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JP6399883B2 - Loop antenna - Google Patents
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Description

本発明は、モノポール素子と2つの無給電ループ素子とからなる広帯域のループアンテナに関するものである。   The present invention relates to a broadband loop antenna composed of a monopole element and two parasitic loop elements.

従来、モノポールアンテナの動作周波数帯域を広帯域にするよう、モノポール素子にループ素子を組み合わせたループアンテナが提案されている(非特許文献1参照)。このループアンテナの構成を示す正面図を図19に、その側面図を図20に、その上面図を図21に、その斜視図を図22に示す。
これらの図に示すループアンテナ100は、モノポール素子110と、ループ素子111とグランドプレーン114とから構成されている。電気的に無限大と見なせる矩形の導電性のグランドプレーン114上には、モノポール素子110が直立して設けられると共に、モノポール素子110に近接して矩形の半ループ状のループ素子111が立設して設けられている。モノポール素子110の下端にはモノポール素子110に給電する給電部113が設けられている。また、ループ素子111は無給電素子とされている。ループ素子111は、モノポール素子110と電磁気的に結合しており、ループアンテナ100ではモノポール素子110とループ素子111とが協同して動作することから、広帯域で動作するようになる。
Conventionally, a loop antenna in which a monopole element is combined with a loop element so as to widen the operating frequency band of the monopole antenna has been proposed (see Non-Patent Document 1). A front view showing the configuration of the loop antenna is shown in FIG. 19, a side view thereof is shown in FIG. 20, a top view thereof is shown in FIG. 21, and a perspective view thereof is shown in FIG.
The loop antenna 100 shown in these drawings includes a monopole element 110, a loop element 111, and a ground plane 114. A monopole element 110 is provided upright on a rectangular conductive ground plane 114 that can be regarded as electrically infinite, and a rectangular half-loop loop element 111 is provided in the vicinity of the monopole element 110. Provided. A power feeding unit 113 that feeds power to the monopole element 110 is provided at the lower end of the monopole element 110. The loop element 111 is a parasitic element. The loop element 111 is electromagnetically coupled to the monopole element 110. Since the monopole element 110 and the loop element 111 operate in cooperation with the loop antenna 100, the loop element 111 operates in a wide band.

モノポール素子110は、長さがhm10、その線幅がt12とされており、ループ素子111の中心からx軸方向にxm10、y軸方向にym10の位置に配置されている。また、ループ素子111は、水平部の長さがL10、その高さがh10、その線幅がt11とされている。ループアンテナ100の設計周波数を5GHz(自由空間波長λ=約60mm)とした時に、モノポール素子110の長さhm10を約0.233λ(約14mm)、その線幅t12を約0.0013λ(約0.08mm)、xmを約0.083λ(約5mm)、ymを約0.0167λ(約1mm)とし、ループ素子111の水平部の長さL10を約0.33λ(20mm)、その高さh10を約0.167λ(約10mm)、その線幅t11を約0.0013λ(約0.08mm)とした時の電圧定在波比(VSWR)の周波数特性を図23に示す。図23を参照すると、VSWR=2となる周波数f11は約4.00GHz、同f12は約5.32GHzとなり、センター周波数fcは約4.66GHzとなる。これにより、比帯域BW11は約28.33%が得られる。この比帯域BW11は、モノポール素子110のみの比帯域の約2倍以上となっている。また、ループアンテナ100はx−y面において、ほぼ無指向性が得られている。   The monopole element 110 has a length of hm10 and a line width of t12, and is arranged from the center of the loop element 111 at a position xm10 in the x-axis direction and ym10 in the y-axis direction. The loop element 111 has a horizontal portion length L10, a height h10, and a line width t11. When the design frequency of the loop antenna 100 is 5 GHz (free space wavelength λ = about 60 mm), the length hm10 of the monopole element 110 is about 0.233λ (about 14 mm), and its line width t12 is about 0.0013λ (about 0.08 mm), xm is about 0.083λ (about 5 mm), ym is about 0.0167λ (about 1 mm), the length L10 of the horizontal portion of the loop element 111 is about 0.33λ (20 mm), and its height FIG. 23 shows the frequency characteristics of the voltage standing wave ratio (VSWR) when h10 is about 0.167λ (about 10 mm) and the line width t11 is about 0.0013λ (about 0.08 mm). Referring to FIG. 23, the frequency f11 at which VSWR = 2 is about 4.00 GHz, f12 is about 5.32 GHz, and the center frequency fc is about 4.66 GHz. As a result, the relative bandwidth BW11 is about 28.33%. This specific band BW11 is about twice or more the specific band of the monopole element 110 alone. Further, the loop antenna 100 is almost omnidirectional in the xy plane.

社団法人電子情報通信学会大会 2014年総合大会講演論文集 B−1−121「モノポール給電等価ループアンテナ」 佐藤佑汰郎 外3名著The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers Conference 2014 General Conference Proceedings B-1-121 “Monopole-fed Equivalent Loop Antenna”

図19ないし図23に示す従来のループアンテナ100は、主に通信モジュールやブロードバンド通信に利用されるが、これらの用途ではより広帯域なアンテナが要望されている。   The conventional loop antenna 100 shown in FIGS. 19 to 23 is mainly used for a communication module and broadband communication. However, for these applications, a wider-band antenna is desired.

そこで、本発明は、小型で簡略な構造の広帯域で動作するループアンテナを提供することを目的としている。   Therefore, an object of the present invention is to provide a loop antenna that operates in a wide band with a small and simple structure.

