JP4302738B2 - 無線端末における、またはそれに関する改良 - Google Patents

Description

本発明は、無線端末における、またはそれに関する改良に関する。本発明は、それだけには限定されないが、特に、ＧＳＭ（８８０〜９６０ＭＨｚ）、ＤＣＳ（１７１０〜１８８０ＭＨｚ）、ＰＣＳ（１８５０〜１９９０ＭＨｚ）などの電話規格に従って動作可能なマルチ・スタンダードの携帯電話、および場合によってはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）（２．４ＧＨｚ領域でのＩＳＭ帯）に適用される。本発明は、アンテナ、および少なくとも各結合段に含まれる構成部品を備える無線モジュールにも関する。

後継世代の携帯電話を開発する過程で、無線端末の体積を削減することに多大な努力が払われてきた。このように全体の体積を削減することに加えて、感度を維持しながらアンテナの体積を削減することが望まれてきた。外部に搭載されるモノポール・アンテナに続いて、ＰＩＦＡ（（Planar Inverted-F Antenna（板状逆Ｆアンテナ）））やノッチ・アンテナなどの内部アンテナが出現してきた。

米国特許出願公開第２００３／０１０３０１０号明細書では、ＰＩＦＡを含むデュアル・バンド・アンテナ構成の携帯電話機(handset)が開示されている。ＰＩＦＡは、低いＳＡＲ（Specific Absorption Rate（比吸収率））性能を示し（それによって頭部へのダメージが少ない）、電話回路の上に実装され、したがって、ある程度まで電話機内の空間を「再利用」するので、携帯電話機の製造業者によっては評判がよい。前述の明細書に開示されたＰＩＦＡは、接地導体に、通常は少なくともＲＦ構成部品をその上に搭載しているプリント回路基板に隣接して、ただしそれと間隔を空けて搭載される平面パッチ導体を備える。第１の点で、第１の給電導体がパッチ導体に接続され、第２の点で、第２の給電導体がパッチ導体に接続され、第１の点と第２の点との間にある第３の点で、接地導体がパッチ導体に接続されている。アンテナの整合インピーダンスは、第１および第２導体、ならびに接地導体の相対的な厚さを変えることによって変更することができる。ＰＩＦＡは、例えばＧＳＭおよびＤＣＳ回路が接続されるダイプレクサによって給電される。一変形形態では、平面パッチ・アンテナは、平面導体を共通の給電点に接続されたサイズの異なる２つのアンテナに分割していると見なすことができるスロットを備える。２つのアンテナのうち小さい方がＤＣＳ周波数を受信するように結合され、２つのアンテナのうち大きい方がＧＳＭ周波数を受信するように結合されている。しかし、こうしたアンテナは物理的に大きく、３つ以上の携帯電話帯域にわたって使用することは難しい。

米国特許第６，４２４，３００号明細書では、携帯用無線端末で使用するためのノッチ・アンテナが開示されている。ノッチ・アンテナは、ＲＦ信号を受信および送信するためのＲＦ回路が載っているプリント回路板（ＰＣＢ(printed circuit board)）のグランド・プレーン導体内に形成されることが好ましい。この明細書では、ノッチ・アンテナは、無線通信信号の放射および受信用の１次アンテナとして使用してもよく、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）や全地球測位信号（ＧＰＳ（Global Positioning Signals））などの信号受信用の２次アンテナとして使用してもよい。ノッチ・アンテナが２次アンテナとして使用されるとき、１次アンテナは、別のノッチ・アンテナ、外部モノポール・ホイップ・アンテナ、またはＰＩＦＡを備えてもよい。１次および２次のアンテナがどちらもノッチ・アンテナであるとき、これらのアンテナは、両者間の良好な分離を実現する直交偏波方向を有することが好ましい。本質的に、この明細書では、２つのアンテナのうち少なくとも１つがノッチ・アンテナであり、それぞれ２つの規格のうちの１つに従って動作する信号の処理に使用するための２つのアンテナを備える携帯用無線端末が開示されている。３つ以上の周波数帯域にわたって使用するための構成は開示されていない。

本発明の目的は、アンテナの体積を削減すること、または無線端末によってカバーされる帯域の数を増やすことである。

本発明の一態様によれば、接地面をその上に有する基板と、基板上に搭載されたＲＦ構成部品と、接地面に電気的に結合された接続を有するＰＩＦＡ（板状逆Ｆアンテナ）とを備え、このＲＦ構成部品は、信号を受信するためのノッチ・アンテナが接地面内に設けられていること、およびＰＩＦＡが信号を送信するために使用されているときにノッチ・アンテナを離調するための非活性手段が設けられていることを特徴とする無線端末が提供される。

