JP2016082361A - Antenna and radio communication device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、無線通信用のアンテナおよび無線通信装置に関する。 The present invention relates to an antenna for wireless communication and a wireless communication apparatus.
携帯電話端末等の無線通信装置に設けられる無線通信用のアンテナは、所定の受信感度と小型化が求められている。例えば、携帯電話網を用いた通信では、例えば、LTE(Long Term Evolution)のMIMO(Multiple−Input and Multiple−Output)の方式により複数のアンテナを使用する。これにより、無線通信装置内部のスペースが限られるため、アンテナの小型化が求められている。 An antenna for wireless communication provided in a wireless communication device such as a cellular phone terminal is required to have a predetermined reception sensitivity and size reduction. For example, in communication using a mobile phone network, a plurality of antennas are used, for example, by LTE (Long Term Evolution) MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output). As a result, the space inside the wireless communication device is limited, so that the antenna must be downsized.
アンテナの小型化技術として、右手−左手系複合線路(CRLH−TL:Composite Right and Left Handed Transmission Line)構造のメタマテリアルアンテナがある。例えば、パッチと、スプリットリング共振器(SRR:Split Ring Resonator)構造の磁気誘電体の基板とを用いたアンテナが開示されている。また、開口部を有する導電性部材が形成された誘電体を逆L型アンテナの側部に配置して、共振周波数を調整するアンテナが開示されている(例えば、下記特許文献1,2参照。)。
As a technology for miniaturizing an antenna, there is a metamaterial antenna having a composite structure of a right-handed left-handed system (CRLH-TL: Composite Right and Left Handed Transmission Line). For example, an antenna using a patch and a magnetic dielectric substrate having a split ring resonator (SRR) structure is disclosed. In addition, an antenna is disclosed in which a dielectric formed with a conductive member having an opening is arranged on the side of an inverted L antenna to adjust the resonance frequency (see, for example,
しかしながら、従来の技術では、例えば、マルチメディア放送(MM)や地上デジタル放送(DTV)の200MHz〜710MHzの周波数(波長)に適合するアンテナを小型化することができなかった。例えば、MMやDTVをアンテナをロッドアンテナで構成した場合には60mm〜120mmの長さが必要となる。また、従来のSRR構造では容量成分が小さいため、携帯電話網の使用周波数に対して低周波なMMやDTV等のアンテナでは、SRRが600mm〜700mm程度の大きさが必要となり小型化できない。 However, according to the conventional technology, for example, an antenna suitable for a frequency (wavelength) of 200 MHz to 710 MHz of multimedia broadcasting (MM) or terrestrial digital broadcasting (DTV) cannot be reduced in size. For example, when a MM or DTV is configured with a rod antenna, a length of 60 mm to 120 mm is required. In addition, since the capacity component is small in the conventional SRR structure, an antenna such as a MM or DTV having a low frequency with respect to the use frequency of the mobile phone network requires an SRR of about 600 mm to 700 mm and cannot be miniaturized.
一つの側面では、本発明は、アンテナを小型化できることを目的とする。 In one aspect, an object of the present invention is to reduce the size of an antenna.
一つの案では、アンテナは、コイル状に巻回されたエレメントと、リング状に形成され、前記リングの一部に所定間隔のスリットを有して前記エレメントの内部空間に配置され、前記エレメントとの間に所定の容量を有するスプリットリング共振器と、を備えたことを要件とする。 In one proposal, the antenna is formed in a coil shape, and is formed in a ring shape. The antenna has slits with a predetermined interval in a part of the ring, and is disposed in the inner space of the element. And a split ring resonator having a predetermined capacity.
一つの実施の形態によれば、アンテナを小型化できる。 According to one embodiment, the antenna can be reduced in size.
(実施の形態)
以下に添付図面を参照して、開示技術の好適な実施の形態を詳細に説明する。図1は、実施の形態にかかるアンテナの構成例を示す斜視図、図2は、図1の部分拡大斜視図である。図中、Xは長さ方向、Yは幅方向、Zは高さ方向とする。
(Embodiment)
Hereinafter, preferred embodiments of the disclosed technology will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a configuration example of an antenna according to an embodiment, and FIG. 2 is a partially enlarged perspective view of FIG. In the figure, X is the length direction, Y is the width direction, and Z is the height direction.
