JP5941504B2 - 電子機器のアンテナ・システムおよびアイソレーションを強化する方法 - Google Patents

Description

本発明は電子機器が搭載するアンテナのノイズ・レベルを低減する技術に関し、さらには、アンテナとその近辺に接続される外部周辺デバイスのアイソレーションを強化する技術に関する。

ノートブック型パーソナル・コンピュータ（以下、ノートＰＣという。）、タブレット端末またはスマートフォンのような携帯式電子機器は無線ＬＡＮ（Wireless Local Area Network）、無線ＷＡＮ（Wireless Wide Area Network ）およびＧＰＳなどの複数の無線通信システムのために多数のアンテナを搭載する。それらは相互に異なる周波数帯域の周波数を送受信する。

携帯式電子機器の筐体には、通常ＵＳＢデバイスを接続するためのレセプタクルが実装されている。ＵＳＢ３．０規格のインターフェースで動作するＵＳＢデバイスは、２．４ＧＨｚ帯の無線ＬＡＮのアンテナに電磁波干渉をすることが知られている。特許文献１は、励振器の側に素子長がλ／４の逆Ｌ型の無給電素子を配置したマルチバンド・アンテナを開示する。特許文献２は、励振素子の近傍に無給電の導体素子を配置してアンテナの利得を向上する発明を開示する。また従来から、導波器と放射器と反射器で構成された八木・宇田アンテナが知られている。反射器の素子長は、放射器の素子長より長く導波器の素子長は短い。このような構造で八木・宇田アンテナは反射器から導波器の方行に向かう指向特性を形成する。

特開２００４−０６４２８２号公報 特開２０１３−１６５４０９号公報

ＵＳＢレセプタクルにはＵＳＢメモリ・キーなどのスティック状のＵＳＢデバイスが直接またはＵＳＢプラグの形状を変換するためのアダプタを介して接続される。また、ＵＳＢレセプタクルには、ＨＤＤやキーボードのようなＵＳＢデバイスがケーブルで接続される。ＵＳＢレセプタクルに装着されたＵＳＢメモリ・キーは、筐体の表面から棒状に突き出た状態で保持される。ＵＳＢレセプタクルにさまざまな長さのＵＳＢメモリ・キーを装着してアンテナが受信するノイズ・レベルを観測すると、ＵＳＢメモリ・キーの長さによって高いノイズ・レベルが生じる周波数が異なることがわかった。

ＵＳＢデバイスは、マスター／スレーブ方式で双方向に通信することができる。マスターとして動作するシステムが、伝送時の電圧を下げて通信したときに観測したノイズ・レベルは低下しない。さらに、ＵＳＢメモリ・キーの偏波を観測するとダイポール・アンテナと同じように、直線偏波であることがわかった。また、ＵＳＢメモリ・キーが放射する電磁波の波長の１／４の長さがＵＳＢメモリ・キーの回路基板の長さに近いこともわかった。このような所見から、電磁波干渉の原因は、ＵＳＢメモリ・キーがスレーブとして動作してデータを伝送するときに１／４波長のモノポール・アンテナと同様の特性で共振していると考えることができる。

この場合アンテナのノイズ・レベルは、ＵＳＢメモリ・キーの構造に依存することになり、携帯式電子機器の動作モードを変更してＵＳＢメモリ・キーの放射エネルギーを直接下げるための対策を施すことはできない。また、ＵＳＢメモリ・キーの周囲に金属体を配置して電磁シールドを施すことも現実的には困難である。筐体にケーブルで接続するＵＳＢデバイスについても、シールドが不十分なケーブルは電磁波を放射する。アンテナをＵＳＢメモリ・キーから十分に離隔した位置に配置すれば、電磁波干渉の影響を問題が生じない程度まで下げることはできる。

しかし、電子機器の筐体に多数のアンテナを実装する場合にすべてをノイズ源から十分離れた位置に配置することは現実的に困難である。また、ノイズ対策のためにアンテナの位置を選択することは、他のデバイスの配置の自由度を奪うことになり好ましくない。さらに、筐体のサイズが所定値以下になると、ＵＳＢメモリ・キーとアンテナをどのような配置関係にしてもノイズ・レベルを許容値以下にすることはできない。このような問題はＵＳＢデバイスに限るものではなくＨＤＭＩ（登録商標）のような他のインターフェースの外部周辺デバイスにもあてはまる。

外部周辺デバイスから放射される電磁波の電力は、コネクタやケーブルのシールド性能、ＵＳＢデバイスの形状および構造、伝送時の信号電圧、ケーブルのインピーダンス、および伝達方式に依存する。そしてＵＳＢ３．０規格の外部周辺デバイスが放射する電磁波の周波数帯は数ＭＨｚから３ＧＨｚ程度の広い帯域までおよび、ＨＤＭＩ（登録商標）規格の外部周辺デバイスでは解像度に応じた特定の範囲となる。これらのノイズ源の周波数は、いずれかの無線通信方式の周波数帯と重なるためいずれにも適用できる対策が必要となる。本発明はこのような課題を解決するあらたなアンテナ・システムを提供する。