本発明の第２の態様によれば、接地面を有する基板と、基板上に搭載されたＲＦ構成部品と、ＰＩＦＡ（板状逆Ｆアンテナ）に接続する手段とを含み、ノッチ・アンテナが接地面内に設けられ、およびＰＩＦＡが信号を送信するために使用されているときにノッチ・アンテナを離調するための非活性手段が設けられることを特徴とする無線モジュールが提供される。

本発明は、その低ＳＡＲ性能によってＰＩＦＡを主に送信用に使用することが有利であり、同じ場所に配置されたノッチを受信用に（またはＳＡＲが重要だと見なされない用途に）使用することができることに気づいたことに基づいている。こうした構成の利点は、すべての送信および受信帯域のカバレッジが２つ以上のアンテナ間で分割される場合に、アンテナの比帯域幅を減らすことができることである。

次に、添付図面を参照しながら、例によって本発明を説明する。

各図において、対応する各特徴を示すために同じ参照番号が使用されている。

図１には、欧州および北米の携帯電話帯域が示してある。送信帯域Ｔｘは濃い灰色で（各対の左側に）示してあり、受信帯域Ｒｘは薄い灰色で（右側に）示してある。欧州では、それぞれ８８０〜９６０ＭＨｚおよび１７１０〜１８８０ＭＨｚのＧＳＭおよびＤＣＳ帯域のどちらも、時分割２重システムに対応しており、１９２０〜１９８０ＭＨｚ（送信）および２１１０〜２１７０ＭＨｚ（受信）のＵＭＴＳ帯域では、主に周波数分割、全２重である。米国では、それぞれ８２４〜８９４ＭＨｚおよび１８５０〜１９９０ＭＨｚのＡＭＰＳおよびＰＣＳ帯域で、システムおよび２重方式が混在して使用されている。１７１０〜１７５５ＭＨｚおよび２１１０〜２１５５ＭＨｚの高度無線システム（ＡＷＳ（advanced wireless systems））帯域が、最近３Ｇシステム用に割り当てられたが、いまだに、各帯域をどのように使用するのかは決まっていない。

現在、欧州のＧＳＭおよびＤＣＳ帯域を米国のＰＣＳ帯域（ＩＳ５４／１３６のＴＤＭＡモード）とともにサポートする多くの電話機が作られている。他の多くの国では欧州または米国の帯域割当を採用してきたため、それによって、ほぼ全世界でのローミングが可能になる。これらの帯域をカバーするには、１５．１％のアンテナ比帯域幅が必要となる（１７１０〜１９９０ＭＨｚ）。送信帯域だけをカバーするには、１１％の比帯域幅だけで済む。すなわち、必要とされる帯域幅は約３分の１減少する。このことを利用するために、本発明によれば、無線端末は、送信帯域用に１つまたは複数のＰＩＦＡを、受信帯域用、例えばＰＣＳのＲｘ帯域用に１つまたは複数のノッチを使用する。ＰＩＦＡを使用するとき、開口端をスイッチすることによってノッチを非活性にすることができる。ＰＩＦＡおよびノッチは同じ大きさに収めることができ、どちらのアンテナも、全帯域幅の一区分のみをカバーするだけでよいので、他の知られている解決法に比べて、占有する全体の体積を削減することができる。

図２には、通常は４０×１００×１ｍｍであるプリント回路基板（ｐｃｂ）１２の形の基板を含む筐体１０、運搬モジュール（carrying module）、ならびに無線端末のＲＦ、ＡＦ、および制御回路を構成する他の構成部品を含む携帯用無線端末の透視図が示してある。ｐｃｂ １２は、ｐｃｂ １２に搭載されるノッチ・アンテナ１４、およびノッチ・アンテナ１４上に搭載され、ｐｃｂ １２と平行で離れた平面にあるデュアル・バンドＧＳＭ／ＤＣＳのＰＩＦＡ １６からなるアンテナ・アセンブリの接地面も形成する。

