JP6892044B1 - アンテナ装置及び電子機器 - Google Patents

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Abstract

アンテナ装置(101A,101B)は、第1放射素子(10)と、第1放射素子(10)に比べて放射効率が低い第2放射素子(20)と、互いに電磁界結合する第1コイル(L1)及び第2コイル(L2)を有する結合素子(30)と、第1位相調整素子(31)と、第2位相調整素子(32)と、を備える。第1位相調整素子(31)及び第2位相調整素子(32)は、第2放射素子(20)が有する共振周波数において、第2放射素子(20)に流れる電流の所定割合を第1放射素子(10)に誘起させる。このことにより、限られた設置領域に設けられた無給電放射素子を備えつつ、給電放射素子及び無給電放射素子によって広帯域化されたアンテナ装置及びそれを備える電子機器を得る。

Description

本発明は、高周波回路に接続されるアンテナ装置及びそれを備える電子機器に関する。
例えば携帯電話器用のアンテナにおいては、使用周波数帯域がますます拡大され、広帯域に対応する特性が要求される。アンテナ装置の広帯域化のために、給電回路と給電放射素子との間に結合素子を設け、この結合素子に接続される無給電素子を追加する技術が特許文献1に示されている。
国際公開第2012/153690号
特許文献1に示されているように、無給電放射素子を付加する構造のアンテナ装置では、無給電放射素子を設けるためのスペースが必要となるが、近年のディスプレイの大型化等に伴って、放射素子の設置スペースはますます限られてきている。そのため、限られた領域に無給電放射素子を設置することになり、良好な放射特性を得ることが困難になっている。
本発明の目的は、限られた設置領域に設けられた無給電放射素子を備えつつ、給電放射素子及び無給電放射素子によって広帯域化されたアンテナ装置及びそれを備える電子機器を提供することにある。
本発明のアンテナ装置は、第1放射素子と、第2放射素子と、第1端が給電回路に接続され、第2端が第1放射素子に接続される第1コイルと、第1端が第2放射素子に接続され、第2端がグランドに接続されて、第1コイルと電磁界結合する第2コイルと、第1端が給電回路に接続され、第2端がグランドに接続され、第1放射素子に流れる電流と第2放射素子に流れる電流との位相差を調整する第1位相調整素子と、第1端が第2コイルの第1端に接続され、第2端がグランドに接続され、第1放射素子に流れる電流と第2放射素子に流れる電流との位相差を調整する第2位相調整素子と、を備える。
上記構成により、第2放射素子に流れる電流の一部が第1放射素子に誘起されて、第2放射素子の共振周波数帯域の信号が第1放射素子で放射され、そのことによって広帯域に亘って放射効率の高いアンテナ装置が得られる。
本発明の電子機器は、上記構成のアンテナ装置と、給電回路と、当該給電回路を収める筐体と、を備えることを特徴とする。
上記構成により、限られた領域に第2放射素子を設置しても、第2放射素子に割り当てられる周波数帯域の電流が第1放射素子にも流れるので、放射特性が広帯域化される。
本発明によれば、限られた設置領域に設けられた無給電放射素子を備えつつ、給電放射素子及び無給電放射素子によって広帯域化されたアンテナ装置及びそれを備える電子機器が得られる。
図1(A)、図1(B)は、本発明の第1の実施形態に係るアンテナ装置101A,101Bの構成を示す回路図である。 図2(A)は第1の実施形態に係るアンテナ装置101A,101Bの特性を示す図であり、図2(B)は比較例としてのアンテナ装置の特性を示す図である。 図3は第1の実施形態に係る別のアンテナ装置の特性を示す図である。 図4は、第1の実施形態に係るアンテナ装置101A,101Bと、比較例としてのアンテナ装置の、放射効率の周波数特性を示す図である。 図5は結合素子30の斜視図である。 図6は結合素子30の各層に形成されている導体パターンを示す分解平面図である。 図7は第2の実施形態に係る電子機器の内部の構成を示す図である。 図8は第2の実施形態に係る別の電子機器の構成を示す部分断面図である。
