WO2010137061A1 - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

　アンテナ装置1は、導体地板101と、導体地板101に設けられる給電部102と、一端が給電部102を介して導体地板101に接続される第1線状素子103と、第1線状素子103の他端に接続され、導体地板101と平行となるよう配置される第2線状素子104と、一端が導体地板101に接続され、第1,第2線状素子103,104と平行となるよう配置されるL字形状の第3線状素子105と、一端が第2線状素子104の他端に、他端が第3線状素子105の他端にそれぞれ接続されるインダクタ素子106と、一端が第2線状素子104の他端に、他端が導体地板101にそれぞれ接続されるキャパシタ素子107と、を備える。

Description

アンテナ装置

　本発明は、アンテナ装置に関する。

　アンテナ装置と周辺回路等の金属部分が近接するとアンテナのインピーダンスが下がり、給電回路との間でインピーダンス不整合が生じ、アンテナ装置の性能が劣化する。しかし、折り返しモノポールアンテナを用いることで、アンテナ装置のインピーダンスを高くすることができ、上述したインピーダンス不整合を改善できることが知られている。

　折り返しモノポールアンテナは、全長が1/2波長となる第1共振周波数と、全長が1波長となる第2共振周波数とを有しており、デュアルバンドアンテナとして動作する。

電子情報通信学会編「アンテナ工学ハンドブック(第2版)」、オーム社、東京、平成20年7月(第132-135頁)

　折り返しモノポールアンテナを小型化すると第1,2共振周波数が同時に高くなり、所望の周波数で使用できなくなる。本発明はこの問題を解決するためになされたものであり、折り返しモノポールアンテナを小型化でき、かつ所望の周波数で動作するアンテナ装置を提供することを目的とする。

　本発明の一観点によると、導体地板と、前記導体地板に設けられる給電部と、一端が前記給電部を介して前記導体地板に接続される第1線状素子と、前記第1線状素子の他端に接続され、前記導体地板と平行となるよう配置される第2線状素子と、一端が前記導体地板に接続され、前記第1,第2線状素子と平行となるよう配置されるL字形状の第3線状素子と、一端が前記第2線状素子の他端に、他端が前記第3線状素子の他端にそれぞれ接続されるインダクタ素子と、一端が前記第2線状素子の他端に、他端が前記導体地板にそれぞれ接続されるキャパシタ素子と、を備え、前記インダクタ素子のインダクタンス値L[H]及び前記キャパシタ素子のキャパシタンス値C[F]が、1/ｗC>ｗLの関係を満たす(ただし、wは、前記第1線状素子の電気的素子長及び前記第2線状素子の電気的素子長をあわせた長さが1/4波長となる周波数f[Hz]に対応する角周波数w=2πfを満たす)ことを特徴とするアンテナ装置を提供する。

　本発明によれば、折り返しモノポールアンテナを小型化でき、かつ所望の周波数で動作するアンテナ装置を提供することができる。

第1実施形態に係るアンテナ装置1を示す図。 折り返しモノポールアンテナのVSWR特性を示す図。 アンテナ装置1のVSWR特性を示す図。 第1実施形態の変形例に係るアンテナ装置3の効果を説明するための図。 第2実施形態に係るアンテナ装置4を示す図。 第3実施形態に係るアンテナ装置5を示す図。 第4実施形態に係るアンテナ装置6を示す図。 第5実施形態に係るアンテナ装置7を示す図。 第5実施形態に係る可変キャパシタ素子112の一例を示す図。 第5実施形態に係る可変インダクタ素子113の一例を示す図。 第6実施形態に係る無線装置を示す図。 第7実施形態に係るノートPCを示す図。

　以下、図面を参照し本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の実施形態中では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとし、重ねての説明を省略する。

　(第1実施形態)
　図1は、本発明の第1実施形態にかかるアンテナ装置1の構成を示す図である。図1のアンテナ装置1は、導体地板101と、導体地板101に設けられる給電部102と、一端が給電部102を介して導体地板101に接続される第1線状素子103と、第1線状素子103の他端に接続され、導体地板101と平行となるよう配置される第2線状素子104と、一端が導体地板101に接続され、第1,第2線状素子103,104と平行となるよう配置されるL字形状の第3線状素子105と、一端が第2線状素子104の他端に、他端が第3線状素子105の他端にそれぞれ接続されるインダクタ素子106と、一端が第2線状素子104の他端に、他端が導体地板101にそれぞれ接続されるキャパシタ素子107と、を備える。

