(57)【要約】【課題】  スイッチ全体のキャパシタンスを低減させ、高周波側での反射損失を低減することができる指向性可変アンテナを提供する。【解決手段】  同軸線路を用いて給電する指向性可変アンテナであって、前記同軸線路の内導体と外導体を短絡させる短絡線と、前記短絡線の短絡状態と非短絡状態とを切替えるスイッチと、前記内導体に接続された放射素子と、を具備し、前記スイッチが複数個直列に接続されている構成となっている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同軸線路を用いて給電する指向性可変アンテナであって、前記同軸線路の内導体と外導体を短絡させる短絡線と、前記短絡線の短絡状態と非短絡状態とを切替えるスイッチと、前記内導体に接続された放射素子と、を具備し、前記スイッチが複数個直列に接続されていることを特徴とする指向性可変アンテナ。
【請求項２】
前記スイッチがｐｉｎダイオードからなることを特徴とする請求項１記載の指向性可変アンテナ。
【請求項３】
前記ｐｉｎダイオードに並列に抵抗が接続されていることを特徴とする請求項２記載の指向性可変アンテナ。
【請求項４】
前記スイッチがＭＥＭＳスイッチであることを特徴とする請求項１記載の指向性可変アンテナ。
【請求項５】
前記スイッチがフリップチップ実装されていることを特徴とする請求項２あるいは請求項４記載の指向性可変アンテナ。
【請求項６】
前記スイッチ直下の実装基板の一部に凹部あるいは孔が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の指向性可変アンテナ。
【請求項７】
前記無指向性アンテナが進行波型アンテナである事を特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載の指向性可変アンテナ。
【請求項８】
前記進行波型アンテナがディスコーンアンテナである事を特徴とする請求項７記載の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替える事が可能な指向性可変アンテナに関し、特に、スイッチ全体のキャパシタンスを低減させ、高周波側での反射損失を低減することができる指向性可変アンテナに関するものである。
【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を図７に示す。図７は、従来の指向性可変アンテナの一例を示す図である。図７に示すように、この指向性可変アンテナでは、放射素子１１０の周囲を反射素子１１１が反射素子移動手段によって機械的に周回することで、このアンテナの指向性を変化させるようにしている（特許文献１）。このアンテナの場合、反射素子１１１が付加された事により、アンテナの大きさは格段に大きくなる。
また、図８は、従来の指向性可変アンテナの他の例を示す図である。図８に示すように、この指向性可変アンテナでは、円形の接地導体２１０上に中央駆動素子２１２とそれを放射状に取り囲む位置にパラスティック素子２１４が配置されている。パラスティック素子２１４の下部にはインピーダンス負荷が設けてあり、このインピーダンスの切替えにより、指向性を切替える。中央駆動素子２１２とパラスティック素子２１４の間隔はλ／４程度の値となり、アンテナ全体では２λ以上の大きさを持つ（特許文献２）。
また、図９は、従来の指向性可変アンテナの他の例を示す図である。図９に示すように、この指向性可変アンテナでは、円形の接地導体２１０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。給電アンテナ素子と無給電可変リアクタンス素子の間隔ｄはλ／４程度の値となり、アンテナ全体ではλ程度の大きさを持つ（特許文献３）。
この様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その大きさが大きくなってしまっていたが、従来、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提案されている（特許文献４）。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変えられる事が示されている。
【０００３】
図１０は、非特許文献１から引用した従来の指向性可変アンテナの他の例を示す図である。図１０に示すように、ディスコーンアンテナの給電部３１０に短絡線３１１を装荷し、アンテナ指向性を変化させている。このアンテナの反射損周波数特性は図１１に示すように、１５ＧＨｚ以上で良好は特性を示すことが分かる。図１１は、図１０に示したディスコーンアンテナの反射損周波数特性を示すグラフ図である。
しかし、実際には、短絡線を短絡／非短絡に切替えるため接続するスイッチには抵抗成分以外に寄生のインピーダンス、特にキャパシタンス成分があるため、高い周波数領域では反射損失が増加する。同軸線路３１２の内導体と外導体にｐｉｎダイオードなどのスイッチを接続した場合の、反射損失は以下の式で見積れる。
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・・・（式１）
