JP5569340B2

JP5569340B2 - アンテナ装置

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Publication number: JP5569340B2
Application number: JP2010246436A
Authority: JP
Inventors: 功寛宮下
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-07-05
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2030-11-02
Also published as: JP2012034328A

Description

本発明は、ループアンテナ素子を用いたアンテナ装置に関するものである。

近年、ユビキタス社会の中で、アクティブ型の小型無線タグを用いたあらゆるシステムの検討が進められている。人が無線タグを身につけることでヘルスケア、機器のセキュリティ、ハンズフリーの入退室管理など安心安全を実現するシステム、家庭内の家電機器に無線タグを適用したホームネットワーク、スマートメータ、センサーネットワークなどがあげられる。また、ひとつの無線タグでこれらのあらゆるシステムに対応できることが望ましい。アクティブ型の無線タグとしては主に４００ＭＨｚ帯と９００ＭＨｚ帯が一般的に使用され、これらの周波数帯に対応したアンテナが必要とされる。

一方で、複数のアンテナを用いて適応的にアンテナの動作モードを制御することで良好な放射特性を実現するアンテナがある。このアンテナを上記の小型無線タグに用いる場合、波長に対して十分小さい無線タグの筐体内に複数のアンテナを近接して配置しなければならないため、アンテナ間の相互結合が増大し、アンテナの利得が劣化するといった課題が生じる。アンテナ間の相互結合低減が必要とされる。

従来、複数の周波数に対応し、相互結合が低減できるアンテナとしては、携帯電話向けに主にモノポールアンテナなどの線状アンテナに対して検討されてきた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１９９５８８号公報

しかしながら、上記従来の構成では、４分の１波長程度のアンテナ素子の長さを必要とするため、無線タグなど波長に対して十分小さいアンテナ寸法、アンテナ間隔が要求される用途には適さない。

本発明は、上記従来の課題に鑑み、波長に対して十分小さい寸法にて複数の周波数に対応し、かつアンテナ間の相互結合を低減できるアンテナ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のアンテナ装置は、接地導体を有する平面状の接地板と、前記接地板から水平方向に離れた位置に設けた第１ループアンテナ及び第２ループアンテナと、前記第１ループアンテナ及び第２ループアンテナのそれぞれ一端に設けた給電点に対して信号の給電を行う信号給電手段とを備え、前記第１ループアンテナ及び第２ループアンテナに形成されるループ面は前記接地板に対して垂直に形成され、前記第１ループアンテナ及び第２ループアンテナの他端は共通の接地線を介して、可変インダクタンスおよび可変容量を経由して前記接地板に接続され、前記第１ループアンテナの給電点から前記接地板へ至る方向に向かう巻き方向と、前記第２ループアンテナの給電点から前記接地板へ至る方向に向かう巻き方向とが互いに反対方向となるアンテナ装置である。

本発明のアンテナ装置は、複数の周波数に対して相互結合を低減できるループアンテナを用いることで、波長に対して小さい寸法にて複数の周波数に対応し、かつアンテナ間の相互結合を低減できるアンテナ装置を実現できる。

