JP2015061102A

JP2015061102A - アンテナ装置及び無線機器

Info

Publication number: JP2015061102A
Application number: JP2013191721A
Authority: JP
Inventors: 洋平白川; Yohei Shirakawa; 芳丈揚石; Yoshitake Ageishi
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2015-03-30

Abstract

【課題】小型でかつ最大利得が大きいアンテナ装置及び無線機器を提供する。
【解決手段】平面視で矩形状のグランド部４と、グランド部４の一辺に沿うようにグランド部４と離間して形成され、グランド部４と給電部５を介して電気的に接続される素子部６と、を有する平面アンテナ部２と、平面アンテナ部２と隣接して配置され、少なくともグランド部４の前記一辺と垂直な辺に対して平行に配置される平行部８を有する導体部３と、を備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定した温度や湿度、電力使用量、光度等の情報を無線通信を用いて伝達する無線センサ端末や、ノートパソコンなどの無線情報通信端末等に搭載される小型のアンテナ装置及び無線機器に関するものである。

近年、測定した温度や湿度、電力使用量、光度等の情報を収集し、その情報を有効活用するセンサネットワークシステムの適用が増加している。当システムにおいて情報伝達の一手法として、無線センサ端末が広く用いられてきている。無線センサ端末を用いたセンサネットワークシステムとして、例えば、工場などに無線温度センサ端末を配置し、これら無線温度センサ端末で測定した温度情報を基地局で集約し温度管理を行う温度管理システム等がある。

上述のような無線センサ端末を用いたシステムでは、無線センサ端末と基地局間で通信可能な距離（通信距離という）は、無線センサ端末に搭載されるアンテナ装置から出力される信号の強度に依存する。よって、アンテナ装置から出力される信号の強度を大きくすることで、通信距離を増加させて、無線センサ端末や基地局の数を低減することが可能になり、より低価格でかつより設置に手間の掛らないシステムを実現することが可能になる。

アンテナ装置において、出力される信号強度を大きくする方法としては、入力信号強度を増加させる方法と、アンテナ利得を増加させる方法と、がある。

入力信号強度を増加させる方法では、より多くの電力が必要となり、システムの消費電力が増加するという問題がある。他方、アンテナ利得を増加させる方法では、例えば、アンテナ形状の変更によりアンテナ最大利得を増加させることが可能であり、システムの消費電力を増加させることなく信号強度を大きくし、省電力なシステムを構築することが可能になる。

最大利得を増加させる方法として、給電素子と無給電素子とから構成され、両者の距離や素子長を適度に選択することによって、特定方向への利得を増加させることが可能な八木アンテナを用いることが考えられる。１つの給電素子と１つの無給電素子とを用いた２素子八木アンテナでは、最大利得を約４〜５ｄＢｉとすることができ、ダイポールアンテナの利得（約２ｄＢｉ）を凌ぐ良好な利得を実現可能である。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１，２がある。

特開２００７−２８２５５号公報特開２００４−２０１２７８号公報

ところで、上述の無線センサ端末等では、人との接触による故障等を避け、占有スペースを小さくするため、アンテナ装置を筐体内に内蔵することが望まれる。

垂直編波を用いるシステムにおいて２素子八木アンテナを用いる際には、２素子八木アンテナを地面に対して垂直に配置する必要があるが、例えば、中心周波数として９２０ＭＨｚを用いた場合、アンテナ高さ（給電素子の長さ）は０．１６３ｍより大きくなり、無線センサ端末の高さが非常に大きくなってしまう。その結果、設置スペースが大きくなり、無線センサ端末の設置可能な位置が制限されてしまうという問題が生じる。

八木アンテナを用いずに逆Ｆアンテナなどの平面アンテナを用いることも考えられる。逆Ｆアンテナなどの平面アンテナでは、アンテナ高さを動作周波数帯の中心周波数に対する波長の１／４倍より小さくでき、２素子八木アンテナよりアンテナ高さを低減することが可能であるが、最大利得が小さいという問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、小型でかつ最大利得が大きいアンテナ装置及び無線機器を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、平面視で矩形状のグランド部と、該グランド部の一辺に沿うように前記グランド部と離間して形成され、前記グランド部と給電部を介して電気的に接続される素子部と、を有する平面アンテナ部と、前記平面アンテナ部と隣接して配置され、少なくとも前記グランド部の前記一辺と垂直な辺に対して平行に配置される平行部を有する導体部と、を備えたアンテナ装置である。

前記平面アンテナ部は、平面視で、一辺が動作周波数帯の中心周波数に対する波長の１／４倍である正方形よりも小さく形成され、前記導体部は、その全電気長が、動作周波数帯の中心周波数に対する波長の１／４倍より大きく３／４倍より小さく形成され、前記平面アンテナ部と前記導体部との最短距離が、動作周波数帯の中心周波数に対する波長の１／４倍より小さいとよい。

