【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、セルラーホン等の携帯無線機に使用されるダイバシチ受信アンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
セルラーホン等の携帯無線機のフェージング環境下における通話品質の向上の目的で、近年ダイバシチ受信方式が行われている。ダイバシチ方式には大きく分けて２つの種類があることが知られている。１つは検波後選択ダイバシチで、もう１つはアンテナ切り替えダイバシチである。本発明は、アンテナ切り替えダイバシチに使用するアンテナに関するものである。
【０００３】
アンテナ切り替えダイバシチは、ＴＤＭＡフレーム中の受信バーストの前にアンテナ選択のための時間を設け、アンテナ１とアンテナ２の受信パワーレベルの比較を行って図１０のようにスイッチ３によって切り替える方式である。この方法は、検波後選択ダイバシチと比較して受信回路が１系統で済むという利点を持っている。一方でバースト受信中はアンテナ切り替えができないため、検波後選択ダイバシチよりも効果が劣るという欠点もあるが、フェージング環境下の移動体の速度がある程度以下（最大ドップラ周波数がある程度以下）なら、充分同等な効果が得られることが分かっている。
【０００４】
携帯無線機にダイバシチ用アンテナを２個設置した様子を図１１に示す。（ａ）は２個の線状アンテナが設置された状態を示している。また、（ｂ）は、それぞれ１個づつ線状アンテナと内蔵型平面アンテナが設置された状態を示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
携帯無線機の形状は小型化の方向へ推移しており、２個のアンテナを設置すると、数百ＭＨｚ〜ＧＨｚ帯の場合、波長に比べて充分な距離をアンテナ間に置くことができない。たとえば、８００ＭＨｚ帯の場合、アンテナ間の距離は必然的にλ／４よりかなり小さい値となる。ダイバシチ受信を行う際にアンテナ間の距離を充分に取ることができないと、選択されていないアンテナにおいて意図せぬ受信パワー消費が生じた場合、選択されているアンテナの利得を劣化させるという不具合が発生する。
【０００６】
本発明の目的は、アンテナ切り替えダイバシチを行う際に、選択されていないアンテナが受信パワー消費を行って、選択されているアンテナの使用周波数での利得の劣化を防止することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明は、
図１に示すようにアンテナ（２）の使用周波数におけるアンテナ（１）の給電点（５）からみたインピーダンス（Ｚa ）が容量性の場合は、アンテナ（２）選択時にアンテナ（１）の給電点（５）から回路側を見たインピーダンス（Ｚ）を容量性とし、
アンテナ（２）の使用周波数におけるアンテナ（１）の給電点（５）からみたインピーダンス（Ｚa ）が誘導性の場合は、アンテナ（２）選択時にアンテナ（１）の給電点（５）から回路側を見たインピーダンス（Ｚ）を誘導性とするようなダイバシチ受信アンテナとする。
【０００８】
【作用】
本発明のダイバシチ受信アンテナは、選択されていないアンテナ（１）の受信パワー消費が少なくすることができるため、選択されているアンテナ（２）の使用周波数での利得の劣化を軽減することができる。
【０００９】
【実施例】
以下図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。
図１は本発明のダイバシチ受信アンテナの原理図である。アンテナ２が選択されており、スイッチ（あるいはデュプレクサ）３により送信または受信回路に接続されている。アンテナ１は回路には接続されず浮いた状態となっているが、スイッチの損失、またスイッチに至るまでの伝送線路４の損失等により、給電点５から回路側を見た反射係数ΓC の絶対値は１．０とはならずに若干小さい値となる。アンテナ２において送信または受信が行われているが、そのとき使用されている周波数におけるアンテナ１のインピーダンスＺa が容量性の場合、すなわちスミス図表の下半分の場合は、アンテナ１の給電点５からみた回路側のインピーダンス（負荷インピーダンス）Ｚも容量性にすることにより、アンテナ１での受信パワーの消費を抑え、アンテナ２の利得の劣化を防止することができる。また、アンテナ１のインピーダンスＺa が誘導性の場合、すなわちスミス図表の上半分の場合は、アンテナ１の給電点５からみた回路側のインピーダンス（負荷インーダンス）Ｚも誘導性にすることにより、アンテナ１での受信パワーの消費を抑え、アンテナ２の利得の劣化を防止することができる。以下に、この考え方を詳述する。
【００１０】
例えば、アンテナ１が図２のようなＬＣＲ直列共振回路によってインピーダンス特性が表現されるとする。Ｒが全て放射に寄与すると仮定し、外部電磁界がアンテナを励振する起電力を信号源６（Ｖ）で表すと、アンテナ１使用時の受信特性は、このＬＣＲ直列共振回路に、図３のように５０Ωの内部インピーダンスが接続された場合の５０Ω抵抗７での消費パワー量Ｐ0(ｆ) で評価される（式（１））。
【００１１】
【数１】
【００１２】
ここで、ｆは周波数を表す。また、アンテナ１が選択されていない場合の受信特性は、ＬＣＲ直列共振回路に、図４のようにある内部インピーダンスＺ（反射係数の絶対値が１よりも若干小さい）を有する信号源が接続された場合のＲでの消費パワー量Ｐ( ｆ) で評価される（式（２））。
【００１３】
【数２】
【００１４】
ここで、Re()、Im()は、複素数の実部と虚部を表す。このＰ( ｆ) が、選択されているアンテナ２で使用されている周波数において、あまり大きな値となると、アンテナ２の特性を劣化させることとなる。ここで、Ｐ( ｆ) を相対量として、式（３）のように相対パワーＰr (f) を定義する。
