CN109643856A - 具有由表面波激发的寄生元件的雷达天线阵列 - Google Patents

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Abstract

一种设备，包括天线块的波导，其配置为沿传播方向传播电磁能量。天线块包括位于天线块的底表面上的端口和位于天线块的顶表面上的天线阵列。天线块还包括天线块中的一组波导，其配置为将天线阵列耦合到端口。另外，天线块包括至少一个表面波辐射器，其中表面波辐射器位于天线块的顶表面上。

Description

具有由表面波激发的寄生元件的雷达天线阵列
技术领域
背景技术
除非本文另有说明，否则本部分中描述的材料不是本申请权利要求的现有技术，并且不因包含在本部分中而被认为是现有技术。
无线电检测和测距(RADAR)系统可用于通过发射无线电信号和检测返回的反射信号来主动估计到环境特征的距离。可以根据发射和接收之间的时间延迟来确定与无线电反射特征的距离。雷达系统可以发射频率随时间变化的信号，比如具有时变频率斜坡的信号，然后将发射信号和反射信号之间的频率差异与范围估计相关联。一些系统还可以基于所接收的反射信号中的多普勒频移来估计反射物体的相对运动。
定向天线可以用于信号的发射和/或接收，以将每个范围估计与方位相关联。更一般地，定向天线也可用于将辐射能量聚焦在给定的感兴趣视场上。将测量的距离和方向信息组合在一起可以映射周围的环境特征。因此，雷达传感器可以例如由自主车辆控制系统使用，以避免由传感器信息指示的障碍物。
一些示例性汽车雷达系统可以配置为在77千兆赫兹(GHz)的电磁波频率下操作，其对应于毫米(mm)波电磁波长(例如对于77GHz为3.9mm)。这些雷达系统可以使用可将辐射能量聚焦成紧密波束的天线，以使雷达系统能够以高精度测量环境，比如自主车辆周围的环境。这种天线可以是紧凑的(通常具有矩形形状因子)、高效的(即很少的77GHz能量损失到天线中的热量或反射回到发射器电子器件中)，并且成本低且易于制造(即具有这些天线的雷达系统可以大批量生产)。
发明内容
本文公开了涉及用于天线块的方法和设备的实施例。天线块包括位于天线块的底表面上的端口和位于天线块的顶表面上的天线阵列。天线块还包括天线块中的一组波导，其配置为将天线阵列耦合到端口。另外，天线块包括至少一个表面波辐射器，其中表面波辐射器位于天线块的顶表面上。
在另一方面，本申请描述了一种方法。该方法包括通过位于天线块的底表面上的端口将电磁能量耦合到天线块中。该方法还包括通过天线块中的一组波导，将耦合的电磁能量的第一部分从所述端口传播到位于天线块的顶表面上的天线阵列，其中耦合的电磁能量的第二部分存在于天线块中的表面波中。另外，该方法包括通过天线阵列辐射波导传播的电磁能量的至少一部分，以及通过位于天线块的顶表面上的至少一个表面波辐射器辐射表面波中存在的至少一部分电磁能量。
在又一示例中，提供了一种系统。该系统包括底部块，其包括端口。该系统还包括具有天线阵列的顶部块。该系统还包括在所述顶部块和底部块的耦合位置处的接缝，其中所述接缝限定波导网络的中心，该波导网络配置为将端口耦合到天线阵列。此外，该系统包括在所述顶部块中的至少一个表面波辐射器。
前述发明内容仅是说明性的，并不旨在以任何方式进行限制。除了以上描述的说明性方面、实施例和特征之外，通过参考附图和以下详细描述，其他方面、实施例和特征将变得显而易见。
附图说明
图1A示出了根据示例性实施例的示例天线的顶部的组装视图；
图1B示出了根据示例性实施例的示例天线的顶部的组装视图；
图1C示出了根据示例性实施例的示例天线的底部的组装视图；
图2A示出了根据示例性实施例的示例天线的第一层；
图2B示出了根据示例性实施例的示例天线的第二层；
图2C示出了波导的示例性等距截面图；
图3示出了根据示例性实施例的示例功率耦合器；
图4示出了根据示例性实施例的在组装的示例天线内形成的概念波导信道；
图5示出了根据示例性实施例的示例天线的示例波辐射部分；
图6示出了根据示例性实施例的在组装的示例天线内形成的概念波导信道；
图7A示出了示例天线的概念截面图；
图7B示出了示例天线的概念截面图；
图7C示出了示例天线的概念截面图；以及
图8示出了操作示例天线的方法。
具体实施方式
在以下详细描述中，参考了附图，附图形成本发明的一部分。在附图中，除非上下文另有指示，否则类似的符号通常标识类似的部件。在具体实施方式、附图和权利要求中描述的说明性实施例并不意味着是限制性的。在不脱离本文提出的主题的范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行其他改变。容易理解的是，如本文一般描述的并且在附图中示出的本公开的方面可以以各种不同的配置来布置、替换、组合、分离和设计，所有这些在本文中都是明确设想的。
