CN115336106A - 平面天线及具备该平面天线的高频模块 - Google Patents

平面天线及具备该平面天线的高频模块 Download PDF

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CN115336106A CN202180024242.2A CN202180024242A CN115336106A CN 115336106 A CN115336106 A CN 115336106A CN 202180024242 A CN202180024242 A CN 202180024242A CN 115336106 A CN115336106 A CN 115336106A
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Abstract

平面天线或具备该平面天线的高频模块具有容易进行用于宽频带范围内的阻抗匹配的调整的构造，低成本且在准毫米波段以上的频率下也能够使用。若以图1的平面天线(1)的例子进行说明，则如以下那样。即，平面天线(1)具有：形成在背面成为接地面(11)的印刷基板(10)的表面上的辐射元件(21)；馈电线路(22)；分别与接地面(11)导通、且以隔着馈电线路(22)彼此相对的方式配置的第1接地元件(23)及第2接地元件(24)；从第1接地元件(23)延伸以使得包围辐射元件(21)的一部分的第1无源元件(25)；和从第2接地元件(24)延伸以使得从与第1无源元件(25)相反的方向包围辐射元件(21)的一部分的第2无源元件(26)。第1接地元件(23)及第2接地元件(24)作为馈电线路(22)的阻抗匹配器而工作，第1无源元件(25)及第2无源元件(26)作为辐射元件(21)的信号相位的调整器而工作。

Description

平面天线及具备该平面天线的高频模块
技术领域
本发明涉及能够在准毫米波段以上的频带中使用的平面天线及具备该平面天线的高频模块。
背景技术
在微波波段以上的高频带中使用的平面天线会大幅受到因与馈电线路之间的匹配好坏和有无配置在天线附近的其他高频零件等导致的影响。另外，对于这种平面天线，具有将可用频率范围宽频带化的要求。
关于这方面，专利文献1所公开的平面天线具备配置在与平面天线相同的平面上的中心导体和接地导体。中心导体与平面天线导通连接。接地导体从中心导体隔开间隔地形成在中心导体的两侧。在接地导体中的与平面天线的连接部附近，形成有其缘部的距中心导体的距离随着接近平面天线而大致单调增大的倾斜区域。通过形成倾斜区域，虽然为平面型但在比较宽的带宽的频率范围内进行平面天线与传送线路的匹配。
专利文献2所公开的平面天线不是如专利文献1那样调整作为传送线路的接地导体的形状，而是利用多重谐振效应使平面天线宽频带化。即，在电介质基板上配置具有间隙的环形导体并且在环形导体的内部配置直线导体。并且，对直线导体的基端部和环形导体平衡馈电。由此，使环形导体作为环形辐射元件而工作，并且使直线导体作为单极天线的辐射元件而工作。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-121643号公报
专利文献2：日本特开2011-217204号公报
发明内容
在专利文献1所公开的平面天线中，在以微带构成中心导体和接地导体的情况下，使用频率越高则基板和各导体的尺寸就越小。因此，可调阻抗的变化量小。另外，倾斜区域的调整与切出矩形区域等的情况相比作业复杂。因此，用于匹配的调整作业花费时间。
在专利文献2的平面天线的结构中，无法将电介质基板的背面设为接地面。因此，必须在电介质基板的背面侧以分隔0.1左右的使用频率的波长的方式平行配置金属反射板。
另外，在1～10GHz频段前后使用的基板通常是以玻璃环氧树脂为基料的FR(FlameRetardant)-4等级的印刷基板(“FR-4基板”)。关于印刷基板，绝缘体的介电常数ε越低则信号的传送速度就越高，使用频带越高则传送损耗就越大。因此，以往对于在准毫米波段以上的频率下使用的印刷基板，不使用介电常数ε高的FR-4基板，而是使用以低介电常数且低损耗的氟树脂为绝缘体的高频基板。但是，高频基板比FR-4基板贵几十倍。不仅如此，在机械特性(强度、耐性)、加工的方面还劣于FR-4基板。因此，可在准毫米波段以上的频率下使用的平面天线的量产化极其困难。
而且，若将安装辐射元件的基板加厚，则在辐射效率和耐久方面性能会变好，但容易发生失配。例如设为与后级的电路连接的馈电线路的特性阻抗是50Ω。在该情况下，适合于基板的介电常数的馈电线路的宽度必须变大，但若馈电线路的宽度变大，则会难以匹配。而且，若发生失配，则馈电线路自身会作为辐射元件而工作，从而发生因不必要的辐射导致的辐射增益降低和电场强度扩散即波束畸变。
本发明的目的的一个例子为使得平面天线或具备该平面天线的高频模块能够以低成本且在准毫米波段下使用。
本发明的一个方案是形成于背面成为接地面的基板的表面的平面天线，其特征在于，具有：辐射元件；与上述辐射元件连接的馈电线路；分别与上述接地面导通、且隔着上述馈电线路向相反方向铺设的第1接地元件及第2接地元件；从上述第1接地元件延伸以使得包围上述辐射元件的至少一部分的第1无源元件；和从上述第2接地元件延伸以使得从与上述第1无源元件相反的方向包围上述辐射元件的至少一部分的第2无源元件，上述第1接地元件及第2接地元件作为上述馈电线路的阻抗匹配器及上述辐射元件的反射器而工作，上述第1无源元件及上述第2无源元件作为上述辐射元件的信号相位的调整器及引向器而工作。
