CN1334979A - 天线装置 - Google Patents

Abstract

一种配置匹配电路4的天线装置,该电路在使用的各个频率中,与考虑了根据对应的激励振幅和激励相位激励各天线元件1a,1b,1c,1d时的各天线元件1a,1b,1c,1d之间的结合的各天线元件1a,1b,1c,1d的反射系数对应。

Description

天线装置

技术领域

本发明涉及按多个频率使用的多元件天线构成的天线装置。

背景技术

图1是表示例如美国专利5828348号公报中公开的已有天线装置的结构的图。该例是按2个频率使用的4元件天线的情况，该4元件天线上连接的各匹配电路使用的元件相同。

图1中，101a，101b，101c，101d是天线元件，102a，102b，102c，102d是寄生天线元件，103a，103b，103c，103d是分别连接于天线元件101a，101b，101c，101d的匹配电路，104a，104b是使用对输入的信号附加90度相位差而分配的支线型分配合成线路的分配合成电路，105是对输入的信号附加180度相位差而分配的180度分配合成路，106是信号输入输出端子。

图2是表示在表面上形成图1的天线元件101a，101b，101c，101d和寄生天线元件102a，102b，102c，102d构成的天线部分的圆筒形介电体30的图。如图所示，各天线元件101a，101b，101c，101d形成在圆筒形介电体30的外径表面上，各寄生天线元件102a，102b，102c，102d形成在圆筒形介电体30的内径表面上。

接着说明动作。

输入到输入输出端子106的信号通过180度分配合成电路105被分配为具有0度、-180度的相位的信号。之后，由分配合成电路104a分配成具有0度和-90度的相位的信号，由分配合成电路104b分配成具有-180度和-270度的相位的信号。在使用的2个频率f1和f2中，180度分配合成电路105实现0度、-180度的相位分布，分配合成电路104a，104b实现0度和-90度的相位分布。

在这2个频率f1和f2中，为和天线元件101a，101b，101c，101d的每一个进行匹配，测量或计算求出天线的散射矩阵后，使用激励振幅和激励相位求出使用时的反射系数，但该例子中，通过天线的散射矩阵的对称性和激励相位的对称性，使得各天线元件101a，101b，101c，101d的反射系数相同。因此，连接于各天线元件101a，101b，101c，101d的匹配电路103a，103b，103c，103d也相同。

如图1所示，180度分配合成电路105和分配合成电路104a，104b构成的整个分配合成电路变大，如图2所示，在圆筒形介电体30上不能形成该整个分配合成电路，仅形成天线元件101a，101b，101c，101d和各寄生天线元件102a，102b，102c，102d构成的天线部分。

图3是表示组合T分支和不同的线路长度的线路的已有小型分配合成电路的图，图中，107a，107b，107c，107d是激励端子、108是输入输出端子，109a，109b，109c，109d是与希望的激励相位对应长度的线路。线路长度为109a＜109b＜109c＜109d，激励相位按107a，107b，107c，107d的顺序延迟。

图3所示的T分支和不同的线路长度构成的小型分配合成电路中，使用的频率为多个时，全部的频率中每隔一定角度偏离相位来激励是困难的。例如，设定成在某一频率f1每隔90度偏离相位来按对称的相位激励线路109a，109b，109c，109d时，在与频率f1不同的频率f2，变成每隔90度不偏离相位而按不对称的相位来激励，各天线元件101a，101b，101c，101d的反射系数不等。

由于已有的天线装置如上构成，如图1所示，存在对于使用的频率f1和f2，每隔一定角度偏离相位来激励的180度分配合成电路105和分配合成电路104a，104b变得非常大的问题。

因此，在各个基板上分别构成图1的天线元件101a，101b，101c，101d，匹配电路天线元件103a，103b，103c，103d，分配合成电路天线元件104a，104b，180度分配合成电路105，用电缆或其它连接结构连接基板之间时，存在天线装置整体变得非常大的问题。

