CN104769776B - 阵列天线装置 - Google Patents

Abstract

提供一种天线装置，其使辐射图案为广角度且不会在天线正面附近产生零陷，并且辐射效率较高。具有多个辐射元件的阵列天线装置(1)具有：电介质基板(2)；2个以上的串联阵列天线(10、20)，它们形成于电介质基板上，并且通过导体线路(15、25)而串联连接有多个辐射元件(11～13、21～23)；分配器(30)，其形成于电介质基板的与形成有串联阵列天线的层不同的层上，且借助于电容耦合对2个以上的串联阵列天线分配功率；以及相位调整器(导体线路34～37)，其调整由分配器分配的功率的相位。

Description

阵列天线装置

技术领域

本发明涉及排列多个可适用于辐射电波的设备的广角天线而成的阵列天线，还涉及特别适用于在搭载于汽车的雷达装置上使用等的广角天线以及阵列天线。

背景技术

对人·对物等检测用雷达的用途十分广泛。其中，为了辅助汽车的安全行驶，正在推进使用雷达监视处于汽车周边的障碍物等(对象物)的装置的开发。作为这种汽车周边监视雷达，辅助死角检测的BSD(Blind Spot Detection：盲点检测)以及在迎头冲撞时出现人或对面来车等时发出警报CTA(Cross Traffic Alert：路口交通警报)等技术得以实用化。对于这些汽车周边监视雷达而言，有时要求检测由一定角度范围构成的大致扇形的范围内(例如，以辐射方向正面为中心的-60°～+60°左右的广角范围内)的对象物。另一方面，除了汽车以外，作为防止犯罪用途和监视用途而在基础设施中的应用例，有时同样要求实现广角检测范围。无论何种情况都需要角度范围的扩大，而与此同时，在角度范围内不存在特性降低的技术或检测范围对称的技术较为优选。

在专利文献1中公开了具有使多个辐射图案在多个方向上辐射强度为峰值的主瓣的阵列天线和检测规定的广角方向的传感器。在该阵列天线中，提出了：作为馈电条件，逆相馈电，而作为振幅比，0.5、0.2左右的事例，能够形成并非正面指向而是在广角方向上的辐射图案。

此外，在专利文献2中公开了通过1/4波长侧耦合形方向性耦合器耦合了多个辐射元件的微带阵列天线。如在该专利文献1的“现有技术”栏所述，在使用简单结构的T分支线路构成馈电电路的情况下，由于辐射元件或馈电线路的反射波的影响，T分支线路的功率分配特性会偏离期望值，各辐射元件的激励分布会相对于期望值发生紊乱，有时使得天线的辐射特性劣化。然而，根据专利文献2所述的技术，能够防止这种辐射特性的劣化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2004-260554号公报

专利文献2:日本特开2000-101341号公报

发明内容

发明欲解决的课题

另外，在专利文献1公开的技术中，虽然能够形成在广角的多个特定方向上具有峰值的辐射图案，然而会在该特定方向之间的角度上产生零陷，虽然称之为广角，然而无法实现在所有角度范围内不存在零陷的波束形成。

此外，在专利文献2公开的技术中，虽然使用了能够进行某种程度微弱的功率分配的方向性耦合器，然而由于使用终端单元而会产生相当于某种功率吸收的损失。另外，在与辐射面相同的面上配置有方向性耦合器，从而还存在耦合器的无用辐射影响天线辐射特性等的问题。此外，并未公开易于进行设计调整且能够简单小型化地良好实现单轴方向的广角化的具体结构例。

本发明就是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种相比于现有的天线，不会产生零陷，能够获得广角度的辐射图案，并降低损失的天线以及使用该天线的阵列天线。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，本发明提供一种阵列天线装置，其具有多个辐射元件，其特征在于，具有：电介质基板；2个以上的串联阵列天线，它们形成于所述电介质基板上，并且通过导体线路而串联连接有多个所述辐射元件；分配器，其形成于所述电介质基板的与形成有所述串联阵列天线的层不同的层上，并借助于电容耦合对所述2个以上的串联阵列天线分配功率；以及相位调整器，其对由所述分配器分配的功率的相位进行调整。

