JP5698596B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置に関する。

社会における通信の重要性が増大するなかで、通信に関わる様々な技術も高性能化が求められている。例えば車両や住宅等に用いられるキーレスリモートシステムやスマートエントリーシステムなどにおいては、低背で高利得のアンテナ装置の開発が求められている。下記特許文献１では、小型化、薄型化を図ったアンテナ装置が開示されている。

特開２００９−１７２５０号公報

発信する電磁波の波長の４分の１の長さのモノポール（λ／４モノポール）を折り曲げて低背化したものは逆Ｌ型アンテナと呼ばれる。逆Ｌ型アンテナ装置においては、低背化と高利得化とがトレードオフの関係にある場合がある。上記特許文献１には逆Ｌ型アンテナの例が示されているが、その例では低背化させると容量成分が発生し、５０Ω整合のために整合回路を挿入する必要が生じ、結果的に利得低下を招く。

図１２には上記特許文献１の逆Ｌ型のアンテナ装置１’の例が示されている。アンテナ装置１’では、基材上に設けられた給電点から、基材上に立設し、屈曲してから基材と平行に延設されたアンテナエレメントが配置されている。図１２（ｂ）は、このアンテナ装置１’の概略図である。同図のとおりアンテナエレメントの水平部分（の先端部分）と基材との間に電気容量（キャパシタンス）成分が発生する。

この等価回路が図１２（ｃ）に示されている。給電点に接続された５０Ωの給電線と整合するために、給電点とアンテナエレメントの間に整合回路を配置する。図１２（ｄ）は整合回路を加えた等価回路である。整合回路としてインダクタンス（誘導素子）を用いることにより、容量成分との並列接続で、回路のリアクタンス部分（インピーダンスの虚数部分）をゼロとする。

しかし整合回路のインダクタンスは電気抵抗成分ももつため、それによりアンテナ装置１’の利得（ゲイン）は低下する。以上のとおり、従来技術のアンテナ装置１’は、低背化する場合、整合のために低利得化を招いている。したがって低背化と高利得化とが両立するアンテナ装置の開発が望まれる。

そこで本発明が解決しようとする課題は、上記問題点に鑑み、低背化と高利得化とを両立するアンテナ装置を提供することにある。

上記課題を達成するために、本発明に係るアンテナ装置は、接地ランドと給電ランドとが同一面上に形成された基板と、前記接地ランドおよび給電ランドのうちの一方から立設された棒形状の立設部と、その立設部から屈曲して基板の表面と平行に延設された延設部と、からなる第１エレメントと、前記接地ランドおよび給電ランドのうちの他方から、前記第１エレメントから間隔を置いて立設された棒形状の第２エレメントと、を備え、前記第１エレメントの延設部の先端と前記第２エレメントの先端との間の距離は前記延設部と前記基板の表面との間の距離以下であり、前記第１エレメントの延設部の形状は平面視で先端が内方にある渦巻き形状であり、前記第２エレメントの位置は平面視で前記第１エレメントの渦巻き形状の内部であることを特徴とする。

これにより本発明に係るアンテナ装置では、従来技術における逆Ｌ字型アンテナに対応する第１エレメントに加えて、それと間隔を置いて立設する第２エレメントを備えて、第１エレメントの延設部の先端と第２エレメントの先端との間の距離は第１エレメントの延設部と基板の表面との間の距離以下であるように構成する。したがって第２エレメントを第１エレメントに近接して配置することによって、第１エレメントと第２エレメントとの間を電気的に結合して、第２エレメントにおけるインダクタンス成分によって、アンテナ装置のインピーダンスにおけるリアクタンス部分を打ち消すことができる。よって従来の逆Ｌ字型アンテナ装置のように整合回路を必要とせず、高利得化を達成できる。したがって逆Ｌ字型によって低背化を達成しつつ、整合回路なしで高利得化も達成するアンテナ装置が実現できる。

また前記延設部は前記基板の表面と平行な同一平面内に形成され、その同一平面と前記第２エレメントとは直交するとしてもよい。

この発明によれば、延設部を基板の表面と平行な同一平面内に形成するので、低背化にとって好適な形状で、第２エレメントをそれと直交方向に形成するので、第２エレメントを基板と直交方向に安定して配置できる。したがって安定的にエレメントを配置した構造によって、整合回路を必要とせず、低背化と高利得化とを達成するアンテナ装置が実現できる。

