JP2008153813A - 小型無線通信機器のアンテナ指向性可変方法及び小型無線通信機器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は小型無線通信機器のアンテナ指向性可変方法に関し、小型無線通信機器のアンテナ指向性可変方法及び小型無線通信機器を提供することを目的としている。
【解決手段】筐体アンテナ励振用エレメント１５と、該筐体アンテナ励振用エレメント１５に近接して配置された複数個の無給電素子４と、を有する小型無線通信機器において、前記無給電素子４に対して、該無給電素子４と筐体アンテナ励振用エレメント１５を半導体素子１１を介して電圧を印加して電気的接続をオン／オフしてアンテナの指向性を変えることができるように構成される。
【選択図】図６

Description

本発明は小型無線通信機器のアンテナ指向性可変方法及び小型無線通信機器に関する。本発明は、携帯電話や無線基地局における小型無線通信機器のアンテナに関し、アンテナ指向性を可変できる機能を有し、通信中の小型無線通信機器の方向に対して自動的に指向性を可変するアンテナ指向性可変方法及び小型無線通信機器に関するものである。

近年は、移動通信システムにおける基地局のサービスエリアを拡大するために、リンクバジェット（通信能力に余裕を持たせること）増加と、干渉除去能力を向上させる手段としてアダプティブ・アンテナ・システム（一番通信感度がよい方向にアンテナを向けるようにするシステム）が基地局側で導入されつつある。この機能は、端末側に用いることでも同様な効果が望まれ、サービス提供可能半径を広げるためにも、端末への指向性可変機能の実装が望まれている。

従来の携帯電話のアンテナは、任意の方向の基地局と通信するため、指向性は無指向性である。Ｗ−ＣＤＭＡ方式では、通信可能な基地局に対して受信レベルが高い基地局を選択して通信を行なうが、通信中の基地局以外の方向にも同等のアンテナ利得を有している。

従来のこの種の装置としては、筐体の表側ケースにアンテナの電気長より長い第１の無給電素子を、筐体の裏側ケースにアンテナの電気長よりも短い無給電素子を設け、人体と反対側に放射指向性を有する携帯無線機が知られている（例えば特許文献１参照）。また、他の種類の装置としては、特性検出手段がアレーアンテナが受信した信号のＳ／Ｎ比が基準値よりも低下することを検出すると、切り換え信号を指向性切換手段へ出力し、該指向性切換手段によりアレーアンテナの指向性を他の指向性に切り換えるようにした無線装置が知られている（例えば特許文献２参照）。

また、第１の筐体部に設置されるアンテナと、該第１の筐体部と連結された第２の筐体部と、該第２の筐体部に設置され、アンテナとの容量性結合によりアンテナとして動作する無給電素子と、該無給電素子から第２の筐体部の一面側への放射を抑制する導体を備えた装置が知られている（例えば特許文献３参照）。
特開２００５−３１８５６６号公報（段落００１１〜００１４、図１） 特開２００６−１０１４３９号公報（段落００３１〜００４８、図１〜図３） 特開２００６−１６６２６５号公報（段落００１９〜００４４、図１〜図１０）

携帯電話のアンテナ利得の指向性を可変することができると、通信中の基地局方向とは他方向きのアンテナ利得を減少させて通信中の基地局側のアンテナ利得を増加させることができる。基地局方向のアンテナ利得が増加すると、携帯電話の信号受信レベルが増加し、更に基地局の受信レベルも増加するため、基地局−携帯電話間の通信品質を向上させることができる。

しかしながら、携帯電話は手に持つ程度の大きさであるため、実装しているアンテナの構造はシンプルなものが多く、指向性を可変しようとすると、アンテナが複雑になってしまうという問題がある。また、仮に既存の指向性可変の技術を携帯電話で実現しようとすると、実装スペースが必要となり、筐体の形状が大きくなりデザイン性が損なわれてしまう。このため、従来は携帯電話に指向性可変機能は実装されておらずアンテナ指向性は固定されていた。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、小型無線通信機器のアンテナ指向性可変方法及び小型無線通信機器を提供することを目的としている。