根据这种结构，能够增大对于多个天线元件的功率分配比，因此能够获得将辐射图案调整为广角度并不会产生零陷的天线。此外，在对多个天线元件分配功率时，未在线路上配置终端电阻，因此，能够降低终端电阻带来的损耗，提升天线的辐射效率。此时，由分配器和相位调整器形成的指向性仅为单轴方向，因而易于进行包含无用反射波在内的指向性调整。进而，通过在不同于辐射元件的层上形成分配器，能够降低对于辐射的影响。

此外，本发明的一个侧面的特征在于，所述相位调整器加载于所述分配器的功率分配比相对小的输出侧。

根据这种结构，能够使得阻抗变化不易对馈电点侧施加影响。

此外，本发明的一个侧面的特征在于，从所述分配器的功率分配比相对小的输出侧到所述串联阵列天线的馈电点为止的线路比从功率分配比相对大的输出侧到所述串联阵列天线的馈电点为止的线路长。

根据这种结构，能够减少线路长度导致的功率的减少。

此外，本发明的一个侧面的特征在于，所述分配器的功率分配比在-10dB以上。

根据这种结构，在将辐射图案设计为广角度的情况下，在该角度范围内能够抑制较大零陷的产生。

此外，本发明的一个侧面的特征在于，所述相位调整器由具有迂回路的线路形成。

根据这种结构，能够通过简单结构调整相位。

此外，本发明的一个侧面的特征在于，作为对所述2个以上的串联阵列天线的馈电相位条件，包括所述分配器在内，被相对地在-135～-225度的大致逆相的范围内调整。

根据这种结构，既能够抑制正面附近的零陷的产生，又能够获得大致左右对称且广角度的辐射图案。

此外，本发明的一个侧面的特征在于，构成所述各串联阵列天线的各辐射元件的宽度不同。

根据这种结构，能够减小增益特性的旁瓣。

此外，本发明的一个侧面的特征在于，所述2个以上的串联阵列天线具有在以所述串联阵列天线的排列方向为轴的情况下大致对称的增益特性。

根据这种结构，在配置多个阵列天线装置的情况下，能够简化配线的绕设。

此外，本发明的一个侧面的特征在于，所述串联阵列天线可用作雷达装置的发送天线。

根据这种结构，能够提供一种检测角度范围较大，增益特性良好的雷达装置。

此外，本发明的一个侧面的特征在于，具有2个作为所述发送天线的所述串联阵列天线。

根据这种结构，能够以简单且小型的结构、最小限的结构，既能够扩大检测角度范围，又能够获得良好的增益特性。

此外，本发明的一个侧面的特征在于，具有2个作为所述发送天线的所述串联阵列天线，并且具有2个作为接收天线的串联阵列天线。

根据这种结构，能够提供一种基于机构上大致对称的结构，检测角度范围较大，增益特性良好的雷达装置。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种使辐射图案为广角度且在天线正面附近不会产生零陷，并且辐射效率较高的阵列天线装置。

