(57)【要約】【課題】無指向性アンテナと同程度の大きさで、広帯域にわたって大きな指向性変化量を有する指向性可変アンテナ等を提供する。【解決手段】ポール状又は回転体状の放射器１７２を有するアンテナ素子と、アンテナ素子に給電する同軸線路１７１ａ、１７１ｂと、アンテナ素子と同軸線路１７１ｂとの接合部に設けられた指向性切替え手段１７４，１７５とを有する指向性可変アンテナであって、接合部に接する同軸線路１７１ｂの外導体１７１４の内径及び／又は内導体１７１１の直径を変更することにより指向性アンテナのゲインを変更するができる。【選択図】図１７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポール状又は回転体状の放射器を有するアンテナ素子と、該アンテナ素子に給電する同軸線路と、前記アンテナ素子と前記同軸線路との接合部に設けられた指向性切替え手段とを有する指向性可変アンテナであって、
前記接合部に接する前記同軸線路の外導体の内径及び／又は内導体の直径を変更することにより当該指向性アンテナのゲインを変更することを特徴とする指向性可変アンテナ。
【請求項２】
前記外導体の内周に接する円環状の導体及び／又は前記内導体の外周に接する円環状の導体を有することにより当該指向性アンテナのゲインを変更することを特徴とする請求項１記載の指向性可変アンテナ。
【請求項３】
前記アンテナ素子において前記接合部に接する面の径が前記同軸線路の内導体の径よりも大きくなるよう形成されることにより当該指向性アンテナのゲインを変更することを特徴とする請求項１記載の指向性可変アンテナ。
【請求項４】
前記放射器の周囲に前記同軸線路の端部に接するように形成された第１の誘電体を有することにより当該指向性アンテナのゲインを変更することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の指向性可変アンテナ。
【請求項５】
前記同軸線路内の端部に前記同軸線路の外導体と内導体との間の誘電率とは異なる誘電率を有する第２の誘電体を有することにより当該指向性アンテナのゲインを変更することを特徴とする請求項４記載の指向性可変アンテナ。
【請求項６】
前記第２の誘電体の誘電率は、前記第１の誘電体の誘電率と等しいことを特徴とする請求項５記載の指向性可変アンテナ。
【請求項７】
前記指向性切替え手段は、前記接合部において前記同軸線路の内導体と外導体との間を短絡するよう形成された線状の短絡手段を有することを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の指向性可変アンテナ。
【請求項８】
前記短絡手段の全体若しくは一部の幅及び／又は厚さは、所定の大きさを有することを特徴とする請求項７記載の指向性可変アンテナ。
【請求項９】
前記第１の誘電体の形状は、前記同軸線路と中心軸が一致するように形成された円錐台状であることを特徴とする請求項４乃至８のうちいずれか一項記載の指向性可変アンテナ。
【請求項１０】
ポール状又は回転体状の放射器を有するアンテナ素子と、該アンテナ素子に給電する同軸線路と、前記アンテナ素子と前記同軸線路との接合部に設けられた指向性切替え手段とを有する指向性可変アンテナであって、
前記放射器の周囲に前記同軸線路の端部に接するように形成された誘電体を有することにより当該指向性アンテナのゲインを変更することを特徴とする指向性可変アンテナ。
【請求項１１】
前記誘電体の形状は、前記同軸線路と中心軸が一致するように形成された円錐台状であることを特徴とする請求項１０記載の指向性可変アンテナ。
【請求項１２】
ポール状又は回転体状の放射器を有するアンテナ素子と、該アンテナ素子に給電する同軸線路と、前記アンテナ素子と前記同軸線路との接合部に設けられた指向性切替え手段とを有する指向性可変アンテナであって、
前記指向性切替え手段は、前記接合部において前記同軸線路の内導体と外導体との間を短絡するよう形成された線状の短絡手段を有し、
該短絡手段の全体若しくは一部の幅及び／又は厚さは、所定の大きさを有することを特徴とする指向性可変アンテナ。
【請求項１３】
当該指向性アンテナのゲインを変更するために、前記放射器の周囲に前記同軸線路の端部に接するように形成された誘電体を有し、
前記第誘電体の形状は、前記同軸線路と中心軸が一致するように形成された円錐台状である、ことを特徴とする請求項１２の指向性可変アンテナ。
【請求項１４】
前記アンテナ素子は、前記同軸線路の信号線に接続され、該同軸線路の信号線に接続される頂部から底部に向けて径が増大する回転体状の第１のアンテナ素子と、接地されるよう同軸線路の外周に設けられ、前記第１のアンテナ素子に面する頂部から底部に向けて径が増大する第２のアンテナ素子とを有し、
前記第１のアンテナ素子又は前記第２のアンテナ素子のうちの少なくとも一方において、該アンテナ素子の側面と該アンテナ素子の中心軸とが成す角は、該アンテナ素子の頂部から底部に向けて第１の角度から第２の角度へ変化し、
前記第１の角度は、前記第２の角度よりも小さい、ことを特徴とする請求項１乃至１３のうちいずれか一項記載の指向性可変アンテナ。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のうちいずれか一項記載の指向性可変アンテナを有することを特徴とする情報機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナの指向性を切り替えることが可能な指向性可変アンテナ及びそのような指向性可変アンテナを有する情報機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の無線通信技術の飛躍的な発展に伴い、無線技術を利用した製品が広く普及し始め、無線通信路の伝送容量の拡大に大きな期待が寄せられている。特に、最近は、時間や空間、偏波、符号といった多次元にわたる信号の多重化によって、伝送容量の拡大を目的とした研究が活発に行われている。
【０００３】
空間による多重化は、アレイ状に並べられた複数のアンテナと、各アンテナの信号をベクトル合成する回路とから成るアダプティブアレイアンテナで実現されると考えられているが、アダプティブアレイアンテナは各アンテナの大きさ及び／又は間隔が大きいため、その応用先が制限される。特に移動通信機器で使用するためには、アンテナの大きさは可能な限り小さい方が望ましい。
【０００４】
指向性可変アンテナは、通常、一組のアンテナ及び給電回路によりその指向性を変化させることができるので、アダプティブアレイアンテナよりも小さくすることができる可能性を有し、空間による多重化を実現する小型アンテナの候補として期待されるが、指向性可変アンテナの小型化に関しては現在その研究例が少なく、その開発に大きな期待が寄せられている。
【０００５】
指向性可変アンテナに関する従来文献として、例えば、次の文献が挙げられる。
【０００６】
特開平６−３５０３３４号公報（特許文献１参照。）には、指向性を特定方向に向けることができる指向性可変アンテナが開示されている。図１は、上記特許文献１の実施例を示す図を引用したものである。
【０００７】
図１に開示された指向性可変アンテナは、放射素子（アンテナ素子）１０の周囲に放射素子１０と平行に反対素子１１が設けられている。反対素子１１は、回転駆動部１２ａと連結アーム１２ｂとから成る指向性制御手段１２によって、放射素子１０の周りを機械的に周回できるように構成されている。放射素子１０及び電源１５は、同軸給電線１４によって電気的に接続されている。
【０００８】
本構成において、反射素子１１の周回角度を変えることによってアンテナの指向性を自由に変化させることが可能であるが、反対素子１１が付加されたことにより、アンテナ全体の大きさは格段に大きくなってしまうという問題がある。
【０００９】
また、特開平１０−１５４９１１号公報（特許文献２参照。）には、指向性を電気的に切り替えることができる指向性可変アンテナの例が開示されている。図２は、上記特許文献２に開示された指向性可変アンテナの原理を説明するための図を引用したものである。
【００１０】
