(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１及び第２の周波数帯域の無線信号を透過する誘電体材料を介して、互いに対向して配置される第１及び第２の結合コイルと、
前記第１の結合コイルから延伸し、第１の周波数帯域の無線信号を送信するための第１のアンテナと、
前記誘電体材料に対して前記第２の結合コイルと同じ側に配置され、前記第１及び第２の結合コイルの内周側を通して第２の周波数帯域の無線信号を受信するための第２のアンテナと、を備え、
前記第１及び第２の結合コイルは互いに自己共振周波数が等しい自己共振コイルであり、前記第１及び第２の結合コイルの磁界共鳴により、前記第２の結合コイルに給電された前記第１の周波数帯域の無線信号を、前記誘電体材料を介して前記第１のアンテナに伝送することを特徴とする複合アンテナ。
【請求項２】
前記第１の結合コイルが、スパイラルコイルである請求項１に記載の複合アンテナ。
【請求項３】
前記第１及び第２の結合コイルの内周の形状が円または楕円である請求項１または請求項２に記載の複合アンテナ。
【請求項４】
前記第１及び第２の結合コイルの内周の形状の直径または短径が、前記第２の周波数帯域の無線信号が前記第１及び第２の結合コイルの内周側を通過可能な長さである請求項３に記載の複合アンテナ。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の複合アンテナと、
少なくとも前記第１及び第２の周波数帯域の無線信号を透過する誘電体材料からなる気密容器と、を備え、
前記気密容器の外部に前記第１の結合コイル及び前記第１のアンテナが配置され、前記気密容器の内部に前記第２の結合コイル及び前記第２のアンテナが配置されることを特徴とする複合アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合アンテナ及び複合アンテナ装置に係り、特に、異なる周波数で作動する異種類のアンテナを一体化した複合アンテナ及び複合アンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、異なる周波数で作動する異種類のアンテナを一体化した複合アンテナが提案されている（例えば、特許文献１参照）。従来の複合アンテナは、例えば、船舶が遭難したときに自動的に海面に浮上し、受信したＧＰＳ信号から自己の位置を割り出し、その位置情報を乗せたビーコン信号を人工衛星に向けて送信する衛星系イパーブ（ＥＰＩＲＢ：Emergency Position Indicate Radio Beacon）に搭載されていた。
【０００３】
図１０は、特許文献１に開示された従来の複合アンテナの構成を示す説明図である。図１０に示すように、従来の複合アンテナは、筺体３０（図１０にはその上部のみが図示されている）内に配置されるＧＰＳ信号用のパッチアンテナ３１と、筺体３０を貫通するように配置されるビーコン信号用のモノポールアンテナ３２と、を備えるものである。なお、筺体３０の水密性は、筺体３０の貫通孔における水密パッキン３３により実現されている。
【０００４】
パッチアンテナ３１の中央部には、モノポールアンテナ３２を貫通させるための貫通孔３４が形成されている。即ち、高い周波数を受け持つアンテナ（パッチアンテナ３１）と低い周波数を受け持つアンテナ（モノポールアンテナ３２）の設置場所が共用となっている。さらに、モノポールアンテナ３２の下部には、モノポールアンテナ３２と無線機（ビーコン送信機３５）とをインピーダンス整合させるための整合素子３６が配置されている。
【０００５】
ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号は、パッチアンテナ３１で受信されて、ＧＰＳ受信機３７へ送られる。ＧＰＳ受信機３７はこの信号によって自己の位置を算出する。算出された位置情報はビーコン送信機３５へ送られて、所定の周波数の搬送波に乗せられてモノポールアンテナ３２から空間へ放射される。ビーコン送信機３５及びＧＰＳ受信機３７には、電池３８から必要な電力が供給されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２４７８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示されたような従来の複合アンテナが、海中または海面上で使用される状況にあっては、アンテナ素子と内部の電子回路を保護するために防水構造とすることが必須である。ＧＰＳ信号用のパッチアンテナは、平面構造であるため、電波を透過しやすい材質からなる防水ケース内に配置可能である。しかしながら、モノポールアンテナは、その形状により防水ケースを貫通させる必要があり、貫通部分の防水構造部分から浸水が起こりやすいという課題があった。
【０００８】
さらに、モノポールアンテナの下部には整合素子が必要な場合が多く、複合アンテナの構造が複雑になるとともに、複合アンテナが搭載される装置全体の大型化を招くという課題もあった。
【０００９】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、整合素子を不要とした複合アンテナと、該複合アンテナを搭載した水密性及び気密性の高い小型の複合アンテナ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の複合アンテナは、少なくとも第１及び第２の周波数帯域の無線信号を透過する誘電体材料を介して、互いに対向して配置される第１及び第２の結合コイルと、前記第１の結合コイルから延伸し、第１の周波数帯域の無線信号を送信するための第１のアンテナと、前記誘電体材料に対して前記第２の結合コイルと同じ側に配置され、前記第１及び第２の結合コイルの内周側を通して第２の周波数帯域の無線信号を受信するための第２のアンテナと、を備え、前記第１及び第２の結合コイルのうち、少なくとも前記第１の結合コイルが自己共振コイルであり、前記第２の結合コイルに給電された前記第１の周波数帯域の無線信号を、前記誘電体材料を介して前記第１のアンテナに伝送することを特徴とする構成を有している。
【００１１】
この構成により、本発明の複合アンテナは、第２の結合コイルに給電された第１の周波数帯域の無線信号を、自己共振コイルである第１の結合コイルに接続された第１のアンテナに伝送することができる。
【００１２】
さらに、本発明の複合アンテナは、第１のアンテナと無線機とのインピーダンス整合を第１の結合コイルと第２の結合コイルで行うことにより、別途整合素子を設ける必要がないという利点を有する。これにより、従来と比較して、複合アンテナの信頼性が高くなり、構造も簡略化することが可能となる。さらに、複合アンテナ及びそれを備える装置の小型化、軽量化、及び低コスト化を図ることも可能となる。
【００１３】
また、本発明の複合アンテナは、第１及び第２の結合コイルが共に自己共振コイルであり、前記第１及び第２の結合コイルの磁界共鳴により、前記第２の結合コイルに給電された前記第１の周波数帯域の無線信号を、前記誘電体材料を介して前記第１のアンテナに伝送することを特徴とする構成を有していてもよい。
【００１４】
また、本発明の複合アンテナは、前記第１の結合コイルが、スパイラルコイルである構成を有していてもよい。
また、本発明の複合アンテナは、前記第１及び第２の結合コイルの内周の形状が円または楕円である構成を有していてもよい。
【００１５】
また、本発明の複合アンテナは、前記第１及び第２の結合コイルの内周の形状の直径または短径が、前記第２の周波数帯域の無線信号が前記第１及び第２の結合コイルの内周側を通過可能な長さである構成を有していてもよい。
【００１６】
また、本発明の複合アンテナ装置は、上記のいずれかの複合アンテナと、少なくとも前記第１及び第２の周波数帯域の無線信号を透過する誘電体材料からなる気密容器と、を備え、前記気密容器の外部に前記第１の結合コイル及び前記第１のアンテナが配置され、前記気密容器の内部に前記第２の結合コイル及び前記第２のアンテナが配置されることを特徴とする構成を有している。
【００１７】