附图说明

图1是表示本发明实施方式的阵列天线装置的结构例的图。

图2是从背面观察图1所示的实施方式的图。

图3是表示不具有分配器的阵列天线装置的结构的图。

图4是表示图3所示的阵列天线装置的增益特性的图。

图5是按照功率分配比的变化表示图4所示的正面增益与峰值增益之差的图。

图6是表示图2所示的分配器的详细情况的图。

图7是表示改变图6所示的距离的情况下的功率分配比的变化的图。

图8是放大表示图2所示的分配器的图。

图9是表示调整图8所示的电容耦合间隔的情况下的增益变化的图。

图10是放大表示图2所示的分配器的图。

图11是表示调整了图10所示的折返距离的情况下的增益变化的图。

图12是用于说明在汽车上作为雷达装置搭载的情况下的配线的绕设的图。

图13是表示分配器的其他结构例的图。

图14是表示作为汽车上的雷达装置的实施方式的图。

图15是表示本发明的其他实施方式的图。

具体实施方式

接着，说明本发明的实施方式。

(A)实施方式的结构的说明

图1是表示本发明实施方式的阵列天线装置的结构例的图。在该图1所示的例子中，阵列天线装置1具有通过分配器30接受功率分配的串联阵列天线10、20，且形成于电介质基板2的表(正)面。串联阵列天线10通过导体线路15而串联连接，具有辐射元件11～13。在图1的例子中，辐射元件11～13为了减少增益特性的旁瓣而具有不同宽度。经由分配器30对串联阵列天线10供给功率。串联阵列天线20具有与串联阵列天线10同样的结构，使串联阵列天线10以与导体线路15正交的方向上平行移动的状态进行配置。即，串联阵列天线20通过导体线路25串联连接，具有辐射元件21～23。辐射元件21～23也与串联阵列天线10同样地，为了减少增益特性的旁瓣而具有不同的宽度。经由分配器30和相位调整器32对串联阵列天线20供给功率。

图2是表示分配器30和相位调整器32的结构例的图。另外，图2是从背面(形成有图1所示的串联阵列天线10、20的面的背侧的面)观察图1所示的电介质基板2的图。在电介质基板2的背面上，如图2所示，配置有分配器30和相位调整器32。分配器30由如下部件构成：导体线路31，其具有连接于串联阵列天线10的馈电点14上的英文字母“J”的形状；以及平行配置于导体线路31上的导体线路33。输入给该分配器30的导体线路31的上端(图2的上端)的功率经由导体线路31被供给给馈电点14，并且借助于形成于导体线路31与导体线路33之间的电容耦合而以规定的分配比分配给导体线路33。相位调整器32是连接具有折返结构的导体线路33～37而形成的。被分配器30按照规定的分配比分配给导体线路33的功率在相位被具有折返结构的导体线路34～37延迟后，被供给给馈电点24。供给给馈电点14的功率通过导体线路15被供给给辐射元件11～13，并作为电波辐射。此外，供给给馈电点24的功率通过导体线路25被供给给辐射元件21～23，并作为电波辐射。

(B)实施方式的动作的说明

接着，说明图1所示的实施方式的动作。以下，参照图3，说明不具有分配器30和相位调整器32的阵列天线装置1A的动作，然后，参照图1说明阵列天线装置1的动作。图3是不具有图2所示的分配器30和相位调整器32的情况下的阵列天线装置1A的结构例。在该例子中，借助于导体线路41、42对馈电点14、24分别供给功率。图4是表示改变供给给图3所示的导体线路41、42的功率比的情况下的增益特性的变化的图。图4的横轴表示以图3的下部所示方向为正时的角度，纵轴表示增益dBi。图中对各曲线赋予的数字表示借助于导体线路41、42供给给馈电点14、24的功率比。另外，在该例子中，将供给给导体线路41和导体线路42的功率P1、P2的相位差(＝∠P2-∠P1)设定为-195(deg)。在这种情况下，在使功率供给比(＝P2/P1(dB))变化为-6dB、-8dB、-10dB、···、-18dB的情况下，可知随着功率分配比变大，正面(0(deg))的零陷部(特性凹陷的部分)的增益特性为平坦。

图5是表示改变馈电功率比的情况下的图4所示的正面增益(0deg的增益)与峰值增益(图4的曲线的峰值增益)之差的图。该图5的横轴表示馈电功率比(dB)，纵轴表示从正面增益中减去峰值增益后的值。如图5所示，随着分配功率比变大(随着向图中左侧移动)，从正面增益中减去峰值增益后的值会变小。在这个包含天线指向性在内的实用性例子中，可知为了使正面增益与峰值增益之差在-3dB以下，需要使功率分配比大于-10dB。另外，在阵列因素的计算中需要使其至少大于-10dB。

另外，在以往使用的T分支型的分配器中，难以获得-10dB以上的分配比。另一方面，在图2所示的分配器30中，能够易于得到-10dB以上的分配比。此外，在T分支型的分配器中，若欲得到-10dB以上的较大的分配比，则会存在大小变大的缺点，而在图2所示的分配器30中，如后所述，仅凭变更导体线路31与导体线路33的距离就能得到-10dB以上的分配比。

