CN106169645A - 天线装置、无线通信装置及雷达装置 - Google Patents

Abstract

一种天线装置、无线通信装置及雷达装置，该天线装置具备：电介质层、形成于电介质层的两面的第一导体层及第二导体层、配置于第一导体层的第一天线元件及第二天线元件、配置于第二导体层的接地导体、在电介质层配置于第一天线元件及第二天线元件之间的EBG构造部，EBG构造部包含：第一EBG部分，其配置于第一导体层，并包含与接地导体电磁耦合的多个第一贴片导体；第二EBG部分，其配置于第二导体层，并包含与接地导体电磁耦合的多个第二贴片导体。

Description

天线装置、无线通信装置及雷达装置

技术领域

本发明涉及一种具备多个天线元件和EBG(电磁带隙ElectromagneticBand Gap)构造部的天线装置。本发明还涉及一种具备这种天线装置的无线通信装置及雷达装置。

背景技术

目前已知，在具备多个天线元件且以毫米波频带通信的天线装置中，为了确保天线元件间的绝缘(isolation)，而使用EBG构造部(参照专利文献1～3)。EBG构造部在规定的频率(反共振频率)成为高阻抗，因此，具备EBG构造部的天线装置可以在该频率提高天线元件间的绝缘。

作为EBG构造部的一例，已知包含形成于电介质基板上的多个贴片导体、多个通路导体及包含接地导体的蘑菇型导体的EBG构造部。蘑菇型EBG构造部的性能依赖于通路导体的直径、贴片导体的最小尺寸等。在现有的EBG构造部中，为了提高天线元件间的绝缘而优化EBG构造部的尺寸时，仅在限定的频率带宽实现较高的绝缘。因此，在现有的EBG构造部，难以遍及广泛的频率带宽充分确保较高的绝缘。

另一方面，为了使EBG构造部的反共振频率变化而设置追加的零件等，这使天线装置大型化，且还增大成本。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4650302号公报

专利文献2：日本专利第5112204号公报

专利文献3：日本专利第5212949号公报

发明内容

本发明的非限定的实施例提供一种具备EBG构造部的天线装置，其可遍及广泛的频率带宽而确保较高的绝缘(isolation)。

本发明的非限定的实施例还提供一种具备这种天线装置的无线通信装置及雷达装置。

本发明一方式的天线装置具备：电介质层，其在一面形成第一导体层，在另一面形成有第二导体层；第一天线元件及第二天线元件，其配置于所述第一导体层；第一接地导体，其配置于所述第二导体层；EBG(电磁带隙Electromagnetic Band Gap)构造部，其在所述电介质层配置于所述第一及所述第二天线元件之间，其中，所述EBG构造部包含：第一EBG部分，其配置于所述第一导体层，并包含与所述第一接地导体电磁耦合的多个第一贴片导体；第二EBG部分，其配置于所述第二导体层，并包含与所述第一接地导体进行电磁耦合的多个第二贴片导体。

本发明一方式的具备EBG构造部的天线装置可遍及广泛的频率带宽而确保较高的绝缘。

本发明一方式的另一优点及效果根据说明书及附图变得明朗。该优点及/或效果分别通过几个实施方式以及说明书及附图所记载的特征而提供，但为了得到一个或一个以上相同的特征，未必需要提供全部。

附图说明

图1表示天线装置100的结构；

图2是天线装置100中的第一导体层的上面图；

图3是天线装置100中的第二导体层的上面图；

图4是天线装置100中的第三导体层的上面图；

图5是图2的V－V线的天线装置100的剖面图；

图6表示天线装置101的结构；

图7表示天线装置100中的EBG构造部7的结构；

图8是图7的EBG构造部7的等效电路图；

图9表示天线装置200的结构；

图10表示天线装置201的结构；

图11表示天线装置200及天线装置201中的频率特性；

图12表示天线装置100及天线装置201中的频率特性；

图13表示天线装置201中的频率特性；

图14表示天线装置201中的频率特性；

图15表示无线通信装置的结构；

图16表示雷达装置的结构。

符号说明

1，2：电介质层

3：天线元件

4：天线元件

5，6：接地导体

7：EBG构造部

7－1a，7－1b，7－1c，7－2a、7－2b：EBG段

11：贴片(patch)导体

12：通路导体

13：贴片导体

14：短线(stub)导体

15a，15b：插槽

100，101：天线装置

111：无线通信电路

112：信号处理电路

121：雷达收发电路

122：信号处理电路

123：显示装置

具体实施方式

以下，参照附图对实施方式的天线装置进行说明。以下的说明中，相同的结构要素以相同的符号表示。

(第一实施方式)

