CN102369634A - 多波束天线装置 - Google Patents

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Abstract

提供多波束天线装置，由1个天线单元实现2个独立的多波束特性，并提高增益。是一种将第1天线部、第2天线部、第1罗特曼透镜部和第2罗特曼透镜部按该顺序层叠而成的平面天线模块；通过第1天线部和第1罗特曼透镜部来实现一个多波束特性，通过第2天线部和第2罗特曼透镜部来实现另一个独立的多波束特性。在此时的罗特曼透镜设计中，将波束形成角度设为β，将使交点S2和多个输入端子之一连结起来的线与中心线(208)所成的角度设为α，则此时为β＜α，并且，决定罗特曼透镜的形状，以满足η＝(β/α)·(Ln/F)＜1的关系式，从而与按β＝α的条件进行设计的情况下的罗特曼透镜的大小相比使G变得更小。

Description

多波束天线装置
技术领域
本发明涉及在毫米波段的车载雷达等中利用的多波束天线(multi-beamantenna)装置的构成。
背景技术
首先，在图11中表示使用了罗特曼(Rotman)透镜的现有多波束天线装置的分解立体图。在附图中，31是罗特曼透镜模式(Rotman lens pattern)，详细情况表示于图12中。在图12中，221、222、…22m是向罗特曼透镜1供应电力的输入端子，231、232、…23n是将罗特曼透镜201内的电力取出的输出端子，241、242、…24n是向空间放射电波的天线元件，205是由多个天线元件241、242、…24n排列成直线状而得到的阵列天线，261、262、…26n是将上述输出端子和上述天线元件连结起来的供电线路，207是由长度不同的供电线路261、262、…26n构成的线路部，208是中心线，该天线装置相对于中心线208为线对称。209是用于表示输入端子221的位置的辅助线，从成为坐标系(X，Y)原点的S2来看，输入端子221位于距中心线208仰角为α的方向上。210是激励了输入端子221时的表示空间中的波束方向的直线，从上述阵列天线的正面方向朝向角度β的方向，在基本设计中，通常以β＝α为条件进行设计。
如上所构成的现有的天线装置中，在激励了输入端子221、222、…22m之中的1个输入端子时，电力被供应到罗特曼透镜201内。罗特曼透镜201内的电力通过输出端子231、232、…23n而被取出，经过供电线路261、262、…26n而到达天线元件241、242、…24n。阵列天线205的激励振幅、激励相位根据对输入端子221、222、…22m的哪个端子进行激励来决定，按照阵列天线205的激励相位来确定空间中的波束方向。
这里，在图12的现有罗特曼透镜模式中，输入端子221、222、…22m配置于以罗特曼透镜焦点S1位置为中心的半径R的圆弧上。S2以配置输出端子231、232、…23n的部分曲线和中心线208之间的交点来表示，是坐标系(X，Y)的原点。S3表示配置输入端子221、222、…22m的部分曲线和中心线208之间的交点。另外，输出端子231、232、…23n的x坐标、y坐标以及供电线路261、262、…26n的电长度w分别用下式来表达。
x = [ 2 w ( 1 - g ) - b 0 2 η 2 ] / 2 ( g - a 0 ) . . . ( 1 )
y＝η(1-w)                              …(2)
w = [ - b - ( b 2 - 4 ac ) ] / 2 a . . . ( 3 )
这里，
g＝G/F，η＝Ln/F，a0＝cosα，b0＝sinα，
a＝1-η2-[(g-1)/(g-a0)]2
b = 2 g ( g - 1 ) / ( g - a 0 ) - [ ( g - 1 ) / ( g - a 0 ) 2 ] b 0 2 η 2 + 2 η 2 - 2 g
c = g b 0 2 η 2 / ( g - a 0 ) - b 0 4 η 4 / [ 4 ( g - a 0 ) 2 ] - η 2
另外，半径R用下式来表达。
R = [ ( Fa 0 - G ) 2 + F 2 b 0 2 ] / [ 2 ( G - Fa 0 ) ] . . . ( 4 )
这里，G是S2与S3之间的距离且是罗特曼透镜的大小，F是输入端子221与S2之间的距离，2Ln是阵列天线205的孔径长度(aperture length)。通常，在基本设计中，按β＝α的限定条件进行设计，以0.8＜η＜1左右、即F为Ln的1到1.25倍左右，g为1.137左右进行设计，输出端子231、232、…23n的激励相位误差能够设计得较小而是良好的。
另一方面，作为以一个天线来实现2个正交的极化波(polarized wave)的笔形波束(pencil beam)天线的方法，如图13所示，使2层的三板天线(triplate antenna)电磁耦合的结构是有效的。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭57-93701号公报
专利文献2：日本特开2000-124727号公报
专利文献3：日本特开平5-152843号公报
发明概要
发明解决的技术问题
这里，在用于车载雷达等的多波束天线装置中，在远方需要窄范围且细的波束扫描，而在近距离则需要宽范围的波束扫描，各自独立进行工作的必要性提高，但是在安装2个不同多波束特性的雷达装置的情况下，存在昂贵且难以确保装载空间之类的问题。
另外，在图13中，虽然表示出以一个天线实现2个正交的极化波的笔形波束天线的方法，但是未表示出多波束特性的实现方法，并且也找不到已实现的事例。
