圆极化波天线、天线设计模拟器和具备该天线的无线模块

摘要

提供一种小型且薄型的圆极化波天线、设计这种天线的天线设计模拟器以及具备这种天线的无线模块。该圆极化波天线，由用板状的金属导体(15)形成的一组导体线路(15a)和连接到该导体线路(15a)的供电部(14)构成；在导体线路(15a)上激励起来的电流的在相互正交的2轴上的投影，其绝对值大致相等，偏角之差的绝对值大致为90度，而且，供电部(14)的阻抗的电抗分量大致为0。

说明书

技术领域

本发明涉及圆极化波天线、设计这种天线的设计模拟器，并涉及具备这种天线的无线模块。

背景技术

在卫星广播(BS)或定位信息系统(GPS)等技术领域内，为了能够与极化波的倾斜无关地进行良好的接收，使用圆极化波。作为有代表性的圆极化波天线，众所周知的是非专利文献1等所记载的那种一点供电型微带天线。在该天线中，可以通过设置简并分离元件生成空间上正交的两种模来设计圆极化波天线。但是，在这种天线中存在辐射导体的一边的长度为使用波长的约1/2这样的尺寸限制，从而很难小型化。

在无线模块中，由于期望小型且薄型的天线，所以迄今为止一直在探讨各种各样的小型化方法、薄型化方法和设计方法。

作为一点供电型圆极化波天线的小型化方法、薄型化方法和设计方法，有专利文献1～3所记载的方法。

在专利文献1中，用简并分离元件在对相互正交而相位不同的两个谐振模方向在以±45度正交的直线方向的导体两端形成刻痕，并使对所述谐振模方向以±45度正交的直线的任一条与所述供电点的偏位方向一致，由此来降低谐振频率并缩小同一频率下的天线尺寸。

在专利文献2中，使用以环为基本元件的线状天线元件来使天线小型化。

在专利文献3中，把辐射元件作成单线角型螺旋状，把最外周长选择为大于执行波长而小于执行波长的2倍的长度，由此使天线小型化。

【专利文献1】特许第2826224号公报

【专利文献2】特开平08-50312号公报

【专利文献3】特开2001-251132号公报

【非专利文献1】羽石操等，电子信息通信学会编“小型·平面天线”1996年，コロナ公司，142-164页

在专利文献1记载的方法中，虽然能实现保持产生圆极化波所必要的正交的两个模不变的小型化，但是很难取得与高频电路的匹配。虽然记载了调整输入阻抗的电抗的方法，但是在电阻的调整中也必须重复好几次凑试，会延长设计时间。

在专利文献2记载的方法中，虽然通过调整角型环元件的长宽比和元件与接地导体的距离能够产生良好的圆极化波，但是很难取得与高频电路的匹配。虽然描述了在辐射元件的一部分中装加电抗来调整输入阻抗的方法以及并联多个辐射元件来调整输入阻抗的方法，但是都存在系统设计困难且设计时间长的问题。

在专利文献3记载的方法中，虽然通过把辐射元件作成螺旋状容易实现小型化，但是必须考虑圆极化波的产生和与高频电路匹配的两方面的条件，必须调整好几次结构，系统设计困难且设计时间长。

由上述可知，期望一种具有良好的圆极化波特性且能够实现与高频电路匹配的小型且薄型的圆极化波天线，以及用于短时间系统设计该天线的设计模拟器。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种小型且薄型的圆极化波天线，以及短时间能够设计的天线的设计模拟器，并提供具备这种天线的无线模块。

为实现上述的目的，权利要求1的发明是一种圆极化波天线，其特征在于：由用板状的金属导体形成的一组导体线路和连接到该导体线路的供电部构成；在导体线路上激励起来的电流的在相互正交的2轴上的投影，其绝对值之比为0.7～1.3，而其偏角之差的绝对值为80～100度；且供电部的阻抗的电抗分量大致为0。

权利要求2的发明，如权利要求1所述的圆极化波天线，其特征在于：

把金属导体分割为有限个段片，适当除去该各段片而形成一组导体线路。

权利要求3的发明是一种天线设计模拟器，其特征在于：把供电部连接在由用板状的金属导体形成的一组导体线路上；计算在导体线路上激励起来的电流；所述电流的在相互正交的2轴上的投影，判定其绝对值之比是否为0.7～1.3，并判定偏角之差的绝对值是否为80～100度；且供电部的阻抗判定是否与高频电路的阻抗相匹配。