图6是表示分配器30的详细结构的图。如该图6所示，导体线路31与导体线路33隔开距离d而平行形成。这里，若将导体线路31的上端(图6的上端)作为端子T1，将导体线路31的下端作为端子T2，将导体线路37的下端作为端子T3，并在改变图6所示的距离d的情况下求出对端子T1输入功率时输出给端子T2的功率P2与输出给端子T3的功率P3的功率分配比(P3/P2)，则得到图7所示的曲线图。图7的横轴表示距离d(mm)，纵轴表示功率分配比(dB)。如该图7所示，若距离d的值变大，则功率分配比变大，在距离d为0.1mm以上时，功率分配比(P3/P2)在-10dB以上。因此，在图6所示的分配器30中，为了增大分配比，调整该距离d即可，不会如T分支型的分配器那样使得分配器30的尺寸变大。

接着，参照图1说明阵列天线装置1的动作。如果对图2所示的导体线路31的上端供给功率，则所供给的功率会经由导体线路31和馈电点14被供给给串联阵列天线10。另一方面，所供给的功率的一部分会借助于导体线路31与导体线路33之间的电容耦合，分配给导体线路33。另外，该分配比例如被设定为-10dB以上。

关于分配给导体线路33的功率，其在作为相位调整器32的具有折返结构的导体线路34～37中传递时，其相位在以-180deg为中心的例如-135～-225deg的范围内延迟。另外，关于阵列天线装置1，若以正面方向为中心而以广角束的辐射作为主要目的，则延迟通常为逆相(180deg)，然而根据设计条件而言，有时-180deg并非最佳情况，因而将其设定为-135～-225deg的范围。此外，相位延迟的设定为-135～-225deg，也可以使用对其±2nπ(n：整数)的设定。

相位被作为相位调整器32的导体线路34～37延迟的功率经由馈电点24被供给给串联阵列天线20。由此，串联阵列天线20相比串联阵列天线10而言，功率分配比在-10dB以上，且被供给相位在135～225deg的范围内延迟的功率。其结果，从阵列天线装置1辐射平坦特性的电波，该电波例如图4的被赋予数值“-18”的曲线那样，天线正面的零陷部较小。

如上所述，在本发明的实施方式中，在电介质基板2的不同于串联阵列天线10、20的层上，形成借助于电容耦合而分配功率的分配器30，因此能够增大针对多个天线元件的功率分配比，在将辐射图案调整为广角度的情况下，也能够得到在天线正面附近不会产生零陷的天线。此外，在对多个天线元件分配功率时，在线路上未配置终端电阻，从而能够减少终端电阻带来的损耗，能够提升天线的辐射效率。进而，在不同于辐射元件的层上形成分配器，从而能够降低对于辐射的影响。此外，通过使用借助于电容耦合而分配功率的分配器30，从而能够通过小型的尺寸简单实现用于减少增益特性的零陷部的-10dB以上的功率分配比。此外，在分配器30与馈电点24之间设置基于具有折返结构的导体线路34～37的相位调整器32，因此能够通过简单的结构可靠地进行相位的调整。此外，将具有折返结构的导体线路34～37设置于功率分配比较小的串联阵列天线20侧，因此能够不易受到具有折返结构的导体线路34～37对阻抗变化的影响。此外，将具有折返结构的导体线路34～37设置于功率分配比较小的串联阵列天线20侧，从而能够减少由于较长的线路而产生的功率损失的影响。

以上，参照图3和特性例图4示出了用于减少零陷部的设计的方向性、用于实现该特性的分配器的结构例、特性图6及其特性例图7，然而这些内容是作为本方案的原理说明而对本实施方式的各部分划分得到的特性。以下具体示出本实施方式中的各尺寸参数变化的特性变化例。

在本实施方式中，如上述内容所示，通过调整图8所示的电容耦合距离d，从而如图9所示，能够调整零陷的大小。更具体而言，图9所示的“无分配”表示的是仅使用一个系统的串联阵列天线的情况下的增益特性。此外，赋予给各曲线的数字0.6、0.5、0.4、···、0.05通过mm单位示出电容耦合距离d的设定值。如该图9所示，相比仅使用一个系统的串联阵列天线的情况而言，使用2个系统的串联阵列天线10、20的情况下，能够增大波束角。此外，通过调整电容耦合距离d，从而能够调整零陷的大小和某种程度调整波束形状。

