CN112424995A - 用于束转向和聚焦的天线装置 - Google Patents

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Abstract

本公开的一个实施例可以提供一种天线装置，包括：信号分离单元，用于分离从信号源接收的第一信号来生成包括具有相同相位的N个信号；信号源虚拟束调节单元，用于使第二信号中包括的每个信号的相位移位来生成包括N个信号的第三信号；发射束调节单元，用于使第三信号中包括的每个信号的相位移位0度或180度来生成包括N个信号的第四信号；以及发射单元，包括用于发射第四信号中包括的每个信号的N个发射天线。

Description

用于束转向和聚焦的天线装置
技术领域
本公开涉及一种用于束转向和聚焦的天线装置。
背景技术
最近，由于束转向和束聚焦技术被用于5G通信、无线电力传输(WPT)系统和汽车雷达中，因此正在研究开发低损耗、高增益、小尺寸、宽转向角并且价格低廉的天线。特别地，在毫米波应用中需要一种简单而有效的天线阵列技术。
发明内容
技术问题
根据本公开的实施例，提供了一种用于束转向和聚焦的有效天线装置。
问题的解决方案
根据本公开的一方面，提供了一种天线装置，包括：信号分离器，其被配置成通过分离从信号源接收的第一信号来生成包括N个同相信号的第二信号；信号源虚拟束调节器，其被配置成通过使第二信号中包括的每个信号的相位移位来生成包括N个信号的第三信号；发射束调节器，其被配置成通过使第三信号中包括的每个信号的相位移位0度或180度来生成包括N个信号的第四信号；以及发射器，其包括分别发射第四信号中包括的N个信号的N个发射天线。
根据实施例，信号分离器可以包括：信号提供器，其发射第一信号；以及接收器，包括从信号提供器接收第一信号的N个接收天线，其中，从信号提供器发射的第一信号被N个接收天线以相同的相位接收。
根据实施例，N个接收天线可以被布置在信号提供器的辐射近场区域中。
根据实施例，N个接收天线可以被布置在平面中，并且信号提供器可以包括波导，该波导被配置成发射第一信号以作为平面波到达N个接收天线。
根据实施例，N个接收天线可以以均匀的距离布置在平面中，并且信号提供器可以包括以均匀的距离布置在平面中的N个发射天线。
根据实施例，N个接收天线可以以均匀的距离布置在平面中，并且信号提供器可以包括准周期性地布置在平面中以对应于均匀距离的N个发射天线。
根据实施例，N个接收天线可以是形成在地面上的缝隙天线，并且信号源虚拟束调节器可以经由带状线耦合到缝隙天线。
根据实施例，信号源虚拟束调节器可以使第二信号中包括的每个信号的相位移位，以使得第三信号中包括的每个信号的相位等于当从一个点发射第一信号时将到达N个发射天线的第一信号的相位。
根据实施例，N个发射天线可以以均匀的距离布置在平面中，并且信号源虚拟束调节器可以使第二信号中包括的每个信号的相位移位，使得第三信号中包括的每个信号的相位等于当在垂直于平面的方向上与平面中心相距一定距离的点发射第一信号时将到达N个发射天线中的每一个的第一信号的相位。
根据实施例，信号源虚拟束调节器使第二信号中包括的每个信号的相位移位的每个值可以是固定值。
根据实施例，信号源虚拟束调节器可以经由延迟线使第二信号中包括的每个信号的相位移位固定值。
根据实施例，与第二信号中包括的信号相关的延迟线之间的长度差可以被限制在波长内。
根据实施例，在假设第三信号中包括的信号具有相同相位的情况下，根据用于调节发射束的每个信号的相移值，发射束调节器可以确定将0度或180度的相移值应用于每个信号。
根据实施例，在假设第三信号中包括的信号具有相同相位的情况下，根据通过将信号源虚拟束调节器中的每个信号的相移值与用于调节发射束的每个信号的相移值相加而获得的值，发射束调节器可以确定将0度或180度的相移值应用于每个信号。
根据实施例，在假设第三信号中包括的信号具有相同相位的情况下，根据通过从调节发射束的每个信号的相移值减去信号源虚拟束调节器中的每个信号的相移值而获得的值，发射束调节器可以确定将0度或180度的相移值应用于每个信号。
根据实施例，N个发射天线中的每一个可以是具有对角倒角边缘的矩形贴片形式，使得发射信号被圆偏振。
根据实施例，天线装置可以包括多层基板，该多层基板包括三个主层，其中多层基板的第一主层包括具有贴片天线的发射器和具有开关元件的发射束调节器，该开关元件能够将贴片天线的辐射信号的相位改变0度或180度，多层基板的第一主层下方的第二主层包括信号源虚拟束调节器，该信号源虚拟束调节器包括具有延迟线的固定相移部分，并且多层基板的第二主层下方的第三主层包括具有接收天线阵列的接收器。
根据实施例，天线装置可以包括多层基板，该多层基板具有两个主层，其中，多层基板的第一主层包括具有贴片天线的发射器和具有开关元件的发射束调节器，该开关元件能够使贴片天线的辐射信号的相位改变0度或180度，多层基板的第一主层下访的第二主层包括信号源虚拟束调节器，该信号源虚拟束调节器包括具有延迟线的固定相移部分，并且多层基板的第二主层下方的接地层包括具有缝隙天线阵列的接收器。
