WO2015029322A1 - アンテナおよび無線通信装置 - Google Patents

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WO2015029322A1
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健 三浦
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Necプラットフォームズ株式会社
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    • H01Q9/0407Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0421Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with a shorting wall or a shorting pin at one end of the element

Definitions

  • the present invention relates to an antenna and a wireless communication device, and more particularly to an antenna and a wireless communication device used for wireless communication with the communication device.
  • a single device With the spread of wireless communication, it is becoming common for a single device to support multiple wireless systems. In order to be able to cope with various wireless systems at any time without being restricted by time and place in one device, it is desirable to arrange the antenna at an optimal position in the device. In order to support a plurality of wireless systems, a plurality of antennas may be arranged in the apparatus.
  • the antenna may not be arranged at an optimal position in the apparatus.
  • SRR split ring resonator
  • the antenna of Patent Document 1 is shown in FIG.
  • conductor layers 930 and 940 are disposed above and below the dielectric layer 920 of the multilayer printed circuit board 910.
  • openings 931 and 941 and notches 932 and 942 are formed in the end regions of the conductor layers 930 and 940, whereby split ring portions 951 and 952 are formed.
  • a conductive via 953 that electrically connects the split ring portions 951 and 952 and a feeder line 954 that is connected to the conductive via 953 are disposed in the dielectric layer 920, whereby the SRR antenna 950 is formed.
  • the SRR antenna functions as a good antenna no matter where it is mounted on the outer periphery of the multilayer printed circuit board. However, if it is desired to obtain an antenna gain in a specific direction, it may not be installed anywhere. For example, when the SRR antenna cannot be disposed at the center position in the vertical direction as a result of trade-off with other components, the horizontal antenna gain may be reduced. Further, when a plurality of SRR antennas are arranged in the apparatus, the plurality of SRR antennas interfere with each other and isolation is deteriorated.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an antenna and a wireless communication apparatus capable of maintaining good antenna characteristics even when the antenna cannot be arranged at a desired position or when a plurality of antennas are arranged in the apparatus.
  • the purpose is to provide.
  • an antenna according to the present invention includes a printed wiring board, an antenna circuit that is disposed at a predetermined end of the printed wiring board and transmits / receives a radio wave having a wavelength ⁇ , and a predetermined end of the printed wiring board.
  • a series resonant circuit disposed at a position corresponding to the wavelength ⁇ from the antenna circuit, and arranged such that the extension direction of a predetermined end is orthogonal to the receiving direction of the radio wave Features.
  • a wireless communication apparatus transmits a radio wave of wavelength ⁇ received from a radio IC (Integrated Circuit) and an external device to the radio IC, and receives a radio wave of wavelength ⁇ received from the radio IC. And an antenna that transmits to an external device, and is disposed opposite to the external device on an XY plane.
  • a radio IC Integrated Circuit
  • good antenna characteristics can be maintained even when the antenna cannot be arranged at a desired position or when a plurality of antennas are arranged in the apparatus.
  • FIG. 1 is a front view of an antenna 10 according to a first embodiment. It is a front view of antenna 10B concerning a 1st embodiment. It is a figure when the wireless router 100 which concerns on 2nd Embodiment is installed in the room.
  • FIG. 6 is a front view of a printed circuit board 200 according to a second embodiment and a cross-sectional view taken along line AA. It is a disassembled perspective view of the SRR antenna 400 and dummy SRR500 concerning a 2nd embodiment. It is sectional drawing of the SRR antenna 400 and dummy SRR500 which concern on 2nd Embodiment. It is a functional block diagram of the SRR antenna 400 which concerns on 2nd Embodiment.
  • FIG. 10 is an exploded perspective view of an antenna 900 according to Patent Document 1.
  • FIG. 10 is an exploded perspective view of an antenna 900 according to Patent Document 1.
  • FIG. 1A A front view of the antenna according to this embodiment is shown in FIG. 1A.
  • the antenna 10 includes a printed wiring board 20, an antenna circuit 30, and a series resonance circuit 40.
  • the height direction of the antenna 10 is the Z direction
  • the width direction is the Y direction
  • the thickness direction is the X direction.
  • the antenna 10 is disposed in a wireless communication device that wirelessly communicates with an external device.
  • the antenna 10 is arranged so as to face an external device that is a counterpart of wireless communication on the XY plane.
  • the printed wiring board 20 is mounted with a number of electrical components not shown.
  • the printed wiring board 20 is disposed in parallel with the YZ plane orthogonal to the XY plane.
  • the antenna circuit 30 is disposed at an end portion of the printed wiring board 20 extending in the Z direction.
  • the antenna circuit 30 is arranged at the center in the Z direction of the printed wiring board 20 in order to avoid cancellation of the high frequency current flowing in the + Z direction and the high frequency current flowing in the ⁇ Z direction generated in the antenna circuit 30. It is desirable. When the high-frequency current flowing in the + Z direction and the high-frequency current flowing in the -Z direction cancel each other, the antenna gain in the XY direction facing the external device deteriorates.
  • the antenna circuit 30 is arranged at a position other than the center of the printed wiring board 20 in the Z direction.
  • the series resonant circuit 40 is disposed at a position away from the antenna circuit 30 by a predetermined distance at the end of the printed circuit board 20 where the antenna circuit 30 is disposed.
  • the series resonance circuit 40 for example, a split ring resonator formed in a substantially C shape by cutting a part of a ring-shaped metal film on the upper surface of the printed wiring board 20 can be applied.
  • the split ring resonator functions as an LC series resonance circuit from the capacitance generated in the cut portion and the inductance generated by the current flowing in a ring shape around the C shape, and absorbs the current of the target frequency.
  • the series resonant circuit 40 is generated in the antenna circuit 30 by arranging the series resonant circuit 40 configured as described above at an end portion of the printed wiring board 20 extending in the Z direction where the antenna circuit 30 is arranged.
  • the high frequency current flowing in the + Z direction and the high frequency current flowing in the ⁇ Z direction are absorbed. This can reduce the cancellation of the high-frequency current flowing in the + Z direction and the high-frequency current flowing in the -Z direction, and the antenna gain in the XY directions is favorably maintained.
  • the series resonant circuit 40 is disposed at the end of the printed wiring board 20 where the antenna circuit 30 is disposed, so that the antenna circuit 30 is disposed on the printed wiring board 20. Good antenna characteristics can be maintained even when the antenna cannot be placed at the center position in the Z direction.
