JP2007013890A

JP2007013890A - 無線通信装置

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Publication number: JP2007013890A
Application number: JP2005195427A
Authority: JP
Inventors: Sotaro Tsukamoto; 宗太郎塚本
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-07-04
Filing date: 2005-07-04
Publication date: 2007-01-18

Abstract

【課題】非常に簡単な構成でアンテナの共振周波数、ＶＳＷＲ、放射効率などの周波数特性を補正でき、また、実際に通信をしたときの通信特性によって可変インピーダンスによるアンテナのチューニングの設定を最適化することができる無線通信装置を提供する。
【解決手段】検出部１１によって検出された筐体２０の状態変化と測定部１２によって測定された受信信号強度に基づいて、制御部１３が無線通信アンテナ部３０の可変インピーダンスを制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、携帯電話、携帯情報端末（Personal digital assistant:ＰＤＡ)、ノート型パーソナルコンピュータ等の無線通信機能を持ったモバイル端末である無線通信装置に関する。特に、無線アンテナを一の筐体又は他の蓋体に内蔵し、一の筐体に対して他の筐体が開閉等して、複数の状態を取り得る無線通信装置に関する。

携帯電話はもちろん、携帯情報端末、ノート型パーソナルコンピュータなどのモバイル端末は、現在、無線通信機能を有するようになった。携帯電話機能、全地球測位システム（Global Positioning System：ＧＰＳ）、ブルートゥース（Bluetooth）や無線構内ネットワーク（Local Area Network：ＬＡＮ）、ウルトラ・ワイド・バンド（Ultra Wide Band：ＵＷＢ）等の近距離無線等である。これらのモバイル端末にあって、無線通信用のアンテナは、一般に内蔵アンテナを利用する。

従来から、下記特許文献１、特許文献２にて開示されているように、上記モバイル端末のうち、小型の移動無線機や、携帯無線機において、周囲の環境状況、特に人体との近接により送信機とアンテナ間の整合の劣化により、アンテナの送信特性が劣化したり、或いは近接物体の影響により共振周波数が変化するという課題を解決するための手段が考えられてきた。

アンテナには、λ/4長アンテナに代表される非平衡給電型と、λ/2長アンテナに代表される平衡給電型がある。図１５には非平衡給電型アンテナ（λ/4長アンテナ）の原理説明概略（ａ）と、分布定数等価回路（ｂ）を示す。図１５の（ａ）に示すように、非平衡給電型アンテナは、λ/4長のアンテナの接地点付近に高周波電流源５０を配し給電点５１とする。分布定数等価回路は、図１５の（ｂ）に示すように、給電点５１から抵抗ＲとインダクタＬを２段に直列接続した回路となり、各段のＲＬ接続毎に接地との間に並列に容量Ｃを有するようになる。

図１６には平衡給電型アンテナ（λ/2長アンテナ）の原理説明概略（ａ）と、分布定数等価回路（ｂ）を示す。図１６の（ａ）に示すように、平衡給電型アンテナは、λ/2長のアンテナの中央部に高周波電流源５２を配し、その両端を差動給電点５２ａ、５２ｂとする。分布定数等価回路は、図１６の（ｂ）に示すように、抵抗ＲとインダクタＬを２段に直列接続した回路を、高周波電流源５２を挟み、対称に配設した構成となる。各段のＲＬ接続毎に接地との間に並列に容量Ｃを有するようになる。

結果的に両方のタイプ共に、集中定数等価回路としては図１７のようなＲｅ，Ｌｅ，Ｃｅを直列接続した共振器で表すことができる。

アンテナ特性ではＶＳＷＲ（電圧定在波比）が重要で、一般に、この値が２（あるいは３）以下の周波数帯域で、そのアンテナは使用可能とされる。図１８はアンテナの周波数対ＶＳＷＲ特性を示す図である。縦軸に示すＶＳＷＲは横軸に示す周波数に応じて変化するが、図１８のように、原理的にアンテナの共振周波数ｆ0でほぼ最小値を取るため、アンテナの使用可能周波数帯域Ｂuは、その共振周波数ｆ0に依存する。言い換えると、アンテナは、共振周波数ｆ0の共振器であるため、周波数ｆ0近くでＶＳＷＲが最小となる。この周波数ｆ0を挟んで、ＶＳＷＲ≦２（または３）の周波数帯域Ｂuが、このアンテナが使用可能な周波数帯域幅Ｂuである。
ここで、共振周波数ｆ0は、以下の（１）式になる。

