JP2004506363A - ワイヤレス端末 - Google Patents

Abstract

ワイヤレス端末は、アース線（１１０２）と、該アース線（１１０２）に直接結合されたアンテナ給電装置に結合された送受信器とを有する。一実施形態において、上記アース線は導電性の筐体（１１０２）である。上記結合は、プレート（５０６）と上記筐体（１１０２）の面（１１０８）とによって形成される平行板キャパシタ（５０４）を通じて為されてもよい。上記筐体（１１０２）は、個別のアンテナを必要としない、効率的な広帯域ラジエータとして機能する。上記実施形態において、上記送受信器によって見られる上記筐体（１１０２）の抵抗値を増やすためにスロットを設け、該端末の放射帯域幅を増やしてもよい。

Description

【０００１】
（発明の属する技術分野）
本発明は、例えば携帯電話などのワイヤレス端末に関する。
【０００２】
（発明の背景）
携帯電話などのワイヤレス端末は、通常、ノーマル・モード・ヘリックス若しくはメアンダ・ライン・アンテナなどの外部アンテナか、又は、平面逆Ｆ型アンテナ（ＰＩＦＡ）などの内部アンテナを組み込んでいる。
【０００３】
このようなアンテナは、波長に対して小さく、故に小さいアンテナの基本的制限により、狭帯域である。しかし、セルラ式無線通信システムは、通常、１０％以上のフラクショナル帯域幅を有する。パッチアンテナの帯域幅とその体積とは直接的な関係にあるため、例えばＰＩＦＡからこのような帯域幅を実現するためには、かなりの体積を必要とする。しかし、このような体積は、ハンドセットが小型化している現在の傾向においては容易に実現可能ではない。故に、上記制限のために、今日のワイヤレス端末における小さいアンテナから効率的な広帯域放射を実現することは実現可能ではない。
【０００４】
ワイヤレス端末用の既知のアンテナ構造における別の問題は、それらは通常不安定であり、端末筐体に強力に結合されることである。結果として、アンテナからではなく、端末自体から多くの放射が発せられることになる。
【０００５】
（発明の開示）
本発明の目的は、広い帯域幅にわたって効率的な放射特性を有するワイヤレス端末を提供することである。
【０００６】
本発明によれば、アース線と該アース線に直接結合されたアンテナ給電装置に結合された送受信器とを有するワイヤレス端末が提供される。
【０００７】
本発明は、アンテナ及びワイヤレス・ハンドセットのインピーダンスは、分離可能な非対称ダイポールのインピーダンスに似ているという従来技術には存在しない認識と、アンテナのインピーダンスは非放射結合素子によって置き換えられ得るという認識とに基づく。
【０００８】
（本発明を実施するモード）
ここで、本発明の実施形態を添付図面を参照して例示的に説明する。図面において、同じ参照番号は対応する部位を示すのに用いられる。
【０００９】
図１は、アンテナがフィード・ポイントにあるワイヤレス・ハンドセットにおける、送信モードの送受信器によって見られるインピーダンスのモデルを示す。このインピーダンスは、非対称ダイポールとしてモデル化されている。ここで、第一のアーム１０２はアンテナのインピーダンスを表し、第二のアーム１０４はハンドセットのインピーダンスを表す。両アームともソース１０６によって駆動される。図に示すように、このような構成のインピーダンスは、垂直アース１０８に対して別々に駆動される両アーム１０２、１０４のインピーダンスの合計とほぼ等価である。このモデルは、シミュレートするのはより難しくなるが、ソース１０６を送受信器のインピーダンスを表すインピーダンスで置き換えることによって、等しく受信に用いられ得る。
【００１０】
このモデルの妥当性を、よく知られたＮＥＣ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓ　Ｃｏｄｅ）を用いたシミュレーションによって確認した。ここで、第一のアーム１０２は、長さ４０ｍｍ、直径１ｍｍとし、第二のアーム１０４は、長さ８０ｍｍ、直径１ｍｍとした。図２は、合成された構成（Ｒｅｆ　Ｒ及びＲｅｆ　Ｘ）のインピーダンス（Ｒ＋ｊＸ）の実部及び虚部についての結果と、インピーダンスを別々にシミュレートした場合の結果及び合計した場合の結果とを示す。このシミュレーションの結果は非常に近いことがわかる。唯一の大幅な隔たりは半波共振領域において現れる。ここではインピーダンスを正確にシミュレートすることは難しい。
【００１１】
アンテナがフィード・ポイントにあるときのアンテナ及びハンドセットの組み合わせと等価な回路を図３に示す。Ｒ_１及びｊＸ_１はアンテナのインピーダンスを示し、Ｒ_２及びｊＸ_２はハンドセットのインピーダンスを示す。この等価回路から、アンテナによって放射されたエネルギＰ１とハンドセットから放射されたエネルギＰ２との比は、
【００１２】
【数１】

