JP5965671B2 - カールアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、小型化を実現したカールアンテナに関する。

既存のカールアンテナ素子としては、非特許文献１及び２に示すような線状材を周回させたカールアンテナ素子が開発されている。また、非特許文献３に示すように、カールスロットアンテナをガラス基板上に形成したカールアンテナが開発されている。

IEEE Proceeding online No. 19971329 IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 41, NO.11, NOVENBER 1993 ２０１１年電子情報通信学会総合大会 通信論文集１

非特許文献１〜３に開示されたアンテナは、新規なアンテナを開発したものであり、その基本構成の特性を向上させるためのものであるが、最近、これらのアンテナをRF-ID（Radio Frequency Identification）に適用する試みがなされている。

これらのアンテナをRF-IDに適用するには、アンテナから送信された電磁波を受信するアンテナ付の電子タグを商品に貼り付けたり糸で吊るしたりし、上述したアンテナから電磁波を前記電子タグに向けて放射し、その電磁波を受けて前記電子タグから応答用の電磁波放射がなされ、これを受信することでその商品の情報を読み取ったり書き込んだりするシステムへの試みがなされている。

上述したＲＦ−ＩＤシステムにおいては、管理者が所持するハンディターミナルに上述したアンテナを組み込んで質問器とする必要がある。前記ハンディターミナルは管理者が所持するものであるから、そのハンディターミナルのサイズを片手で把持できるサイズに小型化することが必要である。
従って、小型化サイズのハンディターミナルに上述したアンテナが組み込まれるものであるから、ハンディターミナルのサイズに合わせてアンテナのサイズも小型化する必要があり、小型化を実現したアンテナが要求されている。

本発明の目的は、小型化サイズのハンディターミナルなどに電子部品の搭載に影響を与えないサイズに小型化し、さらにはグランド板の小型化、カールアンテナ素子とグランド板との組合せによる小型化を実現したカールアンテナを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係るカールアンテナは、信号を送受信するカールアンテナにおいて、ｘ−ｙ面内に周回して形成された周回部分（１ｄ）と、前記周回部分（１ｄ）の巻き始端（１ａ）と巻き終端（１ｂ）との間に形成されたオーバーラップ領域（１ｅ）とを有し、
前記オーバーラップ領域（１ｅ）を折り曲げ部（５ _１ ，５ _２ ・・・５ _ｎ ）で形成し、前記巻き始端（１ａ）と前記巻き終端（１ｂ）との折り曲げ部（５ _１ ，５ _２ ・・・５ _ｎ ）を凹凸状に互いに近接して対峙させ、且つ前記オーバーラップの領域（１ｅ）の巻き始端（１ａ）と巻き終端（１ｂ）とを電気的に絶縁して近接した状態で確保したことを特徴とする。

以上のように本発明によれば、カールアンテナ素子の少なくとも巻き始端と巻き終端のオーバーラップ領域を折り曲げ部で形成しているため、前記折り曲げ部により前記オーバーラップ領域に必要な長さを確保して、カールアンテナの主要部をなす周回部分の周囲長を前記折り曲げ部によって短縮することができる。

さらに、前記巻き始端と巻き終端の折り曲げ部を互いに近接して対峙させているため、前記オーバーラップ領域の巻き始端と巻き終端との間隔を狭く設定して軸比を改善することができ、カールアンテナを小型化しても所望の軸比を得ることができ、カールアンテナ素子の特性を劣化させることなくアンテナを小型化することができる。

（ａ）は、本発明の実施形態に係るカールアンテナに用いるカールアンテナ素子を示す正面図、（ｂ）はオーバーラップ領域に折り曲げ部を設けた場合の軸比を示す特性図である。 （ａ）は、本発明の実施形態に係るカールアンテナに用いるカールアンテナ素子を示す斜視図、（ｂ）は同正面図、（ｃ）は、（ｂ）のＡ―Ｂ線に沿う断面図である。 （ａ）は、図２に示すカールアンテナ素子に本発明の実施形態に係るグランド板を組み合わせたカールアンテナを示す斜視図、（ｂ）は、図３（ａ）に示すカールアンテナ素子の放射パターンを示す特性図である。 （ａ）は、図２に示すカールアンテナ素子と、既存のプリント基板に形成されるアース板とを組み合わせたカールアンテナを上方から鳥瞰して図示した正面図、（ｂ）は、図４（ａ）に示すカールアンテナ素子の放射パターンを示す特性図である。 （ａ）は、図３（ａ）に示すグランド板を改善して図２に示すカールアンテナ素子と組み合わせたカールアンテナを上方から鳥瞰して図示した正面図、（ｂ）は、同斜視図である。 （ａ）は、図５（ａ）に示すカールアンテナの軸比を示す特性図、（ｂ）は、図５（ａ）に示すカールアンテナの放射パターンを示す特性図である。 （ａ）は、本発明の実施形態に係るカールアンテナにおいて軸比を改善したカールアンテナを示す正面図、（ｂ）は、図７（ａ）に示すカールアンテナの軸比を示す特性図である。 （ａ）は、軸比を改善した変更例を示す斜視図、（ｂ）は、図８（ａ）に示す変更例による軸比を測定した特性図である。 （ａ）は、軸比を改善した変更例を示す斜視図、（ｂ）は、図９（ａ）に示す変更例による軸比を測定した特性図である。 本発明の実施形態に係るカールアンテナ素子及びグランド板とを組み合わせてカールアンテナの小型化を実現した例を示すものであり、図１０（ａ）は折り曲げる前のグランド板を示す斜視図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示すグランド板を立体的に折り曲げた状態を示す斜視図、図１０（ｃ）はカールアンテナ素子及びグランド板とを組み合わせたカールアンテナを示す斜視図である。 図１０に示すカールアンテナの変更例を示す誘電体層の底面側から見た斜視図である。 図１０に示すカールアンテナの変形例を示す斜視図である。 図２に示すカールアンテナ素子のオーバーラップの領域をショートさせた変更例を示す正面図である。 （ａ）は、本発明の実施形態に係るカールアンテナの応用例を示す正面図、（ｂ）は、図１４（ａ）のカールアンテナを示す斜視図である。 （ａ）は、本発明の実施形態に係るカールアンテナの他の応用例を示す正面図、（ｂ）は、図１４（ａ）及び図１５（ｂ）に示す応用例における軸比を示す特性図である。 （ａ）は、図５（ａ）に示すカールアンテナの変更例を示す斜視図、（ｂ）は、図１６（ａ）の主要部を拡大して示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて詳細に説明する。
上述したＲＦ−ＩＤシステムにおいては、管理者が所持するハンディターミナルにアンテナを組み込むことになり、前記ハンディターミナルは管理者が所持するものであるから、そのハンディターミナルのサイズを片手で把持できるサイズに小型化することが必要である。
本発明の実施形態に係るカールアンテナにおいて、主要部をなす構成要素はカールアンテナ素子１であり、そのカールアンテナ素子１がカールアンテナにおいて大部分を占めている。確かに、カールアンテナ素子１は前方への指向性を考慮すると、グランド板２と組み合わせることとなるが、グランド板２については、それに相当する部材を流用することが可能である。

