JP2010041071A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小さい容量可変幅で大きな周波数変化を実現し、高効率を維持するアンテナ装置を提供する。
【解決手段】本発明の一態様としてのアンテナ装置は、導体板と、第１導体素子と、一端が前記第１導体素子の一端に接続され他端が前記導体板に接続された第２導体素子とを含む第１の放射素子と、一端が前記第１導体素子の他端に対向する第３導体素子と、一端が前記第３導体素子の他端に接続され他端が前記導体板に接続された第４導体素子とを含む第２の放射素子と、前記第１導体素子の他端と前記第３導体素子の一端間に設けられた可変容量素子と、前記可変容量素子の容量を制御する容量制御手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、アンテナ装置に関し、たとえば可変容量素子を用いたチューナブルアンテナに関する。

逆Fアンテナ等の低姿勢アンテナの素子と地板間を、可変容量素子を介してつなぎ、可変容量素子の容量値を変化させる事で、アンテナの動作周波数を変化させるチューナブルアンテナが検討されている。
特開2005-150937号公報 特開2005-210568号公報

しかし、上述のチューナブルアンテナでは、動作周波数を変化させるために小さな容量値から大きな容量値までの大きな容量可変比が必要になり、この際、低い周波数での動作時では容量値が大きいため高周波電流が流れやすくなり可変容量素子の損失が大きくなる問題がある。

また、板状素子を使用した場合、広帯域・高効率化が可能となるが、上記同様、必要容量可変幅が大きくなり、低い周波数での動作時に、やはり素子による損失が大きくなってしまう。

本発明は、小さい容量可変幅で大きな周波数変化を実現したアンテナ装置を提供する。

本発明の一態様としてのアンテナ装置は、
導体板と、
第１導体素子と、一端が前記第１導体素子の一端に接続され他端が前記導体板に接続された第２導体素子とを含む第１の放射素子と、
一端が前記第１導体素子の他端に対向する第３導体素子と、一端が前記第３導体素子の他端に接続され他端が前記導体板に接続された第４導体素子とを含む第２の放射素子と、
前記第１導体素子の他端と前記第３導体素子の一端間に設けられた可変容量素子と、
前記可変容量素子の容量を制御する容量制御手段と、
を備える。

前記第１の放射素子における前記第２導体素子の他端は、前記導体板上に設けられた給電点に接続されてもよい。

本発明によれば、小さい容量可変幅で大きな周波数変化を実現できる。

以下、図面を参照しながら本実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図である。

このアンテナ装置は、無線通信端末の導体板１０１と、先端が開放され他端が給電点Ｐを介して無線部１０２に接続された逆L状アンテナ素子（第１の放射素子）１０３と、先端が逆Ｌ状アンテナ素子１０３の先端と対向し他端が導体板１０１に接地された逆L状無給電素子（第２の放射素子）１０４と、両素子１０３、１０４の先端間に設置された可変容量素子１０５と、可変容量素子１０５の容量を制御する容量制御手段１０８とを備える。

逆Ｌ状アンテナ素子１０３は、第１導体素子１０３ａと、一端が第１導体素子１０３ａの一端に接続され他端が前記導体板上の給電点Ｐに接続された第２導体素子１０３ｂとを含む。第１導体素子１０３ａは導体板１０１の面に略平行に配置され、第２導体素子１０３ｂは導体板１０１の面に略垂直に配置されている。ここで第１導体素子１０３ａと第２導体素子１０３ｂとの接続とは、第１導体素子と第２導体素子とが電気的に接続していることを意味し、第１導体素子と第２導体素子とが別々の素子であるか否かを問わない。すなわち第１導体素子と第２導体素子とを半田付け等により物理的に接合させることでこれらを接続させてもよく、あるいは第１導体素子と第２導体素子とを１つの導体素子で形成することでこれらを接続してもよい。このように第１、第２導体素子はそれぞれ別の素子でもよく、一体化していてもよい。第１、第２導体素子を一体化することで、第１導体素子と第２導体素子を物理的に接合させる場合に比べて、放射素子の製造工程を減らすことができる。

