JP2018201080A - アンテナ装置、及び、電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】導体との距離に応じた所望の通信特性が得られるアンテナ装置、及び、電子機器を提供する。
【解決手段】アンテナ装置は、給電される第1端部及び第2端部を有し、通信周波数における波長のN(Nは1以上の整数)倍に対応する第1長さを有する第1ループアンテナと、前記波長のN倍に対応する第2長さを有する第2ループアンテナと、前記第1ループアンテナの前記第1端部から前記通信周波数における四半波長のM(Mは1以上の整数)倍に対応する第3長さの位置において、前記第1ループアンテナと前記第2ループアンテナとを接続する第1接続導体と、前記第1ループアンテナの前記第2端部から前記第3長さの前記第1接続導体とは異なる位置において、前記第1ループアンテナと前記第2ループアンテナとを接続する第2接続導体とを含む。
【選択図】図1

Description

本発明は、アンテナ装置、及び、電子機器に関する。
従来より、絶縁面上に多重ループを成すように設けられていると共に、共通給電点に並列接続されている複数のループ状アンテナ導体と、各ループ状アンテナ導体を上記並列接続以外の位置において短絡結合する短絡線とを具備する広帯域ループアンテナ(アンテナ装置)がある(例えば、特許文献1参照)。
特開平03−114303号公報
上述のように、従来のアンテナ装置は、複数のループ状アンテナ導体に共通給電点から給電を行うことによって広帯域化を図るものであり、アンテナ装置が導体に近づいたときにおける放射特性の劣化を抑制するものではない。また、従来のアンテナ装置は、アンテナ装置が導体に近づいたときに限らず、導体との距離に応じて所望の通信特性が得られるように放射特性を設定するものではない。
そこで、導体との距離に応じた所望の通信特性が得られるアンテナ装置、及び、電子機器を提供することを目的とする。
本発明の実施の形態のアンテナ装置は、給電される第1端部及び第2端部を有し、通信周波数における波長のN(Nは1以上の整数)倍に対応する第1長さを有する第1ループアンテナと、前記波長のN倍に対応する第2長さを有する第2ループアンテナと、前記第1ループアンテナの前記第1端部から前記通信周波数における四半波長のM(Mは1以上の整数)倍に対応する第3長さの位置において、前記第1ループアンテナと前記第2ループアンテナとを接続する第1接続導体と、前記第1ループアンテナの前記第2端部から前記第3長さの前記第1接続導体とは異なる位置において、前記第1ループアンテナと前記第2ループアンテナとを接続する第2接続導体とを含む。
導体との距離に応じた所望の通信特性が得られるアンテナ装置、及び、電子機器を提供することができる。
実施の形態のアンテナ装置100を示す図である。 実施の形態のアンテナ装置100を示す図である。 アンテナ装置100に生じる電流の向きを示す図である。 アンテナ装置100のシミュレーション結果を示す図である。 アンテナ装置100のシミュレーション結果を示す図である。 アンテナ装置100のトータル効率のシミュレーション結果を示す図である。 アンテナ装置100Aを示す図である。 アンテナ装置100Aを示す図である。 アンテナ装置100Bを示す図である。 アンテナ装置100Bを示す図である。 アンテナ装置100Aの動作利得を示す図である。 アンテナ装置100Bの動作利得を示す図である。 アンテナ装置100Bの他の形態を示す図である。 図13に示すアンテナ装置100BのS11パラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。 図13に示すアンテナ装置100Bの動作利得(dBi)を示す図である。 アンテナ装置100Cを示す図である。 アンテナ装置100Cのトータル効率のシミュレーション結果を示す図である。 アンテナ装置100Cの動作利得のシミュレーション結果を示す図である。 アンテナ装置100Cの端部111C及び112Cと端部113C及び114Cを拡大して示す図である。 アンテナ装置100Cのトータル効率のシミュレーション結果を示す図である。 アンテナ装置100Cの動作利得のシミュレーション結果を示す図である。 実施の形態の変形例のアンテナ装置100Dを示す図である。 アンテナ装置100Dのトータル効率のシミュレーション結果を示す図である。 アンテナ装置100Dの動作利得のシミュレーション結果を示す図である。 アンテナ装置100Cのトータル効率のシミュレーション結果を示す図である。 アンテナ装置100Cの動作利得のシミュレーション結果を示す図である。 実施の形態の変形例のアンテナ装置100Eを示す図である。 実施の形態の変形例のアンテナ装置100Fを示す図である。 実施の形態の変形例のアンテナ装置100Gを示す図である。 実施の形態の変形例のアンテナ装置100Hを示す図である。 電子機器500を示す図である。
以下、本発明のアンテナ装置、及び、電子機器を適用した実施の形態について説明する。
<実施の形態>
図1及び図2は、実施の形態のアンテナ装置100を示す図である。図1には平面図(右)と拡大図(左)を示し、図2には斜視図を示す。以下では、XYZ座標系を用いて説明する。また、平面視とはXY平面視をいう。
アンテナ装置100は、一例として、通信周波数(共振周波数)が2.4GHzのアンテナ装置であり、例えば、IoT(Internet Of Things)用のセンサデバイスに取り付けられて、センサデバイスで検出された様々な情報等を他のアンテナ装置100又はサーバ等に伝送するために用いることができる。このようなセンサデバイスは、導体(金属導体又は金属以外の導体)の近く、又は、不導体(絶縁体)の近く等の様々な場所に設置される可能性がある。
以下では、導体の近くに設置されても所望の放射特性を有し、良好な通信特性を発揮するアンテナ装置100について説明する。以下では、導体が特に金属である場合について主体的に説明するが、導体は金属に限られない。また、導体の近くに限らず、導体から離れた場所に設置されても所望の射特性を有し、良好な通信特性を発揮するアンテナ装置100等についても説明する。
アンテナ装置100は、基板101、ループアンテナ110、120、接続部130、140、及び整合回路150を含む。基板101、ループアンテナ110、120、接続部130、140、及び整合回路150は、基板101のZ軸正方向側の表面101Aに設けられている。なお、整合回路150は、図1の左側の拡大図のみに示す。
