JP4308883B2 - ２周波整合回路及びそれを具備する携帯端末 - Google Patents

Description

本発明は、携帯端末に搭載されているアンテナと高周波回路との間に挿入され、所望の２つの周波数帯において、前記アンテナと前記高周波回路との間でインピーダンス整合を行う、２周波整合回路に関するものである。

携帯電話サービスが爆発的な普及をみせている昨今、更に高い移動性の実現と、より柔軟な通信サービスに対する強い要求に応えるため、携帯端末の小型化と、異なる利用周波数帯で運用されている複数の通信システムの使用を１つの携帯端末で可能にすること（マルチバンド化）の２点を両立することが、携帯端末を開発する上での技術的目標の１つとなっている。この目標は、電波の入出力インターフェースとして必要不可欠なデバイスであるアンテナにもそのまま引き継がれており、小型、かつ、複数周波数帯で動作する、いわゆるマルチバンドアンテナの開発が望まれている。

実際の携帯端末の開発においては、アンテナの最適化のみで所望の複数周波数帯で良好なアンテナ特性を実現することは困難を極めるため、最終的な周波数調整と、高周波回路との良好なインピーダンス整合の実現は、アンテナと高周波回路の間に適当な整合回路を挿入することによって行われることが多い。現在、各種携帯電話サービスの利用周波数帯は、８００〜９００ＭＨｚ帯、および、１．５〜２ＧＨｚ帯の２つの周波数帯に存在し、携帯端末のマルチバンド化のためには、アンテナはそれら両周波数帯で動作する必要がある。しかしながら、両周波数帯が大きく離れているために、通常の単周波整合回路では両周波数帯での自由な整合調整が困難であるため、各々の周波数帯で独立に整合可能な２周波整合回路の適用が上記目標の達成のために望ましい。

以上の背景のもと、これまで適用されてきた従来の２周波整合回路としては、複数個の単周波整合回路、および、複数個の共振回路を用いて構成された梯子回路を用いているものがあった（例えば、特許文献１、および、特許文献２参照）。図１１は、前記特許文献１に記載の従来の２周波整合回路の回路構成を示した回路ブロック図である。

図１１において、出力端子１０２におけるインピーダンス（あるいは、１端子Ｓパラメータ）の周波数特性が既知であり、負荷１０１は、上述の状況ではアンテナに相当する。そして、負荷１０１は、第１の整合回路１０３、第２の整合回路１０４、および第３の整合回路１０５で構成される従来の２周波整合回路１０８を介して、電源１０７に接続されている。なお、図中のブロック図にあるように、各整合回路１０３、１０４、１０５は、インダクタとキャパシタから構成される並列共振回路、あるいは、直列共振回路である。

図１１に記載の従来の２周波整合回路１０８は、所望の２周波数帯で、出力端子１０２における負荷１０１のインピーダンスが、入力端子１０６における電源１０７のインピーダンス値に等しくなるよう、インピーダンス変成器として動作する。従って、同２周波数帯においては、電源１０７から供給された電力は反射減衰を被ることなく負荷１０１に効率良く供給される。

ところで、各整合回路１０３、１０４、１０５を一つの回路ブロックと見なした場合、図１１に記載の従来の２周波整合回路１０８は、図１２（非特許文献１に記載の２種類の基礎的な単周波整合回路の回路構成を示した回路ブロック図）に示した、基本的な２種類の単周波整合回路１２１ａ、１２１ｂ（例えば、非特許文献１参照）を、図１３（従来の２周波整合回路に用いられている梯子回路の回路構成を示した回路ブロック図）に示すように梯子状に結合させた回路構成（梯子回路１３１）をなしている。なお、梯子回路１３１は各種フィルタに常用されている回路構成である。

