JP7308072B2 - 平面アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、平面アンテナに関する。

近年、ＩｏＴ化が進む中で、人の位置や生体情報を常時収集し、見守りや健康管理に活用する取り組みが注目されている。生体情報を常時取得するためには、人体にセンサを常に装着しておく必要があるが、端末の動作には電池の交換または充電が必要となり、長期間駆動させ続けるには手間が発生する。

電池交換・充電の課題を解決する手段として、無線による給電方法が注目を集めている。無線給電を行うためには、電磁波を電力に変換するために大面積かつ多層構造のアンテナを使用する必要がある。

特に、平面アンテナは、軽量かつ製作が容易で、指向性に優れるためこの種の用途への適用が期待されている。この点、大面積のアンテナを搭載した生体情報取得センサを人体に自然に装着（例えば、人体の腕などに巻き付けられる）するためには、平面アンテナがフレキシブルである必要がある。しかしながら、高効率な平面アンテナは、一般的に大面積かつ多層構造になっており、フレキシブル化に対応したものは少ない。

図３Ａ、図３Ｂは、特許文献１に記載の平面アンテナの構成を示す図である。尚、図３Ａは、製造途中の平面アンテナの状態を示す図であり、図３Ｂは、完成された平面アンテナの状態を示す図である。

この平面アンテナにおいては、電源配線などが多層基板たる誘電体板３０１内に形成され、電子回路と一体化されている。又、この平面アンテナでは、誘電体板３０１の一方側の面に、折り曲げ可能なアンテナ板３０２を取り付けられた構造となっている。そして、この平面アンテナは、アンテナ板３０２を折り曲げることによって、当該アンテナ板３０２で誘電体板３０１を挟み込む状態に変形されて使用される。尚、この平面アンテナは、アンテナ板３０２のうちの誘電体板３０１の一方側にのみ放射素子が形成されるようにして、パッチアンテナとして構成されている。

特許文献１に記載の平面アンテナでは、かかる構成によって、アンテナ板３０２の大面積化を図り、高効率化を図っている。

特開２００３－３３２８３０号公報

ところで、従来技術に係る平面アンテナとしては、板金で製作されたアンテナ板とグランド板とが、空気層を挟んで対向して配設された構造が知られている。また、平面アンテナの他の構造としては、誘電体基板の一方の面にアンテナ部を構成する金属パターンを形成し、他方の面にグランドを構成する金属パターンを形成する構造が知られている。

しかしながら、従来技術に係る平面アンテナは、いずれも物理的に曲げる事が困難である。そのため、従来技術に係る平面アンテナは、人体への装着性等の点で、課題がある。

本開示は、上記問題点に鑑みてなされたもので、フレキシブル性を有する平面アンテナを提供することを目的とする。

前述した課題を解決する主たる本開示は、
フレキシブル性を有する誘電体基板と、
前記誘電体基板の第１面上に形成された放射導体層と、
前記誘電体基板の前記第１面とは反対側の第２面上に形成されたグランド導体層と、
を備え、
前記グランド導体層は、所定方向に延在する複数のスリットにより、複数のストリップ部に分割して形成されている、
平面アンテナである。

本発明の平面アンテナは、グランド板にスリットを入れ、アンテナ全体をフレキシブル化することで、人体への自然な装着が可能となる。

本発明の平面アンテナの全体構成を示す図 本発明の平面アンテナの全体構成を示す図 本発明の平面アンテナの全体構成を示す図 本発明の平面アンテナのグランド板に形成されたスリットの状態を示す拡大図 本発明の平面アンテナのグランド板に形成されたスリットの状態を示す拡大図 特許文献１に記載の平面アンテナの構成を示す図 特許文献１に記載の平面アンテナの構成を示す図

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜全体構造＞
以下、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、図２Ａ、図２Ｂを参照して、一実施形態に係る平面アンテナの構成の一例について説明する。

本実施形態に係る平面アンテナは、例えば、情報通信が可能なマイクロ波無線給電用のアンテナとして使用される。この平面アンテナ１０１は、腕に巻いて使用するなど、人体や金属材などの付近で高効率に動作し、かつ曲面対応が可能である。尚、この平面アンテナは、電磁波を送信する用途及び受信する用途のいずれにも適用可能である。

