JP6003567B2

JP6003567B2 - 板状逆ｆアンテナ

Info

Publication number: JP6003567B2
Application number: JP2012253565A
Authority: JP
Inventors: アンドレイエスアンドレンコ
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2032-11-19
Also published as: JP2014103515A; EP2733784B1; EP2733784A1; US20140139383A1; CN103825087B; US9531063B2; CN103825087A

Description

本発明は、例えば、生体への埋め込みに適した板状逆Ｆアンテナに関する。

近年、ボディエリアネットワークのように、生体内に埋め込まれた通信機器を利用して、様々な情報を交換する通信システムが研究されている。人体または動物の体といった生体に埋め込む通信機器に利用されるアンテナは、小型で、かつ、薄いことが好ましい。また、生体内では、電波の損失が大きい。そのため、生体に埋め込む通信機器に利用されるアンテナは、そのような損失の大きい媒体内でも他の通信機器と通信できることが求められる。

アンテナを小型化するために、１ヶ所以上で折り曲げられた形状を持つ放射電極を備えたアンテナが提案されている（例えば、特許文献１〜４を参照）。しかしながら、これらのアンテナは、生体に埋め込んで使用することは想定されていない。そのため、これらのアンテナは、生体内での電波の損失の影響を軽減できないので、生体に埋め込む通信機器に利用するには適していない。

一方、生体内に埋め込んで使用するためのアンテナも提案されている（例えば、特許文献１及び非特許文献１を参照）。これらのアンテナでは、アンテナと生体とのインピーダンスを整合させるために、放射電極が誘電体で覆われている。またこれらのアンテナでも、小型化するために放射電極は折り曲げられている。

特表２００６−５０５９７３号公報特表２００６−５３３００１号公報特開２００１−５３５３５号公報特開２００６−７４３５１号公報特表２０１２−５１４４１８号公報

J. Kim他、"Implanted Antennas Inside a Human Body: Simulations, Designs, and Characterizations"、IEEE MTT Trans、 vol. 52、 no. 8、 pp. 1934-1943、 2004年

しかしながら、生体への負荷を軽減するためには、アンテナをより小型化することが好ましい。

そこで、本明細書は、生体への埋め込みに適した、小型化可能な板状逆Ｆアンテナを提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば、板状逆Ｆアンテナが提供される。この板状逆Ｆアンテナは、誘電体により形成される基板と、基板の下面に配置された接地電極と、基板の上面に、基板を挟んで接地電極と対向するように配置され、Ｓ字状に形成され、接地電極と短絡される短絡点を一端に有し、かつ所定の設計波長の電波に対して板状逆Ｆアンテナの特性インピーダンスが所定の値となる距離だけ短絡点から離れた位置に設けられた給電点において給電される放射電極と、基板とともに、放射電極全体を覆うように配置された、誘電体により形成される上側基板とを有する。

本発明の目的及び利点は、請求項において特に指摘されたエレメント及び組み合わせにより実現され、かつ達成される。
上記の一般的な記述及び下記の詳細な記述の何れも、例示的かつ説明的なものであり、請求項のように、本発明を限定するものではないことを理解されたい。

本明細書に開示された板状逆Ｆアンテナは、生体への埋め込みに適しており、かつ、小型化できる。

一つの実施形態による板状逆Ｆアンテナの基板表面の透過平面図である。図１においてAA'で示された線について矢印の方向から見た板状逆Ｆアンテナの側面断面図である。上側基板の厚さを0.5mm、1mm、1.5mmとしたときの板状逆ＦアンテナのSパラメータのシミュレーション結果を示す図である。（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、板状逆Ｆアンテナから絶縁体層を取り除いた場合における接地電極の電流密度の分布と絶縁体層が有る場合における接地電極の電流密度の分布のシミュレーション結果を示す図である。絶縁体層の形状を様々に変化させたときの、板状逆ＦアンテナのSパラメータのシミュレーション結果を示す図である。板状逆Ｆアンテナの近傍に形成される、405MHzの周波数を持つ電波の放射パターンのシミュレーション結果を示す図である。（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、変形例による、放射電極の形状を示す、板状逆Ｆアンテナの透過平面図である。（ａ）は、他の変形例による、板状逆Ｆアンテナの側面断面図である。（ｂ）は、この変形例についての接地電極の電流密度分布のシミュレーション結果を示す図である。（ｃ）は、比較例として、接地電極が基板の下面全体を覆う場合の接地電極の電流密度分布のシミュレーション結果を示す図である。

