(57)【要約】 【課題】複数の無線サービスの周波数帯域からいずれかを選択して動作する小型化可能なアンテナ装置等を提供する。【解決手段】アンテナ装置１１の複数の逆Ｆアンテナ１０１は、給電線１０２を共有し、それぞれの空中線１０３の長手方向は平行であり、当該給電線１０２、および、それぞれの短絡線１０４は、当該空中線１０３の長手方向に垂直であり、地導体２０１は、略長方形もしくは略直方体の形状を有し、その一辺は、当該空中線１０３の長手方向に平行であり、当該給電線１０２に給電ポート２５１を介して接続され、複数の逆Ｆアンテナ１０１のうち、いずれか１つの逆Ｆアンテナ１０１ａの短絡線１０４ａは、地導体２０１に直接接続され、その他の逆Ｆアンテナ１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄの短絡線１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄは、リアクタ１０５を介して地導体２５１に接続される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電線を共有する複数の逆Ｆアンテナであって、それぞれの空中線の長手方向は平行であり、当該給電線、および、それぞれの短絡線は、当該空中線の長手方向に垂直である複数の逆Ｆアンテナと、
略長方形もしくは略直方体の形状を有し、その一辺は、当該空中線の長手方向に平行であり、当該給電線に給電ポートを介して接続される地導体と、
を備え、
前記複数の逆Ｆアンテナのうち、
（ａ）いずれか１つの逆Ｆアンテナの短絡線は、前記地導体に直接接続され、
（ｂ）その他の逆Ｆアンテナの短絡線のそれぞれは、リアクタを介して前記地導体に接続される
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のアンテナ装置であって、
前記地導体のいずれかの面と、前記複数のＦ形アンテナとは、同一平面上に配置される
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項３】
請求項１に記載のアンテナ装置であって、
前記給電線は、前記地導体のいずれかの面に垂直であり、前記複数のＦ形アンテナは、当該給電線を含む平面上に配置される
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項４】
給電線を共有する複数の逆Ｆアンテナであって、それぞれの空中線の長手方向は、互いに平行な平面内に配置され、当該給電線、および、それぞれの短絡線は、当該空中線の長手方向に垂直である複数の逆Ｆアンテナと、
略長方形もしくは略直方体の形状を有し、その一面は、当該互いに平行な平面に平行であり、かつ、当該給電線に垂直であり、当該給電線に給電ポートを介して接続される地導体と、
を備え、
前記複数の逆Ｆアンテナのうち、
（ａ）いずれか１つの逆Ｆアンテナの短絡線は、前記地導体に直接接続され、
（ｂ）その他の逆Ｆアンテナの短絡線のそれぞれは、リアクタを介して前記地導体に接続される
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項５】
給電線を共有する複数の逆Ｆアンテナと、
当該給電線に給電ポートを介して接続される地導体と、
を備え、
前記複数の逆Ｆアンテナのうち、
（ａ）いずれか１つの逆Ｆアンテナの短絡線は、前記地導体に直接接続され、
（ｂ）その他の逆Ｆアンテナの短絡線のそれぞれは、リアクタを介して前記地導体に接続され、
当該リアクタのリアクタンスを調整して、当該複数の逆Ｆアンテナのうちのいずれか１つと、所望の周波数帯との整合をとる
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のアンテナ装置であって、
前記複数の逆Ｆアンテナのそれぞれの空中線の長さは互いに異なる
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか１項に記載のアンテナ装置であって、
前記複数の逆Ｆアンテナのうち、いずれか少なくとも１つの逆Ｆアンテナの空中線は、Ｌ字型、Ｕ字型、もしくは、雷紋型である
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載のアンテナ装置であって、
前記複数の逆Ｆアンテナのうち、いずれか少なくとも１つの逆Ｆアンテナに装荷されるリアクタは、逆直列に接続され、当該逆直列の接続点に直流電圧が印加される２つのバラクタからなり、当該直流電圧を変化させることにより当該リアクタのリアクタンス値を調整可能である
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項９】
請求項６または７に記載のアンテナ装置であって、
前記複数の逆Ｆアンテナのうち、いずれか少なくとも１つの逆Ｆアンテナに装荷されるリアクタは、
直流電圧が印加されるキャパシタと、当該キャパシタに直列に接続されるバラクタと、からなり、当該直流電圧を変化させることにより当該リアクタのリアクタンス値を調整可能である
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項１０】
請求項６または７に記載のアンテナ装置であって、
前記複数の逆Ｆアンテナのうち、いずれか少なくとも１つの逆Ｆアンテナに装荷されるリアクタは、直流電圧が印加されるキャパシタと、当該キャパシタに直列に接続されるバラクタと、からなり、当該直流電圧を変化させることにより当該リアクタのリアクタンス値を調整可能であり、
