JP4728864B2 - 携帯無線機 - Google Patents

Description

本発明は、複数のアンテナ素子を備える携帯無線機に関する。

近年、移動体通信の普及により高速かつ大容量の無線通信システムの構築が必要とされている。これを実現する技術として、送信側、受信側に複数のアンテナを用いて通信を行う空間多重伝送（ＭＩＭＯ：Multi-Input Multi-Output）が注目されている。

複数の送信アンテナから時空間符号化した同じ信号を同帯域で送信することにより空間多重を行い、複数の受信アンテナで受信して信号を分離して情報を抽出する。これにより、転送速度を向上させることが可能となり、また、大容量通信が可能となる。したがって、第４世代などの将来の携帯無線通信システムにおいては、ＭＩＭＯ技術の応用が期待されており、その実現にはＭＩＭＯに適した携帯無線機用のアンテナ構成が必要となる。

ここで、一般に、ＭＩＭＯ用アンテナを構成するには、アンテナ間の電磁結合による放射特性の低下を考慮して、アンテナ間の距離をλ／２程度離して設置することが望ましい。ところが、携帯無線機のように小型端末の場合にはアンテナ間距離をλ／２程度確保することは困難である。したがって、携帯無線機に搭載するＭＩＭＯ用アンテナは、アンテナ間の電磁結合による放射特性の低下を改善することが重要となる。

このような技術的要請に対応する携帯無線機としては、例えば、特許文献１に開示されているように、選択ダイバーシチシステムのアンテナ間結合の劣化対策として、一方のアンテナを選択している時に、非選択アンテナのインピーダンスを開放するように調整する技術が知られている。

また、特許文献２に開示されているように、一方のアンテナを選択している場合に他方のアンテナ素子を無給電素子として動作させる技術が知られている。

また、特許文献３に開示されているように、送受信共用アンテナと受信専用アンテナとで構成される合成ダイバーシチシステムにおいて、一方の受信専用アンテナに位相回路を設けることにより、送信周波数帯の結合劣化を軽減する技術が知られている。
特開平８−２６５２３５号公報 特開２００４-２７４４４５公報 特開２００５-１５１１９４号公報

しかしながら、上述した特許文献１及び特許文献２に開示されている技術では、アンテナを同時に動作させる場合について考慮されておらず、このような場合においては、アンテナ間の電磁結合による放射特性の低下が生じ、高いアンテナ性能が確保できないという問題がある。

また、特許文献３に開示されている技術では、受信周波数帯ではアンテナ間の電磁結合による放射特性の低下を改善するが、送信周波数帯において電磁結合により放射特性が低下し、高い通信性能が確保できないという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、複数のアンテナを備える場合に放射特性の低下を改善し、高い通信性能を確保する携帯無線機を提供することを目的とする。

本発明の携帯無線機は、第１の筐体と、第２の筐体と、前記第１の筐体と前記第２の筐体とを回動自在に連結するヒンジ部と、前記第１の筐体に配置される地板と、前記地板に対して不平衡給電され、前記第２の筐体に配置される複数のアンテナ素子と、前記複数のアンテナ素子と近接して配置され、前記第２の筐体を形成する金属製のフレームと、前記金属製のフレームと前記地板との間を所定のリアクタンス成分で接続するリアクタンス回路と、を具備する構成を採る。

本発明によれば、複数のアンテナを備える場合に放射特性の低下を改善し、高い通信性能を確保することができる。

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。ただし、実施の形態において、同一機能を有する構成には同一符号を付し、重複する説明は省略する。なお、以下の説明では、動作周波数を２．１５ＧＨｚに設定するものとする。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る携帯無線機の構成を示す図である。この図では、折り畳み型構造を有する携帯無線機が開かれた状態（以下、「開状態」という）を示している。図１（ａ）は携帯無線機の側面図であり、図１（ｂ）は携帯無線機の背面図である。

上部筐体１０１は、金属フレーム１０２と樹脂フレーム１０３とを嵌合させてなり、金属フレーム１０２は金属製の導体により構成されている。また、樹脂フレーム１０３は絶縁体である樹脂により構成されており、一般に、長さが１００ｍｍで幅が４５ｍｍ程度に設定される。

また、下部筐体１０４は、絶縁体である樹脂により構成されている。上部筐体１０１及び下部筐体１０４は共に、一般に、長さ１００ｍｍ、幅４５ｍｍ程度に設定される。そして、上部筐体１０１と下部筐体１０４とはヒンジ部１０５において回動可能に接続されており、これにより折りたたみ型構造が形成される。

