JP5454742B2 - アンテナ装置および通信端末装置 - Google Patents

Description

本発明は、インピーダンス変換回路を備えたアンテナ装置およびこれを用いた通信端末装置に関し、特に、広い周波数帯域でインピーダンス整合するアンテナ装置および通信端末装置に関する。

近年、携帯電話をはじめとする通信端末装置は、ＧＳＭ（登録商標）(Global System for mobile Communications)、ＤＣＳ(Digital CommunicationSystem)、ＰＣＳ(PersonalCommunication Services)、ＵＭＴＳ(Universal Mobile Telecommunications System)等の通信システム、さらにはＧＰＳ(GlobalPositioning system)やワイヤレスＬＡＮ、Bluetooth（登録商標）等への対応が求められることがある。したがって、こうした通信端末装置におけるアンテナ装置は、８００ＭＨｚ〜２．４ＧＨｚまでの広い周波数帯域をカバーすることが求められる。

広い周波数帯域に対応するアンテナ装置としては、特許文献１や特許文献２に開示されているように、ＬＣ並列共振回路やＬＣ直列共振回路にて構成された広帯域の整合回路を備えたものが一般的である。また、広い周波数帯域に対応するアンテナ装置として、例えば特許文献３や特許文献４に開示されているようなチューナブルアンテナが知られている。

特開２００４−３３６２５０号公報 特開２００６−１７３６９７号公報 特開２０００−１２４７２８号公報 特開２００８−０３５０６５号公報

ところが、特許文献１，２に示されている整合回路は複数の共振回路を含むものであるため、この整合回路における挿入損失が大きくなりやすく、十分な利得が得られないことがある。

他方、特許文献３，４に示されているチューナブルアンテナは、可変容量素子を制御するための回路、すなわち周波数帯域を切り換えるための切替回路、が必要であるので回路構成が複雑になりやすい。また、切替回路での損失や歪みが大きいので十分な利得が得られないことがある。

本発明は上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、広い周波数帯域で給電回路とインピーダンス整合するアンテナ装置、およびこのアンテナ装置を備えた通信端末装置を提供することにある。

（１）本発明のアンテナ装置は、アンテナ素子と、このアンテナ素子に接続されたインピーダンス変換回路とを含むアンテナ装置であって、
前記インピーダンス変換回路は、第１インダクタンス素子と第２インダクタンス素子とが相互インダクタンスを介して結合されたトランス型回路を含み、
前記第１インダクタンス素子の第１端は給電回路に、第２端はグランドにそれぞれ接続されていて、
前記第２インダクタンス素子の第１端は前記給電回路に、第２端は前記アンテナ素子にそれぞれ接続されていて、
前記相互インダクタンスは、前記第２インダクタンス素子のインダクタンスより大きいことを特徴とする。

（２）前記第１インダクタンス素子は第１のコイル状導体および第２のコイル状導体を備え、前記第２インダクタンス素子は第３のコイル状導体および第４のコイル状導体を備え、
前記第１のコイル状導体および前記第２のコイル状導体は、前記第１のコイル状導体と前記第２のコイル状導体とによって第１の磁束の閉ループが生じて電磁界結合するように巻回されていて、
前記第３のコイル状導体および前記第４のコイル状導体は、前記第３のコイル状導体と前記第４のコイル状導体とによって第２の磁束の閉ループが生じて電磁界結合するように巻回されていることが好ましい。

（３）(2) において、前記第１のコイル状導体、前記第２のコイル状導体、前記第３のコイル状導体、および前記第４のコイル状導体は、前記第１の磁束の閉ループを回る磁束（第１の閉磁路を通る磁束）と前記第２の磁束の閉ループを回る磁束（第２の閉磁路を通る磁束）とが互いに逆方向になるように巻回されていることが好ましい。

（４）(2) または(3) において、前記第１のコイル状導体および前記第３のコイル状導体は互いに磁界および電界を介して結合し、
前記第２のコイル状導体および前記第４のコイル状導体は互いに磁界および電界を介して結合し、
前記第１インダクタンス素子に交流電流が流れるとき、前記磁界を介した結合により前記第２インダクタンス素子に流れる電流の向きと、前記電界を介した結合により前記第２インダクタンス素子に流れる電流の向きとが同じであることが好ましい。

（５）また、(2)〜(4) のいずれかにおいて、前記第１のコイル状導体、前記第２のコイル状導体、前記第３のコイル状導体、および前記第４のコイル状導体は複数の誘電体層または磁性体層が積層された積層体内の導体パターンで構成されていることが好ましい。

（６）(5) において、前記第１のコイル状導体、前記第２のコイル状導体、前記第３のコイル状導体、および前記第４のコイル状導体のそれぞれの巻回軸は前記積層体の積層方向に向き、
前記第１のコイル状導体と第２のコイル状導体は、それぞれの巻回軸が異なる関係で並置され、
前記第３のコイル状導体と第４のコイル状導体は、それぞれの巻回軸が異なる関係で並置され、
前記第１のコイル状導体と第３のコイル状導体のそれぞれの巻回範囲が平面視で少なくとも一部で重なり、前記第２のコイル状導体と第４のコイル状導体のそれぞれの巻回範囲が平面視で少なくとも一部で重なっていることが好ましい。