前記複数の逆Ｆアンテナのうち、いずれか少なくとも１つの他の逆Ｆアンテナに装荷されるリアクタは、逆直列に接続され、当該接続点に直流電圧が印加される２つのバラクタからなり、当該直流電圧を変化させることにより当該リアクタのリアクタンス値を調整可能である
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載のアンテナ装置であって、
前記複数の逆Ｆアンテナのうち、当該リアクタが当該キャパシタと当該バラクタとからなる逆Ｆアンテナにおいて、当該バラクタは、当該給電線の途中に接続され、当該キャパシタは、当該接地線と当該地導体との間に接続される
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項に記載のアンテナ装置であって、
当該給電ポートと当該給電線とは、キャパシタを介して接続される
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載のアンテナ装置であって、
当該地導体は、液晶ディスプレイである
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項１４】
請求項１から１２のいずれか１項に記載のアンテナ装置であって、
当該地導体は、無線通信装置の筐体である
ことを特徴とするアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の無線サービスの周波数帯域からいずれかを選択して動作する小型化可能なアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、逆Ｆアンテナと呼ばれるアンテナが広く利用されている。逆Ｆアンテナは、Ｆ字形に導体を配置したアンテナで、Ｆ字の縦線が空中線に相当し、Ｆ字の横線の一方が送受に用いる給電線に、他方が接地用の短絡線に相当する。ここで、Ｆ字の横線のいずれを給電線とし、いずれを短絡線とするか、すなわち、給電点を空中線の端点とするか途中とするかは、用途に応じて適宜変更が可能である。
【０００３】
さらに、印加する直流電圧を変化させるとリアクタンス値が変化するリアクタを装荷することによって、アンテナ特性を調整する技術も提案されている。
【０００４】
このような技術については、以下の文献に開示されている。
【特許文献１】特開２００１−１６０７１０号公報
【非特許文献１】J.Cheng，Y.Kamiya and T.Ohira, Adaptive beamforming of ESPAR antenna based on steepest gradient algorithm, IEICE Trans. Commun.，vol.E84-B，no.7，pp.1790-1800, ２００１年７月。
【０００５】
[特許文献１]では、逆Ｆアンテナを利用したアレーアンテナが提案され、[非特許文献１]では、最急勾配法を用いて所望のアンテナ性能を得るためのリアクタンス値を計算する手法が提案されている。
【０００６】
一方で、近年注目されつつあるコグニティブ無線では、電波環境に応じて周波数や通信方式等を選択して、周波数利用効率を高めることとしているが、コグニティブ無線の実現のためには、複数の無線サービスの周波数帯域で動作するアンテナが必要とされる。
【０００７】
このようなアンテナを実現する手法としては、アンテナと周波数フィルタの対を複数用意し、ＲＦスイッチを用いて切り替える手法や、広帯域アンテナに複数の周波数フィルタを接続して、ＲＦスイッチを用いて切り替える手法などが考えられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ＲＦスイッチを設ける手法では、複数のアンテナを１つにまとめることができず、小型化が困難である。したがって、複数の無線サービスの周波数帯域からいずれかを選択して動作する小型化可能なアンテナ装置が強く望まれている。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するもので、複数の無線サービスの周波数帯域からいずれかを選択して動作する小型化可能なアンテナ装置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】
【００１０】
以上の目的を達成するため、本発明の原理にしたがって、下記の発明を開示する。
【００１１】
本発明の第１の観点に係るアンテナ装置は、複数の逆Ｆアンテナと、地導体と、を備え、以下のように構成する。
【００１２】
すなわち、複数の逆Ｆアンテナは、給電線を共有し、それぞれの空中線の長手方向は平行であり、当該給電線、および、それぞれの短絡線は、当該空中線の長手方向に垂直である。
【００１３】
一方、地導体は、略長方形もしくは略直方体の形状を有し、その一辺は、当該空中線の長手方向に平行であり、当該給電線に給電ポートを介して接続される。
【００１４】
さらに、複数の逆Ｆアンテナのうち、
（ａ）いずれか１つの逆Ｆアンテナの短絡線は、地導体に直接接続され、
（ｂ）その他の逆Ｆアンテナの短絡線のそれぞれは、リアクタを介して地導体に接続される。
【００１５】
また、本発明のアンテナ装置は、地導体のいずれかの面と、複数のＦ形アンテナとが、同一平面上に配置されるように構成することができる。
【００１６】
すなわち、本アンテナ装置は平面的な構造を有する。
【００１７】
また、本発明のアンテナ装置は、給電線が、地導体のいずれかの面に垂直であり、複数のＦ形アンテナが、当該給電線を含む平面上に配置されるように構成することができる。
【００１８】
すなわち、本アンテナ装置は立体的な構造を有するが、複数の逆Ｆアンテナは、地導体に直交する平面内に配置され、互いに平行である。
【００１９】
本発明のその他の観点に係るアンテナ装置は、複数の逆Ｆアンテナと、地導体と、を備え、以下のように構成する。
