JP5920151B2 - アンテナ装置および通信装置 - Google Patents
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Description
<第1の実施形態>
図1は、第1の実施形態に従ったアンテナ装置の概略的な上面図である。図2は、第1の実施形態に従ったアンテナ装置の概略的な部分的斜視図である。図3は、第1の実施形態に従ったアンテナ装置の概略的な側面図である。
図3に示すように、接地導体20は、基板10内に形成される。接地導体20の上面および下面と基板10の上面および下面とは並行する。また、図1および図2に示すように、基板10の表面に形成された第1のアンテナ素子30および第2のアンテナ素子40の下方には、接地導体20は形成されない。接地導体20の幅は、基板10の幅とほぼ等しく、接地導体20の高さは、基板10の高さよりも短い。接地導体20は、給電線50と共にマイクロストリップラインを形成する。
扇形部31は、曲線の辺31sを含む略扇形の形状を有し、基板10の表面に接して形成される。扇形部31は、基板10の表面から外側へはみ出さないように形成される。
図4に示すように、扇形部31、折り曲げ部32、および三角形部33を同一平面に展開した場合、第1のアンテナ素子30は、三角形部33の辺33sを底辺とし、給電点34を頂点とする凸形の形状を有する。第1の実施形態では、第1のアンテナ素子30がこのような凸形の面状に形成されることによって、広い周波数帯域に渡って第1のアンテナ素子30が良好なアンテナ特性を有するように構成する。
まず、第1のアンテナ素子30が傾けられることによって、扇形部31、折り曲げ部32、および三角形部33を含む第1のアンテナ素子30の寸法を小さくすることなく、良好なアンテナ特性を広帯域に渡って得ることができる。
第1の直線部41は、線状の形状を有し、第1の直線部41の一端は、第3のスイッチ73を介して扇形部31と接続する。第3のスイッチ73がオンになり、第1の直線部41が扇形部31と接続した場合、第1のアンテナ素子30および第2のアンテナ素子40から構成されるアンテナは、下限の動作周波数において電気長が1/4波長にほぼ等しいモノポールアンテナである。
第1の整合素子61の一端は、第1のスイッチ71と接続され、第1の整合素子61の他端は、ビア81を介して接地導体20と接続される。第2の整合素子62の一端は、第2のスイッチ72と接続され、整合素子62の他端は、ビア82を介して接地導体20と接続される。後述するように、第1の整合素子61および第2の整合素子62は、給電点34から所定の距離の位置にそれぞれ配置される。また、第1の整合素子61は、第2の整合素子62よりも給電点34に近い位置に配置される。
第1のスイッチ71は、制御回路(図示せず)からの制御信号に従って、第1の整合素子61を給電線50と接続または切断する。第1のスイッチ71は、給電点34から第1のスイッチ71までの給電線50の距離(長さ)が所定の距離となるように配置される。
第1のスイッチ71、第2のスイッチ72、および第3のスイッチ73としては、例えば、Micro Electro Mechanical Systems(MEMS)スイッチ等の機械的なリレータイプのスイッチ、ならびにPINダイオードおよびGaAsスイッチ等の半導体スイッチが挙げられる。
図5に示した回路図内の各構成要素には、図1に示したアンテナ装置1の各構成要素に対応して同じ参照符号がふられている。また、図5には、送受信モジュール90が示されている。送受信モジュール90は、所定周波数の信号源であり、給電点34と接続する給電線50の一端とは異なる他端と接続される。
また、アンテナおよび長さlの給電線50全体のサセプタンスBは、次の式(4)で表される。サセプタンスBは、アンテナおよび長さlの給電線50全体のアドミタンスYの虚部であり、実施形態においては、容量成分である。
