JP2013528024A - 改善されたアンテナ性能を有するモバイル通信装置 - Google Patents

Abstract

改善されたアンテナ性能を有するモバイル通信装置が提供される。モバイル通信装置は、第１アンテナ、接地面及びダイバーシティアンテナを備える。マルチアンテナ伝送モードではない動作モードにおいては、ダイバーシティアンテナは接地面に電気的に結合される。ダイバーシティアンテナは接地面の電気的長さを増大し、接地面及びダイバーシティアンテナと結合して第１アンテナの放射アセンブリのアンテナ性能を高める。

Description

本発明は改善されたアンテナ性能を提供するモバイル通信装置に関する。

最新のモバイル通信装置は、小型で軽量にする必要があるが、多数の周波数帯域又はＧＳＭ（Global System for Mobile Communications）、（Ｗ）ＣＤＭＡ（(Wideband) Code Division Multiple Access）又はＬＴＥ（Long-Term Evolution）などの多数の通信標準規格をサポートしなければならない。ＬＴＥ、第４世代（４Ｇ）の通信標準規格は２つのアンテナを同時に動作させることができる。ＬＴＥシステムのマルチアンテナ伝送モードは通信装置のサービス能力を向上させることができる。そのために、モバイル通信装置はメインアンテナとダイバーシティアンテナを備えることができる。

特許文献１から、結合アンテナ素子と伸長素子を備えるアンテナ配列が知られている。アンテナ素子は第１の共振周波数及び第１の帯域幅を有し、伸長された導電素子は第２の共振周波数及び第２の帯域幅を有する。従って、広い周波数範囲をカバーできるアンテナ配列が提供される。

特許文献２から、高いデータレート用のフィルタ段が知られている。「ダイバーシティレシーバ」の一つの実施例では、スイッチを含み、該スイッチは、アンテナを、反射により生じる位相角が当該アンテナと他のアンテナとの相互結合を最適にするように選択されたインピーダンスに電気的に接続するスイッチング状態を有する。

しかし、通信装置をもっと小型にするという現在の要求のために、通信装置のアンテナ性能の改善が必要とされていても、最新の通信装置の設計者が最新の通信装置内に追加のアンテナ部品を含めることはできない。アンテナ性能の改善は、例えばエネルギーの節約に役立つ。

米国特許第７，５０５，００６号明細書 米国特許公開第２０１０／００８１４０７号

本発明の目的は、より小さな筐体内に組み込むことができ且つより良好なアンテナ性能を有する、多数の周波数帯域および多数の通信標準規格をサポートするモバイル通信装置を提供することにある。

本発明は、接地面、第１アンテナ及びダイバーシティアンテナを備えるモバイル通信装置を提供する。第１アンテナは動作中接地面に電磁的に結合することができる。ダイバーシティアンテナも動作中接地面に電磁的に結合することができる。第１アンテナの動作中、ダオバーシティアンテナの接地面への結合を、特にダイバーシティアンテナと接地面との間に適切な負荷を使用することによって最適にすると、第１アンテナの性能が向上する。

ダイバーシティアンテナの接地面への結合は、ダイバーシティ受信のために使用するときと、第１アンテナの性能を高めるときとで相違させることができる。そのため、異なるインピーダンスを有する異なる結合回路又は調整可能なインピーダンスを有する同一の結合回路を使用することができる。

このようなモバイル通信装置は改善されたアンテナ性能を有するアンテナを備える。このようなモバイル通信装置は、メインアンテナにすることができる第１アンテナ及びダイバーシティアンテナを備えるので、例えばＬＴＥシステムのマルチアンテナ送信モードによく適合する。

通常、メインアンテナはその接地面と電磁的に結合され、放射素子として働く。本発明者等は、モバイル通信の接地面の電気的長さを増大すると、この放射素子の周波数帯域幅の増大を生じることに気付いた。従って、より長い接地面がより広い帯域幅を生じる。帯域幅の増大は周波数帯域の端でより良好なマッチング及びより良好な放射効率をもたらす。しかしながら、より小さい通信装置への小型化傾向のために接地面の横方向寸法の増大は許されない。

