CN102683858A

CN102683858A - 天线

Info

Publication number: CN102683858A
Application number: CN201110157545XA
Authority: CN
Inventors: 中林健人; 松泽晋一郎; 小川胜
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2031-05-31
Also published as: CN102683858B

Abstract

天线包括第一接地板，形成在第一接地板上的第一绝缘基片，形成在第一绝缘基片上由导电材料制成的传输线路；和与所述传输线路电磁耦合的多个天线元件。所述传输线路由至少一个第一线路和多个第二线路组成，第一线路和第二线路以预定间隔交替布置，其中所述第一线路充当共振器，其具有的共振长度等于传输线路的波导波长的(2n-1)/2倍(n是正整数)，其中每个第二线路具有的电气长度大于所述波导波长的一半。每个天线元件与对应的一个第二线路电磁耦合。

Description

天线

技术领域

本发明涉及一种天线，它的波束方向能够通过改变天线的工作频率进行变动。

背景技术

日本专利申请平开No2001-44752(专利文献1)公开了一种阵列天线，它在毫米波范围内也有效，并且它的波束方向能够变动。该阵列天线包括在一面形成有接地板、在另一面形成有带状线的绝缘基片，和在所述带状线的两侧沿着带状线长度方向布置的多个天线元件。该阵列天线的波束方向能够通过改变工作频率进行变动。按照这样传统的串馈阵列天线，通过改变工作频率1GHz，有可能使天线波束在1.5度的角度范围内变动。然而，对于具有更宽范围的波束扫描范围的天线，有着强烈的需求。

P.P.Wang，M.A.Antoniades，G.V.Eleftheriades，IEEE Trans Antennas andPropagation 2008年10月第56卷上描述了一种具有如下结构的富兰克林天线，其中移相器插在每相邻的半波偶极天线之间。在这样的富兰克林天线中，波束角通过改变工作频率依据每个移相器的相移量进行调节。

日本专利申请平开No.2007-81825(专利文献2)公开了一种具有如下结构的漏波天线，其中它的传输线路具有以一定间隔布置的所谓“超材料(meta material)”结构，每个超材料结构具有充当电容器的间隙和用作感应器的接线柱，于是所述传输线路作为在特定频率范围内工作的左手线。按照这样的漏波天线，通过改变工作频率，有可能使天线波束在非常宽的范围内变动。

然而，在专利文献1中描述的阵列天线的扫描角范围，即在76-77GHz的频率范围内，频率变动1GHz，扫描角范围大约为1.5度，这个范围在车载毫米波雷达中是不够用的。

专利文献2描述的漏波天线包括这样的结构，即超材料结构沿直线间隔布置，并且天线元件布置在所述超材料结构上。因此，由于天线元件和相应的超材料结构之间的距离很小，并且二者之间的电磁耦合很强，当改变每个天线元件的形状或者尺寸来调节发射强度时，超材料结构的特性也发生改变，引起天线波束角改变。也就是，上述漏波天线存在问题，即不能独立地控制天线的发射强度和天线波束角。

按照非专利文献1描述的富兰克林天线，尽管通过调节相移量有可能调节天线波束角，但是发射效率很低，旁瓣不小，因为不可能控制每个天线元件的发射强度。

发明内容

本发明的一个实施方案提供一种天线包括：

第一接地板；

形成在第一接地板上的第一绝缘基片；

形成在所述第一绝缘基片上由导电材料制成的传输线路；和

与所述传输线路电磁耦合的多个天线元件；

其中

所述传输线路由至少一个第一线路和多个第二线路组成，第一线路和第二线路以预定间隔交替布置，其中所述第一线路充当共振器，其具有的共振长度等于传输线路的波导波长的(2n-1)/2倍(n是正整数)，其中每个第二线路具有的电气长度大于所述波导波长的一半，和

