JP2002319816A - アンテナ装置 - Google Patents

アンテナ装置

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JP2002319816A
JP2002319816A JP2001125558A JP2001125558A JP2002319816A JP 2002319816 A JP2002319816 A JP 2002319816A JP 2001125558 A JP2001125558 A JP 2001125558A JP 2001125558 A JP2001125558 A JP 2001125558A JP 2002319816 A JP2002319816 A JP 2002319816A
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antenna
antenna device
feeding ends
dipole antennas
meander
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JP2001125558A
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Hideo Suyama
英夫 陶山
Kazumi Yoshida
一三 吉田
Yoichi Ito
洋一 伊藤
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JAPAN TOTAL DESIGN COMM CO Ltd
JAPAN TOTAL DESIGN COMMUNICATION CO Ltd
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EE C II TEC KK
JAPAN TOTAL DESIGN COMM CO Ltd
JAPAN TOTAL DESIGN COMMUNICATION CO Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 小寸法で薄いダイバーシティアンテナや円偏
波アンテナを、２つのメアンダライン状のダイポールア
ンテナで可能にする。 【解決手段】 給電端１３、１４あるいは給電端１５、
１６を中心にして、メアンダライン状の導体パターン１
８、１９と２０、２１で２つのダイポールアンテナ１１
と１２を構成し、給電端１３、１４および１５、１６の
近傍で２つのダイポールアンテナ１１と１２を直交して
配置する。給電端１３、１４および１５、１６の近傍で
ダイポールアンテナ１１と１２のメアンダラインの幅を
段階的に狭くして、給電端１３、１４と給電端１５、１
６に接続する引き出し導体と重ならない構成にする。給
電端１３、１４と給電端１５、１６を同位相にするか、
９０度の位相差にして２つのダイポールアンテナを平衡
ー不平衡変換した不平衡端子を並列に接続することで、
ダイバーシティアンテナ、あるいは円偏波アンテナとし
て機能させる。平衡ー不平衡変換回路のインピーダンス
変換比を２以上にして、送受信回路のインピーダンスと
の整合をとる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、携帯機器やカード
に搭載する、偏波ダイバーシティアンテナあるいは円偏
波アンテナの機能を有する小さい寸法のアンテナ装置に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】アンテナを２つ用いてアンテナダイバー
シティを形成するのには、スペースダイバーシティや偏
波ダイバーシティおよび指向性ダイバーシティがある。
偏波ダイバーシティと指向性ダイバーシティは、ほぼ同
様なアンテナの形態と効果であるため偏波ダイバーシテ
ィで考える。スペースダイバーシティは２つのアンテナ
を半波長程度離して相関係数を０．５以下に小さくする
必要があり、２．４ギガヘルツでは６０ｍｍほどのアン
テナ間隔となるため、小寸法に収めるには限界がある。
【０００３】直線偏波の電波を送受信する２つのアンテ
ナを、最大利得の方向を直交させる構成でアンテナ間隔
を小さくする偏波ダイバーシティのダイバーシティアン
