アレーアンテナ装置及びそれを備えた無線装置
【課題】様々な方向に指向性を制御す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は、略直線状の導体からなる給電導体部１Ａを有する給電素子１と、給電素子１の周囲に配置される寄生素子２及び３とを備える。給電点４の接地されていない側のポートに給電素子１の一端が接続される。寄生素子２が、給電導体部１Ａの長手方向に対して略平行となる略直線状の導体からなる平行部２Ａと、平行部２Ａに一端が接続されるとともに他端が接地される可変リアクタンス２Ｂとを有する。寄生素子３が、給電導体部１Ａの長手方向に対して略平行となる略直線状の導体からなる平行部３Ａと、平行部３Ａに一端が接続されるとともに給電体部１Ａの長手方向と略垂直となる略直線状の導体からなる垂直部３Ｂと、垂直部３Ｂに一端が接続されるとともに他端が接地される可変リアクタンス３Ｃとを有する。
【解決手段】アレーアンテナ装置は、略直線状の導体からなる給電導体部１Ａを有する給電素子１と、給電素子１の周囲に配置される寄生素子２及び３とを備える。給電点４の接地されていない側のポートに給電素子１の一端が接続される。寄生素子２が、給電導体部１Ａの長手方向に対して略平行となる略直線状の導体からなる平行部２Ａと、平行部２Ａに一端が接続されるとともに他端が接地される可変リアクタンス２Ｂとを有する。寄生素子３が、給電導体部１Ａの長手方向に対して略平行となる略直線状の導体からなる平行部３Ａと、平行部３Ａに一端が接続されるとともに給電体部１Ａの長手方向と略垂直となる略直線状の導体からなる垂直部３Ｂと、垂直部３Ｂに一端が接続されるとともに他端が接地される可変リアクタンス３Ｃとを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波を送信及び／又は受信するためのアレーアンテナ装置及びそれを用いて高周波信号を送信及び／又は受信する無線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話を始めとして、車載デジタル放送受信装置、移動体向け無線ＬＡＮ端末など様々な無線装置が利用されている。これらの無線装置の場合、無線装置と放送局との位置関係又は無線装置と基地局との位置関係が無線装置の位置する場所によって変化するため、無線装置の送信波や受信波の方向を放送局又は基地局の方向に向けることが望ましい。
【０００３】
このような要望に応じることができるアンテナとして、例えば、図７に示すような可変指向性アンテナ装置が提案されている。
【０００４】
図７に示す可変指向性アンテナ装置は、電磁波を送信及び／又は受信するための給電素子１０１と、電磁波を導波又は反射するための寄生素子１０２及び１０３とを備えている。
【０００５】
給電素子１０１は略直線状の導体からなる給電導体部１０１Ａを有しており、一方のポートが接地された給電点１０４の他方のポートに給電素子１０１の一端が接続される。給電素子１０１の周囲に配置される無給電の寄生素子１０２は、給電導体部１０１Ａの長手方向に対して略平行となる略直線状の導体からなる平行部１０２Ａと、平行部１０２Ａに一端が接続されるとともに他端が接地される可変リアクタンス１０２Ｂとを有している。寄生素子１０２と同様に給電素子１０１の周囲に配置される無給電の寄生素子１０３は、給電導体部１０１Ａの長手方向に対して略平行となる略直線状の導体からなる平行部１０３Ａと、平行部１０３Ａに一端が接続されるとともに他端が接地される可変リアクタンス１０３Ｂとを有している。
【０００６】
図７に示す可変指向性アンテナ装置では、可変リアクタンス１０２Ｂの値を変化することにより給電素子１０１と寄生素子１０２の結合状態を変化させ、可変リアクタンス１０３Ｂの値を変化することにより給電素子１０１と寄生素子１０３の結合状態を変化させ、指向性を変化させている。例えば、寄生素子１０２を反射エレメント、寄生素子１０３を導波エレメントとするとアンテナの指向性は第１方向を向き、反対に寄生素子１０２が導波エレメント、寄生素子１０３が反射エレメントになるように可変リアクタンス１０２Ｂ及び１０３Ｂの値を設定すると、アンテナの指向性は第２方向を向く。但し、第１方向及び第２方向と垂直な方向である第３方向及び第４方向に関しては常にヌル方向となり、第３方向及び第４方向にはアンテナの指向性を向けることはできない。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２５３０４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、図７に示す可変指向性アンテナ装置を車両のフロントガラス１０５に貼り付ける場合、図８に示すように車両天板をグランドとすると車両の進行方向に垂直な水平方向に指向性が向き、図９に示すように車両ピラーをグランドとすると車両の進行方向又は進行方向逆方向に指向性が向くだけとなり、指向性を制御できる方向が限られてしまうという問題がある。
【０００９】
なお、特許文献１で提案されている可変指向性アンテナ装置は、前後左右方向に指向性を切り替えることを目的としていないため、車両アンテナとして用いた場合、特許文献１において図示されているようなエレメント形状では様々な方向に指向性を向けるようにすることが可能であるかどうか分からない。さらに、特許文献１で提案されている可変指向性アンテナは、金属をベースとしてスロットアンテナであるため、車両のフロントガラスに貼り付けた場合、運転手の視界を妨げるおそれがあるという問題点を有している。
【００１０】
本発明は、上記の状況に鑑み、様々な方向に指向性を制御することができるアレーアンテナ装置及びそれを備えた無線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】
【００１１】
