CN101507048B - 差动供电指向性可变隙缝天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供差动供电指向性可变隙缝天线。通过差动供电线路(103c)使设定为动作时的隙缝长度为四分之一有效波长的前端开放隙缝共振器(601、603、605、607)成对动作，使得在电路内出现以反相等振幅被激振的隙缝共振器组，动态地切换各隙缝共振器内的选择性辐射部位(601b、601c、603b、603c、605b、607b)的前端开放终端点的配置条件。

Description

差动供电指向性可变隙缝天线

技术领域

本发明涉及发送、接收微波带和毫米波带等的模拟高频信号或者数字信号的差动供电天线。

背景技术

近年来，随着硅类晶体管的特性的飞跃性提升，从化合物半导体晶体管向硅类晶体管的置换不仅是在数字电路中，在模拟高频电路部中也加速发展，进而，模拟高频电路部与数字基带部的单芯片化也加速发展。

结果，曾作为高频电路的主流的单端电路逐渐被置换为使正负符号的信号平衡动作的差动信号电路。这是因为，差动信号电路具有大幅降低多余辐射、在不能够在移动体终端内配置无限面积的接地导体的条件下仍能够确保良好的电路特性等优点。在差动信号电路中各个电路元件需要维持平衡地进行动作，硅类晶体管特性偏差少，能够维持信号的差动平衡。此外，还有一个理由是，为了避免硅基板自身所具有的损失也优选使用差动线路。作为其结果，对于天线、滤波器等高频设备，强烈要求在确保在单端电路中确立的较高的高频特性的同时，能够应对差动信号供电。

在图17(a)中表示的从上面观察的透视示意图、在图17(b)中表示的被图中的直线A1-A2切断的截面结构图是通过单端线路103供电的二分之一波长隙缝天线(现有例1)。在形成在电介质基板101的背面的接地导体面105上，形成有具有二分之一有效波长的隙缝长度Ls的隙缝共振器601。为了满足输入匹配条件，从单端线路103的开放终端点113到与隙缝601交叉为止的距离Lm被设定为动作频率下的四分之一有效波长。隙缝共振器601能够通过在厚度方向上完全切除接地导体面105的一部分区域的导体的方式而得到。如图中所示，定义与供电线路的传送方向平行的方向为X轴、电介质基板形成面为XY面的坐标系。现有例1的典型的辐射指向特性的一个例子表示于图18。图18(a)表示YZ面的辐射指向性，图18(b)表示XZ面的辐射指向性。由图可知，现有例1能够得到在±Z方向显示最大增益的辐射指向特性。此外，在±X方向可以得到零值(null)特性，在±Y方向也能够得到相对于主波束方向的10dB程度的增益降低效果。

此外，在图19(a)中表示的从上面观察的透视示意图、在图19(b)中表示的被图中的直线A1-A2切断的截面结构图是通过单端线路103供电的四分之一波长隙缝天线(现有例2)。在形成在电介质基板101的背面的有限面积的接地导体105上，形成有具有四分之一有效波长的隙缝长度Ls的隙缝共振器601。隙缝共振器的一端911在接地导体105的边缘部，形成为开放终端。图20(a)表示YZ面的辐射指向性、图20(b)表示XZ面的辐射指向性、图20(c)表示XY面的辐射指向性。由图可知，现有例2能够实现在负Y方向显示最大增益的宽广的辐射指向特性。

在专利文献1中，公开有将上述隙缝结构在差动供电线路的正下方与传送方向正交地配置的电路结构(现有例3)。即，专利文献1的电路结构是将对隙缝共振器进行供电的电路从单端线路置换为差动供电线路的结构。专利文献1的目的是实现仅仅有选择地反射非本意地重叠在差动信号上的多余同相信号的功能，从该目的可知，专利文献1中公开的电路结构不具有在自由空间辐射差动信号的功能。图21(a)、(b)是示意性地表示在通过单端线路、差动供电线路分别供电的情况下，在二分之一波长隙缝共振器内产生的电场分布的状态的比较图。在通过单端线路供电的情况下的隙缝中，以在两端为最小强度、在中央部为最大强度的方式分布有在隙缝宽度方向取向的电场201。另一方面，在由差动供电线路供电的情况下，因为利用正符号的电压在隙缝内产生的电场201a和利用负符号的电压在隙缝内产生的电场201b为等强度且具有反方向的矢量，所以在总和上两电场相互抵消。因此，即使对二分之一波长隙缝共振器以差动供电线路进行供电，电磁波的有效的辐射在原理上也不可能。此外，关于如果从非常近的激振点供给反相(out of phase)的电压，则会相互抵消而不能够产生有效的辐射这一问题，在将二分之一波长隙缝共振器置换为四分之一波长隙缝共振器的情况下也是同样的。因此，为了使差动供电线路与隙缝共振器结构相耦合并实现实用性的天线特性，与通过单端线路供电的情况相比并不容易。

在非专利文献1中，报告了以下内容：通过分割差动线路的背面的接地导体，形成端部开放的隙缝结构，从而能够除去非本意地重叠在线路上的同相模式。在这种情况下，可知差动信号成分的有效的辐射并非其目的。

一般地，为了从差动传送电路有效地辐射电磁波，不使用隙缝共振器，而采用通过扩大差动供电线路的两个信号线路的间隔而作为偶极天线动作的方法(现有例4)。图22(a)表示差动供电带状天线(stripantenna)的立体透视示意图，图22(b)表示上表面示意图，图22(c)表示下表面示意图。图22中也设定与图17同样的坐标轴。

在差动供电带状天线中，形成在电介质基板101的上表面的差动供电线路103c的线路间隔在终端侧扩大为锥状。此外，在电介质基板101的背面侧，在输入端子侧区域115a形成有接地导体105，但是在差动供电线路103c的终端位置的正下方区域115b没有设定接地导体。现有例3的典型的辐射指向性特性的一个例子示于图23。在图23(a)中表示YZ面的辐射指向性特性，在图23(b)中表示XZ面的辐射指向性特性。由图可知，在现有例4中主波束方向为+X方向，显示在XZ平面分布的宽广的半值宽度的辐射特性。此外，原理上讲，在现有例4中不能够得到向±Y方向的辐射增益。因为辐射的电磁波被接地导体105反射，所以也能够抑制向负X方向的辐射。

