携帯無線機

【目的】広帯域、高利得の線状アンテナを具備した携帯無線機を提供する。
【構成】線状アンテナ１の給電点８と内部無線回路３のアンテナ端子との間を第１伝送線路４と第２伝送線路５と接続ケーブル７とによって接続し、アンテナ給電点インピーダンスをＺａ，第１伝送線路の特性インピーダンスをＺ１，その電気長をＬ１，第２伝送線路の特性インピーダンスをＺ２，その電気長をＬ２，内部無線回路のインピーダンスをＺｎ，最低運用波長をλとした場合、Ｚａ＞Ｚ１＞Ｚ２≧Ｚｎ，Ｌ１≒λ／４，Ｌ２≦λ／４に選定する。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、２つの周波数で共振し、帯域が広く、かつ整合回路の損失が少なく、高い利得を有する携帯無線機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図１４に従来の携帯無線機の例を示す。この例では、線状アンテナ１０１の給電点インピーダンスと内部無線回路１０３のアンテナ端子１０６の入力インピーダンスを整合回路１０２でマッチングさせるものである。つまり、１０１は線状アンテナ、１０２は整合回路、１０３は内部無線回路、１０４は筐体、１０５はアンテナの給電点、１０６は内部無線回路のアンテナ端子、１０７は線状アンテナと内部無線回路を接続するケーブルである。
【０００３】従来は、内部無線回路１０３のアンテナ端子のインピーダンスは一般的に５０Ωであり、アンテナが１／４波長である場合以外は、この例のように整合回路１０２が必要であった。特にアンテナの利得を高くするためには、線状アンテナ１０１の長さは１／２波長に近い方がよい（文献（１）：常川他：“小型無線機アンテナの多重波中利得と筐体長の関係”電子情報通信学会論文雑誌Ｂ−II vol．J75-B-II No.10 pp705-707 1992年10月）。アンテナ１０１の長さが１／２波長に近い場合は、アンテナ１０１の給電点インピーダンスは高いので、高いインピーダンスと５０Ωの変換回路、すなわち整合回路１０２が必要であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このような構造であるので、整合回路１０２に損失が生じ、アンテナの利得を低下させていた。さらに、２つの周波数で共振させるには、２段のＬＣ回路などが必要であり、さらに整合回路１０２の回路構成が複雑になってより損失が増加した。また、この場合帯域も狭く、広い帯域を必要とする場合には整合回路１０２のＱを落とさなければならず、より損失が増えることになる。
【０００５】従って、従来の携帯無線機では、線状アンテナ１０１と内部無線回路１０３のアンテナ端子１０６との間に整合回路１０２を必要とし、さらに２共振、広帯域を実現するには、より複雑かつＱの低い整合回路１０２になるため、大きな損失が生じ、アンテナの利得が非常に低下するという欠点があった。この発明の目的は、このような問題点を解決するためになされたもので、集中定数による整合回路を用いずに線状アンテナと内部回路との整合をとることが可能であり、高い利得を有する携帯無線機を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明では、筐体内に内部無線回路を収納し、筐体外に線状アンテナを配置し、線状アンテナと内部無線回路との間を電気的に接続して構成される携帯無線機において、線状アンテナの給電点と内部無線回路のアンテナ端子との間を第１伝送線路と第２伝送線路及び接続ケーブルを介して接続すると共に、第２伝送線路と接続ケーブルとの接続点近傍に容量性素子を並列接続し、線状アンテナの給電点のインピーダンスをＺａ，第１伝送線路の特性インピーダンスをＺ１，第１伝送線路の電気長をＬ１，第２伝送線路の特性インピーダンスをＺ２，第２伝送線路の電気長をＬ２，内部無線回路のアンテナ端子及び上記接続ケーブルのインピーダンスをＺｎ，最低運用周波数の波長をλとした場合、Ｚａ＞Ｚ１＞Ｚ２≧Ｚｎ，Ｌ１≒λ／４，Ｌ２≦λ／４に選定することを特徴としたものである。