在圆极化波的产生中，在垂直于圆极化波的辐射方向的面上，相互正交的方向的极化波分量的强度必须大致相等而相位差的绝对值必须大致为90度。

天线的辐射特性，如“新井、新天线工学、综合电子出版社，2001年，p9”等中所记载的那样，通过分别计算来自流经导体的各电流的辐射特性后将各计算结果重合起来而求得。天线近边的辐射特性，因为不能忽略天线的大小，所以必须用上述的计算方法来求得辐射特性。

但是，在考虑地面与卫星之间那样的极远方的辐射场的情况下，天线的大小相对来说是极小的，所以可把天线认为是一个点。这种情况下，辐射场的强度和相位，将无限地反映流经天线的各电流的强度和相位的总和，即可以认为辐射场的强度与各电流的强度的总和成正比，辐射场的相位等于各电流的相位的总和。

本发明的天线设计模拟器，从以上的观点来看，是由各电流的强度和相位的总和来求得辐射场的极化波分量的强度和相位。

因此，不必要分别计算各电流的辐射特性，而能够实现短时间的设计。

权利要求4的发明是如权利要求3所述的天线设计模拟器，具备：运算单元，该运算单元，为使供电部的阻抗与高频电路的阻抗取得匹配反复变更导体线路的结构来设计电流；每当变更导体线路的结构时，电流的对相互正交的两个轴的投影，判定其绝对值之比是否是0.7～1.3，偏角之差的绝对值是否是80～100度。

在阻抗设计的过程中，探索满足圆极化波条件的天线构造，这样就具有提高设计效率的效果。

权利要求5的发明是如权利要求3或4所述的天线设计模拟器，其特征在于，把金属导体分割为有限个段片，适当除去该各段片而形成一组导体线路。

权利要求6的发明是如权利要求5所述的天线设计模拟器，其特征在于，用瞬态法来假定相互不平行的、至少两个方向以上的段片间的电流。

权利要求7的发明是如权利要求6所述的天线设计模拟器，其特征在于，具有第一存储单元，其存储具有阻抗量纲的N阶矩阵Z；第二存储单元，其存储具有电压量纲的N阶矢量V；第三存储单元，其存储从矩阵Z中消除掉多个行和列而得到的n(n＜N)阶矩阵z；第四存储单元，其存储从矢量V中消除掉多个行而得到的n阶矢量v；第五存储单元，其存储是矩阵z的逆矩阵而具有导纳量纲的n阶矩阵y；第六存储单元，其存储具有从矩阵y与矢量v之积得到的电流量纲的n阶矢量i；并具有用第一至第六存储单元设计矢量i的运算单元；当将矢量i的各要素i₁～i_n投影到相互正交的2轴x、y上的各要素是x₁～x_n和y₁～y_n时，设计矢量i，使x₁～x_n总和的绝对值和y₁～y_n总和的绝对值大致相等，设计矢量i，使x₁～x_n总和的偏角与y₁～y_n总和的偏角之差的绝对值大致为90度；当高频电路的阻抗是z_f，矢量i的相当于供电部的要素是i_e、矢量v的相当于供电部的要素是v_e时，设计矢量i，以使z_f与v_e/i_e大致相等，即电压驻波比：

(1+|(v_e/i_e-z_f)/(v_e/i_e+z_f)|)/(1-|(v_e/i_e-z_f)/(v_e/i_e+z_f)|)

                                                   …(式1)变小。

权利要求8的发明是如权利要求7所述的天线设计模拟器，其特征在于，具有第十存储单元，其存储把金属导体分割为有限个段片并除去这些任意的段片的除去候补段片；

运算单元，根据所述第一存储单元～第六存储单元来计算各个除去候补段的各个电流的矢量i；

具有第七存储单元，其当该矢量i的各要素i₁～i_n在相互正交的2轴x、y上投影的各要素分别是x₁～x_n和y₁～y_n时，存储x₁～x_n总和的绝对值和y₁～y_n总和的绝对值；

具有第八存储单元，其存储x₁～x_n总和的偏角和y₁～y_n总和的偏角；

具有第九存储单元，其存储高频电路的阻抗是z_f、矢量i的相当于供电部的要素是i_e、而矢量v的相当于供电部的要素是v_e时的电压驻波比；

运算单元还顺次反复运算来自第十存储单元的除去候补段片的电压驻波比，直到没有除去候补段片为止，参照第七～第九存储单元，来判别x₁～x_n总和的绝对值和y₁～y_n总和的绝对值大致相等、而x₁～x_n总和的偏角与y₁～y_n总和的偏角之差的绝对值大致为90度、且电压驻波比小于规定值的除去候补段片；

