JP4486138B2 - バーアンテナ - Google Patents

Description

本発明は指向性のあるバーアンテナに関するものである。

従来の車両等のキーレスエントリー装置として、ユーザーがリモートユニットのボタンを操作することにより、ドアをロックあるいはアンロックする装置が一般的であり、このような装置の周波数にはLＦ帯がよく用いられており、アンテナは波長の長さに関係なく小型化できるバーアンテナが用いられている。

一般的にバーアンテナは極座標において、コアの軸と垂直の方向に、軸に対して全ての方向に対称に８の字の指向特性がある。
図１５は従来のバーアンテナの一例を示す斜視図であり、棒状コアの中央部にコイルが巻回されている。
図１５においてコアは
長さＬ×幅Ｔ×厚さＷ=５０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍ
の棒状である。
点Ｏは原点であり、コアの横Ｗ，縦Ｌ，厚さＴを２分する点である。
コアの軸方向をＹ軸、コアの幅方向をＸ軸，コアの厚み方向をＺ軸とし、
点Ａは、アンテナの前方の点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（ １ｍ，０，０）
点Ｂは、アンテナの後方の点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（−１ｍ，０，０）
をあらわす。（以後、点Ａと点Ｂとする。）
コアの特性は、
比透磁率 μ_ｒ＝８０
導電率 σ=０ｓ／ｍ
であり、このコアの中央部にコイルが巻回されている。コイルは、
絶縁銅線径 φ＝０．３ｍｍ
巻回数 ６０ターン
である。
図１６は、図１５のバーアンテナのコイルに、交流定電流源を接続した時の、ｚ＝０のｘｙ平面における−１ｍ≦ｘ≦１ｍ，−１ｍ≦ｙ≦１ｍの直交座標の磁界強度分布を示す。
交流定電流源は、
周波数 ｆ＝１２５ｋＨｚ
電流 Ａ_ｐｐ＝１Ａ
である。図１６において、横軸はＸ軸，縦軸はＹ軸である。
この時の磁界強度は、
Ａ点 ４．９６×１０^−１Ａ／ｍ
Ｂ点 ４．９６×１０^−１Ａ／ｍ
であり、指向性感度（２０×ｌｏｇ（Ａ／Ｂ））は０ｄＢである。

しかし近年、この種の装置において、運転者がリモートユニットを身につけ、ボタン操作をしなくても車両に近づくだけで自動的に車両のドアを解錠でき、また、降車して車両から離れると自動的に車両のドアを施錠するスマートエントリーが知られており、最近では家の玄関にもこのスマートエントリーが採用されている。
このような装置において、従来のバーアンテナは軸を中心軸として軸に対称の指向性があり、アンテナをドアの外側に対して受信感度を持つように配置すると、ドアの内側に対しても受信感度を持ってしまうため、例えば家の玄関のスマートエントリーの場合は、来訪者を確認するために家の中でリモートユニットを持って玄関ドアに近づいた際にも開錠されてしまう問題があった。このような意図しない開錠を防ぐために、ドアの内と外で受信感度に差をつける必要があり、このようなアプリケーションに従来のバーアンテナを用いる場合には、図１７に示すように、バーアンテナ５の電波を受信したくない方向にシールド材６を設置することで電波を遮蔽して受信感度に差をつけていた。

特許３４９５４０１

通信距離が波長に対して十分に遠ければ、通信は放射電磁界の領域で行われ、一般的な方法でアンテナの指向性を任意に制御が可能である。
高周波数帯における通信の場合は、波長が短いために近距離における通信の場合でも、通信は放射電磁界の領域で通信が行われるが、キーレスエントリーやスマートエントリーのような近距離における低周波帯の無線通信の場合は通信距離に比べて非常に波長が長く、通信は誘導電磁界の領域で行われる。
誘導電磁界においてアンテナの指向性を任意に制御することは困難であり、バーアンテナの前後方向で受信感度に差をつけたい場合は、アンテナをシールド材で囲んでいたが、コストと形状に問題があった。
本発明は、シールドの必要のない、特定の方向に指向性を有する、安価で小型のバーアンテナを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、磁性体コアにコイルを巻回したバーアンテナにおいて、
該磁性体コアは棒状コアの中心部から突出した脚部と、該棒状コアの両端に該脚部と同じ方向に折曲げた腕部と、該腕部は該脚部と所定の折曲角度θを０°＜θ＜９０°とし、
該コイルは、該脚部と該両端の腕部に巻回され、該脚部と該両端の腕部に巻回されたコイルの巻回方向が逆であることを特徴とする。

本発明によれば、シールド等を必要としないで、バーアンテナの指向特性がコアの軸に対して非対称で特定の方向に指向性がある安価で小型なバーアンテナとすることができる。

図２は、発明者らが本発明によるバーアンテナを発明するにあたり実験をしたバーアンテナの一例を示す斜視図である。図２に示すように、棒状コアの側面に、互いに平行な３本の磁脚が、磁脚の一方の端面が直角に連結されたＥ字状コアに、それぞれの磁脚の中央部にコイル１，２，３が巻回されている。図２において点Ｏは原点を示し、脚部のコアの軸方向をＸ軸、脚部のコアの軸方向をＹ軸、厚さ方向をＺ軸とする。
図３はそれぞれのコイルの接続を示す回路図であり、コイル１，２，３が、一方の外磁脚、内磁脚、他方の外磁脚の順に、コイル１，３とコイル２では巻回方向が異なるように巻回されている。図３において、黒丸はコイルの巻き始めを示し、Ｉは交流定電流源である。
図４は図２のコアの厚さを１／２にした断面図である。

