JP2009218878A - アンテナ，回路基板，回路モジュール，電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナの小型化と放射抵抗の高抵抗化を両立し、放射電界強度の増大を図ることができるアンテナを提供する。
【解決手段】ダイポールアンテナ１０は、λ／４の長さのエレメント１２，１４を給電部１６に対して対称に配置し、全体としてλ／２としたものである。これに対し、本発明のアンテナ１００は、エレメント１０２，１０４の長さをλ／４未満とするとともに、エレメント１０２，１０４の給電部１６側にインダクタ１１２，１１４を装荷している。これにより、λ／４未満に短縮されたエレメント１０２，１０４が見かけ上λ／４の長さのエレメントとして作用し、ダイポールアンテナ１０と同様に機能する。
【選択図】図２

Description

本発明は、アンテナ，それを利用した回路基板，回路モジュール，電子機器に関し、例えば４３０MHzや３１５MHz程度のマイクロ波よりも長波長の周波数帯域に適用されるアンテナ，回路基板，回路モジュール，電子機器に関する。

従来、パソコンなどの小型のユビキタス機器においては、高速大容量のデータ伝送が可能であって、かつ、アンテナを無理なく小型化できることから、より短波長の電波を利用するように開発の方向が向けられている。例えば、ノートパソコンなどで使われる短距離無線通信技術である「Bluetooth」は、２．４ＧＨｚ周波数帯を用いている。

これに対し、無線センサなどのセンサネットワークの分野では、温度や湿度などの緩やかな自然現象を計測して無線伝送する用途が生み出されつつある。このような緩やかな自然現象の計測には、計測精度のみならず、低消費電力化，障害物に対する透過性，無指向性などの性能が必要とされる。このような背景から、無線センサに用いる周波数帯域は、画像データ等を扱うマイクロ波やミリ波の帯域と、温度等を扱う１２５ｋＨｚ，１３．５６ＭＨｚ，３１５ＭＨｚ，４３０ＭＨｚなどの中長波からＶＨＦないしＵＨＦの帯域とに分化してきている。特に数百ＭＨｚの帯域は、低消費電力化と障害物に対する透過性を合わせ持つため普及しつつある。

ＶＨＦないしＵＨＦの帯域のアンテナとしては、例えば下記特許文献１記載の「デジタルＴＶ放送等受信用アンテナ」がある。これは、ＶＨＦ，ＵＨＦバンドの共用が可能とするとともに、全方向の特性を有し、デジタル及びアナログＴＶ放送等の受信を可能とすることを目的とするもので、折返した方形ベルト状に形成した導体のアンテナエレメントを有するフォールデツトダイポール状の受信用アンテナである。また、下記特許文献２には、電磁ノイズが信号に重畳することを回避するために、アンテナ導体を、ヘリカル状であって、支持基板の厚みを開口部の２辺とし、支持基板の面と平行な一方向に巻き進むようにした無線センサ用のアンテナが開示されている。
特開2001-085928公報 特開2005-253035公報

ところで、アンテナの小型化を図るために導体を短縮すると、放射抵抗が下がり、放射されるエネルギーは減少する。図４には、λ／４モノポールアンテナのエレメント長（幾何学的な導体長さ）と放射抵抗の関係が示されている。同図の横軸はエレメント長，縦軸は放射抵抗である。同図に示すように、波長λに対し、エレメント長が、λ／４，λ／８，λ／１６，λ／３２と短くなるに従って、放射抵抗も小さくなっている。これは、アンテナのエレメント長と放射抵抗に相関があるからであり、波長λに対して十分に長いアンテナの場合、下記の微小ダイポールに対する電界強度を示す式でも証明することができる。

