JP2017163189A - アンテナ装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】周波数が離れた２つの周波数帯で放射素子を兼用する場合に、その放射素子にトランスやバランが接続されることによる悪影響を生じ難くしたアンテナ装置およびそれを備える電子機器を提供する。【解決手段】第１絶縁体と、この第１絶縁体に固定され、実効透磁率が第１絶縁体より高い第２絶縁体と、第１絶縁体に形成され、第１周波数帯の第１給電回路および放射素子に接続される第１結合導体３１と、第２絶縁体に形成され、第１結合導体３１と結合し、第１周波数帯の周波数より低い第２周波数帯の第２給電回路８２に接続される第２結合導体３２と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は周波数帯の異なる通信信号を用いる通信システムで兼用されるアンテナ装置およびそのアンテナ装置を備える電子機器に関する。

近年の通信機器の高機能化に伴い、例えば携帯電話端末やいわゆるスマートフォンは、基地局との通信用のアンテナだけではなく、ＮＦＣ（Near field communication）などの近距離通信も必要になってきている。

例えば、特許文献１には、周波数帯の異なる複数のシステムで兼用される小型のアンテナ装置が開示されている。このアンテナ装置は、放射素子と、その放射素子に接続された第１周波数帯の給電回路と、放射素子に対向配置されたグランド導体と、放射素子とグランド導体との間を接続するリアクタンス素子と、給電コイルと、給電コイルに接続された第２周波数帯の給電回路とを備える。上記放射素子は、例えば、第１周波数帯では基地局との通信のための電界放射型アンテナとして作用し、第２周波数帯ではＮＦＣ用のアンテナの一部として作用する。

国際公開第２０１４／０９８０２４号

例えばUHF／SHF帯である第１周波数帯で電磁波放射型アンテナ（遠方界伝送用アンテナ）として作用する放射素子を、例えばHF帯である第２周波数帯で磁界放射型アンテナ（磁界結合型の近傍界伝送用アンテナ）の一部に兼用するためには、インピーダンス整合を図り、第２周波数帯の給電回路から磁界放射型アンテナに対して充分に給電できるように構成することが重要である。そのため、インピーダンス変換を行うとともに、第２周波数帯の給電回路と磁界放射型アンテナとを強く結合させる巻線トランスを設けることが有効である。

または、上記第２周波数帯を利用するＮＦＣ用給電回路は、実用上の出力を高めるため、コイルアンテナを接続する出力部は差動回路（平衡回路）で構成されることが多い。一方、上記第１周波数帯を利用する、例えば基地局との通信のための放射素子は、モノポール型アンテナを変形させたものが多く、等価回路上は不平衡回路である。そのため、ＮＦＣ用給電回路を放射素子に接続すると、平衡回路と不平衡回路との間で不要なリーク電流が流れる等の問題が生じる。そのため、平衡・不平衡変換回路（バラン）を設けて、この平衡・不平衡変換回路を介して、放射素子とＮＦＣ用給電回路との間を電気的に接続することが有効である。

しかし、第１周波数帯と第２周波数帯とは周波数が大きく異なるので、アンテナ装置を電磁波放射型アンテナとして作用させる場合と磁界放射型アンテナとして作用させる場合とでは、トランスに必要とされる損失等の特性が大きく異なる。そのため、兼用される放射素子が電磁波放射型アンテナとして用いられる場合も、磁界放射型アンテナとして用いられる場合も、トランスやバランによる悪影響が生じやすい。

上述のことは、一つの放射素子を、周波数帯の異なる二つの通信に兼用する場合に限らず、互いに異なる周波数帯で、一つの放射素子を通信とワイヤレス電力伝送とに兼用する場合にも同様に生じる。

そこで、本発明の目的は、周波数が離れた２つの周波数帯で放射素子を兼用する場合に、その放射素子を２つの周波数帯で有効に利用できるようにしたアンテナ装置およびそれを備える電子機器を提供することにある。

（１）本発明のアンテナ装置は、
第１絶縁体と、
前記第１絶縁体に固定され、透磁率が前記第１絶縁体より高い第２絶縁体と、
前記第１絶縁体に形成され、第１周波数帯の第１給電回路および放射素子に接続される第１結合導体と、
前記第２絶縁体に形成され、前記第１結合導体と結合し、前記第１周波数帯の周波数より低い第２周波数帯の第２給電回路に接続される第２結合導体と、
を備える。

上記の構成により、相対的に高周波帯である第１周波数帯の信号が、例えば非磁性フェライトのように透磁率が相対的に低い第１絶縁体に形成された第１結合導体に印加（通電）されるので、第１絶縁体に生じるヒステリシス損は小さい。また、相対的に低周波帯である第２周波数帯の信号は、磁性フェライトのように透磁率の高い第２絶縁体に形成された第２結合導体に、印加（通電）されるので、少なくとも磁界を介して強く結合する。さらに、第２絶縁体の高い透磁率により、所定のインダクタンスを得るために要する第２結合導体は短くて済むので、第２結合導体による導体損は小さい。これらの作用により、周波数が離れた２つの周波数帯で放射素子を兼用する場合に、その放射素子にトランスやバランが接続されることによる悪影響が軽減される。

