WO2012099084A1 - Ｍｅｍｓモジュール、可変リアクタンス回路及びアンテナ装置 - Google Patents

Ｍｅｍｓモジュール、可変リアクタンス回路及びアンテナ装置 Download PDF

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WO2012099084A1
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antenna device
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mems
capacitor
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川端一也
西田浩
西川博
川手俊矢
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株式会社村田製作所
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    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Definitions

  • the present invention relates to a MEMS module connected to an antenna, a variable reactance circuit including the same, and an antenna device.
  • a method of reducing the power consumption of a transmission-side power amplifier by controlling the power used at the time of transmission in an RF (Radio Frequency) circuit may be used.
  • a directional coupler is connected between the transmission-side power amplifier and the antenna, and power is detected by extracting a part of the transmission signal output from the transmission-side power amplifier by the directional coupler. Then, there is a method of feeding back to the control unit that controls the transmission side power amplifier so that the magnitude of the power becomes constant.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of the antenna device described in Patent Document 1.
  • a transmission-side power amplifier 201 in the antenna device described in Patent Document 1, a transmission-side power amplifier 201, a directional coupler 202, an impedance converter 203, a detection circuit 204, an error voltage amplifier 205, and a bias circuit 206.
  • a directional coupler 202 is connected between the transmission side power amplifier 201 and the antenna.
  • a transmission signal that is an input RF signal is input to the transmission-side power amplifier 201, amplified by the transmission-side power amplifier 201, and output. At this time, a part of the transmission signal output from the transmission-side power amplifier 201 is extracted by the directional coupler 202.
  • the transmission signal extracted by the directional coupler 202 is input to the impedance converter 203 after the bias voltage is superimposed by the bias circuit 206.
  • the bias voltage superimposed by the bias circuit 206 corrects the forward voltage drop of the diode of the detection circuit 204. Since the impedance converter 203 has a larger output impedance than the input impedance, the voltage of the signal output from the impedance converter 203 is higher than the voltage of the signal input to the impedance converter 203.
  • the signal output from the impedance converter 203 is detected by the detection circuit 204.
  • the signal output from the detection circuit 204 is input to the error voltage amplifier 205 together with the signal output from the level control voltage generator based on the data corresponding to the command power level from the base station stored in the ROM. .
  • the error voltage amplifier 205 amplifies and outputs the difference between the two input signals, and the signal output from the error voltage amplifier 205 is fed back to the control unit that controls the amplification factor of the transmission side power amplifier 201
  • the directional coupler 202 is used.
  • the directional coupler 202 is mounted on an RF circuit, a large mounting area is required, and the RF circuit cannot be reduced in size. There is a problem.
  • Another problem is that signal loss occurs due to the directional coupler.
  • An object of the present invention is to provide a MEMS module, a variable reactance circuit, and an antenna device that do not require an element such as a directional coupler for monitoring electric power and that can realize miniaturization and low loss.
  • a MEMS module includes a first capacitive electrode that is displaceable, a second capacitive electrode that faces the first capacitive electrode, and a drive electrode that displaces the first capacitive electrode.
  • the driving electrode is connected to a control unit that applies a driving voltage to the driving electrode and a monitor terminal that detects electric power.
  • the capacitance of the capacitor formed between the first capacitor electrode and the second capacitor electrode by applying the drive voltage from the control unit to the drive electrode and displacing the first capacitor electrode. You can change the value.
  • the drive electrode is connected to a monitor terminal that detects electric power, a signal flowing between the first capacitor electrode and the second capacitor electrode can be monitored from the monitor terminal.
  • the signal flowing between the first capacitor electrode and the second capacitor electrode is monitored from the monitor terminal, and the result is fed back to, for example, an amplifier that amplifies the signal, so that the signal level of the signal is an appropriate value. It becomes possible to adjust to.
  • the MEMS module according to the present invention preferably includes at least one of a capacitor or an inductor connected in parallel with the MEMS element.
  • the variable reactance circuit according to the present invention is a variable reactance circuit including the MEMS module according to the present invention, and includes a power feeding circuit to which the first capacitive electrode is connected and a radiating element to which the second capacitive electrode is connected. The reactance between the feeding circuit and the radiating element is changed by displacing the first capacitive electrode.
  • An antenna apparatus is an antenna apparatus that includes the variable reactance circuit according to the present invention and performs communication in different frequency bands, and is connected to a power feeding circuit and used in a first frequency band. And a second radiating element that is connected to the power supply circuit via a variable reactance circuit and is used in a second frequency band located on a lower frequency side than the first frequency band.
  • the antenna device includes the variable reactance circuit according to the present invention, and includes a radiating element connected to the feeding circuit and the variable reactance circuit.
  • a tunable antenna device or a shiftable antenna device can be realized by providing a variable reactance circuit.
  • the radiated power from the radiating element can be adjusted to an appropriate value, a conventional directional coupler is not required, and a small and wide-band antenna configuration is possible.
  • an element such as a directional coupler for monitoring electric power is unnecessary, and downsizing and low loss can be realized.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an antenna device described in Patent Literature 1.
  • FIG. It is a figure which shows typically the circuit structure of the antenna apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is a figure which shows the frequency characteristic of the reactance of LC parallel resonance circuit in the antenna device which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is a typical sectional view of a MEMS element in an antenna device concerning Embodiment 1 of the present invention. It is a figure which shows typically the circuit structure of the antenna apparatus which concerns on Embodiment 2 of this invention.
  • the antenna device according to the present invention performs communication using any of the GSM (Registered Trademark) (Global System for Mobile Communications) system, the W-CDMA (Wideband Code Multiple Access) system, and other systems.
