JP2015070587A - アンテナ及び電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で指向性が広く広帯域で小型でかつ高効率の円偏波用のアンテナ、及びこれを用いた通信装置、電子機器を提供する。【解決手段】アンテナは、ループを構成する素子であって該ループ面に直交する成分を持つ磁流ベクトルを発生する磁流素子１０３と、前記磁流ベクトルと平行な成分を持つ電流ベクトルを発生する電流素子１０１，１０２とを含んで構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ及びアンテナを装備する電子装置で特に移動や携帯に供する電子装置に関する。

例えば、衛星携帯電話機やＧＰＳ（Global Positioning System）を利用したナビゲーション装置では、円偏波を用いた無線通信が行われている。円偏波の受信は直線偏波アンテナでも行えるが、利得が半減してしまうため円偏波アンテナを用いることが望ましい。また人や動物に装着して使用するＧＰＳ機器のような装置においてはアンテナの最大感度方向を常に衛星の方向に保つことが困難である。そのため小型でかつ広い指向性、特に所定の円偏波特性を確保した上での広い指向性を持つアンテナが望ましい。円偏波を発生するアンテナとして、例えば特許文献１の摂動素子を装荷するパッチアンテナや例えば特許文献２のスパイラルアンテナ、線状素子とカール素子を組み合わせたカールアンテナ（特許文献３、非特許文献１、非特許文献２）などがある。

特開２００８−５４０８０号公報 特開平１０−０７５１１４号公報 特公平８−１７２８９号公報

H. Nakano et al "Axial ratio of a curl antenna" IEE Proc.-Microw Antennas Propag., Vol. 144, No. 6, December I997 H. Nakano et al "A Curl Antenna" IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 41, NO. 11, NOVEMBER 1

パッチアンテナは動作周波数が高くなると摂動素子が小さくなり製造が困難になるばかりか必要な円偏波を発生できる周波数帯域が非常に狭い欠点がある。また、指向性はパッチ面方向に単一であり比較的狭いビーム特性となる。グランド電極を小さくするとパッチ面と反対方向（グランド電極の方向）にもビームを発するいわゆる８の字型の指向性を示すが、パッチ面方向とグランド電極方向とでは送受信される円偏波の旋廻方向が逆になる。そのためパッチアンテナでは広い円偏波の指向性パターンを得るのが困難である。さらにパッチアンテナは誘電体を使うため誘電体の損失が避けられない。最も低損失の誘電体を使っても得られる放射効率は３０％程度である。

スパイラルアンテナやカールアンテナは進行波型のアンテナであるため一般に大型でありまた広帯域であるものの指向性は鋭く、携帯機器への応用は困難である。

一般にＧＰＳ等の円偏波を利用する携帯機器に適当なアンテナとして以下の性能が要求される。
１．指向特性が広く、広い空間範囲にわたって軸比が低い円偏波の送受信が可能なこと。
２．広帯域であり、極端な部品寸法精度を要しないこと。
３．携帯機器に搭載可能とするために小型軽量であること。
４．高効率であり感度が高いこと。
これらすべての要求を満たすアンテナは今まで存在しなかった。本発明は、こうした事情に鑑みてなされたものであり、小型で円偏波指向性及び周波数帯域が広く高放射効率の円偏波用のアンテナ、及びこれを用いた通信装置、電子機器を提供することを解決課題とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係るアンテナは、ループを構成する素子であって該ループ面に直交する成分を持つ磁流ベクトルを発生する磁流素子と、前記磁流ベクトルと平行な成分を持つ電流ベクトルを発生する電流素子と、を含んで構成されることを特徴とする。

本適用例によれば、磁流素子の放射する電磁界と電流素子の放射する電磁界との合成によって円偏波を発生することができる。磁流素子からの放射電磁界は該磁流素子の発生する磁流ベクトルに直交する面内で無指向性（穴のないドーナツ型、すなわちオムニディレクショナル）である。また電流素子からの放射電磁界は該電流素子の発生する電流ベクトルに直交する面内で無指向性（穴のないドーナツ型、すなわちオムニディレクショナル）である。両ベクトルを平行になるように配置すれば両者から放射される電磁界の指向特性は一致し、しかも電磁界の向き及び位相差が９０°なので移相器などの手段を要せず無指向性で周波数帯域も広い円偏波アンテナを実現できる。

［適用例２］本適用例に記載のアンテナにおいて、前記磁流素子と前記電流素子とを構成する導体の電気長の合計は、駆動電磁波波長の半分以下であることを特徴とする。

本適用例によれば、磁流素子と電流素子との電気長の合計が動作波長の半分以下で良いので小型化が可能となる。

［適用例３］本適用例に記載のアンテナにおいて、前記磁流素子は、切欠き部のあるループ素子で構成され、前記電流素子は、前記ループ面を挟んで該ループ面に置かれた第１の直線素子と第２の直線素子とで構成され、前記第１の直線素子の一端は、前記ループ素子の一端に接続され、前記第２の直線素子の一端は、前記ループ素子の前記一端とは異なる他端に接続されることを特徴とする。

本適用例によれば、磁流素子及び電流素子は第１の直線素子と第２の直線素子とで構成することが可能なので、高価で損失もある誘電体を使用することなく、小型で高効率のアンテナを実現できる。

［適用例４］本適用例に記載のアンテナにおいて、前記磁流素子は、切欠き部のある第１のループ素子と、切欠き部のある第２のループ素子とで構成され、かつ、それぞれのループ素子のループ面は互いに向き合うように配置されており、前記電流素子は、直線状の直線素子で構成され、前記直線素子の一端は、前記第１のループ素子に接続され、前記直線素子の前記一端とは異なる他端は、前記第２のループ素子に接続されていることを特徴とする。

