特開 2023-167587 アンテナ素子および装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023167587

(43)【公開日】2023-11-24

(54)【発明の名称】アンテナ素子および装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/27 20160101AFI20231116BHJP

   H01Q 13/08 20060101ALI20231116BHJP

   H01Q 9/20 20060101ALI20231116BHJP

【ＦＩ】

H02J50/27

H01Q13/08

H01Q9/20

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022078881

(22)【出願日】2022-05-12

(71)【出願人】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】吉川 博道

(72)【発明者】

【氏名】猫塚 光

(72)【発明者】

【氏名】福岡 泰彦

(72)【発明者】

【氏名】戸枝 佳駿

(72)【発明者】

【氏名】大谷 昌幸

【テーマコード（参考）】

5J045

【Ｆターム（参考）】

5J045AB05

5J045DA10

5J045HA00

5J045MA04

5J045NA00

(57)【要約】

【課題】レクテナを小型化すること。
【解決手段】アンテナ素子は、第１面に広がるパッチ導体と、パッチ導体の第１方向に沿って配置された線状導体と、パッチ導体の中央から第１方向および前記第１方向と直交する第２方向に偏った位置において、パッチ導体と、線状導体とを電磁気的に接続する接続導体と、を含む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１面に広がるパッチ導体と、
前記パッチ導体の第１方向に沿って配置された線状導体と、
前記パッチ導体の中央から前記第１方向および前記第１方向と直交する第２方向に偏った位置において、前記パッチ導体と、前記線状導体とを電磁気的に接続する接続導体と、
を含む、アンテナ素子。

【請求項2】

前記パッチ導体または前記線状導体に外部装置からの差動信号を入力する差動入力回路を含む、
請求項１に記載のアンテナ素子。

【請求項3】

前記差動入力回路は、前記差動信号が入力される第１入力部と、第２入力部とを含み、
前記第１入力部および前記第２入力部は、前記線状導体に前記差動信号を入力するように構成されている、
請求項２に記載のアンテナ素子。

【請求項4】

前記線状導体の前記第１面に直交する第３方向に離れた位置に配置された信号線と、
前記線状導体と、前記信号線とを電磁気的に接続するビア導体と、
を含む、
前記第１入力部および前記第２入力部は、前記信号線に電磁気的に接続されている、
請求項３に記載のアンテナ素子。

【請求項5】

前記第１面に広がる基準導体を含み、
前記パッチ導体は、前記基準導体に対して、前記第１面に直交する方向の正方向側に配置されている、
請求項１に記載のアンテナ素子。

【請求項6】

請求項１に記載のアンテナ素子と、
前記アンテナ素子が受信した電波に応じた交流信号を整流する整流回路と、
前記アンテナ素子を制御する制御装置と、
を含む、装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、レクテナ用のアンテナ素子および本アンテナを用いた装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電波をアンテナで受信し、電力に変換するレクテナに関する技術が知られている。例えば、特許文献１には、電波を効率よく電力に変換するレクテナに関連する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５－１９２５１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

レクテナを実現するためには、電波を受信するアンテナに差動動作回路等の各種素子を接続する必要がある。レクテナを小型化するために、アンテナと各種素子を一体化する構成が望まれている。

【0005】

本開示は、小型化することのできるレクテナ用のアンテナ素子および本アンテナ素子を用いた装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示のアンテナ素子は、第１面に広がるパッチ導体と、前記パッチ導体の第１方向に沿って配置された線状導体と、前記パッチ導体の中央から前記第１方向に偏った位置において、前記パッチ導体と、前記線状導体とを接続する接続導体と、を含む。

【0007】

本開示の装置は、本開示のアンテナ素子と、前記アンテナ素子が受信した電波に応じた交流信号を整流する整流回路と、前記アンテナ素子を制御する制御装置と、を含む。

【発明の効果】

【0008】

本開示は、レクテナを小型化することができる。また、本開示のアンテナ素子は、５０Ωの設計も可能であり、その場合は通信用アンテナとして使用することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実施形態に係るレクテナの構成例の概略を示すブロック図である。

