JP2010272963A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナの構成要素として、GND（グランド）導体を有効に利用することによって、数十MHｚより高い周波数（例えば、UHF帯）でも高感度、高効率で動作し得るアンテナ装置を提供する。
【解決手段】GND導体１と、このGND導体の端部にこれと離間して配置され、一端を給電端２ａ、他端を接地端２ｂとして、それぞれGND導体１に離れて形成された給電点１ａ、接地点１ｂに接続されたコイル２とを備え、数十MHｚより高い周波数において並列共振）するように、少なくともコイル２のピッチ、ターン数及びコイルとGND導体との離間距離を設定した。
【選択図】図１

Description

本発明は、数十MHｚより高い周波数（例えば、UHF帯）における移動体通信機器に内蔵可能な小型のアンテナ装置に関するものである。

例えば、特許文献１に示される従来のコイルアンテナは、フレキシブル基板上に間隙を設けて並置された２つのコア表面にコイル導体を形成する構成を有し、RFID(Radio Frequency Identification)システムの動作周波数である13.56 MHz付近ではコイル上の電流分布はほぼ一定と見なし、そのインダクタンスに同調させたコンデンサを用いて並列共振回路を構成している。

特開２００８−４８３７６号公報

このようなコイルアンテナにおいては、コイルは、空芯で用いられることもあるが、コイル中心に磁性体を設けることによって、磁束を集め、効率のよいアンテナを実現することが可能ではある。
しかし、数十MHｚより高い周波数（例えば、UHF帯）においては、コイル上に電流分布を持つため、ロスが大きくなってアンテナとして動作しないという問題点があった。

本発明は、アンテナの構成要素として、GND（グランド）導体を有効に利用することに
よって、数十MHｚより高い周波数（例えば、UHF帯）でも高感度、高効率で動作し得るアンテナ装置を提供することを目的とするものである。

本発明のアンテナ装置は、GND導体と、このGND導体の端部にこれと離間して配置され、一端を給電端、他端を接地端として、それぞれ前記GND導体に離れて形成された給電点、接地点に接続されたコイルとを備え、前記コイルが数十MHｚより高い周波数の動作周波数において直列共振するように、少なくとも前記コイルのピッチ、ターン数及び前記コイルとGND導体との離間距離を設定したものである。動作周波数よりも低い周波数では、並列共振するが、その周波数は、動作周波数となるように設計せず、並列共振の次の共振である直列共振を利用して動作させる。このような構成にすることによって、GNDに対して、同じ向きの電流が流れ込むため、GNDに効率よく電流を誘起することができ、効率のよいアンテナとして動作する。
従来の磁界アンテナは、電流が同じ向きに流れることを前提に、電流路がインダクタンスとして動作することを前提に設計されており、従来の電界アンテナもまた、電流が同じ向きに流れることを前提に設計されている。本アンテナは、並列共振の上の直列共振を効果的に利用することによって、GND導体に効果的な電流を流すものである。

本発明のアンテナ装置によれば、GND導体上に放射する電流分布が形成され、放射抵抗
が大きくなり、数十MHｚより高い周波数（例えば、UHF帯）でも高感度、高効率で動作する、移動体通信機器に内蔵可能な小型のアンテナ装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置を示す平面図である。 実施の形態１におけるコイル上の電流分布を示す説明図である。 実施の形態１においてGND導体に誘起される電流分布を示す説明図である。 実施の形態１におけるGND導体長さと放射抵抗の関係を示す説明図である。 実施の形態１におけるテストデータの一例を示す説明図である。 本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置を示す平面図である。 実施の形態２におけるコイルの磁束を示す説明図である。 本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置を示す平面図である。 本発明の実施の形態４に係るアンテナ装置を示す平面図である。 本発明に適用可能なGND導体の他の例を示す平面図である。 本発明に適用可能なGND導体の他の例を示す平面図である。 本発明に適用可能なGND導体の他の例を示す平面図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置を示す平面図で、平板状で長方形のGND導体１の短辺側端部にこれと離間してコイル２が配置されている。コイル２は中心に磁性体３を有し、一端を給電端部２ａ、他端を接地端２ｂとして、それぞれGND導体１の短辺側端部に離れて形成された給電点１ａ、接地点１ｂに接続されている。

そしてこの構成において、コイル２は、数十MHｚより高い周波数において直列共振するように、コイル２のピッチ、ターン数等が調整されている。すなわち、電流が分布を持ち、電流の向きがGNDに対して同じ方向に流れる状態である。
例えば、400MHz（UHF帯）で放射するアンテナ装置を構成する場合は、コイル２はピッチが1.6mmで25ターン、コイル長さは40mmに設定され、コイル２の中心に、3×3×35mmの磁性体３が挿入される。この場合のコイル２の直列共振周波数は、400MHzとなる。