  • Fig. B shows a front view of an antenna in which a plurality of antenna circuits are arranged on a printed wiring board.
  • the antenna 10B includes a printed wiring board 20B, a first antenna circuit 31B, a second antenna circuit 32B, and a series resonance circuit 40B.
  • a split ring resonator antenna or an inverted L-type antenna can be applied to the first antenna circuit 31B and the second antenna circuit 32B.
  • the series resonance circuit 40 described above with reference to FIG. 1A can be applied to the series resonance circuit 40B.
  • the first antenna circuit 31B, the series resonance circuit 40B, and the second antenna circuit 32B are arranged in this order at the end portion of the printed wiring board 20B extending in the Z direction.
  • the printed wiring board 20B has a high-frequency current ⁇ 1 emitted from the first antenna circuit 31B flowing in the + Z direction and in the ⁇ Z direction.
  • a high-frequency current ⁇ 1 flowing, a high-frequency current ⁇ 2 flowing in the + Z direction and a high-frequency current ⁇ 2 flowing in the ⁇ Z direction flow from the second antenna circuit 32B.
  • the antenna 10B can maintain good antenna characteristics even when a plurality of antenna circuits 31B and 32B are arranged on the printed wiring board 20B.
  • FIG. 2 shows a state when the wireless router according to the present embodiment is installed in the room.
  • the printed circuit board 200 disposed inside is normally installed in a direction orthogonal to the floor of the room.
  • the wireless IC 300 is in the upper right area of the printed circuit board 200
  • the SRR (Split Ring Resonator) antenna 400 is in the vicinity thereof, and the SRR antenna 400.
  • a dummy SRR 500 is arranged below the.
  • a plane parallel to the floor surface is referred to as an XY plane
  • a plane parallel to the back surface of the wireless router 100 is referred to as a YZ plane.
  • the wireless router 100 When the wireless router 100 is installed on the floor (XY surface) in the room as shown in FIG. 2, the wireless router 100 and the opposite device such as a smartphone or a tablet face each other in the XY direction. Since the wireless router 100 transmits and receives radio waves to and from the opposite device, the antenna gain in the XY directions is the most important.
  • the printed circuit board 200 is orthogonal to the floor when the wireless router 100 is installed in the room.
  • a large number of electrical components (not shown) are mounted on the printed board 200.
  • FIG. 3 shows a front view of the printed circuit board 200 and a cross-sectional view taken along the line AA.
  • the printed circuit board 200 is configured by disposing a first conductor layer 210 on the front surface of the dielectric 230 and a second conductor layer 220 on the rear surface.
  • the length in the Z direction of the printed circuit board 200 according to the present embodiment is formed to be substantially the same as the wavelength ⁇ of the radio wave handled by the wireless IC 300.
  • the wireless IC 300 is arranged on the front surface of the printed circuit board 200, and transmits and receives radio waves to and from a counter device such as a smartphone or a tablet (not shown) via the SRR antenna 400.
  • the wireless IC 300 is disposed at a position approximately ⁇ / 4 below the upper end of the printed circuit board 200 as a result of trade-off with other electrical components.
  • the SRR antenna 400 is disposed at the end of the printed circuit board 200, transmits radio waves received from the counterpart device to the wireless IC 300, and transmits radio waves received from the radio IC 300 to the counterpart device.
  • the SRR antenna 400 is disposed in the immediate vicinity of the input / output terminal of the wireless IC 300 in order to minimize a radio wave passage loss. Since the wireless IC 300 is disposed at a position approximately ⁇ / 4 below the upper end of the printed circuit board 200, the SRR antenna 400 of the present embodiment is disposed at an end portion at a position ⁇ / 4 below from the upper end of the printed circuit board 200.
  • the dummy SRR 500 is arranged at ⁇ / 4 below the SRR antenna 400, that is, at the center position ( ⁇ / 2 height) of the printed circuit board 200 in the Z direction. Dummy SRR 500 absorbs a high-frequency current emitted from SRR antenna 400 at a position ⁇ / 4 below SRR antenna 400.
  • FIG. 4A is an exploded perspective view of the SRR antenna 400 and the dummy SRR 500
  • FIG. 4B is a cross-sectional view thereof.
  • a functional configuration diagram of the SRR antenna 400 is shown in FIG. 5A
  • a functional configuration diagram of the dummy SRR 500 is shown in FIG. 5B.
  • the SRR antenna 400 is configured in the same manner as the SRR antenna 950 of FIG. 13 described in the background art, and includes a first split ring unit 401, a second split ring unit 402, a plurality of conductive vias 403, and a supply via.
  • An electric wire 404 is used.
  • the first split ring portion 401 is formed between the first opening 211 and the end portion of the first conductor layer 210 in the end region of the first conductor layer 210 in the vicinity of the wireless IC 300. It is formed by further forming a first notch 212 that divides the band-like region.
  • the second split ring part 402 forms a second opening 221 at a position facing the first opening 211 of the second conductor layer 220, and further forms a second notch 222 at a position facing the first notch 212. It is formed by forming.
  • a plurality of conductive vias 403 are arranged around the openings 211 and 221.
  • the conductive via 403 is formed, for example, by penetrating the first conductor layer 210, the dielectric 230, and the second conductor layer 220 with a drill and plating the inside.
  • the feeding line 404 is a long conductive layer disposed inside the dielectric 230. One end of the power supply line 404 is connected to the conductive via 403, and the other end is connected to an RF (Radio Frequency) circuit (not shown) at the opposite end of the printed circuit board 200.
  • RF Radio Frequency
  • the first split ring portion 401, the second split ring portion 402, and the feeder line 404 are formed of copper foil.
  • the first split ring part 401, the second split ring part 402, and the power supply line 404 may be formed of other materials as long as they are conductive.
  • the SRR antenna 400 configured as described above has a capacitance generated by the first notch 212 and the second notch 222 and an inductance caused by a current flowing in a ring shape around the first opening 211 and the second opening 221. Configure a series resonant circuit.
  • a split ring resonator is configured by the left region indicated by a dotted line in FIG. 5A.
  • the SRR antenna 400 functions as an antenna near the resonance frequency. Note that the resonance frequency can be lowered by increasing the size of the first opening 211 and the second opening 221 or by reducing the width of the first notch 212 and the second notch 222.
