CN1196229C - 有源相控阵列天线和天线控制装置 - Google Patents

Abstract

一种有源相控阵列天线，如图1所示，包括：在电介质基板上按行方向和列方向上等间隔矩阵排列的多个天线补片(106a至106p)；将高频功率施加到其上的接地馈电端子(108)；用于产生行方向的指向性控制电压的第一控制电压发生部件(111)；以及用于产生列方向的指向性控制电压的第二控制电压发生部件(112)。多个天线补片(106)分别通过从馈电端子(108)分支的馈线(121)被连接到馈电端子(108)，而备置的多个移相器(107)构成馈线(121)的一部分。这样的有源相控阵列天线具有更简单的结构，具有连续可变的天线方向性特性，并可低成本生产。

Description

有源相控阵列天线和天线控制装置

技术领域

本发明涉及有源相控阵列天线和天线控制装置，特别涉及移动识别用无线机和卫星广播接收机等通信设备中的发送接收微波的有源相控阵列天线、除此之外还涉及例如防止汽车撞车雷达等的发送接收毫米波的有源相控阵列天线、以及使用这些有源相控阵列天线的天线控制装置。

背景技术

以往，作为发送接收微波、毫米波的天线，一般使用所谓的有源相控阵列天线。

下面，参照附图来说明以往使用的有源相控阵列天线。

图10(a)示意地表示以往的有源相控阵列天线100的结构图，图10(b)表示构成有源相控阵列天线100的部件之一的移相器707的结构示例。

以往的有源相控阵列天线100包括：在电介质基板上排列的多个天线补片706a…706p；以及将馈电端子711上施加的高频信号分配到各天线补片706的馈电线710。此外，有源相控阵列天线100包括：移相器707a…707p，配置在馈线710上，使通过的高频信号的相位变化，与各天线补片706相对应；以及控制电路708，对每个移相器707施加对应所需的直流控制电压，控制通过各移相器707的高频信号的移相量。再有，天线补片706和移相器707在图10中分别设有16个，但这只不过是例示。

此外，图10(b)表示有源相控阵列天线100中使用的移相器707的结构图。所有移相器707为相同结构。

移相器707作为传输输入的高频信号的传输路径，包括：连接到馈电线710的输入端和输出端的第1传输路径14a、20a；通过隔高频元件21、27连接到直流电源的输入端和输出端的第2传输路径14b、20b；直流电流通过隔高频元件24连接到中间传输路径17；通过各自隔高频元件22、23连接到第1控制线V1、第1反转控制线NV1的长度不同的第1、第2切换传输路径15、16；以及通过各自隔高频元件25、26连接到第2控制线V2、第2反转控制线NV2的长度不同的第3、第4切换传输路径18、19。

然后，在输入端的第1传输路径14a和第2传输路径14b之间连接隔直流的隔直流元件12，此外，在输出端的第1传输路径20a和第2传输路径20b之间连接隔直流的隔直流元件13。

此外，将第1和第2切换传输路径15和16配置在中间的传输路径17和输入端的第2传输路径14b之间。

在第1切换传输路径15的输入端和输入侧的第2传输路径14b的输出端之间，将PIN二极管31a从第2传输路径14b朝向第1切换传输路径15为正方向那样来连接，此外，在第1切换传输路径15的输出端和中间传输路径17的输入端之间，将PIN二极管31b从中间传输路径17朝向第1切换传输路径15为正方向那样来连接。

在第2切换传输路径16的输入端和输入侧的第2传输路径14b的输出端之间，将PIN二极管32a从第2传输路径14b朝向第2切换传输路径16为正方向那样来连接，此外，在第2切换传输路径16的输出端和中间传输路径17的输入端之间，将PIN二极管32b从中间传输路径17朝向第2切换传输路径16为正方向那样来连接。

而且，在上述中间传输路径17和输出侧的第2传输路径20b之间配置第3和第4切换传输路径18和19。

在第3切换传输路径18的输入端和中间传输路径17输出端之间，将PIN二板管33a从中间传输路径17朝向第3切换传输路径18为正方向那样来连接，此外，在第3切换传输路径18的输出端和输出侧的第2传输路径20b的输入端之间，将PIN二极管33b从第2传输路径20b朝向第3切换传输路径18为正方向那样来连接。

在第4切换传输路径19的输入端和中间传输路径17输出端之间，将PIN二极管34a从中间传输路径17朝向第4切换传输路径19为正方向那样来连接，此外，在第4切换传输路径19的输出端和输出侧的第2传输路径20b的输入端之间，将PIN二极管34b从第2传输路径20b朝向第4切换传输路径19为正方向那样来连接。

下面说明包括这样构成的移相器707的有源相控阵列天线100的动作。

首先，在馈电端子711上施加高频功率后，高频功率通过各移相器707供给到各天线补片706。此时，各移相器707上被施加对应的所需控制电压，在各移相器707中，根据来自控制电路708的控制电压，仅增加规定移相量的高频功率的移相，或进行延迟的处理。由此，从各天线补片706发射规定位置的高频功率。

这样，在有源相控阵列天线100中，通过从控制电路708对各移相器707直接施加控制电压来使移相量变化，从而控制天线的方向特性。

下面说明移相器707的动作。

通过馈线710供给到移相器707的高频功率依次通过输入侧的第1传输路径14a、隔直流元件12、输入侧的第2传输路径14b、第1、第2切换传输路径15、16的某一方、中间传输路径17、第3、第4切换传输路径18、19的某一方、输出侧的第2传输路径20b、隔直流元件13、以及输出侧的第1传输路径20a而传播到天线补片706。

此时，从各控制线V1、V2、NV1、NV2将切换对应的PIN二极管31、32、33、34的ON/OFF的控制电压施加到各传输路径15、16、18、19，各PIN二极管31、32、33、34根据控制电压而ON/OFF。由此，高频功率通过移相器707内的传输路径的长度变化，高频功率仅增加规定的移相量，或被延迟输出。

