JP4027967B2 - 偏波切換・指向性可変アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波・ミリ波帯における無線通信において、円偏波の旋回方向、および放射指向性の最大利得方向を切り換えて通信することにより、高品質な無線通信を行うことに適したアンテナに関する。

近年、室内無線ＬＡＮ等に代表される室内など閉じた空間における高速大容量通信の需要が高まっている。室内のような閉空間では、アンテナ間の見通し（Line-of-Sight）の直接波に加えて、壁や天井などからの反射による遅延波が存在し、マルチパス伝搬の環境となる。このマルチパス伝搬が、通信の品質を劣化させる要因となっている。

マルチパス伝搬環境下での、遅延波による通品品質の劣化の抑制に、放射指向性の最大利得方向の切り換えが可能なアンテナを用いる方法がある。これは、アンテナの最大利得方向を切り換え、最適な状態を選んで送受信することにより、通信の品質を高める方法である。

一方、マルチパス伝搬環境下での、遅延波による通品品質の劣化の抑制に、円偏波アンテナを用いる方法がある。円偏波とは、時間と共に電界ベクトルの向きが回転して進行する電磁波のことであり、場所を固定して進行方向を見た時、電界ベクトルが右回りに回転する円偏波を右旋円偏波、左回りに回転する円偏波を左旋円偏波という。

通常、完全な円偏波を発生させることは困難であり、逆旋回の偏波成分と合成されて、楕円偏波となる。この楕円の長軸と短軸の比を軸比と呼び、円偏波の特性を表す指標となっている。軸比が小さいほど円偏波特性は良好であると言える。通常の円偏波アンテナの場合、軸比は３ｄＢ以下の値で用いられる。

右旋円偏波を送受信するよう設計されたアンテナは、左旋円偏波を送受信できない。同様に、左旋円偏波を送受信するよう設計されたアンテナは、右旋円偏波を送受信できない。一般に、壁などの障害物に入射した円偏波は逆旋回の円偏波となって反射する。つまり、右旋円偏波が一回反射すると、左旋円偏波になり、さらにもう一度反射すると右旋円偏波になる。このため、室内通信に円偏波を用いることにより、一回反射によるマルチパス成分を抑圧することができる。

円偏波の送受信が可能な平面アンテナとしては、例えば非特許文献１に記載されているものがよく知られている。図１７（ａ）は一般的な直線偏波のアンテナを、図１７（ｂ）、（ｃ）は、非特許文献１に記載の一般的な円偏波アンテナの構造を示す概略図である。円偏波を発生させるためには、直交する偏波面を持ち、かつ位相が９０°ずれた二つの直線偏波成分が必要であるが、通常用いられる図１７（ａ）のような、放射導体板の重心３２と給電点を通る直線に線対称な形状の放射導体板３１では、上記直線の方向に電流が振動する共振のみが生じ、この振動方向に偏波面を持った直線偏波となる。

上記の線対称な形状の放射導体板３１から、円偏波を発生させるためには、上記の共振を二つの直交する共振に分離する必要がある。上記の共振を分離するためには、例えば図１７（ｂ）、（ｃ）のように、放射導体板３１の構造の対称性を崩してやればよい。このとき、対称性を崩す位置によって、図１７（ｂ）では左旋円偏波が、図１７（ｃ）では右旋円偏波が、それぞれ励振される。

しかしながら、ラップトップの内蔵アンテナやモバイル機器用のアンテナとしては、図１７（ｂ）、（ｃ）のような円偏波アンテナは不適であった。上記のような移動体の端末では、端末の位置や向きが大きく変化するため、旋回方向が固定された円偏波アンテナでは向きを反転したときなどに送受信できない。そのため、移動体端末における高品質・高効率な通信が可能なアンテナとして、円偏波の旋回方向の制御が実現できるアンテナが求められている。

また、上記の二つのマルチパス除去に有効な機能、「放射指向性の最大利得方向の切り換え機能」と、「円偏波の旋回方向の切り換え機能」を同時に実現すれば、さらなる高品質・高効率な通信が可能である。

従来、上記の二つの機能、「円偏波の旋回方向の切り換え」と、「放射指向性の最大利得方向の切り換え」を同時に実現するアンテナとしては、円偏波の切り換え可能なアンテナをアレー素子として、フェーズドアレーアンテナを実現するものがあった（特許文献１参照）。図１８（ａ）は、前記特許文献１に記載された従来の円偏波切換型・フェーズドアレーアンテナの１ユニットの構成を示すブロック図、図１８（ｂ）は円偏波切換型・フェーズドアレーアンテナの全体構成を示すブロック図である。

図１８（ａ）に示すように、従来の円偏波切換型・フェーズドアレーアンテナでは、アンテナの１ユニットごとにおいて、外部信号ｓ４１、ｓ４２の制御により、円偏波の旋回方向の切り換えを、また外部信号ｓ４３、ｓ４４、ｓ４５の制御により、アンテナの放射位相の切り換えを行っている。この１ユニットを、図１８（ｂ）のように多素子化し、外部制御装置を用いてすべての外部信号を制御することにより、フェーズドアレーアンテナ全体としての円偏波の旋回方向と、放射指向性の最大利得方向の切り換えを同時に実現している。
特開２０００−２２３９２７号公報 特開平９−３０７３５０号公報 特開２００４−３０４２２６号公報 Ｒａｍａｓｈ Ｇａｒｇ他著、「Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ａｎｔｅｎｎａ Ｄｅｓｉｇｎ Ｈａｎｄｂｏｏｋ」、Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ刊、ｐ．４９３−５１５

