JP3791929B2 - 電界感度を低下させたループアンテナ - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、一般に通信装置に関し、詳細には、無線周波妨害を放射する装置と組み合わせて使用される無線信号通信装置に関する。
電子製品ラインにおける最近の傾向は、寸法が小さくなり、非常に携帯しやすくなったことである。ラップトップ・コンピュータおよびパームトップ・コンピュータは、この傾向を表す例である。装置をより小型にすると、消費者の関心が大きくなるのが普通である。例えば、バッテリ電源を使用して、小型であるとともに携帯が容易なことは、広範囲にわたる個人用の用途を支えている。しかし、このような装置の多くは、かなり高い周波数と電力レベルで動作し、近くの無線信号通信に影響を与える無線周波妨害または雑音を発生させる。このような装置は法律で規制されているので、無線信号妨害の放射を防止するため遮蔽しなければならないことが多い。実際問題として、遮蔽したとしても、計算装置に非常に近い所では無線周波妨害を除去することは困難である。
携帯型計算装置は、無線信号を使用して対話する通信システムの役割を果たすことができる。通信リンクとして無線信号を使用することは、携帯しやすさをさらに助長するとともに、このような装置に使用できる応用範囲をさらに拡大する。
無線信号妨害を発生する装置、例えば携帯型計算装置を無線信号受信装置と組み合わせて、例えば、携帯型計算装置への遠隔無線リンクを確定する場合、無線信号通信に対する妨害を最小にして、有用で信頼できる製品を確定しなければならない。
多くの計算装置の場合、大部分のエネルギーは磁気エネルギーではなく電気エネルギーであるから、計算装置の高周波回路からアンテナにエネルギーを結合する主たる媒体は、漂遊容量であることが多い。計算装置には、導体や、無線信号の周波数で動作し、電圧が変動する素子を含む内部回路が含まれている。このような回路が動作すると、その計算装置の近くに、無線周波妨害つまりＲＦエネルギーが発生する。漂遊容量の問題に対する１つの解決方法は、アンテナつまりアンテナの能動部分を計算装置に対して物理的に離すことである。このようにすると、漂遊容量が最小になり、これによって計算装置とアンテナとの間の静電結合の大きさが最小になる。しばしば必要になる伸したときのアンテナの長さは、携帯型装置に望まれる長さよりも長いという不都合がある。
無線周波妨害に対して可能性のある第２の解決方法は、差分給電点（differential feeds）を備えた電気的ダイポール・アンテナを使用することである。周囲の無線周波妨害に対してダイポール・アンテナを適切な位置にすると、漂遊容量を平衡させることにより妨害がうち消される。全方向に対してこれを実行することができず、いくつかの電界エネルギー発生源が妨害発生源として残存するという点で不利である。しかし、計算装置のユーザに対して、ダイポール・アンテナの方向を正確に調整するように要求することは、製品の必要条件としては好ましくないであろう。
従来のループアンテナを使用することができるが、計算装置に対する方向と位置によっては、今までどおりＲＦエネルギーの静電結合による妨害を受けることになる。
全体的に小型な製品の要求条件が与えられると、従来のアンテナのような大型素子、つまり大型アンテナを避けることが望ましい。不運にも、無線信号通信リンクとそれに付随するアンテナを使用すると、この設計基準を使用できなくなることが多い。すなわち、無線信号の妨害が必ず存在するため、計算装置とアンテナとの間を大きく離す必要があるからである。したがって、計算装置の内部および周辺で感知される電界の無線周波妨害が存在するところで、確実に動作することができる小型かつ低損失のアンテナを提供することが望ましい。
発明の要約