この構成により、本発明の複合アンテナ装置は、気密容器にアンテナを貫通させるための貫通孔を設ける必要がないため、気密容器内への浸水事故を防止することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、整合素子を不要とした複合アンテナと、該複合アンテナを搭載した水密性及び気密性の高い小型の複合アンテナ装置を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】磁界共鳴を用いた無線電力伝送技術を説明するための説明図
【図２】本発明に係る複合アンテナを備えた複合アンテナ装置の概略構成を示す説明図
【図３】本発明に係る複合アンテナの概略構成を示す斜視図
【図４】気密容器の外側に設置される第１の結合コイルの構成例を示す説明図
【図５】巻線の線径に対する隙間の比率とＱ値との関係を示すグラフ
【図６】第１の結合コイルの構成を模式的に示す断面図
【図７】整合コイルと第１のアンテナを一体化した構成を示す説明図
【図８】気密容器の内側に設置される第２の結合コイルの構成例を示す説明図
【図９】第１の結合コイル、第２の結合コイル、及び第１のアンテナの反射損失Ｓ11をシミュレーションした結果を示すグラフ
【図１０】従来の複合アンテナの構成を示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明は、米国特許第７８２５５４３号明細書等に開示された、磁界共鳴を用いた無線電力伝送技術を応用して、気密容器に貫通孔を設けることなく、気密容器の内部の無線機から、気密容器の外部のアンテナに無線信号を伝送するものである。
【００２１】
以下、図１を参照しながら、磁界共鳴を用いた無線電力伝送技術の概要を説明する。図１に示すように、米国特許第７８２５５４３号明細書等に開示された無線電力伝送技術は、電力送信側に配置される励振コイル４０及び共振コイル４１と、電力受信側に配置される共振コイル４２及び励振コイル４３と、を用いるものである。
【００２２】
共振コイル４１及び４２は、それらの持つインダクタンスＬと、巻線の線間容量Ｃの調整により、高いＱ値を有するとともに、両者が同一の共振周波数で自己共振する磁界共鳴関係となるように設計されている。
【００２３】
高周波電源４４によって、巻数が１の励振コイル４０に高周波電力が印加されると、電磁誘導により、巻数が１の励振コイル４０から共振コイル４１に高周波電力が供給される。共振コイル４１に供給された高周波電力は、磁界共鳴により共振コイル４１から所定距離だけ離れて配置された共振コイル４２に伝送される。さらに、共振コイル４２からの高周波電力は、電磁誘導により巻数が１の励振コイル４３に伝送され、励振コイル４３に接続された負荷４５によって取り出される。
【００２４】
このようにして、磁界共鳴を用いることにより、一般的な電磁誘導による電力伝送と比較して、より長距離高効率の電力伝送が可能となる。
【００２５】
以下、本発明に係る複合アンテナ及び複合アンテナ装置の実施形態について図面を用いて説明する。なお、各図面上の各構成の寸法比は、実際の寸法比と必ずしも一致していない。
【００２６】
図２は、本実施形態に係る複合アンテナ１０を備えた複合アンテナ装置１の概略構成を示す説明図である。また、図３は、複合アンテナ１０の概略構成を示す斜視図である。
【００２７】
即ち、本実施形態の複合アンテナ装置１は、第１の周波数帯域の無線信号を送信し、第２の周波数帯域の無線信号を受信するための複合アンテナ１０と、少なくとも第１及び第２の周波数帯域の無線信号を透過する誘電体材料からなる気密容器１１と、複合アンテナ１０を介して、第１の周波数帯域の無線信号を送信するとともに、第２の周波数帯域の無線信号を受信する無線通信装置１２と、無線通信装置１２に電力を供給する電池などの電源１３と、を具備する。
【００２８】
気密容器１１としては、海底や宇宙空間での使用に耐えられる程度に、水密性及び気密性が高いものを想定している。気密容器１１の形状は、例えば球体状であり、直径は３０ｃｍ程度である。
【００２９】
