(57)【要約】【課題】主としてマイクロ波帯における無線通信に使用されるアンテナにおいて、小型に指向特性変更可能なアンテナを実現することを目的とする。【解決手段】電気長が一波長のパッチアンテナ１０２と半波長のスロットアンテナ１０３を有するアンテナ素子１０１に、負荷インピーダンスを変えることで共振動作を変える共振動作制御手段１０７を接続し、アンテナ素子の指向特性の異なる一次共振動作と二次共振動作間の相対強度および相対位相を変えることで、小型なアンテナ素子１０１に用いて指向特性を変更する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
指向特性が変更可能なアンテナ装置において、一次共振動作および二次共振動作するアンテナ素子と、前記アンテナ素子へ給電する給電ポートと、前記アンテナ素子に接続し負荷インピーダンスを変えることで前記一次共振動作および前記二次共振動作間の相対強度および／または相対位相を変える共振動作制御手段とを備え、前記共振動作制御手段で共振動作を変えることで指向特性を変更することを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記共振動作制御手段は、アナログ制御信号により制御されることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記共振動作制御手段が、入力される印加電圧の高周波成分を除去するインダクタンスと、除去してから印加し容量値を可変する素子とを備えることにより、可変負荷インピーダンスを連続的に変化させることで前記一次共振動作および前記二次共振動作間の相対強度および／または相対位相を連続的に変更することを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記共振動作制御手段は、複数の負荷素子と、前記アンテナ素子への負荷インピーダンスとして前記負荷素子の何れか接続するスイッチとを備え、負荷インピーダンスを既定の値で切り換えることにより、前記一次共振動作および前記二次共振動作間の相対強度および／または相対位相を複数の既定の状態間で切り換えることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記共振動作制御手段は、１ビット以上のデジタル制御信号により制御されることを特徴とする請求項４記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記アンテナ素子が、電気長が一波長のパッチアンテナと、前記パッチアンテナ上に位置し電気長が半波長のスロットアンテナとから構成されることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記アンテナ素子が、電気長が一波長の第一のパッチアンテナと、前記第一のパッチアンテナと間隙で分離された電気長が半波長の第二のパッチアンテナとから構成されることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項８】
前記一次共振動作および二次共振動作で等電位となる部分の間隙間を接続するスプリアス共振抑圧素子を備え、不要な共振動作を抑圧することを特徴とする請求項７記載のアンテナ装置。
【請求項９】
前記アンテナ素子が、電気長が半波長のパッチアンテナと、前記パッチアンテナの上に積層され前記パッチアンテナの誘電体基板の所定倍の誘電率を有する電極間誘電体層と、前記電極間誘電体層を挟んで前記パッチアンテナの上にスタックされた前記パッチアンテナの所定倍の長さを持つアンテナ電極と、から構成されることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項１０】
前記電極間誘電体層は誘電体基板のｋ×ｋ倍の誘電率を有し、前記アンテナ電極はパッチアンテナの２／ｋ倍の長さを有することを特徴とする請求項９記載のアンテナ装置。
【請求項１１】
指向特性が変更可能なアンテナ装置において、電気長で一波長相当の長さのアンテナ素子と、前記アンテナ素子へ給電する給電ポートと、前記アンテナ素子に接続され接続点間のインピーダンスを変更することで前記アンテナ素子の電気長を変更する共振動作制御手段とを備え、前記共振動作制御手段でアンテナ素子の電気長を変えることで指向特性を変更することを特徴とするアンテナ装置。
【請求項１２】
前記共振動作制御手段がアンテナ素子に接続された１つまたは複数のスイッチを有することを特徴とする請求項１１記載のアンテナ装置。
【請求項１３】
前記共振動作制御手段が１ビット以上のデジタル制御信号により制御されることを特徴とする請求項１２記載のアンテナ装置。
【請求項１４】
前記アンテナ素子が電気長で一波長相当の長さのダイポールアンテナ電極で構成され、前記共振動作制御手段が前記ダイポールアンテナ電極を分割して分割された接点間に接続されるスイッチを有することを特徴とする請求項１１記載のアンテナ装置。
【請求項１５】
前記ダイポールアンテナ電極は、ヘリカル状またはメアンダ状であることを特徴とする請求項１４記載のアンテナ装置。
【請求項１６】
前記アンテナ素子が電気長で一波長相当の長さの逆Ｌアンテナで構成され、前記共振動作制御手段が前記逆Ｌアンテナを分割して分割された接点間に接続されるスイッチを有することを特徴とする請求項１１記載のアンテナ装置。
【請求項１７】
前記アンテナ素子が電気長で一波長相当の長さの逆Ｆアンテナで構成され、前記共振動作制御手段が前記逆Ｆアンテナを分割し分割された接点間に接続されるスイッチを有することを特徴とする請求項１１記載のアンテナ装置。
【請求項１８】
前記アンテナ素子がメアンダ状の電極であることを特徴とする請求項１６または請求項１７に記載のアンテナ装置。
【請求項１９】