　導体地板101は、有限の大きさを持つ板状導体で構成される。給電部102は、図示しないが給電線路を介して無線部と接続される。第1～3線状素子103～105は、導体線状素子で構成される。インダクタ素子106は、例えば半田付けが可能なチップインダクタや、メアンダ形状の線状導体素子で構成される。キャパシタ素子107は、例えば半田付けが可能なチップキャパシタで構成される。

　アンテナ装置101は、第2,3線状素子の各他端がインダクタ素子106を介して接続された折り返しモノポールアンテナにおいて、先端部Aと導体地板101とをキャパシタ素子107によって接続した構成となっている。

　続いて、アンテナ装置1の動作原理を説明する。アンテナ装置1は、第1,2線状素子をあわせた線路の電気長L(給電部102から第2線状素子104の他端Aまでの電気長)が1/4波長となる周波数で共振状態となる第1共振周波数f1と、電気長Lが1/2波長となる周波数で共振状態となる第2共振周波数f2とを有している。

　ここで、図2を用いて従来の折り返しモノポールアンテナのVSWR(Voltage Standing Wave Ratio)特性について説明する。図2(a)に示すように従来の折り返しモノポールアンテナ2は、アンテナ装置1と異なりインダクタ素子106、キャパシタ素子107を備えていない。

　図2(b)は、図2(a)の折り返しモノポールアンテナ2のVSWR特性を示す図である。横軸は周波数f,縦軸はVSWR値を示している。VSWR特性は、アンテナ素子のインピーダンス整合の度合いを示すものであり、VSWR値が小さければアンテナ素子と給電部102との整合がよくとれていることを表す。一般に、共振周波数ではVSWR値が小さくなる。

　折り返しモノポールアンテナ2は、点Aで電圧振幅が最大、電流振幅が最小となる定在波が発生する共振周波数f’1と、点Aで電圧振幅が最小、電流振幅が最大となる定在波が発生する共振周波数f’2とを有している。

　図3は、本実施形態に係るアンテナ装置1のVSWR特性を示す図である。なお、図2(a)の折り返しモノポールアンテナ2のVSWR特性を点線で、図1のアンテナ装置1のVSWR特性を実線で示す。

　第2線状素子104の他端Aにキャパシタ素子107を設けると、他端Aで電圧振幅が最大となる定在波が発生する場合にキャパシタ素子107の両端の電位差が大きくなる。一方、他端Aで電圧振幅が最小となる定在波が発生する場合にキャパシタ素子107の両端の電位差が小さくなる。キャパシタ素子107の両端の電位差が大きいほど、アンテナ装置1に与えるキャパシタ素子107の影響が大きくなり共振周波数が低周波化する。従って、アンテナ装置1の第1共振周波数f1は、折り返しモノポールアンテナ2の共振周波数f’1より小さくなるが、第2共振周波数f2は、キャパシタ素子107によっては変化しない。

　第2線状素子104の他端Aにインダクタ素子106を設けると、他端Aで電流振幅が最大となる定常波が発生する場合にインダクタ素子106に流れ込む電流量が大きくなる。一方、他端Aで電流振幅が最小となる定在波が発生する場合にインダクタ素子106に流れ込む電流量が小さくなる。インダクタ素子106に流れ込む電流量が大きいほど、アンテナ装置1に与えるインダクタ素子106の影響が大きくなり共振周波数が低周波化する。従って、アンテナ装置1の第2共振周波数f2は、折り返しモノポールアンテナ2の共振周波数f’2より小さくなるが、第1共振周波数f1は、インダクタ素子106によっては変化しない。

　以上のように、本実施形態に係るアンテナ装置1では、第2線状素子104の他端Aにインダクタ素子106及びキャパシタ素子107を設けることで、アンテナ装置1の第1,2共振周波数が折り返しモノポールアンテナ2の共振周波数より低周波化することができる。従って、アンテナ装置1を小型化でき、かつ所望の第1,2共振周波数で動作させることができる。

　例えば、インダクタ素子106のインダクタンス値L[H]と、キャパシタ素子107のキャパシタンス値C[F]とを適切な値にすることで、アンテナ装置1をセルラサービスで使用されている800MHz/2GHzのデュアルバンドに対応させることができる。

　また、給電部102、第1～3線状素子103～105、インダクタ素子106及びキャパシタ素子107を、導体地板101と同一平面上に構成してもよい（図11参照）。各構成要素を同一平面状に構成すると、フィルム状の基板にもアンテナ装置101を実装することができ、薄型アンテナ装置を実現できる。

