CN103050787A - 天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够以多个谐振频率使圆极化波成为可能的天线。多频圆极化波天线(100)由基板和多频天线(900、901)构成。多频天线(900、901)由以下构成:天线元件(120、220、320、420);并联电感器用导体(170、270、370、470);串联电容器用导体(160(a、b)、260(a、b)、360(a、b)、460(a、b));串联电感器用导体(140、240、340、440);中心点(199);以及输入输出端子(110、210、310、410)。多频天线(900)被配置为按照相对于多频天线(901)具有不足90度的角度的方式在中心点(199)与多频天线(901)交叉。
Description
技术领域
本申请主张以2011年10月12日申请的日本国专利申请特愿2011-224789为基础的优先权,并将该基础申请的内容全部援引于本申请中。
背景技术
本发明涉及以多个谐振频率使圆极化波(circular polarization)成为可能的天线。
发明内容
搭载了GPS(Global Positioning System:全球定位系统)的便携式终端和汽车导航等的各种无线通信系统正在普及。由于ETC(Electronic TollCollection System:电子收费系统)的普及,在汽车导航系统中,正在寻求能够与GPS和ETC的多频的圆极化波对应的车载用天线的开发。进一步地,不仅是汽车导航系统,也正在寻求能够在便携式电话、数码照相机、PDA、手表等小型的便携式终端的框体中内置的圆极化波天线的开发。在JP特开2011-035672号公报中,公开了一种能够以多个频率进行小型轻量化且增益大的小型多频天线,但是该天线是直线极化波用,不能与圆极化波对应。
本发明的目的在于提供一种以多个谐振频率使圆极化波成为可能的天线。
本发明的目的在于提供一种小型且制造简单的薄型、轻量的多频圆极化波天线。
本发明的天线包括第一和第二多频天线,该第一和第二多频天线分别具备使第一天线和第二天线配置为大致镜像对称的构成,所述第一天线具有多个谐振频率,并且包括:第一输入输出端子;第一天线导体;串联电路,其由第一电感器和第一电容器组成,并且将所述第一输入输出端子和所述第一天线导体进行连接;以及第二电感器,其一端与所述第一天线导体连接,所述第二天线具有多个谐振频率,并且包括:第二输入输出端子;第二天线导体;串联电路,其由第三电感器和第二电容器组成,并且将所述第二输入输出端子和所述第二天线导体进行连接;以及第四电感器,其一端与所述第二天线导体连接,另一端与所述第二电感器的另一端连接,所述第一多频天线和所述第二多频天线按照具有不足90度的规定角度的方式被配置为所述第一多频天线的中心点和所述第二多频天线的中心点重叠,且所述第一多频天线的第四电感器的另一端与所述第二多频天线的第四电感器的另一端连接。
附图说明
结合以下附图来考虑以下的详细记述,以更深地理解本申请。
图1是本发明第一实施方式涉及的多频圆极化波天线的俯视图。
图2是图1所示的多频圆极化波天线的仰视图。
图3是构成图1所示的多频圆极化波天线的多频天线的立体图。
图4是构成图1所示的多频圆极化波天线的多频天线的截面图。
图5是表示构成图1所示的多频圆极化波天线的多频天线的等效电路的一部分的图。
图6是表示构成图1所示的多频圆极化波天线的多频天线的等效电路的图。
图7是表示图1所示的多频圆极化波天线的等效电路的整体的图。
图8A是表示构成图1所示的多频圆极化波天线的发送时的构成的输入输出端子部分的放大图。
图8B是表示图1所示的多频圆极化波天线的接收时的构成的输入输出端子部分的放大图。
图9是本发明的第二实施方式涉及的多频圆极化波天线的俯视图。
图10是图9所示的多频圆极化波天线的仰视图。
图11是表示图9所示的多频圆极化波天线的等效电路的整体的图。
图12A是表示图9所示的多频圆极化波天线的发送时的构成的输入输出端子部分的放大图。
图12B是表示图9所示的多频圆极化波天线的接收时的构成的输入输出端子部分的放大图。
图13A、图13B、图13C是表示使图11所示的各元件的值变化时的相位差φ的变化量的图。
具体实施方式
(第一实施方式)
以下,说明本发明的实施方式1涉及的多频圆极化波天线100。
参照图1~8,说明实施方式1涉及的多频圆极化波天线100的构成。另外,图中的X、Y、Z轴在各图中表示公共的方向。