更に、本発明者等は、接地面を追加の放射素子に電磁的に結合することによって接地面の電気的長さを増大することができることに気付いた。しかしながら、追加の放射素子をモバイル通信装置に付加することは、同様に装置の小型化傾向に反し不利である。

しかしながら、マルチアンテナ伝送モードのために通信装置により必要とされ、そのため装置内に予め存在するダイバーシティアンテナに接地面を電磁的に結合することによって、通信装置に他の放射素子を付加する必要なしに、メインアンテナのより良好なアンテナ性能をもたらすことができる。

従って、本発明の第１アンテナはモバイル通信装置のメインアンテナとすることができる。

更に、ダイバーシティアンテナから最大の利益を得るためには、ダイバーシティアンテナはメインアンテナからできるだけ遠く離して位置させるべきである。それゆえ、ダイバーシティアンテナと第１アンテナは本発明のモバイル通信装置の対向する端部又は側部に位置させることができる。

本発明のモバイル通信装置では、第１アンテナ、接地面及びダイバーシティアンテナは協働し、第１アンテナと接地面のみを備えるアンテナアセンブリより良好な性能を有する放射素子として機能する。

実際には、ダイバーシティアンテナは接地面の放射部分になり、接地面の電気的長さを増大する。

例えば、マルチアンテナ伝送モードを必要としない通信標準の間ダイバーシティアンテナを接地面に電磁的に結合することは取るに足らないことではない。軽量モバイル通信装置を得る一つの側面は装置の電池の重量を減少させることにある。しかしながら、この場合には、十分な動作時間を可能にするためにモバイル通信装置の電力消費を減少させなければならない。モバイル通信装置の電力消費を減少させる最も重要な方法は現在の動作モード中に必要とされないすべての素子を不活性にすることにある。マルチアンテナ伝送モードでは、ダイバーシティアンテナは不活性にできない。例えば、ＧＳＭ通信モードでは、ダイバーシティアンテナは通信に使用されず、通常すべてのダイバーシティ受信関連電子機器と一緒にスイッチオフされる。ＷＣＤＭＡでは、ダイバーシティアンテナの使用はオプションであり、この場合もダイバーシティアンテナはスイッチオフするか、他の目的のために使用することができる。ＷＣＤＭＡモードでは、エネルギーの節約が重要である場合には、ダイバーシティアンテナ及びその関連電子機器は不活性にされること明らかである。

しかしながら、本発明者等は、アンテナ性能を向上させれば、エネルギーも節約できることに気付いた。これは、より少ない電力は低挿入損失のアンテナで伝送しなければならないためである。

従って、ダイバーシティアンテナをマルチアンテナ伝送モードのために使用されなくても活性に維持することによって、モバイル通信装置の電力消費を低減させることができる。

第１アンテナ、接地面及びダイバーシティアンテナが放射素子として作用するとき、接地面は厳密な接地電位にあるとみなせないこと明らかである。接地面は接地接続に電気的に接続することができるが、接地面の電磁ポテンシャルは通常の接地の電磁ポテンシャルになり得ない。

一実施形態では、ダイバーシティアンテナを接地面に結合することによって、第１アンテナの帯域幅を少なくとも１．１倍又は１．３倍以上に増大する。そのために、所定の負荷インピーダンスの結合回路を使用することができる。

増大した帯域幅は周波数帯域の端においてより良好な効率、例えば挿入損失の減少をもたらす。

本発明の一実施形態では、ダイバーシティアンテナを接地面に結合することによって、第１アンテナの透過係数を少なくとも３ｄＢだけ増大する。

３ｄＢの増大はＴｘ電力消費の５０％の低減に相当する。従って、ダイバーシティアンテナを活性に維持するためにエネルギーが消費されるが、トータルではエネルギーを節約することができる。

