WO2019107382A1 - アンテナ装置 - Google Patents

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WO2019107382A1
WO2019107382A1 PCT/JP2018/043676 JP2018043676W WO2019107382A1 WO 2019107382 A1 WO2019107382 A1 WO 2019107382A1 JP 2018043676 W JP2018043676 W JP 2018043676W WO 2019107382 A1 WO2019107382 A1 WO 2019107382A1
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antenna
conductor
antenna device
amc
feeding
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太一 濱邉
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パナソニックIpマネジメント株式会社
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    • 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
    • H01Q9/26Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole with folded element or elements, the folded parts being spaced apart a small fraction of operating wavelength
    • HELECTRICITY
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    • H01Q1/38Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
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    • H01Q15/0006Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/006Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces
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    • H01Q5/00Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/30Arrangements for providing operation on different wavebands
    • H01Q5/378Combination of fed elements with parasitic elements
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    • H01Q9/00Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04Resonant antennas
    • H01Q9/0407Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/045Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means

Definitions

  • the present disclosure relates to an antenna device.
  • Patent Document 1 discloses an antenna device using an artificial magnetic conductor (hereinafter referred to as AMC).
  • the present disclosure provides an antenna device that can be miniaturized while maintaining the frequency characteristics of the fundamental wave.
  • the antenna device of the present disclosure includes a substrate having an artificial magnetic conductor, an antenna conductor disposed on the substrate, and a non-feed conductor disposed on the substrate while being separated from the antenna conductor.
  • the antenna conductor and the parasitic conductor opposite to the artificial magnetic conductor by disposing the antenna conductor and the parasitic conductor opposite to the artificial magnetic conductor, the electrostatic coupling between the antenna conductor and the artificial magnetic conductor is strengthened, the capacitance is increased, and the receivable frequency can be received. Can be shifted to the lower frequency side. In addition, it becomes possible to cope with the low frequency side frequency without increasing the length of the antenna conductor, and the antenna device can be miniaturized.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of an antenna device 100 according to Embodiment 1.
  • FIG. It is a longitudinal cross-sectional view of the II-II line of FIG. It is a top view when the upper layer is removed rather than AMC20 in antenna system 100 of FIG.
  • FIG. 6 is a top view of the antenna device 100 of FIG. 1 with the upper layer removed from the ground conductor 30. It is a graph which shows the frequency characteristic of the voltage standing wave ratio which compared the case where there is no non-feeding conductor 6 in the antenna apparatus 100 of FIG. 1, and the case where the non-feeding conductor 6 is present.
  • FIG. 7 is a perspective view showing an appearance of an antenna device 200 according to Embodiment 2.
  • FIG. 2 is a perspective view showing an appearance of an antenna device 200 according to Embodiment 2.
  • FIG. 21 is a top view of the antenna device 300 according to Embodiment 3 when the upper layer is removed from the AMC 20. It is a graph which shows the frequency where the voltage standing wave ratio becomes the minimum with respect to the ratio of the length L1 of the antenna conductor and the length L2 of the non-feeding conductor in the antenna device 300. It is a graph which shows the relative bandwidth with respect to the ratio of the length L1 of the antenna conductor in the antenna apparatus 300, and the length L2 of a non-feeding conductor.
  • FIG. 7 is a view showing the configuration of an AMC 26 of an antenna device 101 according to a modification 1; It is a figure which shows AMC 27 structure of the antenna apparatus 102 which concerns on modification 2.
  • FIG. It is a figure which shows AMC28 structure of the antenna apparatus 103 which concerns on the modification 3.
  • FIG. FIG. 18 is a diagram showing an AMC 29 configuration of an antenna device 104 according to a modification 4;
  • the present embodiment which specifically discloses the antenna device according to the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
  • the detailed description may be omitted if necessary.
  • detailed description of already well-known matters and redundant description of substantially the same configuration may be omitted. This is to avoid unnecessary redundancy in the following description and to facilitate understanding by those skilled in the art.
  • the attached drawings and the following description are provided to enable those skilled in the art to fully understand the present disclosure, and they are not intended to limit the claimed subject matter.
  • the antenna device for 2.4 GHz band (for example, 2400 to 2500 MHz) is an antenna device for Bluetooth (registered trademark) and an antenna device for Wi-Fi.
  • An antenna device for various electronic devices will be described below as an example. However, it can be used in other frequency bands as well.
  • Embodiment 1 The configuration of the antenna device 100 according to the first embodiment will be described below with reference to FIGS. 1 to 4.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of the antenna device 100 according to the first embodiment
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view taken along the line II-II in FIG. 3 is a top view when the upper layer (+ x direction corresponds to the upper side) is removed from the AMC 20 in the antenna device 100 of FIG. 1
  • FIG. 4 is a ground conductor 30 in the antenna device 100 of FIG. It is a top view when an upper layer is deleted rather than.
  • the antenna device 100 of the present embodiment can also be attached to a display device such as a television device.
  • a dipole antenna will be described as an example of the antenna device 100.
  • the dipole antenna is formed on a printed wiring board 1 (hereinafter sometimes referred to as a substrate 1) which is a laminated substrate having a plurality of layers, and a pattern of the dipole antenna is formed by etching a metal foil on the surface. It is formed.
  • a substrate 1 which is a laminated substrate having a plurality of layers, and a pattern of the dipole antenna is formed by etching a metal foil on the surface. It is formed.
  • Each of the plurality of layers is made of copper foil, glass epoxy or the like.
  • the antenna device 100 is a printed wiring board 1, an antenna conductor 2 which is a strip conductor as an example of a feed antenna, and a strip conductor as an example of a non-feed antenna (ground antenna).
  • the antenna conductor 3, the via conductor 4, the via conductor 5, and the non-feeding conductor 6 disposed on the side (+ y direction side) of the antenna conductors 2 and 3 are provided.
  • the via conductor 4 constitutes a feed conductor of a feed line between the feeding point Q1 of the antenna conductor 2 and the wireless communication circuit (not shown: mounted on the back surface 1b of the printed wiring board 1).
  • the via conductor 5 constitutes a ground conductor of a feeder between the feeding point Q2 of the antenna conductor 3 and the wireless communication circuit.
