CN1354900A

CN1354900A - 透镜天线及透镜天线阵列

Info

Publication number: CN1354900A
Application number: CN00803676.4A
Authority: CN
Inventors: 石飞德昌; 下田秀昭
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1999-02-12
Filing date: 2000-02-08
Publication date: 2002-06-19
Also published as: US20020024471A1; US6433751B1; EP1152486A1; EP1152486A4; WO2000048270A1

Abstract

本发明以实现与移动体外观(表面形状一体化),不会损害移动体的外观,比较廉价且容易制造,组装也容易,高性能的透镜天线为目的,为了达到该目的,本发明的透镜天线安装在移动体上,其放射侧的面和焦点侧的面具有作为透镜的准光学形状,而且,是非回转体形状。

Description

透镜天线及透镜天线阵列

技术领域

本发明涉及使用于车辆等的移动体的毫米波雷达等的透镜天线。

背景技术

以将自动航行装置、回避危险等作为目的，对汽车、摩托车的车辆等的移动体中的雷达装置进行了种种研究。其中，利用所谓的毫米波带域的电波的雷达以其装置小型化、轻量化容易而适合于移动体。

该雷达装置大致分为具有振荡器、放大器等的毫米波子***和天线。在该天线中，由于透镜天线构造比较简单，定向性等的调整也比较容易，因此，被视为有前途。

关于透镜天线本身，在例如特开昭51-100664号公报、特公昭59-23483号公报等中进行了种种的研究。

过去的透镜天线，一般是回转体，与光学透镜同样，一面是平面、球面、双曲面、抛物面等的几何学形状，另一面是被决定为可以准光学性地满足被要求的性能等的形状。

但是，在将形成为回转体的天线安装在移动体表面上时，移动体本身由于是几乎左右对称，因此，为了尽量不损坏其外观设计而仅沿其中心轴进行配置。形成为该回转体的天线由于也是上下对称，在移动体、特别是汽车等中，表面中的上下左右对称的部分成为例如图8的位置F所示那样的保险杠中央前端等的非常有限的部分。但是，几何学性放射侧的面和形成保险杠等的车辆等的移动体的表面的面形状不一致的情况多，设计构思不相容的要素配置在移动体表面上，成为显著损害外观的主要原因。

特别是对于像汽车等那样的在设计方面趣味性高、重视外观的移动体来说，是重大的问题。

另外，对于高速移动的物体来说，即使具有从对于流体力学为理想的形状稍微变形了的部分，在高速移动时也会产生大的阻抗，成为使移动体的运动性能降低的重要原因。因此，像近年来在汽车和摩托车等中大力研究着的空气动力性优良的车身外壳构造那样，需要极力避免配置从表面形状上突出或使其变形的构造物。

作为可以获得与形成移动体的表面的面形状一致的自由的表面形状的天线，例如在航空设备等中研究了共形阵天线(Conformal ArrayAntenna)等，但是，其配置了许多的小元件的构造难以廉价化。另外，该通过控制多个元件所获得的定向性能不能满足动的要求。

因此，考虑了由树脂质的雷达罩隐蔽该透镜天线的方案。但是，使用毫米波特性优良的材料形成雷达罩会增加新的工序数量，并且会导致成本高，不适合于特别是面向大众的大批量生产的车辆等。另外，例如如图8中的位置I所示，也考虑了将是回转体而与移动体的外观形状不相称的透镜天线收容在移动体内部的方案。但是，由于移动体外部材料的反射和衰减，难以获得所希望的性能。

在特开平8-139514号公报中，对使透镜天线和车辆保险杠一体化的方案进行了记载。但在该公报中所讨论的构造，例如图8的位置H所示，是在保险杠的里侧配置一体成形的凸透镜天线或将平凸透镜天线配置在保险杠里侧的构造，通过透镜天线部分的电波也通过到保险杠表面上。但是用同一材料一体成形要求使用以再利用为前提的低费用的材料且经常受到机械性压力的保险杠本体与要求高度的毫米波特性和准光学性能且高精度尺寸形状的透镜天线是困难的。

因此，电波受到由用保险杠部分和透镜天线部分形成的形状给予的准光学的折射率的影响，难以获得所希望的性能。另外，在将平凸透镜配置在保险杠里侧时，在其构造上产生结合部分和间隙，由于该部分所产生的反射和衰减难以获得所希望的性能。

