JP6436100B2 - アンテナ装置及びそれを備える無線装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置及びそれを備える無線装置に関する。

携帯無線機等に搭載されるアンテナは、近年、その個数が増加しており、また回路基板の集積密度が高まっているため、筺体表面、あるいは筺体内部など、回路基板から離れた部位に実装されている。

例えば、特許文献１に開示されたアンテナ導体（放射導体）は、筐体外装面に形成されていて、基板に設けられた給電ピンに物理的に接触している（特許文献１の図２参照）。このような給電ピンを用いる場合には、外部からの衝撃が加わった際の信頼性を向上するために、スプリングピンコネクタなどの衝撃を緩和する機構を有する特殊な接続端子が利用される。また、このような特殊な機構を使用しない例として、特許文献２に開示された給電方式がある。

特許文献２のアンテナ装置は、筐体に放射導体が形成され、また、回路基板上に垂直に立てられた給電線の先端に容量板が配置されている（特許文献２の図１参照）。容量板と放射導体が容量結合することにより、非接触で放射導体に給電されるため、非接触給電方式は、衝撃に強い構造といえる。特に、筐体にガラスやセラミックスなどの脆性材料を利用し、筐体にアンテナを形成する場合において、給電ピンなどで給電を行うと、外部から強い衝撃が加わった際に筐体の１点に応力が集中することで、筐体が破損し、アンテナも動作しなくなる可能性がある。このような問題を回避する手段として、非接触給電は非常に有効といえる。

特開２００９−０６０２６８号公報 特開２００１−２４４７１５号公報

しかしながら、放射導体と容量板とを容量結合させる給電方式では、製造上の誤差などで、放射導体と容量板との相対的な位置関係、特に間隔が設計値からずれることによって容量値が大きく変化する。その結果、インピーダンスマッチングがとれなくなるおそれがある。また、使用による振動などによって放射導体と容量板との相対的な位置関係が変化しても同様のことが発生するおそれがある。

さらに、携帯無線機等へのアンテナの設置スペースは限られている。そのため、充分な動作利得を確保しつつ、設置スペースが小さいアンテナが求められている。

そこで、放射導体との位置関係について高い位置ロバスト性を有し、小型化を実現できる非接触給電のアンテナ装置及びそれを備える無線装置の提供を目的とする。

一つの案では、
給電点に接続された給電素子と、
前記給電素子から離れて配置され、前記給電素子と電磁界結合することにより給電されて放射導体として機能する放射素子とを備え、
前記放射素子は、前記給電素子から給電される給電部を有し、
前記放射素子の基本モードの共振周波数における真空中の波長をλ_０とする場合、
前記給電部と前記給電点のグランド基準との最短距離は、０．００３４λ_０以上０．２１λ_０以下であり、
前記給電素子の共振の基本モードを与える電気長をＬｅ３７、前記放射素子の共振の基本モードを与える電気長をＬｅ３１、前記放射素子の基本モードの共振周波数における前記給電素子または前記放射素子上での波長をλとして、Ｌｅ３７が、（３／８）・λ以下であり、かつ、Ｌｅ３１が、前記放射素子の共振の基本モードがダイポールモードである場合、（３／８）・λ以上（５／８）・λ以下であり、前記放射素子の共振の基本モードがモノポールモードである場合、（１／８）・λ以上（３／８）・λ以下である、アンテナ装置が提供される。

一態様によれば、放射導体との位置関係について高い位置ロバスト性を有し、小型化を実現できる非接触給電のアンテナ装置及びそれを備える無線装置を実現できる。

アンテナ装置の一構成例を示す斜視図である。 給電部と給電点のグランド基準との最短距離Ｄ１と、放射素子の動作利得との関係の一例を示す図である。 放射素子の動作利得が０．６５以上になるときの、放射素子のシート抵抗と最短距離Ｄ１との関係の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。

図１は、本発明の一実施形態であるアンテナ装置１の動作を解析するためのコンピュータ上のシミュレーションモデルを示した斜視図である。電磁界シミュレータとして、Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｔｕｄｉｏ（登録商標）（ＣＳＴ社）を使用した。

アンテナ装置１は、例えば、無線装置１００に搭載されるアンテナである。無線装置１００の例として、移動体自体又は移動体に内蔵される無線通信装置が挙げられる。移動体の例として、携帯可能な携帯端末装置、自動車等の車両、ロボットなどが挙げられる。携帯端末装置の具体例として、携帯電話、スマートフォン、タブレット型コンピュータ、ゲーム機、テレビ、音楽や映像のプレーヤーなどの電子機器が挙げられる。アンテナ装置１は、グランドプレーン７０と、給電素子３７と、放射素子３１とを備えている。

グランドプレーン７０は、少なくとも一本の線分を外縁部として有する平面状の導体パターンであり、図面には、ＸＹ平面内に延在する長方形状のグランドプレーン７０が例示されている。グランドプレーン７０は、例えば、Ｘ軸方向に直線的に延伸する外縁部７１を有している。グランドプレーン７０は、例えば、ＸＹ平面に平行に配置され、Ｘ軸方向に平行な横の長さをＬ６４とし、Ｙ軸方向に平行な縦の長さをＬ６７とする長方形の外形を有している。

