CN112771719A - 天线系统 - Google Patents

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Abstract

一种天线系统，具备：玻璃板，厚度为1.1mm以上且介电损耗角正切为0.005以上；和天线，位于从所述玻璃板的一面分离的位置，将向所述天线输入的功率与从所述天线向空间中辐射的功率的比设为辐射效率，在将频率10GHz以上的规定频率的电波的波长设为λ，将使所述玻璃板与所述天线接触时的辐射效率设为η0[dB]，将使所述一面与所述天线之间的距离分开λ/2时的辐射效率设为ηλ/2[dB]时，所述玻璃板和所述天线配置成能够获得满足ηA≥η0+(ηλ/2‑η0)×0.1的辐射效率ηA[dB]。

Description

天线系统
技术领域
本发明涉及天线系统。
背景技术
近年来，存在从4G LTE向5G(sub6)的过渡等，利用使用微波、毫米波的频带的高速·大容量的无线通信系统的服务扩张的动向。具体地说，具有从3GHz频带到5～6GHz频带这样的使服务的使用频带扩大的倾向。并且，要求能够应对这样的频带且方向性及接收灵敏度良好的天线。另外，作为车车间通信及路车间通信而受到期待的V2X(Vehicle toEverything，车用无线通信技术)例如在5.9GHz带下在欧洲的ETC(Electronic TollCollection，电子收费)系统中被使用等，开展于多种用途。而且，也正在进行向使用了比sub6高的频率(例如，28GHz带、40GHz带、60GHz带、70GHz带)的无线通信系统普及的尝试。
为了进行这样的高频带域的通信，例如在进行基于车内具备的毫米波雷达的收发的情况下，有时会发生在迄今为止的频带的通信中并不显著的、窗玻璃所带来的增益的衰减。于是，为了获得高的增益，公开了向窗玻璃的一部分嵌入电波透过材料的结构(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开2017/188415号
发明内容
发明所要解决的课题
但是，在专利文献1的技术中，存在如下问题，为了对窗玻璃本身实施机械加工或者使另外于窗玻璃的构件包含于窗玻璃所通常存在的部分，因此结构变得复杂。
于是，本公开提供一种天线系统，使用厚度为1.1mm以上且28GHz下的介电损耗角正切为0.005以上的以往的玻璃板，不使该玻璃板的结构复杂化，就能够收发规定的高频带的电波。
用于解决课题的技术方案
本公开提供一种天线系统，具备：
玻璃板，厚度为1.1mm以上且28GHz下的介电损耗角正切为0.005以上；和
天线，位于从所述玻璃板的一面分离的位置，
将向所述天线输入的功率与从所述天线向空间中辐射的功率的比设为辐射效率，
在将频率10GHz以上的规定频率的电波的有效波长设为λg，将使所述玻璃板与所述天线接触时的辐射效率设为η0[dB]，将使所述一面与所述天线之间的距离分离λg/2时的辐射效率设为ηλg/2[dB]时，所述玻璃板和所述天线配置成，能够获得满足
ηA≥η0+(ηλg/2-η0)×0.1
的辐射效率ηA[dB]。
发明效果
根据本公开的技术，能够提供一种天线系统，使用厚度为1.1mm以上且28GHz下的介电损耗角正切为0.005以上的以往的玻璃板，不使该玻璃板的结构复杂化，就能够收发规定的高频带的电波。
附图说明
图1是天线系统的立体图。
图2是天线的主视图。
图3是天线的侧视图。
图4是天线的立体图。
图5是天线的剖视图。
图6A是带有传输线路的天线的立体图。
图6B是带有传输线路的天线的剖视图。
图7A是带有传输线路的天线的立体图。
图7B是带有传输线路的天线的剖视图。
图8A是带有传输线路的天线的立体图。
图8B是带有传输线路的天线的剖视图。
图9A是带有传输线路的天线的立体图。
图9B是带有传输线路的天线的剖视图。
图9C是带有传输线路的天线的剖视图。
图10A是带有传输线路的天线的立体图。
图10B是带有传输线路的天线的剖视图。
图10C是带有传输线路的天线的剖视图。
图11是例示具备多个天线的天线系统的图。
图12是示出在玻璃板与天线之间存在匹配层和空气的结构的配置图。
图13是示出在玻璃板与天线之间存在匹配层的结构的配置图。
图14是示出在玻璃板与天线之间存在匹配层和间隔件的结构的配置图。
图15是例示具备阵列天线的天线系统的图。
图16是示出相对于板厚为2mm的玻璃板与天线的距离的辐射效率的变化的一例的图。
图17是示出相对于板厚为3mm的玻璃板与天线的距离的辐射效率的变化的一例的图。
图18是示出相对于板厚为4mm的玻璃板与天线的距离的辐射效率的变化的一例的图。
图19是示出相对于板厚为5mm的玻璃板与天线的距离的辐射效率的变化的一例的图。
图20A是示出在玻璃板与带有传输线路的天线之间存在匹配层的结构的配置图。
图20B是示出带有传输线路的天线中的传输线路区域的立体图。
图21是示出相对于电介质基材的厚度的、传输线路的传输损耗的变化的一例的图。
具体实施方式
以下，参照附图进行本公开的实施方式的说明。此外，在各方式中，平行、直角、正交、水平、垂直、上下、左右等方向容许不损害本发明的效果的程度的偏差。另外，X轴方向、Y轴方向、Z轴方向分别表示平行于X轴的方向、平行于Y轴的方向、平行于Z轴的方向。X轴方向、Y轴方向及Z轴方向彼此正交。XY平面、YZ平面、ZX平面分别表示平行于X轴方向及Y轴方向的假想平面、平行于Y轴方向及Z轴方向的假想平面、平行于Z轴方向及X轴方向的假想平面。
另外，本发明的天线系统不限于车辆用，既可以用于建筑物，也可以用于电子设备。在本公开的实施方式的以下的说明中，举用于车辆为代表例来进行说明。
