JP2006086578A - アンテナ装置及びマルチビームアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型無線機に搭載しやすい小型な平面構造で、垂直偏波を有した主ビームを高仰角方向と低仰角方向に形成することができるアンテナを提供する。
【解決手段】 基板１１の表面に約１／２波長の長さを有するスロット素子１３Ａ及び１３Ｂを所定の間隔ｄ１を隔てて平行に配置し、スロット素子１３Ａ及び１３Ｂの実装面から所定の間隔ｈを隔てて反射板１４を配置する。基板１１の裏面には、無給電素子１５Ａ〜１５Ｄが銅箔パターンにより形成され、スロット素子１３Ａ及び１３Ｂと直交するように配列される。切替素子１６Ａは無給電素子１５Ａと１５Ｂに、切替素子１６Ｂは無給電素子１５Ｃと１５Ｄにそれぞれ接続されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、無線ＬＡＮシステムの固定無線機及び端末無線機などに用いるアンテナ装置及びマルチビームアンテナ装置に関するものである。

無線ＬＡＮシステムなどの高速無線通信においては、マルチパスフェージングやシャドーイングにより伝送品質が劣化するという問題があり、特に屋内では顕著である。このため、このような伝送品質の劣化を回避するための一つの手段として、これまでにセクタアンテナが検討されている。このセクタアンテナとは、異なる方向に主ビームが向けられた複数のアンテナ素子を配置し、電波伝搬環境に応じて複数のアンテナ素子を選択的に切り替えるものである。
また、一般的に、天井に設置される固定無線機や机上で使用されるノートパソコン用の端末無線機などに搭載されるアンテナとしては、生産上や持ち運びの観点から平面構造であることが求められる。また、屋内通信環境を考えた場合、これらアンテナの指向性は、主ビームの仰角がアンテナ面に対して垂直方向から水平方向に傾斜（チルト）していることが望ましく、さらには通信先の設置位置を考慮すると、このチルト角を制御できることが望ましい。

このような水平方向にチルトしている放射特性を実現するセクタアンテナとして、非特許文献１に記載の「スロット八木・宇田アレー」を用いた平面マルチセクタアンテナが提案されている。
このマルチセクタアンテナについて、図１１を参照しながら説明する。このマルチセクタアンテナは、基板１０１上に６個のスロットアレー１０２Ａ〜１１０２Ｆを放射状に円形配列したものであり、この６個のスロットアレー１０２Ａ〜１０２Ｆは、それぞれ５素子のスロットから構成されている。このスロットアレーは、単体特性として、垂直面の仰角θが６０度の方向に主ビームが形成され、円錐面パターンの半値角は約５６度となる。
このマルチセクタアンテナは、このスロットアレーを水平面に６０度間隔で６個配列し、各スロットアレーを選択的に給電することで、水平面の３６０度を６分割した６セクタアンテナを構成している。このセクタアンテナの寸法は、例えば、動作周波数を５ＧＨｚにすれば、直径Ｌ７が２７３ｍｍ（４．５５波長）で、面積が５８５３５平方ｍｍとなる。

また、他のアンテナとして、特許文献１に記載の「導波素子共有パッチ八木・宇田アレー」を用いたマルチセクタアンテナが提案されている。
このマルチセクタアンテナについて、図１２を参照しながら説明する。このマルチセクタアンテナは、円形の誘電体基板２０１の表面に形成されているとともに、正六角形型導波素子２０２の周囲に放射状に長方形パッチの導波素子２０３Ａ〜２０３Ｆが配列されており、さらに、導波素子２０３Ａ〜２０３Ｆの外側に、給電素子２０４Ａ〜２０４Ｆを配置している。このように、３列の導波素子列が正六角形型導波素子２０２を中心に互いに６０度の角度で交差することにより、６列のパッチ八木・宇田アレーを構成している。
ここで、１つの給電素子に給電した場合、正六角形型導波素子を含めた導波素子列が八木・宇田アレーとして動作する。このとき、垂直面の仰角θが４５度の方向に主ビームが形成され、円錐面パターンの半値角は約６３度となる。このように、給電素子を選択的に給電することで、水平面の３６０度を６分割した６セクタアンテナを構成できる。このセクタアンテナの寸法は、例えば、動作周波数を５ＧＨｚにすれば、直径Ｌ８が１．８３波長（１１０ｍｍ）であり、面積は９５０３平方ｍｍとなる。
電子情報通信学会論文誌（Ｂ）, Vol.J85-B, No.9,pp1633-1643, Sep. 2002. 特開２００３−１４２９１９号公報

しかしながら、上記したマルチセクタアンテナのうち、前者の「スロット八木・宇田アレー」を用いた平面マルチセクタアンテナは、セクタ毎に各スロットアレーを独立して動作させるため、セクタ数分のスロットアレーを必要とし、平面寸法が大きくなるという問題がある。また、垂直面において主ビームの仰角θが６０度で一定であるため、通信先の設置位置によっては通信品質が劣化しやすいという問題がある。

