JP2013528024A - 改善されたアンテナ性能を有するモバイル通信装置 - Google Patents
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Abstract
改善されたアンテナ性能を有するモバイル通信装置が提供される。モバイル通信装置は、第1アンテナ、接地面及びダイバーシティアンテナを備える。マルチアンテナ伝送モードではない動作モードにおいては、ダイバーシティアンテナは接地面に電気的に結合される。ダイバーシティアンテナは接地面の電気的長さを増大し、接地面及びダイバーシティアンテナと結合して第1アンテナの放射アセンブリのアンテナ性能を高める。
Description
本発明は改善されたアンテナ性能を提供するモバイル通信装置に関する。
最新のモバイル通信装置は、小型で軽量にする必要があるが、多数の周波数帯域又はGSM(Global System for Mobile Communications)、(W)CDMA((Wideband) Code Division Multiple Access)又はLTE(Long-Term Evolution)などの多数の通信標準規格をサポートしなければならない。LTE、第4世代(4G)の通信標準規格は2つのアンテナを同時に動作させることができる。LTEシステムのマルチアンテナ伝送モードは通信装置のサービス能力を向上させることができる。そのために、モバイル通信装置はメインアンテナとダイバーシティアンテナを備えることができる。
特許文献1から、結合アンテナ素子と伸長素子を備えるアンテナ配列が知られている。アンテナ素子は第1の共振周波数及び第1の帯域幅を有し、伸長された導電素子は第2の共振周波数及び第2の帯域幅を有する。従って、広い周波数範囲をカバーできるアンテナ配列が提供される。
特許文献2から、高いデータレート用のフィルタ段が知られている。「ダイバーシティレシーバ」の一つの実施例では、スイッチを含み、該スイッチは、アンテナを、反射により生じる位相角が当該アンテナと他のアンテナとの相互結合を最適にするように選択されたインピーダンスに電気的に接続するスイッチング状態を有する。
しかし、通信装置をもっと小型にするという現在の要求のために、通信装置のアンテナ性能の改善が必要とされていても、最新の通信装置の設計者が最新の通信装置内に追加のアンテナ部品を含めることはできない。アンテナ性能の改善は、例えばエネルギーの節約に役立つ。
本発明の目的は、より小さな筐体内に組み込むことができ且つより良好なアンテナ性能を有する、多数の周波数帯域および多数の通信標準規格をサポートするモバイル通信装置を提供することにある。
本発明は、接地面、第1アンテナ及びダイバーシティアンテナを備えるモバイル通信装置を提供する。第1アンテナは動作中接地面に電磁的に結合することができる。ダイバーシティアンテナも動作中接地面に電磁的に結合することができる。第1アンテナの動作中、ダオバーシティアンテナの接地面への結合を、特にダイバーシティアンテナと接地面との間に適切な負荷を使用することによって最適にすると、第1アンテナの性能が向上する。
ダイバーシティアンテナの接地面への結合は、ダイバーシティ受信のために使用するときと、第1アンテナの性能を高めるときとで相違させることができる。そのため、異なるインピーダンスを有する異なる結合回路又は調整可能なインピーダンスを有する同一の結合回路を使用することができる。
このようなモバイル通信装置は改善されたアンテナ性能を有するアンテナを備える。このようなモバイル通信装置は、メインアンテナにすることができる第1アンテナ及びダイバーシティアンテナを備えるので、例えばLTEシステムのマルチアンテナ送信モードによく適合する。
通常、メインアンテナはその接地面と電磁的に結合され、放射素子として働く。本発明者等は、モバイル通信の接地面の電気的長さを増大すると、この放射素子の周波数帯域幅の増大を生じることに気付いた。従って、より長い接地面がより広い帯域幅を生じる。帯域幅の増大は周波数帯域の端でより良好なマッチング及びより良好な放射効率をもたらす。しかしながら、より小さい通信装置への小型化傾向のために接地面の横方向寸法の増大は許されない。
更に、本発明者等は、接地面を追加の放射素子に電磁的に結合することによって接地面の電気的長さを増大することができることに気付いた。しかしながら、追加の放射素子をモバイル通信装置に付加することは、同様に装置の小型化傾向に反し不利である。
