JPWO2016031078A1 - 近傍界導波器 - Google Patents

Abstract

スマートフォン等の携帯電話が通信時に放出する電磁波の制御に関する技術で、携帯電話の放出する電磁波を制御して、手に向けて放出する広帯域の導波器を発明した。携帯電話と導波器と手の距離が波長の３〜６％であるため、近傍界条件下での設計が課題であり、実測による方法でこれを解決して金属性薄板を加工した広帯域近傍界導波器を実現した。スマートフォン等の携帯電話用に当該部品を付加して使用することで、携帯電話の使用する全周波数帯域内で、頭部が受ける電磁波の量を１／４〜１／１０に低減する。

Description

本発明は、通話時に携帯電話が放出する電磁波を、携帯電話を保持する手に向けて放射する技術で、電磁波は手および腕を経由して空間に放射する部品に関するものである。

携帯電話が使用する電磁波の周波数帯域は、７００ＭＨｚから２．５ＧＨｚで、波長は４３ｃｍから１２ｃｍの範囲である。携帯電話から放出される電磁波は、波長に近い周囲長や長さの共振しやすい形状と、８０を超える高い比誘電率の身体に吸収された後に、身体を経由して空間に放射される。
通話に使用される１ＧＨｚ付近の周波数での波長は２０〜４０ｃｍで、成人の頭部の周囲長が、波長に近い長さであることと、比誘電率の大きいことと相まって、電話器を耳に当てて通話する際に放出される電磁波の大部分は、頭部を経由して空間に放射される。１．５ＧＨｚ以上の帯域では波長が２０ｃｍ以下となるが、この周波数域でも共振しやすい部分長を頭部の構造の中で選び、ここを経由して空間に放出される。
頭部あるいは手、腕から放射される電磁波は遠方の基地局で受信される。この際の手、腕から基地局に向けた電磁波の放射を律する物理法則は、波長の７０％以上、すなわち１４〜２８ｃｍ以上から無限遠までを律する遠方界条件であり、一般に無線機器の設計はこの条件で行う。
電磁波を送受する部品のダイポールアンテナは、２本の４分の１波長の金属棒を長軸方向に一直線に並べ、入力あるいは出力を２本の金属棒の片方の端に接続しここを給電点と呼び、もう片方をアース端子に接続する。給電点とアース点は２本の金属棒の端の、それぞれが近接する側である。２本の金属棒の合計は２分の１波長となる。ダイポールアンテナの送信時を例とすると、金属棒の長軸を中心として、電磁波を円形に放射する。ここで、２分の１波長より僅かに短い金属棒を４分の１波長程離して、ダイポールアンテナと平行に配置すると、電磁波の放射パターンが円形から新たに配置した金属棒の方に偏り、指向性を示す。これが八木アンテナの原理であり、新たに追加した金属棒を導波器と呼ぶ。導波器を使用することで、導波器側の電磁波の電力強度は２倍前後になる。しかし、この導波器の原理と効果は遠方界条件である。
携帯電話の使う７００ＭＨｚ〜２．５ＧＨｚの周波数範囲では、単一のダイポールアンテナが送受できる周波数範囲が中心周波数に対してプラスマイナス５％程度までなため、単一のダイポールアンテナでは携帯電話用の帯域の一部をカバーするに過ぎない。
さらに、アンテナからの距離が波長の７０％以下の領域で電磁波を律する物理法則は近傍界条件であり、１０％以下では顕著となる。携帯電話を保持する手や頭部と電話機の距離を１ｃｍとすれば、携帯電話の使用する周波数の１ＧＨｚでは３％、２ＧＨｚでは６％程度となる。従って、頭部あるいは手との間の電磁波を制御するアンテナ等の部品は、近傍界条件に従って設計しなければならない。
無線通信の技術分野では、電磁波を如何に遠方まで飛ばすか、に主眼が置かれるため、アンテナを含む系の設計は遠方界原理に基き、送受信特性改善のために導波器を用いる場合もアンテナと導波器は一体化したアンテナ系として、導波器を新たな電磁波の放出源として遠方界原理に基く設計を行う。携帯電話においても同様であり、比誘電率５以下の低損失の誘電体を用いたチップアンテナと称する小型化を目的とするアンテナ系を用いるが、携帯電話のアンテナ設計の対象となる基地局との交信は遠方界条件下での設計で充分であり、アンテナの空間インピーダンスは距離にかかわらず一定となることとも相まって、携帯電話のアンテナ設計は遠方界条件で行い、近傍界条件は無視されている。近傍界条件下ではアンテナに生じる磁界と電界が距離の関数となり、インピーダンスが大幅に変化して設計が複雑になるからである。
特許文献１は、携帯電話に外付けで導波機能と反射機能を有する部品を装着し、携帯電話を使用する者の頭部への電磁波の被曝を低減する目的の部品に関するもので、携帯電話の使用する電磁波の波長の５％程度の距離に使用者の頭部と手があるにもかかわらず、この距離の考慮をせずに遠方界条件に基く電磁波制御の基本原理を用いて設計している。
すなわち特許文献１は、アンテナと導波器の距離関係に着目し、導波器とアンテナとの距離を４分の１波長とするために、アンテナと導波器の間に誘電体を挿入して空間長を短縮して、導波器が携帯電話に対して実用的な距離で装着できるように図ることを、主な請求項としているが、これは遠方界条件での設計方法を使用していることの証拠である。加えて、比誘電率の大きな誘電体は超高周波領域では誘電体損失が大きく明細書に記すアンテナ間隔を１０分の１に短縮するためには比誘電率１００の誘電体を使うことになり、一般的にアンテナ系で使用される空間短縮用の比誘電率５以下の誘電体に比べて電磁波の損失が著しく大きくなり、請求項には実現性が無く、遠方界に基く設計原理は破綻を来たしている。
従って、本来近傍界条件で設計すべきところを、遠方界条件に基く原理を用いた設計方法は誤りである。
特許文献２は、通話時における利得の向上を図ると共に、頭部の電磁波吸収率を小さくするため、遠方界条件に基く導波器を用いたアンテナ装置を用いている。従って頭および手の条件を考慮した設計条件では無い。
特許文献３は、携帯電話の通信用と、ＴＶ放送受信用として両立するアンテナの構成法で、基地局やＴＶ局との遠方との通信を対象とする。これも遠方界条件に基くアンテナ設計理論であり、頭および手の条件を考慮した設計条件では無い。
特許文献４は、チップアンテナを内蔵した移動体通信機において、人体側とは反対側へ指向性を強めることができ、放射する電磁波が人体へ与える影響を抑制する通信機であるが、人体による影響を考慮した近傍界条件での設計をしていない。