（７）(2)〜(6) のいずれかにおいて、前記インピーダンス変換回路は、第５のコイル状導体および第６のコイル状導体をさらに備え、
第５のコイル状導体と第６のコイル状導体とが直列に接続されて第３インダクタンス素子が構成され、
第５のコイル状導体および第６のコイル状導体は、第５のコイル状導体と第６のコイル状導体とによって第３の磁束の閉ループが生じて電磁界結合する（第３の閉磁路が構成される）ように巻回されていて、
前記第３インダクタンス素子の第１端は前記給電回路に接続され、前記第３インダクタンス素子の第２端は前記グランドに接続され、
前記第１のコイル状導体、前記第２のコイル状導体、前記第３のコイル状導体、前記第４のコイル状導体、第５のコイル状導体および前記第６のコイル状導体は、前記第２の磁束の閉ループを回る磁束が第１の磁束の閉ループを回る磁束および第３の磁束の閉ループを回る磁束で挟み込まれるように配置されていることが好ましい。

（８）(2)〜(6)のいずれかにおいて、前記インピーダンス変換回路は、第５のコイル状導体および第６のコイル状導体をさらに備え、
第５のコイル状導体と第６のコイル状導体とが直列に接続されて第３インダクタンス素子が構成され、
第５のコイル状導体および第６のコイル状導体は、第５のコイル状導体と第６のコイル状導体とによって第３の磁束の閉ループが生じて電磁界結合する（第３の閉磁路が構成される）ように巻回されていて、
前記第３インダクタンス素子の第１端は前記給電回路に接続され、前記第３インダクタンス素子の第２端は前記アンテナ素子に接続され、
前記第１のコイル状導体、前記第２のコイル状導体、前記第３のコイル状導体、前記第４のコイル状導体および前記第５のコイル状導体は、前記第１の磁束の閉ループを回る磁束が第２の磁束の閉ループを回る磁束および第３の磁束の閉ループを回る磁束で層方向に挟み込まれるように配置されていることが好ましい。

（９）本発明の通信端末装置は、アンテナ素子と、給電回路と、前記アンテナ素子と前記給電回路との間に接続されたインピーダンス変換回路とを含むアンテナ装置を備え、
前記インピーダンス変換回路は、第１のコイル状導体、第２のコイル状導体、第３のコイル状導体、第４のコイル状導体を少なくとも備え、
前記インピーダンス変換回路は、第１インダクタンス素子と第２インダクタンス素子とが相互インダクタンスを介して結合されたトランス型回路を含み、
前記第１インダクタンス素子の第１端は給電回路に、第２端はグランドにそれぞれ接続されていて、
前記第２インダクタンス素子の第１端は前記給電回路に、第２端は前記アンテナ素子にそれぞれ接続されていて、
前記相互インダクタンスは、前記第２インダクタンス素子のインダクタンスより大きいことを特徴とする。

本発明によれば、整合回路における挿入損失が小さく、周波数帯域を切り換えるための切替回路も不要であり、広い周波数帯域に亘って給電回路とインピーダンス整合するアンテナ装置およびそれを備えた通信端末装置が構成できる。

また、本発明の通信端末装置によれば、前記のアンテナ装置を用いているため、周波数帯域の異なる各種の通信システムに対応可能な通信端末装置を実現できる。

図１（Ａ）は第１の実施形態のアンテナ装置１０１が含むインピーダンス変換回路３５の主要部の回路図、図１（Ｂ）はアンテナ装置１０１の回路図である。 図２は図１（Ｂ）に示した回路に磁界結合と電界結合の様子を示す各種矢印を書き入れた図である。 図３（Ａ）は第１の実施形態のアンテナ装置１０１を等価変換した回路図、図３（Ｂ）はそれをさらに等価変換した回路図である。 図４はインピーダンス変換回路３５で等価的に生じる負のインダクタンス成分の作用およびインピーダンス変換回路３５の作用を模式的に示す図である。 図５はインピーダンス変換回路３５を誘電体層または磁性体層が積層された積層体（多層基板）に構成した場合の、その積層体の分解斜視図である。 図６は図５に示した多層基板の各層に形成された導体パターンによるコイル状導体を通る主な磁束を示す図である。 図７は第２の実施形態のアンテナ装置１０２の回路図である。 図８は第３の実施形態のアンテナ装置１０３の回路図である。 図９は、図８に示したインピーダンス変換回路４５を誘電体層または磁性体層が積層された積層体に構成した場合の、その積層体の分解斜視図である。 図１０は第４の実施形態のアンテナ装置１０４の回路図である。 図１１（Ａ）は第５の実施形態の第１例である通信端末装置、図１１（Ｂ）は第２例である通信端末装置のそれぞれの構成図である。

《第１の実施形態》
図１（Ａ）は第１の実施形態のアンテナ装置１０１が含むインピーダンス変換回路３５の主要部の回路図、図１（Ｂ）はアンテナ装置１０１の回路図である。
図１（Ａ）に示すようにインピーダンス変換回路３５は、第１のコイル状導体Ｌ１ａ、第２のコイル状導体Ｌ１ｂ、第３のコイル状導体Ｌ２ａ、第４のコイル状導体Ｌ２ｂを備えている。第１のコイル状導体Ｌ１ａと第２のコイル状導体Ｌ１ｂとは直列に接続されて第１の直列回路２６が構成され、第３のコイル状導体Ｌ２ａと第４のコイル状導体Ｌ２ｂとは直列に接続されて第２の直列回路２７が構成されている。