此外，在图12的现有的多波束天线装置中，为了能够构成线路部207，需要第3式中的被开方数为正或者零。也就是说，成为下式。
b2-4ac≥0…                                (5)
为了使第5式成立，需要η＝Ln/F≤1，但在因此而导致天线元件241、242、…24n的个数增加而阵列天线205的孔径2Ln变大的情况下，需要输入端子221和S2之间的距离F也与阵列天线205的孔径2Ln成比例地增大，结果，罗特曼透镜的大小G变大。因此，在增加了天线元件241、242、…24n的个数的情况下，需要与天线元件的增加比例对应地加大罗特曼透镜的大小G，伴随G的扩大而损耗也增加，所以存在即使增加天线元件个数也得不到相应的增益提高效果这样的问题。
发明内容
本发明提供一种低损耗多波束天线装置，由1个天线单元实现2个独立的多波束特性，并且，在将空间中的阵列天线205的波束形成方向设为β时，对于将输出端子231、232、…23n的部分配置曲线与中心线208的交点S2与输入端子连结起来的线、和中心线208所形成的角度α，在β＜α的条件下，能够使罗特曼透镜的大小G成为小于按β＝α的限定条件设计出的基本设计尺寸的大小，由此，能够抑制罗特曼透镜的损耗增加，并提高增益。
解决技术问题所采用的手段
本发明所涉及的多波束天线装置中，是将第1天线部(101)、第2天线部(102)、第1罗特曼透镜部(103)与第2罗特曼透镜部(104)按序层叠而成的平面天线模块，其特征在于，
第1天线部(101)具备：
第1天线基板(4)，在与第2天线部的第2放射元件(16)的位置相当的部位具有第1放射元件(1)和第1无源元件(67)，并且，形成有多个分别由第1供电线路(2)与第1连接部(3)构成的天线群，该第1供电线路(2)与第1放射元件(1)连接，该第1连接部(3)与第2罗特曼透镜部(104)电磁耦合；
第1接地导体(6)，在与第1放射元件(1)及第1无源元件(67)的位置相当的部位具有第1槽(5)；
第2接地导体(9)，在第1天线基板(4)与第1接地导体(6)之间具有第1电介质(7)，在与第1连接部(3)的位置相当的部位具有第1耦合口形成部(8)；
第3接地导体(13)，在第1天线基板(4)与第4接地导体(10)之间具有第2电介质(11)，在与第1连接部(3)的位置相当的部位具有第2耦合口形成部(12)；以及
第4接地导体(10)，在与第1连接部(3)的位置相当的部位具有第1狭缝(14)，并且，在与第1放射元件(1)及第1无源元件(67)的位置相当的部位具有第2狭缝(15)；
第2天线部(102)具备：
第2天线基板(19)，形成有多个分别由第2供电线路(17)与第2连接部(18)构成的天线群，该第2供电线路(17)与第2放射元件(16)连接，该第2连接部(18)与第1罗特曼透镜部(103)电磁耦合；
第4接地导体(10)；
第5接地导体(23)，在第2天线基板(19)与第4接地导体(10)之间具有第3电介质(20)，在与第2连接部(18)的位置相当的部位具有第3耦合口形成部(21)，并且，在与第1连接部(3)的位置相当的部位具有第3狭缝(22)；
第6接地导体(28)，在第2天线基板(19)与第7接地导体(24)之间具有第4电介质(25)，在与第2连接部(18)的位置相当的部位具有第4耦合口形成部(26)，并且，在与第1连接部(3)的位置相当的部位具有第4狭缝(27)；以及
第7接地导体(24)，在与第2连接部(18)的位置相当的部位具有第5狭缝(29)，并且，在与第1连接部(3)的位置相当的部位具有第6狭缝(30)；
第1罗特曼透镜部(103)具备：
第1罗特曼透镜基板(37)，具有第1罗特曼透镜(31)、第3供电线路(32)、与第2天线部(102)的第2连接部(18)电磁耦合的第3连接部(33)、以及与第10接地导体(34)的第1波导管开口部(35)电磁耦合的第4连接部(36)；
第7接地导体(24)；
第8接地导体(42)，在第1罗特曼透镜基板(37)与第7接地导体(24)之间具有第5电介质(38)，在与第3连接部(33)的位置相当的部位具有第5耦合口形成部(39)，并且，在与第4连接部(36)的位置相当的部位具有第6耦合口形成部(40)，并且，在与第1连接部(3)的位置相当的部位具有第7狭缝(41)；
第9接地导体(47)，在第1罗特曼透镜基板(37)与第10接地导体(34)之间具有第6电介质(43)，在与第3连接部(33)的位置相当的部位具有第7耦合口形成部(44)，并且，在与第4连接部(36)的位置相当的部位具有第8耦合口形成部(45)，并且，在与第1连接部(3)的位置相当的部位具有第8狭缝(46)；以及
第10接地导体(34)，在与第4连接部(36)的位置相当的部位具有第1波导管开口部(35)，并且，在与第1连接部(3)的位置相当的部位具有第9狭缝(48)；
第2罗特曼透镜部(104)具备：
第2罗特曼透镜基板(55)，具有第2罗特曼透镜(49)、第4供电线路(50)、与第1天线部(101)的第1连接部(3)电磁耦合的第5连接部(51)、以及与第13接地导体(52)的第2波导管开口部(53)电磁耦合的第6连接部(54)；
第10接地导体(34)；
第11接地导体(60)，在第2罗特曼透镜基板(55)与第10接地导体(34)之间具有第7电介质(56)，在与第5连接部(51)的位置相当的部位具有第9耦合口形成部(57)，并且，在与第6连接部(54)的位置相当的部位具有第10耦合口形成部(58)，并且，在与第4连接部(36)的位置相当的部位具有第3波导管开口部(59)；
第12接地导体(65)，在第2罗特曼透镜基板(55)与第13接地导体(52)之间具有第8电介质(61)，在与第5连接部(51)的位置相当的部位具有第11耦合口形成部(62)，并且，在与第6连接部(54)的位置相当的部位具有第12耦合口形成部(63)，并且，在与第4连接部(36)的位置相当的部位具有第4波导管开口部(64)；以及
