專利名稱：指向性可變天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在利用微波、毫米波等高頻電磁波的裝置中使用的指 向性可變天線。
背景技術(shù)：
搭載于移動電話的鞭狀天線等線狀天線，通常，被設(shè)計為在通話 時立起保持終端的情況下使得天線相對于大地垂直。此時，相對線狀 的供電導(dǎo)體在垂直的平面(水平面)內(nèi)具有各向同性的指向性。在圖
14中表示該狀態(tài)。相對大地直立的終端1021的天線輻射指向性1031 相對大地(水平面)為平行的方向，由此能夠在寬廣范圍內(nèi)得到輻射 增益，因此便于和基地局1001連接。
但是，在將移動電話用作信息終端的情況下，常將終端放倒加以 使用。這樣相對大地放倒的終端1022的線狀天線的供電導(dǎo)體的方向近 似水平，獲得輻射增益的方向傾斜，因此擔心不能夠得到朝向基地局 1001的方向的輻射增益，通信靈敏度下降。
為了解決該問題，需要使天線的輻射增益在包括天線的較長方向 的平面(垂直面)內(nèi)變化的輻射指向性(1033所示)。
此外，當為主要在房屋中使用的無線LAN時，人的來往會妨礙電 波，或由于多路徑(multi-path)的衰減產(chǎn)生通信難以確立的場所。因 為當通信所利用的頻率上升時電磁波的繞射會變?nèi)?，所以在此情況下 該傾向尤其顯著。因此，在利用更高頻率的通信方式被一般化時成為 較大的問題。
作為解決這些問題的一個方法，存在下述方法提高能夠接收直 接到來波然后確立通信的方向的天線的輻射增益，降低妨礙波到來的 方向的增益，從而抑制干涉，提高通信的靈敏度。為此，需要能夠根 據(jù)電波傳送的狀況變更輻射指向性的天線。
另一方面，利用單極天線、偶極天線(dipole antenna)等線狀導(dǎo)體的天線相對于旋轉(zhuǎn)對稱軸(較長方向)具有軸對稱的輻射指向性。對 于這樣的天線，關(guān)于與無供電導(dǎo)體元件并用并使水平面內(nèi)的指向性改 變的天線提出有很多方案，例如專利文獻1等。
這樣的天線為了使設(shè)置在供電元件的外側(cè)的無供電無件和供電元 件的耦合度最佳化并加以利用，必須相隔從半波長到四分之一波長左 右的距離，因此存在天線整體的占用體積容易大型化的問題。
作為改善這種問題的技術(shù)的一個例子，存在專利文獻2。在圖16 中表示該技術(shù)。該發(fā)明是一種天線裝置，除了線狀的供電導(dǎo)體元件163 以外，在以供電導(dǎo)體元件163為中心的圓周上至少配置有兩根以上的 線狀導(dǎo)體，該線狀導(dǎo)體為通過開關(guān)元件165至少連接有兩個長度不同 的線狀導(dǎo)體164和166的結(jié)構(gòu)，該天線裝置還具有用于驅(qū)動開關(guān)元件 165的與控制部連接的連接單元(169和160)，控制部設(shè)置有驅(qū)動任意 的上述開關(guān)元件從而開關(guān)該開關(guān)元件的單元。
根據(jù)專利文獻2，在通過無供電的線狀導(dǎo)體元件的開關(guān)設(shè)定規(guī)定的 長度從而作為波導(dǎo)器起作用的情況下，能夠使輻射指向性朝向設(shè)置有 波導(dǎo)器的方向，能夠控制水平面內(nèi)的輻射特性。
此外，不使用的無供電線狀導(dǎo)體通過開關(guān)能夠成為對規(guī)定的電磁 波不造成影響的長度，因此具有能夠使無供電線狀導(dǎo)體接近供電導(dǎo)體 元件配置，從而能夠使天線在供電導(dǎo)體元件的周圍占用的空間小型化 的優(yōu)點。
假設(shè)將這樣的天線搭載于移動電話等便攜式無線通信終端，則即 使保持的姿勢改變或通信狀態(tài)改變時，通過控制輻射指向性，也能夠 改善天線的增益，能夠期待提高通信靈敏度的效果。
但是，根據(jù)專利文獻2所述的技術(shù)，存在只能實現(xiàn)水平面內(nèi)的輻 射指向性控制，不能夠進行垂直面內(nèi)的輻射指向性控制的問題。為了 使垂直面內(nèi)的輻射指向性改變，通過在其較長方向上排列多個供電元 件，形成陣列(共線陣列)，能夠?qū)崿F(xiàn)控制元件間的相位。該技術(shù)的一 個例子公開在專利文獻3中。以下參照圖18說明專利文獻3中公開的技術(shù)。
圖18所示的天線包括夾著電介質(zhì)181且配設(shè)成同心圓狀的一對 圓筒導(dǎo)體189、 180;在上述一對圓筒導(dǎo)體189、 180中的外側(cè)的圓筒導(dǎo)
體189上以不足0.7波長的間隔周期性設(shè)置的多個環(huán)狀槽縫182;在該 多個環(huán)狀槽縫182的周圍分別夾著各槽縫對稱配設(shè)的由圓筒形裙形件 (skirt)形成的多個半波長偶極天線元件183;和同軸供電線184，該 同軸供電線184以貫通上述一對圓筒導(dǎo)體中的內(nèi)側(cè)的圓筒導(dǎo)體180的 內(nèi)部的方式設(shè)置、且具有與上述一對圓筒導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)和外側(cè)的圓筒導(dǎo) 體189、 180分別導(dǎo)通的外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體。
通過周期性排列的環(huán)狀槽縫182，能夠以在鄰近的天線元件183 間產(chǎn)生一定的相位差的方式進行供電，因此能夠?qū)崿F(xiàn)垂直面的波束傾 斜。
但是，在專利文獻3公開的技術(shù)中，除了不能夠控制水平面內(nèi)的 輻射指向性之外，還多層縱向排列天線元件，因此與排列的層數(shù)相應(yīng) 地天線裝置大型化，不適于搭載在要求小型化的便攜式無線通信終端上。
作為解決該問題的其他技術(shù)，存在專利文獻4。在圖17中說明該
發(fā)明。該發(fā)明是一種線狀天線，其特征在于，包括線狀輻射元件(供 電元件)170;以與供電元件平行且保持一定的距離的方式配置的、一 個即具有所期望的送信頻率的半波長的長度或兩個以上的元件通過開 關(guān)172連接而具有長度的至少一個線狀無供電元件173;和與上述線狀 輻射元件170的一端靠近配置且具有相互平行的兩個臂部的U字型供 電元件171，上述U字型無供電元件171在從與包括上述兩個臂部的 平面垂直的方向看時，配置為上述線狀輻射元件170的一端從該腕部 的端部一側(cè)插入上述兩個臂部之間。
根據(jù)專利文獻4，通過將線狀無供電元件173分割為多個并通過開 關(guān)172連接，能夠在垂直面和水平面這兩面內(nèi)改變與供電元件相互作 用的無供電元件的位置。
因此，能夠?qū)崿F(xiàn)在垂直面內(nèi)的輻射指向性的變化。其中，U字型 無供電元件171是為了獲得匹配而設(shè)置的部件，與作為本發(fā)明的課題 的輻射指向性的控制沒有本質(zhì)上的關(guān)系。
專利文獻l:日本特開2001 — 024431號公報
專利文獻2:日本特開2001 — 127540號公報
專利文獻3:日本特開平05 — 160630號公報
專利文獻4:日本專利第3491682號公報

發(fā)明內(nèi)容
如專利文獻4所述，作為反射器使用的無供電元件必須具有大致 半波長的長度，即使是作為波導(dǎo)器使用的無供電元件，為了與供電元 件相接近地進行使用，也需要實質(zhì)上半波長左右的長度。
為了使輻射指向性在垂直面內(nèi)變化，必須使作為波導(dǎo)器或反射器 起作用的無供電元件的中心位置從供電元件的中心位置向較長(長軸) 方向(即相對水平面垂直的方向)偏移。在圖15中表示這樣的設(shè)計例。
相對于供電元件對10的長度D2，直線型供電元件20的長度L2 為大致相同的長度。為了在垂直面內(nèi)使輻射指向性在仰角方向上變化， 必須使直線型無供電元件的中心在供電元件對10的較長方向偏移。在 圖15中設(shè)該長度為L1。
但是，僅使相互的中心位置偏移的長度即使得天線整體變長。因 此，天線的占用體積增大，存在不適于應(yīng)用在要求小型化的便攜式無 線通信終端中的問題。
