JP4259460B2 - 発光ダイオード付マイクロストリップアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード付マイクロストリップアンテナに関し、特にノンストップ自動料金収受システム(Electronic Toll Collection System；以下、ＥＴＣと表示する) の車載器に使用される発光ダイオード付マイクロストリップアンテナに関する。

ＥＴＣ車載器に使用されるアンテナとして発光ダイオード付マイクロストリップアンテナが知られている。このマイクロストリップアンテナに設けられる発光ダイオードは動作の正常、異常、警告等を表示するためのものである。

図１７は従来の発光ダイオード付マイクロストリップアンテナの一例の斜視図である。同図を参照すると、従来の発光ダイオード付マイクロストリップアンテナ１０１はプリント基板４５を用いて構成されている。そのプリント基板４５の表面１１には放射素子１２と、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと表示する）５１と、スルーホール５２と、４分の１波長のマイクロストリップ線路５３と、ランド５４と、変成器５５とが配置され、裏面１７にはグラウンド導体（不図示）が配置されている。ランド５４は裏面１７のグラウンド導体とスルーホール５２を介して接続されている。

このＬＥＤ５１、スルーホール５２、４分の１波長のマイクロストリップ線路５３、ランド５４および変成器５５とでＬＥＤ回路が構成される。ＬＥＤ回路はマイクロ波信号の影響を排除し、ＬＥＤ５１の駆動に必要な直流電圧のみをＬＥＤ５１に供給するための回路である。

このＬＥＤ回路は使用周波数の波長の４分の１の長さのインピーダンス変成器５５を有している。インピーダンス変成器５５の線路幅は０．２mm程度の細さとなっており、特性インピーダンスは数百オーム程度のマイクロストリップ線路になっている。

変成器５５の先には５０オーム程度のマイクロストリップ線路５３が、波長の４分の１の長さで構成されている。また、変成器５５と４分の１波長の長さのマイクロストリップ線路５３の接続部にはＬＥＤ５１が設けられている。また、ＬＥＤ５１の一方の端子は接続部へ、もう一方の端子はランド５４へ接続されている。

一方、マイクロストリップ線路５３を介して、放射素子１２の端部に設けた給電点１４より給電が行われる。

図１８および図１９は従来の発光ダイオード付マイクロストリップアンテナの他の一例の斜視図、図２０は同アンテナの断面図である。図１８は同アンテナの表面を示し、図１９は裏面を示している。

図１８〜図２０を参照すると、従来の発光ダイオード付マイクロストリップアンテナの他の一例は第一層と、第二層と、第三層とから構成される。第一層には放射素子６２が形成され、第二層にはグラウンド導体６６が形成され、第三層にはマイクロストリップ線路５５と、ＬＥＤ５１を含むＬＥＤ回路と、ランド５７とが形成されている。

放射素子６２の中心部から所定距離離れた位置（オフセットした位置）にスルーホー６４が設けられている。そのスルーホール６４は第三層へ接続される。グラウンド導体６６のスルーホール６４の位置には、円形の切り欠き６８があり、スルーホール６４とは電気的に絶縁されている。

マイクロストリップ線路５５はスルーホール６４へ接続される。ＬＥＤ５１を含むＬＥＤ回路は前述の従来例ＬＥＤ回路（図１７参照）と同様の構成となっている。

ＬＥＤ回路のランド５７は第二層のグラウンド導体６６とスルーホール５２を介して接続されている。

一方、他の従来技術の一例としてフォトダイオードを半導体基板の開口部に配置した電磁波発生装置が開示されている（特許文献１参照）。これは、フォトダイオードにレーザ光を照射し、発生した電気信号をパッチアンテナに供給するというものである。

また、他の従来技術の一例としてプリントアンテナにＬＥＤを配置したプリントアンテナ基板が開示あれている（特許文献２参照）。

また、一般的なマイクロストリップアンテナの放射素子の一例が開示されている（非特許文献１参照）。

特開２００２−２４６８３８号公報（段落００１２，００１３、図２（ａ）） 特開２００４−３６３７０号公報（段落０００７、図１） 羽石操、"小型・平面アンテナ"、電子情報通信学会、平成８年８月１０日、ｐ１４２図５．１、ｐ１４６図５．４

