アンテナ装置、及び無線通信装置
【課題】より小型化が可能な周波数可変機能を備えたアンテナ装置及びこのアンテナ装置を搭載した無線通信装置を実現すること。
【解決手段】給電点を有し、誘電体基板の一面上に形成された逆Ｌ字形状のエレメント導体と、誘電体基板の一面上に形成された、開口を有する環状の第１導体と、誘電体基板の他面上に形成され、第１導体の開口が向く方向と逆方向を向く位置に開口を有し、誘電体基板を挟んで第１導体に対向する環状の第２導体と、誘電体基板の一面上において第１導体を挟んでエレメント導体と対向する領域に対応する誘電体基板の他面上の領域に形成されるグラウンド導体と、第１又は第２導体の開口を塞ぐように形成された容量素子と、第１又は第２導体のうち、開口に容量素子が形成されていない導体の開口を塞ぐように形成された可変容量素子と、を備える、アンテナ装置が提供される。
【解決手段】給電点を有し、誘電体基板の一面上に形成された逆Ｌ字形状のエレメント導体と、誘電体基板の一面上に形成された、開口を有する環状の第１導体と、誘電体基板の他面上に形成され、第１導体の開口が向く方向と逆方向を向く位置に開口を有し、誘電体基板を挟んで第１導体に対向する環状の第２導体と、誘電体基板の一面上において第１導体を挟んでエレメント導体と対向する領域に対応する誘電体基板の他面上の領域に形成されるグラウンド導体と、第１又は第２導体の開口を塞ぐように形成された容量素子と、第１又は第２導体のうち、開口に容量素子が形成されていない導体の開口を塞ぐように形成された可変容量素子と、を備える、アンテナ装置が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ装置、及び無線通信装置に関し、特に移動体通信端末に適用可能なアンテナ装置、及び無線通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、無線通信装置には、複数の無線通信システムへの対応が要求されるようになってきた。そのため、こうした無線通信装置に搭載されるアンテナ装置には、小型化に加え、複数の周波数帯或いは広帯域で動作する機能が要求されるようになった。複数の周波数帯で動作するアンテナ装置としては、例えば、周波数帯域を可変するチューナブル・アンテナ（Ｔｕｎａｂｌｅ ａｎｔｅｎｎａ）がある。また、モノポール・アンテナ（Ｍｏｎｏｐｏｌｅ ａｎｔｅｎｎａ）の給電部分に複数の異なる長さの導体線路を組み合わせた調整回路を設けて周波数帯域を可変するアンテナ装置がある（例えば、下記の特許文献１を参照）。さらに、アンテナ装置の寄生素子に接続された選択回路を切り替えることで周波数帯域を可変するアンテナ装置がある（例えば、下記の特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第０７／０４２６１５号パンフレット
【特許文献２】特表２００９−５１０９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の特許文献１に記載のアンテナ装置は複数の異なる長さの導体線路をスイッチで切り替えて周波数帯域を可変する仕組みであるため、可変する周波数帯域の数に応じた導体線路が必要となる。そのため、可変周波数帯域の数が増えた場合、必要な導体線路の数が多くなり、アンテナ装置の小型化が困難になる。また、上記の特許文献２に記載のアンテナ装置は、寄生素子に選択回路を接続し、スイッチの切り替えで周波数帯域を可変する仕組みである。そのため、可変周波数帯域の数が増えた場合に寄生素子の数を増やす必要が生じ、アンテナ装置の小型化が困難になる。
【０００５】
こうした問題点に鑑み、本件発明者は、ＳＲＲ導体上に設けたスイッチの短絡／開放を切り替えることにより共振周波数を可変にしたアンテナ装置を考案した（特開２０１１−１０３６３０号公報を参照）。このアンテナ装置は、逆Ｌ形状のエレメント導体と、グラウンド導体との間にＳＲＲ導体を配置し、ＳＲＲ導体上に設けた複数のスイッチの短絡／開放を制御することで共振周波数を可変する構成を有する。この構成を適用することで、上記の特許文献１及び２に記載のアンテナ装置に比べ、小型化で所望の周波数帯域に共振周波数を容易に可変することが可能なアンテナ装置（従来例）を実現することができる。
【０００６】
しかしながら、上記従来例に係るアンテナ装置においても、共振周波数の可変範囲に応じて複数のスイッチをＳＲＲ導体上に設けねばならず、可変範囲が広がると部品点数の増加が避けられない。さらに、スイッチの数が増加することでスイッチの制御が複雑化してしまう。そこで、本発明は、このような問題点に鑑みて考案されたものであり、本発明の目的とするところは、より小型化が可能な周波数可変機能を備えたアンテナ装置及びこのアンテナ装置を搭載した無線通信装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明のある観点によれば、給電点を有し、誘電体基板の一面上に形成された逆Ｌ字形状のエレメント導体と、前記誘電体基板の一面上に形成された、開口を有する環状の第１導体と、前記誘電体基板の他面上に形成され、前記第１導体の開口が向く方向と逆方向を向く位置に開口を有し、前記誘電体基板を挟んで前記第１導体に対向する環状の第２導体と、前記誘電体基板の一面上において前記第１導体を挟んで前記エレメント導体と対向する領域に対応する前記誘電体基板の他面上の領域に形成されるグラウンド導体と、前記第１又は第２導体の開口を塞ぐように形成された容量素子と、前記第１又は第２導体のうち、開口に前記容量素子が形成されていない導体の開口を塞ぐように形成された可変容量素子と、を備える、アンテナ装置が提供される。
【０００８】
かかる構成により、第１導体と第２導体とでＳＲＲが形成され、ＳＲＲの共振周波数付近における実効透磁率の変化と掛け合わせて大きな波長短縮効果が得られるため、アンテナ装置の小型化が可能になる。また、可変容量素子の容量値を制御することにより、ＬＣ共振回路を形成するアンテナ装置の共振周波数を自由に切り替えることが可能になり、複数の周波数帯域に対応することが可能になる。さらに、共振周波数の可変を容量値の制御で行うため、スイッチなどで共振周波数を切り替える構成とは異なり、対応すべき周波数帯の数が増加しても部品点数の増加がなく、装置のサイズが大きくならずに済む。その結果、アンテナ装置及びこれを搭載した無線通信装置の更なる小型化が可能になる。また、対応すべき周波数帯の数が増加しても、可変容量素子の容量値を制御するだけで済むため、制御の複雑化を招かずに済む。
【０００９】
また、前記容量素子は、前記第１導体の開口に形成されていてもよく、この場合には前記可変容量素子は、前記第２導体の開口に形成される。さらに、上記のアンテナ装置は、所望の共振周波数となるように前記可変容量素子の容量値を調整する制御部をさらに備えていてもよい。また、前記制御部は、前記容量素子の容量値を上回る所定範囲内で前記可変容量素子の容量値を変化させるように構成されていてもよい。なお、前記第１導体及び前記第２導体は、ＳＲＲ（Ｓｐｌｉｔ Ｒｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）を形成する。
【００１０】
また、上記の課題を解決するために、本発明のある観点によれば、上記のアンテナ装置を搭載した無線通信装置が提供される。かかる構成により、複数の周波数帯域に対応可能な小型の無線通信装置が実現される。なお、上記の制御部は、無線通信装置の制御機能であってもよい。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように本発明によれば、より小型化が可能な周波数可変機能を備えたアンテナ装置及びこのアンテナ装置を搭載した無線通信装置を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ＳＲＲを搭載したアンテナ装置の構成例を示した図である。
