微波天線和天線元件的製作方法

2023-05-20 15:05:31

專利名稱：微波天線和天線元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及微波天線。進一步，本發明涉及特別地用於這種微波天線的天線陣列，和特別地用於這種天線陣列的天線元件。
背景技術：
在毫米波成像系統中，對場景進行掃描以獲得該場景的圖像。在許多成像系統中，天線被機械地移動以掃描整個場景。然而，優選的是進行電子掃描，即，電子地移動天線的輻射光束或靈敏性曲線，因為電子掃描更迅速且不會像在機械掃描系統中那樣出現天線退化。在現代雷達成像中，使用了二維(2D) MIMO波束形成拓撲技術，其合成等距間隔的虛擬雙向孔徑分布。實際上，虛擬孔徑分布是發射(TX)天線相位中心和接收(RX)天線相位中心的二維卷積。大多數實際相關的陣列結構包括2D TX或RX天線塊。本發明不僅涉及這種2D MMO光束形成天線，而且大體上涉及具有這些天線元件陣列(稀疏的或非稀疏的)的任何2D天線。

發明內容
本發明的目的是提供一種微波天線，其中天線元件可以儘可能緊湊地布置，並提供獲得雷達圖像外的更多信息的能力。本發明的另外的目的是提供該微波天線中使用的相對應的天線元件。根據本發明的一方面，提供了一種包括天線陣列的微波天線，該天線陣列包括多個天線元件，天線元件包括:罩，-中空波導，形成在所述罩內，用於在第一開口端部和布置在所述第一端部對面的第二端部之間引導工作頻率的微波輻射，-隔板，在所述波導內中央地沿著縱向方向布置，將所述波導分隔成兩個波導部分，-基板裝置，布置在所述罩內的所述第二端部，所述基板裝置包括接地平面、布置在所述接地平面的兩側並與所述接地平面間隔一定距離的線結構，以及集成基板波導，-波導過渡，布置在所述中空波導和所述集成基板波導之間，-集成電路，布置在所述罩內，並電接觸所述接地平面和所述線結構，以及-端子，電接觸所述集成電路。根據本發明的另一方面，提供了一種天線元件，特別地用於包括多個天線元件的天線陣列，天線元件包括:-罩，-中空波導，形成在所述罩內，用於在第一開口端部和布置在所述第一端部對面的第二端部之間引導工作頻率的微波輻射，
-隔板，在所述波導內中央地沿著縱向方向布置，將所述波導分隔成兩個波導部分，
-基板裝置，布置在所述罩內的所述第二端部，所述基板裝置包括接地平面、布置所述接地平面的兩側並與所述接地平面間隔一定距離的線結構，以及集成基板波導，-波導過渡，布置在所述中空波導和所述集成基板波導之間，-集成電路，布置在所述罩內，電接觸所述接地平面和所述線結構，以及-端子，電接觸所述集成電路。在從屬權利要求中限定了本發明的優選實施方式。應當理解，要求的天線元件具有與所要求的微波天線相似和/或相同的以及由從屬權利要求限定的優選實施方式。為了獲得雷達圖像之外的最多信息，可以採用偏振測定法。可以檢測在散射期間轉換極化或對於完全線性極化雷達系統不可見的目標。通過評估目標散射的方式，可以獲得示出所觀察目標的某些散射特性(例如，粗糙面、晶格、平行導線…)的更詳細的圖。因此，與利用單線性偏振相比較，通過使用本發明可以獲得雷達圖像之外的更多信息。為了應用偏振圖像處理，發射(TX)天線和接收(RX)天線以雙偏振的方式(B卩，使用具有正交極化的雙極性元件)發射和接收電磁場。正交偏振可以是線性垂直的和線性水平的(或朝著任何方向線性的和垂直極化)、左旋圓偏振和右旋圓偏振、或橢圓正交(具有橢圓正交方向的左旋橢圓偏振和右旋橢圓偏振)。橢圓情形是最一般的情形，可以涵罩所有前述的情形，其中前述情形都是橢圓情形的特定實施方式。雷達圖像的偏振評估可以應用於任何一個前述正交偏振。在偏振測定法中，正交偏振是等價的，因為利用數學方法通過基轉換可以將任一組合的各個接收信號轉化為另一個接收信號。為了在二維反射陣天線中產生正交偏振波，所提出的天線陣列和所提出的包括該天線陣列的天線，被構造為使得通過隔板將波導劃分為兩個波導部分。隔板將只在一個波導部分的波導埠饋給的埠信號轉換為從包括該波導部分的波導輻射的圓形(橢圓)偏振波。進一步，通過本發明已經克服了涉及起源於顯示雙偏振的任何2D天線裝置的饋給結構的問題。由於幾何原因，在直列式結構中實現包括波導部分的每個元件的兩個饋給結構，其只提供z方向上的元件孔徑的截面空間。換句話說，所提出的天線元件每個都包括所需的集成電路，優選地實現為罩內集成的單片微波集成電路(MMIC)，且通過端子只連接外部。端子優選地位於中低頻(IF)或DC。應當理解，根據本發明，天線一般可以用於毫米波和微波的頻率範圍，即至少在從IGHz至3THz的頻率範圍內。「工作頻率」一般可以是該頻率範圍內的任何頻率。當使用本文中的術語「微波」時，應當理解該頻率範圍內的任何電磁輻射。


