JP6478510B2 - アンテナ - Google Patents

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Description

本発明は、アンテナの構成技術に関する。
近年、様々な電子機器に無線通信機能が搭載されている。そして、多くの電子機器が小形化を求められており、これに伴って、これらの電子機器について、無線通信用のアンテナも小さいスペースに実装されることが要求される。これに対して、特許文献1には、基板と導電パターンのみでアンテナを形成し、基板の平面から大きく突出する部材を備えていないアンテナ構造が記載されている。また、特許文献2には、第1のアンテナと第2のアンテナとを、絶縁性基板の各面の第1のアンテナ及び第2のアンテナの占有領域にそれぞれ配置する構成のアンテナが記載されている。特許文献2では、第1のアンテナ及び第2のアンテナの占有領域は、絶縁性基板の面に対する直角方向視で少なくとも部分的に重ねることで、複数個のアンテナを有するアンテナ装置の小型化が図られている。また、特許文献3には、誘電体基板の両面に固定され、給電なしに結合されて隣接する2つの周波数帯において共同で共振する2つの放射素子を有する、小型の平面プレーナ・ダイバーシチ・アンテナが記載されている。
特開2012−085215号公報 特開2003−008325号公報 特表2002−504770号公報
複数のアンテナを搭載するMIMO通信の搭載等により、ますますアンテナに対する小型化の要求が高まっている。一方で、アンテナを小型化した場合に、十分なアンテナ性能を確保できなくなる場合があり、従来のアンテナでは、十分なアンテナ性能を確保しながら十分なアンテナサイズの小型化が容易ではないという課題があった。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、アンテナ性能を確保しながらアンテナの小型化を容易にする技術を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明によるアンテナは、給電点と、前記給電点に接続されると共に前記給電点に接続されない端部は開放端であり、線状の形状を有する第1の導体部と、前記第1の導体部から分岐して構成されると共に前記第1の導体部から分岐した点の逆側の端部が開放端であり、線状の形状を有する第2の導体部と、を有し、前記第1の導体部の少なくとも一部と前記第2の導体部の少なくとも一部とが、異なる平面上に形成されると共に電磁的に結合される結合部分を有し、前記第1の導体部の前記結合部分は、当該第1の導体部の他の部分より導体幅が大きく、前記第2の導体部の前記結合部分は、当該第2の導体部の他の部分より導体幅が大きく、前記第1の導体部の前記結合部分と前記第2の導体部の前記結合部分は、前記平面の垂直方向から見て少なくとも一部が重なり合う、ことを特徴とする。

本発明によれば、アンテナ性能を確保しながらアンテナの小型化を容易にすることができる。
従来のシングルバンドアンテナの構成を示す(a)正面図および(b)透視斜視図。 図1のシングルバンドアンテナの反射特性(S11)のシミュレーション結果を示す図。 分岐部分を有するアンテナの構成を示す(a)正面図および(b)透視斜視図。 分岐部分の長さを変化させた時の、図3のアンテナの反射特性(S11)のシミュレーション結果を示す図。 構成例1のアンテナ構成を示す(a)正面図および(b)透視斜視図。 分岐部分の開放端の位置を変化させた時の、図5のアンテナ反射特性(S11)のシミュレーション結果を示す図。 構成例1の別のアンテナ構成を示す(a)正面図および(b)透視斜視図。 分岐部分と本体部分との距離が所定距離以内となる部分の長さを変化させた時の、図7のアンテナの反射特性(S11)のシミュレーション結果を示す図。 構成例2のアンテナ構成を示す(a)正面図および(b)透視斜視図。 分岐部分と本体部分との距離が所定距離以内となる部分の長さを変化させた時の、図9のアンテナの反射特性(S11)のシミュレーション結果を示す図。 分岐部分を設けない場合の、図9のアンテナの反射特性(S11)のシミュレーション結果を示す図。 構成例3のアンテナ構成を示す(a)正面図および(b)透視斜視図。 導体幅を変化させた時の、図12のアンテナの反射特性(S11)のシミュレーション結果を示す図。 構成例3の別のアンテナ構成を示す(a)正面図および(b)透視斜視図。 図14のアンテナの反射特性(S11)のシミュレーション結果を示す図。 導体幅を変化させた時の、図7のアンテナと同様の構造を有するデュアルバンドアンテナの反射特性(S11)のシミュレーション結果を示す図。 導体幅を変化させた時の、図9のアンテナと同様の構造を有するデュアルバンドアンテナの反射特性(S11)のシミュレーション結果を示す図。 導体幅を変化させた時の、図14のアンテナと同様の構造を有するデュアルバンドアンテナの反射特性(S11)のシミュレーション結果を示す図。
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
<<実施形態1>>
本実施形態では、無線LAN(例えば、IEEE802.11b/g/n等)の規格に準拠した無線通信機能に用いられるアンテナについて検討する。IEEE802.11b/g/nでは、2.4GHz帯の周波数帯で動作するアンテナが要求される。したがって、本実施形態では、2.4GHz帯で動作するシングルバンドアンテナの構成について述べる。
図1(a)及び(b)に、従来のシングルバンドアンテナの構成例の正面図と透視斜視図とをそれぞれ示す。図1(a)及び(b)において、導体部は黒色部分で示す。また、導体で構成されるアンテナグランド107は斜線部分で示す。アンテナグランド107には、実際には、無線機能を実現するための各種部品、回路が実装されるが、本実施形態ではそれら各種部品、回路は考慮しない。なお、導体部は、実際には基板の平面上にパターンで形成される。そのため詳細に観察すると薄い板状の形状を有する。本明細書及び特許請求の範囲において、このような形状を含めて「線状の形状」と表現する。
