JP4342074B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として、携帯無線機に搭載されるアンテナに係わり、特に、携帯無線機を人体に近接させた状態でも良好な放射特性を実現することができるアンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、主に、ＶＨＦ（超短波）帯で運用されている業務用の無線機においては、小型軽量で薄い無線機が必要とされており、波長に比べて小型なサイズの携帯無線機が使用されている。従来の業務用携帯無線機アンテナとしては、４分の１波長モノポールアンテナ形状のノーマルモードヘリカルアンテナ（Normal Mode Helical Antenna: 以下、ＮＨＡと記す）が一般的であり、携帯する際に邪魔にならない小型で携帯性の優れたアンテナ系を実現している。
【０００３】
図１０は携帯無線機を示しており、螺旋状に巻いたＮＨＡ２０の一端を無線機本体２１に電気的に接続することで、小型軽量なアンテナ系を実現している。一般に、ＮＨＡ２０は、無線回路との整合を取るために、電気的な長さが４分の１波長になるように設計されており、自由空間中において所望の共振周波数に整合させている。また、ＮＨＡ２０の電気的長さが４分の１波長とならない場合でも、無線回路との間に整合回路を挿入して整合を取り、自由空間中において十分な放射性能が得られるように設計されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１０に示したＮＨＡ２０は、人体に近接させて使用した状態では高誘電率の人体媒質の影響を受け、放射性能が大きく低下するという問題がある。業務用携帯無線機は、携帯電話機等とは異なり、図１１に示すように、無線機の使用が業務の妨げにならないように、無線機本体が使用者のベルトに常に固定される。この状態で、無線機本体と接続されたマイクとイヤホンによって通話する。この場合、無線機本体に搭載されたＮＨＡは、人体の腹部に極接近するため、アンテナ特性は人体の影響を強く受ける。
【０００５】
人体とアンテナとの位置関係がアンテナ特性に及ぼす影響は、これまでにも種々検討されており、アンテナが人体に近接すると、利得の低下が生じることが明らかにされている。これは、アンテナが人体に近接すると、アンテナの入力インピーダンスが変化して回路と整合しなくなり、反射による損失が生じるからである。さらに、アンテナから放射された電磁波のうち、一部がアンテナ自体あるいは人体に吸収されて損失が発生するからである。
【０００６】
従来、アンテナの放射特性は、アンテナから放射された一部の電磁波のみを考慮した結果に基づいているため、インピーダンス不整合による損失及びアンテナあるいは人体の吸収による損失については考慮されていない。しかし、周波数帯及びアンテナ種類によっては、これら損失の占める割合が大きい場合がある。
【０００７】
例えば、業務用携帯無線機に搭載されるアンテナのように、特に、１５０ＭＨｚ帯で実用化される０．１波長以下に短縮されたＮＨＡでは、アンテナ近傍におけるＮＨＡの入力インピーダンスの変化が激しいため、インピーダンス不整合に因る損失について正しく評価する必要がある。さらに、そのようＮＨＡは、小型であることから放射抵抗が小さく、従って、ＮＨＡを構成する金属線の高周波抵抗及び整合回路の損失も考慮する必要がある。
【０００８】
上述のように、アンテナの放射特性を検討する場合、周波数帯によって、また、アンテナの種類によっても、放射電磁波のうち損失電力が占める割合が異なり、かつ損失電力の構成比も異なる。従って、アンテナの放射特性を改善して高利得を有するアンテナ装置を設計しようとする場合は、損失電力が発生する要因を考慮したうえで損失電力を最小限に抑える必要がある。
【０００９】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みて成されたもので、損失電力の発生要因を考慮したうえで、電力損失を最小限に抑え、高利得のアンテナ装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係わるアンテナ装置は、携帯無線機に搭載され、該携帯無線機内の無線回路から電力を受け、所定の周波数帯域で整合するアンテナエレメントと、前記アンテナエレメントのインピーダンスと前記無線回路の内部インピーダンスとを整合するための整合回路と、を有し、前記整合回路が、前記無線回路の内部インピーダンスと前記整合回路の入力インピーダンスとを下記の式を満足する整合特性で共役整合させることを特徴とするアンテナ装置。
式 Ｚ _ｉｎ ＝（１／４）・（Ｚ _ａ Ｚ _ｃ ／（Ｚ _ａ ＋Ｚ _ｃ ））
Ｐ _ｉｎ ＝（１／２）・Ｒｅ［Ｚ _ｉｎ Ｉ _１ Ｉ _１ ^＊ ］
Ｉ _１ ＝Ｖ _ｇ ／（Ｚ _ｇ ＋Ｚ _ｉｎ ）
Ｐ _ｉｎ ＝（１／２）・（｜Ｖ _ｇ ｜ ^２ ・Ｒｅ（Ｚ _ｉｎ ）／｜Ｚ _ｇ ＋Ｚ _ｉｎ ｜ ^２ ）＝Ｐ _ａｖ ・Ｓ
