CN113228418A - 中心馈电端部开放式波导（oewg）天线性阵列 - Google Patents

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Abstract

本文给出了雷达系统的例子。一种雷达系统可以包括辐射元件，所述辐射元件被配置成辐射电磁能量并且对称地布置在线性阵列中。辐射元件包括辐射偶极体组和辐射单极体组。所述雷达系统还包括波导，所述波导被配置为在所述多个辐射元件中的每一个和波导馈送部之间引导电磁能量。所述波导馈送部在所述多个辐射元件的第一半和所述多个辐射元件的第二半之间的中心位置处耦合到所述波导的第二侧。波导馈送部被配置成在波导和波导外部的部件之间传输电磁能量。雷达系统还可以包括功率分配网络，其由波导限定并且被配置成基于锥形轮廓来分配由波导馈送部传输的电磁能量。

Description

中心馈电端部开放式波导（OEWG）天线性阵列
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年12月21日提交的第16/230,702号美国专利申请的优先权，在此通过引用将其整体并入。
背景技术
无线电探测和测距(RADAR)系统可以通过发射无线电信号和探测反射信号来主动估计距环境特征的距离。距无线电反射特征的距离可以根据发射和接收之间的时间延迟来确定。雷达系统可以发射频率随时间变化的信号，例如具有时变频率斜坡的信号。然后，雷达系统可以将发射信号和反射信号之间的频率差联系起来，以便得出对发射信号进行反射的物体或表面的距离估计。
一些雷达系统还可以基于接收到的反射信号中的多普勒频移来估计反射物体的相对运动。另外，雷达系统可以包括用于信号的发射和/或接收的定向天线，以便将每个距离估计与方位(bearing)相关联。定向天线还可用于将辐射能量聚焦在给定的感兴趣的视野上，从而能够使用雷达系统映射周围的环境特征。
发明内容
在一方面，本申请描述了一种系统。该系统可包括多个辐射元件，所述辐射元件被配置成辐射电磁能量并布置成线性阵列。该系统还包括波导馈送部和波导，所述波导被配置为在(i)所述多个辐射元件中的每一个和(ii) 所述波导馈送部之间引导电磁能量。所述波导包括第一侧和与第一侧相对的第二侧，其中所述辐射元件耦合到所述波导的第一侧。所述波导馈送部在所述多个辐射元件的第一半和所述多个辐射元件的第二半之间的中心位置处耦合到所述波导的第二侧。波导馈送部被配置成在波导和波导外部的部件之间传输电磁能量。
在另一方面，本申请描述了一种方法。该方法可涉及通过波导馈送部将电磁能量馈送到波导的中心。波导包括第一侧和与第一侧相对的第二侧。该方法可进一步涉及在(i)多个辐射元件中的每一个和(ii)波导馈送部之间经由波导传播电磁能量。多个辐射元件以线性阵列布置并耦合到波导的第一侧。该方法还包括，对于每个辐射元件，提供正在传播电磁能量的一部分，并且经由每个辐射元件辐射出正在传播的电磁能量的至少一部分。
在又一方面，本申请描述了一种雷达系统。所述雷达系统包括多个辐射元件，所述多个辐射元件被配置成辐射电磁能量，并布置成线性阵列。所述多个辐射元件包括辐射偶极体组和辐射单极体组。所述雷达系统还包括波导馈送部和波导，所述波导被配置为在(i)所述多个辐射元件中的每一个和(ii) 所述波导馈送部之间引导电磁能量。所述波导包括第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，其中所述多个辐射元件耦合到所述波导的第一侧。所述波导馈送部在所述多个辐射元件的第一半和所述多个辐射元件的第二半之间的中心位置处耦合到所述波导的第二侧。波导馈送部被配置成在波导和波导外部的部件之间传输电磁能量。
在另一方面中，提供了一种系统，其包括用于辐射电磁能量的装置。该系统包括通过波导馈送部将电磁能量馈送到波导中心的装置。波导包括第一侧和与第一侧相对的第二侧。该系统还包括用于经由波导在(i)多个辐射元件中的每一个和(ii)波导馈送部之间传播电磁能量的装置。所述多个辐射元件布置在耦合到所述波导的第一侧的线性阵列中。该系统包括用于为每个辐射元件提供部分传播电磁能量的装置。该系统还包括用于经由每个辐射元件辐射传播的电磁能量的至少一部分的装置。
上述摘要仅是说明性的，并不打算以任何方式限制。除了上述说明性方面、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明显。
附图说明
图1A示出了根据示例实施例的天线的第一配置。
图1B示出了根据示例实施例的天线的第二配置。
图1C示出了根据示例实施例的图1B中所示天线的第二配置的三维呈现。
图2A示出了根据示例实施例的天线的第一层。
图2B示出了根据示例实施例的天线的另一组装视图。
图2C示出了根据示例实施例的辐射元件的阵列。
图3示出了根据示例实施例的天线的波辐射部分。
图4示出了根据示例实施例的天线的波辐射部分的另一视图。
图5是根据示例实施例的方法的流程图。
具体实施方式
在以下详细描述中，参考构成本文一部分的附图。在附图中，除非上下文另有规定，否则相似的符号通常标识相似的部件。在详细描述、附图和权利要求书中描述的示例性实施例并不意味着是限制性的。在不脱离本文所呈现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。将容易理解，如本文中一般描述并在附图中示出的，本发明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，所有这些配置都在本文中明确考虑。