従来の２周波整合回路１０８の作用は、所望の２周波数帯で入力端子１０６から負荷１０１へ高周波信号を反射減衰なく伝送することと等価であるから、図１３に示した梯子回路１３１を適用することにより、２周波整合回路の設計は、所望の２周波数帯が通過帯である帯域通過フィルタの設計と同義となる。従って、従来の２周波整合回路１０８の設計に際し、既存のフィルタ設計法を有用に適用することが可能となり、負荷１０１のインピーダンスの周波数特性に依らず、比較的自由に所望の２周波数帯で入力端子１０６に整合をとることが可能であるという長所を上記従来の構成は有していた。
特開２００４−２４２２６９号公報（第１８頁、図１） 特開２００６−３２５１５３号公報（第１４頁、図１） Ｒｏｂｅｒｔ Ｅ． Ｃｏｌｌｉｎ著、−Ａｎ ＩＥＥＥ ｐｒｅｓｓ ｃｌａｓｓｉｃ ｒｅｉｓｓｕｅ− Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ （ｓｅｃｏｎｄ ｅｄｉｔｉｏｎ、ＩＥＥＥ ｐｒｅｓｓ ｓｅｒｉｅｓ ｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｗａｖｅ ｔｈｅｏｒｙ）、Ａ Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ、Ｉｎｃ．、ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ、ＩＳＢＮ ０−７８０３−６０３１−１（３２３頁、Ｆｉｇｕｒｅ ５．１７）

しかしながら、前記従来の構成では以下の２点において課題を有していた。

課題の１点目は、２周波整合回路で生じる損失の低減が困難であるという点である。携帯電話サービスの品質向上には、携帯端末の送受信品質を高めることが必須である。送受信品質の向上は、主にアンテナと高周波回路間で発生する電力損失を減じることによりなされるため、そこに挿入される２周波整合回路の損失は可能な限り低減化されることが望ましい。前記従来の構成は、構成要素として非常に多くの素子（インダクタ、キャパシタ）が必要であること、および、多数の共振回路を用いなければならないことから、損失の低減化に関して課題を有している。

課題の２点目は、負荷１０１のインピーダンス変動に対する整合特性の安定性が実現されにくいという点である。通常、携帯端末は使用時においては、手や頭部がアンテナに接近するため、アンテナのインピーダンスの周波数特性は使用状況に応じて変動する。従って、安定した送受信品質を確保するためには、アンテナのインピーダンス変動に対する整合特性の安定性が必要不可欠である。しかしながら、前記従来の構成は電気特性（２端子Ｓパラメータ）の周波数変動が急峻である共振回路を多用しているために、負荷１０１のインピーダンス変動に対し、その整合特性が影響を被りやすい。更に、梯子回路１３１は各単周波整合回路（図１２参照）１２１ａ、１２１ｂ毎にインピーダンス変成がなされるために、梯子回路自体でも負荷１０１のインピーダンス変動に対し敏感となる。以上の観点から、前記従来の構成は安定性に関しても課題を有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、低損失、かつ、負荷のインピーダンス変動に対して安定な２周波整合回路及びそれを具備する携帯端末を提供することを目的とする。

本発明の２周波整合回路は、５０オームのインピーダンスを有する高周波回路から０．８５ＧＨｚの周波数を有する第１高周波信号および１．８６ＧＨｚの周波数を有する第２高周波信号を受け取る第１および第２の入力端子と、アンテナに接続される第１および第２の出力端子と、第１素子と、第２素子と、第３素子と、第４素子とを備える２周波整合回路であって、前記第１素子および前記第４素子は、前記第１の入力端子と前記第２の入力端子との間に直列的に接続され、かつ、前記第２素子および前記第３素子は、前記第１の入力端子と前記第２の入力端子との間に直列的に接続されており、前記第１の出力端子は、前記第１素子と前記第４素子との間の接続ノードに接続され、前記第２の出力端子は、前記第２素子と前記第３素子との間の接続ノードに接続され、前記第１素子、第２素子、第３素子、および第４素子は、以下の２つのセットのいずれか１つによって構成される。
第１セット：
第１素子； １２．０８４ｎＨのインダクタンスを有するインダクタ、
第２素子； ５．４５２ｎＨのインダクタンスを有するインダクタ、
第３素子； １４．５０８ｎＨのインダクタンスを有するインダクタ、
第４素子； １．９３４ｐＦのキャパシタンスを有するキャパシタ、
第２セット：
第１素子； １．０２３ｐＦのキャパシタンスを有するキャパシタ、
第２素子； ５．７７２ｎＨのインダクタンスを有するインダクタ、
第３素子； ０．９０４ｐＦのキャパシタンスを有するキャパシタ、
第４素子； １４．９２７ｎＨのインダクタンスを有するインダクタ。

本発明の携帯端末は、アンテナと、高周波回路と、２周波整合回路とを備えた携帯端末であって、前記２周波整合回路は、前記アンテナと前記高周波回路との間に挿入されており、前記２周波整合回路は上記の２周波整合回路であって、前記アンテナのインピーダンスは、０．８５ＧＨｚの周波数において２７．２−２７．７ｉ（ｉは虚数単位である）Ωであり、１．８６ＧＨｚの周波数において４５．３−１４．８ｉ（ｉは虚数単位である）Ωである。