上述の理由について説明する。上述したハンディターミナルには、カールアンテナ以外にも電子デバイスが組み込まれるのである。その電子デバイスとしては、商品に取り付けた電子タグとの通信を処理する回路、ハンディターミナルに装備された液晶ディスプレイの表示を制御する回路、通信により取得した商品に関するデータを処理・記憶する回路等が組み込まれる。これらの回路は、例えばプリント基板に実装されるものであり、そのプリント基板には、これらの回路に共通な接地電極をなすアース板が形成されるものであり、そのアース板のプリント基板における専有面積はかなり大きいものである。したがって、プリント基板のアース板をカールアンテナのグランド板として流用することが可能である。

このようなことを考慮すると、カールアンテナの主要部をなすカールアンテナ素子の寸法を小型化することが肝要であることが分かる。アンテナ素子については、小型化すれば、軸比が劣化することが分かっている。したがって、単純にアンテナ素子を小型化するだけでは、アンテナの特性を劣化させてしまうことになる。
アンテナの劣化を考慮すると、アンテナを小型化するとともに副次的に軸比を改善する必要がある。

そこで、本発明の実施形態では、信号を送受信するカールアンテナの主要部をなすカールアンテナ素子の小型化を実現し、その小型化した構成に軸比改善のための新たな構成を加えることなく軸比をも改善する構成を構築したものである。

図１及び図２に基づいて、カールアンテナ素子を小型化する構成することを具体的に説明する。

図１（ａ）及び図２に示すカールアンテナ素子１は、給電点４から立ち上がる立ち上がり部１ｃと、前記立ち上がり部１ｃの周りに周回する周回部分１ｄと、前記周回部分１ｄの巻き始端１ａと巻き終端１ｂとの間に形成されるオーバーラップ領域１ｅと、前記立ち上がり部１ｃと前記周回部分１ｄの巻き始端１ａとを結合する結合辺１ｆとを有している。
図２に示すように、カールアンテナ素子１の立ち上がり部１ｃは、給電点４からｚ方向（図２の上方方向）に立ち上がって形成され、立ち上がり部１ｃからの給電を受ける周回部分１ｄは、ｘ−ｙ面（図２の水平面）内に前記立ち上がり部１ｃの周りに周回して形成され、前記立ち上がり部１ｃと周回部分１ｄとの間に結合辺１ｆが形成されている。
前記周回部分１ｄは、前記立ち上がり部１ｃの周りに周回した周囲長が使用波長に対応させて所期値の長さ、すなわち約１．１λ（λ：使用波長）を確保する必要がある。
前記カールアンテナ素子１からの放射が円偏波である場合には、前記オーバーラップの領域１ｅは、巻き始端１ａと巻き終端１ｂとを電気的に絶縁して近接した状態で確保される。

図１（ａ）において、前記オーバーラップ領域１ｅの間隔を長短調整した結果、オーバーラップ領域１ｅがカールアンテナの小型化・軸比の改善に寄与することを突き止めた。
そこで、図１において、前記カールアンテナ素子１の巻き始端１ａと巻き終端１ｂとの間に形成されるオーバーラップ領域１ｅを折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎで形成し、前記巻き始端１ａと前記巻き終端１ｂとの折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎを凹凸状に互いに近接して対峙させた。

以上のように、前記カールアンテナ素子１の巻き始端１ａと巻き終端１ｂのオーバーラップ領域１ｅを折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎで形成しているため、前記折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎにより前記オーバーラップ領域１ｅに必要な長さを確保して、前記オーバーラップ領域１ｅの周回部分１ｄの周方向での長さを短縮することができ、カールアンテナ素子１の主要部をなす周回部分１ｄの周囲長を前記折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎによって短縮することができる。これにより、カールアンテナ素子１を小型化することができた。

さらに、前記巻き始端１ａと巻き終端１ｂの折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎを互いに近接して対峙させているため、前記オーバーラップ領域１ｅの巻き始端１ａと巻き終端１ｂとの間隔を狭く設定して軸比を改善することができ、カールアンテナ素子１を小型化しても所望の軸比を得ることができ、カールアンテナ素子１の特性を劣化させることなくカールアンテナを小型化することができた。
前記カールアンテナ素子１をプリント基板のアース板と組み合わせて軸比を測定したところ、軸比４であった（図１（ｂ））。非特許文献１に示されたカールアンテナの軸比が４であるから、上述したカールアンテナ素子１の巻き始端１ａと巻き終端１ｂとの間に形成されるオーバーラップ領域１ｅを折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎで形成し、前記巻き始端１ａと前記巻き終端１ｂとの折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎを凹凸状に互いに近接して対峙させる構成は、カールアンテナ素子の主要部をなすカールアンテナ素子１の小型化に寄与することができ、しかも、オーバーラップ領域１ｅに折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎを設けた構成に何ら新たな構成を追加することなく軸比の改善に有効であることが分かった。