給電素子３７は、グランドプレーン７０をグランド基準とする給電点３８に接続された給電素子の一例である。給電素子３７は、放射素子３１に対して非接触で高周波的に結合して給電可能な線状導体である。図面には、外縁部７１に対して直角且つＹ軸に平行な方向に延在する直線状導体と、Ｘ軸に平行な外縁部７１に並走して延在する直線状導体とによって、Ｌ字状に形成された給電素子３７が例示されている。図示の場合、給電素子３７は、給電点３８を起点にＹ軸方向に延伸してからＸ軸方向に折り曲げられ、Ｘ軸方向への延伸の端部３９まで延伸している。端部３９は、他の導体が接続されていない開放端である。給電素子３７は、図示の形状に限られず、直線状などの他の形状でもよい。

給電点３８は、グランドプレーン７０を利用した所定の伝送線路や給電線等に接続される給電部位である。所定の伝送線路の具体例として、マイクロストリップライン、ストリップライン、グランドプレーン付きコプレーナウェーブガイド（導体面とは反対側の表面にグランドプレーンが配置されたコプレーナウェーブガイド）などが挙げられる。給電線としては、フィーダー線や同軸ケーブルが挙げられる。

図１には、マイクロストリップライン２８が給電点３８に接続される形態が示されている。マイクロストリップライン２８は、基板２５を有し、基板２５の一方の表面にグランドプレーン７０が配置され、基板２５のもう一方の反対側の表面に線状のストリップ導体２７が配置されている。ストリップ導体２７と給電素子３７との接続点を給電点３８とし、基板２５は、給電点３８にマイクロストリップライン２８を介して接続されるＩＣチップ等の集積回路が実装される基板を想定している。

給電素子３７は、例えば、基板２５に設けられ、ストリップ導体２７と同じ表面に配置されている。給電素子３７とストリップ導体２７との境界は、Ｚ軸方向での平面視において、グランドプレーン７０の外縁部７１に一致して見える箇所であり、給電点３８である。

放射素子３１は、給電素子３７から離れて配置され、給電素子３７と電磁界結合することにより給電されて放射導体として機能する放射素子の一例である。放射素子３１は、給電素子３７から非接触で給電を受ける給電部３６を有する線状導体である。

図面には、直線状に形成された放射素子３１が例示されている。直線状の放射素子３１は、外縁部７１から離れて配置され外縁部７１に沿うようにＸ軸方向に延伸する導体部分を有している。図面には、直線状の放射素子３１が例示されているが、放射素子３１の形状は、Ｌ字状、ループ状、メアンダ状などの他の形状であってもよい。放射素子３１が、外縁部７１に沿った導体部分を有することによって、例えばアンテナ装置１の指向性を容易に制御することが可能となる。

放射素子３１は、例えば、基板２６に設けられている。基板２６は、基板２５の法線方向（Ｚ軸に平行な方向）に、基板２５から間隔Ｌ６８をあけて配置されている。放射素子３１は、基板２６の表面のうち、給電素子３７が形成される基板２５に近い側の面に形成される。放射素子３１は、一方の端部３４と他方の端部３５とを直線的に結ぶ線状導体である。

放射素子３１と給電素子３７は、給電素子３７が放射素子３１に非接触で給電可能に電磁界結合可能な距離離れていれば、Ｘ軸、Ｙ軸又はＺ軸方向などの任意の方向での平面視において重複していても重複していなくてもよい。

給電素子３７と放射素子３１は、互いに電磁界結合可能な距離で離れて配置されている。放射素子３１は、給電素子３７から給電を受ける給電部３６を有している。放射素子３１は、給電部３６で給電素子３７を介して電磁界結合によって非接触で給電される。このように給電されることによって、放射素子３１は、アンテナ装置１の放射導体として機能する。

図示のように、放射素子３１が２点間を結ぶ線状導体である場合、半波長ダイポールアンテナと同様の共振電流（分布）が放射素子３１上に形成される。すなわち、放射素子３１は、所定の周波数の半波長で共振するダイポールアンテナとして機能（以下、ダイポールモードという）する。

また、図示しないが、放射素子３１は線状導体で四角形を形成するようなループ状導体であってもよい。放射素子３１がループ状導体である場合、ループアンテナと同様の共振電流（分布）が放射素子３１上に形成される。すなわち、放射素子３１は、所定の周波数の１波長で共振するループアンテナとして機能（以下、ループモードという）する。

また、図示しないが、放射素子３１は、給電点３８のグランド基準に接続される線状導体であってもよい。給電点３８のグランド基準とは、例えば、グランドプレーン７０、又はグランドプレーン７０に直流的に導通可能に接続された導体などである。例えば、放射素子３１の端部３５が、グランドプレーン７０の外縁部７１に接続される。放射素子３１は、一端が給電点３８のグランド基準に接続され、他端が開放端である線状導体である場合、λ／４モノポールアンテナと同様の共振電流（分布）が放射素子３１上に形成される。すなわち、放射素子３１は、所定の周波数の４分の１波長で共振するモノポールアンテナとして機能（以下、モノポールモードという）する。

