アンテナ装置、及び無線通信装置
【課題】複数の周波数で所望の指向性を得ることが可能な指向性可変型の小型アンテナ装置を提供すること。
【解決手段】給電点を有する給電素子と、前記給電素子の周囲に配置された複数の無給電素子と、前記各無給電素子について設けられた互いにリアクタンス値の異なる複数の線路と、前記各無給電素子に接続される前記線路を切り替えるスイッチと、前記各線路に接続された可変容量素子と、を備える、アンテナ装置が提供される。
【解決手段】給電点を有する給電素子と、前記給電素子の周囲に配置された複数の無給電素子と、前記各無給電素子について設けられた互いにリアクタンス値の異なる複数の線路と、前記各無給電素子に接続される前記線路を切り替えるスイッチと、前記各線路に接続された可変容量素子と、を備える、アンテナ装置が提供される。
【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】
近年、移動体通信用基地局には、通信容量を増大するためにＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｐｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）機能や指向性の可変機能が求められている。下記の特許文献１には、複数の給電素子及び複数の無給電素子（寄生素子）で構成されたＭＩＭＯ機能に対応可能なアンテナ装置の構成が記載されている。また、同文献及び下記の非特許文献１には、無給電素子に接続された長さの異なる複数のスタブをスイッチで切り替えて指向性を可変するアンテナ装置の構成が記載されている。こうした構成を適用することにより、ＭＩＭＯ機能及び指向性の可変機能を搭載したアンテナ装置を実現することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３７０７７号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】羽石操，須賀秀和，「可変スタブ装荷非励振素子によるマイクロストリップアンテナのビーム成形」，信学技報A・P86-1，pp.1-4，1986．
【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、上記文献に記載のアンテナ装置は長さの異なる複数のスタブをスイッチで切り替えて指向性の可変機能を実現しているため、設計した周波数にしか対応できないという問題がある。つまり、上記文献に記載のアンテナ装置は、設計時に決定した周波数近辺の周波数において所望の指向性可変機能を実現することができないという問題がある。そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、異なる複数の周波数において所望の指向性を実現可能な指向性可変機能を搭載した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にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、給電点を有する給電素子と、前記給電素子の周囲に配置された複数の無給電素子と、前記各無給電素子について設けられた互いにリアクタンス値の異なる複数の線路と、前記各無給電素子に接続される前記線路を切り替えるスイッチと、前記各線路に接続された可変容量素子と、を備える、アンテナ装置が提供される。このように、当該アンテナ装置は、周波数に応じて所望の指向性が得られるように可変容量素子の容量値を調整できるように構成されている。そのため、帯域内の異なる周波数及びスイッチの切り替えにより実現される指向性について、可変容量素子の容量値を調整することで所望の指向性を得ることが可能になる。また、帯域内周波数を変更した際の制御が容易である点及び回路構成が簡潔である点においても、従来のアンテナ装置に比べて有利である上、さらにアンテナ装置の小型化にも寄与する。
【０００７】
また、上記のアンテナ装置は、帯域内周波数の変更に伴う指向性の変化を抑圧するように前記可変容量素子の容量値を調整する制御部をさらに備えていてもよい。なお、この制御部は、後述する無線通信装置の一部機能を利用して実現されてもよい。かかる構成により、帯域内周波数を変更しても所望の指向性が得られるようになる。
【０００８】
また、同一平面上で十字を成すように４つの前記給電素子が配置されていてもよい。さらに、これら４つの前記給電素子のうち、互いに隣接して配置された２つの前記給電素子だけが隣接する位置に前記無給電素子が配置されるように構成されていてもよい。この場合、前記各無給電素子について、前記複数の線路、前記スイッチ、前記可変容量素子が設けられる。かかる構成により、複数の給電素子を用いてＭＩＭＯ機能を実現することが可能になる。さらに、ＭＩＭＯ機能を実現する場合においても、可変容量素子の容量値を調整することにより、帯域内の異なる周波数に対して所望の指向性が得られる。
【０００９】
また、前記無給電素子は、矩形の四隅に矩形の切り欠きを設けた形状であってもよい。また、上記のアンテナ装置は、前記可変容量素子を介して前記線路が接続されるグラウンド導体と、前記グラウンド導体上に設けられた誘電体基板と、をさらに備えていてもよい。また、前記給電素子及び前記無給電素子は、前記誘電体基板上に載置される。また、前記複数の無給電素子について、それぞれ対応する前記複数の線路に設定されたリアクタンス値の組み合わせは共通であってもよい。
【００１０】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、上記のアンテナ装置を搭載した無線通信装置が提供される。かかる構成により、帯域内の異なる周波数及びスイッチの切り替えにより実現される指向性について、可変容量素子の容量値を調整することで所望の指向性を得ることが可能になる。また、帯域内周波数を変更した際の制御が容易である点及び回路構成が簡潔である点においても、従来のアンテナ装置に比べて有利である上、さらに、無線通信装置の小型化にも寄与する。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように本発明によれば、帯域内の異なる周波数において所望の指向性を実現可能な指向性可変機能を搭載した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が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】マイクロストリップパッチアンテナを用いた指向性可変機能を有するアンテナ装置の構成例を示した説明図である。
【図２】無給電素子に接続された長さの異なるスタブをスイッチで切り替えて指向性を可変する機能を搭載したアンテナ装置の構成例を示した説明図である。
【図３】図２に例示したアンテナ装置の放射特性を示した説明図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示した説明図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示した説明図である。
【図６】図４及び図５に示したアンテナ装置の放射特性を示した説明図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示した説明図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示した説明図である。
【図９】図７及び図８に示したアンテナ装置の放射特性を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
［説明の流れについて］
ここで、以下に記載する本発明の実施形態に関する説明の流れについて簡単に述べる。まず、図１〜図３を参照しながら、無給電素子に接続されたスタブのアドミタンスを可変して指向性を切り替える従来のアンテナ装置１０の構成例を紹介する。次いで、図４〜図６を参照しながら、本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置１００の構成について説明する。次いで、図７〜図９を参照しながら、本発明の第２実施形態に係るアンテナ装置２００の構成について説明する。
【００１５】
＜１：従来例＞
本発明の好適な実施形態について説明するに先立ち、図１〜図３を参照しながら、指向性を可変可能な従来のアンテナ装置１０について簡単に説明する。
【００１６】
図１に示すように、従来のアンテナ装置１０は、主に、グラウンド導体１１、誘電体基板１２、マイクロストリップパッチアンテナ１３、無給電素子１５、１７により構成される。なお、マイクロストリップパッチアンテナ１３には給電点１４が設けられており、マイクロストリップパッチアンテナ１３の給電点１４には、図２に示すように、電源２１が接続されている。また、無給電素子１５、１７にそれぞれ設けられた接続点１６、１８には、図２に示すように、スイッチ２２、２４が接続されている。スイッチ２２には、互いに長さの異なるオープンスタブ２３Ａ、２３Ｂが接続されている。同様に、スイッチ２４には、互いに長さの異なるオープンスタブ２５Ａ、２５Ｂが接続されている。
