JP4171008B2 - アンテナ装置および携帯無線機 - Google Patents

Description

本発明は、例えば人体近傍で使用されるウェアラブル機器やRFID、携帯電話、PHSなどの小型通信機器などに利用可能なアンテナ装置、および当該アンテナ装置を搭載した携帯無線機に関する。

従来から、アンテナの近傍に人体などの損失性の誘電体があるときに、アンテナの放射特性が劣化するという問題があった。これを解決するために、人体と反対方向に単方向性の指向性を有するアンテナを用いることで、人体による電波の吸収が低減することが考えられる。アンテナに単方向性の指向性を持たせるための有効な手段として、アンテナに地板を付ける方法があり、ダイポールアンテナに地板を付けたものが代表的である。

従来技術を説明するための例として特開2002-141742号公報（特許文献１）に提案された半波長ダイポールアンテナを図１４（Ａ）に示す。また、この半波長ダイポールアンテナが設置される地板（反射板）の高さおよび幅に対するFB比の変化特性を示すグラフを図１４（Ｂ）に示す。図１４（Ｂ）のグラフも同公報に記載のものである。

半波長ダイポールアンテナ1の中央部を、反射板2の幅W方向および高さH方向の中央に対応させて設置し、反射板2の高さHを使用周波数の1.3波長ないし1.7波長の範囲に設定することにより、地板2のアンテナ側への利得を高めることができる。

しかし、ダイポールアンテナと地板との距離が1/4波長であることと、アンテナをある程度のサイズを有する地板のほぼ中央の位置に設置する必要があるため、アンテナ自体が比較的大きくなり、小型端末機器などへ実装が難しいという問題があった。

また、一般に無線機では不平衡（たとえば同軸給電やマイクロストリップ線路）な状態で給電が行われるが、ダイポールアンテナは平衡型の素子であるため、給電点において平衡不平衡変換器（バラン）が必要になり、装置が複雑化し、小型化が困難であるという問題があった。
特開2002-141742号公報

本発明は、所望の単方向性の指向性を得ることができかつ小型化可能なアンテナ装置、および当該アンテナ装置を搭載した携帯無線機を提供する。

本発明の一態様としてのアンテナ装置は、
使用電波の波長の略半分の長さを有する第１の線状導体素子と、
前記第１の線状導体素子と同一面内に配置されかつ前記第１の線状導体素子に対し略垂直に配置され、一端が前記第１の線状導体素子に接続された第２の線状導体素子と、
前記第１の線状導体素子と同一面内に配置されかつ前記第１の線状導体素子と略平行に配置され、前記第２の線状導体素子と接続された第３の線状導体素子と、
前記第２の線状導体素子上に設けられた給電点とを備え、
前記第3の線状導体素子の長さは、前記第1の線状導体素子の長さよりも長く、
前記第１の線状導体素子と前記第２の線状導体素子との接続点からみて前記第１の線状導体素子の一方の側の長さ（a）と、前記第２の線状導体素子と前記第３の線状導体素子との接続点から見て前記第３の線状導体素子の前記一方の側の長さ（c）と、前記第２の線状導体素子の長さ（h）の和（a+c+h）と、前記第１の線状導体素子と前記第２の線状導体素子との接続点からみて前記第１の線状導体素子の他方の側の長さ（b）と、前記第２の線状導体素子と前記第３の線状導体素子との接続点から見て前記第３の線状導体素子の前記他方の側の長さ（d）と、前記第２の線状導体素子の長さ（h）の和（b+d+h）が異なり、
前記第１の線状導体素子と第２の線状導体素子との前記接続点が、前記第１の線状導体素子の中心点から（0.013×使用電波の波長）以上オフセットされている
ことを特徴とする。

本発明の一態様としての携帯無線機は、上記アンテナ装置を搭載した携帯無線機であって、筐体内に格納された有限地板と、前記有限地板上に配置された無線モジュールと、前記有限地板の端部近傍に配置された前記アンテナ装置と、前記無線モジュールから前記アンテナ装置における前記給電点に給電を行う給電線路と、を備え、前記有限地板の面と前記アンテナ装置における各前記線状導体素子が存在する面とが略垂直な関係にあることを特徴とする。