  • the non-feeding conductor 6 is a non-feeding pattern electrically separated from the antenna conductors 2 and 3.
  • the antenna conductor 2 and the antenna conductor 3 constitute, for example, a dipole antenna, and the longitudinal directions of the antenna conductor 2 and the antenna conductor 3 respectively extend in the + z direction and the ⁇ z direction on straight lines, and the feed points Q1 and Q2 sides of the respective antenna conductors 2 and 3 Are formed on the surface 1 a of the printed wiring board 1 so that the end portions of the printed wiring board 1 (hereinafter referred to as the power supply side end portions) are separated by a predetermined distance.
  • both end portions of the antenna conductors 2 and 3 opposite to the feed side end portions are hereinafter referred to as tip end side portions of the antenna conductors 2 and 3 It is said.
  • the distance in the z direction between the tip end of the antenna conductor 2 and the tip end of the antenna conductor 3 is defined as the length L1 of the antenna conductor.
  • the via conductors 4 and 5 are formed by filling the respective through holes formed in the thickness direction from the front surface 1 a to the back surface 1 b of the printed wiring board 1 with a conductor.
  • the antenna conductor 2 functions as a feeding antenna, and is thus connected to the feeding terminal of the wireless communication circuit on the back surface 1 b of the printed wiring board 1 via the via conductor 4.
  • the antenna conductor 3 functions as a non-feeding antenna, and is thus connected to the ground conductor 30 in the printed wiring board 1 and the ground terminal of the wireless communication circuit via the via conductor 5.
  • the z direction means the longitudinal direction of the antenna device 100 and the antenna conductors 2 and 3 thereof.
  • the y direction means the width direction of the antenna device 100 and its antenna conductors 2 and 3 and is orthogonal to the z direction.
  • the x direction means the thickness direction of the antenna device 100 and is orthogonal to the yz plane.
  • the via conductors 4 and 5 are formed at corresponding positions substantially immediately below the feeding points Q1 and Q2, respectively.
  • the printed wiring board 1 of the antenna device 100 may be mounted on a printed wiring board of an electronic device, for example.
  • the printed wiring board 1 which is a laminated substrate, is configured by laminating the dielectric substrate 10, the AMC 20, the dielectric substrate 11, and the ground conductor 30 in the order mentioned.
  • the dielectric substrate 10, the dielectric substrate 11, and the ground conductor 30 have substantially the same shape in FIG. 2, they may have different shapes.
  • the ground conductor 30 larger than the dielectric substrate 10 or the dielectric substrate 11 is used, the ground conductor 30 can be shared with other antennas.
  • the dielectric substrates 10 and 11 are formed of, for example, glass epoxy or the like.
  • AMC 20 is an artificial magnetic conductor having PMC (Perfect Magnetic Conductor) characteristics, and is formed of a predetermined metal pattern. By using the AMC 20, it is possible to make the antenna thinner and gain higher.
  • the printed wiring board 1 is an example of a board.
  • the non-feeding conductor 6 is disposed adjacent to the antenna conductor 2 in the width direction on the printed wiring board 1 so as to face the AMC 20 with the antenna conductors 2 and 3 having a predetermined distance therebetween.
  • the predetermined distance is, for example, within one fourth of the received radio wave wavelength.
  • the non-feeding conductor 6 is disposed on one side of the side surfaces of the antenna conductors 2 and 3 in parallel to the z direction in which the antenna conductors 2 and 3 are disposed.
  • the non-feeding conductor 6 faces the AMC 20 via the dielectric substrate 10 and is electrostatically coupled to the AMC 20, so the electrostatic capacitance between the antenna conductors 2 and 3 and the AMC 20 Can be shifted to lower the frequency.
  • the length L2 in the z direction of the non-feed conductor 6 is shorter than the length L1 of the antenna conductor. Further, as shown in FIG. 1, the distance in the z direction between the tip end of the antenna conductor 2 and the end of the non-feed conductor 6 on the antenna conductor 2 side is a gap G1. The distance in the z direction from the end of the non-feed conductor 6 on the antenna conductor 3 side is a gap G2.
  • the antenna conductors 2 and 3 are formed in plane symmetry with respect to the xy plane, and the non-feeding conductor 6 is also formed in plane symmetry with respect to the xy plane. Substantially equal.
  • the size, shape, number, and the like of the non-feeding conductor 6 are not particularly limited, and may be on the same side as the antenna conductors 2 and 3 when viewed from the AMC 20 and may be electrostatically coupled to the AMC 20. It is not essential to be disposed opposite AMC 20 through 10.
  • the via conductor 4 has a cylindrical shape and is a feeder line for supplying power for driving the antenna conductor 2 as an antenna, and the antenna conductor 2 formed on the surface 1 a of the printed wiring board 1 is used as the wireless communication Electrically connect to the feed terminal of the circuit. Also, the via conductor 4 is formed so as to be substantially coaxial with the via conductor insulating holes 21 and 31 formed in the AMC 20 and the ground conductor 30 so that the AMC 20 and the ground conductor 30 are not electrically connected. ing. The diameter of the via conductor 4 is smaller than the diameter of the via conductor insulating holes 21 and 31.
  • the via conductor 5 is for electrically connecting the antenna conductor 3 to the ground terminal of the wireless communication circuit, and the via conductor 5 is electrically connected to the ground conductor 30 and the AMC 20.
  • a rectangular opening 20a formed so as to extend in the z direction in the longitudinal direction from the substantially opposite position directly below the tip end of the antenna conductor 2 (the layer of AMC 20 in FIG. 2) And an opening which is not formed in the vertical direction (+ x direction and ⁇ x direction) from the layer though it penetrates in the thickness direction in (2)
  • a rectangular opening 20 c formed so as to extend in the z direction from the position separated by a predetermined distance in the z direction in the longitudinal direction from the opening 20 a to the left end of the printed wiring board 1 (An opening which penetrates in the thickness direction in the layer of AMC 20 in FIG.