無線通信装置１２は、第１のアンテナ１６を介して第１の周波数帯域の無線信号を送信する送信機１８と、第２のアンテナ１７を介して第２の周波数帯域の無線信号を受信する受信機１９と、を有する。
【００３０】
複合アンテナ１０は、少なくとも第１及び第２の周波数帯域の無線信号を透過する気密容器１１の壁を介して、互いに対向して配置される第１の結合コイル１４及び第２の結合コイル１５と、第１の結合コイル１４から延伸し、第１の周波数帯域の無線信号を送信するための第１のアンテナ１６と、を備える。
【００３１】
また、複合アンテナ１０は、気密容器１１の壁に対して第２の結合コイル１５と同じ側に配置され、第１及び第２の結合コイル１４、１５の内周側を通して第２の周波数帯域の無線信号を受信するための第２のアンテナ１７と、を備える。
【００３２】
即ち、複合アンテナ装置１は、第１の結合コイル１４及び第１のアンテナ１６を気密容器１１の外部に備え、第２の結合コイル１５、第２のアンテナ１７、無線通信装置１２、及び電源１３を気密容器１１の内部に備える。
【００３３】
第１の周波数帯域としては、ＶＨＦ帯からＵＨＦ帯を想定している。また、第２の周波数帯域としては、ＵＨＦ帯を想定しており、例えばＧＰＳ衛星から送信されるＧＰＳ信号の周波数帯域である１．５ＧＨｚ帯が挙げられる。なお、第１及び第２の周波数帯域は上記の例に限定されるものではない。
【００３４】
第１のアンテナ１６としては、例えば、上記ＶＨＦ帯からＵＨＦ帯の無線信号を送信可能なモノポールアンテナ（ホイップアンテナ）を想定している。また、第２のアンテナ１７としては、ＧＰＳ信号受信用のパッチアンテナを想定している。なお、第１及び第２のアンテナの種類は上記の例に限定されるものではない。
【００３５】
第１及び第２の結合コイル１４、１５の内周の形状は、円、楕円、または多角形などであるとよい。また、内周の形状の直径または短径は、第２の周波数帯域の無線信号が、第１及び第２の結合コイル１４、１５に妨げられることなく、それらの内周側を通過して第２のアンテナ１７に受信される長さである必要がある。例えば、上記の長さは、第２の周波数帯域の無線信号の波長の１／２以上であることが望ましい。
【００３６】
図４は、気密容器１１の外側に設置される第１の結合コイル１４の構成例を示す説明図である。第１の結合コイル１４としては、中央部に巻線のないスパイラルコイルが好適に用いられる。第１の結合コイル１４の内端部１４ｂはオープンとなっており、外端部１４ａは第１のアンテナ１６と接続可能となっている。
【００３７】
第１の結合コイル１４は、巻線の線間容量ＣとインダクタンスＬにより、所定の共振周波数で自己共振する自己共振コイルである。以下、高いＱ値を有する第１の結合コイル１４の設計手法について説明する。
【００３８】
第１の結合コイル１４のＱ値は、巻線の抵抗値Ｒ、インダクタンスＬ、及び線間容量Ｃにより、［数１］で表される。また、第１の結合コイル１４の自己共振周波数ｆ0は［数２］で表される。
【数１】
0005944726.tif 000002
【数２】
0005944726.tif 000003
【００３９】
［数１］より、高いＱ値を実現するためには、巻線の抵抗値Ｒ及び線間容量Ｃを小さくすればよいことが分かる。抵抗値Ｒを小さくするためには、導電率が高く、太い線材を用いればよい。さらに、線間容量Ｃを小さくするためには、第１の結合コイル１４の平均径（直径）を大きくして、巻線の線間を広くすればよい。
【００４０】
また、スパイラルコイルのインダクタンスＬ［Ｈ］は、次式から求めることができる。ここで、ｒはコイルの平均半径［ｍ］、Ｎは巻数、ｄはコイルの厚さ（外径と内径の差）［ｍ］である。
【数３】
0005944726.tif 000004
【００４１】
また、平行線間に生じる単位長さ当たりの線間容量Ｃは次式で表される。ここでは、ａを巻線の半径［ｍ］、ｂを隣り合う巻線の線間距離の１／２の値［ｍ］、εを真空の誘電率［Ｆ／ｍ］として得られるＣをスパイラルコイルの線間容量Ｃと見なしている。
【数４】
0005944726.tif 000005
【００４２】
また次式より、巻線の表皮深さδ［ｍ］を求めることができる。ここで、ｆは第１の周波数帯域の無線信号の周波数［Ｈｚ］、ωは角速度［ｒａｄ／ｓ］、μは透磁率［Ｈ／ｍ］、σは導電率［Ｓ／ｍ］である。
