(57)【要約】【課題】給電素子以外の共振素子或いは結合素子を設けず、かつアンテナ実装空間以外の回路基板上への整合回路を実装せずに入力インピーダンス帯域幅を広帯域化するアンテナ装置を得る。【解決手段】第１の導体１と、波長に比べて十分薄く第１の導体と任意の間隔を隔てて配置された第２の導体２と、第２の導体に少なくとも一部が接続され、第２の導体と略同一面内に第２の導体に対して波長に比べて十分小さい間隔を隔てて配置された第３の導体３と、第２の導体および第３の導体と略同一面内に第３の導体に対して波長に比べて十分小さい間隔を隔てて配置された第４の導体４と、第４の導体に少なくとも一部が接続され、かつ第１の導体に少なくとも一部が近接する第５の導体５と、第１の導体と第２の導体とを接続する第６の導体７とを備え、第１の導体に近接する第５の導体の部位と、それに対向する第１の導体の部位との間に交流電圧を印加する給電点６を設けた。【選択図】図１
2009033294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導体と、
波長に比べて十分薄く、前記第１の導体と任意の間隔を隔てて配置された第２の導体と、
前記第２の導体に少なくとも一部が接続され、前記第２の導体と略同一面内に、前記第２の導体に対して波長に比べて十分小さい間隔を隔てて配置された第３の導体と、
前記第２の導体および前記第３の導体と略同一面内に、前記第３の導体に対して波長に比べて十分小さい間隔を隔てて配置された第４の導体と、
前記第４の導体に少なくとも一部が接続され、かつ前記第１の導体に少なくとも一部が近接する第５の導体と、
前記第１の導体と前記第２の導体とを接続する第６の導体と
を備え、
前記第１の導体に近接する前記第５の導体の部位と、それに対向する前記第１の導体の部位との間に交流電圧を印加する給電点を設けた
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
第１の導体と、
波長に比べて十分薄く、前記第１の導体と任意の間隔を隔てて配置された第２の導体と、
前記第２の導体と略同一面内に、前記第２の導体に対して波長に比べて十分小さい間隔を隔てて配置された第４の導体と、
前記第４の導体に少なくとも一部が接続され、前記第２の導体および前記第４の導体と略同一面内に、前記第４の導体に対して波長に比べて十分小さい間隔を隔てて配置された第３の導体と、
前記第３の導体に少なくとも一部が接続され、かつ前記第１の導体に少なくとも一部が近接する第５の導体と、
前記第１の導体と前記第２の導体とを接続する第６の導体と
を備え、
前記第１の導体に近接する前記第５の導体の部位と、それに対向する前記第１の導体の部位との間に交流電圧を印加する給電点を設けた
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項３】
第１の導体と、
波長に比べて十分薄く、前記第１の導体と任意の間隔を隔てて配置された第２の導体と、
前記第２の導体と略同一面内に、前記第２の導体に対して波長に比べて十分小さい間隔を隔てて配置された第４の導体と、
前記第４の導体に少なくとも一部が接続され、かつ前記第１の導体に少なくとも一部が近接する第５の導体と、
前記第１の導体と前記第２の導体とを接続する第６の導体と
を備え、
前記第１の導体に近接する前記第５の導体の部位と、それに対向する前記第１の導体の部位との間に交流電圧を印加する給電点を設けた
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項４】
第１の導体と、
波長に比べて十分薄く、前記第１の導体と任意の間隔を隔てて配置された第２の導体と、
前記第２の導体に少なくとも一部が接続され、前記第２の導体と略同一面内に、前記第２の導体に対して波長に比べて十分小さい間隔を隔てて配置された第３の導体と、
前記第３の導体に少なくとも一部が接続され、かつ前記第１の導体に少なくとも一部が近接する第５の導体と、
前記第１の導体と前記第２の導体とを接続する第６の導体と、
前記第５の導体に波長に比べて十分小さい間隔を隔てて近接すると共に、前記第１の導体に波長に比べて十分小さい間隔を隔てて近接する第７の導体と
を備え、
前記第１の導体と前記第７の導体との間に交流電圧を印加する給電点を設けた
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
前記第５の導体は、ジグザグ状あるいは螺旋状の形状を有する
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項６】
請求項１から４までのいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
前記第５の導体と前記第６の導体の少なくともいずれか一方を、弾性を有する導電性部品で形成した
