JP2015220738A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化及び利得の維持を両立しつつ、よりコストを低減できるアンテナ装置を提供する。
【解決手段】アンテナ装置１００は、長方形状の基板１０の表面に、接地電位として機能する略長方形状のグランドパターン２０と、直線形状の被給電パターン３０と、被給電パターンに給電する給電部４０と、ループアンテナ５０と、を備える。グランドパターン２０、被給電パターン３０、ループアンテナ５０の基板延設部とは、基板１０の長手方向において所定の間隔をおいて互いに平行となるように配置する。ここで、ループアンテナ５０は、被給電パターン３０、及びグランドパターン２０のいずれとも接触しないように配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線機や携帯端末に備えられるアンテナ装置、特に車両のスマートエントリーシステムで用いられる携帯端末に備えられるアンテナ装置に関するものである。

近年、例えば自動車のスマートエントリーシステムで用いられる携帯機などの、種々の無線機や携帯端末等は、小型化が進んでおり、これに伴い、内蔵されるアンテナ装置に対しても小型化が要求されている。

一方、アンテナ装置の特性を十分に安定させるためには、グランドパターンの面積は電波の波長に応じた大きさが必要であることが知られている。グランドパターンの面積が不十分である場合、アンテナからグランドパターンを介して同軸ケーブル等の給電線に漏洩する電流（以下、漏洩電流）が増大してしまう。そして、給電線への漏洩電流が大きくなると、給電線の長さや引き回しによってアンテナ装置の特性が不安定となり、アンテナが十分な利得を得られなくなることがある。

すなわち、アンテナ装置の特性を十分に安定させるためには、電波の波長に応じた面積のグランドパターンを必要とするので、小型のためにグランドパターンの面積を縮小しようとすると、アンテナ装置の特性が不安定になるといってしまう。

そこで特許文献１では、一端がグランドパターンに電気的に接続され、かつ、他端がバラン素子を介して給電部に電気的に接続されるループアンテナを備え、ループアンテナの一端部及び他端部を、共にグランドパターンの外周近傍に設けたアンテナ装置が提案されている。

このような構成によれば、ループアンテナに電流が生じることに起因するグランドパターンでの電流の変化を、そのループアンテナが接続されている部分付近で限定的に発生させることができる。つまり、グランドパターンの全体で電流の変化を生じさせることを抑止することができ、給電線の外部導体に漏洩する電流の分布を低減することができる。したがって、グランドパターンの面積を電波の波長に対して小さく設けている場合であっても、給電線への漏洩電流を低減し、その特性を安定させることができる。

特開２０１１−７７８２７号公報

しかしながら、特許文献１のアンテナ装置では、所望の利得を得るためにはバラン素子が必要となり、コストが増加してしまうといった課題があった。

本発明は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、小型化及び利得の維持を両立しつつ、よりコストを低減できるアンテナ装置を提供することにある。

その目的を達成するための本発明は、基板（１０）と、基板に固定され、接地電位として機能するグランドパターン（２０）と、基板に固定された被給電パターン（３０）と、被給電パターンに給電する給電部（４０）と、被給電パターンと所定の間隔をおいて設置されるとともに、グランドパターンと電気的に接続されていない、少なくとも１つのアンテナ素子（５０ ５０Ａ ５０Ｂ）と、を備えることを特徴とする。

以下、このアンテナ装置の作用及び効果について述べるが、アンテナ装置は送受信の可逆性があるため、電波を送信する場合を例にとって以上の構成について説明する。

以上の構成では、給電部を介して被給電パターンに給電すると、被給電パターンに高周波電流が流れ、磁界が発生する。この被給電パターンで発生された磁界によって、ループアンテナに電流が誘起され、電波が放射される。

ここで、このアンテナ素子はグランドパターンとは非接触であるため、アンテナ素子を流れる強い電流がグランドパターンに漏洩する恐れを低減することができる。言い換えれば、本実施形態の構成によれば、アンテナ素子からグランドパターンに漏洩する電流を抑制することができる。

