JP4062233B2

JP4062233B2 - ループアンテナ装置

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Publication number: JP4062233B2
Application number: JP2003359423A
Authority: JP
Inventors: 佳彦高橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2023-10-20
Also published as: JP2005124061A

Description

本発明は、概して、ループアンテナ装置に係り、特に、誘電体基体の表面上に形成された導電体パターンをアンテナ素子の一部として有するループアンテナ装置に関する。

従来、図１（ａ）に示すように、１周の長さが１波長（λ）に相当するループ状のアンテナ素子を２つ並べ、１点で給電するようにした、対称な一対のループから成るアンテナ素子とした双ループアンテナが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

双ループアンテナは、モノポールアンテナと比べて、高利得・広帯域なアンテナ特性が得られるという利点を有する。

また、図１（ｂ）に示すように、双ループアンテナを中心で半分に切り、地板（導電体平板）上に設けた双・半ループアンテナも知られている。単ループの場合と同様に、双・半ループアンテナでも、鏡像の原理より、実際の導電体部分とその電気影像部分とが相まって図１（ａ）に示す双ループアンテナと等価なアンテナとして機能する。
実開平２−８６２０８号公報

図２（ａ）に示すように、双ループアンテナでは、共振時、アンテナ素子＃１〜３に流れる電流が同相となる。この双ループアンテナは、図２（ｂ）に示すようなダイポールアンテナ３本に近似できる。この状況において、各素子＃１〜３からの電磁波は、Ｙ方向では互いに強め合う関係にあり、Ｘ方向では互いに弱め合う関係にある。

したがって、従来の双ループアンテナには、Ｙ方向への放射が比較的強く、Ｘ方向への放射が比較的弱い、という特性があり、水平面（ＸＹ面）指向性はおよそ楕円の形状となる。

本発明はこのようなループアンテナ固有のアンテナ指向性を改善するためのものであり、水平面指向性が略無指向性である、又は、任意の水平面指向性を設定可能であるループアンテナ装置を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、導電体平板上に設置された誘電体基体と、該基体に形成された導電体パターンを含むアンテナ素子とを有するループアンテナ装置であって、上記導電体パターンは、両端部が導電体平板に接続され、上記誘電体基体の外周面上に帯状に形成され、上記アンテナ素子は上記誘電体基体内を通り、一端が導電体パターンに接続され、他端が導電体平板上の給電点に接続された導線と、上記導電体パターンとから構成され、導電体平板に接続された端部から給電点に接続された導線の端部までの半ループ状の一対の素子が対称性を有する形状を有し、上記誘電体基体は上記帯状の導電体パターンが形成された外周面において、該帯状の導電体パターンより幅広い横幅を有し、上記誘電体基体の誘電率は、上記導電体パターンのうち上記誘電体基体の上面上に延在する上面部分の延在方向へ上記導線から放射される電磁波と、上記導電体パターンのうち上記誘電体基体の側面に形成された側面部分から上記延在方向へ放射される電磁波との間に位相のずれが生じないように選定され、上記横幅の長さは、上記導線から上記延在方向の直交方向へ放射される電磁波と、上記側面部分から上記直交方向へ放射される電磁波の位相がずれるように設定される、ループアンテナ装置である。

上記一態様において、上記導線から上記延在方向へ放射される電磁波は、上記誘電体基体内を通過するため、上記導電体パターン内を通って上記側面部分から上記延在方向へ放射される電磁波との間に位相差が生じ得るが、上記誘電体基体の誘電率が、上記導線から上記延在方向へ放射される電磁波と上記側面部分から上記延在方向へ放射される電磁波との間に位相のずれが生じないように適切に選定されるため、これら電磁波を位相がずれていない、互いに強め合う関係にある電磁波とすることができる。
また、上記一態様においては、上記導線から上記直交方向へ放射される電磁波は、上記誘電体基体内を通過するため、空気中を進む場合に比して位相がずれること、及び、上記側面部分から上記直交方向へ放射される電磁波は、上記誘電体基体内を通過せずに空気中を進むことに鑑み、上記横幅の長さが、上記導線から上記直交方向へ放射される電磁波と上記側面部分から上記直交方向へ放射される電磁波の位相がずれるように適切に設定されるため、これら電磁波を位相がずれた、互いに弱め合う関係にある電磁波とすることができる。
したがって、上記一態様によれば、ループ内を何ら誘電体が貫通していない双・半ループアンテナに比して、アンテナ水平面において、従来の低ゲイン方向（上記延在方向に対応）について電界を強め、従来の高ゲイン方向（上記直交方向に対応）について電界を弱めることができるため、双・半ループアンテナの水平面指向性を全方向に略均一なものとすることができる。

