CN108346853B - 天线装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种即使开口部较小也能够辐射电波的天线装置。贴片阵列天线包括接地平面以及距相对于接地平面隔着间隔配置的多个辐射元件。在配置有多个辐射元件的表面的上方配置有导电性的金属部件。金属部件在相对于与贴片阵列天线的排列方向正交的方向上，与多个辐射元件的每一个局部各自的一部分的区域重叠，不与其他的区域重叠，并在排列方向上，从一端的辐射元件连续至另一端的辐射元件。

Description

天线装置
技术领域
本发明涉及一种天线装置。
背景技术
在专利文献1公开了一种指向性可变天线装置，其在被金属壳体围起的情况下，也能够使指向性变化。将无线通信设备的金属壳体的一部分切除，并在切除的位置安装具备指向性可变天线与多个波导管的天线装置。该天线装置具有：波导管，其拥有彼此不同的开口宽度；波导管连接部，其将波导管在它们的一端连接；指向性可变天线，其设置于波导管连接部内。通过切换指向性可变天线的指向性来使波传播至两根波导管中的任一个。
专利文献1：日本特开2010-161612号公报
在专利文献1中，示出了包括波导管的天线装置安装于固定型装置的金属壳体的内部的例子。然而，在智能手机等移动终端的金属壳体的内部高密度地安装有电路部件，因此难以在金属壳体的内部安装包括波导管的天线装置。特别地，难以安装波导管以便在薄型的金属壳体的厚度方向上对电波进行导波。
另外，从外观设计的观点或强度的观点考虑，在金属壳体设置用于辐射电波的较大的开口部存在困难的情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种即使开口部较小也能够辐射电波的天线装置。
本发明的第一观点的天线装置，具有：
贴片阵列天线，其包括接地平面以及相对于上述接地平面隔着间隔配置的多个辐射元件；和
导电性的金属部件，其配置于配置有多个上述辐射元件的表面的上方，在与上述贴片阵列天线的排列方向正交的方向上，与多个上述辐射元件各自的局部区域重叠而不与其他区域重叠，并在上述排列方向上从一端的上述辐射元件连续至另一端的上述辐射元件。
金属部件覆盖辐射元件的局部区域，因此仅在辐射元件的局部区域确保开口部即可。其结果是，能够缩小开口部。借助来自辐射元件的边缘电场在金属部件激发电流。根据该电流的分布，金属部件的缘作为波源发挥功能。通过调整在金属部件激发的电流的分布能够调整天线装置的指向特性。
本发明的第二观点的天线装置在第一观点的天线装置的结构的基础上构成为，在与上述排列方向正交的方向上，多个上述辐射元件各自的与上述金属部件重叠的区域的尺寸是上述辐射元件的尺寸的一半以下。
能够抑制天线装置的增益的降低。
本发明的第三观点的天线装置在第一或第二观点的天线装置的结构的基础上构成为，上述辐射元件与上述金属部件之间的间隔，在与上述贴片阵列天线的谐振频率对应的自由空间波长的1/50以上且1/10以下。
能够得到抑制天线装置的特性降低并且配置金属部件的充分效果。
本发明的第四观点的天线装置在第一～第三观点的天线装置的结构基础上构成为，还具有供电线，该供电线有对多个上述辐射元件供电的微波带状线构造，上述供电线与上述金属部件重叠，并配置于上述接地平面与上述金属部件之间。
利用供电线、接地平面以及金属部件形成三层板型构造的传输线路。其结果是，能够减少来自供电线的辐射。
本发明的第五观点的天线装置在第一～第四观点的天线装置的结构的基础上构成为，还具有壳体，该壳体收纳上述贴片阵列天线，且局部由金属形成，上述金属部件构成上述壳体的局部。
能够缩小壳体的金属部分的开口部。
本发明的第六的观点的天线装置在第五观点的天线装置的结构的基础上构成为，多个上述辐射元件沿着上述壳体的端部配置于上述壳体的内侧。