  • the impedance matching loop is configured by the right side area indicated by the one-dot chain line in FIG. 5A. Impedance matching between the input / output terminals of the wireless IC 300 and the SRR antenna 400 is performed by the impedance matching loop.
  • the dummy SRR 500 has a third opening 213 formed in the end region of the first conductor layer 210, and a band-like shape formed between the third opening 213 and the end portion of the first conductor layer 210. It is formed by further forming a third notch 214 that divides the region.
  • the dummy SRR 500 constitutes an LC series resonance circuit from the capacitance generated in the third notch 214 and the inductance generated by the current flowing in the ring shape around the third opening 213.
  • the dummy SRR 500 functions as a split ring resonator and absorbs a current having a desired frequency.
  • the dummy SRR 500 is arranged at a position of ⁇ / 2 height (center position).
  • FIG. 6A shows the antenna gain when the wireless router 100 in which the dummy SRR 500 is arranged is applied to WiFi.
  • FIG. 6B shows an antenna gain when the wireless router 900 without the dummy SRR is applied to WiFi.
  • the ideal radiation pattern of the antenna gain is shown by dotted lines in FIGS. 6A and 6B, respectively.
  • the antenna gain of the wireless router 900 on which no dummy SRR is arranged is low in all directions of XY, and in particular, the gain on the side where no SRR antenna is arranged is significantly low.
  • the dummy SRR 500 is disposed below ⁇ / 4 of the SRR antenna 400, so that the antenna gain substantially matches the ideal radiation pattern.
  • the high-frequency current is exactly a high-frequency alternating current for radiating radio waves, and in the case of WiFi (frequency: 2.4 GHz), it is an alternating current that swings 2.4 billion times per second.
  • FIG. 7A shows a state of high-frequency current when the wireless router 100 according to the present embodiment is applied to WiFi.
  • FIG. 7B shows the state of the high-frequency current when the wireless router 900 without the dummy SRR is applied to WiFi.
  • the high-frequency current ⁇ emitted from the SRR antenna 950 and flowing downward from the upper end portion and the high-frequency current ⁇ flowing upward from the lower end portion are Cancel each other.
  • the function as a split ring resonator is reduced, and the antenna gain in the XY directions is reduced.
  • the SRR antenna 950 can be disposed at the center height of the end portion of the printed circuit board 200, the high-frequency current ⁇ and the high-frequency current ⁇ do not cancel each other, There is no reduction in antenna gain.
  • the dummy SRR 500 is disposed at a position ⁇ / 4 below the SRR antenna 400.
  • two high-frequency currents emitted from the SRR antenna 400 and having different directions are absorbed by the dummy SRR 500, and cancellation of the high-frequency currents is reduced. Therefore, even when the SRR antenna 400 cannot be disposed at the center height of the printed circuit board 200 as a result of trade-off with other components, the antenna gain in the direction parallel to the floor surface can be favorably maintained.
  • the length in the Z direction of the printed circuit board 200 is formed to be approximately the same as the wavelength ⁇ of the radio wave handled by the wireless IC 300, but may be longer than ⁇ .
  • the dummy SRRs 500 may be arranged at intervals of ⁇ / 4 above and below the SRR antenna 400. By disposing the dummy SRR 500 at an interval of ⁇ / 4, unnecessary high frequency current is absorbed in the dummy SRR 500, and the antenna gain in the XY directions is favorably maintained.
  • the wireless router according to the present embodiment corresponds to MIMO (Multiple-input and Multiple-output) technology.
  • the MIMO technology is a wireless communication technology that supports a wide communication band by combining a plurality of antennas, and is applied to communication methods such as WiFi and LTE (Long Term Evolution).
  • WiFi and LTE Long Term Evolution
  • two SRR antennas are arranged inside to support the MIMO technology.
  • FIG. 8 shows a front view of a printed circuit board arranged in the wireless router 100B according to the present embodiment.
  • the printed circuit board 200B has a length in the Z direction of ⁇ .
  • the wireless IC 310B is disposed at a position ⁇ / 4 below the upper end of the printed circuit board 200B, and the wireless IC 320B is disposed at a position above ⁇ / 4 from the lower end of the printed circuit board 200B.
  • the SRR antenna 410B is disposed in the end region of the same height as the wireless IC 310B of the printed circuit board 200B
  • the SRR antenna 420B is disposed in the end region of the same height as the wireless IC 320B of the printed circuit board 200B
  • a dummy SRR 500B is arranged in the end region at the center ( ⁇ / 2) in the Z direction of the printed circuit board 200B.
  • the SRR antennas 410B and 420B are configured in the same manner as the SRR antenna 400 of FIGS. 4A and 4B described in the second embodiment.
  • the dummy SRR 500B is configured similarly to the dummy SRR 500 of FIG. 4A described in the second embodiment. That is, the SRR antennas 410B and 420B constitute a split ring resonator and function as an antenna when a high-frequency signal is fed to a feeding point. Dummy SRR 500B constitutes a split ring resonator and absorbs high-frequency currents emitted from SRR antennas 410B and 420B.
  • FIG. 9A shows the state of the high-frequency current when the dummy SRR 500B is placed in the wireless router having the two SRR antennas
  • FIG. 9B shows the state of the high-frequency current when the dummy SRR is not placed.
  • FIG. 10A shows an isolation graph when the dummy SRR 500B is arranged
  • FIG. 10B shows an isolation graph when the dummy SRR is not arranged when a wireless router having two SRR antennas is applied to WiFi.
  • WiFi a radio wave having a frequency of 2.4 GHz is used.
  • the isolation is a degree indicating interference between a plurality of antennas.
  • the state in which the isolation is small is a state in which interference between a plurality of antennas is large and adversely affects each other's antenna characteristics.
  • the X axis is frequency (MHz) and the Y axis is isolation (dB).
  • the isolation is improved toward the lower side.
  • the high frequency current ⁇ 2 flowing downward from the bottom and the high frequency current ⁇ 2 flowing upward from the lower end interfere with each other and cancel each other.
  • sufficient isolation cannot be obtained at the target of 2400 to 2500 (MHz).
  • the length of the printed circuit board 200B in the Z direction is ⁇
  • the SRR antenna 410B, the dummy SRR 500B, and the SRR antenna 420B are arranged in this order at intervals of ⁇ / 4 in the Z direction. It is not limited to this.