前記巻き始端１ａと巻き終端１ｂに折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎを設けるにあたっては、その全長に複数設ける、或いは一部に複数設けてもよく、さらには、前記巻き始端１ａと巻き終端１ｂの全長に１個の折り曲げ部５を設けても良いものである。

次に、図１（ａ）及び図２からも明らかなように、前記カールアンテナ素子１の主要部をなす構成要素は、周回部分１ｄであり、カールアンテナ素子１のサイズに大きな影響を与えていることが分かる。
そこで、前記カールアンテナ素子１の周回部分１ｄに折り曲げ部３_１，３_２，・・・３_ｎを形成した。

以上のように、前記カールアンテナ素子１の周回部分１ｄを折り曲げ部３_１，３_２・・・３_ｎで形成しているため、前記折り曲げ部３_１，３_２・・・３_ｎにより前記周回部分１ｄに必要な長さを確保して、前記周回部分１ｄの周方向での長さを短縮することができ、カールアンテナ素子の主要部をなす周回部分１ｄの周囲長を前記折り曲げ部３_１，３_２・・・３_ｎによって短縮することができる。これにより、カールアンテナ素子１を小型化することができた。

さらに、前記オーバーラップ領域１ｅを折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎで形成することを前提として、前記周回部分１ｄの折り曲げ部３_１，３_２，・・・３_ｎと前記オーバーラップ領域１ｅの折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎとの関係を解析した。
その結果、前記周回部分１ｄの折り曲げ部３_１，３_２，・・・３_ｎと前記オーバーラップ領域１ｅの折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎとの間に相互関係があり、その相互関係により軸比を４以下に改善できることがわかった。

前記周回部分１ｄに折り曲げ部３_１，３_２・・・３_ｎを設けるにあたっては、その全長に複数設ける、或いは一部に複数設けてもよく、さらには、前記周回部分１ｄの全長に１個の折り曲げ部３を設けても良いものである。

前記カールアンテナ素子１には図１（ａ）及び図２に示すように、前記カールアンテナ素子１の前記立ち上がり部１ｃと前記周回部分１ｄとを結合する結合辺１ｆを有している。前記結合辺１ｆの位置は、前記周回部分１ｄよりも内側に位置して前記立ち上がり部１ｃと前記周回部分１ｄとの間に設けられる。
前記結合辺１ｆは、前記立ち上がり部１ｃからの給電を周回部分１ｄに伝送するものであって、周回部分１ｄに流れる電流の位相に関係するものであるから、前記結合辺１ｆの周回部分１ｄに対する取付角度が理論上９０度に設定されている。したがって、前記結合辺１ｆの前記周回部分１ｄに対する位置関係を確保する必要がある。

そこで、図１（ａ）に示すように、前記結合辺１ｆに複数の折り曲げ部６_１，６_２・・・６_ｎを形成して前記結合辺１ｆの長さ方向の寸法を短縮している。

従って、前記結合辺１ｆの長さ方向の寸法を短縮しているため、カールアンテナ素子１の周回部分１ｄの周囲長が短縮されて周回部分１ｄと立ち上がり部１ｃとの距離が短くなり、両者が接近しても、結合辺１ｆが周回部分１ｄと立ち上がり部１ｃとの間に、前記結合辺１ｆの前記周回部分１ｄに対する位置関係を崩すことなく、組み付けることができ、前記周回部分１ｄによる偏波に悪影響を及ぼすことなくカールアンテナを小型化することができるものである。

さらに、前記オーバーラップ領域１ｅを折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎで形成することを前提として、前記結合辺１ｆの折り曲げ部６_１，６_２，・・・６_ｎと前記オーバーラップ領域１ｅの折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎとの関係を解析した。
その結果、前記結合辺１ｆの折り曲げ部６_１，６_２，・・・６_ｎと前記オーバーラップ領域１ｅの折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎとの間に相互関係があり、その相互関係により軸比を４以下に改善できることがわかった。

前記結合辺１ｆの折り曲げ部６_１，６_２，・・・６_ｎを設けるにあたっては、その全長に複数設ける、或いは一部に複数設けてもよく、さらには、前記周回部分１ｄの全長に１個の折り曲げ部３を設けても良いものである。

次に、前記オーバーラップ領域１ｅを折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎで形成することを前提として、前記結合辺１ｆの折り曲げ部６_１，６_２，・・・６_ｎと前記前記周回部分１ｄの折り曲げ部３_１，３_２，・・・３_ｎと前記オーバーラップ領域１ｅの折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎとの関係を解析した。
その結果、前記結合辺１ｆの折り曲げ部６_１，６_２，・・・６_ｎと前記前記周回部分１ｄの折り曲げ部３_１，３_２，・・・３_ｎと前記オーバーラップ領域１ｅの折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎとが軸比の改善に相互関係することが分かった。
この構成によれば、軸比を４以下であって、２．５〜３に改善することが可能であることが分かった。
さらには、前記オーバーラップ領域１ｅに折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎを、前記結合辺１ｆに折り曲げ部６_１，６_２，・・・６_ｎを、前記周回部分１ｄに折り曲げ部３_１，３_２・・・３_ｎをそれぞれ形成してあるため、前記オーバーラップ領域１ｅの周回部分１ｄの周方向での長さを短縮でき、前記周回部分１ｄの周方向での長さを短縮でき、前記結合辺１ｆの長さ方向での長さを短縮することができ、カールアンテナ素子１のサイズを大幅に小型化することができる。

