JP2013524699A

JP2013524699A - 比吸収率ピーク値が低減された無線端末及びその実現方法

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Publication number: JP2013524699A
Application number: JP2013504093A
Authority: JP
Inventors: ルージャン
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2010-04-12
Filing date: 2010-07-19
Publication date: 2013-06-17
Anticipated expiration: 2030-07-19
Also published as: US20130118780A1; JP5636492B2; US9095052B2; EP2512036A4; CN101867384B; CN101867384A; EP2512036B1; AU2010350949B2; EP2512036A1; AU2010350949A1; WO2011127696A1

Abstract

【課題】比吸収率（ＳＡＲ）ピーク値が低減された無線端末を提供する。
【解決手段】無線端末では、比吸収率（ＳＡＲ）ピーク値が低減される。また、無線端末は、金属グランドを有し、前記金属グランドのエッジには、前記金属グランドのエッジにおける誘導電流の流れを妨げるためのフラクタル・スロットが設けられているプリント回路基板（ＰＣＢ）を含む。金属グランド金属グランド当該無線端末によれば、無線端末の通信品質に影響を与えない前提において、ＳＡＲを低減することができ、生産コストが低く、且つ、無線端末の構造空間を節約することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は無線端末の比吸収率（ＳＡＲ：ＳｐｅｃｉｆｉｃＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎＲａｔｅ）を低減する技術に関し、特に、ＳＡＲピーク値が低減された無線端末及びその実現方法に関する。

無線通信技術の急速な発展に伴い、移動端末やデータカード等の無線端末が広く利用されるようになってきている。そして、無線端末のサイズもますます小さくなる傾向も見られ、無線端末構造の設計上の難易度が増すとともに、他の重要な問題も生じる。すなわち、人体に対する無線端末による電磁放射が強くなることである。

現在における、人体に対するアンテナによる電磁放射を評価する基準は、比吸収率（ＳＡＲ：ＳｐｅｃｉｆｉｃＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎＲａｔｅ）である。ＳＡＲは、無線端末の電磁波エネルギーの吸収率に関連する。具体的には、外部電磁界の作用によって、人体の中に誘導電磁界が発生する。人体の各器官が何れも損失誘電体であるため、人体の中の電磁界が誘導電流を発生させる。そして、人体が電磁エネルギーを吸収して消費することが発生する。生物計測において、ＳＡＲは、しばしばこの物理プロセスを表すことに用いられる。ＳＡＲの意味は、単位質量あたりの人体組織に吸収されたり消費されたりする電磁力に関連し、その単位は、Ｗ／ｋｇ又はｍＷ／ｇである。米国の連邦通信委員会（ＦＣＣ：ｆｅｄｅｒａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ）は、各種の無線端末と、人体との相互作用中における許容される最大のＳＡＲを明確に規定している。ＦＣＣは、また、移動端末のＳＡＲが、移動端末が人の脳部の片側に近づく場合に測定されるべきことを規定している。データカードのＳＡＲは、データカードアンテナに近い４辺で測定されなければならない。従って、無線端末を小型化するとともに、人体に対する電磁放射基準を如何に満たすかという点は、業界では、直ちに解決すべき重要な課題となっている。

現在、無線端末ＳＡＲ減衰技術、即ち、ＳＡＲピーク値減衰技術は、無線端末機器の筐体の表面に電磁波吸収材料及び／又は放射線防護層などを塗布するものが多いが、その生産コストが高い。これに加えて、無線端末に伝導体リフレクターや遮蔽デバイスを設ける方法もあり、これにより、無線端末の組立プロセスにおいて、伝導体リフレクターや遮蔽デバイスのために、これらに対応する配置スペースを用意する必要があり、占有されるスペースが増大する。それゆえ、無線端末の小型化設計の本来の目的に反する。

