JP6510291B2 - アンテナ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電界型および磁界型の両方で動作可能なアンテナ装置に関する。
従来、逆L字形状のアンテナエレメントの端部をスイッチを介してグランドに接続することにより、スイッチがオフ状態のときに電界型アンテナとして動作させ、スイッチがオン状態のときに磁界型アンテナとして動作させるアンテナ装置が知られている(例えば、特許文献1を参照)。
特開2011−109588号公報
しかし、特許文献1に記載のアンテナ装置では、スイッチがオフ状態のときに、スイッチ内の寄生容量によってアンテナエレメントとグランドとの間に容量結合が発生する。これにより、スイッチを介してアンテナエレメントからグランドへ流れる不要電流が誘起され、アンテナ利得が低下するという問題があった。さらに、スイッチがオン状態のときには、スイッチを介してグランドに接続するために、グランド面で反射が発生し、アンテナエレメント上に定在波が形成される。これにより、本来は一様な電流分布となるべきループ特性が得られず、磁界型ではなく電界型として動作してしまうという問題があった。
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、電界型および磁界型の両方で動作可能なアンテナ装置の性能を向上させることを目的とする。
上記目的を達成するためになされた本発明のアンテナ装置は、アンテナエレメントと、インピーダンス切替回路とを備える。
アンテナエレメントは、給電部に接続される。インピーダンス切替回路は、スイッチを含み、スイッチの駆動状態に応じてインピーダンスを切り替える。スイッチは、一端が、アンテナエレメントにおいて給電部と接続されている箇所とは異なる箇所でアンテナエレメントに接続され、他端がグランドに接続されて、一端と他端とが電気的に導通したオン状態と、一端と他端とが電気的に導通していないオフ状態との何れかの駆動状態になるように駆動される。
そしてインピーダンス切替回路は、オフ時インピーダンスがスイッチのインピーダンスより高く、且つ、オン時インピーダンスがスイッチのインピーダンスより低くなるように、インピーダンス切替回路のインピーダンスを切り替える。なお、スイッチがオフ状態であるときのインピーダンス切替回路のインピーダンスをオフ時インピーダンスとする。また、スイッチがオン状態であるときのインピーダンス切替回路のインピーダンスをオン時インピーダンスとする。
このように構成された本発明のアンテナ装置は、スイッチをオフ状態にすることにより電界型アンテナとして動作し、スイッチをオン状態にすることにより磁界型アンテナとして動作する。
そして、本発明のアンテナ装置は、スイッチがオフ状態であるときのインピーダンス切替回路のインピーダンスをスイッチのインピーダンスより高くする。これにより、本発明のアンテナ装置は、グランドから見たアンテナエレメントをハイインピーダンスにすることができる。このため、本発明のアンテナ装置は、アンテナエレメントからグランドへ流れる不要電流を低減することができ、電界型アンテナとして動作するときのアンテナ利得の低下を抑制することができる。
また、本発明のアンテナ装置は、スイッチがオン状態であるときのインピーダンス切替回路のインピーダンスをスイッチのインピーダンスより低くする。これにより、本発明のアンテナ装置は、グランドから見たアンテナエレメントをローインピーダンスにすることができる。このため、本発明のアンテナ装置は、アンテナエレメントを流れる電流がグランドで反射するのを抑制し、スイッチがオン状態であるときに磁界型ではなく電界型として動作するのを抑制することができる。
以上より、本発明のアンテナ装置は、電界型および磁界型の両方で動作可能なアンテナ装置の性能を向上させることができる。
