JP2019121925A - アンテナ装置、及び、無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】グランドプレーンに対して垂直な方向に十分な通信距離を有するアンテナ装置、及び、無線通信装置を提供する。【解決手段】アンテナ装置は、グランドプレーンと、グランドプレーンの第１面側に設けられるアンテナエレメントであって、給電点と、第１面から離間する方向に給電点から第１端部まで延在する第１線路と、第１線路の第１端部からグランドプレーンの第１面に沿って第２端部まで延在する第２線路と、第２線路の第２端部からグランドプレーンの第１面に沿って、平面視で第２線路の延在方向とは異なる方向に第３端部まで延在する第３線路とを有する、アンテナエレメントとを含み、アンテナエレメントの給電点から第３線路の第３端部までの長さは、アンテナエレメントの共振周波数における波長の電気長の３／４に対応する長さであり、共振周波数において第２線路に流れる共振電流のベクトルと第３線路に流れる共振電流のベクトルとが強め合う。【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置、及び、無線通信装置に関する。

従来より、ユーザの身体において、またはユーザの身体に近接して、使用されるように構成されたアンテナ装置であって、第１導電要素を有するアンテナ構造を備えており、前記アンテナ構造が、動作中に少なくとも前記第１導電要素に電流が誘起されるように構成されているアンテナ装置がある。前記第１導電要素が、前記アンテナ装置が意図された動作位置に配置されたときに、前記ユーザの身体の表面に対して実質的に直交する方向において、１／１６波長と全波長の間の長さにわたって延在している。前記アンテナ装置では、電磁場は、主にユーザの表面に沿う方向に伝搬する（例えば、特許文献１参照）。

特表２０１３−５４１９１３号公報

ところで、従来のアンテナ装置は、電磁場（電界）が主にユーザの表面に沿う方向に伝搬するものである。ユーザの表面に沿う方向は、アンテナ装置の接地面（グランドプレーン）に平行な方向である。

すなわち、従来のアンテナ装置は、グランドプレーンが広がる方向に沿って電界が分布するように指向性が設定されており、グランドプレーンから垂直に離れる方向に大きな指向性を有するものではない。このため、従来のアンテナ装置は、グランドプレーンに対して垂直な方向の通信距離を稼ぐことはできない。

そこで、グランドプレーンに対して垂直な方向に十分な通信距離を有するアンテナ装置、及び、無線通信装置を提供することを目的とする。

本発明の実施の形態のアンテナ装置は、グランドプレーンと、前記グランドプレーンの第１面側に設けられるアンテナエレメントであって、給電点と、前記第１面から離間する方向に前記給電点から第１端部まで延在する第１線路と、前記第１線路の第１端部から前記グランドプレーンの第１面に沿って第２端部まで延在する第２線路と、前記第２線路の第２端部から前記グランドプレーンの第１面に沿って、平面視で前記第２線路の延在方向とは異なる方向に第３端部まで延在する第３線路とを有する、アンテナエレメントとを含み、前記アンテナエレメントの前記給電点から前記第３線路の第３端部までの長さは、前記アンテナエレメントの共振周波数における波長の電気長の３／４に対応する長さであり、前記共振周波数において前記第２線路に流れる共振電流のベクトルと前記第３線路に流れる共振電流のベクトルとが強め合う。

グランドプレーンに対して垂直な方向に十分な通信距離を有するアンテナ装置、及び、無線通信装置を提供することができる。

実施の形態のアンテナ装置１００を示す図である。 アンテナ装置１００を含む無線通信装置２００を示す図である。 実施の形態のアンテナエレメント１１０と比較用のアンテナエレメント１０Ａ、１０Ｂを示す図である。 アンテナエレメント１１０、１０Ａ、１０Ｂの放射パターンを示す図である。 アンテナエレメント１１０、１０Ａ、１０Ｂの電流分布を示す図である。 アンテナ装置１００のシミュレーションモデルにおける長さＬに対するゲインの特性を示す図である。 アンテナ装置１００のシミュレーションモデルにおける高さｈと長さＬに対するゲインの特性を示す図である。 高さｈが０．０２４４λの場合の長さＬに対するゲインの特性を示す図である。 アンテナエレメント１１０の高さｈとゲインの関係を示す図である。 実施の形態の変形例のアンテナエレメントを示す図である。 実施の形態の変形例のアンテナエレメントを示す図である。

以下、本発明のアンテナ装置、及び、無線通信装置を適用した実施の形態について説明する。

＜実施の形態＞
図１は、実施の形態のアンテナ装置１００を示す図である。図１（Ａ）、（Ｂ）には、アンテナ装置１００のシミュレーションモデルを示し、図１（Ｃ）にはアンテナ装置１００の等価回路を示す。なお、以下では共通のＸＹＺ座標を用いて説明し、平面視とはＸＹ面視である。

図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、アンテナ装置１００は、グランドプレーン５０と、アンテナエレメント１１０とを含む。アンテナ装置１００は、例えば、スマートフォン端末機、タブレットコンピュータ、若しくはゲーム機のような無線通信を行う無線通信装置に含まれていてもよく、又は、ＩｏＴ(Internet of Things)のネットワークを構築するために、あらゆる物体等に取り付けられていてもよい。物体等は、建造物等の壁のように固定的で移動しないものであってもよく、移動するものであってもよい。

グランドプレーン５０は、接地電位又は基準電位に保持される金属層又は金属板であり、接地層又は接地板として捉えることもできる。グランドプレーン５０は、ＸＹ平面に平行に配置されている。

グランドプレーン５０は、例えば、上述した無線通信装置に含まれる金属層又は金属板等であってもよいし、専用の基板又は筐体等に設けられる金属層又は金属板等であってもよい。金属層又は金属板等は、例えばＦＲ４(Flame Retardant type 4)のような規格の配線基板に含まれるものであってもよい。

