CN101479890A - 喇叭天线组件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

在太赫辐射检测系统中，诸如太赫相机中，喇叭天线阵列通过波导将检测到的辐射馈送到用于与本机振荡器混频的基于二极管的混频器，以产生可被放大并可用于成像的调制的中频(“IF”)信号。混频器和波导容纳于衬底的表面，且多个衬底(100，300，305)可被叠置以在波导/混频器块(315)的面(125)中支撑波导开口(110)的二维阵列。使喇叭天线块(200)与此面(125)配准，使得每个波导开口(110)与喇叭天线(205)相连。为了同时改善制造速度和性能，每个喇叭天线(205)的端部(115)钻入到各个波导的开口(110)中。主喇叭天线块(200)和波导/混频器块(315)随后被组装以将每个喇叭天线(205)的主体与端部(115)配准。

Description

喇叭天线组件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于利用波长在厘米到次毫米范围的电磁波频谱检测物体的喇叭天线组件及其制造方法。

背景技术

本发明的实施例与电磁波频谱的微波段到太赫段有关。然而，太赫段对于在小系统中提供高分辨率的许多应用尤其有益，且下面描述运行在太赫段的本发明的具体实施例。在本文中，“太赫”是指波长在毫米到次毫米范围的电磁波频谱。

利用混频器和本机振荡器发射或接收电磁辐射是众所周知的。利用本机振荡器的装置包括例如超外差、外差、零差或直接IF(“中频”)检测以及用于检测的直接放大的运用，其中，放大器被构造为再生或自振荡混频器。

(在波长在厘米到次毫米范围的外差检测中，本机振荡器相对于被检测的输入信号发生频移，而在零差检测中，其具有相同的频率。)

上述的范围此处通常被称为太赫频谱。太赫辐射已被发现是用于成像和其它用途的有益的手段，因为一些不透射可见频谱的材料对其透射。这允许这些材料在不能利用可见光辐射看见它们的地方，利用太赫辐射可以将其“看透”。例如，太赫波长已经用于透过大气对地球表面成像，且用于在坏天气中改善可见性(例如，用于飞行或驾驶)。由于它们与众不同的透射率或反射率，一些材料在太赫辐射下可被区分，且这已经被用于例如检测食物或化学成分。进一步，物体本身可以发射太赫辐射，包括人体。例如，这已经被用于检测皮肤癌的医学领域。由于衣服通常透射太赫辐射但武器不能，所以另一个应用是检测以不同的方式隐藏在人体周围的武器。

利用太赫(“THz”)频谱对物体成像的相机是已知的。例如，在以Agence Spatiale Europ é enne的名义的国际专利申请WO2004038854中描述了一种装置。在这个装置中，相机基于每个拾取(pick up)太赫辐射的双排(double bank)喇叭天线，在使用中，太赫辐射被引入混频器通道中以利用本机振荡器提取中频信号。此已知的外差技术允许在室温下在太赫范围内使用比别的方式所必须的检测器更小的检测器，并因此支持较好的分辨率。

WO2004038854的检测器使用一对衬底构成，对于每个检测器，至少其中一个衬底被图案化(pattern)成容纳天线、混频器通道、以及通过衬底到信号输出端的通孔。波导耦合到混频器通道以从本机振荡器传递信号。在完成的相机中，这两个衬底面对面设置在夹层结构中，使得容纳检测器构造的图案化结构位于衬底之间并因此被保护。

喇叭天线经由耦合到混频器通道的第二波导传递接收到的辐射给混频器通道。然而，喇叭天线与波导具有显著不同的横截面，与椭圆形比较，此为圆形的。这些不同的横截面使其本身具有不同的制造技术，并且，至少部分地由于这个原因，过去分别制造喇叭天线和波导然后组装。