また、後者の「導波素子共有パッチ八木・宇田アレー」を用いたマルチセクタアンテナは、アンテナ素子として一辺が約１／２波長のパッチを複数用いているため、平面寸法が大きくなるという問題がある。また、垂直面において主ビーム方向が４５度で一定であるため、通信先の設置位置によっては通信品質が劣化しやすいという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、小型無線機に搭載しやすい小型な平面構造で、水平方向にチルトした垂直偏波の主ビームを形成し、さらには垂直面において主ビーム方向を制御できるアンテナ装置及びマルチビームアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明のアンテナ装置は、導体板に所定の間隔を隔てて平行に配置した略１／２波長の電気長を有する第１のスロット素子及び略１／２波長の電気長を有する第２のスロット素子と、前記導体板から平行に所定の間隔を隔てた位置に配置した反射板と、前記導体板と前記反射板の間に前記第１及び第２のスロット素子と直交するように所定の間隔を隔てて直列に配列した第１乃至第４の線状無給電素子と、前記第１及び第２の線状無給電素子との間に設け、前記第１及び第２の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第１の切替素子と、前記第３及び第４の線状無給電素子との間に設け、前記第３及び第４の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第２の切替素子とを備えることを特徴としている。
この構成により、平面構造で、垂直面において低仰角方向と高仰角方向に主ビームを切り替えることができる小型なマルチビームアンテナを実現することができる。

また、本発明のアンテナ装置は、前記第１及び第２のスロット素子と直交するように、前記導体板に所定の間隔を隔てて平行に配置した略１／２波長の電気長をそれぞれ有する第３のスロット素子及び第４のスロット素子と、前記第１乃至第４の線状無給電素子と同一平面で、かつ、前記第３及び第４のスロット素子と直交するように、所定の間隔を隔てて直列に配列した第５乃至第８の線状無給電素子と、前記第５及び第６の線状無給電素子との間に設け、前記第５及び第６の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第３の切替素子と、前記第７及び第８の線状無給電素子との間に設け、前記第７及び第８の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第４の切替素子とを備えることを特徴としている。
この構成によれば、平面構造で、垂直面において主ビーム方向を切り替えられる小型な４方向のセクタアンテナを実現することができる。

また、本発明のアンテナ装置は、一辺が略１／４波長乃至３／８波長の長さを有し、前記導体板にひし形形状に配置する４本のスロット素子と、第５のスロット素子の一端と第６のスロット素子の一端を接続した位置に給電する第１の給電手段と、前記第５のスロット素子の他端と第７のスロット素子の一端とに接続し、略１／４波長の長さを保持して折り返した形状を有する第１のスロット迂回素子と、前記第６のスロット素子の他端と第８のスロット素子の一端とに接続し、略１／４波長の長さを保持して折り返した形状を有する第２のスロット迂回素子と、前記導体層から平行に所定の間隔を隔てた位置に配置した反射板と、前記第５及び第６のスロット素子の接続部と前記第７及び第８のスロット素子の接続部とを結ぶラインに平行で、かつ、前記導体板と前記反射板の間に所定の間隔を隔てて直列に配列した第９乃至第１２の線状無給電素子と、前記第９及び第１０の線状無給電素子との間に設け、前記第９及び第１０の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第５の切替素子と、前記第１１及び第１２の線状無給電素子との間に設け、前記第１１及び第１２の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第６の切替素子とを備えることを特徴としている。
この構成によれば、平面構造で、垂直面において低仰角方向と高仰角方向に主ビームを切り替えることができる小型な２方向のマルチビームアンテナを実現することができる。

また、本発明のアンテナ装置は、前記第２の給電手段を、前記第７のスロット素子の他端と前記第８のスロット素子の他端を接続した位置に配置することを特徴としている。
この構成によれば、平面構造で、垂直面において低仰角方向と高仰角方向に主ビームを切り替えることができる小型な４方向のマルチビームアンテナを実現することができる。

また、本発明のアンテナ装置は、前記スロット素子及び前記スロット迂回素子を、誘電性の基板上の表面の銅箔パターンで構成するとともに、前記線状無給電素子は、前記基板上の裏面の銅箔パターンにより構成することを特徴としている。
この構成によれば、容易に製作ができる生産性の高いアンテナ装置を実現することができる。

また、本発明のアンテナ装置は、前記導体板と前記反射板との間隔を、略１／４波長以上で略１／２波長以下に設定するとともに、前記スロット素子と前記線状無給電素子との間隔は、略１／６波長以上で略１／４波長以下に設定することを特徴としている。
この構成によれば、垂直面において低仰角方向と高仰角方向に主ビームを切り替えることができ、かつ垂直面の角度変化を大きくすることができる。

また、本発明のアンテナ装置は、前記誘電体基板の厚さを、誘電体内の実効波長の略１／６以上で略１／４以下に設定するとともに、前記基板上の裏面の銅箔パターンと前記反射板との間隔は、自由空間波長の略１／４以上で略１／３以下に設定することを特徴としている。
この構成によれば、垂直面において低仰角方向と高仰角方向に主ビームを切り替えることができ、かつ垂直面の角度変化を大きくすることができる。

また、本発明のマルチビームアンテナ装置は、請求項１乃至７の何れか１項に記載の複数のアンテナ装置を平面上にそれぞれ等角的に配置してあることを特徴としている。
この構成によれば、平面構造で、所望の方向に主ビームを形成するセクタアンテナを実現することができる。

