天線指向性控制系統(tǒng)以及具備天線指向性控制系統(tǒng)的無線裝置的制造方法
【專利摘要】提供一種天線指向性控制系統(tǒng)，具備：天線，其具有饋電點互不相同的多個天線元件；以及控制單元，其控制所述天線元件的權重，其中，所述多個天線元件各自具有饋電元件和輻射元件，該饋電元件連接于饋電點，該輻射元件通過與所述饋電元件進行電磁場耦合而被饋電，從而作為輻射導體發(fā)揮功能，所述控制單元對各個所述饋電點處的信號的振幅進行調整，來控制所述天線的指向性。
【專利說明】
天線指向性控制系統(tǒng)以及具備天線指向性控制系統(tǒng)的無線 裝置
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種天線的指向性控制系統(tǒng)以及具備天線的指向性控制系統(tǒng)的無線 裝置(例如便攜式電話等便攜式無線機）。
【背景技術】
[0002] 作為提高通信速度的手段，利用了]\OMO(Multiple Input Multiple Output:多入 多出）天線的MBTO空間多路復用通信技術。ΜΙΜΟ天線是使用多個天線元件而能夠在規(guī)定頻 率下進行多路復用輸入輸出的多天線。然而，在移動通信中，終端處的電波傳播環(huán)境多種多 樣，實際上能夠利用M頂0空間多路復用通信的環(huán)境有限。
[0003] 例如，非專利文獻1公開了來波在市區(qū)內角度擴散(Angle Spread)的實測數據。示 出以下內容：即使是建筑物等反射物比較多的市區(qū)，來波的角度擴散也為30°以下，無法得 到路徑足夠多的豐富的環(huán)境。
[0004] 由于存在這種事實，因此在非專利文獻2所示的3GPP的標準下，除了設定MMO空間 多路復用模式以外，還設定波束形成模式、發(fā)送分集模式、多用戶MBTO模式等共計9個傳輸 模式。采用了如下方式:基于從基站發(fā)送的基準信號來測定終端所處的電波環(huán)境，選擇適當 的傳輸模式。
[0005] 非專利文獻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] 非專利文獻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

【發(fā)明內容】

[0007] 發(fā)明要解決的問題
[0008] 然而，現狀是，在以MMO空間多路復用模式進行傳輸的情況下以及在以波束形成 模式進行傳輸的情況下，天線所要求的天線特性不同，因此難以實現天線的共用化，而使用 不同的天線進行應對。
[0009] 因此，目的在于提供一種能夠使用共用的天線來應對不同的天線特性的天線指向 性控制系統(tǒng)。
[ ο]用于解決問題的方案
[0011]在一個方案中，提供一種天線指向性控制系統(tǒng)，其具備:天線，其具有饋電點互不 相同的多個天線元件；以及控制單元，其控制所述天線元件的權重，其中，所述多個天線元 件各自具有饋電元件和福射元件，該饋電元件連接于饋電點，該福射元件通過與所述饋電 元件進行電磁場耦合而被饋電，從而作為輻射導體發(fā)揮功能，所述控制單元對各個所述饋 電點處的信號的振幅進行調整，來控制所述天線的指向性。
[0012] 發(fā)明的效果
[0013] 根據一個方式，能夠使用共用的天線應對不同的天線特性。
【附圖說明】
[0014] 圖1是示出天線指向性控制系統(tǒng)的一個結構例的框圖。
[0015] 圖2是示出具有饋電點互不相同的多個天線元件的天線的一例的俯視圖。
[0016] 圖3是示出天線的各結構的位置關系的一例的圖。
[0017]圖4是示出天線的相關系數的仿真結果的一例的特性圖。
[0018] 圖5是示出天線的指向性的一例的特性圖。
[0019] 圖6是示出具有饋電點互不相同的多個天線元件的天線的一例的俯視圖。
[0020] 圖7是示出天線的S參數的實驗結果的一例的特性圖。
[0021]圖8是示出天線的相關系數的實驗結果的一例的特性圖。
【具體實施方式】
[0022]〈天線指向性控制系統(tǒng)10的結構〉
[0023]圖1是示出作為本發(fā)明的一個實施方式的天線指向性控制系統(tǒng)10的結構例的框 圖。天線指向性控制系統(tǒng)10例如是搭載于無線裝置100的天線系統(tǒng)。作為無線裝置100的例 子，能夠例舉移動體本身或內置于移動體的無線通信裝置。作為移動體的例子，能夠例舉可 攜帶的便攜式終端裝置、汽車等車輛、機器人等。作為便攜式終端裝置的具體例，能夠例舉 便攜式電話、智能手機、平板型計算機、游戲機、電視機以及音樂、視頻的播放器等電子設 備。
[0024] 天線指向性控制系統(tǒng)10具備信號處理電路23、控制器24、多個權重控制電路21、22 以及具有多個天線元件11、12的天線13。天線元件11、12連接于互不相同的饋電點。
[0025] 兩個天線元件11、12能夠接收所到來的電波(來波)或發(fā)送無線裝置100的信號，能 夠通過調整流過兩個天線元件11、12的電流的振幅來控制作為天線13的指向性。
[0026]信號處理電路23是對通過天線元件11、12接收來波而得到的接收信號進行處理或 對無線裝置100的發(fā)送信號進行處理的電路。信號處理電路23例如是對利用天線元件11、12 而得到的接收信號進行放大以及AD轉換等高頻處理或基帶處理的電路。
