JP2003332934A

JP2003332934A - 最適化アンテナ装置

Info

Publication number: JP2003332934A
Application number: JP2002133883A
Authority: JP
Inventors: Kazusuke Yanagisawa; 和介柳沢
Original assignee: Yokowo Co Ltd; Yokowo Mfg Co Ltd
Current assignee: Yokowo Co Ltd
Priority date: 2002-05-09
Filing date: 2002-05-09
Publication date: 2003-11-21

Abstract

(57)【要約】【課題】とくに携帯機器のアンテナで、アンテナが人
に触れたり、移動しながら使用することにより、アンテ
ナの共振周波数などが変動してもその感度に影響を受け
ないように、また、アンテナが小型化されることにより
帯域幅が狭くなっても、所望の帯域内で、支障なく送受
信することができるように、その都度感度を最適化し得
る最適化アンテナ装置を提供する。【解決手段】アンテナ素子１に、その共振周波数を可
変し得る共振周波数調整手段（マッチング調整手段）２
が接続されると共に、アンテナ素子１により送信および
／または受信する信号の強度を検出する信号強度検出手
段３（３ａ、３ｂ）が設けられ、その信号強度検出手段
３により検出する信号強度が最適になるように共振周波
数調整手段２を制御する制御手段４を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、とくに携帯電話機
など、無線通信機の携帯型端末に用いられるアンテナ装
置で、共振周波数などを最適化することにより送受信の
感度を向上させることができる最適化アンテナ装置に関
する。さらに詳しくは、アンテナに人の手が触れて共振
周波数などが変っても、アンテナ素子のインピーダンス
（共振周波数）が常に最適な状態に調整され、常に良好
な感度で送受信し得る最適化アンテナ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の携帯電話機などのアンテナは、筐
体の上端部に設けられ、通話中には感度を上げるため、
アンテナを引き出して長くする構造のものが一般的に用
いられている。また、最近では、携帯電話機などの端末
機の小型化に伴って、アンテナ自身も非常に小型化し、
携帯電話機などの筐体から僅かに突出した固定のアンテ
ナや、筐体自体をアンテナとしたもの、さらにはセラミ
ック基板にアンテナエレメントを形成した非常に小型の
アンテナを端末機の筐体内に収納するものなど、端末機
などに内蔵する構造のものも増えている。このような携
帯電話機などのアンテナは、アンテナを伸ばした状態で
も１０ｃｍ程度であり、人間が手で携帯電話機などを保
持して耳にあてがいながら、しかも場合によっては歩き
ながら使用するため、使用中にアンテナに人間の頭や手
が触れたり近づきやすい。そのため、アンテナの共振周
波数が変化したり、電波を送受する基地局に対して、ア
ンテナの位置が人間の頭や顔の影になったりし、送受信
感度が低下し、しかもその状況が不規則に変化するた
め、受信感度がばらつき易い。

【０００３】すなわち、図５に一般的なアンテナの周波
数特性が示されるように、アンテナの共振周波数ｆ₀で
はＶＳＷＲが最も小さく（ロスが小さくゲインは大き
い）、共振周波数からずれるとロスが大きくなる。一
方、アンテナに手などが触れると、図５に破線で示され
るように、共振周波数が低い方にずれてｆ₁になる。そ
の結果、本来送受信しようとする周波数ｆ₀では、ＶＳ
ＷＲが大きくなり、損失ΔＬが大きくなってゲインが低
下する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、携帯機
器を使用中にアンテナに手が触れたり、電波のやり取り
をする基地局とアンテナとの間に人間の頭や顔が介在す
ると、共振周波数がずれて感度が低下する。そのため、
携帯電話機などで話しながら動いたりすると、送受信の
感度が変動して、相手の話を聞き取りにくくなったり、
音声が途切れたりするという問題がある。とくに携帯電
話機などの端末機の小型化に伴い、アンテナとしての地
板が小さくなり、アンテナの放射特性が低下し、帯域の
端の方ではとくにその影響を受けやすい。従来は、その
分の損失を見込んで送信電力を上げており、電池の消耗
にもつながる。このような観点から、人間がアンテナに
手を触れても送受信感度が変化しないようなアンテナが
望まれている。

