CN101752667A - 具有中空部的介质加载天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有中空部的介质加载天线。一种设置在基板上以便覆盖在基板上形成的辐射片的介质块具有圆柱状外形。在介质块的附于基板一侧的底面(称为对侧底面)中设置有凹部。通过调整由凹部形成的中空部的尺寸来调整介质加载天线的方向性。结果，可以实现在希望的频带中的希望的方向性而无需改变介质块的外部尺寸(并且因此无需改变天线张开尺寸)。此外，可以任意选择介质块的材料(介电常数)，而无需考虑介质块的外形(尺寸)。因此，可以增强设计的自由度。

Description

具有中空部的介质加载天线

技术领域

本发明涉及用于发送/接收具有微波或毫米波波段的无线电波的介质加载天线。

背景技术

传统上，已知通过使用介质材料来增强天线增益的介质加载天线。该介质材料形成为圆柱状，该圆柱状覆盖通过微带线、波导等构成的无线电波辐射源(在下文中将介质材料称为“介质块”)。

例如，在日本专利特许公开2005-130464中公开了一种介质加载天线。在介质加载天线中，介质块的外形被修改以增加可以实现高增益的角度范围(即，主瓣的宽度)。具体而言，如图1中所示，在圆柱状介质块的底面中，在与面向辐射源的底面(对侧底面)相对一侧的底面(开放底面)上形成有凹部。

换句话说，对外形进行修改以使得根据从介质块的对侧底面进入的无线电波通过的介质块部分而产生路程差。作为从介质块的开放底面和侧表面辐射的无线电波具有取决于路程差的相差的结果，方向性得以控制。

但是，在日本专利公开No.2005-130464中描述的技术中，天线的方向性(主瓣宽度和天线张开尺寸)、频率范围以及介质块的介电常数都影响介质块的外形。因此，如果介质块的尺寸(外形)被安装空间的尺寸等限制，则会产生难以设计介质加载天线以达到希望的方向性的问题。

换句话说，因为介质块的外形根据使用条件(要获得的方向性和要使用的频率)和要使用的材料(介质块的介电常数)而变化，所以产生了难以标准化的问题。

发明内容

实现本发明以解决上述问题。本发明的目的是提供介质加载天线，该介质加载天线能够获得希望的方向性而无需改变介质块的外形。

为了实现上述目的，本发明的介质加载天线包括辐射源和介质块，辐射源辐射无线电波，介质块被设置以便覆盖辐射源的辐射表面。

介质块具有圆柱状外形。作为一个底面的对侧底面被设置为面对辐射源的辐射表面。在对侧底面中形成用于调整经由介质块辐射的无线电波的相位的凹部。

在本发明的如上所述配置的介质加载天线中，从辐射源的辐射表面辐射的无线电波经过由凹部形成的空间和介质块被辐射到外面。

当无线电波从辐射源到介质块的外表面的路程长度为R，由凹部形成的空间中的路程长度是R1，以及在介质块内的路程长度为R2时，无线电波的路程长度为R＝R1+R2(见图9)。

取决于介质块的介电常数，波长在介质块内被缩短。因此，即使当介质块的外形恒定并且无线电波的路程长度R(＝R1+R2)不变时，也可以通过调整R1和R2的比率来任意调整从介质块的每个部分辐射的无线电波的相位并因此调整介质加载天线的方向性，其中通过调整凹部的形状来相应地调整R1和R2的比率。

因此，在本发明的介质加载天线中，可以调整天线方向性而无需改变介质块的外形(并且因此无需改变天线的张开尺寸)。结果，可以容易地获得所需频带中的希望的方向性。

在本发明的介质加载天线中，可以任意选择介质块的材料(介电常数)而无需考虑介质块的外形(尺寸)。因此，可以增强设计的自由度。

凹部可以形成为以下形状：其中经由介质块辐射的无线电波的相位在一平面(图9中的平面P)上匹配，该平面与介质块在开放底面上形成接触，该开放底面是介质块的与对侧底面不同的底面，平面P与介质块的轴向垂直。在这种情况下，主瓣的波束宽度可以变窄。

该凹部优选地被形成为使得介质块和辐射源的辐射表面不接触。在这种情况下，介质块的介电常数不影响辐射源的频率特性。因此便于辐射源的设计。

接下来，介质块的外形优选地是圆柱状或椭圆柱状。

特别地，当介质块的外形是圆柱体时，可以使主瓣的宽度在圆柱体的圆形截面的任何半径方向上均相同。

另一方面，当介质块的外形是椭圆柱体时，可以使主瓣的宽度在椭圆柱体的椭圆截面的长轴和短轴方向上不同。具体来说，在椭圆柱体中是较窄的扁束形状。具体来说，可以获得在大直径方向较窄而在小直径方向较宽的扁束形状。

