JP7065688B2 - 無線装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線装置に関する。

スマートフォン等の無線装置において、外装である金属フレーム（金属枠）をアンテナとして使用する技術が開発されている。例えば、特許文献１には、金属フレームをアンテナとして動作させる場合に、アンテナとなる部分を他の金属フレームと分離させるために、スリットが設けられる構成が開示されている。

特開２０１２－２３５２５８号公報（２０１２年１１月２９日公開）

しかしながら、金属枠をアンテナとして使用する場合、当該アンテナの共振周波数を所望の値に調整することは困難である。当該アンテナの共振周波数は、主として、スリットの位置、給電位置および短絡位置によって決定されるが、これらの位置を変更することは設計上困難なことが多い。また、整合回路や補助的なアンテナエレメントなどを用いても、当該アンテナの共振周波数を十分に調整することができない場合がある。特に、当該アンテナがグランドに短絡されている状態で、その共振周波数を高くする方向に調整することは非常に難しい。

本発明の一態様は、上記課題に鑑みてなされたものであり、金属枠をアンテナとして使用する場合に、当該アンテナの共振周波数を好適に調整するための技術を提供することを主たる目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る無線装置は、無線回路部と、前記無線回路部を搭載する回路基板と、前記回路基板を収納する筺体と、前記筺体の外周に設けられ、少なくとも一つのスリットを有する金属枠と、グランドと、第１導体と、を備え、前記金属枠は、前記スリットに隣接する第１位置、および、第１位置とは異なる第２位置において前記グランドに接続されており、前記無線回路部は、前記回路基板に設けられ、第１給電部と電気的に接続されている第１給電部を介して前記金属枠の第１位置と第２位置との間の第３位置に給電するとともに、前記回路基板に設けられた第２給電部を介して第１導体の第４位置に給電し、第１導体は、第４位置とは異なる第５位置において前記グランドに接続されており、第１導体における第４位置から第５位置までの電気長が、前記金属枠における第３位置から第１位置までの電気長よりも短い。

本発明の一態様によれば、無線装置の金属枠を用いたアンテナの共振周波数を容易に調整することができる。

本発明の実施形態１に係るスマートフォンの構成を示す図である。 本発明の実施形態２に係るＲＦ回路と、第１給電部と、第２給電部２との接続構成を示す回路図である。 本発明の実施形態３に係るスマートフォンの構成を示す図である。 本発明の実施形態１～３に係るスマートフォンの外観を示す斜視図である。

〔実施形態１〕
以下、本発明の実施形態１について、詳細に説明する。

（スマートフォン１の構成）
図１の（ａ）は、本実施形態に係るスマートフォン（無線装置）１の構成を示す図である。詳細には、図１の（ａ）は、金属枠を使用したスマートフォン１の回路基板、および、金属枠の形状を示す図である。

図１の（ａ）に示すように、スマートフォン１は、ＲＦ（Radio Frequency）回路（無線回路部）１１と、ＲＦ回路１１を搭載する回路基板ＣＢと、回路基板ＣＢを収納する筺体Ｈと、回路基板ＣＢのグランド１２と、筺体Ｈの外周に設けられ、少なくとも一つのスリット（Ｓ１）を有する金属枠１３と、第１導体１４と、キャビ板金１６とを備えている。

ＲＦ回路１１は、外部と無線通信を行う回路である。ＲＦ回路１１は、第１経路ＲＴ１を用いて、回路基板ＣＢに設けられた第１給電部ＦＰ１を介して金属枠１３の第１位置Ｐ１と、第２位置Ｐ２との間の第３位置Ｐ３に給電するとともに、第１経路から分岐した第２経路ＲＴ２を用いて、回路基板ＣＢに設けられ、第１給電部ＦＰ１と電気的に接続されている第２給電部ＦＰ２を介して第１導体１４の第４位置Ｐ４に給電する。

回路基板は、ＲＦ回路１１を含む回路が実装された基板であり、グランド１２を有する。回路基板には、給電引込部１７への給電点である第１給電部ＦＰ１と、先端引込部１８に接続する第１短絡部ＳＣ１とが設けられている。さらに、回路基板には、第１導体１４の一端への給電点である第２給電部ＦＰ２と、第１導体１４の他端に接続する第２短絡部ＳＣ２とが設けられている。第２給電部ＦＰ２は、第１給電部ＦＰ１の付近に設けられている。第２短絡部ＳＣ２は、第１短絡部ＳＣ１の付近に設けられている。