（２）前記第１結合導体はコイル状であり、前記第２結合導体はコイル状であり、前記第１結合導体と前記第２結合導体とは、同じ巻回軸周りに巻回され、前記第１結合導体、前記第２結合導体、前記第１絶縁体および前記第２絶縁体が一つの素子として構成されることが好ましい。そのことにより、第１絶縁体と第２絶縁体との位置関係、および第１結合導体と第２結合導体との位置関係が一定になるので、第１給電回路および第２給電回路から視た放射素子の特性が安定化される。

（３）上記（１）または（２）において、前記第２結合導体は少なくとも一部が前記第２絶縁体から露出していてもよい。そのことにより、第２結合導体は第２周波数帯の放射素子の一部として利用できる。

（４）上記（１）から（３）のいずれかにおいて、前記第１絶縁体および前記第２絶縁体は一体焼結されたセラミックスであることが好ましい。これにより、第１絶縁体と第２絶縁体とは容易に一体化される。

（５）上記（１）から（４）のいずれかにおいて、前記第２結合導体のインダクタンスは前記第１結合導体のインダクタンスよりも大きいことが好ましい。

（６）上記（１）から（５）のいずれかにおいて、前記第１周波数帯はＵＨＦ帯またはＳＨＦ帯であり、前記第１周波数帯はＨＦ帯であることが好ましい。

（７）本発明の電子機器は、
第１周波数帯の第１給電回路と、前記第１周波数帯の周波数より低い第２周波数帯の第２給電回路と、アンテナ装置とを備え、
前記アンテナ装置は、
第１絶縁体と、
前記第１絶縁体に固定され、透磁率が前記第１絶縁体より高い第２絶縁体と、
前記第１絶縁体に形成され、前記第１給電回路および放射素子に接続される第１結合導体と、
前記第２絶縁体に形成され、前記第１結合導体と結合し、前記第２給電回路に接続される第２結合導体と、
を備えることを特徴とする。

上記の構成により、第１周波数帯を使用する通信時または電力伝送時の損失が低減され、放射素子を兼用することで小型化されるとともに低損失化が図れる。

（８）上記（７）において、前記放射素子を少なくとも一部に含む筐体を備えることが好ましい。

本発明によれば、周波数が離れた２つの周波数帯で放射素子を兼用する場合に、その放射素子を２つの周波数帯で有効に利用できるようにしたアンテナ装置およびそれを備える電子機器が得られる。

図１（Ａ）は第１の実施形態に係るアンテナ装置１０１の平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＡ−Ａ断面図であり、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。 図２はアンテナ装置１０１を備える、例えばスマートフォン等の電子機器の金属筐体部を示す斜視図である。 図３はアンテナ装置１０１の回路図である。 図４はバラン３の分解斜視図である。 図５は、図４におけるＣ−Ｃ部分での、バラン３の断面図である。 図６はアンテナ装置１０１の、集中定数素子による等価回路図である。 図７（Ａ）はUHF帯またはSHF帯でのアンテナ装置１０１の等価回路図であり、図７（Ｂ）はHF帯でのアンテナ装置１０１の等価回路図である。 図８は第２の実施形態に係るバラン３の断面図である。 図９は、第３の実施形態に係るアンテナ装置１０３の主要部を回路図として表した図であり、特に、トランス２に対する回路の接続関係を示す図である。 図１０は第４の実施形態に係るアンテナ装置１０４の、集中定数素子による等価回路図である。

各実施形態に示す「アンテナ装置」は、信号（または電力）の送信（送電）側、受信（受電）側のいずれにも適用できる。この「アンテナ装置」を、磁束を放射するアンテナとして説明する場合でも、そのアンテナ装置が磁束の発生源であることに限るものではない。伝送相手側アンテナ装置が発生した磁束を受ける（鎖交する）場合にも、すなわち各実施形態に示す「アンテナ装置」と通信相手側アンテナ装置との送受の関係が逆であっても、各実施形態に示す「アンテナ装置」は同様の作用効果を奏する。

以降に示す各実施形態に示す「アンテナ装置」は、通信相手側アンテナ装置と磁界結合を用いた近傍界通信のために用いられるアンテナ装置、または電力伝送相手側アンテナ装置と磁界結合を用いた近傍界での電力伝送のために用いられるアンテナ装置である。通信の場合には、例えばＮＦＣ（Near field communication）等の通信システムに適用される。電力伝送の場合には、例えば電磁誘導方式や磁界共鳴方式等の電力伝送システムに適用される。

各実施形態に示す第２周波数帯は、例えばＨＦ帯、特に13.56MHz、6.78MHzまたはそれらの近傍の周波数帯である。第２周波数帯におけるアンテナ装置の大きさは、第２周波数帯の波長λ₂に比べて十分に小さく、使用周波数帯においては電磁波の放射効率は低い。アンテナ装置の大きさはλ₂／10以下である。各実施形態に示す第１周波数帯は、例えばＵＨＦ帯またはＳＨＦ帯またはそれ以上高い周波数帯である。第１周波数帯におけるアンテナ装置の大きさは、第１周波数帯の波長λ₁と同程度またはそれより大きく、使用周波数帯においては電磁波の放射効率は高い。アンテナ装置の大きさはλ₁／10以上である。また、第２周波数帯は第１周波数帯の1／10以下の周波数である。なお、ここでいう波長とは、コイルアンテナ導体が形成される基材の誘電性や透磁性による波長短縮効果を考慮した実効的な波長である。

