JP2008042584A - Antenna device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はアンテナ装置に関し、特に、スパイラル状の放射導体を有するアンテナ装置に関する。 The present invention relates to an antenna device, and more particularly to an antenna device having a spiral radiating conductor.
電子機器の一部には、微弱電波を用いた無線通信機能が搭載されたものが存在する。微弱電波は使用に際して許認可が不要であることから、近年、自動車のキーレスエントリーシステムや、セキュリティー対策機器などの携帯機器に広く利用されている。このような携帯機器は、その性質上、小型であることが非常に重視されることから、これに組み込まれるアンテナ装置としてもできるだけ小型であることが望まれる。 Some electronic devices are equipped with a wireless communication function using weak radio waves. Since weak radio waves do not require authorization when used, they have been widely used in portable devices such as keyless entry systems for automobiles and security countermeasure devices in recent years. In such a portable device, since it is very important to be small in size, it is desirable that the antenna device incorporated therein is as small as possible.
しかしながら、アンテナ装置に用いられる放射導体のサイズは、使用する周波数に依存するため、周波数帯によっては小型化が困難な場合がある。例えば、自動車のキーレスエントリーシステムには、周波数が約315MHzの微弱電波が用いられることが多く、この場合、空気中における1波長(=λ)は約952mmに達する。したがって、通常の1/2波長ダイポールアンテナを用いた場合、放射導体の全長が約476mmも必要となり、自動車のキーに内蔵することができなくなる。 However, since the size of the radiation conductor used in the antenna device depends on the frequency to be used, it may be difficult to reduce the size depending on the frequency band. For example, in a car keyless entry system, a weak radio wave having a frequency of about 315 MHz is often used. In this case, one wavelength (= λ) in the air reaches about 952 mm. Therefore, when a normal half-wave dipole antenna is used, the total length of the radiation conductor is required to be about 476 mm, and it cannot be built in a car key.
このため、従来は、放射導体とRF回路との間にLやCなどの素子からなるインピーダンスマッチング回路を挿入し、これによって小型な放射導体の使用を可能としている。しかしながら、インピーダンスマッチング回路にLやCなどの素子を用いた場合には挿入損失が大幅に増大することから、RF回路の出力を高める必要が生じ、バッテリーの駆動時間が短くなってしまう。
上述した問題を解決するためには、自動車のキーなどの筐体内部において放射導体をスパイラル状に巻回したり、ミアンダ状に折り曲げるなどの工夫が必要となるが、この場合は放射導体の形状によってアンテナ特性が大幅に変動する。 In order to solve the above-mentioned problem, it is necessary to devise a device such as spirally winding the radiation conductor inside a housing such as an automobile key or bending it into a meander shape. In this case, depending on the shape of the radiation conductor Antenna characteristics vary greatly.
したがって、本発明は、小型化が可能であり、且つ、損失を増加させる原因となるLやCの素子を用いたインピーダンスマッチング回路が不要なアンテナ装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an antenna device that can be reduced in size and does not require an impedance matching circuit using elements of L and C that cause an increase in loss.
本発明によるアンテナ装置は、一端が給電点と容量結合し、他端が開放された第1及び第2のスパイラル状導体を備えるアンテナ装置であって、第1及び第2のスパイラル状導体は互いに異なる平面に形成され、一方向から見た第1のスパイラル状導体の前記一端から他端への巻回方向と、前記一方向から見た第2のスパイラル状導体の前記一端から他端への巻回方向とが互いに逆方向であることを特徴とする。 An antenna device according to the present invention is an antenna device including first and second spiral conductors, one end of which is capacitively coupled to a feeding point and the other end is opened, and the first and second spiral conductors are mutually connected. Formed in different planes, the winding direction from the one end to the other end of the first spiral conductor viewed from one direction, and the one end to the other end of the second spiral conductor viewed from the one direction The winding direction is opposite to each other.
本発明によれば、一対のスパイラル状導体が互いに逆方向に巻回されているとともに、いずれのスパイラル状導体も給電点に対して容量結合していることから、これらスパイラル状導体を小型化することが可能となる。しかも、スパイラル状導体と給電点との間の容量値によって入力インピーダンスを調整することが可能であることから、損失を増加させる原因となるLやCの素子を用いたインピーダンスマッチング回路を用いる必要もなくなる。 According to the present invention, the pair of spiral conductors are wound in opposite directions, and both the spiral conductors are capacitively coupled to the feeding point, so that the spiral conductors can be miniaturized. It becomes possible. In addition, since the input impedance can be adjusted by the capacitance value between the spiral conductor and the feed point, it is necessary to use an impedance matching circuit using elements of L and C that cause an increase in loss. Disappear.