アンテナ装置1の斜視図と、ランド11,12,13周辺の構造を示す断面図である。 スイッチ素子41の寄生コンデンサCpを示す回路図と、オフ状態時の電流分布を示す斜視図と、利得低下量および不要電流量を示すグラフである。 スイッチ素子41の寄生インダクタLpを示す回路図と、オン状態時の電流分布を示す斜視図と、アンテナエレメント3の5箇所の電流量を示すグラフである。 車両に搭載されたアンテナ装置1の水平面指向性を示す図である。 アンテナ装置1とブランケット50の斜視図および側面図である。 アンテナ装置1とブランケット70の斜視図、側面図および底面図である。 従来のアンテナ装置の斜視図と、従来技術と本発明の3面平均利得を示す図である。
以下に本発明の実施形態を図面とともに説明する。
本実施形態のアンテナ装置1は、車両の使用者が所持する携帯機から送信される電波を受信するためのものであり、車両に搭載される。
アンテナ装置1は、図1(a)に示すように、基板2と、アンテナエレメント3と、インピーダンス切替回路4と、給電部5とを備える。
基板2は、図1(b)に示すように、樹脂基板2aの表面と裏面に導電体層2b,2c(例えば、銅箔)が積層された構造を有している。基板2の電圧は、上記導電体層がグランドに接続されることにより、グランド電位になる。
また、基板2の表面には、図1(a)に示すように、ランド11,12,13が形成されている。ランド11,12,13はそれぞれ、基板2の表面の略全面に亘って形成されるとともにグランドに接続されている導電体層10(以下、グランドパターン10という)とクリアランス14,15,16を介して絶縁されるように成形された導電体層である。
クリアランス14,15,16は、ランド11,12,13とグランドパターン10との距離が1mm以上となるように設けられる。
アンテナエレメント3は、金属製の線材により構成され、本体部21と、支持部22,
23とを備える。
本体部21は、第1部位31と、第2部位32と、第3部位33とを備える。
第1部位31は、基板2に対して垂直方向に延びるように設けられ、一端(以下、給電端ともいう)が給電部5に接続される。
第2部位32は、第1部位31の給電端とは反対側の端部から基板2に対して略平行に延びるように設けられる。
第3部位33は、第2部位32における第1部位31との接続端とは反対側の端部から基板2に対して垂直方向に延びるように設けられる。第3部位33は、第2部位32との接続端とは反対側の端部が、基板2の表面に形成されたランド11に半田2dで接続される(図1(b)を参照)。
支持部22,23はそれぞれ、基板2に対して垂直方向に延びるように設けられ、一端が第2部位32に接続され、他端がランド12,13に半田2dで接続されることにより(図1(b)を参照)、本体部21を支持する。
インピーダンス切替回路4は、スイッチ素子41と、コンデンサ42と、インダクタ43とを備える。
スイッチ素子41は、一端がアンテナエレメント3の第3部位33に接続されるとともに、他端がコンデンサ42に接続される。そしてスイッチ素子41は、外部から入力される駆動信号に基づいて、一端と他端とが電気的に導通したオン状態と、一端と他端とが電気的に導通していないオフ状態との何れかの状態になるように駆動される。
コンデンサ42は、一端が上述のようにスイッチ素子41に接続されるとともに、他端がグランドに接続される。
インダクタ43は、一端がスイッチ素子41の一端に接続されるとともに、他端がスイッチ素子41の他端に接続されることにより、スイッチ素子41に対して並列に接続される。
給電部5は、アンテナエレメント3の第1部位31に接続されるとともにグランドに接続される。
このように構成されたアンテナ装置1は、スイッチ素子41をオフ状態にすることにより逆L型アンテナ(すなわち、電界型アンテナ)として動作し、スイッチ素子41をオン状態にすることによりループアンテナ(すなわち、磁界型アンテナ)として動作する。
そして、インダクタ43のインダクタンスは、スイッチ素子41がオフ状態であるときにおけるスイッチ素子41の寄生コンデンサCp(図2(a)を参照)とインダクタ43とにより並列共振するように設定される。具体的には、インダクタ43のインダクタンスをLとし、寄生コンデンサCpの静電容量をCoffとし、アンテナ装置1の駆動周波数をFとして、F=1/{2×π×(L×Coff)1/2}の関係が成立するように、インダクタ43のインダクタンスが設定される。