本発明によれば、約１／２波長の電気長を有する第１及び第２のスロット素子を所定の間隔を隔てて平行に配置し、スロット素子の配置面から所定の間隔を隔てて反射板を設けて、スロット素子の配置面と反射板面との間にスロット素子と直交するように複数個の線状無給電素子を形成し、スロット素子を位相差給電するとともに、線状無給電素子を切替素子によって接続／未接続を切り替えて長さを調整することで、水平方向にチルトした垂直偏波の主ビームを低仰角方向と高仰角方向に形成することが可能になるとともに、位相差を調整することで水平面においても主ビーム方向を切り替えることができ、小型で平面構造のマルチビームアンテナ装置を実現することができる。

また、本発明によれば、平行に配置された２つのスロット素子を２組備え、その２組のスロット素子をその放射方向が直交するように配置することにより、小型で平面構造の４セクタアンテナを実現することができる。また、約１／３波長の長さを有するスロット素子を正方形形状に配置し、対向する一組の頂点にスロット迂回素子をそれぞれ設け、さらにはスロット素子の配置面に対して平行に所定の間隔を隔てた位置に反射板を配置し、スロット素子の配置面と反射板面との間に複数個の線状無給電素子を形成し、線状無給電素子を切替素子によって接続／未接続を切り替えて長さを調整することで、水平方向にチルトした垂直偏波の主ビームを低仰角方向と高仰角方向に形成することができる小型で平面構造のマルチビームアンテナを実現することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示すものであり、このアンテナ装置は、誘電体で形成した基板１１と、銅箔層１２と、スロット素子１３Ａ、１３Ｂと、反射板１４と、無給電素子１５Ａ〜１５Ｄと、切替素子１６Ａ、１６Ｂと、給電部１７Ａ、１７Ｂとを備えている。なお、本実施形態では、アンテナの動作周波数を５ＧＨｚとして説明する。

基板１１は、例えば、比誘電率εｒが２．６で、厚さｔが８ｍｍ（０．２１波長（誘電体中の実効波長））であり、寸法Ｌ１×Ｌ２は４４ｍｍ×４６ｍｍ（０．７３波長×０．７７波長）である。
銅箔層１２は、基板１１の＋Ｚ側面に接着された銅箔で構成してある。
スロット素子１３Ａ、１３Ｂは、銅箔層１２を切削して形成された空隙であり、例えば長さが１８．５ｍｍ（約０．５波長）で、幅が１ｍｍである。これらのスロット素子１３Ａ、１３Ｂは、素子間隔ｄ１を例えば２０ｍｍとして平行に配置され、基板１１の中央に形成される。
反射板１４は、スロット素子１３Ａ、１３Ｂが配置された面から、距離ｈが例えば２５ｍｍ（０．４２波長）だけ−Ｚ側に離れた位置に配置された導体板である。
無給電素子１５Ａ〜１５Ｄは、基板１１の−Ｚ側面に銅箔パターンにより形成され、長さＬ３が約１０ｍｍ（約０．２７波長）である。無給電素子１５Ａ〜１５Ｄは、基板１１の中央に、スロット素子１３Ａ、１３Ｂと直交するように直列に配置される。
切替素子１６Ａ、１６Ｂは、例えばＰＩＮダイオードで構成してある。このうち、切替素子１６Ａは、無給電素子１５Ａと無給電素子１５Ｂに接続されている一方、切替素子１６Ｂは、無給電素子１５Ｃと無給電素子１５Ｄに接続されている。なお、切替素子１６Ａ、１６Ｂに逆バイアスを印加する場合、ＰＩＮダイオードはオフ状態となり開放となるため、無給電素子１５Ａと無給電素子１５Ｂ、無給電素子１５Ｃと無給電素子１５Ｄは未接続状態となる。また、切替素子１６Ａ、１６Ｂに順バイアスを印加する場合、ＰＩＮダイオードはオン状態となり短絡する。このため、無給電素子１５Ａと無給電素子１５Ｂ、無給電素子１５Ｃと無給電素子１５Ｄはそれぞれ接続されることになり、約２０ｍｍ（約０．５４波長）の２つの無給電素子が直列に配列されている状態と等価となる。

次に、上述した構成を有するアンテナ装置において、スロット素子１３Ａ、１３Ｂが位相差励振される場合の動作について、説明する。なお、スロット素子１３Ａ、１３Ｂは、給電部１７Ａ、１７Ｂによりそれぞれ励振され、例えば、このときの給電部１７Ａの励振位相が給電部１７Ｂの励振位相に対して約５０度遅れているとものする。

（Ｉ）まず、切替素子１６Ａ、１６Ｂに逆バイアスを印加したときの動作について、説明する。
逆バイアスを印加する場合、無給電素子１５Ａ〜１５Ｄは、電気的に接続されないため、これらの長さは動作周波数の半波長よりも十分に短くなり、アンテナ特性に影響を及ぼすことはない。
図２は、このときの状態を示す動作説明図であり、反射板１４の効果を写像の原理によりモデル化しており、垂直（ＸＺ）面のみに着目したものである。
図２では、図１に示すスロット素子１３Ａ，１３Ｂを点波源２１Ａ，２１Ｂでモデル化している。点波源２１Ａ，２１Ｂのイメージ波源２２Ａ，２２Ｂは、反射板１４に対して対称な位置、つまり−Ｚ側に２ｈ（５０ｍｍ（０．８４波長））離れた位置に想定されることになる。このときのイメージ波源２２Ａ，２２Ｂの励振位相は、点波源２１Ａ及び２１Ｂの励振位相に対して、それぞれ１８０度反転したものとなる。
以上の４つの波源からの放射を合成することにより、＋Ｚ方向から＋Ｘ側へ６０度チルトした方向に主ビームが形成されることになる。このとき、主偏波成分は、垂直偏波Ｅθ成分となる。