しかしながら、前記従来の構成のアンテナでは、複数の移相器が必要で構成や制御が複雑である、複数の給電線の切り換えが必要であり切換素子の挿入損失が大きい、などの問題から、小型の機器や端末のアンテナとして用いるのには不適であるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、移相器を一つも使用せず、また給電線が単一で切り換えの必要がない構成において、アンテナの放射指向性の最大利得方向の切り換えと、最大利得方向において軸比が３ｄＢ以下と良好な特性を持った円偏波の旋回方向の切り換えを、同時に実現するアンテナを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は偏波切換・指向性可変アンテナであって、対向する二つの面を持った誘電体基板１１と、前記誘電体基板の一面に形成された放射導体板１２と、前記放射導体板上に設けられた給電点と、前記誘電体基板の他方の面に形成された接地導体板１４と、前記誘電体基板の前記接地導体板側に設けられた少なくとも一つの指向性切換素子１５と、前前記誘電体基板の前記接地導体板側に設けられた少なくとも二つの偏波切換素子１６を有している。

前記放射導体板は、前記放射導体板の重心と前記給電点１３とを通る直線に対して線対称な形状を有し、前記少なくとも一つの指向性切換素子１５は、前記接地導体板１４をループ状に除去して形成された第一のスロット２０ａ、および前記第一のスロット２０ａに囲まれている内部導体１９と前記第一のスロット２０ａを取り囲む前記接地導体板１４との間に接続された少なくとも二つの指向性切換スイッチ１７とを有している。

前記第一のスロット２０ａは、前記放射導体板１２の共振周波数と概等しい周波数において共振し、前記第一のスロット２０ａは、一周の長さが動作周波数において一実効波長に対応する。前記少なくとも二つの指向性切換スイッチ１７をいずれも導通させることによって、前記第一のスロット２０ａを高周波的に複数のスロットに分割した際に、前記少なくとも二つの指向性切換スイッチ１７を両端とする分割されたスロットの長さが、半実効波長未満、もしくは半実効波長より大きく１実効波長未満となる位置に、前記各指向性切換スイッチ１７が設けられている。

前記少なくとも二つの偏波切換素子１６は、それぞれ、前記接地導体板１４をループ状に除去して形成された第二のスロット２０ｂ、２０ｃ、および、前記第二のスロット２０ｂ、２０ｃに囲まれている内部導体１９と前記第二のスロット２０ｂを取り囲む前記接地導体板１４との間に接続された、少なくとも一つの偏波切換スイッチ１８を有している。

前記各第二のスロット２０ｂ、２０ｃの一部は、前記放射導体板１２と重なった位置に設けられ、一つの前記第二のスロット２０ｂ、２０ｃにより囲まれた領域と前記放射導体板１２とが重なっている部分の面積をΔｓ、前記放射導体板１２の面積をｓ、前記放射導体板１２の無負荷ＱをＱ０としたとき、円偏波指標Ｑ０Δｓ／ｓが０．８以上、１．６以下の値をとる。

前記放射導体板１２の重心２４と前記給電点を通る直線と、前記放射導体板の重心２４と前記第二のスロットの重心２５を通る直線の間の角度をξとするとき、前記少なくとも二つの偏波切換素子のうち一つの第二のスロット２０ｂが、ξが０°より大きく９０°未満の範囲、もしくは１８０°より大きく２７０°未満の範囲のどちらかに設けられ、前記少なくとも二つの偏波切換素子のうち他の第二のスロット２０ｃが、ξが９０°より大きく１８０°未満の範囲、もしくは２７０°より大きく、３６０°未満の範囲のどちらかに設けられている。

このような構成を採用することにより、最大利得方向の切り換えと、最大利得方向において円偏波の旋回方向の切り換えを同時に実現できる。

前記円偏波指標が、１．１以上、１．３以下であればさらに好ましい。上記条件によって、さらに良好な円偏波特性を得ることができる。

前記偏波切換素子を構成する第二のスロット２０ｂ・２０ｃが、前記指向性切換素子を構成する第一のスロット２０ａを兼ね、前記偏波切換スイッチ１８と前記指向性切換スイッチ１７の両方が前記第二のスロット２０ｂ・２０ｃに設けられていることにより、前記偏波切換素子１６が偏波切換機能と指向性切換機能の両方の機能を有していてもよい。本構成によって、指向性切換素子と偏波切換素子を兼用する素子が実現でき、より効率的に多くの方向への最大利得方向の切り換えが可能となる。

