JP4620010B2

JP4620010B2 - 無線機器、アンテナ切替器及び無線電波受信方法

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Publication number: JP4620010B2
Application number: JP2006214804A
Authority: JP
Inventors: 賢金澤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-08-07
Filing date: 2006-08-07
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2026-08-07
Also published as: US7586447B2; JP2008042563A; US20080032756A1

Description

本発明は、アンテナを備えた無線機器、特に携帯型無線機器のようにアンテナの向きが固定していないような無線機器に関する。

上述した、アンテナの向きが固定していないような携帯型無線機器の代表としては、携帯電話機やノートパソコン等がある。これらの携帯電話機やノートパソコン等の無線機器において、近年、送受信すべき電波として複数の偏波を有する電波に対応する必要のある無線機器が出現している。

その一例として、ＧＰＳ等の無線通信用アンテナをも備えた携帯電話機や、あるいは無線ＬＡＮに対応可能なノートパソコン等がある。これらの携帯電話機やノートパソコンにあっては、円偏波パッチアンテナの装着が不可欠であり、右旋回偏波（第１の偏波）および左旋回偏波（第２の偏波）といった２種の偏波の送受信が可能でなければならない。以下の説明は、「右旋回偏波」と「左旋回偏波」を有する円偏波を例にとって説明し、また、上記の携帯型無線機器としては携帯電話機、特に円偏波パッチアンテナをも装着したＧＰＳ対応の携帯電話機を例にとって説明する。

なお本発明に関連する公知技術として、下記の〔特許文献１〕、〔特許文献２〕および〔特許文献３〕がある。〔特許文献１〕は、偏波切替え機能を有するアンテナについて記述し、〔特許文献２〕は、アンテナを含む蓋体の開閉状態に拘らず送受信感度を確保できる携帯型通信端末装置について記述、また〔特許文献３〕は、パッチ電極と接地導体のうち、いずれか一方がその前方へ右旋回偏波を放射し、かつ他方がその前方へ左旋回偏波を放射するパッチアンテナを記述している。

特開２００５−２８６８５４号公報特開平１１−１８６９４７号公報特開２００３−２４３９２６号公報

右旋回円偏波（Right Hand Circular Polarized：ＲＨＣＰ）および左旋回円偏波（ＬＨＣＰ）を受信するＧＰＳ対応の携帯電話機は、従前はいずれか一方、例えばＲＨＣＰに受信感度を最適化したパッチアンテナを装着していた。

ところが近年、固定部と、この固定部に対して開閉自在な可動部とからなる、いわゆる折りたたみ式の携帯電話機が広く用いられるようになってきたため、その可動部側（ＬＣＤ表示面のある側）に装着される円偏波パッチアンテナにとっては、その開状態において受信感度を最適化するように設計しておくと、その閉状態においては受信感度が劣化してしまう（または、この逆）、という問題がある。特にＧＰＳ対応携帯電話機にあっては、通常使用時（上記の開状態）のみならず、不使用時（上記の閉状態）においても、ＧＰＳ電波を受信できるようにしておき、現在位置を常時発信可能にしておくことが重要である。

したがって本発明は、上記の問題点に鑑み、例えば折りたたみ式の携帯型無線機器であって、上記の開状態でも閉状態でも受信感度を最適化可能な無線機器を提供することを目的とするものである。さらには、アンテナ切替器および無線電波受信方法を提案することを目的とするものである。

図９は携帯電話機の「開状態」を示す側面図であり、
図１０は携帯電話機の「閉状態」を示す側面図である。

図９において、参照番号１０は携帯電話機の筐体を表し、図示のとおり、固定部１１と、これに対し開閉可能な可動部１２とからなり、両者（１１，１２）間はヒンジ１３により軸支されている。通常、可動部１２のフロント側にディスプレイ（ＬＣＤ表示面）１４が内蔵され、また、そのリア側に、本発明の主題である円偏波パッチアンテナ１５が内蔵される。このアンテナ１５は、衛星からのＧＰＳ電波Ｇを受信し、受信した電波Ｇに基づき、ＧＰＳ演算部（図示せず）により当該携帯電話機の現在位置が常時割り出される。