図３は、切替素子１６Ａ，１６Ｂに逆バイアスを印加したときの図１に示すアンテナ装置の指向性を示す放射パターンである。図３において、（Ａ）は垂直（ＸＺ）面の指向性、（Ｂ）は仰角θが６０度における円錐面の指向性を示している。
同図（Ａ）において、指向性ａは、垂直偏波Ｅθ成分の指向性を示しており、仰角θが６０度の方向へチルトした主ビームが得られていることが確認できる。また、同図（Ｂ）において、指向性ｂは、指向性ａと同様に、垂直偏波Ｅθ成分の指向性を示しており、主ビームが＋Ｘ方向へ向いていることが確認できる。このとき、主ビームの指向性利得は１２．３ｄＢｉ、円錐面パターンの半値角は８７度である。

（ＩＩ）次に、切替素子１６Ａ，１６Ｂに順バイアスを印加したときの動作を説明する。
順バイアスが印加される場合、無給電素子１５Ａと無給電素子１５Ｂ、無給電素子１５Ｃと無給電素子１５Ｄは、それぞれ接続された状態となるため、約０．５４波長の線状素子となり、反射素子として動作することになる。これは、反射板１４の位置を擬似的にスロット素子に近接させた状態と同じである。
図４は、このときの状態を写像の原理によりモデル化し、垂直（ＸＺ）面のみに着目したモデルである。同図において、スロット素子１３Ａ，１３Ｂを点波源３１Ａ，３１Ｂでモデル化している。点波源３１Ａ，３１Ｂのイメージ波源３２Ａ，３２Ｂは、反射素子に対して対称な位置、つまり−Ｚ側に２ｔ（１６ｍｍ（０．２７波長））離れた位置に想定されることになる。これらの４つの波源からの放射を合成することにより、＋Ｚ方向から＋Ｘ側へ３０度チルトした方向に主ビームが形成されることになる。このとき、主偏波成分は、垂直偏波Ｅθ成分となる。

図５は、切替素子１６Ａ，１６Ｂに順バイアスを印加したときの図１に示すアンテナ装置の指向性を示す放射パターンである。図５において、（Ａ）は垂直（ＸＺ）面の指向性、（Ｂ）は仰角θが３０度における円錐面の指向性を示している。
図５（Ａ）において、指向性ｃは、垂直偏波Ｅθ成分の指向性を示しており、仰角θが３０度の方向へチルトした主ビームが得られていることが確認できる。また、図５（Ｂ）において、指向性ｄは、指向性ｃと同様に垂直偏波Ｅθ成分の指向性を示しており、主ビームが＋Ｘ方向へ向いていることが確認できる。このとき、主ビームの指向性利得は９．４ｄＢｉ、円錐面パターンの半値角は８６度である。

このように、スロット素子１３Ａをスロット素子１３Ｂに対して約５０度遅れて励振させることで、＋Ｘ側にチルトした主ビームが得られ、無給電素子１５Ａ〜１５Ｄの長さを切替素子により切り替えることで、垂直（ＸＺ）面において主ビーム方向を切り替えることができる。なお、スロット素子１３Ａをスロット素子１３Ｂに対して約５０度早く励振させると、−Ｘ側にチルトした主ビームが得られることから、図１に示すアンテナ構成とすることで、４方向の主ビームを形成することができる。
また、仰角θが６０度の低仰角方向に主ビームを形成する場合は利得が高く、仰角θが３０度の高仰角方向に主ビームを形成する場合は利得が低くなることから、例えば、天井に設置する固定局やノートパソコンに挿入されるカード型端末用のアンテナに適している。天井に設置する固定局は、高仰角方向は床方向になるため高い利得は必要とせず、低仰角方向は遠方の端末との通信を行うため高い利得が必要となる。

以上のように、本実施形態によれば、基板の表面に２つのスロット素子を所定の間隔で平行に配置するとともに、基板の裏面にスロット素子と直交するように複数個の線状無給電素子を形成し、さらに、スロット素子から所定の間隔を隔てて反射板を設けて、スロット素子を位相差給電するとともに、線状無給電素子を切替素子によって、接続／未接続を切り替えて長さを調整している。これにより、小型かつ平面構造で、垂直面において低仰角方向と高仰角方向に主ビームを切り替えることができる。さらには、スロット素子の位相差を調整することで、水平面においても主ビーム方向を切り替えることができるマルチビームアンテナを実現することができる。

