JP5866231B2 - リングアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、導電性の筐体に内蔵されて使用されても良好な電気特性を得ることができる円偏波を受信可能なリングアンテナに関する。

現在、様々な通信システムが開発及び使用されているが、円偏波モードの通信システムがある。このような通信システムにおける端末機器用のアンテナとしては円偏波アンテナが用いられる。端末機器としては、例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System）受信端末が知られているが、ＧＰＳ受信端末に搭載されるＧＰＳ受信用アンテナとしては、パッチアンテナが主流とされている。ところで、ＧＰＳ受信端末は、様々な用途の製品が開発及び使用されており、例えば、腕時計にＧＰＳ受信端末が内蔵されている。しかし、腕時計の内部には時計機能部が組み込まれていることから、腕時計にパッチアンテナを組み込むことは困難であった。

そこで、パッチアンテナに替わる円偏波モードのアンテナを組み込んだ従来の腕時計の構成を図２０に、その腕時計の構成を示す分解斜視図を図２１に示す。
これらの図において、１０１は腕時計本体であり、腕時計本体１０１は金属製の本体ベース１１１とバンド１１２から構成されている。本体ベース１１１の内部には時計機能部およびＧＰＳ受信部が組み込まれている。また、バンド１１２は腕時計本体１０１を腕に装着するためのものである。さらに、本体ベース１１１の前面には時計情報や、受信情報が表示される表示部１１３が設けられている。さらにまた、本体ベース１１１の前面にはリング状に凹んだリング状段部１１１ａが形成されていると共に、リング状段部１１１ａには小さな径の挿通孔１１４が形成されている。

表示部１１３の周囲に形成されている上記リング状段部１１１ａには、リング状とされたアンテナ部１００が嵌着されている。アンテナ部１００がリング状段部１１１ａに嵌着された際に、アンテナ部１００の上面の高さと表示部１１３の上面の高さとが略一致するようにされている。このアンテナ部１００は、リング状の誘電体基板１２１と、誘電体基板の上面に形成されたＣ形ループ素子１２２から構成されている。このＣ形ループ素子１２２には、円偏波を受信するためループを一部切断した切断部１２３が形成されている。また、誘電体基板１２１上のＣ形ループ素子１２２において、切断部１２３から所定角度の位置に給電点１２４ａが設けられて、給電点１２４ａからは給電ピン１２４が導出されている。

アンテナ部１００から導出された給電ピン１２４は、アンテナ部１００がリング状段部１１１ａに嵌着された際に挿通孔１１４に挿通される。この場合、給電ピン１２４と金属製の本体ベース１１１とが接触しないように給電ピン１２４に絶縁塗料が塗布されたり、絶縁チューブで被覆されている。このようにして、給電ピン１２４を挿通孔１１４に挿通すると、中心導体となる給電ピン１２４とアース導体となる本体ベース１１１とにより等価的に同軸ラインが形成される。なお、給電点１２４ａと切断部１２３との角度を約＋４５°あるいは約−１３５°とすると、左旋円偏波がアンテナ部１００から放射され、上記角度を約−４５°あるいは約＋１３５°とすると右旋円偏波がアンテナ部１００から放射される。

図２０および図２１に示す従来のアンテナ部１００を腕時計本体１０１の疑似筐体上に配置した時のＧＰＳ帯における電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の周波数特性を図２２に、垂直面内の放射特性を図２３に示す。この場合、ＧＰＳ帯の中心周波数の自由空間波長をλとした時、例えばＣ形ループ素子１２２の円周長が約１．３１λ、誘電体基板１２１の高さが約０．１５λ、切断部１２３と給電点１２４ａとのなす角が約４０°、切断部１２３の長さが約０．０１８λとされている。
図２２を参照すると、１５７５．４２００ＭＨｚにおいて約１．１９０９の最も良好なＶＳＷＲ値が得られており、１５５５．４２００ＭＨｚないし１５９５．４２００ＭＨｚにおいて約１．８５以下のＶＳＷＲ値が得られていることがわかる。
また、図２３はＧＰＳ帯の中心周波数である１５７５．４２００ＭＨｚにおける放射特性であり、図２３を参照すると、天頂方向（０°）に最も強く放射されており、そのピーク値は約−５．１ｄＢｉｃとされている。仰角が低くなるにつれてゲインは低下しており、９０°方向では天頂方向より約−６ｄＢゲインが低下するようになり、−９０°方向では天頂方向より約−７．５ｄＢゲインが低下するようになることがわかる。

特許第３９８２９１８号公報

図２２に示すＶＳＷＲの周波数特性および図２３に示す放射特性はＧＰＳ帯において良好な特性を示している。しかしながら、図２０および図２１に示すアンテナ部１００は腕時計本体１０１の外側であるリング状段部１１１ａに装着されているため、腕時計本体１０１のデザインが制約を受けるという問題点があった。この場合、アンテナ部１００を腕時計本体に内蔵することが考えられるが、腕時計本体は一般に金属製とされていることから、アンテナ部１００を腕時計本体に内蔵した場合には、アンテナ部１００の電気特性が劣化してしまうことが考えられる。また、腕時計本体１０１にアンテナ部１００を装着するために、腕時計本体１０１にリング状段部１１１ａのような特殊かつ複雑な構成を設ける必要があるという問題点があった。

そこで、本発明は導体の筐体に内蔵されても良好な電気特性を得ることができると共に、特殊かつ複雑な構成を設けることなく機器内に組み込むことができる円偏波を受信可能なリングアンテナを提供することを目的としている。