本發(fā)明是鑒于上述情況而完成的，其主要目的是提供一種天線裝 置，能夠在包括供電元件的平面(垂直面)和與供電元件垂直的平面 (水平面)內(nèi)控制偶極天線等線狀天線的輻射指向性，并且不會由于 無供電元件而使天線整體的較長(長軸)方向的長度變長。
本發(fā)明提供一種指向性可變天線，其為具有由與Z軸平行的線狀 導(dǎo)體構(gòu)成的供電元件(11、 12)和無供電元件(2)的指向性可變天線 (1)，其中，上述無供電元件(2)具有與上述Z軸平行的n根線狀(n 為3以上的自然數(shù))無供電元件主體(21a、 21b、 21c、 21d)，上述無 供電元件主體(21a、 21b、 21c、 21d)以包圍上述供電元件(11、 12) 的周圍的方式配置，上述無供電元件主體(21a、 21b、 21c、 21d)分 別具有與上述z軸平行排列的多個元件片(211a 211h、 212a 212h、 213a 213h、214a 214h);和能夠使上述元件片(211a 211h、 212a 212h、 213a 213h、 214a 214h)之間導(dǎo)通的至少一個第一開關(guān)元件(51、 52、 53、 54)，而且，上述無供電元件(2)還具有將上述n根無供電元件 主體(21a、 21b、 21c、 21d)中鄰近的兩個在導(dǎo)通時電連接，在斷開
時電絕緣的至少一個第二開關(guān)元件(55、 56、 57、 58)，通過切換上述 至少一個第一開關(guān)元件(51、 52、 53、 54)和上述至少一個第二開關(guān) 元件(55、 56、 57、 58)的導(dǎo)通、斷開使得指向性發(fā)生變化。
在優(yōu)選的實施方式中，上述無供電元件主體(21a、 21b、 21c、 21d) 和上述供電元件(11、 12)之間的距離為輻射的電磁波的波長的1/4以 下。
在優(yōu)選的實施方式中，上述無供電元件主體(21a、 21b、 21c、 21d) 均比供電元件(10)的長度短。
在優(yōu)選實施方式中，上述無供電元件(2)還具有安裝有上述第一 開關(guān)元件(51、 52、 53、 54)和/或第二開關(guān)元件(55、 56、 57、 58) 的平面基板(31、 34)，上述平面基板(31、 34)的位置由上述供電元 件(11、 21)被保持。
根據(jù)本發(fā)明的指向性可變天線，不會由于無供電元件而使天線的 較長(長軸)方向的尺寸變大，且能夠使輻射指向性在包括供電元件 的較長方向的平面("垂直面")內(nèi)和與供電元件垂直的平面("水平面") 內(nèi)變化為期望的方向。


圖1是表示本發(fā)明的實施方式的指向性可變天線的立體圖。
圖2 (a)和(b)均是表示安裝在本實施方式的指向性可變天線上 的平面基板的平面圖。
圖3 (a) ~ (c)是表示在本實施方式的指向性可變天線中，無供 電元件的元件片間和分支元件部間的連接的立體圖。
圖4 (a)和(b)是表示在本實施方式的指向性可變天線中，供電 基板的供電方法的立體圖。
圖5是表示在本實施方式的指向性可變天線中，開關(guān)的安裝方式 的示意圖。
圖6 (a)是表示在本實施方式的指向性可變天線中導(dǎo)體部分和開 關(guān)的原理性的結(jié)構(gòu)的立體圖，(b)是無供電單位元件的立體圖。
圖7 (a)是表示在本實施方式的指向性可變天線中的無供電單位 元件的連接和開關(guān)的開閉的無供電元件的二維示意圖，(b)是具有(a)所示的無供電元件的天線的立體圖。
圖8是本實施方式的指向性可變天線的實施例的YZ平面的截面圖。
圖9 (a)是在本實施方式的指向性可變天線的實施例中與長軸方 向垂直的截面圖，(b) ~ (e)是各平面基板的導(dǎo)體圖案的圖。
圖IO是表示在本實施方式中指向性可變天線與規(guī)定的方位角的方 向的垂直面的關(guān)系的示意圖。
圖11 (a) ~ (d)是表示在本實施方式的指向性可變天線的實施例 中，無供電單位元件的排列和開關(guān)的幵閉的無供電元件的二維示意圖。
圖12 (a) ~ (d)是在本實施方式的指向性可變天線的實施例中， 與圖10的各個無供電元件設(shè)計相對應(yīng)的輻射指向性增益的圖案圖。
圖13是定義正交坐標系和方位角、仰角的方向的示意圖。
圖14是表示將移動電話用作信息終端的情況下的線狀天線的問題 的示意圖。
圖15是使用作為現(xiàn)有技術(shù)的線狀無供電元件的天線裝置的平面圖。
圖16 (a) ~ (c)是現(xiàn)有技術(shù)中的開關(guān)切換型扇形天線的說明圖。 圖17是現(xiàn)有技術(shù)中的垂直面輻射指向性切換型天線的說明圖。 圖18是現(xiàn)有技術(shù)中的共線(collinear)、陣列天線的說明圖。 符號說明
1指向性可變天線
2無供電元件
10供電元件對
11、 12供電元件
21無供電元件的無供電元件主體
211~214無供電元件的元件片
31第一平面基板
310、 410 貫通孔
321導(dǎo)體圖案
324、 424 導(dǎo)通孑L (via hole)
41 第二平面基板
42~44無供電元件的分支元件部
51~58 開關(guān)
60 供電基板
61發(fā)送接收機
62、 63 供電線路
70 PIN 二極管
71、 72電容器
73 直流電源
710、 720控制線路
711、 721 低通濾波器
712、 722控制引線
713、 715、 723、 725 電感器(inductor) 81 84、 800 無供電單位元件
101、 102供電元件上的貫通孔
163 套筒天線(sleeve antenna)
164無供電元件(尺寸較長的線狀導(dǎo)體)
165 二極管開關(guān)電路
166追加元件(尺寸較短的線狀導(dǎo)體)
167 電介質(zhì)基板
168 天線罩(radome)
169 RF阻止用線圈 170線狀輻射元件
171 U字型無供電元件
172 開關(guān)
173線狀無供電元件
181 電介質(zhì)
180、 189 圓筒導(dǎo)體
182環(huán)狀槽縫
183半波長偶極天線
184 同軸供電線
1001 基地局
1021、 1022 移動電話
1031、 1032、 1033 輻射指向性的示意圖
具體實施例方式
以下參照附圖，說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。
其中，在以下的說明中，將"耦合"、"連接"、"導(dǎo)通"的用語作 為具有不同意義的詞語分別進行使用。兩個要素間的"耦合"意味著 這些要素間的電磁耦合，在要素間有能量的交換，但是在外觀上沒有 連接。兩個要素間的"連接"在沒有特別地與其他修飾語組合使用的 情況下，意味著兩個要素在外觀上連接。但是，"電連接"能夠使用為 與以下的"導(dǎo)通"相同的意思。兩個要素間的"導(dǎo)通"表示兩個要素 間流過直流電流的狀態(tài)，與"短路(short)"或"電連接"為相同意義。 (實施方式)
首先參照圖1和圖2，說明本發(fā)明的實施方式。 最初，在圖13中表示在本說明書中使用的XYZ坐標系、仰角e 和方位角0的關(guān)系。在三維空間中存在任意點P時，點P的方向相對
于原點o如下所述由仰角e和方位角(/>表示。
從在Z軸上位于正方向的任意點A開始定義的角P-O-A是仰角e ， 當令點P在XY平面上的正投影的點是Pl時，借助相對原點O在X 軸上位于正方向的任意點B，從Z軸的正方向看，以原點為中點從點B 開始逆時針旋轉(zhuǎn)而定義的角Pl-O-B為方位角0 。
在本說明書中，以天線的較長(長軸)方向為z軸，因此仰角e 表示在包括天線的較長(長軸)方向的面內(nèi)(稱其為垂直面)從z軸
的正方向開始測得的角度，方位角0相當于在與天線的較長(長軸)
方向垂直的面內(nèi)(此處稱為水平面)從x軸的正方向開始測得的角度。
在本說明書中，在參照符號的末尾添加有小寫字母(a、 b、 c、 d……) (例如"元件片211a"等)。在使用多個相同部件的情況下，用于嚴格 地區(qū)別各個部件。當僅是參照符號而沒有添加小寫字母時(例如"元 件片211"等)，該參照符號包括所有的多個相同部件。