従来のシングルバンドアンテナは、図1(a)及び(b)に示すように、給電点101、導体部102〜106、アンテナグランド107、及び誘電体基板(FR4基板)108を含んで構成されている。誘電体基板(FR4基板)は、アンテナが形成される面として、表面に対応する第1の平面と裏面に対応する第2の平面とを有する。なお、第1の平面及び第2の平面は互いが対向すると共に平行な平面である。
図1(a)及び(b)のアンテナでは、給電点101、導体部102、及び導体部103が誘電体基板の第1の平面(表面)に構成され、導体部105及び導体部106が誘電体基板の第2の平面(裏面)に構成されている。ここで、導体部102と導体部103とは互いの一端で接続され、同様に、導体部105と導体部106も互いの一端で接続される。また、第1の平面に構成される導体部103と、第2の平面に構成される導体部105とは、例えば円筒状の形状を有する、スルーホールビア(導体部104)により接続されている。すなわち、導体部102〜導体部106は、誘電体基板108の表面及び裏面に跨って、1本の線状のアンテナを形成している。なお、給電点101は、例えば、導体部102に給電ピンとして形成され、導体部102〜導体部106によって形成されるアンテナに電力を供給し、アンテナに励起された電力をアンテナ外部に出力する。導体部106の、導体部105に接続されない側の端部は開放端となっている。
誘電体基板(FR4基板)108は、比誘電率は例えば4.4である。誘電体基板(FR4基板)108上で、アンテナグランド107が無い部分がアンテナ領域である。また、誘電体基板と導体部とを合わせた基板の厚さは、例えば、0.896mmであり、基板の大きさは、例えば、30mm×35mmである。また、導体部103、導体部105、及び導体部106の線幅は、例えば、0.2mmである。また、導体部103と105を接続している導体部104の円筒の半径は例えば、0.1mmである。また、例えば、アンテナの縦方向の長さaは10mm、横方向の長さbは12mmである。すなわち、アンテナ寸法は、例えば、10mm×12mmである。
図2(a)は、図1(a)及び(b)に示すシングルバンドアンテナの、アンテナの縦方向と横方向の長さがそれぞれ10mmと12mmである場合についての、反射特性(S11)のシミュレーション結果を示す図である。図2(a)から分かるように、IEEE802.11b/g/nで使用する2.4GHz帯において十分な反射特性が得られ、反射特性が−10dB以下の帯域幅が約300MHzである。すなわち、この構成により、図1(a)及び(b)に示すアンテナは、この帯域の範囲内でアンテナとして動作可能であることが分かる。
アンテナは、特定の周波数の電磁波を放射する機能を有する。そのため、アンテナの周囲に物体が存在すると、アンテナの動作する周波数が変動し、または放射される電磁波のエネルギーが減少するという不都合が生じうる。そこで電子機器で用いるアンテナは、多くの部品等が存在する電子機器の筺体の内部に実装するのではなく、筺体外に突出させることが考えられる。その例として、無線LAN通信機能を持つ無線LANカードが、ノートPCのカードスロットに挿しこまれている状態が考えられる。この場合、無線LANカードに実装されるアンテナがノートPC内に入り込むと、アンテナから放射される電磁波の放射が妨げられる。このため、無線LANカードのアンテナ実装部分がノートPCの外に出るようにする。しかし、このようなアンテナによる突起部は、例えばユーザーが作業をしている際にひっかかったりする可能性がある。よって、無線LANカードに実装されるアンテナは薄形、すなわちアンテナが構成される面積が、短辺が長辺に比して極力短い形状であり、ノートPCより外に出るアンテナ突起部分を極力少なくすることが求められる。
そこで、図1(a)及び(b)において、アンテナ長である導体部102〜106の長さの和をほぼ一定にして、長さaを2.5mmと短くし、そのかわりに長さbを18mmと長くした場合を考える。この場合、アンテナ寸法は、2.5mm×18mmとなる。図2(b)に、この場合の反射特性(S11)のシミュレーション結果を示す。図2(b)に示すように、この場合、2.4GHz帯において反射特性が−6dBを満たさず、アンテナとして動作するのに十分でないことが分かる。つまり、図1(a)及び(b)のアンテナ構成では、長さaを短くするとアンテナ特性が劣化することが分かった。
これに対して、本実施形態に係るアンテナは、アンテナの縦方向の長さを短くした場合においてもアンテナとして動作可能とする構成をとる。このアンテナ構成について、以下詳細に説明する。図3(a)及び(b)に、本実施形態に係るシンングルバンドアンテナの構成例を示す正面図と透視斜視図とをそれぞれ示す。図3(a)及び(b)のアンテナは、図1(a)及び(b)に示すアンテナ構成の、導体部102からさらにもう一つの導体部(304)を分岐させた構造を有する。
本実施形態に係るシングルバンドアンテナは、給電点301、導体部302〜307、アンテナグランド308、及び誘電体基板(FR4基板)309を含んで構成される。このうち、給電点301、導体部302〜303及び導体部305〜307によって構成される第1の導体部は、図1(a)及び(b)に示すアンテナ構造と同様である。一方、このアンテナにおいては、導体部302は、導体部303のみならず導体部304にも接続され、分岐した構造となっている。そして、導体部304からなる第2の導体部(分岐部分)は、誘電体基板の第1の平面(表面)に構成されている。なお、導体部304の、導体部303に接続されない側の端部、すなわち分岐した点の逆側の端部は開放端である。なお、本アンテナも、誘電体基板、導体部を合わせた基板の厚さは、図1(a)及び(b)に示すアンテナ構造と同様であり、例えば、0.896mmである。