[0027]控制器24是選擇MMO空間多路復用模式或波束形成模式來作為應用于天線13的 傳輸模式的選擇單元的一例?？刂破?4對權重控制電路21、22輸出與所選擇的傳輸模式相 應的控制信號。
[0028]控制器24例如根據信號處理電路23使用天線元件11、12來測定天線元件11、12的 周圍的電波環(huán)境所得到的結果來選擇應用于天線13的傳輸模式。在測定出適合于MMO空間 多路復用模式下的傳輸的電波環(huán)境的情況下，控制器24選擇MMO空間多路復用模式作為應 用于天線13的傳輸模式。在MIMO空間多路復用模式的情況下，如果天線13具有多個天線元 件，則為多通道的MIMO天線。例如，如果假設如圖1那樣存在兩個天線元件11、12,則天線13 為兩個通道的MIMO天線。另一方面，在測定出適合于波束形成模式下的傳輸的電波環(huán)境的 情況下，控制器24選擇波束形成模式作為應用于天線13的傳輸模式。在波束形成模式的情 況下，天線13為利用了兩個天線元件11、12的能夠進行指向性控制的天線。
[0029]權重控制電路21、22是按照來自控制器24的控制信號來控制天線13的指向性的控 制單元的一例。權重控制電路21、22通過對由天線元件11、12各自接收到的信號的振幅、相 位等的權重或由天線元件11、12各自發(fā)送的信號的振幅、相位等的權重進行控制，來對例如 基于天線元件11和天線元件12的最大比合成的天線13的指向性進行控制。權重控制電路 21、22為了控制天線13的指向性而例如對流過天線元件11、12各自的饋電點的電流的電流 值進行調整。
[0030] 〈天線1的結構〉
[0031] 圖2是示意性地示出本發(fā)明的一個實施方式所涉及的天線1的結構的一例的俯視 圖。天線1是圖1所示的天線13的一例。天線1具備接地平面70、天線元件30以及天線元件40。
[0032] 接地平面70是平面狀的導體圖案，附圖中例示出在XY平面內延伸的長方形的接地 平面70。接地平面70例如具有沿X軸方向直線延伸的外緣部71、72以及沿Y軸方向直線延伸 的外緣部73、74。外緣部72是外緣部71的對邊，外緣部74是外緣部73的對邊。接地平面70例 如配置為與XY平面平行，具有將平行于X軸方向的橫向的長度設為L7、將平行于Y軸方向的 縱向的長度設為L4的長方形外形。接地平面70層疊于基板25(參照圖3)，既可以配置在基板 25的表層(外層），也可以配置在基板25的內層。接地平面70是具有接地電位的接地部位。關 于接地平面70,在易于容易地取得天線的阻抗匹配這一點上，優(yōu)選是具有規(guī)定值以上的面 積的接地部位，但也可以是電連接有安裝于基板25的電容器等安裝部件的接地部位。
[0033] 天線元件30、40連接于互不相同的饋電點。天線元件30連接于以外緣部71為接地 端的饋電點38，天線元件40連接于與饋電點38相同地以外緣部71為接地端的饋電點48。接 地平面70是饋電點38和饋電點48共用的接地基準。
[0034]饋電點38和饋電點48以相互接近的方式配置。饋電點38被配置在與外緣部71的X 軸方向上的一端71a(在圖示的情況下，是外緣部71與外緣部74的交點）相比更靠近饋電點 48的位置。饋電點48被配置在與外緣部71的X軸方向上的另一端71b(在圖示的情況下，是外 緣部71與外緣部73的交點）相比更靠近饋電點38的位置。通過將饋電點38和饋電點48以相 互接近的方式配置，能夠使分別連接于饋電點38、48的微帶導體相互靠近，因此能夠容易地 縮小設置天線元件30、40所需的空間。
[0035]天線元件30是具有饋電元件37和輻射元件31的天線元件的一例，天線元件40是具 有饋電元件47和輻射元件41的天線元件的一例。
[0036]為了能夠容易地控制天線1的指向性，優(yōu)選的是，天線元件30的形狀和天線元件40 的形狀以平行于Y軸的直線為對稱軸線對稱（相對于通過饋電點38與饋電點48之間的YZ平 面線對稱）。在線對稱的情況下，饋電元件37的全長與饋電元件47的全長相等，輻射元件31 的全長與輻射元件41的全長相等。
[0037]饋電元件37是連接于以接地平面70為接地基準的饋電點38的饋電元件的一例。饋 電元件37是與輻射元件31以非接觸的方式高頻耦合而能夠對輻射元件31饋電的線狀導體。 附圖中例示出由與外緣部71呈直角且沿平行于Y軸的方向延伸的直線狀導體和與平行于X 軸的外緣部71并行地延伸的直線狀導體形成為L字形的饋電元件37。在圖示的情況下，饋電 元件37在以饋電點38為起點沿Y軸方向延伸后向X軸方向彎曲，并且延伸至向X軸方向延伸 的端部39。端部39是沒有連接其它導體的開放端。饋電元件37并不限于圖示的形狀。
[0038] 饋電點38是與利用了接地平面70的規(guī)定傳輸線路、饋電線等相連接的饋電部位。 作為規(guī)定傳輸線路的具體例，能夠例舉微帶線、帶線、帶接地平面的共面波導(在與導體面 相反一側的表面配置有接地平面的共面波導)等。作為饋電線，能夠例舉饋電線、同軸線纜。
[0039] 輻射元件31是與饋電元件37分離地配置、通過與饋電元件37進行電磁場耦合而被 饋電從而作為輻射導體發(fā)揮功能的輻射元件的一例。輻射元件31是具有以非接觸方式從饋 電元件37接受饋電的饋電部36的線狀導體。
[0040] 附圖中例示出形成為L字形的輻射元件31兒字形的輻射元件31具有與外緣部71分 離地配置且以沿著外緣部71的方式向X軸方向延伸的導體部分31a、以及與外緣部74分離地 配置且以沿著外緣部74的方式向Y軸方向延伸的導體部分31b。附圖中例示出L字形的輻射 元件31，但是輻射元件31的形狀也可以是一條直線狀、迂回曲折(Meander)狀等其它形狀。