ＵＳ ６３４１２１７ Ｂ１ 特開２００３−２５８５２３号 公報 特開２００５−１１７０９９号 公報 特開２００１−７７６１１号 公報

携帯電話の放出する電磁波を、頭部以外に導く部品の実現方法として、従来技術はいずれも遠方界条件での設計方法を用いており正解ではなく、現状では身体への電磁波を制御する近傍界条件での設計方法に基く電磁波制御の部品は無い。
携帯電話の使用する周波数帯域は８００ＭＨｚから７００ＭＨｚ帯へと下限が広がり、上限も１．９ＧＨｚから２．２ＧＨｚへ広がり、技術的には２．５ＧＨｚの使用も視野に入れた、より広帯域対応の周波数特性を持つ受動的な部品が無い。
携帯電話に付加する部品は、携帯電話の外形や重量に与える影響が小さくなければならない。

本発明は、図２の電磁波を制御する部品１０に関するもので、携帯電話２０に部品１０を組み合わせて、携帯電話の放出する電磁波に方向性を持たせ、携帯電話使用者の頭部３０から逸らせて、電話機を保持する手４０へと電磁波を集中させることで、部品１０は導波器の機能を持つ。
本発明が対象とする携帯電話は、商品名ｉＰｈｏｎｅ等の大型画面のスマートフォン、あるいはこれと同種の通信用機器である。携帯電話の液晶面を表側、反対側を裏側と呼ぶ。
当該部品１０は、厚さ０．１ｍｍ以下の導電性を有する金属製薄板あるいは導電性の金属を蒸着した膜等を成形加工し、携帯電話の裏側に配置できる寸法に収めることで、使用者は違和感を感じずに使用できる。
携帯電話の送受信用アンテナと、使用者の頭部あるいは電話機を保持する手の間隔の約１ｃｍは１ＧＨｚの電磁波の波長の３％程度で、波長の７０％以下は近傍界条件であることから、当該部品は遠方界条件に基く導波器に必要な高い比誘電率の誘電体を使用せずに、携帯電話の送受信アンテナと本発明の導波器との関係を近傍界条件で設計し、金属製薄板を加工した近傍界導波器として形成する。
携帯電話の使用する周波数は、７００ＭＨｚ〜２．５ＧＨｚであり、当該部品は広い帯域で電磁波を制御する広帯域近傍界導波器の機能を持つよう、金属製薄板を加工して形状を調節する。
金属製薄板を加工して、広帯域特性と導波特性を、近傍界条件下で所望の電磁波特性を持つように、金属製薄板の大きさとアンテナ形状および外辺の形状を調節し、広帯域近傍界導波器とする。
当該部品は、図１に示すような矩形の金属製薄板の中央部に、アンテナとして作用させるテアドロップ型の切り抜きを、２組交差させて配置する。テアドロップ型の切抜きとは図５に示す形状で、中心間距離Ｌ５２が４５〜７０ｍｍの半径Ｒ５１が５〜２０ｍｍの２つの円と、それらの円に外接して交差する線分に囲まれた領域であり、テアドロップの切り抜きの周囲長が上記のＬとＲの範囲であれば、近傍界の条件下で、携帯電話帯域内で導波器として電磁波を制御する。ＬとＲの大きさによる共振の中心周波数を定め、半径ＲとＬの比で導波器として作用する周波数の帯域を決定する。半径ＲがＬに比べて小さければ帯域が狭くなり、大き過ぎると共振しなくなるため、Ｌ／Ｒを６〜９で選ぶ。
矩形の金属製薄板の各辺に切り欠き１２、１３を作って矩形の周辺長を増やし、薄板形状を変化することで金属製薄板の電磁波に対する共振特性を調節する。