【００１７】
また、スイッチ２２は、その短絡／開放により接続点１６に接続されるスタブをオープンスタブ２３Ａ又は２３Ｂのいずれかに切り替える。同様に、スイッチ２４は、その短絡／開放により接続点１８に接続されるスタブをオープンスタブ２５Ａ又は２５Ｂのいずれかに切り替える。例えば、オープンスタブ２３Ａ、２５ＡのアドミタンスはｊＢ２であるとし、オープンスタブ２３Ｂ、２５ＢのアドミタンスはｊＢ１（Ｂ１＞Ｂ２）であるとする。この場合、接続点１６とオープンスタブ２３Ａとを接続し、接続点１８とオープンスタブ２５Ａとを接続するようにスイッチ２２、２４を制御すると、図３（Ｂ）の鎖線で示すように正面方向へと指向性が向く。
【００１８】
一方、接続点１６とオープンスタブ２３Ｂとを接続し、接続点１８とオープンスタブ２５Ａとを接続するようにスイッチ２２、２４を制御すると、図３（Ｂ）の実線で示すように−Ｙ方向（−２５°付近）に指向性が向く。逆に、接続点１６とオープンスタブ２３Ａとを接続し、接続点１８とオープンスタブ２５Ｂとを接続するようにスイッチ２２、２４を制御すると、＋Ｙ方向（＋２５°付近）に指向性が向く。このように、アンテナ装置１０は、スイッチ２２、２４の切り替えにより無給電素子１５、１７に装荷されるアドミタンスを可変して指向性を切り替えることができる。
【００１９】
但し、図３に示すように、帯域内周波数を変更すると指向性の傾き方が変わってしまう。例えば、帯域内周波数ｆをｆ＝λからｆ＝０．９６λに変更した場合、接続点１６とオープンスタブ２３Ｂとを接続し、接続点１８とオープンスタブ２５Ａとを接続するようにスイッチ２２、２４を制御すると、図３（Ａ）の実線で示すように−Ｙ方向（−１５°付近）に指向性が向く。つまり、図３（Ｂ）に比べると、指向性の傾き方が小さくなっている。同様に、帯域内周波数ｆをｆ＝λからｆ＝１．０４λに変更した場合、接続点１６とオープンスタブ２３Ｂとを接続し、接続点１８とオープンスタブ２５Ａとを接続するようにスイッチ２２、２４を制御すると、図３（Ｃ）の実線で示すように＋Ｙ方向（＋２５°付近）に指向性が向く。
【００２０】
このように、帯域内周波数に応じて無給電素子１５、１７の接続点１６、１８に接続された線路のリアクタンス値が変わってしまうために指向性が変化してしまう。その結果、アンテナ装置１０のように設計時に線路長を固定すると、設計した周波数に対する指向性可変にしか対応できないという問題が生じる。そこで、本件発明者は、帯域内の異なる周波数に対する指向性可変に対応可能なアンテナ装置（後述するアンテナ装置１００、２００）の構成を考案した。以下、この構成について詳細に説明する。
【００２１】
＜２：第１実施形態＞
本発明の第１実施形態について説明する。
【００２２】
［２−１：装置構成］
まず、図４及び図５を参照しながら、本実施形態に係るアンテナ装置１００の構成について説明する。図４及び図５は、本実施形態に係るアンテナ装置１００の構成例を示した説明図である。
【００２３】
図４に示すように、アンテナ装置１００は、主に、グラウンド導体１０１、誘電体基板１０２、マイクロストリップパッチアンテナ１０３、無給電素子１０５、１０７により構成される。誘電体基板１０２はグラウンド導体１０１上に積層され、マイクロストリップパッチアンテナ１０３及び無給電素子１０５、１０７は誘電体基板１０２上に形成される。なお、マイクロストリップパッチアンテナ１０３には給電点１０４が設けられており、マイクロストリップパッチアンテナ１０３の給電点１０４には、図５に示すように、電源１１１が接続されている。また、無給電素子１０５、１０７にそれぞれ設けられた接続点１０６、１０８には、図５に示すように、スイッチ１２１、１２４が接続されている。なお、スイッチ１２１、１２４の短絡／開放は、制御部（非図示）により制御される。
【００２４】
スイッチ１２１には、互いに長さの異なる線路１２２Ａ、１２２Ｂが接続されている。線路１２２Ａ、１２２Ｂは、互いに異なるリアクタンス値を有する固定長のリアクタンス素子として機能する。また、線路１２２Ａには、可変容量素子１２３Ａが接続されている。そして、線路１２２Ａは、可変容量素子１２３Ａを介してグラウンド導体１０１に接続されている。同様に、線路１２２Ｂには、可変容量素子１２３Ｂが接続されている。そして、線路１２２Ｂは、可変容量素子１２３Ｂを介してグラウンド導体１０１に接続されている。なお、可変容量素子１２３Ａ、１２３Ｂの容量値は、制御部（非図示）により可変される。
【００２５】
また、スイッチ１２４には、互いに長さの異なる線路１２５Ａ、１２５Ｂが接続されている。線路１２２Ａ、１２２Ｂと同様、線路１２５Ａ、１２５Ｂは、互いに異なるリアクタンス値を有する固定長のリアクタンス素子として機能する。また、線路１２５Ａには、可変容量素子１２６Ａが接続されている。そして、線路１２５Ａは、可変容量素子１２６Ａを介してグラウンド導体１０１に接続されている。同様に、線路１２５Ｂには、可変容量素子１２６Ｂが接続されている。そして、線路１２５Ｂは、可変容量素子１２６Ｂを介してグラウンド導体１０１に接続されている。なお、可変容量素子１２６Ａ、１２６Ｂの容量値は、制御部（非図示）により可変される。
【００２６】
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。なお、以下では、線路１２２Ａ、１２５Ａの長さが等しく、線路１２２Ｂ、１２５Ｂの長さが等しいものとして説明を進める。
【００２７】
［２−２：放射特性］
次に、図６を参照しながら、本実施形態に係るアンテナ装置１００の動作及び放射特性について説明する。図６は、本実施形態に係るアンテナ装置１００の放射特性を示した説明図である。
【００２８】
スイッチ１２１、１２４を制御して長さの等しい線路の組み合わせが選択された場合（例えば、線路１２２Ａ、１２５Ａが無給電素子１０５、１０７と短絡された場合）、無給電素子１０５、１０７には同じリアクタンス値の素子が接続されているのと等価な状態になる。そのため、アンテナ装置１００の指向性は、図６（Ａ）〜（Ｃ）に鎖線で示したような正面方向を向く指向性が得られる。一方、スイッチ１２１、１２４を制御して長さの異なる線路の組み合わせが選択された場合（例えば、線路１２２Ａ、１２５Ｂが無給電素子１０５、１０７と短絡された場合）、無給電素子１０５、１０７に異なるリアクタンス値の素子が接続されているのと等価な状態になり、図６（Ａ）の実線に示すような指向性の傾きが得られる。
【００２９】
ここで、線路１２２Ａ、１２５Ｂと無給電素子１０５、１０７とをそれぞれ短絡した状態における指向性の変化及び容量値の制御方法について考えてみたい。仮に、可変容量素子１２３Ａ、１２６Ｂの容量値を固定したまま帯域内周波数を変更すると、線路１２２Ａ、１２５Ｂのリアクタンス値が変化し、従来のアンテナ装置１０と同様（図３を参照）、指向性の傾き方が変化してしまう。そこで、アンテナ装置１００は、帯域内周波数の変化にかかわらず、線路１２２Ａ及び可変容量素子１２３Ａの全体のリアクタンス値が所定値に維持されるように可変容量素子１２３Ａの容量値を調整する。同様に、アンテナ装置１００は、帯域内周波数の変化にかかわらず、線路１２５Ｂ及び可変容量素子１２６Ｂの全体のリアクタンス値が所定値に維持されるように可変容量素子１２６Ｂの容量値を調整する。
【００３０】
このように、可変容量素子１２３Ａ、１２６Ｂの容量値を調整すると、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、帯域内周波数ｆを変更しても指向性の傾き方が変化せず、帯域内の異なる周波数に対して所望の放射特性が得られる。つまり、周波数によらずに指向方向を一定に保つことが可能になる。なお、ここでは線路１２２Ａ、１２５Ｂと無給電素子１０５、１０７とをそれぞれ短絡した状態について考えたが、線路１２２Ｂ、１２５Ａと無給電素子１０５、１０７とをそれぞれ短絡した場合についても同様である。
【００３１】
以上、本実施形態に係るアンテナ装置１００の動作及び放射特性について説明した。なお、上記のような可変容量素子１２３Ａ、１２３Ｂ、１２６Ａ、１２６Ｂの容量値の制御は、制御部（非図示）により実行される。
【００３２】
＜３：第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
【００３３】
［３−１：装置構成］
まず、図７及び図８を参照しながら、本実施形態に係るアンテナ装置２００の構成について説明する。図７及び図８は、本実施形態に係るアンテナ装置２００の構成例を示した説明図である。
【００３４】
（全体構成）
図７に示すように、アンテナ装置２００は、主に、グラウンド導体２０１、誘電体基板２０２、複数のマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ、２０３Ｄ、複数の無給電素子２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄにより構成される。なお、誘電体基板２０２はグラウンド導体２０１上に積層され、複数のマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ、２０３Ｄ、及び複数の無給電素子２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄは、誘電体基板２０２上に形成される。