金属枠は、スマートフォン１の外周を囲む筺体Ｈを構成する金属部品であり、筺体Ｈの外観として現出する。当該金属枠には、４箇所にスリットが設けられている。スリットで分離された各金属枠は、電気的に分断されることにより、それぞれがアンテナとして動作する。

図１の（ａ）に示すように、金属枠１３は、金属枠の一つであって、第１給電部ＦＰ１と、第１短絡部ＳＣ１とを接続するものである。金属枠１３の第１位置Ｐ１には、スリットＳ１が設けられている。金属枠１３の第２位置Ｐ２には、スリットが設けられていない。金属枠１３は、第３位置Ｐ３においてＲＦ回路１１から給電を受ける。

金属枠１３は、第１位置Ｐ１において、第１短絡部ＳＣ１を介して回路基板ＣＢのグランド１２に短絡している。また、金属枠１３は、第２位置Ｐ２において、キャビ板金１６に接続されている。キャビ板金１６は、回路基板のグランド１２に接続されている。従って、金属枠１３は、スリットＳ１に隣接する第１位置Ｐ１、および、第１位置Ｐ１とは異なる第２位置Ｐ２において、グランドに接続されている。

なお、金属枠１３には、ＲＦ回路１１から給電を行う給電引込部１７と、スリットＳ１が設けられた側の先端をグランドに接続する先端引込部１８とが設けられている。回路基板と、給電引込部１７および先端引込部１８との接続は、回路基板に実装されたバネを当ててもよいし、ビスを使用して共締めをしてもよいし、ＬＤＳ（Laser Direct Structuring、レーザ直接構造化）配線パターン、板金等を介して接続してもよい。

第１導体１４は、第２給電部ＦＰ２と、第２短絡部ＳＣ２とを接続するものであり、ＬＤＳ配線パターンでもよいし、板金等でもよい。第２給電部ＦＰ２と、第２短絡部ＳＣ２とは、回路基板に設けられており、ＬＤＳホルダに生成されたＬＤＳ配線パターン、回路基板に実装されたバネ等により接続される。第１導体１４は、第４位置Ｐ４においてＲＦ回路１１から給電を受けるとともに、第４位置Ｐ４とは異なる第５位置Ｐ５において、第２短絡部ＳＣ２を介して回路基板のグランド１２に短絡している。回路基板のグランド１２と、キャビ板金１６とは、物理的に（例えば、バネ、ガスケット等により）接続されている。

なお、第１給電部ＦＰ１と、第１給電部ＦＰ１から分岐した第２給電部ＦＰ２とは、電気的に導通しており、いずれもＲＦ回路１１に接続されている。

また、回路基板のグランド１２の第６位置Ｐ６が、金属枠１３の第２位置Ｐ２に接続する。グランド１２の第７位置Ｐ７が、第１導体１４の第５位置Ｐ５に接続する。グランド１２の第８位置Ｐ８が、金属枠１３の第１位置Ｐ１に接続する。グランド１２の縁部に、第６位置Ｐ６、第７位置Ｐ７、第８位置Ｐ８がこの順に配置されている。

（金属枠１３の電気長、および、第１導体１４の電気長）
第１導体１４は、第１給電部ＦＰ１から第１短絡部ＳＣ１までの金属枠１３の電気長よりも短くなるように設計されている。

金属枠１３は、第１給電部ＦＰ１から給電されて、第１短絡部ＳＣ１において回路基板のグランド１２に接続されている。この場合、金属枠１３のアンテナの共振周波数は、第１給電部ＦＰ１から第１短絡部ＳＣ１までの電気長が略１／２波長になるような周波数である。仮に、共振周波数を２．４ＧＨｚとする。

第１導体１４がない場合に、金属枠１３は、略２．４ＧＨｚで共振するアンテナとして動作する。第１導体１４がある場合に、金属枠１３は、２．４ＧＨｚよりも高い周波数で共振するとともに、金属枠１３のみで使用した場合と比較して広帯域なアンテナとして動作する。これは、第１導体１４の電気長が金属枠１３の電気長よりも短いためである。そして、第１導体１４の電気長を短くすればするほど、共振周波数はさらに高くなる。