テナが従来から提案されている。携帯電話機では、受信
を目的に、ホイップアンテナと逆Ｆ型アンテナなどで偏
波ダイバーシティのアンテナ構成を用いるものもあっ
た。しかし、誘電体の基板に形成するなどの、薄く小寸
法の偏波ダイバーシティアンテナで比帯域幅やインピー
ダンス値の選択範囲の十分なものはない。
【０００４】円偏波アンテナは、従来からヘリカルアン
テナ、マイクロストリップアンテナおよびクロスダイポ
ールアンテナが用いられている。ＧＰＳ（全世界測位シ
ステム）に用いる小型アンテナにはマイクロストリップ
アンテナが主に用いられてきた。理由として、比較的小
さい寸法で、厚さも薄くすることが可能なためである。
【０００５】図６（ａ）で示されるマイクロストリップ
アンテナ１を携帯電話機等の携帯用のＧＰＳアンテナに
用いるには１６ｍｍ平方から２０ｍｍ平方ほどの小寸法
が求められる。小寸法化するためには比誘電率の大きい
誘電体基板２を用いる必要があるが、比誘電率のばらつ
きによる共振周波数のばらつきが問題になる。誘電体基
板２の表面に形成された電極３に給電端４で給電され、
裏面全体にアースである地導体が設けられる。したがっ
て、マイクロストリップアンテナ１は地導体と反対方向
の単向性を有する。また図６（ｂ）で示すように、マイ
クロストリップアンテナ１の誘電体の比誘電率を大きく
して小寸法化するほど利得が低くなり、比帯域幅も小さ
くなる。比帯域幅が小さくなることと、共振周波数のば
らつきが大きくなることで製造で調整することが難し
い。（日経エレクトロニクス、１９９８年７ー１３号の
記事より引用）
【０００６】また、比誘電率の大きいセラミックを用い
るとマイクロストリップアンテナのコストが高くなる。
マイクロストリップアンテナは円形状等の異なる形状
や、給電を１箇所あるいは２箇所からマイクロストリッ
プラインで行うなどの差はあれども、マイクロストリッ
プアンテナの円偏波アンテナとしての基本的特性や、小
寸法化に伴う特性の劣化は同じ傾向を示す。
【０００７】図７（ａ）で示されるクロスダイポールア
ンテナ５は、円偏波アンテナとして用いるために、９０
度の位相差で受信回路に接続される２つのダイポールア
ンテナ６、７を直交させて配置する。２つのダイポール
アンテナ６、７は直線形状でアンテナ長が長く、クロス
ダイポールアンテナ５が大きい寸法になる。また、方向
を問わず円偏波に近似する偏波軸比を有し、比帯域幅を
大きくするには、図７（ｂ）で示すようにＶ形状の導体
８、９を対構成にしたダイポールアンテナを用いて、反
射板１０を４分の１波長の距離に配置する構成のクロス
ダイポールアンテナがあるが、全体が厚いアンテナにな
る。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】携帯機器等に搭載する
ために、小寸法で薄くしても比較的に大きい比帯域幅と
利得を有する偏波ダイバーシティアンテナ、あるいは共
振周波数のばらつきが小さく、偏波軸比が大きい双向性
の円偏波アンテナを可能にする。また、アンテナの入力
インピーダンスの実用的な値の選択を可能にする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のアンテナ装置はメアンダライン状の導体パ
ターンでダイポールアンテナを形成してアンテナ長を短
くする。２つのダイポールアンテナを給電端を近接さ
せ、直交させて配置する。
【００１０】ダイポールアンテナの導体パターンのメア
ンダラインの幅を給電端と端部の中間部で広くしてアン
テナ長の短縮化をはかると同時に、給電端近傍のメアン
ダラインの幅を狭くし、給電端に接続する引き出し導体
と間隔を有して重ならない構成にする。また、ダイポー
ルアンテナの導体パターンのメアンダラインの幅を端部
で狭くし、誘電体の基板の形状が方形など制約のある場
合にアンテナ長さを可能な限り長くする。
【００１１】直交して配置された２つのダイポールアン
テナを、インピーダンス変換比が２以上の２つの独立し
た平衡ー不平衡変換回路を介して並列に接続して偏波ダ
イバーシティアンテナとする。
【００１２】あるいは、直交して配置した２つのダイポ
ールアンテナを、９０度位相遅延回路を直列に接続した
一方の平衡ー不平衡変換回路と、他方の平衡ー不平衡変
