(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地板と放射素子とから成る無指向性のアンテナ素子と、前記アンテナ素子を給電する同軸線路と、前記地板上に設けられた誘電体フィルムと、該誘電体フィルム上の導体パターンにより形成された、前記同軸線路の内導体と外導体とを短絡させる短絡線と、前記短絡線を前記同軸線路の外導体側へ接地するためのキャパシタと、前記短絡線による前記内導体と前記外導体との接続状態を短絡状態又は非短絡状態に切り替えるスイッチと、を備え、前記短絡線、前記キャパシタ、及び前記スイッチが、前記アンテナ素子と前記同軸線路との接続部に設けられた指向性可変アンテナにおいて、
前記短絡線と前記キャパシタとの接地位置を、前記同軸線路の同軸中心軸からみて前記外導体よりも外側の前記地板上となるように構成するとともに、前記短絡線の長さを前記内導体と前記外導体との間隔よりも長くしたことを特徴とする指向性可変アンテナ。
【請求項２】
請求項１に記載の指向性可変アンテナにおいて、前記同軸線路の中心軸、前記短絡線と前記内導体との接続点、及び前記短絡線と前記外導体との接続点が直線上に並んで配置されることを特徴とする指向性可変アンテナ。
【請求項３】
請求項１に記載の指向性可変アンテナにおいて、前記短絡線がミアンダ状に折り曲げられていることを特徴とする指向性可変アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアンテナの指向性を切り替えることが可能な指向性可変アンテナに関わり、特に情報機器の送受信用アンテナに好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の無線通信技術の飛躍的な発展に伴い、無線技術を利用した製品が広く普及し始め、無線通信路の伝送容量拡大に大きな期待がかけられている。特に最近は時間や空間、偏波、符号といった多次元にわたる信号の多重化によって、伝送容量の拡大を図る研究が活発に行われている。空間による多重化は、複数の無指向性アンテナとその信号をベクトル合成する回路からなるアダプティブアレイアンテナで実現されると考えられているが、アダプティブアレイアンテナは各アンテナの大きさや間隔が大きくなり、その応用先を制限する原因となっていた。
特に、移動通信端末で使用する為には、アンテナの大きさは出来るだけ小さい事が望まれている。指向性可変アンテナは通常一組のアンテナと給電回路でその指向性を変化させる事が出来ることから、アダプティブアレイアンテナよりも小さくできる可能性があり、空間による多重化を実現する小型アンテナの候補として期待されているが、指向性可変アンテナの小型化に関しては、その研究例が少なくその開発が期待されてきている。
従来の指向性可変アンテナの一例が特許文献１に開示されている。
図８は特許文献１に開示されている指向性可変アンテナの構成例を示した図である。
この図８に示すアンテナは、アンテナ素子１０１と、このアンテナ素子１０１に平行に配置された反射素子１０２と、アンテナ素子１０１の軸線を中心にして反射素子１０２を円弧移動する指向性制御手段１０３とから構成される。この指向性制御手段１０３は回転駆動部１０３ａ、連結アーム１０３ｂを備え、この回転駆動部１０３ａには絶縁体（図示せず）を介してアンテナ素子１０１が立設されている。また、回転駆動部１０３ａは車体等の導体１０４に取り付けられ、さらに連結アーム１０３ｂを介して反射素子１０２が連結されている。また、同軸給電線１０５はアンテナ素子１０１と電圧源１０６とを電気的に接続している。従って、このような指向性可変アンテナによれば、アンテナ素子１０１と反射素子１０２との位置関係を調整することで指向性を特定方向に向けることができる。しかしながら、この指向性可変アンテナの場合は、反射素子１０２が付加されたことによりアンテナ自体が格段に大きくなってしまう。
【０００３】
また特許文献２には電気的に指向性を切り替え可能な指向性可変アンテナの一例が開示されている。
図９は特許文献２に開示されている指向性可変アンテナの構成を示した図である。
この図９に示す指向性可変アンテナは、円形の接地導体１１１上に中央駆動素子１１２と、それを放射状に取り囲む位置にパラスティック素子１１３が配置されている。パラスティック素子１１３の下部にはインピーダンス負荷１１４が設けられており、このインピーダンス負荷１１４のインピーダンスを切り替えることにより指向性を切り替えるようにしている。しかしながら、このような指向性可変アンテナの場合は、アンテナ中央駆動素子１１２とパラスティック素子１１３との間隔はλ／４程度の値となりアンテナ全体では２λ以上の大きさになってしまう。
