(57)【要約】【課題】従来よりも小型で高利得のアンテナ装置を提供する。【解決手段】上部導体板１０と、上部導体板１０に対向して配置される下部導体板１１と、上部導体板１０及び下部導体板１１を電気的に接続するための接続導体板１２と、上部導体板１０に接続される側部導体板１３と、によりループが形成されたループアンテナを有するアンテナ装置である。下部導体板１１に、側部導体板１３との間でキャパシタを形成する容量導体板１４が接続される。【選択図】図１
2009065354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導体板と、この第１の導体板に対向して配置される第２の導体板と、第１の導体板及び第２の導体板を電気的に接続するための第３の導体板と、前記第１の導体板に接続される第４の導体板と、によりループを形成しており、
前記第２の導体板に、前記第４の導体板との間でキャパシタを形成する第５の導体板が接続されて構成される、
アンテナ装置。
【請求項２】
前記第１の導体板、前記第２の導体板、前記第３の導体板、前記第４の導体板、及び前記第５の導体板は、一体に形成される、
請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記第４の導体板を貫通して一端が前記第５の導体板に対向する導体棒を備えており、
前記導体棒は、前記第４の導体板への挿入深度を変えられるようになっており、この挿入深度の変化によって、前記一端と前記第５の導体板との距離が変化して前記キャパシタの容量が変化するようになっている、
請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記導体棒はネジであり、前記第４の導体板に螺合されて回転することで、前記第４の導体板への挿入深度が変化するようになっている、
請求項３記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記第１の導体板、前記第２の導体板、前記第３の導体板、及び前記第４の導体板の少なくとも１つは、前記ループの外側の面に誘電体からなる回路基板を備えている、
請求項１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、基板に実装可能な小型のループアンテナ、例えばループ長が０．４波長以下の板状ループアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯通信機器には、その用途や形状、使用周波数により種々の小型アンテナが用いられている。例えば、小型アンテナには、モノポールアンテナをベースとした小型の線状アンテナやパッチアンテナを小型化した逆Ｆアンテナなどがある。
線状アンテナを小型化すると、エレメントの小型化による放射抵抗の低下及び入力リアクタンスを打ち消すための整合回路のコイルによる損失が大きくなるために、放射効率の低下が顕著になる。逆Ｆアンテナを小型化すると、エレメント−地板間の誘電体挿入、エレメントのスリット追加、エレメント−地板間の低背化などが考えられるが、いずれも小型化による放射効率の低下を防止する決定的な対策には至っていない。
【０００３】
放射効率が優れている小型アンテナに、板状ループアンテナがある。特許文献１、２は、板状ループアンテナについての従来技術を開示しており、アンテナ利得の劣化を軽減することを主たる目的として提案されている。
【特許文献１】特開平６−３５０３２１号公報
【特許文献２】特開平６−２４４６１８号公報
【０００４】
特許文献１のループアンテナは、板状ループアンテナの上板と底板との間に容量性リアクタンス素子を接続した構成である。容量性リアクタンス素子によって逆相電流の発生を制御してアンテナ利得の向上を図っている。
特許文献２のループアンテナは、板状ループアンテナの方形の上板と底板の近接する所定の一頂点近傍に給電端を設け、給電端が設けられた頂点から最も遠い頂点近傍に、上板と底板とを接続するための短絡導体を設ける。このような構成により開口面積が大きく放射抵抗が従来よりも増加したループアンテナが得られる。短絡導体の幅を大きくとることで、放射効率が向上しアンテナ利得が大きくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の板状ループアンテナは、共振させるための容量性リアクタンス素子やインピーダンス整合をとるための容量性及び誘導性リアクタンス素子による損失が大きい。また、板状ループアンテナは導体板でループを構成するために、回路を付加するためにはアンテナとは別に回路基板などを設ける必要がある。
【０００６】
本発明は、上記のような問題に鑑み、他の回路基板を設けることなく回路を実装可能な、従来よりも小型で高利得のアンテナ装置を提供することを主たる課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の課題を解決する本発明のアンテナ装置は、第１の導体板と、この第１の導体板に対向して配置される第２の導体板と、第１の導体板及び第２の導体板を電気的に接続するための第３の導体板と、前記第１の導体板に接続される第４の導体板と、によりループを形成しており、前記第２の導体板に、前記第４の導体板との間でキャパシタを形成する第５の導体板が接続されて構成される。
