CN109314313B - 阵列天线装置 - Google Patents
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Abstract
得到能够充分降低元件天线之间的互耦合而不会导致成本大幅增加的阵列天线装置。平行线路在与贴片元件相同的平面上，接近贴片元件地设置在贴片天线的磁场方向上，并且与贴片天线的极化方向平行地设置，折曲线路具有在相邻的贴片元件之间折曲的形状，将平行线路相互连接，平行线路和折曲线路构成将被贴片元件激励出的电磁波的一部分与相邻的贴片天线耦合的耦合线路，针对耦合线路，设定平行线路与贴片元件的间隔以及折曲线路的长度，使得经由空间从一个贴片天线与相邻的贴片天线耦合的电磁波和经由耦合线路从一个贴片天线与相邻的贴片天线耦合的电磁波相互抵消。
Description
技术领域
本发明涉及设贴片天线等平面天线为元件天线而排列多个该元件天线而成的阵列天线装置。
背景技术
以往，在雷达或移动体通信设备中，要求以较高电平发送接收来自变化的到来方向的电磁波，采用使用排列多个元件天线而成的阵列天线装置对主波束方向进行控制的方法。
这里，在阵列天线装置中，在进行波束扫描的情况下，需要较密地排列相邻的元件天线彼此的间隔，使得不会在可视区域内产生被称作栅瓣(grating lobe)的不必要放射。
但是，当较密地排列相邻的元件天线彼此的间隔时，在元件天线之间产生电平较高的互耦合，存在天线增益降低、产生指向性紊乱这样的问题。
因此，以解决这种课题为目的，公开有用于降低在元件天线之间产生的互耦合的各种方法(例如参照专利文献1、2)。
例如，在专利文献1中公开有在元件天线的附近设置金属体和电介质中的至少一方的方法。并且，在专利文献2中公开有利用金属壁覆盖各个元件天线的方法、在元件天线之间等间隔地配置EBG(Electromagnetic Band Gap：电磁带隙)元件的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭59-194517号公报
专利文献2：日本特开2010-28182号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在专利文献1中虽然记载有在偶极天线或圆形喇叭天线的附近设置金属体或电介质，但是，存在如下问题：没有公开和暗示用于在将该方法应用于贴片天线等平面天线的情况下降低互耦合的金属体或电介质的配置、具体构造等。
并且，根据专利文献2，需要金属壁这样的新部件，需要形成用于配置EBG的通孔，因此，新出现用于降低互耦合的构造所需要的材料成本、由于形成通孔的制造工序增加而引起的制造成本，存在成本大幅增加这样的问题。
本发明正是为了解决上述这种课题而完成的，其目的在于，得到能够充分降低元件天线之间的互耦合而不会导致成本大幅增加的阵列天线装置。
用于解决课题的手段
本发明的阵列天线装置是将多个贴片天线至少排列在贴片天线的极化方向上而成的，其中，该阵列天线装置具有：平行线路，其是针对各个贴片天线，与贴片天线的极化方向平行地设置的线路，在与贴片天线的贴片元件相同的平面上，接近贴片元件地设置在贴片天线的磁场方向上；以及折曲线路，其是将接近贴片元件地设置的平行线路彼此相互连接的线路，具有在相邻的贴片元件之间折曲的形状，平行线路和折曲线路构成将被贴片元件激励出的电磁波的一部分与相邻的贴片天线耦合的耦合线路，针对耦合线路，设定平行线路与贴片元件的间隔以及折曲线路的长度，使得经由空间从一个贴片天线与相邻的贴片天线耦合的电磁波和经由耦合线路从一个贴片天线与相邻的贴片天线耦合的电磁波相互抵消。
发明效果
根据本发明的阵列天线装置，平行线路在与贴片元件相同的平面上，接近贴片元件地设置在贴片天线的磁场方向上，并且与贴片天线的极化方向平行地设置，折曲线路具有在相邻的贴片元件之间折曲的形状，将平行线路相互连接，平行线路和折曲线路构成将被贴片元件激励出的电磁波的一部分与相邻的贴片天线耦合的耦合线路，针对耦合线路，设定平行线路与贴片元件的间隔以及折曲线路的长度，使得经由空间从一个贴片天线与相邻的贴片天线耦合的电磁波和经由耦合线路从一个贴片天线与相邻的贴片天线耦合的电磁波相互抵消。
