JP6323551B2 - アンテナ装置および通信端末装置 - Google Patents

Description

本発明は、携帯電話端末などの小型の通信端末装置に搭載されるアンテナ装置およびそのアンテナ装置を備えた通信端末装置に関する。

最近の小型の通信端末装置のアンテナには、線状逆Ｆアンテナ（以下、IFA；Inverted F Antenna という。）や板状逆Ｆアンテナ（以下、PIFA；Planar Inverted-F Antenna という。）等の逆Ｆアンテナが良く用いられる。逆Ｆアンテナは、内蔵アンテナとしては広帯域で利得が高く、他の内蔵小型アンテナと同様に、筐体に電流を励振させ、アンテナの実効的な寸法を大きくできる。例えば特許文献１には、IFAまたはPIFAに周波数可変アンテナ回路を設けることで、マルチバンドに対応させたアンテナ装置が示されている。

国際公開第２０１１／０５９０８８号

IFAやPIFAは、給電回路が接続される給電ポートと、グランド電極に接続される短絡ポートとを備えている。IFAやPIFAは、その短絡端が接地されていることにより、小型の割にはインピーダンスが高く、給電回路のインピーダンスと整合させやすい。しかし、短絡端を接地する構造により、所定利得が得られる帯域を狭くしてしまう。

また、特許文献１に示されているように、逆Ｆアンテナの開放端側に周波数調整手段を設けることで、アンテナのインピーダンスが所望の値となるように設計できるが、設計要素が多く、完成まで長い設計時間が必要になる。

本発明の目的は、IFAやPIFA等の逆Ｆアンテナに比べて周波数特性（周波数依存性）を小さくし、しかも設計上の簡素化を図った、アンテナ装置およびそれ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、
給電部と短絡部を有するアンテナ素子と、アンテナ素子の給電部に第１端が接続された第１コイル素子と、アンテナ素子の短絡部に第１端が接続された第２コイル素子と、を備え、第１コイル素子と第２コイル素子とでトランス回路が構成され、前記給電部と前記短絡部とは位置が異なり、前記給電部と前記短絡部との間にインダクタンス成分を有し、第１コイル素子の第２端に給電回路が接続され、第２コイル素子の第２端にグランドが接続されることを特徴とする。

上記構成によれば、IFAやPIFA等の逆Ｆアンテナに比べて、周波数特性（周波数依存性）を抑えることができ、また、周波数特性を調整するための設計要素が少なく、設計に要する時間が短縮化できる。

（２）前記第１コイル素子および前記第２コイル素子は、ループ状またはスパイラル状のコイル導体パターンが形成された基材層を含む複数の基材層の積層体で構成されていることが好ましい。このことにより、トランス回路部分を小型化でき、小型のアンテナ装置が構成できる。

（３）前記第１コイル素子および前記第２コイル素子の前記コイル導体パターンは、第１コイル素子のコイル開口と第２コイル素子のコイル開口とが平面視で重なるようなパターンであることが好ましい。このことにより、小型でありながら、第１コイル素子と第２コイル素子との結合度の高いトランス回路が構成できる。

（４）本発明の通信端末装置は、アンテナ装置、当該アンテナ装置に接続された無線通信回路を有する通信端末装置において、前記アンテナ装置を上記（１）〜（３）のいずれかに記載のアンテナ装置で構成することを特徴とする。

上記構成によれば、小型のアンテナ装置でありながら、広帯域に亘って高利得のもとでの通信が可能となる。

本発明のアンテナ装置によれば、IFAやPIFA等の逆Ｆアンテナに比べて、周波数特性（周波数依存性）を抑えることができる。また、周波数特性を調整するための設計要素が少なく、設計に要する時間が短縮化できる。本発明の通信端末装置によれば、小型のアンテナ装置でありながら、広帯域に亘って高利得のもとでの通信が可能となる。

図１は第１の実施形態に係るアンテナ装置１０１の回路図である。 図２は、アンテナ装置１０１が備えているトランス２の外観斜視図である。 図３はトランス２の導体部分を示す透視斜視図である。 図４はトランス２の断面図である。 図５（Ａ）は、アンテナ素子１の給電部１Ｆと短絡部１Ｓとの間のインダクタンスを集中定数回路素子Ｌ３で表した図である。図５（Ｂ）は、放射部１Ｒ、給電部１Ｆおよび短絡部１Ｓで構成される逆Ｆアンテナを表す図である。図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）における給電部１ＦのインダクタンスをＬＡ、短絡部１ＳのインダクタンスをＬＢ、で表した図である。 図６（Ａ）は本実施形態のアンテナ装置１０１の回路図、図６（Ｂ）はアンテナ装置１０１の等価回路図である。図６（Ｃ）はアンテナ装置１０１の別の等価回路図である。 図７は第２の実施形態に係るアンテナ装置１０２の回路図である。 図８（Ａ）は、図７に示した、アンテナ素子１の給電部１Ｆと短絡部１Ｓとの間のインダクタンスを集中定数回路素子Ｌ３，Ｌ４で表した図である。図８（Ｂ）は比較例としてのアンテナ装置の構成図である。 図９（Ａ）および図９（Ｂ）は、プリント配線板５に形成された導体パターンと、そのプリント配線板５に実装されたチップ部品を示す平面図である。

