TW201533982A - 天線指向性控制系統及包含其之無線裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係一種天線指向性控制系統，其包括：天線，其包含饋電點互不相同之複數個天線元件；及控制機構，其控制上述天線元件之權重；上述複數個天線元件分別包含連接於饋電點之饋電元件、及藉由與上述饋電元件產生電磁場耦合而被饋電作為輻射導體發揮功能的輻射元件；且上述控制機構係調整上述饋電點各者中之信號之振幅而控制上述天線之指向性。

Description

天線指向性控制系統及包含其之無線裝置
本發明係關於一種天線指向性控制系統及包含其之無線裝置(例如行動電話等可攜式無線機)。
作為提高通訊速度之方法，使用有利用MIMO(Multiple Input Multiple Output，多輸入多輸出)天線之MIMO空間多工通訊技術。MIMO天線係可使用複數個天線元件於特定之頻率進行多工之輸入輸出的多天線。然而，於行動通訊中，終端中之電波傳播環境多樣，實際上，可利用MIMO空間多工通訊之環境有限。
例如，於非專利文獻1中揭示有市區中之來波之角度擴展(Angle Spread)之實測資料。揭示有如下內容：即便為高樓等反射物相對較多之市區，來波之角度擴展亦為30°以下，無法獲得充分之多路豐富環境。
由於存在如上所述之事實，故而於非專利文獻2所示之3GPP(3rd Generation Partnership Project，第三代合作夥伴計劃)之規格中，除MIMO空間多工模式以外，亦設定有波束成形模式、發送分集模式、多用戶MIMO模式等共計9個傳輸模式。採用如下方式，即，根據自基地台發送之基準信號測定設有終端之電波環境，選擇恰當之傳輸模式。
先前技術文獻 非專利文獻
非專利文獻1：Tetsuro Imai, etc., 「A Propagation Prediction System for Urban Area Macrocells Using Ray-tacing Methods」, NTT DoCoMo Technical Journal, Vol.6, No.1, p.41-51
非專利文獻2：3GPP TS 36.213 V10.1.0 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Trrestrial Radio Access(E-UTRA); Pysical layer procedures (Release10), p.26-27
然而，於以MIMO空間多工模式傳輸之情形及以波束成形模式傳輸之情形時，對天線要求之天線特性不同，因此，現狀為天線難以共通化而利用不同之天線應對。
因此，本發明之目的在於提供一種能夠利用共通之天線應對不同之天線特性的天線指向性控制系統。
於一個提案中，提供一種天線指向性控制系統，其包括：天線，其包含饋電點互不相同之複數個天線元件；控制機構，其控制上述天線元件之權重；上述複數個天線元件分別包含連接於饋電點之饋電元件、及藉由與上述饋電元件產生電磁場耦合而被饋電作為輻射導體發揮功能的輻射元件，且上述控制機構係調整上述饋電點各者中之信號之振幅而控制上述天線之指向性。
根據一態樣，能夠利用共通之天線應對不同之天線特性。
1‧‧‧天線
2‧‧‧天線
10‧‧‧天線指向性控制系統
11‧‧‧天線元件
12‧‧‧天線元件
13‧‧‧天線
21‧‧‧權重控制電路
22‧‧‧權重控制電路
23‧‧‧信號處理電路
24‧‧‧控制器
25‧‧‧基板
26‧‧‧基板
27‧‧‧條狀導體
30‧‧‧天線元件
31‧‧‧輻射元件
31a‧‧‧導體部分
31b‧‧‧導體部分
33‧‧‧中央部
34‧‧‧端部
35‧‧‧端部
36‧‧‧饋電部
37‧‧‧饋電元件
38‧‧‧饋電點
39‧‧‧端部
40‧‧‧天線元件
41‧‧‧輻射元件
41a‧‧‧導體部分
41b‧‧‧導體部分
43‧‧‧中央部
44‧‧‧端部
45‧‧‧端部
46‧‧‧饋電部
47‧‧‧饋電元件
48‧‧‧饋電點
49‧‧‧端部
50‧‧‧天線元件
58‧‧‧饋電點
60‧‧‧天線元件
68‧‧‧饋電點
70‧‧‧接地平面
71‧‧‧外緣部
71a‧‧‧外緣部之一端
71b‧‧‧外緣部之另一端
72‧‧‧外緣部
73‧‧‧外緣部
74‧‧‧外緣部
100‧‧‧無線裝置
H2‧‧‧距離
L4‧‧‧長度
L7‧‧‧長度
X‧‧‧軸
Y‧‧‧軸
Z‧‧‧軸
θ‧‧‧仰角
圖1係表示天線指向性控制系統之一構成例之方塊圖。
圖2係表示包含饋電點互不相同之複數個天線元件之天線之一例的俯視圖。
圖3係表示天線之各構成之位置關係之一例之圖。
圖4係表示天線之相關係數之模擬結果之一例的特性圖。
圖5係表示天線之指向性之一例之特性圖。
圖6係表示包含饋電點互不相同之複數個天線元件之天線之一例的俯視圖。