以下详细描述涉及用于具有由表面波激发的寄生元件(即表面波辐射器)的汽车雷达天线阵列的设备和方法。自主车辆的雷达天线阵列可包括多个天线。每个天线可以配置为(i)发射电磁信号，(ii)接收电磁信号，或(iii)发射和接收电磁信号。天线可以形成天线元件阵列。阵列的每个天线可以从波导馈送(即供给有信号)。另外，波导可以将由各种天线接收的信号传送到雷达系统内的接收器。本公开的一方面提供了位于阵列附近的寄生元件。寄生元件可以配置为辐射在天线的顶表面上作为表面波存在的电磁能量。所公开的设备和方法可用于减少或减轻由阵列辐射的电磁波引起的表面波所造成的不期望的影响。如本文所用，术语电磁能、电磁信号、信号、电磁波和波可以互换使用，以表示与系统和方法一起使用的电磁能。
以下详细描述可以与具有天线阵列的设备一起使用，该天线阵列可以采用单输入单输出、单输入多输出(SIMO)、多输入单输出(MISO)、多输入多输出(MIMO)和/或合成孔径雷达(SAR)雷达天线架构的形式。雷达天线架构可以包括多个“双端开口波导”(DOEWG)天线。在一些示例中，术语“DOEWG”在本文中可以指水平波导信道的短部分加上分成两部分的垂直信道，其中垂直信道的两部分中的每个包括输出端口，其配置为至少辐射进入天线的一部分电磁波。另外，多个DOEWG天线可以布置成天线阵列。这里描述的雷达天线架构可以包括多个天线阵列。
示例天线架构可以包括例如两个金属层(例如铝板)，其可以用计算机数字控制(CNC)加工，适当地对准并连接在一起。第一层可以包括输入波导信道的第一半部，其中第一波导信道的第一半部包括输入端口，该输入端口可以配置为接收进入第一波导信道的电磁波(例如77GHz毫米波)。第一金属层还可以包括多个分波信道的第一半部。多个分波信道可以包括从输入波导信道分支出来的信道网络，并且可以配置为从输入波导信道接收电磁波，将电磁波分成多个电磁波部分(即功率分配器)，并将电磁波的各个部分传播到多个波辐射信道的各个波辐射信道。两个金属层可以组装在一起以形成分块组件。
传统的雷达天线可以包括复杂的波束形成网络。目前公开的寄生元件可以消除使用复杂波束形成的需要。寄生元件可以以在不太复杂的设计中实现类似雷达性能的方式设计。然而，在一些示例中，目前公开的寄生元件可以与使用复杂波束形成网络的传统雷达系统一起使用。尽管本公开将讨论波束形成(和分束)，但是寄生元件可以用于具有或不具有复杂波束形成网络的实施例中。在各种示例中，天线架构的功率分配元件可以是波导的二维或三维分割网络。波导的分割网络可以使用波导几何形状来划分功率。例如，馈电波导可具有预定的高度和宽度。预定高度和宽度可以基于雷达单元的操作频率。分割网络可以包括波导，其在高度和/或宽度上与馈电波导的预定高度和宽度不同，以便实现期望的锥形轮廓。
另外，传统的波束形成网络还可以包括向辐射元件(即天线元件)提供信号的馈电波导，其可以在分块组件的顶部和底部之间分开。此外，馈电波导可以全部位于共同平面中，其中馈电波导的高度的中点对于所有馈电波导是共同的。波导的分割网络可以部分地位于与馈电波导相同的平面中并且部分地位于至少一个其他平面中。例如，波导分割网络的一部分的整个高度可以加工成分块组件的第一或第二部分。当两个块件放在一起时，另一块部分的表面可以形成波导的其高度完全在两个块部分之一中的部分或分割网络的边缘。在一些示例中，这些波导腔和切口的垂直部分相对于分块接缝对称。
当操作波导系统时，各种信号可以通过波导系统传播。波导系统可以包括波导网络，每个波导在天线块的顶表面上具有至少一个天线元件。通常，每个天线元件将辐射馈送给它的一部分电磁能量。另一部分电磁能量将作为表面波传播。作为表面波传播的能量可能导致不良影响。例如，表面波可降低系统效率和/或引起不期望的辐射图案。所公开的系统和方法可以使天线系统的测试和操作更有效。
本文所公开的天线块可包括天线块的顶表面上的各种寄生元件。寄生元件可以位于块的顶表面上的天线阵列附近。这些寄生元件可能导致作为表面波传播的一些能量的辐射。通过辐射一些表面波能量，可以提高天线块的效率。另外，一些表面波能量的辐射可以使天线块具有更理想的性能。通过以正确的方式设计这些元件，可以基于预定的辐射图案来控制辐射的电磁能量的辐射图案。另外，在一些示例中，寄生元件还可以用于操纵由天线块辐射的波束。在一些示例中，波导凸缘的寄生元件可以是辐射槽。也可以使用各种其他辐射元件。
波导是将电磁能量从一个位置传导到另一个位置的结构。在某些情况下，利用波导传导电磁能量具有比其他传导装置具有更少损耗的优点。波导通常比其他传导装置具有更少的损耗，因为电磁能量通过非常低的损耗介质传导。例如，波导的电磁能量可以通过空气或低损耗电介质传导。
在一实施例中，波导比如充气波导将具有金属外导体。然而，在其他实施例中，波导可以仅由能量传播所通过的电介质形成。在任一实施例中，波导的尺寸和形状限定了电磁能量的传播。例如，电磁能量可以从波导的金属壁反弹(或反射)。在其他实施例中，电介质可以完全包含电磁能量(比如光纤传输)。
基于波导的形状和材料，电磁能量的传播将变化。波导的形状和材料限定了电磁能量的边界条件。边界条件是波导边缘处的电磁能量的已知条件。例如，在金属波导中，假设波导壁几乎完全导电，边界条件规定在任何壁侧都没有切向定向的电场。一旦边界条件已知，麦克斯韦方程就可用于确定电磁能量如何通过波导传播。