前記導体部は、少なくとも１箇所で折り曲げられていてもよい。

前記導体部は、平面視でコの字状に形成されていてもよい。

前記平面アンテナ部と前記導体部とが、同一平面上に配置されていてもよい。

前記平面アンテナ部と前記導体部とが、共通の基板上に形成された導体パターンにより形成されていてもよい。

前記給電部には同軸ケーブルが接続され、該同軸ケーブルを介して給電がなされてもよい。

前記導体部を複数備えていてもよい。

また、本発明は、前記アンテナ装置を搭載した無線機器である。

樹脂からなる筐体を備え、該筐体の内壁に前記平面アンテナ部と前記導体部とが固定されていてもよい。

本発明によれば、小型でかつ最大利得が大きいアンテナ装置及び無線機器を提供できる。

本発明の一実施形態に係るアンテナ装置の平面図である。図１のアンテナ装置において、グランド部に流れる電流と平行部との関係、および電波が強め合う方向を説明する図である。（ａ）は、図１のアンテナ装置のＸＹ平面放射利得の測定結果を示すグラフ図であり、（ｂ）は、導体部を省略した平面アンテナ部のみのＸＹ平面放射利得の測定結果を示すグラフ図である。（ａ），（ｂ）は、本発明の一変形例に掛かるアンテナ装置を示す図である。（ａ），（ｂ）は、本発明の一変形例に掛かるアンテナ装置を示す図である。（ａ）〜（ｃ）は、本発明の一変形例に掛かるアンテナ装置を示す図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施形態に係るアンテナ装置の平面図である。

図１に示すように、アンテナ装置１は、平面アンテナ部２と、平面アンテナ部２と隣接して配置された導体部３と、を備えている。本実施形態では、平面アンテナ部２と導体部３を、厚さ０．２ｍｍの銅板により形成した。

平面アンテナ部２は、平面視で矩形状のグランド部４と、グランド部４の一辺に沿うようにグランド部４と離間して形成され、グランド部４と給電部５を介して電気的に接続される素子部６と、を有している。

ここでは、グランド部４と素子部６の図示左側の端部に給電部５を配置すると共に、給電部５よりも図示右側にグランド部４と素子部６とを接続する短絡部７を形成し、平面アンテナ部２を逆Ｆアンテナで構成しているが、平面アンテナ部２の構成は図示のものに限定されない。例えば、図１では短絡部７の線路長を大きくするため短絡部７をクランク状に形成しているが、直線状に形成してもよい。また、短絡部７を省略して、平面アンテナ部２を所謂逆Ｌアンテナで構成してもよい。

また、グランド部４は、厳密に矩形状である必要はなく、グランド部４を流れる電流の向き（図２参照）に影響がない範囲であれば、辺の傾斜など多少の変形は許容される。また、グランド部４には、ネジ止め用のネジ穴が形成されていたり、他の部材との干渉を避けるための切欠き等が形成されていてもよい。

平面アンテナ部２は、平面視で、一辺が動作周波数帯の中心周波数に対する波長の１／４倍である正方形よりも小さく形成される。つまり、平面アンテナ部２では、その全体の高さＨおよび幅Ｗが、一辺が動作周波数帯の中心周波数に対する波長の１／４倍よりも小さく形成される。以下、平面アンテナ部２におけるグランド部４と素子部６の配列方向である高さ方向をＺ軸、高さ方向と垂直な方向でかつ平面アンテナ部２の表面に沿った方向である幅方向をＸ軸、高さ方向と幅方向の両者に対して垂直な方向である厚さ方向をＹ軸とする。

導体部３は、少なくとも、グランド部４の素子部６が設けられる辺と垂直な辺に対して平行（つまりＺ軸と平行）に配置される直線状の平行部８を有している。

図２に示すように、平面アンテナ部２では、グランド部４において、Ｚ軸に沿って素子部６側（図示上側）から素子部６と反対側（図示下側）の方向に電流が流れる。導体部３の平行部８は、このグランド部４における電流の向きと平行となるように配置される。これにより、導体部３が反射板のような役割を果たし、平面アンテナ部２の導体部３と反対側（Ｘ軸方向、図示点線矢印方向）の最大利得を大きくすることが可能になる。

なお、アンテナ装置１では、Ｚ軸に平行な主偏波が放射される。アンテナ装置１を垂直偏波を用いるシステムに適用する場合、Ｚ軸が鉛直方向となるようにアンテナ装置１を配置することになる。

