CN1128586A - 辐射传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于微波和毫米波段的辐射传感器(10)引入具有二个平行焦平面(26a、36)的透镜(12)，这两个平行焦平面(26a、36)正是通过在透镜(12)内的极化选择反射PIN二极管阵列(18)来确定的。一个焦平面(26a)被交叉偶极子天线的接收阵列占据，该接收阵列将接收信号与本振信号进行混频，产生用于后面处理的中频信号。第二焦平面(36)被可单独激励的极化转换天线的发射天线阵占据，该发射天线阵排列成去确定发射射束方向的范围。第二PIN二极管阵列(20)保护接收天线阵免受发射射束。

Description

辐射传感器
本发明涉及一种辐射传感器，更具体地说，但不是唯一地，涉及适用在10GHz及其以上的微波和毫米波段频率上的雷达或通信系统中的这种装置。
辐射传感器在现有技术中已属公知，美国专利4331957描述了一种在雷达转发器设备中采用的偶极子天线，并且用于探测雪崩受害者的位置等等。它基本上是一种全向设备，这正是偶极子天线的特性，因此不提供定向的景物信息。它是一种短距离设备(例如15米)，不能用于识别目标方位。
许多辐射传感器被用作雷达，需要它提供在千米量级或千米以上的距离上的定向景物信息。这就需要用定向天线设备，例如，在导弹搜索器方面使用的那些设备来扫描。美国专利4199762描述了用于雷达天线的支架，该支架根据万向支座绕两个正交轴机械地扫描。这种设备体积较大，并且昂贵。然而，机械扫描的天线仅对天线射束内的目标灵敏。快速移动目标在穿过扫描空间时不一定会遇到扫描天线射束。
为了克服机械扫描雷达的缺陷，电子扫描设备已经问世。这种设备引入发射和/或接收天线阵列。发射或接收射束方向是通过在每个天线上激励信号或本振信号的适当相位进行控制的。称为“MESAR”的相控阵雷达已于1987年10月19-20日在英国伦敦称为“雷达87”的会议上公开了。MESAR由排列成2米见方的918个波导辐射单元的阵列组成。
根据淹没(即封装)在介质材料中的偶极子的天线阵已在美国专利3781896中公开。这个披露是涉及包括在把信号馈送到这种阵列或从其馈送的难以对付的设计问题—静噪。也就是涉及在实现所需的定向特性和测量方面的静噪。
另一种形式的辐射传感器由Zah等人在1985年卷6 No.10的红外和毫米波的国际杂志中公开。这种辐射传感器由一维蝴蝶结天线阵组成，该天线阵具有排列在包括物镜和基片镜的透镜系统的图像平面中的集成二极管。由天线接收的信号可标绘为天线位置的函数以提供图像。这种设备的缺点在于：它受接受方式工作的限制。而且，它只检测具有平行于天线极化分量的辐射。既没有发送能力，也没有检测其它极化的任何措施。雷达传感器通常要求是：它们通过单孔提供发射和接收。
微波和毫米波出众的阵列技术由Alder等人于1990年在第20届欧洲微波会议的会刊第454-459页上公开。透镜馈送微波和毫米波接收机与集成天线由Alder等人在同一会刊第449-453页上公开。
本发明的目的是提供另一种形式的辐射传感器。
本发明提供一种具有辐射导向装置的辐射传感器，其特征在于：该导向装置被排列以便确定用置于每个平面附近的接收装置或发射装置传送辐射到或从其传送辐射的第一平面和第二平面，并且，其中辐射传感器包括可选择反射或发射入射辐射排列的可转换反射装置。
为了便于说明起见，“在附近的”一词应解释为“在传感器的工作频率上的一个波长内”，该波长就是适当紧靠在接收或发射装置的介质内的波长。
本发明提供的优点在于，它提供了保护辐射接收装置免受杂散RF辐射的程度。
可转换的反射装置可以是排列成在OFF(关闭)状态下反射一个信号极化和发射另一个信号极化和在ON(接通)状态下反射二个极化的单片PIN二极管阵列，该阵列是平行于二个焦平面的。该阵列可以夹在各自的透镜部分的平面之间。一个透镜部分的形状可以是球面罩而第二透镜部分可以是平截的锥体。这便提供了用较低密度廉价的材料可实现很紧凑的结构形式。