雷达系统可在W波段中的电磁波频率(例如77吉赫(GHz))下操作，产生毫米(mm)电磁波长度(例如，对于77GHz为3.9mm)。雷达系统可以使用一个或多个天线将辐射能量集中到密集的波束中，以测量附近的环境。测量结果可以高精度和高精度地捕捉到。例如，雷达系统可以捕获自主车辆周围环境的测量值。这种天线可以是紧凑的(通常具有矩形形状因子；例如， 1.3英寸高，2.5英寸宽)，高效的(也就是说，能量几乎不会在天线中以热量损失，也不会反射回发射机电子设备)，成本低廉而且易于制造。
在廉价、易于制造的雷达系统中，效率很难实现。一些廉价且易于制造的选择包括将天线集成到电路板上(例如，使用“串联馈电贴片天线性阵列列”)。然而，这种天线配置可能由于电路板的基板吸收能量而损失能量。一种常用于减少能量损失的技术是使用全金属设计来构造天线。然而，传统的全金属天线设计(例如，开缝波导阵列)可能难以以一种能实现77GHz操作所需的最小几何结构的方式来制造。
以下详细描述公开了用于雷达系统的示例“端部开放式波导” (open-endedwaveguide：OEWG)天线和用于制造这种天线的方法。雷达系统可用于自主车辆或其他类型的导航实体。在一些实例中，术语“OEWG”在此可指水平波导信道加垂直信道的短节段。垂直信道可以分成两部分，其中垂直信道的两部分中的每一部分包括输出端口，该输出端口被配置成辐射出能进入天线的电磁波的至少一部分。这种配置可以是双端部开放式波导。在其它示例中，垂直信道本身可以作为单个元素形成输出。
示例性OEWG天线可以使用用计算机数控(CNC)加工的两个或多个金属层(例如铝板)来产生，适当地对准并且连接在一起。第一金属层可以包括输入波导信道的第一半。这样，第一波导信道的第一半还可以包括输入端口，该输入端口可以被配置成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通道的第一半。波分信道(wave-dividingchannel)可以包括从输入波导信道分支出来的信道网络，并且配置成从输入波导信道接收电磁波，将电磁波分成电磁波的一些部分(即，功率分配器)，以及将电磁波的这些部分传播到波辐射信道。因此，双金属层配置可被称为分割块(split block)构造。
第一金属层可配置有波辐射信道的第一半，其配置为从波分信道接收电磁波的部分。波辐射信道的第一半包括至少一个波定向构件，其被配置成将电磁波的一些子部分传播到另一金属层。
此外，构成天线的第二金属层可以包括输入波导信道的第二半、波分信道和波辐射信道。波辐射信道的第二半可包括部分地与一个或多个波定向构件对准的一个或多个输出端口。每个波定向构件可被配置成将从一个或多个波定向构件传播的电磁波的一些子部分从第二金属层辐射出来。因此，如上所述，给定的波定向构件与相应的一对输出端口的组合可以采用OEWG的形式(在本文中可以称为OEWG)。虽然在该特定示例中，天线包括多个波分信道和多个波辐射信道，但在其它示例中，天线可以至少仅包括单个信道，该单个信道配置成将输入端口接收的所有电磁波传播到一个或多个波辐射信道。例如，全部或部分电磁波可由单个OEWG从第二金属层辐射出来。其他的例子也是可以的。
所述天线还可包括波导馈送部(waveguide feed)，所述波导馈送部耦合在所述波导的相对侧上，所述波导馈送部与用于所述辐射元件中的每一个的所述元件馈送部耦合。例如，元件馈送部可以位于波导的顶部，波导馈送部可以位于波导的底部。在波导以传输模式操作期间，波导馈送部可向波导提供电磁能量，以供辐射元件传输。相反，在波导以接收模式操作期间，波导馈送部可被配置成耦合从馈送波导外部的辐射元件接收的电磁能量。
波导馈送部可以位于沿馈送波导长度的一位置处。例如，在传统的波导系统中，电磁能量可以沿着与波导长度相对应的方向在波导长度的一端处馈送。通过在末端对一波导进行馈送，实现锥形轮廓(即针对每个辐射元件的期望相位和功率幅值)的功率分配可能更困难。如本文所公开的，在一些示例中，替代地，可从波导底部沿与对辐射元件进行馈送的波导的长度方向正交的方向向波导进行馈送。此外，通过在沿该长度的一点从底部对波导进行馈送，可以更容易地为系统设计功率分流网络。
在一些实施例中，波导馈送部沿着波导的长度维度耦合到波导的一侧。具体地，波导可以位于辐射元件的第一半和辐射元件的第二半之间的中心位置。辐射元件的第一半和第二半可以对称地布置在与波导馈送部相对的波导一侧的线性阵列中。对称地，可以说辐射元件的第一半和辐射元件的第二半从线性阵列的中心开始彼此成镜像(即，具有均匀布置)。例如，线性阵列的每一半可以包括相同数量的辐射元件和相同类型的辐射元件。
当多种类型的辐射元件组成线性阵列(例如，辐射单极体(radiating singlet)和辐射偶极体(radiating doublet))时，线性阵列的对称性可以存在，线性阵列的第一半和线性阵列的第二半具有从线性阵列的中心延伸的相同的配置。例如，线性阵列可以包括在两端的辐射单极体和位于辐射单极体之间的四个辐射偶极体。因此，对称性存在于具有在一端的第一辐射单极体和两个辐射偶极体的第一半、和具有在另一端的第二辐射单极体的两个辐射偶极体的第二半。在其它示例中，辐射元件的每一半可能不是对称的。
如上所述，一些实施例可涉及在中心位置处耦合到波导的波导馈送部，使得波导馈送部与辐射元件的线性阵列的中心对准。这样，当波导馈送部位于辐射元件中间的中心位置时，波导馈送部可以在共同相位(common phase) 中将电磁波馈送到辐射元件，而不考虑频率。反过来，可以形成天线以使用更宽的操作带宽来操作，从而减少相位问题。此外，天线也可以以较少的能量损失工作。