（スマートフォン１の外観）
図４は、本実施形態に係るスマートフォン１の外観を示す斜視図である。図４の（ａ）は、スマートフォン１の表面が視認可能な斜視図である。図４の（ｂ）は、スマートフォン１の裏面が視認可能な斜視図である。図４の（ａ）、（ｂ）に示すように、スマートフォン１は、金属枠１３およびスリットＳを備えている。なお、図４は、実施形態１のみでなく、実施形態２、３にも適用可能である。

（実施形態１の効果）
図１の（ａ）に示す構成において第１導体１４を備えていない状態で、金属枠１３の共振周波数を下げる場合に、第１短絡部ＳＣ１にコイル等を入れることにより、ある程度の調整は可能である。しかしながら、金属枠１３の共振周波数を上げようとする場合には、特に２．４ＧＨｚ等の高い周波数において、上記のような方法、つまり、短絡部、給電部等に直列にコンデンサを接続する方法では、周波数を上げることが難しく、微調整ができる程度であった。従って、アンテナの周波数を大きく上げるためには、金属枠１３の電気長を変える必要があった。

しかしながら、金属枠１３の電気長を変えるためには、給電引込部１７、先端引込部１８の位置を変える必要がある。それには、金型修正やデザイン変更が必要になり、製品として非常にインパクトが大きく、簡単に変更できるものではなかった。

上記の構成によれば、スマートフォン１において、第１導体１４の電気長を調整することにより、金型の修正（給電位置および短絡位置の変更）、デザインの変更（スリット位置の変更）等を行わなくても、金属枠１３を用いたアンテナの共振周波数を容易に調整することが可能であるとともに、広帯域化を実現することができる。

（変形例１）
一態様において、図１の（ｂ）に示すように、金属枠１３に設けられた先端引込部１８と、第１導体１４とが結合してから、接地する構成であってもよい。換言すれば、スマートフォン１において、第１短絡部ＳＣ１と、第２短絡部ＳＣ２とを、共用してもよい。

〔実施形態２〕
本発明の実施形態２について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、実施形態１にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。本実施形態では、ＲＦ回路１１と第１給電部ＦＰ１との間、および、ＲＦ回路１１と第２給電部ＦＰ２との間の少なくとも一方にリアクタンス素子が設けられている。換言すれば、第１経路ＲＴ１における第２経路ＲＴ２との分岐点と金属枠１３の第３位置Ｐ３との間、および、第２経路ＲＴ２の少なくとも一方にリアクタンス素子が設けられている。さらに、ＲＦ回路１１と、上記の分岐点との間の伝送線路と、グランドとの間に、リアクタンス素子（例えば、コンデンサ、コイルなど）が設けられていてもよい。

図２は、本実施形態に係るＲＦ回路１１と、第１給電部ＦＰ１と、第２給電部ＦＰ２との接続構成を示す回路図である。図２に示すように、ＲＦ回路１１と、第１給電部ＦＰ１および第２給電部ＦＰ２とは、回路基板上または回路基板内に設けられた伝送線路により、それぞれ接続される。ＲＦ回路１１から延出している伝送線路は、第１給電部ＦＰ１および第２給電部ＦＰ２の付近で２つに分岐する。分岐した伝送線路のうち、一方は第１給電部ＦＰ１に接続され、他方は第２給電部ＦＰ２に接続されている。

上記の分岐点と、第１給電部ＦＰ１との間に、コンデンサである第１整合回路ＭＣ１が介設されている。上記の分岐点と、第２給電部ＦＰ２との間に、コンデンサである第２整合回路ＭＣ２が介設されている。さらに、ＲＦ回路１１と、上記の分岐点との間の伝送線路と、グランドとの間に、コイルである第３整合回路ＭＣ３が介設されていてもよい。

なお、金属枠１３は、回路基板ＣＢに設けられた第１短絡部ＳＣ１を介してグランド１２に接続されている。第１導体１４は、回路基板ＣＢに設けられた第２短絡部ＳＣ２を介してグランド１２に接続されている。この場合、第１短絡部ＳＣ１とグランド１２との間、および、第２短絡部ＳＣ２とグランド１２との間の少なくとも一方にリアクタンス素子が設けられていてもよい。