在优选实施例中，第一焦平面阵是二维的，并包括交叉偶极子天线。每个天线的一个偶极子平行于从反射装置入射在其上的接收辐射的极化。在这个实施例中，该传感器引入信号发生器，它被排成把平行于每个天线的第二偶极子极化的本振信号送到第一焦平面阵列。偶极子之一可包括起中频传输线作用的分翼，第二单片PIN二极管阵列排列成限制入射在该天线上的辐射。为了保护天线免受高功率发射信号和射向传感器的杂散辐射。本发明的这个实施例提供通过同一孔发射和接收线性极化的RF辐射。
圆极化器可引入在通过单孔发射和接收圆极化辐射的传感器中。该传感器被构成为既可检测与发射一样的极化也可检测正交极化。
本发明还提供一种包括会聚介质镜的辐射传感器，会聚介质镜被排列以便确定光孔和通过该孔的光轴，其特征在于：
(a)透镜引入极化选择反射装置，该装置被排列以确定在光轴两端延伸的各自透镜表面区域的第一和第二焦平面，
(b)反射装置可控制地排列以反射一个极化的辐射和发射另一极化的辐射，
(c)天线的接收阵列被设置在第一焦平面的附近，该阵列的每个天线被排列以接收从相对于光轴的各自射束方向进入传感器的辐射，并且支配耦合到通过透镜传送的辐射，和
(d)在第二焦平面的附近设有定向选择发射装置，该装置排列得以耦合通过透镜的辐射到许多输出射束方向。
为了更清楚地理解本发明，现将结合附图描述其实施例，其中：
图1是本发明的辐射传感器的侧剖视图；
图2示意说明在用于图1传感器的介质镜内可转换辐射反射器的分解图；
图3是用于图1传感器的信号发射设备的分解图；
图4示意说明用于图3设备的极化转换天线；
图5示意表示在图1传感器中引入的接收天线阵；
图6是图5阵列的交叉偶极子天线的平面图。
参照图1，所示的本发明的辐射传感器总体用10表示。11表示笛卡儿坐标轴，表示x和z基准轴正交；垂直于附图的平面的y轴未示出。传感器10设计工作于16GHz的微波频率。它引入具有球面罩部分14和平截锥体部分16的介质透镜12，这些部分具有相互邻接等尺寸的圆端面(未示出)。透镜部分14和16是氧化铝的，并具有介电常数10。邻接端面的直径是6.6cm，垂直其圆形面的球面罩高度或最大厚度是1.9cm。
第一PIN二极管的阵列18夹在透镜部分14和16的邻接面之间。第一二极管阵列18是平面的，并设置为与图面垂直。后面将更详细地描述二极管阵列18。球面罩14引入第二平面的PIN二极管阵列20，它的平面也垂直于图面。第二阵列20是夹在罩14的第一和第二部分22和24之间，并且它的平面平行于第一阵列18的平面。除了它具有较小表面区域以外，它与阵列18具有相类似的形式。二极管阵列18和20由许多等间隔互相平行的偏置导体(未示出)和连接在导体之间的单片PIN二极管(未示出)组成。二极管阵列18和20的偏置导体平行于x轴延伸。
每个第一和第二阵列18和20的偏置导体都连接到各自的可转换的电流源(未示出)。因此，在每个阵列的边缘实现了对偏置导体的电连接。
平板型氧化铝材料基片26附加到罩14的第一部分22，基片26的平面平行于阵列18和20的平面。如后面更详细描述的，基片26支承每个以相互正交的交叉偶极子对的形式的接收天线阵(未示出)。每个偶极子的长度为0.4cm，适于在氧化铝/空气接口谐振在16GHz。该天线置于远离透镜12的基片26的外表面26a。接到微波信号源(未示出)的微波馈电波导28具有接到基片26的开路输出端30。
平截锥体透镜部分16具有在32处的第二圆形端面，它离邻接第一阵列18的第一圆表面是1.752cm。于是，透镜部分16具有轴长为1.752cm。第二端面32邻接到用34表示的部件，并引入由平面型等距线性导体阵列、发射天线阵、氧化铝基片和衬垫(未示出)组成的格栅。部件34的零件将在后面更详细地进行描述。部件34的厚度设置在发射天线阵在垂直于图平面的平面中，如用虚线36所示。发射天线阵平面离第二端面32是0.148cm而离隔开透镜部分14和16的第一阵列18是1.9cm。部件34主要由氧化铝制成，而在介电常数为10的氧化铝介质中其厚度是16GHz频率辐射的波长的四分之一。因此，发射和接收天线离第一阵列18是等距离的。