また特許文献３にも同様の指向性可変アンテナ例が開示されている。
図１０は特許文献３に開示されている指向性可変アンテナの構成を示した図である。
この図１０に示す指向性可変アンテナは、円形の接地導体１２１上に給電アンテナ素子Ａ０と、それを放射状に取り囲む位置に無給電可変リアクタンス素子Ａ１〜Ａ６が配置されている。しかしながら、このような指向性可変アンテナの場合は、給電アンテナ素子Ａ０と無給電可変リアクタンス素子の間隔ｄが、λ／４程度の値となりアンテナ全体ではλ程度の大きさになってしまう。
このように従来の指向性可変アンテナは、無指向性アンテナに比べて形状が大きくなってしまうという欠点があった。そこで、このような欠点を解消した指向性アンテナが特許文献４に開示されている。
【０００４】
特許文献４には無指向性アンテナと同程度の大きさの指向性可変アンテナが開示されている。このアンテナの一実現形態の詳細な特性が非特許文献１に開示されており、広い周波数帯域にわたって無指向性アンテナと同等な大きさで指向性が可変であることが示されている。
図１１は非特許文献１に開示されている指向性可変アンテナの構成を示した図であり、（ａ）は指向性可変アンテナの断面図、（ｂ）は（ａ）の破線円で囲った部分の上面図である。この図１１に示す指向性可変アンテナは、無指向性アンテナであるディスコーンアンテナ１３１の給電部に短絡線１３２を装荷してアンテナ指向性を変化させるようにしたものである。また、このような指向性可変アンテナの反射損周波数特性は図１２のように示され、短絡線の有無に関わらず広い周波数範囲にわたって同程度となっているが、１０ＧＨｚ以下の周波数では、短絡線を装荷した場合の反射損が増加していることがわかる。
これは短絡線により発生するインダクタンスが周波数とともに増大するのだが、１０ＧＨｚ以下の周波数では十分に大きくなっていないため、短絡線の影響が出てしまっているためである。この短絡線により発生するインダクタンスの詳細な検討結果に関しては非特許文献２に開示されている。
【特許文献１】特開平０６−３５０３３４号公報
【特許文献２】特開平１０−１５４９１１号公報
【特許文献３】特開２００１−２４４３１公報
【特許文献４】特開２００４−３０４７８５公報
【非特許文献１】菅原，星，廣居，佐藤，“同軸短絡構造によるアンテナ指向性制御技術の提案”，信学技報，AP2003-274., 2004
【非特許文献２】菅原，星，廣居，“同軸短絡構造によるインダクタンスの解析”，信学技報，AP2004-82.,2004
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記図１１に示した従来の指向性可変アンテナは、無指向性アンテナと同程度の大きさにより構成することができるが、短絡線により発生するインダクタンスが十分に大きくなりきらない周波数帯域では反射損が大きくなり使用帯域を狭める原因となっていた。即ち、指向性可変アンテナを広帯域通信端末等で利用する場合の下限周波数帯域を制限する原因となっていた。
そこで、本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、数ＧＨｚ帯でも動作可能で、無指向性アンテナと同程度の大きさの指向性可変アンテナを、従来より低い周波数帯域で動作させることができる指向性可変アンテナ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】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、地板と放射素子とから成る無指向性のアンテナ素子と、前記アンテナ素子を給電する同軸線路と、前記地板上に設けられた誘電体フィルムと、該誘電体フィルム上の導体パターンにより形成された、前記同軸線路の内導体と外導体とを短絡させる短絡線と、前記短絡線を前記同軸線路の外導体側へ接地するためのキャパシタと、前記短絡線による前記内導体と前記外導体との接続状態を短絡状態又は非短絡状態に切り替えるスイッチと、を備え、前記短絡線、前記キャパシタ、及び前記スイッチが、前記アンテナ素子と前記同軸線路との接続部に設けられた指向性可変アンテナにおいて、前記短絡線と前記キャパシタとの接地位置を、前記同軸線路の同軸中心軸からみて前記外導体よりも外側の前記地板上となるように構成するとともに、前記短絡線の長さを前記内導体と前記外導体との間隔よりも長くした指向性可変アンテナを特徴とする。
