JP2005521316A - 無線端末の改良または無線端末に関連する改良 - Google Patents

Abstract

無線端末は、信号伝搬器（２２）に連結された無線周波ステージ（２０）を備えている。信号伝搬器は、プリント回路板（ＰＣＢ）の少なくとも接地層に、例えばＴ形状の開口(４０)によって形成される折返しダイポールを備えている。開口の幅（ｃ）は、接地層の面積に対して小さく、開口の長さ（ａ）よりも実質的に小さい。供給部（４２）は、無線周波ステージ（２０）の出力を開口（４０）に連結する。

Description

本発明は、無線端末の改良または無線端末に関連する改良に関し、特に、本発明は例えばＧＳＭやＤＣＳのような、１つ又は２つの規格に対応する移動電話機に適用されるが、これに限定されない。

移動電話機等の無線端末には、一般に、ノーマルモードヘリカルアンテナやミアンダーラインアンテナ等の外部アンテナ、または、平板逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）等の内部アンテナのいずれかが組み込まれている。

これらのアンテナは（波長の割に）小型であるが、小型アンテナには根本的に限界があるため、帯域が狭い。しかし、セルラー無線通信システムは、１０％以上の部分帯域幅を有しているのが一般的である。パッチアンテナの帯域幅と容積との間には直接的な関係があるので、このような帯域幅を例えばＰＩＦＡ方式から得ようとすると、かなりの容積が必要となる。携帯電話が小型化する現在の傾向においては、そのような容積を用いるわけにはいかにない。したがって、前述のような限界のために、今日の無線端末における小型アンテナから効果的な広帯域放射を行なうことは不可能である。

無線端末における周知のアンテナ配列に伴う更なる問題は、それらが概して不安定であるために、端末ケースに強固に連結されるという点である。その結果、かなりの量の放射がアンテナからではなく端末自体から発せられることになる。アンテナ供給部を端末ケースまたは接地導体に直結させることで、このような状況をうまく利用している無線端末が、本出願人らの係属中の国際特許出願ＷＯ０２／１３３０６（出願人の整理番号：ＰＨＧＢ０１００５６）に開示されている。ケースの表面とケース表面から離間して設けられた板とによって形成される平行板コンデンサにより連結を行うことも可能である。端末ケースが効果的な広帯域ラジエータとして作用するので、別個にアンテナを設ける必要がなくなる。ＲＦステージに見られるようにケースに１／４波長スロットを設けてケースの抵抗を増大させることで、端末の放射帯域幅を増大させる例もある。

１／４波長スロットを設けると、無線端末の性能は高まるが、８８０ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚのＧＳＭ周波数で長さを得ることが困難であるという欠点がある。これは、表示パネル等の比較的大きな構成要素をＰＣＢ（プリント回路板）上に搭載することと、無線端末全体のサイズを小さくすることとの間で妥協することが望ましいためである。

ＰＣＢに信号を供給する他の手法では、ＰＣＢを２つに分割し、ダイポールとしてＰＣＢに供給する。これは、ＧＳＭ周波数ではうまく機能することがわかったが、高いインピーダンス接続によることでしか、隙間にわたる回路接続を行なうことができないという欠点がある。

本発明の目的は、アンテナとして機能するＰＣＢへの信号の供給を容易にするとともに、所望の帯域幅を達成することである。

本発明の一態様では、出力部と該出力部に連結された信号伝搬手段とを有する無線周波ステージを備える無線端末が提供される。信号伝搬手段は、プリント回路板の少なくとも接地層の開口によって形成される折返しダイポールを備え、開口は、接地層の面積に対して小さい。上記信号伝搬手段は、出力部を開口に連結するための給電手段を備えている。

本発明の第２の態様では、出力部と該出力部に連結された信号伝搬手段とを有する無線周波ステージを備える統合ＲＦモジュールが提供される。信号伝搬手段は、プリント回路板の少なくとも接地層における開口によって形成される折返しダイポールを備え、開口は、接地層の面積に対して小さい。上記信号伝搬手段は、出力部を開口に連結するための給電手段を備えている。

開口は、直線状部分と、該直線状部分の内側の端と連通し、直線状部分を横切るように延出する部分とを含んでいてもよい。一例として、開口はＴ形状を成している。

添付図面を参照しつつ、本発明の一例を説明する。図中、対応する特徴を示すものには、同じ参照符号を付与している。

図１を参照すると、トランシーバは、入力信号処理ステージ（ＩＮ）１２に結合される信号入力端子１０を含む送信器部を備えている。ステージ１２は変調器（ＭＯＤ）１４に結合されており、変調器１４は、乗算器１６を備える周波数アップコンバータに変調信号を供給する。乗算器１６には、周波数合成器等の信号発生器１８も接続されている。周波数をアップ変換された信号は、電力増幅器２０、および任意にダイプレクサ２４を介して、信号伝搬器２２に結合される。