具备输出该判别出来的除去候补段片的输出单元。

权利要求9的发明是一种无线模块，其特征在于，具备权利要求1或2所述的圆极化波天线或者由权利要求3至8任一项所述的天线设计模拟器设计的圆极化波天线。

本发明具备如下的优异效果。

(1)可以提供小型薄型的圆极化波天线。

(2)可以提供在圆极化波天线的系统中能够进行短时间的设计的设计模拟器。

(3)可以提供具备圆极化波天线的小型薄型的无线模块。

附图说明

图1是本发明的天线设计模拟器的构成图；

图2是图1的天线设计模拟器的设计算法的流程图；

图3是本发明的天线设计模拟器的构成图；

图4是图3的天线设计模拟器的设计算法的流程图；

图5是表示按照图4的设计算法的天线结构的推移的结构图；

图6是本发明的天线的结构图；

图7是用来说明执行本发明的设计算法时的初始条件的结构图；

图8是图6的天线结构的特性图；

图9是本发明的天线的结构图；

图10是本发明的天线的制作过程的流程图；

图11是具备本发明的天线的无线模块的结构图。

【符号的说明】

1～10    存储单元

11       输出单元

12       运算单元

13       数据总线

14      供电部

15      金属导体

15a     导体线路

15s     段片

16      电流

17      同轴电缆

18      电路基板

19      高频电路

20      供电线路

具体实施方式

以下基于附图详细说明本发明的实施方式。

首先，根据图6、图7说明用本发明的天线设计模拟器设计的圆极化波天线。

图6是可发射/接收圆极化波的天线，天线A1，把供电部14连接在板状的金属导体15的大致中央部位，适当地将该金属导体15开切缺口而形成一组导体线路15a。

该天线A1的设计，如图7所示，是把金属导体15分割成多个段片15s。在图6、图7的例子中，金属导体15的外尺寸是48mm×48mm，将其在x、y方向进行16×16分割，从而分割为3mm×3mm的段片15s。

各段片15s的电流，由在相互正交的2轴上所投影的各段片15s间的电流16x、16y来定义。

求出该段片15s中、分别除去一个段片时的各段片15s间的电流6x、16y的投影，并计算这些投影的总和的绝对值和偏角，进一步计算电压驻波比，在达到设计目标之前，适宜地除去任意段片15s，由此，如图6所示，可以得到在导体线路15a上激励起来的电流的对相互正交的2轴的投影，其绝对值大致相等、偏角之差的绝对值大致为90度、供电部14的阻抗的电抗分量大致为0的天线A1。

一旦使这些段片15s的除去部分为0，阻抗就可以由计算机按某阶数的矩阵来求得，而电流可以由计算机用导纳矩阵来求得。

图1是本发明的一个实施方式的天线设计模拟器的构成图。

图1中，1是存储具有阻抗量纲的N阶矩阵Z的第一存储单元，2是存储具有电压量纲的N阶矢量V的第二存储单元，3是存储从矩阵Z中消除掉多个行和列而得到的n(n＜N)阶矩阵z的第三存储单元，4是存储从矢量V中消除掉多个行而得到的n阶矢量v的第四存储单元，5是存储为矩阵z的逆矩阵而具有导纳量纲的n阶矩阵y的第五存储单元，6是存储具有从矩阵y与矢量v之积得到的电流量纲的n阶矢量i的第六存储单元，7是存储x₁～x_n总和的绝对值和y₁～y_n总和的绝对值的第七存储单元，8是计算并存储x₁～x_n总和的偏角和y₁～y_n总和的偏角的第八存储单元，9是计算并存储向天线供给功率的高频电路的阻抗是z_f、矢量i的相当于供电部的要素是i_e、矢量v的相当于供电部的要素是v_e时的电压驻波比

(1+|(v_e/i_e-z_f)/(v_e/i_e+z_f)|)/(1-|(v_e/i_e-z_f)/(v_e/i_e+z_f)|)

                                                  …(式1)的第九存储单元，10是存储进行设计的天线结构的参数的第十存储单元。

这些第一～第十存储单元1～10，通过数据总线13连接到运算单元12和输出单元11。

另外，作为各存储单元1～10，可以由微计算机中的存储器(ROM、RAM)来实现。

在该图1的模拟器中，把进行设计的天线结构的参数输入到第十存储单元10，根据该参数，装载在微计算机中的CPU等的运算单元12基于第一～第六存储单元1～6计算矢量，参照第七～第十存储单元7～10来运算大致满足设计目标的天线结构及其特性，并将其输出到输出单元11，从而得到所期望的天线。

