專利名稱：有源相控陣列天線和天線控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有源相控陣列天線和天線控制裝置，特別涉及移動識別用無線機(jī)和衛(wèi)星廣播接收機(jī)等通信設(shè)備中的發(fā)送接收微波的有源相控陣列天線、除此之外還涉及例如防止汽車撞車?yán)走_(dá)等的發(fā)送接收毫米波的有源相控陣列天線、以及使用這些有源相控陣列天線的天線控制裝置。
背景技術(shù)：
以往，作為發(fā)送接收微波、毫米波的天線，一般使用所謂的有源相控陣列天線。
下面，參照附圖來說明以往使用的有源相控陣列天線。
圖10(a)示意地表示以往的有源相控陣列天線100的結(jié)構(gòu)圖，圖10(b)表示構(gòu)成有源相控陣列天線100的部件之一的移相器707的結(jié)構(gòu)示例。
以往的有源相控陣列天線100包括在電介質(zhì)基板上排列的多個天線補片706a...706p；以及將饋電端子711上施加的高頻信號分配到各天線補片706的饋電線710。此外，有源相控陣列天線100包括移相器707a...707p，配置在饋線710上，使通過的高頻信號的相位變化，與各天線補片706相對應(yīng)；以及控制電路708，對每個移相器707施加對應(yīng)所需的直流控制電壓，控制通過各移相器707的高頻信號的移相量。再有，天線補片706和移相器707在圖10中分別設(shè)有16個，但這只不過是例示。
此外，圖10(b)表示有源相控陣列天線100中使用的移相器707的結(jié)構(gòu)圖。所有移相器707為相同結(jié)構(gòu)。
移相器707作為傳輸輸入的高頻信號的傳輸路徑，包括連接到饋電線710的輸入端和輸出端的第1傳輸路徑14a、20a；通過隔高頻元件21、27連接到直流電源的輸入端和輸出端的第2傳輸路徑14b、20b；直流電流通過隔高頻元件24連接到中間傳輸路徑17；通過各自隔高頻元件22、23連接到第1控制線V1、第1反轉(zhuǎn)控制線NV1的長度不同的第1、第2切換傳輸路徑15、16；以及通過各自隔高頻元件25、26連接到第2控制線V2、第2反轉(zhuǎn)控制線NV2的長度不同的第3、第4切換傳輸路徑18、19。
然后，在輸入端的第1傳輸路徑14a和第2傳輸路徑14b之間連接隔直流的隔直流元件12，此外，在輸出端的第1傳輸路徑20a和第2傳輸路徑20b之間連接隔直流的隔直流元件13。
此外，將第1和第2切換傳輸路徑15和16配置在中間的傳輸路徑17和輸入端的第2傳輸路徑14b之間。
在第1切換傳輸路徑15的輸入端和輸入側(cè)的第2傳輸路徑14b的輸出端之間，將PIN二極管31a從第2傳輸路徑14b朝向第1切換傳輸路徑15為正方向那樣來連接，此外，在第1切換傳輸路徑15的輸出端和中間傳輸路徑17的輸入端之間，將PIN二極管31b從中間傳輸路徑17朝向第1切換傳輸路徑15為正方向那樣來連接。
在第2切換傳輸路徑16的輸入端和輸入側(cè)的第2傳輸路徑14b的輸出端之間，將PIN二極管32a從第2傳輸路徑14b朝向第2切換傳輸路徑16為正方向那樣來連接，此外，在第2切換傳輸路徑16的輸出端和中間傳輸路徑17的輸入端之間，將PIN二極管32b從中間傳輸路徑17朝向第2切換傳輸路徑16為正方向那樣來連接。
而且，在上述中間傳輸路徑17和輸出側(cè)的第2傳輸路徑20b之間配置第3和第4切換傳輸路徑18和19。
在第3切換傳輸路徑18的輸入端和中間傳輸路徑17輸出端之間，將PIN二極管33a從中間傳輸路徑17朝向第3切換傳輸路徑18為正方向那樣來連接，此外，在第3切換傳輸路徑18的輸出端和輸出側(cè)的第2傳輸路徑20b的輸入端之間，將PIN二極管33b從第2傳輸路徑20b朝向第3切換傳輸路徑18為正方向那樣來連接。
在第4切換傳輸路徑19的輸入端和中間傳輸路徑17輸出端之間，將PIN二極管34a從中間傳輸路徑17朝向第4切換傳輸路徑19為正方向那樣來連接，此外，在第4切換傳輸路徑19的輸出端和輸出側(cè)的第2傳輸路徑20b的輸入端之間，將PIN二極管34b從第2傳輸路徑20b朝向第4切換傳輸路徑19為正方向那樣來連接。
下面說明包括這樣構(gòu)成的移相器707的有源相控陣列天線100的動作。
首先，在饋電端子711上施加高頻功率后，高頻功率通過各移相器707供給到各天線補片706。此時，各移相器707上被施加對應(yīng)的所需控制電壓，在各移相器707中，根據(jù)來自控制電路708的控制電壓，僅增加規(guī)定移相量的高頻功率的移相，或進(jìn)行延遲的處理。由此，從各天線補片706發(fā)射規(guī)定位置的高頻功率。
這樣，在有源相控陣列天線100中，通過從控制電路708對各移相器707直接施加控制電壓來使移相量變化，從而控制天線的方向特性。
下面說明移相器707的動作。
通過饋線710供給到移相器707的高頻功率依次通過輸入側(cè)的第1傳輸路徑14a、隔直流元件12、輸入側(cè)的第2傳輸路徑14b、第1、第2切換傳輸路徑15、16的某一方、中間傳輸路徑17、第3、第4切換傳輸路徑18、19的某一方、輸出側(cè)的第2傳輸路徑20b、隔直流元件13、以及輸出側(cè)的第1傳輸路徑20a而傳播到天線補片706。
此時，從各控制線V1、V2、NV1、NV2將切換對應(yīng)的PIN二極管31、32、33、34的ON/OFF的控制電壓施加到各傳輸路徑15、16、18、19，各PIN二極管31、32、33、34根據(jù)控制電壓而ON/OFF。由此，高頻功率通過移相器707內(nèi)的傳輸路徑的長度變化，高頻功率僅增加規(guī)定的移相量，或被延遲輸出。
