JP2007143031A - アンテナ整合回路 - Google Patents

Abstract

【課題】携帯電話機のアンテナ整合回路を簡単な構成で高品質な通話を可能にする。
【解決手段】携帯電話機のRSSIレベルを、アナログコンパレータ回路４で基準レベルと比較する。比較結果信号を、ロジック回路５へ送る。RSSIレベルが基準レベルを下回った場合には、ロジック回路５により切換スイッチ２を制御して、最適な通話状態が得られる整合手段３を選択して、アンテナ１を接続する。制御用CPUを介さずに独立して動作させ、CPUの負担を減らす。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電話機のアンテナ整合回路に関し、特に、アンテナのインピーダンスなどを無線回路に整合させるための簡単なハードウエアのみで構成したアンテナ整合回路に関する。

携帯電話機においては、受信入力レベルを最大にするために、受信回路の入力インピーダンスをアンテナのインピーダンスに整合させるアンテナ整合回路を使用している。ところが、携帯電話機は人間が直接手に持って使用するため、小型軽量化した携帯電話機では、通話中の人体とアンテナとの距離が非常に短くなっているため、人体や物体の影響によって、アンテナのインピーダンスなどが変化する。通話中に送受信回路とアンテナとのインピーダンス不整合などが起こる。その結果、受信入力レベルが低下して、弱電界地域では通話中に音声が途切れる。

そこで、アンテナのインピーダンス変化を吸収するインピーダンス整合回路を設けて、受信入力レベルの低下を最小に抑え、通話品質の劣化を防止している。具体的には、例えば、受信入力レベルが下がると、可変リアクタンス素子のリアクタンスを変えてインピーダンス整合を行う。あるいは、複数のインピーダンス整合回路の中から１つを選択する。また、アンテナからの送信電力レベルが最大となるように、複数のインピーダンス整合回路の中から１つを選択する。あるいはまた、人体が接触していることを検出した場合に、インピーダンス整合回路を切り換える。以下、これに関連する従来技術の例をいくつかあげる。

特許文献１に開示された「アンテナシステム」は、携帯用受信機と整合をとるアンテナシステムである。図７（ａ）に示すように、受信機への入力レベルが最大となる様に、インピーダンス整合回路に挿入した可変リアクタンス素子のリアクタンス値を制御する。人体等がアンテナの近傍に来ることによって生ずるアンテナ・インピーダンスの変化を、自動的に吸収する。アンテナと受信機との間のインピーダンスの不整合によるレベルの低下を最小にすることができるので、通話不能は殆どなくなる。

特許文献２に開示された「移動無線端末装置」は、簡易な構成で、安定かつ高品質の通信を行うことが可能な移動無線端末装置である。図７（ｂ）に示すように、人体が移動無線端末装置に接触している場合に、人体接触認識部が制御部に、人体の接触を表す旨の信号を出力する。この信号を入力した制御部は、記憶部に記憶されているRSSI（Received Signal Strength Indicator：受信電界強度表示）のレベルと、現在受信しているRSSIのレベルとを比較した上で、スイッチにマッチング回路とマッチング補正回路との間の接続を切り換えるための切換信号を出力する。これにより、インピーダンスの整合を行い、インピーダンスの急激な変化に対する通話品質の向上を図る。

特許文献３に開示された「アンテナ回路」は、アンテナに人体が接触してアンテナの利得が低下しても、常に安定したアンテナ利得が得られ、通信品質を向上できるアンテナ回路である。図７（ｃ）に示すように、送信時に送信部の送信電力を自動レベル制御回路により一定に制御した状態で、制御部の制御によりスイッチの切換制御を行って、インピーダンスの異なる複数個のマッチング回路を順次選択して送信部の送信電力を送受切換部、選択されたマッチング回路、スイッチを通してアンテナに給電し、アンテナの送信電力のレベルを選択された各マッチング回路に対応させてレベル検出部で検出して制御部に転送する。制御部では、検出された送信電力レベルの最大送信電力レベルに対応するマッチング回路を選択するようにスイッチの切換制御を行う。

