JP5994500B2 - 結合度調整素子、アンテナ装置および無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は二つの放射素子間の結合度を調整する素子、それを備えたアンテナ装置および無線通信装置に関する。

適用周波数帯域を広げることを目的として、放射素子と放射素子とを結合させた複共振アンテナが特許文献１、２に開示されている。これらの複共振アンテナは、給電素子と無給電素子とを磁界成分の高い領域で並走させることにより互いに磁界結合させて、それぞれの素子を放射素子として作用させるようにしている。すなわち、給電素子と無給電素子との結合係数は両者の配置、構成によって調整されていた。

特開平６−６９７１５号公報 特開２００３−８３２６号公報

特許文献１，２に示されているような従来の複共振アンテナの典型的な構成は、給電素子である第１放射素子と、無給電素子である第２放射素子とを備え、第１放射素子の給電部付近と第２放射素子のグランド端付近とを近接させるとともに並走させることにより互いに磁界結合させるものである。

ところが、第１放射素子と第２放射素子との結合の強さは両者間の間隔で定めることになるが、第１放射素子の給電部付近と第２放射素子のグランド端付近とを近接させるとともに並走させることが条件となる。そのため、第１放射素子および第２放射素子のパターンの自由度が低い。

そこで、互いに結合する１次側のコイル素子および２次側のコイル素子でトランスを構成し、このトランスで第１放射素子と第２放射素子との間の結合度を定めることが有効である。

ここで、二つの放射素子間の結合度を定めるためにトランスの磁界結合を利用する場合の構成例を図７に示す。第１コイル素子Ｌ１と第２コイル素子Ｌ２とでトランスが構成され、給電回路ＦＣと第１放射素子１１との間に第１コイル素子Ｌ１が接続され、グランドと第２放射素子１２との間に第２コイル素子Ｌ２が接続される。

このようなトランスの磁界結合によれば、容量結合の場合とは異なり、広帯域に亘って一定の結合が得られるので、アンテナ装置の周波数特性の劣化を起こしにくい。

そして第１放射素子と第２放射素子との間の結合度を高めるためには、第１コイル素子Ｌ１の導体パターンと第２コイル素子Ｌ２の導体パターンとの距離を近接させることになる。

しかし、コイル素子間の距離を近接させることに伴い、コイル素子間に生じる浮遊容量が大きくなる。図７中の容量Ｃｆ，Ｃａは、第１コイル素子Ｌ１および第２コイル素子Ｌ２の形成によって生じる浮遊容量であり、ここでは集中定数素子として表している。特に、給電回路ＦＣが接続される端子Ｐ１および端子Ｐ４寄りの浮遊容量Ｃｆの存在により、給電回路ＦＣから給電される電力はこの浮遊容量Ｃｆを介してグランドに抜けてしまう。換言すると、コイル素子間の容量は結合度調整素子の各端子間のアイソレーションを劣化させ、トランスの機能を著しく損ねる。

また、第１コイル素子Ｌ１および第２コイル素子Ｌ２間に生じる容量に起因してアンテナ装置の周波数特性のＱ値が高くなり、周波数帯域幅が狭くなる。

また、コイル素子間に生じる容量が大きくなって、この容量とコイル素子のインダクタンス成分とで自己共振が生じると、この自己共振により、非常に大きな損失が発生してしまう。

本発明の目的は、不要な容量結合を抑制してトランス機能を悪化させずに所定の結合度を得るようにした結合度調整素子、それを備えたアンテナ装置および無線通信装置を提供することにある。

（１）本発明の結合度調整素子は、
第１端（E11）が給電回路、第２端（E12）が第１放射素子にそれぞれ接続される第１コイル素子（L1）と、
第１端（E21）がグランド、第２端（E22）が第２放射素子にそれぞれ接続され、前記第１コイル素子（L1）と磁界結合する第２コイル素子（L2）と、を有し、
前記第１コイル素子（L1）の中途部と前記第２コイル素子（L2）の第１端（E21）側とが容量結合している、
ことを特徴とする。

（２）本発明の結合度調整素子は、
第１端（E11）が給電回路、第２端（E12）が第１放射素子にそれぞれ接続される第１コイル素子（L1）と、
第１端（E21）がグランド、第２端（E22）が第２放射素子にそれぞれ接続され、前記第１コイル素子（L1）と磁界結合する第２コイル素子（L2）と、を有し、
前記第１コイル素子（L1）の第１端（E11）側と前記第２コイル素子（L2）の中途部とが容量結合している、
ことを特徴とする。

