JP4173005B2 - 無線端末 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば携帯電話機のような、無線端末に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話機のような無線端末は、典型的には、ノーマルモードヘリカルアンテナ若しくはメアンダラインアンテナのような外部アンテナ、又は板状逆Ｆ字アンテナ（ＰＩＦＡ）若しくはそれと同等のような内部アンテナの何れかを組み込んでいる。
【０００３】
このようなアンテナは（波長に対して）小さく、従って、小さなアンテナの根本的な制限のために狭帯域である。しかし、セルラ無線通信システムは、典型的に、１０％又はそれ以上の部分的な帯域幅を持つ。例えばＰＩＦＡから、このような帯域幅を達成するためには、パッチアンテナの前記帯域幅と体積との間に直接関係があるので、かなりの体積を必要とするが、このような体積は、小さなハンドセットに向かう現在の傾向では通用しない。この故に、上述した制限のため、今日の無線端末において小さなアンテナから効率の良い広帯域の放射を達成することは可能ではない。
【０００４】
無線端末の知られているアンテナ装置の他の問題は、前記アンテナ装置が一般にバランスが取れておらず、従って、前記端末ケースと強く結合していることである。結果としてかなりの量の放射が、前記アンテナというよりはむしろ前記端末自身から放射する。アンテナ給電線が前記端末ケースに直接結合した無線端末は、それによりこの状況に乗じて、我々の同時係属中の未公開国際特許出願ＰＣＴ／ＥＰＯ／０８５５０（出願人側整理番号ＰＨＧＢ０１００５６）において開示されている。適切なマッチングネットワークを経由して給電される時、前記端末ケースは効率の良い広帯域送信アンテナとして働く。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、マッチング回路を必要としない、効率的な放射性質を持つ小型無線端末を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、無線信号給電部を有する送受信部と、信号伝達手段とを具える無線端末において、前記信号伝達手段が、接地導体と、前記無線信号給電部を直接的に前記接地導体につなげ、前記接地導体の上に位置するとともに前記接地導体から絶縁した導体板及び前記接地導体の下に位置する前記接地導体の一部からなるキャパシタと、前記接地導体に設けられ、部分的に前記導体板の下に延在する細長いマッチング溝とを具えることを特徴とする無線端末を提供する。
【０００７】
前記導体板の下の溝の位置は、従来のマッチング回路の機能の大部分を果たし、従って、無線端末の実施を単純化する。１つ以上の溝が設けられてもよいし、溝は空間又は他の要請により要求されるように折り曲げられてもよい。
【０００８】
本発明は、大きなアンテナの使用が適切でない、どんな無線通信システムに対しても適用可能である。前記カップリングキャパシタは小さいので、これはＲＦ ＩＣ又はモジュールに理想的に適していて、ここで前記カップリングキャパシタは前記モジュールの一部であるだろう。これは、マルチバンド又は広帯域での動作を特徴とする無線システムにおいて特に有用である。
【０００９】
本発明は、アンテナ及び無線ハンドセットのインピーダンスが、分離可能な非対称ダイポールのインピーダンスと類似するという、先行技術には存在しない認識と、前記アンテナインピーダンスを非放射性のカップリング素子によって置き換えることができるという更なる認識とに基づいている。
【００１０】
本発明の実施例は、添付する図面を参照して、例により、これから説明されるだろう。
【００１１】
