天线指向性控制系统以及具备天线指向性控制系统的无线装置的制造方法

天线指向性控制系统以及具备天线指向性控制系统的无线装置的制造方法
【专利摘要】提供一种天线指向性控制系统，具备：天线，其具有馈电点互不相同的多个天线元件；以及控制单元，其控制所述天线元件的权重，其中，所述多个天线元件各自具有馈电元件和辐射元件，该馈电元件连接于馈电点，该辐射元件通过与所述馈电元件进行电磁场耦合而被馈电，从而作为辐射导体发挥功能，所述控制单元对各个所述馈电点处的信号的振幅进行调整，来控制所述天线的指向性。
【专利说明】
天线指向性控制系统以及具备天线指向性控制系统的无线 装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种天线的指向性控制系统以及具备天线的指向性控制系统的无线 装置(例如便携式电话等便携式无线机）。
【背景技术】
[0002] 作为提高通信速度的手段，利用了]\OMO(Multiple Input Multiple Output:多入 多出）天线的MBTO空间多路复用通信技术。ΜΙΜΟ天线是使用多个天线元件而能够在规定频 率下进行多路复用输入输出的多天线。然而，在移动通信中，终端处的电波传播环境多种多 样，实际上能够利用M頂0空间多路复用通信的环境有限。
[0003] 例如，非专利文献1公开了来波在市区内角度扩散(Angle Spread)的实测数据。示 出以下内容：即使是建筑物等反射物比较多的市区，来波的角度扩散也为30°以下，无法得 到路径足够多的丰富的环境。
[0004] 由于存在这种事实，因此在非专利文献2所示的3GPP的标准下，除了设定MMO空间 多路复用模式以外，还设定波束形成模式、发送分集模式、多用户MBTO模式等共计9个传输 模式。采用了如下方式:基于从基站发送的基准信号来测定终端所处的电波环境，选择适当 的传输模式。
[0005] 非专利文献I: Tetsuro Imai，etc ·，"APropagation Prediction System for Urban Area Macrocells Using Ray-tacing Methods"，NTT DoCoMo Technical Journal， Vol.6,No.I,p.41-51
[0006] 非专利文献2:3GPP TS 36.213V10.1.0 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network；EvoIved Universal Trrestrial Radio Access(E-UTRA)；Pysical layer procedures(ReleaselO)?p.26-27

【发明内容】

[0007] 发明要解决的问题
[0008] 然而，现状是，在以MMO空间多路复用模式进行传输的情况下以及在以波束形成 模式进行传输的情况下，天线所要求的天线特性不同，因此难以实现天线的共用化，而使用 不同的天线进行应对。
[0009] 因此，目的在于提供一种能够使用共用的天线来应对不同的天线特性的天线指向 性控制系统。
[ ο]用于解决问题的方案
[0011]在一个方案中，提供一种天线指向性控制系统，其具备:天线，其具有馈电点互不 相同的多个天线元件；以及控制单元，其控制所述天线元件的权重，其中，所述多个天线元 件各自具有馈电元件和福射元件，该馈电元件连接于馈电点，该福射元件通过与所述馈电 元件进行电磁场耦合而被馈电，从而作为辐射导体发挥功能，所述控制单元对各个所述馈 电点处的信号的振幅进行调整，来控制所述天线的指向性。
[0012] 发明的效果
[0013] 根据一个方式，能够使用共用的天线应对不同的天线特性。
【附图说明】
[0014] 图1是示出天线指向性控制系统的一个结构例的框图。
[0015] 图2是示出具有馈电点互不相同的多个天线元件的天线的一例的俯视图。
[0016] 图3是示出天线的各结构的位置关系的一例的图。
[0017]图4是示出天线的相关系数的仿真结果的一例的特性图。
[0018] 图5是示出天线的指向性的一例的特性图。
[0019] 图6是示出具有馈电点互不相同的多个天线元件的天线的一例的俯视图。
[0020] 图7是示出天线的S参数的实验结果的一例的特性图。
[0021]图8是示出天线的相关系数的实验结果的一例的特性图。
【具体实施方式】
[0022]〈天线指向性控制系统10的结构〉
[0023]图1是示出作为本发明的一个实施方式的天线指向性控制系统10的结构例的框 图。天线指向性控制系统10例如是搭载于无线装置100的天线系统。作为无线装置100的例 子，能够例举移动体本身或内置于移动体的无线通信装置。作为移动体的例子，能够例举可 携带的便携式终端装置、汽车等车辆、机器人等。作为便携式终端装置的具体例，能够例举 便携式电话、智能手机、平板型计算机、游戏机、电视机以及音乐、视频的播放器等电子设 备。
[0024] 天线指向性控制系统10具备信号处理电路23、控制器24、多个权重控制电路21、22 以及具有多个天线元件11、12的天线13。天线元件11、12连接于互不相同的馈电点。
[0025] 两个天线元件11、12能够接收所到来的电波(来波)或发送无线装置100的信号，能 够通过调整流过两个天线元件11、12的电流的振幅来控制作为天线13的指向性。