ノッチ・アンテナ１４は、ｐｃｂ １２上にＬ型ノッチＮを備える。ノッチＮは、ｐｃｂ １４を横切って延びる第１の盲端の（blind ended）枝路（ｂｒａｎｃｈ）Ｂ１を備える。第１の枝路Ｂ１の開口端は第２の枝路Ｂ２の一端に通じており、枝路Ｂ２の他端はｐｃｂ １２の板端に開口している。ノッチＮは、第１の枝路Ｂ１の盲端近くの選択された点１８で給電され、同調／切替用信号が、第２の枝路Ｂ２の開口端に隣接する選択された点２０に加えられる。ノッチ・アンテナ１４は、選択された点２０に同調用コンデンサ２２を置くことによって同調させてもよい。小容量の同調用コンデンサを使用する場合、ノッチ・アンテナ１４は、デュアル・バンドＰＩＦＡ １６の性能に悪影響を及ぼすことなく、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、または２．４ＧＨｚ領域（これは国毎に変わる）内のＩＳＭ帯域の他のどんな周波数でも使用することができる。より容量の大きな同調用コンデンサを使用する場合、ノッチ・アンテナ１４はＰＣＳ受信帯域（１９３０〜１９９０ＭＨｚ）で使用することができる。

ＰＩＦＡ １６は、複数の相互接続された直線セクションＬ１、Ｌ２、Ｌ３、およびＬ４によって形成されるメアンダライン（meanderline）スロット２４を有する平面導体を備える。図２に見られるように、セクションＬ１は一端で閉じ、セクションＬ４は平面導体の上端に向かって開口している。スロット２４は、共通の給電点に接続された２つのアンテナ、すなわち、ＤＣＳ／ＰＣＳ周波数帯域用の小さい方の中央放射器と、この中央放射器の回りを取り巻くＧＳＭ帯域用の大きい方の放射器とに、パッチ導体を分割していると見なすことができる。給電接続２６は、パッチ導体のコーナ２８をｐｃｂ １２の対応するコーナで接続点３０に接続し、グランド接続３２は、ｐｃｂ １２上の接地面をコーナ２８と同じ側のスロット２４の開口部にあるパッチ導体上の点３４に接続する。

動作にあたっては、ノッチ・アンテナ１４は、より容量の大きいコンデンサを使用してＰＣＳ受信帯域に同調させてもよい。この周波数はＰＩＦＡ １６が動作する上限周波数に近いため、ＰＩＦＡを使用するときはノッチ回路を開口端で短絡することが必要である。これは、選択された点２０に置かれた簡単なスイッチＳＷ２（例えば、ＰＩＮダイオード、ＦＥＴ、またはＭＥＭＳ（Micro Electromagnetic Systems）装置）を用いて実現することができる。

スイッチＳＷ２がオン、すなわち導通しているとき、４０×１００×１ｍｍのｐｃｂ １２上のデュアル・バンドＰＩＦＡ １６のＳ_１１性能が図３のスミス・チャートで示されている。このスミス・チャートは、８００ＭＨｚ〜３．０ＧＨｚまでの各周波数ｆでのシミュレーション結果を示しており、信号源インピーダンスは５０Ωである。マーカｓ１およびｓ２は、ＧＳＭ帯域の両端を示しており、マーカｓ３およびｓ４はＤＣＳ帯域の両端を示している。ノッチ・アンテナ１４は、ＰＩＦＡの入力インピーダンスに影響を及ぼさないことが分かる。ノッチ・アンテナ１４は、ＳＡＲに悪影響を及ぼさないと考えられている。

前述のシミュレーションでは、スイッチはちょうど１０Ωのオン抵抗をもつと仮定しても、（ミスマッチを含む）アンテナの全効率は、ＧＳＭ帯域およびＤＣＳ／ＰＣＳ帯域にわたって６０％を越える。したがって、オン条件では、スイッチの性能は重要な要因ではないことが実証されている。

スイッチＳＷ２がオフ、すなわち非導通であり、ＰＣＳ受信用の最適な同調用コンデンサ２２がノッチＮの開口端に加えられているときの、８００ＭＨｚ〜３．０ＧＨｚまでの各周波数ｆでのノッチ・アンテナ１４のＳ_１１性能が図４に示してある。図４で、マーカｓ１およびｓ２はＰＣＳ ＲＸ帯域の両端を示す。このシミュレーションを行う際に、オフ状態は、０．２ｐＦの逆バイアス容量を有し、Ｑが２０であるＰＩＮダイオードによって実現されると仮定される。こうした状況下で、最悪の場合で５０％の効率（ミスマッチを含む）が達成される。ＭＥＭＳ装置など、より質の高いスイッチを用いるならば、よりよい性能が達成できると考えられている。