しかしながら、マルチアンテナ伝送モードのために通信装置により必要とされ、そのため装置内に予め存在するダイバーシティアンテナに接地面を電磁的に結合することによって、通信装置に他の放射素子を付加する必要なしに、メインアンテナのより良好なアンテナ性能をもたらすことができる。
従って、本発明の第1アンテナはモバイル通信装置のメインアンテナとすることができる。
更に、ダイバーシティアンテナから最大の利益を得るためには、ダイバーシティアンテナはメインアンテナからできるだけ遠く離して位置させるべきである。それゆえ、ダイバーシティアンテナと第1アンテナは本発明のモバイル通信装置の対向する端部又は側部に位置させることができる。
本発明のモバイル通信装置では、第1アンテナ、接地面及びダイバーシティアンテナは協働し、第1アンテナと接地面のみを備えるアンテナアセンブリより良好な性能を有する放射素子として機能する。
実際には、ダイバーシティアンテナは接地面の放射部分になり、接地面の電気的長さを増大する。
例えば、マルチアンテナ伝送モードを必要としない通信標準の間ダイバーシティアンテナを接地面に電磁的に結合することは取るに足らないことではない。軽量モバイル通信装置を得る一つの側面は装置の電池の重量を減少させることにある。しかしながら、この場合には、十分な動作時間を可能にするためにモバイル通信装置の電力消費を減少させなければならない。モバイル通信装置の電力消費を減少させる最も重要な方法は現在の動作モード中に必要とされないすべての素子を不活性にすることにある。マルチアンテナ伝送モードでは、ダイバーシティアンテナは不活性にできない。例えば、GSM通信モードでは、ダイバーシティアンテナは通信に使用されず、通常すべてのダイバーシティ受信関連電子機器と一緒にスイッチオフされる。WCDMAでは、ダイバーシティアンテナの使用はオプションであり、この場合もダイバーシティアンテナはスイッチオフするか、他の目的のために使用することができる。WCDMAモードでは、エネルギーの節約が重要である場合には、ダイバーシティアンテナ及びその関連電子機器は不活性にされること明らかである。
しかしながら、本発明者等は、アンテナ性能を向上させれば、エネルギーも節約できることに気付いた。これは、より少ない電力は低挿入損失のアンテナで伝送しなければならないためである。
従って、ダイバーシティアンテナをマルチアンテナ伝送モードのために使用されなくても活性に維持することによって、モバイル通信装置の電力消費を低減させることができる。
第1アンテナ、接地面及びダイバーシティアンテナが放射素子として作用するとき、接地面は厳密な接地電位にあるとみなせないこと明らかである。接地面は接地接続に電気的に接続することができるが、接地面の電磁ポテンシャルは通常の接地の電磁ポテンシャルになり得ない。
一実施形態では、ダイバーシティアンテナを接地面に結合することによって、第1アンテナの帯域幅を少なくとも1.1倍又は1.3倍以上に増大する。そのために、所定の負荷インピーダンスの結合回路を使用することができる。
増大した帯域幅は周波数帯域の端においてより良好な効率、例えば挿入損失の減少をもたらす。
本発明の一実施形態では、ダイバーシティアンテナを接地面に結合することによって、第1アンテナの透過係数を少なくとも3dBだけ増大する。
3dBの増大はTx電力消費の50%の低減に相当する。従って、ダイバーシティアンテナを活性に維持するためにエネルギーが消費されるが、トータルではエネルギーを節約することができる。
一実施形態では、第1アンテナ及びダイバーシティアンテナはLTE通信装置用に規定される。
一実施形態では、第1アンテナ及びダイバーシティアンテナは接地面の対向する端部上に配置される。この場合、接地面の電気的長さが最大になるため、ダイバーシティアンテナの利益が増大される。
一実施形態では、装置は更にPWB(プリント配線板)を備え、接地面がPWB上に配置される。PWBは誘電率kを有する電気絶縁材料を備える。誘電率kにより接地面の容量及びインダクタンスが決まる。誘電率kはアンテナの性能を高めるように選択される。しかしながら、接地面の幾何学寸法も良好なアンテナ特性を得るために重要である。
一実施形態では、接地面は第1の電気的長さを有し、ダイバーシティアンテナは第2の電気的長さを有し、第1アンテナ及び接地面の組み合わせはある電気的長さを有する。この組み合わせの電気的長さは第1アンテナ又は接地面の各々の単独の長さより長い。
一実施形態では、ダイバーシティアンテナを接地面に結合することによって、GSM動作モード、WCDMA動作モード又はLTE TDD(時分割二重)動作モードにおける第1アンテナの性能を向上させる。