因此，能够充分降低元件天线之间的互耦合而不会导致成本大幅增加。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的阵列天线装置的俯视图。
图2是沿着I-I线切断图1所示的阵列天线装置的剖视图。
图3是在存在耦合线路的情况下和不存在耦合线路的情况下进行比较而示出本发明的实施方式1的阵列天线装置中的互耦合量的说明图。
图4是在贴片天线单体的情况下、存在耦合线路的情况下和不存在耦合线路的情况下进行比较而示出本发明的实施方式1的阵列天线装置中的放射图案的说明图。
图5是在贴片天线单体的情况下、存在耦合线路的情况下和不存在耦合线路的情况下进行比较而示出本发明的实施方式1的阵列天线装置中的放射图案的说明图。
图6是示出本发明的实施方式2的阵列天线装置的俯视图。
图7是在存在耦合线路的情况下和不存在耦合线路的情况下进行比较而示出本发明的实施方式2的阵列天线装置中的互耦合量的说明图。
图8是在贴片天线单体的情况下、存在耦合线路的情况下和不存在耦合线路的情况下进行比较而示出本发明的实施方式2的阵列天线装置中的放射图案的说明图。
图9是在贴片天线单体的情况下、存在耦合线路的情况下和不存在耦合线路的情况下进行比较而示出本发明的实施方式2的阵列天线装置中的放射图案的说明图。
图10是示出本发明的实施方式2的阵列天线装置的俯视图。
图11是示出本发明的实施方式3的阵列天线装置的俯视图。
图12是示出本发明的实施方式3的阵列天线装置的俯视图。
图13是示出本发明的实施方式3的阵列天线装置的俯视图。
图14是示出本发明的实施方式3的阵列天线装置的俯视图。
图15是示出本发明的实施方式3的阵列天线装置的俯视图。
图16是示出本发明的实施方式3的阵列天线装置的俯视图。
图17是示出本发明的实施方式3的阵列天线装置的俯视图。
具体实施方式
下面，使用附图对本发明的阵列天线装置的优选实施方式进行说明，但是，在各图中，对相同或相当的部分标注相同标号进行说明。
实施方式1
图1是示出本发明的实施方式1的阵列天线装置的俯视图。并且，图2是沿着I-I线切断图1所示的阵列天线装置的剖视图。在图1、2中，阵列天线装置100具有形成在电介质基板1上的第1贴片天线10、第2贴片天线20和2个耦合线路30。
第1贴片天线10由形成在电介质基板1上的贴片元件11、激励贴片元件11的馈电探针12和同轴线路13、以及设置在电介质基板1的与贴片元件11相反的一侧的平面上的底板2构成。
并且，第2贴片天线20由形成在电介质基板1上的贴片元件21、激励贴片元件21的馈电探针22和同轴线路23以及底板2构成。
这里，第1贴片天线10和第2贴片天线20相邻排列，其排列方向是第1贴片天线10和第2贴片天线20的极化方向即E面阵列。
隔着穿过贴片元件11、21的中心的图1中的I-I线而对称地设置有2个耦合线路30。并且，耦合线路30由第1平行线路31、第2平行线路32和折曲线路33构成。
第1平行线路31在电介质基板1上，接近贴片元件11地设置在第1贴片天线10和第2贴片天线20的磁场方向上。并且，第1平行线路31是与第1贴片天线10和第2贴片天线20的极化方向平行地设置的线路。
并且，第2平行线路32在电介质基板1上，接近贴片元件21地设置在第1贴片天线10和第2贴片天线20的磁场方向上。并且，第2平行线路32是与第1贴片天线10和第2贴片天线20的极化方向平行地设置的线路。
折曲线路33是将第1平行线路31和第2平行线路32相互连接的线路，是具有在贴片元件11与贴片元件21之间折曲成曲柄(crank)状的形状的线路。
下面，对上述结构的阵列天线装置100的动作进行说明。首先，经由馈电探针12和同轴线路13而被贴片元件11激励出的电磁波即激励第1贴片天线10时的电磁波的大部分放射到自由空间中。
