CN107070468A - 用于发射和/或接收信号的天线装置及方法 - Google Patents

用于发射和/或接收信号的天线装置及方法 Download PDF

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Abstract

根据本发明的天线装置201″″、201″″′包括：信号源502，其用于生成具有基本频率的发射信号；控制装置111以及第一发射通道202a、207a。发射通道包括：第一频率转换装置501a、501b；以及具有第一频率通带的第一发射装置504a″″、504b″″、504a″″′、504b″″′。控制装置111连接至第一频率转换装置501a、501b，以进行发射信号的基本频率到处于第一发射装置504a″″、504b″″、504a″″′、504b″″′的第一频率通带中的第一发射频率的时控转换，以便经由第一发射通道202a、202b、207a、207b提供具有第一发射频率的第一发射信号。

Description

用于发射和/或接收信号的天线装置及方法
技术领域
本发明涉及测量技术的技术领域。
背景技术
为了确定容器中的填充材料或散装材料的物位，可使用拓扑检测物位测量装置。这些测量装置使用电子信号来扫描填充材料和/或散装材料的表面，并进一步利用从该扫描推导出的填充材料和/或散装材料的三维表面拓扑的认知来确定填充材料的体积(假定填充材料下面的区域是已知的)和/或确定从体积推导出的质量或其它变量(在已知密度的情况下)。为了执行扫描，使电磁波波束掠过填充材料或散装材料，并观察和评估不同角度的反射特性。
电磁波，特别是雷达信号的三维(3D)物位测量或拓扑测量的使用可开拓材料测量中的新的应用目标。
专利DE 102007039397 B3的说明书描述了用于操作具有多个发射器和多个接收器以及相关装置的天线组的方法。WO 2015/052699A1涉及一种借助多个声学发射/接收阵列来评估容器的内容物的方法。WO2015/120885A1涉及一种用于检测对象的性能的测量装置和方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了天线装置、具有天线装置的物位测量装置、用于发射和/或接收信号的方法、用于发射和/或接收信号的程序单元和用于发射和/或接收信号的计算机可读存储介质。
期望能够创建一种用于测量物位的有效天线装置。
本发明的主题由独立权利要求确定。本发明的其它实施例可以从从属权利要求和以下描述中呈现。
根据本发明的一个方面，提供了一种天线装置，所述天线装置具有用于生成具有基本频率的发射信号的信号源、控制装置和第一发射通道。发射通道具有第一频率转换装置和第一发射装置，第一发射装置具有第一频率通带。信号源连接至第一频率转换装置，且控制装置连接至第一频率转换装置。控制装置连接至第一频率转换装置，使得其可执行发射信号的基本频率到处于第一发射装置的第一频率通带中的第一发射频率的时控转换，以便在第一发射通道上提供具有第一发射频率的第一发射信号。第一发射信号的基本频率到处于第一频率通带中的第一发射频率的转换根据可指定第一时间进度表来进行。
换言之，控制装置能够以时控的方式控制发射信号的基本频率到第一发射频率的转换。频率的转换可以如下方式进行：例如，在启动天线装置以进行发射和/或接收时，启动频率转换装置，以便将发射信号变换成适用于发射装置的频率范围。特别地，频率转换装置可将发射信号变换成发射装置的通带，从而通过发射装置发送发射信号。因此，可通过接通和断开或者频率转换装置的启动和停用来决定是否发送发射信号。在低频时进行接通和断开，使得可使用低频开关，例如，继电器或电子开关。因此，可避免昂贵的高频部件。
特别地，天线装置可以是被称为多输入多输出(MIMO)物位雷达单元的天线装置，物位雷达单元根据调频连续波(FMCW)原理工作，并且在每个发射周期和发射支路上发送发射信号，发射信号具有频率斜坡(frequency ramp)。例如，发射周期的典型时间为5毫秒。
可设置具有压控振荡器(VCO)和锁相环(PLL)的单个信号源。根据一个实施例，设置有多个发射通道(或组合的发射/接收通道)和多个接收通道。每个发射(或发射/接收通道)和接收通道均具有自己的频率转换装置，例如，频率倍增器。对于从发射信号的基本频率到第一发射频率的时控转换，针对每个频率转换装置设置有开关单元，以便根据可指定时间进度表来接通和断开频率转换装置。如图4和图5所示，也可互相组合地使用各种开关单元，其中，开关单元在两个频率转换装置之间来回切换。
频率转换装置的接通导致相应的发射通道中的频率倍增。另一方面，如果断开相应的频率转换装置，则频率未被倍增的发射信号理想地出现在频率转换装置的输出处，这意味着没有经由天线发送发射信号。
因此，天线装置的电路并不是能够以时控的方式停用所选择的发射通道的节能电路，而是用于生成优化阵列(co-array)的电路。
通过根据指定时间进度表来接通或断开不同的发射通道(更精确地：相应的频率转换装置)来生成各种优化阵列。作为时分复用方法的替代，可以使用频分复用方法或码分复用方法来生成优化阵列。然而，在频分复用方法或码分复用方法的情况下，同时启动发射通道，或者永久地操作频率转换装置。因此，本发明用于根据时分复用方法来生成优化阵列。
如果要使用某个发射通道来进行测量，那么频率转换装置的接通持续时间通常为5毫秒，即测量周期的时间。
上述的(虚拟)优化阵列是通过对发射通道和接收通道的位置(更精确地：布置在可被实施为平面天线贴片的形式的天线上的发射元件和接收元件的位置)进行离散卷积产生的。在这种情况下，(虚拟)优化阵列具有孔径，该优化阵列具有在仅一个发射器处于接收阵列的中间的情况下的(物理)接收阵列。与发射和接收阵列的实际孔径相比，优化阵列的孔径更大和/或更密集地分布。
