JP2013197624A - 無線通信装置およびそのアンテナ - Google Patents

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Abstract

【課題】部品点数を増加させることなく、アンテナ特性を向上させる。
【解決手段】異なる周波数に対応する二つの放射素子(f1側エレメント4−1、f2側エレメント4−2)を有する。二つの放射素子のいずれか一方または双方と接地点との間に接続されたスイッチ(12、12−1、12−2)を備える。一方の放射素子(たとえば、f1側エレメント4−1)が動作する場合に、スイッチ(12、12−1、12−2)を介して他方の放射素子(f2側エレメント4−2)を接地し、該放射素子(たとえば、f2側エレメント4−2)をインダクタとして機能させる。
【選択図】図1

Description

本発明は、二分岐一給電アンテナなど、異なる周波数に対応する複数のアンテナエレメントを備える無線通信装置およびそのアンテナに関する。
スマートフォンなどの無線通信装置では小型化、薄型化とともに、通信バンドのマルチ化が進んでいる。異なる周波数に対応する無線通信装置は周波数帯域毎にアンテナを備えている。たとえば、800〔MHz〕帯と2〔GHz〕帯に用いられる二分岐一給電のアンテナでは、800〔MHz〕帯と2〔GHz〕帯とに別個の整合回路が構成されている。2〔GHz〕帯のアンテナでは800〔MHz〕帯高調波の影響で、帯域が狭くなるなど、アンテナ特性が劣化する。このため、各周波数帯域に共通する整合回路を構成することは困難であり、別個に構成されている。
このように複数の帯域に跨がるアンテナでは、異なる周波数に対応してアンテナ切替えを行う。このアンテナの切替えに関し、給電電圧の制御によって行うことが知られている(たとえば、特許文献1)。また、周波数切替えに給電回路側のリアクタンスを切り替えることが知られている(たとえば、特許文献2)。
特開2003−298334号公報 特開2008−118535号公報
ところで、筐体の小型化、薄型化とともに、通信バンドのマルチ化が進んでいる携帯端末やスマートフォンなどの無線通信装置では、1給電方式で2つ以上の周波数帯域をカバーするアンテナが使用されている。たとえば、800〔MHz〕帯と2〔GHz〕帯に用いられる二分岐一給電のアンテナがある。
1給電方式で2つ以上の周波数帯域にアンテナを整合(マッチング)させるには整合回路の切替えを行う。図16は、アンテナ100および整合回路102の切替えを示している。整合回路102はπ型整合回路である。この整合回路102では、整合(マッチング)部品104、106、108およびスイッチ110を備えている。アンテナ100は整合回路102を介して無線部(RF)112に接続されている。アンテナ100の直近にある整合部品108がスイッチ110により切り替えられ、周波数帯域に対するアンテナ100の整合が取られる。
このような整合回路102にはアンテナ100のGND側に整合部品108が必要であり、この整合部品108を切り替えるスイッチ110が必要である。周波数帯域に応じて、整合部品108がスイッチ110により接続状態と非接続状態に切り替えられる。これにより、周波数帯域に応じたマッチング定数が変更される。このため、マッチング特性やアンテナ特性を確保するには、スイッチ110とともに整合部品108を必要とし、部品点数が増加するという課題がある。
また、このようにスイッチ110や整合部品108を備える整合回路102では、筐体に占める割合が大きくなる。筐体の小型化や薄型化が損なわれる。整合回路102を簡略化して小型化や薄型化を優先すれば、アンテナ特性が悪化するという課題がある。
そこで、本開示の無線通信装置およびそのアンテナの目的は、部品点数を増加させることなく、アンテナ特性を向上させることにある。
上記目的を達成するため、本開示の構成は、異なる周波数に対応する二つの放射素子を有する。二つの放射素子のいずれか一方または双方と接地点との間に接続されたスイッチを備える。一方の放射素子が動作する場合に、スイッチを介して他方の放射素子を接地し、該放射素子をインダクタとして機能させる。