本公开的实施方式的车辆用天线，适合微波、毫米波等高频带(例如0.3GHz～300GHz，尤其是10GHz以上，例如包含28GHz的频带、包含39GHz的频带)的电波的收发。本公开的实施方式的车辆用天线例如能够适用于V2X通信系统、第5代移动通信系统(所谓的5G)、车载雷达系统等，但能够适用的系统不限于这些。作为V2X通信系统的一例，有ETC(Electronic Toll Collection)系统。
图1是例示本公开的实施方式的天线系统的立体图。图1所示的天线系统101具备车辆80的窗用的玻璃板70和安装于玻璃板70的车辆用天线110(以下也简称作“天线110”)。
玻璃板70具有1.1mm以上的厚度(T)，28GHz下的介电损耗角正切(所谓的tanδ)为0.005以上。玻璃板70例如是设置于车辆80的前侧的前玻璃。玻璃板70相对于水平面90以规定的设置角度θ安装于车辆80的前侧的窗框。此外，玻璃板70没有特别的厚度(T)的上限，例如若是车辆用，通常若是1枚玻璃，则使用5mm以下的厚度的玻璃板。另外，在具备层叠了2枚玻璃的构造的夹层玻璃的情况下，使用玻璃板70的最大的厚度为10mm以下(5mm×2)的程度的玻璃板。玻璃板70的厚度根据用途可以是2mm以上，也可以是3mm以上。另外，夹层玻璃的情况下，例如可以是4mm以上(2mm以上×2)，也可以是6mm以上(3mm以上×2)。
此外，介电损耗角正切(tanδ)是在25℃、28GHz下通过日本工业标准(JIS R 1641：2007)所规定的方法，使用空腔谐振器及矢量网络分析仪测定的值。本说明书中的介电损耗角正切(tanδ)的值在没有特别说明的情况下，设为在25℃、28GHz下根据上述规定测定出的值。
构成玻璃板70的玻璃的组成没有特别的限定，但可以使用在以氧化物基准的摩尔％表示的组成下，含50～80％的SiO2、0～10％的B2O3、0.1～25％的Al2O3、合计3～30％的选自由Li2O、Na2O及K2O构成的组中的至少1种碱性金属氧化物、0～25％的MgO、0～25％的CaO、0～5％的SrO、0～5％的BaO、0～5％的ZrO2及0～5％的SnO2的玻璃板。
天线110位于从玻璃板70的一面分离的位置。天线110例如以位于从玻璃板70的内侧表面分离的位置的方式，经由壳体等未图示的构件安装于玻璃板70的内侧。在本例中，安装于玻璃板70的上侧区域的中央部附近。安装于玻璃板70的天线110的数量在本例中是一个，但也可以是多个。此外，在将天线110收发的10GHz以上的规定频率的电波在空气中的波长设为λ0时，若玻璃板70的一面与天线的距离D为2×λ0以下，则从底高度化的观点来看优选，若为1.5×λ0以下则更优选，若为1.0×λ0以下则进一步优选。
此外，在本例中，天线110经由未图示的安装构件间接地安装于玻璃板70的内侧表面，但只要配置于从玻璃板70的内侧表面分离的位置即可，也可以安装于其他的安装部位。例如，天线110也可以安装于车室内的天棚部、室内后视镜等。即便在天线110安装于这样的安装部位的情况下，距离D也是距玻璃板70为2×λ0以下即可，若为1.5×λ0以下则更优选，若为1.0×λ0以下则进一步优选。此外，在玻璃板70与天线110之间配置后述的匹配层、间隔件的情况下，距离D也是优选上述的范围。
图2是正视下示出天线的图。图3是侧视下示出天线的图。图2、3所示的天线110配置于从玻璃板70的内侧表面76分离的位置。玻璃板70具有车室侧的内侧表面76和车外侧的外侧表面77。内侧表面76是玻璃板70的一表面，外侧表面77是与该一表面相反侧的表面。板厚T表示玻璃板70的厚度，如上述那样是1.1mm以上。
距离D是内侧表面76与天线110的最短距离。图3的情况下，距离D表示辐射板20与内侧表面76之间的最短距离。天线110从玻璃板70分离而配置，所以距离D比零大。即，距离D为零时，天线110与内侧表面76接触。此外，天线110既可以相对于内侧表面76平行地配置，也可以不平行地配置，即便在不平行地配置的情况下，距离D也表示辐射板20与内侧表面76之间的最短距离。即，关于天线110，若电波的主要的辐射源是辐射板20表面，则如上述那样，距离D也可以设为辐射板20与内侧表面76之间的最短距离。辐射板20是辐射10GHz以上的规定频率的电波的例子，在本说明书中，也包括辐射同等频率的电波的缝隙在内，将它们也称作“辐射部20”。
此外，在使天线110位于从玻璃板70的一面(图3的情况下是内侧表面76)分离的位置的方式中，若使天线110与该一面接合的接合构件具有有限的厚度，则也包括在天线110与该一面之间介有接合构件的方式。即，在该情况下，接合构件的厚度(的最薄距离)相当于距离D。作为接合构件的具体例，可以举出接合剂、粘接剂、接合胶带等。换言之，在天线110位于从玻璃板70的一面分离的位置的方式中也包括天线110经由接合构件等居间构件而与该一面接触的方式。
作为接合构件，可以举出丙烯酸系树脂、橡胶、硅树脂、丁二烯系树脂、环氧系树脂、聚氨酯系树脂、聚乙烯醇缩醛系树脂、聚氯乙烯系树脂、离聚物、聚酯系树脂、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物系树脂、乙烯-乙基丙烯酸共聚物系树脂、聚环烯烃树脂等，既可以使用它们中的1种，也可以将2种以上进行组合来使用。
在此，将向天线110输入的功率与从天线110向空间中辐射的功率的比设为辐射效率。所谓向天线110输入的功率，表示向天线110供给的功率中的天线110接受的功率。因此，例如在连接于天线110的同轴线缆、微带线等传输线路中损耗的功率不包含于上述“向天线110输入的功率”。本发明人研究的结果，发现了辐射效率与板厚T和距离D有关系。
