JP6919354B2

JP6919354B2 - ループアンテナ及び電子機器

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Publication number: JP6919354B2
Application number: JP2017117720A
Authority: JP
Inventors: 尚志山ヶ城; 甲斐　学; 学甲斐
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2017-06-15
Filing date: 2017-06-15
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2037-06-15
Also published as: US10476161B2; US20180366827A1; JP2019004328A

Description

本発明は、例えば、ループアンテナ及びループアンテナを有する電子機器に関する。

従来より、様々な用途においてループアンテナが利用されている。しかし、ループアンテナが導体の近くに設置されるような環境下では、ループアンテナの放射特性などが変化してしまい、所望の放射特性が得られないことがある。そこで、金属に貼り付けられた状態で安定した性能を有する無線タグに用いられるループアンテナが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

そのようなループアンテナにおいて、第１導体は、第１曲面を形成し、第１曲面内の第１端部に無線通信回路の第１端子と接続される第３端子を有し、第１曲面内で第１端部と反対側の第２端部に第１領域を有する。また第２導体は、第２曲面を形成し、第２曲面内の第３端部に、無線通信回路の第２端子と接続される第４端子を有し、第２曲面内で第３端部と反対側の第４端部に第２領域を有する。そして第１領域と第２領域とが互いに平行に重なり、第１曲面と第２曲面がループアンテナを形成する。

特開２０１１−１０９５５２号公報

しかしながら、用途によっては、ループアンテナの取り付け対象となる物体が金属製の物体であるとは限られず、誘電体であることもある。そこで、ループアンテナの設置場所によらず、アンテナ特性が維持されることが好ましい。

一つの側面では、本発明は、設置環境の違いによるアンテナ特性の劣化を抑制可能なループアンテナを提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば、ループアンテナが提供される。このループアンテナは、基板と、基板の第１の面に設けられ、導電性を有し、給電点にて給電され、かつ、給電点から第１の方向に沿って延伸される第１の部分と給電点から第２の方向に沿って延伸される第２の部分とを有する給電素子と、導電性を有し、第１の面に直交する面に沿って基板を囲むようにループ状に形成され、かつ、一端が第１の面にて給電素子の第１の部分と電磁結合し、かつ、他端が第１の面にて給電素子の第２の部分と電磁結合するように設けられ、かつ、一端と他端とが間隔を空けて配置される放射素子とを有する。

また他の実施形態によれば、電子機器が提供される。この電子機器は、ループアンテナと、ループアンテナを介して無線信号を放射または受信する信号処理回路とを有する。ループアンテナは、基板と、基板の第１の面に設けられ、導電性を有し、給電点にて給電され、かつ、給電点から第１の方向に沿って延伸される第１の部分と給電点から第２の方向に沿って延伸される第２の部分とを有する給電素子と、導電性を有し、第１の面に直交する面に沿って基板を囲むようにループ状に形成され、かつ、一端が第１の面にて給電素子の第１の部分と電磁結合し、かつ、他端が第１の面にて給電素子の第２の部分と電磁結合するように設けられ、かつ、一端と他端とが間隔を空けて配置される放射素子とを有する。そして信号処理回路は、基板の第１の面において給電素子及び放射素子が形成されていない領域に設けられる。

一つの側面では、設置環境の違いによるアンテナ特性の劣化を抑制できる。

（ａ）は、一つの実施形態によるループアンテナの斜視図である。（ｂ）は、（ａ）に示されるループアンテナの矢印ＡＡ’で示される方から見た側面図である。（ａ）は、ループアンテナの放射特性の電磁界シミュレーションに使用した各部の寸法を示す、ループアンテナの平面図である。（ｂ）は、ループアンテナの放射特性の電磁界シミュレーションに使用した各部の寸法を示す、ループアンテナの側面図である。（ａ）は、ループアンテナのS11パラメータの周波数特性を示す図である。（ｂ）は、ループアンテナのトータル効率の周波数特性を示す図である。（ｃ）は、ループアンテナの動作利得の周波数特性を示す図である。調整対象となるループアンテナの寸法を示す、ループアンテナの平面図である。（ａ）は、スリットの長さを変化させたときのループアンテナのS11パラメータの周波数特性を示す図である。（ｂ）は、放射素子の両端間の間隔を変化させたときのループアンテナのS11パラメータの周波数特性を示す図である。変形例による、ループアンテナの平面図である。容量素子の静電容量を変化させたときのループアンテナのS11パラメータの周波数特性を示す図である。（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、変形例による、給電素子の形状の一例を示す図である。図８（ｃ）に示された給電素子が用いられた、変形例によるループアンテナの平面図である。（ａ）は、図９に示されたループアンテナのS11パラメータの周波数特性を示す図である。（ｂ）は、図９に示されたループアンテナの動作利得の周波数特性を示す図である。他の変形例による、ループアンテナの平面図である。（ａ）は、図１１に示されたループアンテナのS11パラメータの周波数特性を示す図である。（ｂ）は、図１１に示されたループアンテナのトータル効率の周波数特性を示す図である。（ｃ）は、図１１に示されたループアンテナの動作利得の周波数特性を示す図である。上記の各実施形態またはその変形例の何れかによるループアンテナを有する電子機器を基板の表面側から見た、電子機器の概略斜視図である。図１３に示される電子機器が有する回路のブロック図である。