本発明の偏波切換・指向性可変アンテナによれば、移相器を全く使用しない簡易な構成で、また給電線が単一で、複数の給電線を切り換えるために必要な切換素子の挿入損失を回避可能な構成において、放射指向性の最大利得方向の切り換えと、最大利得方向において良好な軸比特性を持った円偏波の旋回方向の切り換えを、同時に実現することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施形態１）
まず、本発明の実施形態１を示す図１（ａ）から図１（ｃ）を参照する。図１（ａ）は誘電体基板１１の第一の面の透視図であり、図１(ｂ)は誘電体基板１１における第一の面と対向する第二の面の透視図である。図１(ｃ)は、図１（ａ）のＡ１-Ａ２線断面図である。

実施形態１では、偏波切換素子１６は、偏波切換機能と指向性切換機能の両方の機能を有している。すなわち、偏波切換素子１６は、指向性変化素子１５を兼ねている。

図１に示すように、本実施形態のアンテナは、誘電体基板１１の第一の面上に放射導体板１２を、対向する第二の面上に接地導体板１４を有している。第二の面の接地導体板１４内にはスロット２１ａ〜２１ｄが設けられている。スロット２１ａ〜２１ｄには、それぞれ、少なくとも二つの指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄと、少なくとも一つの偏波切換スイッチ２３ａ〜２３ｄが設けられている。指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄの制御により、最大利得方向の切り換えを実現し、偏波切換スイッチ２３ａ〜２３ｄの制御により、円偏波の旋回方向の切り換えを実現できる。

本実施形態の構成は、移相器を全く使用しない簡易な構成であり、また単一の給電線によって動作可能であるため、複数の給電線を切り換えるために必要な切換素子の挿入損失を回避できる。

図２に、本発明の実施形態１のアンテナの、基板第１の面の斜視図を示す。本実施形態１のアンテナでは、図２に示すようにφ軸とθ軸を定義する。以下、本明細書においては、この座標系に従って放射指向性を示す。

ここで、本実施形態１の、偏波切換・指向性可変アンテナにおける円偏波の切り換えと放射指向性の最大利得の切り換えの原理を詳細に説明する。

（円偏波切り換え）
まず、円偏波の切り換えの原理について述べる。円偏波の切り換えは偏波切換素子により行われる。以下、偏波切換素子について述べる。偏波切換素子は接地導体板１４内に少なくとも二つ形成され、各々がループ状のスロット２１ａ〜２１ｄと、少なくとも一つの偏波切換スイッチ２３ａ〜２３ｄからなる。本実施形態１では、スロット２１ａ〜２１ｄを放射導体板１２と重なる位置に設置し、偏波切換スイッチ２３ａ〜２３ｄの導通と切断を制御することにより、放射導体板１２の対称性を崩し、共振を分離している。

図３に本発明の実施形態１の、スロット部の拡大図を示す。スロット２１ａ〜２１ｄは、接地導体板１４をループ状に除去して形成される。放射導体板の重心２４と給電点を通る直線と、放射導体板の重心２４とスロットの重心２５を通る直線の間の角度をξとするとき、スロット２１ａ〜２１ｄは、ξが０°より大きく９０°未満の範囲、もしくは１８０°より大きく２７０°未満の範囲のどちらかに少なくとも一つ設けられ、またξが９０°より大きく１８０°未満の範囲、もしくは２７０°より大きく、３６０°未満の範囲のどちらかに少なくとも一つ設けられる。

スロット２１ａ〜２１ｄが、ξが０°、９０°、１８０°、２７０°の位置に設けられた場合、放射導体板１２の対称性は崩れず、円偏波を発生させる効果が得られない。したがって、スロット２１ａ〜２１ｄは、ξが０°、９０°、１８０°、２７０°以外の位置に設けられなければならない。なお、上記ξは、好ましくは４５°、１３５°、２２５°、３１５°である。

また、すべてのスロット２１ａ〜２１ｄが、ξが０°より大きく９０°未満、および１８０°より大きく２７０°未満の対向する二つの範囲のみに設けられている場合、偏波切換スイッチ２３ａ〜２３ｄを切り換えても、旋回方向が同一の方向になってしまい、偏波の切り換え効果が得られない。

したがって、偏波切り換えの機能を得るためには、スロット２１ａ〜２１ｄのうちの一つは、ξが０°より大きく９０°未満の範囲、もしくは１８０°より大きく２７０°未満の範囲のどちらかに少なくとも一つ設けられ、また、他の一つはξが９０°より大きく１８０°未満の範囲、もしくは２７０°より大きく、３６０°未満の範囲のどちらかに少なくとも一つ設けられていなければならない。なお、図１では、スロット２１は、ξが０°より大きく９０°未満の範囲に一つ、ξが９０°より大きく１８０°未満の範囲に一つ、１８０°より大きく２７０°未満の範囲に一つ、２７０°より大きく、３６０°未満の範囲に一つずつ設けられていることは言うまでもない。

なお、放射導体板１２が、放射導体板の重心２４と給電点を通る直線に線対称でない場合には、偏波切換素子を設けなくても、すでに放射導体板の対称性が崩れてしまっている。この場合、すでにどちらかの旋回方向の円偏波（楕円偏波）となっており、偏波切換素子を設置することによって旋回方向を切り換えることは困難である。したがって、放射導体板１２は放射導体板の重心２４と給電点を通る直線に線対称である必要がある。

