JP6020451B2 - アンテナ及び電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ及び電子装置に関する。

特定の構造を有する導体パターンを周期的に配置すること（以下、メタマテリアルと記載）で電磁波の伝播特性を制御できることが明らかになっている。最も基本的な構成要素として知られるメタマテリアルは、環状の導体を周方向の一部で切断したＣ字状のスプリットリングを用いたスプリットリング共振器である。スプリットリング共振器は、磁界と相互作用することで実効的な透磁率を制御することができる。

通信機能を有した電子装置においては、常に小型化が望まれている。これに伴い、通信を担うアンテナも小型化が要求されている。そこで、スプリットリング共振器を利用してアンテナを小型化する技術が提案されている。

非特許文献１には、スプリットリング共振器をモノポールアンテナの近傍に配置することで実効透磁率を大きくし、モノポールアンテナを小型化する技術が開示されている。
非特許文献２では、スプリットリング共振器を、パッチアンテナのパッチとグランドプレーンの間の領域に周期的に配置することで実効透磁率を大きくし、パッチアンテナを小型化する技術が開示されている。

"Electrically small split ring resonator antennas," Journal of Applied Physics, 101, 083104 (2007) "Patch Antenna With Stacked Split-Ring Resonators As An Artificial Magneto-Dielectric Substrate," Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 46, No. 6, September 20 2005

しかしながら、非特許文献１、２に開示されたアンテナは、いずれも、モノポールアンテナやパッチアンテナとは別体に設けたスプリットリング共振器をグランドプレーンに対して垂直に配置する必要がある。グランドプレーンに対して垂直に配置するスプリットリング共振器は、通常のプリント基板製造プロセスでグランドプレーンと一体に製造できない。このため、製造コストが増大する問題がある。

非特許文献２に開示されたアンテナでは、もともと動作帯域の狭いパッチアンテナにスプリットリング共振器を適用することで、より動作帯域が狭くなってしまう問題がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされた。本発明の目的の一例は、小型でありながら、広帯域に動作し、しかも低コストに製造可能なアンテナ及びこのアンテナを備えた電子装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明の実施態様に係るアンテナは、第１の開口部を囲むとともに周方向の一部に設けられた第１スプリット部を有し略Ｃ字状に連続する第１スプリットリング部を有する第１の導体層と、前記第１スプリットリング部と対向し、第２の開口部を囲むとともに周方向の一部に第２スプリット部を有し略Ｃ字状に連続する第２スプリットリング部を有する第２の導体層と、前記第１スプリット部および前記第２スプリット部の周方向に間隔を隔ててそれぞれ備えられ、前記第１スプリットリング部と前記第２スプリットリング部とを電気的に接続する複数の導体ビアと、前記第１の導体層とは異なる導体層に設けられ、前記複数の導体ビアの少なくとも一つに電気的に接続される第１端、および前記第１および第２の開口部を跨いで前記第１スプリットリング部と対向する領域に延伸した第２端を有する給電線と、を備える。

本発明の実施態様に係る電子装置は、上記のアンテナを少なくとも１つ備える。

本発明によれば、誘電体層を挟んで対向する第１の導体層と第２の導体層は、それぞれ略Ｃ字状に連続する第１スプリットリング部および第２スプリットリング部を有する。これら第１スプリットリング部および第２スプリットリング部を導体ビアで接続することにより、スプリットリング共振器自体をアンテナ放射体とすることができる。これにより、少なくとも誘電体層を挟んで複数層の導体層を有した誘電体多層基板のみからアンテナを低コストで形成することができる。また、このようなアンテナは、パッチアンテナを用いることもないことから比較的広帯域に動作する。

本発明の第１の実施形態に係るアンテナの一例を示す斜視図である。 図１のアンテナの上面図である。 図２のＡ−Ａ´線に沿った断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るアンテナのスプリット部に補助導体パターンを設けた構成を示す図である。 補助導体パターンを設けた場合の本実施形態のアンテナの電磁界シミュレーションによる計算結果を示す。 本発明の第１の実施形態に係るアンテナにおいて、複数の導体ビアを接続する導体ランドパターンを備え、給電線を導体ランドパターンに接続した構成の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るアンテナの第１導体、第２導体を長方形とした場合の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るアンテナの第１導体、第２導体を凸字状の形状とした場合の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るアンテナの第１導体、第２導体に円形の開口部を設けた場合の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るアンテナのスプリット部を中心からずれた位置に設けた場合の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るアンテナのスプリット部を挟んで両側に１つずつ導体ビアを設けた場合の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るアンテナの斜視図である。 第２の実施形態における第２導体の他の形状例を示す図である。 第２の実施形態における第１導体の他の形状例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るアンテナの斜視図である。 本発明の第３の実施形態の変形例係るアンテナの斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係るアンテナの斜視図である。 図１７のＡ−Ａ´線に沿った断面図である。 第４の実施形態におけるスプリットリング共振器の他の形状例を示す図である。 第４の実施形態におけるスプリットリング共振器の他の形状例を示す図である。 第４の実施形態におけるスプリットリング共振器の他の形状例を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係るアンテナの上面図である。 第５の実施形態において、第一と第二のアンテナの向きを直交させた例を示す図である。 本発明の第六の実施形態に係るアンテナの上面図である。 本実施形態に係るアンテナを親基板に接続した電子装置の一例を示す上面図である。 図２３のＡ−Ａ´線に沿った電子装置の断面図である。 本発明の第六の実施形態の第一変形例に係る電子装置の断面図である。 本発明の第六の実施形態の第二変形例に係る電子装置の上面図である。 本発明の第六の実施形態の第二変形例に係る電子装置の断面図である。 本発明の第七の実施形態に係るアンテナの斜視図である。 本発明の第七の実施形態に係るアンテナの上面図である。 図２９のＡ−Ａ´線に沿った断面図である。 本発明の第七の実施形態の第一変形例に係るアンテナの断面図である。 本発明の第七の実施形態の第二変形例に係るアンテナの断面図である。 本発明の第七の実施形態の第三変形例に係るアンテナの上面図である。 図３３のＡ−Ａ´線に沿った断面図である。 本発明の第七の実施形態において、第２スプリットリング部が矩形状の基板から突出して形成された凸部に開口部が配置された構成を説明する図である。 本発明の第七の実施形態において、第２スプリットリング部が矩形状の基板から突出して形成された凸部に開口部が配置された構成を説明する図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態に係るアンテナ説明する。しかし、本発明はこれらの実施形態に限定されない。
［第一の実施形態］
図１から図３に示すように、誘電体多層基板７は、複数の誘電体層９Ａ，９Ｂと導体層とが交互に積層されて構成される。アンテナ１０は、誘電体多層基板７において、互いに異なる導体層（第１の導体層）７Ａ、導体層（第３の導体層）７Ｂ，導体層（第２の導体層）７Ｃに、第１スプリットリング部１、給電線４、第２スプリットリング部２がそれぞれ順に形成されて構成される。

