CN101019274A - 用于串联馈电的平面天线单元的天线结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于串联馈电的平面天线单元(10)的天线结构，为了影响射束整形，改变串联馈电串内天线单元(10)相互的距离(20a，20b，20c)。

Description

用于串联馈电的平面天线单元的天线结构

现有技术

本发明涉及用于串联馈电的平面天线单元的天线结构。在具有预观察检测系统的驾驶员辅助系统的范围中使用了雷达传感机构，它们主要工作在76-77GHz的频率范围中。它们例如用于实现50-180km/h的速度范围中的“自适应速度自动控制”(ACC＝“自动巡航控制”)的辅助功能。并且在低速度范围中例如为了实现堵车自动跟车方式这种雷达传感器也适用，或用于“制动至停”(无再起动)的功能。雷达传感器也有利地用于其它的舒适性及安全性的功能，如死角监测，倒车及泊车辅助或“碰撞预前功能”(气囊的可逆的保持系统的释放，精确的打开等，制动系统的预操作，自动紧急制动)。

通常77GHz的雷达传感器用透镜天线工作。通过多个位于透镜焦点平面中的馈电天线构成了多个部分重叠的射束波瓣(“模拟射束整形”)。图1示出了该原理。借助各个射束波瓣中的信号幅度和/或相位确定目标物的方位角位置。透镜天线的特征是几厘米的相对大的结构深度，该结构深度由馈电天线(在焦点平面中)到透镜的所要求的距离给出。

但模拟射束整形也可用具有平面天线的平面结构来实现，由此可显著地减小结构深度。已公知了用于射束整形的相应电路，如Butler矩阵，Blass矩阵或平面透镜(Rotman透镜)(DE 199 51 123 C2)。作为天线使用平面的组合天线。

也公开了其它的用于信号分析处理的方法，尤其用于雷达目标的角度确定，它们不需要模拟的射束整形。这些接收信号对于每个天线单元被分开地处理及数字化，并且在数字平面中进行射束整形(“数字的”射束整形)。除了数字的射束整形外还具有一些方法，借助它们可确定目标物的方位角度位置，其中完全放弃射束整形，例如所谓的“高分辨率”方向估计方法。

一个平面天线特别简单及成本有利的结构是基于一维天线中单元的串联馈电。对于机动车雷达传感器，在天线列(Antennenspalten)中的串联馈电尤其重要。在此情况下这些列被设置在雷达传感器的仰角方向(E1evationsrichtung)上，即垂直地布置。