（実施形態２の効果）
上記の構成によれば、整合回路としてリアクタンス素子を第１給電部ＦＰ１および第２給電部ＦＰ２の少なくとも一方に設けることにより、金属枠１３を用いたアンテナの周波数が調整可能な範囲を拡張することができる。さらに、整合回路としてリアクタンス素子を第１短絡部ＳＣ１および第２短絡部ＳＣ２の少なくとも一方に設けることにより、金属枠１３を用いたアンテナの周波数が調整可能な範囲を拡張することができる。

〔実施形態３〕
本発明の実施形態３について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、実施形態２、３にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。本実施形態では、複数の導体を用いる。

図３は、本実施形態に係るスマートフォン１ａの構成を示す図である。図３に示すように、スマートフォン１ａは、スマートフォン１に対して、第２導体１５をさらに備えている。ＲＦ回路（無線回路部）１１は、第１経路ＲＴ１から分岐した第３経路ＲＴ３を用いて、回路基板ＣＢに設けられ、第１給電部と電気的に接続されている第３給電部ＦＰ３を介して第２導体１５の第９位置Ｐ９に給電する。

第２導体１５は、第９位置Ｐ９とは異なる第１０位置Ｐ１０において回路基板のグランド１２に接続されている。第２導体１５における第９位置Ｐ９から第１０位置Ｐ１０までの電気長が、金属枠１３における第３位置Ｐ３から第１位置Ｐ１までの電気長よりも短い。

（実施形態３の効果）
上記の構成によれば、スマートフォン１ａにおいて、第１導体１４および第２導体１５を備えることにより、金属枠１３を用いたアンテナの周波数をさらに容易に調整することが可能である。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る無線装置（スマートフォン１）は、無線回路部（ＲＦ回路１１）と、前記無線回路部を搭載する回路基板（ＣＢ）と、前記回路基板を収納する筺体（Ｈ）と、前記筺体の外周に設けられ、少なくとも一つのスリット（Ｓ１）を有する金属枠（１３）と、グランド（１２）と、第１導体（１４）と、を備え、前記金属枠が、前記スリットに隣接する第１位置（Ｐ１）、および、第１位置とは異なる第２位置（Ｐ２）において前記グランドに接続されており、前記無線回路部が、前記回路基板に設けられた第１給電部（ＦＰ１）を介して前記金属枠の第１位置と第２位置との間の第３位置（Ｐ３）に給電するとともに、前記回路基板に設けられ、第１給電部と電気的に接続されている第２給電部（ＦＰ２）を介して第１導体の第４位置（Ｐ４）に給電し、第１導体が、第４位置とは異なる第５位置（Ｐ５）において前記グランドに接続されており、第１導体における第４位置から第５位置までの電気長が、前記金属枠における第３位置から第１位置までの電気長よりも短い。

上記の構成によれば、第１導体を備えることにより、無線装置の金属枠を用いたアンテナの共振周波数を容易に調整することができる。

本発明の態様２に係る無線装置は、上記態様１において、前記グランドの第６位置（Ｐ６）が、前記金属枠の第２位置に接続し、前記グランドの第７位置（Ｐ７）が、第１導体の第５位置に接続し、前記グランドの第８位置（Ｐ８）が、前記金属枠の第１位置に接続し、前記グランドの縁部に、第６位置、第７位置、第８位置がこの順に配置されていることとしてもよい。

本発明の態様３に係る無線装置は、上記態様１または２において、前記無線回路部と第１給電部との間、および、前記無線回路部と第２給電部との間の少なくとも一方にリアクタンス素子（第１整合回路ＭＣ１、第２整合回路ＭＣ２）が設けられていることとしてもよい。

上記の構成によれば、リアクタンス素子を設けることにより、アンテナの周波数が調整可能な範囲を拡張することができる。

本発明の態様４に係る無線装置は、上記態様１から３において、前記金属枠が、前記回路基板に設けられた第１短絡部（ＳＣ１）を介して前記グランドに接続されており、第１導体が、前記回路基板に設けられた第２短絡部（ＳＣ２）を介して前記グランドに接続されており、第１短絡部と前記グランドとの間、および、第２短絡部と前記グランドとの間の少なくとも一方にリアクタンス素子が設けられていることとしてもよい。

