JP7034708B2 - アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、アンテナに関する。

近年、様々な電子機器に無線通信機能が搭載されている。このような無線通信機能が搭載された電子機器は年々小型化されており、電子機器内に内蔵されるアンテナについても、できるだけ小さいスペースに配置することが要求されている。
特許文献１には、小型で薄く且つインピーダンス整合のとれたアンテナとして、一端が給電部への接続端とされ他端が導体地板に接続されたアンテナ線を有する伝送線路型アンテナが開示されている。ここで、上記アンテナ線は、両端部側の部分がそれぞれ単一平面内で曲折しながら導体地板から揃って離れていくように形成されるとともに、中央部分が導体地板に所定の距離まで近接させられて所定の容量を持つように形成されている。

特開平９－６９７１８号公報

上記のように、電子機器内に内蔵されるアンテナは、小型化が要求されている。また、人体や金属等の様々な物体が近接した場合においても、アンテナの特性の変動や劣化が少ないことが要求される。しかしながら、上記従来のアンテナは、小型で、かつアンテナ特性の変動あるいは劣化が少ないという要件を十分に満足するものではなかった。
そこで、本発明は、小型で、かつアンテナ特性の変動や劣化が抑制されたアンテナを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係るアンテナの一態様は、給電点と、前記給電点に接続される一端と、グランド導体に接続される他端とを有するアンテナエレメント部と、前記グランド導体に接続された第一の導体部と、を有し、前記アンテナエレメント部は、前記一端から前記他端までの間に、ヘリカル形状を有する第二の導体部を有し、前記アンテナエレメント部の少なくとも一部と前記第一の導体部の少なくとも一部とが、互いに電磁的に結合され、前記第一の導体部の少なくとも一部は、前記第二の導体部の内側に配置されている。

本発明によれば、小型で、かつアンテナ特性の変動や劣化が抑制されたアンテナを提供することができる。

第１の実施形態に係るアンテナの構成例である。 図１のアンテナの反射特性（Ｓ１１）のシミュレーション結果である。 第１の実施形態のアンテナの別の例である。 図３のアンテナの反射特性（Ｓ１１）のシミュレーション結果である。 第１の実施形態のアンテナの別の例である。 図５のアンテナの反射特性（Ｓ１１）のシミュレーション結果である。 第２の実施形態のアンテナの構成例である。 図７のアンテナの反射特性（Ｓ１１）のシミュレーション結果である。 比較例のアンテナの構成例である。 図９のアンテナの反射特性（Ｓ１１）のシミュレーション結果である。 グランドエレメントの長さを変化させた場合の反射特性である。 グランドエレメントの太さを変化させた場合の反射特性である。 グランドエレメントの位置を変化させた場合の反射特性である。 第２の実施形態のアンテナの別の例である。 図７のアンテナの反射特性（Ｓ１１）のシミュレーション結果である。 無線モジュール基板全体の構成を示す図である。 第２の実施形態のアンテナの別の例である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正または変更されるべきものであり、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。

（第一の実施形態）
本実施形態では、無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ／ｇ／ｎ／ａｘ）の規格に準拠した無線通信機能で用いられるアンテナについて説明する。ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ／ｇ／ｎ／ａｘに対応するためには、２．４ＧＨｚ帯の周波数帯で動作するアンテナが要求される。
ここで、無線通信装置である電子機器の筺体に組み込むアンテナは、小型化が要求されている。また、無線通信機能を電子機器に組み込む場合、無線モジュール基板の各層から導体を取り除いてアンテナ領域を確保し、当該アンテナ領域にパターンアンテナをプリントして実装することが一般的である。なお、無線モジュール基板とは、無線通信機能を有するハードウェアであり、パターンアンテナとは、基板上に銅箔パターンをプリントすることで構成するアンテナである。このようなパターンアンテナは、無線モジュール基板に、例えばチップアンテナのようなアンテナ部品を追加することなくアンテナを構成することができるため、安価にアンテナを構成することが可能となる。

また、パターンアンテナは、無線モジュール基板上にプリントするため、アンテナ部分の高さは無線モジュール基板の表面の高さと同様となる。一方で、例えばチップアンテナのような、無線モジュール基板上にアンテナ部品を実装するアンテナは、パターンアンテナに比べて、アンテナ部分の高さがアンテナ部品分高くなってしまう。このように、パターンアンテナは、チップアンテナのようなアンテナ部品を実装するアンテナと比べてアンテナ部分の高さを低くすることができ、アンテナを内蔵する電子機器の小型化が可能となる。

また、アンテナは、電子機器内に内蔵されると、電子機器内の他の部品や筺体外装等の影響を受けて入力インピーダンスが低下し、アンテナ特性が変動あるいは劣化する場合がある。また、アンテナが内蔵された電子機器をユーザが使用する場合、ユーザの体がアンテナに近接することでも、アンテナ特性が変動あるいは劣化しうる。これを解決するアンテナとして、アンテナエレメントの一端が給電点であり、他端がアンテナグランドに接続されるアンテナがある。このようなアンテナは、折り返しモノポールアンテナ、あるいは伝送線路アンテナと呼ばれる。以下の説明では、このようなアンテナを、折り返しモノポールアンテナと呼ぶ。