好ましい実施形態において、前記アンテナは逆Ｆアンテナである。

従って、本発明の２周波整合回路によれば、前述の２つの技術的課題（低損失化、および、整合特性の高安定化）を大きく改善することができる。

以下本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態における２周波整合回路の回路構成を示す回路ブロック図である。図１に示すように、本実施形態の２周波整合回路１は、第１の入力端子２ａと第２の入力端子２ｂとからなる入力端子２、および、第１の出力端子３ａと第２の出力子３ｂとからなる出力端子３の端子を備えている。入力端子２へは高周波回路（不図示）が、そして、出力端子３へは負荷５がそれぞれ接続される。

本実施形態の２周波整合回路１は、４つの素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄより構成される。素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄはそれぞれ集中定数素子であり、各々は、インダクタ、あるいは、キャパシタのいずれかである。なお、素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄがインダクタであるかキャパシタであるかの選択と、各々の素子定数の具体的値は、整合を実現したい２周波数帯で予め求められている負荷５のインピーダンス値、および、入力端子２に接続される高周波回路のインピーダンス値より、一意に決定される（これらの決定法については後述する）。

入力端子２、素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、および、負荷５の接続形態は、電卓やデジタル時計などの数字の表示に適用される「７セグメントディスプレイ」と同様の構造をなしている。すなわち、７セグメントディスプレイの横方向に延びる３つのセグメント中の、最上部と最下部にあるセグメントが入力端子２に相当し、残り１つの横方向に伸びるセグメントに負荷５を割り当てれば、残りの縦方向の４セグメントが素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに相当する。

ここで、本発明の２周波整合回路１は、その回路構成に幾何学的対称性を持っているため、以下に述べる素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの並べ替えを行っても元の回路と全く同一特性を示す。まず、第１の並べ替えは、素子４ａと素子４ｂとの交換、ならびに、素子４ｄと素子４ｃとの交換を同時に行うことである。第１の並べ替えは、図１において、本発明の２周波整合回路１の向かって左側に位置する入力端子２を、本発明の２周波整合回路１の向かって右側に配置しなおすことに相当する。また、第２の並べ替えは、素子４ａと素子４ｄとの交換、ならびに、素子４ｂと素子４ｃとの交換を同時に行うことである。第２の並べ替えは、図１に不図示の外部回路の出力端子の２つの接続方法に相当する。例えば、図１に不図示の外部回路の出力端子が不平衡線路である場合、図１に不図示の外部回路の出力端子の接地面（グランド面）に接続する端子を、図１の入力端子２の上側にするか、下側にするかに相当する。第１、および、第２の並べ替えが電気的に同等な回路を与えることは、後述の設計法の（数２）からも確かめることができる。従って、後述の設計法により得られる本発明の２周波整合回路１の回路構成が多数得られる場合があるが、先述の第１、および、第２の並べ替えで相互に関係付けられる回路構成は独立ではなく、１つの回路構成にまとめられる。

次に、素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの具体的な素子定数値の決定方法について説明する。素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、インダクタ、あるいは、キャパシタのいずれかであるので、各素子のインピーダンスは純虚数となる。そこで、以下の説明のため、図２に示すように各素子のインピーダンスに符号をつけるものとする。

図２は、本発明の実施形態１における２周波整合回路の素子定数の決定法を説明するための符号等の規約図である。図２において、小文字の「ｉ」は虚数単位を表す。すなわち、ｉ＝（−１）^（１／２）である。入力端子２に接続される高周波回路のインピーダンス値Ｚ０は実数値であり、通常では５０Ωとされるものである。また、負荷５のインピーダンスは一般には周波数依存性を持つ複素量であり、それは実部Ｚｒ（ｆ）と虚部Ｚｉ（ｆ）（ｆは周波数）の２つの実数量で表される。

先述したように、各素子のインピーダンスは各々実数量αｊ（ｆ）（ｊ＝１、２、３、４）で表される。そして、αｊ（ｆ）（ｊ＝１、２、３、４）は、各素子がインダクタであるか、あるいはキャパシタであるか、そのいずれかに応じて、以下の（数１）に示したように設定される。

