JP4651110B2

JP4651110B2 - 無線受信用小型携帯端末装置

Info

Publication number: JP4651110B2
Application number: JP2006061474A
Authority: JP
Inventors: 宏之新井; 祐治中山; 康平森
Original assignee: Sony Corp; Yokohama National University NUC
Current assignee: Sony Corp; Yokohama National University NUC
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2026-03-07
Also published as: JP2007243455A

Description

本発明は、移動体受信に最適な無線受信用小型携帯端末装置に関する。

従来より、携帯電話、携帯テレビ、無線通信カード等の無線受信用小型携帯端末装置における移動体受信においては、反射や回折によって発生する干渉波の抑制が必須となっている。その干渉波抑制技術の一つとして、ダイバーシチ受信が知られている。

ダイバーシチ受信は、図２０に示すスイッチによるアンテナ選択受信方式、図２１に示す高周波信号レベルの合成受信方式、図２２に示すデータレベルの合成受信方式などが提案されており、互いのアンテナの相関関係が低ければ低いほど、ダイバーシチの効果を発揮する。

図２０に示すスイッチによるアンテナ選択受信方式では、複数のアンテナ１１１Ａ，１１１Ｂを配置して、アンテナスイッチ１１２を使用し受信信号を高速に切り替えて、電界レベルの高い方を選択するという受信方式が一般的であり、アンテナスイッチ１１２により選択されたアンテナを介して受信される受信信号が周波数変換器１１３より周波数変換されて復調器１１４で復調される。

また、図２１に示す高周波信号レベルの合成受信方式では、複数のアンテナ２１１Ａ，２１１Ｂにより受信される各受信信号をそれぞれ周波数変換器２１２Ａ、２１２Ｂで周波数変換してアナログデジタル変換器２１３Ａ，２１３Ｂでデジタル信号に変換し、ウエイト計算処理部２１４にて上記デジタル信号に変換した各受信信号のレベル差の重み付けを行い、復調器２１５で復調する。

さらに、図２２に示すデータレベルの合成受信方式では、複数のアンテナ３１１Ａ，３１１Ｂにより受信される各受信信号をそれぞれ周波数変換器３１２Ａ，３１２Ｂで周波数変換してアナログデジタル変換器３１３Ａ，３１３Ｂでデジタル信号に変換し、復調器３１４Ａ，３１４Ｂで復調後、ウエイト計算処理部３１５にて合成する。

そして、ダイバーシチ受信のアンテナ配置方法としては、図２３に示すように互いのアンテナ４１１Ａ，４１１Ｂの距離を離して接地する空間ダイバーシチや、図２４に示すように配置するアンテナ５１１Ａ，５１１Ｂの向きを変える偏波ダイバーシチが一般的である。

空間ダイバーシチにおいては、アンテナ４１１Ａ，４１１Ｂの距離を離せば離すほど、互いのアンテナの相関関係が低くなりダイバーシチ効果は増大するが、使用状態や設置環境によっては、必ずしもアンテナ間を離すことは可能ではない。

そこで、特許文献１における空間ダイバーシチを用いたアンテナ装置においては、アンテナと接地導体から形成された装置の接地導体にスリットを入れることによりアンテナ間の結合を防止し、相関関係を低くしている。

また、特許文献２においては、アンテナ間に溝をいれることに、同様な効果を得ている。

一方、特許文献３においては、直接信号を給電しない無給電アンテナとそれに接続した可変リアクタンス素子によって、相関関係の低い状態を作り出している。

さらに、アンテナ間の位相差を９０°にして給電すると、一方の方向にヌル点ができるカージオイド型の指向性になることが理論的に明らかにされている。

特開平０９−２３８０２０号公報特表２００４−５１９１４８号公報特開２００５−２９５００２号公報

しかしながら、利用する周波数の電気長と比較して、小さい携帯端末において、複数のアンテナを配置した場合、互いのアンテナの相関関係は高く、接地導体にスリットを入れることによりアンテナ間の結合は低下しない。また、無給電アンテナとそれに接続した可変リアクタンス素子を用いても、低い相関関係を実現することは、困難であり、スペースの制約があることが多い。

そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の問題点に鑑み、利用する周波数の電気長と比較して、接地導体のサイズが小さい携帯端末のような構成においても、アンテナ間の相関関係を低く、ダイバーシチ効果が得られるようにして移動体受信に最適な無線受信用小型携帯端末装置を提供することにある。

本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。

本発明に係る無線受信用小型携帯端末装置は、接地導体と、上記接地導体の縁部を切り欠いて形成された複数の突片の先端部分に設けられた複数のアンテナ素子と、上記接地導体の縁部を切り欠いた凹部に設けられアンテナ素子間の相関関係を変える相関関係変更機構とを備え、上記相関関係変更機構は、上記接地導体を介して各アンテナ素子に流れる高周波電流の経路を変化させるスイッチ、又は、各アンテナ素子が設けられた各突片部分のリアクタンスを変化させる可変リアクタンス素子からなり、上記接地導体に流れる高周波電流の位相を変化させてアンテナ素子間の位相差を９０°に近づけて各アンテナ素子に給電することにより、アンテナ素子間の相関関係を低下させることを特徴とする。

本発明に係る無線受信用小型携帯端末装置において、上記相関関係変更機構は、例えば、キャパシタより上記接地導体に流れる高周波電流の位相を変化させ、アンテナ間の位相差を９０°にすることにより、アンテナ素子間の相関関係を低下させる。

本発明では、利用する周波数の電気長と比較して、接地導体のサイズが小さい携帯端末のような構成においても、アンテナ間の相関関係を低く、ダイバーシチ効果が得られ、携帯電話、携帯テレビ、無線通信カード等における移動体受信に最適な無線受信用小型携帯端末装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。

本発明は、例えば図１に示すようにダイバーシチ受信用の２つのアンテナ１１Ａ，１１Ｂを備える無線受信用小型携帯端末装置１０に適用される。

この無線受信用小型携帯端末装置１０は、折り畳むことのできる携帯端末であって、各種操作ボタン１２の設けられた下ハーフ部１３と表示パネル１４の設けられた上ハーフ部１５を有し、下ハーフ部１３と上ハーフ部１５がヒンジ部１６を介して折り畳み自在に連結されてなる。下ハーフ部１３と上ハーフ部１５は、信号受信、演算処理、表示装置等のＩＣや部品が実装されたプリント基板により構成され、ヒンジ部１６においてポリミド樹脂等で構成された連結線路によって電気的に互いに接続されている。２つのアンテナ１１Ａ，１１Ｂは、上ハーフ部１５の上端部に設けられている。

ここで、一般的に、ダイバーシチの効果を表す相関関係は、複数アンテナで受信された電波が、互いにどれだけ影響し合っているかのファクターであり、受信するアンテナの指向性により次の式（１）で求めることができる。

式（１）において、Ｃｒは、相関係数、Ｅ_１、Ｅ_２は、アンテナの複素指向性で、θ、φは、極座標の座標角を表す。

そして、上述の如く、下ハーフ部１３と上ハーフ部１５がヒンジ部１６を介して折りたたみ自在に連結されてなる折りたたみ型の携帯端末において、上記下ハーフ部１３と上ハーフ部１５は、高周波的には接地導体として機能し、ダイバーシチ受信用の２本のアンテナは、図２に示すように、互いに平行となるように設置される場合と、図３に互いに直交するように設置される場合がある。また、折りたたみ型の携帯端末の使用形態としては開放状態と折りたたんだ閉塞状態があり、図２（Ａ）、図３（Ａ）に示すように、開放状態ではダイバーシチ受信用の２本のアンテナ１１Ａ，１１Ｂに対して、ヒンジ部１６においてポリミド樹脂等で構成された連結線路１６Ａによって電気的に互いに接続されている下ハーフ部１３と上ハーフ部１５それぞれ接地導体１３Ａ，１５Ａとして機能するのであるが、折りたたんだ閉塞状態では、図２（Ｂ）、図３（Ｂ）に示すように、下ハーフ部１３に当たる下部接地導体１３Ａと、上ハーフ部１５に当たる上部接地導体１５Ａとが互いに対向した状態になるので、ダイバーシチ受信用の２本のアンテナ１１Ａ，１１Ｂに対する実質的な接地導体面積は開放状態の半分になってしまう。

