JP4835572B2 - 同調型アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ素子と同調回路を備えた同調型アンテナに関する。

地上波ディジタルテレビジョン放送は、地上（陸上）のディジタル方式の無線局を用いて行われるテレビジョン放送である。日本においては、１９５３年に放送が開始されたアナログ方式のテレビジョン放送（ＶＨＦ１〜１２ｃｈ）を、２０１１年７月にＵＨＦチャンネル（４７０〜７７０ＭＨｚ帯で１３〜６２ｃｈ）のみを使用したディジタル方式に置き換える予定である。

地上波ディジタルテレビジョン放送では、マルチチャンネルのＯＦＤＭ（直交周波数変調）方式を用いており、キャリアを１３のセグメントに分割し、セグメントごとに異なるディジタル変調を行うこともできる。

通常のテレビや、デスクトップ型やノート型パソコンなどのコンピュータは３セグメントで４チャンネルを収納でき、ハイビジョンでは１２セグメントを用い、残りの１セグメントをデータ伝送用として、ワンセグ（携帯電話・移動体端末向けの１セグメント部分受信サービス）の放送に用いる。ワンセグの受信は、携帯電話、カーナビ、ＰＤＡ（携帯型情報通信端末）、ゲーム機などの移動・携帯機器での受信を目的としている。

このような地上波ディジタルテレビジョン放送を受信するアンテナとして、モノポールアンテナや図４に示すような従来の同調型アンテナ４１がある。

同調型アンテナ４１では、受波素子４２の一端に可変容量ダイオード（ＶＣＤ）４３が電気的に接続される。ＶＣＤはバリキャップダイオード、バリコンともいう。ＶＣＤ４３にはＤＣ（直流）カット用キャパシタ４４が電気的に接続され、ＶＣＤ４３とＤＣカット用キャパシタ４４間にはＲＦ（高周波）カット用抵抗４５の一端が電気的に接続され、ＲＦカット用抵抗４５の他端側である電源側端子には、制御電圧用ケーブル４６を介して周波数制御電源４７の一端が電気的に接続され、周波数制御電源４７の他端側は接地される。受波素子４２の他端には、ＲＦ出力用（受信ＲＦ信号出力用）ケーブル４８を介してアンプを備えた受信回路４９が電気的に接続される。

同調型アンテナ４１では、より詳細には図５に示すように、プリント回路基板（ＰＣＢ）５１に受波素子４２や各素子が搭載され、ＲＦカット用抵抗４５と接続する制御電圧端子５２に制御電圧用ケーブル４６が電気的に接続され、受波素子４２のＲＦ出力端子５３にＲＦ出力用ケーブル４８が電気的に接続される。

この同調型アンテナ４１では、ＶＣＤ４３の容量を周波数制御電源４６の制御電圧で変化させ、受波素子４２で受信する電波の周波数に応じて同調周波数を変化させ、所望のチャンネルの放送を受信する。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。

特開平１０−１７３４２６号公報（同調タイプ、特に図２参照） 特開２０００−１５１４４８号公報（同調タイプ） 特開２００３−２９８３４１号公報（同調タイプ、特に図３参照） 特開２００６−３４５０４２号公報（マイコン制御タイプ）

しかしながら、従来の同調型アンテナ４１では、受信信号を受信するために、制御電圧端子５２とＲＦ出力端子５３の合計２個の入出力端子や、制御電圧用ケーブル４６とＲＦ出力用ケーブル４８の合計２本のケーブルが必要になる。

また、同調型アンテナ４１では、受波素子４２と受信回路４９が離れている場合、２本同時にケーブルをルーティングしなければならないため、ケーブルコストと組み立てコストの両面で割高になる。

そこで、本発明の目的は、アンテナ素子に接続するケーブル本数を減らし、ケーブルコストと組み立てコストの低減を図った同調型アンテナを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、アンテナ素子と、該アンテナ素子と電気的に接続される同調回路とを備えた同調型アンテナにおいて、
上記アンテナ素子の第１端子と一端側で電気的に接続され、該アンテナ素子で受信した受信信号を出力するＲＦ出力用信号線と、
該ＲＦ出力用信号線の他端側と電気的に接続され、上記同調回路を制御する周波数制御電源の制御電圧を重畳するための制御電圧重畳回路と、
一端側は上記アンテナ素子の第２端子と電気的に接続され、他端側は接地される第１ＤＣカット用キャパシタとを備え、
上記同調回路は、
上記アンテナ素子の第３端子と電気的に接続される可変容量手段と、
一端側は該可変容量手段の他端と電気的に接続され、他端側は接地される容量調整用キャパシタと、
一端側は上記可変容量手段と上記容量調整用キャパシタとの接続点に電気的に接続され、他端側は接地される接地用素子とを備え、
上記ＲＦ出力用信号線と上記制御電圧重畳回路との接続点から出力された上記受信信号はＤＣカット手段に入力される同調型アンテナである。