上記の構成によれば、リアクタンス素子を設けることにより、アンテナの周波数が調整可能な範囲を拡張することができる。

本発明の態様５に係る無線装置は、上記態様１から４において、第２導体（１５）をさらに備え、前記無線回路部が、前記回路基板に設けられ、第１給電部と電気的に接続されている第３給電部を介して第２導体の第９位置（Ｐ９）に給電し、第２導体が、第９位置とは異なる第１０位置（Ｐ１０）において前記グランドに接続されており、第２導体における第９位置から第１０位置までの電気長が、前記金属枠における第３位置から第１位置までの電気長よりも短いこととしてもよい。

上記の構成によれば、第１導体に加えて第２導体をさらに備えることにより、無線装置の金属枠を用いたアンテナの共振周波数をさらに容易に調整することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１、１ａ スマートフォン（無線装置）
１１ ＲＦ回路（無線回路部）
１２ グランド
１３ 金属枠
１４ 第１導体
１５ 第２導体
ＣＢ 回路基板
ＦＰ１ 第１給電部
ＦＰ２ 第２給電部
ＦＰ３ 第３給電部
Ｈ 筺体
Ｓ１ スリット
Ｐ１ 第１位置
Ｐ２ 第２位置
Ｐ３ 第３位置
Ｐ４ 第４位置
Ｐ５ 第５位置
Ｐ６ 第６位置
Ｐ７ 第７位置
Ｐ８ 第８位置
Ｐ９ 第９位置
Ｐ１０ 第１０位置
ＳＣ１ 第１短絡部
ＳＣ２ 第２短絡部
ＭＣ１ 第１整合回路（リアクタンス素子）
ＭＣ２ 第２整合回路（リアクタンス素子）

Claims (5)

1. 無線回路部と、
   前記無線回路部を搭載する回路基板と、
   前記回路基板を収納する筺体と、
   前記筺体の外周に設けられ、少なくとも一つのスリットを有する金属枠と、
   グランドと、
   第１導体と、を備え、
   前記金属枠は、前記スリットに隣接する第１位置、および、第１位置とは異なる第２位置において前記グランドに接続されており、
   前記無線回路部は、前記回路基板に設けられた第１給電部を介して前記金属枠の第１位置と第２位置との間の第３位置に給電するとともに、前記回路基板に設けられ、第１給電部と電気的に接続されている第２給電部を介して第１導体の第４位置に給電し、
   第１導体は、第４位置とは異なる第５位置において前記グランドに接続されており、第１導体における第４位置から第５位置までの電気長が、前記金属枠における第３位置から第１位置までの電気長よりも短く、
   前記無線回路部と、第１給電部との間には、第２給電部に分かれる分岐点があり、
   前記分岐点から前記金属枠の第３位置までの経路上、および、前記分岐点から第１導体の第４位置までの経路上の少なくとも一方にリアクタンス素子が設けられていることを特徴とする無線装置。
2. 前記グランドの第６位置が、前記金属枠の第２位置に接続し、
   前記グランドの第７位置が、第１導体の第５位置に接続し、
   前記グランドの第８位置が、前記金属枠の第１位置に接続し、
   前記グランドの縁部に、第６位置、第７位置、第８位置がこの順に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の無線装置。
3. 前記分岐点と第１給電部との間、および、前記分岐点と第２給電部との間の少なくとも一方にリアクタンス素子が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の無線装置。
4. 前記金属枠は、前記回路基板に設けられた第１短絡部を介して前記グランドに接続されており、
   第１導体は、前記回路基板に設けられた第２短絡部を介して前記グランドに接続されており、
   第１短絡部と前記グランドとの間、および、第２短絡部と前記グランドとの間の少なくとも一方にリアクタンス素子が設けられていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の無線装置。
5. 第２導体をさらに備え、
   前記無線回路部は、前記回路基板に設けられ、第１給電部と電気的に接続されている第３給電部を介して第２導体の第９位置に給電し、
   第２導体は、第９位置とは異なる第１０位置において前記グランドに接続されており、第２導体における第９位置から第１０位置までの電気長が、前記金属枠における第３位置から第１位置までの電気長よりも短いことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の無線装置。

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