(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに電磁界結合する１次コイルおよび２次コイルを備え、
前記１次コイルは、並列接続された第１コイル素子および第２コイル素子を含み、前記第１コイル素子および前記第２コイル素子は、前記第１コイル素子および前記第２コイル素子に流れる電流が互いに逆方向に周回するように同一面上に環状に配置され、
前記２次コイルは、直列接続された第３コイル素子および第４コイル素子を含み、前記第３コイル素子および前記第４コイル素子は、前記第３コイル素子および前記第４コイル素子に流れる電流が互いに逆方向に周回するように、同一面上に８の字状に配置され、
前記第１コイル素子および前記第３コイル素子は同軸上に隣接配置され、前記第１コイル素子と前記第３コイル素子とが主に磁界結合し、
前記第２コイル素子および前記第４コイル素子は同軸上に隣接配置され、前記第２コイル素子と前記第４コイル素子とが主に磁界結合する
ことを特徴とするインピーダンス変換回路。
【請求項２】
前記第３コイル素子および前記第４コイル素子を構成する導体パターンは、前記第１コイル素子および前記第２コイル素子を構成する導体パターンより線幅が太い、請求項１に記載のインピーダンス変換回路。
【請求項３】
前記第１コイル素子と前記第３コイル素子とは平面視で重なり、前記第２コイル素子と前記第４コイル素子とは平面視で重なる、請求項１または２に記載のインピーダンス変換回路。
【請求項４】
前記第１コイル素子および前記第３コイル素子のコイル開口は、前記第２コイル素子および前記第４コイル素子のコイル開口より小さい、請求項１または２に記載のインピーダンス変換回路。
【請求項５】
互いに電磁界結合する１次コイルおよび２次コイルを備え、
前記１次コイルは、並列接続された第１コイル素子および第２コイル素子を含み、前記第１コイル素子および前記第２コイル素子は、前記第１コイル素子および前記第２コイル素子に流れる電流が互いに逆方向に周回するように同一面上に環状に配置され、
前記２次コイルは、直列接続された第３コイル素子および第４コイル素子を含み、前記第３コイル素子および前記第４コイル素子は、前記第３コイル素子および前記第４コイル素子に流れる電流が互いに逆方向に周回するように、同一面上に８の字状に配置され、
前記第１コイル素子および前記第３コイル素子は同軸上に隣接配置され、前記第１コイル素子と前記第３コイル素子とが主に磁界結合し、
前記第２コイル素子および前記第４コイル素子は同軸上に隣接配置され、前記第２コイル素子と前記第４コイル素子とが主に磁界結合するインピーダンス変換回路と、
前記インピーダンス変換回路が入力部に接続されたアンテナ素子とを備えた、アンテナ装置。
【請求項６】
前記１次コイルは、一端が給電回路、他端が前記アンテナ素子にそれぞれ接続されており、前記２次コイルは、一端がグランド、他端が前記アンテナ素子にそれぞれ接続されている、請求項５に記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インピーダンス変換回路、およびインピーダンス変換回路を備えたアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話をはじめとする通信端末装置は多種多様な通信システムへの対応が求められる。このような通信端末装置におけるアンテナ装置は、例えば８００ＭＨｚ〜２．４ＧＨｚまでの広い周波数帯域をカバーする必要がある。【０００３】
