CN105098378B - 雷达天线组件 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种雷达天线组件(600)。雷达天线组件(600)包括微带贴片(602)、混合耦合器(620)、移相器(630)和功率分配器(634)。微带贴片(602)被配置成发射雷达信号(208)。雷达信号(208)由雷达信号(208)的发射极化(604)所表征。发射极化(604)受到在微带贴片(602)的第一端口(612)处所接收的第一发射信号(610)和在微带贴片(602)的第二端口(616)处所接收的第二发射信号(614)所影响。混合耦合器(620)被配置成正交地组合第一输入信号(622)和第二输入信号(624)以输出第一发射信号(610)和第二发射信号(614)。移相器(630)可操作以改变第二输入信号(624)相对于第一输入信号(622)的相位。功率分配器(634)被配置成不相等地划分源信号(636)以使第一输入信号(622)和第二输入信号(624)的振幅基本上相等。

Description

雷达天线组件
相关申请的交叉引用
本申请是题为“雷达传感器模块(RADAR SENSOR MODULE)”并且于2013年11月6日提交的美国专利申请No.14/073,489的部分继续申请并且要求该申请的权益，其全部公开在此通过引用结合于此。
发明领域
本发明一般涉及雷达天线组件，并且尤其涉及包括微带贴片、混合耦合器、移相器和功率分配器的雷达天线组件。
背景技术
通常在车辆上采用雷达和相机传感器以使得系统能够用于增强的车辆安全，包括自适应巡航控制(ACC)、前部碰撞警示(FCW)、经由自动制动、预碰撞功能(诸如气囊武装或预激活)的碰撞缓解或避免、和车道偏离警示(LDW)。采用雷达和相机传感器两者的系统提供高级别的主动安全性能并且在生产车辆上可用。然而，由于在多个位置处需要多个传感器，常规系统的成本通常较高并且集成到车辆系统中通常是复杂的，当前这些系统限于豪华车辆上的任选装备。
用在车辆中的雷达和相机传感器的集成可显著地减少传感器成本和车辆集成成本以使得高性能主动安全系统能够被提供为很多车辆上的标准装备。然而，需要克服很多设计挑战以有效地实现满足应用要求和车辆集成约束的集成的雷达-相机传感器。
发明内容
根据一个实施例，提供了适用于被放置于车辆的窗口的后面以通过窗口并在车辆附近区域中检测物体的雷达天线组件。该组件包括微带贴片、混合耦合器、移相器和功率分配器。微带贴片被配置成发射雷达信号通过窗口并进入区域中。雷达信号由雷达信号的发射极化所表征。发射极化受到在微带贴片的第一端口处所接收的第一发射信号和在微带贴片的第二端口处所接收的第二发射信号所影响。混合耦合器被配置成正交地组合第一输入信号和第二输入信号以输出第一发射信号和第二发射信号。第一发射信号基于第一输入信号与负相移的第二输入信号的相对组合，并且第二发射信号基于第二输入信号与负相移的第一输入信号的相对组合。移相器可操作以根据控制信号改变第二输入信号相对于第一输入信号的相位。功率分配器被配置成不相等地划分源信号以使得第一输入信号的第一振幅基本上等于第二输入信号的第二振幅。
在另一实施例中，该组件包括插入在微带贴片和混合耦合器之间的阻抗变换器对。该阻抗变换器对被配置成减少由微带贴片对第一发射信号和第二发射信号的反射。
在另一实施例中，该组件包括布置在功率分配器附近的阻抗变换器布置(arrangement)。阻抗变换器布置被配置成减少由移相器、混合耦合器和功率分配器对源信号的反射。
在阅读优选实施例的下列详细描述后，进一步的特征和优势将更清楚地呈现出，这些优选实施例仅作为非限定性的示例且结合附图而给出。
附图简述
现在将参考附图借助示例来描述本发明，在附图中：
图1是根据一个实施例的配备有传感器模块的车辆的俯视图；
图2是根据一个实施例的图1的模块的框图；
图3是根据一个实施例的图1的模块的透视图；
图4是根据一个实施例的图1的模块的侧视图；
图5是根据一个实施例的图1的模块的透视剖视图；
图6是根据一个实施例的图1的模块的侧面剖视图；
图7是根据另一实施例的采用电磁干扰(EMI)屏蔽的集成的雷达-相机传感器的侧截面图；
图8是根据又一个实施例的采用折射块的集成的雷达-相机传感器的侧视图；
图9是示出了对于由雷达天线所提供的平行(垂直(vertical))极化，反射损失相对入射角的曲线图；
图10是示出了对于由雷达天线所提供的垂直(perpendicular)(水平)极化，反射损失相对入射角的曲线图；
图11是示出了在76.5千兆赫(GHz)垂直极化下，在布儒斯特(Brewster)角附近和超过布儒斯特角的敏感度的曲线图；
图12是示出了在76.5千兆赫垂直极化下，在布儒斯特角附近和超过布儒斯特角的敏感度的曲线图；以及
图13是示出了潜在的附加损失和方位角的影响的曲线图；
图14是根据一个实施例的用于图1的模块的天线和控制器的前视图；
图15是根据一个实施例的图1的模块的替代性天线和控制器的前视图；
图16是根据一个实施例的各种极化角的反射损失对相对于窗口的方位角的曲线图；
图17是根据一个实施例的对于雷达信号的优选极化角对反射损失对相对于窗口的角度的曲线图；
图18是根据一个实施例的适用于用在图1的模块中的天线组件的前视图；以及
图19是根据一个实施例的图18的天线组件的尺寸化图示。
详细描述