【０００８】
導体板によりループを形成したループアンテナの構造なので、導体抵抗が小さくなり、放射効率が向上する。また、第４、第５導体板によりキャパシタを形成しているために、汎用の容量性リアクタンス素子よりも誘電体損を抑えることができ放射効率が向上する。
【０００９】
前記第１の導体板、前記第２の導体板、前記第３の導体板、前記第４の導体板、及び前記第５の導体板は、一体に、例えば１つの導体板を屈曲して形成するしてもよい。
【００１０】
本発明のアンテナ装置は、前記第４の導体板を貫通して一端が前記第５の導体板に対向する導体棒を備えていてもよい。前記導体棒は、前記第４の導体板への挿入深度を変えられるようになっており、この挿入深度の変化によって、前記一端と前記第５の導体板との距離が変化して前記キャパシタの容量が変化するようになっている。キャパシタの容量が変化することで共振周波数を変化させることができる。そのために、導体棒の挿入深度により共振周波数を容易に変えることができるようになる。前記導体棒には、例えばネジを用いることができる。ネジが前記第４の導体板に螺合されて回転することで、前記第４の導体板への挿入深度が変化する。
【００１１】
このようなアンテナ装置は、例えば前記第１の導体板、前記第２の導体板、前記第３の導体板、及び前記第４の導体板の少なくとも１つが、前記ループの外側の面に誘電体からなる回路基板を備えていてもよい。このような構成では、アンテナ装置と回路とを一体に構成することができる。一体に構成することで、更なる小型化、コストダウンを図れる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、板状ループアンテナで、エレメントの一部がキャパシタを構成するために、従来よりも小型で高利得のアンテナ装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明の板状ループアンテナの基本的な構成を説明するための板状ループアンテナ１の斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の板状ループアンテナ１の等価回路図である。
板状ループアンテナ１は、上部導体板１０と、上部導体板１０に対向して設けられる下部導体板１１と、上部導体板１０及び下部導体板１１を接続して設けられる接続導体板１２と、接続導体板１２に対向して設けられ、上部導体板１０に接続される側部導体板１３と、接続導体板１２及び側部導体板１３の間に設けられ、下部導体板１１に接続される容量導体板１４と、を備えて構成されている。
【００１４】
内側から、容量導体板１４、下部導体板１１、接続導体板１２、上部導体板１０、側部導体板１３の順に接続されてループが形成されており、全体としては長さｌ、高さｈ、幅ｗのエレメントを構成している。各導体板の厚さはｔで表されており、エレメントのループ内側は、防錆や導体損低減のために亜鉛等でメッキされることが好ましい。この板状ループアンテナ１は、例えばループ長が０．４波長以下の小型アンテナである。板状ループアンテナ１は、複数の導体板を組み合わせて形成しても良く、また、例えば幅ｗの導体板を折り曲げて用いてもよい。
側部導体板１３と容量導体板１４とは、その相対する面でキャパシタを構成している。
【００１５】
一般に、アンテナを小型化すると放射抵抗が小さくなる。放射抵抗が小さくなると、アンテナ導体抵抗による損失と同調回路の損失による影響が大きくなって、放射効率が低下する大きな要因となる。従って、放射効率の低下を抑えながらアンテナを小型化するには、アンテナ形状と同調回路が重要になる。
【００１６】
ループ長が０．４波長以下のループアンテナは、直列にコイルとキャパシタを接続した共振回路に等価であり、コイルとキャパシタに相当する部位の導体抵抗損失や誘電体損を抑えることで、高い放射効率を実現することができる。
【００１７】
図１（ｂ）に示す板状ループアンテナ１の等価回路では、特性インピーダンスをη0（＝√（μ0／ε0）、μ0：真空中の透磁率、ε0：真空中の誘電率）、真空中における波長をλ0、ループの断面積をＳとすると、放射抵抗Ｒｒが式（１）で表される。なお、ループの断面積Ｓは、長さｌ×高さｈである。
Ｒｒ＝πη0／６・（２√（πＳ）／λ0）４  …（１）
【００１８】
板状ループアンテナ１の導体抵抗Ｒ１は、エレメントの周長ｌloop（＝２（ｗ＋ｌ））、誘電率をσ、表皮からの深さをｄ（＝√（２／ωμσ）、ω：角周波数、μ：透磁率）とすると、式（２）で表される。
Ｒ１＝ｌloop／２σｄ（ｗ＋ｔ−（ｗ−ｔ）ｅ−ｔ／（２ｄ）−４ｄ（１−ｅ−ｔ／（２ｄ）））  …（２）
【００１９】
板状ループアンテナ１の誘電体損Ｒｄは、側部導体板１３及び容量導体板１４によるキャパシタの静電容量をＣ、側部導体板１３及び容量導体板１４の板間の誘電正接をｔａｎδとすると、式３で表される。
Ｒｄ＝ｔａｎδ／ωＣ  …（３）
【００２０】
以上の式から、板状ループアンテナ１の放射効率ηは、式（４）で表される。
η＝Ｒｒ／（Ｒｒ＋Ｒｌ＋Ｒｄ）  …（４）
【００２１】
