特許 6014071 通信装置及びアンテナ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6014071

(24)【登録日】2016年9月30日

(45)【発行日】2016年10月25日

(54)【発明の名称】通信装置及びアンテナ装置

(51)【国際特許分類】

   H01Q 9/42 20060101AFI20161011BHJP

   H01Q 5/10 20150101ALI20161011BHJP

   H01Q 5/357 20150101ALI20161011BHJP

【ＦＩ】

   H01Q9/42

   H01Q5/10

   H01Q5/357

【請求項の数】5

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2014-58495(P2014-58495)

(22)【出願日】2014年3月20日

(65)【公開番号】特開2015-185910(P2015-185910A)

(43)【公開日】2015年10月22日

【審査請求日】2015年7月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】000227205

【氏名又は名称】ＮＥＣプラットフォームズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109313

【弁理士】

【氏名又は名称】机 昌彦

(74)【代理人】

【識別番号】100124154

【弁理士】

【氏名又は名称】下坂 直樹

(72)【発明者】

【氏名】土屋 正登

【審査官】 米倉 秀明

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１３／０２７８２４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０１４１５３６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００５／０６９４３９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２０１４−５３４７６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１９４９９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／０５９０８８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０００１８１５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０２０１０６７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０１１３６６６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｑ ９／４２

Ｈ０１Ｑ ５／１０

Ｈ０１Ｑ ５／３５７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

スプリットリング部とインピーダンス制御部と給電部とを有し、第一の共振周波数を有するスプリットリング共振器アンテナと、
ＬＣ並列回路又は第一のインダクタを介して前記スプリットリング共振器アンテナと接続されたアンテナ素子と、を有し、
前記給電部、前記ＬＣ並列回路又は第一のインダクタ、及び前記アンテナ素子により形成される第二の共振周波数は、前記第一の共振周波数とは異なり、
前記インピーダンス制御部と、前記スプリットリング共振器のグランドとを接続する第二のインダクタを有し、当該第二のインダクタを制御することにより前記アンテナ素子の放射抵抗を調整する、ことを特徴とする通信装置。

【請求項2】

前記給電部は前記スプリットリング部と前記インピーダンス制御部との間に設けられる、請求項１に記載の通信装置。

【請求項3】

前記スプリットリング共振器アンテナ及び前記アンテナ素子は同一基板上に設けられている、請求項１または２に記載の通信装置。

【請求項4】

前記アンテナ素子は、前記スプリットリング共振器アンテナより、隅となる位置に設けられる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の通信装置。

【請求項5】

スプリットリング部とインピーダンス制御部と給電部とを有し、第一の共振周波数を有するスプリットリング共振器アンテナと、
ＬＣ並列回路又は第一のインダクタを介して前記スプリットリング共振器アンテナと接続されたアンテナ素子と、を有し、
前記給電部、前記ＬＣ並列回路又は第一のインダクタ、及び前記アンテナ素子により形成される第二の共振周波数は、前記第一の共振周波数とは異なり、
前記インピーダンス制御部と、前記スプリットリング共振器のグランドとを接続する第二のインダクタを有し、当該第二のインダクタを制御することにより前記アンテナ素子の放射抵抗を調整する、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】

本発明は、複数の周波数帯で動作する通信装置及びアンテナ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

無線通信機器には小型化や低コスト化が望まれており、アンテナにも同様に小型化や低コスト化が要求されている。また、アンテナの配置については、周辺の電子部品やグランドから遠ざける、すなわちアンテナ領域を広げる方が、特性が良くなる。しかし、スマートフォンに代表される高機能な電子機器では、アンテナの他に搭載する部品点数が多く、アンテナ領域を十分に確保することができる位置にアンテナを配置することができない場合がある。

【0003】

そこで、小型で、かつ多層化プリント基板上の外周であれば何処に配置してもアンテナとして機能するスプリットリング共振器(ＳＲＲ：Ｓｐｒｉｔ Ｒｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ)アンテナを適用することが提案されている。ＳＲＲアンテナは基板上の配線パターンにより形成されるため、追加コストも不要である。ＳＲＲアンテナは、例えば特許文献１に開示されている。

