JP2023180978A - アンテナ装置、および通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超広帯域に対応可能であり、かつ、サイズを抑制可能なアンテナ装置を提供する。【解決手段】アンテナ装置は、給電点に接続される給電アンテナと、グランドに接続され、前記給電アンテナを囲むように配置されるループアンテナと、前記ループアンテナの内側、かつ、前記給電アンテナの短手方向の両側に設けられる２つの共振器と、を備え、前記２つの共振器それぞれは、前記ループアンテナに接続され、Ｌ字形状である。【選択図】図１

Description

本開示は、アンテナ装置、および通信装置に関する。

従来、アンテナが対応可能な周波数をより広帯域の周波数へ拡張することが求められている。例えば、従来の無線通信技術であるＷｉ－Ｆｉ（登録商標）のうちのＷｉ－Ｆｉ６では、２４００ＭＨｚ帯と、５０００ＭＨｚ帯に対応可能に構成されたアンテナが知られている。特許文献１では、５０００ＭＨｚ帯よりも更に高い周波数帯域を含む超広帯域（ＵＷＢ：Ｕｌｔｒａ－Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）の周波数帯域に対応可能なアンテナを、コンパクトな構成で提供するための構成が開示されている。

特開２０１２－５２９８３０号公報

本開示は、上述した従来の事情を鑑みて案出され、超広帯域に対応可能であり、かつ、サイズを抑制可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。

本開示は、給電点に接続される給電アンテナと、グランドに接続され、前記給電アンテナを囲むように配置されるループアンテナと、前記ループアンテナの内側、かつ、前記給電アンテナの短手方向の両側に設けられる２つの共振器と、を備え、前記２つの共振器それぞれは、前記ループアンテナに接続され、Ｌ字形状である、アンテナ装置を提供する。

また、本開示は、アンテナ装置を有する通信装置であって、アンテナ装置が、給電点に接続される給電アンテナと、グランドに接続され、前記給電アンテナを囲むように配置されるループアンテナと、前記ループアンテナの内側、かつ、前記給電アンテナの短手方向の両側に設けられる２つの共振器と、を備え、前記２つの共振器それぞれは、前記ループアンテナに接続され、Ｌ字形状である、通信装置を提供する。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本開示の表現を装置やシステムなどの間で変換したものもまた、本開示の態様として有効である。

本開示によれば、超広帯域に対応可能であり、かつ、サイズを抑制可能なアンテナ装置を提供することが可能となる。

実施の形態１に係るアンテナ装置の構成例を示す図 実施の形態１に係るアンテナ装置における５ＧＨｚ帯での動作を説明するための図 実施の形態１に係るアンテナ装置における７ＧＨｚ帯での動作を説明するための図 実施の形態１に係るアンテナ装置のＶＳＷＲ特性を示す図 実施の形態１に係るアンテナ装置の利得を説明するための図 実施の形態２に係るアンテナ装置の構成例を示す図 実施の形態２に係るアンテナ装置の利得を説明するための図 実施の形態２に係るアンテナ装置の配置例を示す概略図

（本開示に至る経緯）
従来、複数の周波数帯域に対応可能なアンテナ装置が知られている。例えば、無線通信技術の１つであるＷｉ－Ｆｉ（登録商標）では、２ＧＨｚ帯と５ＧＨｚ帯の２つの周波数帯域に対応可能な構成のアンテナ装置がある。また、５ＧＨｚ帯よりも更に高い周波数帯域に適用可能なアンテナ装置が求められている。

帯域の拡張に応じてアンテナ装置を構成するエレメントも増加する。そのため、より広い周波数帯域に対応するためには、極力、アンテナ装置内のエレメントを共有化しつつ、アンテナサイズをコンパクト化することが求められる。また、より高い周波数帯域を含む帯域に適用可能なアンテナ装置を、例えば、一般的なダイポールアンテナを用いて構成すると比帯域幅が１０％程度、ＭＳＬ（Ｍｉｃｒｏ Ｓｔｒｉｐ Ｌｉｎｅ）アンテナで構成すると比帯域幅が０．５％程度となり、対応可能な帯域が狭くなってしまうという課題もある。広帯域化の際に無給電素子などを用いて共振点を増加させることにより、比帯域幅を拡張する手法を用いた場合でも、比帯域幅は２０％程度である。