前記アンテナ素子は、電気長が半波長の第一のパッチアンテナと、前記第一のパッチアンテナ上に位置し間隙で分離された電気長が半波長の第二のパッチアンテナとから構成され、前記共振動作制御手段は前記間隙間を接続するスイッチを有することを特徴とする請求項１１記載のアンテナ装置。
【請求項２０】
前記アンテナ素子は、電気長で半波長相当の長さを有するパッチアンテナと、前記パッチアンテナに設けられたスリットからなり電気長を一波長に延長する電気長延長素子とで構成され、前記共振動作制御手段は前記電気長延長素子のスリット間を接続するスイッチを有することを特徴とする請求項１１記載のアンテナ装置。
【請求項２１】
請求項１から２０のいずれかに記載のアンテナ装置と、前記共振動作制御手段への制御信号を生成する指向性制御信号生成手段を有することを特徴とする無線通信装置。
【請求項２２】
前記指向性制御信号生成手段が受信した受信信号から設定指向特性を判定する指向特性判定手段を有し、前記受信信号の状態に対応して指向特性を変えることを特徴とする請求項２１記載の無線通信装置。
【請求項２３】
前記指向性制御信号生成手段が無線通信装置の機構的な形状変化を検出する形状変化検出手段を有し、無線通信装置の形状変化に対応して指向特性を変えることを特徴とする請求項２１記載の無線通信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する利用分野】
本発明は、主としてマイクロ波帯・ミリ波帯を用いる無線通信システムに用いられるアンテナおよび無線通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、無線通信装置に用いられるアンテナ特性を変更するアンテナとしては、例えば特許文献１に記載されているようなものがあった。以下に、図面を用いて従来の技術を説明する。
【０００３】
図２１は前記特許文献１に記載の従来のアンテナ１の構造をしており、パッチアンテナ本体２の外周に、マイクロ波スイッチ３ａ〜ｄを介して摂動素子４ａ〜ｄが取り付けられている。また、マイクロ波スイッチ３ｃ、３ｄ間でマイクロストリップラインである給電線路５に接続されている。右旋円偏波を発生させる場合は、マイクロ波スイッチ３ａ、ｃをオンにし、マイクロ波スイッチ３ｂ、ｄをオフにする。左旋円偏波を発生させる場合は、マイクロ波スイッチ３ｂ、ｄをオンにし、マイクロ波スイッチ３ａ、ｃをオフにする。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−４１１９号公報（第３頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２１のアンテナにおいては、偏波特性の変更は可能であるが指向特性の変更は困難であるという課題を有している。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決し、主として仰角方向における指向特性の変更可能な小型なアンテナ装置およびそれを用いた無線通信装置を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために本発明は、一次共振動作および二次共振動作するアンテナ素子と、給電ポートと、アンテナ素子の一次共振動作および二次共振動作間の相対強度および相対位相を変える共振動作制御手段とからアンテナ装置を構成したものである。
【０００８】
また、電気長で一波長相当の長さを有するアンテナ素子と、給電ポートと、アンテナの電気長を変更する共振動作制御手段とからアンテナ装置を構成したものである。
【０００９】
これにより、指向特性の異なる共振モードを制御して、主として仰角方向における指向特性を変更可能な小型なアンテナ装置およびそれを用いた無線通信装置を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、指向特性が変更可能なアンテナ装置において、一次共振動作および二次共振動作するアンテナ素子と、前記アンテナ素子へ給電する給電ポートと、前記アンテナ素子に接続し負荷インピーダンスを変えることで前記一次共振動作および前記二次共振動作間の相対強度および／または相対位相を変える共振動作制御手段とを備え、前記共振動作制御手段で共振動作を変えることで指向特性を変更することを特徴とするアンテナ装置であり、異なる指向特性を有する共振動作間の相対強度および位相を制御することでアンテナ素子で指向特性の変更を可能とするという作用を有する。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、前記共振動作制御手段は、アナログ制御信号により制御されることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置であり、制御信号に対応して連続的に指向特性を変更可能とする作用を有する。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、前記共振動作制御手段が、入力される印加電圧の高周波成分を除去するインダクタンスと、除去してから印加して容量値を可変する素子とを備えることにより、可変負荷インピーダンスを連続的に変化させることで前記一次共振動作および前記二次共振動作間の相対強度および／または相対位相を連続的に変更することを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置であり、連続的な指向特性変更を可能とする作用を有する。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、前記共振動作制御手段は、複数の負荷素子と、前記アンテナ素子への負荷インピーダンスとして前記負荷素子の何れか接続するスイッチとを備え、負荷インピーダンスを既定の値で切り換えることにより、前記一次共振動作および前記二次共振動作間の相対強度および／または相対位相を複数の既定の状態間で切り換えることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置であり、無線通信動作に重要となる所定の指向特性に切り替えることで簡易な処理による指向特性変更を可能とする作用を有する。