本发明的其他方案为包含天线部的高频模块，该天线部存在于背面成为接地导体的印刷基板的表面，上述高频模块的特征在于，上述天线部为上述方案的平面天线，该平面天线在26GHz频段以上的频带下工作。
发明效果
根据上述各方案，在平面天线或具备该平面天线的高频模块中，能够抑制因有无配置在辐射元件附近的其他高频部件等造成的影响。另外，能够以低成本实现容易进行用于在准毫米波段以上的频率下且宽频带范围内的阻抗匹配的调整的构造。
附图说明
图1是表示第1实施方式的平面天线的结构例的六视图。
图2是表示第1实施方式的平面天线的尺寸等的说明图。
图3是第1实施方式的平面天线中的频率-VSWR特性图。
图4是表示第1实施方式的平面天线中的辐射图案的图。
图5是表示比较例1的平面天线中的辐射图案的图。
图6是表示比较例2的平面天线中的辐射图案的图。
图7A是在辐射元件附近不存在高频电子零件等的情况下的辐射图案。
图7B是在辐射元件附近存在高频电子零件等的情况下的辐射图案的图。
图8是表示第2实施方式的平面天线的结构的一部分的图。
图9是表示第3实施方式的平面天线的结构的一部分的图。
具体实施方式
[第1实施方式]
以下说明将本发明适用于能够在5G(第五代移动通信系统)的高频带即28GHz带(26.5GHz～29.5GHz)下使用、且倾角为从接地面相对于铅垂上方约15度的平面天线的情况下的实施方式例。
图1是表示第1实施方式的平面天线的结构例的六视图。图2是表示各结构要素的尺寸及配置间隔等的图。
图1所示的平面天线1具有铺设在背面成为接地面11的印刷基板10的表面上的天线部20。
印刷基板10是在本申请的申请时间点的技术水准下从强度和耐久性的观点来看是充分的但由于在5G的频带下损耗大所以被视为不适合使用的玻璃环氧基板、例如FR-4基板(双面基板)。
在第1实施方式中，为了使印刷基板10尽可能小型，而设为长边尺寸W10为18mm、短边尺寸D10为15mm、厚度T10为0.6mm、介电常数ε为4.0的通用品的印刷基板10。印刷基板10的背面的接地面11为厚度18μm的铜箔面。能够实现将这样的通用且便宜的FR-4基板用作印刷基板10、且可在5G的高频带即28GHz频段下使用的平面天线1是基于以下所说明的天线部20的特征构造。
天线部20具有以厚度18μm的导体膜图案化得到的辐射元件21、馈电线路22、第1接地元件23、第2接地元件24、第1无源元件25、第2无源元件26。导体膜例如为铜箔、银箔、金箔中的某一个，构成微带。这些结构要素21～26的形状及配置位置如图1及图2所示那样相对于馈电线路22的中心轴的延长线对称。由于厚度极小，所以在图1的左侧面、前表面、后表面及图2的前表面中，省略了这些结构要素21～26。
天线部20还具备例如在平面展开时及俯视时为长方形状、在从侧面观察时为大致コ字状(大致J字形状)的金属薄板元件27。此外，金属薄板元件27也可以在从侧面观察时为大致L字形状。关于金属薄板元件27的形状、构造，将在后叙述。
辐射元件21可以是作为谐振型天线而工作的任意形状。第1实施方式的辐射元件21是被设计成在28GHz频段下谐振的尺寸的大致长方形状。该辐射元件21的短边的尺寸L211为28GHz频段的中心频率(28.0GHz)的波长的大致3/8(在本例中为2.35mm)，长边的尺寸L212为上述波长的大致1/2(在本例中为2.9mm)。
在辐射元件21中产生NULL点。NULL点是受辐射时的反射波或干涉波等的影响而高频电流消失的区域。在天线工程学中，通常是以尽可能减少NULL点的产生的方式设计辐射元件的形状和尺寸，且在无法避免其产生的情况下设法对反射波赋予相位差等来避免。但是，在第1实施方式中，将积极地灵活运用该NULL点。
即，在第1实施方式中，将在辐射元件21中产生NULL点的部位设为与馈电线路22的连接部位即馈电点211。由此，即使由于印刷基板10变厚而馈电线路22的宽度变大、或者印刷基板10的介电常数ε产生偏差而由此容易发生失配，也能够使因其对天线特性(VSWR等、指向特性等)造成的影响极小。另外，能够防止由此导致的来自馈电线路22的不必要辐射。这是在准毫米波段以上的高频带下也能够使用便宜的FR-4基板的理由之一。
关于馈电点211的形状，为了消除辐射元件21与馈电线路22的不必要的反射，或者为了微调阻抗匹配，而在图1及图2的例子中，示出了向馈电线路22的方向稍微突出的矩形的例子。但是，突出部分的外缘形状并不限定于图示的形状。例如也可以为弧状或梯形状。另外，也可以不是朝向馈电线路22突出的形状，而是向辐射元件21的内部凹陷的形状，将最凹陷的部位设为馈电点211。
馈电线路22以从未图示的外部电路延伸来的一部分的线路宽度W221(在本例中为1.1mm)不久就阶梯性地变小至线路宽度W222(在本例中为0.8mm)、且在馈电点211附近成为最小的线路宽度W223(在本例中为0.2mm)的方式成形。
