(57)【要約】  【課題】半導体素子を用いずに指向特性を変化させることができるアレーアンテナ装置を提供する。  【解決手段】アレーアンテナ装置１００は、導線を螺旋状に巻回したコイル体からなる無給電素子Ａ１及び無給電素子Ａ２が、給電素子Ａ０を挟んでこれと平行に配されており、そのコイル体の長手方向に伸縮自在にしてある。これにより各無給電素子の共振周波数を変化させることができ、一方を導波器、他方を反射器として用いる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電素子と、当該給電素子を挟んで平行に配された２本の無給電素子とを備えたアレーアンテナ装置であって、
前記無給電素子はいずれも導線を螺旋状に巻回したコイル体からなり、その長手方向に伸縮自在である
ことを特徴とするアレーアンテナ装置。
【請求項２】
前記各無給電素子の導線の材料と線径と長さ、コイル体の中心径及び有効巻き数が、同じであることを特徴とする請求項１に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項３】
前記アレーアンテナ装置は、
給電素子が受信した信号の利得に基づいて、いずれか一方の前記無給電素子の長手方向の長さを他方より伸縮調整する調整手段を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項４】
前記各無給電素子は、同一側の端部に磁性体が取り付けられており、
前記調整手段は、前記磁性体に対向して設けられた磁石と、それの磁力の強さ、向きをコントロールする回路とからなり、いずれか一方の無給電素子に取り付けられた磁性体を磁力で引き寄せる又は反発させて当該無給電素子の長手方向の長さを他方より伸縮調整する
ことを特徴とする請求項３に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項５】
前記給電素子の一方の端部を支点とし、同一側の各無給電素子の端部を力点又は作用点として、各無給電素子とは電気的に絶縁状態にあるシーソー部材が取り付けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項６】
前記アレーアンテナ装置は、接地導体を有し、
前記無給電素子は、当該導体に立設又は垂設されており、
少なくとも一方の無給電素子の一端部に、所定重量のオブジェが電気的に絶縁して取り付けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアレーアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のアンテナ素子からなり、指向特性を変化させることのできるアレーアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のアレーアンテナ装置として、下記の特許文献に開示されている電子制御アレーアンテナ装置が挙げられる。
係る電子制御アレーアンテナ装置は、放射素子（以下、「給電素子」という。）と、当該給電素子を中心としてその周囲に放射状に設けられる複数の無給電素子と、各無給電素子に接続された指向性調整用素子とを備え、指向性調整用素子を制御することにより無給電素子を導波器並びに反射器として動作させてアンテナの指向特性を変化させるものである。ここでいう指向性調整用素子とは、バラクタダイオードのような半導体素子である。
【特許文献１】特許第３４３９７２３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述の電子制御アレーアンテナ装置の場合、雷若しくは受信機の異常動作によって無給電素子にサージが印加されることがあり、これにより指向性調整用素子として用いられている半導体素子が破壊されることがある。
そこで本発明は、半導体素子を用いずに指向特性を変化させることができるアレー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】