上記（１）（２）の構成により、第１コイル素子および第２コイル素子によるトランス機能を悪化させることなく、第１放射素子と第２放射素子との結合度を定めることができる。すなわち、第１コイル素子（L1）の第１端（E11）と第２コイル素子（L2）の第１端（E21）（グランド側）との間に、必ず第１コイル素子（L1）の一部および／または第２コイル素子（L2）の一部が挿入されている構造になる。そのため、第１コイル素子（L1）と第２コイル素子（L2）とが容量結合するポイントにおける、第１コイル素子（L1）と第２コイル素子（L2）との電位差は小さい。したがって、磁界結合（誘導結合）の結合度を維持しつつ、容量結合の容量値は小さくなって、第１コイル素子（L1）の第１端（E11）から供給される電力がグランドに抜けてしまうことが抑制できる。

（３）前記第１コイル素子（L1）および前記第２コイル素子（L2）は、複数の基材層を積層してなる積層体に設けられるとともに、前記積層体の平面視でループ形状を成し、
前記第１コイル素子（L1）の第１端（E11）と前記第２コイル素子（L2）の第１端（E21）とは、前記積層体の平面視で、前記ループ形状のうち互いに対向する位置に配置されていることが好ましい。

この構成により、第１コイル素子の第１端（E11）と第２コイル素子の第１端（E21）との間に生じる容量をより抑制でき、第１コイル素子の第１端（E11）から入力される電力が上記容量を介してグランドへ抜ける（シャントされる）のを抑制できる。

（４）更に、前記第１コイル素子（L1）の第２端（E12）と前記第２コイル素子（L2）の第２端（E22）とは、前記積層体の平面視で、前記ループ形状のうち互いに対向する位置に配置されていることが好ましい。

この構成により、第１コイル素子の第２端（E12）と第２コイル素子の第２端（E22）との間に生じる不要な容量を介する結合が抑制できる。

（５）本発明のアンテナ装置は、
（１）〜（４）のいずれかに記載の結合度調整素子と、前記第１放射素子と、前記第２放射素子とを有し、前記第１放射素子の共振と前記第２放射素子の共振とで、複数の周波数帯域に対応することを特徴とする。

（６）本発明の無線通信装置は、
（５）に記載のアンテナ装置と、このアンテナ装置に接続された無線通信回路とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、不要な容量結合が抑制されて、トランス機能を悪化させずに所定の結合度が確保できる。また、不要な容量結合が抑制されるので、アンテナの周波数特性のＱ値の劣化が生じにくく、広帯域特性が得られる。

図１は本発明の第１の実施形態に係る結合度調整素子の分解斜視図である。 図２は結合度調整素子２１の外観斜視図である。 図３は結合度調整素子２１およびそれを含むアンテナ装置の回路図である。 図４は図１に示した各基材層５１ａ〜５１ｄの平面図である。 図５はアンテナ装置１０１のリターンロス特性を示す図である。 図６は無線通信装置の構成を示すブロック図である。 図７はトランスを用いて二つの放射素子を結合させる回路構成例である。

本発明の結合度調整素子、アンテナ装置および無線通信装置の構成例について各図を参照して説明する。

図１は本発明の第１の実施形態に係る結合度調整素子の分解斜視図である。各基材層は誘電体シートで構成され、基材層５１ａ〜５１ｄに導体パターンが形成されている。

図１に示した範囲で、基材層５１ａに導体パターンＬ１ａ，Ｌ２ａが形成されている。基材層５１ｂには導体パターンＬ１ｂ，Ｌ２ｂが形成され、基材層５１ｃに導体パターンＬ１ｃ，Ｌ２ｃが形成されている。基材層５１ｄに導体パターンＬ２ｄが形成されている。基材層５１ａの下面に端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が形成されている。

前記各基材層５１ａ〜５１ｄには層間接続用およびコイル素子用のビア導体が形成されている。図１中の縦方向に延びる線でこのビア導体を表している。

図１に示されている導体パターンＬ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃおよびこれらを層間接続するビア導体によって第１コイル素子（後に示すＬ１）が構成されている。同様に、導体パターンＬ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃ，Ｌ２ｄおよびこれらを層間接続するビア導体によって第２コイル素子（後に示すＬ２）が構成されている。