本アンテナにおいては、導体部304と導体部307とが、誘電体基板を挟んで電磁的に結合する。これにより、図2(b)の場合のように、アンテナの縦方向の長さを短くした場合にもアンテナ特性が改善される。図3(a)及び(b)において、図2(b)のシミュレーション結果に合わせて、縦方向の長さaを2.5mm、横方向の長さbを18mmに設定した場合の反射特性(S11)のシミュレーション結果を図4(a)〜(c)に示す。図4(a)は分岐部分の長さcを14.5mmに、図4(b)はcを11.5mmに、図4(c)は長さcを6.5mmに、それぞれ設定した場合の反射特性(S11)のシミュレーション結果である。
図4(a)〜(c)から分かるように、長さcが長ければ長いほどIEEE802.11b/g/nの動作帯域である2.4GHz帯において十分な反射特性が得られている。これは、cが長くなるにつれて、アンテナの本体部分(給電点301、導体部302〜303及び導体部305〜307で構成される部分)と、分岐部分(導体部304からなる部分)との電磁的な結合が強くなるからであると考えられる。なお、ここでの「結合」とは、静電結合(容量結合)、磁気結合(誘導結合)、又はこれらの両方が混在する電磁結合を含む電磁的な結合を表す。
以上のように、図3(a)及び(b)に示すようなアンテナ構成として、アンテナ本体部分と電磁的に結合する分岐部分の長さを調節することで、アンテナの縦方向の長さが短くても、良好な反射特性を得ることができる。したがって、本実施形態のアンテナにより、十分なアンテナ特性を確保しながら、容易にアンテナを小型化することができるようになる。
アンテナは、一般に、対応する電波の波長に比例したサイズ(長さ)が要求されるため、動作周波数帯が低くなるほど、そのサイズが大きくなる。例えば、基本的なアンテナであるモノポールアンテナにおいては、アンテナ長は動作周波数帯の波長のおよそ4分の1にすることが知られている。なお、ここでの「波長」とは、アンテナが構成される空間における波長である。例えば、アンテナが自由空間中に構成される場合は自由空間中の波長であり、アンテナが無限に大きな誘電体中に構成される場合は誘電体中の波長である。また、本実施形態のように誘電体基板上にアンテナを構成する場合には、空気層、誘電体層に基づき求められる実効誘電率を用いて算出される波長である。
一方で、本実施形態によれば、アンテナ本体部分の導体と分岐部分の導体とが結合することにより、共振周波数を低い方へとシフトさせることができる。すなわち、結合により、アンテナは、その実際のサイズより大きいアンテナと同様の共振周波数を得ることができる。したがって、本実施形態のアンテナは、この効果により、例えば、波長の4分の1より小さいサイズに、アンテナを小型化することができる。
以下では、図3(a)及び(b)に示すようなアンテナ構成において、電磁的な結合の強さを調節し、アンテナを小型化するためのいくつかの構成例について説明する。なお、図3(a)及び(b)のアンテナにおいては、分岐部分の全部が第1の平面上に形成されると共に、第2の平面に形成されたアンテナ本体部分と結合したが、これに限られない。すなわち、分岐部分の一部は第2の平面に形成されてもよく、その一部においてアンテナ本体部分と結合するように構成されてもよい。すなわち、アンテナ本体部分の少なくとも一部と分岐部分の少なくとも一部が、異なる平面上に形成されると共に電磁的に結合する結合部分を有する構成であれば、同様の効果を得ることが可能である。
(構成例1)
図3(a)及び(b)に示すようなアンテナ構成において、アンテナ本体と分岐部分とをさらに近接させる構成をとることができる。図5(a)及び(b)は、アンテナ本体と分岐部分とをさらに近接させた場合のシングルバンドアンテナの構成例を示す、正面図及び透視斜視図である。図5(a)及び(b)に示すアンテナは、アンテナ寸法は図3(a)及び(b)と同様に、2.5mm×18mmであり、誘電体基板(FR4基板)511、アンテナグランド510は、図1(a)及び(b)のアンテナと同様のものである。また、誘電体基板、導体部を合わせた基板の厚さも、同様に例えば0.896mmである。
図5(a)及び(b)に示すアンテナは、図3(a)及び(b)に示すアンテナと比して、分岐部分の構成が異なる。すなわち、分岐部分を構成する導体部504及び導体部508〜509のうち、開放端を含む導体部509が、誘電体基板511の面に対して垂直方向から見て、アンテナ本体を構成する導体部の一部である導体部507と対向するように配置される。一方、アンテナ本体部分である、給電点501、導体部502〜503及び導体部505〜507の構成は、図3(a)及び(b)に示すアンテナのアンテナ本体部分と同様に構成される。これにより、アンテナ本体部分と分岐部分との間で、より強い結合を得ることができる。なお、図5(a)において、導体部509が示されていないのは、導体部507と線幅が同様でかつ重なっているためである。なお、本構成例では、誘電体基板511の面に対して垂直方向から見て導体部507と対向するように、導体部509が配置されているが、これに限られない。すなわち、導体部509が、導体部507との距離が所定距離以内となるように配置されていればよく、又は、分岐部分の他の部分より導体部507に近い位置に配置されていればよい。
図5(a)及び(b)に示すアンテナは、図3(a)及び(b)に示すアンテナと比べて結合を強くすることができるだけでなく、さらに、アンテナ本体部分と分岐部分とが結合する位置を変化させることにより、結合の強さを変えることができる。すなわち、導体部509を、アンテナ本体部分の導体部507の開放端に近い位置に配置するか、遠い位置に配置するかによって、結合の強さを変えることが可能である。
図5(a)及び(b)に示すシングルバンドアンテナにおいて、導体部509の長さを2mmに固定し、導体部504の長さdを変化させた場合について、その反射特性(S11)をシミュレーションによって求めたものを図6(a)〜(c)に示す。図6(a)はd=4.5mmの場合の、図6(b)はd=8.5mmの場合の、図6(c)はd=12.5mmの場合の、図5(a)及び(b)のシングルバンドアンテナの反射特性(S11)をそれぞれ示している。なお、本シミュレーションにおいては、dが長いほど、分岐部分の開放端(導体部509)が、アンテナ本体部分の開放端に近接する。