ところで、最近、モバイル端末の中には、操作性、ファッション性の向上のために、本体部の筐体に対し、蓋体部の筐体を開閉等して複数の使用状態を取り得るものが多くなっている。ここでいう本体部の筐体は、キーボード部などを表面に備えた筐体である。また、蓋体部の筐体は、表示部などを裏面に有した筐体である。無線通信用のアンテナは、本体部の筐体又は蓋体部の筐体に内蔵される。

図１９は携帯情報端末（ＰＤＡ）の複数の使用状態を示す図である。この携帯情報端末では、モニター部７１を配した蓋体部７０が本体部の筐体６０に対して可動するようになっており、使用時には、図１９の（ａ），図１９の（ｄ）の２通りの状態を選ぶことができる。蓋体部７０にあってモニター部７１の左側には、無線通信アンテナ７２が内蔵されている。なお、図１９の（ａ）から図１９の（ｄ）に至るまでの蓋体部７０の操作は、以下のとおりである。まず、図１９の（ａ）の状態から図１９の（ｂ）のように蓋体部７０を右回りに回転させ、図１９の（ｃ）のようにモニター部７１が１８０°回転したところで、モニター部７１が上面になるように蓋体部７０を本体部６０のキーボード６１に向かって回動して閉じる。すると、図１９の（ｄ）のようにモニター部７１を上面にした状態で携帯情報端末を使用することができる。

無線通信アンテナ７２を内蔵している蓋体部７０の本体部６０に対する開閉状態を変えることは、この携帯情報端末のアンテナの使用状態を変化することになる。これは、蓋体部７０に内蔵された無線通信アンテナ７２に、本体部６０の筺体部分の誘電体（樹脂筺体，樹脂部品等）又は、金属導体（金属導体，部品導体部分，配線等）が近づく、あるいは、遠ざかることによって、その寄生容量が変化して、結果的に、アンテナの共振周波数が変化するからである。

蓋体部７０の開閉情報によっては、アンテナ特性を劣化させてしまうことになる。この携帯情報端末の例では、図１９の（ａ）ではモニター部７１左側に内蔵されているアンテナ７２の傍に、本体部６０の筺体部分は位置しないが、図１９の（ｄ）では、アンテナ７２内蔵部分の真下に、本体部６０のキーボード部分６１が来てしまい、誘電体と導体が近傍にあることから寄生容量が増加する。これにより、上記（１）式のＣｅが大きくなるので、共振周波数ｆ0は下がる。

図２０は、図１９を用いて説明したように、通信機器の筐体の開閉状態によって、アンテナのＶＳＷＲが変化する様子を示す周波数対ＶＳＷＲ特性図である。上述したように、上記（１）式のＣｅが大きくなって、共振周波数ｆ0_Ａが共振周波数ｆ0_Ｂのように下がると、アンテナの使用可能周波数帯ＢuA（＝f1A−f2A）から、使用可能周波数帯ＢuB（＝f1B−f2B）のように周波数の低域側にずれてしまい、結果として、アンテナを実際に使用する周波数帯域から外れてしまう。このため、アンテナ特性を劣化させてしまうことになる。

ところで、上記本体部６０の筐体に対して蓋体部７０の筐体を開閉等して使用するモバイル端末のような無線通信装置では、上記アンテナの周波数特性の劣化に対して、広帯域アンテナを使用するか、又は、ダイバーシチを用いた対策が考えられる。

使用周波数帯域に対して広帯域な周波数特性を持つアンテナを使用すれば、筺体の状態変化でアンテナ共振周波数が多少ずれたとしても、周波数マージンがあるため、アンテナとしての機能は確保される。

また、ダイバーシチ技術を用い、各筺体の状態にそれぞれ最適の特性を持つ別のアンテナを割り当てておけば、アンテナ特性の劣化は考慮する必要がない。

特開２００１−２６７９５０号公報特開２００３−１７４３６７号公報

しかしながら、上記広帯域な周波数特性を持つアンテナの使用、及びダイバーシチ技術の使用という、対策には、以下のような問題がある。

まず、広帯域アンテナを使用することについては以下のような問題がある。原理的に、アンテナの広帯域化は、高Ｑ値とトレード・オフの関係にあるため、広帯域でかつ、高利得，高効率のアンテナの実現は困難である。これを実現するためには、アンテナを大型化するしかなく、現在のモバイル端末の小型化の要求トレンドに対応できなくなる。更に、無線通信技術は、Ｗ−ＣＤＭＡ，ＵＷＢ（ウルトラ・ワイド・バンド）等のように、使用周波数広帯域化による高性能化の方向に向かっており、これを更に広帯域にしたアンテナの実現は困難である。