【００１５】
【数３】
【００１６】
Ｐr (f) は、回路側の負荷インピーダンスを５０Ωとしたときの中心周波数での消費パワー量Ｐ0(ｆ0)を基準としたときのＰ( ｆ) の相対量である。中心周波数ｆ0 とは、式（１）の分母の絶対値中の虚数項を０とするようなｆである。
【００１７】
Ｐr (f) を計算すると、式（４）のようになる。
【００１８】
【数４】
【００１９】
これらをRe( Ｚ) とIm( Ｚ) に関して整理すると、式（５）のようになる。
【００２０】
【数５】
【００２１】
よって、ＬＣＲ直列共振器でインピーダンス特性が表されるアンテナの、周波数ｆで相対パワーＰr (f) となる負荷インピーダンスＺの範囲は、横軸Re( Ｚ) 、縦軸Im( Ｚ) の複素平面上で、
【００２２】
【数６】
【００２３】
【数７】
【００２４】
の円上となる。なお、半径は正数または０であるので、Ｐr (f) は次の式を満たす値しか取りえない。
【００２５】
【数８】
【００２６】
（８）式の下では、中心のＸ座標が次の条件式を満たす。
【００２７】
【数９】
【００２８】
しかも（７）式より、半径はＸ座標よりも小さいので、円の軌跡はRe( Ｚ) ＞０の範囲にしか存在しない。Ｐr (f) を大きい側から変化させたときのＺの軌跡は、（８）式で等号が成立するときに、
【００２９】
【数１０】
【００３０】
で表される点となり、Ｐr (f) が減少するにしたがって中心座標が右の方へ移動する。円の半径は０から始まり徐々に増加していく。（１０）式で示される点は周波数ｆでのアンテナのインピーダンス８の共役複素数９を示す。このＰr (f) を変化させたときのＺの様子を図５に示す。円のＹ座標の絶対値の大きさがある程度以上となるような周波数であれば、アンテナのインピーダンスがIm（Ｚ）＞０つまり誘導性の時は負荷インピーダンスも誘導性にしておけば、図５に示した等Ｐr (f) 円１０の傾斜が急な領域にくることはないので、Ｐr を小さい値に抑えることが可能となる。反対に、アンテナのインピーダンスが容量性の時は負荷インピーダンスも容量性にしておけば、Ｐr を小さい値に抑えることができる。Ｐr の値は、２つのダイバシチアンテナ、アンテナ１・アンテナ２の利得差、アンテナ間距離、放射パターンの相違、などによって決まる。数百ＭＨｚから数ＧＨｚで使用されるセルラ等の小型の携帯無線機の場合、０ｄＢより若干低い値（マイナス数ｄＢ）程度と思われるが、アンテナ１の利得がアンテナ２の利得をかなり上回る場合、あるいはアンテナ間距離が極端に小さい場合などは更に低い場合にする必要がある。
【００３１】
図６に実際に１．５ＧＨｚにて使用するλ／４ヘリカルアンテナ１３を長さ１２ｃｍ・幅５ｃｍ・厚み２ｃｍ程度の金属筐体１５に取り付けた場合の斜視図を、また図７にその等価回路を示す。また、そのときのスミス図表を図８に示す。
素子値等は以下の通りである。
【００３２】
アンテナの中心周波数 １５００ ＭＨｚ
アンテナのＱ １０．０
Ｌ ４２．４ ｎＨ
Ｃ ０．２６５ｐＦ
Ｒ ４０．０ Ω
ここで、このアンテナが選択されない状態で、給電点から回路側を見た負荷インピーダンスを変化させたときの１４００ＭＨｚにおけるＰr (f) の値を複素インピーダンス平面上に示すと図９のようになる。１４００ＭＨｚでのλ／４ヘリカルアンテナ１３のインピーダンスは容量性なので、負荷インピーダンスも容量性にすれば図９の等Ｐr 円１０の等高線の密な部分にくることがなく、Ｐr の値を低く抑えることができる。そのときに図６に示すように、もう一方の、例えば逆Ｆアンテナ１４が１４００ＭＨｚにて受信を行っているとすると、λ／４ヘリカルアンテナにて消費されるエネルギーを小さく抑えられているので、逆Ｆアンテナの利得を劣化させること無く良好な受信状態が実現される。
【００３３】
なお本発明は、２本のアンテナを使用したダイバシチ受信のみについて説明したが、３本以上のアンテナを使用した場合にも適応できる。また、直列共振アンテナのみならず、逆Ｆアンテナ、ＳＭＳＡ（Ｓｈｏｒｔｅｄ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ａｎｔｅｎｎａ）等の並列共振アンテナに関しても、まったく同様の考え方があてはまることから、これらのアンテナに関しても適応可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べてきたように、本発明のダイバシチ受信アンテナは、アンテナ（２）の使用周波数におけるアンテナ（１）の給電点からみたインピーダンスが容量性の場合は、アンテナ（２）選択時にアンテナ（１）の給電点から回路側を見たインピーダンスを容量性とし、アンテナ（２）の使用周波数におけるアンテナ（１）の給電点からみたインピーダンスが誘導性の場合は、アンテナ（２）選択時にアンテナ（１）の給電点から回路側を見たインピーダンスを誘導性としているため、選択されていないアンテナ（１）の受信パワー消費が少なくすることができる。このことにより、選択されているアンテナ（２）の使用周波数での利得の劣化を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のダイバシチ受信アンテナの原理図。
【図２】アンテナ１のＬＣＲ直列等価回路図。
【図３】アンテナ１使用時の受信状態を示す回路図。
【図４】アンテナ１未使用時の状態を示す回路図。
【図５】Ｚ（負荷インピーダンス）平面上にＰr 一定の軌跡を示した図。
【図６】筐体に２本のアンテナを取り付けた場合の斜視図。
【図７】ヘリカルアンテナの等価回路図。
【図８】ヘリカルアンテナの反射特性を示すスミス図表。
【図９】Ｚ（負荷インピーダンス）平面上にＰr 一定の軌跡を示した図。