以下、図を参照しつつ、様々な実施形態による、板状逆Ｆアンテナ（Planar Inverted-F Antenna, PIFA）について説明する。
このPIFAでは、PIFAが埋め込まれる生体のインピーダンスとPIFAのインピーダンスを整合させるために、放射電極の表面全体が誘電体で覆われる。さらにこのPIFAでは、生体への影響を軽減するために、接地電極全体も絶縁体で覆われる。さらに、放射電極がS字状に形成されることで、放射電極のサイズを小型化し、これにより、このPIFAは小型化可能となっている。

図１は、一つの実施形態によるPIFA１の、基板表面についての透過平面図であり、図２は、図１においてAA'で示された線について矢印の方向から見たPIFA１の側面断面図である。便宜上、図１における横方向をx軸方向とし、縦方向をy軸方向とする。そしてPIFA１の表面に対する鉛直方向をz軸方向とする。また、PIFA１の表面と平行な面を、便宜上、水平面とする。

PIFA１は、基板１０と、基板１０の下面に設けられた接地電極１１と、基板１０を挟んで接地電極１１と対向するように、基板１０の上面に設けられた放射電極１２を有する。さらに、PIFA1は、放射電極１２の表面全体を覆うように、放射電極１２を挟んで基板１０上に積層される上側基板１３と、接地電極１１全体を覆うように、接地電極１１を挟んで基板１０の下に設けられた絶縁体層１４とを有する。PIFA１は、例えば、基板１０の上面が基板１０の下面よりも生体の表面に近く、かつ、基板１０の上面が生体の表面と略平行となるように、生体に埋め込まれる。なお、PIFA１を用いて電波の発信または受信する通信回路（図示せず）は、例えば、絶縁体層１４の下面側に配置される。なお、この通信回路も絶縁体で覆われてもよい。

基板１０は、接地電極１１及び放射電極１２を支持する。また基板１０は、例えば、ガラス及びセラミックを含む誘電体により形成されている。あるいは、基板１０は、層状に形成可能で生体適合性に優れた他の誘電体、例えば、アクリル樹脂により形成されてもよい。また、基板１０の厚さは、PIFA１の特性インピーダンスが所定の値、例えば、50Ωまたは75Ωとなるように決定される。

接地電極１１は、接地された平板状の導体であり、本実施形態では、基板１０の下面全体を覆うように設けられる。
なお、接地電極１１の面積が大きいほど、PIFA１のインピーダンスとPIFA１が埋め込まれた生体のインピーダンスが整合する電波の周波数は低くなる。したがって、接地電極１１のサイズは、PIFA１が送信または受信する電波の設計波長に応じて設定されればよい。

放射電極１２は、基板１０の上面と上側基板１２の下面との間に設けられた細長い板状の導体である。本実施形態では、放射電極１２は、Ｓ字状に形成されており、その一端１２ａが、例えば、基板１０に形成されたビアを介して接地電極１１に接続される短絡点となっている。また、PIFA１が送信または受信する電波の設計波長についてPIFA１の特性インピーダンスが所定の値（例えば、50Ωまたは75Ω）となる距離だけ、短絡点１２ａから離れた位置に給電点１２ｂが形成されている。そして放射電極１２は、給電１２ｂにおいて、例えば、基板１０に形成されたビアを介して接地電極１１と接続され、かつ、給電される。また、給電点１２ｂから、放射電極１２の他方の端点までの長さは、設計波長の約1/4に設定される。これにより、基板１０、接地電極１１及び放射電極１２は、板状逆Ｆアンテナとして動作する。

また、放射電極１２はＳ字状に形成されているので、x軸方向の長さ及びy軸方向の長さの何れについても、設計波長の1/4よりも短くなっている。この形状により、x軸方向に沿った所定の幅のなかに、放射電極１２の互いに異なる三つの部分が含まれるので、水平面における放射電極１２のサイズが小さくなる。
さらに、短絡点１２ａ及び放射電極１２の他方の端部が互いに向かい合うように、放射電極１２の両端がy軸方向に沿うように折り曲げられているので、放射電極１２のx軸方向のサイズがより小さくなっている。これにより、PIFA１はより小型化される。例えば、PIFA１が、ボディエリアネットワークにおいて使用される周波数帯域の一つである、400MHz帯の電波を発信または受信する場合、図１に示されるように、放射電極１２のx軸方向の長さは11mmであり、放射電極１２のy軸方向の長さは26mmである。
なお、接地電極１１及び放射電極１２は、例えば、アルミニウム、銅、金、銀、ニッケルといった金属またはこれらの合金若しくはその他の導電性を有する材料によって形成される。