なお、前記式のうち、ｋ：波数，η：空間インピーダンス，I：アンテナに流れる電流，ｌ：アンテナの長さ，ｒ：距離，θ：アンテナとの角度である。

一方、アンテナの小型化を図るための手法として折り返しアンテナが知られている。折り返しアンテナは、アンテナを幾何学的に折り畳むことによって、その導体の長さを維持しつつ小型化を図っている。例えば、λ／４のモノポールアンテナの場合、その端点がヌル（NULL）点（感度が急激に低下する点）であることを利用し、この位置でアンテナを折返して２本のエレメントに同相電流を流すことで、電磁波の相殺を防ぎ放射抵抗を大きくしている。図５には、アンテナを折り畳む一般的な手法が示されている。同図(A)は、メアンダラインアンテナ（ＭＬＡ）の例で、波長λ，給電点からアンテナ先端までの高さＨに対する各部の寸法は図示のとおりである。同図(B)は逆Ｌ型アンテナの例であり、同図(C)はヘリカルアンテナの例である。

以上のようにアンテナを畳み込めば小型化を図ることはできるが、放射抵抗は必ずしも向上しない。図６(A)には、図５(A)に示したメアンダラインアンテナ高さＨの短縮率（横軸）と、放射抵抗Ｒｒ（左縦軸），放射リアクタンスＸｒ（右縦軸）の関係が示されている。この図６に示すように、アンテナ高さＨの短縮率を高くして畳み込む密度を上げると、放射抵抗Ｒｒ，放射リアクタンスＸｒのいずれも低下している。アンテナの放射効率と放射抵抗Ｒｒの関係は、損失抵抗をＲｌとすると、放射効率＝Ｒｒ／（Ｒｒ＋Ｒｌ）で表わされる。従って、アンテナの放射抵抗が下がると、アンテナ部分の導体抵抗で発熱するのみとなり、電磁波は放射されなくなる。

例えば、図６(B)に示す長さ２５ｃｍのアンテナ導体Ｌを折り畳み、同図(C)に示すように５ｍｍ角に集積化したとする。同図(D)のように、隣接する導体ＬＡ，ＬＢに着目すると、その電流が流れる方向は逆方向となる。このため、導体ＬＡ，ＬＢによる磁界ＨＡ，ＨＢは同図(E)に示すように逆方向となり、互いに打ち消しあうようになって、結果的に放射抵抗は低下するようになる。

一方、図５(C)に示したヘリカルアンテナの場合は、小型化によって放射抵抗の減少が緩和されるものの、アンテナの指向性が強くなり、無線センサ用のアンテナとしては不向きとなる。また、放射抵抗の改善といっても、数十％程度であって、数倍にもなるということではない。

本発明は、以上のような点に着目したもので、短縮アンテナと折り返しアンテナを組み合わせることにより、アンテナの小型化と放射抵抗の高抵抗化を両立し、放射電界強度の増大を図ることができるアンテナ，回路基板，回路モジュール，電子機器を提供することを、その目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、ポールを複数のエレメントに折り返したアンテナであって、前記各エレメントの長さを短縮するとともに、折り返した各エレメントに波長短縮用のインダクタを装荷して、折り返し点がヌル点となるようにしたことを特徴とする。他の発明は、ポールを複数のエレメントに折り返したアンテナであって、前記各エレメントの長さを短縮するとともに、折り返した各エレメントに波長短縮用のインダクタを装荷して、平行するエレメントに流れる電流の向きが同じになるようにしたことを特徴とする。本発明の回路基板，回路モジュール，電子機器は、前記アンテナを備えたことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明によれば、折り返したエレメントにインダクタを装荷することによってエレメント長を短縮することとしたので、アンテナの小型化と放射抵抗の高抵抗化を両立し、放射電界強度の増大を図ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