[0041] 輻射元件31通過具有沿著外緣部71的導體部分31a，或者通過具有沿著外緣部74 的導體部分31b，例如能夠容易地調整天線元件30的指向性。
[0042]另外，導體部分31a以與導體部分41b延伸的Y軸方向正交的方式沿X軸方向延伸， 由此例如能夠容易地控制天線1的指向性。同樣地，導體部分31b以與導體部分41a延伸的X 軸方向正交的方式沿Y軸方向延伸，因此例如能夠容易地控制天線1的指向性。
[0043]饋電點38和饋電點48共同利用的接地平面70位于輻射元件31的導體部分31b與輻 射元件41的導體部分41b之間，因此例如能夠容易地控制天線1的指向性。
[0044]如果輻射元件31與饋電元件37之間相距饋電元件37能夠與輻射元件31進行電磁 場親合從而能夠以非接觸方式對福射元件31進行饋電的距離，則福射元件31與饋電元件37 在以X軸、Y軸或Z軸方向等任意方向俯視時既可以重疊也可以不重疊。
[0045]饋電元件37和輻射元件31配置為相距能夠相互進行電磁場耦合的距離。輻射元件 31具有從饋電元件37接受饋電的饋電部36。經由饋電元件37通過電磁場親合以非接觸的方 式在饋電部36對福射元件31進行饋電。通過以這種方式饋電，福射元件31作為天線元件30 的輻射導體而發(fā)揮功能。
[0046]如圖示那樣，在輻射元件31是將兩點之間連結的線狀導體的情況下，在輻射元件 31上形成與半波長偶極天線同樣的諧振電流(分布）。即，輻射元件31作為以規(guī)定頻率的半 波長進行諧振的偶極天線發(fā)揮功能（以下稱為偶極模式）。
[0 04 7 ]電磁場親合是利用了電磁場的共振現象的親合，例如在非專利文獻(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)中公開。電磁場親合也被稱為電磁場諧振 耦合或電磁場共振耦合，是以下一種技術：當以相同頻率諧振的諧振器相互接近并使一方 的諧振器諧振時，經由在諧振器之間產生的近場(非輻射場區(qū)域)的耦合來向另一方的諧振 器傳輸能量。另外，電磁場耦合是指除了靜電電容耦合、利用電磁感應的耦合以外的利用高 頻的電場和磁場的耦合。此外，此處的"除了靜電電容耦合、利用電磁感應的耦合以外"并不 是指完全沒有這些耦合，而是指這些耦合小到不產生影響的程度。饋電元件37與輻射元件 31之間的介質既可以是空氣，也可以是玻璃、樹脂材料等電介質。此外，優(yōu)選在饋電元件37 與輻射元件31之間不配置接地平面、顯示器等導電性材料。
[0048]通過使饋電元件37與福射元件31進行電磁場親合，能夠獲得抗沖擊性強的構造。 即，通過利用電磁場親合，不使饋電元件37與福射元件31物理接觸就能夠使用饋電元件37 對輻射元件31饋電，因此能夠得到與需要物理接觸的接觸饋電方式相比抗沖擊性強的構 造。
[0049] 通過使饋電元件37與福射元件31進行電磁場親合，能夠通過簡單的結構實現非接 觸饋電。即，通過利用電磁場親合，不使饋電元件37與福射元件31物理接觸就能夠使用饋電 元件37對輻射元件31饋電，因此與需要物理接觸的接觸饋電方式相比，能夠通過簡單的結 構進行饋電。另外，通過利用電磁場耦合，即使不構成電容板等多余的部件，也能夠使用饋 電元件37對福射元件31饋電，因此與利用靜電電容親合進行饋電的情況相比，能夠通過簡 單的結構進行饋電。
[0050] 另外，與通過靜電電容耦合或磁場耦合進行饋電的情況相比，在通過電磁場耦合 進行饋電的情況下，即使將饋電元件37與輻射元件31的相距距離(耦合距離）延長，輻射元 件31的動作增益(天線增益)也難以降低。在此，動作增益是指通過天線的輻射効率X回波 損耗而計算出的量，是被定義為針對輸入電力的天線的効率的量。因而，通過使饋電元件37 與福射元件31進行電磁場親合，能夠提高決定饋電元件37和福射元件31的配置位置的自由 度，還能夠提高位置魯棒性。此外，位置魯棒性高是指即使饋電元件37和輻射元件31的配置 位置等偏離，對輻射元件31的動作增益的影響也低。另外，決定饋電元件37和輻射元件31的 配置位置的自由度高，因此在能夠容易地縮小設置天線元件30所需的空間這一點上是有利 的。
[0051] 另外，在圖示的情況下，作為饋電元件37對輻射元件31饋電的部位的饋電部36位 于輻射元件31的一個端部34與另一個端部35之間的中央部33以外的部位（中央部33與端部 34之間的部位或中央部33與端部35之間的部位）。這樣，通過使饋電部36位于輻射元件31 的、成為輻射元件31的基本模式的諧振頻率下的最低阻抗的部分(在該情況下為中央部33) 以外的部位，能夠容易地取得天線元件30的匹配。饋電部36是以輻射元件31與饋電元件37 最近接的、輻射元件31的導體部分中的與饋電點38最近的部分定義的部位。
[0052]輻射元件31的阻抗隨著從輻射元件31的中央部33向端部34或端部35的方向離開 而變高。在電磁場耦合中以高阻抗耦合的情況下，即使饋電元件37與輻射元件31之間的阻 抗稍微變化，如果以固定以上的高阻抗進行耦合，則對阻抗匹配的影響也小。由此，為了容 易地取得匹配，輻射元件31的饋電部36優(yōu)選位于輻射元件31的高阻抗的部分。
