特許 7306807 アンテナ、および無線通信システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-07-03

(45)【発行日】2023-07-11

(54)【発明の名称】アンテナ、および無線通信システム

(51)【国際特許分類】

   H01Q 5/25 20150101AFI20230704BHJP

   H01Q 9/16 20060101ALI20230704BHJP

【ＦＩ】

H01Q5/25

H01Q9/16

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2018177615

(22)【出願日】2018-09-21

(65)【公開番号】P2020048170

(43)【公開日】2020-03-26

【審査請求日】2021-08-16

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】599161890

【氏名又は名称】ＮＥＣネットワーク・センサ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109313

【弁理士】

【氏名又は名称】机 昌彦

(74)【代理人】

【識別番号】100149618

【弁理士】

【氏名又は名称】北嶋 啓至

(72)【発明者】

【氏名】中村 真也

(72)【発明者】

【氏名】浅尾 博之

【審査官】白井 亮

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００４／０３６５７２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２００４－５３３１６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０４１８６４０３（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開２０００－２３６２０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００７／２４７３７１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｑ ５／２５

Ｈ０１Ｑ ９／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

線状導体の長手方向の途中に複数の等しい形状の球状導体を有し前記複数の球状導体のうち少なくとも１つ以外の前記球状導体の前記長手方向と垂直で前記球状導体の中心を通る断面の円周どうしを導体面で覆った第１のアンテナ素子と、
前記第１のアンテナ素子の前記線状導体の一端の外側近傍で前記線状導体の前記長手方向の中心線の延長上の点を通る仮想的な平面を対称面として前記第１のアンテナ素子と面対称である第２のアンテナ素子とを備えることを特徴とするアンテナ。

【請求項2】

線状導体の長手方向の途中に複数の等しい形状の球状導体を有し前記複数の球状導体のうち２つ以上の前記球状導体の前記長手方向と垂直で前記球状導体の中心を通る断面の円周どうしを導体面で覆った第１のアンテナ素子と、
前記第１のアンテナ素子の前記線状導体の一端の外側近傍で前記線状導体の前記長手方向の中心線の延長上の点を対称の中心として前記第１のアンテナ素子と点対称である第２のアンテナ素子とを備えることを特徴とするアンテナ。

【請求項3】

前記球状導体は、中空であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ。

【請求項4】

前記球状導体は、球体の樹脂の表面に導体のめっきを施したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ。

【請求項5】

前記第１のアンテナ素子の前記点の近傍側の一端と、前記第２のアンテナ素子の前記点の近傍側の一端との間に高周波電力を印加することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のアンテナ。

【請求項6】

前記第１のアンテナ素子の前記点の近傍側の一端と、前記第２のアンテナ素子の前記点の近傍側の一端とは電気的に導通し、他のアンテナと電磁気的に結合する請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のアンテナ。

【請求項7】

請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のアンテナと、
前記アンテナに接続される無線通信機とを備えることを特徴とする無線通信システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アンテナ、および無線通信システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、実用化が進んでいるソフトウェア（software）無線技術を用いた無線通信システムは、様々な周波数や広い帯域幅に対応する必要がある。そのために、無線通信システムが使用する周波数帯を、アンテナが共振可能な複数の周波数帯に分割し、それぞれの周波数帯ごとにアンテナを用意して、アンテナを切替えることが行われている。このようにすると、分割した周波数帯の数だけアンテナが必要となる。更に、アンテナを切替えるために、アンテナ切替え制御機器が必要となり、無線通信システム全体の規模が大きくなる問題があった。

【0003】

そこで、無線通信システムの周波数帯の分割数を少なくするために、アンテナの共振周波数の広帯域化が望まれている。

【0004】

特許文献１には、アンテナの広帯域化技術の一例が示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００７－３２５１４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述した特許文献１は、線状の導体と磁性体チップアンテナ（chip antenna）の組み合わせによって、広帯域化を図っている。この構成の場合、アンテナの共振周波数を決定するのは、磁性体チップの形状と磁性体チップを連結する線状の導体の長さであるため、共振周波数の微調整が行いづらくなっている。