【００３５】
また、マイクロストリップパッチアンテナ２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ、２０３Ｄにはそれぞれ給電点２０４Ａ、２０４Ｂ、２０４Ｃ、２０４Ｄが設けられている。さらに、マイクロストリップパッチアンテナ２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ、２０３Ｄの給電点２０４Ａ、２０４Ｂ、２０４Ｃ、２０４Ｄには、それぞれ図８に示すように、電源２２１Ａ、２２１Ｂ、２２１Ｃ、２２１Ｄが接続されている。
【００３６】
また、無給電素子２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄには、それぞれ複数の接続点２１２Ａ、２１３Ａ、２１２Ｂ、２１３Ｂ、２１２Ｃ、２１３Ｃ、２１２Ｄ、２１３Ｄが設けられている。そして、図８に示すように、接続点２１２Ａ、２１３Ａにはそれぞれスイッチ２３１Ａ、２５１Ａが、接続点２１２Ｂ、２１３Ｂにはそれぞれスイッチ２３１Ｂ、２５１Ｂが、接続点２１２Ｃ、２１３Ｃにはそれぞれスイッチ２３１Ｃ、２５１Ｃが、接続点２１２Ｄ、２１３Ｄにはそれぞれスイッチ２３１Ｄ、２５１Ｄが接続されている。なお、スイッチ２３１Ａ、２５１Ａ、２３１Ｂ、２５１Ｂ、２３１Ｃ、２５１Ｃ、２３１Ｄ、２５１Ｄの短絡／開放は、制御部（非図示）により制御される。
【００３７】
例えば、給電素子２０３Ａに給電して指向性を制御する場合、制御部は、接続点２１２Ａに接続されたスイッチ２３１Ａ、及び接続点２１３Ｄに接続されたスイッチ２５１Ｄを切り替えて指向性を制御する。また、給電素子２０３Ｂに給電して指向性を制御する場合、制御部は、接続点２１２Ｂに接続されたスイッチ２３１Ｂ、及び接続点２１３Ａに接続されたスイッチ２５１Ａを切り替えて指向性を制御する。このように、同じ無給電素子２１１Ａに接続されている２つのスイッチ２３１Ａ、２５１Ａは、縦方向に指向性を切り替える場合と、横方向に指向性を切り替える場合とで使い分けられる。無給電素子２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄに接続されたスイッチ２３１Ｂ、２５１Ｂ、２３１Ｃ、２５１Ｃ、２３１Ｄ、２５１Ｄについても同様である。
【００３８】
スイッチ２３１Ａには、互いに長さの異なる線路２３２Ａ、２３４Ａが接続されている。線路２３２Ａ、２３４Ａは、互いに異なるリアクタンス値を有する固定長のリアクタンス素子として機能する。また、線路２３２Ａには、可変容量素子２３３Ａが接続されている。そして、線路２３２Ａは、可変容量素子２３３Ａを介してグラウンド導体２０１に接続されている。同様に、線路２３４Ａには、可変容量素子２３５Ａが接続されている。そして、線路２３４Ａは、可変容量素子２３５Ａを介してグラウンド導体２０１に接続されている。なお、可変容量素子２３３Ａ、２３５Ａの容量値は、制御部（非図示）により可変される。
【００３９】
同様に、スイッチ２５１Ａには、互いに長さの異なる線路２５２Ａ、２５４Ａが接続されている。線路２５２Ａ、２５４Ａは、互いに異なるリアクタンス値を有する固定長のリアクタンス素子として機能する。また、線路２５２Ａには、可変容量素子２５３Ａが接続されている。そして、線路２５２Ａは、可変容量素子２５３Ａを介してグラウンド導体２０１に接続されている。同様に、線路２５４Ａには、可変容量素子２５５Ａが接続されている。そして、線路２５４Ａは、可変容量素子２５５Ａを介してグラウンド導体２０１に接続されている。なお、可変容量素子２５３Ａ、２５５Ａの容量値は、制御部（非図示）により可変される。
【００４０】
なお、無給電素子２１１Ａに接続される線路などの構成について説明したが、無給電素子２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄに接続される線路などの構成もこれと実質的に同じである。また、線路２３２Ａ、２３２Ｂ、２３２Ｃ、２３２Ｄのリアクタンス値は同じ値に設定されるものとする。同様に、線路２５２Ａ、２５２Ｂ、２５２Ｃ、２５２Ｄのリアクタンス値は同じ値に設定されるものとする。但し、線路２３２Ａ、２３２Ｂ、２３２Ｃ、２３２Ｄのリアクタンス値と、線路２５２Ａ、２５２Ｂ、２５２Ｃ、２５２Ｄのリアクタンス値とは異なる値に設定されるものとする。
【００４１】
（素子の形状と配置について）
ここで、図７を参照しながら、無給電素子２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄの形状と配置について説明する。図７に示すように、本実施形態に係るアンテナ装置２００の場合、４つのマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ、２０３Ｄは、十字を成すように配置される。例えば、矩形の誘電体基板２０２の中心を原点とするｘ−ｙ直交座標を考えた場合に、ｘ軸上の正の領域にマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｂ、ｙ軸上の正の領域にマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｃ、ｘ軸上の負の領域にマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｄ、ｙ軸上の負の領域にマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ａが形成され、十字を成す。
【００４２】
また、４つの無給電素子２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄは、それぞれ上記のｘ−ｙ直交座標の第１象限〜第４象限に配置される。具体的には、無給電素子２１１Ａがマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ａ、２０３Ｂと隣り合うｘ−ｙ直交座標の第４象限に配置され、無給電素子２１１Ｂがマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｂ、２０３Ｃと隣り合うｘ−ｙ直交座標の第１象限に配置され、無給電素子２１１Ｃがマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｃ、２０３Ｄと隣り合うｘ−ｙ直交座標の第２象限に配置され、無給電素子２１１Ｄがマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｃ、２０３Ｄと隣り合うｘ−ｙ直交座標の第３象限に配置される。
【００４３】
また、無給電素子２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄは、それぞれ２つの長方形を交差して重畳した多角形の形状を有する。言い換えると、無給電素子２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄは、それぞれ、矩形の四隅を切欠いて得られる形状を有する。例えば、無給電素子２１１Ｄに注目すると、無給電素子２１１Ｄは、一辺が長さａ１の正方形の四隅を欠いて得られる形状を有している。特に、第１の角部は、一辺が長さａ２（ａ２＜ａ１）の正方形状に切り欠かれている。また、第１の角部と対角に位置する第２の角部は、一辺が長さａ３（ａ３＜ａ２）の正方形状に切り欠かれている。また、第３及び第４の角部は、一辺が長さａ３、他の一辺が長さａ２の長方形状に切り欠かれている。但し、第３及び第４の角部に形成された長方形状の切欠きは、長さａ２の辺が第２の角部に向くように形成されている。
【００４４】
また、無給電素子２１１Ａ及びマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ａは、上記のｘ−ｙ直交座標の原点を中心に、無給電素子２１１Ｄ及びマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｄをｘ軸からｙ軸に向かう方向に９０°だけ回転した形状を有する。同様に、無給電素子２１１Ｂ及びマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｂは、上記のｘ−ｙ直交座標の原点を中心に、無給電素子２１１Ａ及びマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ａをｘ軸からｙ軸に向かう方向に９０°だけ回転した形状を有する。そして、無給電素子２１１Ｃ及びマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｃは、上記のｘ−ｙ直交座標の原点を中心に、無給電素子２１１Ｂ及びマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｂをｘ軸からｙ軸に向かう方向に９０°だけ回転した形状を有する。