図面において、同じ参照符号は対応する機能を示すのに使用される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、無線ハンドセットのアンテナ給電点において、送信モードの送受信部に見られるインピーダンスのモデルを示す。前記インピーダンスは非対称ダイポールとしてモデル化され、第１アーム１０２が前記アンテナのインピーダンスを表し、第２アーム１０４が前記ハンドセットのインピーダンスを表し、両アームが電源１０６により駆動される。前記図に示されるように、このような装置の前記インピーダンスは、仮想的なアース１０８に対し別々に駆動される各アーム１０２、１０４のインピーダンスの和と実質的に同等である。シミュレートするのはより難しくなるが、前記モデルは、電源１０６を、送受信部のインピーダンスを表すインピーダンスで置き換えることによって、同様に受信にも用いることができる。
【００１３】
このモデルの正当性は、長さ４０ｍｍ及び直径１ｍｍの第１アーム１０２並びに長さ８０ｍｍ及び直径１ｍｍの第２アーム１０４に対して、よく知られたＮＥＣ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ｃｏｄｅ）を使用するシミュレーションにより確認される。図２は、個々にインピーダンスをシミュレートし、その結果を合計することにより得られた結果と共に、組み合わされた装置（Ｒｅｆ Ｒ及びＲｅｆ Ｘ）のインピーダンス（Ｒ＋ｊＸ）の実部及び虚部について結果を示す。前記シミュレーション結果はかなり近いことがわかる。唯一の重大な偏差は、前記インピーダンスが正確にシミュレートすることが難しい半波共振領域である。
【００１４】
前記アンテナ給電点から見られるように、アンテナ及びハンドセットの組み合わせの等価回路は図３に示される。Ｒ１及びｊＸ１は、前記アンテナの前記インピーダンスを表し、一方Ｒ２及びｊＸ２は前記ハンドセットの前記インピーダンスを表す。この等価回路により、前記アンテナにより放射される電力Ｐ１及び前記ハンドセットより放射される電力Ｐ２の比は
【数１】

により与えられることが推論されることができる。
【００１５】
もし前記アンテナの大きさが縮小されるならば、放射抵抗Ｒ１もまた下がるだろう。もし前記アンテナが微小となると、放射抵抗Ｒ１はゼロとなり、全ての放射は前記ハンドセットから発せられることになる。もし前記ハンドセットのインピーダンスが前記ハンドセットを駆動する電源１０６に適しており、且つ、微小アンテナの容量性リアクタンスを、前記ハンドセットに対する容量性バック・カップリングを増加することによって最小化できる場合には、この状況は、有益となり得る。
【００１６】
これらの修正により、前記等価回路は、図４に示されるものに修正される。従って前記アンテナは、最大のカップリング及び最小のリアクタンスに対し大きな静電容量を持つように設計された、物理的に非常に小さいバックカップリング・キャパシタ（ｂａｃｋ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）に置き換えられる。前記バックカップリング・キャパシタの残留リアクタンスは、単純なマッチング回路により調整することができる。従来のアンテナは典型的におよそ５０のＱを持つのに対し、前記ハンドセットは低いＱの放射素子（シミュレーションは典型的なＱはおよそ１であることを示す）として働くので、前記ハンドセットの正確な設計により、結果として表れる帯域幅は、従来のアンテナ及びハンドセットの組み合わせによるものより非常に広くすることができる。
【００１７】
キャパシタがバックカップリングされたハンドセットの基礎的な実施例は図５に示される。ハンドセット５０２は現代の携帯電話ハンドセットの典型である、１０×４０×１００ｍｍの寸法を持つ。２×１０×１０ｍｍの寸法を持つ平行板キャパシタ５０４は、通常はさらに大きなアンテナに占められる位置において、１０×１０ｍｍの極板５０６を、ハンドセット５０２の上端５０８の２ｍｍ上に据え付けることにより形成される。結果として生ずる静電容量は、（ハンドセット５０２及び極板５０６の離隔距離を縮小させることにより増加されるであろう）静電容量と（ハンドセット５０２及び極板５０６の離隔距離に依存する）カップリング効果との間に収まる約０．５ｐＦである。前記キャパシタは、前記ハンドセットケース５０２から絶縁されているサポート５１０を経て給電される。
【００１８】