【０００５】さらに、近年の携帯端末機の小型化に伴
い、端末機に搭載されるアンテナも非常に小型化が要求
されている。しかし、アンテナを小型化すると、帯域幅
が狭くなるのを避けることができないという問題を有し
ている。一方において、携帯電話機など端末機の急増に
伴い、チャネル数も増加し、帯域幅の全体を使用せざる
を得ない。そのため、帯域幅の端の方では、感度が低下
する傾向にあるにも拘わらず、さらなるアンテナの小型
化が要求されるため、アンテナの帯域幅が狭くても、従
来の広い周波数帯域で感度良く送受信することができる
アンテナが望まれている。

【０００６】本発明は、このような状況に鑑みてなされ
たもので、とくに携帯機器のアンテナで、アンテナが人
に触れたり、移動しながら使用することにより、アンテ
ナの共振周波数（インピーダンス）などが変動してもそ
の感度に影響を受けないように、その都度感度を最適化
させることができる最適化アンテナ装置を提供すること
を目的とする。

【０００７】本発明の他の目的は、アンテナを小型化す
ることにより、帯域幅が狭くなっても、所望の帯域内
で、支障なく送受信することができるように所望の周波
数帯域で感度を最適化し得る最適化アンテナ装置を提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による最適化アン
テナ装置は、アンテナ素子と、該アンテナ素子に接続さ
れ、該アンテナ素子の共振周波数を可変し得る共振周波
数調整手段と、前記アンテナ素子により送信および／ま
たは受信する信号の強度を検出する信号強度検出手段
と、該信号強度検出手段により検出する信号強度が最適
になるように前記共振周波数調整手段を制御する制御手
段とを有している。

【０００９】なお、本発明では、従来アンテナと呼ばれ
ているものをアンテナ素子とし、従来のアンテナ（アン
テナ素子）に本発明による最適化手段が付加されたもの
をアンテナ装置としている。また、このアンテナ素子
は、送信もしくは受信専用のもののほか、送受信兼用の
ものを含み、送受信兼用のものも、送受信が同一周波数
の場合は送受信の最適化が図られる必要はなく、いずれ
か一方の最適化が図られておればよい。また、「信号強
度が最適になる」とは、受信信号強度や送信信号出力を
直接的に検出する送信信号強度の場合は、その強度を大
きくすることを意味し、送信信号強度をアンテナ素子に
より反射した反射電力により検出する場合は、その強度
を小さくすることを意味する。

【００１０】この構成にすることにより、人間がアンテ
ナに触れようと触れまいと、また、アンテナの共振周波
数に影響するものが近づいても、または離れても、その
都度常に送受信する信号強度が最大になるように、すな
わちアンテナの共振周波数が最適になるように周波数調
整手段により調整されるため、常に最良の感度で送受信
をすることができる。その結果、無線機器のアンテナ感
度を必要以上に上げる必要がなく、また、携帯機器端
末、ひいてはその端末に搭載されるアンテナが小型化さ
れて帯域幅が狭くなっても、所望の帯域幅における周波
数の全体、すなわち帯域幅の端の方の周波数に対して
も、周波数調整手段により最高のゲインになるように調
整されるため、何の支障もなく、小型化を達成すること
ができる。

【００１１】前記制御手段は、前記信号強度検出手段に
より検出した信号強度と、前記周波数調整手段に印加す
る制御電圧を一方向へずらせたときの前記信号強度検出
手段により検出した信号強度とを比較し、該制御電圧を
ずらせたことにより前記信号強度検出手段により検出さ
れる信号強度が最適強度の方向に変化するときは、さら
に制御電圧を同じ方向にずらせ、前記信号強度検出手段
により検出される信号強度が最適強度から離れる方向に
変化するときは、前記制御電圧を逆方向にずらすことを
繰り返すループが形成されていることにより、前記信号
強度検出手段により検出される信号強度を最適化するよ
うに形成される。

【００１２】前記共振周波数調整手段は、前記アンテナ
素子に直列、並列、または直並列に接続された可変リア
クタンスにより構成することができる。可変リアクタン
スの中でも、バラクタダイオードを使用すれば、安価
で、簡単に共振周波数を調整しやすい。

【００１３】前記信号強度検出手段が、前記アンテナ素
子に接続して設けられる送受信回路における受信信号の
一部を分岐する分岐回路であれば、簡単な構成で受信信
号の強度を簡単に検出することができる。また、前記ア
ンテナ素子の近傍に送信電力検出器が設けられれば、簡
単な構成で送信信号の強度を検出する前記信号強度検出
手段を構成することができる。この場合、アンテナ素子
から放射される信号を直接検出し得る場所に設けられな
い場合は、アンテナ素子に送信信号を送る伝送線路で、
アンテナ素子からの反射電力を検出することにより、確
実にアンテナ素子でのマッチング状態を検出することが
できる。この場合、反射電力が小さい方がアンテナ素子
のマッチングがとれていることになるので、前述の制御
手段による制御は、この検出電力が小さくなるように制
御することになる。