【００２０】
すなわち、複数の逆Ｆアンテナは、給電線を共有する複数の逆Ｆアンテナであって、それぞれの空中線の長手方向は、互いに平行な平面内に配置され、当該給電線、および、それぞれの短絡線は、当該空中線の長手方向に垂直である。
【００２１】
一方、地導体は、略長方形もしくは略直方体の形状を有し、その一面は、当該互いに平行な平面に平行であり、かつ、当該給電線に垂直であり、当該給電線に給電ポートを介して接続される。
【００２２】
さらに、複数の逆Ｆアンテナのうち、
（ａ）いずれか１つの逆Ｆアンテナの短絡線は、地導体に直接接続され、
（ｂ）その他の逆Ｆアンテナの短絡線のそれぞれは、リアクタを介して地導体に接続される。
【００２３】
すなわち、本アンテナ装置は、複数のＦ形アンテナの空中線はいずれも地導体に平行であるが、空中線同士は必ずしも平行ではなく、給電線を軸として扇の骨状に広がった配置とすることが可能である。
【００２４】
本発明のその他の観点に係るアンテナ装置は、給電線を共有する複数の逆Ｆアンテナと、当該給電線に給電ポートを介して接続される地導体と、を備え、以下のように構成する。
【００２５】
すなわち、複数の逆Ｆアンテナのうち、
（ａ）いずれか１つの逆Ｆアンテナの短絡線は、地導体に直接接続され、
（ｂ）その他の逆Ｆアンテナの短絡線のそれぞれは、リアクタを介して地導体に接続される。
【００２６】
そして、当該リアクタのリアクタンスを調整して、当該複数の逆Ｆアンテナのうちのいずれか１つと、所望の周波数帯との整合をとる。
【００２７】
本発明は、上記発明のより一般的な実施形態に相当するものであり、一般に、逆Ｆアンテナの空中線は地導体に平行である必要もなく、互いに平行である必要もなく、短絡線や給電線は地導体に垂直である必要もなく、地導体は長方形や直方体の形状を有する必要もなく、任意の形状とすることができる。
【００２８】
また、本発明のアンテナ装置において、複数の逆Ｆアンテナのそれぞれの空中線の長さは互いに異なるように構成することができる。
【００２９】
また、本発明のアンテナ装置において、複数の逆Ｆアンテナのうち、いずれか少なくとも１つの逆Ｆアンテナの空中線は、Ｌ字型、Ｕ字型、もしくは、雷紋型であるように構成することができる。
【００３０】
本構成により、当該空中線の長さを長くすることが可能になる。なお、雷紋形とは、線が直角に曲がりつつ全体として渦巻き状をなすものである。また、Ｕ字形においては、Ｕ字の縦棒の長さは互いに異なっても良い。
【００３１】
また、本発明のアンテナ装置において、複数の逆Ｆアンテナのうち、いずれか少なくとも１つの逆Ｆアンテナに装荷されるリアクタは、逆直列に接続され、当該逆直列の接続点に直流電圧が印加される２つのバラクタからなり、当該直流電圧を変化させることにより当該リアクタのリアクタンス値を調整可能であるように構成することができる。
【００３２】
なお、バラクタは、可変容量ダイオードあるいはバリキャップと呼ばれることもある電子素子である。
【００３３】
また、本発明のアンテナ装置において、複数の逆Ｆアンテナのうち、いずれか少なくとも１つの逆Ｆアンテナに装荷されるリアクタは、直流電圧が印加されるキャパシタと、当該キャパシタに直列に接続されるバラクタと、からなり、当該直流電圧を変化させることにより当該リアクタのリアクタンス値を調整可能であるように構成することができる。
【００３４】
また、本発明のアンテナ装置において、複数の逆Ｆアンテナのうち、いずれか少なくとも１つの逆Ｆアンテナに装荷されるリアクタは、直流電圧が印加されるキャパシタと、当該キャパシタに直列に接続されるバラクタと、からなり、当該直流電圧を変化させることにより当該リアクタのリアクタンス値を調整可能であり、複数の逆Ｆアンテナのうち、いずれか少なくとも１つの他の逆Ｆアンテナに装荷されるリアクタは、逆直列に接続され、当該接続点に直流電圧が印加される２つのバラクタからなり、当該直流電圧を変化させることにより当該リアクタのリアクタンス値を調整可能であるように構成することができる。
【００３５】
すなわち、上記発明の組み合わせに相当する。
【００３６】
また、本発明のアンテナ装置において、複数の逆Ｆアンテナのうち、当該リアクタが当該キャパシタと当該バラクタとからなる逆Ｆアンテナにおいて、当該バラクタは、当該給電線の途中に接続され、当該キャパシタは、当該接地線と当該地導体との間に接続されるように構成することができる。
【００３７】
本発明においては、リアクタを構成する電子回路を必ずしも短絡線内に配置する必要はなく、上記のような任意の場所に配置することができ、本発明によれば、回路配置上の自由度を高めることができる。
【００３８】
また、本発明のアンテナ装置において、当該給電ポートと当該給電線とは、キャパシタを介して接続されるように構成することができる。
【００３９】
また、本発明のアンテナ装置において、当該地導体は、液晶ディスプレイであるように構成することができる。
【００４０】
また、本発明のアンテナ装置において、当該地導体は、無線通信装置の筐体であるように構成することができる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、複数の無線サービスの周波数帯域からいずれかを選択して動作する小型化可能なアンテナ装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下に本発明の一実施形態を説明する。
【００４３】
なお、以下に説明する実施形態は説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。
【００４４】