これに伴って、グランドパターンから給電部を介して給電線の外部導体に漏洩する電流を抑制することができる。給電線に漏洩する電流を低減することができるため、給電線の長さや引き回しによってアンテナ装置の特性が不安定となることを抑制することができる。すなわち、アンテナ装置としての特性を安定させることができるとともに、放射利得を向上させることができる。

そして、以上の構成では、上記の効果を得るためにバラン素子は不要であるため、小型化及び利得の維持を両立しつつ、よりコストを低減できる。

なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

アンテナ装置１００の概略的な構成を示す斜視図である。 図１に示す矢印２方向からアンテナ装置１００を見た時の側面図である。 本実施形態に対応するシミュレーションモデルである。 比較構成に対応するシミュレーションモデルである。 本実施形態に対応するシミュレーションモデルにおけるシミュレーション結果を示す図である。 比較構成に対応するシミュレーションモデルにおけるシミュレーション結果を示す図である。 本実施形態における放射利得と、比較構成における放射利得とを比較した図である。 変形例におけるループアンテナ５０の構成を示す図である。 変形例におけるアンテナ装置１００の概略的な構成を示す斜視図である。 変形例におけるアンテナ装置１００の概略的な構成を示す斜視図である。 変形例におけるアンテナ装置１００の概略的な構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。図１は、本実施形態に係るアンテナ装置１００の概略的な構成の一例を示す斜視図である。また、図１において矢印２方向からアンテナ装置１００を見た時の側面図を図２に示す。このアンテナ装置１００は、例えば車両のスマートエントリーシステムのカードキーなどに適用されるものであり、その体格に対応したケース内に収容されて、カードキーとなる。

また、アンテナ装置１００は、アンテナ装置１００が受信した電波を利用するとともに当該アンテナ装置１００に高周波信号を給電する受信機（図示略）と、例えば同軸ケーブルを介して接続されていることとする。なお、本実施形態ではアンテナ装置１００への給電線として同軸ケーブルを採用する場合を想定して説明するが、その他の周知の給電線を用いても良い。

図１に示すようにアンテナ装置１００は、基板１０、グランドパターン２０、被給電パターン３０、給電部４０、及びループアンテナ５０を備えている。

基板１０は、樹脂などの電気絶縁材料からなり、グランドパターン２０、被給電パターン３０、給電部４０、及びループアンテナ５０が設けられる（固定される）基材である。本実施形態において基板１０の形状は、長方形とし、その長辺の長さをＤ１（例えば１５０ｍｍ）、短辺の長さをＤ２（例えば１２０ｍｍ）とする。なお、ここでは、便宜上、Ｄ１＞Ｄ２とするが、その他の構成としてＤ１＝Ｄ２とする正方形であってもよい。また、長方形以外の形状であってもよい。

本実施形態においてグランドパターン２０、被給電パターン３０、給電部４０、及びループアンテナ５０は、何れも基板１０の片方の平面に設けられている。以降では、基板１０が備える平面部のうち、グランドパターン２０、被給電パターン３０、給電部４０、及びループアンテナ５０が設置されている側の面を表面とし、他方の面を裏面とする。

また、便宜上、基板１０の長辺方向にＸ軸、短辺方向にＹ軸をとり、Ｘ軸及びＹ軸のそれぞれと直交し、かつ、基板１０の裏面から表面（各素子が設置されている側の面）に向かう方向にＺ軸をとった三次元座標系の概念を適宜導入して、アンテナ装置１００の構成について説明する。基板１０の表面においてグランドパターン２０、被給電パターン３０、及びループアンテナ５０は、図２に示すように、Ｘ軸方向に所定の間隔をおいて並設する。

グランドパターン２０は、銅などの導体を素材とする長方形状の板（箔を含む）であって、その１辺が、基板１０が備える短辺の１つと略一致するように基板１０の表面に沿って設置される。すなわち、グランドパターン２０もまた、Ｙ軸方向の辺とＸ軸方向の辺を備える長方形状とする。グランドパターン２０のＹ軸方向の辺の長さは、基板１０の短辺の長さ以下であればよく、ここでは略一致させている。また、グランドパターン２０のＸ軸方向の辺の長さは、基板１０の長辺の長さＤ１から、被給電パターン３０及びループアンテナ５０の基板延設部５１（後述）をそれぞれ所定の間隙を設けて設置するための長さを引いた長さとする。

