の大きさはＹ方向でＬ，Ｘ方向でWとなっており、誘電体１０の裏面からビアホール１７を介して給電点１４に高周波信号１８が供給されると、給電素子１１はＬを共振長とする基本モードで励振される。
【０１７１】
第１の無給電素子１２の大きさもＹ方向でＬ，Ｘ方向でWとなっており、給電素子１１と同じ共振長を持つ。
【０１７２】
また、隣接した第１の無給電素子１２の間にはＭＥＭＳスイッチからなる第１のスイッチ１３が設けられている。
【０１７３】
図１４は、ＭＥＭＳスイッチ（第１のスイッチ）１３の具体的な一構成例を示す図である。
【０１７４】
第１のスイッチ１３は、同図に示すように、上部電極３１，下部電極３２，上部電極３１に接続されたヒンジ３３，バイアスライン（図示せず）から構成され、上部電極３１は隣接する第１の無給電素子１２の対向する辺とほぼ同じ長さを持ち、ヒンジ３３によって可動できる。
【０１７５】
第１のスイッチ１３の動作を、図１４を参照して詳細に述べると、第１のスイッチ１３の上部電極３１に図示しないバイアスラインからバイアスが印加されると上部電極３１と下部電極３２間に静電引力が生じ、上部電極３１が下方に動いて第１の無給電素子１２と接触する。
【０１７６】
ここで、上部電極３１は第１の無給電素子１２の対抗する辺とほぼ同じ長さであるため、第１のスイッチ１３は第１の無給電素子の辺のほぼ全面で導通する。その結果、第１のスイッチ１３と隣接する第１の無給電素子１２は対向する辺のほぼ全面で接続されることになる。
【０１７７】
一方、上部電極３１のバイアスを遮断すると上部電極３１と下部電極３２の間の静電引力が無くなり、上部電極３１はヒンジ３３の剛性によって上方へ動き、第１の無給電素子１２と遮断される。ここで上部電極３１は第１の無給電素子１２の対向する辺とほぼ同じ長さであるため、第１のスイッチ１３は隣接する第１の無給電素子１２の対向する辺のほぼ全面で遮断されることになる。なお、第１のスイッチ１３のＯＮ／ＯＦＦは図示されていないバイアスラインによって個別に選択できるようになっている。
【０１７８】
また、６個の第１の無給電素子１２に設けられた地板１５と短絡する第２のスイッチ１６はＰＩＮダイオードからなり、第２のスイッチ１６がＯＮ状態では第１の無給電素子１２は地板１５と短絡し、第２のスイッチ１６がＯＦＦ状態では第１の無給電素子１２は地板１５から開放される構造となっている。なお、６個の第１の無給電子素子１２に各々接続された６個の第２のスイッチ１６は図示されていないバイアスラインによって個別にＯＮ／ＯＦＦ状態が個別に選択できる。
【０１７９】
次に、実施例２における指向性の制御について説明する。
図６は、本実施例の指向性制御の一例を説明するための図である。
【０１８０】
同図において、領域Ａ（点線内）は点線内にある２個の第１のスイッチ１３（１３ａと記す）をＯＮ状態にして３個の第１の無給電素子１２を接続状態にした領域を示している。その他の第１のスイッチ１３（１３ｂと記す）はＯＦＦ状態であり、領域Ａの外側にある５個の第１の無給電素子１２は隣接した第１の無給電素子１２と遮断されている。
【０１８１】
また、地板１５と短絡する６個の第２のスイッチ１６のうち領域Ａにある３個の第１の無給電素子１２に設けられた第２のスイッチ１６（１６ｂと記す）は全てＯＦＦ状態になっており、接続された第１の無給電素子１２は地板１５から開放されている。
【０１８２】
また、領域Ａの外側にある第１の無給電素子１２うち給電素子１１の＋Ｘ側にある３個の第１の無給電素子に設けられた第２のスイッチ１６（１６ａと記す）は全てＯＮ状態となっており、給電素子１１の＋Ｘ側にある３個の第１の無給電素子１２を地板１５と短絡させている。
【０１８３】
給電素子１１が基本モードで励振された場合、領域Ａの外側にある５個の第１の無給電素子１２は給電素子１１との素子間相互結合によってＹ方向の電流が励起される。第１の無給電素子１２の共振長は給電素子１１と同じであるため第１の無給電素子１２にもλ／２の基本モードが生じる。
【０１８４】
しかしながら、給電素子１１の＋Ｘ側にある３個の第１の無給電素子１２は第２のスイッチ１６ａによって地板１５と短絡しているため第１の無給電素子１２に励起される電圧は著しく低下して、放射パターンへの影響は小さくなる。
【０１８５】
H面（水平）の指向性では給電素子１１に対してＹ方向で対称に配置された２個の第１の無給電素子１２は影響を与えないので給電素子１１の＋Ｘ側にある３個の第１の無給電素子１２と給電素子１１と領域Ａの接続された第１の無給電素子１２を考えれば良いが、本実施例では給電素子１１の＋Ｘ側にある３個の第１の無給電素子１２は地板１５と短絡されて放射パターンへの影響が小さいので、給電素子１１と領域Ａの接続された第１の無給電素子１２のみを考えれば良い。
【０１８６】
ここで、領域Ａ内では第１のスイッチ１３ａがＯＮ状態になって３個の第１の無給電素子１２が接続されているため、Ｙ方向の辺を３λ／２とする高次モードが発生し、実施例１と同様に放射パターンを天頂から＋Ｘ方向へ傾かせる作用をする。その結果、図６に示す第１のスイッチ１２，第２のスイッチ１３のＯＮ／ＯＦＦの組み合わせではアンテナの放射パターンは天頂から＋Ｘ側に１０〜１５°傾けることができた。
【０１８７】
また、第２のスイッチ１６を全てＯＦＦ状態にすると、アンテナの放射パターンは天頂から＋Ｘ側に２０〜３０°傾いた。また、実施例１の図３，図４に示すような構成においても、第１の無給電素子１２に地板１５と短絡する第２のスイッチ１６を設け、該第２のスイッチ１６のＯＮ／ＯＦＦを制御することによって放射パターンの仰角を変化させることができた。
【０１８８】
以上のように本実施例の構造を採用すると、第２のスイッチ１６をＯＮ状態にすると第１の無給電素子１２は地板１５と短絡し、第１の無給電素子１２を流れる電流は著しく抑制され放射パターンへの寄与は小さくなる。また、第２のスイッチ１６をＯＦＦ状態にすると第１の無給電素子１２は地板１５と開放されるため、第１の無給電素子１２を流れる電流は抑制されず放射パターンへ寄与する。
【０１８９】
その結果、第２のスイッチ１６のＯＮ／ＯＦＦを制御することによって放射パターンの仰角を変化させることが可能となる。そのため、第１のスイッチ１３，第２のスイッチ１６の組み合わせによって３次元での指向制御を実現できる。また、所望の方向にアンテナの最大放射角をより向けることができるようになるさらに良好な通信が可能となる。
【０１９０】
なお、図６では第１のスイッチ１３がＯＦＦ状態である第１の無給電素子１２に設けられた第２のスイッチ１６（図中、給電素子１１の＋Ｘ側の第２のスイッチ１６ａ）をＯＮ状態にして地板１５と短絡させたが、第１のスイッチ１３がＯＮ状態にある接続された第１の無給電素子１２に接続された第２のスイッチ（図中、給電素子１１の−Ｘ側の第２のスイッチ）をＯＮ状態にして接続された第１の無給電素子１２を地板１５と短絡させて何ら構わない。
【０１９１】
また、本実施例では８個の第１の無給電素子１２のうち６個の無給電素子に地板１５と短絡する第２のスイッチ１６を設けたが、第２のスイッチは指向性制御アンテナに必要とされる仰角の制御性を考慮して数や配置を決定すれば良く、本実施例に限定される必要はない。
【０１９２】
また、全ての第１の無給電素子１２に第２のスイッチ１６を設け、指向性制御に関与しない第１の無給電素子１２、例えば図６では給電素子１１の＋Ｙ、−Ｙ側にある第１の無給電素子を地板１５と短絡させる方法を採用しても良い。
【０１９３】
また、本実施例では第１のスイッチ１３がＯＮ状態になると第１のスイッチは隣接した第１の無給電素子１２の対向する辺のほぼ全面で接続されるが、上述の実施例１では第１のスイッチ１３としてチップ部品のＰＩＮダイオードを用いており、スイッチ幅は一般に１mm以下である。
【０１９４】
そのため接続された第１の無給電素子１２を流れるＹ方向の電流はスイッチ部で制限され、接続された第１の無給電素子１２の帯域幅は低下していた。その結果アンテナ自体の帯域幅が低下する問題があった。
【０１９５】
しかしながら、ＭＥＭＳスイッチを用いた本実施例では、第１のスイッチ（ＭＥＭＳスイッチ）は隣接した第１の無給電素子の対向する辺のほぼ全面で接続されるため、接続された第１の無給電素子を流れるＹ方向の電流はスイッチ部で制限されず、接続された第１の無給電素子の帯域幅は低下しにくい。そのためアンテナ自体の帯域幅を実施例１より改善できる。
【０１９６】
また、本実施例では第２のスイッチ１６としてＰＩＮダイオードを用いている。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。
【０１９７】
第２のスイッチ１６は誘電体１０の裏面の地板１５の一部を切り欠いた後、ダイボンダーを用いて切り欠き部にＰＩＮダイオードを表面実装し、ＰＩＮダイオードの一端を誘電体１０を貫通するビアホールを介して第１の無給電素子１２に接続することによって容易に実現できる。
【０１９８】
また、第２のスイッチ１６としてはＭＥＭＳスイッチも使用することができる。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、さら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。
【０１９９】
ＭＥＭＳスイッチ（第２のスイッチ）は表面マイクロマシンプロセス、あるいはバルクマイクロマシーンプロセスによって地板の切り欠き部に直接形成することが可能である。また、ＭＥＭＳスイッチを別基板に作製し、表面実装によって設置しても良い。
【０２００】
＜実施例３＞
次に、本発明の指向性制御マイクロストリップアンテナに係る別の実施例（実施例３）を説明する。