【図２】本実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示した図である。
【図３】本実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示した図である。
【図４】本実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示した図である。
【図５Ａ】本実施形態に係るアンテナ装置を構成するＳＲＲ導体の構成例を示した図である。
【図５Ｂ】本実施形態に係るアンテナ装置を構成するＳＲＲ導体の構成例を示した図である。
【図５Ｃ】本実施形態に係るアンテナ装置を構成するＳＲＲ導体の構成例を示した図である。
【図６】本実施形態に係るアンテナ装置の誘電率特性を示した図である。
【図７】本実施形態に係るアンテナ装置の透磁率特性を示した図である。
【図８】本実施形態に係るアンテナ装置のＶＳＷＲ特性を示した図である。
【図９Ａ】本実施形態に係るアンテナ装置を構成するＳＲＲ導体の構成例を示した図である。
【図９Ｂ】本実施形態に係るアンテナ装置を構成するＳＲＲ導体の構成例を示した図である。
【図９Ｃ】本実施形態に係るアンテナ装置を構成するＳＲＲ導体の構成例を示した図である。
【図９Ｄ】本実施形態に係るアンテナ装置を構成するＳＲＲ導体の構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１４】
（概要）
本実施形態に係るアンテナ装置は、ＳＲＲ（Ｓｐｌｉｔ Ｒｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ；分割リング共振器）の共振周波数付近の材料特性を利用し、ＳＲＲを構成する各導体の開口部分に可変容量素子を設け、その容量値を変化させることにより、共振周波数を可変するものである。なお、ここで言うＳＲＲとは、少なくとも一部が分離された環状の金属（導電性部材）から成る構造体であり、後述する特性を発現するものである。
【００１５】
（ＳＲＲの特性）
まず、ＳＲＲの一般的な特性について簡単に説明する。
【００１６】
一般に、ＳＲＲはリングの一部に「Ｓｐｌｉｔ（開口部）」を有する二つの金属リングが同心円状に配置された構造をしている。こうした構造的特徴から「２重リングＳＲＲ」とも呼ばれる。ＳＲＲのリング部分はインダクタンス（Ｌ）として機能し、リング間の間隙部分はキャパシタンス（Ｃ）として機能する。
【００１７】
例えば、リングを含む平面に垂直な磁場成分を含む電磁波（入射磁場）がＳＲＲに入射すると、電磁誘導の原理に従い、入射磁場を打ち消す反抗磁場を作り出す誘導電流（Ｊ）がリング上に誘起される。この誘導電流は各リングに沿って流れるが、リングの一部に設けられた開口部で誘導電流の流れが遮られ、２つのリング間に等しい量の正負の電荷が蓄積される。さらに、２つのリング間に蓄積された電荷がリング間のキャパシタンス（Ｃ）を介して内側から外側（及び外側から内側）のリングへと流れることでＳＲＲにＬＣ共振の閉回路が形成される。従って、ＳＲＲの共振周波数ｆ０は、ＳＲＲを形成するキャパシタンス（Ｃ）及びインダクタンス（Ｌ）に基づいて下記の式（１）のように表される。
【００１８】
【数１】
…（１）
【００１９】
この共振周波数付近において大きな誘導電流が誘起され、大きな反抗磁場が作り出される。そのため、ＳＲＲの実効的な透磁率は大きく変化する。上記の共振周波数に近い周波数を有する電磁波が入射すると、その電磁波はＳＲＲに共鳴して大きく吸収される。つまり、電磁波の吸収に対応する透磁率の虚部（Ｉｍａｇｉｎａｒｙ）は、電磁波の周波数がＳＲＲの共振周波数に近づくにつれて増大する。また、虚部の変化に応じて透磁率の実部（Ｒｅａｌ）も変化する。実部の変化量は、虚部の変化量が大きいほど（即ち、ＳＲＲのＱ値が高いほど）大きくなり、適当な条件に調整すると、共振周波数の高周波数側において負の透磁率を実現することができる。
【００２０】
以上、ＳＲＲの特性について説明した。上記のように、ＳＲＲは磁気駆動のＬＣ共振回路がその動作原理となっており、共振器構造の設計次第でＳＲＲの共振周波数を自由に設計することが可能である。
【００２１】
（従来例：ＳＲＲを利用したアンテナ装置１００の構成）
次に、図１を参照しながら、ＳＲＲを利用したアンテナ装置１００の構成について説明する。図１は、ＳＲＲを利用したアンテナ装置１００の構成を示した図である。
【００２２】
図１に示すように、アンテナ装置１００は、第１ＳＲＲ導体１０１と、第２ＳＲＲ導体１０２と、誘電体基板１０３と、エレメント導体１０４と、給電点１０５と、グラウンド導体１０６とを含む。なお、エレメント導体１０４は、例えば、Ｌ字型に形成される。また、エレメント導体１０４は、給電点１０５を介してグラウンド導体１０６と接続される。そして、エレメント導体１０４は、逆Ｌ型アンテナ（Ｉｎｖｅｒｔｅｄ−Ｌ ａｎｔｅｎｎａ）として機能する。
【００２３】
第１ＳＲＲ導体１０１は、誘電体基板１０３の一面（以下、表面）に形成される。また、第２ＳＲＲ１０２は、誘電体基板１０３の他面（以下、裏面）に形成される。図１の例において、第１ＳＲＲ導体１０１及び第２ＳＲＲ導体１０２は、矩形リング状に形成されている。また、第１ＳＲＲ導体１０１は、矩形リングの一部を分離した開口部１０１ａを有する。同様に、第２ＳＲＲ導体１０２は、矩形リングの一部を分離した開口部１０２ａを有する。なお、第１ＳＲＲ導体１０１及び第２ＳＲＲ導体１０２の形状は、矩形リング形状に限らず、任意のリング形状に変形することが可能である（例えば、図５Ａ〜図５Ｃを参照）。また、第１ＳＲＲ導体１０１と第２ＳＲＲ導体１０２とは、異なる形状であってもよい。
【００２４】
第１ＳＲＲ導体１０１と第２ＳＲＲ導体１０２とは、誘電体基板１０３を挟んで対向する位置に配置される。また、第１ＳＲＲ導体１０１と第２ＳＲＲ導体１０２とは、第１ＳＲＲ導体１０１の開口部１０１ａと第２ＳＲＲ導体１０２の開口部１０２ａとが互いに反対を向くように互い違いに配置される。例えば、第１ＳＲＲ導体１０１の開口部１０１ａが誘電体基板１０３の表面において右側に向く場合、第２ＳＲＲ導体１０２の開口部１０２ａは誘電体基板１０３の裏面において左側に向く。
【００２５】
上記のような構造により、第１ＳＲＲ導体１０１及び第２ＳＲＲ導体１０２は、それぞれ一般的なＳＲＲの各リングと同様にインダクタンス（Ｌ）として機能する。また、誘電体基板１０３を挟んで対向配置された第１ＳＲＲ導体１０１と第２ＳＲＲ導体１０２との間でキャパシタンス（Ｃ）が形成される。そのため、第１ＳＲＲ導体１０１及び第２ＳＲＲ導体１０２はＳＲＲとして機能する。従って、アンテナ装置１００は、第１ＳＲＲ導体１０１及び第２ＳＲＲ導体１０２の長さに依存するインダクタンス（Ｌ）、及び、第１ＳＲＲ導体１０１及び第２ＳＲＲ導体１０２の配置と誘電体基板１０３の誘電率及び厚みとに依存するキャパシタンス（Ｃ）によって決まる共振周波数で動作する。
【００２６】
以上、ＳＲＲを利用したアンテナ装置１００の構成について説明した。なお、アンテナ装置１００は、設計時にインダクタンス（Ｌ）及びキャパシタンス（Ｃ）が固定されてしまう。そのため、共振周波数を可変にするには、インダクタンス（Ｌ）又はキャパシタンス（Ｃ）を可変にする仕組みを設ける必要がある。そこで、本件発明者は、第１ＳＲＲ導体１０１及び第２ＳＲＲ導体１０２の長さをスイッチで切り替えられるようにする仕組みを考案した（特開２０１１−１０３６３０号公報）。しかし、スイッチを利用する場合、利用する周波数帯の数が増加するにつれて多くのスイッチが必要になる。多くのスイッチを設けると、装置のサイズが大きくなる上、制御が複雑化してしまう。