各実施形態において、「電子機器」とは、スマートフォンやフィーチャーフォン等の携帯電話端末、スマートウォッチやスマートグラス等のウェアラブル端末、ノートＰＣやタブレットＰＣ等の携帯ＰＣ、カメラ、ゲーム機、玩具等の情報機器、ＩＣタグ、ＳＤカード、ＳＩＭカード、ＩＣカード等の情報媒体等、様々な電子機器を指す。

《第１の実施形態》
図１（Ａ）は第１の実施形態に係るアンテナ装置１０１の平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＡ−Ａ断面図であり、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。図２はアンテナ装置１０１を備える、例えばスマートフォン等の電子機器の金属筐体部を示す斜視図である。図３はアンテナ装置１０１の回路図である。

アンテナ装置１０１は、放射素子１、基板６Ａ，６Ｂ、バッテリーパック８、キャパシタＣ１、第１給電回路８１、第２給電回路８２、バラン３、リアクタンス素子６１，６２およびキャパシタＣ４１，Ｃ４２，Ｃ４３，Ｃ４４を備える。電子機器の筐体は、第１給電回路８１、第２給電回路８２、その他の回路およびその他の部品を収納する。

放射素子１は、平面形状が矩形であって、導電性を有する平板である。放射素子１は、長手方向が横方向（図１（Ａ）におけるＸ方向）に一致しており、長手方向の両端に第１端部Ｅ１および第２端部Ｅ２を有する。この放射素子１は、図２に示すように、電子機器の金属筐体の一部である。すなわち、電子機器の筐体は放射素子１を一部に含む。放射素子１は、放射素子１の任意の２点間の放射素子１の表面または内部のみを経由した最短の長さのうち、最長となる長さが、後述の第１周波数帯の波長をλ₁で表したときのλ₁／10以上、後述の第２周波数帯の波長をλ₂で表したときのλ₂／10以下である。

なお、電子機器の筐体のうち放射素子を兼ねる部分は金属に限らず、グラファイト等でもよく、導電性を有すればよい。

基板６Ａ，６Ｂは、平面形状が矩形である絶縁体の平板である。基板６Ａは内部に平板状のグランド導体４を備える。基板６Ａ，６Ｂは、バッテリーパック８を挟んで縦方向（図１（Ａ）におけるＹ方向）に並べて配置され、且つ、同一平面上に配置される。基板６Ａおよび基板６Ｂは、図示しない同軸ケーブル等によって接続される。

キャパシタＣ１、第１給電回路８１、第２給電回路８２、バラン３、リアクタンス素子６１，６２およびキャパシタＣ４１〜Ｃ４４は、基板６Ａの一方主面（図１（Ａ）における基板６Ａの表側の面）に実装される。バラン３の構成については後に詳述する。キャパシタＣ１，Ｃ４１〜Ｃ４４は例えばチップキャパシタ等の電子部品である。チョークインダクタＣＨＣは例えばチップコイル等の電子部品である。

図３は、図１（Ａ）に示したアンテナ装置１０１の主要部を回路図として表した図であり、特に、バラン３に対する回路の接続関係を示す図である。

バラン３の第１コイル（「第１結合導体」）３１は、放射素子１とグランド導体４との間に接続される（図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）、図３参照）。具体的には、バラン３の端子Ｐ２２は、接続導体７１Ａおよび接続ピン７を介して放射素子１の第１端部Ｅ１付近に接続され、バラン３の端子Ｐ２１は、接続導体７２Ａおよび層間接続導体５２Ａを介してグランド導体４に接続される。バラン３の第２コイル（「第２結合導体」）３２の接続については後述する。

接続導体７１Ａ，７２Ａは、基板６Ａの一方主面に形成された線状の導体パターンである。接続ピン７は例えば可動型プローブピンであり、層間接続導体５２Ａは例えばビア導体である。

キャパシタＣ１は、放射素子１とグランド導体４との間に接続される。具体的には、キャパシタＣ１の一端は、接続導体７３Ａおよび接続ピン７を介して放射素子１の第２端部Ｅ２付近に接続され、キャパシタＣ１の他端は、接続導体７４Ａおよび層間接続導体（図示省略）を介してグランド導体４に接続される。接続導体７３Ａ，７４Ａは、基板６Ａの一方主面に形成された線状の導体パターンである。

したがって、図１（Ａ）に示すように、放射素子１、グランド導体４、バラン３の第１コイル３１およびキャパシタＣ１を含むループが構成される。

第１給電回路８１は、UHF帯またはSHF帯（第１周波数帯）用ＩＣである。第１給電回路８１の入出力部は、基板６Ａの一方主面に形成された接続導体、接続ピン７およびリアクタンス素子６１を介して、放射素子１の長手方向の第２端部Ｅ２付近に接続される。リアクタンス素子６１は例えばチップキャパシタ等の電子部品であり、第１給電回路８１は例えば２．４ＧＨｚ帯の無線ＬＡＮの通信システムの給電回路である。

リアクタンス素子６２を含めた放射素子１とグランド導体４との接続部は、放射素子１を含むアンテナと第１給電回路８１とのマッチング用に設けるスタブであり、リアクタンス素子６２が基板６Ａの一方主面に形成された接続導体および接続ピン７を介して、放射素子１の第２端部Ｅ２付近に接続される。リアクタンス素子６２は例えばチップキャパシタ等の電子部品である。なお、リアクタンス素子６２は必要に応じて複数備える構成であってもよい。但し、リアクタンス素子６２は必須の構成ではなく、スタブを設けない構成でもよい。また、接続部はリアクタンス素子６２を介さずに、放射素子１とグランド導体４とを直接接続してもよい。

