JPH10107712A - ダイバーシチ無線機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、偏波効率を改善した携帯無線機用ア
ンテナを備えたダイバーシチ無線機を提供する。 【構成】短辺の長さが四分の一波長の長さの長方形導体
地板１１と、長方形形導体地板上に配置された無線回路
ユニット１４と、地板上で短辺の一端に配置された短縮
されたモノポールアンテナ１２と、小形アンテナが配置
された短辺上の別の一端に配置された動作周波数の四分
の一波長の長さの導体線状素子１３と、導体地板１１と
導体線状素子１３との間に接続された可変リアクタンス
素子１５と、可変リアクタンス素子に接続され、かつ長
方形導体地板に配置された制御回路ユニット１６によっ
て構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】携帯電話やＰＨＳに用いられ
るダイバーシチ無線機に関する。

【０００２】

【従来の技術】アンテナの受信性能を示す一つの指標と
して、偏波効率が挙げられる。以下に偏波効率に関して
簡単に述べる。図７に示したように一つのアンテナの遠
方放射電磁界は、その進行方向に対して垂直な成分しか
もたない。ここではこの電磁界のうち電界に注目して話
しを進めることにする。図８は電界ベクトルを、極座標
系に当てはめた場合を示したものである。同図のように
電界ベクトルはθ成分とφ成分に分けられる。これらは
一般に垂直偏波と水平偏波と呼ばれている。これらの成
分をどれだけの割合で位相をずらして放射するかを、そ
のアンテナの偏波特性と呼ぶ。この特性はアンテナの放
射の仕組みや構造によって異なる。

【０００３】２つのアンテナの間で、送受信を行おうと
した場合、受信アンテナでは、到来波のうち各々のアン
テナの偏波ベクトルの内積をとった分しか受信ができな
い。この規格化された偏波ベクトル同士の内積の値を偏
波効率と呼ぶ。

【０００４】図９はその１例で、同一平面上で水平並び
に垂直に置いたモノポールアンテナ間の偏波効率を計算
したものである。水平に置かれたモノポールアンテナか
らは水平面内に対して水平偏波しか放射しない。また、
垂直に置かれたモノポールアンテナからは水平面内に対
して垂直偏波しか放射しない。従って、このとき偏波効
率は０となる。偏波効率が０であるとき、受信電界強度
は０であり、これらのアンテナを用いた送受信は理論的
には不可能となる。

【０００５】以上から、アンテナを設計する場合、送受
信の各々のアンテナの偏波の方向を一致させるように設
計を行うのが一般的である。アンテナが地上に固定され
ているような場合なら、θ成分またはφ成分のどちらか
の偏波しかもたないアンテナでも偏波を一致させること
は比較的簡単である。例えば、テレビのアンテナなどが
これに相当する。しかしながら、アンテナが一体化され
た携帯無線機では、このような片方の成分しか偏波成分
をもたないアンテナの偏波を一致させることは非常に困
難である。例えば、携帯電話などでは、通話時にはもち
ろん、鞄やポケットに収められている場合でも、通信が
可能であることが条件となっている。このような使用状
態の変化によってアンテナの傾きが様々に変化してしま
うからである。

【０００６】現在、携帯無線機では、直線偏波が一般に
用いられている。これは、円偏波アンテナを小型化する
のは難しいことが理由である。従って、上記のように様
々な状態において使用されると、偏波効率が劣化し、受
信に支障を来す場合が生じる事になる。このような事態
は、特に携帯無線機に内蔵型アンテナを用いた場合にお
いて顕著である。内蔵型アンテナとはモノポールアンテ
ナなどに板状素子を付加したり、線状部分を折り曲げた
りして構成されるもので、その中の一種類である、板状
逆Ｆアンテナが携帯電話で実用化されている。

【０００７】発明者等が行った実験によると、導体地板
上に構成した線状逆Ｆアンテナでは、単体の時に比べ
て、１０ｄＢ程度放射特性が劣化することが分かった。
これは、人体による電波の吸収が１つの要因として挙げ
られるが今一つの原因としては、偏波効率が劣化するこ
とにあると考えられる。

【０００８】内蔵アンテナの場合、筐体上を流れる電流
によって放射特性が決定される。この理由は以下の通り
である。内蔵アンテナの場合、主たる放射源は、アンテ
ナ自体ではなく、アンテナが取り付けてある筐体であ
る。放射のほとんどは、アンテナから筐体上に漏洩して
できた電流分布によって生じており、内蔵アンテナは、
放射源としてより、筐体を励振する励振源として働いて
いる。

