CN107408749A - 波导管/传输线路转换器和天线装置 - Google Patents

波导管/传输线路转换器和天线装置 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于在波导管/传输线路转换器中，在配置在电介质基板表面上的图案的尺寸中，使沿波导管宽壁面的断面的方向的尺寸变小，在天线装置中，使相互相邻的各列天线元件的间隔变窄，在由构成各列的各天线元件形成的阵列天线的指向性中，特别是在调整各天线元件的相位信息而将波束扫描至大角度时，不容易发生栅瓣。在本发明中，将金属构件(15)沿波导管(11)两面的宽壁面的断面保留，而沿波导管(11)两面的窄壁面的断面除去，从而不会不必要地发出电磁波，该金属构件(15)用于使波导管(11)在电介质基板(13)内延长并将短路金属层(14)保持为与波导管(11)同电位。

Description

波导管/传输线路转换器和天线装置
技术领域
本发明涉及：(1)波导管/传输线路转换器，相互转换由波导管传输的电力和由传输线路传输的电力；以及(2)天线装置，天线元件在平面上配置成格子状，利用波导管/传输线路转换器供电。
背景技术
专利文献1、2等中公开了波导管/传输线路转换器适合于向天线装置供电等。首先，在专利文献1中，将传输线路插入波导管内的电场强度高的位置。但是，在专利文献1中，在沿着波导管从传输线路分离与波导管内的电磁波所具有的波长的大体1/4相等的距离的位置上，需要波导管短路面。因此，在专利文献1中，由于不能使波导管/传输线路转换器小型化，并且形成短路面的结构件与形成天线装置的面相比存在于前面，所以成为天线装置的指向性的劣化原因。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本公开公报特开2004-320460号
专利文献2：日本公开公报特开2000-244212号
接着，在专利文献2中利用如下技术：将传输线路与匹配元件耦合，从传输线路向波导管传送电波。从以下的说明中可以看出，与专利文献1相比，专利文献2可以使波导管/传输线路转换器小型化，不需要具有形成有短路面的结构件，该短路面成为使天线装置的指向性劣化的原因。
图1表示现有技术的波导管/传输线路转换器的结构。最上图表示波导管/传输线路转换器1’的侧视断面图。第二图表示波导管/传输线路转换器1’的从箭头方向A’-A’观察的俯视断面图。第三图表示波导管/传输线路转换器1’的从箭头方向B’-B’观察的俯视断面图。最下图表示后述的匹配元件17’的谐振长度方向的电场分布。
波导管/传输线路转换器1’包括：电介质基板13’、短路金属层14’、金属构件15’、接地金属层16’和匹配元件17’。
电介质基板13’配置成封闭波导管11’的开口部。电介质基板13’的面是与波导管11’的导波方向垂直的面。图1的第二、三图中由白色背景表示电介质基板13’中配置有图案的部分，由斜线表示电介质基板13’中未配置图案的部分。
短路金属层14’配置在电介质基板13’的表面上且波导管11’的外部，并且利用金属构件15’和接地金属层16’与波导管11’保持同电位，该金属构件15’贯通电介质基板13’，该接地金属层16’配置在电介质基板13’的表面上且波导管11’的外框上。
匹配元件17’配置在电介质基板13’的表面上且波导管11’的内部，隔着电介质基板13’与传输线路12’电磁耦合，沿波导管11’内的电场方向和传输线路12’的供电方向具有谐振长度(大体λg’/2)，该谐振长度用于将电介质基板13’的周围环境中的有效波长λg’的电磁波作为驻波。
在图1的说明中，仅配置有一个传输线路12’。作为变形例，可以配置沿相反方向延伸的两个传输线路12’。但是，匹配元件17’不需要配置两个，而仅配置一个即可。并且，两个沿相反方向延伸的传输线路12’共用一个匹配元件17’即可。