第２給電回路８２は、平衡入出力型のHF帯（第２周波数帯）ＩＣである。第２給電回路８２の入出力部は、キャパシタＣ４１〜Ｃ４４を介してバラン３の第２コイル（「第２結合導体」）３２に接続されている（図３参照）。バラン３の第２コイル３２にはキャパシタＣ４１，Ｃ４２の直列回路が並列に接続されており、バラン３の第２コイル３２とキャパシタＣ４１，Ｃ４２とによってＬＣ共振回路が構成されている。第２給電回路８２はキャパシタＣ４３，Ｃ４４を介して上記ＬＣ共振回路にHF帯（第２周波数帯）の通信信号を給電する。第２給電回路８２は例えば１３．５６ＭＨｚのＲＦＩＤ用のＲＦＩＣ素子である。

上記バラン３の第２コイル３２は、放射素子１、グランド導体４、バラン３の第１コイル３１およびキャパシタＣ１を含むループと、磁界結合または電磁界結合（磁界結合および電界結合）する。

図４は上記バラン３の分解斜視図である。図５は、図４におけるＣ−Ｃ部分での、バラン３の断面図である。

バラン３は、コイルパターン３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄが形成された基材層Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４、コイルパターン３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄが形成された基材層Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８、コイルパターン３２ｅ，３２ｆ，３２ｇ，３２ｈが形成された基材層Ｓ９，Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２を備える。

コイルパターン３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄによって矩形ヘリカル状の第１コイル３１が構成される。また、コイルパターン３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄによって矩形ヘリカル状のコイル３２Ａが構成され、コイルパターン３２ｅ，３２ｆ，３２ｇ，３２ｈによって矩形ヘリカル状のコイル３２Ｂが構成される。このコイル３２Ａ，３２Ｂによって第２コイル３２が構成される。第１コイル３１と第２コイル３２は、第１コイル３１の巻回軸方向または第２コイル３２の巻回軸方向に平面視したとき、第１コイル３１のコイル開口と第２コイル３２のコイル開口とは重なる。さらには、第１コイル３１と第２コイル３２とは同軸である。すなわち、第１コイル３１と第２コイル３２は同じ巻回軸周りに巻回されている。基材層Ｓ１〜Ｓ１２の積層体の外面には入出力端子Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ２１，Ｐ２２が形成されるが、図４では図示を省略している。

上記複数の基材層のうち、基材層Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ９，Ｓ１０，Ｓ１１は磁性フェライトの層であり、基材層Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８，Ｓ１２は非磁性フェライトの層である。基材層Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８は、本発明に係る「第１絶縁体」に相当し、基材層Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ９，Ｓ１０，Ｓ１１は、本発明に係る「第２絶縁体」に相当する。すなわち、第１コイル３１は、実効透磁率が相対的に低い第１絶縁体に形成され、第２コイル３２は実効透磁率の高い第２絶縁体に形成される。より具体的には、第１コイル３１は、コイル導体に沿った長さ（コイル導体に流れる電流の電流経路の長さ）において、第２絶縁体よりも第１絶縁体に形成されている長さの割合が高く、第２コイル３２は、コイル導体に沿った長さ（コイル導体に流れる電流の電流経路の長さ）において、第１絶縁体よりも第２絶縁体に形成されている長さの割合が高くなるように形成されている。

バラン３は、磁性フェライトグリーンシートおよび非磁性フェライトグリーンシートに所定のコイルパターンが印刷形成され、積層圧着され、個片に分離され、それぞれ焼成されることで製造される。すなわち、「第２絶縁体」は「第１絶縁体」に固定され、両者は一体となっている。

このようにして、第１コイル３１と第２コイル３２とは、同じ巻回軸周りに巻回され、第１コイル３１（第１結合導体）、第２コイル３２（第２結合導体）、非磁性体層（第１絶縁体）および磁性体層（第２絶縁体）が一つの素子として構成される。そのことにより、非磁性体層と磁性体層との位置関係、および第１コイル３１と第２コイル３２との位置関係が一定になる。

図４・図５に表れているように、第２コイル３２は、第２コイル３２の巻回軸と垂直な平面において、磁性体（第２絶縁体）から露出している（磁性体内に埋設されていない）ので、また、磁性体層は第２コイル３２に関する閉磁路を構成せず、第２コイル３２に流れる電流により生じる磁束はバラン３の外部に拡がる。そのため、第２コイル３２は第２周波数帯の放射素子の一部としても利用できる。さらに、磁性体層は第２コイル３２に関する閉磁路を構成しないため、第２コイル３２に流れる電流により生じる磁束は第１コイル３１と鎖交しやすくなり、第１コイル３１と第２コイル３２との間の結合係数が高まり、第１コイル３１と第２コイル３２との間で伝送の効率が高まる。

図６はアンテナ装置１０１の、集中定数素子による等価回路図である。図６において、放射素子１をインダクタＬ０で表し、バラン３の第１コイル３１をインダクタＬ１で表し、バラン３の第２コイル３２をインダクタＬ２で表している。また、図６では、第２コイル３２と放射素子１との間の相互インダクタンスをＭ０２で表し、第１コイル３１と第２コイル３２との間の相互インダクタンスをＭ１２で表している。第２コイル３２と放射素子１との磁界結合は、上述のとおり、バラン３の第２コイルの磁路が開磁路であることに起因する。