此外，在专利文献2中，公开有通过单端线路供电的可变隙缝天线(现有例5)。将专利文献2的说明书的图1表示为图24。通过配置在电介质基板10的表面上的单端线路6向设定在基板背面的二分之一波长隙缝共振器5供电这一点是与现有例1相同的结构，但是通过在被供电的二分之一波长隙缝共振器5的前端进一步有选择地连接多个二分之一波长隙缝共振器1、2、3、4，实现自由度高的隙缝共振器配置。发现通过改变隙缝共振器配置，能够起到使电磁波的主波束方向变化的作用。

专利文献1：美国专利第6765450号说明书

专利文献2：日本专利特开2004-274757号公报

非专利文献1：“Routing differential I/O signals across splitground planes at the connector for EMI control”IEEEInternational Symposium on Electromagnetic Compatibility，Digest Vol.121-25 pp.325-327 2000年8月

发明内容

现有的差动供电天线、隙缝天线、可变天线存在以下所示的原理上的问题。

第一，在现有例1中，主波束只朝向±Z轴方向，难以使主波束方向朝向±Y轴方向、±X轴方向。此外，更重要的是还不能够应对差动供电，因此，在供电信号变换中需要平衡-不平衡(balun)电路，产生元件数增加、妨碍集成化等问题。

第二，在现有例2中，形成向+Y方向的宽广的主波束，但是难以形成向其他方向的波束。此外，更重要的是还不能够应对差动供电，因此，在供电信号变换中需要平衡-不平衡电路，产生元件数增加、妨碍集成化等问题。此外，由于现有例2的辐射特性的半值宽度宽广，因此难以避免通信品质的劣化。例如，在希望的信号从负Y方向到来的情况下，不抑制从+X方向到来的多余信号的接收强度。在信号反射较多的室内环境下进行高速通信时产生的严重的多路(multipath)问题很难避免，在妨碍波大量到达的状况下的通信品质很难维持。

第三，如现有例3所示，二分之一波长隙缝共振器、四分之一波长隙缝共振器通过仅将利用单端线路的供电置换为差动供电线路，只能够得到非辐射特性，难以进行有效的天线动作。

第四，在现有例4中，向±Y轴方向的主波束取向困难。另外，如果差动线路弯曲，则由于弯曲部分的二配线间的相位差，产生多余同相信号的反射，因此，使供电线路弯曲从而使主波束方向弯曲的解决方法在现有例3中不能够采用。从而，作为在室内环境下使用的移动终端所使用的天线，产生主波束方向不能够取向的方向是极其不合适的。

第五，现有例4的辐射特性，由于半值宽度宽广，因此难以避免通信品质的劣化。例如，在希望的信号从Z轴方向到来的情况下，不抑制从+X方向到来的多余信号的接收强度。在信号反射多的室内环境下进行高速通信时产生的严重的多路问题很难避免，在妨碍波大量到达的状况下的通信品质很难维持。

第六，在现有例5中，与第四问题同样，也难以抑制从与希望的信号到达的方向不同的方向到来的多余信号对通信品质的不良影响。即，即使能够对主波束方向的取向进行控制，也存在妨碍波的抑制不充分的问题。当然，也与第一问题同样，不能够应对差动供电。

总结以上的问题，使用现有技术中的任一个方案都难以解决3个课题。即，难以实现以下可变天线：第一，存在与差动供电电路的相适性；第二，能够以宽广的立体角范围切换主波束方向；第三，具有除去从主波束以外的方向到来的妨碍波的效果。本发明的目的是提供可变天线，解决上述现有的三个问题，并优选具有通过可变控制得到的多个辐射图案互补以覆盖全立体角的特性。

本发明的差动供电指向性可变隙缝天线包括：电介质基板(101)；在上述电介质基板的背面设置的有限面积的接地导体(105)；由在上述电介质基板的表面配置的两个镜面对称的信号导体(103a、103b)构成的差动供电线路(103c)；第一隙缝共振器(601、605)，其形成于上述接地导体(105)，其一部分仅与上述信号导体(103a、103b)中的一个(103a)交叉，其具有相当于动作频率下的四分之一有效波长的隙缝长度，且前端为开放终端；和第二隙缝共振器(603、607)，其形成于上述接地导体面(105)，其一部分仅与上述信号导体(103b)交叉，其具有相当于上述动作频率下的四分之一有效波长的隙缝长度，且前端为开放终端，其中，该信号导体(103b)与上述第一隙缝共振器以一部分交叉的信号导体(103a)在不同侧，上述第一隙缝共振器(601、605)和第二隙缝共振器(603、607)被反相(out-of-phase)供电，上述隙缝共振器(601、603、605、607)中的至少任一个隙缝共振器具有高频结构可变功能和动作状态切换功能中的至少一种可变功能，从而能够实现2种以上的不同的辐射指向性，其中，上述第一、第二隙缝共振器(601、603、605、607)由一部分与上述信号导体(103a、103b)交叉的供电部位(601a～607a)、和不与上述信号导体(103a、103b)交叉的选择性辐射部位(601b、601c、603b、603c、605b、605c、607b、607c)的串联连接结构构成，上述供电部位，在与上述第一信号导体和上述第二信号导体间的区域相对的区域中，至少一部分具有向与信号导体平行的方向的取向成分并延长不足八分之一有效波长的长度，并成为短路终端，上述选择性辐射部位的与上述供电部位连接的一侧的相反侧的前端部为开放终端，在具有上述可变功能的上述隙缝共振器(601、603、605、607)中，在上述供电部位连接有多个上述选择性辐射部位，高频开关(601d、601e)在从上述供电部位到上述多个选择性辐射部位的前端开放点(601bop、601cop、～607bop、607cop)的各个路径上，在至少一个位置，在宽度方向上跨过上述隙缝共振器而被插入，上述高频开关元件控制是否将上述隙缝共振器所跨过的两侧的上述接地导体面短路，上述高频结构可变功能是通过利用上述高频开关选择上述多个选择性辐射部位中的一个并与上述供电部位一起形成隙缝结构而实现的，上述动作状态切换功能是通过上述高频开关将上述隙缝结构短路而实现的。