図５には、ＰＩＦＡ １６およびノッチ・アンテナ１４についての前述の回路モデルが概略的に表してある。

ＧＳＭ（送信／受信モード）およびＤＣＳ送信モードにおいて、スイッチＳＷ２と同期して操作されるスイッチＳＷ１が、ＰＩＦＡの給電点２６に接続されている。スイッチＳＷ２によって短絡される同調用コンデンサ２２は、ノッチ・アンテナ１４に接続されている。スイッチＳＷ２の操作はコントローラ３６によって制御される。給電点１８は、コンデンサＣ１を介してＰＣＳ受信器３８の入力に結合されている。さらなるコンデンサＣ２が、入力をグランドに結合している。

ＰＩＦＡ １６の給電接続２６は、直列のスイッチＳＷ１を介してダイプレクサ４０に結合されている。スイッチＳＷ１はコントローラ３６によって制御される。ＧＳＭ／ＤＣＳ／ＰＣＳの送信器４２は、ダイプレクサ４０の入力に結合され、ダイプレクサの出力は、ＧＳＭ／ＤＣＳの受信器４４に結合されている。

送信／受信モードにおいて、コントローラ３６は、スイッチＳＷ１およびＳＷ２を、両者ともオンまたはオフになるよう同期的に操作する。

ＧＳＭ／ＤＣＳ／ＰＣＳの送信モードでは、スイッチＳＷ１およびＳＷ２は、オン状態である。送信器４２は、スイッチＳＷ１を介してＰＩＦＡ １６の給電点２６に結合されている。オン状態のスイッチＳＷ２は、同調用コンデンサ２２を短絡し、それによってノッチ・アンテナ１４を離調させる。

スイッチＳＷ１およびＳＷ２がオフ状態にあるとき、給電点２６には送信信号は供給されず、同調用コンデンサ２２は、ＰＣＳ信号を受信できるようにするためにノッチ・アンテナ１４に結合される。受信信号は、コンデンサＣ１を介してＰＣＳ受信器に導かれる。

図６には、ノッチ・アンテナ１４が信号を送信するのを防止するための受動回路網４６の使用が示してある。受動回路網４６は、ノッチ・アンテナの周波数で開回路に見え、ＰＩＦＡの周波数で短絡回路に見える、帯域阻止フィルタの特性を有する。例えば、ＰＩＦＡ １６をＵＭＴＳ Ｔｘ用に使用してもよく、ノッチ・アンテナ１４を、ＵＭＴＳ Ｒｘ用に使用してもよい。ＵＭＴＳではＴｘおよびＲｘのどちらも同時に必要とされるため、ノッチ・アンテナ１４は、ＵＭＴＳ送信周波数においては、実際に短絡されている同調用コンデンサおよびフィルタ、すなわち受動回路網４６によって、非活動に見えるようにし、ＵＭＴＳ受信周波数においては、受動回路網４６が開回路として見える結果有効となる同調用コンデンサおよびフィルタによって、活動して見えるようにすることができる。受動回路網をバルク弾性波（ＢＡＷ（bulk acoustic wave））共振器として実装してもよい。

例えば、ＧＳＭ／ＤＣＳ／ＰＣＳおよびＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）を同時に提供するために、またはダイバーシティを提供するために、２つ以上のノッチ・アンテナを使用してもよい。

図７には、信号の特性／強度の測定値に基づいてＰＩＦＡおよびノッチ・アンテナのうちのどちらかが選択される切替ダイバーシティ用、および両方のアンテナで受信された信号が組み合わされる同時ダイバーシティ用に、ＰＩＦＡおよびノッチ・アンテナを使用する場合の簡略化された回路構成が示してある。どちらのアンテナの出力も、それぞれ増幅器４８、５０の入力に接続されている。これらの増幅器出力は、加算段５２に接続され、そこで各増幅器の出力が組み合わされる。

増幅器４８、５０の出力はまた、信号の特性／強度の測定段５４に接続されており、その出力はコントローラ３６に結合されている。

切替ダイバーシティの場合、コントローラ３６は、図５を参照しながら説明したように各スイッチＳＷ１、ＳＷ２を制御する。すなわち、どの時点においてもＰＩＦＡまたはノッチ・アンテナのうちの一方だけが使用状態になるように、どちらもオン状態にあるか、またはオフ状態にある。動作に際しては、例えばＰＩＦＡが選択された場合、特性／強度の測定が測定段５４で行われる。コントローラ３６は、測定がノッチ・アンテナ１４を使用して行われるように、各スイッチの状態を変化させる。その測定結果が比較され、コントローラ３６によって、結果がよい方のアンテナが選択される。