このアンテナ100は、コイル状に巻回されたアンテナ(エレメント)101と、エレメント101の内部に配置された環状(リング状)のSRR102と、を有する。エレメント101は、図示の例では矩形状に巻回された構成であるが、他に円形状や多角形状としてもよく所定径(内径)を有する。エレメント101の一端101Aはアンテナの入力端子であり、他端101Bは自由端として開放されている。
The
図1の矩形状のエレメント101は、上部エレメント101aと下部エレメント101bと、一対の側部エレメント101c,101dにより接続して構成したものである。一部の接続構成を説明すると、図2に示した上部エレメント101aの一端部101aaは、側部エレメント101cを介して下部エレメント101bの一端部101baに接続される。また、上部エレメント101aの他端部101abは、側部エレメント101dを介して下部エレメント101bの他端部101bbに接続される。
The
そして、上部エレメント101a〜側部エレメント101c〜下部エレメント101b〜側部エレメント101d〜上部エレメント101aへの接続、が繰り返されることで、1本の所定長を有するコイル状のエレメント101が形成されることになる。なお、1本の導体をコイル状に巻回させてエレメント101を構成することもできる。
Then, by repeating the connection from the
SRR102は、エレメント101内部に配置され、エレメント101に電気的に接触しないよう配置される。SRR102自体は、直接外部に接地等はされていない。このSRR102は、エレメント101と同等の長さを有し、上面からみて環状(リング状)に形成され、エレメント101の長さ方向Xの一端部102aには、リングの一部を所定間隔離すスリット102bが形成されている。
The SRR 102 is disposed inside the
エレメント101およびSRR102は、導電性を有する金属等の材質からなる。エレメント101とSRR102との間には、所定の誘電率を有する基材を設ける。基材としては、所定の誘電率を有するガラスエポキシ樹脂等のプリント基板や、テフロン(登録商標)などを用いることができ、基材を充填する方法により形成してもよい。このほか、基材を設ける領域の大部分を空気層とすることもできる(詳細は後述するが、一部にSRR102の固定部材を設ける)。
Element 101 and SRR 102 are made of a material such as conductive metal. A base material having a predetermined dielectric constant is provided between the
図3は、実施の形態にかかるアンテナを多層のプリント基板を用いて形成した場合の各層の配線パターンを示す平面図である。図3を用いてエレメント101と、SRR102を多層のプリント基板(PCB:Printed Circuit Board)を用いて形成する構成例について説明する。
FIG. 3 is a plan view showing a wiring pattern of each layer when the antenna according to the embodiment is formed using a multilayer printed board. A configuration example in which the
図3に示す例では、多層のプリント基板のうち3層の各層にそれぞれ所定の導電体パターンを形成することでアンテナ100を形成できる。なお、図3においてプリント基板そのものは記載していない。プリント基板は、例えばガラスエポキシ(FR4)の材質を用いる。
In the example shown in FIG. 3, the
プリント基板の第1層(上部層)301には、図2に示した上部エレメント101aの導電体パターンを形成する。図示のように、上部エレメント101aは、長さ方向Xに所定角度傾斜する複数の導電体パターンからなる。上部エレメント101aの全体の長さはL、幅はW1である。
The conductor pattern of the
プリント基板の第2層(中間層)302には、図1に示したSRR102の導電体パターンを形成する。図示のように、SRR102は、平面でみて長さ方向Xに向けて中央が開口された矩形の環状に形成され、長さ方向Xの一端部102aにスリット102bが形成されている。SRR102の幅方向Yの大きさW2は、上部エレメント101aの幅W1よりも小さい。
A conductor pattern of the SRR 102 shown in FIG. 1 is formed on the second layer (intermediate layer) 302 of the printed board. As shown in the drawing, the
プリント基板の第3層(下部層)303には、図2に示した下部エレメント101bの導電体パターンを形成する。図示のように、下部エレメント101bは、長さ方向Xに所定角度傾斜する複数の導電体パターンからなる。下部エレメント101bの傾斜方向は、上部エレメント101aの傾斜方向と逆方向である。下部エレメント101bの各部の寸法は、上部エレメント101aと同様であり、全体の長さはL、幅はW1である。
The conductor pattern of the
そして、第1層301の上部エレメント101aの一端部101aaは、図2に記載した側部エレメント101cを介して第3層303の下部エレメント101bの一端部101baに接続される。この側部エレメント101cは、第1層301から第3層303間に設けたスルーホール(ビア)で形成される。同様に、第1層301の上部エレメント101aの他端部101abは、側部エレメント101dを介して第3層303の下部エレメント101bの他端部101bbに接続される。この側部エレメント101dについても、第1層301から第3層303間に設けたビアで形成される。
The one end 101aa of the
下部エレメント101bの傾斜方向は、上部エレメント101aの傾斜方向と逆方向である。そして、平面でみて同一位置上の上部エレメント101aと下部エレメント101bとを多層のプリント基板のビアを介して層間で電気的に接続する。これにより、図1等に示したコイル状に巻回された所定長のエレメント101を多層のプリント基板上で形成することができる。
The inclination direction of the
図4は、実施の形態にかかるアンテナの各層間の電気的接続状態を示す図である。第1層301および第3層303には複数の導電体パターンが形成され、これら各導電体パターンは長さ方向Xに対しそれぞれ分割されたインダクタンス成分Lを有する。また、第2層302のSRR102は、長さ方向Xで所定のインダクタンス成分Lを有する。そして、第1層301と第3層303の導電体パターンは、中間の第2層302に対して、長さ方向Xの各形成位置で多層のプリント基板が有する所定の容量(キャパシタンス成分)Cで接続される。図中dは、多層のプリント基板の厚さである。