LTE TDD動作モードは接地面に結合されたダイバーシティアンテナから恩恵を受けることもできる。ダイバーシティアンテナ(MIMO(multiple-input and multiple-output)アンテナとすることができる)は、Txスロット時にメインアンテナ性能を改善するために使用することができ、Rxスロット時にMIMO又はダイバーシティアンテナとして使用することができる。LTE TDDは、時分割Txスロット及びRxスロットを有する点でGSMに類似する。
原則として、第1アンテナの性能はダイバーシティアンテナを必ずしも必要としない任意の動作モードにおいて向上させることができる。
一実施形態では、ダイバーシティアンテナをバンドパスフィルタで又は所定の負荷で終端する。バンドパスフィルタ又は所定の負荷は結合回路を確立する。さらに、語句「終端」は、接地面の電磁ポテンシャルを接地電位に加えることを意味しないで、この負荷による結合を変化させることを意味する。これに関連して、ダイバーシティアンテナをバンドパスフィルタ又は所定の負荷で終端することは、バンドパスフィルタ又は所定の負荷がダイバーシティアンテナと接地面との間に電気的に接続されることを意味する。このような終端によれば、更なるインピーダンス素子を必要とすることなく接地面とダイバーシティアンテナとの間の電磁結合が達成される。
一実施形態では、モバイル通信装置は、ダイバーシティアンテナとバンドパスフィルタ又は所定の負荷インピーダンスとの間に電気的接続を与えるスイッチを更に備える。このようなスイッチによれば、アンテナの終端を環境状態の変化に応答して個別に整合させることができる。
本発明は以下に与えられる詳細な説明及び添付図面から十分に理解されよう。
図1は本発明のモバイル通信装置MCDの基本バージョンを示す。本モバイル通信装置MCDはその上に接地面GPが配置されたプリント配線板PWBを備える。本モバイル通信装置MCDは更に第1アンテナA1及びダイバーシティアンテナADを備える。ダイバーシティアンテナADはスイッチング手段SMを介して接地面GPに電気的に接続される。スイッチング手段SMはモバイル通信装置MCDの所定の負荷インピーダンス又はバンドパスフィルタを含むことができる。
図2は本モバイル通信装置の等価回路図の一部分を示す。本装置は第1アンテナ及びダイバーシティアンテナADを備える。ダイバーシティアンテナADはスイッチSWに電気的に接続される。スイッチSWはダイバーシティアンテナADとバンドパスフィルタBPFとの間の電気的接続を確立することができる。また、スイッチSWはダイバーシティアンテナADと所定の負荷インピーダンスLとの間の電気的接続を確立することができる。負荷インピーダンスLはダイバーシティアンテナADを接地面GPと電気的に接続する。
第1アンテナA1はモバイル通信装置の信号線SLに電気的に接続される。
図3は、700MHz〜1GHzの周波数間隔における第1アンテナの周波数依存インピーダンスを示す。マークM901は周波数901MHzを示し、マークM832は周波数832MHzを示す。これらの周波数の意味は図4で理解される。
図4は、ダイバーシティアンテナがLTEのようなマルチアンテナ伝送モードで使用されているときの第1アンテナの反射損失S11を示す。簡単のために、6dBの反射損失で第1アンテナが動作し得る帯域幅の端が決定される。反射損失はマークM832で示す832MHzからマークM901で示す901MHzに至る周波数範囲内において−6dBより良くなる。従って、帯域幅は69MHzに等しい。最低反射損失は約−8.25dBである。
これに反し、図5はダイバーシティアンテナがマルチアンテナ伝送モードで使用されずに接地面に電気的に結合されているときの第1アンテナの周波数依存インピーダンスを示す。ダイバーシティアンテナは所定の負荷インピーダンスで終端される。マークM907は周波数907MHzを示す。マークM817は周波数817MHzを示す。これらの周波数は図6に示すように−6dBの周波数ギャップを規定する。
図6に示されるように、第1アンテナの反射損失は817MHzから907MHzに至る周波数範囲内において−6dBより良くなる。周波数帯域の幅は90MHzである。従って、周波数帯域の幅は21MHzだけ増大する。更に、最低反射損失は周波数帯域内で−10dBより低くなる。よって、ダイバーシティアンテナを所定の負荷インピーダンスで終端することによって帯域幅が増大されるとともに反射損失も改善されることが明らかである。図4の状態と比較して、帯域幅は(90−69)/60=0.30=30%だけ、即ち1.3倍に増大される。更に、反射損失も3dB以上改善される。