本発明の実施の形態１におけるアンテナ装置の構成を示す図本発明の実施の形態１における位相変化量の範囲が０度から９０度の移相器１０４ａ、１０４ｂの構成例を示す図本発明の実施の形態１における位相変化量の範囲が０度から−９０度の移相器１０４ａ、１０４ｂの構成例を示す図本発明の実施の形態１における整合回路１０５、１０６の構成例を示す図本発明の実施の形態１における可変容量ダイオードを用いた整合回路１０５、１０６の構成例を示す図本発明の実施の形態１におけるコンデンサに並列共振回路を挿入した整合回路１０５、１０６の構成例を示す図本発明の実施の形態１におけるループアンテナ１０７、１０８、接地線１０９の構成例を示す図本発明の実施の形態１におけるループアンテナ１０７、１０８、接地線１０９、グランド容量１１０の構成例を示す図（ａ）本発明の実施の形態１におけるループアンテナ１０７、１０８に給電する位相差が０度のときのアンテナ装置の動作を示す図（ｂ）本発明の実施の形態１におけるループアンテナ１０７、１０８に給電する位相差が１８０度のときのアンテナ装置の動作を示す図本発明の実施の形態１におけるアンテナ装置の等価回路を示す図本発明の実施の形態１における給電端間の相互結合量の計算結果を示す図本発明の実施の形態１における接地線１０９が途中で２つに枝分かれし、一方をグランド容量１１０に接続し、他方を接地板１０１に直接接続されている場合のアンテナ装置の等価回路を示す図本発明の実施の形態１における接地線１０９が途中で２つに枝分かれし、一方をグランド容量１１０に接続し、他方を接地板１０１に直接接続されている場合の給電端間の相互結合量の計算結果を示す図本発明の実施の形態１におけるアンテナ装置の給電位相差の設定手順を示した図本発明の実施の形態１におけるアンテナ装置の給電位相差の設定手順を示した図本発明の実施の形態１におけるアンテナ装置の給電位相差の設定手順を示した図（ａ）本発明の実施の形態１における接地線１０９とグランド容量１１０の間に、インダクタンス１１３を挿入したアンテナ装置の構成を示す図（ｂ）本発明の実施の形態１における接地線１０９が可変容量１１４と可変インダクタンス１１５を介してグランドへ接続されるアンテナ装置の構成を示す図本発明の実施の形態１における定数を可変とする直列ＬＣ回路の構成例を示す図本発明の実施の形態１における共振周波数を近接させた場合の給電端間の相互結合量の計算結果を示す図

第１の発明は、接地導体を有する平面状の接地板と、接地板から水平方向に離れた位置に設けた第１ループアンテナ及び第２ループアンテナと、第１ループアンテナ及び第２ル
ープアンテナのそれぞれ一端に設けた給電点に対して信号の給電を行う信号給電手段とを備えるアンテナ装置に関するもので、第１ループアンテナ及び第２ループアンテナに形成されるループ面は接地板に対して垂直に形成され、第１ループアンテナ及び第２ループアンテナの他端は共通の接地線を介して、可変インダクタンスおよび可変容量を経由して接地板に接続されるものである。

これによって、波長に対して小さい寸法にて複数の周波数に対応し、かつアンテナ間の相互結合を低減できるアンテナ装置を実現できる。

第２の発明は、特に、第１の発明の信号給電手段は、第１ループアンテナ及び第２ループアンテナに給電する信号の位相を制御するものである。これによって、波長に対して小さい寸法にて複数の周波数に対応し、かつアンテナ間の相互結合を低減できるアンテナ装置を実現できる。

第３の発明は、特に、第２の発明において、第１ループアンテナ及び第２ループアンテナから放射されるループ面に平行な偏波と、第１ループアンテナから接地板へ流れ込む電流により放射される偏波とが直交するように、第１ループアンテナ及び第２ループアンテナを形成するものである。これによって、波長に対して小さい寸法にて複数の周波数に対応し、かつアンテナ間の相互結合を低減できるアンテナ装置を実現できる。

第４の発明は、特に、第３の発明において、地板の近傍にある導体を検知する導体検知手段を設け、信号給電手段は、導体検知手段により検知内容に応じて、第１給電点から給電する信号の位相と、第２給電点から給電する信号の位相とを制御するものである。

これによって、常に高い送信電力、受信電力が得られる位相差に適応的に設定するダイバーシチ通信を行うことで良好な通信状態を得ることができる。

第５の発明は、特に、第３の発明において、基準平面に対する接地板の傾きを検知する姿勢検知手段を設け、信号給電手段は、姿勢検知手段により検知される傾きに応じて、第１給電点から給電する信号の位相と、第２給電点から給電する信号の位相とを制御するものである。これによって、アンテナ装置の姿勢に関わらず良好な放射特性を実現できる。

第６の発明は、特に、第３の発明における信号給電手段は、第１給電点から給電する信号の位相と、第２給電点から給電する信号の位相との位相差を異なる値にして受信動作を行い、そのうちで最も受信電力が大きい時の位相差を使用するものである。これによって、良好な通信状態を得ることができる。