折り返しモノポールアンテナは、通常のモノポールアンテナと比較すると、アンテナの入力インピーダンスを高くすることが可能となり、近接する電子機器内の他の部品、基板、筺体外装等や、人体の影響を受けにくくなるという効果がある。
本実施形態では、基板上に形成されたパターンアンテナであって、アンテナエレメントの一端が給電点であり、他端がアンテナグランドに接続される折り返しモノポールアンテナについて説明する。なお、「基板上」に形成するとは、チップアンテナのように基板上にアンテナ部品を実装するのではなく、上述したようにパターンアンテナをプリントしてアンテナエレメント部を構成することを含む。

（アンテナの構成）
図１（ａ）は、本実施形態に係るアンテナ１００の構成例を示す正面図、図１（ｂ）は、本実施形態に係るアンテナ１００の構成例を示す斜視図である。アンテナ１００は、無線モジュール基板（以下、単に「基板」ともいう。）上に構成されており、図１（ａ）および図１（ｂ）は、アンテナ１００のアンテナ領域を拡大した図である。
アンテナ１００は、給電点１０１、導体部１０２、導体部１０３、導体部１０４、導体部１０５および導体部１０６を備える。給電点１０１は、アンテナ１００に対して給電する給電点である。導体部１０３および導体部１０５は、基板上に形成されるヘリカル形状の導体部（ヘリカル状導体部）であり、パターンおよびビアホールによって形成される。導体部１０２は、給電点１０１とヘリカル状導体部である導体部１０３の一端とを接続する。導体部１０４は、ヘリカル状導体部である導体部１０３の他端と、ヘリカル状導体部である導体部１０５の一端とを接続する。導体部１０６は、ヘリカル状導体部である導体部１０５の他端と、導体により構成されるグランド導体１０７とを接続する。

グランド導体１０７は、アンテナのグランドとして機能する（以下、アンテナグランドという。）。グランド導体１０７には、実際には、無線機能を実現するための各種部品が実装されるが、本実施形態ではそれらの各種部品は考慮しないものとする。
以下の説明では、簡単のため、特に区別する必要がない場合は導体部１０２～１０６について、単に「導体部」と呼ぶ。また、導体部１０２～１０６を全て接続した導体部（導体部１０２～１０６を合体させた１つの導体部）を「アンテナエレメント部」と呼ぶ。図１（ａ）および図１（ｂ）では、アンテナエレメント部（導体部１０２～１０６）を黒色部分で示し、アンテナグランド（グランド導体１０７）を斜線部分で示している。

アンテナエレメント部およびアンテナグランドは、上記基板としての誘電体基板１０８上に形成される。誘電体基板１０８は、例えばＦＲ４（Flame Retardant Type 4）基板であり、比誘電率は、例えば４．２である。誘電体基板１０８は、多層の基板であり、本実施形態では、誘電体基板１０８が４層基板である場合について説明する。なお、各導体部およびアンテナグランドの上には、レジスト（絶縁体の保護被膜）が存在するが、図１（ａ）および図１（ｂ）において図示は省略している。
誘電体基板１０８上において、グランド導体１０７が無い部分がアンテナ領域であり、本実施形態では、アンテナ領域のサイズは、１０ｍｍ×５．５ｍｍである。アンテナ領域を極力小さくすることで、無線機能を実現するための各種部品の実装面積を広くすることが可能となり、基板の小型化にもつなげることができる。また、基板、導体部、レジストを全て合わせたモジュールの厚さは、約０．９ｍｍである。このアンテナ領域のサイズは、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ／ｇ／ｎ／ａｘで用いられる２．４ＧＨｚ帯のアンテナとしては従来技術と比較して小型サイズである。

アンテナは、一般に、動作する周波数が低周波になるほど長さが長くなり、サイズが大きくなる。アンテナエレメントの一端が給電点であり、他端がアンテナグランドに接続される折り返しモノポールアンテナでは、アンテナエレメント部の全長が、電気長において半波長（波長の２分の１の長さ）となる周波数帯で動作するのが一般的である。一方で、例えば電子機器に組み込まれるアンテナとしても用いられる逆Ｆアンテナは、逆Ｆアンテナのエレメント部の全長が、電気長において４分の１波長（波長の４分の１の長さ）となる周波数帯で動作する。よって、同じ周波数帯で動作する逆Ｆアンテナと折り返しモノポールアンテナとでアンテナエレメント部の長さを比較すると、折り返しモノポールアンテナは、逆Ｆアンテナのおよそ２倍の長さが必要となる。そのため、アンテナ領域の小型化が重要である。

なお、上述した「波長」とは、アンテナが構成される空間における波長である。例えば、アンテナが自由空間中に構成される場合は自由空間中の波長であり、アンテナが無限に大きな誘電体中に構成される場合は誘電体中の波長である。また、本実施形態のように誘電体基板上にアンテナを構成する場合には、空気層、誘電体層に基づき求められる実効誘電率を用いて算出される波長である。

以上説明したように、本実施形態におけるアンテナ１００は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、給電点１０１と、給電点１０１に接続される一端とグランド導体１０７に接続される他端とを有するアンテナエレメント部を有する。また、アンテナエレメント部は、ヘリカル状導体部を２つ備える構成を有する。このように、アンテナエレメント部は、給電点となる一端からアンテナグランドに接続される他端までの間に、複数の屈曲部が形成された形状を有する導体部を複数有する。
そして、アンテナエレメント部は、基板上に形成されている。具体的には、ヘリカル状導体部は、パターンおよびビアホールによって、基板の複数層を用いて形成されている。つまり、アンテナエレメント部の少なくとも一部は、基板の内層に配置されており、ヘリカル状導体部は、その中心軸が基板の各層の面に平行となるように形成されている。