【図2】図２は、実施形態に係るアンテナ素子の構成例を示す図である。

【図3】図３は、実施形態に係るアンテナ素子の共振特性を説明するための図である。

【図4】図４は、実施形態に係るアンテナ素子の第１周波数における電波の放射パターンの一例を示す図である。

【図5】図５は、実施形態に係るアンテナ素子の第２周波数における電波の放射パターンの一例を示す図である。

【図6】図６は、実施形態に係るアンテナ素子の第３周波数における電波の放射パターンの一例を示す図である。

【図7】図７は、実施形態に係るアンテナ素子の第４周波数における電波の放射パターンの一例を示す図である。

【図8】図８は、実施形態に係る差動入力回路を説明するための図である。

【図9】図９は、実施形態に係る第１入力部および第２入力部の配置例を説明するための図である。

【図10】図１０は、実施形態に係るアンテナ素子の第１面の構成例を示す図である。

【図11】図１１は、実施形態に係るアンテナ素子の第２面の構成例を示す図である。

【図12】図１２は、実施形態に係るレクテナの構成例を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、添付図面を参照して、本発明に係る実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、以下の実施形態において、同一の部位には同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。

【0011】

以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部の位置関係について説明する。水平面内のＸ軸と平行な方向をＸ軸方向とし、Ｘ軸と直交する水平面内のＹ軸と平行な方向をＹ軸方向とし、水平面と直交するＺ軸と平行な方向をＺ軸方向とする。Ｘ軸及びＹ軸を含む平面を適宜、ＸＹ平面と称する。Ｘ軸及びＺ軸を含む平面を適宜、ＸＺ平面と称する。Ｙ軸及びＺ軸を含む平面を適宜、ＹＺ平面と称する。ＸＹ平面は、水平面と平行である。ＸＹ平面とＸＺ平面とＹＺ平面とは直交する。

【0012】

［レクテナ］
図１を用いて、実施形態に係るレクテナの構成例の概略について説明する。図１は、実施形態に係るレクテナの構成例の概略を示すブロック図である。

【0013】

図１に示すように、レクテナ１は、アンテナ１０と、整合回路１２と、整流回路１４と、昇圧回路１６と、平滑回路１８と、を含む。レクテナ１は、アンテナ１０と、整流回路１４とを含むことにより、構成されている。レクテナ１は、屋内及び屋外を含む各種の場所に設置され得る。

【0014】

アンテナ１０は、各種の電波を受信可能に構成されている。アンテナ１０は、例えば、ＭＨｚ（メガヘルツ）帯域からＧＨｚ（ギガヘルツ）帯域の電波を受信するように構成されているが、これに限定されない。アンテナ１０は、受信した電波を交流の受信電力に変換し、整合回路１２に入力する。

【0015】

整合回路１２は、アンテナ１０の出力端子のインピーダンスと、整流回路１４の入力端子のインピーダンスとを整合する回路である。

【0016】

整流回路１４は、アンテナ１０が出力した受信信号を直流電力に変換する。整流回路１４は、直流電力を昇圧回路１６に出力する。

【0017】

昇圧回路１６は、整流回路１４から受けた直流電力を昇圧する。昇圧回路１６は、昇圧した直流電力を平滑回路１８に出力する。

【0018】

平滑回路１８は、昇圧回路１６から受けた直流電力を平滑化する。平滑回路１８は、平滑化した直流電力を外部装置等へ出力する。平滑回路１８から出力された電力は、外部装置を駆動する電力として使用することができる。

【0019】

図１に示すように、レクテナ１は、受信した電波を、外部装置を駆動させるための電力に変換する。レクテナ１には、アンテナ１０への入力として、図示しない差動動作回路などが接続されている。本実施形態では、差動動作回路等が一体化したレクテナ用のアンテナを構成する。

【0020】

［アンテナ素子］
図２を用いて、実施形態に係るアンテナ素子の構成例について説明する。図２は、実施形態に係るアンテナ素子の構成例を示す図である。

【0021】

図２に示すように、アンテナ素子１００は、基板１１０と、パッチ導体１２０と、線状導体１３０と、基準導体１４０と、接続導体１５０と、差動入力回路１６０と、を含む。

【0022】

基板１１０は、誘電体材料で形成された基板である。本実施形態では、誘電体材料に特に制限はない。基板１１０は、ＸＹ平面に広がる。本実施形態では、基板１１０は、矩形状に形成されているが、これに限定されない。基板１１０は、上面と、上面に対向する下面とを有する。基板１１０の上面は、第１面と呼ばれることもある。基板１１０の下面は、第２面と呼ばれることもある。

