JP4302501B2 - 無線端末用アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば携帯テレビ端末などに搭載される無線端末用アンテナ装置に関するものである。

無線端末に搭載されるアンテナ装置は、一般に小型・軽量化が要求される。このような要求に応えて、従来、人体をアンテナとして利用するものがある。具体的には、例えばドアキーのホルダー内にアンテナ回路を設け、このアンテナ回路と使用者の手が接触する構造とし、人体をアンテナとして動作させるものである（例えば、特許文献１参照）。一般に、アンテナの大きさが半波長以下の場合、その性能は、アンテナの長さに比例する。そして、人体は１．５（ｍ）程度の身長を有するため数十（ＭＨｚ）程度の周波数から有効な放射素子として動作する旨が記載されている。

特開平０７−０４２４２９号公報（第１頁、図１）

しかしながら、従来技術には次のような問題点がある。人体は、高周波に対して非常に損失の大きい媒質であり、人体からの電波放射は小さい。従来の携帯機器におけるアンテナ装置の動作環境を考えた場合、主な放射源である回路基板がほとんど手で覆われる形になるため、人体による損失が大きいという問題があった。人体による損失を低減するためには主な放射源である回路基板を長くし、手で覆われていない部分を拡大することが必要である。しかしながら、回路基板が長くなった場合、端末の保持状態によっては手とアンテナ回路とが接触しない状況が生じる。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、人体と導体片とを接触させることにより動作するアンテナにおいて、アンテナを確実に動作させる無線端末用アンテナ装置を得ることを目的とする。

本発明に係る無線端末用アンテナ装置は、誘電体筐体と、誘電体筐体内部に設置され放射素子として動作する導体板と、誘電体筐体の側面に沿って設けられた導体片と、導体板と導体片との間に高周波電圧を印加する高周波電源とを備えた無線端末用アンテナ装置であって、導体片の長さは、導体片が設けられた誘電体筐体の側面の導体片非設置部の長さが、所定の把持長さより短くなる長さに設定され、導体片は、把持される誘電体筐体の１以上の側面に沿って設けられた複数の導体片からなり、複数の導体片のそれぞれに一端が接続されている複数の高周波線路と、複数の高周波線路のそれぞれの他端と高周波電源との間に接続され、複数の導体片のいずれか１つと導体板との間に高周波電圧を印加するために複数の高周波線路のいずれかを選択するスイッチとをさらに備えたものである。
また、本発明に係る無線端末用アンテナ装置は、誘電体筐体と、誘電体筐体内部に設置され放射素子として動作する導体板と、誘電体筐体の側面に沿って設けられた導体片と、導体板と導体片との間に高周波電圧を印加する高周波電源とを備えた無線端末用アンテナ装置であって、導体片の長さは、導体片が設けられた誘電体筐体の側面の導体片非設置部の長さが所定の把持長さより短くなる長さに設定され、導体片は、把持される誘電体筐体の１以上の側面に沿って設けられた複数の導体片からなり、複数の導体片のそれぞれに一端が接続され、それぞれの他端がまとめて高周波電源に接続されている複数の高周波線路をさらに備え、高周波線路に対応する導体片と高周波線路とを合わせた部分の電気長のそれぞれは、送受信する電波の波長λに対してλ／２の整数倍であるものである。

本発明によれば、導体片非設置部の長さが所定の把持長さよりも短くなるように、誘電体筐体の側面に設けられる導体片の長さを定めることにより、誘電体筐体が把持される位置に依存せずに導体片と人体とを確実に接触させることができ、把持状態によらず、アンテナを確実に動作させる無線端末用アンテナ装置を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る無線端末用アンテナ装置の構成図である。図１における無線端末用アンテナ装置は、無線端末の外部筐体を兼ねる誘電体筐体１と、この誘電体筐体１に内蔵され放射素子として動作する導体板２と、誘電体筐体１の１つの側面に設けられた１つの導体片３と、導体板２と導体片３との間に高周波電圧を印加する高周波電源４とを有している。