《第１の実施形態》
図１は第１の実施形態に係るアンテナ装置の回路図である。このアンテナ装置１０１はアンテナ素子１とトランス２とで構成されている。

アンテナ素子１は、たとえばスマートフォンのような携帯型の通信端末のセルラー通信（UHF帯）に利用されるアンテナ素子である。このアンテナ素子１は、このアンテナ素子１を一方の端部で短絡させる短絡部１Ｓと、アンテナ素子１の所定位置に給電する給電部１Ｆとを備える。

トランス２は４つのポートＰ１〜Ｐ４を備えている。このトランス２のポートＰ１はアンテナ素子１の給電部１Ｆに接続されていて、ポートＰ２はアンテナ素子１の短絡部１Ｓに接続されている。トランス２のポートＰ３には給電回路３が接続されていて、ポートＰ４は接地されている。

トランス２は第１コイル素子Ｌ１と第２コイル素子Ｌ２を備えている。第１コイル素子Ｌ１と第２コイル素子Ｌ２は磁界結合することでトランス回路を構成している。第１コイル素子Ｌ１と第２コイル素子Ｌ２とは磁束を強め合うように巻回・接続されている。

図２は上記トランス２の外観斜視図である。トランス２は、上記第１コイル素子Ｌ１および第２コイル素子Ｌ２が複数の誘電体の基材層を積層してなる積層体２０に一体的に構成されている。積層体２０の側面を経由して上下面に亘って４つの端子Ｔ１〜Ｔ４が形成されている。これら端子Ｔ１〜Ｔ４は、図１に示したポートＰ１〜Ｐ４に対応する。この積層体は、非磁性体の基材層を積層してなる積層体であることが好ましい。

図３はトランス２の導体部分を示す透視斜視図である。図４はトランス２の断面図である。但し、図３は、図の明瞭化を考慮して、積層方向の導体間隔（誘電体層の厚み）を拡張して表している。積層体の内部には導体パターン２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂおよび層間接続導体２１Ｃ，２２Ｃが形成されている。導体パターン２１Ａ，２１Ｂおよび層間接続導体２１Ｃによって第１コイル素子が構成されている。また、導体パターン２２Ａ，２２Ｂおよび層間接続導体２２Ｃによって第２コイル素子が構成されている。導体パターン２１Ａの端部は端子Ｔ１に接続されていて、導体パターン２１Ｂの端部は端子Ｔ３に接続されている。導体パターン２２Ａの端部は端子Ｔ２に接続されていて、導体パターン２２Ｂの端部は端子Ｔ４に接続されている。

導体パターン２１Ａ，２１Ｂおよび層間接続導体２１Ｃによって構成されるコイル（第１コイル素子Ｌ１）と導体パターン２２Ａ，２２Ｂおよび層間接続導体２２Ｃによって構成されるコイル（第２コイル素子Ｌ２）とは、コイル巻回軸が同軸であり、且つコイル同士が厚み方向に重なっている。すなわち、第１コイル素子および第２コイル素子のコイル導体パターンは、第１コイル素子のコイル開口と第２コイル素子のコイル開口とが平面視で重なるようなパターンである。この構造によって、第１コイル素子Ｌ１と第２コイル素子Ｌ２とは互いに強く磁界結合する。

なお、第１コイル素子Ｌ１と第２コイル素子Ｌ２との結合度の点では、第１コイル素子のコイル開口と第２コイル素子のコイル開口とが、平面視で全体に重なっていることが好ましいが、少なくとも一部が重なっている状態であればよい。

以降、本実施形態のアンテナ装置１０１において、トランス２の作用について説明する。

図５（Ａ）は、アンテナ素子１の給電部１Ｆと短絡部１Ｓとの間のインダクタンスを集中定数回路素子Ｌ３で表した図である。一方、図５（Ｂ）は、放射部１Ｒ、給電部１Ｆおよび短絡部１Ｓで構成される逆Ｆアンテナを表す図である。

