JP2008022139A - 無線端末装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】従来は、二つの回路基板を有しその間での電気信号を送受信する導体に電気回路を装荷して、アンテナ特性が良好となる特性を決定するが、導体の信号波形を歪ませる、表示画面の質を悪くする、通信電波の受信感度を劣化させる等の問題がある。
【解決手段】複数の地導体と前記複数の地導体間をそれぞれ接続する接続導体と、前記複数の地導体の少なくとも一つの地導体の近傍に配置され、電磁放射機能を有する放射導体と、前記地導体と前記放射導体との間に電圧を印加できる回路と、前記接続導体に近接して配置されるとともに、一部が前記地導体の何れかに接続された結合導体を備える。
【選択図】図1

Description

この発明は、二つ以上の複数の地導体と、これら地導体間をそれぞれ接続する接続導体を有する無線端末装置に関するもので、特に携帯電話、PDA(Personal Digital Assistant)等の携帯の移動体通信端末に関するものである。
図1(a)に無線端末装置の一種である、二つの筐体2、3を有するスライド式構造の携帯電話機1の一例を模式的な斜視図により示す。また、図1(b)、図1(c)は図1(a)から筐体2、3を取り外した内部の概略側断面図と正面図である。
この携帯電話機1はスライド式構造であり、筐体2が筐体3に対して略平行にスライドして移動するものであり、これらの各筐体2、3にはそれぞれ図1(b)に示す回路基板4、5が内蔵されていて、回路基板4もしくは回路基板5のどちらか一方、この実施の形態では回路基板5に放射素子6と給電部7が構成されている。
また、回路基板4と回路基板5とは、信号伝送導体群8を介して接続されている。
この信号伝送導体群8の断面図を図1(d)に示す。
放射素子6と回路基板5の導体部との間に給電部7により電圧を印加することによって回路基板4、5の導体部には高周波電流が誘起される。この誘起された高周波電流により回路基板の導体部から電磁界が放射される。一般に携帯電話のような移動体無線端末装置では、このように回路基板の導体部からの放射を利用し、放射素子と回路基板を含めてアンテナとし、最適な利得を得るような手法が用いられる。
回路基板の導体からの放射を良好とさせるために、図6で示している特開2004−40524号公報に記載のように二つの回路基板を共振回路のインピーダンスによって変化させ、利得が良好となるようにする手法がある。
特開2004−40524号公報
特開2004−40524号公報に記載の方法は、二つの回路基板間で電気信号を送受信するための信号伝送導体群そのものに適当な電気回路を装荷し、アンテナ特性が良好となるよう、言いかえれば各回路基板に流れる電流分布(振幅、位相)が最適となるように、その電気回路の特性を決定する方法である。しかしながら、これに類する方法は、前記信号伝送導体群を伝送する制御信号の信号波形を歪ませたり、アンテナから放射される電磁波と前記回路基板に構成される電気・電子回路との分離度(アイソレーション)を低下させ、表示画面への質を悪くしたり、通信電波の受信感度を劣化させる場合がしばしばある。従って、信号伝送導体群そのものに装荷する電気回路の特性を、必ずしもアンテナ特性が良好となるように選定できないという問題がある。また、信号伝送導体群を構成する導体すべてに電気回路を装荷する必要がある場合には、比較的広い回路実装面積が必要になり、端末装置が大型化してしまうという問題がある。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものである。
この発明に係る無線端末装置は、複数の地導体と前記複数の地導体間をそれぞれ接続する接続導体と、前記複数の地導体の少なくとも一つの地導体の近傍に配置され、電磁放射機能を有する放射導体と、前記地導体と前記放射導体との間に電圧を印加できる回路と、前記接続導体に近接して配置されるとともに、一部が前記地導体の何れかに接続された結合導体を備える。
この発明に係る無線端末装置によれば、複数の回路基板の地導体間の電気信号送受のために設けられている接続導体に近接して結合導体を設けることによって、機構設計やデザイン設計からほぼ決定してしまう地導体間の結合インピーダンスを制御することが可能となる。即ち接続導体とこれに近接する結合導体の電磁結合を利用し、インピーダンスの最適化を行い動作周波数の広帯域化を実現できる。また、結合導体の配置方法は地導体を保持する筐体に貼り付けるなど、構造が比較的簡単で、結合導体の追加における無線端末装置全体の寸法変化を必要としない利点を有する。
実施の形態1.
