(57)【要約】      （修正有）【課題】受信時のＳ／Ｎを従来より８ｄＢ程度改善し、送信時には消費電力を従来の６０％程度とし、また送受信アンテナをＸＹＺの３軸構成としてヌル点を回避し、また自由なハンドセットの姿勢で送受信を可能にする。【解決手段】1枚のフレキシブルプリント基板上（フレキ）のパターンで描かれ、狭帯域同調のコンデンサと接続された、１つまたは２つまたは有意義に３つの共振コイルを持ち、同一のフレキにフロントエンドＩＣチップをマウントし、そのフレキをトランシーバに実装するに当って最大ＸＹＺ３軸の互いに直交する指向性をそれぞれの共振コイルが持つ様に折り曲げることを可能にする。【選択図】図２７
2010233124.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
1枚のフレキシブルプリント基板上（フレキ）のパターンで描かれ、狭帯域同調のコンデンサと接続された、１つまたは２つまたは有意義に３つの共振コイルを持ち、同一のフレキにフロントエンドＩＣチップをマウントし、そのフレキをトランシーバに実装するに当って最大ＸＹＺ３軸の互いに直交する指向性をそれぞれの共振コイルが持つ様に折り曲げることを可能にし、旧来の１／４波長モノポールかインダクタを装荷した短縮ホイップアンテナと比べて、ＩＣチップへの入力電圧を同一の到来電界に対して２０ｄＢ程度大きくなるようにして、ＬＮＡ（低雑音増幅器の雑音）を決めるバイアス電流が一定の時に信号に対する増幅器雑音の寄与を相対的に減らして受信Ｓ／Ｎ性能を６ｄＢ以上改善し、また非直線性を持たない前置ＬＣフィルタが妨害波を阻止してＬＮＡをアタックしないようにすること。
【請求項２】
有意義に３つのＸＹＺ軸共振コイルにそれぞれ接続された３つのＲＸ低雑音増幅器の出力を複素数の線形結合係数で（即ち位相と振幅を変えて）混合することで、相手のトランシーバからの電波のマルチパスを含む到来方向に受信感度の最大を向けることができるようにすること。またＸＹＺ軸の３チャンネルに可変位相量と可変振幅を与える最適化アルゴリズムとして、垂直偏波の場合垂直軸の回りにＸ軸コイルとＹ軸コイルの出力の線形結合で水平面３６０度スキャンをすることを主体とし、これにＺ軸コイルの出力を加えて傾き補正とヌル点回避を行う山登りロジックを用いること。また水平偏波で使用する場合には水平面内無指向性であるＺ軸コイルの出力をそのまま用いること主体とし、これにＸ軸コイルとＹ軸コイルの出力の線形結合を加えて傾き補正とヌル点回避を行うこと。
【請求項３】
半２重通信に於いてトランシーバをＴＸモードに切り替えたときに、ＲＸモードで最適化したＸＹＺ３軸の線形結合係数をそのままＴＸモードの３チャンネルのＸＹＺ３軸の可変位相量と正負可変振幅として与えて、電力を最小化するとともにヌル点の発生を抑えること。またＴＸモードが続く場合、会話の途切れの瞬間にＲＸモードに切り替えて最適化係数を維持・更新すること。こちらがＲＸモードでヌル点を回避できていることが、ＴＸモードで相手にもヌル点を与えていないことを保証するには、相手が決めるこちらのＲＸモードの周波数とこちらが決めるこちらのＴＸモードの周波数が一致していなければならない。これを一致させるために双方のＸ−Ｔａｌ発振器の周波数をそれぞれの受信周波数に一致させるか、或いは片方がこれを行うように取り決めること。また相手がＸＹＺ３軸のトランシーバの場合そのＴＸモードで重み付けを変えると、こちらのＲＸモードの最適化条件がマルチパスなどで変化するので、双方向のやり取りで最適化を同時に行わないように取り決めること。或いは双方でＲＸ／ＴＸの最適化を行う場合には、その最適化係数を交換して更に高度な最適化が行えるようにすること。
【請求項４】
携帯電話のような全２重通信のトランシーバに於いて、ＴＸチャンネルの可同調ＸＹＺ３軸コイルセットとＲＸチャンネルの可同調ＸＹＺ３軸コイルセットを持ち、ＴＸのコイルセットとＲＸのコイルセットは近接していてもお互いに同調がずれていて干渉せず、それぞれが最適の線形結合係数を相手局または基地局との交信を通して確立するようにすること。
【請求項５】
銅損制限領域ではなく放射損制限領域で動作する大きさのＸＹＺ軸のアンテナコイルの動作Ｑは、近くに人体やトランシーバのシャーシや搭載された部品があっても、１００以上を保つことができる。このためＴＸアンプをＤ級動作（スイッチングモード）させても、放射される高調波としての遠方・近傍への不要輻射はそのままで電波法の基準を満たしているので、消費電力を従来のＡ級動作のＴＸと比べて約１／２程度に減らすことができる。これを正しく実行するために、トランシーバハンドセットの機内から送受信帯域内で共振する部品や機構を取り除くか、その共振が送受信帯域外となるように変更すること。
【請求項６】