なお、上記一態様において、「誘電体基体」を形成する誘電体は例えばセラミックであるが、ガラエポなどのエポキシ樹脂、ＰＰＯなどのポリエーテル樹脂、ＢＴレジン、テフロン（登録商標）などのＰＴＦＥ樹脂、など任意の誘電体でよい。

さらに、本発明の応用例として、上記一態様に係るループアンテナ装置を２つ組み合わせ、一方の上記ループアンテナ装置の上記導電体平板との接触面に凹部を設け、他方の上記ループアンテナ装置を上記導電体平板に設置したときに上記凹部内に収容されるように設計し、上記ループアンテナ装置双方について、給電線及び給電点を共有化すると共に、インピーダンス整合をとった、２周波数対応ループアンテナ装置も可能である。

本発明によれば、水平面指向性が略無指向性である、又は、任意の水平面指向性を設定可能であるループアンテナ装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。なお、ループ状のアンテナ素子を有するアンテナ装置の基本概念、主要なハードウェア構成、作動原理、及び基本的な制御手法等については当業者には既知であるため、詳しい説明を省略する。

まず、図３〜５を参照して、本発明の実施例１について説明する。図３は、本実施例に係るループアンテナ装置３００の斜視図である。

ループアンテナ装置３００は、略直方体のセラミック基体３０１上に形成された導電体パターン３０２と、セラミック基体３０１の開けられた穴を通じて導電体パターン３０２と給電点３０３とをつなぐ中心導線３０４とから成るアンテナ素子を有する。便宜上、導電体パターン３０２の厚さは図３では図示を省略している。

図示するように、ループアンテナ装置３００は、双・半ループアンテナであり、地板（導電体平板）３０５上に設置される。地板３０５は、グランドとして機能し得るものであれば任意の導電体でよい。

導電体パターン３０２の形成手法は任意でよく、例えばマイクロストリップアンテナの場合と同様の手法（例えば蒸着など）を用いることが可能である。

中心導線３０４は、例えば、導電体パターン３０２形成後にセラミック基体３０１に開けられた穴に挿入され、導電体パターン３０２との間で半田付けされる。

このように誘電体であるセラミックの基体３０１上に導電体パターン３０２を形成し、これを導線３０４によって給電点３０３と接続することによって、半ループ状のアンテナ素子の半環内を誘電体であるセラミックが貫通しており、且つ、中心導線３０４が周囲をセラミックで囲まれている状態とする。

図４は、図３のループアンテナ装置３００を導電体パターン３０２上でＸＺ平面で切った断面図である。図示するように、導電体パターン３０２と導線３０４とで構成される２つの半ループはその内側がセラミックで埋め尽くされている。

ここで、従来の双（・半）ループアンテナではゲインが弱いＸ方向への放射について考えると、アンテナ素子＃１（＝中心導線３０４）からＸ方向へ放射された電磁波４０１は、セラミック基体３０１内を通過するため、導電体パターン３０２内を通る電流４０２との間に位相差を生じる。ここで、セラミック基体３０１の誘電率εを適切に選定することにより、Ｘ方向遠方界Ｐ_１において、従来の誘電体無しの場合には互いに弱め合っていたアンテナ素子＃１〜３からの電磁波を互いに強め合う関係にすることができる。

図５は、図３のループアンテナ装置３００の上面図である。図示するように、誘電体がループ内を貫通している状態とするため、Ｗ_１、Ｗ_２＞０となっている。

ここで、従来の双（・半）ループアンテナではゲインが強いＹ方向への放射について考えると、アンテナ素子＃１（＝中心導線３０４）からＹ方向へ放射された電磁波５０１は、セラミック基体３０１内を通過するため、空気中を進む場合に比して位相がずれる。他方、セラミック基体３０１の側面に形成された導電体パターン３０２の一部であるアンテナ素子＃２、３から放射された電磁波５０２は、誘電体を通過せずに空気中を進む。ここで、セラミック基体３０１の横幅Ｗ_２（又はＷ_１）を適切に選定することにより、Ｙ方向遠方界Ｐ_２において、従来の誘電体無しの場合には同相のため互いに強め合っていたアンテナ素子＃１〜３からの電磁波を互いに弱め合う関係にすることができる。

