アンテナ装置、及び無線通信装置
【課題】指向性を２次元的に制御可能な小型のアンテナ装置及びこれを搭載した無線通信装置を提供すること。
【解決手段】略矩形のパッチアンテナと、前記パッチアンテナの各辺の周囲にそれぞれ配置された複数の寄生素子と、前記各寄生素子の電気長を切り替える切替手段と、を備え、前記切替手段は、前記寄生素子が反射器として機能するように前記電気長を切り替えることが可能である、アンテナ装置が提供される。また、これを搭載した無線通信装置が提供される。
【解決手段】略矩形のパッチアンテナと、前記パッチアンテナの各辺の周囲にそれぞれ配置された複数の寄生素子と、前記各寄生素子の電気長を切り替える切替手段と、を備え、前記切替手段は、前記寄生素子が反射器として機能するように前記電気長を切り替えることが可能である、アンテナ装置が提供される。また、これを搭載した無線通信装置が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ装置、及び無線通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動体通信用基地局に用いられるアンテナ装置では、通信容量の増大のためＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）機能や指向性可変機能が求められている。一般にアンテナ装置の指向性可変は複数のアンテナを配置して行うが、アンテナの回路構成が複雑になる。
【０００３】
また、移動体通信用基地局は小型化に対する要求があり、アンテナ装置の小型化も望まれている。このアンテナ装置の小型化と指向性可変機能を有するアンテナ装置として、例えば、特許文献１に提案されたものがある。このアンテナ装置では、λ／４短絡型マイクロストリップアンテナの両端部に寄生素子を配置し、寄生素子に接続したスイッチのＯＮ／ＯＦＦにより指向性を可変している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２１９５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記λ／４短絡型マイクロストリップアンテナでは、給電素子の両端部に配置した寄生素子を用いて指向性を可変させているが、指向性の可変方向は一次元方向に限られており、この点で改善の余地があった。また、このλ／４短絡型マイクロストリップアンテナでは、λ／４短絡型マイクロストリップアンテナ及び寄生素子が立体構成であるため、小型化の点で改善の余地があった。
【０００６】
本発明は上記に鑑み、指向性の可変方向を改善し、構成の小型化を実現するアンテナ装置、及びこれを搭載した無線通信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】
【０００７】
本発明のある観点によれば、略矩形のパッチアンテナと、前記パッチアンテナの各辺の周囲にそれぞれ配置された複数の寄生素子と、前記各寄生素子の電気長を切り替える切替手段と、を備え、前記切替手段は、前記寄生素子が反射器として機能するように前記電気長を切り替えることが可能である、アンテナ装置が提供される。例えば、パッチアンテナの一辺に略平行な寄生素子の電気長を切り替え、反射器として動作させることで、その寄生素子と反対方向に指向性を向けることができる。逆に、その寄生素子を導波器として機能させることで、その寄生素子の方向に指向性を向けることができる。上記のアンテナ装置は、パッチアンテナの各辺の周囲に寄生素子を配置しているため、少なくとも４つの寄生素子が存在する。そのため、少なくとも４つの寄生素子を同時に導波器又は反射器として動作させるように制御することで、２次元的に指向性を制御することが可能になる。
【０００８】
また、前記切替手段は、前記寄生素子が導波器として機能するように前記電気長を切り替えることが可能であるように構成されていてもよい。かかる構成のように、寄生素子の電気長を適切に制御することにより、反射器としても、導波器としても機能するように構成することが可能になる。
【０００９】
また、前記各寄生素子は、前記パッチアンテナの一辺と略平行になる１本の長辺と、当該長辺の端部に一端が接続され、かつ、他端がグラウンド導体に接続される２本の短辺とで構成される金属ワイヤにより形成されていてもよい。金属ワイヤにより構成することで、アンテナ装置の小型化が可能になる。
【００１０】
また、前記切替手段は、前記長辺の中央付近に設けられ、オフの状態で当該長辺を分断する第１スイッチと、前記２本の短辺にそれぞれ設けられ、オフの状態で当該短辺を分断する２つの第２スイッチと、を含むように構成されていてもよい。さらに、前記第１及び第２スイッチが全てオンの状態で前記金属ワイヤの長さが前記パッチアンテナの共振周波数における波長の１／２の長さより長くなり、前記第１スイッチがオン、かつ、前記第２スイッチがオフの状態で前記金属ワイヤの長さが前記パッチアンテナの共振周波数における波長の１／２の長さより短くなるように構成されていてもよい。かかる構成によれば、スイッチの切り替えにより、寄生素子を導波器及び反射器として機能させることが容易に可能になる。
【００１１】
また、前記各寄生素子は、前記パッチアンテナの一辺と略平行な方向を長手方向とし、前記パッチアンテナが設置される誘電体基板上に積層された導体薄板により形成されていてもよい。この場合、前記導体薄板の中央付近には、前記切替手段が形成される。かかる構成により、アンテナ装置の高さをより低くすることが可能になり、更なる小型化に寄与する。
【００１２】
また、前記各寄生素子は、前記パッチアンテナの一辺と略平行な方向を長手方向とする第１の導体薄板と、前記第１の導体薄板よりも前記パッチアンテナの一辺から遠ざかった位置に配置され、前記パッチアンテナの一辺と略平行な方向を長手方向とする第２の導体薄板と、により形成されていてもよい。この場合、前記導体薄板の中央付近には、前記切替手段が形成される。かかる構成により、アンテナ装置の高さをより低くすることが可能になり、更なる小型化に寄与する。
【００１３】
なお、前記切替手段は、例えば、オフの状態で前記導体薄板を分断するスイッチである。また、前記スイッチがオンの状態で前記導体薄板の長さが前記パッチアンテナの共振周波数における波長の１／２の長さより長くなるように設定される。かかる構成により、スイッチのオン／オフを切り替えることで、寄生素子の反射器としての機能を容易にオン／オフすることが可能になる。
【００１４】
また、前記各寄生素子は、２本のＬ字型金属ワイヤにより形成されていてもよい。さらに、前記Ｌ字型金属ワイヤの一端は、前記パッチアンテナが設置される誘電体基板を貫通して、当該誘電体基板の裏面に設けられた前記切替手段に接続されるように構成されていてもよい。かかる構成によると、切替手段が誘電体基板の背面に設けられるため、アンテナ装置の高さを更に低減することが可能になり、更なる小型化に寄与する。
【００１５】
また、前記切替手段は、オンの状態で前記２本のＬ字型金属ワイヤを接続し、オフの状態で前記２本のＬ字型金属ワイヤを分断するスイッチであってもよい。また、前記２本のＬ字型金属ワイヤの合計長さは、前記パッチアンテナの共振周波数における波長の１／２の長さより長くなるように設定される。かかる構成により、スイッチのオン／オフにより容易に寄生素子を反射器として機能させることが可能になる。
【００１６】
また、本発明の他の観点によれば、上記のアンテナ装置と、前記切替手段を制御する制御手段とを備える、無線通信装置が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、指向性を２次元方向に可変可能とし、構成の小型化を可能にするアンテナ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【図１Ｂ】本発明の第１実施形態に係る寄生素子の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る寄生素子のスイッチの切り替え動作の一例を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置の放射特性を可変した例を示すグラフである。
【図４Ａ】本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置における寄生素子のスイッチの切り替え動作例を示す図である。
【図４Ｂ】本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置における寄生素子のスイッチの切り替え動作に伴う指向性の可変状態を示す図である。
【図５Ａ】本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置における寄生素子のスイッチの切り替え動作例を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置における寄生素子のスイッチの切り替え動作に伴う指向性の可変状態を示す図である。
【図６Ａ】本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置における寄生素子のスイッチの他の切り替え動作例を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置における寄生素子のスイッチの他の切り替え動作に伴う指向性の可変状態を示す図である。
【図７Ａ】本発明の第２実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図を示す図である。
【図７Ｂ】本発明の第２実施形態に係る寄生素子の構成を示す図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
【図９Ａ】本発明の第３実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す平面図である。
【図９Ｂ】本発明の第３実施形態に係るアンテナ装置の領域Ａを拡大した図である。
【図１０Ａ】本発明の第３実施形態に係るアンテナ装置における寄生素子のスイッチの切り替え動作例を示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の第３実施形態に係るアンテナ装置における寄生素子のスイッチの切り替え動作例を示す図である。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る切り替え動作に対応する指向性の可変状態を示すグラフである。
【図１２Ａ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の構成を示した図である。
【図１２Ｂ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の構成を示した図である。
【図１２Ｃ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の構成を示した図である。
【図１３Ａ】本発明の第４実施形態に係るスイッチの構成を示した図である。
【図１３Ｂ】本発明の第４実施形態に係るスイッチの構成を示した図である。
【図１４】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の動作例を示した図である。
【図１５Ａ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の動作例を示した図である。
【図１５Ｂ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の放射特性を示した図である。
【図１６Ａ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の動作例を示した図である。
【図１６Ｂ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の放射特性を示した図である。
【図１７Ａ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の動作例を示した図である。
【図１７Ｂ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の放射特性を示した図である。
【図１８】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の動作例を示した図である。
【図１９Ａ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の動作例を示した図である。
【図１９Ｂ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の放射特性を示した図である。
【図２０Ａ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の動作例を示した図である。
【図２０Ｂ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の放射特性を示した図である。
【図２１Ａ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の動作例を示した図である。
【図２１Ｂ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の放射特性を示した図である。
【図２２】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の一変形例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２０】
（第１実施形態：金属ワイヤで寄生素子を形成する構成）
以下、本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置１００について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
＜構成＞
図１Ａは、第１実施形態に係るアンテナ装置１００の構成を示す斜視図である。図１Ａに示すように、アンテナ装置１００は、グラウンド導体１０１と、パッチアンテナ１０２と、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６（無給電素子）と、を備える。例えば、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６は、金属ワイヤにより構成される。なお、金属ワイヤの材質としては、例えば、鉄やアルミ等の導体が用いられる。
【００２２】
パッチアンテナ１０２は、矩形状であり、グラウンド導体１０１上にスペーサ（非図示）を介して配置されている。また、パッチアンテナ１０２には、検波方向が規定される位置に給電点１０７が設けられる。さらに、パッチアンテナ１０２は、給電点１０７を介してグラウンド導体１０１と接続される。グラウンド導体１０１及びパッチアンテナ１０２のサイズは任意に決めることができる。例えば、グラウンド導体１０１を１辺が５０ｍｍの正方形とし、パッチアンテナ１０２を１辺が２４．４ｍｍの正方形とすることができる。
【００２３】
寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６は、パッチアンテナ１０２の各辺の周囲に配置され、それぞれグラウンド導体１０１上に設けられる。また、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６には、それぞれ、略中央部及び両端部の３カ所にスイッチが設けられている。一例として、寄生素子１０３に設けられたスイッチの構成を図１Ｂに示した。図１Ｂに示すように、寄生素子１０３には、３ヶ所にスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３が設けられている。これらのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をＯＮ／ＯＦＦすることにより、寄生素子１０３を構成する金属ワイヤに設けられた間隙が短絡／開放される。なお、寄生素子１０４、１０５、１０６についても、同様のスイッチが設けられている。また、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３は、機械的な接点を有するスイッチであってもよいし、或いは、機械的な接点を有しない半導体素子等を利用したスイッチであってもよい。