以下、図を参照しつつ、ループアンテナについて説明する。このループアンテナは、基板の一方の面に設けられる直線状の給電素子と、基板の一方の面上に両端が位置し、かつ、基板の一方の面と直交する面においてループ状に形成される放射素子とを有する。そして放射素子の一端側と給電素子の一端側とがギャップを介して電磁結合し、かつ、放射素子の他端側と給電素子の他端側とがギャップを介して電磁結合するように放射素子及び給電素子は配置される。そのため、放射素子と給電素子間の電磁結合により、放射素子は給電素子から給電される。そしてこのループアンテナは、放射素子と給電素子間の電磁結合の程度を、設置環境の違いによるアンテナ特性の差が抑制されるように調節することを可能とする。

図１（ａ）は、一つの実施形態によるループアンテナの斜視図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示されるループアンテナの矢印ＡＡ’で示される方から見た側面図である。

ループアンテナ１は、基板２と、給電素子３と、放射素子４とを有する。

基板２は、例えば、ＡＢＳ樹脂、ＰＥＴ樹脂、ポリカーボネイト樹脂といった合成樹脂などの誘電体により、長方形の板状に形成される。そして基板２の一方の面には、例えば、ループアンテナ１を利用して無線通信するための信号処理回路など（図示せず）が設けられる。

給電素子３は、例えば、銅、あるいは金などの導体により直線状に形成される。そして給電素子３は、ループアンテナ１を利用して無線通信するための信号処理回路などが設けられる基板２の面（第１の面）に設けられる。以下、説明の便宜上、給電素子３が設けられる基板２の面を、基板２の表面と呼び、基板２の表面の反対側の面を背面と呼ぶ。給電素子３は、ダイポールアンテナと同様に、その中点に設けられた給電点３ａにて給電される。そして給電素子３は、給電点３ａから基板２の一端側へ向かう方向（第１の方向）に沿って延伸される第１の部分３ｂと、給電点３ａから基板２の上記の一端とは逆側に位置する他端側へ向かう方向（第２の方向）に沿って延伸される第２の部分３ｃとを有する。給電素子３の長手方向におけるループアンテナ１の放射パターンが基板２の表面の法線方向について対称となるように、第１の部分３ｂの長さと第２の部分３ｃの長さとは、互いに等しいことが好ましい。

また、給電素子３の第１の部分３ｂの長さと第２の部分３ｃの長さの和、すなわち、給電素子３の長手方向の長さは、ループアンテナ１の動作周波数に対応する設計波長（以下、単に設計波長と呼ぶ）の電気長の1/2よりも短いことが好ましい。これにより、給電素子３全体に流れる電流の方向が同一となるので、放射素子４の両端での電流の方向も同一となる。そのため、基板２の表面に設けられた放射素子４の両端部のそれぞれから放射される無線電波が互いに強め合うことができ、その結果としてループアンテナ１の動作利得が向上する。

放射素子４は、例えば、銅、あるいは金などの導体により板状に形成される。そして放射素子４は、例えば、基板２の表面に直交する面において、給電素子３の長手方向に沿って基板２を囲むようにループ状に形成される。そして放射素子４の両端は、基板２の表面にて、互いに対向し、かつ、放射素子４の両端同士が電磁結合しない程度の間隔を空けて配置される。また、給電素子３の長手方向に沿った、放射素子４により形成されるループの長さは設計波長の電気長と略等しい。なお、要求される仕様によっては、放射素子４により形成されるループの長さは、設計波長の電気長と異なっていてもよい。

また、放射素子４は、ループが形成される面と交差する方向、すなわち、給電素子３の短手方向に沿って所定の幅を持つ。そのため、放射素子４は、立体的な形状を有している。また、給電素子３の短手方向における放射素子４の幅に応じて、ループアンテナ１の動作利得は変化する。

また、放射素子４の両端には、それぞれ、給電素子３の長手方向に沿ってスリット４ａが形成される。そして二つのスリット４ａのそれぞれの内部に、給電素子３と放射素子４とが電磁結合可能な程度のギャップを空けて給電素子３の一端が配置される。これにより、放射素子４は、その両端側のそれぞれにおいて給電素子３から給電される。そして、放射素子４は、無線電波を放射し、あるいは、無線電波を受信する。

スリット４ａ内に挿入されている給電素子３の部分の長さ、及び、給電素子３と放射素子４のギャップの幅に応じてループアンテナ１の容量成分が変化する。例えば、スリット４ａ内に挿入されている給電素子３の部分が長くなるほど、あるいは、スリット４ａにおける、給電素子３と放射素子４間のギャップが狭くなるほど、ループアンテナ１の容量成分が増加する。したがって、スリット４ａ内に挿入されている給電素子３の部分の長さ、及び、給電素子３と放射素子４のギャップの幅を調節することで、ループアンテナ１のインピーダンスを調整することが可能である。