圖1是利用基板的多層化而形成的本發(fā)明的指向性可變天線l(以 下有簡稱為"天線l"的情況)的立體圖。
本實施方式的指向性可變天線1包括供電元件對io和無供電元件 部2。
供電元件對10由作為貫通天線的中心的線狀或棒狀的導(dǎo)體的一對 供電元件ll、 12構(gòu)成的一根偶極天線起作用。在本實施方式中，供電 元件11和供電元件12這兩者配置在Z軸上。
無供電元件2包括由與供電元件對10平行的棒狀導(dǎo)體構(gòu)成的無 供電元件主體21;以及以使得其主面的法線方向與供電元件對10平行 的方式配置的多個第一平面基板31和第二平面基板41。
無供電元件主體21與Z軸平行地配置，由相互絕緣的四根棒狀導(dǎo) 體21a 21b構(gòu)成。這四根棒狀導(dǎo)體21a 21b作為整體以包圍供電元 件對10的方式配置。各個棒狀導(dǎo)體21通過第一平面基板31和第二平 面基板41分割為各自具有較短長度的多個棒狀導(dǎo)體(此處稱為"元件 片")。即，無供電元件主體21a由元件片211a、 211b、 、 211h構(gòu)
成，無供電元件主體21b由元件片212a、 212b、……、212h構(gòu)成。其 他的無供電元件主體21c、 21d也與無供電元件主體21a、 21b同樣， 由多個元件片構(gòu)成。
在本實施方式的無供電元件2中使用有五塊第一平面基板31a 31e，以使得各自的主面法線朝向Z軸的方向的方式配置。同樣的，在 本實施方式的無供電元件2中使用有四塊第二平面基板41a 41d，以 使得各自的主面法線朝向Z軸的方向的方式配置。在第一平面基板31 上分別形成有導(dǎo)體圖案321 352等，安裝有開關(guān)51 54。在第二平面 基板41上分別形成有導(dǎo)體圖案42 45等，安裝有開關(guān)55 58。
供電元件11、 12依次貫通這些第一平面基板31和第二平面基板 41的中央。多個第一平面基板31和第二平面基板41相互不直接接觸， 相互隔開距離，沿著供電元件對10排列。
而且，在圖1中，表示了第一平面基板31和第二平面基板41沿 著供電元件對10交替排列的例子。但是，并非必須交替排列，例如也 可以是多個第一平面基板31在中間不夾著第二平面基板41地連續(xù)排 列。此外，在圖1中，雖然記載為第一平面基板31和第二平面基板41 的間隔全部相等，但平面基板31、 41的間隔并非必須恒定。第一平面 基板31和第二平面基板41的各自的塊數(shù)也不限定于圖1所示的塊數(shù)(各自為5塊和4塊)。
圖2 (a)和(b)分別表示第二平面基板41和第一平面基板31的 平面布局。在第一平面基板31上分別設(shè)置有相互相同的導(dǎo)體圖案，在 第二平面基板41上也分別設(shè)置有相互相同的導(dǎo)體圖案。圖2表示代表 它們的第一平面基板31b的導(dǎo)體圖案和第二平面基板41a的導(dǎo)體圖案。
圖2 (a)所示的第二平面基板41的平面形狀為正方形，其中心位 于Z軸上。四邊朝向與X軸和Y軸的任一個平行的方向。在第二平面 基板41上，形成有沿著其四角的四個L字型的導(dǎo)體圖案42 45，和供 電元件對的貫通孔410。 g口，位于方位角45度的方向的導(dǎo)體圖案42， 通過與X軸平行的長條形的導(dǎo)體圖案422和與Y軸平行的長條形的導(dǎo) 體圖案421以共有接近平面基板的頂點一側(cè)的相互的端部(點A)的 方式連接，從而形成為L字型。
該L字型的導(dǎo)體圖案42位于相對上述無供電元件主體21垂直的 面內(nèi)，如后所述，與無供電元件主體21a導(dǎo)通，作為無供電元件2的 一部分使用。這樣，L字型的導(dǎo)體圖案42為從無供電元件主體21分支 的形狀，因此稱為無供電元件2的分支元件部(以下簡稱為"分支元 件部")
同樣的，位于方位角135度的方向的導(dǎo)體圖案43，通過與X軸方 向平行的長條形的導(dǎo)體圖案431和與Y軸方向平行的長條形的導(dǎo)體圖 案432以共有接近平面基板的頂點一側(cè)的相互的端部(點D)的方式 連接，從而形成為L字型的導(dǎo)體圖案43。
作為分支元件部的導(dǎo)體圖案422和431離開相比于輻射的電磁波 的波長極短的一定的距離而絕緣，在其間的導(dǎo)體圖案422側(cè)的端部(點 B)和導(dǎo)體圖案431側(cè)的端部(點C)之間由開關(guān)55連接(圖l)。
同樣的，位于方位角225度的方向和方位角315度的方向的導(dǎo)體 圖案，分別通過與X軸方向平行的長條形的導(dǎo)體圖案和與Y軸方向平 行的長條形的導(dǎo)體圖案以共有接近平面基板的頂點一側(cè)的端部(點G 和點J)的方式連接，從而形成為L字型的導(dǎo)體圖案44和45。
各個L字型的導(dǎo)體圖案間離開相比于輻射的電磁波的波長極短的 一定的距離而絕緣，由開關(guān)(符號未圖示)連接(圖1)。
接著，說明圖2 (b)所示的第一平面基板31的導(dǎo)體圖案。第一平
面基板31具有與第二平面基板41相同的形狀和大小，其中心位于Z 軸上。以供電元件對10的貫通孔310為中心，在方位角45度、135 度、225度、315度的方向上形成有導(dǎo)體圖案，但因為它們相互相對于 X軸和Y軸為鏡面對稱的形狀，所以對方位角45度的方向的形狀進行 特別說明。
在方位角45度的方向上有兩個導(dǎo)體圖案321、322，它們相互絕緣。 它們是為了通過開關(guān)使作為連接平面基板31、 41的棒狀導(dǎo)體的元件片 212間導(dǎo)通而形成的。例如在為第一平面基板31b的情況下，元件片 211b和元件片211c之間通過開關(guān)51b電連接。
導(dǎo)體圖案321b在基板的頂點的附近具有一個端部(點M)，在點 M上與元件片211b連接。令導(dǎo)體圖案321b的另一個端部為點N。如 用點P表示導(dǎo)體圖案322上的點，則點P和點N之間由幵關(guān)51b連接 (圖1)。導(dǎo)體圖案321和導(dǎo)體圖案322等平面基板31上的導(dǎo)體圖案是 根據(jù)開關(guān)的安裝上的需要而形成的部分，只要不增大損失，則優(yōu)選其 尺寸相比于波長極小。
這樣的兩種第一平面基板31和第二平面基板41上的導(dǎo)體圖案不 與供電元件對10電接觸。但是，第一平面基板31和第二平面基板41 在結(jié)構(gòu)上與供電元件對IO接觸。具體而言，供電元件對10所貫通的 貫通孔310、 410設(shè)置在各個平面基板31、 41的中央，通過與該貫通 孔310、 410的接觸固定平面基板3K 41。結(jié)果是，相對于供電元件對 10的平面基板31、 41的位置和方向、以及平面基板31、 41的相對的 間隔和方向被決定。
在本實施方式中，貫通孔310、 410位于無供電元件2的分支元件 部(42、 43、 44、 45)形成的多邊形(此處為正方形)的內(nèi)部，供電 元件對10如上所述貫通這些貫通孔310、 410并固定。
在本實施方式中，平面基板31、 41分別沿供電元件10等間隔地 配置。并且，第一平面基板31和第二平面基板41的四角的方向以朝 向相同方向的方式(即，平面基板的四角的方向例如成為方位角45度、 135度、225度、315度方向)設(shè)置。
接著，參照圖3 (a) (c)，說明平面基板31、 41上的導(dǎo)電圖案 與無供電元件主體21的連接。
首先，參照圖3 (a)。圖3 (a)是第二平面基板41a的方位角45 度方向的放大立體圖。在第二平面基板41a的上表面設(shè)置有作為分支 元件部的L字形的導(dǎo)體圖案42a，在其背面設(shè)置有導(dǎo)體圖案423a。導(dǎo) 體圖案423a以包括位于作為上表面的L字型的導(dǎo)體圖案42a的彎曲部 的點A的正下方的點A2的方式設(shè)置。
作為棒狀導(dǎo)體的元件片211a和211b與第二平面基板41a的圖示的 點連接。即，元件片211a與基板的上表面?zhèn)鹊狞cA連接，元件片211b 與背面的點A2連接。進而，在第二平面基板41a上設(shè)置有在基板內(nèi)連 接點A和點A2的導(dǎo)通孔424a。因此，元件片211a、 211b以及導(dǎo)體圖 案42a、 423a、導(dǎo)通孔424a全部相互電連接。