本適用例によれば、磁流素子及び電流素子は直線状の直線素子で構成することが可能なので、高価で損失もある誘電体を使用することなく、小型で高効率のアンテナを実現できる。さらにループで構成される磁流素子が２つとなるのでさらに小型化が可能である。

［適用例５］本適用例に記載のアンテナにおいて、前記磁流素子のループ面と向かい合う導体板を備え、前記磁流素子は、切欠き部があり、前記電流素子の一端は、前記磁流素子に接続され、前記電流素子の前記一端とは異なる他端が前記導体板側に配置されていることを特徴とする。

本適用例によれば、アンテナは、上記のアンテナを半分に切って導体板に置いたものである。これによって、アンテナの残りの半分は前記導体板上に生じる電気鏡像によって動作することになる。これによってさらに小型化が可能となる。また導体板の直下に電気部品やノイズを発しやすい発振回路やデジタル回路を置いてもその影響を排除できる効果もある。

［適用例６］本適用例に記載のアンテナにおいて、前記電流素子の一端に接続され、かつ前記磁流素子のループ面に向かい合う導体板と、前記磁流素子又は前記電流素子の上の一点と前記導体板との間に給電する給電部と、を備え、前記磁流素子は、切欠き部のあるループ素子で構成され、前記電流素子は、前記磁流素子のループ面に交わるように配置されその一端が前記磁流素子に接続されていることを特徴とする。

本適用例によれば、アンテナは前記磁流素子又は前記電流素子上の一点（給電点）から給電源をへて導体板との間で給電される。給電点の位置を変えることによって最適なアンテナ放射インピーダンスを得ることができ特別な整合手段を持たずに整合を取ることができる。

［適用例７］本適用例に記載のアンテナにおいて、少なくとも対向する２つの面を持つ立体形状の誘電体と、前記誘電体の一方の面上に設けられたＧＮＤ電極と、を備え、前記磁流素子は、前記誘電体の他の面上に設けられた第１の電極により構成され、前記電流素子は、前記第１の電極と前記ＧＮＤ電極とを接続する第２の電極によって構成されることを特徴とする。

本適用例によれば、特に適用例６のアンテナの素子や電極を誘電体の上に形成するのでさらに小型のアンテナを実現できる。

［適用例８］本適用例に記載のアンテナにおいて、前記第２の電極は、前記誘電体の２つの面に連なる誘電体の面上に設けられていることを特徴とする。

本適用例によれば、特に適用例６のアンテナの素子や電極を誘電体の上に形成するので、さらに小型のアンテナを実現できる。

［適用例９］本適用例に記載のアンテナにおいて、前記第１の電極又は第２の電極からタップをとり、前記タップと前記ＧＮＤ電極との間に給電する給電手段を有することを特徴とする。

本適用例によれば、タップによって給電できるので製造が容易である。

［適用例１０］本適用例に係る電子装置は、上記のいずれか一項に記載のアンテナを含んで構成されることを特徴とする。

本適用例によれば、本発明によるアンテナの特徴を生かして小型で持ち運びに便利な携帯機器を実現することができる。

［適用例１１］本適用例に記載の電子装置において、前記アンテナを含んで構成され測時情報又は測位情報の少なくとも一方を有する電波信号を受信するアンテナ部と、前記アンテナ部により受信した電波信号を受信復調する受信部と、前記受信部によって復調された信号に基づき時刻情報又は測位情報の少なくとも一方を算出する処理部と、前記処理部によって算出された時刻情報又は測位情報の少なくとも一方に基づいた情報を表示する表示部と、導電性の外装下ケースと前記アンテナ部を構成する前記アンテナを支持する絶縁性の外装上ケースを含んで構成される筐体と、を含んで構成されることを特徴とする。

本適用例によれば、位置情報や時刻情報を検出してナビゲーションなどに利用できる小型で持ち運びに便利な電子装置を提供することができる。

（Ａ）は第１実施形態に係るアンテナの外観を示す斜視図、及び（Ｂ）その指向性特性を示す図。 （Ａ）〜（Ｇ）は第１実施形態に係るアンテナの原理を説明する図。 （Ａ）〜（Ｉ）は第１実施形態に係るアンテナの性能を説明する図。 （Ａ）〜（Ｄ）は第１実施形態に係るアンテナの変形例の外観を示す斜視図。 （Ａ）及び（Ｂ）は第２実施形態に係るアンテナの外観を示す斜視図。 （Ａ）〜（Ｃ）は第３実施形態に係るアンテナの外観を示す斜視図。 （Ａ）〜（Ｄ）は第３実施形態に係るアンテナの変形例の外観を示す斜視図。 本実施形態に係る電子装置の外観を示す斜視図。 本実施形態に係る電子装置を説明するブロック図。 本実施形態に係る電子装置の平面図及び断面図。

以下図面を参照して本発明に係る実施の形態を説明する。
＜Ａ．第１実施形態＞
図１（Ａ）は、本実施形態に係るアンテナの外観を示す斜視図、及び図１（Ｂ）は、その指向性特性を示す図である。本実施形態に係るアンテナは、ループ状のループ素子（磁流素子）１０３と第１、第２の直線素子（電流素子）１０１，１０２によって構成される。これらの素子は銅線などの針金やパイプを用いて容易に構成できる。適当な形状の基台に導電性の箔の貼付やエッチング、印刷等によって形成してもよい。ループ素子１０３は、一部に切欠き部１０４を持ち該切欠き部１０４の一端を第１の直線素子１０１の一端に接続し、該切欠き部１０４の他の一端は第２の直線素子１０２の一端に接続されている。