【００２７】
こうした問題点に鑑み、本件発明者は、スイッチを用いずに共振周波数を可変にする仕組みを考案した。この仕組みを適用すると、より小型で制御が容易なアンテナ装置（後述するアンテナ装置２００）が実現される。以下、本実施形態に係るアンテナ装置２００の構成について詳細に説明する。
【００２８】
（実施形態：アンテナ装置２００の構成）
図２を参照しながら、本発明の一実施形態に係るアンテナ装置２００の構成について説明する。図２は、本実施形態に係るアンテナ装置２００の構成例を示した説明図である。
【００２９】
図２に示すように、アンテナ装置２００は、第１ＳＲＲ導体２０１と、第２ＳＲＲ導体２０２と、誘電体基板２０３と、エレメント導体２０４と、給電点２０５と、グラウンド導体２０６と、第１容量素子２１１と、第２可変容量素子２１２とを有する。
【００３０】
エレメント導体２０４は、例えば、Ｌ字型に形成される。また、エレメント導体２０４は、給電点２０５を介してグラウンド導体２０６と接続される。そして、エレメント導体２０４は、逆Ｌ型アンテナ（Ｉｎｖｅｒｔｅｄ−Ｌ ａｎｔｅｎｎａ）として機能する。また、エレメント導体２０４で形成される逆Ｌ型アンテナは、自由空間における長さが概ね１／４波長となる周波数で動作する。なお、誘電体基板２０３上に配置されたエレメント導体２０４で形成される逆Ｌ型アンテナは、誘電体基板２０３の材料定数に対応する波長短縮効果の影響を受ける。
【００３１】
第１ＳＲＲ導体２０１は、誘電体基板２０３の一面（以下、表面）に形成される。また、第２ＳＲＲ２０２は、誘電体基板２０３の他面（以下、裏面）に形成される。図２の例において、第１ＳＲＲ導体２０１及び第２ＳＲＲ導体２０２は、矩形リング状に形成されている。また、第１ＳＲＲ導体２０１は、矩形リングの一部を分離した開口部２０１ａを有する。同様に、第２ＳＲＲ導体２０２は、矩形リングの一部を分離した開口部２０２ａを有する。なお、第１ＳＲＲ導体２０１及び第２ＳＲＲ導体２０２の形状は、矩形リング形状に限らず、任意のリング形状に変形することが可能である。また、第１ＳＲＲ導体２０１と第２ＳＲＲ導体２０２とは、異なる形状であってもよい。
【００３２】
第１ＳＲＲ導体２０１と第２ＳＲＲ導体２０２とは、誘電体基板２０３を挟んで対向する位置に配置される。また、第１ＳＲＲ導体２０１と第２ＳＲＲ導体２０２とは、第１ＳＲＲ導体２０１の開口部２０１ａと第２ＳＲＲ導体２０２の開口部２０２ａとが互いに反対を向くように互い違いに配置される。例えば、第１ＳＲＲ導体２０１の開口部２０１ａが誘電体基板２０３の表面において右側に向く場合、第２ＳＲＲ導体２０２の開口部２０２ａは誘電体基板２０３の裏面において左側に向く。このように、第１ＳＲＲ導体２０１及び第２ＳＲＲ導体２０２で形成されるＳＲＲを設けることで、ＳＲＲの共振周波数付近における実効透磁率の変化と掛け合わせて大きな波長短縮効果が得られ、アンテナ装置の小型化が可能になる。
【００３３】
言い換えると、ＳＲＲの共振周波数付近における実効透磁率の変化が十分に大きくなるのであれば、第１ＳＲＲ導体２０１と第２ＳＲＲ導体２０２との位置関係は、ある程度自由に設計することができる。例えば、Ｘ方向に見た場合に、図９Ａに示すように、第１ＳＲＲ導体２０１と第２ＳＲＲ導体２０２とが重なるように配置されていてもよいし、図９Ｂに示すように、第１ＳＲＲ導体２０１と第２ＳＲＲ導体２０２とが部分的に重なるように配置されていてもよい。或いは、図９Ｃ及び図９Ｄに示すように、第１ＳＲＲ導体２０１と第２ＳＲＲ導体２０２とが全く重ならないように配置されていてもよい。
【００３４】
さて、第１ＳＲＲ導体２０１の開口部２０１ａには、開口部２０１ａを塞ぐように容量素子２１１が形成される。つまり、第１ＳＲＲ導体２０１の各端部に容量素子２１１の各端部が接続され、第１ＳＲＲ導体２０１の両端部を容量素子２１１が電気的に接続している。同様に、第２ＳＲＲ導体２０２の開口部２０２ａには、開口部２０２ａを塞ぐように可変容量素子２１２が形成される。つまり、第２ＳＲＲ導体２０２の各端部に可変容量素子２１２の各端部が接続され、第２ＳＲＲ導体２０２の両端部を可変容量素子２１２が電気的に接続している。可変容量素子２１２は、第２ＳＲＲ導体２０２の容量値を可変する。そのため、可変容量素子２１２の容量値を制御することにより、ＬＣ共振回路を形成するアンテナ装置２００の共振周波数を自由に切り替えることが可能になる。
【００３５】
ここで、図３及び図４を参照しながら、誘電体基板２０３の表面に形成された第１ＳＲＲ導体２０１の構成及び誘電体基板２０３の裏面に形成された第２ＳＲＲ導体２０２の構成について、より詳細に説明する。
【００３６】
図３に示すように、誘電体基板２０３の表面には、開口部２０１ａが容量素子２１１で塞がれた第１ＳＲＲ導体２０１、及び逆Ｌ形状のエレメント導体２０４が形成されている。一方、誘電体基板２０３の裏面には、図４に示すように、開口部２０２ａが可変容量素子２１２で塞がれた第２ＳＲＲ導体２０２、及びグラウンド導体２０６が形成されている。第１ＳＲＲ導体２０１及び第２ＳＲＲ導体２０２で形成されるＳＲＲは、Ｚ方向について、エレメント導体２０４とグラウンド導体２０６とで挟まれた領域に配置される。容量素子２１１の容量値は、例えば、１ｐＦなどに設定される。この場合、可変容量素子２１２の容量値は、１ｐＦ〜２．４ｐＦなどの範囲に設定される。
【００３７】
以上、アンテナ装置２００の構成について説明した。なお、図２の例では、第２ＳＲＲ導体２０２の開口部２０２ａに形成した素子の容量値を可変する構成を示したが、第１ＳＲＲ導体２０１の開口部２０１ａに形成した素子の容量値を可変する構成にしてもよい。
【００３８】
（アンテナ装置２００の特性）
次に、図６及び図７を参照しながら、アンテナ装置２００の特性について説明する。図６は、アンテナ装置２００の誘電率特性を示す図である。一方、図７は、アンテナ装置２００の透磁率特性を示す図である。図６及び図７では、実線が実部（Ｒｅａｌ）の特性を示し、破線が虚部（Ｉｍａｇｉｎａｒｙ）の特性を示している。
【００３９】
ｃを真空中の光速、μγを媒質の比透磁率、εγを媒質の比誘電率とすると、一般に、位相速度Ｖｐは下記の式（２）で表現される。つまり、材料定数μγ及びεγに応じて、下記の式（３）で表現される（εγμγ）−１／２倍の波長短縮効果が得られる。そのため、誘電体基板２０３の材料定数μγ及びεγに対してＳＲＲの共振周波数付近における実効透磁率の変化を掛け合わせた波長短縮効果が得られる。
【００４０】
【数２】
…（２）
【００４１】
また、ＳＲＲの共振周波数は、第１ＳＲＲ導体２０１及び第２ＳＲＲ導体２０２の導体長を調整することで設定できる。そのため、第１ＳＲＲ導体２０１及び第２ＳＲＲ導体２０２の導体長を調整して、図６及び図７にハッチングで示したＬＴＥの周波数帯域付近に共振周波数を設定することができる。このような設定にすると、図７に示すように、ＬＴＥの周波数帯域内で実効透磁率が大きく変化する特性が得られる。
【００４２】
上記のように、逆Ｌ形状のエレメント導体２０４とグラウンド導体２０６との間に、誘電体基板２０３を挟んで配置された第１ＳＲＲ導体２０１及び第２ＳＲＲ導体２０２で形成されたＳＲＲを設けることで、ＳＲＲの共振周波数付近における実効透磁率の変化が誘電体基板２０３の材料係数と掛け合わされ、誘電体基板２０３の材料定数に起因する波長短縮効果よりも大きな波長短縮効果が得られる。そのため、共振周波数が低周波数域へとシフトする。また、第２ＳＲＲ導体２０２の開口部２０２ａに設けられた可変容量素子２１２の容量値を変化させることにより、共振周波数を可変することができる。例えば、図８（ＶＳＷＲ特性）に示すように、ＬＴＥの周波数帯域とＧＳＭの周波数帯域との間で共振周波数を可変することが可能になる。