但是，在构成具有上述结构的现有有源相控阵列天线100的移相器707中，根据控制电压来切换内部的传输路径而使移相量变化，所以存在移相不连续地分段进行，而且需要用于该分段数(步数)对应的传输路径切换的电路结构、即切换传输路径、隔高频元件或控制线等问题。

换句话说，如果以细小的步来进行移相变化，而且要实现获得大移相量的结构，则存在需要多个用于传输路径切换的电路结构这样的问题。

此外，在增多天线补片数，以获得增益大的天线的情况下，还存在构成移相器的电路结构和布线复杂的问题。

此外，作为现有的有源相控阵列天线中使用的移相器，是将变容二极管组合在微带混合耦合器上，但变容二极管可进行连续方向性变化的反面，为了利用PN结的结电容，控制电压为几伏特较低，因此如果通过移相器内的高频信号的通过功率大，则因该信号电压会使结电容变化，由此存在高谐波多发这样的问题，所以一般不使用具有这样结构的移相器。

而且，微带构造的电介质基体材料控制高频的传播特性，并且具有支撑天线补片或馈线导体的作用，但由于作为高频特性来说需要电介质基体材料具有损失小、介电常数稳定的特性，所以如果使用具有这样特性的材料作为电介质基体材料，则存在这些材料占天线价格的大部分的问题。

因此，本发明是解决这些问题的发明，其目的在于提供更简单结构、可连续改变天线方向性的低成本的有源相控阵列天线以及天线控制装置。

发明内容

在本发明的方案1所述的有源相控阵列天线中，在电介质基板上包括多个天线补片、接地导体和将高频功率施加到所述电介质基板的馈电端子；用从所述馈电端子分支的馈线来连接所述各天线补片和所述馈电端子；配置使通过所述各馈线的高频信号的相位可以电气变化的移相器，以便构成所述馈线的一部分；其特征在于，所述移相器具有以下结构：组合以常介电体为基体的微带混合耦合器和以铁电体为基体、并且与所述微带混合耦合器电连接的微带短线，在所述微带短线上施加直流的控制电压来使通过移相量变化。

因此，由于如果使控制电压变化，则可以连续地变化通过移相量，此外由一个导体层就可以构成移相器和馈线，所以对多个移相器可以由一条控制线来供给控制电压，其结果，具有可以简单地形成布线的效果。

本发明的方案2所述的有源相控阵列天线中，其特征在于，在方案1所述的有源相控阵列天线中，将所述多个天线补片以行方向和列方向上分别等间隔那样配置成矩阵状；在从各行的各天线补片到馈电端子之间容纳的所述移相器的数与在从相邻行的各天线补片到馈电端子之间容纳的所述移相器的数相比，仅依次只多1个地配置所述移相器；并且，所述移相器具有完全相同的特性。

因此，具有以下效果：仅改变从连接多个移相器的控制线的两端施加的控制电压，就可以连续地控制天线的方向特性，而与天线补片的数无关。

本发明方案3所述的有源相控阵列天线中，在方案1所述的有源相控阵列天线中，其特征在于，通过叠层7层来构成所述有源相控阵列天线；所述7层从最上层起依次为第1层、第2层、…、第7层，第1、第3、第5、第7层为电介质，而第2、第4、第6层为导体；所述有源相控阵列天线有：由所述第1、第2、第3、第4层构成的第1微带结构；由所述第4、第5、第6、第7层构成的第2微带结构，并且所述第1微带结构和所述第2微带结构以所述第4层作为接地层；在所述第2层设置天线补片，在所述第6层设置馈线和移相器，在所述第3层使用空气，而在所述第5层将空气和铁电体组合。

因此，在微带构造的导体层之间的电介质基体材料中，使用高频功率损耗非常小、介电常数稳定的空气，此外，在馈线导体的表面外侧的电介质基体材料中，使用支撑天线补片和馈线导体的电介质部件，所以可以兼用天线表面的保护层，具有用简单的结构可以实现低成本的效果。

本发明方案4所述的有源相控阵列天线的特征在于，包括：所述带状传输线短线以铁电体和铁磁体为基体。

此外，在本发明方案5所述的有源相控阵列天线中，其特征在于，在方案4所述的有源相控阵列天线中，所述带状传输线短线以接地导体、铁电体、补片导体、铁磁体的顺序叠层而构成。

此外，在本发明方案6所述的有源相控阵列天线中，其特征在于，在方案4所述的有源相控阵列天线中，所述带状传输线短线以叠层接地导体、铁电体、铁磁体、带状导体来构成；在所述接地导体和所述补片导体之间，在平行于所述接地导体面的平面方向上叠层构成所述铁电体和所述铁磁体。

因此，根据本发明方案4至方案6所述的有源相控阵列天线，可以用简单的构造来实现可连续、且宽方向特性变化的有源相控阵列天线。

本发明方案7所述的有源相控阵列天线中，在方案1至方案6的任何一项所述的有源相控阵列天线中，其特征在于，使用铁电体、铁磁体、常介电体、电极材料，并通过使用陶瓷的一体成形技术来形成，具有移相器的功能、或移相器和隔直流元件的功能、或移相器、隔直流元件和隔高频元件的功能、或隔直流元件、隔高频元件和天线补片的功能中的任意一个的功能的天线控制装置。