図１には、本発明の基本的な考え方が示されている。まず、同図(A)のダイポールアンテナ１０は、波長をλとしたとき、λ／４の長さのエレメント１２，１４を、給電部１６に対して対称に配置し、全体としてλ／２とした構成となっている。これに対し、同図(B)に示す折り返しダイポールアンテナ２０は、前記ダイポールアンテナ１０と平行に長さがλ／２のエレメント２２を設け、前記エレメント１２，１４の両端にそれぞれ接続した構造となっている。同図(C)は、モノポールアンテナ３０の例で、給電部１６にλ／４のエレメントを接続した構成となっている。これは、同図(A)のダイポールアンテナ１０の半分に相当すると考えることができる。同図(D)は逆Ｌ型アンテナ４０で、逆Ｌ字のλ／４のエレメント４２が給電部１６に接続された構造となっている。これもモノポールアンテナの一種である。このモノポールアンテナ４０を折り返したものが同図(E)に示されており、エレメント４２に対してλ／４の長さのエレメント５２によって折り返しが行なわれている。エレメント５２の先端はＧＮＤ（グランド）に接続されている。

このような折り返しアンテナは、λ／４の位置でエレメントに流れる電流がゼロとなるヌル点が構成されることを利用し、そのλ／４の位置でエレメントを折り返しても平行した２本のエレメントに流れる電流の向きが等しくなり、磁界の方向も一致するようになることを利用している。このような手法により、例えば、同図(B)のダイポールアンテナ２０は、同図(A)のダイポールアンテナ１０と比較してインピーダンスが約４倍となる。

しかしながら、更なる小型化を図るために、λ／４ではなく、λ／８やλ／１６にエレメントを小型化して折り返したとしても、上述したメアンダラインアンテナと同じ原因でアンテナとしての放射抵抗を改善することはできない。

そこで、本実施例では、エレメント長をλ／８やλ／１６に短く小型化するとともに、短くしたことで容量性となったエレメントにインダクタを装荷する。このようにすると、見かけ上λ／４アンテナとなり、エレメントの端点がヌル点となって、平行した２本のエレメントに流れる電流の向きが等しくなる。

図２にはその様子が示されている。まず、同図(A)は、上述したダイポールアンテナ１０であり、λ／４の長さのエレメント１２，１４を給電部１６に対して対称に配置し、全体としてλ／２としたものである。これに対し、本実施例のアンテナ１００では、同図(B)に示すように、エレメント１０２，１０４の長さをλ／４未満とするとともに、エレメント１０２，１０４の給電部１６側にインダクタ１１２，１１４を装荷している。これにより、λ／４未満に短縮されたエレメント１０２，１０４が見かけ上λ／４の長さのエレメントとして作用し、全体として図２(A)のダイポールアンテナ１０と同様に機能するようになる。

図２(C)のアンテナ２００は、図１(B)の折り返しダイポールアンテナに対して本発明を適用した例で、エレメント２０２，２０４と給電部１６との間にはそれぞれインダクタ２１２，２１４が接続されており、エレメント２０２，２０４と平行なエレメント２２０の両端にもそれぞれインダクタ２２２，２２４が接続されている。折り返したエレメント２２０も短縮化しないと平行したエレメント２０２，２０４との間に流れる電流の向きを等しくすることができないので、インダクタ２２２，２２４を折り返した部分に配置している。この例も、同様に、エレメント２０２，２０４の長さはλ／４未満であるが、インダクタ２１２，２１４を装荷することで見かけ上λ／４の長さとなる。また、エレメント２２０の長さはλ／２未満であるが、インダクタ２２２，２２４を装荷することで見かけ上λ／２の長さとなる。従って、全体としては、図１(B)と同様のアンテナと見ることができる。

図２(D)のアンテナ３００は、更に折り返しを行なってエレメント数を増やした例で、エレメント３０２，３０４と給電部１６との間にはそれぞれインダクタ３１２，３１４が接続されており、エレメント３０２，３０４と平行なエレメント３２０の両端にはインダクタ３２２，３２４が接続されており、同様に平行なエレメント３３０の両端にはインダクタ３３２，３３４が接続されている。この例も、同様に、エレメント３０２，３０４の長さはλ／４未満であるが、インダクタ３１２，３１４を装荷することで見かけ上λ／４の長さとなる。また、エレメント３２０，３３０の長さはλ／２未満であるが、インダクタ３２２，３２４，３３２，３３４を装荷することで見かけ上λ／２の長さとなる。