[0026]信号处理电路23是对通过天线元件11、12接收来波而得到的接收信号进行处理或 对无线装置100的发送信号进行处理的电路。信号处理电路23例如是对利用天线元件11、12 而得到的接收信号进行放大以及AD转换等高频处理或基带处理的电路。
[0027]控制器24是选择MMO空间多路复用模式或波束形成模式来作为应用于天线13的 传输模式的选择单元的一例。控制器24对权重控制电路21、22输出与所选择的传输模式相 应的控制信号。
[0028]控制器24例如根据信号处理电路23使用天线元件11、12来测定天线元件11、12的 周围的电波环境所得到的结果来选择应用于天线13的传输模式。在测定出适合于MMO空间 多路复用模式下的传输的电波环境的情况下，控制器24选择MMO空间多路复用模式作为应 用于天线13的传输模式。在MIMO空间多路复用模式的情况下，如果天线13具有多个天线元 件，则为多通道的MIMO天线。例如，如果假设如图1那样存在两个天线元件11、12,则天线13 为两个通道的MIMO天线。另一方面，在测定出适合于波束形成模式下的传输的电波环境的 情况下，控制器24选择波束形成模式作为应用于天线13的传输模式。在波束形成模式的情 况下，天线13为利用了两个天线元件11、12的能够进行指向性控制的天线。
[0029]权重控制电路21、22是按照来自控制器24的控制信号来控制天线13的指向性的控 制单元的一例。权重控制电路21、22通过对由天线元件11、12各自接收到的信号的振幅、相 位等的权重或由天线元件11、12各自发送的信号的振幅、相位等的权重进行控制，来对例如 基于天线元件11和天线元件12的最大比合成的天线13的指向性进行控制。权重控制电路 21、22为了控制天线13的指向性而例如对流过天线元件11、12各自的馈电点的电流的电流 值进行调整。
[0030] 〈天线1的结构〉
[0031] 图2是示意性地示出本发明的一个实施方式所涉及的天线1的结构的一例的俯视 图。天线1是图1所示的天线13的一例。天线1具备接地平面70、天线元件30以及天线元件40。
[0032] 接地平面70是平面状的导体图案，附图中例示出在XY平面内延伸的长方形的接地 平面70。接地平面70例如具有沿X轴方向直线延伸的外缘部71、72以及沿Y轴方向直线延伸 的外缘部73、74。外缘部72是外缘部71的对边，外缘部74是外缘部73的对边。接地平面70例 如配置为与XY平面平行，具有将平行于X轴方向的横向的长度设为L7、将平行于Y轴方向的 纵向的长度设为L4的长方形外形。接地平面70层叠于基板25(参照图3)，既可以配置在基板 25的表层(外层），也可以配置在基板25的内层。接地平面70是具有接地电位的接地部位。关 于接地平面70,在易于容易地取得天线的阻抗匹配这一点上，优选是具有规定值以上的面 积的接地部位，但也可以是电连接有安装于基板25的电容器等安装部件的接地部位。
[0033] 天线元件30、40连接于互不相同的馈电点。天线元件30连接于以外缘部71为接地 端的馈电点38，天线元件40连接于与馈电点38相同地以外缘部71为接地端的馈电点48。接 地平面70是馈电点38和馈电点48共用的接地基准。
[0034]馈电点38和馈电点48以相互接近的方式配置。馈电点38被配置在与外缘部71的X 轴方向上的一端71a(在图示的情况下，是外缘部71与外缘部74的交点）相比更靠近馈电点 48的位置。馈电点48被配置在与外缘部71的X轴方向上的另一端71b(在图示的情况下，是外 缘部71与外缘部73的交点）相比更靠近馈电点38的位置。通过将馈电点38和馈电点48以相 互接近的方式配置，能够使分别连接于馈电点38、48的微带导体相互靠近，因此能够容易地 缩小设置天线元件30、40所需的空间。
[0035]天线元件30是具有馈电元件37和辐射元件31的天线元件的一例，天线元件40是具 有馈电元件47和辐射元件41的天线元件的一例。
[0036]为了能够容易地控制天线1的指向性，优选的是，天线元件30的形状和天线元件40 的形状以平行于Y轴的直线为对称轴线对称（相对于通过馈电点38与馈电点48之间的YZ平 面线对称）。在线对称的情况下，馈电元件37的全长与馈电元件47的全长相等，辐射元件31 的全长与辐射元件41的全长相等。
[0037]馈电元件37是连接于以接地平面70为接地基准的馈电点38的馈电元件的一例。馈 电元件37是与辐射元件31以非接触的方式高频耦合而能够对辐射元件31馈电的线状导体。 附图中例示出由与外缘部71呈直角且沿平行于Y轴的方向延伸的直线状导体和与平行于X 轴的外缘部71并行地延伸的直线状导体形成为L字形的馈电元件37。在图示的情况下，馈电 元件37在以馈电点38为起点沿Y轴方向延伸后向X轴方向弯曲，并且延伸至向X轴方向延伸 的端部39。端部39是没有连接其它导体的开放端。馈电元件37并不限于图示的形状。
[0038] 馈电点38是与利用了接地平面70的规定传输线路、馈电线等相连接的馈电部位。 作为规定传输线路的具体例，能够例举微带线、带线、带接地平面的共面波导(在与导体面 相反一侧的表面配置有接地平面的共面波导)等。作为馈电线，能够例举馈电线、同轴线缆。