各実施形態に示す「アンテナ装置」は、信号の送信側、受信側のいずれにも適用できる。この「アンテナ装置」を、電磁波を放射するアンテナとして説明する場合でも、そのアンテナ装置が電磁波の発生源であることに限るものではない。通信相手側アンテナ装置が放射した電磁波を受ける場合にも、すなわち送受の関係が逆であっても、同様の作用効果を奏する。
《第1の実施形態》
図1(A)、図1(B)は、本発明の第1の実施形態に係るアンテナ装置101A,101Bの構成を示す回路図である。
まず、図1(A)に示すアンテナ装置101Aについて説明する。アンテナ装置101Aは、第1放射素子10と、第2放射素子20と、結合素子30と、第1位相調整素子31と、第2位相調整素子32と、を備える。第1放射素子10は給電放射素子であり、第2放射素子20は無給電放射素子である。
本実施形態のアンテナ装置101Aでは、第2放射素子20は第1放射素子10に比べて放射効率が低い。例えば第1放射素子10は、その周囲に広い電磁界的空間が拡がっているのに対し、第2放射素子20は、その周囲の電磁界的空間が狭い。ここで「放射効率」とは、放射素子への入力電力に対する放射電力の比である。放射素子の電磁界的空間と放射効率との関係については後に詳述する。
結合素子30は互いに電磁界結合する第1コイルL1及び第2コイルL2を備える。第1コイルL1は、その第1端T11が給電回路1に接続され、第2端T12が第1放射素子10に接続される。第2コイルL2は、その第1端T21が第2放射素子20に接続され、第2端T22がグランドに接続される。
第1位相調整素子31は、第1端が給電回路1に接続され、第2端がグランドに接続される。第2位相調整素子32は、第1端が第2コイルL2の第1端に接続され、第2端がグランドに接続される。
第1位相調整素子31及び第2位相調整素子32は、第1放射素子10に流れる電流i10と第2放射素子20に流れる電流i20との位相差を調整する。
第1位相調整素子31は、第2放射素子20が有する共振周波数において、第2放射素子20に流れる電流i20の所定割合を第1放射素子10に誘起させるキャパシタC31で構成される。
第2位相調整素子32は第2放射素子20に流れる共振電流を第2コイルL2へ流入させるインダクタL32で構成される。図1(A)、図1(B)に示すように、第2放射素子20及び第2位相調整素子32に共振電流i21が流れ、この共振電流の一部が第2コイルL2に流れる。したがって、インダクタL32のインダクタンスによって、共振電流i21が変わり、第2放射素子20から第2コイルL2へ流れる電流i22が変化する。つまり、第2コイルL2に共振電流i21の一部が流入することで、第2コイルL2に流れる電流の位相が変化する。このことにより、第1放射素子10に流れる電流の位相と第2放射素子20に流れる電流の位相との差が調整される。図1(A)において、白抜きの太い矢印は総合的な電流の経路を示す。
第1コイルL1に対する第1放射素子10の接続、及び第2コイルL2に対する第2放射素子20の接続は、第1コイルL1から第1放射素子10へ電流が流れるときに第1コイルL1に生じる磁界の方向と、第2コイルL2から第2放射素子20へ電流が流れるときに第2コイルL2に生じる磁界の方向とが互いに逆になる接続である。
高周波において、省スペースで無給電放射素子による広帯域化を行う場合、第1放射素子10と第2放射素子20との電磁界結合が強くなりすぎて、良好なアンテナ整合が得られないことがある。その場合、上記のような極性で磁界結合する結合素子30を設けることで、結合度を調整でき、アンテナ整合を改善することができる。
一方、第1放射素子10と第2放射素子20との間が比較的大きく離れているなどの場合、第1放射素子10及び第2放射素子20だけでは十分な電磁界結合が得られない。その場合には、上記に示した結合素子30とは、第1コイルL1と第2コイルL2との結合関係が逆の結合素子を用いる。このことで、第1放射素子10及び第2放射素子20を備えることによる広帯域化が実現できる。