另外，将频率10GHz以上的规定的频率的电波的有效波长设为λg，但所谓有效波长λg，若从天线110到玻璃板70的介质是空气，则与真空中的波长λ0相同(λg＝λ0)。但是，在天线110与玻璃板70之间除空气以外存在匹配层、间隔件等后述的电介质或电介质及金属的情况下，有效波长λg意味着考虑了这些材料的波长缩短率后的波长。此外，匹配层、间隔件也可以通过干涂、湿涂等涂布来形成。
在此，将使玻璃板70与天线110接触时(D＝0时)的辐射效率设为η0[dB]。并且，将使玻璃板70的一面与天线110之间的距离分开λg/2时(D＝λg/2时)的辐射效率设为ηλg/2[dB]。本发明人发现了，若将玻璃板70和天线110配置成能够获得满足“ηA≥η0+(ηλg/2-η0)×0.1”的辐射效率ηA[dB]，则不对玻璃板70进行加工，就能够收发10GHz以上的高频带的电波。另外，辐射效率ηA优选满足“ηA≥η0+(ηλg/2-η0)×0.2”，更优选满足“ηA≥η0+(ηλg/2-η0)×0.3”。此外，“不对玻璃板70进行加工”可以例示不对天线110附近的玻璃板70本身进行局部地使厚度变薄等加工的情况，通常意味着维持所使用的玻璃单体或夹层玻璃的状态。
另外，本发明人发现了，若将玻璃板70和天线110配置成能够获得-10[dB]以上的辐射效率ηA，则不对玻璃板70进行加工，就能够收发10GHz以上的高频带的电波。本发明人发现了，若将玻璃板70和天线110配置成能够获得优选-7[dB]以上、更优选-5[dB]以上、进一步优选-3[dB]以上、更进一步优选-1[dB]以上的辐射效率ηA，则不对玻璃板70进行加工，就能够收发10GHz以上的高频带的电波。
接着，对天线110的一结构例进行详细说明。图2、3所示的天线110至少具备导体板10和辐射板20。
典型地，导体板10是其表面平行于XY平面的平面状的层，作为天线110的接地而发挥功能。导体板10是板状或膜状的导体。导体板10所使用的导体的材料例如可以举出银、铜等，但不限于这些。另外，图示的导体板10的形状(从Z轴方向观察到的)在俯视下是正方形，但也可以是正方形以外的多边形，还可以是圆等其他形状。此外，在此所说的“板状或膜状”也可以是具有3维形状的形状，例如也包括凸状、凹状、波状的形状，关于后述的辐射板及电介质基材也是同样的。不过，关于上述的“板状或膜状”，在容易预测规定的天线增益特性这一点上优选平面形状(2维形状)。
辐射板20是在Z轴方向上与导体板10相对配置的板状或膜状的导体，其面积比导体板10狭小。辐射板20是其表面平行于XY平面的平面状的层，作为天线110的辐射元件而发挥功能。辐射板20所使用的导体的材料例如可以举出银、铜等，但不限于这些。另外，图示的辐射板20的形状(从Z轴方向观察到的)在俯视下是正方形，但也可以是正方形以外的多边形，还可以是圆等其他形状。
辐射板20从导体板10分离而配置。导体板10与辐射板20之间的介质包括空间和电介质基材中的至少一方。图2、3示出其介质仅由电介质基材60构成的情况。此外，在介质是空间(空气)的情况下，辐射板20及导体板10根据需要通过未图示的壳体来固定即可。
电介质基材60是以电介质为主成分的板状或膜状的电介质层。电介质基材60具有第一表面61和与第一表面61相反侧的第二表面62。表面61、62平行于XY平面。在作为电介质基材60的一表面的表面61设置有辐射板20，在作为电介质基材60的另一表面的表面62设置有导体板10。
电介质基材60例如既可以是玻璃环氧基板等电介质基板，也可以是电介质片。电介质基材60所使用的电介质的材料例如可以举出石英玻璃等玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯等氟系树脂、液晶聚合物、环烯烃聚合物等，但不限于这些。另外，在电介质基材60是树脂材料的情况下，为了提高紫外线抗性，既可以在树脂的表面涂布紫外线吸收层，也可以在树脂材料中添加紫外线吸收剂。
天线110例如是配置成相对于内侧表面76平行的平面天线。通过将作为平面天线的天线110配置成与相对于水平面90(参照图1)倾斜的内侧表面76平行，安装变得容易，容易实现底高度化。
天线110例如是具备电介质基材60、设置于第一表面61的辐射板20及隔着电介质基材60而与辐射板20相对的导体板10的平面天线。具备这样的构造的平面天线被称作贴片天线或微带天线。
图4是示出包括形成导体板10及辐射板20的电介质基材60的天线110的立体图。图5是示出包括形成导体板10及辐射板20的电介质基材60的天线110的剖视图。天线110具备以贯穿电介质基材60的一部分的方式将供电部30与辐射板20连接的连接导体40。
供电部30是以接触或非接触的方式供电的部位，是未图示的传输线路的一端所连接或接近的部位。作为传输线路的具体例，可以举出同轴线缆、微带线等。传输线路的另一端连接于利用天线110与车外进行通信的通信装置。供电部30相对于辐射板20位于配置导体板10的一侧。
连接导体40没有与导体板10接触。连接导体40其一端连接于供电部30，其另一端在连接点22连接于辐射板20。连接点22从辐射板20的重心21偏离，在图示的情况下，相对于重心21位于Y轴方向的负侧。重心21在辐射板20是正方形那样的对称图形的情况下相当于该对称图形的中心。
作为连接导体40的具体例，有形成于在Z轴方向上贯穿电介质基材60的通孔的内部的导体、同轴线缆的芯线、形成为引脚状的导体引脚等，但连接导体40不限于这些。此外，在导体板10与辐射板20之间的介质包括空间的情况下，作为连接导体40的具体例，有同轴线缆的芯线、导体引脚等，但连接导体40不限于这些。
如图5所示，当在相对于导体板10从辐射板20侧的视点观察时，辐射板20的重心21与导体板10的重心11重叠，这在提高从导体板10侧朝向辐射板20侧的方向的天线110的天线增益这一点上是优选的。在本例中，所谓相对于导体板10从辐射板20侧的视点，表示从Z轴方向的正侧的视点，所谓从导体板10侧朝向辐射板20侧的方向，表示朝向Z轴方向的正侧的方向。