グランドプレーン５０の２つの面のうち、アンテナエレメント１１０が配設されるＺ軸正方向側の面は、第１面の一例である。なお、シミュレーションモデルでは、グランドプレーン５０は、無限に広がる接地層である。

アンテナエレメント１１０は、図１（Ａ）に示すように平面視でグランドプレーン５０と重ねて配置される。また、アンテナエレメント１１０は、図１（Ｂ）に示すように、給電点１１１Ａ、線路１１１、折り曲げ部１１１Ｂ、線路１１２、折り曲げ部１１２Ａ、線路１１３、及び先端部１１３Ａを有する。

アンテナエレメント１１０は、金属製であり、例えば、銅箔のような金属層で実現される。アンテナエレメント１１０は、折り曲げ部１１１Ｂと折り曲げ部１１２Ａで折り曲げられている形状を有する。

アンテナエレメント１１０は、給電点１１１Ａから先端部１１３Ａまでの長さ（全長）が、共振周波数ｆにおける波長（電気長λ）の３／４（３λ／４）に対応する長さに設定される、モノポール型のアンテナ素子である。なお、共振周波数は一例として、２．４４ＧＨｚである。また、電気長λは、アンテナエレメント１１０を伝搬する電磁波の波長である。

給電点１１１Ａは、グランドプレーン５０の近傍に配置される。より具体的には、給電点１１１Ａは、グランドプレーン５０のＺ軸正方向側の面から所定の短距離を隔てた位置に配置される。所定の短距離は、例えば、給電点１１１Ａとグランドプレーン５０との間に配置される基板の絶縁層の厚さ程度であり、一例として１ｍｍである。給電点１１１Ａは、マイクロストリップライン又は同軸ケーブルの芯線等を介して給電回路に接続され、給電される。

線路１１１は、給電点１１１Ａを有し、給電点１１１ＡからＺ軸正方向に折り曲げ部１１１Ｂまで延在する。線路１１１の長さは、共振周波数ｆにおける波長（電気長λ）の３／１０（０．３λ）以下の長さに設定される。線路１１１は、第１線路の一例である。

折り曲げ部１１１Ｂは、Ｚ軸正方向に延在する線路１１１をＸ軸正方向に折り曲げる部分である。また、折り曲げ部１１１Ｂは、線路１１１の給電点１１１Ａとは反対側の端部でもあり、第１端部の一例である。また、折り曲げ部１１１Ｂは、線路１１１と線路１１２とを接続する部分であり、接続部として捉えることもできる。

ここでは、折り曲げ部１１１Ｂとして説明するが、金属層を折り曲げることによって線路１１１及び線路１１２を実現する形態に限らず、別々の線路１１１と線路１１２を折り曲げ部１１１Ｂで接続する形態であってもよい。折り曲げ部１１１Ｂを接続部として取り扱ってもよい。

線路１１２は、折り曲げ部１１１Ｂから折り曲げ部１１２ＡまでＸ軸方向に延在する。線路１１２は、第２線路の一例である。線路１１２は、折り曲げ部１１１Ｂと折り曲げ部１１２Ａとの間で、グランドプレーン５０に対して一定の高さの位置に配置されている。

折り曲げ部１１２Ａは、Ｘ軸正方向に延在する線路１１２をＹ軸負方向に折り曲げる部分である。また、折り曲げ部１１２Ａは、線路１１２の折り曲げ部１１１Ｂとは反対側の端部でもあり、第２端部の一例である。また、折り曲げ部１１２Ａは、線路１１２と線路１１３とを接続する部分であり、接続部として捉えることもできる。

ここでは、折り曲げ部１１２Ａとして説明するが、金属層を折り曲げることによって線路１１２及び線路１１３を実現する形態に限らず、別々の線路１１２と線路１１３を折り曲げ部１１２Ａで接続する形態であってもよい。

線路１１３は、先端部１１３Ａを有し、折り曲げ部１１２Ａから先端部１１３ＡまでＹ軸方向に延在する。線路１１３は、第３線路の一例である。線路１１３は、折り曲げ部１１２Ａと先端部１１３Ａとの間で、グランドプレーン５０に対して一定の高さの位置に配置されている。

先端部１１３Ａは、線路１１３のＹ軸負方向側の端部であり、アンテナエレメント１１０の給電点１１１Ａとは反対側の端部である。先端部１１３Ａは、開放端であり、第３端部の一例である。

このようなアンテナエレメント１１０において、上述のように、給電点１１１Ａから先端部１１３Ａまでの長さ（全長）は、共振周波数ｆにおける波長（電気長λ）の３／４（３λ／４）に対応する長さに設定される。

また、折り曲げ部１１２Ａは、共振周波数ｆにおいて線路１１２に流れる共振電流のベクトルと、共振周波数ｆにおいて線路１１３に流れる共振電流のベクトルとが強め合うことができるようになる位置に設けられる。

線路１１２に流れる共振電流のベクトルと、線路１１３に流れる共振電流のベクトルとが強め合うとは、延在方向が異なる線路１１２及び１１３に流れる共振電流のベクトル同士の合成ベクトルのスカラーが、線路１１２及び１１３に流れる共振電流の２つのベクトルのいずれのスカラーよりも大きくなることをいう。

折り曲げ部１１２Ａは、より好ましくは、共振周波数においてアンテナエレメント１１０に生じる共振電流の節に対応する位置に配置される。折り曲げ部１１２Ａに共振電流の節が位置すれば、線路１１２及び１１３に流れる共振電流の２つのベクトルが効果的に強め合う関係になるからである。また、節に対応する位置とは、共振電流の節の一点に限らず、節の前後の位置も含み、線路１１２及び１１３に流れる共振電流の２つのベクトルが強め合う関係になる位置である。