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、略直線状の導体からなる給電導体部を有する給電素子と、前記給電素子の周囲に配置される複数の寄生素子とを備え、一方のポートが接地された給電点の他方のポートに前記給電素子の一端が接続され、前記寄生素子の少なくとも一つが、前記給電導体部の長手方向に対して略平行となる略直線状の導体からなる第１の平行部と、前記第１の平行部に一端が接続されるとともに他端が接地される第１の可変リアクタンスとを有する第１の寄生素子であり、前記寄生素子の少なくとも一つが、前記給電導体部の長手方向に対して略平行となる略直線状の導体からなる第２の平行部と、前記第２の平行部に一端が接続されるとともに前記給電体部の長手方向と略垂直となる略直線状の導体からなる垂直部と、前記垂直部に一端が接続されるとともに他端が接地される第２の可変リアクタンスとを有する第２の寄生素子である構成とする。
【００１２】
また、前記給電素子及び前記寄生素子が車両のガラスに設けられ、前記車両のガラスを支持する金属枠の一辺に前記給電点の一方のポート及び前記第１の可変リアクタンスの他端が接続され、前記金属枠の一辺と略垂直となる前記金属枠の他の一辺に前記第２の可変リアクタンスの他端が接続されているようにしてもよい。
【００１３】
また、前記第２の可変リアクタンスの代わりに固定リアクタンスを用いるようにしてもよい。
【００１４】
また、前記給電導体部の長手方向の長さＬと前記垂直部の長手方向の長さＬ1とが、Ｌ／２≦Ｌ1≦２Ｌの関係を満たすことが望ましい。
【００１５】
上記目的を達成するために本発明に係る無線装置は、上記いずれかの構成のアレーアンテナ装置と、前記アレーアンテナ装置に備えられる前記第１の可変リアクタンス及び前記第２の可変リアクタンスの各値又は前記アレーアンテナ装置に備えられる前記第１の可変リアクタンスの値を制御する指向性制御部と、前記アレーアンテナ装置を用いて高周波信号を送信及び／又は受信する無線部とを備える構成とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によると、給電導体部の長手方向に対して略垂直な方向の指向性だけでなく、略平行な方向の指向性も制御することが可能となる。そのため、様々な方向に指向性を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置の全体構成を図１に示す。図１に示す本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置は、電磁波を送信及び／又は受信するための給電素子１と、電磁波を導波又は反射するための寄生素子２及び３とを備えている。
【００１８】
給電素子１は略直線状の導体からなる給電導体部１Ａを有しており、一方のポートが接地された給電点４の他方のポートに給電素子１の一端が接続される。給電素子１の周囲に配置される無給電の寄生素子２は、給電導体部１Ａの長手方向に対して略平行となる略直線状の導体からなる平行部２Ａと、平行部２Ａに一端が接続されるとともに他端が接地される可変リアクタンス２Ｂとを有している。寄生素子２と同様に給電素子１の周囲に配置される無給電の寄生素子３は、給電導体部１Ａの長手方向に対して略平行となる略直線状の導体からなる平行部３Ａと、平行部３Ａに一端が接続されるとともに給電体部１Ａの長手方向に略垂直となる略直線状の導体からなる垂直部３Ｂと、垂直部３Ｂに一端が接続されるとともに他端が接地される可変リアクタンス３Ｃとを有している。
【００１９】
可変リアクタンス２Ｂ及び３Ｃを例えばバラクタダイオードで実現すると図２に示すようになる。図２では、一対のＡＣ線ＬＮ１及びＬＮ２が給電点として機能し、ＡＣ線ＬＮ１に重畳されたＤＣ電圧がバラクタダイオード２ｂのカソード及びバラクタダイオード３ｃのアノードに印加される。バラクタダイオード２ｂの容量値を変化することにより、給電エレメント１と寄生エレメント２の結合状態を変化させ、バラクタダイオード３ｃの容量値を変化することにより、給電エレメント１と寄生エレメント３の結合状態を変化させ、アンテナの指向性を変化させている。例えば、ＡＣ線ＬＮ１に重畳されたＤＣ電圧を小さくすることにより、バラクタダイオード２ｂの容量値を小さくし、バラクタダイオード３ｃの容量値を大きくすると、寄生エレメント２が導波エレメント、寄生エレメント３が反射エレメントになり、アンテナの指向性は第１方向を向く。反対に、ＡＣ線ＬＮ１に重畳されたＤＣ電圧を大きくすることにより、バラクタダイオード２ｂの容量値を大きくし、バラクタダイオード３ｃの容量を小さくすると、寄生エレメント２が反射エレメント、寄生エレメント３が導波エレメントとなりアンテナの指向性は第３方向を向く。これは、バラクタダイオード２ｂ及び３ｃの容量値に応じて、寄生素子３の垂直部３Ｂと給電素子１とが強く結合するように変化したためである。また、バラクタダイオード２ｂの容量値を大きくし、バラクタダイオード３ｃの容量値を小さくする場合、給電点４及びバラクタダイオード２ｂが接続されるグランドと寄生素子３の垂直部３Ｂとの距離が離れていれば、アンテナの指向性は第４方向にも向き、バラクタダイオード３ｃが接続されるグランドと寄生素子３の平行部３Ａとの距離が離れていれば、アンテナの指向性は第１方向にも向く。
【００２０】
従って、本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置を車両のフロントガラス５に貼り付ける場合、図３（ａ）に示すように、車両天板６と車両ピラー７をグランドとして装着すると、車両の進行方向、及び向かって右方向に対して指向性を向けることができる。また、車両天板６と寄生素子３の垂直部との距離が離れていれば、アンテナの指向性は車両の進行方向逆方向にも向き、車両ピラー７と寄生素子３の平行部との距離が離れていれば、アンテナの指向性は向かって左方向にも向く。
【００２１】
なお、本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置を二つ用意し、図３（ｂ）に示すように車両のフロントガラス５に貼り付けると、車両天板６と寄生素子３の垂直部との距離や車両ピラー７と寄生素子３の平行部との距離にかかわらず、車両の進行方向、向かって右方向、及び向かって左方向に対して指向性を向けることができ、実用上アンテナの指向性に関する問題がなくなる。
