JP2006180463A

JP2006180463A - アンテナ装置

Info

Publication number: JP2006180463A
Application number: JP2005306908A
Authority: JP
Inventors: Susumu Fukushima; 奨福島
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2005-10-21
Publication date: 2006-07-06
Also published as: US20080238802A1; EP1816703A1; WO2006057275A1; US7659793B2; EP1816703A4

Abstract

【課題】小型で且つ簡易にアンテナの放射特性および入力インピーダンスを調整できるアンテナ装置を提供するものである。
【解決手段】アンテナエレメント１と、アンテナエレメント１と接続された高周波回路が実装されたグランドとを有し、グランドは第１のグランド部６と第２のグランド部７により構成され、第１のグランド部６と第２のグランド部７はリアクタンス回路８により接続されているアンテナ装置であり、グランドに流れる電流の分布を、リアクタンス回路８のリアクタンス値により変化させることができるため、リアクタンス回路８のリアクタンス値を調整することにより、アンテナ装置の入力インピーダンスを調整する事が可能となる。更に、グランド上の電流分布によりアンテナ装置の放射パターンは変化するため、リアクタンス回路８のリアクタンス値を調整して電波の到来方向へアンテナの指向性を向けることも可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、送受信機器に用いられる指向性を調整可能はアンテナ装置に関するものである。

従来のアンテナ装置は、複数のアンテナエレメントの直下に、各々、調整可能な移相器と増幅器とが接続され、これら移相器と増幅器とが最適調整され、所望の指向性を得る構成となっていた。図２９に、指向性を簡易な回路構成で制御できるアンテナ装置の一例を示す。

図２９において、無線信号が給電される放射素子１０１と、放射素子１０１から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が給電されない少なくとも１個の非励振素子１０２とを備えて構成され、非励振素子１０２に可変リアクタンス素子１０３が接続される。ここで、可変リアクタンス素子１０３のリアクタンス値Ｘｎを送受信回路１０４で得られた情報を基に変化させることにより、アンテナ装置の指向特性を変化させる。この従来のアンテナ装置の特徴は、指向特性を制御する回路構成が簡単であって製造コストを大幅に軽減できる点にある。

なお、このアンテナ装置に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００１−２４４３１号公報

上記従来の構成を用いれば精度良く指向性制御が可能となるが、放射素子１０１や非励振素子１０２が複数本必要であり、小型化が困難であるとともに、複数個のリアクタンス素子を制御する必要があり、制御機構が複雑となる。

本発明は上記従来のアンテナ装置の課題を解決するもので、小型で且つ簡易にアンテナの放射特性および入力インピーダンスを調整できるアンテナ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のアンテナ装置は、アンテナエレメントと、このアンテナエレメントに接続された高周波回路と、この高周波回路に接続されたグランドとを備える。そしてこのグランドは、第１のグランド部と前記第１のグランド部にリアクタンス回路を介して接続された第２のグランド部とを有する。上記グランドに流れる電流の分布を、リアクタンス回路のリアクタンス値により変化させることができるため、前記リアクタンス回路のリアクタンス値を調整することにより、アンテナ装置の入力インピーダンスを広帯域に整合を取ることが容易となる。更に、グランド上の電流分布によりアンテナ装置の放射パターンは変化するため、前記リアクタンス回路のリアクタンス値を調整して電波の到来方向へアンテナの指向性を向けることも可能となる。

本発明のアンテナ装置は、小型で且つ周囲環境に合わせてアンテナの放射特性および入力インピーダンスを変化させることができるという効果を奏するものである。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態を用いて、本発明の特に実施の形態１について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施の形態１におけるアンテナ装置の上面図、図２は同実施の形態におけるアンテナ装置の下面図である。