通过对在接通至少一个发射器时一直接收信号的各个接收通道的信号进行评估，可计算散装材料的表面轮廓。为此，此外，实际(物理上存在的)阵列中的发射器发送发射信号时的时间和空间位置的有关信息尤其应用到计算算法中。
根据本发明的另一个方面，提供一种物位测量装置，以使用如上文和下文所述的天线装置来确定物位并且/或者确定对象的表面结构。
根据本发明的另一个方面，说明了一种用于发射和/或接收信号的方法。
在一个示例中，第一时间进度表可以是时分复用方法的组成部分。
根据本发明的另一个方面，提供了程序单元和计算机可读存储介质，它们包含在被处理器执行时执行根据本发明的方法的程序代码。
在一个示例中，可提供多输入多输出(MIMO)雷达单元或MIMO天线布置以用于确定物位和拓扑，其中，将频率倍增高频部件用作频率转换装置。通过有针对性地接通和断开电源电压，频率倍增高频部件或频率转换装置用作高频开关。高频部件可以是发射通道的一部分，发射通道也可用作接收器，其中，通过布置成阵列或天线组的多个发射通道和/或接收通道的时控切换，可生成优化阵列。优化阵列或虚拟阵列可对应于具有大量天线元件的物理阵列，天线元件的数量对应于发射设备的数量与接收装置的数量的乘积。将也可进行接收的发射装置称为发射/接收装置。
在一个示例中，可使用评估装置或评估单元，以用于对由天线元件(特别是由接收装置)检测的信号进行处理。评估单元可根据所处理的信号来确定填充材料表面的拓扑和/或至少从拓扑推导出的值，并可在接口处提供此值。接口也可以是双导体连接，并也可用于能量供应和提供拓扑或从拓扑推导出的值。
在评估装置中执行的方法可用于处理由接收通道接收的信号，使得能够使用这些信息来进行物位计算。这里，评估装置可使用数字波束成形(DBF)方法和/或使用例如通过离散卷积来形成虚拟优化阵列的方法。
根据本发明的另一个方面，天线装置还具有至少一个第二发射通道。第二发射通道的结构与第一发射通道的结构基本相同，并且具有第二频率转换装置和第二发射装置。通过将发射通道布置在不同位置或部位来生成源自这些不同位置的基本类似的信号。
根据本发明的另一个方面，从由第一发射通道和至少一个第二发射通道构成的通道组中选择的至少一个发射通道具有发射/接收混频装置。发射/接收混频装置连接至第一发射通道的第一频率转换装置和/或连接至各个至少一个第二发射通道的第二频率转换装置中的一者。接收信号具有与发射信号相同的频率。然而，如果使用FMCW雷达方法，则发送具有频率斜坡形式的可变频率的信号或线性调频信号。在这种情况下，发射信号和接收信号具有相同的频率斜坡。
另外，发射/接收混频装置被构造成使得可提供第一接收信号和/或至少一个第二接收信号作为第一发射/接收中频信号和/或作为至少第二发射/接收中频信号。
根据本发明的另外其它方面，天线装置具有至少一个接收通道。如果接收通道和/或发射通道专门用于发射或接收，则可将通道描述为纯粹的通道。
根据本发明的另一个方面，第一频率转换装置和相应的第二频率转换装置中的至少一者连接至可切换电源，以便促使发射信号的基本频率到第一发射频率的时控转换和/或发射信号的基本频率到第二发射频率的时控转换。
换言之，在发射通道、接收通道和/或发射/接收通道中可设置有源变频高频部件作为频率转换装置和/或作为接收频率转换装置。由于变频部件为有源部件，因此其可连接至电源。为了接通和断开发射信号和/或接收信号，可切换电源。电源可以是电压源和/或电流源。
根据本发明的另一个方面，天线装置具有评估装置。评估装置用于接收可指定整体时间进度表和/或从由第一发射/接收中频信号、至少一个第二发射/接收中频信号和接收中频信号构成的中频接收信号组中选择的至少两个中频接收信号。此外，评估装置用于通过应用数字波束成形方法根据可指定整体时间进度表和至少两个中频接收信号来确定空间方向的回波曲线。在评估过程中，也要考虑相应通道的单独切换行为。
评估装置可具有总体时间进度表的各个时间进度表的顺序的有关信息，并使用此信息来准确地评估来自各个接收和/或发射/接收通道的接收信号，以便获得对象或拓扑的表面特性的有关信息。基于对象的表面特性，例如，评估装置可获得诸如物位值等测量结果。
根据本发明的另外其它方面，评估装置所采用的数字波束成形方法可包括虚拟优化阵列或虚拟阵列的形成。
根据本发明的另一个方面，天线装置具有至少两个发射通道和至少一个接收通道，其中，各个通道基本上以相对于彼此的均匀间隔布置成线性和/或网格的形式，以便形成天线装置、天线组、物理阵列或天线阵列。
根据本发明的另一个方面，第一发射频率、第二发射频率和/或接收频率基本相同。根据本发明的另一个方面，在第一频率转换装置、第二频率转换装置和/或接收频率转换装置中的至少一者与信号源之间布置有隔离器。根据另一个示例，发射元件、接收元件和/或发射/接收元件可布置在旋转装置上以确定空间定向。特别地，天线装置可具有旋转装置。
根据本发明的一个方面，天线装置具有处理装置。处理装置可为评估装置的一部分，并提供例如物位等测量值。根据本发明的另一个方面，天线装置形成为双导体单元，其中，电源线也用于数据传输。双导体单元具有双导体连接或双线连接，其中，双导体连接恰好包括两条线路。
根据本发明的另一个方面，提供了一种物位测量装置，以用于使用天线装置来确定物位和/或确定对象的表面结构。
附图说明
以下，参照附图对本发明的其它实施例进行说明。
图1示出了具有根据本发明的实施例的天线装置的物位测量装置。
图2a是根据本发明的实施例的线性抛物线天线装置的立体图。
图2b是根据本发明的实施例的二维天线阵列的立体图。
图3a是根据本发明的实施例的具有线性地布置的发射通道和接收通道的天线装置的俯视图。
图3b是根据本发明的实施例的发射/接收通道的框图。
图3c是根据本发明的实施例的具有用于发射通道的HF转换开关的天线装置的框图。
图3d是根据本发明的实施例的具有分配给每个发射通道的独立高频开关的天线装置的框图。
图3e是根据本发明的实施例的具有被切换的发射放大器的天线装置的框图。
图4是根据本发明的实施例的具有时控频率转换装置的天线装置的框图。
