JP2012175474A - アンテナ構造及びそれを用いた無線端末装置 - Google Patents

Abstract

【解決課題】 簡単なアンテナ構造で、整合回路の複雑化、回路規模の拡大といった問題もなく、ＤＴＶ予約録画機能等を利用する場合に、アンテナ収納時でも十分なアンテナ性能を得ることが可能なアンテナ構造を提供する。
【解決手段】 伸縮自在なアンテナ２を有し、このアンテナ２を短縮させて筐体１に収納可能とした無線端末装置におけるアンテナ構造において、当該アンテナ２の収納時に、このアンテナ２の一部と無線端末装置の金属部９とが容量結合して当該金属部９を当該アンテナ２の一部として機能させるようにしたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明はアンテナ構造及びそれを用いた無線端末装置に関し、特に伸縮自在なアンテナを短縮させて筐体に収納可能とした無線端末装置におけるアンテナ構造に関するものである。

今般、無線端末装置にはＤＴＶ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ）機能が付いていることが一般的であるが、装置の小型化のためＤＴＶ受信用のアンテナとしては、装置内に小さく収納できる構造が求められる。また、このような無線端末装置にＤＴＶの予約録画機能を搭載する場合には、録画時刻にＤＴＶ受信用アンテナが収納状態である可能性が考えられるが、一般的には、ＤＴＶ受信用アンテナは、収納状態ではアンテナ性能が著しく劣化してしまうことになる。したがって、ＤＴＶ受信用アンテナ収納状態でのアンテナ特性を確保することで、ＤＴＶの予約録画機能の利便性を高めることが必要となる。

図６に、ＤＴＶ機能を有する無線端末装置の例を示す。図６は、いわゆるスマートフォンと称される無線端末装置であり、デジタルワンセグテレビ機能、マルチメディア放送受信機能、ＦＭ放送受信機能等といった、数百ＭＨｚ以下の比較的低い周波数帯を利用する機能（以後、ＤＴＶと称す）を有している。

この種の装置におけるＤＴＶ受信用アンテナの一般的な構成について、図６を参照して説明する。１は筐体であり、２はホイップアンテナであって、太さの異なる複数のパイプを組み合わせることにより伸縮自在な構造となっている。

ＤＴＶ視聴時にはこのアンテナ２を伸長させ、また、ＤＴＶを視聴しない時にはこのアンテナ２を短縮して、装置筐体１の側面または内部に収納することができるようになっている。３はＤＴＶ受信用アンテナの給電点であって、このアンテナ２で受信されたＤＴＶ電波を図示せぬ無線回路に供給する。

４はプリント基板であって、筐体１の内部に固定されている。また、各種の回路部品はこのプリント基板４の上に実装される。５はプリント基板４上のＧＮＤ（グランド）である。６はアンテナ整合回路であって、プリント基板４上に搭載された接続ピン（ＰＩＮ）７に接続される。８は給電金具であって、プリント基板４側は接続ピン７とバネ接続されており、反対側はＤＴＶ受信用アンテナ２と接続されている。

９は金属部あって、筐体１に取り付けられた金属製の部品、筐体１の一部として成型された金属部、筐体表面の金属メッキ等の意匠性を高めるための金属、または筐体の剛性を高めるための金属製の部品等である。

この図６に示した無線端末装置における、ＤＴＶ受信用アンテナ２を伸長した時のアンテナ特性として、インピーダンス特性とリターンロス特性とを図７に示している。これらの特性は、給電点３からネットワークアナライザで計測したものであり、それぞれアンテナ特性の良否を判断するために用いられるものである。

ここで、図７に示しているインピーダンスとは、高周波においてのアンテナの振る舞いを見る１つの見方であり、スミスチャートに描かれる。一般的には、スミスチャート円の中心の５０Ωに近い程、アンテナとしての特性が良く、更に回路側との整合も良くなる。図中のマーカー１，２，３は、ＤＴＶ周波数帯の下限、センター、上限周波数を、それぞれ示している。

また、図７に示しているリターンロスとは、インピーダンスと全く同じ測定をするものであり、単にチャート（図表）が異なるだけである。５０Ωに近ければ近い程、小さな値になる様に作られた図表である。この図表で言えば、谷の部分が５０Ωに近く、アンテナの特性及び回路とアンテナの整合が良くなることが分かる。この谷の部分は、アンテナの共振と呼ばれ、アンテナの性能が最も良くなる部分である。