图2表示利用现有技术的天线装置的结构例。在专利文献1、2中未公开天线装置2’。在天线装置2’中天线元件在平面上配置成格子状。配置成格子状的天线元件分割为各列天线元件21’。各列天线元件21’由与配置在各列中央的波导管/传输线路转换器1’连接的沿相反方向延伸的两个传输线路12’(作为变形例在前一段落进行了说明)供电。电介质基板13’是天线元件配置成格子状的平面。波导管11’宽壁面的断面沿与各列方向垂直的方向配置。波导管11’窄壁面的断面沿与各列方向平行的方向配置。
通过在各列中央向各列天线元件21’供电，在从天线装置2’的中心频率偏移的频率中，即使构成各列的各天线元件的激励相位相互偏移，构成各列的各天线元件的合成结果也能够在大的频率范围内任意一个方向上形成增益高的指向性。
但是，在波导管/传输线路转换器1’中，在配置在电介质基板13’表面上的图案的尺寸中，沿波导管11’宽壁面的断面的方向的尺寸pw’(参照图1)不得不变大。由此，在天线装置2’中，相互相邻的各列天线元件21’的间隔d’必须大于与发出的电磁波所具有的波长λ0的一半相等的长度λ0/2。因此，必须使阵列天线的可视区域变大，在由构成各列的各天线元件形成的阵列天线的指向性中，特别是在调整各天线元件的相位信息而将波束扫描至大角度时，容易发生阵列天线的栅瓣。
发明内容
因此，为了解决所述课题，本发明的目的在于在波导管/传输线路转换器中，在配置在电介质基板表面上的图案的尺寸中，使沿波导管宽壁面的断面的方向的尺寸变小，在天线装置中使相互相邻的各列天线元件的间隔变窄，在由构成各列的各天线元件形成的阵列天线的指向性中，特别是在调整各天线元件的相位信息而将波束扫描至大角度时，不容易发生栅瓣。
为了达成上述目的，应用了如下特征：在波导管缝隙天线中，当沿窄壁面流动的电流向与窄壁面的断面平行的方向流动时，如果设置在窄壁面上的缝隙沿与窄壁面的断面平行的方向设置，则不会发出电磁波。即，将用于使波导管在电介质基板内延长并将短路金属层保持为与波导管同电位的金属构件，沿波导管的两面的宽壁面的断面保留，而沿波导管的两面中的两面或单面的窄壁面的断面除去，不会不必要地发出电磁波。
具体地说，本发明提供一种波导管/传输线路转换器，相互转换由波导管传输的电力和由传输线路传输的电力，所述波导管/传输线路转换器的特征在于包括：电介质基板，配置成封闭所述波导管的开口部；短路金属层，配置在所述电介质基板的表面上且所述波导管的外部，利用沿所述波导管两面的宽壁面的断面贯通所述电介质基板的金属构件或者沿所述波导管两面的宽壁面和两面中任意一面的窄壁面的断面贯通所述电介质基板的金属构件保持为与所述波导管同电位；以及匹配元件，配置在所述电介质基板的表面上且所述波导管的内部，与所述传输线路耦合，在所述波导管内的电场方向和所述传输线路的供电方向具有谐振长度，所述谐振长度将所述电介质基板的周围环境中的有效波长的电磁波作为驻波。
按照上述结构，在配置在电介质基板表面上的图案的尺寸中，可以使沿波导管宽壁面的断面的方向的尺寸变小。
此外，本发明的波导管/传输线路转换器的特征在于，还包括电介质层，所述电介质层形成在所述传输线路和所述短路金属层的表面上。
按照上述结构，可以提高波导管/传输线路转换器周围环境中的有效介电常数，并且可以使波导管/传输线路转换器周围的图案的尺寸变小。
此外，本发明波导管/传输线路转换器的特征在于，所述电介质层的厚度在所述波导管/传输线路转换器周围环境中的电磁波的有效波长的0.2倍以下。
按照上述结构，为了覆盖电场从传输线路和匹配元件之间的电介质基板漏出的区域，只要形成最小限度的厚度的电介质层即可。