本実施例のマッチング後の反射減衰量Ｓ１１は、Ａｎｓｏｆｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから利用することができるＨｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ（ＨＦＳＳ）を使用してシミュレートされ、１０００ないし２８００ＭＨｚの周波数ｆについて図６に示される結果になった。従来の２つのインダクタのＬ回路が、１９００ＭＨｚでのマッチングに使用された。７ｄＢの反射減衰量（およそ９０％の放射された入力電力に相当）において、結果として生ずる帯域幅は、およそ６０ＭＨｚ又即ち３％であり、有用であるが必要とされるほどは大きくない。同じ周波数範囲にわたる本実施例のシミュレートされたインピーダンスを図示するスミスチャートは図７において示される。
【００１９】
前記低帯域幅は、ハンドセット５０２及びキャパシタ５０４の組み合わせが、１９００ＭＨｚにおいておよそ３−ｊ９０Ωのインピーダンスを示すことによる。図８は、以前と同じ周波数範囲にわたり、ＨＦＳＳを使用してシミュレートされた、抵抗の変化を示す。これは、例えば、我々の同時係属中の未公開国際特許出願ＰＣＴ／ＥＰＯ１／０８５５０において論じられたように、溝又は細いハンドセットの使用により、抵抗を増すように前記ケースを再設計することにより改善されることができる。
【００２０】
図５の前記ハンドセットは、合理的な性能を得るためにはマッチングを必要とする。マッチングの必要性を除去することを可能にすることには重大な利点がある。マッチング回路を必要としない修正されたシングルバンド構成の平面図が図９に示されている。本実施例は、１０ｍｍの正方形極板５０６がハンドセット５０２の裏側の２ｍｍ上に配置され、並びに導電性材料において前記ハンドセットケースの端から２ｍｍのところに長さ３０ｍｍ及び幅１ｍｍの溝９１２が切られる点で、図５のものと異なる。溝９１２は、（図９における点線により示されるように）導体板５０６の下に延びる。溝９１２は４分の１波長の奇数倍において、即ちλ／４、３λ／４、その他において共振を起こす。
【００２１】
前記溝は、前記カップリングキャパシタに対して高いインピーダンスを与え、従って５０Ωに対する良いマッチングを可能にする。前記キャパシタが、応答にマッチングするように動作する、アンテナ給電部における分路インダクタンスとして動作する、溝９１２の伝送線路モードに磁場を与えることが見込まれる。
【００２２】
図示された実施例において、溝９１２は、使用される空間を最小にするためにハンドセットケース５０２の端に近い位置に配置されるが、前記溝は、同様に、カップリングキャパシタ５０４の他の面に配置されることもできる。同様に、前記カップリングキャパシタは、ハンドセット５０２の他の位置において実施されることができ、溝９１２は様々な構成、例えば端末の長軸に対して垂直、水平、又は曲がりくねった構成を持つことができる。
【００２３】
マッチングをしない、本実施例の反射減衰量Ｓ１１は、ＨＦＳＳを使用してシミュレートされ、その結果は８００ないし３０００ＭＨｚの周波数ｆについて図１０に示される。７ｄＢの反射減衰量において結果として生じる帯域幅は、およそ９０ＭＨｚ、即ち４．３％である。前記帯域幅がマッチングを用いて改善されることができるが、マッチング回路を含む必要を避けることができることは有用であり、前記帯域幅は、例えば、ブルートゥースの実施例に対して既に十分以上である。
【００２４】
同じ周波数範囲にわたる本実施例のシミュレートされたインピーダンスを図示するスミスチャートは図１１において示される。これは、また、図９の構成は、より高い抵抗を有 し、より高い共振周波数で共振（ゼロ・リアクタンス）が２回達成されるという有用な性質を持つことを示す。受信帯域が周波数デュプレックスシステムにおいて通常、より高い周波数にあるので、このことは特に有益である。
【００２５】