１０５は給電源（給電手段）を表す。本実施例ではループ素子１０３の切欠き部１０４の反対側にもう一つの切欠き部を設けて給電する。通常はレッヘル線などの伝送線によって給電されるが図では省略している。

直線素子１０１，１０２が電流ベクトルを発する電流素子として動作し、ループ素子１０３が磁流ベクトルを発する磁流素子として動作する。

次に図２を参照して本実施形態に係るアンテナの動作原理を説明する。
図２（Ａ）〜（Ｇ）は本実施形態に係るアンテナの原理を説明する図である。図２（Ａ）に示すように座標原点にｚ軸向きに置いた電流値ｉ、長さΔｌの電流素辺２０１による放射電磁界は良く知られているようにｘｙ平面内で無指向性（ドーナッツ型の指向性）を示す（同図（Ｂ））。放射電界はθ成分のみでその大きさＥ_θは球座標（ｒ，θ，φ）において、下記式（１）となる。

Ｅ_θ＝ｊωμｉΔｌｅ^-jkrｓｉｎθ／（４πｒ） …（１）
ここで、ωはアンテナを駆動する角周波数、μは真空の透磁率、ｋは位相定数（＝２π／λ）、λは波長（λ＝２πｃ／ω、ｃは光速ｃ＝（εμ）^-1/2）である。

同様に図２（Ｃ）に示すように座標原点にｚ軸向きに置いた磁流値ｉ_m、長さΔｌの磁流素辺２０２による放射電磁界は良く知られているようにｘｙ平面内で無指向性（ドーナツ型の指向性）を示す（同図（Ｄ））。放射電界はφ成分のみでその大きさＥ_φは、下記式（２）となる。

Ｅ_φ＝−ｉ_mΔｌｊｋｅ^-jkrｓｉｎθ／（４πｒ） …（２）
上記式（１）、式（２）ではそれぞれ長さΔｌにわたって一様な電流値ｉ、磁流値ｉ_mが流れる場合を示すが、半波長程度の長さで、しかも電流値、磁流値が一様でなく例えば三角関数的に変化しても、指向特性はほとんど変化しないことが知られている。
磁流値ｉ_mは、ループ状に流れる電流値ｉ′によって発生させることができその大きさはループの面積をＳとすると、下記式（３）となる。

ｉ_mΔｌ＝ｊωμｉ′Ｓ …（３）
式（３）を式（２）に代入することによって、下記式（４）となる。

Ｅ_φ＝ηｋ²ｉ′Ｓｅ^‐jkrｓｉｎθ／（４πｒ） …（４）
ここにηは真空の界インピーダンスで真空の誘電率をεとするとη＝（μ／ε）^1/2である。

また電流素辺２０１、磁流素辺２０２によって生じる磁界は大きさがそれぞれ式（１）及び式（２）又は式（４）の１／ηであり、電流素辺２０１によって生じる磁界はφ成分のみ、磁流素辺２０２によって生じる磁界はθ成分のみである。

式（１）と式（４）とを見比べると生じる電界の方向は直交している。また式（１）では右辺にｊが掛っており式（４）ではｊが掛っていない。よって電流素辺２０１を流れる電流と、磁流素辺２０２を構成するループを流れる電流の位相が同一ならば、両者から発生する電界は位相が９０°異なりそれらの合成波は円偏波となる。

両者の発生する電界の大きさを同一にすると完全な円偏波を発生することができる。そのために式（１）、式（４）から、下記式（５）を満足するように、ｉ、ｉ′、Ｓ、Δｌを決めればよい。

ηｋ²ｉ′Ｓ＝ωμｉΔｌ …（５）

なお、両者から発生する磁界も直交しており大きさが両者とも１／ηであるので発生する磁界の比較によっても上記と全く同じ議論で上記条件を導出できる。

図２（Ｅ）に示す半波長ダイポールアンテナを考える。２０４は銅線などの導体で構成されるアンテナ素子で長さはλ／２（λは波長）であり、その中点に給電源（給電手段）２０５がある。このアンテナを周波数ｆ＝ｃ／λで駆動するとアンテナ素子２０４には定在波が乗りその電流分布ｉ_dは、下記式（６）となる。

ｉ_d＝ｉ_oｃｏｓ（πｘ／λ） …（６）
ここにｉ_oは給電源２０５における電流値、ｘは給電源２０５からの距離である。

半波長ダイポールアンテナを折り曲げて図１（Ａ）に示した本実施形態のアンテナを構成する。図２（Ｆ）に再掲した本実施形態によるアンテナは、図２（Ａ）の電流素辺２０１によるアンテナと同図（Ｃ）の磁流素辺２０２によるアンテナとを合成したものとなる。同図（Ｆ）のアンテナは同図（Ａ）、（Ｃ）の電流素辺２０１、磁流素辺２０２のようにその大きさが波長に比較して十分小さくなく半波長程度の大きさを持つが、上述のように半波長程度の大きさまではその特性に大きな変化はない。いま、同図（Ｅ）に示すようにアンテナ素子２０４の中央のａλ／２の長さ（ａは１以下の正の実数）の部分でループ素子１０３を構成し残りの部分で直線素子１０１，１０２を構成する。ループ素子１０３及び直線素子１０１，１０２の長さ及び分布電流の平均値は直線で近似してそれぞれ以下のようになる。

ループ素子：長さａλ／２、平均電流値ｉ_o（１＋ｃｏｓ（ａπ／４））／２
直線素子：長さ（１−ａ）λ／２、平均電流値ｉ_oｃｏｓ（ａπ／４）／２
ゆえに上記から、ｉ’Ｓ及びｉΔｌは以下のようになる。