部件34邻接到比在工作频率上适于有效传输辐射的尺寸大的第一波导40。第一波导40连接到第二波导42。第二波导42具有适于16GHz工作频率的正确尺寸。
传感器10引入凹凸透镜的第二氧化铝透镜44。第一和第二透镜12和14组合成双重透镜系统或具有二个焦平面的复合透镜。一个焦平面是由于在第一阵列18的反射和在第二阵列20的发射而产生的。它与基片表面26a上的接收天线阵相一致。第二焦平面是由于通过第一阵列18和部件34的发射而产生的，并与在36的发射天线阵平面相一致。在26a和36的焦平面平行于第一阵列18，并在其相反两边上。
现参照图2，该图一起示出了二个透镜部分14和16和PIN二极管阵列18。这些部件以分解状态表示在图2中，它们组装的位置与图1所示的相互对应。为了清楚起见，示意地表示PIN二极管阵列。阵列18由许多偏置导体45和配置在它们之间的二极管46组成。二极管和导体通过公知的半导体处理技术制作在硅片47上。在硅片的边缘，在接触点48制成与导体的电连接。阵列20的构形与阵列18相似，但是，具有较小面积就足以使接收阵列免于受发射辐射的影响。
单片PIN二极管阵列由A.Armstrong等人发表在1985年9月版的微波杂志的第197到201页上。二极管阵18由一系列互相平行的偏置导体45和配置在它们之间的二极管46组成，偏置导体45平行于x轴而链接偏置导体的二极管46基本上平行于y轴。在偏置导体之间的间隔和在邻接二极管之间的间隔都由传感器10的工作频率决定，并小于在透镜电介质内辐射波长的四分之一。该间隔是这样的：平行于偏置导体极化的辐射有效地反射，并当二极管正向偏置时，与偏置导体正交极化的辐射也有效地反射。在二极管阵列18中在偏置导体之间的间隔和在邻接二极管之间的间隔都是1.4mm。
二极管阵列18制作在直径为6.6cm的单个硅片47上。在另一方案(未示出)中，二极管阵列18由焊接到氧化铝片的硅基片上镶嵌的较小阵列组成，以形成直径为6.6cm的单个二极管阵列，与偏置导体的电连接是经通孔电镀接触在硅基片上和在氧化铝片上的导电带制成的。硅的介电常数近似为11.7。这就足以近似氧化铝透镜12，以避免影响透镜特性的介电常数中的显著的不连续性。
当阵列18和20的二极管被反向偏置时，带有与偏置导体垂直极化的16GHz频率的RF辐射通过该阵列发射而带有与偏置导体平行的极化的16GHz RF辐射被反射。这是阵列OFF状态，并且二极管阵列以同样方法对平行于偏置导体对准的布线的格栅起作用。当二极管用DC(直流)偏置电流正向偏置时，该阵列反射具有正交于偏置导体的极化的RF辐射以及平行于导体极化的RF辐射。在这点上，二极管阵列以同样方法对交叉导线的网孔起作用；这是阵列ON状态。在传感器10中，阵列18和20的偏置导体与由轴11表示的x轴平行对准。
现在再参照图3，示出了部件34的分解图和第一和第二波导40和42。发射天线阵由50表示。它引入12个天线，例如以6×2阵列排列的52。该天线52是用交叉示意表示的。
每个天线52由一对互相正交的平面金属偶极子组成，每个偶极子具有一对矩形翼54。发射天线的形式示于图4中。
每个偶极子的长度为4mm，而翼54的长度为1.43mm，具有中心间隔的长度1.14mm。相邻天线52具有中心到中心为4.5mm的间隔。翼54的宽度是0.4mm，得出每个偶极子长与宽之比为10∶1。由于它能够表示为：每个偶极子的有效长度是其机械长度乘以在其任一边上两个介质的介电常数平均的均方根，这就提供了在16GHz谐振的半波长偶极子。由于天线52一侧为空气(介电常数＝1)而另一侧为氧化铝(介电常数＝10)，它们的有效长度是9.38mm，即在空气中16GHz的半波长。