以下に、この発明の実施の形態1に係る無線端末装置について図1〜図3を用いて説明する。
実施の形態1に係る無線端末装置はスライド式の携帯電話機であり、図1(a)に示されるように、この携帯電話機1は筐体2、3を有し、筐体2は筐体3に対して略平行にスライドして移動可能であり、その移動量をスライド量Lsと定義する。また、これら筐体2,3を取り除いたときの概略側断面図を図1(b)に、正面図を図1(c)に示す。
筐体2に内蔵される回路基板4と筐体3に内蔵される回路基板5とは、信号伝送導体群8を介して接続されている。信号伝送導体群8の断面の一例を図1(d)に示す。信号伝送導体群8は、複数の細い導体8aと、この細導体8aの両側に設けられた比較的幅の広い導体8bおよび8cから成り、電気信号は幅広導体8bと8cの間の領域を伝送する。幅広導体8bおよび8cは回路基板4および5の基準電位を有する導体部(グランド)に接続されている。通常、複数の細導体8aのうち数本は、幅広導体8bあるいは8cに接続されているが、必ずしも幅広導体8bと8cが必要というわけではない。一般的ではないが、幅広導体8bあるいは8cのどちらか一方あるいは両方が存在しなく、細導体8aのみの場合も考えられる。信号伝送導体群8は、筐体2の移動に応じて、柔軟に変形しなければならないので、フレキシブルプリント基板(FPC)や複数の細いフレキシブル同軸線路で構成されるのが一般的である。
また、回路基板4、5には液晶画面などの表示手段、スピーカー、マイク、入力キー、カメラ、カメラ制御回路、端末操作回路やスピーカー動作回路、非接触ICカード、放射素子、基地局と通信するための送受信回路、通信動作などを制御するための制御回路が分散して設けられている。信号伝送導体群8は、回路基板4に実装された回路と回路基板5に実装された回路との間の電気信号送受のために設けられている。
放射素子6は1つ以上の導体から成るもので、所望の周波数付近で共振する内蔵型の放射素子や突起タイプの放射素子(ホイップアンテナ)など様々な構成があり、通信に使用する周波数帯域で良好に動作すれば任意の構成でよい。
図1(b)および図3(a)に示される結合導体9は信号伝送導体群8に近接して設けられることによって、放射素子6と回路基板5の結合、放射素子6と回路基板4の結合および回路基板5と回路基板4の結合の全てを考慮した結合インピーダンスZの最適化を実施する。
次に、この発明の手段である結合導体9を用いなかった場合の動作と特性を説明する。図2(a)に示す給電点7に給電すると、放射素子6と回路基板5の導体部に電流が流れる。回路基板5の導体部に流入した電流の一部は信号伝送導体群8に流入し、さらにその電流は回路基板4の導体部に流入する。また、放射素子6と回路基板4が近接している場合には、放射素子6上の電荷移動に共なって回路基板4に電荷移動、即ち電流が流れる。また、回路基板5と回路基板4とが近接している場合には、これらの間に電磁結合が生じる。これらの結合をすべて考慮した等価インピーダンスをZとすると、図2(a)の構造は電気的に図2(b)のように表すことができる。前記等価インピーダンスZの値は、信号伝送導体群8の位置と形状、回路基板5と回路基板4との間隔、回路基板5と回路基板4とが投影的に重なる部分の面積など、様々な要因によって変化する。従って、給電点7からみたアンテナインピーダンスは、前記要因によって変化すると考えられる。
図7は、図1(b)に示すスライド量Lsと、VSWR(Voltage Standing Wave Raito)・周波数特性との関係を示している。Loは任意の長さを表しており、ここではLo=60mmとしている。このように、スライド量Lsの値を適切に選定することで、アンテナの動作帯域を広げることが可能である。同様に、信号伝送導体群8の形状(長さ、幅など)を適当に選定することによっても、アンテナの動作帯域を広げることが可能である。
しかし、信号伝送導体群8の形状(長さ、幅)は収納性、耐久性など機構設計の観点からほぼ決定され、電気設計者が良好な特性を得られるようにそれらを決定することは困難である。また、スライド量Lsは、ユーザーの利便性などの商品企画や、外観の観点からほぼ決定されるのであって、電気設計者がスライド量Lsを任意に選定することは困難である。
