JP5692460B2 - アンテナ装置および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信を行う携帯用の電子機器に関し、特に、衣服や身体に付けた状態で通信可能とした電子機器およびそれに設けるアンテナ装置に関する。

衣服や身体に付けた状態で通信可能とする電子機器のアンテナ装置が特許文献１に開示されている。

図２３は特許文献１に示されているアンテナ装置の使用状態を表す図である。アンテナ２０は布地のパッチアンテナであり、このアンテナが、人の背中の肩胛骨間に収容されるようにアンテナ取り付け部３０に置かれている。この取り付け部３０は、使用中、取り付け部のアンテナを受け入れる部分から着用者の肩を越えて着用者の胴部の前部に延在する支持ストラップ部を有している。

特表２００４−５１８３２２号公報

図２３に示すように、アンテナ取り付け部の背中側にパッチアンテナを取り付けた構造のアンテナ装置においては、背中側への放射だけが強くなり、前方（胸側）への放射が期待できない。また、パッチアンテナであるので、素子自体のサイズが大きくなりやすく、回路側と一体にした場合にモジュールが大きくなる傾向にある。また、厚み方向が厚くなるので、使用者にとって邪魔になりやすい。

本発明の目的は、衣服や身体に身に付けた状態で広指向性を有するアンテナ装置およびそれを備えた電子機器を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明のアンテナ装置は次のように構成する。

略長方形のグランド導体、このグランド導体の一辺に沿って設けられた非グランド領域、および前記非グランド領域に形成された放射素子を備え、
前記非グランド領域が形成されたグランド導体の一辺に近接し、前記グランド導体に重ならない位置に配置されたループ状の導体を備えることを特徴とする。

前記ループ状の導体は、使用者の首に掛けるネックストラップに形成されていることが好ましい。

前記放射素子は筐体内に収められていて、この筐体に前記ネックストラップが取り付けられていることが好ましい。

前記ループ状の導体には、放射素子に最も近い位置で導体同士を分離する間隙が形成されていることが好ましい。

前記ループ状の導体の周長はアンテナ装置の使用周波数の０．５波長以上であることが好ましい。

また、本発明の電子機器は、略長方形のグランド導体、このグランド導体の一辺に沿って設けられた非グランド領域、前記非グランド領域に形成された放射素子、および前記非グランド領域が形成されたグランド導体の一辺に近接し、前記グランド導体に重ならない位置に配置されたループ状の導体を有し、
前記ループ状の導体をネックストラップに備え、前記グランド導体および前記放射素子を筐体に備えたことを特徴とする。

本発明によれば、電子機器を衣服や身体に付けた状態で広指向性を有するアンテナ装置およびその電子機器が得られる。

図１は第１の実施形態のアンテナ装置２０１の主要な構成を示す図である。 図２は、通信モジュール１０１のグランド導体およびループ状導体４１に流れる電流の強度を濃度で表した図である。 図３は、図１に示したアンテナ装置とその比較例のアンテナの指向性を示す図である。 図４（Ａ）はループ状導体４１をネックストラップに設けて、そのネックストラップを人体モデル（擬似人体）の首に掛けた状態を示す図である。図４（Ｂ）は、その比較例であり、ループ状導体を設けずに、通信モジュール１０１のみを配置した状態を示す図である。 図５は図４に示した状態でのアンテナ装置の指向性を示す図であり、図５（Ａ）は頭頂部から視たｘ−ｙ面（水平面）での指向性であり、図５（Ｂ）は右側部から視たｚ−ｙ面（鉛直面）での指向性である。 図６は第１実施形態のアンテナ装置のリターンロス（Ｓ１１）の周波数特性を示す図である。 図７は第２の実施形態のアンテナ装置２０２の主要な構成を示す図である。 図８はアンテナ装置２０２の指向性を示す図である。 図９は第２実施形態のアンテナ装置のリターンロス（Ｓ１１）の周波数特性を示す図である。 図１０は第３の実施形態のアンテナ装置２０３の主要な構成を示す図である。 図１１はアンテナ装置２０３の指向性を示す図である。 図１２は第４の実施形態のアンテナ装置の主要な構成を示す図である。 図１３は、図１２（Ａ）に示したアンテナ装置２０４Ａの指向性を示す図である。 図１４は、図１２（Ｂ）に示したアンテナ装置２０４Ｂの指向性を示す図である。 図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）は第１の実施形態のアンテナ装置（ループ状導体を有するもの）の指向性、図１５（Ｃ）、図１５（Ｄ）は比較例としてのアンテナ装置（ループ状導体が無いもの）の指向性を示す図である。 図１６はループ状導体４１のサイズが異なる幾つかのアンテナ装置の例を示す図である。 図１７は図１６に示した各アンテナ装置のアンテナ効率を示す図である。 図１８はループ状導体−通信モジュール間の間隔dと指向性との関係を示す図である。 図１９はループ状導体のギャップＧの寸法gと指向性との関係を示す図である。 図２０はループ状導体のサイズと指向性との関係を示す図である。 図２１（Ａ）は通信モジュール部分の筐体の斜視図、図２１（Ｂ）はその筐体を二つに分離したうちの後部側筐体の斜視図である。 図２２は別の電子機器の斜視図であり、筐体に対してネックストラップを取り付けようとする状態を示す図である。 図２３は特許文献１に示されているアンテナ装置の使用状態を表す図である。