このように、本実施形態におけるアンテナ１００は、基板上に形成されたアンテナエレメント部を有する折り返しモノポールアンテナである。また、アンテナ１００は、複数のヘリカル状導体部を有する。これにより、小型で、かつ様々な物体が近接した場合においてもアンテナ特性の変動や劣化が少ないアンテナとすることができる。
また、基板の複数層を用いてヘリカル形状の導体部を構成するので、基板の単一層のみを用いて導体部を構成するアンテナと比較すると、同じ面積で長いアンテナエレメント部を構成することができる。そのため、アンテナ領域の面積を小さくすることができ、アンテナの小型化を図ることが可能となる。また、複数のヘリカル状導体部を適切に配置することで、ヘリカル状導体部が１つの場合よりも、アンテナの小型化を図ることができる。

また、本実施形態では、誘電体基板１０８は多層の基板（４層基板）により構成されている。そして、給電点１０１、導体部１０２、導体部１０４、導体部１０６およびグランド導体１０７は、誘電体基板１０８の１層目に構成されている。一方、ヘリカル状導体部である導体部１０３および導体部１０５は、誘電体基板１０８の１層目と３層目、およびビアホールを用いて構成されている。つまり、アンテナエレメント部は、誘電体基板１０８の４層目（最下層）には配置されていない。
例えば、アンテナを電子機器内に組み込む場合、アンテナエレメント部が電子機器内の他の部品や筺体外装等を構成する金属に接触すると、大きくアンテナ特性が変動あるいは劣化するおそれがある。そこで、本実施形態では、アンテナエレメント部を基板の最下層には構成せず、基板の最上層および内層に構成する。これにより、基板の最下層が電子機器内の他の部品や筺体外装等に接触する構成である場合であっても、アンテナエレメント部が電子機器内の他の部品や筺体外装等に直接接触することはないため、アンテナ特性の劣化をより適切に抑制することができる。なお、基板の最上層が電子機器内の他の部品や筺体外装等に接触する構成である場合には、アンテナエレメント部を基板の最上層に構成させないようにすればよい。

なお、本実施形態では、アンテナエレメント部を、誘電体基板１０８の１層目と３層目との面を用いて構成しているが、例えば２層目と３層目といった内層の面を用いて構成してもよい。アンテナエレメント部を基板の内層に配置することで、電子機器内の他の部品や筺体外装等が近接することを抑制し、アンテナ特性の劣化を効果的に抑制することができる。あるいは、アンテナエレメント部を、誘電体基板１０８の１層目と４層目、およびビアホールを用いて構成し、１層目と４層目の面に構成されるアンテナエレメント部をレジスト（絶縁体の保護被膜）で保護することでアンテナ特性の劣化をより適切に抑制してもよい。これにより、基板の１層目から４層目までの厚みを利用してアンテナエレメント部を構成できるため、上述した内層を用いて構成する場合よりも、アンテナの小型化が可能である。
また、誘電体基板１０８は、４層基板に限定されるものではなく、例えば６層基板や８層基板であってもよい。この場合にも、アンテナエレメント部は、最下層および最上層の少なくとも一方を除く任意の２層の面を用いて構成することができる。さらに、誘電体基板１０８のアンテナ領域が電子機器内の他の部品や筺体外装等に接触しない場合には、誘電体基板１０８は２層基板であってもよい。

図２は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すアンテナ１００の反射特性（Ｓ１１）のシミュレーション結果を示す図である。図２に示すように、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ／ｇ／ｎ／ａｘで用いられる２．４ＧＨｚ帯において十分な反射特性が得られていることが分かる。つまり、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すアンテナ１００は、要求される動作帯域でアンテナとして適切に動作することが分かる。

（別の構成例）
図３（ａ）および図３（ｂ）は、本実施形態における別のアンテナ１００Ａの構成例を示す図である。このアンテナ１００Ａは、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すアンテナ１００におけるヘリカル状導体部である導体部１０５の回転方向が異なる点を除いては、アンテナ１００と同様の構成を有する。したがって、図３（ａ）および図３（ｂ）において、アンテナ１００と同様の構成を有する部分には図１（ａ）および図１（ｂ）と同一符号を付し、以下、構成の異なる部分を中心に説明する。
導体部１０５Ａは、図１（ａ）および図１（ｂ）の導体部１０５と同様に、基板上に構成されるパターンおよびビアホールによってヘリカル状に形成される、ヘリカル状導体部である。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すアンテナ１００の導体部１０３と導体部１０５とは、ヘリカルの回転方向が同一方向である。これに対し、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すアンテナ１００Ａの導体部１０３と導体部１０５Ａとは、ヘリカルの回転方向が逆方向となっている。

