JP4242783B2 - ワイヤレス端末内における又はこれに関連する改良 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤレス端末における又はこれに関連する改良に関し、特に、排他的ではないが、ＧＳＭ、ＤＣＳ及びＵＭＴＳのような周波数分割複信（ＦＤＤ）システムを含み、分割された送信及び受信周波数帯域を有するプロトコルによって動作するワイヤレス端末に関する。

典型的には、携帯電話機は、比較的広い帯域内で信号を送受信する共通アンテナを有する。ＦＤＤシステムで使用される送信機及び受信機の周波数の両方をカバーするのに十分広い帯域幅を有する様々なアンテナ構成が、従来技術において知られている。

米国特許第５，６５９，８８６号明細書は、序文において、デジタル無線通信用の従来の移動体においては、受信機及び送信機の両方が、送信通過帯域フィルタ及び受信通過帯域フィルタを介して共通の送受信アンテナに接続されていると記載している。これらのフィルタは、誘電体フィルタ又はアコースティックフィルタとして製造されることができる。このようなコンポーネントは、集積回路として製造することが困難であり、これらは比較的かさばるものでもあるため、前記特許明細書は、かさを減少するために、送信通過帯域フィルタをアイソレータに取り替えるべきであると提案している。前記明細書に記載されている特定の例において、共通アンテナは、外部のホイップアンテナを有する。アイソレータ自身は、前記アンテナから反射される電力を損失し得るので、非効率的な装置であると見なされている。

モバイル電話機のようなワイヤレス端末は、時には、板状逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）又は類似のもののような内蔵アンテナを有する。このようなアンテナは、（波長に対して）小さいので、小型アンテナの基本的限界のために、狭い帯域を有する。しかしながら、ＵＭＴＳのような移動無線通信システムは、ＰＩＦＡが１３．３％の比帯域幅を有することを必要とする。

ＰＩＦＡからこのような帯域幅を実現するためには、例えば、アンテナの帯域幅とこのボリュームとの間には比例関係があるために、かなりのボリュームが必要であるが、このようなボリュームは、小型の電話機へと向かっている現在の傾向によって、容易に使用可能なものではない。従って、上述した限界のために、今日のワイヤレス端末における小型のアンテナから効率的な広い帯域の放射を実現することは無理である。

本発明の目的は、比較的小さいボリュームの共通送受信アンテナによって、比較的広い帯域幅内に広がる所望の周波数帯域をカバーすることにある。

本発明の１つの見地によれば、周波数複信システムの送信及び受信周波数帯域において使用するワイヤレス端末が設けられ、該ワイヤレス端末は、送信及び受信段、並びに該送信及び受信段に結合される信号伝搬手段を有し、該信号伝搬手段は、送信及び受信周波数帯域のより広い方をカバーするのに十分な帯域幅を持つアンテナ構造と、該アンテナ構造に各給電線によって結合される受信フィルタ及び送信フィルタとを有する。

本発明の第２の見地によれば、周波数複信システムの送信及び受信周波数帯域において動作可能であるワイヤレス端末において使用するモジュールが設けられ、該モジュールは、信号伝搬手段を有し、該信号伝搬手段は、送信及び受信周波数帯域のより広い方をカバーするのに十分な帯域幅を有するアンテナ構造と、該アンテナ構造に各給電線によって結合される受信フィルタ及び送信フィルタとを有し、並びに当該ワイヤレス端末のＲＦ段に接続する複数の端子を有する。

本発明は、狭帯域のアンテナ構造を、ＦＤＤシステムの送信機及び受信機の通過帯域に渡る通過帯域に広がる異なる周波数において再利用可能とするために、前記フィルタを使用することができるという事実の認識に基づくものである。

本発明の実施例において、前記アンテナ構造は、ＰＩＦＡを有する。前記ＰＩＦＡは、該ＰＩＦＡを中央エレメントと２つの外側エレメントとに分割する２つの差動スロットを含むことができ、これらのエレメントは、一方の端において相互接続されている。

前記中央エレメントの自由端は、接地面に接続されており、前記２つの外側エレメントの自由端は、それぞれ、送信及び受信フィルタに接続されている。

前記フィルタは、バルク弾性波（Bulk Acoustic Filter :BAW）及び弾性表面波（Surface Acoustic Filter :SAW）フィルタのような固体状態フィルタであり得る。