根据本公开的实施例，提供了一种天线装置，该天线装置包括：接收器，包括N个信号接收器；信号源虚拟束调节器，其被配置成使由N个信号接收器接收的N个信号中的每一个信号的相位移位；发射束调节器，其被配置成使由信号源虚拟束调节器相移的N个信号中的每一个信号的相位移位0度或180度；以及发射器，其包括分别发射由发射束调节器相移的N个信号的N个发射天线。
根据实施例，当N个信号接收器接收到相同的第一信号时，信号源虚拟束调节器可以使由N个信号接收器接收的N个信号的每一个信号的相位移位，使得由信号源虚拟束调节器相移的N个信号中的每一个信号的相位等于当从一个点发射第一信号时将到达布置在平面中的N个发射天线中的每一个的第一信号的相位。
本公开的实施例包括存储在计算机可读记录介质中的程序，该程序用于在计算机上执行根据本公开实施例的方法。
本公开的实施例包括其上记录有用于在计算机上执行根据本公开实施例的方法的程序的计算机可读记录介质。
本公开的有益效果
根据本公开的实施例，提供了一种简单、小型、低价且有效的天线装置。
附图说明
图1示出了根据本公开实施例的天线装置的结构。
图2a示出了根据本公开实施例的可控天线阵列的单位单元结构的侧视图和单元的第三主层的平面图。
图2b示出了根据本公开实施例的可控天线阵列的单位单元结构的侧视图和单元的第二主层的平面图。
图2c示出了根据本公开实施例的可控天线阵列的单位单元结构的侧视图和单元的第一主层的平面图。
图3示出了根据现有技术的根据控制TX元件的相位的方法的束转向/聚焦方法。
图4示出了图3的束转向/聚焦方法的模拟示例。
图5示出了根据本公开实施例的基于虚拟焦点的转向/聚焦方法。
图6示出了图5的束转向/聚焦方法的模拟示例。
图7示出了根据本公开的替代实施例的固定馈电阵列的准周期结构。
图8示出了根据本公开的替代实施例的可控天线阵列的单位单元结构的侧视图(截面图)和单元的第二主层的平面图。
图9示出了可控天线阵列的单位单元的第一主层的贴片天线的替代实施例。
图10是示出了根据本公开实施例的天线装置的结构的示意性框图。
图11是根据本公开实施例的信号分离器的结构的示意性框图。
图12是示出图11中所示的信号分离器的详细结构连同图10中所示的天线装置的结构的框图。
具体实施方式
为了阐明本公开的技术精神，将参考附图详细描述本公开的实施例。在本公开的描述中，当认为相关技术或组件的某些详细解释可能不必要地使本公开的本质模糊时，省略了对这些进行详细解释。即使在不同的附图中示出，在附图中具有基本相同的功能配置的组件也尽可能用相同的附图标记和符号来标记。为了便于描述，将在必要时一起描述设备和方法。
图1示出了根据本公开实施例的天线装置的结构。参考图1，根据本公开实施例的天线装置可以包括固定馈电阵列和可控天线阵列(离散控制透镜)。天线装置可以用于发射或接收，下面为了方便，将主要描述用于发射的天线装置。两个天线阵列的横向尺寸可以基本相同。至少在相互作用区域中，固定阵列和可控天线阵列的孔可以是相同的。固定馈电阵列可以通过输入端接收能量，并且将接收到的能量进行分配(divide)，并将其提供给N个天线辐射元件，以形成辐射孔。固定馈电阵列需要具有低损耗。为此，可以基于金属波导结构形成固定馈电阵列。固定馈电阵列的辐射元件可以周期性地布置在可控天线阵列的对应接收元件(RX元件)的前面。固定馈电阵列的辐射元件和可控天线阵列的接收元件可以彼此平行地布置。
因此，固定馈电阵列可以包括具有多个输出的功率分配(dividing)电路，其中每个输出可以激发单个辐射元件或一组辐射元件。功率分配电路可以基于金属波导结构。固定馈电阵列可以辐射具有线性偏振的波。任何合适的天线阵列都可以用作提到的馈电阵列，包括但不限于至少以下各项：
1)具有功率分配电路的开口矩形波导的阵列。在这种情况下，功率分配电路可以是二维结构，其中实现与孔元件的数量相等的输出数量。
2)带缝矩形波导的阵列。在这种情况下，功率分配电路可以是一维结构，其中实现与带缝波导的数量相等的输出数量。
3)带缝径向波导阵列。在这种情况下，功率分配电路可以是多部分(multi-sectional)径向波导，其中根据固定阵列的孔的形状形成狭槽
4)狭槽阵列，包括脊隙波导功率分配器/耦合器。在这种情况下，功率分配器/耦合器可以是其中实现与狭槽数量相等的输出数量的2D结构。
可控天线阵列用于束转向或束聚焦。可控天线阵列可以具有包括以下三个主层的多层平面结构(多层印刷电路板)。
-第一主层可以包括周期性地布置并且具有能够在0度或180度的值之间辐射/接收信号的相移的可重构结构的发射元件(TX元件)。此处，0度和180度可以是TX元件的预定义的任意状态。
-第二主层可以包括具有固定相移的耦合结构，其耦合TX元件和RX元件。
-第三主层可以包括周期性布置的RX元件，并且接收来自固定馈电阵列的辐射元件的辐射。
固定馈电阵列和可控天线阵列的元件之间的周期(间隔)可以相同，并且相对于x轴和y轴可以表示为Dx、Dy。可以根据如下的单束转向条件来选择周期。