ここで、ωは角周波数、Ｃdはダイオードの内部キャパシタンス、Ｚ0は回路の特性インピーダンス（５０Ω）である。上記式１から分かるように、ダイオードの内部キャパシタンスが大きいほど反射損失が大きくなる。さらに周波数が高くなると、ダイオードの内部キャパシタンスと内部インダクタンスの直列共振が起こり、反射損失が最大になってしまう。
したがって、より指向性可変アンテナの利用帯域を高周波側に拡大するには、内部キャパシタンスの小さい高価なｐｉｎダイオードを使う必要があった。
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
すなわち、上記従来の指向性可変アンテナにおいては、反射損失が大きくならないようにするため高価な高周波ダイオードを使用する必要があり、製作コストが高くなってしまうという問題点があった。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、スイッチ全体のキャパシタンスを低減させ、高周波側での反射損失を低減することができる指向性可変アンテナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の目的を達成するために、請求項１記載の発明は、同軸線路を用いて給電する指向性可変アンテナであって、前記同軸線路の内導体と外導体を短絡させる短絡線と、前記短絡線の短絡状態と非短絡状態とを切替えるスイッチと、前記内導体に接続された放射素子と、を具備し、前記スイッチが複数個直列に接続されていることを特徴とする。
また、請求項２記載の発明は、前記スイッチがｐｉｎダイオードからなることを特徴とする。
また、請求項３記載の発明は、前記ｐｉｎダイオードに並列に抵抗が接続されていることを特徴とする。
また、請求項４記載の発明は、前記スイッチがＭＥＭＳスイッチであることを特徴とする。
また、請求項５記載の発明は、前記スイッチがフリップチップ実装されていることを特徴とする。
また、請求項６記載の発明は、前記スイッチ直下の実装基板の一部に凹部あるいは孔が形成されていることを特徴とする。
また、請求項７記載の発明は、前記無指向性アンテナが進行波型アンテナであることを特徴とする。
また、請求項８記載の発明は、前記進行波型アンテナがディスコーンアンテナであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、同軸線路を用いて給電する指向性可変アンテナにおいて、該アンテナは同軸線路の内導体と外導体を短絡させる短絡線の短絡状態と非短絡状態とを切替えるためのスイッチを複数直列に接続することにより、スイッチ全体のキャパシタンスを低減させ、高周波側での反射損失を低減することが可能になる。
なお、高周波対応のｐｉｎダイオードは、内部キャパシタンスおよび寄生キャパシタンスを出来る限り小さくするために特殊な構造になっており、製造コストが高い。本発明によれば、高価な高周波ダイオードを使用することなく、内部キャパシタンスは高いが安価なｐｉｎダイオードを使用することが可能となり、指向性可変アンテナを低コストで提供することができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に添付の図を参照してこの発明の実施形態を詳細に説明する。
＜実施例＞
図１は、本発明による指向性可変アンテナの第１の実施形態を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図、（ｃ）はスイッチ部の平面図である。
図１に示すように、この指向性可変アンテナは、同軸線路１で給電される無指向性アンテナとして、放射素子３と地板５からなる進行波型アンテナの一種であるディスコーンアンテナを採用している。アンテナ給電部の同軸線路１の内導体７からは、４方向に、地板５と内導体７とを短絡する短絡線９と、短絡線９をＯＮ／ＯＦＦするための２つのスイッチ１１とが接続されたスイッチ列が配置されている。
すなわち、ここでは、スイッチ列のキャパシタンスを低減するために、２個のスイッチ１１が直列に接続されている。なお、同軸線路１の内導体７と放射素子３とは一体に接続されており、同軸線路１の外導体１３と地板５とは一体に接続されている。そして、４方向のスイッチ１１にバイアスを印加するためのバイアス線１５が、それぞれ地板５上に誘電体フィルム１７を介して配設されており、各バイアス線１５には、キャパシタ１９が設けられている。なお、同軸線路１の内導体７と外導体１３との間には、誘電体２１が設けられている。
短絡線９に接続されたスイッチ１１には、電気的にＯＮ／ＯＦＦすることができるものを採用しており、例えば、ｐｉｎダイオードスイッチ、ＭＥＭＳスイッチを使う。ｐｉｎダイオードおよびＭＥＭＳスイッチは内部キャパシタンスが極めて小さく、反射損失が少ない利点がある。なお、スイッチ１１をフリップチップ実装するようにしても良く、この場合、実装によるワイヤー接続に起因する寄生キャパシタンスおよびインダクタンスが低減し、高周波側での反射損失を低減することが可能になる。
なお、高周波対応のｐｉｎダイオードは、内部キャパシタンスおよび寄生キャパシタンスを出来る限り小さくするために特殊な構造になっており、製造コストが高い。本発明によれば、高価な高周波ダイオードを使用することなく、内部キャパシタンスは高いが安価なｐｉｎダイオードを使用することが可能となり、指向性可変アンテナを低コストで提供することができる効果がある。
【０００８】