偏波切換スイッチ２３ａ〜２３ｄは、スロット２１ａ〜２１ｄに囲まれた内部導体１９と、スロット２１ａ〜２１ｄを取り囲む接地導体板１４との間を、スロット２１ａ〜２１ｄを横断するように接続されている。この偏波切換スイッチ２３ａ〜２３ｄのうち少なくとも一つを導通させることにより、円偏波を発生させることができる。このとき導通させる偏波切換スイッチ２３ａ〜２３ｄの位置を切り換えることにより、円偏波の旋回方向の切り換えを実現できる。表１に、図１のアンテナにおいて、偏波切換スイッチ２３ａ〜２３ｄを切り換えたときの、本実施形態１の各動作状態での円偏波の旋回方向を示す。

表１のように、偏波切換スイッチ２３ａ〜２３ｄのうち、いずれか一つを選択して導通させることによって、円偏波の旋回方向を切り換えることが可能である。同様に、偏波切換スイッチ２３ａ〜２３ｄのうち、対角線上の二つのスイッチ（２３ａと２３ｃ、または２３ｂと２３ｄ）のいずれか一組を選択して導通させた場合にも、円偏波の旋回方向を切り換えることができる。さらに、偏波切換スイッチ２３ａ〜２３ｄのうち、三つを選択して導通させた場合にも円偏波の旋回方向を切り換えることができる。

なお、隣り合った二つのスイッチ（例えば２３ａと２３ｂ）のみを導通した場合、および偏波切換スイッチをすべて導通、またはすべて開放にした場合には、アンテナから直線偏波を得ることができる。

（円偏波励振条件 Ｑ０（Δｓ／ｓ） （図４））
本実施形態１のアンテナでは、基板第二面の接地導体板１４内に設けられたスロット２１ａ〜２１ｄにより、円偏波を発生させている。このとき、放射導体板１２の面積ｓと、放射導体板１２とスロット２１ａ〜２１ｄに囲まれた領域が重なる部分の面積Δｓ（図３の斜線部）の二つのパラメータにより決定される摂動量をΔｓ／ｓ、放射導体板１２の無負荷ＱをＱ０とすると、放射導体板１２の円偏波の軸比は、摂動量と無負荷Ｑの積で定義される「円偏波指標」、すなわち、Ｑ０（Δｓ／ｓ）に依存する。

Ｑ０は、誘電体基板１１の厚さ、誘電率などにより決定される値であり、Ｑ０に対して、Δｓを最適な値となるようにスロット２１ａ〜２１ｄを配置することで、良好な軸比を持った円偏波アンテナを実現できる。

図４に、本実施形態１のアンテナにおいて、放射導体板１２のＱ０を変化させたときの円偏波の軸比の、円偏波指標依存性を示す。図４では、横軸が円偏波指標の値を、縦軸が本実施形態１のアンテナの円偏波の軸比を示している。ここでは、誘電体基板１１の誘電率を２．０８で一定として、誘電体基板１１の厚さを変えることにより、放射導体板のＱ０を、２９．８、２２．８、１８．３と変化させた。図４より、本実施形態１のアンテナでは、円偏波指標が０．８以上、１．６以下の範囲になるように設計すれば、三つの条件ともに軸比が３ｄＢ以下を達成できる。また、円偏波指標を、１．１以上、１．３以下の範囲になるように設計することにより、軸比が１ｄＢ以下となり、さらに良好な軸比特性を持った円偏波が得られる。

なお、スロット２１ａ〜２１ｄの各スロットにおいてΔｓが異なった場合でも、それぞれのΔｓの値が、上記の範囲であれば問題なく使用できる。

（放射指向性の最大利得方向の切り換え）
次に、本実施形態１のアンテナの最大利得方向の切り換え原理について述べる。最大利得方向の切り換えは、指向性切換素子により行なわれる。指向性切換素子は、ループ状のスロット２１ａ〜２１ｄと指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄからなる。

ループ状のスロット２１ａ〜２１ｄは、放射導体板１２の共振周波数と概等しい周波数において共振し、一周の長さが一実効波長に相当している。このとき、スロット２１ａ〜２１ｄは無給電のアンテナ素子（以下、無給電素子）として機能する。通常、無給電素子は、無給電素子の共振周波数が給電されているアンテナ素子（以下、給電素子）の共振周波数より高い場合には、導波器として作用し、アンテナ全体の指向性利得は、無給電素子が設置されている方向に傾き、また、無給電素子の共振周波数が、給電素子の共振周波数より低い場合には、反射器として作用し、アンテナ全体の指向性利得は、無給電素子が設置されている方向とは反対の方向に傾くことが知られている。本実施形態１では、給電素子である放射導体板１２の周りに、無給電素子としてスロット２１ａ〜２１ｄを配し、アンテナの最大利得方向を変化させている。