以下、本発明のアンテナ装置を実施するための形態について、図面に沿って説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
以下に、本発明のアンテナ装置の実施の形態１の詳細について説明する。

図１は、本発明のアンテナ装置の構成を示す図である。Ｘ、ＹおよびＺは、各々の座標軸を示す。図１において、接地板１０１は、接地導体を有する接地板である。接地板１０１は、長手方向がＺ軸方向である。接地板１０１のＺ軸方向の長さＬは、Ｘ軸方向の長さＴよりも長いことが望ましい。

送受信回路１０２は、接地板１０１上に設けられ、送信信号を生成し出力し、入力された受信信号を処理する送受信回路である。なお、送受信回路１０２は、送信回路のみ、ま
たは受信回路のみであってもよい。また、後述する姿勢検知器１１１から送受信回路１０２へ本発明のアンテナ装置の傾き情報が入力される。さらに、送受信回路１０２から後述する移相器１０４ａ、１０４ｂを制御するための移相量制御信号を出力する。

分配器１０３は、接地板１０１に設けられ、入力端子が送受信回路１０２に接続され、送受信回路１０２から入力される信号を２つに電力分割して出力する分配器である。分配器１０３は、具体的にはウィルキンソン分配器などで構成される。

移相器１０４ａ、１０４ｂは、送受信回路１０２と分配器１０３の２つの出力端子にそれぞれ接続され、入力された信号の位相を、送受信回路１０２から出力される移相量制御信号に基づいて、所定の値に変換して出力する移相器である。これにより後述するループアンテナ１０７、１０８に給電する２つの信号の給電位相差を変化させる。２つの信号の位相差を変化させることができればよいので、分配器１０３の２つの出力端子のうち、一方のみ移相器が接続されていてもよい。また、移相量が固定の値であり、移相量の制御が必要ない場合、移相量制御信号は不要としてもよい。

図２は、位相変化量の範囲が０度から９０度の移相器１０４ａ、１０４ｂの構成例を示す図である。複数の異なる移相量を有する移相器をスイッチにて切り替えることにより構成される。移相器はそれぞれ２つの直列コンデンサＣとその間に設けられた１つの並列インダクタＬにより構成される。移相量が０度の場合は、入出力を直接接続する。

図３は、位相変化量の範囲が０度から−９０度の移相器１０４ａ、１０４ｂの構成例を示す図である。複数の異なる移相量を有する移相器をスイッチにて切り替えることにより構成される。移相器はそれぞれ２つの並列コンデンサＣとその間に設けられた１つの直列インダクタＬにより構成される。移相量が０度の場合は、入出力を直接接続する。

移相器１０４ａ、１０４ｂは、チップ部品が使用できるインダクタやコンデンサにより回路を構成できるため、一般的な遅延線路を切り替える方式の移相器を用いた場合に比べて、回路を小型化できる。

整合回路１０５は、接地板１０１上に設けられ、後述するループアンテナ１０８と移相器１０４ａに接続され、後述するループアンテナ１０８へ効率よく給電するため、後述するループアンテナ１０８と移相器１０４ａとの間のインピーダンスの整合を行う整合回路である。

整合回路１０６は、接地板１０１上に設けられ、後述するループアンテナ１０７と移相器１０４ｂに接続され、後述するループアンテナ１０７へ効率よく給電するため、後述するループアンテナ１０７と移相器１０４ｂとの間のインピーダンスの整合を行う整合回路である。

図４（ａ）、（ｂ）は、整合回路１０５、１０６の構成例を示す図である。直列コンデンサと並列コンデンサにて構成される。後述するループアンテナ１０７、１０８は放射抵抗が小さいため、損失の非常に小さい整合回路が必要である。インダクタはコンデンサに比べて損失が大きいため、整合回路に使用すると、放射効率が劣化し、利得が大幅に低下する。よって、コンデンサによる整合回路の構成が望ましい。

図５（ａ）、（ｂ）は、可変容量ダイオードを用いた整合回路１０５、１０６の構成例を示す図である。アンテナの整合条件は、周波数により変化するため、整合定数も周波数に応じて変えなければならない。図４のコンデンサに可変容量ダイオードを用い、インダクタを経由して任意の直流電圧を与えることにより、容量値を制御することができる。こ
の構成により、使用周波数に応じて容量値を変化させることにより整合をとることができる。