馈电线路22的特性阻抗从将线路宽度W和印刷基板10的介电常数ε等包含于变量的周知的微带线路的特性阻抗的计算式唯一导出。在本例中，设为在馈电点211的部分处为约210～230Ω(通过上述突出部分的外缘形状的调整而修正成约200Ω)，在线路宽度W221的部分处为与未图示的电路的输出相匹配的特性阻抗，在线路宽度W222的部分处为约50Ω，在线路宽度W223的部分处为约100Ω。也就是说，在本例的馈电线路22中，形成有线路宽度W221阶梯性地变成线路宽度W222的第1特性阻抗变化点、和线路宽度W222变成线路宽度W223的第2特性阻抗变化点。但是，第1特性阻抗变化点及第2特性阻抗变化点的位置能够根据与匹配所需的第1接地元件23及第2接地元件24之间的间隔而适当调整。
此外，虽然特性阻抗变化点的数量在第1实施方式中为两个，但也可以为三个以上。像这样，由于将馈电线路22设为形成多个特性阻抗变化点的形状，所以能够在宽频带范围内实现阻抗匹配。
在此，使馈电线路22的线路宽度W221阶梯性地变化成线路宽度W222、使线路宽度W222阶梯性地变化成线路宽度W223主要是为了使用于特性阻抗匹配的微调作业容易进行。
即，使馈电线路22的两外缘的切除量准确一致时的作业例如与成形为倾斜状的作业相比大大简化。另一方面，从馈电线路22的线路宽度W222向线路宽度W223成形为随着趋向馈电点211以倾斜状变小。这是为了与馈电点211的情况同样地消除与线路宽度W223的不必要的反射。因此，在不产生不必要的反射的情况下，从线路宽度W222向线路宽度W223变化的角度可以为锐角。
第1接地元件23及第2接地元件24在第1实施方式中为大致长方形状的面状，分别通过印刷基板10的背面的接地面11和多个导电性通孔111而导通。因此，通过对天线部20提供足够大的面积的接地电位面，能够使动作稳定。
第1接地元件23的长边的长度L231期望设定成28GHz频段中的高频侧的频率。在本例中设定成29.0GHz的频率的大致1波长(在本例中为5.0mm)。另外，短边的长度L232设为上述频率的大致1/2波长或大致5/8波长(在本例中为3.5mm)。但是，馈电线路22的距第2特性阻抗变化点近的部分及辐射元件21的距馈电部位近的部分与除此以外的部分相比尺寸稍大。这些是为了在更宽的带宽中进行阻抗匹配的措施。
辐射元件21、馈电线路22、第1接地元件23通过以各自的间隔产生的电抗而实现阻抗匹配。但是，由于印刷基板10的背面为接地面11，所以辐射元件21与接地面11强烈地电场耦合。因此，为了在辐射元件21和第1接地元件23得到大的电抗，而需要缩小间隔来实现匹配。但是，由于电抗变化在28GHz频段下灵敏，所以难以进行阻抗的微调。因此，在第1实施方式中，设置了用于使电抗的微调容易进行的特性阻抗变化部。
特性阻抗变化部将辐射元件21与第1接地元件23(或第2接地元件24)之间的间隔(由此产生的第1间隙)、和馈电线路22与第1接地元件23(或第2接地元件24)之间的间隔(由此产生的第2间隙)设为主要要素。通过第1间隙确保所需大小的电抗。另外，第2间隙阶梯性地变化，由此特性阻抗发生变化。第1实施方式的特性阻抗变化部在线路宽度W222中的与馈电点211附近相对的部分处成为最小的间隔D223(0.15mm)，在线路宽度W222中的与上述鼓出的部分以外的部分相对的部分处成为最大的间隔D222(0.5mm)，在线路宽度W222中的与上述鼓出的部分相对的部分处成为普通的间隔D221(0.3mm)。并且，通过在该间隔内调整线路宽度W223与线路宽度W222的变化点、线路宽度W222与线路宽度W221的变化点的位置，能够进一步使电抗变化，进行特性阻抗的微调，从而实现匹配。由此，能够在辐射元件21的距馈电部位近的部分处实现大体的匹配，并通过馈电线路22的特性阻抗变化点进行阻抗匹配的微调，从而能够实现宽频带范围内的阻抗匹配。
此外，第2接地元件24的形状、尺寸及配置与第1接地元件23相同。虽然以上的说明是关于第1接地元件23与辐射元件21及馈电线路22之间的间隔的说明，但该说明对于第2接地元件23与辐射元件21及馈电线路22之间的间隔也是同样的。因此，在图2中省略尺寸等的说明。
像这样，第1接地元件23及第2接地元件24作为所接近的辐射元件21的阻抗匹配元件(一个阻抗匹配机构)而工作。第1接地元件23及第2接地元件24也还如上述那样与线路宽度阶梯性地变化的馈电线路22一起作为能够实现宽频带范围内的阻抗匹配的特性阻抗变化部(另一个阻抗匹配机构)而工作。因此，即使印刷基板10的介电常数ε存在偏差，也能够容易实现阻抗匹配。
也就是说，通过后述的第1无源元件25及第2无源元件26的作为谐振元件的动作、或者它们与能够进行电抗的阶梯性的匹配微调的特性阻抗匹配机构的协作，能够将可用频带宽频带化。这也是即使将通用且便宜的FR-4基板用作印刷基板10且增大馈电线路22的宽度也能够在准毫米波段下得到充分的天线特性的理由之一。
另外，第1接地元件23及第2接地元件24的各自的长边为在使用频率下作为辐射元件21的反射器而工作的长度L231。因此，能够以使从辐射元件21向馈电线路22的方向的辐射反射的方式工作，从而防止来自馈电线路22的不必要辐射。另外，能够抑制因存在于馈电线路22的方向的其他高频零件等导致的辐射图案的变形和辐射增益的降低。
第1无源元件25从第1接地元件23以包围辐射元件21的一部分的方式延伸。在此，以呈大致L字形状包围辐射元件21的方式配置第1无源元件25。该第1无源元件25的基端在比馈电元件21稍靠馈电线路22侧、且在从辐射元件21的外缘稍离开的位置，与第1接地元件23一体化。第1无源元件25在俯视时与馈电线路22的中心轴的延长线平行地从基端沿着辐射元件21的外缘形状延伸几乎第1接地元件23的短边的长度L232。并且，伴随着辐射元件21的外缘形状的约90度的变化，第1无源元件25也改变朝向呈L字状延伸，其前端成为开路端。开路端的长度L253在本例中为1.6mm，但并不限于此。