　(変形例1)
　本変形例に係るアンテナ装置3は、インダクタ素子106のインダクタンス値L[H]及びキャパシタ素子107のキャパシタンス値C[F]が、1/ｗC>ｗLの関係を満たす(ただし、wは、第1線状素子103
の電気的素子長及び第2線状素子104の電気的素子長をあわせた長さが1/4波長となる周波数f[Hz]に対応する角周波数w=2πfを満たす)点を除き、図1に示すアンテナ装置1と同様の構成である。

　アンテナ装置1の第1共振周波数f1での角周波数をw1とすると、キャパシタ素子107のインピーダンスZc1はZc1=1/jw1Cと、インダクタ素子106のインピーダンスZl1はZl1=jw1Lと定義される。

　図4は、Zc1≦Zl1の場合のアンテナ装置1を模式的に示す図である。Zc1≦Zl1の場合、第1共振周波数f1におけるアンテナ装置1のインピーダンスが小さくなり、インピーダンス不整合を招いてしまう。すなわち、先端部Aから見たキャパシタ素子107のインピーダンスZc1が、先端部Aからみたインダクタ素子106のインピーダンスZl1より小さいと、電流は先端部Aからキャパシタ素子107へと流れ、インダクタ素子106へは流れにくくなる。図4では、電流が流れやすい経路を実線で、流れにくい経路を点線で示している。このように、インダクタ素子106及びキャパシタ素子107のインピーダンスの関係がZc1≦Zl1となる場合、アンテナ装置1は折り返しアンテナとして動作しにくくなる。

　本変形例では、アンテナ装置3のインダクタ素子106及びキャパシタ素子107のインピーダンスをZc1>Zl1とすることで、第1共振周波数f1におけるアンテナ装置3のインピーダンスを大きくし、インピーダンス不整合を改善する。

　上述したように、本変形例に係るアンテナ装置3では、インダクタ素子106及びキャパシタ素子107のインピーダンスをZc1>Zl1とすることで、インピーダンス不整合を改善しつつ、第1,2共振周波数f1,f2をいずれも低周波化することが可能となる。

　(第2実施形態)
　本実施形態に係るアンテナ装置4は、図1に示すアンテナ装置1に、一端が第1線状素子103に接続され、第2線状素子104と平行となるよう配置される第4線状素子108をさらに備えた構成となっている。

　図5に示すアンテナ装置4の第4線状素子108は、第1～3線状素子と同様、導体線状素子で構成される。アンテナ装置4は、給電部102から第4線状素子108の他端までの電気的素子長L2が1/4波長となる第3共振周波数に共振する。

　以上のように、第2実施形態に係るアンテナ装置4は、第1実施形態と同様の効果が得られるとともに、第4線状素子108を設けることで第3共振周波数と共振することができる。すなわち、アンテナ装置4を広帯域化することができる。

　なお、第4線状素子は、メアンダ形状としてもよい。メアンダ形状とすることで、第4線状素子の素子長を長くすることができる。

　(第3実施形態)
　図6に示すように、本実施形態に係るアンテナ装置5は、図1に示すアンテナ装置1に、一端が導体地板101に接続され、第3線状素子105と平行となるよう配置されるL字形状の第5線状素子109と、一端が第5線状素子109の他端に接続され、他端が第3線状素子105の他端に接続される第6線状素子110と、をさらに備えた構成となっている。

　図6に示すアンテナ装置5の第5,6線状素子109,110は、第1～3線状素子と同様、導体線状素子で構成される。

　第3実施形態に係るアンテナ装置5では、第1実施形態と同様の効果が得られるとともに、第5,6線状素子109,110を設けることでアンテナ装置5のインピーダンスを高くすることができる。これによりアンテナ装置5のインピーダンス不整合を改善することができる。

　なお、図6では、第5,6線状素子109,110を1つずつ設けているが、複数設けても良い。第5,6線状素子109,110に相当する素子数が多いほどアンテナ装置5のインピーダンスを高くすることができる。

　(第4実施形態)
　図7に示すように、本実施形態に係るアンテナ装置6は、第1,第2線状素子103,104の幅が、第3線状素子105の幅より狭い点を除き図1に示すアンテナ装置1と同様の構成である。

　本実施形態に係る第3線状素子105は、第1,第2線状素子103,104に比べ幅が広い。第1～第3線状素子がマイクロストリップ線路やコプレーナ線路などで構成される場合は、第1～3線状素子の幅とは、線路幅を意味する。第1～第3線状素子が導線で構成される場合は、幅とは導線の径を意味する。