一実施形態では、第１アンテナ及びダイバーシティアンテナはＬＴＥ通信装置用に規定される。

一実施形態では、第１アンテナ及びダイバーシティアンテナは接地面の対向する端部上に配置される。この場合、接地面の電気的長さが最大になるため、ダイバーシティアンテナの利益が増大される。

一実施形態では、装置は更にＰＷＢ（プリント配線板）を備え、接地面がＰＷＢ上に配置される。ＰＷＢは誘電率ｋを有する電気絶縁材料を備える。誘電率ｋにより接地面の容量及びインダクタンスが決まる。誘電率ｋはアンテナの性能を高めるように選択される。しかしながら、接地面の幾何学寸法も良好なアンテナ特性を得るために重要である。

一実施形態では、接地面は第１の電気的長さを有し、ダイバーシティアンテナは第２の電気的長さを有し、第１アンテナ及び接地面の組み合わせはある電気的長さを有する。この組み合わせの電気的長さは第１アンテナ又は接地面の各々の単独の長さより長い。

一実施形態では、ダイバーシティアンテナを接地面に結合することによって、ＧＳＭ動作モード、ＷＣＤＭＡ動作モード又はＬＴＥ ＴＤＤ（時分割二重）動作モードにおける第１アンテナの性能を向上させる。

ＬＴＥ ＴＤＤ動作モードは接地面に結合されたダイバーシティアンテナから恩恵を受けることもできる。ダイバーシティアンテナ（ＭＩＭＯ（multiple-input and multiple-output）アンテナとすることができる）は、Ｔｘスロット時にメインアンテナ性能を改善するために使用することができ、Ｒｘスロット時にＭＩＭＯ又はダイバーシティアンテナとして使用することができる。ＬＴＥ ＴＤＤは、時分割Ｔｘスロット及びＲｘスロットを有する点でＧＳＭに類似する。

原則として、第１アンテナの性能はダイバーシティアンテナを必ずしも必要としない任意の動作モードにおいて向上させることができる。

一実施形態では、ダイバーシティアンテナをバンドパスフィルタで又は所定の負荷で終端する。バンドパスフィルタ又は所定の負荷は結合回路を確立する。さらに、語句「終端」は、接地面の電磁ポテンシャルを接地電位に加えることを意味しないで、この負荷による結合を変化させることを意味する。これに関連して、ダイバーシティアンテナをバンドパスフィルタ又は所定の負荷で終端することは、バンドパスフィルタ又は所定の負荷がダイバーシティアンテナと接地面との間に電気的に接続されることを意味する。このような終端によれば、更なるインピーダンス素子を必要とすることなく接地面とダイバーシティアンテナとの間の電磁結合が達成される。

一実施形態では、モバイル通信装置は、ダイバーシティアンテナとバンドパスフィルタ又は所定の負荷インピーダンスとの間に電気的接続を与えるスイッチを更に備える。このようなスイッチによれば、アンテナの終端を環境状態の変化に応答して個別に整合させることができる。

本発明は以下に与えられる詳細な説明及び添付図面から十分に理解されよう。

本発明のモバイル通信装置の基本バージョンを示す。 等価回路図を示す。 ダイバーシティアンテナがマルチアンテナ動作モードで使用されているときの第１アンテナのインピーダンスを示す。 ダイバーシティアンテナがマルチアンテナ動作モードで使用されているときの第１アンテナの反射損失Ｓ₁₁を示す。 ダイバーシティアンテナが所定の負荷インピーダンスにより終端されているときの第１アンテナのインピーダンスを示す。 ダイバーシティアンテナが所定の負荷インピーダンスにより終端されているときの第１アンテナの反射損失Ｓ₁₁を示す。 ダイバーシティアンテナがバンドパスフィルタにより終端されているときの第１アンテナのインピーダンスを示す。 ダイバーシティアンテナがバンドパスフィルタにより終端されているときの第１アンテナの反射損失Ｓ₁₁を示す。