第１のコイル状導体Ｌ１ａおよび第２のコイル状導体Ｌ１ｂは第１のコイル状導体Ｌ１ａと第２のコイル状導体Ｌ１ｂとによって第１の磁束の閉ループが生じて電磁界結合する第１の閉磁路が構成されるように巻回されている。同様に、第３のコイル状導体Ｌ２ａおよび第４のコイル状導体Ｌ２ｂは第３のコイル状導体Ｌ２ａと第４のコイル状導体Ｌ２ｂとによって第２の磁束の閉ループが生じて電磁界結合する第２の閉磁路が構成されるように巻回されている。

図１（Ｂ）に示すように、アンテナ装置１０１は、アンテナ素子１１と、このアンテナ素子１１に接続されたインピーダンス変換回路３５とを備えている。アンテナ素子１１は例えばモノポール型アンテナである。第１の直列回路２６の第１端Ｐ１１および第２の直列回路２７の第１端Ｐ２１はインピーダンス変換回路３５の第１ポートＰ１に接続されている。第１の直列回路２６の第２端Ｐ１２はインピーダンス変換回路３５の第２ポートＰ２に接続されている。また、第２の直列回路２７の第２端Ｐ２２はインピーダンス変換回路３５の第３ポートＰ３に接続されている。

インピーダンス変換回路３５の第３ポートＰ３にはアンテナ素子１１が接続されていて、第２ポートＰ２はグランドに接地されている。インピーダンス変換回路３５の第１ポートＰ１には給電回路３０が接続される。この給電回路３０は高周波信号をアンテナ素子１１に給電するための給電回路であり、高周波信号の生成や処理を行うが、高周波信号の合波や分波を行う回路を含んでいてもよい。

図２は図１（Ｂ）に示した回路に磁界結合と電界結合の様子を示す各種矢印を書き入れた図である。

図２に示すように、給電回路３０から図中矢印ａ方向に電流が供給されたとき、第１のコイル状導体Ｌ１ａに図中矢印ｂ方向に電流が流れるとともに、コイル状導体Ｌ１ｂには図中矢印ｃ方向に電流が流れる。そして、これらの電流により、図中矢印Ａで示される磁束（閉磁路を通る磁束）が形成される。

ここで、第１のコイル状導体Ｌ１ａと第３のコイル状導体Ｌ２ａとは、コイル巻回軸を共有するように、かつ平面視した状態でコイル導体パターンが並走しているので、両者間に電界結合が発生し、この電界結合によって流れる電流は前記誘導電流と同じ方向に流れる。すなわち、磁界結合と電界結合とで結合度を強めている。同様に第２のコイル状導体Ｌ１ｂと第４のコイル状導体Ｌ２ｂとでも磁界結合と電界結合が生じる。図２中のキャパシタＣａ，Ｃｂは前記電界結合のための結合容量を表象的に表した記号である。

第１のコイル状導体Ｌ１ａおよび第２のコイル状導体Ｌ１ｂは互いに同相で結合し、第３のコイル状導体Ｌ２ａおよび第４のコイル状導体Ｌ２ｂは互いに同相で結合し、それぞれ閉磁路を形成している。そのため、前記二つの磁束Ａ，Ｂが閉じ込められて、第１のコイル状導体Ｌ１ａと第２のコイル状導体Ｌ１ｂとの間、並びに第３のコイル状導体Ｌ２ａと第４のコイル状導体Ｌ２ｂとの間のエネルギーの損失を小さくすることができる。なお、第１のコイル状導体Ｌ１ａおよび第２のコイル状導体Ｌ１ｂのインダクタンス値、第３のコイル状導体Ｌ２ａおよび第４のコイル状導体Ｌ２ｂのインダクタンス値を実質的に同じ素子値にすると、閉磁路の漏れ磁界が少なくなり、エネルギーの損失をより小さくすることができる。もちろん、各コイル状導体の素子値を適宜設計して、インピーダンス変換比をコントロールすることができる。

また、第１の直列回路２６に流れる一次電流によって励起される磁束Ａと、第２の直列回路２７に流れる二次電流によって励起される磁束Ｂは誘導電流によって互いの磁束をしりぞけ合うように（反発しあうように）生じる。すなわち第１の直列回路２６と第２の直列回路２７との間には等価的な磁気障壁ＭＷが生じることになる。その結果、第１のコイル状導体Ｌ１ａおよび第２のコイル状導体Ｌ１ｂに生じる磁界と第３のコイル状導体Ｌ２ａおよび第４のコイル状導体Ｌ２ｂに生じる磁界とが、それぞれ狭空間に閉じ込められるので、第１のコイル状導体Ｌ１ａおよび第３のコイル状導体Ｌ２ａ、並びに第２のコイル状導体Ｌ１ｂおよび第４のコイル状導体Ｌ２ｂは、それぞれより高い結合度で結合する。すなわち、第１の直列回路２６と第２の直列回路２７とは高い結合度で結合する。