【００１４】

【発明の実施の形態】つぎに、図面を参照しながら本発
明の最適化アンテナ装置について説明をする。本発明に
よる最適化アンテナ装置は、図１にその一実施形態のブ
ロック図が示されるように、アンテナ素子１に、その共
振周波数（インピーダンス）を可変し得る共振周波数調
整手段（マッチング調整手段）２が接続されると共に、
アンテナ素子１により送信および／または受信する信号
の強度を検出する信号強度検出手段３（３ａ、３ｂ）が
設けられ、その信号強度検出手段３により検出する信号
強度が最適になるように共振周波数調整手段２を制御す
る制御手段４を有している。

【００１５】アンテナ素子１としては、とくに限定され
ず、たとえばホイップ型、筐体などに固定した固定型、
筐体の壁面と兼用したり、セラミックアンテナなどによ
り筐体内に内蔵する構造のものなど、種々の従来のアン
テナを用いることができる。

【００１６】共振周波数調整手段２は、たとえばバラク
タダイオードなどの可変リアクタンス素子またはフェラ
イト移相器などの可変位相素子を用いることができる。
バラクタダイオード２１を共振周波数調整手段として用
いた例が図２（ａ）および（ｂ）に示されているよう
に、アンテナ素子１の一端部に、並列（図２（ａ））ま
たは直列（図２（ｂ））に接続される。このバラクタダ
イオード２１の一端側には、電圧を印加し得る端子２２
が形成されており、制御手段４からの制御信号に応じ
て、電圧を可変して印加し得るように構成されている。
バラクタダイオード（可変容量ダイオード）２１は、ｐ
ｎ接合ダイオードの両端に逆方向電圧を印加すると、接
合近傍のキャリア（正孔、電子）が、それぞれの電極に
引っ張られて空乏層が形成され、ダイオードが一種の平
板型コンデンサと見なされるもので、印加電圧により空
乏層の厚さが変化するため、印加電圧によりアンテナ素
子に接続された容量が変化し、共振周波数を変化させる
ことができる。すなわち、アンテナ素子１などのインダ
クタンスＬとバラクタダイオード２１などの容量Ｃとの
間に共振周波数ｆは、ｆ＝１／（２π（ＬＣ）^1/2）Ｈ
ｚの関係があり、バラクタダイオード２１の容量を変化
させることにより、共振周波数を調整することができ
る。このバラクタダイオード２１による周波数変化は、
たとえば８００ＭＨｚ程度の信号周波数に対して、±１
００ＭＨｚ程度変化させることができる。なお、図２に
おいてＲは抵抗、Ｃはキャパシタをそれぞれ示す。

【００１７】図２に示される例は、バラクタダイオード
の両端に印加する電圧を可変させることにより、その容
量を変化させて共振周波数を変えたが、たとえばフェラ
イトを用いて、フェライトの励磁導線に流す電流を変化
させ、フェライトの透磁率を制御することにより、バラ
クタダイオードと同様の働きをさせることができる。

【００１８】受信信号強度検出手段３ａは、たとえば図
３に受信機の一部のブロック図が示されるように、受信
回路の一部に挿入した分岐回路３ａにより構成すること
ができる。すなわち、アンテナ素子により受信した受信
信号は、図１に示される切替スイッチ５により受信回路
の入力端子５ａを介して受信回路に送られ、ローノイズ
アンプ６１、メインアンプ６２を経て混合器（ミクサ
Ｍ）６４で、ローカル発振器６３の信号と共に混合さ
れ、中間周波信号ＩＦが生成され、ＩＦアンプ６５によ
り増幅されて信号処理回路に送られるが、そのＩＦアン
プ６５により増幅されたところで分岐回路３ａによりそ
の一部を分岐して取り出すことにより受信信号強度を知
ることができる。このように、中間周波信号にした状態
で分岐させることにより、低周波の信号になるため、信
号強度の比較をする処理を通常の低周波で行うことがで
き、処理しやすい。