【数５】
0005944726.tif 000006
【００４３】
さらに次式により、表皮効果を考慮に入れた巻線の抵抗値Ｒａ［Ω］を求めることができる。ここで、ｌ（エル）は巻線の長さ［ｍ］、ｃは巻線の周長［ｍ］である。
【数６】
0005944726.tif 000007
【００４４】
従って、まず、［数２］で求まる自己共振周波数ｆ0が第１の周波数帯域の無線信号の周波数ｆに等しくなるように、Ｌ×Ｃの値を決定する。そして、［数１］のＲ、Ｌ、及びＣに、それぞれ［数６］のＲａ、［数３］のＬ、及び、［数４］のＣを代入することにより、スパイラルコイルとしての第１の結合コイル１４のＱ値を求めることができる。
【００４５】
上記の［数４］から、抵抗値Ｒを小さくするために巻線の半径ａを大きくすると、線間容量Ｃが大きくなり、結果として［数１］に示したＱ値の低下をもたらすことが分かる。また、［数２］及び［数３］から、所望の自己共振周波数ｆ0を得るためには、コイルの平均半径ｒと巻数Ｎの関係に制約が生じることが分かる。従って、巻線の半径ａ、コイルの平均半径ｒ（内径及び外径）、並びに、巻数Ｎの兼ね合いで、Ｑ値の最大値が求まることが推察される。
【００４６】
ここで一例として、［数１］〜［数６］に基づいて、内径１００ｍｍ、線径１ｍｍ、導電率σが銅の約半分であり、自己共振周波数ｆ0が１０ＭＨｚとなる第１の結合コイル１４を設計する場合を考察する。即ち、ここでは、巻線の半径ａとコイルの平均半径ｒを一定とし、巻数Ｎを調整する例について説明する。
【００４７】
図５は、上記の設計値で設計された第１の結合コイル１４のＱ値を［数１］〜［数６］より算出した結果を示すグラフである。また、図６は、第１の結合コイル１４の構成を模式的に示す断面図である。
【００４８】
図５のグラフは、隣り合う巻線の隙間（＝隣り合う巻線の線間距離２ｂ−巻線の線径２ａ）と線径の比率に対するＱ値の変化を示している。ここでは、平均半径ｒ、及び、巻線の線径を一定としているため、自己共振周波数ｆ0が一定となるように、巻数Ｎを３．９〜５．２回の範囲でそれぞれ調整している。
【００４９】
図５のグラフから分かるように、高いＱ値を得るという目的においては、隣り合う巻線の隙間の大きさには最適値（グラフに示した例では０．８付近の値）が存在することが確認された。本実施形態においては、第１の結合コイル１４は、コイルの性能指数であるＱ値を最大とする設計指針に従って設計されている。
【００５０】
ところで、図３に示したように、第１の結合コイル１４の外端部１４ａには第１のアンテナ１６の根元が接続される。ここで、第１の周波数帯域の無線信号の周波数が、ビーコン信号の周波数４３ＭＨｚであるとすると、その波長は約７ｍとなる。これは、一般的な１／４波長のモノポールアンテナではその長さが約１．７ｍとなる波長であり、直径が３０ｃｍ程度の気密容器１１に対しては長すぎるものとなる。
【００５１】
そこで、図７に示すように、モノポールアンテナとしての第１のアンテナ１６と第１の結合コイル１４の外端部１４ａとの間に、送信機１８とのインピーダンス整合を取りつつ、第１のアンテナ１６の長さを短縮するための整合コイル２０を挿入する構成が考えられる。これは、モノポールアンテナの長さを短縮する際に従来から用いられてきた手法である。
【００５２】
これに対して、本発明に係る複合アンテナ１０では、第１の結合コイル１４と第２の結合コイル１５とで、第１のアンテナ１６と送信機１８とのインピーダンス整合を取ることにより、整合コイル２０を省略して、第１のアンテナ１６の長さを４５ｃｍに短縮することを可能とした。
【００５３】
図８は、気密容器１１の内側に設置される第２の結合コイル１５の構成例を示す説明図である。第２の結合コイル１５としては、例えば巻数が１以上のループコイルを採用する。第２の結合コイル１５の端部１５ａ及び１５ｂは、送信機１８の端子（不図示）に接続可能となっている。
【００５４】