図1(B)に示すアンテナ装置101Bは、第1位相調整素子31のキャパシタC31を結合素子30内に設けた例である。つまり、結合素子30は、互いに電磁界結合する第1コイルL1及び第2コイルL2と共にキャパシタC31を備える。
図2(A)は第1の実施形態に係るアンテナ装置101A,101Bの特性を示す図であり、図2(B)は比較例としてのアンテナ装置の特性を示す図である。この比較例としてのアンテナ装置は、図1(A)、図1(B)、に示したアンテナ装置101A,101Bから第1位相調整素子31及び第2位相調整素子32を取り除いたものである。
図2(A)、図2(B)においては、第1放射素子10に流れる電流i10、第2放射素子20に流れる電流i20、及び、給電回路1から見たアンテナ装置の反射係数S11をそれぞれ示している。比較例のアンテナ装置の第2放射素子20の共振周波数は4.5GHzであり、第1放射素子10の共振周波数は3.9GHzである。また、本実施形態のアンテナ装置101A,101Bの第2放射素子20の共振周波数は4.7GHzであり、第1放射素子10の共振周波数は4.1GHzである。
図2(B)に示す比較例のアンテナ装置では、第2放射素子20に流れる電流i20は4.5GHz近傍でピークが生じている。そして、4.5GHzでの反射係数S11は−5dBであり、低い。しかし、第1放射素子10に流れる電流i10は、4.5GHzでi20の1/2に満たない。つまり、4.5GHz帯において、放射効率の低い第2放射素子20に流れる電流が大きいが、放射効率の高い第1放射素子10に流れる電流は小さい。そのため、この比較例のアンテナ装置は、4.5GHz帯での放射効率が低い。
本実施形態のアンテナ装置101A,101Bでは、キャパシタC31は、第2放射素子20の共振周波数で第1放射素子10に流れる電流を増大させる。また、インダクタL32は第2放射素子20に流れる共振電流を第2コイルL2へ流入させることで、第1放射素子10と第2放射素子20とに流れる電流の位相が調整される。このことにより、図2(A)に示す例では、図中丸印で示すように、第2放射素子20に流れる電流i20と第1放射素子10に流れる電流i10とは、4.7GHz近傍で等しくなる。そして、4.7GHzでの反射係数S11は−5dBであり、低い。つまり、4.7GHz帯において、第2放射素子20に流れる電流は第1放射素子10に誘起されて、第2放射素子20からだけでなく、第1放射素子10から高効率で放射される。この例では、第2放射素子20の共振周波数4.7GHzにおいて、第1放射素子10に誘起される電流量と、第2放射素子20に流れる電流量とは等しい。
図3は第1の実施形態に係る別のアンテナ装置の特性を示す図である。図3において、第1放射素子10に流れる電流i10、第2放射素子20に流れる電流i20をそれぞれ示している。このアンテナ装置の第2放射素子20の共振周波数は2.69GHzであり、第1放射素子10の共振周波数は2.46GHzである。
図3において、3本の破線のうち中央は第2放射素子20の共振周波数は2.69GHzであり、左右の破線は、±5%(±67.5MHz)の周波数帯を示す。この例では、図中楕円で示すように、上記±5%において、第1放射素子10に流れる電流i10は、第2放射素子20に流れる電流i20の、共振周波数における電流値の50%以上となる。つまり、2.7GHz帯において、第2放射素子20に流れる電流は第1放射素子10に誘起されて、第2放射素子20からだけでなく、第1放射素子10から高効率で放射される。
このように、第2放射素子20が有する共振周波数において、第1放射素子10に誘起される電流が、第2放射素子20に流れる電流量の50%以上であれば、第2放射素子20に流れる電流が第1放射素子10に誘起されて、第1放射素子10から高効率で放射されることで、第2放射素子20の共振周波数付近での放射効率が高まり、広帯域化される。
本実施形態のアンテナ装置101A,101Bでは、図2(A)、図2(B)に表れているように、放射効率の良い第1放射素子10に流れる、共振周波数4.1GHz付近での電流i10は、図2(A)と図2(B)とで同等となっている。そして、第2放射素子20に流れる電流i20と第1放射素子10に流れる電流i10とが、4.1GHz近傍でも等しい。さらに、4.1GHzでの反射係数S11は−4dBであり、低い。つまり、4.1GHz帯において、第2放射素子20に流れる電流は第1放射素子10に誘起されて、第2放射素子20からだけでなく、第1放射素子10から高効率で放射される。
