(57)【要約】【課題】グランド板にアンテナ素子が設置されるアンテナ装置において、限定された空間上に異種のアンテナを形成し、放射パターンや動作周波数の同時制御を可能とすること。【解決手段】グランド板１２と、グランド板１２に設置された板状逆Ｆアンテナ１０とを備えたアンテナ装置であって、板状逆Ｆアンテナ１０の給電端の反対側の一端とグランド板１２との間に挿入されるＰＩＮダイオード２６を備え、ＰＩＮダイオード２６に直流バイアス電圧を印加して、ＰＩＮダイオード２６の導通、非導通を切り換える。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
グランド板と、このグランド板に設置された逆Ｆアンテナとを備えたアンテナ装置であって、
前記グランド板と平行な前記逆Ｆアンテナの導体部上で給電端の反対側の一端と前記グランド板との間に挿入されるスイッチング素子を備え、
前記スイッチング素子に直流バイアス電圧を印加して、このスイッチング素子の導通、非導通を切り換えることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記スイッチング素子が導通のとき、ループアンテナの特性を示し、前記スイッチング素子が非導通のとき、モノポールアンテナの特性を示すことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、アンテナ装置に関するものであり、特に、複数の周波数を共用可能なアンテナ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、無線通信分野の発展は目覚ましく、その技術は日々進歩している。例えば、携帯電話、簡易型携帯電話（ＰＨＳ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｈａｎｄｙｐｈｏｎｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）、次世代携帯電話（ＩＭＴ２０００：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  ２０００）、無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ  ８０２．１１ａまたは８０２．１１ｂ）などに代表される様々なサービスが提供されている。
【０００３】
一方、これらのサービスで使用されている周波数帯はそれぞれ異なっており、幾つもの周波数帯が使用されている。したがって、一つの端末で多様なサービスを受けるためには、一つの端末で複数の周波数を使用できる多周波共用アンテナが要望される。
【０００４】
この多周波共用アンテナを実現するもの、第１および第２のプリントアンテナの間に金属板を設けるとともに、プリントアンテナの給電点に整合回路を接続することにより、アンテナの多共振化を実現しているアンテナ装置の例がある（例えば、特許文献１を参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０９−０９３０３１号公報（第３−５頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このアンテナ装置は、マイクロストリップアンテナを平行に配設しているので、広い搭載スペースを必要とする欠点を有していた。また、このアンテナ装置は、同種アンテナの使用を前提としているので、放射パターンや動作周波数の両者を同時に制御するための柔軟性に欠けていた。
【０００７】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、限定された空間上に異種のアンテナを形成し、放射パターンや動作周波数の同時制御を実現するアンテナ装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかるアンテナ装置にあっては、グランド板と、このグランド板に設置された逆Ｆアンテナとを備えたアンテナ装置であって、前記グランド板と平行な前記逆Ｆアンテナの導体部上で給電端の反対側の一端と前記グランド板との間に挿入されるスイッチング素子を備え、前記スイッチング素子に直流バイアス電圧を印加して、このスイッチング素子の導通、非導通を切り換えることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、グランド板と平行な逆Ｆアンテナの導体部上で給電端の反対側の一端とグランド板との間に挿入されるスイッチング素子が備えられ、このスイッチング素子に直流バイアス電圧が印加されて、このスイッチング素子の導通、非導通が切り換えられる。