また請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の指向性可変アンテナにおいて、前記同軸線路の中心軸、前記短絡線と前記内導体との接続点、及び前記短絡線と前記外導体との接続点が直線上に並んで配置されることを特徴とする。
また請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の指向性可変アンテナにおいて、前記短絡線がミアンダ状に折り曲げられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に記載の発明では、地板と放射素子とから成る無指向性のアンテナ素子と、前記アンテナ素子を給電する同軸線路と、前記地板上に設けられた誘電体フィルムと、該誘電体フィルム上の導体パターンにより形成された、前記同軸線路の内導体と外導体とを短絡させる短絡線と、前記短絡線を前記同軸線路の外導体側へ接地するためのキャパシタと、前記短絡線による前記内導体と前記外導体との接続状態を短絡状態又は非短絡状態に切り替えるスイッチと、を備え、前記短絡線、前記キャパシタ、及び前記スイッチが、前記アンテナ素子と前記同軸線路との接続部に設けられた指向性可変アンテナにおいて、前記短絡線と前記キャパシタとの接地位置を、前記同軸線路の同軸中心軸からみて前記外導体よりも外側の前記地板上となるように構成するとともに、前記短絡線の長さを前記内導体と前記外導体との間隔よりも長くしたことで、短絡線において発生するインダクタンスを増加させることができる。これにより、無指向性アンテナと同程度の大きさで、数ＧＨｚ帯で動作可能であると共に、従来より低い周波数帯域において動作する指向性可変アンテナを実現することができる。この結果、動作帯域が数ＧＨｚ帯の通信端末等で指向性可変アンテナを利用することが可能となる。
また請求項２の発明では、同軸線路の中心軸、短絡線と内導体との接続点、及び短絡線と外導体との接続点が直線上に並んで配置される構成とすることにより、同軸線路の電界方向に短絡することが可能になり、線路内電界を大きく妨げずに短絡線の長さを増加させ、発生するインダクタンスをさらに増加させることができるので、従来より低い周波数帯域において動作する指向性可変アンテナを実現することができる。
また請求項３の発明では、前記短絡線がミアンダ状に折り曲げて短絡線の長さを長くしたことで、発生するインダクタンスを増加させるようにしたので、従来より低い周波数帯域において動作する指向性可変アンテナを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下図面を参照しながら本発明の指向性可変アンテナの実施形態について説明する。
〈第１の実施形態〉
先ず、本発明の第１の実施形態に係る指向性可変アンテナについて説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る指向性可変アンテナを説明するための図であり、（ａ）は全体斜視図、（ｂ）は同軸の中心軸方向の断面図である。
この図１に示す第１の実施形態に係る指向性可変アンテナ１は、同軸線路４により給電され、放射器（放射素子）２と地板３とからなるディスコーンアンテナにより構成される。地板３上には、バイアス線５、スイッチ６、短絡線７、及びキャパシタ８の一方の電極が形成された誘電体フィルム９が貼付けられており、同軸線路４とディスコーンアンテナの接続部で、地板面内の４方向に電気的に短絡をＯＮ／ＯＦＦすることができるように構成されている。キャパシタ８は誘電体フィルム９上の金属パターンにより形成され、前記電極と誘電体フィルム９、及び地板３から構成されている。キャパシタ８の外縁形状は、同軸線路４を中心とした円弧と放射方向に沿った直線形状からなっており、同軸線路４に近接しながら、アンテナの放射に寄与する地板電流を妨げにくくなっている。
短絡線７の同軸線路４における外導体１０側の高周波的な接地位置は、前記キャパシタ８との接続部となっており、この位置は同軸中心軸からみて外導体１０よりも外側の地板３上となっている。このように構成すると短絡線７の長さを長くすることが出来ているので、短絡線７により発生するインダクタンスを大きく増加させることができる。
