アンテナ装置および無線通信装置
【課題】インピーダンスの整合状態を検出し自動的に整合させるインピーダンス可変整合部を備え、小型化・高性能化が可能なアンテナ装置を提供する。
【解決手段】実施の形態のアンテナ装置は、給電点と反対側の端部が開放端となるアンテナと、給電点でアンテナに接続されるインピーダンス可変整合部と、端部からプローブの先端までの離間距離が、アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下となるよう配置されるプローブと、プローブに接続され、プローブで測定される電力信号に基づきインピーダンス可変整合部を制御する制御部とを備える。
【解決手段】実施の形態のアンテナ装置は、給電点と反対側の端部が開放端となるアンテナと、給電点でアンテナに接続されるインピーダンス可変整合部と、端部からプローブの先端までの離間距離が、アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下となるよう配置されるプローブと、プローブに接続され、プローブで測定される電力信号に基づきインピーダンス可変整合部を制御する制御部とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、アンテナ装置および無線通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話などの無線通信装置においては、アンテナの入力インピーダンスと無線機の出力インピーダンスの不整合により電力損失が生ずる場合がある。この電力損失を抑制するために、アンテナと無線機との間にインピーダンス可変整合部を設け、さらに何らかの手段で不整合を検出して、自動的にアンテナの入力インピーダンスと無線機の出力インピーダンスを整合させる方法がある。
【０００３】
もっとも、上記方法において、アンテナと無線機との間に電流や電圧等を検出する検出部を設ける構成を採用すると、検出部のサイズ、周波数帯域、挿入損失、方向性、結合量等の要素がトレードオフの関係になる。したがって、インピーダンス可変整合部を含めたアンテナ装置の小型化・高性能化が困難であるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許３０７５０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、インピーダンスの整合状態を検出し自動的に整合させるインピーダンス可変整合部を備え、小型化・高性能化が可能なアンテナ装置および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】
実施の形態のアンテナ装置は、給電点と反対側の端部が開放端となるアンテナと、前記給電点で前記アンテナに接続されるインピーダンス可変整合部と、前記端部からプローブの先端までの離間距離が、アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下となるよう配置されるプローブと、前記プローブに接続され、前記プローブで測定される電力信号に基づき前記インピーダンス可変整合部を制御する制御部と、
を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施の形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。
【図２】第２の実施の形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。
【図３】第３の実施の形態のアンテナ装置の演算回路とインピーダンス整合部の構成の詳細を示す図である。
【図４】第４の実施の形態のアンテナ装置の演算回路とインピーダンス整合部の構成の詳細を示す図である。
【図５】第５の実施の形態のアンテナ装置の演算回路の構成の詳細を示す図である。
【図６】第６の実施の形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。
【図７】第７の実施の形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。
【図８】第８の実施の形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を用いて実施の形態を説明する。なお、図面中、同一または類似の箇所には、同一または類似の符号を付している。
【０００９】
（第１の実施の形態）
本実施の形態のアンテナ装置は、給電点と反対側の端部が開放端となるアンテナと、給電点でアンテナに接続されるインピーダンス可変整合部とを備える。そして、アンテナの開放端となる端部からプローブの先端までの離間距離が、アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下となるよう配置されるプローブを備える。また、プローブに接続され、プローブで測定される電力信号に基づきインピーダンス可変整合部を制御する制御部を備える。
【００１０】
本実施の形態のアンテナ装置においては、上記構成、特にアンテナの開放端近傍に検出部となるプローブを設けてアンテナの電力を検出する構成により、インピーダンス可変整合部を含めたアンテナ装置の小型化・高性能化が実現可能となる。
【００１１】
図１は、本実施の形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。
【００１２】
アンテナ装置１０は、給電点１２ａと反対側の端部１２ｂが開放端となる逆Ｌアンテナ１２と、給電点１２ａで逆Ｌアンテナ１２に接続されるインピーダンス可変整合部１４とを備える。そして、開放端である端部１２ｂからプローブの先端までの離間距離（図中ｄ）が、アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下となるよう近接して配置されるプローブ１６を備える。また、プローブ１６に接続され、プローブ１６で測定される電力信号が入力され、この電力信号に基づきインピーダンス可変整合部１４を制御する制御部１８を備える。
【００１３】
なお、図１では、アンテナ装置１０は、インピーダンス可変整合部１４の逆Ｌアンテナ１２に対して反対側に接続される無線機３０を示している。無線機３０は、例えば、送信機である。このようにアンテナ装置１０とこれに接続される無線機３０が無線通信装置を構成する。無線通信装置は、例えば携帯電話である。
【００１４】
逆Ｌアンテナ１２は導体から構成されるアンテナであり、給電点１２ａから遠い側が接地されない開放端となっている。なお、逆Ｌアンテナ１２を用いることは、アンテナ装置を備える無線通信装置の小型化や設計の容易化を図る観点から望ましいが、アンテナの形状は、逆Ｌアンテナに限られるものではない。
【００１５】
インピーダンス可変整合部１４は、可変インダクタ１４ａと可変容量１４ｂから構成されている。ここでは、可変インダクタ１４ａと可変容量１４ｂとから構成されているが、可変インダクタ１４ａや可変容量１４ｂの使用数量や回路の接続トポロジーに制限は無い。また、可変インダクタ１４ａや可変容量１４ｂの他にスイッチをインピーダンス可変素子として用いることも可能である。そして、これらの可変素子は、半導体、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）等、その機能の実現手段を選ばない。
【００１６】
プローブ１６は、ここでは、対称な２本の導体で構成されたダイポール形状の差動型プローブである。アンテナ装置が接続される無線通信装置の電子部品等から発せられるノイズ耐性を高くする観点から差動型プローブであることが望ましいが、モノポール形状やループ形状等のプローブを適用することが可能である。
【００１７】
なお、逆Ｌアンテナ１２の端部１２ｂとプローブ１６の先端との離間距離は、それぞれの間の最も距離の遠い部分を測定して算出するものとする。
【００１８】
制御部１８は、電力検出器２０と、演算回路２２を備える。電力検出器２０はプローブ１６に接続され、演算回路２２はインピーダンス可変整合部１４に接続される。
【００１９】
電力検出器２０は、プローブ１６で測定された電力信号の強度に対応した直流電圧、または、直流電流、またはバイナリデータを出力する機能を備える。また、演算回路２２は、電力検出器２０から知らされる検出電力が最大化するように、演算およびインピーダンス可変整合部１４への制御信号の伝達を行う機能を備える。
【００２０】
以下、本実施の形態のアンテナ装置の作用・効果について説明する。
【００２１】
プローブ１６は開放端となっている逆Ｌアンテナ１２の端部１２ｂの電荷量の変化を、容量結合により電力として検出する。そして、制御部１８内の電力検出器２０により、プローブ１６で測定された電力信号の強度に対応した直流電圧、または、直流電流、またはバイナリデータが、制御部１８内の演算回路２２に出力される。演算回路２２では、電力検出器２０からもたらされる検出電力を最大化するように、演算およびインピーダンス可変整合部１４への制御信号伝達を行う。
【００２２】
一般に、アンテナはアンテナの入力インピーダンスと無線機の出力インピーダンスの整合状態が良いほど給電される電力が大きい。したがって、給電点１２ａから給電される電力が大きくなると、逆Ｌアンテナ１２上の電流が大きくなる。このため、その給電点１２ａの反対側の開放端では電荷量が大きくなる。結果として、開放端となる端部１２ｂ近傍に配置したプローブ１６との容量結合により、プローブ１６による検出電力（電力信号）も大きくなる。したがって、プローブ１６での検出電力を大きくするよう制御すれば、逆Ｌアンテナ１２の整合状態が良くなることになる。すなわち、インピーダンス整合が実現されることになる。
