JP2005064775A

JP2005064775A - ループアンテナ

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Publication number: JP2005064775A
Application number: JP2003291084A
Authority: JP
Inventors: Junichi Noro; 順一野呂; Kimio Fukae; 公雄深江; Akira Miyoshi; 明三好
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2003-08-11
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2023-08-11
Also published as: JP4171905B2; US7053857B2; US20050035922A1

Abstract

【課題】ループアンテナの中心軸を水平面に垂直に設置した場合、ループアンテナ素子の形成する平面に対する低仰角範囲の利得を得ることで、水平面に対する低仰角範囲における指向性を改善できる。
【解決手段】ループアンテナ素子（１０）とループアンテナ（１）を立設する回路基板（１３）の表面との間における中央位置の高さで、ループアンテナ素子が形成される筒体（１１）の周囲でかつ筒体からの高さ分の間隔をもって導体リング（２２）を設ける。また、更にこの導体リングの周囲に間隔をもって、ほぼ導体リング位置までの高さをもつ導体壁（４）などを用いることで、ループアンテナの中心軸をループアンテナ素子が形成する平面に垂直に設置した場合、この水平面に対して低仰角範囲の利得を得ることができる。
【選択図】図１１

Description

本発明は、人工衛星からの電波又は地上での電波を受信してデジタルラジオ放送を聴取することが可能なデジタルラジオ受信機に主として用いられ、回路基板表面上に立設し、可撓性の絶縁部材を中心軸の回りに筒状に形成された筒体の周面に沿って前記回路基板表面から距離を隔てて中心軸の回りに中心軸に垂直な平面上でループ状に形成された導体よりなるループアンテナ素子を有するループアンテナにおいて、特に、ループアンテナ素子の形成する平面に対する低仰角範囲における指向性を改善できるループアンテナに関するものである。

最近、人工衛星からの電波（以後、衛星波と呼ぶ）又はこれを地上波に変換したデジタルラジオ放送を聴取可能にしたデジタルラジオ受信機が開発され、米国において実用化されている。このデジタルラジオ受信機は、自動車等の移動局に搭載され、周波数が約２ＧＨｚ帯の電波を受信してラジオ放送を聴取することが可能である。すなわち、デジタルラジオ受信機は、モバイル放送の聴取を可能としている。尚、地上波は、衛星波を一旦、地球局で受信した後、周波数を若干シフトしたものである。

このような、約２ＧＨｚ帯の周波数の電波を受信するためには、自動車の車外にアンテナを設置する必要がある。そのようなアンテナとしては、種々の構造のものが考えられるが、例えば、平面型又は平板型、円筒型とすることが一般的である。

円筒型アンテナの１つとしてループアンテナが知られている。ループアンテナは、円筒状または円柱状の部材の周りに１本の導線をループ状に巻いた構造をしている。ループ全周を１波長付近に選ぶと電流分布は正弦波状となり、軸方向に指向性をもつアンテナとなることが知られている。

従来のループアンテナは、上記デジタルラジオ受信機のアンテナとして実用に共されており、実用上十分であった。しかし、この構造では軸方向に指向性をもつことになるので、軸に垂直な方向である水平面に近い低仰角範囲に在る衛星からの電波も十分に確保する必要がある。

従来のループアンテナは、例えば、図１に示されるように、可撓性の絶縁フィルム部材を中心軸の回りに筒状に丸めて形成された筒体１１と、この筒体１１にその周面に沿って中心軸の回りにループ状に形成された導体によるループアンテナ素子１０とを備えている。また、このループアンテナ１は、ループアンテナ素子１０へ、例えば図示されるように４点で給電するために、筒体１１の周面上に形成された４本の給電線１２とを有し、ループアンテナ素子１０と４本の給電線１２の各々における一方の端部とは直接接続されている。４本の給電線１２の各々における他方の端部は回路基板１３に搭載されるアンテナ装置回路に接続される。すなわち、従来のこの種のループアンテナ１は、ループアンテナ素子１０と４本の給電線１２とを有する筒体１１を、給電線１２の各々の一端を回路基板１３に接続固定することにより形成される。ここで、給電線１２を４本としたがこの数は例えであり、限定されていない。