[0053]例如為了容易地取得天線元件30的阻抗匹配，饋電部36優(yōu)選位于輻射元件31的與 成為基本模式的諧振頻率下的最低阻抗的部分(在該情況下為中央部33)相距輻射元件31 的全長的1/8以上(優(yōu)選為1/6以上，更優(yōu)選為1/4以上）的部位。在圖示的情況下，輻射元件 31的全長相當于L1+L5,饋電部36相對于中央部33位于端部34側。
[0054]另外，在將輻射元件31的基本模式的諧振頻率下的真空中的電波波長設為λ〇的情 況下，饋電部36與接地平面70之間的最短距離Dl為0.0034λ〇以上且〇.21λ〇以下。最短距離Dl 更優(yōu)選為〇. 〇〇43λ〇以上且〇. 199λ〇以下，進一步優(yōu)選為〇. 〇〇69λ〇以上且〇. 164λ〇以下。通過將 最短距離Dl設定在這種范圍內，在提高輻射元件31的動作增益這一點上是有利的。另外，最 短距離Dl小于(λ〇/4)，因此天線元件30不是產生圓偏振波，而是產生直線偏振波。
[0055]此外，最短距離Dl相當于將饋電部36與外緣部71的最近接部分直線連結的距離， 該情況下的外緣部71是作為與對饋電部36饋電的饋電元件37連接的饋電點38的接地基準 的接地平面70的外緣部。另外，輻射元件31和接地平面70既可以處于同一平面上，也可以處 于不同的平面上。另外，輻射元件31既可以配置在與配置有接地平面70的平面平行的平面， 也可以配置在與配置有接地平面70的平面以任意角度交叉的平面。
[0056]另外，在將輻射元件31的基本模式的諧振頻率下的真空中的電波波長設為λ〇的情 況下，饋電元件37與輻射元件31之間的最短距離D2優(yōu)選為0.2 X λ〇以下(更優(yōu)選為〇. I X λ〇以 下，進一步優(yōu)選為0.05 X λ〇以下）。通過將饋電元件37與輻射元件31分離這樣的最短距離D2 地配置，在提高輻射元件31的動作增益這一點上是有利的。
[0057]此外，最短距離D2相當于將饋電部36與對饋電部36進行饋電的饋電元件37的最近 接部分直線連結的距離。另外，關于饋電元件37和輻射元件31，如果兩者進行電磁場耦合， 則在從任意的方向觀察時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， 輻射元件31和饋電元件37既可以處于同一平面上，也可以處于不同的平面上。另外，輻射元 件31既可以配置在與配置有饋電元件37的平面平行的平面，也可以配置在與配置有饋電元 件37的平面以任意角度交叉的平面。
[0058]另外，饋電元件37與輻射元件31以最短距離D2并行的距離優(yōu)選為輻射元件31的物 理長度的3/8以下。更優(yōu)選為1/4以下，進一步優(yōu)選為1/8以下。
[0059]成為最短距離D2的位置是饋電元件37與輻射元件31的耦合強的部位，當以最短距 離D2并行的距離長時，與輻射元件31的阻抗高的部分和阻抗低的部分兩者強耦合，因此有 時無法取得阻抗匹配。由此，以最短距離D2并行的距離短使得只與輻射元件31的阻抗的變 化少的部位強耦合，這在阻抗匹配這一點上是有利的。
[0060] 另外，在將饋電元件37的產生諧振的基本模式的電長度設為Le37、將輻射元件31 的產生諧振的基本模式的電長度設為Le31、將輻射元件31的基本模式的諧振頻率A下的饋 電元件37或輻射元件31上的波長設為λ時，Le37優(yōu)選為（3/8) Χλ以下，并且Le31優(yōu)選為（3/ 8)Χλ以上且（5/8)Χλ以下。
[0061] 另外，以使外緣部71沿著輻射元件31的方式形成接地平面70,因此通過饋電元件 37與外緣部71的相互作用，能夠在饋電元件37和接地平面70上形成諧振電流(分布），與輻 射元件31共振來進行電磁場耦合。因此，饋電元件37的電長度Le37的下限值沒有特別地限 定，只要是饋電元件37能夠與輻射元件31以物理方式進行電磁場耦合的程度的長度即可。
[0062] 另外，在想要對饋電元件37的形狀賦予自由度的情況下，所述Le37更優(yōu)選為（1/8) Χλ以上且(3/8) Χλ以下，特別優(yōu)選為(3/16) Χλ以上且(5/16) Χλ以下。如果Le37在該范圍 內，則饋電元件37以福射元件31的設計頻率(諧振頻率fi)良好地進行諧振，因此饋電元件 37與輻射元件31不依賴于接地平面70而進行共振，獲得良好的電磁場耦合，從而是優(yōu)選的。
[0063] 此外，實現了電磁場耦合是指取得了匹配。另外，在該情況下，饋電元件37不需要 與輻射元件31的諧振頻率f相匹配地設計電長度，而能夠將饋電元件37作為輻射導體而自 由地設計，因此能夠容易地實現天線元件30的多頻帶化。
[0064] 此外，在不包括匹配電路等的情況下，在將輻射元件的基本模式的諧振頻率下的 真空中的電波的波長設為λο、將因安裝的環(huán)境產生的波長縮短效應的縮短率設為1^時，通過 Agl = AoXk1來決定饋電元件37的物理長度L37(在圖示的情況下相當于L2+L3)。在此，Iu是根 據饋電元件37的環(huán)境的有效相對介電常數(εη)和有效相對磁導率(μη)等設置有饋電元件 的電介質基材等介質(環(huán)境)的相對介電常數、相對磁導率、以及厚度、諧振頻率等計算出的 值。即，L37為（3/8) XAgl以下。此外，縮短率既可以根據上述物性計算，也可以通過實測求 出。例如，也可以是，對設置在想要測定縮短率的環(huán)境中的作為對象的元件的諧振頻率進行 測定，在每個任意頻率下的縮短率已知的環(huán)境中測定相同元件的諧振頻率，根據這些諧振 頻率之間的差來計算縮短率。