本発明のループアンテナは、グランドプレーン上に直立して設けられた下端に給電されるモノポール素子と、該モノポール素子に電磁気的に結合するよう近接して、前記グランドプレーン上に立設された外側ループ素子と、該外側ループ素子の内側であって、前記外側ループ素子の面内に配置されると共に前記グランドプレーン上に立設された内側ループ素子とを備え、前記モノポール素子は使用周波数帯域の中域に共振する共振特性とされ、前記外側ループ素子は前記使用周波数帯域の低域に共振する共振特性とされ、前記内側ループ素子は前記使用周波数帯域の高域に共振する共振特性とされていることを最も主要な特徴としている。   The loop antenna according to the present invention is installed on a ground plane in close proximity so as to be electromagnetically coupled to the monopole element fed to the lower end provided upright on the ground plane. An outer loop element, and an inner loop element that is disposed inside the outer loop element and is disposed in a plane of the outer loop element and is erected on the ground plane, and the monopole element is used Resonance characteristics that resonate in the middle of the frequency band, the outer loop element resonates at a lower frequency of the operating frequency band, and the inner loop element resonates at a higher frequency of the operating frequency band. It is the main feature that it is said.

本発明によれば、グランドプレーン上にモノポール素子、外側ループ素子および内側ループ素子を立設して設けた簡略な構造の構成としても、約29.5%以上の比帯域を得ることができるようになる。また、グランドプレーン上にシンプルな構造の低姿勢な素子で構成できることから、小形化に優れていると共に、大量生産に向くループアンテナとすることができる。   According to the present invention, even with a simple structure in which a monopole element, an outer loop element, and an inner loop element are provided upright on the ground plane, a specific band of about 29.5% or more can be obtained. It becomes like this. In addition, since it can be configured with a low-profile element having a simple structure on the ground plane, it is possible to provide a loop antenna that is excellent in miniaturization and suitable for mass production.

本発明の実施例のループアンテナの構成を示す正面図である。It is a front view which shows the structure of the loop antenna of the Example of this invention. 本発明の実施例のループアンテナの構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of the loop antenna of the Example of this invention. 本発明の実施例のループアンテナの構成を示す上面図である。It is a top view which shows the structure of the loop antenna of the Example of this invention. 本発明の実施例のループアンテナの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the loop antenna of the Example of this invention. 本発明の実施例のループアンテナのVSWRの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of VSWR of the loop antenna of the Example of this invention. 本発明の実施例のループアンテナの動作を説明するためのVSWRの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of VSWR for demonstrating operation | movement of the loop antenna of the Example of this invention. 本発明の実施例のループアンテナの第1パラメータを変化させた時の比帯域特性を示す図である。It is a figure which shows the ratio band characteristic when the 1st parameter of the loop antenna of the Example of this invention is changed. 本発明の実施例のループアンテナの第1パラメータを第1の値とした時のVSWRの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of VSWR when the 1st parameter of the loop antenna of the Example of this invention is made into the 1st value. 本発明の実施例のループアンテナの第1パラメータを第2の値とした時のVSWRの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of VSWR when the 1st parameter of the loop antenna of the Example of this invention is made into the 2nd value. 本発明の実施例のループアンテナの第2パラメータを変化させた時の比帯域特性を示す図である。It is a figure which shows the ratio band characteristic when the 2nd parameter of the loop antenna of the Example of this invention is changed. 本発明の実施例のループアンテナの第2パラメータを第1の値とした時のVSWRの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of VSWR when the 2nd parameter of the loop antenna of the Example of this invention is made into the 1st value. 本発明の実施例のループアンテナの第2パラメータを第2の値とした時のVSWRの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of VSWR when the 2nd parameter of the loop antenna of the Example of this invention is made into the 2nd value. 本発明の実施例のループアンテナの第3パラメータを変化させた時の比帯域特性を示す図である。It is a figure which shows the ratio band characteristic when the 3rd parameter of the loop antenna of the Example of this invention is changed. 本発明の実施例のループアンテナの第3パラメータを第1の値とした時のVSWRの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of VSWR when the 3rd parameter of the loop antenna of the Example of this invention is made into the 1st value. 本発明の実施例のループアンテナの第3パラメータを第2の値とした時のVSWRの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of VSWR when the 3rd parameter of the loop antenna of the Example of this invention is made into the 2nd value. 本発明の実施例のループアンテナの第4パラメータを変化させた時の比帯域特性を示す図である。It is a figure which shows the ratio band characteristic when changing the 4th parameter of the loop antenna of the Example of this invention. 本発明の実施例のループアンテナの第4パラメータを第1の値とした時のVSWRの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of VSWR when the 4th parameter of the loop antenna of the Example of this invention is made into the 1st value. 本発明の実施例のループアンテナの第4パラメータを第2の値とした時のVSWRの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of VSWR when the 4th parameter of the loop antenna of the Example of this invention is made into the 2nd value. 従来のループアンテナの構成を示す正面図である。It is a front view which shows the structure of the conventional loop antenna. 従来のループアンテナの構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of the conventional loop antenna. 従来のループアンテナの構成を示す上面図である。It is a top view which shows the structure of the conventional loop antenna. 従来のループアンテナの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the conventional loop antenna. 従来のループアンテナのVSWRの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of VSWR of the conventional loop antenna.