在优选实施方式中，在从上述差动供电线路的成为开放终端的位置向供电电路侧的距离相当于动作频率下的四分之一有效波长的地点，上述第一隙缝共振器和上述第二隙缝共振器被供电。

在优选实施方式中，上述差动供电线路的终端点分别通过相同电阻值的电阻成为接地终端。

在优选实施方式中，上述第一信号导体的终端点和上述第二信号导体的终端点通过电阻电连接。

在优选实施方式中，上述两种以上的不同的辐射指向性中的一种辐射指向性通过以下方式实现：构成两对隙缝共振器对组，其中，上述第一隙缝共振器的上述第一选择性辐射部位的第一前端开放部位与上述第二隙缝共振器的上述第二选择性辐射部位的第二前端开放部位以接近至距离不足动作频率下的四分之一有效波长的方式配置，使上述第一隙缝共振器对的第一前端开放部位与上述第二隙缝共振器对的第一前端开放部位相距动作频率下的二分之一有效波长的程度而配置，使上述第一隙缝共振器对的第二前端开放部位与上述第二隙缝共振器对的第二前端开放部位相距动作频率下的二分之一有效波长的程度而配置，上述一种辐射指向性是与上述差动供电线路正交、并在与上述电介质基板面平行的两方向上具有辐射成分的辐射指向性。

在优选实施方式中，上述两种以上的不同的辐射指向性中的一种辐射指向性通过以下方式实现：构成两对隙缝共振器对组，其中，上述第一隙缝共振器的上述第一选择性辐射部位的第一前端开放部位与上述第二隙缝共振器的上述第二选择性辐射部位的第二前端开放部位相距动作频率下的二分之一有效波长的程度而配置，使上述第一隙缝共振器对的第一前端开放部位与上述第二隙缝共振器对的第一前端开放部位相距动作频率下的二分之一有效波长的程度而配置，上述第一隙缝共振器对的第二前端开放部位与上述第二隙缝共振器对的第二前端开放部位相距动作频率下的二分之一有效波长的程度而配置，上述一种辐射指向性是在与上述差动供电线路平行的两方向上具有辐射成分的辐射指向性。

在优选实施方式中，上述两种以上的不同的辐射指向性中的一种辐射指向性通过以下方式被实现：使上述第一隙缝共振器的上述第一选择性辐射部位的第一前端开放部位与上述第二隙缝共振器的上述第二选择性辐射部位的第二前端开放部位相距动作频率下的二分之一有效波长的程度而配置，在上述差动供电指向性可变隙缝天线内设定为动作状态的隙缝共振器仅一对成对动作，向连接上述第一前端开放部位和上述第二前端开放部位的第一方向的辐射增益被抑制，实现主波束朝向与上述第一方向正交的面内的任一个方向的辐射指向性。

在本发明的差动供电指向性可变隙缝天线中，如果利用被反相供电的隙缝共振器对的可变功能，则不仅能够初次实现使主波束方向在现有的差动供电天线中不可能实现的方向取向的有效的辐射，而且根据原理，能够同时抑制在与主波束方向不同的方向上的辐射增益。因此，能够解决现有的天线所具有的三大问题。本天线还能够使主波束方向取向的角度范围极广，能够实现全立体角的覆盖。

因此，根据本发明的差动供电指向性可变隙缝天线，能够实现以下三个效果：第一、实现向在现有的差动供电天线中不可能实现的方向的有效的辐射，第二、使主波束方向在宽广的立体角范围内可变，第三、在与主波束方向不同的方向上原理性地实现增益抑制。从而，本天线作为在室内环境下用于高速通信用途的移动体终端用天线是极其有用的。

附图说明

图1是表示本发明的差动供电指向性可变隙缝天线的实施方式的从上面观察的透视示意图。

图2是图1的差动供电指向性可变隙缝天线的实施方式的截面结构图，(a)是以图1的直线A1-A2为切断面的截面结构图，(b)是以图1的直线B1-B2为切断面的截面结构图，(c)是以图1的直线C1-C2为切断面的截面结构图。

图3是隙缝共振器601周边结构的放大图。

图4是隙缝共振器601内的结构放大图。

图5是表示隙缝共振器601的结构变化例的图，(a)是利用高频结构可变功能体现的隙缝共振器的结构图，(b)是利用高频结构可变功能体现的隙缝共振器的结构图，(c)是利用动作状态可变功能控制为非动作状态的情况下的隙缝共振器的结构图。

图6是本发明的差动供电指向性可变隙缝天线的第一控制状态下的结构图。

图7是本发明的差动供电指向性可变隙缝天线的第二控制状态下的结构图。

图8是本发明的差动供电指向性可变隙缝天线的第三动作状态下的结构图。

图9是本发明的差动供电指向性可变隙缝天线的第四动作状态下的结构图。

图10是本发明的差动供电指向性可变隙缝天线的第五动作状态下的结构图。

图11(a)是前端开放四分之一有效波长隙缝共振器对被反相激振的情况下在隙缝共振器内产生的电场矢量的示意图，(b)是两端开放二分之一有效波长隙缝共振器被反相激振的情况下在隙缝共振器内产生的电场矢量的示意图，(c)是本发明的差动供电指向性可变隙缝天线内的两端开放二分之一有效波长隙缝共振器与差动供电线路的关系的示意图。