  • GSM Global System for Mobile Communications
  • W-CDMA Wideband Code Multiple Access
  • LTE Long Term Evolution
  • the antenna device will be described as being capable of performing communication in a low frequency band (hereinafter referred to as a low band) and communication in a high frequency band (hereinafter referred to as a high band).
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a circuit configuration of the antenna device 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the antenna device 1 according to the present embodiment can perform communication in the first frequency band and the second frequency band located on the lower frequency side than the first frequency band.
  • the first frequency band is a high band
  • the second frequency band is a low band.
  • the antenna device 1 includes a first radiating element 11 corresponding to high-band communication, a second radiating element 12 corresponding to low-band communication, an RF-MEMS (Radio Frequency-Micro Electro Mechanical Systems) module 10, And a power feeding circuit 15.
  • the RF-MEMS module 10 is a MEMS module.
  • the first radiating element 11 and the second radiating element 12 are, for example, electrodes formed on a printed circuit board or a dielectric substrate.
  • the first radiating element 11 has a length that operates mainly at a high-band frequency f H (1.7 GHz in the present embodiment).
  • the second radiating element 12 has a length that operates mainly at a low-band frequency f L (800 MHz band in the present embodiment).
  • the antenna device 1 Since the antenna device 1 includes the first radiating element 11 and the second radiating element 12, the antenna device 1 has two frequency bands, a high band centered at 1.7 GHz and a low band centered at 800 MHz. A resonance state (return loss characteristic valley) is generated.
  • One end of the first radiating element 11 is open, and the other end is connected to the power feeding circuit 15.
  • the other end of the first radiating element 11 may be connected to the power feeding circuit 15 via a capacitor.
  • One end of the second radiating element 12 is open, and the other end is connected to the power feeding circuit 15 via the RF-MEMS module 10 as a variable capacitance circuit.
  • the RF-MEMS module 10 will be described in detail later.
  • the power feeding circuit 15 is connected to a transmission / reception circuit (RF circuit) (not shown) through which the antenna device 1 performs low-band and high-band communication via the first radiating element 11 and the second radiating element 12. Yes.
  • the power supply circuit 15 includes, for example, a power amplifier that amplifies the voltage of a transmission signal necessary for communication.
  • a matching inductor L2 having one end grounded is connected between the RF-MEMS module 10 and the power feeding circuit 15 and between the first radiating element 11 and the power feeding circuit 15.
  • the inductor L2 is mainly a matching element for the first radiating element 11 and the second radiating element 12.
  • one end of the first radiating element 11 is open, and the other end is connected to the power feeding circuit 15 and the inductor L2.
  • One end of the second radiating element 12 is open, and the other end is connected to the power supply circuit 15 and the inductor L2 via the RF-MEMS module 10.
  • the RF-MEMS module 10 functions as a frequency variable circuit (variable reactance circuit) in the antenna device 1 and includes a tank circuit 13 including a MEMS element 14.
  • the tank circuit 13 is formed so as to have high impedance in the first frequency band (high band) and reactance in the second frequency band (low band), and the inductor L1, the capacitor C1, and the MEMS element 14 are formed.
  • the inductor L1, the capacitor C1, and the MEMS element 14 are formed.
  • the constants of the inductor L1 and the capacitor C1 are set so that the parallel resonance frequency by the inductor L1, the capacitor C1, and the MEMS element 14 is within the high band. Further, the tank circuit 13 is designed to be coupled with the first radiating element 11 so that the harmonics of the second radiating element 12 are excited, so that the frequency near the third harmonic of the low band (800 MHz band) ( Even at about 2.3 to 2.5 GHz), matching can be achieved.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the frequency characteristics of reactance of the LC parallel resonant circuit in which the inductor L1, the capacitor C1, and the MEMS element 14 are connected in parallel in the antenna device 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the horizontal axis indicates the frequency of the supply voltage to the LC parallel resonant circuit
  • the vertical axis indicates the reactance X of the LC parallel resonant circuit.
  • the LC parallel resonance circuit has the maximum impedance at the resonance frequency f 0 of the LC parallel resonance circuit and becomes inductive in a frequency range lower than the resonance frequency f 0 .
  • the tank circuit 13, by the parallel resonance frequency is set to a frequency f H, so that the signal of frequency f H that is handled in the communication of high band prevents the flow in the second radiating element 12.
  • the coupling between the first radiating element 11 and the second radiating element 12 can be suppressed.
  • the antenna device 1 performs high-band communication, a signal having a frequency f H does not flow to the tank circuit 13, so that high-frequency loss due to the tank circuit 13 is reduced.
  • tank circuit 13 is set to a constant (in the case of FIG. 3, the inductance XL) so that the resonance frequency is set to the frequency f H as described above, and the signal of the frequency f L handled in the low-band communication passes. ) Is set.
  • Tank circuit 13 is a low frequency f L in inductive than the resonance frequency f 0 that is set to the frequency f H.
  • the signal of the frequency f L in order to pass through an inductive tank circuit 13, the wavelength shortening due to the inductance is carried out.
  • the antenna device 1 can be miniaturized as the wavelength is shortened by the wavelength shortening effect.
  • the antenna device 1 due to the operation of the tank circuit 13, the antenna device 1 according to the present embodiment can obtain two resonance states in the low band and the high band, and without switching the communication frequency band, High band communication is possible.
  • the tank circuit 13 blocks the passage of the signal of the frequency f H, the antenna device 1 according to this embodiment, high-frequency loss can be reduced in the communication of the high band, as a result, it is possible to suppress the deterioration of antenna characteristics.