図４は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すアンテナ１００Ａの反射特性（Ｓ１１）のシミュレーション結果を示す図である。図４に示すように、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ／ｇ／ｎ／ａｘで用いられる２．４ＧＨｚ帯において十分な反射特性が得られていることが分かる。つまり、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すアンテナ１００Ａは、要求される動作帯域でアンテナとして適切に動作することが分かる。
このように、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すアンテナ１００および図３（ａ）および図３（ｂ）に示すアンテナ１００Ａは、ともに無線ＬＡＮ２．４ＧＨｚ帯のアンテナとして良好な特性を示していることが分かる。また、アンテナ特性は、アンテナエレメント部のヘリカル状導体部のヘリカル回転方向によって大きく変動しないということも分かる。よって、ヘリカル状導体部のヘリカル回転方向は、図１（ａ）および（ｂ）、ならびに図３（ａ）および（ｂ）に示した回転方向のみならず、任意の回転方向にしてもよい。

（別の構成例）
図５（ａ）および図５（ｂ）は、本実施形態における別のアンテナ１００Ｂの構成例を示す図である。このアンテナ１００Ｂは、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すアンテナ１００におけるヘリカル状導体部である導体部１０５の配置方向が異なる点を除いては、アンテナ１００と同様の構成を有する。したがって、図５（ａ）および図５（ｂ）において、アンテナ１００と同様の構成を有する部分には図１（ａ）および図１（ｂ）と同一符号を付し、以下、構成の異なる部分を中心に説明する。
導体部１０５Ｂは、図１（ａ）および図１（ｂ）の導体部１０５と同様に、基板上に構成されるパターンおよびビアホールによってヘリカル状に形成される、ヘリカル状導体部である。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すアンテナ１００の導体部１０３と導体部１０５とは、平行に配置されている。これに対し、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すアンテナ１００Ｂの導体部１０３と導体部１０５Ｂとは、直角に配置されている。

図６は、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すアンテナ１００Ｂの反射特性（Ｓ１１）のシミュレーション結果を示す図である。図６に示すように、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ／ｇ／ｎ／ａｘで用いられる２．４ＧＨｚ帯において十分な反射特性が得られていることが分かる。つまり、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すアンテナ１００Ｂは、要求される動作帯域でアンテナとして適切に動作することが分かる。
このように、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すアンテナ１００Ｂは、無線ＬＡＮ２．４ＧＨｚ帯のアンテナとして良好な特性を示していることが分かる。また、アンテナ特性は、アンテナエレメント部のヘリカル状導体部の配置方向によって大きく変動しないということも分かる。よって、ヘリカル状導体部の配置方向は、図１（ａ）および（ｂ）、図３（ａ）および（ｂ）、ならびに図５（ａ）および図５（ｂ）に示した配置方向のみならず、任意の配置方向にしてもよい。

（変形例）
なお、本実施形態においては、アンテナエレメント部が、２つのヘリカル状導体部を有するアンテナについて説明した。しかしながら、アンテナエレメント部が有するヘリカル状導体部の個数は、２つに限定されるものではない。ヘリカル状導体部を形成することによってアンテナ領域の小型化を図ることを目的としているため、ヘリカル状導体部の個数は３つ以上でもよい。
また、本実施形態においては、アンテナ領域の小型化を図るために、ヘリカル形状の導体部を用いる場合について説明した。しかしながら、導体部の形状はヘリカル状に限定されるものではなく、例えばスパイラル形状やメアンダ形状のような、アンテナ領域の小型化が可能なその他の形状を用いてもよい。さらに、これらの形状を組み合わせて、アンテナ領域の小型化を図ってもよい。

また、本実施形態においては、アンテナエレメント部をパターンおよびビアホールを用いて基板上に形成する場合について説明したが、それ以外の、例えば板金や導線を用いて基板上に形成してもよい。また、セラミック等の高誘電体部材内の導線によって基板上に形成してもよい。つまり、「基板上」に形成するとは、上記の板金や導線を配置すること等も含む。
さらに、本実施形態においては、アンテナへの給電に関しては給電点のみを示しており、給電点までの給電線については詳細に説明していない。しかしながら、このような給電線は特に制限されるものではなく、例えば、マイクロストリップ線路、スロット線路、コプレーナ線路等に代表される平面回路や、同軸線路、導波管等の電磁波を伝送する伝送線路であってもよい。

（第二の実施形態）
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。
上述した第一の実施形態では、アンテナ領域の小型化を図るために、基板上に形成された複数のヘリカル状導体部を有する折り返しモノポールアンテナについて説明した。この第二の実施形態では、さらにアンテナを小型化する構成について説明する。

（アンテナの構成）
図７（ａ）および図７（ｂ）は、本実施形態におけるアンテナ１００Ｃの構成例を示す図である。このアンテナ１００Ｃは、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すアンテナ１００Ａに対して、グランドエレメント１０９が存在する点を除いては、アンテナ１００Ａと同様の構成を有する。ただし、図３（ａ）および図３（ｂ）のアンテナ１００Ａにおけるアンテナエレメント部と、図７（ａ）および図７（ｂ）のアンテナ１００Ｃにおけるアンテナエレメント部とでは、各導体部の大きさや長さが異なる。また、アンテナ１００Ａにおけるアンテナ領域の大きさと、アンテナ１００Ｃにおけるアンテナ領域の大きさとも異なり、アンテナ１００Ｃにおけるアンテナ領域は、７ｍｍ×５．５ｍｍである。
図７（ａ）および図７（ｂ）において、アンテナ１００Ａと同様の構成を有する部分には図３（ａ）および図３（ｂ）と同一符号を付し、以下、構成の異なる部分を中心に説明する。

