CN112771726B

CN112771726B - 天线装置

Info

Publication number: CN112771726B
Application number: CN201980063633.8A
Authority: CN
Inventors: 二神大; 根本崇弥
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2023-08-18
Anticipated expiration: 2039-08-29
Also published as: JP7078123B2; WO2020066451A1; US20210226345A1; CN112771726A; JPWO2020066451A1; US11721912B2

Abstract

本发明涉及天线装置。由设置于基板的辐射元件以及接地导体构成贴片天线。电介质部件被配置成在俯视时与辐射元件重叠。在从辐射元件观察时，电介质部件配置在与接地导体相反侧。在将辐射元件的法线方向设为高度方向并将与高度方向垂直的虚拟平面设为基准面时，电介质部件包括相对于基准面倾斜的侧面。电介质部件针对与高度方向平行地入射的电波不具有焦点。

Description

天线装置

技术领域

本发明涉及天线装置。

背景技术

已知在构成阵列天线的多个单位天线的每个单位天线上配置有电介质等价物的电介质负载阵列天线(参照专利文献1)。该单位天线使用贴片天线，在各贴片上配置构成为长方体状的电介质。该电介质的纵、横、高的尺寸分别为波长的1.25倍、1.25倍以及1.42倍。通过像这样配置电介质，从而各单位天线的孔径效率增大。

专利文献1：日本特开平1－243605号公报

发明内容

在负载有电介质的天线装置中，要求更宽带化。本发明的目的在于提供能够宽带化的天线装置。

根据本发明的一个观点，提供一种天线装置，上述天线装置具有：

贴片天线，包括设置于基板的辐射元件以及接地导体；以及

均质的电介质部件，被配置成在俯视时与上述辐射元件重叠，并且在从上述辐射元件观察时配置在与上述接地导体相反侧，

在将上述辐射元件的法线方向设为高度方向并将与上述高度方向垂直的虚拟平面设为基准面时，上述电介质部件包括相对于上述基准面倾斜的侧面。

根据本发明的其它观点，提供一种天线装置，上述天线装置具有：

贴片天线，包括设置于基板的辐射元件以及接地导体；以及

电介质部件，被配置成在俯视时与上述辐射元件重叠，并且在从上述辐射元件观察时配置在与上述接地导体相反侧，

在将上述辐射元件的法线方向设为高度方向并将与上述高度方向垂直的虚拟平面设为基准面时，上述电介质部件包括相对于上述基准面倾斜的侧面，

上述电介质部件针对与上述高度方向平行地入射的电波不具有焦点。

通过将上述的电介质部件负载到贴片天线，能够实现宽带化。

附图说明

图1是第一实施例的天线装置的立体图。

图2是第一实施例的天线装置的剖视图。

图3是表示第一实施例的天线装置的回波损耗S11与频率之间的关系的模拟结果的图表。

图4是表示将第一实施例的天线装置的电介质部件的高度H固定为0.5mm、将底面的直径LD固定为5mm、使上表面的直径UD变化时的回波损耗S11与频率之间的关系的模拟结果的图表。

图5是第二实施例的天线装置的立体图。

图6是表示第二实施例的天线装置的回波损耗S11与频率之间的关系的模拟结果的图表。

图7是第三实施例的天线装置的立体图。

图8A是表示第三实施例的天线装置的天线增益与从法线方向向x轴方向的倾斜角θx之间的关系的图表，图8B是表示第三实施例的天线装置的天线增益与从法线方向向y轴方向的倾斜角θy之间的关系的图表。

图9A以及图9B分别是第四实施例及其变形例的天线装置的立体图。

图10是第五实施例的通信装置的局部立体图。

具体实施方式

[第一实施例]

参照图1至图4的附图，对第一实施例的天线装置进行说明。

图1是第一实施例的天线装置的立体图。在由电介质构成的基板10的一个面亦即上表面配置有辐射元件11，在内层配置有接地导体15。辐射元件11和接地导体15构成贴片天线。辐射元件11具有正方形的平面形状。此外，也可以将辐射元件11的平面形状设为长方形、圆形等。

在基板10上(在从辐射元件11观察时与接地导体15相反侧)配置有电介质部件20，使得在俯视时与辐射元件11重叠。电介质部件20是由均质的电介质材料形成的一体成形品，通过粘合剂等粘合到辐射元件11以及基板10。电介质部件20的内部的介电常数是均匀的。在基板10的下表面配置有供电线12。供电线12通过设置于接地导体15的隙孔内的导通孔与辐射元件11结合。