Figure BDA0002816757390000061
此处，λ表示波长，并且θS max表示最大束转向角。
Dx，y可以≥λ/2。
可以根据以下公式确定两个阵列之间的距离。
Dcoupling＜2Darray 2/λ
此处，Darray表示可控天线阵列的最大长度。
同时，阵列之间的距离需要足够高，以排除固定馈电阵列的辐射元件的反应场耦合到可控天线阵列的可能性。即，Dcoupling应该＞λ/4。上述假设表明阵列布置在菲涅耳区域中，即，在阵列的辐射近场区域中。
可控天线阵列的RX元件的设计被优化为接收平面波。即，可控天线阵列的RX元件需要相对于入射平面波具有最小反射系数。可控天线阵列的TX元件需要在所需的束控制范围内以最小反射系数进行操作。可控天线阵列是由三个主层组成的平面多层印刷电路板(PCB)，在三个主层之间有接地层。
现在将参考图2a至图2c以TX模式来描述可控天线阵列的单位单元的操作，即当信号从天线的输入端经由固定馈电阵列传输到可控天线阵列时。
图2a示出了根据本公开实施例的可控天线阵列的单位单元结构的侧视图(截面图)和单元的第三主层的平面图。单元的第三主层可以包括在具有线性偏振的矩形贴片天线中的接收天线元件(RX元件)。根据另一实施例，椭圆形贴片元件可以用作接收天线元件。贴片天线可以经由穿过第二接地层的窗口的电镀通孔连接到第二主层。可以根据多层印刷电路板的标准生产技术来制造通孔。第二接地层可以为第三主层的贴片天线提供屏蔽，并且为第二主层的传输线提供屏蔽。由固定馈电阵列的元件辐射的电磁场可以由可控天线阵列的RX元件接收，并且可以传送到第二主层以进行相移并进一步传输到TX元件。
根据另一实施例，可以通过第二接地层的缝隙孔在贴片天线与第二主层之间进行连接。狭槽孔可以制成矩形或哑铃形狭槽形状。在这种情况下，与狭槽孔的长边正交的条形导体可以连接到第二接地层侧的贴片天线。
图2b示出了根据本公开实施例的可控天线阵列的单位单元结构的侧视图(截面图)和单元的第二主层的平面图。电磁信号可以通过从第三主层连接到第二主层的通孔进入第二主层的条状通信线。然后，信号可以通过固定相移部分，该固定相移部分以具有长度LPS的延迟线(传输线)的形式形成。可控天线阵列的每个单位单元可以具有传输线，该传输线具有其自己的根据稍后描述的原理计算的独特LPS。另外，毫米波电磁信号可以通过从第二主层连接到第一主层的通孔穿过第一接地层的窗口，以被提供给TX元件。同时，低频控制信号可以通过从第二主层连接到第一主层的通孔从低频控制线应用于TX元件。为了使低频控制信号和毫米波信号解耦，可以使用带阻滤波器来防止毫米波信号到达低频控制信号。这可以是由传输线的并行连接的1/4波开放段或并行连接的径向线段(图中示出)形成的滤波器，该段嵌入在低频控制线与从第二主层连接到第一主层的通孔之间。低频控制信号可以是DC信号。
图2c示出了根据本公开实施例的可控天线阵列的单位单元结构的侧视图(截面图)和单元的第一主层的平面图。第一主层可以包括呈矩形贴片天线形式的TX元件，其具有对角倒角的边缘以通过圆偏振来激发辐射。可以在贴片天线中形成狭槽，并且在狭槽中，通孔可以从第二主层到第一主层。通过将贴片天线的主要部分连接到从第二主层到第一主层的通孔，可以通过使用可控开关元件激发贴片天线。开关元件具有相同的取向，如图2c中所示，并且当向从第二主层连接到第一主层的通孔施加控制电压时，两个开关元件中的仅一个闭合，而另一个开关元件保持断开。在这种情况下，TX元件以0度或180度的相位形成圆偏振辐射。当控制电压的极性相反时，闭合的开关元件断开，而断开的开关元件闭合。
此处，激励电流改变其方向，因此，TX元件的辐射场的相位反转。贴片天线的结构可以经由由毫米波带阻滤波器连接的接地通孔接地。需要上述接地以实现开关元件的低频控制。当经由从第二主层连接到第一主层的通孔将控制电位提供给以结构为中心的可控元件时，可以将接地设计为在贴片天线的表面上提供零电位。在该实施例中，低频控制信号需要是双极性的(例如，±1V)。即，当提供信号时，一个元件闭合，而另一个元件闭合，并且当信号的极性改变时，发生相反的情况。
因此，实现了可控天线阵列单元的辐射的1位(0度、180度)相位控制。根据本公开实施例的天线具有紧凑的尺寸、低损耗和简单的架构。在如上所述的单位单元结构中，PIN二极管、MEMS开关、光电导开关等可以用作开关元件。
在RX模式中，上述天线如下操作。信号从自由空间传送到可控阵列的TX元件，通过交互作用区域传送到固定阵列元件，并通过固定阵列分离系统传送到与接收器相连的固定阵列的输出端。
现在将参考图3描述根据现有技术的根据控制TX元件的相位的方法的束转向/聚焦方法。
来自固定馈电阵列(未示出)的平面波到达可控天线阵列。在本实施例中，可控天线阵列中没有固定的相移。可控天线阵列由来自固定馈电阵列的平面波激发，因此，由可控天线阵列的所有RX元件接收的辐射具有相同的相位。在这种情况下，为了在特定点M上调节辐射的焦点，需要实现第i TX元件的以下相移。