图5是根据本发明的实施例的具有发射/接收通道的天线装置的框图。
图6a是根据本发明的实施例的虚拟优化阵列的形成的仿真图。
图6b是根据本发明的实施例的虚拟优化阵列(其中将发射通道用作发射/接收通道)的形成的仿真图。
图6c是根据本发明的实施例的考虑自适应卷积核的虚拟优化阵列的形成的仿真图。
图7是根据本发明的实施例的用于发射和/或接收信号的方法的流程图。
具体实施方式
附图中的视图是示意性的且不是按比例的。在下面的图1至图7的说明中，将相同的附图标记用于相同或相应的元件。
在不限制一般有效性的情况下，可在下面的对附图的说明中普遍地讨论线性天线201。然而，这些说明和原理也相应地适用于二维阵列天线203并相应地适用于操作方法。
图1示出了根据本发明的实施例的物位测量装置105或拓扑检测雷达测量装置105。测量装置105或现场单元105，特别是物位测量装置105能够从不同角度范围101、102、103检测回波信号或回波曲线。物位测量装置105具有控制装置111和评估装置123，并经由双导体连接部130被供给能量。评估装置123具有用于提供测量值的处理装置。对于每个所检测的回波曲线，距散装材料104或填充材料104的表面的各个点的距离是确定的。可通过这些距离值的数值积分并通过假设散装材料104下方或填充材料104下方存在水平面106(尤其是，水平容器基底106)来确定材料堆107的体积。物位测量装置105具有天线支架108或旋转装置108，天线支架或旋转装置108具有用于安装天线201、203或天线装置201、203的天线基座109。
除机械旋转110和/或倾斜122之外或作为它们的替代，可通过数字波束成形方法来补充或替换天线201、203或天线装置201、203的主辐射方向101、102、103。通过评估所接收的信号，仅通过一次测量就可以在不同角度范围101、102、103中形成接收信号，以便由此以各种角度检测散装材料104的表面120。通过以各种角度101、102、103检测所接收的波束，可在填充材料的表面120上引导接收信号。通过使用数字波束成形(DBF，digitalbeamforming)方法来检测各种空间区域，可在基本上没有机械角度调节122或旋转110的情况下扫描散装材料104的表面120。
图2a是根据本发明的实施例的具有线性双曲线209的线性抛物线天线装置201的立体图。如图2a所示，发射装置202和接收装置205以平行于由参考标号210表示的坐标系210的y轴的方式线性地布置。可将发射装置202和接收装置205的组合描述为天线组。各个发射装置202、204、207和/或接收装置205、206、207以距离d0彼此间隔开，并且被定向成网格。
图2b示出了二维(2D)天线阵列203。二维天线阵列在两个空间方向(例如，由坐标系210'表示的x方向和y方向)上具有延伸。图2b示出了发射装置204和接收装置206在天线阵列203上的布置。可使用能够在相同位置同时进行发射和接收的发射/接收装置207，以代替纯粹的发射装置204和纯粹的接收装置206。各个发射装置和/或接收装置彼此之间具有小于或等于d0＝λ的间隔，其中，λ表示发射信号和/或接收信号的波长。在一个示例中，该间隔也可具有λ/2值，也就是是所用的发射信号的波长的一半。
图3a示出了根据本发明的实施例的具有线性地布置的发射通道202a、202b和接收通道205的天线装置201或多输入多输出(MIMO)系统。由于发射/接收通道207、207a、207b既可用作发射装置504或发射通道202、202a、202b又可用作接收装置504或接收通道205、205a、205b，因此可根据需要使用它们来替换纯粹的发射装置202或纯粹的接收装置205。由于发射通道202、202a、202b和发射装置504、504a″”、504b″”、504a″”'、504b″”'基本上有助于发射信号的生成，所以它们通常可被称为发射元件202、202a、202b，并且为了简化也类似地使用这些术语。这可类似地应用于接收通道205、205a、205b和接收装置504、504c、504d，并且也可以应用于发射/接收通道207。接收通道也可被称为接收元件或接收装置，且发射/接收通道可被称为发射/接收装置或发射/接收元件。
天线装置201具有八个接收通道205，它们分别以处于波长d0＝λ的范围内的间隔d0进行布置。这里，接收通道205以基本上对称于参考线400的方式布置。同样，第二发射通道202b在相对于参考线400偏离-9λ/2的位置以d0＝λ的间隔布置。第一发射通道202a和第二发射通道202b彼此之间以1.5λ的间隔布置。第一发射通道202a和第二发射通道202b均形成为相应受控的发射/接收通道207a、207b。因此，得到发射通道202a、202b、207a、207b和接收通道205的相对于参考线400的总体不对称结构。发射通道202a、202b、发射/接收通道207a、207b和/或接收通道205可形成为发射贴片。特别地，发射装置504、接收装置504和/或发射/接收装置可形成为贴片。贴片是指被安装在基板上的单个天线。
为了避免数字波束成形中的栅瓣，应当满足距离标准，根据该距离标准，两个相邻天线元件202、204、205、206、207之间的物理距离应小于或等于所用的雷达信号、发射信号和/或接收信号的波长的一半λ/2。然而，由于该设计规范，当以高频并且使用天线的预定物理延伸或相应的预定宽物理孔径来实现时，会导致大量的天线元件202、204、205、206、207的使用，并进而导致高的电路成本，由此导致使用相应天线装置的雷达单元或物位测量装置的高制造成本。