另外，在由图3所示的T分支和不同的线路长度构成的小型分配合成电路中，使用的2个频率f1和f2双方都按每隔一定角度偏离相位来激励是困难的，有各天线元件101a，101b，101c，101d的反射系数不等、不能取得匹配的问题。

本发明为解决上述问题而作出，目的是得到一种天线装置，通过使用图3所示的小型分配合成电路实现小型化，通过对各个天线元件101a，101b，101c，101d连接互不相同的匹配电路，在使用的多个频率中，可取得多元件天线的匹配。

另外，本发明的目的是得到把天线元件、匹配电路和分配合成电路一体加工在圆筒形介电体上，使整体小型化的天线装置。

发明概述

本发明的天线装置配备：按多个频率使用的多个天线元件；按希望的相位激励上述多个天线元件的分配合成电路；匹配电路，一端连接于上述天线元件、另一端连接于上述分配合成电路，在上述各频率中，与考虑了根据对应的激励振幅和激励相位激励上述各天线元件时的上述各天线元件之间的结合的上述各天线元件的反射系数对应。

由此，有在使用的多个频率中可进行各天线元件的阻抗匹配的效果。

本发明的天线装置组合T分支和线路长度不同的线路来构成分配合成电路。

由此，有可把天线装置小型化的效果。

本发明的天线装置把支线型分配合成线路作为分配合成电路使用。

由此，可把天线装置小型化的同时，有容易实现匹配电路的设计的效果。

本发明的天线装置把多个天线元件、分配合成电路和匹配电路一体加工在圆筒形介电体表面上。

由此，有可把天线装置小型化的效果。

本发明的天线装置在天线元件附近配置寄生天线元件。

由此，有可从天线装置得到希望的发射图案的效果。

本发明的天线装置把多个天线元件、分配合成电路和匹配电路一体加工在第一圆筒形介电体表面上，把寄生天线元件一体加工在与上述第一圆筒形介电体不同直径的第二圆筒形介电体表面上。

由此，有可把天线装置小型化的效果。

附图简要说明

图1是展开已有的天线装置的展开图；

图2是表示形成天线元件的已有圆筒形介电体的图；

图3是表示已有的小型分配合成电路的图；

图4是表示本发明的实施例1的天线装置的结构的图；

图5是展开本发明的实施例1的天线装置的展开图；

图6是展开本发明的实施例2的天线装置的展开图。

实施发明的最佳方式

下面为详细说明本发明，根据附图就实施本发明的最佳方式进行说明。

实施例1

图4表示本发明的实施例1的天线装置的结构的图，图5是展开图4的天线装置的展开图。

在图4和图5中，1a，1b，1c，1d是天线元件，2a，2b，2c，2d是电容器，3a，3b，3c，3d是匹配电路，4是分配合成电路，5是输入输出端子。

分配合成电路4由T分支和不同线路长度的线路构成，特征是结构简单而且规模小。来自输入输出端子5的线路由T分支分割而形成2个路径，各个路径还具有T分支，总共形成4个路径。对于某频率，一般把各路径的输入输出端子5和天线元件1a，1b，1c，1d的距离作成为彼此相差1/4波长，由该线路长度的不同而在天线元件1a，1b，1c，1d中产生0度、-90度、-180度、-270度的相位差。

使用的频率为2个时，由于将频率f1、f2都作成0度、-90度、-180度、-270度的相位差是困难的，该实施例的分配合成电路4在使用的2个频率中的频率f1中在天线元件1a，1b，1c，1d侧的端子处设定成0度、-90度、-180度、-270度的激励相位。

图4中，10是圆筒形介电体(第一圆筒形介电体)，20是比圆筒形介电体10内径小的圆筒形介电体(第二圆筒形介电体)，21a，21b，21c，21d是在圆筒形介电体20的表面形成的寄生天线元件。

在圆筒形介电体10的内侧除天线元件1a，1b，1c，1d以外的下部部分中形成接地导体，去除有天线元件1a，1b，1c，1d的上部内侧的接地导体。形成寄生天线元件21a，21b，21c，21d的圆筒形介电体20收容在圆筒形介电体10的内侧，使用时，配置成圆筒形介电体20重叠在圆筒形介电体10的一部分上。