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
前記第１の導体は、誘電体基板上に形成された
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項８】
請求項７に記載のアンテナ装置において、
アンテナ装置を構成する部品の少なくとも一部は、リジッド誘電体基板、フレキシブル誘電体フィルム基板、板金、もしくは導体メッキが可能な成型樹脂で製作された
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項９】
請求項８に記載のアンテナ装置において、
アンテナ装置を構成する部品の少なくとも一部は、誘電体である任意形状の外装筐体内に納められた
ことを特徴とする無線通信装置。
【請求項１０】
請求項８に記載のアンテナ装置において、
前記第１の導体以外の導体の少なくとも一部は、樹脂製外装筐体の表面上に形成された
ことを特徴とするアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、逆Ｆ型アンテナ或いはショートパッチアンテナのインピーダンス広帯域化に関するもので、特に、携帯電話、ＰＤＡ等の移動体通信端末に適用するアンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
逆Ｆ型アンテナ或いはショートパッチアンテナは、小形なわりには良好な電気特性を有しているので、移動体通信端末など、アンテナ素子の小型化が要求される無線通信機器に広く利用されている。
【０００３】
一方、近年の携帯電話無線通信システムでは、回線容量、回線品質の確保の観点から使用周波数帯および各周波数帯の帯域幅が年々増加している。従って、電波を送信および受信するアンテナにもマルチバンド化（多周波共用化）、広帯域化が要求されている。
【０００４】
さらに、近年の携帯電話のような無線端末装置は、使用するユーザーの利便性などの観点から小型・薄型化な物が求められており、小型・低姿勢な物理形状を維持したまま広帯域化する方法の開発が強く望まれている。
【０００５】
逆Ｆ型アンテナ或いはショートパッチアンテナを広帯域化あるいは多周波共用化する手法としては、給電素子の周囲に無給電素子を配置する方法が知られているが、この方法は、アンテナ素子の体積が増加するという課題がある。
【０００６】
他の方法としては、給電線路が実装された回路基板上に分布定数型の整合回路を設けて広帯域化を図る方法（例えば、非特許文献１参照）があるが、この方法は、回路基板上に分布定数型整合回路を実装するための比較的大きなエリアを必要とするので、携帯電話など極度に実装面積が制限される無線通信端末で実現するのは困難である。
【０００７】
整合回路をチップインダクタやチップキャパシタなどの集中定数回路素子で構成すればこの問題はほぼ解消されるが、整合回路による損失が増大するという問題が生じる。さらに、集中定数回路素子の素子値を連続的に選択することはできず、離散的にしか選択できないため、最適整合を達成するのが困難になるという問題も生じると考えられる。
【０００８】
【非特許文献１】H. F. Pues et al., “An Impedance-Matching Technique for Increasing the Bandwidth of Microstrip Antennas、”IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.37, no.11, pp.1345-1354, Nov. 1989.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この発明は上述した点に鑑みてなされたもので、給電素子以外の共振素子或いは結合素子を設けずに、また、アンテナ実装空間以外の回路基板上への整合回路を実装せずに、アンテナの体積をほとんど増加させることなく、移動体無線端末機に実装し易い形態で、逆Ｆ型アンテナ、ショートパッチアンテナ、或いはパッチアンテナの入力インピーダンス帯域幅（動作周波数帯域幅）を広帯域化することができるアンテナ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係るアンテナ装置は、第１の導体と、波長に比べて十分薄く、前記第１の導体と任意の間隔を隔てて配置された第２の導体と、前記第２の導体に少なくとも一部が接続され、前記第２の導体と略同一面内に、前記第２の導体に対して波長に比べて十分小さい間隔を隔てて配置された第３の導体と、前記第２の導体および前記第３の導体と略同一面内に、前記第３の導体に対して波長に比べて十分小さい間隔を隔てて配置された第４の導体と、前記第４の導体に少なくとも一部が接続され、かつ前記第１の導体に少なくとも一部が近接する第５の導体と、前記第１の導体と前記第２の導体とを接続する第６の導体とを備え、前記第１の導体に近接する前記第５の導体の部位と、それに対向する前記第１の導体の部位との間に交流電圧を印加する給電点を設けたことを特徴とする。