圖7係表示天線之S參數之實驗結果之一例的特性圖。
圖8係表示天線之相關係數之實驗結果之一例的特性圖。
<天線指向性控制系統10之構成>
圖1係表示本發明之一實施形態之天線指向性控制系統10之構成例的方塊圖。天線指向性控制系統10例如係搭載於無線裝置100之天線系統。作為無線裝置100之例，可列舉移動體本身或內置於移動體之無線通訊裝置。作為移動體之例，可列舉可攜帶之可攜式終端裝置、汽車等車輛、機器人等。作為可攜式終端裝置之具體例，可列舉行動電話、智慧型手機、平板型電腦、遊戲機、電視、音樂或影像之播放器等電子機器。
天線指向性控制系統10包括具有複數個天線元件11、12之天線13、信號處理電路23、控制器24、及複數個權重控制電路21、22。天線元件11、12連接於互不相同之饋電點。
2個天線元件11、12可接收到來之電波(來波)或者可發送無線裝置100之信號，可藉由調整流至2個天線元件11、12之電流之振幅而控制作為天線13之指向性。
信號處理電路23係對藉由天線元件11、12接收來波而獲得之接收信號進行處理或者對無線裝置100之發送信號進行處理的電路。信號 處理電路23例如係對藉由天線元件11、12而獲得之接收信號進行放大及AD(analog to digital，類比-數位)轉換等高頻處理或基頻處理的電路。
控制器24係選擇MIMO空間多工模式或波束成形模式作為應用於天線13之傳輸模式的選擇機構之一例。控制器24係對權重控制電路21、22輸出與所選擇之傳輸模式對應之控制信號。
控制器24例如根據信號處理電路23使用天線元件11、12對天線元件11、12之周圍之電波環境進行測定所得之結果，選擇應用於天線13之傳輸模式。控制器24係於測定到適於MIMO空間多工模式之傳輸之電波環境之情形時，選擇MIMO空間多工模式作為應用於天線13之傳輸模式。於MIMO空間多工模式之情形時，天線13若具有複數個天線元件，則成為複數通道之MIMO天線。例如，若如圖1般存在2個天線元件11、12，則天線13成為2通道之MIMO天線。另一方面，控制器24係於測定到適於波束成形模式之傳輸之電波環境之情形時，選擇波束成形模式作為應用於天線13之傳輸模式。於波束成形模式之情形時，天線13成為可進行利用2個天線元件11、12之指向性控制的天線。
權重控制電路21、22係依據來自控制器24之控制信號而控制天線13之指向性的控制機構之一例。權重控制電路21、22係藉由控制天線元件11、12各自所接收或者發送之信號之振幅或相位等之權重，例如控制基於天線元件11及天線元件12之最大比合成之天線13之指向性。為了控制天線13之指向性，權重控制電路21、22例如調整流至天線元件11、12各自之饋電點之電流之電流值。
<天線1之構成>
圖2係模式性地表示本發明之一實施形態之天線1之構成之一例的俯視圖。天線1係圖1所示之天線13之一例。天線1包括接地平面 70、天線元件30、及天線元件40。
接地平面70係平面狀之導體圖案，於圖式中例示有於XY平面內延伸之長方形狀之接地平面70。接地平面70例如具有沿X軸方向呈直線狀延伸之外緣部71、72、及沿Y軸方向呈直線狀延伸之外緣部73、74。外緣部72係外緣部71之對邊，外緣部74係外緣部73之對邊。接地平面70例如與XY平面平行地配置，具有將與X軸方向平行之橫向之長度設為L7且將與Y軸方向平行之縱向之長度設為L4的長方形之外形。接地平面70係積層於基板25(參照圖3)，可配置於基板25之表層(外層)，亦可配置於基板25之內層。接地平面70係具有接地電位之接地部位。就易於獲取天線之阻抗匹配之方面而言，接地平面70較佳為具有特定值以上之面積之接地部位，但亦可為供安裝於基板25之電容器等安裝零件電性連接之接地部位。
天線元件30、40連接於互不相同之饋電點。天線元件30係連接於將外緣部71作為接地端之饋電點38，天線元件40係連接於與饋電點38同樣將外緣部71作為接地端之饋電點48。接地平面70係對於饋電點38與饋電點48而言共通之接地基準。
饋電點38與饋電點48係相互接近地配置。饋電點38係配置於較外緣部71之X軸方向之一端71a(於圖示之情形時，為外緣部71與外緣部74之交點)更靠近饋電點48的位置。饋電點48係配置於較外緣部71之X軸方向之另一端71b(於圖示之情形時，為外緣部71與外緣部73之交點)更靠近饋電點38的位置。藉由饋電點38與饋電點48相互接近地配置，可使連接於饋電點38、48各者之條狀導體相互靠近，因此可容易地縮小設置天線元件30、40所需之空間。
天線元件30係具有饋電元件37與輻射元件31之天線元件之一例，天線元件40係具有饋電元件47與輻射元件41之天線元件之一例。
天線元件30與天線元件40之形狀較佳為以與Y軸平行之直線為對 稱軸之線對稱(關於通過饋電點38與饋電點48之間之YZ平面線對稱)，以便能夠容易地控制天線1之指向性。於線對稱之情形時，饋電元件37之全長與饋電元件47之全長相等，輻射元件31之全長與輻射元件41之全長相等。