图1示出了车辆10的非限制性示例。车辆10配备有传感器模块20(下文称为模块20)，该传感器模块20通常被示为位于车辆10的窗口12后的车辆的内部隔间中。虽然示出了汽车，但明显的是，模块20也可适用于用在其它车辆上，诸如像半牵引式挂车的重型道路车辆之类的其他车辆、以及诸如施工设备之类的非道路车辆。在此非限制性示例中，模块20位于风挡的后面并且一般位于后视镜14的前方。替代地，模块20可被放置成透过车辆10的侧窗或后窗“看”。
模块20包括雷达单元30(图2)，用于发射雷达信号通过窗口12以通过窗口12并在车辆10附近的区域18中检测物体16。在该示例中，区域18一般被示为车辆10的前方并且包括由虚线150所限定的雷达视场。雷达单元30接收由当位于雷达视场中时的物体16所反射的反射雷达信号。如在之后的描述中将变得明显地，模块20包括一些特征，这些特征特别涉及克服当用于检测物体的雷达信号必须穿过窗口12时与检测物体有关的问题。任选地，模块20可包括用于通过窗口12捕捉位于由虚线160所限定的相机视场中的图像的相机22(图2)。
模块20通常被配置成检测相对于车辆10的一个或多个物体。此外，模块20可具有进一步的能力来估算所检测到的物体(多个)的参数，包括，例如，物体位置和速度矢量、目标尺寸和分类，例如，车辆相对行人。可在车辆10上随车携带模块20以用于汽车安全应用，包括自适应巡航控制(ACC)、前部碰撞警示(FCW)以及经由自动制动的碰撞缓解或避免、和车道偏离警示(LDW)。
如果包括相机22，则模块20可被配置成有利地将雷达单元30和相机22两者集成在包含在共有外壳内的单个模块中。模块20被有利地安装在车辆10的乘客隔间内、位于窗口12后、且在后视镜14前。将相机22和雷达单元30集成到共有的单个组件(模块20)中有利地提供了传感器成本的减少。此外，相机22和雷达单元30集成有利地采用如图2中所示的共有或共享的电子器件和信号处理。此外，将雷达单元30和相机22置于同一外壳中简化了对准这两个部分从而更易于基于雷达和图像数据的组合(即，-雷达-相机数据融合)来确定物体16相对于车辆10的位置。
根据一个实施例，模块20有利地采用如图3和4中所示的包括多个壁的外壳100。模块20包括用于基于光波捕捉图像的位于外壳100中的相机22。模块20还包括用于发射雷达波束并且接收反射雷达信号的位于外壳100内的雷达单元30。模块20进一步包括雷达-相机处理单元50，用于处理所捕捉的图像和所接收的反射雷达信号并且提供在由虚线150和虚线160所限定的覆盖区(zone)中所检测到的一个或多个物体的存在的检测的指示。
根据一个实施例，模块20在图2中被示为具有各种部件。模块20包括雷达单元30、相机22、雷达-相机处理单元50和应用控制单元72。雷达单元30和相机22两者均与雷达-相机处理单元50通信以处理所接收的雷达信号和相机生成的图像从而使得所感测到的雷达和相机信号对于各种雷达和视觉功能是有用的。应用控制单元72可被集成在雷达-相机处理单元内或可与雷达-相机处理单元分离。应用控制单元72可执行利用经处理的雷达和相机信号的多个已知应用中的任何一个，包括但不限于ACC、FCW和LDW。
相机22在图2中被示为包括光学器件24和成像器26两者。应当理解，相机22可包括用于生成视频图像的商业上可获得的现成的相机。例如，相机22可包括晶片级相机或其它图像获取设备。相机22接收来自雷达-相机处理单元50的电源58的电能并且用雷达-相机处理单元50的视频微控制器52来传输数据和控制信号。
雷达单元30被示为具有耦合至天线48的收发器32。收发器32和天线48操作以在由虚线150所限定的期望的覆盖区或波束内发射雷达信号并且操作以接收从位于由虚线150所限定的覆盖区内的物体反射的反射雷达信号。根据一个实施例，雷达信号30可发射单个扇形的雷达波束并且通过接收数字波束形成形成多个接收波束。天线48可包括用于提供雷达信号的垂直极化的垂直极化天线，该雷达信号在风挡的感兴趣的入射(倾(rake))角(诸如七十度(70°)入射角)上提供良好传播。替代地，可采用水平极化天线；然而，对于高的入射角，水平极化对RF性质和风挡的参数更敏感。
雷达单元30还可包括耦合至收发器32并且进一步耦合至可编程逻辑设备(PLD36)的开关驱动器34。可编程逻辑设备(PLD)36以与模数转换器(ADC 38)同步的方式控制开关驱动器，该模数转换器(ADC 38)进而采样和数字化从收发器32接收的信号。雷达单元30还包括波形发生器40和线性仪42。雷达单元30可生成可使用电子束形成技术所实现的扇形输出。适当的雷达传感器的一个示例在76.5千兆赫的频率下操作。应当理解，汽车雷达可在几个其它适当的频率带(包括24GHz ISM、24GHz UWB、76.5GHz和79GHz)之一中操作。
雷达-相机处理单元50被图示为采用视频微控制器52，该视频微控制器52包括处理电路，诸如微处理器。视频微控制器52与存储器54通信，除了其他可用存储设备，该存储器54可包括SDRAM和闪存存储器。表征为调试USB2设备的设备56也被图示为与视频微控制器52通信。视频微控制器52利用雷达单元30和相机22中的每一个传递数据和控制。这可包括视频微控制器52控制雷达单元30和相机22并且包括接收来自相机22的图像以及来自雷达单元30的所接收的反射雷达信号的数字化样本。视频微控制器52可处理所接收的雷达信号和相机图像并且提供各种雷达和视觉功能。例如，由视频微控制器52所执行的雷达功能可包括雷达检测60、跟踪62和威胁评估64，可经由例程或算法来实现每一种雷达功能。类似地，视频微控制器52可实现视觉功能，包括车道跟踪功能66、车辆检测68和行人检测70，可经由各例程或各算法来实现每一种视觉功能。应当理解，视频微控制器52可执行与利用雷达单元30和相机22的输出中的一者或两者的雷达或视觉有关的各种功能。
