专利名称：天线装置及雷达装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种放射接收电磁波的天线装置及使用该天线装置的雷达装置。
背景技术：
从来，用于雷达的天线装置采用金属喇叭将在垂直方向上放射的电磁波聚拢为波 束状。其结构，例如在专利文献1 :日本专利特开2005-73212号公报中公开着。但是，如果要利用金属喇叭获得所望的指向性，必须加长喇叭在电磁波放射方向 上的伸出长度或扩大喇叭的开口角。其结果是天线装置整体大型化。本发明提供一种装置 整体小型化、具有垂直方向的指向性的天线装置。
发明内容
本发明的天线装置设有电磁波放射源和配置在上述电磁波的放射中心轴接近方 向、上述电磁波放射源前方的电磁波整形部。电磁波整形部设有水平方向上排列有多个缝 隙的缝隙行。另外，该缝隙行在垂直方向设有多层。电磁波放射源放射的电磁波呈球面形扩散，但与设在放射方向(前方)上的多个 缝隙耦合后，波形可整形为具有指向性的波束。特别是，垂直方向设有多层缝隙行，使该电 磁波放射源输出的电磁波在垂直方向形成指向性，聚拢为波束。天线装置放射具有垂直方 向指向性的波束。电磁波放射源与缝隙之间的距离，由放射的电磁波波长λ和电磁波放射源以及 电磁波整形部的截面形状决定。例如如果要加强电磁波放射源与缝隙的耦合，只需确保最 低限度0. 3倍波长的距离即可。因此，采用本发明的结构，在实现与现有金属喇叭同等的指 向性的基础上，可使电磁波放射方向上的伸出长度比金属喇叭短很多。在上述本发明中，上述缝隙行也可包含设置方向垂直于与上述电磁波放射方向平 行的平面、设置位置相互对称的缝隙对。例如，两层缝隙行时，在电磁波放射源的上下(垂 直)方向上平行排列两个缝隙行。这种情况下，可保证最终的波束形状在垂直方向对称。奇 数层缝隙行时，将原设在垂直方向中心位置上的缝隙行改设在与上述电磁波放射源的电磁 波放射方向平行的平面上。作为电磁波放射源，只需水平方向的开口面大于垂直方向的开口面即可，故采用 平面偶极天线、贴片天线、波导管缝隙陈列天线等。本发明实现了天线装置的整体体积小型化，提高了垂直方向指向性。
图1为本发明天线装置的外观示意图。其中，(A)立体图；⑶主视图；(C)图⑶ 的A-A剖视图；(D)立体图。图2为适用于本实施方式的平面偶极天线(dipole antenna)的立体图。图3(A)为平面偶极天线的俯视图；⑶为平面偶极天线的仰视图。
图4为本发明天线装置中平面偶极天线与各缝隙的位置关系示意图。图5(A)为现有天线装置中金属喇叭的垂直方向指向性示意图、⑶为本实施方式 中天线装置的垂直方向指向性示意图。图6为本发明天线装置的其它实施方式的主视视图。图7为本发明天线装置的其它实施方式的立体图。
具体实施例方式参照图面说明本发明的天线装置的实施方式。(第1实施方式)参照图1㈧至图1 (D)、图2及图3 (A)、图3 (B)，说明本发明天线装置的实施方式。 本实施方式中，假设垂直方向为X方向，电磁波放射方向为Z方向(前方向)，与X轴正交且 面向电磁波放射方向向右的方向为Y方向。如图1所示，本实施方式的天线装置具有电磁波整形部1、天线基板2以及馈管3 构成。天线基板2为电磁波放射源，本实施方式中，作为一例给出了如图2所示的平面偶极 天线(Dipole antenna)。由铜等薄膜导体构成的配线22印刷在沿水平方向(Y轴方向)延 长的平板状电介质基板20的表面上。天线基板2，与电磁波整形部1的后底板16平行且被 载置在该后底板16上，螺接固定在后底板16上。