JP5811400B2

JP5811400B2 - 高周波用アンテナ及び高周波用アンテナ装置

Info

Publication number: JP5811400B2
Application number: JP2011238482A
Authority: JP
Inventors: 高木　保規; 保規高木
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2031-10-31
Also published as: JP2013098688A

Description

本発明は、１００ＭＨｚ以上の高周波で用いるヘリカルタイプの高周波用アンテナ及び高周波用アンテナ装置に関するものである。

高周波用アンテナは、携帯電話等の高周波用アンテナとして用いられるものや、無線ＬＡＮ用やＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）用の高周波用アンテナ、車載用のキーレスエントリーシステム用の高周波用アンテナとして使用されている。これらの高周波用アンテナは、携帯機器や車載部品等のごく限られた小空間内に搭載される。

高周波用アンテナを高利得化するためには実効長を１／４波長や１／２波長の長さに近づけることが好ましい。高周波用アンテナにおいて、この実効長を実現するためには、例えば磁性体や誘電体の基体に導体を巻いて波長短縮効果を持たせたヘリカルタイプの高周波用アンテナが用いられる。例えば特許文献１には、長手方向に配列された棒状の複数の磁心と、複数の磁心に巻かれたヘリカル状の導体を備えた車載用のモノポール型の高周波アンテアが開示されている。

特開平２−５８４０４号公報

特許文献１のアンテナは車両用アンテナとして曲面に沿って取り付けが可能となる効果は記載されているものの、棒状の磁心を用いたヘリカルタイプの高周波用アンテナにおいてどのように利得を向上させるかは一切の記述が無い。

よって本発明は、磁心にヘリカル状の導体を備えた高周波用アンテナにおいて、利得の向上が可能な高周波用アンテナ及び高周波用アンテナ装置を提供することを課題とする。

第１の本発明は、ボビンの内部に柱状の複数の磁心が０．０５ｍｍから２．０ｍｍの間隔をもって一方向に並べられ、前記ボビンの周囲に一方向に並んだ複数の磁心の幅よりも幅広にヘリカル状の導体が巻かれ、前記ボビンは前記磁心が並べられる胴部と前記胴部の両端側に脚部を備え、前記脚部のぞれぞれに端子が設けられており、前記端子の一方に前記ヘリカル状の導体の一方端側が接続されて給電部となし、前記複数の磁心は前記給電部側に寄せて配置されており、前記ヘリカル状の導体の他方端側を前記一方向に延ばして線状の放射導体とし、もって前記ヘリカル状の導体と線状の放射導体とは連続する一本の導体からなることを特徴とする。

前記複数の磁心は三個以下が好ましく、それぞれボビン内部に配置され、前記ボビンと共に前記ヘリカル状の導体に巻かれていることが好ましい。
ボビンの内部に配置することで、外力により各磁心の位置ずれを防止しやすく、上記磁気的なギャップのずれを防止できるので、高周波用アンテナの特性のばらつきを抑えることができる。
また、ボビンの内部に磁心を配置してボビンの周囲から磁心の周囲に導体を巻きつけてヘリカル状の導体を形成しているので、磁心に直接導体を巻く必要が無くなり、磁心や導体の破損を考慮せずにヘリカル状の導体を形成することが可能である。また、ヘリカル状の導体と線状の放射導体とは線径５０μｍ以上５００μｍ以下の導体からなることが好ましい。

これらの高周波用アンテナを用いて高周波用アンテナ装置とすることができる。

本発明によれば、ヘリカル状の導体と磁心を用いた高周波用アンテナにおいて、利得を向上可能な高周波用アンテナを提供できる。また、その高周波用アンテナを用いた高周波用アンテナ装置を提供できる。

本実施形態の高周波用アンテナの一例の斜視図である。図１の高周波用アンテナの六面図である。本実施形態の高周波用アンテナ装置の一例の斜視図である。磁心間のギャップ幅と高周波用アンテナの放射効率の関係を示すグラフである。磁心の長さによる周波数と複素透磁率μ”との関係を示すグラフである。