【0004】

一方、近年、デジタルカメラやプリンター等の電子機器への無線通信機能の搭載が増えている。また、モノのインターネット(ＩｏＴ：Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ)と呼ばれ、あらゆる電子機器をインターネットに接続する取り組みも進んでいる。電子機器をインターネットに接続する手段としては無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）やＷｉ−Ｆｉ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｆｉｄｅｌｉｔｙ）（登録商標）がある。無線ＬＡＮは２．４ＧＨｚ帯と５ＧＨｚ帯で使用可能であるため、両方の帯域に対応するアンテナが望まれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】ＷＯ２０１３／０２７８２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、関連技術には以下の問題があった。すなわち、ＳＲＲアンテナを基板の隅に実装した場合、アンテナ領域を十分に確保することができないためアンテナの性能が劣化する。この劣化は、周波数が低いほど大きくなる。ＳＲＲアンテナを基板の隅に実装することによる性能の劣化は、アンテナサイズを大きくすることで緩和することができる。しかし、アンテナサイズを大きくすることは、配線パターンや部品位置の変更、または製品のデザイン変更やサイズアップを招く可能性がある。

【0007】

本発明の目的は、上述の課題を解決する通信装置及び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】

【0008】

本発明の通信装置は、スプリットリング部とインピーダンス制御部と給電部とを有し、第一の共振周波数を有するスプリットリング共振器アンテナと、ＬＣ並列回路又は第一のインダクタを介してスプリットリング共振器アンテナと接続されたアンテナ素子と、を有し、給電部、ＬＣ並列回路又は第一のインダクタ、及びアンテナ素子により形成される第二の共振周波数は、第一の共振周波数とは異なることを特徴とする。

【0009】

本発明のアンテナ装置は、スプリットリング部とインピーダンス制御部と給電部とを有し、第一の共振周波数を有するスプリットリング共振器アンテナと、ＬＣ並列回路又は第一のインダクタを介してスプリットリング共振器アンテナと接続されたアンテナ素子と、を有し、給電部、ＬＣ並列回路又は第一のインダクタ、及びアンテナ素子により形成される第二の共振周波数は、第一の共振周波数とは異なることを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、複数の帯域に対応し、且つＳＲＲアンテナ単体と同じサイズで十分なアンテナ特性を得ることのできる通信装置及びアンテナ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1A】第１の実施形態にかかるアンテナ装置１０００の構成を示す平面図である。

【図1B】第１の実施形態にかかるアンテナ装置１０００の構成を示す平面図である。

【図2】第１の実施形態にかかるアンテナ装置１０００のリターンロス特性を示す図である。

【図3】第１の実施形態にかかるアンテナ装置１０００の放射特性を示す図である。

【図4】ＳＲＲアンテナを基板の中央に配置した場合のリターンロス特性を示す図である。

【図5】ＳＲＲアンテナを基板の中央に配置した場合の放射特性を示す図である。

【図6】ＳＲＲアンテナを基板の隅に配置した場合のリターンロス特性を示す図である。

【図7】ＳＲＲアンテナを基板の隅に配置した場合の放射特性を示す図である。

【図8】第２の実施形態にかかるアンテナ装置２０００の構成を示す平面図である。

【図9】第２の実施形態にかかるアンテナ装置２０００のリターンロス特性を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

［第１の実施形態］
本発明の実施形態にかかるアンテナ装置は、例えばＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｂ／ｇ／ｎに対応したポータブルルータでの使用が考えられる。

【0013】

図１Ａ及び１Ｂは、第１の実施形態にかかるアンテナ装置１０００の構成を示す平面図である。本実施形態では、アンテナ装置１０００を基板の隅に実装した例を示す。

【0014】

以下の説明で、基板の隅とは、基板の一辺とそれに接する他辺が交わる角の部分を占める領域、基板の端部とは、その隅の領域においてより終端部を占める領域を指すものとする。

【0015】

アンテナ装置１０００は、第一の共振周波数を有するスプリットリング共振器アンテナ１１０と、第一の共振周波数とは異なる第二の共振周波数を有するアンテナ素子１２０とを有する。

【0016】

図１Ａの長破線で囲まれるスプリットリング共振器（ＳＲＲ）アンテナ１１０は、スプリットリング部１１１とインピーダンス制御部１１３と給電部１１２とを備える。

【0017】

スプリットリング部１１１、インピーダンス制御部１１３、給電部１１２は、プリント基板（基板）１００に銅箔で描画印刷されている。図１Ａにおいて灰色で示されている部分には銅箔が設けられており、白色で示されている部分には銅箔が設けられていない。白色で示されている部分は基板が削除され基板誘電材１０１により満たされている。