另外，这里配置电容器2a，2b，2c，2d来进行匹配，但若匹配电路3a，3b，3c，3d中包括电容器2a，2b，2c，2d带来的特性，则可省略电容器2a，2b，2c，2d。

接着，说明动作。

各天线元件1a，1b，1c，1d对称配置时，从各天线元件1a，1b，1c，1d的端子看去的散射矩阵如下面(1)式所示变为对称形式。

S_dd＝S_bb＝S_cc＝S_aa

S_dc＝S_cd＝S_ba＝S_ab＝S_bc＝S_cb＝S_ad＝S_da

S_ac＝S_ca＝S_db＝S_bd    (1)

上述(1)式中，S_ij(i＝a～d，j＝a～d)是从天线元件j到天线元件i的结合系数，S_ii是天线元件i的反射系数，是此外的天线端子成为无反射终端时的值。该值在安装寄生天线元件21a，21b，21c，21d的状态下通过测定或计算而得到。

分配合成电路4的散射矩阵作为由输入输出端子5和天线元件1a，1b，1c，1d的4个端子侧合起来共5个端子构成的散射矩阵通过测定或计算得到。通过使用从上述各天线元件1a，1b，1c，1d的端子看去的散射矩阵和分配合成电路4的散射矩阵，得到把天线元件1a，1b，1c，1d连接于分配合成电路4时的各天线元件1a，1b，1c，1d的端子的各天线元件1a，1b，1c，1d的激励振幅和激励相位。

图5中，这里把分配合成电路4设计成在某频率f1，在天线元件1a，1b，1c，1d的端子处，得到具有0度、-90度、-180度、-270度的激励相位的相同大小的激励振幅的信号。此时，从下面的(2)式，考虑了各天线元件1a，1b，1c，1d的端子处的各天线元件1a，1b，1c，1d之间的结合的各天线元件1a，1b，1c，1d的反射系数Г_a，Г_b，Г_c，Г_d全部变为相同值Г₀。 ${\mathrm{\Γ}}_a=S_{\mathrm{aa}}+S_{\mathrm{ab}}\·e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{2}}+S_{\mathrm{ac}}\·e^{-\mathrm{j\π}}+S_{\mathrm{ad}}\·e^{-j\frac{3\mathrm{\π}}{2}}$ ${\mathrm{\Γ}}_b=S_{\mathrm{bb}}+S_{\mathrm{bc}}\·e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{2}}+S_{\mathrm{bd}}\·e^{-\mathrm{j\π}}+S_{\mathrm{ba}}\·e^{-j\frac{3\mathrm{\π}}{2}}$ ${\mathrm{\Γ}}_c=S_{\mathrm{cc}}+S_{\mathrm{cd}}\·e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{2}}+S_{\mathrm{ca}}\·e^{-\mathrm{j\π}}+S_{\mathrm{cb}}\·e^{-j\frac{3\mathrm{\π}}{2}}$ ${\mathrm{\Γ}}_d=S_{\mathrm{dd}}+S_{\mathrm{da}}\·e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{2}}+S_{\mathrm{db}}\·e^{-\mathrm{j\π}}+S_{\mathrm{bc}}\·e^{-j\frac{3\mathrm{\π}}{2}}---\left(2\right)$

另一方面，与频率f1不同的频率f2中，各天线元件1a，1b，1c，1d的端子处，不变为0度、-90度、-180度、-270度的激励相位，而变为稍微偏离的值。此时的激励相位作为P1度、P2度、P3度、P4度，激励振幅作为M1、M2、M3、M4时，考虑各天线元件1a，1b，1c，1d的端子处的各天线元件1a，1b，1c，1d间的结合的反射系数Г₁，Г₂，Г₃，Г₄如下面的式(3)所示成为分别不同的值。