饋電元件37係連接於將接地平面70作為接地基準之饋電點38的饋電元件之一例。饋電元件37係可對輻射元件31以非接觸之形式高頻耦合而饋電的線狀導體。於圖式中例示有如下饋電元件37，該饋電元件37藉由相對於外緣部71呈直角且沿與Y軸平行之方向延伸的直線狀導體、及和與X軸平行之外緣部71並行地延伸的直線狀導體而形成為L字狀。於圖示之情形時，饋電元件37係以饋電點38為起點沿Y軸方向延伸後朝X軸方向彎折，並延伸至X軸方向上之延伸之端部39為止。端部39係未連接其他導體之開放端。饋電元件37並不限於圖示之形狀。
饋電點38係連接於利用接地平面70之特定之傳輸路線或饋電線等的饋電部位。作為特定之傳輸路線之具體例，可列舉微帶線、帶狀線、附有接地平面之共平面波導(於與導體面為相反側之表面配置有接地平面之共平面波導)等。作為饋電線，可列舉饋線或同軸電纜。
輻射元件31係與饋電元件37分離而配置且藉由與饋電元件37產生電磁場耦合而被饋電而作為輻射導體發揮功能的輻射元件之一例。輻射元件31係具有自饋電元件37以非接觸之形式接受饋電之饋電部36的線狀導體。
於圖式中例示有形成為L字狀之輻射元件31。L字狀之輻射元件31具有與外緣部71分離而配置且以沿著外緣部71之方式於X軸方向延伸的導體部分31a、及與外緣部74分離而配置且以沿著外緣部74之方式於Y軸方向延伸的導體部分31b。於圖式中例示有L字狀之輻射元件31，但輻射元件31之形狀亦可為一條直線狀、弓形狀等其他形狀。
藉由使輻射元件31具有沿著外緣部71之導體部分31a或者具有沿著外緣部74之導體部分31b，例如可容易地調整天線元件30之指向性。
又，藉由使導體部分31a以與導體部分41b延伸之Y軸方向正交之方式沿X軸方向延伸，例如可容易地控制天線1之指向性。同樣地，藉由使導體部分31b以與導體部分41a延伸之X軸方向正交之方式沿Y軸方向延伸，例如可容易地控制天線1之指向性。
由於饋電點38與饋電點48共通地利用之接地平面70位於輻射元件31之導體部分31b與輻射元件41之導體部分41b之間，故而例如可容易地控制天線1之指向性。
輻射元件31與饋電元件37只要分開能夠以饋電元件37可對輻射元件31以非接觸之形式饋電之方式產生電磁場耦合的距離，則於X軸、Y軸或Z軸方向等任意方向上之俯視下重複或者不重複均可。
饋電元件37與輻射元件31係以相互之間可產生電磁場耦合之距離分離而配置。輻射元件31具有自饋電元件37接受饋電之饋電部36。輻射元件31係利用饋電部36經由饋電元件37藉由電磁場耦合以非接觸之形式被饋電。藉由以此方式被饋電，輻射元件31係作為天線元件30之輻射導體發揮功能。
如圖所示，於輻射元件31為連結2點間之線狀導體之情形時，於輻射元件31上形成與半波長偶極天線相同之諧振電流(分佈)。即，輻射元件31係作為以特定頻率之半波長諧振之偶極天線發揮功能(以下，稱為偶極模式)。
所謂電磁場耦合係指利用電磁場之共振現象之耦合，例如揭示於非專利文獻(A.Kurs,et al,“Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances,”Science Express,Vol.317,No.5834,pp.83-86,Jul.2007)中。電磁場耦合亦稱為電磁場諧振耦合或電磁場 共振耦合，其係如下技術：若使以相同頻率諧振之諧振器彼此接近而使一諧振器諧振，則經由諧振器間所形成之近場(非輻射場區域)中之耦合而對另一諧振器傳輸能量。又，所謂電磁場耦合係指除靜電電容耦合或基於電磁感應之耦合以外的高頻下之電場及磁場之耦合。再者，此處之「除靜電電容耦合或基於電磁感應之耦合以外」並非指將該等耦合全部除外，而係指該等耦合小至不造成影響之程度。饋電元件37與輻射元件31之間之介質可為空氣，亦可為玻璃或樹脂材料等介電體。再者，較佳為於饋電元件37與輻射元件31之間不配置接地平面或顯示器等之導電性材料。
藉由使饋電元件37與輻射元件31產生電磁場耦合，可獲得耐衝擊之構造。即，藉由利用電磁場耦合，可不使饋電元件37與輻射元件31物理性接觸，而使用饋電元件37對輻射元件31饋電，因此，與需要物理性接觸之接觸饋電方式相比，可獲得耐衝擊之構造。
藉由使饋電元件37與輻射元件31產生電磁場耦合，能夠以簡單之構成實現非接觸饋電。即，藉由利用電磁場耦合，可不使饋電元件37與輻射元件31物理性接觸，而使用饋電元件37對輻射元件31饋電，因此，與需要物理性接觸之接觸饋電方式相比，能夠以簡單之構成進行饋電。又，藉由利用電磁場耦合，即便不構成電容板等多餘之零件，亦可使用饋電元件37對輻射元件31饋電，因此，與利用靜電電容耦合進行饋電之情形相比，能夠以簡單之構成進行饋電。