【００２２】
また、本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置を二つ用意し、図３（ｂ）に示すように車両のフロントガラス５に貼り付ける場合、車両のフロントガラス５が地面に対して３０°程度傾斜していれば（バスなどの一部の車両を除き大半の車両ではフロントガラスが地面に対して３０°程度傾斜している。）、二つのアレーアンテナ装置の偏波面が揃うので、損失が少ない。これに対して、図３（ｃ）に示すように従来のアンテナ装置を組み合わせた場合、二つのアレーアンテナ装置の偏波面が揃わないので、損失が多くなってしまう。
【００２３】
次に、本発明の第２実施形態に係るアレーアンテナ装置の全体構成を図４に示す。なお、図４において図１と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。
【００２４】
図４に示す本発明の第２実施形態に係るアレーアンテナ装置は、図１に示す本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置から可変リアクタンス３Ｃを取り除き、その代わりに固定リアクタンス３Ｄを設けた構成である。例えば、固定リアクタンス３Ｄの値をバラクタダイオード３ｃの最大容量値（例えば８ｐＦ）と同一にする。
【００２５】
可変リアクタンス２Ｂを例えばバラクタダイオードで実現し、可変リアクタンス２Ｂの容量値を小さく（例えば０．８ｐＦ）すると、寄生素子２が導波エレメント、寄生素子３が反射エレメントになり、アンテナの指向性は第２方向を向く。反対に、可変リアクタンス２Ｂの容量値を大きく（例えば８ｐＦ）すると、寄生素子２が反射エレメント、寄生素子３が導波エレメントとなりアンテナの指向性は第３方向を向く。これは、これは、可変リアクタンス２Ｂの容量値に応じて、寄生素子３の垂直部３Ｂと給電素子１とが強く結合するように変化したためである。また、可変リアクタンス２Ｂの容量値を大きくする場合、給電点４及び可変リアクタンス２Ｂが接続されるグランドと寄生素子３の垂直部３Ｂとの距離が離れていれば、アンテナの指向性は第４方向にも向き、固定リアクタンス３Ｄが接続されるグランドと寄生素子３の平行部３Ａとの距離が離れていれば、アンテナの指向性は第１方向にも向く。
【００２６】
ちなみに、図１に示す本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置から可変リアクタンス２Ｂを取り除き、その代わりに固定リアクタンスを設けた構成では、アンテナの指向性制御ができないことが実験的に明らかになっている。したがって、可変リアクタンスを固定リアクタンスに置換する場合は図４に示す構成にするとよい。
【００２７】
次に、本発明に係るアレーアンテナ装置のパターン寸法について説明する。一般的に、給電素子の長さは、送信及び／又は受信する周波数帯域の中心周波数の１／４波長程度である。本発明に係るアレーアンテナ装置を用いて携帯端末・移動体向け地上デジタルテレビジョン放送（いわゆるワンセグ放送）を受信する場合、ワンセグ放送の受信周波数帯域が４７０ＭＨｚ〜７７０ＭＨｚであるので、給電素子１の長さＬ（図１及び図４参照）を例えば９０ｍｍとすればよい。
【００２８】
また、寄生素子３の垂直部３Ｂの長さＬ1の基準は、第３方向に伝搬する電磁波の波長に対応するため、給電素子１の長さＬと同一になる。続いて、寄生素子３の垂直部３Ｂの長さＬ1の上限及び下限の設定について図５を参照して説明する。図５において、特性線Ｔ１は、図１に示す本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置であって給電素子１の長さＬが９０ｍｍであるものの第１方向に関する特性を示しており、特性線Ｔ２は、図４に示す本発明の第４実施形態に係るアレーアンテナ装置であって固定リアクタンス３Ｄの値が８ｐＦで給電素子１の長さＬが９０ｍｍであるものの第１方向に関する特性を示しており、特性線Ｔ３は、図１に示す本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置であって給電素子１の長さＬが９０ｍｍであるものの第３方向に関する特性を示しており、特性線Ｔ４は、図４に示す本発明の第４実施形態に係るアレーアンテナ装置であって固定リアクタンス３Ｄの値が８ｐＦで給電素子１の長さＬが９０ｍｍであるものの第３方向に関する特性を示している。図５から明らかなように、第１方向の利得と第３方向の利得とはトレードオフの関係にある。寄生素子３の垂直部３Ｂの長さＬ1の下限の設定については、第１方向の利得が図７に示す従来のアンテナよりも小さくならない設定（＝給電素子１の長さＬの半分）にすることが望ましい。一方、寄生素子３の垂直部３Ｂの長さＬ1の上限の設定については、第３方向の利得が図７に示す従来のアンテナよりも小さくならない設定（＝給電素子１の長さＬの２倍）にすることが望ましい。従って、寄生素子３の垂直部３Ｂの長さＬ1は、給電素子１の長さＬの半分以上２倍以下とすることが望ましい。このような設定により、本発明に係るアレーアンテナ装置は、図７に示す従来のアンテナと比較して、第１方向の利得が同程度で、かつ第３方向の利得が大きくなる。
【００２９】
最後に、本発明に係る無線装置について説明する。本発明に係る無線装置として、ここでは受信装置を例に挙げて説明する。本発明に係る受信装置の一構成例を図６に示す。
【００３０】
図６に示す本発明に係る受信装置は、電磁波を受信して信号を得るアンテナ装置８と、アンテナ装置８で得られた信号から所望の周波数帯の信号を選択して取得するとともに周波数変換や増幅などを行う受信部９と、受信部９で取得された信号を復調する復調部１０と、復調部１０で復調されて得られた信号に所定の処理を施して出力信号を得る信号処理部１１と、アンテナ装置８の指向性を制御する指向性制御部６とを備える。なお、アンテナ装置８には、上述した本発明に係るアレーアンテナ装置を用いる。