指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄは、スロット２１ａ〜２１ｄに囲まれた内部導体１９と、スロット２１ａ〜２１ｄを取り囲む接地導体板１４との間を、スロット２１ａ〜２１ｄを横断するように少なくとも二つ接続されている。指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄが開放されている場合には、スロット２１ａ〜２１ｄは、上記の導波器または反射器の機能を示す。しかし、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄを導通させることにより、スロット２１ａ〜２１ｄは二つ以上のスロットに分割され、上記の導波器または反射器の機能は消滅する。したがって、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄの導通と開放を制御すれば、最大利得方向を切り換える機能を実現する事が可能である。

ただし、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄは、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄを導通させた場合に、スロット２１ａ〜２１ｄが共振しない位置に配置されなければならない。指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄを導通させた際に、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄを両端として分割されたスロットが共振器として作用する場合、このスロット共振器も上記の導波器または反射器と同様の効果を示してしまう。そのため、指向性切換スイッチ１７を導通させスロット２１ａ〜２１ｄを分割しても、導波器または反射器の効果を消去することができない。

図５は、本実施形態１のアンテナにおいて、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄの、好ましくない配置例を示したものである。図５のように、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄが導通した際に、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄを両端とする分割されたスロットの長さが半実効波長となる場合には、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄを両端とする分割されたスロットが半実効波長の共振器となり、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄを制御によって最大利得方向を切り換えることができない。したがって、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄを、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄが導通した際に、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄを両端とする分割されたスロットの長さが、半実効波長未満、もしくは半実効波長より大きく１実効波長未満となる位置に設けることにより、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄを導通させた場合の、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄを両端とする分割されたスロットの好ましくない共振効果を消滅させることが必要である。

指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄを切り換えたときの、本実施形態１のアンテナの、放射指向性の変化の一例を図６に示す。図６は、指向性切換スイッチ２２ａを制御した時の、φ＝４５°面でのアンテナの指向性利得のθ依存性を表している。図６では、指向性切換スイッチ２２ａを導通させたときを（１）、開放した状態を（２）としている。図６に示すように、（１）の場合、最大利得方向は、ほぼ真上（θ＝０°）を向くのに対して、（２）の場合、スロット２１ａは導波器となり、最大利得方向はスロット２１ａが設けられている方向（θ＝９０°の方向）に変化する。このとき、変化した角度は約３０°である。上記のように、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄの制御によって、最大利得方向を切り換えることが可能である。

通常、円偏波が送受信可能な放射導体板１２においても、放射導体板１２と共振する無給電素子であれば、どんな形状、大きさであっても、アンテナの最大利得方向を変化させることが可能であるが、最大利得方向が変化した状態において、良好な軸比特性を得ることは困難である。これは無給電素子からの放射電磁波が、放射導体板１２から放射されている円偏波の軸比特性を悪化させてしまうからである。

本実施形態１では、無給電素子として一実効波長の長さを持ったループ状のスロット２１ａ〜２１ｄを用いることで、この軸比特性の悪化を回避している。無給電素子として一実効波長のループ状スロットを用いた場合には、放射導体板１２に円偏波が励振されるのと同時に、ループ状スロットにも、同じ旋回方向を持った円偏波を励振することができる。上記のように、給電素子と無給電素子の両方に、同じ旋回方向を持った円偏波が励振されることによって、良好な軸比を保ったまま、最大利得方向の切り換えが可能となる。また、放射導体板１２の円偏波の旋回方向を切り換えたときには、ループ状のスロット２１ａ〜２１に励振されている円偏波の旋回方向も同時に切り換わる。上記のように、給電素子と無給電素子の旋回方向が、同時に切り換わることによって、最大利得方向において良好な軸比特性を保ったまま、円偏波の旋回方向の切り換えが可能となる。

本実施形態１では、上記の偏波切換素子を構成するスロットが、上記の指向性切換素子を構成するスロットを兼ねており、偏波切換スイッチ２３ａ〜２３ｄと指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄの両方を有することで、偏波切換素子が、偏波切換素子と指向性切換素子の両方の機能を有している。これによって、簡易な構成でありながら、多方向への最大利得方向の切り換えと、円偏波の旋回方向の切り換えを同時に行うことが可能なアンテナを実現できる。

（その他）
以下、その他の構成要素について簡単に述べる。本実施形態１における誘電体基板１１としては、通常高周波回路において用いられる基板を用いることができる。例えば、アルミナセラミック等の無機材料、テフロン（登録商標）、エポキシ、ポリイミド等の樹脂系材料が考えられる。これらの材料は、使用する周波数や用途、基板の厚さ、大きさなどに応じて適切に選択すればよい。また、放射導体板１２、接地導体板１４は良導電性の金属のパターンであり、例えば、銅やアルミニウムなどを用いることができる。

放射導体板１２のＱ０は、放射導体板１２の放射効率がＱ０と反比例することを考えると、通常１０〜３０程度の範囲において使用される。上記の材料を選択した場合、誘電体基板１１の厚さを適切に選択すれば、Ｑ０を上記の範囲内において使用することが可能である。

本実施形態１では、給電回路として同軸給電を用いたが、マイクロストリップ給電やスロット給電など、放射導体板に給電する通常の方法であれば使用することが可能である。

本実施形態１における、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄおよび偏波切換スイッチ２３ａ〜２３ｄとしては、通常高周波領域において使用されているＰＩＮダイオードやＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）スイッチなどを用いればよい。