  • the length of the printed circuit board 200B in the Z direction is larger than ⁇ , the deterioration of isolation can be suppressed by alternately arranging the SRR antennas and the dummy SRRs at intervals of ⁇ / 4.
  • FIG. 11 shows a front view of the printed circuit board of the antenna according to this embodiment.
  • the printed circuit board 200C is formed with a length of ⁇ in the Z direction, and the wireless IC 310C is located at a position ⁇ / 4 below from the upper end of the printed circuit board 200C, and the wireless IC 310C is located at a position ⁇ / 4 above from the lower end of the printed circuit board 200C.
  • a wireless IC 320C is arranged.
  • an inverted L-type antenna 610C is disposed in an end region of the same height as the wireless IC 310C of the printed circuit board 200C
  • an inverted L-type antenna 620C is disposed in an end region of the printed circuit board 200C having the same height as the wireless IC 320C.
  • a dummy SRR 500C is arranged in the end region at the center ( ⁇ / 2) in the Z direction of the printed circuit board 200C.
  • FIG. 12A shows an isolation graph when the dummy SRR 500C is arranged and FIG. 12B shows an isolation graph when the dummy SRR is not arranged when the inverted L antennas 610C and 620C are applied.
  • the dummy SRR 500C is disposed at a position spaced apart from each of the inverted L-type antennas 610C and 620C by ⁇ / 4, for example, upward from the lower end portion emitted from the inverted L-type antenna 610C.
  • the high-frequency current flowing inward and the high-frequency current flowing downward from the upper end portion emitted from the inverted L-type antenna 620C are absorbed by the dummy SRR 500C, and interference is reduced.
  • the isolation is improved by several dB in the target range of 2400 to 2500 (MHz).
  • the antenna according to the present invention can be applied to a wireless device or the like corresponding to a communication method such as WiFi or LTE.

Abstract

 アンテナを所望の位置に配置できない場合や装置内にアンテナを複数配置した場合においても、良好なアンテナ特性を維持できるアンテナを提供する。 本発明のアンテナは、プリント配線基板、プリント配線基板の所定の端部に配置され、波長λの電波を送受信するアンテナ回路、および、プリント配線基板の所定の端部の、アンテナ回路から波長λに応じた距離だけ離れた位置に配置された直列共振回路を備え、所定の端部の伸長方向が電波の受波方向と直交するように配置されることを特徴とする。

Description

アンテナおよび無線通信装置
 本発明は、アンテナおよび無線通信装置に関し、特に、通信装置との無線通信に使用されるアンテナおよび無線通信装置に関する。
 無線通信の普及と共に、1つの装置で複数の無線方式に対応できることが一般的になってきている。1つの装置において、時間や場所に制約されることなくいつでも様々な無線方式に対応できるために、アンテナを装置内の最適な位置に配置することが望ましい。また、複数の無線方式に対応するために、装置内に複数のアンテナを配置する場合もある。
 一方、携帯電話やスマートフォン等を代表とする可搬端末に対しては、高機能化に加えて小型化が要求されている。従って、装置設計においては、端末内に多数の部品を配置することが要求される。複数の無線方式に対応するためには最適な位置にアンテナを配置する必要があるが、他部品とのトレードオフの結果、アンテナを装置内の最適な位置に配置できない場合がある。
 そこで、多層化プリント基板上の外周であれば、何処に実装しても良好な特性を維持できる、スプリットリング共振器(SRR:Split Ring Resonator)アンテナを適用することが提案されている。SRRアンテナは、例えば、特許文献1に開示されている。
 特許文献1のアンテナを図13に示す。図13に示されたアンテナ900において、多層化プリント基板910の誘電体層920の上下に導体層930、940が配置されている。そして、導体層930、940の端部領域に開口931、941および切欠932、942が形成されることによって、スプリットリング部951、952が形成される。さらに、スプリットリング部951、952を電気的に接続する導電ビア953と、導電ビア953に接続された給電線954と、が誘電体層920内に配置されることにより、SRRアンテナ950が形成される。
国際公開第2013/027824号