天线基板2在电磁波整形部1的Y轴方 向的中心位置与馈管3连接。馈管3是沿垂直方向(X轴方向)延伸的管状馈电部。馈管3在向天线基板2馈 电的同时，兼具支撑整个天线装置的作用。在电磁波整形部1的后底板16上设有贯通馈管 3的贯通孔。馈管3插入到该贯通孔中，与天线基板2连接。电磁波整形部1、天线基板2 以及馈管3构成天线装置。在天线基板2的表面上，形成8个偶极天线21。偶极天线21由铜等薄膜导体构 成，具有一对辐射单元21a和辐射单元21b，辐射单元21a和辐射单元21b夹着与Z轴方向 平行的直线、对称地配置。辐射单元21a配置在顶面，辐射单元21b配置在底面。偶极天线 21的数量不局限于8个。辐射单元21a和辐射单元21b为在Y轴方向形成较长的长方形。辐射单元21a的 Y方向端部与辐射单元21b的-Y方向端部排列在电介质基板20的两侧，相对配置。辐射单 元21a和辐射单元21b的Y轴方向的长度分别设定为基板内波长Xg的1/4。偶极天线21 的间距与波长Xg相同。据此，向前方向放射的电磁波的相位一致。配线22位于偶极天线21的后侧。配线22由电介质基板20顶面的馈线23和电 介质基板20底面的地线M构成，形成微带线(microstrip)。馈线23由沿Y轴方向延伸的干线23a和干线23a的8根分支线2 构成。干线 23a位于电介质基板20的上表面靠后侧(-Y轴方向)。8根支线2 沿Y轴方向等间距配 置。支线23b的前端连接在辐射单元21a的Y方向端部。在干线23a的Y轴方向中央有馈 电部23C，馈管3能够和馈电部23C连接。为了调节对偶极天线21的馈电电力，通常，干线 23a和支线23b的线宽不固定，会发生变化。接地M由地线主体2 和8根连接线24b构成。接地主体Ma占据着电介质基 板20底面靠后侧大致一半的面积。接地主体2 的前端连接在辐射单元21b的-Y轴方向侧的端部。根据上述结构，各偶极天线21放射的电磁波的电力在Z轴方向最大，在Y轴方向 为0。通过后叙的反射板(主要是顶部反射板13和底部反射板17)等、放射到后侧的电磁 波也以同一相位朝向前方向，因而各偶极天线21放射的电磁波的电力集中到前方向。下面，参照附图1，说明电磁波整形部1的详细结构。电磁波整形部1，在)(Z平面上的截面形状为凸字状(后视形状为凸)，以筒状罩住 天线基板2。电磁波整形部1分别由长方形的薄金属板(铜或铝等)前板10、前顶板12、顶 部反射板13、后顶板14、后板15、后底板16、底部反射板17以及前底板18构成。上述金属 板罩住了天线基板2水平方向(Y轴方向)两端之外的其他所有部分。上述金属板通过熔 接和弯曲加工等得到一体结构的电磁波整形部1。在本实施方式中，例举了在电磁波整形部 1的水平方向两端开口的例子，但该开口部分也可以用金属板等封住。如附图1 (C)的剖视图所示，电磁波整形部1隔着天线基板2，在垂直方向上呈大体 对称的形状。配置在与天线基板2平行的TL平面上的前顶板12和前底板18，具有防止电 磁波从电磁波整形部1泄漏的遮蔽的功能。配置在与天线基板2垂直的XY平面上的顶部反射板13和底部反射板17，具有将 从天线基板2向后方向放射的电磁波反射到前方向的反射板的功能。天线基板2的前方向 前端与上述反射板之间的距离Z1，设定为使上述反射板向前方向反射的电磁波相位、与天 线基板2向前方向放射的电磁波相位保持一致的距离。配置在与天线基板2平行的TL平面上的后顶板14和后底板16隔着天线基板2， 中间有一定间隙。