上側基板１３は、PIFA１のインピーダンスを、PIFA１が埋め込まれた生体のインピーダンスと整合させる。そのために、上側基板１３は、例えば、ガラス及びセラミックを含む誘電体により形成されている。また上側基板１３も、基板１０と同様に、層状に形成可能で生体適合性に優れた他の誘電体、例えば、アクリル樹脂により形成されてもよい。
なお、基板１０及び上側基板１３は同じ誘電体で形成されてもよく、あるいは、互いに異なる誘電体で形成されてもよい。

上側基板１３の厚さは、PIFA１のインピーダンスとPIFA１が埋め込まれた生体のインピーダンスとが整合するように決定される。ここで、上側基板１３の厚さがPIFA１のインピーダンスと生体のインピーダンス間の整合性にどのように影響するかについて説明する。

図３は、上側基板１３の厚さを0.5mm、1mm、1.5mmとしたときのPIFA１のSパラメータのシミュレーション結果を示す。なお、このシミュレーションにおいて、基板１０の誘電率及び上側基板１３の誘電率は10.2であり、基板１０の厚さは1.5mmである。また、絶縁体層１４の厚さは0.5mmであり、絶縁体層１４の誘電率は2.5である。そしてPIFA１は、誘電率46.7、誘電正接0.69S/mで厚さ5mmの生体層と厚さ10mmの生体層の間に埋め込まれるものとした。

図３において、横軸は周波数[GHz]を表し、縦軸はS₁₁パラメータの値[dB]を表す。そしてグラフ３００は、上側基板１３の厚さが0.5mmの場合におけるPIFA１のS₁₁パラメータの周波数特性を表す。またグラフ３１０は、上側基板１３の厚さが1.0mmの場合におけるPIFA１のS₁₁パラメータの周波数特性を表す。そしてグラフ３２０は、上側基板１３の厚さが1.5mmの場合におけるPIFA１のS₁₁パラメータの周波数特性を表す。なお、各周波数特性は、それぞれ、有限要素法を用いた電場解析によって求めた。

グラフ３００〜３２０に示されるように、上側基板１３が厚いほど、PIFA１のインピーダンスとPIFA１が埋め込まれた生体のインピーダンスは良好に整合する。また、上側基板１３が厚いほど、PIFA１のインピーダンスとPIFA１が埋め込まれた生体のインピーダンスが最も整合する電波の周波数は高くなる。これは、生体の誘電率は非常に高く、例えば、40〜50にもなるのに対し、上側基板１３に適用できる、生体への埋め込みに適した誘電体は、生体の誘電率よりも低いためである。なお、この例では、上側基板１３の厚さが0.5mmでも、S₁₁パラメータの値が無線通信に利用可能なアンテナの目安である-6dBよりも低いので、上側基板１３の厚さは、例えば、0.5mm〜1.5mmの範囲内で設定される。

絶縁体層１４は、接地電極１１を、PIFA1が埋め込まれた生体と絶縁する。これにより、PIFA１は、PIFA１が発信または受信する電波による生体への影響を低減できる。なお、接地電極１１を流れる電流による生体への影響をより効率良く低減するために、絶縁体層１４の誘電率は、基板１０の誘電率及び上側基板１３の誘電率よりも低いことが好ましい。また、絶縁体層１４は、生体と接触するために、生体適合性に優れていることが好ましい。そこで絶縁体層１４は、例えば、フッ素樹脂テフロン（登録商標）により形成されることが好ましい。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、それぞれ、PIFA１から絶縁体層１４を取り除いた場合における接地電極１１の電流密度の分布と絶縁体層１４が有る場合における接地電極１１の電流密度の分布の有限要素法によるシミュレーション結果を示す。このシミュレーションにおいて、PIFA１は周波数424MHzの電波を受信するものとした。また、放射電極１２のサイズは、図１に示した通りであり、また各基板のサイズ及び物理特性は、図３に示したシミュレーションにおける各基板のサイズ及び物理特性と同一とする。ただし、上側基板１３の厚さは、1.5mmとした。