【００４３】
なお、ＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）とは、携帯電話の高速なデータ通信仕様の一つである第３世代携帯電話方式「Ｗ−ＣＤＭＡ」の標準化団体３ＧＰＰが標準化を進めている次世代の通信システムであり、例えば、７００ＭＨｚの周波数帯を利用する。また、ＧＳＭ（Ｇｌｏｂａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）とは、携帯電話に使われる無線通信方式の一つであり、例えば、８５０ＭＨｚ、９００ＭＨｚなどの周波数帯を利用する。
【００４４】
（制御方法について）
ところで、可変容量素子２１２の容量値は、アンテナ装置２００を搭載した無線通信装置の制御部（非図示）により制御される。例えば、制御部は、受信信号の周波数を検出し、検出した周波数に応じて可変容量素子２１２の容量値を制御する。例えば、制御部は、ＬＴＥに対応する受信信号の周波数を検出した場合、共振周波数がＬＴＥの周波数帯域付近になるように可変容量素子２１２の容量値を制御する。一方、ＧＳＭに対応する受信信号の周波数を検出した場合、制御部は、共振周波数がＧＳＭの周波数帯域付近になるように可変容量素子２１２の容量値を制御する。
【００４５】
容量素子２１１の容量値を１ｐＦ、特性インピーダンスを５０Ωとし、可変容量素子２１２の容量値を１ｐＦ〜２．４ｐＦに可変した場合、アンテナ装置２００のＶＳＷＲ特性は、図８に示すように変化する。可変容量素子２１２の容量値が１ｐＦの場合、高域側に共振周波数（ＶＳＷＲの最小値）が位置する。そして、可変容量素子２１２の容量値が増加するにつれて低域側に共振周波数がシフトする。図８に示すように、この例においては、可変容量素子２１２の容量値を１ｐＦ〜２．４ｐＦの範囲で可変することにより、ＧＳＭの周波数帯域とＬＴＥの周波数帯域とがカバーされる。
【００４６】
以上、アンテナ装置２００の特性について説明した。上記のように、可変容量素子２１２の容量値を可変することにより、所望の周波数帯域において共振周波数を可変することが可能である。また、可変容量素子２１２の容量値を切り替えることで周波数帯域を可変しているため、利用する無線通信システムの周波数帯の数が増えた場合でも装置のサイズが大きくなることは無い。そのため、複数の無線通信システムに適用可能な小型の無線通信装置を提供することが可能になる。さらに、可変容量素子２１２の容量値を調整するだけで共振周波数を自由に変更できるため、制御が容易である。
【００４７】
ところで、共振周波数の可変動作を利用することにより、無線通信装置の制御部においてオートチューニング動作を行うことも可能である。この場合、初期状態として、例えば、可変容量素子２１２の容量値を容量素子２１１の容量値と同じに設定しておく。そして、制御部は、可変容量素子２１２の容量値を徐々に変化させつつ、共振周波数を低域側又は高域側に徐々にシフトさせて所望の受信信号に自動的に同調するようにしてもよい。
【００４８】
（変形例：ＳＲＲの形状について）
次に、アンテナ装置２００に適用可能なＳＲＲの他の形状について、図５Ａ〜図５Ｃを参照しながら説明する。図５Ａは多角形状の一部が分離された開口部４０１ａを有するＳＲＲ導体４０１の形状を示す。また、図５Ｂは四角形状の一部が分離された開口部４０２ａを有するＳＲＲ導体４０２の形状を示す。また、図５Ｃはリング形状の一部が分離された開口部４０３ａを有するＳＲＲ導体４０３の形状を示す。なお、上述したＳＲＲの特性を実現できる形状であれば、これに限定されない。
【００４９】
第１ＳＲＲ導体２０１及び第２ＳＲＲ導体２０２は、図５Ａ〜図５Ｃに示したＳＲＲ導体４０１、４０２、４０３のように様々なリング形状に変形することが可能である。このような形状に変形した場合も、ＳＲＲ導体４０１、４０２、４０３の開口部４０１ａ、４０２ａ、４０３ａには、容量素子２１１又は可変容量素子２１２が設けられる。そのため、可変容量素子２１２の容量値を可変することにより、アンテナ装置２００の共振周波数を可変することが可能である。
【００５０】
（製造方法について）
アンテナ装置２００は、逆Ｌ形状のエレメント導体２０４とグラウンド導体２０６との間に位置する誘電体基板２０３の表裏面に、第１ＳＲＲ導体２０１と第２ＳＲＲ導体２０２とをそれぞれ形成したものであるため、簡易な製造方法で製造することができる。例えば、誘電体基板２０３の表裏面をエッチングして、第１ＳＲＲ導体２０１及び第２ＳＲＲ導体２０２を形成したり、或いは、誘電体基板２０３の表裏面に第１ＳＲＲ導体２０１及び第２ＳＲＲ導体２０２を貼り付けて形成したりすることができる。製造方法が簡易であるため、アンテナ装置２００に設計変更が発生した場合にも容易に対応可能になり、製造コストの抑制に寄与する。
【００５１】
また、誘電体基板２０３は、フレキシブルな誘電体フィルムなどで製作してもよい。誘電体基板２０３をフレキシブルな誘電体フィルムで製作した場合、誘電体基板２０３は折り曲げることが可能となるため、無線通信装置への実装が容易となる。なお、誘電体基板２０３以外にもエレメント導体２０４やグラウンド導体２０６をフレキシブルな素材で製作してもよい。
【００５２】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。例えば、上記説明においては、エレメント導体を逆Ｌ形状としたが、エレメント導体の開放端をさらに屈折させてコの字形状としてもよい。つまり、ＳＲＲをコの字形状のエレメント導体で囲み、グラウンド導体とエレメント導体とで囲うように配置してもよい。この場合、エレメント導体の配置面積が少なくなるため、アンテナ装置の更なる小型化に寄与する。
【符号の説明】
【００５３】
１００、２００ アンテナ装置
１０１、２０１ 第１ＳＲＲ導体
１０２、２０２ 第２ＳＲＲ導体
１０３、２０３ 誘電体基板
１０４、２０４ エレメント導体
１０５、２０５ 給電点
１０６、２０６ グラウンド導体
２１１ 容量素子
２１２ 可変容量素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ装置、及び無線通信装置に関し、特に移動体通信端末に適用可能なアンテナ装置、及び無線通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、無線通信装置には、複数の無線通信システムへの対応が要求されるようになってきた。そのため、こうした無線通信装置に搭載されるアンテナ装置には、小型化に加え、複数の周波数帯或いは広帯域で動作する機能が要求されるようになった。複数の周波数帯で動作するアンテナ装置としては、例えば、周波数帯域を可変するチューナブル・アンテナ（Ｔｕｎａｂｌｅ ａｎｔｅｎｎａ）がある。また、モノポール・アンテナ（Ｍｏｎｏｐｏｌｅ ａｎｔｅｎｎａ）の給電部分に複数の異なる長さの導体線路を組み合わせた調整回路を設けて周波数帯域を可変するアンテナ装置がある（例えば、下記の特許文献１を参照）。さらに、アンテナ装置の寄生素子に接続された選択回路を切り替えることで周波数帯域を可変するアンテナ装置がある（例えば、下記の特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第０７／０４２６１５号パンフレット
【特許文献２】特表２００９−５１０９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の特許文献１に記載のアンテナ装置は複数の異なる長さの導体線路をスイッチで切り替えて周波数帯域を可変する仕組みであるため、可変する周波数帯域の数に応じた導体線路が必要となる。そのため、可変周波数帯域の数が増えた場合、必要な導体線路の数が多くなり、アンテナ装置の小型化が困難になる。また、上記の特許文献２に記載のアンテナ装置は、寄生素子に選択回路を接続し、スイッチの切り替えで周波数帯域を可変する仕組みである。そのため、可変周波数帯域の数が増えた場合に寄生素子の数を増やす必要が生じ、アンテナ装置の小型化が困難になる。