FIG. 4 is a diagram illustrating an electrical connection state between layers of the antenna according to the embodiment. A plurality of conductor patterns are formed on the first layer 301 and the
図5は、実施の形態にかかるアンテナの各部の寸法例を示す図である。(a)は第1層301、(b)は第2層302、(c)は第3層303上の導電体パターンである。(a),(c)に示すように、上部エレメント101aと下部エレメント101b上での導電体パターンが形成される幅W1=4mm、長さL=50mm、厚さH=0.4mmである。また、導電体パターンの幅L1=0.4mm、間隔L2=0.4mm、巻回されたエレメント101全長(コイル長)=450mmである。このように、実施の形態では、プリント基板上の長さL=50、幅W1=4mmの領域を用いてコイル長450mmの長さを得ることができる。
FIG. 5 is a diagram illustrating a dimension example of each part of the antenna according to the embodiment. (A) is the first layer 301, (b) is the second layer 302, and (c) is the conductor pattern on the
また、(b)に示すように、SRR102は幅W2=3mm、導電体パターンの幅W3=1mm、SRR102の全長(リング長)100mm、スリット102bの間隔G=0.1mmである。長さLは、上部エレメント101aおよび下部エレメント101bと同じく50mmである。また、プリント基板特性は、3相基板、基板厚d=0.4mm(図4参照)、誘電率=3.95、Tanδ=0.012、導電体パターンの材質=Cu5.8e7s/m、導体厚さ=0.018mm、ビア直径=0.06mmである。
Further, as shown in (b), the
図6は、実施の形態にかかるアンテナの等価回路を示す図である。アンテナの一端(入力端子)101Aの第1層301と自由端101Bの第3層303間には、上部エレメント101aと下部エレメント101bが有するインダクタンス成分Lと、容量Cとの並列回路が形成される。入力端子101Aと自由端101B間には、ビアのインダクタンス成分Lが直接接続され、第1層301と第3層303のそれぞれの並列回路間には、SRR102の導電体パターンによるインダクタンス成分Lとスリット102bによる容量Cの並列回路が接続される。
FIG. 6 is a diagram illustrating an equivalent circuit of the antenna according to the embodiment. Between the first layer 301 of one end (input terminal) 101A of the antenna and the
上記寸法例(図5参照)で第1層301と第3層303の導電体パターンを形成し、これらの層間をビア接続することにより、コイル状に巻回されたアンテナ(エレメント)101が形成される。また、第1層301と第3層303との間の第2層302にSRR102を形成する。そして、右手左手系媒体(CRLH)の原理をSRR102を用いて実現する。図6に示したSRR102が形成するインダクタンス成分Lと容量Cの並列回路は、上部エレメント101aおよび下部エレメント101bに対する磁気壁として機能する。
The conductor pattern of the first layer 301 and the
図7は、実施の形態にかかるアンテナのSRRによる磁気壁の作用を説明する図である。図7に示した第1層301の上部エレメント101aと第3層303の下部エレメント101bとの間の距離は、薄い基板厚d(0.4mm)程度である。実施の形態のアンテナでは、薄いプリント基板のため上部エレメント101aと下部エレメント101bとが近づいて配置されることになる。
FIG. 7 is a diagram for explaining the action of the magnetic wall by the SRR of the antenna according to the embodiment. The distance between the
ここで、実施の形態では、上部エレメント101aと下部エレメント101bとの間にSRR102を設けた構成であるため、図中矢印で示すように、上部エレメント101aおよび下部エレメント101bの磁束は、SRR102に沿って流れる。これにより、エレメント101に磁界を生じさせることができ、エレメント101に電流を流すことができる。
Here, in the embodiment, since the
図8は、SRRを設けない場合の磁気作用を説明する図である。図8は、図7と対比してSRR102を設けていない点が異なる。このように、薄いプリント基板でエレメント101を形成し、SRR102を設けない場合、上部エレメント101aの磁束と、下部エレメント101bの磁束とが衝突し、打ち消し合うため、エレメント101に電流が流れない。
FIG. 8 is a diagram for explaining the magnetic action when no SRR is provided. FIG. 8 differs from FIG. 7 in that the
上記のように、実施の形態では、プリント基板等を用いて第1層301の上部エレメント101aと第3層303の下部エレメント101bとが近接する場合、SRR102を設けて、磁束が打ち消し合う現象を遮断している。
As described above, in the embodiment, when the
コイル状のアンテナ100の共振周波数は、SRR102のインダクタンス成分L、容量Cの定数を変更することにより制御できる。SRR102が磁気壁となるため、上部エレメント101aの磁束と、下部エレメント101bの磁束とを分離する。これにより、薄厚のプリント基板上の導電体パターンでエレメント101を形成した場合でも、上下からの磁束が打ち消し合う作用を減衰でき、エレメント101のインダクタンス量が変化しない効果が得られる。
The resonance frequency of the coiled
上記のように、SRR102としては、CRLHの原理に沿った基礎的な一重(1層)SRR102を用いており、SRR102はプリント基板の第2層302に導電体パターンを形成するだけで簡単に形成できる。そして、第1層301と第3層303の上下層のエレメント101およびビアで囲んだコイル状のアンテナ100の第2層302にSRR102を設けることにより、アンテナ100を小型化しつつ、送受信感度を向上できるようになる。
As described above, as the
また、SRR102を二重(2層)に形成することにより、さらに容量成分Cを大きくでき、さらにアンテナ100を小型化できるようになる。SRR102は、多層のプリント基板のエレメント101を形成した上部層および下部層の間に位置する中間層に設ければよい。例えば、4層のプリント基板を用い、第1層(上部層)と第4層(下部層)を用いてエレメント101を形成し、これら第1層と第4層の間に位置する第2層および第3層(中間層)にそれぞれSRR102を形成してもよい。