本発明による無線信号受信装置には、平らなアンテナ・ループ構造体と、このアンテナ・ループ構造体の内部かつ同一平面にある磁気ピックアップ装置とが含まれている。無線信号受信装置は、この磁気ピックアップ装置に接続されている。アンテナ・ループ構造体に沿って直列に、１つまたはそれ以上のコンデンサを挿入すると、選択された共振周波数を確定してアンテナを同調させる。本発明のアンテナは、プリント回路基板上の微細導線（conductive trace）として実現させることができる。
本発明による無線信号の受信方法には、導電性ループ構造体により遮蔽された平面領域であって、接面方向（tangential）電界エネルギーに対して遮蔽された平面領域を与えるステップと、ループ構造体の内部に配置され同一平面上にある磁気ピックアップ装置に前記ループ構造体を電磁結合させるステップとが含まれている。このようにすると、磁気ピックアップ装置から、差分（differential）無線信号が取り出される。ループ構造体の２つの対称的に反対の位置に置かれている直列コンデンサは、この中を流れる電流をバランスさせることによって、磁気ピックアップ装置に誘起する妨害磁束をうち消す。ループ構造体の選択された同調を確定するため、可変コンデンサ素子を使用してもよい。
本発明の要旨は、詳細に指摘されており、本明細書の結論部分の請求の範囲で明瞭に示されている。しかし、本発明の構成および動作方法は、添付の図面とともに下記説明を参照することにより、最もよく理解できるであろう。図面中、同様な参照文字は同様な素子を表している。
【図面の簡単な説明】
本発明をよりよく理解するためと、本発明を有効にする方法を示すため、以下、例として添付の図面を参照する。図面中、
図１は、妨害電界エネルギーを発生する計算装置と、妨害電界エネルギーに対する感度を低下させたアンテナとを示している。
図２は、プリント回路基板上に実現された図１のアンテナをさらに詳細に示している。
図３Ａ〜３Ｃは、従来のループアンテナと、隣接する計算装置によって発生するような妨害電界に対するいくつかの相対的方向とを示している。
図４は、接面方向電界内部の導電性リングと、該導電性リングの内部平面領域における遮蔽とを示している。
図５は、選択された共振周波数を確定する直列容量をもつアンテナ・ループと、該アンテナ・ループの内部かつ同一平面上にある磁気ピックアップ装置とを含む本発明によるアンテナ構造体を模式的に示している。
図６は、一定の共振周波数つまり同調周波数を確定する場合の分割された容量を含む本発明の第２の実施例を示している。
図７は、直流同調電圧を印加することにより、選択された共振周波数を確定する分割された可変コンデンサを含む本発明の別の実施例を示している。
好適実施例の詳細な説明
図１は、携帯型計算装置１０、例えば、ディスプレイ１２およびキーボード１４を含む携帯型ラップトップ計算装置を示している。装置１０の回路は、十分に高い周波数で動作し、主として電界妨害である無線周波妨害（ＲＦＩ）１６を発生させる。装置１０には、無線信号受信回路つまり受信器１８と、本発明の第１の実施例による小型かつ高Ｑループアンテナ２０とがさらに含まれている。
図２において、アンテナ２０はプリント回路基板２２上に実現され、同軸ケーブル２４により受信器１８に接続している。同軸ケーブル２４は、ループアンテナ２０がよくわかるように、図２では切り離されて示されている。アンテナ２０には、アンテナ・ループ３０と内側の磁気ピックアップ・ループ２０とが含まれている。衝突する無線信号の磁力線（magnetic flux lines）がアンテナ・ループ３０の内部を通過すると、アンテナ・ループ３０の周囲に均一な振動電流を励起して、アンテナ・ループ３０の内部と周囲に集中磁束を発生させる。アンテナ・ループ３０は、接面方向の妨害電界に対して、ループ３０の内側の平面領域を遮蔽する。しかし、アンテナ・ループ３０によって受信された無線信号から引き出される集中磁束は、アンテナ・ループ３０の電気的に遮蔽された平らな内部に存続する。アンテナ・ループ３０の平面内の磁気ピックアップ・ループ３２は、この集中磁束に反応して、同軸ケーブル２４に無線周波電力を結合する。