また、給電点１１１Ａから折り曲げ部１１１Ｂを経て折り曲げ部１１２Ａに至るまでの長さは、共振周波数ｆにおける波長（電気長λ）の０．０６９８倍から０．５０７０倍の長さ（０．０６９８λ〜０．５０７０λ）に対応する長さに設定される。このような長さに設定する理由については後述する。

また、線路１１１の長さは、上述のように、共振周波数ｆにおける波長（電気長λ）の３／１０（０．３λ）以下の長さに対応する長さに設定される。このような長さに設定する理由については後述する。

ここでは、一例として、線路１１１の長さ（給電点１１１Ａから折り曲げ部１１１Ｂまでの長さ）が０．０２４λであり、給電点１１１Ａから折り曲げ部１１１Ｂを経て折り曲げ部１１２Ａに至るまでの長さが０．２７６λである形態について説明する。

この場合に、線路１１２の長さ（折り曲げ部１１１Ｂから折り曲げ部１１２Ａまでの長さ）が０．２５２λであり、線路１１３の長さ（折り曲げ部１１２Ａから先端部１１３Ａまでの長さ）が０．４９６λである。

このような値に設定する理由については後述する。なお、共振周波数ｆにおける波長（電気長λ）の３／４（３λ／４）に対応する長さとは、厳密な３λ／４だけに限らず、周囲の構成要素の誘電率等を考慮して、３λ／４から少しずらした長さを含む意味である。

また、波長（電気長λ）の３／１０（０．３λ）以下の長さに対応する長さとは、厳密な０．３λに限らず、周囲の構成要素の誘電率等を考慮して、０．３λから少しずらした長さ以下の長さを含む意味である。

また、共振周波数ｆにおける波長（電気長λ）の０．０６９８倍から０．５０７０倍の長さ（０．０６９８λ〜０．５０７０λ）に対応する長さとは、厳密な０．０６９８λ〜０．５０７０λの範囲に限らず、周囲の構成要素の誘電率等を考慮して、０．０６９８λ〜０．５０７０λの範囲から少しずらした範囲に含まれる長さを含む意味である。

このようなアンテナエレメント１１０の等価回路は、図１（Ｃ）に示すように、ＸＺ平面では、給電点１１１Ａから折り曲げ部１１２Ａまで延在する回路になる。線路１１３は、折り曲げ部１１２Ａから先端部１１３ＡまでＹ軸負方向に延在している。

図２は、アンテナ装置１００を含む無線通信装置２００の構成を示す図である。図２には、平面視における無線通信装置２００の構成を示す。図２に示す無線通信装置２００は、一例として、スマートフォン端末機に含まれるものである。

無線通信装置２００は、基板５１、アンテナエレメント１１０、ＤＵＰ(Duplexer)２１０、ＬＮＡ(Low Noise Amplifier)／ＰＡ(Power Amplifier)２２０、変調／復調器２３０、及びＣＰＵ(Central Processing Unit：中央演算処理装置)チップ２４０を含む。

基板５１は、一例としてＦＲ４規格の配線基板であり、グランドプレーン５０、絶縁層５２、マイクロストリップライン５３、及び配線５４を有する。絶縁層５２のＺ軸負方向側の面には、グランドプレーン５０が設けられており、Ｚ軸正方向側の面には、マイクロストリップライン５３及び配線５４が設けられている。また、絶縁層５２のＺ軸正方向側の面には、ＤＵＰ２１０、ＬＮＡ／ＰＡ２２０、変調／復調器２３０、及びＣＰＵチップ２４０が実装されている。

グランドプレーン５０は、平面視で矩形状であり、同様に平面視で矩形状の絶縁層５２の略全体に設けられている。アンテナエレメント１１０は、平面視でグランドプレーン５０のＸ軸正方向側かつＹ軸正方向側の角部に位置するように、絶縁層５２のＺ軸負方向側に配置されている。

マイクロストリップライン５３は、アンテナエレメント１１０のインピーダンスに整合する特性インピーダンス（例えば５０Ω）を有しており、アンテナエレメント１１０とＤＵＰ２１０との間で低損失・低反射の状態で信号を伝送する。なお、ここでは、一例としてマイクロストリップライン５３を介して給電する形態について説明するが、アンテナエレメント１１０と整合する特性インピーダンスを有する伝送路であれば、マイクロストリップライン５３以外のものであってもよい。

アンテナエレメント１１０は、線路１１１による高さ（図１（Ｂ）参照）を有するため、絶縁層５２のＺ軸正方向側の面に、線路１１１による高さに等しい絶縁物を配置し、絶縁物によって保持されている。アンテナエレメント１１０とグランドプレーン５０は、アンテナ装置１００を構築する。

また、このような構成の代わりに、絶縁層５２のＺ軸正方向側に設けられる部材によってアンテナエレメント１１０が保持される構成であってもよい。このような部材は、例えば、アンテナ装置１００を含む無線通信装置の筐体等である。

ＤＵＰ２１０、ＬＮＡ／ＰＡ２２０、変調／復調器２３０、及びＣＰＵチップ２４０は、配線５４を介して接続されている。

ＤＵＰ２１０は、マイクロストリップライン５３と図示しないビアとを介してアンテナエレメント１１０に接続されており、送信又は受信の切り替えを行う。ＤＵＰ２１０は、フィルタとしての機能を有するため、アンテナエレメント１１０が複数の周波数の信号を受信した場合に、それぞれの周波数の信号を内部で分離することができる。