Figure BDA0002816757390000091
此处，
Figure BDA0002816757390000092
其中Ri表示具有坐标(xi、yi、0)的第i个元件与具有坐标(x、y、z)的焦点M之间的距离。
可以将
Figure BDA0002816757390000093
转换成两个状态以确定TX元件的可控状态。例如，通过从
Figure BDA0002816757390000094
去除2π的整数倍，可以根据以下关系来确定TX元件的可控状态。
Figure BDA0002816757390000095
State
此处，
Figure BDA0002816757390000096
a mod b表示用于求除法的余数的运算，a是除数，并且b是除数。
当在方向
Figure BDA0002816757390000097
上转向辐射时，可以基于以下等式确定第i TX元件的相移。
Figure BDA0002816757390000098
此处，θS、
Figure BDA0002816757390000099
分别表示所需的束转向方向的仰角和方位角。
通过使用上述转向/聚焦方法，生成了寄生“镜”效应。这表明除了主束或焦点之外，还形成了镜面束或焦点。
图4示出了图3的束转向/聚焦方法的模拟示例。在示例性实施例中，存在具有Dx，y＝0.6λ的TX元件(16×16)的阵列，并且将在坐标θS＝30度和
Figure BDA00028167573900000910
的方向上使束转向。
图4的左部分示出了相对于TX元件的16×16阵列的相位分布(0度、180度)的结果。图4的右部分示出了在
Figure BDA00028167573900000911
的横截面中的阵列的计算的辐射图。如辐射图所指示，通过使用根据图3的控制Tx元件的相位的方法，可以形成寄生镜束。寄生镜束可能是非常不利的，因为寄生镜束的存在导致能量损失等于主束的能量，从而降低了使用毫米波天线阵列时无线系统的效率。将菲涅耳透镜原理直接应用于转向透镜阵列时，这是主要的缺点。
现在将参考图5描述根据本公开实施例的基于虚拟焦点的转向/聚焦方法。根据本公开的实施例，提出了可控天线阵列的每个单位单元的固定相移。为了补偿镜面效果，假设可控天线阵列从虚拟焦点(虚拟点辐射器)以球面波辐射，虚拟焦点的坐标为(0、0、-F)。真实(real)可控天线阵列从固定馈电阵列以平面波辐射。为了引入虚拟焦点(模拟)的效果，可使用单元的第二主层中的固定相移部分来添加可控天线阵列的每个单位单元的相移。每个固定的相移部分需要具有如下的相移。
Figure BDA0002816757390000101
因此，可以根据以下公式来计算第i单位单元的延迟线相对于具有可控天线阵列的最小相移的单位单元的延迟线的长度LPS min的长度增量ΔLPSi。
Figure BDA0002816757390000102
此处，相移min
Figure BDA0002816757390000103
对应于具有可控天线阵列的最小相移的单位单元的相移，并且βPS是固定相移部分的传播常数。
Figure BDA0002816757390000104
具有最小相移的单位单元可以是在可控天线阵列的中心的单位单元。
LPS min可以形成为构成可控天线阵列的第二主层的毫米波信号传输线的特定跟踪配置。LPS min可以是将第二主层连接到第一主层和第三主层的两个通孔之间的传输线的最小长度。
因此，第i单位单元的固定相移部分的长度可以如下计算。
LPSi＝LPS min+ΔLPSi
为了实现束聚焦/转向，可以考虑每个第i单元的总相移。
Figure BDA0002816757390000105
此处，可以根据上述关于束聚焦和转向的公式来计算
Figure BDA0002816757390000106
可以根据上述公式确定TX元件的状态。
可以根据以下公式获得关于可控天线阵列的所有TX元件的最终相位分布。
Figure BDA0002816757390000111
在实施例中，可以将
Figure BDA0002816757390000112
转换为两个状态以确定TX元件的可控状态。例如，可以使用
Figure BDA0002816757390000113
而不是上述公式中的
Figure BDA0002816757390000114
来确定TX元件的状态。即，通过从
Figure BDA0002816757390000115
去除2π的整数倍，可以根据以下关系来确定TX元件的可控状态。
Figure BDA0002816757390000116
此处，
Figure BDA0002816757390000117
可以根据以下公式获得相对于可控天线阵列的所有TX元件的最终相位分布。
Figure BDA0002816757390000118
根据另一实施例，为了实现束聚焦/转向，可以考虑每个第i个单元的补偿相移。