另外，在特开平7-283634号公报中，如图8的位置G所示，考虑将车牌换由树脂制，将其一部分作为天线发挥作用。但是，如果变更车牌本身，需要变更的车辆的数量巨大，而且车牌的管理体制本身也需要大幅度的变更，因此，不现实。

另外，在USP4224626号公报、USP4847628号公报中公开了一种非球面的透镜天线，都是关于提高F-数(光圈数)或频率特性、定向性的天线，没有进行关于使用于移动体或与非对称形状移动体表面的形状的匹配性等的研究。

另外，在USP5264859号公报中公开了一种使用于移动体的雷达用透镜天线，但是，也与上述相同，没有进行关于非对称性的形状或移动表面的匹配性的研究，

发明目的

本发明的目的是提供一种透镜天线和透镜天线阵列，该透镜天线可以与移动体的外观(表面)形状一体化，不损害移动体的外观，可以比较廉价地容易制造，组装容易且性能高。

技术方案

为了达到上述目的，本发明的构造为：

(1)透镜天线，该天线安装在移动体上，其放射侧的面和焦点侧的面具有作为透镜的准光学性的形状，而且是非回转体形状。

(2)上述(1)的透镜天线是非线对称形状。

(3)上述(1)的透镜天线是线对称形状。

(4)上述(1)的透镜天线的开口投影面的形状是椭圆。

(5)上述(1)的透镜天线的开口投影面的形状是角被弄圆了的三角形。

(6)上述(1)的透镜天线的开口投影面的形状是角被弄圆了的方形。

(7)上述(1)～(6)的任何一种透镜天线，在安装在上述移动体上时，移动体本体的表面与透镜天线表面的接合部形成连续的面。

(8)上述(1)～(7)的任何一种透镜天线，其至少放射侧表面被着色。

(9)上述(1)～(8)的任何一种透镜天线，在频率30～300GHz的频率带域中使用。

(10)上述(1)～(8)的任何一种透镜天线，使用频率带域中的构成材料的电容率εr＝2～9。

(11)上述(1)～(10)的任何一种透镜天线，在放射侧的面上具有防反射膜。

(12)是一体地成形多个上述(1)～(11)的任何一种透镜天线的透镜天线阵列。

附图的简单说明

图1是表示本发明的透镜天线的安装位置的外观立体图。

图2是表示与本发明的其它的透镜天线的安装位置的外观立体图。

图3是表示本发明的实施例的透镜天线和其电波的传播路径的剖面图。

图4是从焦点侧斜下方透视本发明的实施例的透镜天线的构造图。

图5是将本发明的实施例的透镜天线的开口面形状做成方形时的构造图。

图6是表示在本发明的实施例的透镜天线的焦点侧配置了副反射镜时的电波的传播路径的剖面图。

图7是表示将本发明的实施例的透镜天线做成为多个天线阵列时的电波的传播路径的剖面图。

图8是表示现有技术的透镜天线安装位置的外观立体图。

用于实施本发明的最佳方式

本发明的透镜天线安装在移动体上，具有非回转体形状，这样通过做成为非回转体形状，可以与移动体的外观(表面)形状一体化，不会损害移动体的外观，比较廉价且容易制造，另外，组装也容易可维持高性能。

本发明的透镜天线最好是首先决定向移动体的安装位置，然后与移动体的安装位置的面形状吻合地决定透镜天线放射侧面形状。

图1是表示将本发明的透镜天线安装在移动体上时的安装位置的一例的外观立体图。

由于本发明的透镜天线是非回转体，其放射面可以是非线对称、即是上下/左右非对称。因此，其安装位置不限定于移动体前端的上下/左右对称的位置，即使如图1的位置A那样地露出地安装在移动体前表面的任意位置也不会损害外观形状。

在这些形状中，透镜天线的放射面的轮廓部最好没有角或曲率半径极小的区域。

另外，本发明的透镜天线也可以是线对称，即通过做成为线对称，其放射面也成为线对称。因此，其安装位置不限定于移动体前端的上下对称的位置，即使如图1的位置B那样地露出地安装在移动体前面的中心轴上的任意位置，也不会损害外观形状。