 SRRアンテナは、多層化プリント基板上の外周であれば、何処に実装しても特性の良いアンテナとして機能する。しかし、特定の方向のアンテナ利得を得たい場合には、何処に実装しても良い訳では無い。例えば、他部品とのトレードオフの結果、SRRアンテナを天地方向の中央位置に配置できない場合、水平方向のアンテナ利得が低下することがある。さらに、SRRアンテナを装置内に複数配置した場合、複数のSRRアンテナが干渉し合い、アイソレーションが悪化する。
 本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、アンテナを所望の位置に配置できない場合や装置内にアンテナを複数配置した場合においても、良好なアンテナ特性を維持できる、アンテナおよび無線通信装置を提供することを目的とする。
 上記目的を達成するために本発明に係るアンテナは、プリント配線基板と、プリント配線基板の所定の端部に配置され、波長λの電波を送受信するアンテナ回路と、プリント配線基板の所定の端部の、アンテナ回路から波長λに応じた距離だけ離れた位置に配置された直列共振回路と、を備え、所定の端部の伸長方向が電波の受波方向と直交するように配置されることを特徴とする。
 上記目的を達成するために本発明に係る無線通信装置は、無線IC(Integrated Circuit)と、外部装置から受信した波長λの電波を無線ICへ送信し、無線ICから受信した波長λの電波を外部装置へ送信する、上記のアンテナと、を備え、外部装置とXY平面上において対向配置されることを特徴とする。
 上述した本発明の態様によれば、アンテナを所望の位置に配置できない場合や装置内にアンテナを複数配置した場合においても、良好なアンテナ特性を維持できる。
第1の実施形態に係るアンテナ10の正面図である。 第1の実施形態に係るアンテナ10Bの正面図である。 第2の実施形態に係る無線ルーター100を部屋内に設置した時の図である。 第2の実施形態に係るプリント基板200の正面図およびA-A線で切断した時の断面図である。 第2の実施形態に係るSRRアンテナ400およびダミーSRR500の分解斜視図である。 第2の実施形態に係るSRRアンテナ400およびダミーSRR500の断面図である。 第2の実施形態に係るSRRアンテナ400の機能構成図である。 第2の実施形態に係るダミーSRR500の機能構成図である。 第2の実施形態に係る無線ルーター100のアンテナ利得である。 背景技術に係る無線ルーター900のアンテナ利得である。 第2の実施形態に係る無線ルーター100の高周波電流の状態である。 背景技術に係る無線ルーター900の高周波電流の状態である。 第3の実施形態に係るプリント基板200Bの正面図である。 ダミーSRR500Bを配置した場合の高周波電流の状態である。 ダミーSRR500Bを配置しない場合の高周波電流の状態である。 ダミーSRR500Bを配置した場合のアイソレーショングラフである。 ダミーSRR500Bを配置しない場合のアイソレーショングラフである。 第3の実施形態の変形例に係るプリント基板200Cの正面図である。 ダミーSRR500Cを配置した場合のアイソレーショングラフである。 ダミーSRR500Cを配置しない場合のアイソレーショングラフである。 特許文献1に係るアンテナ900の分解斜視図である。
(第1の実施形態)
 本発明の第1の実施形態について説明する。本実施形態に係るアンテナの正面図を図1Aに示す。図1Aにおいて、アンテナ10は、プリント配線基板20、アンテナ回路30および直列共振回路40によって構成される。ここで、アンテナ10の高さ方向をZ方向、幅方向をY方向、厚さ方向をX方向とする。
 本実施形態に係るアンテナ10は、外部装置と無線通信する無線通信装置等に配置される。アンテナ10は、無線通信の相手である外部装置とXY平面上において対向するように配置される。
 プリント配線基板20は、アンテナ回路30および直列共振回路40の他、図示されない多数の電気部品が実装されている。アンテナ10がXY平面上に配置される時、プリント配線基板20はXY平面と直交するYZ平面と平行に配置される。
 アンテナ回路30は、プリント配線基板20のZ方向に延びる端部に配置されている。アンテナ回路30は、アンテナ回路30において生成される+Z方向に流れる高周波電流と、-Z方向に流れる高周波電流とが互いに打ち消し合うことを避けるために、プリント配線基板20のZ方向の中央に配置されることが望ましい。+Z方向に流れる高周波電流と、-Z方向に流れる高周波電流とが互いに打ち消し合う場合、外部装置と対向するXY方向のアンテナ利得が劣化する。本実施形態においては、他の電気部品とのトレードオフの結果、アンテナ回路30はプリント配線基板20のZ方向の中央以外の位置に配置されている。
 直列共振回路40は、プリント配線基板20のアンテナ回路30が配置されている端部の、アンテナ回路30から所定の距離だけ離れた位置に配置される。直列共振回路40としては、例えば、プリント配線基板20の上面において、リング状の金属膜の一部を切断することによって略C字型に形成されたスプリットリング共振器を適用することができる。スプリットリング共振器は、切断部に生じたキャパシタンスと、C字型の周囲をリング状に流れる電流によって生じるインダクタンスとからLC直列共振回路として機能し、ターゲットとする周波数の電流を吸収する。
 上記のように構成された直列共振回路40を、プリント配線基板20のアンテナ回路30が配置されているZ方向に伸びる端部に配置することにより、直列共振回路40は、アンテナ回路30において生成された+Z方向に流れる高周波電流および-Z方向に流れる高周波電流を吸収する。これにより、+Z方向に流れる高周波電流と、-Z方向に流れる高周波電流とが互いに打ち消し合うことを低減することができ、XY方向のアンテナ利得が良好に維持される。
 以上のように、本実施形態に係るアンテナ10は、直列共振回路40を、プリント配線基板20のアンテナ回路30が配置されている端部に配置することにより、アンテナ回路30をプリント配線基板20のZ方向の中央位置に配置できない場合においても良好なアンテナ特性を維持することができる。
 なお、複数の無線方式に対応するために、プリント配線基板に複数のアンテナ回路を配置する場合においても、直列共振回路をプリント配線基板のアンテナ回路が配置されている端部に配置することにより良好なアンテナ特性を維持することができる。
 プリント配線基板に複数のアンテナ回路が配置されたアンテナの正面図を図Bに示す。図1Bにおいて、アンテナ10Bは、プリント配線基板20B、第1アンテナ回路31B、第2アンテナ回路32Bおよび直列共振回路40Bによって構成される。
 第1アンテナ回路31Bおよび第2アンテナ回路32Bは、例えば、スプリットリング共振器アンテナや逆L型アンテナを適用することができる。また、直列共振回路40Bは、図1Aで説明した上述の直列共振回路40を適用することができる。
 そして、図1Bに示すように、プリント配線基板20BのZ方向に延びる端部に、第1アンテナ回路31B、直列共振回路40B、第2アンテナ回路32Bが、この順で配置されている。プリント配線基板20Bの所定の端部に2つのアンテナ回路31B、32Bを配置する場合、プリント配線基板20Bには、第1アンテナ回路31Bから発せられた+Z方向に流れる高周波電流α1および-Z方向に流れる高周波電流β1、第2アンテナ回路32Bから発せられた+Z方向に流れる高周波電流α2および-Z方向に流れる高周波電流β2が流れる。