導体板２は、無線端末における回路基板の地導体、及びそれを覆うシールドケースに相当し、誘電体筐体１によってその周囲が覆われている。ここで、誘電体筐体１は、一般的な携帯電話程度の大きさを有する直方体であり、以下の説明においては高さ（Ｈ）１００×幅（Ｗ）４０×奥行（Ｄ）２０ｍｍの大きさを想定する。

また、導体片３は、誘電体筐体１の長手方向に沿って配置され、誘電体筐体１の１つの側面に貼付されている。さらに、導体片３は、誘電体筐体１の内部の配線を通して導体板２上に設けられた高周波電源４に接続されている。

上記構成の無線端末用アンテナ装置を使用するときに、使用者は、誘電体筐体１の側面を手で把持することとなる。使用者の手によって誘電体筐体１が把持された際に、誘電体筐体１の側面に貼付された導体片３と使用者の手（すなわち人体）とが接触することで、無線端末用アンテナ装置は、アンテナとして動作する。つまり、導体片３と人体とが接触することにより、人体が地導体、導体板２が放射素子として動作するモノポールアンテナが形成され、導体板２上の電流から電波が放射される。この場合、導体板２の長さに比例してアンテナ効率が向上する。

図２は、本発明の実施の形態１に係る無線端末用アンテナ装置が把持された状態を示した図である。図２は、使用者の手の指５が誘電体筐体１の下端部を把持している状態を示している。一方、図３は、図２に対して誘電体筐体１の上端部が把持された状態を示している。つまり、図２と図３は、誘電体筐体１の１つの側面における把持位置が両極端である場合を示している。

使用者が無線端末用アンテナ装置を把持する場合には、３本もしくは４本の指５が誘電体筐体１の側面に接触している状態が多いと考えられる。このような状態では、使用者の指５が誘電体筐体１の側面に沿って接触する部分の長さは、４０ｍｍ程度と想定される（図２、図３参照）。

誘電体筐体１と接触すると想定されるこのような指５の領域部分の長さ、すなわち図２及び図３においては指５の４本分の長さに相当する部分のことを「把持長さ」と定義する。また、誘電体筐体１の高さ（Ｈ）は１００ｍｍ程度であると先に想定している。

さらに、利用者によって把持される可能性のある誘電体筐体１の把持位置の範囲は、図２で示された下端位置から図３で示された上端位置までの範囲とする。これらの条件に基づいて、利用者が誘電体筐体１を把持した際に、利用者の指５と導体片５とが確実に接触するように、導体片３の長さ及び位置を決める必要がある。

高さ（Ｈ）が１００ｍｍである誘電体筐体１の側面に対して、４０ｍｍある「把持長さ」がどの位置であっても導体片３が「把持長さ」とラップするように、導体片３の長さ及び位置が決められる。逆の見方をすると、導体片３の長さ及び位置は、誘電体筐体１の側面で導体片３が設けられていない部分（以下、この部分のことを「導体片非設置部」と呼ぶ）の長さが「把持長さ」よりも短くなるようにして決めることができる。

導体片３の貼付位置が変わることによって、必要とされる導体片３の長さも変わってくる。したがって、導体片３の貼付位置を特定した後に、導体片の長さを求めることを考える。図２及び図３の無線端末用アンテナ装置において、高周波電源４は、誘電体筐体１の下部に設けられている。さらに、導体片３は、高周波電源４に対して近接するように誘電体筐体部１の下端部に設けられている。

そこで、導体片３が誘電体筐体１の下端部に貼付されることを前提にして、導体片３の長さを決めることを考える。この場合の導体片３の長さは、誘電体筐体１の上方部で「導体片非設置部」の長さを「把持長さ」の４０ｍｍよりも短くすることから求められる。誘電体筐体の高さ（Ｈ）が１００ｍｍであることから、導体片３は、６０ｍｍを超える長さとすればよいこととなる。