また前記立設部は前記接地ランドおよび給電ランドのうちの一方から直交方向に立設されたとしてもよい。

この発明によれば、第１エレメントの立設部を基板の表面から直交方向に形成するので、第１エレメントを安定して配置できる。したがって安定的にエレメントを配置した構造によって、整合回路を必要とせず、低背化と高利得化とを達成するアンテナ装置が実現できる。

また前記第１エレメントは給電ランドから立設するように形成され、前記第２エレメントは接地ランドから立設するように形成されたとしてもよい。

この発明によれば、第１エレメントを給電側、第２エレメントを接地側とする構成において、整合回路を必要とせず、低背化と高利得化とを達成するアンテナ装置が実現できる。

また前記第１エレメントと第２エレメントの少なくとも一方を固定して振動を抑制する固定手段を備えたとしてもよい。

この発明によれば、外力が加わった場合にアンテナ装置が振動することが固定手段によって抑制されるので、外力による振動を効果的に抑制して、低背化と高利得化とを達成するアンテナ装置が実現できる。

本発明の実施例１のアンテナ装置の（ａ）斜視図、（ｂ）平面図、および（ｃ）側面図。 アンテナ装置の等価回路を示す図。 本発明と従来技術のアンテナ装置におけるＳ１１パラメータの数値例を示す図。 実施例２のアンテナ装置を示す図。 実施例３のアンテナ装置を示す図。 実施例４のアンテナ装置を示す図。 実施例５のアンテナ装置の（ａ）斜視図および（ｂ）側面図。 実施例６のアンテナ装置を示す図。 実施例７のアンテナ装置を示す図。 実施例８のアンテナ装置を示す図。 固定手段の例を示す図。 従来技術のアンテナ装置を示す図。

以下、本発明のアンテナ装置の実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明のアンテナ装置１の（ａ）斜視図、（ｂ）平面図（アンテナエレメントのみ）（ｃ）側面図である。アンテナ装置１は、例えば自動車車両に装備されて、キーレスリモートシステムやスマートエントリーシステムなどにおける発信装置として用いられるとすればよい。

アンテナ装置１は、基板２、エレメント３、４を備える。基板２は、シート状の形状において、図示下面（裏面）側に電気回路がプリントされた回路基板２２の図示上面（表面）側に、銅箔などによる導電性を有する接地（ＧＮＤ）ランド２０と給電ランド２１とが形成されている。

エレメント３（第１エレメント）は、従来からある逆Ｌ型アンテナと同様に、棒形状の立設部３０と延設部３１とからなる。立設部３０は、給電ランド２１内の給電点２３から基板面と垂直方向に立設されている。延設部３１は、立設部３０の図示上方端部から図示横方向に直角に屈曲して、同一平面内で渦を巻く渦巻き形状に延設されている。

図１の例では、延設部３１の渦巻き形状は直線部分と直角に屈曲する部分とからなる四角の渦巻き形状である。そして延設部３１の渦巻き形状は、給電点２３が外方にあり、延設部３１の先端が内方にあるように形成されている。なお延設部３１の形状は図１のものに限定されず、例えば平面視で円形（楕円形）の渦巻き形状でもよい。また渦巻きにおける巻き回数も図１の巻き回数に限定されず、任意の巻き回数でよい。

エレメント４（第２エレメント）は、棒形状を有し、エレメント３から間隔を置いて接地ランド２０から基板面と直交方向に立設されている。図１の例では、エレメント４はエレメント３の立設部３０と同じ高さとされている。またエレメント４の配置位置は、エレメント３の延設部３１の渦巻き形状の水平方向の中心位置としている。エレメント３、４は、従来のアンテナエレメントと同様に銅やアルミニウム等の導電性を有する材質で形成すればよい。

図２には、アンテナ装置１からの等価回路の導出が示されている。図２（ａ）のアンテナ装置１は、同図（ｂ）に示すように簡略化される。アンテナ装置１では、図２（ｂ）のとおり、エレメント３（のうちの延設部３１）と接地ランド２０との間に電気容量が寄生する。またエレメント３とエレメント４との間にも電気容量が寄生する。

したがってエレメント３とエレメント４との間が電気的に結合されるので、エレメント３に電流が流れるとエレメント４にも電流が流れる（誘起される）。エレメント４に電流が流れると磁界が発生してインダクタンス成分が形成される。以上により図２（ｃ）の等価回路が得られる。