【００１０】
つぎの発明にかかるアンテナ装置にあっては、前記スイッチング素子が導通のとき、ループアンテナの特性を示し、前記スイッチング素子が非導通のとき、モノポールアンテナの特性を示すことを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、スイッチング素子に印加する直流バイアス電圧を制御することによって、スイッチング素子が導通のときには、ループアンテナの特性を持たせ、スイッチング素子が非導通のときには、モノポールアンテナの特性を持たせることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかるアンテナ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１３】
図１は、この発明の実施の形態にかかるアンテナ装置の構造を示す概要図である。同図に示すアンテナ装置は、長さｌｇ、幅ｗｇのグランド板１２と、このグランド板１２上に設置された板状逆Ｆアンテナ１０とから構成されている。また、この板状逆Ｆアンテナ１０は、グランド板１２の一端のエッジからｄｘ、ｄｙの位置に設置されている。
【００１４】
図２は、図１に示した板状逆Ｆアンテナ１０の模式的構成図である。同図において、板状逆Ｆアンテナ１０は、長さｌａ、幅ｗａ、高さｈの直方体であり、比誘電率εｒの誘電体で構成されている。板状逆Ｆアンテナ１０の上面は導体板であり、この導体板の一辺から下面（図２では図示を省略したグランド板１２）に向かって３つのショートピン１４、１６、１８が延びている。上面導体板の一端から下面に延びるショートピン１４の間には、図示を省略した信号給電端と直流バイアス給電端とが備えられ、信号給電端には高周波信号２０が印加され、直流バイアス給電端にはＤＣバイアス２２から直流バイアス電圧が印加される。ショートピン１４に近接して下面に向かう距離ｄだけ離間して形成されるショートピン１６には、容量性素子２４が挿入されている。上面導体板の長手方向でショートピン１４と反対側の一端から下面に延びるショートピン１８の間には、ＰＩＮダイオード２６が挿入されている。
【００１５】
図２において、ＤＣバイアス２２は、ショートピン１８に挿入されているＰＩＮダイオード２６に直流バイアス電圧を供給する。ＰＩＮダイオード２６は、印加される直流バイアス電圧の大きさと方向とによって、ＯＮ状態およびＯＦＦ状態が制御される。なお、ショートピン１６に挿入した容量性素子２４は、印加された直流バイアス電圧によるバイアス電流のほとんどをＰＩＮダイオード２６に流すためのものである。
【００１６】
いま、ＤＣバイアス２２から所定の順方向直流バイアス電圧がＰＩＮダイオード２６に印加されるとき、ＰＩＮダイオード２６はＯＮ状態となる。このとき、ＰＩＮダイオード２６は小さな抵抗値（数Ω程度）を示し、ショートピン１８は実質的に短絡状態となる。このとき、ショートピン１４、１８、上面導体板およびグランド板１２からなるループが形成されるので、この板状逆Ｆアンテナ１０は、１波長ループアンテナとして機能させることができる。なお、ＰＩＮダイオードをＯＮ状態にするには、１〜２Ｖ程度の順方向直流バイアス電圧を印加すればよい。また、ＰＩＮダイオードに印加する順方向直流バイアス電圧を増加させると、ＰＩＮダイオードの抵抗値がさらに減少するので、ＰＩＮダイオードに印加する順方向直流バイアス電圧を制御することで、信号給電端における入力インピーダンスを制御することができる。
【００１７】