しかし、従来のマイクロストリップアンテナは、ＬＥＤを搭載するためにプリント基板上にＬＥＤ回路を付加する必要があった。このＬＥＤ回路を付加するためには、その分だけプリント基板の面積を広くするか（図１７参照）、あるいはプリント基板の層数を増やし、２層から３層以上にする必要があった（図１８〜２０参照）。

このため、従来のマイクロストリップアンテナは、プリント基板のコスト増大およびアンテナの大型化を招くという問題があった。

一方、特許文献１記載の技術はフォトダイオードを搭載する技術であり、発光させることを目的とする発光ダイオードを搭載する技術とは目的、構成および効果が全く異なる技術であり、上記課題を解決する手段は開示されていない。

また、特許文献２記載の技術はＬＥＤを駆動するためのＬＥＤ回路については全く触れておらず、その目的、構成および効果が本発明と全く異なる技術であり、上記課題を解決する手段は開示されていない。

さらに、非特許文献１にも上記課題を解決する手段は開示されていない。

そこで本発明の目的は、プリント基板の面積および層数を増やすことなく実現が可能な発光ダイオード付マイクロストリップアンテナを提供することにある。

前記課題を解決するために本発明による発光ダイオード付マイクロストリップアンテナは、放射素子と、前記放射素子と対向するグラウンド導体と、前記放射素子または前記グラウンド導体上に設けられる発光ダイオードとを含む発光ダイオード付マイクロストリップアンテナであって、前記発光ダイオードは、前記放射素子が共振したとき前記放射素子と前記グラウンド導体との電位差が最小となる部位において一方の端子が前記放射素子と接続され、他方の端子が前記グラウンド導体と接続されることを特徴とする。

本発明によれば、前記放射素子が共振したとき前記放射素子と前記グラウンド導体との電位差が最小となる部位において発光ダイオードを接続したため、発光ダイオード駆動用の回路（ＬＥＤ回路）は不要となる。

本発明によれば、発光ダイオードは放射素子が共振したとき放射素子とグラウンド導体との電位差が最小となる部位において放射素子およびグラウンド導体と接続される構成であるため、発光ダイオードに給電ケーブルまたはマイクロストリップ線路を介して直流電圧を印加することにより発光ダイオードを発光させることが可能となる。したがって、発光ダイオード駆動用の回路（ＬＥＤ回路）は不要となり、プリント基板の面積および層数を増やすことのない発光ダイオード付マイクロストリップアンテナが得られる。

以下、本発明の実施例について添付図面を参照しながら説明する。

図１および図２は本発明に係る発光ダイオード付マイクロストリップアンテナの第１実施例の斜視図、図３は同実施例の断面図である。図１は同アンテナの表面を、図２は裏面を表示している。

図１を参照すると、発光ダイオード付マイクロストリップアンテナ１はプリント基板４５で構成されており、そのプリント基板４５上には放射素子１２と、スルーホール１３と、給電点１４とが配置されている。

プリント基板４５の誘電体の材質は、一例としてガラスエポキシ樹脂、ＰＴＦＥ(Poly Tetra Fluoro Ethylene)樹脂などが使用される。プリント基板４５の一辺の大きさは、使用周波数における半波長程度である。

プリント基板４５の表面１１にはマイクロ波信号を送受信する放射素子１２がエッチングにより形成されている。放射素子１２の形状はほぼ正方形であり、４つの角のうち対向する２つの角は面取りした切り欠き１６に形成されている。この切り欠き１６は、円偏波のマイクロ波信号を送受信するために形成されている。

放射素子１２の一辺の大きさは、プリント基板４５の誘電体の誘電率と、厚さに依存し、所定の大きさとなる。例えば、ガラスエポキシ樹脂の場合は使用波長の２５％程度の大きさであるが、ＰＴＦＥ樹脂の場合は３５％程度である。

放射素子１２の中心部から所定距離離れた位置（オフセットした位置）に給電点１４が形成される。給電点１４には同軸ケーブルの中心導体を通せるほどの小さな貫通穴（不図示）を形成し、貫通穴には裏面より同軸ケーブルの中心導体が挿入されている。中心導体の先端は放射素子１２と半田付け１５され、両者は電気的に導通している。また、放射素子１２の中心部にはスルーホール１３が形成されている。