グランドエレメント１０９は、アンテナグランド１０７に接続される導体部である。グランドエレメント１０９は、基板上に形成されている。本実施形態では、グランドエレメント１０９は、基板上のアンテナグランド１０７から延伸するパターンによって形成されているものとする。
図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、グランドエレメント１０９は、その一端がアンテナグランド１０７に接続され、アンテナエレメント部に近接するように配置されている。アンテナエレメント部とグランドエレメント１０９とは、近接して配置されることによって、互いに電磁的に結合する。ここでの「結合」とは、静電結合（容量結合）、磁気結合（誘導結合）、またはこれらの両方が混在する電磁結合を含む電磁的な結合を表す。

図８は、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すアンテナ１００Ｃの反射特性（Ｓ１１）のシミュレーション結果を示す図である。図８に示すように、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ／ｇ／ｎ／ａｘで用いられる２．４ＧＨｚ帯において十分な反射特性が得られていることが分かる。つまり、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すアンテナ１００Ｃは、要求される動作帯域でアンテナとして適切に動作することが分かる。

（グランドエレメントの役割）
図９（ａ）および図９（ｂ）は、図７（ａ）および図７（ｂ）のアンテナ１００Ｃから、グランドエレメント１０９のみを除いた比較例としてのアンテナ１００Ｄの構成の図である。
図１０は、図９に示すアンテナ１００Ｄの反射特性（Ｓ１１）の、シミュレーション結果を示す図である。図から分かるように、２．４ＧＨｚ帯よりも高い周波数帯においてアンテナとして動作することが分かる。

また、図８と図１０とを比較しても分かるように、グランドエレメント１０９が存在するアンテナ１００Ｃ（図７）は、グランドエレメント１０９が存在しないアンテナ１００Ｄ（図９）よりも動作する周波数帯が低域にシフトしていることが分かる。
上述したように、アンテナは、一般に、動作する周波数が低周波になるほど長さが長くなり、サイズが大きくなる。本実施形態によれば、アンテナエレメント部とグランドエレメント１０９と間の結合により、共振周波数を低い方へシフトさせることができる。つまり、上記の結合により、アンテナは、その実際のサイズ（長さ）よりも大きいアンテナと同様の共振周波数を得ることができる。したがって、本実施形態のようにグランドエレメント１０９を有するアンテナとすることにより、アンテナエレメント部の導体の長さの和を、アンテナが動作する周波数帯における波長の２分の１よりも短くすることができる。その結果、アンテナ領域を小さくすることが可能となり、アンテナの小型化が可能となる。

（グランドエレメントの長さとアンテナ特性との関係）
次に、グランドエレメントの長さとアンテナ特性との関係について説明する。
図１１は、グランドエレメントの太さｂおよび配置位置ｃを固定とし、グランドエレメントの長さａを変化させたときの反射特性のシミュレーション結果を示す図である。ここで、図１１（ａ）は、長さａが２ｍｍ、図１１（ｂ）は、長さａが３.７ｍｍ、図１１（ｃ）は、長さａが４.５ｍｍである場合の反射特性を示している。なお、図１１において用いたアンテナのグランドエレメントの太さおよび配置位置は、図７に示すアンテナ１００Ｃのグランドエレメント１０９と同じとしている。図７に示すアンテナ１００Ｃのグランドエレメントの長さａは、３．７ｍｍである。つまり、図８と図１１（ｂ）とは、同じ反射特性を示している。

図１１に示すシミュレーション結果から、アンテナの共振周波数は、グランドエレメントの長さａが長くなるにつれて低い方へシフトすることが分かる。このことから、グランドエレメントの長さａを長くするほど、アンテナエレメント部とグランドエレメントと間の結合が強くなり、アンテナの共振周波数を低い方へシフトすることができる効果が得られることが分かる。さらに、図１１に示すシミュレーション結果から、グランドエレメントの長さａを長くするにつれて、アンテナ動作帯域幅は狭くなることも分かる。

（グランドエレメントの太さとアンテナ特性との関係）
次に、グランドエレメントの太さとアンテナ特性との関係について説明する。
図１２は、グランドエレメントの長さａおよび配置位置ｃを固定とし、グランドエレメントの太さｂを変化させたときの反射特性のシミュレーション結果を示す図である。ここで、図１２（ａ）は、太さｂが０．２ｍｍ、図１２（ｂ）は、太さｂが０．４ｍｍ、図１２（ｃ）は、太さｂが０．６ｍｍである場合の反射特性を示している。なお、太さｂは、図７の図中に示す矢印方向に太くするものとする。図７に示すアンテナ１００Ｃのグランドエレメント１０９の太さｂは、０．２ｍｍである。ただし、図１２において用いたアンテナのグランドエレメントの長さａおよび配置位置ｃは、図７に示すアンテナ１００Ｃのグランドエレメント１０９とは異なる。

図１２に示すシミュレーション結果から、アンテナの共振周波数は、グランドエレメントの太さｂが太くなるにつれて低い方へシフトすることが分かる。このことから、グランドエレメントの太さｂを太くするほど、アンテナエレメント部とグランドエレメントと間の結合が強くなり、アンテナの共振周波数を低い方へシフトすることができる効果が得られることが分かる。さらに、図１２に示すシミュレーション結果から、グランドエレメントの太さｂを太くするにつれて、アンテナ動作帯域幅は狭くなることも分かる。