【００１９】送信信号強度検出手段３ｂは、たとえばア
ンテナ素子の近傍に電力検出器を設け、アンテナ素子１
から放射される送信信号の一部を検波することもできる
が、適当な取り付け場所のない場合には、図１に示され
る送信機７からアンテナ素子１に接続するまでの間、た
とえば送信機７と切替スイッチ５との間にアンテナ素子
からの反射電力を分岐させる分岐回路を設け、アンテナ
素子１による反射電力を送信信号の強度検出手段とする
ことができる。この場合、アンテナ素子１のマッチング
が取れておれば反射電力は小さく、人間の手などが触れ
て共振周波数が変化すると反射電力が大きくなるため、
同様に送信信号とアンテナ素子とのマッチング状態を検
出することができる。なお、この送信電力の検出は、送
信電力が大きいので、直接検波方式で行うことができ
る。

【００２０】制御手段４は、信号強度検出手段３により
検出した信号強度が、最適であるか、すなわち受信機に
送られる受信信号、または送信信号の一部を直接検波す
ることにより検出した送信信号の場合は、その信号強度
が最大になるように、アンテナ素子１による反射により
送信信号強度を検出する場合は、その反射電力が最小に
なるように、共振周波数調整手段２を制御するもので、
マイクロコンピュータにより制御することができる。

【００２１】すなわち、たとえば図４にそのフローチャ
ートの一例が示されるようなループを構成することによ
り、アンテナの最適化を図ることができる。まず、たと
えば受信信号強度の最適化を図る場合、現在の受信信号
強度Ａを記憶する（Ｓ４１）。つぎに、共振周波数調整
手段２への制御信号を一定方向に僅かにずらす。たとえ
ば図２（ａ）に示されるバラクタダイオード２１への印
加電圧を若干高くする信号を送る（Ｓ４２）。そうする
と、バラクタダイオード２１の空乏層が大きくなり、容
量が小さくなるため、アンテナ素子１の共振周波数が高
い方にずれる。この状態で、前述と同様に受信信号強度
Ｂを検出する（Ｓ４３）。そして、受信信号強度ＡとＢ
とを比較し、受信信号強度ＡがＢより大きいか否かを判
定する（Ｓ４４）。受信信号強度ＡがＢより大きくない
場合（Ｎｏ）、Ｓ４１に戻り、同じステップを繰り返
す。

【００２２】受信信号強度ＡがＢより大きい場合（Ｙｅ
ｓ）、現在の信号強度Ｃを記憶し（Ｓ４５）、共振周波
数調整手段２への制御信号を前回とは逆の低くする方向
に変化させる（Ｓ４６）。そして、そのときの受信信号
強度Ｄを検出し（Ｓ４７）、前述の受信信号強度Ｃが調
整後の受信信号強度Ｄより大きいかを調べる（Ｓ４
８）。ＣがＤより大きくない場合（Ｎｏ）ステップＳ４
５に戻り、同じ工程を繰り返す。ＣがＤより大きい場合
（Ｙｅｓ）、ステップＳ４１に戻り同じ工程を繰り返
す。その結果、制御信号が収斂して、受信信号が最大、
すなわちアンテナ素子の共振周波数が所望の受信信号周
波数に一致した状態に調整される。

【００２３】図４に示される例は、受信信号強度を最大
にする例であったが、送信信号強度を最適にする場合も
同様に制御信号を出すことにより最適化することができ
る。この場合、前述のように、送信信号強度をアンテナ
素子の反射電力により検出する場合には、反射電力が小
さいほどアンテナ素子のマッチングがとれたことになる
ので、ＡとＢおよびＣとＤの大小関係が逆になるが、そ
の他は同様である。

【００２４】この送信信号強度の調整と、受信信号強度
の調整は、それぞれ別個に行うことができる。すなわ
ち、図１に模式的に切替スイッチ５により送信機７と受
信機６とを切り替える図で示してあるように、たとえば
送信と受信は時分割により時間ごとに切り替えて行う
（ＴＤＭＡ）ため、送信の際には送信信号強度が最大に
なるように調整し、受信の際には受信信号強度が最大に
なるように調整することにより、それぞれの信号を最適
化することができる。もちろん、アンテナ素子が、送信
専用または受信専用である場合は、それぞれの信号が常
に前述のループで最適化される。また、送受両用のアン
テナ素子の場合に、必ずしも送信信号および受信信号の
両方を常に最適化しないで、いずれか一方のみを最適化
しても非常に効果は大きい。