図6(a)〜(c)の結果から、長さdが長ければ長いほど、すなわち、分岐部分の開放端がアンテナ本体部分の開放端に近接するほど、アンテナの動作周波数が低域にシフトしていることが分かる。これは、導体部509が、導体部507の開放端に近付くほど、アンテナ本体部分と分岐部分との結合が強くなるためと考えられる。したがって、このような構成によって、アンテナ本体部分と分岐部分との結合の強さを容易に変化させることが可能となり、所望のアンテナ特性を確保しながら、容易にアンテナを小型化することができる。
また、図5(a)及び(b)に示すシングルバンドアンテナにおいて、分岐部分について、誘電体基板511の面に対して垂直方向から見て対向する導体部の長さを調節することによって、結合の強さを変えることができる。図7(a)及び(b)は、対向部分の長さaを示す、アンテナ構成の正面図と透視斜視図である。図7(a)及び(b)においても、アンテナ本体部分である、給電点701、導体部702〜703及び導体部705〜707の構成は、図5(a)及び(b)に示すアンテナのアンテナ本体部分と同様である。また、アンテナグランド710及び誘電体基板711についても、図5(a)及び(b)のものと同様である。なお、図7(a)及び(b)の分岐部分である導体部704及び導体部708〜709についても、基本的な構造は、図5(a)及び(b)の分岐部分と同様である。
一方で、図5(a)及び(b)のアンテナにおいては、導体部509の開放端の位置が可変であったが、図7(a)及び(b)のアンテナでは、導体部709の位置は一定であるものとした。すなわち、図7(a)及び(b)のアンテナは、導体部704と導体部709との長さの和を18mmに固定した上で、導体部709の長さeを可変としたものである。
導体部709の長さeが、2mm、6mm、及び12mmと変化させた時のシングルバンドアンテナの反射特性(S11)のシミュレーション結果を、図8(a)、図8(b)、及び図8(c)にそれぞれ示す。図8の(a)〜(c)から分かるように、eの長さが長ければ長いほど、アンテナ動作周波数が低域にシフトしていることが示されている。これは、アンテナ本体部分と分岐部分との距離が所定距離以内である部分が長いほど、アンテナの本体部分と分岐部分との結合が強くなるからであると考えられる。
したがって、このような構成により、アンテナの本体部分と分岐部分との位置関係と、アンテナ本体部分と分岐部分との距離が所定距離以内となる部分の長さとの少なくともいずれかを変化させることによって、アンテナ動作周波数を調整することが可能となる。また、本構成例では、アンテナ本体部分及び分岐部分の導体部について、給電点方向からそれぞれの開放端へ延びる方向が同一の方向となっている。このように、2つの導体の給電点から開放端へ向かう方向が反対方向とならないことで、2つのアンテナ素子をそれぞれ構成する2つの導体の形状の設計の自由度が大きく向上する。すなわち、例えば、第1の平面上に形成されたアンテナ本体の一部が、アンテナの設計上、同じ第1の平面に形成される分岐部分と干渉することを防ぐことが可能となる。この結果、2つのアンテナの形状が互いの長さなどを制限することが少なくなり、アンテナ設計の自由度を高めることが可能となる。
なお、アンテナ本体部分及び分岐部分の導体部について、給電点方向からそれぞれの開放端へ延びる方向が同じ方向でなくてもよい。例えば、これらの方向がほぼ同一であればよく、また、アンテナ本体部分と分岐部分の導体部の給電点から開放端へ向かう方向により定められる2つのベクトルの内積が正の値となるようにするだけでもよい。内積が正の値となるということは、2つの導体が延びる方向のなす角が90度未満であることを意味し、概ね2つの導体部が同様の方向に延びていることを示す。
また、実際のアンテナ設計時には、上述のように、導体部の長さと位置を調整して結合の強さを調整する。それにより2.4GHz帯のインピーダンスを調整することが可能となり、自由度の高い設計が可能となる。この場合、設計時には必要なアンテナ動作帯域幅を満たしながら小形化を図るように設計することが重要となる。以上のように、本構成例に係るアンテナは、結合の強さを調整して所望のアンテナ特性を得ることで、薄型で小型かつ設計自由度の高いシングルバンドアンテナを実現することが可能となる。
なお、図5及び図7に示すアンテナでは、図3に示すアンテナグランド部に近い分岐部分の導体部304を折り曲げて、アンテナ本体部分の導体部307との間の距離を所定距離以内としている。しかし、アンテナ本体部分の導体部307の方を折り曲げた形状にし、分岐部分の導体部304との距離を所定距離以内としてもよい。また、分岐部分の導体部304とアンテナ本体部分の導体部307の双方を折り曲げた構造にして、互いの距離を所定距離以内としてもよい。
(構成例2)
構成例1では、アンテナ本体部分の長さを変化させずに、アンテナ本体部分と分岐部分との導体間距離が所定距離以内となる部分の、位置と長さとの少なくともいずれかを変化させることで、結合の強さを調節していた。そして、導体間の結合が強いほど、アンテナの動作周波数は低い方へシフトすることが示された。本構成例では、アンテナ寸法(2.5mm×18mm)を変えずに、アンテナ本体部分の長さと結合の強さとを変化させることにより、アンテナの小型化が可能であることについて説明する。
図9(a)及び(b)は、本構成例におけるシングルバンドアンテナを示す正面図及び透視斜視図である。図9(a)及び(b)のアンテナは、給電点901、導体部902〜909、アンテナグランド910、及び誘電体基板(FR4基板)911を含んで構成されている。図9(a)及び(b)のアンテナは、図3(a)及び(b)に示すアンテナと比して、アンテナ本体部分(給電点901、導体部902〜903及び導体部905〜909からなる部分)の構成が異なる。すなわち、図9(a)及び(b)のアンテナは、アンテナ本体部分の導体部909の導体部908に接続されない側の端部である開放端の向きが、構成例1とは異なり、分岐部分の導体部904の開放端の向きと逆の方向を向くように構成されている。