第13接地导体(52)，在与第6连接部(54)的位置相当的部位具有第2波导管开口部(53)，并且，在与第4连接部(36)的位置相当的部位具有第5波导管开口部(66)；
上述多波束天线装置按第1接地导体(6)、第2接地导体(9)与第1电介质(7)、第1天线基板(4)、第3接地导体(13)与第2电介质(11)、第4接地导体(10)、第5接地导体(23)与第3电介质(20)、第2天线基板(19)、第6接地导体(28)与第4电介质(25)、第7接地导体(24)、第8接地导体(42)与第5电介质(38)、第1罗特曼透镜基板(37)、第9接地导体(47)与第6电介质(43)、第10接地导体(34)、第11接地导体(60)与第7电介质(56)、第2罗特曼透镜基板(55)、第12接地导体(65)与第8电介质(61)、第13接地导体(52)的顺序层叠。
此外，本发明所涉及的罗特曼透镜设计中，其特征在于，构成为，将上述结构的狭缝变更为槽。
此外，本发明所涉及的罗特曼透镜设计中，其特征在于，以如下方式来决定罗特曼透镜的形状：
如图7所示，空间中的阵列天线(205)的波束形成方向β，相对于将输出端子(231)、(232)、…(23n)的部分配置曲线及中心线(208)的交点S2与输入端子连结起来的线、和中心线(208)所成的角度α，在β＜α的条件下，设S3为输入端子(221)、(222)、…(22m)的部分配置曲线和中心线(208)之间的交点，F为输入端子(221)和S2之间的距离，G为S2和S3之间的距离且是罗特曼透镜的大小，设2Ln为阵列天线(205)的孔径长度时，满足
η＝(β/α)·(Ln/F)＜1               …(6)
的关系式，使罗特曼透镜的大小G成为小于按β＝α的限定条件设计出的基本设计尺寸的大小。
发明效果
根据本发明所涉及的多波束天线装置，能够提供一种低损耗多波束天线装置，由1个天线单元实现2个独立的多波束特性，并且空间上的阵列天线(205)的波束形成方向β，相对于将输出端子(231)、(232)、…(23n)的部分配置曲线与中心线(208)的交点S2与输入端子连结起来的线、和中心线(208)所成的角度α，在β＜α的条件下，能够使罗特曼透镜的大小G成为小于按β＝α的限定条件设计出的基本设计尺寸的大小，能够抑制罗特曼透镜的损耗增加，并提高增益。
附图说明
图1是说明本发明所涉及的多波束天线装置的结构的说明图。
图2是说明本发明所涉及的多波束天线装置的结构的第2说明图。
图3是说明本发明所涉及的多波束天线装置中的第1天线部的结构的说明图。
图4是说明本发明所涉及的多波束天线装置中的第2天线部的结构的说明图。
图5是说明本发明所涉及的多波束天线装置中的第1罗特曼透镜部的结构的说明图。
图6是说明本发明所涉及的多波束天线装置中的第2罗特曼透镜部的结构的说明图。
图7是说明本发明所涉及的罗特曼透镜模式的说明图。
图8是说明本发明所涉及的多波束天线装置的第1定向特性的说明图。
图9是说明与本发明所涉及的多波束天线装置的规定输入端子相应的阵列天线孔径面的相位倾斜的说明图。
图10是说明本发明所涉及的多波束天线装置的第2定向特性的说明图。
图11是表示现有例的多波束天线装置的结构的立体图。
图12是说明现有例的罗特曼透镜模式的说明图。
图13是表示现有例的2层三板天线的结构的立体图。
图14是说明本发明所涉及的多波束天线装置的其他结构(实施例3)的说明图。
图15是说明本发明所涉及的多波束天线装置的其他结构(实施例3)的第2说明图。
图16是说明本发明所涉及的多波束天线装置的其他结构(实施例3)中的第1天线部的结构的说明图。
图17是说明本发明所涉及的多波束天线装置的其他结构(实施例3)中的第2天线部的结构的说明图。
图18是说明本发明所涉及的多波束天线装置的其他结构(实施例3)中的第1罗特曼透镜部的结构的说明图。
图19是说明本发明所涉及的多波束天线装置的其他结构(实施例3)中的第2罗特曼透镜部的结构的说明图。
具体实施方式
实施例1
在本发明所涉及的多波束天线装置中，其特征为，由1个天线单元实现2个独立的多波束特性，并且，空间上的阵列天线205的波束形成方向β，相对于将输出端子231、232、…23n的部分配置曲线及中心线208的交点S2和输入端子连结起来的线、与中心线208所成的仰角α，在β＜α的条件下，在将S3设为输入端子221、222、…22m的部分配置曲线和中心线208之间的交点、将F设为输入端子221和S2之间的距离、将G设为S2和S3之间的距离且为罗特曼透镜的大小、将2Ln设为阵列天线205的孔径长度时，以满足第6式的关系式的方式来决定罗特曼透镜的形状，使罗特曼透镜的大小G小于按β＝α的限定条件设计出的基本设计尺寸的大小。
也就是说，在按β＝α的限定条件设计罗特曼透镜的情况下，为了使第5式成立，需要η＝Ln/F≤1。并且，若以0.8＜η＜1即F为Ln的1到1.25倍的左右，g为1.137左右进行设计，则输出端子231、232、…23n的激励相位误差能够设计得较小而是良好的。由此，优选为，F及G相对于Ln分别为以下范围：
Ln＜F＜1.25Ln，1.137Ln＜G＜1.42Ln另外，在天线元件241、242、…24n的个数增加而阵列天线205的孔径2Ln变大的情况下，输入端子221和S2之间的距离F与2Ln成比例地增大，结果，罗特曼透镜的基本设计尺寸G变大。
另一方面，根据本发明，例如，若考虑β＝α/2的情况，则为了使第5式成立，需要η＝Ln/2F≤1，若以F为Ln的0.5到0.625倍左右、g为1.137左右进行设计，则输出端子231、232、…23n的激励相位误差能够设计得较小而是良好的。因此，能够实现F及G对于Ln分别在