麦克斯韦方程将为任何给定波导定义几种操作模式。每种模式定义了电磁能量可以通过波导传播的一种特定方式。每种模式都有相关的截止频率。如果电磁能量具有的频率低于截止频率，则波导中不支持模式。通过适当地选择(i)波导尺寸和(ii)操作频率，电磁能量可以以特定模式通过波导传播。通常，波导被设计成在设计频率下仅支持一种传播模式。
有四种主要类型的波导传播模式：横向电(TE)模式、横向磁(TM)模式、横向电磁(TEM)模式和混合模式。在TE模式中，电磁能量在电磁能量传播方向上没有电场。在TM模式中，电磁能量在电磁能量传播方向上没有磁场。在TEM模式中，电磁能量在电磁能量传播方向上没有电场或磁场。在混合模式中，电磁能量在电磁能量传播方向上具有一些电场和磁场。
可以使用对应于与传播方向正交的两个方向(比如宽度方向和高度方向)的两个后缀数来进一步指定TE、TM和TEM模式。非零后缀数表示等于波导的宽度和高度的电磁能量的半波长的相应数量。但是，后缀数为零表示该场相对于该方向没有变化。例如，TE10模式表示波导的宽度为半波长且高度方向没有场变化。通常，当后缀数等于零时，波导在相应方向上的尺寸小于波长的一半。在另一示例中，TE21模式表示波导的宽度为一个波长(即两个半波长)且高度为一半波长。
当以TE模式操作波导时，后缀数字还表示沿波导的相应方向的场最大值的数量。例如，TE10模式表示波导在宽度方向上具有一个电场最大值且在高度方向上具有零最大值。在另一示例中，TE21模式表示波导在宽度方向上具有两个电场最大值且在高度方向上具有一个最大值。
现在将更详细地描述本公开范围内的示例系统。可以使用具有由表面波激发的寄生元件的雷达天线阵列的示例系统可以实现为或可以采用汽车、用于测试具有雷达的汽车的雷达能力的系统以及任何类型的波导系统的形式。然而，示例系统也可以实现为或采用其他车辆的形式，比如汽车、卡车、摩托车、公共汽车、船、飞机、直升机、割草机、推土机、船、雪地车、飞机、休闲车、娱乐公园车辆、农场设备、建筑设备、电车、高尔夫球车、火车和手推车。使用波导的其他物体也可以与雷达天线阵列一起使用，其中寄生元件也由表面波激发。
图1A示出了根据示例性实施例的示例天线100的顶部的组装视图。示例天线100可以包括第一金属层110和第二金属层120。第二金属层120可以包括多个孔112(通孔和/或盲孔)，其配置为容纳对准销、螺钉等。第一金属层110也可以包括与第二金属层120的孔112对准的多个孔(未示出)。。两个金属层可以在共同的平面处连接(即两个金属层可以在接缝处连接)。
如图1A所示，阵列106可以包括DOEWG辐射元件102和多个寄生元件104的阵列，其数量和位置可以基于天线100的DOEWG和信道的数量而变化。DOEWG阵列的辐射元件102可以是线性阵列(如图所示)、二维阵列、单个元件或辐射元件的其他配置。天线100的寄生元件104示出为辐射槽。辐射槽可以是天线块的特征，其被加工到块的顶表面中。每个槽的深度可以小于顶层120的厚度。在各种实施例中，可以调节寄生元件104的各个槽的长度、深度、位置和间隔。各个槽的长度、深度、位置和间隔可以控制槽如何耦合和辐射表面波。在一些示例中，寄生元件104可以通过表面的计算机数字控制(CNC)加工来创建。另外，在一些示例中，寄生元件104可以部分地或完全地填充有电介质材料。此外，在一些示例中，寄生元件104可具有可调节的高度。可调节高度可以使寄生元件104能够具有可重新配置的图案。例如，可以调节高度以使高度为零，有效地移除一个或多个寄生元件104。寄生元件104也可以以其他方式产生。
在一些示例中，天线100可以包括发射阵列106和接收阵列108。尽管通常将关于发射阵列106描述本寄生部件，但是它们可以类似地放置在接收阵列108附近。通过将寄生部件放置在接收阵列108附近，也可以改善接收阵列108的接收特性。此外，在这样的示例性实施例中，除了示例天线100的其他尺寸之外或可替代地，这些尺寸可以加工成具有不小于约0.51mm的误差，但是在其他实施例中，可能需要或多或少的误差。DOEWG阵列的其他尺寸也是可能的。
在一些实施例中，第一和第二金属层110、120可以由铝板(例如约6.35mm的原料)加工而成。在这样的实施例中，第一金属层110的厚度可以为至少3mm(例如约5.84mm至6.86mm)。此外，第二金属层120可以由6.35mm的原料加工成约3.886mm的厚度。其他厚度也是可能的。
在一些实施例中，两个金属层110、120的接合可导致两个层的配合表面之间的空气间隙或其他不连续。在这样的实施例中，该间隙或不连续可以接近(例如尽可能靠近)天线设备的长度的中心，并且可以具有约0.05mm或更小的尺寸。
