(57)【要約】【課題】  小型で高い利得を有するアンテナ装置を提供すること。【解決手段】板状の導体からなり、給電点２０４と接地端２０６，２０７がプリント基板２０１と電気的に接続されるループアンテナ２０３であって、ループアンテナは、給電点の両脇にスリット２０９，２１０と、ループアンテナのループ軸方向と直交する方向に設けられた開口部２１１を備える。【選択図】図１Ａ
2017050685.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁体の基板本体上に、接地導体が形成されたプリント基板と、
一端に給電点を有し、他端に接地端を有する板状の導体であって、前記給電点が前記プリント基板上の整合回路と電気的に接続され、前記接地端が前記プリント基板上の前記接地導体と電気的に接続されることで、前記プリント基板上の前記接地導体とループを形成し、形成されるループ面が前記プリント基板の前記接地導体の面に対して垂直であるループアンテナとを備え、
前記ループアンテナは、
前記ループアンテナと前記プリント基板上の前記接地導体により形成される前記ループの軸方向において、前記給電点の両側に、所定の幅を有するスリットを備え、
前記ループの前記軸方向と直交する方向に設けられた開口部を備える、アンテナ装置。
【請求項２】
前記スリットの前記幅の寸法は、送受信する電波の波長の０．０１２％以上、２．４％以下とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記ループアンテナと前記プリント基板上の前記接地導体により形成される前記ループの前記軸方向において、
前記ループアンテナの寸法に対する前記開口部の開口幅寸法の割合は、０％より大きく、７７％以下とする請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記開口部は、前記ループアンテナの前記ループ面に直交する方向の一方へ、前記ループアンテナの前記ループ面に直交する方向の寸法の中心位置からずらして配置し、
前記給電点は、前記開口部より前記ループ面に直交する方向の他方へずらして配置する、請求項１から３のいずれか１つに記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ループアンテナ素子を用いたアンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、無線通信機能が付いたウェアラブルデバイスが盛んに検討されている。ウェアラブルデバイスは、メガネ又は腕など人体に取り付けられ、常時使用されるため、ウェアラブルデバイスに内蔵されるアンテナは、非常に小さく、かつ利得の高いアンテナが求められる。
【０００３】
従来、人体に取り付けて使用される小型アンテナとしては、代表的なものとして、微小ループアンテナがある。この微小ループアンテナは、送受信する電波の波長に対して十分小さい寸法でもアンテナを構成できるという特徴がある（特許文献１）。
【０００４】
図６は、従来の微小ループアンテナの構成の一例を示す図である。正方形板１０３ａと長方形板１０３ｂと正方形板１０３ｃとで構成されるコの字型平面形状の導体からなるループアンテナ１０３が、プリント基板１０１上に実装されている。ループアンテナ１０３の一端は給電点１０４であり、整合回路１０５に電気的に接続される。ループアンテナ１０３の他端は接地端１０７であり、接地導体１０２に電気的に接続される。
【０００５】
また、ループアンテナ１０３の給電点１０４と、接地導体１０２との間には、寄生容量１０８が生じる。
【０００６】
送受信回路１０６から給電される電流が、整合回路１０５及び給電点１０４を経由して、ループアンテナ１０３と接地導体１０２で形成されるループ状の電流経路を流れることにより、ループアンテナとして動作する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５０６１０３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記特許文献１のような微小ループアンテナは、ループアンテナ自体の損失抵抗の影響が大きく、利得が０ｄＢ未満と低い。０ｄＢ以上の利得が得られなければ、アンテナによって送信電力が減衰される。すなわち、所定の方向へ電波としてアンテナから放射される電力が、アンテナへ入力される電力より低下することとなるため、０ｄＢ以上の利得が必要とされる。
【０００９】