一方、ＤＣバイアス２２から所定の逆方向直流バイアス電圧がＰＩＮダイオード２６に印加されるとき、ＰＩＮダイオード２６はＯＦＦ状態となる。このとき、ＰＩＮダイオード２６は、２ＧＨｚ前後の周波数帯では、５００〜１０００Ω程度のリアクタンス成分（容量性）を有する。したがって、ショートピン１８は実質的に開放状態となり、板状逆Ｆアンテナ１０は、逆Ｆアンテナとして機能させることができる。なお、逆方向直流バイアス電圧を変化させても、ＰＩＮダイオードのインピーダンスは一定であり、ＯＦＦ状態のアンテナ特性は逆直流バイアス電圧に依存しない。
【００１８】
（実験結果）
図３（ａ）は、図１に示すアンテナ装置の入力抵抗の周波数特性を示すグラフであり、（ｂ）は、図１に示すアンテナ装置の入力リアクタンスの周波数特性を示すグラフであり、（ｃ）は、図１に示すアンテナ装置のＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。
【００１９】
図３（ａ）〜（ｃ）は、図１に示すアンテナ装置において、ｌａ＝５５ｍｍ、ｗａ＝１０ｍｍ、ｈ＝３．２ｍｍ、ｄ＝２ｍｍ、ｌｇ＝１２０ｍｍ、ｗｇ＝４５ｍｍ、ｄｘ＝ｄｙ＝５ｍｍ、εｒ＝２．５５のときの実験結果を示すものである。
【００２０】
図３（ａ）において、実線は、ＰＩＮダイオード２６がＯＦＦ状態のとき、すなわち板状逆Ｆアンテナ１０が、逆Ｆアンテナの特性を示す場合の入力抵抗（純抵抗成分）を示す波形であり、破線は、ＰＩＮダイオード２６がＯＮ状態のとき、すなわち板状逆Ｆアンテナ１０が、ループアンテナの特性を示す場合の入力抵抗を示す波形である。同図から、ＯＦＦ状態の共振周波数は約８５０ＭＨｚであり、ＯＮ状態の共振周波数は約１３７０ＭＨｚであることがわかる。また、ＯＦＦ状態とＯＮ状態とで、ピーク特性の差異が現れており、同図の破線で示されるように、逆Ｆアンテナより大きなピーク特性を有するループアンテナの特性が現れている。
【００２１】
また、図３（ｂ）において、実線は、ＰＩＮダイオード２６がＯＦＦ状態のときの入力リアクタンス特性を示す波形であり、破線は、ＰＩＮダイオード２６がＯＮ状態のときの入力リアクタンス特性を示す波形である。同図の破線で示されるように、逆Ｆアンテナより大きなリアクタンス成分を有するループアンテナの特性が現れている。
【００２２】
また、図３（ｃ）において、実線は、ＰＩＮダイオード２６がＯＦＦ状態のときのＶＳＷＲ特性を示す波形であり、破線は、ＰＩＮダイオード２６がＯＮ状態のときのＶＳＷＲ特性を示す波形である。同図（ａ）に示した入力抵抗特性のグラフと同様に、ＯＦＦ状態の共振周波数は約８５０ＭＨｚであり、ＯＮ状態の共振周波数は約１３７０ＭＨｚであることがわかる。
【００２３】
図４は、図１に示すアンテナ装置のアンテナパターンを測定する座標系の構成を示す説明図である。同図に示すように、板状逆Ｆアンテナ１０が設置されるグランド板１２がｙｚ平面になるように座標系を設定する。なお、θはｚ軸を基準とした角度とし、φはｘ軸を基準とした角度とする。
【００２４】
図５（ａ）は、図１に示すアンテナ装置において、ＰＩＮダイオード２６がＯＦＦ状態のときのｘｚ平面内のアンテナパターン（Ｅθ）を示すグラフであり、同図（ｂ）は、ＰＩＮダイオード２６がＯＮ状態のときのｘｚ平面内のアンテナパターン（Ｅθ）を示すグラフである。また、図６（ａ）は、図１に示すアンテナ装置において、ＰＩＮダイオード２６がＯＦＦ状態のときのｙｚ平面内のアンテナパターン（Ｅφ）を示すグラフであり、同図（ｂ）は、ＰＩＮダイオード２６がＯＮ状態のときのｘｚ平面内のアンテナパターン（Ｅφ）を示すグラフである。なお、アンテナ装置の各パラメータは、図３に示したものと同一のパラメータを使用している。
【００２５】
Ｅθに関しては、図５（ａ）および（ｂ）に示されているように、ＰＩＮダイオード２６がＯＦＦ状態およびＯＮ状態ともに、θ＝９０°の方向で最も利得が大きくなっており、ｘ軸方向に強く放射していることが理解できる。また、このことは、グランド板１２がダイポールモードを形成し、グランド板１２からの放射が大きいことを意味している。
【００２６】