图3b是表示根据本发明的实施例的发射/接收通道207的一般性结构的框图。具有发射/接收混频装置505的发射/接收通道207或发射通道具有信号源502或压控振荡器(VCO)502。由于其发射和接收功能，发射/接收混频装置505也可被称为发射器/接收器505或收发器505。信号源502用于生成具有低的基本频率的发射信号。用于发射并接收信号的发射/接收通道207是FMCW系统503的一部分。特别地，该通道是天线装置201的一部分。发射/接收通道207使用六倍倍增器501。该频率转换装置501接收由VCO 502或信号源502生成的具有大约13GHz的基本频率的发射信号，并将该低频发射信号放置在处于79GHz附近的操作频率范围内的发射信号上或放置在79GHz附近的发射频率上。在一个示例中，可使用78.5GHz至79.5GHz的频率斜坡。在这种情况下，79GHz的值可表示由频率斜坡覆盖的范围的中心频率。频率范围规律地且均匀地延展，从而导致规则信号，在规则信号被发射的同时，规则信号的频率在从78.5GHz到79.5GHz的时间曲线上均匀地增加。因此，发射信号完全像反射的接收信号那样覆盖1GHz的带宽。
为了生成频率斜坡，VCO生成具有处于13.08333GHz和13.25GHz之间的范围内的可变基本频率的信号，该可变基本频率被频率转换装置转换成78.5GHz至79.5GHz的频率斜坡。因此，通带具有79GHz的中心频率以及1GHz的带宽。作为频率斜坡的替代，也可使用具有从78.5GHz至79.5GHz的范围选择的恒定频率的发射信号。相应地，可使用具有从13.08333GHz到13.25GHz的范围选择的恒定频率的发射信号。在另一个示例中，可以使用从W波段选择的恒定频率或可变频率斜坡来发送发射信号。W波段是在高频技术中定义的处于75GHz和110GHz之间的范围内的频带。
有源倍频器501或频率转换装置501将由VCO 502生成的发射信号的基本频率乘以常数因子(例如因子6)，以便例如在使用来自13GHz附近的频率斜坡的调频连续波(FMCW)信号(该信号由信号源502和未在图3b中示出的锁相环(PLL)生成)时生成79GHz附近的频率斜坡，例如从78.5GHz至79.5GHz。在图3b中，发射信号的信号传播从信号源502到发射/接收部506从左向右行进，其中，发射/接收部506具有天线504或发射装置504以及收发器505。图3b示出的发射/接收通道207能够使用六倍增加频率转换装置501或六倍增加倍增器501将由信号源502提供的例如处于13.08333GHz和13.25GHz之间的范围内的13GHz附近的频率斜坡混合成直到W频带中的频率范围。根据开关装置507接通和断开电源508的时间进度表(timeschedule)来接通和断开发射/接收通道207，以便以这种方式控制信号源502的基本频率的时控转换，例如将13GHz的基本频率转换为75GHz的发射频率。开关装置507被集成在正电源连接508'中，以便根据时间进度表来接通和断开有源频率转换装置501的电源或者通过开关装置507来中断该正电源连接。
因此，可通过开关装置507的时控的接通和断开来实现发射信号的基本频率到发射频率的时控转换，并且因此可执行由发送/接收通道207进行的时控发射，而无需依靠HF开关。类似的解释也适用于纯粹的发射通道202、202a、202b和纯粹的接收通道205。
图3c示出了根据本发明的实施例的具有切换开关604的发射通道202a'、202b'和接收通道205a'、205b'。图3d示出了根据本发明的实施例的在每个发射通道202a″、202b″中分别具有高频开关的天线装置201″。图3e示出了根据本发明的实施例的实现了由被切换的发射放大器701a、701b执行的发射通道202a″'、202b″'的时控启动的天线装置201″'。
图4示出了根据本发明的实施例的具有频率转换装置501a、501b的天线装置201″”或MIMO系统，天线装置201″”或MIMO系统用于发射信号的基本频率到发射装置504a″”、504b″”的频率通带中的发射频率的时控转换。接收通道205a、205b以类似于图3c中的接收通道的方式构造，并具有与电源608、608永久性连接的接收频率转换装置501a'、501b'。接收频率转换装置501a'、501b'将频率增加的本地振荡器信号传递到接收混频装置530a'，530b'，以将经由接收装置504c、504接收的接收信号向下混频成中频(IF)信号。为了生成处于适用于接收混频设备530a'、530b'的操作的频率范围中的本地振荡器信号以进行混频，经由接收频率转换装置501a'、501b'提供具有倍增的基本频率的信号。如果经由接收频率转换装置501a'、501b'向接收混频装置530a'、530b'提供有具有足够高的本地振荡频率的信号，那么可将经由接收装置504c、504d接收的接收信号向下混频成IF信号或接收中频信号。接收频率混频设备530a'、530b'经由输出531a'、531b'或IF输出531a'、531b'提供IF接收信号。可在图4未示出的评估装置和/或处理装置中对该IF信号进行评估。
由信号源502生成的发射信号经由分布网络410或LO分布网络410被分配到相应的接收通道205a、205b或发射通道202a、202b。特别地，将发射信号提供至接收频率转换装置501a'、501b'和发射通道的频率转换装置501a、501b。类似地，也可将低频发射信号提供至发射/接收通道207、207a、207b。第一发射通道202a和第二发射通道202b的频率转换装置501a、501b的正电源连接409'可经由低频(LF)开关507'连接到电源的正连接409'。电源409未被示出在图4中，但是其在一个示例中可以是用于频率转换装置501a'、501b'、501a、501b的相同电源409、608。可通过切换电源线409a'、409b'来生成时控发射信号。LF开关507'可以通过时分复用方法进行控制，并且可根据启动节律(activation rhythm)确保基本频率到发射频率的时控转换。由于将LF开关507'作为切换开关507'进行执行，因此确保了在同一时间仅启动一个发射通道202a、202b。频率转换装置501a、501b也连接至电源409的负连接409b'、409b″。