図２および図３を参照すると、プリント基板４５の裏面１７にはグラウンド導体１８と、発光ダイオード（ＬＥＤ）１９と、ランド２６と、同軸ケーブル２２とが設けられている。

グラウンド導体１８はプリント基板４５の裏面１７全面を覆っており、ランド２６はその中心部に設けられ、同軸ケーブル２２の貫通穴の周囲には切り欠き２５が形成されている。

ランド２６はグラウンド導体１８を細いギャップ２０を介して形成される。また、スルーホール１３はプリント基板表面１１の放射素子１２と、プリント基板裏面１１に形成されたランド２６とを導通させている。

また、同軸ケーブル２２の外導体２４はプリント基板裏面１７のグラウンド導体１８と半田付け２３される。中心導体２１は貫通穴を介してプリント基板４５の表面１１の放射素子１２とはんだ付け１５される。

ＬＥＤ１９はランド２６とグラウンド導体１８との間に構成される。ＬＥＤ１９のアノード端子１９ａはランド２６に接続されている。ＬＥＤ１９のカソード端子１９ｂはグラウンド導体１８に接続されている。ＬＥＤ１９は通常、機械搭載によりに実装される。

次に、本実施例の動作をＬＥＤ１９の動作とアンテナの動作とに分けて説明する。まず、ＬＥＤ９の動作について説明する。

同軸ケーブル２２に、ＬＥＤ１９を発光させるための直流電圧が印加される。例えば、定格の準電流２０ｍＡの発光ダイオードの場合は約２．２ｖ程度の電圧が印加される。印加された直流電圧は、放射素子１２、スルーホール１３、ランド２６を介して、ＬＥＤ１９のアノード端子１９ａに印加される。ＬＥＤ１９のアノード端子１９ａには所定の電圧が印加されるので、ＬＥＤ１９には直流電流が流れ、発光する。

次に、アンテナとしての動作を送信の場合のマイクロ波信号の流れに沿って説明する。同軸ケーブル２２より使用周波数のマイクロ波信号が入力される。例えば、ＥＴＣシステムであれば、５．８ＧＨｚ付近のマイクロ波信号が使用される。

マイクロ波信号は同軸ケーブル２２の中心導体２１よりプリント基板表面１１に給電され、使用周波数にて放射素子１２が共振し、放射素子１２より電波となって送信される。

本実施例においては、電波は円偏波を放射する。放射素子１２が使用周波数で共振したとき、放射素子１２の中心部付近の電圧は０ｖであり、プリント基板裏面１７との電位差はほとんどない。

従って、ＬＥＤ１９の放射素子１２と接続されるアノード端子１９ａと、グラウンド導体１８と接続されるカソード端子１９ｂとの間には電位差はほとんど生じない。

ＬＥＤ１９の使用周波数におけるインピーダンスは、ＬＥＤ１９に印加される直流電圧によって生じる直流電流の大きさによって異なるが、前述の通り、マイクロ波信号はＬＥＤ１９には流れない。

つまり、ＬＥＤ１９には使用周波数のマイクロ波信号が流れないため、マイクロストリップアンテナとしての動作には影響を与えない。詳細には、マイクロストリップアンテナにＬＥＤ１９を実装することにより、わずかな、入力インピーダンスのずれ、共振周波数のずれが生じるが、本実施例の定性的な動作の説明に影響を与えるものではない。

実際には、入力インピーダンスのずれ、共振周波数のずれは、そのずれを含んで所望のインピーダンス、所望の周波数となるように、放射素子１２の寸法と給電点１４の位置は決定される。

本実施例の動作の説明では送信時のマイクロ波信号の流れについて説明したが、受信時はマイクロ波信号の流れの向きが逆となるだけで可逆性が成り立つため、受信時の動作の説明は省略する。