したがって、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれと均等なものに置換した実施形態を採用することが可能であるが、これらの実施形態も本発明の範囲に含まれる。
【実施例１】
【００４５】
図１は、本発明に係るアンテナ装置で利用される１つの逆Ｆアンテナと地導体との関係を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。
【００４６】
本図に示すように、逆Ｆアンテナ１０１は、その長手方向に伸びる空中線１０３、空中線１０３の途中を給電点とするため、空中線１０３に直角に接続される給電線１０２、空中線１０３の端点を直接的または間接的に地導体２０１に接地するため、給電線１０２に平行で空中線１０３に直角に接続される短絡線１０４からなっている。
【００４７】
地導体２０１は、通信装置の筐体や各種携帯端末が有する液晶ディスプレイとするのが典型的であり、これらはいずれも、略長方形もしくは略直方体の形状を有する。
【００４８】
また、給電線１０２と地導体２０１との間に、キャパシタとなるコンデンサ２５２を介して給電ポート２５１が用意されている。
【００４９】
本図（ａ）は、短絡線１０４が直接地導体２０１に接続される様子を示している。本実施形態のアンテナ装置では、後述するように、複数の逆Ｆアンテナ１０１を利用するが、地導体２０１にその短絡線１０４が直接接続される逆アンテナを１つ設ける点に特徴の一つがある。
【００５０】
本図（ｂ）は、短絡線１０４と地導体２０１との間にリアクタ１０５が挿入される様子を示している。リアクタ１０５は、一般的には、地導体２０１との電位差（電圧）によって電気容量が変化するものを採用することが多いが、その他、リアクタンスを適宜調整できるものであれば、どのようなリアクタを採用することもできる。
【００５１】
本図（ｃ）は、リアクタ１０５を構成する電気素子を分割配置可能な位置を示すものである。図中の点線で囲まれる位置１０７に、リアクタ１０５を構成する電気素子を配置することが可能である。この位置１０７は、地導体２０１から給電線１０２、空中線１０３、短絡線１０４を経て地導体２０１に戻るループの途中であれば、電気素子により構成される電子回路の構造にしたがって、どこに配置することも可能である。また、複数の電気素子からなる場合には、分割して配置することもできる。
【００５２】
図２は、本実施形態に係るアンテナ装置の概要構成を示す模式図である。以下、本図を参照して説明する。なお、本図においては、理解を容易にするため、各部の寸法は適宜デフォルメしてある。
【００５３】
本図に示すアンテナ装置１１では、４つの逆Ｆアンテナ１０１が利用されており、これらの給電線１０２は共通になっている。
【００５４】
また、逆Ｆアンテナ１０１ａの短絡線１０４ａは、直接地導体２０１に接続されている。
【００５５】
逆Ｆアンテナ１０１ｂの短絡線１０４ｂは、内部抵抗の高い直流電圧源３０１ｂを介して地導体２０１に接続されているほか、短絡線１０４ｂと地導体２０１との間に、大容量のコンデンサ２５２（キャパシタ）が接続される。これは、直流電流をカットするためのものである。
【００５６】
また、給電線１０２の途中にバラクタ３０２ｂが装荷されている。直流電圧源３０１ｂの電圧を変化させることにより、このバラクタ３０２ｂのリアクタンスを調整することができる。なお、このバラクタ３０２ｂは、短絡線１０４ｂの途中に配置することとしても良い。また、逆Ｆアンテナ１０１ｂの空中線１０３ｂの先端は、雷紋状（もしくは、縦棒の長さの異なるＵ字状）に折れ曲がって配置スペースを小さくすることとしているが、用途によっては、直線状に伸びたままとしても良い。
【００５７】
さらに、逆Ｆアンテナ１０１ｃ、１０１ｄにおいては、地導体２０１と短絡線１０４ｃ、１０４ｄとを、逆接続バラクタ３０３ｃ、３０３ｄが接続しており、逆接続バラクタ３０３ｃ、３０３ｄに印加させる電圧を調整するための直流電圧源３０１ｃ、３０１ｄが用意されている。
【００５８】
図３は、本実施形態のアンテナ装置から、逆Ｆアンテナ１０１ａに関連する構成を抜き出した回路図である。以下、本図を参照して説明する。
【００５９】
本図に示す通り、給電ポート２５１には大容量のコンデンサ２５２（キャパシタ）が接続されており、給電ポート２５１を介して信号が遣り取りされる。コンデンサ２５２（キャパシタ）は、給電ポート２５１との間に直流電圧が印加されないようにするためのものである。また、短絡線１０４ａは、地導体２０１に接地されている。
【００６０】
図４は、本実施形態のアンテナ装置から、逆Ｆアンテナ１０１ｂに関連する構成を抜き出した回路図である。以下、本図を参照して説明する。
【００６１】
本図に示す通り、直流電圧源３０１ｂは電圧可変であるが、内部抵抗３５３は高い。また、大容量のコンデンサ２５２を直流電圧源３０１ｂと並列に接続することで、バラクタ３０２ｂに直流電圧を印加するとともに、直流電流をカットすることとしている。
【００６２】
図５は、本実施形態のアンテナ装置から、逆Ｆアンテナ１０１ｃに関連する構成を抜き出した回路図である。図６は、本実施形態のアンテナ装置から、逆Ｆアンテナ１０１ｄに関連する構成を抜き出した回路図である。以下、これらの図を参照して説明する。
【００６３】
本図に示す通り、直流電圧源３０１ｃは電圧可変であるが、内部抵抗３５３は高い。また、逆接続バラクタ３０３ｃ、３０３ｄの逆接続点と直流電圧源３０１ｃとを接続することで、リアクタンスを調整するとともに、バラクタで発生する高調波歪みを抑圧し、リアクタンス可変幅を２倍に広くしている。
【００６４】