ループアンテナ自体の損失抵抗の影響は、図６の寸法Ｆであるループアンテナ素子の幅を広げることで低減できるが、ループアンテナ１０３と接地導体１０２との間の寄生容量１０８が増加することにより、ループアンテナ１０３のインピーダンスが本来の誘導性から容量性へ変化し、インピーダンス整合の際に整合回路１０５にインダクタが必要となる。インダクタは自己共振周波数が低く、無線で利用するような高い周波数帯では使用できないため、インピーダンス整合ができず、利得が大きく低下するといった問題が生じる。
【００１０】
本発明は、上記従来の課題に鑑み、高い利得を得ることができる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】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の第１態様にかかるアンテナ装置は、絶縁体の基板本体上に、接地導体が形成されたプリント基板と、
一端に給電点を有し、他端に接地端を有する板状の導体であって、前記給電点が前記プリント基板上の整合回路と電気的に接続され、前記接地端が前記プリント基板上の前記接地導体と電気的に接続されることで、前記プリント基板上の前記接地導体とループを形成し、形成されるループ面が前記プリント基板の前記接地導体の面に対して垂直であるループアンテナとを備え、
前記ループアンテナは、
前記ループアンテナと前記プリント基板上の前記接地導体により形成される前記ループの軸方向において、
前記給電点の両側に、所定の幅を有するスリットを備え、
前記ループの前記軸方向と直交する方向に設けられた開口部を備える、アンテナ装置を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明の前記第１態様によれば、高い利得を得ることができるアンテナ装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】本発明の第１実施形態にかかるアンテナ装置の構成を示す図
【図１Ｂ】アンテナ装置のループアンテナの構成を示す図
【図２Ａ】整合回路の構成例を示す図
【図２Ｂ】整合回路の構成例を示す図
【図３】スリットの幅とアンテナ利得の最大値との関係を示す図
【図４】開口部のＺ方向の開口幅と、アンテナの利得の最大値との関係を示す図
【図５Ａ】開口部のＺ方向の位置と給電点の位置に対するアンテナ利得の最大値との関係を示す図
【図５Ｂ】開口部のＺ方向の位置と給電点の位置に対するアンテナ利得の最大値との関係を示す図
【図５Ｃ】開口部のＺ方向の位置と給電点の位置に対するアンテナ利得の最大値との関係を示す図
【図６】従来の微小ループアンテナの構成の一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、この実施形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１５】
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の第１実施形態にかかるアンテナ装置の構成を示す図及びアンテナ装置のループアンテナの構成を示す図である。Ｘ、Ｙ及びＺは、各々の座標軸を示す。アンテナ装置は、プリント基板２０１と、ループアンテナ２０３とを備えて構成されている。
【００１６】
図１Ａ及び図１Ｂにおいて、プリント基板２０１は、絶縁体からなる基板本体２０１ａ上に、導体からなる接地導体２０２が形成された基板である。
【００１７】
ループアンテナ２０３は、一端に給電点２０４を有し、他端に接地端２０６，２０７を有する３枚の板で構成される導体からなるアンテナ素子であり、プリント基板２０１上に実装されている。ループアンテナ２０３は、図１Ｂにおいて、左側面は上下２枚の横長と縦長の長方形板２０３ａ，２０３ｂで構成されている。正面も、上下２枚の大小の横長の長方形板２０３ｃ，２０３ｄで構成されている。右側面は１枚の一部切り欠かれた縦長の長方形板２０３ｅで構成されている。左側面の横長の長方形板２０３ａと正面の上側の横長の長方形板２０３ｃとが連結され、正面の上側の横長の長方形板２０３ｃと右側面長方形板２０３ｅの上部とが連結されている。左側面の縦長の長方形板２０３ｂと正面の下側の横長の長方形板２０３ｄとが連結され、正面の下側の横長の長方形板２０３ｄと右側面長方形板２０３ｅの下部とが連結されている。よって、これらの長方形板２０３ａ〜２０３ｅは、互いに連結されて全体として平面コ字状をなすように一体的に構成されている。左側面の２枚の長方形板２０３ａ，２０３ｂ間の隙間２０３ｆ及び正面の２枚の長方形板２０３ｃ，２０３ｄの隙間２０３ｇ及び右側面の長方形板２０３ｅの上部前側の四角形の切欠き２０３ｈは、後述する開口部２１１である。右側面の長方形板２０３ｅの上部後側の縦長の四角形の切欠き２０３ｊは、後述するスリット２０９である。右側面の長方形板２０３ｅの下部後側の縦長の四角形の切欠き２０３ｋは、後述するスリット２１０である。
【００１８】