[0065] 饋電元件37的物理長度L37是賦予Le37的物理長度，在不包括其它要素的理想的 情況下，與Le37相等。在饋電元件37包括匹配電路等的情況下，L37優(yōu)選超過零且為Le37以 下。通過利用電感等匹配電路，能夠縮短L37(減小尺寸）。
[0066] 另外，在輻射元件31的諧振的基本模式是偶極模式(是輻射元件31的兩端為開放 端那樣的線狀的導體)的情況下，所述Le31優(yōu)選為(3/8) Χλ以上且(5/8) Χλ以下，更優(yōu)選為 (7/16) Χλ以上且(9/16) Χλ以下，特別優(yōu)選為（15/32) Χλ以上且（17/32) Χλ以下。另外，如 果考慮高階模式，則所述Le31優(yōu)選為(3/8)ΧλΧπι以上且(5/8)ΧλΧπι以下，更加優(yōu)選為(7/ 16) X λ Xm以上且(9/16) X λ Xm以下，特別優(yōu)選為（15/32) X λ Xm以上且（17/32) X λ Xn!以 下。其中，m是高階模式的模式數，是自然數。m優(yōu)選為1~5的整數，特別優(yōu)選為1~3的整數。 在m=l的情況下是基本模式。如果Le31在該范圍內，則福射元件31作為福射導體而充分發(fā) 揮功能，天線元件30的效率良好，從而是優(yōu)選的。
[0067]此外，在將輻射元件的基本模式的諧振頻率下的真空中的電波的波長設為λ〇、將 因安裝的環(huán)境產生的縮短效應的縮短率設為1?時，通過182 = \〇\1?來決定輻射元件31的物 理長度L31。在此，1?是根據輻射元件31的環(huán)境的有效相對介電常數(er2)和有效相對磁導率 (y r2)等設置有輻射元件的電介質基材等介質(環(huán)境）的相對介電常數、相對磁導率、以及厚 度、諧振頻率等計算出的值。即，理想的是，L31為（1/2) XAg2。輻射元件31的長度L31優(yōu)選為 (1/4) XAg2以上且(3/4) XAg2以下，更加優(yōu)選為(3/8) XAg2以上且(5/8) XAg2以下。
[0068]輻射元件31的物理長度L31是賦予Le31的物理長度，在不包括其它要素的理想的 情況下，與Le31相等。即使通過利用電感等匹配電路而縮短了L31，也優(yōu)選L31超過零且為 Le31以下，特別優(yōu)選為Le31的0.4倍以上且1倍以下。通過將輻射元件31的長度L31調整為這 種長度，在提高輻射元件31的動作增益這一點上是有利的。
[0069]另外，在如圖示那樣能夠利用饋電元件37與接地平面70的外緣部71的相互作用的 情況下，可以使饋電元件37作為輻射導體而發(fā)揮功能。輻射元件31是輻射導體，利用饋電元 件37通過電磁場親合以非接觸的方式在饋電部36對福射元件31進行饋電、由此福射元件31 例如作為λ/2偶極天線發(fā)揮功能。另一方面，饋電元件37是能夠對輻射元件31進行饋電的線 狀的饋電導體，是還能夠通過饋電點38而被饋電來作為單極天線（例如λ/4單極天線)發(fā)揮 功能的輻射導體。如果將輻射元件31的諧振頻率設定為、將饋電元件37的諧振頻率設定 為f 2、將饋電元件37的長度調整為以頻率f2進行諧振的單極天線，則能夠利用饋電元件的輻 射功能，從而能夠容易地實現天線元件30的多頻帶化。
[0070] 在不包含匹配電路等的情況下，在將饋電元件37的諧振頻率f2下的真空中的電波 的波長設為A1、將因安裝的環(huán)境產生的縮短效應的縮短率設為1^時，通過A g3 = A1Xk1來決定 饋電元件37的利用了輻射功能時的物理長度L37。在此，1^是根據饋電元件37的環(huán)境的有效 相對介電常數(εη)和有效相對磁導率(μη)等設置有饋電元件的電介質基材等介質(環(huán)境） 的相對介電常數、相對磁導率、以及厚度、諧振頻率等計算出的值。即，L37為（1/8) XAg3以上 且(3/8) XAg3以下，優(yōu)選為(3/16) XAg3以上且(5/16) XAg3以下。
[0071] 此外，也可以利用一個饋電元件37對多個輻射元件進行饋電。通過利用多個輻射 元件，能夠使多頻帶化、寬頻帶化、指向性調整等的實施變得容易。另外，也可以在一個無線 裝置上搭載多個天線1。
[0072] 天線元件40具有與天線元件30同樣的的結構，因此天線元件40的說明引用天線元 件30的說明。
[0073] 圖3是示意性地示出天線1的各結構的Z軸方向上的位置關系(平行于Z軸的高度方 向的位置關系）的圖。饋電元件37、輻射元件31以及接地平面70中的至少兩個可以是具有配 置在互不相同的高度的部分的導體，也可以是具有配置在彼此相同的高度的部分的導體。
[0074] 饋電元件37配置在基板25的與輻射元件31相向的一側的表面。然而，饋電元件37 既可以配置在基板25的與輻射元件31相向的一側的相反側的表面，也可以配置在基板25的 側面，既可以配置在基板25的內部，也可以配置在基板25以外的構件。
[0075]接地平面70配置在基板25的與輻射元件31相向的一側的相反側的表面。然而，接 地平面70既可以配置在基板25的與輻射元件31相向的一側的表面，也可以配置在基板25的 側面，既可以配置在基板25的內部，也可以配置在基板25以外的構件。
[0076]基板25具有饋電元件37、饋電點38、以及作為饋電點38的接地基準的接地平面70。 另外，基板25具有傳輸線路，該傳輸線路具備連接于饋電點38的微帶導體27。微帶導體27例 如是以與接地平面70之間夾著基板25的方式形成于基板25的表面的信號線。