図6に示した動作モードとトータル効率の周波数特性との関係の説明図である。
図6に示した第1の動作モードでは、制御回路からの制御信号によって、第1のスイッチ71、第2のスイッチ72、および第3のスイッチ73は、全てオフになるように制御される。従って、第1の動作モードでは、第3のスイッチ73がオフであるため、第1のアンテナ素子30のみがアンテナ装置1のアンテナとして使用される。また、第1のスイッチ71および第2のスイッチ72がオフであるため、第1の整合素子61および第2の整合素子62が用いられたアンテナインピーダンスの整合は実施されない。
接地導体20は、給電線50が接する基板10の表面から0.1mmの深さの位置に配置される。接地導体20の幅は、50mmであり、高さは、100mmであり、厚さは、0.035mmである。
接地導体20、第1のアンテナ素子30、および第2のアンテナ素子40の導電率は、5.96×107S/mである。
第1の整合素子61のインダクタンス値は、2.25nHであり、第2の整合素子62のインダクタンス値は、4.2nHである。
なお、上述した各種パラメータの設定値は、例示であり、上述した設定値でなければ第1の実施形態のアンテナ装置1が良好なアンテナ特性を有しないことを意味するものではない。
図17は、第1の実施形態に従ったアンテナ装置の設計手順の例図である。
第1の実施形態に従ったアンテナ装置1の設計が開始されると(ステップs101)、ステップs102において、第1のアンテナ素子30のモデルを設計する。
図20は、第1のアンテナ素子と第2のアンテナ素子との接続位置の説明図である。図21は、第2のアンテナ素子の接続位置と第1のアンテナ素子の動作周波数帯域幅との関係図である。図20に示すように、給電点34から最も遠い第1のアンテナ素子の地点から第2のアンテナ素子40が第1のアンテナ素子30と接続する地点までの間の距離をdとする。すなわち、給電点34から最も遠い扇形部31の地点から扇形部31寄りの第1の直線部41の先端までの間の距離をdとする。図21に示すように、距離dが大きくなるほど、広帯域アンテナである第1のアンテナ素子30の動作周波数帯域幅は、狭くなり、アンテナ特性が劣化する。そこで、距離dは、小さいほどよく、波長λ/200よりも小さいことが好ましい。すなわち、第3のスイッチ73を介して扇形部31と接続する第1の直線部41の一端は、給電点34から遠い扇形部31の地点に近くになるように配置されることが好ましい。
このようなアンテナ装置1の設計手順が実行されると、ステップs104で算出された距離d1は、ステップs107で算出された距離d2よりも短くなる。
例えば、広帯域アンテナである第1のアンテナ素子30は、表面積を維持したまま基板10上に折り曲げられて形成される。このため、第1の実施形態に従ったアンテナ装置1は、広帯域に渡って良好なアンテナ特性が得られると共に、小型化することができる。
第1の実施形態では、アンテナ装置1は、図6及び図7に示すような第1〜第4の動作モードに切り替えられるように構成される。
図24は、第2の実施形態に従ったアンテナ装置の動作モードの説明図である。図25は、図24に示した動作モードと反射係数S11の周波数特性との関係の説明図である。
図26は、第2の実施形態に従ったアンテナ装置の設計手順の例図である。
第2実施形態に従ったアンテナ装置1の設計が開始されると(ステップs201)、ステップs202において、第1のアンテナ素子30のモデルを設計する。第1のアンテナ素子30は、実施形態では、1/4波長の広帯域アンテナである。
このようなアンテナ装置1の設計手順が実行されると、ステップs205で算出された距離d1は、ステップs207で算出された距離d2よりも短くなる。
なお、前述の一例では、給電線に接続するスイッチおよび整合素子の数は、それぞれ2つとしたが、さらに低周波帯域においてアンテナ特性を良好にするために、3つ以上のスイッチおよび整合素子がアンテナ装置に含まれるように構成してもよい。