以下、添付図面を適宜参照しながら、本開示に係るアンテナ装置、および通信装置を具体的に開示した実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、あるいは、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるものであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されない。

＜実施の形態１＞
以下に説明する実施の形態１では、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）の無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）の規格に準拠した無線通信が可能なアンテナ装置を例に挙げて説明する。特に、５ＧＨｚ帯（例えば、５１５０～５８００ＭＨｚ）の周波数帯域に加え、７ＧＨｚ帯（例えば、５９００～７１５０ＭＨｚ）のより高い周波数帯域を対象として説明する。なお、上記の規格に限定するものではなく、他の規格に準拠した周波数帯域の無線通信を対象として適用してもよい。

［装置構成］
図１は、本実施の形態に係るアンテナ装置１００の構成例を示す概略図である。図１において、Ｘ軸は、アンテナ装置１００が構成される基板１０１の短手方向に対応する。Ｙ軸は、アンテナ装置１００が構成される基板１０１の長手方向に対応する。Ｚ軸は、アンテナ装置１００の基板１０１の厚み方向に対応する。

アンテナ装置１００は、例えば、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）の無線通信が利用可能な通信装置（不図示）に搭載される。よって、通信装置は、アンテナ装置１００を用いて、他の通信装置と、５ＧＨｚ帯および７ＧＨｚ帯を含む複数の周波数帯域にて無線通信が可能である。

本実施の形態に係るアンテナ装置１００の基板１０１は、矩形形状である。基板１０１の形状やサイズは特に限定するものではないが、後述する各エレメントの寸法を考慮した形状やサイズであることが望ましい。基板１０１は、複数の層を含む積層基板にて構成されてよい。

本実施の形態に係るアンテナ装置１００において、アンテナを構成する各部位は、例えば、複数の層を有する積層基板であるプリント配線基板上に形成され、表面の金属箔をエッチング等することによってパターンを形成している。複数の層のそれぞれは、例えば、銅箔或いはガラスエポキシ等で構成されてよい。

基板１０１には、給電アンテナの一例としてのアンテナ導体１０４、および、非給電アンテナの一例としてのアンテナ導体１０５を備える。アンテナ導体１０４には、給電するための給電点１０３が設けられる。給電点１０３は、例えば、導線（不図示）を介して、電力源（不図示）に接続される。アンテナ導体１０５には、グランド（ＧＮＤ）に接続（短絡）するためのグランド点１０２が設けられる。グランド点１０２は、例えば、導線（不図示）を介して、接地レベルに接続される。なお、グランド点１０２および給電点１０３に接続される導線は、１つの同軸ケーブル（不図示）にて含めて構成されてもよい。

詳細については後述するが、本実施の形態では、第１周波数の一例である７ＧＨｚ帯に対しては、アンテナ導体１０５にて構成されるループアンテナで共振を行わせる。一方、第１周波数よりも低い第２周波数の一例である５ＧＨｚ帯に対しては、アンテナ導体１０５にて構成されるＴ型アンテナおよびスロットアンテナで共振を行わせる。一方、アンテナを構成する各部の寸法はこれらの周波数帯域に対応して規定される。

アンテナ導体１０４は、Ｘ軸方向に沿って給電点１０３から延伸して構成される。

アンテナ導体１０５は、アンテナ導体１０４の周りを囲うように配置されるループアンテナを構成する部位と、ループアンテナの部位の内側にＴ型アンテナを構成する部位とを有する。ループアンテナを構成する部位は、グランド点１０２に接続されたエレメント部１０８から反時計回りに、エレメント部１０８、１１０、１１１、１１２、１１３、１１４、１０６を含んで構成される。また、Ｔ型アンテナを構成する部位は、エレメント部１０６、１０７から構成されるＬ字形状の部位と、エレメント部１０８、１０９から構成されるＬ字形状の部位とが、アンテナ導体１０４を挟むように配置される。

