JP4770792B2

JP4770792B2 - アンテナ装置

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Publication number: JP4770792B2
Application number: JP2007132344A
Authority: JP
Inventors: 真介植田; 一弘松本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2007-05-18
Filing date: 2007-05-18
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2027-05-18
Also published as: CN101682117A; TWI357690B; TW200913382A; JP2008288915A; KR20100007975A; KR101145609B1; CN101682117B; WO2008143220A1

Description

本発明は、無線通信装置に用いられる微小ループアンテナを含むアンテナ装置に関する。

例えば、建造物の窓に取り付けられる防犯センサなどにおいては、個々の窓枠に取り付けられるセンサ本体と、守衛室などに設けられる親機との間で、無線通信を用いてデータの送受信が行われている。これらセンサ本体と親機との間で行われる無線通信の周波数は固定されており、センサ本体に設けられる送信用アンテナは、その無線通信の周波数に合わせて設計されている。

このような防犯センサのセンサ本体は、なるべく目立たないように小型に設計され、それに合わせて、送信用アンテナとして、例えば非特許文献１に示されているような微小ループアンテナが用いられている。微小ループアンテナは、ループアンテナの全長を送信波長の１／１０以下程度にまで小さくしたものであり、微小ダイポールアンテナよりも雑音電界に強い特徴をもっている。

微小ループアンテナを用いたアンテナ装置は、無線通信の周波数ｆ_０に対して送信ロスが最も少なくなるようにループアンテナが設計されているが、金属板や人体などの導電体がアンテナ装置に、ある一定の距離よりも接近した場合には、微小ループアンテナの共振周波数がずれて、微小ループアンテナと無線回路部のインピーダンス整合が外れ、アンテナ装置の送信能力が低下するという問題点を有している。そのため、例えば従来のアンテナ装置を防犯センサに応用する場合、アルミサッシの窓枠などに取り付けて使用するためには、樹脂製の筐体をスペーサとして、微小ループアンテナをアルミサッシなどの導電体から離す必要があり、センサ本体の小型化が困難であるという問題点を有していた。

なお、特許文献１には、開ループの微小ループアンテナのアンテナ利得の低下を抑制するために、キャパシタの使用及び微小ループアンテナを接地することが開示されている。
電子情報通信学会編 "アンテナ工学ハンドブック" ＰＰ.６２-６３オーム社第１版１９８０年１０月３０日発行特許第３７３５６３５号

本発明は、上記の従来例の問題点を解決するためになされたものであり、導電体とアンテナ装置とが近接している場合でも、導電体によるアンテナの共振周波数ずれの影響を小さくして、アンテナ装置全体としての送信能力に低下を小さくし又は一定レベルの送信能力を維持しうるアンテナ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、
回路基板の実装面に対して略垂直となるように形成された微小ループアンテナと、前記回路基板の実装面に形成され、ダイポールアンテナとして機能するグランドパターンと、前記回路基板上に実装された無線回路部を備えたアンテナ装置において、
前記微小ループアンテナを構成する導電路上に直列接続されたキャパシタンス成分をさらに備え、
前記微小ループアンテナへの給電点又は前記微小ループアンテナの前記グランドパターンへの接地点との間の導電路距離と、前記微小ループアンテナの前記グランドパターンへの接地点と前記キャパシタンス成分を直列接続する導電路上の接続点との間の導電路距離が、前記微小ループアンテナを構成する導電路に沿って流れ、微小ループアンテナとしての放射に寄与する電流（微小ループモード電流）と、前記グランドパターンを前記回路基板の長手方向に流れ、ダイポールアンテナとしての放射に寄与する電流（ダイポールモード電流）がほぼ同じ割合になるように設定されており、
導電体が近接している場合に、その導電体による前記微小ループアンテナの共振周波数の上昇を、前記ダイポールアンテナの共振周波数の低下により補償し、それにより、前記微小ループアンテナ及び前記ダイポールアンテナと前記無線回路部のインピーダンス不整合を防止又は低減したことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のアンテナ装置において、
前記微小ループアンテナは、前記回路基板に実装され、所定の断面形状を有する金属導体により形成されたアンテナ素子を含み、前記アンテナ素子にスリットを形成したことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１に記載のアンテナ装置において、
前記微小ループアンテナは、前記回路基板の両面にそれぞれ実装され、所定の断面形状を有する金属導体により形成された２つのアンテナ素子を含むことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１に記載のアンテナ装置において、
前記微小ループアンテナは、前記回路基板の少なくとも一方の面に取り付けられた補助基板に形成された導体パターンを含むことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
前記微小ループアンテナ及び前記回路基板を収容する非金属製の外郭ケースをさらに備え、前記外郭ケースの内面のうち、少なくとも前記微小ループアンテナ対向する箇所に、導電体をインサートし、導電性ペーストを塗布又は印刷し、あるいは導電性テープを貼り付けたことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
ガラス面に取り付けられ、前記微小ループアンテナ及び前記回路基板を収容する非金属製の外郭ケースと、
前記ガラス面のうち、前記外郭ケースが取り付けられる面とは反対側の面に貼り付けられ、前記外郭ケースが取り付けられていることを外部から視認できないよう隠蔽する目隠しシールをさら備え、
前記目隠しシールの少なくとも前記微小ループアンテナと対向する箇所は導電性材料で形成されていることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
前記微小ループアンテナへの給電の位置を変更可能とする給電位置変更手段と、
テストモードにおいて、前記無線回路部から前記微小ループアンテナへテスト信号を出力したときに、前記無線回路部の出力インピーダンスと前記微小ループアンテナの入力インピーダンスの不整合により発生する反射波の大きさを計測する反射波計測手段と、
前記テストモードにおいて、前記給電位置変更手段により給電位置を少なくとも２箇所に設定して、それぞれの給電位置においての前記反射波の大きさを計測し、前記反射波の大きさが最小となるよう給電位置を決定する給電位置決定手段をさらに備えたことを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
前記微小ループアンテナの接地位置を変更可能とする接地位置変更手段と、
テストモードにおいて、前記無線回路部から前記微小ループアンテナへテスト信号を出力したときに、前記無線回路部の出力インピーダンスと前記微小ループアンテナの入力インピーダンスの不整合により発生する反射波の大きさを計測する反射波計測手段と、
前記テストモードにおいて、前記接地位置変更手段にて接地位置を少なくとも２箇所に設定して、それぞれの接地位置においての前記反射波の大きさを計測し、前記反射波の大きさが最小となるよう接地位置を決定する接地位置決定手段をさらに備えたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、アンテナ装置には、微小ループモード電流とダイポールモード電流が合成された電流が流れるため、導電体を接近させた際に、微小ループアンテナの共振周波数が上昇する効果と、ダイポールアンテナの共振周波数が低下する効果が互いに打ち消しあう。その結果、共振周波数の変化が極めて小さく、アンテナ（微小ループアンテナ及びダイポールアンテナとして機能するグランドパターン）に接続される無線回路部との不整合を防止又は低減することができる。