以接近壳体的缘的方式配置天线装置，由此能够提高壳体内的空间的利用效率。
金属部件覆盖辐射元件的局部区域，因此仅在辐射元件的局部区域确保开口部即可。其结果是，能够缩小开口部。借助来自辐射元件的边缘电场在金属部件激发电流。根据该电流的分布，金属部件的缘作为波源发挥功能。通过调整在金属部件激发的电流的分布，能够调整天线装置的指向特性。
附图说明
图1A是第一实施例的天线装置的俯视图，图1B是图1A的单点划线1B-1B处的剖视图。
图2是用于说明第一实施例的一个效果的天线装置的简要俯视图。
图3A是比较例的天线装置的模拟模型的俯视图，图3B是第一实施例的天线装置的模拟模型的俯视图。
图4A以及图4B分别是表示涉及图3A所示的比较例的天线装置的x方向以及y方向的指向特性的模拟结果的坐标图。
图5A以及图5B分别是表示涉及图3B所示的第一实施例的天线装置的x方向以及y方向的指向特性的坐标图。
图6A是第二实施例的天线装置的剖视图，图6B是第二实施例的变形例的天线装置的剖视图。
具体实施方式
参照图1A以及图1B，对第一实施例的天线装置进行说明。
图1A是第一实施例的天线装置的俯视图，图1B是图1A的单点划线1B-1B处的剖视图。该天线装置包括贴片阵列天线10与导电性金属部件20。贴片阵列天线10包括配置于电介质基板15的上表面的多个辐射元件11与配置于下表面的接地平面12。多个(例如四个)辐射元件11沿一个方向(排列方向)排列。
通过供电线13向辐射元件11供给电力。由供电线13与接地平面12构成微波带状线构造的传输线路。在图1A所示的例子中，从一根供电线13分支的多根供电线13分别与辐射元件11连接。辐射元件11在与排列方向正交的方向上被激励。
在配置有多个辐射元件11的表面(电介质基板15的上表面)的上方以相对于辐射元件11隔着间隙的方式配置有导电性金属部件20。金属部件20在与贴片阵列天线10的排列方向正交的方向(图1A的上下方向)上与多个辐射元件11各自的一部分的区域重叠，而与其他的区域不重叠。即，金属部件20覆盖辐射元件11各自的一部分的区域，遮挡从辐射元件11沿辐射方向(电介质基板15的法线方向)辐射的电波的传播路径的剖面的一部分。在图1A中，以虚线表示辐射元件11以及供电线13中的被金属部件20覆盖的区域。
在排列方向上，金属部件20从一端的辐射元件11连续至另一端的辐射元件11。在图1A中，辐射元件11各自的下侧的一部分的区域与金属部件20重叠。
金属部件20与供电线13的整个区域重叠，覆盖供电线13。由接地平面12、金属部件20以及供电线13构成三板构造的传输线路。
贴片阵列天线10收纳于一部分由金属形成的壳体21内。金属部件20构成壳体21的一部分。例如，壳体21的金属部分包括朝向下方的底板22、朝向上方的金属部件20以及连接两者的端板23。壳体21还包括封闭金属部分的开口部的电介质板24。多个辐射元件11沿着壳体21的端部(端板23)配置于壳体21的内侧。
接下来，对第一实施例的天线装置的工作进行说明。若通过供电线13向多个辐射元件11供给电力，则各个辐射元件11在与排列方向正交的方向上被激励。与辐射元件11的排列方向正交的方向的尺寸相当于谐振波长的1/2。
产生以各个辐射元件11的位于与排列方向正交的方向的两端的缘11a、11b为起点或终点的边缘电场。借助以被金属部件20覆盖的一方的缘11b为起点或终点的边缘电场，在金属部件20激励电流，并且边缘电场集中在金属部件20的前端的缘20a。在图1A以及图1B所示的第一实施例中，辐射元件11的未被金属部件20覆盖的一方的缘11a以及金属部件20的前端的缘20a为波源，辐射电波。
接下来，对采用上述第一实施例的天线装置的结构的优异效果进行说明。