また、ダイバーシチを使用することについては以下のような問題がある。ダイバーシチでは、複数のアンテナおよびその周辺回路が必要となり、現在のモバイル端末の小型化の要求トレンドに対応することが困難である。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、非常に簡単な構成でアンテナの共振周波数、ＶＳＷＲ、放射効率などの周波数特性を補正できる無線通信装置の提供を目的とする。また、実際に通信をしたときの通信特性によって可変インピーダンスによるアンテナのチューニングの設定を最適化することができる無線通信装置の提供を目的とする。

本発明に係る無線通信装置は本体部の筐体に対して開閉可能とされた他の筐体を備え、かついずれかの筐体に無線通信アンテナを内蔵してなり、通信相手先装置との間で通信を行なう装置であり、上記課題を解決するために、検出手段により無線通信アンテナを内蔵した筐体の状態変化を検出し、また測定手段により通信相手先装置との通信時に受信信号の強度を測定し、制御手段が検出手段によって検出された筐体の状態変化と測定手段によって測定された受信信号強度に基づいて無線通信アンテナの可変インピーダンスを制御する。

本発明に係る無線通信装置は、制御手段が検出手段によって検出された筐体の状態変化と測定手段によって測定された受信信号強度に基づいて無線通信アンテナの可変インピーダンスを制御するので、非常に簡単な構成でアンテナの共振周波数、ＶＳＷＲ、放射効率などの周波数特性を補正できる。また、実際に通信をしたときの通信特性によって可変インピーダンスによるアンテナのチューニングの設定を最適化することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。この実施の形態は、図１に示す無線通信装置１である。この無線通信装置１は、本体部の筐体１０に対して矢印Ｄ方向に開閉可能とされた他の筐体２０を備える。他の筐体２０には無線通信アンテナ部３０を内蔵しており、この無線通信アンテナ部３０を用いることにより、無線通信装置１は通信相手先の無線通信装置４０との間で通信を行う。

また、他の筐体２０には、一方の面に液晶表示装置（ＬＣＤ）等からなる表示部２１が配設されている。無線通信アンテナ部３０は表示部２１の左側に位置している。また、他の筐体２０の他方の面（背面）２０ａは所定の強度を備えた樹脂や軽金属により覆われている。このため、他の筐体２０は、本体部に対して表示部或いは蓋体部と呼ばれることもある。

この無線通信装置１は、図２に示すように、本体部の筐体１０内に、他の筐体２０の状態変化を検出する検出部１１と、受信信号の強度を測定する測定部１２と、検出部１１の検出結果と測定部１２の測定結果に基づいて無線通信アンテナ部３０の可変インピーダンスを制御する制御部１３とを備える。

なお、無線通信アンテナ部３０は、チューナブルアンテナであり、アンテナ素子３０ａと、アンテナ素子３０ａと給電線との間にアンテナ素子３０ａのインピーダンスを可変する可変容量部３０ｂを備えている。この可変容量部３０ｂの容量可変を制御することにより、制御部１３はアンテナ素子３０の可変インピーダンスを制御する。

検出部１１は、無線通信アンテナ部３０を内蔵した他の筐体（蓋体）２０の状態変化を検出する。具体例として、図３、図４に示すような状態判別スイッチ１１ａ、１１ｂを挙げる。これら状態判別スイッチ１１ａ、１１ｂは、上述した図１９の（ｃ）のような状態で、他の筐体２０を本体部の筐体１０に向けて（矢印Ｄ）閉じる動作のときに、閉じる前と閉じた後を判別するスイッチである。図１９の（ｃ）は他の筐体２０を表示部２１を上面にして閉じるという一連の動作の流れの中で必然的にとられる動作である。したがって、この図１９の（ｃ）で状態判別スイッチのオン又はオフを判別することにより、図１９の（ａ）の状態と図１９の（ｄ）の状態を区別することができる。ここでは、他の筐体２０を閉じたときに状態判別スイッチがオンとされる。

図３は上記無線通信アンテナ部３０を内蔵した他の筐体２０の回動部２０ａの動きと第１の状態判別スイッチ１１ａのオフ、オン関係を示す側面図である。他の筐体２０の回動部２０ａの所定位置には切欠き部２０ｂが設けられている。図１９の（ｃ）の状態、すなわち他の筐体２０が閉じられる前には、一端を中心に付勢されているスイッチ１１ａは、切欠き部２０ｂ内に入りこんでいる（図３の（ａ））。この状態がスイッチオフである。図１９の（ｄ）のように上記他の筐体２０が閉じられると、回動部２０ａの上記切欠き部２０ｂに続く所定部２０ａ１がスイッチ１１ａを押すことになる（図３の（ｂ））。この状態がスイッチオンとなる。