図１は本発明のモバイル通信装置ＭＣＤの基本バージョンを示す。本モバイル通信装置ＭＣＤはその上に接地面ＧＰが配置されたプリント配線板ＰＷＢを備える。本モバイル通信装置ＭＣＤは更に第１アンテナＡ１及びダイバーシティアンテナＡＤを備える。ダイバーシティアンテナＡＤはスイッチング手段ＳＭを介して接地面ＧＰに電気的に接続される。スイッチング手段ＳＭはモバイル通信装置ＭＣＤの所定の負荷インピーダンス又はバンドパスフィルタを含むことができる。

図２は本モバイル通信装置の等価回路図の一部分を示す。本装置は第１アンテナ及びダイバーシティアンテナＡＤを備える。ダイバーシティアンテナＡＤはスイッチＳＷに電気的に接続される。スイッチＳＷはダイバーシティアンテナＡＤとバンドパスフィルタＢＰＦとの間の電気的接続を確立することができる。また、スイッチＳＷはダイバーシティアンテナＡＤと所定の負荷インピーダンスＬとの間の電気的接続を確立することができる。負荷インピーダンスＬはダイバーシティアンテナＡＤを接地面ＧＰと電気的に接続する。

第１アンテナＡ１はモバイル通信装置の信号線ＳＬに電気的に接続される。

図３は、７００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの周波数間隔における第１アンテナの周波数依存インピーダンスを示す。マークＭ９０１は周波数９０１ＭＨｚを示し、マークＭ８３２は周波数８３２ＭＨｚを示す。これらの周波数の意味は図４で理解される。

図４は、ダイバーシティアンテナがＬＴＥのようなマルチアンテナ伝送モードで使用されているときの第１アンテナの反射損失Ｓ₁₁を示す。簡単のために、６ｄＢの反射損失で第１アンテナが動作し得る帯域幅の端が決定される。反射損失はマークＭ８３２で示す８３２ＭＨｚからマークＭ９０１で示す９０１ＭＨｚに至る周波数範囲内において−６ｄＢより良くなる。従って、帯域幅は６９ＭＨｚに等しい。最低反射損失は約−８．２５ｄＢである。

これに反し、図５はダイバーシティアンテナがマルチアンテナ伝送モードで使用されずに接地面に電気的に結合されているときの第１アンテナの周波数依存インピーダンスを示す。ダイバーシティアンテナは所定の負荷インピーダンスで終端される。マークＭ９０７は周波数９０７ＭＨｚを示す。マークＭ８１７は周波数８１７ＭＨｚを示す。これらの周波数は図６に示すように−６ｄＢの周波数ギャップを規定する。

図６に示されるように、第１アンテナの反射損失は８１７ＭＨｚから９０７ＭＨｚに至る周波数範囲内において−６ｄＢより良くなる。周波数帯域の幅は９０ＭＨｚである。従って、周波数帯域の幅は２１ＭＨｚだけ増大する。更に、最低反射損失は周波数帯域内で−１０ｄＢより低くなる。よって、ダイバーシティアンテナを所定の負荷インピーダンスで終端することによって帯域幅が増大されるとともに反射損失も改善されることが明らかである。図４の状態と比較して、帯域幅は（９０−６９）／６０＝０．３０＝３０％だけ、即ち１．３倍に増大される。更に、反射損失も３ｄＢ以上改善される。

図７は、ダイバーシティアンテナがバンドパスフィルタで終端されている状態に対する第１アンテナの周波数依存インピーダンスを示す。マークＭ９０１は周波数９０１ＭＨｚを示す。マークＭ８２１は周波数８２１ＭＨｚを示す。