Further, by forming the
図9は、実施の形態にかかるSRRのモデルを示す図である。SRR102は、図9に示すように、プリント基板901上に導体(導電体パターン)をリング状に形成し、スリット102bで分割することで略C字型に形成される。リング状の導電体パターンは、インダクタンス成分Lを有し、スリット102b部分は、間隔Gに応じた所定の容量成分Cを有する。図中dは、基板幅であり、正方形の基板例を示している。
FIG. 9 is a diagram illustrating an SRR model according to the embodiment. As shown in FIG. 9, the
このSRR102のリング(導電体パターンの面)に垂直な磁場成分が入射すると、リング上に入射磁場を打ち消す反抗磁場を作り、誘導電流が電磁誘導の原理に従い誘起され、スリット102bにより電流が遮断される。スリット102bの幅により電荷が蓄積され、この容量が逆方向の電流となりLC共振器の閉回路が構成される。アンテナ100の共振周波数f0は、エレメント101およびSRR102のインダクタンス成分L(エレメント101のコイル長とSRR102の全長)および容量C(エレメント101とSRR102間の容量)に基づく基本的な下記式(1)で定まる。f0を上記MMやDTVの所望周波数に設定する。
When a perpendicular magnetic field component is incident on the ring (conductor pattern surface) of the
f0=1/2π√CL …(1) f0 = 1 / 2π√CL (1)
SRR102の逆誘導電流により、反抗磁場で透磁率μが変化し、SRR102の入射電磁波がSRR102に共鳴し吸収される。吸収される作用は透磁率μを変化させる効果になる。よって、磁場吸収作用は透磁率μを負にさせる効果となり、メタマテリアルの定義となる屈折率nが負になることを満足することになり、SRR102はメタマテリアル構造となる。
Due to the reverse induced current of the
SRR102の関係式
誘電率εと透磁率μについて 誘電率ε=n/z、透磁率μ=nz
屈折率nとインピーダンスzについて
Relational expression of SRR102 Dielectric constant ε and permeability μ Dielectric constant ε = n / z, permeability μ = nz
About refractive index n and impedance z
S11はメタマテリアル(SRR102)に平面波照射時の反射係数、S21は透過係数 S 11 is the reflection coefficient when the metamaterial (SRR102) is irradiated with a plane wave, and S 21 is the transmission coefficient.
定数k、dについて k=2πf/C、d=SRR102の基板幅 For constants k and d, k = 2πf / C, d = substrate width of SRR102
図10は、実施の形態にかかるCRLHのモデル例と特性を示す図表である。CRLH線路は、理想左手系線路の直列容量と直列インダクタンスの回路と、並列インダクタンスと並列キャパシタンスを挿入した単位素子モデルで表される。CRLHでは、回路区間の長さΔzは格子定数aの単位素子の区間として取り扱う。 FIG. 10 is a chart illustrating a model example and characteristics of the CRLH according to the embodiment. The CRLH line is represented by a unit element model in which a series capacitance and series inductance circuit of an ideal left-handed line and a parallel inductance and a parallel capacitance are inserted. In CRLH, the length Δz of the circuit section is handled as a section of unit elements having a lattice constant a.
分散特性に示すωは角振動数、βは位相定数(波数)である。CRLH線路はΔzが有限地の周期構造として取り扱われ伝搬波の周期性を有し、低周波側に左手系伝送帯域をもち、高周波側に右手系伝送帯域をもつ線路である。CRLH線路は、周波数によって特性が変化し、低周波数側〜高周波数側につれて順に、ハイパスカットオフ、左手系伝搬帯域、バンドギャップ、右手系伝搬帯域、ローパスカットオフの特性を有する。ローパスカットオフとハイパスカットオフは、単位素子が有限であることから生じる。周期構造をもつ1次元のCRLH線路の遮断波数はπ/aであり、ブラッグ反射の条件に相当する。 In the dispersion characteristics, ω is an angular frequency, and β is a phase constant (wave number). The CRLH line is a line having Δz as a periodic structure with a finite ground and having a periodicity of a propagation wave, having a left-handed transmission band on the low frequency side and a right-handed transmission band on the high frequency side. The characteristics of the CRLH line change depending on the frequency, and have the characteristics of a high-pass cutoff, a left-handed propagation band, a band gap, a right-handed propagation band, and a low-pass cutoff in order from the low frequency side to the high frequency side. The low-pass cutoff and the high-pass cutoff are caused by a finite number of unit elements. The cutoff wave number of a one-dimensional CRLH line having a periodic structure is π / a, which corresponds to a Bragg reflection condition.