 そして、第1アンテナ回路31Bと、第2アンテナ回路32Bとの間に直列共振回路40Bを配置することにより、アンテナ回路31B、32Bから発せられた高周波電流α1、α2、β1、β2が直列共振回路40Bによって吸収され、高周波電流α1、α2、β1、β2が互いに打消し合うことを抑制することができる。従って、本実施形態に係るアンテナ10Bは、プリント配線基板20Bに複数のアンテナ回路31B、32Bを配置した場合においても、良好なアンテナ特性を維持することができる。
 (第2の実施形態)
 第2の実施形態について説明する。本実施形態では、無線通信装置として無線ルーターを適用する。本実施形態に係る無線ルーターを部屋内に設置した時の状態を図2に示す。本実施形態に係る無線ルーター100は、通常、内部に配置されたプリント基板200が部屋の床面と直交する方向に設置される。そして、本実施形態に係る無線ルーター100を部屋内に設置した時、プリント基板200の右上領域に無線IC300が、その近傍にSRR(Split Ring Resonator:スプリットリング共振器)アンテナ400が、SRRアンテナ400の下方にダミーSRR500が配置される。以下、床面と平行な面をXY面、無線ルーター100の背面と平行な面をYZ面とする。
 図2のように無線ルーター100を部屋内の床面(XY面)に設置した時、無線ルーター100とスマートフォンやタブレット等の対向機とはXY方向に対向する。無線ルーター100は対向機との間で電波を送受信することから、XY方向のアンテナ利得が最も重要となる。
 プリント基板200は、無線ルーター100を部屋内に設置した時に床面と直交する。プリント基板200には、無線IC300、SRRアンテナ400およびダミーSRR500の他、図示されない多数の電気部品が実装されている。プリント基板200の正面図およびA-A線で切断した時の断面図を図3に示す。プリント基板200は、図3に示すように、誘電体230の前面に第1導体層210を、後面に第2導体層220を配置することによって構成される。ここで、本実施形態に係るプリント基板200のZ方向の長さは、無線IC300が扱う電波の波長λと略同じ長さに形成されている。
 無線IC300は、プリント基板200の前面に配置され、SRRアンテナ400を介して、図示しないスマートフォンやタブレット等の対向機との間で電波を送受信する。本実施形態において、無線IC300は、他の電気部品とのトレードオフの結果、プリント基板200の上端から略λ/4下方位置に配置されている。
 SRRアンテナ400は、プリント基板200の端部に配置され、対向機から受信した電波を無線IC300へ送信し、無線IC300から受信した電波を対向機へ送信する。SRRアンテナ400は、電波の通過ロスを最小限にするために、無線IC300の入出力端子の極近に配置される。無線IC300がプリント基板200の上端から略λ/4下方位置に配置されていることから、本実施形態のSRRアンテナ400はプリント基板200の上端からλ/4下方位置の端部に配置される。
 ダミーSRR500は、SRRアンテナ400からλ/4下方、すなわち、プリント基板200のZ方向の中心位置(λ/2の高さ)に配置される。ダミーSRR500は、SRRアンテナ400からλ/4下方位置において、SRRアンテナ400から発せられる高周波電流を吸収する。
 SRRアンテナ400およびダミーSRR500について詳細に説明する。SRRアンテナ400およびダミーSRR500の分解斜視図を図4Aに、断面図を図4Bに示す。また、SRRアンテナ400の機能構成図を図5Aに、ダミーSRR500の機能構成図を図5Bに示す。
 SRRアンテナ400は、図4Aに示すように、背景技術で説明した図13のSRRアンテナ950と同様に構成され、第1スプリットリング部401、第2スプリットリング部402、複数の導電ビア403および給電線404によって構成される。
 第1スプリットリング部401は、第1導体層210の無線IC300近傍の端部領域に第1開口211を形成し、第1開口211と第1導体層210の端部との間に形成された帯状領域を分断する第1切欠212をさらに形成することによって形成される。
 第2スプリットリング部402は、同様に、第2導体層220の第1開口211と対向する位置に第2開口221を形成し、さらに、第1切欠212と対向する位置に第2切欠222を形成することによって形成される。
 図4Aに示すように、導電ビア403は、開口211、221の周囲に複数配置される。導電ビア403は、例えば、第1導体層210、誘電体230および第2導体層220をドリルによって貫通させ、内部をめっきすることによって形成される。
 給電線404は、誘電体230の内部に配置された長尺の導電層である。給電線404の一端は導電ビア403に接続され、他端はプリント基板200の反対側の端部において図示しないRF(Radio Frequency)回路に接続されている。
 本実施形態では、第1スプリットリング部401、第2スプリットリング部402および給電線404を銅箔によって形成した。なお、第1スプリットリング部401、第2スプリットリング部402および給電線404は導電性であれば他の材料によって形成されても良い。
 上記のように構成されたSRRアンテナ400は、第1切欠212および第2切欠222によって生じるキャパシタンスと、第1開口211および第2開口221の周囲をリング状に流れる電流によって生じるインダクタンスとにより、LC直列共振回路を構成する。
 すなわち、図5Aにおいて点線で示した左側領域によって、スプリットリング共振器が構成される。スプリットリング共振器の給電点に給電線404を介してRF回路から高周波信号が給電されることにより、SRRアンテナ400が共振周波数付近においてアンテナとして機能する。なお、第1開口211および第2開口221の大きさを大きくする、または、第1切欠212および第2切欠222の幅を狭くすることによって、共振周波数を低周波化できる。
 また、図5Aにおいて一点鎖線で示した右側領域によって、インピーダンス整合用ループが構成される。インピーダンス整合用ループにより、無線IC300の入出力端子とSRRアンテナ400とのインピーダンス整合を行う。
 ダミーSRR500は、図4Aに示すように、第1導体層210の端部領域に第3開口213を形成し、第3開口213と第1導体層210の端部との間に形成された帯状領域を分断する第3切欠214をさらに形成することによって形成される。そして、図5Bに示すように、ダミーSRR500は、第3切欠214に生じるキャパシタンスと、第3開口213の周囲をリング状に流れる電流によって生じるインダクタンスとから、LC直列共振回路を構成する。ダミーSRR500はスプリットリング共振器として機能し、所望の周波数の電流を吸収する。
 上記のように構成されたSRRアンテナ400およびダミーSRR500を備えた無線ルーター100をWiFi(Wireless Fidelity、周波数:2.4GHz、λ=125mm)に適用した場合のアンテナ特性について検討する。以下、無線ルーター100が図3に示した構成を有する場合について説明する。すなわち、プリント基板200のZ方向の長さはWiFiで使用される電波の波長λと同じ125mmに形成され、プリント基板200の右側側辺の上端からλ/4高さの位置にSRRアンテナ400が配置され、λ/2高さの位置(中央位置)にダミーSRR500が配置される。