[0039] 辐射元件31是与馈电元件37分离地配置、通过与馈电元件37进行电磁场耦合而被 馈电从而作为辐射导体发挥功能的辐射元件的一例。辐射元件31是具有以非接触方式从馈 电元件37接受馈电的馈电部36的线状导体。
[0040] 附图中例示出形成为L字形的辐射元件31儿字形的辐射元件31具有与外缘部71分 离地配置且以沿着外缘部71的方式向X轴方向延伸的导体部分31a、以及与外缘部74分离地 配置且以沿着外缘部74的方式向Y轴方向延伸的导体部分31b。附图中例示出L字形的辐射 元件31，但是辐射元件31的形状也可以是一条直线状、迂回曲折(Meander)状等其它形状。
[0041] 辐射元件31通过具有沿着外缘部71的导体部分31a，或者通过具有沿着外缘部74 的导体部分31b，例如能够容易地调整天线元件30的指向性。
[0042]另外，导体部分31a以与导体部分41b延伸的Y轴方向正交的方式沿X轴方向延伸， 由此例如能够容易地控制天线1的指向性。同样地，导体部分31b以与导体部分41a延伸的X 轴方向正交的方式沿Y轴方向延伸，因此例如能够容易地控制天线1的指向性。
[0043]馈电点38和馈电点48共同利用的接地平面70位于辐射元件31的导体部分31b与辐 射元件41的导体部分41b之间，因此例如能够容易地控制天线1的指向性。
[0044]如果辐射元件31与馈电元件37之间相距馈电元件37能够与辐射元件31进行电磁 场親合从而能够以非接触方式对福射元件31进行馈电的距离，则福射元件31与馈电元件37 在以X轴、Y轴或Z轴方向等任意方向俯视时既可以重叠也可以不重叠。
[0045]馈电元件37和辐射元件31配置为相距能够相互进行电磁场耦合的距离。辐射元件 31具有从馈电元件37接受馈电的馈电部36。经由馈电元件37通过电磁场親合以非接触的方 式在馈电部36对福射元件31进行馈电。通过以这种方式馈电，福射元件31作为天线元件30 的辐射导体而发挥功能。
[0046]如图示那样，在辐射元件31是将两点之间连结的线状导体的情况下，在辐射元件 31上形成与半波长偶极天线同样的谐振电流(分布）。即，辐射元件31作为以规定频率的半 波长进行谐振的偶极天线发挥功能（以下称为偶极模式）。
[0 04 7 ]电磁场親合是利用了电磁场的共振现象的親合，例如在非专利文献(A. K u r s，e t al，"Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances，''Science Express，Vol · 317，No · 5834，pp · 83-86，Jul · 2007)中公开。电磁场親合也被称为电磁场谐振 耦合或电磁场共振耦合，是以下一种技术：当以相同频率谐振的谐振器相互接近并使一方 的谐振器谐振时，经由在谐振器之间产生的近场(非辐射场区域)的耦合来向另一方的谐振 器传输能量。另外，电磁场耦合是指除了静电电容耦合、利用电磁感应的耦合以外的利用高 频的电场和磁场的耦合。此外，此处的"除了静电电容耦合、利用电磁感应的耦合以外"并不 是指完全没有这些耦合，而是指这些耦合小到不产生影响的程度。馈电元件37与辐射元件 31之间的介质既可以是空气，也可以是玻璃、树脂材料等电介质。此外，优选在馈电元件37 与辐射元件31之间不配置接地平面、显示器等导电性材料。
[0048]通过使馈电元件37与福射元件31进行电磁场親合，能够获得抗冲击性强的构造。 即，通过利用电磁场親合，不使馈电元件37与福射元件31物理接触就能够使用馈电元件37 对辐射元件31馈电，因此能够得到与需要物理接触的接触馈电方式相比抗冲击性强的构 造。
[0049] 通过使馈电元件37与福射元件31进行电磁场親合，能够通过简单的结构实现非接 触馈电。即，通过利用电磁场親合，不使馈电元件37与福射元件31物理接触就能够使用馈电 元件37对辐射元件31馈电，因此与需要物理接触的接触馈电方式相比，能够通过简单的结 构进行馈电。另外，通过利用电磁场耦合，即使不构成电容板等多余的部件，也能够使用馈 电元件37对福射元件31馈电，因此与利用静电电容親合进行馈电的情况相比，能够通过简 单的结构进行馈电。
[0050] 另外，与通过静电电容耦合或磁场耦合进行馈电的情况相比，在通过电磁场耦合 进行馈电的情况下，即使将馈电元件37与辐射元件31的相距距离(耦合距离）延长，辐射元 件31的动作增益(天线增益)也难以降低。在此，动作增益是指通过天线的辐射効率X回波 损耗而计算出的量，是被定义为针对输入电力的天线的効率的量。因而，通过使馈电元件37 与福射元件31进行电磁场親合，能够提高决定馈电元件37和福射元件31的配置位置的自由 度，还能够提高位置鲁棒性。此外，位置鲁棒性高是指即使馈电元件37和辐射元件31的配置 位置等偏离，对辐射元件31的动作增益的影响也低。另外，决定馈电元件37和辐射元件31的 配置位置的自由度高，因此在能够容易地缩小设置天线元件30所需的空间这一点上是有利 的。
[0051] 另外，在图示的情况下，作为馈电元件37对辐射元件31馈电的部位的馈电部36位 于辐射元件31的一个端部34与另一个端部35之间的中央部33以外的部位（中央部33与端部 34之间的部位或中央部33与端部35之间的部位）。这样，通过使馈电部36位于辐射元件31 的、成为辐射元件31的基本模式的谐振频率下的最低阻抗的部分(在该情况下为中央部33) 以外的部位，能够容易地取得天线元件30的匹配。馈电部36是以辐射元件31与馈电元件37 最近接的、辐射元件31的导体部分中的与馈电点38最近的部分定义的部位。