一方で分岐部分(給電点901、導体部902及び導体部904からなる部分)の構成は、図3(a)及び(b)のアンテナと同様である。なお、図9(a)及び(b)のアンテナは、図3(a)及び(b)のアンテナと同様のアンテナ寸法2.5mm×18mmを有し、誘電体基板(FR4基板)911、及びアンテナグランド910は、図1(a)及び(b)に示すアンテナと同様のものである。また、誘電体基板、及び導体部を合わせた基板の厚さも同様で、0.896mmである。
図9(a)及び(b)のアンテナにおいて、分岐部分の導体部904とアンテナ本体部分の導体部909との間の距離は、所定距離以内となり、強く結合するように構成される。本構成例では、強い結合が得られるように、誘電体基板面に対して垂直の方向から見て、導体部904と導体部909とが互いに対向する構成としている。なお図9(a)において、導体部909が示されていないのは、導体部904と線幅が同様でかつ重なっているためである。なお、本構成例では、誘電体基板911の面に対して垂直方向から見て導体部904と対向するように、導体部909が配置されているが、これに限られない。すなわち、導体部909が、導体部904との距離が所定距離以内となるように配置されていればよく、又は、分岐部分の他の部分より導体部904に近い位置に配置されていればよい。
図9(a)及び(b)のアンテナ構成では、アンテナ本体部分の長さを調節することにより、アンテナの長さ自体による動作周波数帯の調整と、結合の強さを調節することによる動作周波数帯の調整とを行うことができる。具体的には、図9(a)及び(b)における導体部909の長さfを変更することにより、アンテナ本体部分の長さと共に、分岐部分の導体部904との距離が所定距離以内となる部分の長さを変更し、動作周波数帯を調整することができる。
図10(a)〜(c)に、アンテナ本体部分の一部である導体部909の長さfをパラメータとした場合の、反射特性(S11)のシミュレーション結果を示す。図10(a)はf=4mmの場合の、図10(b)はf=8mmの場合の、そして、図10(c)はf=12mmの場合の、シミュレーション結果である。図10(a)〜(c)から、fが大きくなるにつれて、結合が強まると共にアンテナ本体部分が長くなるため、これに伴ってアンテナ動作周波数帯が低域にシフトすることを確認することができる。この結果から、構成例1と同様に、本構成例によっても、アンテナサイズの小型化が可能であることが分かった。
なお、比較のために、図9(a)及び(b)のアンテナにおいて、分岐部分を設けない場合の特性についての反射特性(S11)のシミュレーション結果を図11に示す。なお、このときの長さfは12mmとした。図11のシミュレーション結果と図10(c)のシミュレーション結果とを比較すると、図11におけるアンテナ動作周波数の方が高域側へシフトしていることが確認できる。これは、図9に示すようなアンテナ構成の場合においても、構成例1と同様に、結合の変化によって動作周波数がシフトされるからと考えられる。
なお、本構成例では、アンテナ本体部分及び分岐部分の導体部について、給電点方向からそれぞれの開放端へ延びる方向が反対となっている。このような構成とすることにより、アンテナ全体の寸法を一定に保ちながら、アンテナ本体部分の長さを大きくすることができる。また、図9(a)及び(b)のような構成により、結合の強さを柔軟に変化させることができる。したがって、本構成例のようなアンテナにより、アンテナを小型化しながら、設計の自由度を確保することが可能となる。
なお、アンテナ本体部分及び分岐部分の導体部について、給電点方向からそれぞれの開放端へ延びる方向が反対方向でなくてもよい。例えば、これらの方向がほぼ反対を向いていればよく、また、アンテナ本体部分と分岐部分の導体部の給電点から開放端へ向かう方向により定められる2つのベクトルの内積が負の値となるようにするだけでもよい。内積が負の値となるということは、2つの導体が延びる方向のなす角が90度より大きいことを意味し、概ね2つの導体部が反対の方向に延びていることを示す。
(構成例3)
本構成例に係るシングルバンドアンテナの正面図と透視斜視図とを、図12(a)及び(b)にそれぞれ示す。アンテナ寸法は、2.5mm×10mmである。本構成例に係るアンテナは、図12(a)及び(b)に示すように、給電点1301、導体部1302〜1308、アンテナグランド1309、及び誘電体基板(FR4基板)1310を含んで構成されている。図12(a)及び(b)のアンテナの誘電体基板(FR4基板)1310、及びアンテナグランド1309は、図1(a)及び(b)に示すアンテナと同様のものである。また、誘電体基板、導体部を合わせた基板の厚さも同様で、0.896mmである。
図12(a)及び(b)のアンテナは、図3(a)及び(b)のアンテナと比して、アンテナ本体部分の形状と、分岐部分の形状とが共に異なる。しかしながら、誘電体基板の表面に分岐部分が形成されると共に誘電体基板の表面と裏面とを跨ってアンテナ本体が形成され、本体部分と分岐部分との結合により、アンテナの特性を調節する点において同じである。
図12(a)及び(b)のアンテナは、図3(a)及び(b)のアンテナと同様に、アンテナ本体部分と、分岐部分とを有する。アンテナ本体部分は、給電点1301、導体部1302〜1303、導体部1305〜1306及び導体部1308によって構成される。一方、分岐部分は、給電点1301、導体部1302、導体部1304及び導体部1307によって構成される。ここで、アンテナ本体部分の開放端を含む導体部1308と、分岐部分の開放端を含む導体部1307とは、他の導体部の幅よりも広い導体幅を有する。
なお、以下では、開放端を含む導体部の導体幅が他の導体部の幅より広い場合について説明するが、アンテナ本体部分と分岐部分との結合が得られるものであれば、開放端を含まない導体部の導体幅が、他の導体部の幅より広く形成されてもよい。また、導体幅の広い導体部が、アンテナ本体部分と分岐部分とに、同じ形状かつ同じ大きさで構成されるように説明するが、結合が得られるものであれば、同じ形状、大きさでなくてもよい。すなわち、例えば、アンテナ本体部分と分岐部分との一方のみにおいて、導体幅が広い導体部が形成されてもよい。また以下では、導体幅の広い導体部の形状は四角形であるものとして説明するが、例えば円形、三角形など、四角形以外の形状であってもよい。
