JP2009065354A - アンテナ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来よりも小型で高利得のアンテナ装置を提供する。
【解決手段】上部導体板10と、上部導体板10に対向して配置される下部導体板11と、上部導体板10及び下部導体板11を電気的に接続するための接続導体板12と、上部導体板10に接続される側部導体板13と、によりループが形成されたループアンテナを有するアンテナ装置である。下部導体板11に、側部導体板13との間でキャパシタを形成する容量導体板14が接続される。
【選択図】図1
【解決手段】上部導体板10と、上部導体板10に対向して配置される下部導体板11と、上部導体板10及び下部導体板11を電気的に接続するための接続導体板12と、上部導体板10に接続される側部導体板13と、によりループが形成されたループアンテナを有するアンテナ装置である。下部導体板11に、側部導体板13との間でキャパシタを形成する容量導体板14が接続される。
【選択図】図1
Description
本発明は、基板に実装可能な小型のループアンテナ、例えばループ長が0.4波長以下の板状ループアンテナに関する。
携帯通信機器には、その用途や形状、使用周波数により種々の小型アンテナが用いられている。例えば、小型アンテナには、モノポールアンテナをベースとした小型の線状アンテナやパッチアンテナを小型化した逆Fアンテナなどがある。
線状アンテナを小型化すると、エレメントの小型化による放射抵抗の低下及び入力リアクタンスを打ち消すための整合回路のコイルによる損失が大きくなるために、放射効率の低下が顕著になる。逆Fアンテナを小型化すると、エレメント−地板間の誘電体挿入、エレメントのスリット追加、エレメント−地板間の低背化などが考えられるが、いずれも小型化による放射効率の低下を防止する決定的な対策には至っていない。
線状アンテナを小型化すると、エレメントの小型化による放射抵抗の低下及び入力リアクタンスを打ち消すための整合回路のコイルによる損失が大きくなるために、放射効率の低下が顕著になる。逆Fアンテナを小型化すると、エレメント−地板間の誘電体挿入、エレメントのスリット追加、エレメント−地板間の低背化などが考えられるが、いずれも小型化による放射効率の低下を防止する決定的な対策には至っていない。
放射効率が優れている小型アンテナに、板状ループアンテナがある。特許文献1、2は、板状ループアンテナについての従来技術を開示しており、アンテナ利得の劣化を軽減することを主たる目的として提案されている。
特開平6−350321号公報
特開平6−244618号公報
特許文献1のループアンテナは、板状ループアンテナの上板と底板との間に容量性リアクタンス素子を接続した構成である。容量性リアクタンス素子によって逆相電流の発生を制御してアンテナ利得の向上を図っている。
特許文献2のループアンテナは、板状ループアンテナの方形の上板と底板の近接する所定の一頂点近傍に給電端を設け、給電端が設けられた頂点から最も遠い頂点近傍に、上板と底板とを接続するための短絡導体を設ける。このような構成により開口面積が大きく放射抵抗が従来よりも増加したループアンテナが得られる。短絡導体の幅を大きくとることで、放射効率が向上しアンテナ利得が大きくなる。
特許文献2のループアンテナは、板状ループアンテナの方形の上板と底板の近接する所定の一頂点近傍に給電端を設け、給電端が設けられた頂点から最も遠い頂点近傍に、上板と底板とを接続するための短絡導体を設ける。このような構成により開口面積が大きく放射抵抗が従来よりも増加したループアンテナが得られる。短絡導体の幅を大きくとることで、放射効率が向上しアンテナ利得が大きくなる。
しかし、従来の板状ループアンテナは、共振させるための容量性リアクタンス素子やインピーダンス整合をとるための容量性及び誘導性リアクタンス素子による損失が大きい。また、板状ループアンテナは導体板でループを構成するために、回路を付加するためにはアンテナとは別に回路基板などを設ける必要がある。
本発明は、上記のような問題に鑑み、他の回路基板を設けることなく回路を実装可能な、従来よりも小型で高利得のアンテナ装置を提供することを主たる課題とする。