在一些例子中，波导馈送部被定位在两组辐射偶极体和两组辐射单极体之间的波导上。辐射偶极体和辐射单极体的组可以对称地排列在一个线性阵列中。例如，波导馈送部可以位于由两个辐射偶极体和第一单极体组成的辐射元件的第一半和由两个辐射偶极体和第二单极体组成的辐射元件的第二半之间。辐射元件的每一半中的单极体可位于线性阵列的中心，在单极体之间，使得两个辐射偶极体在单极体的每一侧之外。在其它示例中，可以将单极体定位在线性阵列的端部。因此，辐射偶极体和辐射单极体可以以共同相位工作而与频率无关。此外，在一些示例中，波导和辐射元件可以围绕波导馈送部的中心位置对称。
在一些实施例中，构成天线的两个或多个金属层可以直接连接，而不使用粘合剂、电介质或其他材料，也不使用可用于连接两个金属层的诸如焊接、扩散连接等方法。例如，两个金属层可以通过使两层物理接触而连接，而无需任何联接层的进一步手段。
在一些示例中，本发明提供了一种集成功率分配器和方法，通过该方法可以调整对OEWG的多个辐射元件进行馈送的每个波导可以具有的相关幅值。可以基于预定义的锥形轮廓(taper profile)来调整幅值，该锥形轮廓指定用于每个相应辐射元件的相对相位和功率。此外，本OEWG可通过简化的制造工艺来实施。例如，还可以实施CNC加工过程或金属涂覆注射成型过程，以在诸如高度、深度、升压或降压相位调整部件的多重性等参数中进行上述调整。进而，与其他类型的设计相比，本发明可以实现合成期望的幅值和相位的更加精确的方法，从而使得天线装置所实现的增益、旁瓣电平和波束控制成为可能。
此外，虽然在该特定示例中以及在本文描述的其它示例中，但是天线装置可由两个金属层组成，但应理解，在其它示例中，上述信道中的一个或多个可形成为单个金属层，或者分成两层以上的金属层，其能组成天线。此外，在本文的示例中，为了说明天线的某些部件(例如波定向构件)的功能，描述了从OEWG天线的一层传播到另一层的电磁波(或其一些部分/一些子部分)的原理。实际上，在电磁波通过天线的某些传播点期间，电磁波可能不局限于信道的任何特定“半”。更确切地说，在这些特定点上，当两个“半”结合形成给定信道时，电磁波可以通过给定信道的这两个“半”自由传播。
现在参考附图，图1A示出了天线的第一配置。如第一配置中所示，天线100包括辐射元件组102、波导104和波导馈送部110。在其他配置中，天线100可以包括更多或更少的单元。
示出了辐射元件组102，其中辐射元件对称地布置在线性阵列中。每个辐射元件被配置成辐射电磁能量。例如，辐射元件组102可以从波导104接收电磁能量，并且将电磁能量作为雷达信号辐射到环境中。辐射元件102还可以接收从环境中的一些表面反射回来并朝向天线100的反射信号。
波导104被配置为在辐射元件组102和波导馈送部110之间引导电磁能量。如图1A所示，波导104包括第一侧106和与第一侧106相对的第二侧 108。具体地，第一侧106和第二侧108正交于波导104的高度维度107并且平行于波导104的长度维度109。因此，辐射元件组102耦合到波导104 的第一侧106。
所示的波导馈送部110沿着波导104的长度维度109耦合到波导104的第二侧108。具体地，波导馈送部110耦合在辐射元件组102的第一半和辐射元件组102的第二半之间的中心位置。因此，波导馈送部110可正交地对准波导104的长度。
在天线100的操作期间，波导馈送部110被配置成在波导104和波导外部的部件(例如，提供和接收电磁能量形式的雷达信号的雷达芯片组)之间传送电磁能量。在一些实施例中，波导馈送部110可用于将能量从外部部件单向引导到波导104。在其他实施例中，波导馈送部110被配置为用作双向部件，其可在波导104和外部部件之间对能量进行双向导向。例如，波导馈送部110可以耦合到波束形成网络。波束形成网络可以耦合到多个波导(例如，波导104)，并且每个波导可以进一步链接到辐射元件组。因此，在一些示例中，多个辐射元件组102可以形成二维阵列，并且单个馈送部110可以为多个波导(例如波导104)提供电磁能量，每个波导都具有与其耦合的辐射元件组102。
在一些示例中，波导馈送部110可在接合部处耦合到波导104。具体地，该接合部可以被配置成基于波导馈送部110和波导104的几何结构来分配功率。
天线100被显示为在辐射元件组102中具有辐射偶极体和辐射单极体。从线性阵列的第一端开始，辐射偶极体112位于第一端，接着是辐射偶极体 114、第一辐射单极体120、第二辐射单极体122、辐射偶极体116，以及位于第二端的辐射偶极体118。在图1A所示的第一配置中，辐射单极体120、 122一起位于接近线性阵列的中心的位置，使得第一组辐射偶极体(即，辐射偶极体112、114)位于第一辐射单极体120之外，且第二组辐射偶极体(即，辐射偶极体116，118)位于第二辐射元件122之外。因此，当从线性阵列的中心观看时，辐射元件的第一半的布置与辐射元件的第二半的布置成镜像。两半辐射元件的镜像排列建立了线性阵列内辐射元件的对称性。
辐射单极体120、122在线性阵列内的中心定位可使得每个单体能够以通过波导104从波导馈送部110接收的更多电磁能量进行发射。天线122相对于波导馈送部110的邻近定位可以使得更多的电磁能量进入并通过每个辐射单极体传输。在锥形轮廓规定了阵列的中心单元(这里辐射单极体120、 122)相对于阵列的其他辐射元件发射具有较大相对幅值的电磁信号的天线中，这种在中心具有单体的布置可以是理想的。
在一些实施例中，天线100可包括在波导108下方且相对于波导馈送部 110的凹陷，其可协助将能量导向各辐射元件。示例中的凹陷可以在结构、设计和位置上有所不同。此外，在其他实施例中，天线100可以根本不包括凹陷。