第1および第2の実施形態では、アンテナ装置1に含まれる第1のスイッチ71および第2のスイッチ72は、損失およびリアクタンスを有しないものとみなした。しかしながら、MEMSスイッチ等の実際のスイッチは、損失およびリアクタンスを有する。
図27は、第3の実施形態に従ったアンテナ装置の上面図である。図28は、第3の実施形態に従ったアンテナ装置の断面図である。図27および図28に示した第3の実施形態に従ったアンテナ装置3において、第1および第2の実施形態に従ったアンテナ装置1と同一の構成要素には、同一の参照符号がふられている。
接地導体20、第1のアンテナ素子30、および第2のアンテナ素子40の導電率は、5.96×107S/mである。
抵抗素子r1〜r11は、10Ωである。
前述したような第1〜第3に従ったアンテナ装置は、携帯情報端末装置等の通信装置に実装することができる。
図31に示すように。第4の実施形態に従った通信装置4は、制御部410、無線処理部420、アンテナ装置430、および記憶装置440を含む。
図32に示すように、動作モード管理テーブルには、複数の動作周波数帯域が記録される。また、動作モード管理テーブルには、各動作周波数帯域に対応する動作モードが記録される。図32に示した一例では、各動作周波数帯域に対応して、図6を示しながら前述した第1〜第4の動作モードがそれぞれ記憶される。図32に示すように、各動作モードは、第1のアンテナ素子と第2のアンテナ素子とを接続または切断する第3のスイッチのオンまたはオフの状態、ならびに第1および第2の整合素子と給電線とをそれぞれ接続または切断する第1および第2のスイッチのオンまたはオフの状態の所定の組み合わせである。
(付記1)
基板と、
前記基板の表面に配置され、広帯域に渡って所定のアンテナ特性を有する第1のアンテナ素子と、
前記基板の前記表面に配置され、前記第1のアンテナ素子の最低動作周波数を決定する辺の長さの2倍よりも短いアンテナ長を有する線状の第2のアンテナ素子と、
前記基板の前記表面から所定の深さに配置され、前記第1のアンテナ素子および前記第2のアンテナ素子の下方には配置されない接地導体と、
前記基板の前記表面に配置され、前記第1のアンテナ素子内の給電点と接続する給電線と、
前記給電点から所定の距離で前記給電線にそれぞれ配置された第1のスイッチおよび第2のスイッチと、
前記給電線と前記接地導体との間に配置され、前記第1のスイッチがオンにされると前記給電線と並列に接続される第1の整合素子と、
前記給電線と前記接地導体との間に配置され、前記第2のスイッチがオンにされると前記給電線と並列に接続される第2の整合素子と、
前記第1のアンテナ素子と前記第2のアンテナ素子との接続状態を切り替える第3のスイッチと
を含むアンテナ装置。
(付記2)
前記アンテナ装置は、前記第1のスイッチ、前記第2のスイッチ、および前記第3のスイッチがオフにされた第1の動作モードと、前記第1のスイッチがオンにされ、前記第2のスイッチおよび前記第3のスイッチがオフにされた第2の動作モードと、前記第1のスイッチおよび前記第2のスイッチがオフにされ、前記第3のスイッチがオンにされた第3の動作モードと、前記第1のスイッチがオフにされ、前記第2のスイッチおよび前記第3のスイッチがオンにされた第4の動作モードの何れかの動作モードで動作する、付記1に記載のアンテナ装置。
(付記3)
前記第2の動作モードの基本共振周波数は、前記第1の動作モードの下限動作周波数と第3の動作モードの基本共振周波数を含む動作周波数帯域の上限動作周波数との間の周波数であり、前記第4の動作モードの基本共振周波数は、第3の動作モードの基本共振周波数を含む動作周波数帯域の下限動作周波数よりも低い、付記2に記載のアンテナ装置。
(付記4)
