JP2010081563A - アンテナ装置及びこれを用いた通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】
通信帯域が広く、通信情報の機密性が高く、容易に近接通信を行うことのできるアンテナ装置及びこれを用いた通信システムを提供することを課題とする。
【解決手段】
本発明の一局面のアンテナ装置は、給電部と、前記給電部に接続されるループ状のアンテナエレメントと、前記アンテナエレメントのループの一部に設けられる抵抗器とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、広帯域で近接通信を行うアンテナ装置及びこれを用いた通信システムに関する。

従来より、複数の近接結合部、及び複数の中継通信回路を平面上に備え、各中継通信回路は近接結合部及び他の中継通信回路と通信網を形成する通信シートが提案されていた。この通信シートは、他の通信シートと接触又は近接した場合に、近接結合部を通じてデータ通信を行う。このような通信シートは、無線ＬＡＮ（Local Area Network）のような無線通信ネットワークを構築するために提案されていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−１９９７９号公報

ところで、従来の通信シートは、容量結合を用いて通信シート同士の間における通信網を確立しており、その通信回路にはＬＣ回路が含まれるため、通信帯域は狭く、広帯域での通信は困難であった。

また、容量結合を用いて通信を行っているため、電磁波や電界の漏れが生じる場合があり、通信情報の機密性を保持することが困難であった。

そこで、本発明は、通信帯域が広く、通信情報の機密性が高く、容易に近接通信を行うことのできるアンテナ装置及びこれを用いた通信システムを提供することを目的とする。

本発明の一局面のアンテナ装置は、給電部と、前記給電部に接続されるループ状のアンテナエレメントと、前記アンテナエレメントのループの一部に設けられる抵抗器とを備える。

また、前記アンテナエレメントは、基板の表面上に形成される配線パターンで構成されてもよい。

また、前記アンテナエレメントのループの長さは、通信周波数における波長の一波長分の長さであってもよい。

本発明の他の局面のアンテナ装置は、前記平板状のグランド部と、前記グランド部の平板を貫通するスロット部と、前記スロット部に接続される給電部と、前記給電部とは離間されるとともに、前記スロット部に渡されて両端が前記グランド部に接合される抵抗器とを含む。

また、前記給電部と前記抵抗器は、前記スロット部の長手方向の中点を挟んで、互いに異なる側において、前記グランド部に接続されてもよい。

本発明の一局面の通信システムは、前記いずれかに記載の一局面のアンテナ装置と、前記いずれかに記載の他の局面のアンテナ装置とを含む。

本発明によれば、通信帯域が広く、通信情報の機密性が高く、容易に近接通信を行うことのできるアンテナ装置及びこれを用いた通信システムを提供できるという特有の効果が得られる。

以下、本発明のアンテナ装置及びこれを用いた通信システムを適用した実施の形態について説明する。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１のアンテナ装置を示す回路図である。

実施の形態１のアンテナ装置は、図１に示すように、給電部１、この給電部１に接続されるループ状のアンテナエレメント２、及び、アンテナエレメント２の長手方向の一部に挿入された抵抗器３を含む。アンテナエレメント２は、一端２Ａ及び他端２Ｂが給電部１に接続されており、一端２Ａと他端２Ｂの中央に抵抗器３が挿入されている。

給電部１は、外部電源からアンテナエレメント２に給電するための端子である。この給電部１には、接続端子を介して、同軸ケーブルが接続される。

同軸ケーブルの芯線は、アンテナエレメント２の一端２Ａに接続され、同軸ケーブルのシールド線は、アンテナエレメント２の他端２Ｂに接続される。

給電部１には、同軸ケーブルを介して、例えば、３ＧＨｚ〜５ＧＨｚ程度の高周波電圧が印加される。

アンテナエレメント２は、給電部１を介して印加される高周波電圧が供給されるアンテナエレメントであり、例えば、銅製である。また、アンテナエレメント２は、通信回路を搭載する基板にプリント配線されるループ状の銅製のアンテナエレメントであってもよい。

また、このアンテナエレメント２は、一端２Ａと他端２Ｂの中央に抵抗器３を有する。すなわち、抵抗器３への接続点２Ｃと２Ｄの間は、抵抗器３によって接続されており、抵抗器３を含んだ状態で、ループを形成している。

なお、ここでは、平面視で略円形のループのアンテナエレメント２を示すが、アンテナエレメント２の形状は、平面視で菱形であってもよい。この場合は、アンテナエレメント２がロンビックアンテナとなるので、指向性を持たせたい場合に有効的である。