天线100还可以包括图1A中未示出的部件。例如，天线100可以包括由波导104限定的功率分配网络，并且被配置成基于锥形轮廓来分配由波导馈送部110传输的电磁能量。每个辐射元件可基于锥形轮廓接收电磁能量的一部分。在一些示例中，功率分配网络可以不均匀地分配来自波导馈送部110 的功率。在其他示例中，功率分配网络可以均匀地分配来自波导馈送部110 的功率。
图1B示出了天线的第二配置。与第一配置中的天线100类似，第二配置中所示的天线130包括辐射元件组132、波导134和波导馈送部140。在其他配置中，天线100可以包括更多或更少的元件。
在第二配置中，天线130的辐射元件组132包括位于辐射元件的线性阵列的端部处的第一辐射元件150和第二辐射元件152。具体地，第一辐射单极体150位于线性阵列的第一端处的第一组辐射偶极体(即，辐射偶极体142、 144)之外，第二辐射单极体152位于线性阵列的第二端处的第二组辐射偶极体(即，辐射偶极体146，148)之外。基于给定锥形轮廓，在天线中期望这种在阵列端部具有单极体的布置。在未示出的其他示例中，偶极体和单极体也可以以其他方式组合。
图1C示出了图1B中所示的天线的第二配置的三维呈现。如在第二配置中所示，天线130包括辐射元件组、波导134和波导馈送部140。辐射元件包括位于线性阵列的相对端上的第一辐射单极体150和第二辐射单极体152。天线130还包括位于辐射单极体150、152之间的辐射偶极体142、144、 146、148。如上所述，第二配置期望使得天线130能够针对锥形轮廓进行特定操作。
波导134可以以与本发明中讨论的波导类似的方式配置。例如，波导134 可以包括各种形状和结构，这些形状和结构被配置成将电磁功率引导到波导 134的各个辐射元件(例如，辐射单极体150、152和辐射偶极体142、144、 146、148)，通过波导134传播的电磁波的一部分可以被各种凹形波定向构件和凸形波定向构件分割和定向。
图1C所示的波定向构件的样式是波定向构件的一个示例。基于具体实现，波定向构件可以具有不同的尺寸、形状和位置。此外，所述波导可被设计成使所述波导端部作为调谐短路(tuned shorts)。例如，可以调整波导端部的几何结构，使得波导端部充当调谐短路，以防止电磁能量在波导134内的反射。
在波导134的各个辐射元件的每个接合部处，该接合部处可被认为是双向功率分配器。一定百分比的电磁功率可耦合到相应辐射元件的颈部，剩余的电磁功率可继续向下传播到波导134。通过调整每个相应辐射元件的各种参数(例如颈部宽度、高度和台阶部)，可以控制电磁功率的相应百分比。因此，可以控制每个相应辐射元件的几何结构，以便实现期望的功率锥化 (power taper)。因此，通过调整每个偏置馈送部和每个相应辐射元件的几何结构，可以实现相应波导及其相关辐射元件的期望相位和功率锥化。
当系统在传输模式中使用时，电磁能量可经由波导馈送部140注入波导 134。波导馈送部140可为底部金属层中的端口(即通孔)。波导馈送部140 可以用作使电磁能量能够转移到波导134中的连接波导。
因此，电磁信号可以从天线单元外部通过波导馈送部140耦合到波导 134中。电磁信号可以来自位于天线单元外部的部件，例如印刷电路板、另一波导、雷达芯片或其他信号源。在一些示例中，波导馈送部140可耦合到另一波导的分配网络。
当系统在接收模式下使用时，各辐射元件可被配置成从外部世界接收电磁能量。在这些示例中，波导馈送部140可用于从波导134移除电磁能量。当电磁能量从波导134移除时，其可耦合到部件(例如，一个或多个雷达芯片)中以供进一步处理。
在许多传统的例子中，波导馈送部位于波导的端部。在图1C所示的示例中，波导馈送部140位于中心位置，该中心位置与辐射元件的对称线性阵列的中心对准。通过居中定位波导馈送部140，耦合到波导134中的电磁能量可以更容易地被分割。此外，通过将波导馈送部140定位在中心位置，可以以更紧凑的方式设计天线单元。
当电磁能量从波导馈送部140进入波导134时，电磁能量可以被分流，以获得期望的辐射图案(radiation pattern)。例如，线性阵列中的一系列辐射元件中的每一个都可能需要从波导134接收预定百分比的电磁能量。波导可以包括功率分配元件(未示出)，其被配置成将沿波导每一侧向下传播的电磁能量进行分流。
在一些示例中，功率分配元件可导致功率被均匀或不均匀地分配。辐射元件可被配置成在接收到电磁能量的一部分时辐射电磁能量。在一些示例中，每个辐射元件可接收与每个其他辐射元件大致相同百分比的电磁能量。在其它示例中，每个辐射元件可接收基于锥形轮廓的电磁能量的百分比。
在一些示例锥形轮廓中，相对于波导馈送部140更靠近波导138的中心的天线130的辐射元件可以接收更高百分比的电磁能量。在一些实施例中，天线130可包括在波导138下且相对于波导馈送部140的凹陷，其可协助将能量导向到各辐射元件。示例中的凹陷可以在结构、设计和位置方面有所不同。此外，在其他实施例中，天线130可以完全不包括凹陷。如果将电磁能量注入波导138的端部，则设计波导138以在各辐射元件之间正确地分配功率可能更困难。通过将波导馈送部140定位在中心位置，可以在各辐射元件之间实现更自然的功率分配。
在一些实例中，辐射元件可具有相关联的锥形轮廓，该锥形轮廓规定中心的辐射元件应接收比其它元件更高百分比的电磁能量。因为波导馈送部 140定位为更靠近中心元件的位置，所以通过最靠近接收更高功率的波导馈送部140的元件来分配功率则更自然。此外，如果波导138具有位于波导138 的中心处的波导馈送部140，则可以以对称方式设计波导138，以实现期望的功率分配。
