JP7457225B2 - アンテナ装置および無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置および無線通信装置に関する。

スマートフォン、タブレット型コンピュータ、車載用アンテナを備えた車両等の無線通信装置は、例えば高速通信を実現するために、複数の周波数帯を用いた通信を行っている。そのため、無線通信装置には、複数の周波数帯に対応するアンテナ素子が搭載されている。

特許文献１には、ループアンテナに複数のスイッチを設けることで複数の周波数帯に対応させたアンテナ素子が記載されている。特許文献１に記載の技術では、複数のスイッチを設けることでアンテナの構造が複雑になるため、アンテナの小型化は容易ではない。

国際公開２００４／０４７２２３号

無線通信装置は、一層の高機能化、そして、より一層の小型化が進められている。無線通信装置の高機能化および小型化が進められることで、無線通信装置内にアンテナ装置を設けるスペースは狭くなる一方である。そのため、複数の周波数で動作可能であるとともに小型のアンテナ装置が望まれている。

開示の技術の１つの側面は、複数の周波数で動作可能であるとともに、小型に製造可能はアンテナ装置および当該アンテナ装置を実装した無線通信装置を提供することを目的とする。

開示の技術の１つの側面は、次のようなアンテナ装置によって例示される。本アンテナ装置は、グランド基板と、前記グランド基板に設けられる給電点と、一方の端部が前記給電点と電気的に接続し、他方の端部が前記グランド基板と電気的に接続する前記グランド基板に対して平行な第１導体素子と、前記第１導体素子の前記他方の端部から、さらに前記他方に向けて延びるとともに徐々に前記グランド基板に漸近して前記グランド基板と電気的に接続する第２導体素子と、を備える。

開示の技術によれば、複数の周波数に対応するとともに、より小型化が可能なアンテナ装置および当該アンテナ装置を実装した無線通信装置を提供することができる。

図１は、実施形態に係るアンテナを例示する図である。 図２は、実施形態に係るアンテナ上で動作するループアンテナを模式的に示す図である。 図３は、第１変形例に係るアンテナを例示する図である。 図４は、第２変形例に係るアンテナを例示する図である。 図５は、第２変形例に係るアンテナ上で動作するモノポールアンテナを模式的に示す第１の図である。 図６は、第２変形例に係るアンテナ上で動作するモノポールアンテナを模式的に示す第２の図である。 図７は、第２変形例に係るアンテナ上で動作するモノポールアンテナを模式的に示す第３の図である。 図８は、第２変形例に係るアンテナ上で動作するモノポールアンテナを模式的に示す第４の図である。 図９は、第３変形例に係るアンテナを例示する図である。 図１０は、第３変形例に係るアンテナ上で動作するループアンテナを模式的に示す図である。 図１１は、第３変形例に係るアンテナを例示する図である。 図１２は、第３変形例に係るアンテナをスマートフォンに適用した例を示す図である。

以下、実施形態について説明する。以下に示す実施形態の構成は例示であり、開示の技術は実施形態の構成に限定されない。本実施形態に係るアンテナ装置は、例えば、以下の構成を備える。
本実施形態に係るアンテナ装置は、
グランド基板と、
前記グランド基板に設けられる給電点と、
一方の端部が前記給電点と電気的に接続し、他方の端部が前記グランド基板と電気的に接続する前記グランド基板に対して平行な第１導体素子と、
前記第１導体素子の前記他方の端部から、さらに前記他方に向けて延びるとともに徐々に前記グランド基板に漸近して前記グランド基板と電気的に接続する第２導体素子と、を備える。

グランド基板は接地された基板である。第１導体素子および第２導体素子は、グランド基板と電気的に接続されることで、接地される。給電点から第１導体素子および第２導体素子を介してグランド基板に至る経路は、第１の周波数で共振する第１のループアンテナとして動作する。給電点から第１導体素子を介してグランド基板に至る経路は、第１の周波数とは異なる第２の周波数で共振する第２のループアンテナとして動作する。グランド基板から第１導体素子の他方の端部に接続された第２導体素子を介してグランド基板に至る経路は、第１の周波数および第２の周波数とは異なる第３の周波数で共振する第３のループアンテナとして動作する。また、第２導体素子が他方に向けて延びるとともに徐々にグランド基板に漸近することで、第２導体素子をグランド基板と平行に設けた場合よりも、第２導体素子とグランド基板との容量結合を大きくすることができる。このような特徴により、第１のループアンテナおよび第２のループアンテナのアンテナ長さを小型化でき、ひいては、アンテナ装置の小型化を実現できる。