图1是表示第一实施方式的天线装置100的立体图。图2是表示图1的天线装置100中的第一导体层的上面图。图3是表示图1的天线装置100中的第二导体层的上面图。图4是表示图1的天线装置100中的第三导体层的上面图。图5是图2的V－V线的天线装置100的剖面图。

天线装置100具备基板，该基板具有：电介质层1及电介质层2、形成于电介质层1上面的第一导体层、形成于电介质层1及电介质层2间的第二导体层、形成于电介质层2下面的第三导体层。换而言之，第一及第二导体层形成于电介质层1的两面，第三导体层在与第一导体层相反的一侧距第二导体层具有规定距离，并与第二导体层平行地形成于电介质层2的一面。天线装置100还具备：配置于第一导体层的第一天线元件3(接收天线)及第二天线元件4(发送天线)、EBG构造部7、配置于第二导体层的第一接地导体5、配置于第三导体层的第二接地导体6。EBG构造部7设于天线元件3及4间。例如，天线元件3也可以作为接收天线动作，且天线元件4作为发送天线动作。

电介质层1及电介质层2也可以由例如聚苯醚或聚四氟乙烯等构成。

EBG构造部7包含第一EBG部分和第二EBG部分。第一EBG部分包含配置于第一导体层的、与接地导体5进行电磁耦合的多个第一贴片导体11。第二EBG部分包含配置于第二导体层的、与接地导体5进行电磁耦合的多个第二贴片导体13。多个贴片导体13与接地导体6进行电磁耦合。

图1所示的例子中，各贴片导体11及13的形状为正方形。但是，各贴片导体11及13的形状也可以是三角形、六边形、长方形等任意形状。

如图2所示，多个贴片导体11在第一导体层上沿着与连结天线元件3及4的线段交叉(正交)的多个第一列(图2的Y方向的列)而配置。第一EBG部分具备贯通电介质层1且将多个贴片导体11与接地导体5连接的多个通路导体12。这样，第一EBG部分以蘑菇型的EBG结构形成。本发明中，将多个以第一列配置的贴片导体11及通路导体12分别称为EBG段7－1a、7－1b、7－1c。

如图3所示，多个贴片导体13沿着第二导体层中的与连结相对天线元件3对向的区域3’及相对天线元件4的区域4’的线段交叉(正交)的多个第二列而配置。第二EBG部分具备与多个贴片导体13连接的多个短线导体14。多个短线导体14沿着例如图3的X方向或Y方向配置。多个短线导体14也可以与接地导体5短路，也可以具有不与接地导体5短路的开放端。在第二导体层设置用于将贴片导体13及短线导体14形成于内部的插槽15a及15b。这样，第二EBG部分以皮尔雷斯EBG结构形成。本发明中，将多个以第二列配置的贴片导体13及短线导体14分别称为EBG段7－2a、7－2b。

从上方观察时，EBG段7－1a、7－1b、7－1c(特别是各通路导体12与接地导体5连接的位置)和EBG段7－2a、7－2b以交替的方式配置。

EBG段7－1a、7－1b、7－1c相互隔开例如相当于与作为提高天线元件3及4间的绝缘的频带的绝缘(isolation)频带的中心频率对应的波长的距离而平行地设置。EBG段7－2a、7－2b也相互隔开例如相当于与绝缘频带的中心频率对应的波长的距离而平行地设置。EBG段7－1a、7－1b、7－1c间的距离也可以是与绝缘频带的中心频率对应的波长的0.8～1.2倍的距离。同样地，EBG段7－2a、7－2b间的距离也可以是与绝缘频带的中心频率对应的波长的0.8～1.2倍的距离。