（グランドエレメントの位置とアンテナ特性との関係）
次に、グランドエレメントの位置とアンテナ特性との関係について説明する。
図１３は、グランドエレメントの長さａおよび太さｂを固定とし、グランドエレメントの配置位置ｃを変化させたときの反射特性のシミュレーション結果を示す図である。ここで、図１３（ａ）は、配置位置ｃが０．２ｍｍ、図１３（ｂ）は、配置位置ｃが０．４ｍｍ、図１３（ｃ）は、配置位置ｃが０．６ｍｍである場合の反射特性を示している。なお、図７に示すアンテナ１００Ｃのグランドエレメント１０９の配置位置ｃは、０．６ｍｍである。ただし、図１３において用いたアンテナのグランドエレメントの長さａおよび太さｂは、図７に示すアンテナ１００Ｃのグランドエレメント１０９とは異なる。

図１３に示すシミュレーション結果から、アンテナの特性である反射係数は、グランドエレメントの配置位置ｃが大きくなるにつれて小さくなることが分かる。このことから、グランドエレメントの配置位置ｃを変化させることで、アンテナのインピーダンス整合を行なうことが可能となることが分かる。
以上のとおり、図１１～図１３に示すシミュレーション結果から、アンテナエレメント部とグランドエレメントとの結合が強固なものになるほど、アンテナの動作周波数が低い方へシフトすることが分かった。また、上記の結合の強さを調整するために、グランドエレメントの長さａ、太さｂの少なくとも一方を用いることができることが分かった。さらに、グランドエレメントの配置位置ｃを変化させることで、アンテナのインピーダンス整合を行なうことができることも分かった。

したがって、実際のアンテナ設計時には、上述したグランドエレメントの長さａ、太さｂを調整して結合の強さを調整し、グランドエレメントの配置位置ｃを変化させることでインピーダンスを調整することが可能となる。これにより、所望の周波数帯で動作するアンテナを設計することが可能となり、自由度の高い設計が可能となる。ただし、上述のように結合を強めて共振周波数を低い方へシフトさせた場合、アンテナの動作帯域幅が狭くなる現象も起こるため、アンテナ設計時には必要なアンテナ動作帯域幅を満たしながら小型化を図るように設計するようにする。

以上説明したように、本実施形態におけるアンテナ１００Ｃは、給電点１０１と、給電点１０１に接続される一端とグランド導体１０７に接続される他端とを有するアンテナエレメント部と、グランドエレメント１０９と、を有する。そして、アンテナエレメント部の少なくとも一部とグランドエレメント１０９の少なくとも一部とは、互いに電磁的に結合されている。
このように、本実施形態におけるアンテナ１００Ｃは、基板上に形成されたアンテナエレメント部を有する折り返しモノポールアンテナである。また、アンテナ１００Ｃは、少なくとも１つのヘリカル状導体部を有する。これにより、小型で、かつ様々な物体が近接した場合においてもアンテナ特性の変動や劣化が少ないアンテナとすることができる。
さらに、本実施形態におけるアンテナ１００Ｃは、グランドエレメント１０９を有する。そのため、グランドエレメント１０９を有さないアンテナと比較して、動作する周波数帯を低域にシフトすることができる。したがって、アンテナエレメント部の導体の長さの和を所望の動作周波数の波長の２分の１よりも短くすることができる。その結果、アンテナ領域を小さくすることが可能となり、アンテナのさらなる小型化が可能となる。

また、グランドエレメント１０９の長さおよび太さの少なくとも一方を調整することで、アンテナエレメント部とグランドエレメント１０９との間で生じる結合の大きさを調整することができる。さらに、グランドエレメント１０９の配置位置を調整することで、インピーダンスを調整することができる。したがって、容易かつ適切に所望のアンテナ特性を得ることができ、薄型で小型、かつ設計自由度の高いアンテナを実現することが可能となる。

（変形例）
上記実施形態においては、グランドエレメント１０９の形状は、図７（ａ）および図７（ｂ）に示した長方形である場合について説明したが、グランドエレメント１０９の形状は上記に限定されるものではない。グランドエレメント１０９は、アンテナグランド１０７に接続され、かつアンテナエレメント部に近接していればよい。よって、グランドエレメント１０９の形状は、例えば丸、三角、多角形等であってもよい。
また、図７（ａ）および図７（ｂ）に示したグランドエレメント１０９は、アンテナエレメント部に囲われた、アンテナエレメント部の内部の領域に配置される場合について説明したが、配置位置は上記に限定されない。例えば、グランドエレメント１０９は、アンテナエレメント部に囲われない、アンテナエレメント部の外部の領域に配置されていてもよい。ただし、グランドエレメント１０９をアンテナエレメント部に囲われた内部に配置した場合、アンテナエレメント部に囲われない外部の領域に配置するよりも、アンテナを小型化することが可能となるという効果がある。

さらに、本実施形態においては、誘電体基板１０８上に１つのグランドエレメント１０９のみが構成されている場合について説明したが、複数のグランドエレメントが構成されてもよい。
また、グランドエレメント１０９は、誘電体基板１０８の１層目に構成されている場合について説明したが、その他のどの層に構成されていてもよい。さらに、図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示すアンテナ１００Ｅのように、グランドエレメント１０９Ｅが導体部１０５Ａのヘリカル状導体部の内部に配置されていてもよい。ここで、グランドエレメント１０９Ｅは、誘電体基板１０８の内層である第２層に配置されている。この場合、グランドエレメント１０９Ｅの少なくとも一部は、基板の面に対して垂直な方向から見た場合に、ヘリカル状導体部である導体部１０５Ａの少なくとも一部と重なり合うように配置される。