【0023】

パッチ導体１２０は、基板１１０の上面に形成されている。パッチ導体１２０は、ＸＹ平面に広がる、矩形状に形成された導体である。ＸＹ平面は、第１平面とも呼ばれる。パッチ導体１２０は、パッチアンテナとして機能するように構成されている。パッチ導体１２０は、共振器として機能するように構成されている。図２に示す例では、パッチ導体１２０は、矩形状に形成されているが、これに限定されない。パッチ導体１２０は、例えば、矩形を除く多角形状、または円形状に形成されていてもよい。

【0024】

線状導体１３０は、基板１１０の上面に形成されている。線状導体１３０は、Ｙ方向に長い線状の導体である。線状導体１３０は、パッチ導体１２０のＸ軸の負方向側においてＹ軸方向に平行な辺に沿って形成されている。Ｙ軸方向は、第１方向とも呼ばれる。線状導体１３０は、線状アンテナとして機能するように構成されている。線状導体１３０は、共振器として機能するように構成されている。線状導体１３０を形成する位置は、図２に示す例に限定されない。

【0025】

基準導体１４０は、基板１１０の上面に形成されている。すなわち、基準導体１４０は、パッチ導体１２０と同一平面上に形成されている。基準導体１４０は、ＸＹ平面に広がる導体である。基準導体１４０は、グラウンド導体として機能するように構成されている。

【0026】

接続導体１５０は、パッチ導体１２０と、線状導体１３０とを電磁気的に接続するように構成された導体である。接続導体１５０は、パッチ導体１２０の中央Ｏ１からＸ軸方向およびＹ軸方向に偏った位置において、パッチ導体１２０と、線状導体１３０とを電磁気的に接続するように構成されている。Ｘ軸方向は、第２方向とも呼ばれる。図２に示す例では、接続導体１５０は、パッチ導体１２０の中央Ｏ１からＸ軸方向の負方向およびＹ軸方向の負方向に偏った位置において、パッチ導体１２０と、線状導体１３０とを電磁気的に接続するように構成されている。接続導体１５０は、例えば、パッチ導体１２０の中央Ｏ１からＸ軸方向の負方向およびＹ軸方向の正方向の偏った位置において、パッチ導体１２０と、線状導体１３０とを電気的に接続するように構成されていてもよい。なお、接続導体１５０がパッチ導体１２０と、線状導体１３０とを電磁気的に接続する位置は、図２に示す例に限定されない。

【0027】

本実施形態では、パッチ導体１２０と、線状導体１３０との２つの共振器を接続導体１５０で電磁気的に接続することにより、４つの動作モードを実現することができる。

【0028】

図３を用いて、実施形態に係るアンテナ素子の共振特性について説明する。図３は、実施形態に係るアンテナ素子の共振特性を説明するための図である。

【0029】

図３は、横軸が周波数［ＧＨｚ（ギガヘルツ）］、縦軸が利得［ｄＢ（デシベル）］を示す。波形Ｗ１は、共振特性の変化を示す。波形Ｗ１に示すように、アンテナ素子１００は、周波数ｆ１、周波数ｆ２、周波数ｆ３、および周波数ｆ４において、共振点を有するように構成されている。すなわち、アンテナ素子１００は、周波数ｆ１、周波数ｆ２、周波数ｆ３、および周波数ｆ４の電波に対して放射モードとなりアンテナとして機能するように構成されている。周波数ｆ１は、例えば、７７０［ＭＨｚ（メガヘルツ）］である。周波数ｆ２は、例えば、９００［ＭＨｚ］である。周波数ｆ３は、例えば、９８０［ＭＨｚ］である。周波数ｆ４は、１．１３［ＧＨｚ］である。なお、周波数ｆ１、周波数ｆ２、周波数ｆ３、および周波数ｆ４は、これらに限定されない。