在图2中，“w1”表示贴片导体11的一边的长度，“dx1”表示X方向上相互邻接的两个贴片导体11的中心间的距离(或EBG段7－1a及7－1b间的距离，或EBG段7－1b及7－1c间的距离)，“dy1”表示Y方向上相互邻接的两个贴片导体11的中心间的距离。在图3中，“w2”表示贴片导体13的一边的长度，“dx2”表示X方向上相互邻接的两个贴片导体13的中心间的距离(或EBG段7－2a及7－2b间的距离)，“dy2”表示Y方向上相互邻接的两个贴片导体13的中心间的距离。在图5中，“dz1”表示贴片导体11和接地导体5之间的距离(或通路导体12的长度)，“dz2”表示接地导体5及6间的距离。另外，通路导体12具有直径φ。

第一EBG部分露出于基板(电介质层1)的表面，第二EBG部分设于基板的内部(电介质层1及电介质层2之间)，因此，它们的特性相互不同。根据第一EBG部分及第二EBG部分所需要的特性，设定贴片导体11、13的个数、一边的长度w1、w2及距离dy1、dy2，它们也可以相互各异。

图1的天线装置100例如以毫米波频带进行动作(通信)。但是，图1的天线装置100并不限于毫米波频带，只要可确保绝缘，就可以以任意的频率动作。

多个短线导体14也可以根据希望的绝缘特性与接地导体5短路。

通过使第二EBG部分和接地导体5的电磁耦合变化，可以使第二EBG部分的绝缘频带向低域侧或高域侧扩张。

根据图1的天线装置100，不使天线装置大型化，就可以遍及广泛的频率带宽而确保较高的绝缘。

图6是表示第一实施方式的变形例的天线装置101的立体图。也可以根据希望的绝缘特性，省略图1的天线装置100的接地导体6及电介质层2。

接着，参照图7～图14对图1的天线装置100的动作进行说明。

图7是图1的天线装置100的EBG构造部7的放大图。图8是图7的EBG构造部7的等效电路图。在图7中，“L”表示贴片导体11的电感，“Ls”表示通路导体12的电感，“Lg”表示不与贴片导体11相对的部分(EBG构造部7的外部)中的接地导体5的电感，“Lgx”表示贴片导体13及短线导体14的电感。另外，“C”表示相互邻接的贴片导体11间的容量，“Cs”表示贴片导体11和接地导体5之间的容量。另外，“Cgx”表示贴片导体13及短线导体14和接地导体5之间的容量，“Cgy”表示贴片导体13及短线导体14和接地导体6之间的容量。

EBG构造部7的反共振频率由构成EBG构造部7的各部分的容量及电感决定。贴片导体11的电感L依赖于贴片导体11的尺寸(例如，一边的长度w1)。相互邻接的贴片导体11间的容量C依赖于相互邻接的贴片导体11的中心间的距离dx1、dy1。贴片导体11和接地导体5之间的容量Cs依赖于贴片导体11的面积、贴片导体11和接地导体5之间的距离dz1。通路导体12的电感Ls依赖于通路导体12的直径φ及通路导体12的长度dz1。通路导体的直径φ及通路导体12的长度dz1受到工艺上的制约，因此，实际上为固定值。因此，考虑到工艺上的制约，在天线设计时可变更的参数仅为贴片导体11的一边的长度w1及相互邻接的贴片导体11的中心间的距离dx1、dy1。

作为提高EBG构造部的绝缘效果的方法，已知使EBG构造部多段化的方式。多段化的EBG构造部具备例如多个基板，并设置贯通这些基板的多个通路导体。但是，不能在各基板中设有通路导体的部分设置其它零件及配线，因此，天线装置大型化，且成本也增大。

接着，参照图9～图14对图1的天线装置100的模拟结果进行说明。

图9是表示第一比较例的天线装置200的立体图。图9的天线装置200从图1的天线装置100去除了EBG构造部7。

图10是表示第二比较例的天线装置201的立体图。图10的天线装置201从图1的天线装置100去除了第二EBG部分(贴片导体13、短线导体14及插槽15a、15b)。