図５（Ｂ）に示すように、逆Ｆアンテナは、給電部１Ｆのライン、短絡部１Ｓのラインは等価回路上でインダクタンス成分として見なすことができる。図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）における給電部１ＦのインダクタンスをＬＡ、短絡部１ＳのインダクタンスをＬＢ、で表した図である。しかし、この図５（Ｃ）に示すように、逆Ｆアンテナにおける給電部と短絡部のインダクタンス成分を集中定数回路のインダクタ部品で構成すると、インダクタ部品が持っているリアクタンス成分によって、アンテナのＱ値が高くなってしまい、アンテナの共振周波数帯域が狭くなる。

本実施形態によれば、図５（Ａ）に示すとおり、アンテナ素子１の給電部１Ｆと短絡部１Ｓにトランス２の第１コイル素子Ｌ１および第２コイル素子Ｌ２を接続したので、従来の逆Ｆアンテナの給電部のラインや短絡部のラインが有する周波数依存性の問題を回避できる。そのことにより、より広帯域なアンテナを作ることが可能になる。

図６（Ａ）は本実施形態のアンテナ装置１０１の回路図、図６（Ｂ）はアンテナ装置１０１の等価回路図である。図６（Ａ）に示す、第１コイル素子Ｌ１と第２コイル素子Ｌ２によるトランス２は、図６（Ｂ）に示すように、給電部１Ｆと短絡部１Ｓとの間のインダクタンスＬ３を含めて１つのトランス回路で表すことができる。このトランス回路の相互誘導インダクタンスをＭで表すと、上記トランス回路は、等価的には図６（Ｃ）に示すとおりの構造となる。

図６（Ｃ）に示した等価回路は図５（Ｂ）（Ｃ）に示した回路と基本的に同じあるので、本実施形態のアンテナ装置１０１は、アンテナ素子１とトランス２とで等価的な逆Ｆアンテナを構成する。本実施形態によれば、給電部１Ｆと短絡部１Ｓのインダクタンス成分による周波数依存性が無いので、広帯域なアンテナ特性が得られる。

《第２の実施形態》
図７は第２の実施形態に係るアンテナ装置の回路図である。このアンテナ装置１０２はアンテナ素子１とトランス２とで構成されている。アンテナ素子１は、放射部１Ｒと、この放射部１Ｒを一方の端部で短絡させる短絡部（短絡線）１Ｓと、放射部１Ｒの所定位置に給電する給電部（給電線）１Ｆとを備える。アンテナ素子１は逆Ｆアンテナの一部を構成している。トランス２の構成は、第１の実施形態で示したトランスと基本的に同様である。

図８（Ａ）は、図７に示した、アンテナ素子１の給電部１Ｆと短絡部１Ｓとの間のインダクタンスを集中定数回路素子Ｌ３，Ｌ４で表した図である。一方、図８（Ｂ）は比較例としてのアンテナ装置の構成図である。この比較例のアンテナ装置は、逆Ｌ型アンテナにトランス４を介して給電するように構成されている。

図８（Ｂ）に示す比較例のアンテナ装置においては、トランス４の第１コイル素子Ｌ１と第２コイル素子Ｌ２との結合によって、トランス回路によるインピーダンス変換等のトランス効果が得られるが、第１コイル素子Ｌ１および第２コイル素子Ｌ２を、それぞれの所望のインダクタンス値にして且つ高い結合度を得るように設計することは難易度が高い。また、第１コイル素子Ｌ１と第２コイル素子Ｌ２とが３つのポート（３端子）のオートトランス回路を構成するので、積層体内に構成する場合のパターン設計の難易度が高い。

これに対し、図８（Ａ）に示す本実施形態のアンテナ装置１０２においては、トランス２のトランス効果は、領域Ａおよび第２コイル素子Ｌ２のインダクタンスと、給電部１Ｆおよび第１コイル素子Ｌ１のインダクタンスとの比率で決まる。また、第１コイル素子Ｌ１と第２コイル素子Ｌ２とが４つのポート（４端子）のトランス回路を構成する。そのため、積層体内に構成する場合のパターン設計の自由度が高く、その分、結合度を上げるパターンに形成することが可能になる。また、図８（Ｂ）に示すようにオートトランス回路を構成する場合、第１コイル素子Ｌ１と第２コイル素子Ｌ２のインダクタンスを異なる値に設計することは非常に難易度が高いが、図８（Ａ）のように、アンテナ素子１の一部である並列リアクタンス成分を利用することで、トランス比を高い自由度のもとで設定できるようになる。さらに、図８（Ｂ）に示すようなオートトランス回路を構成すると、並列寄生インダクタンス成分を考慮する必要があるが、図８（Ａ）に示す４ポートトランス回路であれば、より簡素な構造で、高い結合度を持ったコイルを形成することができるので、設計上および製造上の難易度が低い。

《第３の実施形態》
第３の実施形態では通信端末装置の例を示す。本実施形態の通信端末装置は、プリント配線板と、このプリント配線板を他の部品とともに収納する筐体とを備えている。