請求項２の発明は、上記ＤＣカット手段は、第２ＤＣカット用キャパシタまたはアンプに内蔵されたＤＣカット素子である請求項１記載の同調型アンテナである。

請求項３の発明は、上記可変容量手段は、可変容量ダイオードであり、
該可変容量ダイオードのカソードには上記アンテナ素子の第３端子に接続され、アノードには上記容量調整用キャパシタが接続されている請求項１又は２記載の同調型アンテナである。

請求項４の発明は、上記接地用素子は、抵抗あるいはインダクタである請求項１〜３いずれかに記載の同調型アンテナである。

請求項５の発明は、ＭＥＭＳ可変容量である請求項１又は２記載の同調型アンテナである。

本発明によれば、アンテナ素子に接続するケーブル本数を減らし、ケーブルコストと組み立てコストを低減できる。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適な実施形態を示す同調型アンテナの回路図、図２はその平面概略図である。

図１および図２に示すように、本実施形態に係る同調型アンテナ１は、主に地上波ディジタルテレビジョン放送を受信するため、例えば、デスクトップ型やノート型パソコンなどのコンピュータや、携帯電話、カーナビ、ＰＤＡ、ゲーム機などの移動・携帯機器に搭載（内蔵）されて使用される。その他、同調型アンテナ１をチューナブル受信用アンテナとして用いてもよい。

地上波ディジタルテレビジョン放送で使用する同調型アンテナには、図６（一般的なモノポールアンテナの例）に示すように広帯域な４７０〜７７０ＭＨｚもの全帯域で受信特性を維持する必要もある。このため、所望のチャンネルの放送を受信する際、同調周波数のバラツキを減らして受信特性の低下を防止することが重要である。

本発明者らは、上記の点を考慮して鋭意研究した結果、本発明を完成した。

さて、本実施形態に係る同調型アンテナ１は、アンテナ素子としての受波素子２と、同調回路３とを備える。受波素子２は、Ｃｕ、Ａｌなどの導電性を有する金属板や、プリント回路基板上に設けられるマイクロストリップラインで形成される。受波素子２には、可変容量手段４が電気的に接続される。本実施形態では、可変容量手段４としてＶＣＤを用いた。

本実施形態では、平面視で金属板をほぼＦ型に形成したアンテナ素子を受波素子２として用いた。受波素子２は、細長い第３端子（受信部）２ｒと、その第３端子２ｒの一端から側方に突出し先端が接地される第２端子（接地部）２ｅと、第３端子２ｒの側端から第２端子２ｅに沿って突出し電波を受信する第１端子（給電部）２ｄとからなる。第１端子２ｄの先端には、受信信号を出力するＲＦ出力用（受信ＲＦ信号出力用）信号線５を介して、アンプを備えた受信回路４９が電気的に接続される。ＲＦ出力用信号線５としては、細径の同軸ケーブルやプリント回路基板２１に設けた配線パターンを用いる。

受波素子２の第３端子２ｒの他端には、可変容量手段４のカソードが電気的に直列接続される。可変容量手段４のアノードには、容量調整用キャパシタ（第１ＤＣカット用キャパシタ）６の一端が電気的に直列接続され、その容量調整用キャパシタ６の他端が接地（グランド（ＧＮＤ）接続）される。

このように可変容量手段４に容量調整用キャパシタ６を直列接続することで、可変容量手段４の容量値（可変幅）を調整することができる。

本実施形態においては、可変容量手段４（容量値１〜４．５ｐＦ）に対して、容量値５ｐＦの容量調整用キャパシタ６を直列接続した。これにより、可変容量手段４の容量値（可変幅）を０．８〜２．４ｐＦに調整することができた。このように、可変容量手段４の容量値を低減することによりアンテナ素子のインダクタンスを上げ、利得を大きくしてアンテナの受信感度を向上させることができる。

可変容量手段４と容量調整用キャパシタ６間には、接地用素子７の受波素子側端子ｒが電気的に並列接続され、その反対側の端子が接地される。接地には、プリント回路基板２１に設けたグランド配線パターンやグランド層などのグランド部を用いる。

本実施形態では、容量調整用キャパシタ６としてチップコンデンサを用い、その容量値を５ｐＦとした。また、接地用素子７としては、高周波数帯域で同調型アンテナ１を安定して動作させるため、抵抗を用いた。この抵抗としては、チップ抵抗を使用し、その抵抗値を１００ｋΩにした。