另外，第2无源元件26成为从第2接地元件24以从与第1无源元件25相反的方向包围辐射元件21的方式在俯视时呈L字状延伸的开路端。第1无源元件25和第2无源元件26的开路端彼此隔开间隙D25而相对。间隙D25的中间点在馈电线路22的中心轴的延长线上。
第1无源元件25与第1接地元件23导通。另外，第2无源元件26与第2接地元件24导通。而且，第1接地元件23及第2接地元件24与印刷基板10的背面的接地面导通。因此，第1无源元件25及第2无源元件26也作为后述的辐射元件21的信号相位的调整器而工作。
第1无源元件25及第2无源元件26另外也作为用于多重谐振的谐振元件而工作。即，在各无源元件25、26中有高频的接地电流流动，与辐射元件21电感耦合，由此辐射元件21被以谐振频率激励。各无源元件25、26被设定成在28GHz频段的中心频率以外的使用频率下谐振的长度(L251(在本例中为5mm)+L252(在本例中为2.7mm))。能够通过该辐射元件21和各无源元件25、26多重谐振的效应使可用频率为宽频带。另外，能够提高增益。
各无源元件25、26还被设计成使与第1接地元件23及第2接地元件24的长边长度平行的部分的长度L252比28GHz频段的波长的1/2稍短。由此，各无源元件25、26中的与第1接地元件23及第2接地元件24的长边大致平行的部分作为引向器而工作。因此，来自辐射元件21的辐射图案中的一部分能够向与第1接地元件23及第2接地元件24相反的方向倾斜。
第1接地元件23和第1无源元件25虽然形状彼此不同，但在从馈电点211(Null点)观察时，处于在高频电流方面对称的位置关系(包含尺寸在内)。即，保持了馈电点211处的电场彼此的平衡以及磁场彼此的平衡。另外，第1接地元件23及第1无源元件25与辐射元件21之间也处于各自在高频电流方面对称的位置关系(包含与辐射元件21之间的间隔在内)。因此，不仅第1接地元件23与无源元件25之间，而且包含辐射元件21在内也是，保持了馈电点211处的电场彼此的平衡以及磁场彼此的平衡。这样的位置关系在第2接地元件24与第2无源元件26之间、以及第2接地元件24及第2无源元件26与辐射元件21之间也是同样的。
以馈电线路22的中心轴为中心，第1接地元件23和第2接地元件24相互对称地配置，第1无源元件25和第2无源元件26相互对称地配置，这一方面如上所述。即，第1接地元件23和第2接地元件24、以及第1无源元件25和第2无源元件26在构造上也处于对称的位置关系。由此，平面天线1的馈电点211处的高频电流不会不平衡，动作稳定。此时，馈电点211附近的辐射如偶极天线那样成为NULL点。
接下来，详细地说明金属薄板元件27。金属薄板元件27的宽度(短边)W27(在本例中为2.6mm)的基端部被锡焊在辐射元件21的表面。另外，在从辐射元件21向铅垂上方突出了高度H27(在本例中为1.8mm)后，在弯曲点处以锐角改变朝向，与辐射元件21大致平行地延伸长度L27(3.5mm)，前端部成为自由端。
金属薄板元件27的线路宽度W27被设定成等于或略窄于辐射元件21的长边。这是为了使金属薄板元件27的自由端作为辐射元件21的引向器而工作。在弯曲点处以锐角改变朝向是由于这样更容易设计。自由端的部分在俯视时与第1无源元件25的开路端的一部分及第2无源元件26的开路端的一部分重合。因此，成为通过电场耦合产生容抗的构造。
金属薄板元件27作为辐射元件21的信号相位的调整器而工作，并且，作为引向器而工作，还作为辐射图案的指向特性及倾角的调整元件而工作。
即，为了稳定地维持平面天线1的VSWR特性和指向特性、或者增大NULL点处的下降(衰减)，而需要更可靠地保持高频电流的平衡。高频电流的平衡能够通过改变各接地元件23、24的形状来进行调整。但是，辐射元件21是微带(贴片)，若改变辐射元件21、各接地元件23、24的某处的形状和尺寸，则其他部分的形状也需要连锁地改变。因此，上述调整实际困难。
关于金属薄板元件27，仅通过改变其长度L27、并由此使通过自由端的部分与各无源元件25、26的开路端的电场耦合产生的容抗变化，就能够用作信号相位的调整机构。因此，通过使用金属薄板元件27，容易进行高频电流的平衡调整。
另外，通过改变金属薄板元件27的长度L27，高频电流的矢量及引向器的位置发生变化。因此，通过使用金属薄板元件27，辐射图案的倾角的控制也变得容易。根据本发明人的实验，判明了只要基于图2所示的尺寸、配置，就能够使倾角变化至30度左右。
在图3中示出了基于第1实施方式的平面天线1得到的频率-VSWR特性例。图3是模拟器的基于上述的各结构要素的材质、形状、尺寸、配置的输出结果。根据图3，可知在平面天线1中，在28GHz频段(26.5GHz～29.5GHz)下VSWR成为2以下。这可以认为主要是因为第1接地元件23及第2接地元件24作为馈电线路22的阻抗匹配机构在有效地工作，且第1无源元件25及第2无源元件26作为辐射元件21的谐振元件在有效地工作。
