JP4230372B2 - 無線通信端末 - Google Patents

Description

本発明は、アレーアンテナを有する携帯電話機などの無線通信端末に関するものである。

無線通信においては、建物などの反射、回析、散乱による多重伝搬路となるために、多重波によるマルチパスフェージングが発生し、通信品質が劣化する。これらの影響を軽減する方法として、複数のアンテナ素子を配置したアレーアンテナを用い、このアレーアンテナで受信した信号をＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error：最小２乗誤差法）などの適応信号処理を行うことで所望の指向性パターンを形成し受信する方法がある。この方法は従来から無線基地局において実際に用いられ、所望波の到来方向に受信指向性パターンを形成し、かつ干渉波の到来方向には指向性パターンのヌルを形成して抑圧することにより通信品質が改善されている。またアレーアンテナを送信時に用いた場合にも、他の基地局や移動局への干渉を低減でき、かつ送信電力も軽減できるなどの利点がある。

端末内部に複数のアンテナ素子を配置する構成として、ダイバーシティーアンテナなどが存在する。この構成は外部にヘリカル・ホイップアンテナを、内部にチップアンテナやパッチアンテナを配置し、それぞれのアンテナ素子を切り替えることで受信品質特性の改善効果を得ている。また従来より、端末内部にアンテナ素子を配置する場合に手が接触する胴部中心を除く部位に配置する方法として、主に筐体の表面・裏面に配置する方法が提案されている。
また、アレーアンテナ装置として、例えば、特許文献１に記載の技術が知られている。
特開２０００−０３１７３５号公報

ところで、アレーアンテナを端末に適用した場合も少なからず通信品質の改善効果がある。しかし、アレーアンテナを適用した端末においてはアンテナ素子の配置が問題となる。基本的にアンテナ素子の間隔は０．５λが望ましく、基地局などでは問題なくこの間隔で配置できる。アレーアンテナは各アンテナ素子間の位相差情報から信号の到来方向を推測することができるが、アンテナ素子間隔が小さくなると位相差に対する到来方向の分解能が小さくなり、鋭いメインローブを形成できず、不要な干渉波を受信してしまったり、送信の場合には、送信ビームが絞れず不要な範囲に送信するため、他の装置に干渉波を与えたり、無駄な電力を消費することになる。従って、アンテナ素子間隔は０．５λにできるだけ近い方が受信品質特性の改善効果や送信電力の低減効果をより多く得ることができる。

しかし、携帯電話機などの小型の無線通信端末の場合は、複数のアンテナ素子の配置には制限があり、０．５λ間隔で配置できない場合が多々ある。例えば、８００ＭＨｚ帯の周波数では０．５λは約１９ｃｍであり、２ＧＨｚ帯の周波数でも約７．５ｃｍである。このため端末の筐体内部に０．５λ間隔で複数のアンテナ素子を配置して納めることは難しい。よって、端末には０．５λ間隔以下でアンテナを配置することになるが、通信品質の劣化を軽減するためにはできる限り０．５λ間隔に近くなるように間隔を大きくする必要がある。

複数のアンテナ素子を端末内部に配置する場合、他の部品からのアンテナ指向特性への影響やアンテナ素子からの他の部品への影響が問題になってくる。例えば、内蔵アンテナを０．２５λ間隔に対応した設計とした場合、それに対応したグランド面やマッチング回路が必要になり、アンテナ及びその周辺回路、グランドの配置によっては、他の部品への影響や他の部品からの影響によりアンテナ特性の劣化が起こる。また、端末を手で持つことなく、どこかに置いて使用する場合に有効となり得るアンテナ配置を考えた場合、端末を置いた面による影響を受け難くし、かつ内部の部品の配置と互いに影響が少ない場所に配置しなければならないという問題もある。

本発明は、小型の無線通信端末のように複数のアンテナ素子を０．５λ間隔に配置してアレーアンテナを構成することが難しい場合に、できるだけ０．５λに近い間隔で配置してアンテナ特性や通信品質の劣化を軽減することを目的とする。