電磁界結合とは、電磁界の共鳴現象を利用した結合であり、例えば非特許文献（Ａ.Ｋｕｒｓ, ｅｔ ａｌ,“Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｖｉａ Ｓｔｒｏｎｇｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ,”Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｘｐｒｅｓｓ, Ｖｏｌ.３１７, Ｎｏ.５８３４, ｐｐ.８３−８６, Ｊｕｌ. ２００７）に開示されている。電磁界結合は、電磁界共振結合又は電磁界共鳴結合とも称され、同じ周波数で共振する共振器同士を近接させ、一方の共振器を共振させると、共振器間に作られるニアフィールド（非放射界領域）での結合を介して、他方の共振器にエネルギーを伝送する技術である。また、電磁界結合とは、静電容量結合や電磁誘導による結合を除いた高周波における電界及び磁界による結合を意味する。なお、ここでの「静電容量結合や電磁誘導による結合を除いた」とは、これらの結合が全くなくなることを意味するのではなく、影響を及ぼさない程度に小さいことを意味する。給電素子３７と放射素子３１との間の媒体は、空気でもよいし、ガラスや樹脂材等の誘電体でもよい。なお、給電素子３７と放射素子３１との間には、グランドプレーンやディスプレイ等の導電性材料を配置しないことが好ましい。

給電素子３７と放射素子３１を電磁界結合させることによって、衝撃に対して強い構造が得られる。すなわち、電磁界結合の利用によって、給電素子３７と放射素子３１を物理的に接触させることなく、給電素子３７を用いて放射素子３１に給電できるため、物理的な接触が必要な接触給電方式に比べて、衝撃に対して強い構造が得られる。

給電素子３７と放射素子３１を電磁界結合させることによって、非接触給電を簡易な構成で実現できる。すなわち、電磁界結合の利用によって、給電素子３７と放射素子３１を物理的に接触させることなく、給電素子３７を用いて放射素子３１に給電できるため、物理的な接触が必要な接触給電方式に比べて、簡易な構成での給電が可能である。また、電磁界結合の利用によって、容量板などの余計な部品を構成してなくても、給電素子３７を用いて放射素子３１に給電できるため、静電容量結合で給電する場合に比べて、簡易な構成での給電が可能である。

また、電磁界結合で給電する場合の方が、静電容量結合又は磁界結合で給電する場合に比べて、給電素子３７と放射素子３１の離間距離（結合距離）を長くしても、放射素子３１の動作利得（アンテナ利得）は低下しにくい。ここで、動作利得とは、アンテナの放射効率×リターンロスで算出される量であり、入力電力に対するアンテナの効率として定義される量である。したがって、給電素子３７と放射素子３１を電磁界結合させることで、給電素子３７と放射素子３１の配置位置を決める自由度を高めることができ、位置ロバスト性も高めることができる。なお、位置ロバスト性が高いとは、給電素子３７及び放射素子３１の配置位置等がずれても、放射素子３１の動作利得に与える影響が低いことを意味する。また、給電素子３７と放射素子３１の配置位置を決める自由度が高いため、アンテナ装置１の設置に必要なスペースを容易に縮小できる点で有利である。

また、図示の場合、給電素子３７が放射素子３１に給電する部位である給電部３６は、放射素子３１の一方の端部３４と他方の端部３５との間の中央部３３以外の部位（中央部３３と端部３４又は端部３５との間の部位）に位置している。このように、給電部３６を放射素子３１の基本モードの共振周波数における最も低いインピーダンスになる部分（この場合、中央部３３）以外の放射素子３１の部位に位置させることによって、アンテナ装置１のマッチングを容易に取ることができる。給電部３６は、放射素子３１と給電素子３７とが最近接する放射素子３１の導体部分のうち給電点３８に最も近い部分で定義される部位である。

放射素子３１のインピーダンスは、ダイポールモードの場合、放射素子３１の中央部３３から端部３４又は端部３５の方に離れるにつれて高くなる。電磁界結合における高インピーダンスでの結合の場合、給電素子３７と放射素子３１間のインピーダンスが多少変化しても一定以上の高インピーダンスで結合していればインピーダンスマッチングに対する影響は小さい。よって、マッチングを容易に取るために、放射素子３１の給電部３６は、放射素子３１の高インピーダンスの部分に位置することが好ましい。

ダイポールモードの場合、例えば、アンテナ装置１のインピーダンスマッチングを容易に取るために、給電部３６は、放射素子３１の基本モードの共振周波数における最も低いインピーダンスになる部分（この場合、中央部３３）から放射素子３１の全長の１／８以上（好ましくは、１／６以上、さらに好ましくは、１／４以上）の距離を離した部位に位置するとよい。図示の場合、放射素子３１の全長は、Ｌ５２に相当し、給電部３６は、中央部３３に対して端部３４側に位置している。

一方、ループモードの場合、例えば、アンテナ装置１のインピーダンスマッチングを容易に取るために、給電部３６は、放射素子３１の基本モードの共振周波数における最も低いインピーダンスになる部分から放射素子３１のループの内周側の周長の１／１６以下（好ましくは１／１２，さらに好ましくは、１／８以下）の距離を離した範囲内の部位に位置するとよい。