図２（ｃ）でＲ１はエレメント３の抵抗成分であり、Ｌ１はエレメント３が有する寄生インダクタンス成分である。またＣ１はエレメント３と接地ランド２０間の寄生容量（キャパシタンス）成分である。Ｃ２はエレメント３とエレメント４の間の寄生容量（キャパシタンス）成分である。Ｌ２はエレメント４のインダクタンス成分（寄生インダクタンス）成分である。

図２（ｃ）の等価回路においてＬ２（およびＣ２）がＣ１に対して並列に配置されることにより、回路全体のインピーダンスにおいてＣ１によるリアクタンス成分（インピーダンスの虚数部分）を打ち消す効果をＬ２（およびＣ２）は有する。したがってエレメント３、４の形状、位置、寸法などを適切に設計することによってリアクタンス成分を打ち消し、ひいてはアンテナ装置１の５０Ω整合を達成することができる。

この目的のためにアンテナ装置１においては、エレメント３（の延設部３１）の先端とエレメント４の先端との間の距離をａ、エレメント３の延設部３１と接地ランド２０との間の距離をｂとしたとき（図１参照）、ａをｂ以下に設定する。すなわち逆Ｌ型エレメント（エレメント３）を低背化する（ｂを小さくする）ほど、エレメント４の先端をエレメント３に近づける（ａを小さくする）。これによりエレメント３とエレメント４の電気的結合の度合いが大きくなって、図２（ｃ）におけるＬ２が大きくなり、リアクタンス成分の打ち消し効果が向上する。

以上のとおり本発明のアンテナ装置１では、従来技術のように整合回路を必要とせずに５０Ω整合を達成することができるので、整合回路分の利得低下が回避されて、逆Ｌ型アンテナにおける低背化と高利得化とが同時に実現できる。なおリアクタンス成分を打ち消すようにインダクタンスＬ２を調節するには、エレメント３、４の径を同じにせず、エレメント３、４の線径比を調節してもよい。

図３には本発明のアンテナ装置１と従来技術のアンテナ装置におけるＳ１１パラメータの数値例が示されている。なお従来技術のアンテナ装置は整合回路がない状態である。周知のとおりＳ１１パラメータが−１５ｄＢ（デシベル）以下であれば整合が達成されていると考えられる。

図３に示されているように、本発明のアンテナ装置１のＳ１１パラメータは発信周波数帯域で−１５ｄＢ以下となっており、整合が達成されていることがわかる。これに対し従来技術では整合回路がない影響でＳ１１パラメータが−１５ｄＢ以下となっていない。すなわち従来技術では高利得化を目指すと整合がとれなくなっている。図３の結果は、本発明のアンテナ装置１では、逆Ｌ型の構造において整合回路なしでの整合、すなわち高利得化を達成していることを示している。

本発明のアンテナ装置は図１の実施例に限定されず、各種の変形が可能である。図４から図１０に実施例２から８が示されている。なお図１、図２と同じ符号は同じ部材を示すとして重複する説明は省略する。

図４には実施例２のアンテナ装置の（ａ）平面図、（ｂ）側面図が示されている。実施例２では、エレメント４を基材２から傾斜方向（非直交方向）に立設している。上述のとおり、エレメント４の先端とエレメント３の延設部３１の先端との間の距離ａを小さくすることが望ましいので、図４の例では、エレメント４の先端が延設部３１の先端の方向へ傾斜するように形成している。これによりエレメント３とエレメント４との電気的結合を強くして、リアクタンス成分の打ち消し効果を達成する。

図５には実施例３のアンテナ装置の側面図が示されている。実施例３では、エレメント３の立設部３０を基材２から傾斜方向（非直交方向）に立設している。本発明のアンテナ装置においては、エレメント３とエレメント４の長さがともに発信周波数（共振周波数）に影響を与えるが、エレメント３の長さは発信周波数に大きな影響を与えるといえる。図５の実施例では、例えば立設部３０を直交方向のまま長さを短くするのではなく、エレメント３の長さを変えずに傾斜させて、基板面と延設部３１との距離を短くするので、低背化を実現するのに有効である。

図６には実施例４のアンテナ装置の側面図が示されている。実施例４は実施例２と実施例３との組み合わせである。すなわち図６のエレメント４は、図４のようにエレメント４の先端がエレメント３の延設部３１の先端側に傾斜するように配置されている。また図６のエレメント３は、図５のように立設部３０が基材２から傾斜方向（非直交方向）に立設している。これにより図６のアンテナ装置は、エレメント３とエレメント４との電気的結合を強くしてリアクタンス成分を良好に打ち消し、かつエレメント３の長さを変えずに低背化を実現する。