　第4実施形態に係るアンテナ装置5は、第1実施形態と同様の効果が得られるとともに、第3線状素子105の幅を、第1,第2線状素子103,104に比べ広くすることで、アンテナ装置5のインピーダンスを高くすることができる。

　(第5実施形態)
　図8に示すように、本実施形態に係るアンテナ装置7は、キャパシタ素子及びインダクタ素子を、それぞれキャパシタンス値Cを可変できる可変キャパシタ素子112、インダクタンス値Lを可変にできる可変インダクタ素子113とし、動作周波数に応じてキャパシタンス値C及びインダクタンス値Lを制御する制御部114を備えている点を除き図1に示すアンテナ装置と同様の構成である。

　図9に可変キャパシタ素子112の一例を示す。図9はキャパシタンス値Cを離散的に切り替える例を示しているが、連続的に切り替える可変キャパシタ素子を用いても良い。可変キャパシタ素子112は、第1キャパシタ素子C71と、第1キャパシタ素子C71と並列に接続される第2キャパシタ素子C72とを有するキャパシタ部112aと、第1、第2キャパシタ素子C71,C72の何れかを選択するスイッチ112bと、を有している。第1,2キャパシタ素子C71,C72のキャパシタンス値はそれぞれ異なった値を有する。スイッチ112bは例えばMEMSスイッチで構成される。

　制御部114とスイッチ112bは制御線(図示せず)で接続されている。制御部114は、アンテナ装置114の動作周波数に応じてスイッチ112bを制御し、第1,2キャパシタ素子C71,C72のいずれかを選択する。なお、キャパシタ部112aは、N(N>1)個以上のキャパシタ素子が並列に接続されていればよい。スイッチ112bが複数のキャパシタ素子を選択できる場合は、N個以上のキャパシタ素子のキャパシタンス値はそれぞれ同じであっても異なっていても良い。スイッチ112bは、他端Aと導体地板101とに接続されるキャパシタ素子を選択できればよく、必ずしもキャパシタ部112aと導体地板101の間に設けなくとも良い。例えば他端Aとキャパシタ部112aとの間にスイッチ112bを設けても良い。

図10に可変インダクタ素子113の一例を示す。図10はインダクタンス値Lを離散的に切り替える例を示しているが、連続的に切り替える可変インダクタ素子を用いても良い。可変インダクタ素子113は、第1インダクタ素子L71と、第1インダクタ素子L71と並列に接続される第2インダクタ素子C72とを有するインダクタ部113aと、第1、第2インダクタ素子L71,L72の何れかを選択するスイッチ113bと、を有している。第1,2インダクタ素子L71,L72のインダクタンス値はそれぞれ異なった値を有する。スイッチ113bは例えばMEMSスイッチで構成される。

　制御部114とスイッチ113bは制御線(図示せず)で接続されている。制御部114は、アンテナ装置114の動作周波数に応じてスイッチ113bを制御し、第1,2インダクタ素子L71,L72のいずれかを選択する。なお、インダクタ部113aは、N(N>1)個以上のインダクタ素子が並列に接続されていればよい。スイッチ113bが複数のインダクタ素子を選択できる場合は、N個以上のインダクタ素子のインダクタンス値はそれぞれ同じであっても異なっていても良い。スイッチ113bは、他端Aと第3線状素子の他端Bとに接続されるインダクタ素子を選択できればよく、必ずしもインダクタ部113aと他端Aとの間に設けなくとも良い。例えば他端Bとインダクタ部113aとの間にスイッチ113bを設けても良い。

　図8に戻る。制御部114は、例えば無線部(図示せず)からの指示に従い、スイッチ112b,113bに直流電圧を供給することで、可変キャパシタ素子112のキャパシタンス値及び可変インダクタ素子113のインダクタンス値を制御する。可変キャパシタ素子112のキャパシタンス値及び可変インダクタ素子113のインダクタンス値が変化することで、アンテナ装置7の第1,2共振周波数がそれぞれ変化する。

　以上のように、第5実施形態に係るアンテナ装置7によると、可変キャパシタ素子112、可変インダクタ素子113を用いることで、アンテナ装置7の動作周波数を変化させることができる。これにより、無線チャネルの切り替えや、複数無線システムの切り替えに1つのアンテナ装置7で対応することができる。

　なお、制御部114が可変キャパシタ素子112、可変インダクタ素子113をそれぞれ別に制御することで、アンテナ装置7の第1,2共振周波数f1,f2をそれぞれ別に制御することが可能である。また、キャパシタ素子107、インダクタ素子116のいずれか一方のみを可変素子に置き換える構成としてもよい。