在一些示例中，天线130可以在两种模式中的一种模式下操作。在第一模式中，天线130可以从用于发射的来源(即操作为发射天线)接收电磁能量。在第二模式中，天线130可以从天线130外部接收电磁能量以进行处理(即操作为接收天线)。
图2A示出了形成天线元件的二维阵列的天线200的第一层202。如图所示，第一层202包括波导信道组203的第一半。波导信道203可以包括多个延长节段204，每个延长节段204对应于一个或多个波导。如此，在每个延长节段204的第一端处可以具有一个或多个辐射单极体206和辐射偶极体 207。每个辐射单极体206和辐射偶极体207可以具有与示例中的其他波定向构件相似或不同的尺寸。
功率可用于将相应量的电磁波(即能量)馈送到天线200中，其中一个或多个通孔可是这些波馈入装置中的位置。根据上述描述，包括输入端口的波导信道203的单个信道/段在本文中可以称为输入波导信道。
在进入天线200时，电磁波通常可以在+x和-x两个方向上行进，因为馈送部相对于x方向将电磁能量耦合到波导的中心。阵列可用于分割电磁波并将波的相应部分传播到每个延长节段204的相应第一端。更具体地说，在朝向波定向构件206离开阵列之后，波可继续在+x和-x方向上传播。根据上述描述，波导信道的阵列部分在本文中可称为波分信道。
当电磁波的一些部分到达波导信道203的每个延长节段204的第一端处的波定向构件206时，波定向构件206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(即，在+z方向上，如图所示)。例如，电磁能量可首先到达凹进到或进一步加工到第一金属层202中的波定向构件(即，凹槽)。该凹进构件可被配置成比更靠近第一端的每个后续构件传播更小部分的电磁能量，其可以是突出构件而不是凹进构件。
此外，与先前构件相比，每个后续构件可被配置成沿在第一端的特定延长节段204向下传播更大分数的电磁波。这样，位于第一端的远端的构件可以被配置成传播最高分数的电磁波。每个波定向构件206可以采取各种尺寸的各种形状。在其他示例中，可以让一个以上的构件(或者没有构件)凹进。还有其他的例子也是可以的。此外，可以改变延长节段的数量。
第二金属层可包含所述一个或多个波导通道的第二半，其中所述一个或多个波导通道的下半部分的相应部分包括：基本上与所述一个或多个波导通道的第一半的延长节段对准的延长节段；和在所述延长节段的端部处的至少一对通孔，所述至少一对通孔部分地与所述至少一个波定向构件对准，并且配置成将从所述至少一个波定向构件传播的电磁波从所述第二金属层辐射出去。
在一些例子中，当两个节段在阈值距离内或当节段的中心在阈值距离内时，可认为第二半的延长节段基本上与第一半的延长节段对准。例如，如果两节段的中心彼此在大约±0.051mm内，则节段可视为基本对准。
在另一个例子中，当两个“半”被组合时(即，当两个金属层连接在一起时)，如果一节段的第一半的边缘和该节段的第二半的相应边缘彼此在大约±0.051mm内，则节段的边缘可视为基本对准。
在其它示例中，当连接两个金属层时，一层可相对于另一层成角度，使得它们的侧面不彼此齐平。在这样的其它示例中，当该角度偏移小于约0.5 度时，可以认为两个金属层以及节段的两个“半”基本上对准。
在一些实施例中，所述至少一对通孔可垂直于所述一个或多个波导通道的第二半的延长节段。此外，所述至少一对通孔的相应对可以包括第一部分和第二部分。因此，给定的一对通孔可在第一部分处相遇，以形成单个信道。该单个信道可以被配置成接收由相应的波定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，第二部分可以包括被配置为偶极体的两个输出端口，并且可以被配置为从该对通孔的第一部分接收至少该部分电磁波，并且从两个输出端口将至少该部分电磁波传播出去。
图2B示出了天线200的组装视图。天线200可以包括第一金属层202 和第二金属层210。第二金属层210可以包括多个孔216(通孔和/或盲孔)，这些孔被配置成容纳对准销、螺钉等。第一金属层202还可以包括与第二金属层210的孔216对准的多个孔(未示出)。
如图2B所示，给定宽度212和给定长度214的OEWG阵列224，其可基于天线200的OEWG和信道的数量而变化。例如，OEWG阵列可具有约 11.43mm的宽度和约28.24mm的长度。此外，在这样的示例性实施例中，除了示例性天线200的其他尺寸之外或作为示例性天线200的其他尺寸的替代，这些尺寸可以加工成不小于约0.51mm的误差，尽管在其他实施例中，可能需要更多或更少的误差。OEWG阵列的其他尺寸也是可以的。
在一些实施例中，第一和第二金属层202、210可由铝板(例如，约6.35mm 坯料)加工而成。在这些实施例中，第一金属层202的厚度可至少为3mm (例如，约5.84mm至6.86mm)。此外，第二金属层210可从6.35mm坯料加工至约3.886mm的厚度。层的其他厚度也是可以的。另外，在一些示例中，第一和第二金属层202、210可通过金属电镀注射成型工艺制成。在这个过程中，这些层可以通过注射成型用塑料制成，并涂上金属(完全金属覆盖或选择性地用金属覆盖)。
在一些实施例中，两个金属层202、210的接合可导致这两层的配合面之间存在气隙或其他不连续性。在这样的实施例中，该间隙或连续性应该靠近(或者可能尽可能接近)天线装置的长度的中心，并且可以具有大约 0.05mm或更小的尺寸。
图2C示出了根据示例性实施例的示例性阵列260。阵列260可位于一顶块上，例如图2A中所示的阵列244。这样，阵列260可以被配置成以四种不同的极化(polarization)发射和/或接收雷达信号。在一些实施例中，阵列260可以是二维阵列。