前記給電点から前記第1のスイッチまでの前記給電線の距離は、前記給電点から前記第2のスイッチまでの前記給電線の距離よりも短い、付記1〜3の何れか一項に記載のアンテナ装置。
(付記5)
前記給電点から最も遠い前記第1のアンテナ素子の地点から前記第2のアンテナ素子が前記第1のアンテナ素子と接続する地点までの間の距離は、使用周波数の200分の1より小さい、付記1〜4の何れか一項に記載のアンテナ装置。
(付記6)
前記第1のアンテナ素子は、
前記給電点を含み、前記基板の表面に接して配置される扇形部と、
前記扇形部と接し、前記基板の表面から垂直に配置される折り曲げ部と、
前記折り曲げ部と接し、前記折り曲げ部から垂直に前記基板の方向に折り曲げられる三角形部とを含み、
前記扇形部、前記折り曲げ部、および前記三角形部を同一平面に展開した場合に、前記給電点と前記給電点から最も遠い三角形部の辺の両端とを結んだ三角形が前記基板の方向に傾くように配置される、付記1〜5の何れか一項に記載のアンテナ装置。
(付記7)
前記第1のスイッチ、前記第2のスイッチ、および前記第3のスイッチは、MEMSスイッチ、PINダイオードスイッチ、およびGaAsスイッチの内の何れか1つである、付記1〜6の何れか一項に記載のアンテナ装置。
(付記8)
前記アンテナ装置は、
前記第1のスイッチの駆動電極と接続する第1の制御線と、
前記第2のスイッチの駆動電極と接続する第2の制御線と、
前記第3のスイッチの駆動電極と接続する第3の制御線と、
前記第3のスイッチの接地電極と接続する接地線と、
を含み、
前記第1の制御線、前記第2の制御線、前記第3の制御線、および前記接地線それぞれに直列に抵抗素子が接続される、付記1〜6の何れか一項に記載のアンテナ装置。
(付記9)
基板と、
前記基板の表面に配置され、広帯域に渡って所定のアンテナ特性を有する第1のアンテナ素子と、
前記基板の前記表面に配置され、前記第1のアンテナ素子の最低動作周波数を決定する辺の長さの2倍よりも短いアンテナ長を有する線状の第2のアンテナ素子と、
前記基板の前記表面から所定の深さに配置され、前記第1のアンテナ素子および前記第2のアンテナ素子の下方には配置されない接地導体と、
前記基板の前記表面に配置され、前記第1のアンテナ素子内の給電点と接続する給電線と、
前記給電点から所定の距離で前記給電線にそれぞれ配置された第1のスイッチおよび第2のスイッチと、
前記給電線と前記接地導体との間に配置され、前記第1のスイッチがオンにされると前記給電線と並列に接続される第1の整合素子と、
前記給電線と前記接地導体との間に配置され、前記第2のスイッチがオンにされると前記給電線と並列に接続される第2の整合素子と、
前記第1のアンテナ素子と前記第2のアンテナ素子との接続状態を切り替える第3のスイッチと
を含むアンテナ装置と、
前記第1のスイッチ、前記第2のスイッチ、および前記第3のスイッチの接続状態を使用周波数帯域に従って切り替える制御信号を生成し、生成された前記制御信号を前記アンテナ装置に送信する制御部と、
前記使用周波数帯域内の周波数の信号を前記アンテナ装置から受信し、受信された信号を復調する無線処理部と、
を含む通信装置。
(付記10)
前記アンテナ装置は、前記第1のスイッチ、前記第2のスイッチ、および前記第3のスイッチがオフにされた第1の動作モードと、前記第1のスイッチがオンにされ、前記第2のスイッチおよび前記第3のスイッチがオフにされた第2の動作モードと、前記第1のスイッチおよび前記第2のスイッチがオフにされ、前記第3のスイッチがオンにされた第3の動作モードと、前記第1のスイッチがオフにされ、前記第2のスイッチおよび前記第3のスイッチがオンにされた第4の動作モードの何れかの動作モードで動作する、付記9に記載の通信装置。
(付記11)