以上の課題を解決する本発明のアンテナ装置は、第1の導体板と、この第1の導体板に対向して配置される第2の導体板と、第1の導体板及び第2の導体板を電気的に接続するための第3の導体板と、前記第1の導体板に接続される第4の導体板と、によりループを形成しており、前記第2の導体板に、前記第4の導体板との間でキャパシタを形成する第5の導体板が接続されて構成される。
導体板によりループを形成したループアンテナの構造なので、導体抵抗が小さくなり、放射効率が向上する。また、第4、第5導体板によりキャパシタを形成しているために、汎用の容量性リアクタンス素子よりも誘電体損を抑えることができ放射効率が向上する。
前記第1の導体板、前記第2の導体板、前記第3の導体板、前記第4の導体板、及び前記第5の導体板は、一体に、例えば1つの導体板を屈曲して形成するしてもよい。
本発明のアンテナ装置は、前記第4の導体板を貫通して一端が前記第5の導体板に対向する導体棒を備えていてもよい。前記導体棒は、前記第4の導体板への挿入深度を変えられるようになっており、この挿入深度の変化によって、前記一端と前記第5の導体板との距離が変化して前記キャパシタの容量が変化するようになっている。キャパシタの容量が変化することで共振周波数を変化させることができる。そのために、導体棒の挿入深度により共振周波数を容易に変えることができるようになる。前記導体棒には、例えばネジを用いることができる。ネジが前記第4の導体板に螺合されて回転することで、前記第4の導体板への挿入深度が変化する。
このようなアンテナ装置は、例えば前記第1の導体板、前記第2の導体板、前記第3の導体板、及び前記第4の導体板の少なくとも1つが、前記ループの外側の面に誘電体からなる回路基板を備えていてもよい。このような構成では、アンテナ装置と回路とを一体に構成することができる。一体に構成することで、更なる小型化、コストダウンを図れる。
本発明によれば、板状ループアンテナで、エレメントの一部がキャパシタを構成するために、従来よりも小型で高利得のアンテナ装置を実現できる。
以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
図1(a)は、本発明の板状ループアンテナの基本的な構成を説明するための板状ループアンテナ1の斜視図であり、図1(b)は、図1(a)の板状ループアンテナ1の等価回路図である。
板状ループアンテナ1は、上部導体板10と、上部導体板10に対向して設けられる下部導体板11と、上部導体板10及び下部導体板11を接続して設けられる接続導体板12と、接続導体板12に対向して設けられ、上部導体板10に接続される側部導体板13と、接続導体板12及び側部導体板13の間に設けられ、下部導体板11に接続される容量導体板14と、を備えて構成されている。
図1(a)は、本発明の板状ループアンテナの基本的な構成を説明するための板状ループアンテナ1の斜視図であり、図1(b)は、図1(a)の板状ループアンテナ1の等価回路図である。
板状ループアンテナ1は、上部導体板10と、上部導体板10に対向して設けられる下部導体板11と、上部導体板10及び下部導体板11を接続して設けられる接続導体板12と、接続導体板12に対向して設けられ、上部導体板10に接続される側部導体板13と、接続導体板12及び側部導体板13の間に設けられ、下部導体板11に接続される容量導体板14と、を備えて構成されている。
内側から、容量導体板14、下部導体板11、接続導体板12、上部導体板10、側部導体板13の順に接続されてループが形成されており、全体としては長さl、高さh、幅wのエレメントを構成している。各導体板の厚さはtで表されており、エレメントのループ内側は、防錆や導体損低減のために亜鉛等でメッキされることが好ましい。この板状ループアンテナ1は、例えばループ長が0.4波長以下の小型アンテナである。板状ループアンテナ1は、複数の導体板を組み合わせて形成しても良く、また、例えば幅wの導体板を折り曲げて用いてもよい。
側部導体板13と容量導体板14とは、その相対する面でキャパシタを構成している。
側部導体板13と容量導体板14とは、その相対する面でキャパシタを構成している。
一般に、アンテナを小型化すると放射抵抗が小さくなる。放射抵抗が小さくなると、アンテナ導体抵抗による損失と同調回路の損失による影響が大きくなって、放射効率が低下する大きな要因となる。従って、放射効率の低下を抑えながらアンテナを小型化するには、アンテナ形状と同調回路が重要になる。