【0007】

本発明の目的は、上述した課題を鑑み、共振周波数の微調整が容易で、広い周波数帯域で使用可能なアンテナ、およびこの様なアンテナを備える無線通信システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の目的を達成するために、本発明のアンテナは、線状導体の長手方向の途中に複数の等しい形状の球状導体を有する第１のアンテナ素子と、前記第１のアンテナ素子の前記線状導体の一端の外側近傍で前記線状導体の前記長手方向の中心線の延長上の点を通る仮想的な平面を対称面として前記第１のアンテナ素子と面対称である第２のアンテナ素子とを備える。

【0009】

上記の目的を達成するために、本発明の無線通信システムは、線状導体の長手方向の途中に複数の等しい形状の球状導体を有する第１のアンテナ素子と、前記第１のアンテナ素子の前記線状導体の一端の外側近傍で前記線状導体の前記長手方向の中心線の延長上の点を通る仮想的な平面を対称面として前記第１のアンテナ素子と面対称である第２のアンテナ素子とを備えるアンテナと、前記アンテナに接続される無線通信機とを備える。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、共振周波数の微調整が容易で、広い周波数帯域で使用可能なアンテナ、およびこの様なアンテナを備える無線通信システムを提供することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１の実施形態の構成例を示す図である。

【図2】第１の実施形態の構成例を示す図である。

【図3】第２の実施形態の構成例を示す図である。

【図4】第２の実施形態の動作を説明する図である。

【図5】第２の実施形態の動作を説明する図である。

【図6】第２の実施形態の動作を説明する図である。

【図7】第２の実施形態の動作を説明する図である。

【図8】第２の実施形態の動作を説明する図である。

【図9】第２の実施形態の動作を説明する図である。

【図10】第２の実施形態の動作を説明する図である。

【図11】第２の実施形態の構成例を示す図である。

【図12】第２の実施形態の動作を説明する図である。

【図13】第２の実施形態の動作を説明する図である。

【図14】一般的なダイポールアンテナの構成例を示す図である。

【図15】一般的なダイポールアンテナの特性を示す図である。

【図16】一般的なダイポールアンテナの特性を示す図である。

【図17】第３の実施形態の構成例を示す図である。

【図18】第３の実施形態の動作を説明する図である。

【図19】第３の実施形態の動作を説明する図である。

【図20】第２の実施形態の変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

［第１の実施形態］
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

【0013】

図１に第１の実施形態の構成を示す。

【0014】

本実施形態のアンテナ１００は、第１のアンテナ素子１０と第２のアンテナ素子２０とを備える。第１のアンテナ素子１０は、線状導体１１の長手方向の途中に複数の等しい形状の球状導体１２を有する。また、第２のアンテナ素子２０は、前記第１のアンテナ素子１０の前記線状導体１１の一端の外側近傍で前記線状導体１１の前記長手方向の中心線の延長上の点３１を通る平面を対称面３２として前記第１のアンテナ素子１０と面対称である。

【0015】

上記の構成のアンテナ１００では、高周波電流は球状導体１２の表面と、外観として見える線状導体１１に流れる。球状導体１２の内部に隠れる線状導体１１には、高周波電流はほとんど流れない。

【0016】

この様な構成とすることで、本実施形態のアンテナ１００は、一般的に用いられるダイポールアンテナ（dipole antenna）と比べて広い帯域の周波数で使用可能となる。

【0017】

ここで、アンテナの電気長Ｌは、共振周波数ｆと、次の関係がある。但し、ｃは光速である。

【0018】

ｆ＝ｃ／（２×Ｌ）
アンテナの電気長は球状導体１２の数に比例して段階的に変化するが、本実施形態のアンテナ１００は、球状導体１２が連なる外側に線状導体１１の一部が突出している。そのため、この突出部分の長さを調整することによって、アンテナ１００の共振周波数の微調整が容易に可能となっている。

【0019】

以上説明した様に、本実施形態のアンテナ１００は、共振周波数の微調整が容易で、広い周波数帯域で使用可能なアンテナを実現することができる。
［第１の実施形態の変形例］
尚、図２に示すアンテナ１１０の様に、第１のアンテナ素子１０と第２のアンテナ素子２０が、一直線上に配置されることも当然可能である。