一般的なループアンテナは線状導体で構成されるために、これを小型化していくと、次第に放射抵抗に対する導体抵抗の比率が大きくなり、放射抵抗が低下する。これに対して板状ループアンテナ１は、幅を持たせた板状の導体でループが構成されており、導体抵抗が小さくなっている。図２は、エレメントの大きさと放射効率ηの関係を示したグラフである。図２から明らかなように、エレメントの幅ｗが大きくなると、放射効率ηが大きくなる。
【００２２】
また、板状ループアンテナ１は、エレメント幅ｗが広いことから平面を対にしたキャパシタを容易に構成できる。このキャパシタを構成する板の面積や距離を調整することにより、所望の周波数で共振させることもできる。このキャパシタは、式（３）からも判るように、汎用の容量性リアクタンス素子よりも誘導体損を抑えることができる。そのために、放射効率を大きくすることができる。図３は、誘電正接ｔａｎδと放射効率ηの関係を示したグラフである。図３から明らかなように、誘電正接ｔａｎδが小さいほど放射効率ηが大きくなる。汎用のキャパシタを用いると、誘電正接ｔａｎδが大きくなりがちであるが、板状ループアンテナ１のように側部導体板１３及び容量導体板１４によるキャパシタでは、誘電正接ｔａｎδは小さく保たれる。そのために、汎用のキャパシタを用いるよりも放射効率ηを大きくできる。
【００２３】
式（２）より、エレメントの厚さｔを薄くするほど、導体抵抗Ｒｌは大きくなる。一方で放射抵抗Ｒｒは、式（１）よりエレメントの厚さｔに依存しないのでこれを薄くしても変わらない。従って、式（４）より、エレメントを薄くするほど放射効率ηは低下する。
【００２４】
板状ループアンテナ１に給電するための給電線１５は、例えば図１のように下部導体板１１に設けられた孔１６を通って上部導体板１０に接続される。給電線１５は、接続導体板１２−側部導体板１３方向にオフセットすることで、アンテナ系と給電系の整合をとることができる。導体板１０の幅方向にはどこに配置されても構わない。このように給電すると、集中定数素子による整合回路を挿入する必要がないので、その分損失を抑えることができる。
【００２５】
図４は、板状ループアンテナ１の共振周波数と放射効率ηとの関係を、エレメントの厚さｔを変えて示したグラフである。周波数が高いほど、エレメントの厚さｔによる放射効率ηへの影響が小さくなる。
【００２６】
図５〜図７は、板状ループアンテナに形成されるキャパシタの例を示す図である。
図５は、基板１９に接続導体板１２、上部導体板１０及び側部導体板１３を有するエレメントを設けた構成である。基板には誘電体基板が使用されている。基板１９には、下部導体板１１に相当する導体である下部導体１７が設けられる。下部導体１７は、導体板や基板１９への導電性部材の塗布により形成される。下部導体１７は接続導体板１２に接続される。基板１９及び下部導体１７には、孔１６が設けられており、この孔１６を通って給電線１５が上部導体板１０に接続される。
側部導体板１３の基板１９側には、下部導体１７に非接触且つ平行になるように容量導体板１８が設けられる。下部導体１７と容量導体板１８とによりキャパシタが形成される。
【００２７】
図６は、図５の板状ループアンテナと似た構成であるが、側部導体板２１の長さ及び容量導体板２０の位置が異なる。図６の板状ループアンテナでは、側部導体板２１が基板１９を貫通して設けられる。基板１９には、下部導体板１１に相当する導体である下部導体２２が、側部導体板２１に接触しないように設けられる。下部導体２２は、導体板や基板１９への導電性部材の塗布により形成される。容量導体板２０は、基板１９を挟んで下部導体２２に平行になるように、側部導体板２１に設けられる。基板１９を挟んだ容量導体板２０と下部導体２２とによりキャパシタが形成される。
【００２８】
図７は、図１の板状ループアンテナを基板１９上に設けた構成である。基板１９には、図６の板状ループアンテナと同様の下部導体２２が設けられる。下部導体２２には、側部導体板１３に対向して容量導体板１４が設けられる。側部導体板１３と容量導体板１４とによりキャパシタが形成される。
【００２９】
図８は、板状ループアンテナ１の動作時の電流密度を表す模式図である。板状ループアンテナ１の動作時には、ループの内側を電流が大量に流れ、外側を流れる電流は少ない。そのために、板状ループアンテナ１の外側に回路を実装した場合でも、エレメントと回路の干渉を極力小さくでき、エレメントと回路の一体化の支障が少ない。
【００３０】
図９は、板状ループアンテナに回路実装領域を設けた例を示す図である。上部導体板、下部導体板を基板上に設けることで、板状ループアンテナを形成する。図９の板状ループアンテナは、図５の板状ループアンテナの上部導体板１０にも基板２５を設けた構成である。基板２５は、図５〜図７の板状ループアンテナに設けられる基板１９と同様に誘電体である。板状ループアンテナの外側に位置する基板２５の面に回路実装部２６が設けられる。回路実装部は、同様に基板１９にも設けることができる。このように回路実装部は、基板１９、２５のループの外側に位置する面に設けるとよい。板状ループアンテナが基板１９、２５のいずれか一方しか有しない場合でも、その基板に回路実装部を設けることができる。