ループ長が0.4波長以下のループアンテナは、直列にコイルとキャパシタを接続した共振回路に等価であり、コイルとキャパシタに相当する部位の導体抵抗損失や誘電体損を抑えることで、高い放射効率を実現することができる。
図1(b)に示す板状ループアンテナ1の等価回路では、特性インピーダンスをη0(=√(μ0/ε0)、μ0:真空中の透磁率、ε0:真空中の誘電率)、真空中における波長をλ0、ループの断面積をSとすると、放射抵抗Rrが式(1)で表される。なお、ループの断面積Sは、長さl×高さhである。
Rr=πη0/6・(2√(πS)/λ0)4 …(1)
Rr=πη0/6・(2√(πS)/λ0)4 …(1)
板状ループアンテナ1の導体抵抗R1は、エレメントの周長lloop(=2(w+l))、誘電率をσ、表皮からの深さをd(=√(2/ωμσ)、ω:角周波数、μ:透磁率)とすると、式(2)で表される。
R1=lloop/2σd(w+t−(w−t)e−t/(2d)−4d(1−e−t/(2d))) …(2)
R1=lloop/2σd(w+t−(w−t)e−t/(2d)−4d(1−e−t/(2d))) …(2)
板状ループアンテナ1の誘電体損Rdは、側部導体板13及び容量導体板14によるキャパシタの静電容量をC、側部導体板13及び容量導体板14の板間の誘電正接をtanδとすると、式3で表される。
Rd=tanδ/ωC …(3)
Rd=tanδ/ωC …(3)
以上の式から、板状ループアンテナ1の放射効率ηは、式(4)で表される。
η=Rr/(Rr+Rl+Rd) …(4)
η=Rr/(Rr+Rl+Rd) …(4)
一般的なループアンテナは線状導体で構成されるために、これを小型化していくと、次第に放射抵抗に対する導体抵抗の比率が大きくなり、放射抵抗が低下する。これに対して板状ループアンテナ1は、幅を持たせた板状の導体でループが構成されており、導体抵抗が小さくなっている。図2は、エレメントの大きさと放射効率ηの関係を示したグラフである。図2から明らかなように、エレメントの幅wが大きくなると、放射効率ηが大きくなる。
また、板状ループアンテナ1は、エレメント幅wが広いことから平面を対にしたキャパシタを容易に構成できる。このキャパシタを構成する板の面積や距離を調整することにより、所望の周波数で共振させることもできる。このキャパシタは、式(3)からも判るように、汎用の容量性リアクタンス素子よりも誘導体損を抑えることができる。そのために、放射効率を大きくすることができる。図3は、誘電正接tanδと放射効率ηの関係を示したグラフである。図3から明らかなように、誘電正接tanδが小さいほど放射効率ηが大きくなる。汎用のキャパシタを用いると、誘電正接tanδが大きくなりがちであるが、板状ループアンテナ1のように側部導体板13及び容量導体板14によるキャパシタでは、誘電正接tanδは小さく保たれる。そのために、汎用のキャパシタを用いるよりも放射効率ηを大きくできる。
式(2)より、エレメントの厚さtを薄くするほど、導体抵抗Rlは大きくなる。一方で放射抵抗Rrは、式(1)よりエレメントの厚さtに依存しないのでこれを薄くしても変わらない。従って、式(4)より、エレメントを薄くするほど放射効率ηは低下する。
板状ループアンテナ1に給電するための給電線15は、例えば図1のように下部導体板11に設けられた孔16を通って上部導体板10に接続される。給電線15は、接続導体板12−側部導体板13方向にオフセットすることで、アンテナ系と給電系の整合をとることができる。導体板10の幅方向にはどこに配置されても構わない。このように給電すると、集中定数素子による整合回路を挿入する必要がないので、その分損失を抑えることができる。
図4は、板状ループアンテナ1の共振周波数と放射効率ηとの関係を、エレメントの厚さtを変えて示したグラフである。周波数が高いほど、エレメントの厚さtによる放射効率ηへの影響が小さくなる。
図5〜図7は、板状ループアンテナに形成されるキャパシタの例を示す図である。
図5は、基板19に接続導体板12、上部導体板10及び側部導体板13を有するエレメントを設けた構成である。基板には誘電体基板が使用されている。基板19には、下部導体板11に相当する導体である下部導体17が設けられる。下部導体17は、導体板や基板19への導電性部材の塗布により形成される。下部導体17は接続導体板12に接続される。基板19及び下部導体17には、孔16が設けられており、この孔16を通って給電線15が上部導体板10に接続される。