Ｐ _ａｖ ＝｜Ｖ _ｇ ｜ ^２ ／８Ｒｅ（Ｚ _ｇ ）
Ｓ＝（４Ｒｅ（Ｚ _ｇ ）・Ｒｅ（Ｚ _ｉｎ ）／｜Ｚ _ｇ ＋Ｚ _ｉｎ ｜ ^２ ）≦１
（式中、Ｚ _ｉｎ は前記無線回路から前記整合回路及び前記アンテナエレメント側を見た入力インピーダンス、Ｚ _ａ は前記アンテナエレメントのインピーダンス、Ｚ _ｃ は前記整合回路のインピーダンス、Ｚ _ｇ は前記無線回路の内部インピーダンス、Ｖ _ｇ は電源、Ｐ _ｉｎ は入力電力、 ^＊ は複素共役を表す）
【００１１】
請求項２に係わるアンテナ装置は、前記整合回路の整合特性を前記アンテナエレメントのインピーダンス変化に応じて可変する整合特性制御手段を有することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係わるアンテナ装置は、前記整合特性制御手段が、少なくとも前記周波数帯域の波長に対して十分小さい間隔で前記アンテナエレメントが人体に近接したときの前記アンテナエレメントのインピーダンスと、前記アンテナエレメントが自由空間中にあるときの前記アンテナエレメントのインピーダンスとに選択的に適応するために、前記アンテナエレメントのインピーダンス変化に応じて前記整合回路の負荷を可変するものである。
【００１３】
請求項４に係わるアンテナ装置は、前記整合特性制御手段が、前記アンテナエレメントのインピーダンス変化に応じて、前記整合回路の容量負荷を可変するものである。
【００１４】
請求項５に係わるアンテナ装置は、前記整合回路が、前記周波数帯域の波長に対して十分小さい間隔で前記携帯無線機が人体に近接したときに、前記無線回路の内部インピーダンスと前記整合回路の入力インピーダンスと共役整合する整合特性を有する第１の整合回路であることを特徴とする。
【００１５】
請求項６に係わるアンテナ装置は、自由空間中で前記無線回路の内部インピーダンスと前記整合回路の入力インピーダンスと共役整合する整合特性を有する第２の整合回路と、前記アンテナエレメントのインピーダンス変化に応じて、前記第１の整合回路と前記第２の整合回路とを選択する選択手段と、を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項７に係わるアンテナ装置は、前記アンテナエレメントに供給される電力のうち、不整合により反射される電力をモニタして前記アンテナエレメントのインピーダンス変化を検出する不整合検出手段を有し、前記不整合検出手段の検出結果に応じて、前記整合特性制御手段を制御することを特徴とする。
【００１７】
請求項８に係わるアンテナ装置は、前記アンテナエレメントに供給される電力のうち、不整合により反射される電力をモニタして前記アンテナエレメントのインピーダンス変化を検出する不整合検出手段を有し、前記不整合検出手段の検出結果に応じて、前記選択手段を選択制御することを特徴とする。
【００１８】
請求項１に記載の発明によれば、無線回路の内部インピーダンスと整合回路の入力インピーダンスとを共役整合させることにより、アンテナエレメントのインピーダンス不整合により発生する不整合損失を低減することができる。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば、整合特性制御手段により、整合回路の整合特性をアンテナエレメントのインピーダンス変化に応じて可変することができるので、携帯無線機の使用状態に応じて整合特性を変えることができる。整合特性制御手段として、請求項３に記載の発明によれば、アンテナエレメントが人体に近接したときのアンテナエレメントのインピーダンスに対応する整合特性と、アンテナエレメントが自由空間中にあるときのアンテナエレメントのインピーダンスに対応する整合特性とを含む複数の整合特性を、負荷を切り替えることによりアンテナエレメントのインピーダンス変化に応じて選択的に適応させることができる。また、請求項４に記載の発明によれば、アンテナエレメントのインピーダンス変化に応じて容量負荷を連続的に可変することにより、アンテナエレメントのインピーダンス変化に応じて連続的に適応させることができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明によれば、整合回路の整合特性をアンテナエレメントが人体に近接した状態で、無線回路の内部インピーダンスと整合回路の入力インピーダンスとが共役整合するように設定することにより、携帯無線機を携帯して使用する状態において、アンテナエレメントのインピーダンス不整合により発生する不整合損失を低減することができる。
【００２１】
請求項６に記載の発明によれば、人体に近接した状態で、無線回路の内部インピーダンスと整合回路の入力インピーダンスとが共役整合するように設定された第１の整合回路と、自由空間中で、無線回路の内部インピーダンスと整合回路の入力インピーダンスとが共役整合するように設定された第２の整合回路とを、アンテナエレメントのインピーダンス変化に応じて選択的に切り替えることにより、人体近接時および自由空間中の何れの場合も、アンテナエレメントのインピーダンス不整合により発生する不整合損失を低減することができる。