導体部３は、線状の導体からなり、その全電気長が、動作周波数帯の中心周波数に対する波長の１／４倍より大きく３／４倍より小さく形成される。本実施形態では、平行部８のＺ軸方向における両端部から垂直に、かつ平面アンテナ部２と反対側に延びるように垂直部９をそれぞれ形成し、導体部３を平面視でコの字状（図１では左右反転したコの字状）に形成している。導体部３を少なくとも１箇所で折り曲げることで、導体部３のＺ軸方向に沿った長さを小さくし、アンテナ装置１全体を小型化することが可能になる。

平面アンテナ部２と導体部３とは、両者の最短距離が、動作周波数帯の中心周波数に対する波長の１／４倍より小さくなるように配置される。

また、アンテナ装置１では、薄型化のため、平面アンテナ部２と導体部３とが、同一平面上に配置されている。なお、平面アンテナ部２と導体部３とは、厳密に同一平面上に配置される必要はなく、多少のずれは許容される。本実施形態では、平面アンテナ部２と導体部３を銅板により形成したが、平面アンテナ部２と導体部３は、共通の基板上に形成された導体パターンにより形成されてもよい。

給電部５には同軸ケーブル１０が接続され、同軸ケーブル１０を介して給電がなされる。本実施形態では、直径０．８ｍｍの同軸ケーブル１０を用いた。

図１のアンテナ装置１のＸＹ平面放射利得の測定結果を図３（ａ）に示す。また、比較のため、導体部３を省略した平面アンテナ部２のみのＸＹ平面放射利得の測定結果を図３（ｂ）に示す。なお、図３における交差偏波とはＹ軸と平行な偏波であり、主偏波はY軸と直行する（Ｚ軸と平行な）偏波である。

図３（ａ）に示すように、アンテナ装置１の主偏波の最大利得は４．０ｄＢｉであり、２素子八木アンテナの最大利得と同等の最大利得が得られる。また、中心周波数として９２０ＭＨｚを用いた場合のアンテナ装置１の高さＨは０．０３ｍであり、２素子八木アンテナの０．１６３ｍと比較して約１／５程度と低減できる。

他方、図３（ｂ）に示すように、平面アンテナ部２のみとしたときの主偏波の最大利得は０．３ｄＢｉであり、アンテナ装置１と比較して最大利得が約３ｄＢｉ小さくなっている。これらの結果から、平面アンテナ部２に隣接して導体部３を配置することで、平面アンテナ部２と導体部３の配列方向（Ｘ軸方向）における最大利得を大きくできることが分かる。

本実施形態に係る無線機器は、アンテナ装置１を搭載したものであり、例えば、温度や湿度、電力使用量、光度等を測定するセンサ部を備え、アンテナ装置１を介して無線により測定データを送信可能な無線センサ端末である。

無線機器にアンテナ装置１を搭載する形態については、特に限定するものではないが、例えば、無線機器の樹脂からなる筐体の内壁に、平面アンテナ部２と導体部３とを固定するように構成すればよい。

無線機器の樹脂からなる筐体の内壁に平面アンテナ部２と導体部３とを固定する際には、例えば、両面テープ等を用いて接着固定してもよいし、予め平面アンテナ部２や導体部３に固定用の穴を形成しておき、ネジ止め等により固定してもよい。無線機器の筐体の内壁に樹脂製の突起を形成しておき、その突起を固定用の穴に挿入した状態で突起の先端部を溶融させ変形させることで、平面アンテナ部２や導体部３を筐体に固定することも可能である。なお、平面アンテナ部２や導体部３を基板に形成する場合は、その基板を無線機器の筐体に固定するとよく、取り付け作業を比較的簡単に行うことが可能になる。

以上説明したように、本実施形態に係るアンテナ装置１では、平面視で矩形状のグランド部４と、グランド部４の一辺に沿うようにグランド部４と離間して形成され、グランド部４と給電部５を介して電気的に接続される素子部６と、を有する平面アンテナ部２と、平面アンテナ部２と隣接して配置され、少なくともグランド部４の前記一辺と垂直な辺に対して平行に配置される平行部８を有する導体部３と、を備えている。

このように構成することで、２素子八木アンテナと同等の最大利得を得ることができ、かつ、主偏波と平行な方向の高さＨが２素子八木アンテナより小さいアンテナ装置１を実現することができる。つまり、本実施形態によれば、小型でかつ最大利得が大きいアンテナ装置１を実現できる。

最大利得を大きくすることで、消費電力を増加させることなく信号強度を大きくし、アンテナ装置１の通信距離を大きくすることが可能となる。よって、アンテナ装置１を搭載した無線機器を複数備え、各無線機器から温度等の測定データを基地局で受信するようなシステムを構築する場合に、無線機器や基地局の数を低減し、より低価格でかつより設置に手間が掛からず、かつ省電力なシステムを構築することが可能になる。

また、アンテナ装置１を小型化することにより、アンテナ装置１を内蔵する無線機器についても小型化が可能になり、無線機器の設置スペースを小さくし、狭いスペースでも無線機器を設置することが可能となり、設置位置の自由度が大きくなる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