換回路を介して並列に接続して、円偏波アンテナとす
る。
【００１３】個々のメアンダライン状のダイポールアン
テナの２つの給電端からの引き出し導体のマイクロスト
リップラインで片方の２つのコイルを形成し、誘電体の
基板を間に介して対向する他方の２つのコイルをマイク
ロストリップラインで形成して配置し、トランス結合の
２組のコイルを形成し、片方の２つのコイルの端部を地
導体に接続し、他方の２つのコイルを直列に接続して１
つの端部を不平衡端子にして平衡ー不平衡変換回路を構
成する。片方のコイルの巻き数を他方のコイルの巻き数
の半分以下にすることで、平衡側の小さいインピーダン
スを不平衡側の大きいインピーダンスに変換するインピ
ーダンス変換比が２以上の平衡ー不平衡変換回路にす
る。
【００１４】９０度位相遅延回路を、マイクロストリッ
プラインを複数箇所で屈曲して連続させて対象周波数の
４分の１波長の電気長にして構成するとよい。
【００１５】ダイポールアンテナの導体パターンのメア
ンダラインの幅を給電端近傍で狭くすることで生じる導
体パターンが形成されない部分に導体面でアース地板を
形成し、導体面に誘電体を間に介して給電端からの引き
出し導体のマイクロストリップラインを対向させること
で特性インピーダンスの大きさを選択する範囲を大きく
してマイクロストリップラインの小寸法化をはかる。
【００１６】
【発明の実施の形態】発明の実施の形態を、実施例の図
面を参照して説明する。図１は本発明のアンテナ装置の
実施例を斜視図で示す。２つのメアンダライン状のダイ
ポールアンテナ１１と１２を直交させ、給電端１３、１
４と給電端１５、１６を近接させて誘電体の基板１７に
配置する。導体パターン１８、１９と２０、２１のメア
ンダラインの幅を、給電端１３、１４と端部２２、２３
および給電端１５、１６と端部２４、２５の中間部に対
応する部分で広くする。
【００１７】２つのメアンダライン状のダイポールアン
テナ１１と１２の給電端１３、１４と給電端１５、１６
からの引き出し導体２６、２７と２８、２９がメアンダ
ライン状の導体パターン１８、１９と、および２０、２
１と交差しない構成にする必要である。誘電体の基板１
７にガラス・エポキシ基板を用いても２．４４ギガヘル
ツで２０ｍｍ角ほどの寸法に収めることが可能である
が、比誘電率がさらに大きい樹脂基板やセラミック基板
を用いて小寸法化をはかってもよい。
【００１８】２つのメアンダライン状のダイポールアン
テナ１１と１２は、給電端１３、１４および１５、１６
と、端部２２、２３と２４、２５の間の中間で幅が広い
とは、給電端から端部までメアンダラインの幅が一様で
ないことを意味する。端部２２、２３と２４、２５の近
傍でメアンダラインの幅を段階的に狭くしてもよい。あ
るいは、給電端１３、１４と給電端１５、１６の近傍に
おいてメアンダラインの幅を段階的に狭くしたり、メア
ンダライン状の導体パターンを一部形成せずに直線状の
導体パターンにして幅をとらない構成で、引き出し導体
２６、２７および２８、２９をメアンダライン状の折り
返しダイポールアンテナ１１と１２に重ならない構成に
してもよい。誘電体の基板１７が方形で寸法の制約があ
る場合に、アンテナ全体をできるだけ大きくすることが
できる。
【００１９】メアンダライン状のダイポールアンテナ１
１と１２の給電端１３と１４、および給電端１５と１６
に接続した２つの独立の平衡ー不平衡変換回路を介し
て、２つの平衡ー不平衡変換回路の２つの不平衡端子を
並列に接続して偏波ダイバーシティアンテナとする。電
気的に短縮化されてないダイポールアンテナは７５オー
ムのインピーダンスを有する。図１の実施例のように、
２．４４ギガヘルツの用途で２５ｍｍ角以下の寸法に収
めるアンテナ長の短縮化を意図した場合には、２つのメ
アンダライン状のダイポールアンテナ１１と１２は、そ
れぞれ５０オーム以下のインピーダンスを有する。並列
に接続すると２５オームほどになるが、送受信回路のイ
ンピーダンスは一般的に５０オームである。平衡側のイ
ンピーダンスが５０オームで、並列に接続した後に不平
衡側が５０オームのインピーダンスと整合させるため、
ほぼ平衡ー不平衡変換回路のインピーダンス変換比を２
以上にすることで対応すればよい。
【００２０】図１で示した本発明のアンテナ装置は、近