高周波電源４と導体片３とを高周波線路を用いて接続することを考慮すれば、導体片３は、誘電体筐体の側面の下端部に限定されず、例えば誘電体筐体１の側面の中央部に設けることも可能である。そこで、次に、高さ（Ｈ）１００ｍｍの誘電体筐体の中央部に導体片３を設ける場合の導体片３の長さを検討する。この場合には、「導体片非設置部」は、誘電体筐体１の上方部と下方部の２ヶ所となる。そこで、導体片３の長さは、これら２ヶ所の長さをともに「把持長さ」の４０ｍｍよりも短くすることから求められる。これら２ヶ所の長さをともに４０ｍｍよりも短い３５ｍｍにすると仮定すると、誘電体筐体１の中央部に貼付する導体片３の長さは、３０ｍｍとすることができる。

なお、上述の説明において「把持長さ」は、指５によって把持される部分の長さとして４０ｍｍを想定し、誘電体筐体の高さ（Ｈ）は１００ｍｍとした。しかしこれに限定されず、種々の設定条件に対して導体片の最適な長さと位置を求めることができる。例えば子供の手の大きさを想定する、あるいは指の本数が４本ではなく１本の場合を想定することなどが考えられる。

実施の形態１によれば、誘電体筐体の導体片非設置部の長さ及び把持長さを考慮して、誘電体筐体の側面に設ける導体片の位置及び長さを適切に選定することができる。これにより、使用者が誘電体筐体を把持する位置に依存せずに導体片と人体とを確実に接触させることが可能となる。その結果、使用者の把持状態によらず、無線端末用アンテナ装置の利用時に、アンテナを確実に動作させることができる。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る無線端末用アンテナ装置の構成図である。基本的な構成は実施の形態１と同じであり、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。新たに追加された構成要素を中心に、以下に説明する。実施の形態２において、複数の導体片３は、誘電体筐体１の左右の側面の複数部分に設けられている。また、複数の導体片３は、それぞれが高周波線路６を介してスイッチ７に接続されている。さらに、スイッチ７と導体板２の地導体との間には高周波電源４が接続されている。

スイッチ７を切り替えることにより、誘電体筐体１の側面に設けられた複数の導体片３の中からいずれか１つの導体片３が選択される。選択された導体片３は、スイッチ７を介して高周波電源４と接続され、高周波電圧が印加されることとなる。

使用者が誘電体筐体１を把持する位置は、先の図２、図３で示した場合以外にも、種々の状態が考えられる。例えば、利用者が誘電体筐体１を把持する際には、右手を使う場合と左手を使う場合とが考えられる。そこで実施の形態２においては、誘電体筐体１の左右の側面に複数の導体片３を配置している。

実施の形態１においては、１つの導体片３の長さ及び位置を求めたが、複数の導体片３に対しても同様の考え方を適用できる。すなわち、誘電体筐体１の１つの側面に複数の導体片３を設置する場合にも、複数の「導体片非設置部」の長さのそれぞれが、「把持長さ」よりも短くなるようにして、複数の導体片３の長さ及び位置を決めることができる。

さらに、複数の導体片３は、誘電体筐体１の１つの側面に設ける、あるいは誘電体筐体１の複数の側面に設けることも考えられる。複数の導体片３を適切な位置に配置することにより、種々の把持状態に対して、少なくとも複数の導体片３の１つと使用者の指５とが確実に接触する状態を創り出すことが可能となる。

次に、図４の構成において、無線端末用アンテナ装置のアンテナとしての動作を確実に行わせるためには、使用者の指５が接触する導体片３と高周波電源４とが接続される位置にスイッチ７を切り替えることが必要となる。この切り替え位置の選定は、たとえば、送信時においては、高周波電源４から送信されて導体片３から反射される電力をモニタすることで実現でき、以下に詳述する。

