JP5161485B2

JP5161485B2 - アンテナ装置

Info

Publication number: JP5161485B2
Application number: JP2007132442A
Authority: JP
Inventors: 真介植田; 一弘松本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-05-18
Filing date: 2007-05-18
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2027-05-18
Also published as: JP2008288930A

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、特に送信される電波の強度からそのアンテナ装置までの距離の推定が可能なアンテナ装置に関する。

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。そのため、従来から携帯型無線通信装置などに広く用いられている。

微小ループアンテナを用いたアンテナ装置では、所望する通信周波数において、無線回路部の出力インピーダンスとの整合を取るため、微小ループを構成する導体上の１点に、キャパシタンスを直列挿入し、また、微小ループを構成する導体上の別の１点を無線回路部のグランドに接地している。そのため、微小ループアンテナから電波が放射されるのみならず、微小ループアンテナが実装される回路基板のグランドパターンからも電波が相当程度放射される。従って、微小ループアンテナを搭載している携帯型無線通信装置を手で握ったり、導電体のそばに置いたりした状態では、アンテナ利得が大きく変動する。

電波の受信強度を元にして送信器と受信器との間の距離を推定しようとする場合、アンテナ利得が一定であれば、空間での減衰量の理論式が既知であるので、受信強度を元に送信器と受信器との間の距離を推定することができる。しかしながら、従来の微小ループアンテナは、上記のように周囲の条件によりアンテナ利得が大きく変動するため、電波の受信強度を元にして送信器と受信器との間の距離を推定する用途には不適当であった。

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、携帯型無線通信装置に使用可能なアンテナ装置であって、携帯型無線通信装置を手で握ったり、導電体のそばに置いたりした状態でも、アンテナ利得の変動が小さく、電波の受信強度を元にして測定点とアンテナ装置の距離の推定が可能な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と、前記回路基板の実装面に形成された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、
前記キャパシタンス成分の位置と、前記微小ループアンテナへの給電点と前記微小ループアンテナの接地点の中点の位置が、前記微小ループアンテナのループの中心に対して略点対称と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３の発明は、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、キャパシタンス成分の直列接続位置に対する微小ループアンテナへの給電点及び微小ループアンテナの接地点に対称性を持たせることにより、グランドパターンに流れるダイポールモード電流が非常に小さくなる。そのため、微小ループアンテナに流れる微小ループモード電流に対するグランドパターンに流れるダイポールモード電流の割合が小さくなる。特に、キャパシタンス成分の位置と、給電点と接地点の中点の位置が、微小ループアンテナのループの中心に対して略点対称の関係にあるので、グランドパターンに流れるダイポールモード電流をほぼ零にすることができ、微小ループアンテナのアンテナ利得をほぼ一定にすることができる。その結果として、微小ループアンテナのアンテナ利得が安定するので、このアンテナ装置を用いた携帯型無線通信装置を手で握ったり、導電体のそばに置いたりした状態でも、アンテナ利得の変動が小さくなり、電波の受信強度を元にして測定点とアンテナ装置の距離の推定が可能となる。

請求項２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３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（ジャンパー線）７、微小ループアンテナ１１に信号を供給する給電線（ジャンパー線）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（給電点）Ｐ１から、接地線７と第１導体パターン３の接続点（接地点）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。

このように、微小ループアンテナを用いたアンテナ装置には、微小ループモード電流Ｉ_１とダイポールモード電流Ｉ_２が合成された電流が流れるが、ダイポールモード電流Ｉ_２は、微小ループアンテナ１１の対称性がくずれるほどその割合が大きくなる。本発明では、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を安定化させるために、微小ループアンテナ１１に対称性を持たせ、ダイポールモード電流Ｉ_２を極力小さくして、より好ましくはほぼ零にして、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をほとんど発生させないようにしている。そのため、微小ループアンテナ１１を構成する導電路上におけるキャパシタ５の直列接続位置に対して、微小ループアンテナ１１への給電点（すなわち、アンテナ素子１０と給電線８の接続点）Ｐ１及び微小ループアンテナ１１の接地点（すなわち、アンテナ素子１０と接地線７の接続点）Ｐ２に対称性を持たせている。より具体的には、キャパシタ５の位置と、給電点Ｐ１と接地点Ｐ２の中点の位置が、微小ループアンテナ１１のループの中心に対して略点対称の関係となるように配置している。

図３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、ダイポールモード電流Ｉ_２が最小に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、給電線８及び接地線７の位置、すなわち給電点Ｐ１及び接地点Ｐ２の位置を仮決めし、微小ループアンテナのループ上で、ループの中心に対して、給電点Ｐ１と接地点Ｐ２の中点の位置と略点対称となる位置にキャパシタ５を配置する（＃２）。次に、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）、給電点Ｐ１及び接地点Ｐ２の位置を変更し、それに合わせてキャパシタ５の位置も変更し（＃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）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（＃８）、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、ダイポールモード電流Ｉ_２が最小、より好ましくは零になるように構成されているので、微小ループアンテナのアンテナ利得が安定する。その結果、このアンテナ装置を用いた携帯型無線通信装置を手で握ったり、導電体のそばに置いたりした状態でも、アンテナ利得の変動が小さくなり、電波の受信強度を元にして測定点とアンテナ装置の距離の推定が可能となる。

なお、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。

（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４は、第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂの概略構成を示す。第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂ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１Ｂ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５は、第３実施形態に係るアンテナ装置１Ｃの概略構成を示す。第３実施形態に係るアンテナ装置１Ｃ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６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（給電点）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７は、第５実施形態に係るアンテナ装置１Ｅの概略構成を示す。第５実施形態に係るアンテナ装置１Ｅ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（接地点）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。

（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８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、図１に示す第1実施形態のアンテナ装置１Ａと比較して、グランドパターンが第１グランドパターン６ａと第２グランドパターン６ｂに分割され、第１グランドパターン６ａと第２グランドパターン６ｂがインダクタ１９で接続されている点が異なる。なお、インダクタ１９は、チップインダクタのような素子を実装してもよいし、回路基板２上の導体パターンで実現してもよい。

ダイポールモード電流Ｉ_２を発生させる周波数をカットオフするようにインダクタ１９の定数を選ぶことにより、ダイポールモード電流Ｉ_２は第１グランドパターン６ａにのみ流れ、第２グランドパターン６ｂには流れなくなるため、ダイポールモード電流Ｉ_２が流れるグランドパターンの面積を縮小することができる。そのため、ダイポールモード電流Ｉ_２を零にできなかったとしても、その値を非常に小さくすることができ、微小ループアンテナ１１のアンテナ利得が安定する。その結果、このアンテナ装置を用いた携帯型無線通信装置を手で握ったり、導電体のそばに置いたりした状態でも、アンテナ利得の変動が小さくなり、電波の受信強度を元にして測定点とアンテナ装置の距離の推定が可能となる。

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。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。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。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斜視図。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斜視図。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。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ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
６ａ第１グランドパターン
６ｂ第２グランドパターン
７接地線
８給電線
１０アンテナ素子
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）
１９インダクタ
Ｐ１給電点
Ｐ２接地点
Ｘ給電点Ｐ１から接地点Ｐ２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と、前記回路基板の実装面に形成された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、
前記キャパシタンス成分の位置と、前記微小ループアンテナへの給電点と前記微小ループアンテナの接地点の中点の位置が、前記微小ループアンテナのループの中心に対して略点対称と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に記載のアンテナ装置。