特許文献４に開示された「アンテナ・インピーダンス変化の補償可能な携帯電話機」は、体の接近・接触に起因するアンテナのインピーダンス値の変化を、人体の接触・接近を認識する特別な手段を設けることなく抑制・解消できるようにしたものである。図７（ｄ）に示すように、アンテナと無線部の間に設置されるアンテナ共用器に、異なるインピーダンス値を持つインピーダンス整合回路と、それら両回路を選択するスイッチを設ける。制御部の受信信号処理回路は、受信信号を復調して得た音声信号を増幅する音声信号増幅回路を持つので、スイッチの動作をその音声信号増幅回路の動作の開始および停止に連動させる。こうして通話の有無、即ち音声信号増幅回路の動作・停止に応じて使用するインピーダンス整合回路が切り換えられる。

特許文献５に開示された「アンテナ整合装置」は、携帯電話等に搭載されるアンテナ装置が、人体近接時に生じるインピーダンスの不整合を短時間で解消し、インピーダンスの不整合による電力損失を低減するものである。図７（ｅ）に示すように、送信用アンテナ素子にインピーダンス調整用の可変容量コンデンサが、受信用アンテナ素子には可変容量コンデンサがそれぞれ接続されている。インピーダンス整合状態となる各可変容量コンデンサの容量値を、アンテナ素子と人体との距離に対応させて、予めテーブルに用意して、記憶部に記憶しておく。送信用アンテナ素子又は受信用アンテナ素子のいずれかについて、適応制御処理を終わらせる。そのときの容量値に対応する他の容量値をテーブルから読み出し、読み出した値を初期値として、他のアンテナ素子について適応制御処理を行う。
特開昭61-135235号公報 特開平11-136157号公報 特開平11-145852号公報 特開平2001-77719号公報 特開平2005-64948号公報

しかし、従来のアンテナ・インピーダンス整合回路では、次のような問題がある。複雑なハードウエアやソフトウエアによりインピーダンス整合を行っているので、コストがかかるとともに、携帯電話機の小型化を妨げることになる。また、携帯端末が人体に接触しないと整合回路を切り換えない方式では、待ち受け状態で机などによりインピーダンス不整合になった場合は動作しない。

本発明の目的は、上記従来の問題を解決して、携帯電話機のアンテナ整合回路において、簡単な構成で高品質な通話を可能にすることである。

上記の課題を解決するために、本発明では、特性の異なる複数の整合手段と、整合手段の１つを選択する切換スイッチとを具備する携帯電話機のアンテナ整合回路に、受信信号レベルと基準レベルを比較する比較回路と、比較回路の比較結果に応じて、最良の通信状態が得られる整合手段を選択するように切換スイッチを制御するロジック回路とを備えた構成とした。

上記のように構成したことにより、携帯電話機におけるアンテナ整合のための一連の動作を、制御用CPUを介さずに独立して動作させることができ、CPUの負担を減らして高品質な通話を実現できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１〜図６を参照しながら詳細に説明する。

本発明の実施例１は、受信信号レベルが基準レベルを下回った場合に、アンテナの共振周波数を上げる方向に整合手段を切り換えるアンテナ整合回路である。

図１は、本発明の実施例１におけるアンテナ整合回路の概念図である。図２は、コンデンサを切り換える整合手段の回路である。図１と図２において、アンテナ１は、電波を送受信する空中線素子である。切換スイッチ２は、整合手段を切り換えるスイッチである。整合手段３は、アンテナの同調周波数やインピーダンスを変える回路である。アナログコンパレータ回路４は、RSSIレベルと基準レベルを比較する回路である。ロジック回路５は、比較結果に応じて切換スイッチを制御する回路である。コンデンサ６は、アンテナの共振周波数やインピーダンスを変える素子である。図３は、アンテナの整合状態を示す模式図である。図４は、アンテナ整合回路の動作手順を示す流れ図である。

上記のように構成された本発明の実施例１におけるアンテナ整合回路の動作を説明する。最初に、アンテナ整合回路の動作原理を説明する。携帯電話の受信信号電圧（RSSIレベル）により、通信状態を判断する。受信信号電圧に応じて、整合手段を切り換えて、インピーダンス整合状態を良好に保ち、品質の高い通信を実現する。整合手段を切り換える判断のために、基準レベルを使用する。基準レベルの値は、携帯電話の使用状況を想定した実験から得られる結果に基づいて設定する。