【００２４】
ところで、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の長さ（図１Ａにおける長辺ＬＡ＋短辺ＬＤ×２）は、例えば、パッチアンテナ１０２の共振周波数における波長λの１／２（即ちλ／２）程度に設定される。また、図１Ａに示すように、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６は、それぞれ、グラウンド導体１０１の各辺から距離ＬＢの位置に長辺部分が配置され、グラウンド導体１０１の各辺から距離ＬＣの位置に短辺部分が配置される。例えば、長辺ＬＡは４７．２ｍｍに設定され、短辺ＬＤは２．８ｍｍに設定され、距離ＬＢは５．６ｍｍに設定され、距離ＬＣは２．８ｍｍに設定されうる。もちろん、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の寸法や配置はこれに限定されるものではなく、パッチアンテナ１０２の共振周波数やグラウンド導体１０１の大きさ等に応じて適宜変更可能である。
【００２５】
さて、本実施形態に係るアンテナ装置１００は、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６にそれぞれ設けられているスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、指向性を切り替えることができる。寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦの切り替えに応じて、導波器として機能する状態、反射器として機能する状態、或いは、導波器及び反射器として機能しない状態に変化する。そのため、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６のうち、導波器として機能するものと、反射器として機能するものと、導波器及び反射器として機能しないものとの組み合わせを変更することにより、指向性を切り替えることが可能になるのである。
【００２６】
ここで、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦ状態と寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の機能との関係について、図２を参照しながら説明する。図２は、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の機能とスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦ状態との関係を示す表である。
【００２７】
スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３が全てＯＦＦの場合、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６を構成する金属ワイヤは分断されるため、導波器又は反射器としては機能しない（Ｎｏｎｅ）。スイッチＳＷ１がＯＮ、スイッチＳＷ２、ＳＷ３がＯＦＦの場合（即ち、金属ワイヤの中央部を接続し、両端部を開放した場合）、金属ワイヤの電気長は、パッチアンテナ１０２の共振周波数における波長λの１／２（即ち、λ／２）より若干短くなる。そのため、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６は、導波器（Ｄｉｒｅｃｔｏｒ）として機能する。一方、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３が全てＯＮの場合、金属ワイヤの電気長はλ／２より若干長くなる。そのため、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６は、反射器（Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）として機能する。
【００２８】
以上、本実施形態に係るアンテナ装置１００の構成について説明した。
【００２９】
＜動作＞
次に、図３〜図６を参照しながら、本実施形態に係るアンテナ装置１００の動作について説明する。なお、本実施形態に係るアンテナ装置１００は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３を制御して指向性を切り替える際、例えば、対向配置された一対の寄生素子１０３、１０５を組にして制御し、対向配置された一対の寄生素子１０４、１０６を組にして制御する。例えば、アンテナ装置１００は、寄生素子１０４を導波器、寄生素子１０６を反射器として動作させたり、或いは、寄生素子１０４を反射器、寄生素子１０６を導波器として動作させたりする。寄生素子１０３、１０５の組についても同様である。
【００３０】
（放射特性）
まず、図３を参照しながら、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の機能と放射特性との関係について説明する。図３は、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の制御に伴う放射特性の変化を示したグラフである。
【００３１】
図３に示した実線（ｎｏｎｅ）は、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６のスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３を全てＯＦＦとした場合に得られる放射特性を示している。つまり、この実線は、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６がいずれも導波器及び反射器として機能していない場合の放射特性を示している。
【００３２】
一方、図３に示した点線（ｔｉｌｔ）は、寄生素子１０３に設けたスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３を全てＯＮとし、寄生素子１０５に設けたスイッチＳＷ１をＯＮ、スイッチＳＷ２、ＳＷ３をＯＦＦとした場合の放射特性を示している。つまり、この点線（ｔｉｌｔ）は、寄生素子１０３を反射器として動作させ、寄生素子１０５を導波器として動作させた場合の放射特性を示している。
【００３３】
図３から分かるように、給電点１０７の位置から見てｙ方向に配置された寄生素子１０５を導波器として動作させ、−ｙ方向に配置された寄生素子１０３を反射器として動作させることでｙ方向に寄った方向へと指向性が向く。給電点１０７の位置から見てｙ方向に配置された寄生素子１０５を反射器として動作させ、−ｙ方向に配置された寄生素子１０３を導波器として動作させることで−ｙ方向に寄った向きへと指向性が向く。
【００３４】
また、寄生素子１０４、１０６の機能を制御することにより、ｘ方向（又は−ｘ方向）に寄った向きへと指向性を向かせることも可能である（後述する図５A〜図６Bを参照）。例えば、給電点１０７の位置から見てｘ方向に配置された寄生素子１０４を導波器として動作させ、−ｘ方向に配置された寄生素子１０６を反射器として動作させることでｘ方向に寄った向きへと指向性が向く。同様に、給電点１０７の位置から見てｘ方向に配置された寄生素子１０４を反射器として動作させ、−ｘ方向に配置された寄生素子１０６を導波器として動作させることで−ｘ方向に寄った向きへと指向性が向く。
【００３５】
ここで、図４A〜図６Bを参照しながら、ｘ方向又はーｘ方向に寄った向きへと指向性を向かせる場合の制御方法、及び具体的な指向性の変化について具体例を示す。
【００３６】
まず、図４Ａ及び図４Ｂを参照する。
【００３７】
図４Ａは、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の状態を示した図である。図４Ａの場合、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６は、いずれも、反射器としても導波器としても機能しない状態に制御されている。つまり、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６は、いずれもスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３が全てＯＦＦの状態である。なお、図４Ａにおいて、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をそれぞれ丸で表した。また、白丸はＯＦＦの状態、黒丸はＯＮの状態を表す。図４Ａのように寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の機能を制御した場合、アンテナ装置１００の放射特性は、図４Ｂに示すようにｘ−ｙ面内の方向に関して放射特性の偏りがないものとなる。つまり、指向性はｚ方向を向く。
【００３８】
次に、図５Ａ及び図５Ｂを参照する。
【００３９】
図５Ａは、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の状態を示した図である。図５Ａの場合、寄生素子１０３、１０５は、いずれも、反射器としても導波器としても機能しない状態に制御されている。一方、寄生素子１０４、１０６は、それぞれ反射器、導波器として機能する状態に制御されている。なお、図５Ａにおいて、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をそれぞれ丸で表した。また、白丸はＯＦＦの状態、黒丸はＯＮの状態を表す。図５Ａのように寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の機能を制御した場合、アンテナ装置１００の放射特性は、図５Ｂに示すように、−ｘ方向に寄った向きへと指向性が向いたものとなる。
【００４０】
次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照する。
【００４１】
図６Ａは、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の状態を示した図である。図６Ａの場合、寄生素子１０３、１０５は、いずれも、反射器としても導波器としても機能しない状態に制御されている。一方、寄生素子１０４、１０６は、それぞれ導波器、反射器として機能する状態に制御されている。なお、図６Ａにおいて、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をそれぞれ丸で表した。また、白丸はＯＦＦの状態、黒丸はＯＮの状態を表す。図６Ａのように寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の機能を制御した場合、アンテナ装置１００の放射特性は、図６Ｂに示すように、ｘ方向に寄った向きへと指向性が向いたものとなる。
【００４２】
以上、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の機能と指向性との関係について具体例を挙げて説明した。ここでは、図４Ａ〜図６Ｂを参照しながら、寄生素子１０４、１０６の機能を制御してｙ方向又は−ｙ方向に放射特性を偏らせる方法について考えた。また、寄生素子１０３、１０５の機能を制御してｘ方向又は−ｘ方向に放射特性を偏らせる方法についても図３を参照しながら既に述べた。これらの制御方法を組み合わせ、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の機能を同時に制御すると、ｘ−ｙ平面内で自由に放射特性の偏りを調整することが可能になり、２次元的に指向性を制御することができるようになる。
【００４３】
以上、本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置１００の構成及び動作について説明した。上記のように、アンテナ装置１００は、パッチアンテナ１０２の周囲に配置された寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の機能（導波器／反射器）を制御することで指向性を切り替える構成を有する。特に、ｙ方向に沿って対向配置された寄生素子１０３、１０５と、ｘ方向に沿って対向配置された寄生素子１０４、１０６とを適切に制御することにより、指向性の可変方向は２次元的に切り替えることが可能である。
【００４４】
また、金属ワイヤ及びスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３で寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６を構成しているため、高さが低く小型のアンテナ装置１００を実現することが可能である。そのため、このアンテナ装置１００の構成を採用することにより、２次元的な指向性の切り替えが可能な小型の移動体通信用基地局を実現することが可能になる。
【００４５】
（第２実施形態：積層した金属材料の薄板で寄生素子を形成する構成）
次に、本発明の第２実施形態に係るアンテナ装置２００について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４６】
＜構成＞
図７Ａは、本実施形態に係るアンテナ装置２００の構成を示す斜視図である。図７Ａに示すように、アンテナ装置２００は、グラウンド導体２０１と、パッチアンテナ２０２と、寄生素子２０３、２０４、２０５、２０６（無給電素子）と、を備える。なお、第１実施形態に係る寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６は金属ワイヤで構成されていたが、本実施形態に係る寄生素子２０３、２０４、２０５、２０６は、グラウンド導体２０１（誘電体基板）上に金属材料の薄板を複数枚積層する形で形成されている。また、金属材料としては、例えば、鉄やアルミ等の導体を用いることができる。
【００４７】
パッチアンテナ２０２は、矩形状であり、グラウンド導体２０１上にスペーサ（非図示）を介して配置されている。また、パッチアンテナ２０２には、検波方向が規定される位置に給電点２０７が設けられる。さらに、パッチアンテナ２０２は、給電点２０７を介してグラウンド導体２０１と接続される。グラウンド導体２０１及びパッチアンテナ２０２のサイズは任意に決めることができる。例えば、グラウンド導体２０１を１辺が５０ｍｍの正方形とし、パッチアンテナ２０２を１辺が２４．４ｍｍの正方形とし、グラウンド導体２０１の厚みＬＨは０．８ｍｍとすることができる。
【００４８】
寄生素子２０３、２０４、２０５、２０６は、パッチアンテナ２０２の各辺の周囲に配置される。また、寄生素子２０３、２０４、２０５、２０６には、それぞれ、略中央部及び両端部の３カ所にスイッチが設けられている。一例として、寄生素子２０３に設けられたスイッチの構成を図７Ｂに示した。図７Ｂに示すように、寄生素子２０３には、３ヶ所にスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３が設けられている。これらのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をＯＮ／ＯＦＦすることにより、寄生素子２０３の電気長が切り替えられる。例えば、スイッチＳＷ１をＯＦＦにすると、寄生素子２０３は、中央部分で分断される。
【００４９】
なお、寄生素子２０４、２０５、２０６についても、同様のスイッチが設けられている。また、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３は、機械的な接点を有するスイッチであってもよいし、機械的な接点を有しない半導体素子等を利用したスイッチであってもよい。
【００５０】