側部導体板13の基板19側には、下部導体17に非接触且つ平行になるように容量導体板18が設けられる。下部導体17と容量導体板18とによりキャパシタが形成される。
図5は、基板19に接続導体板12、上部導体板10及び側部導体板13を有するエレメントを設けた構成である。基板には誘電体基板が使用されている。基板19には、下部導体板11に相当する導体である下部導体17が設けられる。下部導体17は、導体板や基板19への導電性部材の塗布により形成される。下部導体17は接続導体板12に接続される。基板19及び下部導体17には、孔16が設けられており、この孔16を通って給電線15が上部導体板10に接続される。
側部導体板13の基板19側には、下部導体17に非接触且つ平行になるように容量導体板18が設けられる。下部導体17と容量導体板18とによりキャパシタが形成される。
図6は、図5の板状ループアンテナと似た構成であるが、側部導体板21の長さ及び容量導体板20の位置が異なる。図6の板状ループアンテナでは、側部導体板21が基板19を貫通して設けられる。基板19には、下部導体板11に相当する導体である下部導体22が、側部導体板21に接触しないように設けられる。下部導体22は、導体板や基板19への導電性部材の塗布により形成される。容量導体板20は、基板19を挟んで下部導体22に平行になるように、側部導体板21に設けられる。基板19を挟んだ容量導体板20と下部導体22とによりキャパシタが形成される。
図7は、図1の板状ループアンテナを基板19上に設けた構成である。基板19には、図6の板状ループアンテナと同様の下部導体22が設けられる。下部導体22には、側部導体板13に対向して容量導体板14が設けられる。側部導体板13と容量導体板14とによりキャパシタが形成される。
図8は、板状ループアンテナ1の動作時の電流密度を表す模式図である。板状ループアンテナ1の動作時には、ループの内側を電流が大量に流れ、外側を流れる電流は少ない。そのために、板状ループアンテナ1の外側に回路を実装した場合でも、エレメントと回路の干渉を極力小さくでき、エレメントと回路の一体化の支障が少ない。
図9は、板状ループアンテナに回路実装領域を設けた例を示す図である。上部導体板、下部導体板を基板上に設けることで、板状ループアンテナを形成する。図9の板状ループアンテナは、図5の板状ループアンテナの上部導体板10にも基板25を設けた構成である。基板25は、図5〜図7の板状ループアンテナに設けられる基板19と同様に誘電体である。板状ループアンテナの外側に位置する基板25の面に回路実装部26が設けられる。回路実装部は、同様に基板19にも設けることができる。このように回路実装部は、基板19、25のループの外側に位置する面に設けるとよい。板状ループアンテナが基板19、25のいずれか一方しか有しない場合でも、その基板に回路実装部を設けることができる。
なお、図5〜図7及び図9の板状ループアンテナのように、基板を用いる場合、両面銅箔のグランドを繋ぐスルーホールの間隔は、例えばλ/8以下とすると、実用上望ましい特性が得られる。
<実施例>
図10は、板状ループアンテナをタイヤ空気圧監視装置の受信アンテナとして用いた場合の構成図である。この板状ループアンテナは、基板30上に設けられている。基板30は、例えば誘電体厚1.6mmのガラスエポキシにより形成される。基板30には下部導体板31が設けられる。下部導体板31は、例えば厚さ32μmの銅箔で構成することができる。
下部導体板31に対向して上部導体板32が設けられ、上部導体板32の一端は、接続導体板33により下部導体板31に接続される。また、上部導体板32の他端は、側部導体板34により基板30に接続される。上部導体板32には給電線15が設けられており、この給電線15は下部導体板31及び基板30を貫通して外部装置に接続される。側部導体板34は、孔が設けられており、当該孔に周波数調整用のネジ35が螺合されている。ネジ35は、導体で構成されており、本発明の導体棒の一例となる。
下部導体板31には、側部導体板34と面が平行になるように、容量導体板36が設けられている。
図10は、板状ループアンテナをタイヤ空気圧監視装置の受信アンテナとして用いた場合の構成図である。この板状ループアンテナは、基板30上に設けられている。基板30は、例えば誘電体厚1.6mmのガラスエポキシにより形成される。基板30には下部導体板31が設けられる。下部導体板31は、例えば厚さ32μmの銅箔で構成することができる。