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、前記共振動作制御手段は、１ビット以上のデジタル制御信号により制御されることを特徴とする請求項４記載のアンテナ装置であり、デジタル制御により指向特性制御を可能とする作用を有する。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、前記アンテナ素子が、電気長が一波長のパッチアンテナと、前記パッチアンテナ上に位置し電気長が半波長のスロットアンテナとから構成されることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置であり、異なる指向特性を有する共振動作間の相対強度および位相を制御することで小型低姿勢なアンテナ素子で指向特性の変更を可能とする作用を有する。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、前記アンテナ素子が、電気長が一波長の第一のパッチアンテナと、前記第一のパッチアンテナと間隙で分離された電気長が半波長の第二のパッチアンテナとから構成されることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置であり、異なる指向特性を有する共振動作間の相対強度および位相を制御することで小型低姿勢なアンテナ素子で指向特性の変更を可能とする作用を有する。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、前記一次共振動作および二次共振動作で等電位となる部分の間隙間を接続するスプリアス共振抑圧素子を備え、不要な共振動作を抑圧することを特徴とする請求項７記載のアンテナ装置であり、通信動作に寄与しない不要なスプリアス共振動作を抑えることでアンテナの効率を向上する作用を有する。
【００１８】
請求項９に記載の発明は、前記アンテナ素子が、電気長が半波長のパッチアンテナと、前記パッチアンテナの上に積層され前記パッチアンテナの誘電体基板の所定倍の誘電率を有する電極間誘電体層と、前記電極間誘電体層を挟んで前記パッチアンテナの上にスタックされた前記パッチアンテナの所定倍の長さのアンテナ電極と、から構成されることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置であり、異なる指向特性を有する共振動作間の相対強度および位相を制御することで小型低姿勢なアンテナ素子で指向特性の変更を可能とする作用を有する。
【００１９】
請求項１０に記載の発明は、前記電極間誘電体層は誘電体基板のｋ×ｋ倍の誘電率を有し、前記アンテナ電極はパッチアンテナの２／ｋ倍の長さを有することを特徴とする請求項９記載のアンテナ装置であり、例えばｋ＝４の場合は、半波長の電気長を有するアンテナ相当の大きさで指向特性の変更を可能とする作用を有する。
【００２０】
請求項１１に記載の発明は、指向特性が変更可能なアンテナ装置において、電気長で一波長相当の長さのアンテナ素子と、前記アンテナ素子へ給電する給電ポートと、前記アンテナ素子に接続され接続点間のインピーダンスを変更することで前記アンテナ素子の動作時の電気長を変更する共振動作制御手段とを備え、前記共振動作制御手段でアンテナ素子の電気長を変えることで指向特性を変更することを特徴とするアンテナ装置であり、アンテナ素子の電気長を変えることで共振動作を切り換え指向特性の変更を可能とするという作用を有する。
【００２１】
請求項１２に記載の発明は、前記共振動作制御手段がアンテナ素子内に接続された１つまたは複数のスイッチを有することを特徴とする請求項１１記載のアンテナ装置であり、アンテナ素子の電気長を変えることで共振動作に切り換え指向特性の変更を可能とするという作用を有する。
【００２２】
請求項１３に記載の発明は、前記共振動作制御手段が１ビット以上のデジタル制御信号により制御されることを特徴とする請求項１２記載のアンテナ装置であり、デジタル制御により指向特性制御を可能とする作用を有する。
【００２３】
請求項１４に記載の発明は、電気長で一波長相当の長さのダイポールアンテナ電極で構成されるアンテナ素子と、前記ダイポールアンテナ電極を分割して分割された接点間に接続されるスイッチを有する共振動作制御手段を備えたことを特徴とする請求項１１記載のアンテナ装置であり、アンテナ素子の電気長を変えることで共振動作を切り換え指向特性の変更を可能とするという作用を有する。
【００２４】
請求項１５に記載の発明は、前記ダイポールアンテナ電極は、ヘリカル状またはメアンダ状であることを特徴とする請求項１４記載のアンテナ装置であり、アンテナを小型化する作用を有する。
【００２５】
請求項１６に記載の発明は、電気長で一波長相当の長さの逆Ｌアンテナで構成されるアンテナ素子と、前記逆Ｌアンテナが分割された接点間に接続されるスイッチを有する共振動作制御手段を備えたことを特徴とする請求項１１記載のアンテナ装置であり、アンテナ素子の電気長を変えることで共振動作を切り換え指向特性の変更を可能とするという作用を有する。
【００２６】
請求項１７に記載の発明は、電気長で一波長相当の長さの逆Ｆアンテナで構成されるアンテナ素子と、前記逆Ｆアンテナが分割された接点間に接続されるスイッチを有する共振動作制御手段を備えたことを特徴とする請求項１１記載のアンテナ装置であり、逆Ｆアンテナ構造を用いることでインピーダンスの調整を行い、より良好なアンテナ特性が得られるという作用を有する。