次に、図２を参照して、上述した軸方向に指向性を有するアンテナ放射特性について説明する。

図２は、周波数２ＧＨｚ帯のＬＨＣＰ（Left-Hand Circular Polarization Wave：左旋円偏波）利得を、上記図１の形状で下記寸法を有するループアンテナ素子をグランド板上に置いて測定した場合のアンテナ放射パターンを示す。すなわち、中心軸を含む一つの垂直面で、この面に直交するループアンテナ素子の水平面を０度とし、中心軸上の頂点を９０度として左右の旋円偏波に対する利得がパターンにより図示されている。

図示されるデータは、外径２０ｍｍ、高さ２０ｍｍの筒体が直径１ｍのグランド板の表面に中心軸を垂直に中心軸を共通にして設けられ、ループアンテナ素子はその筒体の頂上周囲に設けられている条件で得られた。

図示されるように、このような構造のループアンテナでは、左右の「−２０」度から「＋２０」度までの間で「＋２０」度以上の仰角部分と比較して、その利得が非常に小さい。すなわち、ループアンテナ素子が形成する平面にあって、低仰角範囲で到来する電波に対して十分な利得が得られないという欠点があった。

従って、デジタルラジオ受信機のループアンテナとして自動車に搭載する用途において、この欠点は大きな障害である。具体的には、自動車に搭載するループアンテナは、自動車が方向変換することに対応して、受信レベルの変動を避けるため、その中心軸を水平面に垂直に位置させている。一方、水平面に近い低仰角範囲において、衛星波または地上波のいずれであっても、地上の障害物のため、電波が微弱となることは免れない。

従って、水平面に対して低仰角範囲での利得の増加を必要とするという問題があった。

解決しようとする課題は、ループアンテナの中心軸を水平面に垂直に設置した場合、ループアンテナ素子の形成する平面に対する低仰角範囲の利得が十分に得られない点である。

本発明は、ループアンテナ（１）の中心軸を水平面に垂直に設置した際、ループアンテナ素子（１０）の形成する平面に対する低仰角範囲の利得を得るため、ループアンテナ素子と回路基板（１３）の表面との間の中央部分までの予め定められた位置に、ループアンテナ素子が形成される筒体（１１）の周囲でかつこの筒体から間隔をもって導体部材、例えば導体リング（２２）、導体ピン（３）、導体壁（４）など、またはこれらを組み合わせたものを備えることを主要な特徴とする。

すなわち、ループアンテナは、回路基板の表面上に立設し、可撓性の絶縁部材を中心軸の回りに筒状に形成された筒体と、筒体の周面に沿って回路基板表面から距離を隔ててその中心軸の回りに中心軸に垂直な平面上でループ状に形成された導体よりなるループアンテナ素子とを有するものを基本形とする。

導体リングは、上記筒体の周囲に間隙をもって形成される例えばＡＢＳ樹脂による筒状絶縁体（２１）の周面で回路基板表面からループアンテナ素子までの距離の中間位置でかつこれらに平行する平面上に形成される細長のものである。

導体ピンは、上記筒状絶縁部材の周囲にそれぞれが等間隙をもって等間隔に位置し、前記回路基板表面から前記導体リングまで立設するものであって、三本以上が備えられる。

導体壁は、上記筒体または上記筒状絶縁体の周囲で間隔をもって、回路基板表面上に筒状をなし、回路基板表面からループアンテナ素子まで立設するものである。

上記括弧内の符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、これらに限定されない。

本発明のループアンテナは、従来の中心軸方向における放射利得を抑え低仰角方向の利得を上げて放射を広げるため、本願発明者が改良を重ねた結果、ループアンテナ素子と回路基板の表面との間の中央部分までの予め定められた位置に、ループアンテナ素子が形成される筒体の周囲でかつこの筒体から間隔をもって導体部材を備えることより放射を広げることができるという利点があることを確認した。