ｉ’Ｓ＝｛ｉ_o（１＋ｃｏｓ（ａπ／４））／２｝π｛（ａλ）／（４π）｝²
ｉΔｌ＝｛ｉ_oｃｏｓ（ａπ／４）／２｝｛（１−ａ）λ／２｝
これらを式（５）に代入してａを求めるとａ≒０．７１となる。

実際には図２（Ｆ）のようにダイポールアンテナを折り曲げた場合の電流分布は正確には三角関数ではなく、また直線素子１０１，１０２の先端からも変位電流が漏えいする。上記は近似計算であり大体の目安を与えるに過ぎない。より正確なａの値はモメント法などのシミュレーションによって決めることができる。

また、図２（Ｆ）に示す本実施形態の本アンテナではループ素子１０３の発生する磁流ベクトルは座標原点にあるが、直線素子１０１，１０２によって発生する電流ベクトルは座標原点にはない。これは正確には同図（Ａ）とは異なるが電流ベクトルと磁流ベクトルとの向きが平行でその距離が半波長以下の近い距離にあれば性能に大した違いは生じない。

直線素子１０１，１０２とループ素子１０３とに流れる電流の位相は同一でなくてはならない。したがって、それらの素子には定在波が乗るように駆動されるべきである。よって本実施形態によるアンテナは進行波型のアンテナではない。電流の向きも一定方向を向くためにはそれらの素子の合計の電気長が駆動する電磁波波長の１／２以下にするのが好ましい。

図３（Ａ）〜（Ｉ）は本実施形態に係るアンテナの性能を説明する図であり、本実施形態のアンテナをモメント法でシミュレーションした結果を示す。シミュレーションモデルの寸法諸元は以下のとおりである。アンテナ素子の材質は直径０．６ｍｍの銅線、λは９５．２ｍｍ（周波数：１．５７５ＧＨｚ）、ａは０．６５である。

図３（Ａ）はＳ１１特性を示す。ただし、インピーダンス２．５Ωで再規格化している。Ｓ１１最小となる周波数、すなわち共振周波数は１．３７５ＧＨｚであり、当初予定した１．５７５ＧＨｚからはかなりずれている。これはアンテナ素子の一部をループにしたことにより素子のリアクタンス成分（インダクタンス成分）が増えたことによる短縮効果によるものである。素子寸法を縮小することで目的の周波数に合わせることができる。放射インピーダンスは２．５Ωと非常に低いが、Ｓ１１＜−１０ｄＢの帯域が１０ＭＨｚありかなり広い。

図３（Ｂ）は、アンテナから放射される電磁界の軸比の周波数特性を示す。３０１がx軸方向に放射される電磁界の軸比（ｘ軸方向軸比）、３０２がｙ軸方向に放射される電磁界の軸比（ｙ軸方向軸比）、３０３がｚ軸方向に放射される電磁界の軸比（ｚ軸方向軸比）である。電磁波の放射されない方向、すなわちｚ軸方向軸比３０３では軸比が大きくグラフからはみ出ており表示されていないが、主要放射方向であるｘ、ｙ軸方向軸比３０１，３０２では広い周波数範囲（１〜２ＧＨｚ）において軸比が２以下となっている。本実施形態における本アンテナの円偏波特性は広い周波数範囲にわたって極めて優れており、このような特性は従来のパッチアンテナ等では得ることができない。

図３（Ｃ）は、本実施形態による本アンテナの放射効率を示す。放射効率も広い周波数範囲にわたり９０％前後とパッチアンテナなどの２０〜３０％に比較し非常に良好な特性を示すことがわかる。

図３（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）は、それぞれ全利得、右旋円偏波利得、左旋円偏波利得を示す３Ｄ極座標プロットである。また同図（Ｇ）、（Ｈ）、（Ｉ）はそれぞれｘｚ面内、ｙｚ面内、ｘｙ面内における全利得、右旋円偏波利得、左旋円偏波利得の極座標プロットである（周波数１．３７５ＧＨｚ、単位ｄＢｉ）。３０６が全利得、３０４が右旋円偏波利得、３０５が左旋円偏波利得を示す。同図（Ｉ）では全利得３０６と右旋円偏波利得３０４とが重なっている。右旋円偏波利得３０４がオムニディレクショナルな指向性（ドーナッツ型指向性）を持ち広い空間範囲にわたって良好な軸比の円偏波を放射できる。

なお、図３（Ｄ）から（Ｈ）を見てわかるように、ドーナッツ型指向性にやや傾きがある。これはループ素子１０３上の定在波電流が一様でなく偏りがあるためである。このドーナッツ型指向性の傾きはアンテナを傾けて設置することで容易に回避できるが、応用によってはこのほうがかえって都合がよい場合も多い。

以上に見るように本実施形態に係るアンテナは右旋円偏波を発生する。左旋円偏波のアンテナにするには直線素子１０１，１０２とループ素子１０３との接続を図１（Ａ）の鏡像反転となるように変更すればよい。

＜Ｂ．変形例＞
本実施形態は、上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下の変形が可能である。また、以下に示す２以上の変形を適宜組み合わせることもできる。
図４（Ａ）〜（Ｄ）は本実施形態に係るアンテナの変形例の外観を示す斜視図である。

［変形例１］
上記第１実施形態のアンテナは放射インピーダンスが非常に低かった。図４（Ａ）に示すようにスタブ４０１を付加して放射インピーダンスを調整することができる。なお、以下説明の簡略化のために既に説明した部分については同じ番号を付しその説明を省略する。