【０００７】
【作用】この発明による携帯無線機は、第１伝送線路と第２伝送線路によってアンテナの給電点と内部無線回路のアンテナ端子との間がインピーダンス整合されて接続されるため、従来におけるアンテナ利得が非常に低いという問題点を解決することができる。従って、整合回路の損失を大きく低減することにより携帯無線機の利得を向上させることができる。
【０００８】
【実施例】
実施例１図１はこの発明の第１の実施例を示す。この発明では、内部無線回路と線状アンテナを伝送線路を用いて整合させ、かつ２共振させるものである。ここで、１は線状アンテナ、２は筐体、３は内部無線回路、４は第１伝送線路、５は第２伝送線路、６は容量性素子、７は接続ケーブル、８は線状アンテナ１の給電点、９は接続ケーブル７の端であり、実質的に内部無線回路３のアンテナ端子となる。１０は第１及び第２伝送線路４と５の地板、１１は第１及び第２伝送線路４と５を構成する誘電体基板、１２は無線機を覆う誘電体ケースである。一般的には内部無線回路３は５０Ω系であり、文献（１）で示されているように、アンテナ利得を確保するために線状アンテナは１／２波長に近い長さとする。
【０００９】このような構造となっているので、第１及び第２伝送線路４と５が従来の整合回路１０２の役割をし、かつ２共振するので集中定数などを用いた整合回路を必要とせず、整合回路の損失が低減し、高い利得が得られる。実施例１の実験結果を図２に示す。図２Ａはリターンロス図、図２Ｂはスミスチャート図である。この図２から明らかなように、２共振し、かつ８８０ＭHz(a) の低い共振点ではＶＳＷＲ＜２で１８０ＭHz，比帯域幅で約２０％の非常に広い帯域を有している。ここで、実験をしたアンテナのパラメータとしては、線状アンテナ１の長さが１2.５cm，筐体は１３×５×２cm，第１伝送線路４の特性インピーダンスＺ１は約１００Ω，長さＬ１は4.５cm，第２伝送線路５の特性インピーダンスＺ２は約５０Ω，長さＬ２は4.０cm，誘電体基板１１の厚さは約1.５mm，誘電率は約3.５，容量性素子６はコンデンサを用い、その容量は約３ｐＦであった。
【００１０】この構造において、２共振し、かつ広い帯域が得られる理由を説明する。アンテナの等価回路を図３に示す。図３に示すように、線状アンテナ１から第１伝送線路４，第２伝送線路５，容量性素子６を介して５０Ω系の内部無線回路３に接続されている。まず、線状アンテナ１の給電点８から見たインピーダンスの実測値を図４に示す。この図のように、最終的に共振させたい周波数ａ（８８０ＭHz），ｂ（１４５４ＭHz）の各インピーダンスはＺａ＝２０３＋ｊ１４９Ω，Ｚｂ＝１４７−ｊ２３９Ωであった。そこで、これらのインピーダンスを丸めて図３におけるアンテナ給電点８の各インピーダンスａ１（Ｚａ）＝２００＋ｊ１５０Ω，ｂ１（Ｚｂ）＝１５０−ｊ２００Ωとして、図５に示す。この２つの点が５０Ω（スミスチャートの中心）にくるようにすればよい。
【００１１】図５において、給電点８から見て第１伝送線路４を通過した後のインピーダンスをａ２，ｂ２に示す。ここで、第１伝送線路４の電気長Ｌ１は、誘電体基板１１の誘電率を考慮すると、低い共振周波数８８０ＭHzの波長λＬで規格化して約λ／４となる。さらに、この第１伝送線路４の特性インピーダンスが１００Ωであるので、低い周波数ではλＬ／４整合回路として動作する。この整合原理は、文献（文献（２）：電子通信学会編：“アンテナ工学ハンドブック”６章給電回路、6.３平衡線路系、同軸線路系、ストリップ線路系の線路及び機器、6.3.２整合回路、〔３〕インピーダンス整合回路、p.241)に説明されている。この整合回路は基本的に広帯域特性を有するものである。一方、高い周波数では、その波長をλＨとしたとき、第１伝送線路４はλＨ／２に近い長さとなり、スミスチャート上で一周近く回転する。従って、この第１伝送線路４を通過した後（図３点■）のインピーダンスはａ２＝３２−ｊ２４Ω，ｂ２＝６１＋ｊ９２Ωとなる。