本実施形態では、例えば、共振周波数が433MHzであり、スイッチ素子41の寄生容量Cpの静電容量が1pFである場合において、インダクタ43のインダクタンスは134nHに設定される。
これにより、スイッチ素子41がオフ状態であるときにおけるインピーダンス切替回路4のインピーダンス(以下、オフ時インピーダンスという)が高くなり、グランドから見たアンテナエレメント3をハイインピーダンスにすることができる。
図2(b)は、アンテナ装置1からコンデンサ42とインダクタ43を除外した構成を有するアンテナ装置において、スイッチ素子41がオフ状態であるときの電流分布を示す図である。図2(c)は、アンテナ装置1において、スイッチ素子41がオフ状態であるときの電流分布を示す図である。
図2(b)と図2(c)とで比較すると、図2(c)のほうが図2(b)よりも、第3部位33に流れる電流量が少ない。すなわち、アンテナ装置1は、インダクタ43を備えることにより、スイッチ素子41がオフ状態であるときに流れる不要電流を低減することができる。
図2(d)は、インピーダンス切替回路4のインピーダンスと、アンテナ装置1の利得低下量および不要電流量との関係を示すグラフである。図2(d)に示すように、インピーダンス切替回路4のインピーダンス(以下、切替回路インピーダンスという)が高くなるほど、不要電流量を減少させることができ(屈曲線L1を参照)、これによりアンテナ利得を増加させることができる(屈曲線L2を参照)。具体的には、切替回路インピーダンスを約0.1kΩから3.6kΩへ大きくすると、不要電流を7dB抑制することができ、アンテナ利得を3.5dB向上させることができる。
また、コンデンサ42の静電容量は、スイッチ素子41がオン状態であるときにおけるスイッチ素子41の寄生インダクタLp(図3(a)を参照)と、アンテナエレメント3と、コンデンサ42とにより直列共振するように設定される。具体的には、コンデンサ42の静電容量をCとし、寄生インダクタLpのインダクタンスをLonとし、アンテナエレメント3のインダクタンスをLaとし、アンテナ装置1の駆動周波数をFとして、F=1/[2×π×{Lon+La)×C}1/2]の関係が成立するように、コンデンサ42の静電容量が設定される。
本実施形態では、例えば、共振周波数が433MHzであり、スイッチ素子41の寄生インダクタンスが4nHであり、アンテナエレメント3のインダクタンスが41nHである場合において、コンデンサ42の静電容量は3pFに設定される。
これにより、スイッチ素子41がオン状態であるときにおけるインピーダンス切替回路4のインピーダンス(以下、オン時インピーダンスという)が低くなり、グランドから見たアンテナエレメント3をローインピーダンスにすることができる。
図3(b)は、アンテナ装置1からコンデンサ42とインダクタ43を除外した構成を有するアンテナ装置において、スイッチ素子41がオン状態であるときの電流分布を示す図である。図3(c)は、アンテナ装置1において、スイッチ素子41がオン状態であるときの電流分布を示す図である。
図3(b)と図3(c)とで比較すると、図3(c)のほうが図3(b)よりも、アンテナエレメント3に流れる電流の均一性が高い。これは、グランドから見たアンテナエレメント3をローインピーダンスにすることにより、グランドからの反射を抑制することで、アンテナエレメント3上での定在波の形成が抑制されるためである。
図3(d)は、スイッチ素子41のインピーダンスと、アンテナエレメント3における5箇所の電流量との関係を示すグラフである。図3(d)のグラフの横軸に記載されているP1,P2,P3,P4,P5は、図1の位置P1,P2,P3,P4,P5に対応している。図3(d)の屈曲線L11,L12,L13はそれぞれ、インピーダンス切替回路4のインピーダンスが12Ω,6Ω,0.4Ωであるときの電流量を示す。
図3(d)に示すように、スイッチ素子41のインピーダンスが低くなるほど、アンテナエレメント3の位置P1,P2,P3,P4,P5によるアンテナ電流量の差を小さくすることができる。なお、スイッチ素子41のインピーダンスが0.4Ωであるときには、位置P1,P2,P3,P4,P5によるアンテナ電流量の差が1dB以内となる均一性が得られている。