Г₁＝(S_aa·M₁e^jp1＋S_ab·M₂e^jp2＋S_ac·M₃e^jp3＋S_ad·M₄e^jp4)/M₁e^jp1

Г₂＝(S_ba·M₁e^jp1＋S_bb·M₂e^jp2＋S_bc·M₃e^jp3＋S_bd·M₄e^jp4)/M₂e^jp2

Г₃＝(S_ca·M₁e^jp1＋S_cb·M₂e^jp2＋S_cc·M₃e^jp3＋S_cd·M₄e^jp4)/M₃e^jp3

Г₄＝(S_da·M_ie^jp1＋S_db·M₂e^jp2＋S_dc·M₃e^jp3＋S_dd·M₄e^jp4)/M₄e^jp4    (3)

把匹配电路3a，3b，3c，3d的尺寸确定成在频率f1与上述(2)式所示的各天线元件1a，1b，1c，1d的反射系数Г₀匹配，在频率f2与上述(3)式所示的各天线元件1a，1b，1c，1d的反射系数Г₁，Г₂，Г₃，Г₄匹配。因此，各个匹配电路3a，3b，3c，3d的尺寸不同。

上述计算得到的天线元件1a，1b，1c，1d的激励振幅和激励相位通过连接尺寸不同的匹配电路3a，3b，3c，3d可变为从初始值偏离若干的值。考虑连接的匹配电路3a，3b，3c，3d的特性，重新计算天线元件1a，1b，1c，1d的激励振幅和激励相位，使用新得到的激励振幅和激励相位再设计匹配电路3a，3b，3c，3d。反复这样的作业可更正确地进行设计。

这样一来，把各匹配电路3a，3b，3c，3d的尺寸对应于各天线元件1a，1b，1c，1d的不同的反射系数设计，在2个频率f1，f2中，即使使用未必能实现0度、-90度、-180度、-270度的激励相位的分配合成电路4时，也能实现优良特性的天线装置。

另外，通过使用简单的结构的小型分配合成电路4，可在圆筒形介电体10上一体加工天线端子1a，1b，1c，1d、电容器2a，2b，2c，2d、匹配电路3a，3b，3c，3d、分配合成电路4。

另外，使用时，配置成把圆筒形介电体20部分重合在圆筒形介电体10上，通过把寄生天线元件21a，21b，21c，21d配置在各天线元件1a，1b，1c，1d的附近，可从天线装置发射希望的发射图案。

该实施例中，使用的频率为2个，但可以是2个以上的频率。本实施例中天线元件为4个，但2个以上的多个天线元件都可以。还有，本实施例中寄生天线元件有4个，但1个或2个以上的多个天线元件都可以。

该实施例中，把分配合成电路4设计成在频率f1时在天线元件1a，1b，1c，1d侧的端子处以相同激励振幅变为0度、-90度、-180度、-270度的振幅相位，在另外的频率f2处，设计成变为不同的激励振幅和不同的激励相位，但也可设计成在频率f1，f2处，以不同的激励振幅来使激励相位尽可能接近0度、-90度、-180度、-270度。

该实施例中，把寄生天线元件21a，21b，21c，21d一体加工在比圆筒形介电体10内径小的圆筒形介电体20上，把圆筒形介电体20***圆筒形介电体10中，但可一体加工在比圆筒形介电体10内径大的圆筒形介电体上、将圆筒形介电体10***圆筒形介电体20中。另外，只要确保圆筒形介电体10的高度，也可不使用圆筒形介电体20、一体加工在圆筒形介电体10的内径表面上。

如上所述，根据该实施例1，实现的效果是在使用的各频率中，通过使匹配电路3a，3b，3c，3d与考虑了根据对应的激励振幅和激励相位激励各天线元件1a，1b，1c，1d时的各天线元件1a，1b，1c，1d之间的结合的各天线元件1a，1b，1c，1d的反射系数对应，实现阻抗匹配。