基板101は、絶縁体製の基板であればよく、例えば、FR4(Flame Retardant type 4)規格の配線基板用の絶縁層、又は、ポリイミド等のようなフレキシブル基板を用いることができる。ここでは一例として、FR4規格の配線基板用の絶縁層を用いる場合について説明する。
FR4規格の配線基板用の絶縁層を基板101として用いる場合には、ループアンテナ110、120、及び接続部130、140は、基板101の表面101Aに設けられる銅箔をエッチング処理によってパターニングすることによって作製することができる。なお、一例として、基板101のX軸方向及びY軸方向の長さは、51mmである。
ループアンテナ110は、2つの端部111、112を有し、端部111、112を両端とする平面視で円形のループアンテナである。一例として、ループアンテナ110の直径は、43mmであり、ループアンテナ110の線幅は1mmである。
また、ループアンテナ110は、端部112の近くに、整合回路150を直列に挿入するための端部113及び114を有する。ループアンテナ110は、端部113及び114の間で途切れており、整合回路150によって接続されている。ループアンテナ110は、第1ループアンテナの一例である。
ループアンテナ110は、接続部130、140を介してループアンテナ120に接続されている。ループアンテナ110の端部111から端部112までの長さは、通信周波数(2.4GHz)における1波長の電気長に対応する長さに設定されている。ループアンテナ110の長さは、第1長さの一例である。
1波長の電気長に対応する長さとは、1波長の電気長と等しい長さに限らず、ループアンテナ110のインピーダンスを調整するために、1波長の電気長よりも少し短く又は長く設定される長さを含む意味である。
ループアンテナ110は、端部111、112において給電される。例えば、同軸ケーブルを用いて給電する場合には、端部111、112の一方に芯線を接続し、他方にシールド線を接続することになる。このようにして端部111、112に2.4GHzの交流電源を接続してループアンテナ110に給電を行う。ループアンテナ110を給電すると、ループアンテナ120にも電流が流れる。
ループアンテナ120は、平面視でループアンテナ110の内側に設けられており、端部を有しない円周状のループアンテナである。ループアンテナ120は、平面視でループアンテナ110と中心102を合わせた状態で同心円状に設けられている。一例として、ループアンテナ120の直径は、37mmであり、ループアンテナ120の線幅は1mmである。ループアンテナ120は、第2ループアンテナの一例である。
ループアンテナ120の円周状に沿った長さは、通信周波数(2.4GHz)における1波長の電気長に対応する長さに設定されている。ループアンテナ120の長さは、第2長さの一例である。
1波長の電気長に対応する長さの意味は、ループアンテナ110のものと同様である。ループアンテナ120は、ループアンテナ110の内側に同心円状に配置されているため、ループアンテナ120の長さは、ループアンテナ110の長さよりも短いが、両方とも通信周波数(2.4GHz)における1波長の電気長に対応する長さである。
ループアンテナ120は、接続部130、140を介してループアンテナ110に接続されている。ループアンテナ110が給電されて電流が流れると、ループアンテナ120にも電流が流れる。
接続部130は、ループアンテナ110の接続点115と、ループアンテナ120の接続点121とを接続する。また、接続部140は、ループアンテナ110の接続点116と、ループアンテナ120の接続点122とを接続する。接続点115及び116は、それぞれ、端部111、112から通信周波数(2.4GHz)における四半波長の電気長に対応する長さの位置にある。また、接続部130、140は、Y軸に沿って伸延している。
また、接続点121及び122は、ループアンテナ120の半周分離れており、X軸方向における位置は、接続点115及び116と等しい。接続点121及び122は、端部111、112の中点と、ループアンテナ110の中心102(図1参照)とを通る直線を対称軸として、線対称な位置に配置される。接続点121及び122は、それぞれ、第1接続点及び第2接続点の一例である。また、一例として、接続部130、140の長さは2mmである。接続部130は第1接続導体の一例であり、接続部140は第2接続導体の一例である。
ループアンテナ110及び120は、ともに通信周波数(2.4GHz)における1波長の電気長に対応する長さを有するため、ループアンテナ110及び120の物理的なループ長の差は小さい。また、ループアンテナ110及び120は、同心円状に配置される。従って、接続部130、140の長さは短く、ループアンテナ110及び120は、径方向に互いに近接配置される。
接続部130、140の長さは、ループアンテナ110に流れる電流の向きと、ループアンテナ120に流れる電流の向きとを合わせることができる程度に短い長さに設定すればよい。接続部130、140の長さが長すぎると、ループアンテナ110及び120の電流の向きを合わせることができなくなる。ループアンテナ110及び120の電流の向きを合わせるとは、ループアンテナ110及び120に流れる電流の方向及び位相が一致していることをいう。
ループアンテナ110及び120は、ともに通信周波数(2.4GHz)における1波長の電気長に対応する長さを有し、ループアンテナ110は、端部111、112で給電される。また、接続点115及び116は、それぞれ、端部111、112から通信周波数(2.4GHz)における四半波長の電気長に対応する長さの位置にある。
このため、ループアンテナ110には、2.4GHzにおける共振による定在波の節が接続点115及び116に生じ、腹が端部111、112と対応点117に生じる。対応点117は、端部111及び112から半波長の電気長の位置であり、接続点115、116の中点である。定在波の節では電圧が最大で電流が最小になり、腹では電流が最大で電圧が最小になる。
すなわち、ループアンテナ120は、接続部130、140によって、ループアンテナ110に節が生じる位置に接続されている。このため、ループアンテナ120にも2.4GHzにおける共振による定在波が生じ、接続部130、140に接続される接続点121、122に定在波の節が生じ、対応点123、124に腹が生じる。対応点123、124は、接続点121及び122の中点であり、それぞれ、ループアンテナ110の給電点(端部111、112)、対応点117に対応する位置にある点である。