【０２０１】
図７は、本発明の実施例３を説明するための図である。同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）は断面図を示している。
【０２０２】
本実施例のアンテナは、図７に示すように、誘電体１０の下面に設けた地板１５と、前記誘電体１０の上面に設けた２０ＧＨｚに対応した矩形の給電素子１１と、該給電素子１１を取り囲みマトリックス状に配置された前記給電素子１１とほぼ同じ共振長を有する８個の矩形の第１の無給電素子１２を有し、かつ隣接した第１の無給電素子１２は第１のスイッチ１３によって接続または遮断されるように構成されている。
【０２０３】
また、第１の無給電素子１２の外周には給電素子１１とほぼ同じ共振長を有する矩形の第２の無給電素子１９が１６個設けられ、かつ隣接した第１の無給電素子１２と第２の無給電素子１９の間、第２の無給電素子１９同士の間は第３のスイッチ２０によって接続または遮断される構造となっている。１４は高周波信号１８を供給する給電点である。
【０２０４】
アンテナの構成を詳細に記述すると、比誘電率３.９の石英基板からなる誘電体１０の下面に設けられたCu層からなる地板１５と、該誘電体１０の上面に設けられたCu層からなる矩形の給電素子１１と、該給電素子１１を取り囲んでピッチ０.３λo（λo:自由空間での共振周波数の波長）で配置された８個の矩形の第１の無給電素子１２と、該第１の無給電素子１２の外周にピッチ０.３λoで配置された１６個の矩形の第２の無給電素子１９とを有する。
【０２０５】
給電素子１１の大きさは実施例２と同様にＹ方向でＬ，Ｘ方向でWとなっており、誘電体１０の裏面からビアホール１７を介して給電素子１１の給電点１４に高周波信号１８が供給されると、給電素子１１はＬを共振長とする基本モードで励振される。
【０２０６】
第１の無給電素子１２，第２の無給電素子１９の大きさもＹ方向でＬ，Ｘ方向でWとなっており、給電素子１１と同じ共振長を持つ。
【０２０７】
また、隣接した第１の無給電素子１２の間にはＭＥＭＳスイッチからなる第１のスイッチ１３が設けられている。本実施例における第１のスイッチ１３であるＭＥＭＳスイッチは、実施例２におけるＭＥＭＳスイッチと同様の構成および同様の機能を有する。
【０２０８】
すなわち、第１のスイッチ１３は、図１４に示すように、上部電極３１，下部電極３２，上部電極３１に接続されたヒンジ３３，バイアスライン（図示せず）から構成され、上部電極３１は隣接する第１の無給電素子１２の対向する辺とほぼ同じ長さを持ち、ヒンジ３３によって可動できる。
【０２０９】
そのため上部電極３１にバイアスが印加されると上部電極３１と下部電極３２間に静電引力が発生し、実施例２と同様に、上部電極３１が下方に動いて第１の無給電素子１２と接触し、第１のスイッチ１３は第１の無給電素子の辺のほぼ全面で導通する。
【０２１０】
また、上部電極３１のバイアスが遮断されると上部電極３１と下部電極３２の間の静電引力が無くなり、実施例２と同様に、上部電極３１はヒンジ３３の剛性によって上方へ動き、上部電極３１が第１の無給電素子１２の対向する辺とほぼ同じ長さであるため、第１のスイッチ１３は隣接する第１の無給電素子１２の対向する辺のほぼ全面で遮断される。なお、第１のスイッチ１３のＯＮ／ＯＦＦは図示されていないバイアスラインによって個別に選択できるようになっている。
【０２１１】
また、隣接した第１の無給電素子１２と第２の無給電素子１９の間、および隣接した第２の無給電素子１９の間にはＭＥＭＳスイッチからなる第３のスイッチ２０が設けられている。
【０２１２】
第３のスイッチ２０も、図１４に示す第１のスイッチ１３と同様に、上部電極３１，下部電極３２，上部電極３１に接続されたヒンジ３３，バイアスライン（図示せず）から構成され、上部電極３１は隣接する第１の無給電素子１２および第２の無給電素子１９の対向する辺とほぼ同じ長さを持ち、ヒンジ３３によって可動できるようになっている。
【０２１３】
そのため上部電極３１にバイアスが印加されると上部電極３１と下部電極３２間に静電引力が発生し、第１のスイッチ１３の場合と同様に、上部電極３１が下方に動いて第１の無給電素子１２あるいは第２の無給電素子１９と接触し、第３のスイッチ２０は、第１の無給電素子１２と第２の無給電素子１９の間、あるいは隣接する第２の無給電素子１９間の対向する辺のほぼ全面で導通する。
【０２１４】
また、上部電極３１のバイアスが遮断されると上部電極３１と下部電極３２の間の静電引力が無くなり、第１のスイッチ１３の場合と同様に、上部電極３１はヒンジ３３の剛性によって上方へ動き、上部電極３１が第１の無給電素子１２および第２の無給電素子１９の対向する辺とほぼ同じ長さであるため、第３のスイッチ２０は、第１の無給電素子１２と第２の無給電素子１９の間、あるいは隣接する第２の無給電素子１９間の対向する辺のほぼ全面で遮断される。なお、第３のスイッチ２０のＯＮ／ＯＦＦは図示しないバイアスラインによって個別に選択できるようになっている。
【０２１５】
図８は、本実施例の指向性制御の一例を説明するための図である。
同図において、領域Ａ（点線内）は、点線内にある２個の第１のスイッチ１３（１３ａと記す）と５個の第３のスイッチ２０（２０ａと記す）をＯＮ状態にして３個の第１の無給電素子１２と３個の第２の無給電素子１９を接続状態にした領域を示している。
【０２１６】
その他の第１のスイッチ１３（１３ｂと記す），第３のスイッチ２０（２０ｂと記す）はＯＦＦ状態であり、領域Ａの外側にある５個の第１の無給電素子１２および１３個の第２の無給電素子１９は隣接した無給電素子と遮断されている。
【０２１７】
給電素子１１が基本モードで励振された場合、領域Ａの外側にある５個の第１の無給電素子１２と１３個の第２の無給電素子１９は給電素子１１との素子間相互結合によってＹ方向の電流が励起される。第１の無給電素子１２，第２の無給電素子１９の共振長は給電素子１１と同じであるため、第１の無給電素子１２，第２の無給電素子１９にもλ／２の基本モードが生じる。
【０２１８】
一方、領域Ａ内では、第１のスイッチ１３（１３ａ）および第３のスイッチ２０（２０ａ）がＯＮ状態になって３個の第１の無給電素子１２と３個の第２の無給電素子１９が接続されているため、Ｙ方向の長さはほぼ３Ｌとなり、Ｙ方向の辺を３λ／２とする高次モードが発生する。
【０２１９】
厳密には第１のスイッチ１３，第３のスイッチ２０の長さによって接続された無給電素子のＹ方向の長さは３Ｌにならないが、ＭＥＭＳスイッチの長さは０.５mm程度であり、第１および第２の無給電素子のＹ方向の長さＬに対して十分小さいので、接続された無給電素子にはλ３／２の高次モードが発生すると見なせる。
【０２２０】
ここでH面（水平）の指向性を考えると、給電素子１１に対してＹ方向で対称に配置された２個の第１の無給電素子と第２の無給電素子は影響を与えないので、それ以外の残りの素子、すなわち領域Ａの接続された無給電素子と、領域Ａ以外にある３個の第１の無給電素子１２と１１個の第２の無給電素子１９と給電素子１１とを考えれば良い。
【０２２１】
本実施例では、上記の素子の作用によりアンテナの放射パターンは天頂から＋Ｘ側に２０〜３０°傾いた。また、図８に示す第１のスイッチ１３，第３のスイッチ２０のＯＮ／ＯＦＦを給電素子１１を中心にＹ軸でミラー反転させると、放射パターンを天頂から−Ｘ側に２０〜３０°傾けることができた。
【０２２２】
図９は、本実施例の指向性制御の別の例を説明するための図である。
同図において、領域Ｂ（点線内）は点線内にある２個の第１のスイッチ１３と１１個の第３のスイッチ２０をＯＮ状態にして３個の第１の無給電素子１２と７個の第２の無給電素子１９を接続状態にした領域を示している。
【０２２３】
その他の６個の第１のスイッチ１３および１７個の第３のスイッチ２０はＯＦＦ状態であり、領域Ｂの外側にある５個の第１の無給電素子１２および９個の第２の無給電素子１９は隣接した無給電素子と遮断されている。
【０２２４】
給電素子１１が基本モードで励振された場合、領域Ｂの外側にある５個の第１の無給電素子１２と９個の第２の無給電素子１９は給電素子１１との素子間相互結合によってλ／２の基本モードが生じる。
【０２２５】
一方、領域Ｂ内では第１のスイッチ１３，第３のスイッチ２０がＯＮ状態になって３個の第１の無給電素子１２と７個の第２の無給電素子１９が接続されているため、Ｙ方向の長さはほぼ２Ｌとなり、Ｙ方向の辺を２×（λ／２）とする高次モードが発生する。
【０２２６】
ここでE面の指向性を考えると、給電素子１１に対してＸ方向で対称に配置された２個の第１の無給電素子１２と２個の第２の無給電素子１９は影響を与えないので、それ以外の領域Ｂ内の接続された無給電素子と、領域Ｂ以外にある残りの３個の第１の無給電素子１２と、７個の第２の無給電素子１９と、給電素子１１とを考えれば良い。
【０２２７】
上述した実施例１， ２は、給電素子１１に対しH面方向では高次モードの無給電素子を配置できたが、E面では第１の無給電素子が＋Ｙ側，−Ｙ側とも１個づつしかないため高次モードの無給電素子は配置できなかった。そのため実施例１，２ではH面方向と比較してE面方向ではビームチルト角が小さくなる欠点があった。
【０２２８】
しかしながら、本実施例３では、図９に示すように、給電素子１１に対してE面方向でも高次モードの無給電素子を配置できるようになり、E面方向でのビームチルト角を実施例１〜２よりも大きくできる。
【０２２９】