また、導体部1307並びに導体部1308、及び導体部1304並びに導体部1306は、誘電体基板面に対して垂直の方向から見て、それぞれ対向するように配置されている。図12(a)において、導体部1306及び導体部1308が示されていないのは、導体部1303〜1304及び導体部1307と線幅が同様でかつ重なっているためである。これにより、アンテナ本体部分と、分岐部分との結合を強くすることができる。なお、本構成例では、誘電体基板1310の面に対して垂直方向から見て、導体部1307並びに導体部1308、及び導体部1304並びに導体部1306が互いに対向するように配置されているが、これに限られない。すなわち、これらの導体部間の距離が所定距離以内となるように配置されていればよい。
図12(a)及び(b)のアンテナ構成は、開放端部分の導体幅iを変化させることにより、アンテナ本体部分と分岐部分との結合の強さを調節することができる。図13(a)〜(c)は、アンテナ本体部分及び分岐部分の開放端部分の導体幅iを変化させた場合の図12(a)及び(b)のアンテナの反射特性(S11)のシミュレーション結果を示す図である。図13(a)はi=1mmの場合の、図13(b)はi=2mmの場合の、そして、図13(c)はi=3mmの場合の、シミュレーション結果を示している。図13(a)〜(c)から、開放端部分の導体幅iを大きくするにつれて、動作周波数が低域側へシフトしていることが分かる。これは、それぞれが分岐部分とアンテナ本体部分の開放端を含む導体部1307と導体部1308の結合が強まるためである。
周波数が低くなるにつれて波長が長くなり、アンテナは一般的に大きくなる。しかしながら、図12(a)及び(b)に示すアンテナであれば、横方向の長さhを固定しながら周波数を低域にシフトさせることができる。このため、導体幅を広くした導体部1307と導体部1308を設けることで、アンテナの横方向への小型化が可能となる。
また、図13(b)から分かるように、i=2mmのときに、IEEE802.11b/g/nで使用される2.4GHz帯において十分な反射特性が得られ、反射特性が−6dB以下の帯域幅を約85MHzだけ確保することができる。無線LANで必要となる帯域幅は約70MHzであるため、無線LANで要求される動作帯域幅を確保できている。したがって、図12(a)及び(b)に示すアンテナは、i=2mmのときに、2.4GHz帯のアンテナとして、無線LANで要求される動作帯域幅を満たす動作帯域幅を確保できている。ここで、i=2mmの時、図12(a)におけるアンテナの縦方向の長さgは2.5mmであり、横方向のhの長さは10mmである。すなわち、アンテナ寸法は、2.5mm×10mmである。これは、IEEE802.11b/g/nで用いられる2.4GHz帯のパターンアンテナとして、従来のものと比較して小形サイズである。
以上のように、図12(a)及び(b)に示すシングルバンドアンテナの構成により、開放端を含む導体部1307及び導体部1308の導体幅を調整することで、生じる結合の大きさを調整し、動作周波数帯を調整することができる。したがって、図12(a)及び(b)のアンテナ構成により、小型かつ設計自由度の高いシングルバンドアンテナを実現することができる。
なお、上述の構成例では、開放端を含む導体部1307及び導体部1308のみならず、分岐部分の導体部1304及びアンテナ本体部分の導体部1306も誘電体基板を挟んで互いに対向するように配置されているが、このような構成でなくてもよい。例えば、図14(a)及び(b)のように、開放端を含む導体部1508及び導体部1509のみを対向又は所定距離以内に近接させる構成としてもよい。図14(a)及び(b)は、開放端を含む導体部1508及び導体部1509の幅を他の導体部と比して大きくした上で、この部分のみ、誘電体基盤面に対して垂直方向から見て対向させた構成のアンテナの、正面図及び透視斜視図である。
図14(a)及び(b)に示すアンテナは、図3(a)及び(b)に示すアンテナと同様の構成において、アンテナ本体部分と分岐部分とのそれぞれの開放端を含む導体部について、所定長分だけ他の導体部よりも導体幅を大きくしたものに対応する。このとき、開放端を含む導体部(導体部1508及び導体部1509)の導体幅を大きくすることにより、誘電体基板を挟んでこれらの導体部間の距離を所定距離以内とすることができ、これらの導体間の結合を強め、動作周波数帯を調節することができる。
なお、図14(a)及び(b)に示すアンテナは、図12(a)及び(b)のアンテナと比べて、導体部1506を接続した分だけアンテナ本体部分の長さが大きくなる。そのため、動作周波数を2.4GHzに調整するためには、アンテナ本体部分と分岐部分との間の結合の強さの調整が重要となる。これに対して、図14(a)及び(b)に示すアンテナは、導体部1508及び導体部1509の寸法を調節することで、結合の強さを調節し、動作周波数を調整することができる。
図15に、導体部1508及び導体部1509の寸法を2.4GHz帯で動作するアンテナとして調節された後の、図14(a)及び(b)に示すシングルバンドアンテナの反射特性(S11)のシミュレーション結果を示す。図15から、図14(a)及び(b)に示すアンテナは、IEEE802.11b/g/nにおける2.4GHz帯において十分な反射特性が得られ、反射特性が−6dB以下の帯域幅が約100MHz程度確保できていることが分かる。なお、このとき、導体部1508及び導体部1509の寸法は2mm×2.38mmであり、アンテナ寸法は、2.5mm×8.58mmである。すなわち、図14(a)及び(b)のアンテナは、図12(a)及び(b)のアンテナと比べても小型化されている。したがって、図14(a)及び(b)に示すアンテナにより、小型かつ設計自由度の高いシングルバンドアンテナを実現することができる。