图1B示出了根据示例性实施例的示例天线150的顶部的组装视图。示例天线150可以类似于图1A的天线100。然而，天线150的发射阵列106可以包括作为凸起元件的寄生元件154。类似于图1A的寄生元件104，图1B的寄生元件154耦合并辐射由天线元件发射的至少一些表面波。寄生元件154在图1B中示出为凸起元件。寄生元件154可以耦合到层120的顶表面。在一些示例中，寄生元件154可以单独加工并且稍后附接到层120的顶表面。在一些示例中，寄生元件154可以由金属制成。在其他示例中，寄生元件154可以由电介质制成。在一些另外的示例中，寄生元件154可以在单独的层中形成，而不是覆盖层120的顶表面的一部分或全部。在一些另外的示例中，天线可以具有槽比如寄生元件104和凸起元件比如寄生元件154。
图1C示出了根据示例性实施例的示例天线160的底部的组装视图。天线160可以是天线100或天线150的底部。在一些示例中，天线160可以是除天线100或天线150之外的天线的底部。如图所示，第一金属层110可以包括多个孔162(通孔和/或盲孔)，其配置成容纳对准销、螺钉等。多个孔162中的一个或多个可以与第二金属层120的孔对准。此外，图1C示出了第一金属层110中的两个端口164、166。端口164、166可以是天线160接收电磁波进入位于天线160内的一个或多个波导信道的地方。端口164、166也可以是天线160将来自位于天线160内的一个或多个波导信道的电磁波耦合到后续处理的地方。在一些示例中，端口164、166可以是双向的，配置成将信号耦合到天线160中和耦合来自天线160的信号。
图2A示出了根据示例性实施例的示例天线的第一层200。波导的虚线(全部使用)表示馈电波导的波束形成分量。如前所述，当前公开的寄生元件(图2A中未示出)可以通过消除或减少对复杂波束形成结构的需要来降低天线系统的复杂性。然而，寄生元件可以用在包含这些复杂波束形成结构的系统中。图2A和2B的示例天线是示出波束形成网络的示例天线。在该示例中，第一金属层200包括多个波导信道202的第一半部。这些波导信道202可包括多个细长段204。在每个细长段204的第一端206处可以是多个共线波导向构件208，每个都具有与其他波导向构件相似或不同的尺寸。根据以上描述，细长段204的第一端206在这里可以称为波辐射信道的第一半部。
在与第一端206相对的信道202的第二端210处，细长段204中的一个可包括通孔212(即输入端口)。给定量的功率可以用于将相应量的电磁波(即能量)馈送到设备中，并且通孔212可以是这些波被馈送到设备中的位置。根据以上描述，包括输入端口的波导信道202的单个信道/段在本文中可以称为输入波导信道。
在进入设备时，电磁波通常可以在+x方向上行进，如图所示，朝向功率分配器阵列214(即“波束形成网络”)。阵列214可以用于分割电磁波并将波的相应部分传播到每个细长段204的相应第一端206。更具体地，在将阵列214朝向波导向构件208离开之后，波可以继续沿+x方向传播。根据以上描述，波导信道的阵列214部分在这里可以称为分波信道。
当电磁波的部分到达波导信道202的每个细长段204的第一端206处的波导向构件208时，波导向构件208可以通过电磁能量的相应子部分传播到波导信道的第二半部(即沿+z方向，如图所示)。例如，电磁能量首先可以到达凹陷或进一步加工到第一金属层200中的波导向构件(即凹口)。该凹陷构件可以配置成比在进一步沿着第一端206的每个后续构件传播更小分数的电磁能量，第一端206可以是突出构件而不是凹陷构件。此外，每个后续构件可以配置成比在其之前的构件传播在第一端206处沿着该特定细长段204行进的更大分数的电磁波。这样，第一端206的远端处的构件可以配置成传播最高分数的电磁波。每个波导向构件208可以采用各种尺寸的各种形状。在其他示例中，一个以上的构件(或者没有构件)可以是凹陷的。还有其他例子也是可能的。另外，可以有不同数量的细长段。
第二金属层可以包含一个或多个波导信道的第二半部，其中一个或多个波导信道的第二半部的相应部分包括与一个或多个波导信道的第一半部的细长段基本上对齐的细长段，并且在细长段的一端，至少一对通孔与至少一个波导向构件部分地对齐，并且配置成辐射从至少一个波导向构件传播的电磁波到第二金属层之外。
在示例中，当两个段在阈值距离内时，或者当段的中心在阈值距离内时，可以认为第二半部的细长段与第一半部的细长段基本上对齐。例如，如果两个段的中心彼此在约±0.051mm内，则可以认为段基本上对齐。
在另一示例中，当组合两个半部时(即当两个金属层连接在一起时)，如果段的第一半部的边缘和段的第二半部的相应边缘彼此在约±0.051mm内，则可以认为段的边缘基本上对齐。
在其他示例中，当连接两个金属层时，一个层可以相对于另一个层成角度，使得它们的侧面彼此不齐平。在这样的其他示例中，当该角度偏移小于约0.5度时，可以认为两个金属层以及因此段的两个半部基本上对齐。
在一些实施例中，至少一对通孔可以垂直于一个或多个波导信道的第二半部的细长段。此外，至少一对通孔中的各对可包括第一部分和第二部分。这样，给定的一对通孔可以在第一部分处相遇以形成单个信道。该单个信道可以配置为接收由相应的波导向构件传播的至少一部分电磁波，并且将至少一部分电磁波传播到第二部分。更进一步地，第二部分可以包括配置为双合透镜(doublet)的两个输出端口，并且可以配置为从该对通孔的第一部分接收至少一部分电磁波，并且将至少该部分电磁波传播到两个输出端口之外。