図７から図１０には実施例５から８のアンテナ装置の側面図が示されている。実施例５から８では、実施例１から４での給電エレメントと非給電エレメントとを入れ替える。実施例１から４では、エレメント３を給電エレメントとし、エレメント４を非給電エレメントとした。これに対し実施例５から８では、エレメント４を給電エレメントとし、エレメント３を非給電エレメントとした。これに伴い、図７（ａ）に示されているように、基材２の図示表面において、エレメント４の根元付近に給電ランド２１を形成し、それ以外の領域を接地ランド２０を形成する。すなわち実施例５から８では、エレメント３（第１エレメント）が接地ランドから立設するように形成され、エレメント４（第２エレメント）が給電ランドから立設するように形成されている。

図７に示された実施例５のアンテナ装置では、図１のアンテナ装置において、エレメント３を非給電エレメントに、エレメント４を給電エレメントに変更する。すなわちエレメント３は接地しエレメント４に給電する状態で、エレメント４およびエレメント３の立設部３０をともに基材２から直交方向に立設する。この構成によっても、逆Ｌ型アンテナにおける整合回路なしの整合と高利得化とが実現できる。

図８に示された実施例６のアンテナ装置では、図４のアンテナ装置において、エレメント３を非給電エレメントに、エレメント４を給電エレメントに変更する。すなわちエレメント３は接地しエレメント４に給電する状態で、エレメント３の立設部３０は基材２から直交方向に立設し、エレメント４の先端はエレメント３の延設部３１の先端方向に傾斜させる。この構成によっても、エレメント４の傾斜によりエレメント３とエレメント４との電気的結合が強くなり、リアクタンス成分の打ち消し効果が良好に達成される。

図９に示された実施例７のアンテナ装置では、図５のアンテナ装置において、エレメント３を非給電エレメントに、エレメント４を給電エレメントに変更する。すなわちエレメント３は接地しエレメント４に給電する状態で、エレメント４は基材２から直交方向に立設し、エレメント３の立設部３０は基材２から傾斜方向に立設する。この構成によっても、エレメント３の長さを変えずに低背化を実現する。

図１０に示された実施例８のアンテナ装置では、図６のアンテナ装置において、エレメント３を非給電エレメントに、エレメント４を給電エレメントに変更する。すなわちエレメント３は接地しエレメント４に給電する状態で、エレメント４の先端はエレメント３の延設部３１の先端方向に傾斜させ、エレメント３の立設部３０は基材２から傾斜方向に立設する。この構成によっても、エレメント３とエレメント４との電気的結合を強くしてリアクタンス成分を良好に打ち消し、かつエレメント３の長さを変えずに低背化を実現する。

次に図１１を説明する。実施例１から実施例８のアンテナ装置では、その形状から、エレメント３、エレメント４に外力が伝わると振動が発生する可能性があった。そこで図１１では、エレメント３、エレメント４を樹脂による固定部材５に埋設して、基材２に固定している。これにより、効果的に振動が抑制される。なお樹脂材としては、低誘電率の樹脂を用いることがアンテナ性能の面で好適である。なお固定部材５は、図１１のようにエレメント３、エレメント４の両方を固定せず、エレメント３、エレメント４のうち少なくとも一方を固定するとしてもよい。

１ アンテナ装置
２ 基材
３、４ アンテナエレメント

Claims (5)

1. 接地ランドと給電ランドとが同一面上に形成された基板と、
   前記接地ランドおよび給電ランドのうちの一方から立設された棒形状の立設部と、その立設部から屈曲して基板の表面と平行に延設された延設部と、からなる第１エレメントと、
   前記接地ランドおよび給電ランドのうちの他方から、前記第１エレメントから間隔を置いて立設された棒形状の第２エレメントと、
   を備え、前記第１エレメントの延設部の先端と前記第２エレメントの先端との間の距離は前記延設部と前記基板の表面との間の距離以下であり、
   前記第１エレメントの延設部の形状は平面視で先端が内方にある渦巻き形状であり、前記第２エレメントの位置は平面視で前記第１エレメントの渦巻き形状の内部であることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記延設部は前記基板の表面と平行な同一平面内に形成され、その同一平面と前記第２エレメントとは直交する請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記立設部は前記接地ランドおよび給電ランドのうちの一方から直交方向に立設された請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第１エレメントは給電ランドから立設するように形成され、前記第２エレメントは接地ランドから立設するように形成された請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
5. 前記第１エレメントと第２エレメントの少なくとも一方を固定して振動を抑制する固定手段を備えた請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。

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