上述結(jié)構(gòu)與后述的圖6 (b)所示的無供電單位元件800電等價。 因此，元件片211a、 211b不需要是不同的部件。也可以將這些元件片 211a、 211b由一體的棒狀導(dǎo)體形成。在此情況下，也可以在平面基板 41a上設(shè)置通過點A和點A2的貫通孔，使上述棒狀導(dǎo)體通過該貫通孔， 使導(dǎo)體圖案42a、 423a電接觸。在此情況下，也可以不再需要作為導(dǎo) 通孔形成用的導(dǎo)體圖案而起作用的導(dǎo)體圖案423a。
圖3 (b)是第一平面基板31a的方位角45度方向的放大立體圖。 在第一平面基板31a的上表面設(shè)置有兩個導(dǎo)體圖案321b、 322b，在其 背面設(shè)置有導(dǎo)體圖案323b。導(dǎo)體圖案321b的一端包括第一平面基板 31b的頂點的附近的點M，在點M與元件片211b連接。導(dǎo)體圖案321b 的另一個端部(點N)與導(dǎo)體圖案322b (包括點P)之間由開關(guān)51b 連接。導(dǎo)體圖案322b上的點P和位于點P的正下方的背面的點P2 (包 括在背面的導(dǎo)體圖案323b中)之間通過導(dǎo)通孔324b連接。背面的圖 案323b成為從點P2到基板的頂點附近的點M2 (位于點M的正下方) 的形狀，在點M2與作為棒狀導(dǎo)體的元件片211c連接。
當開關(guān)51b為導(dǎo)通狀態(tài)時，元件片211b和元件片211c導(dǎo)通，當開 關(guān)51b為打開狀態(tài)時，元件片211b和元件片211c之間斷開。
圖3 (c)是第二平面基板41a的方位角90度方向的放大立體圖。 在第二平面基板41a的上表面上，兩個導(dǎo)體圖案422a、 431a以各自的 端部(點B、點C)接近的方式設(shè)置，利用開關(guān)55a連接點B —點C 之間。因此，當開關(guān)55a為導(dǎo)通狀態(tài)時，導(dǎo)體圖案422a和導(dǎo)體圖案431a
導(dǎo)通，當開關(guān)55a為打開狀態(tài)時，導(dǎo)體圖案422a和導(dǎo)體圖案431a這間斷開。
將這兩種平面基板31、 41以供電元件對10為中心軸依次排列， 并且以作為棒狀導(dǎo)體的元件片211、 212、 213、 214連接鄰近的平面基 板31、 41之間，由此能夠?qū)崿F(xiàn)圖1的指向性可變天線1。
其中，作為平面基板的材料， 一般優(yōu)選在高頻電路中使用的低損 失的基板材料。例如，能夠使用玻璃環(huán)氧樹脂基板、陶瓷基板、半導(dǎo) 體基板等。使用銅、鋁等通過印刷技術(shù)、電鍍加工而形成導(dǎo)體圖案。
作為開關(guān)，可以是手動式的開關(guān)，也能夠由PIN二極管、FET等 半導(dǎo)體開關(guān)實現(xiàn)。
參照圖4，說明本實施方式的向天線的供電方法。圖4表示配置在 一對供電元件ll、 12之間的平面基板60。該平面基板60在圖1中表 示為第一平面基板31c。
在平面基板60的兩面上，在相對的位置上設(shè)置有長條形的供電線 路62、 63。供電線路62和63分別以在基板中央部與供電元件11和 12連接的方式從基板端向基板中央部延伸。供電線路62和63在平面 基板60的端部與發(fā)送接收機61電連接。如圖4 (b)所示，通過在供 電線路62、 63上設(shè)置匹配用短截線(stub) 621等，能夠改善天線的 匹配。
在圖1所示的實施方式中，雖然使用第一平面基板31c作為供電 用平面基板60，但是作為供電用的平面基板60，能夠使用其他的平面 基板31、 41中的任一個，也能夠在第一平面基板31和第二平面基板 41之外追加導(dǎo)入僅設(shè)置有供電線路對的基板并加以使用。此外，供電 用平面基板60的大小和形狀也可以不與上述其他平面基板相同。
接著，參照圖5，詳細說明圖3的開關(guān)的安裝方式。圖5是與開關(guān) 55的安裝相關(guān)的第二平面基板41的示意圖。
此處，對選擇第二平面基板41,使用PIN 二極管70作為連接設(shè)置 為導(dǎo)體圖案的分支元件部422和分支元件部431之間的開關(guān)55的例子 進行說明。此處說明的內(nèi)容，既能夠同樣地應(yīng)用于其他平面基板、其 他位置的開關(guān)上，也能夠應(yīng)用于使用FET等三端子元件作為開關(guān)的情 況中。
本實施方式的供電元件對10是中空圓筒狀的導(dǎo)體，表面上設(shè)置有 微小的貫通孔101、 102。而且，供電元件對IO的結(jié)構(gòu)并不限定于這樣 的例子。
在圖5所示的例子中，在第二平面基板41上，作為導(dǎo)體圖案的分 支元件部422、 431以各自的端部(點B和點C)相對的方式設(shè)置。此 外，以連接分支元件部422、 431各自的端部的方式安裝有開關(guān)55。
在開關(guān)55上連接有兩根控制線路710和720?？刂凭€路經(jīng)由低通 濾波器711或721中的任一個到達供電元件對IO的內(nèi)部，與直流電源 73連接。
幵關(guān)55由電容器71、 72和PIN二極管70構(gòu)成，分支元件部422、 431的端部之間通過串聯(lián)連接的電容器、PIN二極管和電容器而相契合。
位于開關(guān)55的兩端的電容器71、 72的外側(cè)的端子與第二平面基 板41上的導(dǎo)體圖案的點B和點C分別連接。電容器71、 72起截斷直 流電流的作用，相對于分支元件部422和431， PIN二極管70被直流 阻斷。
其中，點B和點C僅是表示分支元件部422、 431的端部的符號， 安裝是利用倒裝(flipchip)、引線接合等技術(shù)而實施的。
在開關(guān)55中，控制線路710 (點C2—點C5間)從連接電容器71 和PIN 二極管70的線路的中途分支，另一個控制線路720 (點B2 —點 B5間)從連接電容器72和PIN二極管70的線路的中途分支。各個控 制線路形成為平面基板上的導(dǎo)體圖案(未圖示)，與低通濾波器711或 721的端子(點C2和點B2)連接。
作為低通濾波器的另一個端子的點C5和點B5與通過供電元件對 10內(nèi)部的控制引線712或722連接?？刂埔€712和722例如在供電 基板60上到達供電元件對10的外部，進而與末端的直流電源73連接。
各個低通濾波器為由電感器和電容器構(gòu)成的T型電路的結(jié)構(gòu)。低 通濾波器711的具體的結(jié)構(gòu)由與開關(guān)側(cè)串聯(lián)連接的電感器713、并聯(lián)連 接的電容器714、直流電源側(cè)的電感器715構(gòu)成。低通濾波器721和未 圖示的其他低通濾波器也能夠采用同樣的結(jié)構(gòu)，因此省略對這些低通 濾波器的詳細說明。
作為低通濾波器，能夠使用貫通電容器等EMI濾波器，能夠使其通過設(shè)置在供電元件對10上的貫通孔101而進行安裝并加以使用。在 貫通孔101的部分，并聯(lián)電容器714的接地側(cè)端子與供電元件對10連 接。這些貫通孔101的直徑相比于輻射的電磁波的波長極小。
在利用帶引線的貫通電容器的情況下，能夠利用引線本身作為電 感(inductance)。通過供電元件對10的內(nèi)部的引線712也使用具有感 應(yīng)性的線路，由此，能夠?qū)淖鳛殚_關(guān)的控制線路端子的點B2和C2 直到直流電源的控制線路的末端作為整體構(gòu)成為低通濾波器。如果以 使供電元件對101的內(nèi)部的中空的區(qū)域作為波導(dǎo)管起作用，并使得輻 射的頻率為截斷頻率以下的方式進行設(shè)計，則能夠使得從天線輻射的 電磁波不在供電元件對10的內(nèi)部的中空部分傳播。
通過采用上述結(jié)構(gòu)，通過圖5所示的外部的直流電源73的操作， 能夠切換開關(guān)55的導(dǎo)通/斷開。