【００２３】
本実施の形態においては、制御部１８が、プローブ１６による検出電力に基づきインピーダンス可変整合部１４を制御することで、インピーダンス整合を実現する。
【００２４】
制御部１８内の電力検出器２０により、プローブ１６で測定された電力信号の強度に対応した直流電圧、または、直流電流、またはバイナリデータが、制御部１８内の演算回路２２に出力される。演算回路２２では、電力検出器２０からもたらされる検出電力を最大化するように、インピーダンス可変整合部１４を制御する。
【００２５】
具体的には、例えば、制御部１８は、演算回路２２での演算およびその演算結果に基づく指示を制御信号として、インピーダンス可変整合部１４に出力する。この信号により、インピーダンス可変整合部１４内のインピーダンス可変素子（ここでは可変インダクタ１４ａと可変容量１４ｂ）のインピーダンス値を制御する。
【００２６】
例えば、可変素子のインピーダンス値をランダムに変化させて、電力検出器２０の検出電力が最大となった時の制御信号を記憶しておいても良いし、可変素子に与えられる全ての状態の組み合わせを設定してみて、検出電力が最大となる制御信号を記憶しておいても良い。制御部１８での制御方法は、電力検出器２０の検出電力を最大化できさえすれば、上述の簡便な方法、公知の方法など、あらゆる制御方法を取り得る。
【００２７】
以上のように、本実施の形態によれば、検出部となるプローブ１６を開放端であるアンテナ先端近傍に配置することにより、アンテナのインピーダンス整合状態を、プローブ１６による検出電力の大小で評価することが可能である。したがって、アンテナ装置の使用周波数によらず広い無線周波数帯域で精度の高いインピーダンス整合を簡易かつ小型の構成で実現できる。また、本実施の形態のアンテナ装置におけるインピーダンス整合のための損失はプローブの検出電力のみである。したがって、極めて低損失なアンテナ装置が実現できる。さらに、制御部１８によるインピーダンス可変整合部１４の制御で、自動的にインピーダンス整合を実行することが可能となる。
【００２８】
本実施の形態において、開放端である端部１２ｂからプローブの先端までの離間距離を、アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下と規定する理由は以下の通りである。アンテナの開放端となる端部１２ｂは電荷の腹、電流の節となる。このため、この位置でプローブの検出電力を最大化するよう制御すると、アンテナを流れる電流も増大し、アンテナが共振し、インピーダンス整合した状態となる。一方、アンテナの開放端となる端部１２ｂからアンテナの給電点１２ａ側へ向かい使用する最大無線周波数の波長の４分の１となるアンテナ上の位置は、使用する最大無線周波数の信号がアンテナに入力された時、電荷の節、電流の腹となる位置である。したがって、この位置でプローブの検出電力を最大化するよう制御すると、アンテナを流れる電流が抑制され、アンテナが不整合の状態となる。したがって、アンテナに給電される電力を検出する位置としては不適である。
【００２９】
アンテナの開放端となる端部１２ｂから使用する最大無線周波数に対応する波長の８分の１の位置は、端部１２ｂと４分の１波長の位置との中間地点であり、この位置よりも端部１２ｂ側であれば、プローブの検出電力を最大化することにより、アンテナを共振・整合状態を向上させることが可能である。いいかえれば、８分の１波長の位置よりも４分の１波長側で検出電力を最大化しようとすると、アンテナの整合状態が劣化することになる。
【００３０】
したがって、端部１２ｂから８分の１波長の位置までのアンテナ上の位置は、アンテナに給電される電力を検出する位置としては好適であるといえる。アンテナ上でアンテナ端部１２ｂから使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下の位置にプローブの先端を配置すれば、すべての使用無線周波数に対して、波長の８分の１以下の位置にプローブの先端位置がくることになる。よって、アンテナに給電される電力を評価し、検出電力を最大化するよう制御することで、アンテナのインピーダンス整合を図ることが可能となる。
【００３１】
また、アンテナから離間するほど、プローブ１６の容量結合による電力検出能力は低下する。アンテナの開放端となる端部１２ｂからの空間的な離間距離が使用無線周波数の波長の８分の１の位置にあれば、電力検出能力の低下はインピーダンス整合の精度を出すうえで十分な許容範囲に収まる。よって、使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下の位置にプローブの先端を配置すれば、すべての使用無線周波数に対して、アンテナに給電される電力の大小を好適に検出し、アンテナのインピーダンス整合を実現することが可能である。
【００３２】
なお、本実施の形態において、プローブ１６の共振周波数がアンテナ装置で使用される最大無線周波数よりも高いことが望ましい。プローブ１６の共振周波数がアンテナ装置で使用される最大無線周波数以下になると、プローブ１６の途中に節を含むような電流分布となる。このため、アンテナとの容量結合が複雑になり、プローブ１６の検出電力を最大にすることによって、インピーダンス整合が実現されるという単純な関係が崩れてしまうからである。プローブ１６の共振周波数がアンテナ装置で使用される最大無線周波数よりも高いことにより、給電点１２ａから給電される電力が大きくなると、プローブ１６による検出電力（電力信号）も大きくなるという関係が使用される無線周波数によらず、実現される。
【００３３】
（第２の実施の形態）
本実施の形態のアンテナ装置は、アンテナが給電点側から見て枝分かれした形状を呈し、すべての枝の端部が開放端であり、すべての端部からプローブの先端までの離間距離が、アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下となるよう配置される。アンテナが枝分かれすること以外は、第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容の記載については省略する。
【００３４】
図２は、本実施の形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。
【００３５】
アンテナ装置４０は、アンテナが給電点３２ａ側から見て二股に枝分かれた形状を備えるモノポールアンテナ３２を備える。双方の枝の端部３２ｂ、３２ｃが開放端である。そして、双方の開放端である端部３２ｂ、３２ｃからプローブ１６の先端までの離間距離（図中ｄ１、ｄ２）が、アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下となるよう配置される。本実施の形態では、モノポールアンテナ３２の一方の枝を折り曲げることで、上記離間距離の関係を実現している。
【００３６】
本実施の形態のアンテナ装置は、モノポールアンテナ３２が二股に枝分かれした導体を備えることで、２つの異なる無線周波数帯域に対応することが可能である。そして、モノポールアンテナ３２上の支配的な電流分布が２つの導体のいずれになろうとも、一つの機構で高精度なインピーダンス整合を実現することが可能となる。
【００３７】
（第３の実施の形態）
本実施の形態のアンテナ装置は、制御部が、プローブに接続される電力検出器と、電力検出器のアナログ出力をバイナリデータに変換するＡＤ変換器と、あるサンプリング時刻におけるバイナリデータを記憶するバッファと、ＡＤ変換器のバイナリデータとバッファに記憶されたバイナリデータの値を比較する比較器と、比較器の比較論理に連動してカウント数が増減し、そのバイナリ出力がインピーダンス可変整合部内の複数のインピーダンス可変素子に接続されるアップダウンカウンタと、を備える。制御部の演算回路の詳細構成を記載する点、および、インピーダンス可変整合部の構成が異なる点以外は第１の実施の形態と同様である。したがって、以下、第１の実施の形態と重複する内容の記載については省略する。
【００３８】
図３は、本実施の形態のアンテナ装置の演算回路とインピーダンス整合部の構成の詳細を示す図である。
【００３９】
演算回路２２は、電力検出器２０に接続するＡＤ変換器３４と、ＡＤ変換器３４に接続されるバッファ３６と、ＡＤ変換器３４およびバッファ３６に接続される比較器３８と、比較器３８に接続されるアップダウンカウンタ４２とから構成される。
【００４０】
そして、インピーダンス可変整合部１４は、アップダウンカウンタ４２に接続する複数のスイッチと容量からなる可変容量４４から構成されている。可変容量４４には、アップダウンカウンタ４２との間にインダクタ４６が設けられている。
【００４１】
可変容量４４は、無線機３０とアンテナ１２との間の線路に各容量が並列に接続されている。
【００４２】
ＡＤ変換器３４は、電力検出器２０から得られる検出電力値に相当する直流電圧または直流電流に対応するバイナリデータを出力する。バッファ３６は、クロック信号などにより指定されたタイミングでバイナリデータを保持する。
【００４３】
比較器３８は、電力検出器２０からのバイナリデータ（Ｐ）とバッファからのバイナリデータ（Ｑ）を比較して、その大小の結果を論理出力する。アップダウンカウンタ４２は、比較器３８からの論理出力に応じて、カウント数が増減する。すなわち、バイナリデータをアップカウントまたはダウンカウントする。
