JP2008135225A - リードリレー励磁構造 - Google Patents

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Shinichi Haruyama
眞一 春山
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Abstract

【課題】アンテナ長切り替え型モノポールアンテナに適用して、リードスイッチがオフ状態のときには接点容量を増加させず、オン状態のときには複数のアンテナ素子を接続してアンテナ素子長を可変させるリードリレー励磁構造を提供する。
【解決手段】励磁コイル500とリードスイッチ700とは別軸で設けられ、励磁コイル500はリードスイッチ700と並置される。励磁コイル500とリードスイッチ700とは、強磁性体片900により磁気的に連結されるが、電気的には連結されない。したがって、スイッチ700がオフ状態のとき励磁コイル500により接点容量が増加することはなく、効率的な磁気カップリングによって駆動電流を小さくすることができる。
【選択図】 図11

Description

本発明は電子機器のアンテナに使用されるリードリレーに係り、より詳細には、VHF帯域やUHF帯域で放送される地上波デジタルテレビ放送を携帯電話・PDA等の携帯型電子機器で受信したり、携帯電話で送受信するための小型可変周波数アンテナに使用される小型リードリレーの励磁構造に関する。
近時、地上波デジタルテレビ放送を受信可能なテレビが一般家庭に普及しつつある。また、移動中や外出先でも手軽に地上波デジタル放送を楽しむことができるよう、この放送を受信可能な携帯電話、PDA、ポータブルテレビ、ラップトップコンピュータ等の携帯情報端末の開発が進んでいる。
こうした携帯情報端末においては、構造の簡単なモノポールアンテナが用いられるのが一般的である。モノポールアンテナは、図1(a)に示すように、携帯情報端末のグラウンドをアンテナ地板として、使用周波数fcの空間波長λの1/4の長さのアンテナ素子101を構成する。
地上波デジタルテレビ放送には、従来のアナログテレビ放送の周波数帯域であるVHF・UHF帯域と同様の周波数帯域が使用され、例えば日本ではUHF帯域(470〜770MHz)、韓国ではVHF帯域(170〜220MHz)が使用される。このうちUHF帯域での地上波デジタルテレビ放送が行われる場合を例にとると、受信用モノポールアンテナの物理長は帯域の中心周波数で約140mmとなる。これは、図1(b)に符号102で示すように、直線状のアンテナをヘリカル状にすることによって短縮することが可能である。
図2は標準的なモノポールアンテナの帯域特性を示す。同図を参照すると、UHF帯域を使用する場合、直線状のモノポールアンテナ101の比帯域Δf/fcは、大きくても十数パーセント程度である。また、UHF帯域の中心周波数(ここでは620MHz)ではΔfは約60MHzであり、地上波デジタル放送の全放送帯域幅(図中T−DMB帯域として示す)300MHzを満たさない。アンテナをヘリカル状にして物理長を短縮した場合には、比帯域はさらに小さくなってしまう。このように、通常のモノポールアンテナでは地上波デジタル放送のような広帯域受信を行うことができない。
ところで、こうした問題を解決するための一例として、特許文献1に記載の台形型エレメントアンテナがある。特許文献1の発明は、ダイポールアンテナを用いて地上波デジタル放送を受信する場合に、ダイポールアンテナを台形型エレメントアンテナの形状にすることにより帯域幅を広げ、地上波デジタル放送の周波数帯域を満たすようにしたものである。
一方、前述したように、携帯情報端末にはモノポールアンテナが採用されている。したがって、携帯情報端末で地上波デジタル放送を受信するには、モノポールアンテナでの広帯域受信を実現する必要がある。そこで、以下のような二つの方法が案出された。
第一の方法は、図3に示すように、アンテナにリアクタンス素子を装荷して一本のアンテナ素子の共振周波数を電気的に可変し、所望の受信周波数帯域に制御するというものである。すなわち、アンテナ基底部にリアクタンス素子を装荷し、その値を連続的または断続的に変化させることにより、図4のように、比帯域の狭いモノポールアンテナを広帯域のアンテナとして使用することを可能にする。
しかしながら、この方法には次のような問題がある。
リアクタンス素子は連続的または段階的な制御を必要とするため、制御回路が搭載されるアンテナ基部に設けられるのが一般的である。図3において、アンテナ等価回路で示される共振周波数をアンテナ基部に装荷されるリアクタンス素子で可変し、所望の共振周波数を得るとき、直列に挿入されるキャパシタンスは、周波数を高く、インダクタンスは低くする作用がある。しかし、モノポールアンテナの基底部はアンテナ共振モード上最も電流分布が大きい部分であり、基底部に装荷したキャパシタンスまたはインダクタンス部品の高周波抵抗による電力損失が大きい。そのため、結果としてアンテナ利得を低下させてしまう。