キャパシタンス成分（静電容量）によりアンテナの共振周波数が調整され、接地線の位置を変更することによってアンテナ装置の入力インピーダンスが調整され、キャパシタの位置を変更することによって微小ループモード電流とダイポールモード電流の寄与率を調節することができる。従って、請求項２の発明によれば、微小ループモード電流とダイポールモード電流の寄与率がほぼ同じであるので、導電体を接近させた際の共振周波数の変化を極めて小さく、事実上無視できる程度に低減することができる。

請求項２の発明によれば、アンテナ素子にスリットを設けることにより、アンテナ素子の抵抗値が増加し、共振のＱ値が下がる。そのため、アンテナ特性がなだらかになり、帯域幅が広くなるので、仮に微小ループアンテナの共振周波数がずれたとしても、アンテナ特性の劣化を小さくすることができる。

請求項３の発明によれば、回路基板が両面実装基板である場合に、回路基板の両面にそれぞれ実装され、所定の断面形状を有する金属導体により形成された２つのアンテナ素子で微小ループアンテナを構成することにより、回路基板の実装密度を高くして、アンテナ装置の小型化を図ることができる。また、回路基板のいずれかの面に背の高い部品が実装される場合には、その面側のアンテナ素子の高さを、他方のアンテナ素子１０の高さよりも高くすることができ、それにより、アンテナ装置の全体的な高さを抑制して、アンテナ装置を薄型化することができる。

請求項４の発明によれば、変形しやすいアンテナ素子の代わりに補助基板を用いて微小ループアンテナを構成するので、外力に対するアンテナ装置の耐久性が向上する。そのため、建造物の窓に取り付けられる防犯センサのような用途だけでなく、加速度や衝撃が加えられるような移動体の内部での無線通信などにも使用することができる。

請求項５の発明によれば、上記の効果に加えて、アンテナ装置が、窓ガラス、壁、机などに貼り付けられたとしても、微小ループアンテナから導電体の裏側は電気的に見えないため、貼り付けられる面の材質によらず、共振周波数の変化を小さくすることができ、所望する送信周波数においてアンテナ利得の低下をより小さくすることができる。

請求項６の発明によれば、隣り合う他の窓ガラスのサッシ、網戸、雨戸などが窓ガラスと重なり合ったとしても、微小ループアンテナから目隠しシールの裏側は電気的に見えないため、アンテナ装置の共振周波数の変化を小さくすることができ、所望する送信周波数においてアンテナ利得の低下をより小さくすることができる。

請求項７の発明によれば、アンテナ装置の出荷検査工程において、従来は手動で行っていた補正キャパシタンス量の調整を自動化できるため、アンテナ装置の製造コストを低減することができる。さらに、テストモードを実使用状態において定期的に実行することにより、設置環境による共振周波数のずれを定期的に補正し、所望する送信周波数においてアンテナ利得の低下を小さくすることができる。

請求項８の発明によれば、アンテナ装置の出荷検査工程において、アンテナ装置を構成する各部品の性能のばらつき、寸法誤差、実装位置誤差などに起因する入力インピーダンスのばらつきを抑え、所望する送信周波数においてアンテナ利得のばらつきを抑えることができる。さらに、テストモードを実使用状態において定期的に実行することにより、設置環境による共振周波数のずれを定期的に補正し、所望する送信周波数においてアンテナ利得の低下を小さくすることができる。

