CN110212304B

CN110212304B - 阵列天线

Info

Publication number: CN110212304B
Application number: CN201910116316.XA
Authority: CN
Inventors: 南义明
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2019-02-15
Publication date: 2021-02-19
Anticipated expiration: 2039-02-15
Also published as: US10749269B2; CN110212304A; JP2019149784A; US20190267719A1; DE102019100995A1; JP6885359B2

Abstract

本发明涉及阵列天线，能实现所希望的波束宽度、指向性。阵列天线具备馈电线路，馈电线路具有：第一分支线路部及第二分支线路部，相互邻接且分别沿一个方向延伸，并分别具有多个辐射元件部；和结合线路部。第一分支线路部的多个辐射元件部配置于第一分支线路部的一侧。第二分支线路部的多个辐射元件部配置于第二分支线路部的与上述一侧相反一侧。若以电长度表示，则从第一分支线路部及第二分支线路部与结合线路部的结合部起至第一分支线路部具有的多个辐射元件部中的最接近结合部的辐射元件部为止的距离比从结合部起至第二分支线路部具有的多个辐射元件部中的最接近结合部的辐射元件部为止的距离长(2n‑1)λ/2，λ为波长，n为自然数。

Description

阵列天线

技术领域

本发明涉及阵列天线的技术领域。

背景技术

作为这种天线，例如提出了一种具有延伸为直线状的馈电带线路与从该线路垂直地突出的多个辐射天线元件的平面阵列天线(参照专利文献1参照)。此外，提出了一项由在与主天线的主瓣方向正交的同一平面上分离规定间隔而配置的2个元件天线构成辅助天线并在接收对象频率下以同振幅且反相将来自该元件天线的高频信号合成的技术(参照专利文献2)。

专利文献1：日本特开2001-111330号公报

专利文献2：日本特开2015-010823号公报

在这种天线中，将波束宽度、指向性作为表示天线的性能的指标而使用。然而，在专利文献1以及2所记载的技术中，存在难以将天线设计为波束宽度、指向性成为所希望的波束宽度、指向性这一技术问题。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而完成的，其课题在于，提供一种能够比较容易地实现所希望的波束宽度、指向性的阵列天线。

本发明的一个方式所涉及的阵列天线具备馈电线路，该馈电线路具有：第一分支线路部及第二分支线路部，该第一分支线路部及第二分支线路部相互邻接且分别沿一个方向延伸，并且分别具有多个辐射元件部；和结合线路部，将上述第一分支线路部与上述第二分支线路部结合，上述第一分支线路部所具有的多个辐射元件部被配置于上述第一分支线路部的一侧，上述第二分支线路部所具有的多个辐射元件部被配置于上述第二分支线路部的与上述一侧的相反侧，若以电长度来表示，则从上述第一分支线路部及上述第二分支线路部与上述结合线路部的结合部起至上述第一分支线路部所具有的多个辐射元件部中的最接近上述结合部的辐射元件部为止的距离比从上述结合部起至上述第二分支线路部所具有的多个辐射元件部中的最接近上述结合部的辐射元件部为止的距离长(2n-1)λ/2(λ为波长，n为自然数)。

附图说明

图1是表示第一实施方式所涉及的阵列天线的俯视图。

图2是表示第一实施方式所涉及的阵列天线的特性的一个例子的特性图。

图3是表示第一实施方式的变形例所涉及的阵列天线的俯视图。

图4是表示第二实施方式所涉及的阵列天线的俯视图。

图5是表示第二实施方式所涉及的阵列天线的特性的一个例子的特性图。

图6是表示第三实施方式所涉及的阵列天线的俯视图。

图7是表示第四实施方式所涉及的阵列天线的俯视图。

图8是表示第二～第四实施方式各自所涉及的阵列天线的特性的一个例子的特性图。

图9是表示第五实施方式所涉及的阵列天线的俯视图。

图10是表示第五实施方式所涉及的阵列天线的特性的一个例子的特性图。

附图标记说明：

1、1′、1″、2、3、4、5、5′…阵列天线；11…结合线路部；12a、12b…分支线路部；13a、13b、13c、13d、13e、13f、13g、13h、13i、13j、13k、13l…辐射元件部；15…连接线路部；16…与λ/4短路短截线具有同等功能的短截线；17…阻抗匹配用短截线；p1…结合部。