一方、図１０を参照すると、この「閉状態」では、可動部１２は反転して固定部１１と一体になり、したがってアンテナ１５のＧＰＳ電波Ｇに対する向きも反転してしまう。

ところで、図１１において円偏波の旋回方向を示すとおり、アンテナ１５が円偏波からなるＧＰＳ電波Ｇを見る方向によって、該円偏波は右旋回円偏波ＲＨＣＰまたは左旋回円偏波ＬＨＣＰとなる。したがって、アンテナ１５が、開状態（図９）でＲＨＣＰを受信するものとすれば、閉状態（図１０）ではＬＨＣＰを受信することになる。このため、既述したように、アンテナ１５を上記開状態でのＲＨＣＰに対して最適化するように設計しておくと、今度は上記閉状態でのＬＨＣＰに対して受信感度が劣化してしまうという問題が生じる。そこで本発明は、以下に述べる携帯電話機を提案し、その問題を解決する。

図１は本発明に係る携帯電話機の第１実施例を示すブロック図である。本図において、参照番号２１は、アンテナ１５を構成するアンテナ素子であり、Ｆ１およびＦ２はその給電点である。これら給電点Ｆ１およびＦ２にはアンテナ切替器２２が連携する。このアンテナ切替器２２は、ＲＦ（Radio Frequency）回路２５を、給電点Ｆ１またはＦ２のいずれか一方に接続するための給電切替部２３と、可動部１２の固定部１１に対する開閉状態を検出して、その検出結果により、給電点Ｆ１またはＦ２のいずれか一方を選択する開閉検出部２４とを、少なくとも備えて構成される。例えば、上記の開閉状態として「開」状態が検出されたならば、給電切替部２３は、給電点Ｆ１を選択し、一方、「閉」状態が検出されたならば、給電切替部２３は、給電点Ｆ２を選択する。

本発明によれば、アンテナにおける給電点の位置を変更することにより、異なる偏波の各々に最適なアンテナ特性が得られることに着目し、可動部１２の固定部１１に対する開閉状態を検出して、開状態のときは一方の最適な偏波に自動的にアンテナを合わせ、閉状態のときは他方の最適な偏波に自動的にアンテナを合わせて、当該無線機器の開閉状態に左右されることなく、最適なアンテナ特性を得ることができる。

まず前述した給電点Ｆ１およびＦ２から説明する。
図２は図１におけるアンテナ１５の具体的構成を示す平面図であり、
図３は図２における矢視３−３による断面図である。図２においては、円偏波パッチアンテナ１５を構成するアンテナ素子２１の形状が平面図にて示されている。ただし、一例としての形状を示し、円形のアンテナ素子であって、その周縁の一部に切欠き２６および２６′が形成されている。

アンテナ素子２１の形状としては、上記の円形以外に方形であっても良いし、また上記の切欠き以外に突起であっても良い。重要なことは、そのアンテナ素子２１内に、複数の給電点、本図の例では２つの給電点Ｆ１およびＦ２を設けることである。なおＦ１とＦ２の配置についても、本図のようにＦ１の右側（図中）にＦ２を置く配置のみならず、Ｆ１の上方（図中）にＦ２を置く配置でも良い。

一方図３を参照すると、上記のアンテナ素子２１は誘電体２７の上面に例えば銅膜で形成される。この誘電体２７の下面には例えば銅膜よりなるグランド（ＧＮＤ）２８が形成される。給電点Ｆ１およびＦ２からそれぞれ引き出された給電ラインＬ１およびＬ２は、図１に示したアンテナ切替器２２における給電切替部２３の接点Ｃ１およびＣ２に接続される。この給電切替部２３に連携する開閉検出部２４およびＲＦ回路２５については、図１に示したとおりである。

上記図２および図３において、給電点Ｆ１より給電すると、円偏波パッチアンテナ１５はＲＨＣＰ（右旋回円偏波）に対して最適になり受信感度が良好になる。このとき、筐体１０の可動部１２は固定部１１に対して開状態である（図９参照）。

ここで可動部１２を固定部１１に対して閉状態にすると（図１０参照）、アンテナ１５はＧＰＳ電波Ｇに対してその背面を向けることになるので、今度はＬＨＣＰ（左旋回円偏波）に対して最適化する必要がある。そこでこの閉状態を検出したときは、給電点Ｆ２より給電するように給電切替部２３を切り替える。上述のとおり、給電点の位置を変更することによって、異なる偏波のそれぞれにアンテナを最適化できることは、一般的に知られている。かくして、筐体１０の開閉状態を問わず、衛星からのＧＰＳ電波Ｇの偏波に合わせることができ、最適な計測状態で携帯電話機の位置検出を行うことができる。