次に、図１を参照しながら、アンテナ整合回路の動作の概要を説明する。RSSIレベルと基準レベルを、アナログコンパレータ回路４で比較する。比較結果信号をロジック回路５へ送る。ロジック回路５により、比較結果信号をチェックし、受信レベルが基準レベルを上回っていたら、一定時間は何もしない。受信レベルが基準レベルを下回っていたら、切換スイッチ２を制御して、最適な通話が得られる整合手段を選択して、それにアンテナを接続するように切り換える。この一連の動作は、制御用CPUを介さずに行う。ハードウエア回路で独立して動作させることで、CPUの負担を減らす。

次に、図２と図３を参照しながら、整合手段の切換方法を説明する。アンテナに例えば人体が近付くと、図３（ａ）に示すように、アンテナの共振周波数が下がる。受信搬送波周波数とアンテナ共振周波数がずれるので、SWRが劣化する。アンテナを人体や机に近づけると、場合によっては、SWRは著しく劣化する。整合手段を選択して、常にSWRが最適な状態になるようにする。受信レベルが基準レベルを下回っていたら、人体などが接近してアンテナの共振周波数が下がったものと判断して、整合手段の容量を減らして、アンテナの共振周波数が搬送波周波数に近付くように、共振周波数を上げる方向に切り換える。その結果、受信レベルが基準レベルを上回ったら、タイマにより一定時間切換えを行わない。タイマの時間長は目的に応じて任意に設定する。整合手段を、受信レベルの状態かタイマのいずれかによって切り換える。このようなタイマを設けたのは、強電界地域等において整合手段が切り換わらない状態が継続した場合等に強制的に切り換えて、最適な整合手段を選択するためである。

携帯電話の受信信号レベルにより、複数の整合手段のうちから、最良の通信状態が得られる整合手段を選択する。通信の状態の判定は、RSSIレベルを使用する。人体や物体がアンテナに近付くと、アンテナ・インピーダンスの容量成分が増えるので、容量成分を減らすか誘導成分を増やす。基準レベルを下回った場合には、次のアンテナ整合回路に順次切り換える。どのアンテナ整合回路を選択しても、受信レベルが基準レベルを下回る場合には、すべての整合手段を順繰りに切り換える。あるいは、電波の弱い地域に居るという判断をして、基準整合手段を選択して、一定時間待つようにしてもよい。

次に、図１と図４を参照しながら、整合手段が３つの場合の動作手順を説明する。整合手段が４つ以上の場合も同様にして実現できる。ステップ１で、携帯電話の電源を投入する。ステップ２で、基準となる整合手段Ａを選択するよう、ロジック回路を動作させる。ステップ３で、タイマをセットする。ステップ４で、受信レベルが基準レベル以上か否か調べる。ステップ５で、受信レベルが基準レベル以上ならば、ステップ６で、タイムアップかどうか調べる。タイムアップでなければ、ステップ４に戻る。受信レベルが基準レベル未満かタイムアップならば、ステップ７で、タイマをセットする。

ステップ８で、整合手段Ｂに切り換えるように、ロジック回路を動作させる。整合手段Ｂは、整合回路Ａよりアンテナの共振周波数を上げる整合回路である。ステップ９で、受信レベルが基準レベル以上か否かを調べる。ステップ10で、受信レベルが基準レベル以上ならば、ステップ11で、タイムアップかどうか調べる。タイムアップでなければ、ステップ９に戻る。受信レベルが基準レベル未満かタイムアップならば、ステップ12で、タイマをセットする。ステップ13で、整合手段Ｃに切り換えるように、ロジック回路を動作させる。整合手段Ｃは、整合回路Ｂよりアンテナの共振周波数を上げる整合回路である。ステップ14で、受信レベルが基準レベル以上か否かを調べる。ステップ15で、受信レベルが基準レベル以上ならば、ステップ16で、タイムアップかどうか調べる。タイムアップでなければ、ステップ14に戻る。受信レベルが基準レベル未満かタイムアップならば、ステップ17で、基準となる整合手段Ａを選択するよう、ロジック回路を動作させる。ステップ18で、タイマをセットし、ステップ４に戻る。