发明内容

根据本发明的实施例的第一方面，提供了一种用在基于混频器的电磁辐射检测器中的波导/喇叭天线组件，所述组件包括其中具有至少部分波导的材料块和至少部分喇叭天线，该喇叭天线和波导具有在其间的用于传递辐射的接合部(junction)，其中该接合部从该材料块的表面插入，使得该材料块在横跨该接合部的该波导的波导方向上是连续的。

已发现本发明的实施例提供非常好的性能，同时较容易制造。

对于本领域技术人员而言，基于混频器和本机振荡器制造电磁辐射检测器来试图构造嵌入在材料块内的喇叭天线/波导的接合部不是显而易见的。这尤其是因为对于喇叭天线、波导以及波导到混频器通道的耦合的要求。

喇叭天线通常需要具有圆的(rounded)、经常为精确圆形(circular)的横截面，且可通过钻孔或类似的方式制造。

然而，波导可具有四边形横截面，其不能通过钻孔制造。波导可利用任何适当的技术构造，但是在2006年7月29日提交的共同未决的英国专利申请0615140.1中描述了一种便利的技术。其中描述的波导块具有由两个或更多个衬底制造的夹层结构。每个波导被构造为在一对衬底的其中一个或两个的表面中的细长(elongate)凹槽，这些表面随后被结合到一起以形成波导，该波导实际上为穿过波导块的具有矩形横截面的孔。

每个波导到混频器通道的耦合是通过在使用中必须位于波导中的天线完成的。上面描述的“夹层结构”技术也能用于提供混频器通道的腔。在衬底被结合到一起之前，混频器和它的天线安装在该腔内。当衬底被结合到一起时，混频器已经关于通过该天线耦合的本机振荡器和容纳(received)的辐射波导处于适当位置。

由于喇叭天线的制造技术与波导和混频器通道的制造技术显著不同，对喇叭天线块进行钻孔，且然后将其与波导块配准，该波导块具有如上所述的夹层结构。然而，在制造本发明中已经发现，可以利用一种结构获得性能上的显著改善，在这种结构中，喇叭天线和其波导之间的接合部由波导方向上的连续表面提供。

尽管，在材料块的表面和接合部之间构造整个喇叭天线是可能的，但这会带来风险。喇叭天线的功能要求通常意味着其将通过钻孔来构造。然而，到波导已经完成时，其已经包含了耦合到混频器通道的天线，并直接与混频器腔连通。这些是易损的结构，例如，易于被来自于钻孔操作以形成喇叭天线的切屑损坏。

根据本发明的实施例的第二方面，提供一种用于基于混频器的电磁辐射检测器的波导/喇叭天线组件，所述组件包括：

i)在其中具有至少部分波导的波导块；和

ii)在其中具有至少部分喇叭天线的喇叭天线块，

该喇叭天线块与波导块组装，使得所述部分喇叭天线与所述部分波导通信以用于在其间传递辐射，

其中，所述波导块包括喇叭天线的端部(end portion)，通过该端部使用所述组件进行所述传递。

例如，所述喇叭天线可通过一种方法制造，该方法包括在所述至少部分波导的位置处钻入该波导块中以形成所述喇叭天线的端部的步骤。所述喇叭天线的主体可通过钻穿喇叭天线块来构造。然后通过利用诸如定位销(dowel)的已知对准技术来组装所述波导和喇叭天线块，将所述喇叭天线的端部和其主体配准。

在根据本发明的第二方面的实施例中，在材料中，在波导和喇叭天线的接合点处仍旧没有界面(interface)，该界面横向于在其间传递的辐射的传播方向。唯一的横向界面远离(set back from)喇叭天线的端部，在该端部喇叭天线的端部和其主体接合。已经发现，此处的界面比在波导和喇叭天线间的接合部引起明显更少的损耗。

根据本发明的第二方面的实施例允许喇叭天线的主体被钻入无缝材料块中，并随后使主体与其已经被钻入所述波导块的端部配准。

实际上，偏离于从波导到喇叭天线的过渡的横向界面的存在可被有利地利用。例如，如果波导块中的喇叭天线端部和喇叭天线块中的喇叭天线的主体的开口的尺寸不匹配，当喇叭天线的这两个部分被配准时就会产生不连续。此不连续可被用于产生更复杂的喇叭设计，诸如已知的“玻特”或“模式匹配”喇叭天线。