次に本発明を実施例によって具体的に説明するが、これら実施例により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態の高周波用アンテナの一例の斜視図である。この実施形態の高周波用アンテナは、一方向に並べられた磁性体からなる複数の磁心と、この複数の磁心に巻かれた連続するヘリカル状の導体を備える。
複数の磁心の周囲にヘリカル状の導体を設けることで、実効長が磁性体の波長短縮効果により実質的に長くなり、これによりアンテナの実効長が波長の長さに実質的に近づく事で高周波用アンテナの利得を向上させることができる。
また、この高周波用アンテナにおいて、複数の磁心は各磁心の間に幅０．０５ｍｍ以上の磁気的なギャップを介して並べられる。この磁気的なギャップは空隙でも良いし、非磁性の材質を磁心間に配置したものでも良い。
磁気的なギャップの幅（以後、ギャップ幅）は、磁心同士の最も近接した位置での幅を指すものとする。

図４は図１に記載の高周波用アンテナの形態で、ギャップ幅を０ｍｍ〜２ｍｍの範囲で変えた時のアンテナの放射効率を解析により求めた結果である。なお、図４は横軸が対数表示であるため、ギャップ幅０ｍｍの解析結果は横軸０．００１ｍｍの位置にプロットした。磁心は５ｍｍ×２ｍｍ×２ｍｍの直方体状とし、この磁心を長さ５ｍｍの長軸方向にギャップ幅を介して二個並べる形状で解析を行なった。ヘリカル状の導体はボビンの周囲に幅１２ｍｍの範囲で巻き数が１７ターンとした。図１の高周波用アンテナの詳細は後述する。
解析はギャップ幅を０ｍｍ，０．０５ｍｍ，０．０８ｍｍ，０．１ｍｍ，０．４ｍｍ，１．０ｍｍ，２．０ｍｍとして行なった。磁心同士が接触するようなギャップ幅が狭い状態では十分な放射効率が得られず、ギャップ幅を０．０５ｍｍ以上にすることで放射効率を改善することができる。さらに好ましいギャップ幅の範囲は０．０８ｍｍ以上である。また、ギャップ幅が大きすぎると、複数の磁心がヘリカル状の導体における軸方向の幅に収まらなくなる。磁心がヘリカル状の導体からはみ出すとアンテナの波長短縮効果が十分に得られない。そのため、ギャップ幅は、複数の磁心がヘリカル状の導体における軸方向の幅に収まるように所定の幅以下に設定することが好ましい。

磁心材質として複素透磁率μ”が小さい磁心を用いてコアロスを低減させることでアンテナの利得を向上できる。
磁心の数は特に限定されないが、磁心の個数が多いと製造工程が複雑になるため、アンテナの利得の向上効果と、製造コストとの兼ね合いから三個以下、さらには二個以下とすることが好ましい。

磁心の上記一方向に垂直な面での面積を大きくすることで高周波用アンテナの利得を高めることができる。この面積はアンテナの配置スペースの大きさに応じて適宜設定される。

磁心は四角柱や円柱などの柱状とすることが好ましい。隣接する磁心同士の対向面を平行にでき、ギャップ幅を一定にしやすいので利得の調整がしやすい。磁心は、全てが同じ形状や寸法でなくてもよく、例えば一つの磁心と他の磁心の上記一方向の長さが異なっていても良いし、上記一方向に垂直な面での面積が異なっていても良い。

本発明の高周波用アンテナは、例えばダイボール型やモノポール型の高周波用アンテナとして使用できる。

ヘリカル状の導体の一方の端部は給電部に接続される。他方の端部は開放端となるか、開放端を備えた放射導体に接続される構造とすることができる。ヘリカル状の導体の一方の端部と給電部の間に放射導体などの別のアンテナを配置してもよい。アンテナの実効長を長くすることができる。また装荷素子を配置して他の回路素子との整合を取っても良い。

複数の磁心はヘリカル状の導体の内部において、給電部が接続される側に寄せて配置することが好ましい。電流分布の大きい給電部側に磁心を配置することで波長短縮効果を高めることができる。なお、波長短縮効果を得るためにヘリカル状の導体の軸方向ではみ出さないように複数の磁心を配置することが好ましい。

