WO2014203977A1 - アンテナ、アンテナ装置及び無線装置 - Google Patents

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WO2014203977A1
WO2014203977A1 PCT/JP2014/066334 JP2014066334W WO2014203977A1 WO 2014203977 A1 WO2014203977 A1 WO 2014203977A1 JP 2014066334 W JP2014066334 W JP 2014066334W WO 2014203977 A1 WO2014203977 A1 WO 2014203977A1
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WO
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radiating
impedance
feeding
antenna
radiating element
Prior art date
Application number
PCT/JP2014/066334
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English (en)
French (fr)
Inventor
稔貴 佐山
龍太 園田
井川 耕司
Original Assignee
旭硝子株式会社
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Filing date
Publication date
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Priority to JP2015522984A priority patent/JP6314980B2/ja
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Priority to US14/960,967 priority patent/US9905919B2/en

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04Resonant antennas
    • H01Q9/16Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04Resonant antennas
    • H01Q9/16Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/28Conical, cylindrical, cage, strip, gauze, or like elements having an extended radiating surface; Elements comprising two conical surfaces having collinear axes and adjacent apices and fed by two-conductor transmission lines
    • H01Q9/285Planar dipole
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04Resonant antennas
    • H01Q9/06Details
    • H01Q9/065Microstrip dipole antennas

Definitions

  • the present invention relates to an antenna, an antenna device, and a wireless device (for example, a portable wireless device such as a mobile phone).
  • a wireless device for example, a portable wireless device such as a mobile phone.
  • Patent Document 1 discloses an antenna including a switch that switches the directivity of a radiation conductor by bringing a feeding point into contact with one of two end points of the radiation conductor.
  • Patent Document 2 an antenna is proposed in which a feeding element and a parasitic element are coupled in a non-contact manner to be multi-frequency.
  • JP 2012-186562 A Japanese Patent No. 4422767
  • an object of the present invention is to provide an antenna, an antenna device, and a radio device that can control the directivity of the antenna in a state where the feeding element and the radiating element are coupled in a non-contact manner.
  • a feed element connected to the feed point; A first radiating element that is disposed away from the feeding element and that is fed by electromagnetic coupling with the feeding element and functions as a radiation conductor; A second radiating element that is disposed away from the feeding element and is fed by electromagnetic coupling with the feeding element and functions as a radiating conductor; Electromagnetic field coupling between the feeding element and the first radiating element as the impedance of the variable impedance means decreases at the resonance frequency of the first radiating element and is connected to the feeding element via the impedance varying means.
  • a first control element arranged such that the function of the first radiating element as a radiating conductor is reduced.
  • Electromagnetic field coupling between the feeding element and the second radiating element connected to the feeding element via the impedance varying means and with a decrease in impedance of the impedance varying means at the resonance frequency of the second radiating element A second control element arranged such that the function of the second radiating element as a radiating conductor is reduced.
  • an antenna, an antenna device, and a radio device comprising: a control unit that controls an impedance variable unit in the connection between the feeding element and the first control element and the connection between the feeding element and the second control element.
  • a feed element connected to the feed point; A first radiating element that is disposed away from the feeding element and is fed by electromagnetic coupling with the feeding element to function as a radiating conductor; A second radiating element that is disposed away from the feeding element and is fed by electromagnetic coupling with the feeding element and functions as a radiating conductor; A first control element connected to the feeding element via an impedance variable means; A second control element connected to the feeding element via an impedance variable means; Control means for controlling impedance variable means in connection between the feeding element and the first control element and in connection between the feeding element and the second control element; The first control element is disposed so that a portion having a high impedance of the first control element and a portion having a low impedance of the first radiation element are close to each other at a resonance frequency of the first radiation element.
  • the second control element is disposed such that a portion having a high impedance of the second control element and a portion having a low impedance of the second radiating element are close to each other at a resonance frequency of the second radiating element.
  • An antenna, an antenna device, and a wireless device are provided.
  • the directivity can be controlled without contact between the feeding element and the radiating element.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a simulation model on a computer for analyzing the operation of an antenna 1 according to an embodiment of the present invention.
  • Microwave Studio registered trademark
  • CST was used as an electromagnetic field simulator.
  • the antenna 1 includes a feeding point 11, a ground plane 70, a feeding element 20, a first radiating element 30, a second radiating element 40, a first feeding part 35, and a second feeding part 45.
  • the 1st control element 50, the 2nd control element 60, and the impedance control part 120 are provided.
  • the first radiating element 30, the second radiating element 40, the first feeding unit 35, the second feeding unit 45, the first control element 50, and the second control element 60 are simply radiated, respectively.
  • the element 30, the radiation element 40, the power feeding unit 35, the power feeding unit 45, the control element 50, and the control element 60 are described.
  • the power feeding part 35 is a power feeding part for the radiation element 30 alone
  • the power feeding part 45 is a power feeding part for the radiation element 40 alone, not the power feeding part as the antenna 1.
  • a feeding part as the antenna 1 is a feeding point 11.
  • the feeding point 11 is a feeding part connected to a predetermined transmission line or feeding line using the ground plane 70.
  • the predetermined transmission line include a microstrip line, a strip line, and a coplanar waveguide with a ground plane (a coplanar waveguide having a ground plane disposed on the surface opposite to the conductor surface).
  • the feeder line include a feeder line and a coaxial cable.
  • the feeding point 11 is provided at the center of the outer edge 71 of the ground plane 70.
  • the feeding element 20 is a conductor connected to the feeding point 11 with the ground plane 70 as a ground reference.
  • the feed element 20 is connected to a feed circuit (for example, an integrated circuit such as an IC chip (not shown)) mounted on the substrate 80 via the feed point 11.
  • the feed element 20 and the feed circuit may be connected via a plurality of different types of transmission lines and feed lines.
  • the power feeding element 20 is a conductor arranged at a predetermined distance from the radiation element 30 and the radiation element 40.
  • the feeding element 20 is disposed, for example, at a distance from the radiating element 30 and the radiating element 40 and having a directional component parallel to the Z axis.
  • the feeding element 20 overlaps the radiating element 30 and the radiating element 40 in a plan view in a direction parallel to the Z axis.
  • the feeding element 20 is separated from the radiating element 30 and the radiating element 40 by a distance in which power can be fed in a non-contact manner, they do not necessarily overlap in a plan view in a direction parallel to the Z axis.
  • the power feeding element 20 can supply power to the radiating element 30 in a non-contact manner via the power feeding unit 35 of the radiating element 30, and to the radiating element 40 via the power feeding unit 45 of the radiating element 40. It is a conductor that can supply power without contact.
  • the feed element 20 is, for example, a linear conductor arranged so that at least a part of the feed element 20 and the ground plane 70 do not overlap in a plan view in the normal direction of the ground plane 70.
  • the normal direction of the ground plane 70 is a direction parallel to the Z axis in the case of FIG.
  • the feeding element 20 is, for example, a linear conductor having a linear conductor portion extending from the feeding point 11 to the end 21 in a direction away from the outer edge 71 of the ground plane 70 parallel to the XY plane.
  • the end portion 21 is a tip portion of the power feeding element 20 in a direction away from the outer edge portion 71.
  • FIG. 1 illustrates the power feeding element 20 extending in a direction parallel to the ground plane 70 and perpendicular to the outer edge 71. In the case of FIG. 1, the direction parallel to the ground plane 70 and perpendicular to the outer edge portion 71 is a direction parallel to the Y axis.
  • the matching circuit 90 may be omitted.
  • the description of the matching circuit 90 will be described later.
  • the feeding element 20 is viewed from the feeding point 11 so as to approach the gap 130 between the one end portion 33 of the radiating element 30 and the one end portion 43 of the radiating element 40 in a plan view in the normal direction of the ground plane 70. Extend to the end 21.
  • the feed element 20 has an end portion 21 that is a predetermined distance away from the end portion 33 of the radiating element 30 and the end portion 43 of the radiating element 40, and the end portion 21 is located in the vicinity of the gap 130.
  • FIG. 1 illustrates a T-shaped feeding element 20 arranged in the XY plane, but the feeding element 20 may have other shapes such as an L shape and an I shape.
  • the power feeding element 20 may be a conductor having a conductor portion extending in the XY plane and a conductor portion extending in a plane different from the XY plane.
  • the radiating element 30 is a radiating conductor that has one end 33 and the other end 34 and extends linearly from the end 33 to the end 34.
  • the end 33 and the end 34 are open ends to which other conductors are not connected.
  • the radiating element 30 is, for example, a linear conductor arranged such that at least a part of the radiating element 30 and the ground plane 70 do not overlap in a plan view in the normal direction of the ground plane 70.
  • the radiating element 30 is, for example, a linear conductor having a linear radiating conductor portion disposed along the outer edge 71 of the ground plane 70.
  • the radiating element 30 is, for example, a conductor portion extending in a direction parallel to the outer edge portion 71 at a predetermined shortest distance from the outer edge portion 71 on the side opposite to the ground plane 70 with respect to the outer edge portion 71. 31.
  • the direction parallel to the outer edge portion 71 is a direction parallel to the X axis.
  • FIG. 1 illustrates a linear radiating element 30 arranged in the XY plane
  • the radiating element 30 may have other shapes such as an L-shape (see FIG. 28, for details). Later). Further, the radiating element 30 may be a conductor having a conductor portion extending in the XY plane and a conductor portion extending in a plane different from the XY plane.
  • the radiating element 40 may have the same or similar shape as the radiating element 30, the detailed description of the configuration is simplified.
  • the radiating element 40 is an antenna conductor that has one end 43 and the other end 44, and extends linearly from the end 43 to the end 44.
  • the radiating element 40 is, for example, a conductor portion extending in a direction parallel to the outer edge portion 71 at a predetermined shortest distance from the outer edge portion 71 on the side opposite to the ground plane 70 with respect to the outer edge portion 71. 41.
  • the radiating element 30 and the radiating element 40 are conductors that extend in different directions, and are conductors that extend in a direction away from the feeding element 20.
  • the radiating element 30 and the radiating element 40 are conductors arranged in the same XY plane, but may be conductors arranged in different planes.
  • the radiating element 30 and the radiating element 40 are located on a straight line, but may be located on different straight lines.
  • the end 21 of the power feeding element 20 may be disposed on the side far from the ground plane 70 and closer to the side.
  • the control element 50 is a conductor disposed at a predetermined distance from the radiating element 30.
  • the control element 50 is disposed at a distance from the radiating element 30 having a directional component parallel to the Z axis.
  • the control element 50 is connected to the end 21 of the power feeding element 20 via the impedance control unit 120 and extends linearly from the impedance control unit 120 to the end 51.
  • the end 51 is an open end to which no other conductor is connected.
  • the control element 50 is, for example, a linear conductor arranged such that at least a part of the control element 50 and the ground plane 70 do not overlap in a plan view in the normal direction of the ground plane 70.
  • the control element 50 is, for example, a linear conductor having a linear conductor portion arranged along the radiating element 30.
  • FIG. 1 illustrates a linear control element 50 arranged in the XY plane, but the control element 50 may have another shape such as an L shape (see FIG. 28 for details). Later).
  • Control element 50 may be a conductor having a conductor portion extending in the XY plane and a conductor portion extending in a plane different from the XY plane.
  • the control element 60 is a conductor arranged at a predetermined distance from the radiating element 40. However, since the control element 60 may have the same or similar shape as the control element 50, a detailed description of its configuration will be simplified.
  • the control element 60 is connected to the end 21 of the power feeding element 20 via the impedance control unit 120 and extends linearly from the impedance control unit 120 to the end 61.
  • control element 50 and the control element 60 are conductors arranged in the same XY plane, but may be conductors arranged in different planes. Further, in the case of FIG. 1, the control element 50 and the control element 60 are located on a straight line, but may be located on different straight lines. In the case of FIG. 1, the control element 50 and the control element 60 are conductors arranged in the same XY plane as the power feeding element 20, but may be conductors arranged in a different plane from the power feeding element 20.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the positional relationship in the Z-axis direction of each component of the antenna 1.
  • An antenna according to an embodiment of the present invention is mounted on a wireless device (for example, a communication terminal portable by a person).
  • a wireless device for example, a communication terminal portable by a person.
  • the wireless device include electronic devices such as an information terminal, a mobile phone, a smartphone, a personal computer, a game machine, a television, and a music and video player.
  • the substrate 110 when the antenna is mounted on the wireless communication apparatus 100 (an example of the wireless apparatus) having a display, the substrate 110 may be a cover glass that covers the entire image display surface of the display, for example.
  • a housing in particular, a front cover, a back cover, a side wall, etc.
  • the cover glass is a dielectric substrate that is transparent or translucent enough to allow a user to visually recognize an image displayed on the display, and is a flat plate member that is laminated on the display.
  • the radiating elements 30 and 40 may be formed by applying a conductive paste such as copper or silver on the surface of the cover glass and baking it.
  • a conductor paste such as copper or silver
  • a conductor paste that can be fired at a low temperature that can be fired at a temperature at which the strengthening of the chemically strengthened glass used for the cover glass is not dulled may be used.
  • plating or the like may be applied to prevent deterioration of the conductor due to oxidation.
  • the cover glass may be subjected to decorative printing, and a conductor may be formed on the decorative printed portion.
  • the radiating elements 30 and 40 may be formed on the black masking film.
  • the positions of the feeding element 20, the radiating elements 30, 40, the control elements 50, 60, and the ground plane 70 in the height direction parallel to the Z axis may be different from each other, or may be all or only a part. It may be the same.
  • a plurality of radiating elements may be fed with one feeding element.
  • a plurality of antennas may be mounted on one wireless communication apparatus.
  • the feeding element 20 and the control elements 50 and 60 are provided on the surface of the substrate 80, but may be provided inside the substrate 80.
  • a chip component including the power feeding element 20 and a medium in contact with the power feeding element 20 is mounted on the substrate 80.
  • the power feeding element 20 in contact with the medium can be easily mounted on the substrate 80.
  • the substrate 80 is a substrate whose base material is a dielectric, a magnetic material, or a mixture of a dielectric and a magnetic material.
  • the dielectric include resin, glass, glass ceramics, LTCC (Low Temperature Co-Fired Ceramics), and alumina.
  • LTCC Low Temperature Co-Fired Ceramics
  • alumina As a specific example of a mixture of a dielectric and a magnetic material, it is sufficient to have either a transition element such as Fe, Ni, or Co, or a metal or oxide containing a rare earth element such as Sm or Nd. Examples thereof include crystal ferrite, spinel ferrite (Mn—Zn ferrite, Ni—Zn ferrite, etc.), garnet ferrite, permalloy, and Sendust (registered trademark).
  • the substrate 80 includes a ground plane 70 and a feeding point 11 with the ground plane 70 as a ground reference.
  • the ground plane 70 is a portion formed in the surface layer of the substrate 80, but may be a portion formed in the inner layer of the substrate 80.
  • the substrate 80 has a transmission line including a strip conductor 82 connected to the feeding point 11.
  • the strip conductor 82 is a signal line formed on the surface of the substrate 80 so that the substrate 80 is sandwiched between the strip conductor 82 and the ground plane 70, for example.
  • the radiating elements 30 and 40 are arranged apart from the power feeding element 20 and the control elements 50 and 60, and are provided on the substrate 110 facing the substrate 80 at a distance H2 away from the substrate 80, for example, as shown in FIG. .
  • the substrate 110 is a substrate whose base material is a dielectric, a magnetic material, or a mixture of a dielectric and a magnetic material.
  • a specific example of the base material of the substrate 110 is the same as that of the substrate 80 described above.
  • the radiating elements 30 and 40 are disposed on the surface of the substrate 110 on the side facing the feeding element 20 and the control elements 50 and 60 in FIG. However, the radiating elements 30 and 40 may be disposed on the surface of the substrate 110 opposite to the side facing the feeding element 20 and the control elements 50 and 60, or may be disposed on the side surface of the substrate 110.
  • the feeding element 20 and the radiating elements 30 and 40 are arranged, for example, separated by a distance that enables electromagnetic coupling to each other.
  • the radiating element 30 is fed in a non-contact manner by electromagnetic coupling through the feeding element 20 in the feeding section 35.
  • the radiating element 30 functions as a radiating conductor of the antenna.
  • a resonance current current distributed in a standing wave
  • the radiating element 30 functions as a dipole antenna that resonates at a half wavelength of a predetermined frequency (hereinafter referred to as a dipole mode).
  • the radiating element may be a loop conductor.
  • a resonance current current distributed in a standing wave shape
  • the radiating element functions as a loop antenna that resonates at one wavelength of a predetermined frequency (hereinafter referred to as a loop mode).
  • the radiating element 40 is fed in a non-contact manner by electromagnetic coupling through the feeding element 20 in the feeding section 45, but since it is the same as the radiating element 30, a detailed description thereof will be omitted.
  • the electromagnetic field coupling is a coupling utilizing the resonance phenomenon of the electromagnetic field.
  • Non-patent literature A. Kurs, et al, “Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances,” Science Express, Vol.317, No. 5834, pp. 83-86, Jul. 2007.
  • Electromagnetic coupling is also referred to as electromagnetic resonance coupling or electromagnetic resonance coupling.
  • the electromagnetic field coupling means coupling by an electric field and a magnetic field at a high frequency excluding capacitive coupling and electromagnetic induction coupling.
  • excluding the capacitive coupling or coupling by electromagnetic induction does not mean that these couplings are eliminated at all, but means that the coupling is small enough not to be affected.
  • the medium between the feed element 20 and the radiating elements 30 and 40 may be air or a dielectric such as glass or resin material.
  • a conductive material such as a ground plane or a display between the feeding element 20 and the radiating elements 30 and 40.
  • a structure strong against impact can be obtained by electromagnetically coupling the feeding element 20 and the radiating elements 30 and 40. That is, by using electromagnetic field coupling, power can be supplied to the radiating elements 30 and 40 using the power feeding element 20 without physically bringing the power feeding element 20 and the radiating elements 30 and 40 into contact with each other, so that physical contact is required. Compared to the contact power supply method, a structure strong against impact can be obtained.
  • the change in the separation distance (coupling distance) between the feeding element 20 and the radiating elements 30 and 40 is greater at the operating frequency than in the case where power is fed by capacitive coupling.
  • the operating gain (antenna gain) of the radiating elements 30 and 40 is unlikely to decrease.
  • the operating gain is an amount calculated by antenna radiation efficiency ⁇ return loss, and is an amount defined as antenna efficiency with respect to input power. Accordingly, by electromagnetically coupling the feeding element 20 and the radiating elements 30 and 40, it is possible to increase the degree of freedom in determining the arrangement positions of the feeding element 20 and the radiating elements 30 and 40, and to improve the position robustness.