【００４５】
また、多角形状を有する無給電素子２１１Ｄの一辺の長さｂ１は、上記のｘ−ｙ直交座標のｙ方向に沿ったマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｄの幅と同じに設計されている。さらに、上記のｘ−ｙ直交座標のｘ方向に沿ったマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｄの幅は、長さａ１に設計されている。なお、無給電素子２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄ及びマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ、２０３Ｄの形状及び配置は上記の構成に限定されるものではないが、このような構成にすることで、より良好な特性が得られる（例えば、特願２０１０−２７６８５０号明細書を参照）。
【００４６】
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。
【００４７】
［３−２：放射特性］
次に、図９を参照しながら、本実施形態に係るアンテナ装置２００の動作及び放射特性について説明する。図９は、本実施形態に係るアンテナ装置２００の放射特性を示した説明図である。
【００４８】
スイッチ２３１Ｄ、２３１Ａを制御して長さの等しい線路の組み合わせが選択された場合（例えば、線路２３２Ｄ、２３４Ａが無給電素子２１１Ｄ、２１１Ａと短絡された場合）、無給電素子２１１Ｄ、２１１Ａには同じリアクタンス値の素子が接続されているのと等価な状態になる。そのため、アンテナ装置２００の指向性は、図９（Ａ）〜（Ｃ）に鎖線で示したような正面方向を向く指向性が得られる。一方、スイッチ２３１Ｄ、２３１Ａを制御して長さの異なる線路の組み合わせが選択された場合（例えば、線路２３２Ｄ、２５４Ａが無給電素子２１１Ｄ、２１１Ａと短絡された場合）、無給電素子２１１Ｄ、２１１Ａに異なるリアクタンス値の素子が接続されているのと等価な状態になり、図９（Ａ）の実線に示すような指向性の傾きが得られる。
【００４９】
ここで、線路２３２Ｄ、２５４Ａと無給電素子２１１Ｄ、２１１Ａとをそれぞれ短絡した状態における指向性の変化及び容量値の制御方法について考えてみたい。仮に、可変容量素子２３３Ｄ、２５５Ａの容量値を固定したまま帯域内周波数を変更すると、線路２３２Ｄ、２５４Ａのリアクタンス値が変化し、従来のアンテナ装置１０と同様（図３を参照）、指向性の傾き方が変化してしまう。そこで、アンテナ装置２００は、帯域内周波数の変化にかかわらず、線路２３２Ｄ及び可変容量素子２３３Ｄの全体のリアクタンス値が所定値に維持されるように可変容量素子２３３Ｄの容量値を調整する。同様に、アンテナ装置２００は、帯域内周波数の変化にかかわらず、線路２５４Ａ及び可変容量素子２５５Ａの全体のリアクタンス値が所定値に維持されるように可変容量素子２５５Ａの容量値を調整する。
【００５０】
このように、可変容量素子２３３Ｄ、２５５Ａの容量値を調整すると、図９（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、帯域内周波数ｆを変更しても指向性の傾き方が変化せず、帯域内の異なる周波数に対して所望の放射特性が得られる。つまり、周波数によらずに指向方向を一定に保つことが可能になる。なお、ここでは線路２３２Ｄ、２５２Ａと無給電素子２１１Ｄ、２１１Ａとをそれぞれ短絡した状態について考えたが、他の組み合わせについても同様である。実際には、スイッチ２３１Ａ、２５１Ａ、２３１Ｂ、２５１Ｂ、２３１Ｃ、２５１Ｃ、２３１Ｄ、２５１Ｄの状態及び帯域内周波数に応じて可変容量素子２３３Ａ、２５３Ａ、２３３Ｂ、２５３Ｂ、２３３Ｃ、２５３Ｃ、２３３Ｄ、２５３Ｄの容量値が調整される。
【００５１】
以上、本実施形態に係るアンテナ装置２００の動作及び放射特性について説明した。なお、上記のような可変容量素子２３３Ａ、２５３Ａ、２３３Ｂ、２５３Ｂ、２３３Ｃ、２５３Ｃ、２３３Ｄ、２５３Ｄの容量値の制御は、制御部（非図示）により実行される。
【００５２】
＜４：効果＞
以上説明した本発明の第１及び第２実施形態に係る技術を適用すると、マイクロストリップアンテナの周囲に配置した無給電素子のそれぞれと、長さの異なる線路との接続関係をスイッチにより切り替えることで、指向方向を切り替えることが可能になる。また、線路とグラウンド導体との間に接続した可変容量素子の容量値を調整することで、周波数によらず指向方向を一定に保つことが可能になる。さらに、上記の第２実施形態のように、複数の無給電素子が直交するように組み合わせて十字形状とすることで、省スペースに構成可能になり、アンテナ装置及びこれを搭載した無線通信装置の小型化が可能になる。
【００５３】
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、各種の変更例また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。例えば、上記説明において登場した制御部の機能は、アンテナ装置を搭載する無線通信装置の一部機能を利用して実現されるように構成してもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１０ アンテナ装置
１１ グラウンド導体
１２ 誘電体基板
１３ マイクロストリップパッチアンテナ
１４ 給電点
１５、１７ 無給電素子
１６、１８ 接続点
２１ 電源
２２、２４ スイッチ
２３Ａ、２３Ｂ、２５Ａ、２５Ｂ オープンスタブ
１００、２００ アンテナ装置
１０１、２０１ グラウンド導体
１０２、２０２ 誘電体基板
１０３、２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ、２０３Ｄ マイクロストリップパッチアンテナ
１０４、２０４Ａ、２０４Ｂ、２０４Ｃ、２０４Ｄ 給電点
１０５、１０７、２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄ 無給電素子
１０６、１０８、２１２Ａ、２１２Ｂ、２１２Ｃ、２１２Ｄ、２１３Ａ、２１３Ｂ、２１３Ｃ、２１３Ｄ 接続点
１１１、２２１Ａ、２２１Ｂ、２２１Ｃ、２２１Ｄ 電源
１２１、１２４、２３１Ａ、２３１Ｂ、２３１Ｃ、２３１Ｄ、２５１Ａ、２５１Ｂ、２５１Ｃ、２５１Ｄ スイッチ
１２２Ａ、１２２Ｂ、１２５Ａ、１２５Ｂ、２３２Ａ、２３２Ｂ、２３２Ｃ、２３２Ｄ、２３４Ａ、２３４Ｂ、２３４Ｃ、２３４Ｄ、２５２Ａ、２５２Ｂ、２５２Ｃ、２５２Ｄ、２５４Ａ、２５４Ｂ、２５４Ｃ、２５４Ｄ 線路
１２３Ａ、１２３Ｂ、１２６Ａ、１２６Ｂ、２３３Ａ、２３３Ｂ、２３３Ｃ、２３３Ｄ、２３５Ａ、２３５Ｂ、２３５Ｃ、２３５Ｄ、２５３Ａ、２５３Ｂ、２５３Ｃ、２５３Ｄ、２５５Ａ、２５５Ｂ、２５５Ｃ、２５５Ｄ 可変容量素子
【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】
近年、移動体通信用基地局には、通信容量を増大するためにＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｐｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）機能や指向性の可変機能が求められている。下記の特許文献１には、複数の給電素子及び複数の無給電素子（寄生素子）で構成されたＭＩＭＯ機能に対応可能なアンテナ装置の構成が記載されている。また、同文献及び下記の非特許文献１には、無給電素子に接続された長さの異なる複数のスタブをスイッチで切り替えて指向性を可変するアンテナ装置の構成が記載されている。こうした構成を適用することにより、ＭＩＭＯ機能及び指向性の可変機能を搭載したアンテナ装置を実現することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３７０７７号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】羽石操，須賀秀和，「可変スタブ装荷非励振素子によるマイクロストリップアンテナのビーム成形」，信学技報A・P86-1，pp.1-4，1986．