本発明の実施例のループアンテナ1の構成を示す正面図を図1に、その側面図を図2に、その上面図を図3に、その斜視図を図4に示す。
これらの図に示す本発明にかかるループアンテナ1は、モノポール素子10と、外側ループ素子11と、内側ループ素子12と、グランドプレーン14とから構成されている。電気的に無限大と見なせる矩形の導電性のグランドプレーン14上には、モノポール素子10が直立して設けられると共に、モノポール素子10に近接して矩形の半ループ状の外側ループ素子11および内側ループ素子12とが立設して設けられている。モノポール素子10の下端にはモノポール素子10に給電する給電部13が設けられており、外側ループ素子および内側ループ素子の両下端は、グランドプレーン上に電気的に接続されている。また、外側ループ素子11と内側ループ素子12とはほぼ同じx−z面内に同心状に配置され、図1〜図4に示すように内側ループ素子12は外側ループ素子11の面内に重なるように配置される。そして、外側ループ素子11と内側ループ素子12とは無給電素子とされている。外側ループ素子11および内側ループ素子12は、モノポール素子10と電磁気的に結合しており、本発明にかかるループアンテナ1ではモノポール素子10と外側ループ素子11と内側ループ素子12とが協同して動作して、その結果、本発明にかかるループアンテナ1は広帯域で動作するようになる。
FIG. 1 is a front view showing the configuration of the loop antenna 1 of the embodiment of the present invention, FIG. 2 is a side view thereof, FIG. 3 is a top view thereof, and FIG.
The loop antenna 1 according to the present invention shown in these drawings includes a monopole element 10, an outer loop element 11, an inner loop element 12, and a ground plane 14. A monopole element 10 is provided upright on a rectangular conductive ground plane 14 that can be regarded as electrically infinite, and a rectangular half-loop outer loop element 11 in the vicinity of the monopole element 10 and The inner loop element 12 is provided upright. A power feeding unit 13 that feeds power to the monopole element 10 is provided at the lower end of the monopole element 10, and both lower ends of the outer loop element and the inner loop element are electrically connected to the ground plane. The outer loop element 11 and the inner loop element 12 are arranged concentrically in substantially the same xz plane, and the inner loop element 12 overlaps with the outer loop element 11 as shown in FIGS. Are arranged as follows. The outer loop element 11 and the inner loop element 12 are parasitic elements. The outer loop element 11 and the inner loop element 12 are electromagnetically coupled to the monopole element 10, and in the loop antenna 1 according to the present invention, the monopole element 10, the outer loop element 11, and the inner loop element 12 cooperate. As a result, the loop antenna 1 according to the present invention operates in a wide band.

モノポール素子10は断面形状が矩形の線材からなり、長さ(高さ)がhm、その線幅がt2とされており、外側ループ素子11の中心からx軸方向にxm、y軸方向にymの位置に配置されている。また、外側ループ素子11も断面形状が矩形の線材からなり、水平部の長さがLout、その高さがhout、その線幅がt1とされている。さらに、内側ループ素子12も断面形状が矩形の線材からなり、水平部の長さがLin、その高さがhin、その線幅がt1とされている。
本発明にかかるループアンテナ1の設計周波数を5GHzとし、その自由空間波長をλ(=約60mm)とした時に、モノポール素子10の長さhmを約0.233λ(約14mm)、その線幅t2を約0.00133λ(約0.08mm)、xmを約0.0833λ(約5mm)、ymを約0.0167λ(約1mm)とし、外側ループ素子11の水平部の長さLoutを約0.333λ(20mm)、その高さhoutを約0.167λ(約10mm)、その線幅t1を約0.00133λ(約0.08mm)とし、内側ループ素子12の水平部の長さLinを約0.208λ(12.5mm)、その高さhinを約0.104λ(約6.25mm)、その線幅t1を約0.00133λ(約0.08mm)とした時の電圧定在波比(VSWR)の周波数特性を図5に示す。図5を参照すると、VSWR=2となる周波数f1は約4.05GHz、同f2は約6.52GHzとなり、センター周波数fcは約5.29GHzとなる。すなわち、比帯域BW1は約46.69%もの広帯域が得られる。この比帯域BW1は、従来のループアンテナ100の比帯域BW11に比べて1.6倍以上の広帯域が得られている。また、図示していないが本発明にかかるループアンテナ1はx−y面において、ほぼ無指向性が得られている。なお、グランドプレーン14は一辺が3λ(180mm)以上の矩形状とされ、電気的に無限大の大きさと見なせる寸法とされている。
The monopole element 10 is made of a wire having a rectangular cross section, has a length (height) of hm, and a line width of t2. The center of the outer loop element 11 extends in the x-axis direction in the x-axis direction and the y-axis direction. It is arranged at the position of ym. Further, the outer loop element 11 is also made of a wire having a rectangular cross-sectional shape, the length of the horizontal portion is Lout, the height is hout, and the line width is t1. Further, the inner loop element 12 is also made of a wire having a rectangular cross section, the length of the horizontal portion is Lin, the height is fin, and the line width is t1.
When the design frequency of the loop antenna 1 according to the present invention is 5 GHz and the free space wavelength is λ (= about 60 mm), the length hm of the monopole element 10 is about 0.233λ (about 14 mm), and the line width thereof t2 is about 0.00133λ (about 0.08 mm), xm is about 0.0833λ (about 5 mm), ym is about 0.0167λ (about 1 mm), and the length Lout of the horizontal portion of the outer loop element 11 is about 0. .333λ (20 mm), its height hout is about 0.167λ (about 10 mm), its line width t1 is about 0.00133λ (about 0.08 mm), and the length Lin of the horizontal portion of the inner loop element 12 is about Voltage standing wave ratio (0.208λ (12.5 mm), its height hin is about 0.104λ (about 6.25 mm), and its line width t1 is about 0.00133λ (about 0.08 mm) ( VSWR) The frequency characteristics are shown in FIG. Referring to FIG. 5, the frequency f1 at which VSWR = 2 is about 4.05 GHz, f2 is about 6.52 GHz, and the center frequency fc is about 5.29 GHz. That is, the specific band BW1 can be a wide band of about 46.69%. The specific band BW1 is 1.6 times wider than the specific band BW11 of the conventional loop antenna 100. Although not shown, the loop antenna 1 according to the present invention has almost non-directionality in the xy plane. The ground plane 14 has a rectangular shape with a side of 3λ (180 mm) or more, and has a dimension that can be regarded as an electrically infinite size.