さらに、カールアンテナ素子１の小型化を図るために、図２に示すように、前記オーバーラップ領域１ｅの全長に折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎを設け、前記結合辺１ｆの全長に折り曲げ部６_１，６_２，・・・６_ｎを設け、前記周回部分１ｄに折り曲げ部３_１，３_２・・・３_ｎを設けた。
以上のように、前記オーバーラップ領域１ｅの全長に折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎを、前記結合辺１ｆの全長に折り曲げ部６_１，６_２，・・・６_ｎを、前記周回部分１ｄの全周に折り曲げ部３_１，３_２・・・３_ｎをそれぞれ形成してあるため、前記オーバーラップ領域１ｅの周回部分１ｄの周方向での長さを短縮でき、前記周回部分１ｄの周方向での長さを短縮でき、前記結合辺１ｆの長さ方向での長さを短縮することができ、カールアンテナ素子１のサイズを大幅に小型化することができる。
因みに非特許文献１，２に記載されたカールアンテナの周囲長が約１．１λ（λ：使用波長）であったが、以上の構成では、カールアンテナにおけるカールアンテナ素子の周囲長を約０．６３λ（λ：使用波長）に短縮できた。
さらに、前記オーバーラップ領域１ｅの全長に折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎを、前記結合辺１ｆの全長に折り曲げ部６_１，６_２，・・・６_ｎを、前記周回部分１ｄの全周に折り曲げ部３_１，３_２・・・３_ｎをそれぞれ形成し、これらの折り曲げ部の相互関係を調整することにより、図６（ａ）に示すように、軸比を１．５まで改善することができた。

以上の解析結果からして、カールアンテナ素子の少なくとも巻き始端と巻き終端のオーバーラップ領域を折り曲げ部で形成し、巻き始端と巻き終端の折り曲げ部を互いに近接して対峙させた構成は、カールアンテナ素子を小型化することができ、その構成に新たな構成を付加しないため、副次的に軸比の改善に貢献できることが分かる。

前記オーバーラップ領域１ｅの折り曲げ部に対して、前記結合辺１ｆの折り曲げ部、前記周回部分１ｄの折り曲げ部の相互関係を調整する場合には、これらの折り曲げ部の長さや折り曲げ量，形状，個数等を軸比の改善要素とすると、周回部分１ｄの折り曲げ部の軸比改善要素＞結合辺１ｆの折り曲げ部の軸比改善要素＞オーバーラップ領域１ｅの折り曲げ部の軸比改善要素、の関係に設定することが望ましい。

図１（ａ）及び図２においては、前記カールアンテナ素子１の周回部分１ｄは、立ち上がり部１ｃの周りに四角形状に周回させて形成し、前記折り曲げ部３_１，３_２，・・・３_ｎ，前記折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎ及び前記折り曲げ部６_１，６_２・・・６_ｎは、左右に蛇行させることにより鈎型形状による凹凸形状に形成している。図１（ａ）及び図２に示す実施形態は一例であって、前記周回部分１ｄを周回させる形状は四角形状に限られるものではなく、多角形状に形成してもよい。また、記折り曲げ部３_１，３_２，・・・３_ｎ，前記折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎ及び前記折り曲げ部６_１，６_２・・・６_ｎの凹凸形状は、鈎型形状に限られるものではなく、三角形状による凹凸形状に形成してもよいものである。また、記折り曲げ部３_１，３_２，・・・３_ｎ，前記折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎ及び前記折り曲げ部６_１，６_２・・・６_ｎは、図２に示すように左右に蛇行させて折り曲げる長さを不均等に折り曲げて形成しても良く、或いは均等に折り曲げてもよく、さらには幅寸法を異ならせてもよい。
また、オーバーラップ領域１ｅの折り曲げ部、周回部分１ｄの折り曲げ部、結合辺１ｆの折り曲げ部を水平面上で左右に蛇行させて形成したが、これに限られるものではなく、図２の＋ｚ方向と−ｚ方向との上下方向に蛇行させて形成してもよいものである。
また、巻き始端と巻き終端との折り曲げ部を凹凸状に互いに近接して対峙させたが、巻き始端と巻き終端の折り曲げ部を上下方向に同一形状に形成して互いに近接して対峙させてもよいものである。
また、図１（ａ）及び図２では、カールアンテナ素子のオーバーラップ領域，周回部分及び結合辺を基板上にスクリーン印刷によるパターンによって形成したが、カールアンテナ素子のオーバーラップ領域，周回部分及び結合辺を打ち抜き加工によって形成してもよいものである。これらの加工方法においては、立ち上がり部の上端を結合辺の一端に接合してカールアンテナ素子として組み立てる。

なお、本発明の実施形態に係るカールアンテナ素子１は、電磁波を放射する送信用と、外来の電磁波を受信する受信用とに用いられるものであり、また、前記給電点４は、送信の際に図示しない電子デバイスからの送信用信号をカールアンテナ素子１の立ち上がり部１ｃに給電するとともに、カールアンテナ素子１で受信した立ち上がり部１ｃからの受信信号を信号処理用の電子デバイス（図示略）に伝送する機能を実行する。

上述した記載内容では、プリント基板に形成されるアース板をカールアンテナのグランド板２として流用することが可能であることを記述した。これは、図２（ｃ）に基づいて説明すると、グランド板２としてのアース板７をカールアンテナ素子１の後方に配置して指向性を向上させている。
しかし、組込にあたっては、カールアンテナ素子１の小型化ばかりではなく、グランド板２の小型化の要求が想定される。

上述した要求に応じられるグランド板２を小型化する構成を図３及び図４に基づいて説明する。図４（ａ）に示すように、図２に示すカールアンテナ素子１と、既設のプリント基板に形成された例えば一枚もののアース板７とを組み合わせて、そのアース板7の一辺を０．３λに設定した場合（周囲長で表すと、１．２λ）、図４（ｂ）に示すように、カールアンテナ素子１の前後方向（図２の＋ｚ方向及び−ｚ方向に）に放射されて所望の指向性を得ることができなかった。