【0020】

アンテナ１１０の場合、第２のアンテナ素子２０は、第１のアンテナ素子１０の線状導体１１の一端の外側近傍で線状導体１１の長手方向の中心線の延長上の点３１を対象の中心として、点対称であると表現してもよい。

【0021】

アンテナ１１０はアンテナ１００と比べて、基本的なダイポールアンテナに類似した形状であるので、自然な形状ともいえる。そこで、以下の実施形態では、第１の実施形態の構成をアンテナ１１０として記載するが、アンテナ１００の様な形状であっても本質的な効果は変わらない。

【0022】

尚、球状導体１２は中空であってもよく、プラスチック（plastic）などの樹脂で形成される球体の表面に、金、銀、銅などの導体のめっきを施したものであってもよい。いずれの場合も、アンテナの使用周波数における表皮効果を考慮して、損失が小さくなる様に充分な導体の厚みとする。また、いずれの場合も、線状導体１１は、球状導体１２の導体表面同士を接続していればよく、球状導体１２の内部で接続されている必要はない。
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態のアンテナ２００について、図３乃至図１３を参照して説明する。
［構成の説明］
図３に、第２の実施形態のアンテナ２００の構成を示す。

【0023】

第２の実施形態のアンテナ２００は、第１の実施形態のアンテナ１１０の第１のアンテナ素子１０の点３１の近傍側の一端と、第２のアンテナ素子２０の点３１の近傍側の一端との間に高周波電力を印加する給電部３３を備えている。
［動作の説明］
次に第２の実施形態のアンテナ２００の動作を説明する。

【0024】

図４に示す様な２つの球状導体１２に対して、給電部３３から高周波電力を印加するアンテナ２１０のインピーダンス（impedance）を計算すると、図５のスミスチャート（smith chart）に示す様なインピーダンスＺ１となる。

【0025】

スミスチャートでは、次の様にインピーダンスが描かれる。円の左右方向の直径は純抵抗分を表し、円の上半分は正のリアクタンス（reactance）成分であるインダクタンス（inductance）成分を、円の下半分は負のリアクタンス成分であるキャパシタンス（capacitance）成分を表す。水平方向直径の左端は純抵抗成分、リアクタンス成分ともにゼロ。水平方向直径の右端は純抵抗成分、リアクタンス成分ともに無限、伝送線路の特性インピーダンス、例えば５０オームは、円の中心に位置する。

【0026】

従って、アンテナが周波数ｆ１で共振するとは、アンテナに印加する高周波電力の周波数を変化させた時のインピーダンスＺ１のスミスチャート上の軌跡が、周波数ｆ１でスミスチャートの中心に近づくことである。図５では、アンテナ２１０が、周波数ｆ１で共振していることが認められる。

【0027】

また、図４のアンテナ２１０の等価回路は、図６に示す様に抵抗成分Ｒ１、インダクタンスＬ１、キャパシタンスＣ１による周波数ｆ１における直列共振回路と考えられる。

【0028】

この際、ｆ１＝１／（２π・root（Ｌ１・Ｃ１））である。ここでrootは平方根を表す。

【0029】

次に、図４のアンテナ２１０に対して、図７に示すアンテナ２２０の様に、給電部３３と元からある左右の球状導体１２の間に、それぞれ１個の球状導体１２を付加する。付加した球状導体１２は、図８に示す等価回路で示されると考えられる。

【0030】

図９を用いて、球状導体を付加したアンテナ２２０のインピーダンスについて説明する。説明にあたって、図８の等価回路も参照する。

【0031】

元々の球状導体１２が左右１個ずつのアンテナのインピーダンスＺ１に、ＺＬの並列共振回路が並列に装荷されている。そして、Ｚ１とＺＬの並列回路のインピーダンスは、図９の、Ｚ１／／ＺＬで表される。そして、Ｚ１でキャパシタンス成分を呈し、ＺＬでインダクタンス成分を呈する周波数で並列共振となる。

【0032】

さらに直列にコンデンサＣ２´が装荷されることで、ＺＬ´のインピーダンスとなり、スミスチャート上にループ（loop）を描いていることがわかる。また、図８のＬ２´は、球状導体の物理的長さに起因するインダクタンス成分である。