另外，本发明的透镜天线，其开口投影面的形状可以是椭圆或角被弄圆了的三角形或角被弄圆了的方形。在此，所谓开口投影面，是指由垂直于从焦点发出的使用频率带域的电波中的通过透过透镜天线所获得的电波束而截断该电波束时的投影面。这样，通过将开口投影面的形状做成为椭圆或角被弄圆了的三角形或角被弄圆了的方形，即使在安装在图2的位置C、D时也不损害移动体的外观设计。这时，倒圆的R(半径)最好是R＝1～100mm，特别是5～20mm左右。

另外，本发明的透镜天线最好是移动体本体的表面和透镜天线的表面的接合部形成连续的面。通过将移动体本体的表面和透镜天线的表面的接合部形成为连续的面，可以在不损害移动体的外观设计的情况下在高速移动时也不产生流体力学性的阻抗。

为了连续地形成接合部，最好是，透镜天线的安装位置中的移动体表面的倾斜方向、倾斜大小、曲率、透镜天线的放射侧表面的倾斜方向、倾斜大小、曲率一致。在此，所谓一致是指移动体表面的倾斜方向、倾斜大小、曲率、透镜天线的放射侧表面的倾斜方向、倾斜大小、曲率分别是±20％以内、最好是±5％以内。

另外，透镜表面形状不限定于简单地用曲率表示的球面，即使是例如高次二变数函数、花键面等的更复杂的面形状，也可以如后面所说明的那样由公式翻译程序等的通用高级语言的函数数据列表现。

另外，本发明的透镜天线至少其放射侧的表面可以着色。通过着色放射侧表面，可以进一步与移动体本体在色彩上进行调合，进一步减少对外观设计的损害。

如上所述，本发明的透镜天线可以任意地决定向移动体的安装位置，也不会损害移动体的外观设计，因此，也可以增大外观设计的自由度。

<透镜天线的开口投影面的形状>

如上所述，透镜天线的开口投影面的形状可以做成为椭圆或角被弄圆了的三角形或角被弄圆了的方形、或公知的圆形，但其大小必须由透镜天线所要求的电气性的放射特性来决定。

天线开口投影面的大小，在将其天线的放射半幅值的大小设为θ、将开口投影面的最大长度设定为a、将波长设为λ时，

有θ＝kλ/a的关系。

在此，k为1～1.5的程度。(“天线工程学手册”电子通信学会编，才-ム公司，S55，10，30)

例如，将必要的放射半幅值θ设定为3度、即3/180×π＝0.05弧度、将频率设定为60GHz、即波长λ＝3×10⁸/60×10⁹＝5×10^-3米、k＝1时，a＝kλ/θ＝5×10^-3/0.05＝0.1米。

当然，该必要的放射半幅值在水平方向和垂直方向不同时，即从与移动体的外观设计的匹配性出发也可以做成圆以外的形状。在该种情况下，只要满足由各方向的放射半幅值决定的开口投影面积的大小即可。

<透镜天线的焦点位置>

焦点位置是自透镜天线的焦点侧面的距离，较好是上述开口投影面的大小a的1/3～3倍，更好是1/2～2倍，最好是做成为2/3～3/2倍。

在焦点位置与透镜接近时，可以将含有一次放射器的天线***的纵深缩小，但其反面，透镜天线的厚度变厚，材料费用变大。而且，由一次放射器的安装位置的偏移所带来的性能的变化变大。特别是，在透镜天线材料的电容率大时，有放射效率低等的弊病。

另外，在焦点位置离透镜远时，透镜天线变薄，有由一次放射器的安装位置的偏移所带来的性能的变化变小，放射效率高的优点。但其反面，含有一次放射器的天线***的纵深变大，要求一次性放射器有敏锐的定向性。因此，需要由副反射镜、副透镜、棱镜等的新的准光学***缩短其纵深和实现一次放射***的敏锐的定向性。

<透镜天线的材料>

作为用于构成透镜天线的材料，可以使用高频率特性优良的特氟隆、特开昭59-23483号公报记载的连续气孔性多孔质的结晶性高分子材料、特开平9-246052号公报记载的耐热性低感应性高分子材料、或陶瓷、或它们的复合材料等种种材料。在这些材料中，从轻量、成形加工容易方面考虑最好是使用树脂材料。但是，例如，当要求某种程度的硬度、强度时，可以使用氧化铝等的陶瓷材料等的适用于其适用条件和使用目的的材料。