そこで、本発明の実施形態では図３（ａ）に示すように、グランド板２に複数の開口２ａを設けて、カールアンテナ素子１の後方（−ｚ方向）にグランド板２を配置している。

図３（ａ）に示すカールアンテナ素子１とグランド板２とを組み合わせた場合、図３（ｂ）に示す放射パターンから明らかなように、グランド板２が有効に機能することにより、指向性を改善できることが分かった。

図３（ａ）に示すように、グランド板２に複数の開口２ａを設けた場合、グランド板２は、図３（ｂ）に示すように所望の指向性を得ることができるばかりでなく、グランド板２の面積を図４（ａ）に示すアース板７の面積と同一面積で図３（ｂ）に示す放射パターンを得ることができることが分かった。図３（ａ）のグランド板２の一辺は０．３λ（周囲長で表すと、１．２λ）となっている。
因みに、一枚板の開口が無い、板金やプリント基板に形成されたアース板の場合、一般的には、その一辺を０．４〜０．５λ以上（周囲長で表すと、１．６〜２．５λ）に設定しなければ、カールアンテナ素子の所望の指向性を得ることができなかった。

以上のように、図３（ａ）に示すように複数の開口２ａを設けたグランド板２は、カールアンテナ素子１とグランド板２とを組み合わせることにより、カールアンテナ素子１の所望の指向性を得ることができるばかりでなく、グランド板２を小型化でき、結果としてカールアンテナの小型化を実現できるものである。

さらに、前記グランド板２をさらに小型化する改善を図５及び図６に基づいて説明する。図５に示すように、前記グランド板２は、閉塞したループ辺２ｂと、給電点７を通って前記ループ辺２ｂに結合した結合辺２ｃとを有している。さらに、前記結合辺２ｃに折り曲げ部８_１，８_２・・・８_ｎを設けている。

図５（ｂ）に示すように、グランド板２とカールアンテナ素子１とを組み合わせ、前記グランド板２に同軸ケーブル９の外導体９ａを、前記カールアンテナ素子１の立ち上がり部１ｃに同軸ケーブル９の内導体９ｂを接続し、前記グランド板２と前記外導体９ａとの接続箇所を前記給電点７、前記立ち上がり部１ｃと前記内導体９ｂとの接続箇所を給電点４として給電を行って特性試験を行った。
特性試験を行うに当たって、寸法を次のように設定した。カールアンテナ素子１の周囲長を０．６３λ（λ：使用波長）、結合辺１ｆの長さを０．０８７λ、立ち上がり部１ｃの長さを０．０７２λ、グランド板２のループ辺２ｂの周囲長を１．１λ、結合辺２ｃの長さを０．２３λにそれぞれ設定し、受信周波数を９２０ＭＨｚに設定した。図５（ａ）に示すグランド板２のループ辺２ｂの一辺は０．２７λ（周囲長で表すと、１．０８λ）となっている。
図６（ａ）から分かるように、周波数９２０ＭＨｚ付近で共振し、その軸比は約１．５であった。その放射パターンを図６（ｂ）に示す。
図６の結果から明らかなように、図５に示すグランド板２は実用に適したものであることが分かる。
さらに、図５に示すグランド板２の周囲長は１．０８λであるから、図４（ａ）に示すアース板７の周囲長１．２λと比較すると、小型化できたことが分かる。

さらに、図５に示すグランド板２をさらに小型化する改善を図７に基づいて説明する。図７（ａ）に示すグランド板２では、結合辺２ｃに設ける折り曲げ部８_１，８_２・・・８_ｎの個数を増加させて、結合辺２ｃの長さをさらに拡張している。

グランド板２のループ辺２ｂの周囲長を０．７５λに設定した。図７（ｂ）から分かるように、周波数９２０ＭＨｚ付近で共振し、その軸比を約１まで改善することができた。
図７（ｂ）の結果から明らかなように、図７（ａ）に示すグランド板２は実用に適したものであることが分かる。
さらに、図７（ａ）に示すグランド板２の周囲長が０．７５λであるから、図４（ａ）に示すアース板７の周囲長１．２λと比較すると、さらに、小型化できたことが分かる。

以上の説明において、図１，図２，図３及び図７に示すカールアンテナ素子１は、図５（ｂ）に示すように、その立ち上がり部１ｃが同軸ケーブル９の内導体９ｂに接続され、グランド板２が同軸ケーブル９の外導体９ａに接続されて給電が行われるものである。
また、図１，図２，図３及び図７におけるカールアンテナ素子１において、同軸ケーブル９の内導体９ｂを結合辺１ｆまで延長させて同軸ケーブル９の内導体９ｂを結合辺１ｆに接続させることにより、同軸ケーブル９の内導体９ｂを立ち上がり部１ｃに流用するようにしてもよいものである。

次に、カールアンテナ素子１におけるさらなる軸比の改善を図８に基づいて説明する。
図８（ａ）に示すように、カールアンテナ素子１の周回部分１ｄにおける巻き始端１ａと巻き終端１ｂとには、それぞれ折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎがそれぞれ形成され、それぞれの折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎを電気的に絶縁して接近させてオーバーラップさせることにより、周回部分１ｄにおける巻き始端１ａと巻き終端１ｂとにオーバーラップ領域１ｅを確保している。
さらに、図８（ａ）に示すように、周回部分１ｄの巻き始端１ａの折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎと、巻き終端１ｂの折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎとの幅寸法を異ならせている。

図８（ａ）に示す例では、巻き終端１ｂの折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎの一部５ａの幅寸法を、巻き始端１ａの折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎの幅寸法よりも狭く設定している。さらに、巻き終端１ｂの折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎの先端５ｂを短くし、オーバーラップ量を短くしている。