【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、上記文献に記載のアンテナ装置は長さの異なる複数のスタブをスイッチで切り替えて指向性の可変機能を実現しているため、設計した周波数にしか対応できないという問題がある。つまり、上記文献に記載のアンテナ装置は、設計時に決定した周波数近辺の周波数において所望の指向性可変機能を実現することができないという問題がある。そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、異なる複数の周波数において所望の指向性を実現可能な指向性可変機能を搭載した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にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、給電点を有する給電素子と、前記給電素子の周囲に配置された複数の無給電素子と、前記各無給電素子について設けられた互いにリアクタンス値の異なる複数の線路と、前記各無給電素子に接続される前記線路を切り替えるスイッチと、前記各線路に接続された可変容量素子と、を備える、アンテナ装置が提供される。このように、当該アンテナ装置は、周波数に応じて所望の指向性が得られるように可変容量素子の容量値を調整できるように構成されている。そのため、帯域内の異なる周波数及びスイッチの切り替えにより実現される指向性について、可変容量素子の容量値を調整することで所望の指向性を得ることが可能になる。また、帯域内周波数を変更した際の制御が容易である点及び回路構成が簡潔である点においても、従来のアンテナ装置に比べて有利である上、さらにアンテナ装置の小型化にも寄与する。
【０００７】
また、上記のアンテナ装置は、帯域内周波数の変更に伴う指向性の変化を抑圧するように前記可変容量素子の容量値を調整する制御部をさらに備えていてもよい。なお、この制御部は、後述する無線通信装置の一部機能を利用して実現されてもよい。かかる構成により、帯域内周波数を変更しても所望の指向性が得られるようになる。
【０００８】
また、同一平面上で十字を成すように４つの前記給電素子が配置されていてもよい。さらに、これら４つの前記給電素子のうち、互いに隣接して配置された２つの前記給電素子だけが隣接する位置に前記無給電素子が配置されるように構成されていてもよい。この場合、前記各無給電素子について、前記複数の線路、前記スイッチ、前記可変容量素子が設けられる。かかる構成により、複数の給電素子を用いてＭＩＭＯ機能を実現することが可能になる。さらに、ＭＩＭＯ機能を実現する場合においても、可変容量素子の容量値を調整することにより、帯域内の異なる周波数に対して所望の指向性が得られる。
【０００９】
また、前記無給電素子は、矩形の四隅に矩形の切り欠きを設けた形状であってもよい。また、上記のアンテナ装置は、前記可変容量素子を介して前記線路が接続されるグラウンド導体と、前記グラウンド導体上に設けられた誘電体基板と、をさらに備えていてもよい。また、前記給電素子及び前記無給電素子は、前記誘電体基板上に載置される。また、前記複数の無給電素子について、それぞれ対応する前記複数の線路に設定されたリアクタンス値の組み合わせは共通であってもよい。
【００１０】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、上記のアンテナ装置を搭載した無線通信装置が提供される。かかる構成により、帯域内の異なる周波数及びスイッチの切り替えにより実現される指向性について、可変容量素子の容量値を調整することで所望の指向性を得ることが可能になる。また、帯域内周波数を変更した際の制御が容易である点及び回路構成が簡潔である点においても、従来のアンテナ装置に比べて有利である上、さらに、無線通信装置の小型化にも寄与する。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように本発明によれば、帯域内の異なる周波数において所望の指向性を実現可能な指向性可変機能を搭載した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が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】マイクロストリップパッチアンテナを用いた指向性可変機能を有するアンテナ装置の構成例を示した説明図である。
【図２】無給電素子に接続された長さの異なるスタブをスイッチで切り替えて指向性を可変する機能を搭載したアンテナ装置の構成例を示した説明図である。
【図３】図２に例示したアンテナ装置の放射特性を示した説明図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示した説明図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示した説明図である。
【図６】図４及び図５に示したアンテナ装置の放射特性を示した説明図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示した説明図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示した説明図である。
【図９】図７及び図８に示したアンテナ装置の放射特性を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
［説明の流れについて］
ここで、以下に記載する本発明の実施形態に関する説明の流れについて簡単に述べる。まず、図１〜図３を参照しながら、無給電素子に接続されたスタブのアドミタンスを可変して指向性を切り替える従来のアンテナ装置１０の構成例を紹介する。次いで、図４〜図６を参照しながら、本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置１００の構成について説明する。次いで、図７〜図９を参照しながら、本発明の第２実施形態に係るアンテナ装置２００の構成について説明する。
【００１５】
＜１：従来例＞
本発明の好適な実施形態について説明するに先立ち、図１〜図３を参照しながら、指向性を可変可能な従来のアンテナ装置１０について簡単に説明する。
【００１６】
図１に示すように、従来のアンテナ装置１０は、主に、グラウンド導体１１、誘電体基板１２、マイクロストリップパッチアンテナ１３、無給電素子１５、１７により構成される。なお、マイクロストリップパッチアンテナ１３には給電点１４が設けられており、マイクロストリップパッチアンテナ１３の給電点１４には、図２に示すように、電源２１が接続されている。また、無給電素子１５、１７にそれぞれ設けられた接続点１６、１８には、図２に示すように、スイッチ２２、２４が接続されている。スイッチ２２には、互いに長さの異なるオープンスタブ２３Ａ、２３Ｂが接続されている。同様に、スイッチ２４には、互いに長さの異なるオープンスタブ２５Ａ、２５Ｂが接続されている。
【００１７】
また、スイッチ２２は、その短絡／開放により接続点１６に接続されるスタブをオープンスタブ２３Ａ又は２３Ｂのいずれかに切り替える。同様に、スイッチ２４は、その短絡／開放により接続点１８に接続されるスタブをオープンスタブ２５Ａ又は２５Ｂのいずれかに切り替える。例えば、オープンスタブ２３Ａ、２５ＡのアドミタンスはｊＢ２であるとし、オープンスタブ２３Ｂ、２５ＢのアドミタンスはｊＢ１（Ｂ１＞Ｂ２）であるとする。この場合、接続点１６とオープンスタブ２３Ａとを接続し、接続点１８とオープンスタブ２５Ａとを接続するようにスイッチ２２、２４を制御すると、図３（Ｂ）の鎖線で示すように正面方向へと指向性が向く。
【００１８】
一方、接続点１６とオープンスタブ２３Ｂとを接続し、接続点１８とオープンスタブ２５Ａとを接続するようにスイッチ２２、２４を制御すると、図３（Ｂ）の実線で示すように−Ｙ方向（−２５°付近）に指向性が向く。逆に、接続点１６とオープンスタブ２３Ａとを接続し、接続点１８とオープンスタブ２５Ｂとを接続するようにスイッチ２２、２４を制御すると、＋Ｙ方向（＋２５°付近）に指向性が向く。このように、アンテナ装置１０は、スイッチ２２、２４の切り替えにより無給電素子１５、１７に装荷されるアドミタンスを可変して指向性を切り替えることができる。
【００１９】
但し、図３に示すように、帯域内周波数を変更すると指向性の傾き方が変わってしまう。例えば、帯域内周波数ｆをｆ＝λからｆ＝０．９６λに変更した場合、接続点１６とオープンスタブ２３Ｂとを接続し、接続点１８とオープンスタブ２５Ａとを接続するようにスイッチ２２、２４を制御すると、図３（Ａ）の実線で示すように−Ｙ方向（−１５°付近）に指向性が向く。つまり、図３（Ｂ）に比べると、指向性の傾き方が小さくなっている。同様に、帯域内周波数ｆをｆ＝λからｆ＝１．０４λに変更した場合、接続点１６とオープンスタブ２３Ｂとを接続し、接続点１８とオープンスタブ２５Ａとを接続するようにスイッチ２２、２４を制御すると、図３（Ｃ）の実線で示すように＋Ｙ方向（＋２５°付近）に指向性が向く。
【００２０】
このように、帯域内周波数に応じて無給電素子１５、１７の接続点１６、１８に接続された線路のリアクタンス値が変わってしまうために指向性が変化してしまう。その結果、アンテナ装置１０のように設計時に線路長を固定すると、設計した周波数に対する指向性可変にしか対応できないという問題が生じる。そこで、本件発明者は、帯域内の異なる周波数に対する指向性可変に対応可能なアンテナ装置（後述するアンテナ装置１００、２００）の構成を考案した。以下、この構成について詳細に説明する。
【００２１】
＜２：第１実施形態＞
本発明の第１実施形態について説明する。
【００２２】
［２−１：装置構成］
まず、図４及び図５を参照しながら、本実施形態に係るアンテナ装置１００の構成について説明する。図４及び図５は、本実施形態に係るアンテナ装置１００の構成例を示した説明図である。