但是，在構(gòu)成具有上述結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有有源相控陣列天線100的移相器707中，根據(jù)控制電壓來切換內(nèi)部的傳輸路徑而使移相量變化，所以存在移相不連續(xù)地分段進(jìn)行，而且需要用于該分段數(shù)(步數(shù))對應(yīng)的傳輸路徑切換的電路結(jié)構(gòu)、即切換傳輸路徑、隔高頻元件或控制線等問題。
換句話說，如果以細(xì)小的步來進(jìn)行移相變化，而且要實現(xiàn)獲得大移相量的結(jié)構(gòu)，則存在需要多個用于傳輸路徑切換的電路結(jié)構(gòu)這樣的問題。
此外，在增多天線補片數(shù)，以獲得增益大的天線的情況下，還存在構(gòu)成移相器的電路結(jié)構(gòu)和布線復(fù)雜的問題。
此外，作為現(xiàn)有的有源相控陣列天線中使用的移相器，是將變?nèi)荻O管組合在微帶混合耦合器上，但變?nèi)荻O管可進(jìn)行連續(xù)方向性變化的反面，為了利用PN結(jié)的結(jié)電容，控制電壓為幾伏特較低，因此如果通過移相器內(nèi)的高頻信號的通過功率大，則因該信號電壓會使結(jié)電容變化，由此存在高諧波多發(fā)這樣的問題，所以一般不使用具有這樣結(jié)構(gòu)的移相器。
而且，微帶構(gòu)造的電介質(zhì)基體材料控制高頻的傳播特性，并且具有支撐天線補片或饋線導(dǎo)體的作用，但由于作為高頻特性來說需要電介質(zhì)基體材料具有損失小、介電常數(shù)穩(wěn)定的特性，所以如果使用具有這樣特性的材料作為電介質(zhì)基體材料，則存在這些材料占天線價格的大部分的問題。
因此，本發(fā)明是解決這些問題的發(fā)明，其目的在于提供更簡單結(jié)構(gòu)、可連續(xù)改變天線方向性的低成本的有源相控陣列天線以及天線控制裝置。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明方案1所述的天線控制裝置中，使用強(qiáng)電介質(zhì)體、強(qiáng)磁性體、普通電介質(zhì)體、電極材料，并通過使用陶瓷的一體成形技術(shù)來形成天線控制裝置，其特征在于，所述天線控制裝置具有移相器的功能。
此外，在本發(fā)明方案2所述的天線控制裝置中，使用強(qiáng)電介質(zhì)體、強(qiáng)磁性體、普通電介質(zhì)體、電極材料，并通過使用陶瓷的一體成形技術(shù)來形成天線控制裝置，其特征在于，所述天線控制裝置具有移相器和隔直流元件的功能。
此外，在本發(fā)明方案3所述的天線控制裝置，使用強(qiáng)電介質(zhì)體、強(qiáng)磁性體、普通電介質(zhì)體、電極材料，并通過使用陶瓷的一體成形技術(shù)來形成天線控制裝置，其特征在于，所述天線控制裝置具有移相器、隔直流元件和隔高頻元件的功能。
此外，在本發(fā)明方案4所述的天線控制裝置中，使用強(qiáng)電介質(zhì)體、強(qiáng)磁性體、普通電介質(zhì)體、電極材料，并通過使用陶瓷的一體成形技術(shù)來形成天線控制裝置，其特征在于，所述天線控制裝置具有移相器、隔直流元件、隔高頻元件和天線補片的功能。
此外，在本發(fā)明方案5所述的天線控制裝置中，將所述天線控制裝置用于將天線補片和移相器交叉串聯(lián)連接的行狀天線作為與移相器交叉串聯(lián)連接的矩陣狀天線的有源相控陣列天線中。


圖1(a)表示第1實施例的有源相控陣列天線的結(jié)構(gòu)方框圖，圖1(b)表示第1實施例的有源相控陣列天線的天線補片產(chǎn)生的接收電波的最大靈敏度方向的說明圖。
圖2(a)表示第1實施例的有源相控陣列天線的移相器的結(jié)構(gòu)圖，圖2(b)表示控制電壓產(chǎn)生的偏置電場與微帶短線的有效介電常數(shù)變化的曲線圖。
圖3是說明第1實施例的有源相控陣列天線結(jié)構(gòu)的分解斜視圖。
圖4表示第1實施例的有源相控陣列天線的剖面結(jié)構(gòu)(一部分)的圖。
圖5(a)、(b)、(c)表示第2實施例的有源相控陣列天線中使用的移相器的結(jié)構(gòu)圖，圖5(d)表示帶狀傳輸線短線中的控制電壓形成的偏置電場和高頻功率產(chǎn)生的磁場的圖。
圖6表示第3實施例的天線控制裝置的斜視圖。
圖7(a)表示第4實施例的有源相控陣列天線的結(jié)構(gòu)方框圖，圖7(b)說明第4實施例的有源相控陣列天線的天線補片產(chǎn)生的接收電波的最大靈敏度方向的圖。
圖8是說明第5實施例的有源相控陣列天線中的接地導(dǎo)體和帶狀導(dǎo)體之間關(guān)系的斜視圖。
圖9是第6實施例的有源相控陣列天線的斜視圖。
圖10(a)表示現(xiàn)有的有源相控陣列天線的結(jié)構(gòu)方框圖，圖10(b)表示現(xiàn)有的有源相控陣列天線中使用的移相器的結(jié)構(gòu)方框圖。
具體實施例方式
以下，參照圖1至圖9來說明本發(fā)明的實施例。再有，這里示出的實施例當(dāng)然是示例，不限于這些實施例。
(實施例1)首先，參照附圖來說明本發(fā)明的有源相控陣列天線的第1實施例。
圖1(a)是本實施例的有源相控陣列天線2000的結(jié)構(gòu)示例的方框圖。
本有源相控陣列天線200包括在電介質(zhì)基板上以行方向和列方向的間隔為等間隔那樣矩陣狀地排列多個天線補片106a...106p；施加高頻功率的被接地的饋電端子108；產(chǎn)生行方向的指向性控制電壓的第1控制電壓發(fā)生部件111；以及產(chǎn)生列方向的指向性控制電壓的第2控制電壓發(fā)生部件112。此外，多個天線補片106各自通過從饋電端子108分支的饋線121來連接饋電端子和多個天線補片106。如后面所述，配置多個配置的移相器107，以便構(gòu)成饋線121的一部分。