[0077] 輻射元件31與饋電元件37分離地配置，例如圖示那樣與基板25相距距離H2地設置 在與基板25相向的基板26。輻射元件31配置在基板26的與饋電元件37相向的一側的表面。 然而，輻射元件31既可以配置在基板26的與饋電元件37相向的一側的相反側的表面，也可 以配置在基板26的側面，還可以配置在基板26以外的構件。
[0078]基板25或基板26例如配置為與XY平面平行，是以電介質、磁性體或電介質和磁性 體的混合物為基材的基板。作為電介質的具體例，能夠例舉樹脂、玻璃、玻璃陶瓷、LTCC (Low Temperature Co-Fired Ceramics:低溫共燒陶瓷）以及氧化錯等。作為電介質和磁性體的 混合物的具體例，只要具有含Fe、Ni、Co等過渡元素、Sm、Nd等稀土元素的金屬和氧化物中的 任一種即可，例如能夠例舉六方晶系鐵氧體、尖晶石系鐵氧體(Mn-Zn系鐵氧體、Ni-Zn系鐵 氧體等）、石榴石系鐵氧體、坡莫合金以及鐵硅鋁合金(注冊商標)等。
[0079]在將天線1搭載于具有顯示器的便攜式無線裝置的情況下，基板26例如既可以是 將顯示器的圖像顯示面整個覆蓋的外罩玻璃，也可以是用于固定基板25的殼體(特別是底 面、側面等）。外罩玻璃是透明的或用戶能夠視覺識別顯示于顯示器的圖像的程度的半透明 的電介質基板，是層疊配置在顯示器上的平板狀的構件。
[0080]在輻射元件31設置于外罩玻璃的表面的情況下，將銅、銀等導體糊劑涂在外罩玻 璃的表面并進行燒制而形成輻射元件31即可。作為此時的導體糊劑，優(yōu)選利用能夠以不會 使利用于外罩玻璃的化學強化玻璃的強化變差的程度的溫度進行燒制的能夠低溫燒制的 導體糊劑。另外，為了防止氧化造成的導體的劣化，也可以實施鍍等處理。另外，也可以對外 罩玻璃實施裝飾印刷，還可以在裝飾印刷的部分形成導體。另外，在以隱藏布線等為目的而 在外罩玻璃的周緣形成了黑色隱藏膜的情況下，也可以在黑色隱藏膜上形成輻射元件31。 [0081 ]在MMO空間多路復用模式下，優(yōu)選多個天線元件之間的相關系數低。在MMO空間 多路復用模式的情況下，如果是能夠得到足夠多路徑的環(huán)境，則能夠確保良好的通信，因此 并不是相關系數越低則越良好，而是只要低于某個固定的相關系數即可。
[0082]圖2的天線1具備以下天線特性:天線元件30與天線元件40之間的相關系數在諧振 頻率下低。原因在于，即使天線元件30與天線元件40相互接近，饋電元件37與輻射元件31也 進行電磁場親合且饋電元件47與福射元件41也進行電磁場親合。
[0083]例如，在將天線1的基本模式的諧振頻率設計為1.8GHz附近的情況下，得到圖4所 示那樣的特性圖。圖4是示出在基本模式的諧振頻率被設計為1.8GHz附近的天線1中天線元 件30與天線元件40之間的相關系數同頻率之間的關系的圖。根據將饋電點38設為天線端口 1、將饋電點48設為天線端口 2的情況下的S參數如下面的數式那樣計算出相關系數。
[0084] [數式 1]
[0085]
[0086]根據圖4明確可知，天線元件30與天線元件40之間的相關系數在諧振頻率1.8GHz 附近降低到零附近。在將天線1設計為諧振頻率與包含在UHF頻帶或SHF頻帶內的其它頻率 一致的情況下也得到同樣的結果。
[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個天線元件同時 傳輸相同的信息的方式，因此優(yōu)選多個天線元件的合成增益的最大值高。因而，如果能夠改 變多個天線元件的最大合成增益的方向，則能夠形成適合于波束形成模式下的傳輸的指向 性圖案。
[0088]天線1還具備以下天線特性:通過使流過饋電點38的信號的振幅與流過饋電點48 的信號的振幅不同，能夠改變天線元件30與天線元件40合成所得到的最大合成增益的方 向。例如，在將天線1的基本模式的諧振頻率設計為1.8GHz附近的情況下，得到圖5所示那樣 的特性圖。圖5是示出天線1的基本模式的諧振頻率(設定為1.8GHz附近)下的主偏振波(仰 角θ = 90°)的指向性增益與方位角角度之間的關系的圖。
[0089]仰角Θ表示在通過饋電點38與饋電點48的中點和接地平面70的中心點的YZ平面內 與Y軸方向所成的角度。圖5的橫軸的方位角角度表示在通過接地平面70的中心點的ZX平面 內與接地平面70的法線方向所成的角度。圖5的縱軸的指向性增益表示天線元件30與天線 元件40的合成增益。
[0090] 在圖5中，振幅1、振幅0.8、振幅0.5、振幅0.3、振幅0.1分別表示將流過饋電點38的 信號的振幅設為1時的流過饋電點48的信號的振幅的大小。另外，流過饋電點38的信號的相 位與流過饋電點48的信號的相位是同相的。
[0091] 根據圖5明確可知，天線元件30與天線元件40的最大合成增益的方向（指向性增益 的最大值的方向）隨著使流過饋電點38的信號的振幅與流過饋電點48的信號的振幅不同而 變化。在將諧振頻率設計為包含在UHF頻帶或SHF頻帶內的其它頻率的情況下也得到同樣的 結果。
[0092 ]此外，當將單位設為mm時，測定圖4、圖5時的圖2、圖3所示的各部的尺寸為
[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] 饋電元件37、47的導體寬度:1
[0102] 輻射元件31、41的導體寬度：1
[0103] Hl：0.8