本発明にかかるループアンテナ1の動作を説明するためのVSWRの周波数特性を図6に示す。図6には、モノポール素子10、外側ループ素子11、内側ループ素子12の各部の寸法を上記した寸法とした際のVSWRの周波数特性が示されている。図6において、ループアンテナ1が示すVSWR特性は細い細かい破線で示されている。そして、図6においてモノポール素子10の共振特性は太い一点鎖線で示され、ループアンテナ1が示すVSWR特性における中域の帯域に共振する共振特性とされていることが分かる。また、図6において外側ループ素子11の共振特性は太い実線で示され、ループアンテナ1が示すVSWR特性における低域の帯域に共振する共振特性とされており、内側ループ素子12の共振特性は太い粗い破線で示され、ループアンテナ1が示すVSWR特性における高域の帯域に共振する共振特性とされていることが分かる。そして、モノポール素子10の下端に給電部13から給電されると共に、外側ループ素子11と内側ループ素子12とがモノポール素子10に電磁気的に結合して協同して動作することから、本発明にかかるループアンテナ1では、モノポール素子10と、外側ループ素子および内側ループ素子との共振特性が総合されるようになる。これにより、本発明にかかるループアンテナ1は、図5に示すように広帯域で動作するようになるのである。また、本発明にかかるループアンテナ1は、上記した寸法に示すように小型で低姿勢のループアンテナとすることができる。   FIG. 6 shows the frequency characteristics of VSWR for explaining the operation of the loop antenna 1 according to the present invention. FIG. 6 shows the frequency characteristics of VSWR when the dimensions of each part of the monopole element 10, the outer loop element 11, and the inner loop element 12 are set as described above. In FIG. 6, the VSWR characteristic indicated by the loop antenna 1 is indicated by a thin fine broken line. In FIG. 6, the resonance characteristic of the monopole element 10 is indicated by a thick alternate long and short dash line, and it is understood that the resonance characteristic resonates in the middle band in the VSWR characteristic indicated by the loop antenna 1. In FIG. 6, the resonance characteristic of the outer loop element 11 is indicated by a thick solid line, and is a resonance characteristic that resonates in a low band in the VSWR characteristic indicated by the loop antenna 1, and the resonance characteristic of the inner loop element 12 is thick. It is shown by a rough broken line, and it can be seen that the resonance characteristic resonates in a high band in the VSWR characteristic indicated by the loop antenna 1. The lower end of the monopole element 10 is supplied with power from the power supply unit 13, and the outer loop element 11 and the inner loop element 12 are electromagnetically coupled to the monopole element 10 to operate in cooperation. In the loop antenna 1, the resonance characteristics of the monopole element 10, the outer loop element, and the inner loop element are integrated. As a result, the loop antenna 1 according to the present invention operates in a wide band as shown in FIG. Further, the loop antenna 1 according to the present invention can be a small and low-profile loop antenna as shown in the above-described dimensions.

次に、本発明にかかるループアンテナ1において、外側ループ素子11および内側ループ素子12の各部の寸法をパラメータとして変化させた際の、比帯域特性について説明する。まず、外側ループ素子11の高さhoutを第1パラメータとして0.12λ〜0.23λまで変化させ、高さhoutを除く各部の寸法を上記した値とした時の比帯域特性を図7に示す。図7を参照すると、高さhoutがマークA1で示す約0.133λとなった時に比帯域は約29.5%に達し、高さhoutが長くなるに従って比帯域は向上していき、約0.163λの時にピーク値である約49%を示す。高さhoutをさらに長くすると比帯域は低下していき高さhoutがマークB1で示す約0.181λとなった時に比帯域は約29.5%まで低下し、高さhoutをさらに長くしていくと比帯域はさらに低下して、高さhoutが約0.23λとなった際には約19%の比帯域となる。なお、従来のループアンテナ100で得られる28.4%の比帯域を比較のため破線で示している。   Next, in the loop antenna 1 according to the present invention, the ratio band characteristics when the dimensions of each part of the outer loop element 11 and the inner loop element 12 are changed as parameters will be described. First, FIG. 7 shows the ratio band characteristics when the height hout of the outer loop element 11 is changed from 0.12λ to 0.23λ as the first parameter, and the dimensions of the respective parts excluding the height hout are set to the above values. . Referring to FIG. 7, when the height hout becomes about 0.133λ indicated by the mark A1, the specific band reaches about 29.5%, and as the height hout becomes longer, the specific band increases, and about 0 The peak value is about 49% at 163λ. When the height hout is further increased, the specific band is decreased, and when the height hout is about 0.181λ indicated by the mark B1, the specific band is decreased to about 29.5%, and the height hout is further increased. Then, the specific band further decreases, and when the height hout becomes about 0.23λ, the specific band becomes about 19%. Note that a 28.4% specific band obtained with the conventional loop antenna 100 is indicated by a broken line for comparison.