以上のことをまとめると、本発明に係る無線機器は、基本的に、（ｉ）第１の偏波に対応する第１の給電点Ｆ１と、第２の偏波に対応する第２の給電点Ｆ２とを有するアンテナ１５と、（ii）固定部１１と、固定部１１に対して開閉可能であって、かつ、アンテナ１５を収容する可動部１２とからなる筐体１０と、（iii）前記の開閉状態に応じて、第１の給電点Ｆ１または第２の給電点Ｆ２への給電を切り替える給電切替部２３と、から構成される。さらに、（iv）その開閉状態を検出して給電切替部２３での切替えを制御する開閉検出部２４を有する。

この開閉検出部２４は、市販の折りたたみ式携帯電話機には必須の構成であり、例えば、図９および図１０に示すＭＲセンサＳと磁石Ｍから形成することができる。開状態では、磁石Ｍが離隔してＭＲセンサＳはオフとなり、閉状態では磁石Ｍが近接してＭＲセンサＳはオンとなる。

ＭＲセンサＳの上記オンまたはオフは、給電切替部２３の接点をＣ２またはＣ１に切り替え、Ｆ２またはＦ１への給電を行う。この給電切替部２３は、半導体スイッチまたはメカニカルスイッチで構成することができる。この半導体スイッチとしては、例えばＳＰＤＴ（Single Pole Double Throw）のようなスイッチＩＣを利用でき、一方そのメカニカルスイッチとしては、例えばリレー接点を用いることができる。いずれのスイッチを用いる場合でも、前述したＭＲセンサのオン／オフは、電気信号のオン／オフとして該スイッチに印加される。

この電気信号のオン／オフは、前述した接点Ｃ１またはＣ２を選択し、給電ラインＬ１またはＬ２を介して、給電点Ｆ１またはＦ２への給電を行う。これら給電ラインＬ１およびＬ２（図３）は、誘電体２７上にストリップラインとして形成することができる。あるいは、誘電体２７上の給電点Ｆ１およびＦ２の各端部にコネクタ（オス）をそれぞれ装着しておき、コネクタ（メス）を一端に有する同軸ケーブルによって、その給電ラインＬ１およびＬ２を形成しても良い。

図４は本発明に係る携帯電話機の第２実施例を示すブロック図である。この第２実施例は、前述の第１実施例（図１）に対してさらに姿勢角度検出部３１が設けられる点が異なる。

本発明に係る無線機器は主として携帯電話機等の携帯型機器を想定しているから、当該機器が常に図９あるいは図１０に示す方向でユーザに保持されるとは限らない。ユーザの保持の仕方によっては、ＧＰＳ電波Ｇに対し三次元的にいろいろな角度を呈することが想定される。そこで導入されるのが、上記姿勢角度検出部３１であり、検出された開閉状態（２４）の他に検出された姿勢角度情報（３１）をも加味して、給電切替部２３での給電を切り替えるようにする。図４においては、Ａ／Ｄコンバータ３２を介してその姿勢角度信号（アナログ）をディジタル信号に変換した上で、ディジタルの開閉状態信号との論理合成が、論理合成部３３（論理ＩＣ）にて行われる。この姿勢角度検出部３１について、以下にもう少し詳しく説明する。

図５は携帯電話機における姿勢角度検出部の配置を説明するための図である。本図の（ａ）において、姿勢角度検出部３１は、図示するとおり、アンテナ１５が搭載されるのと同じ可動部１２に内蔵される。つまり、アンテナ１５と姿勢角度検出部３１とは常に同じ座標系に置かれるように、可動部１２に搭載される。

この座標系を図５の（ｂ）に示す。座標系は、３次元をなすＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸によって定義され、それぞれロール、ピッチおよびヨーに対応する。そして同図（ｂ）に示す角度の座標系を０°と定める。またＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各軸の矢印方向に向かって右回りを順方向と定める。

図６はＺ−Ｙ軸と偏波制御の関係を示すテーブルである。本図において、筐体１０のＺ軸（ヨー）での角度が、０〜８９°、９０〜１７９°、１８０〜２６９°または２７０〜３５９°であって、かつ、そのＹ軸（ピッチ）での角度が、０〜１７９°または１８０〜３５９°のときの、偏波の設定を示す。つまり、可動部１２のフロント側（Ｆ）への電波Ｇの放射を必要とするか、またはそのリア側（Ｒ）への電波Ｇの放射を必要とするかを示す。例えば、筐体１０がＺ軸方向で１８０〜２６９°の位置にあり、Ｙ軸方向で０〜１７９°の位置にあるときは、リア側（Ｒ）からの電波Ｇの放射（ＬＨＣＰ）を必要とする。ただし、さらに開閉状態のいずれにあるかによって、給電点Ｆ１／Ｆ２の選択が異なってくる。なお、図６においてＸ軸（ロール）に対する関係が示されていないのは、筐体１０のＸ軸（ロール）まわりの角度は、偏波制御とは無関係だからである。