図１において、アンテナエレメント１は銅材等の導電材料からなる導電板であり、このアンテナエレメント１の一端は高周波基板２の第１のグランド部６上に実装された整合回路３と接続されている。更に、第１のグランド部６上には高周波回路４が実装されている。つまり、第１のグランド部６と高周波回路４とは直流的もしくは交流的に接続されている。そして、高周波回路４と整合回路３とは接続されている。また、第２のグランド部７上には、ベースバンド処理回路５が実装されており、前記高周波回路４と接続されている。図１において、アンテナエレメント１は導電板で表されているが、モノポールアンテナ、ヘリカルアンテナ等でも良いし、第１のグランド部６の上方に設けられた逆Ｆアンテナ、逆Ｌアンテナ等でもよい。

図２において、高周波基板２の下面側には前記第１のグランド部６および前記第２のグランド部７がそれぞれ形成されており、その間にはリアクタンス回路８が接続されている。

以上のような構成において、放射に寄与する電流がアンテナエレメント１と第１のグランド部６および第２のグランド部７に流れることにより、これらアンテナエレメント１と第１のグランド部と第２のグランド部は、アンテナとして動作する。ここで、リアクタンス回路８のリアクタンス値により第１のグランド部６および第２のグランド部７に生じる電流分布を変化させることができる。その結果、第１のグランド部６および第２のグランド部７に生じる電流分布の変化により、アンテナ装置の放射パターンを変化させることができる。

よって、例えば、ある方向にアンテナ装置の指向性を向けたい場合に、リアクタンス回路８のリアクタンス値を調整することにより、所望の方向へ指向性を向けることが可能となる。また、リアクタンス回路８のリアクタンス値を変更することで第１のグランド部６および第２のグランド部７に生じる電流分布が変化することより、アンテナエレメント１の入力インピーダンスも変化させることができる。故に、リアクタンス回路８を整合回路３の一部として使用することにより、容易にアンテナエレメント１のインピーダンス整合を取ることが可能となる。

尚、第１のグランド部６および第２のグランド部７に対するリアクタンス回路８の接続位置を変えることにより、第１のグランド部６および第２のグランド部７上の電流分布が変化するため、所望の放射パターンまたはインピーダンス特性を得ることができる。

また、本実施の形態においては、回路設計の容易性を考慮して、アナログ回路である高周波回路４とデジタル回路であるベースバンド処理回路５をそれぞれ第１のグランド部６および第２のグランド部７上へ分けて実装した構成としたが、第２のグランド部７上に高周波回路４の一部を実装してもよい。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明の特に実施の形態２について説明する。

図３は本発明の実施の形態２におけるアンテナ装置の上面図、図４は同実施の形態におけるアンテナ装置の下面図である。実施の形態１の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しその説明を省略する。

図３において、実施の形態１と相違する点は、一方が送受信機と接続される同軸線路９の信号線１１が、高周波回路４と接続されると共に、同軸線路９のシールド線１０が第２のグランド部７に接続されている点である。また、図３の第２のグランド部７と図４の第２のグランド部７はスルーホールやビアホールにより接続されている。

この構成により、同軸線路９のシールド線１０および同軸線路９が接続される送受信機のグランドの部分（以後、「グランド等」という）までグランドが拡大された形となる。つまり、放射に寄与する電流が流れるグランド等のサイズが大きくなり、アンテナ装置の放射に寄与する電流の大部分が分布しているグランド等の電流分布をリアクタンス回路８におけるリアクタンス値の変更により変更できるため、アンテナ装置の放射パターンを大きく変化させることが可能となる。

また、同軸線路９によりグランド等のサイズを大きくすることが可能であるため、アンテナ装置のインピーダンス特性において、グランド等の電気長に依存した複共振を発生させることができる。この様子を図５〜１２に示す。図５はモノポールアンテナ１２をグランド筐体１３に接続したアンテナモデルであり、このインピーダンス特性を図７に示す。図６は、図５のアンテナモデルに長さ２００ｍｍの同軸線路を接続したことを想定したアンテナモデルを示している。図６のアンテナモデルのインピーダンス特性を図８に示す。図８のインピーダンス特性を見ると、図７のインピーダンス特性に複共振点１４が付加されたものとなっている。この複共振点１４は図６のグランド筐体１３と同軸線路９の合成長２００ｍｍが概ね半波長となる周波数（７５０ＭＨｚ）にて発生している。もしも、同軸線路９が更に長い場合には、当該同軸線路９とグランド筐体の合成長Ｌより、複共振点は以下の式で表される周波数Ｆ_ｏにおいて発生する。