本発明は、主として、無線信号の受信について例示しかつ考察されているが、無線信号を送るためにも使用できる。例えば、同軸ケーブル２４によってループ３２にＲＦ電力が印加されると、このＲＦ電力は、送信用のアンテナ・ループ３０に電磁結合される。
ループ３０，３２はプリント回路基板２２上の微細導線である。理解できるように、プリント回路基板２２上にアンテナ２０をつくることは、比較的少ない費用ですむ。さらに設計者は、回路基板２２上のループ３０，３２のそれぞれの寸法や相対的位置のような特徴をかなり調整することができる。基板２２の平らな表面上の円形構造体であるアンテナ・ループ３０は、対象軸３４に対して対象に置かれる。一般に、ＶＨＦまたはより低い周波数の場合、アンテナ・ループ３０は、計算装置１０の所定の全体寸法および設計上の制約に可能な限り大きな直径でつくられる。磁気ピックアップ・ループ３２も平らな表面２２ａ上に置かれる。つまり、アンテナ・ループ３０と同一平面上に置かれ、後で十分考察するように、軸３４に対し中心をはずして置かれる。磁気ピックアップ・ループ３２の寸法を変えると、磁気ピックアップ・ループ３２の内部を通過する磁力線の数が変動することにより、アンテナ・ループ３０および同軸ケーブル２４の間のインピーダンス整合が達成される。
アンテナ・ループ３０には、ともに対象軸３４に沿った位置にあるヌル・ポイント（null point）３０ａおよび開路（break）３０ｂが含まれている。開路３０ｂの両端に直列な容量の大きさを選択すると、アンテナ２０が同調する。より詳細には、高Ｑコンデンサ４０を開路３０ｂの両端に直列に置き、開路３０ｂの両端の容量の変動範囲を制限するとアンテナ２０のＱが改善する。個別には４２ａおよび４２ｂである１対の整合が取られた電圧可変コンデンサ（バラクタ）４２も、間にある微細導線とともに開路３０ｂの両端に直列に置かれている。微細導線４４に供給される直流電圧を選択すると、アンテナ２０は選択された無線信号周波数に同調する。
直流同調電圧は、同軸ケーブル２４の内部導体２４ａを介して到着する。微細導線４６は、微細導線４４を誘導子４８に接続し、微細導線５０は、誘導子４８の反対側を磁気ピックアップ・ループ３２に接続する。微細導線４６，４８のそれぞれは、誘導子（inductor）５０とともに対象軸に沿って置かれている。誘導子４８は、バラクタ４２が対称でない場合に生じた微細導線４４に現れる無線信号エネルギーが、磁気ピックアップ・ループ３２に入るのを阻止するが、微細導線４４に直流同調電圧が送られることを可能にする。
磁気ピックアップ・ループ３２には開路３２ａが含まれている。開路３２ａの第１の側は、対称軸３４に沿って位置している端子６０を定義（defines）する。開路３２ａの第２の側は、コンデンサ６２を介して、対称軸３４を横切る２つの接続点６４ａ，６４ｂとして図２に示されている端子６４に接続する。コンデンサ６２は、直流同調電圧を阻止するが高周波無線信号を阻止しない。同軸ケーブル２４をアンテナ２０に接続する場合、ケーブル２４は対称軸３４に沿った位置に置かれ、特に接続点６４ａ，６４ｂにはんだ付けされた逆Ｕ字型の硬線により、内部導体２４ａは端子６０に電気的に接続され、遮蔽導体２４ｂは端子６４に電気的に接続される。
磁気ピックアップ・ループ３２は中心からはずれて置かれている。つまり、ループ３０，３２の間の実効容量を最小にするため、ループ３０の中心位置にない。磁気ピックアップ・ループ３２の中心からはずれた位置を実際に決めることは、実験によって、または有限要素法を使用したコンピュータによるモデル作成ツールを使用することによって達成される。この中心からはずれた位置を決定する目的は、各ループ構造体の相対的に強い信号電圧の位置、つまり、ループ３２の端子６０に最大信号電圧があり、端子６４には電圧がなく、開路３０ｂに最大信号電圧がありループ３０のヌル・ポイント３０ａには信号電圧がないことを考慮することにより、ループ３０，３２の間のＲＦ電力の静電結合を最小にすることである。