图5示出了根据本发明的实施例的具有发射/接收通道207a、207b的天线装置201″”'的结构。除第一发射/接收通道207a的第一频率转换装置501a之外，还设置有发射/接收混频装置901，以能够经由天线504a″”'、504b″”'或发射装置504a″”'、504b″”'发射并接收信号。为了便于同时发射和接收，在每种情况下，将发射/接收混频装置901a、901b连接至频率转换装置501a、501b，这继而确保了经由切换装置507'对频率转换装置501a、501b的时控启动。可通过发射/接收通道207a、207b发送发射信号并接收由发射信号的反射产生的接收信号。发射设备504a″”'、504b″”'用于频率通带中的双向操作。在发射/接收混频装置901a、901b的输出902a、902b处，可提供作为中频(IF，intermediate frequency)接收信号的接收信号。除了通过发射/接收通道207a、207b进行接收之外，还可使用纯粹的接收通道205a、205b来进行接收。
隔离器560a、560b布置在信号源502与发射/接收通道207a、207b的频率转换装置501a、501b之间。若通过切换装置507'将频率转换装置501a、501b中一者与电源409隔离开，则这些隔离器560a、560b可防止信号被反射回信号源502。隔离器或高频隔离器560a、560b仅沿一个方向发送电磁信号，例如，从信号源502到频率转换装置501a、501b。例如，隔离器可防止第一接收信号、第二接收信号和/或接收信号分别到达信号源和/或其它的发射器和/或接收器。
根据用于形成虚拟优化阵列的方法来执行各个接收通道205a、205b和/或发射/接收通道207a、207b的偏移或处理，由此使使物理天线装置201、201″”、201″”'的孔径加宽。
在下文中，发射通道202、202a、202b、接收通道205、205a、205b和/或发射/接收通道207、207a、207b由它们的信号路径或它们的信号的能量分布表示。为了简单起见，物理通道的说明也等效地用于这些信号路径。
图6a是用于表示根据本发明的实施例的虚拟优化阵列513a的仿真图。在仿真图中，发射图301示出了在不同时间t1、t2处发射信号对天线装置201的发射通道202、202a、202b、207的影响。发射图301的纵坐标625'表示用于发射通道和/或发射/接收通道207的发射信号的加权。横坐标624'表示在阵列201或发射装置201内发射通道202、202a、202b、207的位置的局部分布。正如参考线400被假设用于确定图3a中的用于天线装置201的各个通道的位置，模拟图301、302、303中的位置也与参考线400相关。横坐标624'与幅度λ/2相关。
由于发射图301中所表示的发射信号202a、202b为发射通道202a、202b、207a、207b的输出，因此图301示出的发射信号也可作为发射通道202a、207a、202b、207b进行说明。第一发射通道202a处于-12λ/2的位置处，且第二发射通道202b处于-9λ/2d位置处。在接收图302中相应地示出了接收信号或接收通道205。与图3a所示，接收通道处于-7λ/2、-5λ/2、-3λ/2、-1λ/2、+1λ/2、+3λ/2、+5λ/2和+7λ2的位置处。同样，在接收图302中的纵坐标625″上给出接收信号的加权。继而，横坐标624″表示接收通道205的与λ/2相关的位置。
可以利用图302中的接收信号对发射图301中的发射信号执行计算，从而获得优化阵列图303中示出的所计算的虚拟优化阵列513a。为了根据发射信号301和接收信号302来获得优化阵列图503中的虚拟优化阵列513a，对发射通道202a、207a的位置、进而由这些通道提供的信号的位置以及接收图302中示出的接收通道205的位置应用离散卷积方法。优化阵列513a具有从-19λ/2延伸至-2λ/2的孔径或宽度。虚拟列阵513a的各个阵列元件的间隔基本上等于λ/2或d0/2，并且在点-18λ/2和-3λ/2处具有间隙650和651。优化阵列513a可被理解为在单个发射通道处于接收通道205中间(即，仅一个发射器处于参考线400上)的情况下所计算的接收阵列的孔径。
发射图301中示出的发射通道202a、202b的信号可被理解为发射阵列514a。接收图302中的接收通道205可被理解为接收阵列515a。与具有发射阵列514a和接收阵列515a的物理阵列201或物理天线装置201相比，虚拟阵列513具有较大的孔径。物理阵列201从-12λ/2延伸至+7λ/2，并因此具有19λ/2的宽度。虚拟阵列513a从-19λ/2延伸至-2λ/2，并因此具有孔径17λ/2，其中，虚拟阵列513a的孔径更密集地分布。
因为发射信号202a、207a、202b、207b的发射在不同的时间t1、t2处发生，因此能够进行离散卷积。可由高频开关604、605a、605b或被切换的发射放大器701a、701b、702实现时间偏移发射。在这种情况下，通过切换或接通/断开来确保不同的发射通道202a、202b、202a'、202b'、202a″、202b″、202a″'、202b″'、207a、207b在不同的时间被启动，由此可使发射信号在两个天线之间来回切换。通过开关装置507'来切换频率转换装置501a、501b、501可避免使用昂贵且复杂的高频开关。