上記したように、本発明にかかるループアンテナ1は、外側ループ素子11の高さhoutが約0.133λ(約8mm)ないし約0.181λ(約11mm)の範囲において、従来のループアンテナ100で得られる比帯域を超える約29.5%以上の比帯域を得ることができる。そこで、高さhoutが約0.133λ(約8mm)の時のVSWRの周波数特性を図8に、約181λ(約11mm)の時のVSWRの周波数特性を図9に示す。図8,9を参照すると、高さhoutを約0.133λ(約8mm)および約0.181λ(約11mm)とした時には、約29.5%以上の比帯域が得られる広帯域のVSWR特性となっていることがわかる。   As described above, the loop antenna 1 according to the present invention is the same as the conventional loop antenna 100 when the height hout of the outer loop element 11 is in the range of about 0.133λ (about 8 mm) to about 0.181λ (about 11 mm). A specific band of about 29.5% or more exceeding the obtained specific band can be obtained. Therefore, FIG. 8 shows the frequency characteristics of the VSWR when the height hout is about 0.133λ (about 8 mm), and FIG. 9 shows the frequency characteristics of the VSWR when the height hout is about 181λ (about 11 mm). Referring to FIGS. 8 and 9, when the height hout is about 0.133λ (about 8 mm) and about 0.181λ (about 11 mm), a wideband VSWR characteristic that can obtain a ratio band of about 29.5% or more is obtained. You can see that

次に、外側ループ素子11の水平部の長さLoutを第2パラメータとして0.32λ〜0.40λまで変化させ、水平部の長さLoutを除く各部の寸法を上記した値とした時の比帯域特性を図10に示す。図10を参照すると、水平部の長さLoutがマークA2で示す約0.322λとなった時に比帯域は約29.5%に達し、水平部の長さLoutが長くなるに従って比帯域は向上していき、約0.334λの時に最大ピーク値である約49%を示す。水平部の長さLoutをさらに長くすると比帯域は低下していき水平部の長さLoutがマークB2で示す約0.347λとなった時に比帯域は約29.5%まで低下し、水平部の長さLoutをさらに長くしていくと比帯域はさらに低下して、水平部の長さLoutが約0.353λとなった際には約27%の比帯域となる。そして、水平部の長さLoutをさらに長くしていくと比帯域は緩く上昇していき、水平部の長さLoutがマークA3で示す約0.363λとなった時に比帯域は約29.5%に達し、水平部の長さLoutが長くなるに従って比帯域は若干向上していき、約0.367λの時に第2ピーク値である約30.5%を示す。水平部の長さLoutをさらに長くすると比帯域は低下していき水平部の長さLoutがマークB3で示す約0.376λとなった時に比帯域は約29.5%まで低下し、水平部の長さLoutをさらに長くしていくと比帯域はさらに低下して、水平部の長さLoutが約0.340λとなった際には約27%の比帯域となる。なお、従来のループアンテナ100で得られる28.4%の比帯域を比較のため破線で示している。   Next, the ratio when the length Lout of the horizontal portion of the outer loop element 11 is changed from 0.32λ to 0.40λ as the second parameter, and the dimensions of the respective portions excluding the length Lout of the horizontal portion are set to the above values. The band characteristics are shown in FIG. Referring to FIG. 10, when the length Lout of the horizontal portion is about 0.322λ indicated by the mark A2, the bandwidth reaches about 29.5%, and the bandwidth is improved as the length Lout of the horizontal portion increases. The maximum peak value is about 49% at about 0.334λ. When the length Lout of the horizontal portion is further increased, the specific band decreases and when the horizontal portion length Lout reaches about 0.347λ indicated by the mark B2, the specific band decreases to about 29.5%. When the length Lout of the horizontal portion is further increased, the specific bandwidth further decreases, and when the horizontal portion length Lout is about 0.353λ, the specific bandwidth is about 27%. As the length Lout of the horizontal portion is further increased, the specific band gradually increases, and when the length Lout of the horizontal portion becomes about 0.363λ indicated by the mark A3, the specific band is about 29.5. %, The ratio band is slightly improved as the horizontal portion length Lout is increased, and shows about 30.5% which is the second peak value at about 0.367λ. When the length Lout of the horizontal portion is further increased, the specific band decreases and when the horizontal portion length Lout reaches about 0.376λ indicated by the mark B3, the specific band decreases to about 29.5%. When the length Lout of the horizontal portion is further increased, the specific bandwidth further decreases, and when the horizontal portion length Lout is about 0.340λ, the specific bandwidth is about 27%. Note that a 28.4% specific band obtained with the conventional loop antenna 100 is indicated by a broken line for comparison.