本アンテナ装置は、さらに、次の特徴を備えてもよい。前記第１導体素子は、さらに、前記一方の端部から前記他方の端部の間の一か所以上の箇所において、前記グランド基板と電気的に接続される。このような特徴を備えるアンテナ装置は、アンテナ装置内で動作するループアンテナを増やすことができる。このようなループアンテナとして、例えば、給電点から第１導体素子の当該箇所からグランド基板に向かう経路によって形成されるループアンテナを挙げることができる。また、このようなループアンテナとして、グランド基板、当該箇所、第１導体素子の他方の端部からグランド基板に向かう経路によって形成されるループアンテナも挙げることができる。

本アンテナ装置は、さらに、次の特徴を備えてもよい。前記第１導体素子と前記グランド基板との間の電気的な経路上および前記第２導体素子と前記グランド基板との間の電気的な経路上の少なくとも一方に、キャパシタまたはインダクタが設けられる。このような特徴を備えるアンテナ装置は、キャパシタの静電容量やインダクタのインダクタンスを適宜調整することで、第１導体素子および第２導体素子の長さを変更することなく、アンテナ装置内で動作する各ループアンテナの共振周波数を変更することができる。

本アンテナ装置は、さらに、次の特徴を有してもよい。前記第１導体素子と前記グランド基板との間の電気的な経路上および前記第２導体素子と前記グランド基板との間の電気的な経路上の少なくとも一方に、キャパシタおよびインダクタを含む並列共振回路が設けられる。このような特徴を備えるアンテナ装置は、並列共振回路の共振周波数を適宜設定することで、第１導体素子や第２導体素子を第１の周波数、第２の周波数および第３の周波数のいずれとも異なる第４の周波数で動作するモノポールアンテナとしても動作させることが可能となる。

本アンテナ装置は、また、前記第１導体素子と前記グランド基板との間は、ばね接点によって電気的に接続されてもよい。ばね接点を採用することで、第１導体素子とグランド基板との電気的な接続をより確実に実現することができる。

本アンテナ装置は、さらに、次の特徴を有してもよい。前記アンテナ装置は、携帯端末装置に実装され、前記第１導体素子の少なくとも一部は、前記携帯端末装置の外装である金属フレームによって形成される。携帯端末装置としては、例えば、携帯電話、スマートフォン、タブレット側コンピュータ、ウェアラブルコンピュータ等を挙げることができる。携帯端末装置の外装である金属フレームを第１導体素子としても用いることで、金属フレームが区画する領域内においてアンテナ装置が占める領域を減少させることができる。そのため、このような特徴を備えるアンテナ装置は、携帯端末装置を小型化させたり、より多くの電子部品を携帯端末装置に実装させたりすることができる。

また、開示の技術は、上記少なくともいずれかの特徴を備えるアンテナ装置を実装した無線通信装置であってもよい。

以下、図面を参照して実施形態についてさらに説明する。図１は、実施形態に係るアンテナを例示する図である。図１に例示されるアンテナ１は、給電線１１、第１導体素子１２、第２導体素子１３、第３導体素子１４およびグランド基板３を含む。以下、本明細書において、図１に向かって右側を＋Ｘ方向、図１に向かって左側を－Ｘ方向、図１に向かって上を＋Ｙ方向、図１に向かって下を－Ｙ方向と称する。

グランド基板３は、接地されたグランド面３ａを有する。グランド基板３は、例えば、各種電子部品を実装するプリント基板であってもよい。グランド基板３は、アンテナ１への給電を行う給電点２も備える。グランド基板３の全面がグランド面３ａであってもよい。

第１導体素子１２は、グランド基板３から所定距離離れた位置を、グランド基板３のグランド面３ａに対して略平行に延びる導体素子である。第１導体素子１２の＋Ｘ方向の端部は給電線１１によって給電点２と電気的に接続される。図１では、第１導体素子１２と給電線１１とは、略直交している。

第２導体素子１３は、第１導体素子１２の－Ｘ方向の端部とグランド基板３のグランド面３ａとを電気的に接続する導体素子である。第２導体素子１３は、第１導体素子１２およびグランド基板３と略直交する。第２導体素子１３は、＋Ｙ方向の端部が第１導体素子１２と電気的に接続し、－Ｙ方向の端部がグランド面３ａと電気的に接続する。以下、本明細書において、第２導体素子１３がグランド面３ａと接続する部分を、便宜上、グランド３１と称する。第２導体素子１３は、ばね接点であってもよい。