好ましい送受信部・アーキテクチャとは、（一般に低いインピーダンスである）送信器と前記アンテナとの間では低いインピーダンス経路、及び前記アンテナと（一般に高いインピーダンスである）受信器との間では高いインピーダンス経路を維持することである。しかし、設計の単純化のために、要求に応じて前記送信器及び受信器における追加マッチング回路を用いて５０Ωシステムインピーダンスを使用することが従来型である。このマッチング回路は損失が多く、また、前記送信器及び受信器の両方において見られる帯域幅を減少する。従って、マッチングの必要性の除去は、本発明の重大な利点である。
【００２６】
本発明のデュアルバンドの実施例が図１２における平面図において示される。本実施例において、極板５０６及び溝９１２は、ハンドセット５０２の裏面の中央上部に移動されていて、他の溝１２１４が追加されている。他の溝１２１４は第１溝９１２より長く、全長およそ７３ｍｍ及び幅１ｍｍを持ち、並びにこれが占める面積を減少するために折り曲げられる。
【００２７】
マッチング回路のない、本実施例の反射減衰量Ｓ１１は、ＨＦＳＳを使用してシミュレートされ、その結果は８００ないし３０００ＭＨｚの周波数ｆについて図１３において示される。この設計がデュアル、トライ又はマルチバンド動作を可能にすることは、明らかにわかる。溝９１２、１２１４は、λ／４の奇数倍において共振を起こし、従って、個々の又は組み合わされた共振を与えるために配置されることができる。（およそ１ＧＨｚにおける）第１共振は、長い方の溝１２１４のλ／４波長共振である。（およそ１．８ＧＨｚにおける）第２共振は、短い方の溝９１２のλ／４波長共振である。（およそ２．８ＧＨｚにおける）第３共振は、長い方の溝１２１４の３λ／４波長共振である。例えば、幾らかの修正を用いて、この構成がＧＳＭ、ＤＣＳ１８００及びブルートゥースに対して使用されることができることは明らかである。
【００２８】
７ｄＢの反射減衰量において３つの前記共振に対する結果として生じる帯域幅は、およそ１５ＭＨｚ（１．５％）、１１０ＭＨｚ（５．９％）及び１１０ＭＨｚ（３．９％）である。前記１ＧＨｚの共振の帯域幅は小さいが、しかし他の帯域幅は良い。同じ周波数範囲にわたる本実施例のシミュレートされたインピーダンスを図示するスミスチャートは、図１４に示される。前記スミスチャートにおけるインピーダンスの急速な変化は、前記第１共振の狭帯域性質を反映している。
【００２９】
各溝９１２、１２１４の自己共振は、給電キャパシタ５０４の下の位置によって独立に変動可能である。即ち、溝９１２、１２１４が極板５０６の下側に進む方向に移動するにつれて、このいわゆる分路インダクタンスの影響は増加する。また、各溝９１２、１２１４は、開放端において高インピーダンスであり、短絡端において低インピーダンスである。従って、抵抗は前記溝に沿った様々な点で取得（ｔａｐｐｉｎｇ ｏｆｆ）することにより変化し得る。前記キャパシタは、また、ある程度は、このようなタッピングが実行されることを可能にするように、非対称にされることができる。
【００３０】
本発明の実施例は、また、マッチング回路と共に使用されてもよい。例として、図５の前記基本的な実施例に対して使用されたものと同様の単純なＬマッチング回路と共に図１２において図示されたデュアル溝構成のシミュレーションが実行された。反射減衰量Ｓ１１の結果は、８００ないし３０００ＭＨｚの周波数ｆについて図１５に示される。非常に広い帯域幅が達成されている（３ｄＢで生じる帯域幅がおよそ１．４ＧＨｚ）ことが見られることができる。これは、さらに、より複雑なマッチング回路を用いて高められることができる。同じ周波数範囲にわたる本実施例のシミュレートされたインピーダンスを図示するスミスチャートは図１６において示される。
【００３１】
上記実施例において、導体のハンドセットケースは前記放射素子である。しかし、無線端末において他の接地導体が、同様な機能を果たすことができる。例は、ＥＭＣシールディング及びプリント回路基板（ＰＣＢ）金属配線形成の領域で使用される導体、例えばグランドプレーンを含む。
【００３２】
本開示を読むことにより、他の変形例が当業者に明らかになるだろう。このような修正は、設計、製造並びに無線端末及びその構成部分の使用において既に知られていて、この中で既に記述された特徴の代わりに又は追加して使用され得る他の特徴を伴ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】アンテナ及び無線端末の組み合わせを表す、非対称ダイポールアンテナのモデルを示す。