以上、ＬＥＤ１９の動作とアンテナの動作に分けて説明したが、実際には両方が動作するため、同軸ケーブル２２には、直流電圧とマイクロ波信号が重畳される。

以上説明したように、第１実施例においては以下に記載するような効果を奏する。
第１の効果はＬＥＤ１９をアンテナの中心付近に搭載し、ＬＥＤ回路を不要としたため、プリント基板の面積の増大を防止しかつその層数を最小化することが可能となる。

第２の効果はプリント基板の面積の増大を防止し、層数を最小化することにより、プリント基板を覆う樹脂ケースの大きさを最小化することが可能となる。

第３の効果は、プリント基板と樹脂ケースのコストを最小化することが可能となる。

図４および図５は本発明に係る発光ダイオード付マイクロストリップアンテナの第２実施例の斜視図、図６は同実施例の断面図である。図４は同アンテナの表面を、図５は裏面を表示している。なお、図１〜３と同様の構成部分には同一番号を付し、その説明を省略する。

第２実施例の発光ダイオード付マイクロストリップアンテナ２が第１実施例と相違する点は、ＬＥＤ１９をプリント基板４５の表面１１の放射素子１２の中心部に設けたことである。これに伴い、ランド２９を放射素子１２の中心部に設け、ランド２９の周辺にギャップ３０を形成し、ランド２９とプリント基板４５の裏面１７のグラウンド導体１８とをスルーホール１３を介して接続し、ＬＥＤ１９のアノード端子１９ａをプリント基板４５の表面１１の放射素子１２に接続し、ＬＥＤ１９のカソード端子１９ｂをランド２９に接続する。

その他の構成は第１実施例と同様であるので説明を省略する。また、動作も第１実施例と同様であるので説明を省略する。

第２実施例によれば、ＬＥＤ１９をプリント基板４５の表面に設けることが可能となる。その他の効果は第１実施例と同様である。

図７および図８は本発明に係る発光ダイオード付マイクロストリップアンテナの第３実施例の斜視図、図９は同実施例の断面図である。図７は同アンテナの表面を、図８は裏面を表示している。なお、図１〜３と同様の構成部分には同一番号を付し、その説明を省略する。

第３実施例の発光ダイオード付マイクロストリップアンテナ３が第１実施例と相違する点は、放射素子１２への給電構造を変更したことである（図７参照）。ＬＥＤ１９は第１実施例と同様にプリント基板４５の裏面１７に設けられている（図８参照）。

第３実施例では第１実施例における同軸ケーブル２２、給電点１４の貫通穴、グラウンド導体１８の切り欠き２５をなくし、放射素子１２の端部に設けた給電点１４より、マイクロストリップ線路２８を介して給電している。

マイクロストリップ線路２８の幅は所望の入力インピーダンスに応じた、所定の幅となる。本実施例の場合は、１００〜２５０オーム程度の入力インピーダンスに応じた幅となる。

本実施例においては給電構造がマイクロストリップ線路２８になっているだけで、アンテナの動作、ＬＥＤ１９の動作は第１実施例と同様であるため、本実施例の構成および動作の詳細な説明は省略する。

第３実施例によれば、同軸ケーブル２２、給電点１４の貫通穴およびグラウンド導体１８の切り欠き２５をなくすことが可能となる。その他の効果は第１実施例と同様である。

図１０および図１１は本発明に係る発光ダイオード付マイクロストリップアンテナの第４実施例の斜視図、図１２は同実施例の断面図である。図１０は同アンテナの表面を、図１１は裏面を表示している。なお、図１〜３と同様の構成部分には同一番号を付し、その説明を省略する。

第４実施例の発光ダイオード付マイクロストリップアンテナ４が第２実施例と相違する点は、放射素子１２への給電構造を変更したことである（図１０参照）。その給電構造は第３実施例と同様である（図７参照）。また、ＬＥＤ１９は第２実施例と同様にプリント基板４５の表面１１に設けられている（図１０参照）。その他の動作は第３および第４実施例と同様であるため説明を省略する。

第４実施例によれば、同軸ケーブル２２、給電点１４の貫通穴およびグラウンド導体１８の切り欠き２５をなくすこと、ならびにＬＥＤ１９をプリント基板４５の表面に設けることが可能となる。その他の効果は第１実施例と同様である。