ＬＮＡ／ＰＡ２２０は、送信波及び受信波の電力の増幅を行う。変調／復調器２３０は、送信波の変調と受信波の復調を行う。ＣＰＵチップ２４０は、無線通信装置２００の通信処理を行う通信用プロセッサとしての機能と、アプリケーションプログラムを実行するアプリケーションプロセッサとしての機能とを有する。なお、ＣＰＵチップ２４０は、送信するデータ又は受信したデータ等を格納する内部メモリを有する。また、ＬＮＡ／ＰＡ２２０、変調／復調器２３０、及びＣＰＵチップ２４０は、給電回路の一例である。

なお、マイクロストリップライン５３と配線５４は、例えば、絶縁層５２の表面の銅箔をパターニングすることによって形成される。また、図２では図示を省くが、アンテナ装置１００とＤＵＰ２１０との間には、インピーダンス特性を調整するための整合回路が設けられる。

図３は、実施の形態のアンテナエレメント１１０と、比較用のアンテナエレメント１０Ａ、１０Ｂとを示す図である。図３には、電磁界シミュレーションで求めた垂直方向のゲインも示す。垂直方向とは、Ｚ軸正方向であり、グランドプレーン５０に対して垂直な方向である。また、垂直方向をアンテナ装置１００の正面方向として取り扱ってもよい。

なお、図３では、グランドプレーン５０を省略するが、図３（Ａ）〜（Ｃ）において図１（Ａ）と同様にグランドプレーン５０が存在するものとして電磁界シミュレーションを行った。

図３（Ａ）に示す実施の形態のアンテナエレメント１１０は、図１（Ｂ）に示すものと同一であり、線路１１１、１１２、１１３の長さが、それぞれ、０．０２４λ、０．２５２λ、０．４９６λである。

図３（Ｂ）に示す比較用のアンテナエレメント１０Ａは、アンテナエレメント１１０の線路１１３を線路１１２に対して折り曲げずに真っ直ぐに伸ばした構成を有する。より具体的には、アンテナエレメント１０Ａは、給電点１１ＡからＺ軸正方向に延在して折り曲げ部１２ＡでＸ軸正方向に折り曲げられ、先端部１３Ａまで延在している。アンテナエレメント１０Ａは、逆Ｌ字型で３λ／４の長さを有する変形型のモノポールアンテナ用のアンテナエレメントである。

給電点１１Ａから折り曲げ部１２Ａまでの長さは０．０２４λであり、アンテナエレメント１１０の線路１１１の長さと同一である。すなわち、アンテナエレメント１０Ａのグランドプレーン５０に対する高さは、アンテナエレメント１１０のグランドプレーン５０に対する高さと等しい。折り曲げ部１２Ａから先端部１３Ａまでの長さは０．７５６λであり、給電点１１Ａから先端部１３Ａまでの長さは、共振周波数ｆにおける波長（電気長λ）の３／４（３λ／４）に対応する長さである。

図３（Ｃ）に示す比較用のアンテナエレメント１０Ｂは、図３（Ｂ）に示すアンテナエレメント１０Ａの長さを共振周波数ｆにおける波長（電気長λ）の１／４（λ／４）に短縮したものである。より具体的には、アンテナエレメント１０Ｂは、給電点１１ＢからＺ軸正方向に延在して折り曲げ部１２ＢでＸ軸正方向に折り曲げられ、先端部１３Ｂまで延在している。アンテナエレメント１０Ｂは、逆Ｌ字型のモノポールアンテナである。

給電点１１Ｂから折り曲げ部１２Ｂまでの長さは０．０２４λであり、アンテナエレメント１１０の線路１１１の長さと同一である。すなわち、アンテナエレメント１０Ｂのグランドプレーン５０に対する高さは、アンテナエレメント１１０のグランドプレーン５０に対する高さと等しい。折り曲げ部１２Ｂから先端部１３Ｂまでの長さは０．２５２λである。

図３（Ａ）に示すように、アンテナエレメント１１０の垂直方向のゲインは、７．３ｄＢｉであり、図３（Ｂ）に示すように、アンテナエレメント１０Ａの垂直方向のゲインは、１．１ｄＢｉであり、図３（Ｃ）に示すように、アンテナエレメント１０Ｂの垂直方向のゲインは、３．６ｄＢｉであった。

以上より、アンテナエレメント１１０の垂直方向のゲインは、λ／４の長さを有する逆Ｌ字型のアンテナエレメント１０Ｂの約２倍であった。一方、逆Ｌ字型で３λ／４の長さを有するアンテナエレメント１０Ａの垂直方向のゲインは、アンテナエレメント１１０の垂直方向のゲインの約１／７であり、アンテナエレメント１０Ｂの垂直方向のゲインの約１／３であった。

図４は、アンテナエレメント１１０、１０Ａ、１０Ｂの放射パターンを示す図である。図４におけるＸＹＺ座標は、図１乃至図３に示すＸＹＺ座標と等しい。図４（Ａ）〜（Ｃ）では、ＸＹＺ座標の原点にアンテナエレメント１１０、１０Ａ、１０Ｂがそれぞれ配置されている。

図４（Ａ）に示すように、アンテナエレメント１１０の放射パターンは、垂直方向（Ｚ軸正方向）を指向しており、＋７．３ｄＢｉという大きなゲインが得られている。

また、図４（Ｂ）に示すように、アンテナエレメント１０Ａの放射パターンは、垂直方向（Ｚ軸正方向）に大きな凹みがあり、ゲインは＋１．１ｄＢｉと非常に小さな値になっている。

また、図４（Ｃ）に示すように、アンテナエレメント１０Ｂの放射パターンは、垂直方向（Ｚ軸正方向）を指向しているが、アンテナエレメント１１０に比べると、ゲインは約半分（＋３．６ｄＢｉ）である。