図４は上記他の筐体２０の回動部２０ａの動きと第２の状態判別スイッチ１１ｂのオフ、オン関係を示す側面図である。他の筐体２０の背面２０ｃの回動部２０ａに近い位置には突起部２０ｄが設けられている。また、本体部の筐体１０には、上記突起部２０ｄによって押圧される押圧スイッチ１１ｂが設けられている。図１９の（ｃ）の状態、すなわち他の筐体２０が閉じられる前には、押圧スイッチ１１ｂは上記突起部２０ｄによって押圧されない（図４の（ａ））。この状態がスイッチオフである。図１９の（ｄ）のように上記他の筐体２０が閉じられると、上記押圧スイッチ１１ｂは上記突起部２０ｄによって押圧される（図４の（ｂ））。この状態がスイッチオンとなる。以上に挙げた具体例を用いることにより、検出部１１は上記他の筐体２０の状態変化を検出することができる。
制御部１３は、検出部１１からのスイッチオン信号又はスイッチオフ信号を受け取る。制御部１３は、受け取ったスイッチオン信号又はスイッチオフ信号に応じて、アンテナ素子３０ａと給電線に接続された可変容量３０ｂを変化することにより、可変インピーダンスを制御し、アンテナの周波数特性を補正する。これは、筐体がどの状態にある場合に可変インピーダンスはどのような値をとるべきという事前データをテーブルなどに用意しておくことで実現可能である。なお、可変容量の変化による可変インピーダンス制御の具体例については後述する。

次に、測定部１２は、例えば、ＲＳＳＩ（Receiving Signal Strength Indicator）である。ＲＳＳＩは、通信機が受信した信号レベルの大きさを検出する。図５はＲＳＳＩの回路図である。無線通信アンテナ部３０によって受信された信号（ＲＦ信号）は、入力端子４０から入力され、混合器（Mixer）４１，バンドパスフィルタ（ＢＰＳ）４２を経由してダウンコンバートされＩＦ信号になり、ＩＦアンプ４３に入力される。混合器４１はＶＣＯ４４によって生成されるクロック信号Ｌｏに同期してＩＦ信号を生成する。

ＩＦアンプ４３では所定の利得で入力信号に対し増幅が行なわれるとともに、入力信号レベルに応じた大きさの電流値Ｉ_１が得られる。増幅された信号はＢＰＦ４５で所定の周波数帯域に制限され、更にリミッタアンプ４６で信号増幅の制限を受けて、方形波信号となって、出力端子４７から次段の処理回路に送られる。

リミッタアンプ４６でも、入力信号レベルに応じた大きさの電流値Ｉ_２が得られ、電流加算回路４８で上記電流値Ｉ_１と加算される。電流加算回路４８は、上記電流値Ｉ_１と上記電流値Ｉ_２を加算し、加算電流値Ｉ_ＲＳＳＩを出力する。この加算電流値Ｉ_ＲＳＳＩがＲＳＳＩ電流である。上記電流値Ｉ_ＲＳＳＩは、並列に接続された抵抗４９とコンデンサ５０により電流／電圧変換され、アナログのＲＳＳＩ電圧Ｖ_ＲＳＳＩとなる。このアナログ電圧Ｖ_ＲＳＳＩをＡ／Ｄコンバータ５１でデジタル信号化したものが、ＲＳＳＩ信号である。このＲＳＳＩ信号は、出力端子５２から制御部１３に供給される。

制御部１３は、測定部１２から受け取ったＲＳＳＩ信号に応じて、アンテナ素子３０ａと給電線に接続された可変容量３０ｂを変化することにより、可変インピーダンスを制御し、アンテナの周波数特性を補正する。

図６は、上記図５に示した測定部１２を用いた、無線通信装置１の具体例の構成図である。ＣＰＵ（中央演算処理装置）５２によってＲＳＳＩが最大値を示すように、無線通信アンテナ部３０（チューナブルアンテナ）の可変インピーダンスを可変容量３０ｂにより制御する構成となっている。

以下、ＣＰＵ５２による無線通信アンテナ部３０に対するアンテナチューニングの制御動作について説明する。図７はチューニングアンテナの特性曲線が瞬間的に変化することを示す特性図である。図７の（ａ）は横軸をアンテナ制御電圧、縦軸をΔｆとした特性図である。Δｆはアンテナ共振周波数から使用中心周波数を減算した差の絶対値である（Δｆ＝｜アンテナ共振周波数−使用中心周波数｜）。図７の（ｂ）は横軸をアンテナ制御電圧、縦軸をＲＳＳＩとした特性図である。