整合回路150は、キャパシタ及び/又はインダクタのチップであり、ループアンテナ110のインピーダンスを調整するために設けられている。ここでは、一例として、0.1pFのキャパシタチップを端部113及び114の間に直列に挿入する形態について説明するが、インダクタチップを用いてもよいし、インダクタチップ及びキャパシタチップの両方を用いてもよい。これらのインピーダンス整合用のチップは、端部113及び114の間に直列に挿入する代わりに、又は、これに加えて、端部111、112の間に渡して設けてもよい。
図3は、アンテナ装置100に生じる電流の向きを示す図である。図3では、基板101を省略し、矢印で電流の向きを示す。電流は、ループアンテナ110では、接続点115から接続点116に向かって流れ、このときにループアンテナ120では、接続点121から接続点122に向かって流れる。
一例として、図3に示す電流の向きは、端部111、112(給電点)と、対応点117とに生じる電流の定在波の腹の振幅が最大になったタイミングのものであることとすると、位相が180度異なるタイミングでは、電流の向きは逆になる。
このように、接続部130、140から見て、ループアンテナ110と120には、同一方向に電流が流れる。同一方向とは、ループアンテナ110において接続点115から端部111、112を経て接続点116に向かって電流が流れる方向と、ループアンテナ120において接続点121から対応点123を経て接続点122に向かって電流が流れる方向とが同じであることをいう。また、ループアンテナ110において接続点115から対応点117を経て接続点116に向かって電流が流れる方向と、ループアンテナ120において接続点121から対応点124を経て接続点122に向かって電流が流れる方向とが同じであることをいう。
このため、アンテナ装置100では、ループアンテナ110及び120に流れる電流によって放射される電磁波が合成されて放射が増大し、良好な放射特性が得られ、通信特性が良好になることと考えられる。なお、シミュレーションで電流の向きを確認したところ、図3と同一の結果が得られた。
図4及び図5は、アンテナ装置100のシミュレーション結果を示す図である。図4には、アンテナ装置100と金属導体との距離に対するトータル効率(dB)の特性を示し、図5には、アンテナ装置100と金属導体との距離に対する動作利得(dBi)の特性を示す。ここでの動作利得とは、3次元放射パターンの最大動作利得を指す。なお、横軸の距離(波長規格)は、2.4GHzにおける1波長の電気長で規格化(距離を電気長で除算)した値で示す。
また、図4及び図5には、比較用に、通信周波数が2.4GHzのダイポールアンテナ(Dipole)及びループアンテナ(Loop)の金属導体との距離に対するトータル効率の特性のシミュレーション結果を示す。アンテナ装置100の特性を菱形のデータ点で示し、ダイポールアンテナ及びループアンテナの特性を四角形及び三角形のデータ点でそれぞれ示す。
図4に示すように、ダイポールアンテナ及びループアンテナのトータル効率は、距離が1から1/32辺りまでは−10(dB)以上で良好な値を示すが、距離が1/32よりも短くなると−10(dB)未満になり、良好な通信特性が得られなくなる傾向がある。
これに対して、アンテナ装置100のトータル効率は、距離が1から1/128までの略全体にわたって−10(dB)以上で良好な値を示している。距離が1/2のときに−10(dB)を下回るが、−11(dB)程度であり、問題のない値が得られている。
また、図5に示す動作利得については、ダイポールアンテナ及びループアンテナでは、距離が1から1/64辺りまでは−5(dBi)以上で良好な値を示すが、距離が1/64よりも短くなると−5(dBi)未満になり、良好な通信特性が得られなくなる傾向がある。
これに対して、アンテナ装置100の動作利得は、距離が1から1/128までの全体にわたって−5(dBi)以上で良好な値が得られており、良好な通信特性が得られることが分かる。
図6は、アンテナ装置100から基板101を取り除いたときのトータル効率のシミュレーション結果を示す図である。図6には、アンテナ装置100の整合回路150を端部113及び114の間においてループアンテナ110に直列に挿入される0.2pFのキャパシタチップと、端部111及び112の間においてループアンテナ110に並列に挿入される0.3pFのキャパシタチップとを含む構成にした場合におけるトータル効率(dB)の金属導体との距離に対する特性を示す。なお、図4及び図5と同様に、横軸の距離は、2.4GHzにおける1波長の電気長で規格化(距離を電気長で除算)してある。
また、図6には、比較用に、通信周波数が2.4GHzのダイポールアンテナ(Dipole)及びループアンテナ(Loop)の金属導体との距離に対するトータル効率の特性のシミュレーション結果を示す。アンテナ装置100の特性を菱形のデータ点で示し、ダイポールアンテナ及びループアンテナの特性を四角形及び三角形のデータ点でそれぞれ示す。比較用のダイポールアンテナ及びループアンテナの特性は、図4と同様である。
ダイポールアンテナ及びループアンテナのトータル効率は、距離が1/32よりも短くなると、良好ではなくなるのに対して、アンテナ装置100のトータル効率は、距離が1から1/128までの全体にわたって−10(dB)以上で良好な値が得られている。
図7乃至図10は、アンテナ装置100A、100Bを示す図である。アンテナ装置100A、100Bは、アンテナ装置100から基板101と整合回路150を取り除き、端部113及び114の間を0Ω抵抗で接続した構成を有する。アンテナ装置100A、100Bの違いは、湾曲させているか否かである。図7、図9には、XY平面視におけるアンテナ装置100A、100Bをそれぞれ示し、図8、図10には、YZ面視におけるアンテナ装置100A、100Bをそれぞれ示す。
図7及び図8に示すように、アンテナ装置100Aは、XY平面に平行なシート状のアンテナ装置である。また、図9及び図10に示すように、アンテナ装置100Bは、X軸の周りに湾曲されたシート状のアンテナ装置である。例えば、ループアンテナ110、120、接続部130、140がフレキシブル基板に設けられている場合、又は、円筒状の部材の外周面に設けられている場合には、アンテナ装置100Bのように湾曲される場合がある。