【００２２】
請求項７に記載の発明によれば、アンテナエレメントのインピーダンス不整合を検出し、検出結果に基づいて整合特性制御手段を制御して整合特性を可変することができる。また、請求項８に記載の発明によれば、アンテナエレメントのインピーダンス不整合を検出し、検出結果に基づいて選択手段を選択制御して整合特性を可変することができる。
【００２３】
本発明に係わるアンテナ装置では、アンテナエレメントのインピーダンス変化に因り発生する不整合損失を、無線回路の内部インピーダンスと整合回路の入力インピーダンスとを共役整合させることにより低減させている。一般に、アンテナ装置の放射特性を向上させるには、電磁波を放射する際に発生する損失を最小限に抑える必要がある。この損失は発生原因によって複数の要素から構成され、以下、各要素について説明する。
【００２４】
携帯無線機本体を、図１１に示すように、使用者のベルトに固定すると、ＮＨＡは、人体の腹部に５ｃｍ以下に接近する。これは、１５０ＭＨｚ帯においては、４０分の１波長以下という極めて近接した距離で配置されることになる。この場合、自由空間中に配置されたＮＨＡに比べてインピーダンスが大幅に変化し、大きな損失（不整合損失）が発生することが予想される。不整合損失が大きくなると、アンテナ特性も大きく変化する。
【００２５】
図１２はアンテナ装置の特性が人体の影響を受けて変化する様子を調べる為の解析モデルを示している。ここでは、簡易化するために、図１０に示したような、筐体付きアンテナ構造を、ＮＨＡを対にしたダイポール型の形状によってモデル化している。図中、４１はＮＨＡ、４２は整合回路、４３はバラン、４４は人体モデルである。ＮＨＡ４１は、巻き直径７．５ｍｍ、金属線の直径１ｍｍ、ピッチＰ、巻数Ｎ、軸方向長さＬで具体化されるアンテナ形状を有する。
【００２６】
この解析モデルを使用し、図１３に示すように、ピッチＰ、巻数Ｎ、軸方向長さＬをそれぞれ異ならせたＮＨＡ４１（ＡＮＴ１、ＡＮＴ２、ＡＮＴ３）について解析した。なお、ＮＨＡ４１の形状は、業務用携帯無線機の実用アンテナを参考にして決定した。
【００２７】
図１３に示すパラメータにおいて、片方のエレメントの巻線長さは、約４分の１波長となる。ＮＨＡ４１はほぼ１５０ＭＨｚで共振し、整合回路４２で整合を取っている。バラン４３は不平衡系の給電である無線回路を平衡系の無線回路に変換するための、給電挟帯域近似として変成比１：４の理想トランスフォーマである。人体モデル４４は、直径２２ｃｍ、高さ１７０ｃｍの円柱でモデル化されている。人体モデル４４の円柱表面に対して、距離Ｄ、高さ８５ｃｍの位置（中点）にＮＨＡ２１を垂直に設置した。人体４４はモーメント法を適用するために、円柱を１１個の円と１６本の直線で近似した。人体モデル４４の比誘電率は５７．７とし、計算時間を短縮するために、ワイヤーグリッドで等価的に置き換えた。
【００２８】
図１４は、図１３に示したＡＮＴ２を人体に近接したときの放射指向特性を図１２に示した解析モデルを使用して解析した結果を示している。放射指向特性は、図中、○及び□で示した測定値に基づき、実線で示した計算値で補間したものである。図１６に示されるように、人体とアンテナとの距離を近づけるにつれて、すなわち、距離Ｄを２０ｃｍから１０ｃｍに短くすると、指向性パターンが急激に小さくなり、アンテナの放射効率が低下する様子が分かる。
【００２９】
図１５はアンテナと人体との距離Ｄに対する放射効率の関係を示している。図１５に示されるように、アンテナが人体に近接すると、ほぼＤ＝１０ｃｍを境に放射効率が極端に低下する。従って、携帯無線機本体を人体に固定し、アンテナと人体との距離Ｄが５ｃｍ以下となる極端に近接した使用状態では、無線機の通話可能エリアが極端に狭くなる。
【００３０】
以下、アンテナの放射効率の低下の要因について考察する。図１６はアンテナ装置が人体に近接したときの等価回路を示している。図中、７１はＮＨＡ、７２は整合回路、７３はバラン、７４は人体、７５は送信機を示している。図示等価回路は、送信機７５の内部インピーダンスＺ_gの電源Ｖ_gにより励振される。ＮＨＡ７１のインピーダンスをＺ_a、整合回路（並列容量Ｃ）７２のインピーダンスをＺ_cとすると、ＮＨＡ７１の入力端子ａ−ａ’から見た入力インピーダンスＺ_inは式（１）で表される。
【００３１】
Ｚ_in＝（１／４）・（Ｚ_aＺ_c／（Ｚ_a＋Ｚ_c）） …（１）
人体近接時には、ＮＨＡ７１と人体７４との相互影響によるインピーダンスＺ_aの変化が式（１）に従ってＺ_inの変化として実際には観測される。
【００３２】
いま、自由空間における式（１）の入力インピーダンスをＺ_inとし、Ｚ_inが電源の内部インピーダンスＺ_gと互いに共役整合しているものとすると、Ｚ_in＝Ｚ^* _gの関係が成り立つ。ここで、（^*）は複素共役を示す。この状態からＮＨＡ７１が人体７４に近づくと、ＮＨＡ７１の入力インピーダンスがＺ_in’に変化する。このとき、ＮＨＡ７１に印加される入力電力Ｐ_inは式（２）で示される。