本開示の無線通信装置またはそのアンテナによれば次のいずれかの効果が得られる。
(1) 整合素子やエレメントなどの部品点数を増加させることなく、アンテナ特性を向上させることができる。
(2) 部品点数を削減してアンテナ特性を改善できる。
(3) 整合回路の部品点数を削減できる。
そして、本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付図面及び各実施の形態を参照することにより、一層明確になるであろう。
第1の実施の形態に係る通信端末装置および整合回路を示す図である。 f1側エレメント4−1および等価回路を示す図である。 f2側エレメント4−2および等価回路を示す図である。 第2の実施の形態に係る通信端末装置を示す図である。 制御部の構成例を示す図である。 スイッチ制御を示す図である。 f1側エレメント4−1および等価回路を示す図である。 インダクタンスの使用前後のVSWR特性を示す図である。 スイッチの一例を示す図である。 第3の実施の形態に係る通信端末装置を示す図である。 第4の実施の形態に係る通信端末装置を示す図である。 f1側エレメント4−1および等価回路を示す図である。 f2側エレメント4−2および等価回路を示す図である。 第5の実施の形態に係る通信端末装置を示す図である。 f1側エレメント4−1、f2側エレメント4−2の切替えおよび等価回路を示す図である。 従来のアンテナおよび整合回路の切替えを示す図である。
〔第1の実施の形態〕
図1は、第1の実施の形態に係る通信端末装置および整合回路を示している。図1に示す構成は本開示の無線通信装置およびそのアンテナの一例であって、斯かる構成に限定されない。
図1のAに示す通信端末装置2は複数の放射素子を有するアンテナ4を備えている。このアンテナ4はたとえば、1給電2分岐モノポールアンテナである。このアンテナ4は、複数の放射素子の一例としてf1側エレメント4−1およびf2側エレメント4−2を備えている。異なる共振周波数f1、f2に対応したデュアルバンドアンテナである。共振周波数f1、f2はたとえば、f1>f2という関係である。f1側エレメント4−1は第1の放射素子(アンテナエレメント)の一例である。f2側エレメント4−2は第2の放射素子(アンテナエレメント)の一例である。共振周波数f1は、第1の周波数たとえば、2〔GHz〕帯の周波数である。共振周波数f2は、800〔MHz〕帯の周波数である。つまり、f1側エレメント4−1およびf2側エレメント4−2は異なる周波数に対応する二つの放射素子の一例である。
f1側エレメント4−1およびf2側エレメント4−2にはたとえば、アンテナ4の中央に給電点6が設定されている。給電点6は、アンテナ4のf1側エレメント4−1またはf2側エレメント4−2に給電する部位である。
この給電点6には、整合回路8が接続されている。この整合回路8は、無線部(RF)10にアンテナ4を整合させるための基本回路である。
この整合回路8にはRF10が接続されている。このRF10は送信電力でアンテナ4を励振する回路部である。
この実施の形態ではf2側エレメント4−2の端部にスイッチ12が接続されている。このスイッチ12は接点122、124および可動接点126を備えている。この接点構成は一例であり、半導体スイッチ、機械的スイッチなどのスイッチデバイスで構成される。このスイッチ12の接点122は接地点(GND)14に接続されている。このスイッチ12の他方の接点124は接地点(GND)14と絶縁されている。つまり、可動接点126が接点122に閉じていれば、f2側エレメント4−2はスイッチ12を介してGND14に接続され、接地されている。また、可動接点126が接点124に閉じていれば、f2側エレメント4−2はスイッチ12を介してGND14から離れ、絶縁されている。
図1のBは、整合回路8の基本構成を示している。この整合回路8は、整合素子16、18で構成されている。整合素子16は給電点6とRF10の出力点との間に接続されている。整合素子18はRF10の出力点と接地点14との間に接続されている。整合素子16、18はキャパシタまたはインダクタのいずれか一方または双方で構成される。
<f1側エレメント4−1を動作させる場合>