以下將參考下文中描述的實施方式理解和更詳細地說明本發明的這些方面和其他方面。在附圖中:圖1A和圖1B示出了根據本發明的天線陣列的另一個實施方式，圖2示出了根據本發明的單個天線元件的第一實施方式的截面透視圖，
圖3A至圖3D示出了單個天線元件的所述第一實施方式的幾個截面圖，圖4A和圖4B示出了根據本發明天線中使用的包括隔板的波導的不同圖，圖5示出了隔板的頂視圖，圖6示出了根據本發明的單個天線元件的第二實施方式的透視圖，圖7A至圖7C示出了根據本發明的單個天線元件的第三實施方式的分解圖，以及圖8A至圖SE示出了根據本發明的天線陣列的另一實施方式。
具體實施例方式圖1A和圖1B示出了根據本發明的微波天線10的一般實施方式。天線10包括天線陣列12a，天線陣列12a包括多個天線元件18。這種天線陣列可以用作光束形成天線陣列。對於某一轉向角，每個天線信號具有某一時間延遲，其可以視為窄帶情況下的相移(phase shift)。所以，對天線元件進行相位調整被用於光束掃描。此外，振幅權重可被用於減小旁瓣電平。在雷達成像中，可以使用完全稠密的2D天線陣列(元件間隔〈λ /2)或是稀疏的2D MMO光束形成拓撲結構，其合成等距間隔的虛擬雙向孔徑分布。圖1A中所示的天線陣列12a包括接收天線的二維陣列20和布置在接收天線的陣列20的角區域中的發射天線的四個陣列22、23、24、25。該天線陣列12a的定性虛擬孔徑分布26 (圖1B中所示)是發射天線相位中心和接收天線相位中心的2D卷積。由於天線元件的互易性，RX和TX可以交換。一般地，為了實現2D天線陣列的雙偏振天線元件，必須實現正交線性偏振的兩個饋給或必須集成左旋圓偏振和右旋圓偏振的兩個饋給。在大多數情況下通過連接來自波導的截面外部的饋送線的兩個正交引腳實現正交線性情況。由於較大的物理尺寸，所以這種傳統解決方法只可以應用於單個天線，而不用於元件密集地堆疊在一起的2D陣列的元件。本發明現在提供用於通過直列式饋給結構激勵兩個正交(線性的或圓形的)偏振的解決方法，該解決方法相當複雜且目前尚未周知。圖2中以截面透視圖的形式描述了單個天線元件18a的第一實施方式。圖3A至圖3D中示出單個天線元件18a的所述第一實施方式的幾個截面圖。天線元件18a包括罩30,在罩30內形成中空的波導32,用於在開口的第一端部34和布置在第一端部34相對位置的第二端部36之間引導工作頻率的微波輻射。隔板38在波導32內中央地且沿著縱向方向布置，以便將所述波導32分隔成兩個波導部分321、322。進一步，基板裝置41布置在罩30內的第二端部36，所述基板裝置41包括接地平面43、布置在所述接地平面43兩側且與接地平面43間隔一段距離的線結構42、44和集成基板的波導40 (也包括接地平面43)。接地平面43和隔板38 —般可以是分開的元件，但是在優選實施方式中，隔板包括或對應於所述接地平面43，特別表示所述接地平面43的前端部分。進一步，在接地平面43和線結構之間優選地布置基板層，例如，聚四氟乙烯、陶瓷或LCP (液晶聚合物)。波導過渡46布置在中空波導32和集成基板波導40之間。進一步，集成電路48布置在所述罩30內所述接地平面43的兩側，並電接觸所述接地平面43和所述線結構42、44。最後，電接觸所述集成電路48的端子50布置在基板裝置41的後端(或罩的後部，如果存在布置在基板後端的罩部分的話)。天線元件是直列式結構，其中電路只在元件孔徑的截面區域上沿z方向布置。