【００３３】
Ｐ_in＝（１／２）・Ｒｅ［Ｚ_in’Ｉ₁Ｉ₁ ^*］ …（２）
ここで、Ｉ₁＝Ｖ_g／（Ｚ_g＋Ｚ_in’）
【００３４】
一方、入力電力Ｐ_inは、電源Ｖ_gから供給されるから式（３）で示される。
Ｐ_in＝（１／２）・（｜Ｖ_g｜²・Ｒｅ（Ｚ_in’）／｜Ｚ_g＋Ｚ_in’｜²）
＝Ｐ_av・Ｓ …（３）
ここで、Ｐ_av＝｜Ｖ_g｜²／８Ｒｅ（Ｚ_g）
Ｓ＝（４Ｒｅ（Ｚ_g）・Ｒｅ（Ｚ_in’））／｜Ｚ_g＋Ｚ_in’｜² ≦１
【００３５】
Ｒｅ（Ｘ）のＸは実部、Ｐ_avは電源の有能電力、ＳはＮＨＡ７１へ供給される電力と電源の有能電力との比を表している。従って、共役整合の条件下（自由空間の状態）では、Ｓ＝１である。ここで、有能電力に対する放射効率ηを式（４）で定義する。
【００３６】
η＝Ｐ_r／Ｐ_av＝（Ｐ_av−Ｐ_t）／Ｐ_av …（４）
ここで、Ｐ_t＝Ｐ_h＋Ｐ_a＋Ｐ_c＋Ｐ_m
【００３７】
式（４）において、Ｐ_rは空間への放射電力、Ｐ_tは損失電力の総量、Ｐ_hは人体７４への吸収電力、Ｐ_aはＮＨＡ７１を構成する金属線の高周波抵抗によって生じる損失電力、Ｐ_cは並列容量Ｃの損失抵抗ｒ_cによって生じる損失電力、Ｐ_mはインピーダンス不整合による損失電力である。なお、バラン７３は無損失とする。各電力の関係は図１６に示され、かつそれぞれ式（５）から式（８）で示される。
【００３８】
Ｐ_h＝１／２ΣＲｅ（Ｚ_Lh）Ｉ_h ² …（５）
Ｐ_a＝１／２ΣＲｅ（Ｚ_La）Ｉ_a ² …（６）
Ｐ_c＝１／２ｒ_cＩ_c ² …（７）
Ｐ_m＝（１−Ｓ）Ｐ_av …（８）
【００３９】
ここで、Ｚ_Lhは人体の負荷インピーダンス、Ｉ_hは電荷を流れる電流である。Ｚ_Laはヘリカルを構成する金属線の表面インピーダンスに起因する損失抵抗、Ｉ_aはヘリカル上の電流であって、式（９）で示される。
【００４０】
Ｚ_La＝（１＋ｊ）／２πｒσ_aｄ_s
ｄ_s＝√（２／ωμ₀σ_a） …（９）
【００４１】
ここで、ｄ_sは表面抵抗の厚み、σ_aは金属線の導電率であり、σ_a＝５．７×１０^-7［Ｓ／ｍ］とした。μ₀は真空中の透過率で、μ₀＝４π×１０^-7［Ａ／ｍ］である。Ｉ_cは並列容量中の電流である。ｒ_cは容量の等価直列抵抗であって、容量のＱ値（Ｑ_c）との関係は式（１０）に示される。
【００４２】
ｒ_c＝１／ωｃＱ_c …（１０）
【００４３】
通常、放射効率は全放射電力とアンテナに入力された正味の電力との比Ｐ_r／Ｐ_inによって定義される。一方、式（４）によって定義される放射効率は有能電力Ｐ_avがアンテナによって放射電力に変換される割合を表している。この放射効率は回路理論において、２端子回路網の設計で用いられる変換電力利得に類似しており、インピーダンスの不整合損失Ｐ_mの効果を含んでいる。従って、使用状態における実効的な放射効率（実質的放射効率）を示しており、不整合損を含んだアンテナの実行性能を考察するのに有効である。
【００４４】
図１７は図１３に示した条件のＡＮＴ１〜ＡＮＴ３をそれぞれ人体に近接させたときに発生する損失電力の要因比率を示す特性図（図１７（ａ）〜図１７（ｃ））であり、電力損失率（％）（縦軸）とアンテナと人体の距離（Ｄ）（横軸）との関係を示している。図中、Ｐ_tは損失電力の総量、Ｐ_hは人体への吸収電力、Ｐ_aはアンテナの導体損による損失電力、Ｐ_mは不整合損失電力である。図１７に示した電力は全て有能電力Ｐ_avによって規格化した値である。なお、並列容量Ｃによる損失電力Ｐ_cは１％以下であるので省略した。
【００４５】
図１７（ａ）乃至図１７（ｃ）に示されるように、何れのアンテナもＤ＜１０ｃｍの人体近傍では損失電力の総量Ｐ_tのうち不整合損失電力Ｐ_mの占める割合が大きくなり損失電力の主要な要因となる。さらに、軸長Ｌが短いアンテナを示すＡＮＴ１では、その傾向が助長されている。しかし、Ｄ＞１０ｃｍの領域では損失電力の総量Ｐ_tのうち導体損失電力Ｐ_aが占める割合が大きくなり、ＡＮＴ１では導体損損失電力Ｐ_aが人体への吸収電力Ｐ_hを上回り損失電力の主要な要因となる。
【００４６】
以上のように、アンテナと人体の距離Ｄと電力損失率を考察すると、アンテナと人体の距離が特定の値（Ｄ＝１０ｃｍ）を境に損失電力の構成比が急激に異なる。各損失電力について考察すると、不整合損失電力Ｐ_mは０＜Ｄ＜１０ｃｍで最大値を示し、導体損失電力Ｐ_a及び人体への吸収電力Ｐ_hは１０ｃｍ＜Ｄ＜２０ｃｍで最大値を示す。従って、人体と極近接する使用状態では、損失電力を最小限に抑えるためには、不整合損失電力Ｐ_mを低減することが効果的であることが知見される。
【００４７】
本発明は、上記知見に基づき、アンテナの放射効率の低下をもたらす損失電力のうち、アンテナが人体に極近接する使用状態における支配的要因である不整合損失電力を低減するものである。