このグランドパターン２０は、図示しない同軸ケーブルの外部導体と電気的に接続されて、グランド電位（接地電位）として機能する。

被給電パターン３０は、板状または直線状（すなわち棒状）の導体であって、その長手方向がＹ軸方向となるように、グランドパターン２０とループアンテナ５０の基板延設部５１との間に設けられている。すなわち、被給電パターン３０は、グランドパターン２０のＹ軸方向の辺に対して平行となるように、基板１０の表面に延設されている。

この被給電パターン３０の長手方向の一端は、同軸ケーブルの内部導体（すなわち信号線）と、給電部４０が備える整合回路（図示略）を介して電気的に接続されている。当該同軸ケーブル及び給電部４０を介して被給電パターン３０に給電すると、被給電パターン３０上を高周波電流が流れ、磁界を発生させる。なお、被給電パターン３０において給電部４０と接続する点を給電点と称する。

給電部４０は、アンテナ装置１００と、同軸ケーブルの一端とを接続するための接続部である。当該同軸ケーブルの他端は、前述の通り、受信機に接続されている。この給電部４０は、整合回路を備えてあって、整合回路を介して同軸ケーブルの内部導体と被給電パターン３０とを電気的に接続するとともに、グランドパターン２０と同軸ケーブルの外部導体とを接続する。以降では、グランドパターン２０と同軸ケーブルの外部導体とが接続される点を接地点と称する。なお、整合回路は、アンテナ装置１００と同軸ケーブル（例えば５０Ω）との間におけるインピーダンス整合を行うための回路である。

ループアンテナ５０は、ループ形状となっており、そのループ面が基板１０の平面に対して垂直となるように、基板１０が備える短辺のうちのグランドパターン２０が設置されていない側の短辺近傍に取り付けられる。ループアンテナ５０が形成するループは、図１に示すように長方形状であり、そのループ面はＹ−Ｚ平面に平行となるように設置される。ループアンテナ５０は、より細かくは、基板延設部５１、第１立設部５２、第２立設部５３、浮き部５４とからなり、上述のループ面を形成する。

基板延設部５１は、図１に示すように、第１基板延設部５１１、第２基板延設部５１２、及びコンデンサ５１３からなる。第１基板延設部５１１及び第２基板延設部５１２は、Ｘ軸方向の幅が非常に小さい長方形状（略直線状）の部材であって、第１基板延設部５１１の長手方向の一端と、第２基板延設部５１２の長手方向の一端とはコンデンサ５１３を介して接続されている。

また、第１基板延設部５１１のＸ軸方向の中心線と第２基板延設部５１２のＸ軸方向の中心線とが、Ｙ軸に平行な同一直線に存在するように配置されることで、直線形状の基板延設部５１を形成している。基板延設部５１は、前述の通り、被給電パターン３０に対して所定の間隔をおいて平行となるように基板１０の表面に設置されている。

第１立設部５２は、第１基板延設部５１１の長手方向における端部のうち、コンデンサ５１３と接続していない方の端部から、基板１０の表面に対して垂直に立設されている。第１立設部５２が備える端部のうち、第１基板延設部５１１と接続していない方の端部（上端とする）は、浮き部５４の一端と接続する。第２立設部５３もまた、第２基板延設部５１２の長手方向における端部のうち、コンデンサ５１３と接続していない方の端部から、基板１０の表面に対して垂直に立設され、第２立設部５３の上端で浮き部５４の一端と接続する。

なお、基板１０の表面から第１立設部５２の上端までの高さと、基板１０の表面から第２立設部５３の上端までの高さは等しいものとする。浮き部５４は、一端が第１立設部５２の上端と物理的かつ電気的に接続され、また、他端が第２立設部５３の上端と物理的かつ電気的に接続されることによって、基板１０の表面に対して平行となるように固定される。