トランシーバの受信器部は、任意のダイプレクサ２４を介して信号伝搬器２２に結合された低ノイズ増幅器２６を備えている。低ノイズ増幅器２６の出力は、乗算器２８および周波数合成器等の信号発生器３０を備える周波数ダウンコンバータに結合されている。周波数をダウン変換された信号は復調器（ＤＥＭＯＤ）３２で復調され、信号処理ステージ（ＳＰ）３４に出力される。信号処理ステージ３４は出力信号を端子３６に供給する。トランシーバの動作は、プロセッサ（ＰＲＯＣ）３８によって制御される。

トランシーバおよびダイプレクサがどのように実施されるかに関わらず、信号伝搬器２２は、図２に明確に示される最小開口折返しＰＣＢアンテナ（ＭＡＦＰＡ）を備えている。ＭＡＦＰＡ２２は、現在製造されている携帯電話で一般的に使用されているサイズ、例えば４０ｍｍ×１００ｍｍ×１ｍｍのサイズを有するプリント回路板ＰＣＢを備えている。図示の例では、ＰＣＢの材料を除去するか、あるいは、金属化膜をエッチングするかにより、ＰＣＢにＴ形状の開口４０が形成される。図の例では、開口４０は、２０mmの長さ（寸法“ａ”）を有する水平方向直線状部分ＲＬと、２２mmの長さ（寸法“ｂ”）を有し、垂直方向に横切って延出する部分ＴＲとを備えている。これら両部分の幅（寸法“ｃ”）は２ｍｍである。供給部４２は、開口４０の一方の縁に沿って位置され、実際の連結は、ＰＣＢの折返し部で通常の方法により行なわれる。

開口４０のサイズは、共鳴開口を有する他のＰＣＢ上に取り付けられるモジュールに適用できる程度に十分小さい。したがって、アンテナ開口４０および供給部４２は、統合ＲＦモジュールの一部であっても良い。

開口４２は、ＰＣＢがＭＡＦＰＡを構成するようになっていれば、図２に示される形状以外の任意の適切な形状を成していても良い。他の適切な形状の例を図１２〜図１５に示す。図１２では、開口４０はＹ形状を成しており、横切って延出する部分ＴＲは、略Ｖ形状を成すとともに、直線状部分ＲＬの内端から離れるように分岐している。図１３の開口は、矢印形状を成している。この場合、横切って延出する部分ＴＲは、略Ｖ形状を成すとともに、ＰＣＢの端部に向かう方向に直線状部分ＲＬの内端から分岐している。図１４と図１５では、横切って延出する部分ＴＲは、それぞれ逆の方向に湾曲した曲線状を成している。供給部の開口のサイズは、平衡モードで伝送線路を短くし且つ放射モード変換率を高くすることにより最小化される。その後、回路を使用して、ＭＡＦＰＡ２２を例えば５０オームの所望インピーダンスにマッチングさせる。

図３は、これらの２つのモードを示している。ＭＡＦＰＡ２２は、高い放射モード変換率を有する折返しループ４４と、平衡モードで短い伝送線路としての機能する折返しループ４６とを合わせたものと等しくなるように示されている。矢印は、電流の流れる方向を示す。

図４は、８８０〜９６０ＭＨｚのＧＳＭ帯域および１．８８０〜１．７１０ＧＨｚのＤＣＳ帯域で使用される際の、図２に示されるＭＡＦＰＡ形状のＳ_１１を示すスミスチャートである。参照すべき点は、ｓ１＝８８０ＭＨｚ、ｓ２＝９６０ＭＨｚ、ｓ３＝１．８８０ＧＨｚ、ｓ４＝１．７１０ＧＨｚという点である。放射モードインピーダンス変換に起因してＭＡＦＰＡが高いインピーダンスを有し、且つ平衡モードのリアクタンスに起因してＭＡＦＰＡが誘導的であるということが、スミスチャートから推論できる。これらの両効果は、開口が小さいことに起因している。しかし、インピーダンスは、依然として、これら２つのセルラー周波数帯域にわたって動作するのに十分に広い帯域幅にわたりマッチングできるものである。このことは、図５〜図８でより明確に示されている。図５および図６は、ＧＳＭ周波数帯域に関するものであり、図７および図８は、ＤＣＳ周波数帯域に関するものである。