《第１の実施形態》
図１は第１の実施形態のアンテナ装置２０１の主要な構成を示す図である。図１において、アンテナ装置２０１は通信モジュール１０１およびループ状導体４１を備えている。通信モジュール１０１は基板１０を有し、この基板１０に略長方形のグランド導体１１が形成されている。また、グランド導体１１の一辺に沿って非グランド領域８が設けられている。この非グランド領域８に伝送線路１３および放射素子１４が形成されている。また、放射素子１４にはキャパシタンス素子Ｃ１が接続されていて、放射素子１４の給電点に伝送線路１３が接続されている。基板１０には給電回路９が設けられていて、放射素子１４は伝送線路１３を介して給電回路９により給電される。

放射素子１４に対する給電により、放射素子１４が共振する。グランド導体１１にはダイポールアンテナと同様の（ダイポールアンテナ的な）電流が誘起される。図１中の矢印はその電流の流れを表している。基板１０の裏面にもグランド導体１１と対向する位置に、ビア導体で接続された同形状のグランド導体が形成されている。したがって、裏面のグランド導体にも同様の電流が流れる。

ループ状導体４１は一部にギャップＧを有し、そのギャップＧが放射素子１４に近接している。

図２は、通信モジュール１０１のグランド導体およびループ状導体４１に流れる電流の強度を濃度で表した図である。このように、通信モジュール１０１を介してループ状導体４２に数波長の電流の定在波が立っている。ここで、条件は次のとおりである。

周波数：2450MHz
通信モジュール１０１のサイズ：26mm×56mm×1.2mm
ループ状導体４１のサイズ：250mm×150mm×1mm
通信モジュール１０１とループ状導体４１との間隔d：1mm
ループ状導体４１のギャップＧの寸法g：2mm
図３は、図１に示したアンテナ装置とその比較例のアンテナの指向性を示す図である。比較例としての二つのアンテナ装置のうち第１のアンテナ装置は、図１に示したアンテナ装置のループ状導体４１にギャップが無いものである。第２のアンテナ装置は図１に示したアンテナ装置のうちループ状導体が無いものである。図３において、特性Ｄａはこの実施形態のアンテナ装置の指向性、特性Ｄｂは比較例の第１のアンテナ装置の指向性、特性Ｄｃは比較例の第２のアンテナ装置の指向性である。単位はｄＢｉである。２７０°方向がループ状導体４１の延びている方向である。このように、通信モジュール１０１の放射素子１４に結合するループ状導体４１を設けることによって、指向性を変化させ、ループ状導体４１の方向への利得を高めることができる。

なお、ループ状導体のサイズを30mm×370mm×1mmとした場合、すなわち周長は同じで形状を細長くした場合、アンテナの放射効率は-1dBであり、上述のアンテナ装置と同等の効率が得られる。すなわち、人体の首に限らず、人体や衣服にぶら下げるような使い方でもループ状導体を設けることによる指向性変化の効果が得られる。

図４（Ａ）はループ状導体４１をネックストラップに設けて、そのネックストラップを人体モデル（擬似人体）の首に掛けた状態を示す図である。図４（Ｂ）は、その比較例であり、ループ状導体を設けずに、通信モジュール１０１のみを配置した状態を示す図である。通信モジュール１０１は人体（胸）表面から９ｍｍ離れた位置に配置している。人体モデルは周波数2450MHzでの比誘電率εｒ=30.2、電気伝導率σ=1.8[S/m]である。

図５は図４に示した状態でのアンテナ装置の垂直偏波についての指向性を示す図である。図５（Ａ）は頭頂部から視たｘ−ｙ面（水平面）での指向性であり、図５（Ｂ）は右側部から視たｚ−ｙ面（鉛直面）での指向性である。また、両図において、特性Ｄａはこの実施形態のアンテナ装置の指向性、特性Ｄｂは比較例のアンテナ装置の指向性である。単位はｄＢｉである。