【０００５】
こうした問題点に鑑み、本件発明者は、ＳＲＲ導体上に設けたスイッチの短絡／開放を切り替えることにより共振周波数を可変にしたアンテナ装置を考案した（特開２０１１−１０３６３０号公報を参照）。このアンテナ装置は、逆Ｌ形状のエレメント導体と、グラウンド導体との間にＳＲＲ導体を配置し、ＳＲＲ導体上に設けた複数のスイッチの短絡／開放を制御することで共振周波数を可変する構成を有する。この構成を適用することで、上記の特許文献１及び２に記載のアンテナ装置に比べ、小型化で所望の周波数帯域に共振周波数を容易に可変することが可能なアンテナ装置（従来例）を実現することができる。
【０００６】
しかしながら、上記従来例に係るアンテナ装置においても、共振周波数の可変範囲に応じて複数のスイッチをＳＲＲ導体上に設けねばならず、可変範囲が広がると部品点数の増加が避けられない。さらに、スイッチの数が増加することでスイッチの制御が複雑化してしまう。そこで、本発明は、このような問題点に鑑みて考案されたものであり、本発明の目的とするところは、より小型化が可能な周波数可変機能を備えたアンテナ装置及びこのアンテナ装置を搭載した無線通信装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明のある観点によれば、給電点を有し、誘電体基板の一面上に形成された逆Ｌ字形状のエレメント導体と、前記誘電体基板の一面上に形成された、開口を有する環状の第１導体と、前記誘電体基板の他面上に形成され、前記第１導体の開口が向く方向と逆方向を向く位置に開口を有し、前記誘電体基板を挟んで前記第１導体に対向する環状の第２導体と、前記誘電体基板の一面上において前記第１導体を挟んで前記エレメント導体と対向する領域に対応する前記誘電体基板の他面上の領域に形成されるグラウンド導体と、前記第１又は第２導体の開口を塞ぐように形成された容量素子と、前記第１又は第２導体のうち、開口に前記容量素子が形成されていない導体の開口を塞ぐように形成された可変容量素子と、を備える、アンテナ装置が提供される。
【０００８】
かかる構成により、第１導体と第２導体とでＳＲＲが形成され、ＳＲＲの共振周波数付近における実効透磁率の変化と掛け合わせて大きな波長短縮効果が得られるため、アンテナ装置の小型化が可能になる。また、可変容量素子の容量値を制御することにより、ＬＣ共振回路を形成するアンテナ装置の共振周波数を自由に切り替えることが可能になり、複数の周波数帯域に対応することが可能になる。さらに、共振周波数の可変を容量値の制御で行うため、スイッチなどで共振周波数を切り替える構成とは異なり、対応すべき周波数帯の数が増加しても部品点数の増加がなく、装置のサイズが大きくならずに済む。その結果、アンテナ装置及びこれを搭載した無線通信装置の更なる小型化が可能になる。また、対応すべき周波数帯の数が増加しても、可変容量素子の容量値を制御するだけで済むため、制御の複雑化を招かずに済む。
【０００９】
また、前記容量素子は、前記第１導体の開口に形成されていてもよく、この場合には前記可変容量素子は、前記第２導体の開口に形成される。さらに、上記のアンテナ装置は、所望の共振周波数となるように前記可変容量素子の容量値を調整する制御部をさらに備えていてもよい。また、前記制御部は、前記容量素子の容量値を上回る所定範囲内で前記可変容量素子の容量値を変化させるように構成されていてもよい。なお、前記第１導体及び前記第２導体は、ＳＲＲ（Ｓｐｌｉｔ Ｒｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）を形成する。
【００１０】
また、上記の課題を解決するために、本発明のある観点によれば、上記のアンテナ装置を搭載した無線通信装置が提供される。かかる構成により、複数の周波数帯域に対応可能な小型の無線通信装置が実現される。なお、上記の制御部は、無線通信装置の制御機能であってもよい。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように本発明によれば、より小型化が可能な周波数可変機能を備えたアンテナ装置及びこのアンテナ装置を搭載した無線通信装置を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ＳＲＲを搭載したアンテナ装置の構成例を示した図である。
【図２】本実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示した図である。
【図３】本実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示した図である。
【図４】本実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示した図である。
【図５Ａ】本実施形態に係るアンテナ装置を構成するＳＲＲ導体の構成例を示した図である。
【図５Ｂ】本実施形態に係るアンテナ装置を構成するＳＲＲ導体の構成例を示した図である。
【図５Ｃ】本実施形態に係るアンテナ装置を構成するＳＲＲ導体の構成例を示した図である。
【図６】本実施形態に係るアンテナ装置の誘電率特性を示した図である。
【図７】本実施形態に係るアンテナ装置の透磁率特性を示した図である。
【図８】本実施形態に係るアンテナ装置のＶＳＷＲ特性を示した図である。
【図９Ａ】本実施形態に係るアンテナ装置を構成するＳＲＲ導体の構成例を示した図である。
【図９Ｂ】本実施形態に係るアンテナ装置を構成するＳＲＲ導体の構成例を示した図である。
【図９Ｃ】本実施形態に係るアンテナ装置を構成するＳＲＲ導体の構成例を示した図である。
【図９Ｄ】本実施形態に係るアンテナ装置を構成するＳＲＲ導体の構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１４】
（概要）
本実施形態に係るアンテナ装置は、ＳＲＲ（Ｓｐｌｉｔ Ｒｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ；分割リング共振器）の共振周波数付近の材料特性を利用し、ＳＲＲを構成する各導体の開口部分に可変容量素子を設け、その容量値を変化させることにより、共振周波数を可変するものである。なお、ここで言うＳＲＲとは、少なくとも一部が分離された環状の金属（導電性部材）から成る構造体であり、後述する特性を発現するものである。
【００１５】
（ＳＲＲの特性）
まず、ＳＲＲの一般的な特性について簡単に説明する。
【００１６】
一般に、ＳＲＲはリングの一部に「Ｓｐｌｉｔ（開口部）」を有する二つの金属リングが同心円状に配置された構造をしている。こうした構造的特徴から「２重リングＳＲＲ」とも呼ばれる。ＳＲＲのリング部分はインダクタンス（Ｌ）として機能し、リング間の間隙部分はキャパシタンス（Ｃ）として機能する。
【００１７】
例えば、リングを含む平面に垂直な磁場成分を含む電磁波（入射磁場）がＳＲＲに入射すると、電磁誘導の原理に従い、入射磁場を打ち消す反抗磁場を作り出す誘導電流（Ｊ）がリング上に誘起される。この誘導電流は各リングに沿って流れるが、リングの一部に設けられた開口部で誘導電流の流れが遮られ、２つのリング間に等しい量の正負の電荷が蓄積される。さらに、２つのリング間に蓄積された電荷がリング間のキャパシタンス（Ｃ）を介して内側から外側（及び外側から内側）のリングへと流れることでＳＲＲにＬＣ共振の閉回路が形成される。従って、ＳＲＲの共振周波数ｆ０は、ＳＲＲを形成するキャパシタンス（Ｃ）及びインダクタンス（Ｌ）に基づいて下記の式（１）のように表される。