[0052]辐射元件31的阻抗随着从辐射元件31的中央部33向端部34或端部35的方向离开 而变高。在电磁场耦合中以高阻抗耦合的情况下，即使馈电元件37与辐射元件31之间的阻 抗稍微变化，如果以固定以上的高阻抗进行耦合，则对阻抗匹配的影响也小。由此，为了容 易地取得匹配，辐射元件31的馈电部36优选位于辐射元件31的高阻抗的部分。
[0053]例如为了容易地取得天线元件30的阻抗匹配，馈电部36优选位于辐射元件31的与 成为基本模式的谐振频率下的最低阻抗的部分(在该情况下为中央部33)相距辐射元件31 的全长的1/8以上(优选为1/6以上，更优选为1/4以上）的部位。在图示的情况下，辐射元件 31的全长相当于L1+L5,馈电部36相对于中央部33位于端部34侧。
[0054]另外，在将辐射元件31的基本模式的谐振频率下的真空中的电波波长设为λ〇的情 况下，馈电部36与接地平面70之间的最短距离Dl为0.0034λ〇以上且〇.21λ〇以下。最短距离Dl 更优选为〇. 〇〇43λ〇以上且〇. 199λ〇以下，进一步优选为〇. 〇〇69λ〇以上且〇. 164λ〇以下。通过将 最短距离Dl设定在这种范围内，在提高辐射元件31的动作增益这一点上是有利的。另外，最 短距离Dl小于(λ〇/4)，因此天线元件30不是产生圆偏振波，而是产生直线偏振波。
[0055]此外，最短距离Dl相当于将馈电部36与外缘部71的最近接部分直线连结的距离， 该情况下的外缘部71是作为与对馈电部36馈电的馈电元件37连接的馈电点38的接地基准 的接地平面70的外缘部。另外，辐射元件31和接地平面70既可以处于同一平面上，也可以处 于不同的平面上。另外，辐射元件31既可以配置在与配置有接地平面70的平面平行的平面， 也可以配置在与配置有接地平面70的平面以任意角度交叉的平面。
[0056]另外，在将辐射元件31的基本模式的谐振频率下的真空中的电波波长设为λ〇的情 况下，馈电元件37与辐射元件31之间的最短距离D2优选为0.2 X λ〇以下(更优选为〇. I X λ〇以 下，进一步优选为0.05 X λ〇以下）。通过将馈电元件37与辐射元件31分离这样的最短距离D2 地配置，在提高辐射元件31的动作增益这一点上是有利的。
[0057]此外，最短距离D2相当于将馈电部36与对馈电部36进行馈电的馈电元件37的最近 接部分直线连结的距离。另外，关于馈电元件37和辐射元件31，如果两者进行电磁场耦合， 则在从任意的方向观察时既可以交叉也可以不交叉，其交叉角度也可以是任意角度。另外， 辐射元件31和馈电元件37既可以处于同一平面上，也可以处于不同的平面上。另外，辐射元 件31既可以配置在与配置有馈电元件37的平面平行的平面，也可以配置在与配置有馈电元 件37的平面以任意角度交叉的平面。
[0058]另外，馈电元件37与辐射元件31以最短距离D2并行的距离优选为辐射元件31的物 理长度的3/8以下。更优选为1/4以下，进一步优选为1/8以下。
[0059]成为最短距离D2的位置是馈电元件37与辐射元件31的耦合强的部位，当以最短距 离D2并行的距离长时，与辐射元件31的阻抗高的部分和阻抗低的部分两者强耦合，因此有 时无法取得阻抗匹配。由此，以最短距离D2并行的距离短使得只与辐射元件31的阻抗的变 化少的部位强耦合，这在阻抗匹配这一点上是有利的。
[0060] 另外，在将馈电元件37的产生谐振的基本模式的电长度设为Le37、将辐射元件31 的产生谐振的基本模式的电长度设为Le31、将辐射元件31的基本模式的谐振频率A下的馈 电元件37或辐射元件31上的波长设为λ时，Le37优选为（3/8) Χλ以下，并且Le31优选为（3/ 8)Χλ以上且（5/8)Χλ以下。
[0061] 另外，以使外缘部71沿着辐射元件31的方式形成接地平面70,因此通过馈电元件 37与外缘部71的相互作用，能够在馈电元件37和接地平面70上形成谐振电流(分布），与辐 射元件31共振来进行电磁场耦合。因此，馈电元件37的电长度Le37的下限值没有特别地限 定，只要是馈电元件37能够与辐射元件31以物理方式进行电磁场耦合的程度的长度即可。
[0062] 另外，在想要对馈电元件37的形状赋予自由度的情况下，所述Le37更优选为（1/8) Χλ以上且(3/8) Χλ以下，特别优选为(3/16) Χλ以上且(5/16) Χλ以下。如果Le37在该范围 内，则馈电元件37以福射元件31的设计频率(谐振频率fi)良好地进行谐振，因此馈电元件 37与辐射元件31不依赖于接地平面70而进行共振，获得良好的电磁场耦合，从而是优选的。
[0063] 此外，实现了电磁场耦合是指取得了匹配。另外，在该情况下，馈电元件37不需要 与辐射元件31的谐振频率f相匹配地设计电长度，而能够将馈电元件37作为辐射导体而自 由地设计，因此能够容易地实现天线元件30的多频带化。