コイル２の自己共振周波数は、コイル２のピッチ、ターン数、コイル長さ、磁性体３のサイズによって決まるもので、電磁界解析、もしくは、コイルを試作して求められるものである。この自己共振周波数において、コイル２上の電流分布は、図２のようにλ／２モードの電流分布（コイルの中央部で電流が、左右で反転する分布）を持つようになり、中心で０、両端で最大となる定在波となる。
瞬間的に見ると、給電端２ａと接地端２ｂでは、同じ向きに電流が流れる（コイルの巻線長方向に座標系を取れば反対方向）。ここで言う同じ向きとは、400MHzで振動する電流をあるタイミングで瞬間的に見たときの位相関係のことを示しており、400MHzの半周期後の時刻では、反対を向いている。
これは、UHF帯のように、コイルの巻線長さと波長が近いときに発生する現象であり、従
来のコイルアンテナが使用されてきた数十MHｚ以下では、一定の分布となる。

このような電流分布を持つコイル２が、GND導体１に、異なる位置で接続された場合に
は、GND導体１に図３に示すような電流分布が誘起される。
GND導体１のコイル配置端部とは反対側の端部に向かって流れる電流Ｉにより、このGND導体１は、コイル２とあわせて、電界アンテナとして機能する。送信のメカニズムについて述べたが、受信についても相反定理により同様である。
なお、図３の電流分布については、実測で測定することは困難であるが、発明者等は高周波電磁界シミュレータHFSS（登録商標）を用いて計算して可視化し、上記のような電流分布となっていることを確認し、また、この解析結果が妥当であることを、測定したインピーダンスと解析したインピーダンスが一致することから検証した。

次に、コイル２上の反転電流分布が発生する直列共振周波数の調整の仕方について説明する。
直列共振周波数は、コイル２のターン数、ピッチ、磁性体３のサイズ、コイル２とGND導体１との離間距離に依存する。
インダクタンスは、コイル２のターン数にほぼ比例するため、

の関係から、コイル２のターン数は、直列共振周波数の平方根に反比例する。
そして、コイルピッチは、直列共振周波数の容量成分を変化させるため、ピッチが狭いほど、容量が大きく共振周波数は下がる。
また、磁性体サイズは、大きい方が、インダクタンスが大きくなるため、共振周波数は、下がる。
更に、コイル２とGND導体1との距離が離れると、共振周波数は高くなる。
実際には、これらのパラメータは、ターゲットの共振周波数になるように、電磁界解析もしくは試作を繰り返し、トライアンドエラーによって決定する。
後述する反転巻きコイルやＬ字コイルに関しても、電磁界解析もしくは試作を繰り返し、トライアンドエラーによって決定する。
ピッチが狭くなると、放射効率が下がる傾向があるため、必要な放射効率を得るためには、最低限確保しないといけない値がある。

また、コイル２とGND導体１との離間距離が近い場合にも、放射効率が下がる。必要な、放射効率及び受信感度を確保するためには、例えば、10mm程度の隙間をあける必要がある。
GND導体１のサイズに関しては、アンテナ設計以外の観点から決定されることが多いが、
アンテナ設計の立場からすると、GND導体１の長さは、共振周波数から決まる波長λの１
／４である。そのときに、もっとも、放射抵抗が大きくなり、１／4の整数倍においても
放射抵抗のピークがある（図４参照）。

図５は、テストデータの一例として、コイル２のターン数23,25，27におけるピッチと放射効率の関係を示すもので、GND導体１が無い場合には-20dBの放射効率であるのに対し、GND導体１がある場合には、-5dBまで改善することを示している。

以上のように、この発明によれば、GND導体１と、このGND導体の端部にこれと離間して配置され、一端を給電端２ａ、他端を接地端２ｂとして、それぞれGND導体１に離れて形成された給電点１ａ、接地点１ｂに接続されたコイル２とを備え、数十MHｚより高い周波数において直列共振（容量性から誘導性にインピーダンスが変化する共振）するように、少なくともコイル２のピッチ、ターン数及びコイルとGND導体との離間距離を設定するようにしたもので、これによって図３のようなGND導体１上に放射する電流分布が生じてGND導体１から放射するため、放射抵抗が大きくなり、高感度で高効率なアンテナ装置が実現される。

そして、このようにGND導体１をアンテナの構成要素として有効的に活用することにより、小型でかつ高効率なアンテナを実現する。
また、接地点と給電点の位置を離したため、GND導体１に放射に十分な電流を流すことが
できる。また、GND導体１の短辺側にアンテナを配置し、長辺方向に電流を流すことによ
って効率よく放射される。