本発明によるアンテナ装置は誘電体ブロックをさらに備えることが好ましく、この場合、誘電体ブロックの一方の主面に第1のスパイラル状導体を形成し、誘電体ブロックの他方の主面に第2のスパイラル状導体を形成することが好ましい。これによれば、誘電体ブロックの両面にスパイラル状導体を印刷することによって、小型で高性能なアンテナ装置を作製することが可能となる。 The antenna device according to the present invention preferably further includes a dielectric block. In this case, the first spiral conductor is formed on one main surface of the dielectric block, and the second main surface of the dielectric block is second. It is preferable to form a spiral conductor. According to this, it is possible to manufacture a small and high-performance antenna device by printing spiral conductors on both surfaces of the dielectric block.
この場合、給電点を構成する給電導体と、給電導体と所定の間隔をもって形成された第1のスパイラル状導体の前記一端と、給電導体と所定の間隔をもって形成された第2のスパイラル状導体の前記一端とが、いずれも誘電体ブロックの側面に形成されていることが好ましい。これによれば、スパイラル状導体と給電点とを容量結合させるための部品を別途用いる必要がなくなることから、部品点数を削減することが可能となる。 In this case, the feeding conductor constituting the feeding point, the one end of the first spiral conductor formed at a predetermined interval from the feeding conductor, and the second spiral conductor formed at a predetermined interval from the feeding conductor. The one end is preferably formed on the side surface of the dielectric block. According to this, since it is not necessary to separately use a component for capacitively coupling the spiral conductor and the feeding point, the number of components can be reduced.
本発明において、第1及び第2のスパイラル状導体の最外周部分の1周の長さは、中心周波数の波長をλとした場合、いずれも約λ/8に設定されていることが好ましい。また、第1及び第2のスパイラル状導体の全長は、中心周波数の波長をλとした場合、いずれも約λ/3に設定されていることが好ましい。さらに、第1のスパイラル状導体と第2のスパイラル状導体との距離は、中心周波数の波長をλとした場合、約λ/100に設定されていることが好ましい。これらの条件を満たせば、良好なアンテナ特性を確保しつつ、全体のサイズを十分に小型化することが可能となる。 In the present invention, it is preferable that the length of one circumference of the outermost peripheral portions of the first and second spiral conductors is set to about λ / 8 when the wavelength of the center frequency is λ. The total length of the first and second spiral conductors is preferably set to about λ / 3 when the wavelength of the center frequency is λ. Further, the distance between the first spiral conductor and the second spiral conductor is preferably set to about λ / 100, where λ is the wavelength of the center frequency. If these conditions are satisfied, it is possible to sufficiently reduce the overall size while ensuring good antenna characteristics.
このように、本発明によれば、小型化であり且つ損失を増加させる原因となるLやCの素子を用いたインピーダンスマッチング回路が不要なアンテナ装置を提供することが可能となる。したがって、自動車のキーレスエントリーシステムなど、小型且つ省電力であることが求められる携帯電子機器のアンテナ装置として好適に利用することが可能である。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide an antenna device that is miniaturized and does not require an impedance matching circuit using L and C elements that cause an increase in loss. Therefore, it can be suitably used as an antenna device for portable electronic devices that are required to be small and power-saving, such as keyless entry systems for automobiles.