图2B示出了根据示例性实施例的示例天线的第二层220。第二金属层220可以包括图2A中所示的第一金属层200的多个波导信道202的第二半部(即输入波导信道的第二半部、分波信道和波辐射信道)。如图所示，波导信道202的第二半部可以采用信道的第一半部的一般形式，以便于信道的两个半部的正确对齐。第二半部222的细长段可以包括功率分配器阵列224的第二半部。如上所述，电磁波可以穿过阵列224，在那里它们被分成多个部分，然后这些部分行进(即沿+x方向，如图所示)到细长段222的第二半部的相应端部226。此外，给定细长段的端部226可包括多对通孔228，其可至少部分地与第一金属层200的波导向构件208对齐。更具体地，每对通孔可以至少部分地与对应的波导向构件(也称为反射元件)对齐，使得当电磁波的给定子部分从第一金属层200传播到第二金属层220时，如上所述，这些子部分然后沿-z方向辐射到一对通孔(即一对输出端口)之外，如图所示。同样，给定的波导向构件和相应的一对输出端口的组合可以形成DOEWG，如上所述。
此外，所有DOEWG的组合在本文中可称为DOEWG阵列。在天线理论中，当天线具有较大的辐射孔径(即天线的多少表面区域辐射，其中表面区域包括DOEWG阵列)时，该天线可具有较高的增益(dB)和较窄的波束宽度。这样，在一些实施例中，较高增益的天线可以包括更多信道(即细长段)，每个信道具有更多的DOEWG。虽然图2A和2B中所示的示例天线可适用于自主车辆目的(例如六个细长段，每个段具有五个DOEWG)，但是其他实施例也是可能的，并且这样的其他实施例可以设计/加工成用于各种应用，包括但不限于汽车雷达。
例如，在这样的其他实施例中，天线可以包括最小的单个DOEWG。利用这种布置，输出端口可以在所有方向上辐射能量(即低增益，宽波束宽度)。通常，段/DOEWG的上限可以由用于第一和第二金属层的金属类型确定。例如，具有高电阻的金属可以在波沿着波导信道行进时衰减电磁波。因此，当设计更大的高电阻天线(例如更多信道、更多段、更多DOEWG等)时，通过输入端口注入天线的能量可被衰减到没有太多能量辐射到天线之外的程度。因此，为了设计更大的天线，可以将更少电阻(和更导电)的金属用于第一和第二金属层。例如，在本文所述的实施例中，第一和第二金属层中的至少一个可以是铝。此外，在其他实施例中，第一和第二金属层中的至少一个可以是铜、银或另一种导电材料。此外，铝金属层可以镀覆有铜、银或其他低电阻和/或高电导率材料，以提高天线性能。其他例子也是可能的。
天线可以包括至少一个紧固件，其配置为将第一金属层连接到第二金属层，以便将一个或多个波导信道的第一半部与一个或多个波导信道的第二半部对齐以形成一个或多个波导信道(即将多个分波信道的第一半部与多个分波信道的第二半部对齐，并将多个波辐射信道的第一半部与多个波辐射信道的第二半部对齐)。为了在一些实施例中促进这一点，第一金属层、第一多个通孔(图2A中未示出)可以配置成容纳至少一个紧固件。另外，在第二金属层中，第二多个通孔(图2B中未示出)可以与第一多个通孔基本对齐，并且配置成容纳至少一个紧固件，用于将第二金属层连接到第一金属层。在这样的实施例中，至少一个紧固件可以设置在对齐的第一和第二多个通孔中，并且以使得两个金属层连接在一起的方式固定。
在一些示例中，至少一个紧固件可以是多个紧固件。可以使用机械紧固件(以及用于便于紧固的技术)比如螺钉和对齐销(alignment pin)将两个金属层连接(例如拧紧)在一起。此外，在一些示例中，两个金属层可以彼此直接连接，其间没有粘合剂层。此外，可以使用不同于粘合的方法将两个金属层连接在一起，比如扩散粘合、焊接、钎焊等。然而，在其他示例中，可以使用这样的方法作为用于连接已知或尚未知道的金属层的任何方法的补充或替代。
在一些实施例中，除了第一和/或第二金属层的多个通孔之外或者替代第一和/或第二金属层的多个通孔，可以在第一金属层和/或第二金属层中形成一个或多个盲孔。在这样的实施例中，一个或多个盲孔可以用于紧固(例如外壳螺钉或对齐销)或者可以用于其他目的。
图2C示出了波导240的示例性等距截面图。示例波导240形成有顶部242和底部244。顶部242和底部244在接缝246处耦合。波导包括腔248。在腔248内，电磁能量在波导240的操作期间传播。波导240还可以包括馈电249。馈电249可以用于向波导240中的腔248提供电磁能量。可替代地或另外，可以使用馈电249来允许电磁能量离开波导240。图2C的示例波导240在腔248的高度的中点处具有接缝246。在各种实施例中，顶部242和底部244可以沿波导轴线在各种不同位置耦合在一起。
图3示出了根据示例性实施例的示例功率耦合器。功率耦合器可以用于分割波导中的电磁能量(即功率)。功率耦合器形成在两个波导部分之间，这两个波导部分彼此垂直相邻或水平相邻地对齐。因为功率耦合器形成波束形成网络的一部分，如前所述，所以存在可能不需要功率耦合器的示例，因为寄生元件可以简化天线的设计。