そこで本発明の目的は、外部周辺デバイスのアンテナに対する電磁波干渉を抑制した電子機器のアンテナ・システムを提供することにある。さらに本発明の目的は、携帯式電子機器の内部の配置に影響を与えないようにしながら、外部周辺デバイスとアンテナのアイソレーションを強化したアンテナ・システムを提供することにある。さらに本発明の目的は、そのようなアンテナ・システムを搭載した携帯式電子機器を提供することにある。さらに本発明の目的は、電子機器が搭載するアンテナと外部周辺デバイスのアイソレーションを強化する方法を提供することにある。

本発明は、電子機器の筐体に収納するアンテナ・システムのアイソレーションの強化に関する。アンテナは所定の通信方式の電波を受信する。アンテナは送信と受信を兼用するタイプであってもよい。電子機器は、筐体に外部周辺デバイスを接続するためのレセプタクルを有する。ノイズ緩和器は、レセプタクルに接続された外部周辺デバイスが放射する電磁波の放射パターンを修正してアンテナが受信するノイズ・レベルを低減する。

アンテナは無線ＬＡＮ、無線ＷＡＮ、ＧＰＳなどの通信規格の周波数帯で利用することができる。外部周辺デバイスは、電子機器の筐体に設けたレセプタクルに直接またはケーブルで接続され、電子機器の筐体の外側で動作するデバイスに相当する。外部周辺デバイスに対するインターフェース規格は特に限定する必要はないが、現在のアンテナの通信方式と外部周辺デバイスとの関係では、広い帯域の電磁波を放射するＵＳＢ規格に適用することが効果的である。外部周辺デバイスは、レセプタクルに直接またはアダプタを介在して接続するプラグを備えたスティック状のデバイスとすることができる。

スティック状の外部周辺デバイスは動作時に筐体から外側の空間に棒状に突き出るため電磁波を放射しやすい。外部周辺デバイスはレセプタクルにケーブルで接続されるものであってもよい。ノイズ緩和器は、アンテナとレセプタクルの間でアンテナよりレセプタクルに近い位置に配置することができる。アンテナよりもレセプタクルに近づけて配置することで、アンテナの指向特性に与える影響を小さくすることができる。

ノイズ緩和器は、グランドと、グランドに接続されるアンテナの共振周波数に対する波長の１／４またはそれ以上の長さの共振素子で構成することができる。共振素子の近傍を誘電体で覆うか、エレメントと一体化して形成すれば、波長短縮効果によって共振素子長を短くすることができる。 グランドは、電子機器のシステムが使用する共通のグランド・プレーンでもよいし、ノイズ緩和器の専用のグランド素子でもよい。共振素子を、外部周辺デバイスが放射する電磁波の偏波方向に一致するように配置すると、外部周辺デバイスが放射する電磁波の指向特性を効果的に修正することができる。

共振素子は、逆Ｌ型のパターン、棒状のパターン、空芯コイル、またはミアンダ・パターン型のパターンのいずれかまたは複数を含むようにすることができる。ノイズ緩和器はまた、長さの異なる複数の共振素子を含むようにしてアイソレーションの帯域を広げることができる。筐体の周囲が矩形状のときに、アンテナとレセプタクルを隣接した異なる片に配置することができる。その結果、ノイズ緩和器がアンテナの指向特性に与える影響を小さくすることができる。電子機器は、タブレット端末とすることができる。筐体は全体を金属で形成し、ノイズ緩和器の近辺を非導電性材料で形成することができる。

本発明により、外部周辺デバイスのアンテナに対する電磁波干渉を抑制した電子機器のアンテナ・システムを提供することができた。さらに本発明により、携帯式電子機器の内部の配置に影響を与えないようにしながら、外部周辺デバイスとアンテナのアイソレーションを強化したアンテナ・システムを提供することができた。さらに本発明により、そのようなアンテナ・システムを搭載した携帯式電子機器を提供することができた。さらに本発明により、電子機器が搭載するアンテナと外部周辺デバイスのアイソレーションを強化する方法を提供することができた。

タブレット端末１０に搭載するアンテナ・システムの概要を説明するための斜視図である。 タブレット端末１０からタッチスクリーン１５を取り外した状態を示す概略的な平面図である。 図２のタブレット端末１０にノイズ緩和器１００を実装したときの様子を示す概略的な平面図である。 逆Ｌ型のノイズ緩和器１００ａの構造を説明するための平面図である。 棒状型のノイズ緩和器１００ｂ、１００ｃの構造を説明するための平面図である。 ミアンダ・パターン型のノイズ緩和器１００ｄ、１００ｅの構造を説明するための平面図である。 空芯コイル型のノイズ緩和器１００ｆの構造を説明するための平面図である。 アイソレーション効果を得ることができるノイズ緩和器１００の位置を説明するための平面図である。 アイソレーション効果を得ることができるノイズ緩和器１００の位置を説明するための平面図である。 ＵＳＢメモリ・キー５０からノイズ緩和器までの距離に対するアイソレーション値の測定結果を説明する図である。 ＵＳＢメモリ・キー５０からノイズ緩和器までの距離に対するアイソレーション値の測定結果を説明する図である。