【0018】

図１Ａの破線で囲まれるスプリットリング部１１１は、その周囲の一部にスプリット部（開口部）を有する。開口部では、間隙を挟んで銅箔パターンが対向している。開口部はコンデンサの機能を有し、ＳＲＲアンテナ１１０のキャパシタンスを大きくするために設けられる。

【0019】

図１Ａの一点鎖線で囲まれるインピーダンス制御部１１３は、ＲＦ回路（図示せず）とのインピーダンス整合性を制御し、アンテナ装置１０００の放射抵抗を制御する機能を有する。

【0020】

給電部１１２には、同軸ケーブル又はマイクロストリップライン等、アンテナ装置１０００に電波を損失なく伝送する伝送線路が接続される。

【0021】

アンテナ素子１２０は、一般的なモノポールアンテナである。

【0022】

ＳＲＲアンテナ１１０とアンテナ素子１２０とは、ＬＣ並列回路（フィルタ）又はインダクタ（第一のインダクタ）Ｌ１を介して接続されている。図１Ａ及び１Ｂでは、ＳＲＲアンテナ１１０とアンテナ素子１２０とがフィルタ１２１を介して接続されている例を示している。

【0023】

フィルタ１２１は、ＳＲＲアンテナ１１０が有する共振周波数を十分に減衰するカットオフ周波数を有するように調整される。

【0024】

アンテナ領域とは、アンテナをパターニングするために、基板グランドを形成した領域であり、図１Ｂに示す破線の領域を示す。

【0025】

一般的なモノポールアンテナの長さ［ｍ］は、次の式１で求められる。ｃは光速［ｍ］、ｆは周波数［ＭＨｚ］を表す。
長さ＝（ｃ／ｆ）／４・・・・・（式１）
また、モノポールアンテナの等価回路であるＬＣ直列共振回路における共振周波数は、次の式２で求められる。π（パイ）は円周率を表す。
ｆ＝１／（２π√（ＬＣ））・・・・・（式２）
式１及び式２より、フィルタ１２１を構成するインダクタＬ又はインダクタＬ１は、モノポールアンテナであるアンテナ素子１２０の短縮に寄与することがわかる。

【0026】

モノポールアンテナの長さは、２．４ＧＨｚではおよそ３．１２５［ｃｍ］となる。

【0027】

続いて、アンテナ装置１０００の動作について説明する。

【0028】

周波数ｆのＲＦ信号が入力されたＳＲＲアンテナは、それぞれの開口部の開口縁に沿ってスプリットリング部をリング状に流れる電流によって生じるインダクタンスＬと、開口部に生じるキャパシタンスＣとからなるＬＣ直列共振回路として、上述の式２に基づいて、入力されたＲＦ信号を共振させる。

【0029】

前提として、ＳＲ共振器アンテナ１１０の共振周波数がｆ１、アンテナ素子１２０の共振周波数がｆ２に設定されているものとする。ここで、ｆ２はｆ１と異なる周波数であり、以下では、ｆ1がｆ２より高帯域である例について説明する。また、ＲＦ回路（図示せず）は、期間を分けて周波数ｆ１のＲＦ信号とｆ２のＲＦ信号をそれぞれ出力するものとする。

【0030】

ＲＦ回路が給電部１１２に周波数ｆ１のＲＦ信号を出力すると、給電部１１２はＲＦ回路から入力された当該ＲＦ信号を反射なく伝搬し、ＲＦ電力をＳＲＲアンテナ１１０に出力する。当該ＲＦ信号を入力されたＳＲＲアンテナ１１０は上述の通りＬＣ直列共振回路を形成し、入力されたＲＦ信号を共振させる。この現象に基づき周波数ｆ１の電磁波信号を中空に放射する。なお、周波数ｆ１のＲＦ信号はフィルタ１２１により減衰されアンテナ素子１２０には流れない。

【0031】

以上のようにして、アンテナ装置１０００は周波数ｆ１の電磁波を中空に放射するアンテナとして機能する。

【0032】

一方、給電部１１２に周波数ｆ２のＲＦ信号が入力されると、給電部１１２とフィルタ１２１とアンテナ素子１２０とが入力されたＲＦ信号を共振させる。この現象に基づき周波数ｆ２の電磁波信号を中空に放射する。