ここで、利用する周波数の電気長と比較して、接地導体のサイズが小さい携帯端末の場合を考える。テレビジョン放送のＵＨＦ帯の利用周波数は、４７０ＭＨｚ（波長６３０ｍｍ）以上であるため、一般的な携帯端末の導体サイズ７５×４０ｍｍを電気長換算すると、０．１２λ×０．０６λとなる。同様に、２．４ＧＨｚ帯を使用した無線ＬＡＮ用カードにおいても、電気長換算で０．１２λ×０．０６λ相当になる場合が生じてくる。以後は、導体のサイズが、電気長換算で０．１２λ×０．０６λの場合を検討する。しかしながら、必ずしもこのサイズに限定せず、同様に類推できるサイズもこの限りでない。

折りたたみ型の携帯端末におけるダイバーシチ受信用の２本のアンテナ１１Ａ，１１Ｂの相関関係を図４に示す。図４において、横軸は電気長換算したアンテナ間距離ｄ／λ、縦軸はアンテナの相関係数Ｃｒである。この図４から明らかなように、アンテナ間距離ｄを離すと、相関関係は低くなるが、携帯端末の大きさの制約があるため、相関関係の低下には限界がある。アンテナ同士を直交して配置する偏波ダイバーシチの構成においても、同様なことがいえる。

ここで、ダイバーシチ受信用の２本のアンテナ１１Ａ，１１Ｂを各種サイズの接地導体に設け、アンテナ間距離ｄを変化させた場合のアンテナ１１Ａ，１１Ｂ間の相関関係を図５に示す。図５において、横軸は電気長換算したアンテナ間距離ｄ／λ、縦軸はアンテナの相関係数Ｃｒである。この図５において、特性Ｆ１は、ノートＰＣサイズ（電気長換算したサイズ（縦×横）が０．３１λ×０．４７λ）の接地導体に設け場合、特性Ｆ２は、小型ノートＰＣサイズ（電気長換算したサイズ（縦×横）が０．１７λ×０．２５λ）の接地導体に設け場合、特性Ｆ３は、ＰＤＡサイズ（電気長換算したサイズ（縦×横）が０．１２λ×０．１７λ）の接地導体に設け場合、特性Ｆ４は、折りたたみ携帯サイズ（電気長換算したサイズ（縦×横）が０．１２λ×０．０６λ×２枚）の接地導体に設け場合を示している。特性Ｆ４の（ａ）は閉塞状態を示し、（ｂ）は開放状態を示している。