本发明方案8所述的有源相控阵列天线中，在方案1至方案6的任何一项所述的有源相控阵列天线中，其特征在于，拉深加工所述接地导体。

此外，本发明方案9所述的有源相控阵列天线中，在方案8所述的有源相控阵列天线中，其特征在于，包括将所有所述馈电线路由具有相同截面形状的线状导体构成的带状导体。

因此，根据这些方案8或方案9所述的有源相控阵列天线，在不使用高价的低损耗电介质体下，可以实现高增益的有源相控阵列天线。

在本发明方案10所述的有源相控阵列天线中，在方案求1至方案6的任何一项所述的有源相控阵列天线中，其特征在于，将支撑电介质体、接地导体、馈电带状导体层叠成叠层物后，通过使用陶瓷的一体成形技术来形成所述叠层物和天线控制装置，该天线控制装置是使用铁电体、铁磁体、常介电体、电极材料，并通过使用陶瓷的一体成形技术来形成，具有移相器的功能、或移相器和隔直流元件的功能、或移相器、隔直流元件和隔高频元件的功能、或隔直流元件、隔高频元件和天线补片的功能中的任意一个的功能的天线控制装置。

因此，可实现在毫米波区域高性能化的有源相控阵列天线。

附图说明

图1(a)表示第1实施例的有源相控阵列天线的结构方框图，图1(b)表示第1实施例的有源相控阵列天线的天线补片产生的接收电波的最大灵敏度方向的说明图。

图2(a)表示第1实施例的有源相控阵列天线的移相器的结构图，图2(b)表示控制电压产生的偏置电场与微带短线的有效介电常数变化的曲线图。

图3是说明第1实施例的有源相控阵列天线结构的分解斜视图。

图4表示第1实施例的有源相控阵列天线的剖面结构(一部分)的图。

图5(a)、(b)、(c)表示第2实施例的有源相控阵列天线中使用的移相器的结构图，图5(d)表示带状传输线短线中的控制电压形成的偏置电场和高频功率产生的磁场的图。

图6表示第3实施例的天线控制装置的斜视图。

图7(a)表示第4实施例的有源相控阵列天线的结构方框图，图7(b)说明第4实施例的有源相控阵列天线的天线补片产生的接收电波的最大灵敏度方向的图。

图8是说明第5实施例的有源相控阵列天线中的接地导体和带状导体之间关系的斜视图。

图9是第6实施例的有源相控阵列天线的斜视图。

图10(a)表示现有的有源相控阵列天线的结构方框图，图10(b)表示现有的有源相控阵列天线中使用的移相器的结构方框图。

具体实施方式

以下，参照图1至图9来说明本发明的实施例。再有，这里示出的实施例当然是示例，不限于这些实施例。

(实施例1)

首先，参照附图来说明本发明的有源相控阵列天线的第1实施例。

图1(a)是本实施例的有源相控阵列天线2000的结构示例的方框图。

本有源相控阵列天线200包括：在电介质基板上以行方向和列方向的间隔为等间隔那样矩阵状地排列多个天线补片106a…106p；施加高频功率的被接地的馈电端子108；产生行方向的指向性控制电压的第1控制电压发生部件111；以及产生列方向的指向性控制电压的第2控制电压发生部件112。此外，多个天线补片106各自通过从馈电端子108分支的馈线121来连接馈电端子和多个天线补片106。如后面所述，配置多个配置的移相器107，以便构成馈线121的一部分。

此外，在电介质基板上，形成与从多个天线补片106的矩阵状排列中的第1行至第4行的各行对应的第1至第4连接节点N1…N4，在各连接节点N1…N4和第1控制电压发生部件111之间，分别连接隔高频元件109a…109d。

与多个天线补片106的矩阵状排列中的第1列的第1行、第2行、第3行、第4行对应的天线补片106a、106e、106i、106m被分别直接连接到第1～第4连接节点N1…N4。

与第2列的第1行、第2行、第3行、第4行对应的天线补片106b、106f、106j、106n分别通过移相器107a1、107a5、107a9、107a13被连接到第1～第4连接节点N1…N4。

与第3列的第1行、第2行、第3行、第4行对应的天线补片106c、106g、106k、106o分别通过串联连接的两个移相器107a3和107a4、串联连接的两个移相器107a7和107a8、串联连接的两个移相器107a11和107a12、串联连接的两个移相器107a15和107a16被连接到第1～第4连接节点N1…N4。

与第4列的第1行、第2行、第3行、第4行对应的天线补片106d、106h、106l、106p分别通过串联连接的三个移相器107a2～107a4、串联连接的三个移相器107a6～107a8、串联连接的三个移相器107a10～107a12、串联连接的三个移相器107a14～107a16被连接到第1～第4连接节点N1…N4。

此外，第1行的连接节点N1通过隔直流元件110a、串联连接的三个移相器107b3～107b1被连接到馈电端子108，第2行的连接节点N2通过隔直流元件110b、串联连接的两个移相器107b2、107b1被连接到馈电端子108，第3行的连接节点N3通过隔直流元件110c和移相器107b4被连接到馈电端子108，第4行的连接节点N4通过隔直流元件110d被连接到馈电端子108。

然后，第2控制电压部件112通过隔高频元件109e被连接到上述馈电端子108。

移相器107a1～107a16是通过第1电压发生部件111用控制电压来控制有源相控阵列天线200的行方向的指向性控制移相器，移相器107b1～107b4是通过第2电压发生部件112的控制电压来控制有源相控阵列天线200的列方向的指向性控制移相器。此外，所有的移相器107a1～107a16和107b1～107b4具有完全相同的特性。

在具有这样结构的有源相控阵列天线200中，移相器被配置为如下结构：位于第1行～第4行的各行的行方向天线补片组和馈电端子108之间的列方向的指向性控制移相器的数从第4行到第1行依次增加一个，位于第1列～第4列的各列的列方向天线补片阻和馈电端子108之间的行方向的指向性控制移相器从第1列到第4列依次增加一个，并且由于移相器107的特性完全相同，所以分别通过一个控制电压来进行列方向和行方向的指向性控制。