図２に開示された指向性可変アンテナは、円形の接地導体２０上の中央に設けられた中央駆動素子２２と、それを放射状に取り囲む位置に設けられた複数のパラスティック素子２４とから構成されている。本構成では、中央駆動素子２２とパラスティック素子２４との間隔はλ／４程度の値となり、そのためアンテナ全体では１．６λ以上の大きさを有するようになる。
【００１１】
各パラスティック素子２４の下部には、高インピーダンスと低インピーダンスとを切替え可能なインピーダンス負荷２６が設けてあり、このインピーダンス負荷２６のインピーダンスの切替えにより指向性を切り替えるようにしている。
【００１２】
更に、従来の指向性可変アンテナの同様な例が特開２００１−２４４３１号公報（特許文献３参照。）に開示されている。図３は、上記特許文献３の実施例を示す図を引用したものである。
【００１３】
図３に開示された指向性可変アンテナは、円形の接地導体３０上に、給電アンテナ素子Ａ０と、給電アンテナＡ０を放射状に取り囲む位置に設けられた無給電可変リアクタンスＡ１〜Ａ６とから構成されている。本構成では、給電アンテナ素子Ａ０と無給電可変リアクタンス素子Ａ１〜Ａ６の夫々との間隔ｄはλ／４程度の値となり、そのためアンテナ全体ではλ程度の大きさを有するようになる。
【００１４】
以上のように、従来の指向性可変アンテナは、放射素子の周辺に無給電素子を配し、放射素子と無給電素子との電磁的な相互結合を利用してアンテナ指向性を制御していた。従来の指向性可変アンテナの構成では、アンテナの等価的な合成開口を大きくすることになるので利得が高くなり、ひいてはアンテナの指向性を制御することが可能となるが、この動作原理上、アンテナの大きさを無指向性アンテナと同じ大きさまで小さくすることは難しい。そこで、本発明者等は、特開２００４−３０４７８５号公報（特許文献４参照。）に開示されているような、アンテナの合成開口を大きくすることなく、アンテナの指向性を変化させる技術を発明した。図４は、上記特許文献４に開示された発明に基づく指向性可変アンテナの一例を示しており、（ａ）はその断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線部を上から見た面図である。
【００１５】
図４の指向性可変アンテナは、内導体４１１及び外導体４１２から成る給電用の同軸線路４１と、回転体状の放射器４２及び円板状の地板４３から成り、給電のために同軸線路４１と接合されるアンテナ素子とを有し、更に、同軸線路４１と放射器４２との接合部では４方向に短絡線４５及びスイッチ４４が接続されている。４つのスイッチ４４の全てをオフしている状態では当該アンテナの放射パターンは無指向性であるが、４つのスイッチのうち１つのみをオンした場合は同軸線路４１内の電界が乱され、アンテナの放射パターンは指向性を有するようになる。
【００１６】
これは、スイッチ４４のいずれか１つがオンし、同軸線路の内導体４１１と外導体４１２とが短絡されることにより、同軸線路内で軸対称な電界分布を有するＴＥＭモードに加えて、電界分布が軸対称とならないＴＥ１１、ＴＥ１２、ＴＥ２１、ＴＥ２２、・・・のような高次モードが発生していることによる。この高次モードの発生によりアンテナの指向性は変化する。
【００１７】
本構成において、スイッチのオン及びオフを切り替えることにより、アンテナ自体の指向性を切り替えることが可能となるので、上記特許文献１〜３で開示されている指向性可変アンテナのように合成開口を大きくすることがなく、無指向性アンテナと同程度の大きさとすることができる。
【００１８】
また、信学技報ＡＰ２００３−２７４（２００４年）に掲載された菅原、星、廣居、佐藤著の「同軸短絡構造によるアンテナ指向性制御技術の提案」（非特許文献１）には、特許文献４に開示したアンテナの実現形態の詳細が説明されており、無指向性アンテナと同等な大きさ広い周波数帯域にわたって指向性を変化させることが可能であることが示されている。
【特許文献１】特開平６−３５０３３４号公報
【特許文献２】特開平１０−１５４９１１号公報
【特許文献３】特開２００１−２４４３１号公報
【特許文献４】特開２００４−３０４７８５号公報
【非特許文献１】「同軸短絡構造によるアンテナ指向性制御技術の提案」、信学技報、ＡＰ２００３−２７４、２００４年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかし、特許文献４に開示された発明に基づく従来の指向性可変アンテナでは、図５に示すように、指向性変化量が最大で６ｄＢ程度しかないという問題がある。図５は、図４の指向性可変アンテナにおいていずれか１つのスイッチをオンした場合の指向性変化量の周波数依存性を表すグラフである。ここで、指向性変化量とは、アンテナのＥ面指向性において、同軸線路を短絡したことにより利得が低下した側の最大利得に対する、その反対側にある利得が増加した側の最大利得の比のことをいう。指向性変化量は、実用において、６〜１０ｄＢ程度であることが望ましく、従って、従来の指向性可変アンテナでは十分とは言えない。
【００２０】
本発明は、上記の点に鑑みて、これらの問題を解消するためになされたものであり、無指向性アンテナと同程度の大きさで、広帯域にわたって大きな指向性変化量を有する指向性可変アンテナ及びそのような指向性可変アンテナを使用する情報機器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】
【００２１】
上記目的を達成するために、本発明の指向性可変アンテナは、ポール状又は回転体状の放射器を有するアンテナ素子と、該アンテナ素子に給電する同軸線路と、前記アンテナ素子と前記同軸線路との接合部に設けられた指向性切替え手段とを有する指向性可変アンテナであって、前記接合部に接する前記同軸線路の外導体の内径及び／又は内導体の直径を変更することにより当該指向性アンテナのゲインを変更することができる。
【００２２】
これによりアンテナ素子と同軸線路との間の接合部において同軸線路部のカットオフ周波数を低下させることができるので、より低い周波数で高次モードの放射モードへの結合量が増大し、無指向性アンテナと同程度の大きさで、広帯域にわたって大きな指向性変化量を有する指向性可変アンテナを提供することが可能となる。
【００２３】
また、上記目的を達成するために、本発明の指向性可変アンテナは、前記外導体の内周に接する円環状の導体及び／又は前記内導体の外周に接する円環状の導体を有することにより当該指向性アンテナのゲインを変更することができる。
【００２４】
これにより、同軸線路とアンテナ素子との接合部において外導体の内径を小さくすること及び／又は内導体の直径を大きくすることができ、無指向性アンテナと同程度の大きさで、広帯域にわたって大きな指向性変化量を有する指向性可変アンテナを提供することが可能となる。
【００２５】
また、上記目的を達成するために、本発明の指向性可変アンテナは、前記アンテナ素子において前記接合部に接する面の径が前記同軸線路の内導体の径よりも大きくなるよう形成されることにより当該指向性アンテナのゲインを変更することができる。
【００２６】
これにより、同軸線路とアンテナ素子との接合部において内導体の直径が大きくなり、無指向性アンテナと同程度の大きさで、広帯域にわたって大きな指向性変化量を有する指向性可変アンテナを提供することが可能となる。
【００２７】
また、上記目的を達成するために、本発明の指向性可変アンテナは、前記放射器の周囲に前記同軸線路の端部に接するように形成された第１の誘電体を有することにより当該指向性アンテナのゲインを変更することができる。
【００２８】
これにより、従来は同軸線路内、即ち、外導体と内導体との間に充填された誘電体の誘電率よりも小さかった指向性切替え手段の上部の放射器周囲の誘電率が、少なくとも同軸線路内と同じか、又はそれよりも大きくなり、指向性切替え手段の上部への高次モードの輻射比率を改善し、指向性変化量を増大させることができるので、無指向性アンテナと同程度の大きさで、広帯域にわたって大きな指向性変化量を有する指向性可変アンテナを提供することが可能となる。
【００２９】