図11及び図12は、アンテナ装置100A、100Bの指向性をそれぞれ示す図である。図11及び図12は、図8及び図10に示すようにアンテナ装置100A、100BをX軸負方向側からYZ面視した状態での指向性を示す。ここでは、指向性を動作利得で表す。なお、アンテナ装置100A、100Bは、整合回路150(図1参照)を含まない。このため、図1に示す端部113及び114の間は0Ω抵抗で接続されている。
図11に示すように、アンテナ装置100Aの動作利得は、90度方向にヌル点のように低下する点があるが、0度側及び180度側において指向性が対称であり、0度方向及び180度方向において、約−2.5dBiの良好な値が得られている。
また、図12に示すように、アンテナ装置100Bの指向性は、90度方向の動作利得がアンテナ装置100Aに比べて改善され、0度側及び180度側において指向性が対称であり、0度方向及び180度方向において、約0dBiの良好な値が得られている。
図13は、アンテナ装置100Bの他の形態を示す図である。図13では、アンテナ装置100Bは、金属製の円筒状の部材160の外周部に貼り付けられている。この部材は、350ml用の金属缶に相当し、直径が66mm、高さが122mmである。
図14は、図13に示すアンテナ装置100BのS11パラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。図15は、図13に示すアンテナ装置100Bの動作利得(dBi)を示す図であり、図10に示すようにアンテナ装置をX軸負方向側からYZ面視した状態での指向性を示す。
図14に示すように、通信周波数(2.4GHz)において約−3.5dBであり、反射が少なく良好な放射特性が得られていることが確認できた。また、図15では、図12と同様にアンテナ装置100Bは位置しているため、0度方向の動作利得は低いが、アンテナ装置100Bの中心が金属缶の外側を向く180度方向では、−5.9dBiの動作利得が得られており、例えば、屋内で利用する場合のように、通信距離がそれほど長くない場合であれば、十分に使用できるレベルの動作利得が得られることが分かった。
図16は、アンテナ装置100Cを示す図である。アンテナ装置100Cは、ループアンテナ110C、120C、及び接続部130C、140Cを示す。アンテナ装置100Cでは、ループアンテナ110Cは、平面視でループアンテナ120Cの内側に位置しており、給電点になる端部111C及び112Cは、ループアンテナ110Cの内側に位置し、中心方向を向いている。
このように、アンテナ装置100Cは、図1及び図7に示すアンテナ装置100及び100Aと比べると、ループアンテナ110と120の位置を入れ替え、端部111、112を径方向内側に引き出した構成を有する。このため、同様の構成要素に添え字Cを付す。なお、図16では整合回路150を省略するが、端部113C及び114Cの間に接続可能であり、端部111C及び112Cの間に接続してもよい。
図17は、アンテナ装置100Cのトータル効率のシミュレーション結果を示す図である。図18は、アンテナ装置100Cの動作利得のシミュレーション結果を示す図である。図17及び図18の横軸及び縦軸は、それぞれ、図4及び図5と同様である。また、図17及び図18には、比較用に、通信周波数が2.4GHzのダイポールアンテナ(Dipole)、ループアンテナ(Loop)、及びアンテナ装置100(図1及び図7参照)の金属導体との距離に対するトータル効率の特性のシミュレーション結果を示す。
アンテナ装置100Cの特性を*のデータ点で示し、アンテナ装置100の特性を菱形のデータ点で示し、ダイポールアンテナ及びループアンテナの特性を四角形及び三角形のデータ点でそれぞれ示す。比較用のダイポールアンテナ、ループアンテナ、及びアンテナ装置100の特性は、図4と同様である。
図17に示すように、アンテナ装置100Cのトータル効率は、アンテナ装置100のトータル効率と略同様であり、距離が1から1/128までの略全体にわたって−10(dB)以上の良好な値が得られている。
また、図18に示すように、アンテナ装置100Cの動作利得は、アンテナ装置100の動作利得と略同様であり、距離が1から1/128までの全体にわたって−5(dBi)以上の良好な値が得られている。
このため、内側のループアンテナ110Cの端部111C及び112Cを給電点とするアンテナ装置100Cは、外側のループアンテナ110の端部111及び112を給電点とするアンテナ装置100(図1及び図7参照)と同様に取り扱得ることが分かった。
図19は、アンテナ装置100Cの端部111C及び112Cと端部113C及び114Cを拡大して示す図である。ループアンテナ110Cの円周の部分から端部112Cに向かってX軸方向に折り曲げられる部分を折り曲げ部118Cと称す。
ループアンテナ110Cには、整合回路151、152、153を取り付けてインピーダンスを調整することができる。整合回路151は、端部113C及び114Cの間に接続することによって、ループアンテナ110に直列に挿入することができる。整合回路152は、端部111C及び111Cの間に接続することによって、ループアンテナ110に並列に挿入することができる。整合回路153は、端部114C及び折り曲げ部118Cの間に接続することによって、ループアンテナ110に並列に挿入することができる。
図20は、アンテナ装置100Cのトータル効率のシミュレーション結果を示す図である。図21は、アンテナ装置100Cの動作利得のシミュレーション結果を示す図である。図20及び図21の横軸及び縦軸は、それぞれ、図4及び図5と同様である。
ここでは、金属導体から離れた空気中で通信特性が良好なアンテナ装置100C(100C1と称す)と、金属導体の近くと金属導体から離れた空気中との両方で通信特性が良好なアンテナ装置100C(100C2と称す)と、金属導体の近くで通信特性が良好なアンテナ装置100C(100C3と称す)とについて説明する。
このようなアンテナ装置100C1、100C2、100C3は、整合回路151、152、153を様々な形式のものに設定することによって実現することができる。アンテナ装置100C1は、整合回路151として0.3pFのキャパシタチップを用い、整合回路153として9.4nHのインダクタチップを用いる。