即，天线基板2与后顶板14之间留有距离为Xl的间隙。该距离Xl根据 天线基板2放射的电磁波波长λ进行设定。例如，当距离Xl过大时，顶部反射板13反射 的电磁波少于底部反射板17反射的电磁波，向前方向放射的电磁波将失去垂直方向的对 称性。尤其，当距离Xl大于波长λ的1/2时，顶部反射板13反射的电磁波极度减少。因 而，优选的，距离Xl的最大值小于半波长。如果进一步缩短距离Xl (例如，波长λ的1/3 以下)，电磁波将难以进入上述间隙，因此，优选的，将距离Xl设为波长λ的1/3以下。当将距离Xl设为波长λ的1/3 1/2时，进入上述间隙的电磁波通过后板15即 可反射，因此应根据波长λ设定天线基板2的前端与后板15之间的距离Ζ2。具体而言，调 整距离Ζ2的目的在于使后板15反射的电磁波的相位与天线基板2向前方向放射的电磁 波的相位一致。另外，当上述距离Xl过小时，天线基板2和后顶板14之间产生的电磁场会变强， 因此，优选的，能够确保向天线基板2的偶极天线馈电(例如波长λ的1/10)的距离XI。 优选的，距离X在波长λ的1/10以上、1/3以下。在后顶板14和后板15的水平方向的中心位置附近、以及后顶板14的水平方向的 两端，设有便于用螺丝将天线基板2固定在后底板16上的操作的切口 37。如果缩短切口 37在水平方向上的长度(偶极天线21的排列间距以下)，几乎不会有电磁波从该切口 37 泄漏。下面说明作为电磁波整形部1的主要功能部的前板10的结构与功能。在垂直方 向上有三层缝隙行配置在前板10上。配置在中层的缝隙行，由排列在水平方向的8个缝隙 IlB构成。配置在顶层的缝隙行，由排列在水平方向的9个缝隙IlA构成。配置在底层的缝隙行，由排列在水平方向的9个缝隙IlC构成。偶极天线21放射的电磁波与各缝隙耦合，产生新的波源。在各缝隙耦合生成的电 磁波的相位分布，根据各缝隙的位置以及与偶极天线21的距离决定。开口分布(振幅)根 据各缝隙的水平方向长度和垂直方向长度决定。例如在本实施方式中，为了使各缝隙的开 口分布全部相等，缝隙IlA和缝隙IlC均取相同的宽度(水平方向长度￥幻和高度(垂直 方向长度X3)，缝隙IlB比缝隙IlA和缝隙IlC略大。缝隙IlB距离偶极天线较近，因此耦 合强度较强，而缝隙IlA及缝隙IlC距离偶极天线较远，因此耦合强度较弱。上述结构具有 补正两者之间耦合之差的作用。缝隙的高度取电磁波的波长λ的约1/2，以保证在垂直方向的中心位置获得最大 输出，并在所有的缝隙获得最大输出。顶层的缝隙IlA和底层的缝隙IlC为长方形缝隙。与此相比，中层的缝隙IlB为 蝴蝶结形缝隙。通过将缝隙设为蝴蝶结形，可扩大工作频带。当采用蝶形缝隙时，各缝隙 的垂直方向的中心位置(缝隙宽度最小处)会产生强电场，因此还可起到抑制垂直偏波 (Vertical Polarization)的作用。中层缝隙行的缝隙IlB分别配置在8个偶极天线21的正前面，如附图3 (A)所示， 缝隙IlB的排列间距Yl与偶极天线21的排列间距相同。各缝隙IlB与各偶极天线21之 间的距离Z3，根据电磁波的波长λ决定。具体而言，为了偶极天线21放射的电磁波能在 缝隙IlB的位置形成深度耦合，只需将距离D设为1/4波长λ的奇数倍(1/4、3/4...)即可。然而，在缝隙耦合的电磁波，含有偶极天线21放射的电磁波、以及顶部反射板等 反射的电磁波。即，根据电磁波整形部1的截面形状(参照附图1(c))，形成不同于波长λ 的波长。因此，在本实施方式中，考虑上述影响，将偶极天线21和缝隙IlB之间的距离D 设为波长λ的约0.3倍。