また、上記目的を達成するために、本発明の指向性可変アンテナは、前記同軸線路内の端部に前記同軸線路の外導体と内導体との間の誘電率とは異なる誘電率を有する第２の誘電体を有することにより当該指向性アンテナのゲインを変更することができる。
【００３０】
これにより、同軸線路とアンテナ素子との間の接合部の前後において誘電率の変化が少ない構成とされ、反射損失を低減することができるので、無指向性アンテナと同程度の大きさで、広帯域にわたって大きな指向性変化量を有する指向性可変アンテナを提供することが可能となる。
【００３１】
また、上記目的を達成するために、本発明の指向性可変アンテナにおいて、前記第２の誘電体の誘電率は、前記第１の誘電体の誘電率と等しい。
【００３２】
これにより、同軸線路とアンテナ素子との間の接合部の前後において誘電率の変化がない構成とされ、更なる反射損失の低減が可能である。
【００３３】
また、上記目的を達成するために、本発明の指向性可変アンテナにおいて、前記指向性切替え手段は、前記接合部において前記同軸線路の内導体と外導体との間を短絡するよう形成された線状の短絡手段を有することができる。
【００３４】
これにより、非常に簡単な構成で広帯域に同軸線路の電界分布を変化させ、アンテナの指向性を切り替えることが可能である。
【００３５】
また、上記目的を達成するために、本発明の指向性可変アンテナにおいて、前記短絡手段の全体若しくは一部の幅及び／又は厚さは、所定の大きさを有することができる。
【００３６】
これにより、より低い周波数で高次モードの放射モードへの結合量が増大し、ひいては指向性変化量が増大するので、無指向性アンテナと同程度の大きさで、広帯域にわたって大きな指向性変化量を有する指向性可変アンテナを提供することが可能となる。
【００３７】
また、上記目的を達成するために、本発明の指向性可変アンテナにおいて、前記第１の誘電体の形状は、前記同軸線路と中心軸が一致するように形成された円錐台状とすることができる。
【００３８】
これにより、広帯域にわたって指向性変化量を更に増大させることが可能である。
【００３９】
また、上記目的を達成するために、本発明の指向性可変アンテナは、ポール状又は回転体状の放射器を有するアンテナ素子と、該アンテナ素子に給電する同軸線路と、前記アンテナ素子と前記同軸線路との接合部に設けられた指向性切替え手段とを有する指向性可変アンテナであって、前記放射器の周囲に前記同軸線路の端部に接するように形成された誘電体を有することにより当該指向性アンテナのゲインを変更することができる。
【００４０】
また、上記目的を達成するために、本発明の指向性可変アンテナにおいて、前記誘電体の形状は、前記同軸線路と中心軸が一致するように形成された円錐台状とすることができる。
【００４１】
また、上記目的を達成するために、本発明の指向性可変アンテナは、ポール状又は回転体状の放射器を有するアンテナ素子と、該アンテナ素子に給電する同軸線路と、前記アンテナ素子と前記同軸線路との接合部に設けられた指向性切替え手段とを有する指向性可変アンテナであって、前記指向性切替え手段は、前記接合部において前記同軸線路の内導体と外導体との間を短絡するよう形成された線状の短絡手段を有し、該短絡手段の全体若しくは一部の幅及び／又は厚さは、所定の大きさを有することができる。
【００４２】
また、上記目的を達成するために、本発明の指向性アンテナは、当該指向性アンテナのゲインを変更するために、前記放射器の周囲に前記同軸線路の端部に接するように形成された誘電体を有し、前記第誘電体の形状は、前記同軸線路と中心軸が一致するように形成された円錐台状とすることができる。
【００４３】
また、上記目的を達成するために、本発明の指向性アンテナにおいて、前記アンテナ素子は、前記同軸線路の信号線に接続され、該同軸線路の信号線に接続される頂部から底部に向けて径が増大する回転体状の第１のアンテナ素子と、接地されるよう同軸線路の外周に設けられ、前記第１のアンテナ素子に面する頂部から底部に向けて径が増大する第２のアンテナ素子とを有し、前記第１のアンテナ素子又は前記第２のアンテナ素子のうちの少なくとも一方において、該アンテナ素子の側面と該アンテナ素子の中心軸とが成す角は、該アンテナ素子の頂部から底部に向けて第１の角度から第２の角度へ変化し、前記第１の角度は、前記第２の角度よりも小さくすることができる。
【００４４】
これにより、より広帯域にわたって大きな指向性変化量を有する指向性可変アンテナを提供することが可能となる。
【００４５】
また、上記目的を達成するために、本発明の指向性可変アンテナを有する情報機器が提供されても良い。
【発明の効果】
【００４６】
本発明により、無指向性アンテナと同程度の大きさで、広帯域にわたって大きな指向性変化量を有する指向性可変アンテナ及びそのような指向性可変アンテナを使用する情報機器を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について添付の図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００４８】
図４を参照して説明したように、従来の指向性可変アンテナでは、同軸線路内に高次モードが発生することによりその指向性が変化する。このような高次モードの夫々は、同軸線路の構造で決まるカットオフ周波数を有する。
【００４９】
例えば図５のグラフにより示したような指向性変化量の周波数依存性は、高次モードのカットオフ周波数と相関があり、カットオフ周波数より低い周波数になると指向性変化量は減少していく。これは、カットオフ周波数以下では、周波数の低下に伴って高次モードの放射モードへの結合量が小さくなるためと考えられる。
【００５０】
従って、アンテナ素子と同軸線路との間の接合部において同軸線路部のカットオフ周波数を低下させる構造を設けるよう従来の指向性可変アンテナを改良することにより、より低い周波数で高次モードの放射モードへの結合量が増大し、指向性変化量を増大させることが可能となる。
【００５１】
図６は、本発明の指向性可変アンテナの第１の実施例を示しており、（ａ）はその断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線部を上から見た図である。
【００５２】
図６（ａ）の指向性可変アンテナは、内導体６１１及び外導体６１２から成る給電用の同軸線路６１と、回転体形状の放射器６２及び円板状の地板６３から成り、給電のために同軸線路６１の内導体６１１に接合されたアンテナ素子と、この指向性可変アンテナの指向性を切り替える指向性切替え手段とを有する。指向性切替え手段は、同軸線路６１とアンテナ素子（放射器６２）との接合部に設けられており、同軸線路６１の内導体６１１と外導体６１２とを４方向で接続するように形成された短絡手段６５と、短絡手段６５の途中に設けられた切替え手段６４とを有する。
【００５３】
切替え手段６４は、ＰＩＮダイオードを用いたスイッチであり、オン及びオフすることにより同軸線路６１の内導体６１１と外導体６１２とを短絡手段６５を介して電気的に短絡させる機能を有する。短絡手段６５は線状であり、その幅及び厚さは無視することができる。
【００５４】
また、放射器６２は、同軸線路６１と接する下端部の直径を同軸線路６１の内導体６１１の直径よりも大きくなるよう形成される。このような構造とすることにより、図６（ｂ）から明らかなように、同軸線路６１の内導体６１１の直径は、同軸線路６１とアンテナ素子との間の接合部において、内導体６１１の実際の直径よりも大きくなる。
【００５５】
ここで、本実施例の指向性可変アンテナにおいて、同軸線路６１の内導体６１１の直径及び外導体６１２の内径は、夫々、１．３ｍｍ及び２．９ｍｍであり、内導体６１１と外導体６１２との間に充填される誘電体は空気（比誘電率１．０）である。また、放射器６２の同軸線路６１と接する下端部の直径は１．８ｍｍであり、同軸線路６１の内導体６１１の直径１．３ｍｍよりも大きくなっている。
【００５６】