【００１８】
【数１】
…（１）
【００１９】
この共振周波数付近において大きな誘導電流が誘起され、大きな反抗磁場が作り出される。そのため、ＳＲＲの実効的な透磁率は大きく変化する。上記の共振周波数に近い周波数を有する電磁波が入射すると、その電磁波はＳＲＲに共鳴して大きく吸収される。つまり、電磁波の吸収に対応する透磁率の虚部（Ｉｍａｇｉｎａｒｙ）は、電磁波の周波数がＳＲＲの共振周波数に近づくにつれて増大する。また、虚部の変化に応じて透磁率の実部（Ｒｅａｌ）も変化する。実部の変化量は、虚部の変化量が大きいほど（即ち、ＳＲＲのＱ値が高いほど）大きくなり、適当な条件に調整すると、共振周波数の高周波数側において負の透磁率を実現することができる。
【００２０】
以上、ＳＲＲの特性について説明した。上記のように、ＳＲＲは磁気駆動のＬＣ共振回路がその動作原理となっており、共振器構造の設計次第でＳＲＲの共振周波数を自由に設計することが可能である。
【００２１】
（従来例：ＳＲＲを利用したアンテナ装置１００の構成）
次に、図１を参照しながら、ＳＲＲを利用したアンテナ装置１００の構成について説明する。図１は、ＳＲＲを利用したアンテナ装置１００の構成を示した図である。
【００２２】
図１に示すように、アンテナ装置１００は、第１ＳＲＲ導体１０１と、第２ＳＲＲ導体１０２と、誘電体基板１０３と、エレメント導体１０４と、給電点１０５と、グラウンド導体１０６とを含む。なお、エレメント導体１０４は、例えば、Ｌ字型に形成される。また、エレメント導体１０４は、給電点１０５を介してグラウンド導体１０６と接続される。そして、エレメント導体１０４は、逆Ｌ型アンテナ（Ｉｎｖｅｒｔｅｄ−Ｌ ａｎｔｅｎｎａ）として機能する。
【００２３】
第１ＳＲＲ導体１０１は、誘電体基板１０３の一面（以下、表面）に形成される。また、第２ＳＲＲ１０２は、誘電体基板１０３の他面（以下、裏面）に形成される。図１の例において、第１ＳＲＲ導体１０１及び第２ＳＲＲ導体１０２は、矩形リング状に形成されている。また、第１ＳＲＲ導体１０１は、矩形リングの一部を分離した開口部１０１ａを有する。同様に、第２ＳＲＲ導体１０２は、矩形リングの一部を分離した開口部１０２ａを有する。なお、第１ＳＲＲ導体１０１及び第２ＳＲＲ導体１０２の形状は、矩形リング形状に限らず、任意のリング形状に変形することが可能である（例えば、図５Ａ〜図５Ｃを参照）。また、第１ＳＲＲ導体１０１と第２ＳＲＲ導体１０２とは、異なる形状であってもよい。
【００２４】
第１ＳＲＲ導体１０１と第２ＳＲＲ導体１０２とは、誘電体基板１０３を挟んで対向する位置に配置される。また、第１ＳＲＲ導体１０１と第２ＳＲＲ導体１０２とは、第１ＳＲＲ導体１０１の開口部１０１ａと第２ＳＲＲ導体１０２の開口部１０２ａとが互いに反対を向くように互い違いに配置される。例えば、第１ＳＲＲ導体１０１の開口部１０１ａが誘電体基板１０３の表面において右側に向く場合、第２ＳＲＲ導体１０２の開口部１０２ａは誘電体基板１０３の裏面において左側に向く。
【００２５】
上記のような構造により、第１ＳＲＲ導体１０１及び第２ＳＲＲ導体１０２は、それぞれ一般的なＳＲＲの各リングと同様にインダクタンス（Ｌ）として機能する。また、誘電体基板１０３を挟んで対向配置された第１ＳＲＲ導体１０１と第２ＳＲＲ導体１０２との間でキャパシタンス（Ｃ）が形成される。そのため、第１ＳＲＲ導体１０１及び第２ＳＲＲ導体１０２はＳＲＲとして機能する。従って、アンテナ装置１００は、第１ＳＲＲ導体１０１及び第２ＳＲＲ導体１０２の長さに依存するインダクタンス（Ｌ）、及び、第１ＳＲＲ導体１０１及び第２ＳＲＲ導体１０２の配置と誘電体基板１０３の誘電率及び厚みとに依存するキャパシタンス（Ｃ）によって決まる共振周波数で動作する。
【００２６】
以上、ＳＲＲを利用したアンテナ装置１００の構成について説明した。なお、アンテナ装置１００は、設計時にインダクタンス（Ｌ）及びキャパシタンス（Ｃ）が固定されてしまう。そのため、共振周波数を可変にするには、インダクタンス（Ｌ）又はキャパシタンス（Ｃ）を可変にする仕組みを設ける必要がある。そこで、本件発明者は、第１ＳＲＲ導体１０１及び第２ＳＲＲ導体１０２の長さをスイッチで切り替えられるようにする仕組みを考案した（特開２０１１−１０３６３０号公報）。しかし、スイッチを利用する場合、利用する周波数帯の数が増加するにつれて多くのスイッチが必要になる。多くのスイッチを設けると、装置のサイズが大きくなる上、制御が複雑化してしまう。
【００２７】
こうした問題点に鑑み、本件発明者は、スイッチを用いずに共振周波数を可変にする仕組みを考案した。この仕組みを適用すると、より小型で制御が容易なアンテナ装置（後述するアンテナ装置２００）が実現される。以下、本実施形態に係るアンテナ装置２００の構成について詳細に説明する。
【００２８】
（実施形態：アンテナ装置２００の構成）
図２を参照しながら、本発明の一実施形態に係るアンテナ装置２００の構成について説明する。図２は、本実施形態に係るアンテナ装置２００の構成例を示した説明図である。
【００２９】
図２に示すように、アンテナ装置２００は、第１ＳＲＲ導体２０１と、第２ＳＲＲ導体２０２と、誘電体基板２０３と、エレメント導体２０４と、給電点２０５と、グラウンド導体２０６と、第１容量素子２１１と、第２可変容量素子２１２とを有する。
【００３０】
エレメント導体２０４は、例えば、Ｌ字型に形成される。また、エレメント導体２０４は、給電点２０５を介してグラウンド導体２０６と接続される。そして、エレメント導体２０４は、逆Ｌ型アンテナ（Ｉｎｖｅｒｔｅｄ−Ｌ ａｎｔｅｎｎａ）として機能する。また、エレメント導体２０４で形成される逆Ｌ型アンテナは、自由空間における長さが概ね１／４波長となる周波数で動作する。なお、誘電体基板２０３上に配置されたエレメント導体２０４で形成される逆Ｌ型アンテナは、誘電体基板２０３の材料定数に対応する波長短縮効果の影響を受ける。
【００３１】
第１ＳＲＲ導体２０１は、誘電体基板２０３の一面（以下、表面）に形成される。また、第２ＳＲＲ２０２は、誘電体基板２０３の他面（以下、裏面）に形成される。図２の例において、第１ＳＲＲ導体２０１及び第２ＳＲＲ導体２０２は、矩形リング状に形成されている。また、第１ＳＲＲ導体２０１は、矩形リングの一部を分離した開口部２０１ａを有する。同様に、第２ＳＲＲ導体２０２は、矩形リングの一部を分離した開口部２０２ａを有する。なお、第１ＳＲＲ導体２０１及び第２ＳＲＲ導体２０２の形状は、矩形リング形状に限らず、任意のリング形状に変形することが可能である。また、第１ＳＲＲ導体２０１と第２ＳＲＲ導体２０２とは、異なる形状であってもよい。
【００３２】
第１ＳＲＲ導体２０１と第２ＳＲＲ導体２０２とは、誘電体基板２０３を挟んで対向する位置に配置される。また、第１ＳＲＲ導体２０１と第２ＳＲＲ導体２０２とは、第１ＳＲＲ導体２０１の開口部２０１ａと第２ＳＲＲ導体２０２の開口部２０２ａとが互いに反対を向くように互い違いに配置される。例えば、第１ＳＲＲ導体２０１の開口部２０１ａが誘電体基板２０３の表面において右側に向く場合、第２ＳＲＲ導体２０２の開口部２０２ａは誘電体基板２０３の裏面において左側に向く。このように、第１ＳＲＲ導体２０１及び第２ＳＲＲ導体２０２で形成されるＳＲＲを設けることで、ＳＲＲの共振周波数付近における実効透磁率の変化と掛け合わせて大きな波長短縮効果が得られ、アンテナ装置の小型化が可能になる。
【００３３】