每个天线元件与第二线路中的一个对应线路电磁耦合。

按照本发明，提供一种天线，能够宽范围地变动它的波束角，而且它的波束角和来自它的天线元件的发射强度能够独立地进行控制。

根据下面包括附图和权利要求的详细说明，本发明的其它优点和特征将变得明显。

附图说明

在下列附图中：

图1是按照本发明第一实施例的天线的横截面图；

图2是从上方看时第一实施例中天线的平面图；

图3是表示第一实施例中天线的带状线13和天线元件14的平面图案的图；

图4是所述带状线13和天线元件14的平面图案的局部放大视图；

图5是第一实施例中天线的第一线路130之一附近的放大视图；

图6是表示第一实施例中天线的指向性的模拟结果图；

图7是按照本发明第二实施例的天线的横截面图；

图8是第二实施例中天线的第一接地板20的平面视图；

图9是按照本发明第三实施例的天线的第一线路330的平面图；

图10是按照本发明第一实施例的天线的改进方案，在第一线路和第二线路之间的结合部分的平面图；

图11是按照本发明第四实施例的天线的第一线路和第二线路的结合部分的放大视图；

图12是按照本发明第三实施例的天线的改进方案，在第一线路和第二线路之间的结合部分的平面图；

图13是按照本发明第五实施例的天线的第二线路和天线元件之间的结合位置的视图；和

图14是第一实施例的改进方案的天线元件的平面图。

具体实施方式

第一实施例

图1是按照本发明第一实施例的天线的横截面图。图2是从上方看时第一实施例中天线的平面图。第一实施例的天线包括第一接地板10，形成在第一接地板10上的第一绝缘基片11a、位于第一绝缘基片11a上作为传输线路的带状线13、形成在所述带状线13以及第一绝缘基片11a上的第二绝缘基片11b、形成在第二绝缘基片11a上的第二接地板12、和连接到所述带状线13的天线元件14。第一和第二绝缘基片11a和11b构成绝缘层11。第一和第二绝缘基片11a和11b可以由相同的绝缘材料制成，或者由不同的绝缘材料制成。如图1所示，第一实施例的天线是三板式天线，其中由导电材料制成的带状线13形成在夹于第一接地板10和第二接地板12之间的绝缘层11内。在后面的描述中，λ是76.5GHz的波导波长。波导波长λ由公式λ＝λ₀/(ε_r)^1/2界定，其中λ₀是76.5GHz下大约3.9mm的自由空间波长，ε_r是绝缘层11的相对绝缘系数。

图3是带状线13和天线元件14的平面图。图4是所述平面图的局部放大图。带状线13由充当共振器的第一线路130和连接相应的天线元件14的第二线路131组成。第一线路130和第二线路131沿着一个方向(沿图3中X方向)以预定间隔交替布置。每个天线元件14连接到第二线路131中的相应一个的中心。带状线13在其末端连接有天线元件132，用以发射剩余能量。

图5是第一线路130附近的放大视图。如图4和5所示，第一线路130是均在x方向于相邻的第二线路131之间延伸的直线。每个第一线路130沿线路方向的长度为λ/2，并用作λ/2共振器。每个第一线路130在其与相邻的第二线路131相对的末端130a处加宽，于是它具有缩小后的尺寸，作为λ/2共振器。

每个第二线路131在四个位置成直角弯曲，从而具有C形凸起形状。每个第二线路131也在其与相邻的第一线路130相对的末端131a处加宽。第二线路131的四个弯曲部分131b的每个外部角相对于所述线路方向成45度倒角，目的是减少这些弯曲部分处的电磁波的反射。

如果各天线元件14的激励相位在天线工作频率的中心彼此同相，第二线路131可以具有大于或等于λ/2的任意长度。如果第二线路131的长度小于λ/2，因为第二线路131作为共振器工作，相应地连接到第二线路131的天线元件14的共振特性被大大地改变，天线元件14的反射频率特性和相位-频率特性被大大地改变，使得不能控制天线的激励相位。按照这个实施例，设定每个第二线路131的长度大于或等于λ/2，于是它不会作为共振器工作。因此，按照该实施例，有可能控制受天线元件14的特性影响的天线的特性，以及控制受单独作为共振器的第一线路130影响的天线的特性。受天线元件14的特性影响的天线的特性包括天线的增益、极性方向和旁瓣水平。