第１スプリットリング部１と第２スプリットリング部２は、誘電体層９Ａ，９Ｂを挟んで、少なくとも一部が互いに対向するように配置されている。
第１スプリットリング部１には長方形の開口部５ａが形成されている。第２スプリットリング部２には開口部５ａと同様の長方形の開口部５ｂが形成されている。開口部５ａ、５ｂは、それぞれ誘電体多層基板７の表面に直交する方向から見たときに、互いに重なるよう形成されている。

第１スプリットリング部１と第２スプリットリング部２にはスロット状のスプリット部（第１スプリット部）６ａおよびスプリット部（第２スプリット部）６ｂが形成されている。スプリット部６ａおよびスプリット部６ｂは、開口部５ａおよび開口部５ｂにおいて、第１スプリットリング部１と第２スプリットリング部２の外縁に近接する側の辺と、第１スプリットリング部１と第２スプリットリング部２の外縁とを結ぶ。

開口部５ａおよび開口部５ｂの周囲には、開口部５ａ、開口部５ｂを上面視で囲むように複数の導体ビア３が形成されている。複数の導体ビア３は、誘電体層９Ａ，９Ｂを貫通して第１スプリットリング部１と第２スプリットリング部２とを電気的に接続している。

このようにして、第１スプリットリング部１と、第２スプリットリング部２とが、誘電体層９Ａ，９Ｂを挟んで互いに対向し、導体ビア３によって電気的に接続された構成とされている。第１スプリットリング部１は、開口部５ａを囲むとともに周方向の一部にスプリット部６ａが形成されて略Ｃ字状に連続する。第２スプリットリング部２は、開口部を５ｂ囲むとともに周方向の一部にスプリット部６ｂが形成されて略Ｃ字状に連続する。

給電線４の一端４ａは、少なくとも一つの導体ビア３に接続されている。給電線４の他端４ｂは、上面視で開口部５ａ、開口部５ｂを跨いで反対側の第１スプリットリング部１と対向する領域に延伸し、図示せぬＲＦ回路に接続されている。

第１スプリットリング部１、第２スプリットリング部２、および給電線４は、一般的には銅箔で形成される、しかしながら、第１スプリットリング部１、第２スプリットリング部２、および給電線４は、導電性であれば他の素材で形成されてもよい。第１スプリットリング部１、第２スプリットリング部２、および給電線４各々が同一の素材であってもよいし、異なる素材であってもよい。

導体ビア３は、一般的には、誘電体多層基板７にドリルで形成した貫通孔に、めっきをすることで形成される。しかしながら、導体ビア３は、層間を電気的に接続できればどのような構成でもよい。例えば、導体ビア３は、レーザーで形成するレーザービア等を用いて構成することもできる。
図１、図２では内層の構造を図示するため、誘電体多層基板７の誘電体層９Ａ，９Ｂを省略している。

上記したような構成のアンテナ１０によれば、開口部５ａ、５ｂの縁に沿って第１スプリットリング部１、第２スプリットリング部２をリング状に流れる電流によって生じるインダクタンスと、スプリット部６ａ、６ｂに生じるキャパシタンスと、からなるＬＣ直列共振回路（スプリットリング共振器）が形成される。これによってアンテナ１０が共振周波数付近でアンテナとして動作する。スプリットリング共振器には、給電線４を介してＲＦ回路から高周波信号が給電される。

スプリットリング共振器の共振周波数は、開口部５ａ、５ｂの大きさを大きくして、電流経路を長くすることでインダクタンスを大きくするか、スプリット部６ａ、６ｂの間隔を狭くしてキャパシタンスを大きくすることで低周波化することができる。特に、スプリット部６ａ、６ｂの間隔を狭くする方法は、スプリット部６ａ、６ｂに電界が集中するため損失が大きくなる一方、全体のサイズを大きくすることなく動作周波数を低周波化できる。このため、この方法は小型化に適している。

給電線４は、第１スプリットリング部１と対向する領域において第１スプリットリング部１と電気的に結合することで伝送線路を形成している。この伝送線路の特性インピーダンスは、給電線４の線幅、または第１スプリットリング部１と給電線４との層間隔によって設計することができる。このため、伝送線路の特性インピーダンスをＲＦ回路のインピーダンスに整合させることで、ＲＦ回路の信号を反射なくアンテナに給電することが可能となり好ましい。ただし、伝送線路の特性インピーダンスがＲＦ回路のインピーダンスと整合していない場合でも、本実施形態の本質的な動作には何ら影響を与えない。