この発明は、図1(b)および図3(a)に示すように、結合導体9を信号伝送導体群8に近接して設けることによって、結合インピーダンスZの最適化を実施するものである。
信号伝送導体群8に電流が流れるということは、信号伝送導体群8に電荷移動が生じていることに他ならない。信号伝送導体群8と結合導体9とが波長に比べて十分小さい距離を隔てて配置されている場合、信号伝送導体群8の電荷のクーロン引力によって、結合導体9上に反対符号の電荷が移動していく。即ち、結合導体9に電流が誘起され、信号伝送導体群8と結合導体9とはインピーダンスZ'で結合される。結局、回路基板5と回路基板4との元々の結合インピーダンスZは、結合導体9を設けることによって、図3(b)と図3(c)のように表され、定式化すると次の式1
Figure 2008022139
を満たすインピーダンスZ"に変化する。したがって、インピーダンスZ'、即ち結合導体9の形状や信号伝送導体群8と結合導体9との間隔、両導体間の誘電率などを調整することによって、インピーダンスZ"を最適な値にすることができる。
また、結合導体9と回路基板4との接続手段としては、板金バネやスプリングコネクタなどの可動性部品を介すか、もしくは半田付けなどで直接接続する方法が用いられる。
さらに、結合導体9の設置方法としては、筐体2に任意の媒体で貼り付けたり、メッキもしくは筐体内部にモールドして構成する等して筐体2に取り付ける。この結合導体9はフレキシブルプリント基板や板金、リジット基板などの非常に薄い材料で構成することが可能なので、結合導体9を追加しても無線端末装置全体の容積はほとんど大きくならない利点を有している。結合導体9を筐体2に貼り付ける場合は、筐体2の内面、外面の二通りが考えられるが、いずれか一方もしくは両面に設置すればよい。
図8では、結合導体9の形状例を示す。結合導体9の形状としては図8(a)のような円形状のものや、図8(b)のような平面方形状のもの、また図8(c)のようなメアンダ状のものが挙げられる。また、図8(b)から結合導体9の動作を説明すると、結合導体9の長さをLOSとした場合,オープンスタブのインピーダンスZOSは次の式2で表される.
Figure 2008022139
ここでZ0_OSは,結合導体9の導体の幅WOS,図8(b)の12に示す信号伝送導体群8と結合導体9の間隔および導体間の比誘電率εによって決定される伝送線路の特性インピーダンスであり,λは使用周波数に対する実効波長である.
したがって,結合導体9の長さLOSが、次の式3
Figure 2008022139
を満足するとき,この伝送線路は容量性インピーダンスとなる。また、結合導体9の長さが式(3)を満足しない場合には、誘導性インピーダンスとなるので、結合導体9の長さを選択することで、自由なインピーダンスを選択可能となる。
また、図9は、この発明の構造を適用したときの効果を示すものであり、破線が図1(b)において結合導体9を設けなかった場合、実線が導体9を設けたときのVSWRの周波数特性である。ここで、スライド量Lsは両者ともにLs=0.66Loとしており、結合導体9の形状は図8(c)としている。図9から両者を比較した場合、VSWR<3における比帯域は結合導体9を設けない破線の場合が6%なのに対して、結合導体9を設けた実線での場合は13%とアンテナの動作帯域が広がる。従って、この発明を実施すれば、スライド量Ls、信号伝送導体群8の形状などが任意に選択できない場合でも、アンテナの動作周波数帯域幅を広げることが可能となる。
なお、Loは任意の長さであり、ここではLo=60mmとしている。
以上のように、回路基板5と回路基板4との間の電気信号送受のために設けられている信号伝送導体群8に結合導体9を近接して設けることによって、機構設計やデザイン設計からほぼ決定してしまう図2(b)に示す元々の結合インピーダンスZを制御することが可能となる。その手法としては、信号伝送導体群8とこれに近接する結合導体9の電磁結合を利用し、インピーダンスZ"の最適化を行い動作周波数の広帯域化を実現できる。また、結合導体9の配置方法は筐体2に貼り付ける方法など、構造が比較的簡単で、結合導体9の追加における無線端末装置全体の寸法変化を必要としない利点を有する。
実施の形態2.