図7は、ダイバーシティアンテナがバンドパスフィルタで終端されている状態に対する第1アンテナの周波数依存インピーダンスを示す。マークM901は周波数901MHzを示す。マークM821は周波数821MHzを示す。
図8に示されるように、−6dBの周波数帯域は822MHzから901MHzである。周波数帯域の幅は79MHzである。図4に示す状態に比較して、第1アンテナのアンテナ性能は向上する。帯域幅は(79−69)/60=0.14=14%だけ、即ち1,14倍に増大される。
本発明は、ダイバーシティアンテナを所定の負荷インピーダンスにより又はバンドパスフィルタにより終端する手段を備えることができる。ダイバーシティアンテナをモバイル通信装置の接地面に電磁的に結合することによって、メインアンテナのアンテナ性能が改善される。しかし、基本概念はこの結合に関する細部に左右されない。本発明は添付図面の実施形態により限定されない。特に、誘導素子、容量素子又は信号線又はストリップラインなどの他の結合手段に基づく実施形態も可能である。従って、添付図面から出発して様々な変形例が本発明の範囲内において可能である。
A1: 第1アンテナ
AD: ダイバーシティアンテナ
BPF: バンドパフィルタ
GP: 接地面
L: 所定の負荷インピーダンス
M817: 周波数817MHzを示すマーク
M822: 周波数822MHzを示すマーク
M832: 周波数832MHzを示すマーク
M901: 周波数901MHzを示すマーク
M907: 周波数907MHzを示すマーク
MCD: モバイル通信装置
PWB: プリント配線板
SL: 信号線
SM: スイッチング手段
SW: スイッチ
AD: ダイバーシティアンテナ
BPF: バンドパフィルタ
GP: 接地面
L: 所定の負荷インピーダンス
M817: 周波数817MHzを示すマーク
M822: 周波数822MHzを示すマーク
M832: 周波数832MHzを示すマーク
M901: 周波数901MHzを示すマーク
M907: 周波数907MHzを示すマーク
MCD: モバイル通信装置
PWB: プリント配線板
SL: 信号線
SM: スイッチング手段
SW: スイッチ
Claims (9)
- 接地面(GP)、
動作中前記接地面(GP)に電磁的に結合することができる第1アンテナ(A1)、及び
動作中前記設定面(GP)に電磁的に結合することができるダイバーシティアンテナ(AD)を備え、
前記第1アンテナ(A1)の動作中、前記ダイバーシティアンテナ(AD)を前記接地面(GP)に結合することによって前記第1アンテナ(A1)の性能を向上させる、
ことを特徴とするモバイル通信装置。 - 前記ダイバーシティアンテナ(AD)の前記接地面(GP)への結合によって前記第1アンテナ(A1)の帯域幅が少なくとも1.1倍だけ増大される、請求項1記載の装置。
- 前記ダイバーシティアンテナ(AD)の前記接地面(GP)への結合によって前記第1アンテナ(A1)の透過係数が少なくとも3dBだけ増大される、請求項1又は2記載の装置。
- 前記第1アンテナ(A1)及び前記ダイバーシティアンテナ(AD)がLTE通信装置用に指定されている、請求項1〜3のいずれかに記載の装置。
- 前記第1アンテナ(A1)及び前記ダイバーシティアンテナ(AD)が前記接地面(GP)の対向端部に配置されている、請求項1〜4のいずれかに記載の装置。
- プリント配線板(PWB)を備え、前記接地面(GP)が前記プリント配線板(PWB)上に配置されている、請求項1〜5のいずれかに記載の装置。
- 前記ダイバーシティアンテナ(AD)の前記接地面(GP)への結合によって、GSM動作モード、WCDMA動作モード、又はLTE TDD動作モードにおいて、前記第1アンテナの性能が向上される、請求項1〜6のいずれかに記載の装置。
- 前記ダイバーシティアンテナ(AD)はバンドパスフィルタ(BPF)により又は所定の負荷インピーダンス(L)により終端される、請求項1〜7のいずれかに記載の装置。
- 前記ダイバーシティアンテナ(AD)と、バンドパスフィルタ(BPF)又は所定のインピーダンス(L)との間の電気的接続をもたらすスイッチ(SW)を更に備える、請求項1〜8のいずれかに記載の装置。
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