以下，參照圖6和圖7(a)、 (b)，說明本實施方式的無供電元件 2的結(jié)構(gòu)。圖6和圖7 (b)是用于說明本實施方式的天線的原理的結(jié) 構(gòu)的三維示意圖，圖7 (a)是與圖7 (b)對應(yīng)的二維示意圖。
在圖6 (a)和圖7 (b)中，僅等價地記載有圖1的指向性可變天 線1的導(dǎo)體部分的主要形狀和開關(guān)。即，圖1的第一平面基板31和第 二平面基板41的電介質(zhì)部分、圖3 (b)所示的導(dǎo)體圖案(導(dǎo)體圖案 321b等)、圖4所示的供電線路62和63、圖5所示的控制線路710這 樣不是用于實現(xiàn)本實施方式的指向性可變天線的最低構(gòu)成要素的部分 在圖示中省略。剩余部分是與本實施方式的指向性可變天線的輻射特 性相關(guān)的主要的構(gòu)成要素。即，供電元件對IO、作為與供電元件對IO (即供電元件11和12)平行的棒狀導(dǎo)體的無供電元件主體21、位于 與供電元件對IO垂直的平面上且作為從無供電元件主體分支的導(dǎo)體圖 案的分支元件部421a等、和開關(guān)55a、 51b等是本實施方式的主要的 構(gòu)成要素。
在圖中，以四角柱表示無供電元件主體21和分支元件部421等， 以長方體表示開關(guān)。構(gòu)成圖6 (a)的無供電元件主體21的導(dǎo)體部分具 有排列有多個圖6 (b)所示的無供電單位元件800的結(jié)構(gòu)。
由元件片211a、 211b和分支元件部42a (即分支元件部421a和分 支元件部422a)構(gòu)成無供電單位元件81a。同樣的，由元件片212a、212b和分支元件部43a (即分支元件部431a和分支元件部432a)構(gòu)成 無供電單位元件82a。
而且，在圖6 (a)中，因為導(dǎo)通/斷開的切換的效果較小，所以省 略位于圖1的指向性可變天線的兩端的第一平面基板31a、 31e上安裝 的開關(guān)51a 54a等。
在圖6 (a)中，在與圖6 (b)所示的無供電單位元件800為電等 價的形狀的多個無供電單位元件規(guī)則地以規(guī)定的朝向排列而形成的 "格子"中，收納有供電元件對10。無供電單位元件800，從作為棒 狀導(dǎo)體的元件片801的中心起，在垂直于元件片801的面內(nèi)，以相互 成90度的角度連接有作為兩根等長的棒狀導(dǎo)體的分支元件部802和 803。幵關(guān)連接鄰近的無供電單位元件800之間，通過切換開關(guān)的開閉， 能夠變更鄰近的無供電單位元件800間的電連接。
通過上述結(jié)構(gòu)決定應(yīng)該控制的電磁波的頻率和輻射指向性。以下， 進一步詳細說明無供電單位元件形成的"格子"的形狀。
當作為直線狀或棒狀導(dǎo)體的供電元件對10的中心軸在Z軸上時， 設(shè)定無供電單位元件81a的元件片211a和211b與Z軸平行，分支元 件部422a與X軸平行，分支元件部421a與Y軸平行。同樣的，對于 無供電單位元件82a，也設(shè)定元件片212a和212b與Z軸平行，分支元 件部431a與X軸平行，分支元件部432a與Y軸平行。此時，令分支 元件部422、 431位于與供電元件對IO垂直的同一XY平面上。
分支元件部422a和分支元件部431a在與X軸平行的同一直線上 離開一定的距離相向配置，由開關(guān)55a連接。通過分支元件部421a、 422a、 431a和432a的連接形成〕字型，令該〕字的開放部朝向供電元 件對10的方向(此處是Y軸的負方向)。同樣的，使用無供電單位元 件83a和無供電單位元件84a，在與供電元件對10垂直的同一平面上， 這些分支元件部形成〕字型，令〕字的開放部朝向供電元件對10的方 向(Y軸的正方向)。
使這兩個〕字型在同一 XY平面上相對并利用開關(guān)56a、 58a將其 連接，作為整體，分支元件部形成口字型的閉環(huán)，在該環(huán)的內(nèi)側(cè)包括 供電元件對IO。此時，使得從與供電元件對10垂直的方向看指向性可 變天線1時，無供電單位元件81a 84a不會露出在供電元件對10的
兩端的外側(cè)。即，無供電單位元件81a 84a收納在由與供電元件對10 垂直且包括供電元件對10的兩端部(供電部分不看作端部)的任一個 的兩個平面夾持的區(qū)域中。此外，令由鄰近的無供電單位元件間的開 關(guān)連接的分支元件部的端部間的距離相比于輻射的電磁波的波長極短。
這樣決定了位置和方向的無供電單位元件81a 84a為相同的方 向，沿著供電元件對10排列無供電單位元件。具體而言，以使得無供 電單位元件81a與無供電元件主體平行、且分支元件部的方向相同的 方式排列無供電單位元件81b。此時，以使得無供電單位元件81a、 81b 的元件片位于同一直線上的方式使用開關(guān)51b連接元件片之間。同樣 的，沿供電元件對10依次排列無供電單位元件81c、 81d，利用開關(guān) 51c、 51d連接各個元件片之間。
分別以無供電單位元件81b、 81c、和81d為起點，與上述已說明 位置關(guān)系的無供電單位元件81a 84a同樣地排列無供電單位元件，使 得無供電單位元件81b 84b、 81c 84c和81d 84d的各自的分支元件 部在供電元件對10的周圍形成閉環(huán)。
進而，在鄰近的分支元件部之間，利用開關(guān)連接元件片之間。結(jié) 果是，成為供電元件對IO貫通無供電單位元件組所形成的四角柱狀的 格子的中心的配置。
使得從與供電元件對IO垂直的方向看指向性可變天線1時，任一 個無供電單位元件均不露出供電元件對10的兩端的外側(cè)。g卩，使得所 有無供電單位元件收納在由與供電元件對10垂直且包括供電元件對 10的兩端部(供電部分不看作端部)的任一個的兩個平面夾持的區(qū)域 中。
這樣，形成在無供電單位元件81形成的格子結(jié)構(gòu)的中央插入有供 電元件的圖6的形狀。
以下，利用圖6所示的原理上的模型，研究無供電單位元件的形 狀、大小、配置的個數(shù)。結(jié)果是，反映圖1所示的物理上可能的結(jié)構(gòu) 的模型，能夠設(shè)計一種得到期望的特性的天線。
沿與供電元件對10垂直的平面配置在供電元件對10的周圍的無 供電單位元件的個數(shù)并非必須如圖6 (a)所示的無供電單位元件
81a 84a所示那樣為四個，可以是三個，也可以多于四個。例如，也能 夠使用6個無供電單位元件，由分支元件部形成正六邊形的閉環(huán)。在 此情況下，圖6 (b)的分支元件部間所成的角度a不是90度，而是 120度即可。
沿著供電元件對10排列的無供電單位元件的個數(shù)并非必須如圖6 (a)的無供電單位元件81a 81d那樣為四個，也可以更多或更少。 根據(jù)沿著Z軸方向排列成一列的無供電單位元件的個數(shù)，調(diào)整圖6 (b) 的無供電單位元件800的元件片801的長度X4即可。
根據(jù)無供電單位元件81、 82、 83、 84的元件片211、 212、 213、 214的中心軸與供電元件對10的中心軸的距離、以及排列在供電元件 對10的周圍的無供電單位元件的個數(shù)，必須調(diào)整圖6 (b)中的分支元 件部802和803的長度X2。無供電元件主體的長度X4限制在供電元 件對10的長度以下，與此相對，分支元件部802、 803的長度X2不受 限制。但是，當分支元件部的長度X2比無供電元件主體的長度X4更 長時，由于連接分支元件部間的開關(guān)的開閉而導(dǎo)致無供電元件的共振 頻率大幅改變，因此，無供電元件的共振頻率變得難以調(diào)整。
與此相對，分支元件部的長度X2越短，通過連接分支元件部間的 開關(guān)的開閉，形成的無供電元件的共振頻率的調(diào)整有越容易進行的傾 向。但是，因為無供電單位元件接近供電元件，所以與供電元件的電 磁耦合變強。結(jié)論是，從輻射頻率和指向性的控制的觀點出發(fā)，最優(yōu) 選以使得無供電元件主體的長度X4與分支元件部的長度X2為相同程 度的方式進行設(shè)計。
無供電元件主體和供電元件之間的距離能夠在引起電磁耦合的范 圍內(nèi)遠離。越遠則特定的頻率的輻射指向性的控制效果越小。