应用控制单元72被图示为以控制器局域网(CAN)总线和视觉输出线的方式与视频微控制器52通信。应用控制单元72包括耦合至存储器76的应用微控制器74，除其他存储设备外，该存储器76可包括电子可擦可编程只读存储器(EEPROM)。应用控制单元72还被图示为包括RTC看门狗78、温度监测器80、以及用于诊断的输入/输出接口82和CAN/HW接口84。应用控制单元72包括十二伏特(12V)电源86，该电源86可以是到车辆电池的连接。进一步，应用控制单元72包括私有的CAN接口88和车辆CAN接口90，两者均被图示为连接至电子控制单元(ECU)，该电子控制单元(ECU)被连接至连接器92。
应用控制单元72可被实现为集成在模块20内的独立单元或可位于远离模块20处并且可用其它车辆控制功能(诸如车辆发动机控制单元)来实现。应当进一步理解，在不背离本发明的教导的情况下，由应用控制单元72所执行的功能可由视频微控制器52来执行。
相机22一般捕捉位于车辆10前面的区域的相机图像。雷达单元30可发射扇形的雷达波束从而使得通常位于车辆前面的物体将所射出的雷达反射回传感器。雷达-相机处理单元50处理由相应的相机22和雷达单元30所收集的雷达和视觉数据并且可以许多种方式处理该信息。在美国专利申请公开No.2007/0055446中公开了处理雷达和相机信息的一个示例，该专利申请被转让给本申请的受让人，该专利申请的公开内容在此通过引用结合于此。
参考图3和4，模块20一般被示为具有包含其各种部件的外壳100。外壳100可包括具有多个壁的聚合材料或金属材料，该多个壁通常在其中包含和封围各部件。外壳100具有成倾斜表面102，该表面102被成形为符合窗口12的内部形状。根据一个实施例，倾斜表面102可经由粘合剂被连接至窗口12。根据其它实施例，外壳100可以其他方式被附连至窗口12或附连至位于车辆10的乘客隔间内的窗口12后面的另一位置。
模块20具有一般被示为安装在上端附近的相机22并且雷达单元30一般被安装在相机22下面。然而，相机22和雷达单元30可相对于彼此位于其它位置处。雷达单元30可包括天线48，通常在雷达单元30的向前侧(forward side)处垂直取向地安装以用于提供垂直极化信号。天线48可以是诸如贴片天线之类的平面天线。进一步提供防眩板28，该防眩板28被示为通常位于相机22下面的外壳100的底壁。防眩板28通常遮蔽光反射或眩光以防不利地影响由相机22所接收的光图像。这包括防止眩光从车辆仪表盘(dash)或车辆内的其它部件反射并进入相机22的成像视野中。附加地或替代地，电磁干扰(EMI)屏蔽可位于雷达单元30的前面或下面。EMI屏蔽通常可被配置成将雷达信号约束到通过窗口12的基本向前方向，并且阻止或最小化否则可穿入到车辆10中的雷达信号。应当理解，相机22和雷达单元30可被安装到共有电路板上，该共有电路板又与雷达-相机处理单元50通信，所有都被一起封装在外壳100内。
参考图5和6，根据另一实施例，模块20一般被图示为具有天线48，该天线可相对于垂直轴以任何角度在平面中使天线48倾斜和取向。因此，天线48相对于图4中所示的实施例的垂直取向以角度
Figure BDA0000701087380000071
倾斜。根据一个实施例，雷达天线可相对于垂直取向以在约十度(10°)到七十度(70°)的范围内的角度
Figure BDA0000701087380000081
倾斜。根据一个实施例，天线48以基本上与窗口12的角度相同的角度
Figure BDA0000701087380000082
倾斜。通过使天线48倾斜，可减小外壳100的高度。然而，为了补偿天线48的倾斜，使雷达波束向下偏斜以照射所需的覆盖区。可通过提供所设计的相位斜率的天线馈送网络来实现雷达信号的偏斜。
参考图7，模块20根据第三实施例被图示为采用通常被置于雷达单元30前方的平行板透镜结构44。平行板透镜还用作EMI屏蔽。平行板透镜结构44包括从雷达单元30的天线48(垂直取向的)延伸到窗口12的内表面的多个基本水平布置的导电平行板122或导电片。导电平行板122可包括平行的铜片，该平行的铜片彼此介电绝缘并且它们之间被分隔开诸如透镜中的雷达的操作波长的一半的距离，其中透镜中的操作波长取决于雷达的自由空间波长和在平行板之间所使用的材料(若有的话)的性质。在所示的实施例中，平行板透镜结构44进一步包括部署在导电平行板122的相邻层之间的介电泡沫120。介电泡沫是不导电的并且支持导电平行板122的水平分层。介电泡沫120具有介电常数，该介电常数提供向下方向的波束偏斜从而使得当雷达波束穿过窗口12时以朝向位于车辆10前面的道路的调整过的角度来重新定向雷达波束。实际上，导电平行板122和介电泡沫120可在作为电磁干扰屏蔽操作的同时作为透镜操作，该透镜将天线孔径向上延伸到窗口12并且使雷达波束向下偏斜(squint)。EMI屏蔽可包围从天线出口开始到波束在风挡上的投影的雷达波束的散开(fan out)。平行板透镜用来减小EMI屏蔽的尺寸，因为当使用该透镜时，直到雷达波束到达窗口12前雷达波束不散开。在没有将透镜结合到EMI屏蔽的情况下，风挡上的雷达波束投影要大得多，使得大得多的EMI屏蔽成为必需。