像这样，可知本实施方式的平面天线1是使用通用且便宜的FR-4基板且也容易进行阻抗匹配及其微调的构造，是机械强度也充分的低成本的天线，同时能够在28GHz频段下在3GHz以上的宽频带范围内稳定地确保增益。
接下来，验证平面天线1中的辐射图案。图4是表示模拟器的基于上述的各结构要素的材质、形状、尺寸、配置的输出结果的图。为方便起见，在图4中，定义作为正交三轴的X轴、Y轴、Z轴。在该正交三轴中，+Z方向为馈电点211的铅垂上方，+X方向为从馈电点211朝向临近的第1无源元件25的方向，-X方向为从馈电点211朝向临近的第2无源元件26的方向，+Y方向为从馈电点211朝向间隙D25的中间点的方向，-Y方向为从馈电点211朝向馈电线路22的方向。
在本说明书中，为方便起见，将俯视观察印刷基板10时看到的面称为“XY面”，将从侧面(短边)观察印刷基板10时看到的面称为“YZ面”，将从馈电线路22的方向正面(长边)观察印刷基板10的馈电点211时看到的面称为“XZ面”。
在图4中，俯视图像及侧视图像示出了来自辐射元件21的辐射图案。图4的左图是将其扩散和电场强度的大小视觉化表现出的图。在图中，表示扩散越大则电场强度的产生范围越广，颜色越浓则电场强度越大。另外，图4的右图表示辐射增益特性。在图中，关于XZ面的辐射图案，在XZ面上从馈电点211将+Z方向设为0度，以该0度为中心，在向+X方向每-5度直至-90度为止的范围内，以及在向-X方向每+5度直至+90度为止的范围内，相对的辐射增益的大小(dBi)被以同心圆状的虚线示出为0.00、-10.00(dBi)、-20.00(dBi)。关于YZ面的辐射图案，在YZ面上从馈电点211将+Z方向设为0度，以该0度为中心，在向+Y方向每-5度直至-90度为止的范围内，以及在向-Y方向每+5度直至+90度为止的范围内，相对的辐射增益的大小(dBi)被以同心圆状的虚线示出为0.00、-10.00(dBi)、-20.00(dBi)。
参照图4，平面天线1在XZ上表面上辐射图案向+X方向及-X方向大致均等地扩散，在馈电线路22附近辐射增益相对地大幅下降。也就是说，辐射增益急剧降低。另外，如俯视图像及XZ面的辐射图案所示，与+Z方向、+Y方向及-Y方向相比，辐射图案的扩散聚拢成束状，辐射增益提高。而且，如侧视图像及YZ面的辐射图案所示，在YZ面上，辐射增益提高的部分向+Y方向倾斜。也就是说，辐射图案倾向+Y方向。由于辐射图案不向-Y方向倾斜，所以可知来自馈电线路22的不必要辐射和对后级侧造成的影响无限接近零。
辐射图案不向-Y方向倾斜是因为第1接地元件23及第2接地元件24作为辐射元件21的反射器而工作，第1无源元件25的+Y方向的侧面部及第2无源元件26的+Y方向的侧面部以及金属薄板元件27的开路端作为辐射元件21的引向器而工作。
关于倾角，通过改变金属薄板元件27的长度L27及高度H27、与第1无源元件25及第2无源元件26的各自的开路端之间的电容耦合的大小而能够(容易)进行调整。或者，通过改变各接地元件23、24的尺寸、改变高频电流的矢量的方向，也能够(容易)进行调整。
辐射图案以辐射元件21为中心向+X方向及-X方向大致均等地扩散、且在波束聚拢的状态下倾斜是因为辐射元件21周围的第1接地元件23、第2接地元件24、第1无源元件25、第2无源元件26、金属薄板元件27以图2所示的形状、尺寸配置。
另外，在馈电线路22附近辐射增益相对地减小是由于将馈电点211设为辐射元件21的NULL点造成的。关于XY面中的辐射图案，通过改变辐射元件21与第1无源元件25及第2无源元件26之间的间隙等，能够进行调整。
像这样，印刷基板10对辐射图案的影响小也是能够将通用且便宜的FR-4基板用于印刷基板10的理由之一。
[比较例]
本发明人为了更详细地验证基于平面天线1的各结构要素的作用效果，而另行制作了去除各结构要素的一部分得到的比较例1的平面天线，并针对该平面天线，在使材质、尺寸、配置与平面天线1相同的条件下进行了工作的模拟。
图5是表示比较例1的平面天线的辐射图案的图。俯视图像及侧视图像是对来自辐射元件的辐射图案将其扩散和电场强度的大小视觉化表现出的图，关于这一方面以及YZ面的辐射图案的观察方法，与图4相同。该比较例1的平面天线为没有设置金属薄板元件27的结构的平面天线。
在图5中，省略了图4所示的XZ面的辐射图案，这是由于即使是没有设置金属薄板元件27的结构，在XZ面中辐射图案也没有显现出显著差异。可以认为没有显现出显著差异是由于将馈电点211设为辐射元件21的NULL点、以及将馈电线路22和第1接地元件23、第2接地元件24用作阻抗匹配机构所产生的作用。
在与平面天线1之间显现出了显著差异的是YZ面中的辐射图案。即，在比较例1的平面天线中，与平面天线1相比+Y方向的波束的聚拢变缓，NULL点处的下降变小。另外，馈电点附近的辐射图案的扩散与平面天线1相比变广，而且如侧视图像所示，-Y方向的辐射图案的扩散略靠向馈电线路22。这是因为在比较例1的平面天线中没有基于金属薄板元件21实施的相位微调和引向器动作。反过来说，该事实意味着平面天线1的金属薄板元件27作为相位调整和引向器发挥作用的职责大。
此外，在比较例1的平面天线中也是，依然是辐射增益最大的方向向+Y方向倾斜。这是因为通过第1接地元件23及第2接地元件24作为辐射元件21的反射器工作而抑制向第1接地元件23的方向及向第2接地元件24的方向的辐射。另外，是因为第1无源元件25的+Y方向的侧面部及第2无源元件26的+Y方向的侧面部作为辐射元件21的引向器而工作。