なお、本実施形態１では、放射導体板１２として正方形の導体板を、スロット２１ａ〜２１ｄとして、正方形のスロットをそれぞれ用いているが、図７に示すように、それ以外の形状の放射導体板、スロットでも同様の効果は得られる。

また、本実施形態１では、四方向にスロット２１ａ〜２１ｄを配置しているが、正Ｎ角形の放射導体板を用いた場合、Ｎ個のスロットを配置することが可能であり、したがって、Ｎ方向に最大利得方向を切り換えることが可能である。このとき、Ｎは切り換えが必要な方向の数に合わせて適切に選べば良い。

（実施例１）
以下に、本発明の実施例１を説明する。本実施例１のアンテナは、図１（ａ）〜（ｃ）に示される構成を有しており、スロット部の拡大図を図３に示す。本実施例１の各構成要素について表２に示す。

このとき、放射導体板は、２５．４ＧＨｚにおいて、ＴＭモードで共振する大きさとなっている。このとき、放射導体板１２のＱ０は計算により２２．８と求められ、円偏波指標は、１.００となっている。また、本実施例１では、指向性切換素子を導波器として機能させている。

図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、最大利得方向を変化させる場合の、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄおよび偏波切換スイッチ２３ａ〜２３ｄの制御の一例を示す図である。図８（ａ）〜（ｄ）において、黒く塗りつぶされているスイッチが導通の状態、塗りつぶされていないスイッチが開放の状態となっている。つまり、図８（ａ）では、図１における指向性切換スイッチ２２ａ、２２ｃ、２２ｄと偏波切換スイッチ２３ｃが導通、残りのスイッチすべてが開放となっていることを表している。

図９（ａ）〜（ｄ）に、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄ、偏波切換スイッチ２３ａ〜２３ｄを、図８（ａ）〜（ｄ）に示すように制御したときの、本実施例２のアンテナの放射指向性をそれぞれ示す。図９（ａ）、（ｂ）は、図８（ａ）、（ｂ）に対応しており、φ＝−１３５°面における指向性利得のθ依存性を示している。また、図９（ｃ）、（ｄ）は、図８（ｃ）、（ｄ）に対応しており、φ＝−４５°面における指向性利得のθ依存性を表している。

図９（ａ）、（ｂ）中に〈Ａ〉で示すように、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄ、偏波切換スイッチ２３ａ〜２３ｄを、図８（ａ）と（ｂ）のように制御することにより、アンテナの左旋円偏波成分の最大利得方向を、φ＝−１３５°面において、（ａ）では＋３０°の方向に、（ｂ）では−３０°の方向に切り換えることができた。同様に、図９（ｃ）、（ｄ）中に〈Ａ〉に示すように、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄ、偏波切換スイッチ２３ａ〜２３ｄを、図８（ｃ）と（ｄ）のように制御することにより、φ＝−４５°面において、（ｃ）では＋３０°の方向に、（ｄ）では−３０°方向に最大利得方向を切り換えることができた。このとき、図９（ａ）〜（ｄ）中〈Ｂ〉で示すように、最大利得方向において、全条件で軸比３ｄＢ以下を達成することができた。

また、図１０（ａ）は指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄをすべて導通とした時のスイッチの状態を、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の状態でのアンテナのφ＝−１３５°面での指向性利得のθ依存性をそれぞれ示している。図１０（ｂ）で示すように、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄをすべて導通とした場合、アンテナの最大利得方向は、０°となった。また、このときθ＝０°において軸比は３ｄＢ以下を達成することができた。

図１１（ａ）、（ｂ）は偏波切換スイッチ２３ａ〜２３ｄの制御の一例を示している。図１２（ａ）、（ｂ）は、図１１（ａ）、（ｂ）に示したアンテナの、φ＝−１３５°面での指向性利得のθ依存性をそれぞれ示している。図１２（ａ）、（ｂ）で示すように、偏波切換スイッチ２３ａ〜２３ｄを切り換えることによって、円偏波の旋回方向を左旋から右旋に切り換えることができた。

表３は、本実施例１における指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄおよび偏波切換スイッチ２３ａ〜２３ｄを切り換えた時の、円偏波の旋回方向および最大利得方向をまとめた表である。

表３のように、指向性切換スイッチ２２ａ〜２２ｄ、偏波切換スイッチ２３ａ〜２３ｄを制御することにより、円偏波の旋回方向の切り換えと、最大利得方向の多方向への切り換えが同時に可能である。

したがって、以上のような構成をとることにより、最大利得方向を多方向へと切り換えられ、同時に最大利得方向において円偏波の旋回方向を切り換えることが可能なアンテナを実現することができた。

（実施形態２）
次に、図面を参照しながら本発明の実施形態２における偏波切換・指向性可変アンテナを説明する。図１３は、本発明の実施形態２における基板第一の面の透過図である。破線で描かれている部分は、基板第二の面に形成されていることを示している。なお、実施形態１と同じ部分に関しては、詳細な説明は省略する。