言い換えると、ＳＲＲの共振周波数付近における実効透磁率の変化が十分に大きくなるのであれば、第１ＳＲＲ導体２０１と第２ＳＲＲ導体２０２との位置関係は、ある程度自由に設計することができる。例えば、Ｘ方向に見た場合に、図９Ａに示すように、第１ＳＲＲ導体２０１と第２ＳＲＲ導体２０２とが重なるように配置されていてもよいし、図９Ｂに示すように、第１ＳＲＲ導体２０１と第２ＳＲＲ導体２０２とが部分的に重なるように配置されていてもよい。或いは、図９Ｃ及び図９Ｄに示すように、第１ＳＲＲ導体２０１と第２ＳＲＲ導体２０２とが全く重ならないように配置されていてもよい。
【００３４】
さて、第１ＳＲＲ導体２０１の開口部２０１ａには、開口部２０１ａを塞ぐように容量素子２１１が形成される。つまり、第１ＳＲＲ導体２０１の各端部に容量素子２１１の各端部が接続され、第１ＳＲＲ導体２０１の両端部を容量素子２１１が電気的に接続している。同様に、第２ＳＲＲ導体２０２の開口部２０２ａには、開口部２０２ａを塞ぐように可変容量素子２１２が形成される。つまり、第２ＳＲＲ導体２０２の各端部に可変容量素子２１２の各端部が接続され、第２ＳＲＲ導体２０２の両端部を可変容量素子２１２が電気的に接続している。可変容量素子２１２は、第２ＳＲＲ導体２０２の容量値を可変する。そのため、可変容量素子２１２の容量値を制御することにより、ＬＣ共振回路を形成するアンテナ装置２００の共振周波数を自由に切り替えることが可能になる。
【００３５】
ここで、図３及び図４を参照しながら、誘電体基板２０３の表面に形成された第１ＳＲＲ導体２０１の構成及び誘電体基板２０３の裏面に形成された第２ＳＲＲ導体２０２の構成について、より詳細に説明する。
【００３６】
図３に示すように、誘電体基板２０３の表面には、開口部２０１ａが容量素子２１１で塞がれた第１ＳＲＲ導体２０１、及び逆Ｌ形状のエレメント導体２０４が形成されている。一方、誘電体基板２０３の裏面には、図４に示すように、開口部２０２ａが可変容量素子２１２で塞がれた第２ＳＲＲ導体２０２、及びグラウンド導体２０６が形成されている。第１ＳＲＲ導体２０１及び第２ＳＲＲ導体２０２で形成されるＳＲＲは、Ｚ方向について、エレメント導体２０４とグラウンド導体２０６とで挟まれた領域に配置される。容量素子２１１の容量値は、例えば、１ｐＦなどに設定される。この場合、可変容量素子２１２の容量値は、１ｐＦ〜２．４ｐＦなどの範囲に設定される。
【００３７】
以上、アンテナ装置２００の構成について説明した。なお、図２の例では、第２ＳＲＲ導体２０２の開口部２０２ａに形成した素子の容量値を可変する構成を示したが、第１ＳＲＲ導体２０１の開口部２０１ａに形成した素子の容量値を可変する構成にしてもよい。
【００３８】
（アンテナ装置２００の特性）
次に、図６及び図７を参照しながら、アンテナ装置２００の特性について説明する。図６は、アンテナ装置２００の誘電率特性を示す図である。一方、図７は、アンテナ装置２００の透磁率特性を示す図である。図６及び図７では、実線が実部（Ｒｅａｌ）の特性を示し、破線が虚部（Ｉｍａｇｉｎａｒｙ）の特性を示している。
【００３９】
ｃを真空中の光速、μγを媒質の比透磁率、εγを媒質の比誘電率とすると、一般に、位相速度Ｖｐは下記の式（２）で表現される。つまり、材料定数μγ及びεγに応じて、下記の式（３）で表現される（εγμγ）−１／２倍の波長短縮効果が得られる。そのため、誘電体基板２０３の材料定数μγ及びεγに対してＳＲＲの共振周波数付近における実効透磁率の変化を掛け合わせた波長短縮効果が得られる。
【００４０】
【数２】
…（２）
【００４１】
また、ＳＲＲの共振周波数は、第１ＳＲＲ導体２０１及び第２ＳＲＲ導体２０２の導体長を調整することで設定できる。そのため、第１ＳＲＲ導体２０１及び第２ＳＲＲ導体２０２の導体長を調整して、図６及び図７にハッチングで示したＬＴＥの周波数帯域付近に共振周波数を設定することができる。このような設定にすると、図７に示すように、ＬＴＥの周波数帯域内で実効透磁率が大きく変化する特性が得られる。
【００４２】
上記のように、逆Ｌ形状のエレメント導体２０４とグラウンド導体２０６との間に、誘電体基板２０３を挟んで配置された第１ＳＲＲ導体２０１及び第２ＳＲＲ導体２０２で形成されたＳＲＲを設けることで、ＳＲＲの共振周波数付近における実効透磁率の変化が誘電体基板２０３の材料係数と掛け合わされ、誘電体基板２０３の材料定数に起因する波長短縮効果よりも大きな波長短縮効果が得られる。そのため、共振周波数が低周波数域へとシフトする。また、第２ＳＲＲ導体２０２の開口部２０２ａに設けられた可変容量素子２１２の容量値を変化させることにより、共振周波数を可変することができる。例えば、図８（ＶＳＷＲ特性）に示すように、ＬＴＥの周波数帯域とＧＳＭの周波数帯域との間で共振周波数を可変することが可能になる。
【００４３】
なお、ＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）とは、携帯電話の高速なデータ通信仕様の一つである第３世代携帯電話方式「Ｗ−ＣＤＭＡ」の標準化団体３ＧＰＰが標準化を進めている次世代の通信システムであり、例えば、７００ＭＨｚの周波数帯を利用する。また、ＧＳＭ（Ｇｌｏｂａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）とは、携帯電話に使われる無線通信方式の一つであり、例えば、８５０ＭＨｚ、９００ＭＨｚなどの周波数帯を利用する。
【００４４】
（制御方法について）
ところで、可変容量素子２１２の容量値は、アンテナ装置２００を搭載した無線通信装置の制御部（非図示）により制御される。例えば、制御部は、受信信号の周波数を検出し、検出した周波数に応じて可変容量素子２１２の容量値を制御する。例えば、制御部は、ＬＴＥに対応する受信信号の周波数を検出した場合、共振周波数がＬＴＥの周波数帯域付近になるように可変容量素子２１２の容量値を制御する。一方、ＧＳＭに対応する受信信号の周波数を検出した場合、制御部は、共振周波数がＧＳＭの周波数帯域付近になるように可変容量素子２１２の容量値を制御する。
【００４５】
容量素子２１１の容量値を１ｐＦ、特性インピーダンスを５０Ωとし、可変容量素子２１２の容量値を１ｐＦ〜２．４ｐＦに可変した場合、アンテナ装置２００のＶＳＷＲ特性は、図８に示すように変化する。可変容量素子２１２の容量値が１ｐＦの場合、高域側に共振周波数（ＶＳＷＲの最小値）が位置する。そして、可変容量素子２１２の容量値が増加するにつれて低域側に共振周波数がシフトする。図８に示すように、この例においては、可変容量素子２１２の容量値を１ｐＦ〜２．４ｐＦの範囲で可変することにより、ＧＳＭの周波数帯域とＬＴＥの周波数帯域とがカバーされる。
【００４６】
以上、アンテナ装置２００の特性について説明した。上記のように、可変容量素子２１２の容量値を可変することにより、所望の周波数帯域において共振周波数を可変することが可能である。また、可変容量素子２１２の容量値を切り替えることで周波数帯域を可変しているため、利用する無線通信システムの周波数帯の数が増えた場合でも装置のサイズが大きくなることは無い。そのため、複数の無線通信システムに適用可能な小型の無線通信装置を提供することが可能になる。さらに、可変容量素子２１２の容量値を調整するだけで共振周波数を自由に変更できるため、制御が容易である。
【００４７】
ところで、共振周波数の可変動作を利用することにより、無線通信装置の制御部においてオートチューニング動作を行うことも可能である。この場合、初期状態として、例えば、可変容量素子２１２の容量値を容量素子２１１の容量値と同じに設定しておく。そして、制御部は、可変容量素子２１２の容量値を徐々に変化させつつ、共振周波数を低域側又は高域側に徐々にシフトさせて所望の受信信号に自動的に同調するようにしてもよい。
【００４８】
（変形例：ＳＲＲの形状について）