図２は結合度調整素子２１の外観斜視図である。底面に形成されている８個の端子のうち、端子Ｐ１，Ｐ４が給電側、端子Ｐ２，Ｐ３側がアンテナ側に接続される。

図３は前記結合度調整素子２１およびそれを含むアンテナ装置の回路図である。図３に示すように、結合度調整素子２１は第１コイル素子Ｌ１および第２コイル素子Ｌ２を備える。第１コイル素子Ｌ１の第１端E11は端子Ｐ１に接続され、第２端E12は端子Ｐ２に接続されている。第２コイル素子Ｌ２の第１端E21は端子Ｐ４に接続され、第２端E22は端子Ｐ３に接続されている。

端子Ｐ１−Ｐ４間には給電回路ＦＣが接続される。また、端子Ｐ２には第１放射素子１１、端子Ｐ３には第２放射素子１２がそれぞれ接続される。端子Ｐ４はグランドに接続される。

図３中の容量は、第１コイル素子Ｌ１および第２コイル素子Ｌ２の形成によって生じる浮遊容量であり、ここでは集中定数素子の記号で表している。

第１放射素子１１は第１コイル素子Ｌ１を介して給電回路ＦＣに接続される給電放射素子である。第２放射素子１２は第２コイル素子Ｌ２を介してグランドに接続される無給電放射素子である。すなわち、結合度調整素子２１は第１放射素子（給電放射素子）１１および第２放射素子（無給電放射素子）１２の根元部に接続されている。結合度調整素子２１と第１放射素子１１と第２放射素子１２とでアンテナ装置１０１が構成されている。

第１コイル素子Ｌ１の中途部と第２コイル素子Ｌ２の第１端E21側とが容量結合する場合、給電回路ＦＣから給電された高周波信号は第１コイル素子Ｌ１の一部を通過してから容量結合することになる。ここで、端子Ｐ１における電圧をＶ０、第１コイル素子Ｌ１の中途部における電圧をＶ１、および端子Ｐ４における電圧をＶＧ（＝グランド電位の０Ｖ）で表すと、これらの関係は、Ｖ０＞Ｖ１＞ＶＧである。したがって、第１コイル素子Ｌ１の中途部と第２コイル素子Ｌ２の第１端E21との電位差（Ｖ１−ＶＧ）は、第１コイル素子Ｌ１の第１側E11と第２コイル素子Ｌ２の第１端E21側で容量結合する場合の電位差（Ｖ０−ＶＧ）に比べて小さくなる。その結果、容量結合の容量値は小さく、給電回路ＦＣから供給される電力が容量結合を介してグランドに抜けてしまうことを抑制できる。

また、第１コイル素子Ｌ１の第１端E11側と第２コイル素子Ｌ２の中途部とが容量結合する場合、給電回路ＦＣから給電された高周波信号は第２コイル素子Ｌ２の一部を通過してから容量結合することになる。ここで、端子Ｐ１における電圧をＶ０、第２コイル素子Ｌ２の中途部における電圧をＶ２、端子Ｐ４における電圧をＶＧ（＝グランド電位の０Ｖ）で表すと、これらの関係は、Ｖ０＞Ｖ２＞ＶＧである。したがって、第２コイル素子Ｌ２の中途部と第２コイル素子Ｌ２の第１端E21との電位差（Ｖ２−ＶＧ）は、第１コイル素子Ｌ１の第１側E11と第２コイル素子Ｌ２の第１端E21側で容量結合する場合の電位差（Ｖ０−ＶＧ）に比べて小さくなる。その結果、容量結合の容量値は小さく、給電回路ＦＣから供給される電力が容量結合を介してグランドに抜けてしまうことを抑制できる。

以上の作用により、給電回路ＦＣから供給される電力が容量結合によってグランドに抜けてしまうことを抑制できる。

図４は図１に示した各基材層５１ａ〜５１ｄの平面図である。第１コイル素子の導体パターンＬ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃおよび第２コイル素子の導体パターンＬ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃ，Ｌ２ｄは積層体の平面視で矩形ループを形成する。そして、第１コイル素子の第１端E11と２コイル素子の第１端E21は、前記ループ形状のうち互いに対向する位置に配置されている。また、これに伴い、導体パターンＬ１ｃと導体パターンＬ２ｄとは互いに離れた位置に配置される。したがって第１コイル素子Ｌ１と第２コイル素子Ｌ２との間の浮遊容量、特に端子Ｐ１−Ｐ４間に生じる浮遊容量が抑制される。