【００２３】
図４に示すように、アンテナ装置１００は、主に、グラウンド導体１０１、誘電体基板１０２、マイクロストリップパッチアンテナ１０３、無給電素子１０５、１０７により構成される。誘電体基板１０２はグラウンド導体１０１上に積層され、マイクロストリップパッチアンテナ１０３及び無給電素子１０５、１０７は誘電体基板１０２上に形成される。なお、マイクロストリップパッチアンテナ１０３には給電点１０４が設けられており、マイクロストリップパッチアンテナ１０３の給電点１０４には、図５に示すように、電源１１１が接続されている。また、無給電素子１０５、１０７にそれぞれ設けられた接続点１０６、１０８には、図５に示すように、スイッチ１２１、１２４が接続されている。なお、スイッチ１２１、１２４の短絡／開放は、制御部（非図示）により制御される。
【００２４】
スイッチ１２１には、互いに長さの異なる線路１２２Ａ、１２２Ｂが接続されている。線路１２２Ａ、１２２Ｂは、互いに異なるリアクタンス値を有する固定長のリアクタンス素子として機能する。また、線路１２２Ａには、可変容量素子１２３Ａが接続されている。そして、線路１２２Ａは、可変容量素子１２３Ａを介してグラウンド導体１０１に接続されている。同様に、線路１２２Ｂには、可変容量素子１２３Ｂが接続されている。そして、線路１２２Ｂは、可変容量素子１２３Ｂを介してグラウンド導体１０１に接続されている。なお、可変容量素子１２３Ａ、１２３Ｂの容量値は、制御部（非図示）により可変される。
【００２５】
また、スイッチ１２４には、互いに長さの異なる線路１２５Ａ、１２５Ｂが接続されている。線路１２２Ａ、１２２Ｂと同様、線路１２５Ａ、１２５Ｂは、互いに異なるリアクタンス値を有する固定長のリアクタンス素子として機能する。また、線路１２５Ａには、可変容量素子１２６Ａが接続されている。そして、線路１２５Ａは、可変容量素子１２６Ａを介してグラウンド導体１０１に接続されている。同様に、線路１２５Ｂには、可変容量素子１２６Ｂが接続されている。そして、線路１２５Ｂは、可変容量素子１２６Ｂを介してグラウンド導体１０１に接続されている。なお、可変容量素子１２６Ａ、１２６Ｂの容量値は、制御部（非図示）により可変される。
【００２６】
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。なお、以下では、線路１２２Ａ、１２５Ａの長さが等しく、線路１２２Ｂ、１２５Ｂの長さが等しいものとして説明を進める。
【００２７】
［２−２：放射特性］
次に、図６を参照しながら、本実施形態に係るアンテナ装置１００の動作及び放射特性について説明する。図６は、本実施形態に係るアンテナ装置１００の放射特性を示した説明図である。
【００２８】
スイッチ１２１、１２４を制御して長さの等しい線路の組み合わせが選択された場合（例えば、線路１２２Ａ、１２５Ａが無給電素子１０５、１０７と短絡された場合）、無給電素子１０５、１０７には同じリアクタンス値の素子が接続されているのと等価な状態になる。そのため、アンテナ装置１００の指向性は、図６（Ａ）〜（Ｃ）に鎖線で示したような正面方向を向く指向性が得られる。一方、スイッチ１２１、１２４を制御して長さの異なる線路の組み合わせが選択された場合（例えば、線路１２２Ａ、１２５Ｂが無給電素子１０５、１０７と短絡された場合）、無給電素子１０５、１０７に異なるリアクタンス値の素子が接続されているのと等価な状態になり、図６（Ａ）の実線に示すような指向性の傾きが得られる。
【００２９】
ここで、線路１２２Ａ、１２５Ｂと無給電素子１０５、１０７とをそれぞれ短絡した状態における指向性の変化及び容量値の制御方法について考えてみたい。仮に、可変容量素子１２３Ａ、１２６Ｂの容量値を固定したまま帯域内周波数を変更すると、線路１２２Ａ、１２５Ｂのリアクタンス値が変化し、従来のアンテナ装置１０と同様（図３を参照）、指向性の傾き方が変化してしまう。そこで、アンテナ装置１００は、帯域内周波数の変化にかかわらず、線路１２２Ａ及び可変容量素子１２３Ａの全体のリアクタンス値が所定値に維持されるように可変容量素子１２３Ａの容量値を調整する。同様に、アンテナ装置１００は、帯域内周波数の変化にかかわらず、線路１２５Ｂ及び可変容量素子１２６Ｂの全体のリアクタンス値が所定値に維持されるように可変容量素子１２６Ｂの容量値を調整する。
【００３０】
このように、可変容量素子１２３Ａ、１２６Ｂの容量値を調整すると、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、帯域内周波数ｆを変更しても指向性の傾き方が変化せず、帯域内の異なる周波数に対して所望の放射特性が得られる。つまり、周波数によらずに指向方向を一定に保つことが可能になる。なお、ここでは線路１２２Ａ、１２５Ｂと無給電素子１０５、１０７とをそれぞれ短絡した状態について考えたが、線路１２２Ｂ、１２５Ａと無給電素子１０５、１０７とをそれぞれ短絡した場合についても同様である。
【００３１】
以上、本実施形態に係るアンテナ装置１００の動作及び放射特性について説明した。なお、上記のような可変容量素子１２３Ａ、１２３Ｂ、１２６Ａ、１２６Ｂの容量値の制御は、制御部（非図示）により実行される。
【００３２】
＜３：第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
【００３３】
［３−１：装置構成］
まず、図７及び図８を参照しながら、本実施形態に係るアンテナ装置２００の構成について説明する。図７及び図８は、本実施形態に係るアンテナ装置２００の構成例を示した説明図である。
【００３４】
（全体構成）
図７に示すように、アンテナ装置２００は、主に、グラウンド導体２０１、誘電体基板２０２、複数のマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ、２０３Ｄ、複数の無給電素子２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄにより構成される。なお、誘電体基板２０２はグラウンド導体２０１上に積層され、複数のマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ、２０３Ｄ、及び複数の無給電素子２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄは、誘電体基板２０２上に形成される。
【００３５】
また、マイクロストリップパッチアンテナ２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ、２０３Ｄにはそれぞれ給電点２０４Ａ、２０４Ｂ、２０４Ｃ、２０４Ｄが設けられている。さらに、マイクロストリップパッチアンテナ２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ、２０３Ｄの給電点２０４Ａ、２０４Ｂ、２０４Ｃ、２０４Ｄには、それぞれ図８に示すように、電源２２１Ａ、２２１Ｂ、２２１Ｃ、２２１Ｄが接続されている。
【００３６】
また、無給電素子２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄには、それぞれ複数の接続点２１２Ａ、２１３Ａ、２１２Ｂ、２１３Ｂ、２１２Ｃ、２１３Ｃ、２１２Ｄ、２１３Ｄが設けられている。そして、図８に示すように、接続点２１２Ａ、２１３Ａにはそれぞれスイッチ２３１Ａ、２５１Ａが、接続点２１２Ｂ、２１３Ｂにはそれぞれスイッチ２３１Ｂ、２５１Ｂが、接続点２１２Ｃ、２１３Ｃにはそれぞれスイッチ２３１Ｃ、２５１Ｃが、接続点２１２Ｄ、２１３Ｄにはそれぞれスイッチ２３１Ｄ、２５１Ｄが接続されている。なお、スイッチ２３１Ａ、２５１Ａ、２３１Ｂ、２５１Ｂ、２３１Ｃ、２５１Ｃ、２３１Ｄ、２５１Ｄの短絡／開放は、制御部（非図示）により制御される。
【００３７】
例えば、給電素子２０３Ａに給電して指向性を制御する場合、制御部は、接続点２１２Ａに接続されたスイッチ２３１Ａ、及び接続点２１３Ｄに接続されたスイッチ２５１Ｄを切り替えて指向性を制御する。また、給電素子２０３Ｂに給電して指向性を制御する場合、制御部は、接続点２１２Ｂに接続されたスイッチ２３１Ｂ、及び接続点２１３Ａに接続されたスイッチ２５１Ａを切り替えて指向性を制御する。このように、同じ無給電素子２１１Ａに接続されている２つのスイッチ２３１Ａ、２５１Ａは、縦方向に指向性を切り替える場合と、横方向に指向性を切り替える場合とで使い分けられる。無給電素子２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄに接続されたスイッチ２３１Ｂ、２５１Ｂ、２３１Ｃ、２５１Ｃ、２３１Ｄ、２５１Ｄについても同様である。
【００３８】
スイッチ２３１Ａには、互いに長さの異なる線路２３２Ａ、２３４Ａが接続されている。線路２３２Ａ、２３４Ａは、互いに異なるリアクタンス値を有する固定長のリアクタンス素子として機能する。また、線路２３２Ａには、可変容量素子２３３Ａが接続されている。そして、線路２３２Ａは、可変容量素子２３３Ａを介してグラウンド導体２０１に接続されている。同様に、線路２３４Ａには、可変容量素子２３５Ａが接続されている。そして、線路２３４Ａは、可変容量素子２３５Ａを介してグラウンド導体２０１に接続されている。なお、可変容量素子２３３Ａ、２３５Ａの容量値は、制御部（非図示）により可変される。