  • the power feeding unit 35 that is a site where the power feeding element 20 feeds the radiating element 30 is a site other than the central portion 32 between the one end 33 and the other end 34 of the radiating element 30. It is located at (a portion between the central portion 32 and the end portion 33 or the end portion 34).
  • the impedance matching of the antenna 1 can be easily performed by positioning the feeding portion 35 at a portion of the radiating element 30 other than the portion (central portion 32) having the lowest impedance at the resonance frequency of the fundamental mode of the radiating element 30. Can be taken.
  • the power feeding unit 35 is a part defined by a portion closest to the feeding point 11 among the conductor portions of the radiating element 30 where the radiating element 30 and the power feeding element 20 are closest to each other.
  • the impedance of the radiating element 30 increases as the distance from the central portion 32 of the radiating element 30 increases toward the end portion 33 or the end portion 34.
  • the power feeding unit 35 of the radiating element 30 be positioned at a high impedance portion of the radiating element 30.
  • the power feeding unit 35 is 1/8 of the entire length of the radiating element 30 from a portion (center portion 32) having the lowest impedance at the resonance frequency of the fundamental mode of the radiating element 30. It is good to be located in the site
  • the total length of the radiating element 30 is the same as the total length L15 of the radiating element 40, and the power feeding portion 35 is located on the end 33 side with respect to the central portion 32.
  • the power feeding unit 45 is a part that feeds power to the radiating element 40, but since it is preferable that the power feeding unit 45 has the same function as the power feeding unit 35, description of the detailed configuration thereof is omitted.
  • the resonance of the fundamental mode of the radiating element is a loop mode
  • the power feeding unit is 3/16 or less of the circumference on the inner circumference side of the loop from the portion having the highest impedance at the resonance frequency of the fundamental mode of the radiating element (preferably Is preferably located at a site within a distance of 1/8 or less, more preferably 1/16 or less.
  • the electrical length giving the fundamental mode of resonance of the feeding element 20 is Le20
  • the electrical length giving the fundamental mode of resonance of the radiating elements 30 and 40 is Le30, Le40, and the fundamental mode resonance frequency f 1 of the radiating elements 30 and 40.
  • Le20 is (3/8) ⁇ ⁇ or less
  • Le30 and Le40 are dipoles whose fundamental modes of resonance of the radiating elements 30 and 40 are dipoles. If the mode is (3/8) ⁇ ⁇ or more and (5/8) ⁇ ⁇ or less, and the fundamental mode of resonance of the radiating elements 30 and 40 is the loop mode, (7/8) ⁇ ⁇ or more ( 9/8) ⁇ ⁇ or less is preferable.
  • the Le20 is preferably (3/8) ⁇ ⁇ or less.
  • (1/8) ⁇ ⁇ or more (3/8) ⁇ ⁇ or less is more preferable, and (3/16) ⁇ ⁇ or more ( 5/16) ⁇ ⁇ or less is particularly preferable. If Le20 is within this range, the feed element 20 resonates satisfactorily at the design frequency (resonance frequency f 1 ) of the radiating elements 30 and 40, so that it does not depend on the ground plane 70 of the antenna 1.
  • the radiating elements 30 and 40 resonate with each other, and preferable electromagnetic field coupling is obtained.
  • the feeding element 20 interacts with the outer edge portion 71 to cause a resonance current (constant current) on the feeding element 20 and the ground plane.
  • the electrical length Le20 of the power feeding element 20 there is no particular lower limit value for the electrical length Le20 of the power feeding element 20 as long as the power feeding element 20 can be physically electromagnetically coupled to the radiating elements 30 and 40.
  • the realization of electromagnetic field coupling means that matching is achieved.
  • the feed element 20 it is not necessary for the feed element 20 to design the electrical length in accordance with the resonance frequency of the radiating elements 30 and 40, and the feed element 20 can be freely designed as a radiating conductor. Multi-frequency can be easily realized.
  • the outer edge portion 71 of the ground plane 70 along the radiating elements 30 and 40 has a total length of (1/4) ⁇ ⁇ or more of the design frequency (resonance frequency f 11 ) with the electrical length of the power feeding element 20. It is good.
  • L20 is (3/8) ⁇ ⁇ g1 or less.
  • the physical length L20 of the feeding element 20 is a physical length that gives Le20, and is equal to Le20 in an ideal case that does not include other elements.
  • L20 exceeds zero and is preferably Le20 or less.
  • L20 can be shortened (smaller in size) by using a matching circuit such as an inductor.
  • the resonance mode of the radiating element is (3/8) ⁇ ⁇ or more (5 / 8) ⁇ ⁇ or less is preferable, (7/16) ⁇ ⁇ or more (9/16) ⁇ ⁇ or less is more preferable, and (15/32) ⁇ ⁇ or more (17/32) ⁇ ⁇ or less is particularly preferable.
  • the Le31 is preferably (3/8) ⁇ ⁇ ⁇ m or more and (5/8) ⁇ ⁇ ⁇ m or less, and (7/16) ⁇ ⁇ ⁇ m or more (9/16).
  • m is the number of modes in the higher order mode and is a natural number.
  • m is preferably an integer of 1 to 5, particularly preferably an integer of 1 to 3.
  • Le30 and Le40 are within this range, the radiating elements 30 and 40 sufficiently function as radiating conductors, and the efficiency of the antenna 1 is preferable.
  • the Le30 and Le40 are (7/8) ⁇ ⁇ or more and (9/8) ⁇ ⁇ or less. It is preferably (15/16) ⁇ ⁇ or more and (17/16) ⁇ ⁇ or less, more preferably (31/32) ⁇ ⁇ or more and (33/32) ⁇ ⁇ or less.
  • the Le30 and Le40 are preferably (7/8) ⁇ ⁇ ⁇ m or more and (9/8) ⁇ ⁇ ⁇ m or less, and (15/16) ⁇ ⁇ ⁇ m or more (17 / 16) ⁇ ⁇ ⁇ m or less is more preferable, and (31/32) ⁇ ⁇ ⁇ m or more and (33/32) ⁇ ⁇ ⁇ m or less is particularly preferable.
  • the physical lengths L30 and L40 of the radiating elements 30 and 40 are mounted with the wavelength of the radio wave in vacuum at the resonance frequency of the fundamental mode of the radiating element being ⁇ 0.
  • k 2 is a medium (environment) such as a dielectric substrate provided with radiating elements such as an effective relative dielectric constant ( ⁇ r2 ) and an effective relative permeability ( ⁇ r2 ) of the environment of the radiating elements 30 and 40. It is a value calculated from relative permittivity, relative permeability, thickness, resonance frequency, and the like.
  • L30 and L40 are (3/8) ⁇ ⁇ g2 or more and (5/8) ⁇ ⁇ g2 or less, and the fundamental mode of resonance of the radiating element is a loop mode. Is (7/8) ⁇ ⁇ g2 or more and (9/8) ⁇ ⁇ g2 or less.
  • the physical lengths L30 and L40 of the radiating elements 30 and 40 are physical lengths that give Le30 and Le40, respectively. In an ideal case that does not include other elements, the physical lengths are equal to Le30 and Le40. Even if L30 and L40 are shortened by using a matching circuit such as an inductor, it exceeds zero, preferably Le30 and Le40, and more preferably 0.4 to 1 and less than 1 times Le30 and Le40.
  • the feeding element 20 may function as a radiation conductor as described above.
  • the radiating elements 30 and 40 are radiating conductors that function as a ⁇ / 2 dipole antenna, for example, by being fed by the feeding element 20 in a non-contact manner by the feeding portions 35 and 45 through electromagnetic coupling.
  • the feed element 20 is a linear feed conductor that can feed power to the radiating elements 30 and 40, but is fed by a feed point 11 to provide a monopole antenna (for example, a ⁇ / 4 monopole antenna). It is a radiation conductor that can also function as.
  • the resonance frequency of the radiating elements 30 and 40 is set to f 1
  • the resonance frequency of the feeding element 20 is set to f 2
  • the length of the feeding element 20 is adjusted as a monopole antenna that resonates at the frequency f 2 , the radiation of the feeding element is obtained.
  • the functions can be used, and the multi-frequency of the antenna 1 can be easily realized.
  • the physical length L20 is mounted with the wavelength of the radio wave in vacuum at the resonance frequency f 2 of the feed element 20 being ⁇ 1 when a matching circuit or the like is not included.
  • ⁇ g3 ⁇ 1 ⁇ k 1
  • k 1 is the shortening rate of the shortening effect due to the environment.
  • k 1 is the relative dielectric constant of a medium (environment) such as a dielectric substrate provided with a feeding element such as an effective relative dielectric constant ( ⁇ r1 ) and an effective relative permeability ( ⁇ r1 ) of the environment of the feeding element 20. It is a value calculated from the rate, relative permeability, thickness, resonance frequency, and the like.
  • L20 is (1/8) ⁇ ⁇ g3 or less (3/8) ⁇ ⁇ g3 or less, and preferably (3/16) ⁇ ⁇ g3 or more (5/16) ⁇ ⁇ g3 or less.
  • the physical length L20 of the feeding element 20 is a physical length that gives Le20, and is equal to Le20 in an ideal case that does not include other elements.
  • L20 exceeds zero and is preferably Le20 or less.
  • L20 can be shortened (smaller in size) by using a matching circuit such as an inductor.
  • the shortest distance x between the radiating element 30, 40 and the feed element 20 0.2 ⁇ lambda 0 or less ( More preferably, it is 0.1 ⁇ ⁇ 0 or less, and further preferably 0.05 ⁇ ⁇ 0 or less. Disposing the feeding element 20 and the radiating element 30 apart by such a shortest distance x is advantageous in that the operating gain of the radiating elements 30 and 40 is improved.
  • the shortest distance x is a linear distance between the closest parts in the feeding element 20 and the radiating elements 30 and 40.
  • the feeding element 20 and the radiating elements 30 and 40 may or may not intersect when viewed from an arbitrary direction as long as both are electromagnetically coupled, and the intersection angle may also be an arbitrary angle. An angle is sufficient.
  • the distance that the feeding element 20 and the radiating elements 30 and 40 run in parallel at the shortest distance x is preferably 3/8 or less of the length of the radiating elements 30 and 40 in the dipole mode. More preferably, it is 1/4 or less, and more preferably 1/8 or less.
  • the length is preferably 3/16 or less of the inner circumference of the radiating element loop. More preferably, it is 1/8 or less, and more preferably 1/16 or less.
  • the length is preferably 3/4 or less of the length of the radiating elements 160 and 170. More preferably, it is 1/2 or less, and still more preferably 1/4 or less.
  • the position where the shortest distance x is located is a portion where the coupling between the feeding element 20 and the radiating elements 30 and 40 is strong. If the parallel distance at the shortest distance x is long, the radiating elements 30 and 40 have high and low impedance portions. Therefore, impedance matching may not be achieved. Therefore, in order to strongly couple only with a portion where the impedance change of the radiating elements 30 and 40 is small, it is advantageous in terms of impedance matching that the distance of parallel running at the shortest distance x is short.
  • the shortest distance x is the shortest distance between the end 21 of the feed element 20 and the end 33 of the radiating element 30, and the shortest distance between the end 21 of the feed element 20 and the end 43 of the radiating element 40.
  • the power feeding unit 35 is located at the end 33 (which may include the conductor portion of the radiating element 30 in the vicinity of the end 33), and the power feeding unit 45 is the end 43 (the conductor of the radiating element 40 in the vicinity of the end 43). Part may be included).
  • the radiating element 30 in FIG. 1 is an antenna that operates in a dipole mode (for example, ⁇ / It is a radiation conductor that functions as a two-dipole antenna. The same applies to the radiating element 40.
  • the feed element 20 is a linear feed conductor that can feed power to the radiating elements 30, 40, but is fed by a feed point 11 to operate in an antenna that operates in a monopole mode (for example, ⁇ / 4). It is a radiation conductor that can also function as a monopole antenna.
  • the radiating element 30 Since the radiating element 30 has the feeding portion 35 near the end portion 33 with respect to the central portion 32, the radiating element 30 is electromagnetically coupled with the feeding element 20 with high impedance. Similarly, since the radiating element 40 has the power feeding part 45 closer to the end part 43 with respect to the central part 42, the radiating element 40 is electromagnetically coupled to the power feeding element 20 with high impedance.
  • the directivity of the antenna 1 is uniform with respect to the YZ plane passing through the feeding element 20. If there is, it becomes line symmetric.
  • the impedance control unit 120 includes impedance variable means for connecting the power feeding element 20 and the control element 50 and impedance variable means for connecting the power supply element 20 and the control element 60.
  • the impedance variable means is a means that can change the impedance between the power feeding element and the control element from low impedance to high impedance or from high impedance to low impedance.
  • an impedance adjustment unit that can adjust the impedance. is there.
  • the impedance variable means is, for example, a switch that can selectively switch the impedance between the feeding element and the control element to one of low impedance and high impedance.
  • the impedance variable unit may continuously change the impedance between the power feeding element and the control element in an increasing direction or a decreasing direction, for example.
  • the electromagnetic coupling between the feeding element 20 and the radiating element 30 is weakened as the impedance variable means between the control element 50 and the feeding element 20 decreases at the resonance frequency of the radiating element 30. It arrange
  • the electromagnetic coupling between the feed element 20 and the radiation element 30 is weakened, and the radiation element 30 functions as a radiation conductor. You may arrange so that it may not. In the case of FIG.
  • the control element 50 is disposed so that a portion having a high impedance of the control element 50 and a portion having a low impedance of the radiating element 30 are close to each other at the resonance frequency of the radiating element 30.
  • the high impedance portion of the control element 50 is the end portion 51
  • the low impedance portion of the radiating element 30 is the central portion 32, for example.
  • the control element 60 is the same as the control element 50.
  • the electromagnetic coupling between the feeding element 20 and the radiating element 40 is weakened as the impedance of the impedance variable means between the control element 60 and the feeding element 20 decreases at the resonance frequency of the radiating element 40. It arrange
  • the control element 60 weakens the electromagnetic coupling between the power feeding element 20 and the radiation element 40 and the radiation element 40 functions as a radiation conductor. You may arrange so that it may not. In the case of FIG.
  • the control element 60 is disposed so that a portion having a high impedance of the control element 60 and a portion having a low impedance of the radiating element 40 are close to each other at the resonance frequency of the radiating element 40.
  • the high impedance portion of the control element 60 is the end portion 61
  • the low impedance portion of the radiating element 40 is, for example, the central portion 42.
  • the impedance control unit 120 connects the feeding element 20 and the control element 50 with low impedance.
  • the impedance control unit 120 connecting the power feeding element 20 and the control element 50 with low impedance, the electromagnetic coupling between the power feeding element 20 and the radiation element 30 is weakened. That is, at the resonance frequency of the radiating element 30, the end portion 51 that is the high impedance portion of the control element 50 and the central portion 32 that is the low impedance portion of the radiating element 30 are disposed close to each other.
  • the electromagnetic coupling between the feeding element 20 and the radiating element 30 is weakened.
  • the impedance control unit 120 connects the feeding element 20 and the control element 60 with low impedance. Is done. By connecting the power feeding element 20 and the control element 60 with low impedance by the impedance control unit 120, the electromagnetic coupling between the power feeding element 20 and the radiation element 40 is weakened.
  • the feed element 20 when the feed element 20 is electromagnetically coupled to both the radiating element 30 and the radiating element 40, the feed element 20 and the control element 50 are connected with low impedance, so that the feed element 20 and the radiating element are connected. Electromagnetic field coupling with 30 is weakened. Thereby, the antenna gain of the radiating element 30 becomes smaller than the antenna gain of the radiating element 40, and the radiation from the radiating element 40 becomes dominant, so that the directivity of the antenna 1 can be changed. Similarly, when the feeding element 20 is electromagnetically coupled to both the radiating element 30 and the radiating element 40, the feeding element 20 and the control element 60 are connected with low impedance, so that the feeding element 20 and the radiating element 20 are radiated. The electromagnetic coupling with the element 40 is weakened. Thereby, the antenna gain of the radiating element 40 becomes smaller than the antenna gain of the radiating element 30, and the radiation from the radiating element 30 becomes dominant, so that the directivity of the antenna 1 can be changed.
  • the antenna gain of both the radiating element 30 and the radiating element 40 can be reduced by weakening the electromagnetic coupling between the radiating element 30 and the feeding element 20 and the electromagnetic coupling between the radiating element 40 and the feeding element 20.
  • the SAR Specific Absorption Rate
  • the feeding element 20 can switch and control the directivity of the antenna 1 without contacting any of the radiating element 30 and the radiating element 40.
  • the control element 50 overlaps with the radiating element 30 in a plan view in a direction parallel to the Z axis.
  • the control element 50 is parallel to the radiating element 30 and the Z axis if the electromagnetic coupling between the feeding element 20 and the radiating element 30 is weakened by connecting the feeding element 20 to the control element 50 with low impedance. It does not necessarily have to overlap in plan view in any direction. For example, you may overlap in planar view in arbitrary directions, such as a direction parallel to an X-axis or a Y-axis. The same applies to the overlapping relationship between the control element 60 and the radiating element 40.
  • the impedance control unit 120 includes, for example, an impedance adjustment unit 121 that reduces the function of the radiating element 30 as a radiating conductor by reducing the impedance between the power feeding element 20 and the control element 50.
  • the impedance adjustment unit 121 reduces the electromagnetic coupling between the radiating element 30 and the feeding element 20 by reducing the impedance between the feeding element 20 and the control element 50 so as to approach zero.
  • the impedance adjustment unit 121 is an example of an impedance variable unit that can increase or decrease the impedance between the power feeding element 20 and the control element 50, for example, an element such as a variable capacitance diode or a circuit including the element. is there.
  • the impedance adjusting unit 121 can continuously change the directivity of the antenna 1 by gradually changing (gradually decreasing or gradually increasing) the impedance between the feeding element 20 and the control element 50.
  • the impedance control unit 120 may perform control so as to switch the directivity of the antenna 1 by turning on / off switching elements such as transistors included in the impedance adjustment unit 121.
  • the impedance adjustment unit 121 can increase the RF current flowing between the feeding element 20 and the control element 50 by setting the impedance between the feeding element 20 and the control element 50 to a low impedance (for example, turning on). Thereby, the electromagnetic coupling between the radiating element 30 and the feeding element 20 connected to the control element 50 with low impedance can be weakened, and the function of the radiating element 30 as a radiating conductor can be reduced. Conversely, the impedance adjustment unit 121 suppresses the RF current flowing between the power feeding element 20 and the control element 50 by setting the impedance between the power feeding element 20 and the control element 50 to a high impedance (for example, turning off), or Can be stopped. Thereby, the radiating element 30 can be electromagnetically coupled to the feeding element 20.