なお、共振周波数を低下させ小型化をするために、コイル２に磁性体３を挿入したが、小型化を犠牲にすれば、空芯コイルでも実現可能である。共振周波数における放射効率、受信感度は、空芯のほうが高い。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置を示す平面図で、コイル２は、順巻の第１のコイル部２ｃと逆巻の第２のコイル部２ｄに２分割されている。
実施の形態１では、電流が真中を境に反転するため、図７（ａ）に示すように、磁束が互いに打ち消しあっていた。そのため、UHF帯の見かけ上のインダクタンスが低下し、図７
（ｂ）のように、逆巻きにしたときに比べ、同じサイズで得られるインダクタンス値が小さかった。そのため、同じ周波数で共振させるために、より小型化しようとした場合には、図７（ｂ）のような構成にする必要がある。
図７（ｂ）のように、コイル２を真中で分断し、右は順巻、左は逆巻にコイルを巻くことによって、磁束が強めあうようにすることができる。その結果として、UHF帯の見かけ上
のインダクタンスが増加し、共振周波数を低下させることができ、小型化できるというメリットがある。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置を示す平面図で、コイル２は、第１のコイル部２ｃと第２のコイル部２ｄに分割され、GND導体１のコーナー部にＬ字状に配
置されている。
実施の形態１では、電流が真中を境に反転するため、図６（ａ）に示すように、磁束が互いに打ち消しあっていた。そのため、UHF帯の見かけ上のインダクタンスが低下し、共振
周波数が高くなり、小型化できない問題点があった。
図８のように、Ｌ字状にコイルを配置すると、磁束がキャンセルする効果が無くなるため、
共振周波数が低下し、結果としてアンテナは小型化される。
また、図８に示すように電流が斜めに励振されるため、GND導体１の辺の長さを活用でき
、放射効率が増加する。
GND導体１は比較的大きな導体であるため、GND導体１に電流を流すことができれば、放射抵抗は、大きくなる。GND導体に大きな電流を効果的に流すことが、この構成では可能となる。

実施の形態４．
図９は、本発明の実施の形態４に係るアンテナ装置を示す平面図で、GND導体１のコー
ナー部は、２分割されＬ字状に曲げられたコイル２ｃ，２ｄを収容するように階段状の切欠き部１ｃが形成されている。
このようにすれば、Ｌ字状のコイルをGND導体１に実装する上で、収納性が良くなり、アンテナ装置をデザイン性がよい状態で筐体に実装できる上、金属部品未実装エリア１ｄ，１ｅを確保すれば、FR4基板などの誘電体の上に配置することが可能となる。

なお、上記各実施の形態では、GND導体１の形状として平板状で長方形のものを示した
が、図１０のように切欠き１ｆを形成した矩形状のものや、図１１のように切欠き１ｆを形成した矩形状のGND導体１を２枚、接地点で１点接続したものだけでなく、長辺、短辺を有する多角形状のものも用いることもできる。
また、GND導体１は理想的には１枚で構成されていることが好ましいが、図１２に示すよ
うにGND導体１を複数枚の導体（図では２枚）で構成し、数点の接続点１ｇ（図では３点）で接合されている場合でも、同じ動作原理で動作させることが可能である。
更に、GND導体１の形状は、平板状に限らず、曲面形状のものであっても差し支えない。

１：GND導体 １ａ：給電点 １ｂ：接地点 １ｃ：切欠き部 １ｄ，１ｅ：金属部品未
実装エリア １ｆ：切欠き １ｇ：接続点
２：コイル ２ａ：給電端 ２ｂ：接地点 ３：磁性体

Claims (10)

1. GND導体と、このGND導体の端部にこれと離間して配置され、一端を給電端、他端を接地端として、それぞれ前記GND導体に離れて形成された給電点、接地点に接続されたコイルとを備えたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 動作周波数を数十MHｚより高い周波数で使う場合において、電流が、前記GND導体に対して、２つの接続点から同じ向きに電流が流れるように、ピッチ、ターン数及び前記コイルとGND導体との離間距離を設定したことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記コイルは、中心に磁性体を有することを特徴とする請求項１または２記載のアンテナ装置。
4. 前記GND導体は長方形状もしくは、長辺、短辺を有する多角形状を有し、前記コイルは前記GND導体の短辺側の端部に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載のアンテナ装置。
5. 前記GND導体の長辺側の長さは、共振周波数から決まる波長λの１／４であることを特徴とする請求項４記載のアンテナ装置。
6. 前記コイルは、第１のコイル部と第２のコイル部に２分割されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載のアンテナ装置。
7. 前記コイルは、前記第１のコイル部と前記第２のコイル部を前記GND導体のコーナー部にＬ字状に配置されていることを特徴とする請求項６記載のアンテナ装置。
8. 前記GND導体のコーナー部は前記コイルを収容するように切欠き部が形成されていることを特徴とする請求項７記載のアンテナ装置。
9. 前記第１のコイル部は順巻であり、前記第２のコイル部は逆巻であることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一つに記載のアンテナ装置。
10. 前記GND導体は、電気的に接続された複数枚の導体で構成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一つに記載アンテナ装置。