ここで、Ｃ_ｏは光速、Ｎは１以上の整数である。

図８の複共振点１４を用いてインピーダンス整合を取ると、図５のアンテナモデルに対して広帯域特性を実現する事ができる。例えば、図６のアンテナモデルにおいて、モノポールアンテナ１２の直下に図９に示す整合回路を挿入する事により、図１０に示すように、複共振点１４を整合点５０オーム付近に移動する事ができる。この結果のＶＳＷＲ特性を図１２に示すが、図１１に示された図５のアンテナモデルのＶＳＷＲ特性よりもさらに、広い帯域幅を実現できている事が分かる。ＶＳＷＲ＜３の帯域幅は、図５のアンテナモデルの場合に１００ＭＨｚＢＷであるのに対し、図６のアンテナモデルは４５０ＭＨｚＢＷであり、約４.５倍の帯域を実現する事ができる。

つまり、実施の形態２で示すアンテナ装置は、広帯域特性を実現できると共に、放射パターンもドラスティックに変化することができるという優位な効果を有し、特に移動体向けのテレビ用のアンテナに最適なアンテナを実現することができる。

なお、図３および図４において、第２のグランド部７の上には部品を実装していないが、小型化を図るため、当該第２のグランド部７上にも部品を実装しても同様の効果を得ることができる。

主にアンテナ装置が車載用である場合、アンテナエレメントを受信状態の優れた車外ルーフ上やフロントガラス表面に設置し、送受信機を目立たないトランクの中やシートの下に設置したりするため、一般的にアンテナと送受信機の間を５ｍ程度の同軸線路で接続する事となる。よって、アンテナ装置を車載用のアンテナとして使用すれば、実施の形態２を実現することが容易となり、放射パターンを変化させられる幅の大きな受信特性の優れたアンテナを実現する事ができる。

次に、図１３〜１７に本発明のアンテナ装置におけるリアクタンス回路８の具体的回路構成の一例を示す。リアクタンス回路に求められる特性としては、直流においてリアクタンス回路８が短絡されることである。直流においてリアクタンス回路８が短絡されなければ、第１のグランド部６または第２のグランド部７に電源が供給されず、高周波回路４とベースバンド処理回路５のアクティブ素子に電源が供給できなくなるためである。故に、リアクタンス回路８はコイルをシリーズに配置させる事により、直流においてリアクタンス回路８が短絡されるようになっている。

例えば、所望の放射パターンを得るためにリアクタンス回路８が容量成分を持つ必要がある場合には、図１３のようなコイルとコンデンサの並列回路を用いる事が有効である。なぜならば、図１３の並列回路の共振周波数Ｆ_ｏより大きな周波数では、当該並列回路は容量成分を持つためである。これにより、直流では短絡され、所望周波数においては容量成分を有するリアクタンス回路８を実現する事ができる。

図１４に示すリアクタンス回路は、図１３の回路に更にコイルを直列に挿入したものであり、リアクタンス回路を構成する素子数を増やしたものである。これにより、複数周波数において所望のリアクタンス値を得る事が容易となる。尚、図１４においては、３素子にてリアクタンス回路８を構成したが、直流的に短絡される構成であれば、４素子以上のリアクタンス素子にてリアクタンス回路８を構成しても良い。

図１５に示した回路は、バリキャップダイオードを用いる事により、リアクタンス回路８のリアクタンス値を時間的に最適なものに調整可能としたものである。このような回路をリアクタンス回路８に使用することにより、実施の形態１および２のアンテナ装置を移動体に使用したときに、時間的に変化する電波環境に対し最適となる放射パターンを随時選択することが可能となり、移動体受信において絶えず良好な受信特性を得ることができるアンテナを実現する事が可能となる。

