JP2016046739A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車内、室内等の金属で囲まれた準閉空間において無線通信システムを構築し、あるいは、無線通信装置を手に持つなどより、アンテナ特性が変化してしまうような場合であっても、金属近接耐性及び人体近接耐性を向上させて、所望のアンテナ特性を確保することが可能なアンテナ装置を提供する。【解決手段】実施形態のアンテナ装置は、グランドパターンが形成されたグランド板と、グランド板に接地され、給電がなされる給電素子と、グランド板に接地され、グランド板を流れる共振電流の電流分布を分散させる無給電素子と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、アンテナ装置に関する。

近年、自動車内、室内等において、配線スペースの削減や、配線作業の簡略化の観点から無線ＬＡＮ等の無線通信システムを構築する流れが加速している。

K.Fujimoto, et al "Small Antennas", Research Studies Press(1987)

ところで、自動車内、室内等の金属で囲まれた準閉空間において無線通信システムを構築する際には、壁面（金属）に近接するとアンテナ特性が変化してしまい、所望の性能が発揮できなくなることが知られている。
また、携帯型の無線通信装置において、当該無線通信装置を手に持つなどにより人体が近接した状態にあると、同様にアンテナ特性が変化してしまい、所望の性能が発揮できなくなることが知られている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、金属近接耐性及び人体近接耐性を向上させることが可能なアンテナ装置を提供することを目的としている。

実施形態のアンテナ装置は、グランドパターンが形成されたグランド板と、グランド板に接地され、給電がなされる給電素子と、グランド板に接地され、グランド板を流れる共振電流の電流分布を分散させる無給電素子と、を備える。

上記構成において、給電素子及び無給電素子は、グランド板の縁部に沿って配置されているようにしてもよい。

また、給電素子は、グランド板と所定距離離間して対向して配置された素子部と、素子部に給電するための給電部と、素子部の基端部及びグランド板に電気的に接続された短絡部と、を備えるようにしてもよい。

また、無給電素子は、グランド板と所定距離離間して対向して配置された素子部と、無給電素子の素子部の基端部及びグランド板に電気的に接続された短絡部と、を備えるようにしてもよい。

また、グランドパターンは、長方形状とされ、給電素子は、グランドパターンの一辺に沿って配置され、無給電素子は、給電素子が配置された一辺を含むグランドパターンの隣接する二辺に沿って折り曲げられて配置されているようにしてもよい。

また、給電素子の素子部の先端が、無給電素子の素子部の基端部を向くように配置されているようにしてもよい。

また、給電素子の素子部の先端と、無給電素子の素子部の先端とは、対向するように配置されているようにしてもよい。

また、無給電素子の全長は、通信に用いる中心波長λの１／４の長さとされているようにしてもよい。

実施形態のアンテナ装置、金属近接耐性及び人体近接耐性を向上させたアンテナ装置を実現できる。

図１は、第１実施形態のアンテナの外観斜視図である。 図２は、ＬＩＦＡの拡大図である。 図３は、無給電素子の拡大図である。 図４は、従来のアンテナユニットの共振電流分布の説明図である。 図５は、図１のアンテナユニットのグランドパターンにおける共振電流分布の説明図である。 図６は、グランドパターンから距離ｈｇｐの位置にグランドパターンと並行に無限平面の金属を配置した場合の実施形態及び従来技術におけるＬＩＦＡのＳ１１パラメータ（反射特性パラメータ）のシミュレーション結果を説明する図である。 図７は、グランドパターンから距離ｈｇｐの位置にグランドパターンと並行に無限平面の金属を配置した場合の実施形態及び従来技術におけるＬＩＦＡの放射効率のシミュレーション結果を説明する図である。 図８は、グランドパターンから距離ｈｇｐの位置にグランドパターンと並行に無限平面の金属を配置した場合の実施形態及び従来技術におけるＬＩＦＡの実効効率のシミュレーション結果を説明する図である。 図９は、人体近接耐性の説明図である。 図１０は、人体の手のモデルの平面図である。 図１１は、人体の手のモデルの外観斜視図である。 図１２は、アンテナユニットが手（のモデル）から長さｄだけ上方に出ている場合の実施形態及び従来技術におけるＬＩＦＡのＳ１１パラメータ（反射特性パラメータ）のシミュレーション結果を説明する図である。 図１３は、アンテナユニットが手（のモデル）から長さｄだけ上方に出ている場合の放射効率η_ｒａｄの説明図である。 図１４は、アンテナユニットが手（のモデル）から長さｄだけ上方に出ている場合の実施形態及び従来技術におけるＬＩＦＡの実効効率のシミュレーション結果を説明する図である。 図１５は、第２実施形態のアンテナの外観斜視図である。 図１６は、無給電素子の拡大図である。 図１７は、図１５のアンテナユニットのグランドパターンにおける共振電流分布の説明図である。