上記したように、本発明にかかるループアンテナ1は、外側ループ素子11の水平部の長さLoutが約0.322λ(約19.3mm)ないし約0.347λ(約21mm)の範囲、および、約0.363λ(約21.8mm)ないし約0.376λ(約22.5mm)の範囲において、従来のループアンテナ100で得られる比帯域を超える約29.5%以上の比帯域を得ることができる。そこで、水平部の長さLoutが約0.350λ(約21mm)の時のVSWRの周波数特性を図11に、約0.383λ(約23mm)の時のVSWRの周波数特性を図12に示す。図11,12を参照すると、水平部の長さLoutを約0.350λ(約21mm)とした時には、約29.5%以上の比帯域が得られる広帯域のVSWR特性となっており、約0.383λ(約23mm)とすると上記範囲外ではあるが、従来のループアンテナ100を超える広帯域のVSWR特性が得られている。ただし、センター周波数は高域にずれるようになる。   As described above, in the loop antenna 1 according to the present invention, the length Lout of the horizontal portion of the outer loop element 11 is in the range of about 0.322λ (about 19.3 mm) to about 0.347λ (about 21 mm), and In the range of about 0.363λ (about 21.8 mm) to about 0.376λ (about 22.5 mm), a specific band of about 29.5% or more exceeding the specific band obtained with the conventional loop antenna 100 can be obtained. it can. Therefore, FIG. 11 shows the frequency characteristics of the VSWR when the length Lout of the horizontal portion is about 0.350λ (about 21 mm), and FIG. 12 shows the frequency characteristics of the VSWR when the length Lout is about 0.383λ (about 23 mm). Referring to FIGS. 11 and 12, when the length Lout of the horizontal portion is about 0.350λ (about 21 mm), it has a broadband VSWR characteristic that can obtain a ratio band of about 29.5% or more. .383λ (about 23 mm) is outside the above range, but a broadband VSWR characteristic exceeding that of the conventional loop antenna 100 is obtained. However, the center frequency shifts to a high range.

次に、内側ループ素子12の高さhinを第3パラメータとして0.03λ〜0.13λまで変化させ、高さhinを除く各部の寸法を上記した値とした時の比帯域特性を図13に示す。図13を参照すると、高さhinがマークA4で示す約0.035λとなった時に比帯域は約29.5%に達し、高さhinを長くしても比帯域は維持されるが、高さhinが約0.09λを超えると上昇していき、約0.106λの時にピーク値である約49%を示す。高さhinをさらに長くすると比帯域は低下していき高さhinがマークB4で示す約0.126λとなった時に比帯域は約29.5%まで低下し、高さhinをさらに長くしていくと比帯域はさらに低下して、高さhinが約0.13λとなった際には約22%の比帯域となる。なお、従来のループアンテナ100で得られる28.4%の比帯域を比較のため破線で示している。   Next, FIG. 13 shows the ratio band characteristics when the height hin of the inner loop element 12 is changed from 0.03λ to 0.13λ as the third parameter, and the dimensions of the respective parts excluding the height hin are set to the above values. Show. Referring to FIG. 13, when the height hin becomes about 0.035λ indicated by the mark A4, the specific band reaches about 29.5%, and the specific band is maintained even if the height hin is increased. When the height hin exceeds about 0.09λ, it increases, and when it is about 0.106λ, it shows a peak value of about 49%. When the height hin is further increased, the specific band is decreased and when the height hin becomes about 0.126λ indicated by the mark B4, the specific band is decreased to about 29.5%, and the height hin is further increased. Then, the specific band further decreases, and when the height hin becomes about 0.13λ, the specific band becomes about 22%. Note that a 28.4% specific band obtained with the conventional loop antenna 100 is indicated by a broken line for comparison.

上記したように、本発明にかかるループアンテナ1は、内側ループ素子12の高さhinが約0.035λ(約2mm)ないし約0.126λ(約7.56mm)の範囲において、従来のループアンテナ100で得られる比帯域を超える約29.5%以上の比帯域を得ることができる。そこで、高さhinが約0.0375λ(約2.25mm)の時のVSWRの周波数特性を図14に、約121λ(約7.25mm)の時のVSWRの周波数特性を図15に示す。図14,15を参照すると、高さhinを約0.0375λ(約2.25mm)とした時には、約29.5%の比帯域が得られるがセンター周波数が低域にずれるVSWR特性となり、約0.121λ(約7.25mm)とすると、約29.5%以上の比帯域が得られる広帯域のVSWR特性となっていることがわかる。   As described above, the loop antenna 1 according to the present invention is a conventional loop antenna in which the inner loop element 12 has a height hin of about 0.035λ (about 2 mm) to about 0.126λ (about 7.56 mm). A ratio band of about 29.5% or more exceeding the ratio band obtained at 100 can be obtained. Therefore, FIG. 14 shows the frequency characteristics of the VSWR when the height is about 0.0375λ (about 2.25 mm), and FIG. 15 shows the frequency characteristics of the VSWR when the height is about 121λ (about 7.25 mm). Referring to FIGS. 14 and 15, when the height hin is about 0.0375λ (about 2.25 mm), a ratio band of about 29.5% can be obtained, but the center frequency becomes a VSWR characteristic that shifts to a low range, and about When 0.121λ (about 7.25 mm), it can be seen that the VSWR characteristic has a wide band that can obtain a ratio band of about 29.5% or more.