これら可変容量手段４と、容量調整用キャパシタ６と、接地用素子７とで、受波素子２で受信する電波の周波数に応じて同調周波数を変化させる同調回路３を構成する。

ＲＦ出力用信号線５と受信回路４９間には、同調回路３を制御する可変直流電源としての周波数制御電源８が電気的に並列接続される。この周波数制御電源８は、可変容量手段４に周波数制御電圧を正電圧で印加するためのものである。

周波数制御電源８の周波数制御電圧の範囲は、地上波ディジタルテレビジョン放送の場合、約０〜６Ｖである。また、この周波数制御電圧により、可変容量手段４の静電容量は約１．０〜４．５ｐＦの範囲で変化する。

さらに、周波数制御電源８とＲＦ出力用信号線５間には、インダクタ（インダクタンス２７０ｎＨ）からなる制御電圧重畳回路９が電気的に直列接続される。ＲＦ出力用信号線５と受信回路４９間で、制御電圧重畳回路９との接続点ｊよりも受信回路４９側には、ＤＣカット手段としての受信側ＤＣカット用キャパシタ（第２ＤＣカット用キャパシタ）１０ｂが電気的に直列接続される。この受信側ＤＣカット用キャパシタ１０ｂの容量値は１０００ｐＦとした。

本実施形態に係る同調型アンテナ１は、受信信号を出力するＲＦ出力用信号線５に、同調回路３を制御する周波数制御電源８の周波数制御電圧を重畳する点に特徴がある。

また、受波素子２の接地部２ｅには、周波数制御電圧を同調回路３に印加するためのＤＣカット用キャパシタ（第１ＤＣカット用キャパシタ）１０ａの一端が電気的に接続され、そのＤＣカット用キャパシタ１０ａの他端が接地される。ＤＣカット用キャパシタ１０ａにも、チップコンデンサを用い、その容量値は１０００ｐＦとした。

本実施形態の作用を説明する。

同調型アンテナ１では、ＲＦ出力用信号線５に、周波数制御電源８の周波数制御電圧を重畳することで、可変容量手段４の容量を変化させ、受波素子２で受信する電波の周波数に応じて同調周波数を変化させ、所望のチャンネルの放送を受信する。受波素子２で受信した電波の周波数は、受信信号として第１端子２ｄから受信回路４９に伝送される。

このように、同調型アンテナ１では、受波素子２に電気的に接続したＲＦ出力用信号線５から信号を出力する一方で、ＲＦ出力用信号線５を介して可変容量手段４に周波数制御電圧を印加している。

このため、同調型アンテナ１では、ＲＦ出力用信号線５を受信用かつ制御電圧重畳用として使用でき、従来必要であった制御電圧端子や制御電圧用ケーブルが不要になる。

また、同調型アンテナ１は、受波素子２と受信回路が離れている場合にも、ＲＦ出力用信号線５の１本だけをルーティングすればよい。

したがって、同調型アンテナ１によれば、受波素子２に接続するケーブル本数や接続のための端子が減り、配線パターン長も短くでき、ケーブルコストと組み立てコストの両方を低減できる。

また、同調型アンテナ１は、周波数制御電源８とＲＦ出力用信号線５間に、インダクタからなる制御電圧重畳回路９を電気的に接続しているため、ＲＦ出力用信号線５に周波数制御電圧を簡単に重畳できる。

さらに、同調型アンテナ１は、同調回路３が可変容量手段４と、容量調整用キャパシタ６と、接地用素子７とで構成され、容量調整用キャパシタ６の一端と接地用素子７の一端が共にグランド接続されている。

このため、同調型アンテナ１では、可変容量手段４と容量調整用キャパシタ６間に蓄積されやすくて同調周波数の制御を不安定にさせる電荷を、接地用素子７でグランドに逃がすことで、安定的に同調周波数を制御することが可能となる。従来の同調型アンテナのように接地用素子７がない場合には、可変容量手段４と容量調整用キャパシタ６間に蓄積される電荷を外部に逃がす線路がない。そのため、この電荷に影響を受けて、可変容量手段４に印加される周波数制御電圧が不安定になるので、同調周波数の制御も不安定となる。

また、同調型アンテナ１は、受波素子２の第２端子２ｅにＤＣカット用キャパシタ１０ａを電気的に接続しているため、第２端子２ｅではなく、可変容量手段４に周波数制御電圧を確実に印加できる。