Figure BDA0002816757390000119
此处，可以根据上述关于束聚焦和转向的公式来计算
Figure BDA00028167573900001110
最后，可以将
Figure BDA00028167573900001111
转换为两个状态以确定TX元件的可控状态。例如，可以使用
Figure BDA00028167573900001112
代替上述公式中的
Figure BDA00028167573900001113
来确定TX元件的状态。即，通过从
Figure BDA00028167573900001114
去除2π的整数倍，可以根据以下关系确定TX元件的可控状态。
Figure BDA00028167573900001115
此处，
Figure BDA00028167573900001116
可以根据以下公式获得相对于可控天线阵列的所有TX元件的最终相位分布。
Figure BDA00028167573900001117
图6示出了图5的束转向/聚焦方法的模拟示例。在示例性实施例中，存在具有Dx，y＝0.6λ的TX元件(16×16)的阵列，并且束将在坐标θS＝30度且
Figure BDA00028167573900001118
的方向上被转向。虚拟焦点的位置为F＝6λ。
图6的左部分示出了相对于TX元件的16×16阵列获得的相位分布。图6的右部分示出了计算的辐射图。如辐射图所示，通过使用本公开的控制TX元件的相位的方法，没有形成寄生束。因此，根据本实施例，损耗大大低于图4的实施例。
根据本公开的天线，束转向和束聚焦两者都是可行的。在这种情况下，通过使用虚拟焦点，该虚拟焦点将导致方向图的特性与具有在与可控透镜阵列平面相距一定距离的真实焦点处的辐射器的透镜阵列的方向图相似，从而可以消除反射镜效果。实际的焦距通常类似于阵列的水平尺寸。与根据现有技术的结构相比，根据本公开的天线的整体尺寸具有明显较小的尺寸。
可以使用执行记录到计算机可读介质的程序代码的处理装置来实现根据本公开的天线控制方法。
在下文中，将描述本公开的替代实施例。
根据图7中所示的本公开的替代实施例，基于技术要求，固定馈电阵列可以具有准周期结构。即，固定馈电阵列的辐射元件可以沿x轴和y轴准周期性地布置。考虑到与固定阵列元件的激励通道的布线有关的工程考虑，元件的布置可以是优选的。在这种情况下，可控天线阵列的RX元件和TX元件可以被周期性地布置。固定馈电阵列的元件可以被分组为例如N1个元件的组，并且固定馈电阵列的元件在x和y轴上的组中的距离不等于可控天线阵列的元件之间的距离，因此D′x(y)≠Dx(y)。然而，固定馈电阵列的元件组可以以N1*Dx(y)的周期来周期性地布置。根据上述布置，可以增加天线的面积。
在图8所示的天线阵列的单位单元结构的替代实施例中，与图2a至图2c的实施例相比，不存在具有接收贴片天线的第三主层。在该实施例中，激励信号通过第二接地层的狭槽(缝隙天线)进入，并通过电磁耦合被第二主层的带状线链路接收。在本实施例中，第二接地层形成缝隙天线的导电元件，并且也相对于第二主层的传输线屏蔽。根据本实施例的可控天线阵列的单位单元以与图2b和图2c的实施例类似的方式操作。根据本实施例，提供了可控天线阵列的更简单的单元结构。与可控天线阵列的贴片元件相比，上述实施例具有匹配可控天线阵列的开槽RX元件的较窄带宽。
图9示出了可控天线阵列的单位单元的第一主层的贴片天线的替代实施例。在图9所示的本公开的替代实施例中，可以将线性偏振的矩形贴片天线用作可控天线阵列的单位单元的第一主层的TX元件。以上实施例在线性偏振通信系统中可以是有用的。
根据另一替代实施例，如下所述，可控天线阵列的每个单元的固定相移部分提供的相移可以减小2π弧度的整数倍：
Figure BDA0002816757390000131
这可以减小可控天线阵列的单元的固定相移部分的所需长度，从而减小天线阵列中的损耗和损耗的大小。
虽然根据本公开的天线可以在毫米波长范围中使用，但是可替代地，可以使用电磁波的辐射和受控的转向/聚焦是可能的任意波长范围。例如，可以使用短波、亚毫米(太赫兹)辐射等。
根据本公开的具有小尺寸并且非常有效的转向天线阵列系统可以用于5G和WiGig标准的增强型无线通信系统中。在这种情况下，本公开可以应用于基站和终端的天线。在这种情况下，基站可以通过用户之间的时分实现束转向。用户终端的天线可以被转向到基站的位置。
本公开可以应用于所有类型的LWPT系统，即，室外/室内、汽车、移动系统等。在任何情况下，都确保了高功率传输效率。可以使用上述天线阵列结构来建立功率传送设备，因此，可以实现对在近场区域中被充电的设备的束聚焦或者用于将功率传输到位于远场中的设备的束转向。
当用于机器人技术中时，提出的天线可以用于检测/避开障碍物。本公开也可以应用于汽车雷达。