第３導体素子１４は、第１導体素子１２の－Ｘ方向の端部から基板３のグランド面３ａに向けて延びる導体素子である。第３導体素子１４は、第１導体素子１２の－Ｘ方向の端部から－Ｘ方向に延びるに伴いグランド面３ａに漸近して、グランド面３ａと電気的に接続する。図１では、第３導体素子１４は円弧状に形成されているが、第３導体素子１４は円弧状に限定されるわけではない。第３導体素子１４は、－Ｘ方向に延びるに伴いグランド面３ａに漸近すればよく、例えば、直線であってもよい。すなわち、第３導体素子１４は、第１導体素子１２の－Ｘ方向の端部から、さらに－Ｘ方向にずれた位置でグランド面３ａと電気的に接続する。第３導体素子１４が、グランド面３ａに対して漸近するため、第３導体素子１４とグランド面３ａとの間の容量結合を強めることができる。以下、本明細書において、第３導体素子１４がグランド面３ａと接続する部分を、便宜上、グランド３２と称する。

図２は、実施形態に係るアンテナ上で動作するループアンテナを模式的に示す図である。図２の点線で模式的に例示するように、実施形態に係るアンテナ１は、ループアンテナ１０１、１０２、１０３の３つのループアンテナを含む。

ループアンテナ１０１は、給電点２から給電線１１、第１導体素子１２、第２導体素子１３および第３導体素子１４を経てグランド３２までの長さが周波数ｆ_１の波長λ_１の１／２波長となるように設定されることで、周波数ｆ_１用のループアンテナとして動作する。

ループアンテナ１０２は、給電点２から給電線１１、第１導体素子１２および第２導体素子１３を経てグランド３１までの長さが周波数ｆ_２の波長λ_２の１／２波長となるように設定されることで、周波数ｆ_２用のループアンテナとして動作する。

ループアンテナ１０３は、第３導体素子１４、および第２導体素子１３の長さが、周波数ｆ_３の波長λ_３の１／２波長となるように設定されることで、周波数ｆ_３用のループアンテナとして動作する。

図２を参照すると理解できるように、ループアンテナ１０１、１０２、１０３のアンテナ長が（ループアンテナ１０１のアンテナ長）＞（ループアンテナ１０２のアンテナ長）＞（ループアンテナ１０３のアンテナ長）となることから、（周波数ｆ_３）＞（周波数ｆ_２）＞（周波数ｆ_１）となる。このように、アンテナ１は、周波数ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３の３つの周波数に対して共振可能であるとともに、アンテナ１全体のアンテナ長を周波数ｆ_１の１／２波長に抑えられる。

＜第１変形例＞
図３は、第１変形例に係るアンテナを例示する図である。図３に例示されるアンテナ１ａは、第２導体素子１３とグランド３１との間にキャパシタ４１が設けられ、第３導体素子１４とグランド３２との間にインダクタ４２が設けられる。

キャパシタ４１は、例えば、短縮コンデンサである。キャパシタ４１の静電容量を適宜設定することで、例えば、ループアンテナ１０２、１０３の電気的なアンテナ長を短縮することができる。すなわち、キャパシタ４１を第２導体素子１３とグランド３１との間に設けることで、ループアンテナ１０２が共振する周波数を周波数ｆ_２よりも高くし、ループアンテナ１０３が共振する周波数を周波数ｆ_３よりも高くすることができる。

インダクタ４２は、例えば、延長コイルである。インダクタ４２のインダクタンスを適宜設定することで、例えば、ループアンテナ１０１、１０３の電気的なアンテナ長を長くすることができる。すなわち、インダクタ４２を第３導体素子１４とグランド３２との間に設けることで、ループアンテナ１０１が共振する周波数を周波数ｆ_１よりも低くし、ループアンテナ１０３が共振する周波数を周波数ｆ_３よりも低くすることができる。

第１変形例によれば、キャパシタ４１およびインダクタ４２によって、実際のアンテナ長を変更しなくとも電気的なアンテナ長を変更することができ、ひいては、ループアンテナ１０１、１０２、１０３が共振する周波数を変更することができる。

＜第２変形例＞
図４は、第２変形例に係るアンテナを例示する図である。図４に例示されるアンテナ１ｂは、第２導体素子１３とグランド端子３１との間に並列共振回路５１が設けられ、第３導体素子１４とグランド端子３２との間に並列共振回路５２が設けられる。

並列共振回路５１、５２は、インダクタとキャパシタとを並列に接続した回路である。並列共振回路５１、５２の共振周波数は、インダクタのインダクタンスとキャパシタの静電容量とに基づいて適宜設定可能である。アンテナ１ｂでは、並列共振回路５１、５２の共振周波数を適宜設定することで、アンテナ１ｃを複数のモノポールアンテナとして動作させることができる。

