(57)【要約】【課題】整合可能な周波数帯域が広く、その調整が容易な伝送線路型のアンテナ装置を提供する。【解決手段】対向して配置された２つの線路から成るアンテナ素子を備え、該アンテナ素子間に給電される伝送線路型のアンテナ装置であって、２つのアンテナ素子の接続点のうち、少なくともいずれか一方に配置される、静電容量が変更可能な可変容量部を有する構成とする。この可変容量部には、アノードとカソード間に印加される直流電圧に応じて静電容量が変化する可変容量ダイオードを用いる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向して配置された２つの線路から成るアンテナ素子を備え、該アンテナ素子間に給電される伝送線路型のアンテナ装置であって、
２つの前記アンテナ素子の接続点のうち、少なくともいずれか一方に配置される、静電容量が変更可能な可変容量部を有するアンテナ装置。
【請求項２】
前記可変容量部は、
アノードとカソード間に印加される直流電圧に応じて静電容量が変化する可変容量ダイオードを有する請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記可変容量ダイオードに所定の直流電圧を印加するための電圧制御部を有する請求項２記載のアンテナ装置。
【請求項４】
請求項１乃至３に記載のアンテナ装置が、筐体の辺縁に沿って実装された送受信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、伝送線路で構成された伝送線路型のアンテナ装置、及びそれを用いた送受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、伝送線路型のアンテナ装置は、平面導体上に離れて配置された線路を備え、線路と平面導体との間に給電を行う構成である。このアンテナ装置の特性解析を行う場合、平面導体を挟んで線路と対称な位置に発生する鏡像を用いることが多く、線路と鏡像部とからなる２つの線路が伝送線路となることから伝送線路型と呼ばれる。伝送線路型のアンテナ装置としては、例えば、伝送線路Ｔ型、伝送線路Ｍ型、伝送線路Ｆ型（逆Ｆ型）等が知られている。
【０００３】
また、アマチュア無線等で利用される「ヘンテナ」（例えば、特許文献１参照）と呼ばれるアンテナ装置は、上記伝送線路Ｍ型の鏡像を実線路で構成したものと見なすことができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２８４０２８号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような従来の伝送線路型のアンテナ装置は、放射抵抗の低い伝送線路構造であるため、他のアンテナ装置と同様の放射電力を得るために給電電流の数倍〜数十倍の電流をアンテナ素子に流している。このため、尖鋭度が高く、整合可能な周波数帯域幅が狭くなる欠点があった。
【０００６】
本発明は上記したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、整合可能な周波数帯域が広く、その調整が容易な伝送線路型のアンテナ装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明のアンテナ装置は、対向して配置された２つの線路から成るアンテナ素子を備え、該アンテナ素子間に給電される伝送線路型のアンテナ装置であって、
２つの前記アンテナ素子の接続点のうち、少なくともいずれか一方に配置される、静電容量が変更可能な可変容量部を有する構成である。
【０００８】
このとき、前記可変容量部は、
アノードとカソード間に印加される直流電圧に応じて静電容量が変化する可変容量ダイオードを有する構成が好ましく、前記可変容量ダイオードに所定の直流電圧を印加するための電圧制御部を有する構成が好ましい。
【０００９】
一方、本発明の送受信装置は、上記記載のアンテナ装置が、筐体の辺縁に沿って実装された構成である。
【００１０】
上記のように構成されたアンテナ装置及び送受信装置では、２つのアンテナ素子の接続点のうち、少なくともいずれか一方に配置される、静電容量が変更可能な可変容量部を有することで、所望の給電点のインピーダンスと等しくなるように可変容量部の静電容量を調整すれば、アンテナ装置を所望の周波数信号に対して整合させることができる。
【００１１】