エレメント部１０６、１０８、１１１、１１３は、長手方向がＸ軸に沿って延伸して構成される。また、エレメント部１０７、１０９、１１０、１１２、１１４は、長手方向がＹ軸に沿って延伸して構成される。

エレメント部１０９の長手方向における、エレメント部１０８との接続位置からの長さをＬ１として示す。エレメント部１０７の長手方向における、エレメント部１０６との接続位置からの長さも同様にＬ１とする。エレメント部１１１、１１３、の長手方向の長さをＬ２として示す。エレメント部１１２の長手方向の長さをＬ３として示す。以下に示すλは周波数を示す。

本実施の形態において、Ｌ１は、５ＧＨｚ帯に対応した長さとして規定する。ここでは、Ｌ１をλ／４として構成することができる。

本実施の形態において、Ｌ２とＬ３は、７ＧＨｚ帯に対応した長さとして規定する。ここでは、Ｌ２をλ／４とし、Ｌ３をλとして構成することができる。

［共振］
図２および図３は、本実施の形態に係るアンテナ装置１００の５ＧＨｚ帯と７ＧＨｚ帯での共振を説明するための図である。

図２は、５ＧＨｚ帯の共振を説明するための図である。図２（ａ）において、太線１０５ａ、１０５ｂは、Ｔ型アンテナを構成する部位を概略的に示している。また、太線１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃにより、スロットアンテナが構成される。このＴ型アンテナとスロットアンテナにより５ＧＨｚ帯で共振し、図２（ｂ）は、その共振の状態の例をグラデーションにて示している。

図３は、７ＧＨｚ帯の共振を説明するための図である。図３（ａ）において、太線１０５ｄは、ループアンテナを構成する部位を概略的に示している。このループアンテナにより７ＧＨｚ帯で共振し、図３（ｂ）は、その共振の状態の例をグラデーションにて示している。

［ＶＳＷＲ特性］
図４は、図１に示す本実施の形態に係るアンテナ装置１００の構成における、５ＧＨｚ帯と７ＧＨｚ帯に対するＶＳＷＲ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｒａｔｉｏ）特性を示すグラフ図である。図４において、横軸は周波数［ＧＨｚ］を示し、縦軸はＶＳＷＲを示す。

実線４０１は、本実施の形態に係るアンテナ装置１００のＶＳＷＲを示し、実線４０２は、比較例として５ＧＨｚ帯のみに対応したアンテナ装置のＶＳＷＲを示す。まず、従来構成のＶＳＷＲに着目すると、Ｕ字状の特性を示し、５．１０～６．６０ＧＨｚの範囲においては、ＶＳＷＲが３以下の値を示している。しかし、５．８５ＧＨｚ辺りを底として、範囲の端部に向かうほどＶＳＷＲの値は上昇している。そして、５．１０～６．６０ＧＨｚの範囲外については、ＶＳＷＲが３以上の値となっている。

一方、本実施の形態に係るアンテナ装置１００のＶＳＷＲによると、５．００～７．００ＧＨｚの範囲において、ＶＳＷＲが３以下の値を示し、特に、従来のアンテナ装置では十分な値を示すことができていなかった６．６０～７．００ＧＨｚの範囲でも安定してＶＳＷＲを３以下（より具体的にはＶＳＷＲが２以下）の値を示すことができている。

また、図５は、本実施の形態に係るアンテナ装置１００の利得を示す図である。ここでは図１に示したＸ軸方向を前方方向とした場合、本実施の形態に係るアンテナ装置１００の指向性は、図５に示すような特性を示す。

以上、本実施の形態により、アンテナ装置１００は、給電点１０３に接続される給電アンテナ（アンテナ導体１０４）と、グランド点１０２に接続され、給電アンテナ（アンテナ導体１０４）を囲むように配置されるループアンテナ（アンテナ導体１０５）と、ループアンテナ（アンテナ導体１０５）の内側、かつ、給電アンテナ（アンテナ導体１０４）の短手方向の両側に設けられる２つの共振器（エレメント部１０６、１０７、１０８、１０９）と、を備え、共振器（エレメント部１０６、１０７、１０８、１０９）それぞれは、ループアンテナ（アンテナ導体１０５）に接続され、Ｌ字形状である。