給電部１に接続されるアンテナエレメント２の長さは、例えば、使用周波数の一波長に設定される。例えば、３ＧＨｚの高周波電圧が印加される場合には、一端２Ａと他端２Ｂの間のループの長さ（抵抗器３を含む長さ）が１００ｍｍとなる。

抵抗器３は、アンテナエレメント２の長手方向の一端２Ａと他端２Ｂの中央に挿入された抵抗器であり、例えば、１ｋΩの抵抗器が用いられる。実施の形態１のアンテナ装置は、例えば、数センチ以内程度の近接通信を想定しているため、抵抗器３がアンテナエレメント２に挿入されることにより、給電部１を介して供給される電力は、その殆どが抵抗器３で消費される。

このような実施の形態１のアンテナ装置では、アンテナエレメント２には、抵抗器３が挿入されているだけで、インダクタンス（Ｌ）成分や、キャパシタンス（Ｃ）成分は含まれていない。

このため、給電部１からアンテナエレメント２に高周波電圧を供給した場合に、共振は生じず、広帯域の周波数帯域が得られる。

図２は、実施の形態１のアンテナ装置におけるＶＳＷＲ特性を示す図である。

このＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）特性に示されるように、アンテナエレメント２のループ長を１００ｍｍとし、抵抗器３の抵抗値が１ｋΩのものを用いて測定したところ、ＶＳＷＲが４．０以下の帯域は、３．７ＧＨｚ〜５．０ＧＨｚであり、帯域幅は１．３ＧＨｚとなった。これは、抵抗器３の抵抗値を２ｋΩにしたアンテナ装置でも略同一の結果が得られた。

一方、比較用に、ループ長を１００ｍｍ、又は７５ｍｍとし、抵抗器３を装着しないアンテナ装置で測定したところ、ループ長が１００ｍｍのものでは、ＶＳＷＲが４．０以下となるのは、周波数帯域が２．８ＧＨｚ〜３．４ＧＨｚであり、帯域幅が０．６ＧＨｚと狭く、かつ、帯域がＵＷＢ（Ultra Wide Band）に利用可能な３ＧＨｚ〜５ＧＨｚの帯域からずれてしまった。

また、ループ長が７５ｍｍのものでは、ＶＳＷＲが４．０以下となるのは、３．７ＧＨｚ〜４．６ＧＨｚであり、帯域幅は０．９ＧＨｚとなった。

このように、実施の形態１のアンテナ装置によれば、比較用のアンテナ装置に比べて、帯域が超広帯域（ＵＷＢ）通信に適しており、その帯域幅が、約１．４倍に拡大されたことが判った。

以上、実施の形態１のアンテナ装置では、抵抗装荷により進行波型で超広帯域（ＵＷＢ）のアンテナ装置を提供することができる。

また、抵抗器３で電力が消費されるため、低電力通信用のアンテナ装置となり、通信距離は、例えば、数センチ以内程度にすることができる。このように通信距離が短いため、外乱を受け難いという効果が得られる。

また、抵抗器３を有するだけで、インダクタンス（Ｌ）成分やキャパシタンス（Ｃ）成分を有さず、共振周波数がないため、広帯域の通信が可能である。

このように、実施の形態１のアンテナ装置によれば、給電部１にループ状のアンテナエレメント２及び抵抗器３を接続するだけの簡単な構成により、低電力通信用で広帯域通信が可能な進行波型のアンテナ装置を提供することができる。

特に、上述のＶＳＷＲ特性から判るように、通信帯域が広いため、ＵＷＢによる大容量のデータ通信が可能になる。

なお、アンテナエレメント２及び抵抗器３は、ＰＣＢ（Printed Circuit Board）に、パターニングにより形成することが可能である。

また、以上では、抵抗器３がアンテナエレメント２の一端２Ａと他端２Ｂとの中央に配設される形態について説明したが、抵抗器３が配設される部位は、必ずしも一端２Ａと他端２Ｂの中央である必要はなく、一端２Ａの側、又は他端２Ｂの側にオフセットしていてもよい。

［実施の形態２］
図３は、実施の形態２のアンテナ装置の構成を示す図である。

実施の形態２のアンテナ装置は、平板状のグランド部４、グランド部４のスロット部４Ａに接続される給電部５、及び、グランド部４のスロット部４Ａに接続される抵抗器６を含む。

グランド部４は、平面視長方形の平板状であり、接地されるエレメントである。このグランド部４は、例えば、銅製であればよい。また、グランド部４は、平面視で略中央に、長手方向に切り欠かれた溝状のスロット部４Ａを有する。このスロット部４Ａは、グランド部４を貫通している。