【００４４】
比較器３８に接続されるバイナリデータＰとＱは、比較演算を行う時点のデータＰと、１サンプリング前のデータＱである。Ｐ＞Ｑであれば、検出電力は増大したことになり、Ｐ＜Ｑであれば、検出電力が減少したことになる。
【００４５】
可変容量４４の容量値可変範囲の中に、検出電力が最大となる容量値が存在するならば、アップダウンカウンタ４２を、Ｐ＞Ｑの論理出力によりアップカウントし、Ｐ＜Ｑの論理出力によりダウンカウントすれば、このカウント数に基づきインピーダンス整合部１４に制御信号を送ることで検出電力が最大となるように可変容量４４を制御できる。
【００４６】
本実施の形態のアンテナ装置によっても、第１の実施の形態と同様の作用・効果を得ることが可能である。
【００４７】
（第４の実施の形態）
本実施の形態のアンテナ装置は、インピーダンス可変整合回路のインピーダンス可変素子が、可変容量ダイオードである。また、制御部にＤＡ変換器が設けられる。この２点以外は第３の実施の形態と同様である。したがって、第３の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。
【００４８】
図４は、本実施の形態のアンテナ装置の演算回路とインピーダンス整合回路の構成の詳細を示す図である。
【００４９】
本実施の形態のアンテナ装置において、演算回路６２は、電力検出器２０に接続するＡＤ変換器３４と、ＡＤ変換器３４に接続するバッファ３６と、ＡＤ変換器３４およびバッファ３６に接続する比較器３８と、比較器３８に接続するアップダウンカウンタ４２と、アップダウンカウンタ４２のバイナリ出力に接続するＤＡ変換器６４とから構成される。そして、インピーダンス可変整合部１４は、ＤＡ変換器６４に接続する可変容量ダイオード６６とインダクタ７６から構成されている。可変容量ダイオード６６は、例えば、ＭＥＭＳが用いられる。
【００５０】
ＤＡ変換器６４は、アップダウンカウンタ４２のバイナリ出力に比例した直流電圧または直流電流を、インピーダンス可変整合部１４へバイアス電圧として出力する。アップダウンカウンタ４２のカウント数のバイナリ出力とＤＡ変換器６４の電圧出力が比例するので、第３の実施形態と同様に、検出電力が最大となるようにインピーダンス可変整合部１４を制御できる。
【００５１】
本実施の形態のアンテナ装置によっても、第３の実施の形態と同様の作用・効果を得ることが可能である。
【００５２】
（第５の実施の形態）
本実施の形態のアンテナ装置は、制御部が、プローブに接続される電力検出器と、電力検出器のアナログ出力をバイナリデータに変換するＡＤ変換器と、第１の時刻におけるバイナリデータを記憶する第１のバッファと、第１の時刻の１サンプリング前の第２の時刻のバイナリデータを記憶する第２のバッファと、第１のバッファと第２のバッファに記憶されたバイナリデータの値を比較する比較器と、比較器の比較論理に連動してカウント数が増減するアップダウンカウンタと、アップダウンカウンタのカウント数のバイナリ値に応じてインピーダンス可変整合部へバイアス電圧を出力するＤＡコンバータと、備える。制御部の構成以外は第４の実施の形態と同様であるので、第４の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。
【００５３】
図５は、本実施の形態のアンテナ装置の演算回路の構成の詳細を示す図である。
【００５４】
演算回路５２は、電力検出器（図示せず）に接続するＡＤ変換器３４と、ＡＤ変換器３４に接続する第１のバッファ５４と、第１のバッファ５４に接続される第２のバッファ５６と、第１のバッファ５４および第２のバッファ５６に接続される比較器３８と、比較器３８に接続するアップダウンカウンタ４２と、ＤＡ変換器６４から構成される。ＤＡ変換器６４の出力はインピーダンス可変整合部（図示せず）に接続される。
【００５５】
ＡＤ変換器３４は、電力検出器から得られる検出電力値に相当する直流電圧または直流電流に対応するバイナリデータを出力する。第１のバッファ５４は、クロック信号などにより指定されたタイミングで第１の時刻におけるバイナリデータ（Ｐ）を記憶する。第２のバッファ５６は、第１の時刻の１サンプリング前の第２の時刻のバイナリデータ（Ｑ）を記憶する。
【００５６】
比較器３８は、第１のバッファ５４からのバイナリデータ（Ｐ）と第２のバッファ５６からのバイナリデータ（Ｑ）の値を比較して、その大小の結果を論理出力する。アップダウンカウンタ４２は、比較器３８からの論理出力に応じて、カウント数を増減させる。すなわち、カウント数のバイナリデータをアップカウントまたはダウンカウントする。そして、ＤＡコンバータ６４がアップダウンカウンタ４２のカウント数のバイナリ値に応じてインピーダンス可変整合部へバイアス電圧を出力する。
【００５７】
本実施の形態によれば、比較器３８において比較するバイナリデータを、ともにバッファに記憶されたデータとすることにより、ＡＤ変換器３４から出力されるデータを用いる第３の実施の形態に比較して、バイナリデータを同期して確実に取り込むことができ、より安定した動作が可能となる。したがって、より精度よくインピーダンス整合を実現することが可能となる。
【００５８】
（第６の実施の形態）
本実施の形態のアンテナ装置は、インピーダンス可変整合部のアンテナに対して反対側に接続される電力増幅器をさらに備え、電力増幅器の利得信号が制御部に入力され、利得信号に基づき制御部がインピーダンス可変整合部を制御する。上記構成以外は、第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。
【００５９】
図６は、本実施の形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。
【００６０】
本実施の形態のアンテナ装置６０は、逆Ｌアンテナ１２と、逆Ｌアンテナ１２の給電点１２ａに接続されたインピーダンス可変整合部１４と、インピーダンス可変整合部１４に接続する利得可変電力増幅器６８と、逆Ｌアンテナ１２の端部１２ｂから使用する最大無線周波数の波長の８分の１以下の距離に近接して配置されたプローブ１６を備える。また、プローブ１６に接続され、プローブ１６で測定される電力信号が入力され、この電力信号に基づきインピーダンス可変整合部１４を制御する制御部１８を備える。
【００６１】
制御部１８は、電力検出器２０と、演算回路２２を備える。電力検出器２０はプローブ１６に接続され、演算回路２２はインピーダンス可変整合部１４に接続される。
【００６２】
そして、演算回路２２は、利得可変電力増幅器６８と電力検出器２０に接続される。演算回路２２と利得可変電力増幅器６８は利得制御線７２により接続される。インピーダンス可変整合部１４は、可変インダクタ１４ａと可変容量１４ｂから構成されている。
【００６３】
利得可変電力増幅器６８は、利得制御線７２で伝達される利得制御信号によって定められた利得分だけ無線周波数の信号電力を増幅する。さらに、利得可変電力増幅器６８の利得信号が制御部１８に入力され、利得信号に基づき制御部１８がインピーダンス可変整合部１４を制御する。
【００６４】
ここで、利得可変電力増幅器６８の利得をＡとする。利得Ａが変化すると電力検出器２０の検出電力もＡに比例して変化する。そこで、演算回路２２において、電力検出器２０の出力に対して常にＡ分の１倍するように演算していれば、制御対象となるデータは利得可変出力増幅器６８が無い場合と同じになる。したがって、利得可変電力増幅器の利得Ａが時間的に変化しても、第１の実施の形態と同様に、アンテナを自動的にインピーダンス整合することができる。
【００６５】
（第７の実施の形態）
本実施の形態のアンテナ装置は、利得可変電力増幅器が演算回路ではなく電力検出器に接続される以外は第６の実施の形態と同様である。したがって、第６の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。
【００６６】
図７は、本実施の形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。
【００６７】
本実施の形態のアンテナ装置７０は、逆Ｌアンテナ１２と、逆Ｌアンテナ１２の給電点１２ａに接続されたインピーダンス可変整合部１４と、インピーダンス可変整合部１４に接続する利得可変電力増幅器６８と、逆Ｌアンテナ１２の先端から使用する最大無線周波数の波長の８分の１以下の距離に近接して配置されたプローブ１６を備える。また、プローブ１６に接続され、プローブ１６で測定される電力信号が入力され、この電力信号に基づきインピーダンス可変整合部１４を制御する制御部１８を備える。
【００６８】
制御部１８は、電力検出器２０と、演算回路２２を備える。電力検出器２０はプローブ１６に接続され、演算回路２２はインピーダンス可変整合部１４に接続される。
【００６９】
そして、電力検出器２０は、利得可変電力増幅器６８に接続される。電力検出器２０と利得可変電力増幅器６８は利得制御線７２により接続される。インピーダンス可変整合部１４は、可変インダクタ１４ａと可変容量１４ｂから構成されている。
【００７０】
利得可変電力増幅器６８は、利得制御線７２で伝達される利得制御信号によって定められた利得分だけ無線周波数の信号電力を増幅する。
【００７１】