図９（Ａ）（Ｂ）は、プリント配線板５に形成された導体パターンと、そのプリント配線板５に実装されたチップ部品を示している。図９（Ａ）に示すアンテナ装置は本実施形態に係るアンテナ装置であり、図９（Ｂ）に示すアンテナ装置は比較例に係るアンテナ装置である。

図９（Ａ）（Ｂ）に表れているように、プリント配線板５に、放射部１Ｒ、給電部１Ｆおよび短絡部１Ｓが形成されている。これらの導体パターンによってアンテナ素子１が構成されている。また、プリント配線板５にグランド導体ＧＮＤおよび給電ラインＦＬが形成されている。プリント配線板５の裏面または内層にはグランド導体パターンが形成されていて、このグランド導体パターンと給電ラインＦＬとでマイクロストリップラインが構成されている。給電ラインＦＬには、ＲＦＩＣ等による無線通信回路である給電回路３が接続されている。

給電部１Ｆの端部には電極Ｅ１、短絡部１Ｓの端部には電極Ｅ２がそれぞれ形成されている。また、給電ラインＦＬの端部に電極Ｅ３、グランド導体ＧＮＤの一部に電極Ｅ４がそれぞれ形成されている。

図９（Ａ）に示すトランス２は端子Ｔ１〜Ｔ４を有するトランスであり、基本的な構成は図２〜図４に示したとおりである。トランス２の端子Ｔ１〜Ｔ４は上記電極Ｅ１〜Ｅ４に接続されている。

比較例である図９（Ｂ）においては、プリント配線板５上の電極Ｅ１−Ｅ３間にジャンパ部品６が接続されていて、電極Ｅ２−Ｅ４間にジャンパ部品６が接続されている。したがって、この比較例のアンテナ装置は逆Ｆアンテナを構成することになる。

このように、同じプリント配線板５を用いて、図９（Ａ）に示したようなトランスを介して給電するアンテナ装置と、図９（Ｂ）に示した逆Ｆアンテナのいずれも構成できる。

なお、以上に示した各実施形態では、アンテナ素子１または放射部１Ｒが図面上は線状である例を示したが、これらは平板状であってもよい。

また、以上に示した各実施形態では、アンテナ素子１または放射部１Ｒの端部が開放されている例を示したが、アンテナ素子１または放射部１Ｒの端部とグランド導体とに間にキャパシタが接続（容量が装荷）されていてもよい。

また、以上に示した各実施形態では、ループ状またはスパイラル状のコイル導体パターンが形成された誘電体の基材層を積層してトランス２を構成したが、基材層は一部または全部が磁性体であってもよい。

また、アンテナ素子をセルラー通信用のアンテナ素子として例示したが、無線LANやBluetooth（登録商標)用のアンテナ素子として利用してもよい。

Ａ…領域
Ｅ１〜Ｅ４…電極
ＦＬ…給電ライン
ＧＮＤ…グランド導体
Ｌ１…第１コイル素子
Ｌ２…第２コイル素子
Ｌ３，Ｌ４…集中定数回路素子
Ｐ１〜Ｐ４…ポート
Ｔ１〜Ｔ４…端子
１…アンテナ素子
１Ｆ…給電部
１Ｒ…放射部
１Ｓ…短絡部
２…トランス
３…給電回路
４…トランス
５…プリント配線板
６…ジャンパ部品
２０…積層体
２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂ…導体パターン
２１Ｃ，２２Ｃ…層間接続導体
１０１，１０２…アンテナ装置

Claims (4)

1. 給電部と短絡部を有するアンテナ素子と、
   前記アンテナ素子の給電部に第１端が接続された第１コイル素子と、
   前記アンテナ素子の短絡部に第１端が接続された第２コイル素子と、を備え、
   前記第１コイル素子と前記第２コイル素子とでトランス回路が構成され、
   前記給電部と前記短絡部とは位置が異なり、前記給電部と前記短絡部との間にインダクタンス成分を有し、
   前記第１コイル素子の第２端に給電回路が接続され、前記第２コイル素子の第２端にグランドが接続されるアンテナ装置。
2. 前記第１コイル素子および前記第２コイル素子は、ループ状またはスパイラル状のコイル導体パターンが形成された基材層を含む複数の基材層の積層体で構成されている、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第１コイル素子および前記第２コイル素子の前記コイル導体パターンは、前記第１コイル素子のコイル開口と前記第２コイル素子のコイル開口とが、平面視で重なるパターンである、請求項２に記載のアンテナ装置。
4. アンテナ装置と、当該アンテナ装置に接続された無線通信回路とを有する通信端末装置において、
   前記アンテナ装置は、請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ装置である、通信端末装置。

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