図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃは、平面アンテナ１０１の全体構成を示す図である。図１Ａは、平面アンテナ１０１の底面図である。図１Ｂは、非湾曲時の平面アンテナ１０１の側面図である。図１Ｃは、湾曲時の平面アンテナ１０１の側面図である。

図２Ａ、図２Ｂは、グランド導体層１０４に形成されたスリットＬａの状態を示す拡大図である。図２Ａは、平面アンテナ１０１が非湾曲状態のときのスリットＬａの状態を示し、図２Ｂは、平面アンテナ１０１が湾曲状態のときのスリットＬａの状態を示す。

平面アンテナ１０１は、誘電体基板１０２、誘電体基板１０２上の第１面上に配設された放射導体層１０３、及び、誘電体基板１０２の第１面とは反対側の第２面上に配設されたグランド導体層１０４を備えている。

平面アンテナ１０１は、外力が作用していないときには平面形状を呈し（図１Ｂを参照）、誘電体基板１０２の一方側及び他方側をグランド導体層１０４側に撓ませるように外力が作用した場合には、湾曲形状に変形し得る（図１Ｃを参照）ように構成されている。平面アンテナ１０１は、湾曲形状に変形する際には、グランド導体層１０４を内側に、且つ、放射導体層１０３を外側にして、弾性変形する。

＜誘電体基板１０２＞
誘電体基板１０２は、平面アンテナ１０１の基材として使用される。また、誘電体基板１０２は、放射導体層１０３とグランド導体層１０４の間隔を一定に保つ役割を果たす。

従来技術に係る平面アンテナでは、放射板及びグランド板それぞれが板金で製作され、放射板とグランド板との間に空気層が設けられた構成となっている。かかる構成においては、放射板とグランド板との間に距離を保つことは可能であるが、フレキシブル平面アンテナとしての応用は不可能となる。

かかる観点から、本実施形態に係る誘電体基板１０２としては、柔軟な弾性特性を有する誘電体材料が使用され、平面アンテナ１０１全体のフレキシブル性が確保されている。又、誘電体基板１０２に用いる誘電体材料としては、電気的な特性が空気に近い方が望ましく、できるだけ低誘電率且つ低誘電正接のものが望ましい。電気特性の優れた材料の例としては、例えば、フッ素樹脂、フッ化炭素樹脂、具体的には、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等が挙げられる。例えば、誘電体基板１０２は、ＰＴＦＥを更に低誘電率、低誘電正接化、またよりフレキシブル化するため、延伸して内部に空気を含んだ状態にして形成される。

ここで、フレキシブル性とは、図１Ｃのように、湾曲できることをいう。全体として円筒の側面のように湾曲できる。

誘電体基板１０２の形状は、任意であるが、例えば、平面視で、略正方形形状を呈する。誘電体基板１０２の厚みは、無線給電を行う周波数（波長）帯により変化し、例えば、約２ｍｍから５ｍｍ程度に設定される。尚、誘電体基板１０２の平面視の一辺の長さは、例えば、波長の１／６～１／２程度である。

尚、誘電体基板１０２は、多層基板であってよい。又、誘電体基板１０２内には、放射導体層１０３が受電した高周波電流を伝播する用途、又は、放射導体層１０３から電波を放射させるために放射導体層１０３に高周波電流を給電する用途として、電力線（例えば、マイクロストリップライン）（図示せず）が形成されていてもよい。

＜放射導体層１０３＞
放射導体層１０３は、外部から照射された電波を電流に変換し、又は、給電された電流を外部に放射する電波に変換する。尚、放射導体層１０３は、例えば、グランド導体層１０４との協働により、パッチアンテナとして機能する。

放射導体層１０３は、誘電体基板１０２の第１面上に、２０～３０μｍ程度の厚みの導体（例えば、銅）により形成される。放射導体層１０３の形成方法としては、例えば、メッキ、又は印刷等が挙げられる。放射導体層１０３は、例えば、直径がλ／２（但し、λは送信又は受信する電波の波長を表す）の円形状に形成されている。