【００３１】
続いて、図６に示す本発明に係る受信装置の受信動作について説明する。最初に、アンテナ装置８は、空間を伝搬する電磁波を受信して信号を得る。そして、得られた信号を受信部９に出力する。受信部９は、アンテナ装置８から入力される信号から所望の周波数帯の信号を選択して増幅したのち、信号のダウンコンバートを行う。
【００３２】
受信部９によって処理されて出力される信号は、次に信号処理部１１に入力される。信号処理部１１は、例えば、入力される信号の誤り訂正を行ったり、送信装置側で暗号化された信号の複号化などを行ったりして出力信号を生成し、出力する。なお、誤り訂正として、例えば、リード・ソロモン復号化処理や、ビタビ複号化処理などを行っても構わない。
【００３３】
また、指向性制御部１２は、入力される指向性制御信号に基づいてアンテナ装置８の指向性を制御し、良好な受信が行われるようにする。良好な受信とは、例えば、電磁波を受信して得られる信号の強度が十分大きい、ノイズが少ない、復調後の信号の誤りが少ない、などの状況が実現され得る受信を意味する。なお、例えばアンテナ装置８に図２に示す本発明に係るアレーアンテナ装置を用いた場合、指向性制御部１２は、入力される指向性制御信号に基づくＤＣ電圧をＡＣ線ＬＮ１に重畳する。
【００３４】
指向性制御部１２に入力される指向性制御信号は、例えば、アンテナ装置８で受信した信号の状態に基づいて生成されるようにするとよい。信号の状態として、例えば、受信した信号の電力（例えば平均電力）や、搬送波とノイズとのレベル比であるＣＮ（Carrier-Noise）比、誤り訂正を行う際の信号の誤り率などを用いるとよい。
【００３５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実行することができる。例えば、上述した実施形態では、可変リアクタンスの一実施例としてバラクタダイオードを挙げたが、可変リアクタンスは当該実施例に限定されるものでない。また、上述した実施形態では、本発明に係る無線装置の一例として受信装置を挙げたが、本発明に係る無線装置はこれに限定されるものでなく、送信装置や送受信装置であっても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】は、本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置の全体構成を示す図である。
【図２】は、本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置の一実施例を示す図である。
【図３】は、本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置の設置例及びアンテナを二つ設置する場合の設置例を示す図である。
【図４】は、本発明の第２実施形態に係るアレーアンテナ装置の全体構成を示す図である。
【図５】は、本発明に係るアレーアンテナ装置のパターン寸法と電界強度との関係を示す図である。
【図６】は、本発明に係る受信装置の一構成例を示す図である。
【図７】は、可変指向性アンテナの従来例を示す図である。
【図８】は、図７に示す可変指向性アンテナの設置例を示す図である。
【図９】は、図７に示す可変指向性アンテナの他の設置例を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１ 給電素子
１Ａ 給電導体部
２、３ 寄生素子
２Ａ、３Ａ 平行部
２Ｂ、３Ｃ 可変リアクタンス
２ｂ、３ｃ バラクタダイオード
３Ｂ 垂直部
３Ｄ 固定リアクタンス
４ 給電点
５ フロントガラス
６ 車両天板
７ 車両ピラー
８ アンテナ装置
９ 受信部
１０ 復調部
１１ 信号処理部
１２ 指向性制御部
１０１ 給電素子
１０１Ａ 給電導体部
１０２、１０３ 寄生素子
１０２Ａ、１０３Ａ 平行部
１０２Ｂ、１０３Ｂ 可変リアクタンス
１０４ 給電点
１０５ 車両のフロントガラス
Ｌ１、Ｌ２ ＡＣ線
Ｔ１、Ｔ２ 特性線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波を送信及び／又は受信するためのアレーアンテナ装置及びそれを用いて高周波信号を送信及び／又は受信する無線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話を始めとして、車載デジタル放送受信装置、移動体向け無線ＬＡＮ端末など様々な無線装置が利用されている。これらの無線装置の場合、無線装置と放送局との位置関係又は無線装置と基地局との位置関係が無線装置の位置する場所によって変化するため、無線装置の送信波や受信波の方向を放送局又は基地局の方向に向けることが望ましい。
【０００３】
このような要望に応じることができるアンテナとして、例えば、図７に示すような可変指向性アンテナ装置が提案されている。
【０００４】
図７に示す可変指向性アンテナ装置は、電磁波を送信及び／又は受信するための給電素子１０１と、電磁波を導波又は反射するための寄生素子１０２及び１０３とを備えている。
【０００５】
給電素子１０１は略直線状の導体からなる給電導体部１０１Ａを有しており、一方のポートが接地された給電点１０４の他方のポートに給電素子１０１の一端が接続される。給電素子１０１の周囲に配置される無給電の寄生素子１０２は、給電導体部１０１Ａの長手方向に対して略平行となる略直線状の導体からなる平行部１０２Ａと、平行部１０２Ａに一端が接続されるとともに他端が接地される可変リアクタンス１０２Ｂとを有している。寄生素子１０２と同様に給電素子１０１の周囲に配置される無給電の寄生素子１０３は、給電導体部１０１Ａの長手方向に対して略平行となる略直線状の導体からなる平行部１０３Ａと、平行部１０３Ａに一端が接続されるとともに他端が接地される可変リアクタンス１０３Ｂとを有している。
【０００６】