本発明は、複数の筐体からなり、前記複数の筐体が開状態あるいは閉状態になるように構成された、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを備える無線通信端末であって、前記アンテナ素子は前記各筐体ごとに複数配され、かつ、前記複数の筐体が開状態である場合の最大間隔が取れる２点を結んで得られる線分上に、所定間隔で配列されたことを特徴とする。

また、前記各筐体は、略四角形状で形成され、前記最大間隔が取れる２点を結んで得られる線分とは、前記複数の筐体が開状態である場合の対角線であることを特徴とする。
また、前記複数のアンテナ素子の一部が前記筐体の内部又は外部に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、端末の筐体に複数のアンテナ素子を配置してアレーアンテナを構成する場合に、０．５λ間隔に近い最大のアンテナ素子間隔を取ることができ、アンテナ特性や通信品質の劣化を軽減することができる。

本発明の実施の形態の説明に先立ちアレーアンテナのアンテナ素子配置について説明する。アレーアンテナにおけるアンテナ素子配置の種類には、正方（長方形）配列、円形配列、リニア配列などがあり、いずれも一長一短である。携帯電話機やＰＤＡなどの場合は、筐体が長方形状の場合が多い。このため正方（長方形）配列にした場合は、短辺の方で間隔が限定されてしまう。０．５λ間隔以下でしかアンテナ素子を配置できない場合、リニア配列の方が０．５λ間隔に近い間隔に配置できるため、鋭い指向性の形成が可能である。また、リニア配列は正方配列に比べて、アンテナ素子配列の側面方向など一部の方向以外はビームパターンを鋭く形成できる。

図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）は、所望波Ｓが１波（到来方向２０°）、干渉波Ｉが１波（到来方向−３０°）で、アンテナ間隔を０．１λ、０．３λ、０．５λとした時の各指向性パターンを示している。干渉波にはいずれもヌルが形成されているが、所望波へのメインローブの広がりや方向を比較した場合、０．５λが望ましいことは明らかである。受信品質（ＳＩＮＲなど）も０．５λが良いことが分かる。また、図１１（ａ）（ｂ）は所望波Ｓの到来方向が３０°の場合の正方配列とリニア配列の指向性パターンであるが、明らかにリニア配列の方が指向性パターンが鋭い。また、図１１（ｃ）（ｄ）は所望波１波（到来方向１０°）、干渉波１波（到来方向−２０°）で比較した場合であるが、（ｃ）の正方配列では干渉波にヌルはできているが、所望波へのビームパターンは若干ずれており、そのためＳＩＮＲなどの受信品質もリニア配列に比べ劣っている。またリニア配列は送信時干渉を減らし、送信電力も軽減できる。

以下、本発明の実施の形態を図面と共に説明する。図１２は適応アレーアンテナ装置の基本的な構成を示すブロック図である。図示のように適応アレーアンテナ装置は、複数のアンテナ素子ＡＮＴ−１、ＡＮＴ−２、ＡＮＴ−Ｎ、無線送受信部５０、適応信号処理部５１、信号合成部５２、ベースバンド処理部５３などから構成されている。無線送受信部５０で受信した各アンテナ素子毎の受信信号Ｘ１…ＸＮの位相差などの情報に基づいて適応信号処理部５１により制御信号Ｗ１…ＷＮを作成し、この制御信号により信号合成部５２において各受信信号の位相と振幅を制御し合成する。これにより、所望波の到来方向にビームパターンを形成し、干渉波の到来方向にはヌルを形成して抑圧することができ、通信品質の改善効果を得ることができる。

図１は本発明の第１の実施の形態による基本アンテナ配置を示す。ここでは、ＰＤＡや携帯電話機などのように筐体が１つ、又は２つの折畳み式の筐体１１、１２で構成される無線通信端末としての携帯電話機におけるアンテナ配置を例に図示している。
図１において、アレーアンテナを構成するアンテナ素子としての内蔵アンテナ１、２、３、４は筐体内部に配置されている。このため、アンテナ素子としてパッチアンテナやチップアンテナなどが使用される。また通常の携帯電話機などで使用されるホイップアンテナなどを内蔵してもよく、内蔵できればアンテナ素子の種類には制限はない。但し、筐体内部の部品からの影響が少ないように、基本的には筐体の表面近くに配置し、アンテナの指向性も筐体を置く形態に従い有効な向きになるように配置すべきである。