なお、本実施形態では、スロット素子と反射板との距離ｈを２５ｍｍ（０．４２波長）として説明したが、距離ｈを変化させることにより、垂直面チルト角αを変化させることができる。無給電素子を反射素子として動作させない場合、距離ｈを小さくすると垂直面チルト角αは小さくなり、距離ｈを大きくすると垂直面チルト角αは大きくなる傾向にある。ただし、距離ｈを大きくしていくと、−Ｘ方向の主ビーム方向と反対の方向にバックローブが生じてしまうため、用途に応じた距離ｈを１／４波長から１／２波長の範囲で適切に選ぶことが望ましい。本実施形態では、距離ｈを０．４２波長（基板の厚さを考慮すると、電気的な距離が約０．５波長）としており、Ｆ／Ｂ比が良好で垂直面チルト角が最も大きくなる値である。また、この値は、垂直面ビーム切替時の角度差を大きくするためで、無給電素子を反射素子として動作させない場合は、できるかぎり主ビームを低仰角方向に向けるように設定されている。

また、本実施形態では、基板の厚さｔを８ｍｍ（０．２１波長）として説明したが、この厚さｔを変化させることにより、無給電素子を反射素子として動作させた場合、厚さｔを小さくすると垂直面チルト角は小さくなり、厚さｔを大きくすると垂直面チルト角は大きくなる傾向にある。このため、用途に応じて厚さｔを１／６波長から１／４波長の範囲で適切に選ぶことが望ましい。本実施形態では、厚さｔを０．２１波長としたが、これは高仰角方向への垂直面チルト角とＦ／Ｂ比を最適にする値であるとともに、垂直面ビーム切替時の角度差を大きくするように設定している。
また、本実施形態では、基板の厚さを８ｍｍとして説明したが、２枚の薄い誘電体で形成した基板の間に樹脂を挟んだ構成としても、同様な効果が得られる。

また、本実施形態では、スロット素子を直接給電する構成について説明したが、スロット素子をマイクロストリップラインを用いて給電する構成としても、同様な効果を得ることができる。このとき、位相差給電方法として、Ｔ分岐回路やπ分岐回路等により実現することができる。
また、本実施形態では、スロット素子を基板上の銅箔パターンによって形成しているが、例えば、導体板に空隙を設けてスロット素子を構成しても、同様な効果が得られる。このとき、基板による波長短縮を考慮すると、スロット素子と反射板との間隔は広くする必要がある。
また、本実施形態では、切替素子としてＰＩＮダイオードを用いたが、ＦＥＴ等の他のデバイスを用いて構成しても同様な効果を得ることができる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本実施形態において、図１に示す第１の実施形態と同一部分には同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。なお、本実施形態でも、アンテナの動作周波数を５ＧＨｚとして説明する。
図６は、本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示すものであり、スロット素子１３Ａ，１３Ｂのほかに、スロット素子４１Ａ，４１Ｂを備えており、第１の実施形態に係るアンテナ装置を２組直交に配列した構成のものである。

スロット素子４１Ａ，４１Ｂは、銅箔層１２を切削して形成された空隙であり、例えば長さが１８．５ｍｍで、幅が１ｍｍである。スロット素子４１Ａ，４１Ｂは、スロット素子１３Ａとスロット素子１３Ｂの素子間隔ｄ１と同じ２０ｍｍとして、スロット素子１３Ａ，１３Ｂと直交するように配置され、スロット素子１３Ａ，１３Ｂとともに正方形形状を構成する。
無給電素子４２Ａ〜４２Ｄは、基板１１の−Ｚ側面に銅箔パターンにより形成され、無給電素子１５Ａ〜１５Ｄの長さＬ３と同じ１０ｍｍ（約０．２７波長）である。無給電素子４２Ｃ〜４２Ｄは、基板１１の中央に、スロット素子４１Ａ，４１Ｂ、無給電素子１５Ａ〜１５Ｄと直交するように直列に配列される。

次に、上述した本実施形態に係るアンテナ装置の動作を説明する。
同図において、スロット素子１３Ａ，１３Ｂとスロット素子４１Ａ，４１Ｂは、それぞれ選択的に励振される。つまり、スロット素子１３Ａ，１３Ｂを位相差励振する場合は、±Ｘ方向に主ビームが切り替えられ、スロット素子４１Ａ，４１Ｂを位相差励振する場合は、±Ｙ方向に主ビームが切り替えられることになる。このとき、励振されないスロット素子は、例えば、素子中央で短絡される。
以上のように、スロット素子１３Ａ，１３Ｂを位相差励振することと、スロット素子４１Ａ，４１Ｂを位相差励振することは、主ビーム方向が異なる以外、動作は同様であるので、ここではスロット素子４１Ａ，４１Ｂを位相差励振する場合の動作のみについて説明する。

この場合、第１の実施形態で説明したように、給電部４４Ａの励振位相が給電部４４Ｂの励振位相に対して約５０度遅れており、かつ、切替素子４３Ａ，４３Ｂに逆バイアスが印加される場合、無給電素子４２Ｃ〜４２Ｄは、電気的に接続されない。このため、アンテナ特性に影響は無く、＋Ｚ方向から＋Ｙ側へ６０度チルトした主ビームが形成されることになる。このときの主偏波成分は、垂直偏波Ｅθ成分となるため、主偏波と直交して形成されているスロット素子１３Ａ，１３Ｂ、無給電素子１５Ａ〜１５Ｄはアンテナ特性に影響を及ぼすことはない。
また、切替素子４３Ａ，４３Ｂに順バイアスが印加される場合、無給電素子４２Ａと無給電素子４２Ｂ、無給電素子４２Ｃと無給電素子４２Ｄはそれぞれ接続された状態となる。このため、約０．５４波長の線状素子となり、反射素子として動作する。その結果、＋Ｚ方向から＋Ｙ側へ３０度チルトした主ビームが形成されることになる。
なお、給電部４４Ａの励振位相が給電部４４Ｂの励振位相に対して約５０度進んでいる場合、主ビームは＋Ｚ方向から−Ｙ側へチルトした方向に形成されることになる。