【００２７】
請求項１８に記載の発明は、前記アンテナ素子がメアンダ状の電極であることを特徴とする請求項１６または請求項１７に記載のアンテナ装置であり、アンテナ素子を小型化する作用を有する。
【００２８】
請求項１９に記載の発明は、電気長が半波長の第一のパッチアンテナと、前記第一のパッチアンテナ上に位置し間隙で分離された電気長が半波長の第二のパッチアンテナとから構成されるアンテナ素子と、前記間隙間を接続するスイッチを有する共振動作制御手段を備えたことを特徴とする請求項１１記載のアンテナ装置であり、アンテナ素子の電気長を変えることで共振動作を切り換え指向特性の変更を可能とするという作用を有する。
【００２９】
請求項２０に記載の発明は、電気長で半波長相当の長さを有するパッチアンテナと、前記パッチアンテナに設けられたスリットからなり動作時の電気長を一波長に延長する電気長延長素子とで構成されるアンテナ素子と、前記電気長延長素子のスリット間を接続するスイッチを有する共振動作制御手段を備えたことを特徴とする請求項１１記載のアンテナ装置であり、アンテナ素子の電気長を変えることで共振動作を切り換え指向特性の変更を可能とするという作用を有する。
【００３０】
請求項２１に記載の発明は、請求項１から２０のいずれかに記載のアンテナ装置と、前記共振動作制御手段への制御信号を生成する指向性制御信号生成手段を備えたことを特徴とする無線通信装置であり、アンテナ部の指向特性の制御により無線通信動作に寄与する方向のアンテナ利得を向上することで通信品質を改善する作用を有する。
【００３１】
請求項２２に記載の発明は、前記指向性制御信号生成手段が受信した受信信号から設定指向特性を判定する指向特性判定手段を有し、受信信号の状態に対応して指向特性を変えることを特徴とする請求項２１記載の無線通信装置であり、受信信号から判定した通信動作に効果的な指向特性に設定することで通信品質を改善する作用を有する。
【００３２】
請求項２３に記載の発明は、前記指向性制御信号生成手段が無線通信装置の機構的な形状変化を検出する形状変化検出手段を有し、無線通信装置の形状変化に対応して指向特性を変えることを特徴とする請求項２１記載の無線通信装置であり、受信信号を用いない簡易な手法により通信動作に効果的と想定される指向特性に設定することで通信品質を改善する作用を有する。
【００３３】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図２０を用いて説明する。
【００３４】
（実施の形態１）
図１は本発明実施の形態１のアンテナ装置のアンテナ素子部の斜視図、図２は該アンテナ装置の機能ブロック図である。図１、図２において、１００はアンテナ装置、１０１は一次共振動作および二次共振動作するアンテナ素子、１０２は電気長で一波長相当の長さａのパッチアンテナ、１０３はパッチアンテナ１０２の中央部にある電気長で半波長相当の長さｂのスロットアンテナ、１０４はアンテナ素子１０１のグランドとして動作する接地導体、１０５は誘電体基板、１０６はアンテナ装置１００へ給電するための入出力ポートである給電ポート、１０７はアンテナ素子１０１と接続点１０８で接続され負荷インピーダンスを変えることで一次共振動作および二次共振動作間の相対強度および相対位相、または相対強度、相対位相のいずれかを変える共振動作制御手段、１０９は共振動作制御手段１０７への制御信号の入力ポートである制御入力ポートである。アンテナ素子１０１は、エッチング等の基板加工技術により作製され、給電ポート１０６および接続点１０８はスルーホール等により誘電体基板１０５の裏面の回路と接続する。図３は図３中のｘｚ面内のＥ面指向特性図で、（ａ）は一次共振動作のスロットアンテナの指向特性例、（ｂ）は二次共振動作のパッチアンテナの指向特性例、（ｃ）はアンテナ装置１００の指向特性例である。以上の構成によるアンテナ装置について、以下その動作を説明する。
【００３５】
アンテナ装置１００の指向特性は、その共振動作により変化する。また、共振動作制御手段でアンテナ素子１０１に接続した負荷インピーダンスを変えることで、アンテナ装置１００の共振動作は変化し、指向特性が変化する。また、負荷インピーダンスの一次共振動作と二次共振動作への影響度合いが異なるため、負荷インピーダンスの変化により、一次共振動作と二次共振動作間の相対強度および相対位相は変化する。
【００３６】
スロットアンテナ１０３は、電気長で半波長相当の長さｂを有するため、一次共振動作による図３（ａ）に例示する天頂方向（ｚ軸方向）へ向いた指向特性を有する。一方、パッチアンテナ１０２は、電気長で一波長相当の長さａを有するため、二次共振動作による図３（ｂ）に例示する天頂方向で窪み２つに割れた指向特性を有する。図３（ａ）の天頂方向への放射特性の位相を＋で表現した場合、図３（ｂ）に示す様に、アンテナ素子１０１からの放射特性は左右で位相が異なり、例えば、図３（ｂ）左の位相を＋とした場合、右の位相は−で表現される。従って、共振動作制御手段１０７により一次共振動作と二次共振動作がほぼ同じ強度で励振される負荷インピーダンスが接続された場合は、図３（ａ），（ｂ）の合成指向特性は、左方向へのビームは加算され、右方向へのビームは相殺され、図３（ｃ）に例示する左に傾いた指向特性を有する。一方、共振動作制御切換手段１０７により、二次共振モードの励振位相が図３（ｂ）と反対の位相となる負荷インピーダンスが接続された場合は、右に傾いた指向特性となる。また、主に一次共振動作で動作する負荷インピーダンスが接続された場合は図３（ａ）に示す指向特性に、主に二次共振動作で動作する負荷インピーダンスが接続された場合は図３（ｂ）の指向特性となる。共振動作制御手段により負荷インピーダンスを変えることで、一次共振動作と二次共振動作間の相対強度および相対位相を変更し、アンテナ装置１００の仰角方向における指向特性を変更する。
【００３７】