使用するトランシーバの周波数帯域の上限で外付けのコイルと外付けの共振容量が同調するようにし、ＩＣチップに内蔵された微細容量を少しずつ加えて行ってトランシーバの周波数帯域の下限までをカバーできるようにすること。またこの微細容量を切り替えるＮＭＯＳトランジスタスイッチの大きさを、そのＯＮ抵抗が共振のＱ値を１００以下にせず、またＯＦＦ容量が共振周波数を帯域外にシフトすることがないように選ぶこと。この同調をＩＣチップの自己発振モードとしてＦＳＳ（周波数シンセサイザー）で基準周波数と比較して人体やトランシーバの金属シャーシの近傍効果による同調周波数変化キャリブレートすること。
【請求項７】
アンテナコイルのできるだけ高いＱ値を維持することにより、人体やトランシーバの金属シャーシ／搭載部品がトランシーバの受信性能や送信性能に影響しないようにすること。従来のインダクタ装荷短縮モノポールは、放射素子がトランシーバ筺体や手から離れていることを求めたが、遥かに高いＱ値を持つ微小共振ループでは近くの金属やトランシーバ筺体や手の影響を事実上受けないので、それに沿った埋め込み型の構造にすること。
【請求項８】
ＸＹＺ３軸のコイルがパターンとして描かれて共振容量とフロントエンドチップが搭載されたフレキ基板に、無線電力伝送の受信同調コイルを描き、無線電力対応充電プロファイルチップを搭載して、従来付属していたＡＣアダプター／充電器を廃止し携帯機器に共通の無線充電器が使用できるようにすること。
【請求項９】
ＸＹＺ３軸のコイルと無線電力伝送の受信同調コイルが基板パターンとして描かれ、フロントエンドチップと無線電力対応充電プロファイルチップが搭載されたフレキ基板で、共振容量をベースフィルムを挟んで対向する両面電極で構成すること。
【請求項１０】
トランシーバのＸＹＺ３軸コイルのそれぞれの周波数の製造のバラツキと近傍の金属の影響などによる周波数シフトをキャリブレートして不揮発性メモリーに記憶させた後に、固定の共振周波数配置を与えて３つの任意の値の無数の組み合わせとなるアナログＩＤ（電子指紋）とし、電池のない状態でもこの組み合わせがフォローティングゲートで記憶されて微弱電波で遠隔的にバックスキャター検出されるようにし、また交信に際しての物理的なＫｅｙとすること。
【請求項１１】
トランシーバのリチウムイオンバッテリーが放電してしまえば山での遭難や海難に於いてただのガラクタになる。手回し発電機でバッテリーを少しでも充電するのが従来の観念であったが、本発明では緊急ＳＯＳボタンを有し、このトグルモードでパッシブ共振を遠方から検出されることができる。また入山時に登録した周波数組み合わせＩＤで雪崩で埋まった場合などにおいて捜索の手掛かりになるようにすること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
トランシーバ（ウォーキートーキー）がカナダのＤｏｎａｌｄ  Ｌ．Ｈｉｎｇｓによって考案されてから６０年あまり、現在の携帯電話の隆盛に至るまで原理的に大きな変化はなかった。やがてウォーキートーキーは光ファイバーで有線ネットワークが構成された最後の1マイルのＷｉＭＡＸ様の無線化だけに縮小され、高額の通話料を支払う携帯電話はなくなるであろう。また指向性を画一的に分割して電波を有効に利用しようというＭＩＭＯ方式への現在進行中のチャレンジを超えて、空間を有効に分割してチャンネル数を増やすＢｅｙｏｎｄ−ＭＩＭＯの基礎を固める必要がある。そのような無線通信端末に関する基本的な構造が本件の技術分野である。
【背景技術】
【０００２】
従来の無線通信端末の技術・製品は半波長ダイポールなどの基準アンテナを特性インピーダンスを持つ短いケーブルやレッヘルラインを介してＬＮＡの前で終端して整合させる考えに基づいており、これはまた送信時にも同じ観念が保たれていた。その考えを１８０度転換し通信チャンネル空間にフロントエンドチップが置いてあり、これに補助的にアンテナをつけた場合の究極的な性能追求が従来のケーブル終端形式からどのくらい優れたものになるかというのが本発明の主題である。また従来は広帯域が優れていると考えられていたが、その考えを１８０度転換し究極的な狭帯域を追求した場合、従来のケーブル終端形式から諸性能がどのくらい優れたものになるかと言うことである。そのＳ／Ｎに関しては改善の期待値は少なくとも６ｄＢであるが、このような非整合・狭帯域の試みはかって行われたことがなかった。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３２８１１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
１）受信のヌル点の回避
２）受信のＳ／Ｎ性能を６ｄＢ以上改善すること
３）受信のバンド内妨害を２０ｄＢ以上改善すること
４）受信の消費電力を半分以下に減らすこと
５）送信の消費電力を半分程度に減らすこと
６）回路駆動を低電圧の単一電圧にすること
７）無線充電対応としてＡＣアダプターを廃止すること
【課題を解決するための手段】
【０００５】
＜微小共振ループアンテナでの構成＞