并且，在上述结构的阵列天线装置100中，在与贴片元件11相同的平面上，接近贴片元件11地在第1贴片天线10的磁场方向上且以与第1贴片天线10的极化方向平行的方式设置有第1平行线路31，因此，被贴片元件11激励出的电磁波的一部分与耦合线路30耦合。
并且，放射到自由空间中的电磁波的一部分经由自由空间而与相邻的第2贴片天线20耦合，与耦合线路30耦合的电磁波的一部分也经由耦合线路30而与相邻的第2贴片天线20耦合。
这里，在本发明的实施方式1的阵列天线装置中，优选设定耦合线路30的长度，使得经由自由空间从第1贴片天线10与第2贴片天线20耦合的电磁波和经由耦合线路30从第1贴片天线10与第2贴片天线20耦合的电磁波相互抵消。
具体而言，设定第1平行线路31、第2平行线路32与贴片元件11、贴片元件21的间隔以及折曲线路33的长度，使得经由自由空间从第1贴片天线10与第2贴片天线20耦合的电磁波和经由耦合线路30从第1贴片天线10与第2贴片天线20耦合的电磁波大致等振幅且相互反相。
此时，由于可逆性，从第2贴片天线20与第1贴片天线10耦合的电磁波也跟从第1贴片天线10与第2贴片天线20耦合的电磁波相同。因此，能够降低在第1贴片天线10与第2贴片天线20之间产生的互耦合。
下面，示出计算例，并且对存在耦合线路30的情况下和不存在耦合线路30的情况下的互耦合量进行比较，由此，对本发明的实施方式1的阵列天线装置100的效果进行说明。
另外，设计算时的第1贴片天线10与第2贴片天线20的间隔为1/2自由空间波长，关于贴片元件11、21的一边的长度和馈电位置，调整各尺寸使得在设计中心频率(f/f0＝1)处取得匹配，即，反射系数≦-20dB。
图3是在存在耦合线路的情况下和不存在耦合线路的情况下进行比较而示出本发明的实施方式1的阵列天线装置中的互耦合量的说明图。在图3中，横轴示出利用设计中心频率归一化的频率，纵轴示出第1贴片天线10与第2贴片天线20之间的互耦合量。
根据图3可知，对有无耦合线路30时的互耦合量进行比较时，虚线所示的不存在耦合线路30的情况下的互耦合量为-18.1dB，与此相对，实线所示的存在耦合线路30的情况下的互耦合量为-26.1dB，与现有的不存在耦合线路30的情况相比，互耦合能够降低8.0dB。
图4是在贴片天线单体的情况下、存在耦合线路的情况下和不存在耦合线路的情况下进行比较而示出本发明的实施方式1的阵列天线装置中的放射图案的说明图。在图4中，横轴示出角度，纵轴示出激励第1贴片天线10时的放射图案。
在图4中，示出第1贴片天线10单体的放射图案(实线)、激励第1贴片天线10且使第2贴片天线20的同轴线路23成为匹配终端的情况下不存在耦合线路30时的放射图案(虚线)、激励第1贴片天线10且使第2贴片天线20的同轴线路23成为匹配终端的情况下存在耦合线路30时的放射图案(点划线)。
图5是在贴片天线单体的情况下、存在耦合线路的情况下和不存在耦合线路的情况下进行比较而示出本发明的实施方式1的阵列天线装置中的放射图案的说明图。在图5中，横轴示出角度，纵轴示出激励第2贴片天线20时的放射图案。
在图5中，示出第2贴片天线20单体的放射图案(实线)、激励第2贴片天线20且使第1贴片天线10的同轴线路13成为匹配终端的情况下不存在耦合线路30时的放射图案(虚线)、激励第2贴片天线20且使第1贴片天线10的同轴线路13成为匹配终端的情况下存在耦合线路30时的放射图案(点划线)。
根据图4可知，在激励第1贴片天线10时的放射图案中，相对于不存在耦合线路30的情况，在存在耦合线路30的情况下，瞄准线(boresight)附近的放射图案的波纹减小，成为与第1贴片天线10单体的放射图案相似的放射图案。
并且，根据图5可知，激励第2贴片天线20时的放射图案也与激励第1贴片天线10时的放射图案同样，相对于不存在耦合线路30的情况，在存在耦合线路30的情况下，瞄准线附近的放射图案的波纹减小，成为与第2贴片天线20单体的放射图案相似的放射图案。
因此，通过减小在第1贴片天线10与第2贴片天线20之间产生的互耦合的影响，能够改善由于在贴片天线之间产生的互耦合而引起的放射特性的紊乱。