また、アンテナ装置100C2は、整合回路151として2.5pFのキャパシタチップを用い、整合回路153として1.4pFのキャパシタチップを用いる。アンテナ装置100C3は、整合回路151として3.1pFのキャパシタチップを用い、整合回路153として2.9pFのキャパシタチップを用いる。
図20に示すように、アンテナ装置100C1は、金属導体との距離が1から1/8の場合に、楕円の破線で囲んで示すように、トータル効率が0(dB)から−2.5(dB)の良好な値を示した。一方、金属導体との距離が1/8未満になると、トータル効率は−5(dB)よりも低くなった。このように、アンテナ装置100C1は、金属導体から離れた空気中で通信特性が良好になるアンテナ装置であることが確認できた。
また、アンテナ装置100C2は、金属導体との距離が1/16から1/32の場合に、トータル効率が0(dB)から−5(dB)以下の良好な値を示し、金属導体との距離が1/4から1/16の場合と、1/64から1/128の場合とで、トータル効率が−10(dB)以下の値を示した。このように、アンテナ装置100C2は、金属導体の近くと金属導体から離れた空気中との両方で通信特性が良好になるアンテナ装置であることが確認できた。
また、アンテナ装置100C3は、金属導体との距離が1/128の場合に、破線の円で囲んで示すように、トータル効率が−5(dB)の良好な値を示した。また、金属導体との距離が1/64の場合にも、約−5(dB)の良好な値を示し、さらに、金属導体との距離が1/16から1/32の場合に、トータル効率が約−7(dB)の比較的良好な値を示した。一方、金属導体との距離が1/16以上になると、トータル効率は−5(dB)よりも低くなった。このように、アンテナ装置100C3は、金属導体の近くで通信特性が良好になるアンテナ装置であることが確認できた。
また、図21に示すように、アンテナ装置100C1は、金属導体との距離が1から1/8の場合に、楕円の破線で囲んで示すように、動作利得が約7.5(dBi)以上の良好な値を示した。一方、金属導体との距離が1/32未満になると、動作利得は−5(dBi)よりも低くなった。このように、アンテナ装置100C1は、金属導体から離れた空気中で通信特性が良好になるアンテナ装置であることが確認できた。
また、アンテナ装置100C2は、金属導体との距離が1から1/128の場合に、動作利得が−5(dBi)以上の良好な値を示した。特に、金属導体との距離が1/8から1/100の場合に、動作利得が0(dBi)以上の良好な値を示した。このように、アンテナ装置100C2は、金属導体の近くと金属導体から離れた空気中との両方で通信特性が良好になるアンテナ装置であることが確認できた。
また、アンテナ装置100C3は、金属導体との距離が1/128の場合に、破線の円で囲んで示すように、動作利得が約4.5(dBi)の良好な値を示した。また、金属導体との距離が1/64の場合にも、約4(dBi)の良好な値を示し、全体的に−5(dBi)以上の比較的良好な値を示した。このように、アンテナ装置100C3は、金属導体の近くで通信特性が良好になるアンテナ装置であることが確認できた。
図22は、実施の形態の変形例のアンテナ装置100Dを示す図である。アンテナ装置100Dは、アンテナ装置100C(図16参照)を平面視で矩形状に変形したものであり、平面視で矩形(四角形)のループアンテナ110D、120Dを有する。ループアンテナ110Dは、ループアンテナ120Dの内側において、互いの中心を揃えて配設されている。ループアンテナ110Dは、給電点になる端部111D、112Dを有する。ループアンテナ110D、120Dは、接続部130D、140Dによって接続されている。なお、一例として、ループアンテナ120Dの一辺の長さは35mmである。
図23は、アンテナ装置100Dのトータル効率のシミュレーション結果を示す図である。図24は、アンテナ装置100Dの動作利得のシミュレーション結果を示す図である。図23及び図24の横軸及び縦軸は、それぞれ、図4及び図5と同様である。また、図23及び図24には、比較用に、アンテナ装置100C(図16参照)の金属導体との距離に対するトータル効率の特性のシミュレーション結果を示す。
アンテナ装置100Dの特性を*のデータ点で示し、アンテナ装置100Cの特性を丸形のデータ点で示す。アンテナ装置100Dのループアンテナ110Dには、2.3pFのキャパシタチップを直列に挿入した。これは、図1における端部113及び114の間に挿入するのと同様である。また、ループアンテナ110Dには、端部111D及び112Dの間に、3.6nHのインダクタチップを接続した。このインダクタチップは、ループアンテナ110Dに並列に接続される。
また、ここで用いるアンテナ装置100Cのループアンテナ110Cには、2.5pFのキャパシタチップを直列に挿入した。これは、図1における端部113及び114の間に挿入するのと同様である。また、ループアンテナ110Cには、端部111C及び112Cの間に、1.4pFのキャパシタチップを接続した。このキャパシタチップは、ループアンテナ110Cに並列に接続される。
図23に示すように、アンテナ装置100Dのトータル効率は、アンテナ装置100Cのトータル効率と略同様であり、距離が1から1/128までの略全体にわたって−10(dB)以上の良好な値が得られている。
また、図24に示すように、アンテナ装置100Dの動作利得は、アンテナ装置100Cの動作利得と略同様であり、距離が1から1/128までの全体にわたって−5(dBi)以上の良好な値が得られている。
このため、矩形状のループアンテナ110D及び120Dを有するアンテナ装置100Dは、円形のループアンテナ110C及び120Cを有するアンテナ装置100Cと同様の放射特性を有し、良好な通信特性が得られることが分かった。なお、ここでは多角形の一例として矩形状(四角形)のループアンテナ110D及び120Dを有するアンテナ装置100Dについて説明したが、ループアンテナ110D及び120Dは、中心同士を合わせるとともに、各辺が平行になるように配置される三角形であってもよく、五角形以上の多角形であってもよい。
図25は、アンテナ装置100Cのトータル効率のシミュレーション結果を示す図である。図26は、アンテナ装置100Cの動作利得のシミュレーション結果を示す図である。図25及び図26では、アンテナ装置100Cと金属導体との間の距離を1/128よりもさらに近づけた場合のトータル効率及び動作利得を示す。