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は本発明の好ましい実施形態によるアンテナ装置10の基本構造を模式的に示す略斜視図であり、図2は略側面図である。
FIG. 1 is a schematic perspective view schematically showing a basic structure of an
図1及び図2に示すように、本実施形態によるアンテナ装置10は、第1のスパイラル状導体11及び第2のスパイラル状導体12を備えている。第1及び第2のスパイラル状導体11,12は互いに異なるXY平面に形成されており、本実施形態では、第1及び第2のスパイラル状導体11,12のX方向及びY方向における位置が実質的に一致している。つまり、第1及び第2のスパイラル状導体11,12は、Z方向における位置だけが異なっており、両者の中心は実質的に一致している。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
また、本実施形態によるアンテナ装置10は、容量C1,C2を備えている。容量C1は、一方の電極が給電点20に接続され、他方の電極が第1のスパイラル状導体11の一端11aに接続されている。また、容量C2は、一方の電極が給電点20に接続され、他方の電極が第2のスパイラル状導体12の一端12aに接続されている。第1及び第2のスパイラル状導体11,12の他端11b,12bは、いずれも開放されている。
The
さらに、本実施形態によるアンテナ装置10をZ方向から見た場合、第1のスパイラル状導体11の一端11aから他端11bへの巻回方向と、第2のスパイラル状導体12の一端12aから他端12bへの巻回方向は、互いに逆方向とされている。具体的には、図1に示す矢印Aから見た場合、第1のスパイラル状導体11については、一端11aから他端11bへ向かって左回り(反時計回り)に巻回されており、第2のスパイラル状導体12については、一端12aから他端12bへ向かって右回り(時計回り)に巻回されている。
Furthermore, when the
本実施形態では、第1及び第2のスパイラル状導体11,12とも、その外径が四角形である。最外周部分におけるX方向の長さをLxとし、最外周部分におけるY方向の長さをLyとすると、中心周波数の波長をλとした場合、いずれもλ/32程度に設定することが好ましい。換言すれば、第1及び第2のスパイラル状導体11,12の最外周部分の1周の長さは、いずれも約λ/8に設定することが好ましい。最外周部分の長さをこれよりも長くしすぎると、スパイラル状導体11,12の外径が大きくなるため、アンテナ装置10の小型化が困難となる一方、最外周部分の長さをこれよりも短くしすぎると、線間容量の増大などによりアンテナ特性が劣化してしまう。これに対し、第1及び第2のスパイラル状導体11,12の最外周をλ/8程度に設定すれば、良好なアンテナ特性を獲得しつつ、アンテナ装置10のサイズを小型化することが可能となる。
In the present embodiment, both the first and second
また、第1及び第2のスパイラル状導体11,12の全長は、中心周波数の波長をλとした場合、いずれも約λ/3に設定することが好ましい。スパイラル状導体11,12の全長をこれよりも長くしすぎると、スパイラル状導体11,12の外径が大きくなったり、線間容量が増大したりする一方、全長をこれよりも短くしすぎると、所望のインピーダンスを得ることが困難となってしまう。これに対し、第1及び第2のスパイラル状導体11,12の全長をλ/3程度に設定すれば、良好なアンテナ特性を獲得しつつ、アンテナ装置10のサイズを小型化することが可能となる。
The total length of the first and second
さらに、第1のスパイラル状導体11と第2のスパイラル状導体12とのZ方向における距離Hについては、中心周波数の波長をλとした場合、約λ/100に設定することが好ましい。Z方向における距離Hをこれよりも長くしすぎると、アンテナ装置10が大型化する一方、距離Hをこれよりも短くしすぎると、2つのスパイラル状導体11,12間における磁気的影響が無視できなくなる結果、アンテナ特性が劣化してしまう。これに対し、Z方向における距離Hλ/100程度に設定すれば、良好なアンテナ特性を獲得しつつ、アンテナ装置10のサイズを小型化することが可能となる。
Furthermore, the distance H in the Z direction between the first
給電点20と第1及び第2のスパイラル状導体11,12とを容量結合させる容量C1,C2については、図1に示すように、給電点20に接続されたワイヤの一部と、第1及び第2のスパイラル状導体11,12を構成するワイヤの一部を平行に配置することによって構成することができる。したがって、容量C1,C2の容量値は、ワイヤの平行部分の長さLHによって調整することができる。容量C1,C2の容量値を変化させると、所望のインピーダンス(例えば50Ω)が得られる周波数が変動することから、目的とする周波数に応じてワイヤの平行部分の長さLHを調整すればよい。
Regarding the capacitors C1 and C2 for capacitively coupling the