図２、図４、図５、図６に示すように、直流電圧源３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄは、地導体２０１の近傍に配置できるため、直流電圧制御配線を最短に抑えることができる。また、バラクタ３０２ｂや逆接続バラクタ３０３ｃ、３０３ｄの位置は、地導体２０１の近傍に配置しても良いし、給電線１０２の途中、短絡線１０４の途中、短絡線１０４と給電線１０２に挟まれる空中線１０３の途中など、各種の場所に配置することができる。
【００６５】
すなわち、給電ポート２５１から給電線１０２、空中線１０３、短絡線１０４を経由して地導体２０１に至る閉ループの途中のいずれかに、リアクタを配置する。これにより、素子配置の任意性を高めることができる。
【００６６】
逆Ｆアンテナ１０１の数は、任意とすることができる。また、空中線１０３の形状も、互いに接することがないように配置することで、各種の形状を採用することができる。
【００６７】
以下では、本実施形態に係るアンテナ装置１１の諸元の設計例についてさらに説明する。
【００６８】
（設計例）
逆Ｆアンテナ１０１は、地導体２０１の寸法によって特性が変化するため、適用される機器に応じて個別に設計する必要がある。以下では、１５０ｍｍ×１００ｍｍの大きさの誘電体基板（比誘電率２.１７、厚さ０.８ｍｍ）に、プリント技術で本実施形態のアンテナ装置を実現する例について説明する。無線サービスの周波数帯域は、以下の３つである。
地上ディジタル放送（４７０−７７０ＭＨｚ、比帯域４８.８％）；
携帯電話（１９２０−２１７０ＭＨｚ、比帯域１２.２％）；
無線ＬＡＮ（５１５０−５３５０ＭＨｚ、比帯域３.８％）
【００６９】
設計の際には、逆Ｆアンテナ１０１の寸法は、まず低い周波数帯を決定し、次に高い周波数帯を決定する、という順序を採用することが望ましい。高い周波数帯の逆Ｆアンテナ１０１は低い周波数帯の逆Ｆアンテナ１０１に比べて小型なので、高い周波数帯のアンテナを追加しても、低い周波数の特性へ影響が小さいからである。
【００７０】
また、本実施形態では、給電線１０２を複数の逆Ｆアンテナ１０１で共用するため、高い周波数帯の逆Ｆアンテナ１０１を追加する際に、入力アドミタンスはほぼ加算されると想定して良い。給電ポート２５１の電圧は共通であり、ポート電流は、各逆Ｆアンテナ１０１を流れる電流の総和になるからである。
【００７１】
したがって、低い周波数帯用の逆Ｆアンテナ１０１については、高い周波数帯における入力インピーダンスをほぼ開放状態に制御しておけば、新たに追加する高い周波数帯の逆Ｆアンテナの単体状態の入力インピーダンスがほぼ実現できる。
【００７２】
実際には、逆Ｆアンテナ１０１同士の間に相互結合があるため調整が必要であるものの、地導体２０１が存在することで、相互結合は小さくなっていると考えられる。これは、逆Ｆアンテナ１０１の空中線１０３が地導体２０１に平行であり、地導体２０１に打ち消し電流が流れるからである。
【００７３】
なお、低い周波数帯の逆Ｆアンテナ１０１について、高い周波数帯における入力インピーダンスが小さい場合は、追加する高い周波数帯の逆Ｆアンテナ１０１による整合が難しいことが予想される。したがって、この場合には、低い周波数帯の逆Ｆアンテナ１０１の寸法を設計し直さなければならない。
【００７４】
このほか、低い周波数帯の逆Ｆアンテナ１０１について、高い周波数帯における入力インピーダンスが、給電回路の特性インピーダンス（同軸ケーブルを採用する場合、一般的には５０Ωである。）に近ければ、高い周波数帯の逆Ｆアンテナ１０１を追加しなくても、整合可能である。もっとも、２つの周波数帯で整合がとれてしまうと、アンテナ装置１１は周波数フィルタとしての機能を果たさないことになる。
【００７５】
したがって、このような場合であっても、一方の無線サービス周波数帯域では整合がとれ、他方では整合がとれないようにリアクタンスを制御することを前提として、高い周波数帯の逆Ｆアンテナ１０１の寸法を決定しても良い。
【００７６】
さて本例では、最も低い周波数帯である地上ディジタル放送受信の周波数比帯域は約５０％と広い。そこで、２つの逆Ｆアンテナ１０１ａ、１０１ｂを用い、バラクタ３０２ｂ（X3）を給電線１０２の途中に設けている。
【００７７】
リアクタとして１つのバラクタ３０２ｂを使用するため、高調波歪みが残存する可能性があるが、地上ディジタル放送用に使用する場合は、受信専用となるため、この歪みが残存しても問題とはならない。また、リアクタンス値可変幅は、逆接続バラクタを採用する場合に比べて小さくなるが、もともと低い周波数帯用であるから、同じリアクタンス値の可変幅であっても、周波数帯の可変範囲は広くなるので、問題とならない。
【００７８】
逆Ｆアンテナ１０１ａについては、短絡線１０４ａを地導体２０１に直接接続しており、逆Ｆアンテナ１０１ｂについては、直流電圧源３０１ｂ（v3）が短絡線１０４ａと地導体２０１の間に接続されている。
【００７９】
これは、図３、図４に示す逆Ｆアンテナ１０１と地導体２０１との関係に相当する。
【００８０】
このようにして、逆Ｆアンテナ１０１ａ、１０１ｂの寸法を決定した後には、次に２ＧＨｚ帯の逆Ｆアンテナ１０１ｃ、その後に５Ｈｚ帯の逆Ｆアンテナ１０１ｄの寸法を決定する。
【００８１】
これらの逆Ｆアンテナ１０１ｃ、１０１ｄでは、逆接続バラクタ３０３ｃ（X1）、３０３ｄ（X2）を装荷して、直流電圧源３０１ｃ（v1）、３０１ｄ（v2）が印加する電圧を調整することでリアクタンスを変化させ、大きな電流が流れる場合に対応する。
【００８２】
これらの態様は、図５、図６に示す逆Ｆアンテナ１０１と地導体２０１との関係に相当する。
【００８３】
本実施形態では、４つの逆Ｆアンテナ１０１を使用し、そのうちの１つは地導体２０１に直接接続されるから、残りの３つについてのリアクタンス値X1、X2、X3を決めることにより、アンテナ特性の調整ができる。実際には、印加する電圧v1、v2、v3を調整することになる。