図25に示すように、アンテナ装置100Cのトータル効率は、距離が1から1/180までの略全体にわたって−10(dB)以上の良好な値が得られているが、距離が1/180を超えると低下し、さらに1/250を超えると急激に低下し、1/625では約−24dBである。
また、図26に示すように、アンテナ装置100Cの動作利得は、トータル効率と略同様の傾向を示し、距離が1から1/250までの全体にわたって−5(dBi)以上の良好な値を示すが、1/625では約−15dBiまで低下している。
このため、円形状のループアンテナ110C及び120Cを有するアンテナ装置100Cが金属導体に近づいた場合に、良好な通信特性が得られる限界は、波長で規格化した距離にして約1/250までである。
なお、2.4GHzの場合、真空中における1波長の長さは約125mmであり、波長で規格化した距離の1/128は約0.97mm、1/180は約0.7mm、1/250は約0.5mm、1/625は約0.2mmである。このため、基板の厚さ、又は、ループアンテナ110C、120Cの上面(Z軸正方向側)に設ける保護膜の厚さを良好な通信特性が得られる厚さに設定すればよい。
以上のように、実施の形態によれば、金属導体の近くに配置されても良好な通信特性が得られるアンテナ装置100、100A、100B、100C、100C2、100Dを提供することができる。インピーダンスを調整するには、整合回路150のキャパシタ及び/又はインダクタの値を調整すればよい。
アンテナ装置100C1(図20参照)は、金属導体からある程度離れた位置で良好な通信特性を発揮し、アンテナ装置100C3(図20参照)は、金属導体にある程度近い位置で良好な通信特性を発揮する。このような通信特性は、整合回路150を調整することによって実現することができる。
以上より、導体との距離に応じた所望の通信特性が得られるアンテナ装置100、100A、100B、100C、100C1、100C2、100C3、100D(以下、アンテナ装置100等と称す)を提供することができる。
また、アンテナ装置100等は、グランドプレーンを含まない。例えば、パッチアンテナの場合には、基板の一方の面に配置されるアンテナエレメントと、基板の他方の面に配置されるグランドプレーンとを有するため、グランドプレーン側が金属導体に当接する場合には通信特性に殆ど影響が生じない。しかしながら、アンテナエレメント側が金属導体に当接すると、アンテナエレメントは、金属導体とグランドプレーンに挟まれた状態になるため、通信できなくなる。
これに対して、アンテナ装置100等は、グランドプレーンを含まないため、どちらの面が金属導体に当接するような状態になっても、良好な通信特性を発揮することができる。例えば、アンテナ装置100等がIoTのセンサデバイスに取り付けられて様々な場所にランダムに配置されても、良好な通信特性を維持することができる。
また、アンテナ装置100等のループアンテナ110等は、線状のアンテナエレメントであるため、三次元的に折り曲げる構成に対応しやすい。このため、様々なデバイス又は金属部材等の様々な部位に貼り付けることが可能である。
また、アンテナ装置100等のループアンテナ110等は、線状のアンテナエレメントであるため、例えば、自動車のガラスのように人間の視界に入る部材に取り付けられる場合に、視野を遮ることなく、目立たない構成で取り付けることができる。
また、アンテナ装置100等は、整合回路150のインピーダンスを調整することにより、ループアンテナ110等及びループアンテナ120等の形状及び/又は長さ等を変更することなく、周波数のチューニング及び/又はインピーダンスの調整が可能である。
また、アンテナ装置100等は、厚さが非常に薄いループアンテナ110等及びループアンテナ120等を利用できるので、様々なデバイス又は部材等に取り付けても、デバイス又は部材の形状及び外寸に殆ど変化が生じず、様々な用途に利用することができる。
また、アンテナ装置100C1、100C2、100C3(図19及び図20参照)のように、整合回路151、152、153のインダクタンス又はキャパシタンスを調整することにより、金属導体から離れた空気中での良好な通信特性(アンテナ装置100C1)、金属導体の近くでの良好な通信特性(アンテナ装置100C3)、金属導体の近くと金属導体から離れた空気中との両方での良好な通信特性(アンテナ装置100C2)を自在に設定することができる。
なお、以上では、ループアンテナ110、110C、110D及びループアンテナ120、120C、120Dの長さが通信周波数(2.4GHz)における1波長の電気長に対応する長さに設定されている形態について説明したが、通信周波数が2.4GHz以外の周波数である場合には、その周波数における1波長の電気長に対応する長さに設定すればよい。
また、以上では、ループアンテナ110、110C、110D及びループアンテナ120、120C、120Dの長さが通信周波数における1波長の電気長に対応する長さに設定されている形態について説明したが、通信周波数におけるN波長の電気長に対応する長さに設定すればよい。Nは、1以上の整数である。
また、以上では、接続部130、140が、接続点115及び116でループアンテナ110に接続され、接続点121、122でループアンテナ120に接続される形態について説明した。
接続点115及び116は、ループアンテナ110の端部111、112から通信周波数(2.4GHz)における四半波長の電気長に対応する長さの位置にあり、接続点121、122は、X軸方向における位置が接続点115及び116と等しく、対応点123及び124から通信周波数(2.4GHz)における四半波長の電気長に対応する長さの位置にある。
例えば、Nが2の場合には、ループアンテナ110、110C、110D及びループアンテナ120、120C、120Dの長さが通信周波数における2波長の電気長に対応する長さに設定される。この場合には、接続点115及び116の位置は、ループアンテナ110の端部111、112から通信周波数(2.4GHz)における四半波長の電気長のM倍に対応する長さの位置にあればよい。Mは、1、2、又は3である。同様に、接続点121、122は、対応点123から通信周波数(2.4GHz)における四半波長の電気長のM倍に対応する長さの位置にあればよい。Mは、1、2、又は3である。
また、例えば、Nが3の場合には、ループアンテナ110、110C、110D及びループアンテナ120、120C、120Dの長さが通信周波数における3波長の電気長に対応する長さに設定される。この場合には、Mは、1、2、3、4、又は5であればよく、これは、接続点121、122についても同様である。