広い周波数帯域に対応するアンテナ装置として例えば特許文献１が開示されている。図６は特許文献１に示されているアンテナ装置の回路図の一例である。このアンテナ装置のインピーダンス変換回路２５は、コイル素子Ｌ１ａ，Ｌ１ｂからなる１次コイルおよびコイル素子Ｌ２ａ，Ｌ２ｂからなる２次コイルを備えている。コイル素子Ｌ１ａの第１端は給電回路３０に接続され、コイル素子Ｌ１ｂの第２端はアンテナ素子１１に接続され、コイル素子Ｌ２ｂの第１端はアンテナ素子１１に接続され、コイル素子Ｌ２ａの第２端はグランドに接続されている。図７は図６に示すインピーダンス変換回路を多層基板に構成した場合の各層の導体パターンの例を示す図である。コイル素子Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂを構成する導体パターンは複数の誘電体層に形成されていて、これらの導体パターンは多数のビア導体で層間接続されている。そして、コイル素子Ｌ１ａ，Ｌ１ｂは直列接続されていて、コイル素子Ｌ２ａ，Ｌ２ｂも直列接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４９３５９５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
インピーダンス変換回路を備えたアンテナ装置が組み込まれる携帯電話端末等の電子機器の小型化および占有スペースの制限から、インピーダンス変換回路自体の小型化が要求される。しかし、図７に示したように複数層に亘ってコイル素子を順次直列接続するようにパターンを形成したものでは、誘電体層の積層方向の厚みが大きくなる。【０００６】
インピーダンス変換回路自体の小型化のためには、コイルのターン数を極力少なくし、誘電体層の層数も極力少なくすることが重要である。しかし、インピーダンス変換回路のインピーダンス変換比は、基本的に１次コイルと２次コイルのターン数で定まるので、ターン数が少ないと、必要なトランス比を確保できないという問題が生じる。また、ターン数の減少にともない、トランスの結合に寄与しない入出力部のインダクタンスの割合が大きくなり、１次コイルと２次コイルとの結合係数が確保できなくなるという問題も生じる。【０００７】
小さなコイルでありながらも所定の（大きな）結合係数を得るためには、１次コイルと２次コイルの形状を同一形状（合同に近い形状）にして互いに重なるように配置する必要がある。しかし、１次コイルと２次コイルを同一形状にすると、１次コイルおよび２次コイルそれぞれについて所望のインダクタ値を得ることは非常に難しい。【０００８】
そこで、本特許の目的は、小さなコイルでありながらも所定の（大きな）結合係数を得ることができ、所定のインピーダンス変換比を得るようにしたインピーダンス変換回路、およびそれを備えたアンテナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）本発明のインピーダンス変換回路は、
互いに電磁界結合する１次コイルＬ１および２次コイルＬ２を備え、
前記１次コイルＬ１は、並列接続された第１コイル素子Ｌ１ａおよび第２コイル素子Ｌ１ｂを含み、前記第１コイル素子Ｌ１ａおよび前記第２コイル素子Ｌ１ｂは同一面上に配置され、
前記２次コイルＬ２は、直列接続された第３コイル素子Ｌ２ａおよび第４コイル素子Ｌ２ｂを含み、前記第３コイル素子Ｌ２ａおよび前記第４コイル素子Ｌ２ｂは同一面上に配置され、
前記第１コイル素子Ｌ１ａおよび前記第３コイル素子Ｌ２ａは同軸上に隣接配置され、前記第１コイル素子Ｌ１ａと前記第３コイル素子Ｌ２ａとが主に磁界結合し、
前記第２コイル素子Ｌ１ｂおよび前記第４コイル素子Ｌ２ｂは同軸上に隣接配置され、前記第２コイル素子Ｌ１ｂと前記第４コイル素子Ｌ２ｂとが主に磁界結合することを特徴とする。
【００１０】
この構成により、少ないターン数、少ない層数でありながら、１次コイルと２次コイルとのトランス比の大きなインピーダンス変換回路を構成できる。【００１１】
また、１次コイルＬ１および２次コイルＬ２の結合係数を高めることができる。
【００１２】