逆Ｌ状無給電素子１０４は、一端が第１導体素子１０３ａの他端に対向する第３導体素子１０４ａと、一端が第３導体素子１０４ａの他端に接続され他端が導体板１０１に接続された第４導体素子１０４ｂとを含む。第３導体素子１０４ａは導体板１０１の面に略平行に配置され、第４導体素子１０４ｂは導体板１０１の面に略垂直に配置されている。第３導体素子および第４導体素子は、第１導体素子１０３ａおよび第２導体素子１０３ｂの場合と同様に、それぞれ別の素子でもよく、一体化していてもよい。

容量制御手段１０８は、保持電圧を制御信号として可変容量素子１０５へ制御線１００を介して供給する電圧供給部１０６と、電圧供給部１０６における保持電圧を制御する印加電圧制御手段１０７とを含む。

可変容量素子１０５は、逆Ｌ状アンテナ素子１０３の先端に接続する端子と、無給電素子１０４の先端に接続する端子と、電圧供給部１０６から制御線１００を介して制御信号を受信する端子とを有し、受信した制御信号に応じた容量を形成する。可変容量素子１０５としては、たとえばＭＥＭＳキャパシタを用いることができる。ＭＥＭＳ素子を使用する事で、低歪、低損失の効果が得られる。

このような構成により、所望の周波数帯でアンテナを動作させるために必要な容量可変幅が、従来技術である、逆Fアンテナの先端と地板間に可変容量素子を接続するタイプと比較して小さくなる。これにより低周波動作時でも容量値を従来に比べて小さく抑えることができるため、高周波電流が可変容量素子を流れにくくなり、可変容量素子での損失を減少できる。以下、本アンテナ装置についてさらに詳細に説明する。

図２は、図１のアンテナ装置で得ることができる２つの共振モードを説明する図である。

図１のアンテナ装置のように、容量素子を介してアンテナ素子と無給電素子の先端同士をつなぐと2つの共振モードが発生する。図２（Ａ）は１つめのモード１、図２（Ｂ）は２つめのモード２を示す。

図２（Ａ）の２１０および図２（Ｂ）の２２０は、アンテナを流れる電流の向きを、図２（Ａ）の２０１および図２（Ｂ）の２０２は、アンテナの電流振幅を示している。2つの共振モード１、２で、電流の向きがそれぞれ異なっており、モード１がモード２より低い周波数で発生する。

本実施形態では、図２（Ａ）のモード１に着目し、モード１でアンテナ装置を動作させる。モード１では、電流の向きから分かるように、挿入した可変容量素子の両端間に大きな電位差が発生する。このため、可変容量素子の容量値がアンテナの共振周波数に与える影響が大きくなり、小さな容量変化で共振周波数を大きく変化させる事が可能となる。これに対し、図２（Ｂ）のモード２では、可変容量素子の両端間の電位差が小さくなるため、容量値を変化させても周波数の変化は小さい。

以下、図３〜図７を用いて、本実施形態に係るアンテナの優位性を、従来技術のアンテナと比較して説明する。ただし、本実施形態に係るアンテナはモード１で動作させるものとする。

図３は、縦65mm、横110mmの導体板の長辺に沿って、本提案に係わるアンテナが設置されている。このアンテナは、図１のアンテナ素子１０３の第１導体素子の一端を第５導体素子１０３ｃを介して導体板１０１に接続し、さらにアンテナ素子１０３の第１導体素子１０３ａ、無給電素子１０４の第３導体素子１０４ａを、それぞれメアンダ状にしてメアンダ素子１０３ｄ、１０４ｄとしたものである。素子１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄはアンテナ素子１１３を形成し、素子１０４ｂ、１０４ｄは無給電素子１１４を形成する。メアンダ素子１０３ｄ、１０４ｄはそれぞれ一方向に蛇行するように形成されている。図３のアンテナは、導体板１０１の長辺から+y方向に8mｍの位置で、導体板の面から+z方向に厚さ5mm立ち上がり、5mm毎に折れ曲がっている。このとき可変容量素子１０５は、アンテナ素子１１３と無給電素子１１４がほぼ同一の周波数で動作するように、メアンダ形状の中心に設置されている。

図４は、図３と同様に+y方向に8mm、+z方向に5mm導体板の長辺から突出して従来の逆Fアンテナ５０３を設置し、逆Fアンテナの先端と導体板５０１間を可変容量素子５０５を介して接続している。逆Fアンテナのアンテナ長は、図３のアンテナの略半分である。