　なお、第2乃至第5実施形態は、いずれも図1に示すアンテナ装置1の構成要素を変形又は、新たな構成要素を追加した構成となっているが、第2乃至第5実施形態に示すアンテナ装置は適宜組み合わせてもよい。例えば、図5に示すアンテナ装置5に、図6に示すアンテナ装置4の第5,6線状素子を組み合わせてもよい。

　(第6実施形態)
　図11は、図1に示すアンテナ装置1を無線装置に実装した場合の応用例を示す図である。

　無線装置は、アンテナ装置1と、アンテナ装置1を介して信号の送受信を行う無線部20と、アンテナ装置1と無線部20を接続する給電線路30を備える。アンテナ装置1、無線部20は、PCB基板上40に設けられる。

　無線部20は、送信信号を生成しアンテナ装置1を介して送信する。無線部20は、アンテナ装置1を介して受信した受信信号に対し復調等の無線処理を施す。

　以上のように第6実施形態に係る無線装置は、例えば無線部20がデュアルバンドに対応した信号を送受信する場合であっても、アンテナ装置1が1つですむため、無線装置を小型化することができる。また、アンテナ装置1をPCB基板上に設けることで、無線装置を薄型化することができる。

　(第7実施形態)
　図12は、図1に示すアンテナ装置1をノートPCに実装した場合の応用例を示す図である。

　ノートPCは、第1筐体51と、第1筐体51に接続される第2筐体52と、第1筐体51に設けられるアンテナ装置1と、第2筐体52に設けられ、アンテナ装置1を介して信号の送受信を行う無線部53と、を備える。アンテナ装置1と無線部20とは給電線路54によって接続される。

　無線部53は、送信信号を生成しアンテナ装置1を介して送信する。無線部53は、アンテナ装置1を介して受信した受信信号に対し復調等の無線処理を施す。

　以上のように第7実施形態に係るノートPCは、例えば無線部20がデュアルバンドに対応した信号を送受信する場合であっても、アンテナ装置1が1つですむため、設計の自由度が増す。またアンテナ装置1も小型化可能なので、ノートPCのさまざまな場所に設置可能である。

　なお、第6,7実施形態ではアンテナ装置1の応用例について示したが、第2乃至第5実施形態に示すアンテナ装置やこれらの実施形態を組み合わせたアンテナ装置も同様に無線装置やノートPCに応用することができる。

　なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

1,3～7　アンテナ装置
102　給電部
106,113　インダクタ素子
107,112　キャパシタ素子
114　制御部

Claims (5)

1. 　導体地板と、
   　前記導体地板に設けられる給電部と、
   　一端が前記給電部を介して前記導体地板に接続される第1線状素子と、
   　前記第1線状素子の他端に接続され、前記導体地板と平行となるよう配置される第2線状素子と、
   　一端が前記導体地板に接続され、前記第1,第2線状素子と平行となるよう配置されるL字形状の第3線状素子と、
   　一端が前記第2線状素子の他端に、他端が前記第3線状素子の他端にそれぞれ接続されるインダクタ素子と、
   　一端が前記第2線状素子の他端に、他端が前記導体地板にそれぞれ接続されるキャパシタ素子と、を備え、
   前記インダクタ素子のインダクタンス値L[H]及び前記キャパシタ素子のキャパシタンス値C[F]が、1/ｗC>ｗLの関係を満たす(ただし、wは、前記第1線状素子の電気的素子長及び前記第2線状素子の電気的素子長をあわせた長さが1/4波長となる周波数f[Hz]に対応する角周波数w=2πfを満たす)ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 　一端が前記第1線状素子に接続され、前記第2線状素子と平行となるよう配置される第4線状素子をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
3. 　前記キャパシタ素子は、前記キャパシタンス値Cを可変できる可変キャパシタ素子であり、前記インダクタ素子は、前記インダクタンス値Lを可変にできる可変インダクタ素子であり、
   　動作周波数に応じて前記キャパシタンス値C及び前記インダクタンス値Lを制御する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項2記載のアンテナ装置。
4. 　前記第1,第2線状素子の幅は、前記第3線状素子の幅より狭いことを特徴とする請求項3記載のアンテナ装置。
5. 　一端が前記導体地板に接続され、前記第3線状素子と平行となるよう配置されるL字形状の第5線状素子と、
   　一端が前記第5線状素子の他端に接続され、他端が前記第3線状素子の他端に接続される第6線状素子と、をさらに備えることを特徴とする請求項4記載のアンテナ装置。

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