JP2022126299A

JP2022126299A - 等方性平面型アンテナ

Info

Publication number: JP2022126299A
Application number: JP2021024294A
Authority: JP
Inventors: 裕平山; Yutaka Hirayama
Original assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2021-02-18
Filing date: 2021-02-18
Publication date: 2022-08-30

Abstract

【課題】構造が一層であって低コストであり、等方性が改善された等方性アンテナを提供すること。【解決手段】ループアンテナ２、一対のダイポールアンテナ３及び一対の伝送線路４を備え、ループアンテナ２は一対の伝送線路４のそれぞれの一端５に接続し、一対のダイポールアンテナ３のそれぞれが一対の伝送線路４のそれぞれの他端６に接続する一層構造の等方性平面型アンテナ１であって、到来角度による電圧変動率が好ましくは１．３倍以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、等方性平面型アンテナに関する。

近年、ＩｏＴの実現のためにセンサデバイスが大量に使われており、電力供給方法としてエネルギーハーベスティングが考えられている。エネルギーハーベスティングに用いられるアンテナは、電波の到来方向に依らず電力を得るために広い指向性が求められる。

特許文献１には、磁場遮蔽シートと、その一面に取り付けられる無線電力伝送用アンテナと、無線電力伝送用アンテナが取り付けられた面に取り付けられる無線通信用アンテナとを含み、無線電力伝送用アンテナと無線通信用アンテナが同一平面上に配置されることが記載されている。

非特許文献１には、構造が立体的な等方性アンテナ（図６（ａ）参照）が記載されている。その構造は、２層基板・上層に配置された無給電フォールデッドダイポールアンテナ、下層に配置された容量装荷ループアンテナであって、到来角度による電圧変動率は２．０である。
また、非特許文献２には、シールデッド構造を用いた準等方性２層構造平面アンテナが（図６（ｂ）参照）が記載されている。ＲＦＩＤタグとして使用され、電圧変動率は１．４程度である。ＲＦＩＤタグでは、ループ部分とダイポール部分から構成されるアンテナは広く使用されているが、等方性は６ｄＢ程度であり、これは到来角度によって受信電圧が２倍変化することを意味している（図７（ａ）～（ｃ）参照）。

特開２０２０－１９５２７５号公報

J.Ouyang,Y.M.Pan,S.Y.Zheng,and P.F.Hu,"An Electrically Small Planar Quasi-Isotropic Antenna,",Ieee Antenn Wirel Pr,vol.17,no.2,pp.303-306,Feb 2018,doi 10.1109/Lawp.2017.2787720. C.H.Wu and T.G Ma,"Miniaturized Self-Oscillating ActiveIntegrated Antenna with Quasi-Isotropic Radiation,"Ieee Transactions on Antennas and Propagation,vol.62,no.2,pp.933-936,Feb2014,doi:10.1109/Tap.2013.2289942.

しかしながら、従来の等方性アンテナは構造が立体的であったり、２層構造であったりして複雑である。また、より高い等方性に改善すべき余地があるという問題があった。そこで、本発明では、構造が一層であって等方性が改善された等方性アンテナを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は以下の通りである。
（１）ループアンテナ、一対のダイポールアンテナ及び一対の伝送線路を備え、ループアンテナは一対の伝送線路のそれぞれの一端に接続し、一対のダイポールアンテナのそれぞれは一対の伝送線路のそれぞれの他端に接続することを特徴とする一層構造の等方性平面型アンテナである。
（２）前記ループアンテナは略円形で、前記一対の伝送線路のそれぞれの長さは前記略円形の最大径を超えることを特徴とする（１）に記載の等方性平面型アンテナである。
略円形が円形であれば、最大径は直径である。
（３）到来角度による電圧変動率が１．３倍以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の等方性平面型アンテナである。
（４）請求項１～３の何れか１項に記載の等方性平面型アンテナを使用する電力供給方法である。
電力供給方法とは、好ましくはＲＦエネルギーハーベスティングである。