図７に示す可変指向性アンテナ装置では、可変リアクタンス１０２Ｂの値を変化することにより給電素子１０１と寄生素子１０２の結合状態を変化させ、可変リアクタンス１０３Ｂの値を変化することにより給電素子１０１と寄生素子１０３の結合状態を変化させ、指向性を変化させている。例えば、寄生素子１０２を反射エレメント、寄生素子１０３を導波エレメントとするとアンテナの指向性は第１方向を向き、反対に寄生素子１０２が導波エレメント、寄生素子１０３が反射エレメントになるように可変リアクタンス１０２Ｂ及び１０３Ｂの値を設定すると、アンテナの指向性は第２方向を向く。但し、第１方向及び第２方向と垂直な方向である第３方向及び第４方向に関しては常にヌル方向となり、第３方向及び第４方向にはアンテナの指向性を向けることはできない。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２５３０４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、図７に示す可変指向性アンテナ装置を車両のフロントガラス１０５に貼り付ける場合、図８に示すように車両天板をグランドとすると車両の進行方向に垂直な水平方向に指向性が向き、図９に示すように車両ピラーをグランドとすると車両の進行方向又は進行方向逆方向に指向性が向くだけとなり、指向性を制御できる方向が限られてしまうという問題がある。
【０００９】
なお、特許文献１で提案されている可変指向性アンテナ装置は、前後左右方向に指向性を切り替えることを目的としていないため、車両アンテナとして用いた場合、特許文献１において図示されているようなエレメント形状では様々な方向に指向性を向けるようにすることが可能であるかどうか分からない。さらに、特許文献１で提案されている可変指向性アンテナは、金属をベースとしてスロットアンテナであるため、車両のフロントガラスに貼り付けた場合、運転手の視界を妨げるおそれがあるという問題点を有している。
【００１０】
本発明は、上記の状況に鑑み、様々な方向に指向性を制御することができるアレーアンテナ装置及びそれを備えた無線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】
【００１１】
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、略直線状の導体からなる給電導体部を有する給電素子と、前記給電素子の周囲に配置される複数の寄生素子とを備え、一方のポートが接地された給電点の他方のポートに前記給電素子の一端が接続され、前記寄生素子の少なくとも一つが、前記給電導体部の長手方向に対して略平行となる略直線状の導体からなる第１の平行部と、前記第１の平行部に一端が接続されるとともに他端が接地される第１の可変リアクタンスとを有する第１の寄生素子であり、前記寄生素子の少なくとも一つが、前記給電導体部の長手方向に対して略平行となる略直線状の導体からなる第２の平行部と、前記第２の平行部に一端が接続されるとともに前記給電体部の長手方向と略垂直となる略直線状の導体からなる垂直部と、前記垂直部に一端が接続されるとともに他端が接地される第２の可変リアクタンスとを有する第２の寄生素子である構成とする。
【００１２】
また、前記給電素子及び前記寄生素子が車両のガラスに設けられ、前記車両のガラスを支持する金属枠の一辺に前記給電点の一方のポート及び前記第１の可変リアクタンスの他端が接続され、前記金属枠の一辺と略垂直となる前記金属枠の他の一辺に前記第２の可変リアクタンスの他端が接続されているようにしてもよい。
【００１３】
また、前記第２の可変リアクタンスの代わりに固定リアクタンスを用いるようにしてもよい。
【００１４】
また、前記給電導体部の長手方向の長さＬと前記垂直部の長手方向の長さＬ1とが、Ｌ／２≦Ｌ1≦２Ｌの関係を満たすことが望ましい。
【００１５】
上記目的を達成するために本発明に係る無線装置は、上記いずれかの構成のアレーアンテナ装置と、前記アレーアンテナ装置に備えられる前記第１の可変リアクタンス及び前記第２の可変リアクタンスの各値又は前記アレーアンテナ装置に備えられる前記第１の可変リアクタンスの値を制御する指向性制御部と、前記アレーアンテナ装置を用いて高周波信号を送信及び／又は受信する無線部とを備える構成とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によると、給電導体部の長手方向に対して略垂直な方向の指向性だけでなく、略平行な方向の指向性も制御することが可能となる。そのため、様々な方向に指向性を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置の全体構成を図１に示す。図１に示す本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置は、電磁波を送信及び／又は受信するための給電素子１と、電磁波を導波又は反射するための寄生素子２及び３とを備えている。
【００１８】
給電素子１は略直線状の導体からなる給電導体部１Ａを有しており、一方のポートが接地された給電点４の他方のポートに給電素子１の一端が接続される。給電素子１の周囲に配置される無給電の寄生素子２は、給電導体部１Ａの長手方向に対して略平行となる略直線状の導体からなる平行部２Ａと、平行部２Ａに一端が接続されるとともに他端が接地される可変リアクタンス２Ｂとを有している。寄生素子２と同様に給電素子１の周囲に配置される無給電の寄生素子３は、給電導体部１Ａの長手方向に対して略平行となる略直線状の導体からなる平行部３Ａと、平行部３Ａに一端が接続されるとともに給電体部１Ａの長手方向に略垂直となる略直線状の導体からなる垂直部３Ｂと、垂直部３Ｂに一端が接続されるとともに他端が接地される可変リアクタンス３Ｃとを有している。
【００１９】