図４は、共振動作制御手段１０７の一実施例で、制御入力ポート１０９からの印加電圧の高周波成分をインダクタ１１０で除去して印加することでバラクタ−ダイオード１１１の容量値を変え、アンテナ素子１０１に接続された負荷インピーダンスを変更し、一次共振動作と二次共振動作間の相対強度および相対位相、または相対強度、相対位相のいずれかを連続的に変更する。このように、アナログ制御信号によりアンテナ装置１００の指向特性を連続的に変更することができる。
【００３８】
なお、アンテナの電極形状として正方形の例を示したが、長方形を含む多角形や、円形でもよい。また、単層の誘電体基板の片面にアンテナ素子を形成した例を示したが、多層基板として裏面に共振動作制御手段等の回路を形成しても良い。
【００３９】
また、アンテナ素子として誘電体基板上への形成例を示したが、誘電体セラミックベースを誘電体基板として用い、厚幕印刷等によりパッチアンテナの電極を形成してもよい。その際、給電ポート１０６、接続点１０８は金属製の給電ピンを用いて誘電体セラミックベース裏面の回路へ接続しても良い。
【００４０】
以上のように、一波長のパッチアンテナと半波長のスロットアンテナから構成され一次共振動作および二次共振動作するアンテナ素子と、負荷インピーダンスを変えることで一次共振動作および二次共振動作間の相対強度および相対位相、または相対強度か相対位相のいずれかを変える共振動作制御手段を備え、アンテナ素子の共振動作を制御することで、主として仰角方向における指向特性変更可能なアンテナの実現が可能となる。
【００４１】
（実施の形態２）
図５は本発明実施の形態２のアンテナ装置の共振動作制御手段の機能ブロック図、図６は該共振動作制御手段により切り換えられるアンテナ装置のＥ面指向特性図である。図５において、１１２は負荷インピーダンスを切り換えるスイッチ、１１３から１１６はアンテナ装置が図６（ａ）から（ｄ）に例示する指向特性となる負荷インピーダンスＺ１からＺ４を有する負荷素子である。
【００４２】
制御入力ポート１０９からの２ビットのデジタル制御信号によりスイッチ１１２を切り換え、アンテナ素子１０１に接続される負荷インピーダンス値を変更し、実施の形態１と同様にして、アンテナ装置の指向特性を図６（ａ）から（ｄ）の４指向特性の間で切り換える。天頂方向の指向特性が必要な場合は、スイッチ１１２を負荷素子１１３に切り換え、指向特性を図６（ａ）とする。左斜め方向または右斜め方向の指向特性が必要な場合は、スイッチ１１２を負荷素子１１４に切り換え、指向特性を図６（ｂ）とする。左斜め方向の指向特性が必要な場合は、スイッチ１１２を負荷素子１１５に切り換え、指向特性を図６（ｃ）とする。右斜め方向の指向特性が必要な場合は、スイッチ１１２を負荷素子１１６に切り換え、指向特性を図６（ｄ）とする。負荷インピーダンスが固定値であるため、上記４状態の指向特性の切り換えが安定して再現される。
【００４３】
なお、本実施例では４つの指向特性に切り換える例を示したが、切り換える指向特性を４つに限定するものではない。
【００４４】
以上のように、スイッチと既定の負荷インピーダンスを有する負荷素子を備えた共振動作制御を用いることで、負荷インピーダンスを既定の値の中で切り換え、共振動作の相対強度および／または相対位相を２つ以上の既定の状態間で切り換えることができ、安定して所定の指向特性を得られる。
【００４５】
（実施の形態３）
図７は本発明の実施の形態３のアンテナ装置のアンテナ素子の上面電極図である。２００は本発明の実施の形態３のアンテナ素子、２０１は電気長で一波長相当の長さａの第一のパッチアンテナ、２０２は間隙２０３で分離されパッチアンテナ２０１の中央部分にある電気長で半波長相当の長さｂの第二のパッチアンテナである。図８はアンテナ装置２００のＥ面指向特性図で、（ａ）は一次共振動作の指向特性例、（ｂ）は二次共振動作の指向特性例である。以上の構成によるアンテナ装置について、以下その動作を説明する。
【００４６】
第ニのパッチアンテナ２０２は電気長が半波長なので、図８（ａ）に例示する天頂方向に向けた指向特性を有する一次共振動作で主に共振する。第一のパッチアンテナ２０１は電気長が一波長なので、図８（ｂ）に示す天頂方向に窪んだ２つに割れた指向特性を有する二次共振動作で主に共振する。第一のパッチアンテナ２０１と第二のパッチアンテナ２０２は間隙２０３で分離しているが電磁気的に結合しているため、アンテナ素子２００の共振動作は一次共振動作と二次共振動作の合成動作となり、共振動作制御手段の負荷インピーダンス変化により、一次共振動作と二次共振動作間の相対強度および／または相対位相は変化し、実施の形態１と同様に指向特性が変化する。
【００４７】
図９は本発明の実施の形態３の別な形態のアンテナ装置のアンテナ素子の上面電極図である。２１０は本発明の実施の形態３の別な形態のアンテナ装置のアンテナ素子で、スプリアス共振抑圧素子２１１により第一のパッチアンテナ２０１および第二のパッチアンテナ２０２は一次共振動作および二次共振動作で等電位となる部分で接続され、接続点付近の電位が大きく異なる不要な共振動作を抑圧し、共振動作を安定化することでアンテナ効率を向上する。
【００４８】
以上のように、電気長が一波長の第一のパッチアンテナと、間隙で分離された電気長が半波長の第二のパッチアンテナでアンテナ素子を構成することで、アンテナ素子は一次共振動作と二次共振動作を備え、共振動作制御手段により負荷インピーダンスを変えることで、指向特性変更可能なアンテナの実現が可能となる。
【００４９】
（実施の形態４）
図１０は本発明実施の形態４のアンテナ装置のアンテナ素子の斜視図（一部透視図）である。図１０において、３００は本発明実施の形態４のアンテナ装置のアンテナ素子、３０１は電気長で半波長相当の長さｂのパッチアンテナ、３０２は長さａのアンテナ電極、３０３はアンテナ素子３０１とアンテナ電極３０２間の電極間誘電体層である。誘電体層１０４の比誘電率がｅ１、電極間誘電体層３０３の比誘電率がｅ２＝ｋ×ｋ×ｅ１の場合、アンテナ電極３０２の長さａは、パッチアンテナ３０１の長さｂの２／ｋ倍とする。以上の構成によるアンテナ装置について、以下その動作を説明する。