図３（Ａ）は第１の実施形態のアンテナ装置１０１を等価変換した回路図、図３（Ｂ）はそれをさらに等価変換した回路図である。
インピーダンス変換回路３５Ｅは図１（Ｂ）に示したインピーダンス変換回路３５を単純なトランス回路として表した図である。ここでは、図１（Ｂ）に示した給電回路３０に接続された第１の直列回路２６のインダクタンスをＬ１、第２の直列回路２７のインダクタンスをＬ２で表している。

図３（Ｂ）において、インピーダンス変換回路３５Ｅは図３（Ａ）に示したトランス回路をインダクタンス素子Ｌａ，Ｌｂ，ＬｃによるＴ型回路に等価変換した図である。ここで前記インダクタンスＬ１とＬ２との相互インダクタンスをＭで表すと、インダクタンス素子Ｌａのインダクタンスは（＋Ｍ）、インダクタンス素子Ｌｂのインダクタンスは（Ｌ２−Ｍ）、インダクタンス素子Ｌｃのインダクタンスは（Ｌ１−Ｍ）である。ここで、Ｌ２＜Ｍの関係とすれば、インダクタンス素子Ｌｂのインダクタンス（Ｌ２−Ｍ）は負の値となる。

アンテナ素子１１は、等価的なインダクタンス成分ＬANT、放射抵抗成分Ｒｒ、およびキャパシタンス成分ＣANTで構成される。このアンテナ素子１１単体のインダクタンス成分ＬANTは、インピーダンス変換回路３５Ｅにおける負の合成インダクタンス成分（Ｌ２−Ｍ）によって打ち消されるように作用する。すなわち、インピーダンス変換回路３５ＥのＡ点からアンテナ素子１１側を見た（インダクタンス素子（Ｌ２−Ｍ）を含めたアンテナ素子１１の）インダクタンス成分は小さく（理想的にはゼロに）なり、その結果、このアンテナ装置１０１のインピーダンス周波数特性が小さくなる。

このように負のインダクタンス成分を生じさせるためには、第１インダクタンス素子と第２インダクタンス素子とを高い結合度で結合させることが重要である。

トランス型回路によるインピーダンス変換比は、インダクタンス素子Ｌ１のインダクタンスをＬ１、インダクタンス素子Ｌ２のインダクタンスをＬ２で表すと、Ｌ１：（Ｌ１＋Ｌ２）である。

図４は前記インピーダンス変換回路３５で等価的に生じる負のインダクタンス成分の作用およびインピーダンス変換回路３５の作用を模式的に示す図である。図４において曲線Ｓ０はアンテナ素子１１の使用周波数帯域に亘って周波数をスイープしたときのインピーダンス軌跡をスミスチャート上に表したものである。アンテナ素子１１単体ではインダクタンス成分ＬANTが比較的大きいので、図４に表れているようにインピーダンスは大きく推移する。

図４において曲線Ｓ１はインピーダンス変換回路のＡ点からアンテナ素子１１側を見たインピーダンスの軌跡である。このように、インピーダンス変換回路の等価的な負のインダクタンス成分によってアンテナ素子のインダクタンス成分ＬANTが相殺されて、Ａ点からアンテナ素子側を見たインピーダンスの軌跡は大幅に縮小される。

図４において曲線Ｓ２は給電回路３０から見たインピーダンスすなわちアンテナ装置１０１のインピーダンスの軌跡である。このように、トランス型回路によるインピーダンス変換比Ｌ１：（Ｌ１＋Ｌ２）によって、アンテナ装置１０１のインピーダンスは給電回路３０のインピーダンス（スミスチャートの中心）に近づく。なお、このインピーダンスの微調整は、トランス型回路に、別途インダクタンス素子やキャパシタンス素子を付加することで行ってもよい。

このようにして、広帯域に亘ってアンテナ装置のインピーダンス変化を抑制できる。ゆえに、広い周波数帯域に亘って給電回路とインピーダンス整合がとれる。

図５はインピーダンス変換回路３５を誘電体層または磁性体層が積層された積層体（多層基板）に構成した場合の、その積層体の分解斜視図である。図５においては、各基材層を透視して各導体パターンおよび層間接続導体（ビア導体）を描いている。

図５に示すように、積層体の基材層５１ａに導体パターン６３が形成され、基材層５１ｂに導体パターン６２，６４が形成され、基材層５１ｃに導体パターン６１，６５が形成されている。また、基材層５１ｄに導体パターン７１，７５が形成され、基材層５１ｅに導体パターン７２，７４が形成され、基材層５１ｆに導体パターン７３が形成されている。基材層５１ｇの裏面には、ポートＰ１に相当する端子４１、ポートＰ２に相当する端子４２、ポートＰ３に相当する端子４３が形成されている。なお、基材層５１ａ上には図示しない無地の基材層が積層される。

前記導体パターン６１，６２および６３の左半分によって第１のコイル状導体Ｌ１ａが構成されていて、前記導体パターン６３の右半分、６４および６５によって第２のコイル状導体Ｌ１ｂが構成されている。また、前記導体パターン７１，７２および７３の左半分によって第３のコイル状導体Ｌ２ａが構成されていて、前記導体パターン７３の右半分、７４および７５によって第４のコイル状導体Ｌ２ｂが構成されている。