位相速度(vp)、群速度(vg)、特性インピーダンスについて、βの絶対値が小さい場合には均質媒質近似が成り立ち、実効的な誘電率や透磁率を定義できるが、βの絶対値が大きい場合、波はブロッホ波としての効果が大きくなるため、周期構造として取り扱う。この周期構造の場合、線路の特性インピーダンスは一義的に決まらないが周期構造中のブロッホ波に対するインピーダンスZBは、図示のように算出される。ZL=(LL/CL)1/2である。 For the phase velocity (v p ), group velocity (v g ), and characteristic impedance, a homogeneous medium approximation is established when the absolute value of β is small, and an effective dielectric constant and permeability can be defined, but the absolute value of β When is large, the wave is treated as a periodic structure because the effect as a Bloch wave increases. In the case of this periodic structure, the characteristic impedance of the line is not uniquely determined, but the impedance Z B for the Bloch wave in the periodic structure is calculated as shown. Z L = (L L / C L ) 1/2
図11は、実施の形態にかかるアンテナの周波数特性を示す図表である。横軸は周波数、縦軸は電圧定在波比(VSWR:Voltage Standing Wave Ratio)である。図示のように、上記寸法例(エレメント101のコイル長=450mm)によれば、MMの周波数帯に適合する211MHz付近に共振周波数を有するアンテナ100を得ることができる。
FIG. 11 is a chart illustrating frequency characteristics of the antenna according to the embodiment. The horizontal axis represents the frequency, and the vertical axis represents the voltage standing wave ratio (VSWR: Voltage Standing Wave Ratio). As shown in the figure, according to the above dimension example (the coil length of the
図12は、実施の形態にかかるサイズ別の周波数特性を示す図表である。横軸は周波数、縦軸は電圧定在波比(VSWR)である。エレメント101のコイル長を450mm(図11参照)〜90mm間で変更したときの各コイル長での共振周波数を示す。
FIG. 12 is a chart showing frequency characteristics by size according to the embodiment. The horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents voltage standing wave ratio (VSWR). The resonance frequency in each coil length when changing the coil length of the
コイル長が450mmのとき最も低い共振周波数f0=211MHzとなり、コイル長が360mmではf0=263MHz、コイル長が180mmではf0=340MHz、コイル長が90mmではf0=430MHz付近となる。このように、コイル長を短くするほどf0が高周波側に移動する。すなわち、所望するf0に適合するエレメント101のコイル長を設定すれば任意のf0を得ることができる。このコイル長は、プリント基板上でのエレメント101の長さLを変更して得ることができる。
The lowest resonance frequency f0 = 211 MHz when the coil length is 450 mm, f0 = 263 MHz when the coil length is 360 mm, f0 = 340 MHz when the coil length is 180 mm, and f0 = 430 MHz when the coil length is 90 mm. Thus, as the coil length is shortened, f0 moves to the high frequency side. That is, an arbitrary f0 can be obtained by setting the coil length of the
図13は、実施の形態にかかるアンテナを無線通信装置に搭載した状態を示す図である。無線通信装置は、例えばスマートフォンであり、筐体1300内部に多層のプリント基板1301が設けられる。多層のプリント基板1301は、例えば10層を有し、無線通信回路(不図示)が搭載される。そして、この多層のプリント基板1301の上部位置には、上記のアンテナ100が設けられる。
FIG. 13 is a diagram illustrating a state in which the antenna according to the embodiment is mounted on the wireless communication device. The wireless communication device is a smartphone, for example, and a multilayer printed
このアンテナ100は、例えば、上述したMM用のアンテナとして用いられる。そして、アンテナ100は、多層のプリント基板1301のうち3層(図3に示す第1層301〜第3層303)を用いて、上部エレメント101aと、SRR102と、下部エレメント101bとを設ける。アンテナ100は、上記寸法例では、長さL=50mm、幅W1=4mmと小型に形成することができ、多層のプリント基板1301上での搭載スペースをとらない。また、アンテナ100が小型であるため、多層のプリント基板1301上には、使用する周波数帯域(例えばDTV)に適合したサイズのアンテナ100をさらに設けることもできる。
The
図14は、実施の形態にかかるアンテナの他の構成例を示す斜視図である。図示の例では、基材1401として多層のテフロンを用いた構成例である。この図14に示した例では、図1と比べて側部エレメント101c,101d(ビアに相当)する部分の高さを小さくしている。このように、コイル状のエレメント101は、共振周波数f0に対応した所定のコイル長とすればよく、高さや幅、長さを任意に変更することができる。
