JPWO2015108140A1 - 携帯無線装置 - Google Patents

Abstract

グランドプレーンを有する基板と、前記基板を収容する筐体と、前記グランドプレーンをグランド基準とする給電点に接続された給電素子と、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有するアンテナとを備え、前記筐体は、前記グランドプレーンに直流的に接続された導体を有する、携帯無線装置。

Description

本発明は、携帯無線装置に関する。

スマートフォン等の携帯無線装置に搭載されるアンテナとして、接触給電型のモノポールアンテナ（例えば、特許文献１を参照）や、磁界結合による非接触給電型の磁界結合アンテナ（例えば、特許文献２を参照）が知られている。

国際公開第２０１３／０４７０３３号パンフレット 国際公開第２００７／０４３１５０号パンフレット

しかしながら、これらのアンテナは、グランドプレーンを有する基板の組み付け時に基板の位置が設計値からずれると、グランドプレーンとの位置関係が変化するため、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。

そこで、アンテナとグランドプレーンとの位置関係が変化しても、アンテナのインピーダンスマッチングを容易にとることができる、携帯無線装置の提供を目的とする。

一つの案では、
グランドプレーンを有する基板と、
前記基板を収容する筐体と、
前記グランドプレーンをグランド基準とする給電点に接続された給電素子と、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有するアンテナとを備え、
前記筐体は、前記グランドプレーンに直流的に導通可能に接続された導体を有する、携帯無線装置が提供される。

一態様によれば、アンテナとグランドプレーンとの位置関係が変化しても、アンテナのインピーダンスマッチングを容易にとることができる。

電磁界結合による非接触給電型の電磁界結合アンテナ及び携帯無線装置の一例を示す平面図である。 電磁界結合アンテナ及び携帯無線装置の各構成の位置関係の一例を示す図である。 電磁界結合アンテナの一例を示す拡大平面図である。 磁界結合による非接触給電型の磁界結合アンテナの一例を示す拡大平面図である。 接触給電型のモノポールアンテナの一例を示す拡大平面図である。 給電点のオフセット量と各アンテナのＳ１１の変動量との関係を示す図である。 基板のオフセット量と各アンテナのＳ１１の変動量との関係を示す図である。

図１は、携帯無線装置１００に搭載された電磁界結合アンテナ３０（以下、「アンテナ３０」という）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。

携帯無線装置１００は、例えば、人が携帯可能な通信端末等の無線通信装置である。携帯無線装置１００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。携帯無線装置１００は、基板８０と、筐体２０と、アンテナ３０とを備えている。

基板８０は、グランドプレーン７０を有する基板の一例である。基板８０は、ＸＹ平面に平行に配置され、Ｘ軸方向に平行な横の長さをＬ２とし、Ｙ軸方向に平行な縦の長さをＬ３とする長方形の外形を有している。基板８０には、キャパシタ等の部品が実装されてもよい。

グランドプレーン７０は、平面状のグランドパターンであり、図１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、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、ＸＹ平面に平行に配置され、Ｘ軸方向に平行な横の長さをＬ２とし、Ｙ軸方向に平行な縦の長さをＬ３とする長方形の外形を有している。グランドプレーン７０は、基板８０に積層され、基板８０の表層（外層）に配置されてもよいし、基板８０の内層に配置されてもよい。グランドプレーン７０は、グランド電位を有するグランド部位である。グランドプレーン７０は、アンテナのインピーダンスマッチングを容易にとりやすくなる点で、所定値以上の面積を有するグランド部位であることが好ましいが、基板８０に実装されるキャパシタ等の実装部品が電気的に接続されるグランド部位でもよい。

図１の場合、基板８０とグランドプレーン７０の外形は、互いに同一であるが、互いに異なってもよい。また、基板８０又はグランドプレーン７０は、図示の形状に限られない。

筐体２０は、基板８０を収容する筐体の一例であり、例えば、回路基板又は携帯無線装置１００のカバーガラスを固定するものである。基板８０は、例えば、筐体２０の蓋面、底面又は側面に固定される。筐体２０は、ＸＹ平面に平行に配置された平面状の導体２１を有している。導体２１は、例えば、Ｘ軸方向に平行な横の長さをＬ１とし、Ｙ軸方向に平行な縦の長さをＬ５とする長方形の外形を有する金属部位である。筐体２０の一部が、導体２１であってもよいし、筐体２０の全部が、導体２１であってもよい。導体２１は、筐体２０に取り付けられた部品でもよい。筐体２０又は導体２１は、図示の形状に限られない。