此外，在電介質(zhì)基板上，形成與從多個天線補片106的矩陣狀排列中的第1行至第4行的各行對應(yīng)的第1至第4連接節(jié)點N1...N4，在各連接節(jié)點N1...N4和第1控制電壓發(fā)生部件111之間，分別連接隔高頻元件109a...109d。
與多個天線補片106的矩陣狀排列中的第1列的第1行、第2行、第3行、第4行對應(yīng)的天線補片106a、106e、106i、106m被分別直接連接到第1～第4連接節(jié)點N1...N4。
與第2列的第1行、第2行、第3行、第4行對應(yīng)的天線補片106b、106f、106j、106n分別通過移相器107a1、107a5、107a9、107a13被連接到第1～第4連接節(jié)點N1...N4。
與第3列的第1行、第2行、第3行、第4行對應(yīng)的天線補片106c、106g、106k、106o分別通過串聯(lián)連接的兩個移相器107a3和107a4、串聯(lián)連接的兩個移相器107a7和107a8、串聯(lián)連接的兩個移相器107a11和107a12、串聯(lián)連接的兩個移相器107a15和107a16被連接到第1～第4連接節(jié)點N1...N4。
與第4列的第1行、第2行、第3行、第4行對應(yīng)的天線補片106d、106h、1061、106p分別通過串聯(lián)連接的三個移相器107a2～107a4、串聯(lián)連接的三個移相器107a6～107a8、串聯(lián)連接的三個移相器107a10～107a12、串聯(lián)連接的三個移相器107a14～107a16被連接到第1～第4連接節(jié)點N1...N4。
此外，第1行的連接節(jié)點N1通過隔直流元件110a、串聯(lián)連接的三個移相器107b3～107b1被連接到饋電端子108，第2行的連接節(jié)點N2通過隔直流元件110b、串聯(lián)連接的兩個移相器10762、107b1被連接到饋電端子108，第3行的連接節(jié)點N3通過隔直流元件110c和移相器10764被連接到饋電端子108，第4行的連接節(jié)點N4通過隔直流元件110d被連接到饋電端子108。
然后，第2控制電壓部件112通過隔高頻元件109e被連接到上述饋電端子108。
移相器107a1～107a16是通過第1電壓發(fā)生部件111用控制電壓來控制有源相控陣列天線200的行方向的指向性控制移相器，移相器107b1～107b4是通過第2電壓發(fā)生部件112的控制電壓來控制有源相控陣列天線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。
在具有這樣結(jié)構(gòu)的有源相控陣列天線200中，移相器被配置為如下結(jié)構(gòu)位于第1行～第4行的各行的行方向天線補片組和饋電端子108之間的列方向的指向性控制移相器的數(shù)從第4行到第1行依次增加一個，位于第1列～第4列的各列的列方向天線補片阻和饋電端子108之間的行方向的指向性控制移相器從第1列到第4列依次增加一個，并且由于移相器107的特性完全相同，所以分別通過一個控制電壓來進(jìn)行列方向和行方向的指向性控制。
下面具體進(jìn)行說明。首先，假設(shè)分別通過行方向的指向性控制移相器107a1～107a4的高頻功率的相位被延遲移相量Ф，各移相器107的配置間隔為距離d。
這里，如圖1(b)所示，入射第1行的天線補片106a的高頻功率被無相位變化地供給連接節(jié)點N1。
與此相對，入射第1行的天線補片106b的高頻功率通過移相器107a1使其相位被延遲移相量Ф后供給連接節(jié)點N1。
然后，入射第1行的天線補片106c的高頻功率通過移相器107a3和107a4使其相位被延遲移相量2Ф后供給連接節(jié)點N1。
而且，入射第1行的天線補片106d的高頻功率通過移相器107a2至107a4使其相位被延遲移相量3Ф后供給連接節(jié)點N1。
換句話說，對于從第1行的天線補片106a到106d的排列方向來說，形成規(guī)定的角度Θ(Θ＝cos-1(Ф/d)的方向D成為從第1行的天線補片106a到106d的接收電波的最大靈敏度方向。再有，圖中w1到w3表示同一相位的接收電波的波面。
此外，其他的行，即第2行～第4行中的天線補片組產(chǎn)生的方向特性與第1行的天線補片組產(chǎn)生的方向特性完全相同。
因此，通過使第1控制電壓部件111的行方向的指向性控制電壓變化，從而各移相器107a1...107a16的移相量Ф可連續(xù)地變化，最大靈敏度方向和行方向構(gòu)成的角度Θ在與列方向垂直的面內(nèi)變化。
另一方面，與第4行對應(yīng)的連接節(jié)點N4上供給的高頻功率以其相位不發(fā)生變化地供給饋電端子108。
接著，與第3行對應(yīng)的連接節(jié)點N3上供給的高頻功率通過移相器107b4使其相位延遲移相量Ф后供給饋電端子108。
然后，與第2行對應(yīng)的連接節(jié)點N2上供給的高頻功率通過移相器10762和107b1使其相位被延遲移相量2Ф后供給饋電端子108。
而且，與第1行對應(yīng)的連接節(jié)點N1上供給的高頻功率通過移相器10763至107b1使其相位被延遲移相量3Ф后供給饋電端子108。
因此，通過使第2控制電壓發(fā)生部件112的行方向的指向性控制電壓變化，從而各移相器107b1...10764的移相量Ф可連續(xù)地變化，最大靈敏度方向和列方向構(gòu)成的角度在與行方向垂直的面內(nèi)變化。
此外，在與第4行對應(yīng)的連接節(jié)點N4和饋電端子之間設(shè)置隔直流元件110d，而且在與第1行～第3行對應(yīng)的連接節(jié)點N1...N3和對應(yīng)的移相器10763、10762、10764之間設(shè)置隔直流元件110a、110b、110c，所以各控制電壓發(fā)生部件111和112的控制電壓產(chǎn)生的移相器107的控制分別獨立地用行方向的移相器、列方向的移相器來進(jìn)行。由此，在有源相控陣列天線200中，指向方向與天線補片的數(shù)無關(guān)，在包括天線的電波發(fā)送接收面、即行方向和列方向的平面上可設(shè)定在任意的方向上。