本发明的优点

借助权利要求1的措施，即通过改变串联馈电串内天线单元相互的距离来影响射束整形，可以实现射束整形或副瓣抑制的改善的可能性。

通过与改变天线单元距离相关地使用串联馈电，作为组合天线中的列的串联馈电串的布置可以具有数量级为自由空间工作波长的一半的列距离。

主波瓣在仰角中相对天线法线的偏转角可被预给定，由此例如可在一定限度内校正一个雷达传感器在机动车上的倾斜安装。

在从属权利要求中给出了用于进一步影响射束整形的各种可能性。由此给出了用于优化一个所需辐射的其它自由度，它们彼此可以有利地组合。

附图

现在借助附图来详细说明本发明的实施例。附图表示：

图2a：一个组合天线(Gruppenantenne)的三维结构，

图2b：具有串联馈电部分的天线的平面结构，

图3a至d：传统的平面串联馈电天线列的不同实施形式，

图4a：具有串联馈电部分及恒定单元距离及相同天线辐射单元的天线列，

图4b：具有串联馈电部分及恒定单元距离及变化的天线辐射单元的天线列，

图5a：根据本发明的、具有可变的天线辐射单元距离的串联馈电的天线列，

图5b：根据本发明的、具有可变的天线辐射单元距离及在天线辐射单元之间影响相位的装置的串联馈电的天线列，

图6a至d：相位影响单元的例子，

图7a及b：具有变化的天线辐射单元及耦合类型的进一步构型，

图8a至d：通过在宽度或在耦合短线宽度上改变天线辐射单元的变型方案，

图9：通过改变天线辐射单元或短线的耦合的进一步构型。

实施例的说明

在对实际的发明着手说明前，为了更好地理解，首先来说明传统上相关的天线结构。

具有串联馈电的天线列的特征在于，在一个通常直的馈电导线上联接了多个天线辐射单元(图2b)。电磁波在天线列的一个端部上被馈入馈电导线20上(发射天线)或被提取出来(接收天线)。单元的耦合以这样的方式实现，即天线单元仅将由一侧入射的电磁波的功率的一部分辐射或将在馈电导线上可提供的功率的仅仅一部分耦合到天线单元中。具有在馈电导线上剩余功率的电磁波继续传到天线单元的另一侧上。此外在馈电导线上及在天线单元中出现-主要是欧姆的-损耗。天线列的与馈电部分对立的端部通常或者少反射地闭合或者设有一个天线单元，该天线单元被这样地设计，使得它在发射工作中将所有耦合入的功率辐射出。在此情况下人们也称其为“行波天线”(“Wanderwellenantenne”相应于US 40 63 245中的漏波天线)。当在天线列上构成一个驻波时，因为例如该列的端部不是无反射地闭合的，例如具有空载或短路，则人们称其为“驻波天线”。在这种天线列上单元通常连接在电流零点位置(电流节点)上(US 40 63 245)。

作为天线单元尤其考虑片、偶极子，缝隙(“Slots”)或短的线段(短截线，“Stubs”参见US 40 63 245)。通过连接线这些单元可被分组成子组。为了增加带宽可将多个天线辐射单元(片)彼此上下地设置在多层结构中，以致它们形成电磁耦合。这些天线单元例如可直接地、电容性地或通过短截线以缝隙耦合来耦合。

如果天线列例如彼此并列地布置在一个77GHz的雷达传感器中，使得借助该天线列的信号可实现“数字的”射束整形或“高分辨率的”方向估计方法，则在77GHz的情况下列之间的距离需要为雷达信号的自由空间波长一半的数量级、约为2mm。这同样适用于通常的模拟的射束整形方法。但在此情况下原则上可以在一定界限内变化到更大的列间距离。当在一个列中天线单元的数目超过一定数目-数量级5-时，出于位置的原因在一个平面结构中没有对于串联馈电的替换方案，即使是由中心馈电的形式。该限制在用于军事或卫星应用的天线系统中通常这样来避免，即选择三维的结构。这种结构被表示在图2a中。馈电部分或也包括例如通过列的模拟射束整形的控制部分位于这些单元的后面，以致这些组件以小间距的列并列地配置。这种配置由于高的成本及大的结构尺寸不能用于机动车雷达传感器。图2b表示一个具有串联馈电的平面结构。设有天线辐射单元10的各个列通过一个功率分配器由一个信号源馈电。

一个机动车雷达传感器的雷达天线的主波瓣在仰角上被这样设计，即在由传感器覆盖的距离范围上可进行机动车的良好的检测。当传感器的工作范围仅被限制在远区域上时，典型的自动巡航控制(ACC)，主波瓣在仰角中可相对地窄。如果传感器的工作区域也延伸到近区域上，必要时必须设置更宽的主波瓣，以便在其高度上覆盖机动车。理想地这样来设计主波瓣，即避免由地面或由待检测的机动车上方的目标的不希望的反射。

为了进一步减小对不希望的雷达目标(“地杂波(clutter)”)的检测，应这样设计雷达天线的射束特性图(Strahlcharakteristik)，即副瓣在仰角中尽可能地小。地杂波通过例如地面粗糙度，地面不平度，井盖，异物等及如桥，桥形路牌，隧道顶，树等的照射(Bestrahlung)或检测来产生。

用于调节副瓣电平的传统方法是基于通常由各个单元发射的电磁波的向列边缘下降的幅度分布(“逐渐下降”)。相应的分布函数例如切比舍夫函数，泰勒函数可由文献中得知。在此，以通常为自由空间波长一半的单元恒定距离及天线单元恒定的相位差为前提或当在天线法线的方向上进行辐射时的同相性为前提。主波瓣的宽度由所选择的幅度分布及列中的单元数目来得到。

该幅度分布的实施一方面可通过相应的功率分配器来实现，通过该功率分配器使通常相同结构的天线单元被馈电，参见图2a中列内部的馈电。另一方面天线单元或其在馈电部分上的耦合-及由此其辐射-在天线内部可改变。前一方法与串联馈电由于位置的原因通常不能兼容。后一方法原则上也可被使用在串联馈电中。

但视使用的天线单元而定，后一方法带有一些限制。在具有直接耦合的片单元的串联馈电的天线列中，单元的辐射仅可在一定限度内被调节。该限度首先由天线单元的最大宽度确定，这些最大宽度一方面由天线列的电磁耦合来确定，及另一方面当片的宽度达到导线波长的量级中时由一个片单元中的第一横向波型的起振确定。