【0033】

以上のようにして、アンテナ装置１０００は周波数ｆ２の電磁波を中空に放射するアンテナ装置としても機能する。

【0034】

続いて、アンテナ装置１０００の特性について説明する。図２はアンテナ装置１０００のリターンロス特性、図３は放射特性を示す図である。

【0035】

リターンロス特性は、アンテナ装置の性能を図る指標の一つであり、給電部１１２にネットワークアナライザを接続して測定する。リターンロス特性は、値が小さいほどアンテナ装置の性能がよいことを示し、リターンロスが−５ｄＢを下回ればアンテナとして機能する。

【0036】

放射特性（放射効率）も、同じくアンテナ装置の性能を図る指標の一つであり、アンテナ装置に入力された電力に対するアンテナ装置から中空に電波となり出力された電力の割合で求められる。放射効率は、値が大きいほどアンテナ装置の性能がよいことを示す。

【0037】

図２より、アンテナ装置１０００の２．４ＧＨｚと５．１５ＧＨｚにおけるリターンロスが−５ｄＢ以下であることがわかる。すなわち、アンテナとして機能していることがわかる。また、図３より、アンテナ装置１０００の放射効率は２．４ＧＨｚにおいて−３．０ｄＢ、５．１５ＧＨｚにおいて−３．０ｄＢであることがわかる。

【0038】

ここで、比較のため、ＳＲＲアンテナを基板端の中央に実装した場合のリターンロス特性（図４）及び放射特性（図５）並びに、ＳＲＲアンテナを基板の隅に実装した場合のリターンロス特性（図６）及び放射特性（図７）を示す。なお、比較に用いるＳＲＲアンテナのアンテナ領域と図１に示したアンテナ装置のアンテナ領域は同一である。

【0039】

図４及び６より、２．４ＧＨｚにおけるリターンロスがともに−５ｄＢ以下であることがわかる。すなわち、ＳＲＲアンテナを基板端の中央に実装した場合及び基板の隅に実装した場合においても、アンテナとして機能していることがわかる。

【0040】

図５より、ＳＲＲアンテナを基板端の中央に実装した場合の２．４ＧＨｚにおける放射特性は−２．５ｄＢであることがわかる。また、図７より、ＳＲＲアンテナを基板の隅に実装した場合の２．４ＧＨｚにおける放射効率は−５．６ｄＢであることがわかる。図５と図７とを比較すると、ＳＲＲアンテナを基板の隅に実装することにより、アンテナの性能が劣化することがわかる。

【0041】

また、図３と図５とを比較すると、本実施形態にかかるアンテナ装置１０００であっても、ＳＲＲアンテナを基板端の中央に実装した場合と同様の性能を確保することができることがわかる。すなわち、アンテナ装置１０００は、基板の隅に実装されたとしても十分な性能を示すことがわかる。

【0042】

本実施形態にかかるアンテナ装置１０００は、ＳＲＲアンテナ１１０と当該ＳＲＲアンテナ１１０とフィルタ又はインダクタを介して接続されているアンテナ素子１２０とを有する。これにより、ＳＲＲアンテナを基板の隅に実装してもアンテナ特性を確保することができる周波数帯（上記説明では高周波数帯域）についてはＳＲＲアンテナを用い、アンテナ特性を確保することができない周波数帯（上記説明では低周波数帯域）についてはＳＲＲアンテナ、共振回路及びアンテナ素子により十分なアンテナ特性を確保することができる。この結果、複数の帯域に対応し、且つＳＲＲアンテナ単体と同じサイズで十分なアンテナ特性を得ることのできるアンテナ装置を実現することができる。

【0043】

ここで、基板の端部からアンテナ素子、ＳＲＲアンテナとなる配列で形成したアンテナ装置について説明したが、配列はいずれであっても、共振周波数をＳＲＲアンテナに対し、より低帯域となるよう割り当てることができればよい。すなわち、基板の端部からＳＲＲアンテナ、アンテナ素子となる配列で形成することもできる。

【0044】

なお、基板の端部からアンテナ素子、ＳＲＲアンテナとなる配列でアンテナ装置を形成する方が、アンテナ素子、ＳＲＲアンテナとなる配列で形成する場合と比較して実装面積を削減することができる。

【0045】

基板の端部からＳＲＲアンテナ、アンテナ素子とする配列とした場合には、ＳＲＲアンテナ配置側と反対側の基板に対し、基板グランドを形成する必要が生じ、結果として、アンテナ領域を広く取る必要が生じる。