これにより、広帯域に対応可能、かつ、サイズを抑制可能なアンテナ装置を提供することが可能となる。

また、ループアンテナ（アンテナ導体１０５）のエレメント長は、第１周波数（例えば、７ＧＨｚ）の波長に対応した長さである。

これにより、アンテナ装置１００は、より高い周波数帯域である第１周波数に対応することが可能となる。

また、共振器（エレメント部１０６、１０７、１０８、１０９）それぞれにおいて、Ｌ字形状のうちの、給電アンテナ（アンテナ導体１０４）の短手方向に延伸する部位のエレメント長は、第１周波数（例えば、７ＧＨｚ帯）よりも低い第２周波数（例えば、５ＧＨｚ帯）の波長の１／４である。

これにより、アンテナ装置１００は、第１周波数と第２周波数を含む広帯域に対応することが可能となる。

また、アンテナ装置１００は、様々な通信装置に搭載されて利用可能である。

＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態１では、図１に示すアンテナ装置１００を１素子として構成した形態について説明した。実施の形態２では、図１に示す構成を２素子に拡張することにより、所望の指向性を実現する形態について説明する。

図６は、本実施の形態に係るアンテナ装置２００の構成例を示す概略図である。実施の形態１にて図１を用いて説明した構成を２素子に拡張した構成であり、基本的な構成は同じである。なお、本実施の形態では、２素子に拡張した場合であっても、グランド点２０２、および給電点２０３については１つとして構成した例を示している。アンテナ導体２０４は、給電点２０３に接続される給電アンテナである。アンテナ導体２０５は、グランド点２０２に接続される非給電アンテナである。

図７は、図６のアンテナ装置２００の利得を示す図である。ここでは図６に示したＸ軸方向を前方方向とした場合、本実施の形態に係るアンテナ装置２００の指向性は、ＺＸ平面上において、図７に示すような特性を示す。実施の形態１の図５にて示した１素子のアンテナ装置１００の利得と比較すると指向性の特性が異なっている。

図７に示したアンテナ装置２００の指向性は、２素子の相対的な位置関係を調整することで、更に調整することができる。例えば、アンテナ装置２００をフィルム上に実装し、折り曲げたりすることが可能なように実装することを想定する。これにより、アンテナ装置２００の指向性や、信号の照射方向を調整することができる。

図８は、アンテナ装置２００の配置の例を示す図である。図８（ａ）は、アンテナ装置２００をＵ字に折り曲げ、横から見た状態を示す。ここでは、非給電アンテナであるアンテナ導体２０５の端部が同じ高さにて対向するように配置している。このとき、給電点２０３は、アンテナ装置２００を折り曲げた際の底部であって、アンテナ導体２０５の両端部の中心位置に配置された例である。つまり、図８（ａ）の例では、アンテナ導体２０５の両端部が給電点２０３を基準として線対称となるように対向（正対）した配置を示している。

このとき、アンテナ導体２０５の端部間の距離を調整することで、所定の方向への照射する強度を調整させてよい。例えば、対向するアンテナ導体２０５の両端部の距離が近い（狭い）ほど外部への照射強度は強くなり、一方、距離が遠い（離れる）ほど外部への照射強度は弱くなる。

図８（ｂ）は、アンテナ装置２００をＵ字に折り曲げ、横から見た状態の別の例を示す。ここでは、非給電アンテナであるアンテナ導体２０５の端部が異なる高さとなるように配置している。このとき、給電点２０３は、アンテナ装置２００を折り曲げた際の底部であって、アンテナ導体２０５の両端部から中心では無い位置に配置された例である。つまり、給電位置は、必ずしもアンテナ導体２０５の両端からの中央に限定するものではない。図８（ｂ）の例では、アンテナ導体２０５の両端が対向しているが、これらが真正面の位置関係では無い場合の構成例を示している。つまり、本実施の形態において、用語「対向する」とは、各部位が正対することのみに限定することを意図するものではない。