さらに、内蔵アンテナ１、２、３、４は、図示のように略四角形状をなす筐体１１、１２の対角線上に等間隔ｄで斜めにリニア配列で配置されることにより、アレーアンテナが構成される。即ち、アンテナ素子配置としては、間隔をより大きく取ることができ、かつアンテナ素子配列の正面方向において鋭い指向性パターンを形成できるリニア配列を基本とし、さらに、アンテナ素子間隔を中心に考えた場合は図１０（ｃ）のように間隔は０．５λが良く、筐体内部の限られた場所ではこの間隔０．５λにできるだけ近づけたい。そこで、図１のようにリニア配列により対角線上に斜めにアンテナを配置することにより、筐体内部では最大の間隔を取ることができる。

また、筐体が楕円形状である場合は、内蔵アンテナ１、２、３、４は楕円形状の長軸上にリニア配列で配置することにより、筐体内部で最大の間隔を取ることができる。
即ち、本発明においては、筐体において最大間隔を取ることのできる２点間を結ぶ線分上に複数のアンテナ素子を所定間隔で配列してアレーアンテナを構成すれば良い。

図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の第２の実施の形態による基本アンテナ配置を示す。本実施の形態では、主に無指向性の内蔵アンテナ１、２、３、４を筐体１１、１２の内側面に間隔ｄで配置している。筐体内には、部品搭載部１３を有する基板１４が設けられると共に、この基板１４の上下には、表示用の液晶１５やバッテリ１６、キー部１７などが図示のように配置されている。（ａ）は端末の筐体１１、１２が台１８上に置かれた状態を示す。

この場合、内蔵アンテナ１、２、３、４は、（ｂ）（ｃ）のように基板１４の一辺側に沿って配置され、その上下には筐体１１、１２と基板以外は何も配置されていない。このようにアンテナの指向性に影響を与えるものを排除することにより、台１８上における端末の筐体の置き方に影響されず、アンテナ特性の劣化を軽減できるアンテナ配置となる。

図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は本発明の第３の実施の形態によるアンテナ配置を示すもので、図２と対応する部分には同一番号を付して重複する説明は省略する。本実施の形態は、第２の実施の形態の変形例であり、基板１４の一辺側にこの基板１４に対して垂直に基板１９を設け、この基板１９に内蔵アンテナ１、２、３、４を間隔ｄで配置したものである。これにより、台１８上の筐体の置き方に影響されず、アンテナ特性の劣化を軽減できるアンテナ配置となる。
尚、筐体面を垂直に立てた場合、指向性パターンは筐体内部を除く全方向有効となる。

次に、前記第１、第２の実施の形態による図１、図２を基本構成とするいくつかの実施の形態について図４〜図９を参照して説明する。尚、図４〜図９においては、図１、図２と対応する部分、及び互いに対応する部分には同一番号を付して重複する説明は省略する。

図４は第４の実施の形態を示す。携帯電話機などに設けられている既存のアンテナは、伸縮自在のヘリカルホイップアンテナなどであり、先端にヘリカルアンテナなどが取り付けられている。このような携帯電話機にアレーアンテナを設ける場合、図４（ａ）（ｂ）に示すように、既存のアンテナ２０を利用し、内蔵アンテナ１、２、３と共に全体としてアレーアンテナを構成する。これにより部品点数の削減を図ることができる。（ａ）は筐体１１、１２の対角線上に配列した場合、（ｂ）は筐体の一辺側に配列した場合を示す。
尚、アンテナ２０は、内蔵アンテナ１、２、３とは指向性が異なるので、図１２の適応信号処理部５１において各指向性に合わせて補正する必要がある。また、外部のアンテナ２０と内部のアンテナ１、２、３で同じものを使用しても良い。

図５は第５の実施の形態を示す。図５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように既存の伸縮自在のアンテナ２０を伸ばしたとき、その伸ばした部分２０ａもアンテナとなるが、この伸ばした部分２０ａではなく、その先端のヘリカルアンテナ部分２０ｂで給電し、このヘリカルアンテナ部分２０ｂのみをアレーアンテナのアンテナ素子の１つとして機能させることにより、各アンテナ素子間隔を大きく配置することができる。また、アレーアンテナの自由度は減少するが、アンテナ素子間隔を優先する場合は、（ｃ）のように、アンテナ素子数を減らし、アンテナ素子間隔を大きくする方が良い場合もある。
尚、本実施の形態は、筐体内部のどこにでも適用することができ、かつアンテナ素子数に制限はない。