図１は、電子機器の一例としてのタブレット端末１０に搭載するアンテナ・システムの概要を説明するための斜視図である。筐体１１は、一例において全体が導電性材料である金属で箱状に形成され、表面にタッチスクリーン１５を実装する。本発明を適用する筐体１１は、全体を非導電性の合成樹脂で形成していてもよい。４つの側面で囲まれた筐体１１の平面的な外周は矩形状に形成されており、図では手前側で短辺の側面１１ａと長辺の側面１１ｂが隣接している。側面１１ａに形成されたＵＳＢレセプタクル５１には、ＵＳＢ３．０規格に適合するＵＳＢメモリ・キー５０が側面１１ａに対して垂直に空間に延びるように装着されている。

ＵＳＢメモリ・キー５０は、ＵＳＢプラグとフラッシュメモリおよび半導体チップを搭載する基板で構成されている。一例として基板の長さは３０ミリメートル〜４６ミリメートルで、それにＵＳＢプラグの長さが加わって全体の長さを形成する。ＵＳＢメモリ・キー５０はＥＭＩ規格での規制の対象になっていないこともあって、調査した範囲では、いずれもプラスチック・ケースの中に収納した基板に電磁波シールドを施していない。

タブレット端末１０は、筐体１１の周辺部に無線ＷＡＮの主アンテナ、無線ＷＡＮの副アンテナ、無線ＬＡＮの主アンテナ、無線ＬＡＮの副アンテナ、およびＧＰＳアンテナといった複数のアンテナを配置することがある。本発明は図９を参照して説明するようにこれらの通信方式の複数のアンテナを配置した電子機器にも適用できるが、図１には本実施の形態の説明のためにこれらのいずれかに相当するアンテナ２１だけを示している。本発明が解決するアイソレーションの問題は、アンテナ２１が電波を受信するときにだけ発生するため、アンテナ２１は少なくとも受信に使用するものとする。

筐体１１は全体を電磁波が透過しない金属で形成しているため、アンテナ２１を配置する位置に対応する側面１１ｂの領域１３ｂには、電磁波が透過しやすい非導電性の合成樹脂を部分的に嵌め込んでいる。ＵＳＢメモリ・キー５０とアンテナ２１の間にはノイズ緩和器１００を設けている。ノイズ緩和器１００を配置する位置に対応する側面１１ａの領域１３ａにも、電磁波を透過しやすい非導電性の合成樹脂を部分的に嵌め込んでいる。

図２は、タブレット端末１０からタッチスクリーン５１を取り外した状態を示す概略的な平面図である。図２は、図１に示したノイズ緩和器１００を設けていない状態を示している。筐体１１は内部に、ＣＰＵ、チップセット、ファームウェアＲＯＭなどを組み込んだ半導体チップ（ＳＯＣ）、システム・メモリ、アンテナ２１に接続された無線モジュール、および電池ユニットなどを実装したマザーボード３１を収納している。マザーボード３１の下面には、システムの信号回路および電力回路が利用するグランド・プレーン３３を配置している。マザー・ボート３１に実装されたＵＳＢレセプタクル５１は、信号ラインがチップセットのＵＳＢコントローラに接続され、グランド・ラインがグランド・プレーン３３に接続される。

放射パターン５３は、ＵＳＢメモリ・キー５０が放射する電磁波の電界強度を示している。放射パターン２３は、アンテナ２１が放射する電磁波の電界強度を示している。ＵＳＢメモリ・キー５０は、所定の周波数で共振して電磁波を放射する。このときのＵＳＢメモリ・キー５０は、直線状の１／４波長の仮想的なモノポール・アンテナとみなすことができる。アンテナ２１のタイプを一例として１／４波長の逆Ｆ型モノポール・アンテナとすれば、ＵＳＢメモリ・キー５０とアンテナ２１はともに直線偏波となりかつ指向特性も類似する。したがって、アンテナ２１とＵＳＢメモリ・キー５０が接近して配置されていると両者の放射パターンに重複する領域が発生するためアイソレーション値（Ｓ１２）が小さくなる。

ここにアイソレーション値は、ＵＳＢメモリ・キー５０が送信する電磁波の電力とアンテナ２１が受信する電磁波の電力の比を示す指標で、アイソレーション値とアンテナ２１のノイズ・レベルはほぼ反比例する。アイソレーション値はＵＳＢメモリ・キー５０と同形状の矩形エレメントを持つモノポール・アンテナをＵＳＢメモリ・キー５０の代わりに取りつけて、それとアンテナ２１をネットワーク・アナライザに接続して測定することができる。ＵＳＢメモリ・キー５０とシステムがＵＳＢ通信を開始すると、ＵＳＢメモリ・キー５０とアンテナ２１のアイソレーション値が小さいため、受信状態のアンテナ２１にＵＳＢメモリ・キー５０が放射した電磁波が作用して電磁波干渉をもたらす。

調査の結果によれば、タブレット端末１０の筐体のサイズが３００×２００以下になると、筐体１１の範囲ではＵＳＢレセプタクル５１とアンテナ２１の配置をどのように選択しても無線ＷＡＮの低周波数帯域およびＧＰＳ帯域で電磁波干渉の影響をなくすことができなくなることがわかっている。しかも筐体１１が複数のアンテナを実装する場合は、配置だけで解決することは益々難しくなる。