电介质部件20具有圆台形状。电介质部件20具有朝向辐射元件11侧的圆形的底面、与底面朝向相反侧的圆形的上表面以及连接底面和上表面的侧面。底面和上表面平行，上表面比底面小，通过底面的中心以及上表面的中心的平面中的电介质部件20的剖面是等腰梯形。在本说明书中，将辐射元件11的法线方向定义为高度方向，将与高度方向垂直的虚拟平面称为基准面。电介质部件20的侧面相对于基准面倾斜。电介质部件20例如能够由低温共烧陶瓷(LTCC)等陶瓷或者聚酰亚胺等树脂形成。例如，LTCC的相对介电常数εr约为6.4，聚酰亚胺的相对介电常数εr约为3。

在俯视时，电介质部件20的底面的中心、上表面的中心以及辐射元件11的中心一致。在俯视时，电介质部件20的底面内含辐射元件11。更一般而言，电介质部件20的底面大于俯视时的辐射元件11的最小包含圆。此处，“最小包含圆”意味着包含平面上的有界的区域的最小的圆。在有界的区域为正方形或者长方形的情况下，由通过4个顶点的圆周围起的区域成为最小包含圆。

图2是第一实施例的天线装置的剖视图。在基板10的上表面配置有辐射元件11，在内层配置有接地导体15，在下表面配置有供电线12。供电线12经由通过设置于接地导体15的隙孔的导通孔导体13与辐射元件11结合。在基板10与电介质部件20之间配置有粘合剂层17。此外，在图2中，示出供电线12配置在基板10的下表面的例子，但也可以将供电线12配置于基板10的内层。

用LD表示电介质部件20的底面的直径，用UD表示上表面的直径，用H表示高度。用L表示辐射元件11的一边的长度，用T1表示厚度。用T2表示接地导体15的厚度。用T3表示基板10中的、辐射元件11与接地导体15之间的部分的厚度，用T4表示基板10中的、比接地导体15更靠下侧的部分的厚度。作为一个例子，直径LD＝5mm，直径UD＝1mm，高度H＝0.5mm。

接下来，对第一实施例的优异的效果进行说明。

根据本申请的发明人进行的模拟，确认出：第一实施例的天线装置与以往的配置长方体的电介质部件的情况相比，能够实现宽带化。认为宽带化归因于从辐射元件11(图1)辐射的电波在电介质部件20中反射而产生复合谐振。

接下来，参照图3以及图4，对本申请的发明人进行的模拟进行说明。

使电介质部件20的高度、底面以及上表面的尺寸变化，在从50GHz到70GHz的频率域中求出回波损耗S11。将辐射元件11的一边的长度L设为0.8mm。将辐射元件11的厚度T1以及接地导体15的厚度T2都设为15μm。将基板10的厚度T3、T4(图2)分别设为100μm、65μm。将电介质部件20以及基板10的相对介电常数εr设为6.4。

图3是表示回波损耗S11与频率之间的关系的模拟结果的图表。横轴用单位“GHz”表示频率，纵轴用单位“dB”表示回波损耗S11。图3的图表的附于实线以及虚线的带括号的3个数字从左到右依次用单位“mm”表示高度H、底面的直径LD以及上表面的直径UD。为了参考，利用以间隙划分的线要素相对较长的虚线表示将电介质部件的形状设为长方体的情况下的回波损耗S11。

例如，能够将回波损耗S11为－10dB以下的范围认为是天线装置能够高效地进行收发的频带。若回波损耗S11为－10dB以下的频带变宽，则能够称为“宽带化”。最优化长方体的电介质部件的尺寸，以使得频带宽度最宽。使用最优化的长方体的电介质部件时的频带宽度约为8GHz。明白在使用圆台形状的电介质部件20的第一实施例中，例如在高度H为0.5mm以上且1mm以下的范围，底面的直径LD为2mm以上且11mm以下的范围，上表面的直径UD为0.6mm以上且1.2mm以下的范围中，存在与将电介质部件设为长方体的情况相比更宽带化的优选的条件。将电介质部件20的尺寸的该范围设为第一合适范围。

图4是表示将电介质部件20的高度H固定为0.5mm、将底面的直径LD固定为5mm、使上表面的直径UD变化时的回波损耗S11与频率之间的关系的模拟结果的图表。在图4中如实线所示，明白在上表面的直径UD为0.8mm以上且1.2mm以下的范围内，与将电介质部件设为长方体的情况相比，实现更宽带化。这样，即使使上表面的直径UD从最佳值变化±20％，也实现足够的宽带化。最佳值意味着在将着眼的参数以外的参数固定，使着眼的参数的值变化时，频带宽度最宽时的值。