一般的には、リターンロスは−５ｄＢ以下でないと特性の確保は難しい。図中には、ＤＴＶ周波数帯域にてリターンロスが−５ｄＢの場所に矢印を示している。この矢印範囲（帯域）内では、リターンロスが−５ｄＢ以下になることが望ましい。このＤＴＶ帯域内では、リターンロスは−５ｄＢ以下であり、特性確保ができていることが分かる。

図８には、リターンロスと無線回路との整合損失との関係を、参考までに示している。図８を見て分かる様に、リターンロスが−５ｄＢ以上になると、整合損失は急激に増加することが分かる。

一方、ホイップアンテナ２を短縮させて装置内に収納している時のアンテナ特性を図９に示している。ホイップアンテナ収納時には、ホイップアンテナの長さが短いために、ＤＴＶ周波数帯で共振が得られず、インピーダンスもＤＴＶ周波数帯が５０Ωから離れてしまう。また、リターンロスも−５ｄＢ以上となることから、ＤＴＶを視聴するために十分な特性が得られなくなってしまうことが分かる。

上述したように、今般、無線端末装置にはＤＴＶ機能が付いていることが一般的であり、伸縮可能なＤＴＶアンテナを持つ無線端末装置では、前述の通りアンテナを伸ばした時に最も良い性能となるよう設計されている。これはアンテナの共振周波数がアンテナの長さで決まるためである。

正確には波長（ｍ）＝光速／周波数でアンテナの長さが決まる。この式から分かる様に、周波数が低い程アンテナは長くなるため、周波数が低いＤＴＶではアンテナ長が長くなる。よって、ＤＴＶ視聴時には、ＤＴＶの周波数帯で共振するようにアンテナを伸ばすことで、十分な性能を得ることができる長さとなり、視聴しない時には、装置内にコンパクトに収納する構造となっている。

ここで、ＤＴＶで視聴する番組を録画する機能を持ち、かつ予め録画時刻を設定することで設定した時刻に自動的に番組を録画する予約録画機能を持つ無線端末装置について考えると、予約録画時刻にＤＴＶアンテナを収納していた場合には、アンテナ長が短いため前述の通り十分なアンテナ性能が得られず、正常に録画できないという問題が発生する。

この問題を解決するためには、特許文献１、特許文献２、特許文献３に示されるように、伸縮可能なアンテナの内部または外部に２つのアンテナ素子を内蔵して、伸長時と収納時とで異なるアンテナ素子を使用する構造とする技術があるが、アンテナ構造が複雑化することになる。

また、特許文献４を参照すると、装置の周囲に金属製の加飾部品を持つ無線端末装置に関する発明であるが、金属加飾の影響を回避するために金属加飾を分断するものであり、アンテナ収納時にアンテナ長が不足する場合に特性確保する手段を持たない。

更に、他の解決策として、ＤＴＶアンテナ伸長時と収納時とで、それぞれインピーダンス整合を取るために複数の整合回路を用意し、ＤＴＶアンテナ伸長時と収納時とで、整合回路を切り替えることでも解決できるが、この場合も整合回路の複雑化、回路規模の拡大となる。

また、特許文献５を参照すると、折り畳み式携帯無線端末において、ヒンジ部内に同心円的に、例えば、半円筒状の金属を内蔵しておき、端末を折り畳んだ時に、この半円筒状の金属と対向して設けられているモノポールアンテナ素子との間で、静電的に結合させて、両者でアンテナを形成し、実行アンテナ長を長くする技術が提案されている。この技術では、モノポールアンテナ素子の他に、ヒンジ部内に半円筒状の金属を追加して設ける必要がある。

特開平１０−０９８３２０号公報 特開平１０−０３２４１０号公報 特開平１０−２７６０２４号公報 特開２００９−１０２８７３号公報 特開２０１０−２８７９８０号公報

上述したように、ＤＴＶ受信機能及びＤＴＶの予約録画機能を有する無線端末装置においては、ＤＴＶ受信用アンテナ収納状態でのアンテナ特性を確保することで、ＤＴＶの予約録画機能の利便性を高めることが必要となる。この要求に答えるための上記の各特許文献に提案された技術では、構造が複雑化するという問題がある。

本発明の目的は、簡単なアンテナ構造で、整合回路の複雑化、回路規模の拡大といった問題もなく、ＤＴＶ予約録画機能等を利用する場合に、アンテナ収納時でも十分なアンテナ性能を得ることが可能なアンテナ構造及びそれを用いた無線端末装置を提供することである。

本発明によるアンテナ構造は、
伸縮自在なアンテナを有し、前記アンテナを短縮させて装置に収納可能とした無線端末装置におけるアンテナ構造であって、
前記アンテナの収納時に、前記アンテナの一部と前記装置の金属部とが容量結合して前記金属部を前記アンテナの一部として機能させるようにしたことを特徴とする。