0.5Ln＜F＜0.625Ln，0.568Ln＜G＜0.71Ln的范围内的优选设计。这种情况下，相对于按β＝α的限定条件设计出的罗特曼透镜的基本设计尺寸G，能够以1/2倍的尺寸进行设计。
另外，此时，在根据由第1式～第4式求出的输出端子231、232、…23n的x坐标及y坐标、和供电线路261、262、…26n的电长度w而设计出的本发明的多波束天线装置中，从在输入端子和S2之间所成角度为α的端子进行了供电的情况下，以阵列天线205的孔径中心的相位为基准的天线元件241、242、…24n中的激励相位如图9的直线2所示，与按β＝α的限定条件设计出的基本设计多波束天线装置的表示天线元件241、242、…24n中的激励相位的图9的直线1相比，成为一半的相位倾斜，空间中的阵列天线205的波束形成方向β成为按β＝α的限定条件设计出的基本设计多波束天线装置的空间上的阵列天线205的波束形成方向α的一半。
由此，根据本发明，通过在β＜α的条件下以满足第6式的关系式的方式决定罗特曼透镜的形状，从而相对于按β＝α的限定条件设计出的罗特曼透镜的基本设计尺寸G，能够设计β/α倍大小的小型罗特曼透镜。由此，能够抑制与罗特曼透镜的大小成比例的损耗增加，并且在天线元件241、242、…24n的个数增加而阵列天线205的孔径2Ln变大的情况下，即使输入端子221和S2之间的距离F与2Ln成比例地增大，也能够设计将罗特曼透镜的大小相对于按β＝α的限定条件设计出的罗特曼透镜的基本设计尺寸G抑制为β/α倍的小型罗特曼透镜，能够构成空间中的阵列天线205的波束形成方向为β的多波束天线装置。
另外，本发明所涉及的多波束天线装置中，如图1～图6所示，通过使罗特曼透镜成为三板结构，能够利用蚀刻等技术容易地构成复杂的输入端子部及输出端子部的锥形形状、相位调整的供电线路32及50，经由设置于第7接地导体(ground conductor)24的第6狭缝(slit)30，能够使第1天线基板4的第1连接部3和供电线路50的第5连接部51电磁耦合，能够实现如图10所示那样的具有第2定向特性的多波束天线装置，同样，经由设置于第7接地导体24的第5狭缝29，使第2天线基板19的第2连接部18和供电线路32的第3连接部33电磁耦合，从而能够实现如图8所示那样的具有第1定向特性的多波束天线装置，能够使之分别独立地发挥作用。并且，在本发明所涉及的多波束天线装置中，能够以全部部件的简单层叠结构来构成低损耗的多波束天线装置。
还有，此前的说明中，以通常的中空平行平板罗特曼透镜、或由大致与空气相同的低ε电介质支撑罗特曼透镜基板37及55而得到的三板结构的情况为前提进行了说明，但是在相对介电常数εr的电介质构成的平行平板及三板结构的情况下，显然只要将本发明的第6式作为下式来处理即可。
&eta; = ( 1 / &epsiv;r ) &CenterDot; ( &beta; / &alpha; ) &CenterDot; ( Ln / F ) < 1 . . . ( 7 )
在本发明所涉及的多波束天线装置中，图3、图4所示的形成于第1天线基板4的放射元件1和形成于第2天线基板19的放射元件16被从相互正交90度的方向供电，且通过形成于第4接地导体10的槽(slot)15进行电磁耦合来发挥作用，能够独立地放射期望频率的正交的极化波。另外，通过配置多个该天线元件，作为整体形成了阵列天线205。
此时，如图3～图6所示，配置于第1天线基板4上下的第2接地导体9和第3接地导体13、配置于第2天线基板19上下的第5接地导体23和第6接地导体28、配置于第1罗特曼透镜基板37上下的第8接地导体42和第9接地导体47、以及配置于第2罗特曼透镜基板55上下的第11接地导体60和第12接地导体65，将天线基板4、19及罗特曼透镜基板37、55保持为中空，并且，在形成于上述天线基板4的第1连接部3、形成于天线基板19的第2连接部18、形成于罗特曼透镜基板37的第3连接部33、和形成于罗特曼透镜基板55的第5连接部51的周围形成金属壁，不使电力向周围泄漏，而有助于效率良好地进行传输，在高频下也可以实现低损耗特性。
另外，为了稳定地保持天线基板4、19及罗特曼透镜基板37、55，也可以填充电介质7、11、20、25、38、43、56、61。
并且，天线装置的作为输入端子部的第4连接部36、第6连接部54利用第8接地导体42的第6耦合口形成部40和第9接地导体47的第8耦合口形成部45以及第11接地导体60的第10耦合口形成部58和第12接地导体65的第12耦合口形成部63在周围形成金属壁，经由形成于第13接地导体52的第5波导管开口部66和第2波导管开口部53，不向周围泄漏电力地效率良好地向高频电路传输电力，在高频下也可以实现低损耗特性。
另外，可以仅层叠构成各构成部件，收发电力通过电磁耦合进行传输，所以组装时的位置精度也可以不是以往的组装精度那样的高精度。
优选为，在本发明所涉及的多波束天线装置中使用的天线基板4、19及罗特曼透镜基板37、55，使用在聚酰亚胺薄膜上粘贴了铜箔的挠性基板，通过蚀刻去除不必要的铜箔，形成放射元件1、16、供电线路2、17、连接部3、18以及罗特曼透镜31、49、供电线路32、50、连接部33、51、连接部36、54。