附图说明

图1是示出常规装置中的介质块的形状的透视图；

图2A是示出根据第一实施例的介质加载天线的配置的全景图；

图2B是示出图2A的介质加载天线的顶视图；

图3是示出根据第一实施例的介质加载天线的截面图；

图4A到图4C是示出关于方向性的仿真结果的图；

图5A到图5B是示出关于反射特性等的仿真结果的图；

图6A是示出了根据第二实施例的介质加载天线的配置的分解透视图；

图6B是示出了图6A的介质天线的顶视图；

图7A和图7B分别是根据第二实施例的介质加载天线的XZ截面图和YZ截面图；

图8A和图8B是示出关于方向性的仿真结果的图；以及

图9是原理的说明图，根据该原理可以通过凹部的形状来调整无线电波的相位。

具体实施方式

描述根据优选的图2到图9的介质加载天线。

[第一实施例]

下面参照图2到图5以及图9来描述第一实施例。

图2A到图2B是示出了根据本发明第一实施例的介质加载天线1的配置的全景图。

如图2A到图2B所示，介质加载天线1包括构成贴片天线(patchantenna)的基板10和设置在基板10上以便覆盖基板10的无线电波辐射区域的介质块20。

基板10包括堆叠的一对介质层10a和10b，在介质层10a和10b中间有接地导体10c。用作无线电波辐射区域的辐射片11形成在一个介质层10a的表面上。向辐射片11供电的电源线13形成在另一个介质层的表面上。

图3是沿穿过图2中的介质块20的中心的XZ平面截取的介质加载天线1的截面图。

如图2和图3所示，介质块20的外形被形成为圆柱状。介质块20的环形底面被形成为具有覆盖整个辐射片11的尺寸。在下文中，在圆柱状介质块20的一对底面中，在附于基板10这一侧的底面称为对侧底面。在另一侧的底面称为开放底面。

在介质块20的对侧底面中形成凹部21，在介质块20被附于基板10上时凹部21与基板10形成中空部。

将与介质块20同心的圆柱状部分从介质块20中分割出来，从而形成了凹部21。凹部21的内径至少具有防止设置在中空部中的辐射片11与介质块20形成接触的尺寸。

介质块20的外部尺寸(高度T和直径φ)以及通过凹部21形成的中空部的尺寸(高度Th和直径[内径]φh)被设置为使得可以根据介质块20的介电常数εr来得到希望的方向性。

对介质块20的设计过程描述如下。

(A)基于要使用的频带f(自由空间波长λ)和要实现的方向性半功率角θh(主瓣宽度)，使用等式(1)中所示的关系来设置天线张开尺寸L。然后使用等式(2)中所示的关系来设置介质块20的外部尺寸(高度T和直径φ)。

θh＝0.886×λ/L  (1)

其中，基于安装空间等将T和φ相应地设置为满足上述关系。

(B)选择介质块20的材料(介电常数)。

(C)由介质块20的T和φ限定的外部尺寸是固定的。由介质块20的凹部21形成的中空部的尺寸Th和φh被调整为使得从介质块20的每个部分辐射的无线电波的相位在一平面(见图9中平面P)上匹配，该平面在介质块20的开放底面侧与介质块20形成接触，该平面与介质块20的轴向垂直。

如图9所示，对于从开放底面辐射的无线电波，从介质块20辐射的无线电波在平面P上的相位是通过R1(中空部中的路程长度)和R2(介质块内的路程长度)来确定的。对于从侧表面辐射的无线电波，这些相位是通过R1、R2和R3(从介质块20的侧表面到平面P的路程长度)来确定的。

然而，当进行调整时，具体而言，在相应地改变中空部的尺寸Th和φh时，通过每次改变尺寸Th和φh时执行的仿真来确定介质加载天线1的方向性。当主瓣和旁瓣之间的强度差足够大时获得的值被用作调整值。

<测试>

图4A到图4C以及图5A和图5B示出了通过电磁场分析仿真器获得的仿真结果。

图4A示出了本发明的介质加载天线1的结果(以下称为“示例1”)，其中通过介质块20的凹部21来调整方向性。图4B和图4C示出了不具有凹部21的简单圆柱状介质加载天线的结果(以下称为“比较例1”和“比较例2”)。