通常，在从贴片阵列天线10沿辐射方向辐射的电波的传播路径不配置金属等遮挡物。然而，在第一实施例中，在贴片阵列天线10的辐射方向辐射的电波的传播路径的局部配置有壳体21的金属部分的局部即金属部件20。因此，即使在壳体21的金属部分的开口部较小的情况下，也能够将贴片阵列天线10内置于壳体21。特别是在像智能手机等那样希望大画面化的小型终端中，难以确保天线专用的较大的开口部。在第一实施例中，能够缩小对于天线专用应确保的开口部，因此第一实施例的天线装置适于向智能手机等小型终端的安装。
若欲配置贴片阵列天线10以便使贴片阵列天线10不与金属部件20重叠，则必须使贴片阵列天线10进一步远离壳体21的端板23。在上述第一实施例中，能够使贴片阵列天线10接近壳体21的端板23，因此能够提高壳体21内的空间的利用效率。
而且，在上述第一实施例中，各个辐射元件11的缘11a与金属部件20的前端的缘20a作为波源发挥功能。在金属部件20激励的电流的分布根据多个辐射元件11与金属部件20的几何形状、相对位置关系以及辐射元件11与金属部件20之间的空间的介电常数等而变化。因此，通过调整辐射元件11与金属部件20的位置关系、两者之间的空间的介电常数，能够调整贴片阵列天线10的指向特性。稍后参照图3A～图5B的附图，对贴片阵列天线10的指向特性进行说明。
如图2所示，在智能手机等中，存在将壳体21的金属部分作为比贴片阵列天线10的工作频带低的频带用(低频带用)天线的辐射元件30利用的情况。例如，存在贴片阵列天线10作为WiGig规格的工作频带(60GHz带)用天线使用，辐射元件30作为WiFi规格的工作频带(5GHz带等)、第四代移动体无线通信规格(4G规格)的工作频带(2GHz带、800MHz带等)等的元件使用的情况。
此时，存在因壳体21的金属部分与供电线13的耦合导致供电线13作为低频带用天线的辐射元件工作的情况。若产生来自供电线13的辐射，则天线增益、指向特性偏离设为目标的特性。
在上述第一实施例中，供电线13被金属部件20覆盖，因此能够抑制低频带中的来自供电线13的不必要的辐射。
接下来，对多个辐射元件11与金属部件20的优选的相对位置关系进行说明。
若多个辐射元件11各自的与金属部件20重叠的区域过大，则难以辐射电波。为了确保充分的天线增益，优选在与排列方向正交的方向上，多个辐射元件11各自的与金属部件20重叠的区域的尺寸为辐射元件11的尺寸的一半以下。
若多个辐射元件11各自的与金属部件20重叠的区域过小，则无法得到配置金属部件20的实质效果。为了得到采用以金属部件20覆盖辐射元件11的一部分的区域的结构的实质效果，优选在排列方向正交的方向上，重叠部分的尺寸为辐射元件11的尺寸的1/20以上。
若多个辐射元件11与金属部件20的间隔过宽，则辐射元件11与金属部件20的耦合较弱，难以在金属部件20激发电流。为了得到在金属部件20激发电流并调整贴片阵列天线10的指向特性的效果，优选辐射元件11与金属部件20的间隔为贴片阵列天线10的谐振频率下的自由空间波长的1/10以下。
另外，若辐射元件11与金属部件20过于接近，则天线的特性降低。为了确保良好的特性，优选辐射元件11与金属部件20的间隔为贴片阵列天线10的谐振频率下的自由空间波长的1/50以上。例如，优选在贴片阵列天线10在WiGig规格的频带(60GHz带)下工作的情况下，辐射元件11与金属部件20的间隔为0.1mm以上且0.5mm以下。
接下来，对上述第一实施例的天线装置的各种变形例进行说明。在上述第一实施例中，作为金属部件20使用壳体21的金属部分，但金属部件20不需要必须是壳体的金属部分的局部。例如，也可以将粘帖于树脂制的壳体的内表面的金属箔使用为金属部件20。
在上述第一实施例中，示出了包括4个辐射元件11的贴片阵列天线10，但辐射元件11的个数不限定于4个。辐射元件11的个数为2个以上即可。另外，在上述第一实施例中，将分别从一根供电线13分支的供电线13与多个辐射元件11连接，但也能够针对每根与辐射元件11连接的供电线13插入移相器来作为相位阵列天线工作。
