天线控制单元和相控阵天线 【技术领域】
本发明涉及采用铁电体作为移相器的天线控制单元，和利用这种天线控制单元的相控阵天线。更具体地说，本发明涉及诸如识别无线电设备或汽车防撞雷达的移动单元之类的天线控制单元，和利用这种天线控制单元的相控阵天线。
背景技术
作为采用铁电体作为移相器的常规相控阵天线的一个例子，在日本公布的专利申请No.2000-236207(下面称为现有技术1)中描述的诸如“相控阵天线和天线控制单元”之类的系统已被提出。
下面，参考图9和10说明常规的相控阵天线。
首先，参考图9，说明常规移相器的工作原理。图9图解说明在常规的相控阵天线中提出的移相器。图9(a)图解说明移相器的结构，图9(b)表示铁电材料的介电常数(permittivity)变化特性曲线。
移相器700包括采用顺电材料701作为基材(base material)的微带混合耦合器703，和采用铁电材料702作为基材，并邻近微带混合耦合器703形成的微带短截线(stub)704。移相器700被这样构成，以致通过微带混合耦合器703地高频功率的相移量按照施加于微带短截线704的DC控制电压而变化。
换句话说，移相器700的基材由顺电材料701和铁电材料702组成。矩形环状导体层703a布置在顺电基材701上，环状导体层703a和顺电基材701形成微带混合耦合器703。
此外，两个线性导体层704a1和704a2布置在铁电基材702上，以致位于矩形环状线性部分703a的两个相对线性部分703a1和703a2的延长线上，并且分别与所述两个线性部分703a1和703a2的一端连接。这两个线性导体层704a1和704a2与铁电基材702形成微带短截线704。
此外，导体层715a和720a被布置在顺电基材701上，以致位于所述两个线性部分703a1和703a2的延长线上，并且分别与所述两个线性部分703a1和703a2的另一端连接。
导体层715a和顺电基材701形成输入线路715，导体层720a和顺电基材701形成输出线路720。
这里，环状导体层703a上的线性部分703a1的一端和另一端分别是微带混合耦合器703的端口2和1。另一方面，环状导体层703a上的线性部分703a2的一端和另一端分别是微带混合耦合器703的端口3和4。
在具有上述结构的移相器700中，当向微带短截线704施加DC控制电压时，通过微带短截线的高频功率的相移量发生变化。
下面进行详细说明。在具有这种结构，即一个反射元件(微带短截线704)与适当设计的微带混合耦合器703的相邻两个端口(端口2和3)连接的移相器700中，从输入端口(端口1)进入的高频功率不是从输入端口1被输出，而是只从输出端口(端口4)输出该高频功率，从反射元件反射的功率被反射到所述高频功率上。在来自作为反射元件的微带短截线704的反射中，控制电压产生的偏压场705与通过微带短截线704的高频功率产生的场在相同的方向上，如图9(a)中所示。于是，如图9(b)中所示，当控制电压被改变时，相对于高频功率的微带短截线704的有效介电常数相应发生变化。因此，用于高频功率的微带短截线704的等效电长度发生变化，微带短截线704上的相位被改变。
就常见的铁电基材来说，改变微带短截线704的有效介电常数所需的偏压705为几千伏/毫米到十几千伏/毫米。因此，受由通过微带短截线704的高频功率产生的场影响的有效介电常数不产生任何高频。
下面，参考图10，说明常规的相控阵天线的结构及其工作原理。
图10(a)图解说明常规的相控阵天线的结构，图10(b)表示在施加射束倾斜电压的情况下，和在不施加射束倾斜电压的情况下，常规的相控阵天线的方向性。
常规的相控阵天线830包括间隔一定距离，成一排地布置在介电(dielectric)基材上的多个天线元件806a～806d，天线控制单元800，和射束倾斜电压820。天线控制单元800包括向其供给高频功率的馈送端808(下面称为输入端)，高频阻止元件(blocking element)809，和多个移相器807a1～807a4。
在该常规的相控阵天线830中，分别借助馈线(下面称为传输线)，天线元件806a与输入端808连接，天线元件806b通过一个移相器807a1与输入端808连接，天线元件806c通过两个个移相器807a3和807a4与输入端808连接，天线元件806d通过三个移相器807a2、807a3和807a4与输入端808连接。射束倾斜电压820通过高频阻止元件809与输入端808连接。
这里假定移相器807a1～807a4的结构均与参考图9说明的移相器的结构相同，并且移相器807a1～807a4具有相同的特性曲线。
在具有上述结构的相控阵天线830中，位于天线元件806a～806d之一和输入端808之间的移相器807的数目分别比位于相邻天线元件806和输入端808之间的移相器807的数目大1，此外，所有移相器807具有相同的特性曲线。于是，如图10(b)中所示，由一个射束倾斜电压820实现天线的方向性(射束倾斜)的控制。
下面更详细地说明天线方向性的控制。例如，假定每个移相器807a1～807a4使通过每个移相器的高频功率的相位延迟相移量Φ，并且相邻的移相器807分别间隔距离d，进入天线元件806a的高频功率无相位变化地被提供给输入端808，如图10(a)中所示。与此相反，进入天线元件806b的高频功率被提供给输入端808，同时其相位被移相器807a1延迟相移量Φ。进入天线元件806c的高频功率被提供给输入端808，同时其相位被移相器807a3和807a4延迟相移量2Φ。此外，进入天线元件806d的高频功率被提供给输入端808，同时其相位被移相器807a2、807a3和807a4延迟相移量3Φ。
换句话说，天线元件806a～806d接收的无线电波的最大灵敏性的方向是相对于所述一排天线元件806a～806d的方向，形成预定角度Θ(Θ＝cos-1(Φ/d))的方向D。这里假定图10(a)中的附图标记w1～w3分别表示相同相位的接收波的平面。
