CN113169452A - 由介电材料制成的组合天线 - Google Patents

Abstract

由介电材料制成的组合天线（1），其中组合天线（1）具有信号分配区域（2）和信号发射区域（4），其中信号分配区域（2）具有由介电材料制成的分配体（3），所述分配体将在馈入侧（7）上馈入到介电分配体（3）中的信息信号转化成在与馈入侧（7）相对的分配侧（9）上在空间上分布的信号分配，以及其中信号发射区域（4）具有多个与分配体（3）的分配侧（9）邻接并且相对于彼此在分配侧（9）上分布的信号发射元件（5），所述信号发射元件从分配体（3）的分配侧（9）出发从分配体（3）突出，并且在所述信号发射元件的突出端部处构造有发射端部（11），至少一个信号发射元件（5）具有相移区域（10），其中具有能以电的方式影响的介电常数的相移材料（13）布置在信号发射元件（5）中。通过在至少一个电极对（15）之间施加相移电压，能影响相移材料（13）的介电常数，并且由此能改变电磁信号在相移区域（10）中的传播速度。

Description

由介电材料制成的组合天线

技术领域

本发明涉及一种由介电材料制成的组合天线，其中所述组合天线具有信号分配区域和信号发射区域，其中信号分配区域具有由介电材料制成的分配体，所述分配体将在馈入侧上焊入到介电分配体中的信息信号转化成在与馈入时间相对的分配侧上在空间上分布的信号分配，以及其中信号发射区域具有多个与分配体的分配侧邻接的、平行定向地并且彼此相对地分布在分配侧上的信号发射元件，所述信号发射元件从分配体的分配侧出发从所述分配体突出，并且在突出端部处塑造发射端部。

背景技术

不仅对于移动无线电而且对于数据处理设备之间的无线数据传输，从超过10千兆赫直几太赫兹（Terrahertz）的高频提供每时间单位传输越来越大的数据量的可能性。对于雷达系统，高频也提供例如在利用高频雷达系统能够实现的空间分辨率方面的优点。在这种背景下，适用于发射和接收具有毫米范围内波长的信号的天线和天线系统变得越来越令人感兴趣。

由于在这样的高频或短波长情况下电磁辐射的高自由空间衰减，有利的是并且经常对于实际有关的应用甚至必要的是，天线或天线系统可以被定向，以便在特定的空间方向上特别高效地发射电磁辐射，或者以便特别易于接收来自预先给定的空间方向的电磁波。对这种天线或天线系统的其他要求通常是尽可能小的空间需求、尽可能低的自重以及能够成本高效地制造天线并且能够尽可能无维护地使用所述天线的可能性。

已经表明，因为天线的机械控制和定向不仅需要比较大和重的组件，而且在天线的转动速度和不同的定向方面是受限制的，所以在机械上可控制的并且可沿一个空间方向定向的天线不适用于许多应用领域。

对于实际应用来说还要加上具有毫米范围内波长的电磁辐射的有问题的性质。在常见的金属波导的情况下，所述电磁辐射到金属中的侵入深度也随着电磁辐射的频率而减小。这导致：金属的表面粗糙度比干扰性影响更强烈地对波传播发生作用，并且因此在利用金属波导传输电磁波时损耗功率升高。为了减少这种损耗功率，试图由介电材料制造天线或天线系统，其中毫米范围内的电磁辐射可以以明显更低损耗的方式传播。因此，例如在Roland Reese等人的文章“A Fully Dielectric Lightweight Antenna Array Using aMultimode Interference Power Divider at W-Band”（IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters, Vol. 16, 2017，第3236-3239页）中，描述了具有四个彼此平行定向的信号发射元件的完全由介电材料制造的组合天线的各个方面，所述信号发射元件在信号传播方向上从平坦的、基本上矩形的分配体延伸出去。在馈入侧上馈入到介电分配体中的信息信号在分配体中被转化成在分配体中在空间上分布的信号分配，使得在与馈入侧相对的分配侧上由于干扰而构造多个场最大值，所述场最大值被转化成根据各个场最大值布置的信号发射元件。然后，由每个信号发射元件发射电磁波，所述电磁波在传播时叠加并且在通过信号发射元件预先给定的信号传播方向上以聚焦方式传播。在此，空间中的以下方向被看作信号传播方向：即各个信号发射元件的由这些信号发射元件沿所有方向发射的并且叠加的电磁波的强度最大值沿所述方向传播。