平面アンテナ１０１が平面形状から湾曲形状に変形する際には、放射導体層１０３が伸びるか又はグランド導体層１０４が縮む必要がある。但し、放射導体層１０３の寸法は、放射導体層１０３の動作周波数に密接に関係しているため、平面アンテナ１０１が変形する際には、放射導体層１０３の長さは常に一定であることが望ましい。故に、本実施形態に係る平面アンテナ１０１においては、グランド導体層１０４に収縮可能な機構が設けられることにより、放射導体層１０３の寸法を変化させることなく、当該平面アンテナ１０１を湾曲状に変形可能としている。

＜グランド導体層１０４＞
グランド導体層１０４は、誘電体基板１０２を介して放射導体層１０３に対向して配設され、放射導体層１０３が動作する際にグランド（ＧＮＤ）として機能する。

グランド導体層１０４は、誘電体基板１０２の第２面上の全面に、２０～３０μｍ程度の厚みの導体により形成される。また、グランド導体層１０４は、人体や金属材などの対象物に張り付ける側となる。

グランド導体層１０４を内側として曲げる際、放射導体層１０３が伸びることなく全体が曲がるためには、グランド導体層１０４が収縮する必要がある。グランド導体層１０４を収縮するための機構として、当該グランド導体層１０４は、一方向に延在する複数のスリットＬａにより、互いに分割された複数のストリップ部Ｌとして形成されている。

複数のストリップ部Ｌは、平面アンテナ１０１が平板形状のときには互いに非接触で非導通状態であり、平面アンテナ１０１が所定の曲げ半径まで湾曲形状に変形した際に全てが接触して導通する。

尚、ストリップ部Ｌは、例えば、一面に形成した銅メッキ材を、パターニングすることによって、形成される。

＜スリットＬａ＞
スリットＬａは、平面アンテナ１０１が湾曲形状に変形する際に、放射導体層１０３とグランド導体層１０４との曲率半径の違いを吸収するために形成される。平面アンテナ１０１がグランド導体層１０４を内側に湾曲した際、スリットＬａが収縮分を吸収し、互いに隔てられていた複数のストリップ部Ｌが導通する。これによって、平面アンテナ１０１が動作することになる。

平面アンテナ１０１を曲げた際に複数のストリップ部Ｌそれぞれが接触し、全体として導通するためには、スリットＬａの１本の幅を指定する必要がある。スリットＬａの幅は、例えば、平面アンテナ１０１の厚さと、張り付ける対象物の曲率半径で決定される。

平面アンテナ１０１の放射効率を高めるために、放射導体層１０３とグランド導体層１０４の間の距離は、常に一定（例えば、数ｍｍ）に保たれることが望ましい。この点、仮に、２つの距離を一定に保つために、低誘電率・低誘電正接の誘電体基板を用いて、その両面に金属膜を形成することで平面アンテナを構成した場合を考慮する。この場合、当該平面アンテナを曲げると、アンテナの両面で曲率半径に差が生じる。金属膜はその差を吸収する事が困難なため、フレキシブル性が失われるか、もしくは、曲げの力に耐えきれずに折れ曲がる等の不都合が生じる。

この課題解決のためには、平面アンテナ１０１を曲げる際に外側となる放射導体層１０３を延伸に対応した形状とするか、平面アンテナ１０１を曲げる際に内側となるグランド導体層１０４を収縮に対応した形状とすることが必要となる。しかし、前述したように、放射導体層１０３はその長さに変化があるとアンテナの動作周波数が変化してしまうため、延伸への対応は望ましくない。そこで、本実施形態に係る平面アンテナ１０１においては、グランド導体層１０４にスリットＬａを形成することで、放射導体層１０３を延伸させることなく、当該平面アンテナ１０１のフレキシブル化を達成する。