なお、第２コイル３２を構成する導体と放射素子１を構成する導体とが磁界結合する必要はなく、第２給電回路８２が電気的に接続される第２コイル３２と、放射素子１を含むループに含まれる第１コイル３１とが少なくとも磁界結合により電気的に接続されればよい。

図７（Ａ）はUHF帯またはSHF帯でのアンテナ装置１０１の等価回路図であり、図７（Ｂ）はHF帯でのアンテナ装置１０１の等価回路図である。図７（Ａ）において、リアクタンス素子６１，６２をキャパシタＣ６１，Ｃ６２で表している。

UHF帯またはSHF帯（第１周波数帯）では、キャパシタＣ１は低インピーダンスであり、等価的にショート状態となる。そのため、図７（Ａ）において接地端ＳＰで示すとおり、放射素子１は所定の位置で接地される。チョークインダクタＣＨＣとバラン３の第１コイル３１との直列回路は、UHF帯またはSHF帯（第１周波数帯）では高インピーダンスであり、等価的にオープン状態となる。そのため、図７（Ａ）において開放端ＯＰで示すとおり、放射素子１の一端は開放される。

第１給電回路８１は放射素子１の接続点を給電点として電圧給電する。UHF帯またはSHF帯（第１周波数帯）では、放射素子１の開放端ＯＰが電流強度ゼロ、接地端ＳＰが電圧強度ゼロとなるように共振する。言い換えると、UHF帯またはSHF帯で共振するように、放射素子１の長さ等が定められている。ただし、この放射素子１は７００ＭＨｚ〜２．４ＧＨｚの周波数帯域のうちローバンドでは基本モードで共振し、ハイバンドでは高次モードで共振する。したがって、UHF帯またはSHF帯（第１周波数帯）では、図６において実線の矢印で示す領域に電流が流れる。

なお、UHF帯またはSHF帯（第１周波数帯）において、共振回路とはせずにキャパシタＣ１単独で用いる場合は、キャパシタＣ１は完全にはショート状態にはならないので、放射素子１の接地端ＳＰに多少の電圧強度が生じる。同様に、UHF帯またはSHF帯（第１周波数帯）において、反共振回路とはせずに第１コイル３１単独で用いる場合は、チョークインダクタＣＨＣとバラン３の第１コイル３１との直列回路は完全にはオープン状態にはならないので、放射素子１の開放端ＯＰに多少の電流強度が生じる。

このようにして、UHF帯またはSHF帯（第１周波数帯）において、放射素子１に電流強度および電圧強度の定在波が生じ、放射素子１は逆Ｆ型アンテナとして作用する。なお、ここでは逆Ｆ型アンテナを例示しているが、モノポールアンテナ、１波長ループアンテナ、逆Ｌ型アンテナ、板状逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）等のパッチアンテナ、スロットアンテナ、ノッチアンテナ等の、放射素子上に共振による電流強度および電圧強度の定在波が生じる他の定在波型アンテナでも同様に適用できる。

一方、HF帯（第２周波数帯）では、図７（Ｂ）に示すように、放射素子１（インダクタＬ１）、グランド導体４、バラン３の第１コイル３１およびキャパシタＣ１を含んだループが、ＬＣ共振回路を構成する。バラン３の第２コイル３２は、上述のとおり、ＬＣ共振回路を構成するループと主に磁界結合する。

上記ループはHF帯でＬＣ共振し、共振電流が流れる。言い換えると、HF帯で共振するように、放射素子１の長さ、バラン３の第１コイル３１およびキャパシタＣ１のリアクタンス成分等の回路定数が定められている。したがって、HF帯（第２周波数帯）では、図６において破線の矢印で示す領域に電流が流れる。

このようにして、HF帯（第２周波数帯）では、放射素子１、グランド導体４、バラン３の第１コイル３１およびキャパシタＣ１を含んだループが磁界放射に寄与する磁界放射型アンテナとして作用する。ここで、HF帯（第２周波数帯）ではループの長さは波長に対して十分に短いため、ループは磁界結合による通信のための微小ループアンテナとなっている。

なお、リアクタンス素子６１，６２は、HF帯（第２周波数帯）では高インピーダンスとなって、第１給電回路８１が等価的に接続されていない状態となるので、第１給電回路８１はHF帯の通信に影響を与えない。また、バラン３の第１コイル３１は、UHF帯またはSHF帯（第１周波数帯）では、高インピーダンスとなって、バラン３の第１コイル３１が等価的に接続されていない状態となる。したがって、バラン３の第１コイル３１を含んだループはオープン状態となるため、第２給電回路８２にUHF帯またはSHF帯の通信信号が流れることがなく、第２給電回路８２はUHF帯またはSHF帯の通信に影響を与えない。

本実施形態によれば次のような作用効果を奏する。

（１）ＵＨＦ・ＳＨＦ帯（第１周波数帯）の信号が、非磁性体（実効透磁率が相対的に低い第１絶縁体）に形成された第１コイル（第１結合導体）３１に印加（通電）されるが、第１絶縁体では、同じ磁界強度に対するヒステリシスループは小さいので、周波数が高くなるほど顕著に現れるヒステリシス損は抑えられる。また、ＨＦ帯（第２周波数帯）の信号は、磁性体（実効透磁率の高い第２絶縁体）に形成された第２コイル（第２結合導体）３２に、印加（通電）されるので、少なくとも磁界を介して強く結合する。さらに、磁性体（第２絶縁体）３２の高い実効透磁率により、所定のインダクタンスを得るために要する第２コイル（第２結合導体）３２は短くてよいので、第２コイル３２による導体損は小さい。これらの作用により、周波数が離れた２つの周波数帯で放射素子を兼用する場合に、その放射素子にバランが接続されることによる悪影響が軽減される。すなわち、第１周波数帯を使用する通信または電力伝送時および第２周波数帯を使用する通信または電力伝送時の損失が低減され、放射素子を兼用することで小型化されるとともに低損失化が図れる。

