JPWO2014203967A1 - アンテナ装置及びそれを備える無線装置 - Google Patents

Abstract

給電点を備えた基板と、前記給電点に接続される給電素子と、前記給電素子によって非接触で給電される放射素子と、前記給電素子に接する媒質とを備え、前記媒質の比誘電率と前記媒質の比透磁率との積は、前記基板の比誘電率と前記基板の比透磁率との積よりも大きい、アンテナ装置。例えば、前記給電素子と前記媒質とを含んで構成されたチップ部品が、前記基板に実装され、前記給電素子は、前記チップ部品の内部に配置される。

Description

本発明は、アンテナ装置及びそれを備える無線装置（例えば、携帯電話などの携帯無線機）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。

そこで本発明は、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する非接触給電を実現できる、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。

上記目的を達成するため、
給電点を備えた基板と、
前記給電点に接続される給電素子と、
前記給電素子によって非接触で給電される放射素子と、
前記給電素子に接する媒質とを備え、
前記媒質の比誘電率と前記媒質の比透磁率との積は、前記基板の比誘電率と前記基板の比透磁率との積よりも大きい、アンテナ装置及びそれを備える無線装置が提供される。

本発明によれば、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する非接触給電を実現できる。

アンテナ装置の解析モデルの一例を示す平面図 図１のアンテナ装置の各構成の位置関係の一例を模式的に示す図 アンテナ装置の解析モデルの一例を示す斜視図 アンテナ装置の解析モデルの一例を示す斜視図 図１のアンテナ装置の解析モデルを示す斜視図 図５のアンテナ装置のＳ１１特性図 図３のアンテナ装置の解析モデルの平面図 図７の一部拡大図 図３のアンテナ装置の各構成の位置関係の一例を模式的に示す図 図３のアンテナ装置のＳ１１、Ｓ２１特性図 図３のアンテナ装置の相関係数の一例を示す図 図４のアンテナ装置の解析モデルの平面図 図１２の一部拡大図 図４のアンテナ装置の各構成の位置関係の一例を模式的に示す図 図４のアンテナ装置（放射素子がチップ部品内に無い場合）のＳ１１特性図 図４のアンテナ装置（放射素子がチップ部品内にある場合）のＳ１１特性図

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平面図である。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、給電点３８と、グランドプレーン７０と、放射素子３１と、放射素子３１に給電する給電部３６と、放射素子３１からＺ軸方向に所定距離離れて配置された導体である給電素子３７と、給電素子３７を備えた媒質４１とを備えている。給電部３６は、放射素子３１単体に対する給電部位であり、アンテナ装置１としての給電部位ではない。アンテナ装置１としての給電部位は、給電点３８である。

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。給電素子３７は、給電点３８を介して、例えば、基板８０に実装される給電回路（例えば、不図示のＩＣチップ等の集積回路）に接続される。給電素子３７と給電回路は、上記の異なる複数の種類の伝送線路や給電線を介して接続されてもよい。

基板８０は、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。基板８０は、グランドプレーン７０と、グランドプレーン７０をグランド基準とする給電点３８とを備えている。

グランドプレーン７０は、基板８０の表層又は内層に形成された部位である。グランドプレーン７０は、例えば、少なくとも一つの角部７３を有するグランド部位であり、角部７３からＹ軸方向に直線的に延伸する外縁部７１と、角部７３からＸ軸方向に直線的に延伸する外縁部７２とを有している。外縁部７１は外縁部７２の延伸方向に直交するように延伸することが好ましいが、本発明の効果を損なわない範囲で、例えば、互いの延伸方向の交わる角度は、７０°以上１１０°以下であることが好ましく、８０°以上１００°以下であることがより好ましい。給電点３８は、例えば、グランドプレーン７０の角部７３の近傍に配置されている。

放射素子３１は、外縁部７１に沿うように配置された線状のアンテナ導体部分であり、例えばＸ軸方向に所定の最短距離Ｄ１離れた状態で外縁部７１に平行にＹ軸方向に延在している導体部分３２を有している。図１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は、Ｌ字状やループ状などの他の形状であってよい。放射素子３１が、外縁部７１に沿った導体部分３２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。