【００１２】ここで説明しやすくするため、スミスチャートをアドミタンス図に変更して図６に示す。図６でａ２，ｂ２は図５と同じ位置にある。ここで、第２伝送線路５を通過した後のアドミタンスはａ３，ｂ３となる。第２伝送線路５はその特性インピーダンスを５０Ωとしてあるので、その長さによってスミスチャート上を回転するだけであるが、ａとｂでは周波数が違うので、その回転角に差ができる。ここでａ２を１６０度回すと、ｂ２は約２７０度回転する。これは電気長で約0.２２λＬ，0.３６λＨに相当し、基板の誘電率を考慮すると、第２伝送線路５の電気長Ｌ２に相当する。このとき、ａ３＝0.０１９−ｊ0.０１５Ｓ，ｂ３＝0.０２２−ｊ0.０３５ｓとなり、Ｙ＝0.０２＋ｊ０（Ｚ＝５０＋ｊ０）の整合条件に実部がほぼ一致する。そこで、この点に容量性素子６を並列に付加し、各虚数部を０に近づければよい。容量性素子６としては、低い周波数で約0.０１８Ｓ（約3.２ｐＦ）のものであれば、高い周波数では約0.０３Ｓとなり、各アドミタンスはａ＝0.０１９＋ｊ0.００３Ｓ，ｂ４＝0.００２−ｊ0.００５Ｓとなる。これらはインピーダンスに直すとａ４＝５１−ｊ８Ω，ｂ４＝４３＋ｊ１０Ωとなり、ＶＳＷＲ1.５以下となる。以上説明したように、この発明によるアンテナの構造とすることにより、２共振かつ広帯域が実現できる。
【００１３】この例では、共振周波数、アンテナ長、内部無線回路３のインピーダンス等を決め、具体例を示して説明したが、ここで示した値に制限されるものではなく、整合原理が同一であれば、全て同じ効果が得られる。そこで、そのための条件を整理すると、以下のようになる。第１伝送線路４の特性インピーダンスをＺ１，かつこの電気長をＬ１，第２伝送線路５の特性インピーダンスをＺ２，かつこの電気長をＬ２，アンテナ１の給電点８のインピーダンスをＺａ，内部無線回路３のアンテナ端子９のインピーダンスをＺｎ，この無線機の最低運用周波数の波長をλとしたとき、Ｚａ＞Ｚ１＞Ｚ２≧Ｚｎ，Ｌ１≒λ／４，Ｌ２≦λ／４であることとなる。
【００１４】このアンテナの放射特性についても実験を行った結果を図７，図８に示す。図７は８８０ＭHz，図８は１４５４ＭHzの場合である。ここで、０dBは１／２波長ダイポールアンテナの最大レベルである。図７，８ともに最大レベルはダイポールレベルを越えており、十分な放射をしていることがわかる。これらの効率を測定したところ、８８０ＭHzでは約−0.５dB，１４５４ＭHzでは−0.７dBであり、このことからも非常に損失の少ないアンテナであることがわかる。ただし、パターン形状は、周波数で共振波長が違うので８８０ＭHzと１４５４ＭHzで差があることがわかる。図７では主偏波であるＥθパターンが筐体（−Ｚ）方向を向くのに対し、１４５４ＭHzでは反筐体（＋Ｚ）方向を向く。
【００１５】以上説明したように、この発明によるアンテナを用いれば、線状アンテナ１と内部無線回路３のアンテナ端子９との間に集中定数で構成された複雑な整合回路が不要になり、この損失が大幅に低減できる。さらに２共振、広帯域特性を実現することが可能であるので、非常に高い利得を有し、広帯域特性をもつ携帯無線機を提供することができる。
【００１６】なお、上述した構成では線状アンテナ１を筐体２の内部に収納する機構をもたないが、利便性向上のため、無線機にアンテナの収納機構をもたせることが考えられる。この場合も、この発明の効果が損なわれることなく実施することができる。