なお、図８〜９は、本実施例の第１のスイッチ１３，第３のスイッチ２０のＯＮ／ＯＦＦの組み合わせの一例を示したに過ぎず、これら第１のスイッチおよび第３のスイッチのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせによって３次元方向でより多様な指向性パターンが実現できる。
【０２３０】
以上のように、本実施例３の構造を採用すると、第１のスイッチ１３，第３のスイッチ２０をＯＮ状態とすると隣接した第１の無給電素子１２、第２の無給電素子９を接続できる。
【０２３１】
第１のスイッチ１３，第３のスイッチ２０を介して接続された無給電素子１２，１９はH面方向では給電素子１１の２〜５倍の共振長を持つことができるので、２〜５次モードを選択できる。よって第１および第３のスイッチを介して接続された無給電素子１２，１９を給電素子１１に対して非対称に配置することによって、放射パターンを天頂から傾かせることができる。
【０２３２】
また、第１の無給電素子１２は給電素子１１を取り囲みマトリックス状に８個配置されており、第２の無給電素子１９は第１の無給電素子１２の外周に配置されているため、高次モードで励振される接続された無給電素子１２，１９を給電素子１１に対して種々の方向で配置できるため、ＸＹの２次元でより細かく指向性を制御できる。
【０２３３】
さらに、E面方向で考えると、第１の無給電素子１２の外側に第２の無給電素子１９があり、前記第１の無給電素子１２と第２の無給電素子１９は第３のスイッチ２０で選択的に接続できるため、給電素子１１にE面で隣接する無給電素子は給電素子１１の２倍の共振長を持つことができ、２次モードを選択できる。よってE面方向でのビームチルト角を請求項１〜３のアンテナよりも大きくすることができる。
【０２３４】
以上のように第１のスイッチおよび第３のスイッチのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせによって３次元方向で多様な指向性パターンが実現できる。
【０２３５】
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ることが可能となり、さらに良好な通信が可能となる。
【０２３６】
また、本実施例３では第１のスイッチ１３および第３のスイッチ２０がＯＮ状態になると、これら第１のスイッチおよび第３のスイッチは隣接した無給電素子の対向する辺のほぼ全面で接続される。
【０２３７】
そのため、第１のスイッチ１３と第３のスイッチ２０を介して接続された無給電素子に流れるＹ方向の電流は第１のスイッチ１３または第３のスイッチ２０で制限されず、接続された無給電素子の帯域幅は低下しにくい。そのためアンテナ自体の帯域幅を実施例２と同様に改善できる。
【０２３８】
また、本実施例３では、第３のスイッチ２０に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、さら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指向性制御アンテナを構成することができる。
【０２３９】
なお、ＭＥＭＳスイッチ（第３のスイッチ）は表面マイクロマシンプロセス、あるいはバルクマイクロマシーンプロセスによって第１のスイッチと同時に形成すれば良い。また、ＭＥＭＳスイッチを別基板に作製し、表面実装によって無給電素子間に配置しても良い。
【０２４０】
また、第３のスイッチとしては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アンテナに適している。
【０２４１】
また、本実施例では給電素子１１と第１の無給電素子１２、第２の無給電素子１９の外形は同一としたが、第１の無給電素子１２および第２の無給電素子１９の共振長が給電素子１１とほぼ同じであれば良く、給電素子１１と第１の無給電素子１２、第２の無給電素子１９の外形は同一である必要はない。
【０２４２】
図１０は、第１のスイッチ，第３のスイッチで囲まれた空隙をさらに小さくするスイッチの構造であり、第１のスイッチ１３，第３のスイッチ２０は他のスイッチと対向する先端部分の形状をＶ形状に延長し、４つのスイッチの間隔がＸ状になるようにする。
【０２４３】
その結果、４個のスイッチで囲まれた空隙はさらに小さくなり、第１のスイッチ１３，第３のスイッチ２０の導通／遮断状態の組み合わせによって接続された無給電素子を形成した場合、接続された無給電素子に流れるＹ方向の電流は第１のスイッチ１３，第３のスイッチ２０でさらに制限されなくなり、接続された無給電素子の帯域幅の低下はさらに抑制され、アンテナ自体の帯域幅をより改善できる。
【０２４４】
＜実施例４＞
次に、本発明の指向性制御マイクロストリップアンテナに係る別の実施例（実施例４）を説明する。
図１１は、本発明の実施例４を説明するための図である。同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）は断面図を示している。
【０２４５】
本実施例のアンテナは、同図に示すように、実施例３のアンテナの第１の無給電素子１２全てに地板１５と短絡する第２のスイッチ１６を設け、第２の無給電素子１９全てに地板１５と短絡する第４のスイッチ２１を設けた例である。
【０２４６】
アンテナの構成を詳細に記述すると、比誘電率３.９の石英基板からなる誘電体１０の下面に設けたCu層からなる地板１５と、該誘電体１０の上面に設けたCu層からなる矩形の給電素子１１と、該給電素子１１を取り囲んでピッチ０.３λo（λo:自由空間での共振周波数の波長）で配置された矩形の８個の第１の無給電素子１２と、第１の無給電素子１２の外周にピッチ０.３λoで配置された１６個の矩形の第２の無給電素子１９とを有する。
【０２４７】
給電素子１１、第１の無給電素子１２、第２の無給電素子１９の大きさはＹ方向でＬ，Ｘ方向でWとなっており、第１の無給電素子１２，第２の無給電素子１９は給電素子１１と同じ共振長を持つ。
【０２４８】
また、給電素子１１には給電点１４が設けられており、誘電体１０の裏面からビアホール１７を介して高周波信号１８が供給されると、給電素子１１はＬを共振長とする基本モードで励振される。
【０２４９】
また、隣接した第１の無給電素子１２の間にはＭＥＭＳスイッチからなる第１のスイッチ１３が設けられており、隣接した第１の無給電素子１２と第２の無給電素子１９の間、および隣接する第２の無給電素子の間にはＭＥＭＳスイッチからなる第３のスイッチ２０が設けられている。
【０２５０】
実施例２，３で説明したのと同様に、第１のスイッチ１３および第３のスイッチ２０は、図１４に示すように、上部電極３１，下部電極３２，上部電極３１に接続されたヒンジ３３，図示しないバイアスラインから構成され、上部電極３１は隣接した無給電素子の対向する辺とほぼ同じ長さを持ち、ヒンジ３３によって可動できるようになっている。
【０２５１】
本実施例における第１のスイッチであるＭＥＭＳスイッチは、実施例２におけるＭＥＭＳスイッチと同様の構成および同様の機能を有する。
【０２５２】
すなわち、第１のスイッチ１３は、図１４に示すように、上部電極３１，下部電極３２，上部電極３１に接続されたヒンジ３３，バイアスライン（図示せず）から構成され、上部電極３１は隣接する第１の無給電素子１２の対向する辺とほぼ同じ長さを持ち、ヒンジ３３によって可動できる。
【０２５３】
そのため上部電極３１にバイアスが印加されると上部電極３１と下部電極３２間に静電引力が発生し、実施例３と同様に、上部電極３１が下方に動いて第１の無給電素子１２と接触し、第１のスイッチ１３は第１の無給電素子の辺のほぼ全面で導通する。
【０２５４】
また、上部電極３１のバイアスが遮断されると、上部電極３１と下部電極３２の間の静電引力が無くなり、実施例３と同様に、上部電極３１はヒンジ３３の剛性によって上方へ動き、上部電極３１が第１の無給電素子１２の対向する辺とほぼ同じ長さであるため、第１のスイッチ１３は隣接する第１の無給電素子１２の対向する辺のほぼ全面で遮断される。なお、第１のスイッチ１３および第３のスイッチ２０のＯＮ／ＯＦＦは図示されていないバイアスラインによって個別に選択できるようになっている。
【０２５５】
また、８個の第１の無給電素子１２に設けられた地板１５と短絡する第２のスイッチ１６はＰＩＮダイオードからなり、該第２のスイッチ１６がＯＮ状態では第１の無給電素子１２は地板１５と短絡し、第２のスイッチ１６がＯＦＦ状態では第１の無給電素子１２は地板１５から開放される構造となっている。なお、８個の第１の無給電子素子１２に各々接続された第２のスイッチ１６は図示されていないバイアスラインによって個別にＯＮ／ＯＦＦ状態が選択できるようになっている。
【０２５６】
さらに、１６個の第２の無給電素子１９に設けられた地板１５と短絡する第４のスイッチ２１もＰＩＮダイオードからなり、該第４のスイッチ２１がＯＮ状態では第２の無給電素子１９は地板１５と短絡し、第４のスイッチ２１がＯＦＦ状態では第２の無給電素子１９は地板１５から開放される構造となっている。なお、１６個の第２の無給電子素子１９に各々接続された第４のスイッチ２１も図示されていないバイアスラインによって個別にＯＮ／ＯＦＦ状態が選択できる。
【０２５７】
図１２は、本実施例の指向性制御の例を説明するための図である。
同図において、領域Ａ（点線内）は点線内にある１個の第１のスイッチ１３（１３ａと記す）と６個の第３のスイッチ２０（２０ａと記す）をＯＮ状態にして、領域Ａ内の２個の第１の無給電素子１２と４個の第２の無給電素子１９を接続状態にした領域を示している。
【０２５８】