ところで、寄生素子２０３、２０４、２０５、２０６の長さＬＥは、パッチアンテナ２０２の共振周波数における波長λの１／２（即ち、λ／２）程度に設定される。例えば、長さＬＥは３０ｍｍに設定され、幅ＬＦは３ｍｍに設定され、厚みＬＧは１．６ｍに設定される。もちろん、寄生素子２０３、２０４、２０５、２０６の寸法や配置はこれに限定されるものではなく、パッチアンテナ１０２の共振周波数やグラウンド導体２０１の大きさ等に応じて適宜変更可能である。
【００５１】
さて、本実施形態に係るアンテナ装置２００は、寄生素子２０３、２０４、２０５、２０６にそれぞれ設けられているスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、指向性を切り替えることができる。寄生素子２０３、２０４、２０５、２０６は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦの切り替えに応じて、導波器として機能する状態、反射器として機能する状態、或いは、導波器及び反射器として機能しない状態に変化する。そのため、寄生素子２０３、２０４、２０５、２０６のうち、導波器として機能するものと、反射器として機能するものと、導波器及び反射器として機能しないものとの組み合わせを変更することにより、指向性を切り替えることが可能になるのである。
【００５２】
例えば、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３が全てＯＦＦの場合、素子は分断された状態になり、導波器又は反射器として機能しない。また、スイッチＳＷ１がＯＮでスイッチＳＷ２、ＳＷ３がＯＦＦの場合、素子の中央部が接続され、両端部が開放された状態になり、素子の電気長はλ／２より若干短くなる。そのため、この状態における素子は、導波器（Ｄｉｒｅｃｔｏｒ）として機能する。また、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３が全てＯＮの場合、素子の電気長はλ／２より若干長くなる。そのため、この状態における素子は、反射器（Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）として機能する。
【００５３】
以上、本実施形態に係るアンテナ装置２００の構成について説明した。上記の通り、本実施形態に係る寄生素子２０３、２０４、２０５、２０６も、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３の制御によって導波器や反射器として機能するものに切り替えられる。そのため、第１実施形態と同様に、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３の制御により指向性を２次元的に切り替えることができる。
【００５４】
また、積層した金属材料の薄板とスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３とで寄生素子２０３、２０４、２０５、２０６を構成しているため、高さが低く小型のアンテナ装置２００を実現することが可能である。そのため、このアンテナ装置２００の構成を採用することにより、２次元的な指向性の切り替えが可能な小型の移動体通信用基地局を実現することが可能になる。
【００５５】
（第３実施形態：複数のパターンで寄生素子を形成する構成）
次に、本発明の第３実施形態に係るアンテナ装置３００について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００５６】
＜構成＞
図８は、本実施形態に係るアンテナ装置３００の構成を示す斜視図である。図８に示すように、アンテナ装置３００は、グラウンド導体３０１と、パッチアンテナ３０２と、複数の寄生素子３０３、３０４、３０５、３０６と、誘電体基板３１０と、を備える。
【００５７】
誘電体基板３１０は、グラウンド導体３０１上にスペーサ（非図示）を介して配置されている。また、パッチアンテナ３０２及び複数の寄生素子３０３、３０４、３０５、３０６は、誘電体基板３１０上の同一面に形成されている。また、矩形状のパッチアンテナ３０２には、検波方向を規定する位置に給電点３０７が設けられている。このパッチアンテナ３０２は、給電点３０７を介してグラウンド導体３０１と接続されている。なお、グラウンド導体３０１及び誘電体基板３１０は、アンテナ装置３００に対して要求される大きさ等に応じて適宜設定される。例えば、グラウンド導体３０１及び誘電体基板３１０は、１辺が５０ｍｍの正方形に設定される。
【００５８】
図８に示すように、寄生素子３０３、３０４、３０５、３０６は、パッチアンテナ３０２の各辺の周囲に配置される。また、寄生素子３０３は、内側パターン３０３ａ、３０３ｂと、外側パターン３０３ｃ、３０３ｄとで構成される。同様に、寄生素子３０４は内側パターン３０４ａ、３０４ｂと外側パターン３０４ｃ、３０４ｄとで構成され、寄生素子３０５は内側パターン３０５ａ、３０５ｂと外側パターン３０５ｃ、３０５ｄとで構成され、寄生素子３０６は、内側パターン３０６ａ、３０６ｂと外側パターン３０６ｃ、３０６ｄとで構成される。なお、内側パターンはパッチアンテナ３０２の辺に近い位置に配置され、外側パターンは同じ辺から比較的遠い位置に配置されている。
【００５９】
ここで、図９Ａ及び図９Ｂを参照しながら、寄生素子３０３、３０４、３０５、３０６の構成について、より詳細に説明する。図９Ａは、誘電体基板３１０の上側から見た平面図である。また、図９Ｂは、図９Ａにおいて点線で囲んだ領域Ａの拡大図である。なお、寄生素子３０３、３０４、３０５、３０６の構成は実質的に同じであるため、一例として図９Ｂに拡大図を示した寄生素子３０６について詳細に説明する。
【００６０】
まず、図９Ｂを参照しながら、内側パターン３０６ａ、３０６ｂ、及び外側パターン３０６ｃ、３０６ｄの構成について説明する。なお、パッチアンテナ３０２に近づく方向を「内」、パッチアンテナ３０２から遠ざかる方向を「外」と表現する。
【００６１】
内側パターン３０６ａ、３０６ｂは、パッチアンテナ３０２の側辺から距離ＬＩだけ離れた位置に配置されるものとする。また、外側パターン３０６ｃ、３０６ｄは、内側パターン３０６ａ、３０６ｂの外側に距離ＬＪの間隔をおいて配置されるものとする。また、外側パターン３０６ｃ、３０６ｄと、誘電体基板３１０の辺部との距離をＬＫと表記する。さらに、内側パターン３０６ａ、３０６ｂを合わせた内側パターン全体の長さをＬＬと表記する。そして、外側パターン３０６ｃ、３０６ｄを合わせた外側パターン全体の長さをＬＭと表記する。
【００６２】
なお、本実施形態に係る寄生素子３０６において、長さＬＬと長さＬＭとを加算した長さは、パッチアンテナ３０２の共振周波数における波長λの１／２（即ち、λ／２）程度に設定される。また、距離ＬＩ、距離ＬＪ、距離ＬＫは、パッチアンテナ３０２の共振周波数や誘電体基板３１０の大きさ等に応じて適宜設定される。例えば、距離ＬＩは２．３ｍｍに設定され、距離ＬＪは３ｍｍに設定され、距離ＬＫは５ｍｍに設定される。この場合、例えば、長さＬＬは２８ｍｍに設定され、長さＬＭは３６ｍｍに設定される。
【００６３】
さて、内側パターン３０６ａ、３０６ｂは、ダイオードＤ２で接続されている。このダイオードＤ２は、内側パターン３０６ａ、３０６ｂの電気的な接続／分断を切り替えるスイッチとして機能する。同様に、外側パターン３０６ｃ、３０６ｄは、ダイオードＤ１で接続されている。このダイオードＤ１は、外側パターン３０６ｃ、３０６ｄの電気的な接続／分断を切り替えるスイッチとして機能する。なお、図９Ａにおいて、ダイオードＤ１、Ｄ２は、丸で表現されている。また、図８にはダイオードＤ１、Ｄ２の存在を明記していないが、実際には寄生素子３０３、３０４、３０５、３０６のそれぞれについて、図９Ａ及び図９Ｂと同様にダイオードＤ１及びＤ２が設けられている。
【００６４】
本実施形態に係るアンテナ装置３００は、ダイオードＤ１、Ｄ２のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることにより、寄生素子３０３、３０４、３０５、３０６を導波器又は反射器として機能させ、２次元的な指向性の切り替えを実現する。このように、内側パターン及び外側パターンで構成される寄生素子３０３、３０４、３０５、３０６を用いて指向性の切り替えを実現することにより、より指向性の可変範囲を広げることができると共に、より指向性を鋭くすることが可能になる。
【００６５】
＜動作＞
次に、図１０Ａ、図１０Ｂ、及び図１１を参照しながら、ダイオードＤ１、Ｄ２の切り替えと、指向性の変化との関係について述べる。なお、図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて、ダイオードＤ１、Ｄ２をそれぞれ丸で表した。また、白丸はＯＦＦの状態、黒丸はＯＮの状態を表す。
【００６６】
図１０Ａに示すように、全ての寄生素子３０３、３０４、３０５、３０６についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＦＦとした場合、各パターンは電気的に分断されるため、寄生素子３０３、３０４、３０５、３０６は、いずれも反射器として動作しない。そのため、アンテナ装置３００の指向性は正面方向（ｚ方向）を向く。一方、図１０Ｂに示すように、寄生素子３０６についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＮとし、寄生素子３０３、３０４、３０５についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＦＦとした場合、寄生素子３０６の電気長がλ／２より若干長くなる。この場合、寄生素子３０６が反射器として動作するため、図１１に示すように、アンテナ装置３００の指向性はｘ方向に寄った向きへと向く。
【００６７】
同様に、寄生素子３０４についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＮとし、寄生素子３０３、３０５、３０６についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＦＦとした場合、寄生素子３０４が反射器として動作するため、アンテナ装置３００の指向性は−ｘ方向に寄った向きへと向く。また、寄生素子３０３についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＮとし、寄生素子３０４、３０５、３０６についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＦＦとした場合、寄生素子３０３が反射器として動作するため、アンテナ装置３００の指向性はｙ方向に寄った向きへと向く。さらに、寄生素子３０５についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＮとし、寄生素子３０３、３０４、３０６についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＦＦとした場合、寄生素子３０５が反射器として動作するため、アンテナ装置３００の指向性は−ｙ方向に寄った向きへと向く。
【００６８】
また、寄生素子３０３、３０４についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＮとし、寄生素子３０５、３０６についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＦＦとした場合、寄生素子３０３、３０４が反射器として動作するため、アンテナ装置３００の指向性は−ｘ方向及びｙ方向に寄った向きへと向く。このように、寄生素子３０３、３０４、３０５、３０６のいずれか１つ又は２つについてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＮとし、その他についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＦＦとすることで、指向性を２次元的に自由に切り替えることができる。
【００６９】
以上、本実施形態に係るアンテナ装置３００の構成及び動作について説明した。このアンテナ装置３００は、誘電体基板３１０上の同一面にパッチアンテナ３０２及び寄生素子３３、３０４、３０５、３０６を配置する構成としている。そのため、アンテナ装置３００は、先に紹介したアンテナ装置１００、２００に比べても、全体の高さを低減することができる。その結果、アンテナ装置３００を搭載する移動体通信用基地局の更なる小型化が実現可能になる。ところで、上記の説明において、スイッチとしてダイオードを利用する構成を紹介したが、ダイオードに代えて、半導体スイッチやＭＥＭＳスイッチ等を利用することも可能である。
【００７０】
（補足説明）
パッチアンテナ１０２、２０２、３０２において、給電点１０７、２０７、３０７を設ける位置を変更することにより偏波を切り替えられる。例えば、パッチアンテナ１０２、２０２、３０２の中心に対して給電点１０７、２０７、３０７を９０°回転させた位置に他の給電点を配置してもよい。この場合、これら２つの給電点のうち、利用する給電点を切り替えることにより、偏波を可変することが可能になる。
【００７１】
（第４実施形態：誘電体基板の裏面でスイッチに接続する構成）
次に、本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置４００について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００７２】
＜構成＞
図１２Ａ〜図１２Ｃは、本実施形態に係るアンテナ装置４００の構成を示す図である。図１２Ａは斜視図であり、図１２Ｂは上側から見た図であり、図１２Ｃは下側から見た図である。図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、アンテナ装置４００は、パッチアンテナ４０２と、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６と、誘電体基板４１０とで構成される。また、パッチアンテナ４０２には、それぞれ検波方向が規定される位置に給電点４０７、４０８が設けられている。さらに、図１２Ｃに示すように、誘電体基板３１０の下面には、グラウンド導体４０１が設けられている。なお、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６は、Ｌ字型の金属ワイヤにより構成される。金属ワイヤの材質としては、例えば、鉄やアルミ等の導体が用いられる。
【００７３】
パッチアンテナ４０２は、矩形状であり、誘電体基板４１０上に配置されている。さらに、パッチアンテナ４０２は、給電点４０７、４０８を介してグラウンド導体４０１と接続される。また、誘電体基板４１０は、グラウンド導体４０１上にスペーサ（非図示）を介して配置されている。そして、パッチアンテナ４０２及び寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６は、誘電体基板４１０上の同一面に形成されている。なお、グラウンド導体４０１、パッチアンテナ４０２、及び誘電体基板４１０のサイズは、アンテナ装置４００に対して要求される大きさ等に応じて適宜設定される。
【００７４】
図１２Ａに示すように、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６は、パッチアンテナ４０２の各辺の周囲に配置される。また、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６は、それぞれ２本のＬ字型金属ワイヤにより構成されている。そして、Ｌ字型金属ワイヤの一端は、誘電体基板４１０を貫通し、図１２Ｃに示すように、誘電体基板４１０の裏面に設けられたスイッチＳＷに接続されている。このスイッチＳＷには、２本のＬ字型金属ワイヤの一端が接続される。例えば、寄生素子４０３を構成する２本のＬ字型金属ワイヤは、それぞれ誘電体基板４１０の裏面に設けられた同一のスイッチＳＷに接続される。寄生素子４０４、４０５、４０６についても同様である。
【００７５】