以下、電磁界シミュレーションにより求めた、ループアンテナ１のアンテナ特性について説明する。
図２（ａ）は、ループアンテナ１の放射特性の電磁界シミュレーションに使用した各部の寸法を示す、ループアンテナ１の平面図である。図２（ｂ）は、ループアンテナ１の放射特性の電磁界シミュレーションに使用した各部の寸法を示す、ループアンテナ１の側面図である。このシミュレーションにおいて、ループアンテナ１の動作周波数は2.45GHzである。また、基板２の比誘電率εr=4.0とし、基板２の誘電正接tanδ=0.02とした。また、給電素子３及び放射素子４の導電率を5x10⁷[S/m]とした。

また、給電素子３の長手方向に沿った基板２の長さを40mmとし、基板２の厚さを1mmとした。そして給電素子３の長手方向の長さを28.8mmとし、給電素子３の短手方向の長さ、すなわち幅を2.2mmとした。さらに、給電素子３の短手方向に沿った放射素子４の幅を30mmとし、放射素子４の両端間の間隔を9.8mmとした。そして二つのスリット４ａのそれぞれの長さを14.9mmとし、幅を3mmとした。すなわち、スリット４ａ内における、給電素子３と放射素子４間のギャップを0.4mmとした。

図３（ａ）は、電磁界シミュレーションにより求めた、ループアンテナ１のS11パラメータ（リターンロス）の周波数特性を示す図である。図３（ｂ）は、電磁界シミュレーションにより求めた、ループアンテナ１のトータル効率の周波数特性を示す図である。そして図３（ｃ）は、電磁界シミュレーションにより求めた、基板２の表面の法線方向（以下、正面方向と呼ぶ）における、ループアンテナ１の動作利得の周波数特性を示す図である。図３（ａ）〜図３（ｃ）のそれぞれにおいて、横軸は周波数を表す。図３（ａ）において、縦軸はS11パラメータを表し、図３（ｂ）において、縦軸はトータル効率を表し、図３（ｃ）において、縦軸は動作利得を表す。

図３（ａ）において、グラフ３０１は、ループアンテナ１が空中に配置された場合における、ループアンテナ１のS11パラメータの周波数特性を表す。またグラフ３０２は、基板２の背面側においてループアンテナ１が金属板と接するようにループアンテナ１が配置された場合における、ループアンテナ１のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ３０１及びグラフ３０２に示されるように、ループアンテナ１が空気中に配置された場合及び金属上に配置された場合の何れにおいても、動作周波数2.45GHzにおいて、S11パラメータが、-6dB以下となっていることが分かる。

図３（ｂ）において、グラフ３１１は、ループアンテナ１が空中に配置された場合における、ループアンテナ１のトータル効率の周波数特性を表す。またグラフ３１２は、基板２の背面側においてループアンテナ１が金属板と接するようにループアンテナ１が配置された場合における、ループアンテナ１のトータル効率の周波数特性を表す。グラフ３１１及びグラフ３１２に示されるように、動作周波数2.45GHzにおいて、ループアンテナ１が空気中に配置された場合のトータル効率とループアンテナ１が金属上に配置された場合のトータル効率の差は1dB程度に抑制されていることが分かる。

図３（ｃ）において、グラフ３２１は、ループアンテナ１が空中に配置された場合における、ループアンテナ１の正面方向の動作利得の周波数特性を表す。またグラフ３２２は、基板２の背面側においてループアンテナ１が金属板と接するようにループアンテナ１が配置された場合における、ループアンテナ１の正面方向の動作利得の周波数特性を表す。グラフ３２１及びグラフ３２２に示されるように、動作周波数2.45GHzにおいて、ループアンテナ１が空気中に配置された場合の正面方向の動作利得とループアンテナ１が金属上に配置された場合の正面方向の動作利得は略等しくなっていることが分かる。

図４は、調整対象となるループアンテナ１の寸法を示す、ループアンテナ１の平面図である。図４に示されるように、ループアンテナ１の放射素子４に形成されるスリット４ａの長さsy、または、放射素子４の両端間の間隔dを変化させたときのループアンテナ１のアンテナ特性への影響を、電磁界シミュレーションを行うことで調べた。なお、この電磁界シミュレーションにおいて、基板２、給電素子３及び放射素子４の電気特性、及び、スリット４ａの長さsy及び放射素子４の両端間の間隔d以外のループアンテナ１の各部の寸法は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されたものと同じとした。

図５（ａ）は、電磁界シミュレーションにより求めた、スリット４ａの長さsyを変化させたときのループアンテナ１のS11パラメータの周波数特性を示す図である。図５（ｂ）は、電磁界シミュレーションにより求めた、放射素子４の両端間の間隔dを変化させたときのループアンテナ１のS11パラメータの周波数特性を示す図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）において、横軸は周波数を表し、縦軸はS11パラメータを表す。