参考图8，折射块96被图示为粘附到位于相机22前面的窗口12的前内表面从而使得折射块96处于相机22的光学视线中。折射块96可包括配置成被安装成与车辆的折射边界(即，窗口12)接触的光入口表面，以及光出口表面，其中折射块96被配置成折射对应于成像区域的光的光路并且将光引导至图像感测部件(即，相机22)。如图所示，光进入折射块96并且在进入相机22的透镜前进入空气间隙中。替代地，可用适当的透镜优化消除该空气间隙。反射块96的底部和侧边可进一步被粗糙化以降低反射率并且可被涂上不透明颜色，诸如黑色。在美国专利No.7,095,567中公开了反射块96的一个示例，该专利被转让给本申请的受让人，该专利的全部公开在此通过引用结合于此。
根据一个示例，折射块96被示为具有近似七十度(70°)的入射角θ。入射角θ通常是相机22和窗口12以及垂直于窗口12的线之间的角度。随着由相机22所捕捉的光(opticallight)通过窗口12和折射块96，光图像朝向相机22折射。位于折射块96的底侧上且还位于其侧边上的不透明表面可有利地防止光或眩光向相机22的反射能力藉此提供防眩板的功能但具有比常规防眩板小的整体尺寸。折射块96可进一步操作以屏蔽雷达单元30免于电磁干扰。
被设计为具有垂直极化的天线48以缓解可由窗口12所引入的RF传播问题。典型的车辆风挡反射损耗可取决于窗口12的厚度和入射角而变化。针对具有各种厚度的风挡并且因变于以度为单位的风挡的入射角，在图9中示出了在76.5GHz的雷达频率下并且使用用垂直极化配置的天线48所实现的平行(垂直)极化的以分贝(dB)为单位的单向反射损失。垂直极化在七十度(70°)入射角附近提供较好的传播，其中对入射角和风挡厚度具有低敏感性。相反，垂直(水平)极化天线对入射角和风挡厚度敏感得多并且通常在风挡中生成更大的反射损失，如图10中所示。因此，对于典型的风挡参数，平行的垂直极化天线提供更好的传播。在图11和12中示出了对于垂直极化，在76.5GHz的频率下在布儒斯特角附近和超过布儒斯特角的敏感性。在图11和12中所示的曲线图一般地示出图11中的反射损失相对入射角相对风挡厚度，以及图12中的反射损失相对入射角相对风挡介电常数(dk)。对于小于七十八度(78°)的入射角，反射损失对厚度相对不敏感，并且对于7.0的标称dk(挡风玻璃的典型dk)，反射损失对dk相对不敏感。
参见图13，由于风挡的反射损失基于方向角，一般以附加损失的形式示出方位角的影响。双向反射损失相对方位角示出了对于四十五度(45°)的总的覆盖区角，±二十二又二分之一度(22.5°)的方位角提供了可接受的最小附加损失。
为了最小化包装尺寸和整体传感器成本，对于雷达和相机前端，模块20被设计为具有共有(共享的)电子器件和信号处理器子系统。进一步，相机光学器件和成像器被集成到雷达天线板中(如果需要集成到天线板中，则晶片级相机可被结合)。共享的信号处理器体系结构使得低级别雷达和相机数据的融合成为可能，在单独的雷达和相机模块的情况下，这将需要高带宽接口，成本随之增加。低级别数据融合提供物体尺寸估算(例如，长度和宽度)、物体分类、道路几何形状估算等的改进的机会。
为了相机22的最佳性能，窗口12后面的装置可需要防眩板28。进一步，可要求或预期由平行板透镜结构44所提供的EMI屏蔽来允许雷达单元30的最佳使用。无论哪一种情况，屏蔽结构可延伸出以接触(meet)窗口12。防眩板或EMI屏蔽可从相机和/或雷达天线开始在尺寸上散开以不掩盖它们的视场并且由于风挡的倾角可导致较大的包装尺寸。结合EMI屏蔽可消除对单独的相机防眩板的需要。否则，包括折射块光学器件的使用以消除相机防眩板。为了最小化雷达EMI屏蔽的尺寸，在雷达波束不散开的情况下，平行板传播的透镜结构可被用于有效地将天线48平移(translate)至窗口12。进一步，透镜结构可被设计为具有介电材料以按需‘偏斜’波束以获得所需的高度指向(elevation pointing)和覆盖范围。
最小化防眩板或EMI屏蔽的尺寸(或者可能消除对防眩板或EMI屏蔽的需要)的另一选项是结合具有后倾的天线48以使天线取向为平行(或几乎平行)于窗口12。窗口12和天线48以及相机22之间的距离藉此被最小化并且还最小化了将任何外屏蔽延伸至窗口12的模块包装尺寸的增长。然后天线48被设计为具有在高度(elevation)上具有显著偏斜以获得所需的高度指向(elevation pointing)和覆盖范围。
雷达单元30和相机22与彼此以及与车辆10的对准通常是适当的系统性能所要求的。模块20被设计成支持‘净-建设(net-build)’方案，即，传感器覆盖方面的充足裕度可被实现为消除对可调节的机械对准特征的需求。接合雷达-相机对准概念结合了车辆装配厂中的基于相机的电子对准以用于系统的初始对准。然后，在行车(on-road)操作期间，基于相机的自动电子对准被用于维持对车辆的对准并且传感器融合被用于使雷达单元30与相机22电子地对准。
如上所述，由于使用共有(即，-共享的)子系统和集成包装将雷达单元30和相机22集成到单个组件(模块20)中，实现了成本降低。进一步，以两种方式降低了安装成本；仅安装单个模块以及在窗口12后面安装模块20的需要。相反，现有系统通常采用单独的雷达和相机模块，其中相机通常安装在窗口12的后面并且雷达通常安装在前面的护栅(grille)区域中或在前保险杠的后面。在此区域中的雷达安装经常导致昂贵的安装支架和/或对车辆护栅或保险杠的昂贵的改装。进一步，雷达部件易受正面碰撞的损害影响，导致相比于安装在风挡后面的潜在更高的修理成本。