このように、本実施例によれば、セラミック基体３０１の誘電率εを適切に選定することによって、従来の双ループアンテナではゲインが比較的弱かったＸ方向への放射を強めることができると共に、セラミック基体３０１の横幅Ｗ_１、Ｗ_２を適切に設計することによって、従来の双ループアンテナではゲインが比較的強かったＹ方向への放射を弱めることができるため、セラミック基体３０１の材質、サイズ、及び形状によって楕円状で不均一であった双ループアンテナの水平面指向性を全方向に略均一な円状のものとすることが可能となる。

次いで、図６〜９を参照して、本発明の実施例２について説明する。本実施例に係るループアンテナ装置は、上述の実施例１のものとほぼ類似した構成を有する。ただし、実施例１では主として全方向に均一な水平面指向性の実現が狙いとされているのに対し、本実施例では、セラミック基体の形状を適宜設計することによって、特定の方向に強い又は弱いゲインを持った所望の水平面指向性を実現することが狙いとされる。

より具体的には、上述の実施例１では、セラミック基体３０１が略直方体であるものとし、水平面指向性について主としてＸ方向（＋／−）・Ｙ方向（＋／−）の４方向について考察したが、本発明に係るループアンテナ装置のセラミック基体の形状は本来直方体に限られず、任意の形状とすることができることを利用し、本実施例ではその形状を工夫する。

図６は、本実施例に係るループアンテナ装置の一例の上面図である。上記実施例１の場合と同じ構成要素には同じ符号を付している。

図６に示したループアンテナ装置のセラミック基体３０１ａは、中心導体３０４から放射状に発せられる電磁波について着目すると、図示するように方向Ａについては誘電体の幅が短く、方向Ｂについては誘電体の幅が長い。したがって、既述のように、方向Ａに対してはアンテナゲインが強くなり、方向Ｂに対してはアンテナゲインが弱くなる。

したがって、図６に示したループアンテナ装置によれば、方向Ｂよりも方向Ａに対して指向性を持ったアンテナ水平面指向性を実現することができる。

このように、中心導体３０４から放射された電磁波が通過する誘電体の厚さを変えることによって、特定の方向についてアンテナ素子＃１〜３から放射された電磁波の関係を弱め合う関係や強め合う関係に設定することができる。

図６に示したセラミック基体３０１ａは一例に過ぎず、例えば、図７に示すような略十字状のセラミック基体３０１ｂや、図８に示すような略八角形状のセラミック基体３０１ｃも可能である。

さらに、本発明に係るループアンテナ装置におけるセラミック基体の形状は、高さ方向（すなわち地板３０５に垂直な方向）についても任意に設計することができるため、例えば図９に示す一例のように、導電体パターン３０２の周辺のセラミック基体を導電体パターンの高さより高くすることによって、Ｙ方向上方に対してもアンテナゲインを弱めることができる。すなわち、導電体パターン３０２とセラミック基体の高さに差をつけることによって、所望の垂直面指向性も得ることができる。

図９に示す本実施例に係るループアンテナ装置の一例は、例えば、セラミック基体の外周に帯状の溝を形成し、その溝の底面に対して導電体パターンを蒸着させることによって容易に製造可能である。

このように、本実施例によれば、セラミック基体の形状を適宜設計することによって、所望の水平面及び垂直面指向性を実現することができる。

次いで、図１０及び１１を参照して、本発明の実施例３について説明する。本実施例に係るループアンテナ装置は、大きさの異なる上記実施例１に係るループアンテナ装置を２つ重ねた構造を有し、２つの周波数に対応可能としたものである。

図１０は、本実施例に係る２周波数対応ループアンテナ装置の組立図である。本実施例では、実施例１に係るループアンテナ装置３００を大小２個用いる。小さい方のループアンテナ装置は基本的にループアンテナ装置３００のままであり、大きい方のループアンテナ装置３００ａは地板３０５との接触面に小さい方のループアンテナ装置３００を完全に収容するのに十分な大きさのくぼみ（凹部）が設けられる。

図１１は、本実施例に係る２周波数対応ループアンテナ装置を導電体パターン３０２上でＸＺ平面で切った断面図である。

図示するように、外側のループアンテナ装置３００ａと内側のループアンテナ装置３００は給電点３０３及び中心導線３０４ａを共有する。このような構成において両者についてインピーダンス整合をとることによって、外側と内側のループアンテナをそれぞれ異なる周波数で共振させることができ、結果として装置全体を２周波数対応とすることができる。