【００３９】
同様に、スイッチ２５１Ａには、互いに長さの異なる線路２５２Ａ、２５４Ａが接続されている。線路２５２Ａ、２５４Ａは、互いに異なるリアクタンス値を有する固定長のリアクタンス素子として機能する。また、線路２５２Ａには、可変容量素子２５３Ａが接続されている。そして、線路２５２Ａは、可変容量素子２５３Ａを介してグラウンド導体２０１に接続されている。同様に、線路２５４Ａには、可変容量素子２５５Ａが接続されている。そして、線路２５４Ａは、可変容量素子２５５Ａを介してグラウンド導体２０１に接続されている。なお、可変容量素子２５３Ａ、２５５Ａの容量値は、制御部（非図示）により可変される。
【００４０】
なお、無給電素子２１１Ａに接続される線路などの構成について説明したが、無給電素子２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄに接続される線路などの構成もこれと実質的に同じである。また、線路２３２Ａ、２３２Ｂ、２３２Ｃ、２３２Ｄのリアクタンス値は同じ値に設定されるものとする。同様に、線路２５２Ａ、２５２Ｂ、２５２Ｃ、２５２Ｄのリアクタンス値は同じ値に設定されるものとする。但し、線路２３２Ａ、２３２Ｂ、２３２Ｃ、２３２Ｄのリアクタンス値と、線路２５２Ａ、２５２Ｂ、２５２Ｃ、２５２Ｄのリアクタンス値とは異なる値に設定されるものとする。
【００４１】
（素子の形状と配置について）
ここで、図７を参照しながら、無給電素子２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄの形状と配置について説明する。図７に示すように、本実施形態に係るアンテナ装置２００の場合、４つのマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ、２０３Ｄは、十字を成すように配置される。例えば、矩形の誘電体基板２０２の中心を原点とするｘ−ｙ直交座標を考えた場合に、ｘ軸上の正の領域にマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｂ、ｙ軸上の正の領域にマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｃ、ｘ軸上の負の領域にマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｄ、ｙ軸上の負の領域にマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ａが形成され、十字を成す。
【００４２】
また、４つの無給電素子２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄは、それぞれ上記のｘ−ｙ直交座標の第１象限〜第４象限に配置される。具体的には、無給電素子２１１Ａがマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ａ、２０３Ｂと隣り合うｘ−ｙ直交座標の第４象限に配置され、無給電素子２１１Ｂがマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｂ、２０３Ｃと隣り合うｘ−ｙ直交座標の第１象限に配置され、無給電素子２１１Ｃがマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｃ、２０３Ｄと隣り合うｘ−ｙ直交座標の第２象限に配置され、無給電素子２１１Ｄがマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｃ、２０３Ｄと隣り合うｘ−ｙ直交座標の第３象限に配置される。
【００４３】
また、無給電素子２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄは、それぞれ２つの長方形を交差して重畳した多角形の形状を有する。言い換えると、無給電素子２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄは、それぞれ、矩形の四隅を切欠いて得られる形状を有する。例えば、無給電素子２１１Ｄに注目すると、無給電素子２１１Ｄは、一辺が長さａ１の正方形の四隅を欠いて得られる形状を有している。特に、第１の角部は、一辺が長さａ２（ａ２＜ａ１）の正方形状に切り欠かれている。また、第１の角部と対角に位置する第２の角部は、一辺が長さａ３（ａ３＜ａ２）の正方形状に切り欠かれている。また、第３及び第４の角部は、一辺が長さａ３、他の一辺が長さａ２の長方形状に切り欠かれている。但し、第３及び第４の角部に形成された長方形状の切欠きは、長さａ２の辺が第２の角部に向くように形成されている。
【００４４】
また、無給電素子２１１Ａ及びマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ａは、上記のｘ−ｙ直交座標の原点を中心に、無給電素子２１１Ｄ及びマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｄをｘ軸からｙ軸に向かう方向に９０°だけ回転した形状を有する。同様に、無給電素子２１１Ｂ及びマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｂは、上記のｘ−ｙ直交座標の原点を中心に、無給電素子２１１Ａ及びマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ａをｘ軸からｙ軸に向かう方向に９０°だけ回転した形状を有する。そして、無給電素子２１１Ｃ及びマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｃは、上記のｘ−ｙ直交座標の原点を中心に、無給電素子２１１Ｂ及びマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｂをｘ軸からｙ軸に向かう方向に９０°だけ回転した形状を有する。
【００４５】
また、多角形状を有する無給電素子２１１Ｄの一辺の長さｂ１は、上記のｘ−ｙ直交座標のｙ方向に沿ったマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｄの幅と同じに設計されている。さらに、上記のｘ−ｙ直交座標のｘ方向に沿ったマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ｄの幅は、長さａ１に設計されている。なお、無給電素子２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄ及びマイクロストリップパッチアンテナ２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ、２０３Ｄの形状及び配置は上記の構成に限定されるものではないが、このような構成にすることで、より良好な特性が得られる（例えば、特願２０１０−２７６８５０号明細書を参照）。
【００４６】
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。
【００４７】
［３−２：放射特性］
次に、図９を参照しながら、本実施形態に係るアンテナ装置２００の動作及び放射特性について説明する。図９は、本実施形態に係るアンテナ装置２００の放射特性を示した説明図である。
【００４８】
スイッチ２３１Ｄ、２３１Ａを制御して長さの等しい線路の組み合わせが選択された場合（例えば、線路２３２Ｄ、２３４Ａが無給電素子２１１Ｄ、２１１Ａと短絡された場合）、無給電素子２１１Ｄ、２１１Ａには同じリアクタンス値の素子が接続されているのと等価な状態になる。そのため、アンテナ装置２００の指向性は、図９（Ａ）〜（Ｃ）に鎖線で示したような正面方向を向く指向性が得られる。一方、スイッチ２３１Ｄ、２３１Ａを制御して長さの異なる線路の組み合わせが選択された場合（例えば、線路２３２Ｄ、２５４Ａが無給電素子２１１Ｄ、２１１Ａと短絡された場合）、無給電素子２１１Ｄ、２１１Ａに異なるリアクタンス値の素子が接続されているのと等価な状態になり、図９（Ａ）の実線に示すような指向性の傾きが得られる。
【００４９】
ここで、線路２３２Ｄ、２５４Ａと無給電素子２１１Ｄ、２１１Ａとをそれぞれ短絡した状態における指向性の変化及び容量値の制御方法について考えてみたい。仮に、可変容量素子２３３Ｄ、２５５Ａの容量値を固定したまま帯域内周波数を変更すると、線路２３２Ｄ、２５４Ａのリアクタンス値が変化し、従来のアンテナ装置１０と同様（図３を参照）、指向性の傾き方が変化してしまう。そこで、アンテナ装置２００は、帯域内周波数の変化にかかわらず、線路２３２Ｄ及び可変容量素子２３３Ｄの全体のリアクタンス値が所定値に維持されるように可変容量素子２３３Ｄの容量値を調整する。同様に、アンテナ装置２００は、帯域内周波数の変化にかかわらず、線路２５４Ａ及び可変容量素子２５５Ａの全体のリアクタンス値が所定値に維持されるように可変容量素子２５５Ａの容量値を調整する。
