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【NE】2009年02月23日号「ケータイアンテナ」

本日は半月に一回の日経エレクトロニクスのレビューです☆

今回のNEはキマシタ!
私の本業であるケータイのアンテナ開発が特集されています!
その特集のタイトルとは、、、


 ケータイ・アンテナ解剖
 ワンセグ内蔵に透ける未来



ワンセグアンテナの内蔵は社内でもホットな話題です。

ワンセグアンテナの内蔵はケータイの構造によっては非常に困難で、
日夜、頭を痛めている問題です^^;

本記事にワンセグアンテナ内蔵のヒントが隠されていることに期待です!


       NE20090223.jpg

  [日経エレクトロニクス]2009年2月23日号 


本特集では、「分解」「分析」「展望」という3つのテーマで構成されています。
「分解」では最新のケータイを分解することで、アンテナの多様性・複雑性を、
「分析」ではワンセグアンテナの内蔵化する手法を、
「展望」ではこれまでの課題と今後の課題について解説されています。

それでは、さっそく本文を見ていきましょう。


[分解] 最新ケータイのアンテナを見る

国内向けケータイは「全部入り」といわれるように、各種の無線機能を満載している。アンテナにさける場所が限られる中でどのようにワンセグアンテナの内蔵化を実現したか検証してみた。


バラエティに富むアンテナ素材選択

ワンセグ内蔵の最新全部入りケータイを代表して「SH-01A」と「W64S」の2機種のアンテナを比較した。

「SH-01A」
 ・3G/GSM:MIDアンテナ
 ・ワンセグ:プレス加工した板金製エレメントを透明な樹脂ハウジングに固定(※)
 ・GPS:セラミック・チップ・アンテナ
 ・Bluetooth:板金アンテナ

(※)アンテナモジュールの先端はヒンジの金属部品と接続し、ヒンジを介して基板の接点とつながる。エレメントは長い部分で約19mm、接点までも含めて40mmにも満たず、ワンセグ用としては極端に短い(ワンセグの波長は1/4でも160mm)。「基板からの接続経路を含めてアンテナとして動作するのではないか」と推測される。


「W64S」
 ・3G/GSM:FPCで形成したエレメントを樹脂ハウジングに貼り付け(☆)
 ・3G/GSMサブ:板金を樹脂にハウジング。GPSも同居。
 ・ワンセグ:筐体ダイポールとFPCアンテナ(上筐体上部)の切り替え

(☆)FPCアンンテでは形状の精度が高いエレメントを作りやすい。また、薄く曲げやすいので筐体の隙間を活用できる。その反面、FPCアンテナでは取り付け時に変形や位置ずれを起こして特性がばらつく。W64Sでは樹脂ハウジングにFPCアンテナを貼り付けて、組み立て性と取り付け精度に配慮している。


ユーザの姿勢を考慮して配置

2機種のアンテナ配置位置は似ている。ユーザの利用姿勢を考慮したセオリーがあるからだ。

◆3G/GPSアンテナは折りたたみ形端末のヒンジ部付近など中央部に配置される。
通話時に人体頭部の影響を軽減しやすいためである。また、下筐体下端部への配置はデータ通信時に手の影響を受けて特性が劣化するので難しいこともある。

◆GPSアンテナは上筐体上端部に配置される。
GPSの電波は衛星より上空から届くため、データ通信を利用する姿勢の際に電波を受けやすい。


「アンテナ開発は自由演技」

アンテナを配置する場所はある程度決まっているが、同じ用途を狙ったアンテナもメーカによって素材や形状は全く異なる。

 「筐体によって最適なエレメントの形状は変わる。良い製品を作るには1機種ごとにアンテナのカスタム開発が必要」

なぜそうなるか。ケータイのサイズで通話用やワンセグ受信用のアンテナを内蔵するにはかなり無理があるからだ。かくしてアンテナ設計者は内蔵化による性能の落ち込みを補うために機種ごとにアンテナをカスタム開発することになる。


[分析] 見えなくなるアンテナ

ワンセグアンテナの内蔵化する手法は大きく3つに分かれている。
①オーソドックな手法:アンテナモジュール内でエレメントの配線を引き回して長さを稼ぐ手法
②筐体ダイポール
③チューニング回路と誘電体アンテナを組み合わせる手法


②筐体ダイポール:筐体の金属板をエレメントに

筐体ダイポールは文字通り筐体をアンテナエレメントとして使う。具体的には基板やシールド板といった金属板で電波を受ける。
利点:条件次第ではホイップアンテナに劣らない特性が得られる。
欠点:閉じた状態ではダイポールとならないため特性が極端に落ちる。
欠点を補うためにワンセグ用にサブアンテナを設けてダイバーシチ受信をして感度を補う。