図８（ａ）に示す構成による軸比を測定した結果を図８（ｂ）に示す。
図８（ｂ）において、Ａは、巻き終端１ｂの折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎの幅寸法と、巻き始端１ａの折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎの幅寸法とを同一幅寸法に設定した場合の軸比である。Ｂは、図８（ａ）に示すカールアンテナ素子１、すなわち巻き終端１ｂの折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎの一部５ａの幅寸法を、巻き始端１ａの折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎの幅寸法よりも狭く設定した場合の軸比である。
図８（ｂ）から明らかなように、巻き終端１ｂの折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎの幅寸法と、巻き始端１ａの折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎの幅寸法とを同一幅寸法に設定した場合、その軸比が３であったが、図８（ａ）に示すように巻き終端１ｂの折り曲げ部５_１，５_２・・・５_ｎの一部５ａの幅寸法を狭く設定すると、その軸比を１．５まで改善することができた。

さらに、カールアンテナ素子１におけるさらなる軸比を改善する場合を図９に基づいて説明する。
図９（ａ）に示す例では、結合辺１ｆに設けた複数の折り曲げ部６_１，６_２・・・６_ｎの長さ方向に対する折り曲げ量Ｌを、図２に示すカールアンテナ素子１の結合辺１ｆよりも長く（拡張）設定している。

結合辺１ｆの折り曲げ部６_１，６_２・・・６_ｎの折り曲げ量Ｌを０．０１３λ（使用波長）に延長（拡張）して、軸比を測定した。その結果を図９（ｂ）に示す。
図９（ｂ）から明らかなように、結合辺１ｆの折り曲げ部６_１，６_２・・・６_ｎの折り曲げ量Ｌを０．０１７λまで延長させることにより、その軸比を３まで改善することができた。図９（ｂ）に示す構成では、結合辺１ｆの折り曲げ部６_１，６_２・・・６_ｎの折り曲げ量Ｌをさらに延長させることにより、その軸比を０．５まで改善することを確認している。
なお、図８（ａ）に示す折り曲げ部の幅寸法を変更することなく、図９（ａ）に示す結合辺１ｆの折り曲げ部６_１，６_２・・・６_ｎの折り曲げ量Ｌを延長させるだけでも、軸比を改善できることが分かった。

図８及び図９に示す例からして、折り曲げ部の幅寸法，折り曲げ部の折り曲げ量を調整することにより、軸比を改善できることが分かる。

次に、上述したカールアンテナ素子１及びグランド板２とを組み合わせてカールアンテナの小型化を実現した例を図１０に基づいて説明する。図１０（ａ）は、グランド板２を示す斜視図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示すグランド板２を立体的に折り曲げ加工した斜視図、図１０（ｃ）は、カールアンテナ素子１とグランド板２とをカールアンテナとして組み立てた状態を示す斜視図である。

図１０に示す実施形態は、カールアンテナ素子１を境界として誘電体層１０，１１を形成し、グランド板２の結合辺２ｃ及びループ辺２ｂを立体的に折り曲げて前記誘電体１１の底面１１ａ及び側面１１ｂに沿わせたものである。
具体的に説明すると、図１０（ａ）に示すように、ループ辺２ｂは、その四隅に柱状部をなす２本の支柱辺２ｄ，２ｅが内側に向けて形成され、箱を展開した形状をなしている。
図１０（ｂ）に示すように、＋ｘ・−ｘ方向に沿う折り曲げ線Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂに沿って向き合う２辺のループ辺２ｂ，２ｂと一部の結合辺２ｃとをカールアンテナ素子１側に立ち上げる方向（ｚ方向）に折り曲げ、２本の支柱部２ｄ，２ｅを平行に立ち上げて柱状部として折り曲げる。同様に、＋ｙ・−ｙ方向に沿う折り曲げ線Ｃ−Ｃ，Ｄ−Ｄに沿って向き合う２辺のループ辺２ｂ，２ｂと一部の結合辺２ｃとをカールアンテナ素子１側に立ち上げる方向（ｚ方向）に折り曲げ、２本の支柱部２ｄ，２ｅを平行にカールアンテナ素子１側に立ち上げて柱状部として折り曲げる。
図１０（ｂ）に示すように、ループ辺２ｂと結合辺２ｃとを誘電体層１１を取り囲むように立体的に折り曲げることにより、上部に誘電体層１１を受け入れる開口をもつ箱状をなすキャビティ構造に組み立てられる。具体的には、結合辺２ｃが底部の骨組みをなし、一部の結合辺２ｃのループ辺２ｂ側がカールアンテナ素子１側に立ち上がり、かつ支柱辺２ｄ，２ｅが四隅の柱状部をなし、４辺のループ辺２ｂが四隅の柱状部を横方向に繋いた立体構造に組み上がる。
図１０（ｃ）に示すように、前記箱状の底部をなす結合辺２ｃを誘電体層１１の底面１１ａに沿わせ、立ち上がったループ辺２ｂ及び結合辺２ｃを誘電体層１１の側面１１ｂに沿わせる。

図１０に示す実施形態では、カールアンテナ素子１を境界として誘電体層１０，１１を形成しているため、誘電体層１０，１１の存在により、カールアンテナ素子１のサイズ（周回部分１ｄの周囲長，結合辺１ｆの長さ、立ち上がり部１ｃの高さ）を短縮できる。
さらに、グランド板２の結合辺２ｃ及びループ辺２ｂを立体的に折り曲げて前記誘電体１１の底面１１ａ及び側面１１ｂに沿わせているため、グランド板２の周囲長を短縮することができる。グランド板２は立体的に折り曲げているため、折り曲げた周囲長で表すと、０．６５２λであり、図７（ａ）に示すグランド板２の周囲長が０．７５λであるとの比較して大幅に短縮できた。
図１０において、カールアンテナ素子１を境界として誘電体層１０，１１を形成する際には、前記カールアンテナ素子１の背面側の前記誘電体層１１の厚さを正面側の前記誘電体層１０の厚さより厚く設定している。前記カールアンテナ素子１の前面側とは、図２の＋ｚ方向である放射する前方を意味し、前記カールアンテナ素子１の背面側とは、図２の−ｚ方向である放射する後方を意味している。
前記誘電体層１１側に放射されるが、グランド板２の存在によって厚い誘電体層１１を通してカールアンテナ素子１側に反射され、所望の指向性を得ることができる。因みに、図１０に示す例における軸比を測定した結果、軸比が３であった。