具体实施方式

基于附图，对实施方式所涉及的阵列天线进行说明。

<第一实施方式>

参照图1以及图2对第一实施方式所涉及的阵列天线进行说明。

(结构)

参照图1对第一实施方式所涉及的阵列天线的概要进行说明。图1是第一实施方式所涉及的阵列天线的俯视图。其中，针对电介质基板以及底板省略了图示。对于图3、4、6、7以及9也同样。

在图1中，阵列天线1是水平偏振波用阵列天线。阵列天线1具备：分支线路部12a及12b，它们相互邻接并沿一个方向(这里为纸面的上下方向)延伸；和结合线路部11，将分支线路部12a及12b结合。结合线路部11与分支线路部12a及12b构成阵列天线1的馈电线路。其中，在本实施方式中，优选“相互邻接的分支线路部12a及12b”是指“其间不夹装有其他馈电线路(或分支线路部)而相邻的分支线路部12a及12b”。

分支线路部12a具有在与上述一个方向相交的方向且与分支线路部12b相反一侧突出为枝状的多个辐射元件部13a、13b、13c、13d、13e以及13f。同样，分支线路部12b具有在与上述一个方向相交的方向且与分支线路部12a相反一侧突出为枝状的多个辐射元件部13g、13h、13i、13j、13k以及13l。在本实施方式中，特别将阵列天线1构成为从分支线路部12a及12b与结合线路部11的结合部p1起至辐射元件部13f为止的距离比从结合部p1至辐射元件部13l为止的距离长电长度下的(2n-1)λ/2(n为自然数)。其中，“电长度”是基于电相位变化量的长度，相位变化360°的长度相当于1个波长。

在分支线路部12a及12b各自中，由从结合部p1朝向反射端的电力(以后，适当地称为“行波”)与从该反射端朝向结合部p1的电力(以后，适当地称为“反射波”)产生驻波。辐射元件部13a、13b、13c、13d、13e以及13f分别被配置在与分支线路部12a中产生的驻波的波节相当的部分。同样，辐射元件部13g、13h、13i、13j、13k以及13l分别被配置在与分支线路部12b中产生的驻波的波节相当的部分。

输入至结合线路部11的电力的一部分经由分支线路部12a与辐射元件部13a、13b、13c、13d、13e以及13f分别依次耦合并被辐射(即，从各辐射元件部辐射电波)。另外，输入至结合线路部11的电力的其他部分经由分支线路部12b与辐射元件部13g、13h、13i、13j、13k以及13l分别依次耦合并被辐射。

(阵列天线的波束宽度)

例如专利文献1所记载的那种类型的阵列天线由形成于电介质基板上的延伸为直线状的馈电线路、与该馈电线路直接连接并突出为枝状的多个辐射元件部构成。阵列天线的波束宽度根据阵列天线的左右的辐射元件部间的宽度(例如向馈电线路的一侧突出的辐射元件部的中心和向与馈电线路的一侧相反一侧突出的辐射元件部的中心之间的距离)而变化。具体而言，上述辐射元件部间的宽度越宽，则波束宽度越收紧(即，指向性提高)。另一方面，上述辐射元件部间的宽度越窄，则波束宽度越宽(即，指向性降低)。

另外，介质(电介质)中的电磁波的传播速度由该介质的介电常数以及导磁率决定。由于电介质的相对导磁率大致为1，所以形成于电介质基板上的辐射元件部的尺寸主要根据电介质基板的介电常数决定。因此，若变更电介质基板的介电常数则能够变更辐射元件部的尺寸。即，若变更电介质基板的介电常数，则能够变更上述辐射元件部间的宽度来变更波束宽度。