在以下所示的實施例中，相對于輻射的中心頻率4GHz (波長 75mm)，將無供電元件主體和供電元件的距離(3.2mm)設(shè)定為二十分 之一波長左右，但即使更遠離也能夠得到指向性的變化。為了充分地 得到輻射指向性的控制的效果，優(yōu)選無供電元件主體與供電元件間的 距離為輻射的電磁波的波長的八分之一左右以下。此外，從無供電元 件的頻率調(diào)整的觀點出發(fā)，優(yōu)選較短地設(shè)定無供電單位元件800的元 件片的長度X4，沿供電元件排列的個數(shù)較多。但是，考慮到能夠進行利用分支元件部的無供電元件的設(shè)計的情況，以及當排列的個數(shù)變多 時開關(guān)的個數(shù)增多、控制信號的數(shù)目增大等問題，不需要使元件片過 短。從而，根據(jù)必要的輻射頻率的變更的精度進行設(shè)計即可。
在4GHz帶中，在i00MHz左右的頻率精度即可的情況下，如以 下的實施例那樣，能夠以無供電元件主體的長度為1/20波長、分支元 件部的長度為1/24波長左右的方式實施。在僅使用棒狀無供電元件的 情況下，如果按每1/20波長分割無供電元件以進行無供電元件的設(shè)計， 則在4GHz帶中，僅能夠在400MHz的精度下進行無供電元件的共振 頻率的變更，但根據(jù)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)lOOMHz左右的精度，這是因為 利用了分支元件部。
在其他的頻率帶中也相同，通過利用分支元件部，能夠提高無供 電元件的共振頻率的變更的精度。從而，通過決定無供電元件的共振 頻率和相對于供電元件的相對位置，作為與供電元件的電磁耦合的結(jié) 果，能夠在規(guī)定的頻率控制輻射指向性，其中，該無供電元件的共振 頻率是通過開關(guān)的控制切換無供電單位元件間的導(dǎo)通或斷開狀態(tài)而形 成。
在現(xiàn)有的指向性控制天線中，使用與供電元件平行的直線形狀的 無供電元件，但是在本實施方式中，將圖1所示的供電元件42a等與 供電元件為不平行的方向的導(dǎo)體圖案(分支元件部)作為無供電元件 的構(gòu)成要素導(dǎo)入，能夠使得無供電元件主體間導(dǎo)通。在現(xiàn)有的使用直 線形狀的無供電元件的情況下，由于垂直面內(nèi)的波束傾斜，為了錯開 配置無供電元件而使得指向性可變天線變長變大，但是在本發(fā)明中能 夠以指向性可變天線不變長大的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)同等的輻射指向性的變化。 因此適于要求小型化的便攜式無線通信終端。并且，根據(jù)本發(fā)明，只 要是供電元件的輻射帶域，就能夠通過無供電元件的共振頻率的設(shè)計 選擇、變更控制輻射指向性的電磁波的頻率。
使用圖7 (a)、 (b)說明表示這些效果的無供電元件的設(shè)計。圖7 (a)是二維表現(xiàn)圖6 (a)的指向性可變天線的無供電單位元件和開關(guān) 的連接的排列的圖。圖中陰影線的十字型的圖形是無供電單位元件。 圖的橫方向是Z軸方向，縱方向表示沿方位角0排列的順序。即，沿 以十字型表示的無供電單位元件的橫方向延伸的臂部表示無供電元件主體S (元件片)，沿縱方向延伸的臂部表示分支元件部。并且，涂白 的長方形表示打開狀態(tài)的開關(guān)，涂黑的長方形表示導(dǎo)通狀態(tài)的開關(guān)。
圖7 (b)是具有圖7 (a)所示的無供電元件的指向性可變天線的 立體圖。在圖7 (b)中，僅描繪處于導(dǎo)通狀態(tài)的開關(guān)，不圖示打開狀 態(tài)的開關(guān)。圖7 (b)三維表現(xiàn)供電元件對10和圖7 (a)表示的無供 電元件2的位置關(guān)系。
圖7 (a)和(b)表示的無供電元件2，通過使連接無供電單位元 件81b、 81c、 81d、 82d各自之間的開關(guān)51c、 51d、 55d為導(dǎo)通狀態(tài)而 形成。該無供電元件2在規(guī)定的共振頻率與供電元件對10進行電磁耦 合，具有改變輻射指向性的效果。具體而言，關(guān)于無供電元件2，無供 電單位元件81b、 8k和81d導(dǎo)通，它們的元件片被筆直地導(dǎo)通而形成 的無供電元件主體21a與構(gòu)成無供電元件2的其他無供電元件主體相 比最長。因此，無供電元件主體21a與供電元件對10的電磁耦合最強。 稱這樣的無供電元件主體為主軸部。在該情況下，輻射指向性的變化 在包括供電元件對10和無供電元件主體的主軸部21a的平面內(nèi)產(chǎn)生。 此外，當將無供電元件主體的主軸部21a在Z軸上投影時，投影像的 中心相對原點位于Z軸的負方向，因此，如下述的實施例所示，在無 供電元件2作為波導(dǎo)器工作的頻率下，在從供電元件對10的中心看的 無供電元件主體的主軸部21a的中心的方向，即仰角為90度 180度 的方向內(nèi)輻射指向性改變。
同樣，在無供電元件2作為反射器工作的頻率下，在從供電元件 對10的中心看的與無供電元件主體的主軸部21a的中心相反的方向， 即仰角為0度 90度的方向內(nèi)，輻射指向性改變。
進而，通過使介于分支元件部之間的開關(guān)55d導(dǎo)通，從無供電元 件主體的主軸部21a連接有無供電單位元件82d。這與無供電單位元件 82d未導(dǎo)通的狀態(tài)相比，具有使無供電元件2的共振頻率下降的效果。
通過采用利用分支元件部的具有彎曲部的形狀，與具有相同的共 振頻率的直線形狀的導(dǎo)體的部件相比，具有縮短沿供電元件對10的方 向的無供電元件2的長度的效果。
即使連接分支元件部間的開關(guān)55d等沒有導(dǎo)通而是打開的狀態(tài)， 利用無供電單位元件原來保持的分支元件部(例如無供電單位元件81a的分支元件部42a)，與具有相同的共振頻率的直線形狀的導(dǎo)體的部件 相比，具有縮短無供電元件2的長度的效果。
進而，通過打開開關(guān)55d，導(dǎo)通開關(guān)55b，或使開關(guān)55d與開關(guān)58d 同時導(dǎo)通，能夠使無供電元件2的共振頻率稍微變化。利用該效果， 能夠改變控制輻射指向性的頻率。
在圖17所示的現(xiàn)有的技術(shù)中，在以具有同樣的頻率選擇性的方式 制作棒狀導(dǎo)體的無供電元件的情況下，需要沿供電元件的方向的多個 無供電元件的分割和開關(guān)。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，通過使用連接分支元件部間的開關(guān)， 能夠減少用于具有同樣的頻率選擇性的無供電元件的分割的次數(shù)，即 必需的開關(guān)的個數(shù)。進而，即使設(shè)定的無供電元件的個數(shù)是多個，也 能夠在該情況下使組合有多個無供電元件的效果的輻射指向性發(fā)生變 化。
(實施例)
圖8是本發(fā)明的實施方式的指向性可變天線的實施例的截面圖， 表示包括供電元件對10的中心軸的平面中的指向性可變天線的截面。 在圖8中，以供電元件對10的中心軸為Z軸，YZ平面為與紙面平行 的平面。
在該天線中被使用的平面基板是第一平面基板31和第二平面基板 41，各自交替排列。供電元件11或12貫通除了第一平面基板31e以 外的第一平面基板31和第二平面基板41的中心。位于平面基板31、 41的排列的中央的第一平面基板31e設(shè)計為供電基板60。即，供電元 件ll、 12不貫通第一平面基板31e，第一平面基板31e具有圖4 (a) 所示的供電線路62、 63。供電線路62、 63在平面基板31e的兩面上與 供電元件ll和12連接。
圖9 (a)是與圖8所示的指向性可變天線的Z軸垂直的平面AE 的截面圖，圖9(b)是第二平面基板41的Z軸的正方向的面的平面圖， 圖9 (c)是第一平面基板31的Z軸的正方向的面的平面圖，圖9 (d) 是第一平面基板31的Z軸的負方向的面的平面圖，圖9 (e)是具有作 為供電基板60的功能的第一平面基板31e的Z軸的正方向的面的平面 圖。