上記の２つの解決策は、いずれもＳＡＲを低減することができるが、この２つの解決策は共通の欠点を持つ。すなわち、無線端末の筐体の表面に電磁波吸収材料及び／又は放射線防護層が塗布されると、塗布された電磁波吸収材料及び／又は放射線防護層が無線端末によって人体へ放射された電磁波を吸収するが、塗布された電磁波吸収材料及び／又は放射線防護層がアンテナによって電磁波形式で外へ放射された有効な信号も吸収してしまい、無線端末の通信品質が影響を受ける。それと同様に、伝導体リフレクターや遮蔽デバイスは人体へ放射された電磁波を隔離できるが、伝導体リフレクターや遮蔽デバイスはアンテナによって外へ放射された有効な信号も隔離してしまい、無線端末の通信品質が影響を受ける。上記の２つの解決策によって、無線端末のＳＡＲが低減すると同時に、無線端末の通信性能も影響を受ける。つまり、人体に対する無線端末アンテナの近傍領域における放射が低減するが、アンテナの遠方電磁界放射が大きな影響を受け、無線端末が順調に通信を行うことができなくなり、通信品質が保証されなくなる。

上記の問題を鑑みて、本発明の主目的は、無線端末の通信品質に影響を与えない前提の下、ＳＡＲを低減することができ、生産コストが低く、且つ、無線端末の構造空間を節約する、ＳＡＲピーク値が低減された無線端末、及びＳＡＲピーク値を低減するための方法を提供することにある。

上記目的を実現するために、本発明の技術的な解決策は、下記のように実現される。
本発明は、ＳＡＲピーク値を低減するための無線端末を提供する。当該無線端末は、金属グランドを有し、前記金属グランドのエッジに、前記金属グランドのエッジにおける誘導電流の流れを妨げるためのフラクタル・スロットが設けられるＰＣＢを含む。

ここで、前記ＰＣＢは、単一層構造又は多層構造である。

更に、前記ＰＣＢが多層構造である場合、前記フラクタル・スロットは、多層におけるいずれか１層、又は多層における複数の層、又は多層におけるそれぞれの層に設けられている。

前記解決策において、前記フラクタル・スロットに採用される幾何学的形状は、コッホ（Ｋｏｃｈ）曲線（ノーマル／ランダム）、又はミンコフスキー（Ｍｉｎｋｏｗｓｋｉ）曲線、又はＬ−ｓｙｓｔｅｍツリー型曲線、又はシェルピンスキー（Ｓｅｒｐｉｎｓｋｉ）ギャスケット（三角形又は四角形）、又はシェルピンスキー（Ｓｅｒｐｉｎｓｋｉ）矢印曲線である。

本発明は、ＳＡＲピーク値を低減するための方法を更に提供する。前記方法は、ＰＣＢの金属グランドのエッジに、誘導電流の流れを妨げるためのフラクタル・スロットを設けるステップを含む。

ここで、前記ＰＣＢは、単一層構造又は多層構造である。

更に、前記ＰＣＢが多層構造である場合、
フラクタル・スロットを設けることは、多層におけるいずれか１層、又は多層における複数の層、又は多層におけるそれぞれの層にフラクタル・スロットを設けることを含む。

前記解決策において、フラクタル・スロットをエッチングによって設ける。

前記解決策において、フラクタル・スロットは、幾何学的形状は、コッホ（Ｋｏｃｈ）曲線（ノーマル／ランダム）、又はミンコフスキー（Ｍｉｎｋｏｗｓｋｉ）曲線、又はＬ−ｓｙｓｔｅｍツリー型曲線、又はシェルピンスキー（Ｓｅｒｐｉｎｓｋｉ）ギャスケット（三角形又は四角形）、又はシェルピンスキー（Ｓｅｒｐｉｎｓｋｉ）矢印曲線にされることによって形成される。