然而，由于电介质基板需要满足例如介电常数、损耗等电性能、例如强度、热膨胀率等机械性能等，所以变更其材料、混合比并不容易，难以变更电介质基板的介电常数以便成为所希望的波束宽度。因此，也难以变更辐射元件部的尺寸以便成为所希望的波束宽度。

该阵列天线1具备分支线路部12a及12b作为馈电线路的一部分。因此，若变更分支线路部12a及12b间的距离，则能够不变更辐射元件部13a～13l的尺寸(即不变更电介质基板的介电常数)地变更上述辐射元件部间的宽度。

(阵列天线的特性)

接下来，参照图2对阵列天线1的特性进行说明。图2是表示第一实施方式所涉及的阵列天线的特性的一个例子的特性图。图2的实线表示阵列天线1的特性(这里为水平面指向性)。图2的虚线表示了馈电线路不具有分支线路部的比较例所涉及的阵列天线(例如专利文献1所记载的类型的阵列天线)的特性。

在图2中，在0度附近，阵列天线1的增益(参照实线)大于比较例所涉及的阵列天线的增益(参照虚线)。另一方面，在角度比较大的区域，阵列天线1的增益明显小于比较例所涉及的阵列天线的增益。即，可以说与比较例所涉及的阵列天线相比，阵列天线1的波束宽度被收紧，或者指向性提高。

其中，在图2中，可认为之所以实线所示的阵列天线1的特性为左右非对称是除了因为左右的辐射元件部上下偏移之外，还因为左右的激励分布产生了差异。

(技术效果)

根据阵列天线1，通过变更分支线路部12a及12b间的距离，能够不变更辐射元件部13a～13l的尺寸就实现所希望的波束宽度、指向性。

阵列天线例如有时被使用于车载雷达。在雷达被搭载于车辆的情况下，例如配置于车标(emblem)、保险杠、其他树脂罩的里侧等的情况较多。这里，电磁波的树脂件的透过特性因其偏振波不同而不同。具体而言，公知为在树脂件的倾斜度比较小的情况下(即，树脂件以相对于大地接近垂直的角度立起的情况下)，水平偏振波与垂直偏振波相比水平面内的广角方向的透过衰减较小。另一方面，水平偏振波用阵列天线容易将电磁波向横向辐射，存在因此而导致指向性图案产生紊乱这一课题。

然而，阵列天线1虽是水平偏振波用阵列天线但通过变更分支线路部12a及12b间的距离，由此实现所希望的波束宽度，通过抑制电磁波向横向的辐射而能够改善指向性图案的紊乱。因此，根据阵列天线1，能够实现使用了位于车载雷达前表面的树脂件的透过特性优异的水平偏振波的车载雷达。

<变形例>

参照图3，对上述第一实施方式所涉及的阵列天线1的变形例进行说明。图3是表示第一实施方式的变形例所涉及的阵列天线的俯视图。

在图3的(a)中，阵列天线1′形成为从分支线路部12a及12b各自的反射端起相当于电长度下的λ/4的部分14a、14b的宽度比其他部分的宽度宽。若这样构成，则能够抑制从分支线路部12a及12b各自的反射端辐射的电力量。

并且，可以如图3的(b)所示，形成为分支线路部12a及12b各自的长度相同(或者，反射端的位置相同)。

<第二实施方式>

参照图4以及图5对阵列天线所涉及的第二实施方式进行说明。在第二实施方式中，除了阵列天线的形状局部不同以外，与上述的第一实施方式同样。因此，针对第二实施方式，省略了与第一实施方式重复的说明并且对附图上的共通位置标注同一附图标记来表示，参照图4以及图5基本上仅对不同的点进行说明。

(结构)

参照图4对第二实施方式所涉及的阵列天线的概要进行说明。图4是表示第二实施方式所涉及的阵列天线的俯视图。

在图4中，阵列天线2具备将分支线路部12a及12b各自的与结合部p1相反的一侧连接的连接线路部15。结合线路部11、分支线路部12a及12b以及连接线路部15构成阵列天线2的馈电线路。