他方、端部３５が給電点３８のグランド基準に接続されるモノポールモードの場合、給電素子３７が放射素子３１に給電する部位である給電部３６は、放射素子３１の基本モードの共振周波数における最も低いインピーダンスになる部分（この場合、端部３５）から端部３４側に近い部位に位置させることによって、アンテナ装置１のインピーダンスマッチングを容易に取ることができる。特には中央部３３より端部３４側に位置させることが好ましい。なお、給電部３６は、放射素子３１と給電素子３７とが最近接する放射素子３１の導体部分のうち給電点３８に最も近い部分で定義される部位である。

放射素子３１のインピーダンスは、端部３５が給電点３８のグランド基準に接続されるモノポールモードの場合、放射素子３１の端部３５から端部３４に近づくにつれて高くなる。電磁界結合における高インピーダンスでの結合の場合、給電素子３７と放射素子３１との間のインピーダンスが多少変化しても一定以上の高インピーダンスで結合していればインピーダンスマッチングに対する影響は小さい。よって、マッチングを容易に取るために、放射素子３１の給電部３６は、放射素子３１の高インピーダンスの部分に位置させることが好ましい。

端部３５が給電点３８のグランド基準に接続されるモノポールモードの場合、例えば、アンテナ装置１のインピーダンスマッチングを容易に取るために、給電部３６は、放射素子３１の基本モードの共振周波数における最も低いインピーダンスになる部分（この場合、端部３５）から放射素子３１の全長の１／４以上（好ましくは、１／３以上、より好ましくは、１／２以上）の距離を離した部位、さらに好ましくは中央部３３よりも端部３４側に位置するとよい。

また、放射素子３１の基本モードの共振周波数における真空中の電波波長をλ_０とする場合、給電部３６とグランドプレーン７０との最短距離Ｄ１は、０．００３４λ_０以上０．２１λ_０以下である。最短距離Ｄ１は、より好ましくは、０．００４３λ_０以上０．１９９λ_０以下であり、更に好ましくは、０．００６９λ_０以上０．１６４λ_０以下である。最短距離Ｄ１をこのような範囲に設定することによって、放射素子３１とグランドプレーン７０との距離を短くしたまま、すなわちアンテナ装置１を小型化しても放射素子３１の動作利得を充分に確保できる。また、最短距離Ｄ１が（λ_０／４）未満であるため、アンテナ装置１は、円偏波を発生させるのではなく、直線偏波を発生させる。

なお、最短距離Ｄ１とは、給電部３６と外縁部７１との最近接部分を直線で結んだ距離に相当し、この場合の外縁部７１は、給電部３６に給電する給電素子３７に接続された給電点３８のグランド基準であるグランドプレーン７０の外縁部である。また、放射素子３１とグランドプレーン７０は、同一平面上にあってもよいし、異なる平面上にあってもよい。また、放射素子３１は、グランドプレーン７０が配置された平面に対して、平行な平面に配置されてもよいし、任意の角度で交差する平面に配置されてもよい。

図２は、最短距離Ｄ１と放射素子３１の動作利得との関係を示したグラフである。縦軸の動作利得とは、アンテナの反射損失を考慮した放射効率であり、放射効率をη、反射係数をΓとしたときに、η×（１−｜Γ｜^２）で算出される数値である。

図２を解析したときのシミュレーション条件では、図１のグランドプレーン７０は、横の長さＬ６４が１４０ｍｍ、縦の長さＬ６７が４０ｍｍの、厚みが無い仮想導体とした。また、給電素子３７のＬ５３を１０ｍｍとし、放射素子３１のＬ５２を６０ｍｍ、Ｌ５４を０ｍｍとした。また、放射素子３１の一方の端部３４が、Ｚ軸方向から見たときに、給電素子３７のＬ字の折れ曲がり部で重なるように、放射素子３１は給電素子３７に対してＺ軸方向に離して配置した。また、放射素子３１のＸ軸方向の導体部分が、Ｚ軸方向から見たときに、給電素子３７のＸ軸方向の導体部分と重なるように、放射素子３１は給電素子３７に対してＺ軸方向に離して配置した。基板２５は、横の長さＬ６４が１４０ｍｍ、縦の長さＬ６１が（７０＋Ｄ１）ｍｍ、厚さが０．８ｍｍ、比誘電率が３．４、ｔａｎδ＝０．００１５である基板とした。基板２６は、横の長さＬ６５が１２０ｍｍ、縦の長さＬ６２が４０ｍｍ、厚さが１．０ｍｍ、比誘電率が８．９２６、ｔａｎδ＝０．００３５６である基板とした。Ｌ６３が１５ｍｍ、Ｌ６６が１０ｍｍ、Ｌ６８が２ｍｍ、Ｌ６９が３５．９５ｍｍとした。

図２のデータは、給電素子３７の位置及びＸ軸方向の長さＬ５３を１０ｍｍに固定したまま、最短距離Ｄ１を変化させて、放射素子３１の動作利得を計算した結果である。最短距離Ｄ１を変化させるとき、給電素子３７のＹ軸方向の長さも、最短距離Ｄ１の変化量と同じだけ変化させている。図２の縦軸は、電波の周波数を１．３ＧＨｚに設定したときの放射素子３１の動作利得である。図２の横軸の最短距離Ｄ１は、１波長で規格化した値（１波長当たりの距離に換算した値）である。