【００８４】
一般に、リアクタンス値X1，…，XMのM個のリアクタがあるとき、給電ポート２５１に印加する電圧v0、および、リアクタのそれぞれに印加する電圧v1，…，vMの関係は、以下のように定めることができる。
【００８５】
【数１】
2008141661.tif 000003
【００８６】
【数２】
2008141661.tif 000004
【００８７】
【数３】
2008141661.tif 000005
【００８８】
【数４】
2008141661.tif 000006
【００８９】
【数５】
2008141661.tif 000007
【００９０】
ここで、vsは、送信を考えた際の給電ポート２５１の開放電圧、Zsは、給電線路の特性実インピーダンスをあらわし、Zm,nは、m番目とn番目のポート（リアクタが装荷される場所もしくは短絡される場所）同士の間のインピーダンスを表し、imは、m番目のポートを流れる電流を意味する。
【００９１】
これらは、形状によって定まる構造パラメータであるから、各周波数帯における定数と考えることができる。したがって、たとえばモーメント法（ＩＥ３Ｄ）などで定めることができる。
【００９２】
また、入力インピーダンスZin、反射係数Γ、電圧定在波比（Voltage Standing Wave Ratio） vswrについては、以下のような関係がある。
【００９３】
【数６】
2008141661.tif 000008
【００９４】
【数７】
2008141661.tif 000009
【００９５】
【数８】
2008141661.tif 000010
【００９６】
さて、本実施例の場合、M = 3であるから、リアクタンス値X1、X2、X3は、これに対応する逆Ｆアンテナ１０１がその逆Ｆアンテナ１０１を使用する周波数帯で整合するように、制御する。
【００９７】
ここで、最適なリアクタンス値は、[非特許文献１]に示すような最急勾配法を用いて求めることができる。しかしながら、以下のような問題がある。
（１）収束値が、初期値に依存する。
（２）収束値、収束までのイタレーション回数が、ステップ幅や差分幅に依存する。
（３）収束値が実現可能なリアクタンス可変範囲外になる可能性がある。
【００９８】
そこで本実施形態では、vswrのリアクタンス値依存性を等高線図に表し、等高線図全体を見渡して、実現可能な制御範囲内で最適なリアクタンス値セットを見つけることとする。本実施形態では、リアクタの数は３つなので、いずれか１つのリアクタンス値に対して候補となる値を複数用意し、当該各候補値に固定して、２次元の等高線図を複数枚描き、この中から最適なリアクタンス値セットを見通す。
【００９９】
このようにして見つけたリアクタンス値を初期値として最急勾配法を適用することにより、グローバルにvswrを最小にするリアクタンス値セットを計算することができる。
【０１００】
なお、vswrを最小にするリアクタンス値セットと、広帯域に整合を確保するリアクタンス値セットは一致しないことが殆どであるが、等高線図から、広帯域な特性を有するリアクタンス値を予測することもできる。
【０１０１】
一般に、バラクタ３０２ｂおよび逆接続バラクタ３０３ｃ、３０３ｄの電気容量の可変幅には制限がある。印加直流電圧が０Ｖから２０Ｖまで変化したときに、電気容量が９ｐＦから０.７ｐＦまで変化するようなバラクタを採用した場合、各周波数帯で実現可能なリアクタンス可変範囲は、バラクタ３０２ｂの場合、以下のようになり、逆接続バラクタ３０３ｃ、３０３ｄでは、この２倍になる。
０.４７ＧＨｚ  …  −４７９Ω〜−３３.３Ω；
０.７７ＧＨｚ  …  −２８８Ω〜−１５.９Ω；
１.９２ＧＨｚ  …  −２０１Ω〜１７.０Ω；
２.１７ＧＨｚ  …  −１６９Ω〜２３.８Ω；
５.１５ＧＨｚ  …  ６.８４Ω〜８８.３Ω；
５.３５ＧＨｚ  …  １３.８Ω〜９２.２Ω
【０１０２】
可変幅は周波数にほぼ反比例するので、高い周波数ほど制御の自由度が低くなる。なお、バラクタを直列接続することで可変範囲を広げることも可能であるが、印加電圧を高くする必要があるため、小型化には適さないこともある。
【０１０３】
上記のように収束した値について、vswr≦3の整合がとれるvswr≦3の整合がとれるリアクタンス値の範囲が、各制御範囲内にあるかを確かめ、範囲内にない場合は、逆Ｆアンテナ１０１の寸法を変更して、再度調整を行う。
【０１０４】
ここからは、アンテナ寸法として、以下の諸元を採用した実施例について、さらに詳細な検討を行う。
Ｌ  ＝  １５０ｍｍ；
Ｌ０  ＝  １３ｍｍ；
Ｌ１  ＝  １４.３ｍｍ；
Ｌ２  ＝  ４１ｍｍ；
Ｌ４  ＝  ７４.５ｍｍ；
Ｌ３１  ＝  １０ｍｍ；
Ｌ３２  ＝  １４.５ｍｍ；
Ｈ  ＝  １００ｍｍ；
ｗ  ＝  １ｍｍ；
Ｈ１  ＝  ２ｍｍ；
Ｈ２  ＝  ４.５ｍｍ；
Ｈ４  ＝  １４.５ｍｍ；
Ｈ３  ＝  １９.５ｍｍ
【０１０５】
図７は、各周波数帯域の最低周波数、中心周波数、最高周波数におけるvswrのリアクタンス値依存性を表す等高線図である。以下、本図を参照して説明する。
【０１０６】
本図では、当該周波数帯用の逆Ｆアンテナ１０１に装荷されるリアクタのリアクタンス値が、等高線図に表示されるようにし、リアクタンス可変範囲を破線の長方形領域で描いている。そして、この中から、vswrが３以下になるリアクタンス値の組み合わせを選ぶ。
【０１０７】
図中の黒丸Ａ、Ｂ、Ｃは、最小周波数、中心周波数、最大周波数で整合がとれるように選んだポイントである。
【０１０８】
図８は、Ａ、Ｂ、Ｃそれぞれのリアクタンス値X1、X2、X3と、そのときのバラクタの電気容量の値Cx1、Cx2、Cx3を示す表であり、図９は、各周波数帯におけるvswrの周波数特性を示すグラフである。