（１）請求項１記載の発明は、筐体アンテナ励振用エレメントと、該筐体アンテナ励振用エレメントに近接して配置された複数個の無給電素子とを有する小型無線通信機器において、前記無給電素子に対して、該無給電素子と筐体アンテナ励振用エレメントを半導体素子を介して電圧を印加して電気的接続をオン／オフしてアンテナの指向性を変えるようにしたことを特徴とする。
（２）請求項２記載の発明は、筐体アンテナ励振用エレメントと、該筐体アンテナ励振用エレメントに近接して配置された複数個の無給電素子と、を有する小型無線通信機器において、前記無給電素子に対して、該無給電素子と筐体アンテナ励振用エレメントを半導体素子を介して電圧を印加して電気的接続をオン／オフしてアンテナの指向性を変えることができるように構成したことを特徴とする。ここで、筐体アンテナ励振用エレメントとは、筐体アンテナに電流を流すアンテナエレメントの一部と見なされるメインアンテナのことをいう。
（３）請求項３記載の発明は、アンテナの指向性を切り替えて一定時間に受信レベルを測定して、受信レベルを比較して、受信レベルが大きい方向の指向性を選択することを特徴とする。
（４）請求項４記載の発明は、前記無給電素子は、プリント基板に設けたパターンで実現することを特徴とする。
（５）請求項５記載の発明は、前記無給電素子は、板金であり、筐体の近くに配置されることを特徴とする。

（１）請求項１記載の発明によれば、複数個の無給電素子と筐体アンテナ励振用エレメントとを半導体素子を介してオン／オフすることにより、アンテナの指向性を変えることができる。
（２）請求項２記載の発明によれば、複数個の無給電素子と筐体アンテナ励振用エレメントとを半導体素子を介してオン／オフすることにより、アンテナの指向性を変えることができる。
（３）請求項３記載の発明によれば、無給電素子と筐体アンテナ励振用エレメントとで構成されるアンテナの指向性を切り替えて受信レベルの大きい方向の指向性を選択することで、良好な通信状態を得ることができる。
（４）請求項４記載の発明によれば、前記無給電素子を回路基板上にパターンで構成することで、小型無線通信機器の構成を簡単にすることができる。
（５）請求項５記載の発明によれば、無給電素子として板金を用い、その板金を筐体の近くに配置することにより、アンテナの指向性をより向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明で用いられる折り畳み式携帯型無線機の外観を示す図である。フロント面視と、リア面視と、側面視を示す。図において、１は固定部、２は可動部である。３は固定部１に取り付けられたメインアンテナ、４は可動部２のケース内側に配置された無給電素子である。図２は無給電素子の搭載位置と長さを示す図である。可動部２のリアケース内側に所望の周波数の約１／２波長（λ）の長さの無給電素子４を搭載している。

無給電素子４の長さはλ／２なので、これはダイポールアンテナに見立てることができ、エレメントの端部は電圧最大、つまり電界最大となる。図３はダイポールアンテナの電圧・電流分布を示す図である。横軸は長さ、縦軸は電流又は電圧である。ｆ１は電圧分布、ｆ２は電流分布である。エレメントの長さを給電点を挟んでλ／２とすると、λ／４で共振し、電圧分布はエレメントの端部で最大となり、電流は給電点付近で最大となり、端部で０となる。

このような構成にすると、容量性結合しやすい条件となる。この原理を利用し、無給電素子の端部付近にメインアンテナが近接する状態では、大部分のエネルギーを無給電素子に転移させることができる。図４はアンテナ部の等価回路を示す図である。

図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。（ａ）に示す状態では、メインアンテナ３は無給電素子４と結合し、その等価回路は（ｂ）に示すようなものとなる。即ち、給電点６からメインアンテナ３に接続されており、メインアンテナ３と無給電素子４とは空間を容量Ｃと見立てて、無給電素子４とＣを介して接続されている。この場合、無給電素子４はアンテナとして機能する。即ち、メインアンテナ３と無給電素子４の２つのアンテナが同時に動作していることになる。

この時の無給電素子有無時の電流分布を図５に示す。図５は筐体の電流分布を示す図である。（ａ）は無給電素子無しの場合を、（ｂ）は無給電素子付きの場合を、（ｃ）は筐体の説明である。図中、白いほど電流分布が強く、黒くなるほど電流分布が弱くなることを示している。１は固定部、２は可動部である。無給電素子４を追加することで、電流の分布が無給電素子に集中し、更に左上の電界強度が増加していることが分かる（（ｂ）参照）。（ａ）は無給電素子無しの場合を示している。電流分布は、固定部１側で強いことが分かる。

このように、携帯端末が横向きになっている状態では、アンテナは図示した方向で上側に取り付けられており、電界は上側に集中している様子が分かる。従って、指向性は（ｂ）では、上側に向くことになる。

上述の説明においては、メインアンテナと無給電素子の結合について述べたが、実際の携帯電話は筐体の大きさが無線周波の波長と同程度であるため、メインアンテナと記述したアンテナ以外に筐体自体がアンテナになっている。そのため、図５中のメインアンテナ３は、筐体アンテナに電流を流すアンテナエレメントの一部と見なすことができ、筐体アンテナ励振用エレメントとなる。本発明では、この筐体アンテナを励振させるエレメントを無給電素子への結合用エレメントとして用いている。以下、本発明では、図５の説明に用いたメインアンテナは筐体アンテナ励振用エレメントとして記述する。