アンテナ素子１０６及びアンテナ素子１０７は、例えば、素子長７０ｍｍ、幅２ｍｍの銅板からなり、設定した周波数２．１５ＧＨｚにおいて略半波長に相当する。このアンテナ素子１０６及びアンテナ素子１０７は、樹脂フレーム１０３の長手方向と同一方向（すなわち、上部筐体１０１の面に垂直方向）に沿って、かつ、樹脂フレーム１０３に対して所定の間隔を隔てて配置される。

また、アンテナ素子１０６及びアンテナ素子１０７の間隔は、例えば、４０ｍｍに設定される。また、アンテナ素子１０６及びアンテナ素子１０７は、その厚みが、例えば、０．１ｍｍ程度に設定され、厚みが例えば１０ｍｍ程度と薄い上部筐体１０１の内部において、表示部１０８などの他の構成部品と構造的に干渉しないように配置される。

給電点１０９及び給電点１１０は、アンテナ素子１０６及びアンテナ素子１０７の下部に設けられ、給電線１１１及び給電線１１２を介して下部筐体１０４の内部の整合回路１１３及び整合回路１１４に電気的に接続される。

給電線１１１、給電線１１２及び接続線１２４は、自在に曲げることができるフレキシブルな線材が用いられ、これによりヒンジ部１０５において上部筐体１０１と下部筐体１０４との回動の支障となることを回避している。

整合回路１１３及び整合回路１１４は、そのグランド電位が回路基板１１５上のグランドパターンに接地し、アンテナ素子１０６及びアンテナ素子１０７のインピーダンスを回路インピーダンス（一般に、５０Ω）に整合を取る。

送信回路１１６及び送信回路１１７は、時空間符号化された同一の信号をそれぞれ増幅する。送信回路１１６は、１つのアンテナを送信と受信とで共用するための送受共用器（デュープレクサ）１１８を介して整合回路１１３に給電する。また、送信回路１１７は、送受共用器１１９を介して整合回路１１４に給電する。

受信回路１２０及び受信回路１２１は、送受共用器１１８及び１１９を介して受信した信号を増幅し、復調部１２２は受信回路１２０及び受信回路１２１増幅された受信信号を分離することにより受信情報を抽出する。

接続点１２３は、金属フレーム１０２の下部に設けられ、接続線１２４介して下部筐体１０４の内部のリアクタンス素子を備えたリアクタンス回路１２５と接続され、回路基板１１５上のグランドパターンに接地する。

次に、上述した構成を有する携帯無線機のアンテナ動作について説明する。本実施の形態における携帯無線機は、複数のアンテナ素子を同時に動作させるＭＩＭＯシステムを想定している。

ここで、例えば、図１に示す構成からリアクタンス回路１２５を削除したとすると、携帯端末にアンテナ素子１０６及びアンテナ素子１０７が内蔵され、アンテナ素子間隔が約０．３波長に近接するため、アンテナ素子１０６及びアンテナ素子１０７のアイソレーションが６ｄＢ程度となり、導体素子間の電磁結合により、各アンテナ素子の放射効率が２．５ｄＢ程度低下する。したがって、各アンテナ素子の放射特性の低下によってＭＩＭＯ通信容量が低下する。

これに対して、アンテナ素子１０６及びアンテナ素子１０７に、例えば７ｍｍ程度近接した金属フレーム１０２にリアクタンス回路１２５を接続して接地する。その結果、アンテナ素子１０６及びアンテナ素子１０７と金属フレーム１０２とが電磁結合する。また、リアクタンス回路１２５を調整すると、アンテナ素子１０６及びアンテナ素子１０７のアイソレーションを１７ｄＢ程度にすることができる。その結果、各アンテナ素子の放射効率の低下を０．５ｄＢ程度に抑えることができる。したがって、各アンテナ素子の放射特性の低下を改善することになり、ＭＩＭＯ通信容量を改善することができる。

また、図２（（ａ）が側面図を（ｂ）が背面図を示す）に示すように上部筐体１０１がすべて樹脂で形成されている場合、上部筐体１０１内に配置される回路基板２０１の下部に設けられた接続点２０２は、接続線２０３を介して下部筐体１０４の内部のリアクタンス素子を備えたリアクタンス回路２０４と接続し、回路基板１１５上のグランドパターンに接地する。

このような構成を有することにより、アンテナ素子１０６及びアンテナ素子１０７のアイソレーションを高くするようにリアクタンス回路２０４を調整すれば、図１に示すアンテナ構成とほぼ同等の効果が得られる。すなわち、図１に示す金属フレーム１０２を回路基板２０１に置き換えた構成となる。