图6b示出了根据本发明的实施例的具有被切换的倍频器501a、501b的天线装置的仿真结果，其中，将发射通道用作发射/接收通道207a、207b。由于发射通道202a、202b的至少一部分也可用于接收，因此除了经由接收通道205a、205b检测的纯粹的接收信号之外，也可接收来自发射阶段的接收信号。由于这样会增加接收通道的数量，因此可构造更大或更密集地分布的虚拟天线孔径。在图6a中，发射图301具有纯粹的发射通道202a、202b，并且接收图302具有纯粹的接收通道205，其中，发射器的数量m等于2，且接收器的数量n等于8。结果，虚拟优化阵列513导致m×n＝16个元件。因此，图6a且特别是优化阵列图303示出了可以使用图4中的在时间上可切换的天线装置201″”生成的优化阵列513a。
如果如图5所示提供了发射/接收通道207a、207b，那么可形成图6b示出的优化阵列513b。发射图301a示出了m＝2个发射/接收通道207a、207b，这些通道可用于在交替的时间t1和t2处进行发射。由于发射/接收通道207a、207b也可用于接收所发射的信号，因此它们有助于形成接收图302a示出的接收阵列515b。发射阵列514b由发射/接收通道207a、207b形成。优化阵列图303a表示由具有发射/接收通道207a、207b的天线装置201″”'形成的虚拟阵列513b。与图6a的天线阵列513(其在纯粹的发射通道202a、202b和纯粹的接收通道205的情况下产生并且从-2λ/2延伸到-19λ/2)的宽度相比，优化阵列513b的孔径由于额外地存在于接收阵列515b中的接收信号207a、207b而变宽。
虚拟优化阵列513b的孔径从-24λ/2延伸至-2λ/2。然而，虚拟优化阵列513b具有孔隙750、751、752和具有双重加权的信号增加753。双重加权是在-21λ/2的位置处出现并且具有带有因子2的加权的天线元件。双重加权是由于在形成虚拟优化阵列513b上使用的卷积而产生的。在此-21λ/2的位置处，两个天线元件由于卷积而显示在单个位置处。在该描绘图中，两个接收器205、207a、207b提供相同的信号并因此提供相同的信息。如果在时间t1处在-12λ/2的位置处的发射器207a的发射期间来自-9λ/2的位置处的接收器207b的信号以及在时间t2处在-9λ/2的位置处的发射器207b的发射期间来自-12λ/2的位置处的接收器207a的信号是相同的，那么会发生信号的叠加。因此，存在出现两次的信号，并且该信号在所计算的优化阵列513b以因子2增加。由于使用发射/接收通道，因此发射阵列514b具有m＝2个发射通道207a、207b，并且接收阵列515b具有m＝2个发射/接收通道207a、207b和n＝8个纯粹的接收通道205，虚拟优化阵列513b导致m×(m+n)个信号，因此具有20个信号，其中两个信号的叠加本身在信号增加753中是显著的。在-21λ/2的位置处，在优化阵列513b中描绘了多个接收器。
由于发射/接收混频装置901a、901b需要频率倍增的输入信号而具有本地振荡器，但频率倍增器501a、501b也具有与不生成发射信号的时间进度表相均匀的中断(interruption break)，因此接收信号也遵循该进度。因此，即使在发射中断期间也不形成接收信号。在发射器的发射中断的情况下，相关联的接收器可因此同样也不进行接收，这是其由于被关闭的频率倍增器501a、501b而缺少本地振荡器信号。
优化阵列513b由发射/接收通道207a、207b形成，发射/接收通道207a、207b在时间上连续接通和断开，例如在时间t1、t2处。当形成虚拟优化阵列513b时，可以通过数字信号处理方法来考虑现有的接收中断。
图6c示出了根据本发明的实施例的在考虑到自适应卷积核的情况下形成虚拟优化阵列513c的仿真图。图6c中的发射信号301b对应于图6b中的发射信号。图6c中的接收信号302b对应于图6b中的接收信号302a。当根据发射信号301a、301b和接收信号302a、302b形成卷积和时，可根据在发射时间t1、t2处哪些接收器207a、207b被停用来自适应地改变卷积核。通过形成具有自适应卷积核的卷积和，可仿真m×n+m个天线元件513c的孔径，在图6c中，该孔径从-24λ/2延伸至-2λ/2，且不再具有信号增加753。通过具有自适应卷积核的离散卷积形成的虚拟优化阵列513c仅具有两个孔隙850、851。卷积核用于离散卷积，并且必须在使用不能总是进行接收的发射接收器207、207a、207b或发射/接收通道207、207a、207b的情况下是自适应的。离散卷积是对多个元件207、207a、207b、205(例如k个元件)的求和。虚拟阵列513c的形成包括对离散发射和接收向量的离散卷积的计算。用于该离散卷积的发射和接收向量对应于发射和接收元件202、202a、202b、205、207、207a、207b的位置。接收阵列515b的向量适用于卷积运算的每个被加数，这是因为由于可被断开的发射/接收装置207、207a、207b的原因，对于在每个时间t1、t2处的每次发射，该向量是不相同的。因此，自适应卷积核可被理解为卷积核与卷积运算的自适应匹配。
由于信号增加753的消除，可强烈地衰减在由优化阵列513b、513c产生的天线图中出现的旁瓣。窗函数也可用来改善天线图。这些窗函数可以应用于优化阵列513c的加权因子，以进一步衰减旁瓣。例如，窗函数可使虚拟优化阵列513b、513c的处于优化阵列的边缘处(例如，-24λ/2和-2λ/2的区域中)的优化阵列元件比处于优化阵列的中间(例如，-12λ/2的区域中)的元件被更弱地加权。对于较弱的加权，可以使用例如小于1(<1)的加权因子。
事实上，由于信号增加753，在相同孔径中，优化阵列513b比优化阵列513c包含更多的天线元件，这是因为在优化阵列513c的孔径的情况下考虑到在发射中断时断开的发射/接收装置的接收器不能进行接收并且可导致信号增加的信号被省略。然而，被均匀加权的优化阵列513c可基本上避免在优化阵列形成之后的进一步信号处理中在优化阵列图303b中存在加权跳跃(weighting jump)。因此，例如，如果使优化阵列513c的每个优化阵列元件以因子1被加权(如图6c的优化阵列图303b中所示)，则可减少信号后处理的成本。如果优化阵列元件以因子2被加权，如同信号增加753的情况，则例如信号处理可基于信号增加753的两个信号形成平均值，或者省略具有信号增加753的通道的信号，以降低信号增加。