本発明により提供されるＳＡＲ（ＳｐｅｃｉｆｉｃＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎＲａｔｅ）ピーク値が低減された無線端末及びＳＡＲピーク値を低減するための方法は、プリント回路基板（ＰＣＢ）の金属グランドのエッジに、金属グランドのエッジにおける誘導電流の流れを妨げるためのフラクタル・スロットを設けることを含む。本発明においてフラクタル・スロットに採用されるフラクタル集合形状は、不規則性を持ち、且つ、非常に複雑であるため、妨げられた誘導電流の流れる方向がランダムになり、各サブ電流源の位相の一致性が乱され、局所電界極大値が抑制され、局所ＳＡＲピーク値が低減される。

無線端末アンテナの放射特性は、ＰＣＢ配線の幾何学的形状やＰＣＢ配線の長さではなく、主にアンテナの物理的空間サイズとアンテナの動作波長と間の関係に依存することがわかる。なお、本発明に係るフラクタル・スロットの幅が、アンテナの動作波長よりはるかに小さく、電磁干渉の点から見て、フラクタル・スロットの幅が十分に小さいと、回路内部の高周波信号放射による電磁干がリークせず、無線端末の通信品質が保証される。

なお、本発明に係るフラクタル・スロットの形成は、主に、ＰＣＢの配線段階で、余分の材料及びモジュールを追加することなく完成され、それゆえコストが節約されるだけでなく、空間も節約され、無線端末小型化の設計の目的が実現される。

従来のＰＣＢの金属グランドのエッジのくし形スロットの構造図及び本発明の一実施形態によるフラクタル・スロットの局所の構造図である。ヒルベルト（Ｈｉｌｂｅｒｔ）曲線のフラクタル・スロット構造及び誘導電流の流れの模式図である。本発明のフラクタル・スロットに対応可能な他の多種のフラクタル幾何学的形状の構造図である。

従来技術よりわかるように、無線端末のＳＡＲピーク値は、アンテナ伝導体自身の表面電流と、アンテナの近傍における金属面に誘導される表面電流との共同寄与により取得される。Ｎ．Ｋｕｓｔｅｒによる研究は、ＳＡＲピーク値が、一般的に、アンテナやＰＣＢの金属グランドの表面における最大局所誘導電流と関連していることを示している。

なお、アンテナ理論よりわかるように、アンテナの近傍は、誘導電流の各サブ電流源の放射の重ね合わせに依存する。サブ電流源は、位相が一致する場合における局所電界極大値、即ち、ＳＡＲピーク値を形成することが可能である。そのＳＡＲピーク値は、電流エッジ効果及び近接効果に基づく。ＰＣＢの表面における電流は、一般的に、金属グランドのエッジに集中する。ここで、前記各サブ電流源は、誘導電流を発生させる小さな電流源である。研究過程において、しばしば１本の電流を複数のサブ電流源に分ける。各サブ電流源の放射が、空間のある点において互いに重なり合う場合に位相が一致すると、局所電界極大値が形成される。

フラクタルの概念は、１９７０年代にブノワ・マンデルブロ（ＢｅｎｏｉｔＭａｎｄｅｌｂｒｏｔ）というフランスの数学者によって導入されたものであり、元々は、不規則、バラバラなどを意味する。フラクタル幾何学は、研究対象として不規則幾何学的形状を対象とする幾何学である。自然界に広く存在している全ての不規則形状が、フラクタルの特徴を有する。フラクタル幾何学的形状は、全体から見ればいずれの形状も不規則であり、局所を部分的に見ると局所形態と全体形態とが相似性を持つ。即ち、フラクタル幾何学的形状は、自己相似的な階段構造を有し、反復プロセスにより生成されることが可能である。理想的なフラクタル幾何学的形状は、限られた領域において無限長を有するため、近年、アンテナ小型化と多重周波数広帯域化の設計において、広く注目されてくる。本発明は、ＳＡＲピーク値の本質的なメカニズムとフラクタル幾何学的形状とを組み合わせて、ＳＡＲピーク値を低減する技術を提供する。