前記基材層５１ａ〜５１ｇを積層することで、導体パターン６１〜６５，７１〜７５および端子４１，４２，４３は層間接続導体（ビア導体）を介して接続され、図１（Ｂ）に示す回路を構成する。
図５に示すように、第１のコイル状導体Ｌ１ａと第２のコイル状導体Ｌ１ｂは、それぞれのコイルパターンの巻回軸が互いに平行になるように隣接配置されている。同様に第３のコイル状導体Ｌ２ａと第４のコイル状導体Ｌ２ｂは、それぞれのコイルパターンの巻回軸が互いに平行になるように隣接配置されている。さらに、第１のコイル状導体Ｌ１ａと第３のコイル状導体Ｌ２ａは、それぞれのコイルパターンの巻回軸がほぼ同一直線になるように（同軸関係に）近接配置されている。同様に、第２のコイル状導体Ｌ１ｂと第４のコイル状導体Ｌ２ｂは、それぞれのコイルパターンの巻回軸がほぼ同一直線になるように（同軸関係に）近接配置されている。すなわち、基材層の積層方向からみたとき、各コイルパターンを構成する導体パターンは重なるように配置されている。

なお、各コイル状導体Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂはそれぞれほぼ３ターンのループ状導体にて構成されているが、ターン数はこれに限らない。また、第１のコイル状導体Ｌ１ａおよび第３のコイル状導体Ｌ２ａのコイルパターンの巻回軸は厳密に同一直線になるように配置されている必要はなく、平面視で第１のコイル状導体Ｌ１ａおよび第３のコイル状導体Ｌ２ａのコイル開口が互いに重なるように巻回されていればよい。同様に、第２のコイル状導体Ｌ１ｂおよび第４のコイル状導体Ｌ２ｂのコイルパターンは巻回軸が厳密に同一直線になるように配置されている必要はなく、平面視で第２のコイル状導体Ｌ１ｂおよび第４のコイル状導体Ｌ２ｂのコイル開口が互いに重なるように巻回されていればよい。

前記各種導体パターン６１〜６５，７１〜７５には、銀や銅などの導電性材料を主成分とするペーストのスクリーン印刷や、金属箔のエッチングなどで形成することができる。基材層５１ａ〜５１ｇには、誘電体であればガラスセラミック材料、エポキシ系樹脂材料などを用いることができ、磁性体であればフェライトセラミック材料やフェライトを含有する樹脂材料などを用いることができる。基材層用の材料としては、特に、ＵＨＦ帯用のインピーダンス変換回路を形成する場合は、高周波数領域での渦電流損失を抑えるために、電気絶縁抵抗の高い誘電体材料を用いることが好ましい。ＨＦ帯用のコモンモードチョークコイルを形成する場合は渦電流損失が相対的に小さいので、磁気エネルギーの閉じ込め性の点で、磁性体材料（透磁率の高い誘電体材料）を用いることが好ましい。

なお、第１のコイル素子Ｌ１ａおよび第２のコイル素子Ｌ１ｂを構成する導体パターン６１〜６５と、第３のコイル素子Ｌ２ａおよび第４のコイル素子Ｌ２ｂを構成する導体パターン７１〜７５との間に磁性体層を配置し、その他の層を誘電体層で構成してもよい。このことにより、渦電流損失を殆ど増大させることなく、第１コイル素子Ｌ１ａと第２コイル素子Ｌ１ｂとの磁気的結合および第３コイル素子Ｌ２ａと第４コイル素子Ｌ２ｂとの磁気的結合を高めることができる。

図６は図５に示した多層基板の各層に形成された導体パターンによるコイル状導体を通る主な磁束を示している。磁束ＦＰ１は導体パターン６１〜６３による第１のコイル状導体Ｌ１ａおよび導体パターン６３〜６５による第２のコイル状導体Ｌ１ｂを通る。また、磁束ＦＰ２は導体パターン７１〜７３による第３のコイル状導体Ｌ２ａおよび導体パターン７３〜７５による第４のコイル状導体Ｌ２ｂを通る。

以上のごとく、コイル状導体Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂを誘電体や磁性体からなる積層体に内蔵すること、特に、第１の直列回路と第２の直列回路との結合部となる領域を積層体の内部に設けることによって、インピーダンス変換回路３５が積層体に隣接して配置される他の回路や素子からの影響を受けにくくなる。その結果、インピーダンス整合の一層の安定化を図ることができる。

《第２の実施形態》
図７は第２の実施形態のアンテナ装置１０２の回路図である。図７に示すように、アンテナ装置１０２は、アンテナ素子１２と、このアンテナ素子１２に接続されたインピーダンス変換回路３５とを備えている。アンテナ素子１２はループアンテナである。第１の直列回路２６の第１端および第２の直列回路２７の第１端はインピーダンス変換回路３５の第１ポートＰ１に接続されている。第１の直列回路２６の第２端はインピーダンス変換回路３５の第２ポートＰ２に接続されている。また、第２の直列回路２７の第２端はインピーダンス変換回路３５の第３ポートＰ３に接続されている。