能量可以通过输入波导信道进入天线，并且在每个功率分配器(比如功率分配器370)处被分割(即分裂)成更小的能量部分，并且可以通过后续功率分配器被多次分割，使得将相应量的能量供给到每个馈电波导中。在给定功率分配器处分割的能量的量可以通过功率分配比(即在分割之后，进入一个信道374的能量多少与进入另一个信道376的能量多少之比)来控制。可以基于相应功率分配器的尺寸来调节给定的功率分配比。此外，可以设计/计算每个功率分配器及相关的功率分配比，以便在波辐射信道处实现期望的“功率锥(taper)”。
在示例中，(比如图3中所示)，用于在两个相邻波导374、376之间分配能量的技术可以是使用具有耦合孔372的金属层，比如图3中所示。通过调节耦合孔372的尺寸、形状和位置，可以实现期望的锥形轮廓。此外，两个相邻的波导(每个位于不同的分块部分中)可以耦合到斜坡部分382以形成单个波导。斜坡部分之后的单个波导可以位于分块组件380的公共平面中。
图4示出了在组装的示例天线内部形成的概念波导信道400。更具体地，波导信道400采用图2A和2B的波导信道202的形式。例如，信道400包括到输入波导信道464的输入端口462。信道400还包括分波信道466和多个辐射双合透镜468(即DOEWG阵列)。如上所述，当电磁波在输入端口462处进入信道400时，它们可以沿+x方向行进通过输入波导信道464并且通过分波信道466(例如通过功率分配器)分成多个部分。电磁波的那些部分然后可以沿+x方向行进到相应的辐射双合透镜468，其中那些部分的子部分通过成对的输出端口(例如辐射对470)辐射出每个DOEWG。
在特定的波辐射信道中，一部分电磁波可首先通过具有凹陷波导向构件472的第一DOEWG传播(即反向步骤或“井”)，如上所述。该凹陷波导向构件472可以配置成辐射特定波辐射信道的DOEWG的所有构件的最小分数的能量。在一些示例中，后续的波导向构件474可以形成(例如是突出的，而不是凹陷的)，使得每个后续的DOEWG可以比在其之前的DOEWG辐射更高分数的剩余能量。换句话说，每个波导向构件472、474通常可以形成为进入水平(+x方向)信道(即波辐射信道，或如上所述的“细长段”的“第一端”)的“台阶切割”，并且由天线使用以调节辐射的能量的量与进一步沿着天线传输的能量的量之比。
在一些实施例中，给定的DOEWG可能不能辐射多于阈值能量水平并且可能不能辐射小于阈值能量水平。这些阈值可以基于DOEWG部件(例如波导向构件、水平信道、垂直信道、两个输出端口之间的桥等)的尺寸而变化，或者可以基于与天线相关的其他因素而变化。在一些实施例中，第一和第二金属层可以加工成使得波导信道400的各个侧面具有圆形边缘，例如边缘476、478和480。
图5示出了根据示例性实施例的示例天线的示例性波辐射部分500。图5的波辐射部分500示出了根据示例性实施例的示例天线的示例性波辐射双合透镜。更具体地，图5示出了示例DOEWG500的横截面。如上所述，DOEWG500可包括水平馈电(即信道)、垂直馈电(即双合透镜颈)和波导向构件504。垂直馈电可以配置成将来自水平馈电的能量耦合到两个输出端口502，每个输出端口502配置成将至少一部分电磁波辐射到DOEWG500之外。在一些实施例中，从输入端口的最远DOEWG可以包括位置506处的止回器。止回器可以是相应波导的末端或终端。在最后一个DOEWG之前的DOEWG可以简单地在位置506处打开，并且电磁波可以通过该位置506传播到后续的DOEWG。例如，多个DOEWG可以串联连接，其中水平馈电在多个DOEWG上是公共的(如图6所示)。图5示出了可以调节以调谐耦合到辐射元件中的电磁信号的幅度和/或相位的各种参数。
为了调谐DOEWG比如DOEWG500，可以调谐步骤504的垂直馈电宽度vfeed_a和各种尺寸(例如dw、dx和dz1)，以实现辐射到DOEWG500之外的能量的不同分数。步骤504还可以称为反射部件，因为它反射沿着水平馈电传播到垂直馈电的一部分电磁波。此外，在一些示例中，反射部件的高度dz1可以是负的，即可以在水平馈电的底部下方延伸。类似的调谐机制也可用于调谐寄生分量。例如，寄生分量可以包括垂直宽度和高度的各种尺寸(例如dw、dx和dz1)中的任何一个。
在一些示例中，DOEWG500的每个输出端口502可以具有相关的相位和幅度。为了实现每个输出端口502的期望相位和幅度，可以调节各种几何形状部件。如前所述，台阶(反射部件)504可以引导一部分电磁波通过垂直馈电。为了调节与相应DOEWG500的每个输出端口502相关的幅度，可以调节与每个输出端口502相关的高度。此外，与每个输出端口502相关的高度可以是输出端口502的该馈电部分的高度或深度，并且不仅可以是高度或深度调节，而且它可以是这些变化或台阶或者总体上上升或下降高度或深度中的多个。