本発明のリングアンテナは、断面形状がほぼ矩形とされたリング状の誘電体からなる本体部と、該本体部の上面にループ状に形成され、ループ状の一部に切断部が形成されているＣ形ループ素子と、前記本体部の内周面に前記Ｃ形ループ素子とほぼ同心の関係を保ちながら所定間隔をもって形成され、前記Ｃ形ループ素子を励振する円弧状の励振素子と、前記本体部の下面に形成され、前記励振素子の一端に接続されている給電部に、先端が電気的に接続されて、前記励振素子に給電する給電導体とを備え、少なくとも一部が導電性部材からなる筐体に収納可能とされていると共に、前記励振素子は、前記Ｃ形ループ素子の前記切断部に対向しており、前記給電導体の先端が接続されている前記励振素子の一端と前記切断部とのなす角が約＋４５°あるいは約＋２２５°、または、約−４５°あるいは約−２２５°とされていることを最も主要な特徴としている。

本発明によれば、上面にループ素子が形成され、内周面に励振素子が形成されている誘電体からなるリング状の本体部によりリングアンテナが形成されている。そして、このリングアンテナを金属製の筐体外装に収納したり、収納する外装筐体の中央部に導体が存在していても良好な電気特性を得ることができるようになる。なお、励振素子の一端が接続されている給電部に給電導体の先端が接続されることにより励振素子が給電され、この励振素子により電磁気的に結合されているループ素子が励振されるようになる。

本発明の実施例のリングアンテナを適用したＧＰＳ機器の構成を断面図で示す側面図である。 本発明の実施例のリングアンテナを適用したＧＰＳ機器の構成を示す分解組立図である。 本発明のリングアンテナの概略構成および動作原理を説明するための図である。 本発明のリングアンテナの他の概略構成および他の動作原理を説明するための図である。 本発明のリングアンテナの第１実施例の構成を示す斜視図、正面図、上面図である。 本発明のリングアンテナの第１実施例の構成を示す下面図、ａ−ａ断面図で示す側面図、ｂ−ｂ断面図で示す側面図である。 本発明のリングアンテナの第２実施例の構成を示す斜視図および正面図である。 本発明のリングアンテナの第２実施例の構成を示す上面図および下面図である。 本発明のリングアンテナの第３実施例の構成を示す斜視図、上面図、側面図である。 本発明のリングアンテナの第３実施例の構成を示す正面図、下面図、ｃ−ｃ断面図で示す側面図、ｄ−ｄ断面図で示す側面図である。 本発明のリングアンテナのＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。 本発明のリングアンテナの放射特性を示す図である。 本発明の実施例にかかるリングアンテナにおいてＣ形ループ素子を設ける第１の態様の範囲を示す図である。 本発明の実施例にかかるリングアンテナにおいてＣ形ループ素子を設ける第２の態様の範囲を示す図である。 本発明の実施例にかかるリングアンテナにおいてＣ形ループ素子を設ける第３の態様の範囲を示す図である。 本発明の実施例にかかるリングアンテナにおいてＣ形ループ素子を設ける第４の態様の範囲を示す図である。 本発明の第４実施例のリングアンテナを適用したＧＰＳ機器の構成を断面図で示す側面図、その一部を拡大して示す拡大図である。 本発明のリングアンテナの第４実施例の構成を示す斜視図、正面図、上面図である。 本発明のリングアンテナの第４実施例の構成を示す下面図、ｅ−ｅ断面図で示す側面図である。 従来のＧＰＳ受信端末を組み込んだ腕時計の構成を示す斜視図である。 従来のＧＰＳ受信端末を組み込んだ腕時計の構成を示す分解斜視図である。 従来のアンテナ部のＶＳＷＲの周波数特性を示す図である。 従来のアンテナ部の放射特性を示す図である。

本発明の実施例のリングアンテナを適用したＧＰＳ機器の構成を断面図で示す側面図を図１に、その分解組立図を図２に示す。
これらの図に示すＧＰＳ機器５０は、底面が閉じた円筒状とされ断面コ字状の形状の金属製とされた筐体外装１１を備えている。この筐体外装１１の底部に筐体外装１１の内径より若干小さい径の円板状とされ、ＧＰＳ受信部が組み込まれた回路基板１５が配置されている。回路基板１５の外縁部にはアンテナ端子が設けられており、このアンテナ端子に金属製の給電導体１６の下端が電気的に接触されて、給電導体１６は回路基板１５上に直立するよう固着されている。回路基板１５の上に、筐体外装１１の内径より若干小さい外径の底面が閉じた円筒状とされ断面コ字状の形状の樹脂製とされたアンテナ台１４が配置されている。アンテナ台１４の側壁部には、側壁部を貫通する細い挿通孔１４ａが形成されており、この挿通孔１４ａ内に給電導体１６が挿通されて、給電導体１６の先端は側壁部の上面から若干突出している。また、アンテナ台１４の内部にはアンテナ台１４の内径より若干小さい径の円板状とされた樹脂や金属からなるＧＰＳ機器５０の機構部１３が収納されている。さらに、機構部１３の上には機構部１３とほぼ同径とされた樹脂製あるいは金属製のパネル１２が配置されている。