［変形例２］
図４（Ｂ）は給電源１０５をループ素子１０３の切欠き部１０４に持ってきたものである。同図（Ａ）のスタブ接続点を切欠き部１０４まで移動したものと考えてよい。この場合はループ素子１０３と直線素子１０１，１０２とが給電側から見て並列につながることになりそれぞれの素子へ流す電流値の調整が容易になりかつ周波数帯域も広くできる。

［変形例３］
図４（Ｃ）は２つの第１及び第２のループ素子（磁流素子）４０３，４０４と１つの直線素子（電流素子）４０５によって構成した例である。給電点は直線素子４０５の中央に置かれ給電源（給電手段）４０６に接続される。直線素子４０５が定在波電流の電流値の大きな部分で駆動されるため図１（Ａ）の第１実施形態に比較してより小型化が可能である。第１及び第２のループ素子４０３，４０４と直線素子４０５とのサイズは本実施形態の時と同様の計算と方法によって決定することができる。

［変形例４］
図４（Ｄ）は第１及び第２のループ素子４０３，４０４に流れる定在波電流の偏りの影響を軽減するために２つの第１及び第２のループ素子４０３，４０４を座標原点に対して対称になるように配置したものである。この場合、直線素子４０５の発する電流ベクトルと第１及び第２のループ素子４０３，４０４とが発生する磁流ベクトルは平行にならない。が、該電流ベクトルの磁流ベクトルに平行な成分があるので円偏波発生への影響は小さい。

［変形例５］
磁流素子を形成するループ素子１０３，４０３，４０４は巻き数１の円形コイルの形を例に説明したが、これに限るものではない。４辺形その他の多角形、楕円などの形状でもよい。また巻き数も１に限らず０．５回以上で適宜決めることができる。

＜Ｃ．第２実施形態＞
図５（Ａ）及び（Ｂ）は本実施形態に係るアンテナの外観を示す斜視図である。まず、同図（Ａ）から説明する。図５（Ａ）は本実施形態に係る斜視図である。本実施形態に係るアンテナは、ループ状のループ素子（磁流素子）５０２と直線素子（電流素子）５０１と導体板５０３とによって構成される。ループ素子５０２は座標原点に磁流ベクトルを発生させる磁流素子であり、直線素子５０１は前記磁流ベクトルに平行な電流ベクトルを発生する電流素子である。導体板５０３は、グランド電極として作動する。

５０４は給電のための同軸ケーブルである。直線素子５０１は導体板５０３に開けられた小穴を通して導体板５０３の下面より給電される。

導体板５０３のシールド効果によって直線素子５０１及びループ素子５０２は、導体板５０３の下方から絶縁される。これによってアンテナ直下に電子回路部品や基板、人体などがあってもその影響を排除できる。そのため高密度実装の携帯用電子装置などへの応用に際し機器を小型化する上で極めて有効である。

図５（Ｂ）は、同図（Ａ）のアンテナにスタブ５０５をつけて給電点を移動したものである。この構成によってアンテナへの給電の整合が取りやすくできる。

＜Ｄ．第３実施形態＞
図６（Ａ）〜（Ｃ）は本実施形態に係るアンテナの外観を示す斜視図であり、図６（Ａ）は、本実施形態に係る斜視図である。本実施形態に係るアンテナは、誘電体６０４の上面に形成したループ電極（第１の導体電極）６０１と、誘電体６０４の下面に形成したグランド電極６０３と、誘電体６０４の１側面に形成した直線電極（第２の導体電極）６０２と、で構成される。これらの電極は誘電体上にメッキや塗布などにより形成した導電性のある金属等をエッチングや切削などによって形成することができる。導電性塗料を用いて直接描いてもよい。

本実施形態における本アンテナは図５（Ａ）に示した第２実施形態のアンテナを、誘電体を取り囲むように形成したものである。誘電体６０４の働きによってアンテナのサイズを小さくすることができる。ループ電極６０１は第１の導体電極（磁流素子）として働き、また直線電極６０２は第２の導体電極（電流素子）として働く。グランド電極６０３は、ループ電極６０１及び直線電極６０２の電気鏡像を発生するとともにアンテナ下方を絶縁し該アンテナ直下に置かれた電気部品や基板、人体などの影響を排除する。

直線電極６０２とグランド電極６０３との間隙６０５が給電点となる。

本実施形態による本アンテナは、誘電体６０４によってそのサイズを非常に小さくできる。誘電体６０４内の損失によって放射効率が若干下落するが良好な円偏波特性、広い周波数帯域を持つ。

図６（Ｂ）は給電の整合を取るために誘電体を貫通するピン６０６によってループ電極６０１からタップを引き出し、グランド電極６０３に開けた小穴６０７を通してアンテナ下面から同軸ケーブルなどを接続して給電する。タップ位置により最適な放射インピーダンスを得ることができる。誘電体６０４の形状によっては最適なピン６０６の位置が誘電体６０４の側面に近づきすぎて加工が困難な場合もあり得る。このような場合は以下に述べる方法が有効である。

図６（Ｃ）は給電を、同図（Ｂ）のようにピン６０６を通してではなく直線電極６０２上に設けたストリップライン６０８によって行うものである。グランド電極６０３とストリップライン６０８との間隙６０９が給電点となる。本アンテナは同図（Ｂ）のようにピン６０６を立てる必要がなく製造が容易となる。

＜Ｅ．変形例＞
本実施形態は、上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下の変形が可能である。また、以下に示す２以上の変形を適宜組み合わせることもできる。

［変形例６］
誘電体６０４の形状として直方体を例に説明したがこれに限られるものではない。円柱、多角柱、その他の多面体や球、あるいは回転楕円体などの表面にループ電極６０１、直線電極６０２、グランド電極６０３を発生する電流ベクトルと磁流ベクトルとが直交するような位置関係となるように置けばよい。