本発明の基本的な着想は、ＰＣＢにおける金属グランドのエッジに、金属グランドのエッジの誘導電流の流れを妨げるためのフラクタル・スロットを設けることである。

ここで、前記フラクタル・スロットは、エッチングによって形成されてもよく、ＰＣＢの配線を行っている間に行ってもよい。

以下、図面及び具体的な実施形態を参照して、本発明をより詳しく説明する。

本発明のＳＡＲピーク値が低減された無線端末は、ＰＣＢを含み、前記ＰＣＢの金属グランドのエッジに、金属グランドのエッジの誘導電流の流れを妨げるためのフラクタル・スロットが設けられている。

前記ＰＣＢは、単一層構造又は多層構造であり、即ち、無線端末に、単一層ＰＣＢ又は多層ＰＣＢを含む。ＰＣＢが多層構造である場合、多層のうちのいずれか１層、又は多層のうちの複数の層、又は多層のうちのそれぞれの層にフラクタル・スロットが設けられている。

本発明のＳＡＲピーク値を低減するための方法は、ＰＣＢの金属グランドのエッジに、フラクタル・スロットを設けることにより実現される。

具体的には、フラクタル幾何学的形状を備えるスロットが、エッチングなどの方法を用いて、元のＰＣＢにおける金属グランドのエッジに、ＰＣＢにおける金属グランドのエッジの誘導電流の流れを妨げるために設けられる。金属グランド即ち、ＰＣＢにおける金属グランドのエッジの誘導電流の各サブ電流源の位相の一致性を変化させ、局所における強い電界の生成を抑え、ＳＡＲピーク値を低減する。

ここで、アンテナの誘導電流が、主に、アンテナ給電点及びユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ：ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓ）接地点に近接する金属グランドのエッジに集中するため、フラクタル・スロットが、このような位置に、集中的に設けられてよい。即ち、このような位置に、複雑なフラクタル幾何学的形状のスロットが設けられてよく、金属グランドのエッジのほかの位置に、簡単なフラクタル幾何学的形状のスロットが設けられてよい。

フラクタル幾何学的形状の複雑度は、フラクタル幾何学的形状の次数によって評価され、次数が高いほど、フラクタル幾何学的形状の複雑度が高く、これに対して、次数が低いほど、フラクタル幾何学的形状の複雑度が低い。

従来のＰＣＢの金属グランドのエッジには、スロットが設けられておらず、誘導電流が、ＰＣＢの金属グランドの直線的なエッジに沿って流れる。図１（ａ）は、従来のＰＣＢの金属グランドのエッジに設けられた簡単なくし形スロットの構造図である。図１（ｂ）は、金属グランドのエッジに設けられた曲線形状のフラクタル・スロットの局所の構造図である。図１（ｂ）に示されるように、フラクタル・スロットを設ける前に、誘導電流が、ＰＣＢの金属グランドのエッジで、くし形スロットに沿って金属グランド流れる。図１（ｂ）に示したフラクタル・スロットが設けられた後、誘導電流がＡ／Ｂ点から、フラクタル・スロットに対応する曲線に沿ってＢ／Ａ点まで流れる。

ここで、線ＡＢの位置する一辺が、ＰＣＢの金属グランドのエッジの内側に密着し、線ＡＢとは反対の辺は外向きである。このように、元の誘導電流の流れる方向が変えられる。フラクタル集合形状の不規則性のため、誘導電流の流れる方向がランダムになり、各サブ電流源の位相の一致性が乱れ、局所電界極大値が抑制され、局所ＳＡＲピーク値が低減される。なお、フラクタル集合形状の複雑度が高いため、フラクタル・スロットのエッジの経路が長くなり、誘導電流に対する妨げ作用や抑制作用が増大し、局所電界強度が減衰する。