図６は第６の実施の形態を示す。図６において、筐体内部に複数の内蔵アンテナ１、２、３、４を設けると共に、筐体外部にも複数の外部アンテナ２２を設ける。外部アンテナ２２は起伏自在になされ、その先端にヘリカルアンテナ２３を取り付け、このヘリカルアンテナ２３で給電し、この部分のみをアンテナ素子としてアレーアンテナを構成している。

図７は第７の実施の形態を示す。図７（ａ）（ｂ）（ｃ）において、複数の外部アンテナ２２に携帯電話機などに使用されているヘリカル・ホイップアンテナなどを使用し、アレーアンテナとして構成する。この外部アンテナは、伸ばしたときその伸ばした部分もアンテナとなっているが、この伸ばした部分のアンテナでも良いし、その先端にヘリカルアンテナなどを取り付け、その部分で給電し、その部分のみをアンテナ素子としてもよい。
尚、外部アンテナ２２の指向性は筐体面を水平にして台に置いたとき、台の影響を受けやすいので、筐体１１、１２を立てた状態（アンテナを立てた状態）に置くことにより、アンテナ特性の劣化を防止できる。

また、（ｂ）のように外部アンテナの収納時にアンテナの先端部のみを外に出し、ヘリカルアンテナ２３のみでアレーアンテナを構成しても良よい。この場合は、伸長操作の手間が要らず、外部のアンテナの空間も必要としない。また、（ｃ）のように外部アンテナ２２の先端部を筐体内部に完全に入れ込んでもよい。

図８は第８の実施の形態を示す。本実施の形態は、図７の発展的構成であり、既存アンテナ２０の先端のヘリカルアンテナ２０ｂの１個と、図７の外部アンテナ２２のヘリカルアンテナ２３の複数個とをアンテナ素子としてアレーアンテナを構成する。さらに各ヘリカルアンテナ２３の固定位置をそれぞれ変えることにより、アンテナ素子間隔を大きくすることができる。

図９は第９の実施の形態を示す。筐体１１、１２の側面に外部アンテナ２２を起伏自在に取り付け、使用する時はアンテナを起こして各アンテナ配置に設定する。アンテナ配置場所としては、筐体の外側表面、例えば、筐体側面や液晶又は操作部がない面に配置する。アンテナはその伸ばした部分自体がアンテナでも良いし、先端のみに給電し、先端のみアンテナでもよい。尚、（ａ）は各アンテナをリニア配列した場合を示し、（ｂ）（ｃ）は正方配列した場合を示す。

また、各アンテナ素子をアンテナ特性に影響が無い素材で作られた１つの部材に接続し、一本のアンテナ素子を起伏することにより、同時に全てのアンテナ素子を起伏できる機構にすれば、さらに使用しやすくなり、またアンテナ素子配置も最適な配置になりやすく、アレーアンテナの特性の劣化を防止することができる。
以上説明した各実施の形態におけるアンテナ素子配置は、筐体内部、筐体外部のいずれでも適用することができる。その場合、複数のアンテナの一部又は全てが内部又は外部であって良い。また、アンテナ素子数、配置に制限はなく、さらにアンテナ間隔も等間隔でなくても良い。

以上説明したように、例えば、図１、図４（ａ）、図５（ａ）、（ｃ）のように、無線通信端末の筐体において取ることのできる最大間隔を有する２点間、即ち、長方形を有する筐体の場合は、その対角線上の２点間、楕円形状を有する筐体の場合は長軸上の２点間に複数のアンテナを所定間隔でリニアに配列したことにより、各アンテナを０．５λに近い間隔で配置することができるので、アンテナ特性や通信品質の劣化を軽減することができる。

また、例えば、図２、図３のように端末の周辺及び側面などの基板１４、１９に配置することにより、一部の場所にアンテナや高周波部品を集めることができ、ベースバンド部や他の機能ブロックと分離しやすい。また、端末の置き方に影響を受け難くすることができると共に、アンテナの指向性を端末自身に影響され難くすることができる。