従来のトランシーバがループアンテナではなくインダクタ装荷短縮モノポールを採用していたのは、垂直偏波で使う前提でハンドセットを垂直に立てていれば相手がどの方角にいても単一のアンテナで用が済み、またモノポールアンテナの方が空間を占める割合が少なく格納できるからである。短縮モノポールの装荷インダクタの銅損はどうしても放射損より大きくなってしまい性能を改善するには限界があった。最近原理が正しくは分からないまま埋め込み型誘電体チップアンテナが多く使われている。その原理とはアンテナの専門家がアンテナの大きさと電力利得には関係がなく、アンテナの大きさと共振帯域にこそ関係があるという原理が古い教育のせいでどうしても飲み込めないでいることである。図１に示すようにループアンテナを使えば装荷するのはキャパシタであり、その損失を放射抵抗より小さくするのは容易である。ループアンテナを水平に置けば水平偏波に対応し水平面内で無指向性になるが、この形はトランシーバに取り付けるのには難があり、またＱが高くなりすぎる面があるのでこれまで携帯電話やウォーキートーキーなどのトランシーバに使われた例はなかった。
【０００６】
＜３軸ループアンテナの組み込み＞
ＰＣＢパターンで作れるのはループアンテナであるが、これを従来のモノポールのように垂直偏波で使用するには図２に示すように中心軸がＸ−Ｙコイルで直交する２つのループの出力を組み合わせて無指向性にしなければならない。これに中心軸がＺ軸のループを組み合わせれば、如何なる状況でもヌルを必ず回避でき、またハンドセットのあらゆる姿勢で使用することができ、また水平偏波にも対応できる。すなわち３軸直交ループアンテナは複素数線形結合と組み合わせてオールマイティな解の一つである。
従来のアテナはハンドセット内に半分埋め込み半分を外に出して、少しでも金属シャーシや搭載部品や手の影響を受けないようにする必要があった。しかし高いＱ値を持つ微小共振ループアンテナはハンドセットの内部に埋め込んでも動作上問題がない。最近は携帯電話で主流になった埋め込み型狭帯域共振誘電体チップアンテナの理論的な裏づけは、本論術によってそのような電磁気論的背景が初めて明らかにされる。
【０００７】
＜狭帯域共振アンテナの特徴＞
従来のインダクタ装荷半埋め込みモノポールアンテナは、共振によって到来電界による誘起電圧が希望波で周波数ピーキングを受けてＬＮＡに印加されるが、トランシーバのバンド幅が７５０ＭＨｚ−８５０ＭＨｚであればＱ＜８でなければならない。Ｑ＝８でも帯域の両端では−３ｄＢの減衰となる。インダクタ装荷半埋め込みモノポールアンテナは標準アンテナに外部入力ＢＮＣ端子を通して接続するよりＳ／Ｎ特性が３ｄＢ程度劣る。従来の物の見方を１８０度転換し、できるだけ狭帯域を目指しＱ＞８０となるようにすれば図３に示すような形式で全ての性能が歴史的に改善する。
歴史的な性能改善とは、過大な妨害波に極めて強くなること、ＬＮＡの電流を大幅に減らしてもトランシーバの通話距離を延ばせること、ＴＸがＤ級駆動できること、近傍の金属が動作に影響しなくなることなどだけではなく、ＲＦ技術者が５０オームと整合の教えから抜けられない因習から一歩でも踏み出すことである。
【０００８】
＜可同調ループアンテナの機能＞
従来の装荷アンテナは固定の周波数応答を持っていたが、Ｑ＞１００として狭帯域の大きなメリットを享受するためには可同調にしなければならない。回りの金属や人体の影響で僅かに変化する同調周波数をキャリブレートするには、図４に示すように正帰還をかけて（即ち振幅制限付の等価的な負性抵抗を挿入して）発振させ、その発振周波数をＸ−ｔａｌの基準周波数と比較することを行う。
周波数ホッピングで割り当て帯域内のチャンネルを移動する場合は、新しいチャンネルに移る毎にキャリブレートを行う。図に於いてフレキ基板の両面電極対向容量として形成される共振容量は、２つの島に分割されその小さい方がＴＸ増幅器としてのＮＭＯＳスイッチとＰＭＯＳスイッチに接続される。この小さい方の容量をＶｃｃ（＝３．３Ｖ）に繋ぐかグラウンドに繋ぐかの時間分割割合ｐで出力が決められる。スイッチング電流による高調波は高いＱによって阻止されて遠方と近傍に放射しない。
【０００９】
＜初段増幅器雑音の要求事項の緩和＞
従来のＬＮＡ（低雑音増幅器）の概念はアンテナとＬＮＡを７５オームの特性インピーダンスのケーブルで接続し、アンテナはこの７５オームとできるだけインピーダンスの整合性がよくなるようにしてケーブルが長い場合にＶＳＷＲの不整合で反射が起こってエコー妨害となるのを防ぎ、ＬＮＡもまた７５オームの抵抗で終端するものである。
１）アンテナが８００ＭＨｚでは、例えば半波長ダイポールとして１９ｃｍ程度の長さになる
２）雑音指数（ＮＦ）は３ｄＢが理論限界である
このため６ｄＢの雑音指数を得るには低雑音増幅器にバイポーラトランジスタなら１．４ｍＡ、ＣＭＯＳトランジスタのエクスポーネンシャル領域なら３．２ｍＡ程度のバイアス電流が必要になる。これはボルツマン原理に基づく自然律でありその制約から逃れることはできない。微小共振ループアンテナをＬＮＡを含むフロントエンドチップに直結した場合は、同じ基準で８ｄＢよいＮＦを得るのにＬＮＡのバイアス電流は１００ｕＡ以下でよい。図５は今でもＲＦ技術者の間で常識になっている７５オーム終端形式である。アンテナの雑音温度は室温と等しいとして雑音指数が定義されるが、宇宙の電波を観測するアンテナではこのアンテナ温度Ｔａは３度Ｋに近いが、地上間通信の場合は１５０度Ｋ程度である。Ｔａを３００度ＫとしてＮＦを考えると、アンテナを７５オームで終端することや、ＬＮＡの雑音の寄与が過少評価されてしまう。基準アンテナは半波長ダイポールが使われる。アンテナは広帯域を理想としている。実際ウォーキートーキーのハンドセットにはこの外部アンテナ端子がＢＮＣコネクタとして付属している。本論術ではこの理想とされていた受信形態を数式１に示すような基準として他の受信方法の優劣をｄＢで評価する。
