JP5642686B2 - 平面アンテナ用のインピーダンス整合回路及びモバイル通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＰＩＬＡ型平面アンテナにおけるインピーダンス整合（マッチング）用のインピーダンス整合回路に関する。

平面アンテナは、特定のインピーダンスに適合しておらず、最大出力を伝達するために整合回路を必要とするアンテナである。

平面アンテナに付属のインピーダンス整合回路を接続することは、例えば、特許文献１（国際公開２００６／１２９２３９号パンレット）に開示されている。特許文献１に記載のインピーダンス整合回路は、複数の誘導素子の他に、容量素子として多数のＭＥＭＳ回路を含んでいる。ＭＥＭＳ回路は、２つの離散値を有することができ、接続された多数のＭＥＭＳ回路によって、インピーダンス整合を行う上で十分な同調範囲を得ることが可能となる。

国際公開２００６／１２９２３９号パンフレット

既知の平面アンテナにおけるインピーダンス整合回路の問題点として、同調範囲が狭すぎることや、インピーダンス整合回路が多数の回路素子を含むために構造が極めて複雑である点を挙げることができる。そして、多数の回路素子を含む場合に故障が生じやすくなることは言うまでもない。

そこで本発明の課題は、十分な同調範囲を実現させつつ、従来技術よりも回路素子を減少させて構造を簡単にしたインピーダンス整合回路を提案することにある。

上記の課題は、本発明によれば、独立請求項に記載のインピーダンス整合回路により解決することができる。本発明の好適な実施形態は、従属請求項に記載したとおりである。

本発明は、信号経路入力端と信号経路出力端との間に接続点を備える信号経路を含んでいる。信号経路入力端と接続点との間に、第1誘導素子が接続され、接続点と信号経路出力端との間に、容量を調整可能な第1容量素子が接続される。容量を調整可能な第２容量素子は、信号経路入力端と大地との間に接続される。第２誘導素子は、接続点と大地との間に接続され、第３誘導素子は、信号経路出力端と大地との間に接続される。

例えば、信号経路入力端がモバイル機器用の伝送経路または受信経路を含むフロントエンド回路に接続され、且つ信号経路出力端が平面アンテナと接続させるために設けられている回路においては、アンテナをインピーダンスに応じてフロントエンド回路に整合させるための単純な回路構成とすることができる。第３誘導素子は、インピーダンス整合回路または接続されたフロントエンド回路におけるＥＳＤ（静電放電）の保護素子として機能することができる。更にアンテナを介して作用し、フロントエンド回路、またはフロントエンド回路における個々の構成素子に損傷を及ぼす可能性のあるサージ電流が、誘導素子を介して無害な状態で大地に流導される。

好適には、第1、第２および第３誘導素子が１５以上のＱ値を有し、第1および第２容量素子が１０以上のＱ値を有する。その際は、回路における共振曲線またはエネルギ損失の振幅および帯域幅の割合を示すＱ値は無次元である。更に、インピーダンス整合回路の各要素は、好適には、第1、第２および第３誘導素子におけるインダクタンスが0.5〜22nHの値を有する寸法で形成し、第1および第２容量素子の容量が、０．５〜１２ｐＦの値で間をおいて調整可能な寸法で形成する。例えばこのように間をあけて、容量範囲を０．５〜１．５ｐＦ、０．９〜３．２ｐＦ、または２．６〜８．５ｐＦに調整できる。

好適な実施形態では、インピーダンス整合回路は、５０以上のＱ値および１〜３５ｐＦの容量を有する第３容量素子と、１５以上のＱ値および０．５〜１０ｎＨのインダクタンスを有する第４誘導素子とを含み、これら両素子が信号経路入力端と大地との間で相互に直列的に接続されている。別の好適な実施形態におけるインピーダンス整合回路では、信号経路入力端と大地との間に、５０以上のＱ値および４〜１８ｐＦの容量を有する第４容量素子が接続される。

インピーダンス整合回路は、好適にはモバイル通信機器に使用する。この場合、インピーダンス整合回路を受信または伝送経路と平面アンテナ、具体的にはPILA型平面アンテナとの間に接続する。接続に際しては、信号経路入力端が伝送および受信経路と電気的に接続され、且つ信号経路出力端が１０〜６０Ωのインピーダンスを有するアンテナ給電線を介して、平面アンテナと電気的に接続される。