そして、アンテナ台１４の側壁部の上面に接するように本発明にかかるリング状とされたリングアンテナ１が配置されており、給電導体１６の先端がリングアンテナ１の下面に形成されている給電部に電気的に接触している。リングアンテナ１は筐体外装１１の内径より若干小さい外径とされ、機構部１３およびパネル１２の外径より若干大きい内径とされている。リングアンテナ１の詳細構成は後述するが、リングアンテナ１はリング状の誘電体を備え、この誘電体の一面上に励振素子が形成され、励振素子に対向する誘電体の面上にループ状のＣ形ループ素子が形成されて、励振素子とＣ形ループ素子とは電磁気的に結合するようになされている。励振素子は給電導体１６から給電され、これにより無給電素子とされているＣ形ループ素子が励振素子により励振されるようになる。リングアンテナ１は円偏波を送受信することができるが、その受信信号は回路基板１５に組み込まれているＧＰＳ受信部に給電導体１６を介して導かれるようになる。また、筐体外装１１の上面の開口を閉塞するように樹脂やガラス製の蓋部１０が固着されている。蓋部１０は、筐体外装１１と同径の上面が閉じて下面が開口された断面コ字状の円筒状の形状とされており、この蓋部１０が筐体外装１１の上面に固着されることにより、内部が水密な収納空間とされている。この収納空間に、上記したようにリングアンテナ１、パネル１２、機構部１３、アンテナ台１４および回路基板１５および給電導体１６が収納されている。

図１および図２に示すＧＰＳ機器５０は腕時計に適用することができる。ＧＰＳ機器５０が腕時計に適用された場合は、筐体外装１１は金属製の腕時計本体とされ、機構部１３は時計のムーブメントとされ、パネル１２は文字盤あるいは時刻や情報の表示部とされ、蓋部１０はガラス等の透明素材で形成される。

ここで、本発明にかかるリングアンテナ１の概略構成を図３（ａ）および図４（ａ）に示すと共に、図３（ｂ）ないし図３（ｇ）および図４（ｂ）ないし図４（ｇ）を参照してリングアンテナ１の動作原理を説明する。
図３（ａ）に示すように、本発明にかかるリングアンテナ１は、１ヶ所に切断部２３が形成されている無給電素子とされるループ状のＣ形ループ素子２２と、Ｃ形ループ素子２２の径とほぼ同様の径とされており、Ｃ形ループ素子２２とほぼ同心の関係を保ちながら、Ｃ形ループ素子２２の切断部２３に対向して円弧状の励振素子２１が所定の間隔をもって平行に配置されている。これにより、励振素子２１はＣ形ループ素子２２に電磁気的に結合される。この励振素子２１の一端に、直立して配置されている給電導体１６の先端が接続されて、給電導体１６を介して励振素子２１が給電されている。図３（ａ）に示す場合は、給電導体１６の先端が接続されている励振素子２１の端部に対する切断部２３のなす角θが約＋４５°とされるように、励振素子２１が切断部２３に対向している。また、リングアンテナ１の設計周波数の自由空間波長をλとした際に、例えば、Ｃ形ループ素子２２の円周長は約１λとされ、励振素子２１の素子長は約０．２５λとされ、励振素子２１とＣ形ループ素子２２との間隔は約０．０１λとされている。

このような図３（ａ）に示すリングアンテナ１において給電導体１６の端部の電源１７から給電された場合に、電源１７の位相をφとした時の励振素子２１に流れる電流ｉｒと、Ｃ形ループ素子２２に流れる電流ｉｃと、電流ｉｒと電流ｉｃとを合成した合成電流ベクトルｉｏとを図３（ｂ）ないし図３（ｆ）に示している。図３（ｂ）は、電源１７の位相φが０°の時であり、励振素子２１に流れる電流ｉｒが最大となるが、Ｃ形ループ素子２２に流れる電流ｉｃは最小となって、合成電流ベクトルｉｏは紙面のほぼ右方向を向くベクトルとなる。電源１７の位相φが２２．５°まで進むと、図３（ｃ）に示すように、励振素子２１に流れる電流ｉｒがやや減少するが、Ｃ形ループ素子２２に小さい電流ｉｃが流れるようになって、合成電流ベクトルｉｏは紙面の左方向に少し回転したベクトルとなる。なお、電流ｉｃのピークはＣ形ループ素子２２の切断部２３に対して±９０°の図示する位置となる。さらに、電源１７の位相φが４５°まで進むと、図３（ｄ）に示すように、励振素子２１に流れる電流ｉｒがさらに減少するが、Ｃ形ループ素子２２に流れる電流ｉｃは大きくなって、合成電流ベクトルｉｏは紙面の左方向にさらに回転したベクトルとなる。さらに、電源１７の位相φが６７．５°まで進むと、図３（ｅ）に示すように、励振素子２１に流れる電流ｉｒがさらに減少して小さくなるが、Ｃ形ループ素子２２に流れる電流ｉｃはさらに大きくなって、合成電流ベクトルｉｏは紙面の左方向にさらに回転したベクトルとなる。さらに、電源１７の位相φが９０°まで進むと、図３（ｆ）に示すように、励振素子２１に流れる電流ｉｒは最小となるが、Ｃ形ループ素子２２に流れる電流ｉｃは最大となって、合成電流ベクトルｉｏは位相φが０°の時から左方向に９０°回転したベクトルとなる。そして、合成電流ベクトルｉｏが放射に寄与することから、リングアンテナ１からは進行方向に対して右回りの右旋円偏波が放射されるようになる。

上記したように、図３（ａ）に示すリングアンテナ１では、励振素子２１により励振されたＣ形ループ素子２２に定在波が立つようになり、電流ｉｃのピークはＣ形ループ素子２２の切断部２３に対して±９０°の位置となる。図３（ａ）に示すリングアンテナ１を等価的に表すと、図３（ｇ）に示すようにＣ形ループ素子２２は、切断部２３から約−９０°の位置に給電部がある第１ダイポール素子２２−１と、切断部２３から約＋９０°の位置に給電部がある第２ダイポール素子２２−２とで等価的に動作していることになる。すなわち、第１ダイポール素子２２−１と第２ダイポール素子２２−２からの放射と、直交して配置された励振素子２１からの放射とが合成されて、角θが約＋４５°とされているリングアンテナ１からは右旋円偏波が放射されるようになる。

