JP2013017008A - 無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のアンテナを備える無線通信装置として、その小型化やデザインの自由度が妨げられないようにしたうえで、アンテナ間の相関係数を十分に小さくする。
【解決手段】携帯電話装置の筐体内の基板に対して、ＭＩＭＯ対応の２本のアンテナとしてメインアンテナとサブアンテナを設ける。サブアンテナは基板に溝部を形成したスロット型として構成し、メインアンテナは、サブアンテナのスロット型に対して自己補対関係となるように逆Ｌ型で構成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、無線により通信を行う無線通信装置に関する。

携帯無線端末の無線通信規格として、第３世代移動体通信システムの国際標準化団体である３ＧＰＰ（3rd Generation Partnership Project）により規格化されたＬＴＥ（Long Term Evolution）が実用化されている状況にある。

ＬＴＥの規格では、無線通信技術としてＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）が採用される。ＭＩＭＯでは、送信機と受信機がそれぞれ複数の送信アンテナと受信アンテナを備える。送信機は、送信データを複数の信号（ストリーム）に分割し、これらの信号を、それぞれ、異なる送信アンテナから同時に送信する。受信機では、複数の受信アンテナにより受信された信号を分離して復元する。これにより、データレート（周波数利用効率）を高速化させることが可能となる。具体的に、送受信に使用するアンテナが１本の場合との比較として、送受信に使用するアンテナ数が２本であればデータレートは２倍となり、３本であればデータレートは３倍となる。

このため、ＬＴＥに対応する無線通信装置は、ＭＩＭＯによる通信を行うために複数のアンテナを備える必要がある。そして、ＭＩＭＯでは、複数のアンテナ間の相関係数が通信品質に影響を与えるので、相関係数についてはできるだけ小さいことが要求される。相関係数はアンテナ間の距離と関係するので、アンテナ間の距離をできるだけ離すことで相関係数を小さくできる。

その一方で、例えば携帯電話において顕著なように、無線通信装置は、小型化が推し進められている状況にある。このために、無線通信装置では、内蔵の複数のアンテナ間の距離を一定以上確保して相関関数を十分に低くすることが難しい。

そこで、ＭＩＭＯに対応する無線通信装置として以下の構成が知られている。すなわち、第１の導体部（二つ折り携帯電話の上側筺体の地板）と接地導体部（二つ折り携帯電話の下側筺体の地板）で構成される筐体アンテナを備える。また、二つ折り携帯電話の上側筺体において、上記第１の導体部と第２の導体部と３つの短絡導体部で構成される枡型の１／２波長スロットアンテナを備えるというものである（例えば特許文献１参照）。この構造により、上記筐体アンテナと１／２波長スロットアンテナの放射指向性を異ならせ、アンテナ間の相互結合を小さくしようというものである。

国際公開第２００９／０４４５４１号

しかし、上記特許文献１に記載の構造では、例えば二つ折り型の携帯電話における上側筺体と下側筐体の地板を用いて筐体アンテナを形成しているために、二つ折り型の携帯電話にしか適用することができない。現状の携帯電話には、二つ折り型だけではなく、タブレット型や、表示パネル部が本体に対してスライドするスライド型など、多様なデザインが採用されているが、上記の構造では、二つ折り型以外に適用することができない。

また、特許文献１における筐体アンテナは、上側筐体と下側筐体において、例えば９０ｍｍ×４５ｍｍの導体部を設ける必要がある。また、１／２波長スロットアンテナも、上側筐体の導体部を共有する枡型として形成される。つまり、これらのアンテナは比較的大型である。このため、無線通信装置の小型化を妨げる場合があると考えられる。

そこでこの発明は、複数のアンテナを備える無線通信装置として、その小型化やデザインの自由度を妨げないようにしたうえで、アンテナ間の相関係数を十分に小さくすることを目的とする。

本発明は、上述の課題を解決すべくなされたもので、本発明の一態様による無線通信装置は、筐体内の所定の導体部分において溝部として形成されるスロット型の第１アンテナと、前記第１のアンテナに対して自己補対関係となる所定形状に形成された第２のアンテナとを備える。

本発明によれば、複数のアンテナを備える無線通信装置として、その小型化やデザインの自由度を妨げないようにしたうえで、アンテナ間の相関係数を十分に小さくすることが可能になるという効果が得られる。