【数１】
2010233124.tif 000003
図６には固定共振のインダクタ装荷短縮モノポールアンテナをケーブルを介さずＬＮＡに直結し、高くなったＱは装荷インダクタの直列抵抗でＱダンプされてＱ＝８程度になった場合の相対Ｓ／Ｎ（半波長ダイポールと比較）を示す。Ｓ／Ｎは−３ｄＢになる。これを補うために短縮モノポールで等が使われる用になって基地局の出力が増強された。
【数２】
2010233124.tif 000004
図７は本論術が採用する形態であるが、放射素子をループアンテナとしているために装荷は共振容量であり、このために共振を制動するのが主としてループ素子の放射抵抗だけになり極めて高いＱ値になり、共振周波数と希望周波数に一致させる手段がなく通常の通信では使用されたことがない。それを構わずＳ／Ｎを調べると標準的な半波長ダイポール受信に対して８ｄＢ程度よい値になる。これは減衰が１／Ｒ則より早く起こる地表の通信で到達距離が２倍程度延びるか基地局のＴＸ出力を１／４程度に減ずることができることを示している。
【数３】
2010233124.tif 000005
しかしこのことが十分に理解できたとしても、この狭帯域共振を使いこなす方法を持たなければ自然の理が与えたこの簡素な恩恵に浴することはできない。周波数拡散方式（ＳｐｒｅａｄＳｐｅｃｔｒｕｍ）等で通信速度に必要な帯域を遥かに超えて広い帯域を使うことは、克服すべき漏話を自ら作り出しているだけでなく、これまでは誰も気づかなかったが受信Ｓ／Ｎの点で大きなマイナスを背負い、その分基地局の出力を増強する必要がある。このような力づくのシステム構築は２０世紀に置き去りにして、我々はスマートパワーを実行するために自然の理を知らねばならない。
【００１０】
＜可変同調手段＞
従来の固定帯域幅の短縮モノポールでは、８００ＭＨｚの中心周波数に対して帯域幅が１００ＭＨｚであれば、インダクタンス装荷によるアンテナの共振のＱ値は８（＝８００／１００）の程度を超えることができなかった。これに対して微小共振ループでは１００以上のＱ値を近傍に部品や金属があり、また人体があっても容易に維持できる。この場合の−３ｄＢ帯域幅は８ＭＨｚであり、通話にはＣＤＭＡなどの変調を行うことができ、中心周波数を合わせる同調が必要になる。ＩＣの外側の共振容量とループアンテナのインダクタンスは、バンドの周波数の上限での共振周波数を決め、これに給電チップの微細容量を加えて行ってバンドの周波数の下限までをカバーする。これにはＲＦ−ＣＭＯＳプロセスに用意されたバラクタ（電圧可変容量ダイオード）を用いる場合もあるが直線性の問題があり、一般的にＭＩＭ容量をＮＭＯＳトランジスタで切り替える方法が取られる。人体の影響で高いＱ値の微小共振ループの共振周波数は変化するが、キャリブレートにより正しい周波数が保たれる。図８に可変同調回路例を示す。
ＮＭＯＳトランジスタのＲＦスイッチとしての性能はＲｏｎｘＣｏｆｆの時定数で決まり、チャンネル長の世代により異なるが０．１８ｕｍ世代では０．４オームｐＦ程度である。トランシーバの帯域７５０ＭＨｚ−８５０ＭＨｚをこの時定数でカバーすると到達できるＱ値が決められる。しかし本論術のケースでは主としてループ素子の放射抵抗でＱ値が決められている。
【００１１】
＜送信のＤ級駆動と低電圧化＞
従来のＴＸ増幅器はプシュプル回路でＡ級動作する以外に放射される高調波を低く抑える方法がなく、このため電波法の規制に合致させるのは困難を極め、しかも最大効率は５０％が上限であった。微小共振ループのＴＸ駆動器は、その高いＱのために図９に示すようにＤ級動作させることができ、電波法の規制に設計以前に合致し最大効率は１００％が上限である。このためトランシーバは性能が大幅に高められる反面、消費電力は半分以下になる。また駆動電圧をアンテナのインピーダンスや個別半導体によらず、単一の低電圧（例えば３．３Ｖ）にすることができる。
ＸＹＺ３軸のコイルはトランシーバ機内で基本的に直交しており、コイル間の干渉は問題にならない。
【００１２】
＜ＸＹＺ３軸等化回路＞
従来のトランシーバ端末機はマルチパス妨害によるヌル点を避けるためにスペースダイバシティ（複数のアンテナの位置を変えること）を使用することが寸法上・使用上の制約からできない。どんな受信状況でも最良の結果を出せるのはＸＹＺ３軸の組み合わせを複素数の係数で線形結合しそれを刻々適応化する方法である。これは図１０に示すように受信波を３チャンネルのＬＮＡで増幅しＲＦ段またはＩＦ段での特定の線形結合を出力する傍ら、そのバックグラウンドで変化に対応する最適化を山登り論理で行えばよい。３軸等化方式はヌル点を避けるだけではなく、水平偏波受信も可能にする。