このように、放射器６２が同軸線路６１とアンテナ素子（放射器６２）との間の接合部において同軸線路６１の内導体６１１の直径を大きくすることにより、高次モードのカットオフ周波数を低下させることが可能である。具体的には、高次モードにおいて主要なＴＥ１１モードのカットオフ周波数は、同軸線路部ではｆｃ１＝４６．３ＧＨｚであるのに対し、接合部ではｆｃ２＝４０．０ＧＨｚまで低下する。なお、上記のような各構成要素の寸法に関する具体的な数値及びその形状等の種々のパラメータは、最適化設計に基づくものである。
【００５７】
本実施例の指向性可変アンテナの上記のような効果についてより明瞭にするために、本実施例の特徴を適用されない、即ち、放射器の同軸線路と接する下端部の直径が同軸線路の内導体と等しい指向性可変アンテナを図７に示す。図７において、（ａ）はそのような指向性可変アンテナの断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線部を上から見た図である。
【００５８】
図７（ａ）の指向性可変アンテナは、同軸線路６１１と接する下端部の直径が同軸線路６１の内導体６１１と等しく１．３ｍｍである放射器７２を有する点以外、図６（ａ）と同じように構成されている。このような構造では、同軸線路６１とアンテナ素子（放射器７２）との間の接合部での高次モードのカットオフ周波数は、同軸線路部のカットオフ周波数ｆｃ１＝４６．３ＧＨｚに等しい。
【００５９】
図８は、図６及び７の夫々の指向性可変アンテナについて指向性変化量の周波数依存性を表すグラフである。図８のグラフにおいて、縦軸が指向性変化量（ｄＢ）を、横軸が周波数（ＧＨｚ）を夫々表しており、図６に示した本発明の第１の実施例としての指向性可変アンテナの特性を実線により、図７に示した指向性可変アンテナの特性を破線により夫々示す。
【００６０】
図８から明らかなように、本発明の第１の実施例である図６の指向性可変アンテナは、本発明の第１の実施例の特徴を適用されない図７の指向性可変アンテナと比較して、指向性変化量がピークとなる周波数が低周波側にシフトし、指向性変化量が広い帯域にわたって（主に低周波側において）増大していることが分かる。これは、上述したように、同軸線路とアンテナ素子との間の接合部での高次モードのカットオフ周波数が低下したことによる。
【００６１】
以上のように、同軸線路とアンテナ素子との間の接合部において同軸線路の内導体の直径を大きくすることにより、無指向性アンテナと同程度の大きさを維持しながら、高次モードのカットオフ周波数を低下させ、ひいては、指向性可変帯域が低周波側に拡大されるよう広い帯域にわたって指向性変化量を増大させることが可能である。
【００６２】
一方、同軸線路の高次モードのカットオフ周波数は、同軸線路の内導体の径のみならず、外導体の径及び内導体と外導体との間に充填された誘電体の誘電率によっても決定される。従って、これらの要素のうちの１又はそれ以上を変更することにより、カットオフ周波数を低下させることが可能である。
【実施例２】
【００６３】
また、本発明者は、同軸線路の内導体と外導体との間に形成された短絡手段の幅や厚さを変えた場合の指向性変化量の変化に着目し、以下のような検討を行った。
【００６４】
ここで、短絡手段は、同軸線路内を伝播する電磁波の進行方向に垂直な面内に形成されており、短絡手段の幅とは、同軸線路内を伝播する電磁波の進行方向に垂直な面内における寸法のことであり、短絡手段の厚さとは、同軸線路内を伝播する電磁波の進行方向における寸法のことである。
【００６５】
［短絡手段の幅を変えた場合］
図９は、図４に示した従来の指向性可変アンテナにおいて短絡手段の幅を変えた場合の指向性変化量の周波数依存性を示しており、（ａ）は、図４（ａ）に示された破線部を上から見た図であり、様々な幅を有する短絡手段が例示され、（ｂ）は、（ａ）に示したように短絡手段の幅を様々に変えた場合の指向性変化量の周波数依存性を表すグラフであり、縦軸が指向性変化量（ｄＢ）を、横軸が周波数（ＧＨｚ）を夫々表す。
【００６６】
図９（ａ）には、Ａ：短絡手段４５が線状の場合（従来）、Ｂ：短絡手段４５の全体の幅を０．６ｍｍとした場合、Ｃ：同軸線路の内導体側の幅を０．６ｍｍとした場合、及びＤ：同軸線路の外導体側の幅を０．６ｍｍとした場合の４通りの構成が示されている。このとき、図９（ｂ）のグラフから明らかなように、短絡手段４５の全体に幅を持たせたることにより、短絡手段４５が線状である場合よりも指向性変化量は増大することが分かる。また、同軸線路の内導体側又は外導体側のみに幅を持たせた場合でも、短絡手段４５が線状である場合よりも指向性変化量は増大することが分かる。
【００６７】
また、図１０は、図４に示した従来の指向性可変アンテナにおいて短絡手段の開き角度を変えて扇状に幅を変えた場合の指向性変化量の周波数依存性を示す。図１０において、（ａ）は、図４（ａ）に示された破線部を上から見た図であり、扇状に様々な幅を有する短絡手段が例示され、（ｂ）は、（ａ）に示したように短絡手段の幅を扇状に様々に変えた場合の指向性変化量の周波数依存性を表すグラフであり、縦軸が指向性変化量（ｄＢ）を、横軸が周波数（ＧＨｚ）を夫々表す。
【００６８】
図１０（ａ）には、短絡手段４５の開き角度が０度、３０度、６０度及び９０度である場合の４通りの構成が示されている。このとき、図１０（ｂ）のグラフから明らかなように、短絡手段４５の幅を扇状に広げることにより指向性変化量が増大することが分かる。
【００６９】
［短絡手段の厚さを変えた場合］
また、図１１は、本発明の指向性可変アンテナにおいて短絡手段が同軸線路側に所定の厚さを有する場合の指向性変化量の周波数依存性を示す。図１１において、（ａ）は、同軸線路側に所定の厚さの短絡手段を有する本発明の指向性可変アンテナの構成例を表す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示したように同軸線路側で短絡手段の厚さを変えた場合の指向性変化量の周波数依存性を表すグラフであり、縦軸が指向性変化量（ｄＢ）を、横軸が周波数（ＧＨｚ）を夫々表す。
【００７０】
また、図１１（ａ）の指向性可変アンテナは、内導体１１１１及び外導体１１１２から成る給電用の同軸線路１１１と、回転体状の放射器１１２及び円板状の地板１１３から成り、給電のために同軸線路１１１の内導体１１１１に接合されたアンテナ素子とを有し、更に、同軸線路１１１の内導体１１１１と外導体１１１２とを接続するように形成され、所定の厚さｔを有する短絡手段１１５を有する。このとき、図１１（ｂ）のグラフから明らかなように、短絡手段１１５の厚さを厚くすることにより（本例ではｔ＝０．６ｍｍ）、指向性変化量が最大となるピーク周波数は高周波数側にシフトし、更に、指向性変化量の最大値はピーク周波数付近でのみ増大することが分かる。しかし、広い帯域にわたって指向性変化量を増大させる効果はない。
【００７１】
指向性変化量のピーク周波数は、同軸線路の内導体１１１１と外導体１１１２との間の短絡部で発生した高次モードが同軸線路内部で共振する際の共振器長と相関がある。留意すべきは、図１１（ｂ）のグラフに示されたピーク周波数の変化及びそれに伴う指向性変化量の変化は、短絡手段の厚さを同軸線路側に変化させたことにより同軸線路内部の共振器長が変化したことによるものであり、短絡手段を同軸線路側に厚くすることが特別な効果を有するわけではないことである。
【００７２】
一方、図１２は、本発明の指向性可変アンテナにおいて短絡手段がアンテナ素子側に所定の厚さを有する場合の指向性変化量の周波数依存性を示す。図１２において、（ａ）は、アンテナ素子側に所定の厚さの短絡手段を有する本発明の指向性可変アンテナの構成例を表す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示したようにアンテナ素子側で短絡手段の厚さを変えた場合の指向性変化量の周波数依存性を表すグラフであり、縦軸が指向性変化量（ｄＢ）を、横軸が周波数（ＧＨｚ）を夫々表す。
【００７３】
図１２（ａ）の指向性可変アンテナは、アンテナ素子（放射器１１２）側に所定の厚さｔを有する短絡手段１２５を有する点以外、図１１（ａ）に示した指向性可変アンテナと同じように構成されている。このとき、図１２（ｂ）のグラフから明らかなように、短絡手段１２５の厚さｔを例えば０．６ｍｍ、１．２ｍｍ、２．４ｍｍとアンテナ素子側に厚くすることにより広い帯域にわたって指向性変化量が増大することが分かる。