上記したようなアンテナ１０は、通信機能を備えた電子装置に少なくとも一つ備えることができる。このような電子装置は、アンテナ１０の小型化を図ることができるので、装置全体を小型化することが可能となる。

上記実施形態で示した構成は一例であり、以下に示すような応用例を実現できる。
本実施形態のアンテナ１０は給電線４とスプリットリング共振器との接続位置を変更することで、給電線４とアンテナとのインピーダンスを整合させることができる。図１、図２の接続位置は一例であり、給電線４を他の導体ビア３に接続することで接続位置を変更してインピーダンスが整合するように調整することができる。

上記では、スプリット部６ａ、６ｂの間隔を狭くしてキャパシタンスを大きくする構成を示した。キャパシタンスを大きくする別の方法として、例えば図４に示すようにスプリット部６ａ、６ｂに補助導体パターン８ａ、８ｂを設けるような構成を考えることもできる。補助導体パターン８ａ、８ｂは、スプリット部６ａ、６ｂが対向する方向に対し、直交する方向に延びる帯状の導体層からなる。補助導体パターン８ａ、８ｂによって、スプリット部６ａ、６ｂを挟んで対向する導体面積が増加する。このため、全体のサイズを大きくすることなく、大幅にキャパシタンスを増加させることが可能となる。

図５は、補助導体パターンを設けた場合の本実施形態のアンテナの電磁界シミュレーションによる計算結果を示す。シミュレーションは、次のような条件で行った。誘電体多層基板のサイズは、５０ｍｍ×３０ｍｍに設定した。スプリットリング共振器のサイズは、１０ｍｍ×４．５ｍｍに設定した。スプリット部の間隔は、０．１ｍｍに設定した。補助導体パターンの長さＬは、長さＬ１（＝１．００ｍｍ）、Ｌ２（＝１．２０ｍｍ）、Ｌ３（＝１．４５ｍｍ）に変化させた。図５の横軸は周波数を示す。図５の縦軸は給電線４から見たアンテナの反射損失（Ｓ１１）を示す。図５において、補助導体パターンの長さＬ１の場合における計算結果は実線で示している。補助導体パターンの長さＬ２の場合における計算結果は、破線で示している。補助導体パターンの長さＬ３の場合における計算結果は、一点差線で示している。図５を見れば、補助導体パターンの長さＬが大きくなるにしたがって、スプリットリング共振器のキャパシタンスが増加し、共振周波数が低周波にシフトすることがわかる。補助導体パターンの長さＬ３（＝１．４５ｍｍ）の場合、中心周波数が２．４４５ＧＨｚ、１０ｄＢ以下の動作帯域が２．３６〜２．５２ＧＨｚとなる。よって、この場合、無線ＬＡＮの周波数帯を十分カバーすることが確認できる。

給電線４は複数の導体ビア３と接続されていてもよい。例えば図６に示すような構成を考えることもできる。図６においては、給電線４と同一の層に、複数の導体ビア３を接続するように設けられた帯状の導体ランドパターン９が設けられている。給電線４は、この導体ランドパターン９に接続している。このように構成することで、給電線４とスプリットリング共振器との接続位置を導体ビア３の位置に限定されることなく自由に設計することが可能となる。このため、より容易かつ高精度にインピーダンスを整合させることができる。

図１、図２では、第１スプリットリング部１または第２スプリットリング部２の領域に部品や配線が配置されていない場合を例に示した。しかしながら、この構成に限られない。誘電体多層基板７が備える層のいずれかの層の第１スプリットリング部１または第２スプリットリング部２の領域にＬＳＩ、ＩＣ等の部品や配線が配置されていてもよい。例えば、給電線４に接続されるＲＦ回路を、第１スプリットリング部１もしくは第２スプリットリング部２の領域に設けるような構成を考えることができる。この場合、部品や配線を配置するために第１スプリットリング部１または第２スプリットリング部２に設けられる開口は、開口部５ａ、５ｂより小さいことが好ましい。なぜならば、本実施形態のアンテナの電流は、スプリットリング共振器だけでなく第１スプリットリング部１および第２スプリットリング部２にも流れている。よって、開口部５ａ、５ｂより大きな開口が存在すれば、開口周囲に電流が流れることで開口がアンテナとして振る舞い、意図せぬ放射が生じてしまうためである。ただし、部品や配線の配置の都合上、開口が避けられない場合でも、本実施形態のアンテナ１０の本質的な動作には何ら影響を与えない。

また、図１、図２では、第２スプリットリング部２が、第１スプリットリング部１と同様の形状、大きさの場合を示した。しかしながら、この構成に限られない。第２スプリットリング部２は開口部５ｂを上面視で包含すればどのような大きさ形状でもよい。例えば、図７に示すように、第２スプリットリング部２が開口部５ｂを囲むようにほぼ統一の幅で形成されたリング形状であってもよい。
また、第２スプリットリング部２は、Ｃ字状に連続することが好ましい。しかしながら、第２スプリットリング部２の一部が欠けていても本実施形態のアンテナ１０の本質的な動作には何ら影響を与えない。例えば、第２スプリットリング部２の一部が、他の実装部品を避けるために欠けているような構成を考えることもできる。

図７では第１スプリットリング部１が長方形である場合を示した。しかしながら、この構成に限られない。第１スプリットリング部１は開口部５ａを上面視で包含すればどのような大きさ形状でもよい。例えば、図８に示すような構成を考えることもできる。図８においては、凸部７ｅが第１スプリットリング部１が矩形状の基板７ｄから突出して形成されている。この凸部７ｅに開口部５ａが配置されている。