図２に示されるように、給電部３６が外縁部７１からある程度離れるにつれて、放射素子３１のマッチング状態が悪化するため、放射素子３１の動作利得が低下していることがわかる。このように、最短距離Ｄ１は、０．００３４λ_０以上０．２１λ_０以下（より好ましくは、０．００４３λ_０以上０．１９９λ_０以下であり、更に好ましくは、０．００６９λ_０以上０．１６４λ_０以下）であると、放射素子３１の動作利得を向上させる点で有利である。

図３は、放射素子３１の動作利得が０．６５以上になるときの、放射素子３１（導体）のシート抵抗Ｒ_Ｓと最短距離Ｄ１との関係を示す図である。放射素子３１の動作利得とは、図２の場合と同様に、アンテナの反射損失を考慮した放射効率であり、放射効率をη、反射係数をΓとしたときに、η×（１−｜Γ｜^２）で算出される数値である。シート抵抗Ｒ_Ｓの単位は、Ω／□（Ｏｈｍｓ ｐｅｒ ｓｑｕａｒｅ）である。図３は、図２と同じシミュレーション条件下で計算されている。

図３によれば、シート抵抗Ｒ_Ｓと最短距離Ｄ１との関係について、最小二乗法により近似式を求めると、
Ｄ１＝０．０１５２×Ｒ_Ｓ ^{０．５２２９}
という関係式が得られる。

したがって、最短距離Ｄ１が０．０１５２×Ｒ_Ｓ ^{０．５２２９}以上を満たす値であれば、放射素子３１の動作利得を向上させる点で有利である。すなわち、シート抵抗Ｒ_Ｓを低くすることにより最短距離Ｄ１を小さくでき、アンテナ装置を小型化できる。

また、放射素子３１の基本モードの共振周波数における真空中の電波波長をλ_０とする場合、給電素子３７と放射素子３１との最短距離Ｄ２は、０．２×λ_０以下（より好ましくは、０．１×λ_０以下、更に好ましくは、０．０５×λ_０以下）であると好適である。給電素子３７と放射素子３１をこのような最短距離Ｄ２だけ離して配置することによって、放射素子３１の動作利得を向上させる点で有利である。

なお、最短距離Ｄ２とは、給電部３６と給電部３６に給電する給電素子３７との最近接部分を直線で結んだ距離に相当する。また、給電素子３７と放射素子３１は、両者が電磁界結合していれば、任意の方向から見たときに、交差しても交差しなくてもよいし、その交差角度も任意の角度でよい。また、放射素子３１と給電素子３７は、同一平面上にあってもよいし、異なる平面上にあってもよい。また、放射素子３１は、給電素子３７が配置された平面に対して、平行な平面に配置されてもよいし、任意の角度で交差する平面に配置されてもよい。

また、給電素子３７と放射素子３１とが最短距離Ｄ２で並走する距離は、ダイポールモードの場合は、放射素子３１の物理的な長さの３／８以下であることが好ましい。より好ましくは、１／４以下、更に好ましくは、１／８以下である。ループモードの場合は、放射素子３１のループの内周側の周長の３／１６以下であることが好ましい。より好ましくは、１／８以下、更に好ましくは、１／１６以下である。モノポールモードの場合は、放射素子３１の物理的な長さの３／４以下であることが好ましい。より好ましくは、１／２以下、更に好ましくは、１／４以下である。

最短距離Ｄ２となる位置は給電素子３７と放射素子３１との結合が強い部位であり、最短距離Ｄ２で並走する距離が長いと、放射素子３１のインピーダンスが高い部分と低い部分の両方と強く結合することになるため、インピーダンスマッチングが取れない場合がある。よって、放射素子３１のインピーダンスの変化が少ない部位のみと強く結合するために最短距離Ｄ２で並走する距離は短い方がインピーダンスマッチングの点で有利である。

また、給電素子３７の共振の基本モードを与える電気長をＬｅ３７、放射素子３１の共振の基本モードを与える電気長をＬｅ３１、放射素子３１の基本モードの共振周波数ｆ_１における給電素子３７または放射素子３１上での波長をλとして、Ｌｅ３７が、（３／８）・λ以下であり、かつ、Ｌｅ３１が、放射素子３１の共振の基本モードがダイポールモードである場合、（３／８）・λ以上（５／８）・λ以下であり、放射素子３１の共振の基本モードがループモードである場合、（７／８）・λ以上（９／８）・λ以下であり、放射素子３１の共振の基本モードがモノポールモードの場合、（１／８）・λ以上（３／８）・λ以下であることが好ましい。

また、外縁部７１が放射素子３１に沿うようにグランドプレーン７０が形成されているので、給電素子３７は、外縁部７１との相互作用により、給電素子３７とグランドプレーン７０上に、共振電流（分布）を形成することができ、放射素子３１と共鳴して電磁界結合する。そのため、給電素子３７の電気長Ｌｅ３７の下限値は特になく、給電素子３７が放射素子３１と物理的に電磁界結合できる程度の長さであればよい。