本発明により、所望の単方向性の指向性を得ることができかつ小型化可能なアンテナ装置、および当該アンテナ装置を搭載した携帯無線機を実現できる。

以下、図面を参照しながら本実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明のアンテナ装置の実施形態を示す。

このアンテナ装置は、導電性材料による線状素子101〜105と給電点100とを有する。線状素子101〜105および給電点100は同一平面上に位置する。線状素子は例えば銅により構成される。

線状素子101、102は一直線状に接続される。線状素子101、102によって第１の線状導体素子11が構成される。線状素子101、102に対して垂直に配置された線状素子103の一端は、線状素子101と102の結合部に接続され、線状素子103の他端は給電点100に接続される。第２の線状導体素子12は線状素子103、または線状素子103と給電点100とを含む。線状素子104、105は一直線状に接続される。線状素子104、105によって第３の線状導体素子13が構成される。線状素子104、105は、線状素子101、102と平行に（線状素子103に対し垂直に）配置され、線状素子104、105の結合部は給電点100に接続される。

図１に示す本発明のアンテナは、これを構成する線状素子101、102、103、104、105の長さをそれぞれa、b、h、c、dとしたとき、z軸方向（紙面に沿って平行で上方向）を所望の方向とする指向性を得るために、素子101,103,104と素子102,103,105の2つのコの字形状素子の長さを異なるものとすることにより、2つの直列共振の間に並列共振を発生させる。さらに素子101,102を導波器として動作させるために（素子101,102の長さ）＜（素子104,105の長さ）と設定したことを特徴としている。

なお、線状素子104、105と線状素子101、102とは完全に平行でなくてもよく、本発明の効果が得られる範囲であれば多少の誤差があっても構わない。同様に、線状素子101、102と線状素子103とは完全に垂直でなくてもよく、本発明の効果が得られる範囲であれば多少の誤差があっても構わない。

図２は、図１における破線矩形領域の拡大図、具体的には、給電部分の詳細構成を示す。

給電点に対して給電を行う給電線として同軸線106が示される。同軸線106は内導体108および外導体107を含み、内導体108および外導体107の間には絶縁物が介在する。同軸線106からむき出された内導体108は線状素子103に接続され、外導体107は線状素子104、105に接続されている。同軸線106の線状素子103との反対側の端部には無線モジュールが接続されている（後述する図９参照）。この無線モジュールから同軸線106の内導体および外導体に高周波信号が供給される。

以上のアンテナ装置において、線状素子11は放射素子として利用され、線状素子13は、線状素子11から放射された電波を反射する反射素子として利用される。このような構成にすることにより、提案アンテナは単方向性の指向性が得られ、人体などの損失性媒質の近傍において高効率を得ることができる。以下、本発明のアンテナにおいて単方向性の指向性が得られる理由を詳細に記述する。

まず、図１のアンテナ装置において、線状素子101,102,104,105の関係がa=b, c=dとした場合を考える。この時、アンテナ上の電流分布は図３(a)に示すような状態になる。矢印は電流の向きを示す。このような状態は、ＬとＣの等価回路でいうと直列共振モードといい、給電点における電流が最大になる。線状素子101と102の素子上の電流は逆相となり、104と105の素子上の電流も互いに逆相となるため、101と102および、104と105の素子上では電流の打ち消しあいが生じる。また、給電点を含む素子103上では同相で電流が流れ込むため電流が強めあい、線状素子103が主放射素子となる。したがって、z軸上にダイポールアンテナを置いたときと同様な放射パターン、すなわちｘ軸方向の放射パターンとなり、所望方向であるz軸方向の指向性を得ることができない。

一方、本発明のアンテナ装置では所望の指向性特性であるＺ軸方向の指向性特性を得るために、給電点で電流が最小になる並列共振モードを動作モードとしている。本発明では、a＋h＋cの長さをb＋h＋dの長さよりも長く設定する。このように設定すると、線状素子101,103,104からなる素子による共振が発生し、線状素子102,103,105からなる素子による共振が、線状素子101,103,104からなる素子による共振周波数より高い周波数で発生する。この二つの共振は直列共振である。二つの直列共振の周波数の間には必ず並列共振の周波数が発生する。並列共振モード時の電流分布を図３(b)に示す。給電点における電流が最小になる並列共振モード時には、この図３(b)に示すような矢印の向きに電流が流れ、素子103上では電流が逆相で流れ込むため電流の打ち消しあいが生じ、放射への寄与は小さく、素子11（101,102で構成される）と素子13（104,105で構成される）上の電流はそれぞれ同相となるため、素子101,102および素子104,105の放射が優勢となる。この時、線状素子11および13には半波長ダイポールアンテナと同等な電流分布が発生することにより、z軸方向の放射が起こるのである。