【００１３】
＜半２重の送受信最適化アルゴリズム＞
半２重通信ではＴＸはＲＸと同一の周波数を使用し、交信相手との伝送チャンネルは送受信で等価であるので、図１１に示すようにＲＸの線形結合係数（振幅・位相）をそのままＴＸに使ってＸＹＺのコイルを駆動すれば、交信相手には常にマルチパスが最適等化された形で伝わる。交信相手のアンテナ形式が同じＸＹＺ３軸の方式である場合は等化機能が重複するので、片側だけがこれを行う簡単な形から、役割分担して更に効果を高める方法までを送受信の仲裁（アービトレーション）として取り決めて置くことが必要である。これは海上交通で２隻の船が対面するときに、どちらに回避するか決めておくのと同じである。
１）相手が３軸方式の場合は自分はＲＸだけを適応型にして、ＴＸは適応型にしない
２）両者が制御内容を交換してＴＸ／ＲＸ両方を重複して制御し更に伝送効率を高める
という２つの方法に分かれる。
３軸方式は基地局と端末機双方のＴＸ出力を減らすことができる。
【００１４】
＜バンド内過大妨害波排除能力＞
従来のＬＮＡは広帯域のアンテナと結ばれると過大な妨害波に晒されるために、通常外付けバラクタを使った前置可同調回路がつけられるが、バラクタの電圧−容量そのものが非直線（パラメトリックノンリニア）あるために過大な妨害波をフィルタで除去する過程で、ＣＴＢ（コンポジットトリプルビート）、相互変調、混変調などの妨害を生じる。図１２に示す可同調微小共振ループでは給電チップの微細容量を切り替えるのでこのような問題を発生しない。従来無線ＨＡＭやトランシーバで避けようがなかったバンド内過大妨害波の問題は、可同調微小共振ループでは最初から避けられている。
【００１５】
＜全２重の送受信最適化アルゴリズム＞
全２重通信ではＴＸのバンドとＲＸのバンドが分けられる。各国で実施されている実際の周波数ではないが、例として８００ＭＨｚを中心に７５０ＭＨｚ〜８００ＭＨｚがＴＸバンド、８００ＭＨｚ〜８５０ＭＨｚがＲＸバンドと仮定する。図１３に示すように自分局が３軸対応であるのに対して基地局が３軸対応でない従来型であれば、自分局は自らＲＸチャンネルの３軸結合係数を最適化し、また基地局との交信でＴＸチャンネルの３軸結合係数を最適化する。基地局が３軸対応であれば、自分局は自らＲＸチャンネルの３軸結合係数を最適化し、また基地局との交信でＴＸチャンネルの３軸結合係数を最適化する他、交信を通して基地局のＴＸとＲＸそれぞれの３軸結合係数も最適化する。
【００１６】
＜チャンネル等化の統計的指標＞
端末機でＸＹＺ３軸適応化を行った場合の平均的な受信レベルを１とすると、それを行わず単一のダイポールやループで受信した場合の平均的な受信レベルはπ／４（−２ｄＢ）であり、大きな差はない。図１４に示すように、ＸＹＺ３軸適応化が意味があるのは受信レベルが閾値以下のヌルになる確率が、標準チャンネルフェージングモデルでは１／３〜１／５に減少する。ヌル点に留まっているとその間受信は途絶えるが、移動していればヌルになるのは一瞬である。
【００１７】
＜無線充電＞
最近のトランシーバは、リチウムイオン充電電池をＡＣアダプターで充電する必要がある。これは煩雑であるので、携帯電話等が汎用充電器で無線電力充電されるのに合わせて無線充電器を共用し家庭や出先や移動する車の中で常に充電が行われていて、充電電池の放電積算回数による耐用年数が大幅に伸びるようにしたい。このために必要なコイルは図１５に示すようにＸＹＺ３軸コイルと同じプリント基板上に形成される。
例として無線電力伝送の搬送波を１３．５６ＭＨｚに選び、無線充電コイルの銅損が無視できて放射損が主たる無負荷損失の場合、０＜Ｒ＜λ／２π（＝３．５ｍ）の範囲ではコイル−コイル間の電力伝送効率は一定で５０％〜７０％となる（１＜ｍＬ＜２、ｍＬは負荷抵抗と放射抵抗の比）コイルを密着させなければ実用的な電力伝送効率が得られないと考える因習はコイルを共振させないファラデー世界の話である。。
【００１８】
＜フレキ基板アンテナ＞
単一のリジッドＰＣＢ基板ではＸＹＺ３軸のうち、１つの軸のコイルしか形成できない。安価なポリエステルフレキを使えば図１６に示すように折り曲げてＸＹＺ３軸のアンテナを形成することができ、アンテナの鋭い共振周波数は常時行われるキャリブレーションで正確な同調が取れる。これに無線電力伝送のコイルを加えることができる。全２重対応の場合はＴＸコイルとＲＸコイルはフレキ基板の両面に形成する。
【００１９】
＜製造コストの削減＞
従来のインダクタンス装荷短縮アンテナを送受信に使った回路と比べて、微小共振ループアンテナ方式では図１７に示すように部品数が少なくなり、また電源電圧が単一化されるのでトランシーバの製造コストの削減額は５００円程度となる。
【００２０】
＜周辺の金属の影響の軽減＞