图12(a)～(c)是本发明的第一实施例的辐射指向图案。

图13(a)～(c)是本发明的第二实施例的辐射指向图案。

图14(a)～(c)是本发明的第三实施例的辐射指向图案。

图15(a)～(c)是本发明的第四实施例的辐射指向图案。

图16(a)～(c)是本发明的第五实施例的辐射指向图案。

图17是单端线路供电二分之一波长隙缝天线(现有例1)的结构图，(a)是上表面透视示意图，(b)是截面结构图。

图18是现有例1的辐射指向特性图，(a)是YZ面的辐射指向特性图，(b)是XZ面的辐射指向特性图。

图19是单端线路供电四分之一有效波长隙缝天线(现有例2)的结构图，(a)是上表面透视示意图，(b)是截面结构图。

图20是现有例2的辐射指向特性图，(a)是YZ面的辐射指向特性图，(b)是XZ面的辐射指向特性图，(c)是XY面的辐射指向特性图。

图21是二分之一波长隙缝共振器内的电场矢量分布的示意图，(a)是通过单端供电线路供电的情况下的示意图，(b)是通过差动供电线路供电的情况下的示意图。

图22是差动供电带状天线(现有例4)的结构图，(a)是立体透视示意图，(b)是上表面示意图，(c)是下表面示意图。

图23是现有例4的差动供电带状天线的辐射指向特性图，(a)是YZ面的辐射指向特性图，(b)是XZ面的辐射指向特性图。

图24是专利文献2(现有例5)的图1，是单端供电可变天线的示意结构图。

图25是供电部位601的放大图。

图26是其他方式的供电部位601的放大图。

符号说明

101电介质基板

103信号导体

103a、103b差动信号线路的成对的信号导体

105、105a、105b接地导体

601、603、605、607隙缝共振器

113供电线路的终端点

115a电介质基板背面的输入端子侧区域

115b电介质基板背面的差动供电线路终端位置的正下方区域

311对称面

313短截线(stub)

601a、603a、605a、607a供电部位

601b、601c、603b、603c、605b、605c、607b、607c选择性辐射部位

601d、601e、603d、603e、605d、607d高频开关元件

911隙缝共振器的一端

Lm从终端点到供电部位的距离

H基板厚度

W信号导体的配线宽度

G信号导体间的间隙宽度

具体实施方式

以下，说明本发明的差动供电指向性可变隙缝天线的实施方式。根据本实施方式，能够实现动态的辐射指向性的可变性，实现向包括在现有的差动供电天线中不可能辐射的方向的各个方向的有效的辐射。此外，还能够实现抑制与主波束方向不同的方向的辐射增益等在产业上有用的效果。

(实施方式)

图1是表示本发明的差动供电指向性可变隙缝天线的实施方式的结构的图，是从电介质基板背面的接地导体侧观察的透视示意图。图2(a)～(c)是分别被图1的直线A1-A2、直线B1-B2、直线C1-C2切断电路结构的情况下的截面结构图。与表示现有例的结构、辐射方向的图17、图22的坐标轴、符号设定相对应。

如图1所示，在电介质基板101的背面形成有有限面积的接地导体105，在表面形成有差动供电线路103c。差动供电线路103c由镜面对称的一对信号导体103a、103b构成。在接地导体105的一部分区域，将导体在厚度方向上完全除去从而构成隙缝电路(即，隙缝共振器601等)。

在图1的例子中，接地导体105内配置有四个隙缝共振器601、603、605、607。图3表示隙缝共振器601周边结构的放大图。隙缝共振器601构成为供电部位601a和第一选择性辐射部位601b串联连接，并且供电部位601a和第二选择性辐射部位601c串联连接。与1个供电部位连接的选择性辐射部位的个数不限定于本实施方式中的个数(2个)。

在多个隙缝共振器内，至少一个隙缝共振器具有高频结构可变功能和动作状态切换功能中的至少任一种可变功能。高频结构可变和动作状态切换根据从外部施加的控制信号(外部控制信号)而执行。

在图3中放大表示能够实现高频结构可变功能和动作状态切换功能这两种功能的隙缝共振器601的周边部。外部控制信号控制配置在供电部位601a与第一选择性辐射部位601b之间的第一高频开关元件601d、和配置在供电部位601a与第二选择性辐射部位601c之间的第二高频开关元件601e，由此实现可变功能。高频开关元件601d、601e也可以跨过选择性辐射部位601b、601c的一部分。选择性辐射部位601b、601c在其与供电部位601a连接的一侧的相反侧的前端终端位置与接地导体105的边缘部相接，在前端开放终端点601bop、601cop成为开放终端。

图4放大表示高频开关元件601d、601e的附近。例如高频开关元件601d控制是否连接跨过隙缝的两侧的接地导体区域105a、105b。如果控制高频开关元件601e为开放状态，则选择性辐射部位601c的前端开放终端位置601cop成为与供电部位601a被高频串联连接的状态，作为四分之一有效波长隙缝共振器的终端点起作用。但是，如果控制高频开关元件601e为导通状态，则选择性辐射部位601c的前端开放终端位置601cop成为与供电部位601a被高频切断的状态，不作为四分之一有效波长隙缝共振器的终端点起作用。这样，通过高频开关元件的控制，能够使在接地导体105上出现的隙缝共振器601的高频结构可变：起作用或者不起作用。另外，高频开关元件601d的配置位置并非必须在选择性辐射部位与供电部位之间，也可以在选择性辐射部位601b、601c的前端开放终端位置601bop、601cop以外的位置，在宽度方向上跨过隙缝结构。

具有高频结构可变功能的隙缝共振器包括至少两个选择性辐射部位。但是，在动作时，在隙缝共振器内被选择的选择性辐射部位的数目限定为一个。为非选择的剩余的选择性辐射部位，特别是其前端开放终端点与隙缝共振器高频分离。

图5(a)～(c)表示图3的隙缝共振器601的高频结构的变化的例子。图5中，未图示非选择的选择性辐射部位。在图5(a)所示的例子中，高频开关元件601d开放，高频开关元件601e导通，即短路。其结果，供电部位601a和选择性辐射部位601c之间的连接被切断，隙缝共振器由供电部位601a和选择性辐射部位601b串联连接的结构形成。在这种情况下，四分之一有效波长隙缝共振器601的前端开放点为参照符号“601bop”所示的部分。

相反地，在图5(b)所示的例子中，高频开关元件601d导通，高频开关元件601e开放。其结果，供电部位601a和选择性辐射部位601b之间的连接被切断，隙缝共振器由供电部位601a和选择性辐射部位601c串联连接的结构形成。在这种情况下，四分之一有效波长隙缝共振器601的前端开放点为参照符号“601cop”所示的部分。