【０００４】
上記目的を達成するために、本発明に係るアレーアンテナ装置は、給電素子と、当該給電素子を挟んで平行に配された２本の無給電素子とを備えたアレーアンテナ装置であって、前記無給電素子はいずれも導線を螺旋状に巻回したコイル体からなり、その長手方向に伸縮自在であることを特徴としている。
＜作用＞
この構成によれば、２つの無給電素子はいずれも導線を螺旋状に巻回したコイル体であるため、いわゆるヘリカルアンテナとして機能する。そして、そのコイル体を長手方向に伸縮させることで螺旋のピッチが変わるので、共振周波数を変化させることができる。すなわち、一方の無給電素子を導波器、他方の無給電素子を反射器として用いることができる。
【０００５】
＜構成＞
また、前記アレーアンテナ装置は、給電素子が受信した信号の利得に基づいて、いずれか一方の前記無給電素子の長手方向の長さを他方より伸縮調整する調整手段を備えるとしてもよい。
＜作用＞
この構成により、より高い信号利得が得られるように調整手段が自動的に指向性を変化させる。
【０００６】
＜構成＞
また、前記各無給電素子は、同一側の端部に磁性体が取り付けられており、前記調整手段は、前記磁性体に対向して設けられた磁石と、それの磁力の強さ、向きをコントロールする回路とからなり、いずれか一方の無給電素子に取り付けられた磁性体を磁力で引き寄せる又は反発させて当該無給電素子の長手方向の長さを他方より伸縮調整するとしてもよい。
【０００７】
＜構成＞
また、前記給電素子の一方の端部を支点とし、同一側の各無給電素子の端部を力点又は作用点として、各無給電素子とは電気的に絶縁状態にあるシーソー部材が取り付けられているとしてもよい。
＜作用＞
この構成により、いずれか一方の無給電素子（コイル体）の長手方向の長さを伸縮させることにより、他方の無給電素子に反対の伸縮作用を生じさせることができる。すなわち、一方の無給電素子（コイル体）のピッチが長くなり、他方のピッチが短くなるので、無給電素子の共振周波数を変化させることができ、一方の無給電素子を導波器、他方の無給電素子を反射器として用いることができる。
【０００８】
＜構成＞
また、前記アレーアンテナ装置は、接地導体を有し、前記無給電素子は、当該導体に立設又は垂設されており、少なくとも一方の無給電素子の一端部に、所定重量のオブジェが電気的に絶縁して取り付けられているとしてもよい。
＜作用＞
この構成により、少なくとも一方の無給電素子に取り付けられたオブジェが錘となり、いずれか一方の無給電素子の長手方向の長さを他方より伸縮させることができる。すなわち、一方の無給電素子（コイル体）のピッチを、他方のピッチより長くする又は短くするので、無給電素子の共振周波数を変化させることができ、一方の無給電素子を導波器、他方の無給電素子を反射器として用いることができる。
【発明の効果】
【０００９】
上記構成のアレーアンテナ装置は、半導体素子を用いることなく指向特性を変化させることができるので、無給電素子にサージが印加されたとしてもその機能を失わないという効果を奏する。
また、無給電素子の伸縮動作を利用して、ユーザを楽しませるような工夫を取り入れることも可能である。
【００１０】
ここで、前記各無給電素子の導線の材料と線径と長さ、コイル体の中心径及び有効巻き数が、同じであるとしてもよい。
この構成により、いずれの無給電素子についても、そのコイル体の長手方向に所定の長さ分伸縮することで、一方の無給電素子を導波器、他方の無給電素子を反射器として用いることができる。また、２つの無給電素子は実質的に同じものなのでコストダウンを図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態について、図面を用いて説明する。
＜構成＞
図１は、実施形態に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
図１に示すように、アレーアンテナ装置１００は、給電素子Ａ０、無給電素子Ａ１、無給電素子Ａ２、接地導体１、低雑音増幅器（ＬＮＡ）２、ダウンコンバーター（Ｄ／Ｃ）３、Ａ／Ｄ変換器４、アンテナコントローラ５、電磁石６、電磁石７から構成される。
