JP2006054655A

JP2006054655A - ヘリカルアンテナ

Info

Publication number: JP2006054655A
Application number: JP2004234509A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kawakami; 川上　　誠; Takeshi Hazama; 武史硲
Original assignee: Neomax Co Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2004-08-11
Filing date: 2004-08-11
Publication date: 2006-02-23

Abstract

【課題】小型の構成であっても良好な放射特性を発揮できるモノポール型のヘリカルアンテナを提供する。
【解決手段】接地点１ａから給電点１ｃまでは、軟質磁性材からなる第１コア材２ａに密接するようにワイヤ１を螺旋状に巻回し、給電点１ｃから開放点１ｂまでは徐々にその巻回径を大きくしていきながらワイヤ１を螺旋状に巻回する。ヘリカルアンテナ１０は、接地側から開放側に向かうにしたがってワイヤ１の巻回径が大きくなる巻回形状をテーパ状にしたエレメントを有する。開放側での開口面積を大きくして空間インピーダンスとの整合を図り、放射効率を向上させる。電流分布が大きい給電点１ｃ近傍で生じた磁束の流れを第１コア材２ａにて開放側まで持ち上げ、磁束の放射を高めて、放射特性を良好にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、一端が接地され他端が開放となっている螺旋状のワイヤからなるエレメントを有するモノポール型のヘリカルアンテナに関し、特に、小型な構成と良好な放射特性とが両立可能なヘリカルアンテナに関する。

３１５ＭＨｚ，４３０ＭＨｚ帯で代表されるＵＨＦ微弱電磁波を用いた機器、例えば、自動車のキーレスエントリ，スマートキー、住宅の電子キーなどの小型機器が実用化されている。このような小型機器にあっては、それに搭載するためにアンテナの小型化が必須である。従来、微弱電磁波を用いた機器におけるアンテナとしては、λ／４ホイップアンテナまたはプリント基板に直接形成したループアンテナなどが使用されてきている。

しかしながら、これらのアンテナの設置には、例えば３１５ＭＨｚの場合、λ／４ホイップアンテナで２０ｃｍ程度、ループアンテナで５０×３０ｍｍ程度の面積が必要である。このような設置面積を確保できる機器であれば問題にならないが、携帯型の小型機器では、この種のアンテナは搭載困難である。一方、単に構成を小型化しただけでは、性能の低下が著しくて、特性的に使用不可能である。

その他の小型アンテナとしてセラミックチップアンテナ，ヘリカルアンテナが従来から知られている。セラミックチップアンテナは、誘電体の波長短縮効果（比誘電率の−１／２乗に比例して波長が短縮）を利用することにより、モノポール型アンテナを小型化しても高誘電率の誘電体（セラミックチップ）を用いることで、放射特性が良好なアンテナを作製できる。しかしながら、アンテナ部分は小さくなるが、広い接地面積が必要であり、携帯型の小型機器への適用は難しい。

モノポール型のヘリカルアンテナは、図４に示すように、一端を接地板１３に接続させて他端を開放とした全長λ／４のワイヤ１１を物理的に螺旋状に巻回してなるエレメントを有して小型化を図ったものであり、種々のヘリカルアンテナが提案されている（例えば、特許文献１，２，３参照）。
特開平９−２３８０１８号公報特開平１１−５５０２４号公報特開２００２−１７１１２７号公報

ヘリカルアンテナでは、小型化を図るべくワイヤの長さを短くした場合、投影断面積の低下に伴って電気力線が幅広く拡がらなくなり、放射効率が著しく低下するため、あまり小さすぎるとアンテナとしての機能を発揮できない。この結果、ホイップアンテナの１／６以下に小型化することは困難であるという問題がある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、ワイヤの巻回形状を、接地側から開放側に向かうにつれて広がるテーパ状にすることにより、小型の構成であっても良好な放射特性を発揮できるモノポール型のヘリカルアンテナを提供することを目的とする。