下面說明構(gòu)成有源相控陣列天線200的部件之一的移相器107。
圖2(a)表示有源相控陣列天線200中使用的移相器107的結(jié)構(gòu)斜視圖。
該移相器107構(gòu)成饋線121的一部分，包括使用常介電體基體材料101的微帶混合耦合器103；以及使用強(qiáng)電介質(zhì)基體材料102并且與微帶混合耦合器103連接來形成的微帶短線104。然后，通過微帶短線104上施加的直流控制電壓，使通過微帶混合耦合器103的高頻功率的移相量變化。
即，移相器107的基體由常介電體基體材料101和強(qiáng)電介質(zhì)基體材料102構(gòu)成。
然后，在常介電體基體材料101上配置矩形狀的環(huán)狀導(dǎo)體層103a，通過該環(huán)狀導(dǎo)體層103a和常介電體基體材料101來構(gòu)成微帶混合耦合器103。
此外，在強(qiáng)電介質(zhì)基體材料102上，配置兩個直線狀導(dǎo)體層104a1、104a2，使得位于矩形狀的環(huán)狀導(dǎo)體層103a的相對兩個直線部分103a1、103a2的延長位置上，并且分別連結(jié)到兩個直線部分103a1、103a2的一端，由兩個直線狀導(dǎo)體層104a1、104a2和強(qiáng)電介質(zhì)基體材料102構(gòu)成微帶短線104。
而且，在常介電體基體材料101上配置導(dǎo)體層110a、120a，使得位于兩個直線部分103a1、103a2的延長位置上，并且分別連結(jié)兩個直線部分103a1、103a2的另一端。
然后，由該導(dǎo)體層110a和常介電體基體材料101構(gòu)成輸入線路110，由導(dǎo)體層120a和常介電體基體材料101構(gòu)成輸出線路120。
再有，環(huán)狀導(dǎo)體層103a的直線部分103a1的一端和另一端分別為微帶混合耦合器103的端口2、端口1，環(huán)狀導(dǎo)體層103a的直線部分103a2的一端和另一端分別為微帶混合耦合器103的端口3、端口4。即，移相器107通過在微帶短線104上施加直流的控制電壓來改變通過的高頻功率的移相量。
下面進(jìn)一步詳細(xì)說明。
在正確設(shè)計的微帶混合耦合器103的相鄰的兩個端口(端口2和端口3)上連接同一反射元件(微帶短線104)構(gòu)成的移相器107中，從輸入端口(端口1)進(jìn)入的高頻功率不從該輸入端口輸出，反映反射元件的反射功率的高頻功率僅向輸出端口(端口4)輸出。這里，作為反射元件的微帶短線104中的反射，如圖2(a)所示，控制電壓產(chǎn)生的偏置電場105與經(jīng)微帶短線104傳播的高頻功率產(chǎn)生的電場為同一方向，所以如圖2(b)所示，如果使控制電壓變化，則與高頻功率對應(yīng)的微帶短線104的有效介電常數(shù)也變化。由此，使高頻功率對應(yīng)的微帶短線104的等價電氣長度變化，從而微帶短線104中的移相也變化。
這里，使微帶短線104的有效介電常數(shù)變化所需要的偏置電場105在一般的強(qiáng)電介質(zhì)基體材料中從幾千伏特/毫米到幾十伏特/毫米，所以通過微帶短線104上傳遞的高頻功率產(chǎn)生的電場，有效介電常數(shù)受到影響，從而不產(chǎn)生高諧波。
這樣，在構(gòu)成有源相控陣列天線200的移相器107中，如果使控制電壓變化，則高頻功率的移相量連續(xù)地變化，而且移相器107和饋線121由一個導(dǎo)體層構(gòu)成，所以對于多個移相器107可以由一條饋線121來供給控制電壓。
下面說明有源相控陣列天線200的具體構(gòu)造。
圖3是說明有源相控陣列天線200構(gòu)造的分解斜視圖。這里，圖3所示的4個天線補片202與圖1(a)所示的有源相控陣列天線200的天線補片106i、106j、106m、106n相當(dāng)。其他部分這里未特別圖示。
參照圖1和圖3來進(jìn)行說明，有源相控陣列天線200有板狀電介質(zhì)基體材料205，在其周圍形成四壁205a。
在電介質(zhì)基體材料205的表面上形成饋線支撐槽213，在饋線支撐槽213內(nèi)插入固定構(gòu)成饋線121、微帶混合耦合器103和微帶短線104、以及隔直流元件110和隔高頻元件109的導(dǎo)體層204。
在導(dǎo)體層204的構(gòu)成隔直流元件110的部分上，通過構(gòu)成隔直流元件110(電容元件)的絕緣膜(隔直流電容用薄膜)219，來疊層構(gòu)成隔直流元件110的導(dǎo)體片(隔直流電容用導(dǎo)體片)211。
在導(dǎo)體層204的構(gòu)成微帶短線104的部分上，配置強(qiáng)電介質(zhì)部件206。
在電介質(zhì)基體材料205上配置距導(dǎo)體層204規(guī)定距離的共有接地導(dǎo)體層203，以便覆蓋隔直流電容用導(dǎo)體片211和強(qiáng)電介質(zhì)導(dǎo)體部件206。
在共有接地導(dǎo)體層203的饋線121的天線補片202端對應(yīng)的部分上，形成耦合窗口207。
在共有接地導(dǎo)體層203上，配置板狀電介質(zhì)部件201，使得與共有接地導(dǎo)體層203之間形成規(guī)定的間隔。
將板狀電介質(zhì)部件201用貫通共有接地導(dǎo)體層203上形成的部件貫通口203a的支撐部件201a支撐在電介質(zhì)基體材料205上。
在板狀電介質(zhì)部件201中的耦合窗口207相對的部分上，形成天線補片支撐槽212，在該天線補片支撐槽212上嵌入固定天線補片202。