可変リアクタンス２Ｂ及び３Ｃを例えばバラクタダイオードで実現すると図２に示すようになる。図２では、一対のＡＣ線ＬＮ１及びＬＮ２が給電点として機能し、ＡＣ線ＬＮ１に重畳されたＤＣ電圧がバラクタダイオード２ｂのカソード及びバラクタダイオード３ｃのアノードに印加される。バラクタダイオード２ｂの容量値を変化することにより、給電エレメント１と寄生エレメント２の結合状態を変化させ、バラクタダイオード３ｃの容量値を変化することにより、給電エレメント１と寄生エレメント３の結合状態を変化させ、アンテナの指向性を変化させている。例えば、ＡＣ線ＬＮ１に重畳されたＤＣ電圧を小さくすることにより、バラクタダイオード２ｂの容量値を小さくし、バラクタダイオード３ｃの容量値を大きくすると、寄生エレメント２が導波エレメント、寄生エレメント３が反射エレメントになり、アンテナの指向性は第１方向を向く。反対に、ＡＣ線ＬＮ１に重畳されたＤＣ電圧を大きくすることにより、バラクタダイオード２ｂの容量値を大きくし、バラクタダイオード３ｃの容量を小さくすると、寄生エレメント２が反射エレメント、寄生エレメント３が導波エレメントとなりアンテナの指向性は第３方向を向く。これは、バラクタダイオード２ｂ及び３ｃの容量値に応じて、寄生素子３の垂直部３Ｂと給電素子１とが強く結合するように変化したためである。また、バラクタダイオード２ｂの容量値を大きくし、バラクタダイオード３ｃの容量値を小さくする場合、給電点４及びバラクタダイオード２ｂが接続されるグランドと寄生素子３の垂直部３Ｂとの距離が離れていれば、アンテナの指向性は第４方向にも向き、バラクタダイオード３ｃが接続されるグランドと寄生素子３の平行部３Ａとの距離が離れていれば、アンテナの指向性は第１方向にも向く。
【００２０】
従って、本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置を車両のフロントガラス５に貼り付ける場合、図３（ａ）に示すように、車両天板６と車両ピラー７をグランドとして装着すると、車両の進行方向、及び向かって右方向に対して指向性を向けることができる。また、車両天板６と寄生素子３の垂直部との距離が離れていれば、アンテナの指向性は車両の進行方向逆方向にも向き、車両ピラー７と寄生素子３の平行部との距離が離れていれば、アンテナの指向性は向かって左方向にも向く。
【００２１】
なお、本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置を二つ用意し、図３（ｂ）に示すように車両のフロントガラス５に貼り付けると、車両天板６と寄生素子３の垂直部との距離や車両ピラー７と寄生素子３の平行部との距離にかかわらず、車両の進行方向、向かって右方向、及び向かって左方向に対して指向性を向けることができ、実用上アンテナの指向性に関する問題がなくなる。
【００２２】
また、本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置を二つ用意し、図３（ｂ）に示すように車両のフロントガラス５に貼り付ける場合、車両のフロントガラス５が地面に対して３０°程度傾斜していれば（バスなどの一部の車両を除き大半の車両ではフロントガラスが地面に対して３０°程度傾斜している。）、二つのアレーアンテナ装置の偏波面が揃うので、損失が少ない。これに対して、図３（ｃ）に示すように従来のアンテナ装置を組み合わせた場合、二つのアレーアンテナ装置の偏波面が揃わないので、損失が多くなってしまう。
【００２３】
次に、本発明の第２実施形態に係るアレーアンテナ装置の全体構成を図４に示す。なお、図４において図１と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。
【００２４】
図４に示す本発明の第２実施形態に係るアレーアンテナ装置は、図１に示す本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置から可変リアクタンス３Ｃを取り除き、その代わりに固定リアクタンス３Ｄを設けた構成である。例えば、固定リアクタンス３Ｄの値をバラクタダイオード３ｃの最大容量値（例えば８ｐＦ）と同一にする。
【００２５】
可変リアクタンス２Ｂを例えばバラクタダイオードで実現し、可変リアクタンス２Ｂの容量値を小さく（例えば０．８ｐＦ）すると、寄生素子２が導波エレメント、寄生素子３が反射エレメントになり、アンテナの指向性は第２方向を向く。反対に、可変リアクタンス２Ｂの容量値を大きく（例えば８ｐＦ）すると、寄生素子２が反射エレメント、寄生素子３が導波エレメントとなりアンテナの指向性は第３方向を向く。これは、これは、可変リアクタンス２Ｂの容量値に応じて、寄生素子３の垂直部３Ｂと給電素子１とが強く結合するように変化したためである。また、可変リアクタンス２Ｂの容量値を大きくする場合、給電点４及び可変リアクタンス２Ｂが接続されるグランドと寄生素子３の垂直部３Ｂとの距離が離れていれば、アンテナの指向性は第４方向にも向き、固定リアクタンス３Ｄが接続されるグランドと寄生素子３の平行部３Ａとの距離が離れていれば、アンテナの指向性は第１方向にも向く。
【００２６】
ちなみに、図１に示す本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置から可変リアクタンス２Ｂを取り除き、その代わりに固定リアクタンスを設けた構成では、アンテナの指向性制御ができないことが実験的に明らかになっている。したがって、可変リアクタンスを固定リアクタンスに置換する場合は図４に示す構成にするとよい。
【００２７】
次に、本発明に係るアレーアンテナ装置のパターン寸法について説明する。一般的に、給電素子の長さは、送信及び／又は受信する周波数帯域の中心周波数の１／４波長程度である。本発明に係るアレーアンテナ装置を用いて携帯端末・移動体向け地上デジタルテレビジョン放送（いわゆるワンセグ放送）を受信する場合、ワンセグ放送の受信周波数帯域が４７０ＭＨｚ〜７７０ＭＨｚであるので、給電素子１の長さＬ（図１及び図４参照）を例えば９０ｍｍとすればよい。
【００２８】