[0104] H2： 2.0
[0105] H3： 1.1 〇
[0106] 基板25、26的相對介電常數為3 · 3，taM = 0 · 003。
[0107]因而，在圖1、圖2中，在由控制器24選擇了MMO空間多路復用模式作為應用于天線 1的傳輸模式的情況下，天線1的天線元件30與天線元件40之間的相關系數低，能夠使天線1 作為能夠彼此獨立使用的優(yōu)選的兩個通道的M頂0天線進行動作。
[0108] 另一方面，在由控制器24選擇了波束形成模式作為應用于天線1的傳輸模式的情 況下，權重控制電路21、22將天線1的指向性控制為適合于波束形成模式下的傳輸的圖案。 權重控制電路21、22通過對流過饋電點38的信號的振幅與流過饋電點48的信號的振幅之比 進行調整，能夠改變天線元件30與天線元件40合成所得到的最大合成增益的方向。因而，天 線指向性控制系統(tǒng)10能夠使天線1作為使用天線元件30和天線元件40的一個指向性可變天 線進行動作。
[0109] 在由控制器24選擇了波束形成模式作為應用于天線1的傳輸模式的情況下，權重 控制電路21、22例如在將流過饋電點38的信號的振幅固定的狀態(tài)下，將流過饋電點48的信 號的振幅調大或調小。然而，權重控制電路21、22也可以在將流過饋電點48的信號的振幅固 定的狀態(tài)下將流過饋電點38的信號的振幅調大或調小，還可以將流過饋電點38的信號的振 幅和流過饋電點48的信號的振幅同時調大或調小。
[0110]在由控制器24選擇了波束形成模式作為應用于天線1的傳輸模式的情況下，權重 控制電路21、22例如一邊將流過饋電點38的信號的相位和流過饋電點48的信號的相位控制 為同相，一邊對流過饋電點38的信號的振幅和流過饋電點48的信號的振幅進行調整。然而， 權重控制電路21、22也可以是，不對流過饋電點38的信號的相位和流過饋電點48的信號的 相位進行控制而在流過饋電點38的信號的相位和流過饋電點48的信號的相位為互不相同 的相位的狀態(tài)下，對流過饋電點38的信號的振幅和流過饋電點48的信號的振幅進行調整。
[0111] 〈天線2的結構〉
[0112] 圖6是示意性地示出本發(fā)明的其它實施方式所涉及的天線2的結構的一例的俯視 圖。天線2是圖1所示的天線13的一例。省略與上述的實施方式同樣的結構的說明。天線2具 備接地平面70以及四個天線元件30、40、50、60。
[0113]天線2在結構與天線元件30、40相同的天線元件50、60被配置為相對于接地平面70 線對稱這一點上與圖2的天線1不同。
[0114] 天線2具備以下天線特性:天線元件30、天線元件40、天線元件50以及天線元件60 之間的相關系數在諧振頻率下低。而且，天線2還具備以下天線特性:通過使流過饋電點38 的信號的振幅與流過饋電點48的信號的振幅不同，能夠改變天線元件30與天線元件40合成 所得到的最大合成增益的方向。而且，天線2還具備以下天線特性:通過使流過饋電點58的 信號的振幅與流過饋電點68的信號的振幅不同，能夠改變天線元件50與天線元件60合成所 得到的最大合成增益的方向。
[0115]因而，天線指向性控制系統(tǒng)10能夠使天線2作為彼此獨立地使用天線元件30、40、 50、60的四個通道的MMO天線進行動作。而且，天線指向性控制系統(tǒng)10能夠使天線2作為具 有使用天線元件30和天線元件40的第一指向性可變天線以及使用天線元件50和天線元件 60的第二指向性可變天線這兩個指向性可變天線進行動作。
[0116]實施例
[0117]接著，使用圖7、圖8示出實際制作天線1并針對天線元件30與天線元件40之間的相 關系數在諧振頻率下低進行實驗所得到的結果。
[0118] 此外，當將單位設為mm時，圖7、圖8時的圖2、圖3示出的各部的尺寸為
[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] 饋電元件37、47的導體寬度:0.5
[0128] 輻射元件31、41的導體寬度:0.5
[0129] 輻射元件31的端部34與輻射元件41的端部44之間的最短距離:4
[0130] 饋電元件37的導體寬度中心與饋電元件47的導體寬度中心之間的X軸方向上的最 短距離:4
[0131] Hl：0.8
[0132] H2： 2.0
[0133] H3：1.0〇
[0134] 基板25、26的相對介電常數為3.3，丨&# = 0.003。天線元件30的形狀與天線元件40 的形狀相對于通過饋電點38與饋電點48之間的YZ平面線對稱。
[0135] 圖7示出對表示本實驗中的天線1的兩個天線端口處的反射系數的Sll和S22進行 測定所得到的結果的一例，本實驗中的天線1具有約2.5GHz的諧振頻率。圖8示出根據本實 驗中的天線1的兩個天線端口之間的S參數如上面的數式那樣計算出的相關系數的一例，示 出天線元件30與天線元件40之間的相關系數在2.5GHz附近降低到零附近。也就是說，天線1 作為在約2.5GHz附近進行動作的MMO天線而適當地發(fā)揮功能。
[0136] 以上，通過實施方式說明了天線指向性控制系統(tǒng)，但本發(fā)明并不限定于上述實施 方式。在本發(fā)明的范圍內能夠進行與其它實施方式的一部分或全部的組合、置換等各種變 形以及改進。
[0137] 本國際申請主張 2014年1月20日申請的日本專利申請第2014-008169號的優(yōu)先權， 將日本專利申請第2014-008169號的全部內容引用到本國際申請中。