  • a high impedance for example, turning off
  • the impedance control unit 120 includes an impedance adjustment unit 122 that reduces the function of the radiating element 40 as a radiating conductor, for example, by reducing the impedance between the feeding element 20 and the control element 60.
  • the impedance adjustment unit 122 reduces the electromagnetic coupling between the radiation element 40 and the feed element 20 by reducing the impedance between the feed element 20 and the control element 60 so as to approach zero. Since the impedance adjustment unit 122 may have the same function as the impedance adjustment unit 121, the description thereof is omitted.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the configuration of the impedance control unit 120.
  • the impedance control unit 120 includes a capacitor 147, inductors 143, 144, 148, variable capacitance diodes 145, 146, and DC voltage sources 141, 142.
  • the capacitor 147 and the inductor 148 are connected in series, one end of the capacitor 147 is connected to the end 21 of the power feeding element 20, and one end of the inductor 148 is connected to the ground plane 70.
  • One end of the control element 50 is connected to an intermediate connection point between the capacitor 147 and the inductor 148 via the variable capacitance diode 145, and one end of the control element 60 is connected via the variable capacitance diode 146.
  • the inductor 143 and the DC voltage source 141 are connected in series, one end of the inductor 143 is connected to an intermediate connection point between the variable capacitance diode 145 and the control element 50, and one end of the DC voltage source 141 is connected to the ground plane 70.
  • the inductor 144 and the DC voltage source 142 are connected in series, one end of the inductor 144 is connected to an intermediate connection point between the variable capacitance diode 146 and the control element 60, and one end of the DC voltage source 142 is connected to the ground plane 70.
  • the capacitance between the variable capacitance diode 145 decreases and the impedance between the feeding element 20 and the control element 50 increases. Therefore, the RF current flowing through the control element 50 is reduced. Can be suppressed or stopped. Thereby, since the connection between the feeding element 20 and the control element 50 can be weakened or eliminated, the radiating element 30 electromagnetically coupled to the feeding element 20 can function as a radiating conductor.
  • the capacitance of the variable capacitance diode 145 increases, so that the impedance between the power feeding element 20 and the control element 50 decreases.
  • the RF current flowing through can be increased.
  • the capacitance of the variable capacitance diode 146 decreases, and the impedance between the power feeding element 20 and the control element 60 increases.
  • the RF current can be suppressed or stopped.
  • the capacitance of the variable capacitance diode 146 increases, so that the impedance between the feeding element 20 and the control element 60 decreases, and thus the control element 60
  • the RF current flowing through can be increased.
  • the impedance control unit 120 illustrated in FIG. 3 can gradually change (gradual decrease or increase) the impedance between the power feeding element 20 and the control element 50 and the impedance between the power feeding element 20 and the control element 60. .
  • By gradually changing the impedance it is possible to gradually change the directivity according to changes in the surrounding environment, instead of switching the directivity on / off.
  • Directivity represents the directivity gain at the resonance frequency of the fundamental mode of the antenna 1 (in this case, set to 1.485 GHz).
  • represents an angle formed with the extending direction of the feeding element 20 in the YZ plane passing through the feeding point 11 and the center point of the ground plane 70, and ⁇ represents a ground plane in the ZX plane passing through the center point of the ground plane 70.
  • the angle formed by the normal direction of 70 is represented (see FIG. 1).
  • FIG. 4 shows a state where the impedance between the feeding element 20 and the control element 50 is high and the impedance between the feeding element 20 and the control element 60 is high.
  • FIG. 5 shows a state where the impedance between the power feeding element 20 and the control element 50 is high and the impedance between the power feeding element 20 and the control element 60 is low. As shown in FIGS. 4 and 5, the directivity of the antenna 1 can be switched.
  • the antenna 1 may include a matching circuit 90 that adjusts the resonance frequency of the fundamental mode of the radiating element 30 and the radiating element 40 in conjunction with the impedance control unit 120, for example.
  • the matching circuit 90 adjusts the resonance frequency in conjunction with the impedance control unit 120 changing the coupling state between the radiating element 30 and the feeding element 20 or changing the coupling state between the radiating element 40 and the feeding element 20.
  • the matching circuit 90 is inserted or connected to the power feeding element 20, for example.
  • the matching circuit 90 changes the resonance frequency of the fundamental mode of the radiating element 30 or the radiating element 40 by changing the coupling state of the radiating element 30 and the feeding element 20 or the coupling state of the radiating element 40 and the feeding element 20. However, the change in the resonance frequency can be corrected.
  • FIG. 6 is an S11 characteristic diagram illustrating the effect of the matching circuit 90 in the antenna 1.
  • a indicates a state where the impedance between the feeding element 20 and the control element 50 is high and the impedance between the feeding element 20 and the control element 60 is high when there is no matching circuit 90 (impedance adjustment unit).
  • 121 high impedance
  • impedance adjustment unit 122 high impedance
  • b shows a state where the impedance between the power feeding element 20 and the control element 50 is high and the impedance between the power feeding element 20 and the control element 60 is high when the matching circuit 90 is present (impedance adjusting unit).
  • 121 high impedance
  • impedance adjustment unit 122 high impedance).
  • impedance adjustment unit when there is no matching circuit 90, the impedance between the feeding element 20 and the control element 50 is high and the impedance between the feeding element 20 and the control element 60 is low (impedance adjustment unit). 121: high impedance, impedance adjustment unit 122: low impedance).
  • the matching circuit 90 includes an inductor (inductance: 15 nH) inserted in series with the feeding element 20 and an inductor (inductance: 15 nH) inserted between the end 21 of the feeding element 20 and the ground plane 70. The case where it comprises by is shown.
  • the resonance frequency (1.485 GHz in this case) of the radiating element 30 may shift when the state of the impedance adjustment unit 122 is switched from on to off (in this case, 1.485 GHz) (from c). change to a).
  • the matching circuit 90 in conjunction with the state of the impedance adjustment unit 122 being switched from on to off, it is possible to prevent the resonance frequency of the fundamental mode of the radiating element 30 from shifting (change from c to b). ).
  • each dimension shown in FIG. 1 at the time of measurement of the S11 characteristic is expressed in units of mm.
  • the line widths of the power feeding element 20, the radiating elements 30, 40, and the control elements 50, 60 were set to 1 mm.
  • the gap H2 between the substrate 80 and the substrate 110 was set to 2 mm.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a simulation model on a computer for analyzing the operation of the antenna device 201 including the antennas 1 and 2.
  • Microwave Studio registered trademark
  • CST Microwave Studio
  • the antenna 2 has the same or similar configuration as the antenna 1 and is disposed on the opposite side of the antenna 1 with respect to the ground plane 70.
  • the antenna 2 includes a feeding element 22, a radiating element 36, a radiating element 46, a control element 52, a control element 62, an impedance control unit 125, and a matching circuit 91.
  • the feeding element 22 is a conductor connected to the feeding point 12 with the ground plane 70 as a ground reference.
  • the feeding point 12 is provided at the center of the outer edge 72 of the ground plane 70, for example.
  • the outer edge portion 72 is an outer edge portion opposite to the outer edge portion 71 with respect to the center portion of the ground plane 70.
  • the radiating element 36 and the radiating element 46 are electromagnetically coupled to the feeding element 22, respectively.
  • the control element 52 is disposed away from the radiating element 36 in a direction parallel to the Z axis
  • the control element 62 is disposed away from the radiating element 46 in a direction parallel to the Z axis.
  • the impedance control unit 125 is an example of a control unit that connects the power feeding element 22 and the control element 52 or the power feeding element 22 and the control element 62 with low impedance by controlling the impedance variable unit.
  • the impedance control unit 125 includes, for example, an impedance adjustment unit 123 similar to the impedance adjustment unit 121 described above.
  • the impedance adjustment unit 123 weakens the electromagnetic coupling between the radiating element 36 and the feed element 22 by reducing the impedance between the feed element 22 and the control element 52.
  • the impedance control unit 125 includes, for example, an impedance adjustment unit 124 similar to the impedance adjustment unit 122 described above.
  • the impedance adjusting unit 124 reduces the electromagnetic coupling between the radiating element 46 and the feeding element 22 by reducing the impedance between the feeding element 22 and the control element 62.
  • the matching circuit 91 adjusts the resonance frequency of the fundamental mode of the radiating element 36 and the radiating element 46 in conjunction with the impedance control unit 125 in the same manner as the matching circuit 90 described above.
  • the antenna device 201 functions as a MIMO (Multiple Input Multiple Output) antenna by including the antennas 1 and 2.
  • the antenna device 201 has the antenna 1 with the correlation coefficient between the antenna 1 and the antenna 2 kept low regardless of the impedance of each of the impedance adjustment units 121, 122, 123, and 124. , 2 can be switched and controlled.
  • FIG. 8 is a perspective view showing a simulation model on a computer for analyzing the operation of the antenna 3 according to the embodiment of the present invention.
  • Microwave Studio registered trademark
  • CST was used as an electromagnetic field simulator. A description of the same configurations and effects as those of the above-described embodiment is omitted or simplified.
  • the antenna 3 includes a ground plane 70, a plate-like conductor 150, a feeding element 20, a radiating element 160, a radiating element 170, a control element 50, a control element 60, and an impedance control unit 120.
  • the power feeding element 20, the control element 50, the control element 60, the impedance control unit 120, and the matching circuit 90 are the same as those in FIG.
  • the ground plane 70 is a planar ground pattern having at least one side as an outer edge
  • FIG. 8 illustrates a rectangular ground plane 70 extending in the XY plane.
  • the ground plane 70 in FIG. 8 has an outer edge portion 71 that extends linearly in the X-axis direction, an outer edge portion 73 that extends linearly in the Y-axis direction, and an outer edge portion 71 that extends linearly in the X-axis direction and faces the outer edge portion 71.
  • an outer edge portion 74 that extends linearly in the Y-axis direction and faces the outer edge portion 73.
  • the plate-like conductor 150 is a planar conductor that is disposed at intervals in a direction parallel to the Z axis so as to be arranged in parallel to the ground plane 70.
  • FIG. 8 illustrates a polygonal plate-like conductor 150 having outer edge portions 151, 152, 153, and 154 and extending in the XY plane.
  • the plate-like conductor 150 When the plate-like conductor 150 has an outer edge portion provided along at least one outer edge portion of the ground plane 70, resonance easily occurs between the plate-like conductor 150 and the ground plane 70. The number of resonances of 3 can be increased.
  • the outer edge portions 151, 152, 153, 154 of the plate-like conductor 150 are provided in parallel so as to run along the outer edge portions 71, 72, 73, 74 of the ground plane 70, respectively. .
  • the outer edge portion 151 may coincide with the position of the outer edge portion 71 or may be shifted in a plan view from a direction parallel to the Z axis. The same applies to the outer edge portions 152, 153, and 154.
  • the plate-like conductor 150 has a facing portion that faces the ground plane 70 with a gap in the direction parallel to the Z axis.
  • the plate-like conductor 150 is a rectangular conductor separated by a distance that can be coupled to the ground plane 70 in a high frequency manner.
  • the plate-shaped conductor 150 includes an outer edge portion 151 that extends linearly in the X-axis direction, an outer edge portion 153 that extends linearly in the Y-axis direction, and an outer edge that extends linearly in the X-axis direction and faces the outer edge portion 151.
  • Part 152 and an outer edge part 154 that extends linearly in the Y-axis direction and faces outer edge part 153.
  • the feeding element 20 is a conductor that is arranged at a predetermined distance from the radiating element 160 and the radiating element 170.
  • the feed element 20 is disposed, for example, at a distance from the radiating element 160 and the radiating element 170 having a directional component parallel to the Z axis.
  • the feeding element 20 overlaps the radiating element 160 and the radiating element 170 in plan view in the direction parallel to the Z axis.
  • the power feeding element 20 is separated from the radiation element 160 and the radiation element 170 by a distance that allows power feeding in a non-contact manner, they do not necessarily overlap in a plan view in a direction parallel to the Z axis.
  • the power feeding element 20 can supply power to the radiating element 160 in a non-contact manner via the power feeding unit 165 of the radiating element 160, and to the radiating element 170 via the power feeding unit 175 of the radiating element 170. It is a conductor that can supply power without contact.
  • the feeding element 20 is viewed from the feeding point 11 so as to approach the gap 131 between one end 163 of the radiating element 160 and one end 173 of the radiating element 170 in a plan view in the normal direction of the ground plane 70. Extend to the end 21.
  • the feed element 20 has an end portion 163 of the radiating element 160 and an end portion 21 that is separated from the end portion 173 of the radiating element 170 by a predetermined distance, and the end portion 21 is located in the vicinity of the gap 131.
  • the radiating element 160 is a linear conductor connected to the plate-like conductor 150, and radiates from the outer edge portion 151 in the direction opposite to the plate-like conductor 150 with respect to the outer edge portion 151 of the plate-like conductor 150. It is a conductor.
  • the radiating element 160 is formed so that at least a part of the radiating element 160 and the ground plane 70 do not overlap in plan view in a direction parallel to the Z axis.
  • the radiating element 160 has one end 164 and the other end 163, and extends in an L shape from the one end 164 to the other end 163 via the bent portion 167.
  • the end portion 164 is a root portion connected to the vicinity of one end portion 155 of the outer edge portion 151 of the plate-like conductor 150, and the end portion 163 is an open end to which no other conductor is connected.
  • the radiating element 160 is, for example, a linear conductor having a linear radiating conductor portion arranged along the outer edge portion 71 of the ground plane 70.
  • the radiating element 160 is, for example, a conductor portion extending in a direction parallel to the outer edge portion 71 at a predetermined shortest distance from the outer edge portion 71 on the side opposite to the ground plane 70 with respect to the outer edge portion 71. 161.
  • the direction parallel to the outer edge portion 71 is a direction parallel to the X axis.
  • FIG. 8 illustrates an L-shaped radiating element 160 arranged in the XY plane, but the radiating element 160 may have another shape such as a straight line.
  • the radiating element 160 may be a conductor having a conductor portion extending in the XY plane and a conductor portion extending in a plane different from the XY plane.
  • the radiating element 170 may have the same or similar shape as the radiating element 160, a detailed description of its configuration is simplified.
  • the radiating element 170 is an antenna conductor having one end 174 and the other end 173 and extending in an L shape from the end 174 to the end 173.
  • the end portion 174 is a root portion connected in the vicinity of one end portion 156 of the outer edge portion 151 of the plate-like conductor 150, and the end portion 173 is an open end to which no other conductor is connected.
  • the radiating element 170 is, for example, a conductor portion extending in a direction parallel to the outer edge portion 71 at a predetermined shortest distance from the outer edge portion 71 on the side opposite to the ground plane 70 with respect to the outer edge portion 71. 171.
  • the radiating element 170 and the radiating element 160 are conductors extending in different directions, and are conductors extending in a direction approaching the feeding element 20.
  • the radiating element 170 and the radiating element 160 are conductors arranged in the same XY plane, but may be conductors arranged in different planes.
  • the conductor portion 161 of the radiating element 160 and the conductor portion 171 of the radiating element 170 are located on a straight line, but may be located on different straight lines.
  • the radiating element 160 and the feeding element 20 overlap in a plan view in the Z-axis direction.
  • the feeding element 20 is separated from the radiating element 160 by a distance that can be electromagnetically coupled, It does not need to overlap in plan view in the Z-axis direction.
  • the feeding element 20 and the radiating element 160 are disposed, for example, at a distance that can be coupled to each other in a high frequency manner.
  • the radiating element 160 is fed in a non-contact manner via the feeding element 20.
  • the radiating element 160 functions as a radiating conductor of the antenna.
  • FIG. 8 when the radiating element 160 is a linear conductor having one end connected to a plate-like conductor 150 having a large area and the other end being an open end, a resonance current similar to that of a ⁇ / 4 monopole antenna is obtained. (Current distributed in a standing wave shape) is formed on the radiating element 160. That is, the radiating element 160 functions as a monopole antenna that resonates at a quarter wavelength of a predetermined frequency (hereinafter referred to as a monopole mode).
  • a monopole mode a quarter wavelength of a predetermined frequency
  • the radiating element 170 may have the same or similar shape as the radiating element 160, a detailed description of its configuration is simplified.
  • the feeding element 20 and the radiating element 170 are disposed, for example, at a distance that allows electromagnetic coupling to each other.
  • the radiating element 170 is fed in a non-contact manner via the feeding element 20. By being fed in this way, the radiating element 170 functions as a radiating conductor of the antenna.
  • the electrical length to provide a fundamental mode of resonance of the radiating element 160, 170 Le170, a wavelength of on the radiating element 160, 170 at the resonance frequency f 1 of the fundamental mode of the radiating elements 160 and 170 lambda, Le160, Le170 is (1/8) ⁇ ⁇ or more and (3/8) ⁇ ⁇ or less.
  • Le160 and Le170 are equal to or more than (1/8) ⁇ ⁇ (3/8) ⁇ ⁇ or less is preferable, (3/16) ⁇ ⁇ or more and (5/16) ⁇ ⁇ or less is more preferable, and (7/32) ⁇ ⁇ or more (9/32) ⁇ ⁇ or less is particularly preferable. . If Le160 and Le170 are within this range, the radiating elements 160 and 170 sufficiently function as radiating conductors, and the efficiency of the antenna 3 is preferable.
  • k 2 is a medium (environment) such as a dielectric substrate provided with a radiation element such as an effective relative dielectric constant ( ⁇ r2 ) and an effective relative magnetic permeability ( ⁇ r2 ) of the environment of the radiation elements 160 and 170.
  • L160 and L170 are (1/8) ⁇ ⁇ g2 or more and (3/8) ⁇ ⁇ g2 or less when the fundamental mode of resonance of the radiating element is a monopole mode.
  • the physical lengths L160 and L170 of the radiating elements 160 and 170 are physical lengths that give Le160 and Le170, and are equal to Le160 and Le170 in an ideal case that does not include other elements. Even if L160 and L170 are shortened by using a matching circuit such as an inductor, it exceeds zero, preferably Le160 and Le170, and more preferably 0.4 to 1 and less than Le160 and Le170.
  • the impedance matching of the antenna 3 can be easily achieved by positioning the portion (end portions 164 and 174) having the lowest impedance at the resonance frequency of the fundamental mode closer to the other end portions 163 and 173. . In particular, it is preferable to locate the end portions 163 and 173 from the center portions 162 and 172.
  • the power feeding units 165 and 175 are parts defined by a portion closest to the power feeding point 11 among conductor portions of the radiation elements 160 and 170 where the radiation elements 160 and 170 and the power feeding element 20 are closest to each other.