図６は本発明の一実施の形態を示す構成図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。図は、携帯電話のリア面視の透過図である。図において、１は固定部、２は可動部である。可動部２において、１０は回路基板である。４Ａは可動部２のリア面に配置された第１の無給電素子（無給電素子１）、４Ｂは同じく可動部２のリア面に配置された第２の無給電素子（無給電素子２）、１１Ａは無給電素子１と接続される第１のＰＩＮダイオード（ＰＩＮダイオード１）、１１Ｂは無給電素子２と接続される第２のＰＩＮダイオード（ＰＩＮダイオード２）である。ＰＩＮダイオードは、抵抗値のオン／オフ比が大きい特性を持っている。即ち、オン抵抗が小さく、オフ抵抗が大きい。

Ｌ１は無給電素子４Ａの一端とグランド間に接続されるチョークコイル、Ｌ２は無給電素子４Ｂの一端とグランド間に接続されるチョークコイルである。これらチョークコイルは、高周波に対して擬似的にグランドに落ちないようにしているものである。１２ＡはＰＩＮダイオード１のカソードと接続される第１の無給電素子結合部（無給電素子結合部１）、１２ＢはＰＩＮダイオード２のカソードと接続される第２の無給電素子結合部（無給電結合部２）である。Ｌ３はその一端が無給電素子結合部１と接続されるチョークコイル、Ｌ４はその一端が無給電素子結合部２と接続されるチョークコイルである。１３ＡはチョークコイルＬ３の他端に形成された第１の電圧印加端子（電圧印加端子１）、１３ＢはチョークコイルＬ４の他端に形成された第２の電圧印加端子（電圧印加端子２）である。

固定部１において、１４Ａは第１のアンテナエレメント（エレメント１）、１４Ｂは第２のアンテナエレメント（エレメント２）、１５はこれらエレメント１とエレメント２とで構成される筐体アンテナ励振用エレメントである。１６はアンテナ給電点、１７は回路基板である。固定部１には、λ／２ダイポールで構成する筐体アンテナ励振用エレメント１５があり、無給電素子１，２への結合を兼ねている。可動部２には、無給電素子１と２が設けられており、各々はＰＩＮダイオード１，２、無給電素子結合部１，２を介して筐体アンテナ励振用エレメント１５の端部に結合する構造になっている。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

先ず、電圧印加端子１に電圧を印加するとＰＩＮダイオード１はオン状態になり、無給電素子結合部１と無給電素子１が接続される。一方、電圧印加端子２には電圧を印加させず０Ｖとする。この結果、ＰＩＮダイオード２はオフ状態となり、無給電素子結合部２が切断される。これにより、筐体アンテナ励振用エレメント１５に対して無給電素子１は接続であり、無給電素子結合部２は切断状態である。この結果、無給電素子１にエネルギーが誘導され、図６では左側の方向の指向性が増加する。

また、図６の右側の方向に指向性を増加させる場合には、電圧印加端子１を０Ｖとして電圧印加端子２に電圧を印加することで、筐体アンテナ励振用エレメント１５に対して無給電素子１は切断状態、無給電素子２は接続状態とすることができる。

このように、本発明によれば、複数個の無給電素子と筐体アンテナ励振用エレメントとを半導体素子を介してオン／オフすることにより、アンテナの指向性を変えることができる。

次に、無給電素子を構成する方法について説明する。図６において、可動部２の回路基板１０において、基板の銅パターンでλ／２の無給電素子を形成し、同じく回路基板１０の銅パターンで無給電素子結合部１，２を形成する。両銅パターンは、ＰＩＮダイオード１，２で接続され、チョークコイルＬ３，Ｌ４により電圧を印加する。チョークコイルＬ１〜Ｌ４は、無線周波数に対して高インピーダンスとなるため、電圧印加端子１，２の回路側の影響は無給電素子１，２に対して分離される。このように、本発明によれば、無給電素子１，２を回路基板上に パターンで構成することで、小型無線通信機器の構成を簡単にすることができる。

また、無給電素子１，２は板金で形成してもよく、可動部筐体のケースに設置して回路基板１０からはバネを用いて接触させるようにしてもよい。このように構成すれば、板金を無給電素子として用いることで、無給電素子をより筐体の外側（筐体の近く）に出すことができるので、アンテナの指向性をより向上させることができる。

図７は本発明による指向性可変の動作説明図である。図７は通信中の基地局に対して指向性を自律的に可変する様子を示している。図において、２０は小型無線通信機器の基地局（ＢＳ）である。図では、基地局としてＢＳ１とＢＳ２の２局が設けられている場合を示している。２１は携帯電話使用者である。上方向が北側、下方向が南側である。