同時ダイバーシティの場合、図に示したように、コントローラは、ＳＷ１がオン状態となり、ＳＷ２がオフ状態となるように各スイッチＳＷ１、ＳＷ２を制御する。両方のアンテナからの信号は加算段５２で加算される。

本発明は、低ＳＡＲが各帯域のうちのいくつかにのみ必要となるどんなマルチバンド・システムに適用してもよい。現在および将来のすべての無線通信システムでは特にそうである。

本発明を、ＰＩＦＡアンテナを備え、ＧＳＭ、ＤＣＳ、およびＰＣＳ帯域で動作する無線端末に関して説明してきたが、本発明は、どんなマルチバンド無線および他のデュアル・バンド用途に適用してもよい。

本明細書および特許請求の範囲において、要素の前の「１つの（「ａ」または「ａｎ」）」という語は、こうした要素が複数存在することを排除しない。さらに、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という語は、リストされた以外の他の要素またはステップの存在を排除しない。

本開示を読めば、当業者には他の変更形態が明白になるであろう。こうした変更形態は、設計、製造、ならびに無線端末およびそのための構成部品の使用においてすでに知られ、本明細書にすでに記載の特徴の代わりにまたはそれに加えて使用してもよい、他の特徴を含んでもよい。

アンテナ、無線モジュール、および複数の規格に対応する携帯電話などの無線端末。

米国および欧州において携帯電話の帯域がどのように割り当てられているかを示す図である。 同じ場所に配置されたＰＩＦＡおよびノッチ・アンテナを備える携帯用無線端末の透視図である。 ＰＩＦＡのＳ_１１に関するスミス・チャートである。 ノッチ・アンテナのＳ_１１に関するスミス・チャートである。 図２に示したアンテナ構成を動作させるための合成回路図である。 受動回路網で終端しているノッチ・アンテナを示す図である。 ダイバーシティ・モードで動作しているＰＩＦＡおよびノッチ・アンテナの概略構成図である。

Claims (9)

1. 接地面をその上に有する基板と、前記基板上に搭載されたＲＦ構成部品と、前記接地面に電気的に結合された接続を有するＰＩＦＡ（板状逆Ｆアンテナ）とを備え、前記ＲＦ構成部品は、信号を受信するためのノッチ・アンテナが前記接地面内に設けられていること、および前記ＰＩＦＡが信号を送信するために使用されているときに前記ノッチ・アンテナを離調するための非活性手段が設けられていることを特徴とする無線端末。
2. 前記ＰＩＦＡが、デュアル・バンドのスロット式平面パッチ・アンテナであることを特徴とする請求項１に記載の無線端末。
3. 前記非活性手段が、前記ノッチ・アンテナの動作開始に応答して、前記ＰＩＦＡを非活性にすることを特徴とする請求項１または２に記載の無線端末。
4. 前記ノッチ・アンテナを同調するために前記ノッチの両端間に容量手段が接続され、および前記ノッチ・アンテナを離調する前記手段が前記容量手段を短絡する手段を含むことを特徴とする請求項１、２または３に記載の無線端末。
5. 前記非活性手段が、前記パッチ・アンテナの動作周波数で開回路となり、前記ＰＩＦＡの動作周波数で短絡回路となる受動回路網を含むことを特徴とする請求項４に記載の無線端末。
6. 前記非活性手段が、前記ＰＩＦＡおよび前記ノッチ・アンテナのどちらも受信モードで活性状態になるダイバーシティ動作モードを有し、および前記ＰＩＦＡおよび前記ノッチ・アンテナからの出力信号を加算する手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の無線端末。
7. 前記ＰＩＦＡおよび前記ノッチ・アンテナで受信された信号の同時発生的な特性を測定し、信号を受信するために、前記ＰＩＦＡおよびノッチ・アンテナのうちよりよい特性の信号を受信する１つのアンテナを選択する手段によって特徴つけられる請求項１乃至４のいずれかに記載の無線端末。
8. 接地面を有する基板と、前記基板上に搭載されたＲＦ構成部品と、ＰＩＦＡ（板状逆Ｆアンテナ）への接続手段とを備える無線モジュールであって、ノッチ・アンテナが前記接地面内に設けられ、および前記ＰＩＦＡが信号を送信するために使用されているときに前記ノッチ・アンテナを離調するための非活性手段が設けられることを特徴とする無線モジュール。
9. 前記ノッチ・アンテナを同調するために前記ノッチの両端間に容量手段が接続され、および前記非活性手段が前記容量手段を短絡する手段を含むことを特徴とする請求項８に記載の無線モジュール。

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