W64Sではもっと積極的に筐体の開時と閉時で使うアンテナを切り替える仕組みをとっている。
閉時は上筐体上端部に配置されたFPC製の補助アンテナを使う。このとき、丁度真下に位置する3G補助アンテナと電磁的に結合させて動作させる。これによってワンセグ用補助アンテナ単体で使うときよりも感度が向上するという。


③チューニング回路:周波数を切り替えて帯域をカバー

村田製作所が得意とするのはセラミック誘電体の波長短縮効果を使ってアンテナを小型化する技術である。この方式のアンテナの共振は鋭くなり、利用できる帯域は狭くなるため、ワンセグの帯域をカバーできない。そこで同社は、アンテナにチューニング回路を組込み共振周波数を電圧に応じて動かせるようにした。
利点:開時では筐体ダイポールと遜色なく、閉時でも特性が落ちない。
欠点:チューニング回路の特性の向上が必要。現状ではまだ歪が多い。今後、MEMSスイッチの採用が有力。


[展望] メーカは異種格闘技状態

ケータイの各種アンテナは実現方法がいろいろあり、それに加え、アンテナ開発に多種多様なメーカが参入している。いわば異種格闘技状態で、板金から誘電体まで、端末メーカへ提供されるアンテナの種類は幅広い。

アンテナをエレメントの形成方法や素材などで便宜的に分類すると、次の5つになる。
 ・PCB(Printed Circuid Board:プリント基板)
 ・板金
 ・FPC(Flexible Printed Circuid:フレキシブル・プリント基板)
 ・樹脂メッキ
 ・誘電体

端末メーカはこれらを自社の製品に合わせて使い分けている。

今後は、1機種あたりの出荷台数の減少に耐えうるコストダウンとLTEなどの次世代携帯電話技術の導入という2つのブレークスルーを起こしていかなければならず、それには端末メーカと部品メーカの協力体制が必要不可欠である。


設計変更をやりやすくする
開発効率と特性を重視したアンテナ手法

一方で、性能を狙える立体形状や設計変更のリートタイムの短縮を実現する手法が、部品コスト削減より優先される状況がある。その例として、樹脂メッキアンテナである「MIDアンテナ(Molded Interconnect Device Antenna)」と「LDSアンテナ(Laser Direct Structure Antenna)」を挙げることができる。

MIDアンテナでは、2色成形でパターンを形成した樹脂ハウジングに金属メッキを施してエレメントを形成する。
利点:エレメントCAD図面どおりに精度よく再現でき、形状自由度も高い。LDSよりコストが安い。
欠点:LDSより開発効率は劣る。エレメントの大幅変更するなら金型の修正も必要。

LDSアンテナでは、樹脂ハウジングの表面をレーザ光で改質し、メッキを付きやすくしてエレメントを形成する。
利点:開発効率が高い。最初から複数パターンの試作品を作ることも容易なうえに、エレメント形状を修正するだけなら金型の修正も必要ない。
欠点:量産時にもレーザ光の照射を使うため、MIDより量産性に劣り、コストが高い。


少量多品種化が進むケータイ
コストを重視したアンテナ手法


・PMCのP-01AやNECのN-02Aはこのほかにも、GPSやBluetooth向けアンテナで、板金部品やヒンジなどの金属部品をエレメントに使って部品コストを抑えている。

・PCBは平面形状しか許されないので、筐体内での配置に制限があるが、部品コストは安い。

・SEMCの過去のモデルでは、回路基板に1本のスリットを入れGPSアンテナとして動作させたことがある。これなら部品コストはゼロだ。


感想

ケータイアンテナの実現手法がよくまとまっており、入社2年目のぺーぺーな私にとってはとても勉強になりました。特に、まだまだ経験が浅い私は使ったことのないアンテナがあるため、本特集でそれらのアンテナについても解説されていたのが良かったです!

また、ケータイを分解してそれぞれのアンテナの動作を解説してありましたが、これも大変興味深かったです。私も他社のケータイを分解して内部のアンテナ構造を見ることがありますが、実際にどういう動作をしているかはなかなか解りません。特に最近では、限られたスペースの中で、板金部品や基板GNDなどの本来のアンテナエレメントとは違うものをアンテナとして動作させているので、作った本人でないと動作は理解できないと思います。どれがアンテナになっているのか見つけるのも大変です。

本特集で推測されていたアンテナ動作の中には、私の見解とは異なるものもありましたが、それも一興!やはり他の人の意見を聞くのは良いものです。

ということで、
NEでは年に2回くらいアンテナの特集が組まれていますが今回も良かったです、すばらしい!
また半年くらい後のアンテナ特集を楽しみにしています☆


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