介质块的外部尺寸为：T＝36mm以及φ＝31.8mm。介质块的介电常数εr在示例1和比较例2中为4.1，在比较例1中为2.3。介质块的中空部的尺寸为：Th＝10.9mm以及φh＝12mm(仅在示例1中)。

图5A是示出了天线的反射特性的图。实线指示未附着介质块的情形。粗虚线指示示例1。细虚线指示比较例2。图5B是这种图：在该图中叠置了指示示例1的方向性和指示比较例2的方向性的曲线图。实线指示示例1。虚线指示比较例2。

当要使用的频率为24GHz、介质块的外部尺寸为T＝36mm以及φ＝31.8mm并且使用不具有凹部(中空部)的介质块时，在介质块的介电常数εr＝2.3(比较例1)时可以实现有利的方向性。然而，当介电常数εr＝4.1(比较例2)时，主瓣和旁瓣之间的强度差较小，不能实现有利的方向性(见图4B和图4C)。

但是，在介质加载天线1中，即使当介质块20的介电常数εr＝4.1时，也可以通过相应地调整由凹部21形成的中空部的尺寸(这里，Th＝10.9mm，φh＝12mm)来实现有利的方向性。此外，主瓣的宽度变宽(见图4A和图5B)。

当不具有凹部的介质块被加载到辐射片11上时，在具有少许反射的频带中产生显著变化(可以实现有利的特性)。在具有凹部的介质块中，频率的这种变化被抑制(见图4A)。

如上所述，在介质加载天线1中，可以通过在介质块20的对侧底面上设置凹部21和调整由凹部21形成的中空部的尺寸来调整方向性。

因此，在介质加载天线1中，可以获得所需频带中的希望的方向性而无需改变介质块20的外部尺寸(并且因此无需改变天线张开尺寸)。

此外，在介质加载天线1中，可以根据需要来选择介质块20的材料(介电常数)，而无需考虑介质块的外形(尺寸)。因此，可以增强设计的自由度。

换句话说，在使用不具有凹部21的介质块的常规装置中，为了达到希望的方向性，在执行设计过程(A)、(B)和(C)之后需要调整介质块的外形。但是，在调整介质块的外形时，在(B)中设置的外部尺寸改变，因此介质块天线的张开尺寸改变。方向性以与通过调整外形而想要的效果不同的方式被影响。因此，特别难以实现其中可以获得所需特性的设计。

此外，在介质加载天线1中，介质块20的凹部21被形成为具有防止设置在由凹部21形成的中空部内的辐射片11与介质块20形成接触的尺寸。

[第二实施例]

下面参照图6到图8来描述根据本发明的介质加载天线的第二实施例。

图6A是示出根据第二实施例的介质加载天线2的总体配置的分解透视图，图6B是示出图6A的介质加载天线2的顶视图。

如图6A和6B所示，介质加载天线2包括构成贴片天线的基板10以及设置在基板10上以便覆盖基板10的无线电波辐射区域的介质块30。

介质加载天线2仅在关于介质块30的形状方面与根据第一实施例的介质加载天线1不同。下面主要描述该不同。

图7A是示出沿着通过图6中的介质块30的中心的XZ平面截取的介质加载天线2的截面图。图7B是示出沿着通过图6中的介质块30的中心的YZ平面截取的介质加载天线2的截面图。

如图6A(B)、图7A和图7B所示，介质块30被形成为具有椭圆柱状外形。介质块30的环形底面被形成为具有覆盖整个辐射片11的尺寸。在下文中，在椭圆柱状介质块30的一对底面中，在附于基板10一侧的底面称为对侧底面。在另一侧的底面称为开放底面。在图7A和图7B中，沿椭圆的小直径方向是X轴。沿椭圆的大直径方向是Y轴。

在介质块30的对侧底面中形成凹部31，当介质块30被附于基板10时凹部31与基板10形成中空部。

将与介质块30同心的椭圆柱状部分从介质块30中分割出来，从而形成了凹部31。凹部31的内径至少具有防止设置在中空部中的辐射片11与介质块30形成接触的尺寸。

介质块30的外部尺寸(高度T、大直径φA和小直径φB)以及通过凹部31形成的中空部的尺寸(高度Th、大直径φAh和小直径φBh)被设置成使得可以根据介质块30的介电常数εr来得到希望的方向性。