 なお、比較として、ダミーSRRを配置していない、背景技術で説明した図13の無線ルーター900をWiFiに適用した場合のアンテナ特性についても検討する。
 ダミーSRR500を配置した無線ルーター100をWiFiに適用した場合のアンテナ利得を図6Aに示す。また、ダミーSRRを配置していない無線ルーター900をWiFiに適用した場合のアンテナ利得を図6Bに示す。また、なお、アンテナ利得の理想放射パターンを図6A、図6Bにそれぞれ点線で示す。
 図6Bに示すように、ダミーSRRが配置されていない無線ルーター900のアンテナ利得はXYの全方向において低く、特に、SRRアンテナが配置されていない側の利得が顕著に低い。一方、図6Aに示すように、本実施形態に係る無線ルーター100は、SRRアンテナ400のλ/4下方にダミーSRR500が配置されることによって、アンテナ利得が理想放射パターンとほぼ一致する。
 これは、SRRアンテナ400のλ/4下方にダミーSRR500を配置することによって、SRRアンテナ400から発せられる互いに向きが異なる高周波電流がダミーSRR500により吸収されるためである。ここで、高周波電流とはまさに電波を放射するための高周波の交流電流であり、WiFi(周波数:2.4GHz)の場合は1秒間に24億回振幅する交流電流である。
 本実施形態に係る無線ルーター100をWiFiに適用した場合の高周波電流の状態を図7Aに示す。また、ダミーSRRを配置しない無線ルーター900をWiFiに適用した場合の高周波電流の状態を図7Bに示す。
 図7Aに示すように、SRRアンテナ400からλ/4下方位置にダミーSRR500を配置する場合、SRRアンテナ400から発せられた互いに向きが異なる高周波電流がダミーSRR500によって吸収され、互いに打ち消し合うことが低減される。これにより、XY方向のアンテナ利得が低下することが抑制される。
 一方、図7Bに示すように、ダミーSRRを配置しない無線ルーター900の場合、SRRアンテナ950から発せられた上端部から下方へ流れる高周波電流αと、下端部から上方へ流れる高周波電流βとが、互いに打ち消し合う。この場合、スプリットリング共振器としての機能が低下し、XY方向のアンテナ利得が低下する。なお、ダミーSRRを配置しない場合であっても、プリント基板200の端部の中央高さにSRRアンテナ950を配置できる場合は、高周波電流αと高周波電流βとが互いに打消し合うことがなく、アンテナ利得の低下は発生しない。
 上記のように、本実施形態に係る無線ルーター100は、SRRアンテナ400をプリント基板200の端部の中央高さに配置できない場合に、SRRアンテナ400からλ/4下方位置にダミーSRR500を配置した。これにより、SRRアンテナ400から発せられる互いに向きが異なる2つの高周波電流がダミーSRR500によって吸収され、高周波電流同士が打消し合うことが低減される。従って、他部品とのトレードオフの結果、プリント基板200の中央高さにSRRアンテナ400を配置できない場合においても、床面と平行な方向のアンテナ利得を良好に維持することができる。
 なお、本実施形態では、プリント基板200のZ方向の長さを、無線IC300が扱う電波の波長λと略同じ長さに形成したが、λよりも長く形成することもできる。この場合、SRRアンテナ400の上下にλ/4の間隔でダミーSRR500を配置すれば良い。λ/4の間隔でダミーSRR500を配置することにより、ダミーSRR500において不要な高周波電流が吸収され、XY方向のアンテナ利得が良好に維持される。
 (第3の実施形態)
 第3の実施形態について説明する。本実施形態に係る無線ルーターは、MIMO(Multiple-input and Multiple-output)技術に対応する。MIMO技術とは、複数のアンテナを組み合わせることによって広い通信帯域に対応する無線通信技術であり、WiFiやLTE(Long Term Evolution)等の通信方式に適用される。本実施形態に係る無線ルーター100Bは、MIMO技術に対応するために2つのSRRアンテナが内部に配置される。
 本実施形態に係る無線ルーター100B内に配置されているプリント基板の正面図を図8に示す。図8に示すように、プリント基板200BはZ方向の長さがλに形成されている。そして、プリント基板200Bの上端からλ/4下方位置に無線IC310Bが配置され、プリント基板200Bの下端からλ/4上方位置に無線IC320Bが配置されている。
 さらに、プリント基板200Bの無線IC310Bと同じ高さの端部領域にSRRアンテナ410Bが、プリント基板200Bの無線IC320Bと同じ高さの端部領域にSRRアンテナ420Bが配置されている。また、プリント基板200BのZ方向中央(λ/2)の端部領域にダミーSRR500Bが配置されている。
 SRRアンテナ410B、420Bは、第2の実施形態で説明した図4A、図4BのSRRアンテナ400と同様に構成されている。一方、ダミーSRR500Bは、第2の実施形態で説明した図4AのダミーSRR500と同様に構成されている。つまり、SRRアンテナ410B、420Bはスプリットリング共振器を構成し、給電点に高周波信号が給電されることによってアンテナとして機能する。また、ダミーSRR500Bは、スプリットリング共振器を構成し、SRRアンテナ410B、420Bから発せられた高周波電流を吸収する。
 2つのSRRアンテナを配置した無線ルーターにおいて、ダミーSRR500Bを配置した時の高周波電流の状態を図9Aに、ダミーSRRを配置しない場合の高周波電流の状態を図9Bに、示す。また、2つのSRRアンテナを配置した無線ルーターをWiFiに適用した場合において、ダミーSRR500Bを配置した時のアイソレーショングラフを図10Aに、ダミーSRRを配置しない場合のアイソレーショングラフを図10Bに示す。ここで、WiFiでは周波数:2.4GHzの電波が使用される。
 ここで、アイソレーションとは、複数のアンテナ同士の干渉を示す度合いである。アイソレーションが小さい状態とは、複数のアンテナ同士の干渉が大きく、互いのアンテナ特性に悪影響を及ぼしている状態である。図10A、図10Bにおいて、X軸は周波数(MHz)、Y軸はアイソレーション(dB)である。なお、図10A、図10BのY軸において、下に向かうほどアイソレーションが改善される。
 図9Bに示すように、ダミーSRRを配置しない場合、SRRアンテナ410Bから発せられた上端部から下方へ流れる高周波電流α1および下端部から上方へ流れる高周波電流β1、SRRアンテナ420Bから発せられた上端部から下方へ流れる高周波電流α2および下端部から上方へ流れる高周波電流β2が、互いに干渉して打ち消し合う。この場合、図10Bに示すように、ターゲットである2400~2500(MHz)において十分なアイソレーションが得られない。