本発明の実施形態における携帯電話装置の外観例と、アンテナの配置態様例を示す図である。 本実施形態における携帯電話装置の構成例を示す図である。 本実施形態におけるメインアンテナとサブアンテナの構造例を示す図である。 本実施形態におけるメインアンテナのインピーダンス特性を示す図である。 メインアンテナとサブアンテナをともに逆Ｌ型としたアンテナ構成の例を示す図である。 本実施形態のアンテナ構成と図５のアンテナ構成の各相関係数を比較して示す図である。 図５のアンテナ構成におけるメインアンテナとサブアンテナの放射パタンを示す図である。 本実施形態におけるメインアンテナとサブアンテナの放射パタンを示す図である。

図１（ａ）の斜視図は、本発明を実施するための形態（実施形態）としての無線通信装置である携帯電話１００の外観例を示している。この図に示される携帯電話１００は、いわゆるスマートフォンと称されるもので、その前面パネルにはタッチパネル１０１が配置される。タッチパネル１０１は、画像の表示と、表示画像に対する操作が行われる部位であり、例えば液晶ディスプレイパネルなどの表示デバイスと、操作が行われた位置検出を行う位置入力デバイスが組み合わされて成る。また、この携帯電話１００の前面パネルにおいて、タッチパネル１０１の下側に、所定機能が割り当てられたボタン１０２ａ、１０２ｂおよび１０２ｃが配置される。

本実施形態の携帯電話１００は例えばＬＴＥに対応する無線通信機器とされ、これに応じて、ＭＩＭＯに対応して複数のアンテナを備える。ここでは、携帯電話１００は、２本のアンテナを内蔵するものとする。

図１（ｂ）は、上記図１（ａ）に示した携帯電話１００の筐体内において、ＭＩＭＯに対応して設けられるアンテナの配置態様例を示している。この図においては、携帯電話１００の筐体内に設けられる基板１１０が示されている。ここでの詳細な図示は省略しているが、基板１１０には、各種の部品が実装されている。

そのうえで、本実施形態では、ＭＩＭＯに対応する２本のアンテナとして、メインアンテナ１２０（第１のアンテナ）とサブアンテナ１３０（第２のアンテナ）が備えられる。これらのメインアンテナ１２０とサブアンテナ１３０は、図示するように、基板１１０に対して取り付けられる。

本実施形態の携帯電話１００は、受信についてのみＭＩＭＯに対応する通信を行い、送信についてはＭＩＭＯによる通信を行わないものとする。メインアンテナ１２０は、受信時においてＭＩＭＯに応じた２本の受信アンテナのうちの１本として使用されるとともに、送信時においては送信用アンテナとして使用される。サブアンテナ１３０は、受信時においてＭＩＭＯに応じた２本の受信アンテナのうちの１本として機能するもので、送信時においては使用されない。

この図に示すメインアンテナ１２０は逆Ｌ型としての構造を有し、基板１１０の下側に配置される。すなわち、メインアンテナ１２０は、携帯電話１００の筐体内においてその下側に配置される。一方、サブアンテナ１３０は、スロットアンテナとしての構造を有し、基板１１０の上側に配置される。すなわち、サブアンテナ１３０は、携帯電話１００の筐体内においてその上側に配置される。

なお、図１（ｂ）に示すメインアンテナ１２０とサブアンテナ１３０の配置態様例は一例であり、他の配置態様とされてもよい。ただし、基板１１０は、携帯電話１００の筐体の形状に応じて、上下方向が長手方向となっている。そこで、上側と下側とにそれぞれサブアンテナ１３０とメインアンテナ１２０を配置することで、携帯電話１００の筐体内においてほぼ最大の距離を確保することが可能になる。本実施形態では、後述するようにメインアンテナ１２０とサブアンテナ１３０の構造関係により相関係数を低減させるものであるが、前提として、両者の距離が大きいほど相関係数を小さくするには有利である。また、メインアンテナ１２０を下側に配置することで、送信用アンテナが人体頭部から離れることになるためにＳＡＲ（Specific Absorption Rate）対策の点で有利となる。

図２は、携帯電話１００において主として通信に対応する部位の構成例を示している。この図に示す携帯電話１００は、メインアンテナ１２０、サブアンテナ１３０、受信部１４０、送信部１５０、コントローラ１６０、表示部１７０および操作部１８０を備える。

メインアンテナ１２０は、図１（ｂ）にて説明したように、送信用アンテナおよびＭＩＭＯに対応した受信用アンテナの１つとして機能するアンテナである。サブアンテナ１３０は、上記メインアンテナ１２０とともに、ＭＩＭＯに対応した受信用アンテナの１つとして機能するアンテナである。