また、前記Ｌｅ３７は、給電素子３７の形状に自由度を与えたい場合には、（１／８）・λ以上（３／８）・λ以下がより好ましく、（３／１６）・λ以上（５／１６）・λ以下が特に好ましい。Ｌｅ３７がこの範囲内であれば、給電素子３７が放射素子３１の設計周波数（共振周波数ｆ_１）にて良好に共振するため、グランドプレーン７０に依存せずに給電素子３７と放射素子３１とが共鳴して良好な電磁界結合が得られ好ましい。

また、アンテナ装置１を小型化するためには、給電素子３７の前記Ｌｅ３７は、（１／４）・λ未満がより好ましく、（１／８）・λ以下が特に好ましい。

なお、電磁界結合が実現しているとは整合が取れているということを意味している。また、この場合、給電素子３７が放射素子３１の共振周波数ｆに合わせて電気長を設計する必要がなく、給電素子３７を放射導体として自由に設計することが可能になるため、アンテナ装置１の多周波化を容易に実現できる。

なお給電素子３７の物理的な長さＬ３７は、整合回路などを含んでいない場合、放射素子の基本モードの共振周波数における真空中の電波の波長をλ_０として、実装される環境による波長短縮効果の短縮率をｋ_１としたとき、λ_ｇ１＝λ_０・ｋ_１によって決定される。ここでｋ_１は、給電素子３７の環境の実効比誘電率（ε_ｒ１）および実効比透磁率（μ_ｒ１）などの給電素子が設けられた誘電体基材等の媒質（環境）の比誘電率、比透磁率、および厚み、共振周波数などから算出される値である。すなわち、Ｌ３７は、（３／８）・λ_ｇ１以下である。なお、短縮率は上記の物性から算出してもよいし、実測により求めても良い。例えば、短縮率を測定したい環境に設置された対象となる素子の共振周波数を測定し、任意の周波数ごとの短縮率が既知である環境において同じ素子の共振周波数を測定し、これらの共振周波数の差から短縮率を算出してもよい。

給電素子３７の物理的な長さＬ３７は、Ｌｅ３７を与える物理的な長さであり、その他の要素を含まない理想的な場合、Ｌｅ３７と等しい。給電素子３７が、整合回路などを含む場合、Ｌ３７は、ゼロを超え、Ｌｅ３７以下が好ましい。Ｌ３７はインダクタ等の整合回路を利用することにより短く（サイズを小さく）することが可能である。

また、前記Ｌｅ３１は、放射素子３１の共振の基本モードがダイポールモード（放射素子３１の両端が開放端であるような線状の導体）である場合、（３／８）・λ以上（５／８）・λ以下が好ましく、（７／１６）・λ以上（９／１６）・λ以下がより好ましく、（１５／３２）・λ以上（１７／３２）・λ以下が特に好ましい。また、高次モードを考慮すると、前記Ｌｅ３１は、（３／８）・λ・ｍ以上（５／８）・λ・ｍ以下が好ましく、（７／１６）・λ・ｍ以上（９／１６）・λ・ｍ以下がより好ましく、（１５／３２）・λ・ｍ以上（１７／３２）・λ・ｍ以下が特に好ましい。ただし、ｍは高次モードのモード数であり、自然数である。ｍは１〜５の整数が好ましく、１〜３の整数が特に好ましい。ｍ＝１の場合は基本モードである。Ｌｅ３１がこの範囲内であれば、放射素子３１が充分に放射導体として機能し、アンテナ装置１の効率が良く好ましい。

また同様に、放射素子３１の共振の基本モードがループモード（放射素子３１がループ状の導体）である場合、前記Ｌｅ３１は、（７／８）・λ以上（９／８）・λ以下が好ましく、（１５／１６）・λ以上（１７／１６）・λ以下がより好ましく、（３１／３２）・λ以上（３３／３２）・λ以下が特に好ましい。また、高次モードについては、前記Ｌｅ３１は、（７／８）・λ・ｍ以上（９／８）・λ・ｍ以下が好ましく、（１５／１６）・λ・ｍ以上（１７／１６）・λ・ｍ以下がより好ましく、（３１／３２）・λ・ｍ以上（３３／３２）・λ・ｍ以下が特に好ましい。Ｌｅ３１がこの範囲内であれば、放射素子３１が充分に放射導体として機能し、アンテナ装置１の効率が良く好ましい。

また同様に、放射素子３１の共振の基本モードがモノポールモード（放射素子３１が、給電点３８のグランド基準に接続され、開放端を有する）である場合、前記Ｌｅ３１は、（１／８）・λ以上（３／８）・λ以下が好ましく、（３／１６）・λ以上（５／１６）・λ以下がより好ましく、（７／３２）・λ以上（９／３２）・λ以下が特に好ましい。Ｌｅ３１がこの範囲内であれば、放射素子３１が充分に放射導体として機能し、アンテナ装置１の効率が良く好ましい。