供電元件對10由作為兩根中空圓筒狀導(dǎo)體的供電元件11和12構(gòu) 成，它們在Z軸上相對原點對稱相向。供電元件11和12的長度DZ1 是5.0mm,夕卜徑DRl是0.6mm，內(nèi)徑DR2是0.3mm，供電元件間的 間隔DZ2與第一平面基板31和第二平面基板41的基板厚度SZ1相等。 即，DZ2=SZl=0.3mm的關(guān)系成立。而且，第一平面基板和第二平面基 板的間隔SZ2為1.5mm。
如圖8所示，由無供電元件主體和分支元件部構(gòu)成的無供電單位 元件包括在被與供電元件對10垂直且包括供電元件11、 12的兩端的 任一個的兩個平面所夾的區(qū)域中。因此，使元件片間的開關(guān)全部導(dǎo)通 時形成的無供電元件的沿供電元件的方向的長度(在圖8的設(shè)計中， 與第一平面基板31a和31i間的距離大致相等)，不會比供電元件對整 體的長度(與供電元件的長度DZ1的兩倍的長度大致相等)長。而且， 使無供電單位元件間的開關(guān)全部導(dǎo)通時形成的無供電元件的中心與供 電元件對的中心(位于原點) 一致。
首先，參照圖9 (a)，對與供電元件對IO垂直的截面中的供電元 件11與無供電元件的元件片211a 214a的位置關(guān)系進行說明。
供電元件ll的中心位于連接元件片211a 214a的中心之間而形成 的正方形的中心，當以供電元件ll的中心為坐標原點時，無供電平行 元件211a 214a的中心位置在圖8的平面AE內(nèi)的XY坐標分別表示 為(士PDX1、 士PDY1)。此處，PDXl=PDYl=2.5mm，無供電元件主 體的半徑PR1為0.2mm。
接著，參照圖9 (b) (e)，說明第一平面基板31和第二平面基 板41的導(dǎo)體圖案形狀。
第二平面基板41的形狀是正方形，如圖9(b)所示，關(guān)于其大小， SXl=SYl=5.8mm成立。如圖9 (c)所示，關(guān)于第一平面基板31， SX2-SY2-5.8mm也成立。其中，圖9 (b)是第二平面基板41的Z軸 的正方向的面的平面圖。關(guān)于作為第二平面基板41中的L字型的導(dǎo)體 圖案的分支元件部42 45的較長方向的長度，PAYl=PAXl=2.5mm成 立，關(guān)于鄰近的導(dǎo)體圖案間的間隔，PAY2=PAX2=0.4mm成立，關(guān)于 圖案的寬度，PAY3-PAX34.4mm成立。艮口，由圖9 (a)和圖9 (b) 可知，在圖9 (b)的分支元件部42 45的L字型圖案的彎曲部的附近，
能夠與無供電元件主體連接。
圖9 (c)是第一平面基板31的Z軸的正方向的面的平面圖。在第 一平面基板31中，關(guān)于在Z軸的正方向的面與無供電元件主體21連 接的導(dǎo)體圖案321、 331、 341、 351的位置，PBXl=PBYl=1.5mm， PBX2=PBY2=1.2mm，以及導(dǎo)體圖案的寬度PBY3=PBX3=0.4mm成立， 由此，上述一系列的導(dǎo)體圖案和無供電元件主體的位置關(guān)系以如圖3 (b)所示的配置相互連接。此外，關(guān)于開關(guān)連接用的圖案322等， PBY4=PBY5=PBX4=PBX5 = 0.4mm成立。
圖9 (d)是第一平面基板31的Z軸的負方向的面的平面圖。在第 一平面基板31中，關(guān)于在Z軸的負方向的面與無供電元件主體21連 接，并且，通過圖3 (b)所示的導(dǎo)通孔324等與設(shè)置在上述Z軸的正 方向的面上的開關(guān)連接用的導(dǎo)體圖案322等連接的導(dǎo)體圖案323、 333、 343、 353的位置，PBX6=PBY6=2.7mm、 PBX7=0.4mm、 PBY7二 1.2mm 成立。
圖9 (e)是具有作為供電基板60的功能的第一平面基板31e的Z 軸的正方向的面的平面圖。與其他第一平面基板31的不同點是，在中 心設(shè)置有與供電元件對10的直徑相對應(yīng)的圓形的電極622，以及從電 極622到基板邊緣設(shè)置有為長條形的導(dǎo)體圖案的供電線路62。
在基板的背面也同樣，在基板的中心設(shè)置有圓形電極632，以及從 電極到基板邊緣設(shè)置有為長條形的導(dǎo)體圖案的供電線路63。因此，通 過在基板邊緣的供電線路62、 63間輸入輻射的信號，信號在供電線路 62、 63中以平行平板模式傳播，通過電極622、 632輸入供電元件對 10。
接著，說明無供電元件的設(shè)計例和此時的輻射指向性的例子。 以與圖7相應(yīng)的形式在圖11中表示無供電單位元件的排列和元件 間的導(dǎo)通、斷開的設(shè)計。在圖11中，與圖7同樣，陰影線的十字形的 圖形是無供電單位元件。圖的橫方向表示Z軸方向，縱方向表示沿方 位角^排列的順序。沿以十字形表示的無供電單位元件的橫方向延伸 的臂部表示無供電元件主體(元件片)，沿縱方向延伸的臂部表示分支 元件部。此外，連接鄰近的無供電單位元件之間的長方形中，涂白的 長方形表示打開狀態(tài)的開關(guān)，涂黑的長方形表示導(dǎo)通狀態(tài)的開關(guān)。
如圖8所示，在本實施例中，具有與圖6 (b)的無供電單位元件 800電等價的形狀的無供電單位元件與供電元件對10平行地排列有8 個。此外，與圖6 (a)所示的例子同樣，沿著與供電元件對10垂直的 平面，使四個無供電單位元件的分支元件部之間接近并包圍在供電元 件對的周圍。此時，各個無供電單位元件的元件片相對于供電元件對 位于方位角0=45度、135度、225度、315度的任一個方向。
圖11 (a)表示所有開關(guān)均為打開狀態(tài)的情況。與此相對，在圖11 (b)中，表示無供電單位元件81e、 81f、 81g、 81h、 82f、 82g、 84g 通過連接它們各自的開關(guān)51f、 51g、 51h、 55f、 55g、 58g為相互導(dǎo)通 的狀態(tài)。圖11 (c)和(d)也相同。
而且，在以下所示的試制例中，開關(guān)的打開位置為保持圖9所示 的導(dǎo)體圖案被打開的狀態(tài)，開關(guān)的導(dǎo)通位置設(shè)定為將導(dǎo)體圖案保持相 同寬度(截面積)地延長而使其導(dǎo)通的狀態(tài)。
如上所述，在圖11 (b)和(c)所示的設(shè)計例中，從無供電單位 元件81e到81h中在與供電元件平行的方向上筆直排列的多個無供電 單位元件導(dǎo)通，由此，它們形成的無供電元件主體的主軸部21a對輻 射指向性的變化造成很大影響。即，在作為包括供電元件對10和無供 電元件主體的主軸部21a的平面的方位角45度方向的垂直面內(nèi)，產(chǎn)生 輻射指向性的變化，主波束方向與此相一致。該方位角45度方向的垂 直面是由圖10的點AA-AB-AC-AD連結(jié)而形成的平面。
另一方面，在圖11 (d)所示的例子中，涉及無供電單位元件81e、 81f、 81g和81h的方位角45度方向的無供電元件主體21a、以及涉及 無供電單位元件84e、 84f、 84g和84h的方位角315度方向的無供電元 件主體21d均為相等的長度，是最長的無供電元件主體，因此，無供 電元件主體21a和21d均作為主軸部工作。在該設(shè)計例中，在設(shè)定頻 率(4.3GHz)下兩個無供電元件均為相同形狀，作為同等的反射器工 作，因此，在距無供電元件主體的主軸部21a和21d為相等距離的平 面的方位角為0度的方向的垂直面內(nèi)，輻射指向性發(fā)生改變。
在圖12 (a) (d)中表示與這些圖11 (a) (d)所示的無供 電元件的設(shè)計對應(yīng)的垂直面上的輻射指向性增益。圖12 (a) (d) 與圖11 (a) (d)的各個連接例相對應(yīng)。圖12 (a) (c)是在方
位角45度的垂直面內(nèi)的輻射指向性增益，圖12 (d)是在方位角0度 的垂直面內(nèi)的輻射指向性增益。
圖12 (a)表示頻率4.1GHz下的測定結(jié)果。因為是在垂直面內(nèi)的 輻射指向性增益，所以產(chǎn)生作為半波長偶極天線的本來的特性的朝向 仰角90度和270度的方向的指向性。