給電素子３７は、媒質４１に設けられ、マイクロストリップライン等の伝送線路に接続される給電点３８に接続される素子であり、給電部３６を介して、放射素子３１に対して非接触で給電可能な線状導体である。図１には、グランドプレーン７０の外縁部７１に対して直角且つＸ軸に平行な方向に延在する直線状導体と、Ｙ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１の場合、給電素子３７は、給電点３８を起点にＸ軸方向に延伸してからＹ軸方向に折り曲げられ、Ｙ軸方向への延伸の端部３９まで延伸している。

なお、図１の場合、放射素子３１と給電素子３７は、Ｚ軸方向での平面視において重複しているが、給電素子３７が放射素子３１に非接触で給電可能な距離離れていれば、必ずしもＺ軸方向での平面視において重複していなくてもよい。例えば、Ｘ軸又はＹ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よい。

図２は、アンテナ装置１の各構成のＺ軸方向の位置関係を模式的に示した図である。給電素子３７は、基板８０の外部に配置された媒質４１に接して設けられている。媒質４１の詳細については後述する。放射素子３１は、給電素子３７から離れて配置され、例えば図２に示されるように、基板８０から距離Ｈ２離れて基板８０に対向する基板１１０に設けられている。基板１１０は、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。基板１１０の基材の具体例は、上述の基板８０の場合と同様である。放射素子３１は、図２では基板１１０の給電素子３７に対向する側の表面に配置されているが、基板１１０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１１０の側面に配置されてもよい。

給電素子３７と放射素子３１は、例えば、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、アンテナの放射導体として機能する。図１に示すように、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（定在波状に分布する電流）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、放射素子がループ状導体であってもよい。放射素子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（定在波状に分布する電流）が放射素子上に形成される。すなわち、放射素子は、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。

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。

また、電磁界結合で給電する場合の方が、静電容量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）の変化に対して、動作周波数における放射素子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とリターンロスとの積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、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、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、図１の場合、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９０以外の部位（中央部９０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９０）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のインピーダンス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９０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させることが好ましい。

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９０）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１の場合、放射素子３１の全長は、Ｌ３２に相当し、給電部３６は、中央部９０に対して端部３４側に位置している。

一方、特許文献２のような静電容量結合のような低インピーダンスでの結合でインピーダンスマッチングがとれていると、例えば、容量板と放射導体との距離がわずかでも遠くなった場合、容量が小さくなって容量板と放射導体間のインピーダンスが高くなってしまいインピーダンスマッチングがとれなくなる。

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以下であることが好ましい。

前記Ｌｅ３７は、（３／８）・λ以下が好ましい。また、グランドプレーン７０の有無を含めそ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、アンテナ装置１のグランドプレーン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、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が形成された場合、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上に、共振電流（定在波状に分布する電流）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Ｌｅ２１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、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、放射素子３１に沿うグランドプレーン７０の外縁部７１は、給電素子３７の電気長と合計して設計周波数（共振周波数ｆ_１１）の（１／４）・λ以上の長さであることがよい。

なお給電素子３７の物理的な長さＬ３７（図１の場合、Ｄ１＋Ｌ３４に相当）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_ｒ）および実効比透磁率（μ_ｒ）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、放射素子の共振の基本モードがダイポールモード（放射素子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、放射素子の共振の基本モードがループモード（放射素子がループ状の導体）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ダイポールモードと同様に、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。

なお放射素子３１の物理的な長さＬ３１（図１の場合、Ｌ３２に相当）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波長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_ｇ２以上（５／８）・λ_ｇ２以下、放射素子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。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。

