JPWO2017017822A1 - アンテナ装置、制御装置および無線通信装置 - Google Patents

Abstract

実施形態のアンテナ装置は、給電点を有するアンテナと、インピーダンスが可変である整合回路と、給電点の近傍に設けられ、アンテナから放射される電波を受信するループ型のプローブと、プローブで受信する電波の電力を検出する電力検出器と、電力検出器から出力される電力情報に基づき整合回路のインピーダンスを制御する制御回路と、を備える。

Description

本発明の実施形態は、アンテナ装置、制御装置および無線通信装置に関する。

携帯電話などの無線通信装置においては、アンテナの入力インピーダンスと無線機の出力インピーダンスの不整合により電力損失が生ずる場合がある。この電力損失を抑制するために、アンテナと無線機との間にインピーダンスが可変である整合回路を設け、プローブによりインピーダンスの不整合を検出して、自動的にアンテナの入力インピーダンスと無線機の出力インピーダンスを整合させる方法がある。上記方法において、整合回路やプローブを含めたアンテナ装置の小型化が望まれる。

特許５６７９９２１号公報

本発明が解決しようとする課題は、インピーダンスを自動的に整合させ、小型化が可能なアンテナ装置、制御装置および無線通信装置を提供することにある。

実施形態のアンテナ装置は、給電点を有するアンテナと、インピーダンスが可変である整合回路と、前記給電点の近傍に設けられ、前記アンテナから放射される電波を受信するループ型のプローブと、前記プローブで受信する電波の電力を検出する電力検出器と、前記電力検出器から出力される電力情報に基づき前記整合回路のインピーダンスを制御する制御回路と、を備える。

第１の実施形態のアンテナ装置および無線通信装置の構成を示す模式図である。 第２の実施形態のアンテナ装置および無線通信装置の構成を示す模式図である。

以下、図面を用いて実施形態を説明する。なお、図面中、同一または類似の箇所には、同一または類似の符号を付している。

また、実施形態において、ある回路（Ａ回路）とある回路（Ｂ回路）が接続されているとは、特定の機能を備えるＡ回路から別の機能を備えるＢ回路へ信号が伝達されることを意味する。必ずしも、Ａ回路とＢ回路が、物理的に接続されることを意味するものではない。

（第１の実施形態）
本実施形態のアンテナ装置は、給電点を有するアンテナと、インピーダンスが可変である整合回路と、給電点の近傍に設けられ、アンテナから放射される電波を受信するループ型のプローブと、プローブで受信する電波の電力を検出する電力検出器と、電力検出器から出力される電力情報に基づき整合回路のインピーダンスを制御する制御回路と、を備える。

また、本実施形態の無線通信装置は、上記アンテナ装置に加え、信号を生成する無線機と、信号を増幅して上記アンテナ装置に出力する増幅器とを、更に備える。

図１は、本実施形態のアンテナ装置および無線通信装置の構成を示す模式図である。本実施形態の無線通信装置は、アンテナ装置１００、電力増幅器２００、無線機３００を備える。無線機３００は、例えば、送受信機である。アンテナ装置１００と、アンテナ装置１００に接続される電力増幅器２００、および、無線機３００が無線通信装置を構成する。無線通信装置は、例えば、携帯電話や無線ＬＡＮ機器である。

アンテナ装置１００は、アンテナ１０と、整合回路１２、プローブ１４、電力検出器１６、制御回路１８を備える。アンテナ装置１００からアンテナ１０を除いた部分を、制御装置９０と称する。

アンテナ１０は導体である。アンテナ１０は、無線機３００から伝達される信号を、無線通信装置外に送信する。

アンテナ１０は、例えば、給電点１０ａと、給電点１０ａと反対側の端部１０ｂが開放端となる逆Ｌアンテナである。逆Ｌアンテナを用いることは、アンテナ装置１００を備える無線通信装置の小型化や、アンテナ装置１００の設計の容易にする観点から望ましい。しかし、アンテナ１０は、逆Ｌアンテナに限られるものではない。アンテナ１０は、例えば、逆Ｆアンテナ、くし型アンテナ、ダイポールアンテナ、ループアンテナ等、その他の種類のアンテナであっても構わない。