従来のインダクタンス装荷短縮アンテナの方式と比べて周辺の部品や金属の送受信に対する影響は、共振のＱ値に反比例して大幅に軽減される。図１８に示すように到来電磁界Ｈが誘導する電流によって周辺の部品や金属の影響を定量化して扱うことができる。周辺の異物で一般的に影響が大きいのは金属板でありこれはショートリングと等価である。従来のファラデーの概念は電磁誘導は磁気的な現象であり、その原理で設計されたアンテナにもショートリングにも同じような数式４で表される電流ｉ１が流れる。したがって金属板はアンテナの動作に重大な影響を与える。これに対して微小共振ループアンテナでは、インダクタンスと共振容量のリアクタンス分が打ち消され、誘起電圧を放射抵抗で割った数式５で表される電流ｉ２が流れる。
【数４】
2010233124.tif 000006
【数５】
2010233124.tif 000007
このｉ２とｉ１の比は従ってＱ倍であり、トランシーバの場合はＱ＝１００程度にすることができる。これは即ち微小共振ループアンテナは従来のアンテナと比べて周辺の金属などの影響を１／１００程度しか受けないことを示している。また更にＱを高くすれば、金属ケースの中に入った携帯電話にアクセスすることができるのが実験で確認されており、異物としての金属が到来電磁界を遮蔽するという従来の常識は根底から覆るのである。
【００２１】
＜人体の影響の軽減＞
その７０％が水分である人体が、金属板のような作用を無線電力伝送に与えることはない。８００ＭＨｚで無線通信するトランシーバが相手局の反対側にあっても人体は影響しない。８００ＭＨｚと２．４５ＧＨｚが人体の組織を過熱する効果は大きな違いがある。いま検証すべきことは周波数と電力と人間の細胞の中のＤＮＡの塩基を置換する閾値の関係である。この塩基の置換は瞬時に起こるが、蓄積効果とは置換された数が被爆機会で増加することである。塩基が置換されると細胞分裂でそのまま受け継がれる。生殖細胞であれば全数が置換されたままになる。
先ず図１９に示すような微小共振ループアンテナの場合、トランシーバの送受信に人体や手が影響を与える程度は無視できる。とくに微小共振ループアンテナの機内に埋め込まれている場合、アンテナ素子を手の中に握っているのと同じ状態であるが、影響はないことが確認されている。
次に図２０に示すように、到来電磁界と誘導電磁界を合わせたものが人体に損傷を与える程度を調べる。この場合近傍の電界は電力出力の平方根に比例する。また人体への損傷は周波数と電界を掛け合わせたものに依存するというモデルを使うと安全の基準が明らかになって来る。
ここで図２１に示すようなＤＮＡの塩基ＡＴＧＣの付け替えの空間電圧の閾値の具体的なモデルで調べる。ＤＮＡの置換は次のような３つの主要因がある。
１）紫外線・Ｘ線・電磁波
２）粒子の被爆（アルファ線など）
３）化学反応（コールタールなど）
ＤＮＡに空間電位差が与えられたときに、その周波数とは無関係に塩基が影響を受ける長さ（例えば１ｎｍ）当たり電位差が１Ｖであれば、到来電磁界が去ったときに塩基がつけ換わっているというのが背景である。結合が到来電磁界で振動を受けて結合が不確かでも、通常は到来電磁界が去ったときの元の結合状態で居られるが、その間に擾乱が加われば他の安定した状態に戻るのが塩基のつけ換わりである。電磁波は進行するので周波数が高い方が電位の勾配が大きくなる。８５０ＭＨｚと１００ＭＨｚと１０ＭＨｚでは同じ塩基つけ換え耐性は図の右側に示すような電力比になる。
【００２２】
＜アンテナと放射の理論＞
トランシーバを最適化し運用するためには、電磁気学の中でアンテナ・電波伝播理論が広く・深く理解され、システムが自在に構築されなければならないが、基本的で重要でありながら従来は全く理解がなされずそのため教科書にも決し登場することのなかった微小アンテナの分野を、世界の科学者・教授・指導的技術者が正しく学ばなければならない。微小共振放射素子アンテナが見落とされている背景は、それと組み合わされるべきＩＣチップの設計のアーキテクチャーが未発達なことと、ＲＦ技術者は通常５０／７５オームでしか測定ができない環境にあるので、微小アンテナを実証的に扱えないことが主たる原因である。
＜微小ダイポールと微小ループ＞
アンテナの基準は半波長ダイポールであり、半波長付近でそのリアクタンス成分はゼロに近づき放射抵抗は７３オームである。ループアンテナは周囲長が１波長の時にリアクタンス成分がゼロに近づき、給電点の方向を除いてループの平面内で無指向性となるが基準にはされない。しかし電磁気学の枠内で半波長ダイポールや１波長ループではなく微小ダイポールアンテナと微小ループアンテナを基準と考えた方が物事の本質がよく見極められることが、以下に示す論述で誰もが初めて気づく。ただ微小ダイポールと微小ループは狭帯域であるという優れた特徴があるのを、広帯域（ブロードバンド）こそがいいという誤った観念を植えつけられているために理解が進んでいない。微小ダイポールと微小ループは類似した特性を持つ。図２２に微小ダイポールと微小ループの特性を併記する。それによって如何にこの２つの要素が電波伝搬の基本であり、素粒子の相互作用にも関わっているかが理解できるであろう。
数式６は微小アンテナ素子の放射抵抗である。
【数６】
2010233124.tif 000008