（２）非磁性体層と磁性体層との位置関係、および第１コイル３１と第２コイル３２との位置関係が一定になるので、第１給電回路８１および第２給電回路８２から視た放射素子１の特性（電界放射型アンテナとしての特性）、およびバラン３の第２コイル３２は、放射素子１、グランド導体４、バラン３の第１コイル３１およびキャパシタＣ１を含んだループ（磁界放射型アンテナ）としての特性が安定化される。

（３）第２コイル３２は磁性体（第２絶縁体）から露出している（磁性体に埋設されていない）ので、第２コイル３２は第２周波数帯の放射素子の一部としても利用できる。

（４）第２コイル３２は磁性体（第２絶縁体）から露出している（磁性体に埋設されていない）ので、第２コイル３２に流れる電流により生じる磁束は第１コイル３１と鎖交しやすくなり、第１コイル３１と第２コイル３２との間の結合係数が高まる。

（５）第１絶縁体および第２絶縁体は一体焼結されたセラミックスであるので、第１絶縁体と第２絶縁体とは容易に一体化される。

（６）第２絶縁体の実効透磁率は高いので、（第１絶縁体の実効透磁率との比較では第１絶縁体の実効透磁率より高いので）、第２コイル３２の自己インダクタンスは容易に大きくできる。このように、第２コイル３２の自己インダクタンスは大きいことで、第２コイル３２に流れる電流を抑えることができる。よって、大きなヒステリシス損を生じさせる第２コイル３２で、ＵＨＦ・ＳＨＦ帯（第１周波数帯）の信号の電力が消費されるのを抑えることができる。

（７）第１絶縁体の実効透磁率は低いので、（第２絶縁体の実効透磁率との比較では第２絶縁体の実効透磁率より低いので）、第１コイル３１の自己インダクタンスは容易に小さくできる。このように、第１コイル３１の自己インダクタンスが小さければ、本実施形態のアンテナ装置における伝送相手側アンテナ装置と磁界結合または電磁界結合するループの漏れインダクタンスが抑えられる。

（８）第１絶縁体の、いわゆるスタインメッツの実験式におけるヒステリシス係数は小さくできる（第２絶縁体との比較では第２絶縁体より第１絶縁体のヒステリシス係数を小さくできる）。このように、第１絶縁体の、上記ヒステリシス係数が小さいことにより、第１絶縁体でのヒステリシス損をさらに抑えることができる。

（９）第１絶縁体の電気絶縁性は高くできる（第２絶縁体との比較では第２絶縁体より電気絶縁性を高くできる）。このように、第１絶縁体の電気絶縁性が高いことにより、第１絶縁体での渦電流損（渦電流損は周波数が高くなるほど顕著に現れる。）を抑えることができる。

なお、本実施形態では、電子機器の筐体の一部に放射素子１を含む例を示したが、電子機器の筐体の全部が放射素子であってもよく、同様の作用効果を奏する。

《第２の実施形態》
第２の実施形態では、磁性体層、非磁性体層、第１コイル、および第２コイルの位置関係が第１の実施形態のバランとは異なるバランについて示す。

図８は第２の実施形態に係るバラン３の断面図である。このバラン３は、基材層Ｓ０〜Ｓ１２を備え、基材層Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８に矩形ヘリカル状の第２コイル３２が形成されている。また、基材層Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に矩形ヘリカル状のコイル３１Ａ、基材層Ｓ９，Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２に矩形ヘリカル状のコイル３１Ｂ、がそれぞれ形成されている。このコイル３１Ａ，３１Ｂによって第１コイル３１が構成される。第１コイル３１と第２コイル３２は、第１コイル３１の巻回軸方向または第２コイル３２の巻回軸方向に平面視したとき、第１コイル３１のコイル開口と第２コイル３２のコイル開口は重なる。さらには、第１コイル３１と第２コイル３２は同軸である。すなわち、第１コイル３１と第２コイル３２は同じ巻回軸周りに巻回されている。基材層Ｓ０〜Ｓ１２の積層体の外面には入出力端子が形成されている。

上記複数の基材層のうち、基材層Ｓ０〜Ｓ４，Ｓ８〜Ｓ１２は非磁性フェライトの層であり、基材層Ｓ５〜Ｓ７は磁性フェライトの層である。上記非磁性フェライトの層は本発明に係る「第１絶縁体」に相当し、上記磁性フェライトの層は本発明に係る「第２絶縁体」に相当する。

本実施形態のバラン３は、図５に示したバランとは逆に、第２コイル３２が第１コイル３１Ａ，３１Ｂで積層方向に挟まれた構造である。また、磁性体層が非磁性体層で挟まれた構造である。

本実施形態で示したバランを有するアンテナ装置およびそれを備える電子機器においても第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。