次に、図６に示すように、アンテナ１１Ａ，１１Ｂの同士の間の接地導体１５Ａにノッチ（溝）２０を入れ、アンテナ間距離ｄを０．０５３λ、ノッチ幅ｗを０．００７λとして、電磁界解析によるノッチ長ｈを変化させた場合のアンテナ１１Ａ，１１Ｂ間の相関関係を図７に示す。図６（Ａ）は折りたたみ型の携帯端末の開放状態を示し、図６（Ｂ）は折りたたみ型の携帯端末の閉塞状態を示している。また、図７において、横軸は電気長換算したノッチ長さｈ／λ、縦軸はアンテナの相関係数Ｃｒである。この図７から明らかなように、ノッチ長ｈを大きくすると、相関係数Ｃｒが低下する。このときのノッチ長は０．１λ以下となっている。また、ノッチ長ｈを０．０８７λとした場合の電磁界解析による振幅指向性とｚｘ面位相指向性を図８と図９に示す。振幅指向性に大きな変化は見られないが、ｚｘ面位相指向性を見るとノッチ２０のない場合のアンテナ１１Ａ，１１Ｂ間の位相差は、最大約４０°であるのに対して、ノッチ２０がある場合では約６５°と位相差が大きくなっている。このことより、相関が低下させる主因は２素子の位相差であることがいえる。したがって、アンテナ１１Ａ，１１Ｂ間の接地導体１５Ａにノッチ２０をいれたことにより、アンテナ１１Ａ，１１Ｂ間に流れる高周波電流の経路が変化させ、位相差をつけたことにより、相関関係を低下させたことになる。

ここで、アンテナ間距離ｄを０．０５３λ、ノッチ長さｈを０．０６λとして、電磁界解析によるノッチ幅ｗを変化させた場合のアンテナ１１Ａ，１１Ｂ間の相関関係を図１０に示す。図１０において、横軸は電気長換算したノッチ幅ｗ／λ、縦軸はアンテナの相関係数Ｃｒである。

さらに、図１１に示すように、ノッチ２０の部分にキャパシタ２１を装荷したときの、ノッチ長ｈを変化させた場合の相関係数Ｃｒを図１２に示す。図１１（Ａ）は折りたたみ型の携帯端末の開放状態を示し、図１１（Ｂ）は折りたたみ型の携帯端末の閉塞状態を示している。図１２から明らかなように、キャパシタ２１を装荷しない場合に比べて約半分のノッチ長ｈで相関が低下するが、ノッチ長をｈ／λ＝０．０４７にすると相関は大きくなる。また、ｚｘ面の振幅指向性と位相指向性を図１３と図１４に示す。振幅指向性に大きな変化は見られないが，ｚｘ面位相指向性を見ると最も相関が低いときの位相差の最大値が９０°に近づいている。ノッチ２０を入れたことによる経路の変化の位相差とキャパシタ２１による位相差の合計が、９０°に近づくと、相互係数Ｃｒが小さくなる。

アンテナ間の位相差を９０°にして給電すると、一方の方向にヌル点ができるカージオイド型指向性になることが知られているが、本発明の形態を使用すると、給電線に位相をつけることなく、接地導体に加えたノッチによってアンテナ間の位相差を９０°に調整することが可能である。さらに、キャパシタを加えることにより、ノッチ長を短くしても、アンテナ間の位相差を９０°とすることが可能である。

ここで、アンテナ間距離ｄを０．０５３λ、ノッチ幅Ｗを０．００７λ、キャパシタ２１の挿入位置を端部（ａ＝０）、ノッチ長ｈを０．０１３λとして、電磁界解析によるキャパシタ２１のキャパシタンス値Ｃ［ｐＦ］を変化させた場合のアンテナ１１Ａ，１１Ｂ間の相関関係を図１５に示す。図１５において、横軸はキャパシタンス値Ｃ［ｐＦ］、縦軸はアンテナの相関係数Ｃｒである。

また、アンテナ間距離ｄを０．０５３λ、ノッチ幅Ｗを０．００７λ、ノッチ長ｈを０．０１３λとして、電磁界解析によるキャパシタ２１の挿入位置ａを変化させた場合のアンテナ１１Ａ，１１Ｂ間の相関関係を図１６に示す。図１６において、横軸は電気長換算したキャパシタ２１の挿入位置ａ／λ、縦軸はアンテナの相関係数Ｃｒである。