f1側エレメント4−1を動作させる場合には、スイッチ12の接点122に可動接点126を閉じる。すなわち、f2側エレメント4−2がスイッチ12を介して接地点14に接地される。
図2はf1側エレメント4−1を動作させる場合の等価回路を示している。この場合、RF10の出力周波数f1にf1側エレメント4−1が共振する。つまり、f1側エレメント4−1がアンテナ4として機能する。接地されたf2側エレメント4−2はインダクタLとして機能する。f1側エレメント4−1の整合回路8−1には既述の整合回路8にインダクタLが加わる。これにより、f2側エレメント4−2はパラレルインダクタと等価であり、整合回路8−1は整合回路8およびインダクタLによる広帯域π型整合回路として機能する。つまり、f1側エレメント4−1では整合回路8−1によるマッチングが取られ、すなわち、整合回路8およびインダクタLでマッチングを取ることができる。
<f2側エレメント4−2を動作させる場合>
f2側エレメント4−2を選択して動作させる場合には、スイッチ12の接点124に可動接点126を閉じる。すなわち、f2側エレメント4−2はオープン状態となり、アンテナ4として機能する。
図3は、f2側エレメント4−2を動作させる場合の等価回路を示している。f2側エレメント4−2を選択して動作させる場合である。この場合、RF10の出力周波数f2にf2側エレメント4−2が共振する。つまり、f2側エレメント4−2がアンテナ4として機能する。この場合、f1側エレメント4−1は電気長が短く、RF10の出力周波数f2に共振しない。f1側エレメント4−1は、周波数f2に対してアンテナ4として機能しない。整合回路8は整合素子16、18のみの既述の基本回路で構成される。これにより、f2側エレメント4−2は整合回路8のみでマッチングを取ることができる。
<第1の実施の形態の効果>
(1) f1側エレメント4−1を動作させる際に、f1側エレメント4−1の整合回路8−1がf2側エレメント4−2よりなるインダクタLを含んで構成される。これにより、f1側エレメント4−1の整合回路8−1では部品点数を増加させることなく整合を取ることができ、アンテナ特性を向上させることができる。
(2) f1側帯域側ではf2側エレメント4−2を整合素子に用いるため、f1側帯域とf2側帯域の各帯域でアンテナ4のマッチングが取りやすくなる。
(3) f2側エレメント4−2よりなるインダクタLでf1側エレメント4−1の整合回路8−1の整合素子を構成する。これにより、f1側エレメント4−1に対応する整合回路8−1はf2側エレメント4−2でインダクタLを構成する分だけ部品点数を削減でき、アンテナ特性を改善できる。
(4) f2側エレメント4−2がf1側エレメント4−1の整合回路8−1に利用でき、エレメントの有効利用を図ることができる。
(5) 整合回路8の部品点数を削減でき、通信端末装置2の筐体の小型化を図ることができる。
(6) 異なる周波数f1、f2に対応したアンテナ4の整合を取ることができる。
(7) f2側エレメント4−2を整合素子に利用しているため、整合回路8の構成素子を削減でき、整合回路8の簡略化、軽量化を図ることができる。
(8) 周波数f1で動作する場合には、f1側エレメント4−1の周波数帯域がf2側エレメント4−2の影響により狭帯域化することもない。
〔第2の実施の形態〕
図4は、第2の実施の形態に係る通信端末装置2を示している。図4において、図1と同一部分には同一符号を付している。
この通信端末装置2にはプリント基板20が設置されている。このプリント基板20は、アンテナ領域22と部品実装領域24とに区画されている。アンテナ領域22は、配線禁止エリアを構成する。このアンテナ領域22には、アンテナ4、整合回路8およびスイッチ12が配置されている。アンテナ4は既述のf1側エレメント4−1およびf2側エレメント4−2を備える単一給電2分岐のモノポールアンテナである。f1側エレメント4−1およびf2側エレメント4−2は直列に接続され、両者の中間点に給電点6が設定されている。