電力検出器２２は、基準とする電力を可変して検出された電力との比較を繰り返すことにより検出電力を計算するため、その基準となる電力を利得可変電力増幅器６８の利得Ａの情報を含む利得制御信号に比例させることにより、電力検出器２２の検出電力は、利得Ａ倍された基準電力周辺で高い解像度の電力検出を行える。このため、本実施の形態のアンテナ装置によれば、利得可変出力増幅器６８が無い場合と同様の精度で、アンテナを自動的にインピーダンス整合することが可能となる。
【００７２】
（第８の実施の形態）
本実施の形態のアンテナ装置は、先端同士が隣接する２本のアンテナを備え、一方のアンテナを第１の実施の形態におけるプローブとして利用し、インピーダンス整合を行う。以下、第１の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。
【００７３】
図８は、本実施の形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。
【００７４】
本実施の形態のアンテナ装置８０は、開放端である２つの端部１２ｂの離間距離（図中ｄ）が使用する無線周波数の波長の８分の１以下の距離に近接して配置された２つの逆Ｌアンテナ１２と、２つの逆Ｌアンテナ１２の給電点１２ａそれぞれに接続された２つのインピーダンス可変整合部１４と、逆Ｌアンテナ１２とインピーダンス可変整合部１４の接続を切り替える切替スイッチ１２とを備えている。また、切替スイッチ８２に接続される制御部１８を備える。
【００７５】
インピーダンス可変整合部１４は、可変インダクタ１４ａと可変容量１４ｂから構成されている。また、制御部１８は、電力検出器２０と、演算回路２２を備える。電力検出器２０は切替スイッチ８２に接続され、演算回路２２は２つのインピーダンス可変整合部１４に接続される。
【００７６】
２つの逆Ｌアンテナ１２は、一方が送信を行っている際に、他方は第１の実施形態におけるプローブ１６と同様に、受信電力を、切替スイッチ８２を介して接続された電力検出器２０に創出することができる。
【００７７】
切替スイッチ８２は、電力検出器２０に送出する無線信号を、２つの逆Ｌアンテナ１２から取り出された無線信号のいずれかに切り替えることができる。
【００７８】
ここで、２つの逆Ｌアンテナ１２の一方のみが送信を行っている場合、切替スイッチ８２を他方の逆Ｌアンテナ１２側に切り替えておけば、第１の実施形態と同様の作用により、送信を行っている側のアンテナを自動的にインピーダンス整合することができる。これを交互に繰り返せば、両方のアンテナを自動的にインピーダンス整合すること可能である。いずれのアンテナが送信を行っているかは、無線機から制御信号を得る方法、取り出した２つの電力を比較して大きいほうを送信とする方法など、が考えられる。
【００７９】
本実施の形態によれば、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）等のアレーアンテナにおいて、構成部品を大幅に増やすことなく高精度のインピーダンス整合を実現することが可能となる。
【００８０】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、各実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもかまわない。
【００８１】
例えば、インピーダンス整合部について、インピーダンス可変素子を複数系統設けて、それぞれの系統についてインピーダンス整合をとる動作を繰り返すことにより、インピーダンス整合を図る構成としてもかまわない。具体的には、例えば、第３の実施の形態と同様の線路に並列結合される容量を第１のインピーダンス可変素子とし、加えて、線路に直列接合される容量を第２のインピーダンス可変素子として設ける。この第１のインピーダンス可変素子と第２のインピーダンス可変素子で、それぞれ独立にインピーダンス整合をとるよう制御部で制御する。この方法により、さらに高精度なインピーダンス整合を実現できる。
【００８２】
また、実施の形態においては、アップダウンカウンタを用いて、このカウントに基づきインピーダンス整合部に制御信号を送ることで検出電力が最大となるよう制御する方法を示した。これに対し、例えば、インピーダンス整合部の容量を適宜変化させて、検出電力と制御信号の対応を記憶させておき、検出電力が最大となる制御信号の値を採用してインピーダンス整合を行う方法であってもかまわない。
【００８３】
そして、実施の形態の説明においては、アンテナ装置、無線通信装置等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされるアンテナ装置、無線通信装置に関わる要素を適宜選択して用いることができる。
【００８４】
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのアンテナ装置、無線通信装置は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。
【符号の説明】
【００８５】
１０ アンテナ装置
１２ 逆Ｌアンテナ
１２ａ 給電点
１２ｂ 端部（開放端）
１４ インピーダンス整合部
１６ プローブ
１８ 制御部
２０ 電力検出器
２２ 演算回路
３４ ＡＤ変換器
３６ バッファ
３８ 比較器
４０ アンテナ装置
４２ アップダウンカウンタ
４４ 可変容量
５２ 演算回路
５４ 第１のバッファ
５６ 第２のバッファ
６０ アンテナ装置
６２ 演算回路
６４ ＤＡ変換器
６８ 利得可変電力増幅器
７０ アンテナ装置
７２ 利得制御線
８０ アンテナ装置
８２ 切替スイッチ
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、アンテナ装置および無線通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話などの無線通信装置においては、アンテナの入力インピーダンスと無線機の出力インピーダンスの不整合により電力損失が生ずる場合がある。この電力損失を抑制するために、アンテナと無線機との間にインピーダンス可変整合部を設け、さらに何らかの手段で不整合を検出して、自動的にアンテナの入力インピーダンスと無線機の出力インピーダンスを整合させる方法がある。
【０００３】
もっとも、上記方法において、アンテナと無線機との間に電流や電圧等を検出する検出部を設ける構成を採用すると、検出部のサイズ、周波数帯域、挿入損失、方向性、結合量等の要素がトレードオフの関係になる。したがって、インピーダンス可変整合部を含めたアンテナ装置の小型化・高性能化が困難であるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許３０７５０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、インピーダンスの整合状態を検出し自動的に整合させるインピーダンス可変整合部を備え、小型化・高性能化が可能なアンテナ装置および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】
実施の形態のアンテナ装置は、給電点と反対側の端部が開放端となるアンテナと、前記給電点で前記アンテナに接続されるインピーダンス可変整合部と、前記端部からプローブの先端までの離間距離が、アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下となるよう配置されるプローブと、前記プローブに接続され、前記プローブで測定される電力信号に基づき前記インピーダンス可変整合部を制御する制御部と、
を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施の形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。
【図２】第２の実施の形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。
【図３】第３の実施の形態のアンテナ装置の演算回路とインピーダンス整合部の構成の詳細を示す図である。
【図４】第４の実施の形態のアンテナ装置の演算回路とインピーダンス整合部の構成の詳細を示す図である。
【図５】第５の実施の形態のアンテナ装置の演算回路の構成の詳細を示す図である。
【図６】第６の実施の形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。
【図７】第７の実施の形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。
【図８】第８の実施の形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を用いて実施の形態を説明する。なお、図面中、同一または類似の箇所には、同一または類似の符号を付している。
【０００９】
（第１の実施の形態）
本実施の形態のアンテナ装置は、給電点と反対側の端部が開放端となるアンテナと、給電点でアンテナに接続されるインピーダンス可変整合部とを備える。そして、アンテナの開放端となる端部からプローブの先端までの離間距離が、アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下となるよう配置されるプローブを備える。また、プローブに接続され、プローブで測定される電力信号に基づきインピーダンス可変整合部を制御する制御部を備える。
【００１０】
本実施の形態のアンテナ装置においては、上記構成、特にアンテナの開放端近傍に検出部となるプローブを設けてアンテナの電力を検出する構成により、インピーダンス可変整合部を含めたアンテナ装置の小型化・高性能化が実現可能となる。