如附图3(B)所示，顶层的各缝隙11�。帕性谥胁愀鞣煜禝lB的水平方向的中心位 置。同样，底层的各缝隙lie，也排列在中层各缝隙IlB的水平方向的中心位置。即各缝隙 的水平方向的位置，排列在垂直方向上相邻接的其它缝隙行中各缝隙之间的水平方向的中 心位置上。顶层的缝隙IlA的排列间距及底层缝隙IlC的排列间距，与上述相同，等同于偶 极天线21的排列间距。在此，如果采用三层缝隙行，则将顶层和底层的各缝隙配置在中层各缝隙之间的 水平方向的中心位置上。当使所有缝隙的相位保持一致时，如果将距离电磁波放射源最近 的中层缝隙与该电磁波放射源的距离设为0. 3倍波长，则应将顶层和底层缝隙与电磁波放 射源的距离最小设为0.8倍波长。顶层和底层的各缝隙配置在各缝隙的中心位置。采用上 述结构，能够争取保持各缝隙与电磁波放射源之间的距离，缩小缝隙行之间的距离，从而实 现垂直方向的小型化。在本实施方式中，为使所有缝隙的相位保持一致的状态，当缝隙IlB和偶极天线 21的距离为0. 3倍波长时，将缝隙11Α(及缝隙11C)和偶极天线21的距离设为0. 8倍波 长。通常情况下，当缝隙IlB和偶极天线21之间的距离与缝隙11Α(及缝隙11C)和偶极天 线21之间的距离之差为波长λ的整数倍时，可保持相位一致。但是，如前所述，在缝隙耦合的电磁波中包括顶部反射板等反射的电磁波，根据电磁波整形部1的截面形状，形成不同于波长λ的波长。因此，基于上述考虑，将缝隙IlA(以 及缝隙11C)与偶极天线21的距离设为约0. 8倍波长。通过将顶层和底层的各缝隙IlA和缝隙IlC配置在中层各缝隙IlB的中心位置， 缩小了与偶极天线21的距离，并缩小了缝隙行之间的距离Χ2。通过缩小缝隙行之间的距 离，可缩小天线装置整体的垂直方向上的大小。也可以在前面板10上超出上述电磁波放射源的水平方向的宽度的位置，设置至 少一个缝隙。此时，电磁波整形部1的水平方向的波源的宽度，大于电磁波放射源的宽度， 提高了水平方向的指向性(如果是相同旁瓣等级，波束宽度会缩小)。本实施方式中，在顶层和底层缝隙行的宽度大于天线基板2宽度的位置处也设有 缝隙。缝隙数量大于偶极天线21的数量。依据本实施方式，在顶层和底层缝隙行耦合放射 的电磁波在大于原电磁波放射源的天线基板2的宽度上放射。电磁波以大的宽度上放射， 因此提高了水平方向的指向性。如果是相同旁瓣等级，波束宽度会进一步缩小。下面与现有的天线装置对比，说明本发明的天线装置的垂直方向的指向性。附图5(A)为现有的配有金属喇叭的天线装置的垂直方向的指向性，附图5(B)为 配有上述本实施方式电磁波整形部1的天线装置的垂直方向的指向性。在两个图中，纵轴 均为强度(dB)，横轴均为以设置天线基板2的平面方向为0度的垂直方向角度。如附图5(A)和附图5(B)所示，本实施方式的电磁波整形部1与现有的金属喇叭 相比，虽然主瓣的波束宽度相同(_3dB宽度约20度)，但旁瓣等级下降数个dB，垂直方向的 指向性更高。现有的天线装置的金属喇叭，因为垂直方向的相位不一致，随着从0度到两 侧，强度缓慢地下降。相反，本实施方式的电磁波整形部1中，各缝隙行的相位全部相等，随 着从0度到两侧，强度急剧下降。因此，旁瓣等级降低。另外，如上所述，在实现更高的指向性的状态下，电磁波整形部1的高度(X轴方向 的长度)约为金属喇叭的3/4。尤其，向电磁波放射方向的伸出长度(Z轴方向的长度)约 为金属喇叭的1/2。通过缩短该伸出长度，实现了天线装置的整体小型化。