図３は、図２のタブレット端末１０にノイズ緩和器１００を実装したときの様子を示す概略的な平面図である。ノイズ緩和器１００は、図４〜図７に示すようにグランドと、グランドに接続された１／４波長以上の長さの共振素子で構成している。なお、本明細書においては、単に１／４波長という場合は、アンテナ２１の共振周波数に対する波長を基準にした長さを意味することとする。ノイズ緩和器１００の共振素子は図４〜図７を参照して説明するように、一端が開放端で他端がグランド・プレーン３３または専用のグランド素子に接続する。

ここで、アンテナ２１に対する電磁波干渉を抑制するノイズ緩和器１００のパラメータを求めたときの経緯を説明する。最初にＵＳＢメモリ・キー５０とアンテナ２１を同一平面上に配置して、両者の距離をタブレット端末１０において現実的に生じる所定の長さに設定する。ノイズ緩和器１００として共振素子の長さが１／４波長のダイポール・アンテナと１／４波長より短い棒状のダイポール・アンテナのそれぞれを両者の間に設定した複数の位置に順番に配置する。ノイズ緩和器１００はＵＳＢメモリ・キー５０の仮想的なアンテナと平行にまたは同一平面状に配置する。ＵＳＢメモリ・キー５０とアンテナ２１にネットワーク・アナライザを接続してアイソレーション値（Ｓ２１）を測定する。

ノイズ緩和器１００をＵＳＢメモリ・キー５０に近い位置からアンテナ２１に近づけながら設定した複数の位置でアイソレーション値を測定すると、１／４波長より短い共振素子ではいずれの位置でもアイソレーション値を増加させる効果（ノイズ・レベルの低減効果）がないことが確認できた。つぎに、共振素子の長さが１／４波長のノイズ緩和器１００を、ＵＳＢメモリ・キー５０に近い位置からアンテナ２１に近づけながら設定した複数の位置でアイソレーション値を測定すると、アイソレーション値がＵＳＢメモリ・キー５０から１／４波長、３／４波長、５／４波長といった距離だけ離れた離散的な位置で増加することが確認できた。

さらに、共振素子の長さを１／４波長より長くして同様にアイソレーション値を測定すると、１／４波長の共振素子とは異なる位置で、同様にアイソレーション値が増加する位置と低下する位置が交互に現れることを確認した。また、共振素子をＵＳＢメモリ・キー５０の仮想的なアンテナに対して偏波面が異なるように垂直に配置した場合は、アイソレーション効果が小さいことも確認した。

これらの実験から、ノイズ緩和器１００がＵＳＢメモリ・キー５０とアンテナ２１のアイソレーションを効果的に行う上で重要なパラメータが、共振素子の長さ、およびＵＳＢメモリ・キー５０からの距離であることがわかった。さらに、ＵＳＢメモリ・キー５０とノイズ緩和器１００の偏波面も重要なパラメータであることがわかった。このことより、アイソレーション効果の原理は、以下のようにノイズ緩和器１００が放射器の後方の利得を低下させる八木・宇田アンテナの反射器のように作用していると考えることができる。

ＵＳＢメモリ・キー５０が動作をすると、グランド・プレーン３３および筐体１１をグランド素子とし基板および端子部を含めた構造体を共振素子とする仮想的なダイポール・アンテナのように機能して１／４波長の周波数を含むさまざまな周波数の電磁波を放射する。放射された電磁波は、領域１３ａを通過して電界がノイズ緩和器１００の共振素子に作用し高周波電流を流す。ノイズ緩和器１００は、ＵＳＢメモリ・キー５０の仮想的なアンテナと偏波方向が一致しているためＵＳＢメモリ・キー５０に対するアイソレーションは小さく、共振素子には長さに適応した周波数の高周波電流が効率よく流れる。あらかじめ共振素子の長さを１／４波長の周波数に共振するように設定しておけば、アンテナ２１の共振周波数の高周波電流が流れる。

ノイズ緩和器１００は、ＵＳＢメモリ・キー５０から一定の距離だけ離れているため共振素子には、ＵＳＢメモリ・キー５０が放射する放射位置での電磁波の電界よりも位相が遅れた電界が作用する。さらに、ノイズ緩和器１００は共振素子の長さが１／４波長よりも長いために誘導性になっており、共振素子には作用した電界よりも位相が遅れた高周波電流が流れる。高周波電流は、ノイズ緩和器１００からＵＳＢメモリ・キーが放射する電磁波の電界よりも位相が遅れた電界の電磁波を放射する。このときノイズ緩和器１００は、無給電のモノポール・アンテナに類似する特性を有するため放射パターン１０３の電磁波を放射する。