本発明に係るヘリカルアンテナは、一端が接地され他端が開放されるワイヤを螺旋状に巻回させたエレメントを有するモノポール型のヘリカルアンテナにおいて、接地側から開放側に向かうにしたがって前記ワイヤの巻回径が大きくなるようにしたエレメントを有することを特徴とする。

本発明のヘリカルアンテナにあっては、接地側の巻回径に比べて開放側の巻回径が大きくなるようにワイヤを螺旋状に巻回させてエレメントを構成している。ワイヤの巻回径が小さい場合、放射抵抗が小さくてインピーダンスが小さいため、電磁波が伝播するために存在する空間インピーダンスとの整合（マッチング）が行えず、電力の反射が起こって、空間に電磁波を効率良く伝えることができない。そこで、本発明では、開放点に向かうにしたがって徐々にワイヤの巻回径を大きくしていき、開放点に向かうにつれて空間インピーダンスに徐々に近づくようにする。この結果、電力の反射がなくなり、送出したエネルギーを効率良く空間に分布させて、放射特性を改善する。即ち、エレメントをテーパ状に構成して、開放側の開口面積を大きくし、空間との電界結合を大きくすることにより良好な放射特性を得る。

本発明に係るヘリカルアンテナは、上記構成にあって、前記エレメントの中央部に、軟質磁性材からなるコア材を配置してあることを特徴とする。

本発明のヘリカルアンテナにあっては、軟質磁性材からなるコア材をエレメントの中央部に配置している。磁界の発生は給電点に近い接地側に多く、電界の発生は開放側に多い。よって、本発明では、エレメントの中央部に低損失なソフトフェライトを配置して、接地側で生じた磁束の流れを開放側の方へ導き、背面への磁束の回り込みを小さくして放射特性の劣化を最小限に抑える。この結果、磁束の放射が高まり、良好な放射特性が得られる。

本発明に係るヘリカルアンテナは、上記構成にあって、開放点近傍での前記ワイヤの巻回形状が矩形であることを特徴とする。

本発明のヘリカルアンテナにあっては、開放点近傍でのワイヤを矩形状に巻回する。よって、円状に巻回する場合に比べて、機器に対する収納効率が高くなり、小型機器への取付けが容易となる。

本発明のヘリカルアンテナでは、接地側から開放側に向かうにしたがってワイヤの巻回径が大きくなるようにしたので、小型の構成であっても良好な放射特性を発揮でき、自動車のキーレスエントリ，スマートキー、住宅の電子キーなどの小型機器への適用が可能となる。また、放射特性が良好であるので、省電力化にも寄与できる。

本発明のヘリカルアンテナでは、エレメントの中央部に軟質磁性材からなるコア材を配置するようにしたので、開放側での磁束の放射を高めて、良好な放射特性を得ることができる。

本発明のヘリカルアンテナでは、巻回径が大きい開放点近傍でのワイヤを矩形状に巻回するようにしたので、機器へ収納し易くなり、小型機器への取付けを容易に行うことができる。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明に係るヘリカルアンテナの構成を示す図である。モノポール型のヘリカルアンテナ１０は、ワイヤ１とコア材２と接地板３とを有する。

コア材２は、円柱状（直径：λ／５０〜λ／４００，高さ：λ／３００〜λ／５０）の第１コア材２ａと、矩形状（長辺：λ／２０〜λ／５０）の第２コア材２ｂとを貼り合わせて構成されている。第１コア材２ａ及び第２コア材２ｂは何れも軟質磁性材料からなり、その磁気特性は、動作する周波数において複素比透磁率の実部：μｒ′は３以上、虚数部：μｒ″は３×１０^-2以下である。例えば、ＣｏＯを０．２〜１０重量％添加したＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト材料（Ｆｅ₂Ｏ₃：２０〜４９モル％，ＮｉＯ：０〜５０モル％，ＣｕＯ：５〜２０モル％，Ｚｎ：残部）を用いることができる。第１コア材２ａは、金属製の接地板３に接続されている。