【図１０】従来のダイバシチアンテナの構成図。
【図１１】（ａ）（ｂ）は携帯機にてダイバシチアンテナを構成した斜視図。
【符号の説明】
１、２ アンテナ
３ スイッチ（あるいはデュプレクサ）
４ 伝送線路
５ 給電点
６ 信号源
７ ５０Ω抵抗
８ アンテナのインピーダンス
９ アンテナのインピーダンスの共役複素数
１０ 等Ｐr 円
１１ 誘導性インピーダンスの領域
１２ 容量性インピーダンスの領域
１３ λ／４ヘリカルアンテナ
１４ 逆Ｆアンテナ
１５ 金属筐体[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a diversity receiving antenna used in a portable wireless device such as a cellular phone.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a diversity reception system has been used for the purpose of improving call quality in a fading environment of a portable wireless device such as a cellular phone. It is known that there are two types of diversity systems. One is post-detection selection diversity, and the other is antenna switching diversity. The present invention relates to an antenna used for antenna switching diversity.
[0003]
Antenna switching diversity is a method in which a time for antenna selection is provided before a reception burst in a TDMA frame, the reception power levels of antenna 1 and antenna 2 are compared, and switching is performed by switch 3 as shown in FIG. This method has an advantage that only one receiving circuit is required as compared with selection diversity after detection. On the other hand, antenna switching is not possible during burst reception, so there is a disadvantage that the effect is inferior to selection diversity after detection. However, if the speed of the moving body in the fading environment is below a certain level (maximum Doppler frequency is below a certain level) Have been found to be effective.
[0004]
FIG. 11 shows a state where two antennas for diversity are installed in the portable wireless device. (A) has shown the state in which two linear antennas were installed. Further, (b) shows a state in which one linear antenna and one built-in planar antenna are installed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The shape of the portable wireless device is changing in the direction of miniaturization, and when two antennas are installed, a sufficient distance cannot be placed between the antennas in the case of several hundred MHz to GHz band compared to the wavelength. For example, in the case of the 800 MHz band, the distance between the antennas is inevitably much smaller than λ / 4. If the distance between the antennas cannot be sufficient when performing diversity reception, there will be a problem of degrading the gain of the selected antenna when unintended reception power consumption occurs in the unselected antenna. To do.