となることが推論され得る。
【００１３】
アンテナのサイズが縮小されると、その放射抵抗値Ｒ_１も減少する。アンテナが無限小となると、放射抵抗値Ｒ_１はゼロとなり、全放射はハンドセットから発せられることになる。この状況は、ハンドセットのインピーダンスが該ハンドセットを駆動するソース１０６に対して適切であり、且つ、無限小のアンテナの容量性リアクタンスが該ハンドセットに対する容量性バック・カップリングを増加することによって最小化され得る場合に、有益的となり得る。
【００１４】
これらの修正を施すと、上記等価回路は、図４のように修正される。よって、アンテナは、最大カップリング及び最小リアクタンスに対して大きなキャパシタンスを有するように設計された、物理的に非常に小さいバック・カップリング・キャパシタで置き換えられた。このバック・カップリング・キャパシタの残留リアクタンスは、シンプルなマッチング回路を有するものとなる。ハンドセットの正確な設計によって、得られる帯域幅は従来のアンテナ及びハンドセットの組み合わせより大幅に大きいものとなる。なぜなら、従来のアンテナが通常約５０のＱを有するところ、このハンドセットは低Ｑ放射素子として機能するからである（シミュレーションはこの場合のＱは通常約１であることを示す）。
【００１５】
容量性バック・カップルド・ハンドセットの基本的実施形態を図５に示す。ハンドセット５０２は、今日の携帯電話にとって典型的な１０×４０×１００ｍｍの寸法を有する。２×１０×１０ｍｍの寸法を有する平行板キャパシタ５０４が、通常はより大きいアンテナによって占められている位置であるハンドセット５０２の上端５０８の２ｍｍ上空に１０×１０ｍｍの板を設けることによって形成される。得られるキャパシタンスは約０．５ｐＦであり、（ハンドセットと板５０４との分離を減らすことによって増える）キャパシタンスと、（ハンドセットと板５０４との分離による）結合効果との間の妥協を表す。このキャパシタは、ハンドセット筐体５０２から絶縁されたサポート５１０を通じてフィードされる。
【００１６】
本実施形態におけるマッチング後の反射減衰量Ｓ_１１を、Ａｎｓｏｆｔ社から出ているＨｉｇｈ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ（ＨＦＳＳ）を用いてシミュレートした。１０００〜２８００ＭＨｚの間の周波数ｆに対する結果を図６に示す。従来型の２つの誘電子「Ｌ」ネットワークが１９００ＭＨｚに合わせるのに用いられた。７ｄＢの反射減衰量（放射された入力電力の約９０％に相当する）において得られた帯域幅は約６０ＭＨｚ、又は使用可能ではあるが要求される大きさの３％であった。同じ周波数レンジにわたって本実施形態の模擬インピーダンスを示すスミス・チャートを図７に示す。
【００１７】
帯域幅が低いのは、ハンドセット５０２が１９００ＭＨｚにおいて約３−ｊ９０Ωのインピーダンスを提供するためである。図８は、同じ周波数レンジについてＨＦＳＳを用いてシミュレートした抵抗値変化を示す。これは、抵抗値を増やすように本筐体を再設計することによって向上させることができる。
【００１８】
これが為され得る１つの方法は、ハンドセット５０２の幅を減らすことである。なぜなら、抵抗値はダイポールの半径を減らすのと同じようにして増やせるからである。図９は、細い容量性バック・カップルド・ハンドセット９０２を有する第二の実施形態を示す。ハンドセット９０２は、１０×１０×１００ｍｍの寸法を有するが、板５０６とハンドセット９０２の上面９０８とから形成されるキャパシタ５０４の寸法と、サポート５１０の寸法とは前の実施形態から変更は無い。再びシミュレーションが実行され、本実施形態の抵抗値変化を測定する。得られた結果を図１０に示す。これは、細いハンドセットを用いるとより広い帯域幅が提供され、抵抗値も基本的構成の場合よりも高くなることを明らかに示す。ハンドセットの長さは、該構造の共振周波数をシフトさせることによって、特定の周波数上に集められた広帯域幅を与えるように最適化され得る。固定された長さのハンドセットに対して、ハンドセットを電気的に短く又は長くするために、水平方向のスロット（すなわち、ハンドセットの幅にわたるスロット）が設けられてもよい。
【００１９】
本筐体の抵抗値を増やす別の方法は、垂直方向のスロット（すなわち、ハンドセットの長さ若しくは主軸に対して平行なスロット）の挿入である。図１１は、キャパシタ５０４と共に、筐体に深さ３３ｍｍのスロット１１１２を有するスロット付き容量性バック・カップルド・ハンドセット１１０２を有する第三の実施形態を示す。板５０６とハンドセット１１０２の上面１１０８とから形成されるキャパシタ５０４の寸法と、サポート５１０の寸法とは、前の実施形態から変更は無い。スロット１１１２の存在は、送受信器によって見られるように、１９００ＭＨｚ付近での本筐体の抵抗値を大幅に増やすため、低いＱの筐体を大幅な帯域幅損失を伴うことなく５０Ωにマッチさせることができる。
【００２０】
基本的実施形態に対して用いたものと同様の２つの誘電子マッチング・ネットワークを用いて、本実施形態の反射減衰量Ｓ_１１を再びＨＦＳＳを用いてシミュレートした。１０００〜２８００ＭＨｚの間の周波数ｆに対する結果を図１２に示す。７ｄＢの反射減衰量において得られた帯域幅は約３５０ＭＨｚにおいて大幅に又は１８％向上する。これは、ＵＭＴＳ及びＤＣＳ１８００帯域を同時にカバーするのに要求されるものに接近している。同じ周波数レンジにわたって本実施形態の模擬インピーダンスを示すスミス・チャートを図１３に示す。
【００２１】
上記提示されたシミュレーション結果の現実の適用を確認するために、テスト・ピースが生成された。図１４は、テスト・ピースの平面図である。このテスト・ピースは、厚さ０．８ｍｍのＦＲ４回路基板（測定された誘電率：４．１）上に４０×１００ｍｍの寸法を有する銅接地面１４０２を有する。３×２９．５ｍｍのスロット１４１２が接地面に設けられ、１０×１０ｍｍの板５０６が該接地面１４０２の角の上空２ｍｍのところに配置される。既述の実施形態と同様に、この板と接地面１４０２の共存部分とは、平行板キャパシタを形成する。このキャパシタは、上記回路基板の後部表面及び垂直ピン５１０に取り付けられた同軸ケーブル１４０４を通じてフィードされる。
