CN112713375A - 波导装置和天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于传导电磁波的波导装置(100、600)，其包括矩形波导(102)和圆形波导(104)。所述矩形波导(102)以一定角度过渡到所述圆形波导(104)中。所述圆形波导(104)填充有在过渡区段中伸入到所述矩形波导(102)中的电介质(116)。所述电介质填充物(116)在所述过渡区段中被以定义的角度斜切，从而通过所述波导装置(100)的在过渡部处的内边缘(110)和所述矩形波导(102)的在所述过渡部处的端面(124)形成过渡表面(126)。所述电介质填充物(116)优选为与所述矩形波导(102)的封闭壁齐平。

Description

波导装置和天线
技术领域
本发明涉及用于传导电磁波的波导装置和用于检测松散材料拓扑的3D雷达设备的具有该波导装置的天线。
背景技术
通常，在GHz范围内的电磁波通过同轴插接连接器或直接通过矩形波导中的耦接销从电路板解耦。IC与波导的连接是通过石英基板上的条带线建立的，该石英基板在一侧上具有激励波导的贴片并在另一侧借助接合线连接件连接到IC。替代地，将激励波导的贴片直接集成在IC上，因此不需要接合线连接件。利用该技术制造的雷达模块或通信模块的开放波导端可以在组装喇叭天线的情况下进行操作。然而，通过圆形波导向旋转对称的天线进行供应，使得需要从矩形波导过渡到圆形波导。该过渡将产生插入损耗和衰减损耗。
从未填充的矩形波导到以90°角竖立的填充有电介质的圆形波导的过渡需要适当的耦接件。
发明内容
本发明的目的是提供从矩形波导到圆形波导的有效过渡。
该目的通过独立权利要求的主题实现。有利的实施例是从属权利要求、以下说明和附图的主题。
根据第一方面，提供了一种用于传导电磁波的波导装置，该波导装置具有矩形波导和圆形波导。矩形波波导以一定角度(例如，90°角)并合到圆形波导。圆形波导填充有电介质，该电介质在过渡区段中伸入到矩形波导中。电介质填充物在过渡区段中被以定义的角度斜切，从而形成过渡表面，该过渡表面相对于圆形波导开口的表面以所述定义的角度倾斜并分割从矩形波导到圆形波导的过渡部的角度(例如，90°角)。
因此，经由矩形波导将电磁高频波从馈送点传导到圆形波导，并在进入圆形波导之前与电介质材料的斜切面相遇，圆形波导填充有电介质材料且该电介质材料从该斜切面伸入到矩形波导中。斜切能减少反射。因此，实现了低损耗(即，低反射和低衰减)的过渡。这反过来又避免了或至少减小了雷达信号中所谓的伪回波，该伪回波可能出现在过渡表面上并使测量失真。
由于整个装置的宽度可以小于如同在没有电介质填充材料(即，基于空气)的情况下的最大工作频率范围的波长的一半，所以使用电介质节省了该装置的空间。
根据另一实施例，斜切角度优选在20°和40°之间。在该范围内，存在插入损耗和适配的方面的有利值。例如，斜面的角度为36°时能得到很好的结果。在此，电介质的斜切端部伸入到矩形波导中的比例为40.4％。在圆形波导与矩形波导呈不同于90°的角度的情况下，斜切的其它角度可以是最佳的。
根据一实施例，电介质填充物在圆形波导的自由端具有透镜。透镜在电介质填充物的面向自由空间的一侧上至少部分地从圆形波导伸出，并使电磁波能够几乎不反射地从波导离开并发射出。
根据另一实施例，在面向圆形波导的一侧上，透镜在周向上具有较小的台肩或凸出部，透镜利用该台肩或凸出部支撑在圆形波导的端部上或者在该台肩或凸出部上竖立。因此，这定义了进入矩形波导的精确穿透深度。
根据另一实施例，电介质具有延伸部，以定义沿矩形波导的端面的精确的穿透深度，从而在组装状态下，电介质在过渡部处竖立或触碰与开口相对的一侧。由于电介质(例如，聚醚醚酮材料)仅沿端面延伸，即，未在整个宽度或整个圆周上延伸，则保留有足够大的自由的斜切表面，该斜切表面可以容纳波导波并将其传导到圆形波导中，而不会显著抑制插入损耗。例如，如果电介质不具有透镜或透镜不具有周向台肩，则可以使用该实施例。此外，也可以同时存在两种变形例。
根据另一实施例，圆形波导竖立在矩形波导的短边上。因此，矩形波导在通过圆形波导实现的电磁波传播的H平面中接触，使得信号经由H平面(即，经由矩形波导的短边或平坦侧)耦合到圆形波导中。如果将波导装置用于具有多个波导装置的天线阵列，则如下面参考附图再次说明和示出的矩形波导的短边的宽度决定各个波导装置的宽度。该实施例描述了用于形成节省空间的波导装置以及天线阵列的进一步措施。虽然在技术上也可以在通过圆形波导实现的电磁波传播的E平面中与矩形波导接触，但通过矩形波导的长边进行的信号耦合使得该装置变得更宽。