ワイヤ１は、総延長λ／４以下の銅線からなり、第１コア材２ａの周囲に螺旋状に巻回されて、エレメントが構成されている。ワイヤ１の一端（接地側）は、はんだ溶接により接地板３に接続され、その接続点が接地点１ａとなる。ワイヤ１の他端（開放側）は、開放されており開放点１ｂとなっている。ワイヤ１の接地側の端部（接地点１ａから１／４ターン付近）に給電用の同軸ケーブル４が接続されており、その接続点が給電点１ｃとなる。接地点１ａから給電点１ｃまでは、第１コア材２ａに密接するようにワイヤ１を螺旋状に巻回し、給電点１ｃから開放点１ｂまでは、徐々にその巻回径を大きくしていきながらワイヤ１を螺旋状に巻回させる。この結果、接地側から開放側に向かうにしたがってワイヤ１の巻回径が大きくなる巻回形状をテーパ状にしたエレメントとなる。

本発明のヘリカルアンテナ１０では、ワイヤ１の螺旋形状に接地側から開放側に向かうにつれて開口面積が大きくなるテーパを設けるようにしている。そして、開放側での開口面積を大きくして空間インピーダンスとの整合を図り、放射効率の向上を実現する。接地側から開放側に向かうにしたがって段階的にインピーダンスを大きくしていき、空間インピーダンスに近づけて、電力の反射を防止する。よって、小型の構成であっても、空間との電界結合を大きくできて、良好な放射特性を得ることが可能である。また、エレメントの中央部に、高い周波数でも低損失である軟質磁性材からなるコア材２（第１コア材２ａ及び第２コア材２ｂ）を設けているため、電流分布が大きい給電点１ｃ近傍で生じた磁束の流れをコア材２にて開放側まで持ち上げる。この結果、磁束の放射を高めることができ、放射特性を更に向上することができる。

エレメントの電流が大きい給電点１ｃ近傍では、ワイヤ１を第１コア材２ａに近接させている。これは、ステップアップトランスとしての効率を高めて、第１コア材２ａに効率良く磁束を発生できるようにするためである。

一方、エレメントの電圧振幅が最大で電流が小さい開放点１ｂ近傍では、ワイヤ１を第１コア材２ａから離している。これは、電気力線の放射を高めると共に、高い誘電率に起因する波長短縮の効果を抑えるためである。ワイヤ１が第１コア材２ａに近接していると、電気力線が第１コア材２ａ内に閉じ込められて外に出ず、グランドに抜けてしまうことになる。本発明では、このようなことを防止して、空間に電界を効率良く放射できるようにしている。

ここで、テーパをなす螺旋状のワイヤ１のテーパ角度について説明する。図２は、本発明に係るヘリカルアンテナ１０の模式的断面図であり、図１と同一部分には同一符号を付している。ワイヤ１のテーパ面が２点鎖線で示す水平面となすテーパ角度θを、破線で示す最低１０°から一点鎖線で示す最高８０°までの範囲とすることにより、良好な放射特性を実現するという上述した本発明の効果を奏することが可能である。なお、このテーパ角度θは、ワイヤ１の長さ、巻き数、インピーダンスの整合性などを考慮して、この角度範囲内で適宜選択すれば良い。

以下、本発明に係るヘリカルアンテナ１０の具体的な一例について説明する。
（ワイヤ１）
材料：銅線（ＪＩＳ（ＵＥＷ−２）相当材）（直径０．６ｍｍ，長さ１８０ｍｍ）
螺旋形状：接地点１ａから給電点１ｃまでは第１コア材２ａに密接するように巻回径８ｍｍで巻回し、給電点１ｃから開放端１ｂに向かうにつれて開口面積が拡がっていくようなテーパ形状に巻回し、開放端１ｂでの最外周は巻回径１５ｍｍ，高さ６ｍｍとなるようにする。
巻回数：５回

（コア材２）
材料：Ｆｅ₂Ｏ₃：４５モル％，ＮｉＯ：３５モル％，ＣｕＯ：１５モル％，ＺｎＯ：５モル％，ＣｏＯ：１重量％のＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト材
第１コア材２ａ：直径７ｍｍ，高さ６ｍｍ
第２コア材２ｂ：縦横７ｍｍ×１４ｍｍ，厚さ１ｍｍ