部品実装領域24にはRF10が設置されている。このRF10の出力点とアンテナ4の給電点6との間に整合回路8が接続されている。この整合回路8は既述の構成(図1のB)と同一である。つまり、整合素子16がRF10に直列に接続されている。整合素子18はRF10に対して並列に接続されている。
スイッチ12はf2側エレメント4−2と部品実装領域24の接地点14との間に接続されている。このスイッチ12は、既述の構成(図1のA)と同一である。このスイッチ12にはたとえば、SPDT(Single Pole Double Throw)スイッチを用いればよい。SPDTスイッチを用いた構成では、SPDTスイッチの入力側にf2側エレメント4−2の端末を接続する。SPDTスイッチの接点122側をGND14に接続する。SPDTスイッチの接点124側をオープン状態にする。つまり、スイッチ12がf2側エレメント4−2とともに整合回路として機能し、既述の整合回路8−1が構成される。
部品実装領域24にはスイッチ12を切り替える制御部26が設置されている。制御部26は、通信端末装置2のベースバンド部で構成されている。
図5は、制御部26の一例を示している。この制御部26はコンピュータで構成されている。図5に示す制御部26では、CPU(Central Processing Unit )28、ROM(Read-Only Memory)30、RAM(Random-Access Memory)32および入出力部(I/O)34を備えている。これら各部はバス36で接続されている。
CPU28はROM30にあるOS(Operating System)などのプログラムを実行し、既述のスイッチ12を通信モードにより切り替える。ROM30は既述のプログラムやデータを記録している。この実施の形態では、このROM30に通信モードに応じたバンド切替信号を表す制御テーブル38(図6)が設置されている。RAM32はワークエリアを構成する。I/O34は、CPU28の制御によりデータの入出力を行う。
図6は、既述の制御テーブル38を示している。この制御テーブル38は、スイッチ12の切替えとバンド切替信号Hi、Loとの関係データを格納している。この実施の形態では、周波数f1(たとえば、2〔GHz〕)の通信モードでは、バンド切替信号Hi、出力1、周波数f2(たとえば、800〔MHz〕)の通信モードではバンド切替信号Lo、出力2となる。つまり、バンド切替信号Hiでf1側エレメント4−1が選択され、f2側エレメント4−2がインダクタLとして機能する。バンド切替信号Loでf2側エレメント4−2が選択される。
図7は、f2側エレメント4−2の接地を示している。図7に示す構成では、スイッチ12の切替入力端子40には制御部26からバンド切替信号Hiが加えられている。この場合、制御テーブル38(図6)に示すように、出力1が生成される。この出力1では、スイッチ12の可動接点126が接点122に閉じる。これにより、f2側エレメント4−2の端末がスイッチ12を介してGND14に接地されている。f2側エレメント4−2の端末が接地されると、f2側エレメント4−2は、給電点6とGND14との間でインダクタLとして機能する。このインダクタLは、整合回路8に整合素子として加わる。既述の整合回路8−1(図2)を構成する。つまり、整合回路8−1は、整合素子16、18およびインダクタLからなる広帯域π型整合回路を構成する。
このように、f2側エレメント4−2を接地してインダクタLとしてf1側エレメント4−1の整合回路8−1として機能させた場合には、f1側エレメント4−1によるアンテナ特性を改善することができる。
図8のAは、f1側エレメント4−1と整合回路8のみのVSWR(Voltage Standing Wave Ratio:電圧定在波比)特性を示している。この特性(図8のA)では、共振周波数f1(=2〔GHz〕)においても、VSWRが比較的高い値を示している。つまり、周波数はあっているがインピーダンスがずれた状態(不整合状態)である。
これに対し、f2側エレメント4−2を接地してインダクタLとして使用した場合、つまり、整合回路8−1(図2)として構成した場合には、共振周波数f1(=2〔GHz〕)において、VSWRが低い値に低減されている。結果として、共振周波数f1(=2〔GHz〕)を中心とした使用帯域を拡大することができる。つまり、通信装置として最適な状態である。