言わば、ループアンテナ２０３は、左側面の長方形板（２０３ａ，２０３ｂ）と、正面の長方形板（２０３ｃ，２０３ｄ）と、右側面の長方形板２０３ｅとで平面コ字状をなすように一体的に連結されるとともに、左側面の長方形板と正面の長方形板と右側面の長方形板とにわたって開口部２１１が形成され、右側面の長方形板２０３ｅにスリット２０９，２１０が形成された形状となっている。
【００１９】
切欠き２０３ｊと切欠き２０３ｋとに挟まれた突出部は一端の給電点２０４を構成する部分である。左側面の上下２枚の横長と縦長の長方形板２０３ａ，２０３ｂの基端（プリント基板側の端部）は、接地端２０６、２０７として機能する。ループアンテナ２０３は、プリント基板２０１とは、給電点２０４が、基板本体２０１ａ上で、後述する整合回路２０５と電気的に接続され、接地端２０６、２０７が接地導体２０２と電気的に接続される。
【００２０】
よって、ループアンテナ２０３は、プリント基板２０１上の接地導体２０２とループを形成し、形成されるループ面が、プリント基板２０１の接地導体２０２の面に対して垂直となっている。ループアンテナ２０３とプリント基板２０１上の接地導体２０２とにより形成されるループの軸方向は、一例として、ループアンテナ２０３の長方形板２０３ａ〜２０３ｅで囲まれて上下に延在する空間２０３ｚを貫通する、図１Ａの上下方向となっている。
【００２１】
整合回路２０５は、プリント基板２０１上に設けられ、ループアンテナ２０３へ効率よく給電するため、インピーダンスの整合を行う整合回路である。
【００２２】
送受信回路２０８は、プリント基板２０１上に設けられ、整合回路２０５と接続され、送信信号を生成し出力し、入力された受信信号を処理する送受信回路である。なお、送受信回路２０８は、送信回路のみ、又は受信回路のみであってもよい。
【００２３】
次に、ループアンテナ２０３の構造の詳細について説明する。
【００２４】
給電点２０４の上下でかつループアンテナ２０３とプリント基板２０１との間に、所定の幅寸法Ｗを有する上下のスリット２０９、２１０をループアンテナ２０３の一方の側面にのみ設ける。また、ループアンテナ２０３の上部において、正面から内部に至る開口部２１１を設ける。開口部２１１は、ループアンテナ２０３に流れる電流経路を遮断しないように、ループ軸方向（一例として、図１Ａでは上下方向）と直交する方向に設ける。
【００２５】
図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、整合回路２０５の構成例を示す図である。直列コンデンサＣ１と並列コンデンサＣ２とで構成される。一般的にインダクタは、自己共振周波数が低く、無線で利用するような高い周波数帯では使用できない。さらに、損失の非常に小さい整合回路が望ましいが、インダクタはコンデンサに比べて損失が大きいため、整合回路に使用すると、利得が低下する。よって、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、コンデンサによる整合回路の構成が望ましい。
【００２６】
本発明の本実施形態にかかるアンテナ装置の動作について説明する。
【００２７】
送受信回路２０８から給電される電流が、整合回路２０５を経由して、ループアンテナ２０３と接地導体２０２とで形成されるループ状の電流経路を流れることにより、微小ループアンテナとして動作する。
【００２８】
また、微小ループアンテナとして動作させるため、アンテナ装置のＸ、Ｙ、Ｚ方向における各寸法は、アンテナ装置で送受信する電波の波長の１０分の１以下とする。さらに、この条件に加えて、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、プリント基板２０１のＹ方向の幅を寸法Ａとし、ループアンテナ２０３のＸ方向の幅を寸法Ｂとすると、ループの周囲長は、２×（Ａ＋Ｂ）となるが、このループの周囲長は、送受信する電波の波長の４分の１未満とする。これは、ループの周囲長が４分の１波長以上になると、ループに流れる電流の位相が反転するためである。
【００２９】
また、給電点２０４の近傍にスリット２０９、２１０を設けているため、スリット２０９，２１０のループアンテナ２０３側の辺に沿って電流が流れる。給電点２０４からループ状に電流が流れるだけでなく、スリット２０９，２１０の辺にも電流が流れるため、ループアンテナ２０３に流れる電流経路が増え、利得が増加する。
【００３０】
図３に、周波数９２０ＭＨｚ（波長３２６ｍｍ）におけるスリット２０９、２１０の幅寸法Ｗと、ＸＹ面におけるアンテナの利得の最大値との関係を示す。スリット２０９、２１０の幅寸法Ｗは、送受信する電波の波長で規格化している。スリット２０９、２１０の幅Ｗを広げるにつれ、利得が上がることがわかる。しかし、スリット２０９、２１０の幅Ｗが所定の幅以上になると、利得は低下していく。