  • the MEMS element 14 included in the tank circuit 13 is a variable capacitance element, and can change the RF capacitance value to a desired value according to the applied bias voltage (drive voltage).
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the MEMS element 14 in the antenna device 1 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the MEMS element 14 includes an upper substrate 14A, a lower substrate 14B, and a sealing frame 14C.
  • the upper substrate 14A and the lower substrate 14B are made of glass.
  • the sealing frame 14C is made of silicon and is disposed between the upper substrate 14A and the lower substrate 14B.
  • the MEMS element 14 includes a flexible plate-like movable body (movable electrode) 21 and an anchor that supports the movable body 21 in an internal space formed by the upper substrate 14A, the lower substrate 14B, and the sealing frame 14C. Part 21A.
  • the movable body 21 is displaceable and is a first capacitive electrode.
  • the movable body 21 and the anchor portion 21A are made of a metal such as Cu.
  • the anchor portion 21A is provided in a state of being sandwiched between the upper substrate 14A and the lower substrate 14B.
  • the movable body 21 is supported by the anchor portion 21A in a state of being separated from the upper substrate 14A and the lower substrate 14B.
  • a capacitor electrode 22 and a drive electrode 23A are formed on the surface of the upper substrate 14A on the inner space side.
  • the capacitive electrode 22 is a second capacitive electrode.
  • the capacitor electrode 22 and the drive electrode 23A are covered with an insulating film 16A.
  • a connection electrode 24 and a drive electrode 23B are formed on the inner space side surface of the lower substrate 14B.
  • the connection electrode 24 and the drive electrode 23B are covered with an insulating film 16B.
  • the drive electrode 23A and the drive electrode 23B are disposed so as to face each other, and the movable body 21 is disposed between the electrodes. Further, the capacitive electrode 22 is disposed so as to face the movable body 21.
  • the capacitance formed between the movable body 21 and the capacitive electrode 22 is defined as a capacitor C2 (dotted line portion in FIG. 4).
  • the capacitance value of the capacitor C ⁇ b> 2 changes according to the distance between the movable body 21 and the capacitance electrode 22. That is, the capacitor C2 is a variable capacitor that is an RF capacitor.
  • the connection electrode 24 is electrically connected to the anchor portion 21 ⁇ / b> A, and is connected to the first radiating element 11, the inductor L ⁇ b> 2, and the power feeding circuit 15 illustrated in FIG. 2.
  • the drive electrode 23A is connected to a control unit (not shown) via a resistor R1.
  • the drive electrode 23B is connected to a control unit (not shown) via a resistor R2.
  • a drive voltage (bias voltage) for generating an electrostatic attraction between the drive electrode 23A and the drive electrode 23B between the movable body 21 and a control unit (not shown) is applied.
  • the movable body 21 bends toward the upper substrate 14A due to an electrostatic attractive force generated between the drive electrode 23A and the movable body 21. As a result, the movable body 21 comes close to the capacitive electrode 22, and the capacitance value of the capacitor C2 formed between the movable body 21 and the capacitive electrode 22 increases.
  • the movable body 21 bends toward the lower substrate 14B due to electrostatic attraction generated between the drive electrode 23B and the movable body 21. As a result, the movable body 21 is separated from the capacitive electrode 22, and the capacitance value of the capacitor C ⁇ b> 2 formed between the movable body 21 and the capacitive electrode 22 becomes small.
  • the capacitor electrode 22 is connected to the second radiating element 12, and the movable body 21 is connected to the power feeding circuit 15. That is, the tank circuit 13 is equivalent to a configuration in which the inductor L1, the capacitor C1, and the capacitor C2 that is a variable capacitor are connected in parallel.
  • the center frequency of the low band can be shifted from the frequency f L (800 MHz) to the high frequency side or the low frequency side.
  • the inductor L1 and the capacitor C1 of the tank circuit 13 are such that the parallel resonance frequency of the tank circuit 13 is in the high band (eg, 1.71 to 1.88 GHz) and is inductive in the low band.
  • a constant is set.
  • the reactance of the tank circuit 13 can be changed by changing the capacitance value of the capacitor C2 connected in parallel to the capacitor C1, and the resonance frequency of the second radiating element 12 can be changed to a predetermined frequency. Therefore, the RF-MEMS module 10 constitutes a frequency variable circuit in the antenna device 1. In other words, the RF-MEMS module 10 constitutes a variable reactance circuit in the antenna device 1.
  • the drive electrode 23A is connected to the first monitor terminal 30 through the resistor R1 and the capacitor C3.
  • the drive electrode 23B is connected to the second monitor terminal 31 via a resistor R2 and a capacitor C4.
  • the capacitors C3 and C4 prevent the drive voltage applied to the drive electrodes 23A and 23B from flowing to the first monitor terminal 30 and the second monitor terminal 31.
  • the capacitors C3 and C4 also function as a filter that removes unnecessary frequency components.
  • a part of a signal output from the power feeding circuit 15 to the first radiating element 11 or the second radiating element 12 is input to the movable body 21.
  • Part of the signal input to the movable body 21 passes through a capacitor formed between the movable body 21 and the drive electrode 23A, and flows to the first monitor terminal 30 via the resistor R1 and the capacitor C3.
  • a part of the signal input to the movable body 21 passes through a capacitor formed between the movable body 21 and the drive electrode 23B, and passes through the resistor R2 and the capacitor C4 to the second monitor terminal 31.
  • the first radiating element is detected from the feeder circuit 15 by detecting the signal level (power) of the communication signal from the first monitor terminal 30 or the second monitor terminal 31.
  • the signal level (power) of the communication signal output to the 11 or the second radiating element 12 can be detected.