如图1所示,多频圆极化波天线100由多频天线900和多频天线901构成。多频天线900和多频天线901是相同的构成,多频圆极化波天线100构成为多频天线900与多频天线901按照所成的角度不足90度的方式在中心点199连接。具体来说,如图2所示,多频天线900的并联电感器(shunt inductor)用导体170、270和多频天线901的并联电感器用导体370、470构成为在中心点199连接。后面叙述并联电感器用导体170、270、370、470。
说明构成多频圆极化波天线100的多频天线900和多频天线901的构成。另外,如上所述,多频天线900和多频天线901是相同的构成,针对多频天线901的各构成用括号来表示。
如图3以及图4所示,多频天线900(901)由基板99、多频天线101、102(103、104)构成。
基板99是板状的电介质,例如由玻璃环氧基板(FR4)构成。
多频天线101(103)和多频天线102(104)是相同的构成,并按照放射的电磁波的主传播方向为相同方向的方式在基板99上配置成大致镜像对称。多频天线101、102(103、104)由以下构成:输入输出端子110、210(310、410);天线元件120、220(320、420);通孔130、150a、150b、230、250a、250b(330、350a、350b、430、450a、450b);通孔导体150、250(350、450);串联电感器(series inductor)用导体140、240(340、440);串联电容器用导体160a、160b、260a、260b(360a、360b、460a、460b);以及并联电感器用导体170、270(370、470)。
输入输出端子110、210(310、410)接近于基板99的一方主面的大致中央而形成,其一端部与串联电感器用导体140、240(340、440)的另一端连接。输入输出端子110、210(310、410)与未图示的一对供电线连接,并被提供差动信号。输入输出端子110、210(310、410)作为供电点来发挥功能。
天线元件120、220(320、420)由下底比上底长的等腰梯形的导体板、和与该等腰梯形的下底连接的半圆的导体板构成。天线元件120(320)和天线元件220(420)按照其等腰梯形的上底相对置的方式被配置于基板99的一方主面。
通孔130、230(330、430)形成为,从基板99的一方主面贯通构成天线元件120、220(320、420)的等腰梯形的2条对角线的大致交点至另一方主面。在通孔130、230(330、430)的内部填充有一端部与天线元件120、220(320、420)连接的导体。
通孔导体150、250(350、450)被配置于基板99的一方主面。通孔导体150、250(350、450)经由从基板99的一方主面贯通至另一方主面而形成的2个通孔150a以及150b、250a以及250b(350a以及350b、450a以及450b)而与串联电容器用导体160a以及160b、260a以及260b(360a以及360b、460a以及460b)连接。
串联电感器用导体140、240(340、440)由线路导体构成,形成于基板99的一方主面,其一端与通孔导体150、250(350、450)连接。
串联电容器用导体160a(360a)和串联电容器用导体160b(360b)按照在其间夹着并联电感器用导体170(370)的方式,而在基板99的另一方主面上被配置为与天线元件120(320)的一部分对置。由天线元件120(320)的一部分与串联电容器用导体160a、160b(360a、360b)的对置部分、和基板99位于这些部件之间的部分来形成与天线元件120(320)串联连接的串联电容器。
同样地,串联电容器用导体260a(460a)和串联电容器用导体260b(460b)按照在其间夹着并联电感器用导体270(470)的方式,而在基板99的另一方主面上被配置为与天线元件220(420)的一部分对置。由天线元件220(420)的一部分与串联电容器用导体260a、260b(460a、460b)的对置部分、和基板99位于这些部件之间的部分来形成与天线元件220(420)串联连接的串联电容器。
并联电感器用导体170、270(370、470)由线路导体构成,延伸至基板99的另一方的主面上,其一端与通孔130、230(330、430)的另一端部连接。并联电感器用导体170、270(370、470)的另一端在基板99的另一方主面的大致中央的中心点199处相互连接。即,多频天线101(103)和多频天线102(104)在中心点199相互连接。