【００３１】
従って、図３より、スリット２０９、２１０の幅Ｗとしては、０ｄＢより大きな利得が得られるために、送受信する電波の波長の０．０１２％〜２．４％の寸法範囲（図４では、（スリット２０９、２１０の幅Ｗ／送受信する電波の波長）の値が０．０００１２〜０．０２４の範囲）とすることが望ましい。
【００３２】
さらに、スリット２０９、２１０を設けることにより、ループアンテナ２０３と接地導体２０２の間に生じる寄生容量を低減することができるため、アンテナのインピーダンスは誘導性となり、整合回路２０５ではコンデンサのみでインピーダンス整合をとることが可能となる。
【００３３】
次に、開口部２１１について説明する。
【００３４】
図４に、一例として、周波数９２０ＭＨｚ（波長３２６ｍｍ）における開口部２１１のＺ方向の開口幅Ｅと、ＸＹ面のアンテナの利得の最大値との関係を示す。図４は、プリント基板２０１及びループアンテナ２０３のＺ方向の寸法を約１０分の１波長（３０ｍｍ）とした場合のシミュレーション結果である。給電点２０４の中心位置Ｄは、プリント基板２０１及びループアンテナ２０３のＺ方向の寸法である約１０分の１波長（３０ｍｍ）の中心である１５ｍｍとした。
【００３５】
図４の横軸の開口幅Ｅは、ループアンテナ２０３のＺ方向の寸法（３０ｍｍ）に対する開口幅Ｅの寸法の割合で示している。開口幅Ｅを、０％（０）より大きく、７７％（０．７７）以下とした場合、０ｄＢより大きな利得が得られる。
【００３６】
次に、開口部２１１と給電点２０４との位置関係について述べる。実際にアンテナ装置を設計する場合、開口部２１１の位置は、アンテナ装置を組み込む機器のケースの構造などにより影響されて変動し、また、給電点２０４の位置は、プリント基板２０１上に設けられた回路の配置などにより影響されて変動する。開口部２１１と給電点２０４とがどのような位置関係にあればよいかについて述べる。
【００３７】
図５Ａ〜図５Ｃに開口部２１１のＺ方向の３種類の異なる開口幅中心位置Ｃ及び給電点２０４の様々な中心位置Ｄに対するＸＹ面のアンテナの利得の最大値との関係を示す。一例としての周波数９２０ＭＨｚ（波長３２６ｍｍ）にて、プリント基板２０１及びループアンテナ２０３のＺ方向の寸法を約１０分の１波長（３０ｍｍ）とした場合のシミュレーション結果である。開口部２１１のＺ方向の開口幅Ｅは３３％とした。
【００３８】
開口部２１１がループアンテナ２０３のＺ方向の中心（１５ｍｍ）からずれると、利得が高くなる給電点２０４の中心位置Ｄが存在する。開口部２１１を、ループアンテナ２０３のＺ方向の中心からループ軸方向の一方（例えば、図１Ａ及び図１Ｂにおける正のＺ軸方向）へずらして配置する場合、給電点２０４を、開口部２１１よりループ軸方向の他方（例えば、図１Ａ及び図１Ｂにおける負のＺ軸方向）へ配置するほうが、利得を高くすることができる。
【００３９】
以上により、ループアンテナ２０３の給電点２０４の上下に所定の幅寸法Ｗを有するスリット２０９、２１０を設け、開口部２１１をループアンテナ２０３に設けることにより、利得が高いアンテナ装置を実現できる。
【００４０】
なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明のアンテナ装置は、小型で高い利得を実現できる。よって、本発明のアンテナ装置を、例えば、ヘルスケアの分野において、ウェアラブル機器に搭載されるアンテナ装置として適用できる。
【符号の説明】
【００４２】
１０１  プリント基板
１０２  接地導体
１０３  ループアンテナ
１０４  給電点
１０５  整合回路
１０６  送受信回路
１０７  接地端
１０８  寄生容量
２０１  プリント基板
２０１ａ  基板本体
２０２  接地導体
２０３  ループアンテナ
２０３ａ〜２０３ｅ  長方形板
２０３ｆ，２０３ｇ  隙間
２０３ｈ  切欠き
２０３ｊ，２０３ｋ  切欠き
２０３ｚ  空間
２０４  給電点
２０５  整合回路
２０６、２０７  接地端
２０８  送受信回路
２０９、２１０  スリット
２１１  開口部
【図１Ａ】
2017050685.tif 000003
【図１Ｂ】
2017050685.tif 000004
【図２Ａ】
2017050685.tif 000005
【図２Ｂ】
2017050685.tif 000006
【図３】
2017050685.tif 000007
【図４】
2017050685.tif 000008
【図５Ａ】
2017050685.tif 000009
【図５Ｂ】
2017050685.tif 000010
【図５Ｃ】
2017050685.tif 000011
【図６】
2017050685.tif 000012