作为向平面天线的传输线路，如上述那样对同轴线缆、微带线进行了例示，但对该传输线路更具体地进行说明。此外，在本说明书中，将包括平面天线和传输线路的部件称作“带有传输线路的天线”。
图6A是示出带有传输线路的天线201的立体图，图6B是Y1-Y1’的剖视图。带有传输线路的天线201具有电介质基材60、设置于电介质基材60的第一表面61的辐射板20及与设置于第一表面61的辐射板20连接的微带线24。另外，带有传输线路的天线201在电介质基材60的处于第一表面61的相反侧的第二表面62具备导体板10，作为接地而发挥功能。此外，电介质基材60(后述的第一电介质基材60a、第二电介质基材60b)中介电损耗角正切(tanδ)小的能够减低传输线路中的传输损耗。另外，电介质基材60的介电损耗角正切(tanδ)为0.03以下即可，更优选为0.008以下，进一步优选为0.001以下。
在带有传输线路的天线201中，电介质基材60由于其厚度越薄则越能够抑制来自传输线路的辐射损耗，所以越容易减低微带线24所导致的传输损耗，尤其是若是高频率，则传输损耗的减低效果容易变得更显著。其中，与如图3那样辐射板20(天线110)与玻璃板70之间是空气的情况相比，如后述的图12～图14那样在辐射板20(天线110)与玻璃板70之间具备匹配层74的结构、或者具备匹配层74及间隔件75的结构的情况下，电介质基材60的厚度越薄则越能够抑制来自传输线路的辐射损耗。因此，在辐射板20(天线110)与玻璃板70之间具备匹配层74的结构、或者具备匹配层74及间隔件75的结构的情况下，电介质基材60的厚度越薄则越容易减低微带线24所导致的传输损耗。此外，电介质基材60其厚度为0.1×λ0以下即可，优选为0.08×λ0以下，更优选为0.06×λ0以下。另外，电介质基材60的厚度没有特别的下限，但从处理的观点来看，0.01mm以上即可。
图7A是示出带有传输线路的天线202的立体图，图7B是Y2-Y2’的剖视图。带有传输线路的天线202具有第一电介质基材60a、第二电介质基材60b、辐射板20、导体板10、连接导体40及微带线25。另外，第一电介质基材60a和第二电介质基材60b配置成在厚度方向上重叠。第一电介质基材60a具有处于与第二电介质基材60b相反侧的第一表面61和处于第二电介质基材60b侧的第二表面62，第二电介质基材60b具有处于第一电介质基材60a侧的第三表面63和处于与第一电介质基材60a相反侧的第四表面64。此外，第一电介质基材60a和第二电介质基材60b既可以是不同的材料也可以是相同的材料。
带有传输线路的天线202具有设置于第一表面61的辐射板20、连接于辐射板20的连接导体40及连接于连接导体40的微带线25。另外，带有传输线路的天线202在第一电介质基材60a与第二电介质基材60b之间，在第二表面62及第三表面63具备导体板10，作为接地而发挥功能。连接导体40是在第一电介质基材60a和第二电介质基材60b的厚度方向(Z轴方向)上延伸且形成于贯穿第一电介质基材60a、导体板10及第二电介质基材60b的通孔的内部的导体，至少不与导体板10连接。而且，微带线25设置于第四表面64。
在带有传输线路的天线202中，微带线25以导体板10为基准设置于与辐射板20侧相反的一侧(负Z轴方向)。因而，在带有传输线路的天线202中，微带线25能够减低由在辐射板20与玻璃板70之间所具备的未图示的电介质、玻璃板70引起的、微带线25的传输损耗。
图8A是示出带有传输线路的天线203的立体图，图8B是Y3-Y3’的剖视图。带有传输线路的天线203具有第一电介质基材60a、第二电介质基材60b、缝隙20a、第一导体板10a、第二导体板10b及带状线26。另外，第一电介质基材60a和第二电介质基材60b配置成在厚度方向上重叠。第一电介质基材60a具有处于与第二电介质基材60b相反侧的第一表面61和处于第二电介质基材60b侧的第二表面62，第二电介质基材60b具有处于第一电介质基材60a侧的第三表面63和处于与第一电介质基材60a相反侧的第四表面64。此外，第一电介质基材60a和第二电介质基材60b既可以是不同的材料也可以是相同的材料。另外，在带有传输线路的天线203中所说的缝隙20a相当于“辐射部20”。
带有传输线路的天线203具有设置于第二表面62与第三表面63之间的带状线26。另外，带有传输线路的天线203以从第一电介质基材60a和第二电介质基材60b的厚度方向(Z轴方向)观察与带状线26的至少一部分重叠的方式，在第一表面61具备第一导体板10a，作为接地而发挥功能。另外，带有传输线路的天线203是具备在第一导体板10a的一部分形成有开口部的缝隙20a的所谓的缝隙天线。缝隙20a可以在第一导体板10a的俯视下，与带状线26的至少一部分(例如顶端部分)重叠。此外，缝隙20a也可以由暴露出第一表面61的凹部形成，在该情况下，形成缝隙20a的凹部的介质是空气，但该凹部也可以由空气以外的电介质材料填充。而且，带有传输线路的天线203以从第一电介质基材60a和第二电介质基材60b的厚度方向(Z轴方向)观察与缝隙20a及带状线26重叠的方式，在第四表面64具备第二导体板10b，作为接地而发挥功能。
在带有传输线路的天线203中，带状线26从Z轴方向观察配置于第一导体板10a与第二导体板10b之间，所以，能够减低由在第一导体板10a与玻璃板70之间所具备的未图示的电介质、玻璃板70引起的、带状线26的传输损耗。