整合回路１２は、アンテナ１０と電力増幅器２００との間に設けられる。整合回路１２は、アンテナ１０の給電点１０ａに接続される。整合回路１２は、アンテナ１０が接続可能な接続部を備える。本実施形態の整合回路１２では、接続部は図１中の給電点１０ａの位置と一致する。

整合回路１２は、整合回路１２自体のインピーダンスが可変である。無線通信装置は、整合回路１２自体のインピーダンスを変化させて調整することにより、アンテナ１０の入力インピーダンスと無線機３００の出力インピーダンスを整合させる。

整合回路１２は、例えば、２つの可変容量１２ａ、１２ｂで構成される。可変容量の使用数量や回路の接続トポロジーに、特に制限は無い。また、可変容量の他に、可変インダクタやスイッチをインピーダンス可変素子として用いることも可能である。そして、これらの可変素子は、半導体、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）等、その機能の実現手段を選ばない。さらに、インピーダンスの可変範囲を設計する都合上、素子値が固定されたインダクタやキャパシタを用いてもよい。

プローブ１４は、アンテナ１０の給電点１０ａの近傍に設けられる。プローブ１４は、アンテナ１０から放射される電波を受信する。

プローブ１４は、ループ型のプローブである。プローブ１４は、先端のループ部１４ａと、接続線１４ｂを備える。ループ部１４ａがループ型の形状である。ループ型の形状は、ループ型であれば、矩形状、円状、または、その他の形状であっても構わない。

アンテナ１０の給電点１０ａの近傍とは、プローブ１４が、給電点１０ａの電流の変化によって生じる電波の変化を検知できる程度の位置を意味する。言い換えれば、プローブ１４により、給電点１０ａの電流の変化に伴う電磁界の変化を検知できる程度の位置を意味する。

例えば、給電点１０ａを中心とし、半径がアンテナ装置１００で使用される最大無線周波数に対応する波長の４分の１の球内に、ループ部１４ａの少なくとも一部が配置される。

なお、制御装置９０において、プローブ１４は接続部の近傍に設けられる。

電力検出器１６は、プローブ１４に接続される。電力検出器１６は、プローブ１４で受信する電波の電力を検出する。電力検出器１６は、プローブ１４で受信された電波の電力の強度に対応した直流電圧、または、直流電流、またはバイナリデータを電力情報として出力する機能を備える。

制御回路１８は、電力検出器１６と、整合回路１２との間に、電力検出器１６と、整合回路１２のそれぞれと接続して設けられる。制御回路１８は、電力検出器１６から出力される電力情報に基づき、整合回路１２のインピーダンスを制御する。制御回路１８は、アンテナ１０の入力インピーダンスと無線機３００の出力インピーダンスが整合するよう、整合回路１２のインピーダンスを制御する。

制御回路１８は、例えば、マイクロコンピュータのようなハードウェアと、半導体メモリに記憶されるソフトウェアとの組み合わせにより実現される。また、例えば、アナログ回路やデジタル回路等のハードウェアによって構成されるものであってもかまわない。

無線機３００は、整合回路１２の、アンテナ１０に対して反対側に接続される。無線機３００は、例えば、送信機である。無線機３００は、アンテナ装置１００に伝達される信号を生成する。

電力増幅器２００は、整合回路１２と無線機３００との間に接続される。電力増幅器２００は、無線機３００で生成された信号を増幅して、アンテナ装置１００に出力する。電力増幅器２００は、例えば、利得可変増幅器である。