在上述第一实施例中，供电线13与辐射元件11的端部连接，但可以调整供电点的位置。例如，可以从辐射元件11的端部朝向内部设置切口部，并将供电线13与切口部的前端连接。通过调整供电点的位置，能够得到阻抗匹配。另外，在上述第一实施例中，采用供电线13与辐射元件11直接连结的直接连结供电方式，但也可以采用电磁耦合供电方式。
接下来，参照图3A至图5B的附图，以与比较例的天线装置的指向特性进行比较的方式对上述第一实施例的天线装置的指向特性的模拟结果进行说明。
图3A是比较例的天线装置的模拟模型的俯视图，图3B是第一实施例的天线装置的模拟模型的俯视图。比较例的天线装置与第一实施例的天线装置的除去金属部件20(图1A、图1B)的构造相同。
如图3A以及图3B所示，在电介质基板15的上表面设置有排列为一列的四个辐射元件11与对辐射元件11进行供电的供电线13。在辐射元件11的端部设置有切口部，供电线13与切口部的前端连接。在电介质基板15的下表面设置有接地平面12(图1B)。设计多个辐射元件11的供电点以使得高频信号为同相。设计辐射元件11的尺寸以使得谐振频率为60GHz。
定义排列方向为x方向、与排列方向正交并与电介质基板15的上表面平行的方向为y方向的xy正交坐标系。在图3B所示第一实施例的天线装置中，将从辐射元件11的未被金属部件20覆盖的区域朝向被金属部件20覆盖的区域的方向定义为y轴的正向。从电介质基板15的上表面的法线方向朝向x方向倾斜的方向的倾斜角用θx表示，朝向y方向倾斜的方向的倾斜角用θy表示。
图4A以及图4B分别是表示涉及图3A所示的比较例的天线装置的x方向以及y方向的指向特性的模拟结果的坐标图。图5A以及图5B分别是表示涉及图3B所示的第一实施例的天线装置的x方向以及y方向的指向特性的坐标图。图4A以及图5A的横轴以单位“度”表示从法线方向朝向x方向的倾斜角θx，图4B以及图5B的横轴以单位“度”表示从法线方向朝向y方向的倾斜角θy。将朝向x方向以及y方向的正向的倾斜角定义为正，将朝向负向的倾斜角定义为负。在任一坐标图中，纵轴以单位“dBi”表示增益。
坐标图中的圆形符号、五边形符号、四边形符号、三角形符号以及星形符号分别表示频率58GHz、59GHz、60GHz、61GHz以及62GHz的模拟结果。
在比较例的天线装置中，如图4A所示，在x方向上朝向法线方向的增益最大，且呈现随着倾斜角θx的绝对值变大增益变小的趋势。在第一实施例的天线装置中，如图4B所示，即使朝向x方向的倾斜角θx变大也不呈现增益降低的趋势，而呈现维持大致一定的增益的趋势。这样，能够使x方向上的指向特性接近无指向性。
另外，在比较例的天线装置中，如图4B所示，在y方向上朝向法线方向的辐射最强，呈现随着倾斜角θy的绝对值变大增益变小的趋势。在第一实施例的天线装置中，如图5B所示，可知在朝向倾斜角θy约－40°的方向以及约+30°的方向的两个方向上增益呈现极大值。
通过上述模拟能够确认：通过配置金属部件20(图3B)，能够使天线装置的指向特性变化。该指向特性的变化是因为：金属部件20的前端的缘20a由于在金属部件20激发的电流的分布而作为波源发挥作用。在金属部件20激发的电流的分布取决于辐射元件11与金属部件20的几何图形的形状以及相对位置关系。因此，通过调整两者的位置关系能够将天线装置的指向特性匹配为所希望的特性。
接下来，参照图6A对第二实施例的天线装置进行说明。以下，对与图1A、图1B以及图2所示的第一实施例的不同点进行说明，相同的结构省略说明。
图6A是第二实施例的天线装置的剖视图。在第一实施例中，采用辐射元件11与供电线13(图1B)配置于同一面上的共平面供电方式。与此相对，在第二实施例中，采用供电线13与朝向辐射元件11的下方的面连接的背面供电方式。