本発明による等方性平面型アンテナによれば、構造が一層のため低コストであり、等方性が改善された等方性アンテナとすることができる（到来角度による電圧変動率が好ましくは１．３以下であること）。

本発明の一つの実施形態である等方性平面アンテナを示した図である。等方性平面アンテナの原理等を模式的に説明した図であって、（ａ）、（ｃ）ループアンテナの放射パターンや不感方向、（ｂ）、（ｄ）ダイポールアンテナの放射パターンや不感方向を、それぞれ示した図である。等方性平面アンテナ（実施例１）の入力インピーダンスを示した図である。等方性平面アンテナ（実施例１）の放射パターンを３Ｄとして示した図である。等方性平面アンテナ（実施例１）の放射パターンを（ａ）ｙｚ面、（ｂ）ｘｙ面について、それぞれ２Ｄとして示した図である。（ａ）非特許文献１に記載の等方性アンテナ、（ｂ）非特許文献２に記載の準等方性２層構造平面アンテナを、それぞれ模式的に示した図である。（ａ）商用ＲＦＩＤタグの実例、（ｂ）商用ＲＦＩＤタグのパターン例、（ｃ）ＲＦＩＤタグ（ｂ）の放射パターン例（２Ｄ）を、それぞれ示した図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

等方性アンテナの必要性について、さらに詳説すると次のようである。アンテナは特定の方向に電波を集中させることにより高い感度が得られるが、電波の到来方向が不明な場合、もしくは変化する場合は、全方向から電波を受信する必要がある。アンテナの設置姿勢が一定でない場合も、アンテナから見た電波の到来方向が変化するため、全方向からの電波を受信する必要がある。「無指向性アンテナ」は、水平面内で３６０度方向から等しく電波を受信するアンテナである。アンテナの設置姿勢が固定してあり、電波到来方向だけが変わる場合は、これで対応できる。一方、「等方性アンテナ」は、どの面でも３６０度方向（即ち４πステラジアンの立体角に渡って）等しく電波を受信するアンテナである。アンテナの設置姿勢が一定でない場合は、等方性アンテナが必要となる。

電磁界測定用の等方性アンテナについて説明すると次のようである。電磁界測定の分野ではx軸、y軸、z軸の３つのアンテナを直交に配置した等方性アンテナが使用されている。構造が立体的となるため、センシングデバイス等への搭載は困難である。

ＲＦＩＤで用いられている等方性平面アンテナについて、さらに説明すると次のようである。ＲＦＩＤタグの分野では等方性の平面型アンテナが使用されている。しかし、等方性（到来角度による受信電圧の最大値と最小値の比）は２倍程度であり、より等方性の高いアンテナが望まれている。

図１に示すように、等方性平面アンテナ１（実施例１）は、ループアンテナ２、一対のダイポールアンテナ３及び一対の伝送線路４から構成される。さらに詳しくは、等方性平面アンテナル１は、ループアンテナ２、一対のダイポールアンテナ３及び一対の伝送線路４を備え、ループアンテナ２は一対の伝送線路４のそれぞれの一端５に接続し、一対のダイポールアンテナ３のそれぞれが一対の伝送線路４のそれぞれの他端６に接続する。したがって、平面型アンテナ等方性平面アンテナル１（３５１ＭＨｚ用）は一層構造である。一対の伝送線路４を構成する一方と片方同士は、ＴＥＭモードを伝搬させる伝送線路としての役割を果たし、一定の特性インピーダンスを保持する観点から離間している。そして、一対のダイポールアンテナ３を構成する一方と片方同士も離間している。そのため、給電点から見るとインピーダンス変換および位相調整を行う伝送線路を介して接続されたダイポールアンテナとなる。

ループアンテナ２の指向性のヌルをダイポール３の指向性で補った。さらに伝送線路４を用いてダイポールアンテナ３とループアンテナ２の電力分配を調整することで広い指向性を実現することができた。また、パラメータは、指向性の最小値が最大になるよう最適化して決定し、導体は銅を用いた。