短絡線７に接続されたスイッチ６は電気的にＯＮ／ＯＦＦすることができるものを採用している。スイッチ６としては例えばダイオードスイッチ、ＭＥＭＳスイッチなどが考えられる。第１の実施形態ではスイッチ６としてＰＩＮダイオードを用いており、このスイッチ６はアンテナ外部より制御用電極（ここでは図示しない）を用いて電気的にＯＮ／ＯＦＦの状態を制御できるようになっている。全てのスイッチ６をＯＦＦにすれば同軸線路４の電界分布に乱れはなく、アンテナの放射パターンは無指向性のままとなる。
一方、スイッチ６を一つだけ入れた場合は同軸線路内の電界が乱され、アンテナの放射パターンは指向性を持つようになる。またＯＮにするスイッチ６を切り替えることによりアンテナの指向性を切り替えることができる。
図２はスイッチの一例を示す図である。
この図２において、Ａ、Ｂ、Ｅは端子、ＤはＰＩＮダイオード、Ｃはキャパシタ、Ｌはインダクタ、Ｒは抵抗をそれぞれ示している。端子Ａは同軸線路４の内導体（信号線）１１に、端子Ｂは同軸線路４の外導体（接地導体）１０に、端子Ｅは誘電体フィルム９上のバイアス線５にそれぞれ接続される。
ＰＩＮダイオードＤはキャパシタＣによって高周波的に接地されている。端子Ｅに加えるＤＣバイアスの値を変化させることにより、ＰＩＮダイオードＤの抵抗値が大きく変わるため、スイッチ６として動作させることができる。
【０００９】
図３は、第１の実施形態における指向性可変アンテナの指向性を説明するための図である。この図３は地板３より４５度の仰角のアンテナ利得を、放射器２を中心にＯＮにするスイッチ６を基準（０度）として３６０度分表示したものである。
図中の実線は角度０度の方向のスイッチ６を一個所ＯＮにした場合、点線は全てのスイッチ６をＯＦＦにした場合の利得を示している。この図３から明らかなように、全てのスイッチ６をＯＦＦにした場合は、どの角度にも一定の利得となり無指向性となる。
またスイッチ６をＯＮにすることにより、指向性が変化しＯＮにしたスイッチと反対の方向の放射強度が強くなることを示している。
図４は、第１の実施形態における指向性可変アンテナの反射損特性を示している。
図中の点線は短絡線７を直線的に接続した従来の指向性可変アンテナの特性の一例を、実線は第１の実施形態のように構成した場合の反射損特性の一例を夫々示している。
図４から明らかなように、第１の実施形態に係る指向性可変アンテナのほうが１０ＧＨｚ以下の反射損が低減されていることが分かる。なお、この図４に示す従来の指向性アンテナの反射損特性と図１２に示した従来の指向性アンテナ（短絡線有）の反射損特性が異なるのは、図４が地板上に誘電体フィルムを貼付した指向性アンテナの反射損であるのに対して、図１２が誘電体フィルムを貼付していない指向性アンテナの反射損であることによる。
このように第１の実施形態の指向性可変アンテナによれば、通常の無指向性アンテナと同等の大きさで指向性の切り替えを行うことが可能である。また短絡線７の見かけ上の長さを長くして、短絡線７のインダクタンス値を大きく増加させることで反射損特性を改善するようにしている。これにより動作帯域の低周波側への拡大を実現することができる。
【００１０】
〈第２の実施形態〉
図５は第２の実施形態に係る指向性可変アンテナを説明するための図であり、（ａ）は全体斜視図、（ｂ）はアンテナ給電部の地板部分の上面図である。なお、図１と同一部位には同一符号を付して説明は省略する。
この図５（ａ）に示すように、第２の実施形態に係る指向性可変アンテナ２０もまた同軸線路４により給電され、放射器２と地板３とからなるディスコーンアンテナにより構成される。
また図５（ｂ）に示すアンテナ給電部の同軸線路部には、４方向にメアンダ形状に折り曲げられ実効的な長さを延長された短絡線２１とスイッチ６が接続されている。
ここで、同軸線路４の中心軸０と、短絡線２１と内導体１１との接続箇所（接続点）、及び短絡線２１と外導体１０との接続箇所（接続点）が直線上に並ぶ構成となっており、同軸線路４内のＴＥＭモードの電界方向と短絡方向が一致するようになっているため、短絡方向以外の線路内電界を大きく妨げずに短絡線の長さを増加させることができる。従って、このように構成した場合も動作帯域の低周波側へ拡大することができる。
なお、短絡線２１に接続されたスイッチ６は電気的にＯＮ／ＯＦＦすることができるものを採用している。スイッチ６としては、上記同様、例えばダイオードスイッチ、ＭＥＭＳスイッチなどが考えられる。
【００１１】
〈第３の実施形態〉