多频天线900(901)将在与输入输出端子110、210(310、410)之间被提供的发送信号作为电波而放射至空间,并将接收到的电波变换为电信号,从输入输出端子110、210(310、410)传输至供电线。
上述构成的多频天线900(901)例如在基板99中开口通孔130、150a、150b、230、250a、250b(330、350a、350b、430、450a、450b),用涂层等填充该开口,接着,在基板99的两面粘贴铜箔,通过PEP(光蚀刻法)等对铜箔进行构图来制造。
构成具有上述物理构成的多频天线900(901)的多频天线101、102(103、104)的电气构成由图5所示的等效电路来表示。
如图所示,多频天线101、102(103、104)在电气方面由串联电感器Lser;串联电容器Cser;天线元件120、220(320、420)的等效电路ANT;并联电感器Lsh;与空间耦合的等效电路ANTs;输入输出端子110、210(310、410);以及连接点198(398)构成。
另外,串联电感器Lser与串联电感器用导体140、240(340、440)的电感对应,并联电感器Lsh与并联电感器用导体170、270(370、470)的电感对应。此外,串联电容器Cser与由串联电容器用导体160a、160b、260a、260b等(360a、360b、460a、460b等)形成的串联电容器对应。
天线元件120、220(320、420)的等效电路ANT是以右手系的线路来表现输入阻抗的电路,由电感器L1ant、电感器L2ant、和电容器Cant构成。
天线元件120、220(320、420)的等效电路ANT中的电感器L1ant的电感、电感器L2ant的电感、电容器Cant的电容大致取决于天线元件120、220(320、420)的尺寸和形状,若天线元件120、220(320、420)的尺寸和形状确定,则大致确定。
与空间耦合的等效电路ANTs取决于天线元件120、220(320、420)的尺寸和形状,是对天线元件120、220(320、420)与空间的耦合所产生的阻抗进行表现的电路。与空间耦合的等效电路ANTs由电容器Cs、基准阻抗Rs、电感器Ls构成。
与输入输出端子110、210(310、410)连接有由串联电感器Lser和串联电容器Cser组成的串联电路的一端。
由串联电感器Lser和串联电容器Cser组成的串联电路的另一端与构成天线元件120、220(320、420)的等效电路ANT的电感器L1ant的一端连接。在电感器L1ant的另一端连接有电容器Cant的一端和电感器L2ant的一端。电容器Cant的另一端与连接点198(398)连接。
并联电感器Lsh的一端与电感器L2ant的另一端连接。并联电感器Lsh的另一端与连接点198(398)连接。
与空间耦合的等效电路ANTs的电容器Cs的一端与电感器L2ant的另一端和并联电感器Lsh的一端连接。在电容器Cs的另一端连接有电感器Ls的一端和基准阻抗Rs的一端。电感器Ls的另一端和基准阻抗Rs的另一端与连接点198(398)连接。
与空间耦合的等效电路ANTs中的基准阻抗Rs的值取决于天线元件120、220(320、420)的尺寸和形状。该基准阻抗Rs的值与表示对供电点施加了目的频率的电压时的、所施加的电压与流动的电流之比的阻抗的实际成分相当。
与空间耦合的等效电路ANTs中的电容器Cs的电容和电感器Ls的电感取决于内含天线元件120、220(320、420)的球的半径a和基准阻抗Rs,并由下面式子(1)和(2)表示。
Cs=a/(c×R s) …(1)
Ls=(a×Rs)/c …(2)
这里,Cs:电容器Cs的电容[F],Ls:电感器Ls的电感[H],Rs:基准阻抗Rs的电阻值[Ω],a:内含天线元件的球的半径[m],c:光速[m/s]。
多频天线101、102(103、104)构成了在连接点198(398)处相互连接的多频天线900(901)。多频天线900(901)的电气构成由图6所示的等效电路表示。在输入输出端子110、210(310、410)连接有未图示的一对供电线。
以上是构成多频圆极化波天线100的多频天线900、901的构成。