图10是示出根据本公开实施例的天线装置的结构的示意性框图。参考图10，根据本公开实施例的天线装置100可以包括信号分离器110、信号源虚拟束调节器120、发射束调节器130和发射器140。信号分离器110可以生成：第二信号，包括通过分离从信号源接收的第一信号得到的N个同相信号。第二信号是包括多个信号的一组信号。此处，信号的分离可以是信号的功率的分离。信号分离器可以是典型的有线功率分离器，或者也可以通过使用如上所述的天线阵列将信号分离为N个信号。
信号源虚拟束调节器120可以通过使第二信号中包括的每个信号的相位移位来生成包括N个信号的第三信号。第三信号是包括多个信号的一组信号。通过对通过分离从信号源接收到的信号而生成的同相信号的相位进行不同的移位，信号源虚拟束调节器120可以生成效果，就好像从信号源辐射出特定形状的束一样。
信号源虚拟束调节器120可以使第二信号中包括的每个信号的相位移位，使得第三信号中包括的每个信号的相位等于在从一个点发射第一信号的情况下将到达发射器140的N个发射天线中的每一个的第一信号的相位。发射器140的N个发射天线可以布置在平面中。发射器140的N个发射天线可以以均匀的距离布置在平面中。信号源虚拟束调节器120可以使第二信号中包括的每个信号的相位移位，使得第三信号中包括的每个信号的相位等于当从一个点发射第一信号时将到达发射器140的以均匀的距离布置在平面上的N个发射天线中的每一个的第一信号的相位。
发射器140的N个发射天线可以以均匀的距离布置在平面中，并且信号源虚拟束调节器120可以使第二信号中包括的每个信号的相位移位，使得第三信号中包括的每个信号的相位等于当在垂直于平面的方向上从与平面中心相距一均匀距离的点发射第一信号时第一信号将到达发射器140的N个发射天线中的每一个的第一信号的相位。
信号源虚拟束调节器120使第二信号中包括的每个信号的相位移位的每个值可以是固定值。信号源虚拟束调节器120可以经由延迟线将第二信号中包括的每个信号的相位移位固定值。相对于第二信号中包括的信号，延迟线之间的长度差可以大于波长，但是在这种情况下，通过将延迟线的长度减小为波长的整数倍，延迟线之间的长度差可以被限制在波长内。信号源虚拟束调节器120可以包括上述第二主层的固定相移部分。
发射束调节器130可以通过使第三信号中包括的每个信号的相位移位0度或180度来生成包括N个信号的第四信号，并且发射器140可以包括N个发射天线，该N个发射天线发射第四信号中包括的每个信号。即，发射束调节器130可以使经由发射器140的N个发射天线发射的信号的相位移位，以执行束转向或束聚焦。
在假设第三信号中包括的信号具有相同相位的情况下，根据用于调节传输束的每个信号的相移值，传输束调节器130可以确定要应用于每个信号的0度或180度的相移值。此处，发射束的调节可以包括束转向或束聚焦。在假设第三信号中包括的信号具有相同相位的情况下，根据通过将信号源虚拟束调节器120中的每个信号的相移值与用于调节发射束的每个信号的相移值相加而获得的值，发射束调节器130可以确定要应用于每个信号的0度或180度的相移值。在假设第三信号中包括的信号具有相同相位的情况下，根据通过从用于调节发射束的每个信号的相移值减去信号源虚拟束调节器120中的每个信号的相移值而获得的值，发射束调节器130可以确定要应用于每个信号的0度或180度的相移值。
发射器140的N个发射天线中的每一个可以是具有对角倒角的边缘的矩形贴片的形式，使得发射信号被圆偏振。矩形贴片的仅两个相对边缘可以对角倒角。圆偏振可以是不仅包括全圆偏振而且包括椭圆偏振的概念。发射束调节器130可以包括上述第一主层的开关元件，并且发射器140可以包括上述第一主层的贴片天线。
信号源虚拟束调节器120的每个相移值是固定值，并且发射束调节器130的相移值包括0度和180度这两个值，因此，根据本公开的天线装置不需要昂贵的相移设备，并且可以使用每个单元的1位信号来执行束调节。
图11是根据本公开实施例的信号分离器的结构的示意性框图。参考图11，信号分离器110可以包括信号提供器111和接收器112。信号提供器111可以将第一信号发射到接收器112。接收器112可以接收第一信号以输出包括N个同相信号的第二信号。
接收器112可以包括N个信号接收器。信号接收器可以是从信号提供器111接收第一信号的天线。接收器112包括从信号提供器111接收第一信号的N个接收天线，从信号提供器111发射的第一信号可以被N个接收天线以相同相位接收。接收器112的N个接收天线可以被布置在信号提供器111的辐射近场区域中，即，在菲涅耳区域中。接收器112的N个接收天线可以被布置在平面中，并且信号提供器111可以包括波导，该波导被配置成发射第一信号以作为平面波到达N个接收天线。天线布置在平面中可以包括天线布置在直线中。
接收器112的N个接收天线可以以均匀的距离布置在平面中。信号提供器111可以包括N个发射天线，其以与布置接收器112的N个接收天线相同的均匀距离布置在平面上。此处，均匀距离可以指x轴方向上的距离和y轴方向上的距离分别相等。布置接收器112的N个接收天线的平面可以平行于布置信号提供器111的N个发射天线的平面。信号提供器111可以包括N个发射天线，其在准周期地布置在平面中以对应于布置N个接收天线的距离。