如果存在不能在进行发射的同时进行接收的收发器207，则天线元件513c的数量可根据公式m×n+m形成。该公式源自发射元件207a、207b的数量m和纯粹的接收元件205的数量n以及当使用不能在进行发射的同时进行接收的收发器时出现的额外接收元件207a、207b的数量的乘积。在图6c的情况下，存在发射图301a中的m＝2个发射器以及n＝8个纯粹的接收器。通过收发器207a、207b将两个接收信号添加至这些元件。如果第一发射器207a在时间t1处启动，则其相关联的接收器207a也可在时间t1处进行接收；如果第二发射器207b在时间t2处启动，则其相关联的接收器207b也可在时间t2处进行接收。在时间t1处，第二发射器207b(因此也是第二接收器207b)被停用，并且不包括在计算中。在时间t2处，第一发射器207a且因而第一接收器207a被停用，并且不被包括在计算中。因此，优化阵列513c具有2×8+2＝18个元件。
图7是根据本发明的实施例的用于发射和/或接收信号的方法的流程图。该方法开始于开始状态S700。在步骤S701中，在信号源中生成具有可指定的基本频率的发射信号。在步骤S702中，将发射信号供给至第一发射通道202a，该第一发射通道具有第一频率转换装置501a和第一发射装置504a″”。发射装置504a″”或天线504a″”具有第一频率通带。在步骤S703中，进行发射信号的基本频率到第一发射频率的时控转换。第一发射频率处于第一发射装置202a的第一频率通带中。进行基本频率到第一发射频率的转换，以便经由第一发射通道202a提供具有第一发射频率的第一发射信号。在一个示例中，基本频率可以为13GHz，并且第一发射频率可以为79GHz。
根据可指定的时间进度表来执行发射信号的基本频率到处于第一频率通带中的第一发射频率的转换。通过启动开关装置507'来实现该时间进度表，使得经由第一发射通道202a根据第一时间进度表提供周期性信号。该方法结束于结束状态704。

Claims (15)

1.一种天线装置(201””、201””')，其包括：
信号源(502)，其用于生成具有基本频率的发射信号；
控制装置(111)；和
第一发射通道(202a、207a)，其包括：
第一频率转换装置(501a、501b)；以及
具有第一频率通带的第一发射装置(504a””、504b””、504a””'、504b””')，
其中，所述信号源(502)连接至所述第一频率转换装置(501a、501b)，
其中，所述控制装置(111)连接至所述第一频率转换装置(501a、501b)，以进行所述发射信号的所述基本频率到处于所述第一发射装置(504a””、504b””、504a””'、504b””')的所述第一频率通带中的第一发射频率的时控转换，以便经由所述第一发射通道(202a、202b、207a、207b)提供具有所述第一发射频率的第一发射信号，并且
其中，所述发射信号的所述基本频率到处于所述第一频率通带中的所述第一发射频率的转换根据可指定第一时间进度表(t1、t2)来执行。
2.根据权利要求1所述的天线装置(201””、201””')，其还包括：
至少一个第二发射通道(202a、202b、207a、207b)，所述第二发射通道包括：
第二频率转换装置(501a、501b)；以及
具有第二频率通带的第二发射装置(504a””、504b””、504a””'、504b””')，
其中，所述信号源(502)连接至各个所述至少一个第二发射通道(202a、202b、207a、207b)的所述第二频率转换装置(501a、501b)，
其中，所述控制装置(111)连接至各个所述至少一个第二发射通道的所述第二频率转换装置(501a、501b)，以进行所述发射信号的所述基本频率到至少第二发射频率的时控转换，以便经由所述至少一个第二发射通道(202a、202b、207a、207b)提供具有所述第二发射频率的第二发射信号，所述第二发射频率处于各个所述至少一个第二发射通道(202a、202b、207a、207b)的所述第二发射装置的第二频率通带中，
其中，所述发射频率到所述第二频率通带的转换根据至少一个可指定第二时间进度表(t1、t2)来进行，
其中，所述控制装置(111)用于将所述可指定第一时间进度表和所述至少一个可指定第二时间进度表组合成可指定整体时间进度表，并且
其中，所述控制装置(101)用于提供所述可指定整体时间进度表。
3.根据权利要求1或2所述的天线装置(201””、201””')，
其中，所述第一发射通道(202a、207a)和所述至少一个第二发射通道(202b、207b)中的至少一者具有发射/接收混频装置(901a、901b)，
其中，所述发射/接收混频装置(901a、901b)连接至所述第一发射通道(202a、207a)的所述第一频率转换装置(501a、501b)并且/或者连接至各个所述至少一个第二发射通道(202b、207b)的所述第二频率转换装置(501a、501b)中的一者，以便接收具有所述第一发射频率的第一接收信号和/或具有所述第二发射频率的至少一个第二接收信号，并且
其中，所述发射/接收混频装置(901a、901b)用于提供所述第一接收信号和/或所述至少一个第二接收信号作为第一发射/接收中频信号和/或至少一个第二发射/接收中频信号。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的天线装置(201””、201””')，其还包括：
至少一个接收通道(205a、205b)，所述接收通道包括：
接收频率转换装置(501a'、501b')；以及
具有接收频率通带的接收混频装置(530a'、530b')，
其中，所述信号源(502)连接至所述接收频率转换装置(501a'、501b')，