ここで、（数１）中のＬｊ、Ｃｊはｊ番目の素子の素子定数、すなわち、それぞれインダクタ値、キャパシタ値に相当する。現時点では、それらの具体的な値は決定されておらず、未知定数である。そこで、具体的なＬｊ、Ｃｊの値は、インピーダンス整合を実現させたい２周波数ｆ１、ｆ２において得られる、以下の４つの方程式（数２）を連立させて解くことにより求められる。

（数２）の解き方は以下のようにして行う。まず、素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの各々に対して、適当にキャパシタかインダクタを割り当てる。そうすれば、（数１）により、αｊ（ｆ）（ｊ＝１、２、３、４）が未定の４つの素子定数（Ｌｊ、あるいは、Ｃｊ）を含んだ周波数ｆに関する関数となる。次に、周波数特性が既知の、負荷５のインピーダンス（Ｚｒ（ｆ）とＺｉ（ｆ））と入力端子２に接続される高周波回路のインピーダンス値（Ｚ０）、および、（数１）で具体的な関数形が決まったαｊ（ｆ）（ｊ＝１、２、３、４）を、（数２）中の上から３〜６番目の式の右辺に代入することによってＡ（ｆ）、Ｂ（ｆ）、Ｃ（ｆ）、Ｄ（ｆ）を構成する。そして、周波数ｆに関する具体的な関数形が明らかとなったＡ（ｆ）、Ｂ（ｆ）、Ｃ（ｆ）、Ｄ（ｆ）を、（数２）の上から１行目と２行目の２条件式に代入して、所望の２周波数ｆｋ（ｋ＝１、２）を与えることによって、未定の４つの素子定数（ＬｊあるいはＣｊ）に対する４つの互いに独立な方程式を得る。そこで、それら４つの方程式を連立させて解くことによって、未定の４つの素子定数を求めることができる。なお、未定定数の個数と独立な方程式の個数が一致していることから、（数２）は必ず解を持つことが分かる。しかしながら、素子定数は正の実数でなければならないので、ＬｊあるいはＣｊとして正の実数解が得られた場合に限り、図２に記した回路として本実施形態における２周波回路を実際に構成できる。

素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの各々に対して、キャパシタ、あるいは、インダクタを割り当てる方法は全部で２＾４＝１６通りあるので、それらの全ての組み合わせに対して上と同様な手順で（数２）を解くことにより、実回路として構成可能な全ての回路構成を抽出することができる。なお、回路の幾何学的対称性に由来する上述の第１、第２の並べ替えにより相互に関係付けられる回路構成を１つの回路にまとめることによって、独立な回路を正しく選択する過程がその後に必要とされる。そして、得られた全ての独立な回路構成の中で、状況に応じてアンテナに対して適宜課される仕様を最も満足するものを選択することによって、本実施形態における２周波整合回路の設計が完了する。なお、上記の適宜課される仕様としては、良好な整合が実現される帯域幅が十分広いかどうか、２周波整合回路がより小さな素子定数を持つ素子で構成されているかどうか、大きな素子定数を持つインダクタが含まれていないか、アンテナのインピーダンス変動に対して整合特性が影響を受けにくいかどうか、等がある。上で述べたように、携帯端末用のアンテナの整合回路として本発明の２周波回路を設計する場合には、最後の仕様が特に重要となる。

かかる構成によれば、各々がキャパシタ、あるいは、インダクタのどちらか一方である４つの集中素子で２周波整合回路を構成することによって、４個まで素子点数を減じるとともに、それらの素子を共振回路からなる梯子回路以外の回路構成で結合させることにより、低損失であり、かつ、負荷５のインピーダンス変動に関してインピーダンス整合が影響を受けにくい高安定な２周波整合回路を提供することができる。

なお、上記の本実施形態の説明においては、素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの各々が１つのインダクタであるか、あるいは、１つのキャパシタで構成されているように説明した。しかしながら、インダクタの場合、図３（ａ）（本実施形態における２周波整合回路を構成する、インダクタである１つの構成素子を複数のインダクタで構成される回路に展開する方法を示した回路図）に示すように、直列に接続された２個以上のインダクタで置き換えてもよい。また、同様にキャパシタの場合、図３（ｂ）（本発明の実施形態１における２周波整合回路を構成する、キャパシタである１つの構成素子を複数のキャパシタで構成される回路に展開する方法を示した回路図）に示すように、並列に接続された２個以上のキャパシタで置き換えても良い。ただし、両場合とも、回路全体として合成されたインダクタ値、および、回路全体として合成されたキャパシタ値の各々が、上述の設計法で単一の素子として求められた素子定数と一致していなければならない。