また、図４（ａ）に示すリングアンテナ１’では、給電導体１６’の先端が接続されている励振素子２１’の端部に対する切断部２３のなす角θが約−４５°とされるように、励振素子２１’が切断部２３に対向している。他の構成は図３（ａ）に示すリングアンテナ１と同様とされている。
このような図４（ａ）に示すリングアンテナ１’において給電導体１６’の端部の電源１７から給電された場合に、電源１７の位相をφとした時の励振素子２１’に流れる電流ｉｒと、Ｃ形ループ素子２２に流れる電流ｉｃと、電流ｉｒと電流ｉｃとを合成した合成電流ベクトルｉｏとを図４（ｂ）ないし図４（ｆ）に示している。図４（ｂ）は、電源１７の位相φが０°の時であり、励振素子２１’に流れる電流ｉｒが最大となるが、Ｃ形ループ素子２２に流れる電流ｉｃは最小となって、合成電流ベクトルｉｏは紙面のほぼ左方向を向くベクトルとなる。電源１７の位相φが２２．５°まで進むと、図４（ｃ）に示すように、励振素子２１’に流れる電流ｉｒがやや減少するが、Ｃ形ループ素子２２に小さい電流ｉｃが流れるようになって、合成電流ベクトルｉｏは紙面の右方向に少し回転したベクトルとなる。なお、電流ｉｃのピークはＣ形ループ素子２２の切断部２３に対して±９０°の図示する位置となる。さらに、電源１７の位相φが４５°まで進むと、図４（ｄ）に示すように、励振素子２１’に流れる電流ｉｒがさらに減少するが、Ｃ形ループ素子２２に流れる電流ｉｃは大きくなって、合成電流ベクトルｉｏは紙面の右方向にさらに回転したベクトルとなる。さらに、電源１７の位相φが６７．５°まで進むと、図４（ｅ）に示すように、励振素子２１’に流れる電流ｉｒがさらに減少して小さくなるが、Ｃ形ループ素子２２に流れる電流ｉｃはさらに大きくなって、合成電流ベクトルｉｏは紙面の右方向にさらに回転したベクトルとなる。さらに、電源１７の位相φが９０°まで進むと、図４（ｆ）に示すように、励振素子２１’に流れる電流ｉｒは最小となるが、Ｃ形ループ素子２２に流れる電流ｉｃは最大となって、合成電流ベクトルｉｏは位相φが０°の時から右方向に９０°回転したベクトルとなる。そして、合成電流ベクトルｉｏが放射に寄与することから、リングアンテナ１’からは進行方向に対して左回りの左旋円偏波が放射されるようになる。

上記したように、図４（ａ）に示すリングアンテナ１’では、励振素子２１’により励振されたＣ形ループ素子２２に定在波が立つようになり、電流ｉｃのピークはＣ形ループ素子２２の切断部２３に対して±９０°の位置となる。図４（ａ）に示すリングアンテナ１’を等価的に表すと、図４（ｇ）に示すようにＣ形ループ素子２２は、切断部２３から約−９０°の位置に給電部がある第１ダイポール素子２２−１と、切断部２３から約＋９０°の位置に給電部がある第２ダイポール素子２２−２とで等価的に動作していることになる。すなわち、第１ダイポール素子２２−１と第２ダイポール素子２２−２からの放射と、直交して配置された励振素子２１’からの放射とが合成されて、角θが約−４５°とされているリングアンテナ１’からは左旋円偏波が放射されるようになる。

次に、本発明のリングアンテナの第１実施例の構成を示す斜視図を図５（ａ）に、その正面図を図５（ｂ）に、その上面図を図５（ｃ）に、その下面図を図６（ａ）に、ａ−ａ断面図で示すその側面図を図６（ｂ）に、ｂ−ｂ断面図で示すその側面図を図６（ｃ）に示す。
これらの図に示す本発明にかかる第１実施例のリングアンテナ１は、大きな貫通孔１ｂが形成された断面がほぼ矩形とされているリング状の誘電体からなる本体部１ａを備えており、本体部１ａのリング状の上面のほぼ中央にループ状のＣ形ループ素子２２ａが所定幅で形成されている。Ｃ形ループ素子２２ａには所定長さの切断部２３ａが所定箇所に設けられている。また、本体部１ａのリング状の貫通孔１ｂの内周面のほぼ中央に、所定長さの円弧状の励振素子２１ａがＣ形ループ素子２２ａの切断部２３ａに対向して形成されている。また、励振素子２１ａの一端は下方へ折曲されて給電部２４ａが形成されており、この給電部２４ａのパターンは延伸されて本体部１ａの下面にも形成されている。本体部１ａの下面に形成されている給電部２４ａは、給電導体１６の先端が電気的に接触できる所定面積を有する矩形状のパターンに形成されている。第１実施例のリングアンテナ１では、Ｃ形ループ素子２２ａに励振素子２１ａが所定間隔をもって対向していることから、両者は電磁気的に結合している。また、Ｃ形ループ素子２２ａおよび励振素子２１ａと給電部２４ａは、誘電体からなる本体部１ａに金属を蒸着あるいは薄い金属板を貼着することにより形成されている。