其中，所述接收混频装置(530a'、530b')连接至所述接收频率转换装置(501a'、501b')，以将所述发射信号的所述基本频率转换成所述接收混频装置(530a'、530b')的接收频率通带中的接收频率，以便经由所述至少一个接收通道(205a、205b)接收具有所述接收频率的接收信号，并且
其中，所述接收混频装置(530a'、530b')用于经由所述接收混频装置(530a'、530b')的输出(531a'、531b')提供所述接收信号作为接收中频信号。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的天线装置(201””、201””')，其中，所述第一频率转换装置(501a、501b)和各个所述第二频率转换装置(501a、501b)中的至少一者连接至可切换电源(409)，以便促使所述发射信号的所述基本频率到所述第一发射频率的时控转换或所述发射信号的所述基本频率到所述第二发射频率的时控转换。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的天线装置(201””、201””')，其还包括：
评估装置(123)，
其中，所述评估装置(123)用于接收所述可指定整体时间进度表和/或从中频接收信号组中选择的至少两个中频接收信号，所述中频接收信号组由以下信号构成：
所述第一发射/接收中频信号；
所述至少一个第二发射/接收中频信号；以及
所述接收中频信号，
其中，所述评估装置(123)用于通过应用数字波束成形方法根据所述可指定整体时间进度表和所述至少两个中频接收信号来确定空间方向的接收回波曲线。
7.根据权利要求6所述的天线装置(201””、201””')，
其中，所述数字波束成形方法包括虚拟优化阵列(413b、413c)的形成，并且，
其中，在至少一个所述空间方向(101、102、103)上，所述虚拟优化阵列(413b、413c)的延伸大于所述天线装置(201””、201””')的物理延伸。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的天线装置(201””、201””')，其包括：
至少两个发射通道(202a、202b、207a、207b)和至少一个接收通道(205a、205b、207a、207b)，
其中，所述至少两个发射通道和所述至少一个接收通道以相对于彼此具有均匀间隔的方式布置成线性和/或网格的形式，以便形成天线组。
9.根据权利要求8所述的天线装置(201””、201””')，
其中，所述第一发射频率、所述第二发射频率和/或所述接收频率相同，
其中，所述均匀间隔为所述第一发射频率的波长的一半、所述第二发射频率的波长的一半和/或所述接收频率的波长的一半，并且
其中，波长是通过使由具有相应频率的信号产生的波的传播速度除以该相应频率获得的。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的天线装置(201””、201””')，
其中，在所述第一频率转换装置(501a、501b)、所述第二频率转换装置(501a、501b)和/或所述接收频率转换装置(501a'、501b')中的至少一者与所述信号源(502)之间布置有隔离器(560a、560b)，并且
其中，所述隔离器(560a、560b)用于在所述发射信号的所述基本频率到所述第一发射频率的时控转换的转换中断时、在所述发射信号的所述基本频率到所述至少一个第二发射频率的时控转换的转换中断时和/或在所述发射信号的所述基本频率到所述接收频率的转换的转换中断时抑制信号反射，以便防止所述第一接收信号、所述第二接收信号和/或所述接收信号分别到达所述信号源和/或其它的发射器和/或接收器。
11.根据权利要求2至10中任一项所述的天线装置(201””、201””')，其还包括：
处理装置，
其中，所述处理装置用于根据所述整体时间进度表、所述接收中频信号、所述发射/接收中频信号和/或空间定向中的至少一者来确定填充物位、对象体积、对象质量和/或对象表面结构。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的天线装置(201””、201””')，
其中，所述天线装置被形成为双导体装置，并且
其中，电源线也用于数据传输。
13.一种物位测量装置(105)，其使用根据权利要求1至12中任一项所述的天线装置(201””、201””')来确定填充物位并且/或者确定对象(104)的表面结构(120)。
14.一种用于发射和/或接收信号的方法，其包括：
在信号源中生成具有基本频率的发射信号；
将所述发射信号提供至第一发射通道，所述第一发射通道包括第一频率转换装置和具有第一频率通带的第一发射装置；以及
以时控的方式将所述发射信号的所述基本频率转换成处于所述第一发射装置的第一频率通带中的第一发射频率，以便经由所述第一发射通道提供具有所述第一发射频率的第一发射信号，
其中，根据可指定第一时间进度表来进行所述发射信号的所述基本频率到处于所述第一频率通带中的所述第一发射频率的转换。
15.一种用于发射和/或接收信号的程序单元，所述程序单元在被处理器执行时执行以下方法步骤：
在信号源中生成具有基本频率的发射信号；
将所述发射信号提供至第一发射通道，所述第一发射通道包括第一频率转换装置和具有第一频率通带的第一发射装置；以及
以时控的方式将所述发射信号的所述基本频率转换成处于所述第一发射装置的第一频率通带中的第一发射频率，以便经由所述第一发射通道提供具有所述第一发射频率的第一发射信号，
其中，根据可指定第一时间进度表来进行所述发射信号的所述基本频率到处于所述第一频率通带中的所述第一发射频率的转换。
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