下面具体进行说明。首先，假设分别通过行方向的指向性控制移相器107a1～107a4的高频功率的相位被延迟移相量Φ，各移相器107的配置间隔为距离d。

这里，如图1(b)所示，入射第1行的天线补片106a的高频功率被无相位变化地供给连接节点N1。

与此相对，入射第1行的天线补片106b的高频功率通过移相器107a1使其相位被延迟移相量Φ后供给连接节点N1。

然后，入射第1行的天线补片106c的高频功率通过移相器107a3和107a4使其相位被延迟移相量2Φ后供给连接节点N1。

而且，入射第1行的天线补片106d的高频功率通过移相器107a2至107a4使其相位被延迟移相量3Φ后供给连接节点N1。

换句话说，对于从第1行的天线补片106a到106d的排列方向来说，形成规定的角度Θ(Θ＝cos-1(Φ/d)的方向D成为从第1行的天线补片106a到106d的接收电波的最大灵敏度方向。再有，图中w1到w3表示同一相位的接收电波的波面。

此外，其他的行，即第2行～第4行中的天线补片组产生的方向特性与第1行的天线补片组产生的方向特性完全相同。

因此，通过使第1控制电压部件111的行方向的指向性控制电压变化，从而各移相器107a1…107a16的移相量Φ可连续地变化，最大灵敏度方向和行方向构成的角度Θ在与列方向垂直的面内变化。

另一方面，与第4行对应的连接节点N4上供给的高频功率以其相位不发生变化地供给馈电端子108。

接着，与第3行对应的连接节点N3上供给的高频功率通过移相器107b4使其相位延迟移相量Φ后供给馈电端子108。

然后，与第2行对应的连接节点N2上供给的高频功率通过移相器107b2和107b1使其相位被延迟移相量2Φ后供给馈电端子108。

而且，与第1行对应的连接节点N1上供给的高频功率通过移相器107b3至107b1使其相位被延迟移相量3Φ后供给馈电端子108。

因此，通过使第2控制电压发生部件112的行方向的指向性控制电压变化，从而各移相器107b1…107b4的移相量Φ可连续地变化，最大灵敏度方向和列方向构成的角度在与行方向垂直的面内变化。

此外，在与第4行对应的连接节点N4和馈电端子之间设置隔直流元件110d，而且在与第1行～第3行对应的连接节点N1…N3和对应的移相器107b3、107b2、107b4之间设置隔直流元件110a、110b、110c，所以各控制电压发生部件111和112的控制电压产生的移相器107的控制分别独立地用行方向的移相器、列方向的移相器来进行。由此，在有源相控阵列天线200中，指向方向与天线补片的数无关，在包括天线的电波发送接收面、即行方向和列方向的平面上可设定在任意的方向上。

下面说明构成有源相控阵列天线200的部件之一的移相器107。

图2(a)表示有源相控阵列天线200中使用的移相器107的结构斜视图。

该移相器107构成馈线121的一部分，包括：使用常介电体基体材料101的微带混合耦合器103；以及使用强电介质基体材料102并且与微带混合耦合器103连接来形成的微带短线104。然后，通过微带短线104上施加的直流控制电压，使通过微带混合耦合器103的高频功率的移相量变化。

即，移相器107的基体由常介电体基体材料101和强电介质基体材料102构成。

然后，在常介电体基体材料101上配置矩形状的环状导体层103a，通过该环状导体层103a和常介电体基体材料101来构成微带混合耦合器103。

此外，在强电介质基体材料102上，配置两个直线状导体层104a1、104a2，使得位于矩形状的环状导体层103a的相对两个直线部分103a1、103a2的延长位置上，并且分别连结到两个直线部分103a1、103a2的一端，由两个直线状导体层104a1、104a2和强电介质基体材料102构成微带短线104。

而且，在常介电体基体材料101上配置导体层110a、120a，使得位于两个直线部分103a1、103a2的延长位置上，并且分别连结两个直线部分103a1、103a2的另一端。

然后，由该导体层110a和常介电体基体材料101构成输入线路110，由导体层120a和常介电体基体材料101构成输出线路120。

再有，环状导体层103a的直线部分103a1的一端和另一端分别为微带混合耦合器103的端口2、端口1，环状导体层103a的直线部分103a2的一端和另一端分别为微带混合耦合器103的端口3、端口4。即，移相器107通过在微带短线104上施加直流的控制电压来改变通过的高频功率的移相量。

下面进一步详细说明。

在正确设计的微带混合耦合器103的相邻的两个端口(端口2和端口3)上连接同一反射元件(微带短线104)构成的移相器107中，从输入端口(端口1)进入的高频功率不从该输入端口输出，反映反射元件的反射功率的高频功率仅向输出端口(端口4)输出。这里，作为反射元件的微带短线104中的反射，如图2(a)所示，控制电压产生的偏置电场105与经微带短线104传播的高频功率产生的电场为同一方向，所以如图2(b)所示，如果使控制电压变化，则与高频功率对应的微带短线104的有效介电常数也变化。由此，使高频功率对应的微带短线104的等价电气长度变化，从而微带短线104中的移相也变化。

这里，使微带短线104的有效介电常数变化所需要的偏置电场105在一般的强电介质基体材料中从几千伏特/毫米到几十伏特/毫米，所以通过微带短线104上传递的高频功率产生的电场，有效介电常数受到影响，从而不产生高谐波。

这样，在构成有源相控阵列天线200的移相器107中，如果使控制电压变化，则高频功率的移相量连续地变化，而且移相器107和馈线121由一个导体层构成，所以对于多个移相器107可以由一条馈线121来供给控制电压。

下面说明有源相控阵列天线200的具体构造。

图3是说明有源相控阵列天线200构造的分解斜视图。这里，图3所示的4个天线补片202与图1(a)所示的有源相控阵列天线200的天线补片106i、106j、106m、106n相当。其他部分这里未特别图示。