図３Ａ〜３Ｃは、従来のループアンテナ８０と、例えば近くにある計算装置から直交する３方向に発生する周囲電界８２との間の相互作用を示している。図３Ａにおいて、電界８２の電気力線（lines）はループ８０に垂直である。つまり、ループ８０の平面に垂直である。このような相対的方向の場合、電流はループの１つの表面から反対の表面へ、例えば前面から背面に横断して流れるので、電界８２で、電流はループ８０の周囲を流れない。ループ８０の接点８０ａ，８０ｂに関する純電流（net current）は生じない。図３ｂにおいて、電界８２はループ８０に対して接面方向の位置にあり、ループ８０の対称軸８０ｃと平行している。このような方向の場合、電流８３ａ，８３ｂは上方または下方に流れるが、電界８２で接触点８０ａ，８０ｂに関する純電流は生じない。したがって、図３Ａ，３Ｂに示すように、ループ８０と電界８２の相対的方向は、無線周波妨害がないこと、つまり、電界８２によって、端子８０ａ，８０ｂに純電流が誘起されないことを示している。
図３Ｃは、周囲の接面方向電界８２によるループ８０内の無線周波妨害源を示している。より詳細には、図３Ｃはループ８０に対する電界８２の接面方向と、対称軸８０ｃに対する垂直方向を示している。個別には電流の流れ８４ａ，８４ｂであるループ８０の電流の流れ８４は、端子８０ａ，８０ｂを通る純電流を発生する。つまり、受信器が端子に接続されている場合、その受信器を流れる電流が発生する。ループ８０の開路８０ｄを横切る強制的な電流の流れ８４ｂにより、端子８０ａ，８０ｂに対する純電流の流れが生じる。したがって、図３Ｃに示す相対的方向の場合、電界８２は、端子８０ａ，８０ｂで取り出される無線信号の中に無線周波妨害を発生させる。
したがって、図３Ｃに示すループ８０は、電界８２が、ループ８０の平面と接面方向で、ループ８０の対称軸８０ｃに垂直の場合、電界８２に比例する無線周波妨害を受ける。しかし、図３Ｃに示すループ８０の内部は、この接面方向の妨害電界８２に対して遮蔽されている。
図４は、接面方向電界９２の中の導電性リングを示しており、妨害電界１６に対しアンテナ・ループ３０によって用意される遮蔽効果を類推して示している。電流は、導電性リング９０の外縁に沿った電荷分布が、リング９０の内側の電界をうち消すまで、つまりリング９０内に接面方向電界が存在しなくなるまで、導電性リング９０の外縁を流れる。別の言い方をすれば、リング９０上のすべての位置が同電位である導電性リング９０の内部平面領域９４に、妨害電界は存在しない。類推すれば、アンテナ・ループ３０は、ループ３０と接面方向、つまりループ３０の平面内の外部電界から、磁気ピックアップ・ループ３２を遮蔽する。対称になっているため、ループが差分信号（differential signal）を取り出す限り、垂直方向の電気力線は無効である。
本発明のアンテナは、遮蔽された領域を備えている。妨害、つまり接面方向電界の無線周波（ＲＦ）妨害に対して遮蔽されているとともに、希望する無線信号から取り出される集中磁束をこの遮蔽された領域内に供給する。アンテナ・ループ３０の内部かつ同一平面上にある磁気ピックアップ・ループ３２は、この集中磁束と交差して、無線信号電力を集める端子を備えている。
図５は、外部電界１１６に対して遮蔽として作用する外周型（surrounding）アンテナ・ループ１３０の使用を示している。ループ１３０の開路として挿入されたコンデンサ１４０は、アンテナ・ループ１３０が希望する周波数で共振するように選択される。アンテナ・ループ１３０は電気的に小さい。つまり、希望する周波数の波長よりもかなり小さい。磁気ピックアップ・ループ１３２はアンテナ・ループ１３０に対して中心に置かれているとともに、アンテナ・ループ１３０の平面内に置かれている。