设定以下的参数进行了模拟。电介质层1的厚度为dz1＝0.254mm，电介质层2的厚度为dz2＝0.3mm。电介质层1、2的相对介电常数为εr＝3.0，介质损耗角正切为tanδ＝0.0058。天线元件3及天线元件4为0.91mm×0.91mm的正方形的贴片天线。天线元件3及天线元件4在X方向上隔开13.2mm的距离(中心间的距离)地配置。绝缘频带的中心频率为79GHz。

图11是比较例的天线装置200及201的频率特性(天线元件间的相对耦合量S21)的图表。比较例的天线装置200具有图9的结构(没有EBG构造部)。比较例的天线装置201具有图10的结构(仅具备贴片导体11及短线导体12的EBG构造部)。比较例的天线装置201的EGB构造部包含配置于天线元件3及4的中间的、X方向上3个且Y方向上85个的贴片导体11。将贴片导体11的一边的长度固定成w1＝0.61mm，且将Y方向上相互邻接的两个贴片导体11的中心间的距离固定成dy1＝0.71mm。通路导体12的直径为φ＝0.25mm，通路导体12的长度为dz1＝0.254mm。在比较例的天线装置201中，改变EBG段7－1a、7－1b、7－1c间的距离dx1，距离dx1设定成与绝缘频带的中心频率79GHz对应的波长λ(2.2mm)或约λ/4(0.7mm)。通过优化距离dx1，容量C及电感Lg减少，天线元件3及4的相互阻抗提高。根据图11可知，通过优化距离dx1(dx1＝λ)，可实现较高的绝缘。

根据图11，比较例的天线装置201中设定成距离dx1＝λ时，仅在包含绝缘频带的中心频率79GHz的狭窄的绝缘频带实现较高的绝缘。

图12是实施例的天线装置100及比较例的天线装置201中的频率特性(天线元件间的相对耦合量S21)的图表。比较例的天线装置201具有图10的结构(仅具备贴片导体11及短线导体12的EBG构造部)，距离dx1设定成与绝缘频带的中心频率79GHz对应的波长λ(2.2mm)。实施例的天线装置100包含具有图1的结构且配置于天线元件3及4的中间的、第一EBG部分(贴片导体11及通路导体12)及第二EBG部分(贴片导体13及短线导体14)。实施例的天线装置100的第一EBG部分与比较例的天线装置201的EBG构造部同样地构成。实施例的天线装置100的第二EBG部分配置有X方向上2个且Y方向上42个的贴片导体13。将贴片导体13的一边的长度固定成w2＝1.05mm，且将Y方向上相互邻接的贴片导体13的中心间的距离固定成dy2＝1.15mm。从贴片导体13到接地导体5的距离为0.2mm。将短线导体14的长度设为0.1mm，短线导体14具有不与接地导体5短路的开放端，将从短线导体14的开放端到接地导体5的距离设为0.1mm。在实施例的天线装置100中，距离dx1、dx2设定成与绝缘频带的中心频率79GHz对应的波长λ(2.2mm)。根据图12可知，通过对比较例的天线装置201追加第二EBG部分(贴片导体13、短线导体14及插槽15a、15b)，使绝缘频带宽频带化。根据图12，特别是在比绝缘频带的中心频率79GHz更低域侧，提高绝缘。

EBG构造部7作为磁壁进行动作，抑制天线元件3、4间的表面波的传播。第二EBG部分(贴片导体13、短线导体14及插槽15a、15b)与仅具备第一EBG部分的比较例的天线装置201相比，可以将绝缘频带向低频带侧或高频带侧扩展。通过具备第二EBG部分，与比较例的天线装置201相比，能可靠地降低天线元件3及天线元件4间的交调失真(closs talk)。

根据图1的天线装置100，具备第一EBG部分及第二EBG部分这双方，通过将距离dx1、dx2设定成与绝缘频带的中心频率79GHz对应的波长λ，与比较例的天线装置200及201相比，能够使绝缘频带更宽频带化。

距离dx1、dx2不限于与绝缘频带的中心频率79GHz对应的波长λ，只要是波长λ的附近的长度即可。参照图13及图14，进一步说明距离dx1及dx2对频率特性的影响。