【００５０】
パッチアンテナおよびアンテナ電極の電気長は直下の誘電体層の誘電率の平方根に比例する。電極間誘電体層がパッチアンテナ３０１の誘電体基板のｋ×ｋ倍の誘電率を有し、アンテナ電極３０２の長さａが、パッチアンテナ３０１の長さｂの２／ｋ倍であるので、アンテナ電極の電気長は、パッチアンテナの２（＝ｋ×（２／ｋ））倍となる。よって、パッチアンテナ３０１の電気長が半波長であるので、アンテナ電極３０２の電気長は一波長となる。例えば、ｅ２がｅ１の４倍、すなわち、誘電体層３０３が誘電体層１０４の４倍の誘電率である場合、ｂはａと等しくなり、アンテナ素子３０１と同等のサイズで、アンテナ素子３０２は二次共振モードで動作する。以上により、半波長相当の長さのパッチアンテナ３０１と、１波長相当の長さのアンテナ電極３０２により構成されるアンテナ素子３００は、一次共振動作と二次共振動作し、実施の形態１と同様に、指向特性の切り換えが可能となる。
【００５１】
以上のように、誘電体基板の誘電率がｅ１のパッチアンテナと、誘電率ｅ２（＝ｋ×ｋ×ｅ１）の電極間誘電体層と、長さがパッチアンテナの２／ｋ倍のアンテナ電極でアンテナ素子を構成することで、小型に指向特性変更可能なアンテナ素子の実現が可能となる。
【００５２】
（実施の形態５）
図１１は本発明実施の形態５のアンテナ装置の構成図ある。図１１において、４００は本発明実施の形態４のアンテナ装置、４０１は電気長で一波長相当の長さの線状ダイポールアンテナ電極で構成されるアンテナ素子、４０２はアンテナ装置４００の入出力ポートでアンテナ素子へバランス給電する給電ポート、４０３はスイッチ４０４を有する共振動作制御手段、４０５は共振動作制御手段４０３への制御信号の入力ポートである制御入力ポートである。給電ポートはアンテナ素子４０１の図中右端から１／４の位置にあり、スイッチ４０３はアンテナ素子４０１の図中右端から１／２および３／４の位置に接続され、接続点間のインピーダンスを開放／短絡に切り換える。図１２は、アンテナ素子４０１上の電流分布およびＥ面指向特性図の一例である。以上の構成によるアンテナ装置について、以下その動作を説明する。
【００５３】
スイッチ４０３をオンにして接続点間を短絡した場合、アンテナ素子４０１は一波長ダイポールアンテナとして二次共振動作し、図１２（ａ）に例示する電流分布で共振し、アンテナ素子の左右で電流分布の強度が等しく位相が反転しているため、アンテナ素子に直交する方向ではアンテナ素子からの放射電界が相殺するため、図１２（ｂ）に例示する２つに割れた指向特性となる。
【００５４】
スイッチ４０３をオフにして接続点間を開放状態とした場合、アンテナ素子４０１の電気長は半分になり、半波長ダイポールアンテナとして一次共振動作し、図１２（ｃ）に例示する電流分布で共振し、主にアンテナ素子の右半分に電流分布を有するため、図１２（ｄ）に例示する半波長ダイポールアンテナの指向特性となる。
【００５５】
制御入力ポート４０５を通して１ビットの制御信号を受けて共振動作制御手段４０３によりスイッチ４０４のオン／オフを制御することで、図１２（ｂ）、（ｄ）に例示する２つの指向特性にアンテナ装置４００の指向特性を切り換える。
【００５６】
なお、スイッチは端から１／２、３／４の位置に接続されることが望ましいが、これに限定するものではない。また、制御信号としてはオン／オフを切り換える１ビットの情報で十分であるが、ビット数は１ビットに限定しない。なお、アンテナ素子として線状電極の例を示したが、導体板による帯状電極を用いてもよい。また、ダイポールアンテナ電極として、ヘリカル状またはメアンダ状の電極を用いることでアンテナ素子を小型化してもよい。
【００５７】
以上のように、電気長で一波長相当の長さのダイポールアンテナ電極で構成されるアンテナ素子と、アンテナ素子に接続し電気長を切り換える共振動作制御手段で構成することで、指向特性変更可能なアンテナ素子の実現が可能となる。
【００５８】
（実施の形態６）
図１３は本発明実施の形態６のアンテナ装置の構成図ある。図１３において、５００は本発明実施の形態６のアンテナ装置、５０１は電気長で一波長相当の長さの線状逆Ｌアンテナ電極で構成されるアンテナ素子、５０２は逆Ｌアンテナ５０１のグランドとなるグランド電極である。スイッチ４０４はアンテナ素子５０１の端から１／４、１／２および３／４の位置に接続されている。図１４は、アンテナ素子５００のＥ面指向特性図の一例である。以上の構成によるアンテナ装置について、以下その動作を説明する。
【００５９】
スイッチ４０４をオフにして接続点間を開放状態とした場合、アンテナ装置５００は１／４波長逆Ｌアンテナとして動作し、図１４（ａ）に例示する指向特性を示す。一方、スイッチ４０４をオンにして接続点間を短絡した場合、アンテナ装置５００は一波長逆Ｌアンテナとして動作し、図１４（ｂ）に例示する指向特性を示す。共振動作制御手段４０３で、アンテナ素子５０１の電気長を切り換えることで、図１４（ａ）、（ｂ）に例示する指向特性の間で、アンテナ装置５００の指向特性を切り換える。
【００６０】
図１５は本発明実施の形態６の別な形態のアンテナ装置の構成図ある。アンテナ装置５１０は、一波長相当の電気長の逆Ｆアンテナ電極で構成されるアンテナ素子５１１と、アンテナ素子５１１の端から１／４、１／２および３／４の位置に接続されてたスイッチ４０４を備えている。図１３のアンテナ装置と同様にして、指向特性の切り換えが可能となり、更に、逆Ｆアンテナ電極を用いることで、電極５１２の接続位置の調整によりインピーダンスの調整が可能となり、より良好なアンテナ特性が得られる。
【００６１】