在一个维度中，阵列260可以包括四个线性阵列262、264、266、268。每个线性阵列262、264、266、268可以包括多个辐射元件(例如，十个辐射元件)，每个辐射元件对于每个相应的线性阵列具有共同的极化方式。在另一维度中，阵列260可包括来自线性阵列262、264、266、268中的每一个的一个辐射元件，其中每个辐射元件的相位中心形成与线性阵列262、264、 266、268每一个的相位中心线正交的线。
另外，组成阵列260的每个线性阵列262、264、266、268可对应于其各自的输入端口212A-D，如图2B所示。因此，通过将雷达信号馈送到输入端口212A-D中的一个或多个或从输入端口212A-D中的一个或多个接收雷达信号，阵列能够选择性地发射或接收四个不同极化中的一个或多个的雷达信号。如图2C所示，线性阵列262可配置为以+45度极化操作，线性阵列264可配置为以水平极化操作，线性阵列266可配置为以垂直极化操作，并且线性阵列268可配置为以-45度极化操作。作为一个示例给出了阵列260 的各种阵列的布置，在其他实施例中，阵列260中的每个线性阵列的位置可以改变(例如，极化的顺序可以不同)。此外，对“Multiple Polarization Radar Unit”的额外公开披露于2017年12月20日提交的美国专利申请 No.15/848,205中，其通过引用整体并入本文。
图3示出了根据示例性实施例的示例性天线的波辐射偶极体。更具体地说，图3示出了示例DOEWG 300的横截面。如上所述，DOEWG 300可包括水平馈送部(即信道)、垂直馈送部(即偶极体颈部)和波定向构件304。垂直馈送部可配置为将来自水平馈送部的能量耦合到两个输出端口302，每一个输出端口被配置成从DOEWG 300辐射至少一部分电磁波。水平馈送部可以是波导部分，如图1A、图1B和图1C中所示的示例。
在一些实施例中，一个或多个DOEWG可以在位置306处包括止挡。具体地，止挡306可以在左侧或右侧，具体取决于DOEWG。在最后一个 DOEWG之前的DOEWG可以简单地在位置306处打开，并且电磁波可以通过该位置306传播到随后的DOEWG。例如，多个DOEWG可以串联连接，其中水平馈送部在多个DOEWG上是共用的。图3进一步显示了各种参数，其可被调整以对耦合到辐射元件中的电磁信号的幅值和/或相位进行调谐。
为了调谐DOEWG，例如DOEWG 300，垂直馈送部宽度vfeed_a和台阶部304的各种尺寸(例如，dw、dx和dz1)可被调谐，以获得从DOEWG 300出来的辐射能量的不同分数。台阶部304也可被称为反射部件，因为其将沿水平馈送部向下传播到垂直馈送部的一部分电磁波进行反射。此外，在一些示例中，反射部件的高度dz1可以是负的，即可以延伸到水平馈送部的底部下方。类似的调谐机制也可用于调谐偏置馈送部。例如，偏移馈送部可以包括垂直馈送部宽度vfeed_a和台阶部的各种尺寸(例如dw、dx和dz1) 中的任何一个，如针对辐射元件所讨论的。
在一些示例中，DOEWG 300的每个输出端口302可以具有相关联的相位和幅值。为了实现每个输出端口302的期望相位和幅值，可以调整各种几何部件。如前面所讨论的，台阶部(反射部件)304可以引导电磁波的一部分通过垂直馈送部。为了调整与各个DOEWG 300的每个输出端口302相关联的幅值，可以调整与每个输出端口302相关联的高度。此外，与每个输出端口302相关联的高度可以是输出端口302的该馈送部分的高度或深度，并且不仅可以是高度或深度调整，而且通常可以是这些变化或台阶部的多重性或上升或下降的高度或深度。
如图3所示，可以调整高度dz2和高度dz3以控制与两个输出端口302 有关的幅值。调整高度dz2和高度dz3可以改变偶极体颈部的物理尺寸(例如图3A的垂直馈送部)。偶极体部可以具有基于高度dz2和高度dz3的尺寸。因此，当针对各偶极体改变高度dz2和高度dz3时，偶极体颈部的尺寸(即偶极体颈部的至少一侧的高度)可以改变。在一个示例中，由于高度dz2大于高度dz3，因此与高度dz2相关联(即定位为与之相邻)的输出端口302 可以以比由与高度dz3相关联的输出端口302辐射的信号的幅值更大的幅值进行辐射。
此外，为了调整与每个输出端口302相关联的相位，可以为每个输出端口302引入台阶部。台阶部可以位于输出端口302的平坦侧，并且以台阶方式调整dz2和dz3的高度。高度中的台阶部可导致由与台阶部相关联的输出端口302所辐射的信号的相位发生改变。因此，通过控制与每个输出端口302 相关联的高度和台阶部，可以控制由输出端口302发送的信号的幅值和相位。在各种示例中，台阶部可以采取各种形式，例如向上的台阶部和向下的台阶部的组合。另外，可以增加或减少台阶部的数量来控制相位。
对几何结构的上述调整也可用于调整偏移馈送部的与波导连接的部位的几何结构。例如，可以调整高度、宽度和台阶部，或者将其添加到偏置馈送部中，以便调整系统的辐射特性。阻抗匹配、相位控制和/或幅值控制可以通过调整偏置馈送部的几何结构来实现。
在一些实例中，天线可由金属镀覆聚合物结构构造。聚合物可通过注射成型工艺形成并涂有金属，以提供所需的电磁特性。图4示出了具有可形成本文所述天线的金属部分453A、453B的、基于聚合物的波导460的示例等轴测横截面图。示例波导460由顶部部分452和底部部分454形成。顶部部分452和底部部分454在接缝456处联接。接缝456对应于两层联接在一起的位置。波导包括充气腔458。在腔458内，电磁能量在波导460的操作期间传播。波导460还可以包括馈送部459。馈送部459可用于向波导460中的腔458提供电磁能量。替换地或额外地，馈送部459可用于允许电磁能量离开波导450。馈送部459可是将电磁能量馈入当前天线或从当前天线移除的位置。在其它示例中，馈送部459可以是波导从天线的不同波导部分接收能量的位置，例如针对图1A和1C描述的分流或组合端口。图4的示例波导460在腔458高度的中点处具有接缝456。在各种实施例中，顶部部分452 和底部部分454可以沿着波导的轴线在各种不同的位置联接在一起。