（２）前記第３コイル素子Ｌ２ａおよび前記第４コイル素子Ｌ２ｂを構成する導体パターンは、前記第１コイル素子Ｌ１ａおよび前記第２コイル素子Ｌ１ｂを構成する導体パターンより線幅が太いことが好ましい。この構成により、第３コイル素子Ｌ２ａおよび第４コイル素子Ｌ２ｂを構成する導体パターンと、第１コイル素子Ｌ１ａおよび第２コイル素子Ｌ１ｂを構成する導体パターンとの相対的な位置ずれがあっても、安定した結合係数が得られる。
【００１３】
（３）前記第１コイル素子Ｌ１ａ、前記第２コイル素子Ｌ１ｂ、前記第３コイル素子Ｌ２ａおよび前記第４コイル素子Ｌ２ｂは、それらの平面形状および大きさがほぼ同じであって、インダクタンス値が近似していることが好ましい。この構成により、層方向に隣接するコイル素子同士が強く結合して、高い結合係数が得られる。
【００１４】
（４）必要に応じて、前記第１コイル素子Ｌ１ａおよび前記第２コイル素子Ｌ１ｂのインダクタンスは異なり、前記第１コイル素子Ｌ１ａおよび前記第３コイル素子Ｌ２ａのインダクタンスはほぼ等しく、前記第２コイル素子Ｌ１ｂおよび前記第４コイル素子Ｌ２ｂのインダクタンスはほぼ等しいことが好ましい。この構成により、１次コイルと２次コイルとの結合係数を低下させることなく、１次コイルのインダクタンスと２次コイルのインダクタンスとの比をさらに大きくすることができる。
【００１５】
（５）本発明のアンテナ装置は、上記構成のインピーダンス変換回路と、このインピーダンス変換回路が入力部に接続されたアンテナ素子とを備えている。これにより、一般的に低インピーダンスのアンテナ素子を備えながらも、給電回路のインピーダンスに整合するアンテナ装置が構成できる。
【００１６】
（６）前記１次コイルＬ１は、一端が給電回路、他端が前記アンテナ素子にそれぞれ接続されており、前記２次コイルＬ２は、一端がグランド、他端が前記アンテナ素子にそれぞれ接続されていることが好ましい。この構成により、１次コイルと２次コイルとの相互誘導による負のインダクタンスがアンテナのインダクタンス成分を打ち消す方向に作用するので、広帯域のアンテナ特性が得られる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、少ないターン数、少ない層数でありながら、所定の結合係数、所定のトランス比を有するインピーダンス変換回路およびそれを備えたアンテナ装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１（Ａ）は第１の実施形態のインピーダンス変換回路１０を備えたアンテナ装置１０１の回路図、図１（Ｂ）はその等価回路図である。
【図２】図２は第１の実施形態に係るインピーダンス変換回路１０の、各種導体パターンの斜視図である。
【図３】図３はインピーダンス変換回路１０の斜視図である。
【図４】図４はインピーダンス変換回路１０の各誘電体層に形成されている導体パターンを示す図である。
【図５】図５は第２の実施形態に係るインピーダンス変換回路の各誘電体層に形成されている導体パターンを示す図である。
【図６】図６は特許文献１に示されているアンテナ装置の回路図の一例である。
【図７】図７は図６に示すインピーダンス変換回路を多層基板に構成した場合の各層の導体パターンの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
《第１の実施形態》
図１（Ａ）は第１の実施形態のインピーダンス変換回路１０を備えたアンテナ装置１０１の回路図、図１（Ｂ）はその等価回路図である。
【００２０】
図１（Ａ）に示すように、アンテナ装置１０１は、アンテナ素子１１と、このアンテナ素子１１に接続されたインピーダンス変換回路１０とを備えている。アンテナ素子１１の給電端にインピーダンス変換回路１０が接続されている。インピーダンス変換回路１０のうち１次コイルＬ１はアンテナ素子１１と給電回路３０との間に挿入されている。給電回路３０は高周波信号をアンテナ素子１１に給電するための給電回路であり、高周波信号の生成や処理を行うが、高周波信号の合波や分波を行う回路を含んでいてもよい。