（接地板３）
サイズ：１０ｍｍ×２０ｍｍ

次に、本発明に係るヘリカルアンテナ１０の特性評価について説明する。上述したような数値例を有するヘリカルアンテナ１０を作製して、その特性を測定した。インピーダンスアナライザに接続して、インピーダンスの調整を行った。この調整には、３１５ＭＨｚにマッチングするまで１８０ｍｍのワイヤ１の先端を少しずつ切断させるトリミング手法を用いた。

作製したヘリカルアンテナ１０に発信器を接続し、受信側に３１５ＭＨｚ標準ダイポールアンテナを使用し、両アンテナ間の距離を３ｍ空けて電波暗室内で受信電力を測定した。また、比較例として、微弱無線モジュール基板に形成された銅箔パターンからなるワイヤ（エレメント長：６０ｍｍ）にインピーダンスマッチング用のコンデンサを付けた従来のワイヤアンテナを作製し、作製した従来のワイヤアンテナを使用して、上述した本発明のヘリカルアンテナ１０と同一の条件にて受信電力を測定した。

入力を５ｄＢｍとした場合、従来のワイヤアンテナでは受信電力の測定結果が−６０ｄＢｍであったのに対して、本発明のヘリカルアンテナ１０では受信電力の測定結果が−４０〜−５０ｄＢｍであった。

本発明に係るヘリカルアンテナ１０を送信アンテナに使用した場合、従来のワイヤアンテナを使用する場合と比べて、占有面積が１／５と小さいにも拘わらず同一の送信電力で受信側に到達する電力を１０ｄＢ以上増加することができた。よって、本発明のヘリカルアンテナ１０を用いることにより、従来困難であった送信機ケースにも、放射特性に優れたアンテナを収納できることになる。

また、本発明のヘリカルアンテナ１０は放射特性が優れているため、電池駆動の発信器において小さな電力でワイヤアンテナと同等の出力を得ることができる。言い換えれば、ワイヤアンテナと同じ電池を使用した場合、電池の寿命を長くすることが可能となる。

図３は、本発明に係るヘリカルアンテナ１０の他の構成例を示す図である。図３において、図１と同一部分には同一符号を付している。

図３に示すヘリカルアンテナ１０では、エレメントの開口点１ｂ近傍で、ワイヤ１が円形状でなくて矩形状に巻回されている。このように最大開口部分を矩形状とすることにより、狭いスペースに効率良く収納することができる。

また、図３に示すヘリカルアンテナ１０では、第１コア材２ａが円柱状でなくて円筒状である。円柱状である場合に比べて、軽量化を図ることができる。なお、磁束は第１コア材２ａの表面に偏在するため、第１コア材２ａを円筒状としても、機能的に大きな差異は生じない。

本発明に係るヘリカルアンテナの構成を示す図である。本発明に係るヘリカルアンテナの模式的断面図である。本発明に係るヘリカルアンテナの他の構成例を示す図である。従来のヘリカルアンテナの構成を示す図である。

符号の説明

１ワイヤ
１ａ接地点
１ｂ開放点
１ｃ給電点
２コア材
２ａ第１コア材
２ｂ第２コア材
３接地板
４同軸ケーブル
１０ヘリカルアンテナ

Claims

一端が接地され他端が開放されるワイヤを螺旋状に巻回させたエレメントを有するモノポール型のヘリカルアンテナにおいて、接地側から開放側に向かうにしたがって前記ワイヤの巻回径が大きくなるようにしたエレメントを有することを特徴とするヘリカルアンテナ。
前記エレメントの中央部に、軟質磁性材からなるコア材を配置してあることを特徴とする請求項１記載のヘリカルアンテナ。
開放点近傍での前記ワイヤの巻回形状が矩形であることを特徴とする請求項１または２記載のヘリカルアンテナ。