但是，在具有上述结构的常规相控阵天线中，位于各个天线元件806和输入端808之间的移相器807的数目不同，此外在各个移相器807中存在传输损耗。于是，组合来自各个天线元件806a-806d的功率的效果被降低，从而图10(b)中所示的射束的形状被变形，从而难以获得突出的射束(大方向性增益)，射束倾斜量也被降低，因此，天线的方向性的控制受到影响。
此外，如同参考图9(a)所述，通过把相同平面上的区域分别分配给构成移相器700的铁电基材702和顺电基材701，成块地形成用于常规的相控阵天线830的每个移相器807。于是，微带混合耦合器703的单位长度线路的分布电容Cn和微带短截线704的单位长度线路的分布电容Cf彼此有很大不同。因此，在微带混合耦合器703和微带短截线704之间的连接处产生高频功率反射，从而，来自微带混合耦合器703的功率不会有效地进入微带短截线704，从而不能获得足够的相移量。
下面进行详细说明。例如，线路阻抗Z通常用单位长度线路的分布阻抗L和单位长度线路的分布电容C表示为Z^2(Z的平方)＝L/C。此外，当假定所有电场只存在于基材内，并且所有电场近似于线性，且垂直于接地导体时，单位长度线路的分布电容C用线路宽度W，基材厚度H和基材介电常数ε表示成C＝εW/H。当利用上述表达式，相互比较微带混合耦合器703的单位长度线路的分布电容Cn和微带短截线704的单位长度线路的分布电容Cf时，假定作为微带混合耦合器703的基材的顺电基材701的介电常数为εn，作为微带短截线704的基材的铁电基材702的介电常为εf，那么通常建立关系式εn＜＜εf。此外，由于微带混合耦合器703和微带短截线704的线路宽度W，以及各个导体的距离H都相同，因此微带混合耦合器703的单位长度线路的分布电容Cn(＝εnW/H)和微带短截线704的单位长度线路的分布电容Cf(＝εfW/H)明显不同。从而，如上所述，来自微带混合耦合器703的功率不会有效地进入微带短截线704，从而不能获得足够的相移量。
为了克服这个问题，在上面提及的现有技术1中公开一种方法，其中在微带短截线704附近设置磁性材料，以便提高微带短截线704的单位长度线路的分布电感L，从而增大线路阻抗Z，在该现有技术中还提出了其结构。
但是，当如同上面提及的现有技术1中那样，在移相器700的微带短截线704的附近设置磁性材料，以抑制线路部分703和704之间线路阻抗Z的匹配程度的降低以获得大的相移量时，会产生当通过烧结制造移相器700时，需要更多工序，从而不利地增大移相器的制造成本的问题。
为了解决上述问题，做出了本发明，本发明的目的是提供一种能够用较少的制造工序(低成本)制造的天线控制单元，和采用这种天线控制单元的相控阵天线，所述天线控制单元具有突出的射束(大的方向性增益)和大的射束倾斜量。
【发明内容】
根据本发明的权利要求1，提供一种包括与天线元件相连的多个天线端子，被施加高频功率的馈送端，和通过从馈送端分叉的馈送线，与各个天线端子连接，并且以电方式改变经过各个天线端子和馈送端之间的高频信号的相位的移相器的天线控制单元，所述移相器被布置在各个馈送线上的某些位置，其中所述移相器包括：采用顺电材料作为基材的顺电传输线路层上的混合耦合器；和采用铁电材料作为基材的铁电传输线路层上的短截线，顺电传输线路层和铁电传输线路层通过接地导体层叠在一起，混合耦合器和短截线通过穿过接地导体的通孔相连接，并且构成铁电传输线路层上的传输线的导体间的距离大于构成顺电传输线路层上的传输线的导体间的距离。
于是，能够获得一种提供有效相移量，并且用较少的工序制造的低成本移相器，从而能够用较少的工序制造天线控制单元，因此能够降低天线控制单元的制造成本。
根据本发明的权利要求2，提供一种包括与天线元件相连的多个天线端子，被施加高频功率的馈送端，和通过从馈送端分叉的馈送线，与各个天线端子连接，并且以电方式改变经过各个天线端子和馈送端之间的高频信号的相位的移相器的天线控制单元，所述移相器被布置在各个馈送线上的某些位置，其中所述移相器包括：采用顺电材料作为基材的顺电传输线路层上的混合耦合器；和采用铁电材料作为基材的铁电传输线路层上的短截线，顺电传输线路层和铁电传输线路层通过接地导体层叠在一起，混合耦合器和短截线通过在接地导体上形成的耦合窗电磁连接，并且构成顺电传输线路层上的传输线的导体间的距离大于构成铁电传输线路层上的传输线的导体间的距离。
于是，能够获得一种提供更有效的相移量，并且用更少的工序制造的低成本移相器，从而能够用更少的工序制造天线控制单元，因此能够降低天线控制单元的制造成本。
根据本发明的权利要求3，提供一种相控阵天线，它包括在介电基体上的：多个天线元件；和具有被施加高频功率的馈送端，以及通过从馈送端分叉的馈送线，与各个天线元件连接，并且以电方式改变经过各个天线元件和馈送端之间的高频信号的相位的移相器的天线控制单元，所述移相器被布置在馈送线上的某些位置，其中所述移相器包括：采用顺电材料作为基材的顺电传输线路层上的混合耦合器；和采用铁电材料作为基材的铁电传输线路层上的短截线，顺电传输线路层和铁电传输线路层通过接地导体层叠在一起，混合耦合器和短截线通过穿过接地导体的通孔相连接，并且构成铁电传输线路层上的传输线的导体间的距离大于构成顺电传输线路层上的传输线的导体间的距离。
于是，能够获得一种提供有效相移量，并且用较少的工序制造的低成本移相器，从而能够用较少的工序制造相控阵天线，因此能够降低相控阵天线的制造成本。
根据本发明的权利要求4，提供一种相控阵天线，它包括在介电基体上的：多个天线元件；和具有被施加高频功率的馈送端，和通过从馈送端分叉的馈送线，与各个天线端子连接，并且以电方式改变经过各个天线端子和馈送端之间的高频信号的相位的移相器的天线控制单元，所述移相器被布置在各个馈送线上的某些位置，其中所述移相器包括：采用顺电材料作为基材的顺电传输线路层上的混合耦合器；和采用铁电材料作为基材的铁电传输线路层上的短截线，顺电传输线路层和铁电传输线路层通过接地导体层叠在一起，混合耦合器和短截线通过在接地导体中形成的耦合窗电磁连接，并且构成铁电传输线路层上的传输线的导体间的距离大于构成顺电传输线路层上的传输线的导体间的距离。