FIG. 14 is a perspective view illustrating another configuration example of the antenna according to the embodiment. In the illustrated example, a multilayer Teflon is used as the
さらに、基材1401自体を設けずに基材1401の部分を空気層とすることもできる。空気層とした場合、エレメント101を構成する上部エレメント101a、下部エレメント101b、側部エレメント101c,101dが自立可能な導体(導線)等で構成する。また、SRR102についても導体(導線)等で構成し、このSRR102がエレメント101が形成する内部空間に位置するよう、例えばエレメント101の両端等の一部に絶縁性の充填剤等の固定部材を設けてSRR102で支持する。
Further, the portion of the
図15は、実施の形態にかかるアンテナを無線通信装置に外付けした状態を示す図である。アンテナ100は、例えば、無線通信装置の筐体1300外部に外付けすることもできる。図示の例では、アンテナ100をRF同軸ケーブル1501を介して筐体1300のアンテナ端子に接続した構成例である。このように、アンテナ100を外付けの構成とすることにより、任意の場所にアンテナ100を設置できるとともに受信感度を向上できる。このほか、スマートフォンが基本通信機能に必要なアンテナだけを内蔵し、MMやDTVのアプリケーション動作用のアンテナ100を外付けする構成例にも対応できるようになる。
FIG. 15 is a diagram illustrating a state in which the antenna according to the embodiment is externally attached to the wireless communication device. For example, the
図16は、実施の形態にかかるアンテナを無線通信装置に外付けした状態の他の例を示す図である。図示の例では、アンテナ100を筐体1300の上部位置に設けた構成例である。図示のアンテナ100は、SRR102を棒状の基板上に形成する。そして、SRR102の基板に対し、金属の導体(導線)を用いてエレメント101をコイル状に巻回する。アンテナ100(エレメント101)の断面は、例えば円形状とすることができる。エレメント101である金属導体は所定の誘電率を有する外皮で覆い、SRR102と電気的に絶縁する。
FIG. 16 is a diagram illustrating another example of the state in which the antenna according to the embodiment is externally attached to the wireless communication device. In the illustrated example, the
このアンテナ100は、筐体1300に対して固定、あるいはアンテナ端子を介して着脱可能とすることができる。例えばMMやDTVのアプリケーション動作時にのみ筐体1300にアンテナ100を取り付けて使用することができる。なお、アンテナ100は、無線通信装置の筐体1300内部に設けておき(図13参照)、さらに他の周波数帯等のアンテナ100を外付け接続する構成とすることもできる。
The
以上説明した実施の形態によれば、コイル状のエレメントの内部空間にCRLHの原理を用いたSRRを設けたアンテナの構造とした。SRRは、リング状に形成されて所定のインダクタンスを有し、一端に形成したスリットにより所定の容量を有する。SRRに対してエレメントからの磁束が入射すると、SRRのリング上に入射磁場を打ち消す反抗磁場を作り、誘導電流が電磁誘導の原理に従い誘起され、スリットにより電流が遮断される。スリットの間隔で電荷が蓄積され、この容量により逆方向の電流となりLC共振器の閉回路を構成する。逆誘導電流により、反抗磁場で透磁率が変化しSRRの入射電磁波がSRRに共鳴し吸収される。吸収される作用は透磁率を変化させる効果になる。磁場吸収作用は透磁率が負になる効果となり、メタマテリアルの定義となる屈折率が負になり、SRRはメタマテリアル構造となる。このSRRは、エレメントに流れる電流により発生する磁束を分離する磁気壁として作用する。 According to the embodiment described above, the antenna structure is provided in which the SRR using the principle of CRLH is provided in the internal space of the coiled element. The SRR is formed in a ring shape and has a predetermined inductance, and has a predetermined capacity due to a slit formed at one end. When the magnetic flux from the element enters the SRR, a repulsive magnetic field that cancels the incident magnetic field is created on the ring of the SRR, the induced current is induced according to the principle of electromagnetic induction, and the current is cut off by the slit. Electric charges are accumulated at the interval of the slits, and this capacitance causes a reverse current to form a closed circuit of the LC resonator. Due to the reverse induced current, the permeability changes in the repulsive magnetic field, and the incident electromagnetic wave of the SRR resonates with the SRR and is absorbed. The absorbed action is an effect of changing the magnetic permeability. The magnetic field absorption effect is an effect that the permeability is negative, the refractive index that defines the metamaterial is negative, and the SRR has a metamaterial structure. This SRR acts as a magnetic wall that separates the magnetic flux generated by the current flowing through the element.