これに対し、第二の方法は、アンテナ素子長自体を変化させるものである。この方法では、例えば、図5Aに示すように、3本のアンテナ素子300と2つのアンテナスイッチ200とを用いて、アンテナ長をA1、A2、A3の3段階に切り替え可能とする。これにより、アンテナ共振周波数を所望の周波数に同調させ、3つの帯域の周波数に対応するアンテナを実現することができる。
このようにアンテナ長を切り替える方法は、スイッチに流れるアンテナ共振電流が小さく、したがってスイッチのオン抵抗による電力損失も小さい。そのため、結果的にアンテナ効率を悪化させないので、第一の方法より好ましいといえる。スイッチとしては、高周波リレーやMEMSリレー、FETスイッチ、PINダイオードスイッチ等を用いることができる。例として、図5Bには高周波リレー201を用いた場合、図5CにはFETスイッチ202を用いた場合を示す。
特開2006−186549号公報
第二の方法においてFETスイッチやPINダイオードスイッチなどの半導体スイッチを利用する場合、地上波デジタルテレビ放送の受信用アンテナとしては良好に機能する。しかしながら、今後地上波デジタルテレビ放送のアンテナと、携帯電話や無線LAN等の通信システム用アンテナとの復号化が検討されつつあることを考慮すると、このようなアンテナ長切り替え型モノポールアンテナは、地上波デジタル放送と通信システムとの共用アンテナとして用いられた場合、電力送信時にスイッチ自体からその非直線性に起因する偶数次・奇数次の高調波を発生させるため、システム性能に不具合を生じさせてしまうおそれがある。また、受動部品であり非直線性歪の発生しないスイッチとして高周波リレースイッチやMEMSスイッチ等の機械的スイッチを用いる場合、前者については部品サイズや高周波性能が、後者については信頼性や高コストが問題となり、いずれも実用化が困難である。
そこで、本発明は、アンテナ長切り替え型モノポールアンテナを改良することにより、前述のような問題の解決を図るため、従来に比べ小型で、且つ高周波数特性の良いリードリレー励磁構造を提供することを目的とする。
本発明によれば、各々が一端に接点部を有し、各接点部が対向するよう長手方向に平行に配置された一対の電極片と、この電極片の接点部を封止する密封容器と、この密封容器と平行に、各接点部が離間したオフ状態のとき接点部間の静電容量が増加しない距離だけ離隔して配置され別軸で設けられるボビンに巻回された励磁コイルと、密封容器から突出した各電極片の他端と励磁コイルとを磁気的に接続し励磁経路を形成する手段とを備えたリードリレー励磁構造が提供される。
このリードリレー励磁構造において、励磁経路を形成する手段は、ボビン内部を軸方向に貫通して配設される。また、この励磁経路を形成する手段は強磁性体であってもよい。
さらに、本発明のリードリレー構造は、複数のモノポールアンテナ素子の端部と端部との間に配置され、前記励磁コイルにより励磁されて前記各電極片の前記各接点部が接触したオン状態になると、前記複数のモノポールアンテナ素子を連結してアンテナ素子長を可変させる。
本発明によるリードリレー励磁構造は、アンテナ長切り替え型モノポールアンテナに適用した場合、リードスイッチがオフ状態のときには接点容量を増加させず、オン状態のときには複数のアンテナ素子を接続してアンテナ素子長を可変させることができる。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
まず、リードリレーのスイッチ部を構成するリードスイッチについて簡単に説明する。
図6は従来のリードリレー励磁構造20の外観斜視図である。同図には、励磁コイル501、励磁コイルボビン502、励磁端子503と、励磁コイルボビン502の内部に配置されたリードスイッチ701と、入力端子801とが示されている。
図7Aに示すのは、このうちリードスイッチ701の概略側面図である。一般的なリードスイッチ701は、軸方向に平行な対向した2本の電極710aおよび710bから構成される。これらの電極710a、710bはいずれも磁性材料からなり、接点部720aおよび720bには強磁性材料が用いられる。電極710a、710bに直流磁界が無い状態では、機械的なバネ特性により接点部720aと720bとが約10μm程度の間隙を保っており、このときスイッチ701はオフ状態である。
続いて、同様にスイッチ701の概略側面図である図7B(a)を参照する。オフ状態で電極方向に磁界Hで励磁されると、スイッチ701の電極710aおよび710bの接点部720aおよび720bの間には機械的な吸引力が生じる。この吸引力が前述したバネの持つ力を上回ったとき、電極710aおよび710bは互いに吸引され、接点部720aと720bとが電気的に接触する。これにより、スイッチ701はオン状態となる。スイッチ701の概略上面図である図7B(b)においては、接点部720aおよび720bが接触して重なり合っている部分を符号711で示している。