図８（ｃ）は、アンテナ装置２００をＵ字に折り曲げ、折り曲げた面を上側から見た状態を示す。ここでは、非給電アンテナであるアンテナ導体２０５の端部が同じ高さとしているが、アンテナ導体２０５の端部の面がハの字となるように配置している。このとき、給電点２０３は、アンテナ装置２００を折り曲げた際の底部であって、アンテナ導体２０５の両端部の中心位置に配置された例である。

上記の例では、アンテナ導体２０５が形成されている面が内側になるように折り曲げた例を示したが、これに限定するものではない。例えば、アンテナ導体２０５が形成されている面が外側になるように折り曲げてもよい。また、Ｕ字に限らず、Ｖ字などであってもよい。

このように、本実施の形態に係る２素子のアンテナ装置２００では、２素子の相対的な位置関係を調整することで、所望の指向性や照射方向を調整することが可能となる。例えば、アンテナ装置２００が配置される空間の形状に応じて、信号を照射する範囲や方向を調整することが可能となる。そのため、空間の形状に応じて、電波が届かない範囲の発生を抑制することが可能となる。アンテナ装置２００が配置される空間としては、例えば、航空機内など、前後方向と左右方向の長さが極端に異なる空間などが挙げられる。

以上、本実施の形態により、アンテナ装置２００は、複数のアンテナ素子を有し、その複数のアンテナ素子が形成される面の少なくとも一部が対向するように配置される。

これにより、アンテナ装置２００は、設置空間等に応じた所望の指向性や通信範囲を容易に実現することが可能となる。

＜その他の実施形態＞
以上、図面を参照しながら各種の実施形態について説明したが、本開示は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例、修正例、置換例、付加例、削除例、均等例に相当し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した各種の実施形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

上記の実施の形態では、アンテナ装置１００は、後期内に設置されるシートモニタ内に搭載される例を示した。しかし、シートモニタに限らず、本発明は、例えば、コードレス電話機の親機あるいは子機、電子棚札（例えば、小売店の陳列棚に貼り付けされる、商品の売価が表示されたカード型の電子機器）、スマートスピーカ、車載機器、電子レンジ、冷蔵庫等の多くのＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）機器などに搭載されてもよい。

また、本発明に係るアンテナ装置は、電磁波の送受信がともに可能なアンテナ装置の他、例えば、送信専用あるいは受信専用のアンテナ装置に適用してもよい。

本開示は、所定の空間に複数台が設置されるアンテナ装置、および通信装置として有用である。

１００ アンテナ装置
１０１ 基板
１０２ グランド点
１０３ 給電点
１０４、１０５ アンテナ導体
１０６、１０７、１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、１１３、１１４ エレメント部

Claims (6)

1. 給電点に接続される給電アンテナと、
   グランドに接続され、前記給電アンテナを囲むように配置されるループアンテナと、
   前記ループアンテナの内側、かつ、前記給電アンテナの短手方向の両側に設けられる２つの共振器と、
   を備え、
   前記２つの共振器それぞれは、前記ループアンテナに接続され、Ｌ字形状である、
   アンテナ装置。
2. 前記ループアンテナのエレメント長は、第１周波数の波長に対応した長さである、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記２つの共振器それぞれにおいて、前記Ｌ字形状のうちの、前記給電アンテナの短手方向に延伸する部位のエレメント長は、前記第１周波数よりも低い第２周波数の波長の１／４である、
   請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第１周波数は、７ＧＨｚ帯であり、
   前記第２周波数は、５ＧＨｚ帯である、
   請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のアンテナ装置を有する通信装置。
6. 請求項１から４のいずれか一項に記載のアンテナ装置を複数備え、
   当該複数のアンテナ装置それぞれのアンテナが形成される面の少なくとも一部が対向するように配置される、通信装置。

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