如图4所示，顶部部分452和底部部分454可以具有各自的金属部分 453A、453B。底部部分454的金属部分453A和顶部部分452的金属部分 453B每一个可以通过电镀工艺形成。如前所述，顶部部分452和底部部分 454都可以由聚合物制成。相应的金属部分453A、453B可被镀到RF表面上，例如端口459和腔458的内部部分。因此，当顶部部分452与底部部分 454接触时，相应的金属部分存在电联接。在图4所示的例子中，只有RF 表面(即，电磁能量接触的表面)被电镀。在其它示例中，也可以对除RF 表面之外的额外表面进行电镀。此外，对“Plated,Injection Molded,Automotive Radar Waveguide Antenna”的额外公开披露于2016年7月26日提交的美国专利申请No.15/219，423中，其通过引用整体并入本文。
图5是辐射电磁能量的示例方法500的流程图。应当理解，本文中未描述的其他操作方法也是可以的。
还应理解，此类天线的给定应用可确定上述两个金属层的各机械加工部分的适当尺寸和大小(例如，信道大小，金属层厚度等)和/或用于本文所述天线的其他机加工(或非机加工)部分/部件的适当尺寸和大小。例如，如上所述，一些示例雷达系统可被配置为以77GHz的W波段电磁波频率操作，其对应于毫米电磁波长度。在该频率下，通过方法400制造的设备的信道、端口等可以具有适于77GHz频率的给定尺寸。其他示例天线和天线应用也是可以的。
尽管以顺序示出了这些框，但是这些框也可以并行地和/或以与本文所描述的不同的顺序来执行。此外，各种框可以被组合成更少的框、被划分成附加框和/或基于期望的实现被移除。
在框502，方法500包括通过波导馈送部将电磁能量馈送到波导的中心。波导馈送部可以在辐射元件组的第一半和辐射元件组的第二半之间的中心位置处耦合到波导的第二侧。例如，波导馈送部可以沿着波导的长度维度耦合到波导的第二侧。波导馈送部表示能够将电磁能量传输(即馈送)到另一个波导或多个波导的中心(或另一部分)的波导。
在一些示例中，辐射元件的第一半可包括第一组辐射偶极体和第一辐射单极体。辐射元件的第二半可包括第二组辐射偶极体和第二辐射单极体。例如，第一组辐射偶极体和第二组辐射偶极体可各自包括两个辐射偶极体。
在一些天线配置中，第一和第二辐射单极体一起定位在辐射元件的线性阵列的中心，如图1A所示的配置中。在这样的配置中，辐射偶极体组被定位在线性阵列内辐射单极体以外。在其它天线配置中，第一和第二辐射单极体被定位在辐射元件的线性阵列的端部，例如在图1B和图1C所示的配置中。在这样的配置中，辐射偶极体组被定位在线性阵列内的辐射单极体以内。
在框504，方法500包括经由波导在(i)多个辐射元件中的每一个和(ii) 波导馈送部之间传播电磁能量(例如，77GHz毫米电磁波)。辐射元件被配置成辐射电磁能量，并对称地布置在线性阵列中。
在一些示例中，波导的几何结构可以包括高度维度和长度维度，使得波导的第一和第二侧与高度维度正交并且平行于长度维度。这样，辐射元件可以耦合到波导的第一侧。例如，波导可以具有直的形状，并且辐射元件可以沿着波导的长度对准。
在框506，方法500包括为每个相应的辐射元件提供正在传播的电磁能量的一部分。例如，来自波导馈送部的电磁能量可以基于锥形轮廓来分配。具体地，所述多个辐射元件中的每个辐射元件可以基于所述锥形轮廓接收电磁能量的一部分。
在一些例子中，电磁能量被均匀分配。在其他示例中，基于锥形轮廓将来自波导馈送部的电磁能量进行分配是，将来自波导馈送部的功率进行不均匀地分配。在进一步的示例中，将来自波导馈送部的电磁能量进行分配还涉及波束形成网络将电磁能量分配到多个波导。
在框508，方法500包括经由每个辐射元件来辐射出经耦合的电磁能量的至少一部分。每个辐射元件基于由锥形轮廓定义的每个相应辐射元件的相关幅值和相位来辐射出经耦合的电磁能量的一部分。
应当理解，波导信道、波导信道的一些部分、波导信道的侧面、波定向构件等的其他形状和尺寸也是可以的。在一些实施例中，矩形形状的波导信道可以非常方便地制造，尽管可以实施其他已知或尚未已知的方法来以相同或甚至更进一步方便地制造波导信道。
应当理解，本文所描述的布置仅用于示例目的。因此，本领域技术人员将理解，可以使用其他布置和其他元件(例如机器、装置、接口、功能、命令和功能分组等)，并且根据期望的结果可以完全省略一些元件。此外，所描述的许多元件是功能实体，这些功能实体可以在任何合适的组合和位置中实施为离散或分布式部件，或者与其他部件一起实现。
虽然本文公开了各种方面和实施例，但是其他方面和实施例对于本领域技术人员来说是显而易见的。本文所公开的各个方面和实施例是为了说明的目的，并不意在限制，其范围由以下权利要求指示。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
多个辐射元件，其被配置成辐射电磁能并被布置成线性阵列；
波导馈送部；和
波导，其被配置成在(i)所述多个辐射元件中的每一个和(ii)所述波导馈送部之间引导电磁能量，其中所述波导包括第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，并且其中所述多个辐射元件耦合到所述波导的第一侧；