【００１１】
また、第１の導体と、波長に比べて十分薄く、前記第１の導体と任意の間隔を隔てて配置された第２の導体と、前記第２の導体と略同一面内に、前記第２の導体に対して波長に比べて十分小さい間隔を隔てて配置された第４の導体と、前記第４の導体に少なくとも一部が接続され、前記第２の導体および前記第４の導体と略同一面内に、前記第４の導体に対して波長に比べて十分小さい間隔を隔てて配置された第３の導体と、前記第３の導体に少なくとも一部が接続され、かつ前記第１の導体に少なくとも一部が近接する第５の導体と、前記第１の導体と前記第２の導体とを接続する第６の導体とを備え、前記第１の導体に近接する前記第５の導体の部位と、それに対向する前記第１の導体の部位との間に交流電圧を印加する給電点を設けたことを特徴とする。
【００１２】
また、第１の導体と、波長に比べて十分薄く、前記第１の導体と任意の間隔を隔てて配置された第２の導体と、前記第２の導体と略同一面内に、前記第２の導体に対して波長に比べて十分小さい間隔を隔てて配置された第４の導体と、前記第４の導体に少なくとも一部が接続され、かつ前記第１の導体に少なくとも一部が近接する第５の導体と、前記第１の導体と前記第２の導体とを接続する第６の導体とを備え、前記第１の導体に近接する前記第５の導体の部位と、それに対向する前記第１の導体の部位との間に交流電圧を印加する給電点を設けたことを特徴とする。
【００１３】
さらに、第１の導体と、波長に比べて十分薄く、前記第１の導体と任意の間隔を隔てて配置された第２の導体と、前記第２の導体に少なくとも一部が接続され、前記第２の導体と略同一面内に、前記第２の導体に対して波長に比べて十分小さい間隔を隔てて配置された第３の導体と、前記第３の導体に少なくとも一部が接続され、かつ前記第１の導体に少なくとも一部が近接する第５の導体と、前記第１の導体と前記第２の導体とを接続する第６の導体と、前記第５の導体に波長に比べて十分小さい間隔を隔てて近接すると共に、前記第１の導体に波長に比べて十分小さい間隔を隔てて近接する第７の導体とを備え、前記第１の導体と前記第７の導体との間に交流電圧を印加する給電点を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、給電素子以外の共振素子或いは結合素子を設けずに、また、アンテナ実装空間以外の回路基板上への整合回路を実装せずに、アンテナの体積をほとんど増加させることなく、移動体無線端末機に実装し易い形態で、逆Ｆ型アンテナ、ショートパッチアンテナ、或いはパッチアンテナの入力インピーダンス帯域幅（動作周波数帯域幅）を広帯域化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置について説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の原理的な基本構成と回路モデルの説明図である。図１（ａ）に示すアンテナ装置は、方形導体板で例示される導体１と、導体１と任意の間隔を隔てて配置され、方形導体板で例示される導体２と、導体２と略同一平面上に、任意の距離を隔てて配置され、一箇所もしくは複数箇所で導体２と導通する任意形状の導体３と、導体３から見て導体２と反対側に、導体２および導体３と略同一平面上に、導体３と任意の距離を隔てて配置された任意形状の導体４と、少なくとも一部が導体４と導通し、一端が波長に比べて十分小さい間隔を隔てて、導体１と近接している任意形状の導体５と、本アンテナ装置に、つまり導体１に近接する導体５の部位とそれに対向する導体１の部位との間に、高周波電力を供給する給電点６と、導体１と導体２とを接続する任意形状の導体７とを備える。なお、ここでは、導体３は、＋ｘ軸方向の先端で導体２と接続されているものとする。
【００１６】
次に動作について説明する。任意の伝送線路で給電点６まで伝送されてきた高周波電流のうち、正の電流は導体５に、負の電流は導体１に流入する。導体５に流入した正の電流は導体４に達し、導体３と導体４が波長に比べて十分小さい間隔を隔てて配置されている場合には、導体４に達した（＋）電荷のクーロン引力によって、導体３に（−）電荷が誘起される。導体４に流入する電流は高周波電流であるので、電荷の極性は交流周波数に応じて周期的に変化する。導体３に電荷の移動が生ずるので、導体３に高周波電流が流れる。このように、導体４と導体３は高周波的には容量性結合する。この場合、導体４と導体３が重なる部分は、主に先端開放の伝送線路として動作し、放射にはあまり寄与しないと考えられる。
【００１７】
導体４と導体３の重なる部分が理想的な先端開放の伝送線路として動作すると仮定し、その長さをＬａとすると、重なる部分の−ｘ軸方向端部から＋ｘ軸方向をみたインピーダンスＺａは次式（１）で表される。