図３は、筒体１１の中心軸に対して垂直なループアンテナ素子平面を０度とし、中心軸を９０度とする仰角度（ＥＬ．Ａ）の２０度から６０度まで５度おきの放射利得（ｄＢ）の実測値を示している。図３は、実測結果の一例であり、具体的には各実施例において説明するが、仰角３０度以上で利得の増加が見られる。

また、図４は、周波数２ＧＨｚ帯のＴＥＲ（Terrestrial Wave：地上波）利得を、上述した従来例と後述する実施例１および実施例４との仰角０度において測定した場合のアンテナ放射パターンを示す。すなわち、図示されている従来例、実施例１、および実施例４それぞれの平均利得は、「−３．４９」ｄＢｉ、「−２．１１」ｄＢｉ、および「−１．７５」ｄＢｉであり、実施例において、中心軸に直交するループアンテナ素子の水平面上の利得が大幅に増加していることが、図示されるパターンにより確認できる。

ループアンテナの中心軸を水平面に垂直に設置した場合、水平面に対する低仰角の範囲の利得を十分に得るという目的を、ループアンテナ素子と回路基板の表面との間の中央部分までの予め定められた位置に、ループアンテナ素子が形成される筒体の周囲でかつこの筒体から間隔をもって導体部材を備えることにより、中心軸方向の利得を大幅に損なうことなく実現した。

本発明の実施例１について図５に図１を併せ参照して説明する。

図５は本発明の実施例１の斜視図であって、図示されるループアンテナ素子１０、筒体１１、および回路基板１３は図１で示されると同一の構成要素である。

実施例１では、図１に示される従来例と同様に、外径２０ｍｍ、高さ２０ｍｍの筒体１１が回路基板１３の表面に中心軸を垂直にして設けられ、その頂上周囲にループアンテナ素子１０が備えられている。

図１との相違は、筒体１１の周囲に、中心軸を一致させた内径３５ｍｍ、外径４０ｍｍ、かつ高さ１５ｍｍの、例えばＡＢＳ樹脂を主要材とする筒状絶縁体２１が回路基板１３の表面に設けられている点である。更に、筒状絶縁体２１はその表面で、回路基板１３の表面から１０ｍｍの高さの位置に幅１ｍｍの導体リング２２を有しており、リング構成体２が構成されている。従って、導体リング２２は回路基板１３の表面から１０ｍｍの高さで、筒体１１から１０ｍｍ離れた位置に設けられている。

筒状絶縁体２１では、ＡＢＳ樹脂が、導体リング２２の直径の短縮と誘電体との組合せによって横方向に放射を広げるという効果を生じるので、通常、用いられている。また、導体リング２２の直径がほぼ５０ｍｍで効果的に最適値が得られるというシミュレーション結果があるが、製品としての寸法制限から、外径４０ｍｍとした場合の特性データが測定されている。

次に、図３および図６を併せ参照して図５の構成によるループアンテナのアンテナ放射特性について説明する。

図３は、筒体１１の中心軸に対して垂直なループアンテナ素子平面を０度とし、中心軸を９０度とする仰角度（ＥＬ．Ａ）の２０度から６０度まで５度おきの放射利得（ｄＢ）の実測値を示している。

図３においては、従来例のループアンテナ（Loop Ant.）１の右側（Ｒ）および左側（Ｌ）の放射利得と、この実施例１のループアンテナ（ＬＡ）１とＡＢＳ樹脂の筒状絶縁体２１と組み合わされた導体リング（Ring）２２との構成における右側（Ｒ）および左側（Ｌ）の放射利得とを比較すると、仰角３０度付近でほぼ一致するが、２５度以下の低仰角では実施例１において利得効果のあることが分かる。以下の放射特性の説明で導体リング（RingまたはＲ）とあるのは、ＡＢＳ樹脂の筒状絶縁体と組み合わされた導体リングのことである。