使用优化的雷达-相机融合来利用互补的传感器属性以最小化雷达部件的规格和藉此的成本，进一步的成本降低是可能的。即，独立的雷达系统的成本通常由多个窄波束的需求所驱动，以满足角精度和角区分要求。利用适当的数据融合算法集成相机22可最小化施加在雷达部件上的角精度和区分，因为相机22内在地提供良好的角能力。
图14示出了适于由图1中所示的模块20使用的天线202和控制器204的非限制性示例。已观察到对于雷达信号208的给定极化角或发射极化220，一般存在通过窗口12的雷达信号208(图1)的传播的优选角度206。所示的天线202可被用于图2中所示的天线48。控制器204可包括但不限于形成图2中所示的雷达单元30(例如，收发器32)和雷达相机处理单元50(例如，视频微控制器)的各种部件的任意组合。换言之，控制器204被示为所示的仅是为了简化讨论。
可适当地使用众所周知的印刷电路板制造技术在合适的衬底上由铜箔形成天线202。通常，天线202被配置成发射雷达信号208通过窗口12并进入区域18中。雷达信号208由雷达信号208的发射极化220所表征，其中发射极化220受到在天线202的第一端口212处所接收的第一发射信号210和在天线202的第二端口216处所接收的第二发射信号214所影响。
控制器204通常被配置成输出第一发射信号210和第二发射信号214。第一发射信号210可由第一特性(诸如第一振幅和/或第一相位)所表征，并且第二发射信号214可由第二特性(诸如第二振幅和/或第二相位)所表征。通常，第一特性和第二特性之间的相对差异确定雷达信号208的发射极化220并且是基于通过窗口12的雷达信号208的传播的优选角度206来选择或确定第一特性和第二特性之间的相对差异。如本文中所使用的，优选角度206可包括窗口12的倾角，并且可与相对于天线48的瞄准线222的方位角有关。在本文中所呈现的非限制性示例中，瞄准线222通常与车辆10的纵轴对准。在某些情况下，可看来优选角度206(例如，图1)与方位角或水平角相同，并因此不包括窗口12的倾角。应当理解的是用于使雷达信号208以特定方向传播通过窗口12的最优极化因变于雷达信号相对于窗口12的入射角，并且因此可与倾角和方位角有关。在应用中，对于给定的倾角，基于到物体的方向(即，优选角度206)来调节雷达信号208的极化。倾角是窗口12从垂直面倾斜去多远或倾斜回多远的指示或对应于窗口12从垂直面倾斜去多远或倾斜回多远。例如，跑车通常比重型卡车具有更大的倾角。瞄准线222对应于一矢量，该矢量与由在其上建造有天线48的衬底所建立的天线48的平面呈法向并且一般与车辆10的正前方的方向对准。方位角对应于雷达信号208被引导远离瞄准线的水平角。
继续参见图14并且以非限制性示例的方式，第一发射信号210和第二发射信号214在它们从第一端口212和第二端口216到达天线202的贴片时相对于彼此可具有零相位差，但具有确定或影响发射极化220的不同的振幅。因此，对于此示例，第一特性包括第一发射信号210的第一振幅，并且第二特性包括第二发射信号214的第二振幅。由此，在第一振幅和第二振幅之间的振幅差对应于或确定优选角度206。通过能够影响或控制雷达信号208的发射极化220，可控制或改变优选角度206从而使得可由雷达信号208可变地照射诸如物体16之类的物体。例如，可控制发射极化220以最大化以角度206传播通过窗口12的雷达信号208的强度以增强对物体16的检测。
天线202有时被称为具有极化多样性(diversity)的贴片天线。如果操作频率是76.5GHz，则可用1.07mm正方形的贴片尺寸224和2.98mm的贴片尺寸226在0.38毫米(mm)厚的PTFE衬底上构造天线202。可由施加至第一端口212和第二端口216的信号的相对振幅来控制示例天线的发射极化220。相对振幅可被表达为第二振幅相对第一振幅的比值(第二振幅/第一振幅)。然后，假设将相等相位的信号施加至两个端口，可通过：发射极化＝arc tan(第二振幅/第一振幅)来计算发射极化。如果第二振幅相对第一振幅的比值(第二振幅/第一振幅)小于1/100，则发射极化220约为零度(0°)且雷达信号208的极化可被表征为垂直。类似地，如果第二振幅相对第一振幅的比值(第二振幅/第一振幅)大于100/1，则发射极化220约为九十度(90°)且雷达信号208的极化可被表征为水平。它遵循着如果第二振幅相对第一振幅的比值(第二振幅/第一振幅)等于1/1，则发射极化220约为四十五度(45°)且雷达信号208的极化可被表征为对角。