（実施例）
以下では、本発明による２周波整合回路の具体的実施例について述べる。本実施例の基本的構成は、図１に示す実施形態の構成と同一である。

図４は、本実施例における、アンテナを搭載した携帯端末の解析モデルの寸法を示した斜視図である。図４（ａ）は解析モデルの全体寸法を示した斜視図であり、図４（ｂ）はアンテナ部の詳細寸法を示した斜視図である。図４において、解析モデルは全て、厚さ１００μｍ、導電率４.９×１０^７ Ｓｉｅ／ｍの金属板で構成されている。

図４（ａ）に示したように、アンテナ６は上記金属板を折り返して構成された逆Ｆアンテナであり、携帯端末筐体７をモデル化した４０ｍｍ×８５ｍｍ×５ｍｍの金属箱の上部先端に接続されている。なお、アンテナ６に高周波信号を入力するための出力端子３は、図４（ａ）に○で囲んだ位置に相当する。また、この解析モデルは自由空間（無限に広い真空）中に置かれているものとして、電磁界シミュレターIＥ３Ｄ ｖｅｒｓｉｏｎ １１.２３を用いて高周波解析を行うことによって、出力端子３における携帯端末筐体７の影響を含んだアンテナ６のインピーダンスの周波数特性を抽出した。本実施例におけるアンテナのインピーダンスは、周波数０．８５ＧＨｚでは２７．２−２７．７ｉ（ｉは虚数単位）であり、１．８６ＧＨｚでは４５．３−１４．８ｉ（ｉは虚数単位）である。

以下、上記実施形態について説明した設計法に則り、図４の携帯端末の出力端子３に接続される本実施例の２周波整合回路を設計する。また、比較例として、上記従来構成による２周波整合回路を設計する。こうして、携帯端末筐体７の影響を含んだアンテナ６のインピーダンスの変動に対するそれらの安定性を比較することによって、本発明の２周波整合回路の優位性を確かめる。

まず、電磁界シミュレーションによる、図４に示した携帯端末の、出力端子３における１端子Ｓパラメータの計算結果を図５に示す。図５は、本実施例における、図４に示した解析モデルのインピーダンス５０オームを持つ出力端子３における高周波特性の周波数依存性を示した特性図である。図５（ａ）は反射定在波比の周波数特性図であり、図５（ｂ）は１端子Ｓパラメータのスミス図である。

本実施例では、インピーダンス整合を実現したい２つの周波数をｆ１＝０.８５ＧＨｚ、ｆ２＝１.８６ＧＨｚとし、整合をとりたい高周波回路のインピーダンス値を５０Ω（すなわち、Ｚ０＝５０）とする。図５（ａ）より、周波数ｆ１、および、周波数ｆ２近傍でアンテナは共振を示しているが、特に周波数ｆ１において十分な整合（反射定在波比≦２）が実現されていない。また、この状況は、図５（ｂ）においても確認される。図５（ｂ）中に▲印で記したように、周波数ｆ１において５０Ωに対して整合が実現されていないため、本発明の２周波整合回路を設計し、それを出力端子３に接続することによって両周波数において完全な整合（反射定在波比＝１に相当）を実現する。

上述の設計法を用いて求めた素子定数を図６に示す。図６は、本実施例における、図４に示した解析モデルに対して設計された本発明の２周波整合回路の素子定数表である。図６において、素子構成の欄に記されている「Ｃ」、および、「Ｌ」の文字は、当該素子がそれぞれ「キャパシタ」、および、「インダクタ」であることを表す。また、同表の素子定数の欄には、図５に記載された電磁界シミュレーションの結果から求められた、当該素子の具体的な素子定数値が示されている。

このように、本実施例の２周波整合回路は、５０オームのインピーダンスを有する高周波回路から０．８５ＧＨｚの周波数を有する第１高周波信号および１．８６ＧＨｚの周波数を有する第２高周波信号を受け取る第１および第２の入力端子２ａ、２ｂと、アンテナ（負荷５）に接続される第１および第２の出力端子３ａ、３ｂと、入力端子２と出力端子３との間に接続された回路素子群とを備えている。