 一方、図9Aに示すように、ダミーSRR500Bを配置することにより、例えば、SRRアンテナ410Bから発せられる下端部から上方へ流れる高周波電流β1と、SRRアンテナ420Bから発せられる上端部から下方へ流れる高周波電流α2とが、ダミーSRR500Bによって吸収され、干渉が小さくなる。その結果、図10Aに示すように、ターゲットである2400~2500(MHz)において、アイソレーションが数dB改善される。
 なお、本実施形態においては、プリント基板200BのZ方向の長さをλに形成し、Z方向にλ/4の間隔で、SRRアンテナ410B、ダミーSRR500BおよびSRRアンテナ420Bをこの順に配置したが、これに限定されない。例えば、プリント基板200BのZ方向の長さがλより大きい場合は、λ/4の間隔でSRRアンテナとダミーSRRとを交互に配置することにより、アイソレーションの悪化を抑制することができる。
 (第3の実施形態の変形例)
 第3の実施形態の変形例について説明する。第3の実施形態においては、アンテナとしてSRRアンテナ410B、420Bを適用したが、例えば、アンテナとして逆L型アンテナを適用することもできる。本実施形態においては、無線ルーター100C内に2つの逆L型アンテナを配置する。本実施形態に係るアンテナのプリント基板の正面図を図11に示す。
 図11に示すように、プリント基板200CはZ方向の長さがλに形成され、プリント基板200Cの上端からλ/4下方位置に無線IC310Cが、プリント基板200Cの下端からλ/4上方位置に無線IC320Cが配置されている。そして、プリント基板200Cの無線IC310Cと同じ高さの端部領域に逆L型アンテナ610Cが、プリント基板200Cの無線IC320Cと同じ高さの端部領域に逆L型アンテナ620Cが配置されている。また、プリント基板200CのZ方向中央(λ/2)の端部領域にダミーSRR500Cが配置されている。
 そして、逆L型アンテナ610C、620Cを適用した場合において、ダミーSRR500Cを配置した時のアイソレーショングラフを図12Aに、ダミーSRRを配置しない場合のアイソレーショングラフを図12Bに示す。
 逆L型アンテナを適用した場合においても、逆L型アンテナ610C、620Cからそれぞれλ/4だけ離れた位置にダミーSRR500Cを配置することにより、例えば、逆L型アンテナ610Cから発せられる下端部から上方へ流れる高周波電流と、逆L型アンテナ620Cから発せられる上端部から下方へ流れる高周波電流とが、ダミーSRR500Cによって吸収され、干渉が小さくなる。その結果、図12Aに示すように、ターゲットである2400~2500(MHz)において、アイソレーションが数dB改善される。
 本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。
 本願発明は、2013年8月27日に出願された日本出願特願2013-175562を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
 本願発明に係るアンテナは、WiFiやLTE等の通信方式に対応した無線装置等に適用することができる。
 10、10B  アンテナ
 20、20B  プリント配線基板
 30、31B、32B  アンテナ回路
 40、40B  直列共振回路
 100、100B、100C  無線ルーター
 200、200B、200C  プリント基板
 210、220  導体層
 211、213、221  開口
 212、214、222  切欠
 230  誘電体
 300、310B、320B  無線IC
 400、410B、420B  SRRアンテナ
 401  第1スプリットリング部
 402  第2スプリットリング部
 403  導電ビア
 404  給電線
 500、500B、500C  ダミーSRR
 610C、620C  逆L型アンテナ
 900  アンテナ
 910  多層化プリント基板
 920  誘電体層
 930、940  導体層
 931、941  開口
 932、942  切欠
 950  SRRアンテナ
 951、952  スプリットリング部
 953  導電ビア
 954  給電線

Claims (10)

  1. プリント配線基板と、
    前記プリント配線基板の所定の端部に配置され、波長λの電波を送受信するアンテナ回路と、
    前記プリント配線基板の所定の端部の前記アンテナ回路から前記波長λに応じた距離だけ離れた位置に配置された直列共振回路と、
    を備え、
    前記所定の端部の伸長方向が前記電波の受波方向と直交するように配置されることを特徴とするアンテナ。
  2. 前記直列共振回路は、金属リングの一部を切断することによって略C字型に形成されたスプリットリング共振器である、請求項1記載のアンテナ。
  3. 前記プリント配線基板の前記所定の端部の長さは、前記波長λと略同じに形成され、
    前記アンテナ回路は、前記所定の端部の、前記アンテナの配置面からλ/4高さに配置され、
    前記直列共振回路は、前記所定の端部の、前記アンテナの配置面からλ/2高さに配置される、
    請求項1または2記載のアンテナ。
  4. 前記プリント配線基板は、誘電体層、前記誘電体層の一方の面に配置された第1導電層および前記誘電体層の他方の面に配置された第2導電層を備え、
    前記アンテナ回路は、
     前記第1導電層に形成された略C型の第1スプリットリング部と、
     前記第2導電層に形成され、前記第1スプリットリング部と対向する略C型の第2スプリットリング部と、
     前記第1スプリットリング部と前記第2スプリットリング部とを電気的に接続する導電ビアと、
     一端が前記導電ビアに接続され、他端から給電される給電線と、
    によって構成されるスプリットリング共振器アンテナである、
    請求項1乃至3のいずれか1項記載のアンテナ。
  5. 前記プリント配線基板の所定の端部に配置され、前記直列共振回路の前記アンテナ回路とは反対側に配置された第2アンテナ回路をさらに備える、請求項1乃至4のいずれか1項記載のアンテナ。
  6. 前記第2アンテナ回路は、前記プリント配線基板の所定の端部の、前記アンテナの配置面から3/4・λ高さに配置される、請求項5記載のアンテナ。
  7. 前記第2アンテナ回路は、スプリットリング共振器アンテナである、請求項5または6記載のアンテナ。
  8. 前記プリント配線基板の所定の端部に配置され、前記直列共振回路の前記アンテナ回路とは反対側に配置された第2アンテナ回路をさらに備え、
    前記アンテナ回路および前記第2アンテナ回路は、逆L型アンテナである、
    請求項1乃至3のいずれか1項記載のアンテナ。
  9. 前記第2アンテナ回路は、前記プリント配線基板の所定の端部の、前記アンテナの配置面から3/4・λ高さに配置される、請求項8記載のアンテナ。
  10. 無線ICと、
    外部装置から受信した波長λの電波を前記無線ICへ送信し、前記無線ICから受信した波長λの電波を前記外部装置へ送信する、請求項1乃至9のいずれか1項記載のアンテナと、
    を備え、
    前記外部装置とXY平面上において対向配置されることを特徴とする無線通信装置。
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