ここで、スリットＬａの幅の設定方法の一例について、説明する。

平面アンテナ１０１を曲げた際の、平面アンテナ１０１全体の厚みをｈ、平面アンテナ１０１を装着する対象の腕の曲率半径をＲとすると、誘電体基板１０２内側（グランド導体層１０４側）の収縮率αは、α＝Ｒ／（Ｒ＋ｈ）で表される。尚、ここでは、誘電体基板１０２の外側（放射導体層１０３側）は延伸しないものとする。

ここで、平面状態のグランド導体層１０４の全長をｘとすると、曲率半径Ｒで曲げた際のグランド導体層１０４の長さが（１－α）ｘとなれば、スリットＬａにより隔てられた複数のストリップ部Ｌそれぞれが接触し、全体として導通することになる。かかる観点から、スリットＬａの合計長さが、αｘであればよい。つまり、スリットＬａがｎ本形成されると、スリットＬａ一本辺りの幅が、αｘ／ｎであればよい。

例えば、平面アンテナ１０１の全長が１００［ｍｍ］、厚さｈが５［ｍｍ］で、Ｒ＝２０［ｍｍ］で腕に巻き付け、スリットＬａを２０本入れる場合には、誘電体基板１０２の内側は２０％収縮するため、スリットＬａ一本の幅は１．０［ｍｍ］と設定すればよい。

＜動作＞
次に、本実施形態に係る平面アンテナ１０１の使用時の動作について説明する。

平面アンテナ１０１が平板形状のときには、スリットＬａが複数のストリップ部Ｌを互いに隔てている。そのため、グランド導体層１０４は、全体として導通しておらず、平面アンテナ１０１は、動作しない。

一方、平面アンテナ１０１を腕等に巻き付けた際には、スリットＬａが平面アンテナ１０１内側の収縮分を吸収することになるため、複数のストリップ部Ｌ同士が接触する。これによって、平面アンテナ１０１は、動作することになる。

＜効果＞
以上のように、本実施形態に係る平面アンテナ１０１は、フレキシブル性を有する誘電体基板１０２と、誘電体基板１０２の第１面上に形成された放射導体層１０３と、誘電体基板１０２の第１面とは反対側の第２面上に形成されたグランド導体層１０４と、を備え、グランド導体層１０４は、所定方向に延在する複数のスリットＬａにより、複数のストリップ部Ｌに分割して形成されている。

従って、本実施形態に係る平面アンテナ１０１によれば、フレキシブル性を有する平面アンテナを実現することが可能である。そして、これによって、人体など、様々な曲面上に取り付け、生体センシングデバイス等に適用することが可能となる。

本願発明のフレキシブル平面アンテナは、主に人体に張り付けることで、生体センシングデバイスとして幅広く活用することが出来る。これにより、情報通信・無線給電用のアンテナを腕などに自然に張り付けることが可能となるため、例えば、生体情報を違和感無く日常的に測定する事などの応用が可能となる。

１０１ 平面アンテナ
１０２ 誘電体基板
１０３ 放射導体層
１０４ グランド導体層
Ｌ ストリップ部
Ｌａ スリット
３０１ 誘電体板
３０２ アンテナ板

Claims (4)

1. フレキシブル性を有する誘電体基板と、
   前記誘電体基板の第１面上に形成された放射導体層と、
   前記誘電体基板の前記第１面とは反対側の第２面上に形成されたグランド導体層と、
   を備えた平面アンテナであり、
   前記グランド導体層は、所定方向に延在する複数のスリットにより、複数のストリップ部に分割して形成されており、
   前記放射導体層が動作する際に前記グランド導体層はグランドとして機能し、
   前記複数のストリップ部は、前記平面アンテナが平面形状の時に互いに非接触で非導通状態であり、前記平面アンテナが所定の曲げ半径まで湾曲形状に変形した際に全てが接触して導通する、
   平面アンテナ。
2. 前記グランド導体層を内側にし、且つ、前記放射導体層を外側にして、平板形状から湾曲形状に変形可能に構成されている、
   請求項１に記載の平面アンテナ。
3. 前記誘電体基板は、フッ素樹脂である、
   請求項１または２に記載の平面アンテナ。
4. 前記放射導体層に電力線が形成された、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の平面アンテナ。

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