  • the power feeding units 165 and 175 are power feeding parts for the radiating elements 160 and 170, and are not power feeding parts for the antenna 3.
  • a feeding part as the antenna 3 is a feeding point 11.
  • the impedance of the radiating elements 160 and 170 increases from the end portions 164 and 174 of the radiating elements 160 and 170 toward the end portions 163 and 173.
  • the effect on impedance matching is small if the coupling is performed with a high impedance above a certain level. Therefore, in order to make matching easy, it is preferable that the power feeding portions 165 and 175 of the radiating elements 160 and 170 are positioned in the high impedance portion of the radiating elements 160 and 170.
  • the power feeding units 165 and 175 have the radiating element 160 from the portion (end portions 164 and 174) having the lowest impedance at the resonance frequency of the fundamental mode of the radiating elements 160 and 170. , 170 at a distance of 1 ⁇ 4 or more (preferably 3 or more, more preferably 1 ⁇ 2 or more) of the total length, more preferably at the ends 163 and 173 side of the center portions 162 and 172 Good location.
  • the total length of the radiating elements 160 and 170 corresponds to L18 + L19
  • the power feeding parts 165 and 175 are located on the end parts 163 and 173 side with respect to the central parts 162 and 172.
  • the radiating elements 160 and 170 are fed in a non-contact manner by the feeding element 20. It is possible to relax constraints such as the form and layout of 170 or the power feeding element 20. Since the positional relationship between the feed element 20 and the radiating elements 160 and 170 can be freely determined as long as the feed element 20 can secure a distance that can feed power to the radiating elements 160 and 170 in a non-contact manner, the antenna 3 can function sufficiently. It can be easily realized.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing the positional relationship in the Z-axis direction of each component of the antenna 3. A description of the same configurations and effects as those of the above-described embodiment is omitted or simplified.
  • the feeding element 20 and the radiating elements 160 and 170 are disposed, for example, at a distance that allows electromagnetic coupling to each other.
  • the ground plane 70 and the plate-like conductor 150 may be connected in a DC manner by the connection conductor 84.
  • the number of connecting conductors 84 may be one or more.
  • the plate-like conductor 150 can function as a heat radiating plate or a heat sink having a heat radiating action.
  • the plate conductor 150 may dissipate heat from the heating element 83 installed on the substrate 80 or may dissipate heat from a heating element (not shown) installed on the substrate 110.
  • connection conductor 84 includes wiring such as vias and wires, metal plates, and the like.
  • heating element 83 include circuit components (transistors, ICs, etc.) mounted on the substrate 80.
  • FIG. 8 as the connecting conductor 84, an elongated metal plate that connects the outer edge portion 74 of the ground plane 70 and the outer edge portion 154 of the plate conductor 150, the outer edge portion 73 of the ground plane 70 and the outer edge of the plate conductor 150.
  • the elongate metal plate which connects the part 153 is illustrated.
  • the feeding element 20 is electromagnetically coupled to the high impedance portion of the radiating element 160.
  • the radiating element 170 has a feeding portion 175 closer to the end portion 173 with respect to the central portion 172, the feeding element 20 is electromagnetically coupled with the high impedance of the radiating element 170.
  • the directivity of the antenna 3 is the environment relative to the YZ plane passing through the feeding element 20. If is uniform, it becomes line symmetric.
  • the impedance control unit 120 is an example of a control unit that connects the feeding element 20 and the control element 50 and the feeding element 20 and the control element 60 with variable impedance by controlling the impedance varying unit.
  • the configuration and functions of the impedance control unit 120 in FIG. 8 are the same as those described above.
  • Directivity represents the directivity gain at the resonance frequency of the fundamental mode of the antenna 3 (in this case, set to 1.175 GHz).
  • represents an angle formed with the extending direction of the feeding element 20 in the YZ plane passing through the feeding point 11 and the center point of the ground plane 70, and ⁇ represents a ground plane in the ZX plane passing through the center point of the ground plane 70.
  • the angle formed by the normal direction of 70 is represented (see FIG. 8).
  • FIG. 10 shows a state where the impedance between the feeding element 20 and the control element 50 is high and the impedance between the feeding element 20 and the control element 60 is high.
  • FIG. 11 shows a state where the impedance between the power feeding element 20 and the control element 50 is high and the impedance between the power feeding element 20 and the control element 60 is low. As shown in FIGS. 10 and 11, the directivity of the antenna 3 can be switched.
  • the antenna 3 may include a matching circuit 90 that adjusts the resonance frequency of the fundamental mode of the radiating element 160 and the radiating element 170 in conjunction with the impedance control unit 120, for example.
  • the matching circuit 90 adjusts the resonance frequency in conjunction with the impedance control unit 120 changing the coupling state between the radiating element 160 and the feeding element 20 or changing the coupling state between the radiating element 170 and the feeding element 20.
  • the matching circuit 90 is inserted or connected to the power feeding element 20, for example.
  • the matching circuit 90 changes the resonance frequency of the fundamental mode of the radiating element 160 or the radiating element 170 by changing the coupling state of the radiating element 160 and the feeding element 20 or the coupling state of the radiating element 170 and the feeding element 20. However, the change in the resonance frequency can be corrected.
  • FIG. 12 is an S11 characteristic diagram illustrating the effect of the matching circuit 90 in the antenna 3.
  • d indicates a state where the impedance between the power feeding element 20 and the control element 50 is high and the impedance between the power feeding element 20 and the control element 60 is high when there is no matching circuit 90 (impedance adjusting unit).
  • 121 high impedance, impedance adjustment unit 122: high impedance).
  • e indicates a state where the impedance between the power feeding element 20 and the control element 50 is high and the impedance between the power feeding element 20 and the control element 60 is high (impedance adjusting unit).
  • 121 high impedance
  • impedance adjustment unit 122 high impedance).
  • f indicates a state where the impedance between the feeding element 20 and the control element 50 is high and the impedance between the feeding element 20 and the control element 60 is low when there is no matching circuit 90 (impedance adjusting unit). 121: high impedance, impedance adjustment unit 122: low impedance).
  • the matching circuit 90 includes an inductor (inductance: 15 nH) inserted in series with the power feeding element 20 and an inductor (inductance: 15 nH) inserted between the end 21 of the power feeding element 20 and the ground plane 70. The case where it comprises by is shown.
  • the resonance frequency (1.175 GHz in this case) of the radiating element 160 may be shifted (from f) when the state of the impedance adjustment unit 122 is switched from on to off. change to d).
  • the resonance frequency of the fundamental mode of the radiating element 160 can be prevented from shifting (change from f to e) by operating the matching circuit 90 in conjunction with the state of the impedance adjusting unit 122 switching from on to off. ).
  • each dimension shown in FIG. 8 at the time of measurement of the S11 characteristic has a unit of mm, L11: 120 L12: 80 L13: 60 L14: 10.5 L16: 29.5 L17: 80 L18: 10.5 L19: 26.5 L22: 60 It was.
  • the line widths of the power feeding element 20, the radiating elements 160 and 170, and the control elements 50 and 60 were set to 1 mm.
  • the gap H2 between the substrate 80 and the substrate 110 was set to 2 mm.
  • FIG. 13 is a perspective view showing a simulation model on a computer for analyzing the operation of the antenna device 202 including the antennas 3 and 4.
  • Microwave Studio registered trademark
  • CST Microwave Studio
  • the antenna 4 has the same or similar configuration as the antenna 3 and is disposed on the opposite side of the antenna 3 with respect to the ground plane 70.
  • the antenna 4 includes a feeding element 22, a radiating element 166, a radiating element 176, a control element 52, a control element 62, an impedance control unit 125, and a matching circuit 91.
  • the radiating element 166 and the radiating element 176 are electromagnetically coupled to the feeding element 22, respectively.
  • the control element 52 is disposed away from the radiating element 166 in a direction parallel to the Z axis, and the control element 62 is disposed away from the radiating element 176 in a direction parallel to the Z axis.
  • the antenna device 202 functions as a MIMO (Multiple Input Multiple Output) antenna by providing the antennas 3 and 4. Further, the antenna device 202 maintains the directivity of each of the antennas 3 and 4 while keeping the correlation coefficient between the antenna 3 and the antenna 4 low, regardless of the impedance of the impedance adjusting units 121, 122, 123, and 124. Switching control is possible.
  • MIMO Multiple Input Multiple Output
  • 14 to 17 are diagrams showing the correlation coefficient at the reflection coefficient S11 of the antenna 3, the reflection coefficient S22 of the antenna 4, and the resonance frequency (in this case, 1.175 GHz) in the antenna device 202.
  • the correlation coefficient was calculated from the S parameter.
  • 18 to 25 are diagrams illustrating the directivity of the antenna device 202.
  • Directivity represents the directivity gain at the resonance frequency of the fundamental mode of the antenna device 202 (in this case, set to 1.175 GHz).
  • represents an angle formed with the extending direction of the feed element 20 in the YZ plane passing through the feed points 11 and 12 and the center point of the ground plane 70, and ⁇ is in the ZX plane passing through the center point of the ground plane 70.
  • the angle formed with the normal direction of the ground plane 70 is represented (see FIG. 13).
  • the impedance between the feed element 20 and the control element 50 is high
  • the impedance between the feed element 20 and the control element 60 is high
  • the feed element 22 and the control element 52 shows a state in which the impedance between the power supply element 22 and the control element 62 is high.
  • the impedance between the feeding element 20 and the control element 50 is high, the impedance between the feeding element 20 and the control element 60 is high, and the feeding element 22 and the control element
  • the impedance between the power supply element 22 and the control element 62 is low, and the impedance between the power supply element 52 and the control element 62 is low.
  • the impedance between the feeding element 20 and the control element 50 is high
  • the impedance between the feeding element 20 and the control element 60 is low
  • the feeding element 22 and the control element 52 shows a state in which the impedance between the power supply element 22 and the control element 62 is high.
  • the impedance between the feed element 20 and the control element 50 is high, the impedance between the feed element 20 and the control element 60 is low, and the feed element 22 and the control element
  • the impedance between the power supply element 22 and the control element 62 is low, and the impedance between the power supply element 52 and the control element 62 is low.
  • FIGS. 14 to 17 are 0.004, 0.005, 0.099, and 0.007, respectively. These correlation coefficient values sufficiently satisfy the criteria required for a MIMO antenna. 18, 20, 22, and 24 show the directivity of the antenna 3, and FIGS. 19, 21, 23, and 25 show the directivity of the antenna 4. Thus, even if the antenna 3 and the antenna 4 share the ground plane 70, the directivity of each of the antennas 3 and 4 can be switched while keeping the correlation coefficient between the antenna 3 and the antenna 4 low. it can.
  • FIG. 26 is a perspective view showing a simulation model on a computer for analyzing the operation of the antenna 5 according to the embodiment of the present invention.
  • Microwave Studio registered trademark
  • CST was used as an electromagnetic field simulator. A description of the same configurations and effects as those of the above-described embodiment is omitted or simplified.
  • the antenna 5 is an antenna in which the plate-like conductor 150 of the antenna 3 in FIG.
  • the substrate 80 is visible from the opening 157 in plan view in a direction parallel to the Z axis.
  • FIG. 28 is a perspective view of an antenna 6 according to an embodiment of the present invention. A description of the same configurations and effects as those of the above-described embodiment is omitted or simplified.
  • the antenna 6 has the same configuration as the antenna 1 of FIG. 1, and each configuration has the same positional relationship as the antenna 1.
  • the antenna 6 includes L-shaped radiating elements 30 and 40 arranged along the outer edge of the ground plane 70 and L-shaped control elements 50 and 60 arranged along the outer edge of the ground plane 70. With.
  • the antenna 6 has a symmetrical structure with respect to the YZ plane.
  • the radiating element 30 has a conductor portion extending along the outer edge portion 71 and a conductive portion extending along the outer edge portion 73.
  • the radiating element 40 includes a conductor portion that extends along the outer edge portion 71 and a conductive portion that extends along the outer edge portion 74.
  • the ground plane 70 has an outer edge 73 and an outer edge 74 that face each other.
  • the directivity of the antenna 6 can be easily controlled. It becomes possible.
  • the radiating element 30 has a conductor portion arranged along the outer edge portion 73
  • the radiating element 40 has a conductor portion arranged along the outer edge portion 74 facing the outer edge portion 73. The directivity of the antenna 6 can be easily controlled.
  • FIG. 29 is a diagram illustrating an example of the impedance control unit 120.
  • the impedance control unit 120 includes inductors 243, 244, 247, 248, 251, 252, capacitors 249, 250, 253, 254, variable capacitance diodes 245, 246, and DC voltage sources 241, 242. .
  • One end of the inductor 251 is connected to one end of the control element 50, and the other end of the inductor 251 is connected to the end 21 of the power feeding element 20.
  • a series circuit of the capacitor 253 and the inductor 243 is connected between a connection point between the inductor 251 and the control element 50 and the positive electrode of the DC voltage source 241, and a series circuit of the capacitor 249 and the inductor 247 is fed with the inductor 251.
  • the connection point between the element 20 and the negative electrode of the DC voltage source 241 is connected.
  • the negative electrode of the DC voltage source 241 is connected to the ground plane 70.
  • Variable capacitance diode 245 has a cathode connected to the connection point between capacitor 253 and inductor 243, and an anode connected to the connection point between capacitor 249 and inductor 247.
  • One end of the inductor 252 is connected to one end of the control element 60, and the other end of the inductor 252 is connected to the end 21 of the power feeding element 20.
  • a series circuit of the capacitor 254 and the inductor 244 is connected between a connection point between the inductor 252 and the control element 60 and the positive electrode of the DC voltage source 242, and a series circuit of the capacitor 250 and the inductor 248 is fed with the inductor 252.
  • the connection point between the element 20 and the negative electrode of the DC voltage source 242 is connected.
  • the negative electrode of the DC voltage source 242 is connected to the ground plane 70.
  • Variable capacitance diode 246 has a cathode connected to the connection point between capacitor 254 and inductor 244, and an anode connected to the connection point between capacitor 250 and inductor 248.
  • the DC voltage source 241 controls the output of the DC voltage V1 and adjusts the capacitance of the variable capacitance diode 245 to increase the impedance between the feeding element 20 and the control element 50, the RF current flowing through the control element 50 is suppressed. Or you can stop. Thereby, since the connection between the feeding element 20 and the control element 50 can be weakened or eliminated, the radiating element 30 electromagnetically coupled to the feeding element 20 can function as a radiating conductor.
  • the DC voltage source 241 controls the output of the DC voltage V1
  • the RF flowing through the control element 50 The current can be increased.
  • the connection between the power feeding element 20 and the control element 50 can be strengthened, the function as the radiation conductor of the radiation element 30 electromagnetically coupled to the power feeding element 20 can be suppressed or stopped.
  • the DC voltage source 242 controls the output of the DC voltage V2
  • the RF flowing through the control element 60 is increased.
  • the current can be suppressed or stopped.
  • the radiating element 40 electromagnetically coupled to the feeding element 20 can function as a radiating conductor.
  • the DC voltage source 242 controls the output of the DC voltage V2
  • the RF flowing through the control element 60 The current can be increased.
  • the connection between the feeding element 20 and the control element 60 can be strengthened, the function of the radiation element 40 that is electromagnetically coupled to the feeding element 20 can be suppressed or stopped.
  • the impedance between the power feeding element 20 and the control element 50 and the impedance between the power feeding element 20 and the control element 60 can be gradually changed (gradual decrease or increase). .
  • gradually changing the impedance it is possible to gradually change the directivity according to changes in the surrounding environment, instead of switching the directivity on / off.
  • FIG. 30 is a diagram illustrating an aspect in which the directivity of the antenna 6 is continuously changed by the impedance control unit 120 of FIG.
  • Directivity represents the directivity gain at the resonance frequency of the fundamental mode of the antenna 6 (in this case, set to 1.91 GHz).
  • represents an angle formed with the normal direction of the ground plane 70 in the ZX plane passing through the center point of the ground plane 70 (see FIG. 28).
  • the directivity gain peak increases as the DC voltage V2 of the DC voltage source 242 is increased while the DC voltage V1 of the DC voltage source 241 is fixed to a predetermined value (in this case, zero).
  • the value angle ⁇ continuously changes from around 0 ° to 90 °.
  • the directivity increases as the DC voltage V1 of the DC voltage source 241 is increased while the DC voltage V2 of the DC voltage source 242 is fixed to a predetermined value (for example, zero).
  • the angle ⁇ of the peak value of the sex gain changes continuously from around 0 ° to ⁇ 90 °.
  • the impedance control unit 120 can continuously change the directivity of the antenna 6.
  • the gap H2 between the substrate 80 and the substrate 110 was set to 2 mm.
  • the inductances of the inductors 251 and 252 are 1.5 nH
  • the inductances of the inductors 243, 244, 247, and 248 are 15 nH
  • the capacitance was set to 2.2 pF.
  • FIG. 31 is a plan view showing an example of an antenna device 203 including four antennas 211, 212, 213, and 214 having the same shape as that of the antenna 1 shown in FIG.
  • the antenna 211 has a radiating element having a conductor portion arranged along the outer edge portion 71 of the ground plane 70.
  • the antenna 212 includes a radiating element having a conductor portion disposed along the outer edge portion 72 that faces the outer edge portion 71.
  • the antenna 213 includes a radiating element having a conductor portion arranged along the outer edge portion 73.
  • the antenna 214 includes a radiating element having a conductor portion disposed along the outer edge portion 74 that faces the outer edge portion 73.
  • the antenna device 203 functions as a 4-channel MIMO (Multiple Input Multiple Output) antenna by including the antennas 211, 212, 213, and 214. In addition, even if each antenna shares the ground plane 70, the antenna device 203 does not depend on the impedance of the impedance adjusters 121 and 122 of each antenna, and keeps the correlation coefficient between the antennas low. The directivity of the antenna can be switched and controlled.
  • MIMO Multiple Input Multiple Output
  • FIG. 32 is a plan view showing an example of an antenna device 204 including four antennas 221, 222, 223, and 224 having the same shape as that of the antenna 1 shown in FIG.
  • the antenna 221 includes a radiating element having a conductor portion arranged along the outer edge portions 71 and 73.
  • the antenna 222 includes a radiating element having a conductor portion arranged along the outer edge portions 72 and 73.
  • the antenna 223 includes a radiating element having a conductor portion arranged along the outer edge portions 72 and 74.
  • the antenna 224 includes a radiating element having a conductor portion arranged along the outer edge portions 71 and 74.
  • the antenna device 204 functions as a 4-channel MIMO (Multiple Input Multiple Output) antenna, and switches the directivity of each antenna while keeping the correlation coefficient between the antennas low. it can.