例えば、媒質４１が、比誘電率＝３．４、ｔａｎδ＝０．００３、Ｚ軸方向の厚さ＝０．８ｍｍの特性を有する場合のＬ３７の長さは、給電素子３７を放射導体として利用する場合の給電素子３７の設計周波数を３．５ＧＨｚとしたときに、２０ｍｍである。また、例えば、基板１１０が、比誘電率＝３．４、ｔａｎδ＝０．００３、Ｚ軸方向の厚さ＝０．８ｍｍの特性を有する場合のＬ３１の長さは、放射素子３１の設計周波数を２．２ＧＨｚとしたときに、３４ｍｍである。

また、図１に示すように給電素子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おいて、給電素子３７を前述のように放射素子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波長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。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、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Ｈ４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Ｈ４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Ｈ４とは、給電素子３７と放射素子３１において、最も近接している部位間の直線距離である。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、給電素子３７と放射素子３１とが最短距離Ｈ４で並走する距離は、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。最短距離Ｈ４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Ｈ４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Ｈ４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。

＜給電素子３７に接する媒質４１について＞
給電素子３７の物理的な長さＬ３７は、ｋ_１に比例する。そのため、媒質４１の比誘電率ε_ｒ１と媒質４１の比透磁率μ_ｒ１との積Ｐ１を、基板８０の比誘電率ε_ｒと基板８０の比透磁率μ_ｒとの積Ｐ２よりも大きくすることにより、積Ｐ１が積Ｐ２と等しい場合に比べて、長さＬ３７を短くできる。これにより、給電素子３７を小型化できるため、アンテナ装置１の設置スペースを削減し、非接触給電を簡易な構成で実現できる。

媒質４１は、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体である。媒質４１の基材として誘電体が用いられる場合、波長短縮効果によって、給電素子３７の小型化ができる。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。媒質４１の基材として磁性体が用いられる場合、給電素子３７のＱ値の低下によって、アンテナ装置１の広帯域化ができる。媒質４１の基材として誘電体と磁性体との混合物が用いられる場合、給電素子３７の小型化とアンテナ装置１の広帯域化が可能である。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。

基板８０の基材が誘電体である場合、基板８０の比誘電率ε_ｒと基板８０の比透磁率μ_ｒとの積Ｐ２は、例えば、２以上５以下である。給電素子３７を小型化するには、媒質４１の比誘電率ε_ｒ１と媒質４１の比透磁率μ_ｒ１との積Ｐ１は、６以上であることが好ましく、１０以上であることがより好ましい。また、積Ｐ１は、製造上又はアンテナとして機能させる上で、１０００以下であることが好ましく、４００以下であることがより好ましい。

例えば図２に示されるように、給電素子３７と媒質４１とを含んで構成されたチップ部品４０が基板８０に実装される。これにより、媒質４１に接した給電素子３７を基板８０に容易に実装できる。

基板８０は、給電点３８に接続されるストリップ導体８２を備えた伝送線路を有している。ストリップ導体８２は、例えば、グランドプレーン７０との間に基板８０を挟むように基板８０の表面に形成された信号線である。

また、基板８０は、給電点３８に接続されるランド８１を有している。ランド８１は、給電素子３７と給電点３８とを電気的に接続するための導体部位であり、基板８０の表面に形成されている。チップ部品４０は、給電素子３７がビア等の配線４３を介して接続される電極４４を有する。電極４４がはんだ等でランド８１に接合されることによって、チップ部品４０は基板８０の表面に実装され、給電素子３７は給電点３８に電気的に接続される。

給電素子３７は、媒質４１に囲まれるようにチップ部品４０の内部に配置されることが、給電素子３７の小型化の点で有利である。しかしながら、給電素子３７が、媒質４１に接した状態で、チップ部品４０の表面４２に露出してもよい。