図５（ａ）において、グラフ５０１は、sy=6mmとしたときの、ループアンテナ１のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ５０２は、sy=9mmとしたときの、ループアンテナ１のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ５０３は、sy=12mmとしたときの、ループアンテナ１のS11パラメータの周波数特性を表す。そしてグラフ５０４は、sy=15mmとしたときの、ループアンテナ１のS11パラメータの周波数特性を表す。

グラフ５０１〜５０４に示されるように、スリット４ａの長さsyを変更することで、S11パラメータの最小値が変化することが分かる。このことから、スリット４ａの長さsyを変更することで、ループアンテナ１の容量成分が変化し、その結果として、ループアンテナ１のインピーダンスが変化することが分かる。この例では、sy=9mmのときに、2.45GHzにおけるS11パラメータが最も小さくなり、ループアンテナ１のインピーダンスが所定のインピーダンス（例えば、50Ω）に対して最も整合されることが分かる。また、スリット４ａの長さsyを変更しても、S11パラメータが最小となる周波数はほとんど変化しない。

図５（ｂ）において、グラフ５１１は、d=6mmとしたときの、ループアンテナ１のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ５１２は、d=8mmとしたときの、ループアンテナ１のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ５１３は、d=10mmとしたときの、ループアンテナ１のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ５１４は、d=12mmとしたときの、ループアンテナ１のS11パラメータの周波数特性を表す。そしてグラフ５１５は、d=14mmとしたときの、ループアンテナ１のS11パラメータの周波数特性を表す。

グラフ５１１〜５１５に示されるように、放射素子４の両端間の間隔dを変更することで、S11パラメータが最小値となる周波数が変化することが分かる。これは、放射素子４の両端間の間隔dが長くなるほど、ループに沿った放射素子４の長さが短くなり、その結果として放射素子４が共振する周波数が高くなるためである。

このように、ループアンテナ１の放射素子４に形成されるスリット４ａの長さsy、または、放射素子４の両端間の間隔dを調整することで、ループアンテナ１のインピーダンス及び共振周波数を調整可能なことが分かる。

以上に説明してきたように、このループアンテナでは、ループを形成する放射素子が、その両端でダイポール状に形成された給電素子と電磁結合するように形成され、電磁結合を介して給電素子から給電される。そのため、このループアンテナは、電磁結合が生じる位置における、給電素子と放射素子間のギャップの幅または長さを調整することで、設置環境の違いによるアンテナ特性の劣化を抑制するようにアンテナ特性を調整できる。さらに、このループアンテナは、給電素子と放射素子間のギャップの幅または長さを調整することでインピーダンスを調整できる。そのため、このループアンテナは、小型のアンテナとして形成される場合でも、整合回路を用いずにループアンテナのインピーダンスをループアンテナに接続される回路のインピーダンスと整合させることができる。

なお、変形例によれば、給電素子３の一端と電磁結合する放射素子４の一端と、給電素子３の他端と電磁結合する放射素子４の他端間の間隔Lは、nλ<L<(n+0.5)λであってもよい。なお、λは設計波長に応じた電気長であり、nは、1以上の整数である。この場合も、給電素子３の一端側における、給電素子３と放射素子４とが電磁結合される位置での電流の向きと、給電素子３の他端側における、給電素子３と放射素子４とが電磁結合される位置での電流の向きとが同一となる。そのため、放射素子４の両端のそれぞれから放射される無線電波は、互いに強め合うことができるので、動作利得が向上する。

また他の変形例によれば、給電素子と放射素子間に、アンテナ特性を調整するための集中定数素子が設けられてもよい。

図６は、この変形例による、ループアンテナの平面図である。この変形例によるループアンテナ１１は、給電素子３の両端のそれぞれについて、放射素子４のスリット４ａ内に、給電素子３と放射素子４とを接続する容量素子５を有する点で、ループアンテナ１と相違する。

容量素子５は、集中定数素子の一例であり、静電容量Cmを持つコンデンサである。そのため、容量素子５が有する静電容量に応じて、ループアンテナ１１のインピーダンス及び共振周波数が変化する。

図７は、電磁界シミュレーションにより求めた、容量素子５の静電容量Cmを変化させたときのループアンテナ１１のS11パラメータの周波数特性を示す図である。図７において、横軸は周波数を表し、縦軸はS11パラメータを表す。またこの電磁界シミュレーションでは、ループアンテナ１１は、背面側が金属板と接するように、金属板上に配置されるものとした。さらに、この電磁界シミュレーションにおいて、給電素子３及び放射素子４の導電率を5.96x10⁷[S/m]とした。そして給電素子３の長手方向に沿った基板２の長さを38mmとした。また、給電素子３の長手方向の長さを29mmとし、放射素子４の両端間の間隔を9mmとした。それ以外の各部の寸法、及び、基板２の電気的特性は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されたものと同じとした。