  • MIMO Multiple Input Multiple Output
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • Various modifications and improvements such as combinations and substitutions with some or all of the other embodiments are possible within the scope of the present invention.
  • the antenna is not limited to the illustrated form.
  • the antenna may have a conductor portion that is directly or indirectly connected to the radiating element via a connecting conductor, or has a conductor portion that is coupled to the radiating element in a high-frequency manner (for example, capacitively). But you can.
  • the feed element, the radiating element, and the control element are not limited to linear conductors that extend linearly, but may include bent conductor portions.
  • an L-shaped conductor portion may be included, a meander-shaped conductor portion may be included, or a conductor portion branched in the middle may be included.
  • the transmission line having the ground plane is not limited to the microstrip line.
  • a stripline, a coplanar waveguide with a ground plane (a coplanar waveguide having a ground plane disposed on the surface opposite to the conductor surface), and the like can be given.
  • the ground plane is not limited to the illustrated outer shape, and may be a conductor pattern having another outer shape. Further, the ground plane is not limited to a planar shape, and may be a curved surface.
  • the plate conductor is not limited to the illustrated outer shape, and may be a conductor having another outer shape. Further, the plate-like conductor is not limited to a flat shape, and may be a curved shape.
  • plate shape may include the meaning of “foil shape” or “film shape”.
  • the directivity of the antenna can be easily controlled by setting the lengths of the pair of radiating elements (for example, in the case of FIG. 1, the radiating elements 30 and 40) parallel to the outer edge of the ground plane to be equal to each other. Is possible.
  • the antenna device can be caused to function as a diversity antenna by controlling the directivity of each antenna provided in the antenna device to be in the same direction.

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Abstract

 給電点に接続された給電素子と、前記給電素子から離れて配置されて電磁界結合する第1の放射素子と、前記給電素子から離れて配置されて電磁界結合する第2の放射素子と、前記給電素子とインピーダンス可変手段を介して接続された第1の制御素子と、前記給電素子とインピーダンス可変手段を介して接続された第2の制御素子と、前記インピーダンス可変手段を制御する制御手段とを備える、アンテナ。

Description

アンテナ、アンテナ装置及び無線装置
 本発明は、アンテナ、アンテナ装置及び無線装置(例えば、携帯電話などの携帯無線機)に関する。
 従来、給電点の接続先を切り替えることによって、アンテナの指向性を制御する技術が知られている。例えば特許文献1には、給電点を放射導体の2つの端点のいずれか一方に接触させることによって、放射導体の指向性を切り替えるスイッチを備えたアンテナが開示されている。
 一方、特許文献2のように、給電素子と無給電素子とを非接触で結合させて多周波化させたアンテナが提案されている。
特開2012-186562号公報 特許4422767号公報
 しかしながら、特許文献2に開示されたアンテナのように、給電点に接続される給電素子を放射素子(無給電素子)に非接触で結合させて給電する構成では、アンテナの指向性を制御することは難しかった。例えば、特許文献1のように給電素子から放射素子への接続点を切り替えることで指向性を制御することを考えた場合、給電素子と放射素子とは非接触で結合させる必要があるため、スイッチングのような切り替えはできなかった。また、接続点を切り替えたときに意図せぬ箇所で結合しないように給電素子の配置や形状などの制約が多くなるという問題がある。
 そこで本発明は、給電素子と放射素子が非接触で結合した状態でアンテナの指向性を制御できる、アンテナ、アンテナ装置及び無線装置の提供を目的とする。
 上記目的を達成するため、
 給電点に接続された給電素子と、
 前記給電素子から離れて配置されて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第1の放射素子と、
 前記給電素子から離れて配置されて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第2の放射素子と、
 前記給電素子とインピーダンス可変手段を介して接続され、かつ前記第1の放射素子の共振周波数において該インピーダンス可変手段のインピーダンスの低下に伴って前記給電素子と前記第1の放射素子との電磁界結合が弱まり前記第1の放射素子の放射導体としての機能が低下するよう配置された第1の制御素子と、
 前記給電素子とインピーダンス可変手段を介して接続され、かつ前記第2の放射素子の共振周波数において該インピーダンス可変手段のインピーダンスの低下に伴って前記給電素子と前記第2の放射素子との電磁界結合が弱まり前記第2の放射素子の放射導体としての機能が低下するよう配置された第2の制御素子と、
 前記給電素子と前記第1の制御素子との接続および前記給電素子と前記第2の制御素子との接続におけるインピーダンス可変手段を制御する制御手段とを備える、アンテナ、アンテナ装置及び無線装置が提供される。
 また、上記目的を達成するため、
 給電点に接続された給電素子と、
 前記給電素子から離れて配置されて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第1の放射素子と、
 前記給電素子から離れて配置されて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第2の放射素子と、
 前記給電素子とインピーダンス可変手段を介して接続された第1の制御素子と、
 前記給電素子とインピーダンス可変手段を介して接続された第2の制御素子と、
 前記給電素子と前記第1の制御素子との接続および前記給電素子と前記第2の制御素子との接続におけるインピーダンス可変手段を制御する制御手段とを備え、
 前記第1の制御素子は、前記第1の放射素子の共振周波数において前記第1の制御素子の高インピーダンスとなる部位と前記第1の放射素子の低インピーダンスとなる部位とが近接するように配置され、
 前記第2の制御素子は、前記第2の放射素子の共振周波数において前記第2の制御素子の高インピーダンスとなる部位と前記第2の放射素子の低インピーダンスとなる部位とが近接するように配置された、アンテナ、アンテナ装置及び無線装置が提供される。
 給電素子と放射素子が非接触のまま指向性を制御できる。
アンテナの解析モデルの一例を示した斜視図 アンテナの各構成の位置関係の一例を模式的に示した図 制御手段の一例を示した図 アンテナの指向性を示した図 アンテナの指向性を示した図 マッチング回路の効果を示したS11特性図 複数のアンテナを備えるアンテナ装置の解析モデルの一例を示した斜視図 アンテナの解析モデルの一例を示した斜視図 アンテナの各構成の位置関係の一例を模式的に示した図 アンテナの指向性を示した図 アンテナの指向性を示した図 マッチング回路の効果を示したS11特性図 複数のアンテナを備えるアンテナ装置の解析モデルの一例を示した斜視図 S11,S22と相関係数を示した図 S11,S22と相関係数を示した図 S11,S22と相関係数を示した図 S11,S22と相関係数を示した図 アンテナの指向性を示した図 アンテナの指向性を示した図 アンテナの指向性を示した図 アンテナの指向性を示した図 アンテナの指向性を示した図 アンテナの指向性を示した図 アンテナの指向性を示した図 アンテナの指向性を示した図 アンテナの解析モデルの一例を示した斜視図 図26のS11特性図 アンテナの解析モデルの一例を示した斜視図 制御手段の一例を示した図 指向性の連続的な変化を示した図 アンテナ装置の一例を模式的に示した平面図 アンテナ装置の一例を模式的に示した平面図
 <アンテナ1の構成>
 図1は、本発明の一実施形態であるアンテナ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斜視図である。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1は、給電点11と、グランドプレーン70と、給電素子20と、第1の放射素子30と、第2の放射素子40と、第1の給電部35と、第2の給電部45と、第1の制御素子50と、第2の制御素子60と、インピーダンス制御部120とを備えている。以下、第1の放射素子30、第2の放射素子40、第1の給電部35、第2の給電部45、第1の制御素子50、第2の制御素子60を、それぞれ、単に、放射素子30、放射素子40、給電部35、給電部45、制御素子50、制御素子60と記載する。給電部35は、放射素子30単体に対する給電部位であり、給電部45は、放射素子40単体に対する給電部位であり、アンテナ1としての給電部位ではない。アンテナ1としての給電部位は、給電点11である。
 給電点11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。給電点11は、例えば、グランドプレーン70の外縁部71の中央部に設けられている。
 給電素子20は、グランドプレーン70をグランド基準とする給電点11に接続された導体である。給電素子20は、給電点11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20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。
 給電素子20は、放射素子30及び放射素子40から所定距離離れて配置された導体である。給電素子20は、例えば、放射素子30及び放射素子40から、Z軸に平行な方向成分を有する間隔をあけて配置されている。
 なお、図1の場合、給電素子20は、放射素子30及び放射素子40とZ軸に平行な方向での平面視において重複している。しかしながら、給電素子20が放射素子30及び放射素子40に非接触で給電可能な距離離れていれば、Z軸に平行な方向での平面視において必ずしも重複していなくてもよい。例えば、X軸又はY軸に平行な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。
 給電素子20は、放射素子30の給電部35を介して、放射素子30に対して非接触で給電可能であって、且つ、放射素子40の給電部45を介して、放射素子40に対して非接触で給電可能な導体である。給電素子20は、例えば、給電素子20の少なくとも一部とグランドプレーン70とが、グランドプレーン70の法線方向における平面視で重複しないように配置された線状の導体である。グランドプレーン70の法線方向は、図1の場合、Z軸に平行な方向である。
 給電素子20は、例えば、XY平面に平行なグランドプレーン70の外縁部71から離れる方向に、給電点11を起点に端部21まで延伸する線状の導体部分を有する線状導体である。端部21は、外縁部71から離れる方向における、給電素子20の先端部である。図1には、グランドプレーン70に平行且つ外縁部71に直角な方向に延伸する給電素子20が例示されている。グランドプレーン70に平行且つ外縁部71に直角な方向は、図1の場合、Y軸に平行な方向である。
 なお、図1には、給電素子20にマッチング回路90が設けられている例が示されているが、マッチング回路90は無くてもよい。マッチング回路90についての説明は、後述する。
 給電素子20は、グランドプレーン70の法線方向における平面視で、放射素子30の一方の端部33と放射素子40の一方の端部43との間のギャップ130に近づくように給電点11から端部21まで延伸する。給電素子20は、放射素子30の端部33及び放射素子40の端部43から所定距離離れた端部21を有し、端部21は、ギャップ130の近傍に位置する。
 図1には、XY平面内に配置されたT字状の給電素子20が例示されているが、給電素子20は、L字状、I字状などの他の形状であってもよい。また、給電素子20は、XY平面内で延在する導体部分と、XY平面とは異なる平面内で延在する導体部分とを有する導体でもよい。
 放射素子30は、一方の端部33と他方の端部34とを有し、端部33から端部34まで直線的に延伸している放射導体である。端部33及び端部34は、他の導体が接続されていない開放端である。放射素子30は、例えば、放射素子30の少なくとも一部とグランドプレーン70とが、グランドプレーン70の法線方向における平面視で重複しないように配置された線状の導体である。
 放射素子30は、例えば、グランドプレーン70の外縁部71に沿うように配置された線状の放射導体部分を有する線状導体である。放射素子30は、例えば、外縁部71に対してグランドプレーン70とは反対側に、外縁部71から所定の最短距離離れた状態で、外縁部71に平行な方向に延在している導体部分31を有している。外縁部71に平行な方向は、図1の場合、X軸に平行な方向である。放射素子30が、外縁部71に沿った導体部分31を有することによって、例えばアンテナ1の指向性を容易に制御することが可能となる。
 図1には、XY平面内に配置された直線状の放射素子30が例示されているが、放射素子30は、L字状などの他の形状であってもよい(図28参照。詳細は後述)。また、放射素子30は、XY平面内で延在する導体部分と、XY平面とは異なる平面内で延在する導体部分とを有する導体でもよい。
 放射素子40は、放射素子30と同一又は同様の形状を有しているとよいため、その詳細な構成についての説明は簡略する。放射素子40は、一方の端部43と他方の端部44とを有し、端部43から端部44まで直線的に延伸しているアンテナ導体である。放射素子40は、例えば、外縁部71に対してグランドプレーン70とは反対側に、外縁部71から所定の最短距離離れた状態で、外縁部71に平行な方向に延在している導体部分41を有している。
 放射素子30と放射素子40は、互いに異なる方向に延伸する導体であり、給電素子20から互いに離れる方向に延伸する導体である。放射素子30と放射素子40は、図1の場合、互いに同一のXY平面内に配置された導体であるが、互いに異なる平面内に配置された導体でもよい。また、放射素子30と放射素子40は、図1の場合、一直線上に位置しているが、互いに異なる直線上に位置してもよい。例えば、Z軸に平行な方向での平面視において、図1の場合、給電素子20の端部21に対してグランドプレーン70から遠い側と近い側に配置されてもよい。
 制御素子50は、放射素子30から所定距離離れて配置された導体である。制御素子50は、例えば、放射素子30から、Z軸に平行な方向成分を有する間隔をあけて配置されている。制御素子50は、給電素子20の端部21にインピーダンス制御部120を介して接続され、インピーダンス制御部120から端部51まで直線的に延伸している。端部51は、他の導体が接続されていない開放端である。制御素子50は、例えば、制御素子50の少なくとも一部とグランドプレーン70とが、グランドプレーン70の法線方向における平面視で重複しないように配置された線状の導体である。
 制御素子50は、例えば、放射素子30に沿うように配置された線状の導体部分を有する線状導体である。図1には、XY平面内に配置された直線状の制御素子50が例示されているが、制御素子50は、L字状などの他の形状であってもよい(図28参照。詳細は後述)。また、制御素子50は、XY平面内で延在する導体部分と、XY平面とは異なる平面内で延在する導体部分とを有する導体でもよい。
 制御素子60は、放射素子40から所定距離離れて配置された導体であるが、制御素子50と同一又は同様の形状を有しているとよいため、その詳細な構成についての説明は簡略する。制御素子60は、給電素子20の端部21にインピーダンス制御部120を介して接続され、インピーダンス制御部120から端部61まで直線的に延伸している。
 制御素子50と制御素子60は、図1の場合、互いに同一のXY平面内に配置された導体であるが、互いに異なる平面内に配置された導体でもよい。また、制御素子50と制御素子60は、図1の場合、一直線上に位置しているが、互いに異なる直線上に位置してもよい。また、制御素子50と制御素子60は、図1の場合、給電素子20と同一のXY平面内に配置された導体であるが、給電素子20と異なる平面内に配置された導体でもよい。
 図2は、アンテナ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。本発明の実施形態に係るアンテナは、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30,40がカバーガラスの表面に設けられる場合、放射素子30,40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30,40が黒色隠蔽膜上に形成されてもよい。
 また、給電素子20、放射素子30,40及び制御素子50,60、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、複数のアンテナが一つの無線通信装置に搭載されてもよい。
 給電素子20及び制御素子50,60は、図2の場合、基板80の表面に設けられているが、基板80の内部に設けられてもよい。
 例えば、給電素子20と給電素子20に接する媒質とを含んで構成されたチップ部品が基板80に実装される。これにより、媒質に接した給電素子20を基板80に容易に実装できる。
 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11とを備えている。グランドプレーン70は、図2の場合、基板80の表層に形成された部位であるが、基板80の内層に形成された部位であってもよい。
 基板80は、給電点11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。
 放射素子30,40は、給電素子20及び制御素子50,60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30,40は、図2では基板110の給電素子20及び制御素子50,60に対向する側の表面に配置されている。しかしながら、放射素子30,40は、基板110の給電素子20及び制御素子50,60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20と放射素子30,40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30は、給電部35で給電素子20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30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30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30上に形成される。すなわち、放射素子30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。なお放射素子40は、給電部45で給電素子20を介して電磁界結合によって非接触で給電されるが、放射素子30と同様であるため、その詳細についての説明は省略する。
 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20と放射素子30,40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20と放射素子30,40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20と放射素子30,40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20と放射素子30,40を物理的に接触させることなく、給電素子20を用いて放射素子30,40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20と放射素子30,40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30,40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20と放射素子30,40を電磁界結合させることで、給電素子20と放射素子30,40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20及び放射素子30,40の配置位置等がずれても、放射素子30,40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20と放射素子30,40の配置位置を決める自由度が高いため、アンテナ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20を用いて放射素子30,40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20が放射素子30に給電する部位である給電部35は、図1の場合、放射素子30の一方の端部33と他方の端部34との間の中央部32以外の部位(中央部32と端部33又は端部34との間の部位)に位置している。このように、給電部35を放射素子30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(中央部32)以外の放射素子30の部位に位置させることによって、アンテナ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35は、放射素子30と給電素子20とが最近接する放射素子30の導体部分のうち給電点11に最も近い部分で定義される部位である。
 放射素子30のインピーダンスは、ダイポールモードの場合、放射素子30の中央部32から端部33又は端部34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20と放射素子30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30の給電部35は、放射素子30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35は、放射素子30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(中央部32)から放射素子30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30の全長は、放射素子40の全長L15と同じであり、給電部35は、中央部32に対して端部33側に位置している。
 給電部45は、放射素子40に給電する部位であるが、給電部35と同じ機能を有しているとよいため、その詳細な構成についての説明は省略する。なお、放射素子の基本モードの共振がループモードの場合、給電部は、放射素子の基本モードの共振周波数における最も高いインピーダンスになる部分からループの内周側の周長の3/16以下(好ましくは、1/8以下、さらに好ましくは、1/16以下)の距離を離した範囲内の部位に位置するとよい。