【０１０９】
これらの図を見ると、設計対象内の周波数で整合がとれており、特に、５ＧＨｚ帯では、１つのリアクタンス値セットにより帯域内でvswr≦3の整合がとれているが、一方、２ＧＨｚ帯、ＵＨＦ帯では、３つのリアクタンス値セットによるだけでは、各帯域でvswr≦3の整合がとれない部分が生じてしまうことが分かる。
【０１１０】
また、このシミュレーションから、２ＧＨｚ帯で整合がとれる領域はX2（これが装荷される逆Ｆアンテナ１０１は、２ＧＨｚ帯の共振素子である。）に対する依存性が強く、ＵＨＦ帯で整合がとれる領域は、X3（これが装荷される逆Ｆアンテナ１０１は、ＵＨＦ帯の共振素子である。）に対する依存性が強いことが判明した。
【０１１１】
上記のように、リアクタンス値を固定としたままでは、整合がとれない帯域が存在する。そこで、所望の周波数帯に含まれる任意の周波数において、整合がとれるように、周波数に依存してリアクタンス値を制御する必要がある。
【０１１２】
所望の周波数について最適なリアクタンス値を求めるには、上記と同様に、等高線図を描いて初期値を決定し、最急勾配法を用いれば良いが、周波数によって構造パラメータZm,nが変化するため、数多くの周波数に対して構造パラメータZm,nを計算しておく必要がある。しかしながら、誘電体が存在する場合に構造パラメータZm,nを計算するには、計算時間が長大になることが多い。
【０１１３】
そこで、ある周波数帯の最小周波数、中央周波数、最大周波数の３つの等高線図から等高線図の形状の変化の傾向を調べて、これ以外の間の周波数で整合がとれるリアクタンス領域を予測することとする。
【０１１４】
図１０は、リアクタンス値セットと電気容量の組み合わせを示すグラフである。図１１は、当該リアクタンス値セットにおけるvswr値を示すグラフである。
【０１１５】
これらのグラフから、ＵＨＦ帯と２ＧＨｚ帯でも、ほとんどの場合に、リアクタンス値を動的に調整することによって、所望とする周波数で整合をとることができることがわかる。ＵＨＦ帯では、３つのリアクタンス値を制御する必要があるが、制御対象は、主にX1、X2の２つである。
【０１１６】
また、等高線図を用いることによって、整合特性の全体傾向を見通すことにより、かなり精度の高い予測ができ、計算時間を節約して、所望のリアクタンス値のセットを得ることができることがわかる。
【０１１７】
次に、このようにしてリアクタンス値を決定することとしたアンテナ装置１１の指向性と偏波について、調べてみる。
【０１１８】
座標系は、図２に示すように、地導体２０１の長手方向にｘ軸を設定し、ｘ軸とｙ軸で地導体２０１表面の平面を張るようにし、ｚ軸は、地導体２０１表面に垂直な方向に設定する。
【０１１９】
また、ｘ軸からｙ軸への回転量φと、これに対するｚ軸からの回転量θにより、極座標の回転角を設定する。
【０１２０】
図１２、図１３、図１４は、それぞれ、ＵＨＦ帯、２ＧＨｚ帯、５ＧＨｚ帯の中心周波数における動作利得指向性を表すグラフである。以下、本図を参照して説明する。
【０１２１】
これらの図のグラフは、左上がθ = 90°面、右上がφ = 0°面、中央下がφ = 90°面の動作利得指向性を示している。また、破線は垂直偏波であり、実線は水平偏波である。
【０１２２】
これらによれば、水平面（ｘｙ平面）内はほぼ水平偏波になるが、水平方向以外には垂直偏波成分を有することが分かる。
【０１２３】
パーソナルコンピュータや携帯端末の液晶ディスプレイは、地面に対して一定の角度をもって斜めに配置されることが多いと考えられるため、液晶ディスプレイを地導体２０１として採用した場合、水平方向から到来する水平偏波・垂直偏波の両方を送受できるものと考えられる。
【実施例２】
【０１２４】
上記の説明では、複数の逆Ｆアンテナ１０１と地導体２０１とがプリント基板上に構成され、略平面状に配置されるアンテナ装置１１の実施例を取り上げているが、本実施形態は、複数の逆Ｆアンテナ１０１と地導体２０１とが立体的に配置される構造のアンテナ装置の実施例について説明する。
【０１２５】
図１５、図１６は、立体的に構成されるアンテナ装置の外観を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。本図においても、各部の寸法はデフォルメされている。
【０１２６】
図１５、図１６に示すアンテナ装置は、長方形状の地導体２０１の法線方向に逆Ｆアンテナ１０１の給電線１０２が配置されている。そして、逆Ｆアンテナ１０１の空中線１０３は、地導体２０１の長方形状に平行に配置されている。なお、実際には、本図に示すよりも空中線１０３と地導体２０１との距離は近い。
【０１２７】
各空中線１０３の端点からは、地導体２０１に対して垂直に短絡線１０４がおろされており、リアクタ１０５を介して、もしくは、直接地導体２０１に接続されている。
【０１２８】
図１５に示す形状では、逆Ｆアンテナ１０１の空中線１０３同士も平行に配置されている。図１６に示す形状では、逆Ｆアンテナ１０１の空中線１０３同士は、互いにねじれの関係にあり、すこしずつ配置する角度がずれているため、全体として見ると、広げた扇の骨に類似する配置となっている。
【０１２９】
逆Ｆアンテナの長手方向に相当する空中線１０３が、地導体２０１に平行であることから、たとえば、地導体２０１が液晶ディスプレイである場合には、これに平行に配置される多層構造のプリント基板上に空中線１０３をエッチングにより配置し、給電線１０２や短絡線１０４は、多層構造プリント基板を通過するスルーホール内に配置する、ということができる。
【０１３０】
このように、逆Ｆアンテナ１０１の配置については、地導体２０１と何らかの方向で平行であれば、自由度は極めて高いため、用途に応じて様々な形状のアンテナ装置を提供することができる。