インピーダンス変換回路３５の第２ポートＰ２と第３ポートＰ３との間にアンテナ素子１２が接続されていて、第２ポートＰ２はグランドに接地されている。インピーダンス変換回路３５の第１ポートＰ１には給電回路３０が接続される。この給電回路３０は高周波信号をアンテナ素子１２に給電するための給電回路であり、高周波信号の生成や処理を行うが、高周波信号の合波や分波を行う回路を含んでいてもよい。

この第２の実施形態のアンテナ装置１０２は例えばＲＦＩＤタグ用のアンテナ装置であり、アンテナ素子１２はＲＦＩＤ用ＩＣチップとは別に設けられた比較的大きなループアンテナであり、そのインピーダンスは給電回路３０のインピーダンスの約２倍である。また、インピーダンス変換回路３５のインピーダンス変換比は１：２である。そのため、このアンテナ装置１０２の給電回路３０とアンテナ素子１２はインピーダンス整合する。

《第３の実施形態》
図８は第３の実施形態のアンテナ装置１０３の回路図である。図８に示すように、アンテナ装置１０３は、アンテナ素子１１と、このアンテナ素子１１に接続されたインピーダンス変換回路４５とを備えている。第１の直列回路２６の第１端、第２の直列回路２７の第１端および第３の直列回路２８の第１端はインピーダンス変換回路４５の第１ポートＰ１にそれぞれ接続されている。第１の直列回路２６の第２端および第３の直列回路２８の第２端はインピーダンス変換回路４５の第２ポートＰ２に接続されている。また、第２の直列回路２７の第２端はインピーダンス変換回路４５の第３ポートＰ３に接続されている。

第１の直列回路２６に流れる一次電流によって励起される磁束の閉ループＡと、第２の直列回路２７に流れる二次電流によって励起される磁束の閉ループＢは誘導電流によって互いの磁束をしりぞけ合うように（反発しあうように）生じる。すなわち第１の直列回路２６と第２の直列回路２７との間には等価的な磁気障壁ＭＷが生じることになる。

また、第３の直列回路２８に流れる一次電流によって励起される磁束の閉ループＣと、第２の直列回路２７に流れる二次電流によって励起される磁束の閉ループＢは誘導電流によって互いの磁束をしりぞけ合うように（反発しあうように）生じる。すなわち第３の直列回路２８と第２の直列回路２７との間には等価的な磁気障壁ＭＷが生じることになる。

このように、中央の二次側コイルの磁束の閉ループＢを上下の一次側コイルの磁束の閉ループＡ，Ｃで挟み込んだ構造によれば、中央の二次側コイルの磁束の閉ループＢは二つの磁気障壁で挟まれて充分に閉じ込められる（閉じ込められる効果が高まる）。すなわち、結合係数のより大きなトランスとして作用させることができる。

図９は、図８に示したインピーダンス変換回路４５を誘電体層または磁性体層が積層された積層体（多層基板）に構成した場合の、その積層体の分解斜視図である。
図９に示すように、基材層５１ａ〜５１ｋは誘電体シートまたは磁性体シートで構成され、各層にコイル状導体が形成されている。基材層５１ｂに導体パターン８３が形成され、基材層５１ｃに導体パターン８２，８４が形成され、基材層５１ｄに導体パターン８１，８５が形成され、基材層５１ｅに導体パターン７３が形成され、基材層５１ｆに導体パターン７２，７４が形成され、基材層５１ｇに導体パターン７１，７５が形成され、基材層５１ｈに導体パターン６１，６５が形成され、基材層５１ｉに導体パターン６２，６４が形成され、基材層５１ｊに導体パターン６３が形成されている。基材層５１ｋの下面には、ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３に相当する端子４１，４２，４３等が形成されている。図９中の縦方向に延びる線はビア電極であり、コイル状導体同士を層間で接続する。

図９において、導体パターン６１，６２および導体パターン６３の左半分によって第１のコイル状導体Ｌ１１ａを構成していて、導体パターン６５，６４および導体パターン６３の右半分によって第２のコイル状導体Ｌ１１ｂを構成している。また、導体パターン８１，８２および導体パターン８３の左半分によって第５のコイル状導体Ｌ１２ａを構成していて、導体パターン８５，８４および導体パターン８３の右半分によって第６のコイル状導体Ｌ１２ｂを構成している。また、導体パターン７１，７２および導体パターン７３の左半分によって第３のコイル状導体Ｌ２ａを構成していて、導体パターン７５，７４および導体パターン７３の右半分によって第４のコイル状導体Ｌ２ｂを構成している。

《第４の実施形態》
図１０は第４の実施形態のアンテナ装置１０４の回路図である。図１０に示すように、アンテナ装置１０４は、アンテナ素子１１と、このアンテナ素子１１に接続されたインピーダンス変換回路５５とを備えている。第１の直列回路２６の第１端、第２の直列回路２７の第１端および第３の直列回路２８の第１端はインピーダンス変換回路５５の第１ポートＰ１にそれぞれ接続されている。第１の直列回路２６の第２端はインピーダンス変換回路５５の第２ポートＰ２に接続されている。また、第２の直列回路２７の第２端および第３の直列回路２８の第２端はインピーダンス変換回路５５の第３ポートＰ３に接続されている。