于是，能够获得一种提供更有效的相移量，并且用更少的制造工序制造的低成本移相器，从而能够用更少的工序制造相控阵天线，因此能够降低相控阵天线的制造成本。
根据本发明的权利要求5，提供一种天线控制单元，包括：被施加高频功率的馈送端；当m＝2^k(2的k次幂)时(m，k是整数)，来自馈送端，在第k级分支分成m条线路的馈送线；设置在m条馈送线的各端并排成一行，用于连接天线元件的m个天线端子，所述天线端子分别被称为第一、第二、...和第m天线端子；均具有相同的特性曲线，并且以电方式改变通过馈送线的高频信号的相位的MK个移相器(MK＝M(K-1)×2+2^(k-1)，当K≥1并且M1＝1时)；和均具有相同的特性曲线，并且具有和移相器的传输损耗量相等的传输损耗量的MK个损耗元件，其中移相器被布置在分成m条线路的馈送线上的某些位置，以致位于第(n+1)个天线端子(n为从1～m-1的整数)和馈送端之间的移相器的数目比位于第n个天线端子和馈送端之间的移相器的数目大1，并且损耗元件被布置在分成m条线路的馈送线上的某些位置，以致从第n个天线端子到馈送端的传输损耗量比从第(n+1)个天线端子到馈送端的传输损耗量大与一个移相器对应的传输损耗量。
于是，能够避免给m个天线端子的分布功率的数量的变化，从而能够避免射束形状的变形，或者射束方向变化量的减小。于是，能够实现具有突出的射束(大的方向性增益)和令人满意的射束倾斜量的天线控制单元。
根据本发明的权利要求6，提供一种天线控制单元，包括：被施加高频功率的馈送端；当m＝2^k(2的k次幂)时(m，k是整数)，来自馈送端，在第k级分支分成m条线路的馈送线；设置在m条馈送线的各端并排成一行，用于连接天线元件的m个天线端子，所述天线端子分别被称为第一、第二、...和第m天线端子；均具有相同的特性曲线，并且以电方式沿正方向改变通过馈送线的高频信号的相位的MK个正射束倾斜移相器(MK＝M(K-1)×2+2^(k-1)，当K≥1并且M1＝1时)；和均具有相同的特性曲线，并且以电方式沿负方向改变通过馈送线的高频信号的相位的MK个负射束倾斜移相器，其中正射束倾斜移相器被布置在分成m条线路的馈送线上的某些位置，以致位于第(n+1)个天线端子(n为从1～m-1的整数)和馈送端之间的正射束倾斜移相器的数目比位于第n个天线端子和馈送端之间的正射束倾斜移相器的数目大1，并且负射束倾斜移相器被布置在分成m条线路的馈送线上的某些位置，以致位于第n个天线端子和馈送端之间的负射束倾斜移相器的数目比位于第(n+1)个天线端子和馈送端之间的负射束倾斜移相器的数目大1。
于是，能够避免给m个天线端子的分布功率的数量的变化，从而能够避免射束形状的变形，或者射束方向变化量的减小，另外，即使移相器的相移量较小，也能够避免射束倾斜量的减小。于是，能够实现具有更突出的射束(大的方向性增益)和更令人满意的射束倾斜的天线控制单元。
根据本发明的权利要求7，提供一种二维天线控制单元，包括：m2行天线控制单元和一列天线控制单元，该行天线控制单元是权利要求5的天线控制单元，包括m＝m1个天线端子(m1是整数)，该列天线控制单元是权利要求5的天线控制单元，包括m＝m2个天线端子(m2是整数)，其中m2行天线控制单元的馈送端分别与该列天线控制单元的m2个天线端子连接。
于是，能够实现一种具有突出的射束(大的方向性增益)和令人满意的射束倾斜量，并且能够实现X轴和Y轴射束倾斜的二维天线控制单元。
根据本发明的权利要求8，提供一种二维天线控制单元，包括：m2行天线控制单元和一列天线控制单元，该行天线控制单元是权利要求6的天线控制单元，包括m＝m1个天线端子(m1是整数)，该列天线控制单元是权利要求6的天线控制单元，包括m＝m2个天线端子(m2是整数)，其中m2行天线控制单元的馈送端分别与该列天线控制单元的m2个天线端子连接。
于是，能够实现一种具有更突出的射束(更大的方向性增益)和更令人满意的射束倾斜，并且能够实现X轴和Y轴射束倾斜的二维天线控制单元。
根据本发明的权利要求9，在权利要求3的相控阵天线中，天线控制单元是权利要求5或6的天线控制单元。
于是，能够用较少的工序制造具有突出的射束(大的方向性增益)和令人满意的射束倾斜量的二维天线控制单元，从而降低制造成本。
根据本发明的权利要求10，在权利要求3的相控阵天线中，天线控制单元是权利要求7或8的天线控制单元。
于是，能够用较少的工序制造具有突出的射束(大的方向性增益)和令人满意的射束倾斜量，并且能够实现X轴和Y轴射束倾斜的相控阵天线，从而降低制造成本。
根据本发明的权利要求11，在权利要求4的相控阵天线中，天线控制单元是权利要求5或6的天线控制单元。
于是，能够用较少的工序制造具有更突出的射束(更大的方向性增益)和更令人满意的射束倾斜量的相控阵天线，从而降低制造成本。
根据本发明的权利要求12，在权利要求4的相控阵天线中，天线控制单元是权利要求7或8的天线控制单元。
于是，能够用更少的工序制造具有更突出的射束(更大的方向性增益)和更令人满意的射束倾斜量，并且能够实现X轴和Y轴射束倾斜的相控阵天线，从而降低制造成本。
【附图说明】
图1是图解说明根据本发明第一实施例的移相器的结构的透视图(图1(a))和横截面图(图1(b))，所述移相器用于相控阵天线。
图2是图解说明根据本发明第二实施例的移相器的结构的透视图(图2(a))和横截面图(图2(b))，所述移相器用于相控阵天线。
图3图解说明根据本发明第三实施例的相控阵天线的结构(图3(a))，和表示该相控阵天线的方向性(图3(b))。
图4图解说明根据本发明第四实施例的相控阵天线的结构(图4(a))，和表示该相控阵天线的方向性(图4(b))。