此外，本发明的波导管/传输线路转换器的特征在于，在沿所述匹配元件的谐振长度方向离开所述波导管/传输线路转换器的两个方向中，多个所述传输线路至少朝向一个方向延伸。
按照上述结构，仅通过一台波导管/传输线路转换器，就能够沿与供电方向垂直方向进行天线排列，从而在阵列天线的性能上赋予高自由度。
此外，本发明提供一种天线装置，天线元件在平面上配置成格子状，所述天线装置的特征在于，配置成格子状的天线元件分割为配置成各列状的天线元件，配置成各列状的天线元件由与配置在各列中央的波导管/传输线路转换器连接的所述传输线路供电，所述电介质基板是天线元件配置成格子状的平面，所述波导管的宽壁面的断面沿与各列方向垂直的方向配置，所述波导管的窄壁面的断面沿与各列方向平行的方向配置。
按照上述结构，可以使相互相邻的各列天线元件的间隔变窄，在由构成各列的各天线元件形成的阵列天线的指向性中，特别是在调整各天线元件的相位信息而将波束扫描至大角度时，不容易发生栅瓣。
由此，按照本发明，可以在波导管/传输线路转换器中，在配置在电介质基板表面上的图案的尺寸中，使沿波导管宽壁面的断面的方向的尺寸变小，在天线装置中，使相互相邻的各列天线元件的间隔变窄，在由构成各列的各天线元件形成的阵列天线的指向性中，特别是在调整各天线元件的相位信息而将波束扫描至大角度时，不容易发生栅瓣。
附图说明
图1是表示现有技术的波导管/传输线路转换器的结构的图。
图2是表示利用现有技术的天线装置的结构例的图。
图3是表示第一实施方式的波导管/传输线路转换器的结构的图。
图4是表示第一实施方式的波导管/传输线路转换器的特性的图。
图5是表示第一实施方式的天线装置的结构的图。
图6是表示第一实施方式的天线装置的结构的图。
图7是表示第二实施方式的波导管/传输线路转换器的结构的图。
图8是表示第三实施方式的波导管/传输线路转换器的结构的图。
图9是表示第三实施方式的天线装置的结构的图。
图10是表示第三实施方式的天线装置的结构的图。
具体实施方式
参照附图对本发明的实施方式进行说明。以下说明的实施方式是本发明的实施例，本发明并不限定于以下的实施方式。上述实施例只是举例说明，能够基于本领域的普通技术人员的知识以进行了各种变更、改进的方式来实施本发明。另外，在本说明书和附图中，附图标记相同的结构要素表示相互相同的结构要素。
(第一实施方式)
图3表示第一实施方式的波导管/传输线路转换器的结构。最上图表示波导管/传输线路转换器1的侧视断面图。第二图表示波导管/传输线路转换器1的从箭头方向A-A观察的俯视断面图。第三图表示波导管/传输线路转换器1的从箭头方向B-B观察的俯视断面图。最下图表示后述的匹配元件17的谐振长度方向的电场分布。
波导管/传输线路转换器1包括：电介质基板13、短路金属层14、金属构件15、接地金属层16和匹配元件17。
电介质基板13配置成封闭波导管11的开口部。电介质基板13的面是与波导管11的导波方向垂直的面。图3的第二、三图中由白色背景表示电介质基板13中配置有图案的部分，由斜线表示电介质基板13中未配置图案的部分。
短路金属层14配置在电介质基板13的表面上且波导管11的外部，并且利用金属构件15和接地金属层16与波导管11保持同电位，该金属构件15沿波导管11的两面的宽壁面的断面贯通电介质基板13，该接地金属层16配置在电介质基板13的表面上且波导管11的外框上。即，将用于使波导管11延长至电介质基板13内并将短路金属层14保持为与波导管11同电位的金属构件15和接地金属层16，沿波导管11两面的宽壁面的断面保留，而沿波导管11两面的窄壁面的断面除去，从而不会不必要地发出电磁波。
匹配元件17配置在电介质基板13的表面上且波导管11的内部，隔着电介质基板13与传输线路12电磁耦合，在波导管11内的电场方向和传输线路12的供电方向具有谐振长度(大体λg’/2)，该谐振长度用于将电介质基板13周围环境中的有效波长λg’的电磁波作为驻波。