次に、図１に示した指向性可変アンテナにおける指向性可変の動作原理を以下に説明する。
図１に示した指向性可変アンテナにおいて、全てのスイッチ１１に逆バイアスを印加して、オフ状態とすれば同軸線路１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、４方向のスイッチ列を１方向分だけオン状態とした場合、その短絡線９を介して同軸線路１の内導体７と外導体１３は短絡されため同軸線路１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。またオンにするスイッチ列を切りかえる事により、アンテナの指向性を切りかえる事ができる。
図２（ａ）および（ｂ）は、図１に示した指向性可変アンテナの等価回路を示す回路図である。図２に示すように、この等価回路では、４方向のスイッチ列のうち、１方向のスイッチ列がオン状態となった場合を示している。図２中、Ｌｌは同軸短絡線のインダクタ、Ｃｐはｐｉｎダイオード実装部の配線間キャパシタ、ＣｄｃはＤＣバイアス阻止用キャパシタ（Ｃｄｃ＞＞Ｃｄ）である。
本実施形態では、スイッチ１１としてｐｉｎダイオードを用いており、オフ状態では、内部インダクタンスＬｄ、内部キャパシタンスＣｄ、それと並列に内部抵抗で等価回路を表している。
バイアス線１５に順バイアスＤＣ電圧を印加すると、ｐｉｎダイオードはオン状態となり、キャパシタンスの大きな直流阻止キャパシタを通して地板５に接地される。等価回路では、ＤＣバイアス線は省略してある。
ダイオードを２個接続したスイッチ列の簡略化した等価回路を図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）に示すように、２個のダイオードを直列に接続することで、内部キャパシタンスを１／２にすることができる。
【０００９】
図３は、第１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すグラフ図である。図３のグラフ図は、スイッチ列のダイオードを１個、２個、３個接続したオン状態の指向性可変アンテナの反射特性を示している。図３から明らかなように、ダイオードを複数個接続することで、１５ＧＨｚ以上の反射損が低減しており、その効果はダイオードの個数に対応することがわかる。
この実施形態から明らかなように、本発明による指向性可変アンテナは、スイッチを直列に複数接続することにより、スイッチ回路のキャパシタンスが低減され、より利用可能周波数帯域が拡大できる。
【００１０】
図４は、本発明による指向性可変アンテナの第２の実施形態におけるスイッチ回路部の平面図である。
一般に、ｐｉｎダイオードでは、逆バイアス電圧を印加することで内部キャパシタンス成分を小さくして使われる。しかし、ダイオードの内部キャパシタンスにはバイアス依存性があることが知られている。したがって、ｐｉｎダイオードでは、逆バイアス電圧により内部キャパシタンスが変化する。ｐｉｎダイオードを直列に接続した場合、ダイオードに印加される逆バイアスは、ダイオードの内部抵抗により分圧される。したがって、ダイオードの内部抵抗にばらつきがあった場合、ダイオードの内部キャパシタンスにもばらつきが発生し、所定のキャパシタンス低減効果が得られない。
そこで、この第２実施形態では、図４に示すように、４方向の短絡線９をＯＮ／ＯＦＦするための２つのスイッチとしてダイオード２３を直列に接続する場合に、各ダイオード２３に印加される逆バイアス電圧のばらつきを低減するために、各ダイオード２３に抵抗２５を並列に接続するようにしている。なお、図４における他の部材については、図１の第１実施形態と同じ番号を付け、説明は省略する。
一般に、ダイオードのオフ状態での内部抵抗は非常に大きく数１００（ＫΩ）で、この内部抵抗はばらつきが大きいことが知られている。図５の等価回路を使って具体的に説明すると、ダイオードＡの内部抵抗を、Ｒｄ１＝６００（ＫΩ）、ダイオードＢの内部抵抗を、Ｒｄ２＝３００（ＫΩ）とすると、ダイオードＡとＢを直列に接続して電圧を印加した場合、各ダイオードの電圧比Ｖ１／Ｖ２＝Ｒ１／Ｒ２であるから、ダイオードＡにはダイオードＢより２倍の電圧が印加されることになる。図５は、ダイオードのオフ状態での内部抵抗のばらつきが大きいことを説明するための等価回路図である。
そこで、この第２実施形態では、ダイオード２３に内部抵抗と同程度の抵抗２５を並列接続することで、各ダイオード２３に印加される電圧のばらつきを少なくしている。たとえば、上記２つのダイオード２３にそれぞれ２００（ＫΩ）の抵抗Ｒａを接続すれば、電圧比Ｖ１／Ｖ２＝Ｒ１／Ｒ２＝１．２５と接続前より６２％に改善される。これにより、各ダイオードのキャパシタンスのばらつきを押さえる効果がある。
なお、並列に接続する抵抗２５としては、薄膜抵抗を用いることも可能で、その場合には小型化することができる利点がある。
【００１１】
図６は、本発明による指向性可変アンテナの第３の実施形態の同軸短絡部断面図である。
一般に、ｐｉｎダイオードの内部容量が小さくなると、ダイオードを接続する配線間の寄生キャパシタンスＣｐが無視できなくなる。
そこで、この第３実施形態では、図６に示すように、４方向の短絡線９をＯＮ／ＯＦＦするための２つのスイッチとしてのダイオード１１の直下の実装基板表面に凹部あるいは孔２７を形成することで、スイッチ実装部の配線間寄生キャパシタンスＣｐを低減させ、高周波側での反射損失を低減させることを可能にしている。なお、図６における他の部材については、図１の第１実施形態と同じ番号を付け、説明は省略する。