図4は、本実施形態に係るアンテナ装置101A,101Bと、比較例としてのアンテナ装置の、放射効率の周波数特性を示す図である。図4中のAは本実施形態のアンテナ装置101A,101Bの特性であり、Bは比較例としてのアンテナ装置の特性である。本実施形態のアンテナ装置101A,101Bでは、第2放射素子20が有する共振周波数(使用周波数帯域の高域側)の電流が、放射効率の高い第1放射素子10に多く流れるため、使用周波数帯域の全域(例えば3.9GHz〜4.8GHzの広帯域)に亘って高い放射効率を有するアンテナ装置が構成される。
次に、図1(B)に示したアンテナ装置101Bが備える結合素子30の構成について示す。図5は結合素子30の斜視図であり、図6は結合素子30の各層に形成されている導体パターンを示す分解平面図である。
本実施形態のアンテナ装置101Bが備える結合素子30は回路基板に実装される、直方体状のチップ部品である。図5においては、結合素子30の外形とその内部の構造とを分離して図示している。結合素子30の外形は二点鎖線で表している。結合素子30の外面には、第1コイルの第1端T11、第1コイルの第2端T12、第2コイルL2の第1端T21、及び第2コイルL2の第2端T22が形成されている。また、結合素子30は第1面MS1と当該第1面とは反対側の面である第2面MS2とを備える。
結合素子30の内部には、第1導体パターンL11、第2導体パターンL12、第3導体パターンL21、第4導体パターンL22が形成されている。第1導体パターンL11と第2導体パターンL12とは層間接続導体V1を介して接続されている。第3導体パターンL21と第4導体パターンL22とは層間接続導体V2を介して接続されている。なお、図5においては、上記各導体パターンが形成された絶縁基材S11,S12,S21,S22を積層方向に分離して表している。
図6に表れているように、実装面に近い層から順に第1導体パターンL11、第2導体パターンL12、第3導体パターンL21、第4導体パターンL22が形成されている。第1導体パターンL11の第1端は第1コイルの第2端T12に接続されていて、第2端は層間接続導体V1を介して第2導体パターンL12の第1端に接続されている。第2導体パターンL12の第2端は第1コイルの第1端T11に接続されている。また、第3導体パターンL21の第1端は第2コイルの第2端T22に接続されていて、第3導体パターンL21の第2端は層間接続導体V2を介して第4導体パターンL22の第1端に接続されている。第4導体パターンL22の第2端は第2コイルの第1端T21に接続されている。
また、第1コイルL1の第1端T11から第2端T12への巻回方向と、第2コイルL2の第1端T21から第2端T22への巻回方向は同じである。つまり、第1コイルL1から第1放射素子10へ電流が流れるときに第1コイルL1に生じる磁界の方向と、第2コイルL2から第2放射素子20へ電流が流れるときに第2コイルL2に生じる磁界の方向とは互いに逆の関係にある。
図5、図6に示すように、第2導体パターンL12と第3導体パターンL21とは積層方向に隣接して並走していて、この第2導体パターンL12と第3導体パターンL21との間に寄生容量が生じる。この寄生容量が第1位相調整素子31のキャパシタC31である。
このように、第1位相調整素子31のキャパシタC31を、第1コイルL1と第2コイルL2との間に生じる寄生容量で構成することにより、回路基板への実装部品数を削減できる。また、上記寄生容量が生じることにより、第1コイルL1と第2コイルL2との電磁界の結合係数が高まる、という効果もある。
なお、図1(B)に示すアンテナ装置101Bにおいて、キャパシタC31のキャパシタンスが不足する場合には、図1(A)に示すように、結合素子30の外部にキャパシタC31を付加してもよい。
《第2の実施形態》