図１６に示した構成は、図１３〜１５に代表されるリアクタンス回路８をスイッチ１５により切り替えることにより、リアクタンス回路８が取りうるリアクタンス値の幅を拡張し、放射パターンの変更範囲およびアンテナ装置のインピーダンス調整範囲を広げる事が可能となる。図１７に示した構成は、図１６のスイッチ１５の数を増やしたものであり、各リアクタンス回路８をそれぞれ分離でき、アンテナ設計を容易にする効果がある。

実施の形態２のアンテナ装置（図３、４）のリアクタンス素子８のリアクタンス値を変更したときの６００ＭＨｚでの放射パターン変化を図１９から図２２に示す。この放射パターンを導出するために使用したアンテナ装置の外観寸法図を図１８に示す。アンテナエレメントとしては長さ１２０ｍｍのモノポールアンテナ１２を使用した。グランド筐体１３としては長手方向が２４０ｍｍ（約λ／２）のものを使用し、当該グランド筐体１３におけるモノポールアンテナの給電点位置と反対側端部（図３、４における同軸線路９のシールド線１０と導通接続されている第２のグランド部７と第１のグランド部６の間）にリアクタンス回路８を設置した。

放射パターンを効果的に変更するためには、グランド等に生じる放射に寄与する電流が多く流れている部分にリアクタンス回路８を設置し、グランド等に生じる放射に寄与する電流分布を大きく変更すればよい。放射に寄与する電流はグランド等に定在波上に分布し、グランド等の長手方向の長さが０.７５波長以上ある場合には、グランド等における給電点から約ｎ＋０．５波長（ｎは０以上の整数）の周辺が定在波の腹の部分となる。故に、図１８のアンテナ装置は当該位置にリアクタンス回路が設置されるような外形寸法となっている。

図１９、２０はリアクタンス回路８としてコンデンサを使用した場合の放射パターン（ＸＹ面）であり、図２１、２２はリアクタンス回路８としてコイルを使用した場合の放射パターン（ＸＹ面）である。図１９から図２２によりリアクタンス回路８のリアクタンス値により、放射パターンが大きく変化させられることが分かる。これにより、到来波（希望波、妨害波の両方）の方向により、最適な放射パターンを選択する事が可能となる。

図２３〜図２６は、図６のアンテナ装置において、リアクタンス回路８のリアクタンス値を変更したときのインピーダンス変化を示す図である。これらの図からも把握されるように、リアクタンス回路８のリアクタンス値を変更する事により、アンテナの入力インピーダンスを調整する事が可能であり、アンテナ装置が使用される環境により、アンテナ装置の入力インピーダンスが変化した場合に、アンテナ装置自体によりインピーダンス調整を行い、アンテナエレメントと高周波回路のミスマッチロスを最小限に抑えることが可能となる。

図２７、図２８において、アンテナ装置の置かれた周囲環境に最適となるようにアンテナ特性（放射パターン、入力インピーダンス）を随時変更・調整することが可能なアンテナ装置を具現化するための回路ブロックの一例を示す。今回は、説明を簡略化するため、受信専用のアンテナ装置の回路ブロックを示している。図２７の回路ブロック図は、アンテナエレメント１の直下に整合回路３が接続され、当該整合回路３にフィルタ１６、ローノイズアンプ１７が接続されたものである。そして、ローノイズアンプ１７の出力の一部はカプラ１８により検波回路１９に入力され、検波回路１９によりアンテナ装置の受信電力値がモニタリングされる。このモニタリングされる受信電力値が最大となるように、リアクタンス回路８を構成するバリキャップダイオード等の可変リアクタンス値が随時変更される。

図２８の回路ブロックは、図２７のものと異なり、復調器２０において実際のＢＥＲ等の受信状況を把握した上で、当該受信状況が最良となるようにリアクタンス回路８を構成するバリキャップダイオード等の可変リアクタンス値を随時変更する仕組みとなっている。