図７において、グラフ７０１は、Cm=0pFとしたときの、ループアンテナ１１のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ７０２は、Cm=0.4pFとしたときの、ループアンテナ１１のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ７０３は、Cm=0.8pFとしたときの、ループアンテナ１１のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ７０４は、Cm=1.2pFとしたときの、ループアンテナ１１のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ７０５は、Cm=1.6pFとしたときの、ループアンテナ１１のS11パラメータの周波数特性を表す。そしてグラフ７０６は、Cm=2pFとしたときの、ループアンテナ１１のS11パラメータの周波数特性を表す。

グラフ７０１〜７０６に示されるように、容量素子５の静電容量Cmを調整することで、S11パラメータが-6dB以下となる周波数帯域が2.35GHz〜2.65GHzの範囲に含まれるように共振周波数が調整されることが分かる。また容量素子５の静電容量Cmを調整することで、S11パラメータの最小値も変化することから、ループアンテナ１１のインピーダンスも変化することが分かる。

なお、容量素子５が設けられる位置は、給電素子３の両端に限られず、スリット４ａ内の任意の位置にて給電素子３と放射素子４とを接続するように配置されればよい。また、給電素子３の長手方向における、ループアンテナ１１の放射パターンが正面方向に対して対称となるために、容量素子５は、二つのスリット４ａのそれぞれにおいて設けられることが好ましい。

さらに、給電素子３と放射素子４とを接続する集中定数素子は、容量素子５に限られず、例えば、インダクタンス成分を持つインダクタンス素子であってもよい。

また他の変形例によれば、給電素子３の形状は、線状でなくてもよい。

図８（ａ）〜図８（ｃ）は、それぞれ、変形例による、給電素子３の形状の一例を示す図である。図８（ａ）に示される給電素子３１では、給電点３１ａから第１の方向に沿って延伸される第１の部分３１ｂ、及び、給電点３１ａから第２の方向に沿って延伸される第２の部分３１ｃのそれぞれがＴ字状に形成される。すなわち、第１の部分３１ｂの端部、及び、第２の部分３１ｃの端部のそれぞれの幅が、給電点３１ａにおける給電素子３１の幅よりも広くなるように、給電素子３１は形成される。

図８（ｂ）に示される給電素子３２では、給電点３２ａから第１の方向に沿って延伸される第１の部分３２ｂ及び給電点３２ａから第２の方向に沿って延伸される第２の部分３２ｃの何れも、給電点３２ａと端部の間における幅が相対的に広くなるように形成される。さらに、図８（ｃ）に示される例では、給電素子３３は、給電点３３ａにて直角に折り曲げられ、給電点３３ａから一方の端部までの第１の部分３３ｂの延伸方向と、給電点３３ａから他方の端部までの第２の部分３３ｃの延伸方向とが直交している。そのため、給電素子３３は、略Ｌ字状の形状を有する。

給電素子３１〜３３の何れについても、無線電波の放射方向が偏らないように、第１の部分の長さと第２の部分の長さとは互いに等しいことが好ましい。また、給電素子３１〜３３の何れについても、上記の実施形態と同様に、放射素子の両端のそれぞれに形成されたスリット内に給電素子のそれぞれの端部が位置し、かつ、給電素子と放射素子とが電磁結合するように、給電素子は配置されることが好ましい。

図９は、図８（ｃ）に示された給電素子３３が用いられた、変形例によるループアンテナ１２の平面図である。この変形例によるループアンテナ１２は、ループアンテナ１と比較して、基板２１、給電素子３３及び放射素子４１の形状が異なる。この例では、基板２１は、Ｌ字状に形成される。そして基板２１の表面に、基板２１と略相似形となるように給電素子３３が配置される。また、放射素子４１は、基板２１の表面に放射素子４１の両端が位置し、かつ、給電素子３３のそれぞれの端部に近い方の基板２１の端部にて折り曲げられて、基板２１の表面と直交する面においてループを形成する。放射素子４１の両端には、それぞれ、給電素子３３に沿ってスリット４１ａが形成される。そして二つのスリット４１ａのそれぞれの内部に、ギャップを介して給電素子３３の一端が配置される。これにより、放射素子４１は、その両端側のそれぞれにおいて、給電素子３３との電磁結合を介して給電素子３３から給電される。

図１０（ａ）は、電磁界シミュレーションにより求めた、ループアンテナ１２のS11パラメータの周波数特性を示す図である。図１０（ｂ）は、電磁界シミュレーションにより求めた、正面方向における、ループアンテナ１２の動作利得の周波数特性を示す図である。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）のそれぞれにおいて、横軸は周波数を表す。図１０（ａ）において、縦軸はS11パラメータを表し、図１０（ｂ）において、縦軸は動作利得を表す。

このシミュレーションにおいて、基板２１の比誘電率εr=4.0とし、基板２１の誘電正接tanδ=0.02とした。また、給電素子３３及び放射素子４１の導電率を5.96x10⁷[S/m]とした。