  • the first monitor terminal 30 and the second monitor terminal 31 may be provided as a monitor terminal for detecting the signal level (power).
  • the first monitor terminal 30 has a capacitance value of a capacitor formed between the movable body 21 and the drive electrode 23A and a capacitance value of a capacitor formed between the movable body 21 and the drive electrode 23B. Since the flowing signal is different from the signal flowing to the second monitor terminal 31, one of the first monitor terminal 30 and the second monitor terminal 31 is made high depending on which of the drive electrodes 23A and 23B is applied with the drive voltage.
  • the monitor terminal for the band may be used separately from the monitor terminal for the low band.
  • the directional coupler is conventionally provided, whereas the antenna device 1 according to the present embodiment uses a MEMS element 14 to provide a directional coupler for monitoring power. There is no need for a special element. Thereby, in antenna device 1, since a number of parts can be reduced, size reduction can be realized. Further, since the antenna device 1 according to the present embodiment does not include a special element such as a directional coupler for monitoring power, such an element does not cause a signal loss, and is low. Loss can be realized.
  • the RF-MEMS module 10 that functions as a frequency variable circuit, an element such as a directional coupler for monitoring power is unnecessary, but a phase shifter ( Even when the RF-MEMS module 10 is used for the phase shifter), an element for monitoring power can be dispensed with.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a circuit configuration of the antenna device 1A according to the second embodiment of the present invention.
  • the phase shifter is configured by the RF-MEMS module 10A.
  • components having the same functions as those in the first embodiment are given the same reference numerals.
  • the antenna device 1A shown in FIG. 5 includes only the first radiating element 11 for high-band communication.
  • the first radiating element 11 is connected to the power feeding circuit 15 via inductors L3, L4, and L5 constituting a matching circuit. Further, the first radiating element 11 is connected to the power feeding circuit 15 via the RF-MEMS module 10.
  • the first monitor terminal 30 and the second monitor terminal can be provided without providing any special element such as a directional coupler as in the first embodiment. 31 makes it possible to monitor power.

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Abstract