在此，匹配元件17和传输线路12存在于不同层。并且，传输线路12的前端形状是带有切口的短而突出的部分或缝隙。由此，匹配元件17和传输线路12能够实现电磁耦合。
在图3的说明中，金属构件15由“通孔”形成，该“通孔”沿波导管11两面的宽壁面的断面贯通电介质基板13。作为第一变形例，金属构件15可以是沿波导管11两面的宽壁面的断面贯通电介质基板13的“导体壁”。作为第二变形例，金属构件15可以由沿波导管11两面的宽壁面和两面中任意一面的窄壁面的断面贯通电介质基板13的“通孔”形成。作为第三变形例，金属构件15可以是沿波导管11两面的宽壁面和两面中任意一面的窄壁面的断面贯通电介质基板13的“导体壁”。
在图3的说明中，仅配置有一个传输线路12。作为变形例，可以配置沿相反方向延伸的两个传输线路12。但是，匹配元件17不需要配置两个，仅配置一个即可。并且，两个沿相反方向延伸的传输线路12共用一个匹配元件17即可。
图4表示第一实施方式的波导管/传输线路转换器的特性。由此，在第一实施方式中，与现有技术同样，即使在波导管/传输线路转换器1的从中心频率偏移带宽部分的频率中，也能够实现低反射特性和高透射特性。
在此基础上，在第一实施方式中，与现有技术相比，在配置在电介质基板13表面上的图案的尺寸中，可以使沿波导管11宽壁面断面的方向的尺寸pW1(参照图3)变小波导管11两面中沿两面或单面的窄壁面断面除去的金属构件15和接地金属层16的除去宽度2nW1或nW1(参照图3)部分。具体地说，在不能忽视金属构件15的尺寸的毫米波应用中，与图1的尺寸pW’相比，图3的尺寸pW1成为大约2/3。
图5、6表示第一实施方式的天线装置的结构。在天线装置2中，天线元件在平面上配置成格子状。在图5中，波导管/传输线路转换器1沿图面左右方向配置在直线上。在图6中，波导管/传输线路转换器1沿图面左右方向配置成交错状。配置成格子状的天线元件分割为各列天线元件21。利用沿相反方向延伸的两个传输线路12(作为变形例在两个段落前进行了说明)向各列天线元件21供电，上述两个传输线路12与配置在各列中央的波导管/传输线路转换器1连接。电介质基板13是天线元件配置成格子状的平面。波导管11宽壁面的断面沿与各列方向垂直的方向配置。波导管11窄壁面的断面沿与各列方向平行的方向配置。
通过在各列中央向各列天线元件21供电，在从天线装置2的中心频率偏移的频率中，即使构成各列的各天线元件的激励相位相互偏移，构成各列的各天线元件的合成结果也能够在大的频率范围内在任意一个方向上形成增益高的指向性。
并且，在波导管/传输线路转换器1中，在配置在电介质基板13表面上的图案的尺寸中，可以使沿波导管11宽壁面断面的方向的尺寸pW1(参照图3)变小波导管11两面中沿两面或单面的窄壁面断面除去的金属构件15和接地金属层16的除去宽度2nW1或nW1(参照图3)部分。具体地说，在不能忽视金属构件15的尺寸的毫米波应用中，与图1的尺寸pW’相比，图3的尺寸pW1成为大约2/3。
由此，在天线装置2中，相互相邻的各列天线元件21的间隔d1可以比长度λ0/2窄，该长度λ0/2与发出的电磁波所具有的波长λ0的一半相等，可以使阵列天线的可视区域变窄，在由构成各列的各天线元件形成的阵列天线的指向性中，特别是调整各天线元件的相位信息而将波束扫描至大角度时，不容易发生阵列天线的栅瓣。
(第二实施方式)
图7表示第二实施方式的波导管/传输线路转换器的结构。最上图表示波导管/传输线路转换器3的侧视断面图。第二图表示波导管/传输线路转换器3的从箭头方向C-C观察的俯视断面图。第三图表示波导管/传输线路转换器3的从箭头方向D-D观察的俯视断面图。最下图表示后述的匹配元件37的谐振长度方向的电场分布。
