JP2006319451A - アンテナ装置及び携帯無線端末 - Google Patents

Abstract

【課題】 アンテナ装置及び携帯無線端末において、大きなアンテナエレメントや複数のアンテナエレメントを用いずに、１つのアンテナエレメントで広帯域のアンテナ特性を確保すること。
【解決手段】 素体に導体パターンが形成されたローディング素子２と、導体パターンとグラウンドとの間に接続される第１チップインダクタ３と、第１チップインダクタ３に給電する給電点Ｐ１と、導体パターンと第１チップインダクタ３との間に接続された周波数調整部４と、を備え、周波数調整部４が、導体パターンの一端と第１チップインダクタ３とを接続する容量可変ダイオード６Ａ、６Ｂと、容量可変ダイオード６Ａ、６Ｂのキャパシタンスを送信時と受信時とで異なる値に変更する容量可変手段７と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば携帯電話機等の送信領域と受信領域との周波数帯域が離間して広帯域なアンテナ特性が要望される場合に好適なアンテナ装置及びこれを備えた携帯無線端末に関する。

近年、携帯電話機に用いられるアンテナは、破損防止やデザイン性等の観点から、ロッドアンテナから内蔵型アンテナへと徐々に移行している。例えば、特許文献１では、１つの内蔵アンテナを備えた携帯電話装置が開示されている。
携帯電話機等では、図８に示すように、８００〜９００ＭＨｚ帯においてＦＤＤ(Frequency Division Duplex：周波数分割デュープレクス)方式が採用されている。このＦＤＤ方式では、送信帯域と受信帯域とが５５ＭＨｚや１３０ＭＨｚといった間隔で離れているために、使用するアンテナとしては１００〜１４０ＭＨｚという広帯域をカバーする必要がある。

特開２００２−３１９８０８号公報（特許請求の範囲、図１）

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、アンテナエレメントは小型化すると、一般的に帯域幅が狭くなるために、アンテナを内蔵化した場合には、比較的大きなアンテナ空間を確保しないと、十分な帯域幅のアンテナ特性を実現することは困難である。しかしながら、近年の携帯電話機の多機能化により、アンテナエレメントに許容される空間は非常に小さくなっているのが現状である。広帯域を確保するために共振周波数の異なる２つのアンテナエレメントを内蔵することも考えられるが、小さく限られた携帯電話機内の内蔵空間に２つのアンテナエレメントを搭載することはスペース的に困難になってきていると共に、部材点数が増えて製造コストの増大を招いてしまう不都合がある。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、大きなアンテナエレメントや複数のアンテナエレメントを用いずに、１つのアンテナエレメントで広帯域のアンテナ特性を確保することができるアンテナ装置及びこれを備えた携帯無線端末を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のアンテナ装置は、誘電体または磁性体あるいはその両方を兼ね備えた複合材料からなる素体に線状の導体パターンが形成されたローディング素子と、前記導体パターンの一端とグラウンドとの間に接続されるインダクタ部と、前記インダクタ部の一端に給電する給電点と、前記導体パターンの一端と前記インダクタ部との間に接続された周波数調整部と、を備え、前記周波数調整部が、前記導体パターンの一端と前記インダクタ部とを接続する容量可変素子と、前記容量可変素子のキャパシタンスを送信時と受信時とで異なる値に変更する容量可変手段と、を備えていることを特徴とする。

このアンテナ装置の共振周波数は、アンテナエレメントの電気長によるインダクタンス成分をＬとし、容量可変素子によるキャパシタンス成分をＣとしたときに、１／√（Ｌ・Ｃ）に比例する。そこで、このアンテナ装置では、容量可変素子のキャパシタンスを送信時と受信時とで異なる値に変更する容量可変手段を備えているので、送信時と受信時とで異なるキャパシタンス成分Ｃにより異なる共振周波数を得ることができる。すなわち、送信時では、送信周波数帯域に対応させたキャパシタンス成分とすると共に、受信時にでは、受信周波数帯域に対応したキャパシタンス成分に変更することで、一つのアンテナエレメントで広帯域なアンテナ特性を得ることができる。したがって、互いに離間した送信周波数帯域及び受信周波数帯域で送受信するＦＤＤ方式でも、良好な通信特性を得ることができる。