【実施例３】
【０１３１】
上記実施形態では、地導体２０１が略長方形であり、給電線１０２が地導体２０１に直角であり、逆Ｆアンテナ１０１の空中線１０３が地導体２０１に平行である実施形態について説明したが、これらの制限事項は、構造パラメータをシミュレーションによって求める際の計算を容易にするためのものであり、必ずしも、これらの制限を課す必要はない。
【０１３２】
図１７、図１８、図１９は、給電線１０２、空中線１０３、短絡線１０４、地導体２０１に係る形状の制限を緩和したアンテナ装置の概略配置を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。
【０１３３】
図１７に示すアンテナ装置１１では、給電線１０２および短絡線１０４が地導体２０１の辺に対して直角でない形状となっている。
【０１３４】
図１８に示すアンテナ装置１１では、空中線１０３が地導体２０１の辺に対して平行でなく、かつ互いに平行でもない形状となっている。
【０１３５】
図１９に示すアンテナ装置１１では、給電線１０２、空中線１０３、短絡線１０４は一般の曲線形状となっており、地導体２０１は任意の曲線に囲まれる図形となっている。
【０１３６】
これらの形状を採用した場合、設計の上で、構造パラメータをシミュレーションによって求めることとしても良いが、計算に時間がかかる場合もありうる。この場合には、実機を製造の上、各リアクタのリアクタンス値の組み合わせを実際に適用して、上記実施形態と同様の等高線図の描き、所望の周波数におけるリアクタンス値のセットを決定することとしても良い。
【０１３７】
本実施形態によれば、アンテナ装置の形状の自由度を大きく高めることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１３８】
以上説明したように、本発明によれば、複数の無線サービスの周波数帯域からいずれかを選択して動作する小型化可能なアンテナ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３９】
【図１】本発明に係るアンテナ装置で利用される１つの逆Ｆアンテナと地導体との関係を示す説明図である。
【図２】本実施形態に係るアンテナ装置の概要構成を示す模式図である。
【図３】本実施形態のアンテナ装置から、逆Ｆアンテナ１０１ａに関連する構成を抜き出した回路図である。
【図４】本実施形態のアンテナ装置から、逆Ｆアンテナ１０１ｂに関連する構成を抜き出した回路図である。
【図５】本実施形態のアンテナ装置から、逆Ｆアンテナ１０１ｃに関連する構成を抜き出した回路図である。
【図６】本実施形態のアンテナ装置から、逆Ｆアンテナ１０１ｄに関連する構成を抜き出した回路図である。
【図７】各周波数帯域の最低周波数、中心周波数、最高周波数におけるvswrのリアクタンス値依存性を表す等高線図である。
【図８】Ａ、Ｂ、Ｃそれぞれのリアクタンス値X1、X2、X3と、そのときのバラクタの電気容量の値Cx1、Cx2、Cx3を示す表である。
【図９】各周波数帯におけるvswrの周波数特性を示すグラフである。
【図１０】リアクタンス値セットと電気容量の組み合わせを示すグラフである。
【図１１】リアクタンス値セットにおけるvswr値を示すグラフである。
【図１２】ＵＨＦ帯の中心周波数における動作利得指向性を表すグラフである。
【図１３】２ＧＨｚ帯の中心周波数における動作利得指向性を表すグラフである。
【図１４】５ＧＨｚ帯の中心周波数における動作利得指向性を表すグラフである。
【図１５】立体的に構成されるアンテナ装置の外観を示す説明図である。
【図１６】立体的に構成されるアンテナ装置の外観を示す説明図である。
【図１７】給電線、空中線、短絡線、地導体に係る形状の制限を緩和したアンテナ装置の概略配置を示す説明図である。
【図１８】給電線、空中線、短絡線、地導体に係る形状の制限を緩和したアンテナ装置の概略配置を示す説明図である。
【図１９】給電線、空中線、短絡線、地導体に係る形状の制限を緩和したアンテナ装置の概略配置を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１４０】
１１    アンテナ装置
１０１  逆Ｆアンテナ
１０２  空中線
１０３  給電線
１０４  短絡線
１０５  リアクタ
１０７  リアクタが配置可能な位置
２０１  地導体
２５１  給電ポート
２５２  コンデンサ
３０１  直流電圧源
３０２  バラクタ
３０３  逆接続バラクタ
３５２  端子
３５３  内部抵抗
【図１】
2008141661.tif 000011
【図２】
2008141661.tif 000012
【図３】
2008141661.tif 000013
【図４】
2008141661.tif 000014
【図５】
2008141661.tif 000015
【図６】
2008141661.tif 000016
【図７】
2008141661.tif 000017
【図８】
2008141661.tif 000018
【図９】
2008141661.tif 000019
【図１０】
2008141661.tif 000020
【図１１】
2008141661.tif 000021
【図１２】
2008141661.tif 000022
【図１３】
2008141661.tif 000023
【図１４】
2008141661.tif 000024
【図１５】
2008141661.tif 000025
【図１６】
2008141661.tif 000026
【図１７】
2008141661.tif 000027
【図１８】
2008141661.tif 000028
【図１９】
2008141661.tif 000029