【００１２】
まず、給電素子Ａ０、無給電素子Ａ１、無給電素子Ａ２及び接地導体１について説明する。
図２は、図１に示したＡ−Ａ’軸で接地導体１を垂直に切断した拡大断面図である。
接地導体１は、その直径が受信信号の約１波長λ（単位：ｍ）としている円形の導体板であり、接地されている。
【００１３】
この接地導体１には、その中心に孔２１が設けられている。
給電素子Ａ０は、ＬＮＡ２と接続されており、孔２１を下から貫けて垂直に立設されている。
無給電素子Ａ１及び無給電素子Ａ２は、給電素子Ａ０を挟んで平行に接地導体１上に立設されており、それぞれの設置位置は孔２１から距離ｄ１（単位：ｍ）離間した位置である。距離ｄ１は、受信信号波長λの０．１倍〜０．３５倍である。
【００１４】
給電素子Ａ０、無給電素子Ａ１及び無給電素子Ａ２は、いずれも導線を螺旋状に巻回したコイル体からなり、このようにアンテナ部分がコイル体となっているものを一般的にヘリカルアンテナと呼ぶ。
ヘリカルアンテナの共振周波数ｆ（単位：Ｈｚ）は、光速をｃ（単位：ｍ／ｓ）、長岡係数をＫ、コイル体の中心径Ｄ（単位：ｍ）、螺旋のピッチＰ（単位：ｍ）、有効巻き数Ｎとして次式で求められる。
【００１５】
【数１】
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【００１６】
詳しくは、工学博士  新井  宏之著「新アンテナ工学」（総合電子出版社）のｐ１１６に記載されている。
上式からわかるように、コイル体の中心径Ｄ、有効巻き数Ｎが一定の場合、共振周波数ｆは、螺旋のピッチＰの値に応じて変化させることができる。
給電素子Ａ０は、所望の周波数信号を受信するべく、コイル体の中心径Ｄ、ピッチＰ０、有効巻き数Ｎが調整されている。
【００１７】
無給電素子Ａ１及び無給電素子Ａ２は、導線の材料と線径と長さ、コイル体の中心径及び有効巻き数が給電素子Ａ０と同じではあるが、それぞれの上端には、同じ重さの永久磁石８及び永久磁石９が、導線と電気的に絶縁させて取り付けられており、その重さによって無給電素子Ａ１及び無給電素子Ａ２の長手方向の長さは、後述する電磁石によって上方に引き伸ばされない限り、圧縮されている。
【００１８】
例えば、図２において無給電素子Ａ２は、永久磁石９の重さによって圧縮され、給電素子Ａ０の長手方向の長さＬ０より短いＬ２となっている。
この場合、無給電素子Ａ２のピッチＰ２は、給電素子Ａ０のピッチＰ０より短くなっているので、その共振周波数は、給電素子Ａ０の共振周波数より低くなる。つまり、永久磁石の重さを正しく設定することで、無給電素子Ａ２を給電素子Ａ０の反射器として動作させることができる。
【００１９】
次に前出の電磁石について説明する。
無給電素子Ａ１及び無給電素子Ａ２の上方には、電磁石６及び電磁石７が、各無給電素子に取り付けられている永久磁石と対峙させて設けられており、アレーアンテナ装置１００が動作している間は、いずれか一方の無給電素子が電磁石から発生する磁力によって長手方向に引き伸ばされた状態になる。
【００２０】
例えば、図２において無給電素子Ａ１に取り付けられている永久磁石８は、電磁石６から発生した磁力によって引き寄せられており、そのため、無給電素子Ａ１の長手方向の長さはＬ１となっている。なお、Ｌ１＞Ｌ０となるように予め設定されている。
この場合、無給電素子Ａ１のピッチＰ１は、給電素子Ａ０のピッチＰ０より長くなるので、その共振周波数は、給電素子Ａ０の共振周波数より高くなる。つまり、引き伸ばす無給電素子の長手方向の長さを正しく調整することで、無給電素子Ａ１を給電素子Ａ０の導波器として動作させることができる。
【００２１】
各無給電素子に取り付けられている永久磁石とこれを引き寄せる電磁石間の距離をｘ（単位：ｍ）とすると、各無給電素子のバネ張力Ｆ（単位：Ｎ）は、Ｆ＝ｋ＊ｘで表され、そのバネ定数ｋ（単位：Ｎ／ｍ）は、横弾性係数Ｇ（単位：ＭＰａ）、線径ｄ（単位：ｍ）、螺旋の中心径Ｄ（ｍ）、及び有効巻き数Ｎから、以下の式より求まる。