磁心は磁性体を用いる。他の回路との整合を取るためにアンテナ単体のインピーダンスを５０Ωとすることを前提とすると、誘電体をコアとする場合と比較してヘリカル状の導体の巻き数を極力減らすことができるので、１００ＭＨｚ〜１０ＧＨｚの周波数帯域の信号を送受信する際にヘリカル状の導体の線間容量が増大することを抑制でき、伝送ロスや銅損を低減できる。

磁心は例えばフェライト焼結体を用いることができる。フェライト焼結体は、例えばＭｎ系、Ｎｉ系、Ｌｉ系フェライトなどの既知の磁性体セラミック材料を用いることができる。また、Ｂａ、ＣｏおよびＦｅを主成分とするＹ型またはＺ型の六方晶フェライトを主体とするフェライト焼結体を用いる事もできる。
１００ＭＨｚ以上の高周波数帯域において、広い周波数帯域で複素透磁率μ”が小さい材料が好ましい。

本発明の高周波用アンテナは、複数の磁心がそれぞれボビン内部に配置され、前記ボビンと共に前記ヘリカル状の導体に巻かれていることが好ましい。
磁心がボビンの内部に配置することで各磁心の位置ずれを防止しやすく、ギャップ幅のずれを防止できるので、高周波用アンテナの特性のばらつきを抑えることができる。また、ボビンの内部に磁心を配置してボビンの周囲から磁心の周囲に導体を巻きつけているので、磁心に直接巻線を巻く必要が無くなり、磁心の破損を考慮せずに導体をヘリカル状に巻くことが可能である。
ボビンは非導電材料の液晶ポリマーなどで主に形成することができる。部分的に導電性の端子を形成することができる。
ボビンは内部に磁心を配置するための空間部を備える。空間部はボビンの表面に形成した溝の内部とすることもできるし、磁心を挿入可能な孔形状とする事もできる。中空の環状部材でもよい。この空間部は磁心を固定するために磁心の形状にあわせた内壁形状とすることが好ましい。この空間部に配置された磁心は、ボビンと磁心を嵌め合わせて固定しても良いし、接着剤で固定しても良い。

ヘリカル状の導体はボビンに巻きつけられる。ヘリカル状の導体を巻きつけるボビンの部分を胴部と称する。この胴部にはヘリカル状の導体の巻きつける位置を特定するための溝を形成することもできる。導体同士の線間容量を一定にできるので、製品ごとの特性バラツキを低減できる。
ヘリカル状の導体の巻き幅は、波長短縮効果を得るために複数の磁心を並べた幅よりも幅広になるように形成することが好ましいので、上記胴部も同様に磁心よりも幅広になるように形成することが好ましい。

ヘリカル状の導体の構成材料としては、銅、銀、金、アルミニウム、ニッケル及びその合金などの導電材料からなる導線が挙げられる。この銅、銀、金、アルミニウム、ニッケル等の材料には、耐候性等を向上させるために所定の元素を添加してもよい。また、導電材料と非金属材料等の合金を用いてもよい。構成材料としてコスト面や耐食性の面及び作り易さの面から銅及びその合金がよく用いられる。導電ペーストなども利用できる。

本実施形態の高周波用アンテナおよび高周波用アンテナ装置を、図番を用いてさらに詳細に説明する。図２は図１の高周波用アンテナの６面図である。同じ部位には同じ番号を付けている。

図１、図２の高周波用アンテナは車載用のアンテナの一実施形態であり、１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの周波数帯域で用いられる。この高周波用アンテナは、例えば導電性のグランド部などを備えた回路基板を実装基板としてその基板上に搭載される。
本実施形態の高周波用アンテナは、ボビン１０と、ボビン１０の内部に一方向に並べられた複数の磁性体１８１，１８２と、前記ボビン１０の周囲に巻かれたヘリカル状の導体１６を備える。なお、図中の磁心１８１，１８２はボビン内部に配置されて本来は外観では見えない部分も説明のため破線で示している。
本実施形態の磁心１８１，１８２はいずれも５ｍｍ×２ｍｍ×２ｍｍの直方体形状であり、各磁心の間にはギャップ幅０．１ｍｍの磁気ギャップ１９が形成される。
磁心の材質として本実施形態では、ＢａＯは１７〜２３ｍｏｌ％、ＣｏＯは１７〜２３ｍｏｌ％、Ｆｅ_２Ｏ_３は５５〜６５ｍｏｌ、ＳｉＯ_２換算で０．１〜０．６重量部のＳｉ、Ｌｉ_２ＣＯ_３換算で０．１〜０．８重量部のＬｉからなるＹ型の六方晶フェライトを用いている。