【００１１】
図１は、本実施の形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。
【００１２】
アンテナ装置１０は、給電点１２ａと反対側の端部１２ｂが開放端となる逆Ｌアンテナ１２と、給電点１２ａで逆Ｌアンテナ１２に接続されるインピーダンス可変整合部１４とを備える。そして、開放端である端部１２ｂからプローブの先端までの離間距離（図中ｄ）が、アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下となるよう近接して配置されるプローブ１６を備える。また、プローブ１６に接続され、プローブ１６で測定される電力信号が入力され、この電力信号に基づきインピーダンス可変整合部１４を制御する制御部１８を備える。
【００１３】
なお、図１では、アンテナ装置１０は、インピーダンス可変整合部１４の逆Ｌアンテナ１２に対して反対側に接続される無線機３０を示している。無線機３０は、例えば、送信機である。このようにアンテナ装置１０とこれに接続される無線機３０が無線通信装置を構成する。無線通信装置は、例えば携帯電話である。
【００１４】
逆Ｌアンテナ１２は導体から構成されるアンテナであり、給電点１２ａから遠い側が接地されない開放端となっている。なお、逆Ｌアンテナ１２を用いることは、アンテナ装置を備える無線通信装置の小型化や設計の容易化を図る観点から望ましいが、アンテナの形状は、逆Ｌアンテナに限られるものではない。
【００１５】
インピーダンス可変整合部１４は、可変インダクタ１４ａと可変容量１４ｂから構成されている。ここでは、可変インダクタ１４ａと可変容量１４ｂとから構成されているが、可変インダクタ１４ａや可変容量１４ｂの使用数量や回路の接続トポロジーに制限は無い。また、可変インダクタ１４ａや可変容量１４ｂの他にスイッチをインピーダンス可変素子として用いることも可能である。そして、これらの可変素子は、半導体、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）等、その機能の実現手段を選ばない。
【００１６】
プローブ１６は、ここでは、対称な２本の導体で構成されたダイポール形状の差動型プローブである。アンテナ装置が接続される無線通信装置の電子部品等から発せられるノイズ耐性を高くする観点から差動型プローブであることが望ましいが、モノポール形状やループ形状等のプローブを適用することが可能である。
【００１７】
なお、逆Ｌアンテナ１２の端部１２ｂとプローブ１６の先端との離間距離は、それぞれの間の最も距離の遠い部分を測定して算出するものとする。
【００１８】
制御部１８は、電力検出器２０と、演算回路２２を備える。電力検出器２０はプローブ１６に接続され、演算回路２２はインピーダンス可変整合部１４に接続される。
【００１９】
電力検出器２０は、プローブ１６で測定された電力信号の強度に対応した直流電圧、または、直流電流、またはバイナリデータを出力する機能を備える。また、演算回路２２は、電力検出器２０から知らされる検出電力が最大化するように、演算およびインピーダンス可変整合部１４への制御信号の伝達を行う機能を備える。
【００２０】
以下、本実施の形態のアンテナ装置の作用・効果について説明する。
【００２１】
プローブ１６は開放端となっている逆Ｌアンテナ１２の端部１２ｂの電荷量の変化を、容量結合により電力として検出する。そして、制御部１８内の電力検出器２０により、プローブ１６で測定された電力信号の強度に対応した直流電圧、または、直流電流、またはバイナリデータが、制御部１８内の演算回路２２に出力される。演算回路２２では、電力検出器２０からもたらされる検出電力を最大化するように、演算およびインピーダンス可変整合部１４への制御信号伝達を行う。
【００２２】
一般に、アンテナはアンテナの入力インピーダンスと無線機の出力インピーダンスの整合状態が良いほど給電される電力が大きい。したがって、給電点１２ａから給電される電力が大きくなると、逆Ｌアンテナ１２上の電流が大きくなる。このため、その給電点１２ａの反対側の開放端では電荷量が大きくなる。結果として、開放端となる端部１２ｂ近傍に配置したプローブ１６との容量結合により、プローブ１６による検出電力（電力信号）も大きくなる。したがって、プローブ１６での検出電力を大きくするよう制御すれば、逆Ｌアンテナ１２の整合状態が良くなることになる。すなわち、インピーダンス整合が実現されることになる。
【００２３】
本実施の形態においては、制御部１８が、プローブ１６による検出電力に基づきインピーダンス可変整合部１４を制御することで、インピーダンス整合を実現する。
【００２４】
制御部１８内の電力検出器２０により、プローブ１６で測定された電力信号の強度に対応した直流電圧、または、直流電流、またはバイナリデータが、制御部１８内の演算回路２２に出力される。演算回路２２では、電力検出器２０からもたらされる検出電力を最大化するように、インピーダンス可変整合部１４を制御する。
【００２５】
具体的には、例えば、制御部１８は、演算回路２２での演算およびその演算結果に基づく指示を制御信号として、インピーダンス可変整合部１４に出力する。この信号により、インピーダンス可変整合部１４内のインピーダンス可変素子（ここでは可変インダクタ１４ａと可変容量１４ｂ）のインピーダンス値を制御する。
【００２６】
例えば、可変素子のインピーダンス値をランダムに変化させて、電力検出器２０の検出電力が最大となった時の制御信号を記憶しておいても良いし、可変素子に与えられる全ての状態の組み合わせを設定してみて、検出電力が最大となる制御信号を記憶しておいても良い。制御部１８での制御方法は、電力検出器２０の検出電力を最大化できさえすれば、上述の簡便な方法、公知の方法など、あらゆる制御方法を取り得る。
【００２７】
以上のように、本実施の形態によれば、検出部となるプローブ１６を開放端であるアンテナ先端近傍に配置することにより、アンテナのインピーダンス整合状態を、プローブ１６による検出電力の大小で評価することが可能である。したがって、アンテナ装置の使用周波数によらず広い無線周波数帯域で精度の高いインピーダンス整合を簡易かつ小型の構成で実現できる。また、本実施の形態のアンテナ装置におけるインピーダンス整合のための損失はプローブの検出電力のみである。したがって、極めて低損失なアンテナ装置が実現できる。さらに、制御部１８によるインピーダンス可変整合部１４の制御で、自動的にインピーダンス整合を実行することが可能となる。
【００２８】
本実施の形態において、開放端である端部１２ｂからプローブの先端までの離間距離を、アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下と規定する理由は以下の通りである。アンテナの開放端となる端部１２ｂは電荷の腹、電流の節となる。このため、この位置でプローブの検出電力を最大化するよう制御すると、アンテナを流れる電流も増大し、アンテナが共振し、インピーダンス整合した状態となる。一方、アンテナの開放端となる端部１２ｂからアンテナの給電点１２ａ側へ向かい使用する最大無線周波数の波長の４分の１となるアンテナ上の位置は、使用する最大無線周波数の信号がアンテナに入力された時、電荷の節、電流の腹となる位置である。したがって、この位置でプローブの検出電力を最大化するよう制御すると、アンテナを流れる電流が抑制され、アンテナが不整合の状態となる。したがって、アンテナに給電される電力を検出する位置としては不適である。
【００２９】
アンテナの開放端となる端部１２ｂから使用する最大無線周波数に対応する波長の８分の１の位置は、端部１２ｂと４分の１波長の位置との中間地点であり、この位置よりも端部１２ｂ側であれば、プローブの検出電力を最大化することにより、アンテナを共振・整合状態を向上させることが可能である。いいかえれば、８分の１波長の位置よりも４分の１波長側で検出電力を最大化しようとすると、アンテナの整合状態が劣化することになる。
【００３０】
したがって、端部１２ｂから８分の１波長の位置までのアンテナ上の位置は、アンテナに給電される電力を検出する位置としては好適であるといえる。アンテナ上でアンテナ端部１２ｂから使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下の位置にプローブの先端を配置すれば、すべての使用無線周波数に対して、波長の８分の１以下の位置にプローブの先端位置がくることになる。よって、アンテナに給電される電力を評価し、検出電力を最大化するよう制御することで、アンテナのインピーダンス整合を図ることが可能となる。
【００３１】
また、アンテナから離間するほど、プローブ１６の容量結合による電力検出能力は低下する。アンテナの開放端となる端部１２ｂからの空間的な離間距離が使用無線周波数の波長の８分の１の位置にあれば、電力検出能力の低下はインピーダンス整合の精度を出すうえで十分な許容範囲に収まる。よって、使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下の位置にプローブの先端を配置すれば、すべての使用無線周波数に対して、アンテナに給電される電力の大小を好適に検出し、アンテナのインピーダンス整合を実現することが可能である。
【００３２】