図３および図４の2種類のアンテナについて、可変容量素子１０５、５０５の容量値を0.1pFからそれぞれ大きくしていった際の、最も50Ωと整合がとれる周波数の変化を比較した結果を図５に示す。またこの時の各容量値における提案アンテナおよび従来の逆Ｆアンテナの総効率をそれぞれ図６および図７に示す。ここで総効率とは、電力透過係数と放射効率を合わせたものをいう。可変容量素子１０５、５０５は、2Ωの抵抗成分を持つものとする。

図５に示すように、図３の提案アンテナでは、可変容量素子１０５の影響が大きいため、図４の従来の逆Ｆアンテナに比べて、小さな容量変化で大きな周波数変化が可能になることが確認できる。また、図６および図７を比較して、提案アンテナでは、特に低周波側での高効率化が実現できることが理解される。

図８は、図３に示したメアンダ状の提案アンテナにおいて、0.5pFの可変容量素子の設置位置を、メアンダ形状の中心から10mm毎にずらした場合の整合周波数での放射効率の変化を示す。中心からの距離が正の方向は、無給電素子側（図３のＸ軸方向）に相当し、中心からの距離が負の方向は、アンテナ素子側（Ｘ軸と反対方向）に相当する。図８から、メアンダ形状のほぼ中心に近い位置に可変量素子を設置したときに好適な放射効率が得られることが理解される。これは、アンテナ素子と無給電素子がほぼ同一の共振周波数を持つ中心付近で電流の節となるため可変容量素子での損失が低減されるためである。

図１０は、図９に示すように導体板１０１に対するアンテナ素子と無給電素子の水平部分が互いに平行になるように給電点−短絡点間隔Dを狭めていった場合の整合周波数における放射効率の変化を示す。ただし、ここでの提案アンテナは、図１の提案アンテナにおける逆Ｌ状アンテナ素子１０３を逆Ｆ状アンテナ素子１１１に置換したものであり、また、可変容量素子１０５の容量値は0.1pFとした。また図９の点線矢印は電流の流れる方向を示す。

図１０から理解されるように、間隔Ｄが大きいほど、大きな放射効率が得られる。これは、本提案アンテナで使用する共振モード１（図２（Ａ）参照）では、図９のようにしてアンテナ素子と無給電素子を近接させていくと、両素子の水平部分間、および垂直部分（符号ｈ参照）間で電流が打ち消しあうため、放射効率が劣化してしまうからである。したがって、間隔Ｄは大きい事が望ましく、図１のように、逆Ｌ状アンテナ素子１０３における第１導体素子１０３ａと、無給電素子１０４における第３導体素子１０４ａとをそれぞれ直線状に形成するのがよい。また図３に示したように、メアンダ素子１０３ｄ、１０４ｄをそれぞれ一方向に蛇行するように形成するのがよい。

図１１は、本発明に係るアンテナ装置の他の実施形態の概略構成を示す図である。

可変容量素子１１８は、導体素子１０３の先端に接続される第１の端子と、導体素子１０４の先端に接続される第２の端子とを有し、２つの端子間に印加された電圧に応じた容量を形成するタイプのものである。可変容量素子１１８としては、たとえばダイオードを用いることができる。可変容量素子１１８の両端子間への電圧印加は、具体的にはアンテナ素子の信号線１１５と、導体板１１０間への電圧印加によって行うことができる。これにより、アンテナ素子周辺の製造が容易となる。

給電点Ｐと無線部１０２との間の信号線１５上には直流成分カット部１０９が設置され、直流成分カット部１０９は、無線部１０２により生成された高周波信号の直流成分をカットする。

信号線１５に対して直流成分の信号を供給する直流成分供給部１１６が設けられる。直流成分供給部１１６は、電圧を保持し保持電圧を出力する電圧供給部１１２と、電圧供給部１１２に電圧を設定する可変容量制御部１１７と、電圧供給部１１２からの出力信号から高周波成分をカットして直流成分を抽出し、直流成分を信号線１１５に出力する高周波成分カット部１１０を有する。

直流成分カット部１０９から出力された高周波信号は、高周波成分カット部１１０からの直流成分と合成されて給電点Ｐに与えられる。これにより、可変容量素子１１８の第１の端子は上記直流成分の電位に接続され、可変容量素子１１８の第２の端子には無給電素子１０４を介してグランド電位（導体板１１０）が接続されため、両電位差に応じた電圧が、第１および第２の端子間に印加される。