電極710aおよび710bは、図8の概略側面図に示すように、ガラス管等の密封容器601により乾燥窒素ガス等で封止されて信頼性を確保する。ガラス管601の外側には励磁コイル501が巻回され、このコイル501に直流電流を流すことにより磁界Hが発生する。図9はこの構造を表す概略断面図である。
こうしたリードスイッチ701をアンテナスイッチとして用いる場合の高周波特性で特に問題となるのは、スイッチがオフの場合における接点間の静電容量である。図10(a)に示すのは、励磁コイル501が無い状態において、接点開放時すなわち接点部720aと702bとが離れているときのリードスイッチ701の電気的等価回路であるが、この回路においては、CとLの直列共振周波数(自己共振周波数)が高いほど、スイッチのオフ性能は良く、高い周波数まで利用することができる。
ところが、リードスイッチ701の周りに励磁コイル501が装着されると、図10(b)に示すように、コイル501とリードスイッチの両接点720aおよび720bとの間に寄生容量が発生し、結果的に接点容量を増加させてしまう。
そこで、本発明においては、円筒状のリードスイッチの外装上にコイルを巻く従来の構造ではなく、励磁コイル500とリードスイッチ700とを別軸で設ける構造を持ったリードリレーとすることによりこの問題を解決する。図11に示すのは本発明によるリードリレー励磁構造10の外観斜視図、図12(a)および(b)に示すのは概略断面図および上面図である。
ここで、ガラス管等の密封容器に封止されたリードスイッチ700と、リードスイッチ700と並置された励磁コイル500とは、励磁コイル500の内部を軸方向に貫通して配設される強磁性体片900により磁気的に連結されるものの、電気的には連結されない。したがって、スイッチ700がオフ状態のとき励磁コイル500により接点容量が増加することはなく、効率的な磁気カップリングによって駆動電流を小さくすることができる。なお、図11にはリードスイッチ保持機構600や励磁コイルボビン502や励磁端子503、入力端子800も示されているが、これらについての詳述は省略する。
次に、このような構造を有する本発明のリードリレー励磁構造10をアンテナ長切り替え型モノポールアンテナのスイッチに適用した場合の効果を明らかにするため、電子シミュレータによるシミュレーションを行った。図13A乃至図13Eに示すのはその結果である。
ここでは、素子長が等しいモノポールアンテナ素子2本をリードスイッチを介して接続し、その共振周波数をシミュレーションした後、2本目すなわち図中では上側に配置されたアンテナ素子が、1本目すなわち下側に配置されたアンテナ素子の共振周波数にどの程度の影響を及ぼすのかを観察した。なお、リードスイッチの接点容量は、従来のリードスイッチの場合が0.13pF、本発明によるリードスイッチの場合が0.08pFとする。
まず、第1の基本データとして、アンテナ素子長が35mmのモノポールアンテナ1本を用いてシミュレーションしたところ、最も低い(1に近い)VSWR値が得られたのは周波数が2050MHzのときであり理論値の素子長λ/4に符合する。(図13A)。同様に、第2の基本データとして、アンテナ素子長が2倍の70mmであるモノポールアンテナについてシミュレーションしたところ、VSWR値が最も低くなったのは周波数が1030MHzのときであり理論値の素子長λ/4に符合する。(図13B)。
次に、第3の基本データとして、アンテナ素子長が35mmのモノポールアンテナ2本を、1本目のアンテナ素子と2本目のアンテナ素子との間に2mmの間隙をあけて配置し、シミュレーションを行った。すると、VSWR値が最も低くなったのは周波数が2030MHzのときで、第1の基準データ、すなわちアンテナ素子長が35mmのモノポールアンテナ1本についてシミュレーションをした場合とほぼ同様であった(図13C)。この場合、2本目のアンテナ素子は1本目のアンテナ素子の周波数にほとんど影響を与えていないといえる。
続いて、間隙を設ける代わりに、接点容量が0.13pFの従来のリードスイッチを用いてアンテナ素子長が35mmのモノポールアンテナ2本を接続し、スイッチをオフ状態にしてシミュレーションを行った。この場合、VSWR値が最も低くなったのは、周波数が1600MHzのときであった(図13D)。第3の基本データと比較すると、2本の素子の間隙にオフ状態のリードスイッチを挿入することにより、最も低いVSWR値が得られるときの周波数の値は低くなっている。本来スイッチがオフ状態では第3の基本データと同様の結果が望ましいが、オフ時の接点間キャパシタンスにより両素子の隔離特性が劣化していることがわかる。