图13是比较例的天线装置201中的频率特性(天线元件间的相对耦合量S21)的图表。图14是比较例的天线装置201中的频率特性(天线元件间的相对耦合量S21)的图表。为了简化模拟，不使用图1的天线装置100，而使用图10的天线装置201。改变EBG段7－1a、7－1b、7－1c间的距离dx1，距离dx1设定成0.8λ、0.9λ、1λ、1.1λ或1.2λ。根据图13及图14可知，即使距离dx1为1λ的附近的0.8λ～1.2λ的长度，也能确保较高的绝缘。图13及图14的结果也与图1的天线装置100相同。

(第二实施方式)

图15是表示第二实施方式的无线通信装置的块图。图15的无线通信装置具备图1的天线装置100、无线通信电路111和信号处理电路112。无线通信电路111将从信号处理电路112发送的基带信号进行调制而得到的无线信号从天线装置100发射，并将由天线装置100接收的无线信号解调成的基带信号发送至信号处理电路112。

(第三实施方式)

图16是表示第三实施方式的雷达装置的块图。图16的无线通信装置具备：图1的天线装置100、雷达收发电路121、信号处理电路122、显示装置123。雷达收发电路121在信号处理电路122的控制下从天线装置100发射雷达波，并接收被目标物反射并入射至天线装置100的雷达波。信号处理电路122基于雷达波的传播时间、频率变化等，决定从天线装置100到目标物的距离、速度等，并将其结果显示于显示装置123。

根据各实施方式的天线装置100，可以提高绝缘，且使绝缘频带宽频带化。

本发明的方式的天线装置、无线通信装置及雷达装置的特征在于，具备以下的结构。

本发明的第一方式的天线装置具备：电介质层，其在一面形成第一导体层，在另一面形成有第二导体层；第一天线元件及第二天线元件，其配置于所述第一导体层；第一接地导体，其配置于所述第二导体层；EBG(Electromagnetic Band Gap)构造部，其在所述电介质层配置于所述第一及所述第二天线元件之间，所述EBG构造部包含：第一EBG部分，其配置于所述第一导体层，并包含与所述第一接地导体电磁耦合的多个第一贴片导体；第二EBG部分，其配置于所述第二导体层，并包含与所述第一接地导体进行电磁耦合的多个第二贴片导体。

第二方式的天线装置在第一方式的天线装置的基础上，所述多个第一贴片导体沿着与连结所述第一天线元件及第二天线元件的线段交叉的多个第一列而配置，所述第一EBG部分包含贯通所述电介质层，并将所述多个第一贴片导体与所述第一接地导体连接的多个通路导体。

第三方式的天线装置在第一方式的天线装置的基础上，所述多个第二贴片导体沿着所述第二导体层中的与连结相对所述第一天线元件的区域及相对所述第二天线元件的区域的线段交叉的多个第二列而配置，所述第二EBG部分具备与所述多个第二贴片导体连接的多个短线导体。

第四方式的天线装置在第一方式的天线装置的基础上，所述多个第一贴片导体沿着与连结所述第一天线元件及第二天线元件的线段交叉的多个第一列而配置，所述第一EBG部分包含贯通所述电介质层，并将所述多个第一贴片导体与所述第一接地导体连接的多个通路导体，所述多个第二贴片导体沿着所述第二导体层中的与连结相对所述第一天线元件的区域及相对所述第二天线元件的区域的线段交叉的多个第二列而配置，所述第二EBG部分具备与所述多个第二贴片导体连接的多个短线导体。

第五方式的天线装置在第四方式的天线装置的基础上，所述多个第一列相互隔开与所述第一天线元件及第二天线元件的绝缘频带的中心频率对应的波长的0.8～1.2倍的距离而相互平行地设置，所述多个第二列相互隔开与所述绝缘频带的中心频率对应的波长的0.8～1.2倍的距离而相互平行地设置。

第六方式的天线装置在第一～第五中任一方式的天线装置的基础上，具备：第三导体层，其在所述第一导体层的相反侧距所述第二导体层具有规定距离，并与所述第二导体层平行地形成；第二接地导体，其配置于所述第三导体层。