第2の実施形態では、本発明のアンテナ装置を備える電子機器の例について示す。
図7は第2の実施形態に係る電子機器の内部の構成を示す図である。この電子機器は例えば携帯電話器等の通信端末である。この電子機器は、その外筐体の内部に内筐体42及び回路基板41を備える。
回路基板41にはグランド導体非形成領域NGAが形成されていて、このグランド導体非形成領域NGAに第2放射素子20が設けられている。この第2放射素子20は回路基板41に形成された導体パターンである。
内筐体42は樹脂成型体であり、この内筐体42に第1放射素子10が設けられている。この第1放射素子10は例えばフレキシブル基板に形成された導体パターンであり、内筐体42にフレキシブル基板が貼付されることによって第1放射素子10が設けられる。または、内筐体42の表面に例えばLDS工法(Laser-Direct-Structuring)で導体パターンが形成されることで、第1放射素子10が構成される。
第1放射素子10は、絶縁体に沿って設けられていて、第2放射素子20に比べて、回路基板41のグランド導体形成領域GAから離れている。つまり、第1放射素子10の周囲に広い電磁界的空間が拡がっているので、第1放射素子10の放射効率が高い。これに対し、第2放射素子20は、回路基板41の限られた面積のグランド導体非形成領域NGAに設けられているので、第2放射素子20の周囲の電磁界的空間は狭い。したがって、第1放射素子10に比べて放射効率は低い。
放射素子の放射効率の類型を挙げると次のとおりである。
(1)放射素子とグランド導体との面方向及び厚み方向(積層方向)の間隔が大きいほど、放射効率は高い。
(2)放射素子とグランド導体との間に生じるキャパシタンスが小さいほど、放射効率は高い。
(3)電子機器の筐体の端部や側部の近傍にまでグランド導体が存在する場合に、放射素子の配置位置が筐体の端部や側部から離れるほど、放射効率は高い。
図7に表れているように、回路基板41にはケース・基板間接続部51が形成されていて、内筐体42にはケース・基板間接続部52が形成されている。第1放射素子10と第2放射素子20とはケース・基板間接続部51,52を介して接続される。
図8は第2の実施形態に係る別の電子機器の構成を示す部分断面図である。この電子機器は、下部筐体44と上部筐体45との間に、回路基板41、及び内筐体42等を備える。また、回路基板41と下部筐体44との間にカードスロット43が設けられている。このカードスロット43に、例えばSIMカード等のカードデバイスが装着される。
内筐体42には第1放射素子10が形成されていて、回路基板41には第2放射素子20が形成されている。これら第1放射素子10及び第2放射素子20の構成は図7に示したとおりである。
第2放射素子20は、カードデバイスの平面視で、カードデバイスの装着部に重なる位置に設けられている。回路基板41のカードスロット43の周囲にはグランド導体が設けられていないので、グランド導体と第2放射素子20との間隔を大きくすることができ、そのことによって第2放射素子20の放射効率を高めることができる。
なお、図7、図8に示した例では、第2放射素子20が回路基板41に形成された例を示したが、第1放射素子10及び第2放射素子20のいずれもが電子機器の筐体に設けられてもよい。その構成では、第1放射素子10及び第2放射素子20単体での放射効率を高めることができる。
最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形及び変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。
C31…キャパシタ
GA…グランド導体形成領域
L1…第1コイル
L2…第2コイル
L11…第1導体パターン
L12…第2導体パターン
L21…第3導体パターン
L22…第4導体パターン
L32…インダクタ
MS1…第1面
MS2…第2面
NGA…グランド導体非形成領域
S11,S12,S21,S22…絶縁基材
T11…第1コイルの第1端
T12…第1コイルの第2端
T21…第2コイルの第1端
T22…第2コイルの第2端
V1,V2…層間接続導体