また、基板２１の互いに直交するそれぞれの方向の長さを44mmとし、基板２１の厚さを1mmとした。そして給電素子３３の給電点３３ａから両側の端点までの長さをそれぞれ23.1mmとし、給電素子３３の幅を2.2mmとした。さらに、給電素子３３の幅方向に沿った放射素子４１の幅を27mmとし、放射素子４１が折り曲げられた基板２１の端部から放射素子４１の端部までの放射素子４１の長さを15.4mmとした。そして二つのスリット４１ａのそれぞれの長さを9.9mmとし、幅を3mmとした。すなわち、スリット４１ａ内における、給電素子３３と放射素子４１間のギャップを0.4mmとした。

図１０（ａ）において、グラフ１００１は、基板２１の背面側においてループアンテナ１２が金属板と接するようにループアンテナ１２が配置された場合における、ループアンテナ１２のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ１００１に示されるように、ループアンテナ１２が金属上に配置された場合において、動作周波数2.45GHzにて、S11パラメータが-6dB以下となっていることが分かる。

図１０（ｂ）において、グラフ１０１１は、基板２１の背面側においてループアンテナ１２が金属板と接するようにループアンテナ１２が配置された場合における、ループアンテナ１２の正面方向の動作利得の周波数特性を表す。グラフ１０１１に示されるように、動作周波数2.45GHzにおいて、動作利得は略-3dBとなっており、ループアンテナ１２が金属上に配置されても、十分な動作利得が得られることが分かる。

なお、この変形例においても、放射素子の両端のそれぞれのスリット内において、給電素子と放射素子とを接続する集中定数素子が設けられてもよい。

さらに他の変形例によれば、放射素子にはスリットが形成されなくてもよい。

図１１は、この変形例による、ループアンテナの平面図である。この変形例によるループアンテナ１３は、ループアンテナ１と比較して、給電素子の両端の形状、及び、放射素子にスリットが形成されない点で相違する。

この変形例では、放射素子４２の両端にはスリットが形成されない。その代わりに、給電素子３４の両端のそれぞれが放射素子４２の端部に沿って拡がるように形成される。すなわち、給電素子３４の給電点３４ａから第１の方向に沿って延伸される第１の部分３４ｂ、及び、給電点３４ａから、第１の方向と逆向きの第２の方向に沿って延伸される第２の部分３４ｃの何れもＴ字状に形成される。そして給電素子３４の一端と放射素子４２の一端とが電磁結合可能なギャップを挟んで互いに対向し、かつ、給電素子３４の他端と放射素子４２の他端とが電磁結合可能なギャップを挟んで互いに対向するように、給電素子３４及び放射素子４２は配置される。またこの例でも、第１の方向に沿った第１の部分３４ｂの長さと第２の方向に沿った第２の部分３４ｃの長さとは、互いに等しいことが好ましい。

図１２（ａ）は、電磁界シミュレーションにより求めた、ループアンテナ１３のS11パラメータの周波数特性を示す図である。図１２（ｂ）は、電磁界シミュレーションにより求めた、ループアンテナ１３のトータル効率の周波数特性を示す図である。そして図１２（ｃ）は、電磁界シミュレーションにより求めた、正面方向における、ループアンテナ１３の動作利得の周波数特性を示す図である。図１２（ａ）〜図１２（ｃ）のそれぞれにおいて、横軸は周波数を表す。図１２（ａ）において、縦軸はS11パラメータを表し、図１２（ｂ）において、縦軸はトータル効率を表し、図１２（ｃ）において、縦軸は動作利得を表す。

このシミュレーションにおいて、ループアンテナ１３の動作周波数は2.45GHzである。また、基板２の比誘電率εr=4.0とし、基板２の誘電正接tanδ=0.02とした。また、給電素子３４及び放射素子４２の導電率を5x10⁷[S/m]とした。

また、放射素子４２によりループが形成される方向に沿った基板２の長さを40mmとし、基板２の厚さを1mmとした。また、ループが形成される方向と直交する方向における、放射素子４２の幅を30mmとし、放射素子４２の両端間の間隔を10.3mmとした。さらに、放射素子４２の端部と平行な方向における、給電素子３４の両端部の長さを20mmとし、ループが形成される方向に沿った幅を1mmとした。そして給電素子３４の端部と放射素子４２の端部間のギャップを0.2mmとした。さらに、給電素子３４の両端部間を接続する部分の幅を2.2mmとした。

図１２（ａ）において、グラフ１２０１は、ループアンテナ１３が空中に配置された場合における、ループアンテナ１３のS11パラメータの周波数特性を表す。またグラフ１２０２は、基板２の背面側においてループアンテナ１３が金属板と接するようにループアンテナ１３が配置された場合における、ループアンテナ１３のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ１２０１及びグラフ１２０２に示されるように、ループアンテナ１３が空気中に配置された場合及び金属上に配置された場合の何れにおいても、動作周波数2.45GHzにおいて、S11パラメータが、-3dB以下となっていることが分かる。