本発明において設けられたフラクタル・スロットに対応するフラクタル幾何学的形状は、複合的に選択されてもよい。図２は、ヒルベルト（Ｈｉｌｂｅｒｔ）曲線の形状のフラクタル・スロットの構造図、及び誘導電流の流れの模式図である。図２に示されるように、図２（ａ）は、１次のヒルベルト曲線であり、図２（ｂ）は、２次のヒルベルト曲線である。図２（ａ）と２（ｂ）における矢印は、誘導電流の流れる方向を表している。図１に示した従来の金属グランドのエッジのくし形スロットは、１次のＨｉｌｂｅｒｔ曲線と同等とすることができる。図２よりわかるように、ヒルベルト曲線の次数の増加に伴い、対応するフラクタル・スロットにおける誘導電流の流れる方向が次第に分散され、誘導電流が流れるエッジの長さが次第に増加する。図２（ｃ）と図２（ｄ）とのそれぞれに示された３次のヒルベルト曲線と４次のヒルベルト曲線の形状のフラクタル・スロットは、誘導電流を極めて複雑にし、誘導電流の各サブ電流源の位相の一致性を乱し、局所電界極大値を効果的に低減させ、ＳＡＲピーク値を効果的に低減させる。

図３は、本発明のフラクタル・スロットに対応可能な他のフラクタル幾何学的形状の構造図である。図３（ａ）は、３次のコッホ（Ｋｏｃｈ）曲線（ノーマル）と３次のコッホ（Ｋｏｃｈ）曲線（ランダム）を示しており、流れを妨げられた誘導電流が曲線のエッジに沿って流れる。図３（ｂ）は、ミンコフスキー（Ｍｉｎｋｏｗｓｋｉ）曲線を示しており、流れを妨げられた誘導電流が、同様に、曲線のエッジに沿って流れる。図３（ｃ）は、Ｌ−ｓｙｓｔｅｍツリー型曲線であり、流れを妨げられた誘導電流が、ツリーの根から上方へ流れ、全ての枝に沿ってツリーの根に戻ってくる。図３（ｃ）よりわかるように、流れを妨げられた誘導電流の流れる方向が、非常に複雑である。図３（ｄ）は、２次のシェルピンスキー（Ｓｅｒｐｉｎｓｋｉ）のギャスケット（三角形又は四角形）を示しており、図３（ｄ）に示した白色三角形又は白色四角形は、金属グランドのエッジにエッチングされた穴の形状を表し、このようなフラクタル・スロットは、比較的大きい表面インピーダンスと同等とすることができ、元の誘導電流の流れ方向が妨げる。各サブ電流源の位相の一致性もまた妨げられ、ＰＣＢにおける金属グランドのエッジの表面電流が抑制される。図３（ｅ）は、シェルピンスキー（Ｓｅｒｐｉｎｓｋｉ）矢印曲線であり、流れを妨げられた誘導電流の複雑度も大幅に向上している。

本発明において、ＰＣＢが多層構造を有する無線端末のために、フラクタル・スロットは多層のうちのそれぞれの層に金属グランド設けられていてもよい。

本発明は、表１に示すように、フラクタル幾何学的形状の複雑度やＰＣＢの配線時の最小サイズの制限に応じて、選択可能な複数のフラクタル・スロット及び対応する選択可能な最大次数を提供する。

研究に基づくと、小型無線端末におけるサイズが小さいアンテナの放射特性は、主に、ＰＣＢ配線の幾何学的形状やＰＣＢ配線の長さではなく、アンテナの物理的な空間サイズとアンテナ動作波長との間のサイズ関係に依存する。前記ＰＣＢ配線は、ＰＣＢの金属グランドのエッジを含むことが見出された。なお、本発明の前記フラクタル・スロットの幅もアンテナの動作波長より遥かに小さく、その幅が動作波長の１／１０、又は１／１５であり、更に、より小さくてよい。電磁干渉の点から見れば、フラクタル・スロットの幅が十分に小さいと、回路内部の高周波信号から放射された電磁干渉をリークすることがなく、アンテナのファーフィールド放射特性に影響を与えることもなく、無線端末の通信品質が保証される。