図４（ａ）及び図４（ｂ）において、色が濃い部分ほど、電流密度が高いことを表す。このシミュレーション結果から明らかなように、絶縁体層１４が有る方が、全体的に接地電極１１の電流密度が低くなることが分かる。

図５は、絶縁体層１４の形状を様々に変化させたときの、PIFA１のSパラメータのシミュレーション結果を示す。なお、このシミュレーションにおいても、放射電極１２のサイズは、図１に示した通りであり、また各基板のサイズ及び物理特性は、図３に示したシミュレーションにおける各基板のサイズ及び物理特性と同一とする。ただし、上側基板１３の厚さは、1.5mmとした。

図５において、横軸は周波数[GHz]を表し、縦軸はS₁₁パラメータの値[dB]を表す。グラフ５００は、絶縁体層１４が接地電極１１のみを覆うように、基板１０の下方に設けられた場合のPIFA１のS₁₁パラメータの周波数特性を示す。またグラフ５１０は、絶縁体層１４がPIFA１の側面全体を覆うように、すなわち、接地電極１１だけでなく、放射電極１２及び上側基板１３の側面も覆うように形成された場合のPIFA１のS₁₁パラメータの周波数特性を示す。さらに、グラフ５２０は、絶縁体層１４が、PIFA１全体を覆うように形成された場合のPIFA１のS₁₁パラメータの周波数特性を示す。なお、各周波数特性は、それぞれ、有限要素法を用いた電場解析によって求めた。グラフ５００〜５２０から明らかなように、絶縁体層１４が接地電極１１以外の放射電極１２等を覆うように形成されると、絶縁体層１４が接地電極１１のみを覆うように形成された場合よりもS₁₁パラメータは大きくなり、PIFA１の通信性能が低下することが分かる。

シミュレーション結果に示されるように、絶縁体層１４は、放射電極１２及び上側基板１３を囲まずに、基板１０の下側のみに設けられることが好ましい。そのため、本実施形態では、絶縁体層１４は、接地電極１１の下面及び側面を覆い、かつ、基板１０の側面は囲まないように設けられる。

なお、接地電極１１及び放射電極１２は、例えば、エッチングまたは接着によって基板１０の下面または上面に固定される。また基板１０と上側基板１３も、例えば、接着によって互いに固定される。同様に、接地電極１１と絶縁体１４も、例えば、接着によって互いに固定される。

図６は、PIFA１の近傍に形成される、405MHzの周波数を持つ電波の放射パターンのシミュレーション結果を示す。なお、このシミュレーションにおいて、放射電極１２のサイズは、図１に示した通りであり、また各基板のサイズ及び物理特性は、図３に示したシミュレーションにおける各基板のサイズ及び物理特性と同一とする。ただし、上側基板１３の厚さは、1.5mmとした。
放射パターン６００のうち色が濃いところほど、電場が強いことを表す。この実施形態によれば、PIFA１と、PIFA１が埋め込まれた生体の外でPIFA１から9m離れたところに位置する無線機器との間で、ゲインが約-32dBから-30dBとなった。

以上に説明してきたように、このPIFAは、放射電極を覆う誘電体層を有することにより、損失の多い生体内に埋め込まれても、その生体とPIFA間での電波の反射を抑制することで、生体外の通信機器との通信を可能にする。またこのPIFAは、接地電極を覆う絶縁体層を有することにより、接地電極を流れる電流による生体への影響を軽減できる。さらにこのPIFAは、放射電極がＳ字状に折り曲げられた形状を有することにより、水平面内のサイズを小型化できる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されない。
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、それぞれ、変形例による、放射電極の形状を示す、PIFAの透過平面図である。図７（ａ）に示す変形例では、放射電極１２’は、図１に示された放射電極１２と比較して、y軸方向の長さが短くなり、その代わりに、x軸方向の長さが長くなっている。この例では、例えば、x軸方向の長さは15mmで、y軸方向の長さは18mmである。そしてこの例では、短絡点１２ａの反対側の放射電極１２’の端部１２ｃは、放射電極１２’の右端よりも中心側に位置する。そのため、その端部１２ｃの近傍では、放射電極１２’はx軸方向と平行となっている。