スイッチＳＷは、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、バイアスラインを介してグラウンド導体４０１に接続されている。そして、スイッチＳＷには、バイアスラインを介してバイアスが供給される。図１３Ａは、スイッチＳＷが開放された状態を示している。一方、図１３Ｂは、スイッチＳＷが短絡した状態を示している。スイッチＳＷが短絡すると、２本のＬ字型金属ワイヤが電気的に接続された状態となる。一方、スイッチＳＷが開放されると、２本のＬ字型金属ワイヤが電気的に分断された状態になる。そのため、スイッチＳＷの開放／短絡に応じて寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６の電気長を可変することが可能になる。
【００７６】
また、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６の長さ（図１２Ａにおける長辺ＬＰ×２＋短辺ＬＰ×２）は、例えば、パッチアンテナ４０２の共振周波数における波長λの１／２（即ちλ／２）より若干長い程度に設定される。そのため、スイッチＳＷの開放／短絡に応じて寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６の機能を切り替えることができる。例えば、寄生素子４０３のスイッチＳＷを短絡すると、寄生素子４０３は反射器として機能する。一方、寄生素子４０３のスイッチＳＷを開放すると、寄生素子４０３はλ／２よりも十分に短い２本のＬ字型金属ワイヤに分断されるため、反射器として機能しない。寄生素子４０４、４０５、４０６についても同様である。
【００７７】
上記のように、アンテナ装置４００は、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６の機能を自由に切り替えることができる。そのため、反射器として機能させる寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６の組み合わせを適切に選択することにより、指向性を自由に切り替えることが可能になる。また、給電点４０７、４０８を切り替えて利用することにより、偏波を可変することが可能になる。
【００７８】
（変形例：金属箔で寄生素子を形成する構成）
ここで、本実施形態に係るアンテナ装置４００の一変形例について説明する。
【００７９】
これまで、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６をＬ字型の金属ワイヤで形成する構成について説明してきたが、金属ワイヤ以外の材料を用いて寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６を形成してもよい。例えば、アンテナ装置４００の構成は、図２２に示すような構成に変形することができる。なお、図２２は、図１２Ａに示したアンテナ装置４００と実質的に同じ構成要素に関して記載を省略している。例えば、給電点４０７、４０８や誘電体基板４１０の裏面に設けられたスイッチＳＷの構成については記載を省略している。
【００８０】
図２２に示したアンテナ装置４００は、寄生素子４１３、４１４、４１５、４１６を備える。また、寄生素子４１３は、金属箔４１３Ａと、スルーホール４１３Ｂと、誘電体基板４１３Ｃとにより形成される。誘電体基板４１３Ｃは、所定の方向に延伸した略棒状であり、誘電体基板４１０上に設置される。なお、誘電体基板４１３Ｃは、誘電体基板４１０と一体であってもよく、この場合には誘電体基板４１０の凸部が誘電体基板４１３Ｃを形成する。
【００８１】
また、誘電体基板４１３Ｃの上面には、誘電体基板４１３Ｃの各端部から中央部に向かって所定の長さの金属箔４１３Ａが貼られている。つまり、誘電体基板４１３Ｃには、２枚の金属箔４１３Ａが設けられている。金属箔４１３Ａの長さは、２枚の金属箔４１３Ａの合計長さがパッチアンテナ４０２の共振周波数における波長λの１／２（即ちλ／２）より若干長い程度に設定される。
【００８２】
また、誘電体基板４１３Ｃの中央部に近い場所には、金属箔４１３Ａ、誘電体基板４１３Ｃ、誘電体基板４１０を貫通し、誘電体基板４１０の裏面に設けられたスイッチＳＷに接続可能なスルーホール４１３Ｂが設けられている。このスルーホール４１３Ｂを介して、金属箔４１３Ａと、誘電体基板４１０の裏面に設けられたスイッチＳＷとが接続される。より詳細には、２枚の金属箔４１３Ａのそれぞれが図１２Ｃに示したスイッチＳＷに接続され、スイッチＳＷの開放／短絡を切り替えることにより、２枚の金属箔４１３Ａの電気的な接続状態が制御できるように構成されている。
【００８３】
上記の通り、２枚の金属箔４１３Ａの合計長さがパッチアンテナ４０２の共振周波数における波長λの１／２（即ちλ／２）より若干長い程度に設定されているため、スイッチＳＷの開放／短絡に応じて寄生素子４１３の機能を切り替えることができる。例えば、寄生素子４１３のスイッチＳＷを短絡すると、寄生素子４１３は反射器として機能する。一方、寄生素子４１３のスイッチＳＷを開放すると、反射器として機能しない。このような機能の制御方法及びその原理に関しては図１２Ａに示したアンテナ装置４００と実質的に同じである。また、ここでは寄生素子４１３を例に挙げて説明したが、寄生素子４１４、４１５、４１６についても同じである。
【００８４】
従って、寄生素子４１３、４１４、４１５、４１６のスイッチＳＷを全て開放した状態では図１５Ｂに示したような放射特性が得られ、寄生素子４１５のスイッチＳＷだけを短絡した状態では図１６Ｂに示したような放射特性が得られ、寄生素子４１７のスイッチＳＷだけを短絡した状態では図１７Ｂに示したような放射特性が得られる。同様に、寄生素子４１４のスイッチＳＷだけを短絡した状態では図２０Ｂに示したような放射特性が得られ、寄生素子４１６のスイッチＳＷだけを短絡した状態では図２１Ｂに示したような放射特性が得られる。また、利用する給電点４０７、４０８の切替により偏波を可変できる点についても同様である。
【００８５】
以上、本実施形態に係るアンテナ装置４００の構成及び変形例について説明した。
【００８６】
＜動作＞
次に、図１４〜図２２Ｂを参照しながら、本実施形態に係るアンテナ装置４００の動作及び放射特性の変化について説明する。なお、図１５Ａ、図１６Ａ、図１７Ａ、図１８Ａ、図１９Ａ、図２０Ａ、図２１Ａに示したシミュレーション結果は、次の条件（図１２Ａ〜図１２Ｃを参照）で算出されたものである。ｈｐ＝１．４ｍｍ、ｈ＝１．６ｍｍ、ｗ＝８０ｍｍ、ε＝４．８（誘電率）、ａ＝２３．６ｍｍ、ｄ＝４．５ｍｍ、ｌｐ＝２３．１ｍｍ、ｄｐ＝１２．５ｍｍ、ｇ＝１．０ｍｍ、ｂ＝３３．０ｍｍ、ｗ１＝３．０ｍｍ、ｗ２＝２．０ｍｍ、ｗ３＝５．８ｍｍ。
【００８７】
（放射特性＃１）
まず、図１４〜図１７Ｂを参照しながら、アンテナ装置４００の動作及び放射特性の変化について考察する。ここでは、図１４に示すように、給電点４０７を利用し、寄生素子４０３、４０５を制御する場合における放射特性の変化について考えてみたい。
【００８８】
図１５Ａに示すように、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６のスイッチＳＷを全て開放した場合、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６はいずれも反射器として機能しない。そのため、アンテナ装置４００の指向性は、図１５Ｂに示すように、正面方向（ｚ方向）を向く。一方、図１６Ａに示すように、寄生素子４０５のスイッチＳＷを短絡し、寄生素子４０３、４０４、４０６のスイッチＳＷを開放した場合、寄生素子４０５が反射器として機能する。そのため、アンテナ装置４００の指向性は、図１６Ｂに示すように、ｘ方向に寄った向きに向く。また、図１７Ａに示すように、寄生素子４０３のスイッチＳＷを短絡し、寄生素子４０４、４０５、４０６のスイッチＳＷを開放した場合、寄生素子４０３が反射器として機能する。そのため、アンテナ装置４００の指向性は、図１７Ｂに示すように、−ｘ方向に寄った向きに向く。
【００８９】
（放射特性＃２）
次に、図１８〜図２１Ｂを参照しながら、アンテナ装置４００の動作及び放射特性の変化について更に考察する。ここでは、図１８に示すように、給電点４０８を利用し、寄生素子４０４、４０６を制御する場合における放射特性の変化について考えてみたい。
【００９０】
図１９Ａに示すように、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６のスイッチＳＷを全て開放した場合、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６はいずれも反射器として機能しない。そのため、アンテナ装置４００の指向性は、図１９Ｂに示すように、正面方向（ｚ方向）を向く。一方、図２０Ａに示すように、寄生素子４０４のスイッチＳＷを短絡し、寄生素子４０３、４０５、４０６のスイッチＳＷを開放した場合、寄生素子４０４が反射器として機能する。そのため、アンテナ装置４００の指向性は、図２０Ｂに示すように、−ｙ方向に寄った向きに向く。また、図２１Ａに示すように、寄生素子４０６のスイッチＳＷを短絡し、寄生素子４０３、４０４、４０５のスイッチＳＷを開放した場合、寄生素子４０６が反射器として機能する。そのため、アンテナ装置４００の指向性は、図２１Ｂに示すように、ｙ方向に寄った向きに向く。
【００９１】
以上、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６の機能と指向性との関係について具体例を挙げて説明した。ここでは、ｙ方向又は−ｙ方向に放射特性を偏らせる方法、及び、ｘ方向又は−ｘ方向に放射特性を偏らせる方法について別々に示したが、これらの制御方法を組み合わせると、ｘ−ｙ平面内で自由に指向性を切り替えることが可能になる。
【００９２】
以上、本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置４００の構成及び動作について説明した。上記のように、アンテナ装置４００は、パッチアンテナ４０２の周囲に配置された寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６の反射器としての機能を制御することで指向性を切り替える構成を有する。特に、ｘ方向に沿って対向配置された寄生素子４０３、４０５と、ｙ方向に沿って対向配置された寄生素子４０４、４０６とを適切に制御することにより、指向性の可変方向は２次元的に切り替えることが可能である。
【００９３】
また、Ｌ字型金属ワイヤと、誘電体基板４１０の裏面に設けられたスイッチＳＷとで寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６を構成しているため、高さが低く小型のアンテナ装置４００を実現することが可能である。そのため、このアンテナ装置４００の構成を採用することにより、２次元的な指向性の切り替えが可能な小型の移動体通信用基地局を実現することが可能になる。
【００９４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００９５】
１００、２００、３００、４００ アンテナ装置
１０１、４０１ グラウンド導体
１０２、２０２、３０２、４０２ パッチアンテナ
１０３、１０４、１０５、１０６、２０３、２０４、２０５、２０６、３０３、３０４、３０５、３０６、４０３、４０４、４０５、４０６ 寄生素子
１０７、２０７、３０７、４０７、４０８ 給電点
３１０、４１０ 誘電体基板
Ｄ１、Ｄ２ ダイオード
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ スイッチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ装置、及び無線通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動体通信用基地局に用いられるアンテナ装置では、通信容量の増大のためＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）機能や指向性可変機能が求められている。一般にアンテナ装置の指向性可変は複数のアンテナを配置して行うが、アンテナの回路構成が複雑になる。
【０００３】
また、移動体通信用基地局は小型化に対する要求があり、アンテナ装置の小型化も望まれている。このアンテナ装置の小型化と指向性可変機能を有するアンテナ装置として、例えば、特許文献１に提案されたものがある。このアンテナ装置では、λ／４短絡型マイクロストリップアンテナの両端部に寄生素子を配置し、寄生素子に接続したスイッチのＯＮ／ＯＦＦにより指向性を可変している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２１９５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記λ／４短絡型マイクロストリップアンテナでは、給電素子の両端部に配置した寄生素子を用いて指向性を可変させているが、指向性の可変方向は一次元方向に限られており、この点で改善の余地があった。また、このλ／４短絡型マイクロストリップアンテナでは、λ／４短絡型マイクロストリップアンテナ及び寄生素子が立体構成であるため、小型化の点で改善の余地があった。
【０００６】
本発明は上記に鑑み、指向性の可変方向を改善し、構成の小型化を実現するアンテナ装置、及びこれを搭載した無線通信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】
【０００７】
本発明のある観点によれば、略矩形のパッチアンテナと、前記パッチアンテナの各辺の周囲にそれぞれ配置された複数の寄生素子と、前記各寄生素子の電気長を切り替える切替手段と、を備え、前記切替手段は、前記寄生素子が反射器として機能するように前記電気長を切り替えることが可能である、アンテナ装置が提供される。例えば、パッチアンテナの一辺に略平行な寄生素子の電気長を切り替え、反射器として動作させることで、その寄生素子と反対方向に指向性を向けることができる。逆に、その寄生素子を導波器として機能させることで、その寄生素子の方向に指向性を向けることができる。上記のアンテナ装置は、パッチアンテナの各辺の周囲に寄生素子を配置しているため、少なくとも４つの寄生素子が存在する。そのため、少なくとも４つの寄生素子を同時に導波器又は反射器として動作させるように制御することで、２次元的に指向性を制御することが可能になる。
【０００８】
また、前記切替手段は、前記寄生素子が導波器として機能するように前記電気長を切り替えることが可能であるように構成されていてもよい。かかる構成のように、寄生素子の電気長を適切に制御することにより、反射器としても、導波器としても機能するように構成することが可能になる。
【０００９】
また、前記各寄生素子は、前記パッチアンテナの一辺と略平行になる１本の長辺と、当該長辺の端部に一端が接続され、かつ、他端がグラウンド導体に接続される２本の短辺とで構成される金属ワイヤにより形成されていてもよい。金属ワイヤにより構成することで、アンテナ装置の小型化が可能になる。
【００１０】
また、前記切替手段は、前記長辺の中央付近に設けられ、オフの状態で当該長辺を分断する第１スイッチと、前記２本の短辺にそれぞれ設けられ、オフの状態で当該短辺を分断する２つの第２スイッチと、を含むように構成されていてもよい。さらに、前記第１及び第２スイッチが全てオンの状態で前記金属ワイヤの長さが前記パッチアンテナの共振周波数における波長の１／２の長さより長くなり、前記第１スイッチがオン、かつ、前記第２スイッチがオフの状態で前記金属ワイヤの長さが前記パッチアンテナの共振周波数における波長の１／２の長さより短くなるように構成されていてもよい。かかる構成によれば、スイッチの切り替えにより、寄生素子を導波器及び反射器として機能させることが容易に可能になる。
【００１１】
また、前記各寄生素子は、前記パッチアンテナの一辺と略平行な方向を長手方向とし、前記パッチアンテナが設置される誘電体基板上に積層された導体薄板により形成されていてもよい。この場合、前記導体薄板の中央付近には、前記切替手段が形成される。かかる構成により、アンテナ装置の高さをより低くすることが可能になり、更なる小型化に寄与する。
【００１２】