【００７４】
また、図１３は、本発明の指向性可変アンテナにおいて同軸線路の内導体側の短絡手段の一部がアンテナ素子側に所定の厚さを有する場合の指向性変化量の周波数依存性を示す。図１３において、（ａ）は、同軸線路の内導体側の短絡手段の一部がアンテナ素子側に所定の厚さを有する本発明の指向性可変アンテナの構成例を表す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示したように同軸線路の内導体側の短絡手段の一部の厚さがアンテナ素子側で変えられた場合の指向性変化量の周波数依存性を表すグラフであり、縦軸が指向性変化量（ｄＢ）を、横軸が周波数（ＧＨｚ）を夫々表す。
【００７５】
図１３（ａ）の指向性可変アンテナは、同軸線路の内導体側の一部においてアンテナ素子（放射器１１２）側に所定の厚さｔを有する短絡手段１３５を有する点以外は、図１１（ａ）と同じように構成されている。このとき、図１３（ｂ）のグラフから明らかなように、図１２の指向性可変アンテナのように短絡手段全体ではなく短絡手段の一部のみを厚くすることによっても（本例ではｔ＝０．６ｍｍ）広い帯域にわたって指向性変化量を増大させる効果があることが分かる。
【００７６】
以上のように、同軸線路の内導体と外導体との間を短絡するよう形成された短絡手段の幅を広くすること及び／又はその厚さをアンテナ素子側に厚くすることにより、広い帯域にわたって指向性変化量を増大させる効果があることが明らかとなった。
【００７７】
図１４は、本発明の指向性可変アンテナの第２の実施例を示しており、（ａ）はその断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線部を上から見た図である。
【００７８】
図１４（ａ）の指向性可変アンテナは、共通の内導体１４１１と異なる内径を有する外導体１４１２及び１４１４とから成る第１及び第２の同軸線路１４１ａ及び１４１ｂを有する給電用の同軸線路と、回転体形状の放射器１４２及び円板状の地板１４３から成り、給電のために第２の同軸線路１４１ｂの内導体１４１１に接合されたアンテナ素子と、この指向性可変アンテナの指向性を切り替える指向性切替え手段とを有する。指向性切替え手段は、第２の同軸線路１４１ｂと放射器１４２との接合部に設けられており、第２の同軸線路１４１ｂの内導体１４１１と外導体１４１４とを４方向で接続するように形成された短絡手段１４５と、短絡手段１４５の途中に設けられた切替え手段１４４とを有する。
【００７９】
切替え手段１４４は、ＰＩＮダイオードを用いたスイッチであり、オン及びオフすることにより第２の同軸線路１４１ｂの内導体１４１１と外導体１４１４とを短絡手段１４５を介して電気的に短絡させる機能を有する。短絡手段１４５は、所定の厚さ、本実施例では１．２ｍｍを有し、一方、その幅は無視することができる。
【００８０】
ここで、本実施例の指向性可変アンテナにおいて、第１の同軸線路１４１ａの内導体１４１１の直径及び外導体１４１２の内径は、夫々、１．３ｍｍ及び２．９ｍｍであり、内導体１４１１と外導体１４１２との間に充填される誘電体１４１３は空気（比誘電率１．０）である。また、第２の同軸線路１４１ｂの内導体は、第１の同軸線路１４１ａの内導体１４１１と共通であり、その直径は１．３ｍｍである。一方、その外導体１４１４の内径は４．２ｍｍであり、第１の同軸線路１４１ａの外導体１４１２の内径２．９ｍｍよりも大きくなっている。更に、第２の同軸線路１４１ｂの内導体１４１１と外導体１４１４との間に充填される誘電体１４１５は、空気ではなくテフロン（登録商標）（比誘電率２．０）である。また、本実施例では、放射器１４２の第２の同軸線路１４１ｂと接する下端部の直径は、第２の同軸線路１４１ｂの内導体１４１１の直径と等しく１．３ｍｍであるが、同軸線路と放射素子との接合部での内導体１４１１の直径を大きくするよう内導体の実際の直径よりも大きくされても良い。なお、上記のような各構成要素の寸法に関する具体的な数値及びその形状等の種々のパラメータは、最適化設計に基づくものである。
【００８１】
本実施例の指向性可変アンテナの効果について説明するために、本実施例の特徴を適用されない、即ち、短絡手段が線状であってその厚み及び幅を無視することができる指向性可変アンテナを図１５に示す。図１５において、（ａ）はそのような指向性可変アンテナの断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線部を上から見た図である。
【００８２】
図１５（ａ）の指向性可変アンテナは、第２の同軸線路１４１ｂの内導体１４１１と外導体１４１４との間を短絡するよう形成された線状の短絡手段１５５を有する点以外、図１４（ａ）と同じように構成されている。
【００８３】
図１６は、図１４及び１５の夫々の指向性可変アンテナについて指向性変化量の周波数依存性を表すグラフである。図１６のグラフにおいて、縦軸が指向性変化量（ｄＢ）を、横軸が周波数（ＧＨｚ）を夫々表しており、図１５に示した本発明の第２の実施例としての指向性可変アンテナの特性を実線により、図１６に示した指向性可変アンテナの特性を破線により夫々示す。
【００８４】
図１６から明らかなように、本発明の第２の実施例である図１４の指向性可変アンテナは、本発明の第２の実施例の特徴を適用されない図１５の指向性可変アンテナと比較して、指向性変化量が最大となるピーク周波数は同じであるが、広い帯域にわたって指向性変化量が１〜２ｄＢ程度増大していることが分かる。
【００８５】
以上のように、同軸線路の内導体と外導体とを短絡するよう形成された短絡手段の厚さをアンテナ素子側に厚くすることにより、無指向性アンテナと同程度の大きさを維持しながら、広い帯域にわたって指向性変化量を増大させることが可能である。
【実施例３】
【００８６】
図１７は、本発明の指向性可変アンテナの第３の実施例を示し、（ａ）はその断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線部を上から見た図である。
【００８７】
図１７（ａ）の指向性可変アンテナは、共通の内導体１７１１と異なる内径を有する外導体１７１２及び１７１４とから成る第１及び第２の同軸線路１７１ａ及び１７１ｂを有する同軸線路と、回転体形状の放射器１７２及び地板１７３から成り、給電のために第２の同軸線路１７１ｂの内導体１７１１に接合された無指向性のアンテナ素子と、この指向性可変アンテナの指向性を切り替える指向性切替え手段とを有する。指向性切替え手段は、第２の同軸線路１７１ｂと放射器１７２との接合部に設けられており、第２の同軸線路１７１ｂの内導体１７１１と外導体１７１４とを４方向で接続するように形成された短絡手段１７５と、短絡手段１７５の途中に設けられた切替え手段１７４とを有する。
【００８８】
切替え手段１７４は、ＰＩＮダイオードを用いたスイッチであり、オン及びオフすることにより第２の同軸線路１７１ｂの内導体１７１１と外導体１７１４とを短絡手段１７５を介して電気的に短絡する機能を有する。短絡手段１７５は線状であり、その幅及び厚さは無視することができる。
【００８９】
ここで、本実施例の指向性可変アンテナにおいて、第１の同軸線路１７１ａの内導体１７１１の直径及び外導体１７１２の内径は、夫々、１．３ｍｍ及び２．９ｍｍであり、内導体１７１１と外導体１７１２との間に充填される誘電体１７１３は空気（比誘電率１．０）である。また、第２の同軸線路１７１ｂの内導体は、第１の同軸線路１７１ａの内導体１７１１と共通であり、その直径は１．３ｍｍである。一方、その外導体１７１４の内径は４．２ｍｍであり、第１の同軸線路１７１ａの外導体１７１２の内径２．９ｍｍよりも大きくなっている。更に、第２の同軸線路１７１ｂの内導体１７１１と外導体１７１４との間に充填される誘電体１７１５は、空気ではなくテフロン（登録商標）（比誘電率２．０）である。また、本実施例では、放射器１７２の第２の同軸線路１７１ｂと接する下端部の直径は、第２の同軸線路１７１ｂの内導体１７１１の直径と等しく１．３ｍｍである。なお、上記のような各構成要素の寸法に関する具体的な数値及びその形状等の種々のパラメータは、最適化設計に基づくものである。