図５は、本発明の実施の形態２において使用者の手と導体片３とが接触していない場合の導体片３の負荷インピーダンスを示した図であり、図６は、本発明の実施の形態２において使用者の手と導体片３とが接触している場合の導体片３の負荷インピーダンスを示した図である。ここで、図５及び図６は、アンテナ端子のインピーダンスを図式的に求めるために用いられるスミスチャートである。

スミスチャートは、通常Ｘ−Ｙ座標で表すインピーダンスを極座標で表したものであり、０〜＋∞の抵抗成分と、−∞〜＋∞のリアクタンス成分との和で表されるインピーダンスを全て表すことができる。スミスチャートの横軸は、左端が抵抗０、右端が抵抗∞を表している。また、上半円側では、インダクタンスが大きくなるほど時計回りに、下半円側ではキャパシタンスが大きくなるほど反時計回りに動くこととなる。また、極座標の中心が反射０、外周が反射１に相当する。

図５に示されたように、使用者の手と導体片３とが接触していない場合の導体片３の負荷インピーダンスは、ほとんど開放状態である。これにより反射係数は１に近くなり、導体片３に入力された電力は、そのほとんどが反射されることとなる。これに対して、図６に示されたように、使用者の手と導体片３とが接触している場合の導体片３の負荷インピーダンスは、開放状態ではなくなり、ある値のインピーダンスを有することとなる。これにより、反射係数は１よりも小さくなり、これに伴って反射される電力も少なくなる。

したがって、スイッチ７を逐次切り替えながら各導体片３の反射電力をモニタしていき、反射電力が小さい導体片３を検出することで、使用者の手が接触している導体片３を特定できる。このようにして特定された導体片３が接続される位置にスイッチ７の切り替え位置を定めることにより、使用者の手が接触している導体片３に対して高周波電源４から高周波電圧を印加することが可能となる。また、受信時においては、スイッチ７を逐次切り替え、受信電力が最大になる導体片３を特定することで、同様な結果が得られる。

実施の形態２によれば、複数の導体片を誘電体筐体の１以上の側面に配置することにより、使用者による誘電体筐体の把持位置に依存せずに、使用者の手と複数の導体片のいずれかとを確実に接触させることができる。さらに、スイッチの切り替えに応じて複数の導体片から反射される電力のそれぞれを個別にモニタすることにより、使用者の手が接触している導体片を容易に特定できる。これにより、使用者の把持状態によらず、無線端末用アンテナ装置の利用時に、アンテナを確実に動作させることができる。

実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３に係る無線端末用アンテナ装置の構成図である。基本的な構成は実施の形態２と同じであり、実施の形態２と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。新たに追加された構成要素を中心に、以下に説明する。実施の形態２において、高周波電源４と複数の導体片３とは、スイッチ７を介して接続されていた。これに対し、実施の形態３では、複数の導体片３の全ては、高周波線路６を介して高周波電源４と並列に接続されている。説明の都合上、図７における複数の高周波線路６は、接続点８を介して高周波電源４に接続されている状態を示している。

実施の形態２で説明したように、使用者の手が接触していない導体片３のインピーダンスは開放状態である。そこで、高周波線路６と導体片３とを合わせた部分の電気長を、送受信する電波の波長λに対してλ／２の整数倍となるように選定する。このような選定を行うと、使用者の手が接触していない導体片３を接続点８から見たときのインピーダンスは、開放状態となる。したがって、使用者の手が接触していない導体片３は、接続点８におけるインピーダンスに影響を及ぼさないこととなる。

送受信する電波の波長がλの近傍であるという制約は付くものの、上述のようなインピーダンス特性を得ることができることにより、高周波電源４と複数の導体片３との間に介在していたスイッチ７をなくすことができる。さらに、スイッチ７が不要となることに伴って、使用者の手が接触している導体片３を特定するための判断処理も不要となる。

実施の形態３によれば、複数の導体片を、高周波線路を介して高周波電源に並列に接続し、さらに高周波線路と導体片とを合わせた部分の電気長を、送受信する電波の波長λに対してλ／２の整数倍となるように選定している。これにより、使用者の手が接触していない導体片のインピーダンスを開放状態とすることができる。その結果、高周波電源からは、使用者の手が接触している導体片のみに電力を伝達することが可能となり、無線端末用アンテナ装置の利用時に、アンテナを確実に動作させることができる。