根据另一个实施例，电介质填充物的相对介电常数在2和15之间。这些值已被证明结合波导尺寸对于波传播以及对于工作光谱的波长是特别有利的。电介质填充物还可以具有不均匀的介电常数。
根据另一实施例，电介质填充物由聚醚醚酮(PEEK)材料组成，由于其熔化温度约为335°，因此也可以在高达约250℃的高温下使用，且由此电磁波的传导损耗很小。
根据另一实施例，电介质填充物由聚四氟乙烯(PTFE)材料组成，该材料也具有较高的熔化温度以及更低的电磁波传导损耗。由于其在高温下的高膨胀性，必须根据应用考虑哪种塑料最合适。也可以使用PEEK和PTFE的组合。
根据另一个实施例，整个装置的宽度小于该装置的最大工作频率范围的波长的一半。如上所述，这可以通过电介质以及H平面(即，矩形波导的短边)中的接触实现。
根据第二方面提供了一种用于检测松散材料拓扑的3D雷达设备的天线。天线在此具有如上所述的波导装置。天线尤其可以是具有列和行的阵列天线，其中阵列元件对应于波导装置。在机械设计中，阵列尺寸的一个参数是波导装置的宽度。由于H平面耦合和电介质，波导装置被形成地很窄，因此可以将阵列元件(即，波导装置)更紧密地依次串接。
另一方面涉及上述和下述的波导装置在雷达测量设备中，特别是在3D雷达设备或填充物位雷达测量设备中的使用。
附图说明
在下文中，将参考附图详细说明本发明的示例性实施例。说明书和附图均不应解释为对本发明的限制。
图1示出了根据一示例性实施例的具有矩形波导和圆形波导的波导装置。
图2示出了波导装置的适配的图表。
图3示出了波导装置的插入损耗的图表。
图4示出了根据一示例性实施例的波导装置的俯视图。
图5示出了根据一示例性实施例的多个波导装置的示例性结构，
图6示出了根据一示例性实施例的具有矩形波导和圆形波导的波导装置。
附图仅是示意性的，并非按比例绘制。原则上，相同或相似的部分具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了根据一示例性实施例的具有矩形波导102和圆形波导104的波导装置100。矩形波导102以相对于圆形波导104成直角的方式竖立在矩形波导102的短边114中的一者的端部处。过渡部110在此为齐平的。圆形波导104具有电介质填充物116并在边缘110处齐平地过渡到矩形波导102，其中电介质填充物116的一部分伸入到矩形波导102中。例如，在圆形波导开口122的表面与电介质116的斜切表面126之间形成的角度有利地为36°，使得电介质116以矩形波导102的长边112的大约40％伸入到矩形波导102中。
在圆形波导104的出口端，透镜106确保从被填充的波导104到自由空间的过渡导致尽可能低的反射。透镜106具有边缘108，该边缘108支撑在圆形波导104的端部上，并因此定义了电介质填充物116在矩形波导102中的精确穿透深度。
图2示出了从矩形波导102到圆形波导104的过渡的适配的图表，也就是说，由矩形波导102和圆形波导104组成的所述装置100反射回了多少电磁波能量。从图2可以看出，在73GHz和85GHz之间的范围内，该值小于-15dB，并在76GHz时为最小值-27dB。
图3示出了装置100的插入损耗的图表，该插入损耗在大约71.5GHz时为3dB，并在74GHz以上时仅约为1dB。
由此，所述波导装置在电性能方面呈现的优点在图1至图4中变得明显。在以下两个附图中可以看出关于形状因数的优点。
图4示出了根据一示例性实施例的装置100的俯视图，从中可以看出矩形波导102和圆形波导104的整体装置的宽度402。可以看出，圆形波导104的宽度408大约与矩形波导102的短边404一样大，由此多个这样的波导装置100可以如图5所示地紧密地并排排列。
图5示例性地示出了电路板502上的天线500或天线阵列500的基本结构，在该基本结构中多个波导装置100并排放置，并且其中可以看出波导装置在阵列500的宽度的尺寸方面的优点。
例如，IC或电路例如在壳体504中连接到波导100中的一者。矩形波导102拾取波，然后波穿过该矩形波导进入圆形波导104并从该圆形波导发射出来。
虽然在图5中为了清楚起见仅示了三个一维排列的元件，但实际的阵列可以在二维上具有更多的装置100或元件100，其中，这些元件例如还可以偏移地排列，可以具有不同的长度并可以比图5更紧密地封装。