その結果、ノイズ緩和器１００が放射する電磁波の電界は、ＵＳＢメモリ・キー５０が放射する電磁波の電界に対して逆位相の成分を多く含む。したがって、ＵＳＢメモリ・キー５０のアンテナ２１側の指向特性が放射パターン５３（図２）から放射パターン５３ａのように変化してアンテナ２１側の放射エネルギーが減衰するためアンテナ２１に対する電磁波干渉が抑制される。ノイズ緩和器１００の放射パターンは、ＵＳＢメモリ・キー５０およびアンテナ２１との相対的な位置関係において、ＵＳＢメモリ・キー５０がアンテナ２１に向かう放射パターンと重なる必要がある。タブレット端末１０では、そのようなノイズ緩和器１００の放射パターンを１／４波長のダイポール・アンテナの特性を備えた共振素子で得ることができる。

ノイズ緩和器１００の主要なパラメータの１つである偏波面の一致は、棒状のダイポール・アンテナとみなしたＵＳＢメモリ・キー５０とノイズ緩和器１００の共振素子を同一平面に配置することで実現することができる。残りのパラメータであるＵＳＢメモリ・キー５０からの距離と共振素子の長さを決める第１の方法では、先に１／４波長以上の所定の長さを設定した共振素子をさまざまな位置に配置して、各位置でアイソレーション値を測定し、アイソレーション値の大きな位置で、かつ、アンテナ２１の指向特性に影響を与えない位置を選択することができる。

ノイズ緩和器１００がアンテナ２１に近付きすぎると、アンテナ２１の指向特性に影響がでてくるので、ノイズ緩和器１００はアンテナ２１よりもＵＳＢメモリ・キー５０に近い方の位置に設定することが望ましい。ＵＳＢメモリ・キー５０からの距離と共振素子の長さを決める第２の方法では、先に設定した位置において、共振素子の長さを変化させながらアイソレーション値を測定して最適な長さを決めることができる。さらに、図４〜図７に例示するさまざまなタイプのノイズ緩和器１００ａ〜１００ｅについてアイソレーション値を測定して最適なタイプ、位置、姿勢および共振素子の長さを選択することができる。

図３のように矩形状の筐体の隣接する一方の端面１１ａにＵＳＢレセプタクル５１を配置し、端面１１ａの内側の近くにノイズ緩和器１００を配置し、他方の端面１１ｂの内側の近くにアンテナ２１を配置すれば、アンテナ２１の指向特性に影響を与えないようにしながら適切なノイズ緩和器１００の位置を容易に決めることができる。ただし、本発明は図８に示すように同一の辺にＵＳＢメモリ・キー５０、ノイズ緩和器１００およびアンテナ２１を配置することも可能である。ノイズ緩和器１００は、機能的には筐体１１の表面に設けることも可能だが、デザイン上および取り扱い上などの理由から筐体１１の内部に設けることが望ましい。

つぎに、筐体１１の内部に設けるのに適したノイズ緩和器１００のいくつかの構造について説明する。ノイズ緩和器１００は、共振素子を逆Ｌ型（またはＬ型）、棒状型、またはミアンダ・パターン型とすることができる。これらは、タブレット端末１０に収納し易いようにいずれも平板状に形成することができる。また、ノイズ緩和器１００は、空芯コイルで製作することもできる。共振素子の長さは、グランドから開放端までの長さとする。共振素子の長さはいずれも１／４波長またはそれ以上とする。ノイズ緩和器１００が放射する電磁波の偏波方向とＵＳＢメモリ・キー５０が放射する電磁波の偏波方向は一致するように配置する。

図４は、逆Ｌ型のノイズ緩和器１００ａの構造を説明するための平面図である。アンテナ２１はタブレット端末１０の実装に適するように平板状の逆Ｆ型、逆Ｌ型、またはＴ型のような１／４波長モノポール・アンテナとすることができる。アンテナ２１の用途を２．４ＧＨｚ帯の無線ＬＡＮとしたときには共振周波数の波長が１２０ミリメートルで１／４波長が３０ミリメートルとなる。

共振素子の長さの最低値は１／４波長とし、最大値は筐体１１に収納できる範囲で選択する。２．４ＧＨｚ帯のアンテナ２１に適した共振素子の長さは一例として３０ミリメートルから６０ミリメートルの範囲で選択することができる。図４では、ノイズ緩和器１００ａとアンテナ２１がいずれもグランド・プレーン３３に接続されているが、いずれに対してもグランド・プレーン３３から独立した専用のグランド素子を設けても良い。ノイズ緩和器１００ａおよびアンテナ２１は、リジッド基板やフレキシブル基板にフォトリソグラフィで直接パターンを形成したり、基板に銅箔を貼り付けたり、切り抜いた金属板を基板に貼り付けたりして形成することができる。あるいは、ノイズ緩和器１００ａは、グランド・プレーン３３を切り欠いて形成することもできる。

図５（Ａ）、（Ｂ）は、スリット型のノイズ緩和器１００ｂ、１００ｃの構造を説明するための平面図である。この例ではノイズ緩和器１００ｂを、グランド・プレーン３３の端部をＬ字型に切り欠いて形成している。ノイズ緩和器１００ｂ、１００ｃは、グランド・プレーン３３を加工してＬ字型のスリットを形成することができるため筐体１１に収納し易くなっている。