ボビンは長手方向の長さが４２ｍｍ、高さが９．７ｍｍ、幅が４ｍｍのブリッジ状であり、中央に形成された梁状の胴部とその両端側に存在する部位からなるブリッジ部１７を備え、このブリッジ部１７は実装基板上に搭載させるための脚部１１，１２を備える。脚部１１，１２の上記一方向における幅は９ｍｍである。脚部１１、１２には金属板を折り曲げた金属端子１３，１４を備え、この金属端子１３，１４と共に液晶ポリマーでインジェクション成形することで一体のボビン１０とすることができる。高周波用アンテナを実装基板に搭載する場合に脚部のみで接触するようにできるため、ボビン又は実装基板にゆがみや実装ずれが生じていてもアンテナの実装性が良好である。また、ヘリカル状の導体を実装基板から離れた位置で巻くことが可能になり、アンテナの実装時に導体の位置ずれの発生を防ぎやすいので、使用帯域での利得のバラツキを抑えることができる。
この実施形態では、ボビン長手方向の側面から突出する給電端子２１、仮端子２２を備える。給電端子２１は金属端子１３の金属板の一部で形成されている。これらの端子は厚さ０．３ｍｍの導電材（りん青銅Ｃ５１９１、ＳＵＳ３０４材、黄銅など）を打ち抜いたものが使用され、かつ、両金属端子は同じ形状に形成される。
磁心１８１、１８２はボビン１０の上面側に形成された溝２５の内部に配置される。

ヘリカル状の導体１６はボビンの胴部に巻かれる。つまり磁心１８１，１８２はボビン１０と共にヘリカル状の導体１６に巻かれる。ヘリカル状の導体１６は、巻き数が１７ターンで巻き幅は１２ｍｍである。
ヘリカル状の導体１６は、上記一方向に直交する方向に見て、胴部の給電端子２１側の端を巻き始めとしている。磁心１８１の端部はこのヘリカル状の導体１６の巻き始めの位置に配置され、磁心１８１はヘリカル状の導体１６の巻き幅内において給電端子側に寄った位置に配置される。また、ヘリカル状の導体１６の一方の端部は給電端子２１に接続される。

本実施形態においては、ボビン１０には、第２のアンテナ部となる線状の放射導体２４が設けられている。アンテナの実効長を長くさせるために、また、コイル内部の磁束の流れを阻害させないために、この放射導体は前記一方向とほぼ平行に形成することが好ましい。モノポール型のアンテナとして実効長を長くすることが可能であり、アンテナの利得を向上することができる。
ヘリカル状の導体１６の他方の端部は放射導体２４に接続される。放射導体２４がボビンに形成されているので、放射導体２４は実装基板のゆがみの影響を受けにくいので高周波用アンテナの特性バラツキを極力抑えることができる。

ヘリカル状の導体１６は線径が５０μｍ以上の銅線が用いられる。線径（断面形状が円形でない場合は同じ断面積の円形としたときの直径）が太い方が高周波用アンテナとしての利得が高くなるため、好ましくは線径は１００μ以上、さらには１５０μｍ以上とすることが好ましい。但し線径が太すぎるとボビンの胴部に導体を巻きつける作業が困難になるだけでなく、ヘリカル状の導体の各線の間隔が狭くなるので線間容量が増大し、電力ロスが大きくなってしまう。導体の線形は好ましくは１ｍｍ以下、さらに好ましくは５００μｍ以下とする。