次に図面を参照して実施形態について説明する。
［１］第１実施形態
図１は、第１実施形態のアンテナの外観斜視図である。
第１実施形態は、グランド板上に線状逆Ｆアンテナ（ＬＩＦＡ：Linear Inverted F Antenna）エレメントを形成したアンテナユニット１０についての実施形態である。

アンテナユニット１０は、図示しない基板上にグランドパターン（接地パターン）ＧＰが形成されたグランド板１１と、グランド板１１に対向するようにグランド板１１の縁部に沿って形成された給電素子としてのＬＩＦＡ１２と、同じくグランド板１１に対向するようにグランド板１１の縁部に沿って形成され、ＬＩＦＡ１２の素子部の先端と短絡部（接地部）が所定距離Ｌだけ離間して配置された無給電素子１３と、を備えている。

この場合において、グランド板１１に対し、距離ｈｇｐだけ離間した位置に無限の大きさを有する仮想金属平面ＶＰが位置しているものとする。
また、グランド板１１の寸法については、片手で保持可能な携帯型の通信機器を想定して、例えば、Ｘ方向の長さｄｇｘ＝５０ｍｍ、Ｙ方向の長さｄｇｙ＝８０ｍｍとされている。

図２は、ＬＩＦＡの拡大図である。
ＬＩＦＡ１２は、グランド板１１と所定距離ｈだけ離間して配置された金属ワイヤで形成された長さｌａの素子部２１と、給電部２３と離間距離ｄｘだけ離間して素子部２１の基端部２１Ｂとグランド板１１とを短絡させた短絡部２２と、素子部２１に接続され、基板上に形成された図示しない給電回路から給電を受けて素子部２１に給電を行う給電部（給電点）２３と、を備えている。なお、図中カッコ内は、２．４ＧＨｚ帯用のＬＩＦＡの寸法（単位ｍｍ）の一例である。

図３は、無給電素子の拡大図である。
無給電素子１３は、グランド板１１と所定距離ｈだけ離間して配置された金属ワイヤで形成され、先端部がグランド板１１の周縁部に沿って折り曲げられた素子部３１と、素子部３１の基端部３１Ｂとグランド板１１とを短絡させた短絡部３２と、を備えている。この場合において、無給電素子１３の全長Ｌ１３は、通信周波数の波長λの１／４（＝λ／４）となっている。具体的には、通信周波数として２．４ＧＨｚ帯を用いる場合に、無給電素子１３の全長は、３０ｍｍとなっている。

ここで、第１実施形態の効果について説明するため、従来技術について説明する。
図４は、従来のアンテナユニットの共振電流分布の説明図である。
図４においては、共振電流のグランド板１０１の表面における分布を表している。
従来のアンテナユニット１００を構成しているＬＩＦＡ１２Ｐは、グランド板１０１と所定距離ｈだけ離間して配置された金属ワイヤで形成された素子部２１Ｐと、給電部２３Ｐと離間距離ｄｘｐだけ離間して素子部２１Ｐとグランド板１１とを短絡させた短絡部２２Ｐと、素子部２１Ｐの後端に接続され、基板上に形成された図示しない給電回路から給電を受けて素子部２１Ｐに給電を行う給電部２３Ｐと、を備えている。

図４に示すように、ＬＩＦＡ１２Ｐの基本構成は、図１の第１実施形態のＬＩＦＡ１２と同様となっているが、無給電素子１３が設けられていないため、インピーダンス整合条件が変化しているので、離間距離ｄｘｐ＝２．５ｍｍ、素子部２１Ｐの長さｌａｐ＝２７．５ｍｍとされている。