本发明的无线通信装置具备第一～第六中任一方式的天线装置和无线通信电路。

本发明的雷达装置具备第一～第六中任一方式的天线装置和雷达收发电路。

本发明的方式的天线装置可用于以毫米波段动作的天线装置、无线通信装置及雷达装置。

Claims (8)

1.一种天线装置，具备：

电介质层，其在一面形成第一导体层，在另一面形成有第二导体层；

第一天线元件及第二天线元件，其配置于所述第一导体层；

第一接地导体，其配置于所述第二导体层；

EBG(Electromagnetic Band Gap)构造部，其在所述电介质层配置于所述第一及所述第二天线元件之间，其中，

所述EBG构造部包含：

第一EBG部分，其配置于所述第一导体层，并包含与所述第一接地导体电磁耦合的多个第一贴片导体；

第二EBG部分，其配置于所述第二导体层，并包含与所述第一接地导体进行电磁耦合的多个第二贴片导体。

2.如权利要求1所述的天线装置，其中，

所述多个第一贴片导体沿着与连结所述第一天线元件及第二天线元件的线段交叉的多个第一列而配置，

所述第一EBG部分包含贯通所述电介质层，并将所述多个第一贴片导体与所述第一接地导体连接的多个通路导体。

3.如权利要求1所述的天线装置，其中，

所述多个第二贴片导体沿着所述第二导体层中的与连结相对所述第一天线元件的区域及相对所述第二天线元件的区域的线段交叉的多个第二列而配置，

所述第二EBG部分具备与所述多个第二贴片导体连接的多个短线导体。

4.如权利要求1所述的天线装置，其中，

所述多个第一贴片导体沿着与连结所述第一天线元件及第二天线元件的线段交叉的多个第一列而配置，

所述第一EBG部分包含贯通所述电介质层，并将所述多个第一贴片导体与所述第一接地导体连接的多个通路导体，

所述多个第二贴片导体沿着所述第二导体层中的与连结相对所述第一天线元件的区域及相对所述第二天线元件的区域的线段交叉的多个第二列而配置，

所述第二EBG部分具备与所述多个第二贴片导体连接的多个短线导体。

5.如权利要求4所述的天线装置，其中，

所述多个第一列相互隔开与所述第一天线元件及第二天线元件的绝缘频带的中心频率对应的波长的0.8～1.2倍的距离而相互平行地设置，

所述多个第二列相互隔开与所述绝缘频带的中心频率对应的波长的0.8～1.2倍的距离而相互平行地设置。

6.如权利要求1所述的天线装置，其中，

具备：

第三导体层，其在所述第一导体层的相反侧距所述第二导体层具有规定距离，并与所述第二导体层平行地形成；

第二接地导体，其配置于所述第三导体层。

7.一种无线通信装置，其中，

具备天线装置和无线通信电路，

所述天线装置具备：

电介质层，其在一面形成第一导体层，在另一面形成有第二导体层；

第一天线元件及第二天线元件，其配置于所述第一导体层；

第一接地导体，其配置于所述第二导体层；

EBG(Electromagnetic Band Gap)构造部，其在所述电介质层配置于所述第一及所述第二天线元件之间，

所述EBG构造部包含：

第一EBG部分，其配置于所述第一导体层，并包含与所述第一接地导体电磁耦合的多个第一贴片导体；

第二EBG部分，其配置于所述第二导体层，并包含与所述第一接地导体进行电磁耦合的多个第二贴片导体。

8.一种雷达装置，其中，

具备天线装置和雷达收发电路，

所述天线装置具备：

电介质层，其在一面形成第一导体层，在另一面形成有第二导体层；

第一天线元件及第二天线元件，其配置于所述第一导体层；

第一接地导体，其配置于所述第二导体层；

EBG(Electromagnetic Band Gap)构造部，其在所述电介质层配置于所述第一及所述第二天线元件之间，

所述EBG构造部包含：

第一EBG部分，其配置于所述第一导体层，并包含与所述第一接地导体电磁耦合的多个第一贴片导体；

第二EBG部分，其配置于所述第二导体层，并包含与所述第一接地导体进行电磁耦合的多个第二贴片导体。