第１の直列回路２６に流れる一次電流によって励起される磁束の閉ループＡと、第２の直列回路２７に流れる二次電流によって励起される磁束の閉ループＢは誘導電流によって互いの磁束をしりぞけ合うように（反発しあうように）生じる。すなわち第１の直列回路２６と第２の直列回路２７との間には等価的な磁気障壁ＭＷが生じることになる。

また、第１の直列回路２６に流れる一次電流によって励起される磁束の閉ループＡと、第３の直列回路２８に流れる二次電流によって励起される磁束の閉ループＣは誘導電流によって互いの磁束をしりぞけ合うように（反発しあうように）生じる。すなわち第１の直列回路２６と第３の直列回路２８との間には等価的な磁気障壁ＭＷが生じることになる。

このように、中央の一次側コイルの磁束の閉ループＡを上下の二次側コイルの磁束の閉ループＢ，Ｃで挟み込んだ構造によれば、中央の一次側コイルの磁束の閉ループＡは二つの磁気障壁で挟まれて充分に閉じ込められる（閉じ込められる効果が高まる）。すなわち、結合係数の非常に大きなトランスとして作用させることができる。

《第５の実施形態》
第５の実施形態では通信端末装置の例を示す。
図１１は、本発明の通信端末装置の例である第５の実施形態のＲＦＩＤシステム回路図である。ＲＦＩＤタグ１０６はループアンテナであるアンテナ素子１２、インピーダンス変換回路３５、ＲＦＩＣ９１およびベースバンドＩＣ９２を備えている。また、リーダ・ライタ１０５はリーダ・ライタ制御回路９３、インピーダンス変換回路２５およびループアンテナであるアンテナ素子１３を備えている。

無線ＩＣチップ７０には高周波回路を構成したＲＦＩＣと論理回路を構成したベースバンドＩＣとを備えている。インピーダンス変換回路２５および３５には、第１〜第４のいずれかの実施形態で示したインピーダンス変換回路を適用する。

前記アンテナ素子１２のインピーダンスはＲＦＩＣのアンテナ側ポートのインピーダンスより高く、インピーダンス変換回路３５は、両者のインピーダンス整合を図る。また、前記アンテナ素子１３のインピーダンスはリーダ・ライタ制御回路９３のアンテナ側ポートのインピーダンスより高く、インピーダンス変換回路２５は、両者のインピーダンス整合を図る。

このようにＲＦＩＤシステムにおいては、ＲＦＩＤタグを手で操作する環境であるので、アンテナ素子１２，１３のインピーダンスが変化しやすいが、インピーダンス変換回路２５，３５を設けることによってインピーダンス整合状態を安定化させることができる。すなわち、アンテナの設計に関して重要事項である、中心周波数の設定・通過帯域幅の設定・インピーダンスマッチングの設定などの周波数特性の調整機能をこのインピーダンス変換回路２５，３５が担うことが可能になり、アンテナ素子１２，１３そのものは、主に指向性や利得を考慮するだけでよいため、アンテナの設計が容易になる。

Ｃａ，Ｃｂ…キャパシタ
ＣANT…アンテナのキャパシタンス成分
ＦＰ１，ＦＰ２…磁束
Ｌ１…インダクタンス素子
Ｌ１１ａ…第１のコイル状導体
Ｌ１１ｂ…第２のコイル状導体
Ｌ１２ａ…第５のコイル状導体
Ｌ１２ｂ…第６のコイル状導体
Ｌ１ａ…第１のコイル状導体
Ｌ１ｂ…第２のコイル状導体
Ｌ２…インダクタンス素子
Ｌ２１ａ…第３のコイル状導体
Ｌ２１ｂ…第４のコイル状導体
Ｌ２２ａ…第５のコイル状導体
Ｌ２２ｂ…第６のコイル状導体
Ｌ２ａ…第３のコイル状導体
Ｌ２ｂ…第４のコイル状導体
ＬANT…アンテナのインダクタンス成分
ＭＷ…磁気障壁
Ｐ１…第１ポート
Ｐ２…第２ポート
Ｐ３…第３ポート
Ｒｒ…アンテナの放射抵抗成分
１１…アンテナ素子
１２…アンテナ素子
２６…第１の直列回路
２７…第２の直列回路
２８…第３の直列回路
３０…給電回路
３５，３５Ｅ…インピーダンス変換回路
４１，４２，４３…端子
４５…インピーダンス変換回路
５１ａ〜５１ｋ…基材層
５５…インピーダンス変換回路
６１〜６５…導体パターン
７１〜７５…導体パターン
８１〜８５…導体パターン
１０１〜１０４…アンテナ装置

Claims (9)