図４に示すように、共振電流は、給電部２３Ｐ近傍が最も高く、素子部２１Ｐの延在方向に沿ったグランド板１０１の縁部も高くなっている。これによれば、共振電流は、グランド板１０１の縁に沿ってより多く流れていることがわかる。
したがって、例えば、グランド板１０１の近傍に、磁気正接（磁気ｔａｎδ）の大きな材料（たとえば金属板）が位置すると、アンテナとして効率が低下することが予測される。

図５は、図１のアンテナユニットのグランドパターンにおける共振電流分布の説明図である。
図５に示すように、第１実施形態のアンテナユニットによれば、図４に示した従来のアンテナユニットに比較して、特にグランド板１１のグランドパターンの右端部における共振電流分布が分散している（集中していない）ことがわかる。

この結果、共振電流は、図４の場合と比較して、様々な経路を経由して流れることとなるので、アンテナの効率を維持でき、ひいては、金属近接耐性及び人体近接耐性が向上することとなる。

以下、第１実施形態の効果について説明する。
図６は、グランドパターンから距離ｈｇｐの位置にグランドパターンと並行に無限平面の金属を配置した場合の実施形態及び従来技術におけるＬＩＦＡのＳ１１パラメータ（反射特性パラメータ）のシミュレーション結果を説明する図である。

以下の説明においては、ＬＩＦＡの特性として、Ｓ１１パラメータが０．５以下であること（＝ＶＳＷＲ≦３）が要求仕様であるものとする。
まず、従来のアンテナユニット１００のＬＩＦＡ１２Ｐによれば、図６に示すように、２．４ＧＨｚ帯において、距離ｈｇｐ≧４．６ｍｍであれば、要求仕様を満足することがわかる。

逆に言えば、従来のアンテナユニット１００のＬＩＦＡ１２Ｐによっては、距離ｈｇｐ≦４．６ｍｍでは、要求仕様を満たさないということがわかる。

これに対し、第１実施形態のアンテナユニット１０によれば、グランド板１１のグランドパターンの右端部における共振電流分布が分散しているので、２．４ＧＨｚ帯において、従来のアンテナユニット１００と比較して、距離ｈｇｐ≦５．７ｍｍにおいて、反射特性が改善されていることがわかる。さらに本第１実施形態のアンテナユニット１０によれば、距離ｈｇｐ≧４ｍｍであれば、反射特性としてのＳ１１パラメータに対する要求仕様を満足しており、金属近接耐性が向上していることがわかる。

図７は、グランドパターンから距離ｈｇｐの位置にグランドパターンと並行に無限平面の金属を配置した場合の実施形態及び従来技術におけるＬＩＦＡの放射効率のシミュレーション結果を説明する図である。

図７に示すように、第１実施形態のアンテナユニット１０のＬＩＦＡ１２によれば、２．８ｍｍ≦ｈｇｐ≦５．８ｍｍの領域において放射効率η_ｒａｄが従来のアンテナユニット１００のＬＩＦＡ１２Ｐに対して改善されていることがわかる。

図８は、グランドパターンから距離ｈｇｐの位置にグランドパターンと並行に無限平面の金属を配置した場合の実施形態及び従来技術におけるＬＩＦＡの実効効率のシミュレーション結果を説明する図である。
図８に示すように、第１実施形態のアンテナユニット１０のＬＩＦＡ１２によれば、２．０ｍｍ≦ｈｇｐ≦５．８ｍｍの領域において実効効率η_actualが従来のアンテナユニット１００のＬＩＦＡ１２Ｐに対して改善されていることがわかる。

ここで、実効効率η_actualとは、放射効率η_ｒａｄに対して反射損［＝１−（Ｓ１１）^２］を考慮した実効的な放射効率を表している。すなわち、
η_actual＝η_ｒａｄ−［１−（Ｓ１１）^２］
となる。
本第１実施形態によれば、距離ｈｇｐ＝３ｍｍにおける実効効率η_actualにおいて、従来技術と比較して、約１７％改善されている。