図１、図３、図１１に示した提案アンテナでは、線状素子を用いてアンテナ素子および無給電素子を構成していたが、たとえば図１２に示すように、板形状の素子を用いてアンテナ素子１２３および無給電素子１２４を構成しても良い。こうする事で、アンテナを広帯域化することが出来る。

図１３は、図１の提案アンテナを基板１３１上に構成した一例を示す斜視図である。図１と同等部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。図中点線矢印は電流の向きを示す。

可変容量素子１０５へ制御信号を供給する制御線１００をアンテナ素子１０３と無給電素子１０４からそれぞれ略等距離の位置に配置している。これによりアンテナ素子１０３から制御線１００への影響と、無給電素子１０４から制御線１００への影響とが打ち消し合うため、制御線１００への影響が低減できる。図１３と同様にして、図１１の提案アンテナを基板上に構成することもでき、この場合の構成例を、平面図として図１４に示す。図１１と同一部分には同一符号を付して、詳細な説明は省略する。１４１は基板を示している。

図１５は、本発明のアンテナ装置のさらに他の実施形態の概略構成を示す図である。

図１５のアンテナ装置は、それぞれ動作周波数を異ならせた図１のアンテナ装置を２つ用意し、それぞれ背中合わせに配置したものである。紙面に向かって左側のアンテナ装置におけるアンテナ素子１０３（２）および無給電素子１０４（２）の素子長は、右側のアンテナ装置のアンテナ素子１０３（１）および無給電素子１０４（１）よりもそれぞれ短くされている。

アンテナ素子１０３（２）はたとえば第３の放射素子に相当し、無給電素子１０４（２）はたとえば第４の放射素子に相当する。可変容量素子１０５（２）はたとえば第２の可変容量素子に相当する。印加電圧制御部１０７（２）および電圧供給部１０６（２）はたとえば第２の容量制御手段を形成する。

給電点Ｐに接続されかつ導体板１０１に垂直な素子部分は、アンテナ素子１０３（２）およびアンテナ素子１０３（１）とで共通に含まれる。なお、図示の例では、当該垂直な素子部分を、可変容量素子１０５（１）、１０５（２）が配置された高さで分岐しているが、これより低い位置で分岐させてもよい。図１５のように構成する事で、高効率で且つ同時に複数の周波数で動作するアンテナを実現できる。

図１６は、本発明のアンテナ装置のさらに別の実施形態の概略構成を示す図である。

図１のアンテナ装置（紙面に向かって右側）と、図１のアンテナ装置のアンテナ素子を無給電素子に置換した、本発明の一実施形態に係るアンテナ装置（紙面に向かって左側）とが所定距離だけ離隔して配置されている。

左側のアンテナ装置には２つの無給電素子１０４（３）、１０４（２）が含まれ、それぞれ右側のアンテナ装置のアンテナ素子１０３（１）、無給電素子１０４（１）よりも短くされている。左側のアンテナ装置は、右側のアンテナ装置と同様に２つの共振モード１、２をもち、これらのうち共振モード１で動作させる。このように構成することで、設計の自由度が増す・多共振化による広帯域化がしやすい等の利点がある。なお、左側のアンテナ装置を、図１のアンテナ装置でなく、従来のアンテナ装置と離隔して並べて配置しても本発明の効果を得ることができる。また左側のアンテナ装置に対して、図１のアンテナ装置と同様に、図３、図１２、図１５に示したような変更を加えることも可能である。

これまで説明した提案アンテナは、携帯端末、ノートPC、FPD(Flat Panel Display)、小型ＡＶ端末へ実装することで、地上デジタル放送受信用アンテナとして動作させることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図である。 提案アンテナ上の電流分布を示す図である。 本発明の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図である。 従来の逆Ｆアンテナの概略構成を示す図である。 図３および図４の各アンテナ装置の、容量値と整合周波数の関係を示す図である。 図３のアンテナ装置の容量値と総効率の関係を示す図である。 図４の逆Ｆアンテナの容量値と総効率の関係を示す図である。 図３のアンテナ装置において、可変容量素子の設置位置を変化させた際の放射効率の変化を示す図である。 アンテナ素子と無給電素子の間隔を変化させる様子を示す図である。 アンテナ素子と無給電素子の間隔を変化させた際の放射効率の変化を示す図である。 本発明の他の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図である。 アンテナ素子及び無給電素子を板状にした例を示す図である。 図１のアンテナ装置を基板に実装した例を示す図である。 図１１のアンテナ装置を基板に実装した例を示す図である。 本発明のさらに他の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図である。 本発明のアンテナ装置のさらに別の実施形態の概略構成を示す図である。