图15示出了适于由图1中所示的模块20使用的天线302和控制器304的另一非限制性示例。控制器304可包括移相器308和混合耦合器306。要了解的是，移相器308和混合耦合器306可被图示为控制器304的一部分，但它们被示为单独的部件以简化描述。控制器304输出发射信号330和相位控制信号322。可配置移相器308和混合耦合器306以使第一发射信号310以相对于被递送至第二端口316的第二发射信号314不同的振幅和相位被递送至第一端口312。由此，第一特性包括第一发射信号310的第一振幅和第一相位，并且第二特性包括第二发射信号314的第二振幅和第二相位。它遵循着第一振幅和第一相位与第二振幅和第二相位之间的差异对应于优选角度206。如果操作频率是76.5GHz，则可用1.07mm正方形的贴片尺寸324和2.98mm的贴片尺寸326在0.38毫米(mm)厚的PTFE衬底上构造天线302。给定混合耦合器的功能，可通过由移相器308所引入的相移的量来控制第一振幅和相位与第二振幅和相位之间的差异、以及藉此的发射极化320。更具体地，可通过对分(halve)由移相器所施加的相移来确定发射极化320。例如，如果相移是零，则发射极化320约为零度(0°)，因此雷达信号208的极化可被表征为垂直。类似地，如果相移是180°，则发射极化320约为九十度(90°)，因此雷达信号208的极化可被表征为水平。它遵循着如果相移是90°，则发射极化320约为四十五度(45°)且雷达信号208的极化可被表征为对角。
本领域技术人员将了解到天线202和天线302通常被表征为全向天线，并且在下文中一般被称为天线48。要了解的是，所示的天线被更准确地描述为在水平或方位面上为全向，并且在垂直面上为定向。还要了解的是，具有仅单个贴片的天线将更为一般地被表征为全向。还要了解的是，以水平阵列布置的多个垂直布置的贴片可被用于发射具有窄波束的雷达信号。然后，众所周知的扫描技术可被用于以特定方向转向或瞄准波束。然而，如将在接下来的描述中变得清楚地，由窗口12所反射远离物体16的或通过窗口12传播朝向物体16的由天线48所射出的雷达信号208的量随着发射极化220、320而变化。由此，可通过改变发射极化220、320来改变照射物体16的雷达信号208的强度。例如，当使用具有定向波束的天线时，可通过改变发射极化220、320，可对于窗口12处的入射角改变或优化在波束指向的方向中传播的雷达信号208的强度。
图16示出了曲线图400的非限制性示例，该曲线图400示出了对于各种发射极化，撞击在具有65°的倾角的窗口(风挡)上的雷达信号的双向反射损失。双向反射损失考虑了当来自天线48的雷达信号208通过窗口12时的信号损失加上当来自物体16的反射信号230往回通过窗口12到天线48时的信号损失。例如，如果发射极化220、320是零度(0°)，则由曲线402示出双向反射损失(由窗口12所反射的由天线48所发射的雷达信号208的量加上由物体16所反射的信号的量)。如果方位角(例如，优选角度206)是零度(0°)，即，沿着瞄准线位于车辆10的正前方，则双向损失是零分贝(0dB)。然而，如果方位角(例如，优选角度206)是六十度(60°)，而发射极化220、320仍然是零度(0°)；则反射损失减少信号的强度达约15dB。反之，如果发射极化220、320被设置成90°，则曲线404示出了沿着瞄准线的雷达信号208的发射极化220、320被减少达20dB，但对于60°的方位角仅被减少达小于5dB。由此，应当显而易见的是，即使天线48通常是全向型天线，可通过改变发射极化220、320来改变撞击在区域18中的任何物体上的能量的量。换言之，虽然在天线48和窗口12之间的雷达信号能量分布可以是相对均匀的，但在通过窗口12后，该分布并不均匀。进一步，当使用具有定向波束的天线时，可通过改变发射极化220、320来改变或优化在波束指向的方向中传播的雷达信号能量。以这种方式的信号能量的优化可被用于，例如，增强在一定范围的波束指向角上的物体检测。
曲线图400还示出了曲线406，该曲线406表示用于特定方位角的最佳发射极化以最小化沿着特定方位角的反射损失(即，-最大化穿过窗口的能量的量)。曲线图400还可用于对于给定范围的方位角选择折衷发射极化，即，选择固定发射极化的方式。虽然仅示出了正的方位角，但应要了解的是，曲线图400可关于y轴镜像映射(mirrored)以提供示出了对于正的和负的方位角两者的双向损失的曲线图。对于负的方位角，对于每一曲线所标记的极化角也应当被求负(negated)。例如，参见曲线图400，对于45度的极化角的双向损失在15度的方位角处约为2dB，而对于-45的极化角，在-15度的方位角处，双向损失是2dB。
图17示出了曲线图500的非限制性示例，该曲线图500示出了用于检测位于特定方位角处的物体的最佳极化(发射极化220、320)。虽然仅示出了正的方位角，但应要了解的是，对于相应的负的方位角，在曲线图500中所示的最佳极化角应当被求负。例如，参见曲线图500，在40度的方位角处，最佳极化角约为42度，而在-40度的方位角处，最佳极化角将为-42度。
虽然以上描述已一般针对以特定发射极化220、320发射雷达信号208通过窗口12的天线48(202、302)，但要了解的是，天线48可被用于以特定极化(例如，反射极化232(图14)或反射极化332(图15))优选地检测反射信号230(图1)。因此，天线202还可被配置成响应于通过窗口12并撞击在天线202上的来自区域18的反射信号230而输出第一检测信号234和第二检测信号236。如将由本领域人员所了解的，控制器204可被配置成处理第一检测信号234和第二检测信号236以使得当反射信号230由反射极化232的特定值所表征时优选地检测反射信号230。期望的是，反射信号230将呈现对应于生成反射信号230的雷达信号208的发射极化220的反射极化232。即，物体16可使得作为雷达信号208的反射的反射信号230呈现可与发射极化220相比的反射极化232。换言之，反射信号230可被部分地随机化，但可能没有被完全地或均匀地随机化。无论如何，可调节由天线48所检测的反射信号230的优选极化以优化反射信号在窗口12上的入射角。