整合手段Ａで受信レベルが基準レベル以上ならば、ステップ１、２（Ａ）、３、４、５、６、４、・・・、６、７、８（Ｂ）、９、10、12、13（Ｃ）、14、15、17（Ａ）、18、４を経るループとなり、整合手段ＡとＢとＣが順繰りに選択される。整合手段Ａの期間が長い。整合手段Ａでは受信レベルが基準レベル未満だが、整合手段Ｂでは基準レベル以上となる場合は、ステップ１、２（Ａ）、３、４、５、７、８（Ｂ）、９、10、11、９、・・・、11、12、13（Ｃ）、14、15、17（Ａ）、18、４を経るループとなり、整合手段ＡとＢとＣが順繰りに選択される。整合手段Ｂの期間が長い。整合手段ＡとＢでは受信レベルが基準レベル未満だが、整合手段Ｃでは基準レベル以上となる場合は、ステップ１、２（Ａ）、３、４、５、７、８（Ｂ）、９、10、12、13（Ｃ）、14、15、16、14、・・・、16、17（Ａ）、18、４を経るループとなり、整合手段ＡとＢとＣが順繰りに選択される。整合手段Ｃの期間が長い。

上記のように、本発明の実施例１では、アンテナ整合回路を、受信信号レベルが基準レベルを下回った場合に、アンテナの共振周波数を上げる方向に整合手段を切り換えてSWRが最適な状態になるような構成としたので、高品質な通話を実現できる。

本発明の実施例２は、受信信号レベルが基準レベルを下回った場合に、共振周波数を上げる方向と下げる方向に整合手段を切り換えて、受信信号レベルが基準レベルを上回る方を選択するアンテナ整合回路である。

本発明の実施例２におけるアンテナ整合回路の基本的な構成は、実施例１と同様である。実施例２では、整合手段の切換方法が実施例１と異なる。図５は本発明の実施例２におけるアンテナ整合回路によるアンテナの整合状態を示す模式図である。図６は、アンテナ整合回路の動作手順を示す流れ図である。

本発明の実施例２におけるアンテナ整合回路の動作を説明する。携帯電話機を人体に非常に接近させた場合と、少し離した場合とでは、図５（ａ）に示すように、アンテナの共振周波数やインピーダンスがかなり異なる。人体に強く接近した状態に合わせて整合手段で補正した状態から、人体を少し離した状態になると、アンテナの共振周波数が上がり過ぎて、図５（ｂ）に示すように、SWRが大きくなる。この場合は、共振周波数を下げる方向に補正する必要がある。いずれの場合にも最適な整合状態を実現するためには、アンテナの共振周波数やインピーダンスの上下変化に追随するように、整合手段を切り換える必要がある。そのために、整合手段を両方向に切り換えて受信レベルを調べ、いずれかを選択する。

受信レベルが基準レベルを下回ると、人体などが接近してアンテナの共振周波数が下がったものと判断して、共振周波数を上げ方向に切り換える。受信レベルをチェックして、受信レベルが基準レベルを下回ったままであれば、人体などが離れてアンテナの共振周波数が上がったものと判断して、共振周波数を下げる方向に切り換える。その結果、受信レベルが基準レベルを上回ったら、タイマにより一定時間切換えを行わない。受信レベルが基準レベルを下回ったままであれば、基準の整合手段とその上下の整合手段を順繰りに切り換える。電界強度が不足していると判断して、基準の整合手段を選択して、一定時間待つようにしてもよい。

次に、図６を参照しながら、整合手段が３つの場合の動作手順を説明する。整合手段が４つ以上の場合は、基準レベル以上となった整合手段を基準の整合手段に変更することで、同様にして実現できる。ステップ１で、携帯電話の電源を投入する。ステップ２で、基準となる整合手段を選択するよう、ロジック回路を動作させる。ステップ３で、タイマをセットする。タイマの時間長は目的に応じて任意に設定する。ステップ４で、受信レベルが基準レベル以上か否か調べる。ステップ５で、受信レベルが基準レベル以上ならば、ステップ６で、タイムアップかどうか調べる。タイムアップでなければ、ステップ４に戻る。受信レベルが基準レベル未満かタイムアップならば、ステップ７で、タイマをセットする。ステップ８で、上方向（アンテナの共振周波数を上げる方向）に切り換えるように、ロジック回路を動作させる。