図５は、図４において、
棒状コア（Ｌ１×Ｗ１×Ｔ）＝５０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍ
磁脚 （Ｌ２×Ｗ２×Ｔ）＝２０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍ
であり、コアの特性は、
比透磁率 μ_ｒ＝８０
導電率 σ=０ｓ／ｍ
であり、各磁脚のコイルは、
絶縁銅線径 φ＝０．３ｍｍ
巻回数 コイル１＝コイル２＝コイル３＝２０ターン
であるアンテナのコイルに、交流定電流源
周波数 ｆ＝１２５ｋＨｚ
電流 Ａ_ｐｐ＝１Ａ
を接続した時の、ｚ＝０のｘｙ平面における−１ｍ≦ｘ≦１ｍ，−１ｍ≦ｙ≦１ｍの直交座標における磁界強度分布である。図５において、横軸はＸ軸，縦軸はＹ軸である。
この時の磁界強度は、
Ａ点：７．４６×１０^−２Ａ／ｍ
Ｂ点：８．０４×１０^−２Ａ／ｍ
であり、バーアンテナの前後の指向性感度は−０．６１ｄＢであり、指向性は得られなかった。

次に発明者らはＥ字状のコアを改良して、図１に示すように、棒状コアの一方の側面の中央部に突出した脚部と該棒状コアの両端に腕部を有し、該腕部は該脚部の突出した側の折曲点Ｃで、該脚部の突出した側と同じ方向に折曲された折曲部を有し、コイル１，２，３が、一方の腕部，脚部，他方の腕部の順に、コイル１，３とコイル２では巻回方向が逆になるように巻回され、コイル１，３の位置は折曲点と端部の中央であり、コイル２の位置は脚部の中央であるアンテナにて実験を行った。
図６は図１のコアの厚さを１／２にした断面図である。図６において、
棒状コア（Ｌ２×Ｗ２×Ｔ）＝２０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍ
であり、棒状コアは、屈曲点Ｃから端面までの距離Ｌ３が２０ｍｍ、屈曲点Ｃの間の距離Ｌ４が３０ｍｍであり、幅Ｗ１は１０ｍｍ，厚さＴ＝１０ｍｍであり、腕部の屈曲部と脚部のコアのなす角θ＝５０°であり、コアの特性とコイルは前記実験例と同じである。
図７に、前記実験と同じ条件における、ｚ＝０のｘｙ平面における−１ｍ≦ｘ≦１ｍ，−１ｍ≦ｙ≦１ｍの直交座標の磁界強度分布を示す。図７において、横軸はＸ軸，縦軸はＹ軸である。
この時の磁界強度は、
Ａ点：２．７５×１０^−２Ａ／ｍ
Ｂ点：２．７９×１０^−３Ａ／ｍ
であり、指向性感度は１９．８９ｄＢであり、バーアンテナの前方に感度が高く、後方の感度が低いアンテナを得られた。

さらに発明者らは、前記アンテナの屈曲部と脚部のコアのなす角θに対する指向性の実験を行った。
図８に、Ａ点とＢ点における指向性のグラフを示す。図８において横軸は、屈曲部と脚部のコアのなす角θ（°）であり、縦軸は指向性感度（ｄＢ）である。
上記の結果から、アンテナの前後１ｍにおける指向性感度は、屈曲部と脚部のコアのなす角θに依存し、角度θ＝０°（図２の例）の場合はほぼ０ｄＢであり、角度θが大きくなるに従いバーアンテナの後方Ｂに指向性感度が得られ、およそθ＝３０°で５ｄＢと最大になり、さらに角度θを大きくしていくと、θ＝４０°で指向性感度が逆転して、アンテナの前方Ａに指向性感度が得られるようになる。前方Ａへの指向性感度は、θ＝４５°以上で急激に大きくなり、θ＝５０°で最大値２０ｄＢが得られる。さらに角度θを大きくしていくと、指向性感度は次第に小さくなり、θ＝６０°でおよそ６ｄＢ以下になった後、θ＝９０°ではほぼ０ｄＢになる。
なお、最大の指向性感度の得られる角度θは、通信距離により異なる。

上記のコイル１〜３の、巻回数やコイルを巻回する位置は対称にする必要はない。
図９は、本発明に係る一実施例として、前記実施例においてコイルの巻線を、コイル１の巻数を２１ターン、コイル２，３の巻回を２０ターンとした場合の直交座標における磁界強度分布を示す。
図９より、屈曲部のコイルの巻数を変えた場合には、巻数の多い側に指向性が傾くので、所望の方向性を実現する場合は巻数で調整できる。