変位可能である第１の容量電極（２１）と、第１の容量電極（２１）と対向している第２の容量電極（２２）と、第１の容量電極（２１）を変位させる駆動電極（２３Ａ，２３Ｂ）とを有するＭＥＭＳ素子（１４）を備え、駆動電極（２３Ａ，２３Ｂ）は、駆動電極（２３Ａ，２３Ｂ）に駆動電圧を印加する制御部と、電力を検出するモニタ端子（３０，３１）とに接続されている、ＭＥＭＳモジュール（１０）とする。これにより、電力をモニタリングするための素子を不必要とし、小型化及び低損失化を実現できるＭＥＭＳモジュール、可変リアクタンス回路及びアンテナ装置を提供する。

Description

ＭＥＭＳモジュール、可変リアクタンス回路及びアンテナ装置
　本発明は、アンテナに接続されるＭＥＭＳモジュール、それを備えた可変リアクタンス回路及びアンテナ装置に関する。
　一般に、携帯電話機等の無線通信機では、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）回路において、送信時に使用される電力を制御することにより送信側電力増幅器の消費電力を少なくする方法が用いられる場合がある。その方法として、例えば、送信側電力増幅器とアンテナとの間に方向性結合器を接続し、その方向性結合器によって送信側電力増幅器から出力される送信信号の一部を取り出すことで電力を検出し、その電力の大きさが一定となるように送信側電力増幅器を制御する制御部にフィードバックする方法等がある。
　図１は、特許文献１に記載のアンテナ装置の構成を示す図である。図１に示すように、特許文献１に記載のアンテナ装置では、送信側電力増幅器２０１と、方向性結合器２０２と、インピーダンス変換器２０３と、検波回路２０４と、誤差電圧増幅器２０５と、バイアス回路２０６とを備えている。送信側電力増幅器２０１とアンテナとの間に方向性結合器２０２が接続されている。特許文献１に記載のアンテナ装置では、まず、入力ＲＦ信号である送信信号が送信側電力増幅器２０１に入力され、送信側電力増幅器２０１によって増幅されて出力される。このとき、方向性結合器２０２によって、送信側電力増幅器２０１から出力される送信信号の一部が取り出される。方向性結合器２０２によって取り出された送信信号は、バイアス回路２０６によりバイアス電圧が重畳された上でインピーダンス変換器２０３に入力される。バイアス回路２０６によって重畳されるバイアス電圧は、検波回路２０４のダイオードの順電圧降下を補正するものである。インピーダンス変換器２０３は入力インピーダンスに対して出力インピーダンスが大きく設定されているため、インピーダンス変換器２０３から出力される信号の電圧は、インピーダンス変換器２０３に入力される信号の電圧よりも高くなる。そして、インピーダンス変換器２０３から出力された信号は検波回路２０４によって検波される。検波回路２０４から出力された信号は、ＲＯＭに格納されている基地局からの指令電力レベルに対応するデータに基づいてレベル制御電圧発生器から出力された信号とともに、誤差電圧増幅器２０５に入力される。誤差電圧増幅器２０５は入力された２つの信号の差を増幅して出力するものであり、誤差電圧増幅器２０５から出力された信号は送信側電力増幅器２０１の増幅率を制御する制御部にフィードバックされる。
特開平５－２９１８５４号公報
　特許文献１に記載のアンテナ装置では、方向性結合器２０２を用いているが、方向性結合器２０２をＲＦ回路に搭載する際には大きな実装面積が必要となり、ＲＦ回路の小型化を実現できないといった課題がある。また、方向性結合器によって信号の損失が発生することも課題であった。
　ところで、近年、携帯電話機等の無線通信機では、複数の周波数帯域での通信を行うマルチバンド化が進んでいる。マルチバンドの無線通信機に搭載されるアンテナ装置は、複数の周波数帯域に対応することが要求されている。そこで、本発明者は、可変容量ダイオード等に比べて可変容量変動範囲に対して線形性の良好なＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）可変容量素子をアンテナ装置に用いることを見出し、さらに、ＭＥＭＳ可変容量素子を用いることで、上述の方向性結合器を省くことができることの知見を得た。
　本発明の目的は、電力をモニタリングするための方向性結合器のような素子を不必要とし、小型化及び低損失化を実現できるＭＥＭＳモジュール、可変リアクタンス回路及びアンテナ装置を提供することにある。
　本発明に係るＭＥＭＳモジュールは、変位可能である第１の容量電極と、第１の容量電極と対向している第２の容量電極と、第１の容量電極を変位させる駆動電極とを有するＭＥＭＳ素子を備え、駆動電極は、駆動電極に駆動電圧を印加する制御部と、電力を検出するモニタ端子とに接続されている。
　この構成では、制御部からの駆動電圧を駆動電極に印加して、第１の容量電極を変位させることで、第１の容量電極と第２の容量電極との間に形成されるキャパシタの容量値を変えることができる。また、駆動電極が電力を検出するモニタ端子とに接続されていることにより、第１の容量電極と第２の容量電極との間に流れる信号をモニタ端子からモニタリングすることができる。
　第１の容量電極と第２の容量電極との間に流れる信号をモニタ端子からモニタリングして、その結果を、例えば、信号を増幅する増幅器にフィードバックさせることで、信号の信号レベルを適切な値に調整することが可能となる。なお、本発明に係るＭＥＭＳモジュールは、ＭＥＭＳ素子と並列に接続されている、キャパシタまたはインダクタの少なくとも一方を備えることが好ましい。
　本発明に係る可変リアクタンス回路は、本発明に係るＭＥＭＳモジュールを備える可変リアクタンス回路であって、第１の容量電極が接続されている給電回路と、第２の容量電極が接続されている放射素子とを備え、第１の容量電極を変位させることで、前記給電回路および前記放射素子間のリアクタンスが変化する。
　この構成では、第１の容量電極と第２の容量電極との間に流れる信号をモニタ端子からモニタリングすることができるため、その結果を、例えば、信号を増幅する増幅器にフィードバックさせることで、放射素子からの放射電力を適切な値に調整することが可能となる。
　本発明に係るアンテナ装置は、本発明に係る可変リアクタンス回路を備え、異なる周波数帯域での通信を行うアンテナ装置であって、給電回路に接続され、第１の周波数帯域で用いられる第１の放射素子と、可変リアクタンス回路を介して給電回路に接続され、第１の周波数帯域よりも低域側に位置する第２の周波数帯域で用いられる第２放射素子とを備える。また、本発明に係るアンテナ装置は、本発明に係る可変リアクタンス回路を備え、給電回路と可変リアクタンス回路とに接続されている放射素子を備える。