再有，214是饋線121的一端上形成的饋電端子，215是用于施加控制X方向(行方向)的指向性的控制電壓的控制端子，216是用于施加控制Y方向(列方向)的指向性的控制電壓的控制端子。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是隔高頻短線，211是隔直流電容用導(dǎo)體片。
在電介質(zhì)基體材料205的四壁中的與饋電端子對置的部分上，形成饋電端子取出用開口217，在電介質(zhì)基體材料205四壁中的與控制端子215和216對置的部分上，形成控制端子取出用開口218。
本圖3所示的有源相控陣列天線200有圖4所示的剖面結(jié)構(gòu)。這里所示的剖面圖，更具體地說，表示與圖1(a)所示的有源相控陣列天線200的天線補片106j和移相器107a9相當(dāng)?shù)牟糠值母浇钠拭娼Y(jié)構(gòu)。
在本有源相控陣列天線200中，各層以從最上層順序為第1層、...、第7層，整個由7層構(gòu)成，第1層的電介質(zhì)部件201、第3層的空氣層123a、第5層的空氣層123b和強(qiáng)電介質(zhì)部件206、第7層的電介質(zhì)基體材料205為電介質(zhì)，第2層的天線補片202、第4層的共有接地導(dǎo)體層203、第6層的饋線121和移相器204為導(dǎo)體，通過疊層它們來構(gòu)成。此外，由第1層、第2層、第3層、第4層形成第1微帶構(gòu)造126，由第4層、第5層、第6層、第7層形成第2微帶構(gòu)造127，第1微帶構(gòu)造126和第2微帶構(gòu)造127共有第4層作為接地層。
然后，通過在共有接地導(dǎo)體層203上形成的耦合窗口207，使天線補片202和饋線121電磁場的耦合，進(jìn)行高頻功率的轉(zhuǎn)換。
如以上說明，在本實施例的有源相控陣列天線200中，使天線補片202(106)和饋線121傳播的高頻功率大部分集中流動在構(gòu)成天線補片202的導(dǎo)體層204和共有接地層203之間以及構(gòu)成饋線121的導(dǎo)體層204和共有接地層203之間，所以作為這些導(dǎo)體層204、203之間的電介質(zhì)基體材料，使用損耗非常少并且介電常數(shù)穩(wěn)定的空氣。
然后，由于高頻功率不集中，所以不必追求低損耗和介電常數(shù)的穩(wěn)定性，作為構(gòu)成天線補片202和饋線121的導(dǎo)體層204的表面外側(cè)的電介質(zhì)基體材料，仍然使用構(gòu)成天線補片202和饋線121的支撐導(dǎo)體層204的電介質(zhì)基體材料205。
此外，該電介質(zhì)基體材料205還有兼作有源相控陣列天線200表面的保護(hù)層的情況。
通過這樣的結(jié)構(gòu)，雖然控制高頻功率的傳播特性，并且追求支撐天線補片和饋線導(dǎo)體作用，但消除了需要高頻特性的損耗少，介電常數(shù)穩(wěn)定，根據(jù)微帶構(gòu)造的電介質(zhì)基體材料的價格，來決定有源相控陣列天線的價格這樣的問題，可以用簡單的構(gòu)造并且以低成本來實現(xiàn)有源相控陣列天線。
下面說明以上說明的本實施例的有源相控陣列天線200的動作。
首先，高頻功率入射到天線補片106a...106p后，從各天線補片106高頻功率通過隔直流元件或移相器供給到饋電端子108。
具體地說，天線補片202(106)上入射的高頻功率通過耦合窗口207轉(zhuǎn)移到饋線121。高頻功率轉(zhuǎn)移到饋線121后，高頻功率通過饋線121供給到移相器107。此時，在各移相器107中，從第1控制電壓發(fā)生部件111和第2控制電壓發(fā)生部件112供給行方向的指向性控制電壓和列方向的指向性控制電壓。因此，由高頻功率的這些電壓決定的移相量使其相位變化，通過饋線供給到饋電端子。
這樣，在本實施例中，使構(gòu)成有源相控陣列天線200的移相器107構(gòu)成饋線121的一部分，包括以常介電體為基體的微帶混合耦合器103，以及以強(qiáng)電介質(zhì)為基體、與微帶混合耦合器103電連接的微帶短線104，通過微帶混合耦合器103上施加的直流控制電壓，使通過微帶混合耦合器103的高頻功率的移相量變化，所以可以連續(xù)地變化高頻功率的移相量。
此外，微帶混合耦合器103構(gòu)成饋線121的一部分，然后微帶混合短線104與微帶混合耦合器103電連接，所以使多個移相器107連接到一條饋線121，通過一個導(dǎo)體層204來構(gòu)成移相器107和饋線121，所以對于多個移相器107可以通過一條饋線121來供給控制電壓，可以使布線簡單。
此外，由于可以通過一個導(dǎo)體層204來構(gòu)成移相器107和饋線121，所以通過調(diào)節(jié)在矩陣狀排列的多個天線補片106和饋電端子108之間配置的移相器107的數(shù)，僅使從饋線121兩端施加的控制電壓變化，可以連續(xù)地控制有源相控陣列天線200的方向特性，而與天線補片106的數(shù)無關(guān)。
此外，在本實施例的有源相控陣列天線200中，由于在第1控制電壓發(fā)生部件111和第2控制電壓發(fā)生部件112之間設(shè)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來獨立地進(jìn)行信號的移相，所以通過各控制電壓部件111、112，可以在包括行方向和列方向的平面上將有源相控陣列天線200的最大靈敏度方向設(shè)定為任意的方向，而使指向方向與天線補片106的數(shù)無關(guān)。
而且，在微帶構(gòu)造的導(dǎo)體層之間的電介質(zhì)基體材料中，使用高頻功率的損耗非常少、介電常數(shù)穩(wěn)定的空氣，在饋線導(dǎo)體的表面外側(cè)的電介質(zhì)基體材料中，使用支撐天線補片和饋線導(dǎo)體的電介質(zhì)部件，所以由此也可以兼作天線表面的保護(hù)層，可以用簡單的構(gòu)造來實現(xiàn)低成本化。