【００１８】
【数１】
2009033294.tif 000003
【００１９】
ここで、ｊは単位虚数である。また、Ｚｏ＿ａは導体４および導体３の幅あるいは直径、導体３と導体４の間隔ｔａ、および導体３と導体４の周囲の比誘電率εｒ１によって決定される伝送線路の特性インピーダンス、λは使用周波数に対する実効波長である。したがって、長さＬａが、下式（２）を満足するとき、Ｚａは容量性リアクタンスとなる。
【００２０】
【数２】
2009033294.tif 000004
【００２１】
前記導体３と導体４との高周波電磁結合と同様に、導体３に電荷移動が生じた場合、それに応じて導体２上の導体３と近接した部分にも電荷移動が生じ、電流が流れる。この場合、導体３に流れる電流と導体２の導体３と近接した部分に流れる電流とは互いに逆位相になると考えられ、さらに、当該部位の先端は導体で短絡されているので、当該部位は主に先端が短絡された伝送線路として動作すると考えられる。導体２と導体３が近接する部分の長さをＬbとすると、当該部位の−ｘ軸方向端部から＋ｘ軸方向をみたインピーダンスＺｂは次式（３）で表される。
【００２２】
【数３】
2009033294.tif 000005
【００２３】
ここで、Ｚｏ＿ｂは導体３の幅Ｗｂ、放射導体２と導体３の間隔ｔｂ、放射導体２と導体３の間の比誘電率εｒ２によって決定される特性インピーダンス、λは使用周波数に対する実効波長である。したがって、当該部位の長さＬｂが、下式（４）を満足するとき、Ｚｂは誘導性リアクタンスとなる。
【００２４】
【数４】
2009033294.tif 000006
【００２５】
以上の考察から、図１（ａ）に示したアンテナの入力インピーダンスＺｉｎの振る舞いを表現する回路モデルは、導体１、導体２、および導体７で形成される共振器のインピーダンスをＺｒとすると、まず、図１（ｂ）のように表現することができる。図１（ｂ）のＡ部は、導体３とそれに近接する導体２の一部分が形成するもので、高周波回路の観点からは直列ショートスタブで表現できると考えられる。同様に、図１（ｂ）のＢ部は、導体３と導体４が近接する部分が形成するもので、高周波回路の観点からは直列オープンスタブで表現できると考えられる。
【００２６】
さらに、式（１）と式（３）の関係を用いると、図１（ｂ）の回路は、図１（ｃ）のように書けることができ、長さＬａ、Ｌｂがともにλ／４未満に選定されている場合には近似的に図１（ｄ）のようになる。即ち、導体２、導体３、および導体４でＬＣ直列共振回路を構成すると考えられる。逆Ｆ型アンテナ、ショートパッチアンテナ、パッチアンテナなどのインピーダンスＺｒは、並列共振のインピーダンス特性を有するので、並列共振回路Ｚｒと給電線路との間に直列に直列共振回路が挿入された形となり、給電線路とのインピーダンス整合帯域幅がＺｒ単体より広帯域になると考えられる。
【００２７】
また、実施の形態１において、給電線路は、同軸線路、マイクロストリップ線路、トリプレート線路、コプレーナ線路など、導体１と導体５の間に電位差を与えられる線路であればよく、利用形態に応じて最適な線路を選択すればよい。
【００２８】
また、式（１）と式（３）は互いに独立な関係にあるので、前記直列共振回路の等価インダクタンスＬと等価キャパシタンスＣは互いに独立に選定できる。等価キャパシタンスＣの値は、式（１）の右辺が１／（ｊωＣ）に等しいとした数式から算出することができる。また、等価インダクタンスＬの値は、式（３）の右辺がｊωＬに等しいとした数式から算出することができる。
【００２９】
さらに、図１（ａ）に示すように、等価インダクタンスＬの値は、導体２と導体３の間隔ｔｂを一定としたままでも、導体３の幅Ｗｂおよび長さＬｂによっても調整可能である。等価キャパシタンスＣの値は、導体３と導体４の間隔ｔａを一定としたままでも、導体４の幅Ｗａおよび長さＬａによっても調整可能である。
【００３０】
なお、通常は、長さＬａ、Ｌｂを四分の一波長以下（式（２）、式（４）においてｎ＝０の場合）に選定し、直列ショートスタブで直列誘導性リアクタンスＬを、直列オープンスタブで直列容量性リアクタンスＣを得るが、長さＬａ、Ｌｂを式（２）、式（４）の範囲外に選定し、直列ショートスタブで直列容量性リアクタンスＣを、直列オープンスタブで直列誘導性リアクタンスＬを得ることも原理的には可能である。
【００３１】
また、所望の直列リアクタンスを得る際に、Ｌａ＞Ｌｂとなる場合には、図１における導体３と導体４とを入れ替え、図２に示すような構成にすればよい。この場合の等価回路は、図１（ｄ）においてＬとＣとを入れ替えた回路となるので、図１の構成と同様なインピーダンス広帯域化効果が得られると考えられる。
【００３２】