例えば、多層のプリント基板の第1層と第3層にエレメントの導電体パターンを形成し、第1層と第3層のエレメント間をビア接続して所定のコイル長を小さなスペースで形成でき、中間の第2層にSRRを形成できる。このように、薄厚のプリント基板上の導電体パターンでアンテナのエレメントを形成しても、SRRが上下層からの磁束による磁力を打ち消す作用を減衰させることができ、エレメントのインダクタンス量を変化させない効果を有する。また、多層のプリント基板を用いることで、小型ながら受信感度の向上を図ることができ、また、安価にアンテナを形成できる。 For example, the conductor pattern of the element can be formed on the first layer and the third layer of the multilayer printed circuit board, and the predetermined coil length can be formed in a small space by connecting vias between the elements of the first layer and the third layer. An SRR can be formed in the intermediate second layer. Thus, even if an antenna element is formed with a conductive pattern on a thin printed circuit board, the SRR can attenuate the action of canceling the magnetic force due to the magnetic flux from the upper and lower layers, and the effect of not changing the inductance amount of the element Have Further, by using a multilayer printed circuit board, the reception sensitivity can be improved despite being small, and an antenna can be formed at low cost.
また、アンテナの共振周波数は、エレメントおよびSRRのインダクタンス成分L(エレメントのコイル長とSRRの全長)および容量C(エレメントとSRR間の容量)に基づき定まる。これらエレメントおよびSRRが同一のプリント基板上に形成されるため、エレメントのコイル長をプリント基板上に形成した導電体パターンの領域(長さと幅)を変更させることで任意の共振周波数を簡単に得ることができる。特に、MMやDTVの比較的低周波数用のアンテナをプリント基板上の少ないスペースに設けることができるようになる。 The resonance frequency of the antenna is determined based on the inductance component L (element coil length and total length of SRR) and capacitance C (capacity between the element and SRR) of the element and SRR. Since these elements and SRR are formed on the same printed circuit board, an arbitrary resonance frequency can be easily obtained by changing the region (length and width) of the conductor pattern formed on the printed circuit board. be able to. In particular, a relatively low frequency antenna for MM and DTV can be provided in a small space on the printed circuit board.
そして、実施の形態の無線通信装置は、スマートフォンや携帯電話端末などの通信機器、コンピュータ装置などの各種無線通信装置に適用することができる。この無線通信装置に比較的低周波数のアンテナを設ける場合でも、小型化により機器内部にアンテナを設けることができるようになる。これにより、無線通信装置が通信周波数帯域に合わせて多数のアンテナを内蔵する構成でも、さらにMMやDTV等の低周波帯域のアンテナを機器内部に複数設けることができるようになる。 And the radio | wireless communication apparatus of embodiment is applicable to various radio | wireless communication apparatuses, such as communication apparatuses, such as a smart phone and a mobile telephone terminal, and a computer apparatus. Even when a relatively low-frequency antenna is provided in the wireless communication apparatus, the antenna can be provided inside the device due to downsizing. As a result, even if the wireless communication apparatus has a configuration in which a large number of antennas are built in accordance with the communication frequency band, a plurality of low frequency band antennas such as MM and DTV can be provided inside the apparatus.
また、実施の形態のアンテナを無線通信装置の外部に外付けする構造とした場合であっても、アンテナ自体が小型化できるため、取り扱いを容易にできる。また外付けにより設置場所を任意にでき、通信性能も向上できるようになる。 Even when the antenna according to the embodiment is configured to be externally attached to the outside of the wireless communication device, the antenna itself can be reduced in size, so that it can be handled easily. Also, the installation location can be arbitrarily set by external attachment, and the communication performance can be improved.
上述した実施の形態に関し、さらに以下の付記を開示する。 The following additional notes are disclosed with respect to the embodiment described above.
(付記1)コイル状に巻回されたエレメントと、
リング状に形成され、前記リングの一部に所定間隔のスリットを有して前記エレメントの内部空間に配置され、前記エレメントとの間に所定の容量を有するスプリットリング共振器と、
を備えたことを特徴とするアンテナ。
(Supplementary note 1) an element wound in a coil shape;
A split ring resonator which is formed in a ring shape, has slits at predetermined intervals in a part of the ring and is arranged in the internal space of the element, and has a predetermined capacity with the element;
An antenna comprising:
(付記2)前記エレメントと前記スプリットリング共振器との間に所定の誘電率を有する基材を設けたことを特徴とする付記1に記載のアンテナ。
(Supplementary note 2) The antenna according to
(付記3)前記基材は、多層のプリント基板であり、
前記コイル状のエレメントは、前記プリント基板の上部層と下部層にそれぞれ形成した導電体パターンと、前記上部層および前記下部層の導電体パターンの端部を接続するビアと、からなり、
前記スプリットリング共振器は、前記プリント基板の中間層に形成した導電体パターンからなることを特徴とする付記2に記載のアンテナ。
(Additional remark 3) The said base material is a multilayer printed circuit board,
The coil-shaped element comprises a conductor pattern formed on each of an upper layer and a lower layer of the printed circuit board, and vias connecting ends of the conductor patterns of the upper layer and the lower layer,
The antenna according to
(付記4)前記スプリットリング共振器は、前記プリント基板の複数の中間層にそれぞれ形成した導電体パターンからなることを特徴とする付記3に記載のアンテナ。 (Supplementary note 4) The antenna according to supplementary note 3, wherein the split ring resonator includes conductor patterns respectively formed on a plurality of intermediate layers of the printed circuit board.