本発明による無線端末装置は、上記のアンテナ構造を採用したことを特徴としている。

本発明によれば、伸縮可能で伸長時に最も性能が良くなるアンテナを持ち、装置筐体表面または内部に金属部を持つ無線端末装置において、アンテナ収納時にアンテナと装置筐体表面または内部の金属部とが静電容量を介して結合し、装置筐体表面または内部の金属部をアンテナの一部として利用することにより、収納時でも一定のアンテナ性能を確保可能としたので、極めて簡単な構成で、アンテナ収納時でも十分なアンテナ性能を得ることが可能となるという効果がある。

また、予約録画機能等を利用する場合に、整合回路の複雑化、回路規模の拡大といった問題もなく、アンテナ収納時でも十分なアンテナ性能を得ることが可能となるという効果もある。更に、アンテナと装置筐体表面または内部の金属部との間の静電容量を調整することにより、アンテナ収納時のアンテナ共振周波数を制御可能であるという効果もある。

本発明の一実施の形態の構造を示す図である。 （ａ）は、図１の構造においてアンテナ２を伸長した時の状態を示す図であり、（ｂ）はアンテナ２を短縮して装置に収納した時の状態を示す図である。 図１の構造における横断面を示す図である。 本発明の一実施の形態のアンテナ特性を示す図である。 本発明の他の実施の形態の構造を示す図である。 本発明に関連する無線端末装置の例を示す図である。 図６の装置におけるアンテナ特性を示す図である。 図６の装置におけるアンテナのリターンロス特性を示す図である。 図６の装置におけるアンテナを短縮して装置に収納したときのアンテナ特性を示す図である。

以下に、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態の構成を示す図であり、図６と同等部分には同一符号を付して示している。先述した図６の構成に対する変更点は、ホイップアンテナ２の先端部分に、金属製の結合部１０を追加していることである。

この結合部１０は金属性であって、ホイップアンテナ２と接続されている。または、この結合部１０の円筒形の金属の周囲を樹脂で覆うことで意匠性を得ることもできる。図２（ａ）及び（ｂ）には、このホイップアンテナ２の伸長時と短縮して収納時の状態を、それぞれ示している。

図２（ａ）の様に、ホイップアンテナ２を伸ばす場合は、このホイップアンテナの根元部に設けたヒンジ部を中心にして、ホイップアンテナを筐体の上方向に回転させて引き出し、ホイップアンテナを伸ばす。ホイップアンテナ伸長時は、結合部１０はホイップアンテナの一部となり、図６に示した構成のホイップアンテナ２と同様の特性となる。

一方、図２（ｂ）の様に、ホイップアンテナ２を収納する場合は、このホイップアンテナを短縮してホイップアンテナ根元部に設けたヒンジ部を中心にホイップアンテナを筐体方向に倒すことにより、装置の筐体内に収納する構造となっている。

図３は、ホイップアンテナ２を収納した時の金属部９と結合部１０との位置関係を、図２（ｂ）の横断面図として示している。ホイップアンテナ収納時は、金属部９と結合部１０とが特定の距離だけ離れて対向する構成となっている。この時、図中の点線で示した部分において、金属部９と結合部１０とが静電容量を介して結合することになる。これによって、金属部９を利用してホイップアンテナ収納時における、短縮時に不足するアンテナ長を補うことができる。

金属部９と結合部１０との距離は、ホイップアンテナ収納状態で十分なアンテナ特性を得るために、結合部１０の太さによって、金属部９と結合部１０との間の静電容量を適正化した距離となっている。

前述した通り、アンテナの共振周波数はアンテナの長さで決まり、図６に示した構成のアンテナでは、収納時のアンテナ長が短いために、ＤＴＶ周波数で共振せず、十分なアンテナ特性が確保できなかったが、本実施の形態による構成では、ホイップアンテナ収納時でも、金属部９と結合部１０とを容量結合させることにより、アンテナ長を確保することができる。よって、所望の周波数帯域でインピーダンスを５０Ω付近に調整することが可能となる。

また、容量結合における静電容量ＣはＣ＝εＳ／ｄで表される。ここで、εは平行導体間（ここでは、金属部９と結合部１０との間）の誘電率、Ｓは平行導体の面積、ｄは平行導体間の距離である。この式から、静電容量Ｃは容量結合部分の面積に比例し、距離に反比例することが分かる。

よって、結合部１０の太さを変えることにより、金属部９と結合部１０との距離を変えることができ、これによって、金属部９と結合部１０との間の静電容量を調整して、収納時のアンテナインピーダンスを調整することが可能となる。