接下来，说明比较例2的平面天线。比较例2的平面天线是除了金属薄板元件27以外还没有设置第1无源元件25及第2无源元件26的结构的平面天线。图6是表示比较例2的平面天线的辐射图案的图。俯视图像及侧视图像是对来自辐射元件的辐射图案将其扩散和电场强度的大小视觉化表现出的图，关于这一方面以及YZ面的辐射图案的观察方法，与图4相同。
在图6中，省略了图4所示的XZ面的辐射增益特性，这是因为在XZ面中辐射图案没有显现出显著差异。该事实也还是由于将馈电点211设为辐射元件21的NULL点、以及将馈电线路22和第1接地元件23、第2接地元件24用作阻抗匹配元件所产生的作用。
显现出显著差异的是与图5所示的例子同样的YZ面中的辐射图案。即如图6的俯视图像所示，在比较例2的平面天线中，波束没有聚拢，辐射增益降低，辐射图案的扩散在+X方向、-X方向、+Y方向、-Y方向中的任一方向中变广。另外，关于辐射图案的扩散，与图5的例子相比，相当大地向馈电线路22的方向扩散。这是因为接地的高频电流大幅失衡、NULL点处的下降减小、-Y方向的辐射增强。另外，YZ面没有聚拢是因为没有第1无源元件25及第2无源元件26进行引向器动作。反过来说，该事实意味着平面天线1的第1无源元件25及第2无源元件26中的、尤其作为引向器发挥作用的它们的+Y方向侧面的作用大。
在+Z方向具有指向性的普通的平面天线的情况下，在辐射元件被图案化的印刷基板50上不存在辐射元件以外的高频零件的环境下，成为图7A所示的辐射图案70。若在该印刷基板50上配置其他高频零件60，则如图7B那样，成为被向高频零件60拉近的辐射图案71。在高频零件60被密封部件覆盖的情况下，该倾向变得显著。关于这方面，在第1实施方式的平面天线1附近存在其他高频零件的情况下也是同样的。
在该情况下，只要预先改变金属薄板元件27的尺寸等并使辐射图案的倾角向与存在高频零件的方向相反的方向倾斜，则即使辐射图案被向高频零部件拉近也能够缓和其影响。
像这样，在第1实施方式中，由于用作印刷基板10的FR-4基板在28GHz频段下为高损耗，所以尽可能将其尺寸小型化，并且通过不必要辐射对策、指向性对策以及相位调整对策将辐射增益提高至实用等级。
在不必要辐射对策中，通过在馈电点211处使导电图案成为对称构造而使馈电点211附近成为NULL点。但是，这样一来又有辐射图案被向+X方向及-X方向拉伸(辐射图案裂开)的隐患，而且有辐射图案的一部分漏向-Y方向的隐患。
因此，在第1实施方式的平面天线1中，使第1接地元件23及第2接地元件24也作为辐射元件21的反射器而工作，消除了馈电线路22的不必要辐射(辐射损耗)，并且防止了辐射图案裂开。
在指向性对策中，利用了引向器作用。即，在第1实施方式的平面天线1中，使第1无源元件25的一部分及第2无源元件26的一部分、以及金属薄板元件27的自由端也作为辐射元件21的引向器而工作，将来自辐射元件21的辐射图案聚拢成束状，并且使聚拢的辐射图案向+Y方向倾斜。
相位调整对策是消除存在由于使第1接地元件23、第2接地元件24、第1无源元件25、第2无源元件26、金属薄板元件27接近辐射元件21周围而发生的隐患的调整问题的对策。按照在高频带下的通常想法，使感应产生高频电流(包含矢量成分在内)的导电要素不要接近。但是，在第1实施方式的平面天线1中，能够通过基于在金属薄板元件27的前端部与第1无源元件25的开路端及第2无源元件26的开路端之间产生的电场耦合产生的电抗进行信号相位的调整，而且由于存在两个无源元件，所以能够减少对每一个无源元件的影响。
像这样，第1实施方式的平面天线1作为以磁流(磁场)天线为基础且采用了电场天线的设计思想的复合天线而工作。
[第2实施方式]
图8是表示本发明的第2实施方式的平面天线2的结构的一部分的图，仅示出了与第1实施方式的不同部分。关于与在第1实施方式中说明过的部件相同的结构要素，标注相同的附图标记并省略其说明。
关于该平面天线2，传送线路32从第1无源元件25的开路端与第2无源元件26的开路端之间通过。该传送线路32将辐射元件21作为基端延伸，末端与第2辐射元件33导通连接。第2辐射元件33为与辐射元件21相同的形状及尺寸。第2辐射元件33还在与辐射元件21之间形成阵列构造。传送线路32为使用频率的波长的大致1/2的长度。传送线路32的宽度与连接于馈电点211的馈电线路22的线路宽度W223相同或比其细。
与平面天线1相比，该平面天线2能够通过辐射元件21与第2辐射元件33的相位合成来提高增益。平面天线2还能够进一步聚拢+Y方向上的辐射图案。此外，在图8中，省略了金属薄板元件27，也可以为与平面天线1同样地存在金属薄板元件27的结构。另外，第2辐射元件33并不限定于与辐射元件21相同的形状及尺寸。第2辐射元件33只要为进行与辐射元件21相同那样的辐射、且能够实现信号相位的调整及阻抗匹配的形状及尺寸即可。
[第3实施方式]
图9是表示本发明的第3实施方式的平面天线3的结构的一部分的图，仅示出了与第1实施方式的不同部分。关于与在第1实施方式中说明过的部件相同的结构要素，标注相同的附图标记并省略其说明。