图9A是示出带有传输线路的天线204的立体图，图9B是Y4-Y4’的剖视图，图9C是Y5-Y5’的剖视图。带有传输线路的天线204具有信号的传输线路作为基片集成波导(SIW：Substrate Integrated Waveguide)而发挥功能的形态。带有传输线路的天线204具备第一表面61、与第一表面61相对的(第一)电介质基材60a、设置于第一表面61的第一导体板27a及设置于第二表面62的第二导体板27b。另外，带有传输线路的天线204是具备在第一导体板27a的一部分形成有开口部的缝隙20a的、所谓的缝隙天线。此外，缝隙20a与带有传输线路的天线204同样，凹部也可以由空气或空气以外的电介质材料填充。
另外，带有传输线路的天线204具有在电介质基材60a的厚度方向上延伸并将第一导体板27a与第二导体板27b连接的由导体材料构成的导体壁28a、28b、28c。图9A所示的带有传输线路的天线204具备从电介质基材60a的厚度方向(Z轴方向)观察，在Y轴方向上以恒定间隔排列配置多根的(多个)导体壁28a、大致平行于(多个)导体壁28a地配置的(多个)导体壁28b及以包围缝隙20a的方式在X轴方向上以一定间隔排列配置多根的(多个)导体壁28c。即，带有传输线路的天线204中的传输线路相当于位于(多个)导体壁28a、(多个)导体壁28b及(多个)导体壁28c之间的电介质基材60a。此外，导体壁28a、导体壁28b及导体壁28c也统称作“导体壁28”，导体壁28以从电介质基材60a的厚度方向(Z轴方向)观察包围缝隙20a的方式配置成U字状。
带有传输线路的天线204具有设置于电介质基材60a的两主表面的导体板(第一导体板27a、第二导体板27b)和在电介质基材60a的厚度方向上将两导体板连接的导体壁28。通过具有导体板(第一导体板27a、第二导体板27b)和导体壁28，能够减低由在第一导体板27a与玻璃板70之间所具备的未图示的电介质、玻璃板70引起的、设置于电介质基材60a的传输线路的传输损耗。
图10A是示出带有传输线路的天线205的立体图，图10B是Y6-Y6’的剖视图，图10C是Y7-Y7’的剖视图。带有传输线路的天线205在带有传输线路的天线204中包括附加性的要素，与带有传输线路的天线204的说明重复的部分省略说明。
带有传输线路的天线205具备第二电介质基材60b和缝隙20a作为上述的附加性的要素。另外，第一电介质基材60a和第二电介质基材60b配置成在厚度方向上重叠。第一电介质基材60a具有处于第二电介质基材60b侧的第一表面61和处于与第二电介质基材60b相反侧的第二表面62，第二电介质基材60b具有处于与第一电介质基材60a侧相反的一侧的第三表面63和处于第一电介质基材60a侧的第四表面64。此外，第一电介质基材60a和第二电介质基材60b既可以是不同的材料也可以是相同的材料。
具体地说，第二电介质基材60b在第三表面63上具备辐射板20，在第四表面64具备第一导体板27a。另外，辐射板20从第一电介质基材60a和第二电介质基板的厚度方向(Z轴方向)观察设置于与缝隙20a靠近的位置。带有传输线路的天线205也与带有传输线路的天线204同样，具有设置于第一电介质基材60a的两主表面的导体板(第一导体板27a、第二导体板27b)和在第一电介质基材60a的厚度方向上将两导体板连接的导体壁28。通过具有导体板(第一导体板27a、第二导体板27b)和导体壁28，能够减低由在辐射板20与玻璃板70之间所具备的未图示的电介质、玻璃板70引起的、设置于第一电介质基材60a的传输线路的传输损耗。此外，带有传输线路的天线205中，辐射部相当于辐射板20。
作为传输线路，除此之外，也可以使用共面线路、带有接地的共面线路(CBCPW：Conductor Back Coplanar Wave Guide，导体背共面波导)、柱壁波导(PWW：Post WallWaveguide)、平行双线型的线(CPS：Coplanar Strip，共面带状)、缝隙线。
图11是例示具备多个天线(带有传输线路的天线)的车辆用天线系统的局部剖视图。图11所示的天线系统100具备前玻璃71、后玻璃72、安装于前玻璃71的前天线111及安装于后玻璃72的后天线112。前玻璃71及后玻璃72分别是上述的玻璃板70的一例，前天线111及后天线112分别是上述的天线110的一例。前天线111是第一天线的一例，后天线112是第二天线的一例。
前天线111的辐射板20相对于与水平面90成直角的铅垂面91以规定的倾斜角度α设置。在该情况下，通过以使得辐射板20相对于前玻璃71的内侧表面平行的方式调整倾斜角度α，前天线111的安装也变得容易，容易实现底高度化。
同样，后天线112的辐射板20相对于与水平面90成直角的铅垂面91以规定的倾斜角度α设置。在该情况下，通过以使得辐射板20相对于后玻璃72的内侧表面平行的方式调整倾斜角度α，后天线112的安装变得容易，容易实现底高度化。
在图11中，以辐射板20相对于导体板10位于车辆前侧的方式，前天线111从前玻璃71的一面分离而安装。另一方面，以辐射板20相对于导体板10位于车辆后侧的方式，后天线112从后玻璃72的一面分离而安装。通过前天线111及后天线112像这样进行安装，前天线111能够确保车辆前方处的区域的天线增益，后天线112能够确保车辆后方处的区域的天线增益。因此，能够确保车辆80的前后方向的天线增益。
另外，前天线111的导体板10相对于与水平面90成直角的铅垂面91以规定的倾斜角度γ设置。在该情况下，通过以使得导体板10相对于前玻璃71的内侧表面平行的方式调整倾斜角度γ，前天线111的安装也变得容易，容易实现底高度化。关于后天线112的导体板10的倾斜角度γ也是同样的。
此外，相对于铅垂面91以0°的倾斜设置，意味着相对于铅垂面91平行地设置。