また、本発明のアンテナ装置を送受信装置の筐体の辺縁に沿って実装することで、筐体サイズの制約を受けずにアンテナ素子の実効長を十分に確保できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に本発明について図面を参照して説明する。
【００１３】
本発明のアンテナ装置は、対向する２つのアンテナ素子に給電する伝送線路型アンテナにおいて、アンテナ素子の両端（または一端）に可変容量部を接続し、この可変容量部の静電容量を調整することで、アンテナ装置が整合する周波数を変更可能にした構成である。
【００１４】
図１は本発明のアンテナ装置の第１実施例の構成を示すブロック図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施例のアンテナ装置は、第１のアンテナ素子１０と第２のアンテナ素子１１とが対向して配置され、第１のアンテナ素子１０と第２のアンテナ素子１１間に接続された信号源１４から給電される構成である。
【００１６】
第１のアンテナ素子１０と第２のアンテナ素子１１の両端の間には第１の可変容量部１２及び第２の可変容量部１３が接続され、第１の可変容量部１２及び第２の可変容量部１３には電圧制御部１５から静電容量を変更するための制御電圧（直流電圧）がそれぞれ印加される。
【００１７】
第１の可変容量部１２及び第２の可変容量部１３は、制御電圧を印加することで静電容量が変化する可変容量ダイオード１６をそれぞれ備え、例えば、可変容量ダイオード１６のカソードにはコンデンサ１７ａを介して第１のアンテナ素子１０が交流的に接続され、アノードにはコンデンサ１７ｂを介して第２のアンテナ素子１１が交流的に接続される。
【００１８】
また、可変容量ダイオード１６には、高周波信号が漏洩するのを阻止するコイル１８ａ、１８ｂを介して電圧制御部１５が接続され、カソードに対して正の直流電圧が印加される。なお、第１の可変容量部１２及び第２の可変容量部１３は、静電容量が変更可能であれば可変容量ダイオード１６を用いた構成に限定する必要はなく、例えばトリマコンデンサ等を用いてもよい。
【００１９】
次に、図１に示した本実施例のアンテナ装置の動作原理について図２を用いて説明する。
【００２０】
図２は図１に示したアンテナ装置の動作原理を説明する図であり、同図（ａ）は要部の構成を示す平面図、同図（ｂ）はその等価回路図である。
【００２１】
なお、以下では説明を簡単にするため、第１のアンテナ素子１０と第２のアンテナ素子１１とが平行線路である構成とする。また、第１のアンテナ素子１０と第２のアンテナ素子１１の間隔Ｄは信号源１４から給電される信号波長に比べて十分に短く、給電点から第１の可変容量部１２と第２の可変容量部１３までの距離ｌ１、ｌ２は１／４波長程度以下とする。したがって、図１に示したアンテナ装置は、給電点に対して２つの平行な線路（平行２線線路）が左右に接続された構成とみなせる。この平行２線線路からの電波の放射は少なく、放射抵抗はダイポールアンテナ等よりも小さくなる。
【００２２】
まず、給電点から見て図２の左側の平行２線線路の放射抵抗をＲ１、右側の平行２線線路の放射抵抗をＲ２とする。また、給電点から見て図２の左側のインピーダンスをＺ１、そのリアクタンス成分をＸ１とし、給電点から見て右側のインピーダンスをＺ２、そのリアクタンス成分をＸ２とすると、
Ｚ１＝Ｒ１＋ｊＸ１  ・・・・・・  （１）
Ｚ２＝Ｒ２＋ｊＸ２  ・・・・・・  （２）
となり、図２（ａ）に示す回路は、図２（ｂ）に示す等価回路に置き換えることができる。
【００２３】
このとき、第１の可変容量部１２の静電容量Ｃ１、第２の可変容量部１３の静電容量Ｃ２と信号源１４からの供給信号の角周波数ωによって決まる容量性リアクタンスは、
ｘ１＝−ｊ／ωＣ１  ・・・・・・  （３）
ｘ２＝−ｊ／ωＣ２  ・・・・・・  （４）
となる。
【００２４】
ここで、平行２線線路を通して給電点に現れるリアクタンス成分がＸ１、Ｘ２であり、下記（５）、（６）式に示す関係がある。
【００２５】
Ｘ１＝−ｊＺ０×｛ｘ１−Ｚ０・ｔａｎ（βＬ１）｝／｛Ｚ０＋ｘ１・ｔａｎ（βＬ１）｝・・・・・・  （５）
Ｘ２＝−ｊＺ０×｛ｘ２−Ｚ０・ｔａｎ（βＬ２）｝／｛Ｚ０＋ｘ２・ｔａｎ（βＬ２）｝・・・・・・  （６）
なお、Ｚ０は平行２線線路の特性インピーダンス、βは平行２線線路の位相定数である。
【００２６】