受信部１４０は、ＭＩＭＯに対応した受信信号処理を実行する。つまり、ＭＩＭＯでは、送信側において、それぞれ異なる信号列（ストリーム）が複数の送信用アンテナから同時に送信される。このように送信された信号の電波は、携帯電話１００のメインアンテナ１２０とサブアンテナ１３０にて受信される。受信部１４０は、受信された信号を入力して、送信アンテナから送信された電波の経路別のひずみを演算処理して、元の信号を復元する。

送信部１５０は、コントローラ１６０から受け渡された送信データについて変調、増幅などを行って送信信号を生成し、メインアンテナ１２０から電波として送出させる。

コントローラ１６０は、受信部１４０および送信部１５０の各動作を制御する。また、表示部１７０に対する表示制御および操作部１８０から入力される操作信号に応じた処理を実行する。このコントローラ１６０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）などから成るコンピュータシステムとして構成することができる。

表示部１７０は、コントローラ１６０の表示制御に応じて画像を表示する部位であり、図１（ａ）との対応では、タッチパネル１０１における表示デバイスに相当する。操作部１８０は、携帯電話１００に設けられる操作子および操作デバイスを一括して示したものである。図１（ａ）との対応では、操作部１８０は、ボタン１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃおよびタッチパネル１０１における位置入力デバイスを含む。

上記図２の構成から理解されるように、携帯電話１００において、メインアンテナ１２０はＭＩＭＯに対応する受信用アンテナとして機能するとともに、送信用アンテナとしても機能する。これに対して、サブアンテナ１３０はＭＩＭＯに対応する受信用アンテナとしてのみ機能する。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、先に図１（ｂ）に示したメインアンテナ１２０とサブアンテナ１３０の部分をそれぞれ前面からみた状態により拡大して示している。まず、図３（ａ）に示されるメインアンテナ１２０は、基板１１０の下側において、所定の導体により逆Ｌ型に形成されている。また、このメインアンテナ１２０は、分岐点１２３にて２分岐されることにより第１エレメント１２１と第２エレメント１２２とを備える。

ＬＴＥ規格においては、複数の所定の周波数帯域が規定されており、例えばキャリアなどによって異なる周波数帯域が採用される場合がある。本実施形態では、一例として２ＧＨｚ帯域と８００ＭＨｚ帯域が採用されている場合を想定する。この場合において、第１エレメント１２１は例えばそのアンテナ長によって８００ＭＨｚに対応し、第２エレメント１２２は、上記第１エレメント１２１より短く設定したアンテナ長によって、２ＧＨｚに対応するように形成されている。

図４は、メインアンテナ１２０のインピーダンス特性を示している。この図の特性において、矢印αおよび矢印βで指し示すように、メインアンテナ１２０は、８００ＭＨｚ近傍の周波数と２ＧＨｚ近傍の周波数の２点においてインピーダンスの低下が顕著となっている。つまり、これらの２点において共振するようにされていることで、８００ＭＨｚ帯と２ＧＨｚ帯の双方の周波数帯域に対応可能とされている。

例えば、メインアンテナ１２０について、ＬＴＥの規格のもとで携帯電話１００が対応すべき１つの周波数帯域のみに対応した１つのアンテナエレメントのみを備えて構成することも可能である。しかし、図３（ａ）に示したように複数のアンテナエレメントを備えた構成としておけば、１つのメインアンテナ１２０としての部品により、例えば８００ＭＨｚと２ＧＨｚのいずれの周波数帯域にも対応することが可能となる、これにより、例えば製造工程の簡易化や部品管理コストの低減が図られる。なお、メインアンテナ１２０について、例えば３以上に分岐させることで、３以上の異なる周波数帯域に対応するアンテナエレメントを備えた構成とすることも考えられる。

次に、図３（ｂ）を参照してサブアンテナ１３０の構造について説明する。サブアンテナ１３０は、図示するように、基板１１０の上側において、その導体部分に溝部を形成したスロットアンテナとしての構造を有する。なお、この図のサブアンテナ１３０としての溝部は、図示するように、基板１１０に切れ込みを入れるようにして形成されている。

なお、このサブアンテナ１３０は、８００ＭＨｚ帯と２ＧＨｚ帯のいずれか一方の周波数帯域に対応するように形成されている。このためには、サブアンテナ１３０としての溝部の長さＬを、８００ＭＨｚ帯と２ＧＨｚ帯のいずれかの波長に対応した寸法に形成するだけでよい。