【００４８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係わるアンテナ装置の構成を示している。図中、１０１は無線機本体、１０２はＮＨＡ、１０３はＮＨＡ１０２に電力を供給する給電点、１０４は整合回路、１０５は無線回路である。整合回路１０４は無線回路１０５とＮＨＡ１０２とを電気的に整合させるものである。整合回路１０４の特性は、無線回路１０５側からみた整合回路１０４の入力インピーダンスＺ_inと無線回路１０５の内部インピーダンスＺ_gとが共役整合の関係となるように設定される。これにより、ＮＨＡ１０２の入力インピーダンスが変化したときに生じる不整合損失が低減される。
【００４９】
図２は先の図１３に示したＡＮＴ１〜ＡＮＴ３を有するアンテナ装置の放射効率を示す特性図であり、図１に示したアンテナ装置において整合回路１０４の特性を共役整合に設定し、不整合損失を除去した場合を示している。先の図１５に示した不整合損失を含む放射効率特性と比較すると、特に、アンテナと人体の距離Ｄ＜１０ｃｍの領域において、１０ｄＢ以上改善されていることが分かる。
【００５０】
図３は図１３に示したアンテナ装置のうちＡＮＴ２の電力損失率を示す特性図である。図中、Ｐ_tは損失電力の総量、Ｐ_hは人体への吸収電力、Ｐ_aはアンテナの導体損による損失電力を示しており、全て有能電力Ｐ_avによって規格化した値である。整合回路１０４により不整合損失を除去しているため、アンテナと人体の距離Ｄ＜１０ｃｍの領域では、人体への吸収電力Ｐ_hの占める割合が高く、次いで、アンテナの導体損による損失電力Ｐ_aが占める。他のタイプのアンテナ装置においても同様の傾向が知見される。
【００５１】
図４はアンテナ装置の最大利得の改善量を示しており、図１３に示したＡＮＴ１〜ＡＮＴ３について、従来の自由空間で整合させたときと、第１の実施の形態の共役整合により不整合損失を除去したときとを対比させている。図中、それぞれの値は、人体近接時（Ｄ＝５ｃｍ）における水平面（Ｘ−Ｙ面）の最大利得を表しており、値が大きいほど優れた利得を有していることを示している。最大利得は、図１４に示したように、Ｘ方向すなわち人体正面方向に生じている。また、最大利得は、先の図１１に示すような業務用無線機の実使用状態を想定して測定されたものである。被験者は３０才の男性（伸長１７１ｃｍ、体重７５ｋｇ）である。図４から分かるように、人体近接時に共役整合させた整合回路を設けることによって、５〜１０ｄＢ以上の大幅な利得の向上が実現できている。また、その効果は、ＡＮＴ１のような軸長の短いアンテナほど顕著であることが分かる。
【００５２】
以下、本発明の第２の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図５は本発明の第２の実施の形態に係わるアンテナ装置の構成を示している。図中、先の図１に示した部分と同一部分に同一符号を付して詳細な説明を省略する。第２の実施の形態では、整合回路１０４の負荷を切り替えるための負荷切替回路１０６（整合特性制御手段）を備えている。すなわち、無線回路１０５側から見た整合回路１０４の入力インピーダンスＺ_inが、自由空間中および人体近接時の何れの場合においても、無線回路１０５の内部インピーダンスＺ_gと共役整合の関係になるように、負荷切り替え回路１０６により負荷を切り替える。これにより、自由空間中および人体近接時の何れの場合においても、不整合損失が低減されるため、アンテナ装置の放射効率を向上させることができる。
【００５３】
以下、負荷切り替え回路１０６の構成について図６を参照して説明する。なお、負荷切り替え回路１０６の構成は、整合回路１０４に何らかの負荷を接続できるものであればよく、これらの構成例に限定されるものではない。
【００５４】
図６（ａ）は負荷切り替え回路１０６の第１の構成例を示している。図中、１０７は切り替えスイッチ、１０８Ａは自由空間用負荷回路、１０８Ｂは人体近接時用負荷回路である。整合回路１０４に接続される負荷回路は、ＮＨＡ１０２のインピーダンス変化に応じて切り替えスイッチ１０７によって切り替えられ、ＮＨＡ１０２が自由空間中にあるときは、自由空間用負荷回路１０８Ａが整合回路１０４に接続され、ＮＨＡ１０２が人体に近接するときは、人体近接時用負荷回路１０８Ｂが整合回路１０４に接続される。各々の負荷回路を適当な値とすることにより、整合回路１０４の入力インピーダンスＺ_inが無線回路１０５の内部インピーダンスＺ_gと共役整合の関係になるようにし、ＮＨＡ１０２のインピーダンス変化に対応したアンテナ整合条件が形成可能である。
【００５５】