另外，挠性基板通过将薄膜作为基材并将在其上粘贴了铜箔等金属箔的基板的不必要铜箔(金属箔)蚀刻去除，来形成多个放射元件及连接它们的供电线路。另外，挠性基板也可以采用在使玻璃布浸渍了树脂的薄树脂板上粘贴了铜箔的覆铜层叠板来构成。作为薄膜，可举出聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、氟乙烯聚丙烯共聚物、乙烯四氟乙烯共聚物、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚芳酯、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯乙烯、聚砜、聚苯醚、聚苯硫醚及聚甲基戊烯等薄膜，对薄膜和金属箔之间层叠可以使用粘接剂。从耐热性、介电特性和通用性来看，优选在聚酰亚胺薄膜上层叠了铜箔的挠性基板。从介电特性来看，优选使用氟类薄膜。
本发明所涉及的多波束天线装置中使用的接地导体或金属隔离物，可以使用金属板或对塑料进行了镀处理的板，特别是，若使用铝板，则能够轻量且廉价地进行制造因而是优选的。另外，这些部件也可以由以薄膜为基材并在其上粘贴了铜箔的挠性基板、还有在使玻璃布浸渍了树脂的薄树脂板上粘贴了铜箔的覆铜层叠板来构成。形成于接地导体的槽、耦合口形成部可以通过由机械压力机进行冲孔加工、或者通过蚀刻而形成。从简便性、生产性等来看，优选通过机械压力机进行的冲孔加工。
在本发明所涉及的多波束天线装置中使用的电介质7、11、20、25、38、43、56、61优选采用对空气相对介电常数小的发泡体等。作为发泡体，可举出聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃类发泡体、聚苯乙烯类发泡体、聚氨酯类发泡体、多晶硅类发泡体及橡胶类发泡体等，聚烯烃类发泡体由于对空气相对介电常数较小因而是优选的。
实施例2
下面，按照图3～图6来说明从本发明所涉及的多波束天线装置中的各部件的尺寸等来看的实施例。第1～第13接地导体6、9、13、10、23、28、24、42、47、34、60、65、52采用了厚度为0.3mm的铝板。另外，电介质7、11、20、25、38、43、56、61采用了厚度为0.3mm且相对介电常数约为1.1的发泡聚乙烯泡沫。天线基板4、19及罗特曼透镜基板37、55采用在聚酰亚胺薄膜(例如厚度为25μm)上粘贴了铜箔(例如厚度为25μm)的挠性基板，通过蚀刻去除不必要的铜箔，形成了放射元件1、16、供电线路2、17、连接部3、18以及罗特曼透镜31、49、供电线路32、50、连接部33、51、连接部36、54。接地导体全部采用了通过机械压力机对铝板进行了冲孔加工而得到的部件。
这里，将放射元件1、16设为频率为76GHz的自由空间波长(λ0＝3.95mm)的约0.38倍的1.5mm见方的正方形。另外，将形成于第1接地导体6的槽5和形成于第4接地导体10的狭缝15设为所期望的频率为76GHz的自由空间波长(λ0＝3.95mm)的约0.58倍的2.3mm见方的正方形(或者也可以设为长边为2.3mm的长方形。以下对于狭缝15而言相同。)，将形成于第4接地导体10的狭缝14、形成于第5接地导体23的狭缝22、形成于第6接地导体28的狭缝27、形成于第7接地导体24的狭缝30、形成于第8接地导体42的狭缝41、形成于第9接地导体47的狭缝46和形成于第10接地导体34的狭缝48、35设为纵1.25mm×横2.53mm的波导管开口。通过将由如图3所示的形成于天线基板4的放射元件1、第4接地导体10、形成于第1接地导体6的槽5、供电线路2所形成的天线元件列，以所期望的频率为76GHz的自由空间波长(λ0＝3.95mm)的约0.77倍的3.0mm间距而配置8个，从而作为整体形成了天线孔径2Ln为8×0.77λ0的阵列天线205。在一个天线元件列上以所期望的频率为76GHz的自由空间波长(λ0＝3.95mm)的约0.89倍的3.5mm间距而配置16个放射元件1，按同样的相位对全部16个放射元件1进行激励供电。通过将由如图4所示的形成于天线基板19的放射元件16、第7接地导体24、形成于第4接地导体10的狭缝15、供电线路17所形成的天线元件列，以所期望的频率为76GHz的自由空间波长(λ0＝3.95mm)的约0.77倍的3.0mm间距而配置24个，从而作为整体形成了天线孔径2Ln为24×0.77λ0的阵列天线205。另外，在一个天线元件列上以所期望的频率为76GHz的自由空间波长(λ0＝3.95mm)的约0.89倍的3.5mm间距而配置16个放射元件16，按同样的相位对全部16个放射元件16进行激励供电。并且，在放射元件16正上方的第1天线基板4的没有放射元件1的区域，配置了无源元件67。
这里，按照在第6式中满足β＝α/2、即η＝(1/2)·(Ln/F)＜1的条件的方式，使图6所示的形成于罗特曼透镜基板55的罗特曼透镜49的大小G在0.568Ln＜G＜0.71Ln的范围内，设F＝3.5λ0、G＝4.1λ0，根据由第1式～第4式求出的输出端子的x坐标及y坐标、和供电线路的电长度w，设计出具有8个输出端子的罗特曼透镜1。罗特曼透镜49的大小G为所期望的频率为76GHz的自由空间波长(λ0＝3.95mm)的约4.1倍、即16mm。
将以上各部件如图1、图2所示依次重叠，构成多波束天线装置，并连接计测器来测量特性，结果，与8个各输入端子对应的波导管开口部53的反射损耗是-15dB以下，如图10所示那样得到与8个各输入端子对应的增益指向性，如表1所示，确认出相对于输入端子的角度α，阵列天线205的波束方向β能够形成为约一半的角度方向。另外，此时的大小G＝16mm的罗特曼透镜49的插入损耗(insertion loss)约为2.5dB。
[表1]
  输入端子No.   输入端子角度α(度) 天线波束角β(度)
  1   70 34.3
  2   50 24.5
  3   30 14.6
  4   10 4.8
  5   -10 -4.8
  6   -30 -14.6
  7   -50 -24.5
  8   -70 -34.3