(付記5)前記プリント基板上に形成された前記エレメントおよび前記スプリットリング共振器の前記導電体パターンの長さに基づき所定の共振周波数を得ることを特徴とする付記3または4に記載のアンテナ。 (Supplementary note 5) The antenna according to Supplementary note 3 or 4, wherein a predetermined resonance frequency is obtained based on a length of the conductor pattern of the element formed on the printed circuit board and the split ring resonator.
(付記6)所定の電子回路が搭載される多層のプリント基板の一部の領域に、複数の層を用いて前記エレメントと前記スプリットリング共振器を設けたことを特徴とする付記3〜5のいずれか一つに記載のアンテナ。 (Supplementary note 6) The supplementary notes 3 to 5, wherein the element and the split ring resonator are provided using a plurality of layers in a partial region of a multilayer printed board on which a predetermined electronic circuit is mounted. The antenna as described in any one.
(付記7)前記基材を多層のテフロンで形成したことを特徴とする付記2〜6のいずれか一つに記載のアンテナ。
(Supplementary note 7) The antenna according to any one of
(付記8)前記基材の部分を空気層とし、
前記エレメントおよび前記スプリットリング共振器を導線で形成し、前記エレメント内部空間に前記スプリットリング共振器の一部を保持する固定部材を設けたことを特徴とする付記2に記載のアンテナ。
(Additional remark 8) Let the part of the said base material be an air layer,
The antenna according to
(付記9)前記基材上に前記スプリットリング共振器の導電体パターンが形成され、
前記基材上に所定の誘電率を有する外皮で覆われた導線からなる前記エレメントをコイル状に巻回してなることを特徴とする付記2に記載のアンテナ。
(Supplementary note 9) A conductor pattern of the split ring resonator is formed on the base material,
The antenna according to
(付記10)無線通信装置のアンテナ端子に外部接続可能なことを特徴とする付記1〜9のいずれか一つに記載のアンテナ。
(Supplementary note 10) The antenna according to any one of
(付記11)付記1〜10のいずれか一つに記載されたアンテナと、前記アンテナを介して無線通信可能な無線通信回路と、を備えたことを特徴とする無線通信装置。
(Supplementary note 11) A wireless communication device comprising the antenna described in any one of
100 アンテナ
101 エレメント
101A 一端(入力端子)
101a 上部エレメント
101b 下部エレメント
101c,101d 側部エレメント
102 スプリットリング共振器(SRR)
102b スリット
301 第1層
302 第2層
303 第3層
100
101a
102b Slit 301 First layer 302
Claims (10)
リング状に形成され、前記リングの一部に所定間隔のスリットを有して前記エレメントの内部空間に配置され、前記エレメントとの間に所定の容量を有するスプリットリング共振器と、
を備えたことを特徴とするアンテナ。 An element wound in a coil;
A split ring resonator which is formed in a ring shape, has slits at predetermined intervals in a part of the ring and is arranged in the internal space of the element, and has a predetermined capacity with the element;
An antenna comprising:
前記コイル状のエレメントは、前記プリント基板の上部層と下部層にそれぞれ形成した導電体パターンと、前記上部層および前記下部層の導電体パターンの端部を接続するビアと、からなり、
前記スプリットリング共振器は、前記プリント基板の中間層に形成した導電体パターンからなることを特徴とする請求項2に記載のアンテナ。 The substrate is a multilayer printed circuit board;
The coil-shaped element comprises a conductor pattern formed on each of an upper layer and a lower layer of the printed circuit board, and vias connecting ends of the conductor patterns of the upper layer and the lower layer,
The antenna according to claim 2, wherein the split ring resonator includes a conductor pattern formed in an intermediate layer of the printed circuit board.
前記エレメントおよび前記スプリットリング共振器を導線で形成し、前記エレメント内部空間に前記スプリットリング共振器の一部を保持する固定部材を設けたことを特徴とする請求項2に記載のアンテナ。 The base portion is an air layer,
The antenna according to claim 2, wherein the element and the split ring resonator are formed by conducting wires, and a fixing member for holding a part of the split ring resonator is provided in the internal space of the element.
前記基材上に所定の誘電率を有する外皮で覆われた導線からなる前記エレメントをコイル状に巻回してなることを特徴とする請求項2に記載のアンテナ。 A conductor pattern of the split ring resonator is formed on the substrate,
3. The antenna according to claim 2, wherein the element made of a conductive wire covered with an outer skin having a predetermined dielectric constant is wound on the base material in a coil shape.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018196089A (en) * | 2017-05-22 | 2018-12-06 | 日本電信電話株式会社 | Sensing element |
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2014
- 2014-10-15 JP JP2014211165A patent/JP2016082361A/en active Pending
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