図１０は、本発明に係る別の一実施例として、前記実施例において図１１に示すように、屈曲点Ｃから端面の長さをＬ２とし、中心をＬ２／２とした場合、コイル１の巻回位置をＬ２／２から先端方向にＬ３＝５ｍｍ、コイル３の巻回位置をＬ２／２から屈曲点方向にＬ３＝５ｍｍずらして巻回した場合の直交座標における磁界強度分布である。
図１０より、それぞれの屈曲部のコイルの巻回位置を変えた場合には、巻回位置が端部から遠いコイル側に指向性が傾くので、前記実施例と同様に所望の方向への指向性を実現できる。
上記実施例において前記コイルの接続は直列に接続されている。

図１２は、本発明に係るさらに別の実施例であり、図１２に示すように、それぞれのコイル１，２，３は別々の独立電源Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３に接続されている。
図１３は、図１２において、
Ｉ_１＝０．９Ａ_ｐｐ，Ｉ_２＝１．０Ａ_ｐｐ，Ｉ_３＝１．０Ａ_ｐｐ
の場合のｚ＝０のｘｙ平面における−１ｍ≦ｘ≦１ｍ，−１ｍ≦ｙ≦１ｍの直交座標の磁界強度分布を示す。図１３より、電流の多いコイル側に指向性が傾いている。
このように電流を制御することにより指向性を制御可能であり、アダプティブアンテナへの応用が可能である。

磁性体コアにおいて、脚部の突出方向は、腕部の折曲方向とは互いに逆方向であっても同様の効果が得られる。
また、指向性の調整は、それぞれの屈曲部のコイルの巻数，巻回位置を非対称にすることでも可能であり、腕部のコイルの巻回位置は、屈曲部に限るものではなく、突出部の根元であってもよい。
腕部の断面積，屈曲部の角度を非対称にすることでも指向性の調節が可能である。
棒状コアは一箇所で折曲した、くの字状または、折曲点を持たないＵ字状であってもよい。また巻回位置や屈曲部の角度は調整可能であれば指向性を調整することが可能である。

前記コア棒状コアは１本に限るものではない。図１４は本発明に係るさらに別の実施例を示す斜視図である。図１４に示すように、十字状に延出する４本の腕部のコアと、腕部のコアの中心から突出する脚部コアを有し、該腕部の先端部は、該脚部と同じ方向に折曲した屈曲部を有し、４つの屈曲部と脚部にそれぞれコイルを巻回したアンテナとすることにより、立体的に指向性を制御することも可能である。

本発明によるバーアンテナの一実施例である。 発明者らの実験したバーアンテナの一例である。 図２に示すバーアンテナにおけるコイルの接続を示す回路図である。 図２に示すバーアンテナのコア断面図である。 図２に示すバーアンテナの磁界強度分布のシミュレーションを示す図である。 図１に示すバーアンテナのコアの断面図である。 図１に示すバーアンテナの磁界強度分布のシミュレーションを示す図である。 図１に示すバーアンテナの屈曲部の角度と指向性利得を示すグラフである。 本発明の形実施例の磁界強度分布のシミュレーションを示す図である。 本発明のその他の変形実施例の磁界強度分布のシミュレーションを示す図である。 図１０の変形実施例のコアの平面図である。 さらに別の変形実施例におけるコイルの接続を示す回路図である。 図１２に示すコイルの接続の場合のシミュレーションを示す図である。 本発明のさらに別の変形実施例を示す斜視図である。 従来のバーアンテナを示す図である。 従来のバーアンテナの磁界強度分布のシミュレーションを示す図である。 従来のバーアンテナにおいて、指向性を持たせる例を示す図である。

符号の説明

１，２，３ コイル
５ バーアンテナ
６ シールド
Ａ アンテナより１ｍ前方の点
Ｂ アンテナより１ｍ後方の点
Ｃ 折曲点
Ｏ 原点
Ｉ，Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３ 交流定電流源

Claims (4)

1. 磁性体コアにコイルを巻回したバーアンテナにおいて、
   該磁性体コアは棒状コアの中心部から突出した脚部と、該棒状コアの両端に該脚部と同じ方向に折曲げた腕部と、該腕部は該脚部と所定の折曲角度θを０°＜θ＜９０°とし、
   該コイルは、該脚部と該両端の腕部に巻回され、該脚部と該両端の腕部に巻回されたコイルの巻回方向が逆であることを特徴とするバーアンテナ。
2. 磁性体コアにコイルを巻回したバーアンテナにおいて、
   該磁性体コアは棒状コアの中心部から突出した脚部と、該中心部から放射状に延出する複数の腕部と、該複数の腕部は該脚部と所定の折曲角度θを０°＜θ＜９０°とし、
   該コイルは、該脚部と該複数の腕部に巻回され、該脚部と該複数の腕部に巻回されたコイルの巻回方向が逆であることを特徴とするバーアンテナ。
3. 前記腕部の折曲方向は、該脚部とは互いに逆方向に傾いていることを特徴とする請求項
   １と２に記載のバーアンテナ。
4. アダプティブアンテナに用いたことを特徴とする請求項１〜３に記載のバーアンテナ。