【００２１】
インピーダンス変換回路１０は、給電回路３０に接続された１次コイルＬ１と、１次コイルＬ１に結合した２次コイルＬ２とを備えている。より具体的には、１次コイルＬ１の第１端は給電回路３０に、第２端はアンテナ素子１１にそれぞれ接続されていて、２次コイルＬ２の第１端はアンテナ素子１１に、第２端はグランドにそれぞれ接続されている。
【００２２】
このインピーダンス変換回路１０は、１次コイルＬ１と２次コイルＬ２とを相互インダクタンスＭ１，Ｍ２を介して結合したトランス型回路を含む。このトランス型回路は、図１（Ｂ）に示すように、三つのインダクタンス素子Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３によるＴ型回路に等価変換できる。すなわち、このＴ型回路は、給電回路３０に接続される第１ポートＰ１、アンテナ素子１１に接続される第２ポートＰ２、グランドに接続される第３ポートＰ３、第１ポートＰ１と分岐点Ａとの間に接続されたインダクタンス素子Ｚ１、第２ポートＰ２と分岐点Ａとの間に接続されたインダクタンス素子Ｚ２、および第３ポートＰ３と分岐点Ａとの間に接続された第３インダクタンス素子Ｚ３で構成される。
【００２３】
図１（Ａ）に示した１次コイルＬ１のインダクタンスをＬ１、２次コイルＬ２のインダクタンスをＬ２、相互インダクタンスをＭで表すと、図１（Ｂ）のインダクタンス素子Ｚ１のインダクタンスはＬ１＋Ｍ、インダクタンス素子Ｚ２のインダクタンスは−Ｍ、第３インダクタンス素子Ｚ３のインダクタンスはＬ２＋Ｍである。
【００２４】
図１（Ｂ）に示したＴ型回路のうち、給電回路３０に接続されるポートＰ１とグランドに接続されるポートＰ３との間に構成される部分（Ｚ１およびＺ３）がトランス比によるインピーダンス変換に寄与する部分である。すなわち、インピーダンス変換回路１０のインピーダンス変換比は、（Ｌ１＋Ｌ２＋２Ｍ）：Ｌ２である。
【００２５】
図２は第１の実施形態に係るインピーダンス変換回路１０の、各種導体パターンの斜視図である。これらの導体パターンが形成されている誘電体層は除いて描いている。また、図３はインピーダンス変換回路１０の斜視図である。さらに、図４はインピーダンス変換回路１０の各誘電体層に形成されている導体パターンを示す図である。
【００２６】
図４に表れているように、誘電体層２１にコイル素子Ｌ１ａ，Ｌ１ｂが形成されている。コイル素子Ｌ１ｂはその一部に屈折部Ｌ１ｂｃを備えている。（屈折部Ｌ１ｂｃの作用については後述する。）コイル素子Ｌ１ａの第１端は第１ポート（給電ポート）Ｐ１に接続されていて、コイル素子Ｌ１ａの第２端は第２ポート（アンテナポート）Ｐ２に接続されている。コイル素子Ｌ１ｂの第１端は第１ポート（給電ポート）Ｐ１に接続されていて、コイル素子Ｌ１ｂの第２端は第２ポート（アンテナポート）Ｐ２に接続されている。すなわち、コイル素子Ｌ１ａとＬ１ｂとは並列接続されるとともに、第１ポートＰ１と第２ポートＰ２との間に接続されている。このコイル素子Ｌ１ａとＬ１ｂとで１次コイルが構成されている。
【００２７】
誘電体層２２にはコイル素子Ｌ２ａ，Ｌ２ｂが形成されている。コイル素子Ｌ２ｂはその一部に屈折部Ｌ２ｂｃを備えている。（屈折部Ｌ２ｂｃの作用については後述する。）コイル素子Ｌ２ａの第１端はビア導体ＶＩＡを介して第２ポート（アンテナ側ポート）Ｐ２に接続されている。コイル素子Ｌ２ｂの第１端は第３ポート（グランドポート）Ｐ３に接続されている。コイル素子Ｌ２ａの第２端とコイル素子Ｌ２ｂの第２端とは接続されている。すなわち、コイル素子Ｌ２ａとＬ２ｂとは直列接続されるとともに、第２ポートＰ２と第３ポートＰ３との間に接続されている。このコイル素子Ｌ２ａとＬ２ｂとで２次コイルが構成されている。
【００２８】