図4(a)は、車両に搭載されたアンテナ装置1の水平面指向性を示す図である。図4(a)は、電界型として動作した場合の指向性と、磁界型として動作した場合の指向性を示す。図4(a)に示すように、車載時において、1アンテナ素子で相関係数が0.2以下となる指向性を実現することができる。
図4(b)は、電界型として動作した場合の指向性と、磁界型として動作した場合の指向性のうち大きいものを選択した場合の水平面指向性を示す図である。
電界型と、磁界型と、最大値選択とのそれぞれの場合についての、平均値、最大値および最小値を表1に示す。

表1に示すように、電界型での最小値がー124.9dBmであるが、最大値選択での最小値がー114.9dBmであり、最大値選択によりヌルを10dB改善することができる。
このようにアンテナ装置1は、アンテナエレメント3と、インピーダンス切替回路4とを備える。
アンテナエレメント3は、給電部5に接続される。インピーダンス切替回路4は、スイッチ素子41を含み、スイッチ素子41の駆動状態に応じてインピーダンスを切り替える。スイッチ素子41は、一端が、アンテナエレメント3において給電部5と接続されている箇所とは異なる箇所でアンテナエレメント3に接続され、他端がグランドに接続されて、一端と他端とが電気的に導通したオン状態と、一端と他端とが電気的に導通していないオフ状態との何れかの駆動状態になるように駆動される。
そしてインピーダンス切替回路4は、オフ時インピーダンスがスイッチ素子41のインピーダンスより高く、且つ、オン時インピーダンスがスイッチ素子41のインピーダンスより低くなるように、インピーダンス切替回路4のインピーダンスを切り替える。
このように構成されたアンテナ装置1は、スイッチ素子41をオフ状態にすることにより電界型アンテナとして動作し、スイッチ素子41をオン状態にすることにより磁界型アンテナとして動作する。
そしてアンテナ装置1は、スイッチ素子41がオフ状態であるときのインピーダンス切
替回路4のインピーダンスをスイッチ素子41のインピーダンスより高くする。これにより、アンテナ装置1は、グランドから見たアンテナエレメント3をハイインピーダンスにすることができる。このため、アンテナ装置1は、アンテナエレメント3からグランドへ流れる不要電流を低減することができ、電界型アンテナとして動作するときのアンテナ利得の低下を抑制することができる。
またアンテナ装置1は、スイッチ素子41がオン状態であるときのインピーダンス切替回路4のインピーダンスをスイッチ素子41のインピーダンスより低くする。これにより、アンテナ装置1は、グランドから見たアンテナエレメント3をローインピーダンスにすることができる。このため、アンテナ装置1は、アンテナエレメント3を流れる電流がグランドで反射するのを抑制し、スイッチ素子41がオン状態であるときに磁界型ではなく電界型として動作するのを抑制することができる。
以上より、アンテナ装置1は、電界型および磁界型の両方で動作可能なアンテナ装置の性能を向上させることができる。
またインピーダンス切替回路4は、スイッチ素子41に並列に接続されるインダクタ43と、スイッチ素子41に直列に接続されるコンデンサ42とを備える。
これにより、インダクタ43と、スイッチ素子41がオフ状態であるときにおけるスイッチ素子41の寄生コンデンサCpとにより並列共振するようにインダクタ43のインダクタンスを設定することにより、インピーダンス切替回路4のインピーダンスを高くすることができる。さらに、スイッチ素子41がオン状態であるときにおけるスイッチ素子41の寄生インダクタLpと、アンテナエレメント3と、コンデンサ42とにより直列共振するようにコンデンサ42の静電容量を設定することにより、インピーダンス切替回路4のインピーダンスを低くすることができる。
また、F=1/{2×π×(L×Coff)1/2}の関係が成立する。これは、インダクタ43とスイッチ素子41の寄生コンデンサCpとにより並列共振するときの関係である。このため、インダクタ43をスイッチ素子41に並列に接続することにより得られる最も高いオフ時インピーダンスを設定することができる。