数式７は微小アンテナ素子のリアクタンスである。微小ダイポールは容量性（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ）であり、微小ループは誘導性（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ）である。
【数７】
2010233124.tif 000009
数式８は微小アンテナ素子のリアクタンスと放射抵抗の比であり、符号が反対のリアクタンスを装荷して、微小アンテナのリアクタンス分を打ち消した場合に生じる共振のＱ値を示している。アンテナが小さい程高いＱ値が得られ、微小共振アンテナは利得は半波長ダイポールと等しいが、狭帯域となる所以がここにある。微小ループアンテナの場合Ｑ値は巻き数ｎには無関係になる。
【数８】
2010233124.tif 000010
数式９は微小アンテナ素子を装荷しない場合の到来電界Ｅに対する開放端子電圧である。アンテナが小さい程端子電圧は小さい。
【数９】
2010233124.tif 000011
数式１０は符号が反対のリアクタンスを装荷して微小アンテナのリアクタンス分を打ち消し、放射抵抗と同じ抵抗値で終端した場合の有能電力である。微小ダイポールも微小ループも有能電力は同じであり、またその有能電力はアンテナの大きさとは無関係である。
【数１０】
2010233124.tif 000012
到来電界Ｅと放射抵抗の放射空間温度による熱雑音の比であるＳ／Ｎは数式１１で表されるが、アンテナの大きさに依存しない。半波長ダイポールの微小ダイポールに対する特徴は、リアクタンスを打ち消す装荷容量が不要で、共振が比較的広帯域であるに過ぎない。オリバーヘビサイドの放射はエネルギーの流れであるという言い分はここで崩される。
【数１１】
2010233124.tif 000013
給電点が増幅器ＩＣチップで終端された受信アンテナに必要なのは、有能電力ではなく数式１２に示す共振電圧であり、アンテナの大きさが小さい方が共振電圧は大きい（このことは全てのアンテナ技術者に見落とされえている）。
【数１２】
2010233124.tif 000014
数式１３は微小アンテナの到来電界Ｅに対する共振電流である。アンテナが小さい方が共振電流は大きい。
【数１３】
2010233124.tif 000015
数式１４は微小アンテナの共振電流による遠方界としての再放射である。アンテナの希望周波数に於ける再放射能力は、銅損が放射抵抗に対して無視できる範囲でアンテナの寸法に依らない。
【数１４】
2010233124.tif 000016
＜微小アンテナの近傍界と遠方界＞
微小アンテナの世界では、図２３に示すように微小ダイポールと微小ループという基本形を組み合わせて全てのアンテナが構成することができる。
電磁気学ではビオ＝サバールの法則から、微小アンテナの電磁界は数式１５、数式１６、数式１７のように表される。
【数１５】
2010233124.tif 000017
【数１６】
2010233124.tif 000018
【数１７】
2010233124.tif 000019
【００２３】
＜共振コイルの幾何学的実現方法＞
ＸＹＺ３軸の微小共振ループと無線電力伝送の受信コイルは図２４に示すように１枚のフレキ基板上で作られる。リアクタンスと放射抵抗の比がＱ＝１００と決まればコイルの半径と波長の比が巻き数ｎとは無関係に決まり、ａ／λ＝０．０６となる。
中心周波数８００ＭＨｚの波長は３８ｃｍであるからａ＝２２ｍｍとなる。インダクタンスは数式７から８５ｎＨで共振容量は０．５ｐＦであり、厚さ５０ｕｍのポリエステルフィルムの小さな面積の静電容量で形成される。この周波数での銅の表皮厚は約３ｕｍである。銅損は放射損より小さくなる。
【００２４】
＜ＭＩＭＯ方式について＞
図２５はＭＩＭＯ方式とマイクロセル方式の比較である。将来の切り札と考えられているＭＩＭＯ方式は、基地局の送受信アレーアンテナのアレーファクタを微細方角毎に設定してマルチビームとし、通話チャンネル数を実効的に増やす方法である。しかしこれは現在使われているセル方式のセルを微細化したマイクロセル方式でも同じことが実現でき、どちらも電力の総和を減らせるが、設置場所のコストや大幅にコスト低減されるであろう基地局のトランシーバユニットなどを考慮してどちらが経済的であるかを選べばよい。本論術の方式が自然の理の見極めに関する本質的なことであるのに対して、ＭＩＭＯ方式やマイクロセル方式は表面的なことである。本方式が発展するＢｅｙｏｎｄ−ＭＩＭＯは自然の理に関することである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によって、ＸＹＺの３軸を持つ３つのコイルを使って受信のヌル点の回避する通信チャンネルの等化が行われ、現行の携帯通話方式のまま周波数・エリア利用率は１．５倍程度高い密度で使用することができる。また受信のＳ／Ｎ性能を８ｄＢ程度改善することができる。また受信のバンド内妨害を１／１０以下に低減することができる。またＬＮＡの消費電力を１／１０以下に減らすことができる。またＴＸアンプの消費電力を６０％程度に減らすことができる。また表示装置を除いた他の回路駆動を単一電圧にすることができる。また無線充電にすることができる。またトランシーバの製造コストを５００円程度削減することができる。またヌル点が回避され、狭帯域化されるので、ＣＤＭＡが大幅に簡略化された世界標準を作ることができ、最終的に全ての携帯通信を通信容量を倍増して１ＧＨｚ以下にシフトできるＢｅｙｏｎｄ−ＭＩＭＯの礎にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図２６に仮想的に８００ＭＨｚを中心にしたマイクロバンドＣＤＭＡ（ＭＣＤＭＡ）のトランシーバにとって最良の微小共振ループの形態とその等価回路を示す。