天线元件14是约为λ/2长度的矩形导体。天线元件14连接到相应第二线路131的部分131c(此后被称为“天线元件结合部分131c”)。所述天线元件结合部分131c沿x方向延伸，不与第一线路130共线。每个天线元件14的纵向方向与x方向成45度角，于是电磁波的极性方向与x方向成45度角。

然而，每个天线元件14的纵向方向与x方向之间的角度可以设定为不同于45度的角，以得到需要的极性方向。

如图3所示，天线元件14的形状成为，天线元件14的宽度朝向带状线13的端部变大。来自天线元件14的电磁波的发射强度随着其宽度的变大而增强。通过使天线元件14成形为上述形状，随着的变化，能够补偿发射强度相对于离天线馈电点的距离的变化。

使第二线路131在四个位置弯曲的原因是为了缩短天线元件14的间隔，使该间隔小于或等于λ₀。如果天线元件14的间隔大于λ₀，由于形成了格栅波瓣，则天线元件难以发射所需方向的波束。然而，如果天线元件14的间隔太短，每两个相邻天线元件彼此相互影响。因此，优选地，所述间隔大于或者等于0.5λ₀并小于或等于λ₀。更优选地，所述间隔被设定在0.7λ₀-0.95λ₀的范围内。

如图2所示，第二接地板12形成有多个矩形窗口15。窗口15位于沿着z方向与相应天线元件14相对的位置。窗口15的长边与天线元件14的纵向方向平行。窗口15的短边和长边彼此垂直。设置窗口15是为了增强天线元件14的发射和接收效率。在第一实施例中，窗口15形成在第二接地板12内，目的是从第二接地板12的一侧发射和接收电磁波。然而，当需要从第一接地板10的一侧发射和接收电磁波的时候，窗口15可以形成在第一接地板10内。

确定第一线路130的长度和第二线路131的长度之和，从而所有的天线元件14在设计频率下具有相同的馈电相位。即，该实施例中的天线设计成，波束方向垂直于第一和第二接地板10和12，即平行于z方向。

如果从馈电点(没有画出)供应的能量的频率从设计频率转变，则在天线元件14中的馈电相位会发生变化，引起波束方向发生改变。在该实施例的天线中，因为每个第一线路130充当共振器，这样的相变增加，相应地波束方向更宽范围地变化。通过由每个第一线路130和每个相邻第二线路131之间的间隙形成的电容，能够控制相变增加的幅度。即，通过每个第一线路130和每个第二线路131之间的距离，以及第一线路130和第二线路131在其各自端部处的宽度，控制相变的幅度。

如上所述，按照第一实施例的天线，通过改变馈电能量的频率(工作频率)与专利文献1中所公开的传统阵列天线相比，能够在更宽角度范围内转变波束方向。

因此，当第一实施例的天线用于车辆的毫米波雷达时，因为通过调节天线的工作频率，而不是通过手动调节雷达的安装角度，能够调节雷达的波束角度，所以能够提高车辆的生产率。

图6是当工作频率为76GHz和77GHz时该实施例天线的z-x平面内的指向性的模拟结果图。在该图中，z方向是0度仰角方向。如图所示，通过改变76GHz和77GHz之间的工作频率，波束方向改变大约四度。因此，在该实施例中，通过在76GHz和77GHz之间的频率范围内将工作频率改变1GHz，能够将波束方向改变大约四度。

第二实施例

图7是按照本发明第二实施例的天线的横截面视图。第二实施例的天线包括第一接地板20、形成在第一接地板20上的第一绝缘基片21、和位于第一绝缘基片21上由导电材料制成的作为传输线路用的微带状线23。类似图3和4所示的第一实施例的带状线13，第二实施例的微带状线23由以预定间隔交替布置的第一线路230和第二线路231构成。

第一接地板20形成有多个矩形槽24。所述槽24布置成与微带状线23的线路方向(z方向)成45度角。所述槽24位于与第二线路231的相应天线元件结合部分231c部分重合的位置，当从垂直于第一接地板20的z方向看时，所述天线元件结合部分平行于x方向并且与第一线路230不共线。每个槽24与相应的第二线路231电磁耦合，以用作天线元件。