また、本発明のアンテナ装置は、前記容量可変素子が、容量可変ダイオードで構成され、前記容量可変手段が、送信信号と受信信号との信号経路の切り替え制御を行うアンテナスイッチと、前記アンテナスイッチの切り替え制御を行う制御電圧に連動して前記容量可変ダイオードに印加するバイアス電圧を変更するバイアス電圧変更手段と、を有していることを特徴とする。

このアンテナ装置では、アンテナスイッチの切り替え制御を行う制御電圧に連動して容量可変ダイオードに印加するバイアス電圧を変更するので、アンテナスイッチの制御電圧と連動して容量可変ダイオードのキャパシタンスが変わり、共振周波数を送信時に送信周波数帯域に合わせると共に受信時に受信周波数帯域に合わせて変更することが可能になる。

また、本発明のアンテナ装置は、前記導体パターンの一端が接続される集中定数素子が設けられていることを特徴とする。すなわち、このアンテナ装置では、集中定数素子によって、ローディング素子の導体パターンの長さを変更することなく、電気長を調整可能となるので、予め共振周波数を調整できると共に、給電点におけるアンテナ装置のインピーダンスを整合させることができる。

本発明の携帯無線端末は、互いに離間した送信周波数帯域及び受信周波数帯域で送受信可能な携帯無線端末であって、筐体と、前記筐体内に内蔵された上記本発明のいずれか一つのアンテナ装置と、を備えていることを特徴とする。すなわち、この携帯無線端末では、上記本発明のアンテナ装置を筐体内に内蔵しているので、多機能化されて小さくなった内蔵空間でも、一つのアンテナエレメントで広帯域なアンテナ特性を確保することができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るアンテナ装置及び携帯無線端末によれば、容量可変素子のキャパシタンスを送信時と受信時とで異なる値に変更する容量可変手段を備えているので、送信時と受信時とで異なる共振周波数を得ることができ、ＦＤＤ方式でも、一つのアンテナエレメントで、互いに離間した送信周波数帯域及び受信周波数帯域に対応した広帯域なアンテナ特性を得ることができる。したがって、本発明では、携帯無線端末において、多機能化され小さくなった内蔵空間に実装した一つのアンテナエレメントで、十分な広帯域のアンテナ特性を確保することが可能になる。

以下、本発明に係るアンテナ装置及び携帯無線端末の一実施形態を、図１から図７を参照しながら説明する。

本実施形態のアンテナ装置は、例えばＦＤＤ方式を採用した携帯電話機（携帯無線端末）に搭載されるものであり、例えばＰＤＣ(Personal Digital Cellular)のＤ帯用の無線機に適用されるものである。このアンテナ装置１は、図１及び図２に示すように、図示しない絶縁性樹脂基板上に実装され素体２ａに線状の導体パターン２ｂが形成されたローディング素子２と、導体パターン２ｂの一端とグラウンドとの間に接続される第１チップインダクタ（インダクタ部）３と、第１チップインダクタ３の一端に給電する給電点Ｐ１と、導体パターン２ｂの一端と第１チップインダクタ３との間に接続された周波数調整部４と、を備えている。

上記ローディング素子２の素体２ａは、図２に示すように、アルミナ等の誘電体または磁性体あるいはその両方を兼ね備えた複合材料で直方体形状とされ、その表面に導体パターン２ｂが長手方向に対して螺旋形状に巻回されている。この導体パターン２ｂの両端は、絶縁性樹脂基板上のランドに接続するように、素体２ａの裏面に形成された接続導体２ｃ、２ｄにそれぞれ接続されている。
また、上記導体パターン２ｂの一端には、アンテナ装置１の共振周波数を設定する働きを有する第２チップインダクタ（集中定数素子）５が接続されている。

上記第１チップインダクタ３は、給電点Ｐ１とグラウンドとを接続するように配置されている。この第１チップインダクタ３は、アンテナ装置１のインピーダンスを調整する働きを有するものである。