其中，所述波导馈送部在所述多个辐射元件的第一半和所述多个辐射元件的第二半之间的中心位置处耦合到所述波导的第二侧，其中，所述波导馈送部被配置成在所述波导和所述波导外部的部件之间传输电磁能量。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述波导馈送部正交地对准所述波导的长度。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个辐射元件的第一半包括第一组辐射偶极体和第一辐射单极体，以及
其中，所述多个辐射元件的第二半包括第二组辐射偶极体和第二辐射单极体。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述第一组辐射偶极体包含两个辐射偶极体，而且所述第二组辐射偶极体包含两个辐射偶极体。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一辐射单极体在所述线性阵列的第一端处位于所述第一组辐射偶极体之外，所述第二辐射单极体在所述线性阵列的第二端处位于所述第二组辐射偶极体之外。
6.根据权利要求3所述的系统，其中所述第一辐射单极体和所述第二辐射单极体位于所述线性阵列的中心附近，使得所述第一组辐射偶极体位于所述第一辐射单极体之外，并且所述第二组辐射偶极体位于所述第二辐射单极体之外。
7.根据权利要求1所述的系统，还包括：
功率分配网络，其由所述波导限定且被配置成基于锥形轮廓来分配由所述波导馈送部传输的电磁能量，其中每个辐射元件基于所述锥形轮廓来接收所述电磁能量的一部分。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述波导馈送部耦合到波束形成网络，其中所述波束形成网络耦合到多个相应的波导，并且每个波导具有相应的多个辐射元件。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述波导的第一侧是所述波导的顶侧，所述波导的第二侧是所述波导的底侧。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述波导馈送部在接合部处耦合到所述波导，并且其中所述接合部被配置成基于所述波导馈送部和所述波导中的至少一个的几何结构来分配功率。
11.一种辐射雷达的方法，包括：
通过波导馈送部将电磁能量馈送到波导的中心，其中波导包括第一侧和与第一侧相对的第二侧；
在(i)多个辐射元件中的每一个和(ii)波导馈送部之间经由波导传播电磁能量，其中所述多个辐射元件布置在耦合到波导第一侧的线性阵列中；
对于每个辐射元件，提供正在传播的电磁能量的一部分；和
经由每个辐射元件辐射出正在传播的电磁能量的至少一部分。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述波导馈送部在所述多个辐射元件的第一半和所述多个辐射元件的第二半之间的中心位置处耦合到所述波导的第二侧。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述多个辐射元件的第一半包括第一组辐射偶极体和第一辐射单极体，并且其中所述多个辐射元件的第二半包括第二组辐射偶极体和第二辐射单极体。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一组辐射偶极体包括两个辐射偶极体，而且所述第二组辐射偶极体包括两个辐射偶极体。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一辐射单极体在所述线性阵列的第一端处位于所述第一组辐射偶极体之外，所述第二辐射单极体在所述线性阵列的第二端处位于所述第二组辐射偶极体之外。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一辐射单极体和所述第二辐射单极体位于所述线性阵列的中心附近，使得所述第一组辐射偶极体位于所述第一辐射单极体之外，并且所述第二组辐射偶极体位于所述第二辐射单极体之外。
17.根据权利要求11所述的方法，还包括：
基于锥度轮廓将来自波导馈送部的电磁能量进行分配，其中每个辐射元件基于锥度轮廓接收电磁能量的一部分。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，将来自波导馈送部的电磁能量进行分配还包括波束形成网络将所述电磁能量分配到多个波导。
19.根据权利要求11所述的方法，其中所述波导的第一侧位于分流块的第一部分，所述波导的第二侧位于所述分流块的第二部分。
20.一种雷达系统，包括：
多个辐射元件，其被配置成辐射电磁能量并被布置成线性阵列，其中所述多个辐射元件包括辐射偶极体组和辐射单极体组；
波导馈送部；和
波导，其被配置成在(i)所述多个辐射元件中的每一个和(ii)所述波导馈送部之间引导电磁能量，其中所述波导包括第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，并且其中所述多个辐射元件耦合到所述波导的第一侧；
其中，所述波导馈送部在所述多个辐射元件的第一半和所述多个辐射元件的第二半之间的中心位置处耦合到所述波导的第二侧，其中，所述波导馈送部被配置成在所述波导和所述波导外部的部件之间传输电磁能量。
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