在第一实施方式所涉及的阵列天线1中，各辐射元件部被配置在与由行波与反射波产生的驻波的波节相当的部分。在本实施方式所涉及的阵列天线2中，各辐射元件部被配置于与由在分支线路部12a和12b以及连接线路部15中右旋前进的电力所涉及的波和左旋前进的电力所涉及的波产生的驻波的波节相当的部分。其中，以后将分支线路部12a和12b以及连接线路部15适当地表述为“环状线路部(12a、12b、15)”。

(阵列天线的特性)

接下来，参照图5对阵列天线2的特性进行说明。图5是表示第二实施方式所涉及的阵列天线的特性的一个例子的特性图。图5的实线表示了阵列天线2的特性(这里为水平面指向性)。图5的虚线表示了阵列天线1的特性。

在阵列天线2(参照实线)中，与阵列天线1(参照虚线)相比，改善了水平面指向性的左右非对称性。可认为这是因左右的馈电线连接为环状而改善了左右的激励分布的差异。

(技术效果)

在阵列天线2中，也能够通过变更分支线路部12a与12b间的距离(换言之，变更由分支线路部12a和12b以及连接线路部15形成的长圆形的扁平度)，而不变更辐射元件部13a～13l的尺寸就实现所希望的波束宽度、指向性。

<第三实施方式>

参照图6对阵列天线所涉及的第三实施方式进行说明。在第三实施方式中，除了阵列天线的形状局部不同以外，与上述第二实施方式同样。因此，针对第三实施方式，省略了与第二实施方式重复的说明并且对附图上的共通位置标注同一附图标记来表示，参照图6基本上仅对不同的点进行说明。

(结构)

参照图6对第三实施方式所涉及的阵列天线的概要进行说明。图6是表示第三实施方式所涉及的阵列天线的俯视图。

在图6中，阵列天线3具备与连接线路部15连接的、和λ/4短路(short)短截线具有同等功能的短截线16。短截线16可以是使用导通孔(贯通孔)与底板之间短路的短截线，也可以是不使用导通孔并与短路短截线同等地发挥功能的短截线。在图6中，将T型短截线描绘为与λ/4短路短截线具有同等功能的短截线16的一个例子。该T型短截线从连接线路部15起延伸了电长度为λ/4的线路，并在其前端连接有使线路连接部等效短路的尺寸的连接盘(land)。然而，短截线16并不局限于T型短截线，能够应用现有的各种方式。其中，从阵列天线3的制造观点考虑，优选短截线16为无导通孔(via less)的短截线。

(技术效果)

在连接线路部15等馈电线路的弯曲部，容易产生不需要的电力辐射。弯曲部的曲率半径越小则该不需要的电力辐射越显著，成为扰乱指向性的原因。根据阵列天线3，通过将短截线16与连接线路部15连接，能够抑制来自连接线路部15的不需要的电力辐射。

<第四实施方式>

参照图7以及图8对阵列天线所涉及的第四实施方式进行说明。在第四实施方式中，除了阵列天线的形状局部不同以外，与上述第三实施方式同样。因此，针对第四实施方式，省略了与第三实施方式重复的说明并且对附图上的共通位置标注同一附图标记来表示，参照图7以及图8基本上仅对不同的点进行说明。

(结构)

参照图7对第四实施方式所涉及的阵列天线的概要进行说明。图7是表示第四实施方式所涉及的阵列天线的俯视图。

在图7中，阵列天线4具备与结合线路部11连接的阻抗匹配用短截线17。其中，由于阻抗的匹配方法能够应用现有的各种方式，所以省略其详细的说明。另外，短截线17的配置位置以及尺寸根据阵列天线4的阻抗而变化。

(技术效果)