なお、以上で述べた第１基板延設部５１１、第１立設部５２、浮き部５４、第２立設部５３、第２基板延設部５１２は何れも同じ導電性の部材で構成されてあって、本実施形態では、Ｘ軸方向に微小な幅を有する板状の部材とする。ここで、これらの部材のＸ軸方向の幅は適宜設計されればよく、相対的に小さい値とすることで棒形状となっていてもよい。

また、第１基板延設部５１１、立設部５２、浮き部５４、立設部５３、及び第２基板延設部５１２は、１つの金属薄板を所定形状（例えば平面長方形）に打ち抜き、折曲して形成された一連の部材であってもよい。そして、第１基板延設部５１１と、第２基板延設部５１２とを基板１０に固定し、第１基板延設部５１１の一端と、第２基板延設部５１２の一端とをコンデンサ５１３を介して接続することで、ループアンテナ５０を構成すればよい。

なお、ループアンテナ５０が備えるコンデンサ５１３の容量値を調整することによって、ループアンテナ５０の長さが送受信する電波の波長よりも短くても、ループアンテナ５０上の電流を所望の周波数で共振させることが可能となる。

以上ではアンテナ装置１００の概略的な構成の一例について述べた。次に、上述したアンテナ装置１００の作動について説明する。なお、アンテナ装置１００は、送信と受信の可逆性があるため、送信アンテナとして作動させた場合を例にとって説明する。

まず、給電部４０を介して被給電パターン３０に給電すると、被給電パターン３０上を高周波電流が流れ、磁界が発生する。この被給電パターン３０で発生された磁界の一部が、ループアンテナ５０のループ面を通過することによって、ループアンテナ５０上に電流が誘起される。そして、この電流を所定の周波数で共振させることで、ループアンテナ５０上に電流が集中し、電波が放射される。

ここで、このループアンテナ５０はグランドパターン２０とは非接触であるため、ループアンテナ５０を流れる強い電流が、グランドパターン２０に漏洩する恐れを低減することができる。言い換えれば、本実施形態の構成によれば、ループアンテナ５０からグランドパターン２０に漏洩する電流の量を抑制することができる。

本実施形態の構成によってループアンテナ５０からグランドパターン２０に漏洩する電流を抑制できることを、図３〜図６を用いて説明する。図３は、本実施形態のアンテナ装置１００に対応するシミュレーションモデルを示しており、ここでは、グランドパターン２０のＸ軸方向の長さを１４０ｍｍ、Ｙ軸方向の長さを１２０ｍｍとしている。また、ループアンテナ５０の第１立設部５２及び第２立設部５３の高さは２０ｍｍ、浮き部５４のＹ軸方向長さを８０ｍｍとしている。なお、ループアンテナ５０が備えるコンデンサ５１３の容量は、ループアンテナ５０の長さと、対象とする電波の波長とに基づいて適宜設計した値としている。

図４は、本実施形態の効果を説明するための比較構成に対応するシミュレーションモデルを示しており、ここでは、比較構成として、一般的なループアンテナを備えたアンテナ装置を採用する。すなわち、比較構成が備えるループアンテナは一端が給電部に接続されるとともに、他端がグランドパターンに接続されている。なお、比較構成のグランドパターンの寸法や、ループアンテナの寸法は、図３に示す本実施形態の構成と同じとする。

図５及び図６は、上述した本実施形態及び比較構成のそれぞれに対応するシミュレーションモデルにおいて、いずれも同じ電力を給電した場合の電流分布を示している。図５及び図６を比較すると分かるように、本実施形態の構成においてグランドパターン２０に分布する電流は、比較構成のグランドパターン上に分布するよりも低減されている。すなわち、ループアンテナ５０とグランドパターン２０とが非接触となる構成とすることによって、ループアンテナ５０からグランドパターン２０に漏洩する電流の量を抑制できていることを示している。