（第１実施形態）
本発明に係るアンテナ装置の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る微小ループアンテナを用いたアンテナ装置１Ａの基本的な構成を示す。アンテナ装置１Ａは、回路基板２と、回路基板２上に形成された第１導体パターン３及び第２導体パターン４、第１導体パターン３と第２導体パターン４の間に挿入されたキャパシタ（コンデンサ）５及び回路基板２上に実装された略コの字状のアンテナ素子１０で構成された微小ループアンテナ１１と、回路基板２上に実装された無線回路部１２及び制御回路部１３などで構成されている。また、回路基板２上にはグランドパターン６、第１導体パターン３とグランドパターン６を接続する接地線７、微小ループアンテナ１１に信号を供給する給電線８などが設けられている。

無線通信の周波数をｆ_０とすると、無線回路部１２からは周波数ｆ_０の信号が出力され、微小ループアンテナ１１は、ループ１周の全長が送信波長λ_０の１／１０になるように、その幅及び高さが設計されており、周波数ｆ_０（＝２π／λ_０）でロスが最も少なくなる（アンテナ利得の低下を小さくする）ようにインピーダンス調整されている。具体的には、キャパシタ５の静電容量を適宜選択することにより、微小ループアンテナ１１の共振周波数を調整している。また、アンテナの共振周波数が所望する周波数であると仮定して、給電線８と第１導体パターン３の接続点Ｐ１から、接地線７と第１導体パターン３の接続点Ｐ２までの距離Ｘを変化させることで、アンテナ入力インピーダンスＳ_１１を調整することができる。

無線回路部１２から高周波信号が出力されると、アンテナ装置１Ａに高周波電流が励起される。図２に示すように、この高周波電流は、微小ループアンテナ１１を構成する導電路に沿って流れ微小ループアンテナ１１としての放射に寄与する電流（微小ループモード電流）Ｉ_１と、回路基板２の長手方向に流れ、回路基板２の長手方向のダイポールアンテナとしての放射に寄与する電流（ダイポールモード電流）Ｉ_２の２つに分けて考えることができる。微小ループモード電流Ｉ_１は、微小ループアンテナ１１によって構成される矩形と平行な方向に、微小ループ面と平行な偏波の電波（水平偏波成分）を励起する。一方、ダイポールモード電流Ｉ_２は、グランドパターン６の長手方向と垂直な方向に、グランドパターン６の長手方向と平行な偏波の電波（垂直偏波成分）を励起する。

従来、微小ループアンテナを用いたアンテナ装置では、微小ループアンテナに流れる微小ループモード電流Ｉ_１によって励起される水平偏波成分のみに注目し、この水平偏波成分の振幅が最大になるように微小ループアンテナのインピーダンス調整が行われており、ダイポールモード電流Ｉ_２によって励起される垂直偏波成分は無視され、あるいはなるべく小さくなるように調整されていた。

図３（ａ）に一般的なアンテナの送信周波数ｆと入力インピーダンスの特性を示す。図３（ａ）において、実線は送信周波数ｆ_０に対して理想的なアンテナ特性を示す。設計段階では、送信周波数ｆ_０に対して最もアンテナ利得が高くなるように、アンテナ特性が設定されている。実際には、部品誤差やその他の原因により、図中破線で示すように、アンテナ特性はこのグラフの上下及び／又は左右方向にシフトする。アンテナ特性が実際には破線で示すようなものであったとすると、送信周波数ｆ_０では、アンテナ利得は設計基準値からかなり低下したものとなる。

ところで、導電体とアンテナ装置とが近接している場合、微小ループアンテナとダイポールアンテナでは、逆の特性を示すことが知られている。図３（ｂ）において、実線は、部品誤差などがないと仮定した場合のアンテナ特性を示す。その状態で、微小ループアンテナのアンテナ特性は、導電体がアンテナ装置に接近すると、一点鎖線で示すように、このグラフの右方にシフトする（共振周波数が上昇する）性質を有している。一方、グランドパターン６によるダイポールアンテナは、導電体がアンテナ装置に接近すると、二点鎖線で示すように、このグラフの左方にシフトする（共振周波数が低下する）性質を有している。本発明では、この近接する導電体に対する微小ループアンテナとダイポールアンテナの逆の性質を利用して、アンテナ装置全体としてのアンテナ利得、すなわち送信能力の低下を小さくし又は一定レベルのアンテナ利得を維持しようとするものである。

図１に示す第１実施形態に係るアンテナ装置１Ａにおいては、前述のような微小ループモード電流とダイポールモード電流が合成された電流が流れるため、導電体を接近させた際に、微小ループアンテナの共振周波数が上昇する効果と、ダイポールアンテナの共振周波数が低下する効果が互いに打ち消しあう。その結果、共振周波数の変化が極めて小さく、アンテナ（微小ループアンテナ１１及びダイポールアンテナとして機能するグランドパターン６）に接続される無線回路部１２との不整合を防止又は低減することができる。

次に、図１に示すアンテナ装置１Ａに対して具体的な寸法を、図４（ａ）に示すように設定し、図４（ｂ）に示すように導電体２０に接近させた場合について、有限要素法により数値計算を行った。図５は、回路基板２と導電体２０の距離Ｄに対するアンテナの共振周波数の変化を示すグラフである。