その他の第１のスイッチ，第３のスイッチはＯＦＦ状態であり、領域Ａの外側にある６個の第１の無給電素子１２、１２個の第２の無給電素子１９は隣接した無給電素子と遮断されている。また、領域Ａ内にある２個の第１の無給電素子１２に設けられた第２のスイッチ１６（１６ｂと記す）と４個の第２の無給電素子１９に設けられた第４のスイッチ２１（２１ｂと記す）は全てＯＦＦ状態になっており、領域Ａ内の接続された無給電素子１２および１９は地板１５から開放されている。
【０２５９】
領域Ａの外側にある第１の無給電素子１２に設けられた第２のスイッチ１６（１６ａと記す）と第２の無給電素子１９に設けられた第４のスイッチ２１（２１ａと記す）は全てＯＮ状態となっており、領域Ａの外側にある第１の無給電素子１２および第２の無給電素子１９を地板１５と短絡させている。
【０２６０】
給電素子１０が基本モードで励振された場合、領域Ａの外にある６個の第１の無給電素子１２および１２個の第２の無給電素子１９は給電素子１１との素子間相互結合によってＹ方向の電流が励起されてλ／２の基本モードが発生するが、領域Ａの外側にある第１の無給電素子１２は第２のスイッチ１６（１６ａ）によって地板１５と短絡し、第２の無給電素子１９は第４のスイッチ２１（２１ａ）によって地板１５と短絡しているため、第１の無給電素子や第２の無給電素子に励起される電圧は著しく低下し、放射パターンへの影響は小さくなる。
【０２６１】
その結果、放射パターンは給電素子１０と領域Ａ内の接続された無給電素子１２によってのみ決定され、図１２の場合では、φ=−３０〜−４０°方向にビームを傾かせることができた。また、第２のスイッチ１６と第４のスイッチ２１のＯＮ／ＯＦＦの組み合わせによってビームのチルト角をより細かく制御できた。さらに、第１〜第４のスイッチのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせを変えることによって３次元方向で非常に多様な指向性パターンが得られた。
【０２６２】
以上のように、本実施例４の構造を採用すると、実施例３の効果に加え第１の無給電素子１２、第２の無給電素子１９を各々第２のスイッチ１６、第４のスイッチ２１によって地板１５と短絡して放射パターンへの影響を無くすことができるため、３次元でより多様な指向性パターンが実現できる。そのため、実施例３よりも所望の方向にアンテナの最大放射角をより向けることができ、さらに良好な通信が可能となる。
【０２６３】
なお、本実施例４では、第１の無給電素子１２および第２の無給電素子１９に地板１５と短絡する第２のスイッチ１６および第４のスイッチ２１を設けたが、第２のスイッチ１６および第４のスイッチ２１は指向性制御アンテナに必要とされる仰角の制御性を考慮して数や配置を決定すれば良く、本実施例の説明に限定される必要はない。
【０２６４】
また、本実施例４では第４のスイッチ２１にＰＩＮダイオードを用いている。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アンテナに適している。
【０２６５】
第４のスイッチ２１は、誘電体１０の裏面の地板１５の一部を切り欠いた後、ダイボンダーを用いて切り欠き部にＰＩＮダイオードを表面実装し、ＰＩＮダイオードの一端を誘電体１０を貫通するビアホール１７を介して第２の無給電素子１９に接続することによって容易に実現できる。
【０２６６】
また、第４のスイッチ２１としてはＭＥＭＳスイッチも使用できる。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、さら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。
【０２６７】
＜実施例５＞
次に、本発明に係る無線モジュール（実施例５）について説明する。
図１３は、本発明に係る無線モジュールの一実施例を説明するための図である。
【０２６８】
本実施例５の無線モジュールは、アンテナとして実施例４の指向性制御マイクロストリップアンテナを用いている。また、アンテナを構成している誘電体１０の下層には、さらにGaAs基板からなる第２の基板２２が積層されており、該第２の基板２２には２０ＧＨｚに対応したフロントエンド回路２３が作製され、誘電体１０と第２の基板２２を貫通するビアホール１７によってフロントエンド回路２３と給電素子１１が接続されている。
【０２６９】
本実施例５の無線モジュールは、実施例４の指向性制御マイクロストリップアンテナを用いているため、第１〜第４のスイッチのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせによって３次元での指向性制御が可能である。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って大きな利得を実現でき、良好な送受信が行なえる。
【０２７０】
また、指向性制御マイクロストリップアンテナは平面構造をしているため、無線モジュールを小型化できる。さらにアンテナの下層に第２の基板２２を積層し、該第２の基板２２にフロントエンド回路２３を設けているため、さらに小型な無線モジュールを実現できる。
【０２７１】
なお、上記本実施例５では、第２の基板２３にフロントエンド回路２３のみを作製した場合を説明したが、第２の基板２３にフロントエンド回路２３とベースバンド回路の両方を作製してもよく、フロントエンド回路とベースバンド回路の一部を作製しても同様に無線モジュールを小型化できる。
【０２７２】
＜実施例６＞
次に、本発明に係る無線システムの実施例（実施例６）について説明する。
図１５は、本発明の無線システムの一実施例を説明するための図である。
【０２７３】
本実施例６では、図１３に示した無線モジュールを使用しており、アンテナ４０は送信系・受信系を切替える送受信切替スイッチ４１に接続されている。所望の指向性に従って、制御回路４２によって第１，第２，第３，第４スイッチのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせを設定する。
【０２７４】
その後、制御回路４２から制御信号Ａを第１のスイッチのバイアス発生回路４３に与えて所定のバイアスを発生し、第１のスイッチ１３のＯＮ／ＯＦＦ制御を行い、第１の無給電素子１２同士の接続／遮断の制御を行なう。
【０２７５】
また、制御回路４２から制御信号Cを第３のスイッチのバイアス発生回路４５に与えて所定のバイアスを発生し、第３のスイッチ２０のＯＮ／ＯＦＦ制御を行い、第１の無給電素子１２と第２の無給電素子１２および第２の無給電素子１２同士を接続／遮断制御を行なう。
【０２７６】
さらに、制御回路４２から制御信号Ｂを第２のスイッチのバイアス発生回路４４に与えて所定のバイアスを発生し、第２のスイッチ１６のＯＮ／ＯＦＦ制御を行なって所定の第１の無給電素子１２を地板１５と短絡させる。
【０２７７】
そして、制御回路４２から制御信号Dを第４のスイッチのバイアス発生回路４６に与えて所定のバイアスを発生し、第４のスイッチ２１のＯＮ／ＯＦＦ制御を行なって所定の第２の無給電素子を地板と短絡させる。上記のように第１〜第４のスイッチのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせによって目的とする放射パターンを得る。
【０２７８】
以上のように、本実施例６の無線システムは、第１〜第４のスイッチのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせによって、３次元で指向性制御が可能である。その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、良好な送受信が行なえる。また、本実施例６の無線システムは、本発明の指向性制御マイクロストリップアンテナから構成される小型な無線モジュールを用いているため、小型化な無線システムを実現できる。
【０２７９】
なお、実施例５の無線モジュールおよび実施例６の無線システムは、実施例４のアンテナを用いた例であるが、実施例１のアンテナを用いた場合はＸＹの２次元で、実施例２，３のアンテナを用いた場合は３次元で指向性制御が可能でありかつ平面構造であるため同様の効果が期待できる。無線モジュールおよび無線システムが目的とする指向性制御の範囲によって、本発明の実施例１〜実施例４の指向性制御マイクロストリップアンテナを適宜選択すれば良い。
【０２８０】
＜実施例７＞
次に、本発明に係る指向性制御マイクロストリップアンテナの別の実施例（実施例７）について説明する。
図１６は、本発明の実施例７を説明するための図である。同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）は断面図を示している。
【０２８１】
本実施例に係るアンテナは、同図に示すように、給電素子１１を第１の無給電素子１２がマトリクス状に取り囲み、さらにその外周を第２の無給電素子１９がマトリックス状に取り囲み、隣接した無給電素子間、及び給電素子１１と第１の無給電素子１２はスイッチによって接続または遮断される構造となっている。
【０２８２】
また、給電素子の給電点には整合回路２４が接続されている。
【０２８３】
さらに、第１の無給電素子１２、第２の無給電素子１９には、各々第２のスイッチ１６、第４のスイッチ１６が設けられており、地板１５と短絡できる構造を持っている。 
【０２８４】
アンテナの構成を詳細に記述すると、比誘電率３.９の石英基板からなる誘電体１０の下面にCu層からなる地板１５が形成されており、誘電体１０の上面にはCu層からなる矩形の給電素子１１と、該給電素子１１を取り囲んで第１の矩形の無給電素子１２がピッチ０.３λo（λo:自由空間での共振周波数の波長）で８個配置されており、さらに、第１の無給電素子１９の外周には第２の矩形の無給電素子１９がピッチ０.３λoでマトリックス状に３周（第２の無給電素子は７２個）配置されている。給電素子１１、第１の無給電素子１２、第２の無給電素子１９の大きさはＹ方向でＬ，Ｘ方向でＷとなっており、第１の無給電素子１２，第２の無給電素子１９は給電素子１１と同じ共振長を持つ。