接收器112的N个接收天线中的每一个可以是形成在地面上的缝隙天线，并且信号源虚拟束调节器120可以经由带状线耦合到缝隙天线。信号源虚拟束调节器120的带状线可以正交于缝隙天线的孔的长边。
信号提供器111可以包括上述固定馈电阵列的辐射元件，并且接收器112可以包括上述第三主层的接收元件。接收器112可以包括参考图8描述的第二接地层的缝隙天线。
图12是示出图11中所示的信号分离器的详细结构以及图10中所示的天线装置的结构的框图。参考图12，根据本公开实施例的天线装置200可以是透镜装置，该透镜装置中不包括信号提供器111。即，根据本公开实施例的天线装置200可以包括：接收器112，包括N个信号接收器；信号源虚拟束调节器120，使由N个信号接收器接收的N个信号中的每一个的相位移位；发射束调节器130，使由信号源虚拟束调节器120相移的N个信号中的每一个的相位移位0度或180度，以及发射器140，包括N个发射天线，该N个发射天线分别发射由发射束调节器130相移的N个信号。天线装置200可以包括上述可控天线阵列。
当N个信号接收器接收到相同的第一信号时，信号源虚拟束调节器120可以使N个信号接收器接收的N个信号的每一个的相位移位，使得由信号源虚拟束调节器120进行相移的N个信号中的每一个的相位等于当从一个点发射第一信号时将到达布置在平面中的N个发射天线中的每一个的第一信号的相位。
信号源虚拟束调节器120可以使第二信号中包括的每个信号的相位移位，使得第三信号中包括的每个信号的相位等于当从一个点发射第一信号时将到达接收器112的以均匀的距离布置在平面中的N个接收天线中的每一个的第一信号的相位。接收器112的N个接收天线可以以均匀的距离布置在平面中，并且信号源虚拟束调节器120可以使第二信号中包括的每个信号的相位移位，使得第三信号中包括的每个信号的相位等于当第一信号在垂直于平面的方向上从与平面中心相距一均匀距离的点发射时将到达接收器112的N个接收天线中的每一个的第一信号的相位。
在假设要施加0度或180度相移的信号具有相同相位的情况下，根据通过将信号源虚拟束调节器120中的每个信号的相移值与用于调节发射束的每个信号的相移值相加或相减而获得的值，发射束调节器130可以确定要应用于每个信号的0度或180度的相移值。
天线装置200可以包括多层基板，该多层基板包括三个主层；多层基板的第一主层可以包括具有贴片天线的发射器140、以及具有开关元件的发射束调节器130，该开关元件能够将贴片天线的辐射信号的相位改变0度或180度；在第一主层下方的第二主层可以包括信号源虚拟束调节器120，该信号源虚拟束调节器包括具有延迟线的固定相移部分；并且第二主层下方的第三主层可以包括具有接收天线阵列的接收器112。
天线装置200可以包括多层基板，该多层基板包括两个主层；多层基板的第一主层可以包括具有贴片天线的发射器140、以及具有开关元件的发射束调节器130，该开关元件能够使贴片天线的辐射信号的相位改变0度或180度；第一主层下方的第二主层可以包括信号源虚拟束调节器120，该信号源虚拟束调节器包括具有延迟线的固定相移部分；并且第二主层下方的接地层可以包括具有缝隙天线阵列的接收器112。
本公开的实施例可以被编写为可由计算机执行的程序产品，并且所编写的程序可以被存储在计算机可读记录介质中。该计算机可读记录介质包括所有记录介质，诸如磁性介质、光学介质、ROM、RAM等。
已经参考附图中示出的优选实施例详细描述了本公开。实施例应仅在描述性意义上考虑，而不是出于限制的目的。本领域技术人员将理解，在不改变本公开的技术精神或基本特征的情况下，可以容易地以其它特定形式修改这些实施例。例如，可以分配被描述为单一类型的每个元件，并且类似地，被描述为被分配的元件可以被组合。尽管本文使用了特定术语，但是它们仅出于说明本公开的概念的目的而使用，并且不应该理解为限制含义或无意限制权利要求中所定义的本公开的范围。本公开的每个操作不必一定以所描述的顺序执行，并且可以并行地，选择性地或单独地执行。
本公开的范围不是由本公开的详细描述限定，而是由所附权利要求限定，并且该范围内的所有差异将被解释为包括在本公开中。这些等效物不仅包括当前已知的等效物，而且还包括将来要开发的等效物，即，公开的执行相同功能的所有设备，而无论其结构如何。

Claims (20)

1.一种天线装置，包括：
信号分离器，被配置成通过分离从信号源接收的第一信号来生成包括N个同相信号的第二信号；
信号源虚拟束调节器，被配置成通过使所述第二信号中包括的每个信号的相位移位来生成包括N个信号的第三信号；
发射束调节器，被配置成通过使所述第三信号中包括的每个信号的相位移位0度或180度来生成包括N个信号的第四信号；以及
发射器，包括分别发射所述第四信号中包括的N个信号的N个发射天线。
2.根据权利要求1所述的天线装置，其中，所述信号分离器包括：
信号提供器，发射所述第一信号；以及
接收器，包括从所述信号提供器接收所述第一信号的N个接收天线，