本発明は、添付図面を参照して、例を用いて、以下に記載されるであろう。

以下の図面では、同一の符号は、対応するフィーチャを示するように使用されている。

図１を参照すると、当該トランシーバは、入力信号処理段（ＳＰＴ）１２に結合されている信号入力端子１０を含む送信機セクションＴ_ｘを有する。前記段１２は、変調器（ＭＯＤ）１４に結合されており、該変調器１４は、変調された信号を、周波数シンセサイザのような信号発生器１８も接続されている乗算器１６を有する周波数アップコンバータに供給する。周波数アップコンバートされた信号は、電力増幅器２０、送信機フィルタ２２、及び整合／周波数同調回路網２３を経由して、信号伝搬構造２４に結合されている。

当該トランシーバの受信機セクションＲ_ｘは、低雑音増幅器２８を有し、これは整合／周波数同調回路網２５及び受信機フィルタ２６を経由して、信号伝搬構造２４に結合されている。低雑音増幅器２８の出力は、乗算器３０と、周波数シンセサイザのような信号発生器３２とを有する周波数ダウンコンバータに結合されている。周波数ダウンコンバートされた信号は、復調器（ＤＥＭＯＤ）３４内で変調され、この出力は、信号処理段（ＳＰＲ）３６に供給され、これは出力信号を端子３８上に供給する。当該トランシーバの動作は、プロセッサ４０によって制御される。

図２を参照すると、プリント回路基板ＰＣＢは、１つの側に複数のコンポーネント（図示略）を、逆の側に接地面ＧＰを有している。ＰＩＦＡ２４は、前記ＰＣＢ上に取り付けられる、又はこれによって担持される。前記ＰＩＦＡは、幾つかの代替的な態様で実施されることができ、例えば、絶縁材料の柱を使用するＰＣＢによって担持される予備形成された金属プレートとして、前記ＰＣＢによって担持されるプリント回路基板の予めエッチングされた部分として、絶縁材料上に設けられた導電層を選択的にエッチングすることによって若しくは絶縁ブロック上に導電層を選択的にプリントすることによって形成されるＰＩＦＡを有する絶縁材料のブロックとして、又は携帯電話のケース上のアンテナとして、実現されることができる。ＵＭＴＳ周波数における使用に関し、ＰＩＦＡ２４の寸法は、長さ（寸法「ａ」）３０ｍｍ、高さ（寸法「ｂ」）１０ｍｍ、及び深さ（寸法「ｃ」）４ｍｍである。これらの寸法によって、ＰＩＦＡ２４は、より広いＦＤＤ ＵＭＴＳ帯域をカバーするのに十分な帯域幅を持つことができる。前記帯域幅は、略３．１％である。これは、ＵＭＴＳ帯域全体をカバーするために必要な帯域幅（約１３．３％）の４分の１未満である。公称的には、ＰＩＦＡ２４は、送信及び受信帯域の間で共振的である。

ＰＩＦＡ２４は、一端から他端までの距離の部分の長手方向に延在する２つの差動スロット４２、４４を有する。結果として、これは櫛型に似ており、三叉、即ちエレメントＰＲ１、ＰＲ２及びＰＲ３有し、これらは、自身の端部の一方の側で相互接続されており、自身の端部の他方の側では自由である。中間エレメントＰＲ２は、共通の短絡ピン４６によって、前記ＰＣＢの接地面ＧＰに接続されている。エレメントＰＲ１は、ピン４８によって送信機フィルタ２２（図１）の出力に結合され、エレメントＰＲ３は、ピン５０によって受信機フィルタ２６（図１）の入力に結合される。

差動スロット４２、４４は、前記アンテナの共振周波数を同調するためにも使用されることができる。非対称なスロット、即ち異なる長さ及び／又は異なる形状のスロットは、２つの給電線、即ちピン４８、５０に、異なる共振周波数を生じる。