本実施形態において、ヘリカル状の導体１６と線状の放射導体２４とは連続する一本の導体により形成される。以下、導体の形態について述べる。
導体の一方の端部は、金属端子１３に接続された給電端子２１へはんだにより結線される。導体はボビンに形成された突起状の第１の係止部２６に括られ、その後、ボビンに一定の間隔で巻かれ、ヘリカル状の導体となる。このターン数は、整合回路無しでアンテナ単体で交流抵抗５０Ωにできるだけ近くなるように適宜調整することができるが、最終的にはチップＬＣで調整することもできる。導体はそのまま連続した状態で突起状の第２の係止部２７に括られ、さらにその先が突起状の第３の係止部２８で固定される。第１〜第３の係止部２６〜２８はボビンと一体の液晶ポリマーで形成される。第２の係止部２７と第３の係止部２８の間の導体は、第２のアンテナ部の放射導体２４として機能し、磁心の長手方向と平行な方向に向けて直線的に形成される。第３の係止部２８は半田ごてにより溶融され、放射導体２４の他方の端部を固定する。放射導体２４の長さは１０．８ｍｍである。

ボビンには放射導体２４の両側で形成される壁状のガイド３０が形成され、アンテナが何らかの部材と近接した際に放射導体２４に接触することを防ぎ、放射導体の断線や放射導体が両端の係止部から外れることを防止できる。

図３は実装基板に図１、図２の高周波用アンテナ１を設置した高周波用アンテナ装置の斜視図である。実装基板４０はグランド電極が形成されたグランド部４１と、グランド電極が形成されていない非グランド部４２が形成され、高周波用アンテナ１は非グランド部４２の上に実装基板４０の１辺に沿って配置される。
実装基板４０は、高周波用アンテナの導体を励起するための給電手段４４に接続された給電ライン４３を備える。本発明において給電手段とは、ヘリカル状の導体や放射導体を励起するための給電手段そのものを指す事もあれば、実装基板とは別の位置に給電手段が配置される場合にはその給電手段に接続される給電ラインを指す事もある。給電ライン４３の先端に高周波用アンテナ１の金属端子が固定される。給電手段４４からの電力によりモノポール型の高周波用アンテナとして動作する。
図１の高周波用アンテナでは、放射導体が実装基板の搭載面から離れた位置でボビンに固定されているので、実装基板上に配置した場合にグランド電極などとの幾何学的平均距離が大きくなるので、イメージ電流がアンテナを流れる電流と異なるベクトル、例えば逆方向に流れてしまう場合でも電流を打ち消してしまう問題を防げるため、利得を向上できる。

１：アンテナ
１０：固定部材
１１、１２：脚部
１３、１４：金属端子
１６：ヘリカル状の導体
１７：ブリッジ部
１８：磁心
１９：磁気ギャップ
２１：給電端子
２２：仮端子
２４：放射導体
２５：溝
２６：第１の係止部
２７：第２の係止部
２８：第３の係止部
３０：壁
４０：実装基板
４１：グランド部
４２：非グランド部
４３：給電ライン
４４：給電手段
１００：アンテナ装置

Claims

ボビンの内部に柱状の複数の磁心が０．０５ｍｍから２．０ｍｍの間隔をもって一方向に並べられ、前記ボビンの周囲に一方向に並んだ複数の磁心の幅よりも幅広にヘリカル状の導体が巻かれ、
前記ボビンは前記磁心が並べられる胴部と前記胴部の両端側に脚部を備え、前記脚部のぞれぞれに端子が設けられており、前記端子の一方に前記ヘリカル状の導体の一方端側が接続されて給電部となし、前記複数の磁心は前記給電部側に寄せて配置されており、
前記ヘリカル状の導体の他方端側を前記一方向に延ばして線状の放射導体とし、もって前記ヘリカル状の導体と線状の放射導体とは連続する一本の導体からなることを特徴とする高周波用アンテナ。
請求項１に記載の高周波用アンテナであって、
前記磁心の数は三個以下であることを特徴とする高周波用アンテナ。
請求項１又は請求項２に記載の高周波用アンテナであって、
前記一本の導体は線径５０μｍ以上５００μｍ以下の導体からなることを特徴とする高周波用アンテナ。