実施形態１では、偏波切換素子１６は、偏波切換機能と指向性切換機能の両方の機能を有していたが、本実施形態２では、それぞれを独立して形成している。

本実施形態２において、偏波切換素子１６は、ループ形状のスロット２０ｂと偏波切換スイッチ１８ａ、１８ｂからなる。偏波切換素子１６が満たすべき条件は、実施形態１において述べたものと同じである。実施形態１と同様に、偏波切換スイッチ１８ａ、１８ｂを制御することにより、円偏波の旋回方向を切り換えることが可能である。

本実施形態２において、指向性切換素子１５は、ループ形状のスロット２０ａと指向性切換スイッチ１７からなる。指向性切換素子１５が満たすべき条件は、実施形態１において述べたものと同じである。実施形態１と同様、指向性切換スイッチ１７の制御により、指向性切換素子１５が存在する方向へ、最大利得方向を切り換えることが可能である。

本実施形態２のアンテナでは、指向性切換素子と偏波切換素子を独立させることより、実施形態１よりもさらに簡易な構成で、偏波の旋回方向の切り換えと、一軸上での最大利得方向の切り換えを実現することができる。

なお、図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、指向性切換素子１５の位置を変化させた場合でも、実施形態２と同様な効果を示す。また、実施形態１と同様に、指向性切換素子１５および偏波切換素子１６として、正方形以外の形状のスロットを用いる構成も可能である。

また、本実施形態２では、一軸上における最大利得方向の切り換えについて示したが、変化させたい方向の数に応じて、指向性切換素子の数を増加しＮ個とすれば、Ｎ通りの最大利得方向の切り換えが可能である。

（実施例２）
以下、本発明の実施例２を示す。図１３は、本実施例２のアンテナの基板第１面の透過図を、図１５は放射導体板１２およびスロット２０ａ、２０ｂの拡大図をそれぞれ示している。誘電体基板１１および放射導体板１２については、実施例１と同様である。スロット２０ａの一辺の長さｓ１は２．９ｍｍ、幅ｗ１は０．２ｍｍであり、放射導体板１２との距離ｚは０．２ｍｍである。また、スロット２０ｂの一辺の長さｓ２は２．９ｍｍ、幅ｗ２は０．２ｍｍであり、Δｓの一辺の長さｄを１.１５ｍｍとした。このとき、円偏波指標は、１.１０である。また、実施例１と同様、指向性切換素子は導波器として機能させている。

本実施例２のアンテナの放射指向性を、図１６に示す。図１６（ａ）は、図１３の指向性切換スイッチ１７を導通、偏波切換スイッチ１８ａを開放、１８ｂを導通としたときの、φ＝０°面の指向性利得のθ依存性を示している。また、図１６（ｂ）は、指向性切換スイッチ１７を開放、偏波切換スイッチ１８ａを開放、１８ｂを導通としたときの、図１６（ｃ）は、指向性切換スイッチ１７を開放、偏波切換スイッチ１８ａを導通、１８ｂを開放としたときの、φ＝０°面の指向性利得のθ依存性をそれぞれ示している。

図１６（ａ）と図１６（ｂ）に〈Ｃ〉で示すように、指向性切換スイッチ１７を切り換えることにより、円偏波の旋回方向（右旋）を変えずに、アンテナの最大利得方向を切り換えることができた。また、図１６（ｂ）と図１６（ｃ）に〈Ｃ〉で示すように、偏波切換スイッチ１８ａ、１８ｂを切り換えることにより、最大利得方向を固定した状態において、円偏波の旋回方向を切り換えることができた。

表４は、本実施例２における、指向性切換スイッチ１７および偏波切換スイッチ１８ａ、１８ｂを切り換えた時の、各動作状態での円偏波の旋回方向および最大利得方向をまとめた表である。

したがって、以上のような構成をとることにより、指向性切換スイッチ１７の制御による、一軸上での最大利得方向の切り換えと、偏波切換スイッチ１８ａ、１８ｂの制御による、円偏波の旋回方向の切り換えが可能なアンテナを実現することができた。

本発明にかかる偏波切換・指向性可変アンテナは、簡易な構成でありながら、円偏波の旋回方向の切り換えと放射指向性の最大利得方向切り換えを同時に実現できるという特徴を持ち、室内移動体端末等で用いるアンテナとして有用である。また、現在円偏波での送受信が行われている、衛星放送用の小型受信アンテナや、ＥＴＣ用の車載アンテナとして有用である。さらに、無線電力伝送に用いられるアンテナとしても有用である。