図５から図８は、第２変形例に係るアンテナ上で動作するモノポールアンテナを模式的に示す図である。図５にはモノポールアンテナ１０１ｂが例示され、図６にはモノポールアンテナ１０２ｂが例示され、図７にはモノポールアンテナ１０３ｂが例示され、図８にはモノポールアンテナ１０４ｂが例示される。

図５の点線に例示されるように、モノポールアンテナ１０１ｂは、給電線１１、第１導体素子１２、第３導体素子１４、並列共振回路５２およびグランド端子３１によって形成され、周波数ｆ_１１に共振するモノポールアンテナである。図６の点線に例示されるように、モノポールアンテナ１０２ｂは、給電線１１、第１導体素子１２および第３導体素子１４によって形成され、周波数ｆ_１２に共振するモノポールアンテナである。図７の点線に例示されるように、モノポールアンテナ１０３ｂは、給電線１１、第１導体素子１２および第２導体素子１３によって形成され、周波数ｆ_１３に共振するモノポールアンテナである。図８の点線に例示されるように、モノポールアンテナ１０４ｂは、第２導体素子１３および第３導体素子１４によって形成され、周波数ｆ_１４に共振するモノポールアンテナである。

図５から図８を比較すると理解できるように、モノポールアンテナ１０１ｂ、１０２ｂ、１０３ｂ、１０４ｂのアンテナ長は、（モノポールアンテナ１０１ｂのアンテナ長）＞（モノポールアンテナ１０２ｂのアンテナ長）＞（モノポールアンテナ１０３ｂのアンテナ長）＞（モノポールアンテナ１０４ｂのアンテナ長）となる。その結果、モノポールアンテナ１０１ｂ、１０２ｂ、１０３ｂ、１０４ｂが共振する周波数は、（周波数ｆ_１４）＞（周波数ｆ_１３）＞（周波数ｆ_１２）＞（周波数ｆ_１１）となる。すなわち、アンテナ１ｂは、互いに異なる４つの周波数（周波数ｆ_１１、周波数ｆ_１２、周波数ｆ_１３および周波数ｆ_１４）に共振することができる。

＜第３変形例＞
図９は、第３変形例に係るアンテナを例示する図である。図９に例示されるアンテナ１ｃは、第１導体素子１２の－Ｘ側の端部から＋Ｘ側の端部の間の分岐点１２ａとグランド面３ａとが、第４導体素子１３ａによって電気的に接続される点で、実施形態に係るアンテナ１とは異なる。以下、本明細書において、便宜上、第４導体素子１３ａとグランド面３ａとが接続する部分をグランド３３と称する。

図１０は、第３変形例に係るアンテナ上で動作するループアンテナを模式的に示す図である。図１０を参照すると理解できるように、第３変形例に係るアンテナ１ｃでは、ループアンテナ１０１、１０２、１０３に加えて、ループアンテナ３０１、３０２を有する。ループアンテナ３０１は、給電点２から給電線１１、第１導体素子１２、分岐点１２ａ、第４導体素子１３ａを経てグランド３３に至る経路によって形成される半波長ループアンテナである。また、ループアンテナ３０２は、グランド３３から分岐点１２ａ、第１導体素子、第２導体素子１３を経てグランド３１に至る経路によって形成される半波長ループアンテナである。分岐点１２ａの位置を適宜決定することで、ループアンテナ３０１、３０２のアンテナ長を設定することができ、ひいては、ループアンテナ３０１、３０２を共振させる電波の周波数を設定することができる。

なお、図９、図１０では、第１導体素子１２の－Ｘ側の端部から＋Ｘ側の端部の間に設けた一か所の分岐点１２ａから第４導体素子１３ａによってグランド面３ａと電気的に接続したが、分岐点を複数設け、複数設けた分岐点のそれぞれとグランド面３ａとを導体素子によって電気的に接続してもよい。このような設計を採用することで、アンテナ１ｃ上で動作するループアンテナをさらに増加させることができる。

＜第４変形例＞
図１１は、第３変形例に係るアンテナを例示する図である。図１１に例示されるアンテナ１ｄは、第３導体素子１４が第３導体素子１４ａとなっている点で、実施形態に係るアンテナ１とは異なる。

第３導体素子１４ａは、グランド基板３の側面にまで達し、その後屈曲してグランド基板３の側面に設けられたグランド面３ｂと電気的に接続する点で第３導体素子１４とは異なる。以下、本明細書において、便宜上、第３導体素子１４ａがグランド基板３の側面に設けられたグランド面３ｂと接続する部分をグランド３２ａと称する。