図７は図６のＦ／Ｒの関係を論理合成部への出力信号に変換したテーブルである。図４のＡ／Ｄコンバータ３２により、アナログ電圧の姿勢角度信号（３１）をディジタル信号に変換した上で所定の閾値を設定し、図７の出力信号（Ｈ／Ｌ）を生成して論理合成部３３に入力する。

論理合成部３３においては、図７に示すいずれかのＨ／Ｌ出力信号に対して、図８に示す、既述の開閉状態信号Ｈ／Ｌを考慮した上で、給電切替部２３における選択切替え（Ｃ１／Ｃ２）を行う。姿勢角度の如何によらず、開状態と閉状態とでは単に偏波が逆になるだけであるから、その開閉状態に応じて、図７のテーブルの論理（Ｈ／Ｌ）を反転させるか、または非反転とする。

なお上述した姿勢角度検出部３１としては市販のセンサを利用することができる。一例として「モーションコントロールセンサー」（愛知製鋼株式会社製）が有する３次元全方位角度検出機能を利用することができる。

以上のことをまとめると、本発明に係る無線機器は、筐体１０の姿勢を検出する姿勢角度検出部３１をさらに有し、この姿勢角度検出部の出力と開閉検出部２４の出力とに基づいて給電切替部２３での切替えを制御する。さらには、姿勢角度検出部３１の出力と開閉検出部２４の出力とをそれぞれディジタルにて入力し、両者の論理合成を行って給電切替部での切替えを制御する論理合成部３３を備えるようにする。

また上述した本発明の思想は「アンテナ切替器」として捉えることができ、さらには「無線電波受信方法」として捉えることもできる。すなわち本発明に係るアンテナ切替器２２は、固定部１１と、固定部１１に対して開閉可能であって、かつ、第１の偏波に対応する第１の給電点Ｆ１と、第２の偏波に対応する第２の給電点Ｆ２とを有するアンテナ１５を収容する可動部１２と、を備える無線機器内に設けられるアンテナ切替器であって、（ｉ）第１の給電点Ｆ１または第２の給電点Ｆ２への給電を切り替える給電切替部２３と、（ii）上記の開閉状態を検出して給電切替部２３での切替えを制御する開閉検出部２４と、（iii）筐体１０の姿勢を検出する姿勢角度検出部３１と、を有し、姿勢角度検出部３１の出力と開閉検出部２４の出力とに基づいて給電切替部２３での切替えを制御する。

また無線機器における上記の無線電波受信方法にあっては、少なくとも第１ステップＳ１〜第３ステップＳ３からなり、
第１ステップＳ１は、無線機器の姿勢角度を検出するステップであり、
第２ステップＳ２は、筐体の開閉状態を検出するステップであり、
第３ステップＳ３は、姿勢角度（３１）および開閉状態（２４）の各検出出力を論理合成した結果に基づいて、第１の給電点Ｆ１または第２の給電点Ｆ２への給電を切り替えるステップである。

以上詳述したように、筐体の開閉状態や３次元の姿勢状態に合わせてパッチアンテナの偏波を切り替えることができる。その結果、アンテナ自体の容積が小さくかつ利得の低いアンテナを用いたとしても、高効率で電波を受信することができ、究極、筐体を小型化することもできる。その実施の態様は以下のとおりである。

（付記１）
第１の偏波に対応する第１の給電点と、第２の偏波に対応する第２の給電点とを有するアンテナと、
固定部と、該固定部に対して開閉可能であって、かつ、前記アンテナを収容する可動部とからなる筐体と、
前記の開閉状態に応じて、前記第１の給電点または第２の給電点への給電を切り替える給電切替部と、
からなることを特徴とする無線機器。

（付記２）
前記の開閉状態を検出して前記給電切替部での切替えを制御する開閉検出部を有することを特徴とする付記１に記載の無線機器。

（付記３）
前記筐体の姿勢を検出する姿勢角度検出部をさらに有し、該姿勢角度検出部の出力と前記開閉検出部の出力とに基づいて前記給電切替部での切替えを制御することを特徴とする付記２に記載の無線機器。

（付記４）
前記姿勢角度検出部の出力と前記開閉検出部の出力とをそれぞれディジタルにて入力し、両者の論理合成を行って前記給電切替部での切替えを制御する論理合成部を備えることを特徴とする付記３に記載の無線機器。