上記周波数調整部４は、導体パターン２ｂの一端と第１チップインダクタ３との間で互いにカソード側が対向するように接続された容量可変ダイオード（容量可変素子：バリキャップ）６Ａ、６Ｂと、容量可変ダイオード６Ａ、６Ｂの接続点Ｐ２にバイアス電圧を印加して容量可変ダイオード６Ａ、６Ｂのキャパシタンスを送信時と受信時とで異なる値に変更する容量可変手段７と、を備えている。

上記容量可変手段７は、送信信号と受信信号との信号経路の切り替え制御を行うアンテナスイッチ８と、アンテナスイッチ８の切り替え制御を行う制御電圧に連動して容量可変ダイオード６Ａ、６Ｂに印加するバイアス電圧を変更するバイアス電圧変更手段９と、を有している。例えば、容量可変ダイオード６Ａ、６Ｂは、バイアス電圧変更手段９によって印加する逆電圧のバイアス電圧を高くすると、内部の空乏層の幅が広がり、キャパシタンスが小さくなる。

また、アンテナ装置１は、容量可変ダイオード６Ａのアノード側とグラウンドとを接続して容量可変ダイオード６Ａ、６Ｂに流れる高周波信号がグラウンドに流れることを防止する第１ＲＦブロックインダクタ１０と、容量可変ダイオード６Ｂのアノード側とグラウンドとを接続して容量可変ダイオード６Ａ、６Ｂに流れる高周波信号がグラウンドに流れることを防止する第２ＲＦブロックインダクタ１１と、バイアス電圧変更手段９と接続点Ｐ２とを接続して容量可変ダイオード６Ａ、６Ｂに流れる高周波信号がバイアス電圧変更手段９に流れることを防止する第３ＲＦブロックインダクタ１２と、容量可変ダイオード６Ｂのアノード側と給電点Ｐ１とを接続して受信信号中の直流電流成分を除去するＤＣブロックコンデンサ１３と、を備えている。

上記アンテナスイッチ８は、ＳＰＤＴ(Single Pole Double Throw)と呼ばれるＩＣであり、高周波回路の入力端子Ｓ５と、第１出力端子Ｓ１及び第２出力端子Ｓ３と、第１出力端子Ｓ１及び第２出力端子Ｓ３のいずれか一方に出力するための第１制御端子Ｓ６及び第２制御端子Ｓ４と、グラウンドに接続されるグラウンド端子Ｓ２と、の６つの端子を有している。
上記第１制御端子Ｓ６及び第２制御端子Ｓ４に印加する電圧の組み合わせが、以下の表１に示す真理表として与えられる。

上記第１出力端子Ｓ１は、送信側コンデンサ１４を介してＴｘ用の高周波回路に接続されており、上記第２出力端子Ｓ３は、受信側コンデンサ１５を介してＲｘ用の高周波回路に接続されている。なお、上記送信側コンデンサ１４及び受信側コンデンサ１５も、ＤＣブロックコンデンサ１３と同様にＤＣブロックコンデンサである。
上記第１制御端子Ｓ６は、第１スイッチ１６を介して電源１７に接続されており、上記第２制御端子Ｓ４は、第２スイッチ１８を介して電源１７に接続されている。なお、第１制御端子Ｓ６と第１スイッチ１６との間に、グラウンドと一端が接続された第１コンデンサ１９の他端が接続されている。また、第２制御端子Ｓ４と第２スイッチ１８との間に、グラウンドと一端が接続された第２コンデンサ２０の他端が接続されている。なお、上記第１コンデンサ１９及び第２コンデンサ２０は、電源１７と並列に接続して電源１７の変動を緩和するためのバイパスコンデンサである。

上記バイアス電圧変更手段９は、第１制御端子Ｓ６と第１スイッチ１６との間に一端が接続され他端が第３ＲＦブロックインダクタ１２に接続された第１抵抗Ｒ１と、第１抵抗Ｒ１の他端に一端が接続されグラウンドに他端が接続された第２抵抗Ｒ２と、を備えている。これら第１抵抗Ｒ１及び第２抵抗Ｒ２は、容量可変ダイオード６Ａ、６Ｂに印加するバイアス電圧を調整するためのものである。