また、チップ部品４０は、放射素子３１又は給電素子３７のマッチングを行うマッチング回路４５を有してよい。マッチング回路は、リアクタンス素子を有する回路であり、整合回路とも呼ばれる。マッチング回路４５は、例えば、給電点３８に接続される伝送線路を介して接続される給電回路（例えば、基板８０に実装されるＩＣチップ等の集積回路）と、放射素子３１又は給電素子３７とのマッチングを行う回路である。マッチング回路４５は、チップ部品４０の内部に設けられてもよいし、チップ部品４０の表面に設けられてもよい。マッチング回路４５をチップ部品４０に設けることによって、マッチング回路４５が基板８０の表面に直接実装される場合に比べて、基板８０の小型化又は基板８０の実装可能面積の拡大化が可能である。また、チップ部品４０は、マッチング回路以外にも、高調波を減衰するフィルタや、給電点に接続される給電素子を複数の給電素子の中から選択的に切り替えるスイッチなどの機能をチップ部品４０の内部又は表面に有していてもよい。

マッチング回路４５又はフィルタは、放射素子３１又は給電素子３７のインピーダンスと給電点３８に接続される伝送線路又は給電線のインピーダンスとのマッチングをチューニングする機能を有してもよい。また、マッチング回路４５は、ＭＩＭＯアンテナにおいて、アンテナ素子間の結合を低減するための減結合回路を含んでもよい。

＜アンテナ装置の搭載装置＞
本発明の実施形態に係るアンテナ装置は、無線装置（例えば、人が携帯可能な通信端末）に搭載される。無線装置の具体例として、情報端末機、携帯電話、スマートフォン、パソコン、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。

例えば図２において、ディスプレイを有する無線通信装置１００（無線装置の一例）にアンテナ装置１が搭載される場合、基板１１０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８０が固定される筐体（特には、表蓋、裏蓋、側壁など）であってもよい。カバーガラスは、ディスプレイに表示される画像を透明又は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。

また、給電素子３７及び放射素子３１、並びにグランドプレーン７０のＺ軸に平行な高さ方向における各位置は、互いに異なっていてもよいし、全て又は一部のみが同じでもよい。

また、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が一つの無線通信装置に搭載されてもよい。

複数の給電素子がチップ部品の内部又は表面に設けられてもよい。図３は、２つの給電素子３７Ａ，３７Ｂが設けられたチップ部品４６を備えるアンテナ装置２の一例を部分的に示す斜視図である。給電素子３７Ａ，３７Ｂは、媒質４１に接する。アンテナ装置２は、基板８０と、チップ部品４６と、２つの放射素子３１Ａ，３１Ｂとを備える。基板８０は、所定の間隔を空けて互いに近接する２つの給電点３８Ａ，３８Ｂを備える。給電素子３７Ａは、給電点３８Ａにチップ部品４６の電極４４Ａ及び配線４３Ａを介して接続され、放射素子３１Ａに非接触で給電する線状導体である。給電素子３７Ｂは、給電点３８Ｂにチップ部品４６の電極４４Ｂ及び配線４３Ｂを介して接続され、放射素子３１Ｂに非接触で給電する線状導体である。配線４３Ａ及び配線４３Ｂは、例えば、ビアである。

アンテナ装置２は、給電素子３７Ａと放射素子３１Ａとを有する第１のダイポールアンテナ素子１０と、給電素子３７Ｂと放射素子３１Ｂとを有する第２のダイポールアンテナ素子２０とを備える。

第１のダイポールアンテナ素子１０と第２のダイポールアンテナ素子２０との間の相関係数が低いので、アンテナ装置２を、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）アンテナとして機能させることが可能である。ＭＩＭＯアンテナは、複数のアンテナ素子を用いて所定の周波数において多重の入出力が可能なマルチアンテナである。

また、単数又は複数の放射素子がチップ部品の内部又は表面に設けられてもよい。図４は、１つの給電素子３７と１つの放射素子３１Ｃとが設けられたチップ部品４７を備えるアンテナ装置３の一例を部分的に示す斜視図である。給電素子３７も放射素子３１Ｃも、媒質４１に接する。アンテナ装置３は、基板８０と、チップ部品４７と、放射素子３１Ｃから離れて配置される放射素子３１Ｄとを備える。チップ部品４７から離れて配置される放射素子３１Ｄは、媒質４１に非接触の線状導体である。給電素子３７は、給電点３８にチップ部品４７の電極４４及び配線４３を介して接続される。給電素子３７は、チップ部品４７に設けられた放射素子３１Ｃに非接触で給電し、且つ、チップ部品４７から離れて配置される放射素子３１Ｄに非接触で給電する線状導体である。