根据本发明的实施例的第三方面，提供一种制造用于电磁辐射检测器的波导/喇叭天线组件的方法，其中，该方法包括步骤：

i)制造其中具有至少一个波导和至少一个喇叭天线端部的波导块，所述端部与该至少一个波导通信(communicate)以用于在使用所述组件时在其间传递辐射；

ii)制造其中具有喇叭天线的至少一个另外部分的喇叭天线块；以及

iii)组装该喇叭天线块和该波导块以提供包括所述端部和所述另外部分的至少一个喇叭天线。

本发明的实施例本身非常有助于提供用于成像目的的喇叭天线阵列的波导/喇叭天线组件的生产。在这种情形中，例如，喇叭天线块可包括喇叭天线孔阵列以及波导块包括匹配的波导阵列，每个喇叭天线孔与该组件中的相应波导通信。

诸如“相配准”或“配准”的词语在此处被使用。除非上下文另有指示，这通常意味着一对开口(诸如凹槽或孔)被匹配对准。在一对开口具有不同尺寸的情况下，配准可例如通过使一个关于另一个中心对齐来获得。

要理解，关于任何一个实施例所描述的任何特征可被单独使用，或可结合所描述的其它特征使用，以及也可结合任何其它实施例的一个或多个特征使用，或结合任何其它实施例的任意组合来使用。

附图说明

现在将仅仅通过示例并参照附图，将一种用于基于混频器的电磁辐射检测器的波导/喇叭天线组件描述为本发明的实施例，在附图中：

图1以侧视图的形式示意性地示出了用于该组件的衬底，其支撑一组混频器通道和它们的本机振荡器馈入端(feed)以及到喇叭天线端部的波导连接；

图2示出了提供用于与图1中示出的端部组装的喇叭天线主体的喇叭天线块的横截面；

图3示出了图1中示出的普通类型的一组三个衬底的前视图，但是这三个衬底接合成夹层结构以完成混频器通道、本机振荡器馈入端和波导连接；

图4示出了图2的喇叭天线块在与图3的结构组装后的正面的前视图；

图5示出了在构造图3的结构期间的单个波导的四分之一视图(elevation in quarter view)；

图6示出了图5在将喇叭天线的端部钻入波导后的正视图；

图7示出了从用于对准图2的喇叭天线块与图3中示出类型的夹层结构的固定设备的设置下面看到的视图；

图8示出了图4的喇叭天线块的改进版本的前视图；和

图9示出了图8中所示的沿A-A线的、从箭头指示方向看过去的横截面。

具体实施方式

应注意到，没有附图是按比例绘制的，附图仅仅是示意性的。不同附图中的同样的附图标记用于指示相同的部件。

参考图1，基于混频器的电磁辐射检测器通常是在2006年7月29日提交的共同未决的英国专利申请0615140.1中描述的类型，该专利申请的描述在此引入以作参考。它包括混频器通道“M”，在使用中经由分支波导105给该混频器通道提供本机振荡器信号。检测到的辐射经由第二波导110被传递给混频器通道“M”。

混频器通道“M”实际上通过在细长的石英衬底120上图案化而提供，该衬底在每个端部具有微带天线(未示出)。每个天线突出到相应的波导105、110中。

同样参考图3，混频器通道“M”和其波导105、110被承载在衬底对100、300之间。每一衬底100、300具有蚀刻或机械加工到它们表面中的波导105、110的路径，且进一步的蚀刻或机械加工提供用于混频器通道“M”的腔(未示出)。当衬底对100、300(和/或100、305)被接合到一起时，该蚀刻或机械加工相配准，并在两个衬底100、300间提供波导和腔。这些每一个都具有大致矩形的横截面。