給電点のインピーダンスをＺとすると、ＺはＺ１とＺ２とを並列に接続したインピーダンスに等しく、上記（１）、（２）式から次のようになる。
【００２７】
2004282567.tif 000003
ここで、放射抵抗は長さにほぼ比例することから、ｌ１≒ｌ２とすると、
Ｒ１≒Ｒ２＝Ｒ  ・・・・・・  （８）
と近似できる。（８）式を（７）式に代入すると、
Ｚ≒Ｒ（Ｘ１２＋Ｘ２２＋２Ｒ２）／｛４Ｒ２＋（Ｘ１＋Ｘ２）２｝−ｊ（Ｘ１＋Ｘ２）（Ｘ１Ｘ２＋Ｒ２）／｛４Ｒ２＋（Ｘ１＋Ｘ２）２｝  ・・・・・・  （９）
となる。
【００２８】
（９）式から分かるように、Ｘ１＋Ｘ２＝０の条件を満たせば給電点のインピーダンスＺのリアクタンス成分が０となり、純抵抗化することがわかる。
【００２９】
したがって、Ｘ１とＸ２とは、極性が逆、すなわち一方が誘導性で他方が容量性のリアクタンスに設定し、かつリアクタンスの大きさを等しくすればよい。これは、（３）〜（６）式からわかるように静電容量Ｃ１、Ｃ２の大きさを調整することで実現できる。このとき、
Ｘ１＝−Ｘ２＝Ｘ  ・・・・・・  （１０）
と定義すれば（９）式は、
Ｚ＝（Ｘ２＋Ｒ２）／２Ｒ  ・・・・・・  （１１）
と簡略化できる。
【００３０】
以上の説明から、（１０）式の関係を満足しつつ、（１１）式の右辺が所望の給電点のインピーダンスと等しくなるように第１の可変容量部１２の静電容量Ｃ１及び第２の可変容量部１３の静電容量Ｃ２をそれぞれ調整すれば、本実施例のアンテナ装置は所望の周波数信号に対して整合することが分かる。
【００３１】
静電容量Ｃ１、Ｃ２の調整は、電圧制御部１５から第１の可変容量部１２及び第２の可変容量部１３に供給する制御電圧を変化させることで可能であり、信号源１４の角周波数ωが変わっても制御電圧を再調整することで対処可能となる。
【００３２】
なお、以上は説明を容易にするために（８）式に示す条件を適用したが、Ｒ１とＲ２が異なる値の場合も、（７）式からリアクタンス成分を０（零）としつつ給電点のインピーダンスが所望の値となる解が得られる。
【００３３】
次に、本実施例のアンテナ装置の指向性について第１のアンテナ素子及び第２のアンテナ素子の長さがそれぞれλ／２程度以下の場合を例にして簡単に説明する。
【００３４】
図３は図１に示したアンテナ装置の定在波分布及び電流の流れの様子を示す模式図である。
【００３５】
アンテナ素子長がλ／２の場合は図３に示すような定在波分布となるが、第１のアンテナ素子１１及び第２のアンテナ素子１２の長さがλ／２より短い場合、定在波の腹より振幅が小さいものの０ではない電流が、図３のアンテナ素子の垂直部に流れる。この部分はアンテナ素子の水平部と比べて長さは短いが、平行２線線路構造ではないため、放射抵抗が水平部と同等程度になる。従ってｌ１＋ｌ２がλ／２よりある程度短い、即ちアンテナ素子の垂直部に、水平部と比べて無視出来ない電流が流れる場合、アンテナ装置からの放射は、アンテナ素子水平部とアンテナ素子垂直部の両方の合成となる。
【００３６】
図４は図１に示したアンテナ装置の指向性を示す図であり、同図（ａ）はアンテナ素子水平部の指向性を示す平面図、同図（ｂ）はアンテナ装置の側面から見た指向性を示す断面図、同図（ｃ）はアンテナ素子垂直部の指向性を示す平面図、同図（ｄ）はアンテナ装置の上面から見た指向性を示す断面図である。
【００３７】
図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、アンテナ装置のどの面内の指向性かによってビーム幅や偏波方向に違いはあるが、いずれも８字特性を示している。なお、ビーム幅や各偏波面への利得配分はｌ１、ｌ２、Ｄの長さを変えることで変化させることができる。このように、本実施例のアンテナ装置は多様な方向への広い指向性を有することがわかる。
【００３８】
以上説明したように、本実施例のアンテナ装置は、可変容量部の静電容量を調整することで、整合可能な周波数帯域幅を広くできる。例えば、複数の周波数チャネルを利用する無線システムにおいて、周波数毎に最適な制御電圧を可変容量ダイオードに印加すれば、本来なら帯域外の周波数チャネルに対しても整合することができる。
【００３９】
また、本実施例のアンテナ装置では、可変容量部が付加されることで装荷の効果が生じるため、アンテナ素子長をλ／２よりも短くしても整合できるようになり、アンテナ装置を小型化できる。
【００４０】