图5图解说明根据本发明第五实施例的相控阵天线的结构。
图6图解说明根据本发明第六实施例的相控阵天线的结构。
图7是表示根据第六实施例的天线控制单元或相控阵天线中，分支级数(k)，天线元件的数目(m)和移相器的数目(MK)的关系的表格。
图8表示当k＝1和m＝2(图8(a))时，当k＝2和m＝4(图8(b))时和当k＝3和m＝8(图8(c))时，移相器的布置。
图9图解说明常规相控阵天线中采用的移相器的结构(图9(a))，并且表示铁电材料的介电常数变化特性曲线(图9(b))。
图10表示常规相控阵天线的结构和工作原理(图10(a))，并且表示常规相控阵天线的方向性(图10(b))。
【具体实施方式】
[实施例1]
下面，参考图1，说明本发明的第一实施例。
在第一实施例中，将说明用于本发明的相控阵天线的移相器。
图1是图解说明根据本发明第一实施例的移相器的结构的透视图(图1(a))和横截面图(图1(b))，所述移相器用于本发明的相控阵天线。
图1中，附图标记100表示移相器。附图标记101表示顺电基材，附图标记102表示顺电传输线路层，附图标记103表示微带混合耦合器，附图标记104表示铁电基材，附图标记105表示铁电传输线路层，附图标记106表示微带短截线，附图标记107表示接地导体，附图标记108表示通孔，借助所述通孔108，微带混合耦合器103和微带短截线106穿过接地导体107被连接在一起。
首先，详细说明根据第一实施例的移相器100的特征，移相器100优于常规移相器700。
如上所述，在图9(a)中所示的移相器700中，微带混合耦合器703的单位长度线路的分布电容Cn和微带短截线704的单位长度线路的分布电容Cf有很大不同，因此，来自微带混合耦合器703的功率不会有效地进入微带短截线704，从而不能获得足够的相移量。为了克服这个问题，当如现有技术1中所示那样，向移相器700的微带短截线704中加入磁性材料，以提高单位长度线路的分布电感L时，通过把相同平面上的区域分别分配给铁电基材702和顺电基材701，成块地形成的常规移相器700的构成需要更多的工序，从而增大了制造成本。
从而，在第一实施例的移相器100中，如图1(a)中所示，微带混合耦合器103形成于采用顺电材料作为基材101的顺电传输线路层102上，微带短截线106形成于采用铁电材料作为基材104的铁电传输线路层105上，这两个传输线路层102和105通过接地导体107层叠在一起，随后借助穿过接地导体107的通孔108，连接微带混合耦合器103和微带短截线106。此外，如图1(b)中所示，构成铁电导体线路层103的传输线的导体之间的距离Hf大于构成顺电传输线路层102的传输线的导体之间的距离Hn。因此，可使微带混合耦合器103和微带短截线106的线路阻抗Z匹配，从而，能够用较简单的制造工序制造提供有效相移量的移相器100。
下面详细说明移相器。例如，假定作为微带混合耦合器103的基材的顺电基材101的介电常数为εn，作为微带短截线106的基材的铁电基材104的介电常数为εf，微带混合耦合器103的单位长度线路的分布电容Cn由表达式Cn＝εn·W/Hn给出，微带短截线106的单位长度线路的分布电容Cf由表达式Cf＝εf·W/Hf给出。当相互比较Cn和Cf时，如上所述建立关系式εn＜＜εf，但是如图1(b)中所示建立了关系式Hn＜Hf，从而微带混合耦合器103的单位长度线路的分布电容Cn和微带短截线106的单位长度线路的分布电容Cf之间的差异变小。于是，能够避免微带混合耦合器103和微带短截线106的线路阻抗Z之间的匹配度的降低，从而来自微带混合耦合器103的功率有效地进入微带短截线106，于是，能够获得足够的相移量。
下面，说明根据第一实施例的移相器的工作原理。
在移相器100中，使用顺电基材101的微带混合耦合器103，接地导体107，和使用铁电基材104的微带短截线106被层叠，微带混合耦合器103和微带短截线106通过穿过接地导体107的通孔108被连接。这样构成移相器100，以致通过微带混合耦合器103的高频功率的相移量依照施加于微带短截线106的DC控制电压而变化。
换句话说，移相器100的基材由顺电基材101，接地导体107，和铁电基材104组成。矩形环状导体层103a布置在顺电基材101上，矩形环状导体层103a和顺电基材101形成微带混合耦合器103。
在铁电基材104下，布置两个线性导体层106a1和106a2，使得分别借助通孔108，与矩形环状导体层103a的两个相对线性部分103a1和103a2的一端连接。这两个导体层106a1和106a2，以及铁电基材104形成微带短截线106。
在顺电基材101上，布置导体层115a和120a，以位于所述两个线性部分103a1和103a2的延长线上，并且分别与所述两个线性部分103a1和103a2的另一端连接。
导体层115a和顺电基材101形成输入线115，导体层120a和顺电基材101形成输出线120。这里，环状导体层103a的线性部分103a1的一端和另一端分别是微带混合耦合器103的端口2和1，环状导体层103a的线性部分103a2的一端和另一端分别是微带混合耦合器103的端口3和4。
在具有上述结构的移相器100中，当向微带短截线106施加DC控制电压时，通过微带短截线的高频功率的相移量发生变化。
下面进行详细说明。在具有这种结构，即相同的反射元件(微带短截线106)通过通孔108，与适当设计的微带混合耦合器103的相邻两个端口(端口2和3)连接的移相器100中，从输入端口(端口1)进入的高频功率(power)不是通过输入端口1被输出，而是只通过输出端口(端口4)输出该高频功率，来自反射元件的反射功率被反射到所述高频功率上。从而，当向微带短截线106施加控制电压时，产生偏压场，当控制电压被改变时，对于高频功率微带短截线106的有效介电常数发生变化。因此，对于高频功率微带短截线106的等效功率长度发生变化，微带短截线106的相位依据等效功率长度的改变而发生变化，从而通过输出端口(端口4)输出的高频功率的相位发生变化。