以上、本実施形態に係るシングルバンドアンテナの基本形と、3つの異なる構成例とについて説明した。なお、本実施形態において、基本形と各構成例の導体部が、全て直線または四角形の形状であるものとして説明したがこれに限られない。例えば、導体の少なくとも一部が、曲線又は円形の形状で構成されてもよいし、メアンダライン形状などにより導体部で高いインダクタンス値を得られる形状で構成されてもよい。
また、本実施状態では、アンテナ本体部分と分岐部分が形成される第1の平面及び第2の平面が、それぞれ1つの誘電体基板の表面と裏面に対応するものとして説明したが、これに限られない。例えば、第1の平面及び第2の平面が、多層の基板のそれぞれ異なる層間の平面にそれぞれ対応していてもよく、第1の平面は多層の基板の第1の層と第2の層との間の平面であり、第2の平面はその基盤の第2の層と第3の層との間の平面であってもよい。
また、本実施形態では、シングルバンドアンテナが、FR4基板上に形成するパターンによって構成されると説明したが、これに限られない。例えば、シングルバンドアンテナは、板金あるいは導線によって構成されてもよいし、またはセラミック等の高誘電体部材内の導線によって構成されてもよい。さらに、本実施形態では、本実施形態のデュアルバンドアンテナへの給電に関しては給電点のみを示しており、給電点までの給電線を詳細に説明していない。しかしながら、このような給電線は特に制限されるものではなく、例えば、マイクロストリップ線路、スロット線路、コプレーナ線路等に代表される平面回路、または同軸線路もしくは導波管等の、電磁波を伝送する伝送線路であってもよい。
<<実施形態2>>
実施形態1では、無線LAN(例えば、IEEE802.11b/g/n等)の規格に準拠した2.4GHz帯で動作する、シングルバンドアンテナについて説明した。一方、近年、例えば無線LAN(例えば、IEEE802.11a/b/g/n等)の規格に準拠した無線通信機能が電子機器に搭載されてきているが、これに用いられるアンテナは2.4GHz帯と5GHz帯の両周波数帯において動作することが要求される。また、上述のように、アンテナには小型化が求められているため、1つのアンテナが複数の動作帯域を有すること、すなわち、デュアルバンドアンテナに対する要求がある。
そこで本実施形態では、図7(a)及び(b)、図9(a)及び(b)、図14(a)及び(b)のアンテナと同様のアンテナ構造で、無線LAN(例えば、IEEE802.11a/b/g/n等)の規格に準拠したデュアルバンドアンテナが実現可能であることを示す。なお、この場合、実施形態1におけるアンテナ本体部分が第1のアンテナとして2.4GHz帯に寄与し、分岐部分が第2のアンテナとして5GHz帯に寄与することとなる。なお、実施形態1における各アンテナの長さ及び線幅をそのまま用いると動作周波数帯が適合しないため、以下では、これらのアンテナの、導体部の長さ及び線幅を、実施形態1の状態から調整し、デュアルバンドアンテナとして動作するようにした。
図16(a)〜(c)は、図7(a)に示す線幅jを変化させたときの、図7(a)及び(b)と同様の構造のデュアルバンドアンテナの反射特性(S11)のシミュレーション結果である。図16(a)はj=0.3mmの場合の、図16(b)はj=0.5mmの場合の、そして、図16(c)はj=0.7mmの場合の、それぞれの反射特性(S11)を示している。図16(a)〜(c)から、線幅jを増加させるにつれて、2.4GHz帯と5GHz帯の動作帯域が共に低域にシフトしていることが分かる。これは、線幅を増加させるにつれて、図7(b)における導体部707と導体部709との間の結合が強まり、低域側および高域側のアンテナ動作周波数が共に低域にシフトしたものと考えられる。
なお、図16(b)の特性をもつデュアルバンドアンテナの場合、アンテナ寸法は5.5mm×14.7mmである。したがって、図7(a)及び(b)と同様のアンテナ構造により、無線LAN(例えば、IEEE802.11a/b/g/n等)の規格に準拠する、2.4GHz帯と5GHz帯の両周波数帯で動作する小型なデュアルバンドアンテナを実現できることが分かる。
図17(a)〜(c)は、図9(a)に示す線幅kを変化させたときの、図9(a)及び(b)と同様の構造のデュアルバンドアンテナの反射特性(S11)のシミュレーション結果である。図17(a)はk=0.3mmの場合の、図17(b)はk=0.5mmの場合の、そして、図17(c)はk=0.7mmの場合の、それぞれの反射特性(S11)を示している。図17(a)〜(c)から、線幅wを増加させるにつれて、2.4GHz帯と5GHz帯の動作帯域が共に低域にシフトしていることが分かる。これは、線幅を増加させるにつれて、図9(b)における導体部909と導体部904の間の結合が強まり、低域側および高域側のアンテナ動作周波数が共に低域にシフトしたものと考えられる。
なお、図17(b)の特性をもつデュアルバンドアンテナの場合、アンテナ寸法は3.5mm×11.0mmである。したがって、図9(a)及び(b)と同様のアンテナ構造によっても、無線LAN(例えば、IEEE802.11a/b/g/n等)の規格に準拠する、2.4GHz帯と5GHz帯の両周波数帯で動作する小型なデュアルバンドアンテナを実現できることが分かる。また、このデュアルバンドアンテナは、図7(a)及び(b)と同様のアンテナ構造の場合と比べて、より小さいアンテナ寸法で構成することができている。これは、導体部908、導体部909があることによって、図5のアンテナ構成よりも低域側に寄与する導体部のアンテナ長を大きくとることができるためと考えられる。
図18(a)〜(c)は、図14(a)に示す線幅lを変化させたときの、図14(a)及び(b)と同様の構造のデュアルバンドアンテナの反射特性(S11)のシミュレーション結果である。図18(a)はl=3.0mmの場合の、図18(b)はl=3.5mmの場合の、そして、図18(c)はl=4.0mmの場合の、それぞれの反射特性(S11)を示している。図18(a)〜(c)から、線幅(導体幅)lを増加させるにつれて、2.4GHz帯と5GHz帯の動作帯域が共に低域にシフトしていることが分かる。これは、線幅を増加させるにつれて、図14(b)における導体部1508と導体部1509の間の結合が強まり、低域側および高域側のアンテナ動作周波数が共に低域にシフトしたものと考えられる。