このように、ループ状導体４１が肩から首の後方にかけて屈曲していると、人体の後方（背中方向）への利得が高まる。これは、ネックストラップを首に掛けることによって、ネックストラップの一部が後方（背中方向）へ露出することによる。すなわち、ループ状導体４１のうち、人体に遮られずに後方（背中方向）に露出する部分が放射に寄与しているものと考えられる。

図６はこの実施形態のアンテナ装置のリターンロス（Ｓ１１）の周波数特性を示す図である。図６において、特性Ｓ１１ａはこの実施形態のアンテナ装置のリターンロス、特性Ｓ１１ｂは比較例のアンテナ装置のリターンロスである。このように、ループ状導体４１を設けることにより、中心周波数を一定にしたまま周波数帯域幅を拡げることができる。これは、アンテナ体積の増加によりアンテナの放射Ｑが低下するという作用によるものと考えられる。

《第２の実施形態》
図７は第２の実施形態のアンテナ装置２０２の主要な構成を示す図である。図７において、アンテナ装置２０２は通信モジュール１０２およびループ状導体４１を備えている。通信モジュール１０２は基板１０を有し、この基板１０に略長方形のグランド導体１１が形成されている。また、グランド導体１１の一辺に沿って非グランド領域８が設けられている。この非グランド領域８に放射素子１５が形成されている。基板１０には給電回路９が設けられていて、放射素子１５は給電回路９により給電される。放射素子１５はモノポールアンテナの放射素子として作用する。また、この放射素子１５の開放端付近と、これに近接するループ状導体４１のギャップＧ付近の端部ＥＰ１とが主に電界結合する。放射素子１５の給電端近傍では電界強度が低いが、この部分でもループ状導体４１のギャップＧ付近のもう一つの端部ＥＰ２と結合する。

放射素子１５は１／４波長共振して、グランド導体１１に鏡像（イメージ）を形成して、ダイポール動作する。

この第２の実施形態のアンテナ装置について、第１の実施形態で図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示した方法と同様の条件で指向性を求めた。図８はその結果を示す図である。図８（Ａ）は頭頂部から視たｘ−ｙ面（水平面）での指向性であり、図８（Ｂ）は右側部から視たｚ−ｙ面（鉛直面）での指向性である。また、両図において、特性Ｄａはこの実施形態のアンテナ装置の指向性、特性Ｄｂは比較例のアンテナ装置の指向性である。単位はｄＢｉである。

このように、ループ状導体４１が肩から首の後方にかけて屈曲していると、人体の後方（背中方向）への利得が高まる。これは、ネックストラップを首に掛けることによって、ネックストラップの一部が後方（背中方向）へ露出することによる。すなわち、ループ状導体４１のうち、人体に遮られずに後方（背中方向）に露出する部分の放射が寄与しているものと考えられる。

図９はこの実施形態のアンテナ装置のリターンロス（Ｓ１１）の周波数特性を示す図である。図９において、特性Ｓ１１ａはこの実施形態のアンテナ装置のリターンロス、特性Ｓ１１ｂは比較例のアンテナ装置のリターンロスである。このように、ループ状導体４１を設けることにより、中心周波数を一定にしたまま周波数帯域幅を拡げることができる。

《第３の実施形態》
図１０は第３の実施形態のアンテナ装置２０３の主要な構成を示す図である。図１０において、アンテナ装置２０３は通信モジュール１０３およびループ状導体４１を備えている。通信モジュール１０３は基板１０を有し、この基板１０に略長方形のグランド導体１１が形成されている。また、グランド導体１１の一辺に沿って非グランド領域８が設けられている。この非グランド領域８に放射素子１６ａ，１６ｂが形成されている。基板１０には給電回路９が設けられていて、放射素子１６ａは給電回路９により給電される。放射素子１６ｂは非給電放射素子であり、一端がグランド導体１１に接続（接地）され、他端が開放されている。この放射素子１６ｂの開放端は放射素子１６ａの開放端と近接して、この両者間に生じる容量を介して容量給電される。放射素子１６ａ，１６ｂはそれぞれ１／４波長共振し、ループ状導体４１のギャップＧ付近の端部とそれぞれ主に電界結合する。グランド導体１１も放射素子として作用する。