アンテナ装置３は、放射素子３１Ｃが共振する周波数と放射素子３１Ｄが共振する周波数とを合わせた複数の周波数で励振するマルチバンドアンテナである。

図１，２で示した形態のアンテナ装置１をシミュレーション解析したときのＳ１１特性について説明する。Ｓ１１特性とは、高周波電子部品等の特性の一種であり、本明細書においては周波数に対する反射損失（リターンロス）で表す。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。

Ｓ１１特性の測定時の図１で示した各寸法は、単位をｍｍとすると、
Ｄ１：３．７５
Ｌ３２：４５
Ｗ３１：１．９
Ｗ３２：１．９
Ｗ３３：１
とした。

また、グランドプレーン７０、給電素子３７及び放射素子３１において、Ｚ軸方向の厚さ（高さ）は０．０１８ｍｍとした。また、基板８０は、比誘電率ε_ｒ＝３．３、ｔａｎδ＝０．００３に設定し、基板１１０は、比誘電率ε_ｒ＝１、に設定した。また、グランドプレーン７０の形状は、Ｘ軸方向が３０ｍｍでＹ軸方向が５０ｍｍの長方形とし、基板８０の形状は、Ｘ軸方向が３０ｍｍでＹ軸方向が６０ｍｍの長方形とした。また、図２において、Ｈ１を０．８ｍｍ、Ｈ２を１．５ｍｍ、Ｈ３を１ｍｍに設定した。また、給電素子３７と放射素子３１との最短距離Ｈ４を０．５ｍｍに設定し、給電素子３７と放射素子３１とを電磁界結合させた。

図５は、図１，２で示した形態のアンテナ装置１をシミュレーション解析したときの解析モデルの一部を拡大した斜視図である。Ｌ４１，Ｌ４２，Ｌ４３は、それぞれ、チップ部品４０の媒質４１における、横長、縦長、高さを想定していて、給電素子３７の一部の導体部分（放射素子３１の導体部分３２に並走する部分）の長さＬ３４（図１参照）は、横長Ｌ４１と同じ長さに設定した。

図６は、図１，２で示した形態のアンテナ装置１において、媒質４１の比誘電率ε_ｒ１と媒質４１の比透磁率μ_ｒ１との積Ｐ１を、「１０」に設定した場合（本発明の実施例）と「１」に設定した場合（本発明の比較例）のＳ１１特性図である。積Ｐ１が「１０」の場合とは、積Ｐ１が、基板８０の比誘電率ε_ｒと基板８０の比透磁率μ_ｒとの積Ｐ２よりも大きい場合を示し、積Ｐ１が「１」の場合とは、積Ｐ１が、基板８０の比誘電率ε_ｒと基板８０の比透磁率μ_ｒとの積Ｐ２よりも小さい場合を示す。

積Ｐ１が「１」の場合、図６に示されるように、放射素子３１の基本モードの共振周波数を２．６ＧＨｚ付近に設定し、且つ、給電素子３７の基本モードの共振周波数を４．７ＧＨｚ付近に設定するには、図５で示した各寸法は、単位をｍｍとすると、
Ｌ４１：１４
Ｌ４２：５
Ｌ４３：１
にする必要があった。

これに対し、積Ｐ１が「１０」の場合、図６に示されるように、放射素子３１の基本モードの共振周波数を２．６ＧＨｚ付近に設定し、且つ、給電素子３７の基本モードの共振周波数を４．７ＧＨｚ付近に設定するには、図５で示した各寸法は、単位をｍｍとすると、
Ｌ４１：７
Ｌ４２：５
Ｌ４３：１
にする必要があった。