（付記５）
前記給電切替部は、半導体スイッチまたはメカニカルスイッチであることを特徴とする付記１に記載の無線機器。

（付記６）
前記アンテナはＧＰＳ用円偏波パッチアンテナであって、前記第１の偏波は右旋回円偏波であり、前記第２の偏波は左旋回円偏波であることを特徴とする付記１に記載の無線機器。

（付記７）
固定部と、該固定部に対して開閉可能であって、かつ、第１の偏波に対応する第１の給電点と、第２の偏波に対応する第２の給電点とを有するアンテナを収容する可動部と、を備える無線機器内に設けられ、
前記第１の給電点または前記第２の給電点への給電を切り替える給電切替部と、
前記の開閉状態を検出して前記給電切替部での切替えを制御する開閉検出部と、
前記筐体の姿勢を検出する姿勢角度検出部と、を有し、
該姿勢角度検出部の出力と前記開閉検出部の出力とに基づいて前記給電切替え部での切替えを制御することを特徴とするアンテナ切替器。

（付記８）
固定部と、該固定部に対して開閉可能であって、かつ、第１の偏波に対応する第１の給電点と、第２の偏波に対応する第２の給電点とを有するアンテナを収容する可動部と、を少なくとも備える無線機器における無線電波受信方法であって、
前記無線機器の姿勢角度を検出するステップと、
前記の開閉状態を検出するステップと、
前記姿勢角度および前記の開閉状態の各検出出力を論理合成した結果に基づいて、前記第１の給電点または前記第２の給電点への給電を切り替えるステップと、
を有することを特徴とする無線電波受信方法。

本発明に係る携帯電話機の第１実施例を示す図である。図１におけるアンテナ１５の具体的構成を示す平面図である。図２における矢視３−３による断面図である。本発明に係る携帯電話機の第２実施例を示す図である。携帯電話機における姿勢角度検出部の配置を説明するための図である。Ｚ−Ｙ軸と偏波制御の関係を示す図である。図６のＦ／Ｒの関係を論理合成部への出力信号に変換したテーブルである。開閉状態の検出論理を示すテーブルである。携帯電話機の「開状態」を示す断面図である。携帯電話機の「閉状態」を示す断面図である。円偏波の旋回の方向を説明するための図である。

符号の説明

１０携帯電話機の筐体
１１固定部
１２可動部
１４ディスプレイ
１５パッチアンテナ
２１アンテナ素子
２２アンテナ切替器
２３給電切替部
２４開閉検出部
２５ＲＦ回路
３１姿勢角度検出部
３３論理合成部

Claims

第１の偏波に対応する第１の給電点と、第２の偏波に対応する第２の給電点とを有するアンテナと、
第一の筐体部と、該第一の筐体部に対して開閉可能であって、かつ、前記アンテナを収容する第二の筐体部とを有する筐体と、
前記の開閉状態に応じて、前記第１の給電点または第２の給電点への給電を切り替える給電切替部と、
を備えることを特徴とする無線機器。
前記の開閉状態を検出して前記給電切替え部での切替えを制御する開閉検出部を有することを特徴とする請求項１に記載の無線機器。
前記筐体の姿勢を検出する姿勢角度検出部をさらに有し、該姿勢角度検出部の出力と前記開閉検出部の出力とに基づいて前記給電切替部での切替えを制御することを特徴とする請求項２に記載の無線機器。
第一の筐体部と、該第一の筐体部に対して開閉可能であって、かつ、第１の偏波に対応する第１の給電点と、第２の偏波に対応する第２の給電点とを有するアンテナを収容する第二の筐体部と、を備える無線機器内に設けられ、
前記第１の給電点または前記第２の給電点への給電を切り替える給電切替部と、
前記の開閉状態を検出して前記給電切替部での切替えを制御する開閉検出部と、
前記無線機器の姿勢を検出する姿勢角度検出部と、を有し、
該姿勢角度検出部の出力と前記開閉検出部の出力とに基づいて前記給電切替部での切替えを制御することを特徴とするアンテナ切替器。
第一の筐体部と、該第一の筐体部に対して開閉可能であって、かつ、第１の偏波に対応する第１の給電点と、第２の偏波に対応する第２の給電点とを有するアンテナを収容する第二の筐体部と、を少なくとも備える無線機器における無線電波受信方法であって、
前記無線機器の姿勢角度を検出するステップと、
前記の開閉状態を検出するステップと、
前記姿勢角度および前記の開閉状態の各検出出力を論理合成した結果に基づいて、前記第１の給電点または前記第２の給電点への給電を切り替えるステップと、
を有することを特徴とする無線電波受信方法。