次に、本発明のリングアンテナの第２実施例の構成を示す斜視図を図７（ａ）に、その正面図を図７（ｂ）に、その上面図を図８（ａ）に、その下面図を図８（ｂ）に示す。
これらの図に示す本発明にかかる第２実施例のリングアンテナ２は、大きな貫通孔２ｂが形成された断面が矩形とされているリング状の誘電体からなる本体部２ａを備えており、本体部２ａの上面のほぼ中央にループ状のＣ形ループ素子２２ｂが所定幅で形成されている。Ｃ形ループ素子２２ｂには所定長さの切断部２３ｂが所定箇所に設けられている。また、本体部２ａのリング状の下面の外周面側に、所定長さの円弧状の励振素子２１ｂがＣ形ループ素子２２ｂの切断部２３ｂに対面して形成されている。励振素子２１ｂの一端には給電導体１６の先端が電気的に接触できる所定面積の矩形状の給電部２４ｂが設けられている。第２実施例のリングアンテナ２は、Ｃ形ループ素子２２ｂに励振素子２１ｂが所定間隔をもって対向していることから、両者は電磁気的に結合している。また、Ｃ形ループ素子２２ｂおよび励振素子２１ｂと給電部２４ｂは、誘電体からなる本体部２ａに金属を蒸着あるいは薄い金属板を貼着することにより形成されている。

次に、本発明のリングアンテナの第３実施例の構成を示す斜視図を図９（ａ）に、その上面図を図９（ｂ）に、その側面図を図９（ｃ）に、その正面図を図１０（ａ）に、その下面図を図１０（ｂ）に、ｃ−ｃ断面図で示すその側面図を図１０（ｃ）に、ｄ−ｄ断面図で示すその側面図を図１０（ｄ）に示す。
これらの図に示す本発明にかかる第３実施例のリングアンテナ３は、大きな貫通孔３ｂが形成された断面が矩形とされているリング状の誘電体からなる本体部３ａを備えており、本体部３ａにおける貫通孔３ｂの内周面のほぼ上半分にループ状のＣ形ループ素子２２ｃが形成されている。Ｃ形ループ素子２２ｃには所定長さの切断部２３ｃが所定箇所に設けられている。また、本体部３ａの外周面の上半分に所定長さの円弧状の励振素子２１ｃがＣ形ループ素子２２ｃの切断部２３ｃに対向するよう形成されている。さらに、励振素子２１ｃの一端は下方へ折曲されて給電部２４ｃが形成されており、この給電部２４ｃのパターンは延伸されて本体部３ａの下面にも形成されている。本体部３ａの下面に形成されている給電部２４ｃは、給電導体１６の先端が電気的に接触できる所定面積を有する矩形状のパターンに形成されている。第３実施例のリングアンテナ３は、Ｃ形ループ素子２２ｃに励振素子２１ｃが所定間隔をもって対向していることから、両者は電磁気的に結合している。また、Ｃ形ループ素子２２ｃおよび励振素子２１ｃと給電部２４ｃは、誘電体からなる本体部３ａに金属を蒸着あるいは薄い金属板を貼着することにより形成されている。

上記した第１実施例のリングアンテナ１ないし第３実施例のリングアンテナ３は、ＧＰＳ帯のアンテナとすることができる。この場合のリングアンテナ１〜３の寸法について説明すると、ＧＰＳ帯の中心周波数の自由空間波長をλとした際に、Ｃ形ループ素子２２ａ〜２２ｃの円周長は１λが最適値とされるが、その範囲は約０．８λ〜約１．３λとされる。また、励振素子２１ａ〜２１ｃの長さは０．２５λが最適値とされるが、その範囲は約０．０５λ〜約０．５λとされる。さらに、切断部２３ａ〜２３ｃの長さは０．０３λが最適値とされるが、その範囲は約０．００１λ〜約０．２５λとされる。さらにまた、Ｃ形ループ素子２２ａ〜２２ｃと励振素子２１ａ〜２１ｃの間隔は０．０１λが最適値とされるが、その範囲は約０．００１λ〜約０．０５λとされる。なお、本体部１ａ〜３ａの誘電率が有意の値であって本体部１ａ〜３ａにおける波長がλ’に短縮された場合は、上記した波長λを、短縮された波長λ’に置き換えた寸法とする。
ところで、給電部２４ａ〜２４ｃ（励振素子２１ａ〜２１ｃの一端）に対するＣ形ループ素子２２ａ〜２２ｃの切断部２３ａ〜２３ｃのなす角θが＋４５°近傍あるいは＋２２５°近傍の角度とされている場合は、リングアンテナ１〜３から右旋円偏波が放射され、角θが−４５°近傍あるいは−２２５°近傍の角度とされている場合は、リングアンテナ１〜３から左旋円偏波が放射される。この場合、角θは±４５°あるいは±２２５°が最適値とされるが、右旋偏波用とされた場合の角θの範囲は約＋０°〜約＋９０°あるいは約＋１８０°〜＋２７０°とされ、左旋偏波用とされた場合の角θの範囲は約−０°〜約−９０°あるいは約−１８０°〜−２７０°とされる。

本発明の第１実施例ないし第３実施例にかかるリングアンテナ１〜３のいずれかを、図１，２に示すＧＰＳ機器５０に内蔵することができる。内蔵された際には、筐体外装１１の底面が、内蔵されたいずれかのリングアンテナ１〜３のグランドプレーンとして動作するようになる。
ここで、第１実施例にかかるリングアンテナ１がＧＰＳ機器５０に収納された状態のＶＳＷＲの周波数特性を図１１に、ＧＰＳ機器５０を水平に配置した際の垂直面内の放射特性を図１２に示す。この場合、使用周波数帯域はＧＰＳ帯とされ、リングアンテナ１の寸法は上記した最適値の寸法とされている。また、リングアンテナ１の励振素子２１ａおよびＣ形ループ素子２２ａと筐体外装１１やパネル１２および機構部１３との間の最小間隔は約０．００１λとされている。