図７は、図６に示すアンテナ装置の指向性を示す図である。
ここで、図７（Ａ）は、切替素子１６Ａ，１６Ｂ、または切替素子４３Ａ，４３Ｂに逆バイアスを印加し、主ビームを仰角θが６０度の低仰角方向に形成した場合の指向性を示す図である。同図（Ａ）において、指向性ｅは、スロット素子１３Ａの励振位相がスロット素子１３Ｂの励振位相に対して約５０度遅らせた場合の円錐面の指向性を示しており、指向性ｆは、スロット素子１３Ａの励振位相がスロット素子１３Ｂの励振位相に対して約５０度進めた場合の円錐面の指向性を示している。
また、指向性ｇは、スロット素子４１Ａの励振位相がスロット素子４１Ｂの励振位相に対して約５０度遅らせた場合の円錐面の指向性を示しており、指向性ｈは、スロット素子４１Ａの励振位相がスロット素子４１Ｂの励振位相に対して約５０度進めた場合の円錐面の指向性を示している。これらの指向性ｅ〜ｈは、いずれも指向性利得が１２．３ｄＢｉ、円錐面パターンの半値角が８７度となり、仰角θが６０度における水平面の全方位をカバーできる４セクタアンテナが形成される。

一方、図７（Ｂ）は、切替素子１６Ａ，１６Ｂ、または切替素子４３Ａ，４３Ｂに順バイアスを印加し、主ビームを仰角θが３０度の低仰角方向に形成した場合の指向性を示す図である。また、同図（Ｃ）において、指向性ｉは、スロット素子１３Ａの励振位相がスロット素子１３Ｂの励振位相に対して約５０度遅らせた場合の円錐面の指向性を示しており、指向性ｊは、スロット素子１３Ａの励振位相がスロット素子１３Ｂの励振位相に対して約５０度進めた場合の円錐面の指向性を示している。
また、指向性ｋは、スロット素子４１Ａの励振位相がスロット素子４１Ｂの励振位相に対して約５０度遅らせた場合の円錐面の指向性を示しており、指向性ｌは、スロット素子４１Ａの励振位相がスロット素子４１Ｂの励振位相に対して約５０度進めた場合の円錐面の指向性を示している。これらの指向性ｉ〜ｌは、いずれも指向性利得が９．４ｄＢｉ、円錐面パターンの半値角が８６度となり、仰角θが３０度における水平面の全方位をカバーできる４セクタアンテナが形成される。

以上のように、本実施形態によれば、低仰角方向と高仰角方向の水平面の全方位をカバーできるセクタアンテナが形成される。従って、本実施形態のように、基板の表面に４つのスロット素子を正方形状に配置し、基板の裏面にスロット素子と直交する方向に複数個の線状無給電素子を形成し、対向する２組のスロット素子を選択的に位相差をもたせて励振させ、かつ、線状無給電素子を切替素子によって接続／未接続を切り替えて長さを調整することで、小型かつ平面構造で、垂直面において主ビーム方向を切り替えることができる４方向のマルチセクタアンテナを実現できる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態に係るアンテナ装置について図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本実施形態において、図１に示す第１の実施形態と同一部分には同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。なお、本実施形態でも、アンテナの動作周波数を５ＧＨｚとして説明する。
図８は、本発明の第３の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示すものであり、スロット素子５１Ａ〜５１Ｄと、接続導体５２Ａ〜５２Ｄと、無給電素子１５Ａ〜１５Ｄと、スロット迂回素子５３Ａ，５３Ｂと、給電部５４とを、基板１１の銅箔層１２に備えている。

スロット素子５１Ａ〜５１Ｄは、銅箔層１２を切削して形成された空隙であり、正方形形状に配置されており、素子長Ｌ４が１６．３ｍｍ（約１／３波長）、素子幅が例えば１ｍｍである。ここで、スロット素子５１Ａ，５１Ｂの接続部と、スロット素子５１Ｃ，５１Ｄの接続部とを結んだライン上に、無給電素子１５Ａ〜１５Ｄが配置されるようにする。

接続導体５２Ａ〜５２Ｄは、スロット素子５１Ａ〜５１Ｄと同一平面上に、例えば銅箔パターンにより形成されており、長さＬ５が約５ｍｍの位置でそれぞれのスロット素子５１Ａ〜５１Ｄを分断するようにスロット素子の内側の銅箔層と外側の銅箔層を接続している。このように、接続導体５２Ａ〜５２Ｄにより、スロット素子５１Ａ〜５１Ｄの内側の銅箔層と外側の銅箔層を接続することで、スロット素子５１Ａ〜５１Ｄのインピーダンスを安定化させることができる。