以上の構成を有する本実施形態によるアンテナ装置10は、原理的には、1/2波長ダイポールアンテナとして機能する。しかしながら、一般的な1/2波長ダイポールアンテナに比べてその外径が非常に小さく、このため、自動車のキーなどの筐体に収容することが可能となる。また、所望のインピーダンス(例えば50Ω)が得られる周波数を微調整可能であることから、損失を増加させる原因となるLやCの素子を用いたインピーダンスマッチング回路を経由することなくRF回路に接続可能となる。その結果、挿入損失が非常に少なくなるため、RF回路の出力を抑えることができるため、バッテリーの寿命を延ばすことも可能となる。
The
図3は、本実施形態によるアンテナ装置10の具体的な構成例を示す略斜視図である。
FIG. 3 is a schematic perspective view showing a specific configuration example of the
図3に示すように、アンテナ装置10を実際に作製する場合、板状の誘電体ブロック19を用意し、その一方の主面19aに第1のスパイラル状導体11を形成するとともに、他方の主面19bに第2のスパイラル状導体12(図3では図示せず)を形成する。さらに、誘電体ブロック19の側面19cには、第1のスパイラル状導体11の一端11aを含む部分と、第2のスパイラル状導体12の一端12aを含む部分と、給電点20(図1及び図2参照)を構成する給電導体21を形成する。誘電体ブロック19の厚みは、図1及び図2に示した距離Hに相当する。
As shown in FIG. 3, when the
誘電体ブロック19の材料としては、特に限定されるものではないが、Ba−Nd−Ti系材料(比誘電率80〜120)、Nd−Al−Ca−Ti系材料(比誘電率43〜46)、Li−Al−Sr−Ti(比誘電率38〜41)、Ba−Ti系材料(比誘電率34〜36)、Ba−Mg−W系材料(比誘電率20〜22)、Mg−Ca−Ti系材料(比誘電率19〜21)、サファイヤ(比誘電率9〜10)、アルミナセラミックス(比誘電率9〜10)、コージライトセラミックス(比誘電率4〜6)などを用いることができ、型枠を用いて焼成することによって作製することができる。誘電体の誘電率によってアンテナ装置を小型化することが可能であり、具体的には、使用する誘電体の比誘電率をεとすると、
1/√ε
のサイズに小型化することができる。
The material of the
1 / √ε
The size can be reduced.
第1及び第2のスパイラル状導体11,12及び給電導体21の材料としては、銀、銀−パラジウム、銀−白金、銅などを用いることができ、スクリーン印刷や転写などの方法によってこれら材料を含むペーストを塗布した後、所定の温度条件で焼付けを行うことにより形成することができる。
Silver, silver-palladium, silver-platinum, copper, or the like can be used as the material of the first and
誘電体ブロック19の側面19cに形成する給電導体21は、第1及び第2のスパイラル状導体11,12の一端11a,12a近傍と所定の間隔をもって対向する電極部分21a、並びに、端部に形成された幅広部分21bとを含んでいる。
The
給電導体21の電極部分21aと第1のスパイラル状導体11の一端11a近傍によって形成される容量は、図1及び図2に示した容量C1に相当する。同様に、給電導体21の電極部分21aと第2のスパイラル状導体12の一端12a近傍によって形成される容量は、図1及び図2に示した容量C2に相当する。つまり、第1及び第2のスパイラル状導体11,12の一端11a,12a近傍のうち、給電導体21の電極部分21aと対向する部分の長さは、図1及び図2に示した平行部分の長さLHに相当する。したがって、容量C1,C2の容量値を調整するためには、第1及び第2のスパイラル状導体11,12の一端11a,12a近傍の長さを調整すればよい。
The capacitance formed by the
一方、給電導体21の幅広部分21bは、図示しないプリント基板上の配線と接続するための端子として用いられる。プリント基板とアンテナ装置10との電気的及び機械的接続を十分に確保するためには、幅広部分21bの面積を十分に広く設定することが好ましい。
On the other hand, the
このように、本実施形態によるアンテナ装置10は、1個の誘電体ブロックの表面に導体を形成するだけで作製することが可能である。
As described above, the
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。 The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. Needless to say, it is included in the range.
例えば、上記実施形態においてはスパイラル状導体11,12の平面形状を四角形としているが、これらの外径が四角形であることは必須でなく、円形や八角形などであっても構わないし、楕円形であっても構わない。
For example, in the above embodiment, the planar shape of the
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこの実施例に何ら限定されるものではない。 Hereinafter, although the Example of this invention is described, this invention is not limited to this Example at all.