下部導体板31に対向して上部導体板32が設けられ、上部導体板32の一端は、接続導体板33により下部導体板31に接続される。また、上部導体板32の他端は、側部導体板34により基板30に接続される。上部導体板32には給電線15が設けられており、この給電線15は下部導体板31及び基板30を貫通して外部装置に接続される。側部導体板34は、孔が設けられており、当該孔に周波数調整用のネジ35が螺合されている。ネジ35は、導体で構成されており、本発明の導体棒の一例となる。
下部導体板31には、側部導体板34と面が平行になるように、容量導体板36が設けられている。
上部導体板32、接続導体板33、側部導体板34、及び容量導体板36は、例えば、亜鉛メッキされた厚さ0.5mmの鉄により形成される。このような構成の板状ループアンテナは、例えば、長さl=95mm、高さh=30mm、幅w=98mmに形成される。
側部導体板34に螺合されているネジ35は、回転することで側部導体板34への挿入深度が可変になっており、これによりネジ35の先端と容量導体板36との間の距離を変えることができる。ネジ35の先端と容量導体板36との間の距離を変えることで、キャパシタの容量が変化する。キャパシタの容量を変化させることにより、板状ループアンテナを、所望の周波数で動作させることができる。
図11は、この板状ループアンテナの動作周波数を315MHzに調整した場合のVSWR(Voltage Standing Wave Ratio)を表している。図12(a)、(b)、(c)は、この板状ループアンテナのX-Y平面、Y-Z平面、X-Z平面の放射パタンを表している。実線が垂直偏波、破線が水平偏波を表している。
このように、この板状ループアンテナは小型であるにも関わらず、同サイズの他のアンテナと比較して高い利得を得ることができる。また、基板30に回路を実装できるために、省スペース、コストダウンを図ることができる。
1 板状ループアンテナ
10、32 上部導体板
11、31 下部導体板
12、33 接続導体板
13、21、34 側部導体板
14、18、20、36 容量導体板
15 給電線
16 孔
17、22 下部導体
19、25、30 基板
26 回路実装部
35 ネジ
10、32 上部導体板
11、31 下部導体板
12、33 接続導体板
13、21、34 側部導体板
14、18、20、36 容量導体板
15 給電線
16 孔
17、22 下部導体
19、25、30 基板
26 回路実装部
35 ネジ
Claims (5)
- 第1の導体板と、この第1の導体板に対向して配置される第2の導体板と、第1の導体板及び第2の導体板を電気的に接続するための第3の導体板と、前記第1の導体板に接続される第4の導体板と、によりループを形成しており、
前記第2の導体板に、前記第4の導体板との間でキャパシタを形成する第5の導体板が接続されて構成される、
アンテナ装置。 - 前記第1の導体板、前記第2の導体板、前記第3の導体板、前記第4の導体板、及び前記第5の導体板は、一体に形成される、
請求項1記載のアンテナ装置。 - 前記第4の導体板を貫通して一端が前記第5の導体板に対向する導体棒を備えており、
前記導体棒は、前記第4の導体板への挿入深度を変えられるようになっており、この挿入深度の変化によって、前記一端と前記第5の導体板との距離が変化して前記キャパシタの容量が変化するようになっている、
請求項1記載のアンテナ装置。 - 前記導体棒はネジであり、前記第4の導体板に螺合されて回転することで、前記第4の導体板への挿入深度が変化するようになっている、
請求項3記載のアンテナ装置。 - 前記第1の導体板、前記第2の導体板、前記第3の導体板、及び前記第4の導体板の少なくとも1つは、前記ループの外側の面に誘電体からなる回路基板を備えている、
請求項1記載のアンテナ装置。
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JP2007230384A JP2009065354A (ja) | 2007-09-05 | 2007-09-05 | アンテナ装置 |
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