如上所述，通过层叠平板形材料，即顺电基材101，接地导体107和铁电基材104，并形成穿过接地导体107的通孔108，从而把形成于顺电传输线路层102上的微带混合耦合器103，和形成于铁电传输线路层105上的微带短截线106相互连接，构成根据第一实施例的移相器100，在该移相器中，设置有微带短截线106的铁电传输线路层105的基材的厚度Hf大于设置有微带混合耦合器103的顺电传输线路层102的基材的厚度Hn。于是，微带混合耦合器103和微带短截线106之间的线路阻抗匹配的恶化受到抑制，从而能够获得提供有效相移量的移相器。此外，和如同常规移相器700中那样，在把相同平面上的区域分配给各个基材的情况下布置基材的方法相比，可用较少的制造工序制造移相器100，从而能够用较低的成本生产移相器。
此外，当把移相器100用于相控阵天线，能够用较少的工序制造相控阵天线，从而降低了制造成本。
[实施例2]
下面参考图2，说明本发明的第二实施例。
在第二实施例中，将说明用于本发明的相控阵天线的移相器。
图2是图解说明根据第二实施例的移相器的结构的透视图(图2(a))和横截面图(图2(b))，所述移相器用于本发明的相控阵天线。
图2中，附图标记200表示移相器。附图标记201表示顺电基材，附图标记202表示顺电传输线路层，附图标记203表示微带混合耦合器，附图标记204表示铁电基材，附图标记205表示铁电传输线路层，附图标记206表示微带短截线，附图标记207表示接地导体，附图标记208表示形成于接地导体207中的耦合窗，用于电磁耦合微带混合耦合器203和微带短截线206。
首先，详细说明根据第二实施例的移相器200的特征，移相器200优于常规移相器700。
如第一实施例中所述，当如同现有技术1中所示，向图9(a)中所示的常规移相器700的微带短截线704中加入磁性材料，以提高单位长度线路的分布电感L，以便解决不能获得常规移相器700的足够相移量的问题时，通过把相同平面上的区域分别分配给铁电基材702和顺电基材701，成块地形成的常规移相器700需要更多的工序，从而增大了制造成本。
在如图2(a)中所示，根据第二实施例的移相器200中，微带混合耦合器203形成于采用顺电材料作为基材201的顺电传输线路层202上，微带短截线206形成于采用铁电材料作为基材204的铁电传输线路层205上，之后，这两个传输线路层202和205通过接地导体207层叠在一起，借助形成于接地导体207中的耦合窗208，电磁耦接微带混合耦合器203和微带短截线206，此外，如图2(b)中所示，构成铁电传输线路层205上的传输线的导体之间的距离Hf大于构成顺电传输线路层202上的传输线的导体之间的距离Hn。因此，可使微带混合耦合器203和微带短截线206的线路阻抗Z匹配，从而，能够用较简单的制造工序制造提供有效相移量的移相器200。
下面进行详细说明。例如，假定作为微带混合耦合器203的基材的顺电基材201的介电常数为εn，作为微带短截线206的基材的铁电基材104的介电常数为εf，微带混合耦合器203的单位长度线路的分布电容Cn由表达式Cn＝εn·W/Hn给出，微带短截线206的单位长度线路的分布电容Cf由表达式Cf＝εf·W/Hf给出。当相互比较Cn和Cf时，εn＜＜εf，但是在第二实施例中，如图2(b)中所示Hn＜Hf，从而微带混合耦合器203的单位长度线路的分布电容Cn和微带短截线206的单位长度线路的分布电容Cf之间的差异变小。于是，能够避免微带混合耦合器203和微带短截线206的线路阻抗Z之间的匹配的恶化，从而来自微带混合耦合器203的功率有效进入微带短截线206，能够获得足够的相移量。
下面，说明根据第二实施例的移相器的工作原理。
在移相器200中，使用顺电基材201的微带混合耦合器203，接地导体207，和使用铁电基材204的微带短截线206被层叠，微带混合耦合器203和微带短截线206通过形成于接地导体207中的耦合窗208电磁连接。这样构成移相器200，以致通过微带混合耦合器203的高频功率的相移量依照施加于微带短截线206的DC控制电压而变化。
换句话说，移相器200的基材由顺电基材201，接地导体207，和铁电基材204组成。矩形环状导体层203a布置在顺电基材201上，矩形环状导体层203a和顺电基材201形成微带混合耦合器203。
在铁电基材204下，布置两个线性导体层206a1和206a2，以借助耦合窗208，分别与矩形环状导体层203a的两个相对线性部分203a1和203a2的一端电磁连接。这两个导体层206a1和206a2，以及铁电基材204形成微带短截线206。
此外，在顺电基材201上，布置导体层215a和220a，以位于所述两个线性部分203a1和203a2的延长线上，并且分别与所述两个线性部分203a1和203a2的另一端连接。
导体层215a和顺电基材201形成输入线215，导体层220a和顺电基材201形成输出线220。这里，环状导体层203a的线性部分203a1的一端和另一端分别是微带混合耦合器203的端口2和1，环状导体层203a的线性部分203a2的一端和另一端分别是微带混合耦合器203的端口3和4。
在具有上述结构的移相器中，当向微带短截线206施加DC控制电压时，通过微带短截线的高频功率的相移量发生变化。
下面进行详细说明。在其中相同的反射元件(微带短截线206)通过耦合窗208，与适当设计的微带混合耦合器203的相邻两个端口(端口2和3)连接的移相器200中，从输入端口(端口1)进入的高频功率不是从输入端口1被输出，只通过输出端口(端口4)输出高频功率，来自反射元件的反射功率被反射到所述高频功率上。从而，当向微带短截线206施加控制电压时，产生偏压场，当控制电压被改变时，对于高频功率微带短截线206的有效介电常数相应发生变化。因此，对于高频功率微带短截线206的等效电长度发生变化，从而从输出端口(端口4)输出的高频功率的相位发生变化。