参照图1和图3来进行说明，有源相控阵列天线200有板状电介质基体材料205，在其周围形成四壁205a。

在电介质基体材料205的表面上形成馈线支撑槽213，在馈线支撑槽213内插入固定构成馈线121、微带混合耦合器103和微带短线104、以及隔直流元件110和隔高频元件109的导体层204。

在导体层204的构成隔直流元件110的部分上，通过构成隔直流元件110(电容元件)的绝缘膜(隔直流电容用薄膜)219，来叠层构成隔直流元件110的导体片(隔直流电容用导体片)211。

在导体层204的构成微带短线104的部分上，配置强电介质部件206。

在电介质基体材料205上配置距导体层204规定距离的共有接地导体层203，以便覆盖隔直流电容用导体片211和强电介质导体部件206。

在共有接地导体层203的馈线121的天线补片202端对应的部分上，形成耦合窗口207。

在共有接地导体层203上，配置板状电介质部件201，使得与共有接地导体层203之间形成规定的间隔。

将板状电介质部件201用贯通共有接地导体层203上形成的部件贯通口203a的支撑部件201a支撑在电介质基体材料205上。

在板状电介质部件201中的耦合窗口207相对的部分上，形成天线补片支撑槽212，在该天线补片支撑槽212上嵌入固定天线补片202。

再有，214是馈线121的一端上形成的馈电端子，215是用于施加控制X方向(行方向)的指向性的控制电压的控制端子，216是用于施加控制Y方向(列方向)的指向性的控制电压的控制端子。此外，208是X方向的指向性控制移相器，209是Y方向的指向性控制移相器。而且，210是隔高频短线，211是隔直流电容用导体片。

在电介质基体材料205的四壁中的与馈电端子对置的部分上，形成馈电端子取出用开口217，在电介质基体材料205四壁中的与控制端子215和216对置的部分上，形成控制端子取出用开口218。

本图3所示的有源相控阵列天线200有图4所示的剖面结构。这里所示的剖面图，更具体地说，表示与图1(a)所示的有源相控阵列天线200的天线补片106j和移相器107a9相当的部分的附近的剖面结构。

在本有源相控阵列天线200中，各层以从最上层顺序为第1层、…、第7层，整个由7层构成，第1层的电介质部件201、第3层的空气层123a、第5层的空气层123b和强电介质部件206、第7层的电介质基体材料205为电介质，第2层的天线补片202、第4层的共有接地导体层203、第6层的馈线121和移相器204为导体，通过叠层它们来构成。此外，由第1层、第2层、第3层、第4层形成第1微带构造126，由第4层、第5层、第6层、第7层形成第2微带构造127，第1微带构造126和第2微带构造127共有第4层作为接地层。

然后，通过在共有接地导体层203上形成的耦合窗口207，使天线补片202和馈线121电磁场的耦合，进行高频功率的转换。

如以上说明，在本实施例的有源相控阵列天线200中，使天线补片202(106)和馈线121传播的高频功率大部分集中流动在构成天线补片202的导体层204和共有接地层203之间以及构成馈线121的导体层204和共有接地层203之间，所以作为这些导体层204、203之间的电介质基体材料，使用损耗非常少并且介电常数稳定的空气。

然后，由于高频功率不集中，所以不必追求低损耗和介电常数的稳定性，作为构成天线补片202和馈线121的导体层204的表面外侧的电介质基体材料，仍然使用构成天线补片202和馈线121的支撑导体层204的电介质基体材料205。

此外，该电介质基体材料205还有兼作有源相控阵列天线200表面的保护层的情况。

通过这样的结构，虽然控制高频功率的传播特性，并且追求支撑天线补片和馈线导体作用，但消除了需要高频特性的损耗少，介电常数稳定，根据微带构造的电介质基体材料的价格，来决定有源相控阵列天线的价格这样的问题，可以用简单的构造并且以低成本来实现有源相控阵列天线。

下面说明以上说明的本实施例的有源相控阵列天线200的动作。

首先，高频功率入射到天线补片106a…106p后，从各天线补片106高频功率通过隔直流元件或移相器供给到馈电端子108。

具体地说，天线补片202(106)上入射的高频功率通过耦合窗口207转移到馈线121。高频功率转移到馈线121后，高频功率通过馈线121供给到移相器107。此时，在各移相器107中，从第1控制电压发生部件111和第2控制电压发生部件112供给行方向的指向性控制电压和列方向的指向性控制电压。因此，由高频功率的这些电压决定的移相量使其相位变化，通过馈线供给到馈电端子。

这样，在本实施例中，使构成有源相控阵列天线200的移相器107构成馈线121的一部分，包括以常介电体为基体的微带混合耦合器103，以及以强电介质为基体、与微带混合耦合器103电连接的微带短线104，通过微带混合耦合器103上施加的直流控制电压，使通过微带混合耦合器103的高频功率的移相量变化，所以可以连续地变化高频功率的移相量。

此外，微带混合耦合器103构成馈线121的一部分，然后微带混合短线104与微带混合耦合器103电连接，所以使多个移相器107连接到一条馈线121，通过一个导体层204来构成移相器107和馈线121，所以对于多个移相器107可以通过一条馈线121来供给控制电压，可以使布线简单。

此外，由于可以通过一个导体层204来构成移相器107和馈线121，所以通过调节在矩阵状排列的多个天线补片106和馈电端子108之间配置的移相器107的数，仅使从馈线121两端施加的控制电压变化，可以连续地控制有源相控阵列天线200的方向特性，而与天线补片106的数无关。

此外，在本实施例的有源相控阵列天线200中，由于在第1控制电压发生部件111和第2控制电压发生部件112之间设置隔直流元件110，使得用行方向的移相器107和列方向的移相器107来独立地进行信号的移相，所以通过各控制电压部件111、112，可以在包括行方向和列方向的平面上将有源相控阵列天线200的最大灵敏度方向设定为任意的方向，而使指向方向与天线补片106的数无关。