また、寄生素子３の垂直部３Ｂの長さＬ1の基準は、第３方向に伝搬する電磁波の波長に対応するため、給電素子１の長さＬと同一になる。続いて、寄生素子３の垂直部３Ｂの長さＬ1の上限及び下限の設定について図５を参照して説明する。図５において、特性線Ｔ１は、図１に示す本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置であって給電素子１の長さＬが９０ｍｍであるものの第１方向に関する特性を示しており、特性線Ｔ２は、図４に示す本発明の第４実施形態に係るアレーアンテナ装置であって固定リアクタンス３Ｄの値が８ｐＦで給電素子１の長さＬが９０ｍｍであるものの第１方向に関する特性を示しており、特性線Ｔ３は、図１に示す本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置であって給電素子１の長さＬが９０ｍｍであるものの第３方向に関する特性を示しており、特性線Ｔ４は、図４に示す本発明の第４実施形態に係るアレーアンテナ装置であって固定リアクタンス３Ｄの値が８ｐＦで給電素子１の長さＬが９０ｍｍであるものの第３方向に関する特性を示している。図５から明らかなように、第１方向の利得と第３方向の利得とはトレードオフの関係にある。寄生素子３の垂直部３Ｂの長さＬ1の下限の設定については、第１方向の利得が図７に示す従来のアンテナよりも小さくならない設定（＝給電素子１の長さＬの半分）にすることが望ましい。一方、寄生素子３の垂直部３Ｂの長さＬ1の上限の設定については、第３方向の利得が図７に示す従来のアンテナよりも小さくならない設定（＝給電素子１の長さＬの２倍）にすることが望ましい。従って、寄生素子３の垂直部３Ｂの長さＬ1は、給電素子１の長さＬの半分以上２倍以下とすることが望ましい。このような設定により、本発明に係るアレーアンテナ装置は、図７に示す従来のアンテナと比較して、第１方向の利得が同程度で、かつ第３方向の利得が大きくなる。
【００２９】
最後に、本発明に係る無線装置について説明する。本発明に係る無線装置として、ここでは受信装置を例に挙げて説明する。本発明に係る受信装置の一構成例を図６に示す。
【００３０】
図６に示す本発明に係る受信装置は、電磁波を受信して信号を得るアンテナ装置８と、アンテナ装置８で得られた信号から所望の周波数帯の信号を選択して取得するとともに周波数変換や増幅などを行う受信部９と、受信部９で取得された信号を復調する復調部１０と、復調部１０で復調されて得られた信号に所定の処理を施して出力信号を得る信号処理部１１と、アンテナ装置８の指向性を制御する指向性制御部６とを備える。なお、アンテナ装置８には、上述した本発明に係るアレーアンテナ装置を用いる。
【００３１】
続いて、図６に示す本発明に係る受信装置の受信動作について説明する。最初に、アンテナ装置８は、空間を伝搬する電磁波を受信して信号を得る。そして、得られた信号を受信部９に出力する。受信部９は、アンテナ装置８から入力される信号から所望の周波数帯の信号を選択して増幅したのち、信号のダウンコンバートを行う。
【００３２】
受信部９によって処理されて出力される信号は、次に信号処理部１１に入力される。信号処理部１１は、例えば、入力される信号の誤り訂正を行ったり、送信装置側で暗号化された信号の複号化などを行ったりして出力信号を生成し、出力する。なお、誤り訂正として、例えば、リード・ソロモン復号化処理や、ビタビ複号化処理などを行っても構わない。
【００３３】
また、指向性制御部１２は、入力される指向性制御信号に基づいてアンテナ装置８の指向性を制御し、良好な受信が行われるようにする。良好な受信とは、例えば、電磁波を受信して得られる信号の強度が十分大きい、ノイズが少ない、復調後の信号の誤りが少ない、などの状況が実現され得る受信を意味する。なお、例えばアンテナ装置８に図２に示す本発明に係るアレーアンテナ装置を用いた場合、指向性制御部１２は、入力される指向性制御信号に基づくＤＣ電圧をＡＣ線ＬＮ１に重畳する。
【００３４】
指向性制御部１２に入力される指向性制御信号は、例えば、アンテナ装置８で受信した信号の状態に基づいて生成されるようにするとよい。信号の状態として、例えば、受信した信号の電力（例えば平均電力）や、搬送波とノイズとのレベル比であるＣＮ（Carrier-Noise）比、誤り訂正を行う際の信号の誤り率などを用いるとよい。
【００３５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実行することができる。例えば、上述した実施形態では、可変リアクタンスの一実施例としてバラクタダイオードを挙げたが、可変リアクタンスは当該実施例に限定されるものでない。また、上述した実施形態では、本発明に係る無線装置の一例として受信装置を挙げたが、本発明に係る無線装置はこれに限定されるものでなく、送信装置や送受信装置であっても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】は、本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置の全体構成を示す図である。
【図２】は、本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置の一実施例を示す図である。
【図３】は、本発明の第１実施形態に係るアレーアンテナ装置の設置例及びアンテナを二つ設置する場合の設置例を示す図である。
【図４】は、本発明の第２実施形態に係るアレーアンテナ装置の全体構成を示す図である。
【図５】は、本発明に係るアレーアンテナ装置のパターン寸法と電界強度との関係を示す図である。
【図６】は、本発明に係る受信装置の一構成例を示す図である。
【図７】は、可変指向性アンテナの従来例を示す図である。
【図８】は、図７に示す可変指向性アンテナの設置例を示す図である。
【図９】は、図７に示す可変指向性アンテナの他の設置例を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１ 給電素子
１Ａ 給電導体部
２、３ 寄生素子
２Ａ、３Ａ 平行部
２Ｂ、３Ｃ 可変リアクタンス
２ｂ、３ｃ バラクタダイオード
３Ｂ 垂直部
３Ｄ 固定リアクタンス
４ 給電点
５ フロントガラス
６ 車両天板