ステップ９で、受信レベルが基準レベル以上か否か調べる。ステップ10で、受信レベルが基準レベル以上ならば、ステップ11で、タイムアップかどうか調べる。タイムアップでなければ、ステップ９に戻る。受信レベルが基準レベル未満かタイムアップならば、ステップ12で、タイマをセットする。ステップ13で、下方向（アンテナの共振周波数を下げる方向）に切り換えるように、ロジック回路を動作させる。ステップ14で、受信レベルが基準レベル以上か否か調べる。ステップ15で、受信レベルが基準レベル以上ならば、ステップ16で、タイムアップかどうか調べる。タイムアップでなければ、ステップ14に戻る。受信レベルが基準レベル未満かタイムアップならば、ステップ17で、基準となる整合手段を選択するよう、ロジック回路を動作させる。ステップ18で、タイマをセットして、ステップ４に戻る。

基準となる整合手段で受信レベルが基準レベル以上ならば、ステップ１、２（基）、３、４、５、６、４、・・・、６、７、８（上）、９、10、12、13（下）、14、15、17（基）、18、４を経るループとなり、基準となる整合手段（長い）とその上の整合手段とその下の整合手段が順繰りに選択される。基準となる整合手段の期間が長い。基準となる整合手段では受信レベルが基準レベル未満だが、その上の整合手段では基準レベル以上となる場合は、ステップ１、２（基）、３、４、５、７、８（上）、９、10、11、９、・・・、11、12、13（下）、14、15、17（基）、18、４を経るループとなり、基準となる整合手段とその上の整合手段（長い）とその下の整合手段が順繰りに選択される。基準の上の整合手段の期間が長い。基準となる整合手段とその上の整合手段では受信レベルが基準レベル未満だが、その下の整合手段では基準レベル以上となる場合は、ステップ１、２（基）、３、４、５、７、８（上）、９、10、12、13（下）、14、15、16、14、・・・、16、17（基）、18、４を経るループとなり、基準となる整合手段とその上の整合手段とその下の整合手段（長い）が順繰りに選択される。基準の下の整合手段の期間が長い。

上記のように、本発明の実施例２では、アンテナ整合回路を、受信信号レベルが基準レベルを下回った場合に、共振周波数を上げる方向と下げる方向に整合手段を切り換えて、受信信号レベルが基準レベルを上回る方を選択し、SWRが最適な状態になるような構成としたので、高品質な通話を実現できる。

本発明のアンテナ整合回路は、携帯電話機の受信レベルを一定に保つためのアンテナ整合回路として最適である。

本発明の実施例１におけるアンテナ整合回路の概念図である。 本発明の実施例１におけるアンテナ整合回路の具体的な回路である。 本発明の実施例１におけるアンテナ整合回路によるアンテナの整合状態を示す模式図である。 本発明の実施例１におけるアンテナ整合回路の動作手順を示す流れ図である。 本発明の実施例２におけるアンテナ整合回路によるアンテナの整合状態を示す模式図である。 本発明の実施例２におけるアンテナ整合回路の動作手順を示す流れ図である。 従来のアンテナ整合回路の概念図である。

符号の説明

１ アンテナ
２ 切換スイッチ
３ 整合手段
４ アナログコンパレータ回路
５ ロジック回路
６ コンデンサ

Claims (5)

1. 特性の異なる複数の整合手段と、前記整合手段の１つを選択する切換スイッチとを具備する携帯電話機のアンテナ整合回路において、受信信号レベルと基準レベルを比較する比較回路と、前記比較回路の比較結果に応じて、最良の通信状態が得られる整合手段を選択するように前記切換スイッチを制御するロジック回路とを備えたことを特徴とするアンテナ整合回路。
2. 受信信号レベルとして、ＲＳＳＩレベルを利用することを特徴とする請求項１記載のアンテナ整合回路。
3. 前記ロジック回路に、いずれの整合手段を選択しても、受信信号レベルが基準レベルを下回る場合には、特定の整合手段を選択する手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ整合回路。
4. 前記ロジック回路に、受信信号レベルが基準レベルを下回った場合に、アンテナの共振周波数を上げる方向に前記整合手段を切り換える手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ整合回路。
5. 前記ロジック回路に、受信信号レベルが基準レベルを下回った場合に、アンテナの共振周波数を上げる方向と下げる方向の両方向に前記整合手段を切り換える手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ整合回路。
   

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