该平面天线3以第1无源元件25的开路端及第2无源元件26的开路端为中心，在与辐射元件21相反的一侧存在多个辅助无源元件36、37。多个辅助无源元件36、37为比第1无源元件25在+Y方向上的侧面部及第2无源元件26在+Y方向上的侧面部的长度稍短的尺寸。多个辅助无源元件36、37被配置在分别与辐射元件21以及第1无源元件25及第2无源元件26在+Y方向上的各侧面部相同的平面内。
另外，辅助无源元件36从第1无源元件25的+Y方向上的侧面部向+Y方向配置在作为针对辐射元件21的引向器而工作的位置。辅助无源元件37从第2无源元件26的+Y方向上的侧面部向+Y方向配置在作为针对辐射元件21的引向器而工作的位置。上述位置为使用频率的波长λ的大致1/4或大致1/8。
在该平面天线3中，+Y方向上的电场强度进一步相互增强，而能够进一步增大倾角。此外，在图9中，省略了金属薄板元件27，也可以为与平面天线1同样地存在金属薄板元件27的结构。另外，在图9中，示出了两个辅助无源元件36、37，但辅助无源元件的数量只要满足了作为引向器而工作的条件，则可以为仅一个，也可以为三个以上。另外，辅助无源元件36、37的形状只要满足了作为引向器而工作的条件，则也可以为矩形或梯形。
[其他实施方式]
在第1至第3实施方式中，说明了适用于能够在28GHz频段(26.5GHz～29.5GHz)下使用的平面天线1、2、3的情况下的例子。但是，通过改变各结构要素的尺寸和间隔，能够作为在26GHz频段(24.25～27.5GHz)或除此以外的频带下使用的平面天线而实施。
另外，在第1至第3实施方式中，作为印刷基板10，说明了使用FR-4基板的情况下的例子，但也能够使用FR-1、FR-2、FR-3、FR-5等级的基板。另外，也能够使用陶瓷基板(氧化铝)、多层基板等。
另外，第1至第3实施方式的平面天线1、2、3能够与例如RF检测器或其他高频零件一起作为可在准毫米波段下使用的一个高频模块而实施。
[利用领域]
期待第1至第3实施方式的平面天线1、2、3作为监视监护(安全和看护)、IoT(内容发送等)、AI(自动驾驶等)、医疗/卫生保健等各种领域中的天线装置的适用。
根据本说明书，提供以下方案。
(方案1)
方案1是形成在背面成为接地面的基板的表面上的平面天线，
具有：辐射元件；与上述辐射元件连接的馈电线路；分别与上述接地面导通、且以隔着上述馈电线路彼此相对的方式配置的第1接地元件及第2接地元件；从上述第1接地元件延伸以使得包围上述辐射元件的至少一部分的第1无源元件；和从上述第2接地元件延伸以使得从与上述第1无源元件相反的方向包围上述辐射元件的至少一部分的第2无源元件，上述第1接地元件及第2接地元件作为上述馈电线路的阻抗匹配器而工作，上述第1无源元件及上述第2无源元件作为上述辐射元件的信号相位的调整器而工作。
根据方案1，第1接地元件及第2接地元件作为所接近的辐射元件的阻抗匹配元件而工作，并且也作为能够实现宽频带范围内的阻抗匹配的特性阻抗变化部而工作。因此，即使基板的介电常数存在偏差，也能够容易实现阻抗匹配。另外，由于第1无源元件及第2无源元件作为谐振元件工作，所以与辐射元件电感耦合，发生多重谐振。通过该多重谐振的效应，能够将可用频率宽频带化。另外，能够提高增益。由此，即使将通用且便宜的FR-4基板用作基板而增大了馈电线路的宽度，也能够以低成本实现可在准毫米波段下得到充分的天线特性的平面天线。
(方案2)
方案2是方案1所记载的平面天线，其中，上述第1接地元件及第2接地元件也作为上述辐射元件的反射器而工作。
根据方案2，能够防止来自馈电线路的不必要辐射。另外，能够抑制因存在于馈电线路的方向上的其他高频零件等导致的辐射图案的变形和辐射增益的降低。
(方案3)
方案3是方案1或方案2所记载的平面天线，其中，上述第1无源元件及上述第2无源元件也作为上述辐射元件的引向器而工作。
根据方案3，能够使来自辐射元件的辐射图案倾斜，从而能够控制辐射图案的倾角。
(方案4)
方案4是方案1至方案3中任一项所记载的平面天线，其中，上述馈电线路为面状线路，其宽度在与上述辐射元件的连接部位处最小。
根据方案4，能够进行阻抗匹配的微调。另外，能够消除辐射元件与馈电线路的不必要的反射。
(方案5)
方案5是方案4所记载的平面天线，其中，上述馈电线路的特性阻抗在与上述辐射元件的连接部位处最大。
根据方案5，容易进行用于特性阻抗匹配的微调作业。
(方案6)
方案6是方案4或方案5所记载的平面天线，其中，上述连接部位为上述辐射元件的NULL点。
根据方案6，即使由于基板变厚而馈电线路的宽度变大、或者由于基板的介电常数产生偏差而发生匹配困难，也能够使因其引起的对天线特性(VSWR、指向性特性等)造成的影响极小。另外，能够防止来自馈电线路的不必要辐射。由此，在准毫米波段以上的高频带下也能够使用便宜的FR-4基板。
(方案7)
方案7是方案1至方案6中任一项所记载的平面天线，其中，上述辐射元件其自身以第1频率发生谐振，并且在与上述第1无源元件及上述第2无源元件之间以与上述第1频率不同的第2频率发生多重谐振。
根据方案7，通过多重谐振的效应，能够将可用频率宽频带化，另外能够提高增益。由此，即使将通用且便宜的FR-4基板用作基板而增大了馈电线路的宽度，也能够以低成本得到可在准毫米波段下得到充分的天线特性的平面天线。
(方案8)
方案8是方案1至7中任一项所记载的平面天线，其中，上述辐射元件及上述馈电线路的各自的形状及配置位置相对于上述馈电线路的中心轴对称，上述第1接地元件及上述第1无源元件的配置位置和上述第2接地元件及上述第2无源元件的配置位置相对于上述馈电线路的中心轴对称。