この第３の実施形態のアンテナ装置について、第１の実施形態で図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示した方法と同様の条件で指向性を求めた。図１１はその結果を示す図である。図１１（Ａ）は頭頂部から視たｘ−ｙ面（水平面）での指向性であり、図１１（Ｂ）は右側部から視たｚ−ｙ面（鉛直面）での指向性である。また、両図において、特性Ｄａはこの実施形態のアンテナ装置の指向性、特性Ｄｂは比較例のアンテナ装置の指向性である。単位はｄＢｉである。

このように、ループ状導体４１が肩から首の後方にかけて屈曲していると、人体の後方（背中方向）への利得が高まる。これは、ネックストラップを首に掛けることによって、ネックストラップの一部が後方（背中方向）へ露出することによる。すなわち、ループ状導体４１のうち、人体に遮られずに後方（背中方向）に露出する部分が放射に寄与しているものと考えられる。

《第４の実施形態》
第４の実施形態では、形状の異なるループ状導体の例について示す。図１２は第４の実施形態のアンテナ装置の主要な構成を示す図である。図１２（Ａ）に示すアンテナ装置においては、ループ状導体４２はギャップが無く、閉ループ状となっている。このループ状導体４２の一部が通信モジュール１０１の放射素子に近接している。図１２（Ｂ）に示すアンテナ装置においては、ループ状導体４３に、互いに最も離れた位置に二つのギャップＧ１，Ｇ２が形成されている。そして、一方のギャップＧ１が通信モジュール１０１の放射素子に近接している。

この第４の実施形態のアンテナ装置について、第１の実施形態で図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示した方法と同様の条件で指向性を求めた。図１３、図１４はその結果を示す図である。図１３は、図１２（Ａ）に示したアンテナ装置２０４Ａの垂直偏波についての指向性を示す図、図１４は、図１２（Ｂ）に示したアンテナ装置２０４Ｂの垂直偏波についての指向性を示す図である。図１３（Ａ）、図１４（Ａ）は頭頂部から視たｘ−ｙ面（水平面）での指向性であり、図１３（Ｂ）、図１４（Ｂ）は右側部から視たｚ−ｙ面（鉛直面）での指向性である。また、両図において、特性Ｄａはこの実施形態のアンテナ装置の指向性、特性Ｄｂは比較例のアンテナ装置の指向性である。単位はｄＢｉである。

図１３、図１４、および第１の実施形態で示した図５を対比すれば明らかなように、いずれについても人体の後方（背中方向）の利得が得られる。また、図１２（Ａ）に示した、ギャップの無いループ状導体４２を設けたアンテナ装置２０４Ａの利得が最も高いことが分かる。

《第５の実施形態》
第５の実施形態では偏波毎の指向性について実測した例を示す。ここでは、第１の実施形態のアンテナ装置について、成人平均体型の電磁ファントム（擬似人体）を用いて偏波毎に指向性を測定した。通信モジュールは胸部中央に配置し、ループ状導体を首に掛けた状態で測定した。図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）は第１の実施形態のアンテナ装置（ループ状導体を有するもの）の特性、図１５（Ｃ）、図１５（Ｄ）は比較例としてのアンテナ装置（ループ状導体が無いもの）の特性である。図１５（Ａ）、図１５（Ｃ）は水平偏波の指向性、図１５（Ｂ）、図１５（Ｄ）は垂直偏波の指向性である。

このように、実測によっても、水平偏波、垂直偏波ともに後方（背中方向）（−ｙ方向）へ利得が生じることが確認された。

《第６の実施形態》
第６の実施形態では、ループ状導体のサイズとアンテナ効率との関係について示す。図１６はループ状導体４１のサイズが異なる幾つかのアンテナ装置の例を示す図である。図１６中の各アンテナのループ状導体４１のサイズは次のとおりである。

（Ａ）無し
（Ｂ）15.25mm×9.25mm
（Ｃ）31.25mm×18.75mm
（Ｄ）62.5mm×37.5mm
（Ｅ）125mm×75mm
通信モジュール１０１の構成とサイズは第１の実施形態で示したものと同じである。

図１７は図１６に示した各アンテナ装置のアンテナ効率を示す図である。このように、ループ状導体４１の有無やサイズによってはアンテナ効率が−１．０ｄＢ程度しか変化せず、アンテナ効率の低下は殆どない。

《第７の実施形態》
第７の実施形態では、ループ状導体−通信モジュール間の間隔dと指向性との関係、ループ状導体のギャップＧの寸法gと指向性との関係、ループ状導体の大きさと指向性との関係についてそれぞれ示す。

ここで、アンテナ装置の構成は図１に示したとおりである。通信モジュールのサイズも第１の実施形態で示したとおりである。また、座標ｘ，ｙ，ｚの取り方は図１に示したものと対応している。特性Ｄａはループ状導体の有るアンテナ装置の指向性、特性Ｄｂはループ状導体の無い比較例のアンテナ装置の指向性である。