又，利用電磁場耦合進行饋電之情形與利用靜電電容耦合或磁場耦合進行饋電之情形相比，即便延長饋電元件37與輻射元件31之相隔距離(耦合距離)，輻射元件31之動作增益(天線增益)亦不易降低。此處，所謂動作增益係指以天線之輻射效率×回波損耗算出之量且定義為相對於輸入功率之天線之效率之量。因此，藉由使饋電元件37與輻射元件31產生電磁場耦合，可提高決定饋電元件37與輻射元件31之 配置位置之自由度，亦可提高位置穩固性。再者，位置穩固性較高係指即便饋電元件37及輻射元件31之配置位置等偏移，對輻射元件31之動作增益造成之影響亦較低。又，由於決定饋電元件37與輻射元件31之配置位置之自由度較高，故而於可容易地縮小設置天線元件30所需之空間之方面有利。
又，於圖示之情形時，饋電元件37對輻射元件31饋電之部位即饋電部36位於輻射元件31之一端部34與另一端部35之間之中央部33以外之部位(中央部33與端部34或端部35之間之部位)。藉由如此般使饋電部36位於輻射元件31之基本模式之諧振頻率下成為最低阻抗之部分(於此情形時為中央部33)以外的輻射元件31之部位，可容易地獲取天線元件30之匹配。饋電部36係以輻射元件31與饋電元件37最接近之輻射元件31之導體部分中距饋電點38最近之部分定義的部位。
輻射元件31之阻抗隨著自輻射元件31之中央部33朝端部34或端部35側離開而變高。於電磁場耦合中之高阻抗之耦合之情形時，即便饋電元件37與輻射元件31間之阻抗稍微產生變化，只要以固定程度以上之高阻抗耦合，則對阻抗匹配之影響亦較小。因此，為了容易地獲取匹配，輻射元件31之饋電部36較佳為位於輻射元件31之高阻抗之部分。
例如，為了容易地獲取天線元件30之阻抗匹配，饋電部36較佳為位於與輻射元件31之基本模式之諧振頻率下成為最低阻抗之部分(於此情形時為中央部33)相距輻射元件31之全長之1/8以上(較佳為1/6以上，進而較佳為1/4以上)之距離的部位。於圖示之情形時，輻射元件31之全長相當於L1+L5(參照圖3)，饋電部36相對於中央部33位於端部34側。
又，於將輻射元件31之基本模式之諧振頻率中之真空中之電波波長設為λ0的情形時，饋電部36與接地平面70之最短距離D1為 0.0034λ0以上0.21λ0以下。最短距離D1更佳為0.0043λ0以上0.199λ0以下，進而較佳為0.0069λ0以上0.164λ0以下。藉由將最短距離D1設定於如上所述之範圍，於提高輻射元件31之動作增益之方面有利。又，由於最短距離D1未達(λ0/4)，故而天線元件30不產生圓極化波而產生直線極化波。
再者，所謂最短距離D1係相當於將饋電部36與外緣部71之最接近部分利用直線連結的距離，此情形時之外緣部71係作為連接於對饋電部36饋電之饋電元件37之饋電點38之接地基準的接地平面70之外緣部。又，輻射元件31與接地平面70可位於同一平面上，亦可位於不同平面上。又，輻射元件31可配置於相對於配置有接地平面70之平面平行之平面，亦可配置於相對於配置有接地平面70之平面以任意之角度交叉之平面。
又，於將輻射元件31之基本模式之諧振頻率中之真空中之電波波長設為λ0的情形時，饋電元件37與輻射元件31之最短距離D2較佳為0.2×λ0以下(更佳為0.1×λ0以下，進而較佳為0.05×λ0以下)。藉由將饋電元件37與輻射元件31僅分開如上所述之最短距離D2而配置，於提高輻射元件31之動作增益之方面有利。
再者，所謂最短距離D2係相當於將饋電部36與對饋電部36饋電之饋電元件37之最接近部分利用直線連結的距離。又，關於饋電元件37與輻射元件31，只要兩者產生電磁場耦合，則自任意方向觀察時，交叉或者不交叉均可，其交叉角度亦可為任意之角度。又，輻射元件31與饋電元件37可位於同一平面上，亦可位於不同平面上。又，輻射元件31可配置於相對於配置有饋電元件37之平面平行之平面，亦可配置於相對於配置有饋電元件37之平面以任意之角度交叉之平面。
又，饋電元件37與輻射元件31以最短距離D2並行之距離較佳為輻射元件31之物理長度之3/8以下。更佳為1/4以下，進而較佳為1/8以 下。
成為最短距離D2之位置係饋電元件37與輻射元件31之耦合較強之部位，若以最短距離D2並行之距離較長，則與輻射元件31之阻抗較高之部分與較低之部分之兩者較強地耦合，因此，有無法獲取阻抗匹配之情形。因此，為了僅與輻射元件31之阻抗之變化較少之部位較強地耦合，以最短距離D2並行之距離較短係於阻抗匹配之方面較有利。
又，於將賦予饋電元件37之諧振之基本模式之電氣長度設為Le37，將賦予輻射元件31之諧振之基本模式之電氣長度設為Le31，將輻射元件31之基本模式之諧振頻率f1中之饋電元件37或輻射元件31上之波長設為λ時，較佳為Le37為(3/8)．λ以下且Le31為(3/8)．λ以上(5/8)．λ以下。
又，由於以外緣部71沿著輻射元件31之方式形成有接地平面70，故而饋電元件37可藉由與外緣部71之相互作用而於饋電元件37與接地平面70上形成諧振電流(分佈)，與輻射元件31共振而產生電磁場耦合。因此，饋電元件37之電氣長度Le37之下限值並無特別限定，只要為饋電元件37能夠與輻射元件31物理性地電磁場耦合之程度之長度即可。