なお、本実施の形態において、プローブ１６の共振周波数がアンテナ装置で使用される最大無線周波数よりも高いことが望ましい。プローブ１６の共振周波数がアンテナ装置で使用される最大無線周波数以下になると、プローブ１６の途中に節を含むような電流分布となる。このため、アンテナとの容量結合が複雑になり、プローブ１６の検出電力を最大にすることによって、インピーダンス整合が実現されるという単純な関係が崩れてしまうからである。プローブ１６の共振周波数がアンテナ装置で使用される最大無線周波数よりも高いことにより、給電点１２ａから給電される電力が大きくなると、プローブ１６による検出電力（電力信号）も大きくなるという関係が使用される無線周波数によらず、実現される。
【００３３】
（第２の実施の形態）
本実施の形態のアンテナ装置は、アンテナが給電点側から見て枝分かれした形状を呈し、すべての枝の端部が開放端であり、すべての端部からプローブの先端までの離間距離が、アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下となるよう配置される。アンテナが枝分かれすること以外は、第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容の記載については省略する。
【００３４】
図２は、本実施の形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。
【００３５】
アンテナ装置４０は、アンテナが給電点３２ａ側から見て二股に枝分かれた形状を備えるモノポールアンテナ３２を備える。双方の枝の端部３２ｂ、３２ｃが開放端である。そして、双方の開放端である端部３２ｂ、３２ｃからプローブ１６の先端までの離間距離（図中ｄ１、ｄ２）が、アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下となるよう配置される。本実施の形態では、モノポールアンテナ３２の一方の枝を折り曲げることで、上記離間距離の関係を実現している。
【００３６】
本実施の形態のアンテナ装置は、モノポールアンテナ３２が二股に枝分かれした導体を備えることで、２つの異なる無線周波数帯域に対応することが可能である。そして、モノポールアンテナ３２上の支配的な電流分布が２つの導体のいずれになろうとも、一つの機構で高精度なインピーダンス整合を実現することが可能となる。
【００３７】
（第３の実施の形態）
本実施の形態のアンテナ装置は、制御部が、プローブに接続される電力検出器と、電力検出器のアナログ出力をバイナリデータに変換するＡＤ変換器と、あるサンプリング時刻におけるバイナリデータを記憶するバッファと、ＡＤ変換器のバイナリデータとバッファに記憶されたバイナリデータの値を比較する比較器と、比較器の比較論理に連動してカウント数が増減し、そのバイナリ出力がインピーダンス可変整合部内の複数のインピーダンス可変素子に接続されるアップダウンカウンタと、を備える。制御部の演算回路の詳細構成を記載する点、および、インピーダンス可変整合部の構成が異なる点以外は第１の実施の形態と同様である。したがって、以下、第１の実施の形態と重複する内容の記載については省略する。
【００３８】
図３は、本実施の形態のアンテナ装置の演算回路とインピーダンス整合部の構成の詳細を示す図である。
【００３９】
演算回路２２は、電力検出器２０に接続するＡＤ変換器３４と、ＡＤ変換器３４に接続されるバッファ３６と、ＡＤ変換器３４およびバッファ３６に接続される比較器３８と、比較器３８に接続されるアップダウンカウンタ４２とから構成される。
【００４０】
そして、インピーダンス可変整合部１４は、アップダウンカウンタ４２に接続する複数のスイッチと容量からなる可変容量４４から構成されている。可変容量４４には、アップダウンカウンタ４２との間にインダクタ４６が設けられている。
【００４１】
可変容量４４は、無線機３０とアンテナ１２との間の線路に各容量が並列に接続されている。
【００４２】
ＡＤ変換器３４は、電力検出器２０から得られる検出電力値に相当する直流電圧または直流電流に対応するバイナリデータを出力する。バッファ３６は、クロック信号などにより指定されたタイミングでバイナリデータを保持する。
【００４３】
比較器３８は、電力検出器２０からのバイナリデータ（Ｐ）とバッファからのバイナリデータ（Ｑ）を比較して、その大小の結果を論理出力する。アップダウンカウンタ４２は、比較器３８からの論理出力に応じて、カウント数が増減する。すなわち、バイナリデータをアップカウントまたはダウンカウントする。
【００４４】
比較器３８に接続されるバイナリデータＰとＱは、比較演算を行う時点のデータＰと、１サンプリング前のデータＱである。Ｐ＞Ｑであれば、検出電力は増大したことになり、Ｐ＜Ｑであれば、検出電力が減少したことになる。
【００４５】
可変容量４４の容量値可変範囲の中に、検出電力が最大となる容量値が存在するならば、アップダウンカウンタ４２を、Ｐ＞Ｑの論理出力によりアップカウントし、Ｐ＜Ｑの論理出力によりダウンカウントすれば、このカウント数に基づきインピーダンス整合部１４に制御信号を送ることで検出電力が最大となるように可変容量４４を制御できる。
【００４６】
本実施の形態のアンテナ装置によっても、第１の実施の形態と同様の作用・効果を得ることが可能である。
【００４７】
（第４の実施の形態）
本実施の形態のアンテナ装置は、インピーダンス可変整合回路のインピーダンス可変素子が、可変容量ダイオードである。また、制御部にＤＡ変換器が設けられる。この２点以外は第３の実施の形態と同様である。したがって、第３の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。
【００４８】
図４は、本実施の形態のアンテナ装置の演算回路とインピーダンス整合回路の構成の詳細を示す図である。
【００４９】
本実施の形態のアンテナ装置において、演算回路６２は、電力検出器２０に接続するＡＤ変換器３４と、ＡＤ変換器３４に接続するバッファ３６と、ＡＤ変換器３４およびバッファ３６に接続する比較器３８と、比較器３８に接続するアップダウンカウンタ４２と、アップダウンカウンタ４２のバイナリ出力に接続するＤＡ変換器６４とから構成される。そして、インピーダンス可変整合部１４は、ＤＡ変換器６４に接続する可変容量ダイオード６６とインダクタ７６から構成されている。可変容量ダイオード６６は、例えば、ＭＥＭＳが用いられる。
【００５０】
ＤＡ変換器６４は、アップダウンカウンタ４２のバイナリ出力に比例した直流電圧または直流電流を、インピーダンス可変整合部１４へバイアス電圧として出力する。アップダウンカウンタ４２のカウント数のバイナリ出力とＤＡ変換器６４の電圧出力が比例するので、第３の実施形態と同様に、検出電力が最大となるようにインピーダンス可変整合部１４を制御できる。
【００５１】
本実施の形態のアンテナ装置によっても、第３の実施の形態と同様の作用・効果を得ることが可能である。
【００５２】
（第５の実施の形態）
本実施の形態のアンテナ装置は、制御部が、プローブに接続される電力検出器と、電力検出器のアナログ出力をバイナリデータに変換するＡＤ変換器と、第１の時刻におけるバイナリデータを記憶する第１のバッファと、第１の時刻の１サンプリング前の第２の時刻のバイナリデータを記憶する第２のバッファと、第１のバッファと第２のバッファに記憶されたバイナリデータの値を比較する比較器と、比較器の比較論理に連動してカウント数が増減するアップダウンカウンタと、アップダウンカウンタのカウント数のバイナリ値に応じてインピーダンス可変整合部へバイアス電圧を出力するＤＡコンバータと、備える。制御部の構成以外は第４の実施の形態と同様であるので、第４の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。
【００５３】
図５は、本実施の形態のアンテナ装置の演算回路の構成の詳細を示す図である。
【００５４】
演算回路５２は、電力検出器（図示せず）に接続するＡＤ変換器３４と、ＡＤ変換器３４に接続する第１のバッファ５４と、第１のバッファ５４に接続される第２のバッファ５６と、第１のバッファ５４および第２のバッファ５６に接続される比較器３８と、比較器３８に接続するアップダウンカウンタ４２と、ＤＡ変換器６４から構成される。ＤＡ変換器６４の出力はインピーダンス可変整合部（図示せず）に接続される。
【００５５】
ＡＤ変換器３４は、電力検出器から得られる検出電力値に相当する直流電圧または直流電流に対応するバイナリデータを出力する。第１のバッファ５４は、クロック信号などにより指定されたタイミングで第１の時刻におけるバイナリデータ（Ｐ）を記憶する。第２のバッファ５６は、第１の時刻の１サンプリング前の第２の時刻のバイナリデータ（Ｑ）を記憶する。
【００５６】
比較器３８は、第１のバッファ５４からのバイナリデータ（Ｐ）と第２のバッファ５６からのバイナリデータ（Ｑ）の値を比較して、その大小の結果を論理出力する。アップダウンカウンタ４２は、比較器３８からの論理出力に応じて、カウント数を増減させる。すなわち、カウント数のバイナリデータをアップカウントまたはダウンカウントする。そして、ＤＡコンバータ６４がアップダウンカウンタ４２のカウント数のバイナリ値に応じてインピーダンス可変整合部へバイアス電圧を出力する。
【００５７】
本実施の形態によれば、比較器３８において比較するバイナリデータを、ともにバッファに記憶されたデータとすることにより、ＡＤ変換器３４から出力されるデータを用いる第３の実施の形態に比較して、バイナリデータを同期して確実に取り込むことができ、より安定した動作が可能となる。したがって、より精度よくインピーダンス整合を実現することが可能となる。