なお、図６（ａ）に示した負荷回路切り替え回路１０６は、自由空間中および人体近接時のそれぞれのアンテナ条件に対応する２つの負荷回路を選択する構成であるが、さらに複数のアンテナ条件に対応する複数の負荷回路を設け、インピーダンス変化に応じて複数のアンテナ条件に対応する複数の負荷回路を選択するように構成してもよい。これにより、携帯無線機の使用状況の変化に伴うＮＨＡ１０２の複数のインピーダンス変化に柔軟に対応したアンテナ整合条件が形成可能である。また、各負荷回路の接続先が接地で良い場合は、一方の切り替えスイッチを省略して各負荷回路を直接接地することで、１つの切り替えスイッチにより各負荷回路を選択するようにしてもよい。
【００５６】
図６（ｂ）は負荷切り替え回路１０６の第２の構成例を示している。図中、１０８は負荷回路、１０９は負荷回路１０８に直列接続されたＰＩＮダイオードである。負荷回路１０８は、ＮＨＡ１０２のインピーダンス変化に応じてＰＩＮダイオード１０２のスイッチングにより整合回路１０４に接続される。整合回路１０４はＮＨＡ１０２が自由空間中にあるときに共役整合となるように設定されており、ＮＨＡ１０２が人体に近接してＮＨＡ１０２のインピーダンスが変化したときは、ＰＩＮダイオード１０９を作動させて整合回路１０４に負荷回路１０８が接続される。負荷回路を適当な値とすることにより、人体近接時の整合回路１０４の入力インピーダンスＺ_inが無線回路１０５の内部インピーダンスＺ_gと共役整合の関係になるようにし、ＮＨＡ１０２のインピーダンス変化に対応したアンテナ整合条件が形成可能である。なお、図６（ｂ）に示した負荷切り替え回路１０６は、人体近接時にＰＩＮダイオード１０９を作動させることにより、自由空間中で共役整合特性を有する整合回路１０４に負荷回路１０８が接続されるようにしている。しかし、自由空間中でＰＩＮダイオード１０９を作動させることにより、人体近接時に共役整合特性を有する整合回路１０４に負荷回路１０８が接続されるようにしてもよい。
【００５７】
図６（ｃ）は負荷切り替え回路１０６の第３の構成例を示している。図中、１０８は負荷回路、１０９は負荷回路１０８に並列接続されたＰＩＮダイオードである。負荷回路１０８は、ＮＨＡ１０２のインピーダンス変化に応じてＰＩＮダイオード１０２のスイッチングによりバイパスされる。整合回路１０４はＮＨＡ１０２が人体に近接したときに共役整合となるように設定されており、ＮＨＡ１０２が人体に近接してＮＨＡ１０２のインピーダンスが変化したときは、ＰＩＮダイオード１０９を作動させて負荷回路１０８がバイパスされる。負荷回路を適当な値とすることにより、自由空間中の整合回路１０４の入力インピーダンスＺ_inが無線回路１０５の内部インピーダンスＺ_gと共役整合の関係になるようにし、ＮＨＡ１０２のインピーダンス変化に対応したアンテナ整合条件が形成可能である。なお、図６（ｃ）に示した負荷切り替え回路１０６は、人体近接時にＰＩＮダイオード１０９を作動させることにより、人体近接時に共役整合特性を有する整合回路１０４に負荷回路１０８が接続されないように負荷回路１０８をバイパスさせている。しかし、自由空間中でＰＩＮダイオード１０９を作動させることにより、自由空間中で共役整合特性を有する整合回路１０４に負荷回路１０８が接続されないように負荷回路１０８をバイパスさせるようにしてもよい。
【００５８】
以下、図７を参照して本発明の第３の実施の形態に係わるアンテナ装置の構成を示している。図中、先の図１に示した部分と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。第３の実施の形態では、ＮＨＡ１０２が自由空間中にあるときに共役整合特性を有する自由空間用整合回路１０４Ａ、ＮＨＡ１０２が人体に近接したときに共役整合特性を有する人体近接時用整合回路１０４Ｂ、ＮＨＡ１０２のインピーダンス変化に応じて自由空間用整合回路１０４Ａと人体近接時用整合回路１０４Ｂ１０７とを選択するための切り替えスイッチ１０７を備えている。すなわち、無線回路１０５側からアンテナ側を見た入力インピーダンスＺ_inが無線回路１０５の内部インピーダンスＺ_gと共役整合の関係になるように自由空間用および人体近接時用の２つの整合回路を切り替えスイッチ１０７によって切り替える。これにより、自由空間中および人体近接時の何れの場合においても、不整合損が低減されるため、アンテナ装置の放射効率を向上させることができる。
【００５９】
なお、図７は、自由空間中および人体近接時のそれぞれのアンテナ条件に対応する２つの整合回路を選択する構成を示しているが、さらに複数のアンテナ条件に対応する複数の整合回路を設け、インピーダンス変化に応じて複数のアンテナ条件に対応する複数の整合回路を選択するように構成してもよい。これにより、携帯無線機の使用状況の変化に伴うＮＨＡ１０２の複数のインピーダンス変化に柔軟に対応したアンテナ整合条件が形成可能である。
【００６０】