また、前記各寄生素子は、前記パッチアンテナの一辺と略平行な方向を長手方向とする第１の導体薄板と、前記第１の導体薄板よりも前記パッチアンテナの一辺から遠ざかった位置に配置され、前記パッチアンテナの一辺と略平行な方向を長手方向とする第２の導体薄板と、により形成されていてもよい。この場合、前記導体薄板の中央付近には、前記切替手段が形成される。かかる構成により、アンテナ装置の高さをより低くすることが可能になり、更なる小型化に寄与する。
【００１３】
なお、前記切替手段は、例えば、オフの状態で前記導体薄板を分断するスイッチである。また、前記スイッチがオンの状態で前記導体薄板の長さが前記パッチアンテナの共振周波数における波長の１／２の長さより長くなるように設定される。かかる構成により、スイッチのオン／オフを切り替えることで、寄生素子の反射器としての機能を容易にオン／オフすることが可能になる。
【００１４】
また、前記各寄生素子は、２本のＬ字型金属ワイヤにより形成されていてもよい。さらに、前記Ｌ字型金属ワイヤの一端は、前記パッチアンテナが設置される誘電体基板を貫通して、当該誘電体基板の裏面に設けられた前記切替手段に接続されるように構成されていてもよい。かかる構成によると、切替手段が誘電体基板の背面に設けられるため、アンテナ装置の高さを更に低減することが可能になり、更なる小型化に寄与する。
【００１５】
また、前記切替手段は、オンの状態で前記２本のＬ字型金属ワイヤを接続し、オフの状態で前記２本のＬ字型金属ワイヤを分断するスイッチであってもよい。また、前記２本のＬ字型金属ワイヤの合計長さは、前記パッチアンテナの共振周波数における波長の１／２の長さより長くなるように設定される。かかる構成により、スイッチのオン／オフにより容易に寄生素子を反射器として機能させることが可能になる。
【００１６】
また、本発明の他の観点によれば、上記のアンテナ装置と、前記切替手段を制御する制御手段とを備える、無線通信装置が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、指向性を２次元方向に可変可能とし、構成の小型化を可能にするアンテナ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【図１Ｂ】本発明の第１実施形態に係る寄生素子の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る寄生素子のスイッチの切り替え動作の一例を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置の放射特性を可変した例を示すグラフである。
【図４Ａ】本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置における寄生素子のスイッチの切り替え動作例を示す図である。
【図４Ｂ】本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置における寄生素子のスイッチの切り替え動作に伴う指向性の可変状態を示す図である。
【図５Ａ】本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置における寄生素子のスイッチの切り替え動作例を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置における寄生素子のスイッチの切り替え動作に伴う指向性の可変状態を示す図である。
【図６Ａ】本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置における寄生素子のスイッチの他の切り替え動作例を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置における寄生素子のスイッチの他の切り替え動作に伴う指向性の可変状態を示す図である。
【図７Ａ】本発明の第２実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図を示す図である。
【図７Ｂ】本発明の第２実施形態に係る寄生素子の構成を示す図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
【図９Ａ】本発明の第３実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す平面図である。
【図９Ｂ】本発明の第３実施形態に係るアンテナ装置の領域Ａを拡大した図である。
【図１０Ａ】本発明の第３実施形態に係るアンテナ装置における寄生素子のスイッチの切り替え動作例を示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の第３実施形態に係るアンテナ装置における寄生素子のスイッチの切り替え動作例を示す図である。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る切り替え動作に対応する指向性の可変状態を示すグラフである。
【図１２Ａ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の構成を示した図である。
【図１２Ｂ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の構成を示した図である。
【図１２Ｃ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の構成を示した図である。
【図１３Ａ】本発明の第４実施形態に係るスイッチの構成を示した図である。
【図１３Ｂ】本発明の第４実施形態に係るスイッチの構成を示した図である。
【図１４】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の動作例を示した図である。
【図１５Ａ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の動作例を示した図である。
【図１５Ｂ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の放射特性を示した図である。
【図１６Ａ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の動作例を示した図である。
【図１６Ｂ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の放射特性を示した図である。
【図１７Ａ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の動作例を示した図である。
【図１７Ｂ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の放射特性を示した図である。
【図１８】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の動作例を示した図である。
【図１９Ａ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の動作例を示した図である。
【図１９Ｂ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の放射特性を示した図である。
【図２０Ａ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の動作例を示した図である。
【図２０Ｂ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の放射特性を示した図である。
【図２１Ａ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の動作例を示した図である。
【図２１Ｂ】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の放射特性を示した図である。
【図２２】本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の一変形例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２０】
（第１実施形態：金属ワイヤで寄生素子を形成する構成）
以下、本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置１００について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
＜構成＞
図１Ａは、第１実施形態に係るアンテナ装置１００の構成を示す斜視図である。図１Ａに示すように、アンテナ装置１００は、グラウンド導体１０１と、パッチアンテナ１０２と、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６（無給電素子）と、を備える。例えば、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６は、金属ワイヤにより構成される。なお、金属ワイヤの材質としては、例えば、鉄やアルミ等の導体が用いられる。
【００２２】
パッチアンテナ１０２は、矩形状であり、グラウンド導体１０１上にスペーサ（非図示）を介して配置されている。また、パッチアンテナ１０２には、検波方向が規定される位置に給電点１０７が設けられる。さらに、パッチアンテナ１０２は、給電点１０７を介してグラウンド導体１０１と接続される。グラウンド導体１０１及びパッチアンテナ１０２のサイズは任意に決めることができる。例えば、グラウンド導体１０１を１辺が５０ｍｍの正方形とし、パッチアンテナ１０２を１辺が２４．４ｍｍの正方形とすることができる。
【００２３】
寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６は、パッチアンテナ１０２の各辺の周囲に配置され、それぞれグラウンド導体１０１上に設けられる。また、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６には、それぞれ、略中央部及び両端部の３カ所にスイッチが設けられている。一例として、寄生素子１０３に設けられたスイッチの構成を図１Ｂに示した。図１Ｂに示すように、寄生素子１０３には、３ヶ所にスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３が設けられている。これらのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をＯＮ／ＯＦＦすることにより、寄生素子１０３を構成する金属ワイヤに設けられた間隙が短絡／開放される。なお、寄生素子１０４、１０５、１０６についても、同様のスイッチが設けられている。また、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３は、機械的な接点を有するスイッチであってもよいし、或いは、機械的な接点を有しない半導体素子等を利用したスイッチであってもよい。
【００２４】
ところで、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の長さ（図１Ａにおける長辺ＬＡ＋短辺ＬＤ×２）は、例えば、パッチアンテナ１０２の共振周波数における波長λの１／２（即ちλ／２）程度に設定される。また、図１Ａに示すように、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６は、それぞれ、グラウンド導体１０１の各辺から距離ＬＢの位置に長辺部分が配置され、グラウンド導体１０１の各辺から距離ＬＣの位置に短辺部分が配置される。例えば、長辺ＬＡは４７．２ｍｍに設定され、短辺ＬＤは２．８ｍｍに設定され、距離ＬＢは５．６ｍｍに設定され、距離ＬＣは２．８ｍｍに設定されうる。もちろん、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の寸法や配置はこれに限定されるものではなく、パッチアンテナ１０２の共振周波数やグラウンド導体１０１の大きさ等に応じて適宜変更可能である。
【００２５】
さて、本実施形態に係るアンテナ装置１００は、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６にそれぞれ設けられているスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、指向性を切り替えることができる。寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦの切り替えに応じて、導波器として機能する状態、反射器として機能する状態、或いは、導波器及び反射器として機能しない状態に変化する。そのため、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６のうち、導波器として機能するものと、反射器として機能するものと、導波器及び反射器として機能しないものとの組み合わせを変更することにより、指向性を切り替えることが可能になるのである。
【００２６】
ここで、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦ状態と寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の機能との関係について、図２を参照しながら説明する。図２は、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の機能とスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦ状態との関係を示す表である。
【００２７】
スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３が全てＯＦＦの場合、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６を構成する金属ワイヤは分断されるため、導波器又は反射器としては機能しない（Ｎｏｎｅ）。スイッチＳＷ１がＯＮ、スイッチＳＷ２、ＳＷ３がＯＦＦの場合（即ち、金属ワイヤの中央部を接続し、両端部を開放した場合）、金属ワイヤの電気長は、パッチアンテナ１０２の共振周波数における波長λの１／２（即ち、λ／２）より若干短くなる。そのため、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６は、導波器（Ｄｉｒｅｃｔｏｒ）として機能する。一方、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３が全てＯＮの場合、金属ワイヤの電気長はλ／２より若干長くなる。そのため、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６は、反射器（Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）として機能する。
【００２８】
以上、本実施形態に係るアンテナ装置１００の構成について説明した。
【００２９】
＜動作＞
次に、図３〜図６を参照しながら、本実施形態に係るアンテナ装置１００の動作について説明する。なお、本実施形態に係るアンテナ装置１００は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３を制御して指向性を切り替える際、例えば、対向配置された一対の寄生素子１０３、１０５を組にして制御し、対向配置された一対の寄生素子１０４、１０６を組にして制御する。例えば、アンテナ装置１００は、寄生素子１０４を導波器、寄生素子１０６を反射器として動作させたり、或いは、寄生素子１０４を反射器、寄生素子１０６を導波器として動作させたりする。寄生素子１０３、１０５の組についても同様である。
【００３０】
（放射特性）
まず、図３を参照しながら、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の機能と放射特性との関係について説明する。図３は、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の制御に伴う放射特性の変化を示したグラフである。
【００３１】