  • a rectangular opening 20b formed so as to extend in the -z direction in the longitudinal direction from the substantially opposite position directly below the tip end of the antenna conductor 3 (layer of AMC 20 in FIG. 2) And an opening which is not formed in the vertical direction (+ x direction and ⁇ x direction) from the layer though it penetrates in the thickness direction in (4)
  • a portion 20d (an opening which penetrates in the thickness direction in the layer of the AMC 20 in FIG. 2 but is not formed in the vertical direction (+ x direction and ⁇ x direction) from the layer);
  • a slit 71 is formed in the central portion in the z direction, penetrates in the thickness direction, and extends to the end in the width direction.
  • each of the openings 20a to 20d and the slits 71 include, for example, so-called slits, slots, through holes, notches, etc. It is a portion where the magnetic conductor is not formed.
  • the AMC 20 is separated into two parts in the longitudinal direction by a slit 71 (a part of the AMC may be referred to as “AMC part”).
  • the AMCs are separated in the longitudinal direction by the slits 71 in the second and third embodiments, modifications and comparative examples described below.
  • the formation position of the opening 20a corresponds to the position of the central portion of the left half portion of the substantially opposite position (the AMC 20 (that is, the printed wiring board 1) immediately below the tip end of the antenna conductor 2). And extends from the position toward the left end of the printed wiring board 1 in the z direction.
  • the position where the opening 20b is formed corresponds to the position of the central portion of the right half of the position that directly opposes the end of the antenna conductor 3 (the AMC 20 (that is, the printed wiring board 1)). And extends from the position toward the right end of the printed wiring board 1 in the ⁇ z direction.
  • each of the openings 20c and 20d is, for example, from the position substantially facing the end on the tip side opposite to the end on the feeding point side of each of the antenna conductors 2 and 3; , 3 from the position separated toward the tip of the antenna device 100 (there is no opening 20c, 20d directly below the tip of the antenna conductor 2, 3), the longitudinal direction of each antenna conductor 2, 3 Extend toward the tip of the antenna device 100.
  • a via conductor insulating hole 31 formed to penetrate the via conductor 4 and electrically insulated from the ground conductor 30, and to penetrate the via conductor 5 and electrically connected to the ground conductor 30.
  • a hole formed by connection is formed.
  • the planar shapes of the AMC 20 and the ground conductor 30 are substantially the same rectangular shape and substantially congruent shapes.
  • the AMC 20 and the ground conductor 30 are formed to face each other and to overlap and to be separated by a predetermined distance in the thickness direction.
  • the AMC 20 has the openings 20a to 20d and the slits 71, the length in the longitudinal direction of the AMC 20 is formed to be substantially the same as the length in the longitudinal direction of the ground conductor 30.
  • VSWR Voltage Standing Wave Ratio
  • the voltage standing wave ratio of the antenna device 100 including the non-feeding conductor 6 of the present embodiment is shifted to the low frequency side.
  • it is 2430 MHz in the comparative example (without the non-feeding conductor)
  • the antenna device 100 of the present embodiment with the non-feeding conductor 6 has a low frequency side of 2340 MHz. It is in. That is, although a larger antenna conductor is required for lower frequencies, by providing the non-feeding conductor 6, an antenna device 100 that can handle lower frequencies can be realized without changing the size of the antenna conductor.
  • FIG. 6 is a perspective view showing the appearance of the antenna device 200 according to the second embodiment.
  • the antenna device 200 includes the non-feeding conductor 7 in addition to the non-feeding conductor 6 of the first embodiment.
  • the non-feeding conductors 6 and 7 are adjacent to the antenna conductors 2 and 3 on the printed wiring board 1 with a predetermined distance therebetween so as to face the AMC 20. It is arranged.
  • the non-feeding conductors 6 and 7 are disposed on both sides (y direction) of the antenna conductors 2 and 3 in parallel to the z direction in which the antenna conductors 2 and 3 are disposed. The two non-feeding conductors 6 and 7 further increase the capacitance, and the frequency can be shifted further by the reduction side.
  • FIG. 7A is a top view of the antenna device 300 when the upper layer of the AMC 25 is removed.
  • the openings 20a, 20b, 20c, and 20d are not formed in the AMC 25.
  • the other configuration is the same as that of the antenna device 100, so the description will be omitted.
  • FIG. 7B is a graph showing the frequency at which the voltage standing wave ratio is minimum with respect to the ratio of the length L1 of the antenna conductor to the length L2 of the non-feeding conductor 6 in the antenna device 300.
  • FIG. 7C is a graph showing the relative bandwidth to the ratio of the length L1 of the antenna conductor to the length L2 of the non-feed conductor 6 in the antenna device 300.
  • FIGS. 7B and 7C are simulated for antenna conductor lengths L1 of 6 mm, 8 mm, 10 mm, 12 mm, 14 mm, and 16 mm, and lengths L2 of non-feeding conductor 6 of 3 mm, 5 mm, and 7 mm. It is a result.
  • the relative bandwidth shown in FIG. 7C indicates the ratio of the frequency band in which the voltage standing wave ratio is 3 or less to the frequency in which the voltage standing wave ratio is minimum.
  • the frequency at which the voltage standing wave ratio becomes minimum tends to decrease as the length L1 of the antenna conductor increases for any length L2 of any non-feeding conductor 6, and the non-feeding conductor As the length L2 of 6 increases, the frequency at which the voltage standing wave ratio becomes minimum tends to decrease.
  • the length L1 of the antenna conductor necessary for the length L2 of the non-feed conductor 6 of 3 mm, 5 mm and 7 mm is approximately 14 mm, about 13 mm, and about 11 mm, and by increasing the length L2 of the non-feeding conductor 6, the length L1 of the antenna conductor can be shortened, and a compact antenna device 100 can be realized.
  • the relative bandwidth tends to increase as the length L1 of the antenna conductor becomes longer at any length L2 of the non-feed conductor 6, and the length L2 of the non-feed conductor 6
  • the relative bandwidth tends to increase as the The fact that the relative bandwidth is large indicates that radio waves of a relatively wide range of frequencies can be received, and the effect of suppressing characteristic variations due to manufacturing variations of antenna devices and differences in installation positions is large.
  • the antenna conductor can be made smaller by providing the larger non-feeding conductor 6, and the antenna device 100 can be miniaturized, and the antenna device 100 capable of stably receiving radio waves can be realized.