実施例２図９はこの発明の第２の実施例を示す。この実施例では第１及び第２伝送線路４と５として、一般的な同軸ケーブルで構成した例である。ここで、符号１〜９は実施例１と同様であるが、第１及び第２伝送線路４と５が同軸ケーブルで構成されている。
【００１７】この場合も各条件は全く実施例１と同じである。すなわち、第１伝送線路（同軸ケーブル）４は約１００Ωの特性インピーダンスで電気長が約0.２５λＬ，第２伝送線路（同軸ケーブル）５は約５０Ωの特性インピーダンスで電気長が約0.２２λＬ，容量性素子６の容量は約３ｐＦとなっている。従って、この場合の効果も全く同じであり、かつ第１，第２伝送線路４と５を同軸ケーブルとしてあるので、実施例１に比べて内部配線において自由度が高くなる。
【００１８】この実施例によっても整合回路が不要なので、整合回路の損失が低減でき、高い利得を有し、かつ任意の２点ないしは広い帯域で共振し、かつ伝送線路の構成が簡単な携帯無線機を提供することができる。
実施例３図１０はこの発明の第３の実施例を示す。この実施例では、第１伝送線路４及び第２伝送線路５が、線状アンテナ１を筐体２内に収納する際の絶縁体で形成された筒状ガイド、この例では円筒状ガイド１３の周面に形成した場合を示す。ここで、符号１〜９は実施例１と同様である。ただし、この実施例では線状アンテナ１の給電点８を金属のリング状体で構成し、線状アンテナ１を出入り自在に支持している。円筒状ガイド１３に構成された第１，第２伝送線路４と５をわかりやすくするために、図１１に円筒状ガイド１３の部分のみを図示した。図１１Ａは円筒状ガイド１３の外観図、図１１Ｂはその断面図である。この図のように、円筒状ガイド１３の片側の長手方向に第１，第２伝送線路４と５の地板１０を被着形成し、この地板１０と対向して第１，第２伝送線路４と５を構成する金属導体を形成する。金属導体の幅で第１，第２伝送線路４と５の特性インピーダンスを設定することができる。また、薄いフイルム状のプリント回路で伝送線路を構成し、これを巻いて円筒状ガイドを作ってもよい。このようにすることにより、比較的簡単かつスペースをとらずに伝送線路を構成することができる。この実施例３でも第１，第２伝送線路４と５が円筒状ガイド１３の周囲に構成されているのみで、その他の条件は実施例１と同様である。なお、この第３の実施例と第２の実施例を組み合わせることにより、第１伝送線路と第２伝送線路の何れか一方を円筒状ガイド１３の周面に形成し、他方を同軸ケーブルで構成することもできる。
【００１９】従って、この実施例によっても整合回路が不要なので、整合回路の損失が低減でき、高い利得を有し、かつ任意の２点ないしは広い帯域で共振し、かつ伝送線路部分のスペースを必要としない携帯無線機を提供することがができる。
実施例４図１２及び図１３は、この発明の第４の実施例を示す。この実施例では実施例３の構成に加えて線状アンテナ１の先端に収納時に動作するコイルアンテナ１４を接続した構成としたものである。ここで、図１２Ａは筐体内部を透視した斜視図、図１２Ｂは円筒状ガイド１３のみを示した図である。符号１〜１３は実施例３と同様である。１５は線状アンテナ１を収納したときに線状アンテナ１の下部に設けた接点１Ａと接触する下部接点である。この場合、コイルアンテナ１４は線状アンテナ１に接続されていない。そのため線状アンテナ１を引き出し時はコイルが無い場合と全く同じ動作をし、その効果は実施例１〜３と同じでなる。
【００２０】一方、図１３は線状アンテナ１を円筒状ガイド１３に収納した状態を示す。図１３Ａは筐体２の内部を透視した斜視図、図１３Ｂは円筒状ガイド１３のみを示した図である。アンテナ収納時は、線状アンテナ１の下部接点１Ａが円筒状ガイド１３の下部接点１５で接続ケーブル７のプラスに接続される。このため、収納された線状アンテナ１と円筒状ガイド１３の地板金属１０が伝送線路を構成し、収納された線状アンテナ１の先端、すなわち、筐体からわずか突出した部分に高周波電力を伝送し、非接触のコイルアンテナ１４に給電する。この場合、線状アンテナ１を引き出し時と収納時でアンテナ給電点８におけるインピーダンスが違うので、アンテナ引き出し時は実施例１に示すようなアンテナ設計を行い、アンテナ収納時はコイルアンテナ１４の巻き数等を調整してインピーダンスをあわせることが必要になる。