如上所述，根据第二实施例，通过层叠平板形材料，即顺电基材201，包括耦合窗208的接地导体207，和铁电基材204，构成移相器200，其中，设置有微带短截线206的铁电传输线路层205的基材的厚度Hf大于设置有微带混合耦合器203的顺电传输线路层202的基材的厚度Hn。于是，微带混合耦合器203和微带短截线206之间的线路阻抗匹配的恶化受到抑制，从而能够获得提供有效相移量的移相器。此外，和如同常规移相器700中那样，布置基材以致一个平面上的区域被分配给各个基材的方法相比，可用较少的制造工序制造移相器200，从而能够用较低的成本生产该移相器。
此外，当把移相器200用于相控阵天线，能够用较少的工序制造相控阵天线，从而降低了制造成本。
[实施例3]
下面参考图3，说明本发明的第三实施例。
图3(a)图解说明根据第三实施例的相控阵天线的结构，图3(b)表示在施加射束倾斜电压的情况下，和在不施加射束倾斜电压的情况下，根据第三实施例的相控阵天线的方向性。
在图3(a)中，根据第三实施例的相控阵天线330包括天线控制单元300，执行如图3(b)中所示的方向性(射束倾斜)控制的射束倾斜电压320，和四个天线元件(element)310a-310d。天线控制单元300包括一个输入端(馈送端)301，四个天线端子307a-307D，四个移相器308a1-308a4，四个损耗元件309a1-309a4，高频阻止元件311，DC阻止元件312，来自输入端301的传输线(馈送线)302，在第一分支303分叉的两个传输线304a和304b，和在第二分支305a和305b从传输线304a和304b分叉的四个传输线306a-306d。
下面，更详细地说明构成根据第三实施例的相控阵天线330的天线控制单元300的结构。
根据第三实施例的天线控制单元300包括一个输入端301，来自输入端301的传输线302在第一分支303分成两个传输线304a和304b，并且在第一分支303分叉的两个传输线304a和304b在第二分支305a和305b再分成两个传输线，从而获得分叉的四个传输线306a-306d。
另外，输入端301通过阻止元件312与第一分支303连接，射束倾斜电压302通过高频阻止元件311与第一分支303连接。
所述四个传输线306a-306d具备四个天线端子307a-307d，用于连接四个天线元件310a-310d。
当四个天线端子307a-307d排列成行(它们分别被称为第一、第二、第三和第四天线端子)时，并且当假定n为满足0＜n＜4的整数时，移相器308a1-308a4被布置成使得位于第(n+1)个天线端子307和输入端301之间的移相器308a的数目，比位于第n个天线端子307和输入端301之间的移相器308a的数目大1。这里，各个移相器308a1-308a4具有相同的特性曲线。
此外，在根据第三实施例的天线控制单元300中，布置传输损耗均等于对应于一个移相器308a的传输损耗量的损耗元件309a1-309a4，使得位于第n个天线端子307和输入端301之间的损耗元件309a的数目，比位于第(n+1)个天线端子307和输入端301之间的损耗元件309a的数目大1。于是，从所有天线端子307a-307d到输入端301的传输损耗量相同。
在常见的相控阵天线中，当从各个天线元件310a-310d到作为功率合成点的输入端301的传输损耗量彼此不同时，功率合成效果被降低，从而如图3(b)中所示的射束的形状变形，难以获得突出的射束(pointed beam)(大的方向性增益)，另外，射束倾斜量被降低，因此天线的方向性的控制恶化。
但是，在根据第三实施例的天线控制单元300中，布置损耗元件309a，使得从第n个天线端子307(n是满足0＜n＜4的整数)到输入端301的传输损耗量，比从第(n+1)个天线端子307到输入端301的传输损耗量大和与一个移相器308a对应的传输损耗相同的数量。于是，从所有天线元件310a-310d到输入端301的传输损耗量相同，从而能够实现具有突出的射束，和令人满意的射束倾斜量的相控阵天线。
如上所述，根据第三实施例，当n是满足0＜n＜4的整数时，移相器308a被布置成使得位于第(n+1)个天线端子307和输入端301之间的移相器308a的数目，比位于第n个天线端子307和输入端301之间的移相器308a的数目大1，另外，损耗元件309a被布置成使得从第n个天线端子307到输入端301的传输损耗量，比从第(n+1)个天线端子307到输入端301的传输损耗量大和与一个移相器308a对应的传输损耗相同的数量。于是，即使在移相器308a1-308a4中产生了任意通道损耗，各个天线元件310a-310d的分布功率的数量也彼此不同，从而，能够获得天线控制单元300，借助所述天线控制单元300，射束形状不会被变形，射束方向的变化不会被减小。此外，当把天线控制单元300用于相控阵天线时，可使从所有天线元件310a-310d到输入端301的传输损耗量相等，从而能够实现具有突出的射束，和令人满意的射束倾斜量的相控阵天线。
此外，当把第一或第二实施例中描述的移相器用于根据第三实施例的相控阵天线时，能够进一步降低相控阵天线的制造成本。
[实施例4]
下面参考图4，说明第四实施例。
在第四实施例中，将详细说明具有不同于第三实施例的结构的相控阵天线中的天线控制单元。
图4(a)图解说明根据第四实施例的相控阵天线的结构，图4(b)表示在施加射束倾斜电压的情况下，和在不施加射束倾斜电压的情况下，根据第四实施例的相控阵天线的方向性。