【００９０】
また、本実施例の指向性可変アンテナは、第２の同軸線路１７１ｂと放射器１７２との接合部に接する第２の同軸線路１７１ｂの端部において、第２の同軸線路１７１ｂの内導体１７１１の外周に接するように設けられた円環状の導体１７６を更に有する。これにより、図１７（ｂ）から明らかなように、同軸線路とアンテナ素子との接合部において第２の同軸線路１７１ｂの内導体１７１１の直径が大きくなり、高次モードのカットオフ周波数を低下させることが可能である。具体的には、高次モードにおいて主要なＴＥ１１モードのカットオフ周波数は、第２の同軸線路１７１ｂではｆｃ１＝２５．２ＧＨｚであるのに対し、接合部ではｆｃ２＝２０．７ＧＨｚまで低下する。
【００９１】
以上のように、同軸線路とアンテナ素子との間の接合部において同軸線路の内導体の直径を大きくすることにより、無指向性アンテナと同程度の大きさを維持しながら、高次モードのカットオフ周波数を低下させ、ひいては、指向性可変帯域が低周波側に拡大されるよう広い帯域にわたって指向性変化量を増大させることが可能である。
【００９２】
更に、本実施例の指向性可変アンテナは、放射器１７２の周囲に第２の同軸線路１７１ｂの端部に接するように形成された誘電体部材１７７を有する。誘電体部材１７７は、液晶ポリマーから作られ、その比誘電率は３．０である。このような構造にすることにより、第２の同軸線路１７１ｂの内導体１７１１と外導体１７１４とが短絡手段１７５により短絡された場合に、その短絡部上部への高次モード輻射比率を向上させ、広い帯域にわたって指向性変化量を増大させることが可能となる。
【００９３】
図１８は、図１７の指向性可変アンテナの指向性変化量の周波数依存性を表すグラフである。図１８のグラフにおいて、縦軸が指向性変化量（ｄＢ）を、横軸が周波数（ＧＨｚ）を夫々表しており、図１７のように円環状の導体１７６及び誘電体部材１７７が共に設けられた指向性可変アンテナの特性を実線により、一方、円環状の導体１７６のみが設けられた指向性可変アンテナの特性を破線により夫々示す。
【００９４】
図１８から明らかなように、誘電体部材１７７を有する指向性可変アンテナの方が、それを有さない指向性可変アンテナに比べ、約２９ＧＨｚ以下の周波数で広い帯域にわたって指向性変化量が増大していることが分かる。また、指向性変化量が８ｄＢ以上となる帯域幅に注目すると、誘電体部材１７７を有さない指向性可変アンテナの比帯域は２２．２％であるのに対し、誘電体部材１７７を有する指向性可変アンテナの比帯域は４１．２％と帯域幅が大幅に拡大されていることが分かる。ここで、比帯域とは、指向性変化量が８ｄＢ以上となる帯域の中心周波数ＣＦに対するその帯域の幅ＢＷの割合を表す。
【００９５】
以上のように、アンテナ素子の周囲に同軸線路の端部に接するように誘電体部材を装荷することにより、無指向性アンテナと同程度の大きさを維持しながら、より広い帯域にわたって指向性変化量を増大させることが可能である。
【実施例４】
【００９６】
図１９は、本発明の指向性可変アンテナの第４の実施例を示し、（ａ）はその断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線部を上から見た図である。
【００９７】
図１９（ａ）の指向性可変アンテナは、共通の内導体１９１１と異なる内径を有する外導体１９１２及び１９１４とから成る第１及び第２の同軸線路１９１ａ及び１９１ｂを有する同軸線路と、回転体形状の放射器１９２及び円板状の地板１９３から成り、給電のために第２の同軸線路１９１ｂの内導体１９１１に接合された無指向性のアンテナ素子と、この指向性可変アンテナの指向性を切り替える指向性切替え手段とを有する。指向性切替え手段は、第２の同軸線路１９１ｂと放射器１９２との接合部に設けられており、第２の同軸線路１９１ｂの内導体１９１１と外導体１９１４とを４方向で接続するように形成された短絡手段１９５と、短絡手段１９５の途中に設けられた切替え手段１９４とを有する。
【００９８】
切替え手段１９４は、ＰＩＮダイオードを用いたスイッチであり、オン及びオフすることにより第２の同軸線路１９１ｂの内導体１９１１と外導体１９１４とを短絡手段１９５を介して電気的に短絡する機能を有する。短絡手段１９５は、所定の幅、本実施例では０．６ｍｍを有し、一方、その厚さは無視することができる。
【００９９】
ここで、本実施例の指向性可変アンテナにおいて、第１の同軸線路１９１ａの内導体１９１１の直径及び外導体１９１２の内径は、夫々、１．３ｍｍ及び２．９ｍｍであり、内導体１９１１と外導体１９１２との間に充填される誘電体１９１３は空気（比誘電率１．０）である。また、第２の同軸線路１９１ｂの内導体は、第１の同軸線路１９１ａの内導体１９１１と共通であり、その直径は１．３ｍｍである。一方、その外導体１９１４の内径は４．２ｍｍであり、第１の同軸線路１９１ａの外導体１９１２の内径２．９ｍｍよりも大きくなっている。更に、第２の同軸線路１９１ｂの内導体１９１１と外導体１９１４との間に充填される誘電体１９１５は、空気ではなくテフロン（登録商標）（比誘電率２．０）である。また、本実施例では、放射器１９２の第２の同軸線路１９１ｂと接する下端部の直径は、第２の同軸線路１９１ｂの内導体１９１１の直径と等しく１．３ｍｍである。なお、上記のような各構成要素の寸法に関する具体的な数値及びその形状等の種々のパラメータは、最適化設計に基づくものである。
【０１００】
また、本実施例の指向性可変アンテナは、第２の同軸線路１９１ｂと放射器１９２との接合部に接する第２の同軸線路１９１ｂの端部において、第２の同軸線路１９１ｂの内導体１９１１の外周に接するように設けられた円環状の導体１９６と、第２の同軸線路１９１ｂの外導体１９１４の内周に接するように設けられた厚さ０．３ｍｍの円環状の導体１９８とを有する。これにより、図１９（ｂ）から明らかなように、同軸線路とアンテナ素子との接合部において、第２の同軸線路１９１ｂの内導体１９１１の直径は大きくなり、一方、第２の同軸線路１９１ｂの外導体１９１４の内径は小さくなり、結果として、高次モードのカットオフ周波数を低下させることが可能である。具体的には、高次モードにおいて主要なＴＥ１１モードのカットオフ周波数は、第２の同軸線路１９１ｂではｆｃ１＝２５．２ＧＨｚであるのに対し、接合部ではｆｃ２＝１８．５ＧＨｚまで低下する。
【０１０１】
以上のように、同軸線路とアンテナ素子との接合部において同軸線路の内導体の直径は大きく、一方、外導体の内径は小さくすることにより、無指向性アンテナと同程度の大きさを維持しながら、高次モードのカットオフ周波数を低下させ、ひいては、指向性可変帯域が低周波側に拡大されるよう広い帯域にわたって指向性変化量を増大させることが可能である。
【０１０２】
更に、本実施例の指向性可変アンテナは、放射器１９２の周囲に第２の同軸線路１９１ｂの端部に接するように形成された円錐台状の第１の誘電体部材１９７を有する。第１の誘電体部材１９７を円錐台状にすることは最適化設計に基づき、これにより広帯域にわたって指向性変化量を増大させることができる。また、第１の誘電体部材１９７は、液晶ポリマーから作られ、その比誘電率は３．０である。このような構造にすることにより、第２の同軸線路１９１ｂの内導体１９１１と外導体１９１４とが短絡手段１９５により短絡された場合に、その短絡部の上部への高次モード輻射比率を向上させ、指向性変化量を増大させることが可能となる。
【０１０３】
更に、本実施例の指向性可変アンテナは、第２の同軸線路１９１ｂとアンテナ素子との接合部に接する第２の同軸線路１９１ｂの端部において、第１の誘電体部材１７７と同じ誘電率を有する同じ第２の誘電体１９９（比誘電率３．０の液晶ポリマー）を有する。本実施例では、図１９（ａ）に示されるように、第２の誘電体１９９は、第２の同軸線路１９１ｂの外導体１９１４の内周に接するよう設けられた円環状の導体１９８の内側に設けられている。このような構造にすることにより、第２の同軸線路１９１ｂとアンテナ素子との接合部の前後での誘電率の変化がなくなり、同軸線路により伝播される電磁波の反射損失を低減することが可能となる。
【０１０４】