参照图8对由阵列天线2、3以及4各自的环状线路部(12a、12b、15)实现的对阵列天线的影响进行说明。图8是表示第二～第四实施方式各自所涉及的阵列天线的特性的一个例子的特性图。图8的上段是史密斯圆图。图8的下段是表示频率与反射损耗(反射系数)的关系的图表。图8的(a)是第二实施方式所涉及的阵列天线2的史密斯圆图以及表示频率与反射损耗的关系的图表。图8的(b)是第三实施方式所涉及的阵列天线3的史密斯圆图以及表示频率与反射损耗的关系的图表。图8的(c)是第四实施方式所涉及的阵列天线4的史密斯圆图以及表示频率与反射损耗的关系的图表。

对于阵列天线2而言，通过环状线路部(12a、12b、15)主要使电抗分量发生变化，阻抗产生偏移，如图8的(a)所示，反射损耗变小的频率从所希望的频率(这里为76.5GHz(赫兹))偏移。由于短截线16不使阵列天线3的环状线路部(12a、12b、15)的电抗发生变化，所以即便是具备短截线16的阵列天线3，也如图8的(b)所示，保持反射损耗变小的频率从所希望的频率偏移的状态。

在具备阻抗匹配用短截线17的阵列天线4中，因环状线路部(12a、12b、15)引起的阻抗的偏移被消除，如图8的(c)所示，能够减小所希望的频率下的反射损耗。

此外，在第一实施方式所涉及的阵列天线1中也可以设置阻抗匹配用短截线17。

<第五实施方式>

参照图9以及图10对阵列天线所涉及的第五实施方式进行说明。在第五实施方式中，除了阵列天线的形状局部不同以外，与上述第一实施方式同样。因此，针对第五实施方式，省略了与第一实施方式重复的说明并且对附图上的共通位置标注同一附图标记来表示，参照图9以及图10基本上仅对不同的点进行说明。

(结构)

参照图9对第五实施方式所涉及的阵列天线的概要进行说明。图9是表示第五实施方式所涉及的阵列天线的俯视图。

在图9的(a)中，阵列天线5的分支线路部12a具有在与一个方向(这里为纸面的上下方向)相交的方向且向分支线路部12b侧突出为枝状的多个辐射元件部。同样，分支线路部12b具有在与上述一个方向相交的方向且向分支线路部12a侧突出为枝状的多个辐射元件部。

在阵列天线5中，分支线路部12a及12b各自的反射端形成得比其他部分宽，但反射端的形状并不限定于此。另外，如图9的(b)所示，分支线路部12a及12b各自的与结合部p1相反的一侧可以通过连接线路部15连接。图9的(b)所示的阵列天线5′具备短截线16，但也可以不具备短截线16。另外，阵列天线5′可以具备阻抗匹配用短截线。

(阵列天线的特性)

接下来，参照图10对阵列天线5的特性进行说明。图10是表示第五实施方式所涉及的阵列天线的特性的一个例子的特性图。图10的实线表示阵列天线5的特性(这里为水平面指向性)。图10的虚线表示馈电线路不具有分支线路部的比较例所涉及的阵列天线(例如专利文献1所记载的类型的阵列天线)的特性。

在图10中，在0度附近，阵列天线5的增益(参照实线)小于比较例所涉及的阵列天线的增益(参照虚线)。另一方面，在角度比较大的区域中，阵列天线5的增益大于比较例所涉及的阵列天线的增益。即，可以说与比较例所涉及的阵列天线相比，阵列天线5的波束宽度较宽。

(技术效果)