每个偶极子翼54经PIN二极管开关56接到各自正交的偶极子翼，该PIN二极管开关56用DC偏置电流激励。接到二极管开关56的偏置未示出。天线52通过金属淀积形成在氧化铝基片的表面58a上。该基片表面58a是35mm×23mm。PIN二极管是分立器件，因此需要混合电子生产工艺。此外，这些二极管的生产可集成为在衬底材料中天线的生产。
发射天线阵50用氧化铝衬垫60与一般用62表示的线性导体的格栅隔开。后者是用金属层64(用点所表示的)淀积形成在氧化铝基片66上。该层64具有以光刻工艺蚀刻的中心区域，以确定用外露氧化铝基片的间隔隔开的线性导体68。当按部件34排列时，导体68与x轴平行对准，衬垫60与格栅62接触，而发射天线阵基片58与衬垫60接触。过大的第一波导40具有在使用中是对着基片表面58a安装的端边70。格栅62的衬垫面(未示出)是与透镜端面32接触。天线阵基片58、衬垫60和格栅62的厚度被组合以将发射天线52设置在透镜系统12和44的用线36表示的第二焦平面中。
传感器10工作如下：16GHz频率的微波输入功率从源(未示出)沿第二波导42馈送。微波辐射垂直极化，即具有平行于x轴极化的电场矢量，如用包围的箭头72表示。输入功率送入第一波导40。当传感器10变为关时，由于电场矢量平行于导体68，该辐射通过发射天线阵送到格栅62那儿被反射，如用包围的箭头73所表示的。当发射天线阵被激励时，如将要描述的，它吸收微波辐射并再辐射带有旋转90°的极化的辐射。由于电场矢量垂直于导体68，带有平行于y方向的电场矢量的这个水平极化辐射是一个发送信号Tx，它能够通过格栅62传送。
水平极化发射信号Tx用包围的箭尾74表示，它从发射天线阵送入平截锥体透镜部分16。如果阵列18处于ON(开)状态，辐射向发射天线阵反射回来。如果阵列18处于OFF(关)状态，发射信号Tx通过阵列18送入球面罩透镜部分14。当阵列18处于OFF状态时阵列20转到ON状态，以便反射平行于和正交于Tx极化取向的二个极化的辐射，并由此防止被高功率Tx信号毁坏灵敏的接收天线元件。当阵列18转到ON状态时阵列20就转到OFF状态，其中它发射水平极化辐射。当阵列18处于OFF状态时，Tx信号通过透镜部分14送到空中，并由此送到第二透镜44。用包围的箭尾75表示水平极化的发射信号Tx，当平行光束时，根据在透镜系统12和14的焦平面的发射天线阵的位置离开透镜44。
发射信号Tx具有受发射天线阵控制的射束方向。从发射天线阵送到透镜12的辐射用单箭头例如76表示。透镜系统12和44具有用虚线78表示的光轴；这也是透镜部分14和16的对称轴，并与z轴平行。用在光轴下和上的-15°和+15°的位置上天线的激励产生对这个轴分别控制在-15°和+15°的发射射束80和82。中心射束方向在对透镜系统光轴为0°处用84表示，透镜系统光轴与z轴平行，这就是传感器10的视轴。透镜系统12和14给出了一个中心在光轴的60°锥形的可视范围。
当接收信号Rx向传感器10反射回来时，发射信号Tx可由在远距离景物中的目标(未示出)反射。为了检测Rx信号，第一阵列18切换到ON状态，因此，是对接收信号Rx反射的，与信号的极化取向无关。接收信号Rx沿用双箭头例如86表示的发射射束路径返回，直到到达阵列18为止。因为阵列18现在是反射的，它向第二阵列20反射接收信号Rx。阵列20处于OFF状态，并对水平极化辐射是透射的。如果其极化面没有从Tx信号的极化面旋转，由阵列18反射的接收信号Rx送到阵列20。该接收信号Rx送到置于表面26a的接收天线。接收天线阵从微波馈线28获得另一输入，这就提供了垂直极化的本振(Lo)信号。以公知的方法，接收天线阵使接收信号Rx和Lo信号混频，产生适于后续信号处理的中频(IF)信号。阵列20的偏置导体有助于Lo信号耦合到接收天线阵。因为阵列20的偏置导体平行于Lo信号的极化，阵列20反射朝接收天线阵返回的Lo信号。