図５（Ｂ）に示すノイズ緩和器１００ｃは長さの異なるＬ字型の共振素子を２個設けることで、アイソレーションの帯域を増大させることができる。なお、共振素子の数は３個以上でもよい。図６（Ａ）、（Ｂ）は、ミアンダ・パターン型のノイズ緩和器１００ｄ、１００ｅの構造を説明するための平面図である。この例では、共振素子となるミアンダ・パターン１１１、１１５を専用のグランド素子１１３、１１７に接続し、グランド・パターン３３に投影が重ならないように配置している。

図７は、空芯コイル型のノイズ緩和器１００ｆの構造を説明するための平面図である。ノイズ緩和器１００ｆは、一例として直径が６ミリメートルの空芯のポリエチレン・チューブの表面に、幅３ミリメートル、長さ６３ミリメートルの銅箔のテープを巻いて形成している。テープの一端はグランド・プレーン３３に接続している。磁界が通過するコイルの開口は、ＵＳＢメモリ・キー５０が放射する電磁波の水平偏波の方向を向くようして、偏波面が一致するように配置している。ノイズ緩和器１００は、筐体１１の非導電性の領域に直接銅箔のテープを貼り付けて形成することもできる。

実験では、さらに、アンテナ２１、ＵＳＢメモリ・キー５０およびノイズ緩和器１００の相対的な位置関係を複数設定してアイソレーション効果を調べた。図８、図９は、アイソレーション効果を得ることができるノイズ緩和器１００の位置を説明するための平面図である。ここでは長辺側の端面１１ｂ、１１ｄと短辺側の端面１１ａ、１１ｃの４辺で囲まれた２００×３００ミリメートルの筐体に対応するモデルで実験した結果を説明する。

図８（Ａ）は、端面１１ｂにＵＳＢレセプタクル５１を配置し、端面１１ｂに近い内側の位置にアンテナ２１を配置したときのノイズ緩和器１００の位置を説明するための平面図である。ここでは、ノイズ緩和器１００を配置する領域として、ＵＳＢレセプタクル５１とアンテナ２１の間の端面１１ｂに沿った領域２０５、アンテナ２１から端面１１ｂと端面１１ｃの境界までの端面１１ｂに沿った領域２０３、領域２０５、２０３を除いた他の端面１１ｃ、１１ｄ、１１ａに沿った領域２０１を設定する。

この場合、ＵＳＢメモリ・キー５０が動作するといずれの領域にノイズ緩和器１００を配置してもアンテナ２１の指向特性が変化する。領域２０５はノイズ緩和器１００によるアイソレーション効果があるが、領域２０１はアイソレーション効果がない。領域２０３は、ノイズ緩和器１００を設けるとアイソレーション値が逆に低下する場合もある。したがって、ノイズ緩和器１００はアンテナ２１の指向特性の変化が許容できる範囲で領域２０５に配置することができる。

図８（Ｂ）は、端面１１ａにＵＳＢレセプタクル５１を配置し、隣接する端面１１ｂに近い内側の位置にアンテナ２１を配置したときのノイズ緩和器１００の位置を説明するための平面図である。ここでは、ノイズ緩和器１００を配置する領域として、ＵＳＢレセプタクル５１からアンテナ２１までの端面１１ａおよび端面１１ｂに沿った領域２１５、アンテナ２１から端面１１ｂと端面１１ｃの境界までの端面１１ｂに沿った領域２１３、端面１１ｃと端面１１ｄに沿った領域２１１、および、ＵＳＢレセプタクル５１から端面１１ａと端面１１ｄの境界までの端面１１ａに沿った領域２１７を設定する。

この場合、領域２１５の端面１１ａに沿った領域はアンテナ２１の指向特性に影響を与えないが、端面１１ｂに沿った領域では影響を与える場合がある。領域２１５はノイズ緩和器１００によるアイソレーション効果があるが領域２１１は効果がない。領域２１３は、ノイズ緩和器１００を設けることでアイソレーション値が低下する場合もある。領域２１７は、ノイズ緩和器１００の共振素子の長さ、位置、姿勢、またはタイプなどを調整することで、アイソレーション効果を得られる場合がある。

図９（Ａ）は、端面１１ｂに近い位置にアンテナ２１を配置し、対向する端面１１ｄにＵＳＢレセプタクル５１を配置したときのノイズ緩和器１００の位置を説明するための平面図である。ここでは、ノイズ緩和器１００を配置する領域として、ＵＳＢレセプタクル５１から端面１１ａと端面１１ｂの境界までの端面１１ｄ、１１ａに沿った領域２２７、アンテナ２１の両側の端面１１ｂに沿った領域２２５、端面１１ｃと端面１１ｄの一部に沿った領域２２３および領域２２３からＵＳＢレセプタクル５１までの端面１１ｄに沿った領域２２１を設定する。

領域２２５は、アイソレーション効果がなく、かつ、ＵＳＢメモリ・キー５０によるアンテナ２１の指向特性への影響がある。領域２２３は、アンテナ２１の指向特性への影響はないが、アイソレーション効果もない。領域２２１、２２７は、ノイズ緩和器１００の共振素子の長さ、位置、姿勢、またはタイプなどを調整することでアイソレーション効果を得られる場合がある。