当然，包括雷达天线罩的雷达装置的整体(也包括处理基于天线装置放射的电磁 波的回波信号的接收回路。)的体积也远小于使用现有的金属喇叭的情形。实现天线装置 的整体的小型化，使让天线装置在水平方向上旋转的驱动装置的负荷也变得很小。本实施方式中，各缝隙的间距与偶极天线21的间距相同，所有缝隙的相位与偶极 天线21的相位一致，因此水平方向的指向性以天线基板2的指向性为准。但是，如上所述， 对于顶层和底层的缝隙行，由于可使电磁波以超出天线基板2的宽度的宽度放射电磁波， 所以其水平方向的指向性也较现有的天线装置有所提高。如上所述，本实施方式的天线装置，虽然只有一个电磁波放射源，却在配置在垂直 方向上的多层各缝隙行中产生新的波源(电磁波能够被整形)。据此，最终的被放射的电磁 波即使在垂直方向上也有指向性，能够聚拢为波束化。可通过调整各缝隙的宽度和高度使开口分布具有任意的特性。同时，还可通过调 整缝隙位置使相位分布具有任意的特性。依据该功能，本发明的天线装置能够自由控制波 束形状。尤其在上述实施方式中，可通过使所有缝隙中的开口分布及相位分布均勻，将波束 聚拢到垂直方向。通过采用这种结构，能够将天线装置小型化。缝隙行的层数不限于三层。例如附图6所示的电磁波整形部5 (前板50)，也可省略中层缝隙行11B，只设两层缝隙行。即，隔着天线基板2、上下方向对称配置缝隙行，使 垂直方向的波束形状对称即可。如果是奇数层缝隙行，则将垂直方向中心位置上的缝隙行 配置在天线基板2的正前面。如果是偶数层缝隙行，则省略奇数层中设在垂直方向中心位 置上的缝隙行在本实施方式中，虽然以平面偶极天线作为电磁波放射源，但也可以采用阵列配 置的贴片天线(patch antenna)或波导管缝隙行天线(wave guide slot array antenna) 等其它电磁波放射源。例如采用波导管缝隙行天线作为电磁波放射源时，如附图7(A)所 示，将波导管7的管轴沿水平方向配置，使设在窄面侧(或宽面侧)的多个电磁波放射源缝 隙71朝向前方。在该结构中，中层的各缝隙IlB配置在波导管7的各电磁波放射源缝隙71 的正前面。在本实施方式中，电磁波整形部1隔着天线基板在垂直方向上近似对称的形状。 即、隔着与电磁波放射源的电磁波放射方向平行的平面、在垂直方向上对称的位置上可以 设置缝隙行，缝隙的个数数非对称(相同数量)亦可。例如也可如附图7(B)所示的前板 80，省略顶层缝隙的左右端部，将其作为切口 81。
权利要求
1.一种天线装置，其特征在于，具有电磁波放射源，放射电磁波；电磁波整形部，配置在所述电磁波放射源前方，在水平方向上配置由多个缝隙构成的 缝隙行，在垂直方向配置多层该缝隙行。
2.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述电磁波整形部整形形成的电磁 波的主瓣的中心轴位于接近水平面内。
3.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，所述电磁波整形部至少含有两行以 上的缝隙行，该两行以上的缝隙行垂直于包含所述中心轴的水平面、在该中心轴两侧相互 对称。
4.根据权利要求3所述的天线装置，其特征在于，所述缝隙行设有奇数层。
5.根据权利要求4所述的天线装置，其特征在于，所述缝隙行中处于垂直方向中心位 置的中心缝隙行，设置在与所述电磁波的放射方向平行的平面上。
6.根据权利要求4所述的天线装置，其特征在于，所述垂直方向处于中心位置的缝隙 行，各缝隙的形状均为蝴蝶结形。