図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、直列コンデンサに並列共振回路を挿入した整合回路１０５、１０６の構成例を示す図である。並列共振回路のインピーダンスは周波数により変化し、共振周波数より低い場合はインダクタンス、共振周波数より高いときはキャパシタンスとなる。

周波数によりインピーダンスの変化する並列共振回路を直列コンデンサに挿入することにより、コンデンサと共振回路の合成インピーダンスが周波数により変化し、異なる２つの周波数において、異なる容量を有することとなる。使用する電波の異なる２つの周波数において、アンテナの入力インピーダンスが２０ｍＳの等コンダクタンス線上に変換されるように、直列コンデンサＣ１と並列共振回路を構成するインダクタＬａとコンデンサＣａの定数を調整する。さらに使用する電波の周波数に応じて、並列容量にて信号源の内部インピーダンス５０Ωに変換する。並列容量の切り替えは図６（ａ）のようにスイッチで選択的に切り替える方法、図６（ｂ）のように可変容量ダイオードにより並列容量Ｃ２を調整する方法、図６（ｃ）のように並列コンデンサに対しても並列共振回路を挿入する方法のいずれであっても良い。これにより異なる２つの周波数に対して整合をとることができる。

ループアンテナ１０７は、形成するループ面が接地板１０１の面に対して略垂直になるように設けられ、２つの給電端が、整合回路１０６と、後述する接地線１０９、後述するグランド容量１１０を経由して接地板１０１とに電気的に接続されたループ状の導体からなるループアンテナである。

ループアンテナ１０８は、形成するループ面が接地板１０１の面に対して略垂直になるように設けられ、２つの給電端が、整合回路１０５と、後述する接地線１０９、後述するグランド容量１１０を経由して接地板１０１とに電気的に接続されたループ状の導体からなるループアンテナである。

ループアンテナ１０７、１０８は、ループの軸方向が互いに等しい。

ループアンテナ１０７、１０８は、全長が送受信する電波の１波長以下である。よってアンテナの最大寸法は半波長以下となる。ループアンテナ１０７、１０８のループの巻き数は、１回巻きとしているが、いくらであってもよい。また、ループアンテナ１０７、１０８のループの形状は図１のような矩形でなくてもよい。ループアンテナ１０７、１０８は、接地板１０１から突出して設けられている。

ループアンテナ１０７、１０８の給電側（整合回路１０５、１０６に接続されている給電端側）からグランド側（後述する接地線１０９、後述するグランド容量１１０を経由して接地板１０１に接続されている給電端側）へ向かうループの巻き方向は、互いに逆方向でなければならない。なお、ループアンテナ１０７、１０８のループのサイズは同一が望ましいが、異なっていてもよい。

接地線１０９は、ループアンテナ１０７、１０８のそれぞれの給電端と接地板１０１とを後述するグランド容量１１０を経由して電気的に接続し、インダクタンス成分を有する接地線である。図１において、ループアンテナ１０７、１０８のそれぞれの接地板１０１側に接続される方の端子を互いに接続して１つの端子とし、共通の接地線１０９、後述するグランド容量１１０を経由して接地板１０１に接続される。

グランド容量１１０は接地線１０９と接地板１０１間を接続する容量素子である。

図１では、ループアンテナ１０７、１０８は互いにループ面が交差するように配置され、上部のループにて接地線１０９が接続されている。Ｚ軸方向を上下方向とすると、ループアンテナ１０７、１０８はそれぞれ左右対称の構造となっており、ループ面が階段状に屈曲したループアンテナとなっている。ループアンテナ１０７、１０８はそれぞれの給電端の中点付近にて互いに線が交差している。つまり階段状に屈曲した左右対称のループ面が交差していることとなる。図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、ループアンテナ１０７、１０８、接地線１０９の構成例を示す図である。図７（ａ）に示すようにループ面は交差していなくても良い。また図７（ｂ）に示すようにループ面が交差している場合、下部のループにて接地線１０９が接続されていても良い。また図７（ｃ）に示すようにループ面が交差している場合、例えばループの一部の線が斜め方向を向いたループ形状であっても良い。