雷达系统通常被配置成以相同的极化发射和接收。例外包括具有极化多样性以用于目标分类或将目标与杂七杂八的东西分开的雷达。为了增强由在窗口12后面操作的模块20进行的目标检测，通常优选针对发射和接收两者最大化通过窗口12的传播。鉴于本文中所呈现的窗口入射角对极化角的传播效应，因此根据曲线图500中所示的示例性最佳极化针对每一优选角度或波束指向方向使用相同的极化进行发射和接收通常是有利的。
由于可改变发射极化220来以优选角度206优选地照射物体16，并且天线202可被用于以反射极化232的特定值来优选地检测反射信号230，因而遵循着控制器204可被配置成基于第一检测信号234、第二检测信号236以及雷达信号208的发射极化220来确定物体方向角(对应于优选角度206)。以示例的方式而非限制，控制器204可被配置成以一方式改变第一发射信号210和第二发射信号214从而有效地扫描(sweep)或阶跃递增(step)发射极化220的值，并且随后使用曲线图400(图16)中所示的双向发射损失特性来补偿反射信号230的幅度，可基于当反射信号230呈现最大振幅时所使用的发射极化220来确定物体方向角(对应于优选角度206)。
图18示出了雷达天线组件(下文称为组件600)的非限制性示例。通常，组件600适合放置于车辆10的窗口12(图1)的后面以通过窗口12并在车辆10附近区域18中检测物体16。然而，要了解的是，组件600以及先前描述的其它天线和模块在其中期望具有改变发射极化或优选地检测具有特定反射极化的信号的能力的非汽车应用中是有用的。即，不应推断出本文中所呈现的教导限于汽车应用。
组件600包括微带贴片602。可构想的是，组件600可包括如图14和15中所示的多个微带贴片，并且此实例中的单个贴片的图示仅是为了简化图示的目的。虽然微带贴片602被图示为正方形的，但可构想的是，可使用其它形状，诸如圆形或由两个垂直取向的领结形状形成的交叉或由椭圆形成的交叉。通常，微带贴片602被配置成发射雷达信号，例如雷达信号208(图1)，通过窗口12并进入区域18中。然而，如先前所指出的，组件600的有用性不限于汽车应用。如已描述的以及将更详细地描述的，由组件600所发射的雷达信号由雷达信号的发射极化604所表征。类似地，可操作组件600以优选地检测具有反射极化606的反射信号。
通常，发射极化604受到在微带贴片602的第一端口612处所接收的第一发射信号610和在微带贴片602的第二端口616处所接收的第二发射信号614所影响或者由其所确定。如先前所描述的，在第一发射信号610和第二发射信号614之间的相对相位差和/或振幅差一般地确定或影响由微带贴片602所发射的雷达信号的发射极化604。
组件600包括混合耦合器620，配置成正交地组合第一输入信号622和第二输入信号624以输出第一发射信号610和第二发射信号614。混合耦合器620组合第一输入信号622和第二输入信号624从而使得第一发射信号610基于第一输入信号622与第二输入信号624的负相移(例如-90°)版本的相对组合(例如，加法)。类似地，第二发射信号614基于第二输入信号624与第一输入信号622的负相移(例如-90°)版本的相对组合。混合耦合器620与下面描述的移相器630协作以提供第一发射信号610和第二发射信号614之间的宽范围的相对相移并藉此提供手段(means)以控制由微带贴片602所发射的雷达信号的发射极化604。
移相器630可操作以因变于控制信号632或根据控制信号632来改变第二输入信号624相对于第一输入信号622的相位。控制信号632可由控制器等提供，如以上关于控制器304(图15)所描述的那样。移相器630的合适示例是来自马萨诸塞州的Chelmsford的Hittite Microwave公司的型号HMC933LP4E。该设备改变从2伏特控制信号的0°到13伏特控制信号的360°的相移。通过改变移相器630的控制信号632(在此设计中，电压在2到13伏特之间)，组件600的辐射线性极化(发射极化604)可被旋转至任何期望的角度。
组件600包括功率分配器634，该功率分配器优选地配置成将源信号636不相等地分为成为第一输入信号622的信号以及成为送至移相器630的输入信号的信号。取决于移相器630的设计，可能存在由移相器630造成的某些信号振幅损失。由此，功率分配器有利地被配置成不相等地划分源信号636，其中分配比例被选择为使得第一输入信号622的第一振幅基本上等于第二输入信号624的第二振幅。如本文中所使用的，基本上相等意味着第一输入信号622和第二输入信号624具有落在形成组件600的各部件的制造公差内的相等的振幅。替代地，功率分配器634可被设计或配置为使得第一输入信号622和第二输入信号624具有不相等的振幅从而使得组件600作为整体被优选地偏置(biased)到特定发射极化604。
组件600还可包括插入在微带贴片602和混合耦合器620之间的阻抗变换器对，下文称为对640。可将对640设置为将微带贴片602阻抗匹配至例如五十欧姆(50Ω)微带传输线642，该微带传输线642向着微带贴片602从混合耦合器620引导或传播第一发射信号610和第二发射信号614。通常，对640被配置成减少由微带贴片602对第一发射信号610和第二发射信号614的反射。