【００２１】従って、この実施例によっても整合回路が不要なので、整合回路の損失が低減でき、高い利得を有し、かつ任意の２点ないしは広い帯域で共振し、かつ伝送線路部分のスペースを必要とせず、さらに線状アンテナ収納時も十分アンテナ利得を確保できる携帯無線機を提供することができる。
【００２２】
【発明の効果】以上述べたように、この発明による携帯無線機によれば、線状アンテナ１と内部無線回路３のアンテナ端子９との間に集中定数で構成された複雑な整合回路を不要とするので、この損失が大幅に低減出来るとともに、さらに２共振、広帯域特性を実現することが可能であるので、非常に高い利得を有し、かつ広帯域特性をもつ携帯無線機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の請求項１で提案する携帯無線機の実施例を示す斜視図。
【図２】図１に示した実施例の動作を説明するための特性曲線図。
【図３】図１に示した実施例の動作を説明するための等価回路図。
【図４】図１の動作を説明するための特性曲線図。
【図５】図１の動作を説明するための特性曲線図。
【図６】図５と同様の特性曲線図。
【図７】図１に示した実施例のアンテナ放射特性を示す特性曲線図。
【図８】図７と同様の特性曲線図。
【図９】この発明の第２の実施例を示す斜視図。
【図１０】この発明の第３の実施例を示す斜視図。
【図１１】図１０に示した実施例の要部を拡大して示すＡは拡大斜視図、Ｂは断面図。
【図１２】この発明の実施例を示すＡは斜視図、Ｂは断面図。
【図１３】図１２の動作を説明するためのＡは斜視図、Ｂは断面図。
【図１４】従来の技術を説明するための斜視図。
【符号の説明】
１線状アンテナ
２筐体
３内部無線回路
４第１伝送線路
５第２伝送線路
６容量性素子
７接続ケーブル
８アンテナの給電点
９アンテナ端子
１０第１，第２伝送線路を構成する地板

【特許請求の範囲】
【請求項１】筐体内に内部無線回路を収納し、筐体外に線状アンテナを配置し、線状アンテナと内部無線回路との間を電気的に接続して構成される携帯無線機において、上記線状アンテナの給電点と上記内部無線回路のアンテナ端子との間を第１伝送線路と第２伝送線路及び接続ケーブルを介して接続すると共に、上記第２伝送線路と接続ケーブルとの接続点近傍に容量性素子を並列接続し、上記線状アンテナの給電点のインピーダンスをＺａ，第１伝送線路の特性インピーダンスをＺ１，第１伝送線路の電気長をＬ１，第２伝送線路の特性インピーダンスをＺ２，第２伝送線路の電気長をＬ２，内部無線回路のアンテナ端子及び上記接続ケーブルのインピーダンスをＺｎ，最低運用周波数の波長をλとした場合、Ｚａ＞Ｚ１＞Ｚ２≧Ｚｎ，Ｌ１≒λ／４，Ｌ２≦λ／４に選定することを特徴とする携帯無線機。
【請求項２】請求項１記載の携帯無線機において、線状アンテナが筐体内に収納自在に装着されていることを特徴とする携帯無線機。
【請求項３】請求項２記載の携帯無線機において、第１伝送線路と第２伝送線路の何れか一方または双方を上記線状アンテナを筐体内に収納するための筒状ガイドの周面に形成したことを特徴とする携帯無線機。
【請求項４】請求項２または３記載の携帯無線機において、線状アンテナの先端にコイル状アンテナを設置したことを特徴とする携帯無線機。
【請求項５】請求項４記載の携帯無線機において、線状アンテナの収納時に線状アンテナの下部を上記接続ケーブルのプラス端子に接続することを特徴とする携帯無線機。

【図３】