図８（ａ）、（ｂ）は、ループアンテナ１０７、１０８、接地線１０９、グランド容量１１０の構成例を示す図である。図８（ａ）は接地線１０９が一部屈曲している例、図８（ｂ）は接地線１０９が途中で２つに枝分かれし、接地板１０１に接続されている例である。接地線１０９のインダクタンス成分とグランド容量１１０を含めたインピーダンスを、接地線１０９を一部屈曲させる、または分岐させる、または分岐させて一方をグランド容量１１０に接続し、他方を接地板１０１に直接接続するなどにより調整する。接地線１０９はどのような形状であっても良い。ただし、接地線１０９を屈曲する場合、ループアンテナ１０７、１０８と接地線１０９間に相互インダクタンスが生じることを防止するため、図８（ａ）、（ｂ）のように接地線１０９によって形成されるループの軸方向が、ループアンテナ１０７、１０８のループ軸方向と直交した構成が望ましい。

姿勢検知器１１１は、接地板１０１上に設けられ、本発明のアンテナ装置の傾きを検知して、送受信回路１０２に傾き情報を出力する姿勢検知器である。姿勢検知器１１１は具体的には加速度センサや転倒スイッチなど地面に対する傾きがわかるセンサで構成される。

導体検知器１１２は、接地板１０１上に設けられ、本発明のアンテナ装置が人体や金属などの導体に近接しているかどうかを検知して送受信回路１０２に導体検知情報を出力する導体検知器である。導体検知器１１２は具体的には赤外線センサや容量センサなどの近接センサを用いる方法、微小ループアンテナを用いて近接する導体との相互インダクタンスの変化量を検出する方法、ループアンテナ１０７、１０８の給電端間に生じる相互結合量が近接する導体の影響により変化することを利用して、相互結合の変化量で近接する導体を検出する方法などで構成される。

以上のように構成されたアンテナ装置について、その動作を説明する。

送受信回路１０２から出力された送信信号は、分配器１０３により２つに電力分割される。２つの分割された信号のうち一方は、移相器１０４ａにより所定の位相に変換され、整合回路１０５によりインピーダンス変換され、ループアンテナ１０８に出力される。２つの分割された信号のうち他方は、移相器１０４ｂにより所定の位相に変換され、整合回路１０６によりインピーダンス変換され、ループアンテナ１０７に出力される。送受信回路１０２から出力される移相量制御信号にもとづいて、ループアンテナ１０７、１０８に位相差給電をおこなう。

次に上記のように構成されたアンテナ装置の電波の放射について説明する。

本発明のアンテナ装置は、ループアンテナ１０７、１０８が磁流源を放射源とする磁流アンテナ、接地板１０１が電流源を放射源とする電流アンテナとして動作する。また、放射する偏波は、図１において地面がＸＹ平面と平行であり、Ｚ軸方向の偏波を垂直偏波、垂直偏波に直交する偏波を水平偏波とすると、ループアンテナ１０７、１０８はＸＹ平面上をループ状に電流が流れ、水平偏波を放射する。接地板１０１は、Ｚ軸方向にループアンテナ素子があり、さらに長手方向がＺ軸方向であるので、Ｚ軸方向に電流が流れ、垂直偏波を放射する。磁流アンテナ成分は水平偏波、電流アンテナ成分は垂直偏波を放射する。

図９（ａ）は、ループアンテナ１０７、１０８に給電する位相差が０度のときのアンテナ装置の動作を示す図である。ループアンテナ１０７の給電位相をα１、ループアンテナ１０８の給電位相をα２、給電位相差をα１−α２とする。位相差が０度のとき、ループアンテナ１０７、１０８に流れる電流は互いに逆方向となるため、ループアンテナ１０７、１０８から形成される磁流は互いに打ち消しあう。また、ループアンテナ１０７、１０８から接地線１０９に流れ込む電流の向きは、ともに同一方向となるため、接地板１０１に電流が流れる。