スロット迂回素子５３Ａ，５３Ｂは、スロット素子５１Ａ〜５１Ｄと同様に銅箔層１２を切削して形成された空隙であり、全長が１３ｍｍ（約１／４波長）で、長さＬ６が６．５ｍｍ（約１／８波長）で折り返した構成となっている。素子幅は１ｍｍである。スロット迂回素子５３Ａは、スロット素子５１Ａとスロット素子５１Ｃの間に接続され、スロット迂回素子５３Ｂは、スロット素子５１Ｂとスロット素子５１Ｄの間に接続される。なお、スロット素子５１Ａとスロット素子５１Ｂ、スロット素子５１Ｃとスロット素子５１Ｄは、それぞれ接続されており、ここではスロット素子５１Ａとスロット素子５１Ｂの間に挿入された給電部５４によってスロット素子が励振される。

従って、本実施形態によれば、このように構成することで、スロット素子５１Ａ，５１Ｂの接続部及びスロット素子５１Ｃ，５１Ｄの接続部において、電界がピーク点をとることになり、スロット迂回素子５３Ａ，５３Ｂにより、それぞれのピーク点間において位相差が生じることになる。このため、これらの電界ピーク点からの放射を簡略化すると、Ｘ軸方向偏波のスロットアンテナを２つ平行に配列した構成と見なすことができる。この構成においては、第１の実施形態で説明したように、＋Ｚ方向から±Ｘ方向にチルトした主ビームが形成されることになる。

（Ｉ）図９は、切替素子１６Ａ，１６Ｂに逆バイアスを印加したときに、図８に示すアンテナ装置の指向性を示す図である。図９において、（Ａ）は垂直（ＸＺ）面の指向性、（Ｂ）は仰角θが６０度における円錐面の指向性を示している。
同図（Ａ）において、指向性ｍは、垂直偏波Ｅθ成分の指向性を示しており、仰角θが６０度の方向へチルトした主ビームが得られていることが確認できる。一方、同図（Ｂ）において、指向性ｎは、指向性ｍと同様に垂直偏波Ｅθ成分の指向性を示しており、主ビームが＋Ｘ方向へ向いていることが確認できる。このとき、主ビームの指向性利得は１３．２ｄＢｉ、円錐面パターンの半値角は６２度である。

（ＩＩ）次に、図１０は、切替素子１６Ａ，１６Ｂに順バイアスを印加したときの図８に示すアンテナ装置の指向性を示す図である。図１０において、同図（Ａ）は垂直（ＸＺ）面の指向性、同図（Ｂ）は仰角θが２０度における円錐面の指向性を示している。
図１０（Ａ）において、指向性ｏは、垂直偏波Ｅθ成分の指向性を示しており、仰角θが２０度の方向へチルトした主ビームが得られていることが確認できる。また、図１０（Ｂ）において、指向性ｐは、指向性ｏと同様に垂直偏波Ｅθ成分の指向性を示しており、主ビームが＋Ｘ方向へ向いていることが確認できる。このとき、主ビームの指向性利得は８．９ｄＢｉ、円錐面パターンの半値角は８４度である。

このように、図８に示すような本実施形態の構成とすることで、＋Ｘ側にチルトした主ビームが得られ、無給電素子１５Ａ〜１５Ｄの長さを切替素子により切り替えることで、垂直（ＸＺ）面において高仰角方向と低仰角方向に主ビーム方向を切り替えることができる。また、図８に示す構成では、スロット素子５１Ａ，５１Ｂの間にのみ給電部５４を設けたが、スロット素子５１Ｃ，５１Ｄの間にも給電部を設けて、選択的に励振することで、主ビーム方向を±Ｘ方向に切り替えることができる。このとき、励振しない給電部は開放とする必要がある。また、図８に示す本実施形態のような構成のものを、複数平面上に等角度ずつ回転させて配列することで、水平面の全方位をカバーできるセクタアンテナを構成することもできる。

以上のように、本実施形態のアンテナ装置によれば、基板１１の表面に正方形形状に形成されたスロット素子５１Ａ〜５１Ｄと正方形の対向する一組の頂点にスロット迂回素子５３Ａ，５３Ｂを設けるとともに、基板１１の裏面に複数個の線状無給電素子１５Ａ〜１５Ｄを形成し、さらにはスロット素子５１Ａ〜５１Ｄ面から一定の距離を離して反射板１４を設けて、線状無給電素子５１Ａ〜５１Ｄを切替素子１６Ａ，１６Ｂによって接続／未接続を切り替えて長さを調整することができる。従って、小型かつ平面構造で、垂直面において低仰角方向と高仰角方向に主ビームを切り替えることができる、換言すれば、１つのアンテナで複数のビームを送受信可能なマルチビームアンテナ装置を実現することができる。なお、本実施形態では、スロット素子を正方形形状に配列したが、正方形形状に限らず、円形形状やひし形形状としても良い。

なお、本発明は、上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得るものである。例えば、本発明では、スロット素子の内側の銅箔層と外側の銅箔層を接続導体により同一平面で接続することとしたが、スルーホールを介して基板の裏面で接続しても同様な効果が得られる。