本発明の実施形態１における偏波切換・指向性可変アンテナの概略図であって、（ａ）は基板第一面の透過図、（ｂ）は基板第二面の透過図、（ｃ）は基板Ａ１-Ａ２の断面図である。 本発明の実施形態１における偏波切換・指向性可変アンテナの斜視図である。 本発明の実施形態１における偏波切換・指向性可変アンテナのスロット部の拡大図である。 本発明の実施形態１における偏波切換・指向性可変アンテナの円偏波指標と軸比の関係を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態１における偏波切換・指向性可変アンテナの指向性切換スイッチの好ましくない配置例を示す図である。 本発明の実施形態１における偏波切換・指向性可変アンテナの放射指向性の変化を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態１の偏波切換・指向性可変アンテナのその他の実施例を表す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施例１の偏波切換・指向性可変アンテナのスイッチの制御の一例を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施例１の偏波切換・指向性可変アンテナの放射指向性の変化を表す図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態１における偏波切換・指向性可変アンテナのスイッチの制御の一例および放射指向性の変化を表す図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施例１の偏波切換・指向性可変アンテナのスイッチの制御の一例を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施例１の偏波切換・指向性可変アンテナの放射指向性および円である。偏波旋回方向の切り換えを表す図である。 本発明の実施形態２における偏波切換・指向性可変アンテナの概略図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態２の偏波切換・指向性可変アンテナのその他の実施例を表す図である。 本発明の実施例２の偏波切換・指向性可変アンテナの拡大図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施例２の偏波切換・指向性可変アンテナの放射指向性および偏波成分の変化を表す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、一般的な直線アンテナおよび円偏波アンテナの構造を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、従来の円偏波切換型・フェーズドアレーアンテナの概略図である。

符号の説明

１１ 誘電体基板
１２ 放射導体板
１３ 給電点
１４ 接地導体板
１５ 指向性切換素子
１６ 偏波切換素子
１７ 指向性切換スイッチ
１８ａ、１８ｂ 偏波切換スイッチ
１９ 内部導体
２０ａ、２０ｂ スロット
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ スロット
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ 指向性切換スイッチ
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ 偏波切換スイッチ
２４ 放射導体板の重心
２５ スロットの重心
３１ 放射導体板
３２ 給電点

Claims (3)

1. 対向する二つの面を持った誘電体基板と、
   前記誘電体基板の一面に形成された放射導体板と、
   前記放射導体板上に設けられた給電点と、
   前記誘電体基板の他方の面に形成された接地導体板と、
   前記誘電体基板の前記接地導体板側に設けられた少なくとも一つの指向性切換素子と、
   前記誘電体基板の前記接地導体板側に設けられた少なくとも二つの偏波切換素子と
   を有し、
   前記放射導体板は、前記放射導体板の重心と前記給電手段が前記放射導体板に接する点である給電点とを通る直線に対して線対称な形状を有し、
   前記少なくとも一つの指向性切換素子は、
   前記接地導体板をループ状に除去して形成された第一のスロット、および
   前記第一のスロットに囲まれている内部導体と前記第一のスロットを取り囲む前記接地導体板との間に接続された少なくとも二つの指向性切換スイッチと
   を有し、
   前記第一のスロットは、前記放射導体板の共振周波数と概等しい周波数において共振し、
   前記第一のスロットは、一周の長さが動作周波数において一実効波長に対応し、
   前記少なくとも二つの指向性切換スイッチをいずれも導通させることによって、前記第一のスロットを高周波的に複数のスロットに分割した際に、前記少なくとも二つの指向性切換スイッチを両端とする分割されたスロットの長さが、半実効波長未満、もしくは半実効波長より大きく１実効波長未満となる位置に、前記各指向性切換スイッチが設けられ、
   前記少なくとも二つの偏波切換素子は、それぞれ、
   前記接地導体板をループ状に除去して形成された第二のスロット、および
   前記第二のスロットに囲まれている内部導体と前記第二のスロットを取り囲む前記接地導体板との間に接続された、少なくとも一つの偏波切換スイッチ
   を有し、
   前記各第二のスロットの一部は、前記放射導体板と重なった位置に設けられ、
   一つの前記第二のスロットにより囲まれた領域と前記放射導体板とが重なっている部分の面積をΔｓ、前記放射導体板の面積をｓ、前記放射導体板の無負荷ＱをＱ０としたとき、円偏波指標Ｑ０（Δｓ／ｓ）が０．８以上、１．６以下の値をとり、
   前記放射導体板の重心と前記給電点を通る直線と、前記放射導体板の重心と前記第二のスロットの重心を通る直線の間の角度をξとするとき、
   前記少なくとも二つの偏波切換素子のうち一つの第二のスロットが、ξが０°より大きく９０°未満の範囲、もしくは１８０°より大きく２７０°未満の範囲のどちらかに設けられ、
   前記少なくとも二つの偏波切換素子のうち他の第二のスロットが、ξが９０°より大きく１８０°未満の範囲、もしくは２７０°より大きく、３６０°未満の範囲のどちらかに設けられている、偏波切換・指向性可変アンテナ。
2. 前記円偏波指標が、１．１以上、１．３以下である、請求項１に記載の偏波切換・指向性可変アンテナ。
3. 前記偏波切換素子を構成する第二のスロット（２０ｂ・２０ｃ）が、前記指向性切換素子を構成する第一のスロットを兼ね、前記偏波切換スイッチと前記指向性切換スイッチの両方が前記第二のスロット（２０ｂ・２０ｃ）に設けられていることにより、前記偏波切換素子が偏波切換機能と指向性切換機能の両方の機能を有する、請求項１に記載の偏波切換・指向性可変アンテナ。

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