现在参照图3和图4，将描述发射天线阵50的工作。当所有的PIN二极管56转换到OFF状态时，因为天线极座标图，几乎没有垂直极化的输入辐射72耦合到每个天线52的任一偶极子。因此，基本上不影响输入辐射传送到天线阵50和衬垫60。该辐射由格栅62按73所示的方向反射回来，因为它是平行于格栅导体68被极化的。因此，防止了辐射到达透镜12，以便连续输出到自由空间。
当与天线52的任一个有关的一对二极管56通过加偏置电流被激励到ON状态时，垂直极化辐射在变成耦合到其相关的水平偶极子的天线的垂直偶极子中感应微波信号。这是根据由每个在正交偶极子翼之间的PIN二极管提供的电流产生的。由接通天线52接收的大部分能量耦合到其水平偶极子，并用水平极化连续再辐射。如由Brewitt-Taylor等人在电子通讯卷17(1981)第729-731所披露的，设置在具有不同介电常数之间接口处的天线主要辐射到具有较高介电常数的介质。因此，天线52支配再辐射到氧化铝基片58。
从天线阵50再辐射的信号通过衬垫60传送到格栅62。由于它是水平极化的，因此正交于格栅导体68，它几乎无反射地穿过格栅62，如在74所示的。然后传送到透镜12变成发射信号Tx。
在操作中，发射射束的方向和空间范围是通过激励发射天线52来确定的。水平极化的再辐射信号产生在被激励的任一天线。由于天线52分布在透镜系统36的焦平面之一，单个天线的激励将产生由天线位置决定的发射射束方向。在图1中，发射射束方向被表示为：以与在0°的中心视轴射束成±15°对准。
现在参照图5和图6，两个图都表示了接收天线阵。在图5中总体上用100表示天线阵，并引入6×2阵列的单个天线102。示意表示为带有中心为方块的十字形。图6表示更详细的单个接收天线。接收天线阵100具有带号的天线102。构形和间隔与发射天线阵50的一样。两阵列50和100都以它们的平面和长尺寸平行设置。接收天线阵100与发射天线阵50的差别在于：每个天线102引入纵向划分的翼104。此外，每个天线102具有四个RF混频二极管106a到106d的中心环。二极管106a到106d的每一个连接在不同正交偶极子的各自的翼对104之间，例如二极管106c在104b和104c之间。在图6中偶极子之一的翼104c和104d分别接到二极管对106a/106b和106c/106d的阳极。另一个偶极子的翼104a和104b分别接到二极管106a/106b和106c/106d的阴极。因此，二极管106a到106d朝一个偶极子的翼和远离另一个的翼极化。分翼104a的部分接到各自的二极管106a和106b，并且，天线102被排列成使翼104a和104b的长尺寸与基片26的长尺寸平行对准。于是，翼104a和104b的长尺寸与x轴平行对准，而翼104c和104d的长尺寸与图1的y轴平行对准。
接收天线阵100工作如下：它的长尺寸在图5中表示为水平的，而在图1中为垂直的。RF频率16GHz的接收辐射Rx是平行于偶极子104c/104d极化的。从喇叭28来的本振辐射平行于分翼偶极子104a/104b极化。Lo和Tx辐射在与它们极化平行的偶极子中产生的信号，并且，这些信号经二极管106a到106d的环混频，以产生IF信号。该IF信号就是在Lo和Tx信号之间的差频。根据在其翼之间的电容耦合，在16GHz的频率上，分翼104a视为单翼。然而在IF，它起形成传输线的二个平行导体的作用。因此，分翼104a提供一个输出，作为中继IF信号馈送到处理电路(未示出)。这种电路在本专业领域已属公知，并不再详细地进行描述。对于每个天线102可引入IF放大器和模拟数字变换器。来自变换器的数字信号可送到公知的数字电子电路。
辐射传感10在由双重透镜系统12和44的光孔确定的共同孔内提供发射和接收能力。在双重透镜系统的表面的辐射反射，由于在不同类型电介质的边界，用公知类型的防反射涂层抑制，类似于光学仪器中的透镜散焦。