如上所述，根据实施方式1，平行线路在与贴片元件相同的平面上，接近贴片元件地设置在贴片天线的磁场方向上，并且与贴片天线的极化方向平行地设置，折曲线路具有在相邻的贴片元件之间折曲的形状，将平行线路相互连接，平行线路和折曲线路构成将被贴片元件激励出的电磁波的一部分与相邻的贴片天线耦合的耦合线路，针对耦合线路，设定平行线路与贴片元件的间隔以及折曲线路的长度，使得经由空间从一个贴片天线与相邻的贴片天线耦合的电磁波和经由耦合线路从一个贴片天线与相邻的贴片天线耦合的电磁波相互抵消。
因此，通过耦合线路的折曲量即线路长度控制与各贴片天线相互耦合的电磁波的相位，使贴片元件之间经由空间耦合的电磁波和经由耦合线路耦合的电磁波相互抵消，由此降低互耦合。
并且，能够在与用于形成贴片天线的贴片元件的工序相同的制造工序中通过蚀刻形成耦合线路，因此，不存在用于形成耦合线路的成本。
因此，能够充分降低元件天线之间的互耦合而不会导致成本大幅增加。
实施方式2
图6是示出本发明的实施方式2的阵列天线装置的俯视图。在图6中，阵列天线装置100A代替图1所示的耦合线路30而具有耦合线路30A。
耦合线路30A由第1平行线路31、第2平行线路32和折曲线路33A构成。折曲线路33A是将第1平行线路31和第2平行线路32相互连接的线路，是具有在贴片元件11与贴片元件21之间折曲成折线(meander)状的形状的线路。
另外，其他结构与上述实施方式1所示的图1相同，因此省略说明。并且，上述结构的阵列天线装置100A的动作也与上述实施方式1相同，因此省略说明。
下面，示出计算例，并且对存在耦合线路30A的情况下和不存在耦合线路30A的情况下的互耦合量进行比较，由此，对本发明的实施方式2的阵列天线装置100A的效果进行说明。另外，计算条件与上述实施方式1相同。
图7是在存在耦合线路的情况下和不存在耦合线路的情况下进行比较而示出本发明的实施方式2的阵列天线装置中的互耦合量的说明图。在图7中，横轴示出利用设计中心频率归一化的频率，纵轴示出第1贴片天线10与第2贴片天线20之间的互耦合量。
根据图7可知，对有无耦合线路30A时的互耦合量进行比较时，与虚线所示的不存在耦合线路30A的情况下的互耦合量相比，实线所示的存在耦合线路30A的情况下的互耦合量能够降低10dB。
图8是在贴片天线单体的情况下、存在耦合线路的情况下和不存在耦合线路的情况下进行比较而示出本发明的实施方式2的阵列天线装置中的放射图案的说明图。在图8中，横轴示出角度，纵轴示出激励第1贴片天线10时的放射图案。
在图8中，示出第1贴片天线10单体的放射图案(实线)、激励第1贴片天线10且使第2贴片天线20的同轴线路23成为匹配终端的情况下不存在耦合线路30A时的放射图案(虚线)、激励第1贴片天线10且使第2贴片天线20的同轴线路23成为匹配终端的情况下存在耦合线路30A时的放射图案(点划线)。
图9是在贴片天线单体的情况下、存在耦合线路的情况下和不存在耦合线路的情况下进行比较而示出本发明的实施方式2的阵列天线装置中的放射图案的说明图。在图9中，横轴示出角度，纵轴示出激励第2贴片天线20时的放射图案。
在图9中，示出第2贴片天线20单体的放射图案(实线)、激励第2贴片天线20且使第1贴片天线10的同轴线路13成为匹配终端的情况下不存在耦合线路30A时的放射图案(虚线)、激励第2贴片天线20且使第1贴片天线10的同轴线路13成为匹配终端的情况下存在耦合线路30A时的放射图案(点划线)。
根据图8可知，在激励第1贴片天线10时的放射图案中，相对于不存在耦合线路30A的情况，在存在耦合线路30A的情况下，瞄准线附近的放射图案的波纹减小，成为与第1贴片天线10单体的放射图案相似的放射图案。
并且，根据图9可知，激励第2贴片天线20时的放射图案也与激励第1贴片天线10时的放射图案同样，相对于不存在耦合线路30A的情况，在存在耦合线路30A的情况下，瞄准线附近的放射图案的波纹减小，成为与第2贴片天线20单体的放射图案相似的放射图案。