図２〜図４に表れているように、第１コイル素子Ｌ１ａおよび第３コイル素子Ｌ２ａは同軸上に隣接配置されていて、第２コイル素子Ｌ１ｂおよび第４コイル素子Ｌ２ｂは同軸上に隣接配置されている。そして、第１コイル素子Ｌ１ａと第３コイル素子Ｌ２ａとが主に磁界結合し、第２コイル素子Ｌ１ｂと第４コイル素子Ｌ２ｂとが主に磁界結合する。図２中の一点鎖線は各コイル素子のコイル開口を磁束が通る様子を示している。
【００２９】
このように、第１コイル素子Ｌ１ａおよび第３コイル素子Ｌ２ａは同軸上に隣接配置されていて、第３コイル素子Ｌ２ａおよび前記第４コイル素子Ｌ２ｂは同軸上に隣接配置されているので、コイル素子Ｌ１ａ，Ｌ２ａが層方向に近接し、コイル素子Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂが層方向に近接するので、ターン数が少ない割りに大きな結合係数が得られる。
【００３０】
また、第１コイル素子Ｌ１ａおよび第２コイル素子Ｌ１ｂは同一面上に配置されていて、第３コイル素子Ｌ２ａおよび第４コイル素子Ｌ２ｂは同一面上に配置されているので、層数が少なく、積層方向の厚み寸法を縮小化できる。
【００３１】
ここで、コイル素子Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂのインダクタンスをL1a,L1b,L2a,L2b  で表し、１次コイルＬ１のインダクタンスをL1、２次コイルＬ２のインダクタンスをL2で表すと、
L1=(L1a*L1b)／(L1a+L1b)
L2=L2a+L2b
である。
【００３２】
前記インダクタンスL1a,L1b,L2a,L2bが全て同じであるとし、これをLuで表すと、
L1=Lu／2
L2=2Lu
の関係が成り立つ。したがって、１次コイルＬ１と２次コイルＬ２とのインダクタンス値の比はL1:L2=1:4
となる。
【００３３】
図４に表れているように、コイル素子Ｌ１ｂはその一部に、コイル素子の形成領域の内方へ凹むような屈折部Ｌ１ｂｃを備えている。コイル素子Ｌ２ｂにはその一部に、屈折部Ｌ１ｂｃと層方向に対向する屈折部Ｌ２ｂｃを備えている。これは、図２に示したように、各コイル素子のループ内に磁束が通りやすくするためである。すなわち、仮に屈折部Ｌ１ｂｃを設けないで、コイル素子Ｌ１ａ，Ｌ１ｂで単純な長方形状のループを形成すると、そのループは等価的な金属平板として作用し、磁束が通り難い。屈折部Ｌ１ｂｃを設ければ、コイル素子Ｌ１ａ，Ｌ１ｂには矢印で示す電流ｉ１〜ｉ６が流れるとき、電流（ｉ１，ｉ６）（ｉ２，ｉ５）（ｉ３，ｉ４）はそれぞれ対となって逆向きに流れるので、コイル素子Ｌ１ａ，Ｌ１ｂのループ内を磁束が透過しやすくなる。
【００３４】
また、図４に表れているように、第３コイル素子Ｌ２ａおよび第４コイル素子Ｌ２ｂを構成する導体パターンは、第１コイル素子Ｌ１ａおよび第２コイル素子Ｌ１ｂを構成する導体パターンより線幅が太い。そのため、導体パターンを形成した誘電体シートを積層する際、導体パターンの印刷位置精度や誘電体シートの積層位置精度の影響で両導体パターンに相対的な位置ずれがあっても、その影響を殆ど受けない。すなわち、これらの導体パターンの平面視で、コイル素子Ｌ１ａ，Ｌ１ｂとコイル素子Ｌ２ａ，Ｌ２ｂとは重なり、はみ出ないので安定した結合係数が得られる。
【００３５】
また、図４に表れているように、直列接続されている第３コイル素子Ｌ２ａおよび第４コイル素子Ｌ２ｂの導体パターンを、並列接続されている第１コイル素子Ｌ１ａおよび第２コイル素子Ｌ１ｂの導体パターンより太くことによって、インピーダンス変換回路全体での導体損失を低減でき、Ｑ値を高められる。すなわち、並列接続されているコイル素子Ｌ２ａ，Ｌ２ｂの導体パターンを太くする場合に比べて、直列接続されているコイル素子Ｌ１ａ，Ｌ１ｂの導体パターンを太くすることで、導体損失低減効果が高まる。
【００３６】
《第２の実施形態》
図５は第２の実施形態に係るインピーダンス変換回路の各誘電体層に形成されている導体パターンを示す図である。