同样地，认为即使使高度H或者底面的直径LD从最佳值变化±20％，也实现足够的宽带化。

从图3所示的模拟结果可知，在将高度H设为0.5mm，将上表面的直径UD设为1mm时，在底面的直径LD为5mm以上且11mm以下的范围中，实现宽带化。认为在使高度H以及上表面的直径UD变化±20％，在高度H为0.4mm以上且0.6mm以下的范围、以及上表面的直径UD为0.8mm以上且1.2mm以下的范围中，通过将底面的直径LD设定为5mm以上且11mm以下的范围内，能够实现足够的宽带化。将电介质部件20的尺寸的该范围设为第二合适范围。

并且，从图3所示的模拟结果可知，在将底面的直径LD设为2mm时，在高度H为0.8mm以上且1mm以下的范围、以及上表面的直径UD为0.6mm以上且1.2mm以下的范围中，实现宽带化。认为在使底面的直径LD变化±20％，在底面的直径LD为1.6mm以上且2.4mm以下的范围中，通过将高度H设定为0.8mm以上且1mm以下的范围内，并将上表面的直径UD设定为0.6mm以上且1.2mm以下的范围内，能够实现足够的宽带化。将电介质部件20的尺寸的该范围设为第三合适范围。

电介质部件20的上述的优选的尺寸根据电介质部件20内的电波的波长而变化。电介质部件20内的电波的波长根据辐射元件11的激励方向上的尺寸以及电介质部件20的相对介电常数εr而变化。更具体而言，电介质部件20内的电波的波长取决于用辐射元件11的激励方向上的尺寸除以相对介电常数εr的平方根而得到的值(以下，称为基准值。)。

在第一实施例的上述模拟中，将辐射元件11的一边的长度L设为0.8mm，所以辐射元件11的激励方向上的尺寸为0.8mm。并且，在上述模拟中，将电介质部件20的相对介电常数εr设为6.4。因此，该情况下的基准值约为0.316mm。基于该基准值来决定电介质部件20的尺寸的优选的范围即可。

电介质部件20的尺寸的上述的第一合适范围能够基于基准值如以下那样表示。高度H的第一合适范围为基准值的1.5倍以上且3.2倍以下，底面的直径LD的第一合适范围为基准值的6.3倍以上且35倍以下，上表面的直径UD的第一合适范围为基准值的1.8倍以上且3.8倍以下。

电介质部件20的尺寸的上述的第二合适范围能够基于基准值如以下那样表示。高度H的第二合适范围为基准值的1.2倍以上且1.9倍以下，底面的直径LD的第二合适范围为基准值的15倍以上且35倍以下，上表面的直径UD的第二合适范围为基准值的2.5倍以上且3.8倍以下。

电介质部件20的尺寸的上述的第三合适范围能够基于基准值如以下那样表示。高度H的第三合适范围为基准值的2.5倍以上且3.2倍以下，底面的直径LD的第三合适范围为基准值的5倍以上且7.6倍以下，上表面的直径UD的第三合适范围为基准值的1.8倍以上且3.8倍以下。

并且，电介质部件20由均质的电介质材料形成，是不具有二次粘合部或机械接合部的一体成形品。因此，容易使倾斜的侧面平滑。通过使侧面平滑，能够抑制电波的散射。另外，由于在电介质部件20的内部不存在界面，所以不会产生由界面引起的电波的散射。其结果是，能够抑制由散射引起的损耗。并且，由于不进行二次粘合或机械接合，所以制造是容易的，也难以产生个体间的质量的偏差。

并且，由于第一实施例的电介质部件20的形状为圆台，所以针对与其高度方向平行地入射的电波不具有焦点。例如，在电介质部件具有焦点的情况下，若在焦点配置辐射元件，则辐射元件和电介质部件作为电介质透镜天线进行动作。该情况下，若电介质部件与辐射元件的相对位置偏移，则天线特性变化较大。在第一实施例中，由于电介质部件20不具有焦点，所以相对于电介质部件20与辐射元件11(图1)的相对位置偏移的天线装置的特性的变化较少。因此，在组装天线装置时，不要求如将辐射元件对准焦点位置那样的极高的位置精度。

在第一实施例中，作为负载到天线装置的电介质部件20，使用均质且不具有焦点的电介质部件，但也可以使用满足“均质”以及“不具有焦点”中的至少一个条件的电介质部件20。

[第二实施例]

接下来，参照图5以及图6，对第二实施例的天线装置进行说明。以下，对于与第一实施例的天线装置(图1、图2)共同的结构，省略说明。

图5是第二实施例的天线装置的立体图。在第一实施例中，电介质部件20(图1)为圆台形状，但在第二实施例中，电介质部件20为圆锥形状。这相当于第一实施例的电介质部件20的上表面的直径UD(图2)为0的情况。