［変形例７］
図７（Ａ）〜（Ｄ）は本実施形態に係るアンテナの変形例の外観を示す斜視図である。
図７（Ａ）に本実施形態の変形例を示す。ループ電極（第１の導体電極）は７０１のような形状にすることもできる。こうすればループの巻き回数が若干増えてアンテナ形状を小型化できる。

［変形例８］
図７（Ｂ）に本実施形態の他の変形例を示す。本変形例は直線電極６０２を誘電体６０４の側面の中央に移動させたものである。実装時において配線がしやすいように適宜給電位置を変更することができる。

［変形例９］
図７（Ｃ）に本実施形態のさらに他の変形例を示す。この変形例は図６（Ｂ）のようにループ電極６０１にタップを取りピン６０６で給電するかわりに、誘電体６０４の側面に置いたストリップライン７０２で給電を行うものである。ストリップライン７０２とグランド電極６０３との間隙７０３が給電点となる。

［変形例１０］
図７（Ｄ）に本実施形態のさらに他の変形例を示す。上記図７（Ｃ）の変形例のようにタップ点をループ電極６０１上に取らなければならない場合は同図（Ｄ）の７０４のようにストリップライン６０８をループ電極６０１の中まで延長してもよい。

＜Ｆ．応用例＞
上記第１〜３実施形態は様々な通信装置や電子装置に応用できる。以下、本実施形態の電子装置における、好適な一例について、添付図面を参照して説明する。ここでは、位置情報衛星等からの電波による測位用信号等を受信して利用する、通信システムに適応した電子装置を例にして、その概要について説明する。この通信システムは、いわゆるＧＰＳ（Global Positioning System）システムである。

図８は本実施形態に係る電子装置の外観を示す斜視図である。図８に示す電子装置８０１は、ベルト８０３により人体の手首８０４に装着して用いる測位機能を持つ電子腕時計である。
ＧＰＳ衛星８０６は、地球の上空の所定の軌道上を周回している位置情報衛星であり、例えば１．５７５４２ＧＨｚのマイクロ波に航法メッセージ等を重畳させた、衛星信号を地上に送信している。このＧＰＳ衛星８０６は原子時計を搭載しており、衛星信号には原子時計で計時された極めて正確な時刻情報であるＧＰＳ時刻情報が含まれている。そのため、ＧＰＳ受信機としての機能を備えた電子腕時計（電子装置）８０１は、衛星信号を受信して、内部時刻の進み又は遅れを修正することにより、正確な時刻を表示することができる。この修正は、測時モードとして行われる。

また、衛星信号にはＧＰＳ衛星８０６の軌道上の位置を示す軌道情報等も含まれている。つまり、電子腕時計８０１は、測位計算を行うこともでき、通常、４つ以上のＧＰＳ衛星からそれぞれ送信された衛星信号を受信することによって、それら中に含まれる軌道情報及びＧＰＳ時刻情報を使用して測位計算を行う機能等を有している。測位計算により、電子腕時計８０１は、現在位置に合わせて時差を修正すること等が容易にでき、この修正は、測位モードとして行われる。ＧＰＳ衛星の発する電波は右旋円偏波であり、受信アンテナの姿勢による受信感度の変動や、ビルの谷間などにおけるマルチパスの影響による測時や測位の誤差を最小にする。

この他、衛星信号を利用すれば、現在位置表示、移動距離測定、移動速度計測を行う等の各種応用が可能であり、電子腕時計８０１では、これらの情報を、表示部である液晶パネル８０２によりデジタル表示することが可能である。８０７はスイッチの押しボタンであり電子腕時計８０１を操作するための入力装置である。この押しボタン８０７を操作して液晶パネル８０２に表示する情報の切り替えや他の様々な制御を行う。

次に、ＧＰＳ受信機能を備えた電子腕時計８０１の回路構成について説明する。
図９は本実施形態に係る電子腕時計８０１を説明するブロック図である。図９に示すように、電子腕時計８０１は、アンテナ部９１０と、受信モジュール（受信部）９４０と、制御部（処理部）９５５を含む表示部９５０と、電池９６０と、を含んで構成されている。

受信モジュール９４０は、アンテナ部９１０が接続されており、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave：表面弾性波）フィルター９２１と、ＲＦ（Radio Frequency：無線周波数）部９２０と、ベースバンド部９３０と、を含んで構成されている。ＳＡＷフィルター９２１は、アンテナ部９１０が受信した電波から衛星信号を抽出する処理を行う。ＲＦ部９２０は、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）９２２と、ミキサー９２３と、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）９２７と、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）制御回路９２８と、ＩＦ（Intermediate Frequency：中間周波数）アンプ９２４と、ＩＦフィルター９２５と、ＡＤＣ（Ａ／Ｄ変換器）９２６と、を含んで構成されている。

ＳＡＷフィルター９２１が抽出した衛星信号は、ＬＮＡ９２２で増幅され、ミキサー９２３でＶＣＯ９２７が出力する局所信号とミキシングされて中間周波数帯の信号にダウンコンバートされる。ＰＬＬ制御回路９２８とＶＣＯ９２７とは位相固定ループを形成し、ＶＣＯ９２７の出力する局所信号を分周した信号と安定な基準クロック信号とを位相比較しフィードバックにより局所信号と基準クロック信号を同期させて、正確な周波数の局所信号の発生と安定化を図る。ミキサー９２３でミキシングされた信号は、ＩＦアンプ９２４で増幅され、ＩＦフィルター９２５で不要信号が除去される。ＩＦフィルター９２５を通過した信号は、ＡＤＣ（Ａ／Ｄ変換器）９２６でデジタル信号に変換される。