以上の説明のように、本第１実施形態によれば、無給電素子を負荷素子として設けることにより、共振電流の電流分布を分散させて、アンテナユニットの金属近接耐性が向上することがわかる。

次に第１実施形態のアンテナユニットによる人体近接耐性について説明する。
図９は、人体近接耐性の説明図である。
ここで、人体近接耐性とは、図９に示すように、携帯端末装置ＨＴを片手で掴んで保持した場合に、人の手のひらの中に、アンテナユニット１０が収まってしまうような状態を想定したアンテナユニット１０の性能低下耐性である。

図１０は、人体の手のモデルの平面図である。
図１１は、人体の手のモデルの外観斜視図である。
ここで、人の手は、比誘電率εｒ＝５４、導電率ρ＝１．５[Ｓ／ｍ]のパラメータによりモデル化した。

手のモデルＭＤは、図１０に示すように、断面Ｕ字形状をしており、幅ｈＷ＝９２ｍｍ、奥行きｈＤ＝４５ｍｍ（２５＋２０ｍｍ）、高さｈＭＤ＝８０ｍｍとした。その他の寸法は、図１０及び図１１に示すとおりである。

そして、アンテナユニット１０が手（のモデル）から長さｄだけ上方に出ており、手のひらの表面ＳＵから５ｍｍ離間し、指Ｆに相当する部分から１ｍｍ離間している場合のＳ１１パラメータ、放射効率η_ｒａｄ及び実効効率η_actualについてそれぞれ検討した。

図１２は、アンテナユニットが手（のモデル）から長さｄだけ上方に出ている場合の実施形態及び従来技術におけるＬＩＦＡのＳ１１パラメータ（反射特性パラメータ）のシミュレーション結果を説明する図である。

図１２に示すように、１５ｍｍ≧長さｄ≧２ｍｍの領域において、反射特性（Ｓ１１パラメータの値）が向上していることがわかる。なお、長さｄ＞１５ｍｍの領域においては、従来のアンテナユニット１００と比較して、反射特性は若干劣化しているが、要求仕様であるＳ１１パラメータが０．５以下であること（＝ＶＳＷＲ≦３）を十分に満たしていることがわかる。

図１３は、アンテナユニットが手（のモデル）から長さｄだけ上方に出ている場合の放射効率η_ｒａｄの説明図である。
図１３に示すように、第１実施形態のアンテナユニットのＬＩＦＡによれば、シミュレーションを行った０ｍｍ≦長さｄ≦６０ｍｍの全領域において放射効率η_ｒａｄが従来のアンテナユニット１００のＬＩＦＡに対して改善されていることがわかる。

図１４は、アンテナユニットが手（のモデル）から長さｄだけ上方に出ている場合の実施形態及び従来技術におけるＬＩＦＡの実効効率のシミュレーション結果を説明する図である。
図１４に示すように、第１実施形態のアンテナユニット１０のＬＩＦＡ１２によれば、０ｍｍ≦長さｄ≦６０ｍｍの全領域において実効効率η_actualが従来のアンテナユニット１００のＬＩＦＡ１２Ｐに対して改善（ｄ＝３０ｍｍにおいて、約７．２％改善）されていることがわかる。
以上の説明のように、本第１実施形態によれば、無給電素子を負荷素子として設けることにより、アンテナユニットの人体近接耐性が向上することがわかる。

以上をまとめると、第１実施形態によれば、アンテナユニット１０の金属近接耐性及び人体近接耐性を向上することができ、自動車、鉄道車両等の車内、鉄筋コンクリート製の建物内等における通信性能の低下および携帯型の通信機器における通信性能の低下を抑制することが可能となる。

［２］第２実施形態
上記第１実施形態は、ＬＩＦＡ１２の素子部の先端と短絡部（接地部）が所定距離Ｌだけ離間して配置された無給電素子１３を備えていたが、本第２実施形態は、ＬＩＦＡ１２の素子部の先端と素子部の先端とが所定距離Ｌだけ離間して配置された無給電素子を備えた場合の実施形態である。