＜適用例＞
図１２は、第３変形例に係るアンテナをスマートフォンに適用した例を示す図である。図１２では、スマートフォン５００のディスプレイ側のケースを開いた状態を例示している。

スマートフォン５００は、プロセッサやメモリ等を備える可搬型の情報処理装置である。スマートフォン５００は、アンテナ１ｄを用いて外部装置と無線通信を行う。スマートフォン５００では、その側面（周囲）を枠状の金属フレーム５１が囲んでいる。金属フレーム５１は、スマートフォン５００の側面を覆う外装である。金属フレーム５１の角は、丸い円弧状に形成されている。金属フレーム５１が区画する領域には、グランド基板３が収容される。スマートフォン５００では、上側（＋Ｙ側）に電話での通話に用いられるスピーカーが設けられ、下側（－Ｙ側）に電話での通話に用いられるマイクが設けられる。

スマートフォン５００では、金属フレーム５１の一部をアンテナ１ｄとして利用する。図１２では、アンテナ１ｄは、スマートフォン５００の上側に設けられている。図１２に例示するように、金属フレーム５１のうち、アンテナ１ｄとして利用する領域と他の領域との間には、スリット５１１、５１２が設けられる。第１導体素子５１１は、金属フレーム５１のうちアンテナ１ｄとして利用しない領域からスリット５１１によって電気的に分離される。第３導体素子１４ａは、金属フレーム５１のうちアンテナ１ｄとして利用しない領域からスリット５１２によって電気的に分離される。

スマートフォン５００では、第３導体素子１４ａとして、金属フレーム５１において円弧上に形成された角の部分を使用する。このように、金属フレーム５１をアンテナ１ｄの導体素子としても用いることで、金属フレーム５１が区画する領域内においてアンテナ１ｄが占める領域を減少させることができる。

以上で開示した実施形態や変形例はそれぞれ組み合わせることができる。例えば、図１２では、第３変形例に係るアンテナ１ｄをスマートフォン５００に適用したが、アンテナ１、１ａ、１ｂ、１ｃのいずれのアンテナをスマートフォン５００に適用してもよい。また、アンテナ１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄのいずれかを車載用アンテナとして用いてもよい。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ・・・アンテナ
２・・・給電点
１１・・・給電線
１２・・・第１導体素子
１３・・・第２導体素子
１４・・・第３導体素子
３・・・グランド基板
３ａ、３ｂ・・・グランド面
３１、３２、３２ａ、３３、・・・グランド
４１・・・キャパシタ
４２・・・インダクタ
５１、５２・・・並列共振回路
１０１、１０２、１０３、３０１、３０２・・・ループアンテナ
１０１ｂ、１０２ｂ、１０３ｂ、１０４ｂ・・・モノポールアンテナ
５００・・・スマートフォン

Claims (8)

1. グランド基板と、
   前記グランド基板に設けられる給電点と、
   第１の端部が前記給電点に接続された給電線と電気的に接続し、第２の端部が第３導体素子によって前記グランド基板と電気的に接続され、前記グランド基板に対して平行な第１導体素子と、
   前記第１導体素子の前記第１の端部に第３の端部が接続し、第４の端部が前記グランド基板と電気的に接続する第２導体素子と、を備え、
   前記第２導体素子は、前記第３の端部から前記第４の端部に向けて徐々に前記グランド基板に向けて漸近するように屈曲し、
   前記第２導体素子と前記給電線との間に前記第３導体素子が配置される、
   アンテナ装置。
2. 前記第２導体素子は、前記グランド基板と容量結合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. 前記第１導体素子は、さらに、前記第１の端部から前記第２の端部の間の一か所以上の箇所において、前記グランド基板と電気的に接続される、
   請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第１導体素子と前記グランド基板との間の電気的な経路上および前記第２導体素子と前記グランド基板との間の電気的な経路上の少なくとも一方に、キャパシタまたはインダクタが設けられる、
   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. 前記第１導体素子と前記グランド基板との間の電気的な経路上および前記第２導体素子と前記グランド基板との間の電気的な経路上の少なくとも一方に、キャパシタおよびインダクタを含む並列共振回路が設けられる、
   請求項１から４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
6. 前記第３導体素子は、ばね接点を含む、
   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. 前記アンテナ装置は、無線通信装置に実装され、
   前記第１導体素子の少なくとも一部は、前記無線通信装置の外装である金属フレームによって形成される、
   請求項１から６のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のアンテナ装置を実装した、
   無線通信装置。

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