<スイッチ12の構成例>
図9は、スイッチ12の構成例を示している。このスイッチ12は、図9のAに示すように、ダイオード42で構成することができる。このダイオード42はたとえば、PINダイオードである。
このダイオード42のアノードに高抵抗44を介して切替入力端子40が形成されている。この切替入力端子40には、制御部26から既述のバンド切替信号Hi/Loが加えられる。
バンド切替信号Hiが加えられた場合には、図9のBに示すように、ダイオード42が導通する。このとき、既述の出力1のモードであり、f2側エレメント4−2の端末が接地状態となる。つまり、既述のインダクタLとして機能する。
バンド切替信号Loが加えられた場合には、図9のCに示すように、ダイオード42は、非導通となる。このとき、既述の出力2のモードであり、f2側エレメント4−2の端末が開放状態となる。
以上述べたように、二分岐一給電のアンテナ4において、f1側エレメント4−1に対してf2側エレメント4−2を整合回路の一部に利用でき、整合回路の部品点数を増加することなく、アンテナ特性を高めることができる。
〔第3の実施の形態〕
図10は、第3の実施の形態に係る通信端末装置2を示している。この実施の形態では、f2側エレメント4−2の中間部にスイッチ12が接続され、このスイッチ12を介してf2側エレメント4−2の中間部を接地する。
給電点6とf2側エレメント4−2の接地部45とのエレメント長をDとする。このエレメント長Dは、接地部45の位置に応じて任意に加減することができる。つまり、f1側エレメント4−1に整合回路8−1として機能させるインダクタLのインダクタンス値を調整できる。これにより、f1側エレメント4−1の共振状態を加減でき、最適なVSWR特性に調整できる。
f2側エレメント4−2では、給電点6に近いほどインダクタンスの値が小さく、開放端(オープン端)に近いほどインダクタンスの値が大きくなる。この関係を利用すれば、f2側エレメント4−2の中間部にある接地部45を可変すれば、所望のインダクタンス値に調整することができる。したがって、スイッチ12の取付け位置の調整により、f1側エレメント4−1にf2側エレメント4−2によるインダクタンスの値を整合させることができる。すなわち、周波数f1におけるアンテナ4のマッチングを容易に取ることができる。
〔第4の実施の形態〕
図11は、第4の実施の形態に係る通信端末装置2を示している。この実施の形態では、f2側エレメント4−2の端末にスイッチ12−1、f1側エレメント4−1の端末にスイッチ12−2を接続し、それぞれの端末を選択的に接地可能にしている。
斯かる構成によれば、f1側エレメント4−1を使用する場合、スイッチ12−1を介してf2側エレメント4−2の端末を接地する。この場合、f1側エレメント4−1の端末は開放状態とする。f2側エレメント4−2は図12に示すように、インダクタLとして構成され、f1側エレメント4−1に対して整合回路8−1を構成できる。これにより、f1側エレメント4−1によるアンテナ4は既述のように、少ない構成部品でアンテナ特性を改善することができる。
また、f2側エレメント4−2を使用する場合、スイッチ12−2を介してf1側エレメント4−1の端末を接地する。この場合、f2側エレメント4−2の端末は開放状態とする。f1側エレメント4−1は図13に示すように、インダクタLとして構成され、f2側エレメント4−2に対して整合回路8−2を構成できる。これにより、f2側エレメント4−2によるアンテナ4においても、既述のように、少ない構成部品でアンテナ特性を改善することができる。
〔第5の実施の形態〕
図14は、第5の実施の形態に係る通信端末装置2を示している。図15はアンテナの切替えおよび整合回路の等価回路を示している。図14において、図1と同一部分には同一符号を付してある。
図14のアンテナ4は、f2側エレメント4−2の端末をスイッチ12の導通に基づき、端末整合素子としてインダクタ50を介して接地する構成である。上記実施の形態では、f2側エレメント4−2の端末をスイッチ12の導通に基づき、接地点14に直結する構成であったが、このように、インダクタ50を介在させてもよい。これにより、整合回路8−1の整合特性を改善することも可能である。