动作状态切换功能是对使隙缝共振器自身为动作状态或者为非动作状态进行切换的功能。图5(c)表示将图3的隙缝共振器601切换为非动作状态的情况下的结构。通过将高频开关元件601d、601e都控制为导通状态，使与供电部位601a连接的全部选择性辐射部位，进而全部的前端开放终端点与隙缝共振器高频分离。另一方面，在动作状态中，如图5(a)、(b)所示，仅使一个选择性辐射部位与供电部位601a连接即可。其中，在本发明中，选择性导通单元601d、601e不会都被控制为开放状态。

在以下的表1中，总结出高频开关元件601d、601e的开放/导通的组合与隙缝共振器601的高频电路结构变化的关系。

【表1】

供电部位和选择性辐射部位的有效电长度，按照处于动作状态中的全部的隙缝共振器的隙缝长度总为四分之一有效波长的方式预先被设定。优选供电部位的长度设定为比选择性辐射部位短，有必要设定为作为不足全隙缝长度的一半长度的不足八分之一有效波长。

此外，供电部位601a在与信号导体交叉的位置，如图25所示，必须具有包括与选择性辐射部位601b、601c连接的部分601a1、与信号导体103正交的成分(部分)601a2、和在从该成分(部分)601a2到不与选择性辐射部位601b、601c连接的一侧的短路终端点601a4之间与信号导体103a平行的成分(部分)601a3的路径。即，供电部位必须具有弯曲部。在差动传送线路中，为了避免差动传送模式的特性阻抗的增大，第一、第二信号导体间的间隙宽度不可能设定为大的值，若不设定上述弯曲部，则不能够获得第一信号导体与第一隙缝共振器间的充分的耦合。此外，第二信号导体与第二隙缝共振器间的耦合也同样。

其中，这里记载为“成分(部分)”的理由是因为供电部位601a并非必须具有与信号导体103完全正交的部分601a2和与信号导体103a完全平行的部分601a3。即，如图26所示，供电部位601a也可以是弯曲的曲线状。如图26所示，该弯曲的曲线状的供电部位601a具有与信号导体103正交的成分601a2(即，Y方向的成分)和与信号导体103平行的成分601a3(即，X方向的成分)即可。

此外，隙缝共振器必以成对结构进行动作。即，控制各隙缝共振器的状态，使得与第一信号导体103a耦合处于动作状态的隙缝共振器的数目N1和与第二信号导体103b耦合处于动作状态的隙缝共振器的数目N2相等。具体而言，在表2中总结出在图1的结构中能够以成对结构进行动作的隙缝共振器的组合、和不能够以成对结构进行动作的隙缝共振器的组合。

【表2】

能够为成对结构	隙缝共振器601-隙缝共振器603隙缝共振器605-隙缝共振器607隙缝共振器601-隙缝共振器607隙缝共振器603-隙缝共振器605
		不能看作成对结构	隙缝共振器601-隙缝共振器605隙缝共振器603-隙缝共振器607

另外，本发明的隙缝共振器的选择性辐射部位601b、601c，从一对信号导体103的镜面对称面观察，配置在供电部位601a所耦合的信号导体侧。例如，因为第一隙缝共振器601的供电部位601a与第一信号导体103a耦合，所以选择性辐射部位601b、601c从一对信号导体103的镜面对称面观察配置在第一信号导体103a的方向。

此外，成对动作的隙缝共振器设定为从两个信号导体103a、103b接收等强度的电力供电。为了满足该条件，将成对动作的隙缝共振器相对于两个信号导体103a、103b配置成物理镜面对称即可。此外，在隙缝共振器对不能够物理镜面对称配置的情况下，通过对称设定隙缝共振器对的高频特性也能够实现同样的效果。即，成对动作的各隙缝共振器的共振频率相等，并且，与耦合的信号导体的耦合度保持为等强度即可。

[基于隙缝形状的可变性的主波束取向可变性]

以下，说明利用本发明的实施方式，用于实现在实用上极其有用的辐射指向性的隙缝共振器组的控制法。

首先，作为第一控制状态，在图1所示的结构的差动供电指向性可变隙缝天线中，使用4个隙缝共振器的高频结构可变功能，使图6所示的高频结构出现。即，在第一～第四隙缝共振器中，将选择性辐射部位601b～607b控制为选择，将601c～607c控制为非选择。为非选择的选择性辐射部位在图中没有表示。控制的结果是，实现图中坐标轴中与X轴方向平行的两对隙缝共振器在接地导体105上取向的状态。第一控制状态下的本发明的差动供电指向性可变天线的辐射特性为主波束方向在±Y方向大致对照性地取向，向XZ面内的辐射被强制性抑制的特性。即，能够有效抑制从与主波束方向正交的面内的任意的方向到来的妨碍波。在本发明的差动供电指向性可变天线中，从差动供电线路向配置为成对结构的对称性高的隙缝共振器输入等振幅且反相位的信号，因此，在远处电场相互抵消的条件在广范围内成立。在由单端供电实现指向性可变的现有例5的天线中，不存在抵消被供电的单端信号的等振幅、反相位的信号，因此，能够获得高的增益抑制的条件不成立，或者即使成立也仅限于得到极其有限的角度范围、低增益抑制度的特性。即，根据本发明的结构，初次同时获得了主波束方向的取向和增益抑制的效果。

在第一状态中，第一隙缝共振器的前端开放终端点601bop与第二隙缝共振器的前端开放终端点603bop之间的距离必须被设定为不足动作频率下的四分之一有效波长。此外，第三隙缝共振器的前端开放终端点605bop与第四隙缝共振器的前端开放终端点607bop之间的距离也必须被设定为不足动作频率下的四分之一有效波长。而且，前端开放终端点601bop与前端开放终端点605bop、前端开放终端点603bop与前端开放终端点607bop间的距离被设定为动作频率下的二分之一有效波长的程度。相对于从距离不足四分之一有效波长的两个前端开放终端点向远方的辐射的贡献是，由配置距离产生的相位差较少，与同相接近。此外，相对于从距离被设定为二分之一有效波长程度的两个前端开放终端点向远方的辐射的贡献是，由配置距离产生的相位差较大，接近反相。根据上述关系和成对结构的隙缝共振器被反相供电的事实，在逻辑上能够说明在第一控制状态中辐射相互增强的方向与相互抵消的方向的关系。