２つのテアドロップ型切抜きをＸ状に交差させて配置することで、１個の場合に比べて面積が広がり、電話機が内蔵する例えば２個のチップアンテナを配置するダイバシティー方式のチップアンテナに対してそれぞれ導波器として動作し、保持する手の位置関係とも整合できることから、交差する角度を４５度〜９０度とする。
近傍界条件下での当該部品の形状の決定は、携帯電話と当該部品と手を図３のアンテナ配置に置き換え、携帯電話２０の内蔵する送信アンテナ２１、電磁波を誘導する当該部品１０、電磁波を受ける手４０を受信アンテナ４１として、携帯電話の送信アンテナと当該部品との距離を１ｍｍ、受信アンテナの手と部品との距離を５〜１０ｍｍの近傍界条件のアンテナ配置の下で、実測により行う。
測定は、広帯域受信アンテナ４１を接続したスペクトラムアナライザーと、この周波数の掃引に同期するトラッキングジェネレータを接続した広帯域送信アンテナ２１の間に、当該部品１０を挿入して、当該部品による送受信アンテナ間の電磁波透過の周波数特性を測定する。測定ごとに、金属性薄板のテアドロップの形状、配置、外辺の形状等を変えた部品を配置し、その形状変化の効果を測定する。
図４はスペクトラムアナライザーの出力で、あらかじめ当該部品無しの条件で送受信アンテナ間の利得のキャリブレーションを行ってあり、０ｄＢｍ線より上では送信出力より大きな出力を受信アンテナが受け、導波機能を有することを意味する。図では当該部品は７００ＭＨｚから２．６ＧＨｚの範囲で導波機能を持ち、使用した形状の部品は課題を解決していることを示す。
当該部品を携帯電話へ装着し、携帯電話の放射する電磁波を制御する方法は、当該部品を超高周波領域での電磁波損失の少ない材料の薄板に貼り、携帯電話の裏面に当該部品を内側にして薄板を配置する。これにより、当該部品は携帯電話の電池の下側、およびあるいは横に配置される内臓アンテナと対向する位置を選び、合わせて電話機を保持する手との位置関係を導波器の動作に適した位置として、携帯電話の下端に選ぶことで、電磁波を制御する。
当該部品を携帯電話へ装着し、携帯電話の放射する電磁波を制御する方法として、携帯電話の裏面に装着するケースの内側あるいは外側に当該部品を糊等で貼りつける、あるいはケース内側に配置して携帯電話裏面との間に挟み込む、あるいはケースと一体に成形する等で、携帯電話の送信アンテナと手と当該部品の位置を最適な関係として固定して電磁波を制御する。

本発明は、携帯電話で通話する際に頭部に放出される電磁波を手に向かわせ部品で、手と腕を経由して空間に放射することで、頭部を経由する電磁波量を５〜１０分の１に減少させる。
電話機の外観や形状を変化させずに電磁波を制御する機能を持ち、電磁波の損失が無い受動的作用であり、携帯電話の感度に影響しない。
手と腕から放出する電磁波には指向性が無く、携帯電話と基地局との間の通信に影響を与えず、携帯電話の感度に影響しない。

図１は広帯域近傍界導波器の実施形態を示す図である
図２は広帯域近傍界導波器の設計の実施方法を示す図である。
図３は本発明に従う広帯域近傍界導波器の実施形態を示す図である。
図４は広帯域近傍界導波器を図２のアンテナ配置で実測した結果である。
図５は導波器のテアドロップ型アンテナの切抜き形状の実施形態を示す図である。
図６は帯電話のケースに本発明部品を装着する例