この回路素子群は、第１素子４ａ、第２素子４ｂ、第３素子４ｃ、および第４素子４ａを有し、第１素子４ａおよび第４素子４ｄは、第１の入力端子２ａと第２の入力端子２ｂとの間に直列的に接続され、かつ、第２素子４ｂおよび第３素子４ｃは、第１の入力端子２ａと第２の入力端子２ｂとの間に直列的に接続されている。第１の出力端子３ａは、第１素子４ａと第４素子４ｄとの間の接続ノードに接続され、第２の出力端子３ｂは、第２素子４ｂと第３素子４ｃとの間の接続ノードに接続されている。

さらに、上記の回路素子群は、以下の２つのセットのいずれか１つによって構成される。
第１セット：
第１素子； １２．０８４ｎＨのインダクタンスを有するインダクタ、
第２素子； ５．４５２ｎＨのインダクタンスを有するインダクタ、
第３素子； １４．５０８ｎＨのインダクタンスを有するインダクタ、
第４素子； １．９３４ｐＦのキャパシタンスを有するキャパシタ、
第２セット：
第１素子； １．０２３ｐＦのキャパシタンスを有するキャパシタ、
第２素子； ５．７７２ｎＨのインダクタンスを有するインダクタ、
第３素子； ０．９０４ｐＦのキャパシタンスを有するキャパシタ、
第４素子； １４．９２７ｎＨのインダクタンスを有するインダクタ。

携帯端末は、使用時において必ず手や頭部がアンテナに近接する。そして、それらの接近の具合も状況や使用者ごとに異なるため、手や頭部の接近によって発生するアンテナのインピーダンス変動に対し整合特性が安定であることが、良好な通信品質を提供する上で重要である。そこで、図４に示した解析モデルにモデル化された手８を接近させてその特性劣化を調べる。

図７は、本発明の実施形態１に係る実施例における、図４の解析モデルに挿入されたモデル化された手の寸法とその挿入位置を示した斜視図である。図７において、モデル化された手８は、誘電率５０、誘電損失０.４５の一様な誘電体ブロックとした。以上の状況の下、先ほどと同様電磁界シミュレーションにより得られた比帯域の劣化の程度を図８に示した。

図８は、本発明の実施形態１に係る実施例における、図６で設計された本発明の２周波整合回路の手の接近時における整合帯域の変化率を示した特性表である。図８において、「帯域変化率」の計算は、以下の式により求めた値である。
｛（手のある場合の帯域）−（手の無い場合の帯域）｝／（手の無い場合の帯域）×１００

ここで言う帯域は、反射定在波比が２以下の周波数帯で規定されている。図８より、手の接近に対して最も変動が少ない回路構成はＣａｓｅ ２であることが分かる。

ところで、本発明の２周波整合回路の構成素子数と同数の４つの素子からなる２周波整合回路を、上記従来の技術の範疇で構築することが可能である。それは、図１１に示した単周波整合回路を図１２に示した梯子回路状に接続した回路構成を有するものであり、図９に示したように独立な回路として２種類考えることができる。

図９は従来技術を用いて構成された２周波整合回路のブロック図である。図９（ａ）は、図１２（ａ）に示した非特許文献１記載の単周波整合回路を基に得られる２周波整合回路のブロック図であり、図９（ｂ）は、図１２（ｂ）に示した非特許文献１記載の単周波整合回路を基に得られる２周波整合回路である。図８の結果を得るのと同様な計算手続きを経て、これらの従来技術による２周波整合回路に対しても、手の接近時における整合帯域の帯域変化率を計算することができる。その結果を図１０（ａ）、（ｂ）に示した。

図１０は、従来技術を用いて構成された２周波整合回路の素子構成、素子定数、ならびに、手の接近時における整合帯域の帯域変化率を示した特性表である。図１０（ａ）は、図９（ａ）に示された２周波整合回路に対して計算された結果を示し、解はない。図１０（ｂ）は、図９（ｂ）に示された２周波整合回路に対して計算された特性表である。なお、図１０（ａ）に示したように、本実施例においては図９（ａ）に示された２周波整合回路で整合を実現できない。従って、従来技術を用いて構成された２周波整合回路として実現可能な回路構成は図９（ｂ）に限られる。

図８と図１０を比較すれば分かるように、本発明の２周波整合回路におけるＣａｓｅ ２の素子構成は、２周波数ともに最も高い安定性（特に周波数ｆ１において）を示しており、携帯端末用途として重要な要件である整合特性の安定性の確保という点において、従来技術に比べ高い優位性を示すことが分かる。