本发明描述一种用于串联馈电的平面天线单元的天线结构，它尤其用于机动车-雷达系统，其中设有通过改变在串联馈电串内天线单元彼此的距离来影响及射束整形的影响单元。在此，天线列相对现有技术提供了射束整形及副瓣抑制的改善的可能性。

根据本发明的天线结构的核心是在一个串联馈电串(Serienspeisungszug)中，即尤其在机动车雷达传感器中的一个串联馈电的天线列上，天线单元的任意的-即非等距离的-设置，以便达到射束整形或在由天线法线与天线列所展开的平面中由天线发射的射束波瓣的副瓣抑制。通常天线列被布置在仰角方向中及所述平面是一个仰角平面。

以下的方案是有利的：

-这些天线单元的距离平均地向该列的两个边缘增大(即非严格单调地从一个单元到另一单元-而是在多个单元上平均地向着边缘增大距离，最小的平均距离不一定位于这些列的中心上，但它通常也不完全位于边缘上)。

-在该列的一个区域中至少两个单元的距离小于自由空间波长的一半。该区域通常不位于该列的边缘上而倒是位于中间。

-在该列的外部区域中至少两个单元的距离明显地大于自由空间工作波长的一半。该距离可在一个自由空间波长的数量级上并可超过。

这可与以下的选择相组合：

1.调节该列中两个相邻单元之间的电磁波的相位。这里两个实现可能性是有利的：

-在单元之间使用一个弯曲的导线，

-使用慢波结构或滤波结构，该结构由至少一个导线及至少一个与该导线连接的导线段组成，该导线段以空载或短路作终端，以调节相位，

2.在由单元或组合天线预给定的限度内改变天线单元以调节各个单元的辐射，例如改变片单元的宽度。

3.改变天线单元在馈电导线上的联接以调节各个单元的辐射，例如不同的导体宽度或在馈入到单元的馈入导线中不同的变换，在容性耦合时的不同距离，在缝隙耦合时的不同变换部分/缝隙/短截线(Stubs)等。

图3示出根据现有技术的、在机动车雷达系统中串联馈电的天线列的概要视图：

a)平面天线具有一些串联馈电的列，这些列具有通过导线联接的相同片单元及恒定距离，

b)平面天线具有一些串联馈电的列，这些列具有直接耦合的相同片单元及恒定距离，

c)平面天线具有一些串联馈电的列，这些列具有直接耦合的带有变化的短截线尺寸及恒定距离的短截线单元，

d)平面天线具有一些串联馈电的列，这些列具有由直接耦合的相同片单元组成的、在导线上联接的组及恒定距离，

e)平面天线具有串联馈电的列，这些列具有直接耦合的、带有变化的片尺寸的片单元及恒定距离。

所有这些天线的特征是单元的近似恒定的距离。单元距离的可能的轻微变化用于单元同相发射的精确调节，而不是通过距离变化产生每个长度单位上确定的幅度分布。

为了调节相位尤其可在天线的单元之间使用弯曲的导线，以便使单元的距离成比例地减小。这种结构出现在现有技术中用于控制具有工作频率的射束波瓣的偏转角。通常以相对于馈电导线上电磁波的同相单元为出发点。在此涉及，得到单元的机械距离小及单元的电距离大，以便实现强的射束波瓣偏转的频率依赖性。相反，在本发明中，使用弯曲的导线，以便在射束整形或副瓣抑制方面调节单元的相位。

在此，天线单元的相位不必需相同，而是可被用来调节射束特性(副瓣-抑制)。

在机动车雷达系统中的平面天线通常用微带线技术构造。一个单层或多层的微波衬底在两面上用金属涂层。两个金属层中至少一个被结构化及形成信号导线层面。在信号导线层面中设置天线列的馈电导线及必要时发射-接收模块或它们的部分。另一金属层面构成接地层面。在接地层面的下面可设置其它的衬底及金属层面，在这些层面中例如构造低频/基带及数字电子单元，用于处理低频/基带信号及用于控制及可能的数字信号处理。因此也可组合地还使用其它的微波衬底层面，在其上必要时例如构造发射及接收模块。在信号导线层面之上可具有其它的衬底及金属层面，在这些层面上例如可叠置地设置多个天线片，以便增大带宽，或具有设有缝隙辐射器或耦合缝隙及(缝隙耦合的)片的层面(Ebenen)。