図１３は本発明に係る発光ダイオード付マイクロストリップアンテナの第５実施例の斜視図、図１４は同実施例の断面図である。図１３は同アンテナの表面を表示している。なお、図１〜３と同様の構成部分には同一番号を付し、その説明を省略する。

第５実施例の発光ダイオード付マイクロストリップアンテナ５が第１実施例と相違する点は、第１実施例のプリント基板４５の裏面１７のランド２６とグラウンド導体１８との間にコンデンサ３１を接続したことである（図１３および図１４参照）。すなわち、コンデンサ３１の一方の端子３１ａはグラウンド導体１８と接続され、他方の端子３１ｂはランド２６と接続される。コンデンサ３１は、ＬＥＤ１９と同様に機械搭載される。

ランド２６とグラウンド導体１８間に使用周波数における電位差が生じた場合、このコンデンサ３１にマイクロ波信号を流す。これにより、ＬＥＤ１９に流れるマイクロ波信号を軽減させることができる。

なお、第５実施例では、第１実施例にコンデンサを付加した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、第２〜第４実施例に同様のコンデンサを付加することも可能である。

第５実施例によれば、第１実施例においてＬＥＤ１９に流れる直流電流によって、アンテナの共振周波数または入力インピーダンスの特性が変化する場合、その影響を軽減することが可能となる。

図１５は本発明に係る発光ダイオード付マイクロストリップアンテナの第６実施例の斜視図、図１６は同実施例の断面図である。図１５は同アンテナを表面側から眺めた図である。なお、図１〜３と同様の構成部分には同一番号を付し、その説明を省略する。

図１５および図１６を参照すると、第６実施例の発光ダイオード付マイクロストリップアンテナ６はプリント基板ではなく、板金（金属板）にて放射素子３２とグラウンド導体３４とを構成している。放射素子３２とグラウンド導体３４の間にはサポート３３を設けている。サポート３３の材質は一例としてプラスチック樹脂を用いている。なお、絶縁体であればプラスチック樹脂以外の部材の使用も可能である。

放射素子３２の中心部とグラウンド導体３４の中心部には、穴４０を形成している。放射素子３２の中心から所定距離離れた位置（オフセットした位置）には、同軸ケーブル２２からの中心導体２１を通すための穴３９が形成されている。

放射素子３２の中心付近にはＬＥＤ１９が設けられている。ＬＥＤ１９には電極からのリード線１９ａ，１９ｂが設けられている。１本のリード線１９ａはアノードで放射素子３２の中心部へはんだ付け４２される。もう１本のリード線１９ｂはカソードで放射素子３２の中心部の穴４０を通り、グラウンド導体３４の中心部へはんだ付け４１される。

グラウンド導体３４の側には同軸ケーブル２２が設けられている。同軸ケーブル２２の中心導体２１は、グラウンド導体３４の穴３９を通り、放射素子３２の穴（不図示）へはんだ付け１５される。同軸ケーブル２２の外導体２４はグラウンド導体３４へはんだ付け２３される。

第６実施例によれば、発光ダイオード付マイクロストリップアンテナを板金にて構成することが可能となる。その他の効果は第１実施例と同様である。

本願は、マイクロストリップアンテナであれば、放射素子の形状、給電方法によらず実施することが可能である。例えば、一般的なマイクロストリップアンテナの放射素子は前述の非特許文献１に掲載されている。また、ＬＥＤ１９の搭載位置は、放射素子の中心付近、またはプリント基板裏面の対向する位置にあればよい。