1. アンテナ素子と、このアンテナ素子に接続されたインピーダンス変換回路とを含むアンテナ装置であって、
   前記インピーダンス変換回路は、第１インダクタンス素子と第２インダクタンス素子とが相互インダクタンスを介して結合されたトランス型回路を含み、
   前記第１インダクタンス素子の第１端は給電回路に、第２端はグランドにそれぞれ接続されていて、
   前記第２インダクタンス素子の第１端は前記給電回路に、第２端は前記アンテナ素子にそれぞれ接続されていて、
   前記相互インダクタンスは、前記第２インダクタンス素子のインダクタンスより大きいことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記第１インダクタンス素子は第１のコイル状導体および第２のコイル状導体を備え、前記第２インダクタンス素子は第３のコイル状導体および第４のコイル状導体を備え、
   前記第１のコイル状導体および前記第２のコイル状導体は、前記第１のコイル状導体と前記第２のコイル状導体とによって第１の磁束の閉ループが生じて電磁界結合するように巻回されていて、
   前記第３のコイル状導体および前記第４のコイル状導体は、前記第３のコイル状導体と前記第４のコイル状導体とによって第２の磁束の閉ループが生じて電磁界結合するように巻回されている、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第１のコイル状導体、前記第２のコイル状導体、前記第３のコイル状導体、および前記第４のコイル状導体は、前記第１の磁束の閉ループを回る磁束と前記第２の磁束の閉ループを回る磁束とが互いに逆方向になるように巻回されている、請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第１のコイル状導体および前記第３のコイル状導体は互いに磁界および電界を介して結合し、
   前記第２のコイル状導体および前記第４のコイル状導体は互いに磁界および電界を介して結合し、
   前記第１インダクタンス素子に交流電流が流れるとき、前記磁界を介した結合により前記第２インダクタンス素子に流れる電流の向きと、前記電界を介した結合により前記第２インダクタンス素子に流れる電流の向きとが同じである、請求項２または３に記載のアンテナ装置。
5. 前記第１のコイル状導体、前記第２のコイル状導体、前記第３のコイル状導体、および前記第４のコイル状導体は複数の誘電体層または磁性体層が積層された積層体内の導体パターンで構成されている、請求項２〜４のいずれかに記載のアンテナ装置。
6. 前記第１のコイル状導体、前記第２のコイル状導体、前記第３のコイル状導体、および前記第４のコイル状導体のそれぞれの巻回軸は前記積層体の積層方向に向き、
   前記第１のコイル状導体と第２のコイル状導体は、それぞれの巻回軸が異なる関係で並置され、
   前記第３のコイル状導体と第４のコイル状導体は、それぞれの巻回軸が異なる関係で並置され、
   前記第１のコイル状導体と第３のコイル状導体のそれぞれの巻回範囲が平面視で少なくとも一部で重なり、前記第２のコイル状導体と第４のコイル状導体のそれぞれの巻回範囲が平面視で少なくとも一部で重なる、請求項５に記載のアンテナ装置。
7. 前記インピーダンス変換回路は、第５のコイル状導体および第６のコイル状導体をさらに備え、
   第５のコイル状導体と第６のコイル状導体とが直列に接続されて第３インダクタンス素子が構成され、
   第５のコイル状導体および第６のコイル状導体は、第５のコイル状導体と第６のコイル状導体とによって第３の磁束の閉ループが生じて電磁界結合するように巻回されていて、
   前記第３インダクタンス素子の第１端は前記給電回路に接続され、第３インダクタンス素子の第２端は前記グランドに接続され、
   前記第１のコイル状導体、前記第２のコイル状導体、前記第３のコイル状導体、前記第４のコイル状導体、前記第５のコイル状導体および前記第６のコイル状導体は、前記第２の磁束の閉ループを回る磁束が第１の磁束の閉ループを回る磁束および前記第３の磁束の閉ループを回る磁束で挟み込まれるように配置された、請求項２〜６のいずれかに記載のアンテナ装置。
8. 前記インピーダンス変換回路は、第５のコイル状導体および第６のコイル状導体をさらに備え、
   第５のコイル状導体と第６のコイル状導体とが直列に接続されて第３インダクタンス素子が構成され、
   第５のコイル状導体および第６のコイル状導体は、第５のコイル状導体と第６のコイル状導体とによって第３の磁束の閉ループが生じて電磁界結合するように巻回されていて、
   前記第３インダクタンス素子の第１端は前記給電回路に接続され、前記第３インダクタンス素子の第２端は前記アンテナ素子に接続され、
   前記第１のコイル状導体、前記第２のコイル状導体、前記第３のコイル状導体、前記第４のコイル状導体、前記第５のコイル状導体および前記第６のコイル状導体は、前記第１の磁束の閉ループを回る磁束が第２の磁束の閉ループを回る磁束および第３の磁束の閉ループを回る磁束で挟み込まれるように配置された、請求項２〜６のいずれかに記載のアンテナ装置。
9. アンテナ素子と、給電回路と、前記アンテナ素子と前記給電回路との間に接続されたインピーダンス変換回路とを含むアンテナ装置を備えた通信端末装置であって、
   前記インピーダンス変換回路は、第１インダクタンス素子と第２インダクタンス素子とが相互インダクタンスを介して結合されたトランス型回路を含み、
   前記第１インダクタンス素子の第１端は給電回路に、第２端はグランドにそれぞれ接続されていて、
   前記第２インダクタンス素子の第１端は前記給電回路に、第２端は前記アンテナ素子にそれぞれ接続されていて、
   前記相互インダクタンスは、前記第２インダクタンス素子のインダクタンスより大きいことを特徴とする通信端末装置。

Images