  • the substrate 1 having the artificial magnetic conductor (AMC), the antenna conductors 2 and 3 disposed on the substrate 1, and the antenna conductors 2 and 3 are separated and placed on the substrate. And a non-feed conductor disposed.
  • AMC artificial magnetic conductor
  • the antenna device can be miniaturized.
  • the antenna conductors 2 and 3 and the non-feeding conductor are arranged adjacent to each other on the substrate 1. This facilitates the positioning and manufacture of the antenna conductors 2 and 3 and the non-feed conductor.
  • At least two non-feed conductors 6 and 7 are disposed on both sides of the antenna conductors 2 and 3. Thereby, electrostatic coupling can be easily enlarged.
  • the manufacture of the antenna arrangement eg the manufacture of various types of antenna arrangements, is facilitated.
  • FIG. 8 is a top view of the antenna device 101 according to the first modification when the upper layer is removed from the AMC 26.
  • the antenna device 101 according to the first modification differs from the antenna device 100 according to the first embodiment in having one slit 71 in the layer of AMC 20 in that the layer of AMC 26 has three slits 71 as shown in FIG.
  • the other configuration is the same as that of the antenna device 100.
  • the antenna device 101 according to the first modification has the same function and effect as the antenna device 100 according to the first embodiment. Also in the antenna device described in the second and third embodiments, the layer of the AMC 26 of the first modification can be employed.
  • FIG. 9 is a top view of the antenna apparatus 102 according to the second modification with the upper layer removed from the AMC 27.
  • the antenna device 102 according to the second modification differs from the antenna device 100 according to the first embodiment in having the slits 71 in the layer of the AMC 20 in that the layers 72 of the AMC 27 have the slits 72 as shown in FIG. Is similar to that of the antenna device 101.
  • the slits 72 extend in the width direction by a predetermined length on both sides of a slit portion having the same shape as that of one slit 71 shown in FIG. 3 and do not reach both ends in the width direction. Are located, and these slits are connected at the center in the width direction.
  • the antenna device 102 according to the second modification has the same function and effect as the antenna device 100 according to the first embodiment. Also in the antenna device described in the second and third embodiments, the layer of the AMC 27 of the second modification can be employed.
  • FIG. 10 is a top view of the antenna device 103 according to the third modification when the upper layer is removed from the AMC 28.
  • the antenna device 103 according to the modification 3 is different from the antenna device 100 of the first embodiment having the slits 71 in the layer of the AMC 20 in that the antenna device 103 according to the modification 3 has the slits 73 in the layer. is there.
  • the slit 73 has a shape in which three slits 71 shown in FIG. 8 are connected at a central portion in the width direction.
  • the antenna device 103 according to the third modification has the same function and effect as the antenna device 100 according to the first embodiment. Also in the antenna device described in the second and third embodiments, the layer of the AMC 28 of the third modification can be employed.
  • FIG. 11 is a top view of the antenna device 104 according to the fourth modification with the upper layer removed from the AMC 29.
  • the antenna device 104 according to the modification 4 is different from the antenna device 100 of the first embodiment having the slits 71 in the layer of the AMC 20 in that the antenna device 104 has the slits 74 in the layer of the AMC 29. is there.
  • in the slit 74 one slit 71 shown in FIG. 3 and a slit extending a predetermined length in the width direction and not reaching both ends in the width direction are connected at the central portion in the width direction. It has a shape.
  • the antenna device 104 according to the fourth modification has the same function and effect as the antenna device 100 according to the first embodiment. Also in the antenna apparatus described in the second and third embodiments, the layer of AMC 29 of the fourth modification can be adopted.
  • monopole antenna As mentioned above, although the above-mentioned embodiment and modification explained a dipole antenna as an example as an illustration of art indicated in this application, other antennas, for example, monopole antenna, reverse L antenna, reverse F It may be an antenna.
  • a monopole antenna can be configured by providing only one antenna conductor 2 instead of the two antenna conductors 2 and 3 of the antenna device 100 according to the first embodiment of FIG. In this case, compared to the antenna device 100, it has the same function and effect except that the radiation characteristic changes.
  • the antenna devices described in Embodiments 2 and 3 and Modifications 1 to 4 may be monopole antennas.
  • the antenna device is formed using printed wiring board 1 which is a lamination board, antenna conductors 2 and 3, AMC, and a ground conductor are in order and mutually each other It is sufficient that they are separately stacked at a predetermined thickness, and for example, all or part of the dielectric substrates 10 and 11 may be an air layer.
  • the antenna apparatus concerning the above-mentioned embodiment and modification is provided with one grounding conductor 30, it may be provided with a plurality of grounding conductors.
  • the ground conductor and the AMC may be provided so as to face each other and to include the ground conductor in the AMC or to include the AMC in the ground conductor when viewed in a plan view. Thereby, the size of the antenna device can be miniaturized.
  • one to three slits are formed in the layer of AMC has been described in the above-described embodiment and modification, four or more slits may be formed, and all or a plurality of slits may be formed. Some may be linked.
  • the antenna device of the present disclosure is useful in the field that requires the response to the lower frequency without increasing the length of the antenna conductor.