さらにz軸正の方向に電波が放射されるようにするためには、線状素子13の長さを線状素子11の長さよりも長く設計する必要がある。このように設計することにより、線状素子11の電流の位相が線状素子13の電流の位相に対して遅れているときは、放射方向はz軸正の方向に傾く。逆に、線状素子11の電流の位相が線状素子13の電流の位相に対して進んでいるときは、放射方向はz軸負の方向に傾く。ｚ軸負の方向に放射された電波は線状素子104、105によって反射させられ、ｚ軸正の方向に飛ばされる。

各線状素子の長さを、101 = 30.6 mm、102 = 27.9 mm、103 = 5.0 mm、104 = 32.5 mm、105 = 29.9 mmとし、使用周波数= 2450 MHzとしたときの素子101, 102, 104, 105における電流分布を図４に示す。グラフの縦軸は電流の振幅および位相を示しており、横軸はｘ軸(図１参照)における位置を示している。素子101,102における電流分布は半波長ダイポールアンテナに類似した電流分布になっている。また素子103における電流の振幅は素子101,102における電流の最大値の1/3程度の大きさになっており（シミュレーション結果により確認）、素子101,102の電流が放射に支配的であることがわかる。また、素子101,102の位相は、素子104,105の電流の位相に比べて180度以上進んでいるため、hの距離を加味するとz軸正の方向に放射しやすくなっている。

図５は、線状素子13の長さと、線状素子11の長さとの好適な関係を説明するグラフである。このグラフは、本発明者らによるシミュレーションにより取得したものである。

線状素子13の長さが線状素子11の長さに対してグラフにおける影の領域内にある時に、VSWRおよび利得の値がよいことが理解される。すなわち、線状素子13の長さが、線状素子11の長さに対し1.1以上および1.4以下の倍率の関係にあるときに好適なVSWRおよび利得の値が得られる。

ここで、VSWR(電圧定在波比：Voltage Standing Wave Ratio)とは、アンテナと給電線との接続部において発生する反射波の度合いで、不整合によって生じた定在波の最大値と最小値の比を示す。VSWRの値が小さいほど、反射波が少なくて良い状態であることを示す。

また、利得とは、あるアンテナを送信または受信に使用した場合に、ある方向へどれだけ電力を送り出すか、またはどれだけ吸収するかを、別途定めた基準アンテナと比較したものである。ここでの利得は、基準アンテナとして、あらゆる方向に等しい放射を行う仮想的な等方性アンテナを選んだときの絶対利得(dBi)を示している。

ここで、以上で説明した所望の共振モードが得られる各線状素子の長さの関係に加え、さらに、線状素子101、102の長さa、bを以下のように設定することでより効果的な特性が得られることを示す。

図６は、線状素子101と線状素子102の長さの差と、VSWRおよび利得との関係を示すグラフである。このグラフは本発明者らによるシミュレーションにより取得したものである。

このグラフより2素子の長さの差が0.025λ〜0.06λのときに、好適なVSWRおよび利得が得られることが理解される。すなわち、線状素子101と線状素子102とからなる線状導体素子の中心点からのオフセット量が0.013（≒0.0125=0.025/2)λ〜0.03(=0.06/2)λのときに好適なVSWRおよび利得が得られる。

以上までに説明した各種条件を考慮して各線状素子101〜105の長さを、
101 = 30.0 mm（0.25λ）
102 = 27.5 mm（0.23λ）
103 = 5.0 mm（0.04λ）
104 = 33.0 mm（0.27λ）
105 = 30.3 mm（0.25λ）
に設定したときのアンテナ特性のシミュレーション結果を図７および図８示す。図７は、VSWRの周波数特性を示し、また、図８はzx平面における放射パターンを示す。図８の放射パターンの計算結果を見ると、z軸正の方向に指向性が向いており、所望の単方向性の指向性が得られていることがわかる。ここでは、使用周波数= 2450 MHzとし、シミュレーションにはモーメント法を用いた。