另外，根据该实施例1，通过用简单结构且小型的T分支和不同线路长度的线路构成分配合成电路4，可得到天线装置小型化的效果。

另外，根据该实施例1，通过把多个天线元件1a，1b，1c，1d、分配合成电路4、匹配电路3a，3b，3c，3d一体加工在圆筒形介电体10的表面上，可得到天线装置小型化的效果。

还有，根据该实施例1，使用时，通过在天线元件1a，1b，1c，1d附近配置寄生天线元件21a，21b，21c，21d，效果是可从天线装置发射希望的发射图案。

还有，根据该实施例1，通过把寄生天线元件21a，21b，21c，21d一体加工在与圆筒形介电体10内径不同的圆筒形介电体20的表面上，可得到装置小型化的效果。

实施例2

图6是展开本发明的实施例2的天线装置的展开图。该实施例中，将实施例1的分配合成电路4置换成使用支线型分配合成线路的分配合成电路。

图6中，1a，1b，1c，1d是天线元件，2a，2b，2c，2d是电容器，3a，3b，3c，3d是匹配电路，8是使用支线型分配合成线路的分配合成电路，5是信号的输入输出端子。

分配合成电路8比实施例1的由T分支和不同线路长度的线路构成的分配合成电路4大，但比使用已有的支线型分配合成线路的分配合成电路104a，104b和180度分配合成电路105的分配合成电路小。分配合成电路8中，由连接于输入输出端子5的环状线路，附加180度的相位差，由其后的线路各附加90度的相位差。

使用的频率为2个时，由于频率f1、f2都作成0度、-90度、-180度、-270度的相位差是困难的，把该实施例的分配合成电路8设计成在使用的2个频率中的频率f1中在天线元件1a，1b，1c，1d侧的端子处设定成0度、-90度、-180度、-270度的激励相位。

接着，说明动作。

各天线元件1a，1b，1c，1d对称配置时，从各天线元件1a，1b，1c，1d的端子看去的散射矩阵如上述(1)式所示变为对称形式。图6中，这里把分配合成电路8设计成在某频率f1，在天线元件1a，1b，1c，1d的端子处，得到具有0度、-90度、-180度、-270度的激励相位的相同大小的激励振幅的信号。此时，从上述(2)式，考虑了各天线元件1a，1b，1c，1d的端子处的各天线元件1a，1b，1c，1d之间的结合的各天线元件1a，1b，1c，1d的反射系数Г_a，Г_b，Г_c，Г_d全部变为相同值Г₀。

另一方面，与频率f1不同的频率f2中，各天线元件1a，1b，1c，1d的端子处，不成为0度、-90度、-180度、-270度的激励相位，而变为稍微偏离的值。此时的激励相位作为P1度、P2度、P3度、P4度，激励振幅作为M1、M2、M3、M4时，考虑各天线元件1a，1b，1c，1d的端子处的各天线元件1a，1b，1c，1d的结合的反射系数Г₁，Г₂，Г₃，Г₄如上述式(3)所示成为分别不同的值。

把匹配电路3a，3b，3c，3d的尺寸确定成在频率f1与上述(2)式所示的各天线元件1a，1b，1c，1d的反射系数Г₀匹配，在频率f2与上述(3)式所示的各天线元件1a，1b，1c，1d的反射系数Г₁，Г₂，Г₃，Г₄匹配。因此，各个匹配电路3a，3b，3c，3d的尺寸不同。

该实施例的动作与实施例1的动作基本相同，但由于分配合成电路8使用支线型分配合成线路而构成，2个频率f1和f2的天线元件1a，1b，1c，1d的激励相位具有不怎么偏离0度、-90度、-180度、-270度的特征，各个匹配电路3a，3b，3c，3d的差异小，各个匹配电路3a，3b，3c，3d的设计容易。

这样一来，通过对应于各天线元件1a，1b，1c，1d的不同的反射系数设计各匹配电路3a，3b，3c，3d的尺寸，在2个频率f1，f2中，即使使用未必能实现0度、-90度、-180度、-270度的激励相位的分配合成电路8时，也能实现优良特性的天线装置。