図８に示されるように、−６ｄＢの周波数帯域は８２２ＭＨｚから９０１ＭＨｚである。周波数帯域の幅は７９ＭＨｚである。図４に示す状態に比較して、第１アンテナのアンテナ性能は向上する。帯域幅は（７９−６９）／６０＝０．１４＝１４％だけ、即ち１，１４倍に増大される。

本発明は、ダイバーシティアンテナを所定の負荷インピーダンスにより又はバンドパスフィルタにより終端する手段を備えることができる。ダイバーシティアンテナをモバイル通信装置の接地面に電磁的に結合することによって、メインアンテナのアンテナ性能が改善される。しかし、基本概念はこの結合に関する細部に左右されない。本発明は添付図面の実施形態により限定されない。特に、誘導素子、容量素子又は信号線又はストリップラインなどの他の結合手段に基づく実施形態も可能である。従って、添付図面から出発して様々な変形例が本発明の範囲内において可能である。

Ａ１： 第１アンテナ
ＡＤ： ダイバーシティアンテナ
ＢＰＦ： バンドパフィルタ
ＧＰ： 接地面
Ｌ： 所定の負荷インピーダンス
Ｍ８１７： 周波数８１７ＭＨｚを示すマーク
Ｍ８２２： 周波数８２２ＭＨｚを示すマーク
Ｍ８３２： 周波数８３２ＭＨｚを示すマーク
Ｍ９０１： 周波数９０１ＭＨｚを示すマーク
Ｍ９０７： 周波数９０７ＭＨｚを示すマーク
ＭＣＤ： モバイル通信装置
ＰＷＢ： プリント配線板
ＳＬ： 信号線
ＳＭ： スイッチング手段
ＳＷ： スイッチ

Claims (9)

1. 接地面（ＧＰ）、
   動作中前記接地面（ＧＰ）に電磁的に結合することができる第１アンテナ（Ａ１）、及び
   動作中前記設定面（ＧＰ）に電磁的に結合することができるダイバーシティアンテナ（ＡＤ）を備え、
   前記第１アンテナ（Ａ１）の動作中、前記ダイバーシティアンテナ（ＡＤ）を前記接地面（ＧＰ）に結合することによって前記第１アンテナ（Ａ１）の性能を向上させる、
   ことを特徴とするモバイル通信装置。
2. 前記ダイバーシティアンテナ（ＡＤ）の前記接地面（ＧＰ）への結合によって前記第１アンテナ（Ａ１）の帯域幅が少なくとも１．１倍だけ増大される、請求項１記載の装置。
3. 前記ダイバーシティアンテナ（ＡＤ）の前記接地面（ＧＰ）への結合によって前記第１アンテナ（Ａ１）の透過係数が少なくとも３ｄＢだけ増大される、請求項１又は２記載の装置。
4. 前記第１アンテナ（Ａ１）及び前記ダイバーシティアンテナ（ＡＤ）がＬＴＥ通信装置用に指定されている、請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
5. 前記第１アンテナ（Ａ１）及び前記ダイバーシティアンテナ（ＡＤ）が前記接地面（ＧＰ）の対向端部に配置されている、請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
6. プリント配線板（ＰＷＢ）を備え、前記接地面（ＧＰ）が前記プリント配線板（ＰＷＢ）上に配置されている、請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
7. 前記ダイバーシティアンテナ（ＡＤ）の前記接地面（ＧＰ）への結合によって、ＧＳＭ動作モード、ＷＣＤＭＡ動作モード、又はＬＴＥ ＴＤＤ動作モードにおいて、前記第１アンテナの性能が向上される、請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
8. 前記ダイバーシティアンテナ（ＡＤ）はバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）により又は所定の負荷インピーダンス（Ｌ）により終端される、請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
9. 前記ダイバーシティアンテナ（ＡＤ）と、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）又は所定のインピーダンス（Ｌ）との間の電気的接続をもたらすスイッチ（ＳＷ）を更に備える、請求項１〜８のいずれかに記載の装置。

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