本発明者らは、図２及び３に示した複合アンテナ１０の構成のうち、第１の結合コイル１４、第２の結合コイル１５、及び第１のアンテナ１６に関して、その反射損失Ｓ11をシミュレーションした（図９）。図９に示したシミュレーション結果から、第１の結合コイル１４、第２の結合コイル１５、及び長さ４５ｃｍの第１のアンテナ１６の組み合わせにより、整合コイル２０を省略した構成において、所望の共振周波数（ここでは４３ＭＨｚ）のモノポールアンテナを実現できることが確認された。
【００５５】
この第２の結合コイル１５は、気密容器１１の外部に設置された第１の結合コイル１４を励振するようになっている。第１及び第２の結合コイル１４、１５により、第２の結合コイル１５に給電された第１の周波数帯域の無線信号を、気密容器１１の壁を介して第１のアンテナ１６に伝送することが可能になる。
【００５６】
即ち、本発明に係る複合アンテナ１０は、図１の構成における送信側の励振コイル４０及び共振コイル４１を第２の結合コイル１５に置き換え、図１の構成における受信側の共振コイル４２及び励振コイル４３を、それぞれ第１の結合コイル１４及び第１のアンテナ１６に置き換えた構成となっている。
【００５７】
なお、第２の結合コイル１５が、第１の結合コイル１４と自己共振周波数が等しい自己共振コイルである場合には、第１及び第２の結合コイル１４、１５の磁界共鳴により、第２の結合コイル１５に給電された第１の周波数帯域の無線信号を、気密容器１１の壁を介して、より高い効率で第１のアンテナ１６に伝送することが可能になる。
【００５８】
以上説明したように、本発明に係る複合アンテナ１０及び複合アンテナ装置１は、第１及び第２の結合コイル１４、１５の内側を通して、高い周波数を受け持つ第２のアンテナ１７により空間から第２の周波数帯域の無線信号を受信し、無線通信装置１２へ無線信号を伝送することができる。
【００５９】
また、複合アンテナ１０及び複合アンテナ装置１は、無線通信装置１２から送信した第１の周波数帯域の無線信号を、第１及び第２の結合コイル１４、１５を介して、気密容器１１の外側の第１のアンテナ１６へ供給することで、第１の周波数帯域の無線信号を空間へ送り出すことができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明に係る複合アンテナ及び複合アンテナ装置は、水密構造が要求される海底地震計や衛星系イパーブのような計測・通信機器用の複合アンテナ及び複合アンテナ装置として有用である。また、本発明に係る複合アンテナ及び複合アンテナ装置は、気密構造が要求される高高度飛行装置や人工衛星などの計測・通信機器用の複合アンテナ及び複合アンテナ装置としても有用である。
【００６１】
さらに、本発明は、気密容器の内部及び外部に複合アンテナが設けられる構成に限られるものではなく、ガラスなどの誘電体板を挟んで複合アンテナが設けられる構成であってもよく、住宅や自動車への適用も可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１  複合アンテナ装置
１０  複合アンテナ
１１  気密容器
１２  無線通信装置
１３  電源
１４  第１の結合コイル
１４ａ  外端部
１４ｂ  内端部
１５  第２の結合コイル
１５ａ、１５ｂ  端部
１６  第１のアンテナ
１７  第２のアンテナ
１８  送信機
１９  受信機
２０  整合コイル
４０、４３  励振コイル
４１、４２  共振コイル
４４  高周波電源
４５  負荷
【図１】
0005944726.tif 000008
【図２】
0005944726.tif 000009
【図３】
0005944726.tif 000010
【図４】
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【図５】
0005944726.tif 000012
【図６】
0005944726.tif 000013
【図７】
0005944726.tif 000014
【図８】
0005944726.tif 000015
【図９】
0005944726.tif 000016
【図１０】
0005944726.tif 000017