如图5所示，可以调节高度dz2和高度dz3以相对于两个输出端口502控制幅度。对高度dz2和高度dz3的调节可以改变双合透镜颈(例如图5的垂直馈电)的物理尺寸。双合透镜颈可具有基于高度dz2和高度dz3的尺寸。因此，当高度dz2和高度dz3针对各种双合透镜改变时，双合透镜颈的尺寸(即双合透镜颈的至少一侧的高度)可以改变。在一示例中，因为高度dz2大于高度dz3，所以与高度dz2相关(即位于其附近)的输出端口502可以以比由与高度dz3相关的输出端口502辐射的信号的幅度更大的幅度辐射。
上述对几何形状的调节也可用于调节寄生元件在天线单元的顶表面上的几何形状。例如，可以调节高度和宽度或将其添加到寄生元件，以便调节系统的辐射特性。可以通过调节寄生元件的几何形状来实现阻抗匹配、相位控制和/或幅度控制。
图6示出了根据示例性实施例的在组装的示例天线内形成的概念波导信道。图6的各种元件可以类似于关于图4描述的那些元件。图6包括在该组辐射元件(示出为辐射对670)的侧面上的一组寄生元件668。
如先前所讨论，该组辐射元件(包括辐射对670)配置为辐射由波导馈送给它们的电磁信号。在辐射元件的操作期间，也可以发射表面波。该组寄生元件668可以配置成辐射表面波的至少一部分。
该组寄生元件668可以是辐射槽的阵列或布置，如示例槽676所示。在图6中，该组寄生元件668是蚀刻到天线块的顶表面中的槽。每个槽的顶部是块的顶表面。该组寄生元件668的每个槽的顶部位于与每个辐射元件(比如辐射对670)的顶部相同的平面中。然而，在其他示例中，一些寄生元件668可以位于不同的平面中，比如安装在天线块的顶表面上。在进一步的示例中，寄生元件668可以采用除辐射槽之外的形式，比如贴片、表面安装部件、电介质表面、菲涅耳(Fresnel)图案和/或不同材料。在一些示例中，寄生元件668可以使用各种不同辐射特征的组合。例如，一些寄生元件668可以是填充有电介质的辐射槽，而其他槽是空气填充的。
图7A示出了示例天线700的概念截面图。示例天线700可包括两个电磁馈电702A-B和多个寄生元件704A-F。两个电磁馈电702A-B可以是先前描述的辐射元件。在一些示例中，来自两个电磁馈电702A-B的信号可以同相或异相馈送。通过控制两个电磁馈电702A-B之间的相位，可以控制天线块辐射信号的角度。控制天线块辐射信号的角度可以称为波束控制。另外，当两个电磁馈电702A-B导致辐射信号(即电磁能量)时，也可以发射表面波。表面波可以作为电磁电流在天线块的表面上远离两个电磁馈电702A-B传播。
多个寄生元件704A-F可以能够捕获并重新辐射表面波中存在的一些或全部电磁能量。在各种实施例中，各种寄生元件704A-F可具有不同的深度和位置。另外，寄生元件704A-F可以采用辐射槽、辐射孔或其他不同结构的形式。
通过调节寄生元件704A-F的深度、宽度和位置，可以调节寄生元件704A-F的辐射特性。在一些示例中，寄生元件704A-F的尺寸可以基于期望的波束图案来设计。例如，与不具有寄生元件704A-F的天线块相比，寄生元件704A-F可以导致调节波束宽度和/或波束方向。另外，也可以调节电磁馈电和寄生元件的数量。
图7B示出了示例天线720的概念截面图。示例天线720可以类似于图7A的示例天线700。示例天线720可以包括两个电磁馈电722A-B和多个寄生元件724A-F。与示例天线700不同，示例天线720的寄生元件724A-F升高到示例天线720的天线块的表面上方。如前所述，寄生元件724A-F可以是金属的或由电介质制成。可以制成寄生元件724A-F的材料取决于寄生元件724A-F的期望辐射特性。寄生元件724A-F可以采用凸起元件(即反向槽)或其他元件的形式，比如表面安装部件或贴片。
图7C示出了示例天线740的概念截面图。示例天线740可以类似于图7A的示例天线700和/或图7B的示例天线720。示例天线740可以包括两个电磁馈电742A-B和多个寄生元件744A-F。与示例天线700、720不同，示例天线740的寄生元件744A-F包括可调节部件746A-F。可调节部件746A-F可具有金属顶表面。可调节部件746A-F可以基于施加的信号改变厚度。通过调节可调节部件746A-F，可以控制寄生元件744A-F的深度(或高度)。在一些示例中，可以在雷达单元的操作期间调节寄生元件744A-F。通过调节寄生元件744A-F，可以在天线单元的操作期间调节天线单元的辐射特性。调节可以包括控制天线单元的波束宽度、波束角度和/或效率。
图8示出了操作示例天线的方法800。方法800可以通过经由端口将电磁能量耦合到天线块中而在方框802处开始。一个端口(或多个端口)可以位于天线块的底表面中。端口可以耦合到电路板，该电路板配置为将电磁信号传播到天线块和从天线块传播电磁信号。
在方框804处，方法800包括将耦合的电磁能量的第一部分从端口传播到天线阵列。端口可以经由波导网络耦合到天线阵列。波导可以配置为既将电磁能量从端口传播到天线阵列，又将电磁能量分裂到天线阵列的各个天线。在一些示例中，波导网络可以是反应性的，即没有功率吸收部件。在其他示例中，波导网络还可以包括功率吸收部件。在各种不同的示例中，波导网络可以基于天线块的各种部件的布局而采取不同的形式。