また、F=1/[2×π×{Lon+La)×C}1/2]の関係が成立する。これは、スイッチ素子41がオン状態であるときにおけるスイッチ素子41の寄生インダクタLpと、アンテナエレメント3と、コンデンサ42とにより直列共振するときの関係である。このため、コンデンサ42をスイッチ素子41に直列に接続することにより得られる最も低いオン時インピーダンスを設定することができる。
またアンテナ装置1は、グランドパターン10と、ランド11,12,13と、第3部位33および支持部22,23とを備える。
グランドパターン10は、グランドに接続される導電体層である。ランド11,12,13は、クリアランス14,15,16を介して周囲をグランドパターン10に囲まれるように形成されてグランドパターン10と絶縁された導電体層である。第3部位33および支持部22,23はそれぞれ、一端がランド11,12,13に接続されるとともに他端がアンテナエレメント3に接続されて、グランドパターン10の上方にアンテナエレメント3が配置されるようにアンテナエレメント3を支持する導電性の部材である。これにより、第3部位33および支持部22,23を用いてアンテナエレメント3をグランドパターン10の上方で支持する場合に、アンテナエレメント3とグランドとの容量結合を抑制し、アンテナ装置1において高利得な電界型動作を実現することができる。なお、クリアランス14,15,16は、ランド11,12,13とグランドパターン10との距離が1mm以上となるように形成されるのが望ましい。
以上説明した実施形態において、スイッチ素子41は本発明におけるスイッチ、インダクタ43は本発明における誘導素子、コンデンサ42は本発明における容量素子、第3部位33および支持部22,23は本発明における支持用エレメントである。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採ることができる。
例えば上記実施形態では、ランドとグランドパターン10との間にクリアランスを設けることによりランドとグランド間の寄生容量を抑制するものを示した。しかし、ランドとグランドと間の寄生容量と並列共振するインダクタンス素子をランドとグランドとの間に挿入するようにしてもよい。
また上記実施形態では、基板2の電圧をグランド電位にするものを示したが、高利得な電界型動作を実現する方法として、グランド面を大きくすることが有効である。このため、車両ボデーをグランドとする方法が一般的にとられる。この場合に、図5(a)と図5(b)に示すように、導電性のブランケット50を用いて、ブランケット50と基板2とをネジ51で連結させるとともに、ブランケット50と車両ボデー100とをネジ52で連結させることにより、車両ボデーと基板2を導通させ、車両ボデー100に固定するようにするとよい。図5(a)は、アンテナ装置1とブランケット50とを連結した状態を示す斜視図である。図5(b)は、アンテナ装置1とブランケット50と車両ボデー100とを連結した状態を示す側面図である。
ブランケット50は、ブランケット50とアンテナエレメント3とのクリアランス(図5(b)の距離dcを参照)が1mm以上となるようにして基板2と連結される形状を有している。
また、アンテナエレメント3とのクリアランスを確保するために、図6(a)、図6(b)および図6(c)に示すように、ランド11,12,13と対向する位置に貫通孔71,72,73が設けられたブランケット70を用いるようにしてもよい。図6(a)は、アンテナ装置1とブランケット70とを連結する前の状態を示す斜視図である。図6(b)は、アンテナ装置1とブランケット70とを連結した状態を示す側面図である。図6(b)は、アンテナ装置1とブランケット70とを連結した状態を示す底面図である。
また上記実施形態では、自立保持用のエレメントとして支持部22,23を設けてあるため、図7(a)に示すような従来の高利得電界型アンテナで必要だった樹脂製ホルダーが不要であり、製造コストを低減することができる。このため、インピーダンス切替回路を実装せずに電界型アンテナだけで使用するようにしてもよい。また、上述の方法でグランドとの間の容量結合を抑制することにより、従来の自立タイプで発生していた不要電流による利得低下を抑制し、図7(b)に示すように、高コストであるが高利得な樹脂製ホルダー付の電界型アンテナと同等性能を低コストで実現できる。図7(b)は、3面平均利得について、従来技術比で+0.2dBの向上を示している。