次に、内側ループ素子12の水平部の長さLinを第4パラメータとして0.11λ〜0.29λまで変化させ、水平部の長さLinを除く各部の寸法を上記した値とした時の比帯域特性を図16に示す。図16を参照すると、水平部の長さLinがマークA5で示す約0.118λとなった時に比帯域は約29.5%に達し、水平部の長さLinを長くしても比帯域は維持されるが、水平部の長さLinが約0.19λを超えると上昇していき、約0.208λの時に最大ピーク値である約49%を示す。水平部の長さLinをさらに長くすると比帯域は低下していくが、水平部の長さLinが約0.24λを超えると再び上昇し約0.26λの時に第2ピーク値(約36%)を示す。そして、水平部の長さLinをさらに長くすると比帯域は低下していき、水平部の長さLinがマークB5で示す約0.285λとなった時に比帯域は約29.5%まで低下する。水平部の長さLoutをさらに長くしていくと比帯域はさらに低下して、水平部の長さLoutが約0.29λとなった際には約28.5%の比帯域となる。なお、従来のループアンテナ100で得られる28.4%の比帯域を比較のため破線で示している。   Next, the ratio when the length Lin of the horizontal portion of the inner loop element 12 is changed from 0.11λ to 0.29λ as the fourth parameter, and the dimensions of the respective portions excluding the length Lin of the horizontal portion are set to the above values. The band characteristics are shown in FIG. Referring to FIG. 16, when the length Lin of the horizontal portion is about 0.118λ indicated by the mark A5, the specific bandwidth reaches about 29.5%, and even if the length Lin of the horizontal portion is increased, the specific bandwidth is Although it is maintained, it rises when the length Lin of the horizontal portion exceeds about 0.19λ, and shows a maximum peak value of about 49% at about 0.208λ. When the length Lin of the horizontal portion is further increased, the specific band decreases. However, when the length Lin of the horizontal portion exceeds about 0.24λ, it rises again and reaches the second peak value (about 36% when it is about 0.26λ). ). When the length Lin of the horizontal portion is further increased, the specific band decreases, and when the horizontal portion length Lin reaches about 0.285λ indicated by the mark B5, the specific band decreases to about 29.5%. . As the length Lout of the horizontal portion is further increased, the specific band is further reduced. When the horizontal portion length Lout is about 0.29λ, the specific band is about 28.5%. Note that a 28.4% specific band obtained with the conventional loop antenna 100 is indicated by a broken line for comparison.

上記したように、本発明にかかるループアンテナ1は、内側ループ素子12の水平部の長さLinが約0.118λ(約7.1mm)ないし約0.285λ(約17mm)の範囲において、従来のループアンテナ100で得られる比帯域を超える約29.5%以上の比帯域を得ることができる。そこで、水平部の長さLinが約0.125λ(約7.5mm)の時のVSWRの周波数特性を図17に、約0.275λ(約16.5mm)の時のVSWRの周波数特性を図18に示す。図17,18を参照すると、内側ループ素子12の水平部の長さLinを約0.125λ(約7.5mm)とした時には、約29.5%の比帯域が得られるがセンター周波数が低域にずれるVSWR特性となり、約0.275λ(約16.5mm)とすると、約29.5%以上の比帯域が得られるが、センター周波数が若干高域にずれる広帯域のVSWR特性となっていることがわかる。   As described above, in the loop antenna 1 according to the present invention, the length Lin of the horizontal portion of the inner loop element 12 is about 0.118λ (about 7.1 mm) to about 0.285λ (about 17 mm). Thus, a specific band of about 29.5% or more exceeding the specific band obtained with the loop antenna 100 can be obtained. Therefore, FIG. 17 shows the frequency characteristics of the VSWR when the length Lin of the horizontal portion is about 0.125λ (about 7.5 mm), and FIG. 17 shows the frequency characteristics of the VSWR when the length Lin is about 0.275λ (about 16.5 mm). 18 shows. 17 and 18, when the length Lin of the horizontal portion of the inner loop element 12 is about 0.125λ (about 7.5 mm), a relative band of about 29.5% is obtained, but the center frequency is low. If the VSWR characteristic shifts to the range, and about 0.275λ (about 16.5 mm), a ratio band of about 29.5% or more is obtained, but the center frequency is a wide band VSWR characteristic slightly shifted to the high band. I understand that.