このアンテナ装置１の共振周波数は、アンテナエレメントの電気長によるインダクタンス成分をＬとし、容量可変ダイオード６Ａ、６Ｂによるキャパシタンス成分をＣとしたときに、１／√（Ｌ・Ｃ）に比例する。そこで、容量可変ダイオード６Ａ、６Ｂのキャパシタンスをバイアス電圧変更手段９によって変化させることで、アンテナ装置１の共振周波数を切り替えることができる。

次に、本実施形態のアンテナ装置１における送受信方法について、図３から図６を参照して説明する。

ＦＤＤ方式の無線機では、通常は待ち受け状態であるためにアンテナ特性としては、Ｒｘ帯（受信帯域）に共振周波数が設定されている必要がある。そのため、バイアス電圧変更手段９は、アンテナスイッチ８の送信信号の制御端子である第１制御端子Ｓ６と連動するように設定している。すなわち、待ち受け時には、図３に示すように、第１スイッチ１６が「ＯＦＦ」（第２スイッチ１８は「ＯＮ」）で、第１制御端子Ｓ６が「Ｌｏｗ」の状態であるから、容量可変ダイオード６Ａ、６Ｂへのバイアス電圧も０Ｖとなっている。

なお、バイアス電圧が０Ｖのときに、図４に示すように、Ｒｘ帯（受信帯域）に共振周波数が一致するように、第２チップインダクタ５等が予め調整されている。このように、第２チップインダクタ５によって、ローディング素子２の導体パターン２ｂの長さを変更することなく、電気長を調整可能であり、共振周波数を調整することができる。また、給電点Ｐ１におけるアンテナ装置１のインピーダンスを整合させることができる。なお、図４は、アンテナ装置１のＶＳＷＲ(Voltage Standing Wave Ratio：電圧定在波比)特性を示すグラフである。

このアンテナ装置１におけるバイアス電圧に対する共振周波数の依存性は、図５に示すような関係にあるため、Ｔｘ帯（送信帯域）に共振をシフトさせるためには、バイアス電圧として２．０７Ｖ印加すればよい。
したがって、第１抵抗Ｒ１及び第２抵抗Ｒ２の抵抗値Ｒ１及びＲ２を、以下の式（１）に従って、それぞれ抵抗のＥ１２系列から１２ｋΩ及び３３ｋΩに選択することで、図６に示すように、送信時に第１スイッチ１６を「ＯＮ」（第２スイッチ１８は「ＯＦＦ」）にし、第１制御端子Ｓ６に電源電圧（Ｖ_cont1）２．８Ｖ、容量可変ダイオード６Ａ、６Ｂに２．０５Ｖを印加する。このとき、図４に示すように、送信時の共振周波数をＴｘ帯にシフトさせることができる。

バイアス電圧＝Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）×Ｖ_cont1 ・・・式（１）

ＦＤＤ方式では、図８に示すように、Ｔｘ（送信帯域）とＲｘ（受信帯域）とが５５ＭＨｚや１３０ＭＨｚといった間隔で離れているが、Ｔｘ及びＲｘの帯域幅自体は４０ＭＨｚ程度である。よって、上述したように、送受信するタイミングでアンテナ装置１の共振周波数が連動すれば、アンテナ装置１に必要とされる帯域幅は４０ＭＨｚと非常に狭い帯域で充分となる。

このように本実施形態では、容量可変ダイオード６Ａ、６Ｂのキャパシタンスを送信時と受信時とで異なる値に変更する容量可変手段７を備えているので、送信時と受信時とで異なるキャパシタンス成分にすることで共振周波数を送信周波数帯域と受信周波数帯域との間でシフトさせることができる。したがって、一つのアンテナエレメントで広帯域なアンテナ特性を得ることができ、互いに離間した送信周波数帯域及び受信周波数帯域で送受信するＦＤＤ方式でも良好な通信特性を得ることができる。