以下、本実施形態のアンテナ装置１００および無線通信装置の作用・効果について説明する。

最初に、本実施形態のアンテナ装置１００および無線通信装置によるインピーダンス整合について説明する。

プローブ１４は、アンテナ１０の給電点１０ａ近傍から放射される電波を受信する。アンテナ１０の給電点１０ａに流れる電流の変化により給電点１０ａ近傍の電磁界（電波）が変化する。電力検出器１６は、プローブ１４で受信された電波の電力を検出する。そして、電力検出器１６は、検出した電力の強度に対応した直流電圧、または、直流電流、またはバイナリデータが、電力情報として制御回路１８に出力する。

アンテナ１０の入力インピーダンスと無線機３００の出力インピーダンスの整合状態が良いほど、アンテナ１０に供給される電力が大きくなる。そして、アンテナ１０の給電点１０ａから供給される電力が大きくなると、アンテナ１０の給電点１０ａに流れる電流が大きくなる。

結果として、給電点１０ａの近傍に配置したプローブ１４で受信する電波の電力も大きくなる。したがって、電力検出器１６で検出される電力が大きくするよう制御すれば、アンテナ１０の整合状態が良くなる。したがって、アンテナ１０の給電点１０ａから放射される電波の電力が最大となれば、インピーダンスが最も整合しているとみなすことができる。すなわち、無線通信装置のインピーダンス整合が実現されることになる。インピーダンス整合が実現されることで、無線通信装置の電力損失が抑制される。

本実施形態の装置においては、制御回路１８が、プローブ１４で受信する電波に基づき整合回路１２を制御することで、インピーダンスの自動整合を実現する。制御回路１８は、電力検出器１６で検出される電力を最大化するように、整合回路１２を制御する。

具体的には、例えば、制御回路１８は、整合回路１２のインピーダンスを変化させる制御信号を、整合回路１２に出力する。この制御信号により、例えば、整合回路１２の可変容量素子１２ａ、１２ｂのリアクタンス値を変更することで、整合回路１２のインピーダンス値を変化させる。

例えば、整合回路１２のインピーダンス値をランダムに変化させて、電力検出器１８で検出される電力が最大となった時の制御信号を記憶しておいても良い。また、例えば、可変容量素子１２ａ、１２ｂに与えられる全ての状態の組み合わせを設定してみて、電力検出器１６で検出される電力が最大となる制御信号を記憶しておいても良い。制御回路１８での制御方法は、電力検出器１６で検出される電力を最大にすることができる方法であれば、上述の簡便な方法、公知の方法など、あらゆる制御方法を取り得る。

次に、本実施形態のアンテナ装置１００および無線通信装置の奏する効果について説明する。

プローブ１４は、アンテナ１０の給電点１０ａ近傍に設けられる。アンテナ１０に電力が供給されている状態において、アンテナ１０を流れる電流の振幅が最大となるのは給電点１０ａである。したがって、プローブ１４をアンテナ１０の給電点１０ａ近傍に設けることで、インピーダンス整合の状態変化に伴う電流の変化を感度良く検知することが可能となる。

例えば、無線通信装置のインピーダンス整合を行う別の方法として、本実施形態と異なりプローブをアンテナの開放端となる端部に設ける方法がある。アンテナの給電点から供給される電力が大きくなると、アンテナの電流が大きくなる。このため、アンテナの給電点の反対側の開放端となる端部では電荷量が大きくなる。結果として、開放端となる端部近傍に配置したプローブとの容量結合により、プローブで受信する電波の電力も大きくなる。

したがって、上記方法でも、電力検出器での検出電力が大きくするよう制御すれば、アンテナの整合状態が良くなることになる。すなわち、インピーダンス整合が実現されることになる。

しかし、上記方法の場合、プローブをアンテナの端部に設けることにより、プローブ−電力検出器−制御回路−整合回路−アンテナの距離（線路長）が、大きくなるおそれがある。したがって、アンテナ装置および無線通信装置のサイズが大きくなるおそれがある。

また、上記方法の場合、アンテナが開放端を備える必要があり、使用するアンテナの種類が限定される。したがって、アンテナ装置および無線通信装置の設計の自由度を損なうおそれがある。