1…給電回路
10…第1放射素子
20…第2放射素子
30…結合素子
31…第1位相調整素子
32…第2位相調整素子
41…回路基板
42…内筐体
43…カードスロット
44…下部筐体
45…上部筐体
51,52…ケース・基板間接続部
101A,101B…アンテナ装置

Claims (12)

  1. 第1放射素子と、
    第2放射素子と、
    第1端が給電回路に接続され、第2端が前記第1放射素子に接続される第1コイルと、
    第1端が前記第2放射素子に接続され、第2端がグランドに接続されて、前記第1コイルと電磁界結合する第2コイルと、
    第1端が給電回路に接続され、第2端がグランドに接続され、前記第1放射素子に流れる電流と前記第2放射素子に流れる電流との位相差を調整する第1位相調整素子と、
    第1端が前記第2コイルの第1端に接続され、第2端がグランドに接続され、前記第1放射素子に流れる電流と前記第2放射素子に流れる電流との位相差を調整する第2位相調整素子と、を備える、
    アンテナ装置。
  2. 前記第1位相調整素子及び前記第2位相調整素子は、前記第2放射素子が有する共振周波数において、前記第2放射素子に流れる電流の所定割合を前記第1放射素子に誘起させ、
    前記第2放射素子が有する共振周波数において、前記第1放射素子に誘起される電流が、前記第2放射素子に流れる電流量の50%以上である、
    請求項1に記載のアンテナ装置。
  3. 前記第1位相調整素子はキャパシタで構成され、
    前記第2位相調整素子はインダクタで構成される、
    請求項1又は2に記載のアンテナ装置。
  4. 前記キャパシタは、前記第2放射素子の共振周波数で前記第1放射素子に流れる電流を増大させ、
    前記インダクタは、前記第2放射素子に流れる共振電流を前記第2コイルへ流入させる、
    請求項3に記載のアンテナ装置。
  5. 前記第1コイル及び前記第2コイルは互いに電磁界結合する結合素子として構成され、
    前記第1位相調整素子は前記第1コイルの第1端と前記第2コイルの第2端との間に生じる寄生容量で構成された、
    請求項1から4のいずれかに記載のアンテナ装置。
  6. 前記第1放射素子は、電子機器の筐体に設けられ、前記第2放射素子は前記筐体内に配置される回路基板に形成される、
    請求項1から5のいずれかに記載のアンテナ装置。
  7. 前記回路基板はグランド導体パターンを有し、
    前記回路基板の前記第2放射素子の形成位置は、前記グランド導体パターンの非形成領域内である、
    請求項6に記載のアンテナ装置。
  8. 前記第1放射素子及び前記第2放射素子は電子機器の筐体に設けられる、
    請求項1から5のいずれかに記載のアンテナ装置。
  9. 前記第1コイルに対する前記第1放射素子の接続、及び前記第2コイルに対する前記第2放射素子の接続は、前記第1コイルから前記第1放射素子へ電流が流れるときに前記第1コイルに生じる磁界の方向と、前記第2コイルから前記第2放射素子へ電流が流れるときに前記第2コイルに生じる磁界の方向とが互いに逆になる接続である、
    請求項1から8のいずれかに記載のアンテナ装置。
  10. 前記第1コイルに対する前記第1放射素子の接続、及び前記第2コイルに対する前記第2放射素子の接続は、前記第1コイルから前記第1放射素子へ電流が流れるときに前記第1コイルに生じる磁界の方向と、前記第2コイルから前記第2放射素子へ電流が流れるときに前記第2コイルに生じる磁界の方向とが同じになる接続である、
    請求項1から8のいずれかに記載のアンテナ装置。
  11. 請求項1から10のいずれかに記載のアンテナ装置と、前記給電回路と、当該給電回路を収める筐体と、を備える、電子機器。
  12. 前記筐体はカードデバイスの装着部を備え、
    前記第2放射素子の形成位置は、前記カードデバイスの平面視で前記カードデバイスの装着部に重なる、
    請求項11に記載の電子機器。
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