これにより、ＢＥＲが最良となるような放射パターンおよびアンテナ入力インピーダンスを随時選択することが可能となる。

また、アンテナ装置の高周波回路４と復調器２０が同軸線路９で結ばれている場合には、リアクタンス回路８を構成するバリキャップダイオード等の可変リアクタンス値を随時最適なものに変更するための制御信号を、同軸線路９の信号線１１に乗重する事も可能である。これにより高周波回路４と復調器２０を結ぶ線の数を減らす事が可能となり、取付性の向上を図ることができる。

図３０に具体的な構成を示す。アンテナエレメント１で受信された信号は整合回路３、フィルタ１６、ローノイズアンプ１７、第１の電源回路２５を順に通った後、同軸線路の信号線１１を経由し、第２の電源回路２６を通って復調器２０に至る。復調器２０で受信信号を復調後、アンテナ装置の放射パターンの調整が必要であると判断された場合には、制御回路２４にその旨の指令が出され、制御回路２４から最適な放射パターンとなるような制御信号がローノイズアンプ１７の電源電圧の上に乗重された形で第２の電源回路２６に送信される。第２の電源回路２６の回路構成を図３２に示す。この制御信号は復調器２０へ供給されず、信号線１１を伝達し、第１の電源回路２５にのみ供給される。図３１に第１の電源回路２５の具体的回路構成を示す。図３１より、第２の電源回路２６から供給された制御信号とローノイズアンプ１７の電源電圧は、第１の電源回路２５でそれぞれ取り出され、制御信号に関してはリアクタンス回路の制御に用いられ、また。レギュレータ２７を通った電源電圧がローノイズアンプ１７へ供給される事となる。

（実施の形態３）
図３３および図３４に本発明の実施の形態３を示す。

図３３において、アンテナエレメント１は銅材等の導電材料からなる導電板であり、このアンテナエレメント１の一端は第１の高周波基板２２の第１のグランド部６上に実装された整合回路３と接続されている。更に、第１のグランド部６上には高周波回路４が実装されており、整合回路３に接続されている。第１のグランド部６は、図３４に示すように第１の高周波基板２２のほぼ全面に形成されると共に、図３３の第１のグランド部にスルーホール等で短絡されている。この第１のグランド部６の一端には同軸線路の一端のシールド線２８が接続され、シールド線２８の他端が第２の高周波基板２３に設けられた第２のグランド部７の一端に接続される。図３４に示すように、第２の高周波基板に設けられた第２のグランド部７と第３のグランド部２１はリアクタンス回路８で接続されると共に、図３３と図３４の第２のグランド部７はスルーホールで接続され、また同様に、図３３と図３４の第３のグランド部２１はスルーホールで接続されている。更に、第３のグランド部２１の一端と第２のシールド線２９の一端が接続されると共に、第１の信号線３０と高周波回路４が接続され、また、第２のシールド線２９は復調器等により構成された送受信機器（図示せず）のグランドに接続される。

実施の形態３のようなアンテナ構成を採用すれば、放射パターンを変更する上で最も効果的な場所（例えば、アンテナエレメント１の給電点から電気長で０．５波長離れた位置）にリアクタンス回路８を設置することができ、電波環境に合わせた最適な放射パターンの実現が、より容易になるという効果が得られる。

本発明にかかるアンテナ装置は、小型で且つ周囲環境に合わせてアンテナの放射特性および入力インピーダンスを変化させることができるという効果を有し、送受信機器等のアンテナに有用である。また、これにより、受信性能の高い無線送受信機器を実現することができる。