チューナブルアンテナは、常に、その共振周波数が通信に使用される中心周波数近傍にあるように制御されなくてはならない。理想的には、図７の（ａ）に示したΔｆが０であるときのアンテナ制御電圧がベストポイントＸとして選択されるのが望ましい。

しかし、通信機の周囲の環境（通信機と人体や導体物あるいは誘電体の位置関係）によって、通信機に内蔵されたアンテナの共振周波数は変化する。このため、破線で示すように、チューニングアンテナの特性曲線は次の瞬間には変化する可能性がある。

図７の（ｂ）にあってＲＳＳＩが最大値であるのは、上記Δｆが０であるところであり、同じくアンテナ制御電圧がベストポイントＸのところである。そこで、無線通信装置１は、上記Δｆが０となるアンテナ制御電圧を決定するのに、ＲＳＳＩを用いる。

特に、この無線通信装置１は、通信相手先の無線通信装置との間で送信と受信を交互に繰り返す時間多重による通信を行なう。

この時間多重通信は、図８及び図９に示すように、パケットの送信に対して、必ず、所定の時間でパケットの返信をする。図８は、１対１通信におけるマスターMasterとスレーブSlaveの時分割二重通信を示している。マスターからスレーブに所定長さの時間スロットでパケットが送信されると、次の時間スロットでスレーブからマスターにパケットが返信される。もちろん、データを一方的に送る場合でも、相手から応答Acknowledgeの返信がある。

パケット送信のタイミングは、一定間隔とは限らない。また、図８にはブルートゥースの例を挙げるが、通信ネットワーク内でクロック同期している時間スロットには従っているものの、このような同期も必須というわけではない。

図９は、１対多通信におけるマスターと二つのスレーブ１及び２との時分割多重通信を示している。マスターからスレーブ１に所定長さの時間スロットでパケットが送信されると、次の時間スロットでスレーブ１からマスターにパケットが返信される。また、マスターからスレーブ２に所定長さの時間スロットを３個用いてパケットが送信されると、次の時間スロットでスレーブ２からマスターにパケットが返信される。また、次の時間スロットでマスターからスレーブ１にパケットが送信されると、さらに次の時間スロットでスレーブ１からマスターにパケットが送信される。もちろん、所定長さの時間スロット４個分置いた後、マスターからスレーブ２にパケットが送信されたときにも、次の時間スロットでスレーブ２からマスターにパケットが返信される。

以上、時分割二重通信、時分割多重通信においては、パケット送信に対して、必ず、所定長さの時間内でパケットを返信する。上述したように、データを一方的に送る場合でも、相手から応答Acknowledgeの返信がある。

このような、時間多重通信は、ブルゥートゥースやＩＥＥＥ８０２．１１の無線ＬＡＮに用いられている。無線通信装置１は、通信相手先からの通信パケット受信時、測定部１２により、受信信号の強度（ＲＳＳＩ）を測定する。

上記図６の回路ブロックの構成にて、ＣＰＵ５２がアンテナ制御電圧を選択する処理の手順を図１０のフローチャートを用いて説明する。無線通信装置１の周囲の環境は刻一刻と変化する可能性があるため、この図１０の処理は繰り返し行われて、その時々の最適なアンテナ制御電圧値を選ぶことになる。

上述したように受信信号がパケットの形態の場合には、図１１のように、パケットのペイロード（実データ格納部）を受信する前に、パケットのプリアンブル（通信試験）部を受信した段階で図１０の処理を行うことができる。なお、図１１の通信パケットは、ＬＳＢ（Least Significant Bit)側からＭＳＢ(Most Significant Bit)側に向けて、プリアンブル、リンク情報格納部（アドレス、タイミング情報、チャネル情報等）、ペイロード部から構成されている。

パケットのプリアンブル部を受信した段階で、ＣＰＵ５２は図１０のフローチャートのステップＳ１に示すように、アンテナ制御電圧を選択する。これは、データ部でアンテナ制御電圧の選択を行った場合、制御電圧スイープの途中で受信状態が劣化して肝心の受信データを得られない危険があるためである。そこで、パケットのデータ部を受信する前に、プリアンブル部を用いてアンテナ制御電圧の選択を行い、アンテナチューニングがベストな状態にする。そして、ステップＳ２にて信号を受信し、ステップＳ３にてＲＳＳＩ値を算出する。