由介电材料制成的这种组合天线相对于由金属组件制造的组合天线具有以下优点：在组合天线的介电材料中在信号传播时可以以极其低的损耗进行具有10 GHz和更大的频率的高频信息信号的信号发射。由该组合天线发射的电磁波的强度最大值由各个信号发射元件的布置和定向来预先给定，并且通常对应于彼此平行地定向的信号发射元件的定向。

发明内容

看作本发明的任务的是，设计具有开头所提到的特征的由介电材料制成的组合天线，使得可以以简单的方式影响和预先给定信号发射方向或信号发射的最大强度的定向。

根据本发明，该任务通过以下方式解决：至少一个信号发射元件具有相移区域，在所述相移区域中，具有可以电的方式影响的介电常数的相移材料布置在所述信号发射元件中，并且两对分别彼此相对布置的电极围绕相移材料地布置，使得通过在至少一个电极对之间施加相移电压可影响相移材料的介电常数，并且由此在由信号发射元件发射在馈入侧处馈入到分配体中的信息信号之前，可改变电磁信号在相移区域中的传播速度。

通过在各个信号发射元件中产生相移并且由此不同地预先给定在相邻的信号发射元件中发射出的两个电磁波的相位的可能性，可以影响由组合天线发射的电磁信号的场分布，并且因此可以预先给定优选的传播方向，其中所述电磁信号通过叠加由各个信号发射元件发射的单信号被产生。可以通过施加相移电压来控制和预先给定单个信号发射元件中的相移。适宜地，选择相移材料，使得在改变相移电压情况下的反应时间足够小，使得有可能快速地改变信号发射的定向。单个信号发射元件内的最大可能相移在此可以例如与发射元件的长度、在信号发射元件的相移区域中电磁信号的传播路径的长度和相移材料的介电特性以及所施加的相移电压有关。在此，很容易可能的是，在每个单个信号发射元件中可以预先给定高达2π或更大的相移。已经表明，以这种方式可以在大于45°并且必要时大于60°的角度范围内改变信号传播方向，并且可以通过在各个信号发射元件上施加适当的并且通常彼此不同的相移电压来实现。

在此，相移材料可以是固体的、液体的或气体的。液体或气体相移材料应布置在构造在信号发射元件处的或布置在信号发射元件处的空腔中。固体相移材料也可以布置在信号发射元件的外侧处，或者例如是由介电材料构成的信号发射元件的覆层或包封。

按照本发明构思的一个构型规定，在信号发射元件的相移区域中构造有空腔，所述空腔从分配体的分配侧延伸出去，在所述空腔中布置有相移材料。各个信号发射元件可以例如借助于适当的注塑方法由介电材料制造，并且配备有电极。在给空腔填充相移材料之后，可以将准备好的信号发射元件与分配体连接。同样可能的是，例如借助3D打印机利用适当的添加性或生成性方法来制造这种组合天线。在每个信号发射元件中构造的空腔可以穿过在制造期间设置的或随后产生的填充开口被填充，所述填充开口随后被封闭。同样可能的是，在构造尚未完全封闭的空腔之后短暂地中断制造过程，填充空腔并且然后继续制造过程并且结束。

可以对电极进行预制并且事后将所述电极与各个信号发射元件连接。电极也可以被气相沉积或印刷。对于电极的布置及其电接触，可以使用从半导体制造中已知的方法和生产设备。

关于尽可能简单且可靠地影响信号发射元件的相移区域中的相移，可以有利的是，发射元件在相移区域中具有矩形横截面面积，使得成对地彼此相对布置的电极在相移区域中布置在信号发射元件的平坦侧壁面上。信号发射元件也可以具有圆形或椭圆形的横截面面积，并且成对地彼此相对布置的电极可以覆盖信号发射元件的相应侧壁面的弯曲区域。同样可能的是，电极以与信号发射元件相间隔的方式布置，使得可以在相移区域中构造由相移电压预先给定的电场的有利的场分布，用以能够以适当的方式影响相移区域中的相移材料。