図１、図２では、開口部５ａ、５ｂが長方形の場合を例に示した。しかしながら、開口部の形状は必ずしもこれに限定されない。例えば、図９に示すように円形の開口部５ａ，５ｂを設ける構成を考えることもできる。開口部の形状は、他の形状であっても当然よい。

図１、図２では、スプリット部６ａ、６ｂが、開口部５ａ，５ｂの長手方向中央部に設けられた例を示した。しかしながら、スプリット部の位置は必ずしもこれに限定されない。例えば、図１０に示すように長手方向中央部からずれた位置に設けてもよい。スプリット部を２箇所設けるような構成を考えることもできる。

図１、図２では、導体ビア３が開口部５ａ、開口部５ｂを上面視で囲むように配置された例を示した。しかしながら、導体ビア３が開口部の周囲に複数設けられていれば、導体ビア３の配置はこれに限定されない。例えば、図１１に示すように、スプリット部を挟んで両側に１つずつ導体ビア３を備えるような構成であってもよい。

誘電体多層基板７は、多層基板であれば、どのような材料で構成されていても、どのようなプロセスで形成されていてもよい。
例えば、誘電体多層基板７は、ガラスエポキシ樹脂を用いたプリント基板であってもよい。誘電体多層基板７は、ＬＳＩ等のインターポーザー基板であってもよい。誘電体多層基板７は、ＬＴＣＣなどのセラミック材料を用いたモジュール基板であってもよい。誘電体多層基板７は、当然シリコンなどの半導体基板であってもよい。
ここでは、本実施形態のアンテナ１０を誘電体多層基板７に形成する場合を例に説明した。しかしながら、導体で作られた各要素を上記の通りに配置、接続できれば、各要素の間の空間は必ずしも誘電体で満たされている必要はない。例えば、各要素を板金で製造して、各要素の間を誘電体支持部材などで部分的に支えるような構成も考えることができる。この場合、誘電体支持部材以外の部分は中空となるため、誘電損失を低減しアンテナの放射効率を向上させることができる。

［第二の実施形態］
図１２は、本発明の第二の実施形態に係るアンテナ２０の斜視図である。図１２に示されているように、本実施形態に係るアンテナ２０は以下の点を除いて第一の実施形態のアンテナ１０と同様である。
図１２に示すアンテナ２０は、給電線４と同一の層に、第３スプリットリング部（第２スプリットリング部）２１が備えられている。第３スプリットリング部２１は、第１スプリットリング部１および第２スプリットリング部２と少なくとも一部が互いに対向するように配置される。
第３スプリットリング部２１には、第１スプリットリング部１、第２スプリットリング部２と同様に長方形の開口部５ｃが形成されている。開口部５ａ、５ｂ、５ｃはそれぞれ上面視で重なるように配置されている。

スロット状のスプリット部（第２スプリット部）６ｃは、上面視でスプリット部６ａ、６ｂと重なるように開口して形成される。開口部５ｃは、スプリット部６ｃによって第３スプリットリング部２１の外縁とつながっている。

第３スプリットリング部２１には、給電線４が延伸する領域に、クリアランス２２が設けられている。クリアランス２２により第３スプリットリング部２１と給電線４とが絶縁されている。

導体ビア３は開口部５ａ、５ｂ、５ｃを上面視で囲むように配置されている。導体ビア３は、第１スプリットリング部１、第２スプリットリング部２、第３スプリットリング部２１を電気的に接続している。本第二の実施形態のアンテナ２０では、開口部５ａ、５ｂ、５ｃの縁に沿ってリング状に流れる電流によって生じるインダクタンスと、スプリット部６ａ、６ｂ、６ｃに生じるキャパシタンスと、からなるＬＣ直列共振回路（スプリットリング共振器）が形成される。これにより、共振周波数付近でアンテナとして動作する。

給電線４は第３スプリットリング部２１に接続されている。このため、給電線４は、ＲＦ回路からの高周波信号をスプリットリング共振器に給電することができる。

本実施形態においては、３つのスプリット部６ａ、６ｂ、６ｃに生じるキャパシタンスが並列に接続された構成である。このため、本実施形態に第一の実施形態よりスプリット部６ｃの分だけキャパシタンスを増加させることができる。したがって、本実施形態のアンテナ２０は、第一の実施形態のアンテナ１０と比べて、共振周波数を低周波化することが可能となる。

図１２では第３スプリットリング部２１が、開口部５ｃの大きさに近いリング形状の場合を示した。しかしながら、第３スプリットリング部２１は開口部５ｃを上面視で包含すればどのような大きさでも、どのような形状でもよい。例えば、第３スプリットリング部２１は第１スプリットリング部１と同様の形状、大きさであってもよい。

図１２では第２スプリットリング部２が、第１スプリットリング部１と同様の形状、大きさの場合を示したが、第２スプリットリング部２は開口部５ｂを上面視で包含すればどのような大きさでも、どのような形状でもよい。例えば、図１３に示すように、第２スプリットリング部２が開口部５ｂを囲むようにほぼ同一の幅で形成されたリング形状であってもよい。

図１２では第１スプリットリング部１が長方形である場合を示した。しかしながら、第１スプリットリング部１は開口部５ａを上面視で包含すればどのような大きさでも、どのような形状でもよい。例えば、図１４に示すような構成を考えることもできる。図１４においては、凸部７ｅが第１スプリットリング部１が矩形状の基板７ｄから突出して形成されている。この凸部７ｅに開口部５ａが配置されている。