图4a概要地表示具有串联馈电部分(图3a，b，d)的天线列1的结构。在所述信号导线层面中设有天线列的馈电导线20。这些导线通常被构造成微带线，其中可出现具有不同阻抗的多个区段，以便阻抗匹配。

在馈电导线20上联接着天线单元10。在最简单的情况下该耦合可通过在串联电路中对馈电导线的直接耦合30来实现(参见图3b，e)或例如通过馈入导线(参见图3a，d)或通过容性耦合来实现。其它的可能性为辐射单元通过缝隙耦合形式的电磁场的耦合或缝隙直接地被用作辐射器。

作为天线单元例如使用片(参见图3a，b，e)，短线/短截线(参见图3c)，偶极子，缝隙或各个单元的组(参见图3d)。在一个列的端部可设置一个单元10a，该单元辐射所有入射的功率，以致不出现反射。

对于串联馈电的天线列1的特征是从馈入部分40向该列的端部连续下降的可提供的功率。每个单元辐射在该单元位置上或在该单元的耦合的位置上可提供功率的一个很小的部分。此外在这些单元中及在这些单元之间的馈电导线上出现损耗-主要是欧姆电阻损耗。当所有的单元10具有相同的单元距离d及各单元之间的馈电导线20相等时，则功率分布从馈电到列端部近似指数地下降，其中在列端部上的单元10a可辐射背离该曲线的功率。

该功率分布确定了由列产生的射束波瓣的射束形状，其中副瓣抑制通常差于14dB(在功率相同分布时达到13.6dB)。该值通常不足以使用在机动车雷达系统中。

良好的副瓣抑制主要提供这样的功率分布，它在天线列的中间具有最大值及向边缘连续地下降。这种功能以天线单元的恒定距离为先决条件。

为了在串联馈电的列中达到这样的功率分布，根据现有技术对这些单元11，12，13，14根据它们在列上的位置进行改变，以便改变一个单元辐射的、可提供功率的很小的部分及由此达到更好的功率分布，该列2被表示在图4b中(参见图3c，e)。

在本发明的范围中，现在在天线列中射束整形不是(或不只是)通过单元的改变、而是(或而且也是)通过单元在列上的距离d_i的改变来实现。

在此，尤其是每个长度单位辐射的功率在该列的一个中间区域中这样地被提高，即选择一个小于自由空间波长的一半的一个单元距离。在列的边缘上可出现单元距离明显地大于自由空间波长的一半，例如在一个自由空间波长的数量级上并可超过，以便相应地减小每个长度单位辐射的功率。图5a概要地表示这样一个列3。天线单元的距离d₁，d₂，d₃的至少一个不同于另一距离。在单元之间的馈电导线的区段20a，20b，20c除其长度外是相同的。导线20a，20b，20c也可由具有不同宽度或不同阻抗的多个区段组成。

对于单元或它的辐射或耦合部分的定位及必要时的改变，在此可以不制定其它普遍的规则，因为单元的相位及在列上所产生的功率分布必需被考虑。

为了确定其位置，因此必需使用一些方法如迭代法或非线性多维优化方法或“遗传学”算法。优化方法的参数是单元的地点及必要时它们的辐射效率，该辐射效率由单元的改变(例如片单元或短截线的宽度)得到。单元上可提供的功率及相位可由用于馈电导线及用于辐射器的实际模型来计算。由单元的位置、激励功率及相位我们可计算出与仰角相关的辐射功率。作为优化的目标函数例如预给定与仰角相关的辐射幅度函数或预给定与仰角相关的副瓣抑制的值。该方法由与目标函数的比较来评估该天线列的计算的辐射及以合适方式跟踪这些参数。在此，该跟踪尤其与所选择的方法相关。借助跟踪的参数一直重新进行计算，直到该评估满足一个预给定的目标。

根据本发明的一个进一步构型在于调节该列中两个相邻单元之间的电磁波的相位。因此由上述优化方法单元上的相位不再由单元之间馈电导线20a，20b，20c的长度来得到，而可合乎目的地被影响。这尤其在尽可能窄的主波瓣方面改善了射束整形及允许不对称的特性，例如在主波瓣的一侧上具有很低的副瓣(减小机动车雷达传感器中的地杂波)。图5b概要地表示这样一个列4。天线单元的这些距离d₁，d₂，d₃的至少一个与另一距离不同。单元之间的馈电导线区段21，22，23用于有目的地影响单元上的相位。