波导管/传输线路转换器3用于相互转换由波导管31传输的电力和由传输线路32传输的电力，其包括：电介质基板33、短路金属层34、金属构件35、接地金属层36、匹配元件37和电介质层30。
图7的第二实施方式的波导管31、传输线路32、电介质基板33、短路金属层34、金属构件35、接地金属层36和匹配元件37分别与图3的第一实施方式的波导管11、传输线路12、电介质基板13、短路金属层14、金属构件15、接地金属层16和匹配元件17大体相同。
匹配元件37配置在电介质基板33的表面上且波导管31的内部，隔着电介质基板33与传输线路32电磁耦合，在波导管31内的电场方向和传输线路32的供电方向具有谐振长度(大体λg/2)，该谐振长度用于将匹配元件37周围环境中的有效波长λg(与电介质层30一起将在后面说明)的电磁波作为驻波。
电介质层30与传输线路32和短路金属层34的表面紧密接触或接近形成。由此，与第一实施方式相比，在第二实施方式中可以提高波导管/传输线路转换器3周围环境中的有效介电常数，可以使波导管/传输线路转换器3周围环境中的电磁波的有效波长λg变短，并且可以使沿波导管31窄壁面和宽壁面的断面的方向的尺寸pN2、pW2变小。
电介质层30的厚度优选在波导管/传输线路转换器3周围环境中的电磁波的有效波长λg的0.2倍以下。由此，为了覆盖电场从传输线路32和匹配元件37之间的电介质基板33漏出的区域，只要形成最小限度的厚度的电介质层30即可。并且，在电介质基板33的厚度(0.5mm以下程度)变薄的毫米波应用中，即使仅形成最小限度的厚度(λg的0.2倍以下)的电介质层30，也能够增加波导管/传输线路转换器3的强度，从而可以使波导管/传输线路转换器3的尺寸变小。在图7的说明中，电介质层30仅形成在传输线路32和短路金属层34的表面上。作为图7的变形例，电介质层30也可以形成在电介质基板33的整个表面上。
(第三实施方式)
图8表示第三实施方式的波导管/传输线路转换器的结构。最上图表示波导管/传输线路转换器4的侧视断面图。第二图表示波导管/传输线路转换器4的从箭头方向E-E观察的俯视断面图。第三图表示波导管/传输线路转换器4的从箭头方向F-F观察的俯视断面图。最下图表示后述的匹配元件47的谐振长度方向的电场分布。
波导管/传输线路转换器4用于相互转换由波导管41传输的电力和由传输线路42传输的电力，其包括：电介质基板43、短路金属层44、金属构件45、接地金属层46、匹配元件47和电介质层40。
图8的第三实施方式的波导管41、传输线路42、电介质基板43、短路金属层44、金属构件45、接地金属层46、匹配元件47、电介质层40、尺寸pN3、pW3和有效波长λg分别与图7的第二实施方式的波导管31、传输线路32、电介质基板33、短路金属层34、金属构件35、接地金属层36、匹配元件37、电介质层30、尺寸pN2、pW2和有效波长λg大体相同。
在图8的说明中，在沿匹配元件47的谐振长度方向离开波导管/传输线路转换器4的两个方向中，两个传输线路42分别朝向两个方向延伸。作为图8的变形例，在沿匹配元件47的谐振长度方向离开波导管/传输线路转换器4的两个方向中，可以使多个传输线路42朝向一个方向延伸，而使一个或多个传输线路42朝向另一个方向延伸。
由此，仅通过一台波导管/传输线路转换器4，就能够在与供电方向垂直方向上进行天线排列，从而在阵列天线的性能上赋予高自由度。
