インダクタ (コイル)携帯電話　－アンテナ－

近年の無線端末では複数の無線通信システムを搭載しており、スマートフォンに代表されるように多機能化が進んでいます。各無線通信システムはそれぞれ使用する周波数帯域が異なるため、別々のアンテナを用意する必要があります。携帯端末内の限られたスペースに複数のアンテナを搭載するために、小型化が求められていますが、アンテナは使用する周波数の波長に合わせて設計されるため、周波数が低くなるほど波長が長くなり、大型になってしまいます。

一例を挙げると、MDTV (ISDB-T/CMMB/DVB-H) 向けアンテナでは、UHF帯 (470-800MHz) を使用するためアンテナの小型化が困難になります。小型化の方法としてインダクタによる共振周波数の調整が挙げられますが、アンテナ特性の劣化を考慮した部品選定が必要となります。また、サービスが開始されたLTE (Long Term Evolution) でも700MHz帯や複数のバンドをカバーしたアンテナが求められています。特に注目されている技術として、1つのアンテナ素子をスイッチなどで切り替えて周波数を可変させる切り替え方式があります。この切り替え方式でもスイッチと共に周波数調整用に集中定数 (インダクタやコンデンサ) を用いることがあります。

本稿ではMDTV用周波数可変チップ誘電体アンテナでのインダクタの選定例について紹介します。周波数可変チップ誘電体アンテナはアンテナの共振周波数を可変させて比帯域50%を越える470-800MHzの帯域をカバーしています。周波数可変には容量可変ダイオードを用いており、チャンネル毎に周波数を切り替えています。このアンテナでは小型化のためにLQWシリーズを用いて携帯端末内への内蔵化を実現しています。

アンテナに周波数調整を目的としてインダクタを使用する場合は、アンテナの放射特性を劣化させないためにQが高く挿入損失を低く抑えられるインダクタを選定する必要があります。また、共振周波数のバラツキを抑えるために偏差の小さくいインダクタが望まれます。さらに豊富な定数値ラインナップがあることも選定要素になります。アンテナは周辺環境による影響を受けやすく、端末内部の仕様変更毎に細かく周波数調整する必要があるためです。

次項ではインダクタが持つQによるアンテナ特性への影響と偏差による周波数バラツキについて周波数可変チップ誘電体アンテナへの適用事例を用いて説明します。

図3、4にSimSurfingに掲載しているインダクタの種類によるQとRの周波数特性を示します。図3、4は一例として10nHのインダクタの結果を示しています。LQGシリーズと比較して、LQWシリーズは高いQ特性と低挿入損失のインダクタであることがわかります。

MDTVでは1channelあたり6～8MHzの帯域が割り当てられています。視聴時にはこの帯域内をカバーするようなアンテナ特性が必要になります。アンテナの共振周波数が変化する要因として各種の公差・偏差があり、放射素子となる電極の公差や基板への搭載時のズレ、端末への組み込み時のバラツキなどがあります。それらを考慮して必要な帯域を確保できるアンテナ設計が求められます。そのため、使用するインダクタも偏差の小さい品種を選定する必要があります。

図6、7はインダクタの偏差を±2%と±5%とした際の周波数可変チップ誘電体アンテナのリターンロス波形を示しています。±2%のインダクタを使用すると共振周波数が変動しても必要な帯域をカバーできていますが、±5%のインダクタを使用すると必要な帯域外に共振周波数がシフトしてしまい、放射特性の劣化が懸念されます。

アンテナでは第一に良好な放射効率が求められます。そのためにも使用するインダクタは上述のように慎重に選ぶ必要があります。
また、端末に内蔵されるような最近の小型アンテナでは搭載される機器の状況 (機器のサイズ、アンテナの場所、周辺部品の配置など) で特性が変化します。

このため、1次試作、2次試作と各試作フェーズで周辺環境の変化により、アンテナ特性が変化してしまいます。その際には、都度アンテナを作りかえるのは非現実的であり、ラインアップの多いインダクタを調整素子として有効に使うことでこの変化にも柔軟に対応可能になります。
ここでは、一例としてMDTV用のアンテナを取り上げて説明いたしましたが、LTEやWLAN用アンテナでも同様のことが言えます。また、複数のバンドを切り替えることやMIMOシステムのアンテナ間で結合を抑えるようなフレキシブルなアンテナ設計が求められており、集中定数を有効活用していく必要があります。