【０２８５】
また、給電素子１１には給電点１４が設けられており、誘電体１０の裏面に積層されたポリイミド基板からなる第２の基板２２上に設けられた整合回路２４を介して高周波信号１８が供給される構造となっている。
【０２８６】
また、隣接した第１の無給電素子１２間にはＭＥＭＳスイッチからなる第１のスイッチ１３が設けられており、隣接した第１の無給電素子１２と第２の無給電素子１９間、及び第２の無給電素子１９間にはＭＥＭＳスイッチからなる第３のスイッチ２０が設けられており、隣接した給電素子１１と第１の無給電素子１２間にもＭＥＭＳスイッチからなる第５のスイッチ２５が設けられている。
【０２８７】
第１のスイッチ１３，第３のスイッチ２０、第５のスイッチ２５とも、図１４に示すような上部電極３１，下部電極３２，上部電極３１に接続されたヒンジ３３，バイアスラインから構成され、上部電極３１は隣接した各素子の対向する辺とほぼ同じ長さを持ち、ヒンジ３３によって可動できる。
【０２８８】
そのため、上部電極３１にバイアスが印加されると、上下電極間に静電引力が発生し、実施例３，実施例４と同様に、第１のスイッチ１３および、第３のスイッチ２０は隣接する無給電素子の対向する辺のほぼ全面で接続される。また、第５のスイッチ２５は隣接する給電素子１１と第１の無給電素子１２の対向する辺のほぼ全面で接続される。
【０２８９】
一方、上部電極３１のバイアスが遮断されると、上下電極間の静電引力が無くなり、実施例３，実施例４と同様に、第１のスイッチ１３および第３のスイッチ２０は隣接する無給電素子の対向する辺のほぼ全面で遮断される。また、第５のスイッチ２５は隣接する給電素子１１と第１の無給電素子１２の対向する辺のほぼ全面で遮断される。
【０２９０】
なお、第１のスイッチ１３，第３のスイッチ２０，第５のスイッチ２５のＯＮ／ＯＦＦはバイアスラインによって個別に選択できるようになっている。
【０２９１】
また、８個の第１の無給電素子１２に設けられた地板１５と短絡する第２のスイッチ１６はＰＩＮダイオードからなり、第２のスイッチ１６がＯＮ状態では第１の無給電素子１２は地板１５と短絡し、第２のスイッチ１６がＯＦＦ状態では第１の無給電素子１２は地板１５から開放される構造となっている。なお、８個の第１の無給電子素子１２に各々接続された第２のスイッチ１６は図示されていないバイアスラインによって個別にＯＮ／ＯＦＦ状態が選択できる。
【０２９２】
さらに、７２個の第２の無給電素子１９に設けられた地板１５と短絡する第４のスイッチ２１もＰＩＮダイオードからなり、第４のスイッチ２１がＯＮ状態では第２の無給電素子１９は地板１５と短絡し、第４のスイッチ２１がＯＦＦ状態では第２の無給電素子１９は地板１５から開放される構造となっている。なお、７２個の第２の無給電素子１９に各々接続された第２のスイッチ１６も図示されていないバイアスラインによって個別にＯＮ／ＯＦＦ状態が選択できる。
【０２９３】
本実施例のアンテナは、給電素子１１と無給電素子がＭＥＭＳスイッチによって接続できる構造となっているので、第５のスイッチ２５のＯＮ／ＯＦＦ，第１のスイッチ１３および第３のスイッチ２０のＯＮ／ＯＦＦの組み合わせによって複数の共振長を持つことができるので、多周波対応アンテナを実現できる。
【０２９４】
本実施例のアンテナを２周波（高周波側/低周波側の共振モード）で使用する場合について説明する。高周波対応とする場合の第１のスイッチ１３，第３のスイッチ２０，および第５のスイッチ２５のＯＮ／ＯＦＦの組み合わせの一例を図１７−Ａに示す。第５のスイッチ２５を全てＯＦＦ状態として給電素子１１と第１の無給電素子１２を分離すると、給電素子１１のみからなる放射素子Ａ（一点鎖線で囲まれた領域）が形成される。放射素子Ａは給電素子１１からなるので共振長はＬとなり、基本モードで励振されて高周波対応（高周波側の共振モード）を実現できる。
【０２９５】
高周波側の共振モードでの指向性制御を一例を、図１７−Ｂ，図１７−Ｃを用いて説明する。
【０２９６】
第５のスイッチ２５を全てＯＦＦ状態として給電素子１１と第１の無給電素子１２を分離すると、実施例４と同様なアンテナ構成が実現できるので、放射素子Ａ（給電素子１１）を取り囲む第１の無給電素子１２と第２の無給電素子１９をスイッチで接続することによって指向性を変化させることができる。
【０２９７】
また、第１の無給電素子１２，第２の無給電素子１９を各々第２のスイッチ１６，第４のスイッチ２１によって地板１５と短絡させることによっても指向性を変化させることができる。
【０２９８】
例えば、図１７−Ｂの例では、給電素子１１の−Ｘ側にある３個の第１の無給電素子１２と、前記第１の無給電素子１２と−Ｘ側で隣接する３個の第２の無給電素子１９との間にある２個の第１のスイッチ１３と５個の第３のスイッチ２０をＯＮ状態にし、３個の第１の無給電素子１２と３個の第２の無給電素子１９が接続された無給電素子（領域Ａ）を形成している。なお、領域Ａにある第１の無給電素子１２、第２の無給電素子１９に接続された第２のスイッチ１６、第４のスイッチ２１はＯＦＦ状態となっており、領域Ａにある第１の無給電素子１２、第２の無給電素子１９を地板１５から開放している。
【０２９９】
その他の第１のスイッチ１３，第３のスイッチ２０はＯＦＦ状態であり、領域Ａの外側にある５個の第１の無給電素子１２、６９個の第２の無給電素子１９は隣接した無給電素子と遮断され、かつ第２のスイッチ１６、第４のスイッチ２１によって全て地板１５と短絡されている。
【０３００】
放射素子Ａ（給電素子）がＹ方向の辺ＬをλＨ／２（λＨ：高周波対応の時の誘電体中での共振周波数の波長）とする周波数の基本モードで励振された場合、領域Ａの外にある５個の第１の無給電素子１２、６９個の第２の無給電素子１９は給電素子１１との素子間相互結合によってＹ方向の電流が励起されてλＨ／２の基本モードが発生するが、領域Ａの外側にある第１の無給電素子１２は第２のスイッチ１６によって地板１５と短絡し、第２の無給電素子１９は第４のスイッチ２１によって地板１５と短絡しているため、第１の無給電素子１２や第２の無給電素子１９に励起される電流は著しく低下し、放射パターンへの影響は小さくなる。
【０３０１】
その結果、放射パターンは給電素子１１と領域Ａの接続された無給電素子によってのみ決定され、図１７−Ｂの場合は+Ｘ方向に２５〜３５度ビームを傾かせることができた。
【０３０２】
また、図１７−Ｃでは 放射素子Ａ（給電素子）の＋Ｘ側にある３個の第１の無給電素子１２のうち２個の第１の無給電素子１２を接続し、残りの第１の無給電素子１２を遮断し，−Ｘ側についても同様な接続として領域Ｂ，Ｃに接続された無給電素子を配置した。なお、領域Ｂ，Ｃにある第１の無給電素子１２に接続された第２のスイッチ１６はＯＦＦ状態として、領域Ｂ，Ｃにある第１の無給電素子１２を地板１５から開放している。なお、その他の第１のスイッチ１３，第３のスイッチ２０は全てＯＦＦ状態であり、領域Ｂ，Ｃの外側にある４個の第１の無給電素子１２、７２個の第２の無給電素子１９は隣接した無給電素子と遮断され、かつ第２のスイッチ１６、第４のスイッチ２１によって全て地板１５と短絡させた。
【０３０３】
上記のようなスイッチのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせでは+Ｙ方向に２０〜３５度ビームを傾かせることができた。
【０３０４】
また、領域Ａ，Ｂ，Ｃの外側にある第１の無給電素子１２，第２の無給電素子１９に接続された第２のスイッチ１６，第４のスイッチ２１の一部をＯＦＦとして第１の無給電素子１２，第２の無給電素子１９の一部を地板１５と開放すると、ビームの仰角をより細かく制御できた。
【０３０５】
次に、低周波対応とする場合の第１のスイッチ１３，第３のスイッチ２０，第５のスイッチ２５のＯＮ／ＯＦＦの組み合わせの一例を図１８−Ａに示す。
【０３０６】
第１のスイッチ１３，第５のスイッチ２５を全てＯＮ状態とし、第１の無給電素子１２と第２の無給電素子１９間にある第３のスイッチ２０を全てＯＦＦ状態とすると、給電素子１１と第１の無給電素子１２、第１の無給電素子１２同士が接続されて、給電素子１１と８個の第１の無給電素子１２からなる放射素子Ｂ（一点鎖線で囲まれた領域）が形成される。放射素子Ｂの共振長はＬ２であり、放射素子Ａ（給電素子）の３倍以上の共振長を持つので低周波側で共振（低周波側の共振モード）できる。
【０３０７】
低周波側の共振モードでの指向性制御を一例を、図１８−Ｂおよび図１８−Ｃを用いて説明する。給電素子１１と８個の第１の無給電素子１２から形成された放射素子Bは共振長がＬ２であるので、第２の無給電素子１９を接続してＬ２の高次モードが発生する無給電素子を放射素子Ｂに隣接させることで指向性を変化させることができる。
【０３０８】
また、第２の無給電素子１９に接続された第４のスイッチ２１をＯＮ状態にして第２の無給電素子１９を地板１５と短絡させることによっても指向性を変化させることができる。
【０３０９】
例えば、図１８−Ｂの例では、放射素子Ｂの＋Ｘ側にある２７個の第２の無給電素子１９を第３のスイッチ２０によって接続して無給電素子（領域Ｄ，点線で囲まれた領域）を形成する。
【０３１０】
領域Ｄにある第２の無給電素子１９に接続された第４のスイッチ２１はＯＦＦ状態となっており、領域Ｄにある第２の無給電素子１９は地板１５から開放されている。
【０３１１】