[0064] 此外，在不包括匹配电路等的情况下，在将辐射元件的基本模式的谐振频率下的 真空中的电波的波长设为λο、将因安装的环境产生的波长缩短效应的缩短率设为1^时，通过 Agl = AoXk1来决定馈电元件37的物理长度L37(在图示的情况下相当于L2+L3)。在此，Iu是根 据馈电元件37的环境的有效相对介电常数(εη)和有效相对磁导率(μη)等设置有馈电元件 的电介质基材等介质(环境)的相对介电常数、相对磁导率、以及厚度、谐振频率等计算出的 值。即，L37为（3/8) XAgl以下。此外，缩短率既可以根据上述物性计算，也可以通过实测求 出。例如，也可以是，对设置在想要测定缩短率的环境中的作为对象的元件的谐振频率进行 测定，在每个任意频率下的缩短率已知的环境中测定相同元件的谐振频率，根据这些谐振 频率之间的差来计算缩短率。
[0065] 馈电元件37的物理长度L37是赋予Le37的物理长度，在不包括其它要素的理想的 情况下，与Le37相等。在馈电元件37包括匹配电路等的情况下，L37优选超过零且为Le37以 下。通过利用电感等匹配电路，能够缩短L37(减小尺寸）。
[0066] 另外，在辐射元件31的谐振的基本模式是偶极模式(是辐射元件31的两端为开放 端那样的线状的导体)的情况下，所述Le31优选为(3/8) Χλ以上且(5/8) Χλ以下，更优选为 (7/16) Χλ以上且(9/16) Χλ以下，特别优选为（15/32) Χλ以上且（17/32) Χλ以下。另外，如 果考虑高阶模式，则所述Le31优选为(3/8)ΧλΧπι以上且(5/8)ΧλΧπι以下，更加优选为(7/ 16) X λ Xm以上且(9/16) X λ Xm以下，特别优选为（15/32) X λ Xm以上且（17/32) X λ Xn!以 下。其中，m是高阶模式的模式数，是自然数。m优选为1~5的整数，特别优选为1~3的整数。 在m=l的情况下是基本模式。如果Le31在该范围内，则福射元件31作为福射导体而充分发 挥功能，天线元件30的效率良好，从而是优选的。
[0067]此外，在将辐射元件的基本模式的谐振频率下的真空中的电波的波长设为λ〇、将 因安装的环境产生的缩短效应的缩短率设为1?时，通过182 = \〇\1?来决定辐射元件31的物 理长度L31。在此，1?是根据辐射元件31的环境的有效相对介电常数(er2)和有效相对磁导率 (y r2)等设置有辐射元件的电介质基材等介质(环境）的相对介电常数、相对磁导率、以及厚 度、谐振频率等计算出的值。即，理想的是，L31为（1/2) XAg2。辐射元件31的长度L31优选为 (1/4) XAg2以上且(3/4) XAg2以下，更加优选为(3/8) XAg2以上且(5/8) XAg2以下。
[0068]辐射元件31的物理长度L31是赋予Le31的物理长度，在不包括其它要素的理想的 情况下，与Le31相等。即使通过利用电感等匹配电路而缩短了L31，也优选L31超过零且为 Le31以下，特别优选为Le31的0.4倍以上且1倍以下。通过将辐射元件31的长度L31调整为这 种长度，在提高辐射元件31的动作增益这一点上是有利的。
[0069]另外，在如图示那样能够利用馈电元件37与接地平面70的外缘部71的相互作用的 情况下，可以使馈电元件37作为辐射导体而发挥功能。辐射元件31是辐射导体，利用馈电元 件37通过电磁场親合以非接触的方式在馈电部36对福射元件31进行馈电、由此福射元件31 例如作为λ/2偶极天线发挥功能。另一方面，馈电元件37是能够对辐射元件31进行馈电的线 状的馈电导体，是还能够通过馈电点38而被馈电来作为单极天线（例如λ/4单极天线)发挥 功能的辐射导体。如果将辐射元件31的谐振频率设定为、将馈电元件37的谐振频率设定 为f 2、将馈电元件37的长度调整为以频率f2进行谐振的单极天线，则能够利用馈电元件的辐 射功能，从而能够容易地实现天线元件30的多频带化。
[0070] 在不包含匹配电路等的情况下，在将馈电元件37的谐振频率f2下的真空中的电波 的波长设为A1、将因安装的环境产生的缩短效应的缩短率设为1^时，通过A g3 = A1Xk1来决定 馈电元件37的利用了辐射功能时的物理长度L37。在此，1^是根据馈电元件37的环境的有效 相对介电常数(εη)和有效相对磁导率(μη)等设置有馈电元件的电介质基材等介质(环境） 的相对介电常数、相对磁导率、以及厚度、谐振频率等计算出的值。即，L37为（1/8) XAg3以上 且(3/8) XAg3以下，优选为(3/16) XAg3以上且(5/16) XAg3以下。
[0071] 此外，也可以利用一个馈电元件37对多个辐射元件进行馈电。通过利用多个辐射 元件，能够使多频带化、宽频带化、指向性调整等的实施变得容易。另外，也可以在一个无线 装置上搭载多个天线1。
[0072] 天线元件40具有与天线元件30同样的的结构，因此天线元件40的说明引用天线元 件30的说明。
[0073] 图3是示意性地示出天线1的各结构的Z轴方向上的位置关系(平行于Z轴的高度方 向的位置关系）的图。馈电元件37、辐射元件31以及接地平面70中的至少两个可以是具有配 置在互不相同的高度的部分的导体，也可以是具有配置在彼此相同的高度的部分的导体。
[0074] 馈电元件37配置在基板25的与辐射元件31相向的一侧的表面。然而，馈电元件37 既可以配置在基板25的与辐射元件31相向的一侧的相反侧的表面，也可以配置在基板25的 侧面，既可以配置在基板25的内部，也可以配置在基板25以外的构件。