在方框806处，方法800包括辐射波导传播的电磁能量的至少一部分。传播到天线阵列的电磁能量可以由形成天线阵列的天线元件辐射。一部分电磁能量将作为辐射信号由阵列辐射到自由空间中。另一部分电磁能量将作为表面波沿着天线块的顶表面发射。表面波通常是不希望的，因为它们可能导致天线单元具有较低的效率。然而，如果可以捕获并辐射表面波，则可以提高天线的效率。
在方框808处，方法800包括辐射表面波中的至少一部分电磁能量。表面波可以被位于天线块的表面上的寄生元件捕获和重新辐射。如前所述，寄生元件可以采用许多形式，比如辐射槽、贴片、表面安装元件、电介质表面、菲涅耳图案和/或不同材料。基于寄生元件的设计，可以控制和优化天线块的整体辐射特性。例如，表面波中的能量可以与由阵列辐射的能量同相地传输，以便增加阵列的性能。
应理解，本文描述的布置仅用于举例的目的。因此，本领域技术人员将理解，可以替代地使用其他布置和其他元件(例如机器、设备、接口、功能、顺序和功能分组等)，并且可以根据期望的结果完全省略一些元件。此外，所描述的许多元件是功能实体，其可以以任何合适的组合和位置实现为离散或分布式部件或与其他部件结合。
虽然本文已经公开了各个方面和实施例，但是其他方面和实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。本文公开的各个方面和实施例是出于说明的目的而不旨在是限制性的，范围由所附权利要求指示。

Claims (20)

1.一种天线块，包括：
位于天线块的底表面上的端口；
位于天线块的顶表面上的天线阵列；
天线块中的一组波导，其配置为将天线阵列耦合到端口；以及
至少一个表面波辐射器，其中，所述至少一个表面波辐射器位于天线块的顶表面上。
2.根据权利要求1所述的天线块，其中，所述至少一个表面波辐射器包括槽。
3.根据权利要求1所述的天线块，其中，所述至少一个表面波辐射器包括凸起元件。
4.根据权利要求1所述的天线块，其中，所述至少一个表面波辐射器包括贴片。
5.根据权利要求1所述的天线块，其中，所述至少一个表面波辐射器包括电介质辐射器。
6.根据权利要求1所述的天线块，其中，所述至少一个表面波辐射器包括多个表面波辐射器。
7.根据权利要求6所述的天线块，其中，所述多个表面波辐射器布置成阵列。
8.根据权利要求1所述的天线块，其中，所述至少一个表面波辐射器配置为操纵来自天线块的辐射波束。
9.一种方法，包括：
通过位于天线块的底表面上的端口将电磁能量耦合到天线块中；
通过天线块中的一组波导，将耦合的电磁能量的第一部分从所述端口传播到位于天线块的顶表面上的天线阵列，其中，耦合的电磁能量的第二部分存在于天线块中的表面波中；
通过天线阵列辐射波导传播的电磁能量的至少一部分；以及
通过位于天线块的顶表面上的至少一个表面波辐射器辐射表面波中存在的至少一部分电磁能量。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述至少一个表面波辐射器包括槽。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述至少一个表面波辐射器包括凸起元件。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述至少一个表面波辐射器包括贴片。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述至少一个表面波辐射器包括电介质辐射器。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述至少一个表面波辐射器包括多个表面波辐射器。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述多个表面波辐射器布置成阵列。
16.根据权利要求9所述的方法，其中，所述至少一个表面波辐射器配置为操纵来自天线块的辐射波束。
17.根据权利要求9所述的方法，还包括调节波束传输角度。
18.一种系统，包括：
包括端口的底部块；
包括天线阵列的顶部块；
在所述顶部块和底部块的耦合位置处的接缝，其中，所述接缝限定波导网络的中心，该波导网络配置为将端口耦合到天线阵列；以及
所述顶部块中的至少一个表面波辐射器。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述至少一个表面波辐射器包括位于天线阵列的两个相对侧上的一组槽。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述一组槽中的每个槽具有可调节深度、电介质辐射器和可变槽图案中的至少一个。
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