另外，其使用频率的电容率最好是εr＝2～12，特别最好是εr＝5～9左右。当电容率过低时，透镜天线变厚，重量增加，若是昂贵的材料则显著提高了成本。另外，当设有用于降低表面反射的防反射膜时，使用于防反射膜的材料的电容率必须选定为与透镜本体的电容率的平方根相等。因此，当例如将透镜本体的电容率εr设定为2时，适于其的防表面反射膜的电容率为1.41。可是，电容率小于2的材料大都难以获得。另外，电容率极低的材料大都比较脆，因此，最好不露出于移动体表面。

另外，当电容率过高时，天线可以薄而轻量化，但是，由于反射增大，必须需要防反射膜。而且，即使设有防反射膜，其效果有效的频率范围窄。天线具有极端的频率特性。

关于在透镜天线表面(放射面)设置反射膜时的方法，在特开平7-16941号公报、特开平7-16862号公报、特开平7-30324号公报等中进行了研究。

<透镜天线的焦点侧的面形状>

作为为了使透镜天线本体部分形成为成为其放射面的表面和焦点侧的面在使用的频率带域中具有作为电波透镜的准光学的形状方法，可以应用各种准光学的设计方法，但是，特别是最好使用光学模拟程序。

该光学模拟程序，作为光学设计评价程序等在市场上被销售着。通过将这样的光学模拟程序导入通用的个人用计算机(安装奔腾处理器程度)、或工作站等，可以进行透镜的模拟解析。另外，对于透镜面的任意形状，其形状如果在C语言、公式翻译程序等的通用的高级语言上可以用公式(函数)、数据列等进行表现则容易对应。作为将任意形状取入计算机等、进行公式(函数)、数据列化的方法，除了在设计阶段使用其数据(CAD数据等)时之外，也可以，将实现的形状用激光解析装置(应用激光干涉的形状测定装置等)等的三维测定方式取入形状数据，用最小二乘法等数学方法求面定义式的系数，进行公式化。

这样，在相对移动体表面的形状决定形成与其一致的面的透镜放射面的形状后，只要用上述模拟程序求出焦点侧的形状和其厚度即可。

作为可在本发明的所使用的光学模拟程序，例如有美国OpticalResearch Associates公司的CODE V等。由于这些光学模拟程序的大多数进行根据几何光学的解析，在用于光学透镜的设计时有可能产生大的误差。由于例如焦点距离非常短的情况下的放射效率低、由一次放射器的定向性所引起的放射效率降低等多在基于几何光学的解析中不表现出，因此，需要注意。但是，在本发明中数值限定了的范围中不产生致命的误差。

<由副反射镜、副透镜、棱镜进行的焦点位置的移动>

关于焦点位置，如所记述的那样，在焦点位置离透镜天线的焦点侧远时，含有一次放射器的天线***的纵深变大，有难以安装到移动体上的情况。这时，通过在透镜天线和一次放射器之间的电波路径上配置图6所示的副反射镜、或副透镜或电波棱镜，使其电波路径弯折，可以缩小天线***的纵深。在图6中，焦点F的位置由配置在透镜天线1焦点侧的副反射镜5变更到透镜天线1侧。

<透镜天线阵列>

透镜天线的开口投影面的大小由必要的放射半幅值决定，但也有由于移动体安装面的构造和外观设计其大小不能允许的情况。另外，也有根据天线的用途，需要改变放射方向或合成多个天线的放射的情况。本发明的透镜天线在这样的情况下也可以构成适用于多个的各透镜天线且更加与移动体的外观形状匹配了的透镜天线。即，例如如图7所示，一体成形多个透镜天线1，通过给予分别适当的形状和焦点F1、F2来增大透镜天线的外观、设计的自由度。

实施例

以下，表示实施例，更具体地说明本发明。

在此说明的实施例中，将开口投影面的大小设定为0.1米，透镜天线放射面是平面并相对放射方向倾斜60度，焦点位置从透镜天线焦点面离开0.1米，透镜材料的电容率为2.1。将这些条件给予上述光学模拟程序(Optical Research Associates公司的CODE V)，求出透镜天线焦点侧面形状。在此，需要注意在上述光学模拟器中需要将电容率的平方根作为折射率给予的情况。在本实施例中，由于电容率为2.1，因此，给予模拟器的折射率是1.449。