如图2所示,多频圆极化波天线100按照将多频天线900的并联电感器用导体170、270和多频天线901的并联电感器用导体370、470连接起来并且使在各天线的中心点199处这些部件所成的角度不足90度的方式而构成。
多频圆极化波天线100的电气构成由图7所示的等效电路表示。对于在多频圆极化波天线100中使用的各个频率,按照使输入阻抗的虚部为0,实部为50Ω的方式,来调整并联电感器用导体170、270、370、470、串联电容器用导体160a、160b、260a、260b、360a、360b、460a、460b、串联电感器用导体140、240、340、440的图案。
另外,天线元件120、220、320、420的与空间耦合的等效电路ANTs的各电感器的电感以及电容器的电容由上述式子(1)、(2)求取。
在本实施方式中,以2.5GHz和5.2GHz这2个频率,按照使输入阻抗的虚部为0、实部为50Ω的方式来调整各图案。
多频圆极化波天线100的输入输出端子110、210、310、410如图8A所示,经由供电线与信号源1或2连接。此外,如图8B所示,输入输出端子110、210、310、410经由供电线与放大部50或51连接。放大部50、51例如由低噪声放大器等构成。
多频圆极化波天线100在发送时将在与输入输出端子110、210、310、410之间被提供的发送信号作为电波放射至空间,在接收时将接收到的电波变换为电信号而从输入输出端子110、210、310、410传输至供电线。
说明发送时的多频圆极化波天线100的动作。如图8A所示,向成对的输入输出端子110和210提供相同信号。同样地,向成对的输入输出端子310和410提供相同信号。
对应于提供至输入输出端子110和210的信号、与提供至输入输出端子310和410的信号之间的相位差,多频圆极化波天线100将直线极化波或椭圆极化波放射至空间。
具体来说,在提供至输入输出端子110和210的信号、与提供至输入输出端子310和410的信号为同相(图8A的载波的相位φ=0)的情况下,多频天线900以及901所放射的直线极化波也为同相。由于2个直线极化波为同相,所以其合成波也为直线极化波。因此,多频圆极化波天线100放射直线极化波。
与此相对,在提供至输入输出端子110和210的信号、与提供至输入输出端子310和410的信号之间存在相位差(图8A的载波的相位φ≠0)的情况下,多频天线900以及901所放射的直线极化波也产生相位差。由于2个直线极化波存在相位差,所以其合成波成为椭圆极化波。因此,多频圆极化波天线100放射椭圆极化波。
特别地,在多频天线900与多频天线901所成的角度为θ、提供至输入输出端子110和210的信号与提供至输入输出端子310和410的信号之间的相位差φ为π-θ、且这些信号的振幅相等的情况下,多频天线900以及901所放射的2个直线极化波的合成波成为圆极化波,多频圆极化波天线100放射圆极化波。
接着,说明接收时的多频圆极化波天线100的动作。多频圆极化波天线100如图8B所示,将接收到的电波变换为电信号,并经由供电线从成对的输入输出端子110和210而传输至放大部50。同样地,也经由供电线从成对的输入输出端子310和410将电信号传输至放大部51。
如上所述,多频圆极化波天线100在2.5GHz和5.2GHz下,输入阻抗的虚部为0,在该频率下进行谐振,增益变大。因此,多频圆极化波天线100在2.5GHz和5.2GHz这2个频率下,作为能够得到充分的增益的多频圆极化波天线而发挥功能。
如以上,根据多频圆极化波天线100,通过对相位差与多频天线900和多频天线901所成的角度θ相对应的信号进行供电,能够实现以多个谐振频率进行动作的轻量且薄型的小型圆极化波天线。
(第二实施方式)
上述第一实施方式涉及的多频圆极化波天线100通过将相位差与多频天线900和多频天线901所成的角度θ相对应的信号提供至2个输入端子对,从而放射了将多频天线900以及901所放射的2个直线极化波合成而得到的圆极化波。本实施方式涉及的多频圆极化波天线200通过对配置在天线本身中的集总常数(concentrated constant)元件的值进行调整,在不附加用于进行相位线路等的相位控制的新的电路的情况下,产生将2个直线极化波合成而得到的圆极化波,并以1个输入端子对来放射圆极化波。
以下,说明第二实施方式涉及的多频圆极化波天线200。