図１１を参照すると、１５７５．４２００ＭＨｚにおいて約１．１９７４の最も良好なＶＳＷＲ値が得られており、１５５５．４２００ＭＨｚないし１５９５．４２００ＭＨｚにおいて約１．９１以下のＶＳＷＲ値が得られていることがわかる。図２２に示す従来のアンテナ部１００のＶＳＷＲの周波数特性と対比すると、第１実施例のリングアンテナ１は、パネル１２および機構部１３が中央部に設けられている金属製の筐体外装１１内に内蔵されていても、ほぼ同等の値が得られている。このように、第１実施例のリングアンテナ１では、導体に近接して配置されていても良好なＶＳＷＲの周波数特性が得られることがわかる。

また、図１２はＧＰＳ帯の中心周波数である１５７５．４２００ＭＨｚにおける放射特性であり、図１２を参照すると、天頂方向（０°）に最も強く放射されており、そのピーク値は約−２．５ｄＢｉｃと、従来のアンテナ部１００単体のゲインより約２．６ｄＢ向上したゲインが得られている。この放射のゲインは仰角が低くなるにつれて低下しており、９０°方向では天頂方向より約−５ｄＢゲインが低下するようになり、−９０°方向では天頂方向より約−６ｄＢゲインが低下するようになることがわかる。また、従来のアンテナ部１００の放射特性と対比すると、放射利得のアベレージが約２．５ｄＢ向上しており、より良好な放射特性が得られている。このように、第１実施例のリングアンテナ１では、導体に近接して配置されていても良好な放射特性が得られることがわかる。
なお、第１実施例のリングアンテナ１に替えて第２実施例ないし第３実施例のリングアンテナ２，３のいずれかを図１，２に示すＧＰＳ機器５０に内蔵した場合でも、上記した図１１，図１２に示す電気特性と、ほぼ同様の電気特性を得ることができる。

ここで、筐体外装１１内に本発明にかかるリングアンテナを内蔵した際に、仕様に応じて筐体外装１１や蓋部１０等の寸法が若干異なり、筐体外装１１とパネル１２および機構部１３に対するリングアンテナの組み付け高さの態様が異なるようになる。そこで、組み付け高さの態様毎にリングアンテナ１の電気特性に悪影響を与えない範囲を図１３〜図１６に示す。なお、図１３〜図１６ではリングアンテナを実施例を代表した第１実施例のリングアンテナ１としているが、第１実施例に限らず第２〜３実施例のリングアンテナ２，３においても同様とされる。
図１３は、リングアンテナ１をＧＰＳ機器５０内に組み付けた際に、リングアンテナ１の組み付け高さが筐体外装１１とパネル１２および機構部１３に対して高くされている第１の態様とされている。この場合には、リングアンテナ１の本体部１ａの上面と外周面および内周面において、筐体外装１１の上面とパネル１２および機構部１３の上面より上に位置している外周面および内周面の範囲ＡにＣ形ループ素子２２ａを形成するのが好適とされる。前述した第１実施例のリングアンテナ１ないし第３実施例のリングアンテナ３では、いずれの実施例においてもＣ形ループ素子２２ａ〜２２ｃは範囲Ａに設けられているので、第１実施例ないし第３実施例のリングアンテナ１〜３のいずれでも第１の態様に採用することができる。

また、図１４は、リングアンテナ１をＧＰＳ機器５０内に組み付けた際に、リングアンテナ１の組み付け高さが筐体外装１１とパネル１２および機構部１３に対して低くされている第２の態様とされている。この場合には、リングアンテナ１の本体部１ａの上面の範囲ＢにＣ形ループ素子２２ａを形成するのが好適とされる。前述した第１実施例のリングアンテナ１および第２実施例のリングアンテナ２では、範囲ＢにＣ形ループ素子２２ａ，２２ｂが設けられているので、第１，２実施例のリングアンテナ１，２を第２の態様に採用することができる。
さらに、図１５は、リングアンテナ１をＧＰＳ機器５０内に組み付けた際に、リングアンテナ１の組み付け高さが筐体外装１１に対しては低くされているが、パネル１２および機構部１３に対しては高くされている第３の態様とされている。この場合には、リングアンテナ１の本体部１ａの上面から内周面のパネル１２および機構部１３の上面より上に位置している範囲ＣにＣ形ループ素子２２ａを形成するのが好適とされる。前述した第１実施例のリングアンテナ１ないし第３実施例のリングアンテナ３では、範囲ＣにＣ形ループ素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃが設けられているので、第１実施例ないし第３実施例のリングアンテナ１〜３のいずれかを第３の態様に採用することができる。

さらにまた、図１６は、リングアンテナ１をＧＰＳ機器５０内に組み付けた際に、リングアンテナ１の組み付け高さが筐体外装１１に対しては高くされているが、パネル１２および機構部１３に対しては低くされている第４の態様とされている。この場合には、リングアンテナ１の本体部１ａの上面から外周面の筐体外装１１の上面より上に位置している範囲ＤにＣ形ループ素子２２ａを形成するのが好適とされる。前述した第１実施例のリングアンテナ１および第２実施例のリングアンテナ２では、範囲ＤにＣ形ループ素子２２ａ，２２ｂが設けられているので、第１実施例および第２実施例のリングアンテナ１，２のいずれかを第４の態様に採用することができる。
なお、図１３〜図１６に示すリングアンテナ１は、本体部１ａの角が面取りされて示されているが、必ずしも面取りする必要はなく、必要に応じて面取りすれば良い。