《第３の実施形態》
第３の実施形態では、第１給電回路、第２給電回路のいずれも不平衡給電する場合について示す。

図９は、第３の実施形態に係るアンテナ装置１０３の主要部を回路図として表した図であり、特に、トランス２に対する回路の接続関係を示す。第１の実施形態で図３に示した回路と比較すると明らかなように、第２給電回路８２は第２周波数帯の給電回路であり、トランス２の第２コイル２２に不平衡給電する。トランス２の第１コイル２１は放射素子１とグランド導体との間に接続される。第１コイル２１は実効透磁率が低い第１絶縁体に形成され、第２コイル２２は実効透磁率が高い第２絶縁体に形成される。第１絶縁体、第２絶縁体の構成は、図４、図５、図８等に示したとおりである。

放射素子１、グランド導体、トランス２の第１コイル２１およびキャパシタＣ１を含んだループが構成される。このループが磁界放射型アンテナとして作用する。放射素子１に対する第１給電回路８１の接続構造は第１の実施形態と同じである。

本実施形態によれば、放射素子１を含む磁界放射型アンテナと第２給電回路８２とが、トランス２によりインピーダンス整合される。また、第２給電回路８２と磁界放射型アンテナとの結合を高めることができ、第２給電回路８２から磁界放射型アンテナに対して高効率で給電できる。

《第４の実施形態》
第４の実施形態では、平衡型の給電回路で磁界放射型アンテナに不平衡給電する例を示す。

図１０は第４の実施形態に係るアンテナ装置１０４の、集中定数素子による等価回路図である。このアンテナ装置１０４はバラン３およびトランス２を備える。バラン３の第１コイル３３はトランス２の第２コイル２２に、キャパシタＣ３を介して接続され、トランス２の第１コイル２１は、磁界放射型アンテナのループの一部として接続されている。その他の構成は第１の実施形態で示したアンテナ装置１０１と同じである。

バラン３の第１コイル３３、トランス２の第２コイル２２およびキャパシタＣ３によってＬＣ共振回路が構成されている。第２給電回路８２はバラン３の第２コイル３４に平衡給電する。この信号（電力）は上記ＬＣ共振回路を介してトランス２の第１コイル２１を含む上記磁界放射型アンテナのループに不平衡給電される。

第３の実施形態で示したアンテナ装置１０３と同様に、トランス２の第１コイル２１は、実効透磁率の低い絶縁体に形成され、トランス２の第２コイル２２は、実効透磁率の高い絶縁体に形成される。

本実施形態においては、バラン３の第１コイル３３、第２コイル３４のいずれにも、第１給電回路８１から給電される第１周波数帯の信号電流は流れないので、バラン３の第１コイル３３、第２コイル３４のいずれも実効透磁率の高い絶縁体に形成される。従って、本実施形態によれば、第１コイル３３と第２コイル３４とは実効透磁率の高い絶縁体を介して磁界結合するので、第１コイル３３と第２コイル３４との間の結合係数が高まり、第１コイル３３と第２コイル３４との間で伝送効率が高まる。

《他の実施形態》
図５、図８に示したバランでは、第２コイルが第１コイルで積層方向に挟まれた構造、または第１コイルが第２コイルで積層方向に挟まれた構造を示したが、このようなサンドイッチ構造ではなく、第１コイル３１と第２コイル３２が単に積層された構造であってもよい。更には、第１コイル３１と第２コイル３２とが交互に繰り返し配置される構造であってもよい。このことはバランに限らず、トランスについても同様である。

また、バランやトランスの磁芯または空芯に相当する部分は、磁性体層と非磁性体層とが直線状に配置された構造に限らず、全体がトロイダル状であってもよい。例えば、Ｃ字状のように一部にギャップを有する磁性体と、そのギャップ位置に配置された非磁性体とで構成され、非磁性体部分に第１コイルが形成され、磁性体部分に第２コイルが形成されてもよい。

また、本発明に係るバランやトランスは、基材の積層体に構成されるのではなく、非磁性体および磁性体で構成されるボビンに第１コイルおよび第２コイルが巻回されることによって構成されてもよい。

また、図５、図８に示したバランでは、磁性フェライトの層と非磁性フェライトの層を積層した例を示したが、透磁率が相対的に低い第１絶縁体に第１結合導体が形成され、透磁率が相対的に高い第２絶縁体に第２結合導体が形成されればよい。

また、第１コイルが形成される基材層が直ちに第１絶縁体に対応する必要はなく、基材の積層状態で、第１コイルの近傍に非磁性体が存在し、第２コイルの近傍に磁性体が存在すればよい。

また、或る層内での透磁率が不均一であってもよい。例えば第２コイルのコイル開口内に磁性体、第２コイルのコイルパターンの外側が非磁性体であってもよい。

また、第１絶縁体と第２絶縁体との境が、非磁性体と磁性体との明確な境界面である必要はない。第１絶縁体、第２絶縁体の一方または両方が磁性体と非磁性体との混合体であってもよい。また、磁性体と非磁性体との割合が偏在していて、透磁率に勾配があってもよい。

また、第１結合導体（第１コイル）、第２結合導体（第２コイル）は、巻回軸から視て矩形に限らず、円形、楕円形、その他の形状であってもよい。

また、第１結合導体、第２結合導体は、第２結合導体が第１結合導体に対して、磁界結合または電磁界結合（磁界結合および電界結合）するものであれば、巻回軸から視て周回していなくてもよい。すなわち、例えば第１結合導体、第２結合導体は、直線状であってもよい。