此外，作为第二控制状态，在图1所示的结构的差动供电指向性可变隙缝天线中，使用4个隙缝共振器的高频结构可变功能，使图7所示的高频结构出现。即，在第一～第四隙缝共振器中，将选择性辐射部位601b～607b控制为非选择，将选择性辐射部位601c～607c控制为选择。控制的结果，实现在图中坐标轴中与Y轴方向平行的两对隙缝共振器在接地导体105上取向的状态。第二控制状态下的本发明的差动供电指向性可变天线的辐射特性为主波束方向在±X方向大致对照性地取向，向YZ面内的辐射被强制地抑制的特性。即，在第二状态下，也能够有效抑制从与主波束方向正交的面内的任意的方向到来的妨碍波。而且，在第一状态和第二状态中，主波束方向完全正交，能够以单一天线实现广立体角范围的覆盖。

在第二状态中，第一隙缝共振器的前端开放终端点601cop与第二隙缝共振器的前端开放终端点603cop之间的距离、以及第三隙缝共振器的前端开放终端点605cop与第四隙缝共振器的前端开放终端点607cop之间的距离分别设定为动作频率下的二分之一有效波长程度。此外，前端开放终端点601cop与前端开放终端点605cop、前端开放终端点603cop与前端开放终端点607cop间的距离必须设定为不足动作频率下的四分之一有效波长。

接着，作为第三控制状态，在图1所示的结构的差动供电指向性可变隙缝天线中，使用4个隙缝共振器的高频结构可变功能和动作状态可变功能，使图8所示的高频结构出现。即，选择第一和第二隙缝共振器为非动作状态，在第三和第四隙缝共振器中，选择选择性辐射部位605c和选择性辐射部607c。为非选择的选择性辐射部位在图中没有表示。控制的结果是，实现在图中坐标轴中与Y轴方向平行的一对隙缝共振器取向的状态。

第三控制状态下的本发明的差动供电指向性可变天线的辐射特性是主波束方向广泛分布在XZ面内且稍微向负X方向倾斜，而且向±Y方向的辐射被强制性抑制的特性。该辐射特性是与XZ面内的辐射被抑制且仅允许向±Y方向的辐射的第一控制状态相互补充全立体角的辐射特性，能够主张同时满足两控制状态的本发明的差动供电指向性可变天线的高有用性。

在第三控制状态中，第三隙缝共振器的前端开放终端点605cop与第四隙缝共振器的前端开放终端点607cop之间的距离被设定为动作频率下的二分之一有效波长的程度。

接着，作为第四控制状态，在图1所示的结构的差动供电指向性可变隙缝天线中，使用4个隙缝共振器的高频结构可变功能和动作状态可变功能，使图9所示的高频结构出现。即，选择第三和第四隙缝共振器为非动作状态，在第一和第二隙缝共振器中，选择选择性辐射部位601c和选择性辐射部603c。为非选择的选择性辐射部位在图中没有表示。控制的结果是，实现在图中坐标轴中与Y轴方向平行的一对隙缝共振器取向的状态。其与第三控制状态的差异在于隙缝共振器对的供电部位和差动供电线路103c的位置関係。与第三控制状态同样，在第四控制状态中，也能够得到主波束方向广泛分布在XZ面内，此外，向±Y方向的辐射被强制抑制的辐射特性。即，第四控制状态也是与第一控制状态相互补充全立体角的辐射特性。与第三控制状态的高频结构的差异在于出现主波束方向的倾斜。即，虽然主波束方向与第三控制状态同样地广泛分布在XZ面内，但是能够实现稍微向+X方向倾斜的辐射特性。

如以上所述，在本发明的差动供电指向性可变隙缝天线中，不仅能够实现向在现有的差动供电中比较困难的方向即±Y方向的有效辐射，而且能够具有在宽广的立体角中的指向性可变功能，并且在各控制状态中，能够显现在其他控制状态中作为主波束方向的方向上的原理性增益抑制效果。

此外，作为第五控制状态，在图1所示的结构的差动供电指向性可变隙缝天线中，使用4个隙缝共振器的高频结构可变功能和动作状态可变功能，使图10所示的高频结构出现。即，选择第三和第四隙缝共振器为非动作状态，在第一和第二隙缝共振器中，选择选择性辐射部位601b和选择性辐射部603b。为非选择的选择性辐射部位在图中没有表示。控制的结果是实现在图中坐标轴中与X轴方向平行的一对隙缝共振器取向的状态。在第五控制状态中，也能够使主波束方向广泛分布在XZ面内，此外，在该控制状态中，来自±Y方向的辐射的相对于主波束的增益抑制度不到10dB，对于不想体现强的增益抑制的用途能够提供最佳的辐射特性。即，本发明的差动供电指向性可变隙缝天线在等待可能从广的立体角范围到来的希望的波等时也能够实现最佳的辐射特性。

差动供电线路103c在终端点113可以被进行开放终端处理。如果将从终端点113到隙缝共振器601、603、605、607的各供电部位的供电匹配长度设定为相对于动作频率下的差动线路中的差动传送模式传输特性的四分之一有效波长，则能够改善向隙缝共振器的输入匹配特性。此外，在差动供电线路103c的终端点，也可以使第一信号导体103a、第二信号导体103b通过等值的电阻元件成为接地终端。此外，在差动供电线路103c的终端点，可以将第一信号导体103a和第二信号导体103b通过电阻元件连接。如果向差动供电线路的终端点导入电阻元件，则由于在导入的电阻元件中消耗向天线电路的输入电力的一部分，导致辐射效率的降低，但是，该电阻元件的导入是能够缓和向隙缝共振器的输入匹配条件，能够减小供电匹配长度的值的方法。