導体２１は、グランドプレーン７０に直流的に導通可能に接続されている。これにより、アンテナ３０は、基板８０に設けられたグランドプレーン７０だけでなく、筐体２０に設けられた導体２１をグランドプレーンとして利用できる。導体２１をグランドプレーンとして利用できるため、アンテナ３０の動作利得（アンテナ利得）を確保しつつ、グランドプレーン７０の面積を縮小できる。グランドプレーン７０の面積の縮小に伴って基板８０の面積も縮小できるため、携帯無線装置１００を小型化できる。

なお、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。

導体２１の面積は、導体２１をグランドプレーンとして効果的に利用できるように、グランドプレーン７０の面積よりも大きいことが好ましい。しかしながら、導体２１の面積は、グランドプレーン７０の面積と同じでもよいし、グランドプレーン７０の面積よりも小さくてもよい。

導体２１は、例えば、導電性部材（例えば、配線、金属板、導電性接着剤など）を介して、グランドプレーン７０に直流的に導通可能に接続されている。導体２１とグランドプレーン７０とが接触して互いに直流的に導通可能に接続されるように、基板８０が筐体２０又は筐体２０以外の部材に固定されてもよい。

導体２１は、例えば、基板８０を筐体２０に固定する固定部材１０を介して、グランドプレーン７０に直流的に導電可能に接続されてもよい。固定部材１０によって導体２１とグランドプレーン７０とを直流的に導通可能に接続することにより、基板８０と筐体２０との機械的な接続とグランドプレーン７０と導体２１との電気的な接続とを固定部材１０で兼用できる。この場合、固定部材１０の全部が導電性を有してもよいし、固定部材１０の一部が導電性を有してもよい。固定部材１０の具体例として、金属ねじ、導電性接着剤などが挙げられる。

導体２１とグランドプレーン７０とを直流的に導通可能に接続する導電性部材や固定部材１０の個数や位置は任意でよい。図１には、導体２１とグランドプレーン７０とが固定部材１０によって４か所で接続されている例が示されている。

携帯無線装置１００は、基板８０とは異なる基板８５を備えてもよい。基板８５は、ＸＹ平面に平行に配置され、Ｘ軸方向に平行な横の長さをＬ１とし、Ｙ軸方向に平行な縦の長さをＬ４とする長方形の外形を有している。基板８５には、キャパシタ等の部品が実装されてもよい。基板８５は、例えば、筐体２０に固定される。基板８５も、筐体２０に収容されてよい。

基板８５は、例えば、グランドプレーン７５を有している。グランドプレーン７５は、ＸＹ平面に平行に配置された平面状のグランドパターンであり、Ｘ軸方向に平行な横の長さをＬ１とし、Ｙ軸方向に平行な縦の長さをＬ４とする長方形の外形を有している。グランドプレーン７５は、基板８５に積層され、基板８５の表層（外層）に配置されてもよいし、基板８５の内層に配置されてもよい。

図１の場合、基板８５とグランドプレーン７５の外形は、互いに同一であるが、互いに異なってもよい。また、基板８５又はグランドプレーン７５は、図示の形状に限られない。

アンテナ３０は、給電素子３７と、放射素子３１とを有するアンテナの一例である。

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に接続される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１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ない。また、図１において給電素子３７は、基板８０から離れて空間に浮いた状態で設置されている。しかし、実際に携帯無線装置１００に設置する際には、基板８０などに形成されてよい。

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。給電素子３７は、給電点３８を介して、例えば、基板８０又は基板８５に実装される給電回路（例えば、ＲＦ回路を備えたＩＣチップやベースバンド回路を備えたＩＣチップ、ＣＰＵ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。

給電回路を基板８０とは別の基板８５に搭載できるので、給電回路とグランドプレーン７０又はアンテナ３０とを離すことができ、給電回路とグランドプレーン７０又はアンテナ３０との位置関係を定める設計の自由度が増す。

放射素子３１は、外縁部７１に沿うように配置された線状の放射導体部分であり、例えばＹ軸方向側に所定の最短距離離れた状態で外縁部７１に平行にＸ軸方向に延在している導体部分を有している。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３０の指向性を容易に制御することが可能となる。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もよい。また、図１において放射素子３１は、空間に浮いた状態で設置されている。しかし、実際に携帯無線装置１００に設置する際には、携帯無線装置１００のカバーガラスや筐体２０などに形成されてよい。

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３０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（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。

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３０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１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３０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することが好ましい。

例えば、アンテナ３０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、Ｌ３１（図３参照）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。

図２は、携帯無線装置１００及びアンテナ３０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の表面に設置されてもよいし、基板８０の内部に設置されてもよい。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Ｈ１離れて基板８０に対向する基板１１０に設けられている。基板８０、基板８５又は基板１１０は、例えば樹脂製の誘電体基板であるが、樹脂以外の誘電体、例えばガラスやガラスセラミックス、ＬＴＣＣ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−Ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）、アルミナなどを利用することができる。放射素子３１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もよいし、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。