因此，通过减小在第1贴片天线10与第2贴片天线20之间产生的互耦合的影响，能够改善由于在贴片天线之间产生的互耦合而引起的放射特性的紊乱。
如上所述，根据实施方式2，与上述实施方式1同样，能够充分降低元件天线之间的互耦合而不会导致成本大幅增加。
另外，图10是示出本发明的实施方式2的阵列天线装置的俯视图，以4×4的二维方式排列有贴片天线40。在上述实施方式2中，具有以插入到与相邻的贴片天线40之间的方式形成折曲线路33A的耦合线路30A。
因此，例如如图10所示，在以较窄间隔二维地排列构成阵列天线装置100A的各贴片天线40的情况下，也能够在物理上排列耦合线路30A，能够降低在与相邻的贴片天线40之间产生的互耦合。
实施方式3
图11～17是示出本发明的实施方式3的阵列天线装置的俯视图。在上述实施方式1、2中，限定了耦合线路的数量和形状，但是不限于此。
例如，在与相邻的贴片天线40之间，可以如图11所示设置一个耦合线路30A，也可以如图12所示设置3个以上的耦合线路30A、50。
并且，如图13所示，耦合线路60不需要具有将直线折曲成直角的形状，如图14所示，耦合线路70也可以是折曲部由曲线构成的形状。
并且，在上述实施方式1、2中，说明了设贴片天线40的排列为2个元件阵列或四边形排列的二维阵列的情况，但是不限于此。例如，如图15所示，也可以设贴片天线40为3个元件以上的线性阵列，如图16所示，也可以为三角形排列，如图17所示，还可以为非周期排列。
这些情况下，也在与相邻的贴片天线40之间形成耦合线路，使经由自由空间耦合的电磁波和经由耦合线路耦合的电磁波相互抵消，由此，能够得到与上述实施方式1、2相同的效果。并且，通过使贴片天线40的排列和耦合线路的结构具有宽度，能够使阵列天线装置的设计具有自由度。
Claims (11)
1.一种阵列天线装置，其是将多个贴片天线至少排列在所述贴片天线的极化方向上而成的，其中，所述阵列天线装置具有：
平行线路，其是针对各个所述贴片天线，与所述贴片天线的极化方向平行地设置的线路，在与所述贴片天线的贴片元件相同的平面上，接近所述贴片元件地设置在所述贴片天线的磁场方向上；以及
折曲线路，其是将接近所述贴片元件地设置的平行线路彼此相互连接的线路，具有在相邻的贴片元件之间折曲的形状，
所述平行线路和所述折曲线路构成将被所述贴片元件激励出的电磁波的一部分与相邻的贴片天线耦合的耦合线路，
针对所述耦合线路，设定所述平行线路与所述贴片元件的间隔以及所述折曲线路的长度，使得经由空间从一个贴片天线与相邻的贴片天线耦合的电磁波和经由所述耦合线路从一个贴片天线与相邻的贴片天线耦合的电磁波相互抵消，
所述阵列天线装置还具有：
电介质基板和底板，
其中，所述贴片元件和所述底板形成在所述电介质基板的相对的表面上，所述贴片元件和所述耦合线路都不与所述底板电连接。
2.根据权利要求1所述的阵列天线装置，其中，
所述折曲线路被折曲成曲柄状。
3.根据权利要求1所述的阵列天线装置，其中，
所述折曲线路被折曲成折线状。
4.根据权利要求1所述的阵列天线装置，其中，
所述折曲线路被折曲成曲线状。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的阵列天线装置，其中，
在所述贴片天线的磁场方向上形成有至少2个所述耦合线路。
6.根据权利要求1～4中的任意一项所述的阵列天线装置，其中，
所述贴片天线为四边形排列。
7.根据权利要求5所述的阵列天线装置，其中，
所述贴片天线为四边形排列。
8.根据权利要求1～4中的任意一项所述的阵列天线装置，其中，
所述贴片天线为三角形排列。
9.根据权利要求5所述的阵列天线装置，其中，
所述贴片天线为三角形排列。
10.根据权利要求1～4中的任意一项所述的阵列天线装置，其中，
所述贴片天线为非周期排列。
11.根据权利要求5所述的阵列天线装置，其中，
所述贴片天线为非周期排列。
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