次に、本発明の第４実施例のリングアンテナ４を適用したＧＰＳ機器６０の構成を断面図で示す側面図を図１７（ａ）に、そのｋ部拡大図を図１７（ｂ）に示す。
これらの図に示すように、アンテナ台１４の側壁部の上面に接するようリング状とされた第４実施例のリングアンテナ４が配置されており、給電導体１６の先端がリングアンテナ４の下面に形成されている給電部に電気的に接触している。リングアンテナ４は筐体外装１１の内径より若干小さい外径とされ、機構部１３およびパネル１２の外径より若干大きい内径とされている。リングアンテナ４の詳細構成は後述するが、リングアンテナ４はリング状の誘電体からなる本体部４ａを備え、この本体部４ａの断面形状はほぼ矩形状とされているが、上面の中途から内側面の中途にかけてテーパー部４ｂが形成されている。また、上面と外側面との角は面取りされている。テーパー部４ｂは、パネル１２よりほぼ上に位置しており、本体部４ａの中央よりやや下に筐体外装１１の先端が位置するようになる。この場合、テーパー部４ｂの斜面に励振素子が形成され、励振素子に対向する本体部４ａの上面にループ状のＣ形ループ素子が形成されるのが好適とされる。励振素子とＣ形ループ素子とはほぼ同心とされ電磁気的に結合されており、励振素子は給電導体１６から給電される。これにより、無給電素子とされているＣ形ループ素子が励振素子により励振されるようになる。リングアンテナ４は円偏波を送受信することができるが、その受信信号は回路基板１５に組み込まれているＧＰＳ受信部に給電導体１６を介して導かれるようになる。ＧＰＳ機器６０の他の構成は、図１に示すＧＰＳ機器５０と同様とされているので、その説明は省略する。
なお、リングアンテナ４に図１７に示すようにテーパー部４ｂを設けることにより、パネル１２における文字盤あるいは時刻や情報を見やすくすることができる。

次に、第４実施例のリングアンテナ４の構成を示す斜視図を１８（ａ）に、その正面図を図１８（ｂ）に、その上面図を図１８（ｃ）に、その下面図を図１９（ａ）に、ｅ−ｅ断面図で示すその側面図を図１９（ｂ）に示す。
これらの図に示す本発明にかかる第４実施例のリングアンテナ４は、大きな貫通孔４ｃが形成されたリング状の誘電体からなる本体部４ａを備えている。この本体部４ａの上面の半ばから内側面の半ばにかけてテーパー部４ｂが形成されており、上面と外側面との角は面取りされている。本体部４ａにおける上面にはループ状のＣ形ループ素子２２ｄが形成されており、Ｃ形ループ素子２２ｄには所定長さの切断部２３ｄが所定箇所に設けられている。また、本体部４ａのテーパー部４ｂに所定長さの円弧状の励振素子２１ｄがＣ形ループ素子２２ｄの切断部２３ｄに対向するよう形成されている。さらに、励振素子２１ｄの一端は下方へ折曲されて給電部２４ｄが形成されており、この給電部２４ｄのパターンは延伸されて本体部４ａの下面にも形成されている。本体部４ａの下面に形成されている給電部２４ｄは、給電導体１６の先端が電気的に接触できる所定面積を有する矩形状のパターンに形成されている。第４実施例のリングアンテナ４は、Ｃ形ループ素子２２ｄに励振素子２１ｄが所定間隔をもって対向していることから、両者は電磁気的に結合している。また、Ｃ形ループ素子２２ｄおよび励振素子２１ｄと給電部２４ｄは、誘電体からなる本体部４ａに金属を蒸着あるいは薄い金属板を貼着することにより形成されている。

上記した第４実施例のリングアンテナ４の寸法は、第１実施例のリングアンテナ１ないし第３実施例のリングアンテナ３の寸法と同様とされているので、その説明は省略する。また、給電部２４ｄ（励振素子２１ｄの一端）に対するＣ形ループ素子２２ｄの切断部２３ｄのなす角θが＋４５°近傍あるいは＋２２５°近傍の角度とされている場合は、リングアンテナ４から右旋円偏波が放射され、角θが−４５°近傍あるいは−２２５°近傍の角度とされている場合は、リングアンテナ４から左旋円偏波が放射される。この場合、角θは±４５°あるいは±２２５°が最適値とされるが、右旋偏波用とされた場合の角θの範囲は約＋０°〜約＋９０°あるいは約＋１８０°〜＋２７０°とされ、左旋偏波用とされた場合の角θの範囲は約−０°〜約−９０°あるいは約−１８０°〜−２７０°とされる。さらに、本発明の第４実施例にかかるリングアンテナ４が、ＧＰＳ機器６０に内蔵された際には、筐体外装１１の底面が、内蔵されたリングアンテナ４のグランドプレーンとして動作するようになる。そして、第４実施例のリングアンテナ４をＧＰＳ機器６０に内蔵した場合は、上記した図１１，図１２に示す第１実施例のリングアンテナ１の電気特性と、ほぼ同様の電気特性を得ることができる。
上記した第４実施例のリングアンテナ４においては、テーパー部４ｂにＣ形ループ素子２２ｄを形成し、本体部４ａの外周面あるいは上面に励振素子２１ｄを形成するようにしても良い。