そして、この無線受信用小型携帯端末装置１０では、上ハーフ部１５に当たる上部接地導体１５Ａの縁部を切り欠いて凹部すなわちノッチ２０を設けることにより形成された２つの突片１５ａ，１５ｂの先端部分に、ダイバーシチ受信用の２本のアンテナ１１Ａ，１１Ｂを設け、例えば、上記上部接地導体１５Ａの縁部を切り欠いた凹部すなわちノッチ２１部分にアンテナ素子間の相関関係を変える相関関係変更機構２５として、例えば、図１７の（Ａ）に示すように可変リアクタンス素子２２、あるいは、図１７の（Ｂ）に示すようにスイッチ２３を設ける。そして、上記相関関係変更機構２５により、上記上部接地導体１５Ａに流れる高周波電流の位相を変化させ、アンテナ１１Ａ，１１Ｂ間の位相差を９０°にすることにより、アンテナ素子間の相関関係を低下させる。すなわち、ノッチ２１の長さ（ｈ）、可変リアクタンス素子２２の設置位置（ｈｒ）、スイッチ２３の設置位置（ｈｓ１，ｈｓ２）および数、可変リアクタンス素子２２のリアクタンス値、スイッチ２３の状態などによって、アンテナ１１Ａ，１１Ｂ間の位相差が、利用周波数において９０°になるように制御する。なお、可変リアクタンス素子２２は、キャパシタンス、インダクタンス、バリキャップ（バラクタダイオード）、トランジスタ、移相器等であり、高周波電流のインピーダンスに影響を与えるものであればよい。また、スイッチ２３は、ＧａＡｓによるスイッチ、ＰＩＮダイオード、ＭＥＭＳ等で、高周波電流の経路を変えるものであればよい。さらに、相関関係変更機構２５は、可変リアクタンス素子２２とスイッチ２３を組み合わせたものであってもよい。

さらに、この無線受信用小型携帯端末装置１０では、図１８に示すように、ダイバーシチ受信用の２本のアンテナ１１Ａ，１１Ｂがダイバーシチ回路３１を介して受信部３２に接続され、上記受信部３２に受信周波数の選択信号を与える制御部３３によって、可変リアクタンス素子２２又はスイッチ２３からなる相関関係変更機構２５が制御される。

上記制御部３３は、図１９のフローチャートに示すように、動作を開始すると、まず、受信周波数の変更がある否かを判定し（ステップＳ１）、その判定結果がＹＥＳすなわち受信周波数の変更がある場合には、受信周波数の選択を受け付ける（ステップＳ２）。そして、受け付けた選択した受信周波数に応じた制御信号を発生し（ステップＳ３）、相関関係変更機構を制御して２本のアンテナ間の位相差が９０°になるようにするとともに、受信部を制御して受信周波数にチューニングしてから（ステップＳ４）、受信を開始する（ステップＳ５）。また、上記ステップＳ２における判定結果がＮＯすなわち受信周波数の変更がない場合には、直ちに受信を開始する（ステップＳ５）。

そして、受信を終了するか否かを判定し（ステップＳ６）、その判定結果がＮＯすなわち受信を継続する場合には、上記ステップＳ１に戻って、ステップＳ１〜ステップＳ６を繰り返し、また、その判定結果がＹＥＳになった時点で制御動作を終了する。

このような構成の無線受信用小型携帯端末装置１０では、利用する周波数の電気長λと比較して、接地導体のサイズが０．２５λ以下の小さい携帯端末のような構成においても、アンテナ間の相関関係を低くして、ダイバーシチ効果を得すことができ、携帯電話、携帯テレビ、無線通信カード等における移動体受信に最適である。