図３に示した実線（ｎｏｎｅ）は、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６のスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３を全てＯＦＦとした場合に得られる放射特性を示している。つまり、この実線は、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６がいずれも導波器及び反射器として機能していない場合の放射特性を示している。
【００３２】
一方、図３に示した点線（ｔｉｌｔ）は、寄生素子１０３に設けたスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３を全てＯＮとし、寄生素子１０５に設けたスイッチＳＷ１をＯＮ、スイッチＳＷ２、ＳＷ３をＯＦＦとした場合の放射特性を示している。つまり、この点線（ｔｉｌｔ）は、寄生素子１０３を反射器として動作させ、寄生素子１０５を導波器として動作させた場合の放射特性を示している。
【００３３】
図３から分かるように、給電点１０７の位置から見てｙ方向に配置された寄生素子１０５を導波器として動作させ、−ｙ方向に配置された寄生素子１０３を反射器として動作させることでｙ方向に寄った方向へと指向性が向く。給電点１０７の位置から見てｙ方向に配置された寄生素子１０５を反射器として動作させ、−ｙ方向に配置された寄生素子１０３を導波器として動作させることで−ｙ方向に寄った向きへと指向性が向く。
【００３４】
また、寄生素子１０４、１０６の機能を制御することにより、ｘ方向（又は−ｘ方向）に寄った向きへと指向性を向かせることも可能である（後述する図５A〜図６Bを参照）。例えば、給電点１０７の位置から見てｘ方向に配置された寄生素子１０４を導波器として動作させ、−ｘ方向に配置された寄生素子１０６を反射器として動作させることでｘ方向に寄った向きへと指向性が向く。同様に、給電点１０７の位置から見てｘ方向に配置された寄生素子１０４を反射器として動作させ、−ｘ方向に配置された寄生素子１０６を導波器として動作させることで−ｘ方向に寄った向きへと指向性が向く。
【００３５】
ここで、図４A〜図６Bを参照しながら、ｘ方向又はーｘ方向に寄った向きへと指向性を向かせる場合の制御方法、及び具体的な指向性の変化について具体例を示す。
【００３６】
まず、図４Ａ及び図４Ｂを参照する。
【００３７】
図４Ａは、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の状態を示した図である。図４Ａの場合、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６は、いずれも、反射器としても導波器としても機能しない状態に制御されている。つまり、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６は、いずれもスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３が全てＯＦＦの状態である。なお、図４Ａにおいて、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をそれぞれ丸で表した。また、白丸はＯＦＦの状態、黒丸はＯＮの状態を表す。図４Ａのように寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の機能を制御した場合、アンテナ装置１００の放射特性は、図４Ｂに示すようにｘ−ｙ面内の方向に関して放射特性の偏りがないものとなる。つまり、指向性はｚ方向を向く。
【００３８】
次に、図５Ａ及び図５Ｂを参照する。
【００３９】
図５Ａは、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の状態を示した図である。図５Ａの場合、寄生素子１０３、１０５は、いずれも、反射器としても導波器としても機能しない状態に制御されている。一方、寄生素子１０４、１０６は、それぞれ反射器、導波器として機能する状態に制御されている。なお、図５Ａにおいて、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をそれぞれ丸で表した。また、白丸はＯＦＦの状態、黒丸はＯＮの状態を表す。図５Ａのように寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の機能を制御した場合、アンテナ装置１００の放射特性は、図５Ｂに示すように、−ｘ方向に寄った向きへと指向性が向いたものとなる。
【００４０】
次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照する。
【００４１】
図６Ａは、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の状態を示した図である。図６Ａの場合、寄生素子１０３、１０５は、いずれも、反射器としても導波器としても機能しない状態に制御されている。一方、寄生素子１０４、１０６は、それぞれ導波器、反射器として機能する状態に制御されている。なお、図６Ａにおいて、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をそれぞれ丸で表した。また、白丸はＯＦＦの状態、黒丸はＯＮの状態を表す。図６Ａのように寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の機能を制御した場合、アンテナ装置１００の放射特性は、図６Ｂに示すように、ｘ方向に寄った向きへと指向性が向いたものとなる。
【００４２】
以上、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の機能と指向性との関係について具体例を挙げて説明した。ここでは、図４Ａ〜図６Ｂを参照しながら、寄生素子１０４、１０６の機能を制御してｙ方向又は−ｙ方向に放射特性を偏らせる方法について考えた。また、寄生素子１０３、１０５の機能を制御してｘ方向又は−ｘ方向に放射特性を偏らせる方法についても図３を参照しながら既に述べた。これらの制御方法を組み合わせ、寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の機能を同時に制御すると、ｘ−ｙ平面内で自由に放射特性の偏りを調整することが可能になり、２次元的に指向性を制御することができるようになる。
【００４３】
以上、本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置１００の構成及び動作について説明した。上記のように、アンテナ装置１００は、パッチアンテナ１０２の周囲に配置された寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６の機能（導波器／反射器）を制御することで指向性を切り替える構成を有する。特に、ｙ方向に沿って対向配置された寄生素子１０３、１０５と、ｘ方向に沿って対向配置された寄生素子１０４、１０６とを適切に制御することにより、指向性の可変方向は２次元的に切り替えることが可能である。
【００４４】
また、金属ワイヤ及びスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３で寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６を構成しているため、高さが低く小型のアンテナ装置１００を実現することが可能である。そのため、このアンテナ装置１００の構成を採用することにより、２次元的な指向性の切り替えが可能な小型の移動体通信用基地局を実現することが可能になる。
【００４５】
（第２実施形態：積層した金属材料の薄板で寄生素子を形成する構成）
次に、本発明の第２実施形態に係るアンテナ装置２００について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４６】
＜構成＞
図７Ａは、本実施形態に係るアンテナ装置２００の構成を示す斜視図である。図７Ａに示すように、アンテナ装置２００は、グラウンド導体２０１と、パッチアンテナ２０２と、寄生素子２０３、２０４、２０５、２０６（無給電素子）と、を備える。なお、第１実施形態に係る寄生素子１０３、１０４、１０５、１０６は金属ワイヤで構成されていたが、本実施形態に係る寄生素子２０３、２０４、２０５、２０６は、グラウンド導体２０１（誘電体基板）上に金属材料の薄板を複数枚積層する形で形成されている。また、金属材料としては、例えば、鉄やアルミ等の導体を用いることができる。
【００４７】
パッチアンテナ２０２は、矩形状であり、グラウンド導体２０１上にスペーサ（非図示）を介して配置されている。また、パッチアンテナ２０２には、検波方向が規定される位置に給電点２０７が設けられる。さらに、パッチアンテナ２０２は、給電点２０７を介してグラウンド導体２０１と接続される。グラウンド導体２０１及びパッチアンテナ２０２のサイズは任意に決めることができる。例えば、グラウンド導体２０１を１辺が５０ｍｍの正方形とし、パッチアンテナ２０２を１辺が２４．４ｍｍの正方形とし、グラウンド導体２０１の厚みＬＨは０．８ｍｍとすることができる。
【００４８】
寄生素子２０３、２０４、２０５、２０６は、パッチアンテナ２０２の各辺の周囲に配置される。また、寄生素子２０３、２０４、２０５、２０６には、それぞれ、略中央部及び両端部の３カ所にスイッチが設けられている。一例として、寄生素子２０３に設けられたスイッチの構成を図７Ｂに示した。図７Ｂに示すように、寄生素子２０３には、３ヶ所にスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３が設けられている。これらのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をＯＮ／ＯＦＦすることにより、寄生素子２０３の電気長が切り替えられる。例えば、スイッチＳＷ１をＯＦＦにすると、寄生素子２０３は、中央部分で分断される。
【００４９】
なお、寄生素子２０４、２０５、２０６についても、同様のスイッチが設けられている。また、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３は、機械的な接点を有するスイッチであってもよいし、機械的な接点を有しない半導体素子等を利用したスイッチであってもよい。
【００５０】
ところで、寄生素子２０３、２０４、２０５、２０６の長さＬＥは、パッチアンテナ２０２の共振周波数における波長λの１／２（即ち、λ／２）程度に設定される。例えば、長さＬＥは３０ｍｍに設定され、幅ＬＦは３ｍｍに設定され、厚みＬＧは１．６ｍに設定される。もちろん、寄生素子２０３、２０４、２０５、２０６の寸法や配置はこれに限定されるものではなく、パッチアンテナ１０２の共振周波数やグラウンド導体２０１の大きさ等に応じて適宜変更可能である。
【００５１】
さて、本実施形態に係るアンテナ装置２００は、寄生素子２０３、２０４、２０５、２０６にそれぞれ設けられているスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、指向性を切り替えることができる。寄生素子２０３、２０４、２０５、２０６は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦの切り替えに応じて、導波器として機能する状態、反射器として機能する状態、或いは、導波器及び反射器として機能しない状態に変化する。そのため、寄生素子２０３、２０４、２０５、２０６のうち、導波器として機能するものと、反射器として機能するものと、導波器及び反射器として機能しないものとの組み合わせを変更することにより、指向性を切り替えることが可能になるのである。
【００５２】
例えば、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３が全てＯＦＦの場合、素子は分断された状態になり、導波器又は反射器として機能しない。また、スイッチＳＷ１がＯＮでスイッチＳＷ２、ＳＷ３がＯＦＦの場合、素子の中央部が接続され、両端部が開放された状態になり、素子の電気長はλ／２より若干短くなる。そのため、この状態における素子は、導波器（Ｄｉｒｅｃｔｏｒ）として機能する。また、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３が全てＯＮの場合、素子の電気長はλ／２より若干長くなる。そのため、この状態における素子は、反射器（Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）として機能する。
【００５３】
以上、本実施形態に係るアンテナ装置２００の構成について説明した。上記の通り、本実施形態に係る寄生素子２０３、２０４、２０５、２０６も、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３の制御によって導波器や反射器として機能するものに切り替えられる。そのため、第１実施形態と同様に、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３の制御により指向性を２次元的に切り替えることができる。
【００５４】
また、積層した金属材料の薄板とスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３とで寄生素子２０３、２０４、２０５、２０６を構成しているため、高さが低く小型のアンテナ装置２００を実現することが可能である。そのため、このアンテナ装置２００の構成を採用することにより、２次元的な指向性の切り替えが可能な小型の移動体通信用基地局を実現することが可能になる。
【００５５】
（第３実施形態：複数のパターンで寄生素子を形成する構成）
次に、本発明の第３実施形態に係るアンテナ装置３００について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００５６】
＜構成＞
図８は、本実施形態に係るアンテナ装置３００の構成を示す斜視図である。図８に示すように、アンテナ装置３００は、グラウンド導体３０１と、パッチアンテナ３０２と、複数の寄生素子３０３、３０４、３０５、３０６と、誘電体基板３１０と、を備える。
【００５７】
誘電体基板３１０は、グラウンド導体３０１上にスペーサ（非図示）を介して配置されている。また、パッチアンテナ３０２及び複数の寄生素子３０３、３０４、３０５、３０６は、誘電体基板３１０上の同一面に形成されている。また、矩形状のパッチアンテナ３０２には、検波方向を規定する位置に給電点３０７が設けられている。このパッチアンテナ３０２は、給電点３０７を介してグラウンド導体３０１と接続されている。なお、グラウンド導体３０１及び誘電体基板３１０は、アンテナ装置３００に対して要求される大きさ等に応じて適宜設定される。例えば、グラウンド導体３０１及び誘電体基板３１０は、１辺が５０ｍｍの正方形に設定される。
【００５８】
図８に示すように、寄生素子３０３、３０４、３０５、３０６は、パッチアンテナ３０２の各辺の周囲に配置される。また、寄生素子３０３は、内側パターン３０３ａ、３０３ｂと、外側パターン３０３ｃ、３０３ｄとで構成される。同様に、寄生素子３０４は内側パターン３０４ａ、３０４ｂと外側パターン３０４ｃ、３０４ｄとで構成され、寄生素子３０５は内側パターン３０５ａ、３０５ｂと外側パターン３０５ｃ、３０５ｄとで構成され、寄生素子３０６は、内側パターン３０６ａ、３０６ｂと外側パターン３０６ｃ、３０６ｄとで構成される。なお、内側パターンはパッチアンテナ３０２の辺に近い位置に配置され、外側パターンは同じ辺から比較的遠い位置に配置されている。
【００５９】
ここで、図９Ａ及び図９Ｂを参照しながら、寄生素子３０３、３０４、３０５、３０６の構成について、より詳細に説明する。図９Ａは、誘電体基板３１０の上側から見た平面図である。また、図９Ｂは、図９Ａにおいて点線で囲んだ領域Ａの拡大図である。なお、寄生素子３０３、３０４、３０５、３０６の構成は実質的に同じであるため、一例として図９Ｂに拡大図を示した寄生素子３０６について詳細に説明する。
【００６０】
まず、図９Ｂを参照しながら、内側パターン３０６ａ、３０６ｂ、及び外側パターン３０６ｃ、３０６ｄの構成について説明する。なお、パッチアンテナ３０２に近づく方向を「内」、パッチアンテナ３０２から遠ざかる方向を「外」と表現する。