前記第2の動作モードの基本共振周波数は、前記第1の動作モードの下限動作周波数と第3の動作モードの基本共振周波数を含む動作周波数帯域の上限動作周波数との間の周波数であり、前記第4の動作モードの基本共振周波数は、第3の動作モードの基本共振周波数を含む動作周波数帯域の下限動作周波数よりも低い、付記10に記載の通信装置。
(付記12)
前記給電点から前記第1のスイッチまでの前記給電線の距離は、前記給電点から前記第2のスイッチまでの前記給電線の距離よりも短い、付記9〜11の何れか一項に記載の通信装置。
(付記13)
前記給電点から最も遠い前記第1のアンテナ素子の地点から前記第2のアンテナ素子が前記第1のアンテナ素子と接続する地点までの間の距離は、使用周波数の200分の1より小さい、付記9〜12の何れか一項に記載の通信装置。
(付記14)
前記第1のアンテナ素子は、
前記給電点を含み、前記基板の表面に接して配置される扇形部と、
前記扇形部と接し、前記基板の表面から垂直に配置される折り曲げ部と、
前記折り曲げ部と接し、前記折り曲げ部から垂直に前記基板の方向に折り曲げられる三角形部とを含み、
前記扇形部、前記折り曲げ部、および前記三角形部を同一平面に展開した場合に、前記給電点と前記給電点から最も遠い三角形部の辺の両端とを結んだ三角形が前記基板の方向に傾くように配置される、付記9〜13の何れか一項に記載の通信装置。
(付記15)
前記第1のスイッチ、前記第2のスイッチ、および前記第3のスイッチは、MEMSスイッチ、PINダイオードスイッチ、およびGaAsスイッチの内の何れか1つである、付記9〜14の何れか一項に記載の通信装置。
(付記16)
前記アンテナ装置は、
前記第1のスイッチの駆動電極と接続する第1の制御線と、
前記第2のスイッチの駆動電極と接続する第2の制御線と、
前記第3のスイッチの駆動電極と接続する第3の制御線と、
前記第3のスイッチの接地電極と接続する接地線と、
を含み、
前記第1の制御線、前記第2の制御線、前記第3の制御線、および前記接地線それぞれに直列に抵抗素子が接続される、付記9〜14の何れか一項に記載の通信装置。
10 基板
20 接地導体
30 第1のアンテナ素子
31 扇形部
32 折り曲げ部
33 三角形部
34 給電点
40 第2のアンテナ素子
41 第1の直線部
42 第2の直線部
50 給電線
61 第1の整合素子
62 第2の整合素子
71 第1のスイッチ
72 第2のスイッチ
73 第3のスイッチ
81、82 ビア
90 送受信モジュール
101 第1の制御線
102 第2の制御線
103 第3の制御線
110 接地線
r1〜r11 抵抗素子
4 通信装置
410 制御部
420 無線処理部
430 アンテナ装置
440 記憶装置
Claims (9)
- 基板と、
前記基板の表面に配置される第1のアンテナ素子と、
前記基板の前記表面に配置される線状の第2のアンテナ素子と、
前記基板の前記表面から所定の深さに配置され、前記第1のアンテナ素子および前記第2のアンテナ素子の下方には配置されない接地導体と、
前記基板の前記表面に配置され、前記第1のアンテナ素子内の給電点と接続される給電線と、
前記給電点から所定の距離で前記給電線にそれぞれ配置された第1のスイッチおよび第2のスイッチと、
前記給電線と前記接地導体との間に配置され、前記第1のスイッチがオンにされると前記給電線と並列に接続される第1の整合素子と、
前記給電線と前記接地導体との間に配置され、前記第2のスイッチがオンにされると前記給電線と並列に接続される第2の整合素子と、
前記第1のアンテナ素子における前記給電点とは異なる位置と前記第2のアンテナ素子との間に配置され、前記第2のアンテナ素子の前記第1のアンテナ素子への接続状態を切り替える第3のスイッチと