ここでは、図1の無線端末装置における結合導体9を筐体3側に設けた場合の実施例を示す。図4は、この発明の実施の形態2に係る無線端末装置を示す概略側断面図である。
以下にこの実施の形態2における動作説明をする。この実施の形態2では、結合導体9を筐体3側に設けた以外の構成は実施の形態1と同様であるため、図4に示している構造部分には実施の形態1と同一部分には同一符号をつけ、またこれらの構造部分の重複説明は省略する。
ここで、実施の形態1で示したように、結合導体9を設ける前の回路基板5と回路基板4との元々のインピーダンスは図2(b)のように等価インピーダンスZと表すことができる。
また、信号伝送線路8には電流が流れているので、信号伝送導体群8には電荷移動が生じている。このとき、結合導体9を筐体3側に配置しても、信号伝送導体群8と筐体3側に設けた結合導体9との距離が波長に比べて十分に小さい距離を隔てて配置されていれば、信号伝送導体群8の電荷のクーロン引力によって、結合導体9上に反対符号の電荷が移動していく。すなわち、信号伝送導体群8と結合導体9とはインピーダンスZ'で結合される。結局、回路基板5と回路基板4との元々のインピーダンスZは、結合導体9を筐体3側に設けることでも、次の式4
Figure 2008022139
を満たすインピーダンスZ"に変化する。つまり、実施の形態1と同様の動作となるので、結合導体9の形状や信号伝送導体群8と結合導体9との間隔、両導体間の誘電率を調整することによって、Z"を最適な値にすることができる。
ここで、結合導体9と回路基板5との接続手段、結合導体9の筐体3への設置方法、結合導体9の形状については、実施の形態1と同様であり説明を省略する。
以上のように、結合導体9が構造的な制約条件やデザイン要求などにより筐体2に設けることができない場合や、結合導体9を筐体2に設けるよりも筐体3に設けた方がアンテナの動作周波数帯域幅が広がる場合にこの実施の形態2は有効となる。
実施の形態3.
ここでは、図1の無線端末装置における回路基板5と回路基板4との間に電気信号送受を行うために設けられている信号伝送導体群8が無線による伝送や、この信号伝送導体群8に代わる新たな電気信号送受信の方法により、この信号伝送導体群8が物理的に存在しない場合の実施例を示す。図5は、この発明の実施の形態3に係る無線端末装置の構成を示す概略側断面図である。
以下に、実施の形態3を説明する。図5(a)および図5(b)に示す給電点7に給電すると、放射素子6と回路基板5の導体部に電流が流れる。また、放射素子6と回路基板4が近接している場合には、放射素子6上の電荷移動に共なって回路基板4に電荷移動、即ち電流が生じるまた、回路基板4と回路基板5とが近接している場合には、これらの間に電磁結合が生じる。これらの結合をすべて考慮した等価インピーダンスはZのように表すことができる。つまり、回路基板4と回路基板5に電流が流れるということは、電荷移動が生じていることに他ならないので、図5(a)、図5(b)に示すように、回路基板4もしくは回路基板5と結合導体9とが波長に比べて十分に小さい距離を隔てて配置されている場合、回路基板4もしくは回路基板5の電荷のクーロン引力によって、結合導体9上に反対符号の電荷が移動し、結合導体9に電流が誘起され、回路基板4もしくは回路基板5とはインピーダンスZ'で結合される。結局、回路基板4と回路基板5との元々の結合インピーダンスZは結合導体9を設けることによって、次の式5のように
Figure 2008022139
と実施の形態1と同様の式で表すことができる。したがって、インピーダンスZ'、即ち結合導体9の形状や回路基板4もしくは回路基板5と結合導体9との間隔、両導体間の誘電率を調整することによって、インピーダンスZ"を最適な値にすることができる。
また、結合導体9と回路基板の接続は、図5(a)では回路基板5に接続、図5(b)では回路基板4に接続しているが、その接続手段や、結合導体9の筐体2もしくは筐体3への設置方法、結合導体9の形状については、実施の形態1と同様であり説明は省略する。
以上のように、図1(b)で示す信号伝送導体群8が物理的に存在しない場合においても、回路基板4もしくは回路基板5とこれに近接する結合導体9の電磁結合を利用して、インピーダンスZ"の最適化を行い、動作周波数の広帯域化を実現できる。また、結合導体9の配置方法は筐体2もしくは筐体3に貼り付ける方法など、構造が比較的簡単で、無線端末装置全体の寸法変化を必要としない利点を有する。
実施の形態4.