給電部５は、外部電源からスロット部４Ａに給電するための端子である。実施の形態２のアンテナ装置では、給電部５は、スロット部４Ａを挟んで、給電部に接続される同軸ケーブルの芯線が一方の側４Ｂに接続されるとともに、同軸ケーブルのシールド線がスロット部４Ａの他方の側４Ｃに接続されるように、グランド部４に接続されている。この給電部５には、同軸ケーブルを介して、例えば、３ＧＨｚ〜５ＧＨｚ程度の高周波電圧が印加される。

抵抗器６は、その両端がスロット部４Ａを挟んでグランド部４に接続されている。すなわち、抵抗器６は、スロット部４Ａに渡された状態で、両端がグランド部４に接合されている。この抵抗器６の抵抗値は、例えば、５１Ωとすることができる。

図４は、実施の形態２のアンテナ装置の具体的な構成例１を示す斜視図である。

グランド部４は、プリント基板１００の片面に形成されている。プリント基板１００としては、例えば、ＦＲ４（ガラスエポキシ基板）を用いることができる。

プリント基板１００には、スロット１００Ａが形成されている。スロット１００Ａは、平面視で、グランド部４に開口されるスロット部４Ａと同一寸法であればよい。

給電部５は、図中において、スロット４Ａの長手方向における中点よりも左側に設けられている。この給電部５には、同軸ケーブル１１０が接続されており、芯線１１１がスロット４Ａで分断される一方の側４Ｂに半田１２０Ａで接続され、シールド線１１２が他方の側４Ｃに半田１２０Ｂで接続される。

同軸ケーブル１１０には、ＳＭＡ(Sub-Miniature A)コネクタ１３０が接続されている。

また、抵抗器６は、図中において、スロット４Ａの長手方向における中点よりも右側に設けられている。この抵抗器６は、一端がスロット４Ａで分断される一方の側４Ｂに半田１２０Ｃで接続され、他端が他方の側４Ｃに半田１２０Ｄで接続される。なお、抵抗器６の抵抗値は、例えば、５１Ωとすることができる。

このような構成例１のアンテナ装置では、ＳＭＡコネクタ１３０を外部電源に接続することにより、同軸ケーブル１１０を介して給電を行うことができる。

図５は、実施の形態２のアンテナ装置の具体的な構成例２を示す図であり、（ａ）は全体を示す斜視図、（ｂ）は給電部５を拡大して示す平面図である。

構成例２のアンテナ装置は、スロット４Ａの形状と給電部５の構成が構成例１（図４）と異なる。

スロット４Ａには、クランク部４Ｄが設けられている。このクランク部４Ｄは、スロット部４Ａの長手方向の一部がクランク状に折れ曲がっている部位であり、グランド部４の一方の側４Ｂに凸形状部４Ｅを設け、他方の側４Ｃに凹形状部４Ｆを設けることによって形成されている。

凸形状部４Ｅと凹形状部４Ｆは、給電部５に形成されており、ＳＭＴコネクタ１４０Ａが接続される。ＳＭＴコネクタ１４０Ａの芯線用端子は、グランド部４の一方の側４Ｂに接続され、ＳＭＴコネクタ１４０Ａのグランド用端子は、半田１２０Ｅによって他方の側４Ｃに接続される。

同軸ケーブル１１０の先端には、ＳＭＴコネクタ１４０Ｂが接続されており、ＳＭＴコネクタ１４０Ａと１４０Ｂを接続することにより、構成例２のアンテナ装置に外部電源から給電を行うことができる。

このような実施の形態２のアンテナ装置では、グランド部４には、抵抗器６が挿入されているだけで、インダクタンス（Ｌ）成分や、キャパシタンス（Ｃ）成分は含まれていない。

このため、給電部５からグランド部４に高周波電圧を供給した場合に、共振は生じず、広帯域の周波数帯域が得られる。

図６は、実施の形態２のアンテナ装置におけるＶＳＷＲ特性を示す図である。図３に示すグランド部４の長手方向の辺の長さａを３９ｍｍ、長手方向に直行する辺の長さｂを２９ｍｍ、スロット部４Ａの長さｃを２４ｍｍ、スロット部４Ａの図中右端から給電部５までの長さをｄを２１．１ｍｍとし、スロット部４Ａの図中右端から抵抗器６の接続点までの長さをｅとすると、図６に示すＶＳＷＲ特性を得た。