インピーダンス整合回路における好適な実施形態によれば、伝送経路の電圧定在波比は３よりも良好であり（小さく）、受信経路の電圧定在波比は４よりも良好である（小さい）。

本発明は、ＣＤＭＡ、Ｗ−ＣＤＭＡ、ＧＳＭ、ＤＶＢ‐Ｈ、Ｗ−ＬＡＮ、ＷＩＦＩまたはその他の代表的なデータ通信システムにおける平面アンテナのインピーダンスを、５００〜４５００ＭＨｚの帯域幅で調整するのに適している。

第1または第２容量素子の同調率は、好適な実施形態では２．５：１〜３．５：１、すなわち一例として３:１の間にあり、他の好適な実施形態においては、逆に３．５：１〜４．５：１または４．５：１〜５．５：１の間である。特に好適な別の実施形態における同調率は、５．５：１〜６．５：１の間にある。その際、各同調率は、調整可能な最大容量と調整可能な最小容量の指数として定義される。

好適には、容量素子の少なくとも一個は、誘導体層は、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）を含有するバラクタダイオード、ニオブ酸ビスマス亜鉛を含有するバラクタダイオード、ＣＭＯＳ技術により形成した容量素子、ＭＥＭＳ‐コンデンサによる接続または半導体バラクタダイオードである。

好適には、第４容量素子には、Ｑ値が第２容量素子よりも大きい素子を選択する。

別の好適な実施形態では、接続点と信号経路出力端との間で、第５容量素子が第1容量素子と並列に接続される。更に好適には、方向性結合器と信号経路入力端とを信号経路上で接続させる。方向性結合器は、実際に伝送信号経路からアンテナに伝達される伝送エネルギの一部を規定可能とする。これにより、インピーダンス整合は、伝達されるエネルギの一部を最大化することによって達成することができる。同様のことが、アンテナの受信信号を受信信号経路へ伝達する際にも該当する。

さらに好適には、インピーダンス整合回路が、信号経路入力端と接続されている送受切替器を、フロントエンドモジュールの一部として含んでいる。

好適には、整合回路の誘導素子および容量素子は、金属被覆された構造部分として、ＨＴＣＣ、ＬＴＣＣ、ＦＲ４またはラミネート層を含み得る多層式の基板上に形成される。これにより、電気素子がその単純な構造に加え、更にスペースを節約する構造を備えることが可能となる。

別の好適な実施形態では、アンテナ給電線が、信号経路出力端と回路に接続されている平面アンテナとの間に接続されている。このアンテナ給電線は、１０〜６０Ωのインピーダンスを有している。

以下、インピーダンス整合回路を実施例および添付の回路図に基づき、より詳細に記述する。

誘導素子および容量素子で構成され、信号経路入力端と信号経路出力端との間で接続されるインピーダンス整合回路を示す回路図である。 他の回路素子を追加した、図１のインピーダンス整合回路の変形例を示す回路図である。

図１は、十分な同調範囲を許容し、且つ単純に構成することができる平面アンテナ用のインピーダンス整合回路を示している。信号経路入力端ＳＰＥおよび接続点ＫＰとの間の信号経路ＳＰに、第1誘導素子Ｌ１が接続され、接続点ＫＰと信号経路出力端ＳＰＡとの間に、第1容量素子Ｃ１が接続されている。第1容量素子Ｃ１の容量は、調整可能である。信号経路入力端ＳＰＥおよび大地Ｍとの間に、第1容量素子Ｃ１同様、調整可能な第２容量素子Ｃ２が接続されている。更に、接続点ＫＰと大地Ｍとの間に、第２誘導素子Ｌ２が接続され、信号経路出力端ＳＰＡと大地Ｍとの間に、第３誘導素子Ｌ３が接続されている。