【００３１】
なお、図５〜図７及び図９の板状ループアンテナのように、基板を用いる場合、両面銅箔のグランドを繋ぐスルーホールの間隔は、例えばλ／８以下とすると、実用上望ましい特性が得られる。
【００３２】
＜実施例＞
図１０は、板状ループアンテナをタイヤ空気圧監視装置の受信アンテナとして用いた場合の構成図である。この板状ループアンテナは、基板３０上に設けられている。基板３０は、例えば誘電体厚１．６ｍｍのガラスエポキシにより形成される。基板３０には下部導体板３１が設けられる。下部導体板３１は、例えば厚さ３２μｍの銅箔で構成することができる。
下部導体板３１に対向して上部導体板３２が設けられ、上部導体板３２の一端は、接続導体板３３により下部導体板３１に接続される。また、上部導体板３２の他端は、側部導体板３４により基板３０に接続される。上部導体板３２には給電線１５が設けられており、この給電線１５は下部導体板３１及び基板３０を貫通して外部装置に接続される。側部導体板３４は、孔が設けられており、当該孔に周波数調整用のネジ３５が螺合されている。ネジ３５は、導体で構成されており、本発明の導体棒の一例となる。
下部導体板３１には、側部導体板３４と面が平行になるように、容量導体板３６が設けられている。
【００３３】
上部導体板３２、接続導体板３３、側部導体板３４、及び容量導体板３６は、例えば、亜鉛メッキされた厚さ０．５ｍｍの鉄により形成される。このような構成の板状ループアンテナは、例えば、長さｌ＝９５ｍｍ、高さｈ＝３０ｍｍ、幅ｗ＝９８ｍｍに形成される。
【００３４】
側部導体板３４に螺合されているネジ３５は、回転することで側部導体板３４への挿入深度が可変になっており、これによりネジ３５の先端と容量導体板３６との間の距離を変えることができる。ネジ３５の先端と容量導体板３６との間の距離を変えることで、キャパシタの容量が変化する。キャパシタの容量を変化させることにより、板状ループアンテナを、所望の周波数で動作させることができる。
【００３５】
図１１は、この板状ループアンテナの動作周波数を３１５ＭＨｚに調整した場合のＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）を表している。図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、この板状ループアンテナのX-Y平面、Y-Z平面、X-Z平面の放射パタンを表している。実線が垂直偏波、破線が水平偏波を表している。
【００３６】
このように、この板状ループアンテナは小型であるにも関わらず、同サイズの他のアンテナと比較して高い利得を得ることができる。また、基板３０に回路を実装できるために、省スペース、コストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１（ａ）は、本発明の板状ループアンテナの基本的な構成を説明するための図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の板状ループアンテナの等価回路図である。
【図２】エレメントの大きさと放射効率の関係を示したグラフである。
【図３】誘電正接と放射効率の関係を示したグラフである。
【図４】板状ループアンテナの送信周波数と放射効率との関係を示すグラフである。
【図５】板状ループアンテナに形成されるキャパシタの例を示す図である。
【図６】板状ループアンテナに形成されるキャパシタの例を示す図である。
【図７】板状ループアンテナに形成されるキャパシタの例を示す図である。
【図８】板状ループアンテナの動作時の電流密度を表す模式図である。
【図９】板状ループアンテナに回路実装領域を設けた例を示す図である。
【図１０】板状ループアンテナをタイヤ空気圧監視装置の受信アンテナとして用いた場合の構成図である。
【図１１】板状ループアンテナの動作周波数を３１５ＭＨｚに調整した場合のＶＳＷＲを表す図である。
【図１２】図１２（ａ）は板状ループアンテナのX-Y平面の放射パタンを表す図であり、図１２（ｂ）は板状ループアンテナのY-Z平面の放射パタンを表す図であり、図１２（ｃ）は、板状ループアンテナのX-Z平面の放射パタンを表す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  板状ループアンテナ
１０、３２  上部導体板
１１、３１  下部導体板
１２、３３  接続導体板
１３、２１、３４  側部導体板
１４、１８、２０、３６  容量導体板
１５  給電線
１６  孔
１７、２２  下部導体
１９、２５、３０  基板
２６  回路実装部
３５  ネジ
【図１】
2009065354.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009065354.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2009065354.tif 000012
【図１１】
2009065354.tif 000013
【図１２】
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