図１０の実施形態に示すようにグランド板を立体的に折り曲げてキャビティ構造にすることにより、カールアンテナ素子１の供給側、例えば同軸ケーブルに対して抵抗値及びリアクタンス値を調整することができ、カールアンテナ素子の給電側に対するマッチングを取ることができるという効果を奏するものである。さらに、グランド板２をなす結合辺２ｃのループ辺２ｂ側の端部を上方に折り曲げ、その折り曲げ部２ｄによるループ辺２ｂをカールアンテナ素子１側に立ち上げているため、ループ辺２ｃの周囲長を短縮することができ、カールアンテナ素子１の小型化に寄与することができるものである。
また、図１０のグランド板２は、カールアンテナ素子１の方向（＋ｚ方向）にグランド板２の向き合う４辺をカールアンテナ素子１側に立ち上がるように立体的に折り曲げる際にグランド板２の４辺を折り曲げたが、これに限られるものではなく、向き合う２辺を立体的に立ち上がるように折り曲げてもよいものである。

図１０には、図２に示すカールアンテナ素子１を図示したが、これに限られるものではなく、図１（ａ）に基づいて説明したカールアンテナ素子１を用いてもよいものである。さらには、誘電体層に形成したカールアンテナ素子１以外の平面型アンテナ素子に図１０（ａ）及び（ｂ）に示すグランド板２を組み合わせてもよいものである。
図１０に示す例では、誘電体層１０，１１を立方体形状に形成したが、その形状は立方体形状に限られるものではなく、カールアンテナの取付位置に応じて種々変更されるものである。それに伴い、グランド板２を折り曲げる立方体の形状も誘電体層の形状に対応させて種々変更するようにしてもよいものである。
さらに、箱型を平面的に展開した際のグランド板２の形状としては図１０（ａ）に示す形状に限られるものではなく、立体的に折り曲げたときにキャビティ構造をなすものであれば、平面的に展開した形状はいずれのものでもよいものである。

図１０（ｃ）では、立体的に折り曲げたグランド板２を誘電体層１１の側面１１ｂに沿わせるにあたっては、誘電体層１１の側面１１ｂに密着させていたが、これに限られるものではない。図１１に示すように、グランド板２を誘電体層１１の底面１１ａから上方（カールアンテナ素子１側）に向けて上部開口が徐々に拡大するように角度をもたせて傾斜させて立体的に折り曲げて、グランド板２を誘電体層１１の側面１１ｂに沿わせてもよいものである。
図１１に示すように、グランド板２を誘電体層１１の底面１１ａから上方（カールアンテナ素子１側）に向けて上部開口が徐々に拡大するように角度をもたせて傾斜させて立体的に折り曲げることにより、放射パターンのサイド部における指向性を改善することができるものであり、結果として、利得を向上させることができるものである。
図１１に示すように、グランド板２を傾斜させて折り曲げて放射パターンのサイド部における指向性を改善するには、折り曲げ角度θが３０度に設定すると、指向性の改善を最適に行う事ができるが、この角度θを３０度を超えて９０度の範囲で折り曲げても、指向性の改善を十分に達成することができたことを確認している。

なお、図１２（ａ）に示すように、グランド板２を立体的折り曲げることなく、誘電体層１１の底部１１ａに貼り付けてもよいものである。
図１０、図１１及び図１２（ａ）に示す例では、誘電体層１１を一体ものの誘電体で形成したが、これに限られるものではない。図１２（ｂ）に示すように、誘電体層１１の一部に空気層１２を介在させてもよいものである。この場合、カールアンテナ素子１の後方に配置する誘電体層１１を少なくとも２分割し、それらの誘電体層１１,１１を樹脂製のボルト１２とナット１３により空気層１２を確保しているが、空気層１２を誘電体層１１に設ける行成は、これに限られるものではない。

以上の説明では円偏波を前提として説明したが、これに限られるものではない。円偏波の場合、カールアンテナ素子１の巻き始端１ａと巻き終端１ｂとに確保したオーバーラップの領域１ｅは、巻き始端１ａと巻き終端１ｂとを電気的に絶縁して接近して状態に確保していたが、図１３に示す実施形態では、前記オーバーラップの領域１ｅにおける巻き始端１ａと巻き終端１ｂとを電気的にショートさせている。そのショート構造１ｇにより、円偏波に代えて直線偏波を得ることができるものである。