在本實施例中，示出了天線補片數(shù)為4×4的情況，但也可以是除此以外的補片數(shù)。此外，說明了使從各天線補片到饋電端子中的移相器以外的饋電線路長度相等那樣來設(shè)計的天線，但為了在指向特性的方向上預(yù)先具有偏移量，不言而喻，可在從各天線補片到饋電端子的移相器以外的饋電線路長度上設(shè)置偏移量使用的傳輸路徑來實現(xiàn)。
而且，在本實施例中，示出了將構(gòu)成天線補片和饋線的導(dǎo)體層埋入固定在電介質(zhì)基體材料上形成的凹結(jié)構(gòu)的槽中的方法，但上述導(dǎo)體層也可以固定在凸構(gòu)造柱的電介質(zhì)基體材料上，而且，不用說，也可以實現(xiàn)按照難以受電介質(zhì)基體材料的介電常數(shù)影響的方法來支撐上述導(dǎo)體層的支撐構(gòu)造。
(實施例2)如圖2所示，上述第1實施例的有源相控陣列天線200中的移相器107構(gòu)成饋線121的一部分，包括以常介電體為基體的微帶混合耦合器103，以及以強(qiáng)電介質(zhì)為基體、并且與微帶混合耦合器103連接形成的微帶短線104，但一般來說，強(qiáng)電介質(zhì)的電介質(zhì)常數(shù)大，有微帶短線104的線路阻抗一般要下降的傾向。因此，在微帶混合耦合器103和微帶短線104的連接部中高頻的功率反射大，高頻功率的大部分不進(jìn)入微帶短線104，而會返回到微帶混合耦合器103，其結(jié)果，多數(shù)情況是不能獲得有效的移相量。因此，天線的方向特性變化量也被限制在窄的范圍內(nèi)。
因此，如圖5所示，在有源相控陣列天線中使用的移相器351中，通過在使用強(qiáng)電介質(zhì)基體材料357的微帶短線361的鄰近設(shè)置強(qiáng)磁性層356，可以提高因強(qiáng)電介質(zhì)基體材料357降低的微帶短線361的線路阻抗，進(jìn)而可以消除上述缺點。
因此，下面參照附圖來說明有源相控陣列天線的第2實施例，該有源相控陣列天線包括具有至少以鐵電體和鐵磁體為基體的帶狀傳輸線短線、以及以常介電體為基體的微帶混合耦合器的移相器。
圖5是上述本實施例中的有源相控陣列天線中使用的移相器的斜視圖和帶狀傳輸線短線的剖面圖。
首先，說明圖5(a)～圖5(c)所示的移相器351的結(jié)構(gòu)。
352和353是帶狀傳輸線短線。這里，帶狀傳輸線短線352以接地導(dǎo)體、鐵電體、帶狀導(dǎo)體、鐵磁體的順序疊層而構(gòu)成，帶狀傳輸線短線353在接地導(dǎo)體和帶狀導(dǎo)體之間將鐵電體和鐵磁體在平行于接地導(dǎo)體面的表面方向上疊層構(gòu)成。
此外，354是微帶混合耦合器，355是常介電體基體材料，356是鐵磁體層，357是強(qiáng)電介質(zhì)基體材料，360是共有接地導(dǎo)體層，361是微帶短線，362是通孔。
此外，在圖5(d)中，358是直流控制電壓和高頻功率等的控制電壓產(chǎn)生的偏置電場，359是高頻功率產(chǎn)生的磁場。
這里，作為強(qiáng)電介質(zhì)基體材料357和強(qiáng)磁性層356的配置構(gòu)造，可以形成圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)等的構(gòu)造。
圖5(a)因構(gòu)造簡單而具有制造方法也簡單的特征，圖5(b)具有使移相器的厚度薄的特征，而圖5(c)具有使移相器的厚度薄并且不需要內(nèi)插通孔的特征。
這里，圖5所示的強(qiáng)磁性層356具有提高因強(qiáng)電介質(zhì)基體材料357造成的降低微帶短線361的線路阻抗的效果，由此，微帶混合耦合器354和微帶短線361的連接部中的功率反射少，高頻功率的大部分進(jìn)入到微帶短線361，所以可獲得有效的移相量。然后，通過獲得有效的移相量，如果使用上述移相器的有源相控陣列天線，則可以實現(xiàn)可寬方向特性變化的有源相控陣列天線。
如以上那樣，在本實施例的發(fā)明的有源相控陣列天線中，可以實現(xiàn)可寬方向特性變化的有源相控陣列天線。
(實施例3)一般地，在要實現(xiàn)微波、毫米波領(lǐng)域中可利用的有源相控陣列天線的情況下，不僅僅是構(gòu)成有源相控陣列天線的各功能中的要素性能，而且與組合各構(gòu)成要素來組裝天線時的組裝有關(guān)的精度對于有源相控陣列天線的使用波長很重要。即，使用各構(gòu)成要素來組裝有源相控陣列天線時，組裝的結(jié)構(gòu)要素的數(shù)越多，有不良率越顯著惡化的可能性。
因此，通過使用陶瓷的一體成形技術(shù)來構(gòu)成帶有構(gòu)成有源相控陣列天線的各功能要素的天線控制裝置，從而防止不良率惡化。
即，如上所述，通過將一體成形的天線控制裝置用于有源相控陣列天線，可以減少組裝的結(jié)構(gòu)要素的數(shù)，進(jìn)而可以實現(xiàn)不良率的下降。
然后，通過在一體成形的天線控制裝置中裝入所有的功能要素，不言而喻，可以減輕有源相控陣列天線的性能下降和不良率，但在由一種天線控制裝置來形成多種有源相控陣列天線的情況下，天線控制裝置包括的功能要素的種類越多越好。
例如，通過一體成形一個或多個移相器功能、并一體成形移相器和隔直流元件功能、或一體成形移相器和隔直流元件及隔高頻元件功能，使功能要素的組合種類更多。
因此，下面參照附圖來說明作為第3實施例的本發(fā)明的上述天線控制裝置。
本實施例的天線控制裝置使用鐵電體、鐵磁體、常介電體、電極材料，通過使用陶瓷的一體成形技術(shù)來成形。
就本天線控制裝置400的結(jié)構(gòu)來說，參照如圖6所示的與本實施例的一體成形的天線控制裝置的示例有關(guān)的斜視圖來說明。