本実施例のアンテナ装置は、広い指向性を有するため、どの方向から電波を受信するかが不明な移動無線端末装置等に用いて好適である。
【００４１】
なお、上記説明では、第１のアンテナ素子１０及び第２のアンテナ素子１３の両端にそれぞれ可変容量部を備えた構成を示したが、可変容量部をいずれか一方に設けただけでも同様の効果を得ることができる。
【００４２】
（第２実施例）
図５は本発明のアンテナ装置の第２実施例の構成を示す図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は実装図である。
【００４３】
図５（ａ）に示すように、第２実施例のアンテナ装置は、第１のアンテナ素子２０及び第２のアンテナ素子２１の左右方向の長さを延長し、λ／２の整数倍の位置付近に第１の可変容量部２２及び第２の可変容量部２３が配置された構成である。第１のアンテナ素子２０と第２のアンテナ素子２１には、それらの間に接続された信号源２４から給電される。このような構成でも第１の可変容量部２２及び第２の可変容量部２３のリアクタンスは上記（５）式や（６）式を用いて算出できる。
【００４４】
本実施例のアンテナ装置では、給電点から見たリアクタンスが同じであるため、放射抵抗に差があるものの、第１実施例と類似の条件で整合させることができる。
【００４５】
なお、アンテナ素子となる２線線路は、平行な直線線路である必要は無く、折り曲げた構成でも整合させることが可能である。例えば、図５（ｂ）に示すように、筐体の辺縁に沿ってアンテナ素子を実装すれば、筐体サイズの制約を受けずにアンテナ素子の実効長を十分に確保できる。さらに、アンテナ素子を曲げたことで指向性の死角を低減できる。
【００４６】
したがって、本実施例の構成によれば、筐体構造の制約に柔軟に対応でき、かつ指向性の広い伝送線路型のアンテナ装置を得ることができる。なお、図５（ｂ）に示す実装方法は図１に示した第１実施例のアンテナ装置に適用できることは言うまでもない。
【００４７】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成されているので、以下に記載する効果を奏する。
【００４８】
２つのアンテナ素子の接続点のうち、少なくともいずれか一方に配置される、静電容量が変更可能な可変容量部を有することで、所望の給電点のインピーダンスと等しくなるように可変容量部の静電容量を調整すれば、アンテナ装置を所望の周波数信号に対して整合させることができる。したがって、整合可能な周波数帯域が広く、その調整が容易なアンテナ装置が得られる。
【００４９】
また、本発明のアンテナ装置を送受信装置の筐体の辺縁に沿って実装することで、筐体サイズの制約を受けずにアンテナ素子の実効長を十分に確保できる。したがって、筐体構造の制約に柔軟に対応でき、かつ指向性の広い伝送線路型のアンテナ装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアンテナ装置の第１実施例の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示したアンテナ装置の動作原理を説明する図であり、同図（ａ）は要部の構成を示す平面図、同図（ｂ）はその等価回路図である。
【図３】図１に示したアンテナ装置の定在波分布及び電流の流れの様子を示す平面図である。
【図４】図１に示したアンテナ装置の指向性を示す図であり、同図（ａ）はアンテナ素子水平部の指向性を示す平面図、同図（ｂ）はアンテナ装置の側面から見た指向性を示す断面図、同図（ｃ）はアンテナ素子垂直部の指向性を示す平面図、同図（ｄ）はアンテナ装置の上面から見た指向性を示す断面図である。
【図５】本発明のアンテナ装置の第２実施例の構成を示す図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は実装図である。
【符号の説明】
１０、２０    第１のアンテナ素子
１１、２１    第２のアンテナ素子
１２、２２    第１の可変容量部
１３、２３    第２の可変容量部
１４、２４    信号源
１５    電圧制御部
１６    可変容量ダイオード
１７ａ、１７ｂ    コンデンサ
１８ａ、１８ｂ    コイル
【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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