[0075]接地平面70配置在基板25的与辐射元件31相向的一侧的相反侧的表面。然而，接 地平面70既可以配置在基板25的与辐射元件31相向的一侧的表面，也可以配置在基板25的 侧面，既可以配置在基板25的内部，也可以配置在基板25以外的构件。
[0076]基板25具有馈电元件37、馈电点38、以及作为馈电点38的接地基准的接地平面70。 另外，基板25具有传输线路，该传输线路具备连接于馈电点38的微带导体27。微带导体27例 如是以与接地平面70之间夹着基板25的方式形成于基板25的表面的信号线。
[0077] 辐射元件31与馈电元件37分离地配置，例如图示那样与基板25相距距离H2地设置 在与基板25相向的基板26。辐射元件31配置在基板26的与馈电元件37相向的一侧的表面。 然而，辐射元件31既可以配置在基板26的与馈电元件37相向的一侧的相反侧的表面，也可 以配置在基板26的侧面，还可以配置在基板26以外的构件。
[0078]基板25或基板26例如配置为与XY平面平行，是以电介质、磁性体或电介质和磁性 体的混合物为基材的基板。作为电介质的具体例，能够例举树脂、玻璃、玻璃陶瓷、LTCC (Low Temperature Co-Fired Ceramics:低温共烧陶瓷）以及氧化错等。作为电介质和磁性体的 混合物的具体例，只要具有含Fe、Ni、Co等过渡元素、Sm、Nd等稀土元素的金属和氧化物中的 任一种即可，例如能够例举六方晶系铁氧体、尖晶石系铁氧体(Mn-Zn系铁氧体、Ni-Zn系铁 氧体等）、石榴石系铁氧体、坡莫合金以及铁硅铝合金(注册商标)等。
[0079]在将天线1搭载于具有显示器的便携式无线装置的情况下，基板26例如既可以是 将显示器的图像显示面整个覆盖的外罩玻璃，也可以是用于固定基板25的壳体(特别是底 面、侧面等）。外罩玻璃是透明的或用户能够视觉识别显示于显示器的图像的程度的半透明 的电介质基板，是层叠配置在显示器上的平板状的构件。
[0080]在辐射元件31设置于外罩玻璃的表面的情况下，将铜、银等导体糊剂涂在外罩玻 璃的表面并进行烧制而形成辐射元件31即可。作为此时的导体糊剂，优选利用能够以不会 使利用于外罩玻璃的化学强化玻璃的强化变差的程度的温度进行烧制的能够低温烧制的 导体糊剂。另外，为了防止氧化造成的导体的劣化，也可以实施镀等处理。另外，也可以对外 罩玻璃实施装饰印刷，还可以在装饰印刷的部分形成导体。另外，在以隐藏布线等为目的而 在外罩玻璃的周缘形成了黑色隐藏膜的情况下，也可以在黑色隐藏膜上形成辐射元件31。 [0081 ]在MMO空间多路复用模式下，优选多个天线元件之间的相关系数低。在MMO空间 多路复用模式的情况下，如果是能够得到足够多路径的环境，则能够确保良好的通信，因此 并不是相关系数越低则越良好，而是只要低于某个固定的相关系数即可。
[0082]图2的天线1具备以下天线特性:天线元件30与天线元件40之间的相关系数在谐振 频率下低。原因在于，即使天线元件30与天线元件40相互接近，馈电元件37与辐射元件31也 进行电磁场親合且馈电元件47与福射元件41也进行电磁场親合。
[0083]例如，在将天线1的基本模式的谐振频率设计为1.8GHz附近的情况下，得到图4所 示那样的特性图。图4是示出在基本模式的谐振频率被设计为1.8GHz附近的天线1中天线元 件30与天线元件40之间的相关系数同频率之间的关系的图。根据将馈电点38设为天线端口 1、将馈电点48设为天线端口 2的情况下的S参数如下面的数式那样计算出相关系数。
[0084] [数式 1]
[0085]
[0086]根据图4明确可知，天线元件30与天线元件40之间的相关系数在谐振频率1.8GHz 附近降低到零附近。在将天线1设计为谐振频率与包含在UHF频带或SHF频带内的其它频率 一致的情况下也得到同样的结果。
[0087]另一方面，波束形成模式是使指向性朝向最大增益方向且使用多个天线元件同时 传输相同的信息的方式，因此优选多个天线元件的合成增益的最大值高。因而，如果能够改 变多个天线元件的最大合成增益的方向，则能够形成适合于波束形成模式下的传输的指向 性图案。
[0088]天线1还具备以下天线特性:通过使流过馈电点38的信号的振幅与流过馈电点48 的信号的振幅不同，能够改变天线元件30与天线元件40合成所得到的最大合成增益的方 向。例如，在将天线1的基本模式的谐振频率设计为1.8GHz附近的情况下，得到图5所示那样 的特性图。图5是示出天线1的基本模式的谐振频率(设定为1.8GHz附近)下的主偏振波(仰 角θ = 90°)的指向性增益与方位角角度之间的关系的图。
[0089]仰角Θ表示在通过馈电点38与馈电点48的中点和接地平面70的中心点的YZ平面内 与Y轴方向所成的角度。图5的横轴的方位角角度表示在通过接地平面70的中心点的ZX平面 内与接地平面70的法线方向所成的角度。图5的纵轴的指向性增益表示天线元件30与天线 元件40的合成增益。
[0090] 在图5中，振幅1、振幅0.8、振幅0.5、振幅0.3、振幅0.1分别表示将流过馈电点38的 信号的振幅设为1时的流过馈电点48的信号的振幅的大小。另外，流过馈电点38的信号的相 位与流过馈电点48的信号的相位是同相的。
[0091] 根据图5明确可知，天线元件30与天线元件40的最大合成增益的方向（指向性增益 的最大值的方向）随着使流过馈电点38的信号的振幅与流过馈电点48的信号的振幅不同而 变化。在将谐振频率设计为包含在UHF频带或SHF频带内的其它频率的情况下也得到同样的 结果。