なお、図18(b)の特性をもつデュアルバンドアンテナの場合、アンテナ寸法は3.5mm×9.5mmである。したがって、図14(a)及び(b)と同様のアンテナ構造によっても、無線LAN(例えば、IEEE802.11a/b/g/n等)の規格に準拠する、2.4GHz帯と5GHz帯の両周波数帯で動作する小型なデュアルバンドアンテナを実現できることが分かる。なお、このデュアルバンドアンテナは、上述の図7(a)及び(b)又は図9(a)及び(b)と同様のアンテナ構造の場合と比べて、より小さいアンテナ寸法で構成することが可能となっている。これは、線幅(導体幅)の太い、対向する導体部1508および導体部1509があることによって、導体部1508と導体部1509の間により強い結合を生じさせることができるためと考えられる。
なお、上述の各アンテナにおいて、分岐の本数を増やすことにより、3つ以上の周波数帯域に対応するマルチバンドアンテナを構成することもできる。このとき、各周波数帯域に対応する導体は、3つ以上の別の層にそれぞれ配置されてもよいし、一部の周波数帯域に対応する導体が同じ層に配置され、他の導体は別の層に配置されてもよい。また、複数の周波数帯域をグループ化し、そのグループごとに、対応するアンテナ導体が同じ層に配置されてもよい。
<<その他の実施形態>>
上記各実施形態では、IEEE802.11シリーズの規格に準拠した無線LANのアンテナについて説明したが、本発明は、IEEE802.11シリーズの規格に準拠した無線LAN以外の無線通信用のアンテナに適用することも可能である。

Claims (12)

  1. 給電点と、
    一端が開放端であり、線状の形状を有する第1の導体部と、
    前記第1の導体部から分岐して構成されると共に前記第1の導体部から分岐した点の逆側の端部が開放端であり、線状の形状を有する第2の導体部と、
    を有し、
    前記第1の導体部の少なくとも一部と前記第2の導体部の少なくとも一部とが、異なる平面上に形成されると共に電磁的に結合される結合部分を有
    前記第1の導体部の前記結合部分は、当該第1の導体部の他の部分より導体幅が大きく、前記第2の導体部の前記結合部分は、当該第2の導体部の他の部分より導体幅が大きく、
    前記第1の導体部の前記結合部分と前記第2の導体部の前記結合部分は、前記平面の垂直方向から見て少なくとも一部が重なり合う、
    ことを特徴とするアンテナ。
  2. 前記結合部分は、前記第1の導体部と前記第2の導体部との間の距離が、所定距離以内の部分である、
    ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
  3. 前記結合部分において、前記第1の導体部の前記給電点から開放端へ向かう方向と、前記第2の導体部の前記分岐した点から開放端へ向かう方向とのなす角が90度未満である、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載のアンテナ。
  4. 前記結合部分において、前記第1の導体部の前記給電点から開放端へ向かう方向と、前記第2の導体部の前記分岐した点から開放端へ向かう方向とのなす角が90度より大きい、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載のアンテナ。
  5. 前記結合部分は、前記第1の導体部の開放端と前記第2の導体部の開放端との少なくともいずれかを含む、
    ことを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載のアンテナ。
  6. 前記第1の導体部の少なくとも一部または前記第2の導体部の少なくとも一部の、少なくともいずれかがメアンダライン形状である、
    ことを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載のアンテナ。
  7. 前記結合部分において、前記第1の導体部が形成される平面は前記アンテナが構成される基板の表面であり、前記第2の導体部が形成される平面は前記基板の裏面である、
    ことを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載のアンテナ。
  8. 前記結合部分において、前記第1の導体部が形成される平面は前記アンテナが構成される多層の基板の第1の層と第2の層との間の平面であり、前記第2の導体部が形成される平面は前記基板の前記第2の層と第3の層との間の平面である、
    ことを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載のアンテナ。
  9. 前記基板は誘電体基板である、
    ことを特徴とする請求項又はに記載のアンテナ。
  10. 前記アンテナはシングルバンドアンテナであり、当該シングルバンドアンテナとして動作する前記第1の導体部または前記第2の導体部の長さが、前記アンテナの動作周波数帯における波長の4分の1より短い、
    ことを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載のアンテナ。
  11. 前記アンテナはデュアルバンドアンテナであり、
    前記第1の導体部の長さが、当該第1の導体部が寄与する動作周波数帯における波長の4分の1より短く、
    前記第2の導体部の長さが、当該第2の導体部が寄与する動作周波数帯における波長の4分の1より短い、
    ことを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載のアンテナ。
  12. 前記第1の導体部が寄与する動作周波数帯は2.4GHz帯であり、
    前記第2の導体部が寄与する動作周波数帯は5GHz帯である、
    ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
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