図１２（ｂ）において、グラフ１２１１は、ループアンテナ１３が空中に配置された場合における、ループアンテナ１３のトータル効率の周波数特性を表す。またグラフ１２１２は、基板２の背面側においてループアンテナ１３が金属板と接するようにループアンテナ１３が配置された場合における、ループアンテナ１３のトータル効率の周波数特性を表す。グラフ１２１１及びグラフ１２１２に示されるように、動作周波数2.45GHzにおいて、ループアンテナ１３が空気中に配置された場合のトータル効率とループアンテナ１３が金属上に配置された場合のトータル効率とが略等しいことが分かる。

図１２（ｃ）において、グラフ１２２１は、ループアンテナ１３が空中に配置された場合における、ループアンテナ１３の正面方向の動作利得の周波数特性を表す。またグラフ１２２２は、基板２の背面側においてループアンテナ１３が金属板と接するようにループアンテナ１３が配置された場合における、ループアンテナ１３の正面方向の動作利得の周波数特性を表す。グラフ１２２１及びグラフ１２２２に示されるように、動作周波数2.45GHzにおいて、ループアンテナ１３が空気中に配置された場合の正面方向の動作利得とループアンテナ１３が金属上に配置された場合の正面方向の動作利得は略等しいことが分かる。

このように、放射素子の両端部にスリットが形成されなくても、放射素子がその両端で給電素子から電磁結合を介して給電されることで、ループアンテナは、設置環境の違いによるアンテナ性能の劣化を抑制できる。
なお、この変形例においても、給電素子の一端と放射素子の一端間のギャップ、及び、給電素子の他端と放射素子の他端間のギャップのそれぞれにおいて、給電素子と放射素子とを接続する集中定数素子が設けられてもよい。

さらに他の変形例によれば、放射素子は、複数の導体で形成されてもよい。例えば、放射導体は、特開２０１１−１０９５５２号公報に開示されたループアンテナと同様に、２枚の板状の導体で形成されてもよい。この場合、上記の実施形態及び変形例と同様に、各導体の一端は、給電素子と電磁結合可能なように、基板の表面に位置し、かつ、互いに対向するように設けられる。そして各導体は、給電素子の長手方向における基板の端部において折り曲げられ、各導体の他端が基板の背面側にて互いに重なるように各導体は設けられる。そして基板の背面側にて、二つの導体が重なり合う部分には、二つの導体の間に誘電体のシートが設けられてもよい。そして二つの導体は、誘電体のシートを介して互いに電磁結合する。この変形例によれば、基板の背面側における二つの導体間の間隔を調整することで、ループアンテナのアンテナ特性を調整することができる。

図１３は、上記の実施形態またはその変形例の何れかによるループアンテナを有する電子機器を基板の表面側から見た、電子機器の概略斜視図である。図１４は、電子機器が有する回路のブロック図である。この例では、電子機器１００は、ビーコン装置であり、ループアンテナ１０１と、駆動電力生成部１０２と、メモリ１０３と、制御部１０４とを有する。このうち、駆動電力生成部１０２、メモリ１０３及び制御部１０４は、ループアンテナ１０１を介して無線信号を放射する信号処理回路１１０の一例である。また、メモリ１０３及び制御部１０４は、例えば、一つまたは複数の集積回路として形成される。そして信号処理回路１１０は、ループアンテナ１０１の基板２の表面において、ループアンテナ１０１の給電素子及び放射素子が設けられていない領域に配置される。

ループアンテナ１０１は、上記の各実施形態またはその変形例の何れかによるループアンテナである。そしてループアンテナ１０１は、例えば、制御部１０４から受け取った無線信号を無線電波として放射する。

駆動電力生成部１０２は、メモリ１０３及び制御部１０４を駆動するための電力を生成する。そのために、駆動電力生成部１０２は、例えば、太陽電池を有する。さらに、駆動電力生成部１０２は、太陽電池により生成された電力を蓄電するためのコンデンサといった蓄電素子を有していてもよい。そして駆動電力生成部１０２は、生成した電力をメモリ１０３及び制御部１０４へ供給する。

メモリ１０３は、不揮発性の半導体メモリ回路を有する。そしてメモリ１０３は、電子機器１００を他の電子機器と識別するためのＩＤコードを保持する。

制御部１０４は、少なくとも一つのプロセッサを有し、Bluetooth Low Energy(BLE)といった所定の無線通信規格に従った無線信号を生成する。その際、制御部１０４は、メモリ１０３から電子機器１００のＩＤコードを読み込み、そのＩＤコードを無線信号に含めてもよい。そして制御部１０４は、その無線信号をループアンテナ１０１へ出力し、ループアンテナ１０１に、その無線信号を無線電波として放射させる。

なお、電子機器１００は、Internet of Things(IoT)で利用されるセンサ端末であってもよい。この場合には、電子機器１００は、上記の各構成要素以外に、電子機器１００が取り付けられる物体に関する情報を検知するためのセンサを一つ以上有していてもよい。そして制御部１０４は、無線信号に、センサから得られた情報を含めてもよい。