また、図７は、本実施形態での放射利得と比較構成での放射利得とを比較した図であり、本実施形態の構成によれば、Ｙ軸方向、すなわち、ループ面に垂直な方向において比較構成に対して３．８ｄＢ高い放射利得を得ることができることを示している。これは、ループアンテナをグランドパターンに接続した一般的な構成（比較構成）では、給電された電力の（又は受信した電波の）エネルギーがグランドパターンとループアンテナに分散されるのに対し、本実施形態の構成によればエネルギーをループアンテナ５０に集中させることができるためである。

したがって本実施形態の構成によれば、ループアンテナ５０からグランドパターン２０に漏洩する電流を抑制でき、グランドパターン２０から給電部４０を介して同軸ケーブルの外部導体に漏洩する電流を抑制することができる。これによって、アンテナとしての特性を安定させることができるとともに、放射利得を向上させることができる。そして、本実施形態の構成では、上記の効果を得るためにバラン素子は不要であり、特許文献１に比べてコストを抑えつつ、同様の効果が得ることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、以降に述べる種々の変形例も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

例えば、上述した実施形態では、グランドパターン２０、被給電パターン３０、ループアンテナ５０を基板１０の長辺方向に所定の間隔で平行に並べた構成としたが、これに限らない。グランドパターン２０、被給電パターン３０、ループアンテナ５０は、基板１０の短辺方向に所定の間隔で並べてもよい。

さらに、グランドパターン２０と被給電パターン３０とは、被給電パターン３０とループアンテナ５０とが対向する方向に直交する方向に並列した構成としてもよい。例えば、図１において被給電パターン３０を、その長手方向がＸ軸方向に平行となるように給電点を回転の中心として９０度回転させた構成としてもよい。そのような構成においては、ループアンテナ５０もまた、被給電パターン３０と対向するように配置すれば良い。

また、基板１０の形状も長方形に限らない。アンテナ装置１００の搭載性を考慮して適宜設計されれば良い。ただし、ループアンテナ５０の基板延設部５１が、被給電パターン３０の直線部分に対して平行（略平行を含む）に並ぶように配置されれば良い。

さらに、被給電パターン３０は、基板延設部５１と所定の間隔をおいて隣接するように配置されていればよく、グランドパターン２０、ループアンテナ５０、被給電パターン３０の順に、基板１０の長辺方向（Ｘ軸方向）に所定の間隔で並べた構成としてもよい。

また、ループアンテナ５０は、コンデンサ５１３を必須とせず、物理的な構造によって所望のコンダクタンスを備える構成としてもよい。すなわち、図８のように、第１基板延設部５１１の端部５１１Ａと、第２基板延設部５１２の端部５１２Ａとを、Ｚ軸方向に所定の距離離れて対向するように配置することによって、ループアンテナ５０が所望の容量値を備える構成としてもよい。もちろん、端部５１１Ａと端部５１２Ａとの間隙に、所定の誘電率を有する誘電体が挿入されてあっても良い。

また、アンテナ装置１００は、図９に示すように、複数のループアンテナ５０Ａ、５０Ｂを備えていても良い。さらに、ループアンテナ５０の浮き部５４は、図１０に示すように、基板１０の平面部に平行なループ面を形成するような構成としてもよい。より具体的には、浮き部５４は、第１立設部５２の上端部から被給電パターン３０側に直角に屈曲した直線形状の直角浮き部５４２と、第２立設部５３の上端部から被給電パターン３０側に直角に屈曲した直線形状の直角浮き部５４３と、一端が直角浮き部５４２と直角に接続し、他端が直角浮き部５４３と直角に接続する直線形状の平行浮き部５４１からなる。

このような構成によれば、ループアンテナ５０からグランドパターン２０に漏洩する電流をさらに抑制することができ、アンテナ装置１００の利得を向上させることができる。

また、被給電パターン３０は、図１１に示すように、給電接続部３１、平行パターン部３２と、短絡部３３とを備え、被給電パターン３０が給電部４０と接続していない側において、グランドパターン２０と電気的に接続されてあってもよい。平行パターン部３２は、ループアンテナ５０の基板延設部５１と所定の間隔をおいて平行に配置されてあって、給電接続部３１は、直線形状の部材であって一端は給電部４０と電気的に接続し、他端は平行パターン部３２の一端と電気的に接続する。短絡部３３も直線形状の部材であって、一端は平行パターン部３２が備える端部のうち、給電接続部３１と接続していない側の端部と接続し、他端はグランドパターン２０に接続する。