なお、本発明で使用するアンテナの構造または寸法の変化により、各周波数におけるアンテナのインピーダンスが変化すると、図６に示す素子定数の値も変化し得る。ただし、アンテナが動作する２つの周波数（０．８５ＧＨｚ、１．８６ＧＨｚ）が与えられると、本発明に使用可能なアンテナの構造および寸法が実質的に定まる。このため、本発明で実用的に使用され得るアンテナの構造および寸法は、図４（ｂ）に示すアンテナの構造および寸法から大きく変化することはない。その結果、２つの周波数（０．８５ＧＨｚ、１．８６ＧＨｚ）におけるアンテナのインピーダンスも、上述した値に近い値が得られる。

構成または寸法において図４（ｂ）に示すアンテナとは異なるアンテナが使用される場合でも、上記の２周波数におけるアンテナインピーダンスに大差が生じないと、計算によって求められる素子定数も、図６に示す値から大きく変化することはない。例えばアンテナの寸法変化により、２周波数におけるアンテナインピーダンスがある程度変化しても、図６に示す素子定数を有する２周波整合回路によれば、本発明の効果を充分に得ることができる。

逆に、アンテナインピーダンスが上記の実施例における値に等しい場合において、素子定数の個々の数値が図６に示す値に厳密には一致していないときでも、本発明の効果を得ることは可能である。素子定数の個々の数値が図６に示す値から、例えば５０％程度変化しても、本発明の効果を得ることは充分に可能である。

本発明にかかる２周波整合回路は、４つという少数の構成素子数で構築されているために低損失性を実現するとともに、負荷のインピーダンス変動に対して高い安定性を有する。このため、増幅器、ミキサ用の２周波整合回路等として有用である。また、基板に対して薄膜を物理的、および化学的に堆積する薄膜堆積装置のプラズマ発生源に用いられる同調回路、および、電子レンジなどの電波加熱用に用いられるマグネトロン用の同調回路等にも応用できる。

本発明の実施形態１における２周波整合回路の回路構成を示す回路ブロック図 本発明の実施形態１における２周波整合回路の素子定数の決定法を説明するための符号等の規約図 （ａ） 本発明の実施形態１における２周波整合回路を構成する、インダクタである１つの構成素子を複数のインダクタで構成される回路に展開する方法を示した回路図 （ｂ） 本発明の実施形態１における２周波整合回路を構成する、キャパシタである１つの構成素子を複数のキャパシタで構成される回路に展開する方法を示した回路図 （ａ） 本発明の実施形態１に係る実施例における、アンテナを搭載した携帯端末の解析モデルの寸法を示した斜視図（解析モデルの全体寸法を示した斜視図） （ｂ） 本発明の実施形態１に係る実施例における、アンテナを搭載した携帯端末の解析モデルの寸法を示した斜視図（アンテナ部の詳細寸法を示した斜視図） （ａ） 本発明の実施形態１に係る実施例における、図４に示した解析モデルのインピーダンス５０オームを持つ出力端子３における高周波特性の周波数依存性を示した特性図（反射定在波比の周波数特性図） （ｂ） 本発明の実施形態１に係る実施例における、図４に示した解析モデルのインピーダンス５０オームを持つ出力端子３における高周波特性の周波数依存性を示した特性図（１端子Ｓパラメータのスミス図） 本発明の実施形態１に係る実施例における、図４に示した解析モデルに対して設計された本発明の２周波整合回路の素子定数表を示す図 本発明の実施形態１に係る実施例における、図４の解析モデルに挿入されたモデル化された手の寸法とその挿入位置を示した斜視図 本発明の実施形態１に係る実施例における、図６で設計された本発明の２周波整合回路の手の接近時における整合帯域の変化率を示した特性表を示す図 （ａ） 従来技術を用いて構成された２周波整合回路のブロック図（図１２（ａ）に示した非特許文献１記載の単周波整合回路を基に得られる２周波整合回路のブロック図） （ｂ） 従来技術を用いて構成された２周波整合回路のブロック図（図１２（ｂ）に示した非特許文献１記載の単周波整合回路を基に得られる２周波整合回路のブロック図） （ａ） 従来技術を用いて構成された２周波整合回路の素子構成、素子定数、ならびに、手の接近時における整合帯域の帯域変化率について、解が無いことを示している。（ｂ） 従来技術を用いて構成された２周波整合回路の素子構成、素子定数、ならびに、手の接近時における整合帯域の帯域変化率を示した特性表を示す図（図９（ｂ）に示された回路ブロックに対して計算された特性表） 従来の２周波整合回路の回路構成を示した回路ブロック図 非特許文献１に記載の２種類の基礎的な単周波整合回路の回路構成を示した回路ブロック図 従来の２周波整合回路に用いられている梯子回路の回路構成を示した回路ブロック図