对介质块30的设计步骤描述如下。

以与根据第一实施例的方式类似的方式来执行过程(A)到(C)。

在过程(A)中，针对X轴(大直径)方向和Y轴(小直径)方向分别设置要实现的方向性半功率角。基于所设置的方向性半功率角来计算X轴方向的张开尺寸LA和Y轴方向的张开尺寸LB。根据张开尺寸LA和高度T来计算大直径φA。根据张开尺寸LB和高度T来计算小直径φB。

在过程(C)中，中空部的尺寸中的大直径φAh和小直径φBh被分别单独调整。

<测试>

图8A和图8B示出了通过电磁场分析仿真器获得的仿真结果。

图8A示出了本发明的介质加载天线2的结果(下文中称为“示例2”)，其中通过介质块30的凹部31来调整方向性。图8B示出了不具有凹部31的简单椭圆柱状介质加载天线的结果(下文中称为“比较例3”)。实线指示X轴(大直径)方向的特性。虚线指示Y轴(小直径)方向的特性。

在示例2和比较例3中介质块的外部尺寸均为：T＝36mm，φA＝31.8mm，φB＝19.1mm。在示例2和比较例3中介质块的介电常数εr＝4.1。介质块的中空部的尺寸为：Th＝5mm，φAh＝23.8mm，φBh＝15.1mm(仅在示例2中)。

在比较例3中，就XZ平面上的方向性和YZ平面上的方向性来说，不能获得有利的方向性，这是因为主瓣和旁瓣之间的强度差较小。另一方面，在示例2中，就XZ平面上的方向性和YZ平面上的方向性来说，可以获得有利的方向性，这是因为主瓣和旁瓣之间的强度差足够大。在示例2中，可以获得以下方向性：在这些方向性中，在XZ平面和YZ平面之间保证了主瓣宽度的差异。

如上所述，在介质加载天线2中，可以通过在介质块30的对侧底面上设置凹部31和调整由凹部31形成的中空部的尺寸来调整方向性。结果，可以实现与根据第一实施例的介质加载天线1的效果相似的效果。

此外，在介质加载天线2中，因为介质块30的外形和由凹部31形成的中空部的形状是椭圆柱状，所以XZ平面上的方向性和YZ平面上的方向性可以被单独设计。设计的自由度可以得到进一步增强。

<其它实施例>

上面描述了本发明的实施例。但是本发明不限于上述实施例。可以在不背离本发明的范围的情况下进行各种修改。

例如，根据上述实施例，介质块20和30的外形是圆柱状和椭圆柱状。但是该外形也可以是多边形。可以在介质块20和30的表面上进行处理以调整方向性，而不是将介质块20和30的外形形成为简单形状。

Claims (9)

1.一种介质加载天线，包括：

具有辐射表面的辐射源，从该辐射表面辐射无线电波；以及

介质块，被设置为覆盖所述辐射源的辐射表面，其中，

介质块具有圆柱状外形，其中作为一个底面的对侧底面被设置为面对所述辐射表面，在所述对侧底面中形成用于调整经由所述介质块辐射的无线电波的相位的凹部。

2.根据权利要求1所述的介质加载天线，其中所述凹部被形成为以下形状：其中经由所述介质块辐射的无线电波的相位在一平面上匹配，该平面与所述介质块在开放底面处形成接触，该开放底面是所述介质块的与所述对侧底面不同的底面，该平面与所述介质块的轴向垂直。

3.根据权利要求1所述的介质加载天线，其中所述凹部被形成为使得所述介质块和所述辐射源的辐射表面不接触。

4.根据权利要求2所述的介质加载天线，其中所述凹部被形成为使得所述介质块和所述辐射源的辐射表面不接触。

5.根据权利要求1所述的介质加载天线，其中所述介质块的外形是圆柱状或椭圆柱状。

6.根据权利要求2所述的介质加载天线，其中所述介质块的外形是圆柱状或椭圆柱状。

7.根据权利要求3所述的介质加载天线，其中所述介质块的外形是圆柱状或椭圆柱状。

8.根据权利要求4所述的介质加载天线，其中所述介质块的外形是圆柱状或椭圆柱状。

9.一种介质加载天线，包括：

具有辐射表面的辐射源，从该辐射表面辐射无线电波；

覆盖所述辐射表面的介质块，具有圆柱状外形、面对所述辐射表面的第一底面以及被配置成所述第一底面的相对侧的第二底面，以及

凹块，形成在所述介质块的第一表面中以使得允许调整经由所述介质块辐射的无线电波的相位。

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