アンテナ素子１０は、高さ１０ｍｍ、幅２３ｍｍ、断面が１ｍｍ×１ｍｍの銅（導電率５.８×１０^７Ｓｉｍｅｎｓ/ｍ）製である。回路基板２は、長手方向が１２０ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚みが０.８ｍｍ、材質はＦＲ−４（比誘電率４.４、誘電正接０.０２）である。グランドパターン６は、回路基板２上の銅箔パターンであり、長手方向が１１３ｍｍ、幅２３ｍｍである。給電線８、接地線７、第１導体パターン３及び第２導体パターン４は、グランドパターン６と同様に、回路基板２上の銅箔パターンである。給電線８と第１導体パターン３の接続点Ｐ１から、接地線７と第１導体パターン３の接続点Ｐ２までの距離は２.５ｍｍである。キャパシタ５の静電容量は４.１ｐＦである。

図５からわかるように、接地線７と第１導体パターン３の接続点Ｐ２からキャパシタ５までの距離Ｙが短いときは、＊印で示すように、前述の微小ループモード電流に対して、ダイポールモード電流が支配的になり、アンテナ装置１Ａを導電体２０に接近させたときに共振周波数が低下する。逆に、接地線７と第１導体パターン３の接続点Ｐ２からキャパシタ５までの距離Ｙが長いときは、△印で示すように、ダイポールモード電流に対して、微小ループモード電流が支配的になり、アンテナ装置１Ａを導電体２０に接近させたときに共振周波数が上昇する。例えば、アルミサッシの窓枠にこのアンテナ装置１Ａを両面テープで貼り付けて使用する場合を想定すると、回路基板２と導電体２０の距離は１ｍｍ程度と考えられる。この例では、■印で示すように、Ｙ＝７.５ｍｍのときに微小ループモード電流とダイポールモード電流のバランスがとれて、導電体２０に接近させたときの共振周波数の変化が小さくなる。

図６は、アンテナ装置１Ａを設計する際のフローチャートである。このフローチャートに従って設計することにより、図４（ａ）に示す寸法とは異なる寸法のアンテナ装置についても、導電体が近接している場合における共振周波数の変化が小さくなるように設計することができる。

まず、回路基板２、グランドパターン６、アンテナ素子１０などの各部の位置及び寸法を定め、給電線８の位置を決定する（＃１）。次に、接地線７及びキャパシタ５の位置を仮決めし（＃２）、キャパシタ５の静電容量を仮決めする（＃３）。このようにして、仮に組み立てられたアンテナ装置１Ａの入力インピーダンスを測定する（＃４）。そして、測定した入力インピーダンスの値をスミスチャート上にプロットし、インピーダンスの軌跡がスミスチャートの中央を通るか否か判断する（＃５）。インピーダンスの軌跡がスミスチャートの中央を通らないときは（＃５でＮｏ）、接地線７の位置、すなわち、接地線７と第１導体パターン３の接続点Ｐ２までの距離Ｘを変更し（＃６）、上記ステップを繰り返す。

インピーダンスの軌跡がスミスチャートの中央を通るときは（＃５でＹｅｓ）、次に、アンテナ装置１Ａのアンテナ（微小ループアンテナ１１及びダイポールアンテナとして機能するグランドパターン６）の共振周波数が所望する送信周波数ｆ_０に一致しているか否かを判断する（＃７）。微小ループアンテナ１１の共振周波数が所望する送信周波数ｆ_０に一致していないときは、キャパシタ５の静電容量を変更して、上記ステップを繰り返す。微小ループアンテナ１１の共振周波数が所望する送信周波数ｆ_０に一致しているときは、例えば、導電体２０をアンテナ装置１Ａに対して想定している最接近距離に位置させた状態で、アンテナ装置１Ａの入力インピーダンスを測定する（＃９）。測定した入力インピーダンスから、アンテナ装置１Ａのアンテナの共振周波数が、所望する周波数からずれていないかどうか、あるいはずれていても許容できる範囲であるか否かを判断する（＃１０）。アンテナ装置１Ａのアンテナの共振周波数が、所望する周波数から大きくずれているときは（＃１０でＮｏ）、キャパシタ５の位置を変更して、すなわち、接地線７と第１導体パターン３の接続点Ｐ２からキャパシタ５までの距離Ｙを変更して（＃１１）、上記ステップを繰り返す。このように構成された第１実施形態に係るアンテナ装置１Ａによれば、導電体近接時にも共振周波数の変化が小さくなり、所望する送信周波数ｆ_０において利得低下を小さくすることができる。

なお、図１では給電線８とキャパシタ５の間に接地線７が配置されているが、給電線８と接地線７の位置を入れ替え、接地線７とキャパシタ５の間に給電線８を配置してもよい。また、トリマコンデンサをキャパシタ５と並列に挿入してもよい。その場合、部品性能のばらつき、部品の寸法誤差、実装位置誤差などに起因する共振周波数のずれを、トリマコンデンサの容量を調整することにより補正することができる。

また、微小ループアンテナ１１の利得を上げるには、ループの面積を広くすることが一般的であるが、デザイン性、携帯性、施工性、その他の制約により、ループの面積を広くすることできない場合もある。図４（ａ）に示す具体例では、アンテナ素子１０の断面を１ｍｍ×１ｍｍの正方形としたが、これに限定されるものではなく、必要に応じてアンテナ素子１０の断面寸法を変更（例えば、厚さよりも幅を広く）してもよい。それにより、ループの面積を広くすることなく、利得を上げることができる。