７ 車両ピラー
８ アンテナ装置
９ 受信部
１０ 復調部
１１ 信号処理部
１２ 指向性制御部
１０１ 給電素子
１０１Ａ 給電導体部
１０２、１０３ 寄生素子
１０２Ａ、１０３Ａ 平行部
１０２Ｂ、１０３Ｂ 可変リアクタンス
１０４ 給電点
１０５ 車両のフロントガラス
Ｌ１、Ｌ２ ＡＣ線
Ｔ１、Ｔ２ 特性線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略直線状の導体からなる給電導体部を有する給電素子と、
前記給電素子の周囲に配置される複数の寄生素子とを備え、
一方のポートが接地された給電点の他方のポートに前記給電素子の一端が接続され、
前記寄生素子の少なくとも一つが、前記給電導体部の長手方向に対して略平行となる略直線状の導体からなる第１の平行部と、前記第１の平行部に一端が接続されるとともに他端が接地される第１の可変リアクタンスとを有する第１の寄生素子であり、
前記寄生素子の少なくとも一つが、前記給電導体部の長手方向に対して略平行となる略直線状の導体からなる第２の平行部と、前記第２の平行部に一端が接続されるとともに前記給電体部の長手方向と略垂直となる略直線状の導体からなる垂直部と、前記垂直部に一端が接続されるとともに他端が接地される第２の可変リアクタンスとを有する第２の寄生素子であることを特徴とするアレーアンテナ装置。
【請求項２】
前記給電素子及び前記寄生素子が車両のガラスに設けられ、
前記車両のガラスを支持する金属枠の一辺に前記給電点の一方のポート及び前記第１の可変リアクタンスの他端が接続され、
前記金属枠の一辺と略垂直となる前記金属枠の他の一辺に前記第２の可変リアクタンスの他端が接続されている請求項１に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項３】
前記第２の可変リアクタンスの代わりに固定リアクタンスを用いる請求項１又は請求項２に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項４】
前記給電導体部の長手方向の長さＬと前記垂直部の長手方向の長さＬ1とが、
Ｌ／２≦Ｌ1≦２Ｌ
の関係を満たす請求項１〜３のいずれか１項に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のアレーアンテナ装置と、
前記アレーアンテナ装置に備えられる前記第１の可変リアクタンス及び前記第２の可変リアクタンスの各値又は前記アレーアンテナ装置に備えられる前記第１の可変リアクタンスの値を制御する指向性制御部と、
前記アレーアンテナ装置を用いて高周波信号を送信及び／又は受信する無線部とを備えることを特徴とする無線装置。
【請求項１】
略直線状の導体からなる給電導体部を有する給電素子と、
前記給電素子の周囲に配置される複数の寄生素子とを備え、
一方のポートが接地された給電点の他方のポートに前記給電素子の一端が接続され、
前記寄生素子の少なくとも一つが、前記給電導体部の長手方向に対して略平行となる略直線状の導体からなる第１の平行部と、前記第１の平行部に一端が接続されるとともに他端が接地される第１の可変リアクタンスとを有する第１の寄生素子であり、
前記寄生素子の少なくとも一つが、前記給電導体部の長手方向に対して略平行となる略直線状の導体からなる第２の平行部と、前記第２の平行部に一端が接続されるとともに前記給電体部の長手方向と略垂直となる略直線状の導体からなる垂直部と、前記垂直部に一端が接続されるとともに他端が接地される第２の可変リアクタンスとを有する第２の寄生素子であることを特徴とするアレーアンテナ装置。
【請求項２】
前記給電素子及び前記寄生素子が車両のガラスに設けられ、
前記車両のガラスを支持する金属枠の一辺に前記給電点の一方のポート及び前記第１の可変リアクタンスの他端が接続され、
前記金属枠の一辺と略垂直となる前記金属枠の他の一辺に前記第２の可変リアクタンスの他端が接続されている請求項１に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項３】
前記第２の可変リアクタンスの代わりに固定リアクタンスを用いる請求項１又は請求項２に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項４】
前記給電導体部の長手方向の長さＬと前記垂直部の長手方向の長さＬ1とが、
Ｌ／２≦Ｌ1≦２Ｌ
の関係を満たす請求項１〜３のいずれか１項に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のアレーアンテナ装置と、
前記アレーアンテナ装置に備えられる前記第１の可変リアクタンス及び前記第２の可変リアクタンスの各値又は前記アレーアンテナ装置に備えられる前記第１の可変リアクタンスの値を制御する指向性制御部と、
前記アレーアンテナ装置を用いて高周波信号を送信及び／又は受信する無線部とを備えることを特徴とする無線装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−１１８９７１（Ｐ２０１０−１１８９７１Ａ）
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９１６８５（Ｐ２００８−２９１６８５）
【出願日】平成２０年１１月１４日（２００８．１１．１４）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【出願人】（５０４１４５３２０）国立大学法人福井大学 (287)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１４日（２００８．１１．１４）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【出願人】（５０４１４５３２０）国立大学法人福井大学 (287)
【Ｆターム（参考）】
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