上記のように、本実施形態では、メインアンテナ１２０は逆Ｌ型の構造とし、サブアンテナ１３０は溝部によるスロットアンテナの構造とされている。一般に、ダイポールアンテナとスロットアンテナは自己補対の関係にある。逆Ｌ型は、ダイポールアンテナから派生して構成したものとみることができるため、逆Ｌ型とスロットアンテナも自己補対関係にあることになる。

このようにメインアンテナ１２０とサブアンテナ１３０が自己補対の関係にあることで、両者の磁界および電界は互いに直交する関係となる。これにより、遠方界において求められる相関係数が低下することになる。

図５は、本実施形態との比較として、基板１１０に対して設けられるサブアンテナ１３０Ａについても、メインアンテナ１２０と同様に逆Ｌ型としたアンテナ構成を示している。すなわち、図５は、メインアンテナ１２０とサブアンテナ１３０Ａが自己補対関係ではないアンテナ構成の一例である。なお、メインアンテナ１２０については、図１（ｂ）と同様である。また、サブアンテナ１３０Ａは、基板１１０の上側において図１（ｂ）のサブアンテナ１３０に近い位置に配置している。これにより、例えばメインアンテナ１２０との距離については、図１（ｂ）と同等の条件としている。

図６は、図１（ｂ）に示した本実施形態のアンテナ構成（サブアンテナ：スロット型）において求めた相関係数と、図５のアンテナ構成（サブアンテナ：逆Ｌ型）において求めた相関関数を示している。この図に示すように、図５のアンテナ構成では、相関係数が０．９に近い値であるのに対して、本実施形態のアンテナ構成では０．１未満となっている。このように、本実施形態では、メインアンテナ１２０とサブアンテナ１３０を自己補対関係の構造としていることにより、相関係数が大幅に低減されている。

例えば、携帯電話１００では、小型化のためにメインアンテナ１２０とサブアンテナ１３０のグランドとしての導体が物理的に共通化されるような配線とする場合がある。一般に、このようなアンテナ間のグランドの共有は相関係数を高める要因となり得る。しかし、本実施形態では、上記のようにメインアンテナ１２０とサブアンテナ１３０を自己補対関係としているために、アンテナ間のグランドを共有していても十分に低い相関係数が得られている。

そして、上記のように相関係数が低減されるのは、自己補対関係であることにより、前述のようにメインアンテナ１２０とサブアンテナ１３０の磁界および電界の放射パタンが相互に直交することによる。この点について、図７および図８を参照して説明する。

まず、図７は、図５のアンテナ構成に対応した放射パタンを示している。図７（ａ）はメインアンテナ１２０の放射パタンを示し、図７（ｂ）は、逆Ｌ型のサブアンテナ１３０Ａの放射パタンを示している。なお、図７（ａ）と図７（ｂ）の各図において、放射パタンＡ１とＡ２は主偏波についてのものであり、放射パタンＢ１とＢ２は、主偏波と直交する交差偏波についてのものである。

図７（ａ）と図７（ｂ）を比較して分かるように、メインアンテナ１２０とサブアンテナ１３０Ａの各主偏波の放射パタンＡ１、Ａ２は、いずれも９０°および２７０°の方向に対応する双指向性を有しており、また、放射レベルもほぼ同等となっている。

また、メインアンテナ１２０とサブアンテナ１３０Ａの各交差偏波の放射パタンＢ１とＢ２についても、ともに無指向性とみてよい特性となっており、かつ、放射レベルもサブアンテナ１３０Ａのほうが若干高いものの、双方とも−１５ｄＢ前後で同等とみてよい特性となっている。

このように、図５に示すアンテナ構成におけるメインアンテナ１２０とサブアンテナ１３０Ａの放射パタンは、主偏波と交差偏波のそれぞれについてほぼ同等となっている。つまり、両者の磁界および電界の特性は同等とみてよく、これにより相関係数は高くなる。

次に、図８は、本実施形態のアンテナ構成に対応した放射パタンを示している。図８（ａ）はメインアンテナ１２０の放射パタンを示し、図８（ｂ）は、スロット型のサブアンテナ１３０の放射パタンを示している。

まず、図８（ａ）に示されるメインアンテナ１２０の主偏波の放射パタンＡ１は、９０°および２７０°の方向に対応する双指向性を有し、最大で−５ｄＢ程度の比較的大きな放射レベルとなっている。また、同じ図８（ａ）に示されるメインアンテナ１２０の交差偏波の放射パタンＢ１は、最大で−２０ｄＢ程度の放射レベルによる無指向性となっている。この場合、アンテナの特性としては、主偏波が支配的である。