また、アンテナスイッチ８の切り替え制御を行う制御電圧に連動して容量可変ダイオード６Ａ、６Ｂに印加するバイアス電圧を変更するので、アンテナスイッチ８の制御電圧と連動して容量可変ダイオード６Ａ、６Ｂのキャパシタンスが変わり、送受信のタイミングに合わせて共振周波数のシフトを行うことができる。

次に、アンテナ装置１を内蔵した携帯電話機（携帯無線端末）３０について、図７を参照して説明する。

本実施形態の携帯電話機３０は、例えばＦＤＤ方式を採用したＰＤＣのＤ帯用の無線機であって、互いに離間した送信周波数帯域及び受信周波数帯域で送受信可能であり、筐体３１と、筐体３１内に内蔵された上記アンテナ装置１と、を備えている。
すなわち、上記アンテナ装置１を筐体３１内に内蔵しているので、多機能化されて小さくなった内蔵空間でも、一つのアンテナエレメントでＦＤＤ方式の広帯域なアンテナ特性を確保することができる。

なお、本発明の技術範囲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範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記周波数調整部４については、モジュール構造とすることで、ユーザに対して周波数調整部４の回路構造及び素子値をブラックボックス化することができ、さらにシンプルな構成となることから、アンテナ装置１の設計の自由度が増大する。
また、上記実施形態では、螺旋状の導体パターン２ｂを有するローディング素子２を採用しているが、導体パターンがミアンダ状に素体に形成されているローディング素子を用いても構わない。

本発明に係る一実施形態のアンテナ装置を示す回路図である。 本実施形態のアンテナ装置において、ローディング素子を示す斜視図である。 本実施形態のアンテナ装置において、受信時の状態を示す回路図である。 本実施形態のアンテナ装置において、ＶＳＷＲ特性を示すグラフである。 本実施形態のアンテナ装置において、バイアス電圧と共振周波数との関係を示すグラフである。 本実施形態のアンテナ装置において、送信時の状態を示す回路図である。 本発明に係る一実施形態の携帯無線端末を示す平面図である。 ＰＤＣ方式に用いられる周波数帯域におけるＴｘ帯及びＲｘ帯を示す説明図である。

符号の説明

２…ローディング素子、２ａ…素体、２ｂ…導体パターン、３…第１チップインダクタ（インダクタ部）、４…周波数調整部、５…第２チップインダクタ（集中定数素子）、６Ａ、６Ｂ…容量可変ダイオード（容量可変素子）、７…容量可変手段、８…アンテナスイッチ、９…バイアス電圧変更手段、３０…携帯電話機（携帯無線端末）、３１…筐体、Ｐ１…給電点

Claims (4)

1. 誘電体または磁性体あるいはその両方を兼ね備えた複合材料からなる素体に線状の導体パターンが形成されたローディング素子と、
   前記導体パターンの一端とグラウンドとの間に接続されるインダクタ部と、
   前記インダクタ部の一端に給電する給電点と、
   前記導体パターンの一端と前記インダクタ部との間に接続された周波数調整部と、を備え、
   前記周波数調整部が、前記導体パターンの一端と前記インダクタ部とを接続する容量可変素子と、
   前記容量可変素子のキャパシタンスを送信時と受信時とで異なる値に変更する容量可変手段と、を備えていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記容量可変素子が、容量可変ダイオードで構成され、
   前記容量可変手段が、送信信号と受信信号との信号経路の切り替え制御を行うアンテナスイッチと、
   前記アンテナスイッチの切り替え制御を行う制御電圧に連動して前記容量可変ダイオードに印加するバイアス電圧を変更するバイアス電圧変更手段と、を有していることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１又は２に記載のアンテナ装置において、
   前記導体パターンの一端が接続される集中定数素子が設けられていることを特徴とするアンテナ装置。
4. 互いに離間した送信周波数帯域及び受信周波数帯域で送受信可能な携帯無線端末であって、
   筐体と、
   前記筐体内に内蔵された請求項１から３のいずれか一項に記載のアンテナ装置と、を備えていることを特徴とする携帯無線端末。
   

Images