符号の説明

１００…制御線
１０１…導体板
１０２…無線部
１０３…逆Ｌアンテナ素子
１０３ａ，１０３ｄ…第１導体素子
１０３ｂ…第２導体素子
１０３ｃ…第５導体素子
１０４…逆Ｌ状無給電素子
１０４ａ，１０４ｄ…第３導体素子
１０４ｂ…第４導体素子
１０５，１１８…可変容量素子
１０６，１１２…電圧供給部
１０７…印加電圧制御部
１０８…容量制御手段
１０９…直流成分カット素子
１１０…高周波成分カット素子
１１３…メアンダ状アンテナ素子
１１４…メアンダ状無給電素子
１１５…信号線
１１６…直流成分供給部
１１７…可変容量制御部
１２３…板状アンテナ素子
１２４…板状無給電素子
２０１，２０２…電流振幅
２１０，２２０…電流の向き
５０３…逆Ｆアンテナ素子
５０５…可変容量素子
Ｐ…給電点
Ｄ…給電点−短絡点間隔
ｈ…高さ（垂直部分）

Claims (12)

1. 導体板と、
   第１導体素子と、一端が前記第１導体素子の一端に接続され他端が前記導体板に接続された第２導体素子とを含む第１の放射素子と、
   一端が前記第１導体素子の他端に対向する第３導体素子と、一端が前記第３導体素子の他端に接続され他端が前記導体板に接続された第４導体素子とを含む第２の放射素子と、
   前記第１導体素子の他端と前記第３導体素子の一端間に設けられた可変容量素子と、
   前記可変容量素子の容量を制御する容量制御手段と、
   を備えたアンテナ装置。
2. 前記第１の放射素子における前記第２導体素子の他端は、前記導体板上に設けられた給電点に接続された
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第１導体素子および前記第３導体素子はそれぞれ直線形状を有する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第１導体素子および前記第３導体素子はそれぞれ一方向に蛇行するメアンダ形状を有する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。
5. 前記第１の放射素子の共振周波数は前記第２の放射素子の共振周波数と略同一である
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
6. 前記第１の放射素子は、前記第１導体素子の一端を前記導体板に短絡する第５導体素子をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
7. 前記第１〜第４導体素子は、線状素子または板状素子であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
8. 前記容量制御手段から前記可変容量素子へ制御信号を送信するための制御線路をさらに備え、
   前記可変容量素子は、前記制御信号に応じた容量を形成し、
   前記第２導体素子から前記制御線までの距離は、前記第４導体素子から前記制御線までの距離と略等しい
   ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
9. 前記可変容量素子は、ＭＥＭＳキャパシタであることを特徴とする請求項８に記載のアンテナ装置。
10. 前記可変容量素子は前記第１導体素子の他端に接続される第１端子と、前記第３導体素子の一端に接続される第２端子とを含み、前記第１および第２の端子間にかけられた電圧に応じた容量を形成し、
    前記容量制御手段は、前記第１端子および前記第２端子間に制御電圧をかけることにより前記可変容量素子の容量を制御する
    ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
11. 前記可変容量素子は、ダイオードであることを特徴とする請求項１０に記載のアンテナ装置。
12. 一端が前記第１導体素子の一端に接続された第６の線状素子と、
    一端が前記第６導体素子の他端に対向する第７導体素子と、
    一端が前記第７導体素子の他端に接続され他端が前記導体板に接続された第８導体素子と、
    前記第６導体素子の他端と前記第７導体素子の一端間に設けられた第２の可変容量素子と、
    前記第２の可変容量素子の容量を制御する第２の容量制御手段と、を備え、
    前記第６の導体素子と前記第２の導体素子とは第３の放射素子を形成し、
    前記第７の導体素子と前記第８の導体素子とは第４の放射素子を形成する
    ことを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。

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