発明の実施の形態１におけるアンテナ装置の上面図発明の実施の形態１におけるアンテナ装置の下面図発明の実施の形態２におけるアンテナ装置の上面図発明の実施の形態２におけるアンテナ装置の下面図図７、図１１の特性の解析モデルを示す図図８、図１０、図１２の特性の解析モデルを示す図図５のアンテナモデルのインピーダンス特性を示す図図６のアンテナモデルのインピーダンス特性を示す図図６の解析モデルの整合回路図図６のアンテナモデルに整合回路を挿入したときのインピーダンス特性を示す図図５のアンテナモデルのＶＳＷＲ特性を示す図図６のアンテナモデルのＶＳＷＲ特性を示す図リアクタンス回路の回路構成の一例を示す図リアクタンス回路の回路構成の一例を示す図リアクタンス回路の回路構成の一例を示す図リアクタンス回路の回路構成の一例を示す図リアクタンス回路の回路構成の一例を示す図特性の解析モデルを示す図実施の形態２におけるアンテナ装置の放射パターン変化を示す図実施の形態２におけるアンテナ装置の放射パターン変化を示す図実施の形態２におけるアンテナ装置の放射パターン変化を示す図実施の形態２におけるアンテナ装置の放射パターン変化を示す図図６の解析モデルのインピーダンス特性を示す図図６の解析モデルのインピーダンス特性を示す図図６の解析モデルのインピーダンス特性を示す図図６の解析モデルのインピーダンス特性を示す図アンテナ装置の回路ブロックの一例を示す図アンテナ装置の回路ブロックの一例を示す図従来の実施例を示す図アンテナ装置の回路ブロックの一例を示す図第１の電源回路の具体的回路構成図第２の電源回路の具体的回路構成図発明の実施の形態３におけるアンテナ装置の上面図発明の実施の形態３におけるアンテナ装置の下面図

符号の説明

１アンテナエレメント
２高周波基板
３整合回路
４高周波回路
５ベースバンド処理回路
６第１のグランド部
７第２のグランド部
８リアクタンス回路
９同軸線路
１０シールド線
１１信号線
１２モノポールアンテナ
１３グランド筐体
１４複共振点
１５スイッチ
１６フィルタ
１７ローノイズアンプ
１８カプラ
１９検波回路
２０復調器
１０１放射素子
１０２非励振素子
１０３可変リアクタンス素子
１０４送受信回路

Claims

アンテナエレメントと、
このアンテナエレメントに接続された高周波回路と、
この高周波回路に接続されたグランドとを備え、
前記グランドは、第１のグランド部と前記第１のグランド部にリアクタンス回路を介して接続された第２のグランド部とを有するアンテナ装置。
前記第１のグランド部または前記第２のグランド部と送受信機とを接続する給電線路を有する請求項１に記載のアンテナ装置。
前記給電線路は、前記高周波回路に接続された信号線と、この信号線を囲むように配置され前記第１のグランド部または前記第２のグランド部に接続されたシールド線とを有する同軸線路からなる請求項２に記載のアンテナ装置。
アンテナエレメントと、
このアンテナエレメントに接続された高周波回路と、
この高周波回路に接続されたグランドと、
このグランドに接続され、信号線とこの信号線を囲むように配置されたシールド線とを有する同軸線路とを備え、
前記シールド線は、第１のシールド線と、この第１のシールド線にリアクタンス回路を介して接続された第２のシールド線とを有するアンテナ装置。
前記リアクタンス回路は、インダクタとコンデンサの並列回路により構成された請求項１または請求項４に記載のアンテナ装置。
前記リアクタンス回路がバリキャップダイオードを含んだ請求項１または請求項４に記載のアンテナ装置。
前記リアクタンス回路は、複数のリアクタンス素子をスイッチで切り替える構成である請求項１または請求項４に記載のアンテナ装置。
前記高周波回路は、前記リアクタンス回路のリアクタンス値を制御するための受信電力検波回路およびリアクタンス値制御回路を含んでいる請求項１または請求項４に記載のアンテナ装置。
前記高周波回路は増幅器を有しており、前記受信電力検波回路は前記増幅器の出力部分において受信電力を検波する請求項８に記載のアンテナ装置。
前記リアクタンス回路は、前記グランドにおける給電点から電気長で概ねｎ＋０．５波長（ｎは０以上の整数）離れた位置に設置された請求項１または請求項４に記載のアンテナ装置。
前記リアクタンス回路のリアクタンス値を制御するための信号が、前記同軸線路の前記信号線に乗重された請求項２または請求項４に記載のアンテナ装置。