【００３７】
図５において、誘電体層２１に形成されているコイル素子Ｌ１ａ，Ｌ１ｂで１次コイルＬ１が構成されている。また、誘電体層２２に形成されているコイル素子Ｌ２ａ，Ｌ２ｂで２次コイルＬ２が構成されている。これらのコイル素子Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂの基本的なパターンは図４に示したものと同じである。図５に示す例では、第１コイル素子Ｌ１ａおよび第２コイル素子Ｌ１ｂのインダクタンスは異なり、第１コイル素子Ｌ１ａおよび第３コイル素子Ｌ２ａのインダクタンスはほぼ等しく、第２コイル素子Ｌ１ｂおよび第４コイル素子Ｌ２ｂのインダクタンスはほぼ等しい。図５の例では、コイル素子Ｌ１ｂよりコイル素子Ｌ１ａの経路長を相対的に短くし、これに伴い、コイル素子Ｌ２ｂよりコイル素子Ｌ２ａの経路長を相対的に短くしている。そのため、コイル素子Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂのインダクタンスをL1a,L1b,L2a,L2bで表すと、
L1a≠L1b
L2a≠L2b
L1a＝L2a
L1b＝L2b
の関係にある。この構成により、１次コイルＬ１と２次コイルＬ２との結合係数を低下させることなく、１次コイルＬ１のインダクタンス{(L1a*L1b)／(L1a+L1b)}と２次コイルのインダクタンス（L2a+L2b）との比をさらに大きくすることができる。すなわち、２次コイルＬ２のインダクタンスは、並列接続されているコイル素子Ｌ２ａ，Ｌ２ｂのうち、インダクタンスの小さな方のインダクタンスL2aの低下にともなって低下するのに対し、１次コイルＬ１のインダクタンスは、直列接続されているコイル素子Ｌ１ａ，Ｌ１ｂのインダクタンスの和であるので一定にできる。そのため、１次コイルＬ１のインダクタンスと２次コイルＬ２のインダクタンスとの比を容易に大きくできる。
【００３８】
本発明のインピーダンス変換回路を形成する基板の材料については、ガラスエポキシ基板やPTFE（ポリテトラフルオロエチレン）基板などのようなリジッドな基板でもよいし、PET（ポリエチレンテレフタレート）フィルムやPI（ポリイミド）、LCP（液晶ポリマー）などのフレキシブル基板であってもよい。フレキシブル基板は、薄くて柔軟性があることから、機器に組み込む際の自由度が高く、小型の電子機器などに好適に用いられる。特に、液晶ポリマーは、他のフレキシブル基板材料に比べて損失が小さく（通過損失が小さい）、比誘電率が小さい（自己共振周波数が高い）ことから、高周波回路用基板材料に適している。
【００３９】
なお、以上に示した例では、１次コイルＬ１の一端を給電回路、他端をアンテナ素子にそれぞれ接続し、２次コイルＬ２の一端をグランド、他端をアンテナ素子にそれぞれ接続したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、１次コイルＬ１の一端を給電回路、他端をグランドにそれぞれ接続し、２次コイルＬ２の一端をアンテナ素子、他端をグランドにそれぞれ接続することによって、給電回路とアンテナ素子との間にインピーダンス変換回路を設けてもよい。
【符号の説明】
【００４０】
Ｌ１…１次コイル
Ｌ２…２次コイル
Ｌ１ａ…第１コイル素子
Ｌ１ｂ…第２コイル素子
Ｌ２ａ…第３コイル素子
Ｌ２ｂ…第４コイル素子
Ｌ１ｂｃ，Ｌ２ｂｃ…屈折部
Ｐ１…第１ポート
Ｐ２…第２ポート
Ｐ３…第３ポート
ＶＩＡ…ビア導体
１０…インピーダンス変換回路
１１…アンテナ素子
２１，２２…誘電体層
３０…給電回路
１０１…アンテナ装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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