図２は、図１に示したインピーダンス整合回路の変形例の特徴を示している。この場合、方向性結合器ＲＫは、信号経路入力端ＳＰＥと接続点ＫＰとの間の信号経路ＳＰ上に接続されている。その際、方向性結合器ＲＫは、信号経路入力端ＳＰＥとも接続されている。方向性結合器ＲＫと信号経路入力端ＳＰＥとの間には、少なくともフロントエンドモジュールの一部ＦＥが接続されている。フロントエンドモジュールＦＥは、１個または複数の送受切替器、増幅器もしくはその他のフィルタまたは回路素子を含むことができる。信号経路入力端、フロントエンドモジュール、方向性結合器および接続点で構成される回路は、記号のみによって示すものである。第４誘導素子Ｌ４および第３容量素子Ｃ３は、信号経路ＳＰと大地Ｍとの間で直列接続されている。更に、第４容量素子Ｃ４も、信号経路ＳＰと大地との間に接続されている。第５容量素子Ｃ５は、第1容量素子Ｃ１に対し、接続点ＫＰと信号経路出力端ＳＰＡとの間で並列接続されている。平面アンテナＰＩＬＡ、特に平面逆Ｌ型アンテナ（「ＰＩＬＡ」と略称する）は、アンテナ給電線ＡＬを介して、信号経路出力端ＳＰＡと接続されている。

本発明に係るフィルタ回路は、記述した実施例に限定されるものではなく、フィルタ回路における組み合わせおよびその他の形態、例えば、更なる誘導素子または容量素子を含む形態も、同様に、本発明に係る実施例に含まれる。

ＡＬ アンテナ給電線
Ｃ１ 第1容量素子
Ｃ２ 第２容量素子
Ｃ３ 第３容量素子
Ｃ４ 第４容量素子
Ｃ５ 第５容量素子
ＦＥ フロントエンドモジュール
ＫＰ 接続点
Ｌ１ 第1誘導素子
Ｌ２ 第２誘導素子
Ｌ３ 第３誘導素子
Ｌ４ 第４誘導素子
Ｍ 大地
ＰＩＬＡ 平面逆L型アンテナ
ＲＫ 方向性結合器
ＳＰ 信号経路
ＳＰＡ 信号経路出力端
ＳＰＥ 信号経路入力端

Claims (22)