本発明は、水平方向にチルトした垂直偏波を有した主ビームを低仰角方向と高仰角方向に形成し、さらには水平面において主ビーム方向を切り替えることができ、小型無線機に搭載する際に適した平面構造で小型なマルチビームアンテナを実現できるという効果を有し、固定無線機や端末無線機等の小型無線機に適用できる。

本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示すものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は裏からみた平面図 本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置の切替素子に逆バイアスを印加したときの動作説明図 そのときのアンテナ装置の指向性を示す図 本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置の切替素子に順バイアスを印加したときの動作説明図 そのときのアンテナ装置の指向性を示す図 本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示すものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は裏からみた平面図 本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置のいずれかの切替素子に順バイアスを印加したときの指向性を示す図 本発明の第３の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示すものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は裏からみた平面図 そのアンテナ装置の切替素子に逆バイアスを印加したときの指向性を示す図 そのアンテナ装置の切替素子に順バイアスを印加したときの指向性を示す図 従来のマルチセクタアンテナの構成を示す平面図 従来の他のマルチセクタアンテナの構成を示す平面図

符号の説明

１１ （誘電体）基板
１２ 銅箔層
１３Ａ、１３Ｂ スロット素子
１４ 反射板
１５Ａ〜１５Ｄ 無給電素子
１６Ａ、１６Ｂ 切替素子
１７Ａ、１７Ｂ 給電部
２１Ａ、２１Ｂ、３１Ａ、３１Ｂ 点波源
２２Ａ、２２Ｂ、３２Ａ、３２Ｂ イメージ波源
ａ〜ｐ 指向性

Claims (8)

1. 導体板に所定の間隔を隔てて平行に配置した略１／２波長の電気長を有する第１のスロット素子及び略１／２波長の電気長を有する第２のスロット素子と、
   前記導体板から平行に所定の間隔を隔てた位置に配置した反射板と、
   前記導体板と前記反射板の間に前記第１及び第２のスロット素子と直交するように所定の間隔を隔てて直列に配列した第１乃至第４の線状無給電素子と、
   前記第１及び第２の線状無給電素子との間に設け、前記第１及び第２の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第１の切替素子と、
   前記第３及び第４の線状無給電素子との間に設け、前記第３及び第４の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第２の切替素子と
   を備えることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記第１及び第２のスロット素子と直交するように、前記導体板に所定の間隔を隔てて平行に配置した略１／２波長の電気長をそれぞれ有する第３のスロット素子及び第４のスロット素子と、
   前記第１乃至第４の線状無給電素子と同一平面で、かつ、前記第３及び第４のスロット素子と直交するように、所定の間隔を隔てて直列に配列した第５乃至第８の線状無給電素子と、
   前記第５及び第６の線状無給電素子との間に設け、前記第５及び第６の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第３の切替素子と、
   前記第７及び第８の線状無給電素子との間に設け、前記第７及び第８の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第４の切替素子と
   を備えることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 一辺が略１／４波長乃至３／８波長の長さを有し、前記導体板にひし形形状に配置する４本のスロット素子と、
   第５のスロット素子の一端と第６のスロット素子の一端を接続した位置に給電する第１の給電手段と、
   前記第５のスロット素子の他端と第７のスロット素子の一端とに接続し、略１／４波長の長さを保持して折り返した形状を有する第１のスロット迂回素子と、
   前記第６のスロット素子の他端と第８のスロット素子の一端とに接続し、略１／４波長の長さを保持して折り返した形状を有する第２のスロット迂回素子と、
   前記導体層から平行に所定の間隔を隔てた位置に配置した反射板と、
   前記第５及び第６のスロット素子の接続部と前記第７及び第８のスロット素子の接続部とを結ぶラインに平行で、かつ、前記導体板と前記反射板の間に所定の間隔を隔てて直列に配列した第９乃至第１２の線状無給電素子と、
   前記第９及び第１０の線状無給電素子との間に設け、前記第９及び第１０の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第５の切替素子と、
   前記第１１及び第１２の線状無給電素子との間に設け、前記第１１及び第１２の線状無給電素子を電気的に接続する状態と未接続の状態を切り替える第６の切替素子と
   を備えることを特徴とするアンテナ装置。
4. 前記第２の給電手段は、前記第７のスロット素子の他端と前記第８のスロット素子の他端を接続した位置に配置することを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記スロット素子及び前記スロット迂回素子は、誘電性の基板上の表面の銅箔パターンで構成するとともに、
   前記線状無給電素子は、前記基板上の裏面の銅箔パターンにより構成することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のアンテナ装置。
6. 前記導体板と前記反射板との間隔は、略１／４波長以上で略１／２波長以下に設定するとともに、
   前記スロット素子と前記線状無給電素子との間隔は、略１／６波長以上で略１／４波長以下に設定することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のアンテナ装置。
7. 前記誘電体基板の厚さは、誘電体内の実効波長の略１／６以上で略１／４以下に設定するとともに、
   前記基板上の裏面の銅箔パターンと前記反射板との間隔は、自由空間波長の略１／４以上で略１／３以下に設定することを特徴とする請求項５に記載のアンテナ装置。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の複数のアンテナ装置を平面上にそれぞれ等角的に配置してあることを特徴とするマルチビームアンテナ装置。

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