上述の説明からわかるように、本発明より提案されたＰＣＢにおける金属グランドのエッジにフラクタル・スロットを設ける技術は、無線端末のアンテナのファーフィールド放射特性に影響を与えることなく、局所ＳＡＲピーク値を効果的に低減することができ、人体に対する害を低減させることができる。なお、本発明に係る動作は、主に、ＰＣＢの配線段階に集中しており、余分の材料や余分なモジュールを増加することない。それゆえ、コストを節約できるだけでなく、空間も節約でき、無線端末小型化の設計の目的を実現している。

なお、本発明は、フラクタル・スロットに採用される幾何学的形状を限定せず、表１は、ただ、よく適用される幾つかの例を示したにすぎない。本発明に示されない他のタイプのフラクタル幾何学的形状の採用、又は、本発明のフラクタル幾何学的形状に対して行われた如何なる修正は、本発明の保護範囲に含まれる。

以上の説明は、本発明の好適な実施形態に過ぎず、本発明を限定するものではない。当業者にとっては、本発明に基づく種々の変更と変形が可能である。本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく実施されたあらゆる修正、同等の置換及び改良等は、すべて本発明の保護範囲に属する。

Claims

比吸収率（ＳＡＲ：ＳｐｅｃｉｆｉｃＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎＲａｔｅ）ピーク値が低減された無線端末であって、
金属グランドを有し、前記金属グランドのエッジに、前記金属グランドのエッジにおける誘導電流の流れを妨げるためのフラクタル・スロットが設けられているプリント回路基板（ＰＣＢ：ＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔＢｏａｒｄ）を含む
ことを特徴とする無線端末。
前記ＰＣＢは、単一層構造又は多層構造である
ことを特徴とする請求項１に記載の無線端末。
前記ＰＣＢが多層構造である場合、前記フラクタル・スロットは、多層におけるいずれか１層、又は多層における複数の層、又は多層におけるそれぞれの層に設けられている
ことを特徴とする請求項２に記載の無線端末。
前記フラクタル・スロットに採用される幾何学的形状は、コッホ（Ｋｏｃｈ）曲線（ノーマル／ランダム）、又はミンコフスキー（Ｍｉｎｋｏｗｓｋｉ）曲線、又はＬ−ｓｙｓｔｅｍツリー型曲線、又はシェルピンスキー（Ｓｅｒｐｉｎｓｋｉ）のギャスケット（三角形又は四角形）、又はシェルピンスキー（Ｓｅｒｐｉｎｓｋｉ）矢印曲線である
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のＳＡＲピーク値を低減するための無線端末。
吸収比率（ＳＡＲ：ＳｐｅｃｉｆｉｃＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎＲａｔｅ）ピーク値を低減するための方法であって、
ＰＣＢの金属グランドのエッジに、誘導電流の流れを妨げるフラクタル・スロットを設けるステップを含む
ことを特徴とする方法。
前記ＰＣＢは、単一層構造又は多層構造である
ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
前記ＰＣＢが多層構造である場合、前記フラクタル・スロットを設けることは、多層におけるいずれか１層、又は多層における複数の層、又は多層におけるそれぞれの層に前記フラクタル・スロットを設けることを含む
ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
フラクタル・スロットをエッチングによって設ける
ことを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の方法。
フラクタル・スロットを設ける場合に採用される幾何学的形状は、コッホ（Ｋｏｃｈ）曲線（ノーマル／ランダム）、又はミンコフスキー（Ｍｉｎｋｏｗｓｋｉ）曲線、又はＬ−ｓｙｓｔｅｍツリー型曲線、又はシェルピンスキー（Ｓｅｒｐｉｎｓｋｉ）のギャスケット（三角形又は正方形）、又はシェルピンスキー（Ｓｅｒｐｉｎｓｋｉ）矢印曲線である
ことを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の方法。