一方、図７（ｂ）に示される変形例では、水平面におけるPIFAのサイズをより小さくするために、放射電極１２”は、図１に示された放射電極１２と比較して、短絡点１２ｂが位置する放射電極１２”の一端近傍及び放射電極１２”の他端近傍がx軸方向と平行になるようにさらに折り曲げられている。そのため、放射電極１２”のうちの短絡点１２ａと給電点１２ｂ間の区間がＵ字状に形成される。このため、x軸と平行となる放射電極１２”の部分が５箇所になるので、水平面におけるPIFAのサイズがより小さくて済む。
さらに他の変形例によれば、放射電極は、直角以外の角度で折り曲げられてもよい。あるいは、放射電極は、曲線状に折り曲げられてもよい。

図８（ａ）は、他の変形例による、PIFAの側面断面図である。この変形例では、接地電極１１は、基板１０の下面より小さく、接地電極１１の周囲の基板１０の下面が、直接絶縁体層１４と密着している。そのため、この変形例によるPIFAでは、水平面における、基板１０、上側基板１３及び絶縁体層１４のそれぞれのサイズが同一となっている。

図８（ｂ）は、図８（ａ）に示された変形例についての接地電極の電流密度分布のシミュレーション結果を示す。また図８（ｃ）は、比較例として、接地電極が基板の下面全体を覆う場合の接地電極の電流密度分布のシミュレーション結果を示す。このシミュレーションにおいて、PIFA１は周波数405MHzの電波を受信するものとした。また、放射電極のサイズは、図７（ａ）に示した通りであり、また各基板のサイズ及び物理特性は、図３に示したシミュレーションにおける各基板のサイズ及び物理特性と同一とする。ただし、上側基板１３の厚さは、1.5mmとした。

図８（ｂ）及び図８（ｃ）において、色が濃い部分ほど、電流密度が高いことを表す。このシミュレーション結果から明らかなように、接地電極１１が基板１０の下面より小さく、接地電極１１の周囲において基板１０の下面と絶縁体層１４とが密着している方が、全体的に接地電極１１の電流密度が低くなることが分かる。

ここに挙げられた全ての例及び特定の用語は、読者が、本発明及び当該技術の促進に対する本発明者により寄与された概念を理解することを助ける、教示的な目的において意図されたものであり、本発明の優位性及び劣等性を示すことに関する、本明細書の如何なる例の構成、そのような特定の挙げられた例及び条件に限定しないように解釈されるべきものである。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、本発明の精神及び範囲から外れることなく、様々な変更、置換及び修正をこれに加えることが可能であることを理解されたい。

１板状逆Ｆアンテナ（PIFA）
１０基板
１１接地電極
１２、１２’、１２” 放射電極
１２ａ短絡点
１２ｂ給電点
１３上側基板
１４絶縁体層

Claims

板状逆Ｆアンテナであって、
誘電体により形成される基板と、
前記基板の下面に配置された接地電極と、
前記基板の上面に前記基板を挟んで前記接地電極と対向するように配置され、かつ、Ｓ字状に形成され、前記接地電極と短絡される短絡点を一端に有し、所定の設計波長の電波に対して前記板状逆Ｆアンテナの特性インピーダンスが所定の値となる距離だけ前記短絡点から離れた位置に設けられた給電点において給電される放射電極と、
前記基板とともに、前記放射電極全体を覆うように配置された、誘電体により形成される上側基板と、
前記基板とともに、前記接地電極全体を覆うように配置され、かつ、前記接地電極全体を絶縁する絶縁体層と、
を有する板状逆Ｆアンテナ。
前記放射電極の前記短絡点が設けられた一端と、前記放射電極の他端とが、互いに対向する方向を向くように、前記放射電極が折り曲げられている、請求項１に記載の板状逆Ｆアンテナ。
前記放射電極の前記短絡点が設けられた一端から前記放射電極の前記給電点までの区間がＵ字状に形成される、請求項１に記載の板状逆Ｆアンテナ。
前記絶縁体層の誘電率は、前記基板の誘電率及び前記上側基板の誘電率よりも低い、請求項１に記載の板状逆Ｆアンテナ。