圖12 (b)表示頻率4.4GHz下的測定結(jié)果，圖12 (c)表示頻率 3.7GHz下的測定結(jié)果。在設(shè)定了無供電元件主體的主軸部的方位角45 度的垂直面內(nèi)，從位于供電元件對10的中心的供電點(原點)看，輻 射指向性朝向形成的無供電元件的無供電元件主體的主軸的中心的方 向(即從仰角90度到180度的方向)改變。在圖12 (b)中得到30 度的輻射指向性的變化，在圖12 (c)中得到20度的輻射指向性的變 化。
圖12 (d)是在頻率4.3GHz下，在為距兩個無供電元件的無供電 元件主體的主軸部為相等距離的平面的方位角0度的垂直面內(nèi)，朝向 與設(shè)置有無供電元件的方向相反的方向(即從仰角270度到0度的方 向)，得到30度的輻射指向性的變化。
因此，在圖12 (b)和(c)的結(jié)果中，無供電元件作為波導(dǎo)器起 作用，從供電元件的中心看，輻射指向性向存在無供電元件的方向改 變。此外，在圖12 (d)的結(jié)果中，作為兩個無供電元件作為反射器起 作用的效果的合成，從供電元件的中心看，輻射指向性向與存在無供 電元件的方向相反的方向改變。
圖12 (a) (d)表示在不同頻率下的測定結(jié)果。為了實現(xiàn)它們， 必須控制無供電元件的共振頻率。此時，不僅無供電元件主體的主軸 部的長度的設(shè)計有用，利用分支元件部的無供電元件的設(shè)計也有用。
圖11 (a) (d)中，無供電元件主體的主軸部大致為相同結(jié)構(gòu)， 但是利用分支元件部的形狀設(shè)計不同，由此能夠控制無供電元件的共 振頻率。
在以圖17所示的直線狀的無供電元件的多段分割進行無供電元件 的共振頻率的精密調(diào)整的情況下，必須將直線狀的無供電元件分割為 非常多個，但在利用本發(fā)明的這種分支元件部的情況下，能夠通過選 擇使分支元件部導(dǎo)通的位置而使共振頻率改變，因此，如圖11和圖12
所示，不僅能夠設(shè)計使輻射指向性變化的方向，還能夠包括電磁波的 頻率在內(nèi)進行設(shè)計。
最后，對無供電元件的設(shè)計的概念和背景進行說明。
無供電元件通過與供電元件對10的電磁耦合被供電，從而進行輻 射。因此，必須與供電元件對10—定程度上接近配置，并且必須是包 括與供電元件對IO輻射的電場的方向相一致電流能夠流動的方向的導(dǎo)
體部分的結(jié)構(gòu)。
因為流過供電元件對10的電流在z軸的方向，所以輻射的電磁場 的電場的方向僅具有包括Z軸的面內(nèi)(即與XY平面垂直的平面)的 成分。因此，與XY平面平行的(線狀的)導(dǎo)體不與供電元件對10耦 合。 一般地，選擇強烈產(chǎn)生供電元件對10和無供電元件的電磁場的耦 合的配置，如圖16、圖17所示，無供電元件形成為與供電元件平行的 方向。
但是，如上所述，如果將無供電元件構(gòu)成為與供電元件平行的線 狀導(dǎo)體，則在希望使輻射指向性在垂直面內(nèi)變化的情況下，必須使作 為波導(dǎo)器或反射器的無供電元件在與供電元件平行的方向(Z軸方向) 偏移。此時，無供電元件具有與供電元件大致相等的共振頻率(即長 度)，因此，該偏移的距離大體上會使無供電元件從供電元件的端部向 外側(cè)伸出，很明顯天線的整體長度變長。
無供電元件并非必須僅由與供電元件平行的方向的導(dǎo)體構(gòu)成。無 供電元件的一部分也可以從與供電元件平行的方向的導(dǎo)體部分向與其 垂直的方向分支，而且，通過采用這樣的形狀能夠降低無供電元件的 共振頻率。這樣能夠縮短無供電元件的與供電元件平行的方向的長度。 因此，能夠?qū)κ馆椛渲赶蛐栽诖怪泵鎯?nèi)變化的偶極天線進行設(shè)計，使 得其較長(長軸)方向的長度不變長。
為了在偶極天線等線狀天線的垂直面內(nèi)(包括供電元件的面內(nèi)) 使輻射指向性大幅變化，在使用現(xiàn)有的直線狀的無供電元件的情況下， 如圖15所示，必須使無供電元件20相對供電元件IO在長軸方向偏移。 因此，僅偏移的長度即使天線裝置長大化。
在本發(fā)明中，通過進行利用分支元件部的無供電元件的設(shè)計，能 夠縮短無供電元件的長軸方向的長度。因此，從圖8明顯可知，在不使無供電元件向供電元件的長軸方向伸出的條件下，如圖12(b) (d) 所示，能夠使輻射指向性大幅變化。 產(chǎn)業(yè)上的可利用性
本發(fā)明的指向性可變天線能夠使偶極天線等線狀天線的輻射指向 性在包括供電元件的面內(nèi)和與供電元件垂直的面內(nèi)變化，因此能夠使 輻射指向性朝向標的物的方向，抑制妨礙波的接受的情況，從而不僅 能夠改變通信品質(zhì)，還能夠使天線在較長方向不長大化，因此，非常 利于應(yīng)用在便攜式無線通信終端、屋內(nèi)無線通信終端中。
權(quán)利要求
1.一種指向性可變天線(1)，其特征在于，具有由與Z軸平行的線狀導(dǎo)體構(gòu)成的供電元件(11、12)，和無供電元件(2)，所述無供電元件(2)具有與所述Z軸平行的n根線狀(n為3以上的自然數(shù))無供電元件主體(21a、21b、21c、21d)，所述無供電元件主體(21a、21b、21c、21d)以包圍所述供電元件(11、12)的周圍的方式配置，所述無供電元件主體(21a、21b、21c、21d)分別包括與所述Z軸平行排列的多個元件片(211a～211h、212a～212h、213a～213h、214a～214h)，和能夠使所述元件片(211a～211h、212a～212h、213a～213h、214a～214h)之間導(dǎo)通的至少一個第一開關(guān)元件(51、52、53、54)，所述無供電元件(2)還具有將所述n根無供電元件主體(21a、21b、21c、21d)中鄰近的兩個在導(dǎo)通時電連接，在斷開時電絕緣的至少一個第二開關(guān)元件(55、56、57、58)，通過切換所述至少一個第一開關(guān)元件(51、52、53、54)和所述至少一個第二開關(guān)元件(55、56、57、58)的導(dǎo)通、斷開，使得指向性發(fā)生變化。
2. 如權(quán)利要求l所述的指向性可變天線，其特征在于-所述無供電元件主體(21a、 21b、 21c、 21d)和所述供電元件(11、12)之間的距離為輻射的電磁波的波長的1/4以下。
3. 如權(quán)利要求l所述的指向性可變天線，其特征在于 所述無供電元件主體(21a、 21b、 21c、 21d)分別比供電元件(10)的長度短。
4. 如權(quán)利要求1所述的指向性可變天線(1)，其特征在于 所述無供電元件(2)還具備有安裝有所述第一開關(guān)元件(51、 52、53、 54)和/或第二開關(guān)元件(55、 56、 57、 58)的平面基板(31、 34)，所述平面基板(31、 34)的位置由所述供電元件(11、 21)保持。
全文摘要
本發(fā)明提供一種指向性可變天線，該指向性可變天線具有包圍供電元件(10)且與Z軸平行的三根以上的線狀的無供電元件主體(21)，無供電元件主體(21)由分別與Z軸平行的二根以上的元件片(211)等和第一開關(guān)元件(51)等構(gòu)成，無供電元件(2)還具有在導(dǎo)通時使鄰近的兩根無供電元件主體(21)導(dǎo)通，在斷開時使鄰近的無供電元件主體(21)電絕緣的一個以上的第二開關(guān)元件(55)等，通過切換上述一個以上的第一開關(guān)元件(51)等和上述一個以上的第二開關(guān)元件(55)等的導(dǎo)通、斷開，使得指向性發(fā)生變化。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)使線狀天線的輻射指向性在垂直面變化，并且不會由于無供電元件而使得天線整體的較長(長軸)方向的長度變長的指向性可變天線。
文檔編號H01Q9/16GK101341630SQ20068004837
公開日2009年1月7日 申請日期2006年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月21日
發(fā)明者寒川潮, 崎山一幸, 菅野浩, 藤島丈泰 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社