図１２では第３スプリットリング部２１が、給電線４と同一の層にだけ設けられた場合を示した。しかしながら、この構成に限られない。第３スプリットリング部２１は、第１スプリットリング部１と第２スプリットリング部２の間の、給電線４と同一の層を含む複数の層に複数設けられていてもよい。
この場合、給電線４は給電線４と同一の層に設けられた第３スプリットリング部２１に接続されればよい。

［第三の実施形態］
図１５は、本発明の第三の実施形態に係るアンテナ３０の斜視図である。
図１５に示されているように、本実施形態に係るアンテナ３０は以下の点を除いて第一の実施形態に係るアンテナ１０と同様である。
図１５に示すアンテナ３０は、給電線４が第２スプリットリング部２と同一の層に配置されている。給電線４の一端４ａが、第２スプリットリング部２の開口部５ｂの縁に接続される。第２スプリットリング部２には、給電線４が延伸する領域に、クリアランス３２が設けられている。クリアランス３２により、第２スプリットリング部２と給電線４とが絶縁されている。以上のように構成されることで、給電線４によってＲＦ回路からの高周波信号をスプリットリング共振器に給電することができる。

図１５では、第２スプリットリング部２が、開口部５ｂを囲むようにほぼ一定の幅で形成されたリング形状である場合を示した。しかしながら、第２スプリットリング部２は開口部５ｂを上面視で包含すればいかなる形状であってもよい。
例えば、図１６に示すように、第２スプリットリング部２が第１スプリットリング部１と同様の形状、大きさであってもよい。図１６の場合も、図１５の場合と同様に、第２スプリットリング部２には、給電線４が延伸する領域にクリアランス３２が設けられる。クリアランス３２により第２スプリットリング部２と給電線４とが絶縁されている。以上のように構成されることで、給電線４によってＲＦ回路からの高周波信号をスプリットリング共振器に給電することができる。

図１６の場合、給電線４は、第１スプリットリング部１と対向する領域において第１スプリットリング部１および第２スプリットリング部２と、電気的に結合することで伝送線路を形成している。この伝送線路の特性インピーダンスは、給電線４の線幅、第１スプリットリング部１と給電線４との層間隔、または第２スプリットリング部２と給電線４との間隔によって設計することができる。このため図１６の場合も、図１５の場合と全く同様に、伝送線路の特性インピーダンスをＲＦ回路のインピーダンスに整合させることで、ＲＦ回路の信号を反射なくアンテナに給電することが可能となる。

本実施形態によれば、２つの層でアンテナを構成できるため、第一の実施形態のアンテナ１０と比べて、誘電体多層基板７を薄くすることができる。

［第四の実施形態］
図１７は、本発明の第四の実施形態に係るアンテナ４０の上面図である。図１８は、図１７のアンテナ４０の上面図のＡ−Ａ´線に沿った断面図である。図１７、図１８に示されているように、本実施形態に係るアンテナ４０は以下の点を除いて第一の実施形態のアンテナ１０と同様である。
図１７、図１８に示すアンテナ４０は、第１スプリットリング部１と同一層の開口部５ａの内部および、第２スプリットリング部２と同一層の開口部５ｂの内部に、それぞれスプリットリング共振器４１が配置される。スプリットリング共振器４１は、リング状の導体パターン４１Ａと、導体パターン４１Ａの内部に配置されたリング状の導体パターン４１Ｂを有する。導体パターン４１Ａは、スプリットを有する。導体パターン４１Ｂは、導体パターン４１Ａと同様にスプリットを有し、導体パターン４１Ａよりも一回り小さい。外側と内側のそれぞれのリングに設けられたスプリット４２ａ、４２ｂが互いに反対側を向くように構成されている。

スプリットリング共振器４１は、開口部５ａ、５ｂを貫通する磁束と相互作用し、アンテナの実効的な透磁率を制御することができる。特にスプリットリング共振器４１の共振周波数付近では、実効透磁率を大きな値にすることができるため、アンテナ４０の動作周波数を低周波化することができる。

スプリットリング共振器４１は必ずしも図１７の形状に限定されない。例えば、図１９Ａ〜１９Ｃに示すようなスプリットリング共振器を用いても同様の効果を得ることができる。図１９Ａは長方形型のスプリットリング共振器４１Ｃ、４１Ｄを内外二重に設け、スプリット部４２ｃ、４２ｄが互いに反対側を向くよう形成した構成の一例を表す。図１９Ｂは一重のＣ字状のスプリットリング共振器４１Ｅの一例を表す。図１９Ｃは一重のスプリットリング共振器４１Ｆの例を示す。スプリットリング共振器４１Ｆにおいては、スプリット部４２ｅを挟んだその両側に、帯状の補助導体パターン８ｃ、８ｄが形成されている。この構成により、スプリット部４２ｅにおけるキャパシタンスを増加させることができるため、より大きな実効透磁率を実現することができる。

また、図１７、図１８では、スプリットリング共振器４１が、開口部５ａ、５ｂに２つずつ配置された例を示した。しかしながら、スプリットリング共振器４１は開口部５ａ、５ｂに１つずつ配置されていてもよいし、３つ以上ずつ配置されていてもよい。図１８では、スプリットリング共振器４１が、第１スプリットリング部１および第２スプリットリング部２と同一の層に配置された例を示した。しかしながら、スプリットリング共振器４１は、上面視で開口部５ａ、５ｂの内部に位置していれば、他の層に設けられていても当然よい。ただし、スプリットリング共振器４１が給電線４と同一の層に設けられる場合は、スプリットリング共振器４１と給電線４が接触しないように配置に注意が必要である。