図１５は、第２実施形態のアンテナの外観斜視図である。
図１５において、図１と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
アンテナユニット５０は、図示しない基板上にグランドパターン（接地パターン）が形成されたグランド板１１と、グランド板１１に対向するようにグランド板１１の縁部に沿って形成された給電素子としてのＬＩＦＡ１２と、同じくグランド板１１に対向するようにグランド板１１の縁部に沿って形成され、ＬＩＦＡ１２の素子部の先端と素子部の先端が所定距離Ｌだけ離間して配置された無給電素子５１と、を備えている。

ＬＩＦＡ１２の構成については、図２の第１実施形態と同一であるので、その詳細な説明を援用する。

図１６は、無給電素子の拡大図である。
無給電素子５１は、グランド板１１と所定距離ｈだけ離間して配置された金属ワイヤで形成され、先端がＬＩＦＡ１２の素子部の先端と対向するように所定距離Ｌだけ離間して配置され、途中でグランド板１１の周縁部に沿って折り曲げられた素子部６１と、素子部６１の基端部６１Ｂとグランド板１１とを短絡させた短絡部６２と、を備えている。この場合において、無給電素子５１の全長Ｌ５１は、通信周波数の波長λの１／４（＝λ／４）となっている。具体的には、通信周波数として２．４ＧＨｚ帯を用いる場合に、無給電素子５１の全長は、３０ｍｍとなっている。

図１７は、図１５のアンテナユニットのグランドパターンにおける共振電流分布の説明図である。
図１７に示すように、第２実施形態のアンテナユニット５０によっても、第１実施形態のアンテナユニット１０と同様に、従来のアンテナユニット１００に比較して、グランドパターンの右端部における共振電流分布が分散している（集中していない）ことがわかる。

この結果、共振電流は、図４の従来例と比較して、様々な経路を経由して流れることとなるので、アンテナの効率を維持でき、ひいては、金属近接耐性及び人体近接耐性が向上することとなる。

次に第２実施形態におけるＳ１１パラメータ、放射効率及び実効効率について再び図６〜図８を参照して説明する。
第２実施形態のアンテナユニット５０によれば、図６に示すように、従来のアンテナユニット１００と比較して、グランド板１１のグランドパターンの右端部における共振電流分布が分散しているので、２．４ＧＨｚ帯において、距離ｈｇｐ≦４．６ｍｍにおいて、反射特性が改善されていることがわかる。さらに本第２実施形態によれば、距離ｈｇｐ≧４ｍｍであれば、反射特性としてのＳ１１パラメータに対する要求仕様を満足しており、金属近接耐性が向上していることがわかる。

また、図７に示すように、第２実施形態のアンテナユニット５０によれば、２．０ｍｍ≦ｈｇｐ≦５．８ｍｍの領域において放射効率η_ｒａｄが従来のアンテナユニット１００に対して改善されていることがわかる。

さらに図８に示すように、第２実施形態のアンテナユニット５０よれば、０．０ｍｍ≦ｈｇｐ≦４．８ｍｍの領域において実効効率η_actualが従来のアンテナユニットのＬＩＦＡに対して改善されていることがわかる。
本第２実施形態によれば、距離ｈｇｐ＝２．８ｍｍにおける実効効率η_actualにおいて、従来技術と比較して、約２５％改善されている。

以上の説明のように、本第２実施形態によっても、無給電素子を負荷素子として設けることにより、アンテナユニットの金属近接耐性が向上することがわかる。

次に第２実施形態のアンテナユニット５０による人体近接耐性について再び図１０〜図１４を参照して説明する。
人体の手のモデルについては、図１０及び図１１に示したものと同一である。
そして、アンテナユニット５０が手（のモデル）から長さｄだけ上方に出ている場合のＳ１１パラメータ、放射効率η_ｒａｄ及び実効効率η_actualがについてそれぞれ検討した。

図１２に示すように、２２ｍｍ≧長さｄ≧７ｍｍの領域において、反射特性（Ｓ１１パラメータの値）が向上していることがわかる。なお、長さｄ＞２２ｍｍの領域及び長さｄ＜７ｍｍにおいては、従来のアンテナユニット１００と比較して、反射特性は若干劣化しているが、要求仕様であるＳ１１パラメータが０．５以下であること（＝ＶＳＷＲ≦３）を十分に満たしていることがわかる。