また、外側のループアンテナ装置３００ａのセラミック基体３０１ｅに設けられたくぼみの内壁と、内側のループアンテナ装置３００の表面（特に、導電体パターン３０２の表面）との間には空隙１１０１が設けられる。導電体パターン３０２が上下から誘電体に挟まれると実効誘電率が変化してしまうため、このような空隙１１０１が確保されるようにセラミック基体３０１ｅ（のくぼみ）を設計することによって、内側のループアンテナ装置３００が実施例１のものと同様に機能させることができる。

このように、本実施例によれば、本発明に係るループアンテナ装置を２つ用いて容易に２周波数に対応可能なループアンテナ装置を実現することができる。

なお、本実施例においても、セラミック基体の形状は所望の指向性に応じて任意に設計できることは明らかである。

以上、本発明の実施例１〜３について説明したが、上記説明における「セラミック基体」は、セラミックに限られず、誘電体であれば任意の材料から形成された基体でよい。例えば、ガラエポなどのエポキシ樹脂、ＰＰＯなどのポリエーテル樹脂、ＢＴレジン、テフロン（登録商標）などのＰＴＦＥ樹脂、などの誘電体から形成された基体が代替として考えられる。

本発明は、例えば無線ＬＡＮなどの通信システムにおいて無指向性アンテナ又は指向性アンテナとして利用することができる。通信方式や通信されるデータの内容は問わない。

（ａ）従来の双ループアンテナの概略図である。（ｂ）従来の双・半ループアンテナの概略図である。（ａ）共振時に従来の双ループアンテナに流れる電流を示す概略図である。（ｂ）図２（ａ）の双ループアンテナと等価な３本のダイポールアンテナを示す概略図である。本発明の実施例１に係るループアンテナ装置の斜視図である。本発明の実施例１に係るループアンテナ装置を導電体パターン上でＸＺ平面で切った断面図である。本発明の実施例１に係るループアンテナ装置の上面図である。本発明の実施例２に係るループアンテナ装置の一例の上面図である。本発明の実施例２に係るループアンテナ装置の別の一例の上面図である。本発明の実施例２に係るループアンテナ装置の別の一例の上面図である。本発明の実施例２に係るループアンテナ装置の別の一例の斜視図である。本発明の実施例３に係る２周波数対応ループアンテナ装置の組立図である。本発明の実施例３に係る２周波数対応ループアンテナ装置を導電体パターン上でＸＺ平面で切った断面図である。

符号の説明

３００、３００ａループアンテナ装置
３０１、３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄ、３０１ｅセラミック基体
３０２導電体パターン
３０３給電点
３０４、３０４ａ導線
３０５グランド板
４０１、４０２、５０１、５０２電磁波
１１０１空隙

Claims

導電体平板上に設置された誘電体基体と、該基体に形成された導電体パターンを含むアンテナ素子とを有するループアンテナ装置であって、
前記導電体パターンは、両端部が導電体平板に接続され、前記誘電体基体の外周面上に帯状に形成され、
前記アンテナ素子は、前記誘電体基体内を通り、一端が導電体パターンに接続され、他端が導電体平板上の給電点に接続された導線と、前記導電体パターンとから構成され、導電体平板に接続された端部から給電点に接続された導線の端部までの半ループ状の一対の素子が対称性を有する形状を有し、
前記誘電体基体は、前記帯状の導電体パターンが形成された外周面において、該帯状の導電体パターンより幅広い横幅を有し、
前記誘電体基体の誘電率は、前記導電体パターンのうち前記誘電体基体の上面上に延在する上面部分の延在方向へ前記導線から放射される電磁波と、前記導電体パターンのうち前記誘電体基体の側面に形成された側面部分から前記延在方向へ放射される電磁波との間に位相のずれが生じないように選定され、
前記横幅の長さは、前記導線から前記延在方向の直交方向へ放射される電磁波と、前記側面部分から前記直交方向へ放射される電磁波の位相がずれるように設定される、ことを特徴とするループアンテナ装置。
請求項１記載のループアンテナ装置を２つ組み合わせた２周波数対応ループアンテナ装置であって、
一方の前記ループアンテナ装置の前記導電体平板との接触面に凹部を設け、
他方の前記ループアンテナ装置を前記導電体平板に設置したときに前記凹部内に収容されるように設計し、
前記ループアンテナ装置双方について、給電線及び給電点を共有化すると共に、インピーダンス整合をとった、ことを特徴とする２周波数対応ループアンテナ装置。