［第五の実施形態］
図２０は、本発明の第五の実施形態に係るアンテナ５０の上面図である。図２０に示されているように、本実施形態に係るアンテナ５０は、第一の実施形態を基本とし、第一の実施形態に係るアンテナを２つ備えることを特徴とする。
本実施形態のアンテナ５０は、誘電体多層基板７の第１スプリットリング部１および第２スプリットリング部２に、第一のアンテナ５１および第二のアンテナ５２を備える。このような構成のため、例えばＭＩＭＯ(Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ)のような複数アンテナを必要とする通信方式に用いることができる。
ＭＩＭＯにおいて高いスループットを得るには、アンテナ間の相関係数が低いことが望ましいことが知られている。このため、図２１に示すように、第一と第二のアンテナの向きを直交させることで、アンテナ間の相関係数を低減させるような構成も考えることができる。

ここでは、第一の実施形態を基本とした場合を例に説明した。しかしながら、当然他の実施の形態を基本とするような構成を考えることもできる。
ここでは、アンテナを２つ備える場合を例に説明した。しかしながら、当然２つ以上のアンテナを備えるような構成を考えることもできる。

［第六の実施形態］
図２２は、本発明の第六の実施形態に係るアンテナ６０の上面図である。図２３は、本実施形態に係るアンテナ６０を親基板６８に接続した電子装置７０の一例を示す上面図である。図２４は図２３のＡ−Ａ´線に沿った電子装置７０の断面図である。図２２に示されているように、本実施形態に係るアンテナ６０は、以下の点を除いて第三の実施形態に係るアンテナ３０と同様である。

即ち、本実施形態のアンテナ６０は、第２スプリットリング部２の領域にＲＦ回路６３を備えている。ＲＦ回路６３からの信号は給電線４に入力されるように構成されており、無線モジュールとして機能する。親基板６８無線通信以外の機能を持つ。この親基板６８にアンテナ６０を固定するとともにアンテナ６０と親基板６８の間の電気的接続を取るため、固定用ネジ穴６５が設けられている。固定用ネジ穴６５は、第１スプリットリング部１または第２スプリットリング部２の少なくとも一方の開口部５ａ、５ｂが設けられた辺と反対側の辺付近の領域に設けられる。

図２３、図２４に示す電子装置７０においては、上記固定用ネジ穴６５と親基板６８のグランドプレーン６９の領域に設けられたネジ穴とに導電性ネジ６７を通すことで、アンテナ６０が親基板６８に固定されている。
固定用ネジ穴６５と導電性ネジ６７とが電気的接続部として機能することで、アンテナ６０の第１スプリットリング部１または第２スプリットリング部２の少なくとも一方と、親基板６８のグランドプレーン６９とが電気的に接続されている。これによって、両者の電位を同一にすることが可能となる。

例えば逆Ｆアンテナのような一般的な基板アンテナの場合、そのアンテナのグランドプレーン全体にアンテナ電流が流れる。したがって、アンテナのグランドプレーンと親基板のグランドプレーンを電気的に接続すると、アンテナ電流の経路が変化するため、アンテナ特性が大きく変動してしまう。これに対して、本実施形態に係るアンテナ６０では、アンテナ電流が開口部５ａ、５ｂの周囲に集中し、固定用ネジ穴６５の位置ではアンテナ電流が比較的小さい。このため、親基板６８と接続した場合でも、アンテナ電流に与える影響が小さく、アンテナ特性の変化を抑えることが可能となる。

図２４では、アンテナ６０を親基板６８との間に空隙を設けないで設置する場合を示した。しかしながら、例えば図２５に示すように、アンテナ６０と親基板６８の間にスペーサー７１を挿入することで、アンテナ６０と親基板６８の間に空隙を設けるように設置してもよい。この場合、アンテナ６０を、導電体である親基板６８のグランドプレーン６９から離間させることができる。このため、アンテナの性能劣化を抑えることができる。ただし、空隙を設けない場合でも、本実施形態のアンテナ６０の本質的な動作には何ら影響を与えない。

ここでは、固定用ネジ穴６５が２つ設けられた場合を例に説明した。しかしながら、固定用ネジ穴６５は１つでもよいし、３つ以上でもよい。

ここでは、固定用ネジ穴６５及び導電性ネジ６７を電気的接続部とする場合を例に説明した。しかしながら、第１スプリットリング部１または第２スプリットリング部２の少なくとも一方の開口部５ａ、５ｂが設けられた辺と反対側の辺付近の領域に設けられれば、電気的接続部の構成は必ずしもこれに限定されない。例えば図２６、図２７に示すように、その領域に、第１スプリットリング部１または第２スプリットリング部２の少なくとも一方に接続されたコネクタ７２を設けて、コネクタ７２を介して親基板６８のグランドプレーン６９と接続するような電気的接続部の構成も考えることができる。

図２３では、アンテナ６０が親基板６８の角に接続される場合を示した。しかしながら、アンテナ６０の接続位置は、必ずしもこの位置に限らない。例えば、アンテナ６０は、親基板６８の中心部付近に接続されても当然よい。

図２３では、親基板６８にアンテナ６０が一つだけ接続された場合を示した。しかしながら、親基板６８にアンテナ６０が複数接続されているような構成も当然考えられる。
ここでは、第３の実施形態を基本とした場合を例に説明した。しかしながら、当然他の実施形態を基本とするような構成を考えることもできる。

［第七の実施形態］
図２８は本発明の第七の実施形態に係るアンテナ８０の斜視図である。図２９はアンテナ８０の上面図である。図３０は図２９のＡ−Ａ´線に沿った断面図である。図２８から図３０に示されているように、本実施形態に係るアンテナ８０は以下の点を除いて第三の実施形態に係るアンテナ３０と同様である。