另外，通过使用小型分配合成电路8，可在圆筒形介电体10上一体加工天线端子1a，1b，1c，1d、电容器2a，2b，2c，2d、匹配电路3a，3b，3c，3d、分配合成电路8。

另外，使用时，配置成把圆筒形介电体20部分重合在圆筒形介电体10上，通过把寄生天线元件21a，21b，21c，21d配置在各天线元件1a，1b，1c，1d的附近，可从天线装置发射希望的发射图案。

该实施例中，使用的频率为2个，但可以是2个以上的频率。本实施例中天线元件为4个，但2个以上的多个天线元件都可以。还有，本实施例中寄生天线元件有4个，但1个或2个以上的多个天线元件都可以。

该实施例中，把分配合成电路8设计成在频率f1时天线元件1a，1b，1c，1d侧的端子处以相同激励振幅变为0度、-90度、-180度、-270度的振幅相位，在另外的频率f2时，设计成变为不同的激励振幅和不同的激励相位，但也可设计成在频率f1，f2时都以不同的激励振幅来使激励相位尽可能接近0度、-90度、-180度、-270度。

该实施例中，把寄生天线元件21a，21b，21c，21d一体加工在比圆筒形介电体10内径小的圆筒形介电体20上，把圆筒形介电体20***圆筒形介电体10中，但可一体加工在比圆筒形介电体10内径大的圆筒形介电体上、将圆筒形介电体10***圆筒形介电体20中。另外，只要确保圆筒形介电体10的高度，也可不使用圆筒形介电体20、而一体加工在圆筒形介电体10的内径表面上。

如上所述，根据该实施例2，实现的效果是在使用的各频率中，通过使匹配电路3a，3b，3c，3d与考虑了根据对应的激励振幅和激励相位激励各天线元件1a，1b，1c，1d时的各天线元件1a，1b，1c，1d之间的结合的各天线元件1a，1b，1c，1d的反射系数对应，实现阻抗匹配。

另外，根据该实施例2，通过用支线型分配合成线路作为分配合成电路8，可得到天线装置小型化的效果。

另外，根据该实施例2，通过把多个天线元件1a，1b，1c，1d、分配合成电路8、匹配电路3a，3b，3c，3d一体加工在圆筒形介电体10的表面上，可得到天线装置小型化的效果。

还有，根据该实施例2，使用时，通过在天线元件1a，1b，1c，1d附近配置寄生天线元件21a，21b，21c，21d，效果是可从天线装置发射希望的发射图案。

还有，根据该实施例2，通过把寄生天线元件21a，21b，21c，21d一体加工在与圆筒形介电体10内径不同的圆筒形介电体20的表面上，可得到装置小型化的效果。

产业上的可利用性

如上所述，本发明的天线装置通过配置与各天线元件对着用于的匹配电路，适用于小型化。

Claims (6)

1.一种天线装置，其特征在于配备：

按多个频率使用的多个天线元件；

按希望的相位激励上述多个天线元件的分配合成电路；

匹配电路，一端连接于上述天线元件、另一端连接于上述分配合成电路，在上述各频率中，与考虑了根据对应的激励振幅和激励相位激励上述各天线元件时的上述各天线元件之间的结合的上述各天线元件的反射系数对应。

2.根据权利要求1的天线装置，其特征在于组合T分支和线路长度不同的线路来构成分配合成电路。

3.根据权利要求1的天线装置，其特征在于使用支线型分配合成线路作为分配合成电路。

4.根据权利要求1的天线装置，其特征在于把多个天线元件、分配合成电路和匹配电路一体加工在圆筒形介电体表面上。

5.根据权利要求1的天线装置，其特征在于在天线元件附近配置寄生天线元件。

6.根据权利要求5的天线装置，其特征在于把多个天线元件、分配合成电路和匹配电路一体加工在第一圆筒形介电体表面上，把寄生天线元件一体加工在与上述第一圆筒形介电体不同内径的第二圆筒形介电体表面上。

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