另外，在图11所示的天线系统100中，车辆用天线(带有传输线路的天线)在前玻璃71和后玻璃72各安装了一个。然而，车辆用天线系统100也可以具备前玻璃71、后玻璃72及侧玻璃73中的至少2个窗玻璃和在该至少2个窗玻璃分别安装有至少一个的车辆用天线(带有传输线路的天线)。天线系统100既可以在前玻璃71具备多个天线，也可以在后玻璃72具备多个天线(带有传输线路的天线)。
图12是示出在玻璃板70与天线110之间存在匹配层74和空气92的结构的配置图(YZ平面的剖视示意图)。通过利用匹配层74匹配阻抗，能够提高透过玻璃板70和匹配层74的电波的透过率。匹配层74与玻璃板70的一面接触。此外，匹配层74不限于包含接合剂而与玻璃板70的内侧表面接触的结构，也可以是经由未图示的支架等安装构件而不包含接合剂地与玻璃板70的内侧表面接触的结构。在图12中的剖视示意图(YZ平面)中，匹配层74展示出一定的厚度即长方形状，但不限于此。匹配层74也可以是其截面为三角形、梯形等，在玻璃板70的内侧表面76与天线110之间具有不平行的面。而且，匹配层74除此之外例如也可以是具有平凸状、平凹状等形状的电介质透镜。这样，通过匹配层74在其厚度上具有分布，能够使天线的方向性与所希望的规格相符地进行调整。此外，匹配层74在其厚度上具有分布的方案不限于图12，在后述的图13、图14的说明中也可以适用。
另外，匹配层74可以是具有玻璃板70的俯视下的外缘比辐射部20(辐射板20或缝隙20a)的外缘靠外侧的区域的结构。这是因为，来自辐射部(辐射板20或缝隙20a)的电波不仅仅是匹配层74的厚度方向(Z轴方向)，还相对于厚度方向具有规定的扩张角地进行辐射，所以，在以这样的角度辐射的电波的方向上，也显现出匹配层74的效果。而且，匹配层74也可以是具有玻璃板70的俯视下的外缘比天线110的外缘靠外侧的区域的结构。
匹配层74的材料没有特别的限定，但可以使用树脂等有机材料、玻璃等无机材料。在匹配层74是树脂的情况下，可以举出聚对苯二甲酸乙二酯(PET)树脂、环烯烃树脂(COP)、丙烯酸系树脂、ABS树脂、聚碳酸酯树脂、氯乙烯树脂等。其中，从耐热性的观点来看，匹配层74可以合适地使用环烯烃树脂。而且，在匹配层74是树脂材料的情况下，为了提高紫外线抗性，既可以在树脂的表面涂布紫外线吸收层，也可以在树脂材料中添加紫外线吸收剂。
此外，匹配层74的介电损耗角正切(tanδ)优选为0.03以下，与超过0.03的情况相比，能够提高天线110的增益。另外，在更加提高天线110的增益这一点上，匹配层74的介电损耗角正切(tanδ)更优选为0.02以下，进一步优选为0.01以下。此外，匹配层74的介电损耗角正切(tanδ)的下限值只要比零(即空气的介电损耗角正切(tanδ))大即可。
另外，匹配层74不限于仅由电介质形成的情况，既可以包含利用树脂涂布多个金属图案的超材料，也可以是匹配层74其本身由超材料构成。超材料能够针对特定的波长任意地设计介电常数和磁导率，应用这一点，能够使天线110的方向性与所希望的规格相符地进行调整。另外，在匹配层74包含电介质和超材料的情况下，超材料既可以相对于电介质设置于玻璃板70的内侧表面76侧，也可以相对于电介质设置于天线110侧。而且，超材料在存在后述的间隔件75的情况下，也可以配置于间隔件75的表面。
此外，超材料也可以具有使用电气的控制电路而例如能够进行改变金属图案的介电常数的主动控制的结构。这样，通过超材料设为能够进行主动控制的结构，能够根据状况将天线110的方向性调整为所希望的状态。
另外，匹配层74不限于仅由电介质形成的情况，也可以包含引向器。通过引向器控制电波的相位，能够调整天线110的方向性。
而且，匹配层74不限于仅由电介质形成的情况，既可以包含由导电体(金属)图案构成的频率选择表面(FSS：Frequency Selective Surface)，也可以是匹配层74本身由频率选择表面构成。频率选择表面在导电体表面具有(不具有导电体的)开口部，能够根据其开口部的图案而选择性地使规定的频率的电波透过，所以，能够更加将与天线110收发的指定的频率选择为所希望的范围。另外，在匹配层74包含电介质和频率选择表面的情况下，频率选择表面既可以相对于电介质设置于玻璃板70的内侧表面76侧，也可以相对于电介质设置于天线110侧。而且，频率选择表面在存在后述的间隔件75的情况下，也可以配置于间隔件75的表面。另外，通过利用频率选择表面使阻抗匹配，还能够提高透过玻璃板70和匹配层74的电波的透过率。
图13是示出在玻璃板70与天线110之间存在匹配层74的结构的配置图。在图13中，在玻璃板70与天线110之间不存在空气。匹配层74具有与玻璃板70的一面接触的第一匹配面和与天线110接触的第二匹配面。匹配层74的介电损耗角正切的合适的范围与上述相同。此外，在图13中，在玻璃板70的(从Z轴方向观察到的)俯视下匹配层74与天线110作为相同的区域而示出，但与在图12中所说明的理由同样，匹配层74可以是具有俯视下的外缘比辐射部20(辐射板20或缝隙20a)的外缘靠外侧的区域的结构。而且，匹配层74也可以是具有俯视下的外缘比天线110的外缘靠外侧的区域的结构。
图14是示出在玻璃板70与天线110之间存在匹配层74和间隔件75的结构的配置图。在图14中，在玻璃板70与天线110之间不存在空气，但也可以存在空气。另外，也可以没有匹配层74。匹配层74具有与玻璃板70的一面接触的第一匹配面和与间隔件75接触的第二匹配面。匹配层74的介电损耗角正切的合适的范围与上述相同。间隔件75是用于调整从玻璃板70到天线110的距离的距离调整构件。此外，间隔件75除了具有调整距离的形状之外，也可以通过使用能够进行阻抗调整的材料而发挥接近匹配层的功能。图14例示的间隔件75具有与匹配层74接触的第一间隔件面和与天线110接触的第二间隔件面。但是，间隔件75不限于图14所示的方式，例如也可以具备周围具有规定的厚度而中心部形成有贯通孔的筒状的构造。