なお、上述の実施形態では、主にＮＦＣ等の磁界結合を利用した通信システムにおけるアンテナ装置および電子機器を説明したが、上述の実施形態におけるアンテナ装置および電子機器は、磁界結合を利用した非接触電力伝送システム（電磁誘導方式、磁界共鳴方式等）でも同様に用いることができる。例えば、上述の実施形態におけるアンテナ装置は、ＨＦ帯、特に6.78MHzまたは6.78MHz近傍の周波数で使用される磁界共鳴方式の非接触電力伝送システムの受電装置に受電アンテナ装置として適用できる。この場合でも、アンテナ装置は受電アンテナ装置として機能する。非接触電力伝送システムにおいては、上述の実施形態で示した「給電回路」は受電回路または送電回路に相当する。受電回路である場合は、受電アンテナ装置に接続され、負荷（例えば、二次電池）に電力を給電する。また、送電回路である場合は、送電アンテナ装置に接続され、送電アンテナ装置に電力を給電する。

なお、以上に述べた「実効透磁率」とは、結合導体に実効的に影響を与える透磁率という意味での表現である。例えば、第１絶縁体の実効透磁率は、第１結合導体に影響を与える第１絶縁体の透磁率であり、第２絶縁体の実効透磁率は、第２結合導体に影響を与える第２絶縁体の透磁率である。また、透磁率が磁界強度によって変化する場合には、ＵＨＦ・ＳＨＦ帯（第１周波数帯）の信号において、電流１周期あたりの時間平均の透磁率が実効透磁率である。さらに、第１絶縁体と第２絶縁体の少なくとも何れかが、不均質性または異方性を有する場合は、第１絶縁体を含めた第１結合導体に生じるインダクタンスを、第１結合導体の導体形状のみにより定まるインダクタンスで割った値が第１絶縁体の実効透磁率である。同様に、第２絶縁体を含めた第２結合導体に生じるインダクタンスを、第２結合導体の導体形状のみにより定まるインダクタンスで割った値が第２絶縁体の実効透磁率である。

最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。

Ｃ１，Ｃ３…キャパシタ
Ｃ４１，Ｃ４２，Ｃ４３，Ｃ４４…キャパシタ
Ｃ６１，Ｃ６２…キャパシタ
ＣＨＣ…チョークインダクタ
Ｅ１…第１端部
Ｅ２…第２端部
Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２…インダクタ
ＯＰ…開放端
Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ２１，Ｐ２２…入出力端子
Ｓ０〜Ｓ１２…基材層
ＳＰ…接地端
１…放射素子
２…トランス
３…バラン
４…グランド導体
６Ａ，６Ｂ…基板
７…接続ピン
８…バッテリーパック
２１…第１コイル
２２…第２コイル
３１…第１コイル（第１結合導体）
３１Ａ，３１Ｂ…第１コイル
３１ａ〜３１ｄ…コイルパターン
３２…第２コイル（第２結合導体）
３２Ａ，３２Ｂ…コイル
３２ａ〜３２ｈ…コイルパターン
３３…第１コイル
３４…第２コイル
５２Ａ…層間接続導体
６１，６２…リアクタンス素子
７１Ａ，７２Ａ…接続導体
７３Ａ，７４Ａ…接続導体
８１…第１給電回路
８２…第２給電回路
１０１，１０３，１０４…アンテナ装置

Claims (8)

1. 第１絶縁体と、
   前記第１絶縁体に固定され、透磁率が前記第１絶縁体より高い第２絶縁体と、
   前記第１絶縁体に形成され、第１周波数帯の第１給電回路および放射素子に接続される第１結合導体と、
   前記第２絶縁体に形成され、前記第１結合導体と少なくとも磁界結合し、前記第１周波数帯の周波数より低い第２周波数帯の第２給電回路に接続される第２結合導体と、
   を備えるアンテナ装置。
2. 前記第１結合導体はコイル状であり、前記第２結合導体はコイル状であり、前記第１結合導体と前記第２結合導体とは、一方の巻回軸から平面視したとき、それぞれのコイル開口が重なり、前記第１結合導体、前記第２結合導体、前記第１絶縁体および前記第２絶縁体が一つの素子として構成された、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第２結合導体は少なくとも一部が前記第２絶縁体から露出している、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第１絶縁体および前記第２絶縁体は一体焼結されたセラミックスである、請求項１から３のいずれかに記載のアンテナ装置。
5. 前記第２結合導体のインダクタンスは前記第１結合導体のインダクタンスよりも大きい、請求項１から４の何れかに記載のアンテナ装置。
6. 前記第１周波数帯はＵＨＦ帯またはＳＨＦ帯であり、前記第１周波数帯はＨＦ帯である、請求項１から５の何れかに記載のアンテナ装置。
7. 第１周波数帯の第１給電回路と、前記第１周波数帯の周波数より低い第２周波数帯の第２給電回路と、アンテナ装置とを備える電子機器であり、
   前記アンテナ装置は、
   第１絶縁体と、
   前記第１絶縁体に固定され、透磁率が前記第１絶縁体より高い第２絶縁体と、
   前記第１絶縁体に形成され、前記第１給電回路および放射素子に接続される第１結合導体と、
   前記第２絶縁体に形成され、前記第１結合導体と結合し、前記第２給電回路に接続される第２結合導体と、
   を備えることを特徴とする電子機器。
8. 前記放射素子を少なくとも一部に含む筐体を備える、請求項７に記載の電子機器。

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