また、図１３に示すように、第２実施形態のアンテナユニット５０によれば、シミュレーションを行った０ｍｍ≦長さｄ≦６０ｍｍの全領域において放射効率η_ｒａｄが従来のアンテナユニット１００のＬＩＦＡ１２Ｐに対して改善されていることがわかる。

さらに、図１４に示すように、第２実施形態のアンテナユニット５０によれば、０ｍｍ≦長さｄ≦４０ｍｍの領域において実効効率η_actualが従来のアンテナユニットのＬＩＦＡに対して改善されていることがわかる。
以上の説明のように、本第２実施形態によっても、無給電素子を負荷素子として設けることにより、アンテナユニットの人体近接耐性が向上することがわかる。

以上をまとめると、第２実施形態によれば、アンテナユニット５０の金属近接耐性及び人体近接耐性を向上することができ、自動車、鉄道車両等の車内、鉄筋コンクリート製の建物内等における通信性能の低下および携帯型の通信機器における通信性能の低下を抑制することが可能となる。

［３］実施形態の効果
以上の説明のように、各実施形態によれば、アンテナユニット１０の金属近接耐性及び人体近接特性を向上することができ、自動車、鉄道車両等の車内、鉄筋コンクリート製の建物内等における通信性能の低下を抑制でき、携帯型の通信機器における通信性能の低下を抑制でき、様々な分野で容易に小型の無線通信システムを構築することができる。

以上、本発明を実施形態をもとに説明したが、これらの実施形態は例示であり、それらの各構成要素及びその組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
また、アンテナとして、ＬＩＦＡに限らず、他のアンテナであっても適用が可能である。

以上の説明においては、給電素子であるＬＩＦＡ１２は、グランドパターンＧＰの一辺に沿って配置され、無給電素子１３、５１は、グランドパターンの隣接する二辺（前述した一辺を含む）に沿って折り曲げられて配置されていたが、無給電素子１３、５１を、グランドパターンの隣接する二辺（前述した一辺を除く）に沿って折り曲げて配置するように構成することも可能である。

１０ アンテナユニット
１１ グランド板
１２ ＬＩＦＡ（給電素子）
１３ 無給電素子
２１ 素子部
２２ 短絡部
２３ 給電部
３１ 素子部
３２ 短絡部
５０ アンテナユニット
５１ 無給電素子
６１ 素子部
６２ 短絡部
ＧＰ グランドパターン
ＶＰ 仮想金属平面

Claims (8)

1. グランドパターンが形成されたグランド板と、
   前記グランド板に接地され、給電がなされる給電素子と、
   前記グランド板に接地され、前記グランド板を流れる共振電流の電流分布を分散させる無給電素子と、
   を備えたアンテナ装置。
2. 前記給電素子及び前記無給電素子は、前記グランド板の縁部に沿って配置されている、
   請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記給電素子は、前記グランド板と所定距離離間して対向して配置された素子部と、
   前記素子部に給電するための給電部と、
   前記素子部の基端部及び前記グランド板に電気的に接続された短絡部と、
   を備えている、請求項１又は請求項２記載のアンテナ装置。
4. 前記無給電素子は、前記グランド板と所定距離離間して対向して配置された素子部と、
   前記無給電素子の素子部の基端部及び前記グランド板に電気的に接続された短絡部と、
   を備えた請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
5. 前記グランドパターンは、長方形状とされ、
   前記給電素子は、前記グランドパターンの一辺に沿って配置され、
   前記無給電素子は、前記給電素子が配置された一辺を含む前記グランドパターンの隣接する二辺に沿って折り曲げられて配置されている、
   請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
6. 前記給電素子の素子部の先端が、前記無給電素子の素子部の基端部を向くように配置されている、
   請求項５記載のアンテナ装置。
7. 前記給電素子の素子部の先端と、前記無給電素子の素子部の先端とは、対向するように配置されている、
   請求項５記載のアンテナ装置。
8. 前記無給電素子の全長は、通信に用いる中心波長λの１／４の長さとされている、
   請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載のアンテナ装置。