あるいは、図７に示すように、アンテナ素子１０の断面における幅を広くすると共に、アンテナ素子１０にスリット１０ａを設けてもよい。なお、図７では、アンテナ素子１０を構成する面のうち回路基板２と平行な面にのみスリット１０ａが設けられているが、回路基板２と垂直な面にスリットを設けてもよい。このように、アンテナ素子１０にスリット１０ａを設けると、アンテナ素子１０の抵抗値が増加し、共振のＱ値が下がる。そのため、図８において、破線で示す図３（ａ）に示す場合の特性と比較して、実線で示すようにアンテナ特性がなだらかになり、帯域幅が広くなる。その結果、微小ループアンテナの共振周波数がずれたとしても、アンテナ特性の劣化を小さくすることができる。

（第２実施形態）
本発明のアンテナ装置の第２実施形態について説明する。図９は、第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂの構成を示す。図１に示す第１実施形態に係るアンテナ装置１Ａと比較して、第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂでは、回路基板２が両面実装基板であり、第１のアンテナ素子１０を回路基板２の第１面（例えば表面）に、第２のアンテナ素子１０’を回路基板２の第２面（例えば裏面）に、それぞれ設けている。回路基板２の第１面側のランド２ａと第２面側のランド２ｂは、それぞれスルーホールで電気的に接続されている。

このように、回路基板２として両面実装基板を用い、微小ループアンテナ１１を回路基板２と交差するように構成することにより、回路基板２の実装密度を高くして、アンテナ装置１Ｂの小型化を図ることができる。また、回路基板２の第１面又は第２面のいずれか（例えば第２面とする）に背の高い部品が実装される場合には、その背の高い部品が実装される面（第２面）側のアンテナ素子１０’の高さを、他方の面（第１面）側のアンテナ素子１０の高さよりも高くしてもよい。それにより、アンテナ装置１Ｂの全体的な高さを抑制することができる。このように、第２実施形態によれば、背の高い部品によって生じるスペースを有効活用し、アンテナ装置１Ｂを薄型化することができる。

（第３実施形態）
本発明のアンテナ装置の第３実施形態について説明する。図１０は、第３実施形態に係るアンテナ装置１Ｃの構成を示す。図１に示す第１実施形態に係るアンテナ装置１Ａと比較して、第３実施形態に係るアンテナ装置１Ｃでは、アンテナ素子１０の代わりに、補助基板２１を使用し、回路基板２上に形成された導体パターン２ｃと、補助基板２１の一方の面（外面）に形成された導体パターン２１ａ、２１ｂ及び端面スルーホール２１ｃなどを利用して微小ループアンテナ１１を構成している。

なお、回路基板２及び補助基板２１として多層基板を用いてもよく、その場合、微小ループアンテナ１１を構成する導体パターン２ｃ，２１ａ、２１ｂなどは、必ずしも各基板の表面の表面に形成されている必要はなく、内層に形成されていてもよい。また、図１０に示す構成例では、キャパシタ５を補助基板２１上に配置しているが、キャパシタ５を回路基板２上に配置してもよい。さらに、給電線８及び接地線７は、端面スルーホール２ｄを介して補助基板２１の導体パターン２１ａに接続されているが、給電線８及び接地線７を回路基板２上の導体パターン２ｃに接続するようにしてもよい。

このように、変形しやすいアンテナ素子１０の代わりに補助基板２１を用いて微小ループアンテナ１１を構成することにより、外力に対するアンテナ装置１Ｃの耐久性が向上する。そのため、建造物の窓に取り付けられる防犯センサのような用途だけでなく、加速度や衝撃が加えられるような移動体の内部での無線通信などにも使用することができる。

また、図１１に示すアンテナ装置１Ｃ’ように、回路基板２の両面に補助基板２１及び２２を設け、これら補助基板２１及び２１上の導体パターン２１ａ、２１ｂ、２２ａ及び端面スルーホール２１ｃ、２２ｃなどを利用して微小ループアンテナ１１を構成してもよい。この構成は、回路基板２が両面実装基板である場合に、特に有効である。

（第４実施形態）
本発明のアンテナ装置の第４実施形態について説明する。図１２（ａ）は、第４実施形態に係るアンテナ装置１Ｄの概略構成を示す。第４実施形態に係るアンテナ装置１Ｄは、状規格実施形態におけるアンテナ装置１Ａ、１Ｂ、１Ｃ及び１Ｃ’のいずれかの構成に、さらに、そのアンテナ装置を収容する非金属製の外郭ケース３０を備え、この外郭ケース３０の内面のうち、少なくとも微小ループアンテナ１１に対向する箇所に、導電体３１をインサートしたものである。

アンテナ装置１Ｄが、窓ガラス、壁、机などに貼り付けられた状態で使用されることがあらかじめ予想される場合、外郭ケース３０の面のうち、窓ガラス、壁、机などに貼り付けられると予想される面３０ａのうち微小ループアンテナ１１に対向する箇所に、導電体３１をインサートしておき、この状態で所望の共振周波数において整合がとれるようにアンテナ装置１Ｄの設計を行う。このような構成により、上記第１乃至第３実施形態の効果に加えて、アンテナ装置１Ｄが、窓ガラス、壁、机などに貼り付けられたとしても、微小ループアンテナ１１から導電体３１の裏側は電気的に見えないため、貼り付けられる面の材質によらず、共振周波数の変化を小さくすることができ、所望する送信周波数においてアンテナ利得の低下をより小さくすることができる。