周波数制御電源８から第１端子２ｄを介して印加される周波数制御電圧は、ＤＣカット用キャパシタ１０ａによって第２端子２ｅ側に印加されることが防止され、可変容量手段４に所定の周波数制御電圧が印加されるようになるからである。

また、図１に示すように、ＲＦ出力用信号線５と受信回路４９間で、制御電圧重畳回路９との接続点ｊよりも受信回路４９側に、さらに受信側ＤＣカット用キャパシタ１０ｂを電気的に直列接続すれば、受信回路４９側ではなく、可変容量手段４に周波数制御電圧をより確実に印加できる。

周波数制御電源８からの周波数制御電圧は、受信回路４９側に印加されることが受信側ＤＣカット用キャパシタ１０ｂによって防止され、第１端子２ｄに所定の周波数制御電圧が印加されるようになるからである。さらに上記と同様の理由により、ＤＣカット用キャパシタ１０ａによって、可変容量手段４に所定の周波数制御電圧が印加されるようになるからである。

なお、ＤＣカット手段としては、受信側ＤＣカット用キャパシタ１０ｂの代わりに、受ＤＣカット素子（例えば、キャパシタ、ハイパスフィルタなど）を内蔵したアンプを用いても、上記の効果を得ることができる。図１の例で言えば、このＤＣカット素子を内蔵したアンプを受信回路４９として使用できる。

同調型アンテナ１を上述したコンピュータや移動・携帯機器に実装するには、例えば図２に示すように、ケース（筐体）２３内に、その一端部から所定の距離だけ隔ててプリント基板２１を実装すると共に、一端部に同調型アンテナ１を実装すればよい。

さらに、ＲＦ出力用信号線５として細径の同軸ケーブルを使用する場合には、受波素子２の第１端子２ｄにＲＦ出力端子（受信ＲＦ信号出力端子）２２を形成し、そのＲＦ出力端子２２に同軸ケーブルの中心導体を電気的に接続し、グランド部に外部導体を電気的に接続する。

上記実施形態では、可変容量手段４としてＶＣＤを用いた例で説明したが、可変容量手段４としてＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）可変容量を用いてもよい。

特に、ＭＥＭＳ可変容量はＶＣＤとは異なり、ＭＥＭＳ可変容量を用いて本実施形態に係る同調型アンテナ１を構成することで、受信アンテナだけでなく、送信アンテナとしても利用できる。

なぜなら、半導体材料からなるＶＣＤは、非線形デバイスであるため、比較的大きな電力（０ｄＢｍ＝１ｍＷ）以上で使うと、波形歪みを起こす。受信用のアンテナであれば、大きな電力が入力されることは無いが、送信用のアンテナの場合、パワーアンプで増幅された大きな電力が入力されるので、使用が困難である。しかし、ＭＥＭＳ可変容量であれば、半導体材料を使用せず、平行平板の機械的変動によって容量を変化させる線形デバイスなので、波形歪みを起こさない。よって、送信用のアンテナとしても使用可能である。

また、接地用素子７としては、同調周波数が比較的高く（４００ＭＨｚ以上）、周波数制御が不安定にならなければ、インダクタ（例えば、インダクタンス２７０ｎＨ）を用いてもよい。

制御電圧重畳回路９としては、インダクタ単体からなるものの他に、インダクタと抵抗の直列回路や並列回路などを使用してもよい。

次に、同調型アンテナ１を携帯電話に用いた例を説明する。ここでは、同調型アンテナ１を送受信用アンテナとして使用するため、可変容量手段４としてＭＥＭＳ可変容量を用いた。

図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、携帯電話３１は、ヒンジなどの回動手段で２つ折りに開閉自在に設けられるケース３２を備える。

ケース３２は、周波数制御電源８（図１参照）としても使用されるバッテリーを内蔵したバッテリー側ケース３２ａと、そのバッテリー側ケース３２ａ側に液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）が収納され、バッテリー側ケース３２ａとは反対側に、図２と同様にしてプリント回路基板２１、同調型アンテナが収納されたＬＣＤ側ケース３２ｂと、収納したプリント回路基板２１、同調型アンテナを覆ってＬＣＤ側ケース３２ｂに取り付けられるバックカバー３２ｃとからなる。同調型アンテナ受波素子２は、送信の場合、アンテナ素子としての放射素子の動作も行う。

プリント回路基板２１には、バッテリーと電気的に接続されるＣＰＵ３３、ＣＰＵ３３にそれぞれ独立に接続されるチューナ３４、送信回路３５、受波素子２の受信部（放射素子の場合は送信部）にそれぞれ独立に電気的に接続され、ＣＰＵ３３からの切替信号でチューナ３４と送信回路３５を切り替える送受信切替スイッチ（ＳＷ）３６が搭載される。