以下、図４に示した従来の指向性可変アンテナを比較対象として、本実施例の指向性可変アンテナの効果について説明する。
【０１０５】
図２０は、図４及び１９の夫々の指向性可変アンテナについて指向性変化量の周波数依存性を表すグラフである。図２０のグラフにおいて、縦軸が指向性変化量（ｄＢ）を、横軸が周波数（ＧＨｚ）を夫々表しており、図１９に示した本発明の第４の実施例としての指向性可変アンテナの特性を実線により、図４に示した従来の指向性可変アンテナの特性を破線により夫々示す。
【０１０６】
図２０から明らかなように、本実施例の指向性可変アンテナは、従来の指向性可変アンテナと比較して、指向性変化量の最大値が増大すると共に、広い帯域にわたって指向性変化量が増大していることが分かる。
【０１０７】
以上のように、同軸線路とアンテナ素子との接合部において同軸線路の内導体の直径及び外導体の内径を夫々変化させ、アンテナ素子の周囲に同軸線路の端部に接するように誘電体部材を設け、更に、同軸線路とアンテナ素子との接合部の前後での誘電率の変化をなくすことにより、無指向性アンテナと同程度の大きさを維持しながら、高次モードのカットオフ周波数を低下させ、ひいては、指向性可変帯域が低周波側に拡大されるよう広い帯域にわたって指向性変化量を増大させることが可能である。
【実施例５】
【０１０８】
図２１は、本発明の指向性可変アンテナの第５の実施例を示し、（ａ）はその断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線部を上から見た図である。
【０１０９】
図２１（ａ）の指向性可変アンテナは、共通の内導体２１１１と異なる内径を有する外導体２１１２及び２１１４とから成る第１及び第２の同軸線路２１１ａ及び２１１ｂを有する同軸線路と、給電のために第２の同軸線路２１１ｂの内導体２１１１に接合された無指向性の第１のアンテナ素子２１２と、接地されるよう第１及び第２の同軸線路２１１ａ及び２１１ｂの外周に設けられた無指向性の第２のアンテナ素子２１３と、この指向性可変アンテナの指向性を切り替える指向性切替え手段とを有する。第２のアンテナ素子２１３は、第１の同軸線路２１１ａの外導体２１１２及び第２の同軸線路２１１ｂの外導体２１１４に接しており、これにより給電され得る。
【０１１０】
第１のアンテナ素子２１２は、このアンテナ素子２１２の側面と中心軸とのなす角度が、第２の同軸線路２１１ｂ、即ち、第２のアンテナ素子２１３に接合されたアンテナ素子２１２の頂部から底部に向けてθ１＝３７°からθ２＝８３°へと変化するよう構成される。なお、θ２＞θ１の関係を有する。同様に、第２のアンテナ素子２１３は、このアンテナ素子２１３の側面と中心軸とのなす角度が、第１のアンテナ素子２１２に接合されたアンテナ素子２１３の頂部から底部に向けてθ１′＝２０°からθ２′＝３６°へと変化するよう構成される。なお、θ２′＞θ１′の関係を有する。これらの角度は、本発明者が行った最適化設計に基づくものであり、このような角度の関係が存在する場合に広帯域に亘って指向性変量を増大させることが可能である。
【０１１１】
指向性切替え手段は、第１のアンテナ素子２１２と第２のアンテナ素子２１３との接合部に設けられており、第２の同軸線路２１１ｂの内導体２１１１と外導体２１１４とを４方向で接続するように形成された短絡手段２１５と、短絡手段２１５の途中に設けられた切替え手段２１４とを有する。
【０１１２】
切替え手段２１４は、ＰＩＮダイオードを用いたスイッチであり、オン及びオフすることにより第２の同軸線路２１１ｂの内導体２１１１と外導体２１１４とを短絡手段２１５を介して電気的に短絡する機能を有する。短絡手段２１５は、本実施例では開き角６０°で扇状に広がった形状を有する。
【０１１３】
ここで、本実施例の指向性可変アンテナにおいて、第１の同軸線路２１１ａの内導体２１１１の直径及び外導体２１１２の内径は、夫々、１．３ｍｍ及び２．９ｍｍであり、内導体２１１１と外導体２１１２との間に充填される誘電体２１１３は空気（比誘電率１．０）である。また、第２の同軸線路２１１ｂの内導体は、第１の同軸線路２１１ａの内導体２１１１と共通であり、その直径は１．３ｍｍである。一方、その外導体２１１４の内径は６．０ｍｍであり、第１の同軸線路２１１ａの外導体２１１２の内径２．９ｍｍよりも大きくなっている。更に、第２の同軸線路２１１ｂの内導体２１１１と外導体２１１４との間に充填される誘電体２１１５は、空気ではなくテフロン（登録商標）（比誘電率２．０）である。また、本実施例では、第１のアンテナ素子２１２の第２の同軸線路２１１ｂと接する下端部の直径は、第２の同軸線路２１１ｂの内導体２１１１の直径と等しく１．３ｍｍである。なお、上記のような各構成要素の寸法に関する具体的な数値及びその形状等の種々のパラメータは、やはり最適化設計に基づくものである。
【０１１４】
また、本実施例の指向性可変アンテナは、第２の同軸線路２１１ｂと第１のアンテナ素子２１２との接合部に接する第２の同軸線路２１１ｂの端部において、第２の同軸線路２１１ｂの内導体２１１１の外周に接するように設けられた円環状の導体２１６と、第２の同軸線路２１１ｂの外導体２１１４の内周に接するように設けられた厚さ０．３ｍｍの円環状の導体２１８とを有する。これにより、図２１（ｂ）から明らかなように、同軸線路とアンテナ素子との接合部において、第２の同軸線路２１１ｂの内導体２１１１の直径は大きくなり、一方、第２の同軸線路２１１ｂの外導体２１１４の内径は小さくなり、結果として、高次モードのカットオフ周波数を低下させることが可能である。具体的には、高次モードにおいて主要なＴＥ１１モードのカットオフ周波数は、第２の同軸線路２１１ｂではｆｃ１＝１９．０ＧＨｚであるのに対し、接合部ではｆｃ２＝１８．５ＧＨｚまで低下する。
【０１１５】
以上のように、同軸線路とアンテナ素子との接合部において同軸線路の内導体の直径は大きく、一方、外導体の内径は小さくすることにより、無指向性アンテナと同程度の大きさを維持しながら、高次モードのカットオフ周波数を低下させ、ひいては、指向性可変帯域が低周波側に拡大されるよう広い帯域にわたって指向性変化量を増大させることが可能である。
【０１１６】
更に、本実施例の指向性可変アンテナは、第１のアンテナ素子２１２の周囲に第２の同軸線路２１１ｂの端部に接するように形成された円錐台状の誘電体部材２１７を有する。誘電体部材２１７を円錐台状にすることは最適化設計に基づき、これにより広帯域にわたって指向性変化量を増大させることができる。また、誘電体部材２１７は、液晶ポリマーから作られ、その比誘電率は４．０である。このような構造にすることにより、第２の同軸線路２１１ｂの内導体２１１１と外導体２１１４とが短絡手段２１５により短絡された場合に、その短絡部の上部への高次モード輻射比率を向上させ、指向性変化量を増大させることが可能となる。
【０１１７】
以下、図４に示した従来の指向性可変アンテナを比較対象として、本実施例の指向性可変アンテナの効果について説明する。
【０１１８】
図２２は、図４及び２１の夫々の指向性可変アンテナについて指向性変化量の周波数依存性を表すグラフである。図２２のグラフにおいて、縦軸が指向性変化量（ｄＢ）を、横軸が周波数（ＧＨｚ）を夫々表しており、図２１に示した本発明の第５の実施例としての指向性可変アンテナの特性を実線により、図４に示した従来の指向性可変アンテナの特性を破線により夫々示す。
【０１１９】
図２２から明らかなように、本実施例の指向性可変アンテナは、従来の指向性可変アンテナと比較して、指向性変化量の最大値が増大すると共に、広い帯域にわたって指向性変化量が増大していることが分かる。
【０１２０】
以上のように、同軸線路とアンテナ素子との接合部において同軸線路の内導体の直径及び外導体の内径を夫々変化させ、アンテナ素子の周囲に同軸線路の端部に接するように円錐台状の誘電体部材を設け、更に、アンテナ素子の側面と中心軸とのなす角度がアンテナ素子頂部から底部に向けて第１の角度（θ１）から第１の角度よりも大きい第２の角度（θ２）へと変化させるよう設計することにより、無指向性アンテナと同程度の大きさを維持しながら、高次モードのカットオフ周波数を低下させ、ひいては、指向性可変帯域が低周波側に拡大されるよう広い帯域にわたって指向性変化量を増大させることが可能である。