図９（ｂ）は、ループアンテナ１０７、１０８に給電する位相差が１８０度のときのアンテナ装置の動作を示す図である。位相差が１８０度のとき、ループアンテナ１０７、１０８に流れる電流はともに同一方向となるため、ループアンテナ１０７、１０８に磁流が形成される。また、ループアンテナ１０７、１０８から接地線１０９に流れ込む電流の向きは、互いに逆方向となるため、電流は互いに打ち消しあう。

図９から、給電位相差を変化させることにより、電流アンテナ、磁流アンテナのいずれの動作モードでアンテナを動作させるか、また、垂直偏波、水平偏波もしくは任意の傾きをもつ偏波のいずれの偏波で放射するか制御することが出来る。

また、図１や図７（ｂ）、（ｃ）のようにループ面が交差している場合、位相差が１８０度としたときに図７（ａ）の構成に比べて効果的に電流アンテナ成分を抑制できる。図１や図７（ｂ）、（ｃ）では、ループアンテナ１０７、１０８が左右対称の構造となっており、上部と下部のループを接続するＺ軸方向の線状部分に流れる電流が、同振幅、逆位相となるためである。よって、本発明のアンテナ装置を偏波制御の目的で使用する場合、ループアンテナ１０７、１０８は左右対称の構造で、ループ面が交差している構成が望ましい。

次にアンテナ装置の複数周波数帯における相互結合低減について説明する。

図１０（ａ）、（ｂ）は本発明のアンテナ装置の等価回路を示す図である。ループアンテナ１０７、１０８の自己インダクタンスをＬ１、Ｌ２、ループアンテナ１０７、１０８間に生じる相互インダクタンスをＭ、ループアンテナ１０７、１０８間に生じる容量をＣ１２、接地線１０９の自己インダクタンスをＬ３、グランド容量１１０のキャパシタンスをＣｇとする。本発明のアンテナ装置は、図１０（ａ）のように等価回路に置き換えられて、図１０（ｂ）のように変換される。

容量Ｃ１２とアンテナの各部位に生じるインダクタンス成分により、給電端間に並列共振回路が発生する。また容量Ｃｇとアンテナの各部位に生じるインダクタンス成分により、給電端とグランド間に直列共振回路が発生する。これら２つの共振回路は帯域阻止フィルタとして動作し、給電端間の相互結合を抑圧する効果がある。それぞれの共振周波数が、使用する２つの電波の周波数と一致するように調整することにより、相互結合によるアンテナ利得の劣化を防ぐことができる。具体的な共振周波数の調整方法は、接地線１０９
の長さ、形状によるインダクタンスＬ３の調整、グランド容量１１０の容量値Ｃｇの調整、ループアンテナ１０７、１０８のループ間の距離、ループ面積、線の太さによる自己インダクタンスＬ１、Ｌ２、相互インダクタンスＭ、容量Ｃ１２の調整にて行う。図１１は給電端間の相互結合量の計算結果を示す図である。２つの周波数において相互結合が大きく低下していることがわかる。

図１２（ａ）、（ｂ）は図８のように接地線１０９が途中で２つに枝分かれし、一方をグランド容量１１０に接続し、他方を接地板１０１に直接接続されている場合の本発明のアンテナ装置の等価回路を示す図である。アンテナ装置は、図１２（ａ）のように等価回路に置き換えられて、図１２（ｂ）のように変換される。接地線１０９の自己インダクタンスのうち接地板１０１に直接接続されているほうを新たにＬ３’としている。本発明のアンテナ装置に金属などが近接すると、ループアンテナ１０７、１０８と金属との間に容量Ｃｇｎｄが発生する。この容量Ｃｇｎｄは接地線のインダクタンスＬ３と並列共振回路を構成する。金属との距離が離れている場合は、容量Ｃｇｎｄは０に近いため、容量Ｃｇｎｄと接地線のインダクタンスＬ３による並列共振周波数は非常に高い。しかし金属との距離が近くなると容量Ｃｇｎｄが大きくなり、並列共振周波数が使用する電波の周波数にちかくなり、上記で述べた相互結合を低減するために調整した２つの共振振周波数に大きく影響する。接地線１０９を分岐させ、インダクタンスＬ３’を新たにもうけ、Ｌ３に対してＬ３’が小さい値となるように接地線１０９が分岐後の長さをそれぞれ調節する。容量Ｃｇｎｄと並列共振回路を構成するインダクタは、Ｌ３とＬ３’が並列に接続された合成インダクタンスとなる。Ｌ３とＬ３’の合成インダクタンスは、実質的に値の低いＬ３’となる。これにより、容量Ｃｇｎｄと接地線１０９のインダクタンス成分による並列共振周波数を使用する電波の周波数帯に対して十分高くすることができ、金属の影響による相互結合特性の変動を低減することができる。図１３は図８のように接地線１０９が途中で２つに枝分かれし、一方をグランド容量１１０に接続し、他方を接地板１０１に直接接続されている場合の給電端間の相互結合量の計算結果を示す図である。２つの周波数において相互結合が大きく低下していることがわかる。