【００２２】
【数２】
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【００２３】
横弾性係数Ｇは、導線の材料から求まり、例えば、リン青銅であれば、４２．１である。
電磁石６及び電磁石７は、数２より特定されるバネ定数ｋと距離ｘにより求まるバネ張力Ｆ及び永久磁石の重力の合力を上回る磁力Ｗを発生させる能力を有し、アンテナコントローラ５の制御下で磁力を発生させ、それぞれの下方にある永久磁石を自身に引き寄せて接着させる働きをする。
【００２４】
給電素子Ａ０と接続されているＬＮＡ２は、給電素子Ａ０が受信した信号を増幅する機能を有する。増幅された信号は、Ｄ／Ｃ３に送られる。
Ｄ／Ｃ３は、送られてきた信号を所定の中間周波数の信号（ＩＦ信号）に低域変換する機能を有する。ＩＦ信号は、Ａ／Ｄ変換器４に送られる。
Ａ／Ｄ変換器４は、アナログ信号であるＩＦ信号をディジタル信号に変換して受信信号ｙとして出力する機能を有し、受信信号ｙはアンテナコントローラ５にも送られる。
【００２５】
アンテナコントローラ５は、送られてきた受信信号ｙを復調し、復調された信号の利得に基づいて、電磁石６又は電磁石７のいずれか一方に電流を流す制御を行う。本実施形態では、予め所定値を保持しておき、信号の利得が所定値以上でなくなれば、電流を流す電磁石を切り替える制御を行う。
上述の実施形態では、アンテナコントローラ５が、復調された受信信号の利得に基づいて、電磁石６又は電磁石７のいずれか一方に電流を流す制御を行い、これにより無給電素子Ａ１又は無給電素子Ａ２の長手方向の長さを伸縮させていたが、このような制御機構を持たせていない変形例も考えられる。
【００２６】
例えば、本発明をラジオアンテナとして用いた場合、ユーザがラジオを聴いているときに受信感度が悪いと思えば、ユーザ自身が各無給電素子の長手方向の長さを伸縮させて指向性を変化させる構成であってもよい。
以下に変形例１及び変形例２を示す。
＜変形例１＞
図３は、変形例１に係るアレーアンテナ装置１０１の外観を示した図である。
【００２７】
同図に示す筐体３０には、図１に示したＬＮＡ２、Ｄ／Ｃ３、Ａ／Ｄ変換器４等が収められている。
筐体３０上部の接地導体３１には、図１に示した接地導体１と同様にその中心に孔（図示せず）が設けられている。
当該孔を通って給電素子Ａ１０が垂直に立設されており、中心の孔から距離ｄ１離間させた接地導体３１上の２点に無給電素子Ａ１１及び無給電素子Ａ１２が立設されている。
【００２８】
そして、給電素子Ａ１０の上端部分を支点とし、各無給電素子Ａ１１、Ａ１２の上端を力点又は作用点として、絶縁体のシーソー部材３３が取り付けられている。
給電素子Ａ１０は、筒状のプラスチック部材３２で覆われており、シーソー部材３３は、プラスチック部材３２とシーソー部材３３を挿通する軸３４により架設されている。
軸３４には、図４に示すようにスプリングにより弾発付勢されたボールプランジャ４０を設け、シーソー部材３３の軸挿通孔には、所定角度離れた箇所にボール受け入れ溝３３Ａ、３３Ｂが形成されている。
【００２９】
これにより、ユーザがシーソー部材３３を操作することで、無給電素子Ａ１１を伸張させて無給電素子Ａ１２を圧縮させた第１の状態と、無給電素子Ａ１２を伸張させて、無給電素子Ａ１１を圧縮させた第２の状態のいずれかの状態にすることができる。すなわち、アレーアンテナ装置１０１の指向特性を切り替えることができる。
また、図３に示すように、無給電素子Ａ１１、Ａ１２の伸縮動作を利用して、ユーザを楽しませるような形態にすることもできる。
＜変形例２＞
図５は変形例２に係るアレーアンテナ装置の外観を示した図である。
【００３０】
図５に示すアレーアンテナ装置１０２は、家の天井等に筐体５０が設置されており、この筐体５０に図１に示したＬＮＡ２、Ｄ／Ｃ３、Ａ／Ｄ変換器４等が収められている。
筐体５０下部の接地導体５１には、図１に示した接地導体１と同様、その中心に孔（図示せず）が設けられている。