図２(E)のアンテナ５００は、図１(E)の折り返しモノポールアンテナに対して本発明を適用した例で、エレメント５０２の給電側にはインダクタ５０４が接続されており、エレメント５０２と平行なエレメント５１２の給電側にもインダクタ５１４が接続されている。折り返したエレメント５１２も短縮化しないと平行したエレメント５０２との間に流れる電流の向きを等しくすることができないので、インダクタ５１４をエレメント５１２の一端に配置している。この例も、同様に、エレメント５０２の長さはλ／４未満であるが、インダクタ５０４を装荷することで見かけ上λ／４の長さとなる。また、エレメント５１２の長さもλ／４未満であるが、インダクタ５１４を装荷することで見かけ上λ／４の長さとなる。従って、全体としては、図１(E)と同様のアンテナと見ることができる。

以上のように、本実施例によれば、アンテナを幾何学的に小型化しても、放射抵抗を維持することができる。このため、従来のアンテナと比較して、同一給電電力であれば放射電界強度の増大を図ることができ、同一電界強度であれば、アンテナへの給電電力を小さくすることができ、無線装置の消費電力が低減される。なお、エレメント長短縮用のインダクタは、エレメントに対していずれの位置に設けてもよい。例えば、図２(C)に点線で示すように、エレメントの中央付近に設けてもよいが、インダクタ自体が大きくなってしまう。小型化を目的とする場合、インダクタも小さいほうが都合がよい。そうすると、図２に示したように、各エレメントの給電側に設けるのが好ましい。

次に、図３を参照しながら、本発明の実施例２について説明する。この実施例は、図１(E)のモノポールアンテナに本発明を適用した例で、図２(E)の具体例である。図３に示すように、モノポールアンテナ４００は、略四角形のプリント基板４０２の周辺に形成されている。すなわち、プリント基板４０２の上辺から右辺に掛けて、略Ｌ字状にエレメント導体４１０，４１２が平行に設けられている。プリント基板４０２の左辺にはＧＮＤ（グランド）プレーン４１４が形成されており、信号出力のための電力源としてパワーアンプが内蔵されているＲＦ−ＩＣ４０４がプリント基板４０２上に取り付けられている。ＧＮＤプレーン４１４は、一方において外側のエレメント導体４１２に接続しており、他方ではマッチングコンデンサ４１６，４１８を介してＲＦ−ＩＣ４０４の信号出力側に接続されている。ＲＦ−ＩＣ４０４の出力側は、マッチングコンデンサ４１８を介して短縮インダクタ４２０に接続されており、この短縮インダクタ４２０が内側のエレメント導体４１０に接続されている。エレメント導体４１０の先端は、短縮インダクタ４２２を介してエレメント導体４１２の先端に接続されている。

本実施例によれば、エレメント導体４１０の長さは、短縮インダクタ４２０によってλ／４よりも短縮されており、これにＲＦ−ＩＣ４０４から信号電力が給電される。エレメント導体４１０は折り返され、短縮インダクタ４２２によってλ／４よりも短いエレメント導体４１２に接続されている。これにより、次のような効果が得られる。
(1)アンテナが直角に折り曲げられており、指向性が下がる。このため、無線センサ端末などの電気機器の用途に好適である。
(2)誘電体基板や磁性体基板による波長短縮効果を利用することなく、短縮インダクタによってエレメントを短縮している。このため、アンテナ全体として小型化を図ることができ、アンテナのフレキシブル化も可能となる。すなわち、プリント基板４０２としてフレキシブル基板を利用し、プリント技術によってアンテナ４００を形成することができ、曲がる小型アンテナを実現できる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例に限らず、インダクタを装荷してエレメント長の短縮を図ることができる各種のアンテナに適用可能である。
(2)アンテナの折り返し回数も必要に応じて適宜設定してよい。