【０００９】図１０は内蔵アンテナを取り付けた携帯無
線機の一例である。この無線機の筐体上の電流を模式的
に現したのが図１１である。内蔵アンデナの給電点か
ら、２つの頂点方向に向かって電流が流れている。これ
は高周波電流に特有のエッジ効果といわれるもので、高
周波電流は、筐体の辺に集中しやすい性質を持ってい
る。上記の２つの電流のベクトルを足し合わせたのが、
Ｃであり、電流ベクトルは、対角線上に伸びていること
が分かる。

【００１０】一方、ＮＴＴなどの研究によれば、図１２
のように我々が電話を使用するとき、受話器は天頂方向
に対して６０度程度傾けて保持されるとのことである。
このとき先に述べた電流の合成ベクトルは、図１２のよ
うに水平方向となる。携帯電話の偏波は、垂直偏波が主
成分であるっからこのとき偏波効率が大きく劣化するも
のと予想される。

【００１１】従って、携帯無線機に用いられるアンテナ
では、異なった偏波が放射可能なアンテナが望まれる。
これを実現する方法として、偏波ダイバーシチアンテナ
の適用という方法があるが、これまで偏波ダイバーシチ
アンテナを携帯無線機上に構成した例はなかった。これ
は、偏波の異なったアンテナを小型化する方法がなかっ
たためである。従って、従来からある携帯無線機に用い
られるダイバーシチアンテナは、指向性ダイバーシチの
みであった。しかしながら、この指向性ダイバーシチで
は、指向性の変化に主眼をおいたものであり、本発明が
提案するアンテナの構成に類似してはいるものの、偏波
効率の改善を行うことは不可能であった。

【００１２】従来の携帯無線機用ダイバーシチアンテ
ナ、例えば特開平６−３０３０２１号公報に開示された
ダイバーシチアンデナの構成では、指向性を変えてダイ
バーシチ効果を得ることはできても、偏波効率の上昇を
考慮していないので、その効果は期待できない。また、
この構成のアンテナでは、アンテナを切り換えてダイバ
ーシチ特性を得ている。この場合、切り換えには高周波
スイッチを使用するが、このスイッチを動作させると、
切り換えノイズが発生してしまう。このノイズの発生に
より、情報信号を送受しているときにスイッチを動作さ
せると、通信に重大な支障を来すことになっていた。

【００１３】さらにアンテナ関連の世界学会である、Ａ
ＰＳの９２年大会では、２本のモノポールアンテナによ
るダイバーシチアンテナにおいて、給電していない側の
アンテナの終端リアクタンス値を変化させる方法が発表
されている。この発表では、終端条件によって指向性パ
ターンが変化し、場合によっては、ダイバーシチ利得が
劣化する場合があることを述べている。しかしながら、
この方法も、モノポールアンテナの偏波は垂直偏波であ
り、リアクタンスを変化させても偏波を変化させること
はできないため、偏波効率を改善することは期待できな
い。

【００１４】この発表において放射パターンが表示され
ているが、アンテナの放射パターンと同等のものとなっ
ており、これら２つののアンテナが指向性ダイバーシチ
アンテナとして同等の性能を有しているものと推測され
る。つまり両方ともに今回問題としている偏波効率の劣
化を低減することはできないと考えられる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】これまで述べてきたよ
うに、従来提案されていた携帯無線機用アンテナでは偏
波効率の劣化が問題点となっていたが、これを積極的に
改善しようとした提案はいままでなされたことがなかっ
た。これを解決するようなアンテナである偏波ダイバー
シチアンテナは、大型で携帯無線機上に構成することは
困難であり、また従来提案されていたダイバーシチアン
テナでは、スイッチの切り換えノイズが発生し、十全な
ダイバーシチ特性を得ることは不可能であった。従っ
て、本発明は、偏波効率を改善した携帯無線機用アンテ
ナを備えたダイバーシチ無線機を提供することを目的と
する。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、短辺の長さが
四分の一波長の長さの長方形導体地板と、前記長方形形
導体地板上に配置された無線ユニットと、前記地板上で
短辺の一端に配置された短縮されたモノポールアンテナ
と、前記小形アンテナが配置された短辺上の別の一端に
配置された動作周波数の四分の一波長の長さの導体線状
素子と、前記導体地板と導体線上素子との間に接続され
た可変リアクタンス素子と、前記可変リアクタンス素子
に接続され、かつ前記長方形導体地板に配置された制御
ユニットによって構成されるダイバーシチ無線機を提供
する。