并且，按照在第6式中满足β＝α/2、即η＝(1/2)·(Ln/F)＜1的条件的方式，使图5所示的形成于罗特曼透镜基板37的罗特曼透镜31的大小G在0.568Ln＜G＜0.71Ln的范围内，设F＝5λ0、G＝5.7λ0，根据由第1式～第4式求出的输出端子的x坐标及y坐标、和供电线路的电长度w，设计出具有24个输出端子的罗特曼透镜31。罗特曼透镜31的大小G为所期望的频率为76GHz的自由空间波长(λ0＝3.95mm)的约5.7倍、即22.5mm。
将以上各部件如图2所示依次重叠，构成多波束天线装置，并连接计测器来测量特性，结果，与6个各输入端子对应的波导管开口部66的反射损耗是-15dB以下，如图8所示那样得到与6个各输入端子对应的增益指向性，如表2所示，确认出相对于输入端子的角度α，阵列天线205的波束方向β能够形成为约一半的角度方向。另外，此时的大小G＝22.5mm的罗特曼透镜31的插入损耗约为2.5dB。
[表2]
  输入端子No.   输入端子角度α(度) 天线波束角β(度)
  1   19 9.4
  2   12 5.9
  3   5 2.3
  4   -5 -2.0
  5   -12 -5.5
  6   -19 -9.2
另一方面，按β＝α的限定条件、即η＝Ln/F＜1，按满足第5式的条件的方式，在1.137Ln＜G＜1.42Ln的范围内设计出的现有设计的罗特曼透镜的大小G至少需要G＝1.137、Ln＝10.5λ0，成为所期望的频率为76GHz的自由空间波长(λ0＝3.95mm)的约10.5倍、即41.5mm，此时的罗特曼透镜1的插入损耗为约5dB。
以上，本实施例的多波束天线装置，与以现有设计而构成时的损耗为基准的情况相比，相对增益改善2.5dB以上，实现了良好的特性。
实施例3
下面，按照图16～图19来说明本发明所涉及的多波束天线装置的其他实施例。将天线基板4上的放射元件1(未图示)和天线基板19上的放射元件16(未图示)设为频率为76GHz的自由空间波长(λ0＝3.95mm)的约0.38倍的1.5mm见方的正方形。另外，将形成于第1接地导体6的槽5和形成于第4接地导体10的狭缝15设为所期望的频率为76GHz的自由空间波长(λ0＝3.95mm)的约0.58倍的2.3mm见方的正方形，将形成于第4接地导体10的狭缝14、形成于第5接地导体23的狭缝22、形成于第6接地导体28的狭缝27、形成于第7接地导体24的狭缝30、形成于第8接地导体42的狭缝41、形成于第9接地导体47的狭缝46和形成于第10接地导体34的狭缝48、35设为纵1.25mm×横2.53mm的波导管开口。通过将由图16所示的形成于天线基板4的放射元件1、第4接地导体10、形成于第1接地导体6的槽5、供电线路2(未图示)所形成的天线元件列以所期望的频率为76GHz的自由空间波长(λ0＝3.95mm)的约0.77倍的3.0mm间距而配置24个，从而作为整体形成了天线孔径2Ln为24×0.77λ0的阵列天线205。在一个天线元件列上，按所期望的频率为76GHz的自由空间波长(λ0＝3.95mm)的约0.89倍的3.5mm间距而配置16个放射元件1，按同样的相位对全部16个放射元件1进行激励供电。通过将由图17所示的形成于天线基板19的放射元件16、第4接地导体24、形成于第1接地导体10的狭缝15、供电线路17所形成的天线元件列以所期望的频率为76GHz的自由空间波长(λ0＝3.95mm)的约0.77倍的3.0mm间距而配置24个，从而作为整体形成了天线孔径2Ln为24×0.77λ0的阵列天线(205)。另外，在一个天线元件列上，按所期望的频率为76GHz的自由空间波长(λ0＝3.95mm)的约0.89倍的3.5mm间距而配置16个放射元件16，按同样的相位对全部16个放射元件16进行激励供电。
这里，将图18所示的形成于罗特曼透镜基板37的罗特曼透镜31的大小G、和图19所示的形成于罗特曼透镜基板55上的罗特曼透镜49的大小G设为相同的尺寸，按照在第6式中满足β＝α/2、即η＝(1/2)·(Ln/F)＜1的条件的方式，在0.568Ln＜G＜0.71Ln的范围内，设F＝5λ0、G＝5.7λ0，根据由第1式～第4式求出的输出端子的x坐标及y坐标、和供电线路的电长度w，设计出具有24个输出端子的罗特曼透镜31、49。罗特曼透镜31、49的大小G为所期望的频率为76GHz的自由空间波长(λ0＝3.95mm)的约5.7倍、即22.5mm。
将以上各部件如图14、图15所示依次重叠，构成多波束天线装置，并连接计测器来测量特性，结果，图19所示的与6个各输入端子对应的波导管开口部66、53的反射损耗是-15dB以下，得到与图8所示同样的增益指向性，如表3所示，确认出相对于输入端子的角度α，阵列天线205的波束方向β能够形成为约一半的角度方向。此时，大小G＝22.5mm的罗特曼透镜31、49的插入损耗约为2.5dB。
[表3]
  输入端子No.   输入端子角度α(度) 天线波束角β(度)
  1   19 9.4
  2   12 5.9
  3   5 2.3
  4   -5 -2.0
  5   -12 -5.5
  6   -19 -9.2
另一方面，按β＝α的限定条件、即η＝Ln/F＜1，按满足第5式的条件的方式，在1.137Ln＜G＜1.42Ln的范围内设计出的现有设计的罗特曼透镜的大小G至少需要G＝1.137、Ln＝10.5λ0，成为所期望的频率为76GHz的自由空间波长(λ0＝3.95mm)的约10.5倍、即41.5mm，此时的罗特曼透镜1的插入损耗为约5dB。
以上，实施例3的多波束天线装置，与以现有设计而构成时的损耗为基准的情况相比，与实施例1～2同样，相对增益改善2.5dB以上，实现了良好的特性。