また、要求サイズ等の制約により、導体３の長さを長く出来ず、十分な誘導性リアクタンスが得られない場合には、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、導体５の形状をメアンダ状、螺旋状にし、導体５によって誘導性リアクタンスの不足分を補完すればよい。また、図３（ｃ）に示すように、導体３を除去し、導体５のみによって誘導性リアクタンスを得るようにしてもよい。
【００３３】
また、要求サイズ等の制約により、導体４を設けられず、直列の容量性リアクタンスが得られない場合には、図４に示すように、給電点６から導体８を伸ばして導体５に近接させ、導体８と導体５との電磁結合により容量性リアクタンスを得ればよい。容量性リアクタンスの値は、導体５と導体８が近接する部位の形状と面積、導体５と導体８が近接する部位の比誘電率、導体５と導体８の距離によって所望の値を得るように調整可能である。
【００３４】
実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す説明図である。９は、無線通信に必要な回路および電気・電子部品が実装された両面もしくは多層誘電体基板であり、ここでは両面基板で例示している。誘電体基板９には、導体１、給電線路となる導体８がエッチングで形成されている。１０ａおよび１０ｂは、それぞれ導体５および導体７に相当し、弾性を有する導電性部品である。導体５と導体７のいずれか一方または両方の導電性部品１０を耐熱性のあるスプリングコネクタ、金属製板バネにすれば、他の電気・電子部品とともに半田リフロー工程で誘電体基板９に実装できる。
【００３５】
また、１２は、無線装置の外装筐体であり、低誘電率の樹脂がよく用いられる。１１はアンテナ装置を構成する部品１１の少なくとも一部、例えば導体２、導体３、導体４の一部または全部を含んだ部品であり、部品１１を板金のみで製作した場合には、部品１１を両面テープや接着剤などで外装筐体１２内に固定すればよく、部品１１を導体メッキが可能な樹脂成型品で製作する場合には、導体２、導体３、導体４をすべて表面に導体メッキで構成してもよいし、導体２、導体３、導体４を適宜、樹脂成型品の表面と裏面に分散して構成してもよいし、両面をまたがるように形成してもよい。設置に関しては、両面テープや接着剤などで外装筐体１２に固定してもよいし、樹脂成型品にツメなどを設けて誘電体基板９に嵌め込むように固定してもよい。
【００３６】
また、部品１１をリジッドな誘電体基板やフレキシブルな誘電体フィルム基板で製作してもよい。部品１１をフレキシブルな誘電体フィルム基板で製作した場合には、部品１１は容易に折り曲げ可能になるので、図６に示すように、図３（ａ）、（ｃ）の導体５の形状を実現することが可能となる。部品１１上に形成された導体５と誘電体基板９に形成された導体８とを電気的に結合する方法としては、半田付けや勘合コネクタを用いる方法が考えられる。
【００３７】
また、外装筐体１２を導体メッキが可能な樹脂製外装筐体とし、導体２、導体３、導体４を導体メッキ技術等で外装筐体１２の表面上に形成してもよい。
【００３８】
以上のような構成とすることにより、実施の形態２で述べたアンテナ構成を、実際の無線通信機器に実装可能な形態で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の原理的な基本構成と回路モデルの説明図である。
【図２】図１（ａ）における導体３と導体４とを入れ替えた場合の構成図である。
【図３】図１（ａ）における導体３の長さを長く出来ず、十分な誘導性リアクタンスが得られない場合に導体５によって誘導性リアクタンスの不足分を補完する導体５の形状の変形例を示す図である。
【図４】図１（ａ）における導体４を設けられず、直列の容量性リアクタンスが得られない場合に、給電点６から導体８を伸ばして導体５に近接させ、導体８と導体５との電磁結合により容量性リアクタンスを得る変形例を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す説明図である。
【図６】図５における、導体２、導体３、導体４の一部または全部を含んだ部品１１を、フレキシブルな誘電体フィルム基板で製作した場合の説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  導体（第１の導体）、２  導体（第２の導体）、３  導体（第３の導体）、４  導体（第４の導体）、５  導体（第５の導体）、６  給電点、７  導体（第６の導体）、８  導体（第７の導体）、９  誘電体基板、１０ａおよび１０ｂ  導体５および導体７に相当し、弾性を有する導電性部品、１１  アンテナ装置を構成する部品、１２  外装筐体。
【図１】
2009033294.tif 000007
【図２】
2009033294.tif 000008
【図３】
2009033294.tif 000009
【図４】
2009033294.tif 000010
【図５】
2009033294.tif 000011
【図６】
2009033294.tif 000012