また、上記実施形態における1つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を1つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加または置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。
1…アンテナ装置、3…アンテナエレメント、4…インピーダンス切替回路、5…給電部、41…スイッチ素子

Claims (4)

  1. 給電部(5)に接続されたアンテナエレメント(3)と、
    一端が、前記アンテナエレメントにおいて前記給電部と接続されている箇所とは異なる箇所で前記アンテナエレメントに接続され、他端がグランドに接続されて、前記一端と前記他端とが電気的に導通したオン状態と、前記一端と前記他端とが電気的に導通していないオフ状態との何れかの駆動状態になるように駆動されるスイッチ(41)を含み、前記スイッチの前記駆動状態に応じてインピーダンスを切り替えるインピーダンス切替回路(4)とを備え、
    前記インピーダンス切替回路は、
    前記スイッチが前記オフ状態であるときの前記インピーダンス切替回路のインピーダンスをオフ時インピーダンスとし、前記スイッチが前記オン状態であるときの前記インピーダンス切替回路のインピーダンスをオン時インピーダンスとして、前記オフ時インピーダンスが前記スイッチのインピーダンスより高く、且つ、前記オン時インピーダンスが前記スイッチのインピーダンスより低くなるように、前記インピーダンス切替回路のインピーダンスを切り替え、
    前記スイッチに並列に接続される誘導素子(43)と、
    前記スイッチに直列に接続される容量素子(42)とを備え、
    前記誘導素子のインダクタンスは、前記スイッチが前記オフ状態であるときにおける前記スイッチの寄生コンデンサと前記誘導素子とにより並列共振するように設定され、
    前記容量素子の静電容量は、前記スイッチが前記オン状態であるときにおける前記スイッチの寄生インダクタと、前記アンテナエレメントと、前記容量素子とにより直列共振するように設定される
    ことを特徴とするアンテナ装置(1)。
  2. 前記誘導素子のインダクタンスをLとし、前記スイッチが前記オフ状態であるときにおける前記スイッチの一端と他端との間の容量をCoffとし、当該アンテナ装置の駆動周波数をFとして、F=1/{2×π×(L×Coff)1/2}の関係が成立する
    ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
  3. 前記容量素子の静電容量をCとし、前記スイッチが前記オン状態であるときにおける前記スイッチの寄生インダクタンスをLonとし、前記アンテナエレメントのインダクタンスをLaとし、当該アンテナ装置の駆動周波数をFとして、F=1/[2×π×{Lon+La)×C}1/2]の関係が成立する
    ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
  4. 前記グランドに接続される導電体層であるグランドパターン(10)と、
    クリアランス(14,15,16)を介して周囲を前記グランドパターンに囲まれるように形成されて前記グランドパターンと絶縁された導電体層であるランド(11,12,13)と、
    一端が前記ランドに接続されるとともに他端が前記アンテナエレメントに接続されて、前記グランドパターンの上方に前記アンテナエレメントが配置されるように前記アンテナエレメントを支持する導電性の部材である支持用エレメント(33,22,23)とを備える
    ことを特徴とする請求項1〜請求項3の何れか1項に記載のアンテナ装置。
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