携帯電話の放出する電磁波を制御して、携帯電話を保持する手に放射する広帯域近傍界導波器を、近傍界条件下で実現した。

金属製薄板１０は厚さ１６ミクロンメートルの銅箔を用い、スマートフォン等の携帯電話裏面に配置するため、短辺と長辺の長さを携帯電話の外寸内に定める。例えば、ｉＰｈｏｎｅ５Ｓでも使用できるサイズとして、短辺の長さを５８ｍｍ、長辺はカメラレンズを塞がぬように、７８ｍｍとする。
金属薄板状に成形するテアドロップ型切り抜きの形状を図５に示す。中心間距離Ｌを５２．４ｍｍの半径Ｒを９．８ｍｍとした２つの円と、それらの円に外接して交差する線分に囲まれた領域としてテアドロップの周囲長を定めることで、使用する帯域の中心の周波数を１．８ＧＨｚとし、Ｌ／Ｒを７．３とすることで帯域幅を定める。
テアドロップ型の切り抜き２組をＸ状に交差して配置し、２つの切抜きの中心の成す角度を５２度とすることで、１個の場合に比べて面積が広がり、電話機が内蔵する例えば２個のチップアンテナを配置するダイバシティー方式のアンテナにも、双方のチップアンテナに対してそれぞれ導波器として動作し、保持する手の位置関係とも整合する。
それぞれの辺の中央に、長辺に深さ６ｍｍ、短辺に深さ５ｍｍの直角三角形の切り欠き１２と１３を配置して金属薄板の周辺長を増やし、形状を複雑にすることで導波器として機能する周波数帯域を広げる。
上記の形状に成形した金属薄板を導波器１０として、図２の送信アンテナ２１と受信アンテナ４１の間に挿入し、導波器としての特性を測定し、上記の設計法を検証した結果を図４に示す。周波数は６００ＭＨｚから２．６ＧＨｚの２ＧＨｚの周波数条件で測定し、予め送信アンテナと受信アンテナのみで、０ｄＢｍのキャリブレーションを行った。当該部品は、７００ＭＨｚ以上で０ｄＢｍ以上の値を示すことから、７００ＭＨｚ〜２．５ＧＨｚでの広帯域性を満足する導波器であることを確認した。測定結果から、１ＧＨｚ以下で放出電磁波電力の１０倍を受信アンテナ３０、すなわち手、に向けて放出し、２．６ＧＨｚまで全ての帯域でも２〜６倍を手に放出することで、頭部への放出量を１ＧＨｚ以下で１０分の１以下に、他の周波数で２分の１〜６分の１に減らしている。
スマートフォン等の携帯電話に広帯域近傍界導波器を作用させるには、金属薄板製の当該部品を図６に示す様に、スマートフォン等の携帯電話の裏側に被せるケース６０の内側に貼り付けて保持し、当該部品を携帯電話裏面に向けて配置することで、当該部品の携帯電話の内蔵するアンテナと手との位置関係の最適な位置として携帯電話の下端で固定する。

広帯域近傍界導波器をスマートフォン等の携帯電話器に作用させるために、スマートフォン等の携帯電話の裏側に被せるケース６０の外側に貼り付けて保持し、当該部品１０を携帯電話が内蔵するアンテナと手との間の位置関係の最適な位置で固定する。

広帯域近傍界導波器をスマートフォン等の携帯電話器に作用させるために、スマートフォン等の携帯電話の裏側に被せるケース６０に一体成形し、携帯電話裏面に向けて配置することで、当該部品の携帯電話が内蔵する部品と手との位置関係を固定する。

１０ 金属製薄板による広帯域近傍界導波器
１１ ２組のテアドロップ型切抜き
１２ 金属薄板長辺の三角形切り欠き
１３ 金属薄板短辺の三角形切り欠き
２０ 携帯電話
２１ 携帯電話の電磁波送信源となる内部アンテナ
３０ 携帯電話使用者の頭部
４０ 使用者の携帯電話を保持する手
４１ 使用者の手に対応するアンテナ
５１ テアドロップ型切り抜きの円の半径Ｒ
５２ テアドロップ型切り抜きの２つの円の中心間距離Ｌ
６０ 携帯電話器用ケース

Claims (4)

1. 携帯電話とこれを保持する手の間に配置され、手との電磁的結合をおこなう金属製薄板。
2. 携帯電話裏面の寸法に収まる金属製薄板を成形した矩形の電磁波制御部品で、長辺の長さを５０〜８０ｍｍ短辺の長さを５０〜７０ｍｍの矩形で、内側に切り抜かれたＸ状に交差する形状を有し、それぞれの切抜きの形状は、中心間距離が４５〜５５ｍｍの半径２０〜３５ｍｍの２つの円と、それらの円に外接して交差する線分に囲まれた領域を有し、かつＸ状に交差する該切抜き形状の角度が４５度から９０度である電磁波制御用金属製薄板。
3. 近傍界の電磁波を制御することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の金属製薄板。
4. 携帯電話の裏面を保護するケースの内側、あるいは外側に請求項１または請求項２に記載の金属製薄板を貼りつける、あるいはケースに一体成形させることにより行う電磁波制御方法。