なお、導電体３１をインサートする代わりに、図１２（ｂ）に示すように、外郭ケース３０の内面のうち微小ループアンテナ１１に対向する箇所に、導電性ペースト３２を塗布又は印刷し、あるいは導電性テープを貼り付けても、同様の効果が得られる。また、これら導電体３１、導電性ペースト３２あるいは導電性テープは、回路基板２の前面、すなわち、ダイポールアンテナとして機能するグランドパターン６に対向する部分にも設けられていてもよい。

（第５実施形態）
本発明のアンテナ装置の第５実施形態について説明する。図１３は、第５実施形態に係るアンテナ装置１Ｄの概略構成を示す。第５実施形態では、アンテナ装置１Ｅが両面テープによって窓ガラス４０に貼り付けられた状態で使用される場合を想定している。

窓ガラス４０の外面、すなわちアンテナ装置１Ｅが貼り付けられていない面には、アンテナ装置１Ｅが取り付けられていることが外部から視認できないようにするために、目隠しシール４１が貼り付けられている。そして、この目隠しシール４１のうち少なくとも微小ループアンテナ１１と対向する箇所、より好ましくはアンテナ装置１Ｅの回路基板２に対向する箇所は、導電性材料で形成されている。なお、アンテナ装置１Ｅの外郭ケース３０の面のうち微小ループアンテナ１１に対向する箇所には、導電体、導電性ペースト、あるいは導電性テープは設けられていない。

このように構成により、隣り合う他の窓ガラスのサッシ、網戸、雨戸など４２がこの窓ガラス４０と重なり合ったとしても、微小ループアンテナ１１から目隠しシール４１の裏側は電気的に見えないため、アンテナ装置１Ｅの共振周波数の変化を小さくすることができ、所望する送信周波数においてアンテナ利得の低下をより小さくすることができる。

（第６実施形態）
本発明のアンテナ装置の第６実施形態について説明する。図１４は、第６実施形態に係るアンテナ装置１Ｆの概略構成を示す。第６実施形態に係るアンテナ装置１Ｆでは、微小ループアンテナ１１のループに直列挿入されるキャパシタ５として、第１導体パターン３の一端と第２導体パターン４の一端をそれぞれくし状パターンとし、これら２つのくし状パターンを互いにかみ合わせるようにしたものである。このような構成によれば、部品を実装せずに、回路基板２の表面をパターン化するだけでキャパシタ５を実現することができるので、アンテナ装置１Ｆの部品点数削減によるコストダウンが可能となる。

（第７実施形態）
本発明のアンテナ装置の第７実施形態について説明する。図１５は、第７実施形態に係るアンテナ装置１Ｇの概略構成を示す。第７実施形態に係るアンテナ装置１Ｇでは、微小ループアンテナ１１のループに直列挿入されるキャパシタ５に対して並列に可変キャパシタ１４を接続すると共に、回路基板２上に温度センサ１５を実装したものである。

あらかじめ、制御回路部１３のメモリ内に、キャパシタ５の温度特性を元にして、周囲温度に対応した補正キャパシタンス量のデータテーブルを記憶させておき、温度センサ１５による温度計測値に応じてデータテーブルを参照して、可変キャパシタ１４の補正キャパシタンス量を制御する。このような構成によれば、周囲温度の変化に関わらず、アンテナ装置１Ｇ共振周波数の変化を小さくすることができ、所望する送信周波数においてアンテナ利得の低下をさらに小さくすることができる。

（第８実施形態）
本発明のアンテナ装置の第８実施形態について説明する。図１６は、第８実施形態に係るアンテナ装置１Ｈの概略構成を示す。第８実施形態に係るアンテナ装置１Ｈでは、微小ループアンテナ１１のループに直列挿入されるキャパシタ５に対して並列に可変キャパシタ１４を接続すると共に、無線回路部１２から出力された信号の反射波の大きさを計測する検波回路１６を備えたものである。

アンテナ装置の出荷検査工程において、制御回路部１３をテストモードに設定し、可変キャパシタ１４の補正キャパシタンス量を所定の値に設定した状態で、無線回路部１２よりテスト信号を出力する。このとき、無線回路部１２の出力インピーダンスと、微小ループアンテナ１１の入力インピーダンスの整合状態により、反射波が発生する。この反射波の大きさを無線回路部１２内の検波回路１６によって計測する。次に、制御回路部１３からの制御信号により可変キャパシタ１４の補正キャパシタンス量を別の値に設定し、同様に反射波の大きさを計測する。このようにして、複数の補正キャパシタンス量に対してそれぞれ反射波の大きさを計測し、最も反射波が小さくなる補正キャパシタンス量を求める。

このような構成によれば、アンテナ装置の出荷検査工程において、従来は手動で行っていた補正キャパシタンス量の調整を自動化できるため、アンテナ装置の製造コストを低減することができる。さらに、テストモードを実使用状態において定期的に実行することにより、設置環境による共振周波数のずれを定期的に補正し、所望する送信周波数においてアンテナ利得の低下を小さくすることができる。なお、テストモードでは、無線回路部１２よりテスト信号を出力する必要があるため、本来行う通信とテストモードとを同時に実行することはできない。間欠的に通信を行う無線装置においては、１つの通信シーケンスが完了した直後は、通信を行わない時間が存在する。この通信を行わない時間を利用してテストモードを実行することにより、本来行うべき通信を妨げることなく、確実にテストモードを実行することができる。