【００５０】
このように、可変容量素子２３３Ｄ、２５５Ａの容量値を調整すると、図９（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、帯域内周波数ｆを変更しても指向性の傾き方が変化せず、帯域内の異なる周波数に対して所望の放射特性が得られる。つまり、周波数によらずに指向方向を一定に保つことが可能になる。なお、ここでは線路２３２Ｄ、２５２Ａと無給電素子２１１Ｄ、２１１Ａとをそれぞれ短絡した状態について考えたが、他の組み合わせについても同様である。実際には、スイッチ２３１Ａ、２５１Ａ、２３１Ｂ、２５１Ｂ、２３１Ｃ、２５１Ｃ、２３１Ｄ、２５１Ｄの状態及び帯域内周波数に応じて可変容量素子２３３Ａ、２５３Ａ、２３３Ｂ、２５３Ｂ、２３３Ｃ、２５３Ｃ、２３３Ｄ、２５３Ｄの容量値が調整される。
【００５１】
以上、本実施形態に係るアンテナ装置２００の動作及び放射特性について説明した。なお、上記のような可変容量素子２３３Ａ、２５３Ａ、２３３Ｂ、２５３Ｂ、２３３Ｃ、２５３Ｃ、２３３Ｄ、２５３Ｄの容量値の制御は、制御部（非図示）により実行される。
【００５２】
＜４：効果＞
以上説明した本発明の第１及び第２実施形態に係る技術を適用すると、マイクロストリップアンテナの周囲に配置した無給電素子のそれぞれと、長さの異なる線路との接続関係をスイッチにより切り替えることで、指向方向を切り替えることが可能になる。また、線路とグラウンド導体との間に接続した可変容量素子の容量値を調整することで、周波数によらず指向方向を一定に保つことが可能になる。さらに、上記の第２実施形態のように、複数の無給電素子が直交するように組み合わせて十字形状とすることで、省スペースに構成可能になり、アンテナ装置及びこれを搭載した無線通信装置の小型化が可能になる。
【００５３】
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、各種の変更例また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。例えば、上記説明において登場した制御部の機能は、アンテナ装置を搭載する無線通信装置の一部機能を利用して実現されるように構成してもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１０ アンテナ装置
１１ グラウンド導体
１２ 誘電体基板
１３ マイクロストリップパッチアンテナ
１４ 給電点
１５、１７ 無給電素子
１６、１８ 接続点
２１ 電源
２２、２４ スイッチ
２３Ａ、２３Ｂ、２５Ａ、２５Ｂ オープンスタブ
１００、２００ アンテナ装置
１０１、２０１ グラウンド導体
１０２、２０２ 誘電体基板
１０３、２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ、２０３Ｄ マイクロストリップパッチアンテナ
１０４、２０４Ａ、２０４Ｂ、２０４Ｃ、２０４Ｄ 給電点
１０５、１０７、２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄ 無給電素子
１０６、１０８、２１２Ａ、２１２Ｂ、２１２Ｃ、２１２Ｄ、２１３Ａ、２１３Ｂ、２１３Ｃ、２１３Ｄ 接続点
１１１、２２１Ａ、２２１Ｂ、２２１Ｃ、２２１Ｄ 電源
１２１、１２４、２３１Ａ、２３１Ｂ、２３１Ｃ、２３１Ｄ、２５１Ａ、２５１Ｂ、２５１Ｃ、２５１Ｄ スイッチ
１２２Ａ、１２２Ｂ、１２５Ａ、１２５Ｂ、２３２Ａ、２３２Ｂ、２３２Ｃ、２３２Ｄ、２３４Ａ、２３４Ｂ、２３４Ｃ、２３４Ｄ、２５２Ａ、２５２Ｂ、２５２Ｃ、２５２Ｄ、２５４Ａ、２５４Ｂ、２５４Ｃ、２５４Ｄ 線路
１２３Ａ、１２３Ｂ、１２６Ａ、１２６Ｂ、２３３Ａ、２３３Ｂ、２３３Ｃ、２３３Ｄ、２３５Ａ、２３５Ｂ、２３５Ｃ、２３５Ｄ、２５３Ａ、２５３Ｂ、２５３Ｃ、２５３Ｄ、２５５Ａ、２５５Ｂ、２５５Ｃ、２５５Ｄ 可変容量素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電点を有する給電素子と、
前記給電素子の周囲に配置された複数の無給電素子と、
前記各無給電素子について設けられた互いにリアクタンス値の異なる複数の線路と、
前記各無給電素子に接続される前記線路を切り替えるスイッチと、
前記各線路に接続された可変容量素子と、
を備える
ことを特徴とする、アンテナ装置。
【請求項２】
帯域内周波数の変更に伴う指向性の変化を抑圧するように前記可変容量素子の容量値を調整する制御部をさらに備える
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】
同一平面上で十字を成すように４つの前記給電素子が配置され、
４つの前記給電素子のうち、互いに隣接して配置された２つの前記給電素子だけが隣接する位置に前記無給電素子が配置され、
前記各無給電素子について、前記複数の線路、前記スイッチ、前記可変容量素子が設けられる
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】
前記無給電素子は、矩形の四隅に矩形の切り欠きを設けた形状である
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】
前記可変容量素子を介して前記線路が接続されるグラウンド導体と、
前記グラウンド導体上に設けられた誘電体基板と、
をさらに備え、
前記給電素子及び前記無給電素子は、前記誘電体基板上に載置される
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記複数の無給電素子について、それぞれ対応する前記複数の線路に設定されたリアクタンス値の組み合わせは共通である
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７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のアンテナ装置を搭載した
ことを特徴とする、無線通信装置。
【請求項１】
給電点を有する給電素子と、
前記給電素子の周囲に配置された複数の無給電素子と、
前記各無給電素子について設けられた互いにリアクタンス値の異なる複数の線路と、
前記各無給電素子に接続される前記線路を切り替えるスイッチと、
前記各線路に接続された可変容量素子と、
を備える
ことを特徴とする、アンテナ装置。
【請求項２】
帯域内周波数の変更に伴う指向性の変化を抑圧するように前記可変容量素子の容量値を調整する制御部をさらに備える
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】
同一平面上で十字を成すように４つの前記給電素子が配置され、
４つの前記給電素子のうち、互いに隣接して配置された２つの前記給電素子だけが隣接する位置に前記無給電素子が配置され、
前記各無給電素子について、前記複数の線路、前記スイッチ、前記可変容量素子が設けられる
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】
前記無給電素子は、矩形の四隅に矩形の切り欠きを設けた形状である
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】
前記可変容量素子を介して前記線路が接続されるグラウンド導体と、
前記グラウンド導体上に設けられた誘電体基板と、
をさらに備え、
前記給電素子及び前記無給電素子は、前記誘電体基板上に載置される
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記複数の無給電素子について、それぞれ対応する前記複数の線路に設定されたリアクタンス値の組み合わせは共通である
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７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のアンテナ装置を搭載した
ことを特徴とする、無線通信装置。
【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２０１３−９３６４２（Ｐ２０１３−９３６４２Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３２６６２（Ｐ２０１１−２３２６６２）
【出願日】平成２３年１０月２４日（２０１１．１０．２４）
【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２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２４日（２０１１．１０．２４）
【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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