又，於欲對饋電元件37之形狀賦予自由度之情形時，上述Le37更佳為(1/8)．λ以上(3/8)．λ以下，特佳為(3/16)．λ以上(5/16)．λ以下。若Le37為該範圍內，則饋電元件37以輻射元件31之設計頻率(諧振頻率f1)良好地諧振，因此，不依存於接地平面70而饋電元件37與輻射元件31共振而獲得良好之電磁場耦合，因而較佳。
再者，實現電磁場耦合意味著獲得匹配。又，於此情形時，饋電元件37無須根據輻射元件31之諧振頻率f而設計電氣長度，而可將饋電元件37作為輻射導體自由地設計，因此，可容易地實現天線元件 30之多頻化。
再者，於不包含匹配電路等之情形時，當將輻射元件之基本模式之諧振頻率中之真空中之電波之波長設為λ0，並將安裝環境之波長縮短效應之縮短率設為k1時，饋電元件37之物理長度L37(於圖示之情形時相當於L2+L3)係根據λg1=λ0．k1而決定。此處，k1係根據饋電元件37之環境之有效相對介電常數(εr1)及有效相對磁導率(μr1)等設置有饋電元件之介電體基材等之媒質(環境)之相對介電常數、相對磁導率、及厚度、諧振頻率等算出的值。即，L37為(3/8)．λg1以下。再者，縮短率可根據上述物性算出，亦可藉由實際測量而求得。例如，亦可測定設置於欲測定縮短率之環境之成為對象之元件之諧振頻率，並於任意之每一頻率之縮短率已知之環境下測定相同元件之諧振頻率，根據該等諧振頻率之差算出縮短率。
饋電元件37之物理長度L37為賦予Le37之物理長度，於不包含其他要素之理想之情形時，與Le37相等。於饋電元件37包含匹配電路等之情形時，L37較佳為大於零且Le37以下。L37可藉由利用電感器等之匹配電路而縮短(縮小尺寸)。
又，輻射元件31之諧振之基本模式為偶極模式(如輻射元件31之兩端為開放端之線狀之導體)，上述Le31較佳為(3/8)．λ以上(5/8)．λ以下，更佳為(7/16)．λ以上(9/16)．λ以下，特佳為(15/32)．λ以上(17/32)．λ以下。又，若考慮高次模式，則上述Le31較佳為(3/8)．λ．m以上(5/8)．λ．m以下，更佳為(7/16)．λ．m以上(9/16)．λ．m以下，特佳為(15/32)．λ．m以上(17/32)．λ．m以下。其中，m為高次模式之模式數，為自然數。m較佳為1~5之整數，特佳為1~3之整數。m=1之情形為基本模式。若Le31為該範圍內，則輻射元件31充分作為輻射導體發揮功能，天線元件30之效率良好而較佳。
再者，當將輻射元件之基本模式之諧振頻率中之真空中之電波 之波長設為λ0，並將安裝環境之縮短效應之縮短率設為k2時，輻射元件31之物理長度L31係根據λg2=λ0．k2而決定。此處，k2係根據輻射元件31之環境之有效相對介電常數(εr2)及有效相對磁導率(μr2)等設置有輻射元件之介電體基材等之媒質(環境)之相對介電常數、相對磁導率、及厚度、諧振頻率等算出的值。即，L31較理想為(1/2)．λg2。輻射元件31之長度L31較佳為(1/4)．λg2以上(3/4)．λg2以下，進而較佳為(3/8)．λg2以上(5/8)．λg2以下。
輻射元件31之物理長度L31係賦予Le31之物理長度，於不包含其他要素之理想之情形時，與Le31相等。L31即便藉由利用電感器等之匹配電路而縮短，亦較佳為大於零且Le31以下，特佳為Le31之0.4倍以上1倍以下。藉由將輻射元件31之長度L31調整為如上所述之長度，於提高輻射元件31之動作增益之方面有利。
又，於如圖所示可利用饋電元件37與接地平面70之外緣部71之相互作用的情形時，亦可使饋電元件37作為輻射導體發揮功能。輻射元件31係藉由利用饋電部36以非接觸之形式利用電磁場耦合被饋電元件37饋電而作為例如λ/2偶極天線發揮功能的輻射導體。另一方面，饋電元件37係可對輻射元件31饋電之線狀之饋電導體，且係藉由在饋電點38被饋電而亦可作為單極天線(例如λ/4單極天線)發揮功能的輻射導體。將輻射元件31之諧振頻率設定為f1，將饋電元件37之諧振頻率設定為f2，若作為以頻率f2諧振之單極天線而調整饋電元件37之長度，則可利用饋電元件之輻射功能，從而可容易地實現天線元件30之多頻化。
於不包含匹配電路等之情形時，當將饋電元件37之諧振頻率f2中之真空中之電波之波長設為λ1，並將安裝環境之縮短效應之縮短率設為k1時，利用饋電元件37之輻射功能時之物理長度L37係根據λg3=λ1．k1而決定。此處，k1係根據饋電元件37之環境之有效相對介電常數 (εr1)及有效相對磁導率(μr1)等設置有饋電元件之介電體基材等之媒質(環境)之相對介電常數、相對磁導率、及厚度、諧振頻率等算出的值。即，L37為(1/8)．λg3以上(3/8)．λg3以下，較佳為(3/16)．λg3以上(5/16)．λg3以下。