なお、スイッチは端から１／４、１／２、３／４の位置に接続されることが望ましいが、これに限定するものではない。なお、アンテナ素子として線状電極の例を示したが、導体板による帯状電極を用いてもよい。また、アンテナ電極として、メアンダ状の電極を用いることでアンテナ素子を小型化してもよい。
【００６２】
以上のように、一波長相当の電気長の逆Ｌアンテナ電極で構成されるアンテナ素子と、アンテナ素子に接続し電気長を切り換える共振動作制御手段で構成することで、指向特性変更可能なアンテナ素子の実現が可能となる。
【００６３】
（実施の形態７）
図１６は本発明実施の形態７のアンテナ装置のアンテナ素子の上面電極図である。図１６において、６００は本発明実施の形態７のアンテナ装置、６０１はアンテナ素子、６０２は電気長が一波長相当の長さの第一のパッチアンテナ、６０３は電気長が半波長相当の長さの第ニのパッチアンテナ、６０４は第一のパッチアンテナ６０２と第二のパッチアンテナ６０３を分離する間隙である。以上の構成によるアンテナ装置について、以下その動作を説明する。
【００６４】
スイッチ４０４をオンにして接続点間を短絡した場合、アンテナ素子６０１は一波長パッチアンテナとして動作し図８（ｂ）に例示した指向特性を示し、スイッチ４０４をオフにして接続点間を開放状態とした場合、アンテナ素子６０１は半波長パッチアンテナとして動作し図８（ａ）に例示した指向特性を示す。共振動作制御手段でスイッチ４０４のオン／オフを切り換えることで、指向特性を図８（ａ）、（ｂ）の間で切り換えが可能となる。
【００６５】
なお、間隙６０４の幅によりパッチアンテナ６０３へのパッチアンテナ６０２への影響度が変化し、スイッチ４０４をオフにした際に安定して図８（ａ）に例示する指向特性が得られる幅に間隙６０４を設定することが望ましい。
【００６６】
以上のように、電気長で一波長相当の長さのパッチアンテナと、電気長で半波長相当の長さのパッチアンテナからなるアンテナ素子と、２つのパッチアンテナ間を接続するスイッチを有する共振動作制御手段で構成することで、指向特性変更可能なアンテナの実現が可能となる。
【００６７】
（実施の形態８）
図１７は本発明実施の形態８のアンテナ装置のアンテナ素子の上面電極図である。図１７において、６１０は本発明実施の形態８のアンテナ装置、６１１は電気長で半波長の長さａを有し外周部のスリットからなる電気長延長素子６１２により動作時の電気長が一波長に延長されたパッチアンテナで構成されるアンテナ素子である。以上の構成によるアンテナ装置について、以下その動作を説明する。
【００６８】
スイッチ４０４をオンにして接続点間を短絡した場合、アンテナ素子６１１の長さａが電気長で半波長であるため、半波長パッチアンテナとして動作し、図８（ａ）に例示した指向特性を示す。スイッチ４０４をオフにして接続点間を開放状態とした場合、アンテナ素子６１１の電気長は、電気長延長素子６１２で延長され一波長相当となり、一波長パッチアンテナとして動作し、図８（ｂ）に例示した指向特性を示す。共振動作制御手段でスイッチ４０４のオン／オフを切り換えることで、指向特性を図８（ａ）、（ｂ）の間で切り換える。
【００６９】
以上のように、半波長相当の長さを有するパッチアンテナと、パッチアンテナの動作時の電気長を一波長に延長する電気長延長素子を備えたアンテナ素子と、電気長延長素子のスリット間を接続するスイッチを有する共振動作制御手段で構成することで、指向特性変更可能なアンテナの実現が可能となる。
【００７０】
（実施の形態９）
図１８は本発明実施の形態８の無線通信装置の機能ブロック図である。図１８において、７００は本発明実施の形態８の無線通信装置、７０１は無線通信装置７００の送受信ブロック、７０２は送受信ブロック７０１からの受信信号出力７０３から望ましい指向特性を判定する指向特性判定手段７０４を備え共振制御手段１０７への制御信号を生成する指向性制御信号生成手段である。以上の構成によるアンテナ装置について、以下その動作を説明する。
【００７１】
指向特性判定手段は、共振動作制御手段１０７への制御信号を変えながら、送受信ブロック７０１からの受信信号出力７０３の変化により、より良好な通信品質が得られる指向特性を検出することで通信動作に望ましい指向特性を判定し、判定した指向特性に対応する制御信号を指向性制御信号生成手段７０２から共振動作制御手段１０７へ送ることで、通信動作に寄与している方向の通信特性を向上し、無線通信装置７００の通信品質を向上する。
【００７２】
なお、指向特性判定手段は通信動作への干渉の少ないタイミングで前記指向特性判定動作を行うことが望ましい。更に、無線通信装置７００を移動局および基地局に用い、指向特性制御を行うことで、より良好な通信品質を有する移動無線システムの構成が可能となる。
【００７３】
以上のように、指向特性変更可能なアンテナ装置と、受信信号から望ましい指向特性を判定する指向特性判定手段を備えた指向性制御信号生成手段を備えることで、無線通信装置の指向特性制御を行い、より良好な通信品質が得られる無線通信装置の実現が可能となる。
【００７４】
（実施の形態１０）
図１９は本発明実施の形態１０の無線通信装置の機能ブロック図、図２０は本発明実施の形態１０の無線通信装置を無線ＬＡＮ装置として内蔵したノートＰＣの斜視図である。図１９において、７１０は本発明実施の形態８の無線通信装置、７１１は無線通信装置の機構的な形状変化を検出する形状変化検出手段７１２を有し形状に適切な指向特性を成す制御信号を共振動作制御手段１０７へ送る指向性制御信号生成手段である。図２０において、（ａ）はノートＰＣである無線通信装置７１０の液晶部を閉じた状態、（ｂ）は液晶部を開いた状態である。以上の構成によるアンテナ装置について、以下その動作を説明する。
【００７５】