その他の第３のスイッチ２０はＯＦＦ状態であり、領域Ｄの外側にある４５個の第２の無給電素子１９は隣接した無給電素子と遮断され、かつ第４のスイッチ２１によって全て地板１５と短絡されている。
【０３１２】
放射素子ＢがＹ方向の辺Ｌ２をλＬ／２（λL：低周波対応の時の誘電体中での共振周波数の波長）とする周波数の基本モードで励振された場合、領域Ｄの外にある４５個の第２の無給電素子１９は放射素子Ｂと共振長が異なるため誘起されるＹ方向の電流は小さくなる。
【０３１３】
さらに、第２の無給電素子１９は第４のスイッチ２１によって地板１５と短絡されているため、第２の無給電素子１９に励起された電流は著しく抑制されて放射パターンへの影響は非常に小さくなる。
【０３１４】
その結果、放射パターンは放射素子Ｂと領域Ｄの接続された無給電素子によってのみ決定される。領域Ｄにある第３のスイッチ２０によって接続された無給電素子はＹ方向のさがほぼ３×Ｌ２であるので、Ｙ方向の辺を３×（λL／２)とする高次モードが発生する。そのため放射パターンを天頂から−Ｘ側に傾けることができる。本例では−Ｘ側に−２５〜−４０度傾けることができた。
【０３１５】
また、図１８−Ｃでは 放射素子Ｂに対し＋Ｘ側にある２７個の第２の無給電素子１９のうち１８個の第２の無給電素子１９を接続し、残りの第２の無給電素子１９を遮断し，−Ｘ側についても同様な接続として領域Ｅ，Ｆに接続された無給電素子（点線で囲まれた領域）を配置した。
【０３１６】
なお、領域Ｅ、Ｆにある第２の無給電素子１９に接続された第４のスイッチ２１はＯＦＦ状態として、領域Ｅ，Ｆにある第２の無給電素子１９を地板１５から開放している。なお、その他の第３のスイッチ２０は全てＯＦＦ状態であり、領域Ｅ，Ｆの外側にある３６個の第２の無給電素子１９は隣接した無給電素子と遮断され、かつ第４のスイッチ２１によって全て地板１５と短絡されている。
【０３１７】
上記のようなスイッチのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせによって+Ｙ方向に２０〜３０度ビームを傾かせることができた。
【０３１８】
また、領域Ｄ，Ｅ，Ｆの外側にある第１の無給電素子１２，第２の無給電素子１９に接続された第２のスイッチ１６，第４のスイッチ２１の一部をＯＦＦとして第１の無給電素子１２，第２の無給電素子１９の一部を地板１５と開放すると、ビームの仰角をより細かく制御することが可能であった。
【０３１９】
以上のように、本実施例のアンテナの構造を採用すると、第１〜第４のスイッチのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせを変えることによって、２周波対応を実現しながら３次元方向で非常に多様な指向性パターンを実現できる。
【０３２０】
次に、本実施例に採用されている整合回路２４の構成および動作について説明する。
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１９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１４のインセット位置をＬ’、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、下記（１）式、（２）式のように記述される。
【０３２１】
【数１】
2006115451.tif 000003
【０３２２】
【数２】
2006115451.tif 000004
【０３２３】
（１），（２）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(Ｌ’／Ｌ）に影響される。
【０３２４】
本実施例のアンテナも基本的には矩形のマイクロストリップアンテナの構造をしている。高周波側の共振モード（放射素子Ａ，つまり給電素子単体で共振）と低周波側での共振モード(放射素子Ｂで共振）では（Ｌ’／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。そのため給電素子１１の入力インピーダンスを給電線の特性インピーダンス（通常は５０Ω）に合わせた場合は低周波側で動作させると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大きくずれ、反射が大きくなる。
【０３２５】
本実施例では、２周波で整合を取るために給電点１４に整合回路２４を設けている。整合回路２４の詳細を図２０に示す。同図に示すように、整合回路２４はスパイラルインダクタとキャパシタをπ型に組み合わせた回路からなり、切り替えスイッチ２６によって５０Ωの給電線と整合回路を切り替えることができる。
【０３２６】
例えば、給電素子の入力インピーダンスが５０Ωになるように給電点を配置した場合は、高周波側での共振モードでは切り替えスイッチ２６を５０Ωの給電線側に入れてアンテナ２７とＲＦ回路２８を直結する。その結果、高周波側の共振モードでは、アンテナの入力インピーダンスは指向性制御を行った場合も放射素子Ａ（給電素子）の入力インピーダンスとほぼ等しくなるので、反射が抑制されて良好な送受信が可能となる。
【０３２７】
一方、低周波側の共振モードでは切り替えスイッチ２６を整合回路２４側に入れ、アンテナ２７とＲＦ回路２８の間に整合回路２４を接続する。整合回路２４のＬ，Ｃの定数を適切に選ぶことによって放射素子Ｂの入力インピーダンスを５０Ωに整合することができ、低周波側の共振モードでも反射が抑制されて良好な送受信が可能となる。
【０３２８】
以上のように、給電素子１１の給電点１４に整合回路２４を設けることによって２周波とも良好な送受信が可能となる。
【０３２９】
なお、本例では、π型の整合回路２４を用いたが、整合回路２４はＴ型，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良く、一般的に使用されている整合回路が使用できる。
【０３３０】
また、定数が可変できる整合回路を用いる場合は、アンテナ２７に整合回路を直結し、高周波側，低周波側でのアンテナの入力インピーダンスに合わせて素子の定数を適切に選ぶことによって２周波とも整合が可能となり、良好な送受信が行える。
【０３３１】
また、本実施例に用いた第１のスイッチ１３，第５のスイッチ２５はＯＮ状態になると隣接した第１の無給電素子１２同士または給電素子１１と第１の無給電素子１２は対向する辺のほぼ全面で接続される構造となっている。そのため第１のスイッチ１３，第５のスイッチ２５を全てＯＮ状態にして低周波対応にした場合、４個のスイッチ（２個の第１のスイッチ１３と２個の第５のスイッチ２５）の間に形成される空隙を小さくすることができる。そのため放射素子Ｂに流れるＹ方向の電流は空隙によって制限されにくくなり、放射素子Ｂの帯域幅を向上でき、低周波対応の場合のアンテナ自体の帯域幅を改善できる。
【０３３２】
図２１は、第１のスイッチ１３，第５のスイッチ２５で囲まれた空隙をさらに小さくするスイッチの構造であり、第１のスイッチ１３，第５のスイッチ２５は他のスイッチと対向する先端部分の形状がＶ形状に延長され、４つのスイッチの間隔がＸ状になっている。
【０３３３】
そのため、４個のスイッチで囲まれた空隙はさらに小さくなり、第１のスイッチ１３，第５のスイッチ２５の導通、遮断状態の組み合わせによって低周波対応の放射素子を形成した場合、給電素子１１と第１の無給電素子１２が接続して形成される放射素子に流れるＹ方向の電流は第１のスイッチ１３，第５のスイッチ２５でさらに制限されなくなり、放射素子の帯域幅の低下はさらに抑制され、アンテナ自体の帯域幅をより改善できる。
【０３３４】
また、本実施例では、第５のスイッチ２５にＭＥＭＳスイッチを用いた。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、さら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。
【０３３５】
さらに、第５のスイッチ２５には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や携帯端末での多周波対応指向性制御アンテナに適している。
【０３３６】
また、本実施例では、給電素子１１、第１の無給電素子１２、第２の無給電素子１９の外形は同一としたが、給電素子１１単体で共振した場合に素子間相互結合によって第１の無給電素子１２，第２の無給電素子１９が励振できれば良いので、同一である必要はなくほぼ同じ形状であれば良い。
【０３３７】
＜実施例８＞
図２２（ａ）（ｂ）に本発明の３周波対応指向性制御アンテナの一例を示す。本実施例のアンテナは低周波，中間周波，高周波の３モードで動作し、かつ各々の周波数帯で指向性制御が可能なアンテナである。
【０３３８】
同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）は断面図を示しており、本実施例のアンテナは、給電素子１１を第１の無給電素子１２がマトリクス状に取り囲み、さらにその外周を第２の無給電素子１９が６重に取り囲み、隣接した無給電素子間、及び給電素子１１と第１の無給電素子１２はスイッチによって接続または遮断される構造となっている。
【０３３９】
また、給電素子１１の給電点１４には定数が可変できる整合回路２４Ａが接続されている。
【０３４０】
さらに、第１の無給電素子１２、第２の無給電素子１９には各々第２のスイッチ１６、第４のスイッチ２１が設けられており、地板１５と短絡できる構造を持っている。
【０３４１】