図５は、アンテナエレメント１１０、１０Ａ、１０Ｂの電流分布を示す図である。図５に矢印で示す電流分布は、電磁界シミュレーションによって得たものである。矢印の向きは、ある瞬間において共振電流が流れる方向を示し、グレースケールで示す電流分布は、矢印の色が濃いほど電流密度が高いことを示し、矢印の色が薄いほど電流密度が低いことを示す。

図５（Ａ）に示すように、アンテナエレメント１１０の電流分布は、給電点１１１Ａと、折り曲げ部１１２Ａ及び先端部１１３Ａの中間部分とで最も高く、折り曲げ部１１２Ａと先端部１１３Ａとで最も低くなることが確認できた。

アンテナエレメント１１０は、３λ／４の長さを有するため、給電点１１１Ａと、折り曲げ部１１２Ａ及び先端部１１３Ａの中間部分とに共振電流の腹が生じ、折り曲げ部１１２Ａと先端部１１３Ａとに共振電流の節が生じた。

また、図５（Ｂ）に示すように、アンテナエレメント１０Ａは、３λ／４の長さを有するため、電流分布では、給電点１１Ａからλ／４の位置と先端部１３Ａとに共振電流の節が生じ、給電点１１Ａと、給電点１１Ａからλ／２の位置とに共振電流の腹が生じた。

また、図５（Ｃ）に示すように、アンテナエレメント１０Ｂは、λ／４の長さを有するため、電流分布では、先端部１３Ａに共振電流の節が生じ、給電点１１Ａに共振電流の腹が生じた。

以上のようなアンテナエレメント１１０、１０Ａ、１０Ｂの電流分布からそれぞれのゲインについて検討する。アンテナエレメント１０Ｂは、典型的な四半波長（λ／４）のモノポールアンテナであり、アンテナエレメント１０Ｂのゲインを判断基準にすることができる。

アンテナエレメント１０Ａは、節の両側に矢印Ｂ１、Ｂ２で示す互いに逆向きの共振電流が生じることによって、放射が相殺されたものと考えられる。そして、放射が相殺されることによって、アンテナエレメント１０Ｂよりもゲインが低くなったことと考えられる。

また、アンテナエレメント１１０は、折り曲げ部１１２Ａが共振電流の節になっており、折り曲げ部１１２Ａから折り曲げ部１１１Ｂに向かう共振電流と、折り曲げ部１１２Ａから先端部１１３Ａに向かう共振電流との方向が異なる。

このようなアンテナエレメント１１０において、アンテナエレメント１０Ｂよりも大きなゲインが得られたのは、次のような理由によるものである。折り曲げ部１１２Ａから折り曲げ部１１１Ｂに向かう共振電流のベクトルと、折り曲げ部１１２Ａから先端部１１３Ａに向かう共振電流のベクトルとの合成ベクトル（矢印Ａで示すベクトル）が、アンテナエレメント１０Ｂの共振電流のベクトルよりも大きくなることによって、アンテナエレメント１０Ｂに対して約２倍のゲインが得られた。なお、アンテナエレメント１０Ｂの共振電流のベクトルは、先端部１３Ｂから折り曲げ部１２Ｂの間で得られる電流ベクトルである。

図６は、アンテナ装置１００のシミュレーションモデルにおいて、給電点１１１Ａから折り曲げ部１１２Ａまでの長さＬを変えた（振った）場合のゲインを示す図である。ゲインは、垂直方向（Ｚ軸正方向）のゲインである。長さＬは、共振周波数ｆにおける波長（電気長λ）で除算して規格化した値で示す。

なお、線路１１１の長さは、０．０２４λで一定であり、アンテナエレメント１１０の長さは、３λ／４で略一定である。アンテナエレメント１１０の長さを３λ／４で略一定にしたのは、長さＬを変えることに伴い、インピーダンスの調整等で多少長さを変えることがあるため、３λ／４で一定ではなく、３λ／４で略一定としたものである。

長さＬを０．０２４λから約０．７６λまで振ったところ、約０．２５λでゲインが約７．３ｄＢｉになった。また、アンテナエレメント１０Ｂのゲイン（３．６ｄＢｉ）を判断基準にすると、長さＬが０．０６９８λ〜０．５０７０λの範囲で、３．６ｄＢｉ以上になった。

このため、長さＬを０．０６９８λ〜０．５０７０λに設定することで、四半波長（λ／４）の長さを有するアンテナエレメント１０Ｂのゲイン以上のゲインが得られることが分かった。なお、長さＬが０．０２４λであることは、線路１１２の区間がなく、線路１１１に線路１１３を直接接続した構成のアンテナエレメントになる。

図７は、アンテナ装置１００のシミュレーションモデルにおいて、給電点１１１Ａから折り曲げ部１１１Ｂまでの高さｈを変えた場合の長さＬとゲインの関係を示す図である。ゲインは、垂直方向（Ｚ軸正方向）のゲインである。長さＬは、図６と同様に、給電点１１１Ａから折り曲げ部１１２Ａまでの長さであり、共振周波数ｆにおける波長（電気長λ）で除算して規格化した値で示す。なお、アンテナエレメント１１０の長さは、３λ／４で略一定である。アンテナエレメント１１０の長さを３λ／４で略一定にしたのは、図６と同様の意味である。

図７に示す特性は、長さＬを０．０２４λから約０．７６λまで振るとともに、高さｈを振ることによって得られた。高さｈは、０．０２４４λ、０．０６１λ、０．９７６λ、０．１３４２λ、０．１７０８λ、０．２０７４λ、０．２４４λ、０．２８０６λ、０．３１７２λ、０．３５３８λ、０．３９０４λ、０．４２７λ、０．４６３６λ、０．５００２λ、０．５３６８λに設定した。