【００２２】
本実施形態の反射減衰量Ｓ_１１はマッチング無しに測定された。このマッチングは、その後、シミュレーションに加えられた。加えられたマッチングは、既述のシミュレーションにおいて用いられるものと同様に、３．５ｎＨの直列誘電子及びｎＨの短絡誘電子であった。８００〜３０００ＭＨｚの間の周波数ｆに対する結果を図１５に示す。７ｄＢの反射減衰量において得られた帯域幅は１６００ＭＨｚを中心に約３５０ＭＨｚ又は２２％である。これは、ほぼ、ＵＭＴＳ及びＤＣＳ１８００帯域を同時にカバーするのに要求されるフラクショナル帯域幅である。同じ周波数レンジにわたって本実施形態のインピーダンスを示すスミス・チャートを図１６に示す。
【００２３】
上記開示した実施形態は、容量性結合に基づく。しかし、あらゆる他の犠牲的な（非放射の）結合素子（例えば、誘電結合）が代わりに用いられ得る。更に、この結合素子は、インピーダンス・マッチングを補助するために変更され得る。例えば、容量性結合は、それ以上のマッチング部品を必要としないという利点を有する誘電素子を通じて実現され得る。
【００２４】
上記後者の技術の一例として、別のテスト・ピースが生成された。その平面図を図１７に示す。このピースは、図１４に示すものと似ているが、板５０６が、接地面１４０２の角からわずかにオフセットされていると共に、もはや完全に金属化されていない。代わりに、一端がフィード・ピン５０１に接続された螺旋状のトラック１７０６が設けられる。このトラック１７０６の長さは、要求される周波数（本実施形態では約１６００ＭＨｚ）において共振を提供するように選ばれる。このトラック１７０６は、上記回路基板の後部表面上のストリップライン１７０４を通じてフィードされる。
【００２５】
本実施形態の反射減衰量Ｓ_１１はマッチング無しに測定された。８００〜３０００ＭＨｚの間の周波数ｆに対する結果を図１８に示す。７ｄＢの反射減衰量において得られた帯域幅は１５８０ＭＨｚを中心に約１３５ＭＨｚ又は９％である。この帯域幅は更なる最適化及びマッチングによって大幅に向上させることができると考えられる。同じ周波数レンジにわたって本実施形態のインピーダンスを示すスミス・チャートを図１９に示す。
【００２６】
上記実施形態において、導電ハンドセット筐体が放射素子であった。しかし、ワイヤレス端末における他のアース導体が同じ機能を実行してもよい。例えば、ＥＭＣシールディングに用いられる導体や、接地面などのプリント基板（ＰＣＢ）上のエリアなどである。
【００２７】
本開示を読めば、当業者には他の変形例も明らかであろう。そのような変形例は、ワイヤレス端末及びその構成部品の設計、製造、及び使用において既に知られ、本明細書で既に説明された機能の代わり若しくは加えて使用され得る機能を含み得る。本願において請求項は機能の特定の特徴の組み合わせに対して作成されたものであるが、本願の開示の範囲は、いずれの請求項において現在請求されているのと同じ発明であってもなくても、本発明と同じ技術的課題の一部若しくは全部を緩和するものであってもなくても、明示若しくは黙示若しくはそれらの一般化によってここに開示された新規な機能若しくは新規な機能の組み合わせを含み得ることは明らかである。この結果、本願は、上記のような機能、及び／若しくは、本発明の又はそこから引き出されるあらゆる別の適用の実施中の機能の組み合わせに対して、新しい請求項を作成し得ることを示している。
【００２８】
本明細書及び請求項において、要素に先立つ「ａ」若しくは「ａｎ」という語は、そのような要素が複数個存在する場合を除外しない。更に、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（有する、含む）」という語は、リストアップされた以外の要素若しくは工程の存在を除外しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】アンテナとワイヤレス端末との組み合わせを表す非対称ダイポール・アンテナの一モデルを示す図である。
【図２】非対称ダイポールのインピーダンス成分の可分性を示すグラフである。
【図３】ハンドセットとアンテナとの組み合わせの等価回路を示す図である。
【図４】容量性バック・カップルド・ハンドセットの等価回路を示す図である。
【図５】基本的な容量性バック・カップルド・ハンドセットの斜視図である。
【図６】図５のハンドセットについての周波数ｆ（ＭＨｚ）に対する模擬反射減衰量Ｓ_１１（ｄＢ）のグラフである。
【図７】周波数レンジ：１０００〜２８００ＭＨｚにおける図５のハンドセットの模擬インピーダンスを示すスミス・チャートである。
【図８】図５のハンドセットの模擬抵抗値を示すグラフである。
【図９】細い容量性バック・カップルド・ハンドセットの斜視図である。
【図１０】図９のハンドセットの模擬抵抗値を示す斜視図である。
【図１１】スロットが設けられた容量性バック・カップルド・ハンドセットの斜視図である。
【図１２】図１１のハンドセットについての周波数ｆ（ＭＨｚ）に対する模擬反射減衰量Ｓ_１１（ｄＢ）のグラフである。
【図１３】周波数レンジ：１０００〜２８００ＭＨｚにおける図１１のハンドセットの模擬インピーダンスを示すスミス・チャートである。
【図１４】容量性バック・カップルド・テスト・ピースの平面図である。
【図１５】図１４のテスト・ピースについての周波数ｆ（ＭＨｚ）に対する測定された反射減衰量Ｓ_１１（ｄＢ）のグラフである。
【図１６】周波数レンジ：８００〜３０００ＭＨｚにおける図１４のテスト・ピースの測定されたインピーダンスを示すスミス・チャートである。
【図１７】遊動性素子を用いた容量性バック・カップルド・テスト・ピースの平面図である。
【図１８】図１７のテスト・ピースについての周波数ｆ（ＭＨｚ）に対する測定された反射減衰量Ｓ_１１（ｄＢ）のグラフである。
【図１９】周波数レンジ：８００〜３０００ＭＨｚにおける図１７のテスト・ピースの測定されたインピーダンスを示すスミス・チャートである。