【００６１】
内側パターン３０６ａ、３０６ｂは、パッチアンテナ３０２の側辺から距離ＬＩだけ離れた位置に配置されるものとする。また、外側パターン３０６ｃ、３０６ｄは、内側パターン３０６ａ、３０６ｂの外側に距離ＬＪの間隔をおいて配置されるものとする。また、外側パターン３０６ｃ、３０６ｄと、誘電体基板３１０の辺部との距離をＬＫと表記する。さらに、内側パターン３０６ａ、３０６ｂを合わせた内側パターン全体の長さをＬＬと表記する。そして、外側パターン３０６ｃ、３０６ｄを合わせた外側パターン全体の長さをＬＭと表記する。
【００６２】
なお、本実施形態に係る寄生素子３０６において、長さＬＬと長さＬＭとを加算した長さは、パッチアンテナ３０２の共振周波数における波長λの１／２（即ち、λ／２）程度に設定される。また、距離ＬＩ、距離ＬＪ、距離ＬＫは、パッチアンテナ３０２の共振周波数や誘電体基板３１０の大きさ等に応じて適宜設定される。例えば、距離ＬＩは２．３ｍｍに設定され、距離ＬＪは３ｍｍに設定され、距離ＬＫは５ｍｍに設定される。この場合、例えば、長さＬＬは２８ｍｍに設定され、長さＬＭは３６ｍｍに設定される。
【００６３】
さて、内側パターン３０６ａ、３０６ｂは、ダイオードＤ２で接続されている。このダイオードＤ２は、内側パターン３０６ａ、３０６ｂの電気的な接続／分断を切り替えるスイッチとして機能する。同様に、外側パターン３０６ｃ、３０６ｄは、ダイオードＤ１で接続されている。このダイオードＤ１は、外側パターン３０６ｃ、３０６ｄの電気的な接続／分断を切り替えるスイッチとして機能する。なお、図９Ａにおいて、ダイオードＤ１、Ｄ２は、丸で表現されている。また、図８にはダイオードＤ１、Ｄ２の存在を明記していないが、実際には寄生素子３０３、３０４、３０５、３０６のそれぞれについて、図９Ａ及び図９Ｂと同様にダイオードＤ１及びＤ２が設けられている。
【００６４】
本実施形態に係るアンテナ装置３００は、ダイオードＤ１、Ｄ２のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることにより、寄生素子３０３、３０４、３０５、３０６を導波器又は反射器として機能させ、２次元的な指向性の切り替えを実現する。このように、内側パターン及び外側パターンで構成される寄生素子３０３、３０４、３０５、３０６を用いて指向性の切り替えを実現することにより、より指向性の可変範囲を広げることができると共に、より指向性を鋭くすることが可能になる。
【００６５】
＜動作＞
次に、図１０Ａ、図１０Ｂ、及び図１１を参照しながら、ダイオードＤ１、Ｄ２の切り替えと、指向性の変化との関係について述べる。なお、図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて、ダイオードＤ１、Ｄ２をそれぞれ丸で表した。また、白丸はＯＦＦの状態、黒丸はＯＮの状態を表す。
【００６６】
図１０Ａに示すように、全ての寄生素子３０３、３０４、３０５、３０６についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＦＦとした場合、各パターンは電気的に分断されるため、寄生素子３０３、３０４、３０５、３０６は、いずれも反射器として動作しない。そのため、アンテナ装置３００の指向性は正面方向（ｚ方向）を向く。一方、図１０Ｂに示すように、寄生素子３０６についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＮとし、寄生素子３０３、３０４、３０５についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＦＦとした場合、寄生素子３０６の電気長がλ／２より若干長くなる。この場合、寄生素子３０６が反射器として動作するため、図１１に示すように、アンテナ装置３００の指向性はｘ方向に寄った向きへと向く。
【００６７】
同様に、寄生素子３０４についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＮとし、寄生素子３０３、３０５、３０６についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＦＦとした場合、寄生素子３０４が反射器として動作するため、アンテナ装置３００の指向性は−ｘ方向に寄った向きへと向く。また、寄生素子３０３についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＮとし、寄生素子３０４、３０５、３０６についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＦＦとした場合、寄生素子３０３が反射器として動作するため、アンテナ装置３００の指向性はｙ方向に寄った向きへと向く。さらに、寄生素子３０５についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＮとし、寄生素子３０３、３０４、３０６についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＦＦとした場合、寄生素子３０５が反射器として動作するため、アンテナ装置３００の指向性は−ｙ方向に寄った向きへと向く。
【００６８】
また、寄生素子３０３、３０４についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＮとし、寄生素子３０５、３０６についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＦＦとした場合、寄生素子３０３、３０４が反射器として動作するため、アンテナ装置３００の指向性は−ｘ方向及びｙ方向に寄った向きへと向く。このように、寄生素子３０３、３０４、３０５、３０６のいずれか１つ又は２つについてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＮとし、その他についてダイオードＤ１、Ｄ２をＯＦＦとすることで、指向性を２次元的に自由に切り替えることができる。
【００６９】
以上、本実施形態に係るアンテナ装置３００の構成及び動作について説明した。このアンテナ装置３００は、誘電体基板３１０上の同一面にパッチアンテナ３０２及び寄生素子３３、３０４、３０５、３０６を配置する構成としている。そのため、アンテナ装置３００は、先に紹介したアンテナ装置１００、２００に比べても、全体の高さを低減することができる。その結果、アンテナ装置３００を搭載する移動体通信用基地局の更なる小型化が実現可能になる。ところで、上記の説明において、スイッチとしてダイオードを利用する構成を紹介したが、ダイオードに代えて、半導体スイッチやＭＥＭＳスイッチ等を利用することも可能である。
【００７０】
（補足説明）
パッチアンテナ１０２、２０２、３０２において、給電点１０７、２０７、３０７を設ける位置を変更することにより偏波を切り替えられる。例えば、パッチアンテナ１０２、２０２、３０２の中心に対して給電点１０７、２０７、３０７を９０°回転させた位置に他の給電点を配置してもよい。この場合、これら２つの給電点のうち、利用する給電点を切り替えることにより、偏波を可変することが可能になる。
【００７１】
（第４実施形態：誘電体基板の裏面でスイッチに接続する構成）
次に、本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置４００について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００７２】
＜構成＞
図１２Ａ〜図１２Ｃは、本実施形態に係るアンテナ装置４００の構成を示す図である。図１２Ａは斜視図であり、図１２Ｂは上側から見た図であり、図１２Ｃは下側から見た図である。図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、アンテナ装置４００は、パッチアンテナ４０２と、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６と、誘電体基板４１０とで構成される。また、パッチアンテナ４０２には、それぞれ検波方向が規定される位置に給電点４０７、４０８が設けられている。さらに、図１２Ｃに示すように、誘電体基板３１０の下面には、グラウンド導体４０１が設けられている。なお、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６は、Ｌ字型の金属ワイヤにより構成される。金属ワイヤの材質としては、例えば、鉄やアルミ等の導体が用いられる。
【００７３】
パッチアンテナ４０２は、矩形状であり、誘電体基板４１０上に配置されている。さらに、パッチアンテナ４０２は、給電点４０７、４０８を介してグラウンド導体４０１と接続される。また、誘電体基板４１０は、グラウンド導体４０１上にスペーサ（非図示）を介して配置されている。そして、パッチアンテナ４０２及び寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６は、誘電体基板４１０上の同一面に形成されている。なお、グラウンド導体４０１、パッチアンテナ４０２、及び誘電体基板４１０のサイズは、アンテナ装置４００に対して要求される大きさ等に応じて適宜設定される。
【００７４】
図１２Ａに示すように、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６は、パッチアンテナ４０２の各辺の周囲に配置される。また、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６は、それぞれ２本のＬ字型金属ワイヤにより構成されている。そして、Ｌ字型金属ワイヤの一端は、誘電体基板４１０を貫通し、図１２Ｃに示すように、誘電体基板４１０の裏面に設けられたスイッチＳＷに接続されている。このスイッチＳＷには、２本のＬ字型金属ワイヤの一端が接続される。例えば、寄生素子４０３を構成する２本のＬ字型金属ワイヤは、それぞれ誘電体基板４１０の裏面に設けられた同一のスイッチＳＷに接続される。寄生素子４０４、４０５、４０６についても同様である。
【００７５】
スイッチＳＷは、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、バイアスラインを介してグラウンド導体４０１に接続されている。そして、スイッチＳＷには、バイアスラインを介してバイアスが供給される。図１３Ａは、スイッチＳＷが開放された状態を示している。一方、図１３Ｂは、スイッチＳＷが短絡した状態を示している。スイッチＳＷが短絡すると、２本のＬ字型金属ワイヤが電気的に接続された状態となる。一方、スイッチＳＷが開放されると、２本のＬ字型金属ワイヤが電気的に分断された状態になる。そのため、スイッチＳＷの開放／短絡に応じて寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６の電気長を可変することが可能になる。
【００７６】
また、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６の長さ（図１２Ａにおける長辺ＬＰ×２＋短辺ＬＰ×２）は、例えば、パッチアンテナ４０２の共振周波数における波長λの１／２（即ちλ／２）より若干長い程度に設定される。そのため、スイッチＳＷの開放／短絡に応じて寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６の機能を切り替えることができる。例えば、寄生素子４０３のスイッチＳＷを短絡すると、寄生素子４０３は反射器として機能する。一方、寄生素子４０３のスイッチＳＷを開放すると、寄生素子４０３はλ／２よりも十分に短い２本のＬ字型金属ワイヤに分断されるため、反射器として機能しない。寄生素子４０４、４０５、４０６についても同様である。
【００７７】
上記のように、アンテナ装置４００は、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６の機能を自由に切り替えることができる。そのため、反射器として機能させる寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６の組み合わせを適切に選択することにより、指向性を自由に切り替えることが可能になる。また、給電点４０７、４０８を切り替えて利用することにより、偏波を可変することが可能になる。
【００７８】
（変形例：金属箔で寄生素子を形成する構成）
ここで、本実施形態に係るアンテナ装置４００の一変形例について説明する。
【００７９】
これまで、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６をＬ字型の金属ワイヤで形成する構成について説明してきたが、金属ワイヤ以外の材料を用いて寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６を形成してもよい。例えば、アンテナ装置４００の構成は、図２２に示すような構成に変形することができる。なお、図２２は、図１２Ａに示したアンテナ装置４００と実質的に同じ構成要素に関して記載を省略している。例えば、給電点４０７、４０８や誘電体基板４１０の裏面に設けられたスイッチＳＷの構成については記載を省略している。
【００８０】
図２２に示したアンテナ装置４００は、寄生素子４１３、４１４、４１５、４１６を備える。また、寄生素子４１３は、金属箔４１３Ａと、スルーホール４１３Ｂと、誘電体基板４１３Ｃとにより形成される。誘電体基板４１３Ｃは、所定の方向に延伸した略棒状であり、誘電体基板４１０上に設置される。なお、誘電体基板４１３Ｃは、誘電体基板４１０と一体であってもよく、この場合には誘電体基板４１０の凸部が誘電体基板４１３Ｃを形成する。
【００８１】
また、誘電体基板４１３Ｃの上面には、誘電体基板４１３Ｃの各端部から中央部に向かって所定の長さの金属箔４１３Ａが貼られている。つまり、誘電体基板４１３Ｃには、２枚の金属箔４１３Ａが設けられている。金属箔４１３Ａの長さは、２枚の金属箔４１３Ａの合計長さがパッチアンテナ４０２の共振周波数における波長λの１／２（即ちλ／２）より若干長い程度に設定される。
【００８２】
また、誘電体基板４１３Ｃの中央部に近い場所には、金属箔４１３Ａ、誘電体基板４１３Ｃ、誘電体基板４１０を貫通し、誘電体基板４１０の裏面に設けられたスイッチＳＷに接続可能なスルーホール４１３Ｂが設けられている。このスルーホール４１３Ｂを介して、金属箔４１３Ａと、誘電体基板４１０の裏面に設けられたスイッチＳＷとが接続される。より詳細には、２枚の金属箔４１３Ａのそれぞれが図１２Ｃに示したスイッチＳＷに接続され、スイッチＳＷの開放／短絡を切り替えることにより、２枚の金属箔４１３Ａの電気的な接続状態が制御できるように構成されている。
【００８３】
上記の通り、２枚の金属箔４１３Ａの合計長さがパッチアンテナ４０２の共振周波数における波長λの１／２（即ちλ／２）より若干長い程度に設定されているため、スイッチＳＷの開放／短絡に応じて寄生素子４１３の機能を切り替えることができる。例えば、寄生素子４１３のスイッチＳＷを短絡すると、寄生素子４１３は反射器として機能する。一方、寄生素子４１３のスイッチＳＷを開放すると、反射器として機能しない。このような機能の制御方法及びその原理に関しては図１２Ａに示したアンテナ装置４００と実質的に同じである。また、ここでは寄生素子４１３を例に挙げて説明したが、寄生素子４１４、４１５、４１６についても同じである。
【００８４】
従って、寄生素子４１３、４１４、４１５、４１６のスイッチＳＷを全て開放した状態では図１５Ｂに示したような放射特性が得られ、寄生素子４１５のスイッチＳＷだけを短絡した状態では図１６Ｂに示したような放射特性が得られ、寄生素子４１７のスイッチＳＷだけを短絡した状態では図１７Ｂに示したような放射特性が得られる。同様に、寄生素子４１４のスイッチＳＷだけを短絡した状態では図２０Ｂに示したような放射特性が得られ、寄生素子４１６のスイッチＳＷだけを短絡した状態では図２１Ｂに示したような放射特性が得られる。また、利用する給電点４０７、４０８の切替により偏波を可変できる点についても同様である。
【００８５】
以上、本実施形態に係るアンテナ装置４００の構成及び変形例について説明した。