　この構成では、可変リアクタンス回路を備えることで、チューナブルアンテナ装置またはシフタブルアンテナ装置を実現することができる。また、放射素子からの放射電力を適切な値に調整することが可能となるため、従来のような方向性結合器が不要でかつ小型で広帯域なアンテナ構成が可能となる。
　本発明によれば、電力をモニタリングするための方向性結合器のような素子を不必要とし、小型化及び低損失化を実現できる。
特許文献１に記載のアンテナ装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態１に係るアンテナ装置の回路構成を模式的に示す図である。 本発明の実施形態１に係るアンテナ装置における、ＬＣ並列共振回路のリアクタンスの周波数特性を示す図である。 本発明の実施形態１に係るアンテナ装置における、ＭＥＭＳ素子の模式的断面図である。 本発明の実施形態２に係るアンテナ装置の回路構成を模式的に示す図である。
　以下、本発明に係るＭＥＭＳモジュール、可変リアクタンス回路及びアンテナ装置の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。本発明に係るアンテナ装置は、ＧＳＭ（登録商標）（Ｇｌｏｂａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｍｏｂｉｌｅ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）方式、又はＷ－ＣＤＭＡ（Ｗｉｄｅｂａｎｄ　Ｃｏｄｅ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ａｃｃｅｓｓ）方式、その他の方式の何れかを用いた通信を行うものであってもよいし、これ以外においてもＬＴＥ（Ｌｏｎｇ　Ｔｅｒｍ　Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）等の各種方式を組み合わせた通信を行うものであってもよい。以下では、低周波帯域（以下、ローバンドという）での通信及び高周波帯域（以下、ハイバンドという）での通信を行うことができるアンテナ装置として説明する。
（実施形態１）
　図２は、本発明の実施形態１に係るアンテナ装置１の回路構成を模式的に示す図である。本実施形態に係るアンテナ装置１は、第１の周波数帯域と、第１の周波数帯域よりも低域側に位置する第２の周波数帯域での通信を行うことができるものである。第１の周波数帯域はハイバンドであり、第２の周波数帯域はローバンドである。アンテナ装置１は、ハイバンドの通信に対応する第１の放射素子１１と、ローバンドの通信に対応する第２の放射素子１２と、ＲＦ－ＭＥＭＳ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）モジュール１０と、給電回路１５とを備えている。ＲＦ－ＭＥＭＳモジュール１０は、ＭＥＭＳモジュールである。第１の放射素子１１と第２の放射素子１２とは、例えばプリント回路基板または誘電体基板に形成された電極である。第１の放射素子１１は、主としてハイバンドの周波数ｆＨ（本実施形態では１．７ＧＨｚ）で動作する長さを有している。第２の放射素子１２は、主としてローバンドの周波数ｆＬ（本実施形態では８００ＭＨｚ帯）で動作する長さを有している。
　アンテナ装置１は、第１の放射素子１１と第２の放射素子１２とを備えていることで、１．７ＧＨｚを中心とするハイバンドと、８００ＭＨｚを中心とするローバンドとの二つの周波数帯域に共振状態（リターンロス特性の谷）が生じるようになる。
　第１の放射素子１１の一端は開放されており、他端は給電回路１５に接続されている。第１の放射素子１１の他端は、容量を介して給電回路１５に接続されていてもよい。第２の放射素子１２の一端は開放されており、他端は可変容量回路としてのＲＦ－ＭＥＭＳモジュール１０を介して給電回路１５に接続されている。ＲＦ－ＭＥＭＳモジュール１０については後に詳述する。
　給電回路１５は、アンテナ装置１が第１の放射素子１１と第２の放射素子１２とを介してローバンド及びハイバンドでの通信を行うための不図示の送受信回路（ＲＦ回路）に接続されている。給電回路１５は、例えば、通信に必要な送信信号の電圧を増幅させる電力増幅器などを備えている。
　ＲＦ－ＭＥＭＳモジュール１０と給電回路１５との間であって、第１の放射素子１１と給電回路１５との間には、一端が接地された整合用のインダクタＬ２が接続されている。インダクタＬ２は、主として第１の放射素子１１と第２の放射素子１２のマッチング用素子である。
　よって、第１の放射素子１１の一端は開放されており、他端は給電回路１５とインダクタＬ２とに接続されている。また、第２の放射素子１２の一端は開放されており、他端はＲＦ－ＭＥＭＳモジュール１０を介して、給電回路１５とインダクタＬ２とに接続されている。
　ＲＦ－ＭＥＭＳモジュール１０は、アンテナ装置１において周波数可変回路（可変リアクタンス回路）として機能し、ＭＥＭＳ素子１４を含むタンク回路１３を備えている。タンク回路１３は、第１の周波数帯域（ハイバンド）で高インピーダンスになるとともに、第２の周波数帯域（ローバンド）でリアクタンス性になるように形成されており、インダクタＬ１、キャパシタＣ１およびＭＥＭＳ素子１４が並列に接続されてなるＬＣ並列共振回路である。
　タンク回路１３は、インダクタＬ１、キャパシタＣ１およびＭＥＭＳ素子１４による並列共振周波数がハイバンド内になるように、インダクタＬ１とキャパシタＣ１とのそれぞれの定数が設定されている。また、タンク回路１３は、第１の放射素子１１と結合して第２の放射素子１２の高調波が励振されるように設計することで、ローバンド（８００ＭＨｚ帯）の３倍波近傍の周波数（約２．３～２．５ＧＨｚ）においても、整合を取ることができる。