Claims (9)

1. アース導体と、アンテナ・フィードに結合された送受信器とを有するワイヤレス端末であって、
   前記アンテナ・フィードは前記アース導体に結合されていることを特徴とする端末。
2. 請求項１記載の端末であって、
   前記アンテナ・フィードは、キャパシタを通じて前記アース導体に結合されていることを特徴とする端末。
3. 請求項２記載の端末であって、
   前記キャパシタは、導電板と前記アース導体の一部とによって形成された平行板キャパシタであることを特徴とする端末。
4. 請求項１記載の端末であって、
   前記アンテナ・フィードは、誘電素子と前記アース導体との間のキャパシタンスによって前記アース導体に結合されていることを特徴とする端末。
5. 請求項１乃至４のいずれか一記載の端末であって、
   前記アース導体にスロットが設けられることを特徴とする端末。
6. 請求項５記載の端末であって、
   前記スロットは、前記端末の主軸に平行であることを特徴とする端末。
7. 請求項１乃至６のいずれか一記載の端末であって、
   前記アース導体はハンドセット筐体であることを特徴とする端末。
8. 請求項１乃至６のいずれか一記載の端末であって、
   前記アース導体は、プリント基板接地面であることを特徴とする端末。
9. 請求項１乃至８のいずれか一記載の端末であって、
   前記送受信器と前記アンテナ・フィードとの間にマッチング・ネットワークが設けられることを特徴とする端末。

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