在图4(a)中，根据第四实施例的相控阵天线430包括天线控制单元400，如图4(b)中所示，分别实现负和正方向性(射束倾斜)控制的负射束倾斜电压421和正射束倾斜电压422，和四个天线元件410a-410d。天线控制单元400包括输入端401，四个天线端子407a-407D，四个正射束倾斜移相器408a1-408a4，四个负射束倾斜移相器408b1-408b4，高频阻止元件411a-411f，DC阻止元件412a-412f，来自输入端401的传输线402，在第一分支403分叉的两个传输线404a和404b，和在第二分支405a和405b从传输线404a和404b分叉的四个传输线406a-406d。
下面，更详细地说明构成根据第四实施例的相控阵天线430的天线控制单元400。
第四实施例的天线控制单元400包括一个输入端401，来自输入端401的传输线402在第一分支403分成两个传输线404a和404b，并且在第一分支403分叉的两个传输线404a和404b分别在第二分支405a和405b再分成两个传输线，从而得到四个传输线406a-406d。
在第一分支403分叉的两个传输线404a和404b都具有一个DC阻止元件412，分别在第二分支405a和405b分叉的四个传输线406a-406d分别具有一个DC阻止元件412。高频阻止元件411被布置在各个负射束倾斜移相器408b1、408b4和408b2的一端，以及在各个正射束倾斜移相器408a1、408a4和408a2的一端。
四个传输线406a-406d分别具备四个天线端子407a-407d，以便与四个天线元件410a-410d连接。
分别被称为第一、第二、第三和第四天线端子的四个天线端子407a-407d被排成一行，当假定n为满足0＜n＜4的整数时，正射束倾斜移相器408a1-408a4被布置成使得位于从第(n+1)个天线端子407到输入端401的移相器的数目，比位于从第n个天线端子407到输入端401的移相器的数目大1。
此外，负射束倾斜移相器408b1-408b4被布置成使得位于第n个天线端子407和输入端401之间的移相器的数目，比位于第(n+1)个天线端子407和输入端401之间的移相器的数目大1。
这里，正射束倾斜移相器408a1-408a4和负射束倾斜移相器408b1-408b4都具有相同的特性曲线(相同的传输损耗量)。
于是，在具有上述结构的天线控制单元400中，从所有天线端子407a-407d到输入端401的传输损耗量相同。
在常见的相控阵天线中，当从各个天线元件410a-410d到作为功率合成点的输入端401的传输损耗量彼此不同时，电功率合成效果被降低，从而如图4(b)中所示的射束的形状变形，于是难以获得突出的射束(大的方向性增益)，另外，射束倾斜量被降低，因此天线的方向性的控制恶化。
此外，在把铁电材料用于移相器408的相控阵天线中，当铁电材料的介电常数的变化率较小时，一个移相器408能够实现的相移量较小，从而很难获得射束倾斜量大的相控阵天线。
但是，在根据第四实施例的天线控制单元400中，从所有天线元件410a-410d到输入端401的传输损耗量相同，另外设置了正射束倾斜移相器408a和负射束倾斜移相器408b。于是，每个移相器408只负责较小的相移量，从而能够实现具有更突出的射束，和更令人满意的射束倾斜量的相控阵天线。
如上所述，根据第四实施例，当n是满足0＜n＜4的整数时，正射束倾斜移相器408a1-408a4被布置成使得位于第(n+1)个天线端子407和输入端401之间的正射束倾斜移相器408a的数目，比位于第n个天线端子407和输入端401之间的正射束倾斜移相器408a的数目大1，另外，负射束倾斜移相器408b1-408b4被布置成使得位于第n个天线端子407和输入端401之间的负射束倾斜移相器408b的数目，比位于第(n+1)个天线端子407和输入端401之间的负射束倾斜移相器408b的数目大1。于是，每个移相器408只负责较小的相移量，从而，能够获得即使当每个移相器408的铁电材料的介电常数变化率较小时，也不会减小射束倾斜量的天线控制单元400。此外，当采用天线控制单元400时，可使从所有天线元件410a-410d到输入端401的传输损耗量相等，从而能够实现具有更突出的射束，和更令人满意的射束倾斜量的相控阵天线。
此外，当把第一或第二实施例中描述的移相器用于根据第四实施例的相控阵天线时，能够进一步降低相控阵天线的制造成本。
[实施例5]
下面参考图5，说明本发明的第五实施例。
在第五实施例中，将说明包括二维天线控制单元的相控阵天线，通过组合多个第三实施例中描述的天线控制单元，获得所述二维天线控制单元，所述二维天线控制单元能够控制X轴方向和Y轴方向的方向性。
图5图解说明根据第五实施例的相控阵天线的结构。
图5中，根据第五实施例的相控阵天线530包括天线元件510a(1-4)-510d(1-4)，执行X轴方向性(射束倾斜)控制的X轴天线控制单元500a1-500a4，执行Y轴方向性(射束倾斜)控制的Y轴天线控制单元500b，X轴射束倾斜电压520a，和Y轴射束倾斜电压520b。每个X轴天线控制单元500a包括天线端子507a-507d，和输入端501a。Y轴天线控制单元500b包括天线端子507a-507d，和输入端501b。这里，假定每个X轴天线控制单元500a1-500a4和Y轴天线控制单元500b具有与上面在第三实施例中描述的天线控制单元300相同的结构。
下面，将具体说明根据本实施例的相控阵天线530。
X轴天线控制单元500a1-500a4的输入端501a1-501a4分别与Y轴天线控制单元500b的天线端子507a-507d连接。虽然这里未示出，不过如第三实施例中所述那样，如图3中所示在每个X轴天线控制单元500a1-500a4和Y轴天线控制单元500b中布置均具有相同传输损耗量的四个移相器308a和四个损耗元件309a。
于是，根据第五实施例的相控阵天线530，从所有天线端子507a-507d到X轴天线控制单元500a1-500a4中的输入端501a的传输损耗量具有相同值，另外，从所有天线端子507a-507d到Y轴天线控制单元500b中的输入端501b的传输损耗量具有相同值。因此，能够实现具有突出的射束(大的方向性增益)和令人满意的射束倾斜量，并且能够控制X轴方向性和Y轴方向性的相控阵天线。