【００５８】
（第６の実施の形態）
本実施の形態のアンテナ装置は、インピーダンス可変整合部のアンテナに対して反対側に接続される電力増幅器をさらに備え、電力増幅器の利得信号が制御部に入力され、利得信号に基づき制御部がインピーダンス可変整合部を制御する。上記構成以外は、第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。
【００５９】
図６は、本実施の形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。
【００６０】
本実施の形態のアンテナ装置６０は、逆Ｌアンテナ１２と、逆Ｌアンテナ１２の給電点１２ａに接続されたインピーダンス可変整合部１４と、インピーダンス可変整合部１４に接続する利得可変電力増幅器６８と、逆Ｌアンテナ１２の端部１２ｂから使用する最大無線周波数の波長の８分の１以下の距離に近接して配置されたプローブ１６を備える。また、プローブ１６に接続され、プローブ１６で測定される電力信号が入力され、この電力信号に基づきインピーダンス可変整合部１４を制御する制御部１８を備える。
【００６１】
制御部１８は、電力検出器２０と、演算回路２２を備える。電力検出器２０はプローブ１６に接続され、演算回路２２はインピーダンス可変整合部１４に接続される。
【００６２】
そして、演算回路２２は、利得可変電力増幅器６８と電力検出器２０に接続される。演算回路２２と利得可変電力増幅器６８は利得制御線７２により接続される。インピーダンス可変整合部１４は、可変インダクタ１４ａと可変容量１４ｂから構成されている。
【００６３】
利得可変電力増幅器６８は、利得制御線７２で伝達される利得制御信号によって定められた利得分だけ無線周波数の信号電力を増幅する。さらに、利得可変電力増幅器６８の利得信号が制御部１８に入力され、利得信号に基づき制御部１８がインピーダンス可変整合部１４を制御する。
【００６４】
ここで、利得可変電力増幅器６８の利得をＡとする。利得Ａが変化すると電力検出器２０の検出電力もＡに比例して変化する。そこで、演算回路２２において、電力検出器２０の出力に対して常にＡ分の１倍するように演算していれば、制御対象となるデータは利得可変出力増幅器６８が無い場合と同じになる。したがって、利得可変電力増幅器の利得Ａが時間的に変化しても、第１の実施の形態と同様に、アンテナを自動的にインピーダンス整合することができる。
【００６５】
（第７の実施の形態）
本実施の形態のアンテナ装置は、利得可変電力増幅器が演算回路ではなく電力検出器に接続される以外は第６の実施の形態と同様である。したがって、第６の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。
【００６６】
図７は、本実施の形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。
【００６７】
本実施の形態のアンテナ装置７０は、逆Ｌアンテナ１２と、逆Ｌアンテナ１２の給電点１２ａに接続されたインピーダンス可変整合部１４と、インピーダンス可変整合部１４に接続する利得可変電力増幅器６８と、逆Ｌアンテナ１２の先端から使用する最大無線周波数の波長の８分の１以下の距離に近接して配置されたプローブ１６を備える。また、プローブ１６に接続され、プローブ１６で測定される電力信号が入力され、この電力信号に基づきインピーダンス可変整合部１４を制御する制御部１８を備える。
【００６８】
制御部１８は、電力検出器２０と、演算回路２２を備える。電力検出器２０はプローブ１６に接続され、演算回路２２はインピーダンス可変整合部１４に接続される。
【００６９】
そして、電力検出器２０は、利得可変電力増幅器６８に接続される。電力検出器２０と利得可変電力増幅器６８は利得制御線７２により接続される。インピーダンス可変整合部１４は、可変インダクタ１４ａと可変容量１４ｂから構成されている。
【００７０】
利得可変電力増幅器６８は、利得制御線７２で伝達される利得制御信号によって定められた利得分だけ無線周波数の信号電力を増幅する。
【００７１】
電力検出器２２は、基準とする電力を可変して検出された電力との比較を繰り返すことにより検出電力を計算するため、その基準となる電力を利得可変電力増幅器６８の利得Ａの情報を含む利得制御信号に比例させることにより、電力検出器２２の検出電力は、利得Ａ倍された基準電力周辺で高い解像度の電力検出を行える。このため、本実施の形態のアンテナ装置によれば、利得可変出力増幅器６８が無い場合と同様の精度で、アンテナを自動的にインピーダンス整合することが可能となる。
【００７２】
（第８の実施の形態）
本実施の形態のアンテナ装置は、先端同士が隣接する２本のアンテナを備え、一方のアンテナを第１の実施の形態におけるプローブとして利用し、インピーダンス整合を行う。以下、第１の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。
【００７３】
図８は、本実施の形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。
【００７４】
本実施の形態のアンテナ装置８０は、開放端である２つの端部１２ｂの離間距離（図中ｄ）が使用する無線周波数の波長の８分の１以下の距離に近接して配置された２つの逆Ｌアンテナ１２と、２つの逆Ｌアンテナ１２の給電点１２ａそれぞれに接続された２つのインピーダンス可変整合部１４と、逆Ｌアンテナ１２とインピーダンス可変整合部１４の接続を切り替える切替スイッチ１２とを備えている。また、切替スイッチ８２に接続される制御部１８を備える。
【００７５】
インピーダンス可変整合部１４は、可変インダクタ１４ａと可変容量１４ｂから構成されている。また、制御部１８は、電力検出器２０と、演算回路２２を備える。電力検出器２０は切替スイッチ８２に接続され、演算回路２２は２つのインピーダンス可変整合部１４に接続される。
【００７６】
２つの逆Ｌアンテナ１２は、一方が送信を行っている際に、他方は第１の実施形態におけるプローブ１６と同様に、受信電力を、切替スイッチ８２を介して接続された電力検出器２０に創出することができる。
【００７７】
切替スイッチ８２は、電力検出器２０に送出する無線信号を、２つの逆Ｌアンテナ１２から取り出された無線信号のいずれかに切り替えることができる。
【００７８】
ここで、２つの逆Ｌアンテナ１２の一方のみが送信を行っている場合、切替スイッチ８２を他方の逆Ｌアンテナ１２側に切り替えておけば、第１の実施形態と同様の作用により、送信を行っている側のアンテナを自動的にインピーダンス整合することができる。これを交互に繰り返せば、両方のアンテナを自動的にインピーダンス整合すること可能である。いずれのアンテナが送信を行っているかは、無線機から制御信号を得る方法、取り出した２つの電力を比較して大きいほうを送信とする方法など、が考えられる。
【００７９】
本実施の形態によれば、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）等のアレーアンテナにおいて、構成部品を大幅に増やすことなく高精度のインピーダンス整合を実現することが可能となる。
【００８０】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、各実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもかまわない。
【００８１】
例えば、インピーダンス整合部について、インピーダンス可変素子を複数系統設けて、それぞれの系統についてインピーダンス整合をとる動作を繰り返すことにより、インピーダンス整合を図る構成としてもかまわない。具体的には、例えば、第３の実施の形態と同様の線路に並列結合される容量を第１のインピーダンス可変素子とし、加えて、線路に直列接合される容量を第２のインピーダンス可変素子として設ける。この第１のインピーダンス可変素子と第２のインピーダンス可変素子で、それぞれ独立にインピーダンス整合をとるよう制御部で制御する。この方法により、さらに高精度なインピーダンス整合を実現できる。
【００８２】
また、実施の形態においては、アップダウンカウンタを用いて、このカウントに基づきインピーダンス整合部に制御信号を送ることで検出電力が最大となるよう制御する方法を示した。これに対し、例えば、インピーダンス整合部の容量を適宜変化させて、検出電力と制御信号の対応を記憶させておき、検出電力が最大となる制御信号の値を採用してインピーダンス整合を行う方法であってもかまわない。
【００８３】
そして、実施の形態の説明においては、アンテナ装置、無線通信装置等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされるアンテナ装置、無線通信装置に関わる要素を適宜選択して用いることができる。
【００８４】
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのアンテナ装置、無線通信装置は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。
【符号の説明】
【００８５】
１０ アンテナ装置
１２ 逆Ｌアンテナ
１２ａ 給電点
１２ｂ 端部（開放端）
１４ インピーダンス整合部
１６ プローブ
１８ 制御部
２０ 電力検出器
２２ 演算回路
３４ ＡＤ変換器
３６ バッファ
３８ 比較器
４０ アンテナ装置