根据阵列天线5以及5′，通过变更分支线路部12a及12b间的距离，能够不变更辐射元件部的尺寸就实现所希望的波束宽度、指向性。

以下，对从以上说明过的实施方式以及变形例导出的发明的各种方式进行说明。

发明的一个方式所涉及的阵列天线具备馈电线路，该馈电线路具有：第一分支线路部及第二分支线路部，该第一分支线路部及第二分支线路部相互邻接且分别沿一个方向延伸，并且分别具有多个辐射元件部；和结合线路部，将上述第一分支线路部与上述第二分支线路部结合，上述第一分支线路部所具有的多个辐射元件部被配置于上述第一分支线路部的一侧，上述第二分支线路部所具有的多个辐射元件部被配置于上述第二分支线路部的与上述一侧相反侧，若以电长度表示，则从上述第一分支线路部及上述第二分支线路部与上述结合线路部的结合部起至上述第一分支线路部所具有的多个辐射元件部中的最接近上述结合部的辐射元件部为止的距离比从上述结合部起至上述第二分支线路部所具有的多个辐射元件部中的最接近上述结合部的辐射元件部为止的距离长(2n-1)λ/2(λ为波长，n为自然数)。在上述实施方式中，分支线路部12a及12b相当于第一分支线路部及第二分支线路部的一个例子，结合线路部11相当于结合线路部的一个例子。

阵列天线的波束宽度、指向性取决于与馈电线路延伸的方向相交的方向上的辐射元件部间的宽度。作为变更辐射元件部间的宽度的方法，可考虑变更辐射元件部的尺寸。然而，为了变更辐射元件部的尺寸，需要变更供阵列天线配设的电介质基板的材料、混合比等来改变介电常数，并不现实。

该阵列天线具备相互邻接并分别沿一个方向延伸的第一分支线路部及第二分支线路部作为馈电线路部的一部分。第一分支线路部及第二分支线路部间的距离能够任意变更。因此，根据该阵列天线，通过变更第一分支线路部以及第二分支线路部间的距离，能够不变更辐射元件部的尺寸就任意地变更辐射元件部间的宽度。因此，根据该阵列天线，能够比较容易地实现所希望的波束宽度、指向性。

该阵列天线的一个方式具备连接部，该连接部将上述第一分支线路部及上述第二分支线路部各自的与上述结合部相反的一侧相互连接。在上述实施方式中，连接线路部15相当于连接部的一个例子。根据该方式，例如能够改善阵列天线所涉及的水平面指向性的左右对称性。

在该方式中，在上述连接部可以具备与λ/4短路短截线具有同等功能的短截线。若这样构成，则能够抑制来自连接部的不需要的电力辐射。在上述实施方式中，短截线16相当于与λ/4短路短截线具有同等功能的短截线的一个例子。

在该阵列天线的其他方式中，上述结合线路部具有阻抗匹配用短截线。在上述实施方式中，短截线17相当于阻抗匹配用短截线的一个例子。根据该方式，能够容易地匹配阵列天线所涉及的阻抗。

本发明并不局限于上述实施方式，在不违背从技术方案以及说明书整体读取的发明的主旨或思想范围内能够适当地进行变更，伴有这种变更的阵列天线也包括在本发明的技术范围内。

Claims

1.一种阵列天线，其特征在于，

所述阵列天线具备馈电线路，该馈电线路具有：第一分支线路部及第二分支线路部，该第一分支线路部及第二分支线路部相互邻接且分别沿一个方向延伸，并且分别具有多个辐射元件部；以及结合线路部，将所述第一分支线路部与所述第二分支线路部结合，

所述第一分支线路部所具有的多个辐射元件部被配置于所述第一分支线路部的一侧，

所述第二分支线路部所具有的多个辐射元件部被配置于所述第二分支线路部的与所述一侧相反侧，

若以电长度来表示，则从所述第一分支线路部及所述第二分支线路部与所述结合线路部的结合部起至所述第一分支线路部所具有的多个辐射元件部中的最接近所述结合部的辐射元件部为止的距离比从所述结合部起至所述第二分支线路部所具有的多个辐射元件部中的最接近所述结合部的辐射元件部为止的距离长(2n-1)λ/2，其中，λ为波长，n为自然数。

2.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，

所述阵列天线具备连接部，该连接部将所述第一分支线路部及所述第二分支线路部各自的与所述结合部相反的一侧相互连接。

3.根据权利要求2所述的阵列天线，其特征在于，

所述阵列天线在所述连接部具备与λ/4短路短截线具有同等功能的短截线。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的阵列天线，其特征在于，

所述结合线路部具有阻抗匹配用短截线。