また、図３（（ａ）が側面図を（ｂ）が背面図を示す）に示すように表示部１０８を固定する表示部フォルダ３０１が導体で形成されている場合、表示部フォルダ３０１の下部に設けられた接続点３０２は、接続線３０３を介して下部筐体１０４の内部のリアクタンス素子を備えたリアクタンス回路３０４と接続し、回路基板１１５上のグランドパターンに接地する。

このような構成を有することにより、アンテナ素子１０６及びアンテナ素子１０７のアイソレーションを高くするようにリアクタンス回路３０４を調整すれば、図１に示すアンテナ構成とほぼ同等の効果が得られる。すなわち、図１に示す金属フレーム１０２を表示部フォルダ３０１に置き換えた構成となる。

このように、アンテナ素子１０６及びアンテナ素子１０７間のアイソレーションを高くすることができ、各アンテナ素子の放射効率の低下を最小限にすることで、大容量通信が可能となる。

このように実施の形態１によれば、携帯無線機に配置した２本のアンテナに導体素子を近接させて、アンテナ素子と結合する導体素子にリアクタンス素子を装荷し、リアクタンス値を調整しておくことにより、アンテナ間のアイソレーションを高くすることができ、各アンテナ素子の放射効率の低下を改善し、高速及び大容量通信を実現することができる。

なお、本実施の形態においては、２つのアンテナ素子に近接した導体素子とする構成を示したが、どちらか一方のアンテナ素子に導体素子を近接させて、そのアンテナ素子に結合する導体素子にリアクタンス回路を装荷して接地するようにしてもよい。

また、本実施の形態においては、アンテナ素子を半波長モノポールとして説明したが、このアンテナに限らず、近接する導体素子がアンテナ素子と結合する形状であれば、その導体素子にリアクタンス回路を装荷して接地するようにしてもよい。

また、本実施の形態においては、近接する導体素子を筐体フレーム、表示部フレーム及び内部基板として説明しているが、これに限らず、アンテナ素子に近接する導体であり、アンテナ素子と結合するものであれば、その導体にリアクタンス回路を装荷して接地するようにしてもよい。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る携帯無線機の構成を示す図である。図４（ａ）は携帯無線機の側面図であり、図４（ｂ）は携帯無線機の背面図である。

図４に示すように、金属フレーム１０２の下部に設けられた接続点１２３は、接続線１２４を介して下部筐体１０４の内部のリアクタンス素子を備えたリアクタンス回路４０１に接続し、回路基板１１５上のグランドパターンに接地する。図１と異なる点は、リアクタンス回路４０１が制御部４０２によって調整できることである。また、復調部４０３が制御部４０２によって通信方式を変更できることである。

次に、上述した構成を有する携帯無線機のアンテナ動作について、携帯無線機を使用する状態を考慮して説明する。例えば、画像をダウンロードするような大容量通信を行う場合、制御部４０２からアンテナ素子１０６及びアンテナ素子１０７の放射特性を高くするようなリアクタンス値に設定するように、リアクタンス回路４０１を制御する。この結果、アンテナ間の結合による放射特性の劣化は最小限に抑えられる。また、制御部４０２によってＭＩＭＯ通信方式を選択するように復調部４０３を選択することで、通信容量を高くすることができる。この場合は、実施の形態１において説明した状態と同じである。

一方、例えば、音声通信などの低容量通信を行う場合、アンテナを複数用いて同時通信するＭＩＭＯ方式を用いずに、ある一方のアンテナを選択して空間多重を行わないＳＩＳＯ（Single-Input Single-Output）通信を行うことで、消費電力が抑えられる。

本実施の形態では、低容量通信を行う場合、制御部４０２はアンテナ素子１０６またはアンテナ素子１０７の選択されたどちらか一方の放射特性を高くするようなリアクタンス値に設定するように、リアクタンス回路４０１を制御する。例えば、指向性を制御するようにリアクタンス値を制御してもよい。したがって、通信方式の選択によってリアクタンス値を制御し、アンテナ特性を高くすることができる。

また、制御部４０２は、ＳＩＳＯ通信方式を選択するように復調部４０３を選択することで、復調部４０３の演算が簡略化でき、消費電力を低減でき、携帯無線機の長時間の使用が可能となる。