　図３は、本発明の実施形態１に係るアンテナ装置１における、インダクタＬ１、キャパシタＣ１およびＭＥＭＳ素子１４が並列に接続されてなるＬＣ並列共振回路のリアクタンスの周波数特性を示す図である。図３では、横軸がＬＣ並列共振回路への供給電圧の周波数を示し、縦軸がＬＣ並列共振回路のリアクタンスＸを示している。図３に示すように、ＬＣ並列共振回路は、ＬＣ並列共振回路の共振周波数ｆ０でインピーダンスが最大となり、共振周波数ｆ ０より低い周波数範囲で誘導性となる。
　従って、タンク回路１３は、並列共振周波数が周波数ｆＨに設定されることで、ハイバンドの通信で扱われる周波数ｆ Ｈの信号が第２の放射素子１２に流れることを阻止することができる。これにより、第１の放射素子１１と第２の放射素子１２との結合を抑圧することが可能になる。更に、アンテナ装置１において、ハイバンドで通信する場合、周波数ｆＨの信号はタンク回路１３へ流れることがないため、タンク回路１３による高周波損失が低減される。
　また、タンク回路１３は、上述のように共振周波数が周波数ｆＨに設定されていると共に、ローバンドの通信で扱われる周波数ｆ Ｌの信号が通過するように、定数（図３の場合、インダクタンスＸＬ）が設定されている。タンク回路１３は、周波数ｆＨに設定されている共振周波数ｆ ０より低い周波数ｆＬ では誘導性となる。これにより、アンテナ装置１において、ローバンドで通信する場合、ローバンドの通信で扱われる周波数ｆＬの信号は、タンク回路１３で阻止されることがなく、ローバンドでの通信が可能となる。
　また、周波数ｆ Ｌの信号は、誘導性のタンク回路１３を通過するため、インダクタンスによる波長短縮が行われる。この結果、波長短縮効果により波長が短くなる分、アンテナ装置１の小型化が可能となる。
　以上のように、タンク回路１３の作用により、本実施形態に係るアンテナ装置１は、ローバンド及びハイバンドにおいて二つの共振状態が得られるようになり、通信周波数帯域の切り替えを行うことなく、ローバンド及びハイバンドでの通信が可能となる。
　また、タンク回路１３が周波数ｆＨの信号の通過を阻止するため、本実施形態に係るアンテナ装置１は、ハイバンドの通信における高周波損失を低減でき、その結果、アンテナ特性の劣化を抑制できる。
　タンク回路１３に含まれるＭＥＭＳ素子１４は、可変容量素子であり、印加されるバイアス電圧（駆動電圧）の高さに応じてＲＦ容量値を所望の値に変えることができる。図４は、本発明の実施形態１に係るアンテナ装置１における、ＭＥＭＳ素子１４の模式的断面図である。ＭＥＭＳ素子１４は、上基板１４Ａと、下基板１４Ｂと、封止枠１４Ｃとを有している。上基板１４Ａと、下基板１４Ｂとは、ガラスからなる。封止枠１４Ｃは、シリコンからなり、上基板１４Ａと下基板１４Ｂとの間に配置されている。
　ＭＥＭＳ素子１４は、上基板１４Ａ、下基板１４Ｂおよび封止枠１４Ｃにより形成されている内部空間に、可撓性を有する板状の可動体（可動電極）２１と、可動体２１を支持するアンカー部２１Ａとを有している。可動体２１は、変位可能であり、第１の容量電極である。可動体２１と、アンカー部２１Ａとは、Ｃｕなどの金属からなる。アンカー部２１Ａは、上基板１４Ａと下基板１４Ｂとの間に挟まれた状態で設けられている。可動体２１は、アンカー部２１Ａにより、上基板１４Ａおよび下基板１４Ｂから離間した状態で支持されている。
　上基板１４Ａの内部空間側の表面には、容量電極２２と駆動電極２３Ａとが形成されている。容量電極２２は、第２の容量電極である。容量電極２２と駆動電極２３Ａとは、絶縁膜１６Ａにより覆われている。下基板１４Ｂの内部空間側の表面には、接続電極２４と駆動電極２３Ｂとが形成されている。接続電極２４と駆動電極２３Ｂとは、絶縁膜１６Ｂにより覆われている。駆動電極２３Ａと駆動電極２３Ｂとは互いに対向するように配置されており、両電極の間に可動体２１が配置されている。また、容量電極２２は、可動体２１と対向するように配置されている。可動体２１と容量電極２２との間に形成される静電容量をキャパシタＣ２（図４中点線部）とする。キャパシタＣ２は、可動体２１と容量電極２２との距離に応じて容量値が変わる。すなわち、キャパシタＣ２は、ＲＦ容量である可変容量である。接続電極２４は、アンカー部２１Ａと電気的に接続されており、図２に示す第１の放射素子１１と、インダクタＬ２と、給電回路１５とに接続されている。
　図２に示すように、駆動電極２３Ａは、抵抗Ｒ１を介して、図示しない制御部に接続されている。また、駆動電極２３Ｂは、抵抗Ｒ２を介して、図示しない制御部に接続されている。駆動電極２３Ａおよび駆動電極２３Ｂには、不図示の制御部により可動体２１との間に静電引力を発生させるための駆動電圧（バイアス電圧）が印加される。
　駆動電極２３Ａに駆動電圧が印加されると、駆動電極２３Ａと可動体２１との間に発生する静電引力によって、可動体２１が上基板１４Ａ側に撓む。これにより、可動体２１は、容量電極２２に対して接近した状態となり、可動体２１と容量電極２２との間に形成されるキャパシタＣ２の容量値は大きくなる。
　駆動電極２３Ｂに駆動電圧が印加されると、駆動電極２３Ｂと可動体２１との間に発生する静電引力によって、可動体２１が下基板１４Ｂ側に撓む。これにより、可動体２１は、容量電極２２に対して離間した状態となり、可動体２１と容量電極２２との間に形成されるキャパシタＣ２の容量値は小さくなる。
　容量電極２２は第２の放射素子１２に接続されており、可動体２１は給電回路１５に接続されている。すなわち、タンク回路１３は、インダクタＬ１、キャパシタＣ１、及び可変容量であるキャパシタＣ２が並列接続された構成と等価となる。
　ＲＦ－ＭＥＭＳモジュール１０において、ＭＥＭＳ素子１４におけるキャパシタＣ２の容量値を変化させることで、ローバンドの中心周波数を、周波数ｆＬ（８００ＭＨｚ）から高域側または低域側にシフトさせることができる。
　より具体的には、タンク回路１３のインダクタＬ１とキャパシタＣ１とは、タンク回路１３の並列共振周波数がハイバンド内（例えば、１．７１～１．８８ＧＨｚ）となり、ローバンドでは誘導性となるように定数が設定されている。この場合に、キャパシタＣ１に並列接続したキャパシタＣ２の容量値を変化させることで、タンク回路１３のリアクタンスを変化させ、第２の放射素子１２の共振周波数を所定の周波数に変化させることができる。従って、ＲＦ－ＭＥＭＳモジュール１０は、アンテナ装置１における周波数可変回路を構成している。言い換えれば、ＲＦ－ＭＥＭＳモジュール１０は、アンテナ装置１における可変リアクタンス回路を構成している。