 また、給電素子20の共振の基本モードを与える電気長をLe20、放射素子30,40の共振の基本モードを与える電気長をLe30、Le40、放射素子30,40の基本モードの共振周波数fにおける給電素子20または放射素子30,40上での波長をλとして、Le20が、(3/8)・λ以下であり、かつ、Le30、Le40が、放射素子30,40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30,40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Le20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。Le20がこの範囲内であれば、給電素子20が放射素子30,40の設計周波数(共振周波数f)にて良好に共振するため、アンテナ1のグランドプレーン70に依存せずに給電素子20と放射素子30,40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30,40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20は外縁部71との相互作用により、給電素子20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30,40と共鳴して電磁界結合する。そのため、給電素子20の電気長Le20の下限値は特になく、給電素子20が放射素子30,40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20が放射素子30,40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20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1の多周波化を容易に実現できる。なお、放射素子30,40に沿うグランドプレーン70の外縁部71は、給電素子20の電気長と合計して設計周波数(共振周波数f11)の(1/4)・λ以上の長さであることがよい。
 なお給電素子20の物理的な長さL20(図1の場合、L14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として、実装される環境による短縮効果の短縮率をkとしたとき、λg1=λ・kによって決定される。ここでkは、給電素子20の環境の実効比誘電率(εr1)および実効比透磁率(μr1)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、L20は、(3/8)・λg1以下である。給電素子20の物理的な長さL20は、Le20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、Le20と等しい。給電素子20が、整合回路などを含む場合、L20は、ゼロを超え、Le20以下が好ましい。L20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Le30、Le40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。Le30、Le40がこの範囲内であれば、放射素子30,40が充分に放射導体として機能し、アンテナ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Le30、Le40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Le30、Le40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30,40の物理的な長さL30、L40(図1の場合、L15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として、実装される環境による短縮効果の短縮率kをとしたとき、λg2=λ・kによって決定される。ここでkは、放射素子30,40の環境の実効比誘電率(εr2)および実効比透磁率(μr2)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、L30、L40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)・λg2以上(5/8)・λg2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)・λg2以上(9/8)・λg2以下である。放射素子30,40の物理的な長さL30、L40は、それぞれLe30、Le40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、Le30、Le40と等しい。L30、L40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、Le30、Le40以下が好ましく、Le30、Le40の0.4倍以上1倍以下が特に好ましい。
 また、図1に示すように給電素子20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において、給電素子20を前述のように放射導体として機能させてもよい。放射素子30,40は、給電素子20によって給電部35,45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20は、放射素子30,40に対して給電可能な線状の給電導体であるが、給電点11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30,40の共振周波数をf、給電素子20の共振周波数をfと設定し、給電素子20の長さを周波数f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1の多周波化を容易に実現できる。
 給電素子20の放射機能を利用したときの物理的な長さL20は、整合回路などを含んでいない場合、給電素子20の共振周波数fにおける真空中の電波の波長をλとして、実装される環境による短縮効果の短縮率をkとしたとき、λg3=λ・kによって決定される。ここでkは、給電素子20の環境の実効比誘電率(εr1)および実効比透磁率(μr1)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、L20は、(1/8)・λg3以下(3/8)・λg3以下であり、好ましくは、(3/16)・λg3以上(5/16)・λg3以下である。給電素子20の物理的な長さL20は、Le20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、Le20と等しい。給電素子20が、整合回路などを含む場合、L20は、ゼロを超え、Le20以下が好ましい。L20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30,40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とする場合、給電素子20と放射素子30,40との最短距離xは、0.2×λ以下(より好ましくは、0.1×λ以下、更に好ましくは、0.05×λ以下)であると好適である。給電素子20と放射素子30をこのような最短距離xだけ離して配置することによって、放射素子30,40の動作利得を向上させる点で有利である。
 なお、最短距離xとは、給電素子20と放射素子30,40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20と放射素子30,40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20と放射素子30,40とが最短距離xで並走する距離は、ダイポールモードの場合は、放射素子30,40の長さの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。モノポールモードの場合は、放射素子160,170の長さの3/4以下であることが好ましい。より好ましくは、1/2以下、更に好ましくは、1/4以下である。最短距離xとなる位置は給電素子20と放射素子30,40との結合が強い部位であり、最短距離xで並走する距離が長いと、放射素子30,40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30,40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x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。
 図1の場合、最短距離xは、給電素子20の端部21と放射素子30の端部33との最短距離であり、給電素子20の端部21と放射素子40の端部43との最短距離である。給電部35は、端部33(端部33の近傍における放射素子30の導体部分を含んでよい)に位置し、給電部45は、端部43(端部43の近傍における放射素子40の導体部分を含んでよい)に位置する。
 図1の放射素子30は、給電素子20によって給電部35で非接触に給電されることにより(特には、電磁界結合で給電されることにより)、ダイポールモードで動作するアンテナ(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。放射素子40についても同様である。
 一方、給電素子20は、放射素子30,40に対して給電可能な線状の給電導体であるが、給電点11で給電されることにより、モノポールモードで動作するアンテナ(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30は、中央部32に対して端部33寄りに給電部35を有しているので、給電素子20と高インピーダンスで電磁界結合する。同様に、放射素子40は、中央部42に対して端部43寄りに給電部45を有しているので、給電素子20と高インピーダンスで電磁界結合する。
 給電素子20が高インピーダンスで放射素子30と放射素子40のいずれにも電磁界結合している状態では、アンテナ1の指向性は、給電素子20を通るYZ平面に対して、環境が一様であれば線対称になる。
 インピーダンス制御部120は、給電素子20と制御素子50とを接続するインピーダンス可変手段と、給電素子20と制御素子60とを接続するインピーダンス可変手段と有している。インピーダンス可変手段は、給電素子と制御素子との間のインピーダンスを、低インピーダンスから高インピーダンス又は高インピーダンスから低インピーダンスに変化させることが可能な手段であり、例えば、インピーダンスを調整可能なインピーダンス調整部である。
 インピーダンス可変手段は、例えば、給電素子と制御素子との間のインピーダンスを低インピーダンスと高インピーダンスのうちのいずれか一方に選択的に切り替え可能なスイッチである。スイッチがオンすることで、給電素子と制御素子との間のインピーダンスが低インピーダンスとなり、スイッチがオフすることで、給電素子と制御素子との間のインピーダンスが高インピーダンスとなる。あるいは、インピーダンス可変手段は、例えば、給電素子と制御素子との間のインピーダンスを連続的に増加方向又は減少方向に変化させるものでもよい。
 制御素子50は、例えば、放射素子30の共振周波数において制御素子50と給電素子20との間のインピーダンス可変手段のインピーダンスの低下に伴って給電素子20と放射素子30との電磁界結合が弱まり放射素子30の放射導体としての機能が低下するよう配置される。制御素子50は、例えば、制御素子50と給電素子20との間のインピーダンス可変手段が低インピーダンスになるとき、給電素子20と放射素子30との電磁界結合が弱まり放射素子30が放射導体として機能しなくなるよう配置されてもよい。図1の場合、制御素子50は、放射素子30の共振周波数において制御素子50の高インピーダンスとなる部位と放射素子30の低インピーダンスとなる部位とが近接するように配置される。制御素子50の高インピーダンスとなる部位は、例えば、端部51であり、放射素子30の低インピーダンスとなる部位は、例えば、中央部32である。
 制御素子60も制御素子50と同様である。制御素子60は、例えば、放射素子40の共振周波数において制御素子60と給電素子20との間のインピーダンス可変手段のインピーダンスの低下に伴って給電素子20と放射素子40との電磁界結合が弱まり放射素子40の放射導体としての機能が低下するよう配置される。制御素子60は、例えば、制御素子60と給電素子20との間のインピーダンス可変手段が低インピーダンスになるとき、給電素子20と放射素子40との電磁界結合が弱まり放射素子40が放射導体として機能しなくなるよう配置されてもよい。図1の場合、制御素子60は、放射素子40の共振周波数において制御素子60の高インピーダンスとなる部位と放射素子40の低インピーダンスとなる部位とが近接するように配置される。制御素子60の高インピーダンスとなる部位は、例えば、端部61であり、放射素子40の低インピーダンスとなる部位は、例えば、中央部42である。
 給電素子20と放射素子30の高インピーダンス部分(給電部35)とで電磁界結合した状態のアンテナ1において、インピーダンス制御部120により、低インピーダンスで給電素子20と制御素子50とが接続される。インピーダンス制御部120により、低インピーダンスで給電素子20と制御素子50とが接続されることによって、給電素子20と放射素子30との電磁界結合が弱まる。すなわち、放射素子30の共振周波数において、制御素子50の高インピーダンス部分である端部51と放射素子30の低インピーダンス部分である中央部32とが近接して配置されているため、給電素子20と制御素子50とが低インピーダンスで接続されることにより給電素子20と放射素子30との電磁界結合が弱まる。同様に、給電素子20と放射素子40の高インピーダンス部分(給電部45)とで電磁界結合した状態のアンテナ1において、インピーダンス制御部120により、低インピーダンスで給電素子20と制御素子60とが接続される。インピーダンス制御部120により、低インピーダンスで給電素子20と制御素子60とが接続されることによって、給電素子20と放射素子40との電磁界結合が弱まる。
 したがって、給電素子20が放射素子30と放射素子40のいずれにも電磁界結合しているときに、給電素子20と制御素子50とが低インピーダンスで接続されることによって、給電素子20と放射素子30との電磁界結合が弱まる。これにより、放射素子30のアンテナ利得が放射素子40のアンテナ利得よりも小さくなり、放射素子40からの放射が支配的になるため、アンテナ1の指向性を変化させることが可能になる。同様に、給電素子20が放射素子30と放射素子40のいずれにも電磁界結合しているときに、給電素子20と制御素子60とが低インピーダンスで接続されることによって、給電素子20と放射素子40との電磁界結合が弱まる。これにより、放射素子40のアンテナ利得が放射素子30のアンテナ利得よりも小さくなり、放射素子30からの放射が支配的になるため、アンテナ1の指向性を変化させることが可能になる。
 また、放射素子30と給電素子20との電磁界結合及び放射素子40と給電素子20との電磁界結合が弱まることによって、放射素子30と放射素子40の両方のアンテナ利得を小さくできる。これにより、例えば、アンテナ1及びアンテナ1を搭載する無線装置のSAR(Specific Absorption Rate)を下げ、人体への影響を低減できる。
 このように、アンテナ1の構成によれば、給電素子20は放射素子30と放射素子40のいずれにも非接触のまま、アンテナ1の指向性を切り替え制御できる。
 なお、図1の場合、制御素子50は、放射素子30とZ軸に平行な方向での平面視において重複している。しかしながら、制御素子50は、給電素子20が低インピーダンスで制御素子50に接続されることにより給電素子20と放射素子30との電磁界結合が弱まる位置であれば、放射素子30とZ軸に平行な方向での平面視において必ずしも重複していなくてもよい。例えば、X軸又はY軸に平行な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。制御素子60と放射素子40との重複関係についても同様である。
 インピーダンス制御部120は、例えば、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスを低くすることによって、放射素子30の放射導体としての機能を低下させるインピーダンス調整部121を有する。インピーダンス調整部121は、例えば、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスを零に近づけるように低くすることによって、放射素子30と給電素子20との電磁界結合が弱まる。インピーダンス調整部121は、例えば、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスを増減させることが可能なインピーダンス可変手段の一例であり、例えば、可変容量ダイオード等の素子又は当該素子を有する回路である。インピーダンス調整部121は、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスを徐変(漸減又は漸増)させることで、アンテナ1の指向性を連続的に変化させることができる。なお、インピーダンス制御部120は、インピーダンス調整部121に含まれるトランジスタ等のスイッチング素子をオン/オフすることによって、アンテナ1の指向性を切り替えるように制御してもよい。
 インピーダンス調整部121は、給電素子20と制御素子50との間を低インピーダンスにする(例えば、オンする)ことによって、給電素子20と制御素子50との間に流れるRF電流を増やすことができる。これにより、放射素子30と、制御素子50に低インピーダンスで接続された給電素子20との電磁界結合を弱め、放射素子30の放射導体としての機能を低下させることができる。逆に、インピーダンス調整部121は、給電素子20と制御素子50との間を高インピーダンスにする(例えば、オフする)ことによって、給電素子20と制御素子50との間に流れるRF電流を抑える又は止めることができる。これにより、放射素子30は、給電素子20と電磁界結合することができる。
 同様に、インピーダンス制御部120は、例えば、給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスを低くすることによって、放射素子40の放射導体としての機能を低下させるインピーダンス調整部122を有する。インピーダンス調整部122は、例えば、給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスを零に近づけるように低くすることによって、放射素子40と給電素子20との電磁界結合が弱まる。インピーダンス調整部122は、インピーダンス調整部121と同一の機能を有しているとよいので、その説明を省略する。
 図3は、インピーダンス制御部120の構成の一例を示した図である。インピーダンス制御部120は、キャパシタ147と、インダクタ143,144,148と、可変容量ダイオード145,146と、直流電圧源141,142とを有している。
 キャパシタ147とインダクタ148は直列に接続され、キャパシタ147の一端は、給電素子20の端部21に接続され、インダクタ148の一端は、グランドプレーン70に接続される。キャパシタ147とインダクタ148との中間接続点には、可変容量ダイオード145を介して、制御素子50の一端が接続され、可変容量ダイオード146を介して、制御素子60の一端が接続される。インダクタ143と直流電圧源141は直列に接続され、インダクタ143の一端は、可変容量ダイオード145と制御素子50との中間接続点に接続され、直流電圧源141の一端は、グランドプレーン70に接続される。インダクタ144と直流電圧源142は直列に接続され、インダクタ144の一端は、可変容量ダイオード146と制御素子60との中間接続点に接続され、直流電圧源142の一端は、グランドプレーン70に接続される。
 直流電圧源141が直流電圧の出力を高くすると、可変容量ダイオード145のキャパシタンスが小さくなることにより、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスが高くなるため、制御素子50に流れるRF電流を抑える又は止めることができる。これにより、給電素子20と制御素子50との接続を弱く又は無くすことができるため、給電素子20と電磁界結合する放射素子30を放射導体として機能させることができる。
 逆に、直流電圧源141が直流電圧の出力を低く又は停止すると、可変容量ダイオード145のキャパシタンスが大きくなることにより、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスが低くなるため、制御素子50に流れるRF電流を増やすことができる。これにより、給電素子20と制御素子50との接続を強めることができるため、給電素子20と電磁界結合する放射素子30の放射導体としての機能を抑える又は停止させることができる。
 同様に、直流電圧源142が直流電圧の出力を高くすると、可変容量ダイオード146のキャパシタンスが小さくなることにより、給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスが高くなるため、制御素子60に流れるRF電流を抑える又は止めることができる。これにより、給電素子20と制御素子60との接続を弱く又は無くすことができるため、給電素子20と電磁界結合する放射素子40を放射導体として機能させることができる。
 逆に、直流電圧源142が直流電圧の出力を低く又は停止すると、可変容量ダイオード146のキャパシタンスが大きくなることにより、給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスが低くなるため、制御素子60に流れるRF電流を増やすことができる。これにより、給電素子20と制御素子60との接続を強めることができるため、給電素子20と電磁界結合する放射素子40の機能を抑える又は停止させることができる。
 図3に示したインピーダンス制御部120によって、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスおよび給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスを徐変(漸減又は漸増)させることが可能となる。インピーダンスを徐変させることによって、指向性をオン/オフで切り替えるのではなく、周囲の環境の変化に従って指向性も徐々に変化させていくことが可能になる。
 図4及び図5は、アンテナ1の指向性を例示した図である。Directivityは、アンテナ1の基本モードの共振周波数(この場合、1.485GHzに設定)における指向性利得を表す。θは、給電点11とグランドプレーン70の中心点とを通るYZ平面内において給電素子20の延伸方向とのなす角度を表し、φは、グランドプレーン70の中心点を通るZX平面内においてグランドプレーン70の法線方向とのなす角度を表す(図1参照)。
 図4は、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスが高く、且つ、給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスが高い状態を示している。図5は、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスが高く、且つ、給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスが低い状態を示している。図4,図5に示されるように、アンテナ1の指向性を切り替えることができる。
 なお、アンテナ1の構造は、給電点11を通るYZ平面に対して対称性を有する。そのため、図5の場合とは逆に、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスが低く、且つ、給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスが高い状態の場合、アンテナ1は、φ=180°に関して図5に示される指向性に線対称な指向性を有する。
 図1において、アンテナ1は、例えば、インピーダンス制御部120に連動して、放射素子30及び放射素子40の基本モードの共振周波数を調整するマッチング回路90を備えてもよい。マッチング回路90は、インピーダンス制御部120が放射素子30と給電素子20との結合状態を変化させる又は放射素子40と給電素子20との結合状態を変化させることに連動して、共振周波数を調整する。マッチング回路90は、例えば、給電素子20に挿入又は接続される。
 マッチング回路90は、放射素子30と給電素子20との結合状態又は放射素子40と給電素子20との結合状態が変化することによって、放射素子30又は放射素子40の基本モードの共振周波数が変化しても、その共振周波数の変化を補正できる。