【実施例】
【００２７】
図２７が本方式に基づいて考え得る改善を尽くしたトランシーバの実施例である。携帯電話に必要なＩＣチップはフロントエンドチップ、無線充電プロファイルチップ、ベースバンドチップ、ＬＣＤ表示モジュールの４つである。フロントエンドチップ、無線充電プロファイルチップはアンテナパターンとともにフレキ基板にマウントされ、コネクタで主基板に接続される。マイコンを内蔵したベースバンドチップはリジッドな主基板にマウントされ、キースキャンボタン、スピーカー／マイクロフォン、充電プロファイルＩＣチップのコントール部、フレキ基板とのコネクタ部、及び同じく主基板にマウントされたＬＣＤ表示モジュールに接続される。図に示したものがフレキ基板にマウントされる外付け部品の全てであり、従来のトランシーバと比べて著しく簡素であり部品数が少ない。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明はトランシーバ、携帯電話、ＷｉＦｉ、ＷｉＭａｘなどの無線通信機器基本構造として広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】は従来のアンテナと微小共振ループである。
【図２】はＸＹＺ３軸ＴＸ／ＲＸアンテナと無線電力充電コイル である。
【図３】は狭帯域共振電子同調ＲＸ／ＴＸアンテナ である。
【図４】は可同調ループアンテナの機能である。
【図５】は外部アンテナのＢＮＣ入力のＳ／Ｎ である。
【図６】はインダクタ装荷短縮モノポールのＳ／Ｎである。
【図７】は微小共振ループのＳ／Ｎ である。
【図８】は微細容量切り替えによる可変電子同調回路 である。
【図９】はＴＸアンテナのＤ級駆動と低電圧化  である。
【図１０】は自在な姿勢を許容するＸＹＺ３軸アンテナ である。
【図１１】は半２重送受信最適化アルゴリズムである。
【図１２】はバンド内過大妨害波排除能力である。
【図１３】は全２重送受信最適化アルゴリズムである。
【図１４】は空間利用率の統計的な指標である。
【図１５】は無線充電方式である。
【図１６】はフレキ基板アンテナである。
【図１７】は製造コストの削減である。
【図１８】はアンテナの周辺の金属の影響の差である。
【図１９】は携帯電話ハンドセットと人体の影響 である。
【図２０】は３Ｗの無線電力の電磁界と携帯電話１ＷのＴＸ放射の比較である。
【図２１】はＤＮＡの塩基置換の電位差耐性である。
【図２２】は高いＱの微小アンテナの動作原理である。
【図２３】は高いＱの微小アンテナからの近傍界・遠方界放射である。
【図２４】は共振コイルの幾何学的実現方法である。
【図２５】はマルチビームＭＩＭＯ方式である。
【図２６】は最良の形態である。
【図２７】は実施例である。
【図１】
2010233124.tif 000020
【図２】
2010233124.tif 000021
【図３】
2010233124.tif 000022
【図４】
2010233124.tif 000023
【図５】
2010233124.tif 000024
【図６】
2010233124.tif 000025
【図７】
2010233124.tif 000026
【図８】
2010233124.tif 000027
【図９】
2010233124.tif 000028
【図１０】
2010233124.tif 000029
【図１１】
2010233124.tif 000030
【図１２】
2010233124.tif 000031
【図１３】
2010233124.tif 000032
【図１４】
2010233124.tif 000033
【図１５】
2010233124.tif 000034
【図１６】
2010233124.tif 000035
【図１７】
2010233124.tif 000036
【図１８】
2010233124.tif 000037
【図１９】
2010233124.tif 000038
【図２０】
2010233124.tif 000039
【図２１】
2010233124.tif 000040
【図２２】
2010233124.tif 000041
【図２３】
2010233124.tif 000042
【図２４】
2010233124.tif 000043
【図２５】
2010233124.tif 000044
【図２６】
2010233124.tif 000045
【図２７】
2010233124.tif 000046