上記説明した本発明にかかるループアンテナでは、従来のループアンテナに低姿勢の内側ループ素子を、外側ループ素子とほぼ同じ面内に配置することにより、約29.5%以上の比帯域を得ることができるようになる。そして、本発明にかかるループアンテナにおいては、使用周波数帯域のセンター周波数の波長をλとするとき、外側ループ素子の高さhoutが約0.133λ〜約0.181λ、外側ループ素子の水平部の長さLoutが約0.322λ〜約0.347λおよび約0.363λ〜約0.376λ、内側ループ素子の高さhinが約0.035λ〜約0.126λ、内側ループ素子の水平部の長さLinが約0.118λ〜約0.285λの範囲において、約29.5%以上の比帯域を得ることができる。また、本発明にかかるループアンテナは、グランドプレーン上にシンプルな構造の低姿勢な素子で構成できることから、小形化に優れていると共に、大量生産に向くループアンテナとすることができる。そして、簡単な設計値で構成できるため、短時間設計でのアンテナ製品化を可能とすることができる。
本発明にかかるループアンテナは上記の説明では、設計周波数を5GHzとしたがこれに限ることはなく、通信モジュールやブロードバンド通信に使用される周波数とすることができる。また、外側ループ素子および内側ループ素子は矩形状としたが、これに限ることはなく多角形でも曲線状でも良い。さらに、モノポール素子と外側ループ素子および内側ループ素子は断面が円形、楕円形、三角形以上の多角形状とすることができ、モノポール素子に限っては、板状とすることができる。さらに、本発明にかかるループアンテナは、テフロン基板等の高周波特性の良好な所定の厚さのプリント基板の一面にモノポール素子を形成し、その裏面に外側ループ素子および内側ループ素子を形成して、グランドプレーン上にプリント基板を立設させることにより、ループアンテナを構成することができる。この場合、プリント基板の厚さは電気長で約1mmとなる厚さとすることが好適とされ、その物理長はプリント基板の誘電率を勘案した厚さとされる。
In the loop antenna according to the present invention described above, a specific band of about 29.5% or more can be obtained by disposing a low-profile inner loop element in the same plane as the outer loop element in the conventional loop antenna. Will be able to. In the loop antenna according to the present invention, when the wavelength of the center frequency of the use frequency band is λ, the height hout of the outer loop element is about 0.133λ to about 0.181λ, and the horizontal portion of the outer loop element is The length Lout is about 0.322λ to about 0.347λ and about 0.363λ to about 0.376λ, and the inner loop element height hin is about 0.035λ to about 0.126λ, and the length of the horizontal portion of the inner loop element When the thickness Lin is in the range of about 0.118λ to about 0.285λ, a specific band of about 29.5% or more can be obtained. In addition, since the loop antenna according to the present invention can be configured with a low-profile element having a simple structure on the ground plane, it is excellent in miniaturization and can be a loop antenna suitable for mass production. And since it can comprise with a simple design value, it can enable antenna commercialization by a short time design.
In the above description, the design frequency of the loop antenna according to the present invention is 5 GHz. However, the design is not limited to this, and the frequency may be a frequency used for a communication module or broadband communication. In addition, the outer loop element and the inner loop element are rectangular, but the present invention is not limited to this and may be polygonal or curved. Furthermore, the monopole element, the outer loop element, and the inner loop element can have a circular cross section, an elliptical shape, or a polygonal shape that is greater than or equal to a triangle, and can be a plate shape only for the monopole element. Furthermore, the loop antenna according to the present invention has a monopole element formed on one surface of a printed circuit board having a predetermined thickness with good high frequency characteristics such as a Teflon substrate, and an outer loop element and an inner loop element formed on the back surface thereof. A loop antenna can be configured by standing a printed circuit board on the ground plane. In this case, the thickness of the printed board is preferably about 1 mm in electrical length, and the physical length is set in consideration of the dielectric constant of the printed board.

1 ループアンテナ、10 モノポール素子、11 外側ループ素子、12 内側ループ素子、13 給電部、14 グランドプレーン、100 ループアンテナ、110 モノポール素子、111 ループ素子、113 給電部、114 グランドプレーン DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Loop antenna, 10 Monopole element, 11 Outer loop element, 12 Inner loop element, 13 Feed part, 14 Ground plane, 100 Loop antenna, 110 Monopole element, 111 Loop element, 113 Feed part, 114 Ground plane

Claims (5)

グランドプレーン上に直立して設けられた下端に給電されるモノポール素子と、
該モノポール素子に電磁気的に結合するよう近接して、前記グランドプレーン上に立設された外側ループ素子と、
該外側ループ素子の内側であって、前記外側ループ素子の面内に配置されると共に前記グランドプレーン上に立設された内側ループ素子とを備え、
前記モノポール素子は使用周波数帯域の中域に共振する共振特性とされ、前記外側ループ素子は前記使用周波数帯域の低域に共振する共振特性とされ、前記内側ループ素子は前記使用周波数帯域の高域に共振する共振特性とされていることを特徴とするループアンテナ。
A monopole element that is fed to the lower end provided upright on the ground plane;
An outer loop element erected on the ground plane proximate to electromagnetically couple to the monopole element;
An inner loop element disposed inside the outer loop element and disposed in a plane of the outer loop element and standing on the ground plane,
The monopole element has a resonance characteristic that resonates in the middle range of the used frequency band, the outer loop element has a resonance characteristic that resonates in the lower band of the used frequency band, and the inner loop element has a high characteristic in the used frequency band. A loop antenna characterized by having resonance characteristics that resonate in the region.
前記使用周波数帯域のセンター周波数の波長をλとするとき、前記外側ループ素子の高さが約0.133λ〜約0.181λの範囲とされていることを特徴とする請求項1記載のループアンテナ。   2. The loop antenna according to claim 1, wherein a height of the outer loop element is in a range of about 0.133λ to about 0.181λ, where λ is a wavelength of a center frequency of the use frequency band. . 前記使用周波数帯域のセンター周波数の波長をλとするとき、前記外側ループ素子の水平部の長さが約0.322λ〜約0.347λおよび約0.363λ〜約0.376λの範囲とされていることを特徴とする請求項1記載のループアンテナ。   When the wavelength of the center frequency of the use frequency band is λ, the length of the horizontal portion of the outer loop element is in the range of about 0.322λ to about 0.347λ and about 0.363λ to about 0.376λ. The loop antenna according to claim 1, wherein: 前記使用周波数帯域のセンター周波数の波長をλとするとき、前記内側ループ素子の高さが約0.035λ〜約0.126λの範囲とされていることを特徴とする請求項1記載のループアンテナ。   The loop antenna according to claim 1, wherein the height of the inner loop element is in the range of about 0.035λ to about 0.126λ, where λ is the wavelength of the center frequency of the use frequency band. . 前記使用周波数帯域のセンター周波数の波長をλとするとき、前記内側ループ素子の水平部の長さが約0.118λ〜約0.285λの範囲とされていることを特徴とする請求項1記載のループアンテナ。   The length of the horizontal portion of the inner loop element is in a range of about 0.118λ to about 0.285λ, where λ is a wavelength of a center frequency of the use frequency band. Loop antenna.
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