图2是图1的天线设计模拟器的设计算法的流程图。

首先，随机选择天线结构(S1)；用假定至少两个方向以上的电流的瞬态法导出流经该天线的电流矢量i(S2)；把电流矢量i的各要素i₁～i_n投影到至少一个相互正交的2轴x、y上(S3)；计算各要素分别为x₁～x_n和y₁～y_n时的x₁～x_n的总和的绝对值和y₁～y_n的总和的绝对值(S4)；计算x₁～x_n的总和的偏角和y₁～y_n的总和的偏角(S5)；计算电压驻波比(S6)；判定是否已经达到设计目标(S7)；如果已经达到了设计目标就输出天线结构及其特性(S8)，然后结束，如果未达到设计目标，重复S1～S7。

设计目标，是x₁～x_n和y₁～y_n时的x₁～x_n的总和的绝对值和y₁～y_n的总和的绝对值大致相等，作为具体的数值，各轴x、y的总和的绝对值之比应是0.7～1.3，最好是0.9～1.1；另外，x₁～x_n的总和的偏角和y₁～y_n的总和的偏角之差的绝对值大致是90度，作为具体的数值，各总和的偏角之差的绝对值应是80～100度；电压驻波比应小于规定的值，作为具体的数值是3.0以下，最好是2.0以下。

如上所述，本发明的天线设计模拟器，可以进行使用圆极化波天线的计算机的自动设计，能够缩短设计时间，并可以减轻设计者的劳动力。

在存储图1的天线结构的参数的第十存储单元中，输入各种参数(发射/接收频率、高频模块的阻抗、金属导体的外尺寸、分割段片数、供电点位置、除去任意段片所得到的天线形状等)后进行模拟，但是，在这些参数中，发射/接收频率、高频模块的阻抗、金属导体的外尺寸、分割段片数、供电点位置，是由设计目标唯一决定的，所以，在天线设计中，关键是除去分割段片的哪个部分，才能够得到设计目标的天线特性。

图3是图1说明过的、把除去候补段片存储在第十存储单元10内，并基于该第十存储单元用来得到设计目标的天线的模拟器的构成图，存储除去候补段片的第十存储单元10以外的构成与图1相同。

在该图3中，从第十存储单元10顺次输出除去候补段片；运算单元12，运算除去了那些段片的天线的特性，来求出是否已经得到设计目标的天线。

用图4来说明该图3的天线设计模拟器的设计算法的流程。

图4中，把构成天线的金属导体分割成有限个段片(S1)；用假定至少两个方向以上的电流的瞬态法计算并存储分别除去一个段片时的电流矢量i(S2)；把各个矢量i的各要素投影到至少一个相互正交的2轴x、y上(S3)；计算并存储各要素分别为x₁～x_n和y₁～y_n时的x₁～x_n的总和的绝对值和y₁～y_n的总和的绝对值(S4)；计算并存储x₁～x_n的总和的偏角和y₁～y_n的总和的偏角(S5)；计算并存储向天线供给功率的高频电路的阻抗是z_f、矢量i的相当于供电部的要素是i_e、矢量v的相当于供电部的要素是v_e时的电压驻波比(式1)(S6)。如果该电压驻波比在是否已经达到设计目标的判断(S9)中为否，判别一个电压驻波比为最小的除去候补段片，除去并存储该除去候补段片(S7)；判定是否存在除去候补段片(S8)；如果不存在，就结束；存在的话，返回到S2。

这样，在各循环中，在S6之后判定是否已经达到设计目标(S9)；如果未达到，进到S7，如果已经达到，输出除去段片及其结构特性(S10)；然后结束。

设计目标是x₁～x_n和y₁～y_n时的x₁～x_n的总和的绝对值和y₁～y_n的总和的绝对值大致相等(绝对值之比是0.7～1.3，最好是0.9～1.1)；x₁～x_n的总和的偏角和y₁～y_n的总和的偏角之差的绝对值大致是90度(80～100度)；电压驻波比应小于规定的值(电压驻波比是3.0以下，最好是2.0以下)。

用简单的例子更加详细地说明图4所示的设计算法。

图5所表示的是采用图4的设计算法的天线结构推移的一例。

把供电部14设置在构成天线的金属导体15上，将金属导体15分割为6个段片15s，并假定电流16x、16y(S1)，因为不能把与供电部相关的段片15s除去，所以段片s1、s2、s3和s6成为除去候补段片。