図１５は、図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示すアンテナ１００Ｅの反射特性（Ｓ１１）のシミュレーション結果を示す図である。図１５に示すように、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ／ｇ／ｎ／ａｘで用いられる２．４ＧＨｚ帯において十分な反射特性が得られていることが分かる。つまり、図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示すアンテナ１００Ｅは、要求される動作帯域でアンテナとして適切に動作することが分かる。

図７に示すアンテナ１００Ｃと図１４に示すアンテナ１００Ｅとのアンテナ特性を比較すると、図８および図１５に示すように、ともに２．４ＧＨｚ帯においてアンテナとして適切に動作することが分かる。また、アンテナとして動作させる２．４ＧＨｚ帯においては、図７に示すアンテナ１００Ｃの反射特性（図８）よりも図１４に示すアンテナ１００Ｅの反射特性（図１５）の方が反射係数は小さいことが分かる。つまり、図１４に示すアンテナ１００Ｅの方がアンテナとして良好であることが分かる。

また、図７に示すアンテナ１００Ｃと図１４に示すアンテナ１００Ｅとの構成を比較すると、グランドエレメントの配置場所、およびグランドエレメントの長さが異なる。図７のグランドエレメント１０９は、アンテナエレメント部に囲われる、アンテナエレメント部の内部に配置されており、グランドエレメント１０９の長さは３.７ｍｍである。一方で、図１４のグランドエレメント１０９Ｅは、アンテナエレメント部の一部である、導体部１０５Ａのヘリカル状導体部の内部に配置されており、グランドエレメント１０９Ｅの長さは２．６ｍｍである。すなわち、図７のグランドエレメント１０９よりも、図１４のグランドエレメント１０９Ｅの方が短い。なお、各グランドエレメントの太さは、０．２ｍｍであり、同じである。

図１４に示すように、グランドエレメント１０９Ｅを、導体部１０５Ａのヘリカル状導体部の内部に配置することで、グランドエレメント１０９Ｅとアンテナエレメント部の一部である導体部１０５Ａとの間の距離を小さくすることができる。これにより、グランドエレメント１０９Ｅと導体部１０５Ａとを、互いに電磁的に結合することができる。また、グランドエレメント１０９Ｅの周囲を導体部１０５Ａが取り巻く構造になることで、グランドエレメント１０９Ｅと導体部１０５Ａとが近接する部分が増加する。よって、グランドエレメント１０９Ｅと導体部１０５Ａとの間で強い結合を生じさせることができる。したがって、グランドエレメントの長さが、図７のグランドエレメント１０９よりも短くても、当該グランドエレメント１０９と同等かそれよりも強い結合を生じさせることができ、効果的にアンテナの小型化を図ることができる。

また、グランドエレメントを備えるアンテナのアンテナエレメント部の構成は、図７、図１４に示した構成に限られるものではない。例えば、図１６のアンテナ１００Ｆのように、図１４に示すアンテナ１００Ｅの導体部１０５Ａに対応するヘリカル状導体部の回転方向が、当該導体部１０５Ａとは逆方向となっている構成であってもよい。
ここで、図１６は、アンテナ１００Ｆが実装された、無線モジュール基板全体を示す図である。図１６において、アンテナ１００Ｆが配置されている領域がアンテナ領域であり、図１、図３、図５、図７、図９および図１４に示したアンテナ構成図は、このアンテナ領域を拡大した図である。図１６に示すように、アンテナ領域は、無線モジュール基板の隅（角）に配置することができる。しかしながら、アンテナ領域の配置場所は上記に限られるものではなく、無線モジュール基板上のいずれの場所であってもよい。

また、グランドエレメントを備えるアンテナのアンテナエレメント部の構成は、図５に示す構成であってもよい。さらに、アンテナエレメント部を構成するヘリカル状導体部の個数は、２つに限定されるものではなく、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。
また、アンテナエレメント部を構成する導体部は、ヘリカル状導体部に限られるものではなく、その他の形状の導体であってもよい。例えばスパイラル形状やメアンダ形状のような、アンテナ領域の小型化が可能なその他の形状を用いてもよい。また、これらの形状を組み合わせて、アンテナ領域の小型化を図ってもよい。

図１７（ａ）および図１７（ｂ）は、スパイラル状導体部を用いたアンテナを示す図である。
図１７（ａ）に示すアンテナ１００Ｇは、誘電体基板１０８の１層目に、複数のスパイラル状導体部（１０３Ｇ、１０５Ｇ）を構成し、それらを接続することで小型化を図っている。グランドエレメント１０９Ｇは、各スパイラル状導体部（１０３Ｇ、１０５Ｇ）が構成される層（１層目）とは異なる層（２層目）に構成されており、基板面に対して垂直方向から見た場合に、その一部が各スパイラル状導体部と重なるように構成されている。これにより、グランドエレメント１０９Ｇとアンテナエレメント部との間で強い結合を得ることが可能となり、上述した図７や図１４におけるグランドエレメントと同様の効果を得ることができる。