以下、本発明の第４の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図８は本発明の第４の実施の形態に係わるアンテナ装置の構成を示している。図中、先の図１に示した部分と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。第４の実施の形態では、整合回路１０４の容量を可変するための可変容量ダイオード１１０（整合特性制御手段）を備えている。すなわち、無線回路１０５側から見た整合回路１０４の入力インピーダンスＺ_inが、自由空間中乃至人体近接時の何れの場合においても、無線回路１０５の内部インピーダンスＺ_gと共役整合の関係になるように、可変容量ダイオード１１０の容量を可変する。これにより、ＮＨＡ１０２が自由空間中にあるときやＮＨＡ１０２を人体に近接させたときのみならず、ＮＨＡ１０２が自由空間中から人体に近接する過程における任意のインピーダンス条件においても、不整合損失が低減されるため、アンテナ装置の放射効率を向上させることができる。整合回路１０４に接続される可変容量ダイオード１１０の容量値をＮＨＡ１０２のインピーダンス変化に応じて段階的に可変することにより、自由空間中乃至人体近接時の何れの場合でも、整合回路１０４の入力インピーダンスＺ_inが無線回路１０５の内部インピーダンスＺ_gと共役整合の関係になるようにし、ＮＨＡ１０２のインピーダンス変化に対応したアンテナ整合条件が形成可能である。
【００６１】
以下、本発明の第５の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図９は本発明の第５の実施の形態に係わるアンテナ装置の構成を示している。図中、先の図１に示した部分と同一部分に同一符号を付して詳細な説明を省略する。第５の実施の形態では、無線回路１０５からＮＨＡ１０２側に供給される電力のうち、不整合によって反射されてくる電力をモニタする不整合検出回路１１２および整合特性が調整可能な調整機能付き整合回路１１１を備え、ＮＨＡ１０２のインピーダンス変化を示す不整合検出回路１１２の検出結果に基づいて調整機能付き整合回路１１１の整合特性を調整するものである。
【００６２】
調整機能付き整合回路１１１としては、図５に示した整合回路１０４と負荷切り替え回路１０６との組み合わせ、および図８に示した整合回路１０４と可変容量ダイオード１１０との組み合わせ等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、不整合検出回路１１２としては、方向性結合器等が挙げられ、方向性結合器で観測される反射電力の大きさに応じて調整機能付き整合回路１１１の整合特性を調整するように構成することができる。
【００６３】
例えば、自由空間において無線回路１０５側からアンテナ側を見た入力インピーダンスＺ_inが、無線回路１０５の内部インピーダンスＺ_gと共役整合の関係になっている場合に、人体近接によってアンテナ側のインピーダンスが変化したことを不整合検出回路１１２が検出し、強制的に人体近接時のインピーダンス条件に切り替えることで、人体近接時においても共役整合状態を維持して不整合損失の発生が低減されるため、アンテナ装置の放射効率を向上させることができる。
【００６４】
さらに、逆の状況として、人体近接時から自由空間への変化を検出して、自由空間中のインピーダンス条件に戻すことも可能であり、常に理想的な整合条件が選択可能である。また、図８に示した整合回路１０４および可変容量ダイオード１１０の組み合わせのように、段階的に整合条件を変化させることが可能な調整機能つき整合回路１１１を用いれば、自由空間中乃至人体近接時の何れのインピーダンス条件においても共役整合状態を維持することも可能であり、常に安定してアンテナ装置の放射効率を確保することができる。
【００６５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、携帯無線機に用いられるアンテナ装置において、無線回路の内部インピーダンスと整合回路の入力インピーダンスとを共役整合させる整合回路を設けることにより、アンテナエレメントのインピーダンス不整合により発生する不整合損失を低減することができる。特に、アンテナエレメントが人体に近接した状態に対応させて共役整合特性を設定することにより、人体近接時の主な要因となる不整合損失を低減することができ、携帯無線機の使用状態において放射効率のよいアンテナ装置を実現することができ、高品位で安定した移動通信が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わるアンテナ装置を示す構成図。
【図２】アンテナ装置の放射特性を示す特性図。
【図３】ＡＮＴ２の電力損失率を示す特性図。
【図４】アンテナ装置の最大利得の改善量を示す比較図。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係わるアンテナ装置を示す構成図。
【図６】負荷切り替え回路１０６を示す構成図。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係わるアンテナ装置を示す構成図。
【図８】本発明の第４の実施の形態に係わるアンテナ装置を示す構成図。
【図９】本発明の第５の実施の形態に係わるアンテナ装置を示す構成図。