図５において、点ｓ１とｓ２はそれぞれ、８８０ＭＨｚおよび９６０ＭＨｚに対応している。また、図６において、８８０（ｒ１）ＭＨｚおよび９６０（ｒ２）ＭＨｚでのリターンロスはそれぞれ、−６．６３３および−７．３６２である。ＧＳＭ帯域の端において−６ｄＢよりも良好なこれらのリターンロスは、０．９ｐＦの直列コンデンサを伴う供給部にわたって接続される０．５ｐＦのシャントコンデンサを使用することにより得られる。

図７において、点ｓ１とｓ２はそれぞれ、１．７１０ＧＨｚおよび１．８７５ＧＨｚに対応している。また、図８において、１．７１０（ｒ１）ＧＨｚおよび１．８８０（ｒ２）ＧＨｚでのリターンロスはそれぞれ、−１２．８３６および−１２．８０３である。ＤＣＳ帯域の端において−１２ｄＢよりも良好なこれらのリターンロスは、０．７ｐＦの直列コンデンサを伴う供給部にわたって接続される１７ｎＨのシャントインダクタを使用することにより得られる。

実際には、デュアルバンドマッチングを考えることもできる。あるいは、例えば図９に示されるように、マッチングがダイプレクサに統合されても良い。破線ボックス５０内には、ＧＳＭ周波数でアンテナ２２を５０オームのインピーダンスにマッチングさせるための構成要素が示されており、また、破線ボックス５２内には、ＤＣＳ周波数でアンテナ２２を５０オームにマッチングさせるための構成要素が示されている。ボックス５０を参照すると、５０オームの抵抗５４は、ＤＣＳ周波数で低いインピーダンスを有する、５．０ｎＨのインダクタンス５６と１．５７２３ｐＦのキャパシタンス５８との直列結合によって短絡される。並列結合の一方側は接地されており、一方、他方側は、２．０ｐＦの直列コンデンサ６０により、アンテナ供給部の一方側に接続されている。アンテナ供給部の他方側は、接地されている。

ボックス５２は、５０オームの抵抗器６６と３．５ｎＨのインダクタンス６８との並列接続を備えている。並列接続の一方側は接地され、他方側は５．０ｎＨの直列インダクタンス７０の一端に接続されている。インダクタンス７０の他方側は、３．３２５ｐＦのコンデンサ７２と９．０ｎＨのインダクタンス７４との並列接続を介して、アンテナ供給部の片側６２に接続されている。コンデンサ７２とインダクタンス７４との並列接続は、ＧＳＭ信号に高いインピーダンスを与える。

図１０は、ＧＳＭ周波数帯域およびＤＣＳ周波数帯域の両帯域におけるダイプレクサ回路の応答を示すスミスチャートである。破線曲線７６はＧＳＭを示しており、ｓ１およびｓ２はそれぞれ、８８０ＭＨｚおよび９６０ＭＨｚを示している。一点鎖線７８はＤＣＳを示しており、点ｓ３とｓ４はそれぞれ、１．７１０ＧＨｚおよび１．８８０ＧＨｚを示している。約−５ｄＢの帯域端Ｓ_１１が得られることが図面から分かる。

図１１において、破線曲線８０は、ＧＳＭ周波数で測定されたリターンロスＳ_１１に関するものであり、点ｒ１とｒ２はそれぞれ、周波数８８０ＭＨｚおよび周波数９６０ＭＨｚにおける−５．３８１および−４．７１６のリターンロスを示している。一点鎖線曲線８２は、ＤＣＳ周波数で測定されたリターンロスＳ_１１に関するものであり、点ｒ３とｒ４はそれぞれ、周波数１．７１０ＧＨｚおよび周波数１．８８０ＧＨｚにおける−５．９２２および−４．８９４のリターンロスを示している。完全さを期すため、曲線８４は、図９に示されるダイプレクサの絶縁特性を示している。

デュアルバンド性能を得る他の方法は、２つの供給部を設けることである。そのようにすれば、適切なフィルタリングをもって、ＧＳＭ帯域では、折返しダイポールとしてＰＣＢを使用することができ、一方、ＤＣＳモードでは、直接に給電されるノッチとしてＰＣＢを使用することができる。また、前述した原理を組み合わせて、別の周波数帯域を加えることもできる。

デュアルバンド構成に関して本発明を説明してきたが、本発明は、波長スケールのＰＣＢを有する装置からの放射が必要とされる任意の分野に適用することができる。

本明細書および請求の範囲の記載において、部材の数が１つとされていても、部材が複数存在する構成も、本発明から除外されているわけではない。また、“備える”といった表現の箇所は、明細書および請求の範囲に記載されたもの以外の他の部材やステップの存在も含む。