　また、駆動電極２３Ａは、抵抗Ｒ１とキャパシタＣ３とを介して、第１のモニタ端子３０と接続されている。駆動電極２３Ｂは、抵抗Ｒ２とキャパシタＣ４とを介して、第２のモニタ端子３１と接続されている。キャパシタＣ３，Ｃ４は、駆動電極２３Ａ，２３Ｂに印加される駆動電圧が第１のモニタ端子３０および第２のモニタ端子３１へ流れることを阻止している。また、キャパシタＣ３，Ｃ４は、不要な周波数成分を除去するフィルタとしても機能する。
　可動体２１には、給電回路１５から第１の放射素子１１または第２の放射素子１２へ出力される信号の一部が入力される。可動体２１に入力された信号の一部は、可動体２１と駆動電極２３Ａとの間に形成されるキャパシタを通過し、抵抗Ｒ１とキャパシタＣ３とを介して第１のモニタ端子３０に流れる。また、可動体２１に入力された信号の一部は、可動体２１と駆動電極２３Ｂとの間に形成されるキャパシタを通過し、抵抗Ｒ２とキャパシタＣ４とを介して第２のモニタ端子３１に流れる。
　上述したように、電力増幅器をフィードバック制御することにより、該電力増幅器の消費電力を少なくすることが可能となる。本発明の実施形態１に係るアンテナ装置１では、第１のモニタ端子３０または第２のモニタ端子３１から通信信号の信号レベル（電力）を検出することで、給電回路１５から第１の放射素子１１または第２の放射素子１２へ出力される通信信号の信号レベル（電力）を検出することができる。その検出結果を、給電回路１５に接続される送受信回路にフィードバックすることで、常に電力効率の良い状態で送信側電力増幅器を使用することができ、送信側電力増幅器の消費電力を少なくすることが可能になる。
　なお、信号レベル（電力）を検出するためのモニタ端子は、第１のモニタ端子３０および第２のモニタ端子３１の一方のみを設けるようにしてもよい。また、可動体２１と駆動電極２３Ａとの間に形成されるキャパシタの容量値と、可動体２１と駆動電極２３Ｂとの間に形成されるキャパシタの容量値とによって、第１のモニタ端子３０に流れる信号と第２のモニタ端子３１に流れる信号とが異なるため、駆動電極２３Ａ，２３Ｂの何れに駆動電圧を印加するかによって、第１のモニタ端子３０および第２のモニタ端子３１の一方をハイバンド用のモニタ端子、他方をローバンド用のモニタ端子と使い分けてもよい。
　このように、従来では、方向性結合器を設けていたのに対し、本実施形態に係るアンテナ装置１では、ＭＥＭＳ素子１４を用いることで、電力をモニタリングするための方向性結合器のような特別な素子を別途必要とすることがない。これにより、アンテナ装置１において、部品点数を削減できるため、より小型化を実現することができる。また、本実施形態に係るアンテナ装置１では、電力をモニタリングするための方向性結合器のような特別な素子を備えていないため、このような素子によって信号の損失が発生することがなく、低損失化を実現することができる。
　なお、上述の実施形態では、周波数可変回路として機能するＲＦ－ＭＥＭＳモジュール１０を用いることで、電力をモニタリングするための方向性結合器のような素子を不要としているが、アンテナ装置の位相器（フェイズシフタ）にＲＦ－ＭＥＭＳモジュール１０を用いた場合であっても、電力をモニタリングするための素子を不要とすることができる。
（実施形態２）
　図５は、本発明の実施形態２に係るアンテナ装置１Ａの回路構成を模式的に示す図である。本実施形態に係るアンテナ装置１Ａは、位相器がＲＦ－ＭＥＭＳモジュール１０Ａによって構成されている。なお、実施形態２では、実施形態１と同じ機能を有する構成要素については、同じ参照符号を付与している。図５に示すアンテナ装置１Ａは、ハイバンドの通信用の第１の放射素子１１のみを備えている。第１の放射素子１１は、マッチング回路を構成するインダクタＬ３，Ｌ４，Ｌ５を介して給電回路１５に接続されている。また、第１の放射素子１１は、ＲＦ－ＭＥＭＳモジュール１０を介して給電回路１５に接続されている。
　この構成において、位相器にＲＦ－ＭＥＭＳモジュール１０を用いることで、実施形態１と同様に、方向性結合器などの特別な素子を設けることなく、第１のモニタ端子３０および第２のモニタ端子３１により、電力をモニタリングすることが可能となる。
１，１Ａ－アンテナ装置
１０－ＲＦ－ＭＥＭＳモジュール
１１－第１の放射素子
１２－第２の放射素子
１３－タンク回路
１４－ＭＥＭＳ素子
１５－給電回路
２１－可動体
２２－容量電極
２３Ａ，２３Ｂ－駆動電極
２４－接続電極
３０－第１のモニタ端子
３１－第２のモニタ端子

Claims (5)

  1. 　変位可能である第１の容量電極と、前記第１の容量電極と対向している第２の容量電極と、前記第１の容量電極を変位させる駆動電極とを有するＭＥＭＳ素子を備え、
    　前記駆動電極は、前記駆動電極に駆動電圧を印加する制御部と、電力を検出するモニタ端子とに接続されている、ＭＥＭＳモジュール。
  2. 　前記ＭＥＭＳ素子と並列に接続されている、キャパシタまたはインダクタの少なくとも一方を備える、請求項１に記載のＭＥＭＳモジュール。
  3. 　請求項１または請求項２に記載のＭＥＭＳモジュールを備えた可変リアクタンス回路であって、
    　前記第１の容量電極が接続されている給電回路と、
    　前記第２の容量電極が接続されている放射素子とを備え、
    　前記第１の容量電極を変位させることで、前記給電回路および前記放射素子間のリアクタンスが変化する、可変リアクタンス回路。
  4. 　請求項３に記載の可変リアクタンス回路を備え、異なる周波数帯域での通信を行うアンテナ装置であって、
    　前記給電回路に接続され、第１の周波数帯域で用いられる第１の放射素子と、
    　前記可変リアクタンス回路を介して前記給電回路に接続され、前記第１の周波数帯域よりも低域側に位置する第２の周波数帯域で用いられる第２の放射素子とを備える、アンテナ装置。
  5. 　請求項３に記載の可変リアクタンス回路を備えるアンテナ装置であって、
    　前記給電回路と前記可変リアクタンス回路とに接続されている放射素子を備える、アンテナ装置。
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