また、結合部１０の長さを変えることによっても、金属部９と結合部１０との対向部面積が変わるので、金属部９と結合部１０との間の静電容量を調整して、収納時のアンテナのインピーダンスを制御することが可能となる。

更に、金属部９の長さを変えることによっても、金属部９を含めたＤＴＶアンテナ全体のアンテナの長さが変わり、アンテナのインピーダンスを制御することが可能である。更にはまた、金属部９を筐体上の金属メッキとすることで、金属メッキ部の長さを変えることよっても、ＤＴＶアンテナの共振周波数を制御することが可能である。この場合、金属メッキ上にさらに塗装をすることで、意匠面に影響を与えずに金属メッキの長さを変えて、ＤＴＶアンテナの共振周波数を制御することが可能となる。

図４には、本実施の形態におけるアンテナ収納時のインピーダンス特性とリターンロス特性を示している。リターンロス特性では、ＤＴＶ周波数帯域を矢印で示している。

図６に示したアンテナでは、収納時はインピーダンスで周波数帯が５０Ωから離れてリターンロスが−５ｄＢ以上となり、十分なアンテナ特性が確保できなかったが、本実施の形態におけるアンテナでは、ホイップアンテナ伸長時と比較すると、特性はやや劣化しているものの、収納時でもインピーダンスはＤＴＶ周波数帯が５０Ω付近となり、リターンロスも−５ｄＢ以下となっていることが分かる。これにより、複数のアンテナ素子や整合回路を実装することなく、極めて簡単な構成でアンテナ収納時も十分な特性が確保できることになるのである。

以上で説明した様に、アンテナ収納時に、アンテナと装置筐体表面または内部の金属部とが容量結合することで、装置筐体表面または内部の金属部をアンテナの一部として利用することにより、アンテナと装置筐体表面または内部の金属部との間の結合容量を制御することで、収納時のアンテナ共振周波数を変更可能である。よって、ＤＴＶアンテナを収納した状態でも十分なアンテナ特性を確保することが可能となり、いままで問題であった、ＤＴＶアンテナ収納時の予約録画が可能となる。

図５には本発明の他の実施の形態の構成図を示している。図１との差分は、ホイップアンテナ先端の結合部１０がなく、結合金具１１が追加さている点である。この結合金具１１は金属部９と接続された金属部品であるか、または、金属部９の一部を延長したものである。

この結合金具１１は、ＤＴＶアンテナ収納時にＤＴＶアンテナの一部と特定の距離だけ離れて対向するように配置されている。更に、先の図１に示した実施の形態では、ＤＴＶアンテナ収納時に、金属部９とＤＴＶアンテナ２の先端の結合部１０とが静電容量を介して結合することで、金属部９をＤＴＶアンテナの一部として利用したが、本実施の形態のように、結合金具１１とＤＴＶアンテナ２とを容量結合させることでも、収納時にこの金属部９をＤＴＶアンテナの一部として利用することが可能となる。

この場合、この結合金具１１の面積を変えることにより、ＤＴＶアンテナ２と結合金具１１との間の静電容量を変えて、ＤＴＶアンテナの共振周波数を制御することができる。

１ 筐体
２ ホイップアンテナ
３ 給電点
４ プリント基板
５ プリント基板ＧＮＤ
６ 整合回路
７ 接続ＰＩＮ
８ 給電金具
９ 金属部
１１ 結合金具

Claims (6)

1. 伸縮自在なアンテナを有し、前記アンテナを短縮させて装置に収納可能とした無線端末装置におけるアンテナ構造であって、
   前記アンテナの収納時に、前記アンテナの一部と前記装置の金属部とが容量結合して前記金属部を前記アンテナの一部として機能させるようにしたことを特徴とするアンテナ構造。
2. 前記アンテナの容量結合部分の太さを調整することにより、前記結合部の静電容量を変えて、アンテナ収納時の共振周波数の制御をなすことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ構造。
3. 前記アンテナの容量結合部分の長さを調整することにより、前記結合部の静電容量を変えて、アンテナ収納時の共振周波数の制御をなすことを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ構造。
4. 前記装置の金属部の容量結合部分の面積を調整することにより、前記結合部の静電容量を変えて、アンテナ収納時の共振周波数の制御をなすことを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のアンテナ構造。
5. 前記装置の金属部の容量結合部分の長さを調整することにより、アンテナ収納時の共振周波数の制御をなすことを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載のアンテナ構造。
6. 請求項１〜５いずれかに記載のアンテナ構造を有することを特徴とする無線端末装置。

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