【００１７】

【発明の実施の形態】図面を参照しながら、本発明の実
施形態を説明する。図１は本発明の一実施形態を示し、
（ａ）は無線機の一部構成の斜視図であり、（ｂ）は可
変リアクタンス素子の回路を示している。この実施形態
では、アンテナとして逆Ｆアンテナ１２が用いられてい
る。また、線状素子１３は逆Ｆアンテナ１２と同じ形に
構成されている。線状逆Ｆアンテナ１２は導体地板１１
の短辺Ａの端の一方側に配置される。ここでは小型化を
考えて、アンテナ１２の線状部分は折り曲げられてい
る。この短辺Ａの他方側に配置される線状素子１３も同
様に折り曲げられている。このとき、導体板１１の短辺
Ａの長さは、四分の一波長とする。

【００１８】逆Ｆアンテナ１２は導体地板１１上の無線
回路ユニット１４から高周波線２１を介して給電されて
いる。また、線状素子１３は、図１の（ｂ）に示される
ように導体地板１１との接続点との間に挿入された可変
リアクタンス素子１５に接続される。可変リアクタンス
素子１５には制御信号線２２を介して制御回路ユニット
１６が接続され、可変リアクタンス素子１５には、図１
の（ｂ）に示すように高周波的に高抵抗を示し、低周波
では低抵抗となるような素子、例えばインダクタンス１
７を介して制御信号が供給される。制御信号の電圧の値
に従ってダイオードのリアクタンス値が変化する。これ
により、逆Ｆアンテナと線状素子の結合量を変化させ、
最終的に導体地板１１上の電流分布を変化させることが
できる。

【００１９】制御回路ユニット１６では、制御信号線２
２を介して、可変リアクタンス素子１５に掛かる電圧を
切り換えてリアクタンスの値を変化させる。これと同時
にそのときどきで受信電界強度の時間平均を取り、それ
を記憶する。リアクタンスの値を一通り変化させた後
で、記憶値を比較し、記憶値の中で最大のレベルとなっ
たときの電圧値に制御信号の電圧を設定する。このよう
な処理を受信電界強度が劣化したときに行ったり、ある
一定時間間隔で繰り返して行うことによって、無線機の
受信電界強度の劣化を低減することが期待できる。

【００２０】なお、制御回路ユニット１６の回路構成は
図２のように構成することができる。即ち、切換回路３
１によって可変電圧源３２を切り換える。この電圧切り
換え毎に電界強度測定回路３３によってアンテナ１３で
受信される受信電界強度が測定される。測定値は時間平
均化回路３４に所定時間で平均化され、その平均値は切
換電圧と対応させてメモリ３５に記憶される。切換回路
３１によって一通り電圧変化され、リアクタンスの値が
一通り変化された時点で、最大値検出回路３６がメモリ
３５に記憶された電界強度の最大値を検出し、その最大
値に対応する電圧値に切換回路３１を介して可変電圧源
３２を設定する。

【００２１】本発明について、動作確認をするため実際
に無線機モデルを作成し、実験を行った。このときの動
作周波数は、ＰＨＳで用いられている周波数と同じ１９
００ＭＨｚとした。長方形導体地板１１として銅板を用
い、短辺の長さは４０ｍｍ（４分の１波長）、長辺の長
さは１２０ｍｍ（４分の３波長）とした。逆ＦＦアンテ
ナは銅板１１の短辺の一端に配置され、短編の他端には
四分の一波長の銅線を逆Ｆアンテナと同様に折り曲げた
線状素子が配置される。逆Ｆアンテナと線状素子の高さ
は各々５ｍｍである。

【００２２】図３は無線機モデルを用いて測定したとき
の垂直偏波ならびに水平偏波の最大レベルとリアクタン
ス素子の値の関係を示している。リアクタンスの値を変
化させると、最大レベルが変化している。従って、リア
クタンスの変化によって水平偏波成分と垂直偏波成分の
比を変化させることができるものと推測される。図３か
ら分かる通り、無線機が垂直に保持されるなら、終端条
件はオープン（リアクタンスが無限大）の状態近傍にす
れば良いことが分かる。