图6是表示第二实施例的天线装置的回波损耗S11与频率之间的关系的模拟结果的图表。横轴用单位“GHz”表示频率，纵轴用单位“dB”表示回波损耗S11。图6的图表的附于实线以及虚线的带括号的2个数字从左到右依次表示高度H以及底面的直径LD。为了参考，利用以间隙划分的线要素相对较长的虚线表示将电介质部件的形状设为长方体的情况下的回波损耗S11。

明白在圆锥形状的电介质部件20的高度H为0.5mm以上且2.5mm以下的范围、以及底面的直径LD为2mm以上且11mm以下的范围中，能够实现与将电介质部件20设为长方体的情况同等或者其以上的宽带化。这样，即使将电介质部件20设为圆锥形状，也能够获得与第一实施例同样的优异的效果。

[第三实施例]

接下来，参照图7、图8A以及图8B，对第三实施例的天线装置进行说明。以下，对于与第一实施例的天线装置(图1、图2)共同的结构，省略说明。

图7是第三实施例的天线装置的立体图。在第一实施例中，在基板10上配置有一个辐射元件11和一个电介质部件20。在第三实施例中，一个辐射元件11和一个电介质部件20成为一个结构单位25，多个结构单位25配置在1枚基板10上。例如9个结构单位25配置成3行3列的矩阵状，而构成阵列天线。

定义如下的xyz正交坐标系：将在俯视时供电线12从辐射元件11延伸的方向设为x轴的正方向，将与其正交的方向设为y轴方向，将基板10的上表面的法线方向设为z轴的正方向。通过模拟求出第三实施例的天线装置的天线增益与从法线方向(z轴的正方向)的倾斜角之间的关系。

图8A是表示天线增益与从法线方向向x轴方向的倾斜角θx之间的关系的图表。图8B是表示天线增益与从法线方向向y轴方向的倾斜角θy之间的关系的图表。图8A以及图8B的图表的横轴分别用单位“度”表示倾斜角θx以及θy，纵轴用单位“dB”表示天线增益。图8A以及图8B的图表的粗实线表示第三实施例的天线装置的天线增益，虚线表示将电介质部件20(图7)设为长方体形状的天线装置的天线增益，细实线表示未配置电介质部件的天线装置的天线增益。此外，将圆台形状的电介质部件20的高度设为1mm，将底面的直径设为2mm，将上表面的直径设为0.6mm。将长方体形状的电介质部件20的底面设为一边的长度为2.5mm的正方形，将高度设为0.5mm。这些形状以及尺寸是进行最优化以获得优选的天线特性的值。在x轴方向以及y轴方向的两方，将辐射元件11的中心间距离设为2.5mm。动作频率设为60GHz。

从模拟结果可知，通过针对每个辐射元件11负载圆台的电介质部件20，与不负载电介质部件的情况相比，能够在－30°以上且30°以下的倾斜角的范围中获得较大的天线增益。另外，明白与将电介质部件20设为长方体形状的结构相比，也能够在－30°以上且30°以下的倾斜角的范围中获得较大的天线增益。这样，通过将圆台的电介质部件20应用于阵列天线，能够获得较大的天线增益。另外，与第一实施例同样地能够实现宽带化。

[第四实施例]

接下来，参照图9A，对第四实施例的天线装置进行说明。以下，对于与第一实施例的天线装置(图1、图2)共同的结构，省略说明。

图9A是第四实施例的天线装置的立体图。第一实施例的电介质部件20(图1)为圆台形状。与此相对，第四实施例的电介质部件20是四棱台形状。电介质部件20的底面以及上表面的各边与辐射元件11的边平行地配置。与第一实施例的情况同样地，在俯视时，电介质部件20的底面的中心、上表面的中心以及辐射元件11的中心配置在相同的位置。

接下来，对第四实施例的电介质部件20的优选的尺寸进行说明。第四实施例的电介质部件20的高度的优选的范围与第一实施例的电介质部件20的高度的优选的范围相同。电介质部件20的底面以及上表面的优选的尺寸可以由其面积规定。底面以及上表面的面积的优选的范围分别与第一实施例的电介质部件20的圆形的底面以及圆形的上表面的面积的优选的范围相同。

接下来，对第四实施例的优异的效果进行说明。即使将电介质部件20设为四棱台形状，电波也在电介质部件20的内部反射而产生复合谐振。因此，与第一实施例的情况同样地能够实现天线装置的宽带化。