コンデンサ１４０は、例えば図３Ａ〜３Ｃの端子８０ａ，８０ｂである従来のアンテナ給電点の代わりになっている。ループ１３０のインダクタンスと密接な関係にある容量に選択された値は、アンテナ・ループ１３０に選択された共振を確定する。アンテナ・ループ１３０の内部に集中された磁束は、端子１３２ａ，１３２ｂで、例えば平衡ケーブルを使用して受信器１８に接続する磁気ピックアップ・ループ１３２を通過する。ループ１３２は、疎結合された変成器の２次巻き線として見ることができる。したがって、ループ１３２は、アンテナ・ループ１３０に電磁結合する。注意すべき大切なことは、アンテナ・ループ１３０は、無線信号を受信するとともに、高Ｑ共振により、磁気ピックアップ・ループ１３２によって集められるように、無線信号の磁束を集中させることである。
アンテナ・ループ１３０と直列にコンデンサ１４０を配置すると、周囲の接面方向電界によって生じる電流の流れに何らかの不平衡が生じる。より詳細には、電流の流れ１３１ａおよび電流の流れ１３１ｂは、周囲の電界１１６によって生じる。コンデンサ１４０は、電流の流れ１３１ａの経路にあるが、電流の流れ１３１ｂの経路にはないから、電流の流れの不平衡が生じる。したがって、電流１３１ａ，１３１ｂは、コンデンサ１４０のため、位相および大きさの点で必ずしも等しくない。このために、ループ１３２を通る純磁束を発生することがあり、これによって、希望しないのに端子１３２ａ，１３２ｂの両端に電圧、つまり妨害が誘起する。
図６は、図５の実施例における電流の不平衡に対する解決方法として、本発明の最も好適な構成を示している。理解できるように、図７とともに図６に模式的に示す本発明の実施例は、図２の実施例について上に説明したように、プリント回路基板上で実現することができる。図６において、同調容量２４０はコンデンサ２４０ａ，２４０ｂで分割されている。コンデンサ２４０ａ，２４０ｂのそれぞれは、選択された無線信号周波数にアンテナ・ループ２３０を同調させるために必要な選択された容量、例えば図５のコンデンサ１４０の容量の２倍の値をもっている。磁気ピックアップ・ループ２３２は対称的に、つまりアンテナ・ループ２３０の中心に置かれている。周囲の電界２１６でループ２３０に誘起する電流は、個別には電流２２９ａ，２２９ｂであり、容量２４０、個別にはコンデンサ２４０ａ，２４０ｂを対称的に通過する。したがって、電流の流れ２２９ａ，２２９ｂによって生成され、磁気ピックアップ・ループ２３２を通る純磁束はゼロになるので、磁気ピックアップ・ループ２３２と、妨害電界２１６によって生成される電流２２９との間の電磁結合は存在しない。
２本の同一信号導体２２４ａ，２２４ｂをもつ平衡対リードケーブル２２４は、磁気ピックアップ・ループ２３２の端子２３２ａ，２３２ｂに受信器２１８を接続する。この構成の場合、磁気ピックアップ・ループ２３２はアンテナ・ループ２３０の中心に置かれ、端子２３２ａ，２３２ｂから取り出される差分信号が無線信号電力を供給する。このアンテナ構成は、妨害電界２１６に対する方向に制約を受けないという特長があり、周囲の妨害電界に対する無線信号の感度をかなり小さくする。
要約すると、対称になっているため、垂直な電界は、端子２３２ａ，２３２ｂに差分信号を発生しない。接面方向電界２１６は、外側のアンテナ・ループ２３０によって内側の磁気ピックアップ・ループ２３２による相互作用に対して遮蔽されているので、電界２１６は、端子２３２ａ，２３２ｂに電圧変動を発生しない。接面方向電界２１６によってアンテナ・ループ２３０に誘起される電流２２９ａ，２２９ｂは対称であるため、磁気ピックアップ・ループ２３２を通る純磁束を発生せず、したがって、端子２３２ａ，２３２ｂで電位差を発生しない。