次に、アンテナ装置２００に適用可能なＳＲＲの他の形状について、図５Ａ〜図５Ｃを参照しながら説明する。図５Ａは多角形状の一部が分離された開口部４０１ａを有するＳＲＲ導体４０１の形状を示す。また、図５Ｂは四角形状の一部が分離された開口部４０２ａを有するＳＲＲ導体４０２の形状を示す。また、図５Ｃはリング形状の一部が分離された開口部４０３ａを有するＳＲＲ導体４０３の形状を示す。なお、上述したＳＲＲの特性を実現できる形状であれば、これに限定されない。
【００４９】
第１ＳＲＲ導体２０１及び第２ＳＲＲ導体２０２は、図５Ａ〜図５Ｃに示したＳＲＲ導体４０１、４０２、４０３のように様々なリング形状に変形することが可能である。このような形状に変形した場合も、ＳＲＲ導体４０１、４０２、４０３の開口部４０１ａ、４０２ａ、４０３ａには、容量素子２１１又は可変容量素子２１２が設けられる。そのため、可変容量素子２１２の容量値を可変することにより、アンテナ装置２００の共振周波数を可変することが可能である。
【００５０】
（製造方法について）
アンテナ装置２００は、逆Ｌ形状のエレメント導体２０４とグラウンド導体２０６との間に位置する誘電体基板２０３の表裏面に、第１ＳＲＲ導体２０１と第２ＳＲＲ導体２０２とをそれぞれ形成したものであるため、簡易な製造方法で製造することができる。例えば、誘電体基板２０３の表裏面をエッチングして、第１ＳＲＲ導体２０１及び第２ＳＲＲ導体２０２を形成したり、或いは、誘電体基板２０３の表裏面に第１ＳＲＲ導体２０１及び第２ＳＲＲ導体２０２を貼り付けて形成したりすることができる。製造方法が簡易であるため、アンテナ装置２００に設計変更が発生した場合にも容易に対応可能になり、製造コストの抑制に寄与する。
【００５１】
また、誘電体基板２０３は、フレキシブルな誘電体フィルムなどで製作してもよい。誘電体基板２０３をフレキシブルな誘電体フィルムで製作した場合、誘電体基板２０３は折り曲げることが可能となるため、無線通信装置への実装が容易となる。なお、誘電体基板２０３以外にもエレメント導体２０４やグラウンド導体２０６をフレキシブルな素材で製作してもよい。
【００５２】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。例えば、上記説明においては、エレメント導体を逆Ｌ形状としたが、エレメント導体の開放端をさらに屈折させてコの字形状としてもよい。つまり、ＳＲＲをコの字形状のエレメント導体で囲み、グラウンド導体とエレメント導体とで囲うように配置してもよい。この場合、エレメント導体の配置面積が少なくなるため、アンテナ装置の更なる小型化に寄与する。
【符号の説明】
【００５３】
１００、２００ アンテナ装置
１０１、２０１ 第１ＳＲＲ導体
１０２、２０２ 第２ＳＲＲ導体
１０３、２０３ 誘電体基板
１０４、２０４ エレメント導体
１０５、２０５ 給電点
１０６、２０６ グラウンド導体
２１１ 容量素子
２１２ 可変容量素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電点を有し、誘電体基板の一面上に形成された逆Ｌ字形状のエレメント導体と、
前記誘電体基板の一面上に形成された、開口を有する環状の第１導体と、
前記誘電体基板の他面上に形成され、前記第１導体の開口が向く方向と逆方向を向く位置に開口を有し、前記誘電体基板を挟んで前記第１導体に対向する環状の第２導体と、
前記誘電体基板の一面上において前記第１導体を挟んで前記エレメント導体と対向する領域に対応する前記誘電体基板の他面上の領域に形成されるグラウンド導体と、
前記第１又は第２導体の開口を塞ぐように形成された容量素子と、
前記第１又は第２導体のうち、開口に前記容量素子が形成されていない導体の開口を塞ぐように形成された可変容量素子と、
を備える
ことを特徴とする、アンテナ装置。
【請求項２】
前記容量素子は、前記第１導体の開口に形成され、
前記可変容量素子は、前記第２導体の開口に形成される
ことを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
所望の共振周波数となるように前記可変容量素子の容量値を調整する制御部をさらに備える
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記容量素子の容量値を上回る所定範囲内で前記可変容量素子の容量値を変化させる
ことを特徴とする、請求項３に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記第１導体及び前記第２導体は、ＳＲＲ（Ｓｐｌｉｔ Ｒｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）を形成する
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のアンテナ装置を搭載した
ことを特徴とする、無線通信装置。
【請求項１】
給電点を有し、誘電体基板の一面上に形成された逆Ｌ字形状のエレメント導体と、
前記誘電体基板の一面上に形成された、開口を有する環状の第１導体と、
前記誘電体基板の他面上に形成され、前記第１導体の開口が向く方向と逆方向を向く位置に開口を有し、前記誘電体基板を挟んで前記第１導体に対向する環状の第２導体と、
前記誘電体基板の一面上において前記第１導体を挟んで前記エレメント導体と対向する領域に対応する前記誘電体基板の他面上の領域に形成されるグラウンド導体と、
前記第１又は第２導体の開口を塞ぐように形成された容量素子と、
前記第１又は第２導体のうち、開口に前記容量素子が形成されていない導体の開口を塞ぐように形成された可変容量素子と、
を備える
ことを特徴とする、アンテナ装置。
【請求項２】
前記容量素子は、前記第１導体の開口に形成され、
前記可変容量素子は、前記第２導体の開口に形成される
ことを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
所望の共振周波数となるように前記可変容量素子の容量値を調整する制御部をさらに備える
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記容量素子の容量値を上回る所定範囲内で前記可変容量素子の容量値を変化させる
ことを特徴とする、請求項３に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記第１導体及び前記第２導体は、ＳＲＲ（Ｓｐｌｉｔ Ｒｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）を形成する
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のアンテナ装置を搭載した
ことを特徴とする、無線通信装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【公開番号】特開２０１３−９３６４３（Ｐ２０１３−９３６４３Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３２６７１（Ｐ２０１１−２３２６７１）
【出願日】平成２３年１０月２４日（２０１１．１０．２４）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＧＳＭ
【出願人】（５９８０４５０５８）株式会社サムスン横浜研究所 (294)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２４日（２０１１．１０．２４）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＧＳＭ
【出願人】（５９８０４５０５８）株式会社サムスン横浜研究所 (294)
【Ｆターム（参考）】
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