すなわち、積Ｐ１を「１０」にすることによって、Ｌ４１の長さを半分にできるため、給電素子３７の小型化が可能である。

図３で示した形態のアンテナ装置２をシミュレーション解析したときにおいて、Ｓ１１特性及び相関係数特性について説明する。図７は、左右対称に形成されたアンテナ装置２の解析モデルの平面図であり、図８は、図７の一部拡大図であり、図９は、アンテナ装置３の各構成の位置関係の一例を模式的に示す図である。

特性測定時の図７，８，９で示した各寸法は、単位をｍｍとすると、
Ｌ５１：６０
Ｌ５２：５０
Ｌ５３：１０
Ｌ５４：５
Ｌ５５：２４
Ｌ５６：４５
Ｌ５７：２．５
Ｌ５８：８．５
Ｌ５９：５
Ｌ６０：２．５
Ｌ６１：２
Ｗ３４：０．５
Ｗ３５：１
Ｈ１１：１
Ｈ１２：１
Ｈ１３：０．５
Ｈ１４：０．５
とした。

また、グランドプレーン７０、給電素子３７Ａ，３７Ｂ及び放射素子３１Ａ，３１Ｂにおいて、Ｚ軸方向の厚さ（高さ）は０．０１８ｍｍとした。また、基板８０は、比誘電率ε_ｒ＝３．３、ｔａｎδ＝０．００３に設定した。また、給電素子３７Ａと放射素子３１Ａとの最短距離を１ｍｍに設定し、給電素子３７Ａと放射素子３１Ａとを電磁界結合させた。給電素子３７Ｂと放射素子３１Ｂとの関係も同じである。また、媒質４１の比誘電率ε_ｒ１と媒質４１の比透磁率μ_ｒ１との積Ｐ１は、１０であり、基板８０の比誘電率ε_ｒと基板８０の比透磁率μ_ｒとの積Ｐ２よりも大きな値である。

図１０は、アンテナ装置２のＳ１１，Ｓ２１特性である。図１１は、アンテナ装置２の相関係数の特性図である。図１０、図１１に示されるように、相関係数は、共振周波数２．５ＧＨｚ付近で０付近まで低下している。したがって、複数の給電素子がチップ部品内にあっても、アンテナ装置２はＭＩＭＯアンテナとして機能する。

図４で示した形態のアンテナ装置３をシミュレーション解析したときにおいて、Ｓ１１特性について説明する。図１２は、アンテナ装置３の解析モデルの平面図であり、図１３は、図１２の一部拡大図であり、図１４は、アンテナ装置３の各構成の位置関係の一例を模式的に示す図である。

特性測定時の図１２，１３，１４で示した各寸法は、単位をｍｍとすると、
Ｌ７１：３０（グランドプレーン７０及び基板８０の幅）
Ｌ７２：５０
Ｌ７３：１０
Ｌ７４：５
Ｌ７５：１６
Ｌ７６：３０（放射素子３１Ｄの長さ）
Ｌ７７：２．５
Ｌ７８：５．５
Ｌ８０：２．５
Ｌ８１：２
Ｌ８２：１
Ｗ３６：０．５
Ｗ３７：１
Ｈ２１：１
Ｈ２２：１
Ｈ２３：０．５
Ｈ２４：０．５
とした。

また、グランドプレーン７０、給電素子３７及び放射素子３１Ｃ，３１Ｄにおいて、Ｚ軸方向の厚さ（高さ）は０．０１８ｍｍとした。また、基板８０は、比誘電率ε_ｒ＝３．３、ｔａｎδ＝０．００３に設定した。また、給電素子３７と放射素子３１Ｃとの最短距離を０．５ｍｍに設定し、給電素子３７と放射素子３１Ｃとを電磁界結合させた。給電素子３７と放射素子３１Ｄとの最短距離を１．０ｍｍに設定し、給電素子３７と放射素子３１Ｄとを電磁界結合させた。また、媒質４１の比誘電率ε_ｒ１と媒質４１の比透磁率μ_ｒ１との積Ｐ１は、１０であり、基板８０の比誘電率ε_ｒと基板８０の比透磁率μ_ｒとの積Ｐ２よりも大きな値である。