按照第二实施例的天线，类似第一实施例的天线，通过改变工作频率能够在宽角度范围内改变波束角，因为第一线路以共振器工作，这增大了由于工作频率的改变引起的相变量。

第三实施例

通过彼此相隔一定距离布置的一对第一线路330来替换每个第一线路130，本发明的第三实施例的天线不同于第一实施例的天线。如图9所示，每个第一线路330由直线330a和两个接线柱330b构成，所述接线柱设置在直线330a的中心部分，成十字交叉，以与线路方向(x方向)正交。接线柱330b充当感应器，从而将λ/2共振器的物理长度减小至大约0.25λ。

通过提供该成对的两个第一线路330作为λ/2共振器，相比第一实施例，天线元件14的相变量能够增加得更多，以进一步增大天线的波束扫描范围。

上述结构即每个第一线路130被一对第一线路330替换的结构能够应用到第二实施例。

第四实施例

图11和12表示按照本发明第四实施例的天线。在图11和12中，和前面描述的图中相同的参照序号或者特征指示相同的或者相应的元件或者部分。在第一和第二线路之间的电磁耦合结构方面，第四实施例不同于第一实施例。在该实施例中，第一线路430是直线，其长度是信号或电能传播方向(x方向)上的波导波长的一半。不同于第一实施例，第一线路430的宽度在其末端没有增加。类似第一实施例，第二线路431在四个位置成直角弯曲，形成C形状。不同于第一实施例，第二线路431的宽度在其末端没有增加。第一线路430包括在x方向延伸的侧边缘部分430a。第二线路431包括在x方向延伸的侧边缘部分431a。侧边缘部分430面向相应的侧边缘部分431a，二者之间具有一定间隙。按照所需的耦合电容和感应系数，确定侧边缘部分430a和431a的相面对长度L以及二者之间的间隙D。所述相面对长度L大于第一线路和第二线路的宽度。

按照第四实施例，因为第一线路430和第二线路431在它们的侧端部430a和431a处彼此电磁耦合，所以与第一实施例相比，位于第一线路430两侧的第二线路431的升起部分431d和431e之间的距离W能够做的更短一些。因此，相比第一实施例，该实施例的天线的长度能够做得更短。此外，因为侧端部430a和430b的相面对长度L大于第一线路和第二线路的宽度，间隙D和相面对长度L因产品而异的变化能够足够小。因此，相比第一实施例，天线波束指向性相对于工作频率在不同产品中的变化能够更小。在该实施例中，通过类似第一实施例的天线元件结合部分，相邻天线元件14彼此连接。如同第一实施例，该实施例的天线包括第一接地板10、第一绝缘基片11a、第二绝缘基片11b、第二接地板12和窗口15。该实施例的如上所述的结构能够应用到图7所示的第二实施例的结构以及图9所示的第三实施例的结构。图12表示该结构被应用到图9所示第三实施例的结构的情况。如图12所示，该情形下的结构为，两个第二线路531的侧边缘部分531a位于与两个第一线路530的侧边缘部分530a相对的位置，两个侧边缘部分530a之间相隔一定距离地情况下彼此连接。

第五实施例

接着，参照图13描述按照本发明第五实施例的天线。在第一实施例中，相对于信号或电能的传播方向(x方向)，天线元件14连接到第二线路131的中心。在第五实施例中，天线元件14和第二线路131之间的连接点从第二线路131的中心转移。即，在该实施例中，在沿着长度方向远离天线元件结合部分131c的中心的位置，每个天线元件14连接到相应的第二线路131。按照这个结构，因为能够降低来自每个天线元件14的发射强度，所以发射分布沿着天线长度方向是均匀的。

窗口15的形状为矩形，其长边15a平行于长方形卡片形状的天线元件14的长边14a。天线元件14与窗口15的长边15a平行延伸，穿过短边15b之一的中心。窗口15相对于天线元件结合部分131c位于这样的位置，即，第二线路131没有位于窗口15的下方。通过这种结构，能减少由窗口15的开口引起的交叉极化。

上述结构，即，在相对于长度方向远离天线元件结合部分131c中心的位置，每个天线元件14连接至相应的第二线路，能够应用到第二和第三实施例。在这种结构应用到第二实施例的情况下，图8所示的所述槽24和第二线路231之间的电磁耦合位置，相对于信号或者电能传播的方向(x方向)，从第二线路231的天线元件结合部分231c的中心转移。为使从槽24发出的电磁波的发射强度变为所需要的值，设定转移的量。