以上、実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に上げた形状、その他の要素との組合わせなど、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、本発明の主旨をそこ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。
【００１２】
以上で説明した通り本発明によれば、同軸線路を用いて給電する指向性可変アンテナにおいて、該アンテナは同軸線路の内導体と外導体を短絡させる短絡線の短絡状態と非短絡状態とを切替えるためのスイッチを複数直列に接続することにより、スイッチ全体のキャパシタンスを低減させ、高周波側での反射損失を低減することが可能になる。
なお、高周波対応のｐｉｎダイオードは、内部キャパシタンスおよび寄生キャパシタンスを出来る限り小さくするために特殊な構造になっており、製造コストが高い。本発明によれば、高価な高周波ダイオードを使用することなく、内部キャパシタンスは高いが安価なｐｉｎダイオードを使用することが可能となり、指向性可変アンテナを低コストで提供することができる効果がある。
また、本発明によれば、前記スイッチがｐｉｎダイオードで構成されているので、スイッチに内部キャパシタンスが小さく、またスイッチング速度の速いｐｉｎダイオードを用いれば、高周波側での反射損失を低減することが可能になる。
また、本発明によれば、前記ｐｉｎダイオードに並列に抵抗を接続した構成となっているので、各ダイオードに印加される電圧の比率を小さくし、各ダイオードの内部キャパシタンスの比率を小さくすることが可能となる。その結果、十分なキャパシタンス減少効果が得られ、高周波側での反射損失を低減することが可能になる。
【００１３】
また、本発明によれば、スイッチに内部キャパシタンスの小さいＭＥＭＳスイッチを用いているので、高周波側での反射損失を低減することが可能になる。
また、本発明によれば、スイッチがフリップチップ実装された構成となっているので、実装によるワイヤー接続に起因する寄生キャパシタンスおよびインダクタンスが低減し、高周波側での反射損失を低減することが可能になる。
また、本発明によれば、スイッチ直下の基板の一部に凹部あるいは孔が形成された構成となっているので、スイッチ実装部の配線間キャパシタを低減することが出来、高周波側での反射損失を低減することが可能になる。
また、本発明によれば、該無指向性アンテナが進行波型アンテナで構成されているので、無指向性アンテナと同じ大きさで、広帯域な指向性可変アンテナを実現する事が可能となる。
また、本発明によれば、進行波型アンテナがディスコーンアンテナで構成されているので、広帯域な進行波型の無指向性アンテナの中で、最も簡単な構造を有するディスコーンアンテナを用いることにより、加工コストを低く抑える事が出来る。これにより無指向性アンテナと同じ大きさで、広帯域な指向性可変アンテナを低コストで実現する事が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明による指向性可変アンテナの第１の実施形態を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図、（ｃ）はスイッチ部の平面図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は図１に示した指向性可変アンテナの等価回路を示す回路図である。
【図３】第１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すグラフ図である。
【図４】本発明による指向性可変アンテナの第２の実施形態におけるスイッチ回路部の平面図である。
【図５】ダイオードのオフ状態での内部抵抗のばらつきが大きいことを説明するための等価回路図である。
【図６】本発明による指向性可変アンテナの第３の実施形態の同軸短絡部断面図である。
【図７】従来の指向性可変アンテナの一例を示す図である。
【図８】従来の指向性可変アンテナの他の例を示す図である。
【図９】従来の指向性可変アンテナの他の例を示す図である。
【図１０】従来の指向性可変アンテナの他の例を示す図である。
【図１１】図１０に示したディスコーンアンテナの反射損周波数特性を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００１５】
１…同軸線路、３…放射素子、５…地板、７…内導体、９…短絡線、１１…スイッチ、１３…外導体、１５…バイアス線、１７…誘電体フィルム、１９…キャパシタ、２１…誘電体、２３…ダイオード、２５…抵抗、２７…孔、１１０…放射素子、１１１…反射素子、２１０…接地導体、２１２…中央駆動素子、２１４…パラスティック素子、３１０…給電部、３１１…短絡線、３１２…同軸線路
【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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