図９は、図１に示したアンテナ装置を搭載した無線通信装置の構成を概略的に示す斜視図である。

この無線通信装置は、基板110と、無線モジュール111と、同軸線路106と、アンテナ装置201とを備える。

アンテナ装置201は、線状素子101〜105および給電点（図１参照）を有する。アンテナ装置201の構成は図１および図２と基本的に同一である。ただし、線状素子104、105は、図２では物理的に一体であるが、ここでは物理的に分離して、同軸線路106を介して接続される。本発明は、線状素子104、105が物理的に一体である場合および物理的に一体でない場合のいずれも含む。このことは線状素子101、102についても同様である。

同軸線路106は外導体107および内導体108を含む。同軸線路106の構成は図２と同一であるため詳細な説明を省略する。

基板110は金属でメッキされたアース面を有している。無線モジュール111は、シールドケースに内蔵された状態で、基板110面上に配置されている。無線モジュール111は高周波信号を生成し、生成した高周波信号を、同軸線路106を介して、アンテナ装置201の給電点（図１参照）に供給する。

アンテナ装置201は、基板110の端部近傍に、アンテナ装置201の長さ方向と、基板110の一辺とが平行になるように、配置される。このとき、基板110と線状素子104、105は同一平面内に存在するものとし、線状素子101、102、104、105が存在する平面と基板110の面とは垂直であるとする。アンテナ装置201と基板110の1辺との距離は、例えば1mm（0.008λ）以上離して設置することが好ましい。

本提案アンテナ装置は、給電点の電流が最小になっているため、給電線を介して基板110へ接続されても基板110の影響を受けない。したがって、図１０から図１３に示すようにアンテナ装置を配置することが可能であり、設計の自由度を大きくすることができる。

図１０は、図９に示した無線通信装置の携帯無線機への実装例を示す。

112は携帯無線機の筐体を示しており、図９で示した無線通信装置が筐体112に内蔵されている。

図１１は、基板に対するアンテナ装置の設置位置の一例を示す。

301は携帯無線機の基板で、302は表示部で、303はスピーカーを示す。表示部302とスピーカー303は携帯無線機の基板301上に配置されている。

アンテナ装置201を実装する際、線状素子104、105は基板301と同一平面内にあり、線状素子103は基板301と垂直な関係にある。すなわち、線状素子101、102は人体と反対の方向側へ配置される。線状素子104と105の長さの和は、例えば線状素子101と102の長さの和の1.1倍にする。

アンテナ装置201の設置位置は、基板の辺に対して任意であり、図１１に示す位置の他、図１２に示す位置でもよい。また、アンテナ装置201の設置個数は１つに限られず、図１３に示すように、2つのアンテナ装置201を設置してもよい。

以上のように、本実施形態によれば、第１の線状導体素子の長さを使用電波の周波数の半波長程度とし、かつ各線状素子の長さを並列共振モードが発生するように設計したため、所望の周波数の電波を送信または受信することができる。

また、第３の線状導体素子の長さを第１の線状導体素子の長さより長くしたことにより、所望である単方向性の指向性を有する放射パターンを得ることができる。

また、第１の線状導体素子と第２の線状導体素子との接続点を第１の線状導体素子の中心から（0.013×使用電波の波長）以上および（0.03×使用電波の波長）以下の範囲でオフセットさせるようにしたため好適なVSWRおよび利得を得ることができ、よって、所望の周波数の電波を送信または受信することができ、所望である単方向性の指向性を有する放射パターンを得ることができる。

また、第３の線状導体素子の長さを、第１の線状導体素子の長さの１．１倍以上および１．４倍以下の範囲に設計するようにしたことにより、好適なVSWRおよび利得を得ることができ、よって所望の周波数の電波を送信または受信することができ、所望である単方向性の指向性を有する放射パターンを得ることができる。

また、本実施形態によれば、地板を必要とせず、また従来の反射板付ダイポールアンテナと比較して低姿勢なアンテナ装置を提供でき、アンテナ装置自体の小型化を提供することができる。また、単方向性の指向性を得ることができるため、人体近傍において高効率が得られる。また、本アンテナ装置は不平衡給電型のアンテナ装置であり、バランや整合回路を必要としないため小型機器への実装が容易である。