1. 信号経路入力端（ＳＰＥ）と信号経路出力端（ＳＰＡ）との間に第１の接続点（ＫＰ１）及び第２の接続点（ＫＰ２）を有する信号経路（ＳＰ）と、
   前記信号経路入力端（ＳＰＥ）に接続された方向性結合器（ＲＫ）であって前記信号経路（ＳＰ）からアンテナに伝達される伝送エネルギの一部を規定可能な方向性結合器（ＲＫ）と、
   前記方向性結合器（ＲＫ）と前記第１の接続点（ＫＰ１）との間に介挿された第１の誘導素子（Ｌ１）、及び前記第１の接続点（ＫＰ１）と前記信号経路出力端（ＳＰＡ）との間に介挿された可変容量を有する第１の容量素子（Ｃ１）と、
   前記方向性結合器（ＲＫ）と前記第１の誘導素子（Ｌ１）との間の第２の接続点（ＫＰ２）と、大地（Ｍ）と、の間に介挿された可変容量を有する第２の容量素子（Ｃ２）と、
   前記第１の接続点（ＫＰ１）と大地（Ｍ）との間に介挿された第２の誘導素子（Ｌ２）と、
   前記信号経路出力端（ＳＰＡ）と大地（Ｍ）との間に介挿された第３の誘導素子（Ｌ３）と、
   を備えている、平面アンテナマッチング用のインピーダンス整合回路。
2. 前記第１（Ｌ１），第２（Ｌ２）及び第３の誘導素子（Ｌ３）は１５以上のＱ値を有し、
   前記第１（Ｃ１）及び第２の容量素子（Ｃ２）は１０以上のＱ値を有する、
   請求項１に記載のインピーダンス整合回路。
3. 前記第１の誘導素子（Ｌ１）のインダクタンスは０．５〜２２ｎＨであり、前記第２の誘導素子（Ｌ２）のインダクタンスは０．５〜２２ｎＨであり、前記第３の誘導素子（Ｌ３）のインダクタンスは０．５〜２２ｎＨであり、且つ
   前記第１の容量素子（Ｃ１）及び前記第２の容量素子（Ｃ２）の容量は、０．５〜１２ｐＦの範囲内で調整可能である、
   請求項１又は２に記載のインピーダンス整合回路。
4. Ｑ値が５０よりも大きく、容量が１〜３５ｐＦ間の第３の容量素子（Ｃ３）と、Ｑ値が１５よりも大きく、インダクタンスが０．５〜１０ｎＨの間に含まれる第４の誘導素子（Ｌ４）とが、前記第２の接続点（ＫＰ２）と大地との間に直列に接続される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のインピーダンス整合回路。
5. Ｑ値が５０よりも大きく、容量が４〜１８ｐＦ間の第４の容量素子（Ｃ４）が、前記第２の接続点（ＫＰ２）と大地との間に接続される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のインピーダンス整合回路。
6. ＣＤＭＡ，Ｗ‐ＣＤＭＡ又はＧＳＭの周波数帯域５００〜４５００ＭＨｚに用いる、請求項１〜５のいずれか一項に記載のインピーダンス整合回路。
7. ＤＶＢ‐Ｈ，Ｗ‐ＬＡＮ又はＷＩＦＩの周波数帯域５００〜４５００ＭＨｚに用いる、請求項１〜５のいずれか一項に記載のインピーダンス整合回路。
8. 前記可変容量を有する第１の容量素子（Ｃ１）及び可変容量を有する前記第４の容量素子（Ｃ４）の同調比は、２．５：１〜３．５：１である、請求項５に記載のインピーダンス整合回路。
9. 前記可変容量を有する第１の容量素子（Ｃ１）及び可変容量を有する前記第４の容量素子（Ｃ４）の同調比は、３：１である、請求項５に記載のインピーダンス整合回路。
10. 前記可変容量を有する第１の容量素子（Ｃ１）及び可変容量を有する前記第４の容量素子（Ｃ４）の同調比は、３．５：１〜４．５：１である、請求項５に記載のインピーダンス整合回路。
11. 前記可変容量を有する第１の容量素子（Ｃ１）及び可変容量を有する前記第４の容量素子（Ｃ４）の同調比は、４．５：１〜５．５：１である、請求項５に記載のインピーダンス整合回路。
12. 前記可変容量を有する第１の容量素子（Ｃ１）及び可変容量を有する前記第４の容量素子（Ｃ４）の同調比は、５．５：１〜６．５：１である、請求項５に記載のインピーダンス整合回路。
13. 前記可変容量を有する第１の容量素子（Ｃ１）及び／又は前記可変容量を有する第２の容量素子（Ｃ２）は、チタン酸バリウムストロンチウムの完全な誘電層を有する可変容量ダイオード、ニオブ酸ビスマス亜鉛の完全な誘電層を有する可変容量ダイオード、ＣＭＯＳ技術で製造される容量素子、接続したＭＥＭＳ‐コンデンサ及び半導体のバラクタダイオードから選択したものである、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のインピーダンス整合回路。
14. 前記第４の容量素子（Ｃ４）のＱ値は、前記第２の可変容量を有する容量素子（Ｃ２）のＱ値よりも大きい、請求項５、８、９、１０、１１又は１２のいずれか一項に記載のインピーダンス整合回路。
15. 第５の容量素子（Ｃ５）が、前記第１の接続点（ＫＰ１）と信号経路出力端（ＳＰＡ）との間に直列ではあるが、前記第１の容量素子（Ｃ１）に並列に接続される、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のインピーダンス整合回路。
16. 前記信号経路入力端（ＳＰＥ）と前記方向性結合器（ＲＫ）との間に接続されたフロントエンドモジュール（ＦＥ）を備えている、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のインピーダンス整合回路。
17. 前記信号経路入力端（ＳＰＥ）と前記方向性結合器（ＲＫ）との間に接続された送受切替器を備えている、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のインピーダンス整合回路。
18. 前記誘導素子は、ＨＴＣＣ，ＬＴＣＣ，ＦＲ４及び積層板から選択した多層基板に金属化により形成される、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のインピーダンス整合回路。
19. 伝送経路、受信経路及びＰＩＬＡタイプの平面アンテナを有するモバイル通信装置であって、
    前記伝送経路及び前記受信経路は、請求項１〜５のいずれか一項に記載のインピーダンス回路の前記信号経路入力端に接続され、
    前記平面アンテナは、インピーダンスが１０オームと６０オームとの間のアンテナ給電線を介して請求項１〜５のいずれか一項に記載のインピーダンス回路の前記信号経路出力端に接続される、
    モバイル通信装置。
20. 前記伝送経路の電圧定在波比は３未満である、請求項１９に記載のモバイル通信装置。
21. 前記受信経路の電圧定在波比は４未満である、請求項１９又は２０に記載のモバイル通信装置。
22. 前記信号経路出力端（ＳＰＡ）と平面アンテナとの間に接続される、インピーダンスが１０〜６０Ωのアンテナ給電線を備えている、請求項１９に記載のモバイル通信装置。

Images