また、図１１は、図１０に示す構成をさらに変形した構成であって、ループアンテナ５０は、図１０と同様に、基板１０の平面部に平行なループ面を形成している。この図１１に示す構成において給電接続部３１は、直角浮き部５４２の直下に位置し、短絡部３３は、直角浮き部５４３の直下に位置していることが、より好ましい。そのような構成である場合、ループアンテナ５０と被給電パターン３０との結合がより強くなり、被給電パターン３０から放射される電磁界エネルギーを、ループアンテナ５０に集中させることができる。

以上では、アンテナ装置１００が備えるアンテナ素子としてループアンテナを採用したが、これに限らない。アンテナ装置１００は、逆Ｌアンテナ等、その他の形状を有するアンテナ素子を備えていても良い。

１００ アンテナ装置、１０ 基板、２０ グランドパターン、３０ 被給電パターン、４０ 給電部、５０・５０Ａ・５０Ｂ ループアンテナ、５１ 基板延設部、５２ 第１立設部、５３ 第２立設部、５４ 浮き部

Claims (11)

1. 基板（１０）と、
   前記基板に固定され、接地電位として機能するグランドパターン（２０）と、
   前記基板に固定された被給電パターン（３０）と、
   前記被給電パターンに給電する給電部（４０）と、
   前記被給電パターンと所定の間隔をおいて設置されるとともに、前記グランドパターンと電気的に接続されていない、少なくとも１つのアンテナ素子（５０ ５０Ａ ５０Ｂ）と、を備えることを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１において、
   前記アンテナ素子は前記基板に固定されてあって、
   前記被給電パターンは、前記アンテナ素子のうち、前記基板に延設されている部分である基板延設部（５１）と前記間隔をおいて隣接するように配置されていることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項２において、
   前記被給電パターンは、前記基板上において、前記グランドパターンと前記基板延設部との間に配置されていることを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項２又は３において、
   前記アンテナ素子は、ループ形状となっていることを特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項４において、
   前記アンテナ素子は、前記ループ形状の一部に間隙を備え、その間隙を形成する端部（５１１Ａ、５１２Ａ）が容量結合することによって前記ループ形状を形成することを特徴とするアンテナ装置。
6. 請求項２から４の何れか１項において、
   前記アンテナ素子及び前記被給電パターンはそれぞれ直線形状部分を備え、前記アンテナ素子の直線形状部分の少なくとも一部と、前記被給電パターンの直線形状部分の少なくとも一部とが、互いに平行となるように設置されていることを特徴とするアンテナ装置。
7. 請求項６において、
   前記基板延設部及び前記被給電パターンは直線形状であって、
   前記基板延設部及び前記被給電パターンは互いに平行となるように設置されていることを特徴とするアンテナ装置。
8. 請求項７において、
   前記被給電パターンは、一端で前記給電部と接続し、他端は前記グランドパターンと非接触であることを特徴とするアンテナ装置。
9. 請求項７において、
   前記被給電パターンは、前記給電部と接続していない側の端部は、短絡部（３３）を介して前記グランドパターンと電気的に接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
10. 請求項７から９の何れか１項において、
    前記アンテナ素子は、
    前記基板延設部の両端のそれぞれにおいて前記基板に対して垂直に立設する第１立設部（５２）及び第２立設部（５３）と、
    一端が前記第１立設部と接続し、他端が前記第２立設部に接続するとともに、前記基板延設部と平行となる部分を備える浮き部（５４）と、を備えることによって、前記ループ形状を形成することを特徴とするアンテナ装置。
11. 請求項１から１０の何れか１項において、
    前記アンテナ素子は、複数設けられていることを特徴とするアンテナ装置。

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