Ｅφに関しては、ＰＩＮダイオード２６がＯＦＦ状態のときには、図６（ａ）に示されるように、θが０°〜３６０°の間でフラットなモノポールアンテナの特性を示しており、ｙｚ面に強く放射していることが理解できる。このことは、逆Ｆアンテナが支配的であることを意味している。また、ＰＩＮダイオード２６がＯＦＦ状態のときには、図６（ｂ）に示されるように、ｘ軸方向でやや下方（θが１２０°付近）に強く放射していることが理解できる。このことは、ループアンテナが支配的であるものの、グランド板１２による放射の影響が生じていることを意味している。
【００２７】
以上説明したように、この実施の形態のアンテナ装置によれば、グランド板と平行な逆Ｆアンテナの導体部上で給電端の反対側の一端とグランド板との間に挿入されるスイッチング素子が備えられ、このスイッチング素子に直流バイアス電圧が印加されて、このスイッチング素子の導通、非導通を切り換えるようにしているので、限定された空間上に異種のアンテナを形成することができる。
【００２８】
また、この実施の形態のアンテナ装置によれば、スイッチング素子に印加する直流バイアス電圧を制御することによって、スイッチング素子が導通のときには、ループアンテナの特性を持たせ、スイッチング素子が非導通のときには、モノポールアンテナの特性を持たせるようにしているので、限定された空間上に異種のアンテナを形成させるとともに、放射パターンや動作周波数の同時制御を実現することができる。
【００２９】
なお、ここでいうところの、スイッチング素子とはＰＩＮダイオードに対応するものである。
【００３０】
なお、この実施の形態では、グランド板に設置されるアンテナを板状逆Ｆアンテナとしているが、これに限られるものではなく、上面導体板が平板でない線状の逆Ｆアンテナを用いることもできる。
【００３１】
また、ＰＩＮダイオードをグランド板と平行な逆Ｆアンテナの導体部上で給電端の反対側の一端とグランド板との間に挿入しているが、所望の共振周波数に設定するため、アンテナ給電端とこの一端を結ぶ間の任意の位置に挿入することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したとおり、この発明によれば、グランド板と平行な逆Ｆアンテナの導体部上で給電端の反対側の一端とグランド板との間に挿入されるスイッチング素子を備えられ、このスイッチング素子に直流バイアス電圧が印加されて、このスイッチング素子の導通、非導通を切り換えるようにしているので、限定された空間上に異種のアンテナを形成させるとともに、放射パターンや動作周波数の同時制御を実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態にかかるアンテナ装置の構造を示す概要図である。
【図２】図１に示した板状逆Ｆアンテナ１０の模式的構成図である。
【図３】（ａ）は、図１に示すアンテナ装置の入力抵抗の周波数特性を示すグラフであり、（ｂ）は、図１に示すアンテナ装置の入力リアクタンスの周波数特性を示すグラフであり、（ｃ）は、図１に示すアンテナ装置のＶＳＷＲの周波数特性を示すグラフである。
【図４】図１に示すアンテナ装置のアンテナパターンを測定する座標系の構成を示す説明図である。
【図５】（ａ）は、図１に示すアンテナ装置において、ＰＩＮダイオード２６がＯＦＦ状態のときのｘｚ平面内のアンテナパターン（Ｅθ）を示すグラフであり、（ｂ）は、ＰＩＮダイオード２６がＯＮ状態のときのｘｚ平面内のアンテナパターン（Ｅθ）を示すグラフである。
【図６】（ａ）は、図１に示すアンテナ装置において、ＰＩＮダイオード２６がＯＦＦ状態のときのｙｚ平面内のアンテナパターン（Ｅφ）を示すグラフであり、（ｂ）は、ＰＩＮダイオード２６がＯＮ状態のときのｘｚ平面内のアンテナパターン（Ｅφ）を示すグラフである。
【符号の説明】
１０  板状逆Ｆアンテナ
１２  グランド板
１４，１６，１８  ショートピン
２０  高周波信号
２２  ＤＣバイアス
２４  容量性素子
２６  ＰＩＮダイオード
【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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