[0006]
An object of the present invention is to prevent the deterioration of the gain at the use frequency of the selected antenna by consuming the reception power of the unselected antenna when performing antenna switching diversity.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention
As shown in FIG. 1, when the impedance (Z a ) viewed from the feeding point (5) of the antenna (1) at the frequency used by the antenna (2) is capacitive, the feeding of the antenna (1) is performed when the antenna (2) is selected. The impedance (Z) viewed from the point (5) on the circuit side is capacitive,
When the impedance (Z a ) viewed from the feeding point (5) of the antenna (1) at the frequency used by the antenna (2) is inductive, the circuit from the feeding point (5) of the antenna (1) is selected when the antenna (2) is selected. A diversity receiving antenna having an inductive impedance (Z) viewed from the side is used.
[0008]
[Action]
Since the diversity reception antenna of the present invention can reduce the reception power consumption of the unselected antenna (1), it is possible to reduce the deterioration of the gain at the use frequency of the selected antenna (2). .
[0009]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a principle diagram of a diversity receiving antenna according to the present invention. The antenna 2 is selected and is connected to a transmission or reception circuit by a switch (or a duplexer) 3. Although the antenna 1 is not connected to the circuit and is in a floating state, the reflection coefficient Γ C as viewed from the feeding point 5 to the circuit side due to loss of the switch, loss of the transmission line 4 leading to the switch, and the like. The absolute value does not become 1.0, but is a small value. When transmission or reception is performed in the antenna 2, the impedance Z a of the antenna 1 at the frequency used at that time is capacitive, that is, in the case of the lower half of the Smith chart, from the feeding point 5 of the antenna 1 By making the impedance (load impedance) Z on the circuit side also capacitive, it is possible to suppress the reception power consumption at the antenna 1 and prevent the gain of the antenna 2 from deteriorating. Further, when the impedance Z a of the antenna 1 is inductive, that is, in the case of the upper half of the Smith chart, the impedance (load impedance) Z on the circuit side viewed from the feeding point 5 of the antenna 1 is also made inductive. Therefore, it is possible to suppress the consumption of the reception power at 1 and to prevent the antenna 2 from deteriorating in gain. This concept will be described in detail below.
[0010]
For example, it is assumed that the impedance characteristics of the antenna 1 are expressed by an LCR series resonance circuit as shown in FIG. Assuming that R all contributes to radiation, and the electromotive force that excites the antenna by the external electromagnetic field is represented by the signal source 6 (V), the reception characteristic when the antenna 1 is used is shown in FIG. In this way, the power consumption amount P 0 (f) in the 50Ω resistor 7 when the internal impedance of 50Ω is connected is evaluated (Equation (1)).
[0011]
[Expression 1]
[0012]
Here, f represents a frequency. The reception characteristic when the antenna 1 is not selected is that a signal source having an internal impedance Z (the absolute value of the reflection coefficient is slightly smaller than 1) as shown in FIG. 4 is connected to the LCR series resonance circuit. In this case, the power consumption amount P (f) at R is evaluated (Expression (2)).
[0013]
[Expression 2]
[0014]
Here, Re () and Im () represent a real part and an imaginary part of a complex number. If this P (f) becomes too large at the frequency used by the selected antenna 2, the characteristics of the antenna 2 will be degraded. Here, the relative power P r (f) is defined as in equation (3), with P (f) as a relative quantity.
[0015]
[Equation 3]
[0016]
P r (f) is a relative amount of P (f) when the power consumption amount P 0 (f 0 ) at the center frequency when the load impedance on the circuit side is 50Ω is used as a reference. The center frequency f 0 is f such that the imaginary term in the absolute value of the denominator of Equation (1) is 0.
[0017]
When P r (f) is calculated, the following equation (4) is obtained.
[0018]
[Expression 4]
[0019]
If these are rearranged with respect to Re (Z) and Im (Z), Equation (5) is obtained.
[0020]
[Equation 5]
[0021]
Therefore, the range of the load impedance Z of the antenna whose impedance characteristics are expressed by the LCR series resonator and having the relative power P r (f) at the frequency f is a complex of the horizontal axis Re (Z) and the vertical axis Im (Z). On the plane,
[0022]
[Formula 6]
[0023]
[Expression 7]
[0024]
On the circle. Since the radius is a positive number or 0, P r (f) can take only a value satisfying the following expression.
[0025]
[Equation 8]
[0026]
Under the expression (8), the center X coordinate satisfies the following conditional expression.