为了减少在由信号发射元件进行信号发射时的可能损失并且支持期望的有向信号发射，可选地规定，每个发射元件具有逐渐变细的发射端部。逐渐变细的发射端部例如可以构造为基本上平坦的并且具有带有逐渐变尖的发射端部的基面。逐渐变细的发射端部也可以具有金字塔、方尖塔或圆锥体的形状。信号发射元件的逐渐变细的发射端部的尺寸适宜地适配于应该利用组合天线发射的信息信号的波长。

可能适宜的是，每个信号发射元件可分开地制造并且经由连接接口与分配体连接。在此，各个信号发射元件不仅可以沿着线布置在分配体的分配侧处，而且也可以以矩阵形式在分配体的分配侧的面上分布式地布置，并且构成各个信号发射元件的三维布置。通过分开地制造各个信号发射元件，可以减少用于各个信号发射元件的制造耗费并且尤其是用于具有一定数量的信号发射元件的组合天线的制造耗费。连接接口可以是分配体的分配侧上的平面地构造的区域。连接接口也可以是分配体的分配侧中的凹进部，信号发射元件的与之适配的连接端部可以被插入到所述凹进部中并且可以以夹紧或粘接的方式被固定在其中。

根据本发明构思的一种有利构型，分配体具有方形的分配区域。已经表明，方形的分配区域有利于在距所馈入的信息信号的馈入侧一定距离处构造离散最大值。此外，可以以简单的方式制造方形的分配区域。分配体可以可选地具有朝向馈入侧逐渐变细的馈入区域。通过朝向馈入侧逐渐变细的馈入区域来减少并且减轻在信号引导时的不连续性和突然变宽，这些可能导致在馈入的区域中不期望的发射损失。

根据本发明构思的一种特别有利的构型规定，在分配体的馈入侧上可以可选地在在馈入侧上分布式地布置的不同馈入位置处布置信号馈入元件，并且使其与分配体的馈入侧连接，使得可以由信号馈入元件将信息信号馈入到分配体中。在馈入侧上分布式地布置的不同馈入位置导致，可以从相应馈入位置到各个信号发射元件为信息信号预先给定不同的信号路径长度。通过分配体中的不同信号路径长度，已经预先给定传递到各个信号发射元件中的电磁波的相位差。以这种方式，通过在分配体的馈入侧处预先给定不同的馈入位置，已经影响和预先给定信息信号从各个信号发射元件的发射方向。

用于馈入到分配体中的信息信号的不同馈入位置的预先给定可以与在各个信号发射元件中引起的相移无关地被用于预先给定由介电材料制成的组合天线的信号发射的最大强度的方向。由此，也对于其信号发射元件不具有分开的相移区域的组合天线来说有可能影响和预先给定信号发射方向。

然而，已经表明，通过组合两种可能性，对于根据本发明设计的组合天线可以实现发射特性的特别精确的和在大的空间角度范围内可能的预先给定和改变。通过利用改变的馈入位置引起的相移，可以减小相移区域的尺寸，并且在保持相同的角度变化情况下，能够实现组合天线的较小的空间需求。同样可能的是，例如在分配体的馈入侧上预先给定多个不同的馈入位置，所述馈入位置可以可选地被用于信号馈入，并且可以以例如10°或5°的离散步来改变信号发射的方向。通过将单独的相移电压施加到各个信号发射元件，于是可以引起对信号发射方向的附加影响，并且可以以度步长或者甚至以度的分数来改变和预先给定信号发射方向。通过组合用于相移的两种可能性，可以总计地涵盖用于信号传播方向的定向的更大角度范围。