然后，分别导出除掉了各除去候补段片时的电流i(S2)；把矢量i的各要素投影到至少一个相互正交的2轴x、y上(S3)；计算并存储各要素分别为x₁～x_n和y₁～y_n时的x₁～x_n的总和的绝对值和y₁～y_n的总和的绝对值(S4)；计算并存储x₁～x_n的总和的偏角和y₁～y_n的总和的偏角(S5)；计算并存储电压驻波比(式1)(S6)。

这里，判定是否已经达到了设计目标(S9)，这里，由于4种结构都未达到设计目标，所以进到S7。比较除掉了各除去候补段片时的电压驻波比，除去电压驻波比最小的除去候补段片(S7)，这里，由于除去了段片s3时的电压驻波比最小，所以除掉段片s3。

然后，判定是否存在除去候补段片(S8)，但是作为除去候补段片由于还存在段片s1、s2和s6，所以进到S2。导出除掉了各除去候补段片时的电流i(S2)；把矢量i的各要素投影到至少一个相互正交的2轴x、y上(S3)；计算并存储各要素分别为x₁～x_n和y₁～y_n时的x₁～x_n的总和的绝对值和y₁～y_n的总和的绝对值(S4)；计算并存储x₁～x_n的总和的偏角和y₁～y_n的总和的偏角(S5)；计算并存储电压驻波比(式1)(S6)。这里，判定是否已经达到了设计目标(S9)，由于在除掉除去候补段片s1的结构中已经达到了设计目标，所以进到S10。输出除去段片及特性(S10)之后结束。这里的除去段片是s1和s3。

如上所述，本发明的天线设计模拟器，在电压驻波比最小的方向上设计结构，并且在其各设计过程中探索满足圆极化波条件的结构，从而能够提高设计效率，还能缩短设计时间。

图6是用图2、图3中说明过的天线设计模拟器设计的本发明的天线A1的结构图。

该图6的圆极化波天线A1，是对应于定位信息系统(GPS)的天线，是可以在1575MHz附近发射/接收圆极化波的天线。

构成天线A1的板状金属导体15的外尺寸是48mm×48mm，供电部14连接在金属导体15的大体中央部位。

如图7所示，金属导体15被分割为3mm×3mm的段片15s，在各段片15s之间定义电流16。将各电流16x、16y投影在图中的相互正交的2轴x、y上。

从该图7的金属导体15上，按照图4所示的流程图适宜地除去段片15s来设计天线时，就得到图6所示的结构。

设计目标是x₁～x_n和y₁～y_n时的x₁～x_n的总和的绝对值和y₁～y_n的总和的绝对值之比是大于等于0.7小于等于1.3，最好是0.9～1.1；x₁～x_n的总和的偏角和y₁～y_n的总和的偏角之差的绝对值是80～100度；高频电路的阻抗是50Ω时的电压驻波比是小于等于3.0，最好是小于等于2.0。

试制图6结构的天线A1并进行实测的结果，得到图8(a)、图8(b)所示的特性。

如图8(a)所示，如果轴比是小于等于3.0dB，虽然可作成良好的圆极化波天线，而在规定的(1575MHz)频率之下，轴比为2.6dB，作为圆极化波天线能够充分发挥功能。

如图8(b)所示，电压驻波比是1.4，能够实现与高频电路的良好的匹配。

天线A1的外尺寸是48mm，是使用频率下的波长的大约1/4，与现有的圆极化波天线相比，是十足的小型；而且，由金属导体构成，与现有的圆极化波天线相比，是十足的薄。

如上所述，使用本发明的天线设计模拟器设计的圆极化波天线，具有这样的特征，即具有良好的圆极化波特性，能够实现与高频电路的良好的匹配，而且既是小型又是薄型。

以下根据图9详细说明本发明的其他实施方式。

图9是本发明的天线A2，由具有图6说明过的一组导体线路15a的结构的板状金属导体15构成。

用图10的工序中制作该天线A2。

用压力加工对金属导体进行外形加工，然后实施表面处理。另外，将同轴电缆17连接在供电部上。

如上所述，本发明的天线，用压力加工等通用的金属加工就能够容易地制作，并用同轴电缆供电，故此，可以低损失的供电，可以防止辐射效率的下降。

然后根据图11详细说明本发明的其他实施方式。

图11是具备本发明的天线A3的无线模块，设置有具有图6的实施方式所述的导体结构的天线。

用供电线路20从设置在电路基板18上的高频电路19向天线A3供给高频功率。在天线结构中，附加有掺入了在电路基板18上设置的影响的调整，从而能够进行圆极化波的良好的发射/接收。

如上所述，通过使用本发明的天线，就能够提供小型且薄型的高性能的无限模块。