而且，在微带构造的导体层之间的电介质基体材料中，使用高频功率的损耗非常少、介电常数稳定的空气，在馈线导体的表面外侧的电介质基体材料中，使用支撑天线补片和馈线导体的电介质部件，所以由此也可以兼作天线表面的保护层，可以用简单的构造来实现低成本化。

在本实施例中，示出了天线补片数为4×4的情况，但也可以是除此以外的补片数。此外，说明了使从各天线补片到馈电端子中的移相器以外的馈电线路长度相等那样来设计的天线，但为了在指向特性的方向上预先具有偏移量，不言而喻，可在从各天线补片到馈电端子的移相器以外的馈电线路长度上设置偏移量使用的传输路径来实现。

而且，在本实施例中，示出了将构成天线补片和馈线的导体层埋入固定在电介质基体材料上形成的凹结构的槽中的方法，但上述导体层也可以固定在凸构造柱的电介质基体材料上，而且，不用说，也可以实现按照难以受电介质基体材料的介电常数影响的方法来支撑上述导体层的支撑构造。

(实施例2)

如图2所示，上述第1实施例的有源相控阵列天线200中的移相器107构成馈线121的一部分，包括以常介电体为基体的微带混合耦合器103，以及以强电介质为基体、并且与微带混合耦合器103连接形成的微带短线104，但一般来说，强电介质的电介质常数大，有微带短线104的线路阻抗一般要下降的倾向。因此，在微带混合耦合器103和微带短线104的连接部中高频的功率反射大，高频功率的大部分不进入微带短线104，而会返回到微带混合耦合器103，其结果，多数情况是不能获得有效的移相量。因此，天线的方向特性变化量也被限制在窄的范围内。

因此，如图5所示，在有源相控阵列天线中使用的移相器351中，通过在使用强电介质基体材料357的微带短线361的邻近设置强磁性层356，可以提高因强电介质基体材料357降低的微带短线361的线路阻抗，进而可以消除上述缺点。

因此，下面参照附图来说明有源相控阵列天线的第2实施例，该有源相控阵列天线包括具有至少以铁电体和铁磁体为基体的带状传输线短线、以及以常介电体为基体的微带混合耦合器的移相器。

图5是上述本实施例中的有源相控阵列天线中使用的移相器的斜视图和带状传输线短线的剖面图。

首先，说明图5(a)～图5(c)所示的移相器351的结构。

352和353是带状传输线短线。这里，带状传输线短线352以接地导体、铁电体、带状导体、铁磁体的顺序叠层而构成，带状传输线短线353在接地导体和带状导体之间将铁电体和铁磁体在平行于接地导体面的表面方向上叠层构成。

此外，354是微带混合耦合器，355是常介电体基体材料，356是铁磁体层，357是强电介质基体材料，360是共有接地导体层，361是微带短线，362是通孔。

此外，在图5(d)中，358是直流控制电压和高频功率等的控制电压产生的偏置电场，359是高频功率产生的磁场。

这里，作为强电介质基体材料357和强磁性层356的配置构造，可以形成图5(a)、图5(b)、图5(c)等的构造。

图5(a)因构造简单而具有制造方法也简单的特征，图5(b)具有使移相器的厚度薄的特征，而图5(c)具有使移相器的厚度薄并且不需要内插通孔的特征。

这里，图5所示的强磁性层356具有提高因强电介质基体材料357造成的降低微带短线361的线路阻抗的效果，由此，微带混合耦合器354和微带短线361的连接部中的功率反射少，高频功率的大部分进入到微带短线361，所以可获得有效的移相量。然后，通过获得有效的移相量，如果使用上述移相器的有源相控阵列天线，则可以实现可宽方向特性变化的有源相控阵列天线。

如以上那样，在本实施例的发明的有源相控阵列天线中，可以实现可宽方向特性变化的有源相控阵列天线。

(实施例3)

一般地，在要实现微波、毫米波领域中可利用的有源相控阵列天线的情况下，不仅仅是构成有源相控阵列天线的各功能中的要素性能，而且与组合各构成要素来组装天线时的组装有关的精度对于有源相控阵列天线的使用波长很重要。即，使用各构成要素来组装有源相控阵列天线时，组装的结构要素的数越多，有不良率越显著恶化的可能性。

因此，通过使用陶瓷的一体成形技术来构成带有构成有源相控阵列天线的各功能要素的天线控制装置，从而防止不良率恶化。

即，如上所述，通过将一体成形的天线控制装置用于有源相控阵列天线，可以减少组装的结构要素的数，进而可以实现不良率的下降。

然后，通过在一体成形的天线控制装置中装入所有的功能要素，不言而喻，可以减轻有源相控阵列天线的性能下降和不良率，但在由一种天线控制装置来形成多种有源相控阵列天线的情况下，天线控制装置包括的功能要素的种类越多越好。

例如，通过一体成形一个或多个移相器功能、并一体成形移相器和隔直流元件功能、或一体成形移相器和隔直流元件及隔高频元件功能，使功能要素的组合种类更多。

因此，下面参照附图来说明作为第3实施例的本发明的上述天线控制装置。

本实施例的天线控制装置使用铁电体、铁磁体、常介电体、电极材料，通过使用陶瓷的一体成形技术来成形。

就本天线控制装置400的结构来说，参照如图6所示的与本实施例的一体成形的天线控制装置的示例有关的斜视图来说明。

在图6中，401是常介电体基体材料，402是移相器，403是强电介质基体材料，404是强磁性层，405是电容用电介质，406是共有接地导体层，407是微带混合耦合器，408是带状传输线短线，409是隔直流元件，410是隔高频元件，411是通孔，412是天线补片，413是馈电线路，414是直流控制电压端子。