図１８はループ状導体−通信モジュール間の間隔dと指向性との関係を示す図である。ここで、ループ状導体のギャップＧの寸法gは2mm、ループ状導体のサイズは125mm×75mmで一定にしている。この図１８から明らかなように、ループ状導体−通信モジュール間の間隔dが小さいほど、ｚ方向（ループ状導体が延びている方向）への利得向上効果が高いことが分かる。d<5mmすなわち、周波数2450MHzでdが約0.05λ以下であれば、ｚ方向の利得が向上する。またこのdの範囲で、効率は-1.1dBでほぼ一定である。

図１９はループ状導体のギャップＧの寸法gと指向性との関係を示す図である。ここで、ループ状導体−通信モジュール間の間隔dは1mm、ループ状導体のサイズは125mm×75mmで一定にしている。この図１９から明らかなように、ループ状導体のギャップＧの寸法gが小さいほど、ｚ方向（ループ状導体が延びている方向）への利得向上効果が高いことが分かる。また、ギャップ寸法gを2mmから8mmまで変化させても指向性パターンの変化は少ないことが分かる。また、このgの範囲で、効率は-1.1dBでほぼ一定である。このように、ループ状導体にギャップを設ければ、ループ状導体の周長を変えることなく、ギャップの大きさによって、指向性を制御できる。

図２０はループ状導体のサイズと指向性との関係を示す図である。ここで、ループ状導体のギャップＧの寸法gは2mm、ループ状導体−通信モジュール間の間隔dは1mmで一定にしている。この図２０から明らかなように、ループ状導体のサイズが15.25mm×9.25mm（周長25mm）では指向性の変化が殆ど無く、31.25mm×18.75mm（周長100mm）で指向性の変化が見られることから、その中間の周長60mm以上、すなわち０．５λ以上で指向性を変化させることができることが分かる。

《第８の実施形態》
第８の実施形態では、以上に示したアンテナ装置を備えた電子機器の構成について示す。図２１（Ａ）は通信モジュール部分の筐体の斜視図、図２１（Ｂ）はその筐体を二つに分離したうちの後部側筐体の斜視図である。通信モジュール１０１は筐体内に収納され、この通信モジュールの放射素子の近傍にネックストラップを通す（挟む）孔が形成されている。ネックストラップの内部にはループ状導体が設けられている。

また、図２２は別の電子機器の斜視図であり、筐体に対してネックストラップを取り付けようとする状態を示す図である。ネックストラップ５１の両端は球形に形成されていて、内部にループ状導体が設けられている。筐体の構成は図２１に示したものと基本的に同じであり、ネックストラップ５１両端の球形部分を筐体の孔に嵌合させる。

ネックストラップは、例えば、銅の撚り線または網線状の銅線をナイロン6,6（６６ナイロン）（登録商標）やポリエステルで被覆したものである。

Ｃ１…キャパシタンス素子
８…非グランド領域
９…給電回路
１０…基板
１１…グランド導体
１３…伝送線路
１４，１５…放射素子
１６ａ，１６ｂ…放射素子
４１〜４３…ループ状導体
５１…ネックストラップ
１０１〜１０３…通信モジュール
２０１〜２０３…アンテナ装置
２０４Ａ，２０４Ｂ…アンテナ装置

Claims (6)

1. 略長方形のグランド導体、このグランド導体の一辺に沿って設けられた非グランド領域、および前記非グランド領域に形成された放射素子を備えるアンテナにおいて、
   前記非グランド領域が形成されたグランド導体の一辺に近接し、前記グランド導体に重ならない位置に配置されたループ状の導体を備えることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記ループ状の導体は、使用者の首に掛けるネックストラップに形成されている、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記放射素子は筐体内に収められていて、この筐体に前記ネックストラップが取り付けられた、請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記ループ状の導体には、放射素子に最も近い位置で導体同士を分離する間隙が形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ装置。
5. 前記ループ状の導体の周長はアンテナ装置の使用周波数の０．５波長以上である、請求項１〜４のいずれかに記載のアンテナ装置。
6. 略長方形のグランド導体、このグランド導体の一辺に沿って設けられた非グランド領域、前記非グランド領域に形成された放射素子、および前記非グランド領域が形成されたグランド導体の一辺に近接し、前記グランド導体に重ならない位置に配置されたループ状の導体を有し、
   前記ループ状の導体をネックストラップに備え、前記グランド導体および前記放射素子を筐体に備えたことを特徴とする電子機器。