【００８６】
＜動作＞
次に、図１４〜図２２Ｂを参照しながら、本実施形態に係るアンテナ装置４００の動作及び放射特性の変化について説明する。なお、図１５Ａ、図１６Ａ、図１７Ａ、図１８Ａ、図１９Ａ、図２０Ａ、図２１Ａに示したシミュレーション結果は、次の条件（図１２Ａ〜図１２Ｃを参照）で算出されたものである。ｈｐ＝１．４ｍｍ、ｈ＝１．６ｍｍ、ｗ＝８０ｍｍ、ε＝４．８（誘電率）、ａ＝２３．６ｍｍ、ｄ＝４．５ｍｍ、ｌｐ＝２３．１ｍｍ、ｄｐ＝１２．５ｍｍ、ｇ＝１．０ｍｍ、ｂ＝３３．０ｍｍ、ｗ１＝３．０ｍｍ、ｗ２＝２．０ｍｍ、ｗ３＝５．８ｍｍ。
【００８７】
（放射特性＃１）
まず、図１４〜図１７Ｂを参照しながら、アンテナ装置４００の動作及び放射特性の変化について考察する。ここでは、図１４に示すように、給電点４０７を利用し、寄生素子４０３、４０５を制御する場合における放射特性の変化について考えてみたい。
【００８８】
図１５Ａに示すように、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６のスイッチＳＷを全て開放した場合、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６はいずれも反射器として機能しない。そのため、アンテナ装置４００の指向性は、図１５Ｂに示すように、正面方向（ｚ方向）を向く。一方、図１６Ａに示すように、寄生素子４０５のスイッチＳＷを短絡し、寄生素子４０３、４０４、４０６のスイッチＳＷを開放した場合、寄生素子４０５が反射器として機能する。そのため、アンテナ装置４００の指向性は、図１６Ｂに示すように、ｘ方向に寄った向きに向く。また、図１７Ａに示すように、寄生素子４０３のスイッチＳＷを短絡し、寄生素子４０４、４０５、４０６のスイッチＳＷを開放した場合、寄生素子４０３が反射器として機能する。そのため、アンテナ装置４００の指向性は、図１７Ｂに示すように、−ｘ方向に寄った向きに向く。
【００８９】
（放射特性＃２）
次に、図１８〜図２１Ｂを参照しながら、アンテナ装置４００の動作及び放射特性の変化について更に考察する。ここでは、図１８に示すように、給電点４０８を利用し、寄生素子４０４、４０６を制御する場合における放射特性の変化について考えてみたい。
【００９０】
図１９Ａに示すように、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６のスイッチＳＷを全て開放した場合、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６はいずれも反射器として機能しない。そのため、アンテナ装置４００の指向性は、図１９Ｂに示すように、正面方向（ｚ方向）を向く。一方、図２０Ａに示すように、寄生素子４０４のスイッチＳＷを短絡し、寄生素子４０３、４０５、４０６のスイッチＳＷを開放した場合、寄生素子４０４が反射器として機能する。そのため、アンテナ装置４００の指向性は、図２０Ｂに示すように、−ｙ方向に寄った向きに向く。また、図２１Ａに示すように、寄生素子４０６のスイッチＳＷを短絡し、寄生素子４０３、４０４、４０５のスイッチＳＷを開放した場合、寄生素子４０６が反射器として機能する。そのため、アンテナ装置４００の指向性は、図２１Ｂに示すように、ｙ方向に寄った向きに向く。
【００９１】
以上、寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６の機能と指向性との関係について具体例を挙げて説明した。ここでは、ｙ方向又は−ｙ方向に放射特性を偏らせる方法、及び、ｘ方向又は−ｘ方向に放射特性を偏らせる方法について別々に示したが、これらの制御方法を組み合わせると、ｘ−ｙ平面内で自由に指向性を切り替えることが可能になる。
【００９２】
以上、本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置４００の構成及び動作について説明した。上記のように、アンテナ装置４００は、パッチアンテナ４０２の周囲に配置された寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６の反射器としての機能を制御することで指向性を切り替える構成を有する。特に、ｘ方向に沿って対向配置された寄生素子４０３、４０５と、ｙ方向に沿って対向配置された寄生素子４０４、４０６とを適切に制御することにより、指向性の可変方向は２次元的に切り替えることが可能である。
【００９３】
また、Ｌ字型金属ワイヤと、誘電体基板４１０の裏面に設けられたスイッチＳＷとで寄生素子４０３、４０４、４０５、４０６を構成しているため、高さが低く小型のアンテナ装置４００を実現することが可能である。そのため、このアンテナ装置４００の構成を採用することにより、２次元的な指向性の切り替えが可能な小型の移動体通信用基地局を実現することが可能になる。
【００９４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００９５】
１００、２００、３００、４００ アンテナ装置
１０１、４０１ グラウンド導体
１０２、２０２、３０２、４０２ パッチアンテナ
１０３、１０４、１０５、１０６、２０３、２０４、２０５、２０６、３０３、３０４、３０５、３０６、４０３、４０４、４０５、４０６ 寄生素子
１０７、２０７、３０７、４０７、４０８ 給電点
３１０、４１０ 誘電体基板
Ｄ１、Ｄ２ ダイオード
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ スイッチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略矩形のパッチアンテナと、
前記パッチアンテナの各辺の周囲にそれぞれ配置された複数の寄生素子と、
前記各寄生素子の電気長を切り替える切替手段と、
を備え、
前記切替手段は、前記寄生素子が反射器として機能するように前記電気長を切り替えることが可能である
ことを特徴とする、アンテナ装置。
【請求項２】
前記切替手段は、前記寄生素子が導波器として機能するように前記電気長を切り替えることが可能である
ことを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記各寄生素子は、前記パッチアンテナの一辺と略平行になる１本の長辺と、当該長辺の端部に一端が接続され、かつ、他端がグラウンド導体に接続される２本の短辺とで構成される金属ワイヤにより形成される
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記切替手段は、
前記長辺の中央付近に設けられ、オフの状態で当該長辺を分断する第１スイッチと、
前記２本の短辺にそれぞれ設けられ、オフの状態で当該短辺を分断する２つの第２スイッチと、
を含み、
前記第１及び第２スイッチが全てオンの状態で前記金属ワイヤの長さが前記パッチアンテナの共振周波数における波長の１／２の長さより長くなり、前記第１スイッチがオン、かつ、前記第２スイッチがオフの状態で前記金属ワイヤの長さが前記パッチアンテナの共振周波数における波長の１／２の長さより短くなる
ことを特徴とする、請求項３に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記各寄生素子は、前記パッチアンテナの一辺と略平行な方向を長手方向とし、前記パッチアンテナが設置される誘電体基板上に積層された導体薄板により形成され、
前記導体薄板の中央付近には、前記切替手段が形成される
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記各寄生素子は、
前記パッチアンテナの一辺と略平行な方向を長手方向とする第１の導体薄板と、
前記第１の導体薄板よりも前記パッチアンテナの一辺から遠ざかった位置に配置され、前記パッチアンテナの一辺と略平行な方向を長手方向とする第２の導体薄板と、
により形成され、
前記導体薄板の中央付近には、前記切替手段が形成される
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記切替手段は、オフの状態で前記導体薄板を分断するスイッチであり、
前記スイッチがオンの状態で前記導体薄板の長さが前記パッチアンテナの共振周波数における波長の１／２の長さより長くなる
ことを特徴とする、請求項５又は６に記載のアンテナ装置。
【請求項８】
前記寄生素子は、前記パッチアンテナが設置される誘電体基板を貫通して、当該誘電体基板の裏面に設けられた前記切替手段に接続される
ことを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項９】
前記各寄生素子は、前記パッチアンテナの各辺に沿った方向に延伸し、電気的に分離した２つの部分で構成される金属材料により形成され、
前記金属材料の各部分は、前記パッチアンテナが設置される誘電体基板を貫通して、当該誘電体基板の裏面に設けられた前記切替手段に接続される
ことを特徴とする、請求項８に記載のアンテナ装置。
【請求項１０】
前記金属材料は、金属箔又はＬ字型金属ワイヤである
ことを特徴とする、請求項９に記載のアンテナ装置。
【請求項１１】
前記切替手段は、オンの状態で前記金属材料の２つの部分を接続し、オフの状態で前記金属材料の２つの部分を分断するスイッチであり、
前記金属材料の２つの部分の合計長さは、前記パッチアンテナの共振周波数における波長の１／２の長さより長い
ことを特徴とする、請求項９又は１０に記載のアンテナ装置。
【請求項１２】
複数の給電点をさらに備え、
利用する前記給電点を切り替えることにより偏波を可変する
ことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項１３】
請求項１〜９のいずれか１項に記載のアンテナ装置と、
前記切替手段を制御する制御手段と、
を備える
ことを特徴とする、無線通信装置。
【請求項１】
略矩形のパッチアンテナと、
前記パッチアンテナの各辺の周囲にそれぞれ配置された複数の寄生素子と、
前記各寄生素子の電気長を切り替える切替手段と、
を備え、
前記切替手段は、前記寄生素子が反射器として機能するように前記電気長を切り替えることが可能である
ことを特徴とする、アンテナ装置。
【請求項２】
前記切替手段は、前記寄生素子が導波器として機能するように前記電気長を切り替えることが可能である
ことを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記各寄生素子は、前記パッチアンテナの一辺と略平行になる１本の長辺と、当該長辺の端部に一端が接続され、かつ、他端がグラウンド導体に接続される２本の短辺とで構成される金属ワイヤにより形成される
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記切替手段は、
前記長辺の中央付近に設けられ、オフの状態で当該長辺を分断する第１スイッチと、
前記２本の短辺にそれぞれ設けられ、オフの状態で当該短辺を分断する２つの第２スイッチと、
を含み、
前記第１及び第２スイッチが全てオンの状態で前記金属ワイヤの長さが前記パッチアンテナの共振周波数における波長の１／２の長さより長くなり、前記第１スイッチがオン、かつ、前記第２スイッチがオフの状態で前記金属ワイヤの長さが前記パッチアンテナの共振周波数における波長の１／２の長さより短くなる
ことを特徴とする、請求項３に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記各寄生素子は、前記パッチアンテナの一辺と略平行な方向を長手方向とし、前記パッチアンテナが設置される誘電体基板上に積層された導体薄板により形成され、
前記導体薄板の中央付近には、前記切替手段が形成される
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記各寄生素子は、
前記パッチアンテナの一辺と略平行な方向を長手方向とする第１の導体薄板と、
前記第１の導体薄板よりも前記パッチアンテナの一辺から遠ざかった位置に配置され、前記パッチアンテナの一辺と略平行な方向を長手方向とする第２の導体薄板と、
により形成され、
前記導体薄板の中央付近には、前記切替手段が形成される
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記切替手段は、オフの状態で前記導体薄板を分断するスイッチであり、
前記スイッチがオンの状態で前記導体薄板の長さが前記パッチアンテナの共振周波数における波長の１／２の長さより長くなる
ことを特徴とする、請求項５又は６に記載のアンテナ装置。
【請求項８】
前記寄生素子は、前記パッチアンテナが設置される誘電体基板を貫通して、当該誘電体基板の裏面に設けられた前記切替手段に接続される
ことを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項９】
前記各寄生素子は、前記パッチアンテナの各辺に沿った方向に延伸し、電気的に分離した２つの部分で構成される金属材料により形成され、
前記金属材料の各部分は、前記パッチアンテナが設置される誘電体基板を貫通して、当該誘電体基板の裏面に設けられた前記切替手段に接続される
ことを特徴とする、請求項８に記載のアンテナ装置。
【請求項１０】
前記金属材料は、金属箔又はＬ字型金属ワイヤである
ことを特徴とする、請求項９に記載のアンテナ装置。
【請求項１１】
前記切替手段は、オンの状態で前記金属材料の２つの部分を接続し、オフの状態で前記金属材料の２つの部分を分断するスイッチであり、
前記金属材料の２つの部分の合計長さは、前記パッチアンテナの共振周波数における波長の１／２の長さより長い
ことを特徴とする、請求項９又は１０に記載のアンテナ装置。
【請求項１２】
複数の給電点をさらに備え、
利用する前記給電点を切り替えることにより偏波を可変する
ことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項１３】
請求項１〜９のいずれか１項に記載のアンテナ装置と、
前記切替手段を制御する制御手段と、
を備える
ことを特徴とする、無線通信装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図５Ａ】
【図６Ａ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１２Ｃ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４】
【図１８】
【図２２】
【図４Ｂ】
【図５Ｂ】
【図６Ｂ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１７Ａ】
【図１７Ｂ】
【図１９Ａ】
【図１９Ｂ】
【図２０Ａ】
【図２０Ｂ】
【図２１Ａ】
【図２１Ｂ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図５Ａ】
【図６Ａ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１２Ｃ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４】
【図１８】
【図２２】
【図４Ｂ】
【図５Ｂ】
【図６Ｂ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１７Ａ】
【図１７Ｂ】
【図１９Ａ】
【図１９Ｂ】
【図２０Ａ】
【図２０Ｂ】
【図２１Ａ】
【図２１Ｂ】
【公開番号】特開２０１２−１２０１５０（Ｐ２０１２−１２０１５０Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８６１５７（Ｐ２０１１−１８６１５７）
【出願日】平成２３年８月２９日（２０１１．８．２９）
【出願人】（５９８０４５０５８）株式会社サムスン横浜研究所 (294)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２９日（２０１１．８．２９）
【出願人】（５９８０４５０５８）株式会社サムスン横浜研究所 (294)
【Ｆターム（参考）】
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