また、図８は、図７に示す特性から、高さｈが０．０２４４λの特性を抜き出して示す図である。

図７に示すように、高さｈが０．５００２λの場合にゲインは約−２３ｄＢｉ〜約−２４ｄＢｉという低い値になった。これは、共振電流の節は、給電点１１１Ａから約０．２５λの位置に生じるため、線路１１１の中間部に共振電流の節が生じて、放射が相殺されたためと考えられる。また、高さｈが０．４６３６λと０．５３８６λの場合にも同様の現象が生じてゲインが約−５ｄＢｉと約−８ｄＢｉにそれぞれなったものと考えられる。

また、高さｈが０．４２７λの場合も、線路１１１に生じる逆方向の共振電流によって放射が相殺され、ゲインが約０ｄＢｉになったものと考えられる。

高さｈが０．３１７２λ、０．３５３８λ、０．３９０４λの場合のゲインは、それぞれ、約５ｄＢｉ〜約５．５ｄＢｉ、約４．５ｄＢｉ〜約５ｄＢｉ、約３ｄＢｉであった。

高さｈが０．０２４４λ、０．０６１λ、０．９７６λ、０．１３４２λ、０．１７０８λ、０．２０７４λ、０．２４４λ、０．２８０６λの場合には、長さＬが約０．３λ前後のときに、約７ｄＢｉ以上の高いゲインが得られることが分かった。

また、図８に示すように、高さｈが０．０２４４λのときには、長さＬを振ると、ゲインが約２ｄＢｉ〜７．３ｄＢｉの間で変化し、最大のゲイン（７．３ｄＢｉ）を与える長さＬは、約０．２５λであった。

図９は、アンテナエレメント１１０の高さｈとゲインの関係を示す図である。図９に菱形（◇）のマーカで示すゲインは、高さｈが０．０２４４λ、０．０６１λ、０．９７６λ、０．１３４２λ、０．１７０８λ、０．２０７４λ、０．２４４λ、０．２８０６λ、０．３１７２λ、０．３５３８λ、０．３９０４λ、０．４２７λ、０．４６３６λ、０．５００２λ、０．５３６８λの各々の場合に、長さＬを振ることによって得られた最大のゲインである。すなわち、高さｈが０．０２４４λの場合のゲインは、長さＬが約０．２５λの場合の値であり、高さｈが０．５３６８λの場合のゲインは、長さＬが約０．５４λの場合の値である。

また、図９には、比較用に、アンテナエレメント１０Ａ（図５（Ｂ）参照）において、高さｈ（給電点１１Ａから折り曲げ部１２Ａまでの長さ）を振った場合のゲインの特性を四角（□）のマーカで示す。図９より、高さｈが０．３λ以下であれば、アンテナエレメント１０Ａに比べてアンテナエレメント１１０のゲインが０．１ｄＢｉ以上大きくなることが分かった。

以上、実施の形態によれば、共振周波数ｆにおける波長（電気長λ）の３／４の全長を有するアンテナエレメント１１０の折り曲げ部１１２Ａを、線路１１２を流れる電流のベクトルと、線路１１３を流れる電流のベクトルとが強め合う関係になる位置に配置した。このため、ゲインの高いアンテナ装置１００を提供することができる。

従って、グランドプレーンに対して垂直な方向に十分な通信距離を有するアンテナ装置１００、及び、無線通信装置２００を提供することができる。

また、より具体的には、折り曲げ部１１２Ａを共振電流の節に対応する位置にしたので、線路１１２を流れる電流のベクトルと、線路１１３を流れる電流のベクトルとの合成ベクトルは、λ／４の全長を有する比較用のアンテナエレメント１０Ｂ（図３（Ｃ）参照）の共振電流のベクトルよりも大きくなる。このため、ゲインの高いアンテナ装置１００を提供することができる。

また、給電点１１１Ａから折り曲げ部１１２Ａまでの長さを電気長λの０．０６９８倍から０．５０７０倍の長さに対応する位置にすることにより、λ／４の全長を有する比較用のアンテナエレメント１０Ｂ（図３（Ｃ）参照）のゲイン以上のゲインを得ることができる。

また、給電点１１１Ａから折り曲げ部１１１Ｂまでの長さ（グランドプレーン５０に対する高さｈ）を０．３λ以下にすることにより、電気長λの３／４の全長を有する逆Ｌ字型のアンテナエレメント１０Ａ（図３（Ｂ）参照）に比べて０．１ｄＢｉ以上大きなゲインを有するアンテナ装置１００を提供することができる。

なお、以上では、平面視において、アンテナエレメント１１０の線路１１２に対して線路１１３が直角に折り曲げられている形態について説明したが、平面視における線路１１２に対する線路１１３の角度は、垂直ではなくてもよい。平面視における線路１１２に対する線路１１３の角度は、線路１１２を流れる電流のベクトルと、線路１１３を流れる電流のベクトルとが強め合う合成ベクトルが得られ、アンテナエレメント１０Ｂ（図３（Ｃ）参照）における共振電流のベクトルよりも大きな合成ベクトルが得られる角度であればよい。

また、以上では、線路１１１、１１２、１１３が直線状である形態について説明したが、直線状以外の形状であってもよい。図１０、１１は、実施の形態の変形例のアンテナエレメント１１０Ｍ１〜１１０Ｍ７を示す図である。

アンテナエレメント１１０Ｍ１〜１１０Ｍ７は、アンテナエレメント１１０の線路１１１、１１２、１１３のうちの少なくとも１つの形状をミアンダ状に変形したものである。線路１１１、１１２、１１３の長さ等の条件は、図１乃至図９を用いて説明したアンテナエレメント１１０と同様であるため、ここでは、アンテナエレメント１１０Ｍ１〜１１０Ｍ７の線路の形状等について説明する。