上記説明した本発明の各実施例のリングアンテナは、筐体外装を腕時計本体とする腕時計に内蔵することができる。そして、回路基板１５にＧＰＳ受信部が組み込まれている場合に、パネルに時計情報を表示させた際には、年、月、日、曜日、時、分、秒等が表示され、図示しない表示切り換えボタンを操作してパネルに受信情報を表示させた際には、本発明にかかるリングアンテナで受信された円偏波のＧＰＳ信号から演算された緯度、経度、速度、地図情報等が表示されるようになる。これにより、本発明にかかるリングアンテナを内蔵した腕時計をナビゲーションシステムの受信機とすることができる。
また、筐体外装は通常は金属性とされて、本発明にかかるリングアンテナのグランドプレーンとして機能するようになるが、筐体外装が非導電性とされた際には、回路基板の裏面にアース導体を形成してグランドプレーンとすればよい。

１，１’ リングアンテナ、１ａ 本体部、１ｂ 貫通孔、２ リングアンテナ、２ａ 本体部、２ｂ 貫通孔、３ リングアンテナ、３ａ 本体部、３ｂ 貫通孔、４ リングアンテナ、４ａ 本体部、４ｂ テーパー部、４ｃ 貫通孔、１０ 蓋部、１１ 筐体外装、１２ パネル、１３ 機構部、１４ アンテナ台、１４ａ 挿通孔、１５ 回路基板、１６，１６’ 給電導体、１７ 電源、２１，２１’ 励振素子、２１ａ 励振素子、２１ｂ 励振素子、２１ｃ 励振素子、２１ｄ 励振素子、２２ Ｃ形ループ素子、２２ａ Ｃ形ループ素子、２２ｂ Ｃ形ループ素子、２２ｃ Ｃ形ループ素子、２２ｄ Ｃ形ループ素子、２３ａ 切断部、２３ｂ 切断部、２３ｃ 切断部、２３ｄ 切断部、２４ａ 給電部、２４ｂ 給電部、２４ｃ 給電部、２４ｄ 給電部、５０ ＧＰＳ機器、６０ ＧＰＳ機器、１００ アンテナ部、１０１ 腕時計本体、１１１ 本体ベース、１１１ａ リング状段部、１１２ バンド、１１３ 表示部、１１４ 挿通孔、１２１ 誘電体基板、１２２ Ｃ形ループ素子、１２３ 切断部、１２４ 給電ピン、１２４ａ 給電点

Claims (5)

1. 断面形状がほぼ矩形とされたリング状の誘電体からなる本体部と、
   該本体部の上面にループ状に形成され、ループ状の一部に切断部が形成されているＣ形ループ素子と、
   前記本体部の内周面に前記Ｃ形ループ素子とほぼ同心の関係を保ちながら所定間隔をもって形成され、前記Ｃ形ループ素子を励振する円弧状の励振素子と、
   前記本体部の下面に形成され、前記励振素子の一端に接続されている給電部に、先端が電気的に接続されて、前記励振素子に給電する給電導体とを備え、
   少なくとも一部が導電性部材からなる筐体に収納可能とされていると共に、前記励振素子は、前記Ｃ形ループ素子の前記切断部に対向しており、前記給電導体の先端が接続されている前記励振素子の一端と前記切断部とのなす角が約＋４５°あるいは約＋２２５°、または、約−４５°あるいは約−２２５°とされていることを特徴とするリングアンテナ。
2. 前記励振素子が、前記本体部の内周面に替えて、前記本体部の下面に前記Ｃ形ループ素子とほぼ同心の関係を保ちながら所定間隔をもって形成されていることを特徴とする請求項１記載のリングアンテナ。
3. 断面形状がほぼ矩形とされたリング状の誘電体からなる本体部と、
   該本体部の内周面にループ状に形成され、ループ状の一部に切断部が形成されているＣ形ループ素子と、
   前記本体部の外周面に前記Ｃ形ループ素子とほぼ同心の関係を保ちながら所定間隔をもって形成され、前記Ｃ形ループ素子を励振する円弧状の励振素子と、
   前記本体部の下面に形成され、前記励振素子の一端に接続されている給電部に、先端が電気的に接続されて、前記励振素子に給電する給電導体とを備え、
   少なくとも一部が導電性部材からなる筐体に収納可能とされていると共に、前記励振素子は、前記Ｃ形ループ素子の前記切断部に対向しており、前記給電導体の先端が接続されている前記励振素子の一端と前記切断部とのなす角が約＋４５°あるいは約＋２２５°、または、約−４５°あるいは約−２２５°とされていることを特徴とするリングアンテナ。
4. 上面から内側面にかけてテーパー部が形成されているほぼ矩形の断面形状とされたリング状の誘電体からなる本体部と、
   該本体部の上面にループ状に形成され、ループ状の一部に切断部が形成されているＣ形ループ素子と、
   前記本体部のテーパー部の斜面に前記Ｃ形ループ素子とほぼ同心の関係を保ちながら所定間隔をもって形成され、前記Ｃ形ループ素子を励振する円弧状の励振素子と、
   前記本体部の下面に形成され、前記励振素子の一端に接続されている給電部に、先端が電気的に接続されて、前記励振素子に給電する給電導体とを備え、
   少なくとも一部が導電性部材からなる筐体に収納可能とされていると共に、前記励振素子は、前記Ｃ形ループ素子の前記切断部に対向しており、前記給電導体の先端が接続されている前記励振素子の一端と前記切断部とのなす角が約＋４５°あるいは約＋２２５°、または、約−４５°あるいは約−２２５°とされていることを特徴とするリングアンテナ。
5. 前記Ｃ形ループ素子と前記励振素子との間隔が、使用周波数の自由空間波長をλとした時に約０．００１λ〜約０．０５λとされていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のリングアンテナ。

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