当該孔を通って給電素子Ａ２０が垂設されており、中心の孔から距離ｄ１離間させた接地導体５１の２点に無給電素子Ａ２１及び無給電素子Ａ２２が垂設されている。
【００３１】
そして、給電素子Ａ２０の下端には所定重量を有する絶縁体のオブジェ５３が付設されており、無給電素子Ａ２１及び無給電素子Ａ２２の下端にはそれぞれ、オブジェ５３より軽い所定重量を有するオブジェ５２が付設されている。
オブジェ５２よりオブジェ５３の方が重いため、図５に示すように、給電素子Ａ２０は、無給電素子Ａ２１より長手方向に伸張されている。
【００３２】
オブジェ５２の下部には、オブジェ５４を吊り下げるための吊手５２Ａが垂設されており、オブジェ５４には、吊手５２Ａに吊り下がるためのフック５４Ａが付設されている。
オブジェ５４は、オブジェ５２とオブジェ５４の重さを合わせると、オブジェ５３より重くなるように所定重量を有するように調整されており、図５に示すように、無給電素子Ａ２２にオブジェ５４を吊り下げることにより、無給電素子Ａ２２は、給電素子Ａ２０より長手方向に伸張されている。
【００３３】
すなわち、ユーザが、無給電素子Ａ２１及び無給電素子Ａ２２のいずれかにオブジェ５４を吊り下げることにより、無給電素子Ａ２１を給電素子Ａ２０より伸張させた第１の状態と、無給電素子Ａ２２を給電素子Ａ２０より伸張させた第２の状態のいずれかの状態にすることができ、アレーアンテナ装置２０１の指向特性を切り替えることができる。
＜補足＞
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、下記のようなものも含まれる。すなわち、
（１）図１で説明したアレーアンテナ装置１００は、磁力、重力及びバネ張力を用いて、無給電素子の伸縮を行っていたが、他の方法、例えばモーターを用いて無給電素子の伸縮を行うものであってもよい。
（２）上述の実施形態として給電素子１本と無給電素子２本の３本のアンテナ素子から成るアレーアンテナ装置を説明したが、無給電素子は、４本でも、６本でも、偶数本あればよく、対となる無給電素子同士は、給電素子からそれぞれ距離ｄ１離れた180度対極に位置するようにしてあればよい。
（３）上述の実施形態において給電素子は、無給電素子と同様ヘリカルアンテナとしていたが、ヘリカルアンテナでなくてもよく、例えば、直線形状のモノポールアンテナであってもよい。また、給電素子がヘリカルアンテナである場合、その長手方向の長さは変わらないのが望ましいので、プラスチック等の樹脂で給電素子全体を覆って、長さが変わらないようにしていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明に係るアレーアンテナ装置は、指向特性が求められる無線通信用アンテナとして用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の１実施形態を示すアレーアンテナ装置のブロック図である。
【図２】図１のアンテナ部分の断面図である。
【図３】本発明の１実施形態を示すアレーアンテナ装置の外観図である。
【図４】図３に示したアレーアンテナ装置の軸３４の機構を説明するための図である。
【図５】本発明の１実施形態を示すアレーアンテナ装置の外観図である。
【符号の説明】
【００３６】
Ａ０、Ａ１０、Ａ２０  給電素子
Ａ１、Ａ２、Ａ１１、Ａ１２、Ａ２１、Ａ２２  無給電素子
１、３１、５１  接地導体
２      低雑音増幅器（ＬＮＡ）
３      ダウンコンバーター（Ｄ／Ｃ）
４      Ａ／Ｄ変換器
５      アンテナコントローラ
６、７  電磁石
８、９  永久磁石
３０、５０  筐体
３２    プラスチック部材
３３    シーソー部材
３４    軸
４０    ボールプランジャ
５２、５３、５４  オブジェ
５２Ａ  吊手
５４Ａ  フック
１００、１０１、１０２  アレーアンテナ装置
【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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