另外，在图1及图2中，配置为，第1天线基板4上的第1连接部与第2罗特曼透镜基板55上的第5连接部进行电磁耦合，第2天线基板19上的第2连接部与第1罗特曼透镜基板37上的第3连接部进行电磁耦合。但是，在设计上也能够配置为，第1天线基板4上的第1连接部与第1罗特曼透镜基板37上的第3连接部进行电磁耦合，第2罗特曼透镜基板55上的第5连接部与第2天线基板19上的第2连接部进行电磁耦合。
同样，在图14及图15中，配置为，第1天线基板4上的第1连接部与第2罗特曼透镜基板55上的第5连接部进行电磁耦合，第2天线基板19上的第2连接部与第1罗特曼透镜基板37上的第3连接部进行电磁耦合。但是，在设计上也能够配置为，第1天线基板4上的第1连接部与第1罗特曼透镜基板37上的第3连接部进行电磁耦合，第2罗特曼透镜基板55上的第5连接部与第2天线基板19上的第2连接部进行电磁耦合。
此外，实施例2作为车载雷达用天线是有用的，实施例3能够作为将发送用天线及接收用天线作为1个天线而具备的室内无线LAN用收发天线来使用。
并且，为了慎重起见附带而言，虽然从图1到图2、从图4到图5、从图14到图15以及从图17到图18重复记载了第7接地导体24，但并不是使相同的部件成为2层。为了说明的方便而重复记载，因此图1的第7接地导体24及图2的第7接地导体24相同。同样，图4的第7接地导体24及图5的第7接地导体24相同。同样，图14的第7接地导体24及图15的第7接地导体24相同。同样，图17的第7接地导体24及图18的第7接地导体24相同。
此外，虽然从图3到图4及从图16到图17重复记载了第4接地导体10，但并不是使相同的部件成为2层。为了说明的方便而重复记载，因此图3的第4接地导体10及图4的第4接地导体10相同。另外，基于相同的理由，图16的第4接地导体10及图17的第4接地导体10也相同。
此外，虽然从图5到图6及从图18到图19重复记载了第10接地导体34，但并不是使相同的部件成为2层。为了说明的方便而重复记载，因此图5的第10接地导体34及图6的第10接地导体34相同。另外，基于相同的理由，图18的第10接地导体34及图19的第10接地导体34相同。
符号说明
1第1放射元件
2第1供电线路
3第1连接部
4第1天线基板
5第1槽
6第1接地导体
7第1电介质
8第1耦合口形成部
9第2接地导体
10第4接地导体
11第2电介质
12第2耦合口形成部
13第3接地导体
14第1狭缝
15第2狭缝
16第2放射元件
17第2供电线路
18第2连接部
19第2天线基板
20第3电介质
21第3耦合口形成部
22第3狭缝
23第5接地导体
24第7接地导体
25第4电介质
26第4耦合口形成部
27第4狭缝
28第6接地导体
29第5狭缝
30第6狭缝
31第1罗特曼透镜
32第3供电线路
33第3连接部
34第10接地导体
35第1波导管开口部
36第4连接部
37第1罗特曼透镜基板
38第5电介质
39第5耦合口形成部
40第6耦合口形成部
41第7狭缝
42第8接地导体
43第6电介质
44第7耦合口形成部
45第8耦合口形成部
46第8狭缝
47第9接地导体
48第9狭缝
49第2罗特曼透镜
50第4供电线路
51第5连接部
52第13接地导体
53第2波导管开口部
54第6连接部
55第2罗特曼透镜基板
56第7电介质
57第9耦合口形成部
58第10耦合口形成部
59第3波导管开口部
60第11接地导体
61第8电介质
62第11耦合口形成部
63第12耦合口形成部
64第4波导管开口部
65第12接地导体
66第5波导管开口部
67无源元件
91第6连接部
92连接基板
93与系统之间的连接线路
94第13接地导体
101第1天线部
102第2天线部
103第1罗特曼透镜部
104第2罗特曼透镜部
105与系统之间的连接部
205阵列天线
207供电线路部
208罗特曼透镜的中心线
209表示输入端子位置的辅助线
210从阵列天线的正面方向观察到的波束的方向
221、222、…22m  罗特曼透镜输入端子
231、232、…23n  罗特曼透镜输出端子
241、242、…24n  天线元件
261、262、…26n  将输出端子和天线元件连结起来的供电线路
701、702、703、704、705、706电介质

Claims (3)

1.一种多波束天线装置，是将第1天线部(101)、第2天线部(102)、第1罗特曼透镜部(103)与第2罗特曼透镜部(104)按序层叠而成的平面天线模块，其特征在于，
第1天线部(101)具备：
第1天线基板(4)，在与第2天线部的第2放射元件(16)的位置相当的部位具有第1放射元件(1)和第1无源元件(67)，并且，形成有多个分别由第1供电线路(2)与第1连接部(3)构成的天线群，该第1供电线路(2)与第1放射元件(1)连接，该第1连接部(3)与第2罗特曼透镜部(104)电磁耦合；
第1接地导体(6)，在与第1放射元件(1)及第1无源元件(67)的位置相当的部位具有第1槽(5)；
第2接地导体(9)，在第1天线基板(4)与第1接地导体(6)之间具有第1电介质(7)，在与第1连接部(3)的位置相当的部位具有第1耦合口形成部(8)；
第3接地导体(13)，在第1天线基板(4)与第4接地导体(10)之间具有第2电介质(11)，在与第1连接部(3)的位置相当的部位具有第2耦合口形成部(12)；以及
第4接地导体(10)，在与第1连接部(3)的位置相当的部位具有第1狭缝(14)，并且，在与第1放射元件(1)及第1无源元件(67)的位置相当的部位具有第2狭缝(15)；
第2天线部(102)具备：
第2天线基板(19)，形成有多个分别由第2供电线路(17)与第2连接部(18)构成的天线群，该第2供电线路(17)与第2放射元件(16)连接，该第2连接部(18)与第1罗特曼透镜部(103)电磁耦合；