再者，亦可利用一個饋電元件37對複數個輻射元件饋電。藉由利用複數個輻射元件，易於實施多頻帶化、寬頻帶化、指向性調整等。又，亦可將複數個天線1搭載於一個無線裝置。
由於天線元件40具有與天線元件30相同之構成，故而天線元件40之說明引用天線元件30之說明。
圖3係模式性地表示天線1之各構成之Z軸方向之位置關係(與Z軸平行之高度方向之位置關係)的圖。饋電元件37、輻射元件31及接地平面70中之至少兩個可為相互間具有配置於不同高度之部分之導體，亦可為相互間具有配置於同一高度之部分之導體。
饋電元件37係配置於基板25之與輻射元件31對向之側之表面。然而，饋電元件37亦可配置於基板25之和與輻射元件31對向之側為相反側之表面，亦可配置於基板25之側面，亦可配置於基板25之內部，亦可配置於基板25以外之構件。
接地平面70係配置於基板25之和與輻射元件31對向之側為相反側之表面。然而，接地平面70亦可配置於基板25之與輻射元件31對向之側之表面，亦可配置於基板25之側面，亦可配置於基板25之內部，亦可配置於基板25以外之構件。
基板25具有饋電元件37、饋電點38、及作為饋電點38之接地基準之接地平面70。又，基板25具有具備連接於饋電點38之條狀導體27之傳輸路線。條狀導體27例如係以於與接地平面70之間插入基板25之方式形成於基板25之表面的信號線。
輻射元件31係與饋電元件37分離而配置，例如如圖所示，設置 於與基板25相距距離H2而與基板25對向之基板26。輻射元件31係配置於基板26之與饋電元件37對向之側之表面。然而，輻射元件31亦可配置於基板26之和與饋電元件37對向之側為相反側之表面，亦可配置於基板26之側面，亦可配置於基板26以外之構件。
基板25或基板26係例如與XY平面平行地配置且將介電體、磁性體、或介電體與磁性體之混合物作為基材的基板。作為介電體之具體例，可列舉樹脂、玻璃、玻璃陶瓷、LTCC(Low Temperature Co-Fired Ceramics，低溫共燒陶瓷)、氧化鋁等。作為介電體與磁性體之混合物之具體例，只要具有含有Fe或Ni、Co等過渡元素、Sm或Nd等稀土類元素之金屬或氧化物中之任一種即可，例如可列舉六方晶系鐵氧體、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、鎳鐵合金、SENDUST(註冊商標)等。
於天線1搭載於具有顯示器之可攜式無線裝置之情形時，基板26例如可為整面地覆蓋顯示器之圖像顯示面之覆蓋玻璃，亦可為固定基板25之殼體(尤其是底面、側面等)。覆蓋玻璃係透明或者以使用者能夠視認顯示於顯示器之圖像之程度半透明的介電體基板，且係積層配置於顯示器上之平板狀之構件。
於輻射元件31設置於覆蓋玻璃之表面之情形時，輻射元件31較佳為將銅或銀等之導電膏塗佈於覆蓋玻璃之表面並進行焙燒而形成。作為此時之導電膏，較佳為利用能夠以用於覆蓋玻璃之化學強化玻璃之強化不變弱之程度之溫度焙燒的能夠低溫焙燒之導電膏。又，為了防止因氧化導致之導體之劣化，亦可實施鍍敷等。又，亦可對覆蓋玻璃實施裝飾印刷，亦可於經裝飾印刷之部分形成導體。又，於為了遮蔽配線等而於覆蓋玻璃之周緣形成有黑色遮蔽膜之情形時，輻射元件31亦可形成於黑色遮蔽膜上。
於MIMO空間多工模式下，較佳為複數個天線元件間之相關係數 較低。於MIMO空間多工模式之情形時，只要為可獲得充分之多路之環境便可確保良好之通訊，因此，並非相關係數越低越佳，只要低於某個固定之相關係數即可。
圖2之天線1具備天線元件30與天線元件40之間之相關係數於諧振頻率變低的天線特性。其原因在於：即便天線元件30與天線元件40相互接近，饋電元件37與輻射元件31亦產生電磁場耦合，饋電元件47與輻射元件41亦產生電磁場耦合。
例如，於將天線1之基本模式之諧振頻率以成為1.8GHz附近之方式設計的情形時，可獲得如圖4所示之特性圖。圖4係表示以基本模式之諧振頻率成為1.8GHz附近之方式設計之天線1中天線元件30與天線元件40之間之相關係數與頻率之關係的圖。相關係數係利用將饋電點38設為天線端口1且將饋電點48設為天線端口2之情形時之S參數如下式般計算。
如根據圖4明確可知，天線元件30與天線元件40之間之相關係數於諧振頻率1.8GHz附近降低至零附近。於以諧振頻率與UHF(Ultra High Frequency，超高頻)頻段或SHF(Super High Frequency，極高頻)頻段中包含之其他頻率一致之方式設計天線1的情形時，亦獲得相同之結果。
另一方面，波束成形模式係使指向性朝向最大增益方向，利用複數個天線元件同時傳輸相同之資訊的方式，因此，較佳為複數個天線元件之合成增益之最大值較高。因此，只要能夠變更複數個天線元 件之最大合成增益之方向，便可形成適於波束成形模式之傳輸之指向性圖案。