前記差動スロットは、必須ではないが、これらを有さない場合は、短絡ピン４６に給電しているフィルタへの結合におけるインダクタンスの電位差の問題がある。前記スロットは、差動モードのリアクタンスを増加させ、使用されていないポート、即ち送信モードにおける受信ポート、及び同様に受信モードにおける送信ポートの隔離を容易にする。これは、図３に示されており、該図における左側に、接地されたエレメントＰＲ２と、エレメントＰＲ１に結合された信号ソースＳ１とを備えるＰＩＦＡ２４の実施例が示されている。矢印１Ｖは、この給電配置が、差動ポートを構成していることを示している。このようにして接続されたＰＩＦＡ２４は、放射（又はコモン）モード２４Ｒと平衡（又は差動）モード２４Ｂとの組み合わせと等価なものとして表すことができる。放射モード２４Ｒにおいては、同相信号ソースＳ２及びＳ３が、エレメントＰＲ１及びＰＲ２にそれぞれ結合されており、前記ＰＩＦＡは、単独の一体型アンテナとして現出する。平衡モード２４Ｂの場合、反位相ソースＳ４及びＳ５が、エレメントＰＲ１及びＰＲ２にそれぞれ結合されているので、矢印５４及び５６によって示されているように、電流が、ＰＲ１からＰＲ２に沿って流れ、スロット４２を横断する電場が生じる。このモードでは、差動モードリアクタンスが増加され、前記フィルタを、反射性終端、例えばアンテナと断線又は短絡するように同調することにより、使用していないポートを隔離することがより容易になる。

図４を参照すると、送信機フィルタ２２は、整合／周波数同調回路網２３を経由して、アンテナエレメントＰＲ１に結合される４エレメントの、不平衡化された、ＢＡＷはしご型フィルタを有する。このタイプのフィルタは、送信機に一般的に必要である不平衡入力及び出力を可能にする。５０オームのインピーダンス６０によって表されているソースインピーダンスは、２ｎＨのインダクタ６２によって、フィルタ２２の入力に結合されている。６ｎＨのインダクタ６４は、フィルタ２２の出力をアンテナエレメントＰＲ１に結合している。インダクタ６２及び６４は、同調を行うために働き、インダクタ６４の値は、これがＰＩＦＡ２４の共振周波数を、送信機周波数帯域に必要である共振周波数まで低下させるように、最適化される。付加的には、これは、受信機周波数におけるＢＡＷフィルタの出力静電容量（図示略）と共同して略短絡するように構成される。

受信機フィルタ２６は、平衡化された、ＢＡＷ格子型フィルタを有し、該フィルタは、図１に示されている実施例において、５０オームのソースインピーダンス７０と接続する平衡入力を有し、該平衡入力は、低雑音増幅器２８と、ＰＩＦＡ２４のエレメントＰＲ３に結合された不平衡出力とを有する。直列接続された１．５ｎＨのインダクタ７２及びシャント接続された２．４ｐＦのキャパシタ７４が、フィルタ２６の入力回路内に設けられており、整合／周波数同調回路網２５を構成している。キャパシタ７４は、前記アンテナの共振周波数を増加させ、インダクタ７２は、受信機側が整合されること、及び送信機フィルタの静電容量（図示略）と外部の回路構成との組み合わせが、受信機としての前記アンテナと略短絡していることを確実にする。

図５は、結合されるＰＩＦＡと、図４に示されているフィルタの組み合わせとに関するＳ_１１応答を、鎖線で示されているＵＭＴＳ帯域の周波数に渡って動作する広帯域のアンテナに関する理想特性８４と共に、示している。前記Ｓ_１１応答は、実線で示されている送信機特性８０、及び破線で示されている受信機特性８２を有する。送信機特性８０を参照すると、ｒ１及びｒ２で示されている点は、それぞれ、１．９２０ＧＨｚの周波数における−１８．４２８ｄＢの減衰量、及び１．９８０ＧＨｚの周波数における−６．２８２ｄＢの減衰量を示している。受信機特性８２の場合は、ｒ３及びｒ４で示されている点は、それぞれ、周波数２．１１０ＧＨｚにおける‐１４．０５７ｄＢの減衰量、及び２．１７０ＧＨｚの周波数における−１３.４７１の減衰量を示している。