上記実施形態では、導体部３を平面視でコの字状に形成したが、導体部３の形状はこれに限定されるものではない。

例えば、図４（ａ）に示すアンテナ装置４１のように、導体部３の垂直部９の先端部をさらに内側に折り曲げて略Ｃ字状としてもよい。このように構成することで、導体部３をより小型化し、アンテナ装置１全体をより小型化することが可能になる。

また、無線機器が大型でありアンテナ高さが大きくても許容されるような場合は、図４（ｂ）に示すアンテナ装置４２のように、導体部３を折り曲げずにＺ軸に沿った直線状に形成することも可能である。

さらに、図５（ａ）に示すアンテナ装置５１のように、平面アンテナ部２の表裏が逆となるように平面アンテナ部２の向きをＺ軸回りに反転させても構わない。このように構成することで、給電部５の位置を変えることができるので、アンテナ装置５１を内蔵する無線機器の内部構造によっては、給電用の同軸ケーブル１０の長さを短縮することが可能となり、同軸ケーブル１０の挿入損失を低減し最大利得を増加することが可能になる。なお、図示していないが、平面アンテナ部２の向きをＸ軸回りに反転させることも当然に可能である。

さらにまた、図５（ｂ）に示すアンテナ装置５２のように、平面アンテナ部２と導体部３を同一平面上に配置せず、平面アンテナ部２を配置する平面と、導体部３を配置する平面とが交差するように、平面アンテナ部２と導体部３とを配置してもよい。ここでは、平面アンテナ部２を配置する平面と、導体部３を配置する平面とが直交するように、平面アンテナ部２と導体部３を配置した場合を示している。このように構成することで、例えば、無線機器の筐体の角部を挟むように交差する内壁に平面アンテナ部２と導体部３をそれぞれ配置することが可能となり、より小型な無線機器への搭載も可能になる。

また、上記実施形態では、導体部３を１つ備える場合を説明したが、導体部３を複数備えてもよい。

例えば、図６（ａ）に示すアンテナ装置６１のように、複数（ここでは２つ）の導体部３を幅方向（Ｘ軸方向）に配置してもよい。複数の導体部３を備えることで、最大利得をより大きくすることが可能になる。

また、図６（ｂ）に示すアンテナ装置６２のように、２つのコの字状の導体部３の一方を、他方の内部に収容するように配置してもよい。換言すれば、導体部３をＸ軸方向に離間して配置せずに、その一部がＸ軸上で重なるように配置してもよい。このように構成することで、大型化を抑制しつつも最大利得がより大きいアンテナ装置６２を実現できる。

さらに、図６（ｃ）に示すアンテナ装置６３のように、複数の導体部３を厚さ方向（Ｙ軸方向）に配列するように構成してもよく、この場合も、最大利得をより大きくすることが可能である。

１アンテナ装置
２平面アンテナ部
３導体部
４グランド部
５給電部
６素子部
８平行部

Claims

平面視で矩形状のグランド部と、該グランド部の一辺に沿うように前記グランド部と離間して形成され、前記グランド部と給電部を介して電気的に接続される素子部と、を有する平面アンテナ部と、
前記平面アンテナ部と隣接して配置され、少なくとも前記グランド部の前記一辺と垂直な辺に対して平行に配置される平行部を有する導体部と、
を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
前記平面アンテナ部は、平面視で、一辺が動作周波数帯の中心周波数に対する波長の１／４倍である正方形よりも小さく形成され、
前記導体部は、その全電気長が、動作周波数帯の中心周波数に対する波長の１／４倍より大きく３／４倍より小さく形成され、
前記平面アンテナ部と前記導体部との最短距離が、動作周波数帯の中心周波数に対する波長の１／４倍より小さい
請求項１記載のアンテナ装置
前記導体部は、少なくとも１箇所で折り曲げられている
請求項１または２記載のアンテナ装置。
前記導体部は、平面視でコの字状に形成されている
請求項１〜３いずれかに記載のアンテナ装置。
前記平面アンテナ部と前記導体部とが、同一平面上に配置されている
請求項１〜４いずれかに記載のアンテナ装置。
前記平面アンテナ部と前記導体部とが、共通の基板上に形成された導体パターンにより形成されている
請求項５記載のアンテナ装置。
前記給電部には同軸ケーブルが接続され、該同軸ケーブルを介して給電がなされる
請求項１〜６いずれかに記載のアンテナ装置。
前記導体部を複数備えている
請求項１〜７いずれかに記載のアンテナ装置。
請求項１〜８いずれかに記載のアンテナ装置を搭載した
ことを特徴とする無線機器。
樹脂からなる筐体を備え、該筐体の内壁に前記平面アンテナ部と前記導体部とが固定されている
請求項９記載の無線機器。