接して直交する２つのダイポールアンテナ１１と１２は
直交する方向に最大利得を有し、偏波ダイバーシティの
アンテナとして機能する。ダイポールアンテナ１１と１
２はそれぞれに平行な直線偏波を最も効率良く送受信す
る。結果、広い指向特性を有する。ブルートゥース規格
のような近距離無線に用いられるアンテナ装置のよう
に、広い指向特性で機器間の相互接続性を確保する目的
には、図１で示した本発明のアンテナ装置が有効にな
る。
【００２１】メアンダライン状のダイポールアンテナ１
１と１２の給電端１３と１４、および給電端１５と１６
に２つの独立の平衡ー不平衡変換回路を接続し、一方の
平衡ー不平衡変換回路に直列に９０度位相遅延回路を接
続して他方の平衡ー不平衡変換回路の不平衡端子と並列
に接続することで円偏波アンテナを構成する。同様に、
平衡ー不平衡変換回路のインピーダンス変換比を２以上
にすることで、円偏波アンテナのインピーダンスをほぼ
５０オームにすることができる。
【００２２】円偏波アンテナとしての動作は、図７
（ａ）で示す従来のクロスダイポールアンテナと同じも
のである。本発明の実施例で示すように、メアンダライ
ン状の構成のダイポールアンテナにすることで、従来の
直線状の導体で構成するクロスダイポールアンテナに較
べてアンテナ長を短くして小寸法のアンテナ装置にで
き、小寸法化しても比帯域幅を比較的大きくすることが
できる。また、携帯機器に多用されている図６の従来の
マイクロストリップアンテナは単一方向の指向性を有す
る。ＧＰＳなどの機能を携帯電話機に搭載し、携帯電話
機の表裏の方向を問わず方向が一定しないで位置情報を
得る場合には、アンテナ装置は少なくとも単一方向の指
向性でなく、双向性を有することが必要であり、本発明
のアンテナ装置は双向性のアンテナ特性を有する。
【００２３】図２は、メアンダライン状の導体パターン
３０、３１と３２、３３で形成されたダイポールアンテ
ナ３４と３５を、誘電体の基板３６を間に介して直交さ
せて配置した本発明の他の実施例の斜視図である。誘電
体の基板３６は１ｍｍ以下で薄く、また比較的小さい比
誘電率の誘電体を主たる材料であるため、２つのメアン
ダライン状のダイポールアンテナを誘電体の基板３６の
表裏に配置して円偏波アンテナに用いた場合に、誘電体
の基板の片側に２つのメアンダライン状のダイポールア
ンテナを配置したものに較べて偏波軸比の変化は小さ
い。
【００２４】図３は本発明のアンテナ装置の他の実施例
を積層展開図で示す。マイクロストリップラインで形成
した平衡ー不平衡変換回路を主に示すものである。図３
（ａ）から図３（ｅ）の順に下から誘電体を介して積層
されることを示す。メアンダライン状の導体パターン３
７、３８と３９、４０で形成されるメアンダライン状の
ダイポールアンテナ４１と４２は給電端４３、４４と４
５、４６の近傍で直交して配置され、２つの独立の平衡
ー不平衡変換回路を介して並列に接続される。給電端４
３、４４と４５、４６の近傍で、ダイポールアンテナ４
１と４２のメアンダラインの幅は段階的に狭くされる。
【００２５】２つの独立の平衡ー不平衡変換回路は、引
き出し導体としてマイクロストリップラインで形成され
て給電端４３、４４と４５、４６に接続される図３
（ｂ）の２つのコイル状の導体パターン４７、４８と４
９、５０を、マイクロストリップラインで形成される図
３（ｃ）の直列に接続した２つのコイル状の導体パター
ン５１、５２と５３、５４に誘電体を介して対向配置
し、トランス結合で構成される。給電端４３、４４と４
５、４６に接続されたコイル状の導体パターン４７、４
８と４９、５０の端部５５、５６と５７、５８は図３
（ａ）の地導体５９に接続するとよい。
【００２６】図３（ｄ）の導体パターン６０と６１で直
列に接続されたコイル状の導体パターン５１と５２、お
よび５３と５４の一端は不平衡端子６２、６３として並
列に接続され、送受信回路と接続される。図３（ｅ）の
地導体６４を誘電体を介して個々のコイル状の導体パタ
ーンを対向して覆う構成にするとよい。給電端４３、４
４と４５、４６に接続されるコイル状の導体パターン４
７、４８と４９、５０の巻き数を、対向配置されたコイ
ル状の導体パターン５１、５２と５３、５４の巻き数の
半分以下ほどにすることで、インピーダンス変換比を２