なお、基本的にアンテナの数が増えると干渉波の抑圧が多くできる為、ＣＩＲ（Carrier to Interference Ratio：搬送波対干渉波比）がより改善し、通信品質の向上が期待できる。従って、２ＧＨｚ帯や５ＧＨｚ帯などキャリア周波数が大きくなれば、最適なアンテナ間隔も短くできるので、開状態時に約２０ｃｍ程度の端末（閉状態はおよそ半分）であれば、３本のアンテナを理想の間隔で配置することは可能である。例えば、キャリア周波数が５ＧＨｚなら０．５λは約３ｃｍなので端末に３本アンテナを配置することができる。
また、折り畳み型やスライド型のように複数の筐体から構成された端末の各筐体にアンテナを配置した場合、折り畳む前と折り畳んだ後のように端末の状態が変化するとアンテナ間隔が異なってしまうため、通信品質の向上が低減してしまう。極端な場合、有効なアンテナは一方の筐体に配置されたアンテナだけになる場合もありうる。例えば、一の筐体と二の筐体のそれぞれにアンテナを配置した端末を机上に置いた場合、上になって置かれた筐体のアンテナのみが有効になり、全体のアンテナを使用した場合、通信品質の向上は低減してしまう。
更に折り畳み型の端末の場合、３本アンテナを対角線上に等間隔で配置すると、ヒンジの部分が邪魔になり等間隔の配置が困難となる。そこで、４本アンテナを各筐体に２本ずつ配置することでヒンジ部分を考慮した配置が行えるとともに、折り畳んだ状態においても、端末の置き方に関係無く少なくとも２本のアンテナは有効に使用できる。
なお、折り畳み型やスライド型のように複数の筐体から構成された端末の場合、４本のアンテナに限らず複数のアンテナを各筐体に配置することで上記問題を解決でき、有効である。

また、端末の置き方が通信品質の影響を劣化させないための内蔵アンテナとしては、水平面及び垂直面が無指向性アンテナに近いチップアンテナなどの無指向性アンテナが好ましい。

尚、本発明における無線通信端末は、携帯電話機や携帯情報端末（ＰＤＡ）等を含むものである。

本発明の第１の実施の形態による携帯電話機の構成図である。 本発明の第２の実施の形態による携帯電話機の構成図である。 本発明の第３の実施の形態による携帯電話機の構成図である。 本発明の第４の実施の形態による携帯電話機の構成図である。 本発明の第５の実施の形態による携帯電話機の構成図である。 本発明の第６の実施の形態による携帯電話機の構成図である。 本発明の第７の実施の形態による携帯電話機の構成図である。 本発明の第８の実施の形態による携帯電話機の構成図である。 本発明の第９の実施の形態による携帯電話機の構成図である。 アレーアンテナのアンテナ素子間隔による指向性パターンを示す特性図である。 アレーアンテナのアンテナ素子配列による指向性パターンを示す特性図である。 本発明を適用し得る適応アレーアンテナ装置を示すブロック図である。

符号の説明

１、２、３、４ 内蔵アンテナ
１１、１２ 筐体
１３ 部品搭載部
１４ 基板
１５ 液晶
１６ バッテリ
１７ キー部
１９ 基板
２０ 既存のアンテナ
２０ｂ、２３ ヘリカルアンテナなど
２２ 外部アンテナ

Claims (3)

1. 複数の筐体からなり、前記複数の筐体が開状態あるいは閉状態になるように構成された、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを備える無線通信端末であって、
   前記アンテナ素子は前記各筐体ごとに複数配され、かつ、前記複数の筐体が開状態である場合の最大間隔が取れる２点を結んで得られる線分上に、所定間隔で配列されたことを特徴とする無線通信端末。
2. 前記各筐体は、略四角形状で形成され、
   前記最大間隔が取れる２点を結んで得られる線分とは、前記複数の筐体が開状態である場合の対角線であることを特徴とする請求項１記載の無線通信端末。
3. 前記複数のアンテナ素子の一部が前記筐体の内部又は外部に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の無線通信端末。

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