次にアンテナ装置の位相差制御方法について説明する。

図１４は本発明のアンテナ装置の給電位相差の設定手順を示した図である。

ステップ１にて給電位相差の設定を開始する。ステップ２にて導体検知器１１２にて検知した導体検知情報を送受信回路１０２へ出力する。送受信回路１０２は、導体検知器１１２から出力された導体検知情報を認識すると（ステップ３）、導体検知情報が人体や金属が近接していることを示すとされる場合は給電位相差を１８０度に設定して磁流アンテナとして動作させ、導体検知情報が人体や金属が近接していないことを示すとされる場合は給電位相差を０度に設定して電流アンテナとして動作させる（ステップ４）。

これにより人体や金属とアンテナ間の距離に関わらず良好な放射特性を実現できる。

また、送受信回路１０２は姿勢検知器１１１から得られたアンテナ装置の傾き情報を元に、アンテナ装置から放射する偏波を切り替える。図１５は本発明のアンテナ装置の給電位相差の設定手順を示した図である。まず、給電位相差の設定を開始する（ステップ１）。次に、姿勢検知器１１１にてアンテナ装置の傾きを検知する（ステップ２）。そして、送受信回路１０２は姿勢検知器１１１から出力される傾き情報を認識すると（ステップ３）、傾き情報を基にして到来する電波の偏波の傾きと同一偏波となるように給電位相差を設定する（ステップ４）。これにより、アンテナ装置の姿勢に関わらず良好な放射特性を実現できる。

また、導体検知情報あるいは傾き情報によらず、給電位相差を常に複数パターン切り替えて通信し、常に高い送信電力、受信電力が得られる位相差に適応的に設定するダイバーシチ通信を行うことで良好な通信状態を得ることができる。図１６は本発明のアンテナ装置の給電位相差の設定手順を示した図である。ステップ１にて給電位相差の設定を開始する。ステップ２にて送受信回路１０２は給電位相差をＡに設定し、電波の受信電力を測定する。ステップ３にて送受信回路１０２は給電位相差をＢに設定し、電波の受信電力を測定する。ステップ４にて送受信回路１０２は給電位相差をＣに設定し、電波の受信電力を測定する。ステップ５にて送受信回路１０２は給電位相差Ａ、Ｂ、Ｃのうちもっとも電波の受信電力が高かった給電位相差を設定する。

なお、給電位相差Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞれ異なる値である。それらの値は、あらかじめ定めておいてもよいし、設定開始時にランダムに決定してもよい。

なお、アンテナ寸法の制約条件が厳しく、ループアンテナ１０７、１０８、接地線１０９の寸法によって相互結合低減のための共振周波数の調整が困難である場合、図１７（ａ）に示すように接地線１０９とグランド容量１１０の間に、適切な定数のインダクタンス１１３を挿入することで共振周波数の調整の自由度を向上させることができる。インダクタンス１１３の定数を調整することにより図１０におけるインダクタンスＬ３を調整できるためである。