天線1亦具備如下天線特性，即，可藉由使流至饋電點38之信號之振幅與流至饋電點48之信號之振幅不同，而變更合併天線元件30與天線元件40所得之最大合成增益之方向。例如，於將天線1之基本模式之諧振頻率以成為1.8GHz附近之方式設計的情形時，可獲得如圖5所示之特性圖。圖5係表示天線1之基本模式之諧振頻率(設定在1.8GHz附近)之主極化波中(仰角θ=90°)之指向性增益與方位角度之關係的圖。
仰角θ表示在通過饋電點38與饋電點48之中點和接地平面70之中心點之YZ平面內與Y軸方向所成的角度。圖5之橫軸之方位角度表示在通過接地平面70之中心點之ZX平面內與接地平面70之法線方向所成的角度。圖5之縱軸之指向性增益表示天線元件30與天線元件40之合成增益。
於圖5中，振幅1、振幅0.8、振幅0.5、振幅0.3、振幅0.1分別表示將流至饋電點38之信號之振幅設為1時流至饋電點48之信號之振幅之大小。又，流至饋電點38之信號之相位與流至饋電點48之信號之相位為同相。
如根據圖5明確可知，天線元件30與天線元件40之最大合成增益之方向(指向性增益之最大值之方向)藉由使流至饋電點38之信號之振幅與流至饋電點48之信號之振幅不同而產生變化。於將諧振頻率設計為UHF頻段或SHF頻段中包含之其他頻率之情形時，亦獲得相同之結果。
再者，關於圖4、5之測定時之圖2、3所示之各部之尺寸，若將單位設為mm，則
L1：20.975
L2：15.9
L3：8.025
L4：68.2
L5：33.6
L6：120
L7：38.75
L8：60
饋電元件37、47之導體寬度：1
輻射元件31、41之導體寬度：1
H1：0.8
H2：2.0
H3：1.1。
基板25、26之相對介電常數為3.3且tanδ=0.003。
因此，於圖1、2中，於藉由控制器24選擇MIMO空間多工模式作為應用於天線1之傳輸模式的情形時，關於天線1，可使天線1作為天線元件30與天線元件40之間之相關係數較低且能夠相互獨立地使用的較佳之2通道之MIMO天線動作。
另一方面，於藉由控制器24選擇波束成形模式作為應用於天線1之傳輸模式的情形時，權重控制電路21、22係將天線1之指向性控制為適合於波束成形模式之傳輸之圖案。藉由權重控制電路21、22調整流至饋電點38、48之信號之振幅之比，可變更合併天線元件30與天線元件40所得之最大合成增益之方向。因此，天線指向性控制系統10可使天線1作為使用天線元件30與天線元件40之一個指向性可變天線動作。
於藉由控制器24選擇波束成形模式作為應用於天線1之傳輸模式的情形時，權重控制電路21、22例如於使流至饋電點38之信號之振幅 固定之狀態下增大或者減小地調整流至饋電點48之信號之振幅。然而，權重控制電路21、22亦可於使流至饋電點48之信號之振幅固定之狀態下增大或者減小地調整流至饋電點38之信號之振幅，亦可同時增大或者減小地調整流至饋電點38之信號之振幅及流至饋電點48之信號之振幅。
於藉由控制器24選擇波束成形模式作為應用於天線1之傳輸模式的情形時，權重控制電路21、22例如一面將流至饋電點38、48之信號之相位控制為相互同相，一面調整流至饋電點38、48之信號之振幅。然而，權重控制電路21、22亦可不對流至饋電點38、48之信號之相位進行控制而是保持互不相同之相位，在此狀態下調整流至饋電點38、48之信號之振幅。
<天線2之構成>
圖6係模式性地表示本發明之其他實施形態之天線2之構成之一例的俯視圖。天線2係圖1中所示之天線13之一例。省略關於與上述實施形態相同之構成之說明。天線2包括接地平面70、及4個天線元件30、40、50、60。
天線2與圖2之天線1之不同點在於，與天線元件30、40相同構成之天線元件50、60關於接地平面70線對稱地配置。
天線2具備如下天線特性：天線元件30與天線元件40及天線元件50與天線元件60之間之相關係數於諧振頻率變低。而且，天線2亦具備如下天線特性：藉由使流至饋電點38之信號之振幅與流至饋電點48之信號之振幅不同，可變更合併天線元件30與天線元件40所得之最大合成增益之方向。而且，天線2亦具備如下天線特性：藉由使流至饋電點58之信號之振幅與流至饋電點68之信號之振幅不同，可變更合併天線元件50與天線元件60所得之最大合成增益之方向。
因此，天線指向性控制系統10可使天線2作為相互獨立地使用天 線元件30、40、50、60之4通道之MIMO天線動作。而且，天線指向性控制系統10可使天線2作為包含使用天線元件30與天線元件40之第1指向性可變天線、及使用天線元件50與天線元件60之第2指向性可變天線的兩個指向性可變天線動作。
實施例
接下來，利用圖7、8表示實際製作天線1並對天線元件30與天線元件40之間之相關係數於諧振頻率變低之情況進行實驗所得的結果。
再者，關於圖7、8時之圖2、3所示之各部之尺寸，若將單位設為mm，則
L1：14
L2：11
L3：5.7
L4：50
L5：25
L6：120
L7：28.5
L8：60