【0046】

また、ＳＲＲアンテナは、基板の端部からの距離は大きいほど、特性が改善されることから、距離を確保するために、基板の端部から、アンテナ素子、ＳＲＲアンテナとなる配列にアンテナを形成する方がより特性改善を図ることが可能となる。

【0047】

上記実施形態において、アンテナ装置１００の放射抵抗はＳＲＲアンテナ１１０のインピーダンス制御部１１３により調整される。しかし、インピーダンス制御部１１３のループ径を変更するとＳＲＲアンテナ１１０の特性に影響を与えてしまう。そのため、周波数ｆ１とｆ２のマルチバンドでアンテナ装置を使用する場合、インピーダンス制御部１１３と基板（グランド）１００とを接続するインダクタ（第二のインダクタ）Ｌ２を設け当該インダクタＬ２を制御することにより、アンテナ装置１００の放射抵抗を調整することが好ましい。

【0048】

上述の動作の説明では、ＲＦ回路は、期間を分けて周波数ｆ１、ｆ２のＲＦ信号を個々に出力するように記載した。この他、周波数ｆ１及びｆ２のＲＦ信号を重畳して同時に出力してもよい。

【0049】

また、アンテナ装置１０００が無線信号の送信側として電磁波を放射するアンテナ装置である場合を説明した。この他、アンテナ装置１０００は無線信号の受信側として電磁波を受信することも可能である。すなわち、アンテナ装置１０００は、外部から中空を伝搬する周波数ｆ１またはｆ２の電磁波を受信して、当該受信したＲＦ信号をＲＦ回路（受信回路）へと出力することもできる。この場合の動作手順は、上述した放射する際の動作と逆の手順となる。

【0050】

通信機能を備えた無線通信装置に上述のアンテナ装置１０００を少なくとも一つ備えることにより、無線通信装置全体の小型化も可能となる。

【0051】

［第２の実施形態］
図８は、第２の実施形態にかかるアンテナ装置２０００の構成を示す平面図である。アンテナ装置２０００においては、第１の実施形態にかかるアンテナ装置１０００において給電部をスプリットリング部とインピーダンス制御部との間に設けた構成である。また、フィルタ１２１に代えてエレメント調整用のインダクタ（第一のインダクタ）Ｌ１を介してＳＲＲアンテナ２１０とアンテナ素子２２０を接続している。さらに、ＳＲＲアンテナ２１０に対するアンテナ素子２２０の接続位置も変更している。

【0052】

図９は、アンテナ装置２０００のリターンロス特性を示す図である。図９より、２．４ＧＨｚと５ＣＨｚにおいて−５ｄＢ以下となっており、アンテナとして機能していることがわかる。

【0053】

本実施形態にかかるアンテナ装置２０００においても、複数の帯域に対応し、且つＳＲＲアンテナ単体と同じサイズで十分なアンテナ特性を得ることのできるアンテナ装置を実現することができる。

【0054】

なお、アンテナ装置２０００において、給電部２１２とスプリットリング部２１１との接続位置ＡをＳＲＲアンテナ２１０の腕部Ｂに沿って移動させることにより、インピーダンス整合回路を挿入することなく給電部２１２とＳＲＲアンテナ２１０とのインピーダンスを整合することが可能である。

【0055】

［他の実施形態］
以上述べた実施形態では、ＳＲＲアンテナとアンテナ素子を同一基板上に設け、ＳＲＲアンテナのスプリットリング部、インピーダンス制御部、給電部を同一基板上に設けた例について説明した。この他、プリント基板を層状に複数設け、別々の層にそれぞれの構成を設けてもよい。この場合、導体ビアを用いて各層を電気的に接続する。また、ＳＲＲアンテナを構成する導体パターンを同形状、同位置でプリント基板の上下複数層に形成し、層間を導体ビアで接続してもよい。

【0056】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含むことは言うまでもない。

【符号の説明】

【0057】

１０００、２０００ アンテナ装置
１０１ 基板誘電材
１００ 基板（グランド）
１１０ スプリットリング共振器アンテナ
１１１ スプリットリング部
１１２ 給電部
１１３ インピーダンス制御部
１２０ アンテナ素子
１２１ ＬＣ並列回路（フィルタ）又はインダクタ（第一のインダクタ）Ｌ１
Ｌ２ インダクタ（第二のインダクタ）

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】