本実施形態のアンテナ８０の第１スプリットリング部１及び第２スプリットリング部２には、第１間隙８１ａ及び第２間隙８１ｂがそれぞれ平面視で重なるように形成されている。同様に、第１スプリットリング部１及び第２スプリットリング部２には、第２の第１間隙８２ａ及び第２の第２間隙８２ｂがそれぞれ平面視で重なるように形成されている。
第２間隙８１ｂには、第２間隙８１ｂで分割された第２スプリットリング部２の両側を接続するように、第１チップ部品８３が接続されている。同様に、第２の第２間隙８２ｂには、第２の第２間隙８２ｂで分割された第２スプリットリング部２の両側を接続するように、第２チップ部品８４が接続されている。

本実施形態のアンテナ８０は、第三の実施形態のアンテナ３０のスプリットリング共振器に、さらに第１チップ部品８３及び第２チップ部品８４によって形成されるインピーダンスが直列に付加される。このため、スプリットリング共振器の共振周波数を変更することが可能となる。
例えば、第１チップ部品８３及び第２チップ部品８４としてチップインダクタを用いる場合、スプリットリング共振器に直列にインダクタンスが付加される。このため、インダクタンスの値に応じて共振周波数を低周波化させることができる。

例えば、第１チップ部品８３及び第２チップ部品８４としてチップキャパシタを用いる場合は、スプリットリング共振器に直列にキャパシタンスが付加される。このため、キャパシタンスの値に応じて共振周波数を高周波化させることができる。したがって、第１チップ部品８３と第２チップ部品８４のインピーダンスを適切に選ぶことで、アンテナ８０の動作周波数を容易に調整することが可能となる。

第１チップ部品８３及び第２チップ部品８４として０オーム抵抗を用いれば、スプリットリング共振器に直列インピーダンスが付加されない。このため、スプリットリング共振器の共振周波数は変化しない。このため、アンテナ８０の動作周波数を調整する必要が無い場合には、第１チップ部品８３と第２チップ部品８４として０オーム抵抗を選択すればよい。

ここでは第１チップ部品８３が、第２間隙８１ｂに接続された場合を例に説明した。しかしながら、第１チップ部品８３は、第１間隙８１ａおよび第２間隙８１ｂのいずれか一方もしくは両方に接続されていればよい。
同様に図３０では、第２チップ部品８４が第２の第２間隙８２ｂに接続された場合を例に説明し。しかしながら、第２チップ部品８４は、第２の第１間隙８２ａ及び第２の第２間隙８２ｂのいずれか一方もしくは両方に接続されていればよい。

例えば、図３１に示すように、第１チップ部品８３が、第１間隙８１ａおよび第２間隙８１ｂの両方に一つずつ接続されており、第２チップ部品８４が、第２の第１間隙８２ａ及び第２の第２間隙８２ｂの両方に一つずつ接続されているような構成を考えることもできる。

図３２に示すように、第１チップ部品８３が第１間隙８１ａに接続されており、第２チップ部品８４が第２の第２間隙８２ｂに接続されている構成であってもよい。

ここでは、第１スプリットリング部１および第２スプリットリング部２のそれぞれに間隙を２つずつ設けた場合を例に説明した。しかしながら、第１スプリットリング部１および第２スプリットリング部２のそれぞれに間隙を１つずつ設けてもよい。例えば、図３３、図３４に示すように、第１スプリットリング部１と第２スプリットリング部２のそれぞれに、第１間隙８１ａと第２間隙８１ｂを平面視で重なるように形成する構成を考えることもできる。
このように構成することで、図２９の場合と全く同様にアンテナ８０の動作周波数を調整することができる。また、図２９の場合と比べてチップ部品の個数を少なくすることができるため、チップ部品による損失を低減することができる。

第１スプリットリング部１および第２スプリットリング部２の形状として、例えば、図３５に示すような構成を考えることもできる。図３５においては、凸部７ｅに第２スプリットリング部２が矩形状の基板７ｄから突出して形成されている。この凸部７ｅに開口部５ｂが配置されている。この場合、第１スプリットリング部１も、矩形状の基板７ｄから突出して形成された凸部７ｅに開口部５ａが配置された構成となる。

図３５の構成では、第１間隙８１ａ及び第２間隙８１ｂが、基板７ｄと凸部７ｅの境界の一方に設けられている。また第２の第１間隙８２ａ及び第２の第２間隙８２ｂが、基板７ｄと凸部７ｅの境界の他方に設けられている。このように構成することで、図２９の場合と同様にアンテナ８０の動作周波数を調整することができる。

ここでは、第三の実施形態を基本とした場合を例に説明した。しかしながら、当然他の実施形態を基本とするような構成を考えることもできる。例えば、図３６に示すように、第六の実施形態を基本とするような構成も当然考えられる。

当然ながら、上述した各実施の形態および複数の変形例は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施の形態および変形例では、各構成要素の機能などを具体的に説明したが、その機能などは本願発明を満足する範囲で各種に変更することができる。

この出願は、２０１１年８月２４日に出願された日本出願特願２０１１−１８２３２５、および２０１２年２月８日に出願された日本出願特願２０１２−０２４８４８を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

本発明は、アンテナ及びアンテナを備えた電子装置に適用することができる。本発明を適用したアンテナ及びこのアンテナを備えた電子装置は、小型でありながら、広帯域に動作し、しかも低コストで製造できる。