図１５は、放射素子３１Ｃが無い場合のアンテナ装置２のＳ１１特性を示し、給電素子３７が放射素子３１Ｄのみに給電する場合を示す。図１５に示されるように、アンテナ装置３は、放射素子３１Ｄの基本モードの共振周波数と２次モードの共振周波数で励振し、マルチバンドアンテナとして機能する。このように、チップ部品内の給電素子３７は、チップ部品から離れた放射素子３１Ｄに給電できる。

図１６は、放射素子３１Ｃがある場合のアンテナ装置２のＳ１１特性を示し、給電素子３７が放射素子３１Ｃと放射素子３１Ｄの両方に給電する場合を示す。
図１６に示されるように、アンテナ装置３は、放射素子３１Ｄの基本モードの共振周波数と２次モードの共振周波数だけでなく、放射素子３１Ｃの基本モードの共振周波数でも励振するので、マルチバンドアンテナとして機能する。このように、チップ部品内には、給電素子だけでなく、放射素子があってもよい。

以上、アンテナ装置及びそれを備える無線装置を実施形態例により説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではない。他の実施形態例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、放射素子は、図示の形態に限られない。例えば、図１の放射素子３１は、直接又は接続導体を介して間接的に接続された導体部分を有するものでもよいし、放射素子３１に高周波的（例えば、容量的）に結合された導体部分を有するものでもよい。

また、放射素子は、直線的に延びる線状の導体部分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。

本国際出願は、２０１３年６月２１日に出願した日本国特許出願第２０１３−１３１１５７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２０１３−１３１１５７号の全内容を本国際出願に援用する。

１，２、３ アンテナ装置
１０ 第１のダイポールアンテナ素子
２０ 第２のダイポールアンテナ素子
３１，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄ 放射素子
３２ 導体部分
３６ 給電部
３７ 給電素子
３８，３８Ａ，３８Ｂ 給電点
４０，４６，４７ チップ部品
４１ 媒質
４２ 表面
４３，４３Ａ，４３Ｂ 配線
４４，４４Ａ，４４Ｂ 電極
４５ マッチング回路
７０ グランドプレーン
７１，７２ 外縁部
７３ 角部
８０，１１０ 基板
８１ ランド
８２ ストリップ導体
９０ 中央部
１００ 無線通信装置

Claims (14)

1. 給電点を備えた基板と、
   前記給電点に接続される給電素子と、
   前記給電素子によって非接触で給電される放射素子と、
   前記給電素子に接する媒質とを備え、
   前記媒質の比誘電率と前記媒質の比透磁率との積は、前記基板の比誘電率と前記基板の比透磁率との積よりも大きい、アンテナ装置。
2. 前記給電素子と前記放射素子が電磁界結合する、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記給電素子と前記媒質とを含んで構成されたチップ部品が、前記基板に実装された、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 前記給電素子は、前記チップ部品の内部に配置された、請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記チップ部品は、前記放射素子又は前記給電素子のマッチングを行うマッチング回路を有する、請求項３又は４に記載のアンテナ装置。
6. 前記媒質の比誘電率と前記媒質の比透磁率との積は、６以上である、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. 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ループモードである場合、（７／８）・λ以上（９／８）・λ以下である請求項１から６のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
8. 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電波の波長をλ_０とする場合、
   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から７のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
9. 前記給電素子が前記放射素子に給電する給電部は、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させる、請求項１から８のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
10. 前記給電素子が前記放射素子に給電する給電部は、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前記放射素子の全長の１／８以上の距離を離した部位に位置する、請求項１から９のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
11. 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、前記放射素子の長さの３／８以下である、請求項１から１０のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
12. グランドプレーンを備え、
    前記放射素子は、前記グランドプレーンの外縁部に沿った導体部分を有する、請求項１から１１のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
13. 前記基板は、前記給電点に接続される伝送線路を有する、請求項１から１２のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
14. 請求項１から１３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