なお放射素子３１の物理的な長さＬ３１は、放射素子の基本モードの共振周波数における真空中の電波の波長をλ_０として、実装される環境による短縮効果の短縮率をｋ_２としたとき、λ_ｇ２＝λ_０・ｋ_２によって決定される。ここでｋ_２は、放射素子３１の環境の実効比誘電率（ε_ｒ２）および実効比透磁率（μ_ｒ２）などの放射素子が設けられた誘電体基材等の媒質（環境）の比誘電率、比透磁率、および厚み、共振周波数などから算出される値である。すなわち、Ｌ３１は、放射素子３１の共振の基本モードがダイポールモードである場合、（１／２）・λ_ｇ２であることが理想的である。放射素子３１の長さＬ３１は、好ましくは、（１／４）・λ_ｇ２以上（５／８）・λ_ｇ２以下であり、さらに好ましくは、（３／８）・λ_ｇ２以上である。Ｌ３１は、放射素子３１の共振の基本モードがループモードである場合、（７／８）・λ_ｇ２以上（９／８）・λ_ｇ２以下である。Ｌ３１は、放射素子３１の共振の基本モードがモノポールモードである場合、（１／８）・λ_ｇ２以上（３／８）・λ_ｇ２以下である。

放射素子３１の物理的な長さＬ３１は、Ｌｅ３１を与える物理的な長さであり、その他の要素を含まない理想的な場合、Ｌｅ３１と等しい。Ｌ３１は、インダクタ等の整合回路を利用することにより短くしたとしても、ゼロを超え、Ｌｅ３１以下が好ましく、Ｌｅ３１の０．４倍以上１倍以下が特に好ましい。放射素子３１の長さＬ３１をこのような長さに調整することによって、放射素子３１の動作利得を向上させる点で有利である。

また、図示のように給電素子３７とグランドプレーン７０の外縁部７１との相互作用を利用できる場合において、給電素子３７を放射導体として機能させてもよい。放射素子３１は、給電素子３７によって給電部３６で非接触に電磁界結合で給電されることにより、例えば、λ／２ダイポールアンテナとして機能する放射導体である。一方、給電素子３７は、放射素子３１に対して給電可能な線状の給電導体であるが、給電点３８で給電されることにより、モノポールアンテナ（例えば、λ／４モノポールアンテナ）として機能することも可能な放射導体である。放射素子３１の共振周波数をｆ_１、給電素子３７の共振周波数をｆ_２と設定し、給電素子３７の長さを周波数ｆ_２で共振するモノポールアンテナとして調整すれば、給電素子３７の放射機能を利用することができ、アンテナ装置１の多周波化を容易に実現できる。

給電素子３７の放射機能を利用したときの物理的な長さＬ３７は、整合回路などを含んでいない場合、給電素子３７の共振周波数ｆ_２における真空中の電波の波長をλ_１として、実装される環境による短縮効果の短縮率をｋ_１としたとき、λ_ｇ３＝λ_１・ｋ_１によって決定される。ここでｋ_１は、給電素子３７の環境の実効比誘電率（ε_ｒ１）および実効比透磁率（μ_ｒ１）などの給電素子３７が設けられた誘電体基材等の媒質（環境）の比誘電率、比透磁率、および厚み、共振周波数などから算出される値である。すなわち、Ｌ３７は、（１／８）・λ_ｇ３以下（３／８）・λ_ｇ３以下であり、好ましくは、（３／１６）・λ_ｇ３以上（５／１６）・λ_ｇ３以下である。

なお、一つの給電素子３７で複数の放射素子に給電してもよい。複数の放射素子を利用することにより、マルチバンド化、ワイドバンド化、指向性制御等の実施が容易となる。また、複数のアンテナ装置１が一つの無線装置に搭載されてもよい。

また、給電素子３７と放射素子３１とグランドプレーン７０のうちの少なくとも二つは、互いに異なる高さに配置された部分を有する導体でもよいし、互いに同じ高さに配置された部分を有する導体でもよい。

給電素子３７は、基板２５の放射素子３１に対向する側の表面に配置されている。しかしながら、給電素子３７は、基板２５の放射素子３１に対向する側とは反対側の表面に配置されてもよいし、基板２５の側面に配置されてもよいし、基板２５の内部に配置されてもよいし、基板２５以外の部材に配置されてもよい。

グランドプレーン７０は、基板２５の放射素子３１に対向する側とは反対側の表面に配置されている。しかしながら、グランドプレーン７０は、基板２５の放射素子３１に対向する側の表面に配置されてもよいし、基板２５の側面に配置されてもよいし、基板２５の内部に配置されてもよいし、基板２５以外の部材に配置されてもよい。

基板２５は、給電素子３７と、給電点３８と、給電点３８のグランド基準であるグランドプレーン７０とを有している。また、基板２５は、給電点３８に接続されるストリップ導体２７を備えた伝送線路を有している。ストリップ導体２７は、例えば、グランドプレーン７０との間に基板２５を挟むように基板２５の表面に形成された信号線である。

放射素子３１は、給電素子３７から離れて配置され、例えば図示のように、基板２５から距離Ｌ６８離れて基板２５に対向する基板２６に設けられている。放射素子３１は、基板２６の給電素子３７に対向する側の表面に配置されている。しかしながら、放射素子３１は、基板２６の給電素子３７に対向する側とは反対側の表面に配置されてもよいし、基板２６の側面に配置されてもよいし、基板２６以外の部材に配置されてもよい。