本実施形態のアンテナ装置および無線通信装置によれば、上記方法と異なり、プローブ１４は、アンテナ１０の給電点１０ａ近傍に設けられる。この構造により、プローブ１０−電力検出器１６−制御回路１８−整合回路１２−アンテナ１０の距離（線路長）が小さくなる。したがって、アンテナ装置および無線通信装置の小型化が実現される。

また、本実施形態のアンテナ装置および無線通信装置では、給電点１０ａの電流の変化によりインビーダンスの整合状態を判断する。したがって、アンテナ１０の種類に制約はなく、開放端を備えない、例えば、ループ形状のアンテナを装置に適用することも可能である。

給電点１０ａからプローブ１４までの離間距離（図１中の“ｄ”）が、アンテナ装置１００において使用される最大無線周波数に対応する波長の４分の１未満となることが望ましい。給電点１０ａからプローブ１４までの離間距離は、給電点１０ａとループ部１４ａとの最短距離である。言い換えれば、給電点１０ａを中心とし、半径がアンテナ装置１００で使用される最大無線周波数に対応する波長の４分の１未満の球内に、ループ部１４ａの少なくとも一部が配置されることが望ましい。

アンテナ１０の給電点１０ａは、アンテナ１０が共振状態にある時に電流の腹となる。アンテナ１０に電力が供給されている状態では、電流の振幅は最大となる。

一方、アンテナの給電点１０ａからアンテナの端部１０ｂ側へ向かい使用する最大無線周波数の波長の４分の１となる位置は、使用する最大無線周波数でアンテナ１０が共振状態にある時に、給電点１０ａから見て最初の電流の節となる。したがって、この位置では電流の振幅がゼロであり、アンテナ１０に流れる電流を検出する位置としては不適である。

アンテナ１０に沿ったアンテナ１０の給電点１０ａから使用される最大無線周波数に対応する波長の４分の１未満の位置は、アンテナ装置１００のすべての使用無線周波数に対して、給電点１０ａから波長の４分の１未満の位置となる。言い換えれば、この位置は、アンテナ装置１００のすべての使用無線周波数に対して、電流の節がなく、電流の振幅が得られる位置となる。

アンテナの給電点１０ａから使用される最大無線周波数に対応する波長の４分の１未満の位置にプローブ１４を配置すれば、アンテナ装置１００のすべての使用無線周波数に対して、波長の４分の１未満の位置にプローブ１４が配置されることになる。すなわち、使用される無線周波数に関わらず、電流の振幅が得られる位置にプローブ１４が配置されることになり、インピーダンスの整合状態の検出感度が良好となる。よって、最大無線周波数の波長の４分の１の位置よりも給電点１０ａに近い位置にプローブ１４を設けることが望ましい。

給電点１０ａからプローブ１４までの離間距離（図１中の“ｄ”）が、アンテナ装置１００において使用される最大無線周波数に対応する波長の８分の１以下であることがより望ましい。

アンテナの給電点１０ａから使用する最大無線周波数に対応する波長の８分の１の位置は、給電点１０ａと最大無線周波数に対応する波長の４分の１の位置との中間地点である。この位置よりも給電点１０ａ側であれば、給電点１０ａの大きな電流変化に伴って生じる電波を受信できる。したがって、アンテナの給電点１０ａから使用する最大無線周波数に対応する波長の８分の１の位置にプローブ１４を配置することにより、アンテナ装置１００のインピーダンスの整合状態を向上させることが容易となる。

また、アンテナ１０からプローブ１４が離間するほど、プローブ１４で受信される電波の大きさが低下する。アンテナ１０の給電点１０ａからプローブ１４までの空間的な離間距離（図１中の“ｄ”）が使用される無線周波数の波長の４分の１未満の位置にあれば、電波の大きさの低下はインピーダンスを整合させるうえで十分な許容範囲に収まる。よって、使用される最大無線周波数に対応する波長の４分の１未満の位置にプローブ１４を配置すれば、すべての使用無線周波数に対して、アンテナ１０に供給される電力の大小を感度良く検出し、アンテナ１０のインピーダンス整合を実現することが可能である。