ベースバンド部９３０は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）９３１と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）９３２と、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）９３４と、ＲＴＣ（Real Time Clock）９３３と、を含んで構成されている。また、ベースバンド部９３０には、温度補償回路付き水晶発振回路（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Crystal Oscillator）９３５やフラッシュメモリー９３６等が接続されている。

温度補償回路付き水晶発振回路（ＴＣＸＯ）９３５は、温度に関係なくほぼ一定の周波数の基準クロック信号を生成し、フラッシュメモリー９３６には、現在位置情報や時差情報等が記憶されている。ベースバンド部９３０は、測時モード等に設定されると、ＲＦ部９２０のＡＤＣ９２６が変換したデジタル信号からベースバンド信号を復調する処理を行う。また、ベースバンド部９３０は、捕捉したＧＰＳ衛星８０６の航法メッセージに含まれる軌道情報やＧＰＳ時刻情報等の衛星情報を取得してＳＲＡＭ９３４に記憶する。

表示部９５０は、制御部９５５及び水晶振動子９５１等を含んで構成されている。制御部９５５は、記憶部９５３と、発振回路９５２と、駆動回路９５４とを備え、各種制御を行う。制御部９５５は、受信モジュール９４０を制御し、制御信号を受信モジュール９４０に送り、受信モジュール９４０の受信動作を制御するとともに、制御部９５５内の駆動回路９５４を介して液晶パネル８０２の表示を制御する。記憶部９５３には内部時刻情報をはじめ各種情報が記憶されている。電池９６０は、回路の動作や表示に必要なエネルギーを供給する。

制御部９５５、ＣＰＵ９３２、ＤＳＰ９３１は、協働して測時や測位情報を算出し、それらの情報に基づいて時刻、現在位置、移動距離、移動速度などの情報を割り出す。また制御部９５５は、これらの情報の液晶パネル８０２への表示の制御や、図８に示す押しボタン８０７の操作にしたがって電子腕時計８０１の動作モードや表示モードの設定等の制御を行う。現在位置を地図上に表示するナビゲーションなどの高度な機能を持たせることも可能である。

図１０にアンテナ部として本実施形態によるアンテナを搭載するときの実装例を示す。同図（Ａ）、（Ｂ）は第３実施形態のアンテナ又はその変形例のいずれかを用いる場合の例である。同図（Ａ）は電子腕時計８０１を上から見た平面図、（Ｂ）が断面図である。同図では、その構造、特に縦方向（厚み方向）の構造がよくわかるように縦、横の方向で縮尺を変えてある。

同図（Ａ）、（Ｂ）において１０１０が第３実施形態によるアンテナであり、図６、図７に例示した実施形態のいずれのアンテナも用いることができる。１００１は電子腕時計８０１の外筐（筐体）であり、電波を遮蔽しないような絶縁物で構成する。１００２は腕に装着するためのベルト（図８におけるベルト８０３に相当）である。液晶表示体１００４はカバーガラス１００３に平行してその下に置かれ、表示が外部から見えるようになっている。１００５は電池、１００６は電子回路を実装するための回路基板であり、図９におけるＲＦ部９２０を実装するＲＦモジュール１００７、ベースバンド部９３０を実装するベースバンドモジュール１００８、制御部９５５を実装する制御モジュール１００９等が搭載されている。

アンテナ１０１０のグランド電極６０３の側を回路基板１００６の側に実装するのは言うまでもない。このように実装することにより指向性は図１０（Ｂ）の左上から右下方向に張る面内で無指向性とすることができる。本電子腕時計８０１を通常左腕に装着し使用することを想定すると同図右側が表示画面の下になるようにするのがアンテナ感度の点から望ましい。アンテナ１０１０のグランド電極は手首８０４や回路基板１００６から遮蔽するのでこれらの影響も排除できて狭い空間にアンテナを実装することができる。

同図（Ｃ）、（Ｄ）は第２実施形態によるアンテナを搭載する応用例であり、図５に例示した実施形態のいずれのアンテナも用いることができる。図１０（Ａ）、（Ｂ）と同じ共通のところは同一の符番とし説明を省略する。

１０２１は第２実施形態のアンテナにおける直線素子（電流素子）５０１であり、また１０２２はループ素子（磁流素子）５０２である。導体板５０３は回路基板１００６の上に形成する。上記のようにループ素子５０２や直線素子５０１が波長に比べて無視できないほどに大きいときはオムニディレクショナルな指向性を示すもののその方向がループ素子５０２のループ面から傾きを生じる。これによって第３実施形態によるアンテナのように傾けて実装しなくても良好な指向性特性を得ることができる。

以上、電子装置への応用例としてＧＰＳを用いる電子腕時計を例に説明したが、これに限るものではない。携帯電話やデジタルカメラ、それらを複合した装置や無線タグなどの装置に搭載しても効果が大きい。

以上述べたように本実施形態に係るアンテナは円偏波の送受信が可能なアンテナでありながら指向性の範囲が広くオムニディレクショナルな指向性を持ち、また広い周波数範囲にわたり良好な円偏波特性を有する。さらに小型化が可能でありまた高効率であり損失も小さい。