如上所述，第五实施例的相控阵天线采用包括控制X轴方向性的X轴天线控制单元500a1-500a4，和控制Y轴方向性的Y轴天线控制单元500b的天线控制单元，并且采用如第三实施例中所述的具备移相器308a和与移相器308a一样多的损耗元件309a的天线控制单元作为X轴和Y轴天线控制单元500，每个损耗元件具有和移相器308a相同的传输损耗量，从而当在移相器308中产生任何通道损耗时，同样使到各个天线元件510的分布功率相等，从而防止射束形状的变形，或者防止射束倾斜变化的减小。于是，能够实现具有突出的射束(大的方向性增益)和令人满意的射束倾斜量，并且能够控制X轴方向性和Y轴方向性的相控阵天线。
[实施例6]
下面参考图6，说明本发明的第六实施例。
在第六实施例中，将说明具有二维天线控制单元的相控阵天线，通过组合多个第四实施例中描述的天线控制单元，获得所述二维天线控制单元，所述二维天线控制单元能够控制X轴和Y轴方向性。
图6图解说明根据第六实施例的相控阵天线的结构。
图6中，第六实施例的相控阵天线630包括天线元件610a(1-4)-610d(1-4)，执行X轴方向性(射束倾斜)控制的X轴天线控制单元600a1-600a4，执行Y轴方向性(射束倾斜)控制的Y轴天线控制单元600b，X轴负射束倾斜电压621a，X轴正射束倾斜电压622a，Y轴负射束倾斜电压621b，和Y轴正射束倾斜电压622b。此外，每个X轴天线控制单元600a包括天线端子607a-607d，和输入端601a。Y轴天线控制单元600b包括天线端子607a-607d，和输入端601b。这里，假定每个X轴天线控制单元600a1-600a4和Y轴天线控制单元600b具有与在第四三实施例中具体描述的天线控制单元400相同的结构。
下面，将更详细地说明根据第六实施例的相控阵天线630。
X轴天线控制单元600a1-600a4的输入端601a1-601a4分别与Y轴天线控制单元600b的天线端子607a-607d连接。虽然这里未示出，不过如第三实施例中所述那样，如图4中所示在每个X轴天线控制单元600a1-600a4和Y轴天线控制单元600b中包括四个正射束倾斜移相器408a和四个负射束倾斜移相器408b。
于是，根据第六实施例的相控阵天线630，在每个X轴天线控制单元600a1-600a4和Y轴天线控制单元600b中，从所有天线端子607a-607d到输入端601a的传输损耗量相同，每个移相器只负责较小的相移量，从而能够实现具有更突出的射束和更令人满意的射束倾斜量，并且能够控制X轴方向性和Y轴方向性的相控阵天线。
如上所述，根据第六实施例，相控阵天线包括控制X轴方向性的X轴天线控制单元600a1-600a4，和控制Y轴方向性的Y轴天线控制单元600b。另外，采用如第四实施例中所述，其中布置均具有相同传输损耗量的相同数目的正射束倾斜移相器408a和负射束倾斜移相器408b的天线控制单元，作为X轴和Y轴天线控制单元600，从而即使当每个移相器408的铁电材料的介电常数变化率较低时，每个移相器408只负责较小的相移量，从而避免射束倾斜的减小，另外，即使当在每个移相器中出生通道损耗时，也可使到各个天线单元610的分布功率相等，从而能够防止射束形状的变形，或者防止射束方向变化的减小。于是，能够实现具有更突出的射束和更令人满意的射束倾斜量，并且能够控制X轴方向性和Y轴方向性的相控阵天线。
此外，在构成第六实施例的相控阵天线的每个天线控制单元600中，当X轴正射束倾斜移相器，X轴负射束倾斜移相器，Y轴正射束倾斜移相器，和Y轴负射束倾斜移相器被布置在不同层上时，除了上面提及的效果之后，还能够实现密度更高，更紧致的天线控制单元。
在任意上述实施例的说明中，构成移相器的微带混合耦合器和微带短截线的传输线是微带线型传输线。但是，当采用任意类型的介电波导(wave guide)，例如带状线型介电波导，H-线介电波导，或者NRE介电波导时，可获得和上面所述相同的效果。
此外，虽然在任意上述实施例中采用四个天线元件，不过也可采用其它数目的天线元件。例如，当馈送线(传输线)从被施加高频功率的输入端，通过k级分支，分成m条线路时(m＝2^k(2的k次幂)，(k是整数))，只需要m件天线元件，随后需要的移相器的数目MK可由下面的表达式给出：
MK＝M(K-1)×2+2^(k-1)(当K≥1，M1＝1时)
下面，参考图7和8进行详细说明。图7表示根据第六实施例的天线控制单元或相控阵天线中，分支级数(k)，天线元件的数目(m)和移相器的数目(MK)的关系。图8表示在图7中k＝1和m＝2的情况下(图8(a))，在k＝2和m＝4的情况下(图8(b))，和在k＝3和m＝8的情况下(图8(c))，移相器的布置。
例如，当分支级数k＝3时，天线元件的数目m＝2^3＝8，如图7中所示，移相器的数目M3＝M2×2+2^2＝12。这种情况下的移相器如图8(c)中所示排列，以致位于第(n+1)个天线端子(0＜n＜8)和输入端之间的移相器的数目比位于第n个天线端子和输入端之间的移相器的数目大1。为了简化说明，图8中只表示了MK个移相器，但是在如第三实施例中所述的天线控制单元300，和采用该天线控制单元300的相控阵天线330中，还布置和移相器一样多的MK个损耗元件，如图3中所示。就如第四实施例中所述的天线控制单元400，和采用该天线控制单元400的相控阵天线430来说，当该图中所示的MK个移相器是正射束倾斜移相器时，还布置MK个负射束倾斜移相器，如图4中所示。
工业可应用性
根据本发明的天线控制单元和相控阵天线特别有益于实现具有突出的射束(大的方向性增益)和令人满意的射束倾斜量，以及能够用更少的制造工序制造的低成本天线控制单元和相控阵天线。该天线控制单元和相控阵天线特别适合于用在识别无线电设备或汽车防撞雷达的移动单元中。