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

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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