送信機及び受信機帯域の両方を同時にカバーするには過小であるアンテナを使用し、前記両方の帯域において許容可能な性能が達成されるということは明らかである。図４に示されている組み合わせにおいて、受信機は、先ず最適化され、この結果、格子フィルタ２６固有のより優れた性能によって容易化されたより優れた性能を示す。但し、前記送信機の性能は、更なる設計の繰返しによって、改良されることができると考える。

図５によって、コンパクトなアンテナを異なる周波数複信周波数において再利用可能にするために、複数のフィルタを利用するという概念が有効であることが確認された。ＢＡＷフィルタに加え、ＳＡＷ及びセラミックフィルタのような、他のタイプのフィルタによって類似の結果を得ることも可能である。

本明細書及び添付請求項において、単数形の構成要素は、複数のこのような構成要素を排除するものではない。更に、「有す」という語は、請求項に記載されていない構成要素又はステップの存在を排除するものではない。

本明細書を読むことにより、当業者にとっては、他の変型が明らかになるであろう。このような変型は、ワイヤレス端末及びこれらに替わる構成要素部分の設計、製造及び使用において既知である、及び本明細書に既に記載されたフィーチャの替わりに若しくはこれらに加えて使用され得る他のフィーチャを含み得る。

図１は、本発明によって構成されるワイヤレス端末の実施例のブロック概略図である。 図２は、ＰＩＦＡと、送信及び受信フィルタとを有する回路基板の図である。 図３は、ＰＩＦＡの放射（又はコモン）及び平衡（又は差動）モードを示している図である。 図４は、ＢＡＷ送信機及び受信機フィルタにそれぞれ接続されたアンテナ構造の図である。 図５は、アンテナ構造及びＢＡＷフィルタのＳ_１１応答である。

Claims (8)

1. 送信及び受信帯域の帯域幅が異なる周波数複信システムの送信及び受信周波数帯域において使用するワイヤレス端末であって、該ワイヤレス端末は受信及び送信段と、前記受信及び送信段にそれぞれ結合される受信フィルタ及び送信フィルタと、各給電線によって前記受信及び送信フィルタに結合される信号伝搬手段とを含み、前記信号伝搬手段が、前記送信及び受信周波数帯域のより広い方をカバーするのに十分な帯域幅を持つ板状逆Ｆアンテナ有し、２つのスロットが前記板状逆Ｆアンテナを、中央エレメントと２つの外側エレメントとに分割し、前記中央及び外側エレメントは一端で相互接続されており、前記中央エレメントの他端は接地面に接続され、且つ前記２つの外側エレメントの他端は、前記受信及び送信フィルタにそれぞれ接続されていることを特徴とするワイヤレス端末。
2. 前記スロットが、略同じサイズ及び形状であることを特徴とする、請求項１に記載の端末。
3. 前記スロットが、非対称であることを特徴とする、請求項１に記載の端末。
4. 前記送信及び受信フィルタが、バルク弾性波フィルタであることを特徴とする、請求項１ないし３の何れか一項に記載の端末。
5. 送信及び受信帯域の帯域幅が異なる周波数複信システムの送信及び受信周波数帯域において動作可能であるワイヤレス端末において使用するモジュールであって、該モジュールは、ワイヤレス端末の受信段及び送信段に接続するための手段を各々有する受信フィルタ及び送信フィルタと、各給電線によって前記受信及び送信フィルタに結合される信号伝搬手段とを含み、前記信号伝搬手段が、前記受信及び送信周波数帯域のより広い方をカバーするのに十分な帯域幅を持つ板状逆Ｆアンテナを有し、２つのスロットが、前記板状逆Ｆアンテナを、中央エレメントと２つの外側エレメントとに分割し、前記中央及び外側エレメントは一端で相互接続されており、前記中央エレメントの他端は接地面に接続され、且つ前記二つの外側エレメントの他端は前記受信及び送信フィルタにそれぞれ接続されていることを特徴とするモジュール。
6. 前記スロットが、略同じサイズ及び形状であることを特徴とする、請求項５に記載のモジュール。
7. 前記スロットが、非対称であることを特徴とする、請求項５に記載のモジュール。
8. 前記送信及び受信フィルタが、バルク弾性波フィルタであることを特徴とする、請求項５ないし７の何れか一項に記載のモジュール。

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