以上にすることができる。
【００２７】マイクロストリップラインの図３（ｂ）の
コイル状の導体パターン４７、４８、および４９、５０
と、図３（ｃ）のコイル状の導体パターン５１、５２、
および５３、５４を、図３（ａ）の地導体５９と、図３
（ｅ）の地導体６４で対向して覆うことで、電磁波の漏
洩を少なくする。また、図３（ａ）の地導体６５と図３
（ｅ）の地導体６６をほぼ対称に配置することで、直交
配置される個々のメアンダライン状のダイポールアンテ
ナの対称性を確保する。円偏波アンテナに適用した場合
には、偏波軸比を１から大きく低下させない効果を有す
る。
【００２８】コイル状の導体パターンで構成されるトラ
ンス結合の平衡ー不平衡変換回路は、対向するコイル状
の導体パターンの巻き数の比でインピーダンス変換比が
変わる。インピーダンス変換比を２以上にするには、給
電端４３、４４および給電端４５、４６に接続する２つ
のコイル状の導体パターン４７、４８と４９、５０の巻
き数を、不平衡端子６２と６３を一端とする直列に接続
された２つのコイル状の導体パターン５１、５２と５
３、５４の巻き数に較べて半分以下にすることで可能に
なる。また、巻き数の比率を変えることでインピーダン
ス変換比を変えることができる。さらに、地導体５９、
６４を個々のコイル状の導体パターンを覆い対向させる
ことでマイクロストリップラインで形成されるコイル状
の導体パターンを適正な値の特性インピーダンスにする
ことで小寸法化できる。
【００２９】図４の本発明の他の実施例を積層展開図で
示す。図３と対応する部分は同じ符号で示す。コイル状
の導体パターン４７、４８、５１、および５２で形成さ
れる平衡ー不平衡変換回路の不平衡端子６２に、直列に
マイクロストリップライン６７で形成される９０度位相
遅延回路６８を接続し、９０度位相遅延回路６８の不平
衡端子６９と、コイル状の導体パターン４９、５０、５
３及び５４で形成される平衡ー不平衡変換回路の不平衡
端子６３を並列に接続して、直交配置されたメアンダラ
イン状のダイポールアンテナ４１と４２で円偏波アンテ
ナを構成する。
【００３０】図５は本発明のアンテナ装置をカードに搭
載する実施例を示す。カード７０の携帯機器などのスロ
ットに挿入する側と反対側の端部７１の近傍に２つのメ
アンダライン状のダイポールアンテナ７２と７３を直交
して配置する。基板そのものがアンテナ装置を構成する
ため、薄くカードの中に内蔵できる。偏波ダイバーシテ
ィアンテナに構成した場合は、広い指向特性を有するた
め、携帯機器間の相互接続性に優れた効果を有す。ま
た、円偏波アンテナとして携帯電話等の携帯機器のＧＰ
Ｓによる位置情報を得る目的で使用すると、双向性の指
向特性で、機器が天空方向と逆向きになった場合でも衛
星からの電波を受信できる。挿入方向が水平に固定され
たスロットに対応するため、カード７０の端部７１のメ
アンダライン状のダイポールアンテナ７２、７３のアン
テナ部分が可動で垂直方向に立つ構成に、カード７０の
アンテナ部分との境近傍に勘合の機構を設けてもよい。
【００３１】寸法の制約があるカードや、携帯機器用途
の基板に本発明のアンテナ装置を用いる場合に、誘電体
の基板に可能なだけアンテナの寸法を大きくするために
は、２．０ギガヘルツで４．２ほどの比誘電率のガラス
・エポキシ基板を誘電体の基板に用いた場合、２．４４
ギガヘルツで１６ｍｍ平方、１．５７５ギガヘルツで２
５ｍｍ平方にできる。当然ながら比誘電率が１０．０ほ
どの樹脂を主体とした誘電体の基板を用いた場合には、
それぞれ１５ｍｍ平方、２０ｍｍ平方以下の寸法にでき
る。しかしさらに比誘電率の大きいセラミックの誘電体
の基板を用いることは、実用性と価格の点からほとんど
必要がない。
【００３２】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００３３】方形状の小さい寸法で、厚さの薄い偏波ダ
イバーシティアンテナあるいは円偏波アンテナができ、
比較的大きい比帯域幅と利得を得ることができる。
【００３４】偏波ダイバーシテイアンテナの構成による
広い指向特性で、短距離無線通信での機器間の接続性を
確保しやすい。
【００３５】偏波軸比を小さくせずに双向性を有する円
偏波アンテナにすることができる。携帯電話機に用いた