図１７（ｂ）に示すアンテナ１００Ｈは、基板１０８の１層目と４層目とにそれぞれスパイラル状導体部（１０３Ｈ、１０５Ｈ）を構成し、それらを接続することで小型化を図っている。グランドエレメント１０９Ｈは、各スパイラル状導体部（１０３Ｈ、１０５Ｈ）が構成される層（１層目、４層目）に挟まれる層（２層目）に構成されている。そしてグランドエレメント１０９Ｈは、基板面に対して垂直方向から見た場合に、その一部が各スパイラル状導体部と重なるように構成されている。これにより、グランドエレメント１０９Ｈとアンテナエレメント部との間で強い結合を得ることが可能となり、上述した図７や図１４におけるグランドエレメントと同様の効果を得ることができる。

なお、スパイラル状導体部の配置位置は、図１７（ａ）および図１７（ｂ）に示す位置に限定されるものではなく、異なる位置であってもよい。また、図１７（ａ）および図１７（ｂ）においては、アンテナエレメント部が２つのスパイラル状導体部を有する場合について説明したが、アンテナエレメント部が有するスパイラル状導体部の個数は、２つに限定されるものではない。スパイラル状導体部を形成することによってアンテナ領域の小型化が図れればよいので、スパイラル状導体の個数は１つでもよいし、あるいは３つ以上でもよい。さらに、スパイラル状導体部の回転方向は、図１７（ａ）および図１７（ｂ）に示す方向に限定されるものではなく、異なる回転方向であってもよい。
また、アンテナエレメント部は、ヘリカル状導体部とスパイラル状導体部とを接続した構成であってもよい。

（その他の実施形態）
上記各実施形態においては、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ／ｇ／ｎ／ａｘで用いられる２．４ＧＨｚ帯で動作するアンテナについて説明したが、２．４ＧＨｚ帯のみならず、その他の周波数帯で動作するアンテナも同様に設計可能である。
上述したように、折り返しモノポールアンテナは、アンテナエレメント部の全長が、電気長において半波長（波長の２分の１の長さ）となる周波数帯で動作するものである。よって、アンテナエレメント部を周波数に応じた適切な長さにし、かつグランドエレメントの配置位置や長さ、太さ等を適切に調整することによって、所望の周波数帯で動作をするアンテナを構成することが可能となる。例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｎ／ａｃ／ａｘで用いられる５ＧＨｚ帯、ＩｏＴで利用される９００ＭＨｚ帯のアンテナに関しても実現可能である。一般的に、ＭＨｚ帯はＧＨｚ帯に比べて電磁波の波長が長いため、アンテナはＧＨｚ帯のアンテナよりも大型になる。しかしながら、本発明を適用することで、小型で、かつ様々な物体が近接した場合においてもアンテナの特性の変動あるいは劣化が少ないアンテナを構成することが可能となる。

１００…アンテナ、１０１…給電点、１０２～１０６…導体部（アンテナエレメント部）、１０７…グランド導体、１０８…誘電体基板、１０９…グランドエレメント

Claims (10)

1. 給電点と、
   前記給電点に接続される一端と、グランド導体に接続される他端とを有するアンテナエレメント部と、
   前記グランド導体に接続された第一の導体部と、を有し、
   前記アンテナエレメント部は、前記一端から前記他端までの間に、ヘリカル形状を有する第二の導体部を有し、
   前記アンテナエレメント部の少なくとも一部と前記第一の導体部の少なくとも一部とが、互いに電磁的に結合され、
   前記第一の導体部の少なくとも一部は、前記第二の導体部の内側に配置されていることを特徴とするアンテナ。
2. 給電点と、
   前記給電点に接続される一端と、グランド導体に接続される他端とを有するアンテナエレメント部と、
   前記グランド導体に接続された第一の導体部と、を有し、
   前記アンテナエレメント部は、前記一端から前記他端までの間に、
   少なくとも部分的にスパイラル形状および／あるいはヘリカル形状を有する第二の導体部と、
   少なくとも部分的にスパイラル形状および／あるいはヘリカル形状を有する第三の導体部と、を有し、
   前記アンテナエレメント部の少なくとも一部と前記第一の導体部の少なくとも一部とが、互いに電磁的に結合され、
   前記第一の導体部の少なくとも一部は、前記第二の導体部と前記第三の導体部の間に配置されていることを特徴とするアンテナ。
3. 前記第二の導体部および前記第三の導体部の一方または両方は、少なくとも複数の巻き回数を有するスパイラル形状および／あるいはヘリカル形状であることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ。
4. 前記第一の導体部と前記第二の導体部とが、互いに電磁的に結合されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のアンテナ。
5. 前記アンテナエレメント部および前記第一の導体部の少なくとも一部は、基板上に形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載に記載のアンテナ。
6. 前記アンテナエレメント部および前記第一の導体部の少なくとも一部は、多層の基板の内層に配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のアンテナ。
7. 前記アンテナエレメント部および前記第一の導体部は、基板の最上層および最下層の少なくとも一方には配置されていないことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のアンテナ。
8. 前記アンテナエレメント部と前記第一の導体部とは、
   基板の面に対して垂直な方向から見た場合に、少なくともその一部が重なり合うよう配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のアンテナ。
9. 前記基板は、誘電体基板であることを特徴とする請求項５から８のいずれか１項に記載のアンテナ。
10. 前記アンテナエレメント部の長さは、前記アンテナが動作する周波数帯における波長の２分の１よりも短いことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のアンテナ。

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