在本实施例中，将透镜天线的安装位置如图1的B所示地设定为车体中央车盖前端。这时的透镜天线放射表面的倾斜方向，从下朝上向焦点侧倾斜，放射侧表面的倾斜的大小相对放射方向为60度，而且放射表面的曲率为无穷大即是平面。

作为该实施例进行说明的透镜天线的放射侧表面的倾斜方向和大小和曲率不一定与透镜天线安装位置中移动体表面的一致，但是为了说明本发明的实施例是足够的。

图3是表示这样地设计的本实施例的透镜天线和其电波传播路径的剖面图。在该图中，当入射电波2进入透镜天线1时，前进方向被改变(3)，成为聚焦在焦点F上的电波4。图4在从焦点侧斜下方透视本实施例的透镜天线1构造的图中表示电波2、4的传播路径、透镜天线的水平及垂直面的断面，开口投影面的形状。

本实施例的透镜天线做成为左右对称(线对称)的形状，但是，在将透镜天线从移动体的中心轴离开进行安装时，只要与其移动体的面形状对合，将透镜天线的放射侧表面向左右倾斜地进行同样的设计方法即可。另外，本实施例的透镜天线的放射侧面形状是平面，但是，只要设定与移动体的面形状吻合的曲率并进行同样的设计方法也可以构成更加与移动体的外观形状匹配的透镜天线。

另外，本实施例的透镜天线其开口投影面的形状做成为圆形，如果是满足必要的放射半幅值的大小，也可以切断本实施例的透镜天线而变更为任意的形状，构成更加与移动体的外观形状匹配的透镜天线。例如，图5表示切断本实施例的透镜天线的上下左右将开口投影面的形状变更为方形的情况。这时的放射半幅值由分别在水平、垂直方向上的透镜天线的水平方向的最大开口尺寸、垂直方向的最大开口尺寸决定，因此，需要注意的是比切断上下左右前放射半幅值变大的情况。另外，在该例子中未示出，但也可以通过在切断部上实施倒角、将角倒圆，增大机械强度，提高外观形状特别是设计方面的质量。

另外，如果对本实施例的透镜天线的至少放射侧的表面着色，则可以构成更加与移动体的外观形状匹配的透镜天线。

发明效果

根据以上的本发明，可以实现与移动体外观(表面形状一体化)，不会损害移动体的外观，比较廉价且容易制造，组装也容易，高性能的透镜天线及透镜天线阵列。

Claims

1.透镜天线，其特征在于，该天线安装在移动体上，其放射侧的面和焦点侧的面具有作为透镜的准光学性的形状，而且是非回转体形状。

2.如权利要求1所述的透镜天线，其特征在于，透镜天线是非线对称形状。

3.如权利要求1所述的透镜天线，其特征在于，透镜天线是线对称形状。

4.如权利要求1所述的透镜天线，其特征在于，透镜天线的开口投影面的形状是椭圆。

5.如权利要求1所述的透镜天线，其特征在于，透镜天线的开口投影面的形状是角被弄圆了的三角形。

6.如权利要求1所述的透镜天线，其特征在于，透镜天线的开口投影面的形状是角被弄圆了的方形。

7.如权利要求1～6中的任何一项所述的透镜天线，其特征在于，透镜天线在安装在上述移动体上时，移动体本体的表面与透镜天线表面的接合部形成连续的面。

8.如权利要求1～7中的任何一项所述的透镜天线，其特征在于，其至少放射侧表面被着色。

9.如权利要求1～8中的任何一项所述的透镜天线，其特征在于，在频率30～300GHz的频率带域中使用。

10.如权利要求1～6中的任何一项所述的透镜天线，其特征在于，使用频率带域中的构成材料的电容率εr＝2～9。

11.如权利要求1～6中的任何一项所述的透镜天线，其特征在于，在放射侧的面上具有防反射膜。

12.透镜天线阵列，其特征在于，是一体地成形多个权利要求1～11所述的透镜天线的透镜天线阵列。