【0033】

球状導体１２を更に増やすと、図８の等価回路も球状導体の増加分だけ付加されて、上述のインピーダンスの変化が繰り返される。つまり、アンテナ２００は図１０に示す様な等価回路として考えられる。その結果、アンテナのインピーダンスは、例えば後述の図１２に示す様にスミスチャート上の中心、即ち伝送線路の特性インピーダンス（例えば５０オーム）に近い位置で複数の円を描き、広帯域化が実現される。

【0034】

上記の様に動作するアンテナ２００の具体的な実施例として、図１１に示すアンテナ２３０について説明する。

【0035】

アンテナ２３０は、給電部を中心として、球状導体１２を左右それぞれ７個ずつ配置したものである。

【0036】

球状導体１２の直径は７０ミリメートル、球状導体１２同士の間隔は３ミリメートル、最も外側の球状導体１２から突出している線状導体の長さは６７．５ミリメートルである。また、給電部３３を挟む第１のアンテナ素子１０と第２のアンテナ素子２０の間隔は４ミリメートルである。アンテナ２３０の全長は１１５５ミリメートルである。

【0037】

この様な形状のアンテナ２３０のインピーダンスを計算してスミスチャートに示したものが、図１２である。ここでは、１００ＭＨｚから１．６ＧＨｚのインピーダンスを示している。また、同じインピーダンスをＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）のグラフで示したものが、図１３である。

【0038】

ここで、アンテナ２３０の特性を、図１４に示す構成の一般的なダイポールアンテナの特性と比較する。図１４に示すダイポールアンテナは、左右それぞれの線状導体１１が５７７．５ミリメートル、全長が１１５５ミリメートルとしている。このダイポールアンテナのインピーダンスを計算して、スミスチャートに表したものを図１５に示す。ここでも図１２と同様に１００ＭＨｚから１．６ＧＨｚのインピーダンスを示している。また、図１５と同じ周波数範囲のＶＳＷＲを図１６に示す。

【0039】

前述の様に、スミスチャートでは、伝送線路の特性インピーダンス、例えば５０オームは、円の中心に位置する。そのため、アンテナが伝送線路と整合が取れる状態は、インピーダンスの軌跡が、スミスチャートの中心付近に存在することである。

【0040】

図１２に示すアンテナ２３０のインピーダンスの軌跡と、図１５に示すダイポールアンテナのインピーダンスの軌跡を比べると、図１２の方が、インピーダンスの軌跡は中心付近で複数の円を描いている。

【0041】

また、図１３に示すアンテナ２３０のＶＳＷＲと、図１６に示すダイポールアンテナのＶＳＷＲのグラフからも、アンテナ２３０は、一般的なダイポールアンテナより、広い周波数で伝送線路とインピーダンス整合が取れていることが認められる。

【0042】

従って、本実施形態のアンテナ２３０は、一般的なダイポールアンテナと比べて、広い周波数で使用可能である。

【0043】

尚、アンテナの電気長は球状導体１２の数に比例して段階的に変化するが、本実施形態のアンテナ２３０は、球状導体１２が連なる外側に線状導体１１の一部が突出している。そのため、この突出部分の長さを調整することによって、アンテナ２３０の共振周波数の微調整が容易に可能となっている。

【0044】

以上、アンテナ２３０の例で説明した様に、本実施形態のアンテナ２００は、共振周波数の微調整が容易で、広い周波数帯域で使用可能なアンテナを実現することができる。
［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態のアンテナ３００について、図１７乃至図１９を参照して説明する。
［構成の説明］
図１７に、第３の実施形態のアンテナ３００の構成を示す。

【0045】

第３の実施形態のアンテナ３００は、第２の実施形態のアンテナ２３０の第１のアンテナ素子１０が第１のアンテナ素子５０に置きかえられている。また、第２の実施形態のアンテナ２３０の第２のアンテナ素子２０が、アンテナ３００では第２のアンテナ素子６０に置きかえられている。

【0046】

そして、第２の実施形態のアンテナ２３０の第１のアンテナ素子１０の給電部３３の側の球状導体１２と隣接しあう３つの球状導体の、線状導体１１の長手方向と垂直で前記球状導体１２の中心を通る断面の円周どうしを導体面で覆う接続素子１３を備える。