本発明に係る発光ダイオード付マイクロストリップアンテナの第１実施例の斜視図である。 本発明に係る発光ダイオード付マイクロストリップアンテナの第１実施例の斜視図である。 同実施例の断面図である。 本発明に係る発光ダイオード付マイクロストリップアンテナの第２実施例の斜視図である。 本発明に係る発光ダイオード付マイクロストリップアンテナの第２実施例の斜視図である。 同実施例の断面図である。 本発明に係る発光ダイオード付マイクロストリップアンテナの第３実施例の斜視図である。 本発明に係る発光ダイオード付マイクロストリップアンテナの第３実施例の斜視図である。 同実施例の断面図である。 本発明に係る発光ダイオード付マイクロストリップアンテナの第４実施例の斜視図である。 本発明に係る発光ダイオード付マイクロストリップアンテナの第４実施例の斜視図である。 同実施例の断面図である。 本発明に係る発光ダイオード付マイクロストリップアンテナの第５実施例の斜視図である。 同実施例の断面図である。 本発明に係る発光ダイオード付マイクロストリップアンテナの第６実施例の斜視図である。 同実施例の断面図である。 従来の発光ダイオード付マイクロストリップアンテナの一例の斜視図である。 従来の発光ダイオード付マイクロストリップアンテナの他の一例の斜視図である。 従来の発光ダイオード付マイクロストリップアンテナの他の一例の斜視図である。 同アンテナの断面図である。

符号の説明

１〜６ 発光ダイオード付マイクロストリップアンテナ
１２、３２ 放射素子
１３ スルーホール
１４ 給電点
１６ 切り欠き
１８，３４ グラウンド導体
１９ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
２０、３０ ギャップ
２２ 同軸ケーブル
２６、２９ ランド
２８ マイクロストリップ線路
３１ コンデンサ
３３ サポート
４５ プリント基板

Claims (10)

1. 放射素子と、前記放射素子と対向するグラウンド導体と、前記放射素子または前記グラウンド導体上に設けられる発光ダイオードとを含む発光ダイオード付マイクロストリップアンテナであって、
   前記発光ダイオードは、前記放射素子が共振したとき前記放射素子と前記グラウンド導体との電位差が最小となる部位において一方の端子が前記放射素子と接続され、他方の端子が前記グラウンド導体と接続されることを特徴とする発光ダイオード付マイクロストリップアンテナ。
2. 前記発光ダイオードは、前記放射素子の中心部またはこれと対向する前記グラウンド導体の部位に設けられることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード付マイクロストリップアンテナ。
3. プリント基板の一方の面に前記放射素子が、他方の面に前記グラウンド導体が設けられ、
   前記発光ダイオードは前記グラウンド導体に設けられ、前記発光ダイオードの一方の端子は前記プリント基板に設けられたスルーホールを介して前記放射素子と接続され、前記発光ダイオードの他方の端子は前記グラウンド導体と接続されることを特徴とする請求項１または２記載の発光ダイオード付マイクロストリップアンテナ。
4. プリント基板の一方の面に前記放射素子が、他方の面に前記グラウンド導体が設けられ、
   前記発光ダイオードは前記放射素子に設けられ、前記発光ダイオードの一方の端子は前記放射素子と接続され、前記発光ダイオードの他方の端子は前記プリント基板に設けられたスルーホールを介して前記グラウンド導体と接続されることを特徴とする請求項１または２記載の発光ダイオード付マイクロストリップアンテナ。
5. 前記発光ダイオードの一方の端子と前記グラウンド導体との間にコンデンサが接続されることを特徴とする請求項３または４記載の発光ダイオード付マイクロストリップアンテナ。
6. 前記放射素子および前記グラウンド導体は金属板にて構成されることを特徴とする請求項１または２記載の発光ダイオード付マイクロストリップアンテナ。
7. 前記放射素子および前記グラウンド導体に挟持されるサポート部材が含まれ、
   前記発光ダイオードは前記放射素子に設けられ、前記発光ダイオードの一方の端子は前記放射素子と接続され、前記発光ダイオードの他方の端子は前記放射素子および前記グラウンド導体に設けられた穴を介して前記グラウンド導体と接続されることを特徴とする請求項６記載の発光ダイオード付マイクロストリップアンテナ。
8. 同軸ケーブルにて給電されることを特徴とする請求項１から７いずれかに記載の発光ダイオード付マイクロストリップアンテナ。
9. 前記放射素子の端部にマイクロストリップ線路が設けられ、
   前記マイクロストリップ線路を介して給電されることを特徴とする請求項１から５いずれかに記載の発光ダイオード付マイクロストリップアンテナ。
10. ノンストップ自動料金収受システム(Electronic Toll Collection System) の車載器に使用されることを特徴とする請求項１から９いずれかに記載の発光ダイオード付マイクロストリップアンテナ。

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