あるいは、電子機器１００は、無線タグであってもよい。この場合には、駆動電力生成部１０２は、リーダライタ（図示せず）からループアンテナ１０１を介して受信した無線信号からメモリ１０３及び制御部１０４を駆動するための電力を生成してもよい。また制御部１０４は、ループアンテナ１０１から受信した無線信号を復調して、その無線信号により搬送された質問信号を取り出す。そして制御部１０４は、その質問信号に応じた応答信号を生成してもよい。その際、制御部１０４は、メモリ１０３からＩＤコードを読み込み、そのＩＤコードを応答信号に含める。そして制御部１０４は、その応答信号をループアンテナ１０１から放射する周波数を持つ無線信号に重畳する。そして制御部１０４は、その無線信号をループアンテナ１０１へ出力し、ループアンテナ１０１に、その無線信号を無線電波として放射させる。

ここに挙げられた全ての例及び特定の用語は、読者が、本発明及び当該技術の促進に対する本発明者により寄与された概念を理解することを助ける、教示的な目的において意図されたものであり、本発明の優位性及び劣等性を示すことに関する、本明細書の如何なる例の構成、そのような特定の挙げられた例及び条件に限定しないように解釈されるべきものである。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、本発明の精神及び範囲から外れることなく、様々な変更、置換及び修正をこれに加えることが可能であることを理解されたい。

１、１１−１３ループアンテナ
２、２１基板
３、３１−３４給電素子
３ａ、３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ給電点
３ｂ、３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂ第１の部分
３ｃ、３１ｃ、３２ｃ、３３ｃ、３４ｃ第２の部分
４、４１、４２放射素子
４ａ、４１ａスリット
５容量素子
１００電子機器
１０１ループアンテナ
１０２駆動電力生成部
１０３メモリ
１０４制御部
１１０信号処理回路

Claims

基板と、
前記基板の第１の面に設けられ、導電性を有し、給電点にて給電され、かつ、前記給電点から第１の方向に沿って延伸される第１の部分と前記給電点から第２の方向に沿って延伸される第２の部分とを有する給電素子と、
導電性を有し、前記第１の面に直交する面に沿って前記基板を囲むようにループ状に形成され、かつ、一端が前記第１の面にて前記給電素子の前記第１の部分と電磁結合し、かつ、他端が前記第１の面にて前記給電素子の前記第２の部分と電磁結合するように設けられ、かつ、前記一端と前記他端とが間隔を空けて配置される放射素子と、
を有し、
前記放射素子の前記一端には第１のスリットが形成され、前記給電素子の前記第１の部分は前記第１のスリット内に電磁結合可能なギャップを空けて配置され、かつ、前記放射素子の前記他端には第２のスリットが形成され、前記給電素子の前記第２の部分は前記第２のスリット内に電磁結合可能なギャップを空けて配置され、
前記スリットの長さを調整することによってインピーダンスが調整され、前記放射素子の前記一端と前記他端との間隔を調整することによって共振周波数が調整されるループアンテナ。
前記放射素子の前記一端と前記給電素子の前記第１の部分とを接続し、かつ、容量成分またはインダクタンス成分を有する第１の集中定数素子と、
前記放射素子の前記他端と前記給電素子の前記第２の部分とを接続し、かつ、容量成分またはインダクタンス成分を有する第２の集中定数素子と、
をさらに有する、請求項１に記載のループアンテナ。
前記第１の方向に沿った前記給電素子の前記第１の部分の長さと前記第２の方向に沿った前記給電素子の前記第２の部分の長さの和は設計波長の電気長の1/2以下である、請求項１または２に記載のループアンテナ。
ループアンテナと、
前記ループアンテナを介して無線電波を放射または受信する信号処理回路とを有し、
前記ループアンテナは、
基板と、
前記基板の第１の面に設けられ、導電性を有し、給電点にて給電され、かつ、前記給電点から第１の方向に沿って延伸される第１の部分と前記給電点から第２の方向に沿って延伸される第２の部分とを有する給電素子と、
導電性を有し、前記第１の面に直交する面に沿って前記基板を囲むようにループ状に形成され、かつ、一端が前記第１の面にて前記給電素子の前記第１の部分と電磁結合し、かつ、他端が前記第１の面にて前記給電素子の前記第２の部分と電磁結合するように設けられ、かつ、前記一端と前記他端とが間隔を空けて配置される放射素子と、
を有し、
前記放射素子の前記一端には第１のスリットが形成され、前記給電素子の前記第１の部分は前記第１のスリット内に電磁結合可能なギャップを空けて配置され、かつ、前記放射素子の前記他端には第２のスリットが形成され、前記給電素子の前記第２の部分は前記第２のスリット内に電磁結合可能なギャップを空けて配置され、前記スリットの長さを調整することによってインピーダンスが調整され、前記放射素子の前記一端と前記他端との間隔を調整することによって共振周波数が調整され、
前記信号処理回路は、前記基板の前記第１の面において前記給電素子及び前記放射素子が形成されていない領域に設けられる、
電子機器。