其中，从所述信号提供器发射的所述第一信号被所述N个接收天线以相同的相位接收。
3.根据权利要求2所述的天线装置，其中，所述N个接收天线被布置在所述信号提供器的辐射近场区域中。
4.根据权利要求2所述的天线装置，其中，所述N个接收天线被布置在平面中，并且
所述信号提供器包括波导，所述波导被配置成发射所述第一信号以作为平面波到达所述N个接收天线。
5.根据权利要求2所述的天线装置，其中，所述N个接收天线以均匀距离布置在平面中，并且
所述信号提供器包括以所述均匀距离布置在平面中的N个发射天线。
6.根据权利要求2所述的天线装置，其中，所述N个接收天线以均匀距离布置在平面中，并且
所述信号提供器包括准周期性地布置在平面中以对应于所述均匀距离的N个发射天线。
7.根据权利要求2所述的天线装置，其中，所述N个接收天线是形成在地面上的缝隙天线，
所述信号源虚拟束调节器经由带状线耦合到所述缝隙天线。
8.根据权利要求1所述的天线装置，其中，所述信号源虚拟束调节器使所述第二信号中包括的每个信号的相位移位，以使得所述第三信号中包括的每个信号的相位等于当从一个点发射所述第一信号时到达所述N个发射天线中的每一个的所述第一信号的相位。
9.根据权利要求1所述的天线装置，其中，所述N个发射天线以均匀的距离布置在平面中，并且
所述信号源虚拟束调节器使所述第二信号中包括的每个信号的相位移位，使得所述第三信号中包括的每个信号的相位等于当在垂直于所述平面的方向上从与所述平面的中心相距一定距离的点发射所述第一信号时到达所述N个发射天线中的每一个的所述第一信号的相位。
10.根据权利要求1所述的天线装置，其中，所述信号源虚拟束调节器使所述第二信号中包括的每个信号的相位移位的每个值是固定值。
11.根据权利要求10所述的天线装置，其中，所述信号源虚拟束调节器经由延迟线使所述第二信号中包括的每个信号的相位移位固定值。
12.根据权利要求11所述的天线装置，其中，与所述第二信号中包括的信号相关的延迟线之间的长度差被限制在波长内。
13.根据权利要求1所述的天线装置，其中，在假设所述第三信号中包括的信号具有相同相位的情况下，根据用于调节发射束的每个信号的相移值，所述发射束调节器确定将0度或180度的相移值应用于每个信号。
14.根据权利要求1所述的天线装置，其中，在假设所述第三信号中包括的信号具有相同相位的情况下，根据通过将所述信号源虚拟束调节器中的每个信号的相移值与用于调节发射束的每个信号的相移值相加而获得的值，所述发射束调节器确定将0度或180度的相移值应用于每个信号。
15.根据权利要求1所述的天线装置，其中，在假设所述第三信号中包括的信号具有相同相位的情况下，根据通过从用于调节发射束的每个信号的相移值减去所述信号源虚拟束调节器中的每个信号的相移值而获得的值，所述发射束调节器确定将0度或180度的相移值应用于每个信号。
16.根据权利要求1所述的天线装置，其中，所述N个发射天线中的每一个是具有对角倒角边缘的矩形贴片形式，使得发射信号被圆偏振。
17.根据权利要求2所述的天线装置，其中，所述天线装置包括多层基板，所述多层基板包括三个主层，
其中，所述多层基板的第一主层包括具有贴片天线的所述发射器和具有开关元件的所述发射束调节器，所述开关元件能够将所述贴片天线的辐射信号的相位改变0度或180度，
所述多层基板的所述第一主层下方的第二主层包括所述信号源虚拟束调节器，所述信号源虚拟束调节器包括具有延迟线的固定相移部分，并且
所述多层基板的所述第二主层下方的第三主层包括具有接收天线阵列的所述接收器。
18.根据权利要求2所述的天线装置，其中，所述天线装置包括多层基板，所述多层基板包括两个主层，
其中，所述多层基板的第一主层包括具有贴片天线的所述发射器和具有开关元件的所述发射束调节器，所述开关元件能够使所述贴片天线的辐射信号的相位改变0度或180度，
所述多层基板的所述第一主层下方的第二主层包括所述信号源虚拟束调节器，所述信号源虚拟束调节器包括具有延迟线的固定相移部分，并且
所述多层基板的所述第二主层下方的接地层包括具有缝隙天线阵列的所述接收器。
19.一种天线装置，包括：
接收器，包括N个信号接收器；
信号源虚拟束调节器，被配置成使由所述N个信号接收器接收的N个信号中的每一个信号的相位移位；
发射束调节器，被配置成使由所述信号源虚拟束调节器相移的N个信号中的每一个信号的相位移位0度或180度；以及
发射器，包括分别发射由所述发射束调节器相移的N个信号的N个发射天线。
20.根据权利要求19所述的天线装置，其中，当所述N个信号接收器接收到相同的第一信号时，所述信号源虚拟束调节器使由所述N个信号接收器接收的N个信号中的每一个信号的相位移位，使得由所述信号源虚拟束调节器相移的N个信号中的每一个信号的相位等于当从一个点发射所述第一信号时到达布置在平面中的所述N个发射天线中的每一个的所述第一信号的相位。
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