根据方案8，馈电点处的高频电流不会不平衡，能够使动作稳定。
(方案9)
方案9是方案1至方案8中任一项所记载的平面天线，其中，上述第1无源元件及上述第2无源元件分别具有以规定距离相对的开路端，与上述辐射元件大致平行的上述开路端的一部分取位成作为上述辐射元件的上述引向器而工作。
根据方案9，能够使来自辐射元件的辐射图案倾斜。因此，容易控制辐射图案的倾角。
(方案10)
方案10是方案9所记载的平面天线，其中，将上述辐射元件作为基端延伸的传送线路从上述第1无源元件的开路端与上述第2无源元件的开路端之间通过，上述传送线路的末端与第2辐射元件导通连接。
根据方案10，通过第1辐射元件和第2辐射元件成为阵列天线构造。因此，能够提高辐射增益。另外，也能够聚拢Y方向上的辐射图案。
(方案11)
方案11是方案10所记载的平面天线，其中，作为上述辐射元件的引向器而工作的至少一个辅助无源元件位于将上述第1无源元件的开路端及上述第2无源元件的开路端作为中心的与上述辐射元件相反的一侧。
根据方案11，能够使来自辐射元件的辐射图案倾斜。因此，容易控制辐射图案的倾角。
(方案12)
方案12是方案9至方案11中任一项所记载的平面天线，其中，在上述辐射元件的表面导通连接有金属薄板元件，其端部与上述第1无源元件的开路端及上述第2无源元件的开路端电容耦合。
根据方案12，金属薄板元件与第1无源元件的开路端及第2无源元件的开路端电容耦合。因此，金属薄板元件作为辐射元件的信号相位的调整器而工作。通过该金属薄板元件的工作，仅使电容耦合的容抗变化就能够调整信号相位。因此，容易调整高频电流的平衡。
(方案13)
方案13是方案12所记载的平面天线，其中，上述金属薄板元件作为针对上述辐射元件的引向器而工作。
根据方案13，能够使来自辐射元件的辐射图案倾斜。因此，容易控制辐射图案的倾角。
(方案14)
方案14是一种高频模块，包含存在于背面成为接地导体的基板的表面的天线部，上述天线部是方案1至方案13中任一项的平面天线，上述平面天线为在26GHz频段以上的频带下工作的尺寸。
根据方案14，能够得到低成本且可实现在准毫米波段下使用的高频模块。

Claims (14)

1.一种平面天线，形成在背面成为接地面的基板的表面上，其中，所述平面天线具有：
辐射元件；
与所述辐射元件连接的馈电线路；
分别与所述接地面导通、且以隔着所述馈电线路彼此相对的方式配置的第1接地元件及第2接地元件；
从所述第1接地元件延伸以使得包围所述辐射元件的至少一部分的第1无源元件；和
从所述第2接地元件延伸以使得从与所述第1无源元件相反的方向包围所述辐射元件的至少一部分的第2无源元件，
所述第1接地元件及第2接地元件作为所述馈电线路的阻抗匹配器而工作，所述第1无源元件及所述第2无源元件作为所述辐射元件的信号相位的调整器而工作。
2.如权利要求1所述的平面天线，其中，
所述第1接地元件及第2接地元件也作为所述辐射元件的反射器而工作。
3.如权利要求1或2所述的平面天线，其中，
所述第1无源元件及所述第2无源元件也作为所述辐射元件的引向器而工作。
4.如权利要求1至3中任一项所述的平面天线，其中，
所述馈电线路为面状线路，其宽度在与所述辐射元件的连接部位处最小。
5.如权利要求1至4中任一项所述的平面天线，其中，
所述馈电线路的特性阻抗在与所述辐射元件的连接部位处最大。
6.如权利要求4或5所述的平面天线，其中，
所述连接部位为所述辐射元件的NULL点。
7.如权利要求1至6中任一项所述的平面天线，其中，
所述辐射元件自身以第1频率发生谐振，并且在所述辐射元件与所述第1无源元件及所述第2无源元件之间以与所述第1频率不同的第2频率发生多重谐振。
8.如权利要求1至7中任一项所述的平面天线，其中，
所述辐射元件及所述馈电线路的各自的形状及配置位置相对于所述馈电线路的中心轴对称，
所述第1接地元件及所述第1无源元件的配置位置和所述第2接地元件及所述第2无源元件的配置位置相对于所述馈电线路的中心轴对称。
9.如权利要求1至8中任一项所述的平面天线，其中，
所述第1无源元件及所述第2无源元件分别具有以规定距离相对的开路端，
与所述辐射元件大致平行的所述开路端的一部分取位成作为所述辐射元件的所述引向器而工作。
10.如权利要求9所述的平面天线，其中，
将所述辐射元件作为基端延伸的传送线路从所述第1无源元件的开路端与所述第2无源元件的开路端之间通过，所述传送线路的末端与第2辐射元件导通连接。
11.如权利要求10所述的平面天线，其中，
作为所述辐射元件的引向器而工作的至少一个辅助无源元件位于将所述第1无源元件的开路端及所述第2无源元件的开路端作为中心的与所述辐射元件相反的一侧。
12.如权利要求9至11中任一项所述的平面天线，其中，
在所述辐射元件的表面导通连接有金属薄板元件，所述金属薄板元件的端部与所述第1无源元件的开路端及所述第2无源元件的开路端电容耦合。
13.如权利要求12所述的平面天线，其中，
所述金属薄板元件作为针对所述辐射元件的引向器而工作。
14.一种高频模块，包含存在于基板的表面的天线部，所述基板的背面成为接地导体，其中，
所述天线部是权利要求1至13中任一项所述的平面天线，
所述平面天线为在26GHz频段以上的频带下工作的尺寸。
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