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Abstract

本開示のアンテナ装置は、人工磁気導体を有する基板と、その基板上に配置されたアンテナ導体と、そのアンテナ導体とは離隔されて基板上に配置された無給電導体と、を備える。

Description

アンテナ装置
 本開示は、アンテナ装置に関する。
 特許文献1は、人工磁気導体(Artificial Magnetic Conductor;以下、AMCという)を利用したアンテナ装置を開示している。
特開2015-70542号公報
 本開示は、基本波の周波数特性を維持しつつ、小型化可能なアンテナ装置を提供する。
 本開示のアンテナ装置は、人工磁気導体を有する基板と、その基板上に配置されたアンテナ導体と、そのアンテナ導体とは離隔されて基板上に配置された無給電導体と、を備える。
 本開示によれば、アンテナ導体及び無給電導体を人工磁気導体に対向して配置することにより、アンテナ導体と人工磁気導体との静電結合を強め、静電容量が大きくなり、受信可能な周波数を低域側にシフトすることが可能となる。また、アンテナ導体の長さを大きくすることなく低域側の周波数への対応が可能となり、アンテナ装置を小型化できる。
実施の形態1に係るアンテナ装置100の外観を示す斜視図である。 図1のII-II線の縦断面図である。 図1のアンテナ装置100においてAMC20よりも上側層を削除したときの上面図である。 図1のアンテナ装置100において接地導体30よりも上側層を削除したときの上面図である。 図1のアンテナ装置100において無給電導体6が無い場合と無給電導体6が有る場合とを比較した電圧定在波比の周波数特性を示すグラフである。 実施の形態2に係るアンテナ装置200の外観を示す斜視図である。 実施の形態3に係るアンテナ装置300においてAMC20よりも上側層を削除したときの上面図である。 アンテナ装置300におけるアンテナ導体の長さL1と無給電導体の長さL2との比に対する電圧定在波比が最小となる周波数を示すグラフである。 アンテナ装置300におけるアンテナ導体の長さL1と無給電導体の長さL2との比に対する比帯域幅を示すグラフである。 変形例1に係るアンテナ装置101のAMC26構成を示す図である。 変形例2に係るアンテナ装置102のAMC27構成を示す図である。 変形例3に係るアンテナ装置103のAMC28構成を示す図である。 変形例4に係るアンテナ装置104のAMC29構成を示す図である。
 以下、適宜図面を参照しながら、本開示に係るアンテナ装置を具体的に開示した実施の形態(以下、「本実施の形態」という)を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
 以下、本開示を実施するための好適な本実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
 なお、以下の実施の形態、変形例及び比較例においては、2.4GHz帯(例えば、2400~2500MHz)のアンテナ装置であって、Bluetooth(登録商標)のアンテナ装置、Wi-Fi用のアンテナ装置、もしくは様々な電子機器のためのアンテナ装置を一例として以下に説明する。しかし、他の周波数帯域においても同様に使用することができる。
 (実施の形態1)
 以下、図1~図4を参照して、実施の形態1に係るアンテナ装置100の構成について説明する。
 図1は実施の形態1に係るアンテナ装置100の外観を示す斜視図であり、図2は図1のII-II線の縦断面図である。また、図3は図1のアンテナ装置100においてAMC20よりも上側層(+x方向が当該上側に対応する)を削除したときの上面図であり、図4は図1のアンテナ装置100において接地導体30よりも上側層を削除したときの上面図である。本実施の形態のアンテナ装置100は、テレビジョン装置の様なディスプレイ装置に取り付けることもできる。
 以下の実施の形態、比較例及び変形例においては、アンテナ装置100の一例として、ダイポールアンテナを例に説明する。ダイポールアンテナは、複数の層を有する積層基板であるプリント配線基板1(以下、基板1と称する場合がある)上に形成されており、表面の金属箔をエッチング等することによってダイポールアンテナのパターンを形成している。複数の層のそれぞれは、銅箔やガラスエポキシ等で構成される。
 図1,2に示すように、アンテナ装置100は、プリント配線基板1と、給電アンテナの一例としてのストリップ導体であるアンテナ導体2と、非給電アンテナ(接地アンテナ)の一例としてのストリップ導体であるアンテナ導体3と、ビア導体4と、ビア導体5と、アンテナ導体2,3の側方(+y方向側)に配置される無給電導体6と、を備える。ビア導体4は、アンテナ導体2の給電点Q1と無線通信回路(図示せず:プリント配線基板1の裏面1bに実装される)との間の給電線の給電導体を構成する。ビア導体5は、アンテナ導体3の給電点Q2と無線通信回路との間の給電線の接地導体を構成する。無給電導体6は、アンテナ導体2,3と電気的に分離されている無給電パターンである。
 アンテナ導体2及びアンテナ導体3は、例えばダイポールアンテナを構成し、それらの長手方向が一直線上で+z方向及び-z方向でそれぞれ延在し、かつ各アンテナ導体2,3の給電点Q1,Q2側の端部(以下、給電側端部という)が所定の間隔だけ離隔するように、プリント配線基板1の表面1aに形成される。なお、各アンテナ導体2,3の給電側端部とは反対の両端部(アンテナ装置100全体で見たときに、最大に離隔する端部)を以下、アンテナ導体2,3の先端側端部という。また、アンテナ導体2の先端側端部とアンテナ導体3の先端側端部とのz方向の距離をアンテナ導体の長さL1と定義する。
 ビア導体4,5はそれぞれ、プリント配線基板1の表面1aから裏面1bにわたって厚さ方向で形成された各貫通孔に導体を充填することで形成されている。アンテナ導体2は、給電アンテナとして機能するため、ビア導体4を介して、プリント配線基板1の裏面1b上の無線通信回路の給電端子に接続される。また、アンテナ導体3は、非給電アンテナとして機能するため、ビア導体5を介して、プリント配線基板1内の接地導体30、並びに無線通信回路の接地端子に接続される。
 ここで、z方向は、アンテナ装置100及びそのアンテナ導体2,3の長手方向を意味する。y方向は、アンテナ装置100及びそのアンテナ導体2,3の幅方向を意味し、z方向に対して直交する。x方向は、アンテナ装置100の厚み方向を意味し、yz平面に対して直交する。プリント配線基板1において、ビア導体4,5はそれぞれ給電点Q1,Q2の実質的に直下の対応する位置に形成される。なお、アンテナ装置100のプリント配線基板1は、例えば電子機器のプリント配線基板上に実装してもよい。