更に、図６は実施例１のＬＨＣＰによるアンテナ放射パターンを、上記図２の従来例におけるアンテナ放射パターンに重ね合わせて示す。図３および図６で従来例と比較した実施例１では、導体リングを付加する実装形態を採用したことにより、低仰角における放射特性を改善する効果があることがわかる。

実測された利得数値がループアンテナ素子と導体リングとの相対位置で変化することは明らかであり、本発明が上述した寸法に限定されるものではない。

本発明の実施例２について、図７および図８に図５と図３および図６とを併せ参照して説明する。

図７は本発明の実施例２の斜視図であって、図示されるループアンテナ素子１０、筒体１１、給電線１２、回路基板１３、筒状絶縁体２１および導体リング２２は図５で示されると同一の構成要素であり、その寸法は上述した通りである。

実施例１を示す図５との相違は、筒状絶縁体２１の周囲で、中心軸を一致させた直径４５ｍｍの円周上で４本の導体ピン３が中心軸に平行にかつ等間隔に設けられている点である。導体ピン３は高さ１０ｍｍ、直径１ｍｍの寸法を有している。従って、導体ピン３は導体リング２２の位置から２．５ｍｍ離れた位置に頂点がある。

実施例２のループアンテナ特性は、図３に示されており、仰角３５度で従来例とほぼ同様であり、３０度以下で利得が増加している。

図８では、実施例２のＬＨＣＰによるアンテナ放射パターンが、上記従来例におけるアンテナ放射パターンに重ね合わせされ示されている。図３および図８で従来例と比較した実施例２では、導体ピンを付加する実装形態を採用したことにより、低仰角における放射特性を改善する効果があることがわかる。更に、図６の実施例１と比較して、ループアンテナの頂上９０度で極端に低下する利得が、大幅に改善されている。すなわち、従来例のみならず実施例１と比較して、低仰角度における放射特性を改善する効果があるのみならず、導体ピンを採用したことにより、実施例１で大幅に低下した９０度近辺の利得が改善されていることがわかる。

実測された利得数値が導体ピンの本数、寸法、または位置、更にはループアンテナ素子または導体リングとの相互位置関係で変化することは明らかであり、本発明が上述した条件に限定されるものではない。

本発明の実施例３について図９および図１０に図３を併せ参照して説明する。

図９は本発明の実施例３の斜視図であって、図示されるループアンテナ素子１０、筒体１１、および回路基板１３は図１で示されると同一の構成要素である。

実施例３では、外径２０ｍｍ、高さ２０ｍｍの筒体１１が回路基板１３の表面に中心軸を垂直にして設けられ、その頂上周囲にループアンテナ素子１０が備えられている図１に、導体壁４が追加されている。

すなわち、図１との相違は、筒体１１の周囲に、縦４８ｍｍおよびほぼ横４４ｍｍで四隅を欠いたほぼ長方形底面で高さ１０ｍｍの筒型をなす導体壁４が筒体１１をその中央部に置いて、回路基板１３の表面に設けられている点である。導体壁も、図５を参照した実施例１で説明したＡＢＳ樹脂と同様、横方向に放射を広げるという効果を生じる。

実施例３のループアンテナ特性は、図３に示されており、仰角３５度付近で従来例とほぼ同様であり、３５度以下で利得が増加している上記実施例２とほぼ同一である。

図１０では、実施例３のＬＨＣＰによるアンテナ放射パターンが、上記従来例におけるアンテナ放射パターンに重ね合わせされ示されている。図３および図１０で従来例と比較した実施例３では、導体壁を付加する実装形態を採用したことにより、低仰角範囲における放射特性を改善する効果があることが分かる。更に、図６の実施例１と比較して、ほぼ同様であることが分かる。