図２（ａ）～（ｆ）を参考にしてさらに説明を行うと次のようである。ループアンテナは、そのループを含む面の法線方向からの電波は受信できない（図２（ａ）、（ｃ））、一方、ダイポールアンテナは、その線の延長方向からの電波は受信できない（同（ｂ）、（ｄ））。ループアンテナとダイポールを組み合わせることにより、受信できない方向を補い合うことができるが、単純に接続しただけではループとダイポールのインピーダンスが異なるため、電力が等しく分配されず、完全な等方性化は不可能である（同（ｅ））。本発明の等方性平面アンテナは、ダイポールのインピーダンスを伝送線路によって変換することで、ループの放射とダイポールの放射の割合を調整し、完全な等方性を実現することができたのである。

一対の伝送線路４のそれぞれの長さはループアンテナ２の最大径を超えることが好ましい。これは、伝送線路がループとダイポールを接続するだけではなく、インピーダンス変換および位相調整を行う機能を実現する観点からである。ループアンテナ２の略円形はループアンテナによる放射を無指向性化する観点から円形が好ましい。したがって、ループアンテナ２が円形であるときには、一対の伝送線路４のそれぞれの長さはその円形の直径を超えることが好ましい。

アンテナの端子間に誘起される起電力は、数式（１）で表され、指向性の最大値Ｄ_ｍａｘや最小値Ｄ_ｍｉｎによって変動する。そこで数式（２）のように到来角度電圧変動率Ｖ_Ｄを定義して、これをアンテナの評価指標とした。到来角度電圧変動率Ｖ_Ｄが１であれば受信電圧は到来角度に全く依存しないことになる。

図３には、等方性平面アンテナ１のインピーダンス特性を示した。３５１ＭＨｚにおいて、インピーダンスの実部は３７．７Ω、虚部は１．３ｋΩとなり、放射効率は０．２３となった。

等方性平面アンテナ１の放射パターンについて、図４には３Ｄとして示し（破線で放射射パターン指向性とその指標との関係を示した）、図５には（ａ）ｙｚ面、（ｂ）ｘｙ面についてそれぞれ２Ｄとして示した。図４から、等方性平面アンテナ１の放射パターンは、４πステラジアンの立体角に渡り等しい利得を持つことが分かった。

等方性平面アンテナ１放射パターン指向性の最大値Ｄ_ｍａｘは０．０２５ｄＢｉ、最小値Ｄ_ｍｉｎは－０．０４２ｄＢｉとなり、到来角度電圧変動率Ｖ_Ｄが１．０１となった。この値は、図６（ａ）非特許文献１に記載の等方性アンテナと対比すると、１．０１／２．０＝０．５０５であった。また、同（ｂ）非特許文献２に記載の準等方性２層構造平面アンテナと対比しても、１．０１／１．４＝０．７２１であって、等方性平面アンテナ１は優れた等方性を実現することが分かった。

ＩｏＴデバイスのエネルギーハーベステイング、および通信用アンテナとして用いることで、その設置角度によらず受電電力・通信性能が変わらないものが実現可能である。金属筐体内での無線電力伝送では、電波が筐体内部での反射により複数の方向から到来するため、金属筐体内のセンシングデバイスにも、応用が可能である。

１：等方性平面アンテナル
２：ループアンテナ
３：一対のダイポールアンテナ
４：一対の伝送線路
５：一対の伝送線路の一端
６：一対の伝送線路の他端

Claims

ループアンテナ、一対のダイポールアンテナ及び一対の伝送線路を備え、ループアンテナは一対の伝送線路のそれぞれの一端に接続し、一対のダイポールアンテナのそれぞれは一対の伝送線路のそれぞれの他端に接続することを特徴とする一層構造の等方性平面型アンテナ。
前記ループアンテナは略円形で、前記一対の伝送線路のそれぞれの長さは前記略円形の最大径（直径）を超えることを特徴とする請求項１に記載の等方性平面型アンテナ。
到来角度による電圧変動率が１．３倍以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の等方性平面型アンテナ。
請求項１～３の何れか１項に記載の等方性平面型アンテナを使用する電力供給方法。