【0030】

（放射パターン）
図４は、実施形態に係るアンテナ素子の第１周波数における電波の放射パターンの一例を示す図である。第１周波数は、例えば、７７０［ＭＨｚ］である。図４に示すように、アンテナ素子１００は、図２において、＋Ｚ軸方向および－Ｚ軸方向に７７０［ＭＨｚ］の電波を良好に放射するように構成され得る。

【0031】

図５は、実施形態に係るアンテナ素子の第２周波数における電波の放射パターンの一例を示す図である。第２周波数は、例えば、９００［ＭＨｚ］である。図５に示すように、アンテナ素子１００は、図２において、＋Ｚ軸方向および－Ｚ軸方向に９００［ＭＨｚ］の電波を良好に放射するように構成され得る。

【0032】

図６は、実施形態に係るアンテナ素子の第３周波数における電波の放射パターンの一例を示す図である。第３周波数は、例えば、９８０［ＭＨｚ］である。図６に示すように、アンテナ素子１００は、図２において、＋Ｚ軸方向および－Ｚ軸方向に９８０［ＭＨｚ］の電波を良好に放射するように構成され得る。

【0033】

図７は、実施形態に係るアンテナ素子の第４周波数における電波の放射パターンの一例を示す図である。第４周波数は、例えば、１．１３［ＧＨｚ］である。図７に示すように、アンテナ素子１００は、図２において、＋Ｚ軸方向および－Ｚ軸方向に電波を良好に放射するように構成され得る。

【0034】

図４から図７に示す例において、ユーザは、例えば、７７０［ＭＨｚ］、９００［ＭＨｚ］、９８０［ＭＨｚ］、および１．１３［ＧＨｚ］の４つの動作モードの全てを使用してもよいし、少なくとも１つの周波数を選択的にしようしてもよい。なお、図４から図７に示した周波数は例示であり、本開示を限定するものではない。４つの周波数の具体的な値は、設計に応じて任意に設定することができる。

【0035】

図４から図７に示す例では、アンテナ素子１００は、４つの動作モードを持つものとして説明したが、本開示はこれに限定されない。アンテナ素子１００は、例えば、２つまたは３つの動作モードを持つように構成されていてもよい。アンテナ素子１００は、例えば、４つ以上の動作モードを持つように構成されていてもよい。

【0036】

図２に戻る。差動入力回路１６０は、２つの信号をパッチ導体１２０および線状導体１３０に入力するように構成されている。差動入力回路１６０は、図２に示す例では、線状導体１３０の負方向側に配置されている。すなわち、アンテナ素子１００は、差動入力回路１６０が一体化して構成されている。これにより、アンテナ素子１００は、差動動作回路として機能するように構成されている。

【0037】

図８は、実施形態に係る差動入力回路を説明するための図である。図８に示すように、差動入力回路１６０は、第１入力部１６２と、第２入力部１６４と、を備える。第１入力部１６２と、第２入力部１６４とは、線状導体１３０に差動信号を出力するように構成されている。

【0038】

本実施形態では、線状導体１３０の線幅および給電ビアであるビア導体１７０の位置を変えることで、差動入力回路１６０の出力インピーダンスと、線状導体１３０の入力インピーダンスとを整合させることができる。すなわち、本実施形態では、線状導体１３０は、差動入力回路１６０の出力インピーダンスと、線状導体１３０の入力インピーダンスとを整合させる整合回路としても機能し得る。これにより、線状導体１３０の入力インピーダンスが５０Ω（オーム）以外であっても線状導体１３０をアンテナとして設計することができる。つまり、線状導体１３０はアンテナの一部でもあり、整合回路の一部でもある。この結果、２個の機能を一つの素子で実現されており、小型化が達成されている。

【0039】

図９は、実施形態に係る第１入力部および第２入力部の配置例を説明するための図である。図９に示すように、第１入力部１６２および第２入力部１６４は線状導体１３０の下部に配置されている。図９に示すように、線状導体１３０と、第１入力部１６２とは、ビア導体１７０により電磁気的に接続されている。図９には示されていないが、線状導体１３０と、第２入力部１６４とは、図示しないビア導体により電磁気的に接続されている。図９に示すように、第１入力部１６２および第２入力部１６４を線状導体１３０に下部に配置することで、例えば、線状導体１３０が＋Ｚ軸方向に放射する電波が第１入力部１６２および第２入力部１６４に妨げられることを防止することができる。すなわち、第１入力部１６２および第２入力部１６４を線状導体１３０の下部に配置することで、線状導体１３０は、＋Ｚ軸方向に電波が放射しやすくなる。