 図6は、アンテナ1において、マッチング回路90の効果を例示したS11特性図である。aは、マッチング回路90が無い場合、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスが高く、且つ、給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスが高い状態のときを示す(インピーダンス調整部121:高インピーダンス、インピーダンス調整部122:高インピーダンス)。bは、マッチング回路90が有る場合、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスが高く、且つ、給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスが高い状態のときを示す(インピーダンス調整部121:高インピーダンス、インピーダンス調整部122:高インピーダンス)。cは、マッチング回路90が無い場合、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスが高く、且つ、給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスが低い状態のときを示す(インピーダンス調整部121:高インピーダンス、インピーダンス調整部122:低インピーダンス)。
 図6は、マッチング回路90が、給電素子20に直列に挿入されたインダクタ(インダクタンス:15nH)と、給電素子20の端部21とグランドプレーン70との間に挿入されたインダクタ(インダクタンス:15nH)とにより構成された場合を示す。
 マッチング回路90が非動作の場合、インピーダンス調整部122の状態がオンからオフに切り替わると、放射素子30の基本モードの共振周波数(この場合、1.485GHz)がずれてしまう場合がある(cからaに変化)。しかしながら、インピーダンス調整部122の状態がオンからオフに切り替わることに連動して、マッチング回路90を動作させることによって、放射素子30の基本モードの共振周波数がずれることを防止できる(cからbに変化)。
 なお、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、
 L11:60
 L12:30
 L13:130
 L14:10.5
 L15:58
 L16:30
とした。また、給電素子20、放射素子30,40、制御素子50,60の各線幅は、1mmに設定した。
 また、S11特性の測定時の図2で示した各寸法に関し、基板80については、比誘電率ε=3.3、tanδ=0.003、板厚H1=0.8に設定し、基板110については、比誘電率ε=7.44、tanδ=0.011、板厚H3=1.1に設定した。また、基板80と基板110とのギャップH2は、2mmに設定した。
 <アンテナ装置201の構成>
 図7は、アンテナ1,2を備えるアンテナ装置201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斜視図である。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。上述の実施形態と同様の構成及び効果についての説明は、省略又は簡略する。
 アンテナ2は、アンテナ1と同一又は同様の構成を有し、グランドプレーン70に対してアンテナ1とは反対側に配置されている。アンテナ2は、給電素子22と、放射素子36と、放射素子46と、制御素子52と、制御素子62と、インピーダンス制御部125と、マッチング回路91とを備えている。
 給電素子22は、グランドプレーン70をグランド基準とする給電点12接続された導体である。給電点12は、例えば、グランドプレーン70の外縁部72の中央部に設けられている。外縁部72は、グランドプレーン70の中央部に対して外縁部71とは反対側の外縁部である。
 放射素子36と放射素子46は、それぞれ、給電素子22と電磁界結合する。制御素子52は、Z軸に平行な方向に放射素子36から離れて配置され、制御素子62は、Z軸に平行な方向に放射素子46から離れて配置されている。
 インピーダンス制御部125は、インピーダンス可変手段を制御することによって給電素子22と制御素子52、又は給電素子22と制御素子62を低インピーダンスで接続させる制御手段の一例である。インピーダンス制御部125は、例えば、上述のインピーダンス調整部121と同様のインピーダンス調整部123を有する。インピーダンス調整部123は、例えば、給電素子22と制御素子52との間のインピーダンスを低くすることによって、放射素子36と給電素子22との電磁界結合が弱まる。同様に、インピーダンス制御部125は、例えば、上述のインピーダンス調整部122と同様のインピーダンス調整部124を有する。インピーダンス調整部124は、例えば、給電素子22と制御素子62との間のインピーダンスを低くすることによって、放射素子46と給電素子22との電磁界結合が弱まる。
 マッチング回路91は、上記のマッチング回路90と同様に、インピーダンス制御部125に連動して、放射素子36及び放射素子46の基本モードの共振周波数を調整する。
 アンテナ装置201は、アンテナ1,2を備えることによって、MIMO(Multiple Input Multiple Output)アンテナとして機能する。また、アンテナ装置201は、インピーダンス調整部121,122,123,124のそれぞれがどのようなインピーダンスに調整されても、アンテナ1とアンテナ2との間の相関係数を低く保ったまま、アンテナ1,2それぞれの指向性を切り替え制御できる。
 <アンテナ3の構成>
 図8は、本発明の一実施形態であるアンテナ3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斜視図である。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。上述の実施形態と同様の構成及び効果についての説明は、省略又は簡略する。
 アンテナ3は、グランドプレーン70と、板状導体150と、給電素子20と、放射素子160と、放射素子170と、制御素子50と、制御素子60と、インピーダンス制御部120とを備えている。給電素子20と、制御素子50と、制御素子60と、インピーダンス制御部120と、マッチング回路90とは、図1と同様である。
 グランドプレーン70は、少なくとも一本の辺を外縁部として有する平面状のグランドパターンであり、図8には、XY平面内に延在する方形状のグランドプレーン70が例示されている。図8のグランドプレーン70は、X軸方向に直線的に延伸する外縁部71と、Y軸方向に直線的に延伸する外縁部73と、X軸方向に直線的に延伸し外縁部71に対向する外縁部72と、Y軸方向に直線的に延伸し外縁部73に対向する外縁部74とを有している。
 板状導体150は、グランドプレーン70に対して平行に配置されるようにZ軸に平行な方向に間隔をあけて設置された平面状の導体である。図8には、外縁部151,152,153,154を有し、XY平面内に延在する多角形の板状導体150が例示されている。
 板状導体150が、グランドプレーン70の少なくとも一つの外縁部に沿うように設けられた外縁部を有している場合、板状導体150とグランドプレーン70との間で共振しやすくなるため、アンテナ3の共振の数を増やすことができる。図8の場合、板状導体150の外縁部151,152,153,154が、それぞれ、グランドプレーン70の外縁部71,72,73,74に沿って並走するように平行に設けられている。外縁部151は、Z軸に平行な方向からの平面視において、外縁部71の位置と一致していてもよいし、ずれていてもよい。外縁部152,153,154についても同様である。
 板状導体150は、グランドプレーン70にZ軸に平行な方向に間隔をあけて対向している対向部位を有している。板状導体150は、グランドプレーン70と高周波的に結合可能な距離離れた方形状の導体である。板状導体150は、X軸方向に直線的に延伸する外縁部151と、Y軸方向に直線的に延伸する外縁部153と、X軸方向に直線的に延伸し外縁部151に対向する外縁部152と、Y軸方向に直線的に延伸し外縁部153に対向する外縁部154とを有している。
 給電素子20は、放射素子160及び放射素子170から所定距離離れて配置された導体である。給電素子20は、例えば、放射素子160及び放射素子170から、Z軸に平行な方向成分を有する間隔をあけて配置されている。
 なお、図8の場合、給電素子20は、放射素子160及び放射素子170とZ軸に平行な方向での平面視において重複している。しかしながら、給電素子20が放射素子160及び放射素子170に非接触で給電可能な距離離れていれば、Z軸に平行な方向での平面視において必ずしも重複していなくてもよい。例えば、X軸又はY軸に平行な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。
 給電素子20は、放射素子160の給電部165を介して、放射素子160に対して非接触で給電可能であって、且つ、放射素子170の給電部175を介して、放射素子170に対して非接触で給電可能な導体である。
 給電素子20は、グランドプレーン70の法線方向における平面視で、放射素子160の一方の端部163と放射素子170の一方の端部173との間のギャップ131に近づくように給電点11から端部21まで延伸する。給電素子20は、放射素子160の端部163及び放射素子170の端部173から所定距離離れた端部21を有し、端部21は、ギャップ131の近傍に位置する。
 放射素子160は、板状導体150に接続された線状の導体であり、板状導体150の外縁部151に対して板状導体150とは反対側の方向に外縁部151から突出している放射導体である。放射素子160は、放射素子160の少なくとも一部とグランドプレーン70とがZ軸に平行な方向における平面視で重複しないように形成されている。放射素子160は、一方の端部164と他方の端部163とを有し、一方の端部164から曲折部167を経由して他方の端部163までL字状に延伸している。端部164は、板状導体150の外縁部151の一方の端部155の近傍に接続される根元部であり、端部163は、他の導体が接続されていない開放端である。
 放射素子160は、例えば、グランドプレーン70の外縁部71に沿うように配置された線状の放射導体部分を有する線状導体である。放射素子160は、例えば、外縁部71に対してグランドプレーン70とは反対側に、外縁部71から所定の最短距離離れた状態で、外縁部71に平行な方向に延在している導体部分161を有している。外縁部71に平行な方向は、図8の場合、X軸に平行な方向である。放射素子160が、外縁部71に沿った導体部分161を有することによって、例えばアンテナ3の指向性を容易に制御することが可能となる。
 図8には、XY平面内に配置されたL字状の放射素子160が例示されているが、放射素子160は、直線状などの他の形状であってもよい。また、放射素子160は、XY平面内で延在する導体部分と、XY平面とは異なる平面内で延在する導体部分とを有する導体でもよい。
 放射素子170は、放射素子160と同一又は同様の形状を有しているとよいため、その詳細な構成についての説明は簡略する。放射素子170は、一方の端部174と他方の端部173とを有し、端部174から端部173までL字状に延伸しているアンテナ導体である。端部174は、板状導体150の外縁部151の一方の端部156の近傍に接続される根元部であり、端部173は、他の導体が接続されていない開放端である。放射素子170は、例えば、外縁部71に対してグランドプレーン70とは反対側に、外縁部71から所定の最短距離離れた状態で、外縁部71に平行な方向に延在している導体部分171を有している。
 放射素子170と放射素子160は、互いに異なる方向に延伸する導体であり、給電素子20に互いに近づく方向に延伸する導体である。放射素子170と放射素子160は、図8の場合、互いに同一のXY平面内に配置された導体であるが、互いに異なる平面内に配置された導体でもよい。また、放射素子160の導体部分161と放射素子170の導体部分171は、図8の場合、一直線上に位置しているが、互いに異なる直線上に位置してもよい。
 なお、図8の場合、放射素子160と給電素子20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20が放射素子160に電磁界結合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。
 給電素子20と放射素子160は、例えば、互いに高周波的に結合可能な距離で離れて配置されている。放射素子160は、給電素子20を介し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160は、アンテナの放射導体として機能する。図8に示すように、放射素子160が、一端が大きな面積の板状導体150に接続され、他端が開放端である線状導体である場合、λ/4モノ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160上に形成される。すなわち、放射素子160は、所定の周波数の4分の1波長で共振するモノポールアンテナとして機能(以下、モノポールモードという)する。
 放射素子170は、放射素子160と同一又は同様の形状を有しているとよいため、その詳細な構成についての説明は簡略する。給電素子20と放射素子170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170は、給電素子20を介し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170は、アンテナの放射導体として機能する。
 また、放射素子160,170の共振の基本モードを与える電気長をLe160、Le170、放射素子160,170の基本モードの共振周波数fにおける放射素子160,170上での波長をλとして、Le160,Le170が、(1/8)・λ以上(3/8)・λ以下である。
 また、前記Le160,Le170は、放射素子の共振の基本モードがモノポールモード(放射素子が板状導体の外縁部に接続され、開放端を有する)である場合、(1/8)・λ以上(3/8)・λ以下が好ましく、(3/16)・λ以上(5/16)・λ以下がより好ましく、(7/32)・λ以上(9/32)・λ以下が特に好ましい。Le160,Le170がこの範囲内であれば、放射素子160,170が充分に放射導体として機能し、アンテナ3の効率が良く好ましい。
 なお放射素子160,170の物理的な長さをL160,L170(図8の場合、L18+L19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として、実装される環境による短縮効果の短縮率kをとしたとき、λg2=λ・kによって決定される。ここでkは、放射素子160,170の環境の実効比誘電率(εr2)および実効比透磁率(μr2)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、L160,L170は、放射素子の共振の基本モードがモノポールモードである場合、(1/8)・λg2以上(3/8)・λg2以下である。放射素子160,170の物理的な長さL160,L170は、Le160,Le170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、Le160,Le170と等しい。L160,L170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、Le160,Le170以下が好ましく、Le160,Le170の0.4倍以上1倍以下が特に好ましい。
 また、図8の場合、給電素子20が放射素子160,170に給電する部位である給電部165,175は、放射素子160,170の板状導体150と接続している放射素子160,170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(端部164,174)から他方の端部163、173の側に近い部位に位置させることによって、アンテナ3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。特には中央部162,172より端部163,173側に位置させることが好ましい。なお、給電部165,175は、放射素子160,170と給電素子20とが最近接する放射素子160,170の導体部分のうち給電点11に最も近い部分で定義される部位である。また、給電部165,175は、放射素子160,170単体に対する給電部位であり、アンテナ3としての給電部位ではない。アンテナ3としての給電部位は、給電点11である。
 放射素子160,170のインピーダンスは、モノポールモードの場合、放射素子160,170の端部164,174から端部163、173に近づくにつれて高くなる。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20と放射素子160,170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160,170の給電部165,175は、放射素子160,170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3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165,175は、放射素子160,170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(端部164,174)から放射素子160,170の全長の1/4以上(好ましくは、1/3以上、より好ましくは、1/2以上)の距離を離した部位、さらに好ましくは中央部162,172よりも端部163,173側に位置するとよい。図8の場合、放射素子160,170の全長は、L18+L19に相当し、給電部165,175は、中央部162,172よりも端部163,173側に位置している。
 このように、アンテナ3の構成の場合、比較的大きな面積を有する板状導体150が設けられていても、放射素子160,170は給電素子20によって非接触で給電されるので、放射素子160,170又は給電素子20の形態やレイアウトなどの制約を緩和できる。給電素子20が放射素子160,170に非接触で給電可能な距離さえ確保できれば、給電素子20と放射素子160,170との位置関係を自由に決められるため、アンテナ3を充分に機能させることを容易に実現できる。
 図9は、アンテナ3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。上述の実施形態と同様の構成及び効果についての説明は、省略又は簡略する。給電素子20と放射素子160,170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。
 グランドプレーン70と板状導体150とが、接続導体84によって、直流的に接続されてもよい。接続導体84の数は、一つでも複数でもよい。基板80に発熱体83が設置されている場合、発熱体83が発する熱を基板80及び接続導体84を介して板状導体150に伝導させることができる。
 板状導体150は、放熱作用を有する放熱板又はヒートシンクとして機能することが可能である。板状導体150は、基板80に設置された発熱体83の熱を放熱してもよいし、基板110に設置された不図示の発熱体の熱を放熱してもよい。
 接続導体84の具体例として、ビアやワイヤー等の配線、金属板などが挙げられる。発熱体83の具体例として、基板80に実装される回路構成部品(トランジスタ、ICなど)が挙げられる。
 図8には、接続導体84として、グランドプレーン70の外縁部74と板状導体150の外縁部154とを接続する細長の金属板と、グランドプレーン70の外縁部73と板状導体150の外縁部153とを接続する細長の金属板が例示されている。
 放射素子160は、中央部162に対して端部163寄りに給電部165を有しているので、給電素子20は放射素子160の高インピーダンス部分と電磁界結合する。同様に、放射素子170は、中央部172に対して端部173寄りに給電部175を有しているので、給電素子20は放射素子170の高インピーダンスで電磁界結合する。
 給電素子20が高インピーダンスで放射素子160と放射素子170のいずれにもマッチングした状態で電磁界結合している状態では、アンテナ3の指向性は、給電素子20を通るYZ平面に対して、環境が一様であれば線対称になる。
 インピーダンス制御部120は、インピーダンス可変手段を制御することによって給電素子20と制御素子50および給電素子20と制御素子60とをインピーダンス可変で接続させる制御手段の一例である。図8のインピーダンス制御部120の構成及び機能については、上述した内容と同様である。
 図10及び図11は、アンテナ3の指向性を例示した図である。Directivityは、アンテナ3の基本モードの共振周波数(この場合、1.175GHzに設定)における指向性利得を表す。θは、給電点11とグランドプレーン70の中心点とを通るYZ平面内において給電素子20の延伸方向とのなす角度を表し、φは、グランドプレーン70の中心点を通るZX平面内においてグランドプレーン70の法線方向とのなす角度を表す(図8参照)。
 図10は、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスが高く、且つ、給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスが高い状態を示している。図11は、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスが高く、且つ、給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスが低い状態を示している。図10,図11に示されるように、アンテナ3の指向性を切り替えることができる。
 なお、アンテナ3の構造は、給電点11を通るYZ平面に対して対称性を有する。そのため、図11の場合とは逆に、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスが低く、且つ、給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスが高い状態の場合、アンテナ3は、φ=180°に関して図11に示される指向性に線対称な指向性を有する。
 図8において、アンテナ3は、例えば、インピーダンス制御部120に連動して、放射素子160及び放射素子170の基本モードの共振周波数を調整するマッチング回路90を備えてもよい。マッチング回路90は、インピーダンス制御部120が放射素子160と給電素子20との結合状態を変化させる又は放射素子170と給電素子20との結合状態を変化させることに連動して、共振周波数を調整する。マッチング回路90は、例えば、給電素子20に挿入又は接続される。
 マッチング回路90は、放射素子160と給電素子20との結合状態又は放射素子170と給電素子20との結合状態が変化することによって、放射素子160又は放射素子170の基本モードの共振周波数が変化しても、その共振周波数の変化を補正できる。
 図12は、アンテナ3において、マッチング回路90の効果を例示したS11特性図である。dは、マッチング回路90が無い場合、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスが高く、且つ、給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスが高い状態のときを示す(インピーダンス調整部121:高インピーダンス、インピーダンス調整部122:高インピーダンス)。eは、マッチング回路90が有る場合、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスが高く、且つ、給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスが高い状態のときを示す(インピーダンス調整部121:高インピーダンス、インピーダンス調整部122:高インピーダンス)。fは、マッチング回路90が無い場合、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスが高く、且つ、給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスが低い状態のときを示す(インピーダンス調整部121:高インピーダンス、インピーダンス調整部122:低インピーダンス)。
 図12は、マッチング回路90が、給電素子20に直列に挿入されたインダクタ(インダクタンス:15nH)と、給電素子20の端部21とグランドプレーン70との間に挿入されたインダクタ(インダクタンス:15nH)とにより構成された場合を示す。
 マッチング回路90が非動作の場合、インピーダンス調整部122の状態がオンからオフに切り替わると、放射素子160の基本モードの共振周波数(この場合、1.175GHz)がずれてしまう場合がある(fからdに変化)。しかしながら、インピーダンス調整部122の状態がオンからオフに切り替わることに連動して、マッチング回路90を動作させることによって、放射素子160の基本モードの共振周波数がずれることを防止できる(fからeに変化)。
 なお、S11特性の測定時の図8で示した各寸法は、単位をmmとすると、
 L11:120
 L12:80
 L13:60
 L14:10.5
 L16:29.5
 L17:80
 L18:10.5
 L19:26.5
 L22:60
とした。また、給電素子20、放射素子160,170、制御素子50,60の各線幅は、1mmに設定した。
 また、S11特性の測定時の図9で示した各寸法に関し、基板80については、比誘電率ε=3.3、tanδ=0.003、板厚H1=0.8に設定し、基板110については、比誘電率ε=7.44、tanδ=0.011、板厚H3=1.1に設定した。また、基板80と基板110とのギャップH2は、2mmに設定した。
 <アンテナ装置202の構成>
 図13は、アンテナ3,4を備えるアンテナ装置202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斜視図である。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。上述の実施形態と同様の構成及び効果についての説明は、省略又は簡略する。