受信品質判定部４０４は、各ブランチで復調された信号又は合成後の信号から搬送波対雑音比（Carrier to Noise Ratio、以下Ｃ／Ｎと表記する）で、受信品質を表す値を算出し、受信回路１２０または受信回路１２１のどちらの受信性能が良いかを判断し、制御部４０２に受信する系を選択するように制御する。その結果、制御部４０２は、受信回路１２０または受信回路１２１の一方を選択し、選択しない他方の電源を停止するように制御する。さらに、送信の場合には、制御部４０２は、受信で選択したアンテナ素子を選択するように、送信回路１１６または送信回路１１７の一方を選択し、選択しない他方の電源を停止するように制御する。これにより、ＳＩＳＯ方式で使用しない通信系統の電源を停止するために、消費電力を低減でき、携帯無線機の長時間の使用が可能となる。

このように実施の形態２によれば、携帯無線機の通信する状態に応じて通信方式を選択することにより、アンテナ素子に結合する導体素子に接続されたリアクタンス値を制御して、アンテナ特性を改善すること、及びその通信方式に応じて、通信系統を制御できることから、消費電力を低減でき、携帯無線機の長時間の使用が可能となる。

なお、本実施の形態では、通信する状態に応じて通信方式を選択する場合について説明したが、パケットエラーやビットエラーまたは受信品質を表すパラメータを用いた場合にも、同様の効果が得られる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３に係る携帯無線機の構成を示す図である。図５（ａ）は携帯無線機の側面図であり、図５（ｂ）は携帯無線機の背面図である。なお、本実施の形態では、合成ダイバーシチ受信を行う場合について説明する。

整合回路１１３は、入力された信号から所望のチャンネルの選局を行うチューナ５１１と接続し、整合回路１１４は、同じくチューナ５１２と接続する。

復調部５０３はチューナ５１１から出力された信号を復調し、復調部５０４はチューナ５１２から出力された信号を復調する。

受信品質判定部５０５、受信品質判定部５０６及び受信品質判定部５１０は、各ブランチで復調された信号又は合成後の信号から搬送波対雑音比で、受信品質を表す値を算出する。

制御部５０２は、受信品質判定部５０５、受信品質判定部５０６及び受信品質判定部５１０で得られた値により受信方式を制御し、高周波スイッチ５０７は、制御部５０２での判定により単ブランチ受信、および合成ダイバーシチ受信を切替える。

また、金属フレーム１０２の下部に設けられた接続点１２３は、接続線１２４を介して下部筐体１０４の内部のリアクタンス素子を備えたリアクタンス回路５０１に接続し、回路基板１１５上のグランドパターンに接地する。制御部５０２での判定により、アンテナ素子１０６及びアンテナ素子１０７に近接する金属フレーム１０２に接続されるリアクタンス回路５０１を制御する。

次に、上述した構成を有する携帯無線機のアンテナ動作について、携帯無線機を使用する状態を考慮して説明する。例えば、携帯無線機が基地局から離れていて、受信エリアの境界付近やビル影などの受信Ｃ／Ｎが悪い場合、受信品質判定部５０５、受信品質判定部５０６及び受信品質判定部５１０はそれぞれの受信Ｃ／Ｎが悪いことを判断し、制御部５０２に合成ダイバーシチが必要であることを通知する。制御部５０２は、合成ダイバーシチを動作させるように合成部５０８を制御する。誤り訂正部５０９は合成部５０８から出力された合成信号に誤り訂正処理を施す。

さらに、制御部５０２は、合成ダイバーシチを行う際に、アンテナ素子１０６及びアンテナ素子１０７が同時動作による電磁結合によって放射特性の低下を改善するようなリアクタンス値になるようにリアクタンス回路５０１を制御する。したがって、アンテナ間の電磁結合による放射特性の低下を最小限に抑えることができ、また、合成ダイバーシチを行うことから、受信Ｃ／Ｎが悪い場所において、良好な感度性能をえることが可能となる。

一方、例えば、携帯無線機が基地局付近にあり、受信Ｃ／Ｎが良好な場合、受信品質判定部５０５、受信品質判定部５０６及び受信品質判定部５１０はそれぞれの受信Ｃ／Ｎが良いことを判断し、制御部５０２に合成ダイバーシチが不要であることを通知する。

制御部５０２は、合成部５０８に単ブランチ受信を動作するように信号を送信する。さらに制御部５０２は、受信品質判定部５０５及び受信品質判定部５０６からの受信Ｃ／Ｎ信号を受信して、アンテナ素子１０６またはアンテナ素子１０７のどちらか一方の受信Ｃ／Ｎの高い受信系を選択するように高周波スイッチ５０７に信号を送信する。