アンテナ１０に供給される電力の大小をさらに感度良く検出する観点から、アンテナ１０の給電点１０ａからプローブ１４までの空間的な離間距離（図１中の“ｄ”）が、アンテナ装置１００で使用される最大無線周波数の波長の８分の１以下の位置にあることが望ましい。

なお、アンテナ装置１００または無線通信装置で用いられる最大無線周波数は、例えば、アンテナ装置１００や無線通信装置の仕様書から特定することが可能である。また、給電点１０ａからプローブ１４までの離間距離は、例えば、定規による直接測定、または、拡大撮影した写真画像上での写真スケールによる測定等で特定することが可能である。

また、本実施形態のアンテナ装置および無線通信装置では、ループ型のプローブ１４を用いる。ループ型のプローブ１４は、磁界の変化を検知する用途に適している。給電点１０ａはアンテナ１０が共振状態にある時、電流の腹となる。したがって、給電点１０ａ近傍では、電界の変化に比べ、磁界の変化が大きい。本実施形態の装置では、ループ型のプローブ１４をいることで、給電点１０ａの電流変化を高い感度で検知することが可能となる。

プローブ１４の素子長がアンテナ装置１００で使用される最大無線周波数に対応する波長の２分の１未満であることが望ましい。言い換えると、プローブ１４の共振周波数がアンテナ装置１００で使用される最大無線周波数よりも高いことが望ましい。プローブ１４の素子長とは、ループ形状のプローブ部１４ａのループに沿った物理的長さである。

プローブ１４が共振することにより、アンテナ１０から放射される電波のプローブ１４による受信が不安定になるおそれがある。また、プローブ１４が共振することにより、アンテナ１０の共振状態が不安定になるおそれがある。上記構成により、プローブ１４が共振することが回避され、安定して動作するアンテナ装置および無線通信装置が実現される。

プローブ１４の共振を確実に回避する観点から、プローブ１４の素子長がアンテナ装置１００で使用される最大無線周波数に対応する波長の４分の１以下であることがより望ましい。

一方、プローブ１４の素子長が短すぎると、プローブ１４による電波の受信感度が不十分となるおそれがある。プローブ１４の受信感度を確保する観点から、プローブ１４の素子長がアンテナ装置１００で使用される最大無線周波数に対応する波長の２５分の１以上であることが望ましい。

なお、プローブ１４の素子長は、例えば、定規による直接測定、または、拡大撮影した写真画像上での写真スケールによる測定等で特定することが可能である。

ループ型のプローブ１４の形状として、２次元形状のスパイラル形状や、３次元形状のヘリカル形状を適用することも可能である。スパイラル形状やヘリカル形状を適用することにより、プローブ１４のサイズの増大を抑えて素子長を長くすることができる。したがって、装置のサイズの増大を抑制しつつ、アンテナ１０から放射される電波の受信感度を向上することが可能である。

本実施形態によれば、インピーダンスを自動的に整合させ、小型化が可能なアンテナ装置、制御装置および無線通信装置を提供することが可能となる。

（第２の実施形態）
本実施形態のアンテナ装置および無線通信装置は、アンテナが複数の端部を有すること以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。

図２は、本実施形態のアンテナ装置および無線通信装置の構成を示す模式図である。

アンテナ５０は、例えば、給電点５０ａと、給電点５０ａと反対側の複数の端部５０ｂ、５０ｃ、５０ｄを備える。アンテナ５０は、モノポールアンテナである。アンテナ５０は、複数の共振周波数を有する。そして、本実施形態のアンテナ装置および無線通信装置は、多周波、広帯域で動作する機能を備える。