此外，在图14中，也与在图12中所说明的理由同样，间隔件75及匹配层74可以是具有玻璃板70的(从Z轴方向观察到的)俯视下的外缘比辐射部(辐射板20或缝隙20a)靠外侧的区域的结构。即，来自天线110(的辐射板20)的电波不仅仅是间隔件75及匹配层74的厚度方向(Z轴方向)，也相对于厚度方向具有规定的扩张角地进行辐射。因此，在以这样的角度辐射的电波的方向上，也能够通过具备间隔件75及匹配层74而提高辐射效率。而且，间隔件75及匹配层74也可以是具有俯视下的外缘比天线110的外缘靠外侧的区域的结构。
此外，间隔件75的介电损耗角正切(tanδ)优选为0.03以下，与超过0.03的情况相比，能够提高天线110的增益。另外，在更加提高天线110的增益这一点上，间隔件75的介电损耗角正切(tanδ)更优选为0.02以下，进一步优选为0.01以下。间隔件75的介电损耗角正切(tanδ)的下限值只要比零(即空气的介电损耗角正切(tanδ))大即可。
间隔件75的材料没有特别的限定，但与上述说明的匹配层74同样，可以使用树脂等有机材料、玻璃等无机材料。另外，在间隔件75是树脂材料的情况下，与匹配层74同样，为了提高紫外线抗性，既可以在树脂的表面涂布紫外线吸收层，也可以在树脂材料中添加紫外线吸收剂。
若间隔件75的相对介电常数为10以下，则能够确保天线110的增益。另外，在间隔件75的相对介电常数为玻璃板70的相对介电常数以下的情况下，与超过玻璃板70的相对介电常数的情况相比，天线110的设计变得容易。例如，由于玻璃板70的相对介电常数为5以上且9以下，所以，间隔件75的相对介电常数优选为1.5以上且7以下，更优选为2以上且5以下。此外，在本说明书中没有特别说明的情况下，相对介电常数指的是28GHz的频率下的值。
图15是例示具备阵列天线的天线系统的图。位于从玻璃板70的一面分离的位置的天线(带有传输线路的天线)也可以是多个天线元件排列而成的阵列天线。在图15中，示出了4个天线元件20A、20B、20C、20D在Y轴方向上排列的阵列天线113。阵列天线113呈阵列状具备具有与上述的天线110同样的结构的多个天线。天线元件20A、20B、20C、20D分别具有与上述的辐射板20或缝隙20a同样的结构。供电部30A、30B、30C、30D分别具有与上述的供电部30同样的结构。
通过将位于从玻璃板70的一面分离的位置的天线(带有传输线路的天线)设为多个天线元件排列而成的阵列天线，能够扩大天线的辐射范围(天线的方向性)。
图16～19是分别示出在28GHz的电波下相对于板厚T为2、3、4、5mm的玻璃板70与天线110的距离D的辐射效率ηA的变化的一例的图。图16～19示出在模拟上测定的数据。此外，距离D下的介质是空气。此时，在模拟上，若将图4等所示的天线110的各部分的尺寸的单位设为mm，则
L60：10
L61：10
L62：0.2
L20：2.6
L21：2.6。
从连接点22到正方形状的辐射板20的一边的最短距离为0.9mm。电介质基材60的28GHz的电波下的相对介电常数为3.79。模拟上的玻璃板70的形状为纵50mm、横50mm的正方形。另外，玻璃板70的28GHz的电波下的相对介电常数为6.8，介电损耗角正切为0.01。此时，以辐射板20的表面与玻璃板70的内侧表面平行地配置，且它们间的距离无论在哪个位置都成为距离D的条件实施了模拟。
参照图16～19，示出距离D越短则辐射效率ηA越降低的倾向。另外，辐射效率ηA的降低程度，若在相同距离D下进行比较，则板厚T越厚则其越大。图16～19所示的各测定数据是满足上述的“ηA≥η0+(ηλg/2-η0)×0.1”的辐射效率ηA。此外，图16～图19示出了频率28GHz的电波下的特性，但由于频率越高则波长越短，所以，满足“ηA≥η0+(ηλg/2-η0)×0.1”的距离D的值越小。即，在收发的电波的频率高的情况下，能够减小距离D，所以，能够使天线110接近玻璃板70，容易实现天线系统的底高度化。
接着，基于图20A及图20B，说明与带有传输线路的天线中的传输线路的损耗(传输损耗)相关的模拟模型。图20A示出了将带有传输线路的天线201经由匹配层74安装于玻璃板70的结构，具有将带有传输线路的天线201与匹配层74连接的第一接合构件51和将玻璃板70与匹配层74连接的第二接合构件52。另外，在图20A中，分为区域A是在带有传输线路的天线201中包含平面天线的区域而区域B是在带有传输线路的天线201中包含传输线路的区域来进行图示。即，带有传输线路的天线201具有区域A所包含的天线区域201a和区域B所包含的传输线路区域201b。
图20B是仅将区域B中的带有传输线路的天线201的传输线路区域201b取出的立体图。传输线路区域201b具有电介质基材60，在电介质基材60中的第一表面61侧具有成为传输线路的微带线24，在第二表面62侧具备作为接地而发挥功能的导体板10。在本模拟模型中，在区域B，即将带有传输线路的天线201的传输线路区域201b、第一接合构件51、匹配层74、第二接合构件52及玻璃板70依次层叠的构造中，除了使电介质基材60的厚度(t)变化以外，设为同一条件，实施了相对于频率的传输线路的传输特性(S21)的模拟。具体地说，使电介质基材60的厚度(t)变化为t＝0.2mm(0.027×λ0’)、0.4mm(0.053×λ0’)、0.6mm(0.080×λ0’)、0.8mm(0.11×λ0’)、1.0mm(0.13×λ0’)。在此λ0’是40GHz下的真空中的波长(≈7.5mm)。此外，本模拟的条件如下。
【表1】
Figure BDA0002990058550000231