[0092 ]此外，当将单位设为mm时，测定图4、图5时的图2、图3所示的各部的尺寸为
[0093] LI :20.975
[0094] L2:15.9
[0095] L3:8.025
[0096] L4:68.2
[0097] L5：33.6
[0098] L6：120
[0099] L7：38.75
[0100] L8：60
[0101] 馈电元件37、47的导体宽度:1
[0102] 辐射元件31、41的导体宽度：1
[0103] Hl：0.8
[0104] H2： 2.0
[0105] H3： 1.1 〇
[0106] 基板25、26的相对介电常数为3 · 3，taM = 0 · 003。
[0107]因而，在图1、图2中，在由控制器24选择了MMO空间多路复用模式作为应用于天线 1的传输模式的情况下，天线1的天线元件30与天线元件40之间的相关系数低，能够使天线1 作为能够彼此独立使用的优选的两个通道的M頂0天线进行动作。
[0108] 另一方面，在由控制器24选择了波束形成模式作为应用于天线1的传输模式的情 况下，权重控制电路21、22将天线1的指向性控制为适合于波束形成模式下的传输的图案。 权重控制电路21、22通过对流过馈电点38的信号的振幅与流过馈电点48的信号的振幅之比 进行调整，能够改变天线元件30与天线元件40合成所得到的最大合成增益的方向。因而，天 线指向性控制系统10能够使天线1作为使用天线元件30和天线元件40的一个指向性可变天 线进行动作。
[0109] 在由控制器24选择了波束形成模式作为应用于天线1的传输模式的情况下，权重 控制电路21、22例如在将流过馈电点38的信号的振幅固定的状态下，将流过馈电点48的信 号的振幅调大或调小。然而，权重控制电路21、22也可以在将流过馈电点48的信号的振幅固 定的状态下将流过馈电点38的信号的振幅调大或调小，还可以将流过馈电点38的信号的振 幅和流过馈电点48的信号的振幅同时调大或调小。
[0110]在由控制器24选择了波束形成模式作为应用于天线1的传输模式的情况下，权重 控制电路21、22例如一边将流过馈电点38的信号的相位和流过馈电点48的信号的相位控制 为同相，一边对流过馈电点38的信号的振幅和流过馈电点48的信号的振幅进行调整。然而， 权重控制电路21、22也可以是，不对流过馈电点38的信号的相位和流过馈电点48的信号的 相位进行控制而在流过馈电点38的信号的相位和流过馈电点48的信号的相位为互不相同 的相位的状态下，对流过馈电点38的信号的振幅和流过馈电点48的信号的振幅进行调整。
[0111] 〈天线2的结构〉
[0112] 图6是示意性地示出本发明的其它实施方式所涉及的天线2的结构的一例的俯视 图。天线2是图1所示的天线13的一例。省略与上述的实施方式同样的结构的说明。天线2具 备接地平面70以及四个天线元件30、40、50、60。
[0113]天线2在结构与天线元件30、40相同的天线元件50、60被配置为相对于接地平面70 线对称这一点上与图2的天线1不同。
[0114] 天线2具备以下天线特性:天线元件30、天线元件40、天线元件50以及天线元件60 之间的相关系数在谐振频率下低。而且，天线2还具备以下天线特性:通过使流过馈电点38 的信号的振幅与流过馈电点48的信号的振幅不同，能够改变天线元件30与天线元件40合成 所得到的最大合成增益的方向。而且，天线2还具备以下天线特性:通过使流过馈电点58的 信号的振幅与流过馈电点68的信号的振幅不同，能够改变天线元件50与天线元件60合成所 得到的最大合成增益的方向。
[0115]因而，天线指向性控制系统10能够使天线2作为彼此独立地使用天线元件30、40、 50、60的四个通道的MMO天线进行动作。而且，天线指向性控制系统10能够使天线2作为具 有使用天线元件30和天线元件40的第一指向性可变天线以及使用天线元件50和天线元件 60的第二指向性可变天线这两个指向性可变天线进行动作。
[0116]实施例
[0117]接着，使用图7、图8示出实际制作天线1并针对天线元件30与天线元件40之间的相 关系数在谐振频率下低进行实验所得到的结果。
[0118] 此外，当将单位设为mm时，图7、图8时的图2、图3示出的各部的尺寸为
[0119] L1：14
[0120] L2：ll
[0121] L3：5.7
[0122] L4：50
[0123] L5：25
[0124] L6：120
[0125] L7：28.5
[0126] L8：60
[0127] 馈电元件37、47的导体宽度:0.5
[0128] 辐射元件31、41的导体宽度:0.5
[0129] 辐射元件31的端部34与辐射元件41的端部44之间的最短距离:4
[0130] 馈电元件37的导体宽度中心与馈电元件47的导体宽度中心之间的X轴方向上的最 短距离:4
[0131] Hl：0.8
[0132] H2： 2.0
[0133] H3：1.0〇
[0134] 基板25、26的相对介电常数为3.3，丨&# = 0.003。天线元件30的形状与天线元件40 的形状相对于通过馈电点38与馈电点48之间的YZ平面线对称。