[0138] 附圖標記說明
[0139] 1、2、13:天線；10:天線指向性控制系統(tǒng) ；11、12、30、40、50、60:天線元件;21、22:權 重控制電路；23 :信號處理電路；24:控制器;25、26:基板；27 :微帶導體;31、41:輻射元件； 31&、3113、41&、4113:導體部分 ；33、43:中央部；34、35、39、44、45、49:端部 ；36、46:饋電部；37、 47:饋電元件;38、48、58、68 :饋電點；70:接地平面;71、72、73、74 :外緣部；100:無線裝置。
【主權項】
1. 一種天線指向性控制系統(tǒng)，具備： 天線，其具有饋電點互不相同的多個天線元件；以及 控制單元，其控制所述天線元件的權重， 其中，所述多個天線元件各自具有饋電元件和輻射元件，該饋電元件連接于饋電點，該 輻射元件通過與所述饋電元件進行電磁場耦合而被饋電，從而作為輻射導體發(fā)揮功能， 所述控制單元對各個所述饋電點處的信號的振幅進行調整，來控制所述天線的指向 性。2. 根據權利要求1所述的天線指向性控制系統(tǒng)，其特征在于， 還具備選擇單元，該選擇單元選擇多入多出空間多路復用模式或波束形成模式來作為 應用于所述天線的傳輸模式， 在所述傳輸模式為波束形成模式的情況下，所述控制單元控制所述天線的指向性。3. 根據權利要求1或2所述的天線指向性控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述控制單元不對所述信號的相位進行控制地調整所述振幅。4. 根據權利要求1~3中的任一項所述的天線指向性控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述控制單元使所述信號的相位為同相并調整所述振幅。5. 根據權利要求1~4中的任一項所述的天線指向性控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述多個天線元件各自的饋電點以彼此接近的方式配置。6. 根據權利要求1~5中的任一項所述的天線指向性控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述多個天線元件的形狀是線對稱的。7. 根據權利要求1~6中的任一項所述的天線指向性控制系統(tǒng)，其特征在于， 作為所述多個天線元件各自的饋電點共用的接地基準的接地平面位于所述多個天線 元件各自的輻射元件之間。8. 根據權利要求1~7中的任一項所述的天線指向性控制系統(tǒng)，其特征在于， 在將所述饋電元件的產生諧振的基本模式的電長度設為Le37、將所述輻射元件的產生 諧振的基本模式的電長度設為Le31、將所述輻射元件的基本模式的諧振頻率下的所述饋電 元件或所述輻射元件上的波長設為λ時，Le37為(3/8)Χλ以下，并且Le31為(3/8)Χλ以上且 (5/8) Χλ以下。9. 根據權利要求1~8中的任一項所述的天線指向性控制系統(tǒng)，其特征在于， 在將所述輻射元件的基本模式的諧振頻率下的真空中的波長設為λο的情況下， 所述饋電元件與所述輻射元件之間的最短距離為0.2 Χλ〇以下。10. 根據權利要求1~9中的任一項所述的天線指向性控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述福射元件具有饋電部，該饋電部接收來自所述饋電元件的饋電， 所述饋電部位于所述輻射元件的成為基本模式的諧振頻率下的最低阻抗的部分以外 的部位。11. 根據權利要求1~10中的任一項所述的天線指向性控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述福射元件具有饋電部，該饋電部接收來自所述饋電元件的饋電， 所述饋電部位于所述輻射元件的與成為基本模式的諧振頻率下的最低阻抗的部分相 距所述輻射元件的全長的1/8以上的部位。12. 根據權利要求1~11中的任一項所述的天線指向性控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述饋電元件與所述輻射元件以最短距離并行的距離為所述輻射元件的長度的3/8以 下。13. 根據權利要求1~12中的任一項所述的天線指向性控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述福射元件具有饋電部，該饋電部接收來自所述饋電元件的饋電， 在將所述輻射元件的基本模式的諧振頻率下的真空中的波長設為λο的情況下， 所述饋電部與作為所述饋電點的接地基準的接地平面之間的最短距離為〇.〇〇34λ〇以上 且0.21λ〇以下。14. 根據權利要求2所述的天線指向性控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述選擇單元根據所述多個天線元件的周圍的電波環(huán)境來選擇所述傳輸模式。15. -種無線裝置，具備根據權利要求1~14中的任一項所述的天線指向性控制系統(tǒng)。
【文檔編號】H01Q3/28GK105917524SQ201580005084
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年1月16日
【發(fā)明人】佐山稔貴, 園田龍?zhí)? 井川耕司
【申請人】旭硝子株式會社