作为实现高频开关元件601d、601e、603d、603e、605d、605e、607d、607e的方法，能够利用二极管开关、高频开关、MEMS开关等。例如，如果使用市面销售的二极管开关，能够在20GHz以下的频带容易地得到例如导通时的串联电阻值为5Ω，开放时的寄生串联电容值为不足0.05pF程度的良好的切换特性。

如以上所述，通过采用本发明的结构，能够提供一种可变天线，其通过向在现有的隙缝天线或差动供电天线中不能够实现的方向的主波束的取向、取向方向的广立体角范围中的切换、和主要在与主波束方向正交的方向上的辐射增益的抑制，能够互补地覆盖全立体角。

(实施例)

在X轴方向为30mm、Y轴方向为32mm、Z轴方向为1mm的尺寸的FR4基板上，制作出图1所示的本发明的差动供电指向性可变隙缝天线。在基板表面上制作出配线宽度1.3mm、配线间间隔1mm的差动供电线路103c。从在基板背面整个面上形成的接地导体105中通过湿法蚀刻除去一部分区域的导体，实现隙缝结构。导体是厚度35mm的铜。4个隙缝共振器的形状完全相等。隙缝共振器601与隙缝共振器603，进而隙缝共振器605与隙缝共振器607，分别镜面对称地配置。隙缝共振器601与隙缝共振器605，进而隙缝共振器603与隙缝共振器607，也分别镜面对称地配置。

将镜面对称面定义为X＝0。差动信号线路103c在X＝14.5处开放终端。隙缝宽度在图中细的位置为0.5mm、在粗的位置为1mm。隙缝共振器601与隙缝共振器605间的供电部位间的最接近距离为1.5mm，隙缝共振器的供电部位的弯曲部位的长度为5mm。供电部位601a与供电部位603a的弯曲部位间的最接近距离为0.2mm。

在本实施例中，作为高频开关使用市面销售的PIN二极管。各开关部在导通时以直流电阻4欧姆进行动作，在开放时作为30fF的直流电容起作用。通过高频开关的控制，按5个控制状态动作。在各状态中，在2.57GHz得到相对于差动信号输入不足负10dB的足够低的值的反射强度特性。

以下，说明在各控制状态得到的辐射特性。在各控制状态中，相对于差动信号输入的同相模式信号反射强度限于不足负30dB。

(第一实施例)

在第一实施例中，进行附属于各隙缝共振器的高频开关的控制，实现图6所示的第一控制状态。本实施例中的各坐标面的辐射指向性示于图12。根据图12可证明，通过第一控制状态，能够实现向±Y方向的主波束方向取向。此外，在Z轴方向上相对于主波束方向的增益能够得到超过25dB的增益抑制效果，在X轴方向上，相对于主波束方向的增益也能够得到接近20dB的增益抑制效果。

(第二实施例)

在第二实施例中，进行附属于各隙缝共振器的高频开关的控制，实现图7所示的第二控制状态。本实施例中的各坐标面的辐射指向性图案示于图13。根据图13可证明，通过第二控制状态，能够实现向±X方向的主波束方向取向。此外，在Z轴方向上，相对于主波束方向的增益能够得到超过30dB的增益抑制效果，在Y轴方向上，相对于主波束方向的增益也能够得到超过15dB的较强的增益抑制效果。

(第三实施例)

在第三实施例中，进行附属于各隙缝共振器的高频开关的控制，实现图8所示的第三控制状态。本实施例中的各坐标面的辐射指向性图案示于图14。根据图14可证明，通过第三控制状态，能够实现在XZ面内分布的辐射，特别是能够实现向负X方向的主波束方向取向。此外，在Y轴方向上，相对于主波束方向的增益能够得到超过25dB的较强的增益抑制效果。

(第四实施例)

在第四实施例中，进行附属于各隙缝共振器的高频开关的控制，实现图9所示的第四控制状态。本实施例中的各坐标面的辐射指向性图案示于图15。根据图15可证明，通过第四控制状态，能够实现在XZ面内分布的辐射，特别是能够实现向+X方向的主波束方向取向。此外，在Y轴方向上，相对于主波束方向的增益能够得到超过25dB的较强的增益抑制效果。

(第五实施例)

在第五实施例中，进行附属于各隙缝共振器的高频开关的控制，实现图10所示的第五控制状态。本实施例中的各坐标面的辐射指向性图案示于图16。根据图16可证明，通过第五控制状态，能够实现在XZ面内分布的宽广的辐射。此外，与第四控制状态不同，获得在Y轴方向上，相对于主波束方向的增益，增益降低仅限于7dB程度的辐射特性。

产业上的可利用性

本发明的差动供电指向性可变隙缝天线能够进行向包括在现有的差动供电天线中难以辐射的方向的各个方向的有效的辐射。此外，主波束方向的切换角广，因此，不仅能够实现覆盖全立体角的指向性可变天线，而且在原理上能够抑制与主波束方向正交的方向上的指向性增益。

进而，因为在原理上能够在其他的控制状态得到与某控制状态实现的辐射特性互补的辐射特性，所以特别有益于在多路的室内环境下实现高速通信的用途。此外，不仅能够在通信领域的用途中广泛应用，还能够在无线电力传送、使用ID标签等无线技术的各领域中使用。

Claims (7)

1.一种差动供电指向性可变隙缝天线，其特征在于，包括：

电介质基板(101)；

在所述电介质基板的背面设置的有限面积的接地导体(105)；

由在所述电介质基板的表面配置的两个镜面对称的第一信号导体(103a)和第二信号导体(103b)构成的差动供电线路(103c)；

第一隙缝共振器(601、605)，其形成于所述接地导体(105)，其一部分仅与所述第一信号导体(103a)交叉，其具有相当于动作频率下的四分之一有效波长的隙缝长度，且前端为开放终端；和

第二隙缝共振器(603、607)，其形成于所述接地导体(105)，其一部分仅与所述第二信号导体(103b)交叉，其具有相当于所述动作频率下的四分之一有效波长的隙缝长度，且前端为开放终端，其中，该第二信号导体(103b)与所述第一隙缝共振器以一部分交叉的所述第一信号导体(103a)在不同侧，