[0135] 图7示出对表示本实验中的天线1的两个天线端口处的反射系数的Sll和S22进行 测定所得到的结果的一例，本实验中的天线1具有约2.5GHz的谐振频率。图8示出根据本实 验中的天线1的两个天线端口之间的S参数如上面的数式那样计算出的相关系数的一例，示 出天线元件30与天线元件40之间的相关系数在2.5GHz附近降低到零附近。也就是说，天线1 作为在约2.5GHz附近进行动作的MMO天线而适当地发挥功能。
[0136] 以上，通过实施方式说明了天线指向性控制系统，但本发明并不限定于上述实施 方式。在本发明的范围内能够进行与其它实施方式的一部分或全部的组合、置换等各种变 形以及改进。
[0137] 本国际申请主张 2014年1月20日申请的日本专利申请第2014-008169号的优先权， 将日本专利申请第2014-008169号的全部内容引用到本国际申请中。
[0138] 附图标记说明
[0139] 1、2、13:天线；10:天线指向性控制系统 ；11、12、30、40、50、60:天线元件;21、22:权 重控制电路；23 :信号处理电路；24:控制器;25、26:基板；27 :微带导体;31、41:辐射元件； 31&、3113、41&、4113:导体部分 ；33、43:中央部；34、35、39、44、45、49:端部 ；36、46:馈电部；37、 47:馈电元件;38、48、58、68 :馈电点；70:接地平面;71、72、73、74 :外缘部；100:无线装置。
【主权项】
1. 一种天线指向性控制系统，具备： 天线，其具有馈电点互不相同的多个天线元件；以及 控制单元，其控制所述天线元件的权重， 其中，所述多个天线元件各自具有馈电元件和辐射元件，该馈电元件连接于馈电点，该 辐射元件通过与所述馈电元件进行电磁场耦合而被馈电，从而作为辐射导体发挥功能， 所述控制单元对各个所述馈电点处的信号的振幅进行调整，来控制所述天线的指向 性。2. 根据权利要求1所述的天线指向性控制系统，其特征在于， 还具备选择单元，该选择单元选择多入多出空间多路复用模式或波束形成模式来作为 应用于所述天线的传输模式， 在所述传输模式为波束形成模式的情况下，所述控制单元控制所述天线的指向性。3. 根据权利要求1或2所述的天线指向性控制系统，其特征在于， 所述控制单元不对所述信号的相位进行控制地调整所述振幅。4. 根据权利要求1~3中的任一项所述的天线指向性控制系统，其特征在于， 所述控制单元使所述信号的相位为同相并调整所述振幅。5. 根据权利要求1~4中的任一项所述的天线指向性控制系统，其特征在于， 所述多个天线元件各自的馈电点以彼此接近的方式配置。6. 根据权利要求1~5中的任一项所述的天线指向性控制系统，其特征在于， 所述多个天线元件的形状是线对称的。7. 根据权利要求1~6中的任一项所述的天线指向性控制系统，其特征在于， 作为所述多个天线元件各自的馈电点共用的接地基准的接地平面位于所述多个天线 元件各自的辐射元件之间。8. 根据权利要求1~7中的任一项所述的天线指向性控制系统，其特征在于， 在将所述馈电元件的产生谐振的基本模式的电长度设为Le37、将所述辐射元件的产生 谐振的基本模式的电长度设为Le31、将所述辐射元件的基本模式的谐振频率下的所述馈电 元件或所述辐射元件上的波长设为λ时，Le37为(3/8)Χλ以下，并且Le31为(3/8)Χλ以上且 (5/8) Χλ以下。9. 根据权利要求1~8中的任一项所述的天线指向性控制系统，其特征在于， 在将所述辐射元件的基本模式的谐振频率下的真空中的波长设为λο的情况下， 所述馈电元件与所述辐射元件之间的最短距离为0.2 Χλ〇以下。10. 根据权利要求1~9中的任一项所述的天线指向性控制系统，其特征在于， 所述福射元件具有馈电部，该馈电部接收来自所述馈电元件的馈电， 所述馈电部位于所述辐射元件的成为基本模式的谐振频率下的最低阻抗的部分以外 的部位。11. 根据权利要求1~10中的任一项所述的天线指向性控制系统，其特征在于， 所述福射元件具有馈电部，该馈电部接收来自所述馈电元件的馈电， 所述馈电部位于所述辐射元件的与成为基本模式的谐振频率下的最低阻抗的部分相 距所述辐射元件的全长的1/8以上的部位。12. 根据权利要求1~11中的任一项所述的天线指向性控制系统，其特征在于， 所述馈电元件与所述辐射元件以最短距离并行的距离为所述辐射元件的长度的3/8以 下。13. 根据权利要求1~12中的任一项所述的天线指向性控制系统，其特征在于， 所述福射元件具有馈电部，该馈电部接收来自所述馈电元件的馈电， 在将所述辐射元件的基本模式的谐振频率下的真空中的波长设为λο的情况下， 所述馈电部与作为所述馈电点的接地基准的接地平面之间的最短距离为〇.〇〇34λ〇以上 且0.21λ〇以下。14. 根据权利要求2所述的天线指向性控制系统，其特征在于， 所述选择单元根据所述多个天线元件的周围的电波环境来选择所述传输模式。15. -种无线装置，具备根据权利要求1~14中的任一项所述的天线指向性控制系统。
【文档编号】H01Q3/28GK105917524SQ201580005084
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2015年1月16日
【发明人】佐山稔贵, 园田龙太, 井川耕司
【申请人】旭硝子株式会社