図９（Ｂ）は、端面１１ｂ、端面１１ｃ、端面１１ｄの近辺にそれぞれアンテナ２１ａ、２１ｂ、２１ｃを配置し、端面１１ａにＵＳＢレセプタクル５１を配置したときのノイズ緩和器１００の位置を説明するための平面図である。ここでは、２つのノイズ緩和器１００をＵＳＢレセプタクル５１の両側の端面１１ａに近い位置にそれぞれ配置するとアンテナ２１ａ、２１ｃの周波数帯域が異なる場合には、すべてのアンテナ２１ａ、２１ｂ、２１ｃに対してアイソレーション効果があることを確認している。

図１０、図１１は、ノイズ緩和器によるアイソレーション効果を確認するために行った実験結果の一部を示す。図１０は、ＵＳＢメモリ・キー５０を代用する代用アンテナ３００とノイズ緩和器３０１〜３０５の距離に対するアイソレーション値を測定した結果を示す。代用アンテナ３００はＵＳＢメモリ・キー５０と同形状の矩形エレメントを持つモノポール・アンテナを採用した。

代用アンテナ３００は、絶縁体で保持した素子長がＵＳＢメモリ・キー５０の長さに対応する矩形エレメント３０１ａの端部に同軸ケーブル３００ａの芯線を接続し、同軸ケーブル３００ａのシールドを単独のグランド素子３００ｃに接続した構造になっている。同軸ケーブル３００ｂは測定用のネットワーク・アナライザに接続している。ノイズ緩和器３０１〜３０５は、それぞれ単独のグランド素子に接続している。ノイズ緩和器３０１〜３０５、アンテナ２１（図示せず）および代用アンテナ３００は図３のように配置した。モノポール・タイプのノイズ緩和器３０１は、素子長を３３ｍｍとし、幅を２ｍｍとしている。右オープン逆Ｌ型のノイズ緩和器３０３および左オープン逆Ｌ型のノイズ緩和器３０５は、それぞれ素子長を７＋２０＝２７ｍｍとし幅を１．５ｍｍとしている。

アンテナ２１の共振周波数は２．４５ＧＨｚ（波長１２２ｍｍ）としている。このとき共振周波数の１／４波長は３０ｍｍとなる。実験は最初に、ノイズ緩和器３０１〜３０５のいずれか１つを選択した。つぎに選択したノイズ緩和器３０１〜３０５について、代用アンテナ３００の中心軸３００ａからそれぞれの位置を示すライン３０１ａ〜３０５ａまでの距離を所定の間隔で変更しながら、代用アンテナ３００とアンテナ２１のアイソレーション値を測定した。なお、測定時は選択したノイズ緩和器３０１〜３０５のグランド素子と代用アンテナ３００のグランド素子は、グランド・プレーン３３（図３）に接続した。

実験結果から得たライン３０１ｂ〜３０５ｂは、単独でノイズ緩和器３０１〜３０５のいずれかを配置したときのアイソレーション値を示している。ライン３０１ｂ〜３０５ｂは、アイソレーション値が１／４波長（３０ｍｍ）、３／４波長（９０ｍｍ）の位置で高くなっていることを示している。代用アンテナ３００の左側にノイズ緩和器３０１〜３０５を配置した場合は、いずれの位置でも実用的なアイソレーション値を得ることができなかった。代用アンテナ３００の長さを変えて実験したときもほぼ同様の結果を得ている。

図１１は、代用アンテナ３００とノイズ緩和器３０７の距離に対するアイソレーション値を測定した結果を示す。ノイズ緩和器３０７は、素子長を８＋２０＝３０ｍｍとし幅を１．５ｍｍとしたスリット状のＬ字型の共振素子を備えている。アンテナ２１の共振周波数および配置は図１０の実験と同じ条件にしている。実験結果から得たライン３０７ｂは、アイソレーション値が１／２波長、１波長、および３／２波長で高くなっていることを示している。

本発明は、アンテナを搭載し外部周辺デバイスが接続される電子機器全般に適用することができる。また、タブレット端末、スマートフォンまたはノートＰＣなどの小型の携帯式電子機器に適用すると大きな効果を得ることができる。また、ノイズ緩和器１００は、ＵＳＢレセプタクル５１にケーブルで接続されるＵＳＢ周辺デバイスに対しても効果がある。そのようなＵＳＢ周辺デバイスはケーブル、本体およびプラグなどから電磁波が漏洩する。また、外部周辺デバイスのインターフェースはＵＳＢに限定する必要はなく、ＨＤＭＩ（登録商標）などの他のインターフェースに適用することもできる。

図４〜図９には、実験で効果を確認したノイズ緩和器の一例を示したが、共振素子の製作方法、パターンのタイプ、グランド素子の構成および配置方法などはこれらに限定するものではない。本発明の趣旨に沿って当業者が容易に想起することができる特許請求の範囲に記載したアンテナ・システムおよびアイソレーションの強化方法はすべて本発明の範囲に含まれる。これまで本発明について図面に示した特定の実施の形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られたいかなる構成であっても採用することができることはいうまでもないことである。