此外，在本实施方式中，通过调整图10所示的折返距离p，从而如图11所示，能够调整波束形状。更具体而言，图11所示的赋予给各曲线的数字3.0、2.9、2.8、···、2.6以mm单位示出折返距离p的设定值。如该图11所示，通过调整折返距离p，从而能够调整波束的形状。此外，通过调整折返距离p，能够使波束为大致左右对称的形状。在一般的方向性耦合器中，虽然存在将终端电阻连接于馈电线路端的结构例，然而本方案的分配器未将终端电阻连接于线路端。由此，由于不存在能够吸收的部分，因而反射波累积，可能引起偏离期望的激励分布若干程度的情况。然而，所形成的指向性仅为单轴方向，分配部位即反射源的数量较少，而且如上所述易于进行基于尺寸参数的振幅·相位调整，因而即使由于多重反射而存在相对于期望的功率分配特性的偏差，也能够实现在考虑到这种偏差量的设计上的恢复和指向性调整。

作为形成为左右对称的波束而获得的好处，例如，在用作汽车的雷达装置的天线的情况下，能够简化在车体上的安装。更具体而言，如图12的上段所示，在波束为左右对称的情况下能够使安装方向相同，因此能够在2个雷达装置中将配线的绕设都同样设定为下方向。另一方面，如图12的下段所示，在波束并非左右对称的情况下，为了从汽车辐射出左右对称的波束，需要将其中一个雷达装置在上下方向上反向配置，因此在2台雷达装置中配线的伸出方向相反，因而配线的绕设变得复杂。

(C)变形实施方式的说明

以上的各实施方式仅为一例，本发明不仅限于上述情况，这是不言自明的。例如，在以上的实施方式中，使用的是2个系统的串联阵列天线10、20，也可以使用3个以上的串联阵列天线。图13是表示对3个系统的串联阵列天线分配功率的分配器的结构例的图。在该图13的例子中，分配器50具有导体线路51～53。导体线路51具有直线形状，输入给端子511的功率被输出给端子512。该端子512连接于第1串联阵列天线(未图示)的馈电点。此外，导体线路52具有直线的导体线路521、曲线的导体线路522和直线的导体线路523，直线的导体线路523连接于第2串联阵列天线(未图示)的馈电点。此外，导体线路53具有直线的导体线路531、曲线的导体线路532和直线的导体线路533，直线的导体线路533连接于第3串联阵列天线(未图示)的馈电点。输入给导体线路51的端子511的功率经由端子512被供给给第1串联阵列天线的馈电点。此外，输入给导体线路51的端子511的功率的一部分借助于电容耦合被传递至导体线路521，在被曲线的导体线路522延迟后，经由端子524被供给给第2串联阵列天线。此外，输入给导体线路51的端子511的功率的一部分借助于电容耦合被传递至导体线路531，在被曲线的导体线路532延迟后，经由端子534被供给给第3串联阵列天线。由此，能够对3个系统的串联阵列天线供给功率比和相位不同的功率。另外，在对4个系统以上的串联阵列天线供给功率的情况下，例如，可通过设置规定的数量的图13所示的导体线路52、53得以实现。

此外，在以上的实施方式中，作为在正面附近获得不会产生零陷的广角度辐射图案的最小结构，举例说明了将2个系列的串联阵列天线用作发送天线的情况。另一方面，作为接收天线使用2个系列的串联阵列天线的基于单脉冲方式的测角在雷达系统中属于公知技术。这里，采用这些用于发送的2个系列和用于接收的2个系列的结构，从而能够通过最小结构，获得检测角度范围较大且能够测角的雷达系统。在图14所示的例子中，在向对象物照射电波，并检测反射波，从而检测对象物的雷达装置70中设有发送天线71和接收天线72。发送天线71和接收天线72各自分别具有2个系统的串联阵列天线711、712和串联阵列天线721、722。根据这种结构，能够在水平方向上大致对称地配置串联阵列天线。因而相比将发送天线形成为1个系列阵列，或形成为对于2个系列的系列的阵列的现有结构而言，能够获得在机构上的左右方向上大致对称的结构，能够易于进行机构设计和制造。