（第９実施形態）
本発明のアンテナ装置の第９実施形態について説明する。図１７は、第９実施形態に係るアンテナ装置１Ｊの概略構成を示す。第９実施形態に係るアンテナ装置１Ｊでは、無線回路部１２から出力された信号の反射波の大きさを計測する検波回路１６と、給電線８の経路を切り替えて給電線８と第１導体パターン３との接続点Ｐ１の位置を変更することができる切り替えスイッチ１７を備えたものである。

アンテナ装置の出荷検査工程において、制御回路部１３をテストモードに設定し、切り替えスイッチ１７により給電線８と第１導体パターン３との接続点Ｐ１を所定の位置に設定した状態で、無線回路部１２よりテスト信号を出力する。このとき、無線回路部１２の出力インピーダンスと、微小ループアンテナ１１の入力インピーダンスの整合状態により、反射波が発生する。この反射波の大きさを無線回路部１２内の検波回路１６によって計測する。次に、制御回路部１３からの制御信号により切り替えスイッチ１７を切り替えて、同様に反射波の大きさを計測する。このようにして、給電線８の経路を複数設定し、それぞれの経路に対する反射波の大きさを計測し、最も反射波が小さくなる経路を求める。切り替えスイッチ１７は、機械的に経路を切り替えるものでもよいし、ダイオードスイッチのような電気的に経路を切り替えるものでもよい。

このような構成によれば、アンテナ装置の出荷検査工程において、アンテナ装置を構成する各部品の性能のばらつき、寸法誤差、実装位置誤差などに起因する入力インピーダンスのばらつきを抑え、所望する送信周波数においてアンテナ利得のばらつきを抑えることができる。さらに、テストモードを実使用状態において定期的に実行することにより、設置環境による共振周波数のずれを定期的に補正し、所望する送信周波数においてアンテナ利得の低下を小さくすることができる。なお、テストモードでは、無線回路部１２よりテスト信号を出力する必要があるため、本来行う通信とテストモードとを同時に実行することはできない。間欠的に通信を行う無線装置においては、１つの通信シーケンスが完了した直後は、通信を行わない時間が存在する。この通信を行わない時間を利用してテストモードを実行することにより、本来行うべき通信を妨げることなく、確実にテストモードを実行することができる。

（第１０実施形態）
本発明のアンテナ装置の第１０実施形態について説明する。図１８は、第１０実施形態に係るアンテナ装置１Ｋの概略構成を示す。第１０実施形態に係るアンテナ装置１Ｋでは、無線回路部１２から出力された信号の反射波の大きさを計測する検波回路１６と、接地線７の経路を切り替えて接地線７と第１導体パターン３との接続点Ｐ２の位置を変更することができる切り替えスイッチ１８を備えたものである。

アンテナ装置の出荷検査工程において、制御回路部１３をテストモードに設定し、切り替えスイッチ１８により接地線７と第１導体パターン３との接続点Ｐ２を所定の位置に設定した状態で、無線回路部１２よりテスト信号を出力する。このとき、無線回路部１２の出力インピーダンスと、微小ループアンテナ１１の入力インピーダンスの整合状態により、反射波が発生する。この反射波の大きさを無線回路部１２内の検波回路１６によって計測する。次に、制御回路部１３からの制御信号により切り替えスイッチ１８を切り替えて、同様に反射波の大きさを計測する。このようにして、接地線７の経路を複数設定し、それぞれの経路に対する反射波の大きさを計測し、最も反射波が小さくなる経路を求める。切り替えスイッチ１８は、機械的に経路を切り替えるものでもよいし、ダイオードスイッチのような電気的に経路を切り替えるものでもよい。

本発明に係るアンテナ装置の第１実施形態の構成を示す斜視図。本発明に係るアンテナ装置における微小ループモード電流及びダイポールモード電流の方向と、それらのアンテナによる水平偏向成分及び垂直偏向成分の関係を示す斜視図。（ａ）は一般的なアンテナの送信周波数と入力インピーダンスの特性を示すグラフ、（ｂ）は本発明の原理を説明するグラフであり、実線は部品誤差などがないと仮定した場合のアンテナ特性、一点鎖線は導電体がアンテナ装置に接近したときの微小ループアンテナのアンテナ特性、二点鎖線は導電体がアンテナ装置に接近したときのダイポールアンテナの特性を示す。（ａ）は第１実施形態における具体的な設計寸法例を示す斜視図、（ｂ）はアンテナ装置を導電体に近づけた状態を示す側面図。アンテナ装置を導電体に近接させた場合について有限要素法により数値計算を行った結果を示すグラフ。第１実施形態におけるアンテナ装置を設計するためのフローチャート。第１実施形態における変形例の構成を示す斜視図。図７に示す変形例におけるスリットの効果を示すグラフ。本発明に係るアンテナ装置の第２実施形態の構成を示す斜視図。本発明に係るアンテナ装置の第３実施形態の構成を示す斜視図。第３実施形態における変形例の構成を示す斜視図。（ａ）は本発明に係るアンテナ装置の第４実施形態の構成を示す側部断面図、（ｂ）は第４実施形態の変形例の構成を示す側部断面図。本発明に係るアンテナ装置の第５実施形態の構成を示す側部断面図。本発明に係るアンテナ装置の第６実施形態の構成を示す斜視図。本発明に係るアンテナ装置の第７実施形態の構成を示す斜視図。本発明に係るアンテナ装置の第８実施形態の構成を示す斜視図。本発明に係るアンテナ装置の第９実施形態の構成を示す斜視図。本発明に係るアンテナ装置の第１０実施形態の構成を示す斜視図。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ、１Ｊ、１Ｋアンテナ装置
２回路基板
３第１導体パターン
４第２導体パターン
５キャパシタ
６グランドパターン
７接地線
８給電線
１０アンテナ素子
１０ａスリット
１１微小ループアンテナ
１２無線回路部
１３制御回路部（給電位置決定手段、接地位置決定手段）
１４可変キャパシタ
１５温度センサ
１６検波回路（反射波計測手段）
１７切り替えスイッチ（給電位置変更手段）
１８切り替えスイッチ（接地位置変更手段）
２０導電体
２１、２２補助基板
２１ａ、２１ｂ，２２ａ導体パターン
３０外郭ケース
３１導電体
３２導電性ペースト又は導電性テープ
Ｐ１給電線８と第１導体パターン３の接続点
Ｐ２接地線７と第１導体パターン３の接続点
Ｘ接続点Ｐ１から接続点Ｐ２までの距離Ｘ
Ｙ接続点Ｐ２からキャパシタ５までの距離
Ｉ_１微小ループモード電流
Ｉ_２ダイポールモード電流
Ｓ_１１アンテナ入力インピーダンス
ｆ_０送信周波数