まず、図1及び図2に示したアンテナ装置10と同様の構造を有するアンテナを想定し、FDTD法(Finite Difference Time Domain Method)により、試験周波数を314.36MHz(≒315MHz=λ315)とした場合の特性を解析した。
First, assuming an antenna having the same structure as the
条件としては、第1及び第2のスパイラル状導体11,12の最外周部分におけるX方向及びY方向の長さをそれぞれLx,Lyとし(図1参照)、第1及び第2のスパイラル状導体11,12のZ方向における距離をHとし(図1及び図2参照)、第1及び第2のスパイラル状導体11,12の合計長をLwireとし、第1及び第2のスパイラル状導体11,12の巻線間隔をLpとし(図1参照)、第1及び第2のスパイラル状導体11,12の半径をρとし、給電点20から容量C1,C2までの距離をLv1とし(図2参照)、容量C1,C2から第1及び第2のスパイラル状導体11,12の巻回部までの距離をLv2とし(図2参照)、容量C1,C2の電極間距離をδとすると(図2参照)、これらを表1に示すとおりに設定した。
The condition is that the lengths in the X direction and Y direction at the outermost peripheral portions of the first and
容量C1,C2を構成するワイヤの平行部分の長さLHについては、2mm,4mm,6mmの3段階に変更した。 The length L H of the parallel portions of the wire forming the capacitor C1, C2, was changed 2 mm, 4 mm, in three steps of 6 mm.
入力インピーダンスの抵抗成分(Rin)の解析結果を図4に示す。また、入力インピーダンスのリアクタンス成分(Xin)の解析結果を図5に示す。 The analysis result of the resistance component (R in ) of the input impedance is shown in FIG. Moreover, the analysis result of the reactance component (X in ) of the input impedance is shown in FIG.
図4及び図5に示すように、LH=6mmとした場合に、試験周波数である314.36MHzにおいて入力インピーダンスの抵抗成分(Rin)が約50Ω、入力インピーダンスのリアクタンス成分(Xin)がほぼゼロとなった。また、このような特性が得られる周波数は、LHを短くするほど高周波方向に移動することが確認できた。 As shown in FIGS. 4 and 5, when L H = 6 mm, the resistance component (R in ) of the input impedance is about 50Ω and the reactance component (X in ) of the input impedance is 314.36 MHz as the test frequency. Almost zero. The frequency of such characteristics can be obtained, it was confirmed that the move as in the high-frequency direction to shorten the L H.
LH=6mmとした場合の放射パターンの解析結果を図6に示す。図6において、(a)はz軸と平行な面の放射パターンを示し、(b)はx軸と平行な面の放射パターンを示している。また、図6(a)において、実線はEθを表し、破線はEφを示している。図6に示す解析結果からx方向における利得を算出すると、利得は1.67dBiであり、極めて高い利得が得られることが確認された。 The analysis result of the radiation pattern when L H = 6 mm is shown in FIG. 6A shows a radiation pattern on a plane parallel to the z axis, and FIG. 6B shows a radiation pattern on a plane parallel to the x axis. Further, in FIG. 6 (a), the solid lines represent the E theta, a broken line indicates the E phi. When the gain in the x direction is calculated from the analysis result shown in FIG. 6, it is confirmed that the gain is 1.67 dBi, and an extremely high gain can be obtained.
10 アンテナ装置
11 第1のスパイラル状導体
11a 第1のスパイラル状導体の一端
11b 第1のスパイラル状導体の他端
12 第2のスパイラル状導体
12a 第2のスパイラル状導体の一端
12b 第2のスパイラル状導体の他端
19 誘電体ブロック
19a 誘電体ブロックの一方の主面
19b 誘電体ブロックの他方の主面
19c 誘電体ブロックの側面
20 給電点
21 給電導体
21a 電極部分
21b 幅広部分
C1,C2 容量
10
Claims (6)
前記第1及び第2のスパイラル状導体は互いに異なる平面に形成され、
一方向から見た前記第1のスパイラル状導体の前記一端から他端への巻回方向と、前記一方向から見た前記第2のスパイラル状導体の前記一端から他端への巻回方向とが互いに逆方向であることを特徴とするアンテナ装置。 An antenna device including first and second spiral conductors having one end capacitively coupled to a feeding point and the other end open,
The first and second spiral conductors are formed on different planes;
A winding direction from the one end to the other end of the first spiral conductor as viewed from one direction, and a winding direction from the one end to the other end of the second spiral conductor as viewed from the one direction. Antenna devices characterized in that they are in opposite directions.
6. The distance between the first spiral conductor and the second spiral conductor is set to about λ / 100, where λ is a wavelength of a center frequency. The antenna apparatus as described in any one.
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