对此以下两个实现可能性是特别有利的：

-在单元之间使用弯曲的导线200。通过弯曲的导线(例如S形状)可使两个直接耦合的单元之间的相位差相对直接的直线连接增大(图6a)。

-使用慢波结构或滤波结构来调节相位。该结构由至少一个(也为弯曲的)导线210，211，212及至少一个与这些导线连接的导线段220，221(也可为弯曲的或“径向短截线”等)组成，该导线段以空载或短路终结。借助这种结构可使相位几乎任意地调节，但360°的倍数除外，其中该结构可在两侧上适配。图6b表示出该结构实施形式的例子：一个短截线与各导线，图6c表示两个短截线与各导线，图6d表示依据直接馈电的片单元的c的变型。

在另一进一步构型中还附加地使用了单元的改变用于射束整形。直接馈电的片单元及短截线单元通常被这样地设计，使得电磁波在单元纵向上形成谐振。在单元的宽度上可在一定限度中调节发射(参见图3c，e)。因此可实现射束整形/副瓣抑制的改善。图7a表示在一个天线列5中该进一步构型的原理。单元11，12，13中至少一个单元被构造成不同于另一单元11，12，13，以便影响发射。端部单元14反正可与该列的这些单元不同。在射束特性图优化时可将此考虑在内。

在另一进一步构型中，单元的发射通过在馈电导线上的联接部分来调节，以便达到射束整形/副瓣抑制的改善。当单元通过导线联接时，这可通过馈电导线及联接导线的阻抗比例关系的变化来实现。在单元容性耦合时，耦合可通过单元与馈电的距离来影响。图7b表示在一个天线列6中该进一步构型的原理。至少一个耦合部分31，32，33，34被构造成不同于另外的耦合部分，以便影响到相应单元中的功率馈入及由此影响该单元的发射。

以上所述的进一步构型可有利地相互组合。

图8表示在列5中改变单元的一些实现的可能性。

图8a，b及c表示片单元宽度的改变，其中耦合通过导线、直接或容性地实施。其它的可能性例如在于缝隙耦合的片的宽度的改变或在于缝隙或偶极子辐射器的尺寸的改变。

图8d表示直接耦合的短截线的宽度的改变。

图9表示用于耦合部分变化的实现的可能性：

a)用于联接片的导线的宽度/阻抗的改变及到片上的联接点的变化，

b)容性耦合的片到馈电导线的距离的改变，

c)短截线的宽度/阻抗/长度及在缝隙耦合的情况下耦合缝隙的尺寸/位置的改变。这里缝隙耦合部分31，32，33，34由短截线311，312，313，314，接地金属化结构中的缝隙321，322，323，324及另一金属层面中的片单元10组成，该金属层面位于接地金属化结构的与信号导线层面对立的一侧上。

至此借助作为串联串(Serienzuege)的天线列对根据本发明的天线结构作出了说明。当然馈电导线也可用于天线行。上述的各个实施例则应相应地变化。上述的天线结构可用于发射天线及用于接收天线或它们的组合。

Claims (9)

1.用于串联馈电的平面天线单元的天线结构，尤其用于机动车雷达系统，其中，设置了通过改变串联馈电串内这些天线单元(10)相互的距离(20a，20b，20c，21，22，23)来影响射束整形的影响单元。

2.根据权利要求1的天线结构，其特征在于：至少在两个相邻的天线单元(10)之间设置了在这些天线单元(10)之间影响相位的单元(200，210，211，212，220，221)。

3.根据权利要求1或2的天线结构，其特征在于：至少两个天线单元(10)的相应距离被构造成由一个串联馈电串的大致中间出发向着边缘区域增大。

4.根据权利要求1至3中一项的天线结构，其特征在于：在一个串联馈电串内部至少两个天线单元(10)的距离被选择得小于自由空间工作波长的一半。

5.根据权利要求1至4中一项的天线结构，其特征在于：尤其在一个串联馈电串的边缘区域中至少两个天线单元(10)的相应距离被选择得明显大于自由空间工作波长的一半，例如在自由空间工作波长的范围中或更大。

6.根据权利要求2至5中一项的天线结构，其特征在于：为了影响相位设有一个弯曲的导线。

7.根据权利要求2至6中一项的天线结构，其特征在于：为了影响相位设有一个慢波结构或滤波结构尤其具有至少一个短线/短截线。

8.根据权利要求1至7中一项的天线结构，其特征在于：为了进一步影响射束整形，天线单元(10)到一个串联馈电串上的耦合部分被不同地选择。

9.根据权利要求1至8中一项的天线结构，其特征在于：在一个串联馈电串内的天线单元(10)的宽度被不同地选择。

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