実測された利得数値が導体壁の寸法または位置、更にはループアンテナ阻止との相互位置関係で変化することは明らかであり、本発明が上述した条件に限定されるものではない。

本発明の実施例４について、図１１および図１２に図３および図４を併せ参照して説明する。具体的な形状および寸法は、図１３（Ａ）〜（Ｃ）に示される。図１３（Ａ）は斜視図、図１３（Ｂ）は寸法を併記した側面図、および図１３（Ｃ）は寸法を併記した平面図である。

図１１は本発明の実施例４の斜視図であって、図示されるループアンテナ素子１０、筒体１１、給電線１２、回路基板１３、筒状絶縁体２１、および導体リング２２は図５で示されると同一の構成要素であり、その寸法は上述した通りである。

実施例１を示す図５との相違は、筒状絶縁体２１の周囲で、図９に示される実施例３と同様のほぼ長方形・筒型の導体壁４が筒体１１をその中央部に置いて、回路基板１３の表面に設けられている点である。従って、導体壁４の高さは、導体リング２２の高さとほぼ等しい。また、導体壁の寸法で効果的に最適値がシミュレーションで得られているが、製品としての寸法制限から、図１３に示されるような寸法で形成され、この寸法とした場合の特性データが測定されている。

実施例４の図１３におけるループアンテナ特性は、図３に示されており、仰角３５度付近で従来例とほぼ同様であるが、３５度以下で利得が大幅に増加している。他方、仰角４０度以上ではその減少が大きい。しかし、高仰角の範囲では、水平面近辺の低仰角範囲と比較して、高いレベルの電波を受信できると思われるので、信号の受信に問題はない。

また、図３の特性から、更に図４からも理解できるように、ＴＥＲにおけるアンテナ放射パターンは他の実施例と比較して改善されている。また、ＬＨＣＰにおけるアンテナ放射パターンは、図８の実施例２のものと類似している。

図１２では、実施例４のＬＨＣＰによるアンテナ放射パターンが、上記従来例におけるアンテナ放射パターンに重ね合わせされ示されている。図３および図１２で従来例と比較した実施例４では、導体リングおよび導体壁を併用して付加する実装形態を採用したことにより、他の実施例におけるより一層、低仰角における放射特性を改善する効果があることがわかる。

更に、図１２に示される実施例４のＬＨＣＰによるアンテナ放射パターンでは、図６の実施例１、または図８の実施例３と比較して、ループアンテナの頂上９０度での利得が、大幅に改善され、極端に低下することがない。すなわち、従来例のみならず、他の実施例１から実施例３までと比較して、低仰角範囲における放射特性を改善する効果があるのみならず、実施例１に導体壁を追加して採用したことにより、実施例１で大幅に低下した９０度近辺の利得が改善されていることがわかる。

実測された利得数値が導体壁の寸法または位置、更にはループアンテナ素子または導体リングとの相互位置関係で変化することは明らかであり、本発明が上述した条件に限定されるものではない。

また、ループアンテナ素子は図１３を除いて説明を単純化するため、単独の給電線で示されていた。しかし、放射特性およびアンテナ放射パターンで図示された利得は、従来例から全ての実施例において図１３に示されるような電磁結合型給電線を用いたループアンテナ素子を用いて得られたものであり、その同一条件で比較されている。

本発明によるループアンテナは、ループアンテナ素子と回路基板の表面との間の中央部分までの予め定められた位置に、ループアンテナ素子が形成される筒体の周囲でかつ筒体から間隔をもって導体部材、例えば導体リング、導体ピン、導体壁などを用いて、ループアンテナの中心軸を水平面に垂直に設置した場合、低仰角範囲の利得を容易に十分に得ることができる。従って、自動車のデジタルラジオ受信機だけでなく、水平面に対して低仰角範囲の電波が必要かつ不可欠な用途に適用できる。