本開示内容を読めば、当業者には他の変形も明らかであろう。その変形には、折返しダイポールアンテナとそのための構成部品を有する無線端末の設計、製造、使用において既知の他の特徴が含まれていてもよく、そのような他の特徴を、ここに既に記載した特徴の代わりに使用したり、或いは記載されている特徴に加えて使用したりすることができる。

折返しダイポールプリント回路板（ＰＣＢ）アンテナに接続されたトランシーバの概略ブロック図。 折返しダイポールＰＣＢアンテナの略図。 折返しダイポールＰＣＢアンテナの放射モードおよび平衡モードを示す図。 ＧＳＭ周波数およびＤＣＳ周波数の範囲にわたって測定されたインピーダンスを示す最小開口折返しＰＣＢアンテナ（ＭＡＦＰＡ）のスミスチャート。 ＧＳＭ周波数の範囲にわたって独立してマッチングを行うＭＡＦＰＡのスミスチャート。 ＧＳＭ周波数の範囲における、図２のＭＡＦＰＡに対する測定リターンロスＳ_１１（ｄＢ）と周波数（ＧＨｚ）とを示すグラフ。 ＤＣＳ周波数の範囲にわたって独立してマッチングを行うＭＡＦＰＡのスミスチャート。 ＤＣＳ周波数の範囲における、図２のＭＡＦＰＡに対する測定リターンロスＳ_１１（ｄＢ）と周波数（ＧＨｚ）とを示すグラフ。 ＧＳＭおよびＤＣＳダイプレクサの概略回路図。 図９に示されるダイプレクサに連結させて、ＧＳＭ周波数範囲およびＤＣＳ周波数範囲で動作させた際のＭＡＦＰＡの性能を示すスミスチャート。 図９に示されるダイプレクサに連結させて、ＧＳＭ周波数範囲およびＤＣＳ周波数範囲で動作させた際のＭＡＦＰＡの測定リターンロスＳ_１１（ｄＢ）と周波数（ＧＨｚ）との関係を示すグラフ。 所定の開口形状を示すＰＣＢの一部の略図。 所定の開口形状を示すＰＣＢの一部の略図。 所定の開口形状を示すＰＣＢの一部の略図。 所定の開口形状を示すＰＣＢの一部の略図。

Claims (12)

1. 出力部と該出力部に連結された信号伝搬手段とを有する無線周波ステージを備える無線端末であって、前記信号伝搬手段は、プリント回路板の少なくとも接地層の開口によって形成される折返しダイポールを備え、前記開口は、前記接地層の面積に対して小さく、前記信号伝搬手段は、前記出力部を前記開口に対して接続するための給電手段を備えている無線端末。
2. 前記開口が、プリント回路板の端部から延出する直線状部分と、該直線状部分の内端と連通して横切って延出する部分とを備えていることを特徴とする、請求項１に記載の端末。
3. 前記開口の幅が、前記直線状部分の長さよりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の端末。
4. 前記開口がＴ形状を成していることを特徴とする、請求項１に記載の端末。
5. 前記出力部が、マッチング部材によって前記信号伝搬手段に連結されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の端末。
6. 前記出力部を前記信号伝搬手段に対して連結するためのダイプレクサを備え、該ダイプレクサが、少なくとも２つの信号帯域で前記信号伝搬手段に信号を供給するようになされていることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の端末。
7. 出力部と該出力部に連結された信号伝搬手段とを有する無線周波ステージを備える統合ＲＦモジュールであって、前記信号伝搬手段は、プリント回路板の少なくとも接地層における開口によって形成される折返しダイポールを備え、前記開口は、前記接地層の面積に対して小さく、前記信号伝搬手段は、前記出力部を前記開口に連結するための給電手段を備えている統合ＲＦモジュール。
8. 前記開口が、プリント回路板の端部から延出する直線状部分と、該直線状部分の内端と連通して横切って延出する部分とを備えていることを特徴とする、請求項７に記載のモジュール。
9. 前記開口の幅が、前記直線状部分の長さよりも小さいことを特徴とする、請求項８に記載のモジュール。
10. 前記開口がＴ形状を成していることを特徴とする、請求項７に記載のモジュール。
11. 前記出力部が、マッチング部材によって前記信号伝搬手段に連結されていることを特徴とする、請求項７ないし請求項１０のいずれか１項に記載のモジュール。
12. 前記出力部を前記信号伝搬手段に連結するためのダイプレクサを備え、該ダイプレクサが、少なくとも２つの信号帯域で前記信号伝搬手段に信号を供給するようになされていることを特徴とする、請求項７ないし請求項１０のいずれか１項に記載のモジュール。

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