１０ タブレット端末
１１ 筐体
１１ａ〜１１ｄ 筐体の側面
１５ タッチスクリーン
１３ａ、１３ｂ 非導電性材料の領域
２１、２１ａ〜２１ｃ アンテナ
２３ アンテナが放射する電磁波の放射パターン
３１ マザーボード
３３ グランド・プレーン
５０ ＵＳＢメモリ・キー
５１ ＵＳＢレセプタクル
５３ ＵＳＢメモリ・キーが放射する電磁波の放射パターン
５３ａ ノイズ緩和器の影響で変化したＵＳＢメモリ・キーの放射パターン
１００、１００ａ〜１００ｆ ノイズ緩和器
１０３ ノイズ緩和器が放射する電磁波の放射パターン

Claims (20)

1. 電子機器の筐体に収納するアンテナ・システムであって、
   所定の通信方式の電波を受信することが可能なアンテナと、
   外部周辺デバイスを接続するためのレセプタクルと、
   前記レセプタクルの近辺に配置され前記レセプタクルに接続された前記外部周辺デバイスが放射する電磁波の放射パターンを修正して前記アンテナが受信するノイズ・レベルを低減するノイズ緩和器と
   を有するアンテナ・システム。
2. 前記レセプタクルがＵＳＢ規格に適合するインターフェースを提供する請求項１に記載のアンテナ・システム。
3. 前記外部周辺デバイスが、前記レセプタクルに直接接続するプラグを備えたスティック状のデバイスである請求項１に記載のアンテナ・システム。
4. 前記外部周辺デバイスが前記レセプタクルにケーブルで接続される請求項１に記載のアンテナ・システム。
5. 前記ノイズ緩和器が、前記アンテナと前記レセプタクルの間で前記アンテナより前記レセプタクルに近い位置に配置される請求項１に記載のアンテナ・システム。
6. 前記ノイズ緩和器が、グランドと、該グランドに接続され前記アンテナの共振周波数に対する波長の１／４またはそれ以上の長さの共振素子で構成されている請求項１に記載のアンテナ・システム。
7. 前記共振素子が、前記外部周辺デバイスが放射する電磁波の偏波方向に一致するように配置されている請求項６に記載のアンテナ・システム。
8. 前記共振素子が、逆Ｌ型のパターンで形成されている請求項６に記載のアンテナ・システム。
9. 前記共振素子が、棒状のパターンで形成されている請求項６に記載のアンテナ・システム。
10. 前記共振素子が、空芯コイルで形成されている請求項６に記載のアンテナ・システム。
11. 前記共振素子が、ミアンダ・パターンで形成されている請求項６に記載のアンテナ・システム。
12. 前記共振素子が、長さの異なる複数の素子を含む請求項６に記載のアンテナ・システム。
13. 無線通信が可能な携帯式電子機器であって、
    周辺が４つの端面で囲まれた矩形状の筐体と、
    前記筐体の内側でいずれかの前記端面の近辺に配置された所定の通信方式のアンテナと、
    いずれかの前記端面に配置された外部周辺デバイスを接続するためのレセプタクルと、
    前記筐体の内側でいずれかの前記端面の近辺に配置され前記外部周辺デバイスが放射する電磁波の放射パターンを修正して前記アンテナが受信するノイズ・レベルを低減するノイズ緩和器と
    を有する携帯式電子機器。
14. 前記アンテナが、前記レセプタクルが配置された端面に隣接する端面の近辺に配置されている請求項１３に記載の携帯式電子機器。
15. 前記アンテナが、前記レセプタクルが配置された端面の近辺に配置され、前記ノイズ緩和器が前記アンテナと前記レセプタクルの間の前記端面の近辺に配置されている請求項１３に記載の携帯式電子機器。
16. 複数の前記アンテナがそれぞれ異なる３つの端面の近辺に配置され、前記レセプタクルが残った端面に配置され、前記ノイズ緩和器が前記レセプタクルの両側に配置される請求項１３に記載の携帯式電子機器。
17. 前記筐体が金属で形成され、前記ノイズ緩和器が配置される近辺の端面が非導電性材料で形成されている請求項１３に記載の携帯式電子機器。
18. 携帯式電子機器に搭載するアンテナと、前記携帯式電子機器の筐体に設けたレセプタクルに接続される外部周辺デバイスの電磁波のアイソレーションを強化する方法であって、
    前記アンテナの位置と前記レセプタクルの位置を設定するステップと、
    前記レセプタクルの近辺にグランドに接続された所定の長さの共振素子を配置するステップと、
    前記レセプタクルに外部周辺デバイスを接続して動作させるステップと、
    前記共振素子の位置を変えながらアイソレーション値を測定するステップと、
    前記アイソレーション値に基づいて前記共振素子の位置を決定するステップと
    を有する方法。
19. 前記共振素子の長さを変えながらアイソレーション値を測定するステップと
    前記アイソレーション値に基づいて前記共振素子の長さを決定するステップと
    を有する請求項１８に記載の方法。
20. 前記共振素子の位置を決定するステップが、前記共振素子の偏波方向と前記外部周辺デバイスが放射する電磁波の偏波方向を一致させるステップを含む請求項１８に記載の方法。
    

Images