ステップＳ４では、アンテナ制御電圧とＲＳＳＩ値をＣＰＵ５２に接続された記憶部５３に記憶する。ステップＳ５にて、アンテナ制御電圧のスイープが終了したか否かをチェックし、終了していないと判断（ＮＯ）すればステップＳ６にてアンテナ制御電圧を変更し、ステップＳ２の処理に戻る。

ステップＳ５にて、アンテン制御電圧のスイープが終了したと判断（ＹＥＳ）すればステップＳ７に進んでＲＳＳＩが最大となるアンテナ制御電圧を選択する。そして、この処理を終了する。

このように無線通信装置１は、通信相手先の無線通信装置との間で送信と受信を交互に繰り返す時間多重による通信を行ないながら、通信相手先からの通信パケット受信時、そのパケットの先頭の送信データを含まないプリアンブル部分あるいはヘッダ部分を受信しているときにアンテナ素子のインピーダンスを変動させて、ＲＳＳＩの値が最大となるように、アンテナの可変インピーダンスを最適化している。各通信パケット毎にアンテナのチューニングをチェックできるので、モバイル端末のユーザが動き回ることに対応できる。

ところで、ユーザが動き回りながらモバイル端末を使用しているときには、通信開始時に、アンテナ設定が最悪で通信不可であった場合、どのように通信リンクを確立するのかが問題となる。つまり、データ通信開始時は、アンテナのチューニング状態が初期値、すなわち、実際のアンテナの共振周波数が考慮されていない状態なので、受信状態が悪く受信を確立できない危険がある。

この危険を軽減するために、無線通信装置１は、通信相手先の無線通信装置との通信開始前に低伝送速度のパケットで通信リンクを確立するためにデータのやり取りを行ない、上記通信リンクを確立するためのデータのやり取り時に、測定部１２により上記受信信号の強度ＲＳＳＩを測定してもよい。

データ通信開始前のリンク確立時に伝送レートを低くし、かつ、この時にアンテナチューニングの初期設定をする。下記のシャノンの定理より、伝送レートを低くすることで、通信距離を長くし（感度を高くし）、リンクを確立しやすくすることができることがわかる。すなわち、初期時点でアンテナチューニングが最悪でも通信を確立でき、すぐに、アンテナチューニングを修正できる。

シャノンの定理は、エラー無しで通信可能な伝送レートの原理上の上限値を示すものであり、以下の（２）式で表される。

この（２）式で、Ｃは伝送レート，Ｗは使用周波数帯域幅，Ｓ／Ｎは通信時のＳ／Ｎ比（電力比）である。ここで、Ｓつまり受信できる信号電力は、送信電力を通信距離の２乗に比例して低下させた値で近似できる。また、雑音電力Ｎは自然界や周囲の電子回路から発生する雑音の平均電力レベルだから、通信距離に依存せず一定と仮定すると、シャノンの定理は以下の（３）式のように変形できる。

ここで、Ｐoutは送信電力，Ｒは通信距離，Noiseは単位距離における外界の雑音電力（一定）である。

以上、シャノンの定理により、通信システムの使用周波数帯域幅，送信電力が一定ならば、伝送レートを落とせば通信距離を長くできる。即ち、感度を上げて、通信品質を向上できることがわかる。

データ通信開始前の通信リンク確立の通信を、低伝送速度のパケットで行い、その間にＲＳＳＩが最大となるようなアンテナ制御電圧を選択する。低伝送速度のパケットでは、通信距離、感度が向上することが知られている。通信リンクが確立して、通信が開始できれば、その後は図１０の処理を繰り返せば良い。

このように、無線通信装置１は、通信開始前に低伝送速度のパケットで通信リンクを確立するためにデータのやり取りを行ない、上記通信リンクを確立するためのデータのやり取り時に、上記測定部１２で上記受信信号の強度を測定するようにしてもよい。

前述したように、無線通信アンテナ部（チューナブルアンテナ、又はチューニングアンテナ）３０は、使用するアンテナ素子３０ａと給電線との間に、インピーダンスを可変にするための可変容量部３０ｂを備えている。無線通信装置１の筐体２０の筐体１０に対する状態が変化したことにより、アンテナの共振周波数がずれた、すなわち、アンテナの使用可能周波数帯域がずれた分を、可変容量部３０ｂを用いて、可変インピーダンスの値を調整して元に戻す。

アンテナ素子３０ａの可変インピーダンスの調整には、図１２の（ａ）に示す可変容量３０ｂを調整する場合と、図１２の（ｂ）に示す可変インダクタンス３０ｅを調整する場合があるが、現実的には、可変容量３０ｂを電気的に可変させた方が都合が良い。これは、インダクタンス３０ｅを可変するために、機械的にアンテナ長、又は、アンテナ形状を変化させる機構を設けると、サイズが大きくなってしまい、現在のモバイル端末の小型の要求トレンドに逆行してしまうためで、電気的に可変させる場合、後述のように、容量変化の方が容易である。