对于对根据本发明的组合天线的辐射方向的这种控制，有利的是，分配体在馈入侧上具有多个馈入接触接口，在所述馈入接触接口中可以使信号馈入元件与分配体以传输信息信号的方式接触。每个馈入接触接口可以与信号馈入元件连接，其中信息信号分别仅经由信号馈入元件之一被馈入。所选择的信号馈入元件与分配体的接触可以通过电子电路进行，使得不需要机械组件。同样可能的是，以机械方式转移单个信号馈入元件，并且根据需求与期望的馈入接触接口连接。

原则上也可设想，不仅在彼此相间隔地布置的馈入接触接口处将信号馈入元件与分配体的馈入侧连接，而且连续地越过分配体的馈入侧转移并且可以在每个任意的馈入位置处与分配体连接或者可以连接。

根据本发明构思的一种特别有利的构型规定，相移材料是可以电的方式影响的液晶材料。液晶材料已经在几伏特的低电压情况下就可以具有明显不同的介电常数，使得可以通过能够在无较大的构造或电路技术耗费的情况下产生的电压来引起明显的相移。液晶材料可以简单地被处理，并且在通常占优势的环境条件下在长的使用时间段上可以可靠地被影响，以便能够预先给定精确的不同的相位差。

附图说明

随后更详细地阐述本发明构思的示范性实施例，所述实施例在附图中示出。其中：

图1示出由介电材料制成的组合天线的示意性剖视图，所述组合天线具有信号分配区域和信号发射区域，在所述信号发射区域中布置有四个信号发射元件，所述信号发射元件分别具有相移区域，

图2示出沿着图1中的线II-II通过图1中所示的组合天线的信号发射元件的剖视图，

图3示出通过不同地设计的信号发射元件的根据图2的剖视图，

图4示出图1中所示的组合天线的示意性剖视图，其具有用于在中心在馈入侧处馈入的信息信号至各个信号发射元件的所表明的信号传输路径，

图5示出根据图4的示意性剖视图，其具有用于在馈入侧的上边缘处馈入的信息信号至各个信号发射元件的所表明的信号传输路径，

图6示出图1中所示的组合天线的端面的视图，所述组合天线具有4×4个彼此相间隔地布置的信号发射元件的矩阵，

图7示出通过单个信号发射元件的示意性剖视图，

图8示出通过与此不同地设计的信号发射元件的示意性剖视图，以及

图9示出通过再次不同地设计的信号发射元件的示意性剖视图。

具体实施方式

在图1中示范性地以及示意性地以剖视图示出的组合天线1具有：信号分配区域2，其具有由介电材料制成的分配体3；以及信号发射区域4，其具有多个信号发射元件5。

分配体3具有方形的分配区域6和朝向馈入侧7逐渐变细的馈入区域8。在馈入侧7处，可以经由馈入元件18将信息信号馈入到分配体3中。分配体3一体地由适当的介电材料制造，例如由C-Lec Plastics有限公司的Rexolite®1422制造。然而，分配体3也可能会由例如用于方形的分配区域6和用于逐渐变细的馈入区域8的多个分开地制成的组件拼合或者以适当的方式组装或连接。

布置在信号发射区域4中的信号发射元件5布置在分配体3的分配侧9处，使得分别相邻的信号发射元件5彼此具有规则的间隔。信号发射元件5同样由介电材料构造。在此可以是与在信号分配区域2情况下相同的介电材料。在这种情况下，信号分配区域2和信号发射区域4或分配体3和各个信号发射元件5可以一体地构造。然而，信号分配元件5也可以单独地制成并且由另外的适当的介电材料组成。

在每个信号发射元件5中构造相移区域10和发射端部11。在相移区域10中，信号发射元件5具有空腔12，所述空腔填充有适当的相移材料13，所述相移材料13可以根据在空腔12中预先给定的电场而具有可变的介电常数。适用于许多应用领域的相移材料13例如是可以电的方式来影响的液晶材料，所述液晶材料的介电常数可以根据预先给定的电场采取显著不同的值。