図１０（Ａ）に示すアンテナエレメント１１０Ｍ１は、線路１１１Ｍ１、１１２Ｍ１、１１３Ｍ１を有する。線路１１１Ｍ１は、給電点１１１Ｍ１から折り曲げ部１１１ＢＭ１まで直線状に延在し、線路１１２Ｍ１は、折り曲げ部１１１ＢＭ１から折り曲げ部１１２ＡＭ１までミアンダ状に延在し、線路１１３Ｍ１は、折り曲げ部１１２ＡＭ１から先端部１１３ＡＭ２に向かって直線部１１３ＣＭ１を経てからミアンダ状に延在している。

図１０（Ｂ）に示すアンテナエレメント１１０Ｍ２は、線路１１１Ｍ２、１１２Ｍ２、１１３Ｍ２を有する。線路１１１Ｍ２は、給電点１１１Ｍ２から折り曲げ部１１１ＢＭ２までミアンダ状に延在し、線路１１２Ｍ２は、折り曲げ部１１１ＢＭ２から折り曲げ部１１２ＡＭ２までミアンダ状に延在し、線路１１３Ｍ２は、折り曲げ部１１２ＡＭ２から先端部１１３ＡＭ２に向かって直線部１１３ＣＭ２を経てからミアンダ状に延在している。

図１０（Ｃ）に示すアンテナエレメント１１０Ｍ３は、線路１１１Ｍ３、１１２Ｍ３、１１３Ｍ３を有する。線路１１１Ｍ３は、給電点１１１Ｍ３から折り曲げ部１１１ＢＭ３までミアンダ状に延在し、線路１１２Ｍ３は、折り曲げ部１１１ＢＭ３から折り曲げ部１１２ＡＭ３までミアンダ状に延在し、線路１１３Ｍ３は、折り曲げ部１１２ＡＭ３から先端部１１３ＡＭ３に向かって直線状に延在している。

図１１（Ａ）に示すアンテナエレメント１１０Ｍ４は、線路１１１Ｍ４、１１２Ｍ４、１１３Ｍ４を有する。線路１１１Ｍ４は、給電点１１１Ｍ４から折り曲げ部１１１ＢＭ４までミアンダ状に延在し、線路１１２Ｍ４は、折り曲げ部１１１ＢＭ４から折り曲げ部１１２ＡＭ４まで直線状に延在し、線路１１３Ｍ４は、折り曲げ部１１２ＡＭ４から先端部１１３ＡＭ４に向かってミアンダ状に延在している。

図１１（Ｂ）に示すアンテナエレメント１１０Ｍ５は、線路１１１Ｍ５、１１２Ｍ５、１１３Ｍ５を有する。線路１１１Ｍ５は、給電点１１１Ｍ５から折り曲げ部１１１ＢＭ５までミアンダ状に延在し、線路１１２Ｍ５は、折り曲げ部１１１ＢＭ５から折り曲げ部１１２ＡＭ５まで直線状に延在し、線路１１３Ｍ５は、折り曲げ部１１２ＡＭ５から先端部１１３ＡＭ５に向かって直線状に延在している。

図１１（Ｃ）に示すアンテナエレメント１１０Ｍ６は、線路１１１Ｍ６、１１２Ｍ６、１１３Ｍ６を有する。線路１１１Ｍ６は、給電点１１１Ｍ６から折り曲げ部１１１ＢＭ６まで直線状に延在し、線路１１２Ｍ６は、折り曲げ部１１１ＢＭ６から折り曲げ部１１２ＡＭ６までミアンダ状に延在し、線路１１３Ｍ６は、折り曲げ部１１２ＡＭ６から先端部１１３ＡＭ６に向かって直線状に延在している。

図１１（Ｄ）に示すアンテナエレメント１１０Ｍ７は、線路１１１Ｍ７、１１２Ｍ７、１１３Ｍ７を有する。線路１１１Ｍ７は、給電点１１１Ｍ７から折り曲げ部１１１ＢＭ７まで直線状に延在し、線路１１２Ｍ７は、折り曲げ部１１１ＢＭ７から折り曲げ部１１２ＡＭ７まで直線状に延在し、線路１１３Ｍ７は、折り曲げ部１１２ＡＭ７から先端部１１３ＡＭ７に向かってミアンダ状に延在している。

以上のようなアンテナエレメント１１０Ｍ１〜１１０Ｍ７では、線路１１２Ｍ１〜１１２Ｍ７に流れる共振電流のベクトル（Ｘ軸方向）と、線路１１３Ｍ１〜１１３Ｍ７に流れる共振電流のベクトル（Ｙ軸方向）とがそれぞれ強め合うので、図１乃至図９を用いて説明したアンテナエレメント１１０を用いた場合と同様に、ゲインの高いアンテナ装置を提供することができる。

以上、本発明の例示的な実施の形態のアンテナ装置、及び、無線通信装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