チューナ３４は、同調回路を除き、電波を受信するために一般的に必要な受信用増幅器、高周波回路、復調器などを備える。送信回路３５は、電波を送信するために一般的に必要な周波数発生器、送信用増幅器、変調器、電力増幅器などを備える。

携帯電話３１では、ワンセグの放送を受信する場合、ボタンを操作して所望のチャンネルを選択すると、ＣＰＵ３３は、切替信号をチューナ３４を介してＳＷ３６に出力し、ＳＷ３６が受信側回路に切り替える。

他方、ＣＰＵ３３は、選択したチャンネルの同調周波数に応じた制御信号を、チューナ３４を介して同調型アンテナ１の周波数制御電源８（図１参照）に出力し、周波数制御電源８が選択したチャンネルに応じた一定の周波数制御電圧を、ＲＦ出力用信号線５を介して可変容量手段４（図１参照）に印加する。

受波素子２で受信した電波は、受信信号として第１端子２ｄからＳＷ３６を介してチューナ３４に入力された後、ＬＣＤに画像が表示される。電波を送信する場合、送信信号は送信回路３５とＳＷ３６と給電部として動作する第１端子２ｄとを順次介して、受波素子２から電波として放射される。

このように、同調型アンテナ１を用いれば、従来とは異なり、アンテナモジュール側のハードウェアに変更が必要なく、低コストな携帯電話３１を実現できる。

また、同調型アンテナ１をスペースの制約が厳しいノート型パソコンなどの電気機器に実装すれば、使用するケーブル全長を従来よりも大幅に短くできるので、特に有効である。

本発明の好適な実施形態を示す同調型アンテナの回路図である。 図１に示した同調型アンテナの平面概略図である。 図３（ａ）は図１に示した同調型アンテナの実装例を示す平面図、図３（ｂ）はそのプリント回路基板裏面の斜視図である。 従来の同調型アンテナの回路図である。 従来の同調型アンテナの平面概略図である。 日本の地上波ディジタルテレビジョン放送において、一般的なモノポールアンテナのアンテナ利得特性を示す図である。

符号の説明

１ 同調型アンテナ
２ 受波素子（アンテナ素子）
２ｄ 第１端子
２ｅ 第２端子
２ｒ 第３端子
３ 同調回路
４ 可変容量手段（ＶＣＤの例）
５ ＲＦ出力用信号線
６ 容量調整用キャパシタ
８ 周波数制御電源
９ 制御電圧重畳回路
１０ａ ＤＣカット用キャパシタ（第１ＤＣカット用キャパシタ）
１０ｂ 受信側ＤＣカット用キャパシタ（ＤＣカット手段：第２ＤＣカット用キャパシタ）

Claims (5)

1. アンテナ素子と、該アンテナ素子と電気的に接続される同調回路とを備えた同調型アンテナにおいて、
   上記アンテナ素子の第１端子と一端側で電気的に接続され、該アンテナ素子で受信した受信信号を出力するＲＦ出力用信号線と、
   該ＲＦ出力用信号線の他端側と電気的に接続され、上記同調回路を制御する周波数制御電源の制御電圧を重畳するための制御電圧重畳回路と、
   一端側は上記アンテナ素子の第２端子と電気的に接続され、他端側は接地される第１ＤＣカット用キャパシタとを備え、
   上記同調回路は、
   上記アンテナ素子の第３端子と電気的に接続される可変容量手段と、
   一端側は該可変容量手段の他端と電気的に接続され、他端側は接地される容量調整用キャパシタと、
   一端側は上記可変容量手段と上記容量調整用キャパシタとの接続点に電気的に接続され、他端側は接地される接地用素子とを備え、
   上記ＲＦ出力用信号線と上記制御電圧重畳回路との接続点から出力された上記受信信号はＤＣカット手段に入力されることを特徴とする同調型アンテナ。
2. 上記ＤＣカット手段は、第２ＤＣカット用キャパシタまたはアンプに内蔵されたＤＣカット素子である請求項１記載の同調型アンテナ。
3. 上記可変容量手段は、可変容量ダイオードであり、
   該可変容量ダイオードのカソードには上記アンテナ素子の第３端子に接続され、アノードには上記容量調整用キャパシタが接続されている請求項１又は２記載の同調型アンテナ。
4. 上記接地用素子は、抵抗あるいはインダクタである請求項１〜３いずれかに記載の同調型アンテナ。
5. 上記可変容量手段は、ＭＥＭＳ可変容量である請求項１又は２記載の同調型アンテナ。

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