 図2において、積層基板であるプリント配線基板1は、誘電体基板10と、AMC20と、誘電体基板11と、接地導体30と、を当該順序で積層することで構成される。図2では、誘電体基板10、誘電体基板11、接地導体30はそれぞれ略同一形状であるが、それぞれ、異なる形状でもよい。例えば、誘電体基板10や誘電体基板11に比べて大きな接地導体30を用いると、接地導体30を他のアンテナと共用することもできる。ここで、誘電体基板10,11は、例えばガラスエポキシ等で形成される。AMC20は、PMC(Perfect Magnetic Conductor)特性を有する人工磁気導体であり、所定の金属パターンにより形成される。AMC20を利用することで、アンテナの薄型化及び高利得化ができる。プリント配線基板1は、基板の一例である。
 無給電導体6は、AMC20と対向するようにプリント配線基板1上においてアンテナ導体2,3と互いに所定の距離を確保した状態で幅方向に隣接して配置されている。所定の距離は、例えば、受信電波波長の4分の1以内である。実施の形態1において、無給電導体6は、アンテナ導体2,3の配置されたz方向に対して並列して、アンテナ導体2,3の側面の一方側に配置されている。無給電導体6は、アンテナ導体2,3と同様に、誘電体基板10を介してAMC20と対向しAMC20と静電結合しているため、アンテナ導体2,3とAMC20との間の静電容量を増加させ、周波数を低減側にシフトすることが可能となる。
 本実施の形態では、図1に示すように、無給電導体6のz方向の長さL2は、アンテナ導体の長さL1よりも短い。また、図1に示すように、アンテナ導体2の先端側端部と無給電導体6のアンテナ導体2側端部とのz方向の距離はギャップG1であり、アンテナ導体3の先端側端部と無給電導体6のアンテナ導体3側の端部とのz方向の距離はギャップG2である。本実施の形態では、アンテナ導体2,3はxy平面に対して面対称に形成され、無給電導体6もそのxy平面に対して面対称に形成されているので、ギャップG1とギャップG2とは実質的に等しい。
 無給電導体6の大きさ、形状、数等に特に限定されず、AMC20から見てアンテナ導体2,3と同じ側にあり、AMC20と静電結合すれば良く、無給電導体6が誘電体基板10を介してAMC20に対向して配置されることは必須ではない。
 ビア導体4は円柱形状を有し、アンテナ導体2をアンテナとして駆動するための電力を供給するための給電線であり、プリント配線基板1の表面1aに形成されたアンテナ導体2を、前記無線通信回路の給電端子に電気的に接続する。また、ビア導体4は、AMC20及び接地導体30とは電気的に接続しないように、AMC20及び接地導体30に形成されたビア導体絶縁用孔21,31と実質的に同軸となるように形成されている。ビア導体4の直径はビア導体絶縁用孔21,31の直径よりも小さい。
 一方、ビア導体5は、アンテナ導体3を前記無線通信回路の接地端子に電気的に接続するためのものであり、ビア導体5は接地導体30及びAMC20と電気的に接続される。
 図2及び図3のAMC20において、
 (1)アンテナ導体2の先端側端部の直下の実質的に対向する位置付近からその長手方向のz方向で延在するように形成された矩形形状の開口部20a(図2のAMC20の層においてその厚さ方向に貫通するが、当該層から上下方向(+x方向および-x方向)には形成されていない開口部)と、
 (2)開口部20aから、長手方向のz方向で所定の間隔だけ離隔した位置から、プリント配線基板1の左側端部までにわたってz方向で延在するように形成された矩形形状の開口部20c(図2のAMC20の層においてその厚さ方向に貫通するが、当該層から上下方向(+x方向および-x方向)には形成されていない開口部)と、
 (3)アンテナ導体3の先端側端部の直下の実質的に対向する位置付近から長手方向の-z方向で延在するように形成された矩形形状の開口部20b(図2のAMC20の層においてその厚さ方向に貫通するが、当該層から上下方向(+x方向および-x方向)には形成されていない開口部)と、
 (4)開口部20bから、長手方向の-z方向で所定の間隔だけ離隔した位置から、プリント配線基板1の右側端部までにわたって-z方向で延在するように形成された矩形形状の開口部20d(図2のAMC20の層においてその厚さ方向に貫通するが、当該層から上下方向(+x方向および-x方向)には形成されていない開口部)と、
 (5)z方向の中央部に形成され、その厚さ方向に貫通し、幅方向の端部まで延在するスリット71と、を備える。
 ここで、各開口部20a~20d及びスリット71(後述する実施の形態及び変形例に係る開口部も含む)は例えば、いわゆるスリット、スロット、貫通孔、切欠部などを含み、AMC20の層において人工磁気導体が形成されていない部分である。AMC20は、スリット71によって長手方向に2つの部分(AMCの一部分を「AMC部分」と称する場合がある)に分離されている。なお、AMCがスリット71によって長手方向に分離されている点は、以下に述べる実施の形態2,3、変形例、及び比較例において同様である。
 ここで、開口部20aの形成位置は、アンテナ導体2の先端側端部の直下の実質的に対向する位置(AMC20(すなわち、プリント配線基板1)の左半分の部分の中央部の位置に対応する)を含み、当該位置からプリント配線基板1の左側先端に向かってz方向で延在している。また、開口部20bの形成位置は、アンテナ導体3の先端側端部の直下の実質的に対向する位置(AMC20(すなわち、プリント配線基板1)の右半分の部分の中央部の位置に対応する)を含み、当該位置からプリント配線基板1の右側先端に向かって-z方向で延在している。
 ここで、各開口部20c,20dは、例えば、各アンテナ導体2,3の給電点側の端部とは反対の先端側端部に対して実質的に対向する位置から、前記各アンテナ導体2,3の長手方向で当該アンテナ装置100の先端部に向かって離隔した位置(アンテナ導体2,3の先端の真下に開口部20c,20dがない)から、前記各アンテナ導体2,3の長手方向で当該アンテナ装置100の先端部に向かって延在する。これについては、他の実施の形態においても同様である。
 図4の接地導体30において、ビア導体4を貫通させかつ接地導体30と電気的に絶縁して形成されるビア導体絶縁用孔31と、ビア導体5を貫通させかつ接地導体30と電気的に接続して形成される孔とが形成されている。