このように単ブランチ受信を行う際は、制御部５０２は、受信回路１２０または受信系１２１の一方を選択し、選択しない片方の電源を停止するように制御することで、消費電力を低減でき、携帯無線機の長時間の使用が可能となる。

さらに、制御部５０２は、アンテナ素子１０６またはアンテナ素子１０７の選択されたどちらか一方の放射特性を高くするようなリアクタンス値に設定するように、リアクタンス回路５０１を制御する。例えば、指向性を制御するようにリアクタンス値を制御してもよい。したがって、通信方式の選択によってリアクタンス値を制御することでアンテナ特性を高くすることができる。

このように、携帯端末の受信アンテナの伝搬環境に応じて、リアクタンス回路５０１の制御及び受信方式の切り替えを行うことで、良好な感度性能を長時間にわたり確保することができる。

このように実施の形態３によれば、受信アンテナの伝搬環境に応じて受信方式を選択することにより、アンテナ素子に結合する導体素子のリアクタンス値を制御して、アンテナ特性を改善すること、及びその受信方式に応じて、受信系統を制御できることで、消費電力を低減でき、携帯無線機の長時間の使用が可能となる点である。

なお、本実施の形態では、Ｃ／Ｎ値を閾値に使用する場合について説明したが、パケットエラーやビットエラーなどＣ／Ｎ以外の受信品質を表すパラメータを用いてもよい。

また、本実施の形態では、合成ダイバーシチを選択しない場合は、単ブランチ受信としたが、この場合、各受信系の受信品質判定部の結果に応じて高周波スイッチを切り替える選択ダイバーシチとしてもよい。

本発明にかかる携帯無線機は、複数のアンテナを備える場合に放射特性の低下を改善し、高い通信性能を確保することができ、ＭＩＭＯ携帯無線機等に有用である。

本発明の実施の形態１に係る携帯無線機の構成を示す図 上部筐体が全て樹脂からなる携帯無線機の構成を示す図 表示部フォルダが導体からなる携帯無線機の構成を示す図 本発明の実施の形態２に係る携帯無線機の構成を示す図 本発明の実施の形態３に係る携帯無線機の構成を示す図

符号の説明

１０１ 上部筐体
１０２ 金属フレーム
１０３ 樹脂フレーム
１０４ 下部筐体
１０５ ヒンジ部
１０６、１０７ アンテナ素子
１０８ 表示部
１０９、１１０ 給電点
１１１、１１２ 給電線
１１３、１１４ 整合回路
１１５、２０１ 回路基板
１１６、１１７ 送信回路
１１８、１１９ 送受共用器
１２０、１２１ 受信回路
１２２、４０３、５０３、５０４ 復調部
１２３、２０２、３０２ 接続点
１２４、２０３、３０３ 接続線
１２５、２０４、３０４、４０１、５０１ リアクタンス回路
３０１ 表示部フォルダ
４０２、５０２ 制御部
４０４、５０５、５０６、５１０ 受信品質判定部
５０７ 高周波スイッチ
５０８ 合成部
５０９ 誤り訂正部
５１１、５１２ チューナ

Claims (6)

1. 第１の筐体と、
   第２の筐体と、
   前記第１の筐体と前記第２の筐体とを回動自在に連結するヒンジ部と、
   前記第１の筐体に配置される地板と、
   前記地板に対して不平衡給電され、前記第２の筐体に配置される複数のアンテナ素子と、
   前記複数のアンテナ素子と近接して配置され、前記第２の筐体を形成する金属製のフレームと、
   前記金属製のフレームと前記地板との間を所定のリアクタンス成分で接続するリアクタンス回路と、
   を具備する携帯無線機。
2. 前記金属製のフレームは、前記複数のアンテナ素子のうちいずれか１つのアンテナ素子と近接して配置された請求項１に記載の携帯無線機。
3. 前記複数のアンテナ素子の全てを同時に動作させるか、またはいずれか１つのアンテナ素子を動作させる制御を行う制御手段を具備する請求項１に記載の携帯無線機。
4. 前記制御手段は、前記複数のアンテナ素子の全てを同時に動作させるか、またはいずれか１つのアンテナ素子を動作させるかに応じて前記回路のリアクタンス成分を制御する請求項３に記載の携帯無線機。
5. 前記複数のアンテナ素子によって受信された信号の受信品質を判定する判定手段と、
   前記判定手段による判定結果に応じて、前記複数のアンテナ素子によって受信された信号を合成する合成手段を具備する請求項１に記載の携帯無線機。
6. 前記判定手段による判定結果に応じて、前記回路のリアクタンス成分を制御する制御手段を具備する請求項５に記載の携帯無線機。

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