第4接地导体(10)；
第5接地导体(23)，在第2天线基板(19)与第4接地导体(10)之间具有第3电介质(20)，在与第2连接部(18)的位置相当的部位具有第3耦合口形成部(21)，并且，在与第1连接部(3)的位置相当的部位具有第3狭缝(22)；
第6接地导体(28)，在第2天线基板(19)与第7接地导体(24)之间具有第4电介质(25)，在与第2连接部(18)的位置相当的部位具有第4耦合口形成部(26)，并且，在与第1连接部(3)的位置相当的部位具有第4狭缝(27)；以及
第7接地导体(24)，在与第2连接部(18)的位置相当的部位具有第5狭缝(29)，并且，在与第1连接部(3)的位置相当的部位具有第6狭缝(30)；
第1罗特曼透镜部(103)具备：
第1罗特曼透镜基板(37)，具有第1罗特曼透镜(31)、第3供电线路(32)、与第2天线部(102)的第2连接部(18)电磁耦合的第3连接部(33)、以及与第10接地导体(34)的第1波导管开口部(35)电磁耦合的第4连接部(36)；
第7接地导体(24)；
第8接地导体(42)，在第1罗特曼透镜基板(37)与第7接地导体(24)之间具有第5电介质(38)，在与第3连接部(33)的位置相当的部位具有第5耦合口形成部(39)，并且，在与第4连接部(36)的位置相当的部位具有第6耦合口形成部(40)，并且，在与第1连接部(3)的位置相当的部位具有第7狭缝(41)；
第9接地导体(47)，在第1罗特曼透镜基板(37)与第10接地导体(34)之间具有第6电介质(43)，在与第3连接部(33)的位置相当的部位具有第7耦合口形成部(44)，并且，在与第4连接部(36)的位置相当的部位具有第8耦合口形成部(45)，并且，在与第1连接部(3)的位置相当的部位具有第8狭缝(46)；以及
第10接地导体(34)，在与第4连接部(36)的位置相当的部位具有第1波导管开口部(35)，并且，在与第1连接部(3)的位置相当的部位具有第9狭缝(48)；
第2罗特曼透镜部(104)具备：
第2罗特曼透镜基板(55)，具有第2罗特曼透镜(49)、第4供电线路(50)、与第1天线部(101)的第1连接部(3)电磁耦合的第5连接部(51)、以及与第13接地导体(52)的第2波导管开口部(53)电磁耦合的第6连接部(54)；
第10接地导体(34)；
第11接地导体(60)，在第2罗特曼透镜基板(55)与第10接地导体(34)之间具有第7电介质(56)，在与第5连接部(51)的位置相当的部位具有第9耦合口形成部(57)，并且，在与第6连接部(54)的位置相当的部位具有第10耦合口形成部(58)，并且，在与第4连接部(36)的位置相当的部位具有第3波导管开口部(59)；
第12接地导体(65)，在第2罗特曼透镜基板(55)与第13接地导体(52)之间具有第8电介质(61)，在与第5连接部(51)的位置相当的部位具有第11耦合口形成部(62)，并且，在与第6连接部(54)的位置相当的部位具有第12耦合口形成部(63)，并且，在与第4连接部(36)的位置相当的部位具有第4波导管开口部(64)；以及
第13接地导体(52)，在与第6连接部(54)的位置相当的部位具有第2波导管开口部(53)，并且，在与第4连接部(36)的位置相当的部位具有第5波导管开口部(66)；
上述多波束天线装置按第1接地导体(6)、第2接地导体(9)与第1电介质(7)、第1天线基板(4)、第3接地导体(13)与第2电介质(11)、第4接地导体(10)、第5接地导体(23)与第3电介质(20)、第2天线基板(19)、第6接地导体(28)与第4电介质(25)、第7接地导体(24)、第8接地导体(42)与第5电介质(38)、第1罗特曼透镜基板(37)、第9接地导体(47)与第6电介质(43)、第10接地导体(34)、第11接地导体(60)与第7电介质(56)、第2罗特曼透镜基板(55)、第12接地导体(65)与第8电介质(61)、第13接地导体(52)的顺序层叠。
2.如权利要求1所述的多波束天线装置，其特征在于，
将上述结构的狭缝变更为槽。
3.如权利要求1～2中的任一项所述的多波束天线装置，其特征在于，
该多波束天线装置包含：
罗特曼透镜，由对上述罗特曼透镜供应电力的多个输入端子(221)、(222)、…(22m)以及用于取出上述多个输入端子的电力的多个输出端子(231)、(232)、…(23n)形成；
阵列天线，由多个天线元件构成，向空间放射电波；以及
供电线路，将上述输出端子和上述天线元件连结起来，
在上述多波束天线装置中，决定上述多个输出端子的排列曲线以及上述供电线路的长度，在激励了规定的输入端子时，在与该输入端子对应的角度方向上形成波束，
确定上述罗特曼透镜的形状，以使得：
将从上述阵列天线正面观察时的空间中的上述阵列天线的波束形成角度设为β、并且将连结线与中心线(208)所成的角度设为α时，为β＜α，其中，该连结线是将交点S2与上述多个输入端子之一连结起来的线，该交点S2是上述输出端子(231)、(232)、…(23n)的部分配置曲线与上述罗特曼透镜的中心线(208)的交点，
并且，将输入端子(221)和S2之间的距离设为F、将阵列天线的孔径长度设为2Ln、将输入端子(221)、(222)、…(22m)的部分配置曲线与中心线(208)之间的交点设为S3、将罗特曼透镜的大小G设为S2与S3之间的距离、将上述阵列天线的孔径长度设为2Ln时，满足如下关系式：
η＝(β/α)·(Ln/F)＜1
并且使得G小于以β＝α为条件进行设计时的罗特曼透镜的大小。
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