图9、10表示第三实施方式的天线装置的结构。在天线装置5中，天线元件在平面上配置成格子状。在图9中，波导管/传输线路转换器4沿图面左右方向配置在直线上。在图10中，波导管/传输线路转换器4沿图面左右方向配置成交错状。配置成格子状的天线元件分割为各两列天线元件51。利用沿相反方向延伸的各两个传输线路42(作为第三实施方式在图8中进行了说明)向各两列天线元件51供电，上述各两个传输线路42与配置在各两列中央的波导管/传输线路转换器4连接。电介质基板43是天线元件配置成格子状的平面。波导管41宽壁面的断面沿与各两列的方向垂直的方向配置。波导管41窄壁面的断面沿与各两列的方向平行的方向配置。
在此，在波导管/传输线路转换器4中，在配置在电介质基板43表面上的图案的尺寸中，可以使沿波导管41宽壁面断面的方向的尺寸pW3(参照图8)变小沿波导管41的两面中的两面或单面的窄壁面断面除去的金属构件45和接地金属层46的除去宽度2nW3或nW3(参照图8)的部分。具体地说，在不能忽视金属构件45的尺寸的毫米波应用中，与图1的尺寸pW’相比，图8的尺寸pW3成为大约2/3。由此，在天线装置5中，相互相邻的各一列天线元件的间隔d3比长度λ0/2窄，该长度λ0/2与发出的电磁波所具有的波长λ0的一半相等。
工业实用性
本发明的波导管/传输线路转换器和天线装置能够适合于实现如下目的：合成结果可以在大的频率范围内在任意一个方向上形成增益高的指向性，不容易发生栅瓣，并且使天线元件在平面上配置成格子状的天线装置小型化和低成本化。
附图标记说明
1、3、4、1’：波导管/传输线路转换器
2、5、2’：天线装置
30、40：电介质层
11、31、41、11’：波导管
12、32、42、12’：传输线路
13、33、43、13’：电介质基板
14、34、44、14’：短路金属层
15、35、45、15’：金属构件
16、36、46、16’：接地金属层
17、37、47、17’：匹配元件
21、51、21’：各列天线元件

Claims (5)

1.一种波导管/传输线路转换器，相互转换由波导管传输的电力和由传输线路传输的电力，
所述波导管/传输线路转换器的特征在于包括：
电介质基板，配置成封闭所述波导管的开口部；
短路金属层，配置在所述电介质基板的表面上且所述波导管的外部，利用沿所述波导管两面的宽壁面的断面贯通所述电介质基板的金属构件或者沿所述波导管两面的宽壁面和两面中任意一面的窄壁面的断面贯通所述电介质基板的金属构件保持为与所述波导管同电位；以及
匹配元件，配置在所述电介质基板的表面上且所述波导管的内部，与所述传输线路耦合，在所述波导管内的电场方向和所述传输线路的供电方向具有谐振长度，所述谐振长度将所述电介质基板的周围环境中的有效波长的电磁波作为驻波。
2.根据权利要求1所述的波导管/传输线路转换器，其特征在于，还包括电介质层，所述电介质层形成在所述传输线路和所述短路金属层的表面上。
3.根据权利要求2所述的波导管/传输线路转换器，其特征在于，所述电介质层的厚度在所述波导管/传输线路转换器周围环境中的电磁波的有效波长的0.2倍以下。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的波导管/传输线路转换器，其特征在于，在沿所述匹配元件的谐振长度方向离开所述波导管/传输线路转换器的两个方向中，多个所述传输线路至少朝向一个方向延伸。
5.一种天线装置，天线元件在平面上配置成格子状，
所述天线装置的特征在于，
配置成格子状的天线元件分割为配置成各列状的天线元件，
配置成各列状的天线元件由与配置在各列中央的权利要求1至4中任意一项所述的波导管/传输线路转换器连接的所述传输线路供电，
所述电介质基板是天线元件配置成格子状的平面，
所述波导管的宽壁面的断面沿与各列方向垂直的方向配置，
所述波导管的窄壁面的断面沿与各列方向平行的方向配置。
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