组件600还可包括布置在功率分配器634附近的阻抗变换器布置，下文称为布置650。通常，该布置被配置成减少由移相器、混合耦合器和/或功率分配器对源信号的反射。以示例的方式而非限制，布置650可包括配置成将功率分配器634匹配至50Ω微带传输线的第一阻抗变换器652，该50Ω微带传输线将第一输入信号622引导或传播至混合耦合器620。布置650还可包括配置成将功率分配器634匹配至50Ω微带传输线的第二阻抗变换器654，该50Ω微带传输线引导或传播移相器630的输入信号。布置650还可包括配置成匹配50Ω微带传输线的第三阻抗变换器656，该50Ω微带传输线将源信号636引导或传播至功率分配器634。
图19示出了对于当源信号636具有二十千兆赫(20GHz)的基频时图18中所示的组件600的以毫米为单位的尺寸的非限制性示例。微带贴片602、混合耦合器620和功率分配器634可由具有17.5um的厚度的铜箔形成，该铜箔通常被称为0.5oz铜。虽然未具体地示出，但应当理解移相器630可由焊料被附连至铜箔，以使铜箔合适地连接(feather)在移相器630下方，如将由本领域人员了解的那样。在其上可形成处于所示形状的顶侧铜箔并且附连移相器630的合适衬底(未示出)是由Rogers公司所制造的1.25mm厚的RO5880。底侧(未示出)可以是形成组件600的底面的宽面积的铜箔。
因此，提供了适于放置于车辆10窗口12的后面以通过窗口12并在车辆10附近区域18中检测物体16的雷达天线组件(组件600)。组件600提供一手段(means)以利用两个正交地极化的信号(第一发射信号610和第二发射信号614)并控制发送到微带贴片602或一串微带贴片的这些信号的相位来控制电磁(EM)波极化。
旋转雷达信号的极化的方式的现有示例包括在耦合至喇叭的圆形波导内改变静磁场。可变的磁场由通过围绕圆形波导缠绕的线圈的受控的DC电流所提供。铁氧体棒被置于圆形波导内。静磁场将旋转通过铁氧体的EM波的极化。旋转雷达信号的极化的另一种方式是在耦合至喇叭的圆形波导内机械地旋转探针。探针通常被耦合至馈电波导并且被连接至电机。当与构建在印刷电路板(PCB)上的雷达天线组件(诸如本文中所描述的组件600)相比时，这些方式是不期望地庞大且昂贵的。图14示出了构建在PCB上的天线202，但是因为它缺少混合耦合器620和移相器630的协作特征，因而天线202具有90°的有限的可变极化范围。反之，本文中所描述的组件600具有360°的完全可变极化范围。实际上，如果混合耦合器620和移相器630被移除并且用来自独立放大器的直接馈送来代替，则可变的极化范围将是+/-45°或90°的全范围。本文中所描述的组件600提供易于被组装到衬底或PCB上的紧凑的、低成本的和全旋转范围(360°)的雷达天线组件。
尽管已针对其优选实施例对本发明进行了描述，然而本发明不旨在如此限制，而是仅受后面权利要求书中给出的范围限制。

Claims (3)

1.一种雷达天线组件(600)，所述雷达天线组件(600)适用于被放置于车辆(10)的窗口(12)的后面以通过所述窗口(12)并在所述车辆(10)附近区域(18)中检测物体(16)，所述组件(600)包括：
微带贴片(602)，配置成发射雷达信号(208)通过所述窗口(12)并进入所述区域(18)，其中所述雷达信号(208)由所述雷达信号(208)的发射极化(604)所表征，其中所述发射极化(604)受到在所述微带贴片(602)的第一端口(612)处所接收的第一发射信号(610)和在所述微带贴片(602)的第二端口(616)处所接收的第二发射信号(614)之间的相对相位差和/或振幅差所影响；
混合耦合器(620)，配置成正交地组合第一输入信号(622)和第二输入信号(624)以输出所述第一发射信号(610)和所述第二发射信号(614)，其中所述第一发射信号(610)基于所述第一输入信号(622)与负相移的第二输入信号(624)的相对组合，并且所述第二发射信号(614)基于所述第二输入信号(624)与负相移的第一输入信号(622)的相对组合；
移相器(630)，可操作以根据控制信号(632)来改变所述第二输入信号(624)相对于所述第一输入信号(622)的相位；以及
功率分配器(634)，配置成将源信号(636)不相等地划分为成为第一输入信号(622)的信号以及成为送至所述移相器(630)的输入信号的信号，以使得所述第一输入信号(622)的第一振幅基本上等于所述第二输入信号(624)的第二振幅，
其中所述功率分配器(634)和所述混合耦合器(620)分别与所述移相器(630)协作，以控制所述雷达信号(208)的所述发射极化(604)。
2.根据权利要求1所述的组件(600)，其特征在于，所述组件(600)进一步包括：
阻抗变换器对(640)，插入在所述微带贴片(602)和所述混合耦合器(620)之间，所述阻抗变换器对(640)配置成减少由所述微带贴片(602)对所述第一发射信号(610)和所述第二发射信号(614)的反射。
3.根据权利要求1所述的组件(600)，其特征在于，所述组件(600)进一步包括：
布置在所述功率分配器(634)附近的阻抗变换器布置(650)，所述布置(650)配置成减少由所述移相器(630)、所述混合耦合器(620)和所述功率分配器(634)对所述源信号(636)的反射。
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