如图3所示的，三个或更多个衬底300、100、305可被堆叠，沿每对衬底间的界面310提供了一组波导105、110。衬底的堆叠提供了可被称为波导块315的东西，尽管其也为混频器通道“M”提供腔。波导105、110的横截面使得界面310出现在每个波导105、110的较长的侧壁中，这通常为最好的实践。

传递接收到的辐射给每个混频器通道“M”的第二波导110朝波导块315的公共面125敞开。重要的是，在该面125，每个波导110具有张开(open out)以与面125接合的短的锥形截面115。这些锥形截面115可被钻孔形成，并且它们提供从波导110的矩形横截面到喇叭天线的圆形横截面的过渡。

由于波导块315的这种夹层型的结构，波导105、110的相对的壁具有由每对衬底间的界面310形成的平行于相应波导的波导方向延伸的不连续。然而，在波导105、110的壁中或在从波导110的矩形横截面到锥形部分115的圆形横截面的过渡处都没有不连续，该过渡横向于(traverse to)所述波导方向。

图2示出了穿过喇叭天线块200的横截面。它也示出了图1中示出的在相对于喇叭天线块200的组装位置的部分衬底100，并特别示出了衬底上的喇叭天线的锥形端部部分(end section)115和波导110与喇叭天线块200中的喇叭天线205的主体的对准。

参照图2，除了它们的端部部分115，每个喇叭天线205的大部分通过钻穿单独的喇叭天线块200来提供。然后靠着波导块315的面125安装喇叭天线块200，使得喇叭天线的每一个锥形端部部分115与喇叭天线205的剩余部分连接。尽管这在离其端部部分115不远的每个喇叭天线205的壁中产生了不连续，该不连续横向于喇叭天线205的纵轴，但已发现，其比正位于从波导110到喇叭天线205的过渡处的横向不连续不显著得多。

参照图4，参看当其安装靠在波导块315的面上时，喇叭天线块200的前视图，很大程度上遮住了波导块315的夹层状的结构。相邻衬底间的界面310仅仅能通过每个波导110和锥形部分115的开口端部看到。

参照图5和6，可在放大的视图中看到用于喇叭天线205的锥形端部部分115的结构。仅钻出位于波导块315的面125处的波导110的开口以形成对准的锥形开口205。如图6中所看到的，锥形开口205的壁具有由波导块315的两个衬底100、305间的界面310形成的两个相对的不连续。然而，这些在相对锥形部分205的轴向方向上延伸。

关于钻入波导块315的喇叭天线的锥形部分205的长度，存在平衡的要求。这些就是，对每个喇叭天线205来说，由波导块315的面125产生的横向界面应充分地与从波导110到喇叭天线205的过渡间隔开，以避免损害性能。另一方面，钻入波导块315的波导110的钻孔量通常需要被最小化以避免诸如进入波导110的切屑的损坏。因此，尽管将整个喇叭天线钻入波导110的端部使得在波导110或喇叭天线205的壁中根本不存在横向不连续是可能的，但是它可能在质量控制上具有有害的效果。

实际上，从波导块315的面125到从波导110到喇叭天线205的过渡之间的距离将由所要求的喇叭天线性能特性来设置。在上面大致描述的制造方法中，喇叭天线205的锥形端部部分115被钻入波导110的端部，可根据所要求的阵列配置和光学器件需求而任意地调整长度和喇叭天线/波导间隔。

建立了喇叭天线技术，并且为波导110和喇叭天线205选择的整体尺寸通常将根据所期望的应用来选择。关于这个主题的书的例子为McGraw-Hill在2002年出版的“Antennas for All Application”，第三版，J.D.Kraus，R.J.Marhefka。喇叭天线通常在其接收或发射的辐射的波长带方面相区别，因此它的设计必须相应地调整。使用THz辐射的例子可能具有窄端直径为1.33mm且宽端直径为7.001mm的横截面，且其壁相互间具有18.9°的角度。