優選地，該實施方式能夠通過使用左旋圓極化和右旋圓(橢圓)極化由直列式饋給產生兩個正交偏振。與線性情況相比較，這可以以比較簡單的方式實現。因此，如圖2和圖3A至圖3D中所示出的，優選地使用過渡的級聯結構。在優選實施方式中，集成電路用作麗IC (單片微波集成電路)48，該麗IC48附接至一個或兩個薄基板45、47的頂面和/或底面，薄基板45、47在中間共享一個共同接地平面43，特別地，隔板38。基板裝置(也被稱為多層基板)包含諸如微帶線或共平面波導的線結構42、44、43等，其將來自MMC48的信號引導至帶狀線過渡52。在同一基板上實現的集成基板波導(substrate integrated waveguide, SIff)40中該帶狀線過渡52將準橫向電磁(transversal electro-magnetic, TEM)模式轉換為 TE10 模式。SIW40在包括發射單元461的波導過渡46中結束，該發射單元提供從所述SIW40到第一中空波導部分322、324的過渡。優選地，發射單元461具有三角形狀。因此，該發射單元461表示從優選地充滿電介質的SIW40到優選地充滿空氣的同一尺寸的中空波導的過渡。因為該波導的高度(S卩，第一波導部分323、324)相對較窄(比通常使用的矩形波導的四分之一波長更窄)，所以另一個過渡，(特別地，匹配單元462)被設置為匹配細波導至矩形波導，即，第二中空波導部分具有比所述第一中空波導部分325、326更大的寬度和/或高度，特別地具有半波長的寬度和四分之一波長的高度。該匹配單元462可以具有1...η臺階。可選地，其可以具有連續截面，例如，線性遞變(linear taper)。波導部分321和322可以具有矩形(邊長比2:1)或半圓形截面。進一步，在實施方式中波導部分321和325與322和326可以被直接放在一起或可以存在平緩過渡，該過渡分別匹配波導部分325和326的矩形截面至波導部分321和322的半圓形截面。優選地，如圖2和圖3A至圖3D所示的所描述的元件被提供給波導對，波導對的結構與基板裝置41的接地平面43 (優選地，是隔板38的後部)對稱。然後，這個基本構件可以擴展形成方形或圓形截面的末端開口波導32。因此，接地平面43被修改為在延伸進入波導32的前部顯示出隔板38的形狀。圖5和圖6中描述了隔板38的定性形狀。圖4A和圖4B分別示出了根據本發明的天線元件18a的波導32』的正視圖(圖4A)和截面圖(圖4B)。這個實施方式中所示的孔徑(圖4A)由方形末端開口波導32』組成。每個方形波導32』被隔板38劃分成兩個矩形波導部分321』、322』。優選地，波導部分321』、322』具有寬度w (左側壁和右側壁之間)為工作頻率的微波輻射的大體上半波長(0.5 λ <w<0.9 λ )，高度h (在上側壁和下側壁之間)為工作頻率的微波輻射的大體上四分之一波長(0.25 λ <h〈0.45 λ )的矩形截面。通過使用該波導的尺寸標註可以確保只引導微波的基本TEltl模式經過波導。進一步，由於只有基本TEltl模式可以在波導內傳播，所以可以確保輻射圖案看起來總是同一個。隔板38將從方形末端開口波導32』輻射的只在虛擬矩形波導埠(單個波導部分的)饋給的埠信號轉換為圓形(橢圓形)偏振波。換而言之，隔板38的功能是通過饋給矩形波導321』、322』中的一個產生圓形偏振波。如果同時饋給矩形波導部分321』、322』兩者，也可以產生線性偏振。以下表格中概括了當通過矩形波導的一個或兩個矩形波導同時饋給方形波導時饋給天線元件18a的所有技術相關組合。隔板38可以位於兩個矩形波導之間或位於兩個半圓形波導之間。
權利要求
1.一種微波天線(10)，包括天線陣列(12a)，所述天線陣列(12a)包括多個天線元件(18)，天線元件(18)包括: 罩(30)， 中空的波導(32 )，形成在所述罩(30 )內，用於在開口的第一端部(34 )和布置在所述第一端部對面的第二端部(36)之間引導工作頻率的微波輻射， 隔板(38)，在所述波導(32)內中央地沿著縱向方向布置，將所述波導(32)分隔成兩個波導部分(321，322)， 基板裝置(41)，布置在所述罩(30 )內的所述第二端部(36 )，所述基板裝置(41)包括接地平面(43)、布置在所述接地平面(43)的兩側並與所述接地平面(43)間隔一定距離的線結構(42，44)，以及集成基板波導(40)， 波導過渡(46)，布置在所述中空的波導(32)和所述集成基板波導(40)之間， 集成電路(48 )，布置在所述罩(30 )內，並電接觸所述接地平面(43 )和所述線結構(42，44)，以及 端子(50)，電接觸所述集成電路(48)。