f1側エレメント4−1を使用する場合には、スイッチ12を接点122側に切り替えてf2側エレメント4−2の端末をインダクタ50を介して接地する。この場合、f2側エレメント4−2は図15のAに示すように、インダクタ50とともにインダクタLsを構成する。つまり、f1側エレメント4−1には、インダクタ50を含むインダクタLsを整合素子とする整合回路8−1が構成される。
これに対し、f2側エレメント4−2を使用する場合には、スイッチ12を接点124側に切り替えてf2側エレメント4−2の端末が開放状態となる。この場合、f2側エレメント4−2は図15のBに示すように、インダクタ50と分離される。つまり、f2側エレメント4−2には、整合回路8のみが機能する。
この実施の形態では、整合素子16としてキャパシタ46、整合素子18としてインダクタ48が使用されている。これらは一例であり、斯かる構成に限定されるものではない。
この実施の形態においても、第4の実施の形態と同様に、f1エレメント4−1の端末にスイッチ12−2(図11)を介してインダクタを介在させて接地する構成としてもよい。
この実施の形態では、端末整合素子としてインダクタ50を用いているが、キャパシタを用いてもよい。
〔他の実施の形態〕
(1) 上記実施の形態では、モノポールアンテナを例示したが、本発明は、モノポールアンテナに限定されない。モノポールアンテナ以外のアンテナにも同様に他の放射素子を整合回路の一部として利用することができる。
(2) スイッチ12の例としてダイオードを例示したが、トランジスタを用いたスイッチ回路で構成してもよい。
以上説明したように、本開示の無線通信装置およびそのアンテナの最も好ましい実施の形態を説明した。しかし、本発明は、上記記載に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載され、又は発明を実施するための形態に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能である。斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
2 通信端末装置
4 アンテナ
4−1 f1側エレメント
4−2 f2側エレメント
6 給電点
8、8−1、8−2 整合回路
10 無線部
12、12−1、12−2 スイッチ
16、18 整合素子
20 プリント基板
22 アンテナ領域
24 部品実装領域
26 制御部
40 切替入力端子
42 ダイオード
45 接地部
46 キャパシタ
48 インダクタ
50 インダクタ

Claims (6)

  1. 異なる周波数に対応する二つの放射素子を有する無線通信装置であって、
    前記二つの放射素子のいずれか一方または双方と接地点との間に接続されたスイッチを備え、
    一方の放射素子が動作する場合に、前記スイッチを介して他方の放射素子を接地し、該放射素子をインダクタとして機能させる、
    無線通信装置。
  2. 前記一方の放射素子が動作する場合に該放射素子の整合回路に前記他の放射素子を含む、
    請求項1に記載の無線通信装置。
  3. 前記スイッチは、前記放射素子の中間部と前記接地点との間に接続されている、
    請求項1または2に記載の無線通信装置。
  4. さらに、前記周波数に対応する通信モードに応じて前記スイッチを切り替える制御部を備える、
    請求項1ないし3のいずれかに記載の無線通信装置。
  5. 異なる周波数に対応する二つの放射素子を有するアンテナであって、
    前記二つの放射素子のいずれか一方または双方と接地点との間に接続されたスイッチを備え、
    一方の放射素子が動作する場合に、前記スイッチを介して他方の放射素子を接地し、該放射素子をインダクタとして機能させる、
    アンテナ。
  6. 前記一方の放射素子が動作する場合に該放射素子の整合回路に前記他の放射素子を含む、
    請求項5に記載のアンテナ。

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