これに対して、図８（ｂ）に示されるスロット型のサブアンテナ１３０についての主偏波の放射パタンＡ２は、図８（ａ）の放射パタンＡ１と同じく９０°および２７０°の方向に対応する双指向性ではある。しかし、その放射レベルは最大で−２５ｄＢ程度と非常に小さくなっている。これに対して、交差偏波の放射パタンＢ２は−１０ｄＢ程度であり、主偏波の放射パタンＢ１に対して相当に大きくなっている。つまり、アンテナの特性としては、交差偏波が支配的となる。

上記図８から分かるように、本実施形態のアンテナ構成では、メインアンテナ１２０は主偏波が支配的となる特性を有するのに対して、サブアンテナ１３０は交差偏波が支配的となる特性を有している。つまり、メインアンテナ１２０とサブアンテナ１３０の磁界および電界は互いに直交しているものであり、これにより、図６に示したように、相関係数の著しい低減が図られる。

そして、本実施形態において、上記のように相関係数を低減するにあたっては、逆Ｌ型のメインアンテナ１２０とスロット型のサブアンテナ１３０とを組み合わせて自己補対関係としている。逆Ｌ型は、例えば電波の波長に対してその形状サイズが小さいことが特徴であり、したがって、小型化に有利となっている。また、サブアンテナ１３０も、基板１１０の導体部分に対して溝部を形成するだけでよいものとなっている。

このように、本実施形態のアンテナ構成においては、メインアンテナ１２０とサブアンテナ１３０のいずれも小型であり、したがって、携帯電話１００の小型化を妨げない。また、メインアンテナ１２０とサブアンテナ１３０が小型であることで、携帯電話１００の形状のデザインについても制限が非常に少なく自由度が高い。これにより、携帯電話１００の外形が、図１（ａ）に示した以外のタイプや形状（例えば折りたたみ（二つ折り）型やスライド型など）であっても広く適用することができる。

なお、メインアンテナ１２０としてのエレメントには、逆Ｌ型のほかに、逆Ｆ型としても同等の性能を得ることができ、同様に小型化を阻害しない。また、これらのほかにも、モノポールアンテナ、ヘリカルアンテナや、ミアンダライン状のアンテナなどを採用することも考えられる。

また、サブアンテナ１３０をスロット型とするにあたっては、溝部の形状について、図３（ｂ）のように切り込みとして形成するほか、図示は省略するが、基板１１０の導体部分を長孔状にくり抜いた開口部として形成することも考えられる。

また、サブアンテナ１３０は、基板１１０以外の部位に形成することもできる。具体例として、携帯電話には、筐体の強度を確保するために基板以外の金属板などをケース内部に挿入する場合がある。このような金属板をグランドとして利用したうえで、この金属板に溝部を形成することによってもスロット型のサブアンテナ１３０を形成できる。

また、本実施形態のアンテナ構成は、携帯電話以外の無線通信装置にも適用が可能である。例えば、現在、スマートフォンよりもサイズが大きいタブレット型端末装置が普及している状況にある。このようなタブレット型端末装置に本実施の形態のアンテナ構成を適用することによっても、例えば、タブレット型端末装置の薄型化などに貢献できる。

また、これまでの実施形態においては、ＭＩＭＯに対応して２本のアンテナを備える場合を前提に説明したが、３本以上のＭＩＭＯ対応のアンテナを備える場合にも、本実施形態のアンテナ構成を適用できる。

１００ 携帯電話
１０１ タッチパネル
１１０ 基板
１２０ メインアンテナ
１２１ 第１エレメント
１２２ 第２エレメント
１２３ 分岐点
１３０ サブアンテナ

Claims (4)

1. 筐体内の所定の導体部分において溝部として形成されるスロット型の第１アンテナと、
   前記第１のアンテナに対して自己補対関係となる所定形状に形成された第２のアンテナと
   を備えることを特徴とする無線通信装置。
2. 前記第２のアンテナは、逆Ｌ型または逆Ｆ型であることを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記第２のアンテナは、複数の周波数帯域ごとに対応する所定周波数に共振するように形成された前記逆Ｌ型または前記逆Ｆ型による複数のアンテナエレメントを備える
   ことを特徴とする請求項２に記載の無線通信装置。
4. 前記第１のアンテナは、外部の複数の送信用アンテナから同時に送信された信号を受信するための複数の受信用アンテナの１つとして使用され、
   前記第２のアンテナは、前記複数の受信用アンテナの１つとして使用されるとともに、本無線通信装置から送信すべき信号を送信するための送信用アンテナとして使用される
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の無線通信装置。

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