 実施の形態1に係るアンテナ装置100では、図2~図4から明らかなように、AMC20及び接地導体30の平面形状は互いに実質的に同一の矩形形状であって、かつ実質的に合同な形状を有し、AMC20及び接地導体30は互いに対向しかつ厚さ方向で所定の間隔で離隔して重なるように形成されている。なお、AMC20は開口部20a~20d及びスリット71を有するが、AMC20の長手方向の長さは接地導体30の長手方向の長さと実質的に同一となるように形成されている。
 図5は、実施の形態1に係るアンテナ装置100(無給電導体6が有る場合)と比較例(無給電導体6が無い場合)とを比較した電圧定在波比(VSWR:Voltage Standing Wave Ratio)の周波数特性を示すグラフであり、無給電導体6の有無以外は同じ条件でシミュレーションしている。
 このグラフから明らかなように、本実施の形態の無給電導体6を備えるアンテナ装置100は電圧定在波比が低周波数側にシフトしていることが理解される。特にグラフにおいて電圧定在波比の最小値に注目すると、比較例(無給電導体無し)では2430MHzであるが、無給電導体6がある本実施の形態のアンテナ装置100では、2340MHzと低周波数側にある。すなわち、低周波ほど大きなアンテナ導体が必要であるが、無給電導体6を設けることによりアンテナ導体の大きさを変えずより低周波に対応するアンテナ装置100を実現できる。
 (実施の形態2)
 以下、図6を参照して、実施の形態2に係るアンテナ装置200の構成について説明する。
 図6は実施の形態2に係るアンテナ装置200の外観を示す斜視図である。アンテナ装置200は、実施の形態1の無給電導体6に加えて無給電導体7を有する。
 実施の形態2では、実施の形態1と同様に、無給電導体6,7は、AMC20と対向するようにプリント配線基板1上においてアンテナ導体2,3と互いに所定の距離を確保した状態で隣接して配置されている。実施の形態2において、無給電導体6,7は、アンテナ導体2,3の配置されたz方向に対して並列して、アンテナ導体2,3の両側(y方向)に配置されている。2本の無給電導体6,7により静電容量がさらに大きくなり、周波数をさらに低減側によりシフトすることが可能となる。
 (実施の形態3)
 次に、図7A~図7Cを参照して、実施の形態3に係るアンテナ装置300について、アンテナ導体の長さL1および無給電導体6の長さL2を変化させた場合のアンテナ装置の特性を説明する。図7Aは、アンテナ装置300においてAMC25よりも上側層を削除したときの上面図である。アンテナ装置300は、図7Aに示すように、実施の形態1で説明したアンテナ装置100と異なり、AMC25に開口部20a,20b,20c,20dが形成されていない。他の構成はアンテナ装置100と同様であるので、説明を省略する。
 図7Bは、アンテナ装置300におけるアンテナ導体の長さL1と無給電導体6の長さL2との比に対する電圧定在波比が最小となる周波数を示すグラフである。図7Cは、アンテナ装置300におけるアンテナ導体の長さL1と無給電導体6の長さL2との比に対する比帯域幅を示すグラフである。図7Bおよび図7Cは、アンテナ導体の長さL1が6mm、8mm、10mm、12mm、14mm、16mmの場合で、無給電導体6の長さL2が3mm、5mm、7mmの場合についてシミュレーションを行った結果である。また、図7Cに示す比帯域幅は、電圧定在波比が最小となる周波数に対する電圧定在波比が3以下となる周波数帯域の比率を示している。
 図7Bに示すように、いずれの無給電導体6の長さL2においてもアンテナ導体の長さL1が長くなるにつれて電圧定在波比が最小となる周波数が低下する傾向を示すとともに、無給電導体6の長さL2が長いほど電圧定在波比が最小となる周波数が低下する傾向を示している。例えば、電圧定在波比が最小となる周波数が2340MHzとなる場合に注目すると、無給電導体6の長さL2が3mm、5mm、7mmの場合に必要なアンテナ導体の長さL1は、それぞれ約14mm、約13mm、約11mmであり、無給電導体6の長さL2を大きくすることによりアンテナ導体の長さL1を短くでき小型のアンテナ装置100を実現できる。
 また、図7Cに示すように、いずれの無給電導体6の長さL2においてもアンテナ導体の長さL1が長くなるにつれて比帯域幅が大きくなる傾向を示すとともに、無給電導体6の長さL2が長いほど比帯域幅が大きくなる傾向を示している。比帯域幅が大きいということは、比較的広い範囲の周波数の電波を受信でき、アンテナ装置の製造ばらつきや設置位置の違いによる特性の変動を抑える効果が大きいことを示している。
 以上により、より大きな無給電導体6を設けることによりアンテナ導体を小さくできてアンテナ装置100を小型化できるとともに、安定的に電波を受信できるアンテナ装置100を実現できる。
 (効果等)
 実施の形態1~3のアンテナ装置は、人工磁気導体(AMC)を有する基板1と、基板1上に配置されたアンテナ導体2,3と、アンテナ導体2,3とは離隔されて基板上に配置された無給電導体と、を備える。
 これにより、アンテナ導体2,3と同じ面に無給電導体を設けることにより、アンテナ導体2,3と人工磁気導体との静電結合を強め、静電容量が大きくなり、周波数を低域側にシフトすることが可能となる。また、アンテナ導体2,3の長さを大きくすることなく低域側の周波数への対応が可能となり、アンテナ装置を小型化できる。
 また、実施の形態1~3のアンテナ装置は、アンテナ導体2,3及び無給電導体が、基板1上において互いに隣接して配置されている。これにより、アンテナ導体2,3及び無給電導体の位置決め及び製造が容易となる。
 さらに、実施の形態2のアンテナ装置200は、アンテナ導体2,3の両側に少なくとも2本の無給電導体6,7が配置されている。これにより、静電結合を容易に大きくできる。
 また、実施の形態1~3の様にアンテナ装置の一番上の層に無給電導体が存在する場合、無給電導体を改変して周波数を調整することが容易にできるため、周波数を調整したアンテナ装置の製造、例えば種々の種類のアンテナ装置の製造が容易となる。
 (変形例1)
 図8は、変形例1に係るアンテナ装置101においてAMC26よりも上側層を削除したときの上面図である。変形例1に係るアンテナ装置101は、図8に示すように、AMC26の層に3つのスリット71を有する点で、AMC20の層に1つのスリット71を有する実施の形態1のアンテナ装置100と異なり、他の構成はアンテナ装置100と同様である。
 変形例1に係るアンテナ装置101は、実施の形態1に係るアンテナ装置100と同様の作用効果を有する。なお、実施の形態2,3で説明したアンテナ装置においても、変形例1のAMC26の層を採用することができる。