此外，在以上的各实施方式中，分配器形成于与形成有串联阵列天线的电介质基板的表面相反侧的表面上，然而只要是不同于串联阵列天线的层即可。例如，可以在电介质基板设置中间层，在该中间层上设置分配器。

此外，在以上的各实施方式中，各串联阵列天线分别具有6个辐射元件，然而也可以为除此以外的个数(例如，5以下或7以上)。此外，在以上的各实施方式中，辐射元件具有不同的宽度，也可以使用相同宽度的辐射元件。此外，例示的内容为，将从阵列中央部向各相反方向分支，并朝向各相反方向串联连接的结构称作串联阵列，而如图15的左侧所示，也可以是从馈电点起仅在一个方向上串联连接的结构。另外，串联阵列天线的元件的激励方向不限于平行于串联馈电方向的方向，例如也可以为图15的右侧所示的为90度、45度的结构。

此外，在以上的各实施方式中，通过具有直角的折返结构的导体线路构成了相位调整器，而例如也可以构成为图13所示的曲线结构或直角以外的角度的折返结构。

此外，在以上的各实施方式中，举例说明的是搭载于汽车上的情况，例如也可以用于设置于住宅等的防止犯罪用的雷达。

标号说明

1：阵列天线装置；2：电介质基板；10、20：串联阵列天线；11～13、21～23：辐射元件；14、24：馈电点；15、25：导体线路；30：分配器；31、33：导体线路；34～37：导体线路(相位调整器)。

Claims (10)

1.一种阵列天线装置，其具有多个辐射元件，

该阵列天线装置的特征在于，具有：

电介质基板；

2个以上的串联阵列天线，它们形成于所述电介质基板上，并且通过导体线路而串联连接有多个所述辐射元件；

分配器，其在形成有所述串联阵列天线的所述电介质基板的与形成有所述串联阵列天线的层不同的层上形成，并对于所述2个以上的串联阵列天线中的、1个串联阵列天线，进行直接连接而供给功率，对于其他串联阵列天线，借助于电容耦合而分配功率；以及

相位调整器，其对由所述分配器分配的功率的相位进行调整，

所述相位调整器加载于所述分配器的功率分配比相对小的输出侧。

2.根据权利要求1所述的阵列天线装置，其特征在于，

从所述分配器的功率分配比相对小的输出侧到所述串联阵列天线的馈电点为止的线路比从功率分配比相对大的输出侧到所述串联阵列天线的馈电点为止的线路长。

3.根据权利要求1或2所述的阵列天线装置，其特征在于，

所述分配器的功率分配比在-10dB以上。

4.根据权利要求1或2所述的阵列天线装置，其特征在于，

所述相位调整器由具有迂回路的线路形成。

5.根据权利要求1或2所述的阵列天线装置，其特征在于，

作为对所述2个以上的串联阵列天线的馈电相位条件，包括所述分配器在内，所述相位调整器被相对地在-135度～-225度的大致逆相的范围内调整。

6.根据权利要求1或2所述的阵列天线装置，其特征在于，

构成所述各串联阵列天线的各辐射元件的宽度不同。

7.根据权利要求1或2所述的阵列天线装置，其特征在于，

所述2个以上的串联阵列天线具有在以所述串联阵列天线的排列方向为轴的情况下大致对称的增益特性。

8.根据权利要求1或2所述的阵列天线装置，其特征在于，

所述串联阵列天线被用作雷达装置的发送天线。

9.根据权利要求8所述的阵列天线装置，其特征在于，

该阵列天线装置具有2个作为所述发送天线的所述串联阵列天线。

10.根据权利要求9所述的阵列天线装置，其特征在于，

该阵列天线装置具有2个作为所述发送天线的所述串联阵列天线，并且具有2个作为接收天线的串联阵列天线。