饋電元件37、47之導體寬度：0.5
輻射元件31、41之導體寬度：0.5
輻射元件31之端部34與輻射元件41之端部44之最短距離：4
饋電元件37之導體寬度中心與饋電元件47之導體寬度中心之間之X軸方向之最短距離：4
H1：0.8
H2：2.0
H3：1.0。
基板25、26之相對介電常數為3.3且tanδ=0.003。天線元件30與 天線元件40之形狀係關於通過饋電點38與饋電點48之間之YZ平面線對稱。
圖7表示對表示本實驗中之天線1之兩個天線端口處之反射係數之S11及S22進行測定所得的結果之一例，本實驗中之天線1具有約2.5GHz之諧振頻率。圖8表示根據本實驗中之天線1之兩個天線端口間之S參數如上式般計算所得的相關係數之一例，表示天線元件30與天線元件40之間之相關係數於2.5GHz附近降低至零附近。亦即，天線1作為於約2.5GHz附近動作之MIMO天線而較佳地發揮功能。
以上，利用實施形態對天線指向性控制系統進行了說明，但本發明並不限定於上述實施形態。可在本發明之範圍內進行與其他實施形態之一部分或全部之組合或置換等各種變化及改良。
本國際申請案係基於2014年1月20日提出申請之日本專利申請案第2014-008169號而主張優先權者，並將日本專利申請案第2014-008169號之所有內容引用於本國際申請案中。
10‧‧‧天線指向性控制系統
11‧‧‧天線元件
12‧‧‧天線元件
13‧‧‧天線
21‧‧‧權重控制電路
22‧‧‧權重控制電路
23‧‧‧信號處理電路
24‧‧‧控制器
100‧‧‧無線裝置

Claims (15)

  1. 一種天線指向性控制系統，其包括：天線，其包含饋電點互不相同之複數個天線元件；及控制機構，其控制上述天線元件之權重；上述複數個天線元件分別包含連接於饋電點之饋電元件、及藉由與上述饋電元件產生電磁場耦合而被饋電作為輻射導體發揮功能的輻射元件；且上述控制機構係調整上述饋電點各者中之信號之振幅而控制上述天線之指向性。
  2. 如請求項1之天線指向性控制系統，其包括選擇機構，該選擇機構選擇MIMO空間多工模式或波束成形模式作為應用於上述天線之傳輸模式；上述控制機構係於上述傳輸模式為波束成形模式之情形時，控制上述天線之指向性。
  3. 如請求項1或2之天線指向性控制系統，其中上述控制機構以不對上述信號之相位進行控制之方式調整上述振幅。
  4. 如請求項1至3中任一項之天線指向性控制系統，其中上述控制機構係於上述信號之相位為同相之狀態下調整上述振幅。
  5. 如請求項1至4中任一項之天線指向性控制系統，其中上述複數個天線元件各自之饋電點係相互接近地配置。
  6. 如請求項1至5中任一項之天線指向性控制系統，其中上述複數個天線元件之形狀線對稱。
  7. 如請求項1至6中任一項之天線指向性控制系統，其中對於上述複數個天線元件各自之饋電點共通之接地基準即接地平面係位於上述複數個天線元件各自之輻射元件之間。
  8. 如請求項1至7中任一項之天線指向性控制系統，其中於將賦予上述饋電元件之諧振之基本模式之電氣長度設為Le37、將賦予上述輻射元件之諧振之基本模式之電氣長度設為Le31、將上述輻射元件之基本模式之諧振頻率下之上述饋電元件或上述輻射元件上之波長設為λ時，Le37為(3/8)．λ以下，且Le31為(3/8)．λ以上(5/8)．λ以下。
  9. 如請求項1至8中任一項之天線指向性控制系統，其中於將上述輻射元件之基本模式之諧振頻率下之真空中之波長設為λ0的情形時，上述饋電元件與上述輻射元件之最短距離為0.2×λ0以下。
  10. 如請求項1至9中任一項之天線指向性控制系統，其中上述輻射元件包含接受來自上述饋電元件之饋電之饋電部；上述饋電部位於上述輻射元件之基本模式之諧振頻率下成為最低阻抗之部分以外。
  11. 如請求項1至10中任一項之天線指向性控制系統，其中上述輻射元件包含接受來自上述饋電元件之饋電之饋電部；上述饋電部位於與上述輻射元件之基本模式之諧振頻率下成為最低阻抗之部分相距上述輻射元件之全長之1/8以上之距離的部位。
  12. 如請求項1至11中任一項之天線指向性控制系統，其中上述饋電元件與上述輻射元件以最短距離並行之距離為上述輻射元件之長度之3/8以下。
  13. 如請求項1至12中任一項之天線指向性控制系統，其中上述輻射元件包含接受來自上述饋電元件之饋電之饋電部；於將上述輻射元件之基本模式之諧振頻率下之真空中之波長設為λ0的情形時， 上述饋電部與上述饋電點之接地基準即接地平面之最短距離為0.0034λ0以上0.21λ0以下。
  14. 如請求項2之天線指向性控制系統，其中上述選擇機構係根據上述複數個天線元件之周圍之電波環境而選擇上述傳輸模式。
  15. 一種無線裝置，其包括如請求項1至14中任一項之天線指向性控制系統。
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