同様に、第１コイル素子の第２端E12と第２コイル素子の第２端E22は、前記ループ形状のうち互いに対向する位置に配置されている。また、これに伴い、導体パターンＬ１ａと導体パターンＬ２ａとは互いに離れた位置に配置される。したがって第１コイル素子Ｌ１と第２コイル素子Ｌ２との間の浮遊容量、特に端子Ｐ２−Ｐ３間に生じる浮遊容量も抑制される。

第１コイル素子Ｌ１と第２コイル素子Ｌ２との間に生じる浮遊容量は図３中にキャパシタの記号で示すように表すことができる。すなわち、端子Ｐ１−Ｐ４間に直接接続される容量は無く、端子Ｐ１−Ｐ４間で容量を介して流れようとする電流はコイル素子の一部を通る。そのため、図７の例で示したように、給電回路ＦＣから給電される電力が浮遊容量Ｃｆを介してグランドに抜けてしまう、といった問題は生じない。

図５はアンテナ装置１０１のリターンロス特性を示す図である。周波数ｆ１は第１放射素子１１の基本共振周波数、周波数ｆ２は第１放射素子１１の２次高調波共振周波数、周波数ｆ３は第２放射素子１２の基本共振周波数にそれぞれ相当する。このアンテナ装置１０１は９００ＭＨｚ帯と１．９ＧＨｚ帯のデュアルバンドに対応するアンテナ装置であり、第１放射素子１１の２次高調波共振と第２放射素子１２の基本共振とによって１．９ＧＨｚ帯の広帯域化を図っている。

図６は無線通信装置の構成を示すブロック図である。この通信端末装置は例えば携帯電話端末であり、アンテナ装置１０１、高周波モジュール７、送信回路６、受信回路８およびベースバンド回路５を備えている。アンテナ装置１０１は結合度調整素子２１と第１放射素子１１および第２放射素子１２を備えている。高周波モジュール７は、ローバンドとハイバンドの送信信号の切り替え、およびローバンドとハイバンドの受信信号の切り替えを行う高周波スイッチや分波／合波回路を備えている。送信回路６はローバンド用の送信回路とハイバンド用の送信回路で構成されている。また、受信回路８はローバンド用の受信回路とハイバンド用の受信回路で構成されている。

なお、前記高周波モジュール７と結合度調整素子２１とを一体化して一つのモジュールにしてもよい。

E11…第１コイル素子の第１端
E12…第１コイル素子の第２端
E21…第２コイル素子の第１端
E22…第２コイル素子の第２端
ＦＣ…給電回路
Ｌ１…第１コイル素子
Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ…導体パターン
Ｌ２…第２コイル素子
Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃ，Ｌ２ｄ…導体パターン
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４…端子
５…ベースバンド回路
６…送信回路
７…高周波モジュール
８…受信回路
１１…第１放射素子
１２…第２放射素子
２１…結合度調整素子
５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ…基材層
１０１…アンテナ装置

Claims (6)

1. 第１端が給電回路、第２端が第１放射素子にそれぞれ接続される第１コイル素子と、
   第１端がグランド、第２端が第２放射素子にそれぞれ接続され、前記第１コイル素子と磁界結合する第２コイル素子と、を有し、
   前記第１コイル素子の中途部と前記第２コイル素子の第１端側とが容量結合している、
   ことを特徴とする結合度調整素子。
2. 第１端が給電回路、第２端が第１放射素子にそれぞれ接続される第１コイル素子と、
   第１端がグランド、第２端が第２放射素子にそれぞれ接続され、前記第１コイル素子と磁界結合する第２コイル素子と、を有し、
   前記第１コイル素子の第１端側と前記第２コイル素子の中途部とが容量結合している、
   ことを特徴とする結合度調整素子。
3. 前記第１コイル素子および前記第２コイル素子は、複数の基材層を積層してなる積層体に設けられるとともに、前記積層体の平面視でループ形状を成し、
   前記第１コイル素子の第１端と前記第２コイル素子の第１端とは、前記積層体の平面視で、前記ループ形状のうち互いに対向する位置に配置されている、請求項１または２に記載の結合度調整素子。
4. 前記第１コイル素子の第２端と前記第２コイル素子の第２端とは、前記積層体の平面視で、前記ループ形状のうち互いに対向する位置に配置されている、請求項３に記載の結合度調整素子。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の結合度調整素子と、前記第１放射素子と、前記第２放射素子とを有し、前記第１放射素子の共振と前記第２放射素子の共振とで、複数の周波数帯域に対応するアンテナ装置。
6. 請求項５に記載のアンテナ装置と、このアンテナ装置に接続された無線通信回路とを備えた無線通信装置。

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