【００２３】この状態において、アンテナの利得を比較
すると、終端条件がショート（リアクタンスが０）とな
っている場合、一番利得が低く、アンテナ素子単体のと
きに比べて、３ｄＢ程度劣化していた。これは先に紹介
したＡＰＳ９２における発表の結果と同じ傾向を示して
いる。

【００２４】次に、偏波の比を変化させることによって
従来技術で述べた人体頭部装着時の偏波効率を改善する
ことが可能となることを示す。測定では、図４の（ａ）
に示すように人体頭部と手を模擬した人体モデルに先の
無線機モデルを保持させ、さらに通話の姿勢（端末の傾
き６０度）を取らせ、線状素子に取り付けたリアクタン
ス素子の値を変化させながら、水平面内の受信電界強度
を測定した。図４の（ｂ）は、このときの垂直偏波到来
波に対する平均受信電界強度を示したものである。図４
の（ｂ）から明らかなようにリアクタンス素子の値を変
えることによって受信電界強度の値が変化している。特
に、リアクタンスの値がショートとなる近傍において、
線状素子がなかった時に比べて、３ｄＢ以上改善してい
る。これは、ＡＰＳ９２において発表されたアンテナに
おいて、終端条件がショートとなる場合に最悪値となっ
ていたこととは相反する結果となっている。このことか
ＡＰＳ９２の提案が、偏波効率の改善にならず、本発明
が提案しているようにアンテナの配置を含めた構成をと
らなければ所望の特性を得られないことは明らかであ
る。

【００２５】また、先にも述べたように特開平６−３０
３０２１号公報に開示された従来のダイバーシチアンテ
ナにおいても放射特性はＡＰＳ９２の提案のアンテナと
同等であり、これら２つの構成を組み合わせたとしても
本発明によって実現するような所望の特性を得ることが
できないことは明らかである。

【００２６】また、図３でリアクタンス値がショートと
なっているときを見ると、垂直偏波が低下し、水平偏波
が増大している。これをベクトル図で示すと、図５のよ
うになる。この無線機を図１２のように６０度傾けて保
持すると仮定すれば、従来の無線機に比べて、垂直成分
が増加し、垂直偏波が受かりやすくなっていることが分
かる。

【００２７】以上説明したように前者の単体のときや後
者の通話時において無線機の傾きが変化して偏波効率が
劣化しても本構成のアンテナならば、偏波効率の改善が
期待できる。

【００２８】また、本構成のダイバーシチアンテナで
は、アンテナと無線回路の間に切り換えスイッチを挿入
する必要がないため、切り換えノイズによる通信の劣化
を低減することが可能である。

【００２９】以上説明してきたように、本構成のダイバ
ーシチアンテナでは偏波効率を改善することが可能であ
り、また従来のダイバーシチアンテナで問題となってい
た切り換えノイズを低減することが可能となっている。

【００３０】次に、図６を参照して本発明の別の実施形
態を説明する。導体地板１１には長さの異なるアンテナ
素子１２および１３が配設される。各々のアンテナは給
電線２１と２２を介して給電される。さらに１１０と１
１０一は高周波スイッチ２４ａ、２４ｂが導体地板に配
設される。例えば、高周波スイッチ２４ａは、制御回路
ユニット１６と制御線２６ａを介して接続され、また可
変リアクタンス素子１５ａに高周波線２３ａを介して接
続され、またアンテナ１３に高周波線２２を介して接続
されている。さらにスイッチ２４ａは高周波線２５ａを
介して無線回路ユニット１４ａに接続されている。スイ
ッチ２４ａは、制御回路１６から制御線２６ａを介して
送られる制御信号によってアンテナ１３を、可変リアク
タンス素子１５ａまたは無線回路ユニット１４ａのどち
らかに切り換えて接続を行うものである。高周波スイッ
チ２４ｂも同様の働きをするが、制御回路ユニット１６
は、高周波スイッチ２４ａ、２４ｂに対して、片方が無
線回路ユニットを選択する時には、もう一方を可変リア
クタンス素子１５ａに接続するように制御を行う。また
無線回路ユニット２６ａ、２６ｂは各々異なるシステム
の無線通信を行うように設定されているものとする。制
御回路ユニット１６は制御線２７ａと２７ｂを介して無
線回路１４ａと１４ｂに各々接続されている。制御回路
１６は無線回路ユニット１４ａ、１４ｂに対して同時に
は動作しないように制御信号を送る。