ｅ＝４ｍｍの場合に、ＶＳＷＲが４．０以下の帯域は、３．９２ＧＨｚ〜５．３６ＧＨｚであり、帯域幅は１．４４ＧＨｚとなった。

また、ｅ＝２ｍｍの場合に、ＶＳＷＲが４．０以下の帯域は、３．６９ＧＨｚ〜４．８７ＧＨｚであり、帯域幅は１．１８ＧＨｚとなった。

一方、比較用に、抵抗器６を装着しないアンテナ装置で測定したところ、ＶＳＷＲが４．０以下となるのは、３．７３ＧＨｚ〜４．６９ＧＨｚであり、帯域幅は０．９６ＧＨｚとなった。

このように、実施の形態２のアンテナ装置によれば、超広帯域（ＵＷＢ）通信に適した帯域が得られ、比較用のアンテナ装置に比べて、帯域幅が、最大で約１．５倍に拡大されたことが判った。

以上、実施の形態２のアンテナ装置では、抵抗装荷により超広帯域のアンテナ装置を提供することができる。

また、抵抗器６で電力が消費されるため、低電力通信用のアンテナ装置となり、通信距離は、例えば、数センチ以内程度にすることができる。このように通信距離が短いため、外乱を受け難いという効果が得られる。

また、スロット部４Ａは、アンテナ装置に指向性をもたらすため、スロット部４Ａの形状及び寸法を選択することにより、通信相手の機器との関係でデータの機密性を向上させることができる。

また、抵抗器６を有するだけで、インダクタンス（Ｌ）成分やキャパシタンス（Ｃ）成分を有さず、共振周波数がないため、広帯域の通信が可能である。

このように、実施の形態２のアンテナ装置によれば、グランド部４に給電部５及び抵抗器６を接続するだけの簡単な構成により、低電力通信用で機密性が高く、ＵＷＢによる広帯域通信が可能なアンテナ装置を提供することができる。

特に、上述のＶＳＷＲ特性から判るように、通信帯域が広いため、ＵＷＢによる大容量のデータ通信が可能になる。

なお、スロット部４Ａの形状及び寸法は、用途に合わせて任意に選択することができる。

［実施の形態３］
図７は、実施の形態１及び２のアンテナ装置を用いた通信システムの構成を示す図であり、（ａ）はアンテナ装置が接続される通信回路の構成図、（ｂ）はアンテナ装置を用いた通信システムの構成図である。

実施の形態３では、実施の形態１のアンテナ装置を端末装置側のアンテナ装置として用い、実施の形態２のアンテナ装置をホスト装置側のアンテナ装置としてデータ通信を行う通信システムについて説明する。

実施の形態１及び２のアンテナ装置には、図７（ａ）に示すような通信回路１０が接続される。この通信回路１０は、アンテナ装置が接続されるＲＦ送受信装置１０Ａ、データ処理装置１０Ｂ、及びインターフェイス回路（Ｉ／Ｆ）１０Ｃを含む。

通信回路１０は、実施の形態１のアンテナ装置２０とともに、端末装置２１に含まれ、また、実施の形態２のアンテナ装置３０とともに、ホスト側通信装置３１に含まれる。ホスト側通信装置３１には、ホスト装置３２が接続される。

端末装置２１とホスト側通信装置３１は、アンテナ装置２０及び３０を通じて、データの送受信を行う。

インターフェイス回路１０Ｃは、実施の形態１のアンテナ装置２０では端末装置２１内のバスラインに接続され、実施の形態２のアンテナ装置３０ではホスト側通信装置３１を介してホスト装置３２のバスラインに接続される。

ＲＦ送受信装置１０Ａは、データ処理装置１０Ｂから入力された送信データをＲＦ信号（搬送波）に重畳し、さらにこれを変調して出力する。また、アンテナ装置２０又は３０を介して受信したデータを復調し、ＲＦ信号を除去して受信データをデータ処理装置１０Ｂに出力する。

データ処理装置１０Ｂは、送信データのデジタル／アナログ変換、及び、受信データのアナログ／デジタル変換を行う。

インターフェイス回路１０Ｃは、端末装置２１又はホスト装置３２との間で送受信データの授受を行う。

端末装置２１としては、例えば、携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ、音楽プレーヤ等が挙げられる。

また、ホスト装置３２としては、ＰＣ（Personal Computer）やサーバが挙げられる。

なお、端末装置２１がＰＣであって、ＰＣ又はサーバであるホスト装置３２との間で通信を行うようにしてもよい。

このような通信システムにおいて、端末装置２１のアンテナ装置２０をホスト側通信装置３１のアンテナ装置３０に近接又は接触させると、端末装置２１とホスト装置３２の間で、大容量の高速通信を行うことができるため、例えば、画像データや音楽データ等のデータ容量の大きなデータであっても、迅速にデータの送受信を行うことができる。