図７は、対リードケーブル２２４を介して可変コンデンサ（バラクタ）を組み込むことと、図６に示すアンテナ構成の同調を選択可能にするため、対リードケーブル２２４を介して直流同調電圧を印加することとを示している。図７において、バラクタ２３７ａ，２３７ｂが、コンデンサ２４０ａ，２４０ｂと入れ替わると、アンテナ・ループ２３１に可変容量を供給するので、アンテナ・ループ２３１の共振を選択的に変更する。誘導子２３９ａ，２３９ｂは、磁気ピックアップ・ループ２３３を外側のアンテナ・ループ２３１と直流的に接続する。誘導子２３９ａ，２３９ｂは、アンテナ・ループ２３１と磁気ピックアップ・ループ２３３との間の無線周波エネルギーの伝導を阻止する。磁気ピックアップ・ループ２３３の端子２２５ａ，２２５ｂに対して対称的に反対の位置に挿入されたコンデンサ２３８は、端子２２５ａ，２２５ｂ間の直流を阻止する。端子２２５ａは、対リードケーブル２２４を介して、正のバラクタ制御電圧を受け取り、端子２２５ｂは、負のバラクタ制御電圧を受け取る。磁気ピックアップ・ループ２３３は、外側のアンテナ・ループ２３１に対して対称的に、つまり中心に置かれている。したがって、図７のアンテナ構成は、改善された受信用の端子２２５ａ，２２５ｂに接続されたケーブル２４０の１対のリード線２２４ａ，２２４ｂを介して直流同調電圧を印加することにより、選択された無線信号周波数に同調する。
このように、電界感度を低下させた改善されたループアンテナを示し説明してきた。本発明のアンテナは、妨害、つまり接面方向の電気力線を遮蔽し、アンテナ・ループに磁力線を集中させる。集中磁力線は、アンテナ・ループの磁気ピックアップ・ループと交差する。この磁気ピックアップ・ループから取り出された無線信号は、近くにある無線周波電界妨害源によって生じる妨害、つまり近くにある計算装置によって生じる妨害に対する感度が低い。本発明のアンテナは十分小型につくることができ、計算装置に対する無線リンクが確定した場合、無線信号を確実に受信できるとともに、全体として小型のパッケージ形式を含む製品設計基準に合致する。本発明のアンテナは、ループアンテナの円周が、対象とする無線信号の波長よりかなり小さい場合、小型かつ高Ｑアンテナとしての用途に適している。
本発明は、ここに説明しかつ例示してきた特定の実施例に限定されるものではなく、添付の請求の範囲およびそれと等価な記述に見られる本発明の範囲から逸脱せずに、多数の変形を作り出すことができることが理解されるであろう。

Claims (2)

1. 特定の周波数の無線信号を受信する無線信号受信装置であって、
   平らなアンテナ・ループ構造体と、
   前記アンテナ・ループ構造体と同一平面にあり、前記アンテナ・ループ構造体の内部に配置され、さらに前記アンテナ・ループ構造体の中心から離れたところに配置された磁気ピックアップ装置であって、前記特定の周波数において電気的に絶縁されている磁気ピックアップ装置と、
   前記磁気ピックアップ装置に接続された無線信号受信装置と、
   を具備する無線信号受信装置において、
   前記アンテナ・ループに対する前記磁気ピックアップ装置の位置は、前記磁気ピックアップ装置と前記アンテナ・ループとの間の静電結合を最小にするように選択される無線信号受信装置。
2. 特定の周波数の無線信号を受信する無線信号受信装置であって、
   平らなアンテナ・ループ構造体と、
   前記アンテナ・ループ構造体と同一平面にあり、前記アンテナ・ループ構造体の内部に配置された磁気ピックアップ装置であって、前記特定の周波数において電気的に絶縁されている磁気ピックアップ装置と、
   前記磁気ピックアップ装置に接続された無線信号受信装置と、
   前記ループ構造体に沿って対称的に反対の２つの位置に配置された２つの直列コンデンサと、
   を具備する無線信号受信装置。

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