プローブ１４は、アンテナ５０の給電点５０ａの近傍に設けられる。例えば、給電点５０ａを中心とし、半径がアンテナ装置１００で使用される最大無線周波数に対応する波長の４分の１の球内に、ループ部１４ａの少なくとも一部が配置される。プローブ１４は、アンテナ５０から放射される電波を受信する。

無線通信装置のインピーダンスが整合していれば、アンテナ５０が対応する複数の共振周波数のうちのいずれの共振周波数を用いている場合でも、給電点５０ａの電流が大きくなる。したがって、アンテナ５０の給電点５０ａの近傍にプローブ１４を設けることにより、いずれの共振周波数を用いている場合でも、インピーダンスの整合状態の検出が可能である。よって、本実施形態の装置のように、アンテナ５０が、複数の共振周波数を有し、多周波、広帯域で動作する場合でも、インピーダンスを自動的に整合させ、小型化が可能なアンテナ装置、制御装置および無線通信装置を提供することが可能となる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換えまたは変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (15)

1. 給電点を有するアンテナと、
   インピーダンスが可変である整合回路と、
   前記給電点の近傍に設けられ、前記アンテナから放射される電波を受信するループ型のプローブと、
   前記プローブで受信する電波の電力を検出する電力検出器と、
   前記電力検出器から出力される電力情報に基づき前記整合回路のインピーダンスを制御する制御回路と、
   を備えるアンテナ装置。
2. 前記給電点から前記プローブまでの離間距離が、前記アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の４分の１未満となるよう配置される請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記プローブの素子長が、前記アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の２分の１未満である請求項１又は請求項２記載のアンテナ装置。
4. 前記プローブの共振周波数が、前記アンテナ装置において使用される最大無線周波数よりも高い請求項１記載のアンテナ装置。
5. 前記プローブの形状は、スパイラル形状またはヘリカル形状である請求項１乃至請求項４いずれか一項記載のアンテナ装置。
6. アンテナを接続可能な接続部を有し、インピーダンスが可変である整合回路と、
   前記接続部の近傍に設けられ、前記アンテナから放射される電波を受信するループ型のプローブと、
   前記プローブで受信する電波の電力を検出する電力検出器と、
   前記電力検出器から出力される電力情報に基づき前記整合回路のインピーダンスを制御する制御回路と、
   を備える制御装置。
7. 前記接続部から前記プローブまでの離間距離が、前記制御装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の４分の１未満となるよう前記プローブが配置される請求項６記載の制御装置。
8. 前記プローブの素子長が、前記制御装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の２分の１未満である請求項６又は請求項７記載の制御装置。
9. 前記プローブの共振周波数が、前記制御装置において使用される最大無線周波数よりも高い請求項６又は請求項７記載の制御装置。
10. 前記プローブの形状は、スパイラル形状またはヘリカル形状である請求項６乃至請求項９いずれか一項記載の制御装置。
11. 給電点を有するアンテナと、インピーダンスが可変である整合回路と、前記給電点の近傍に設けられ、前記アンテナから放射される電波を受信するループ型のプローブと、前記プローブで受信する電波の電力を検出する電力検出器と、前記電力検出器から出力される電力情報に基づき前記整合回路のインピーダンスを制御する制御回路と、を含むアンテナ装置と、
    信号を生成する無線機と、
    前記信号を増幅して前記アンテナ装置に出力する増幅器と、
    を備える無線通信装置。
12. 前記給電点から前記プローブまでの離間距離が、アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の４分の１未満となるよう前記プローブが配置される請求項１１記載の無線通信装置。
13. 前記プローブの素子長が、前記アンテナ装置において使用される最大無線周波数に対応する波長の２分の１未満である請求項１１又は請求項１２記載の無線通信装置。
14. 前記プローブの共振周波数が、前記アンテナ装置において使用される最大無線周波数よりも高い請求項１１又は請求項１２記載の無線通信装置。
15. 前記プローブの形状は、スパイラル形状またはヘリカル形状である請求項１１乃至請求項１４いずれか一項記載の無線通信装置。

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