１ 第１スプリットリング部
２ 第２スプリットリング部
３ 導体ビア
４ 給電線
５ａ、５ｂ、５ｃ 開口部
６ａ スプリット部（第１スプリット部）
６ｂ スプリット部（第２スプリット部）
６ｃ スプリット部
７ 誘電体多層基板
７Ａ 導体層（第１の導体層）
７Ｂ 導体層（第３の導体層）
７Ｃ 導体層（第２の導体層）
７ｄ 基板
７ｅ 凸部
８ａ、８ｂ 補助導体パターン
９ 導体ランドパターン
１０、２０、３０、４０、５０、６０、８０ アンテナ
２１ 第３スプリットリング部（第２スプリットリング部）
２２、３２ クリアランス
４１ スプリットリング共振器
５１ 第一のアンテナ
５２ 第二のアンテナ
６３ ＲＦ回路
６５ 固定用ネジ穴（電気的接続部）
６７ 導電性ネジ（電気的接続部）
６８ 親基板
６９ グランドプレーン
７０ 電子装置
８０ アンテナ
８１ａ 第１間隙
８１ｂ 第２間隙
８３ 第１チップ部品
８４ 第２チップ部品

Claims (11)

1. 第１の開口部を囲むとともに周方向の一部に設けられた第１スプリット部を有し略Ｃ字状に連続する第１スプリットリング部を有する第１の導体層と、
   前記第１スプリットリング部と対向し、第２の開口部を囲むとともに周方向の一部に第２スプリット部を有し略Ｃ字状に連続する第２スプリットリング部を有する第２の導体層と、
   前記第１スプリット部および前記第２スプリット部の周方向に間隔を隔ててそれぞれ備えられ、前記第１スプリットリング部と前記第２スプリットリング部とを電気的に接続する複数の導体ビアと、
   前記第１の導体層とは異なる導体層に設けられ、前記複数の導体ビアの少なくとも一つに電気的に接続される第１端、および前記第１および第２の開口部を跨いで前記第１スプリットリング部と対向する領域に延伸した第２端を有する給電線と、を備えるアンテナ。
2. 第３の開口部を囲むとともに周方向の一部に第３スプリット部を有し略Ｃ字状に連続する第３スプリットリング部を有する第３の導体層をさらに備える請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記第１の導体層と前記第２の導体層との間に設けられた第３の導体層をさらに備え、
   前記給電線は、第３の導体層に設けられ、対向する前記第１スプリットリング部と電気的に結合することで前記第１スプリットリング部と共に伝送線路を構成している請求項１に記載のアンテナ。
4. 前記第３の導体層は、前記第１の導体層と前記第２の導体層との間に設けられ、
   前記給電線は、第３の導体層に設けられ、対向する前記第１スプリットリング部と電気的に結合することで前記第１スプリットリング部と共に伝送線路を構成している請求項２に記載のアンテナ。
5. 前記給電線は、前記第２の導体層に設けられ、前記給電線の第１端が前記第２スプリットリング部の前記第２の開口部の縁に接続され、前記第２スプリットリング部を介して前記複数の導体ビアの少なくとも一つに電気的に接続され、
   前記給電線が延伸する領域には、前記給電線と前記第２スプリットリング部との間にクリアランスが設けられて前記給電線と前記第２スプリットリング部とが絶縁され、
   前記給電線は、対向する前記第１スプリットリング部と電気的に結合することで、前記第１スプリットリング部と共に伝送線路を構成している請求項１に記載のアンテナ。
6. 前記給電線は、前記第３の導体層に設けられ、前記給電線の第１端が前記第３スプリットリング部の第３の開口部の縁に接続され、前記第３スプリットリング部を介して前記複数の導体ビアの少なくとも一つに電気的に接続され、
   前記給電線が延伸する領域には、前記給電線と前記第３スプリットリング部との間にクリアランスが設けられて前記給電線と前記第３スプリットリング部とが絶縁され、
   前記給電線は、対向する前記第１スプリットリング部と電気的に結合することで、前記第１スプリットリング部と共に伝送線路を構成している請求項２に記載のアンテナ。
7. 前記第１スプリットリング部は、前記第１スプリット部を挟んで前記第１スプリット部の両側で対向する部分に、導体面積を増加させてキャパシタンスを増加させる第１の補助導体パターンを有し、
   前記第２スプリットリング部は、前記第２スプリット部を挟んで前記第２スプリット部の両側で対向する部分に、導体面積を増加させてキャパシタンスを増加させる第２の補助導体パターンを有する請求項１から６のいずれか一項に記載のアンテナ。
8. 前記開口部の少なくとも一つの内部に、少なくとも一つのスプリットリング共振器が備えられている請求項１から７のいずれか一項に記載のアンテナ。
9. チップ部品をさらに備え、
   前記第１スプリットリング部は、周方向の一部に設けられた第１間隙をさらに有し、
   前記第２スプリットリング部は、周方向の一部に設けられた第２間隙をさらに有し、
   前記チップ部品は、前記第１間隙によって分割された第１スプリットリング部の両側、または前記第２間隙によって分割された第２スプリットリング部の両側を接続するように、第１間隙または第２間隙の少なくとも一方に設けられる請求項１から８のいずれか一項に記載のアンテナ。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載のアンテナを少なくとも１つ備える電子装置。
11. グランドプレーンを備える親基板と、
    前記アンテナにおける第１スプリット部及び第２スプリット部が備えられた辺の反対側の辺付近の領域に備えられた電気的接続部とをさらに備え、
    前記アンテナの第１スプリットリング部または第２スプリットリング部と前記グランドプレーンとが、前記電気的接続部によって電気的に接続される請求項１０に記載の電子装置。

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