【実施例６】
【０１２１】
図２３は、上記実施例１〜５で説明したような本発明の指向性可変アンテナを備える情報機器の一例を示す図である。
【０１２２】
図２３の情報機器２００は、持ち運び可能なノート型パーソナルコンピュータ（ＰＣ）であり、指向性アンテナ３１０を有する無線装置３００が機器２００のいずれかの場所に設けられたスロット２１０に挿入されている。また、情報機器２００は、例えば、デスクトップ型ＰＣ並びにパーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）及び携帯電話など移動体通信機器といった情報機器であっても良く、無線装置３００及び指向性可変アンテナ３１０は、情報機器２００に組み込まれても良い。
【０１２３】
情報機器２００は、無線装置３００により無線でインターネット及びイントラネットなどのネットワークへ接続され、同様にネットワークへ接続された他の機器との間で情報の送受信をおこなうことができる。あるいは、情報機器２００は、ネットワークを介さずに直接的に他の機器と情報の送受信をおこなっても良い。他の機器との間で送受信される情報は、無線装置３００に設けられた指向性アンテナ３１０により電磁波信号の形で送受信される。
【０１２４】
本発明の指向性アンテナ３１０は、その指向性可変帯域が広帯域にわたるので、広帯域無線通信システムで使用可能であり、更に、非常に広い帯域での周波数ホッピングが要求されるようなシステムにおいて、使用される夫々の周波数での通信品質を維持することができる点で有利である。
【０１２５】
［変形例］
以上、アンテナ素子と同軸線路との接合部にスイッチを含む指向性切替え手段を設けた指向性可変アンテナについて実施例を示してきた。しかし、本発明は、スイッチを含む指向性切替え手段を設けた場合にのみ適用されるものではなく、例えば、スイッチを含まない短絡手段によって指向性が一方向に固定されたアンテナに適用した場合でも同様の効果を奏することができる。
【０１２６】
また、ポール状の放射器を地板面に対して垂直に配置したディスクモノポールアンテナのように、放射器の形状が回転対称でないことにより完全な無指向性ではない場合があっても、本発明を適用することによって本発明を適用していない状態に対して指向性を変化させることが可能であり、本発明を適用することで広い帯域で指向性変化量を増大させることができる。
【０１２７】
また、上記実施例に挙げた形状、その他の要素との組合せなど、ここで示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨を損なわない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】特開平６−３５０３３４号に開示されたアンテナの構成図である。
【図２】特開平１０−１５４９１１号に開示されたアンテナの構成図である。
【図３】特開２００１−２４４３１号に開示されたアンテナの構成図である。
【図４】（ａ）は特開２００４−３０４７８５号に開示された発明に基づく指向性可変アンテナの一例を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線部を上から見た図である。
【図５】図４の指向性可変アンテナにおいていずれか１つのスイッチをオンした場合の指向性変化量の周波数依存性を表すグラフである。
【図６】（ａ）は本発明の指向性可変アンテナの第１の実施例を表す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線部を上から見た図である。
【図７】（ａ）は本発明の第１の実施例の特徴を適用されない指向性可変アンテナの断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線部を上から見た図である。
【図８】図６及び７の夫々の指向性可変アンテナについて指向性変化量の周波数依存性を表すグラフである。
【図９】（ａ）は様々な幅の短絡手段を有する図４（ａ）の指向性可変アンテナの破線部を上から見た図であり（ｂ）は短絡手段の幅を様々に変えた場合の指向性変化量の周波数依存性を表すグラフである。
【図１０】（ａ）は扇状に様々な幅の短絡手段を有する図４（ａ）の指向性可変アンテナの破線部を上から見た図であり、（ｂ）は短絡手段の幅を扇状に様々に変えた場合の指向性変化量の周波数依存性を表すグラフである。
【図１１】（ａ）は同軸線路側に所定の厚さの短絡手段を有する本発明の指向性可変アンテナの構成例を表す断面図であり、（ｂ）は同軸線路側で短絡手段の厚さを変えた場合の指向性変化量の周波数依存性を表すグラフである。
【図１２】（ａ）はアンテナ素子側に所定の厚さの短絡手段を有する本発明の指向性可変アンテナの構成例を表す断面図であり、（ｂ）はアンテナ素子側で短絡手段の厚さを変えた場合の指向性変化量の周波数依存性を表すグラフである。
【図１３】（ａ）は同軸線路の内導体側の短絡手段の一部がアンテナ素子側で所定の厚さを有する本発明の指向性可変アンテナの構成例を表す断面図であり、（ｂ）は同軸線路の内導体側の短絡手段の一部の厚さがアンテナ素子側で変えられた場合の指向性変化量の周波数依存性を表すグラフである。
【図１４】（ａ）は本発明の指向性可変アンテナの第２の実施例を表す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線部を上から見た図である。
【図１５】（ａ）は本発明の第２の実施例の特徴を適用されない指向性可変アンテナの断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線部を上から見た図である。
【図１６】図１４及び１５の夫々の指向性可変アンテナについて指向性変化量の周波数依存性を表すグラフである。
【図１７】（ａ）は本発明の指向性可変アンテナの第３の実施例を表す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線部を上から見た図である。
【図１８】図１７の指向性可変アンテナの指向性変化量の周波数依存性を表すグラフである。
【図１９】（ａ）は本発明の指向性可変アンテナの第４の実施例を表す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線部を上から見た図である。
【図２０】図１９の指向性可変アンテナの指向性変化量の周波数依存性を表すグラフである。
【図２１】（ａ）は本発明の指向性可変アンテナの第５の実施例を表す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線部を上から見た図である。
【図２２】図２１の指向性可変アンテナの指向性変化量の周波数依存性を表すグラフである。
【図２３】本発明の指向性可変アンテナを備える情報機器の一例を示す図である。
【符号の説明】
【０１２９】
６１，１４１ａ，１４１ｂ，１７１ａ，１７１ｂ，１９１ａ，１９１ｂ，２１１ａ，２１１ｂ  同軸線路
６１１，１４１１，１７１１，１９１１，２１１１  内導体
６１２，１４１２，１４１４，１７１２，１７１４，１９１２，１９１４，２１１２，２１１４  外導体
６２，１４２，１７２，１９２，２１２  放射器（第１のアンテナ素子）
６３，１４３，１７３，１９３，２１３  地板（第２のアンテナ素子）
６４，１４４，１７４，１９４，２１４  切替え手段
６５，１４５，１７５，１９５，２１５  短絡手段
１４１３，１７１３，１９１３，２１１３  空気
１４１５，１７１５，１９１５，２１１５  テフロン（登録商標）
１７６，１９６，１９８，２１６，２１８  円環状の導体
１７７，１９７，２１７  誘電体部材
２００  情報機器
２１０  スロット
３００  無線装置
３１０  指向性可変アンテナ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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