 アンテナ4は、アンテナ3と同一又は同様の構成を有し、グランドプレーン70に対してアンテナ3とは反対側に配置されている。アンテナ4は、給電素子22と、放射素子166と、放射素子176と、制御素子52と、制御素子62と、インピーダンス制御部125と、マッチング回路91とを備えている。
 放射素子166と放射素子176は、それぞれ、給電素子22と電磁界結合する。制御素子52は、Z軸に平行な方向に放射素子166から離れて配置され、制御素子62は、Z軸に平行な方向に放射素子176から離れて配置されている。
 アンテナ装置202は、アンテナ3,4を備えることによって、MIMO(Multiple Input Multiple Output)アンテナとして機能する。また、アンテナ装置202は、インピーダンス調整部121,122,123,124のインピーダンスに依らず、アンテナ3とアンテナ4との間の相関係数を低く保ったまま、アンテナ3,4それぞれの指向性を切り替え制御できる。
 図14乃至図17は、アンテナ装置202において、アンテナ3の反射係数S11、アンテナ4の反射係数S22、共振周波数(この場合、1.175GHz)における相関係数を示した図である。相関係数はSパラメータより計算した。図18乃至図25は、アンテナ装置202の指向性を例示した図である。Directivityは、アンテナ装置202の基本モードの共振周波数(この場合、1.175GHzに設定)における指向性利得を表す。θは、給電点11,12とグランドプレーン70の中心点とを通るYZ平面内において給電素子20の延伸方向とのなす角度を表し、φは、グランドプレーン70の中心点を通るZX平面内においてグランドプレーン70の法線方向とのなす角度を表す(図13参照)。
 図14,図18,図19は、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスが高く、且つ、給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスが高く、且つ、給電素子22と制御素子52との間のインピーダンスが高く、且つ、給電素子22と制御素子62との間のインピーダンスが高い状態を示している。
 図15,図20,図21は、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスが高く、且つ、給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスが高く、且つ、給電素子22と制御素子52との間のインピーダンスが高く、且つ、給電素子22と制御素子62との間のインピーダンスが低い状態を示している。
 図16,図22,図23は、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスが高く、且つ、給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスが低く、且つ、給電素子22と制御素子52との間のインピーダンスが低く、且つ、給電素子22と制御素子62との間のインピーダンスが高い状態を示している。
 図17,図24,図25は、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスが高く、且つ、給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスが低く、且つ、給電素子22と制御素子52との間のインピーダンスが高く、且つ、給電素子22と制御素子62との間のインピーダンスが低い状態を示している。
 図14,図16,図17では、S11とS22がほぼ重なっている。図14乃至図17のときの相関係数は、それぞれ、0.004、0.005、0.099、0.007である。これらの相関係数の値は、いずれも、MIMOアンテナに求められる基準を十分に満たす。また、図18,図20,図22,図24は、アンテナ3の指向性を示し、図19,図21,図23,図25は、アンテナ4の指向性を示す。このように、アンテナ3とアンテナ4がグランドプレーン70を共用していても、アンテナ3とアンテナ4との間の相関係数を低く保ったまま、アンテナ3,4それぞれの指向性を切り替えることができる。
 なお、アンテナ装置202のS11,S22特性の測定時の図13及び図9で示した各寸法は、図8のアンテナ3のS11特性の測定時の上記値と同一である。
 <アンテナ5の構成>
 図26は、本発明の一実施形態であるアンテナ5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斜視図である。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。上述の実施形態と同様の構成及び効果についての説明は、省略又は簡略する。
 アンテナ5は、図8のアンテナ3の板状導体150をくり抜いて開口部157を設けたものである。基板80は、Z軸に平行な方向での平面視において開口部157から視認可能である。開口部157を板状導体150に設けることによって、例えば、基板80に実装される部品の高さの許容値を上げることや、他のアンテナやICタグ等を実装することができる。
 図27は、開口部157の開口寸法L21(図26参照)が、0mm、20mm、40mm、60mmの4つの場合について、アンテナ5のS11の測定値を示したグラフである。「L21=0mm」とは、開口部157が設けられていない場合を示す。図27では、4つの場合のS11がほぼ重なっている。図27に示されるように、板状導体150に開口部157を設けても、共振周波数がほとんど変化することなく、アンテナ5を動作させることができる。
 <アンテナ6の構成>
 図28は、本発明の一実施形態であるアンテナ6の斜視図である。上述の実施形態と同様の構成及び効果についての説明は、省略又は簡略する。
 アンテナ6は、図1のアンテナ1と同様の構成を有し、各構成は、アンテナ1と同様の位置関係を有する。アンテナ6は、グランドプレーン70の外縁部に沿うように配置されたL字状の放射素子30,40と、グランドプレーン70の外縁部に沿うように配置されたL字状の制御素子50,60とを備える。アンテナ6は、YZ平面に関し、対称構造を有する。
 放射素子30は、外縁部71に沿うように延在する導体部分と、外縁部73に沿うように延在する導電部分とを有する。放射素子40は、外縁部71に沿うように延在する導体部分と、外縁部74に沿うように延在する導電部分とを有する。グランドプレーン70は、互いに対向する外縁部73と外縁部74を有する。
 グランドプレーン70が放射素子30の導体部分と放射素子40の導体部分とによって挟まれるように、放射素子30及び放射素子40が配置されることによって、アンテナ6の指向性を容易に制御することが可能となる。例えば、放射素子30が外縁部73に沿うように配置された導体部分を有し、且つ、放射素子40が外縁部73に対向する外縁部74に沿うように配置された導体部分を有することによって、アンテナ6の指向性を容易に制御することが可能となる。
 図29は、インピーダンス制御部120の一例を示した図である。インピーダンス制御部120は、インダクタ243,244,247,248,251,252と、キャパシタ249,250,253,254と、可変容量ダイオード245,246と、直流電圧源241,242とを有している。
 インダクタ251の一端が、制御素子50の一端に接続され、インダクタ251の他端は、給電素子20の端部21に接続される。キャパシタ253とインダクタ243との直列回路が、インダクタ251と制御素子50との接続点と直流電圧源241の正極との間に接続され、キャパシタ249とインダクタ247との直列回路が、インダクタ251と給電素子20との接続点と直流電圧源241の負極との間に接続される。直流電圧源241の負極は、グランドプレーン70に接続される。可変容量ダイオード245は、キャパシタ253とインダクタ243との接続点に接続されるカソードと、キャパシタ249とインダクタ247との接続点に接続されるアノードとを有する。
 インダクタ252の一端が、制御素子60の一端に接続され、インダクタ252の他端は、給電素子20の端部21に接続される。キャパシタ254とインダクタ244との直列回路が、インダクタ252と制御素子60との接続点と直流電圧源242の正極との間に接続され、キャパシタ250とインダクタ248との直列回路が、インダクタ252と給電素子20との接続点と直流電圧源242の負極との間に接続される。直流電圧源242の負極は、グランドプレーン70に接続される。可変容量ダイオード246は、キャパシタ254とインダクタ244との接続点に接続されるカソードと、キャパシタ250とインダクタ248との接続点に接続されるアノードとを有する。
 直流電圧源241が直流電圧V1の出力を制御し、可変容量ダイオード245のキャパシタンスを調整して、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスを高くすると、制御素子50に流れるRF電流を抑える又は止めることができる。これにより、給電素子20と制御素子50との接続を弱く又は無くすことができるため、給電素子20と電磁界結合する放射素子30を放射導体として機能させることができる。
 逆に、直流電圧源241が直流電圧V1の出力を制御し、可変容量ダイオード245のキャパシタンスを調整して、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスを低くすると、制御素子50に流れるRF電流を増やすことができる。これにより、給電素子20と制御素子50との接続を強めることができるため、給電素子20と電磁界結合する放射素子30の放射導体としての機能を抑える又は停止させることができる。
 同様に、直流電圧源242が直流電圧V2の出力を制御し、可変容量ダイオード246のキャパシタンスを調整して、給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスを高くすると、制御素子60に流れるRF電流を抑える又は止めることができる。これにより、給電素子20と制御素子60との接続を弱く又は無くすことができるため、給電素子20と電磁界結合する放射素子40を放射導体として機能させることができる。
 逆に、直流電圧源242が直流電圧V2の出力を制御し、可変容量ダイオード246のキャパシタンスを調整して、給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスを低くすると、制御素子60に流れるRF電流を増やすことができる。これにより、給電素子20と制御素子60との接続を強めることができるため、給電素子20と電磁界結合する放射素子40の機能を抑える又は停止させることができる。
 図29に示したインピーダンス制御部120によって、給電素子20と制御素子50との間のインピーダンスおよび給電素子20と制御素子60との間のインピーダンスを徐変(漸減又は漸増)させることが可能となる。インピーダンスを徐変させることによって、指向性をオン/オフで切り替えるのではなく、周囲の環境の変化に従って指向性も徐々に変化させていくことが可能になる。
 図30は、アンテナ6の指向性が図29のインピーダンス制御部120によって連続的に変化する一態様を示す図である。Directivityは、アンテナ6の基本モードの共振周波数(この場合、1.91GHzに設定)における指向性利得を表す。φは、グランドプレーン70の中心点を通るZX平面内においてグランドプレーン70の法線方向とのなす角度を表す(図28参照)。φ=0°のときのDirectivityは、アンテナ6のZ軸方向のアンテナ利得を表す。
 図30に示されるように、直流電圧源241の直流電圧V1を所定の値(この場合、零)に固定した状態で、直流電圧源242の直流電圧V2を高くするにつれて、指向性利得のピーク値の角度φが、0°付近から90°へ連続的に変化する。図30には示されていないが、逆に、直流電圧源242の直流電圧V2を所定の値(例えば、零)に固定した状態で、直流電圧源241の直流電圧V1を高くするにつれて、指向性利得のピーク値の角度φが、0°付近から-90°へ連続的に変化する。このように、インピーダンス制御部120は、アンテナ6の指向性を連続的に変化させることができる。
 なお、図30の測定時の図1で示した各部の寸法は、単位をmmとすると、
 L11:120
 L12:68.2
 L13:38.75
 L14:8.525
 L15a:21.475
 L15b:34.1
 L16a:23.675
 L16b:8.525
 L23:60
とした。また、給電素子20、放射素子30,40、制御素子50,60の各線幅は、1mmとした。
 また、図30の測定時の図2で示した各寸法に関し、基板80については、比誘電率ε=3.3、tanδ=0.003、板厚H1=0.8に設定し、基板110については、比誘電率ε=7.44、tanδ=0.011、板厚H3=1.1に設定した。また、基板80と基板110とのギャップH2は、2mmに設定した。
 また、図30の測定時の図29で示した各素子に関し、インダクタ251,252のインダクタンスは1.5nH、インダクタ243,244,247,248のインダクタンスは15nH、キャパシタ249,250,253,354のキャパシタンスは2.2pFに設定した。
 <アンテナ装置203の構成>
 図31は、図1のアンテナ1が有する形態と同形状の4つのアンテナ211,212,213,214を備えるアンテナ装置203の一例を示す平面図である。アンテナ211は、グランドプレーン70の外縁部71に沿うように配置された導体部分を有する放射素子を有する。アンテナ212は、外縁部71に対向する外縁部72に沿うように配置された導体部分を有する放射素子を有する。アンテナ213は、外縁部73に沿うように配置された導体部分を有する放射素子を有する。アンテナ214は、外縁部73に対向する外縁部74に沿うように配置された導体部分を有する放射素子を有する。
 アンテナ装置203は、アンテナ211,212,213,214を備えることによって、4チャネルのMIMO(Multiple Input Multiple Output)アンテナとして機能する。また、アンテナ装置203は、各アンテナがグランドプレーン70を共用していても、各アンテナのインピーダンス調整部121,122のインピーダンスに依らずに、各アンテナ間の相関係数を低く保ったまま、各アンテナの指向性を切り替え制御できる。
 図32は、図1のアンテナ1が有する形態と同形状の4つのアンテナ221,222,223,224を備えるアンテナ装置204の一例を示す平面図である。アンテナ221は、外縁部71,73に沿うように配置された導体部分を有する放射素子を有する。アンテナ222は、外縁部72,73に沿うように配置された導体部分を有する放射素子を有する。アンテナ223は、外縁部72,74に沿うように配置された導体部分を有する放射素子を有する。アンテナ224は、外縁部71,74に沿うように配置された導体部分を有する放射素子を有する。
 アンテナ装置204も、図31のアンテナ装置203と同様、4チャネルのMIMO(Multiple Input Multiple Output)アンテナとして機能し、各アンテナ間の相関係数を低く保ったまま、各アンテナの指向性を切り替え制御できる。
 以上、アンテナ、アンテナ装置及び無線装置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、図示の形態に限られない。例えば、アンテナは、放射素子に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、給電素子、放射素子及び制御素子は、直線的に延びる線状導体に限らず、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、グランドプレーンを有する伝送線路は、マイクロストリップラインに限られない。例えば、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。
 また、グランドプレーンは、図示の外形形状に限られず、他の外形形状を有する導体パターンでもよい。また、グランドプレーンは、平面状に形成された形態に限られず、曲面状に形成された形態でもよい。同様に、板状導体は、図示の外形形状に限られず、他の外形形状を有する導体でもよい。また、板状導体は、平面状に形成された形態に限られず、曲面状に形成された形態でもよい。
 また、「板状」には、「箔状」又は「フィルム状」の意味が含まれてもよい。
 また、一対の放射素子(例えば、図1の場合、放射素子30,40)がグランドプレーンの外縁部に並走する長さが、互いに等しく設定されることにより、アンテナの指向性を容易に制御することが可能である。
 また、アンテナ装置に設けられた各アンテナの指向性が互いに同じ方向に向くように制御されることにより、アンテナ装置をダイバーシティアンテナとして機能させることができる。
 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2013-131195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2013-131195号の全内容を本国際出願に援用する。
1,2,3,4,5,211,212,213,214,221,222,223,224 アンテナ
11,12 給電点
20,22 給電素子
21 端部
30,40,36,46 放射素子
31,41 導体部分
32,42 中央部
33,34,43,44 端部
35,45 給電部
50,60,52,62 制御素子
51,61 端部
70 グランドプレーン
71,72,73,74 外縁部
80,110 基板
82 ストリップ導体
83 発熱体
84 接続導体
90,91 マッチング回路
100 無線通信装置
120,125 インピーダンス制御部
121,122,123,124 インピーダンス調整部
130,131 ギャップ
150 板状導体
151,152,153,154 外縁部
155,156 端部
157 開口部
160,170,166,176 放射素子
201,202,203,204 アンテナ装置

Claims (17)

  1.  給電点に接続された給電素子と、
     前記給電素子から離れて配置されて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第1の放射素子と、
     前記給電素子から離れて配置されて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第2の放射素子と、
     前記給電素子とインピーダンス可変手段を介して接続され、かつ前記第1の放射素子の共振周波数において該インピーダンス可変手段のインピーダンスの低下に伴って前記給電素子と前記第1の放射素子との電磁界結合が弱まり前記第1の放射素子の放射導体としての機能が低下するよう配置された第1の制御素子と、
     前記給電素子とインピーダンス可変手段を介して接続され、かつ前記第2の放射素子の共振周波数において該インピーダンス可変手段のインピーダンスの低下に伴って前記給電素子と前記第2の放射素子との電磁界結合が弱まり前記第2の放射素子の放射導体としての機能が低下するよう配置された第2の制御素子と、
     前記給電素子と前記第1の制御素子との接続および前記給電素子と前記第2の制御素子との接続におけるインピーダンス可変手段を制御する制御手段とを備える、アンテナ。
  2.  前記第1の制御素子は、前記第1の放射素子の共振周波数において前記第1の制御素子と前記給電素子との間のインピーダンス可変手段が低インピーダンスになるとき、前記給電素子と前記第1の放射素子との電磁界結合が弱まり前記第1の放射素子が放射導体として機能しなくなるよう配置され、
     前記第2の制御素子は、前記第2の放射素子の共振周波数において前記第2の制御素子と前記給電素子との間のインピーダンス可変手段が低インピーダンスになるとき、前記給電素子と前記第2の放射素子との電磁界結合が弱まり前記第2の放射素子が放射導体として機能しなくなるよう配置される、請求項1に記載のアンテナ。
  3.  給電点に接続された給電素子と、
     前記給電素子から離れて配置されて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第1の放射素子と、
     前記給電素子から離れて配置されて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第2の放射素子と、
     前記給電素子とインピーダンス可変手段を介して接続された第1の制御素子と、
     前記給電素子とインピーダンス可変手段を介して接続された第2の制御素子と、
     前記給電素子と前記第1の制御素子との接続および前記給電素子と前記第2の制御素子との接続におけるインピーダンス可変手段を制御する制御手段とを備え、
     前記第1の制御素子は、前記第1の放射素子の共振周波数において前記第1の制御素子の高インピーダンスとなる部位と前記第1の放射素子の低インピーダンスとなる部位とが近接するように配置され、
     前記第2の制御素子は、前記第2の放射素子の共振周波数において前記第2の制御素子の高インピーダンスとなる部位と前記第2の放射素子の低インピーダンスとなる部位とが近接するように配置された、アンテナ。
  4.  前記制御手段は、前記給電素子と前記第1の制御素子との間のインピーダンスを低くすることによって、前記第1の放射素子の放射導体としての機能を低下させ、前記給電素子と前記第2の制御素子との間のインピーダンスを低くすることによって、前記第2の放射素子の放射導体としての機能を低下させる、請求項1から3のいずれか一項に記載のアンテナ。
  5.  前記給電素子は、前記第1の放射素子と前記第2の放射素子との間のギャップに近づくように前記給電点から延伸する、請求項1から4のいずれか一項に記載のアンテナ。
  6.  前記給電素子の共振の基本モードを与える電気長をLe20、前記第1の放射素子の共振の基本モードを与える電気長をLe30、前記第2の放射素子の共振の基本モードを与える電気長をLe40、前記第1および第2の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第1および第2の放射素子上での波長をλとして、Le20が、(3/8)・λ以下であり、かつ、Le30およびLe40が、前記第1または第2の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、前記第1または第2の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以下であり、前記第1または第2の放射素子の共振の基本モードがモノポールモードである場合、(1/8)・λ以上(3/8)・λ以下である請求項1から5のいずれか一項に記載のアンテナ。
  7.  前記第1の放射素子及び前記第2の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とする場合、
     前記給電素子と前記第1の放射素子との最短距離及び前記給電素子と前記第2の放射素子との最短距離が、0.2×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。
  8.  前記制御手段に連動して、前記第1の放射素子及び前記第2の放射素子の基本モードの共振周波数を調整するマッチング回路を備える、請求項1から7のいずれか一項に記載のアンテナ。
  9.  前記給電素子が前記第1および第2の放射素子に給電する給電部は、前記第1および第2の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、ダイポールモードの場合は、前記第1または第2の放射素子の長さの1/8以上の距離、モノポールモードの場合は、前記第1または第2の放射素子の全長の1/4以上の距離を離した部位に、ループモードの場合は、前記第1および第2の放射素子の基本モードの共振周波数における最も高いインピーダンスになる部分から前記第1または第2の放射素子のループの内周側の周長の3/16以下の距離を離した範囲内の部位に位置する、請求項1から8のいずれか一項に記載のアンテナ。
  10.  前記給電素子と前記第1または第2の放射素子とが最短距離で並走する距離は、ダイポールモードの場合は、前記第1または第2の放射素子の長さの3/8以下であり、ループモードの場合は、前記第1または第2の放射素子のループの内周側の周長の3/16以下であり、モノポールモードの場合は、前記第1または第2の放射素子の長さの3/4以下である、請求項1から9のいずれか一項に記載のアンテナ。
  11.  グランドプレーンを備え、
     前記給電素子は、前記グランドプレーンから離れる方向に延伸し、
     前記第1および第2の放射素子は、前記グランドプレーンの縁部に沿った部位を有する、請求項1から10のいずれか一項に記載のアンテナ。
  12.  前記グランドプレーンに間隔をあけて対向する部位を有する板状導体を備え、
     前記第1の放射素子及び前記第2の放射素子は、前記板状導体に接続された、請求項11に記載のアンテナ。
  13.  前記グランドプレーンと前記板状導体とが直流的に接続された、請求項12に記載のアンテナ。
  14.  前記板状導体は、放熱作用を有する、請求項12または13に記載のアンテナ。
  15.  請求項1から11のいずれか一項に記載のアンテナを複数備え、
     複数の該アンテナは、前記給電点のグランド基準となるグランドプレーンを共用する、アンテナ装置。
  16.  請求項1から14のいずれか一項に記載のアンテナを備える、無線装置。
  17.  請求項1から14のいずれか一項に記載のアンテナを複数備え、
     複数の該アンテナは、前記給電点のグランド基準となるグランドプレーンを共用する、無線装置。
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