Claims

回路基板の実装面に対して略垂直となるように形成された微小ループアンテナと、前記回路基板の実装面に形成され、ダイポールアンテナとして機能するグランドパターンと、前記回路基板上に実装された無線回路部を備えたアンテナ装置において、
前記微小ループアンテナを構成する導電路上に直列接続されたキャパシタンス成分をさらに備え、
前記微小ループアンテナへの給電点又は前記微小ループアンテナの前記グランドパターンへの接地点との間の導電路距離と、前記微小ループアンテナの前記グランドパターンへの接地点と前記キャパシタンス成分を直列接続する導電路上の接続点との間の導電路距離が、前記微小ループアンテナを構成する導電路に沿って流れ、微小ループアンテナとしての放射に寄与する電流（微小ループモード電流）と、前記グランドパターンを前記回路基板の長手方向に流れ、ダイポールアンテナとしての放射に寄与する電流（ダイポールモード電流）がほぼ同じ割合になるように設定されており、
導電体が近接している場合に、その導電体による前記微小ループアンテナの共振周波数の上昇を、前記ダイポールアンテナの共振周波数の低下により補償し、それにより、前記微小ループアンテナ及び前記ダイポールアンテナと前記無線回路部のインピーダンス不整合を防止又は低減したことを特徴とするアンテナ装置。
前記微小ループアンテナは、前記回路基板に実装され、所定の断面形状を有する金属導体により形成されたアンテナ素子を含み、前記アンテナ素子にスリットを形成したことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
前記微小ループアンテナは、前記回路基板の両面にそれぞれ実装され、所定の断面形状を有する金属導体により形成された２つのアンテナ素子を含むことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
前記微小ループアンテナは、前記回路基板の少なくとも一方の面に取り付けられた補助基板に形成された導体パターンを含むことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
前記微小ループアンテナ及び前記回路基板を収容する非金属製の外郭ケースをさらに備え、前記外郭ケースの内面のうち、少なくとも前記微小ループアンテナ対向する箇所に、導電体をインサートし、導電性ペーストを塗布又は印刷し、あるいは導電性テープを貼り付けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
ガラス面に取り付けられ、前記微小ループアンテナ及び前記回路基板を収容する非金属製の外郭ケースと、
前記ガラス面のうち、前記外郭ケースが取り付けられる面とは反対側の面に貼り付けられ、前記外郭ケースが取り付けられていることを外部から視認できないよう隠蔽する目隠しシールをさら備え、
前記目隠しシールの少なくとも前記微小ループアンテナと対向する箇所は導電性材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
前記微小ループアンテナへの給電の位置を変更可能とする給電位置変更手段と、
テストモードにおいて、前記無線回路部から前記微小ループアンテナへテスト信号を出力したときに、前記無線回路部の出力インピーダンスと前記微小ループアンテナの入力インピーダンスの不整合により発生する反射波の大きさを計測する反射波計測手段と、
前記テストモードにおいて、前記給電位置変更手段により給電位置を少なくとも２箇所に設定して、それぞれの給電位置においての前記反射波の大きさを計測し、前記反射波の大きさが最小となるよう給電位置を決定する給電位置決定手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
前記微小ループアンテナの接地位置を変更可能とする接地位置変更手段と、
テストモードにおいて、前記無線回路部から前記微小ループアンテナへテスト信号を出力したときに、前記無線回路部の出力インピーダンスと前記微小ループアンテナの入力インピーダンスの不整合により発生する反射波の大きさを計測する反射波計測手段と、
前記テストモードにおいて、前記接地位置変更手段にて接地位置を少なくとも２箇所に設定して、それぞれの接地位置においての前記反射波の大きさを計測し、前記反射波の大きさが最小となるよう接地位置を決定する接地位置決定手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアンテナ装置。