如图9以及图10所示,多频圆极化波天线200将第一实施方式涉及的多频圆极化波天线100的输入输出端子110和310连接起来构成1个输入输出端子190,同样地,将第一实施方式涉及的多频圆极化波天线100的输入输出端子210和410连接起来构成1个输入输出端子290。其他的构成与第一实施方式涉及的多频圆极化波天线100相同。另外,多频圆极化波天线200的电气构成由图11所示的等效电路表示。
如图12A所示,输入输出端子190和输入输出端子290经由供电线与信号源连接。多频圆极化波天线200在发送时,通过从该信号源向输入输出端子190以及290给予信号,来放射圆极化波。
另外,输入输出端子190和290,如图12B所示,与放大部50连接。多频圆极化波天线200将接收到的圆极化波变换为电信号,并将电信号从输入输出端子190以及290传输至放大部52。
多频圆极化波天线200将信号给出至由输入输出端子190和输入输出端子290构成的1对输入输出端子,天线元件(120、220)和天线元件(320、420)放射具有相位差的电波。由此,对位于多频圆极化波天线200的天线导体的并联电感器Lsh、串联电容器Cser、串联电感器Lser等的集总常数元件的值进行了调整。
例如,在天线元件(120、220)与天线元件(320、420)所成的角为θ的情况下,通过对图11所示的Lsh3、Lsh4的值、Lser3、Lser4的值、以及Cser3、Cser4的值进行调整以使从天线元件(120、220)和天线元件(320、420)放射的电波的相位差φ为φ=π-θ,能够产生轴比为1的右旋圆极化波。另外,通过调整Lsh3、Lsh4的值,能够主要调整2GHz频带中的相位,通过调整Lser3、Lser4的值,能够调整5GHz频带中的相位。此外,通过调整Cser3、Cser4的值,能够调整2GHz频带以及5GHz频带双方的相位。此外,若增大Lsh3、Lsh4、Lser3、Lser4、Cser3、Cser4的各值,则放射的电波的相位差φ也变大,若减小各值,则相位差φ也变小。图13A、图13B、图13C表示使各元件的值变化时的相位差φ的变化量。
这样,通过调整多频圆极化波天线200的集总常数元件的值,能够在不附加用于进行由相位线路等执行的相位控制的新的电路的情况下,实现与上述第一实施方式的多频圆极化波天线100同等尺寸的多频圆极化波天线200。
(变形例)
本发明不限定为上述第一实施方式,能够进行各种变形和应用。例如,在上述第一实施方式中,例示了在2.5GHz附近和5.2GHz附近这2个频带中进行谐振,从而增益变大的例子,但是并不一定限定于此。
例如,能够进行任意2个频带的组合。如前所述,天线元件120、220、320、420的等效电路ANT以及与空间耦合的等效电路ANTs的元件常数由天线元件120、220、320、420的尺寸来自动确定。由此,考虑由天线元件120、220、320、420的尺寸而确定的各元件常数,来适当设定并联电感器Lsh的电感、串联电容器Cser的电容、串联电感器Lser的电感,使得在作为目的的多个频率附近产生谐振点,由此能够在任意的多个频带中得到充分的增益。
此外,不需要在2个频带中进行谐振。例如,也可以对于一般的交叉偶极子(cross dipole)型天线,设偶极子天线彼此所成的角为不足90度,将供电部的相位差设为偶极子天线彼此所成的角。根据这样的构成,对于一般的正交偶极型的天线,也能够缩小化面积。
此外,本发明不限定为上述第二实施方式,能够进行各种变形以及应用。例如,在上述第二实施方式中,示出了通过将上述第一实施方式的多频圆极化波天线100的输入输出端子110和310、输入输出端子210和410连接起来从而构成输入输出端子190以及290的例子,但是不一定限定于此。输入输出端子190以及290也可以通过将上述第一实施方式的多频圆极化波天线100的输入输出端子110和410、输入输出端子210和310连接起来而构成。在该情况下,给出到多频圆极化波天线200的输入输出端子190、290的信号成为左旋极化波而被放射。
进一步地,本发明不限定为上述第一以及第二实施方式,能够进行各种变形以及应用。
例如,在上述第一以及第二实施方式中,通过通孔将基板99的配置在一方主面上的图案和配置在另一方主面上的图案连接起来。但是,也可以不是通孔,而通过电容耦合和感应耦合等来连接。
此外,尽管在上述第一以及第二实施方式中由线路(电路图案)来构成了电感器以及导体(conductor)等,但是例如也可以由芯片部件等来构成一部分或全部的电感器以及导体等。
此外,尽管在上述第一以及第二实施方式中将电路配置于基板99的一方主面和另一方主面,但是也可以仅仅配置于一方主面。