所述第一隙缝共振器(601、605)和第二隙缝共振器(603、607)被反相供电，所述第一隙缝共振器(601、605)和第二隙缝共振器(603、607)中的至少任一个隙缝共振器具有高频结构可变功能和动作状态切换功能中的至少一种可变功能，从而实现2种以上的不同的辐射指向性，

其中，

所述第一隙缝共振器(601、605)由一部分与所述第一信号导体(103a)交叉的第一供电部位(601a、605a)、和不与所述第一信号导体(103a)交叉的第一选择性辐射部位(601b、601c、605b、605c)的串联连接结构构成，

所述第二隙缝共振器(603、607)由一部分与所述第二信号导体(103b)交叉的第二供电部位(603a、607a)、和不与所述第二信号导体(103b)交叉的第二选择性辐射部位(603b、603c、607b、607c)的串联连接结构构成，

所述第一供电部位和所述第二供电部位，在与所述第一信号导体和所述第二信号导体间的区域相对的区域中，至少一部分具有向与所述第一信号导体和所述第二信号导体平行的方向的取向成分，并延长不足八分之一有效波长的长度，且成为短路终端，

所述第一选择性辐射部位的与所述第一供电部位连接的一侧的相反侧的前端部为开放终端，

所述第二选择性辐射部位的与所述第二供电部位连接的一侧的相反侧的前端部为开放终端，

在具有可变功能的所述第一隙缝共振器(601、605)中，在所述第一供电部位连接有多个所述第一选择性辐射部位，高频开关在从所述第一供电部位到多个所述第一选择性辐射部位的前端开放点(601bop、601cop、605bop、605cop)的各个路径上，在至少一个位置，在宽度方向上跨过所述第一隙缝共振器(601、605)而被插入，所述高频开关元件控制是否将所述第一隙缝共振器所跨过的两侧的所述第一接地导体短路，

在具有可变功能的所述第二隙缝共振器(603、607)中，在所述第二供电部位连接有多个所述第二选择性辐射部位，高频开关在从所述第二供电部位到多个所述第二选择性辐射部位的前端开放点(603bop、603cop、607bop、607cop)的各个路径上，在至少一个位置，在宽度方向上跨过所述第二隙缝共振器(603、607)而被插入，所述高频开关元件控制是否将所述第二隙缝共振器所跨过的两侧的所述第二接地导体短路，

所述高频结构可变功能是通过利用所述高频开关选择所述多个选择性辐射部位中的一个并与所述供电部位一起形成隙缝结构而实现的，

所述动作状态切换功能是通过所述高频开关将所述隙缝结构短路而实现的。

2.根据权利要求1所述的差动供电指向性可变隙缝天线，其特征在于：

在从所述差动供电线路的成为开放终端的位置向供电电路侧的距离相当于动作频率下的四分之一有效波长的地点，所述第一隙缝共振器和所述第二隙缝共振器被供电。

3.根据权利要求1所述的差动供电指向性可变隙缝天线，其特征在于：

所述差动供电线路的终端点分别通过相同电阻值的电阻成为接地终端。

4.根据权利要求1所述的差动供电指向性可变隙缝天线，其特征在于：

所述第一信号导体的终端点和所述第二信号导体的终端点通过电阻电连接。

5.根据权利要求1所述的差动供电指向性可变隙缝天线，其特征在于：

所述两种以上的不同的辐射指向性中的一种辐射指向性通过以下方式实现：

构成两对隙缝共振器对组，其中，所述第一隙缝共振器的所述第一选择性辐射部位的第一前端开放部位与所述第二隙缝共振器的所述第二选择性辐射部位的第二前端开放部位以接近至距离不足动作频率下的四分之一有效波长的方式配置，

使所述隙缝共振器对组中的第一隙缝共振器对的第一前端开放部位与所述隙缝共振器对组中的第二隙缝共振器对的第一前端开放部位相距动作频率下的二分之一有效波长的程度而配置，

使所述隙缝共振器对组中的第一隙缝共振器对的第二前端开放部位与所述隙缝共振器对组中的第二隙缝共振器对的第二前端开放部位相距动作频率下的二分之一有效波长的程度而配置，

所述一种辐射指向性是与所述差动供电线路正交、并在与所述电介质基板面平行的两方向上具有辐射成分的辐射指向性。

6.根据权利要求1所述的差动供电指向性可变隙缝天线，其特征在于：

所述两种以上的不同的辐射指向性中的一种辐射指向性通过以下方式实现：

构成两对隙缝共振器对组，其中，所述第一隙缝共振器的所述第一选择性辐射部位的第一前端开放部位与所述第二隙缝共振器的所述第二选择性辐射部位的第二前端开放部位相距动作频率下的二分之一有效波长的程度而配置，

使所述隙缝共振器对组中的第一隙缝共振器对的第一前端开放部位与所述隙缝共振器对组中的第二隙缝共振器对的第一前端开放部位相距动作频率下的二分之一有效波长的程度而配置，

使所述隙缝共振器对组中的第一隙缝共振器对的第二前端开放部位与所述隙缝共振器对组中的第二隙缝共振器对的第二前端开放部位相距动作频率下的二分之一有效波长的程度而配置，

所述一种辐射指向性是在与所述差动供电线路平行的两方向上具有辐射成分的辐射指向性。

7.根据权利要求1所述的差动供电指向性可变隙缝天线，其特征在于：

所述两种以上的不同的辐射指向性中的一种辐射指向性通过以下方式实现：

使所述第一隙缝共振器的所述第一选择性辐射部位的第一前端开放部位与所述第二隙缝共振器的所述第二选择性辐射部位的第二前端开放部位相距动作频率下的二分之一有效波长的程度而配置，

在所述差动供电指向性可变隙缝天线内被设定为动作状态的隙缝共振器仅一对成对动作，

向连接所述第一前端开放部位和所述第二前端开放部位的第一方向的辐射增益被抑制，

实现主波束朝向与所述第一方向正交的面内的任意方向的辐射指向性。

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