実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４に係る無線端末用アンテナ装置の構成図である。基本的な構成は実施の形態１と同じであり、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。新たに追加された構成要素を中心に、以下に説明する。実施の形態４が実施の形態１の構成と異なっている点は、導体片３と高周波電源４とが導体線９を介して接続されている点である。

実施の形態４のアンテナは、実施の形態１から実施の形態３までのアンテナと同様に、導体片３と使用者の手とが接触することによって動作する点では基本的に共通している。しかし、実施の形態１から実施の形態３までの無線端末用アンテナ装置は、導体片３と使用者の手とが接触していない状態においては、アンテナとして動作しないものである。これに対して、実施の形態４の無線端末用アンテナ装置は、導体片３と使用者の手とが接触していない場合のアンテナ性能を改善するためのものである。

図８において、導体片３と高周波電源４とは、導体線９を介して接続されている。このような構成において、導体線９と導体片３とを合わせた部分の電気長が、送受信する電波の波長の１／４程度になるように導体線９と導体片３とを選定する。これにより、使用者の手が導体片３に接触していない場合でも、無線端末用アンテナ装置はアンテナとして動作することができる。この場合のアンテナの性能は、手が接触している場合よりかは劣化するものの、導体線９が無い場合に比べて改善される。

なお、上述の説明において、導体線９は、誘電体筐体１内部に設置されている構造を示しているが、誘電体筐体１の外部に設置しても同様の効果が得られる。

実施の形態４によれば、導体片と高周波電源とを導体線で接続し、導体線と導体片とを合わせた部分の電気長を、送受信する電波の波長λに対してλ／４程度になるように選定している。これにより、使用者の手が導体片に接触していない場合におけるアンテナの性能を改善することができる。

実施の形態５．
図９は、本発明の実施の形態５に係る無線端末用アンテナ装置の一部であるイヤホンの構成図である。本実施の形態５におけるイヤホンは、無線端末本体に接続されることにより、無線端末用アンテナ装置のアンテナとしての役目を果たすものであり、以下に説明する。

イヤホンの筐体１０の内部にはスピーカー１１が設置されており、スピーカー１１には、音声信号を伝達するための電源線として平行２線１２が接続されている。また、イヤホンの筐体１０にはケーブル１３が接続されている。ここで、平行２線１２は、ケーブル１３に収納されており、無線端末本体との接続が可能な構成を有している。また、イヤホンの筐体１０の外部側面には導体片１４がリング状に配置されており、平行２線１２の一方の線が導体片１４に接続されている。

通常のイヤホンにおける平行２線１２は、音声信号のみを伝達するが、本実施の形態５では、高周波信号も伝達できる線路を想定している。ケーブル１３は、無線端末本体に接続されて使用される。無線端末本体は、ケーブル１３内部の平行２線１２に高周波信号と音声信号とを給電する。平行２線１２を介して伝達された音声信号は、スピーカー１１により音声に変換される。一方、平行２線１２を介して伝達された高周波信号は、平行２線１２の一方の線が導体片１４に接続されていることにより、導体片１４に伝わり、導体片１４が励振する。

導体片１４は、イヤホンを使用する際に耳内部と接触する部分に設けられている。導体片１４が耳に接触することで、イヤホンは、アンテナとして動作する。導体片１４が耳に接触すると、平行２線１２上を同相で流れる高周波電流が誘起され、人体が地導体、平行２線１２が放射素子として動作するモノポールアンテナが形成される。つまり、ケーブル１３に収納されている平行２線１２が、実施の形態１における導体板２と同じ働きをする。

高周波信号がスピーカー１１内に伝達されると損失になるため、スピーカー１１内部には高周波信号遮断のための手段が必要となる。これは、インダクタを用いることにより容易に実現できる。