ここでは、図1の結合導体9と回路基板4もしくは回路基板5への接続に電気回路を設けた場合の実施例を示す。図10(a)はこの実施の形態4に係る構成の主要部を示す断面図であり、図10(a)は結合導体9が回路基板4に接続するときの一例である。
図10(a)において、結合導体9は電気回路13を介して、回路基板4に接続されている。この電気回路13には、図10(b) に示すように可変容量素子(バラクタダイオード、MEMS可変キャパシタ)と、フィルタ機能を持つ回路(LPF、HPF、BPF、BRF)などが設けられ、または図10(c)に示すように多切替可能スイッチ(MEMSスイッチやRF用スイッチ)と、フィルタ機能を持つ回路(LPF、HPF、BPF、BRF)などが設けられる。
電気回路13を設けることで、周波数や無線端末装置の開け閉めに対するインピーダンスZ'の切り替えが可能となるので、周波数や無線端末装置の使用状態に応じたインピーダンスZ'の調整が可能となる。
以上のように、結合導体9が電気回路13を介して、回路基板4もしくは回路基板5に接続されることで、周波数や無線端末装置の使用状態など様々な状態に応じてインピーダンスZ"が最適となるように調整することが可能となる。
この発明は、無線端末装置、特に携帯電話やPDA等の携帯の移動体通信端末に適用されることで、結合導体の追加によるこれら装置全体の寸法変化を必要とせずに動作周波数の広帯域化が実現できる。
携帯電話機の一例を示す模式的な斜視図、その内部の概略側断面図と正面図および信号伝送導体群の断面図である。 従来の携帯電話機内部の概略側断面図とその等価変換図である この発明の実施の形態1の携帯電話機内部の概略側断面図とその1次等価変換図および2次等価変換図である この発明の実施の形態2に係る無線端末装置内部の概略側断面図である。 この発明の実施の形態3に係る無線端末装置内部の概略側断面図と他の実施例の内部概略側断面図である。 従来の二つ折り携帯電話機部の概略正面図である。 従来の携帯電話機のスライド量Lsと、VSWR・周波数特性との関係図である。 結合導体の形状例数種類の正面図とその概略側断面図である。 従来の携帯電話機と、この発明による携帯電話機のVSWR・周波数特性図である。 この発明の実施の形態4に係る主要部の概略構成断面図と、その異なる2種類の電気回路図である。
符号の説明
1;携帯電話機、2、3;筐体、4、5;回路基板、6;放射素子、7;給電点、8;信号伝送導体群、8a;細導体、8b、8c;幅広導体、9;結合導体、13;電気回路。

Claims (6)

  1. 複数の地導体と、前記複数の地導体間をそれぞれ接続する接続導体と、前記複数の地導体の少なくとも一つの地導体の近傍に配置され、電磁放射機能を有する放射導体と、前記地導体と前記放射導体との間に電圧を印加できる回路とを備えた無線端末装置において、前記接続導体に近接して配置されるとともに、一部が前記複数の地導体の何れかに一に接続された結合導体を備えたことを特徴とする無線端末装置。
  2. 前記結合導体は、前記地導体に可動性部品を介して接続されたことを特徴とする請求項1記載の無線端末装置。
  3. 前記結合導体は薄い材料で構成されたことを特徴とする請求項1記載の無線端末装置。
  4. 前記結合導体は、前記地導体を保持する筐体に取り付けられることを特徴とする請求項1記載の無線端末装置。
  5. 前記結合導体は、前記地導体に結合導体のインピーダンスが調整可能な電気回路を介して接続されることを特徴とする請求項1から4の何れか一に記載の無線端末装置。
  6. 前記結合導体は、平板状に形成され、この平板の板面が板状に形成された地導体の何れかの板面と対面するよう近接して配設され、平板の端部が前記地導体と平行して配設された他の地導体に接続されて前記接続導体を兼用する構成にされたことを特徴とする請求項1から4の何れか一に記載の無線端末装置。
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