【0040】

図８および図９に示す例では、第１入力部１６２および第２入力部１６４からの入力信号は、線状導体１３０に入力されるものとして示しているが、本開示はこれに限定されない。第１入力部１６２および第２入力部１６４からの入力信号は、パッチ導体１２０に入力されてもよい。

【0041】

［実施形態の変形例］
図１０と、図１１とを用いて、実施形態の変形例に係るアンテナ素子の構成例を説明する。図１０は、実施形態に係るアンテナ素子の第１面の構成例を示す図である。図１１は、実施形態に係るアンテナ素子の第２面の構成例を示す図である。

【0042】

図１０に示すように、基板１１０の第１面（上面）には、線状導体１３０と、接続導体１５０と、差動入力回路１６０とが配置されている。基板１１０の第１面の構成は、アンテナ層とも呼ばれる。

【0043】

図１１に示すように、基板１１０の第２面（下面）には、パッチ導体１２０と、基準導体１４０と、第１入力部１６２と、第２入力部１６４とが配置されている。基板１１０の第２面の構成は、グラウンド層とも呼ばれる。

【0044】

図１０と、図１１とに示すように、第１面にアンテナ層を構成し、第２面にグラウンド層を構成することで、アンテナ素子１００の動作帯域を広帯域化することができる。なお、パッチ導体１２０は、第１面に配置されていてもよい。パッチ導体１２０を第２面に配置することで、小型化に有利な構成となる。

【0045】

図１２を用いて、実施形態に係る装置について説明する。図１２は、実施形態に係る装置の構成例を示すブロック図である。

【0046】

図１２に示すように、装置１Ａは、アンテナ素子１００と、整流回路１０２と、制御装置１０４と、を備える。

【0047】

アンテナ素子１００は、受信した電波を交流の受信電力に変換し、整流回路１０２に入力するように構成されている。上述したように、アンテナ素子１００は、アンテナ素子１００の出力端子のインピーダンスと、整流回路１０２の入力端子のインピーダンスを整合する回路とが、一体化した構成を有している。

【0048】

整流回路１０２は、アンテナ素子１００から出力された信号を直流電力に変換する。すなわち、装置１Ａは、アンテナ素子１００と、整流回路１０２とを含むレクテナであり得る。

【0049】

制御装置１０４は、例えば、プロセッサを含み得る。制御装置１０４は、１以上のプロセッサを含んでよい。プロセッサは、特定のプログラムを読み込ませて特定の機能を実行する汎用のプロセッサ、および、特定の処理に特化した専用のプロセッサを含んでよい。専用のプロセッサは、特定用途向けＩＣを含んでよい。特定用途向けＩＣは、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）ともいう。プロセッサは、プログラマブルロジックデバイスを含んでよい。プログラマブルロジックデバイスは、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）ともいう。ＰＬＤは、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）を含んでよい。制御装置１０４は、１つ又は複数のプロセッサが協働するＳｏＣ（System-on-a-Chip）、およびＳｉＰ（System in a Package）の何れかであってよい。

【0050】

制御装置１０４は、装置１Ａの各部を制御するように構成されている。制御装置１０４は、例えば、制御装置により負荷インピーダンスを変えることで受信電力の最大効率になるように調整を行うことができる。また、同様に受信電力の最大効率となる周波数帯を変えることで使用周波数を変更もできる。

【0051】

以上、本開示の実施形態を説明したが、これら実施形態の内容により本開示が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

【符号の説明】

【0052】

１ レクテナ
１Ａ 装置
１０ アンテナ
１２ 整合回路
１４，１０２ 整流回路
１６ 昇圧回路
１８ 平滑回路
１００ アンテナ素子
１０４ 制御装置
１１０ 基板
１２０ パッチ導体
１３０ 線状導体
１４０ 基準導体
１５０ 接続導体
１６０ 差動入力回路
１６２ 第１入力部
１６４ 第２入力部
１７０ ビア導体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】