図１３の（ａ）は、ＰＩＮダイオードＤ１のスイッチングによって容量を変化させて共振周波数ｆ０を調整する具体例である。λ／４線路と給電点との間にＣ１を接続し、Ｃ２とＰＩＮダイオードＤ１とをＣ１に並列になるように接地との間に接続している。Ｃ２とＤ１との間にはチョークコイルＬ１があり、このチョークコイルＬ１と接地との間にバイパスコンデンサＣ３がある。ここで、ＰＩＮダイオードＤ１はON時の容量が無視できるくらい小さく、かつ、ON抵抗も小さい物が望ましい。また、チョークコイルＬ１とバイパスコンデンサＣ３は、このアンテナ回路と制御電源（可変直流電圧源）との間を交流的にOPENにして、電源に高周波信号が漏れることを防ぐ。

この回路に可変直流電圧源から制御電圧Ｖを印可したときのアンテナ等価回路を、ＰＩＮダイオードＤ１をOFFにした場合と、ONにした場合に分けて、図１３の（ｂ）、図１３の（ｃ）に示す。

図１３の（ｂ）によれば、制御電圧Ｖを加え、ＰＩＮダイオードＤ１をOFFの場合は、アンテナの共振周波数に影響する容量は、アンテナ・エレメント自身の容量Ｃｅとそれに直列接続されているコンデンサＣ１だけで、アンテナの共振周波数ｆ０は、（４）式となる。

このとき、トータルの容量は、（５）式となる。

一方、図１３の（ｃ）に示すＰＩＮダイオードＤ１がOFFの場合には、ＣｅとＣ１に、Ｃ２が、Ｃｅと並列に加わり、共振周波数ｆ0は、（６）式となる。

また、トータルの容量は、（７）式となる。

このように、容量が増加して、結果として、図１３の（ｂ）のときのＰＩＮダイオードＤ１がOFFの時よりも共振周波数ｆ0は低くなる。

モバイル端末の筺体が図５の（ａ）から図５の（ｂ）のように状態変化することで、図６のように、アンテナの共振周波数がf_0Aからf_0Bへと、アンテナの使用可能周波数帯域幅も、f_1A−f_2Aからf_1B−f_2Bへと、共に低い方にスイープすると前述したが、ここで、図５（a）の状態でPINダイオードがONとなり、図５（b）の状態でPINダイオードがOFFになるようにすれば、Ｃｅ，Ｃ１，Ｃ２の値を適当に選定すれば、筺体の状態変化によるアンテナ共振周波数、及び、使用可能周波数帯域幅の変化を相殺できる。

もちろん、周知のように、ＰＩＮダイオードのスイッチングをＦＥＴスイッチで行うことも可能である。

次に、可変容量ダイオード（バリキャップ）を用いて、アンテナの容量可変を行う具体例について図１４を参照して説明する。図１４の（ａ）は、可変容量ダイオードによって容量を変化させて共振周波数ｆ0を調整する具体例である。λ／４線路と給電点との間にＣ４とＣ５を接続し、その接続点と接地との間に可変容量ダイオードＤ２をＣ５に対して並列に接続している。またＣ４とＣ５との間にはチョークコイルＬ２があり、このチョークコイルＬ２と接地との間にバイパスコンデンサＣ６がある。

可変容量ダイオードＤ２は、印加する電圧（逆電圧）によって、ＰＮ接合の空ぼう層が変化して容量を可変できる素子である。この場合も、ＰＩＮダイオードを使用した具体例と同様に、可変容量によって筺体の状態変化によるアンテナの容量変化を相殺することで、アンテナの共振周波数と使用可能周波数帯域幅のズレを補正することができる。

図１４の（ｂ）はアンテナ等価回路である。アンテナ・エレメントの容量Ｃｅ、コンデンサＣ４，Ｃ５,可変容量ダイオードＤ２の容量ＣDの合成容量Ｃsubでアンテナの共振周波数が決定される。ＣDが制御電圧（可変直流電圧源）Ｖで変化することで、アンテナの共振周波数と使用可能周波数帯域幅を動かすことができる。制御電圧Ｖが高いとＣDは小さくなり、周波数は高い方に動く。アンテナの共振周波数ｆ0は、（８）式となる。