喇叭天线的重要尺寸通常为喇叭天线的内或“内部”表面的尺寸，在使用喇叭天线时该内部表面将提供辐射传播的边界，因此，此处对关于喇叭天线的尺寸、形状、横截面和大小的引用通常是指该内部表面。

参考图8和9，位于波导块315的正面(front face)125的界面可被用于生产更复杂的喇叭设计，诸如已知的“玻特”或“模式匹配”喇叭(本领域技术人员将理解这一点)。例如，如果喇叭天线的锥形端部部分115的开口大小与在喇叭天线块200中喇叭天线205的主体中的开口在直径上不同(例如小于)，那么台肩800出现在波导块315的正面125处。在如图8和9所示的主喇叭天线锥形和波导/锥形过渡块315之间的这种类型的台阶不连续800允许喇叭天线特性进一步的二次调整(second order adjustment)以最优化其辐射特性的对称性质。

要理解，喇叭天线205或多个喇叭天线205的形状可具有其它特性，诸如扩大的(flare)或额外的不连续。喇叭天线应该具有锥形内部轮廓不是必不可少的。

虽然也可采用其它材料，但是对于波导块315和喇叭天线块200都合适的例子是黄铜。其它合适的材料的例子为其它金属，诸如金、合金、镀金属的塑料或镀金属的半导体。

参照图2和7，制造及组装波导/喇叭天线组件315、200的方法如下。

波导块315例如由2006年7月29日申请的共同未决的英国专利申请0615140.1所描述的方式制造。这示出了图3中所示类型的波导开口阵列。(实际上，为了容纳到混频器通道“M”的连接，且如图7中所示的，块315可基于四个或更多个其间带有界面310的衬底。)

对于喇叭天线块200，大致立方体的材料(诸如黄铜)块被机械加工以在平面220的任一侧提供一对安装凸缘215。该块体延伸离开该面220直到平行面225。该块体的对角相对的边角700被切削掉以给定位销孔710提供通路。该块体的其它两个边角具有螺钉的接收插孔210。每个凸缘215具有安装孔705。

为了制造喇叭天线205，穿过喇叭天线块200的块体钻锥形孔。这些锥形孔的直径稍微小于喇叭天线205最终想要的尺寸。然后通过利用凸缘215中的孔705把两个块一起安装在框架或外壳(未示出)中，相对于波导块315安装喇叭天线块200。定位销孔710中的定位销提供喇叭天线块315中的锥形孔与波导块315的波导开口的准确配准。仅仅在这个阶段，在波导开口中形成喇叭天线205的锥形端部部分115。这通过在喇叭天线块200的块体中钻出锥形孔到它们的最终尺寸并同时穿入波导块315中以形成喇叭天线205的锥形端部部分115来完成。尽管位于波导块315和喇叭天线块200间的界面，该技术仍获得了具有低损耗的喇叭天线205阵列。

为了制造图8和9中所示的装置，可能执行上述的步骤，然后拆开波导块315和喇叭天线块200以允许在喇叭天线块200中进一步钻出喇叭天线205的主体。喇叭天线块200中现有的锥形孔允许放大孔的准确定位，而定位销孔710中的定位销允许将这两个块315、200重新组装在一起而没有配准损失。

上面提到了螺钉的接收插孔210。这些支持将波导和喇叭天线块315、200进一步组装形成完成的设备，诸如相机。

波导和喇叭天线块315、200的机械加工和组装可利用已知的诸如激光微机械加工和/或光控定位等技术完成，且通常可被实现为满足不超过5微米的容差。在本发明的实施例中已获得波导110和喇叭天线205间的好于-27dB的典型回波损耗。

如上描述的那样基于相配准的夹层状结构来制造波导不是必须的。任何其它适当的技术都可采用。无论以何种方式制造波导，为了在将喇叭天线的端部部分钻入波导中进行对准以便在使用组件时在其间传递辐射，使用喇叭天线块中预制的喇叭天线孔可能是有用的，正如在波导开口中形成喇叭天线的“埋头”端部部分以避免正好在波导和喇叭天线的接合部具有材料界面的概念。