【００２５】本発明によるアンテナ装置の構成によれ
ば、アンテナ素子に共振周波数調整（マッチング調整）
手段が設けられ、制御手段により常に送信信号強度およ
び／または受信信号強度を最適化しているため、携帯電
話機などで、使用中に人間の手がアンテナ素子に触れた
り、アンテナ素子が頭に触って、アンテナ素子の共振周
波数がずれても、その影響をキャンセルして常に送受信
する信号の周波数で共振させることができる。その結
果、常に最適な状態でアンテナ素子を作動させることが
できるため、必要以上に送受信感度を高くする必要がな
く、また、使用状態により話中の会話が途切れたり、聞
き難くなるというような不都合が生じない。

【００２６】さらに、アンテナを小型化すると帯域が狭
くなり、近年の携帯機器のさらなる小型化に伴って、ア
ンテナも小型化が要求されるが、本発明によれば、アン
テナの帯域が少々狭くても、常に必要な周波数に共振さ
せることができるため、何ら支障がなく、アンテナひい
ては携帯機器のさらなる小型化を図ることができる。す
なわち、携帯電話機など携帯機器のアンテナにおいて必
要とされる帯域幅は、機器により異なるが、せいぜい５
０〜１００ＭＨｚ程度であるのに、前述の最適化による
調整では、バラクタダイオードを使用して±１００ＭＨ
ｚ程度を調整することができ、極端な言い方をすれば、
アンテナ素子の帯域が殆どなくても、常に送受信する信
号の周波数に共振させて使用することができる。その結
果、さらなるアンテナの小型化を達成することができ
る。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、アンテナに人間の手な
どが触れてその共振周波数が変化しても、常にその状態
で送受信信号の周波数に共振するように自動的に調整さ
れるため、携帯電話機などで話中に話が途切れたり感度
が変化することがないと共に、基地局などから遠いとこ
ろでも非常に高感度に送受信することができる。あるい
は、遠い距離での送受信の必要がなければ、送信電力ま
たは受信感度を落すことができ、携帯機器の電池の消耗
を抑制することができる。

【００２８】さらに、アンテナの所望帯域幅における端
部側の周波数においても、送受信の強度が低下すること
がなく、非常に高性能なアンテナとして機能すると共
に、帯域幅が所望の帯域幅より狭くても充分に所望の帯
域幅をカバーできるため、アンテナの小型化、ひいては
携帯電話機など無線通信機の端末機器の小型化を図るこ
とができるという大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による最適化アンテナ装置の一実施形態
の構成説明図である。

【図２】図１に示される共振周波数調整手段の一例を示
す回路図である。

【図３】図１に示される受信信号強度を検出する手段の
一例を示すための受信回路の一部の回路図である。

【図４】図１に示される制御手段の一例を示すフローチ
ャートである。

【図５】アンテナの共振周波数がずれたときの損失を説
明するための、周波数に対するＶＳＷＲの変化例を示す
図である。

【符号の説明】

１アンテナ素子２共振周波数調整手段３ａ受信信号強度検出手段３ｂ送信信号強度検出手段４制御手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アンテナ素子と、該アンテナ素子に接続
され、該アンテナ素子の共振周波数を可変し得る共振周
波数調整手段と、前記アンテナ素子により送信および／
または受信する信号の強度を検出する信号強度検出手段
と、該信号強度検出手段により検出する信号強度が最適
になるように前記共振周波数調整手段を制御する制御手
段とを有する最適化アンテナ装置。
【請求項２】前記制御手段は、前記信号強度検出手段
により検出した信号強度と、前記周波数調整手段に印加
する制御電圧を一方向へずらせたときの前記信号強度検
出手段により検出した信号強度とを比較し、該制御電圧
をずらせたことにより前記信号強度検出手段により検出
される信号強度が最適強度の方向に変化するときは、さ
らに制御電圧を同じ方向にずらせ、前記信号強度検出手
段により検出される信号強度が最適強度から離れる方向
に変化するときは、前記制御電圧を逆方向にずらすこと
を繰り返すループが形成されていることにより、前記信
号強度検出手段により検出される信号強度を最適化する
請求項１記載の最適化アンテナ装置。
【請求項３】前記共振周波数調整手段が、前記アンテ
ナ素子に直列、並列、または直並列に接続された可変リ
アクタンスである請求項１または２記載の最適化アンテ
ナ装置。
【請求項４】前記信号強度検出手段が、前記アンテナ
素子に接続して設けられる送受信回路における受信信号
の一部を分岐する分岐回路からなる請求項１ないし３の
いずれか１項記載の最適化アンテナ装置。
【請求項５】前記信号強度検出手段が、前記アンテナ
素子の近傍に設けられる送信電力検出器からなる請求項
１ないし４のいずれか１項記載の最適化アンテナ装置。