実施の形態５によれば、導体片を備えたイヤホンを用いて、平行２線の一方を導体片に接続することにより音声信号と高周波信号とを伝達している。これにより、人体と導体片とを確実に接触させることができ、イヤホンを使用することによりアンテナの安定した動作を確保することが可能となる。

なお、上述においては、長さ方向だけに着目して導体片３の位置及び長さを決める説明を行った。しかし、これと同様の考え方は長さとともに幅も考慮した２次元的な領域にも適用でき、長さと幅を持った「導体片非設置部」の領域及び「把持領域」に基づいて、誘電体筐体１の側面に設ける導体片３の長さ、幅及び位置を決めることも可能である。

また、導体片３の配置場所は、誘電体筐体１の左右の側面には限定されず、誘電体筐体１の正面や裏面に相当する側面などにも配置することが可能である。また、無線端末には通常複数のボタンが設置されるが、それらのボタン上に導体片３を配置することも可能である。

本発明の実施の形態１に係る無線端末用アンテナ装置の構成図である。 本発明の実施の形態１に係る無線端末用アンテナ装置が把持された状態を示した図である。 図２に対して誘電体筐体１の上端部が把持された状態を示した図である。 本発明の実施の形態２に係る無線端末用アンテナ装置の構成図である。 本発明の実施の形態２において使用者の手と導体片３とが接触していない場合の導体片３の負荷インピーダンスを示した図である。 本発明の実施の形態２において使用者の手と導体片３とが接触している場合の導体片３の負荷インピーダンスを示した図である。 本発明の実施の形態３に係る無線端末用アンテナ装置の構成図である。 本発明の実施の形態４に係る無線端末用アンテナ装置の構成図である。 本発明の実施の形態５に係る無線端末用アンテナ装置の構成図である。

符号の説明

１ 誘電体筐体、２ 導体板、３ 導体片、４ 高周波電源、６ 高周波線路、７ スイッチ、９ 導体線、１２ 平行２線、１４ 導体片。

Claims (2)

1. 誘電体筐体と、
   前記誘電体筐体内部に設置され放射素子として動作する導体板と、
   前記誘電体筐体の側面に沿って設けられた導体片と、
   前記導体板と前記導体片との間に高周波電圧を印加する高周波電源と
   を備えた無線端末用アンテナ装置であって、
   前記導体片の長さは、導体片が設けられた誘電体筐体の側面の導体片非設置部の長さが所定の把持長さより短くなる長さに設定され、
   前記導体片は、把持される誘電体筐体の１以上の側面に沿って設けられた複数の導体片からなり、
   前記複数の導体片のそれぞれに一端が接続されている複数の高周波線路と、
   前記複数の高周波線路のそれぞれの他端と前記高周波電源との間に接続され、前記複数の導体片のいずれか１つと前記導体板との間に高周波電圧を印加するために前記複数の高周波線路のいずれかを選択するスイッチと
   をさらに備えたことを特徴とする無線端末用アンテナ装置。
2. 誘電体筐体と、
   前記誘電体筐体内部に設置され放射素子として動作する導体板と、
   前記誘電体筐体の側面に沿って設けられた導体片と、
   前記導体板と前記導体片との間に高周波電圧を印加する高周波電源と
   を備えた無線端末用アンテナ装置であって、
   前記導体片の長さは、導体片が設けられた誘電体筐体の側面の導体片非設置部の長さが所定の把持長さより短くなる長さに設定され、
   前記導体片は、把持される誘電体筐体の１以上の側面に沿って設けられた複数の導体片からなり、
   前記複数の導体片のそれぞれに一端が接続され、それぞれの他端がまとめて前記高周波電源に接続されている複数の高周波線路をさらに備え、
   前記高周波線路に対応する導体片と前記高周波線路とを合わせた部分の電気長のそれぞれは、送受信する電波の波長λに対してλ／２の整数倍であることを特徴とする無線端末用アンテナ装置。

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