アンテナの構成を詳細に記述すると、比誘電率３.９の石英基板からなる誘電体１０の下面にCu層からなる地板１５が形成されており、誘電体１０の上面にはCu層からなる矩形の給電素子１１と、該給電素子１１を取り囲んで第１の矩形の無給電素子１２がピッチ０.３λo（λo:自由空間での共振周波数の波長）で８個配置されており、さらに第１の無給電素子１２の外周には第２の矩形の無給電素子１９がピッチ０.３λoでマトリックス状に６周配置されている。給電素子１１、第１の無給電素子１２、第２の無給電素子１９の大きさはＹ方向でＬ，Ｘ方向でＷとなっており、第１の無給電素子１２，第２の無給電素子１９は給電素子１１と同じ共振長を持つ。
【０３４２】
また、給電素子１１の給電点１４には、誘電体２０裏面に積層されたポリイミド基板からなる第２の基板２２上に設けられた定数が可変できる整合回路２４Ａを介して高周波信号１８が供給される構造となっている。
【０３４３】
また、隣接した第１の無給電素子１２と第２の無給電素子１９間、及び第２の無給電素子１９の間にはＭＥＭＳスイッチからなる第１のスイッチまたは第３のスイッチが設けられており、隣接した給電素子１１と第１の無給電素子１２間にもＭＥＭＳスイッチからなる第５のスイッチ２５が設けられている。
【０３４４】
第１のスイッチ１３，第３のスイッチ２０、第５のスイッチ２５とも、図１４に示すように、上部電極３１，下部電極３２，上部電極３１に接続されたヒンジ３３，バイアスラインから構成され、上部電極３１は隣接した各素子の対向する辺とほぼ同じ長さを持ち、ヒンジ３３によって可動できる構造となっている。なお、第１のスイッチ１３，第３のスイッチ２０，第５のスイッチ２５のＯＮ／ＯＦＦはバイアスラインによって個別に選択できるようになっている。
【０３４５】
また、第１の無給電素子１２、第２の無給電素子１９にＰＩＮダイオードからなる第２のスイッチ１６，第４のスイッチ２１が設けられており、該第２のスイッチ１６，第４のスイッチ２１がＯＮ状態では第１の無給電素子１２，第２の無給電素子１９は地板１５と短絡し、第２のスイッチ１６，第４のスイッチ２１がＯＦＦ状態では第１の無給電素子１２，第２の無給電素子１９は地板１５から開放される構造となっている。第２のスイッチ１６，第４のスイッチ２１も図示されていないバイアスラインによって個別にＯＮ／ＯＦＦ状態が選択できるようになっている。
【０３４６】
本実施例のアンテナを３周波（高周波側，中間周波数，低周波側の共振モード）で使用する場合について説明する。
【０３４７】
高周波対応とする場合は、第５のスイッチ２５を全てＯＦＦ状態として給電素子１１と第１の無給電素子１２を分離し、給電素子１１のみからなる放射素子Ａ（点線で囲まれた領域）を形成する。放射素子Ａは給電素子１１からなるので共振長はＬとなり、基本モードで励振されて高周波対応（高周波側の共振モード）となる。
【０３４８】
中間周波対応とする場合は、第１のスイッチ３，第５のスイッチ２５を全てＯＮ状態とし、第１の無給電素子１２と第２の無給電素子１９間にある第３のスイッチ２０を全てＯＦＦ状態にして、給電素子１１と第１の無給電素子１２、第１の無給電素子１２同士が接続された放射素子Ｂを形成する。
【０３４９】
給電素子１１と８個の第１の無給電素子１２からなる放射素子Ｂ（一点鎖線で囲まれた領域）の共振長はＬ２であり、放射素子Ａ（給電素子１１）の３倍以上の共振長を持つので中間周波数で共振（中間周波数帯の共振モード）する。
【０３５０】
低周波対応とする場合は、２点鎖線で囲まれた領域にある第１のスイッチ１３，第３のスイッチ２０，第５のスイッチ２５をＯＮ状態とし、給電素子１１と８個の第１の無給電素子１２と１６個の第２の無給電素子１９が接続した放射素子Cを形成する。給電素子１１，８個の第１の無給電素子１２，１６個の第２の無給電素子１９からなる放射素子Ｃ（二点鎖線で囲まれた領域）の共振長はＬ３であり、放射素子Ａ（給電素子）の５倍以上の共振長を持つので低周波側で共振（低周波側の共振モード）する。
【０３５１】
以上のように、本実施例のアンテナの構造を採用すると、第１のスイッチ１３，第３のスイッチ２０，第５のスイッチ２５のＯＮ／ＯＦＦの組み合わせによって３周対応が実現できる。なお、各周波数帯での指向制御は実施例７と同様な方法を用いることで実現できる。
【０３５２】
次に、本実施例に用いた整合回路２４Ａの構成および動作について説明する。
本実施例のアンテナは３周波対応であり、各周波数帯で放射素子のＬ’／Ｌが大きく異なるため、給電点に整合回路が必要である。整合回路２４Ａの詳細を図２３に示す。整合回路２４ＡはバラクタダイオードとスパイラルインダクタをＣ，Ｌ，Ｃに組んだπ型整合回路からなり、切り替えスイッチ２６によって５０Ωの給電線と整合回路２４Ａを切り替えることができる。
【０３５３】
例えば、給電素子１１の入力インピーダンスが５０Ωになるように給電点１４を配置した場合は、高周波側での共振モードでは切り替えスイッチ２６を５０Ωの給電線側に入れてアンテナ２７とＲＦ回路２８を直結する。その結果、高周波側の共振モードでは、アンテナの入力インピーダンスは指向性切り替えを行った場合も放射素子Ａ（給電素子１１）の入力インピーダンスとほぼ等しくなるので、反射が抑制されて良好な送受信が可能となる。
【０３５４】
一方、中間周波数帯と低周波側の共振モードでは、切り替えスイッチ２６を整合回路２４Ａ側に入れ、アンテナ２７とＲＦ回路２８の間に整合回路２４Ａを接続する。整合回路２４Ａに用いたバラクタダイオードのＣを適切に選び、放射素子Ｂ，放射素子Ｃの入力インピーダンスを５０Ωに整合させると、中間周波数帯・低周波側の共振モードとも反射が抑制されて良好な送受信が可能となる。
【０３５５】
以上のように、給電素子の給電点に定数を可変できる整合回路を設けることによって３周波とも良好な送受信が可能となる。
【０３５６】
なお、本実施例も、π型整合回路の他にＴ型，Ｌ型整合回路を用いることができ、移相器とインダクタ，キャパシタの組み合わせでも何ら構わない。
【０３５７】
また、本実施例では、定数が可変できる素子としてバラクタダイオードを用いたが、ＭＥＭＳによる可変インダクタを採用しても良い。
【０３５８】
また、整合回路に空間的余裕がある場合は、中間周波数帯用の固定式の整合回路と低周波側用の固定式の整合回路を各々設け、切替えスイッチによって各周波数帯で５０Ωの給電線と２個の整合回路を切替えても良い。
【０３５９】
なお、本実施例では、給電素子１１と第１の無給電素子１２、第２の無給電素子１９の外形は全て同一としたが、給電素子１１単体で共振した場合に第１の無給電素子１２や第２の無給電素子１９が素子間相互結合によって励振されれば良いので、同一である必要はなく、ほぼ同じ形状であれば良い。
【０３６０】
また、本実施例では第１の無給電素子１２を第２の無給電素子１９が６周取り囲む構造であるため、３周波対応となったが、第１の放射素子をさらに多くの第２の無給電素子１９でマトリックス状に取り囲み、第１の無給電素子１２と第２の無給電素子１９、第２の無給電素子１９同士を接続する第３のスイッチ２０を設けると、より多くの周波数帯で指向性制御可能となる。
【０３６１】
＜実施例９＞
本発明に係る無線モジュールの実施例を説明する。
図２４は、本実施例に係る無線モジュール一例を図２４に示す。
【０３６２】
本実施例の無線モジュールは実施例７のアンテナを用いている。またアンテナを構成している第２の基板２２の下層には多孔質ポリイミド基板からなる第３の基板２９が積層された構造を持ち、第３の基板２９上にはチップ部品を用いてフロントエンド回路２３が構成され、第３の基板２９を貫通するビアホール１７によってフロントエンド回路２３と給電線が接続されている。
【０３６３】
本実施例の無線モジュールは、実施例７のアンテナを用いているので、２周波で指向性制御が可能である。そのため、各周波数帯で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が得られ、良好な送受信が行なえる。また２周波に対応できるため、１個の無線モジュールで２個の規格に対応でき、無線モジュールを小型化できる。
【０３６４】
さらに、アンテナの下層、つまり第２の基板２２の下方に第３の基板２９を積層し、第３の基板２９にフロントエンド回路２３を設けているので、さらに小型な無線モジュールを実現できる。
【０３６５】
なお、本例では、第３の基板２９にフロントエンド回路２３のみを実装したが、フロントエンド回路２３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２３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。
【０３６６】
次に、本発明に係る無線システムの実施例を図２５に示す。
本実施例では、図２４に示した無線モジュールを使用しており、アンテナ送信系４８・アンテナ受信系４９を切替える送受信切替えスイッチ４１に接続されている。所望の周波数に従って制御回路４２によって第１のスイッチ１３，第５のスイッチ２５の導通、遮断の組み合わせを設定して放射素子Ａまたは放射素子Ｂを形成する。
【０３６７】
その後、高周波対応であれば制御回路２４から制御信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを第１のスイッチ１３，第２のスイッチ１６，第３のスイッチ２０，第４のスイッチ２１それぞれのバイアス発生回路４３〜４６に与えて所定のバイアスを発生し、第１のスイッチ１３，第２のスイッチ１６，第３のスイッチ２０，第４のスイッチ２１の導通／遮断を行い、第１の無給電素子１２，第２の無給電素子１９を接続するか、または第１の無給電素子１２，第２の無給電素子１９を地板１５と短絡してＸＹの２次元でビーム切替えを行う。