如图6A所示，在电介质基板15的上表面设置有多个辐射元件11，在内部设置有供电线13。供电线13与辐射元件11通过导体通路14连接。在上表面的辐射元件11与基板内的供电线13之间配置有接地平面16。导体通路14通过设置于接地平面16的开口部从供电线13延伸至上方的辐射元件11。通过供电线13、接地平面16以及设置于电介质基板15的下表面的其他接地平面12形成三板构造的传输线路。
图6B是第二实施例的变形例的天线装置的剖视图。在第二实施例中，供电线13从辐射元件11向电介质基板15的缘的方向延伸，但在图6B所示变形例中，供电线13从辐射元件11向电介质基板15的内深部延伸。
在第二实施例以及其变形例中，金属部件20覆盖多个辐射元件11各自的局部的区域。因此，得到与第一实施例同样的效果。另外，供电线13形成三板构造的传输线，因此能够减少图2所示的低频带用天线的辐射元件30与供电线13的耦合。
上述的各实施例是例示，当然能够对不同的实施例中示出的结构进行局部的置换或组合。多个实施例的同样的结构所带来的同样的作用效果未按照实施例依次提及。而且，本发明不限制于上述实施例。例如，对本领域技术人员而言能够进行各种变更、改进、组合等是显而易见的。
附图标记说明：
10…贴片阵列天线；11…辐射元件；11a、11b…辐射元件的缘；12…接地平面；13…供电线；14…导体通路；15…电介质基板；16…接地平面；20…金属部件；20a…金属部件的前端的缘；21…壳体；22…底板；23…端板；24…电介质板；30…辐射元件。

Claims (10)

1.一种天线装置，其中，具有：
贴片阵列天线，其包括接地平面以及相对于所述接地平面隔着间隔配置的多个辐射元件；和
导电性的金属部件，其配置于配置有多个所述辐射元件的表面的上方，在与所述贴片阵列天线的排列方向正交的方向上与多个所述辐射元件各自的局部区域重叠而不与其他区域重叠，并且在所述排列方向上从一端的所述辐射元件连续至另一端的所述辐射元件。
2.根据权利要求1所述的天线装置，其中，
在与所述排列方向正交的方向上，多个所述辐射元件各自的与所述金属部件重叠的区域的尺寸是所述辐射元件的尺寸的一半以下。
3.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中，
所述辐射元件与所述金属部件之间的间隔，在与所述贴片阵列天线的谐振频率对应的自由空间波长的1/50以上1/10以下。
4.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中，
还具有供电线，所述供电线有对多个所述辐射元件供电的微波带状线构造，所述供电线与所述金属部件重叠，并配置于所述接地平面与所述金属部件之间。
5.根据权利要求3所述的天线装置，其中，
还具有供电线，所述供电线有对多个所述辐射元件供电的微波带状线构造，所述供电线与所述金属部件重叠，并配置于所述接地平面与所述金属部件之间。
6.根据权利要求1、2、5中任一项所述的天线装置，其中，
还具有壳体，所述壳体收纳所述贴片阵列天线，且局部由金属形成，所述金属部件构成所述壳体的局部。
7.根据权利要求3所述的天线装置，其中，
还具有壳体，所述壳体收纳所述贴片阵列天线，且局部由金属形成，所述金属部件构成所述壳体的局部。
8.根据权利要求4所述的天线装置，其中，
还具有壳体，所述壳体收纳所述贴片阵列天线，且局部由金属形成，所述金属部件构成所述壳体的局部。
9.根据权利要求6所述的天线装置，其中，
多个所述辐射元件沿着所述壳体的端部配置于所述壳体的内侧。
10.根据权利要求7或8所述的天线装置，其中，
多个所述辐射元件沿着所述壳体的端部配置于所述壳体的内侧。
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