 (変形例2)
 図9は、変形例2に係るアンテナ装置102においてAMC27よりも上側層を削除したときの上面図である。変形例2に係るアンテナ装置102は、図9に示すように、AMC27の層にスリット72を有する点で、AMC20の層にスリット71を有する実施の形態1のアンテナ装置100と異なり、他の構成はアンテナ装置101と同様である。スリット72は、図9に示すように、図3に示す1つのスリット71と同じ形状のスリット部の両側に、幅方向に所定の長さで延在し幅方向の両端には達しないスリット部が位置し、これらのスリット部が幅方向の中央部分で連結された形状を有する。
 変形例2に係るアンテナ装置102は、実施の形態1に係るアンテナ装置100と同様の作用効果を有する。なお、実施の形態2,3で説明したアンテナ装置においても、変形例2のAMC27の層を採用することができる。
 (変形例3)
 図10は、変形例3に係るアンテナ装置103においてAMC28よりも上側層を削除したときの上面図である。変形例3に係るアンテナ装置103は、AMC28の層にスリット73を有する点で、AMC20の層にスリット71を有する実施の形態1のアンテナ装置100と異なり、他の構成はアンテナ装置100と同様である。スリット73は、図10に示すように、図8に示す3つのスリット71が幅方向の中央部分で連結する形状を有する。
 変形例3に係るアンテナ装置103は、実施の形態1に係るアンテナ装置100と同様の作用効果を有する。なお、実施の形態2,3で説明したアンテナ装置においても、変形例3のAMC28の層を採用することができる。
 (変形例4)
 図11は、変形例4に係るアンテナ装置104においてAMC29よりも上側層を削除したときの上面図である。変形例4に係るアンテナ装置104は、AMC29の層にスリット74を有する点で、AMC20の層にスリット71を有する実施の形態1のアンテナ装置100と異なり、他の構成はアンテナ装置100と同様である。スリット74は、図11に示すように、図3に示す1つのスリット71と幅方向に所定の長さで延在し幅方向の両端には達しないスリットとが幅方向の中央部分で連結する形状を有する。
 変形例4に係るアンテナ装置104は、実施の形態1に係るアンテナ装置100と同様の作用効果を有する。なお、実施の形態2,3で説明したアンテナ装置においても、変形例4のAMC29の層を採用することができる。
 (他の実施の形態)
 以上のように、本出願において開示する技術の例示として、上述の実施の形態及び変形例では、ダイポールアンテナを例に説明したが、その他のアンテナ、例えば、モノポールアンテナ、逆Lアンテナ、逆Fアンテナであってもよい。例えば、図1の実施の形態1に係るアンテナ装置100の2つのアンテナ導体2,3に代えて、1つのアンテナ導体2のみを備えることで、モノポールアンテナを構成することができる。この場合、アンテナ装置100と比較して、放射特性が変化することを除き、同様の作用効果を有する。なお、実施の形態2,3および変形例1~4で説明したアンテナ装置をモノポールアンテナとしてもよい。
 また、上述の実施の形態及び変形例では、2.4GHz帯のアンテナ装置として説明したが、他の周波数帯を使用するアンテナ装置であってもよい。
 また、上述の実施の形態及び変形例では、積層基板であるプリント配線基板1を用いてアンテナ装置を形成しているが、アンテナ導体2,3と、AMCと、接地導体が順番にかつそれぞれ互いに所定の厚さで離隔して積層されていればよく、例えば、誘電体基板10,11の全部又は一部が空気層であってもよい。さらに、上述の実施の形態及び変形例に係るアンテナ装置は1つの接地導体30を備えているが、複数の接地導体を備えてもよい。
 さらに、接地導体とAMCとは、互いに対向しかつ、平面視で見たときに、接地導体がAMCに含まれるように、もしくは、AMCが接地導体に含まれるように設けられてもよい。これにより、当該アンテナ装置のサイズを小型化できる。
 上述の実施の形態及び変形例では、AMCの層に1~3つのスリットが形成される場合を説明したが、4つ以上のスリットが形成されてもよく、また、複数のスリットのうち全部又は一部が連結されてもよい。
 以上、図面を参照して本開示に係るアンテナ装置の実施の形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されない。当業者であれば、請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例、修正例、置換例、付加例、削除例、均等例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
 本開示のアンテナ装置は、アンテナ導体の長さを大きくすることなく低域側の周波数への対応を要求する分野に有用である。
 1 基板(プリント配線基板)
 2,3 アンテナ導体
 4,5 ビア導体
 6,7 無給電導体
 10,11 誘電体基板
 20,25,26,27,28,29 人工磁気導体(AMC)
 20a,20b,20c,20d 開口部
 21,31 ビア導体絶縁用孔
 30 接地導体
 71,72,73,74 スリット
 100,101,102,103,104,200,300 アンテナ装置
 Q1,Q2 給電点

Claims (6)

  1.  人工磁気導体を有する基板と、
     前記基板上に配置されたアンテナ導体と、
     前記アンテナ導体とは離隔されて前記基板上に配置された無給電導体と、
    を備える、アンテナ装置。
  2.  請求項1に記載のアンテナ装置であって、
     前記アンテナ導体及び前記無給電導体が、前記基板上において互いに隣接して配置されている、アンテナ装置。
  3.  請求項1または2に記載のアンテナ装置であって、
     前記基板は、誘電体基板を有し、
     前記アンテナ導体および前記無給電導体は、前記誘電体基板を介して前記人工磁気導体と対向している、アンテナ装置。
  4.  請求項1~3のいずれかに記載のアンテナ装置であって、
     前記人工磁気導体は開口部を有する、アンテナ装置。
  5.  請求項1~4のいずれかに記載のアンテナ装置であって、
     前記アンテナ導体の両側に前記無給電導体が配置されている、アンテナ装置。
  6.  請求項1~5のいずれかに記載のアンテナ装置であって、
     前記アンテナ導体は、給電アンテナおよび接地アンテナを有し、それぞれの給電側端部が対向するように配置される、アンテナ装置。
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