例えば図２において、アンテナ３０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（導体２１が形成されていない、筐体の余白部、特には、底面や側面など）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。

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。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の高さ方向の各位置が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３０が一つの携帯無線装置に搭載されてもよい。

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、給電素子３７と放射素子３１との最短距離Ｄ２（＞０）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。

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。

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３０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）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の物理的な長さをＬ３７（図３の場合、Ｌ３９＋Ｌ３８に相当）とすると、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３０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３０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。

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。

例えば、誘電体基材として比誘電率＝３．４、ｔａｎδ＝０．００３、基板厚０．８ｍｍであるＢＴレジン（登録商標）ＣＣＬ−ＨＬ８７０（Ｍ）（三菱ガス化学製）を使用した場合のＬ３７の長さは、設計周波数を３．５ＧＨｚとしたときに、２０ｍｍであり、Ｌ３１の長さは、設計周波数を２．２ＧＨｚとしたときに、３４ｍｍ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の動作利得が向上する点で有利である。また、最短距離Ｄ１が（λ_０／４）未満であるため、アンテナ３０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。

次に、アンテナの位置ロバスト性について、本発明の実施形態に係るアンテナ３０（図３）と、本発明の実施形態とは異なる他のアンテナ（図４，５）とを比較して説明する。

図４は、本発明の実施形態とは異なるアンテナ２３０を示す拡大平面図である。アンテナ２３０は、上掲の特許文献２に開示された技術を適用した、磁界結合による非接触給電型の磁界結合アンテナである。アンテナ２３０を搭載する携帯無線装置２００は、本発明の実施形態に係る携帯無線装置１００と同一の構成を有している。

アンテナ２３０は、給電素子２３７と、無給電素子２３１とを有している。給電素子２３７は、グランドプレーン７０をグランド基準とする給電点３８に接続された線状導体である。無給電素子２３１は、給電素子２３７によって磁界結合によって非接触で給電される線状の放射導体である。給電素子２３７は、無給電素子２３１と同じ高さ、つまり同一平面上に形成されている。

本発明の実施形態に係るアンテナ３０では、給電素子３７と放射素子３１の結合方式は電磁界結合であるため、給電素子３７と放射素子３１は高インピーダンスで結合している。これに対し、アンテナ２３０では、給電素子２３７と無給電素子２３１の結合方式は磁界結合であるため、給電素子２３７と無給電素子２３１は低インピーダンスで結合している。

図５は、本発明の実施形態とは異なるアンテナ３３０を示す拡大平面図である。アンテナ３３０は、接触給電型のモノポールアンテナである。アンテナ３３０を搭載する携帯無線装置３００は、本発明の実施形態に係る携帯無線装置１００と同一の構成を有している。

アンテナ３３０は、放射素子３３７を有している。放射素子３３７は、グランドプレーン７０をグランド基準とする給電点３８に接続された線状導体である。

図６は、基本モードの共振周波数が２ＧＨｚ付近でマッチングするように設計したアンテナ３０，２３０，３３０において、給電点３８の位置をＸ軸方向に平行移動させたときの、各アンテナ３０，２３０，３３０のＳ１１（反射損失）の変動量を示している。

横軸の「給電位置オフセット量」とは、基準位置と給電点３８とのＸ軸方向の距離を表し、基準位置とは、基本モードの共振周波数が２ＧＨｚ付近でマッチングしているときの給電点３８の位置（図６の場合、Ｌ４０＝５ｍｍ）である。オフセット量が０とは、給電点３８が基準位置にある場合を表し、オフセット量が増えるにつれて、給電点３８は図の左側に移動する。縦軸の「Ｓ１１変動量」とは、給電点３８が基準位置にある場合のマッチング周波数におけるＳ１１と，給電点３８を移動させたときの同じ周波数におけるＳ１１との差である。給電点３８が移動する際、携帯無線装置及びアンテナの各構成とその寸法は固定したまま、アンテナとグランドプレーン７０との相対的なＸ軸方向の位置関係のみが変化する。

Ｓ１１測定時の図１乃至５で示した各寸法は、単位をｍｍとすると、
Ｌ１：１００
Ｌ２：６０
Ｌ３：３０
Ｌ４：１２０
Ｌ５：１６０
Ｈ１：２
Ｈ２：２
固定部材１０の直径：４
Ｌ３１：６０
Ｌ３８：１５
Ｌ３９：５．５
放射素子３１及び給電素子３７の幅：２
Ｌ２３１：８０
Ｌ２３８：４５
Ｌ２３９：５．５
Ｌ２４０：１．０
無給電素子２３１及び給電素子２３７の幅：２
Ｌ３３８：４５
Ｌ３３９：１０．５
放射素子３３７の幅：２
である。また、固定部材１０は、円柱状の部材であり４か所に設けられ、基板８０の端部の左辺および右辺からそれぞれＸ軸方向には１５ｍｍ、上辺および下辺からそれぞれＹ軸方向には５ｍｍ内側にオフセットされた位置に配置され、直径は４ｍｍである。