上述结构能够应用到第三实施例，即窗口15位于这样的位置，相对于天线元件结合部分131c，第二线路131没有位于窗口15之下。

其它实施例

第一实施例可以修改，即代替采用λ/2长度的矩形导体，形成在第一接地板10或者第二接地板12内的矩形槽可以如同第二实施例中用作天线元件14。在这种情况下，没有必要在第二接地板12中形成窗口15。此外，如图14所示，连接贴片天线34和第二线路131的天线元件结合部分131c的馈电线路34b可以用作天线元件14，所述贴片天线34由边长约为λ/2的正方形导体制成。在这种情况下，能够按照馈电线路34b的方向控制极性方向。而且通过这种结构，通过在第二接地板12中形成窗口35，能增加电磁波的发射效率和接收效率，。

第二实施例可以修改为，代替在第一接地板20中形成的槽24，分别连接第二线路231的λ/2长度的矩形导体类似第一实施例用作天线元件。此外，如图14所示的贴片天线34a和馈电线路34b可以用作天线元件。

在如上所述的第一至第五实施例中，第一线路的电气长度为λ/2。然而，如果第一线路的电气长度是(2n-1)·λ/2(n为大于1的整数)，第一线路能够作为共振器使用。

上述优选实施例作为本发明申请的示意说明，本发明仅仅依照下面的权利要求进行限定。应当理解，对于本领域的技术人员，能够对优选实施例作出改进。

Claims

1.一种天线，包括：

第一接地板；

形成在第一接地板上的第一绝缘基片；

形成在第一绝缘基片上由导电材料制成的传输线路；和

与所述传输线路电磁耦合的多个天线元件；

其中

所述传输线路由至少一个第一线路和多个第二线路组成，第一线路和第二线路以预定间隔交替布置，其中第一线路充当共振器，其具有的共振长度等于传输线路的波导波长的(2n-1)/2倍(n是正整数)，其中每个第二线路具有的电气长度大于所述波导波长的一半，和

每个天线元件与第二线路中的一个对应线路电磁耦合。

2.如权利要求1所述的天线，其中在第一线路的沿着第一线路的长度方向的两端处，相邻两个第二线路的侧边缘部分与位于该相邻两个第二线路之间的该第一线路的侧边缘部分相对并在之间具有一定间隙。

3.如权利要求1所述的天线，其中多个天线元件以小于或者等于天线工作频率下的自由空间波长的间隔布置。

4.如权利要求3所述的天线，其中每个第二线路在四个位置弯曲，以形成C状的凸出形状。

5.如权利要求1所述的天线，其中第一线路和第二线路中的每个具有在其两端处增大的宽度。

6.如权利要求1所述的天线，所述第一线路具有一对接线柱。

7.如权利要求1所述的天线，每个天线元件由一体连接至对应的一个第二线路的矩形导体制成。

8.如权利要求1所述的天线，其中每个天线元件是由正方形导体制成的贴片天线，贴片天线通过由导体制成的馈电线路连接至对应的一个第二线路。

9.如权利要求1所述的天线，还包括形成在传输线路和第一绝缘基片上的第二绝缘基片和形成在第二绝缘基片上的第二接地板。

10.如权利要求9所述的天线，其中，第一接地板和第二接地板之一在沿着垂直于第一或者第二接地板的方向分别与天线元件相对的位置形成有窗口。

11.如权利要求1所述的天线，每个天线元件是形成在第一接地板中的矩形槽。

12.如权利要求1所述的天线，还包括形成在所述传输线路和第一绝缘基片上的第二绝缘基片以及形成在第二绝缘基片上的第二接地板，每个天线元件为形成在第一接地板和第二接地板之一中的矩形槽。

13.如权利要求10所述的天线，每个窗口形成在其下方没有第二线路的位置。

14.如权利要求1所述的天线，其中在沿着相应第二线路的信号或者电能的传播方向从相应第二线路的中心偏移的位置，每个天线元件与相应的一个第二线路电磁耦合。