【００３１】まずここでこの無線装置が、２つの無線回
路ユニットとアンテナを有していることについて説明す
る。２つ以上の異なった無線通信システムに対してーつ
の端末で対応しようとする場合、最も簡単なのは、一つ
の端末の中に、複数のシステムの無線回路ユニットを入
れ込んでしまう方法である。このときにシステムの周波
数が異なる場合、アンテナも複数取り付ける必要が生じ
る。ここで、異なるシステム間を同時に動作させれば、
干渉が発生し通信の妨げとなる場合があることは想像が
つく。この干渉を避ける一番簡単な方法は、システムが
異なる無線回路を同時に動作させないことである。

【００３２】従って、同時に動作させない場合、端末上
のアンテナを所望の位置に配置し、どちらか一方のみを
動作させることにしておけば、動作していない側に配置
されたアンテナは、本発明の線状素子と同等と見做すこ
とができる。

【００３３】このように見做せる条件としては、共存さ
せるシステムの動作周波数があまり大きくはなれていな
いことが挙げられる。離れればはなれるほど、本発明の
ダイバーシチアンテナによる通信性能の改善効果は低下
していくものと予想される。例えば、１．５ＧＨｚの携
帯電話と１．９ＧＨｚ（７）ＰＨＳと２．４ＧＨｚの無
線ＬＡＮならば、１．５ＧＨｚと１．９ＧＨｚの組み合
わせと１．９ＧＨｚと２．４ＧＨｚの組み合わせならば
一改善効果を期待できる。

【００３４】以上の説明では逆Ｆ型のアンテナに関して
のみ説明を行ってきたが、本発明の効果は逆Ｆ型に限ら
れたものではなく、四分の一波長のモノポールアンテナ
を短縮化したアンテナを用いているならば有効である。

【００３５】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、従来の
構成では不可能であった、偏波効率の改善を行うことが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態のダイバーシチ無線機
を示し、（ａ）は無線機の概略構成の斜視図、（ｂ）は
可変リアクタンス素子の回路を示す図。

【図２】制御回路ユニットの回路図。

【図３】内蔵アンテナを用いた無線機の外観斜視図およ
び水平偏波と垂直偏波の最大利得と終端素子のリアクタ
ンス値の関係を示す図。

【図４】内蔵アンテナを用いた無線機の通話モデルを用
いたときの使用形態および平均受信電界強度と終端素子
のリアクタンス値の関係を示す図。

【図５】無線機上での電流の模式図。

【図６】本発明の第２の実施形態のダイバーシチ無線機
の構成を示す斜視図。

【図７】電波が伝搬するようすを示す図。

【図８】偏波を説明するためのベクトルを示す図。

【図９】偏波効率の計算するときのアンテナの状態を示
す図。

【図１０】内蔵アンテナを実装した無線機の外観を示す
図。

【図１１】無線機の筐体上において電流が流れる様子を
示す図。

【図１２】ユーザの通話中の状態を示す図。

【符号の説明】

１１…導体地板 １２…アンテナ １３…線状素子 １４，１４ａ，１４ｂ…無線回路ユニット １５、１５ａ，１５ｂ…可変リアクタンス素子 １６…制御回路ユニット ２１…高周波線 ２２…制御信号線 ２３ａ，２３ｂ…高周波線路 ２４ａ，２４ｂ…高周波スイッチ ２５ａ，２５ｂ…高周波線 ２６ａ，２６ｂ…制御信号線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大高 章二 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 前田 忠彦 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 短辺の長さが四分の一波長の長さの導体
   地板と、前記導体地板上に配置された無線回路ユニット
   と、前記導体地板上で前記短辺の一端側に配置された小
   型アンテナと、前記小形アンテナが配置された前記短辺
   の他端側に配置され、動作周波数の四分の一波長の長さ
   の導体線状素子と、前記導体地板と前記導体線状素子と
   の間に接続された可変リアクタンス素子と、前記可変リ
   アクタンス素子に接続され、かつ前記導体地板に配置さ
   れた制御回路ユニットによって構成されるダイバーシチ
   無線機。
2. 【請求項２】 前記導体地板は長方形導体板により構成
   され、この長方形導体板の短辺の一端側に配置される小
   型アンテナは逆Ｆ形状のモノポールアンテナにより構成
   される請求項１のダイバーシチ無線機。
3. 【請求項３】 前記導体線状素子は前記モノポールアン
   テナと同じ形状に構成されたアンテナ素子により構成さ
   れる請求項２のダイバーシチ無線機。