【0047】

ここで、隣接しあう３個の球状導体１２を接続素子１３で接続すると記したが、実際には、３個のうち、端の２個以外の球状導体は接続素子１３の内部にかくれてしまうので、削除して良い。

【0048】

また、接続素子１３は中空であってもよく、プラスチックなどの樹脂で形成される球体の表面に導体のめっきを施したものであってもよい。ただし、接続素子１３と接続される端の２個の球状導体１２の外形とは導電している必要がある。中空の導電体で形成する場合も、樹脂に導体のめっきを施した場合も、アンテナの使用周波数における表皮効果を考慮して、損失が小さくなる様に充分な導体の厚みとする。

【0049】

本実施形態のアンテナ３００は、第１のアンテナ素子５０の球状導体７個のうち、３個が接続素子１３で接続される。

【0050】

しかし、球状導体１２の数は３個以上であってもよく、接続素子１３は、最も給電部３３よりの球状導体１２と、隣接する２個以上の球状導体を接続することでも良い。

【0051】

ここでは、球状導体１２が７個で、そのうち３個が接続素子１３で接続されるアンテナ３００の構成を例として説明する。
［動作の説明］
次に第３の実施形態のアンテナ３００の動作を説明する。

【0052】

球状導体１２の直径、球状導体１２同士の間隔、最も外側の球状導体１２から突出している線状導体の長さは、第２の実施形態のアンテナ２３０と同じである。

【0053】

アンテナ３００のインピーダンスを計算してスミスチャートに示したものが、図１８である。ここでは、図１２と同様に、１００ＭＨｚから１．６ＧＨｚのインピーダンスを示している。また、同じインピーダンスをＶＳＷＲのグラフで示したものが、図１９である。

【0054】

前述の様に、スミスチャートでは、伝送線路の特性インピーダンス、例えば５０オームは、円の中心に位置する。そのため、アンテナが伝送線路と整合が取れる状態は、インピーダンスの軌跡が、スミスチャートの中心付近に存在することである。

【0055】

図１８に示すアンテナ３００のインピーダンスの軌跡と、図１２に示すアンテナ２３０のインピーダンスの軌跡を比べると、アンテナ３００の方がスミスチャートの中心付近にまとまっている。また、図１９に示すアンテナ３００のＶＳＷＲと、図１３に示すアンテナ２３０のＶＳＷＲを比較すると、アンテナ３００は、アンテナ２３０より、広い周波数で伝送線路とインピーダンス整合が取れていて、広い周波数で使用可能であることが認められる。

【0056】

尚、アンテナ３００は、球状導体１２が連なる外側に線状導体１１の一部が突出していることで、アンテナ３００の共振周波数の微調整が容易に可能であることは、アンテナ２３０と同じである。

【0057】

以上説明した様に、本実施形態のアンテナ３００は、接続素子１３を設けることにより、第２の実施形態のアンテナ２３０と比べて、広い周波数帯域で使用可能なアンテナを実現することができる。

【0058】

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上記実施形態に限定されるものではなく、次のように拡張または変形できる。

【0059】

第２の実施形態および第３の実施形態の給電部３３の部分を、高周波電力を印加するのではなく電気的に短絡することで、他のアンテナと電磁気的に結合する無給電アンテナを実現してもよい。この様にすることで、他のアンテナと共に無給電アンテナが動作して、他のアンテナだけの放射特性とは異なる放射特性を実現可能である。

【0060】

また、上記実施形態に示されるアンテナと無線通信機とを接続することによって、無線通信システムを実現することも可能である。図２０は、第２の実施形態のアンテナ２００の給電部３３と、無線通信機４１０を高周波ケーブル４２０で接続する無線通信システム４００の例を示している。

【符号の説明】

【0061】

１０ 第１のアンテナ素子
１１ 線状導体
１２ 球状導体
１３ 接続素子
２０ 第２のアンテナ素子
３１ 点
３２ 対称面
３３ 給電部
５０ 第１のアンテナ素子
６０ 第２のアンテナ素子
１００ アンテナ
１１０ アンテナ
２００ アンテナ
２１０ アンテナ
２２０ アンテナ
２３０ アンテナ
３００ アンテナ
４００ 無線通信システム
４１０ 無線通信機
４２０ 高周波ケーブル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】