Claims (17)

1.一种用于基于混频器的电磁辐射检测器的波导/喇叭天线组件，该组件包括其中具有至少部分波导的材料块和至少部分喇叭天线，所述喇叭天线和所述波导在其间具有用于传递辐射的接合部，其中所述接合部从该材料块的表面插入，使得该块的材料在横跨所述接合部的该波导的波导方向上是连续的。

2.一种用于基于混频器的电磁辐射检测器的波导/喇叭天线组件，该组件包括：

i)其中具有至少部分波导的波导块；以及

ii)其中具有至少部分喇叭天线的喇叭天线块，

所述喇叭天线块与所述波导块组装，使得所述部分喇叭天线与所述部分波导通信以用于在其间传递辐射，

其中所述波导块包括所述喇叭天线的端部，在使用该组件时通过所述端部进行所述传递。

3.根据权利要求2的波导/喇叭天线组件，其中所述喇叭天线的所述端部关于所述部分喇叭天线形成所需的尺寸以在该至少一个喇叭天线的内部表面中产生不连续。

4.根据前述的任一权利要求的波导/喇叭天线组件，其中所述部分波导具有其横截面至少基本为四边形的波导表面。

5.根据前述的任一权利要求的波导/喇叭天线组件，其中所述部分喇叭天线具有横向于所述喇叭天线的馈电方向的内部横截面，其至少基本为圆的。

6.根据权利要求5的波导/喇叭天线组件，其中所述内部横截面为圆形。

7.根据前述的任一权利要求的波导/喇叭天线组件，其中所述波导块包括至少两层，所述部分波导提供在这两层之间的界面处。

8.根据权利要求7的波导/喇叭天线组件，其中所述部分波导由在所述两层中的每一层中的凹槽提供，该凹槽在所述组件中配准。

9.根据权利要求8的波导/喇叭天线组件，其中所述部分波导具有其横截面至少基本为矩形的波导表面，且这两层间的界面存在于所述横截面的较长侧。

10.根据前述的任一权利要求的波导/喇叭天线组件，用于太赫辐射检测器。

11.根据前述的任一权利要求的波导/喇叭天线组件，该组件包括一组多于一个的波导和多于一个的喇叭天线。

12.根据权利要求2-11中任一权利要求的波导/喇叭天线组件，其中所述喇叭天线块包括喇叭天线孔阵列，且所述波导块包括匹配的波导阵列，每一个喇叭天线孔与相应的波导通信。

13.一种制造用于电磁辐射检测器的波导/喇叭天线组件的方法，该方法包括以下步骤：

i)制造提供在其面具有开口的至少一个波导的波导块；

ii)制造具有穿过其的至少一个喇叭天线孔的喇叭天线块；

iii)组装所述喇叭天线块与所述波导块，使得所述喇叭天线孔与所述波导开口配准；以及

iv)在所述波导开口中制造喇叭天线的端部。

14.根据权利要求13的方法，其中制造喇叭天线的端部的步骤包括依据所述喇叭天线孔对准所述端部。

15.根据权利要求13或14中的任一项的方法，其中制造喇叭天线的端部的步骤进一步包括最后加工所述喇叭天线孔以提供该喇叭天线的内部表面从而在使用该组件时馈送辐射。

16.根据权利要求13-15的任一项的方法，其中制造波导块的步骤包括在材料的第一层的表面中形成至少一个细长凹槽且组装邻近所述第一层的所述表面的材料的第二层的表面以在所述块中提供波导的步骤。

17.根据权利要求16的方法，进一步包括在所述第二层的所述表面中形成互补形状的至少一个细长凹槽，通过组装所述第二层的所述表面的所述步骤使该凹槽配准，使得通过每个凹槽部分地提供波导。

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