さらに、本発明の実施形態に係るカールアンテナ素子を用いてマルチバンド化を実現した例を図１４及び図１５に基づいて説明する。図１４及び図１５に示すように、カールアンテナ素子として、電気長の異なる少なくとも２個の前記カールアンテナ素子１Ａ，１Ｂを用いている。２個のカールアンテナ素子を区別するために符号を異ならせているが、その何れもが以上で説明したカールアンテナ素子１の同一構成である。また、図１４及び図１５（ａ）では図示を簡略化するために、カールアンテナ素子１Ａ，１Ｂの周回部分１ｄ，結合辺１ｆ，オーバーラップ領域１ｅを直線で図したが、これらの周回部分１ｄ，結合辺１ｆ，オーバーラップ領域１ｅには、図１（ａ）及び図２に示すように折り曲げ部が形成されているものである。
電気長の長い前記カールアンテナ素子１Ａの立ち上がり部１ｃから電気長の短い前記カールアンテナ素子１Ｂの結合辺１ｆを引き出して、少なくとも上下２段のアンテナとして組み合わせている。そして、前記アンテナのうち上段に位置するカールアンテナ素子１Ｂの電気長を下段のカールアンテナ素子１Ａの電気長よりも長く設定している。
図１４においては、カールアンテナ素子１Ａと１Ｂの結合辺１ｆを同一方向に引き出しているが、図１５では、カールアンテナ素子１Ａと１Ｂの結合辺１ｆを反対方向に引き出している。その他の構成は同じである。
図１４及び図１５に示すマルチアンテナの場合、図１５（ｂ）に示す様に低周波側と高周波側とで共振しており、少なくとも２周波数で送受信が可能である。
さらに、一方のカールアンテナ素子１Ａの立ち上がり部１ｃから他方のカールアンテナ素子１Ｂの結合辺１ｆを引き出しているから、カールアンテナ素子１Ａ，１Ｂを上下に配置した場合、その上下方向（＋ｚ方向・−ｚ方向）での厚みを薄くすることができる。

図１４及び図１５では、下段に位置する電気長の短いカールアンテナ素子１Ｂとして図２に示すカールアンテナ素子１を用いたが、カールアンテナ素子１Ｂとしては、図２に示すカールアンテナ素子１に限られるものではない。非特許文献１及び非特許文献２に示すように、カールアンテナ素子の周回部分１ｄを線材により形成し、その線材からなる周回部分１ｄの巻き始端１ａと巻き終端１ｂをオーバーラップさせた既存のカールアンテナ素子のものを用いてもよいものである。

図１４及び図１５には、電気長の異なるカールアンテナ素子を上下二段に組み合わせた例を示したが、これに限られるものはなく、上段に位置する一方のカールアンテナ素子の電気長を下段に位置するカールアンテナ素子の電気長よりも短くすることにより組み合わせることにより、上下に２以上のカールアンテナ素子を配置して組み合わせてもよいものである。

図１６に示す実施形態は、カールアンテナ素子１と給電側（例えば同軸ケーブル）との整合性を改善したものである。
図１６に示すように、カールアンテナ素子１の一部をグランド板２に短絡させている。具体的に説明すると、カールアンテナ素子１の結合辺１ｆの一部から柱１４を引き出し、その柱１４をグランド板２に接続させている。柱１４を結合辺１ｆから引き出す際には、結合辺１ｆのうち立ち上がり部１ｃに接近した位置から柱１４を引き出している。

図１６（ａ）に示す例において、図１６（ｂ）に示すように、結合辺１ｆとグランド板２との距離Ｈを０．０７４λ（λ：使用波長）、同軸ケーブル９の内導体９ｂと、柱１４の短絡位置との距離Ｗを０．０２２λに設定して、カールアンテナ素子１と同軸ケーブル９とのマッチングを測定したところ、抵抗値とリアクタンス値が改善されてマッチングが取れていることが分かった。
なお、以上の数値は一例であって、同軸ケーブル９の直径及び柱１４の直径などの関係によって上記の数値が変化するものである。

以上のように、本発明によれば、カールアンテナ素子を小型化でき、しかもグランド板も小型化することができ、結果としてカールアンテナの寸法を小型化することに貢献できるものである。

１，１Ａ，１Ｂ カールアンテナ素子
１ａ 巻き始端
１ｂ 巻き終端
１ｃ 立ち上がり部
１ｄ 周回部分
１ｅ オーバーラップの領域
２ グランド板
２ａ グランド板の開口
２ｂ グランド板のループ辺
２ｃ グランド板の結合辺
３，５，６，８ 折り曲げ部
４，７ 給電点

Claims (6)

1. 信号を送受信するカールアンテナにおいて、
   ｘ−ｙ面内に周回して形成された周回部分（１ｄ）と、前記周回部分（１ｄ）の巻き始端（１ａ）と巻き終端（１ｂ）との間に形成されたオーバーラップ領域（１ｅ）とを有し、
   前記オーバーラップ領域（１ｅ）を折り曲げ部（５_１，５_２・・・５_ｎ）で形成し、前記巻き始端（１ａ）と前記巻き終端（１ｂ）との折り曲げ部（５_１，５_２・・・５_ｎ）を凹凸状に互いに近接して対峙させ、且つ前記オーバーラップの領域（１ｅ）の巻き始端（１ａ）と巻き終端（１ｂ）とを電気的に絶縁して近接した状態で確保したことを特徴とするカールアンテナ。
2. 前記請求項１に記載のカールアンテナにおいて、
   前記カールアンテナ素子の給電点から立ち上がった立ち上がり部に前記カールアンテナ素子の周回部分と結合する結合辺を設けて、該結合辺に折り曲げ部を形成したカールアンテナ。
3. 前記請求項１又は２の何れかに記載のカールアンテナにおいて、
   前記カールアンテナ素子の周回部分が給電点から立ち上がった立ち上がり部の周りに周回し、前記周回部分に折り曲げ部を形成したカールアンテナ。
4. 請求項１に記載のカールアンテナにおいて、
   電気長の異なる少なくとも２個の前記カールアンテナ素子を用い、電気長の小さいカールアンテナ素子を前記カールアンテナ素子の立ち上がり部の途中から結合辺を引き出して形成したカールアンテナ。
5. 請求項１に記載のカールアンテナにおいて、
   前記カールアンテナ素子の周回部分及び結合辺を境界として、前記カールアンテナ素子の前面側及び背面側に誘電体層を設け、前記カールアンテナ素子の背面側の前記誘電体層の厚さを正面側の前記誘電体層の厚さより厚くしたカールアンテナ。
6. 請求項５に記載のカールアンテナにおいて、
   前記カールアンテナ素子の背面側の前記誘電体層に、盤面に複数の開口を設けたグランド板を貼り付けたカールアンテナ。

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