在此，匹配层74具体地说设定成环烯烃聚合物(COP)，电介质基材60设定成合成石英玻璃(AGC公司制造，商品名：AQ)而实施了模拟。另外，图20B所示的传输线路区域201b中，XY平面为10mm×10mm的四边形。微带线24是宽度为0.25mm，平行于X轴方向的长度为3.5mm的直线，平行于Y轴的长度为3.5mm的直线，并且将2个直线相连且相对于X轴及Y轴成45°的角度的长度为2.1mm的直线。即，微带线24是在XY平面中具有以135°弯折的2个弯曲点的、全长大约9.1mm的线。
图21是示出了作为成为区域B的层叠体中的微带线24上的传输损耗(S21：单位[dB])且图20B中的微带线24的两端即从点P1到点P2的路径上传输信号时的传输损耗的图表。如图21所示，成为随着电介质基材60(合成石英玻璃)的厚度变薄，传输损耗(S21的值)会变小，进而，成为相对于10GHz以上的频率的S21的特性为稳定(波动小)的特性。
以上，利用实施方式对天线系统进行了说明，但本发明不限定于上述的实施方式。与其他实施方式的一部分或全部的组合、置换等各种变形及改良在本发明的范围内是可能的。
例如，玻璃板不限于车辆用，既可以是建筑物用，也可以是电子设备用。
本国际申请主张基于在2018年10月5日申请的日本国专利申请第2018-190375号及在2018年11月9日申请的日本国专利申请第2018-211308号的优先权，将两申请的全部内容援用到本国际申请中。
标号说明
10、10a、10b、27a、27b 导体板
11 重心
20 辐射板(辐射部)
20a 缝隙(辐射部)
21 重心
22 连接点
24、25 微带线
26 带状线
28a、28b、28c 导体壁
30 供电部
40 连接导体
51 第一接合构件
52 第二接合构件
60、60a、60b 电介质基材
70 玻璃板
71 前玻璃
72 后玻璃
73 侧玻璃
74 匹配层
75 间隔件
76 内侧表面
77 外侧表面
80 车辆
90 水平面
91 铅垂面
92 空气
100、101 天线系统
110 天线
111 前天线
112 后天线
113 阵列天线
201、202、203、204、205 带有传输线路的天线
201a 天线区域
201b 传输线路区域

Claims (18)

1.一种天线系统，具备：
玻璃板，厚度为1.1mm以上且28GHz下的介电损耗角正切为0.005以上；和
天线，位于从所述玻璃板的一面分离的位置，
将向所述天线输入的功率与从所述天线向空间中辐射的功率的比设为辐射效率，
在将频率10GHz以上的规定频率的电波的有效波长设为λg，将使所述玻璃板与所述天线接触时的辐射效率设为η0[dB]，将所述一面与所述天线之间的距离分开λg/2时的辐射效率设为ηλg/2[dB]时，所述玻璃板和所述天线配置成，能够获得满足
ηA≥η0+(ηλg/2-η0)×0.1
的辐射效率ηA[dB]。
2.根据权利要求1所述的天线系统，其中，
所述玻璃板和所述天线配置成，能够获得-10[dB]以上的辐射效率ηA。
3.根据权利要求1或2所述的天线系统，其中，
所述天线是以相对于所述一面平行的方式配置的平面天线。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的天线系统，其中，
具备位于所述玻璃板与所述天线之间且与空气不同的匹配层，
所述匹配层的28GHz下的介电损耗角正切为0.03以下。
5.根据权利要求4所述的天线系统，其中，
所述天线具备辐射所述频率的电波的辐射部，在所述玻璃板的俯视下所述匹配层的外缘比所述辐射部的外缘靠外侧。
6.根据权利要求5所述的天线系统，其中，
在所述玻璃板的俯视下，所述匹配层的外缘比所述天线的外缘靠外侧。
7.根据权利要求5或6所述的天线系统，其中，
所述辐射部是由导体材料构成的辐射板。
8.根据权利要求5或6所述的天线系统，其中，
所述辐射部是缝隙。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的天线系统，其中，
具备位于所述玻璃板与所述天线之间且具有与空气不同的相对介电常数的间隔件，
所述间隔件的28GHz下的介电损耗角正切为0.03以下。
10.根据权利要求9所述的天线系统，其中，
所述天线具备辐射所述频率的电波的辐射部，在所述玻璃板的俯视下所述间隔件的外缘比所述辐射部的外缘靠外侧。
11.根据权利要求10所述的天线系统，其中，
在所述玻璃板的俯视下，所述间隔件的外缘比所述天线的外缘靠外侧。
12.根据权利要求9～11中任一项所述的天线系统，其中，
所述间隔件的28GHz下的相对介电常数为10以下。
13.根据权利要求1～3中任一项所述的天线系统，其中，
所述玻璃板与所述天线之间的介质仅为空气。
14.根据权利要求1～13中任一项所述的天线系统，其中，
在将10GHz以上的规定频率的电波的空气中的波长设为λ0时，所述玻璃板与所述天线的距离为2×λ0以下。
15.根据权利要求1～14中任一项所述的天线系统，其中，
所述天线是多个天线元件排列而成的阵列天线。
16.根据权利要求1～15中任一项所述的天线系统，其中，
所述玻璃板的28GHz下的相对介电常数为5以上且9以下。
17.根据权利要求1～16中任一项所述的天线系统，其中，
包括具有所述天线和向所述天线供电的传输线路的带有传输线路的天线。
18.根据权利要求17所述的天线系统，其中，
所述天线具有电介质基材，
在所述电介质基材的第一表面具有所述传输线路，
在所述电介质基材的处于与所述第一表面相反侧的第二表面具有导体板，
在将10GHz以上的规定频率的电波的空气中的波长设为λ0时，所述电介质基材的厚度为0.1×λ0以下。
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