2.根據權利要求1所述的微波天線， 其中，所述波導(32)具有方形截面，所述隔板(38)被布置為將所述波導(32)分隔成所述波導部分(321，322)，每個所述波導部分都具有矩形截面，特別地，具有相同的矩形截面。
3.根據權利要求1所述的微波天線， 其中，所述波導(32)具有圓形或橢圓形截面，所述隔板(38)被布置為將所述波導(32)分隔成所述波導部分(321，322)，每個所述波導部分具有半圓形或半橢圓形截面，特別地，具有相同的半圓形或半橢圓形截面。
4.根據前述權利要求中任一項所述的微波天線， 其中，所述隔板(38)包括面對著所述波導(32)的所述第一端部的方向的臺階剖面。
5.根據權利要求4所述的微波天線， 其中，所述隔板(38)包括具有在3至10的範圍內特別地在4至6的範圍內的臺階數的臺階剖面。
6.根據前述權利要求中任一項所述的微波天線， 其中，所述基板裝置(41)包括作為線結構的微帶線或接地共平面波導。
7.根據前述權利要求中任一項所述的微波天線， 其中，所述波導過渡(46)包括: 發射單元(461)，提供從所述集成基板波導(40)至第一中空波導部分(323，324)的過渡，以及 匹配單元(462)，提供從每個所述第一中空波導部分(323，324)到第二中空波導部分(325,326)的過渡，其中，所述第二中空波導部分(325，326)具有比所述第一中空波導部分(323，324)大的寬度和/或高度。
8.根據前述權利要求中任一項所述的微波天線， 進一步包括布置在所述集成電路(48)和所述集成基板波導(40)之間的帶狀線過渡(52)。
9.根據權利要求2所述的微波天線，其中，每個波導部分(32)具有寬度在工作頻率的微波輻射的波長的50%至90%範圍內、高度在工作頻率的微波輻射的波長的25%至40%的範圍內的矩形截面。
10.根據前述權利要求中任一項所述的微波天線， 其中，所述罩(30 )被劃分成耦接在一起的頂罩(30 )和底罩(30 )，其中，所述頂罩(30 )和所述底罩(30 )包括用於通過所述罩(30 )布置所述集成電路(48 )的空腔(56 )。
11.根據前述權利要求中任一項所述的微波天線， 其中，所述天線元件(18c)進一步包括布置在所述波導(32)的第一端部(34)的前部並且具有比所述第一端部(34)大的孔徑(46)的孔徑元件(44)，特別地為稜錐狀或圓錐狀喇叭。
12.根據前述權利要求中任一項所述的微波天線， 其中，所述隔板(38 )是所述接地平面(43 )的一部分或對應於所述接地平面(43 )。
13.一種天線元件(18)，特別地用於權利要求1所述的天線(10)，包括: 罩(30)， 中空的波導(32 )，形成在所述罩(30 )內，用於在開口的第一端部(34 )和布置在所述第一端部對面的第二端部(36)之間引導工作頻率的微波輻射， 隔板(38)，在所述波導(32)內中央地沿著縱向方向布置，將所述波導(32)分隔成兩個波導部分(321，322)， 基板裝置(41)，布置在所述罩(30 )內的所述第二端部(36 )，所述基板裝置(41)包括接地平面(43)、布置所述接地平面(43)的兩側並與所述接地平面(43)間隔一定距離的線結構(42，44 )，以及集成基板波導(40 )， 波導過渡(46)，布置在所述中空的波導(32)和所述集成基板波導(40)之間， 集成電路(48)，布置在所述罩(30)內，電接觸所述接地平面(43)和所述線結構(42，44)，以及 端子(50)，電接觸所述集成電路(48)。
全文摘要
本發明涉及微波天線和天線元件。該微波天線包括天線陣列，天線陣列包括多個天線元件，天線元件包括罩；中空波導，形成在所述罩內，用於在第一開口端部和布置在所述第一端部對面的第二端部之間引導工作頻率的微波輻射；隔板，在所述波導內中央地沿著縱向方向布置，將所述波導分隔成兩個波導部分；基板裝置，布置在所述罩內的所述第二端部，所述基板裝置包括接地平面、布置在所述接地平面的兩側並與所述接地平面間隔一定距離的線結構；集成基板波導；波導過渡，布置在所述中空波導和所述集成基板波導之間；集成電路，布置在所述罩內，並電接觸所述接地平面和所述線結構，以及端子，電接觸所述集成電路。
文檔編號H01Q21/00GK103178357SQ20121056413
公開日2013年6月26日 申請日期2012年12月21日 優先權日2011年12月21日
發明者馬塞爾·布萊奇 申請人:索尼公司