在圖6中，401是常介電體基體材料，402是移相器，403是強(qiáng)電介質(zhì)基體材料，404是強(qiáng)磁性層，405是電容用電介質(zhì)，406是共有接地導(dǎo)體層，407是微帶混合耦合器，408是帶狀傳輸線短線，409是隔直流元件，410是隔高頻元件，411是通孔，412是天線補片，413是饋電線路，414是直流控制電壓端子。
在本圖所示的天線控制裝置401中，雖然一體成形移相器、隔直流元件、隔高頻元件、天線補片的功能，但按照使用的有源相控陣列天線的性質(zhì)和性能，例如也有省略隔直流元件、隔高頻元件、天線補片這三個部件而僅成形移相器的功能。作為除此以外的組合，可以一體成形移相器和隔直流元件的功能，也可以一體成形移相器、隔直流元件、隔高頻元件的功能。
例如，在圖1所示的有源相控陣列天線中，通過使用陶瓷的一體成形技術(shù)來一體成形移相器107、隔直流元件110、隔高頻元件109、天線補片106，將它用作天線控制裝置，從而減少有源相控陣列天線中使用的功能的要素數(shù)，進(jìn)而可以降低與性能有關(guān)的偏差。
這樣，通過使用陶瓷的一體成形技術(shù)來一體成形各種各樣的功能而形成天線控制裝置，如果將這樣的天線控制裝置用于有源相控陣列天線，則可以降低組裝它們時產(chǎn)生的與有源相控陣列天線的性能有關(guān)的偏差。
因此，根據(jù)本實施例的天線控制裝置，可實現(xiàn)組裝時的精度偏差造成的性能下降少的有源相控陣列天線，此外，可以在一種天線控制裝置中制造多種有源相控陣列天線。
(實施例4)下面，參照附圖來說明第4實施例，該實施例是在將交叉串聯(lián)連接天線補片和移相器的行狀天線與移相器交叉串聯(lián)連接的矩陣狀天線中，使用上述第3實施例所示的天線控制裝置的有源相控陣列天線801。
圖7(a)表示本實施例的矩陣狀天線的有源相控陣列天線801的結(jié)構(gòu)圖。
在圖7(a)中，802是行狀天線，803是矩陣狀天線，804是天線補片，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是饋電端子，808是隔高頻元件，809是隔直流元件，810是行方向的指向性控制電壓，811是列方向的指向性控制電壓，812是匹配器。
此外，如圖7(b)所示，行方向的指向性控制用移相器805a...805c使各自通過的高頻功率的相位僅延遲移相量Ф。假設(shè)各移相器805的配置間隔為距離d，入射第1行的天線補片804a的高頻功率相位不變化地供給到連接節(jié)點N1。對此，第1行的天線補片804b上入射的高頻功率通過移相器805a而使其相位延遲移相量Ф后供給到連接節(jié)點N1，第1行的天線補片804c上入射的高頻功率通過移相器805a和805b而使其相位延遲移相量2Ф后供給到連接節(jié)點N1，而且，第1行的天線補片804d上入射的高頻功率通過移相器805a、805b和805c而使其相位延遲移相量3Ф后供給到連接節(jié)點N1。
換句話說，對于上述第1行的天線補片804a...804d的排列方向來說，形成規(guī)定角度Θ(Θ＝cos-1(Ф/d))的方向D通過上述第1行的天線補片804a...804d成為接收電波的最大靈敏度方向。圖中w1...w3表示同一相位的接收電波的波面。
此外，其他的行，即通過第2行～第4行的天線補片的方向特性也與通過第1行天線補片的方向特性完全相同。
因此，通過改變行方向的指向性控制電壓810，可連續(xù)地變化通過上述各移相器805a...805l的移相量Ф，最大靈敏度方向和行方向形成的角度Θ可在與列方向垂直的面內(nèi)變化。
另一方面，第4行對應(yīng)的連接節(jié)點N4上供給的高頻功率以其相位不發(fā)生變化地供給到饋電端子807。
與第3行對應(yīng)的連接節(jié)點N3上供給的高頻功率通過移相器806c而使其相位延遲移相量Ф后供給到饋電端子807。
與第2行對應(yīng)的連接節(jié)點N2上供給的高頻功率通過移相器806b和806c而使其相位延遲移相量2Ф后供給到饋電端子807。
然后，與第1行對應(yīng)的連接節(jié)點N1上供給的高頻功率通過移相器806a、806b、以及806c而使其相位延遲移相量3Ф后供給到饋電端子807。
因此，通過改變列方向的指向性控制電壓811，可連續(xù)地變化移相器806a...806c的移相量Ф，最大靈敏度方向和列方向形成的角度在與行方向垂直的面內(nèi)變化。
根據(jù)以上所述的本發(fā)明，通過使用鐵電體和鐵磁體的移相器可使方向特性變化寬，而且通過一體成形天線控制的功能要素，雖然因組裝時精度偏差造成的性能下降的不多，可是，可以實現(xiàn)種類多、簡單的結(jié)構(gòu)可連續(xù)變化方向特性的低成本的天線。
(實施例5)下面，參照附圖來說明第5實施例，該實施例是使用拉深加工的接地導(dǎo)體的有源相控陣列天線。
通常，由于有源相控陣列天線中使用的饋線的各部分所要求的線路阻抗不同，所以通過每個饋線具有不同的截面形狀的線狀導(dǎo)體用作帶狀導(dǎo)體，來使帶狀導(dǎo)體和接地導(dǎo)體之間的距離變化。即，利用帶狀導(dǎo)體和接地導(dǎo)體之間的距離不同則線路阻抗不同。
但是，根據(jù)該方法，需要使用多種帶狀導(dǎo)體，因此，有源相控陣列天線的制造步驟會變得復(fù)雜，進(jìn)而存在會產(chǎn)生其性能的偏差這樣的問題。
因此，在本實施例中，通過對接地導(dǎo)體進(jìn)行拉深加工來消除上述問題。
圖8是放大本實施例的拉深加工接地導(dǎo)體的有源相控陣列天線的一部分901的斜視圖。
在圖8中，902是帶狀導(dǎo)體，903是接地導(dǎo)體，904是凸拉深加工部分，905是凹拉深加工部分。
