JP6399883B2

JP6399883B2 - ループアンテナ

Info

Publication number: JP6399883B2
Application number: JP2014206352A
Authority: JP
Inventors: 中野　久松; 久松中野; 佑汰郎佐藤; 嶋原　正隆; 正隆嶋原
Original assignee: Nippon Antenna Co Ltd
Current assignee: Nippon Antenna Co Ltd
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2014-10-07
Publication date: 2018-10-03
Anticipated expiration: 2034-10-07
Also published as: JP2016076835A

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。従来のループアンテナの構成を示す正面図である。従来のループアンテナの構成を示す側面図である。従来のループアンテナの構成を示す上面図である。従来のループアンテナの構成を示す斜視図である。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims

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。
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。
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。
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。
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。