由导电材料制成的电极15分别布置在信号发射元件5的相对的外表面14处。电极15可以是所涂覆的金属层或金属元件，所述金属层或金属元件成对地导电地与未示出的相移电压装置连接，使得可以在相对的电极15之间施加相移电压。电极15也可能会以距信号发射元件5的外表面14必要时小的间隔布置，以便避免在信号发射元件中传播的电磁波的不期望的损害。

在图2中示范性地示出了两对平面地构造的电极15在围绕具有方形横截面面积的信号发射元件5的圆周方向上的布置。在此，各个电极15整面地与相关联的外表面14连接。在图3中示出了电极15围绕信号发射元件5的可类比的布置，其中信号发射元件5具有圆形横截面面积，并且各个电极15在圆周方向上分别构造为圆分段，并且彼此相间隔地成对地彼此相对布置。

在图4中示意性地示出了已经在图1中示出的组合天线1。在此，对于在馈入侧7上馈入的信息信号，绘出信息信号的电磁波的相应信号路径16，所述电磁波在分配体3中传播。在此，通过叠加各个波前，在分配体3的分配侧9处出现离散的强度最大值，所述强度最大值被耦合输入到在分配侧9处与分配体3邻接的信号发射元件5中，或者其电磁波传播到信号发射元件5中。在此，各个信号路径16具有从分配区域2的馈入侧7直至分配侧9的略微不同的信号路径长度。这导致在相邻信号发射元件5中传播的电磁波的波前的比较小的相移。这些信号路径长度或由此得出的相移通过分配体3的造型和信息信号的馈入预先给定。通过尽可能对称地布置信号发射元件5并且在馈入侧7上在中心布置信息信号的馈入位置，可以使相移对到各个信号发射元件5的路径的作用最小化。为了支持由信号发射元件5发射的电磁波的尽可能集中的和有向的叠加，由于不同的信号路径长度而出现的小相移可以通过信号发射元件5的与之适配的不同尺寸来补偿。

通过向信号发射元件5处的电极15施加相移电压，可以影响并且从而改变信号发射元件5的空腔12中的相关相移材料13的介电常数以及因此相移区域10的介电特性，使得产生沿信号发射元件5的相移区域10传播直至发射端部11的电磁波的期望的相移。对于每个信号发射元件5，在适当地操控相应电极15的情况下可以产生单独地预先给定的相移。由各个信号发射元件5发射的电磁信号叠加并且在信号传播方向上形成最大信号强度的发射最大值。信号传播方向可以通过适当地预先给定各个相移而精确地被预先给定。已经表明，在各个信号发射元件5中相移高达2π时，信号传播方向可以在±45°或甚至高达±60°和更大的角度范围内被改变和预先给定。

以这种方式，通过将适当的相移电压施加在各个信号发射元件5上，可以预先给定信号传播方向，其中对信号传播方向的受控的或受调节的定向或跟踪是可能的。为了改变信号传播方向，不需要机械组件或执行器。

在图5中，对于图4中所示的组合天线1示出了在馈入侧7处信息信号的与图4不同地预先给定的馈入。信息信号不是在中心地、而是在分配体3的边缘区域处由馈入元件18馈入。在图5中，同样示意性地表示了用于信息信号的在分配体3中传播的电磁波的信号路径16。各个信号路径16的信号路径长度在此与图4中所示的信息信号在中心的馈入的信号路径长度明显不同。这导致耦合输入到信号发射元件5中并且在那里传播的各个电磁波的明显不同的相移。

由信息信号经由馈入侧7在空间上不同地预先给定的馈入引起的在各个信号发射元件5中的相移同样可以被用于改变信号发射方向。在适当地设计组合天线1的情况下，可以单独地通过信息信号在分配体3的馈入侧7处的不同馈入位置来预先给定由信号发射元件5发射的电磁信号的不同信号传播方向。被视作特别有利的是，将用于信息信号的不同馈入位置的预先给定与各个信号发射元件5的相移区域10中的不同相移组合。

在图6中，示意性地示出了图1、4和5中所示的组合天线1的端面的视图。在分配体3的分配侧9处突出的信号发射元件5以矩阵形式以4×4个信号发射元件5的规则布置在分配侧9上分布式地布置。分配体3的分配侧9的其他基面也是可设想的，例如圆形、椭圆形或多边形的基面。各个信号发射元件5也可以不规则地在分配侧9上分布式地布置。