在本图所示的天线控制装置401中，虽然一体成形移相器、隔直流元件、隔高频元件、天线补片的功能，但按照使用的有源相控阵列天线的性质和性能，例如也有省略隔直流元件、隔高频元件、天线补片这三个部件而仅成形移相器的功能。作为除此以外的组合，可以一体成形移相器和隔直流元件的功能，也可以一体成形移相器、隔直流元件、隔高频元件的功能。

例如，在图1所示的有源相控阵列天线中，通过使用陶瓷的一体成形技术来一体成形移相器107、隔直流元件110、隔高频元件109、天线补片106，将它用作天线控制装置，从而减少有源相控阵列天线中使用的功能的要素数，进而可以降低与性能有关的偏差。

这样，通过使用陶瓷的一体成形技术来一体成形各种各样的功能而形成天线控制装置，如果将这样的天线控制装置用于有源相控阵列天线，则可以降低组装它们时产生的与有源相控阵列天线的性能有关的偏差。

因此，根据本实施例的天线控制装置，可实现组装时的精度偏差造成的性能下降少的有源相控阵列天线，此外，可以在一种天线控制装置中制造多种有源相控阵列天线。

(实施例4)

下面，参照附图来说明第4实施例，该实施例是：在将交叉串联连接天线补片和移相器的行状天线与移相器交叉串联连接的矩阵状天线中，使用上述第3实施例所示的天线控制装置的有源相控阵列天线801。

图7(a)表示本实施例的矩阵状天线的有源相控阵列天线801的结构图。

在图7(a)中，802是行状天线，803是矩阵状天线，804是天线补片，805是行方向的指向性控制移相器，806是列方向的指向性移相器，807是馈电端子，808是隔高频元件，809是隔直流元件，810是行方向的指向性控制电压，811是列方向的指向性控制电压，812是匹配器。

此外，如图7(b)所示，行方向的指向性控制用移相器805a…805c使各自通过的高频功率的相位仅延迟移相量Φ。假设各移相器805的配置间隔为距离d，入射第1行的天线补片804a的高频功率相位不变化地供给到连接节点N1。对此，第1行的天线补片804b上入射的高频功率通过移相器805a而使其相位延迟移相量Φ后供给到连接节点N1，第1行的天线补片804c上入射的高频功率通过移相器805a和805b而使其相位延迟移相量2Φ后供给到连接节点N1，而且，第1行的天线补片804d上入射的高频功率通过移相器805a、805b和805c而使其相位延迟移相量3Φ后供给到连接节点N1。

换句话说，对于上述第1行的天线补片804a…804d的排列方向来说，形成规定角度Θ(Θ＝cos-1(Φ/d))的方向D通过上述第1行的天线补片804a…804d成为接收电波的最大灵敏度方向。图中w1…w3表示同一相位的接收电波的波面。

此外，其他的行，即通过第2行～第4行的天线补片的方向特性也与通过第1行天线补片的方向特性完全相同。

因此，通过改变行方向的指向性控制电压810，可连续地变化通过上述各移相器805a…805l的移相量Φ，最大灵敏度方向和行方向形成的角度Θ可在与列方向垂直的面内变化。

另一方面，第4行对应的连接节点N4上供给的高频功率以其相位不发生变化地供给到馈电端子807。

与第3行对应的连接节点N3上供给的高频功率通过移相器806c而使其相位延迟移相量Φ后供给到馈电端子807。

与第2行对应的连接节点N2上供给的高频功率通过移相器806b和806c而使其相位延迟移相量2Φ后供给到馈电端子807。

然后，与第1行对应的连接节点N1上供给的高频功率通过移相器806a、806b、以及806c而使其相位延迟移相量3Φ后供给到馈电端子807。

因此，通过改变列方向的指向性控制电压811，可连续地变化移相器806a…806c的移相量Φ，最大灵敏度方向和列方向形成的角度在与行方向垂直的面内变化。

根据以上所述的本发明，通过使用铁电体和铁磁体的移相器可使方向特性变化宽，而且通过一体成形天线控制的功能要素，虽然因组装时精度偏差造成的性能下降的不多，可是，可以实现种类多、简单的结构可连续变化方向特性的低成本的天线。

(实施例5)

下面，参照附图来说明第5实施例，该实施例是使用拉深加工的接地导体的有源相控阵列天线。

通常，由于有源相控阵列天线中使用的馈线的各部分所要求的线路阻抗不同，所以通过每个馈线具有不同的截面形状的线状导体用作带状导体，来使带状导体和接地导体之间的距离变化。即，利用带状导体和接地导体之间的距离不同则线路阻抗不同。

但是，根据该方法，需要使用多种带状导体，因此，有源相控阵列天线的制造步骤会变得复杂，进而存在会产生其性能的偏差这样的问题。

因此，在本实施例中，通过对接地导体进行拉深加工来消除上述问题。

图8是放大本实施例的拉深加工接地导体的有源相控阵列天线的一部分901的斜视图。

在图8中，902是带状导体，903是接地导体，904是凸拉深加工部分，905是凹拉深加工部分。

即，如图8所示，本发明的有源相控阵列天线有设置凸拉深904和凹拉深905的接地导体903，以及作为馈电线路的带状导体902。

这里，将具有完全相同的剖面形状的线状导体来构成优选形态。

即，以带状导体902作为具有完全相同的剖面形状的线状导体，在馈电线路的各部中，通过在接地导体903上设置的凸拉深加工部904和凹拉深加工部905，使带状导体和接地导体之间的距离不同，所以在每个线路中不特意使用具有不同剖面形状的线状导体，如图示例所示，在每个线路上也可以获得不同的线路阻抗Z1、Z2、Z3。

因此，根据本发明的馈电线路，可以使用具有完全相同的剖面形状的线状导体，所以可以实现低成本的有源相控阵列天线。

而且，由于带状导体902使用具有完全相同剖面形状的线状导体，所以例如在馈电线路的各直线部分上准备不同长度的直线状导体，将它们固定在指定的位置后，通过钎焊等来连接馈电线路的弯曲部分所接触的直线状导体的接触部，从而可实现所有的馈电线路。