基板２５又は基板２６は、例えば、ＸＹ平面に平行に配置され、誘電体、磁性体、又は誘電体と磁性体との混合物を基材とする基板である。誘電体の具体例として、樹脂、ガラス、ガラスセラミックス、ＬＴＣＣ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−Ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）、アルミナなどが挙げられる。誘電体と磁性体との混合物の具体例として、ＦｅやＮｉ、Ｃｏなどの遷移元素、ＳｍやＮｄなどの希土類元素を含む金属あるいは酸化物のいずれかを有していればよく、例えば、六方晶系フェライト、スピネル系フェライト（Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトなど）、ガーネット系フェライト、パーマロイ、センダスト（登録商標）などが挙げられる。

アンテナ装置１がディスプレイを有する携帯無線装置に搭載される場合、基板２６は、例えば、ディスプレイの画像表示面を全面的に覆うカバーガラスであってもよいし、基板２５が固定される筐体（特には、底面、側面など）であってもよいし，携帯無線装置に構成される構成部品（特にはチップ部品や射出成形等により形成される部品，例えばＭＩＤ（Ｍｏｌｄｅｄ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｅｃｔ Ｄｅｖｉｃｅ），フレキシブル基板，バッテリーなど）であってもよい。カバーガラスは、透明又はディスプレイに表示される画像をユーザが視認可能な程度に半透明な誘電体基板であって、ディスプレイの上に積層配置された平板状の部材である。

放射素子３１がカバーガラスの表面に設けられる場合、放射素子３１は、銅や銀などの導体ペーストをカバーガラスの表面に塗って焼成して形成されるとよい。このときの導体ペーストとして、カバーガラスに利用される化学強化ガラスの強化が鈍らない程度の温度で焼成できる低温焼成可能な導体ペーストを利用するとよい。また、酸化による導体の劣化を防ぐために、メッキなどを施してもよい。また、カバーガラスには加飾印刷が施されていてもよく、加飾印刷された部分に導体が形成されていてもよい。また、配線などを隠す目的でカバーガラスの周縁に黒色隠蔽膜が形成されている場合、放射素子３１が黒色隠蔽膜上に形成されてもよい。

以上、アンテナ装置及び無線装置を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。

例えば、アンテナは、直線的に延びる線状の導体部分のみを含むものに限らず、曲がった導体部分を含むものでもよい。例えば、Ｌ字状の導体部分を含むものでもよいし、メアンダ形状の導体部分を含むものでもよいし、途中で分岐した導体部分を含むものでもよい。

また、給電素子に、スタブを設けてもよいし、整合回路を設けてもよい。これにより、給電素子が基板に占める面積を減らすことができる。

本国際出願は、２０１４年１月２０日に出願した日本国特許出願第２０１４−００８１６８号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１４−００８１６８号の全内容を本国際出願に援用する。

１ アンテナ装置
２５，２６ 基板
２７ ストリップ導体
２８ マイクロストリップライン
３１ 放射素子
３３ 中央部
３４，３５ 端部
３６ 給電部
３７ 給電素子
３８ 給電点
７０ グランドプレーン
７１ 外縁部
１００ 無線装置

Claims (7)

1. 給電点に接続された給電素子と、
   前記給電素子から離れて配置され、前記給電素子と電磁界結合することにより給電されて放射導体として機能する放射素子とを備え、
   前記放射素子は、前記給電素子から給電される給電部を有し、
   前記放射素子の基本モードの共振周波数における真空中の波長をλ_０とする場合、
   前記給電部と前記給電点のグランド基準との最短距離は、０．００３４λ_０以上０．２１λ_０以下であり、
   前記給電素子の共振の基本モードを与える電気長をＬｅ３７、前記放射素子の共振の基本モードを与える電気長をＬｅ３１、前記放射素子の基本モードの共振周波数における前記給電素子または前記放射素子上での波長をλとして、Ｌｅ３７が、（３／８）・λ以下であり、かつ、Ｌｅ３１が、前記放射素子の共振の基本モードがダイポールモードである場合、（３／８）・λ以上（５／８）・λ以下であり、前記放射素子の共振の基本モードがモノポールモードである場合、（１／８）・λ以上（３／８）・λ以下である、アンテナ装置。
2. 前記放射素子のシート抵抗をＲ_Ｓとするとき、前記最短距離が、０．０１５２×Ｒ_Ｓ ^{０．５２２９}以上である、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記給電素子と前記放射素子との最短距離が、０．２×λ_０以下である、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 前記給電部は、前記放射素子の基本モードの共振周波数における最も低いインピーダンスになる部分以外に位置する、請求項１から３のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
5. 前記給電部は、前記放射素子の基本モードの共振周波数における最も低いインピーダンスになる部分から、ダイポールモードの場合は、前記放射素子の全長の１／８以上の距離、モノポールモードの場合は、前記放射素子の全長の１／４以上の距離を離した部位に位置する、請求項１から３のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
6. 前記給電素子と前記放射素子とが最短距離で並走する距離は、ダイポールモードの場合は、前記放射素子の長さの３／８以下であり、モノポールモードの場合は、前記放射素子の長さの３／４以下である、請求項１から５のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載のアンテナ装置を備える無線装置。

Images