また、以上で説明したアンテナ装置100、100A、100B、100C、100Dの他に、図27乃至図30に示すように変形することができる。図27乃至図30は、実施の形態の変形例のアンテナ装置100E〜100Hを示す図である。なお、図27乃至図30では、給電点になる一対の端部が位置する部分に、交流の記号を示す。
図27に示すように、アンテナ装置100Eは、円形のループアンテナ110E及び120Eを有する。ループアンテナ110E及び120Eは、互いに等しい直径を有し、平面視で中心同士を合わせた状態で、Z軸方向に伸延する接続部130E、140Eによって接続されている。給電点は、ループアンテナ110に設けられる。
このようなアンテナ装置100Eは、例えば、基板の一方の面にループアンテナ110Eを配置し、他方の面にループアンテナ120Eを配置し、接続部130E、140Eは、基板を貫通するビアによって実現すればよい。
また、図28に示すように、アンテナ装置100Fは、平面視で長方形状のループアンテナ110F及び120Fを含む。給電点を有するループアンテナ110Fは、ループアンテナ120Fの外側に位置し、中心同士を合わせた状態で、接続部130F、140Fによって接続されている。このようなアンテナ装置100Fは、基板の一方の面に配置することができる。
また、図29に示すように、アンテナ装置100Gは、ループアンテナ110G、120G、接続部130G、140G、及び基板101Gを含む。基板101Gは、図1に示す基板101と同様である。
給電点を有し、矩形状のループアンテナ110Gは、基板101GのZ軸正方向側の表面に配置され、矩形状のループアンテナ120Gは、基板101Gの側面に配置される。ループアンテナ110Gと120Gは、接続部130G、140Gによって接続される。このように、ループアンテナ120Gを基板101Gの側面に設けてもよい。また、ループアンテナ110Gと120Gの位置を入れ替えて、給電点を有するループアンテナ110Gを基板101Gの側面に設けてもよい。
また、図30に示すように、アンテナ装置100Hは、ループアンテナ110H、120H、接続部130H、140Hを含む。ループアンテナ110H、120Hは、平面視で矩形環状であり、かつ、各辺がミアンダ状に繰り返し折り曲げられている。給電点を有するループアンテナ110Hは、一例として、ループアンテナ120Hの外側に配置されている。このようなアンテナ装置100Hは、基板の一方の面に配置することができる。
また、上述したアンテナ装置100、100A、100B、100C、100C1、100C2、100C3、100D、100E、100F、100G、100Hは、通信部を有する電子機器に取り付けることができる。以下では、一例として、アンテナ装置100を含む電子機器について説明する。
図31は、電子機器500を示す図である。電子機器500は、配線基板505、アンテナ装置100、DUP(Duplexer)510、LNA(Low Noise Amplifier)/PA(Power Amplifier)520、変調/復調器530、CPU(Central Processing Unit:中央演算処理装置)チップ540、及び取得部550を含む。
配線基板505は、電子機器500の筐体の内部に配設される。DUP510、LNA/PA520、変調/復調器530、CPUチップ540、及び取得部550は、配線基板505に実装される。
アンテナ装置100は、配線基板505のDUP510、LNA/PA520、変調/復調器530、CPUチップ540、及び取得部550が実装される面に配設されていてもよいし、反対側の面に配設されてもよい。
アンテナ装置100は、DUP510に接続されており、DUP510、LNA/PA520、変調/復調器530、及びCPUチップ540は、配線565を介して接続されている。また、取得部550は、CPUチップ540に接続されている。
DUP510は、アンテナ装置100の送信又は受信の切り替えを行う。DUP510は、フィルタとしての機能を有する。LNA/PA520は、送信波及び受信波の電力の増幅を行う。変調/復調器530は、送信波の変調と受信波の復調を行う。CPUチップ540は、タブレットコンピュータ500の通信処理を行う通信用プロセッサとしての機能と、アプリケーションプログラムを実行するアプリケーションプロセッサとしての機能とを有する。なお、CPUチップ540は、送信するデータ又は受信したデータ等を格納する内部メモリを有する。
なお、配線560、565は、例えば、配線基板505の表面の銅箔をパターニングすることによって形成される。アンテナ装置100が配線560、565と同じ面に配置される場合には、ループアンテナ110、120、接続部130、140は、一枚の銅箔をパターニングすることによって形成することができる。また、図31では図示を省くが、アンテナ装置100とDUP510との間には、インピーダンス特性を調整するための整合回路が設けられる。
取得部550は、電子機器500の周囲の情報を取得する情報取得部の一例であり、例えば、気温若しくは湿度等の情報を取得(検出)するセンサ、又は、画像を情報として取得するカメラ等の様々なものであってよい。また、取得部550は、電子機器500がウェアラブル型で人体に取り付けられる場合には、体温、脈拍、心拍数等の情報を検出するセンサであってもよい。
このような電子機器500は、IoT用のセンサデバイス又は画像取得装置等として用いることができる。電子機器500の用途等に応じて、アンテナ装置100の整合回路150でループアンテナ110、120のインピーダンスを最適化した上で、アンテナ装置100を電子機器500に実装すればよい。
以上、本発明の例示的な実施の形態のアンテナ装置、及び、電子機器について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
以上の実施の形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
(付記1)
給電される第1端部及び第2端部を有し、通信周波数における波長のN(Nは1以上の整数)倍に対応する第1長さを有する第1ループアンテナと、
前記波長のN倍に対応する第2長さを有する第2ループアンテナと、
前記第1ループアンテナの前記第1端部から前記通信周波数における四半波長のM(Mは1以上の整数)倍に対応する第3長さの位置において、前記第1ループアンテナと前記第2ループアンテナとを接続する第1接続導体と、