特に、アンテナ装置２０と３０を端子等を介して物理的に接続する必要がないため、データの送受信が容易であり、端末装置２１をホスト側通信装置３１にかざすだけで、端末装置２１側の画像データや音楽データをホスト装置３２側で再生することが可能である。

なお、端末装置２１の筐体が磁気吸着される材質である場合は、アンテナ装置３０は、磁石３０Ａを有していてもよい。この場合、端末装置２１をホスト側通信装置３１の上に安定的に接地することができる。

また、アンテナ装置３０がアンテナ装置２０と通信を行う面に、誘電率の高い材料で形成された部材、又は透磁率の高い材料で形成された部材を取り付けてもよい。高誘電率部材を取り付けた場合には、電界の漏洩を抑制することができる。また、高透磁率部材を取り付けた場合には、磁界の漏洩を抑制することができる。高誘電率部材としては、例えば、誘電率が１より大きいセラミック板を用いることができる。また、高透磁率部材としては、例えば、透磁率が１よりも大きいフェライト性の板部材を用いることができる。

また、実施の形態３の通信システムに用いるアンテナ装置３０の形状は、実施の形態２のスロット部４Ａを有するアンテナ装置３０に限られず、定在波型のアンテナを用いてもよい。

また、以上では、実施の形態１のアンテナ装置２０が端末装置２１に含まれ、実施の形態２のアンテナ装置３０がホスト側通信装置３１に含まれる形態について説明したが、端末装置２１にアンテナ装置３０を用いてもよく、ホスト側通信装置３１にアンテナ装置２０を用いてもよい。

また、端末装置２１とホスト側通信装置３１の両方に、アンテナ装置２０を用いてもよく、端末装置２１とホスト側通信装置３１の両方に、アンテナ装置３０を用いてもよい。

以上、本発明の例示的な実施の形態のアンテナ装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

実施の形態１のアンテナ装置を示す回路図である。 実施の形態１のアンテナ装置におけるＶＳＷＲ特性を示す図である。 実施の形態２のアンテナ装置の構成を示す図である。 実施の形態２のアンテナ装置の具体的な構成例１を示す斜視図である。 実施の形態２のアンテナ装置の具体的な構成例２を示す図であり、（ａ）は全体を示す斜視図、（ｂ）は給電部５を拡大して示す平面図である。 実施の形態２のアンテナ装置におけるＶＳＷＲ特性を示す図である。 実施の形態１及び２のアンテナ装置を用いた通信システムの構成を示す図であり、（ａ）はアンテナ装置が接続される通信回路の構成図、（ｂ）はアンテナ装置を用いた通信システムの構成図である。

符号の説明

１、５ 給電部
２ アンテナエレメント
３、６ 抵抗器
４ グランド部
４Ａ スロット部
４Ｂ 一方の側
４Ｃ 他方の側
４Ｄ クランク部
４Ｅ 凸形状部
４Ｆ 凹形状部
１０ 通信回路
１０Ａ ＲＦ送受信装置
１０Ｂ データ処理装置
１０Ｃ インターフェイス回路
２０ アンテナ装置
２１ 端末装置
３０ アンテナ装置
３０Ａ 磁石
３１ ホスト側通信装置
３２ ホスト装置
１００ プリント基板
１００Ａ スロット
１１０ 同軸ケーブル
１１１ 芯線
１１２ シールド線
１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄ、１２０Ｅ 半田
１３０ ＳＭＡコネクタ
１４０Ａ、１４０Ｂ ＳＭＴコネクタ

Claims (6)

1. 給電部と、
   前記給電部に接続されるループ状のアンテナエレメントと、
   前記アンテナエレメントのループの一部に含まれる抵抗器と
   を有するアンテナ装置。
2. 前記アンテナエレメントは、基板の表面上に形成される配線パターンで構成される、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記アンテナエレメントのループの長さは、通信周波数における波長の一波長分の長さである、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 前記平板状のグランド部と、
   前記グランド部の平板を貫通するスロット部と、
   前記スロット部に接続される給電部と、
   前記給電部とは離間されるとともに、前記スロット部に渡されて両端が前記グランド部に接合される抵抗器と
   を含む、アンテナ装置。
5. 前記給電部と前記抵抗器は、前記スロット部の長手方向の中点を挟んで、互いに異なる側において、前記グランド部に接続される、請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 請求項１乃至３のいずれか一項記載のアンテナ装置と、請求項４又は５のアンテナ装置とを含む、通信システム。

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