【０３６８】
また、低周波対応であれば、制御回路４２から制御信号Ｃ、Ｄを第３のスイッチと第４のスイッチのバイアス発生回路４５，４６に与えて所定のバイアスを発生し、第２の無給電素子１９同士を接続または地板１５と短絡するすることによってＸＹの２次元でビーム切替えを行う。
【０３６９】
また、２周波でのインピーダンス整合は以下のようにして行う。制御回路から制御信号Fを切り替えスイッチのバイアス発生回路に与え所定のバイアスを発生して整合回路の切り替えスイッチをＯＮ／ＯＦＦし、高周波対応ではアンテナを直接フロントエンド回路に接続する。一方低周波対応ではアンテナを整合回路に接続してからフロントエンド回路に接続する。
【０３７０】
さらに、送信あるいは受信モードを考慮して、制御回路４２より制御信号Ｇを送受信切替えスイッチ制御回路４７に与え所定のバイアスを発生し、送受信切替えスイッチ４１にて送受信の切替えを行いアンテナ４０とフロントエンド回路２３を電気的に導通して通信を行なう。
【０３７１】
以上のように、本実施例の無線システムは、２周波に対応して指向性制御が可能である。よって１個の無線システムで２つ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。
【０３７２】
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。さらに電波状況によっては周波数や指向性を切替えることで絶えず良好な送受信を行なうことができる。
【０３７３】
なお、バイアス発生回路４３〜５１を省略し、制御信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇを第１〜５のスイッチ１３，１６，２０，２１，２５、切り替えスイッチ２６、送受信切り替えスイッチ４１に直接に与えてスイッチの導通／遮断を行っても良い。
【図面の簡単な説明】
【０３７４】
【図１】本発明の指向性制御マイクロストリップアンテナの一実施例を示す図である。
【図２−Ａ】実施例１の指向性制御の一例を示す図である（その１）。
【図２−Ｂ】実施例１の指向性制御の一例を示す図である（その２）。
【図３】実施例１の指向性制御の別の一例を示す図である。
【図４】実施例１の指向性制御の別の一例を示す図である。
【図５】本発明の指向性制御マイクロストリップアンテナの別の一例（実施例２）を示す図である。
【図６】実施例２の指向性制御の一例を示す図である。
【図７】本発明の指向性制御マイクロストリップアンテナの別の一例（実施例３）を示す図である。
【図８】実施例３の指向性制御の一例を示す図である。
【図９】実施例３の指向性制御の別の一例を示す図である。
【図１０】帯域幅をさらに改善できる第１のスイッチ、第３のスイッチの形状の一例を示す図である。
【図１１】本発明の指向性制御マイクロストリップアンテナの別の一例（実施例４）を示す図である。
【図１２】実施例４の指向性制御の一例を示す図である。
【図１３】本発明に係る無線モジュール（実施例５）の一例を示す図である。
【図１４】ＭＥＭＳスイッチの構成例を説明するための図である。
【図１５】本発明の無線システム（実施例６）の一例を示す図である。
【図１６】本発明の２周波数対応指向性制御マイクロストリップアンテナの一例
【図１７−Ａ】実施例７のアンテナにおいて、高周波対応にする場合の一例を示す図である（その１）。
【図１７−Ｂ】実施例７のアンテナにおいて、高周波対応にする場合の一例を示す図である（その２）。
【図１７−Ｃ】実施例７のアンテナにおいて、高周波対応にする場合の一例を示す図である（その３）。
【図１８−Ａ】実施例７のアンテナにおいて、低周波対応にする場合の一例を示す図である（その１）。
【図１８−Ｂ】実施例７のアンテナにおいて、低周波対応にする場合の一例を示す図である（その２）。
【図１８−Ｃ】実施例７のアンテナにおいて、低周波対応にする場合の一例を示す図である（その３）。
【図１９】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を説明する図
【図２０】実施例７の整合回路の一例を示す図である。
【図２１】帯域幅をさらに改善できる第１のスイッチ、第５のスイッチの形状の一例を示す図である。
【図２２】本発明の３周波数対応指向性制御マイクロストリップアンテナの一例を示す図である。
【図２３】実施例８の整合回路の一例を示す図である。
【図２４】本発明の無線モジュールの別の一例を示す図である。
【図２５】本発明の無線システムの別の一例を示す図である。
【図２６】アンテナの従来例を示す図である（その１）。
【図２７】アンテナの従来例を示す図である（その２）。
【図２８】アンテナの従来例を示す図である（その３）。
【図２９】アンテナの従来例を示す図である（その４）。
【図３０】アンテナの従来例を示す図である（その５）。
【図３１】アンテナの従来例を示す図である（その６）。
【図３２】アンテナの従来例を示す図である（その７）。
【図３３】アンテナの従来例を示す図である（その８）。
【図３４】アンテナの従来例を示す図である（その９）。
【図３５】アンテナの従来例を示す図である（その１０）。
【図３６】アンテナの従来例を示す図である（その１１）。
【図３７】アンテナの従来例を示す図である（その１２）。
【符号の説明】
【０３７５】
１０：誘電体
１１：給電素子
１２：第１の無給電素子
１３（１３ａ，１３ｂ）：第１のスイッチ
１４：給電点
１５：地板
１６（１６ａ，１６ｂ）：第２のスイッチ
１７：ビアホール
１８：高周波信号
１９：第２の無給電素子
２０（２０ａ，２０ｂ）：第３のスイッチ
２１（２１ａ，２１ｂ）：第４のスイッチ
２２：第２の基板
２３：フロントエンド回路
２４，２４Ａ：整合回路
２５：第５のスイッチ
２６：切り替えスイッチ
２７：アンテナ
２８：ＲＦ回路
２９：第３の基板
３０：ＭＥＭＳスイッチ
３１：上部電極
３２：下部電極
３３：ヒンジ
４０：アンテナ
４１：送受信切替スイッチ
４２：制御回路
４３：第１のスイッチのバイアス発生回路
４４：第２のスイッチのバイアス発生回路
４５：第３のスイッチのバイアス発生回路
４６：第４のスイッチのバイアス発生回路
４７：送受信切替スイッチ制御回路
４８：受信系
４９：送信系
１００：給電素子
１０１：無給電素子
１０２：キャパシタンス
１０３：地板
１０４：スイッチ回路
１１０：誘電体
１１１：地板
１１２：円環放射導体
１１３：ダイオード
１２０：接地導体
１２１：給電アンテナ素子（給電素子）
１２２：無給電可変リアクタンス素子（無給電素子）
１３０：接地導体
１３１：給電素子
１３２：無給電素子
１３３：インピーダンス負荷
２０１：金属片
２０２：ＰＩＮダイオード
２１１：アンテナ部
２１２：配線基板
２１３：グランドパターン
２１４：ＲＦモジュール
２１８：アンテナ素子パターン
２１９：給電点（給電パターン）
２２０a，２２０b，２２０ｃ，２２０ｄ：接地点（接地パターン）
２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃ，２２１ｄ：スイッチ
３００：アンテナ構造
３０５：短絡平面
３１０：サブアンテナ構造
３２０：第１の放射素子
３２２：第１の端部
３２４：給電ライン
３３０：第２の放射素子
３３２：第２の端部
３３４：間隔
３４０：第３の放射素子
３４２：第３の端部
３５０：給電ライン
３６０，３６２：スイッチ
３７０，３７２：無線周波数モジュール
Ａ１，Ａ２：開口
４００：要素素子
４０５：高周波の給電点
４１０：低周波の給電点
４２０：ＭＥＭＳスイッチ
５００：基板
５０１：要素素子
５０２：ＦＥＴスイッチ
５０３：給電点
【図１】
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【図２−Ａ】
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【図２−Ｂ】
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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−Ａ】
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【図１７−Ｂ】
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【図１７−Ｃ】
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【図１８−Ａ】
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【図１８−Ｂ】
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【図１８−Ｃ】
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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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【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３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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