場合、裏表の向きに依存せずに測位できる。
【００３６】メアンダライン状のダイポールアンテナを
並列に接続し、平衡ー不平衡変換回路のインピーダンス
変換比を１以上にして、アンテナのインピーダンスを５
０オームほどにでき、一般的な送受信回路に接続しやす
い。。
【００３７】誘電体基板は比誘電率が４．０程度のもの
でも小型化でき、プリント基板に一体化することができ
るため実装が容易で、共振周波数のばらつきが小さいこ
とと合わせて低コスト化しやすい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアンテナ装置の実施例の斜視図を示
す。
【図２】本発明の他の実施例を示す。
【図３】本発明の他の実施例の展開図で示す。
【図４】本発明の他の実施例の展開図を示す。
【図５】本発明のアンテナ装置をカードに内蔵した実施
例を示す。
【図６】従来のマイクロストリップアンテナと特性を示
す。
【図７】従来のクロスダイポールアンテナを示す。
【符号の説明】
１１、１２、３４、３５、４１、４２、７２、７３
ダイポールアンテナ １３、１４、１５、１６、４３、４４、４５、４６
給電端 ４７、４８、４９、５０、５１、５２、５３、５４
コイル状導体パターン ６８ ９０度位相遅延回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｑ 9/44 Ｈ０１Ｑ 9/44 21/24 21/24 21/28 21/28 25/00 25/00 (72)発明者 伊藤 洋一 宮城県仙台市青葉区中山１丁目17ー12 Ｆターム(参考） 5J021 AA01 AA02 AA09 AB03 AB06 CA06 DB04 FA31 FA32 FA34 HA05 HA10 JA05 5J046 AA04 AA07 AB03 AB07 PA04 QA02 5J047 AA04 AA07 AB03 AB07 FD01

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 誘電体の基板にメアンダライン状の導体
    パターンで形成した２つのダイポールアンテナを、給電
    端近傍で直交させて前記導体パターンのメアンダライン
    の幅を前記給電端と端部の中間部で広く構成し、インピ
    ーダンス変換比が２以上の２つの独立した平衡ー不平衡
    変換回路を介して並列に接続することを特徴とするアン
    テナ装置。
  2. 【請求項２】 ２つのメアンダライン状の前記ダイポー
    ルアンテナを、一方の前記平衡ー不平衡変換回路と直列
    に接続した９０度位相遅延回路と、他方の前記平衡ー不
    平衡変換回路を介して並列に接続する構成にすることを
    特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
  3. 【請求項３】 前記導体パターンのメアンダラインの幅
    を前記給電端の近傍で段階的に狭くし、前記給電端に接
    続した引き出し導体と重ならない構成にすることを特徴
    とする請求項１、２記載のアンテナ装置。
  4. 【請求項４】 前記引き出し導体のマイクロストリップ
    ラインの一方の２つのコイルと、誘電体を間に介して対
    向するマイクロストリップラインの他方の２つのコイル
    で２組のトランス結合のコイルを形成し、一方の２つの
    コイルの端部を地導体に接続し、他方の２つのコイルを
    直列に接続して１つの端部を不平衡端子にして前記平衡
    ー不平衡変換回路を構成することを特徴とする請求項
    １、２記載のアンテナ装置。
  5. 【請求項５】 前記９０度位相遅延回路を、マイクロス
    トリップラインを複数箇所で屈曲して連続させて対象周
    波数の４分の１波長の電気長にして構成することを特徴
    とする請求項２記載のアンテナ装置。
  6. 【請求項６】カードの片側の端部近傍にメアンダライン
    状の２つの前記ダイポールアンテナを直交配置して構成
    することを特徴とする請求項１、２記載のアンテナ装
    置。
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