发送天线阵50和第一和第二波导40和42(图3所示的)可用机械上(而不是电子)再定位的微波信号源来替换。可弯曲的同轴信号馈电线接到对单个、永久短路的极化转换天线提供功率的波导段。该天线置于透镜焦平面，并辐射微波功率到透镜12。波导段在焦平面36中沿两个相互正交的轴由步进电机移动。这就提供了适于许多发射射束方向的任一个在焦平面中发射信号起始的位置。
在另一个可选实施例中，传感器10具有插在透镜44和远距离景物之间的圆极化器。圆极化器可以是各种曲折线印制电路，如在“IEEE天线和传播学报”卷AP-35 No.6 1987年6月的第652-661页所描述的。在通过圆极化器时，垂直极化Tx信号变成右旋圆(RHC)极化。从远距离目标朝向传感器反射的Rx信号，根据信号已经受的反射数目，可以是RHC或左旋圆(LHC)极化。在通过圆极化器时，Rx信号变成垂直或水平极化，取决于反射信号是否分别是RHC或LHC极化。PIN二极管阵列20、接收天线阵100和Lo信号源可定向去检测垂直或水平极化的辐射和监测Rx信号的RHC或LHC极化的分量。

Claims (9)

1.一种具有辐射导向装置的辐射传感器，其特征在于：该导向装置(12)被排列以确定用置于每个平面附近的接收装置或发射装置传送辐射到或从其传送辐射的第一平面(26a)和第二平面(36)，并且，其中辐射传感器包括排列成可有选择地反射或发射入射辐射的可转换反射装置(18)。
2.根据权利要求1的一种辐射传感器，其特征在于：
(a)辐射导向装置(12)是介质镜，第一和第二平面(26a、36)分别是在透镜的光轴(78)两端延伸的各自透镜表面区域介质镜的第一和第二焦平面；
(b)在第一焦平面的附近设有辐射接收装置(100)；
(c)在第二焦平面的附近设有辐射发射装置(50)，该装置排列成使辐射耦合到介质镜；和
(d)可转换的反射装置(18)位于介质镜内，并在第一状态中被排列成用第一极化取向发射辐射和用正交于第一取向的第二极化取向反射辐射，而在第二状态中被排列成反射第一和第二极化取向两者的辐射。
3.根据权利要求1和2的一种辐射传感器，其特征在于：可转换的反射装置(18)包括半导体开关(46)阵列。
4.根据权利要求1、2或3的一种辐射传感器，其特征在于：可转换反射装置(18)包括PIN二极管(46)阵列。
5.根据权利要求4的一种辐射传感器，其特征在于：PIN二极管阵列包括：基本上互相平行排列的许多偏置导体(45)和在偏置导体之间电连接排列的许多PIN二极管(46)。
6.根据权利要求2至5的一种辐射传感器，其特征在于：第二可转换反射装置(20)位于介质透镜(12)内，并被排列成保护辐射接收装置(100)免受发射装置(50)发射的辐射。
7.根据权利要求2至6的一种辐射传感器，其特征在于：介质透镜(12)包括分别具有球面罩和平截锥体形状的二个部分(14、16)。
8.根据上述任一个权利要求的一种辐射传感器，其特征在于：可转换反射装置(18、20)排列成把线性极化接收辐射(86)射向接收装置(100)。
9.一种包括会聚介质镜(12)的辐射传感器，该会聚介质镜(12)排列成确定光孔和通过该孔的光轴(78)，其特征在于：
(a)透镜引入被排列成确定在光轴(78)两端延伸的各自透镜表面区域第一和第二焦平面(26a、36)的极化选择反射装置(18)，
(b)反射装置(18)被控制排列成反射一个极化的辐射和发射另一极化的辐射，
(c)天线的接收阵列(100)置于第一焦平面(26a)的附近。阵列(100)的每个天线(102)被排列成接收从相对于光轴的各自射束方向进入传感器的辐射和与通过透镜传送的辐射耦合，
(d)在第二焦平面的附近设有定向选择发射装置(52)，它被排成将通过透镜的辐射耦合到多个输出射束方向。
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