今、携帯電話使用者２１は北側（Ｎｏｒｔｈ）を向いており、左手に持って通話している。図６の携帯電話の向きに照らし合わせると、図７中の北側は図６の左側方向となり、図７中の南側（Ｓｏｕｔｈ）は図６の右側方向となる。この時、ＰＩＮダイオード１をオン、ＰＩＮダイオード２をオフにすることで、北側方向の指向性が増加する。また、ＰＩＮダイオード２をオン、ＰＩＮダイオード１をオフにすることで、南側の指向性が増加する。

この場合において、どの方向に指向性を向けたらよいかは、例えば１秒間ずつ指向性を切り替えて受信レベルを測定し、図７中に示す端末受信レベル２５のような結果が得られた場合には、北側のレベルが高いので、通信中の基地局２０が北側にあると判断することができる。図の端末受信レベル２５を参照すると、指向性が北側であった時に、ＢＳ１側は受信レベルが−８０ｄＢｍであり、ＢＳ２側は−１００ｄＢｍである。この結果、ＢＳ１側の端末受信レベルが高いことになる。このように、本発明によれば、無給電素子と筐体アンテナ励振用エレメントとで構成されるアンテナの指向性を切り替えて受信レベルの大きい方向の指向性を選択することで、良好な通信状態を得ることができる。

上述の実施の形態では、小型無線通信機器として携帯電話を用いた場合を例にとったが、本発明はこれに限るものではなく、その大きさが波長程度である小型の無線基地局にも用いることができる。また、上述の実施の形態では、無給電素子として２個用いた場合を例にとったが、本発明はこれに限るものではなく、３個以上を用いるようにしてもよい。

本発明の効果について述べると、以下の通りである。筐体アンテナ励振用エレメントを無給電素子に結合させて、該無給電素子を複数用いてＰＩＮダイオードによりそれぞれの無給電素子への電磁界結合を切り替えることにより、アンテナの指向性を可変することができる。また、一定の時間間隔で指向性を切り替えて各基地局（ＢＳ１，ＢＳ２）の受信レベルを測定してレベルの大小を比較することで、基地局の方角を知ることができ、通信中の基地局に対して指向性を高めてアンテナ利得を増加させることができる。

また、通信中、基地局方向の指向性が増加することで、他方向の指向性が減少するため、他の基地局及び携帯端末から発して自端末に受信する妨害波レベルが下がるため通信品質を向上させることができる。

折り畳み式携帯型無線機の外観を示す図である。 無給電素子の搭載位置と長さを示す図である。 ダイポールアンテナの電圧・電流分布を示す図である。 アンテナ部の等価回路を示す図である。 筐体の電流分布を示す図である。 本発明の一実施の形態を示す構成図である。 本発明による指向性可変の動作説明図である。

符号の説明

１ 固定部
２ 可動部
４Ａ，４Ｂ 無給電素子
１０ 回路基板
１１Ａ，１１Ｂ 無給電素子
１２Ａ，１２Ｂ 無給電素子結合部
１３Ａ，１３Ｂ 電圧印加端子
１４Ａ，１４Ｂ エレメント
１５ 筐体アンテナ励振用エレメント
１６ アンテナ給電点
１７ 回路基板

Claims (5)

1. 筐体アンテナ励振用エレメントと、該筐体アンテナ励振用エレメントに近接して配置された複数個の無給電素子とを有する小型無線通信機器において、
   前記無給電素子に対して、該無給電素子と筐体アンテナ励振用エレメントを半導体素子を介して電圧を印加して電気的接続をオン／オフしてアンテナの指向性を変えるようにしたことを特徴とする小型無線通信機器のアンテナ指向性可変方法。
2. 筐体アンテナ励振用エレメントと、
   該筐体アンテナ励振用エレメントに近接して配置された複数個の無給電素子と、
   を有する小型無線通信機器において、
   前記無給電素子に対して、該無給電素子と筐体アンテナ励振用エレメントを半導体素子を介して電圧を印加して電気的接続をオン／オフしてアンテナの指向性を変えることができるように構成したことを特徴とする小型無線通信機器。
3. アンテナの指向性を切り替えて一定時間に受信レベルを測定して、受信レベルを比較して、受信レベルが大きい方向の指向性を選択することを特徴とする請求項２記載の小型無線通信機器。
4. 前記無給電素子は、プリント基板に設けたパターンで実現することを特徴とする請求項２又は３記載の小型無線通信機器。
5. 前記無給電素子は、板金であり、筐体の近くに配置されることを特徴とする請求項２又は３記載の小型無線通信機器。