【図２】非対称ダイポールのインピーダンスの構成要素の分離可能性を説明するグラフである。
【図３】ハンドセット及びアンテナの組み合わせと同等な回路である。
【図４】容量バックカップリングされたハンドセットと同等な回路である。
【図５】基本的な容量バックカップリングされたハンドセットの斜視図である。
【図６】図５の前記ハンドセットについてシミュレートされたＭＨｚ単位の周波数ｆに対するｄＢ単位の反射減衰量Ｓ１１のグラフである。
【図７】１０００ないし２８００ＭＨｚの周波数範囲にわたる図５の前記ハンドセットのシミュレートされたインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図８】図５の前記ハンドセットのシミュレートされた抵抗を示すグラフである。
【図９】単一溝自己共振容量バックカップリングされたハンドセットの平面図である。
【図１０】図９の前記ハンドセットについてシミュレートされたＭＨｚ単位の周波数ｆに対するｄＢ単位の反射減衰量Ｓ１１のグラフである。
【図１１】８００ないし３０００ＭＨｚの周波数範囲にわたる図９の前記ハンドセットのシミュレートされたインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図１２】二重溝自己共振容量バックカップリングされたハンドセットの平面図である。
【図１３】図１２の前記ハンドセットについてシミュレートされたＭＨｚ単位の周波数ｆに対するｄＢ単位の反射減衰量Ｓ１１のグラフである。
【図１４】８００ないし３０００ＭＨｚの周波数範囲にわたる図１２の前記ハンドセットのシミュレートされたインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図１５】マッチングネットワークを経て給電される図１２の前記ハンドセットについてシミュレートされたＭＨｚ単位の周波数ｆに対するｄＢ単位の反射減衰量Ｓ１１のグラフである。
【図１６】８００ないし３０００ＭＨｚの周波数範囲にわたる、マッチングネットワークを経て給電される図１２の前記ハンドセットのシミュレートされたインピーダンスを示すスミスチャートである。

Claims (9)

1. 無線信号給電線と信号伝達手段とを有する送受信部を具える無線端末において、
   前記信号伝達手段が、
   接地導体と、
   前記無線信号給電線を直接的に前記接地導体につなげ、前記接地導体の上に位置するとともに前記接地導体から絶縁した導体板及び前記接地導体の下に位置する前記接地導体の一部からなる、非放射性キャパシタと、
   前記接地導体に設けられ、部分的に前記導体板の下に延在する細長いマッチング溝とを具えることを特徴とする無線端末。
2. 前記マッチング溝が前記端末の長軸方向に平行であることを特徴とする請求項１に記載の端末。
3. 前記マッチング溝が折り曲げられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の端末。
4. 前記マッチング溝の長さを、４分の１波長の奇数倍において共振を起こすような長さとしたことを特徴とする請求項１ないし３の何れか一項に記載の端末。
5. 部分的に前記導体板の下に位置する他のマッチング溝が、さらに前記接地導体において設けられることを特徴とする請求項１ないし４の何れか一項に記載の端末。
6. 前記導体板が前記接地導体の長軸方向について非対称であることを特徴とする請求項１ないし５の何れか一項に記載の端末。
7. 前記接地導体がハンドセットケースであることを特徴とする請求項１ないし６の何れか一項に記載の端末。
8. 前記接地導体がプリント回路基板グランドプレーンであることを特徴とする請求項１ないし６の何れか一項に記載の端末。
9. マッチング回路が前記送受信部と前記無線信号給電線との間に設けられることを特徴とする請求項１ないし８の何れか一項に記載の端末。

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