7.根据权利要求3所述的天线装置，其特征在于，所述多层缝隙行的各层的各缝隙的 水平方向位置位于在垂直方向相邻的其它缝隙行中的各缝隙间的水平方向的中心位置。
8.根据权利要求3所述的天线装置，其特征在于，至少有两行的缝隙行的缝隙设在宽 度大于所述电磁波放射源的水平方向宽度的位置。
9.根据权利要求3所述的天线装置，其特征在于，所述电磁波放射源，其水平方向的开 口面比垂直方向的开口面宽。
10.根据权利要求3所述的天线装置，其特征在于，所述电磁波放射源为水平配置的平 面偶极天线。
11.根据权利要求10所述的天线装置，其特征在于，所述电磁波整形部，具有缝隙板，在该缝隙板上形成所述缝隙行并与所述偶极天线垂直；护罩，与所述缝隙板顶部和底部连接，并分别遮蔽所述平面偶极天线的顶部和底部。
12.根据权利要求10所述的天线装置，其特征在于，所述电磁波整形部在平行所述电 磁波放射方向上的截面为凸形，所述缝隙行垂直于该凸形底面，所述平面偶极天线配置在 所述电磁波整形部的内部。
13.根据权利要求3所述的天线装置，其特征在于，所述电磁波放射源为水平配置的贴 片天线。
14.根据权利要求13所述的天线装置，其特征在于，所述电磁波整形部具有缝隙板，所述缝隙行形成在该缝隙板上，并与所述贴片天线垂直；护罩，与所述缝隙板顶部和底部连接，并分别遮蔽所述贴片天线的顶部和底部。
15.根据权利要求13所述的天线装置，其特征在于，所述电磁波整形部平行于所述电 磁波放射方向上的截面为凸形，所述缝隙行垂直于该凸形底面，所述贴片天线配置在所述 电磁波整形部的内部。
16.根据权利要求3所述的天线装置，其特征在于，所述电磁波整形部为管轴配置在水 平方向，多个电磁波放射源缝隙朝向前方的波导管。
17.根据权利要求3所述的天线装置，其特征在于，电磁波放射源与缝隙的距离至少为所述电磁波波长的约0.3倍。
18.根据权利要求5所述的天线装置，其特征在于，电磁波放射源与所述中心缝隙的距 离为所述电磁波波长的约0. 3倍；所述电磁波放射源与所述缝隙对的距离为所述电磁波波 长的约0.8倍。
19.一种雷达装置，其特征在于，具有 电磁波放射源，放射电磁波；天线装置，具有电磁波整形部，该电磁波整形部配置在所述电磁波放射源前方，在其水 平方向上配置由多个缝隙构成的缝隙行，在其垂直方向配置多个该缝隙行。 接收回路，处理基于从所述天线装置房舍的电磁波的回波信号。
20.根据权利要求19所述的雷达装置，其特征在于，还具有，使所述天线装置在水平方 向旋转的驱动装置。
全文摘要
电磁波放射源天线基板2的前面配置金属前板10。前板10上配置三层缝隙行。配置在中层的缝隙行由配置在水平方向的8个缝隙11B构成。配置在顶层的缝隙行，由配置在水平方向的9个缝隙11A构成。配置在底层的缝隙行，由配置在水平方向的9个缝隙11C构成。天线基板2放射的电磁波与各缝隙耦合，指向性被整形、波束化。尤其，垂直方向设有多层缝隙行，最终放射的电磁波即使在垂直方向也形成指向性，被波束化。据此，比使用现有金属喇叭的天线装置小型且在垂直方向上也有指向性的天线装置。
文档编号G01S13/00GK102082321SQ201010538420
公开日2011年6月1日 申请日期2010年10月29日 优先权日2009年10月30日
发明者厚见浩史 申请人:古野电气株式会社
专业数控铣床产品供应商
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