図６に示されるように、給電点３８のオフセット量を大きくしても、アンテナ３０のＳ１１変動量は、アンテナ２３０，３３０のＳ１１変動量よりも低く抑えられているため、アンテナ３０は、給電点３８の位置変化に対して高い位置ロバスト性を有している。したがって、アンテナ３０であれば、例えば、給電点３８の位置を比較的自由に設計変更できる。

図７は、基本モードの共振周波数が２ＧＨｚ付近でマッチングするように設計したアンテナ３０，２３０，３３０において、基板８０の位置をＸ軸方向に平行移動させたときの、各アンテナ３０，２３０，３３０のＳ１１（反射損失）の変動量を示している。

横軸の「基板位置オフセット量」とは、基準位置からの基板８０のＸ軸方向への移動距離を表し、基準位置とは、基本モードの共振周波数が２ＧＨｚ付近でマッチングしているときの基板８０の位置（図７の場合、Ｌ４０＝５ｍｍ）である。オフセット量が０とは、基板８０が基準位置にある場合を表し、オフセット量が増えるにつれて、基板８０は図の左側に移動する。縦軸の「Ｓ１１変動量」とは、給電点３８が基準位置にある場合にマッチングしている周波数におけるＳ１１と給電点３８が移動した位置での同じ周波数におけるＳ１１の差である。基板８０が移動する際、携帯無線装置及びアンテナの各構成の寸法は固定したまま、アンテナと基板８０とを一つの塊として、基板８０と導体２１との相対的なＸ軸方向の位置関係のみが変化する。

Ｓ１１測定時の図１乃至５で示した各寸法は、上記と同一である。

図７に示されるように、基板８０のオフセット量を大きくしても、アンテナ３０のＳ１１変動量は、アンテナ２３０，３３０のＳ１１変動量よりも低く抑えられているため、アンテナ３０は、基板８０の位置変化に対して高い位置ロバスト性を有している。したがって、アンテナ３０であれば、例えば、基板８０が筐体２０に組み付けられる時に基板８０の位置が設計値からずれても、アンテナ３０のインピーダンスマッチングを容易にとることができる。

以上、携帯無線端末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２０１４−００８１６７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２０１４−００８１６７号の全内容を本国際出願に援用する。

１０ 固定部材
２０ 筐体
２１ 導体
３０ アンテナ
３１ 放射素子
３４，３５ 端部
３６ 給電部
３７ 給電素子
３８ 給電点
７０，７５ グランドプレーン
７１ 外縁部
８０，８５，１１０ 基板
９０ 中央部
１００，２００，３００ 携帯無線装置
２３０ アンテナ
２３１ 無給電素子
２３７ 給電素子
３３０ アンテナ
３３７ 放射素子

Claims (11)

1. グランドプレーンを有する基板と、
   前記基板を収容する筐体と、
   前記グランドプレーンをグランド基準とする給電点に接続された給電素子と、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有するアンテナとを備え、
   前記筐体は、前記グランドプレーンに直流的に導通可能に接続された導体を有する、携帯無線装置。
2. 前記導体は、前記基板を前記筐体に固定する固定部材を介して、前記グランドプレーンに直流的に導電可能に接続された、請求項１に記載の携帯無線装置。
3. 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に記載の携帯無線装置。
4. 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３のいずれか一項に記載の携帯無線装置。
5. 前記放射素子は、前記給電素子からの給電を受ける給電部を有し、
   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４のいずれか一項に記載の携帯無線装置。
6. 前記放射素子は、前記給電素子からの給電を受ける給電部を有し、
   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５のいずれか一項に記載の携帯無線装置。
7. 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６のいずれか一項に記載の携帯無線装置。
8. 前記放射素子は、前記給電素子と電磁界結合して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、
   前記給電部と前記グランドプレーンとの最短距離は、０．００３４λ_０以上０．２１λ_０以下である、請求項１から７のいずれか一項に記載の携帯無線装置。
9. 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を有し、
   前記放射素子は、前記カバーガラスに設けられる、請求項１から８のいずれか一項に記載の携帯無線装置。
10. 前記放射素子は、前記導体が形成されていない、前記筐体の余白部に設けられる、請求項１から８のいずれか一項に記載の携帯無線装置。
11. 前記基板とは異なる基板に給電回路が搭載された、請求項１から１０のいずれか一項に記載の携帯無線装置。

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