なお、相互結合低減のための共振周波数を適応的に可変としたい場合、例えば２周波以上の多周波に対応したい場合、人体や金属などの導体の影響を図８に示した複雑な接地線の構造ではなく回路的に対応したい場合、図１７（ｂ）に示すように接地線１０９が可変容量１１４と可変インダクタンス１１５を介してグランドへ接続されるようにすることで実現できる。図１８に定数を可変とする直列ＬＣ回路の具体的な回路構成を示す。図１８（ａ）のように直列ＬＣ回路の途中にてダイオードをＯＮ、ＯＦＦすることにより接地する方法、図１８（ｂ）のように異なる定数にて構成された直列ＬＣ回路をスイッチにて切り替える方法、図１８（ｃ）のようにインダクタンスは固定とし、可変容量１１４を可変容量ダイオードにて構成する方法がある。人体や金属などの導体の影響への対応については、導体が近接しない状態、導体が近接した状態での可変容量１１４および可変インダクタンス１１５の最適な定数をあらかじめ抽出しておき、導体検知器１１２の導体検出の有無により、可変容量１１４と可変インダクタンス１１５の定数を切り替える。

なお、広帯域に相互結合を低減させたい場合、共振周波数を近接させることで実現できる。図１９は共振周波数を近接させた場合の相互結合量の計算結果である。等価回路モデルを計算結果にフィッティングさせた結果についてもあわせて示す。４２０〜４７０ＭＨｚ付近で相互結合が低減されていることがわかる。

以上によれば、複数の周波数に対して相互結合を低減できるループアンテナを用いることで、波長に対して小さい寸法にて複数の周波数に対応し、かつアンテナ間の相互結合を低減できるアンテナ装置を実現できる。

本発明のアンテナ装置はヘルスケア、機器のセキュリティ、ハンズフリーの入退室管理システム、ホームネットワーク、スマートメータ、センサーネットワークなど無線タグを用いたシステムのアンテナ装置として適用できる。

１０１接地板
１０２送受信回路
１０３分配器
１０４ａ、１０４ｂ移相器
１０５、１０６整合回路
１０７、１０８ループアンテナ
１０９接地線
１１０グランド容量
１１１姿勢検知器
１１２導体検知器
１１３インダクタンス
１１４可変容量
１１５可変インダクタンス

Claims

接地導体を有する平面状の接地板と、
前記接地板から水平方向に離れた位置に設けた第１ループアンテナ及び第２ループアンテナと、
前記第１ループアンテナの一端に設けた第１給電点及び第２ループアンテナの一端に設けた第２給電点に対して信号の給電を行う信号給電手段とを備え、
前記第１ループアンテナ及び第２ループアンテナに形成されるループ面は前記接地板に対して垂直に形成され、
前記第１ループアンテナ及び第２ループアンテナの他端は共通の接地線を介して、可変インダクタンスおよび可変容量を経由して前記接地板に接続され、
前記第１ループアンテナの給電点から前記接地板へ至る方向に向かう巻き方向と、前記第２ループアンテナの給電点から前記接地板へ至る方向に向かう巻き方向とが互いに反対方向となるアンテナ装置。
前記信号給電手段は、前記第１ループアンテナ及び第２ループアンテナに給電する信号の位相を制御する請求項１記載のアンテナ装置。
前記第１ループアンテナ及び第２ループアンテナから放射されるループ面に平行な偏波と、前記第１ループアンテナから前記接地板へ流れ込む電流により放射される偏波とが直交するように、前記第１ループアンテナ及び第２ループアンテナを形成する請求項２記載のアンテナ装置。
前記接地板の近傍にある導体を検知する導体検知手段を設け、
前記信号給電手段は、前記導体検知手段により検知内容に応じて、前記第１給電点から給電する信号の位相と、前記第２給電点から給電する信号の位相とを制御する請求項３記載のアンテナ装置。
基準平面に対する接地板の傾きを検知する姿勢検知手段を設け、前記信号給電手段は、前記姿勢検知手段により検知される傾きに応じて、前記第１給電点から給電する信号の位相と、前記第２給電点から給電する信号の位相とを制御する請求項３記載のアンテナ装置。
前記信号給電手段は、前記第１給電点から給電する信号の位相と、前記第２給電点から給電する信号の位相との位相差を異なる値にして受信動作を行い、そのうちで最も受信電力が大きい時の位相差を使用する請求項３記載のアンテナ装置。