４２ アップダウンカウンタ
４４ 可変容量
５２ 演算回路
５４ 第１のバッファ
５６ 第２のバッファ
６０ アンテナ装置
６２ 演算回路
６４ ＤＡ変換器
６８ 利得可変電力増幅器
７０ アンテナ装置
７２ 利得制御線
８０ アンテナ装置
８２ 切替スイッチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電点と反対側の端部が開放端となるアンテナと、
前記給電点で前記アンテナに接続されるインピーダンス可変整合部と、
前記端部からプローブの先端までの離間距離が、アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下となるよう配置されるプローブと、
前記プローブに接続され、前記プローブで測定される電力信号に基づき前記インピーダンス可変整合部を制御する制御部と、
を備えるアンテナ装置。
【請求項２】
前記プローブの共振周波数が前記最大無線周波数よりも高いことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記プローブが差動型プローブであることを特徴とする請求項１または請求項２記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記アンテナが前記給電点側から見て枝分かれした形状を有し、すべての枝の端部が開放端であり、すべての前記端部から前記プローブの先端までの離間距離が、アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下となるよう前記プローブが配置されることを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一項記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記制御部は、
前記プローブに接続される電力検出器と、
前記電力検出器のアナログ出力をバイナリデータに変換するＡＤ変換器と、
あるサンプリング時刻におけるバイナリデータを記憶するバッファと、
前記ＡＤ変換器のバイナリデータと前記バッファに記憶されたバイナリ―データの値を比較する比較器と、
前記比較器の比較論理に連動してカウント数が増減し、そのバイナリ出力が前記インピーダンス可変整合部内の複数のインピーダンス可変素子に接続されるアップダウンカウンタと、
を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか一項記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記制御部は、
前記プローブに接続される電力検出器と、
前記電力検出器のアナログ出力をバイナリデータに変換するＡＤ変換器と、
第１の時刻における前記バイナリデータを記憶する第１のバッファと、
前記第１の時刻の１サンプリング前の第２の時刻のバイナリデータを記憶する第２のバッファと、
前記第１のバッファと前記第２のバッファに記憶されたバイナリデータの値を比較する比較器と、
前記比較器の比較論理に連動してカウント数が増減するアップダウンカウンタと、
前記アップダウンカウンタのカウント数のバイナリ値に応じて、前記インピーダンス可変整合部へバイアス電圧を出力するＤＡコンバータと、
を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか一項記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記インピーダンス可変整合部の前記アンテナに対して反対側に接続される電力増幅器をさらに備え、
前記電力増幅器の利得信号が前記制御部に入力され、前記利得信号に基づき前記制御部が前記インピーダンス可変整合部を制御することを特徴とする請求項１ないし請求項６いずれか一項記載のアンテナ装置。
【請求項８】
給電点から離間する端部が開放端となるアンテナ、前記給電点で前記アンテナに接続されるインピーダンス可変整合部、前記端部からプローブの先端までの離間距離が、アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下となるよう配置されるプローブ、前記プローブに接続され、前記プローブで測定される電力信号に基づき前記インピーダンス可変整合部を制御する制御部を有するアンテナ装置と、
前記インピーダンス可変整合部の前記アンテナに対して反対側に接続される無線機と、を備えることを特徴とする無線通信装置。
【請求項１】
給電点と反対側の端部が開放端となるアンテナと、
前記給電点で前記アンテナに接続されるインピーダンス可変整合部と、
前記端部からプローブの先端までの離間距離が、アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下となるよう配置されるプローブと、
前記プローブに接続され、前記プローブで測定される電力信号に基づき前記インピーダンス可変整合部を制御する制御部と、
を備えるアンテナ装置。
【請求項２】
前記プローブの共振周波数が前記最大無線周波数よりも高いことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記プローブが差動型プローブであることを特徴とする請求項１または請求項２記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記アンテナが前記給電点側から見て枝分かれした形状を有し、すべての枝の端部が開放端であり、すべての前記端部から前記プローブの先端までの離間距離が、アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下となるよう前記プローブが配置されることを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一項記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記制御部は、
前記プローブに接続される電力検出器と、
前記電力検出器のアナログ出力をバイナリデータに変換するＡＤ変換器と、
あるサンプリング時刻におけるバイナリデータを記憶するバッファと、
前記ＡＤ変換器のバイナリデータと前記バッファに記憶されたバイナリ―データの値を比較する比較器と、
前記比較器の比較論理に連動してカウント数が増減し、そのバイナリ出力が前記インピーダンス可変整合部内の複数のインピーダンス可変素子に接続されるアップダウンカウンタと、
を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか一項記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記制御部は、
前記プローブに接続される電力検出器と、
前記電力検出器のアナログ出力をバイナリデータに変換するＡＤ変換器と、
第１の時刻における前記バイナリデータを記憶する第１のバッファと、
前記第１の時刻の１サンプリング前の第２の時刻のバイナリデータを記憶する第２のバッファと、
前記第１のバッファと前記第２のバッファに記憶されたバイナリデータの値を比較する比較器と、
前記比較器の比較論理に連動してカウント数が増減するアップダウンカウンタと、
前記アップダウンカウンタのカウント数のバイナリ値に応じて、前記インピーダンス可変整合部へバイアス電圧を出力するＤＡコンバータと、
を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか一項記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記インピーダンス可変整合部の前記アンテナに対して反対側に接続される電力増幅器をさらに備え、
前記電力増幅器の利得信号が前記制御部に入力され、前記利得信号に基づき前記制御部が前記インピーダンス可変整合部を制御することを特徴とする請求項１ないし請求項６いずれか一項記載のアンテナ装置。
【請求項８】
給電点から離間する端部が開放端となるアンテナ、前記給電点で前記アンテナに接続されるインピーダンス可変整合部、前記端部からプローブの先端までの離間距離が、アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下となるよう配置されるプローブ、前記プローブに接続され、前記プローブで測定される電力信号に基づき前記インピーダンス可変整合部を制御する制御部を有するアンテナ装置と、
前記インピーダンス可変整合部の前記アンテナに対して反対側に接続される無線機と、を備える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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１６９４９（Ｐ２０１３−１６９４９Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４７０２２（Ｐ２０１１−１４７０２２）
【出願日】平成２３年７月１日（２０１１．７．１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１日（２０１１．７．１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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