接下来，对第四实施例的变形例进行说明。如图9B所示，也可以将电介质部件20设为四棱锥形状。并且，也可以将电介质部件20设为底面以及上表面为四边形以外的多边形的棱台形状或者棱锥形状。

为了减少天线特性的方位依赖性，优选将电介质部件20设为以与高度方向平行的轴为旋转中心而具有旋转对称性的形状。在电介质部件20的底面以及上表面为长方形的情况下，电介质部件20具有2相对称性，在电介质部件20的底面以及上表面为正方形的情况下，具有4相对称性，在电介质部件20的底面以及上表面为圆形的情况下，具有圆对称性。

[第五实施例]

接下来，参照图10，对第五实施例的通信装置进行说明。

图10是第五实施例的通信装置的局部立体图。第五实施例的通信装置包括壳体30以及收纳于壳体30的天线装置32。此外，在图10中，仅示出壳体30的一部分。作为天线装置32，使用第三实施例的天线装置(图7)。

壳体30的一部分与天线装置32的基板10的上表面隔开间隔地对置。壳体30中的与基板10的上表面对置的部分(以下，称为天线对置部分。)由金属等导电性材料形成。在壳体30的天线对置部分设置有多个圆形的开口31。多个开口31与辐射元件11对应地配置，在俯视时，辐射元件11包含在对应的开口31中。

接下来，对第五实施例的优异的效果进行说明。

在第五实施例中，从辐射元件11辐射的电波不会被金属等的壳体30遮挡，而通过开口31辐射到壳体30的外侧的空间。为了使电波高效地辐射到壳体30外，优选开口31为包含对应的辐射元件11的3dB波束宽度的范围的大小。并且，除了与辐射元件11对应地配置的开口31之外，也可以在与辐射元件11对应的部分以外设置开口31。由此，获得抑制从法线方向倾斜的方向上的天线增益的降低这个效果。

接下来，对第五实施例的变形例进行说明。

在第五实施例中，将开口31的形状设为圆形，但也可以设为其它形状。此外，在特定的面内进行波束赋形的情况下，也可以将开口31的形状设为在与进行波束赋形的面平行的方向上较长的形状、例如椭圆或跑道型的形状。在该情况下，也可以针对在与进行波束赋形的面平行的方向上排列的多个辐射元件11设置一个开口31。

在第五实施例中，将开口31设为开放的状态，但也可以利用电介质部件封闭开口31。

上述的各实施例为例示，当然能够进行不同实施例所示的结构的局部置换或组合。对于多个实施例的基于同样的结构的同样的作用效果，不在每个实施例中依次提及。并且，本发明并不限于上述的实施例。例如能够进行各种变更、改进、组合等，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。

附图标记说明：10…基板；11…辐射元件；12…供电线；13…导通孔导体；15…接地导体；17…粘合剂层；20…电介质部件；25…结构单位；30…壳体；31…开口；32…天线装置。

Claims

1.一种天线装置，具有：

贴片天线，包括设置于基板的辐射元件以及接地导体；以及

在将上述辐射元件的法线方向设为高度方向并将与上述高度方向垂直的虚拟平面设为基准面时，上述电介质部件包括相对于上述基准面倾斜的侧面、朝向上述辐射元件侧的底面以及与底面朝向相反侧的上表面，

在将用上述辐射元件的激励方向上的尺寸除以上述电介质部件的相对介电常数的平方根而得到的值设为基准值时，

上述天线装置具有从由以下特征构成的组中选择出的至少一个特征：

上述电介质部件的上表面的面积为直径为上述基准值的1.8倍的圆的面积以上且直径为上述基准值的3.8倍的圆的面积以下的特征；

上述电介质部件的高度为上述基准值的1.5倍以上且3.2倍以下的特征；以及

上述电介质部件的底面的面积为直径为上述基准值的6.3倍的圆的面积以上且直径为上述基准值的35倍的圆的面积以下的特征。

2.根据权利要求1所述的天线装置，其中，

3.根据权利要求1或者2所述的天线装置，其中，

上述电介质部件的形状是圆锥、圆台、棱锥或者棱台。

4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的天线装置，其中，

上述电介质部件以与上述高度方向平行的轴为旋转中心具有旋转对称性。

5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的天线装置，其中，

一个上述辐射元件以及一个上述电介质部件成为一个结构单位，多个上述结构单位设置于上述基板而构成阵列天线。

6.一种天线装置，具有：

贴片天线，包括设置于基板的辐射元件以及接地导体；以及

上述电介质部件针对与上述高度方向平行地入射的电波不具有焦点，

上述电介质部件的底面的中心、上表面的中心以及上述辐射元件的中心在俯视时一致。