[0027]
[Equation 9]
[0028]
Moreover, since the radius is smaller than the X coordinate according to the equation (7), the circle locus exists only in the range of Re (Z)> 0. The trajectory of Z when P r (f) is changed from the larger side is as follows when the equal sign is established in equation (8):
[0029]
[Expression 10]
[0030]
The center coordinate moves to the right as P r (f) decreases. The radius of the circle starts from 0 and gradually increases. The point indicated by the equation (10) indicates the conjugate complex number 9 of the antenna impedance 8 at the frequency f. FIG. 5 shows the state of Z when P r (f) is changed. If the frequency is such that the absolute value of the Y coordinate of the circle exceeds a certain level, if the impedance of the antenna is Im (Z)> 0, that is, if the load impedance is inductive, the load impedance is also inductive. since no inclination equal P r (f) ¥ 10 shown comes to steep area, it is possible to suppress the P r to a small value. Conversely, when the impedance of the antenna is capacitive in if and also capacitive load impedance, it is possible to suppress the P r to a small value. The value of P r, the two diversity antennas, gain difference of the antenna 1, antenna 2, antenna distance, the difference in the radiation pattern is determined by such. In the case of small portable radio devices such as cellular used at several hundred MHz to several GHz, it seems that the value is slightly lower than 0 dB (minus several dB), but the gain of antenna 1 is much higher than the gain of antenna 2 Or when the distance between antennas is extremely small, it is necessary to make it lower.
[0031]
6 is a perspective view when the λ / 4 helical antenna 13 actually used at 1.5 GHz is attached to a metal casing 15 having a length of 12 cm, a width of 5 cm, and a thickness of about 2 cm, and FIG. 7 shows an equivalent circuit thereof. Indicates. Moreover, the Smith chart at that time is shown in FIG.
The element values are as follows.
[0032]
Antenna center frequency 1500 MHz
Q of antenna 10.0
L 42.4 nH
C 0.265 pF
R 40.0 Ω
Here, when this antenna is not selected, the value of P r (f) at 1400 MHz when the load impedance when the circuit side is viewed from the feeding point is changed is shown on the complex impedance plane as shown in FIG. . Since the impedance of the lambda / 4 helical antenna 13 at 1400MHz capacitive load impedance without coming into dense parts of the contour lines of equal P r ¥ 10 in FIG. 9 when the capacitive, lower the value of P r Can be suppressed. At that time, as shown in FIG. 6, if the other, for example, the inverted F antenna 14 is receiving at 1400 MHz, the energy consumed by the λ / 4 helical antenna is reduced, A good reception state is realized without degrading the gain of the inverted F antenna.
[0033]
Although the present invention has been described only with respect to diversity reception using two antennas, the present invention can also be applied to the case where three or more antennas are used. In addition, not only series resonant antennas but also parallel resonant antennas such as inverted-F antennas and SMSA (Shorted Microstrip Antenna) can be applied to these antennas because the same concept applies.
[0034]
【The invention's effect】
As described above, the diversity receiving antenna of the present invention has the antenna (1) when the antenna (2) is selected when the impedance viewed from the feeding point of the antenna (1) at the frequency used by the antenna (2) is capacitive. When the impedance viewed from the feeding point of the antenna (1) at the frequency used by the antenna (2) is inductive when the antenna (2) is selected, the antenna (1) Since the impedance when the circuit side is viewed from the feeding point is made inductive, the reception power consumption of the unselected antenna (1) can be reduced. As a result, it is possible to reduce the deterioration of the gain at the use frequency of the selected antenna (2).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a principle diagram of a diversity receiving antenna according to the present invention.
FIG. 2 is an LCR series equivalent circuit diagram of the antenna 1;
FIG. 3 is a circuit diagram showing a reception state when the antenna 1 is used.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a state when the antenna 1 is not used.
It illustrates the P r constant trajectory in FIG. 5 Z (load impedance) plane.
FIG. 6 is a perspective view when two antennas are attached to a housing.
FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of a helical antenna.
FIG. 8 is a Smith chart showing reflection characteristics of a helical antenna.
[9] Z (load impedance) shows the P r constant locus on a plane.
FIG. 10 is a configuration diagram of a conventional diversity antenna.
11A and 11B are perspective views of a diversity antenna configured in a portable device.
[Explanation of symbols]
1, 2 antenna 3 switch (or duplexer)
4 Transmission line 5 Feed point 6 Signal source 7 50Ω resistor 8 Antenna impedance 9 Conjugate complex number 10 of antenna impedance Pr circle 11 Inductive impedance region 12 Capacitive impedance region 13 λ / 4 helical antenna 14 Inverted F antenna 15 Metal enclosure