本発明を適用した無線受信用小型携帯端末装置の外観斜視図である。折りたたみ型の携帯端末において、ダイバーシチ受信用の２本のアンテナを平行に設置した例を模式的に示す図である。折りたたみ型の携帯端末におけるダイバーシチ受信用の２本のアンテナを直交するように設置した例を模式的に示す図である。折りたたみ型の携帯端末におけるダイバーシチ受信用の２本のアンテナの相関関係を模式的に示す特性図である。折りたたみ型の携帯端末におけるダイバーシチ受信用の２本のアンテナを各種サイズの接地導体に設け、アンテナ間距離を変化させた場合のアンテナ間の相関関係を模式的に示す特性図である。折りたたみ型の携帯端末におけるダイバーシチ受信用の２本のアンテナ間の接地導体にノッチ（溝）を入れた状態を模式的に示す斜視図である。ノッチ長を変化させた場合のアンテナ間の相関関係を模式的に示す特性図である。上記ノッチ長を０．０８７λとした場合の電磁界解析による振幅指向性を模式的に示す特性図である。上記ノッチ長を０．０８７λとした場合の電磁界解析によるｚｘ面位相指向性を模式的に示す特性図である。ノッチ幅を変化させた場合の電磁界解析によるｚｘ面位相指向性を模式的に示す特性図である。ノッチ部分にキャパシタを装荷した状態を模式的に示す斜視図である。ノッチ部分にキャパシタを装荷したときの、ノッチ長をアンテナ間の相関関係を模式的に示す特性図である。ノッチ部分にキャパシタを装荷したときのｚｘ面の振幅指向性を模式的に示す特性図である。ノッチ部分にキャパシタを装荷したときのｚｘ面の位相指向性を模式的に示す特性図である。ノッチ部分にキャパシタを装荷したときにキャパシタンス値を変化させた場合のアンテナ間の相関関係を模式的に示す特性図である。キャパシタの挿入位置を変化させた場合のアンテナ間の相関関係を模式的に示す特性図である。上部接地導体の縁部を切り欠いた凹部部分にアンテナ素子間の相関関係を変える相関関係変更機構を設けた状態を模式的に示す図である。上記無線受信用小型携帯端末装置の電気的な要部構成を示すブロック図である。上記無線受信用小型携帯端末装置における制御部による制御動作の手順を示すフローチャートである。スイッチによるアンテナ選択受信方式のダイバーシチ受信の動作原理を示すブロック図である。高周波信号レベルの合成受信方式のダイバーシチ受信の動作原理を示すブロック図である。データレベルの合成受信方式のダイバーシチ受信の動作原理を示すブロック図である。空間ダイバーシチのアンテナ配置を模式的に示す図である。偏波ダイバーシチのアンテナ配置を模式的に示す図である。

符号の説明

１０無線受信用小型携帯端末装置、１１Ａ，１１Ｂアンテナ、１２種操作ボタン、１３下ハーフ部、１３Ａ下部接地導体、１４表示パネル、１５上ハーフ部、１５Ａ上部接地導体、１５ａ，１５ｂ突片、１６ヒンジ部、１６Ａ連結線路、２０ノッチ、２１キャパシタ、２２可変リアクタンス素子、２３スイッチ、２５相関関係変更機構、３１ダイバーシチ回路、３２受信部、３３制御部３３

Claims

接地導体と、
上記接地導体の縁部を切り欠いて形成された複数の突片の先端部分に設けられた複数のアンテナ素子と、
上記接地導体の縁部を切り欠いた凹部に設けられアンテナ素子間の相関関係を変える相関関係変更機構と
を備え、
上記相関関係変更機構は、上記接地導体を介して各アンテナ素子に流れる高周波電流の経路を変化させるスイッチ、又は、各アンテナ素子が設けられた各突片部分のリアクタンスを変化させる可変リアクタンス素子からなり、上記接地導体に流れる高周波電流の位相を変化させてアンテナ素子間の位相差を９０°に近づけて各アンテナ素子に給電することにより、アンテナ素子間の相関関係を低下させることを特徴とする無線受信用小型携帯端末装置。
上記相関関係変更機構は、キャパシタより上記接地導体に流れる高周波電流の位相を変化させることを特徴とする請求項１記載の無線受信用小型携帯端末装置。