在图7至9中，示范性地分别以剖视图示出了不同信号发射元件5的不同构型或造型。图7中所示的信号发射元件5具有比较长的相移区域10和与之相比短得多的发射端部11。相移区域10中的空腔12由比较厚的侧壁17围绕。

在图8中所示的实施例的情况下，相移区域10比在图7中所示的实施例情况下短得多。为此，发射端部11长得多并且甚至长于相移区域10。

在图9中所示的实施例的情况下，空腔12由比在先前示出的实施例情况下薄得多地设计的侧壁17围绕。发射端部11具有带有弯曲地伸展的轮廓的锥形区域。

该项目是由欧盟“地平线2020（Horizont 2020）”研究与创新计划在玛丽斯克沃多夫斯卡-居里（Marie Sklodowska-Curie）财政援助协定第675683号框架下资助的。

Claims (9)

1.由介电材料制成的组合天线（1），其中所述组合天线（1）具有信号分配区域（2）和信号发射区域（4），其中所述信号分配区域（2）具有由介电材料制成的分配体（3），所述分配体将在馈入侧（7）上馈入到介电分配体（3）中的信息信号转化成在与所述馈入侧（7）相对的分配侧（9）上在空间上分布的信号分配，并且其中所述信号发射区域（4）具有多个与所述分配体（3）的分配侧（9）邻接并且相对于彼此在所述分配侧（9）上分布的信号发射元件（5），所述信号发射元件从所述分配体（3）的分配侧（9）出发从所述分配体（3）突出并且在其突出端部处构造发射端部（11），其特征在于，至少一个信号发射元件（5）具有相移区域（10），在所述相移区域中具有能以电的方式影响的介电常数的相移材料（13）布置在所述信号发射元件（5）中，并且两对分别彼此相对地布置的电极（15）围绕所述相移材料（13）地布置，使得通过在至少一个电极对（15）之间施加相移电压能影响所述相移材料（13）的介电常数，并且由此在由所述信号发射元件（5）发射在所述馈入侧（7）馈入到所述分配体（3）中的信息信号之前，能改变电磁信号在所述相移区域（10）中的传播速度。

2.根据权利要求1所述的组合天线（1），其特征在于，在信号发射元件（5）的相移区域（10）中构造从所述分配体（3）的分配侧（9）延伸出的空腔（12），在所述空腔中布置有所述相移材料（13）。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的组合天线，其特征在于，所述信号发射元件（5）在所述相移区域（10）中具有矩形的横截面面积，使得成对地彼此相对布置的电极（15）在所述相移区域（10）中布置在所述信号发射元件（5）的平坦侧壁面（14）上。

4.根据前述权利要求中任一项所述的组合天线（1），其特征在于，每个信号发射元件（5）具有逐渐变细的发射端部（11）。

5.根据前述权利要求中任一项所述的组合天线（1），其特征在于，每个信号发射元件（5）能分开地制造并且经由连接接口与所述分配体（3）连接。

6.根据前述权利要求中任一项所述的组合天线（1），其特征在于，所述分配体（3）具有方形的分配区域（6）。

7.根据前述权利要求中任一项所述的组合天线（1），其特征在于，能够将信号馈入元件（18）在所述分配体的馈入侧（7）上可选地布置于在所述馈入侧（7）上分布式地布置的不同馈入位置处并且与所述分配体（3）的馈入侧（7）连接，使得能够由所述信号馈入元件（18）将所述信息信号馈入到所述分配体（3）中。

8.根据权利要求7所述的组合天线（1），其特征在于，所述分配体（3）在所述馈入侧（7）上具有多个馈入接触接口，在所述馈入接触接口处能使信号馈入元件（18）与所述分配体（3）以传输所述信息信号的方式接触。

9.根据前述权利要求中任一项所述的组合天线（1），其特征在于，所述相移材料（13）是能以电的方式影响的液晶材料。

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