由此，不需要使用复杂形状的馈电线路用的导体材料，所以可避免制造部门中馈电导体材料的搬运和使用时材料的变形不良，可以实现更低成本的有源相控阵列天线。

(实施例6)

下面，参照附图来说明第6实施例，本实施例将支撑电介质体、接地导体、馈电带状导体叠层形成的叠层物和第3实施例说明的天线控制装置通过使用陶瓷的一体成形技术来形成有源相控阵列天线906。

图9是说明第6实施例的有源相控阵列天线906的分解斜视图，但在图9中，907是天线控制装置，908是支撑电介质体，909是接地导体，910是馈电带状导体，911是天线补片，912是天线耦合孔。

在本实施例中，首先，将支撑电介质体908、接地导体909和馈电带状导体910进行叠层来形成叠层物。接着，采用通过使用陶瓷的一体成形技术将该叠层物和天线控制装置907、天线补片911一体成形的结构。

这里，对于天线控制装置907利用第3实施例说明的装置。

通过形成以上那样的结构，可以通过陶瓷多层基板的制造过程来进行有源相控阵列天线制作的全部步骤。

即，有源相控阵列天线所需的各功能要素的制作精度和天线组装精度目前可以达到毫米频带的天线制作中的几十微米所寻求的作业精度，可以实现毫米波领域中使用的高性能的有源相控阵列天线的制作。

在以上的实施例说明中，作为混合耦合器，示出了分支线型，但不言而喻，除此以外，用1/4波长分布耦合型、环形波导型、相位反转混合环型、以及由微带构成的混合线圈等也可以实现。

产业上的可利用性

如以上那样，根据本发明的有源相控阵列天线和天线生产装置，不需要多个用于传输路径切换的电路结构，此外，可以使构成移相器的电路结构和布线简单，其结果，非常有助于用更简单的结构来形成可以连续变化天线方向特性、低成本的有源相控阵列天线和天线控制装置。

Claims (10)

1.一种有源相控阵列天线，在有源相控阵列天线中配置有：在电介质基板上包括多个天线补片、接地导体和将高频功率施加到所述电介质基板的馈电端子；

用从所述馈电端子分支的馈线来连接所述各天线补片和所述馈电端子；

配置使通过所述各馈线的高频信号的相位可以电气变化的移相器，以便构成所述馈线的一部分；

其特征在于，所述移相器具有以下结构：

组合以常介电体为基体的微带混合耦合器，和以铁电体为基体、并且与所述微带混合耦合器电连接的微带短线，

在所述微带短线上施加直流的控制电压来使通过移相量变化。

2.如权利要求1所述的有源相控阵列天线，其特征在于，

将所述多个天线补片以行方向和列方向分别等间隔那样配置成矩阵状；

在从各行的各天线补片到馈电端子之间容纳的所述移相器的数与在从相邻行的各天线补片到馈电端子之间容纳的所述移相器的数相比仅依次多1个；

并且，在从各列的各天线补片到馈电端子之间容纳的所述移相器的数与在从相邻列的各天线补片到馈电端子之间容纳的所述移相器的数相比，仅依次多1个地配置所述移相器；

并且，所述移相器具有行方向和列方向分别完全相同的特性。

3.如权利要求1所述的有源相控阵列天线，其特征在于，

通过叠层7层来构成所述有源相控阵列天线；

所述7层从最上层起依次为第1层、第2层、…、第7层，第1、第3、第5、第7层为电介质，而第2、第4、第6层为导体；

所述有源相控阵列天线有：所述第1、第2、第3、第4层构成的第1微带结构；所述第4、第5、第6、第7层构成的第2微带结构，并且所述第1微带结构和所述第2微带结构以所述第4层作为接地层；

在所述第2层设置天线补片，在所述第6层设置馈线和移相器，在所述第3层使用空气，而在所述第5层将空气和铁电体组合。

4.如权利要求1所述的有源相控阵列天线，其特征在于，包括：

所述带状传输线短线以铁电体和铁磁体为基体。

5.如权利要求4所述的有源相控阵列天线，其特征在于，

所述带状传输线短线以接地导体、铁电体、带状导体、铁磁体的顺序叠层而构成。

6.如权利要求4所述的有源相控阵列天线，其特征在于，

所述带状传输线短线以叠层接地导体、铁电体、铁磁体、带状导体来构成；

在所述接地导体和所述带状导体之间，在平行于所述接地导体面的平面方向上叠层构成所述铁电体和所述铁磁体。

7.如权利要求1至权利要求6的任何一项所述的有源相控阵列天线，其特征在于，具备：

使用铁电体、铁磁体、常介电体、电极材料，并通过使用陶瓷的一体成形技术来形成，具有移相器的功能、或移相器和隔直流元件的功能、或移相器、隔直流元件和隔高频元件的功能、或隔直流元件、隔高频元件和天线补片的功能中的任意一个的功能的天线控制装置。

8.如权利要求1至权利要求6的任何一项所述的有源相控阵列天线，其特征在于，

拉深加工所述接地导体。

9.如权利要求8所述的有源相控阵列天线，其特征在于，

包括将所有所述馈电线路由具有相同截面形状的线状导体构成的带状导体。

10.如权利要求1至权利要求6的任何一项所述的有源相控阵列天线，其特征在于，

将支撑电介质体、接地导体、馈电带状导体层叠成叠层物后，通过使用陶瓷的一体成形技术来形成所述叠层物和天线控制装置，该天线控制装置是使用铁电体、铁磁体、常介电体、电极材料，并通过使用陶瓷的一体成形技术来形成，具有移相器的功能、或移相器和隔直流元件的功能、或移相器、隔直流元件和隔高频元件的功能、或隔直流元件、隔高频元件和天线补片的功能中的任意一个的功能的天线控制装置。

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