符号の説明

１ 本発明の２周波整合回路
２ 入力端子
３ 出力端子
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ 素子
５ 負荷
６ アンテナ
７ 携帯端末筐体
８ モデル化された手
１０１ 負荷
１０２ 出力端子
１０３ 第１の整合回路
１０４ 第２の整合回路
１０５ 第３の整合回路
１０６ 入力端子
１０７ 電源
１０８ 従来の２周波整合回路
１２１ａ、１２１ｂ 単周波整合回路
１３１ 梯子回路
ｆ 周波数
α１（ｆ） 素子４ａのインピーダンスの実部
α２（ｆ） 素子４ｂのインピーダンスの実部
α３（ｆ） 素子４ｃのインピーダンスの実部
α４（ｆ） 素子４ｄのインピーダンスの実部
Ｚｒ（ｆ） 荷５のインピーダンスの実部
Ｚｉ（ｆ） 負荷５のインピーダンスの虚部
Ｚ０ 入力端子２に接続される高周波回路のインピーダンス
Ｌｊ αｊ（ｆ）（ ｊ＝１、２、３、４）がインダクタである時のインダクタ値
Ｃｊ αｊ（ｆ）（ ｊ＝１、２、３、４）がキャパシタである時のキャパシタ値
Ａ（ｆ）、Ｂ（ｆ）、Ｃ（ｆ）、Ｄ（ｆ） （数２）の上から３〜６式で定義される関数
ｆ１、ｆ２ ２つの整合周波数
α、β、ａ、ｂ 図９に示した従来技術を用いて構成された２周波整合回路を構成する集中定数素子のインピーダンス値の実部

Claims (3)

1. ５０オームのインピーダンスを有する高周波回路から０．８５ＧＨｚの周波数を有する第１高周波信号および１．８６ＧＨｚの周波数を有する第２高周波信号を受け取る第１および第２の入力端子と、
   アンテナに接続される第１および第２の出力端子と、
   第１素子と、
   第２素子と、
   第３素子と、
   第４素子と
   を備える２周波整合回路であって、
   前記第１素子および前記第４素子は、前記第１の入力端子と前記第２の入力端子との間に直列的に接続され、かつ、前記第２素子および前記第３素子は、前記第１の入力端子と前記第２の入力端子との間に直列的に接続されており、
   前記第１の出力端子は、前記第１素子と前記第４素子との間の接続ノードに接続され、
   前記第２の出力端子は、前記第２素子と前記第３素子との間の接続ノードに接続され、
   前記第１素子、第２素子、第３素子、および第４素子は、以下の２つのセットのいずれか１つによって構成される、２周波整合回路。
   第１セット：
   第１素子； １２．０８４ｎＨのインダクタンスを有するインダクタ、
   第２素子； ５．４５２ｎＨのインダクタンスを有するインダクタ、
   第３素子； １４．５０８ｎＨのインダクタンスを有するインダクタ、
   第４素子； １．９３４ｐＦのキャパシタンスを有するキャパシタ、
   第２セット：
   第１素子； １．０２３ｐＦのキャパシタンスを有するキャパシタ、
   第２素子； ５．７７２ｎＨのインダクタンスを有するインダクタ、
   第３素子； ０．９０４ｐＦのキャパシタンスを有するキャパシタ、
   第４素子； １４．９２７ｎＨのインダクタンスを有するインダクタ。
2. アンテナと
   高周波回路と
   ２周波整合回路と
   を備えた携帯端末であって、
   前記２周波整合回路は、前記アンテナと前記高周波回路との間に挿入されており、
   前記２周波整合回路は請求項１に記載の２周波整合回路であって、
   前記アンテナのインピーダンスは、
   ０．８５ＧＨｚの周波数において２７．２−２７．７ｉ（ｉは虚数単位である）Ωであり、
   １．８６ＧＨｚの周波数において４５．３−１４．８ｉ（ｉは虚数単位である）Ωである、携帯端末。
3. 前記アンテナが逆Ｆアンテナである請求項２に記載の携帯端末。

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