ループアンテナの一構成例を斜視して示す図である。（従来例）図１のループアンテナによるアンテナ放射パターンの一例を示した図である。ループアンテナの従来例および全ての実施例それぞれに対応するアンテナ放射特性を、２０度から６０度まで５度間隔の利得値で示した図である。ループアンテナの従来例および実施例１、４それぞれに対するＴＥＲにおけるアンテナ放射パターンの一例を重ね合わせて示した図である。ループアンテナの実施構成の一形態を斜視により示した図である。（実施例１）図１および図５それぞれのループアンテナによるＬＨＣＰにおけるアンテナ放射パターンの一例を重ね合わせて示した図である。ループアンテナの実施構成の一形態を斜視により示した図である。（実施例２）図１および図７それぞれのループアンテナによるＬＨＣＰにおけるアンテナ放射パターンの一例を重ね合わせて示した図である。ループアンテナの実施構成の一形態を斜視により示した図である。（実施例３）図１および図９それぞれのループアンテナによるＬＨＣＰにおけるアンテナ放射パターンの一例を重ね合わせて示した図である。ループアンテナの実施構成の一形態を斜視により示した図である。（実施例４）図１および図１１それぞれのループアンテナによるＬＨＣＰにおけるアンテナ放射パターンの一例を重ね合わせて示した図である。放射特性およびアンテナ放射パターンを実測した際の、実施例４の形態を、斜視（Ａ）、寸法を併記した側面（Ｂ）、および寸法を併記した平面（Ｃ）により示した図である。

符号の説明

１ループアンテナ
２リング構成体
３導体ピン
４導体壁
１０ループアンテナ素子
１１筒体
１２給電線
１３回路基板
２１筒状絶縁体（ＡＢＳ）
２２動態リング

Claims

回路基板表面上に立設し、可撓性の絶縁部材を中心軸の回りに筒状に形成された筒体と該筒体の周面に沿って前記回路基板表面から距離を隔てて前記中心軸の回りに該中心軸に垂直な平面上でループ状に形成された導体よりなるループアンテナ素子とを有するループアンテナにおいて、前記ループアンテナ素子と前記回路基板表面との間の中央部までの予め定められた位置に、前記筒体の周囲でかつ前記筒体から間隔をもって設けられた導体部材を備えることを特徴とするループアンテナ。
請求項１に記載のループアンテナにおいて、更に前記筒体の周囲に間隙をもって形成される筒状の絶縁部材による筒状絶縁体を備え、前記導体部材は、前記筒状絶縁体の周面で、前記回路基板表面から前記ループアンテナ素子までの距離の中間位置でかつこれらに平行する平面上に形成される細長の導体リングであることを特徴とするループアンテナ。
請求項２に記載のループアンテナにおいて、更に、前記導体部材として、前記筒状絶縁体の周囲にそれぞれが等間隙をもって等間隔に位置し、前記回路基板表面から前記導体リングまでの距離を最大の高さとして立設する三本以上の導体ピンを備えることを特徴とするループアンテナ。
請求項１に記載のループアンテナにおいて、前記導体部材は、前記筒体の周囲で間隔をもって、前記回路基板表面上に筒状をなし、前記回路基板表面から前記ループアンテナ素子まで立設する導体壁であることを特徴とするループアンテナ。
請求項１に記載のループアンテナにおいて、更に前記筒体の周囲に間隙をもって形成される筒状の絶縁部材である筒状絶縁体を備え、前記導体部材は、前記筒状絶縁体の周面で、前記ループアンテナ素子が前記回路基板表面との間に有する距離の中間に位置しかつこれらに平行な平面上に形成される細長の導体リングと、前記筒状絶縁体の周囲で間隔を有し、前記回路基板表面上に筒状をなして立設する導体壁とで構成されることを特徴とするループアンテナ。