形状変化検出手段７１２が液晶部の開閉を検出し、液晶部が閉じている場合は図６（ｂ）に例示する指向特性に設定することで、主として斜め方向にある無線ＬＡＮシステムのアクセスポイント方向への指向特性を高めより良好な通信品質を得る。液晶部が閉じている場合は、図６（ｄ）に例示する指向特性に設定し、液晶部で遮られ通信動作への寄与が低い方向の指向特性を下げることで、通信動作に寄与する方向へ指向特性を高め、より良好な通信品質を得る。
【００７６】
なお、無線ＬＡＮカードを装着したノートＰＣの例を示したが、折りたたみ型の携帯電話、ＰＤＣに適用しても良い。また、液晶部の開閉により２つの指向特性を切り換える例を示したが、切り換え方向および検出状態を２つに限定するものではない。
【００７７】
以上のように、指向特性変更可能なアンテナ素子と、無線装置の機構的な形状変化を検出する形状変化検出手段を有し、形状に適当な指向特性を成す制御信号を共振動作制御手段へ送る指向性制御信号生成手段を備えることで、より良好な通信品質が得られる無線通信装置の実現が可能となる。
【００７８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、一次共振動作および二次共振動作するアンテナ素子と、給電ポートと、アンテナ素子の一次共振動作および二次共振動作間の相対強度および／または相対位相を変える共振動作制御手段とからアンテナ装置を構成することにより、小型なアンテナ装置において主として仰角方向における指向特性を変更し、通信動作に寄与する方向の指向特性を高め、通信品質を向上するという有利な効果が得られる。
【００７９】
また、電気長で一波長相当の長さを有するアンテナ素子と、給電ポートと、アンテナの電気長を変更する共振動作制御手段とからアンテナ装置を構成することにより、小型なアンテナ装置において指向特性を変更し通信動作に寄与する方向の指向特性を高め、通信品質を向上するという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施の形態１のアンテナ装置のアンテナ素子部の斜視図
【図２】図２は本発明実施の形態１のアンテナ装置の機能ブロック図
【図３】本発明実施の形態１のアンテナ装置のＥ面指向特性図
【図４】本発明実施の形態１のアンテナ装置の共振動作制御手段の一実施例の構成図
【図５】本発明実施の形態２のアンテナ装置の共振動作制御手段の機能ブロック図
【図６】本発明実施の形態２のアンテナ装置のＥ面指向特性図
【図７】本発明の実施の形態３のアンテナ装置のアンテナ素子の上面電極図
【図８】本発明の実施の形態３のアンテナ装置のＥ面指向特性図
【図９】本発明の実施の形態３の別な形態のアンテナ装置のアンテナ素子の上面電極図
【図１０】本発明実施の形態４のアンテナ装置のアンテナ素子の斜視図（一部透視図）
【図１１】本発明実施の形態５のアンテナ装置の構成図
【図１２】本発明実施の形態５のアンテナ装置のアンテナ素子上の電流分布およびＥ面指向特性図
【図１３】本発明実施の形態６のアンテナ装置の構成図
【図１４】本発明実施の形態６のアンテナ装置のＥ面指向特性図
【図１５】本発明実施の形態６の別な形態のアンテナ装置の構成図
【図１６】本発明実施の形態７のアンテナ装置のアンテナ素子の上面電極図
【図１７】本発明実施の形態８のアンテナ装置のアンテナ素子の上面電極図
【図１８】本発明実施の形態８の無線通信装置の機能ブロック図
【図１９】本発明実施の形態１０の無線通信装置の機能ブロック図
【図２０】本発明実施の形態１０の無線通信装置の斜視図
【図２１】従来のアンテナ装置の構成図
【符号の説明】
１００  アンテナ装置
１０１  アンテナ素子
１０２  パッチアンテナ
１０３  スロットアンテナ
１０７  共振動作制御手段
１１２  スイッチ
１１３  負荷素子
１１４  負荷素子
１１５  負荷素子
１１６  負荷素子
２００  アンテナ素子
２０１  パッチアンテナ
２０２  パッチアンテナ
３００  アンテナ素子
３０１  パッチアンテナ
３０２  アンテナ電極
３０３  電極間誘電体層
４００  アンテナ装置
４０１  アンテナ素子
４０３  共振動作制御手段
４０４  スイッチ
５００  アンテナ装置
５０１  アンテナ素子
６００  アンテナ装置
６０１  アンテナ素子
６０２  パッチアンテナ
６０３  パッチアンテナ
６１０  アンテナ装置
６１１  アンテナ素子
６１２  電気長延長素子
７００  無線通信装置
７０１  送受信ブロック
７０２  指向性制御信号生成手段
７０４  指向特性判定手段
７１０  無線通信装置
７１１  指向性制御信号生成手段
７１２  形状変化検出手段
【図１】
2004304226.tif 000003
【図２】
2004304226.tif 000004
【図３】
2004304226.tif 000005
【図４】
2004304226.tif 000006
【図５】
2004304226.tif 000007
【図６】
2004304226.tif 000008
【図７】
2004304226.tif 000009
【図８】
2004304226.tif 000010
【図９】
2004304226.tif 000011
【図１０】
2004304226.tif 000012
【図１１】
2004304226.tif 000013
【図１２】
2004304226.tif 000014
【図１３】
2004304226.tif 000015
【図１４】
2004304226.tif 000016
【図１５】
2004304226.tif 000017
【図１６】
2004304226.tif 000018
【図１７】
2004304226.tif 000019
【図１８】
2004304226.tif 000020
【図１９】
2004304226.tif 000021
【図２０】
2004304226.tif 000022
【図２１】
2004304226.tif 000023