【図１０】携帯無線機を示す外観図。
【図１１】携帯無線機の使用状態を示す状態図。
【図１２】アンテナ装置の特性を解析するための解析モデルを示す構成図。
【図１３】ＮＨＡの形状パラメータを示す図。
【図１４】解析モデルにより解析したＡＮＴ２の放射指向性を示す特性図。
【図１５】アンテナと人体との距離に対する放射効率の関係を示す特性図。
【図１６】アンテナ装置が人体に近接したときの等価回路を示す回路図。
【図１７】アンテナ装置を人体に近接したときに発生する損失電力の要因比率を示す特性図。
【符号の説明】
１０１ 無線機本体
１０２ ＮＨＡ（ノーマルモードヘリカルアンテナ）
１０３ 給電点
１０４ 整合回路
１０４Ａ 自由空間用整合回路
１０４Ｂ 人体近接時用整合回路
１０５ 無線回路
１０６ 負荷切り替え回路
１０７ 切り替えスイッチ
１０８ 負荷回路
１０８Ａ 自由空間用負荷回路
１０８Ｂ 人体近接時用負荷回路
１０９ ＰＩＮダイオード
１１０ 可変容量ダイオード
１１１ 調整機能つき整合回路
１１２ 不整合検出回路

Claims (8)

1. 携帯無線機に搭載され、該携帯無線機内の無線回路から電力を受け、所定の周波数帯域で整合するアンテナエレメントと、
   前記アンテナエレメントのインピーダンスと前記無線回路の内部インピーダンスとを整合するための整合回路と、を有し、
   前記整合回路が、前記無線回路の内部インピーダンスと前記整合回路の入力インピーダンスとを下記の式を満足する整合特性で共役整合させることを特徴とするアンテナ装置。
   式 Ｚ _ｉｎ ＝（１／４）・（Ｚ _ａ Ｚ _ｃ ／（Ｚ _ａ ＋Ｚ _ｃ ））
   Ｐ _ｉｎ ＝（１／２）・Ｒｅ［Ｚ _ｉｎ Ｉ _１ Ｉ _１ ^＊ ］
   Ｉ _１ ＝Ｖ _ｇ ／（Ｚ _ｇ ＋Ｚ _ｉｎ ）
   Ｐ _ｉｎ ＝（１／２）・（｜Ｖ _ｇ ｜ ^２ ・Ｒｅ（Ｚ _ｉｎ ）／｜Ｚ _ｇ ＋Ｚ _ｉｎ ｜ ^２ ）＝Ｐ _ａｖ ・Ｓ
   Ｐ _ａｖ ＝｜Ｖ _ｇ ｜ ^２ ／８Ｒｅ（Ｚ _ｇ ）
   Ｓ＝（４Ｒｅ（Ｚ _ｇ ）・Ｒｅ（Ｚ _ｉｎ ）／｜Ｚ _ｇ ＋Ｚ _ｉｎ ｜ ^２ ）≦１
   （式中、Ｚ _ｉｎ は前記無線回路から前記整合回路及び前記アンテナエレメント側を見た入力インピーダンス、Ｚ _ａ は前記アンテナエレメントのインピーダンス、Ｚ _ｃ は前記整合回路のインピーダンス、Ｚ _ｇ は前記無線回路の内部インピーダンス、Ｖ _ｇ は電源、Ｐ _ｉｎ は入力電力、 ^＊ は複素共役を表す）
2. 前記整合回路の整合特性を前記アンテナエレメントのインピーダンス変化に応じて可変する整合特性制御手段を有することを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記整合特性制御手段が、少なくとも前記周波数帯域の波長に対して十分小さい間隔で前記アンテナエレメントが人体に近接したときの前記アンテナエレメントのインピーダンスと、前記アンテナエレメントが自由空間中にあるときの前記アンテナエレメントのインピーダンスとに選択的に適応するために、前記アンテナエレメントのインピーダンス変化に応じて前記整合回路の負荷を可変するものである請求項２記載のアンテナ装置。
4. 前記整合特性制御手段が、前記アンテナエレメントのインピーダンス変化に応じて、前記整合回路の容量負荷を可変するものである請求項２記載のアンテナ装置。
5. 前記整合回路が、前記周波数帯域の波長に対して十分小さい間隔で前記携帯無線機が人体に近接したときに、前記無線回路の内部インピーダンスと前記整合回路の入力インピーダンスと共役整合する整合特性を有する第１の整合回路であることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
6. 自由空間中で前記無線回路の内部インピーダンスと前記整合回路の入力インピーダンスと共役整合する整合特性を有する第２の整合回路と、前記アンテナエレメントのインピーダンス変化に応じて、前記第１の整合回路と前記第２の整合回路とを選択する選択手段と、を有することを特徴とする請求項５記載のアンテナ装置。
7. 前記アンテナエレメントに供給される電力のうち、不整合により反射される電力をモニタして前記アンテナエレメントのインピーダンス変化を検出する不整合検出手段を有し、
   前記不整合検出手段の検出結果に応じて、前記整合特性制御手段を制御することを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項記載のアンテナ装置。
8. 前記アンテナエレメントに供給される電力のうち、不整合により反射される電力をモニタして前記アンテナエレメントのインピーダンス変化を検出する不整合検出手段を有し、
   前記不整合検出手段の検出結果に応じて、前記選択手段を選択制御することを特徴とする請求項６記載のアンテナ装置。

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