图6示出了根据另一示例性实施例的具有矩形波导102和圆形波导104的波导装置100。在该示例中，现在，电介质116的穿透深度由电介质116沿矩形波导102的端面120的延伸部602确定，而不由透镜106的突出边缘108确定(参见图1)，因此在组装状态下，电介质116竖立在矩形波导102的面对圆形波导104的开口122的侧面124上，或触碰到该侧面。尽管有延伸部602，斜切表面126仍保持为足够的大，以容纳来自矩形波导102的波导波而没有明显的额外插入损耗。
因此，波导装置100、600实现了从矩形波导102到圆形波导104的有效过渡，其中这些波导彼此成一定角度。在这种情况下，“有效”一方面尤其是指在两个波导类型之间产生对于高频信号的尽可能宽的谱带和尽可能低的衰减的过渡，并且另一方面提供用于向天线阵列500进行供应的空间节省装置。
这是通过伸入到矩形波导102中的电介质填充物116的端部的巧妙设计实现的。该端部以有利选择的程度伸入到矩形波导102中并以有利选择的角度倾斜。
对于本领域技术人员显而易见的是，其它的变形例也是可能的。例如，E平面中的矩形波导102可以通过圆形波导104接触。借此，虽然通过电介质填充物的斜切形状也可以实现低插入损耗和良好的匹配，但是在这种情况下，接触必在矩形波导104的长边112上发生，由此装置的总宽度402显著增加并因此不能实现节省空间的阵列。
此外，电介质填充物116例如也可以被实现为不具有透镜106，这样一方面允许更简单且更低成本的制造，但另一方面，与具有透镜106的装置相比，未利用在电磁波辐射特性方面的积极效果。
此外，矩形波导和圆形波导之间的角度可以具有不同于90°的角度。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年10月24日提交的欧洲专利申请19 205 063.1的优先权，其全部内容通过引入方式并入本文。

Claims (13)

1.一种用于传导电磁波的波导装置(100、600)，其包括：
矩形波导(102)；和
圆形波导(104)，
其中，所述矩形波导(102)以一定角度并合到所述圆形波导(104)中，
所述圆形波导(104)填充有电介质(116)，
所述电介质填充物(116)在过渡区段中伸入到所述矩形波导(102)中。
2.根据权利要求1所述的波导装置(100、600)，
其中，所述电介质填充物(116)在所述过渡区段中被以定义的角度斜切，从而形成过渡表面(126)，所述过渡表面相对于所述圆形波导的开口(122)的表面以所述定义的角度倾斜，并且分割从所述矩形波导(102)到所述圆形波导(104)的过渡部的角度。
3.根据权利要求1或2所述的波导装置(100、600)，其中，所述斜切的角度优选在20°和40°之间。
4.根据前述任一项权利要求所述的波导装置(100、600)，其中，所述电介质填充物(116)在所述圆形波导(104)的自由端处具有透镜(116)。
5.根据权利要求4所述的波导装置(100、600)，其中，所述透镜在所述波导的所述自由端处的具有周向凸出部，所述电介质在组装状态下竖立在所述凸出部上。
6.根据前述任一项权利要求所述的波导装置(100、600)，其中，所述电介质(116)具有沿着所述矩形波导(102)的端面(120)的延伸部(602)，使得在组装状态下，所述电介质(116)在所述过渡部处竖立在与所述开口(122)相对的一侧(124)上。
7.根据前述任一项权利要求所述的波导装置(100、600)，其中，所述过渡部的特征在于，所述圆形波导(104)竖立在所述矩形波导(102)的短边(114)上。
8.根据前述任一项权利要求所述的波导装置(100、600)，其中，所述电介质填充物(116)的相对介电常数在2和15之间。
9.根据前述任一项权利要求所述的波导装置(100、600)，其中，所述电介质填充物(116)由聚醚醚酮(PEEK)材料组成。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的波导装置(100、600)，其中，所述电介质填充物(116)由聚四氟乙烯(PTFE)材料组成。
11.根据前述任一项权利要求所述的波导装置(100)，其中，所述波导装置(100)的宽度小于所述装置的最大工作频率范围的波长的一半。
12.一种用于检测松散材料拓扑的3D雷达设备的天线(500)，所述天线具有根据权利要求1至11中任一项所述的波导装置(100)。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的波导装置(100)在雷达测量设备中的使用。
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