一方、接点容量が0.08pF(従来のスイッチの接点容量の約50%)の本発明のスイッチを用いてアンテナ素子長が35mmのモノポールアンテナ2本を接続し、スイッチをオン状態にしてシミュレーションを行ったところ、VSWR値が最も低くなったのは周波数1720MHzのときであった(図13E)。従来のリードスイッチを用いる場合より隔離特性が改善していることがわかる。従って本発明のスイッチは、従来のスイッチに比べアンテナ素子のスイッチにはより好適である。
このように、本発明のリードリレー励磁構造をアンテナ長切り替え型モノポールアンテナに適用する場合、オフ状態では従来方式より結合容量を増加させず、良好なスイッチ特性が得られるという効果を奏する。
以上、本発明によるリードリレー励磁構造の好適な実施形態について説明したが、このリードリレー励磁構造は、アンテナ長切り替え型モノポールアンテナへの適用のみに限られず、高周波リレーとして従来存在するすべてのアプリケーション応用することが可能である。したがって、例えばICテスタ等にも応用することができる。
(a)は直線状、(b)はヘリカル状のモノポールアンテナを示す図。 一般的なモノポールアンテナの帯域特性を示す図。 周波数可変型アンテナの一例を示す図。 周波数可変型アンテナの周波数特性を示す図。 アンテナ素子長切り替え型アンテナの一例を示す図。 図5Aのアンテナに高周波リレースイッチを用いた場合を示す図。 図5AのアンテナにFETスイッチを用いた場合を示す図。 従来のリードリレー励磁構造の外観斜視図。 従来のリードスイッチのオフ状態を示す概略上面図。 (a)は従来のリードスイッチのオン状態を示す概略上面図、(b)は概略側面図。 従来のリードリレー励磁構造を概略的に説明する上面図。 従来のリードリレー励磁構造を概略的に説明する断面図。 (a)は励磁コイルがない場合、(b)は励磁コイルがある場合の接点開放時のリードスイッチの電気的等価回路。 本発明によるリードリレー励磁構造の外観斜視図。 (a)は本発明によるリードリレー励磁構造を概略的に説明する断面図、(b)は上面図。 本発明によるリードリレー励磁構造を持ったリードスイッチをアンテナ長切り替え型モノポールアンテナに適用したときの効果を検証する図。 本発明によるリードリレー励磁構造を持ったリードスイッチをアンテナ長切り替え型モノポールアンテナに適用したときの効果を検証する図。 本発明によるリードリレー励磁構造を持ったリードスイッチをアンテナ長切り替え型モノポールアンテナに適用したときの効果を検証する図。 本発明によるリードリレー励磁構造を持ったリードスイッチをアンテナ長切り替え型モノポールアンテナに適用したときの効果を検証する図。 本発明によるリードリレー励磁構造を持ったリードスイッチをアンテナ長切り替え型モノポールアンテナに適用したときの効果を検証する図。
符号の説明
101 直線状のモノポールアンテナ
102 ヘリカル状のモノポールアンテナ
200 スイッチ
201 高周波リレースイッチ
202 FETスイッチ
300 アンテナ素子
10、20 リードリレー励磁構造
500、501 励磁コイル
502 励磁コイルボビン
503 励磁端子
600 リードスイッチ保持機構
700、701 リードスイッチ
710a、710b 電極
720a、720b 接点部
800、801 入力端子
900 強磁性体片

Claims (4)

  1. 各々が一端に接点部を有し、前記各接点部が対向するよう長手方向に平行に配置された一対の電極片と、
    前記電極片の前記接点部を封止する密封容器と、
    前記密封容器と平行に、前記各接点部が離間したオフ状態のとき前記接点部間の静電容量が増加しない距離だけ離隔して配置され別軸で設けられるボビンに巻回された励磁コイルと、
    前記密封容器から突出した各前記電極片の他端と前記励磁コイルとを磁気的に接続し、励磁経路を形成する手段と、
    を備えることを特徴とするリードリレー励磁構造。
  2. 請求項1に記載のリードリレー励磁構造において、
    前記励磁経路を形成する手段は、前記ボビン内部を軸方向に貫通して配設されることを特徴とするリードリレー励磁構造。
  3. 請求項1または2に記載のリードリレー励磁構造において、
    前記励磁経路を形成する手段は強磁性体であることを特徴とするリードリレー励磁構造。
  4. 請求項1乃至3のいずれかに記載のリードリレー励磁構造であって、
    複数のモノポールアンテナ素子の端部と端部との間に配置され、前記励磁コイルにより励磁されて前記各電極片の前記各接点部が接触したオン状態になると、前記複数のモノポールアンテナ素子を連結してアンテナ素子長を可変させることを特徴とするリードリレー励磁構造。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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