以上の実施の形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
グランドプレーンと、
前記グランドプレーンの第１面側に設けられるアンテナエレメントであって、給電点と、前記第１面から離間する方向に前記給電点から第１端部まで延在する第１線路と、前記第１線路の第１端部から前記グランドプレーンの第１面に沿って第２端部まで延在する第２線路と、前記第２線路の第２端部から前記グランドプレーンの第１面に沿って、平面視で前記第２線路の延在方向とは異なる方向に第３端部まで延在する第３線路とを有する、アンテナエレメントと
を含み、
前記アンテナエレメントの前記給電点から前記第３線路の第３端部までの長さは、前記アンテナエレメントの共振周波数における波長の電気長の３／４に対応する長さであり、
前記共振周波数において前記第２線路に流れる共振電流のベクトルと前記第３線路に流れる共振電流のベクトルとが強め合う、アンテナ装置。
（付記２）
前記第２端部は、前記共振周波数において前記アンテナエレメントに流れる共振電流の節に対応する位置である、付記１記載のアンテナ装置。
（付記３）
前記第２端部の位置は、前記給電点からの長さが前記共振周波数における波長の電気長の０．０６９８倍から０．５０７０倍の長さに対応する位置である、付記１記載のアンテナ装置。
（付記４）
前記第１線路の給電点から第１端部までの長さは、前記共振周波数における波長の電気長の３／１０以下の長さに対応する長さである、付記１乃至３のいずれか一項記載のアンテナ装置。
（付記５）
前記第２線路に流れる共振電流のベクトルと、前記共振周波数において前記第３線路に流れる共振電流のベクトルとの合成ベクトルのスカラーは、前記給電点から延在するモノポールアンテナに前記共振周波数で流れる共振電流のベクトルのスカラーよりも大きい、付記１乃至４のいずれか一項記載のアンテナ装置。
（付記６）
前記第１線路、前記第２線路、又は前記第３線路は、ミアンダ状である、付記１乃至５のいずれか一項記載のアンテナ装置。
（付記７）
前記第１線路は、前記第１面から垂直に延在する、付記１乃至６のいずれか一項記載のアンテナ装置。
（付記８）
前記第２線路及び前記第３線路の前記第１面に対する高さは等しい、付記１乃至７のいずれか一項記載のアンテナ装置。
（付記９）
前記第２線路の延在方向に対する平面視における前記第３線路の延在方向の角度は、直角である、付記１乃至８のいずれか一項記載のアンテナ装置。
（付記１０）
前記給電点は、前記第１面の近傍に配置される、付記１乃至９のいずれか一項記載のアンテナ装置。
（付記１１）
アンテナ装置と、
前記アンテナ装置に給電する給電回路と
を含む無線通信装置であって、
前記アンテナ装置は、
グランドプレーンと、
前記グランドプレーンの第１面側に設けられるアンテナエレメントであって、給電点と、前記第１面から離間する方向に前記給電点から第１端部まで延在する第１線路と、前記第１線路の第１端部から前記グランドプレーンの第１面に沿って第２端部まで延在する第２線路と、前記第２線路の第２端部から前記グランドプレーンの第１面に沿って、平面視で前記第２線路の延在方向とは異なる方向に第３端部まで延在する第３線路とを有する、アンテナエレメントと
を有し、
前記アンテナエレメントの前記給電点から前記第３線路の第３端部までの長さは、前記アンテナエレメントの共振周波数における波長の電気長の３／４に対応する長さであり、
前記共振周波数において前記第２線路に流れる共振電流のベクトルと前記第３線路に流れる共振電流のベクトルとが強め合う、無線通信装置。

１００ アンテナ装置
５０ グランドプレーン
１１０ アンテナエレメント
１１１Ａ 給電点
１１１、１１２、１１３ 線路
１１１Ｂ、１１２Ａ 折り曲げ部
１１３Ａ 先端部
２００ 無線通信装置

Claims (6)

1. グランドプレーンと、
   前記グランドプレーンの第１面側に設けられるアンテナエレメントであって、給電点と、前記第１面から離間する方向に前記給電点から第１端部まで延在する第１線路と、前記第１線路の第１端部から前記グランドプレーンの第１面に沿って第２端部まで延在する第２線路と、前記第２線路の第２端部から前記グランドプレーンの第１面に沿って、平面視で前記第２線路の延在方向とは異なる方向に第３端部まで延在する第３線路とを有する、アンテナエレメントと
   を含み、
   前記アンテナエレメントの前記給電点から前記第３線路の第３端部までの長さは、前記アンテナエレメントの共振周波数における波長の電気長の３／４に対応する長さであり、
   前記共振周波数において前記第２線路に流れる共振電流のベクトルと前記第３線路に流れる共振電流のベクトルとが強め合う、アンテナ装置。
2. 前記第２端部は、前記共振周波数において前記アンテナエレメントに流れる共振電流の節に対応する位置である、請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記第２端部の位置は、前記給電点からの長さが前記共振周波数における波長の電気長の０．０６９８倍から０．５０７０倍の長さに対応する位置である、請求項１記載のアンテナ装置。
4. 前記第１線路の給電点から第１端部までの長さは、前記共振周波数における波長の電気長の３／１０以下の長さに対応する長さである、請求項１乃至３のいずれか一項記載のアンテナ装置。
5. 前記第２線路に流れる共振電流のベクトルと、前記共振周波数において前記第３線路に流れる共振電流のベクトルとの合成ベクトルのスカラーは、前記給電点から延在するモノポールアンテナに前記共振周波数で流れる共振電流のベクトルのスカラーよりも大きい、請求項１乃至４のいずれか一項記載のアンテナ装置。
6. アンテナ装置と、
   前記アンテナ装置に給電する給電回路と
   を含む無線通信装置であって、
   前記アンテナ装置は、
   グランドプレーンと、
   前記グランドプレーンの第１面側に設けられるアンテナエレメントであって、給電点と、前記第１面から離間する方向に前記給電点から第１端部まで延在する第１線路と、前記第１線路の第１端部から前記グランドプレーンの第１面に沿って第２端部まで延在する第２線路と、前記第２線路の第２端部から前記グランドプレーンの第１面に沿って、平面視で前記第２線路の延在方向とは異なる方向に第３端部まで延在する第３線路とを有する、アンテナエレメントと
   を有し、
   前記アンテナエレメントの前記給電点から前記第３線路の第３端部までの長さは、前記アンテナエレメントの共振周波数における波長の電気長の３／４に対応する長さであり、
   前記共振周波数において前記第２線路に流れる共振電流のベクトルと前記第３線路に流れる共振電流のベクトルとが強め合う、無線通信装置。