また、合成容量Ｃsubとトータルの容量Ｃtotalは（９）のようになる。

この（９）式において、Ｃ４，Ｃ５は直流電流カットの役目も兼ねる。Ｄ２は可変容量ダイオードで、Ｌ２はチョークコイルでＣ６はバイパスコンデンサである。

以上に説明したように、無線通信装置１は、検出部１１からのスイッチオン信号又はスイッチオフ信号に応じて、アンテナ素子３０ａと給電線に接続された可変容量３０ｂを変化することにより、可変インピーダンスを制御し、アンテナの周波数特性を補正する。つまり、無線通信装置１は、非常に簡単な原理でアンテナの共振周波数、ＶＳＷＲ、放射効率等の周波数特性を補正できる。これは、筐体がどの状態にある場合に可変インピーダンスはどのような値をとるべきという事前データをテーブルなどに用意しておくことで実現可能である。

また、測定部１２から受け取ったＲＳＳＩ信号に応じて、アンテナ素子３０ａと給電線に接続された可変容量３０ｂを変化することにより、可変インピーダンスを制御し、アンテナの周波数特性を補正する。
無線通信装置１は、通信相手先装置４０との間で送信と受信を交互に繰り返す時間多重による通信を行ない、通信相手先装置４０からの通信パケット受信時に測定部１２でＲＳＳＩを測定する。この場合、無線通信装置１がモバイル端末であると、ユーザが動き回りながらも、各通信パケット毎にアンテナのチューニングをチャックできる。

また、無線通信装置１は、通信相手先装置４０との通信開始前に低伝送速度のパケットで通信リンクを確立するためにデータのやり取りを行ない、上記通信リンクを確立するためのデータのやり取り時に、測定部１２でＲＳＳＩを測定してもよい。この場合、無線通信装置１は、初期時点でアンテナチューニングが最悪でも通信を確立でき、すぐに、アンテナチューニングを修正できる。

本発明の実施の形態の無線通信装置の概観図である。無線通信装置の内部構成図である。検出部の具体例である状態判別スイッチの第１具体例を示す側面図である。検出部の具体例である状態判別スイッチの第２具体例を示す側面図である。ＲＳＳＩの回路図である。測定部にＲＳＳＩを用いた無線通信装置の具体例の構成図である。チューニングアンテナの特性曲線が瞬間的に変化することを示す特性図である。１対１通信におけるマスターMasterとスレーブSlaveの時分割二重通信を示す図である。１対多通信におけるマスターと二つのスレーブ１及び２との時分割多重通信を示す図である。アンテナ制御電圧を選択する処理の手順を示すフローチャートである。通信パケットのフォーマット図である。アンテナ素子ａの可変インピーダンスの調整例を示す図である。ＰＩＮダイオードのスイッチングによって容量を変化させて共振周波数ｆ0を調整する具体例の構成図である。可変容量ダイオード（バリキャップ）を用いて、アンテナの容量可変を行う具体例の構成図である。非平衡給電型アンテナ（λ/4長アンテナ）の説明図である。平衡給電型アンテナ（λ/2長アンテナ）の説明図である。集中定数等価回路図である。アンテナの周波数対ＶＳＷＲ特性を示す図である。携帯情報端末（ＰＤＡ）の複数の使用状態を示す図である。通信機器の筐体の開閉状態によって、アンテナのＶＳＷＲが変化する様子を示す周波数対ＶＳＷＲ特性図である。

符号の説明

１無線通信装置、１０本体部、１１検出部、１２測定部、１３制御部、２０蓋体部、３０無線通信アンテナ部、３０ａアンテナ素子、３０ｂ容量可変部

Claims

本体部の筐体に対して開閉可能とされた他の筐体を備え、かついずれかの筐体に無線通信アンテナを内蔵してなり、通信相手先装置との間で通信を行なう無線通信装置において、
上記無線通信アンテナを内蔵した筐体の状態変化を検出する検出手段と、
上記通信相手先装置との通信時に受信信号の強度を測定する測定手段と、
上記検出手段によって検出された上記筐体の状態変化と上記測定手段によって測定された上記受信信号強度に基づいて上記無線通信アンテナの可変インピーダンスを制御する制御手段と
を備えることを特徴とする無線通信装置。
上記通信相手先装置との間で送信と受信を交互に繰り返す時間多重による通信を行なう無線通信装置であり、上記通信相手先装置からの通信パケット受信時に上記測定手段で上記受信信号の強度を測定することを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
上記通信相手先装置との通信開始前に低伝送速度のパケットで通信リンクを確立するためにデータのやり取りを行なう無線通信装置であり、上記通信リンクを確立するためのデータのやり取り時に、上記測定手段で上記受信信号の強度を測定することを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。