また、本アンテナ装置は地板の近傍に配置しても性能が変化しないため、地板に対して設置位置の自由度がある。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明のアンテナ装置は、小型かつ人体などの損失性媒質が近傍にある時に、高効率を得ることが可能であるため、ウェアラブル機器またはRFIDタグ用のアンテナ装置として応用が可能である。

また、本アンテナ装置は、地板の近傍に配置しても性能が変化しないため、地板に対して設置位置の自由度があり、よって小型無線機一般に対して広く応用が可能である。

本発明によるアンテナ装置の実施形態を示す図。 第１の実施形態の給電部の拡大図。 アンテナ上の電流分布を説明する図。 アンテナを構成する素子上の電流分布を示すグラフ。 線状素子11の長さの線状素子13の長さに対する比率と、VSWRおよび利得との関係を示す図。 線状素子101と線状素子102の長さの差と、VSWRおよび利得との関係を示す図。 VSWRの周波数特性のシミュレーション結果を示す図。 放射パターンのシミュレーション結果を示す図。 図１のアンテナ装置を搭載した無線通信装置の構成を示す図。 図９の無線通信装置の携帯無線機への実装例を示す図。 アンテナ装置の基板に対する設置位置を説明する図。 アンテナ装置の基板に対する設置位置を説明する図。 アンテナ装置を２つ設置した例を示す図。 従来技術を説明する図。

符号の説明

１１：第１の線状導体素子
１２：第２の線状導体素子
１３：第３の線状導体素子
１００：給電点
１０１〜１０５：線状素子
１０６：同軸線路
１０７：外導体
１０８：内導体
１１０、３０１：基板
１１１：無線モジュール
２０１：アンテナ装置
３０２：表示部
３０３：スピーカー
a, b, c, d, h：線状素子の長さ

Claims (3)

1. 使用電波の波長の略半分の長さを有する第１の線状導体素子と、
   前記第１の線状導体素子と同一面内に配置されかつ前記第１の線状導体素子に対し略垂
   直に配置され、一端が前記第１線状導体素子に接続された第２の線状導体素子と、
   前記第１の線状導体素子と同一面内に配置されかつ前記第１の線状導体素子と略平行に
   配置され、前記第２の線状導体素子と接続された第３の線状導体素子と、
   前記第２の線状導体素子上に設けられた給電点とを備え、
   前記第３の線状導体素子の長さは、前記第１の線状導体素子の長さよりも長く、
   前記第１の線状導体素子と前記第２の線状導体素子との接続点からみて前記第１の線
   状導体素子の一方の側の長さ（a）と、前記第２の線状導体素子と前記第３の線状導体素
   子との接続点から見て前記第３の線状導体素子の前記一方の側の長さ（c）と、前記第２
   の線状導体素子の長さ（h）の和（a+c+h）と、前記第１の線状導体素子と前記第２の線状
   導体素子との接続点からみて前記第１の線状導体素子の他方の側の長さ（b）と、前記第
   ２の線状導体素子と前記第３の線状導体素子との接続点から見て前記第３の線状導体素子
   の前記他方の側の長さ（d）と、前記第２の線状導体素子の長さ（h）の和（b+d+h）が異
   なり、それぞれが前記使用電波の周波数の前後の周波数で直列共振する長さであり、
   前記第１の線状導体素子と第２の線状導体素子との前記接続点が、前記第１の線状導体
   素子の中心点から（0.013×使用電波の波長）以上および（0.03×使用電波の波長）以下
   の範囲でオフセットされている
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記第３の線状導体素子の長さは、前記第１の線状導体素子の長さの１．１倍以上およ
   び１．４倍以下の範囲に設定されたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 請求項１または２に記載のアンテナ装置を搭載した携帯無線機であって、
   筐体内に格納された有限地板と、
   前記有限地板上に配置された無線モジュールと、
   前記有限地板の端部近傍に配置された前記アンテナ装置と、
   前記無線モジュールから前記アンテナ装置における前記給電点に給電を行う給電線路と
   、を備え、
   前記有限地板の面と前記アンテナ装置における各前記線状導体素子が存在する面とが略
   垂直な関係にある、
   ことを特徴とする携帯無線機。

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