１０１…第１の直線素子（電流素子） １０２…第２の直線素子（電流素子） １０３，５０２，１０２２…ループ素子（磁流素子） １０４…切欠き部 １０５，２０５，４０６…給電源（給電手段） ２０１…電流素辺 ２０２…磁流素辺 ２０４…アンテナ素子 ３０１…ｘ軸方向軸比 ３０２…ｙ軸方向軸比 ３０３…ｚ軸方向軸比 ３０４…右旋円偏波利得 ３０５…左旋円偏波利得 ３０６…全利得 ４０１，５０５…スタブ ４０３…第１のループ素子（磁流素子） ４０４…第２のループ素子（磁流素子） ４０５，５０１，１０２１…直線素子（電流素子） ５０３…導体板 ５０４…同軸ケーブル ６０１，７０１…ループ電極（第１の導体電極） ６０２…直線電極（第２の導体電極） ６０３…グランド電極 ６０４…誘電体 ６０５，６０９，７０３…間隙 ６０６…ピン ６０７…小穴 ６０８，７０２…ストリップライン ８０１…電子腕時計（電子装置） ８０２…液晶パネル ８０３，１００２…ベルト ８０４…手首 ８０６…ＧＰＳ衛星 ８０７…押しボタン ９１０…アンテナ部 ９２０…ＲＦ部 ９２１…ＳＡＷフィルター ９２２…ＬＮＡ ９２３…ミキサー ９２４…ＩＦアンプ ９２５…ＩＦフィルター ９２６…ＡＤＣ ９２７…ＶＣＯ ９２８…ＰＬＬ制御回路 ９３０…ベースバンド部 ９３１…ＤＳＰ ９３２…ＣＰＵ ９３３…ＲＴＣ ９３４…ＳＲＡＭ ９３５…ＴＣＸＯ ９３６…フラッシュメモリー ９４０…受信モジュール（受信部） ９５０…表示部 ９５１…水晶振動子 ９５２…発振回路 ９５３…記憶部 ９５４…駆動回路 ９５５…制御部（処理部） ９６０…電池 １００１…外筐（筐体） １００３…カバーガラス １００４…液晶表示体 １００５…電池 １００６…回路基板 １００７…ＲＦモジュール １００８…ベースバンドモジュール １００９…制御モジュール １０１０…アンテナ。

Claims (11)

1. ループを構成する素子であって該ループ面に直交する成分を持つ磁流ベクトルを発生する磁流素子と、
   前記磁流ベクトルと平行な成分を持つ電流ベクトルを発生する電流素子と、
   を含んで構成されることを特徴とするアンテナ。
2. 請求項１記載のアンテナにおいて、
   前記磁流素子と前記電流素子とを構成する導体の電気長の合計は、駆動電磁波波長の半分以下であることを特徴とするアンテナ。
3. 請求項１又は２に記載のアンテナにおいて、
   前記磁流素子は、切欠き部のあるループ素子で構成され、
   前記電流素子は、前記ループ面を挟んで該ループ面に置かれた第１の直線素子と第２の直線素子とで構成され、
   前記第１の直線素子の一端は、前記ループ素子の一端に接続され、
   前記第２の直線素子の一端は、前記ループ素子の前記一端とは異なる他端に接続されることを特徴とするアンテナ。
4. 請求項１又は２に記載のアンテナにおいて、
   前記磁流素子は、切欠き部のある第１のループ素子と、切欠き部のある第２のループ素子とで構成され、かつ、それぞれのループ素子のループ面は互いに向き合うように配置されており、
   前記電流素子は、直線状の直線素子で構成され、
   前記直線素子の一端は、前記第１のループ素子に接続され、前記直線素子の前記一端とは異なる他端は、前記第２のループ素子に接続されていることを特徴とするアンテナ。
5. 請求項１又は２に記載のアンテナにおいて、
   前記磁流素子のループ面と向かい合う導体板を備え、
   前記磁流素子は、切欠き部があり、
   前記電流素子の一端は、前記磁流素子に接続され、前記電流素子の前記一端とは異なる他端が前記導体板側に配置されていることを特徴とするアンテナ。
6. 請求項１又は２に記載のアンテナにおいて、
   前記電流素子の一端に接続され、かつ前記磁流素子のループ面に向かい合う導体板と、
   前記磁流素子又は前記電流素子の上の一点と前記導体板との間に給電する給電部と、
   を備え、
   前記磁流素子は、切欠き部のあるループ素子で構成され、
   前記電流素子は、前記磁流素子のループ面に交わるように配置されその一端が前記磁流素子に接続されていることを特徴とするアンテナ。
7. 請求項１又は２に記載のアンテナにおいて、
   少なくとも対向する２つの面を持つ立体形状の誘電体と、
   前記誘電体の一方の面上に設けられたＧＮＤ電極と、
   を備え
   前記磁流素子は、前記誘電体の他の面上に設けられた第１の電極により構成され、
   前記電流素子は、前記第１の電極と前記ＧＮＤ電極とを接続する第２の電極によって構成されることを特徴とするアンテナ。
8. 請求項７に記載のアンテナにおいて、
   前記第２の電極は、前記誘電体の２つの面に連なる誘電体の面上に設けられていることを特徴とするアンテナ。
9. 請求項８に記載のアンテナにおいて、
   前記第１の電極又は第２の電極からタップをとり、前記タップと前記ＧＮＤ電極との間に給電する給電手段を有することを特徴とするアンテナ。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のアンテナを含んで構成されることを特徴とする電子装置。
11. 請求項１０に記載の電子装置において、
    前記アンテナを含んで構成され測時情報又は測位情報の少なくとも一方を有する電波信号を受信するアンテナ部と、
    前記アンテナ部により受信した電波信号を受信復調する受信部と、
    前記受信部によって復調された信号に基づき時刻情報又は測位情報の少なくとも一方を算出する処理部と、
    前記処理部によって算出された時刻情報又は測位情報の少なくとも一方に基づいた情報を表示する表示部と、
    導電性の外装下ケースと前記アンテナ部を構成する前記アンテナを支持する絶縁性の外装上ケースを含んで構成される筐体と、
    を含んで構成されることを特徴とする電子装置。