前記第1ループアンテナの前記第2端部から前記第3長さの前記第1接続導体とは異なる位置において、前記第1ループアンテナと前記第2ループアンテナとを接続する第2接続導体と
を含む、アンテナ装置。
(付記2)
前記第1ループアンテナと前記第2ループアンテナとは、近接して配置される、付記1記載のアンテナ装置。
(付記3)
前記第1ループアンテナ及び前記第2ループアンテナは、中心同士を合わせて配置される、付記1又は2記載のアンテナ装置。
(付記4)
前記第1ループアンテナ及び前記第2ループアンテナは、同一平面上に配置され、前記第1ループアンテナは、前記第2ループアンテナよりも外側又は内側に配設される、付記1乃至3のいずれか一項記載のアンテナ装置。
(付記5)
前記第1ループアンテナ及び前記第2ループアンテナは、互いに平行な2つの平面上にそれぞれ配置される、付記1乃至3のいずれか一項記載のアンテナ装置。
(付記6)
前記第1長さは、前記第2長さと等しい、付記5記載のアンテナ装置。
(付記7)
前記第2ループアンテナ及び前記第1接続導体を接続する第1接続点と、前記第2ループアンテナ及び前記第2接続導体を接続する第2接続点とは、前記第1端部及び前記第2端部の中点と、前記第1ループアンテナの中心とを通る直線を対称軸として線対称な位置に配置される、付記1乃至6のいずれか一項記載のアンテナ装置。
(付記8)
前記第1ループアンテナ及び前記第2ループアンテナは、円形又は多角形である、付記1乃至7記載のアンテナ装置。
(付記9)
前記第1ループアンテナ及び前記第2ループアンテナが配置される基板をさらに含む、付記1乃至8記載のアンテナ装置。
(付記10)
前記Nが1の場合には前記Mは1であり、前記Nが2の場合には前記Mは1、2、又は3であり、前記Nが3の場合には前記Mは1、2、3、4、又は5である、付記1乃至9記載のアンテナ装置。
(付記11)
アンテナ装置と、
情報を取得する情報取得部と、
前記アンテナ装置を通じてネットワーク経由で他の装置と通信し、前記情報取得部によって取得された情報を前記他の装置に送信する通信部と
を含む電子機器であって、
前記アンテナ装置は、
給電される第1端部及び第2端部を有し、通信周波数における波長のN(Nは1以上の整数)倍に対応する第1長さを有する第1ループアンテナと、
前記波長のN倍に対応する第2長さを有する第2ループアンテナと、
前記第1ループアンテナの前記第1端部から前記通信周波数における四半波長のM(Mは1以上の整数)倍に対応する第3長さの位置において、前記第1ループアンテナと前記第2ループアンテナとを接続する第1接続導体と、
前記第1ループアンテナの前記第2端部から前記第3長さの前記第1接続導体とは異なる位置において、前記第1ループアンテナと前記第2ループアンテナとを接続する第2接続導体と
を有する、電子機器。
100、100A、100B、100C、100C1、100C2、100C3、100D、100E、100F、100G、100H アンテナ装置
101 基板
110、110C、110D、120、120C、120D ループアンテナ
111、111C、111D、112、112C、112D 端部
113、113C、114、114C 端部
115、116 接続点
121、122 接続点
130、140 接続部
150 整合回路

Claims (8)

  1. 給電される第1端部及び第2端部を有し、通信周波数における波長のN(Nは1以上の整数)倍に対応する第1長さを有する第1ループアンテナと、
    前記波長のN倍に対応する第2長さを有する第2ループアンテナと、
    前記第1ループアンテナの前記第1端部から前記通信周波数における四半波長のM(Mは1以上の整数)倍に対応する第3長さの位置において、前記第1ループアンテナと前記第2ループアンテナとを接続する第1接続導体と、
    前記第1ループアンテナの前記第2端部から前記第3長さの前記第1接続導体とは異なる位置において、前記第1ループアンテナと前記第2ループアンテナとを接続する第2接続導体と
    を含む、アンテナ装置。
  2. 前記第1ループアンテナと前記第2ループアンテナとは、近接して配置される、請求項1記載のアンテナ装置。
  3. 前記第1ループアンテナ及び前記第2ループアンテナは、中心同士を合わせて配置される、請求項1又は2記載のアンテナ装置。
  4. 前記第1ループアンテナ及び前記第2ループアンテナは、同一平面上に配置され、前記第1ループアンテナは、前記第2ループアンテナよりも外側又は内側に配設される、請求項1乃至3のいずれか一項記載のアンテナ装置。
  5. 前記第1ループアンテナ及び前記第2ループアンテナは、互いに平行な2つの平面上にそれぞれ配置される、請求項1乃至3のいずれか一項記載のアンテナ装置。
  6. 前記第1長さは、前記第2長さと等しい、請求項5記載のアンテナ装置。
  7. 前記第2ループアンテナ及び前記第1接続導体を接続する第1接続点と、前記第2ループアンテナ及び前記第2接続導体を接続する第2接続点とは、前記第1端部及び前記第2端部の中点と、前記第1ループアンテナの中心とを通る直線を対称軸として線対称な位置に配置される、請求項1乃至6のいずれか一項記載のアンテナ装置。
  8. アンテナ装置と、
    情報を取得する情報取得部と、
    前記アンテナ装置を通じてネットワーク経由で他の装置と通信し、前記情報取得部によって取得された情報を前記他の装置に送信する通信部と
    を含む電子機器であって、
    前記アンテナ装置は、
    給電される第1端部及び第2端部を有し、通信周波数における波長のN(Nは1以上の整数)倍に対応する第1長さを有する第1ループアンテナと、
    前記波長のN倍に対応する第2長さを有する第2ループアンテナと、
    前記第1ループアンテナの前記第1端部から前記通信周波数における四半波長のM(Mは1以上の整数)倍に対応する第3長さの位置において、前記第1ループアンテナと前記第2ループアンテナとを接続する第1接続導体と、
    前記第1ループアンテナの前記第2端部から前記第3長さの前記第1接続導体とは異なる位置において、前記第1ループアンテナと前記第2ループアンテナとを接続する第2接続導体と
    を有する、電子機器。
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