本発明によれば、高い放射効率を維持しつつアンテナの小型化を図ることができ、無線センサなどの分野に好適である。

アンテナの折り返しの様子を示す図である。 本発明の実施例１のアンテナを示す図である。 本発明の実施例２を示す図である。 アンテナのエレメント長と放射抵抗の関係を示すグラフである。 各種の折り返しアンテナの例を示す図である。 アンテナを折り畳んだときの放射抵抗低下を説明するための図である。

符号の説明

１０：ダイポールアンテナ
１２，１４：エレメント
１６：給電部
２０：ダイポールアンテナ
２２：エレメント
３０：モノポールアンテナ
４０：モノポールアンテナ
４２：エレメント
５２：エレメント
１００：アンテナ
１０２，１０４：エレメント
１１２，１１４：インダクタ
２００：アンテナ
２０２，２０４：エレメント
２１２，２１４：インダクタ
２２０：エレメント
２２２，２２４：インダクタ
３００：アンテナ
３０２，３０４：エレメント
３１２，３１４：インダクタ
３２０，３３０：エレメント
３２２，３２４，３３２，３３４：インダクタ
３３０：エレメント
３３２，３３４：インダクタ
４００：モノポールアンテナ
４０２：プリント基板
４０４：ＲＦ−ＩＣ
４１０，４１２：エレメント導体
４１４：ＧＮＤプレーン
４１６，４１８：マッチングコンデンサ
４２０：短縮インダクタ
４２２：短縮インダクタ
５００：アンテナ
５０２，５１２：エレメント
５０４，５１４：インダクタ

Claims (11)

1. ポールを複数のエレメントに折り返したアンテナであって、
   前記各エレメントの長さを短縮するとともに、
   折り返した各エレメントに波長短縮用のインダクタを装荷して、折り返し点がヌル点となるようにしたことを特徴とするアンテナ。
2. ポールを複数のエレメントに折り返したアンテナであって、
   前記各エレメントの長さを短縮するとともに、
   折り返した各エレメントに波長短縮用のインダクタを装荷して、平行するエレメントに流れる電流の向きが同じになるようにしたことを特徴とするアンテナ。
3. 前記波長短縮用のインダクタを、各エレメントの給電側に装荷したことを特徴とする請求項１又は２記載のアンテナ。
4. 給電部に対しインダクタを装荷して対称に接続されたλ／４未満の長さの２つのエレメントに、λ／２未満の長さの折り返しエレメントを平行に設け、この折り返しエレメントの両端にインダクタを装荷して前記λ／４未満の長さのエレメントの先端にそれぞれ接続したことを特徴とするアンテナ。
5. 給電部に対しインダクタを装荷して対称に接続されたλ／４未満の長さの２つのエレメントに、λ／２未満の長さの折り返しエレメントを平行に複数設け、これらの折り返しエレメントの両端にインダクタを装荷して前記λ／４未満の長さのエレメントの先端にそれぞれ接続したことを特徴とするアンテナ。
6. 逆Ｌ字状のλ／４未満の長さのエレメントを、インダクタを装荷して給電部に接続するとともに、λ／４未満の長さの逆Ｌ字状の折り返しエレメントを平行に設け、この折り返しエレメントの端部にインダクタを装荷して前記λ／４未満の長さのエレメントの先端に接続したことを特徴とするアンテナ。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のアンテナを形成したことを特徴とする回路基板。
8. 前記アンテナのエレメントが導体パターンとして形成されており、これらの導体パターンに前記波長短縮用のインダクタが接続されたことを特徴とする請求項７記載の回路基板。
9. 請求項１〜６のいずれかに記載のアンテナを備えたことを特徴とする回路モジュール。
10. 前記アンテナのエレメントが導体パターンとして形成されており、これらの導体パターンに前記波長短縮用のインダクタが接続されたことを特徴とする請求項９記載の回路モジュール。
11. 請求項１〜６のいずれかに記載のアンテナ，請求項７又は８のいずれかに記載の回路基板，もしくは、請求項９又は１０のいずれかに記載の回路モジュールの少なくとも１つを備えたことを特徴とする電子機器。

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