即，如圖8所示，本發(fā)明的有源相控陣列天線有設(shè)置凸拉深904和凹拉深905的接地導(dǎo)體903，以及作為饋電線路的帶狀導(dǎo)體902。
這里，將具有完全相同的剖面形狀的線狀導(dǎo)體來構(gòu)成優(yōu)選形態(tài)。
即，以帶狀導(dǎo)體902作為具有完全相同的剖面形狀的線狀導(dǎo)體，在饋電線路的各部中，通過在接地導(dǎo)體903上設(shè)置的凸拉深加工部904和凹拉深加工部905，使帶狀導(dǎo)體和接地導(dǎo)體之間的距離不同，所以在每個線路中不特意使用具有不同剖面形狀的線狀導(dǎo)體，如圖示例所示，在每個線路上也可以獲得不同的線路阻抗Z1、Z2、Z3。
因此，根據(jù)本發(fā)明的饋電線路，可以使用具有完全相同的剖面形狀的線狀導(dǎo)體，所以可以實現(xiàn)低成本的有源相控陣列天線。
而且，由于帶狀導(dǎo)體902使用具有完全相同剖面形狀的線狀導(dǎo)體，所以例如在饋電線路的各直線部分上準(zhǔn)備不同長度的直線狀導(dǎo)體，將它們固定在指定的位置后，通過釬焊等來連接饋電線路的彎曲部分所接觸的直線狀導(dǎo)體的接觸部，從而可實現(xiàn)所有的饋電線路。
由此，不需要使用復(fù)雜形狀的饋電線路用的導(dǎo)體材料，所以可避免制造部門中饋電導(dǎo)體材料的搬運和使用時材料的變形不良，可以實現(xiàn)更低成本的有源相控陣列天線。
(實施例6)下面，參照附圖來說明第6實施例，本實施例將支撐電介質(zhì)體、接地導(dǎo)體、饋電帶狀導(dǎo)體疊層形成的疊層物和第3實施例說明的天線控制裝置通過使用陶瓷的一體成形技術(shù)來形成有源相控陣列天線906。
圖9是說明第6實施例的有源相控陣列天線906的分解斜視圖，但在圖9中，907是天線控制裝置，908是支撐電介質(zhì)體，909是接地導(dǎo)體，910是饋電帶狀導(dǎo)體，911是天線補片，912是天線耦合孔。
在本實施例中，首先，將支撐電介質(zhì)體908、接地導(dǎo)體909和饋電帶狀導(dǎo)體910進(jìn)行疊層來形成疊層物。接著，采用通過使用陶瓷的一體成形技術(shù)將該疊層物和天線控制裝置907、天線補片911一體成形的結(jié)構(gòu)。
這里，對于天線控制裝置907利用第3實施例說明的裝置。
通過形成以上那樣的結(jié)構(gòu)，可以通過陶瓷多層基板的制造過程來進(jìn)行有源相控陣列天線制作的全部步驟。
即，有源相控陣列天線所需的各功能要素的制作精度和天線組裝精度目前可以達(dá)到毫米頻帶的天線制作中的幾十微米所尋求的作業(yè)精度，可以實現(xiàn)毫米波領(lǐng)域中使用的高性能的有源相控陣列天線的制作。
在以上的實施例說明中，作為混合耦合器，示出了分支線型，但不言而喻，除此以外，用1/4波長分布耦合型、環(huán)形波導(dǎo)型、相位反轉(zhuǎn)混合環(huán)型、以及由微帶構(gòu)成的混合線圈等也可以實現(xiàn)。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性如以上那樣，根據(jù)本發(fā)明的有源相控陣列天線和天線生產(chǎn)裝置，不需要多個用于傳輸路徑切換的電路結(jié)構(gòu)，此外，可以使構(gòu)成移相器的電路結(jié)構(gòu)和布線簡單，其結(jié)果，非常有助于用更簡單的結(jié)構(gòu)來形成可以連續(xù)變化天線方向特性、低成本的有源相控陣列天線和天線控制裝置。
權(quán)利要求
1.一種天線控制裝置，使用鐵電體、鐵磁體、常電介體、電極材料，并通過使用陶瓷的一體成形技術(shù)來形成，其特征在于，所述天線控制裝置具有移相器的功能。
2.一種天線控制裝置，使用鐵電體、鐵磁體、常電介體、電極材料，并通過使用陶瓷的一體成形技術(shù)來形成，其特征在于，所述天線控制裝置具有移相器和隔直流元件的功能。
3.一種天線控制裝置，使用鐵電體、鐵磁體、常電介體、電極材料，并通過使用陶瓷的一體成形技術(shù)來形成，其特征在于，所述天線控制裝置具有移相器、隔直流元件和隔高頻元件的功能。
4.一種天線控制裝置，使用鐵電體、鐵磁體、常電介體、電極材料，并通過使用陶瓷的一體成形技術(shù)來形成，其特征在于，所述天線控制裝置具有移相器、隔直流元件、隔高頻元件和天線補片的功能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求4的任何一項所述的天線控制裝置，其特征在于將所述天線控制裝置用于將天線補片和移相器交叉串聯(lián)連接的行狀天線作為與移相器交叉串聯(lián)連接的矩陣狀天線的有源相控陣列天線中。
全文摘要
一種有源相控陣列天線，如圖1所示，包括在電介質(zhì)基板上按行方向和列方向上等間隔矩陣排列的多個天線補片(106a至106p)；將高頻功率施加到其上的接地饋電端子(108)；用于產(chǎn)生行方向的指向性控制電壓的第一控制電壓發(fā)生部件(111)；以及用于產(chǎn)生列方向的指向性控制電壓的第二控制電壓發(fā)生部件(112)。多個天線補片(106)分別通過從饋電端子(108)分支的饋線(121)被連接到饋電端子(108)，而備置的多個移相器(107)構(gòu)成饋線(121)的一部分。這樣的有源相控陣列天線具有更簡單的結(jié)構(gòu)，具有連續(xù)可變的天線方向性特性，并可低成本生產(chǎn)。
文檔編號H01Q3/26GK1495962SQ20031011434
公開日2004年5月12日 申請日期1999年12月14日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月14日
發(fā)明者桐野秀樹 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社