此外,尽管在上述第一以及第二实施方式中示出了将电路元件配置在电介质的基板上的构成例,但是只要能保持各电路元件,也可以不配置基板。
尽管以上说明了本发明的优选实施方式,但本发明不限定于涉及的特定的实施方式,在本发明中包含与记载在权利要求的范围中的发明均等的范围。
Claims (7)
1.一种天线,包括第一和第二多频天线,该第一和第二多频天线分别具备使第一天线和第二天线配置为大致镜像对称的构成,
所述第一天线具有多个谐振频率,并且包括:第一输入输出端子;第一天线导体;串联电路,其由第一电感器和第一电容器组成,并且将所述第一输入输出端子和所述第一天线导体进行连接;以及第二电感器,其一端与所述第一天线导体连接,
所述第二天线具有多个谐振频率,并且包括:第二输入输出端子;第二天线导体;串联电路,其由第三电感器和第二电容器组成,并且将所述第二输入输出端子和所述第二天线导体进行连接;以及第四电感器,其一端与所述第二天线导体连接,另一端与所述第二电感器的另一端连接,
所述第一多频天线和所述第二多频天线按照具有不足90度的规定角度的方式被配置为所述第一多频天线的中心点和所述第二多频天线的中心点重叠,且所述第一多频天线的第四电感器的另一端与所述第二多频天线的第四电感器的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,
所述第一天线的多个谐振频率和所述第二天线的多个谐振频率实质上相同。
3.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,
还包括电介质板,
所述第一及第二输入输出端子与所述第一及第二天线导体形成于所述电介质板的一面,
所述第二及第四电感器被配置于所述电介质板的另一面,所述第二电感器的一端经由通孔与所述第一天线导体连接,所述第四电感器的一端经由通孔与所述第二天线导体连接,
所述第一电容器由以下构成:所述第一天线导体的一部分;配置于所述电介质板的另一面且与所述第一天线导体的一部分对置的第一导电体;以及位于所述第一天线导体的一部分和所述第一导电体之间的所述电介质板,
所述第二电容器由以下构成:所述第二天线导体的一部分;配置于所述电介质板的另一面且与所述第二天线导体的一部分对置的第二导电体;以及位于所述第二天线导体的一部分和所述第二导电体之间的所述电介质板,
所述第一电感器被配置于所述电介质板的一面,其一端经由通孔与所述第一导电体连接,其另一端与所述第一输入输出端子连接,
所述第三电感器被配置于所述电介质板的一面,其一端经由通孔与所述第二导电体连接,其另一端与所述第二输入输出端子连接。
4.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,
还包括:
第一信号源,其一端与所述第一多频天线的第一输入输出端子连接,其另一端与所述第一多频天线的第二输入输出端子连接;以及
第二信号源,其一端与所述第二多频天线的第一输入输出端子连接,其另一端与所述第二多频天线的第二输入输出端子连接,
所述第一信号源产生的信号与所述第二信号源产生的信号的振幅相同,且相位差是与所述规定角度对应的相位差。
5.根据权利要求4所述的天线,其特征在于,
所述第一信号源产生的信号与所述第二信号源产生的信号的振幅相同,且相位差满足“相位差=π-所述规定角度”。
6.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,
将所述第一多频天线的第一输入输出端子和所述第二多频天线的第一输入输出端子连接起来而形成1个输入输出端子,将所述第一多频天线的第二输入输出端子和所述第二多频天线的第二输入输出端子连接起来而形成1个输入输出端子,
该天线还包括一端与所述第一多频天线的第一输入输出端子连接、另一端与所述第一多频天线的第二输入输出端子连接的信号源,
对所述第一至第四电感器的电感、以及所述第一及第二电容器的电容进行调整,使得从所述第一多频天线放射的电波与从所述第二多频天线放射的电波的振幅相同、且相位差成为与所述规定角度对应的相位差。
7.根据权利要求6所述的天线,其特征在于,
对所述第一至第四电感器的电感、以及所述第一及第二电容器的电容进行调整,使得从所述第一多频天线放射的电波与从所述第二多频天线放射的电波的振幅相同、且相位差满足“相位差=π-所述规定角度”。
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