を含むアンテナ装置。 - 前記アンテナ装置は、前記第1のスイッチ、前記第2のスイッチ、および前記第3のスイッチがオフにされた第1の動作モードと、前記第1のスイッチがオンにされ、前記第2のスイッチおよび前記第3のスイッチがオフにされた第2の動作モードと、前記第1のスイッチおよび前記第2のスイッチがオフにされ、前記第3のスイッチがオンにされた第3の動作モードと、前記第1のスイッチがオフにされ、前記第2のスイッチおよび前記第3のスイッチがオンにされた第4の動作モードの何れかの動作モードで動作する、請求項1に記載のアンテナ装置。
- 前記第2の動作モードの基本共振周波数は、前記第1の動作モードの下限動作周波数と第3の動作モードの基本共振周波数を含む動作周波数帯域の上限動作周波数との間の周波数であり、前記第4の動作モードの基本共振周波数は、第3の動作モードの基本共振周波数を含む動作周波数帯域の下限動作周波数よりも低い、請求項2に記載のアンテナ装置。
- 前記給電点から前記第1のスイッチまでの前記給電線の距離は、前記給電点から前記第2のスイッチまでの前記給電線の距離よりも短い、請求項1〜3の何れか一項に記載のアンテナ装置。
- 前記給電点から最も遠い前記第1のアンテナ素子の地点から前記第2のアンテナ素子が前記第1のアンテナ素子と接続する地点までの間の距離は、使用周波数の200分の1より小さい、請求項1〜4の何れか一項に記載のアンテナ装置。
- 前記第1のアンテナ素子は、
前記給電点を含み、前記基板の表面に接して配置される扇形部と、
前記扇形部と接し、前記基板の表面から垂直に配置される折り曲げ部と、
前記折り曲げ部と接し、前記折り曲げ部から垂直に前記基板の方向に折り曲げられる三角形部とを含み、
前記扇形部、前記折り曲げ部、および前記三角形部を同一平面に展開した場合に、前記給電点と前記給電点から最も遠い三角形部の辺の両端とを結んだ三角形が前記基板の方向に傾くように配置される、請求項1〜5の何れか一項に記載のアンテナ装置。 - 前記第1のスイッチ、前記第2のスイッチ、および前記第3のスイッチは、MEMSスイッチ、PINダイオードスイッチ、およびGaAsスイッチの内の何れか1つである、請求項1〜6の何れか一項に記載のアンテナ装置。
- 前記アンテナ装置は、
前記第1のスイッチの駆動電極と接続する第1の制御線と、
前記第2のスイッチの駆動電極と接続する第2の制御線と、
前記第3のスイッチの駆動電極と接続する第3の制御線と、
前記第3のスイッチの接地電極と接続する接地線と、
を含み、
前記第1の制御線、前記第2の制御線、前記第3の制御線、および前記接地線それぞれに直列に抵抗素子が接続される、請求項1〜6の何れか一項に記載のアンテナ装置。 - 基板と、
前記基板の表面に配置される第1のアンテナ素子と、
前記基板の前記表面に配置される線状の第2のアンテナ素子と、
前記基板の前記表面から所定の深さに配置され、前記第1のアンテナ素子および前記第2のアンテナ素子の下方には配置されない接地導体と、
前記基板の前記表面に配置され、前記第1のアンテナ素子内の給電点と接続する給電線と、
前記給電点から所定の距離で前記給電線にそれぞれ配置された第1のスイッチおよび第2のスイッチと、
前記給電線と前記接地導体との間に配置され、前記第1のスイッチがオンにされると前記給電線と並列に接続される第1の整合素子と、
前記給電線と前記接地導体との間に配置され、前記第2のスイッチがオンにされると前記給電線と並列に接続される第2の整合素子と、
前記第1のアンテナ素子における前記給電点とは異なる位置と前記第2のアンテナ素子との間に配置され、前記第2のアンテナ素子の前記第1のアンテナ素子への接続状態を切り替える第3のスイッチと
を含むアンテナ装置と、
前記第1のスイッチ、前記第2のスイッチ、および前記第3のスイッチの接続状態を使用周波数帯域に従って切り替える制御信号を生成し、生成された前記制御信号を前記アンテナ装置に送信する制御部と、
前記使用周波数帯域内の周波数の信号を前記アンテナ装置から受信し、受信された信号を復調する無線処理部と、
を含む通信装置。
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