図６は本発明の第３の実施形態に係る指向性可変アンテナを説明するための図であり、（ａ）は全体斜視図、（ｂ）は同軸の中心軸方向の断面図である。なお、図１、図５と同一部位には同一符号を付して説明は省略する。
この図６に示す第３の実施形態に係る指向性可変アンテナ３０は、第１の実施形態にか係る指向性可変アンテナ１と第２の実施形態に係る指向性可変アンテナ２０の特徴を合わせたものである。即ち、地板３上にはバイアス線５、スイッチ６、メアンダ形状に折り曲げられて実効的な長さを延長された短絡線２１、及びキャパシタ８の一方の電極が形成された誘電体フィルム９を貼付けて構成するようにしたものである。
このように構成すると、短絡線２１の外導体１０側の高周波的な接地位置が同軸中心軸からみて外導体１０よりも外側の地板３上としたことによる延長効果と、短絡線２１をメアンダ形状にしたことによる延長効果とにより、短絡線２１のインダクタンスを大きく増加させることができる。従って、このように構成した場合は動作帯域を低周波側へより拡大することができる。
【００１２】
〈第４の実施形態〉
図７は本発明の第４の実施形態に係る指向性可変アンテナを説明するための図であり、（ａ）は全体斜視図、（ｂ）は同軸の中心軸方向の断面図である。なお、図１と同一部位には同一符号を付して説明は省略する。
この図７に示す第４の実施形態に係る指向性可変アンテナ４０は、短絡線２１付近の同軸線路４に比透磁率が１より大きい高透磁率材料（例えばフェライト）３１を装荷するようにしている点が、上記図５に示した指向性可変アンテナ２０と異なるものとされる。
このように短絡線２１の近傍にフェライト等の高透磁率材料３１を装荷したことによる短絡線２１のインピーダンス増加と、短絡線２１をメアンダ形状にしたことによる延長効果とにより、短絡線２１のインダクタンスを大きく増加させることができる。従って、このように構成した場合も動作帯域の低周波側へ拡大することができる。なお、短絡線２１のインダクタンス値が同軸線路部の透磁率に依存することは非特許文献２の解析により解明されている。
なお、図５〜図７に示した指向性可変アンテナにおいても、スイッチ６としてＰＩＮダイオードを用ており、上記同様、全てのスイッチ６をＯＦＦにすればアンテナの放射パターンは無指向性となり、スイッチ６を一つだけ入れた場合はアンテナの放射パターンは指向性を有するようになる。またＯＮにするスイッチ６を切り替えることにより、アンテナの指向性が切り替え可能であることは言うまでもない。
また、本実施形態において説明した指向性可変アンテナの形状、その他の要素との組み合わせなど、ここで示した要件に本発明が限定されるものでは決してない。これらの点に関しては、本発明の主旨を損なわない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る指向性可変アンテナを説明するための図。
【図２】スイッチの一例を示す図。
【図３】第１の実施形態における指向性可変アンテナの指向性を説明するための図。
【図４】第１の実施形態における指向性可変アンテナの反射損特性を示した図。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る指向性可変アンテナを説明するための図。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る指向性可変アンテナを説明するための図。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る指向性可変アンテナを説明するための図。
【図８】特許文献１に開示されている指向性可変アンテナの構成例を示した図。
【図９】特許文献２に開示されている指向性可変アンテナの構成を示した図。
【図１０】特許文献３に開示されている指向性可変アンテナの構成を示した図。
【図１１】非特許文献１に開示されている指向性可変アンテナの構成を示した図。
【図１２】従来の指向性アンテナ（短絡線有）の反射損特性を示す図。
【符号の説明】
【００１４】
１、２０、３０、４０…指向性可変アンテナ、２…放射器、３…地板、４…同軸線路、５…バイアス線、６…スイッチ、７…短絡線、８…キャパシタ、９…誘電体フィルム、１０…外導体、１１…内導体、２１…短絡線、３１…高透磁率材料
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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