CN116742336A - 用于雷达装置的天线 - Google Patents
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Abstract
本公开的实施例涉及用于雷达装置的天线。根据示例实施例，提供了一种用于雷达装置的天线组件，该天线组件包括：被布置为传输发射器波束的出站无线电波的第一馈电天线和被布置为捕获接收的RF信号的第二馈电天线；以及被布置为准直经由透镜元件的后端获取的发射器波束以从透镜元件的前端向监测方向传输并且聚焦在透镜元件的前端处从监测方向接收的接收器波束以在第二馈电天线处经由透镜元件的后端接收的透镜元件，其中第一馈电天线和第二馈电天线设置在导电接地平面上，导电接地平面在透镜元件的中心轴的方向上从透镜元件的后端偏移预定义距离，并且其中透镜元件的后端与接地平面之间的体积包括折射率小于透镜元件的折射率的材料。
Description
技术领域
本发明的示例和非限制性实施例涉及一种用于雷达装置的天线组件和/或一种采用该天线组件的雷达装置。
背景技术
通常，雷达是一种检测系统，其应用射频(RF)波以用于经由使用发射器发射无线电波、使用接收器从远程目标接收发射的无线电波的反射、并且使用处理系统基于接收的无线电波确定远程目标的特性(诸如其位置和速度)来检测远程位置处的目标。从远程目标反射的无线电波也可以称为反向散射无线电波或反向散射RF信号。雷达可以用于各种不同应用，包括监测不同物体(诸如公路车辆、飞机、船舶)的位置和移动、以及观察大气和气象参数的演变。
典型地，例如意图用于大气和/或气象应用的雷达旨在观察在距雷达相对较长的距离处的多个相对较小的目标，并且随后以准确和可靠的方式估计其特性。本文中，所考虑的目标的特性可以包括其相应形状和尺寸、其与雷达的相应距离、以及其相对于雷达的相应运动。此外，雷达可以旨在估计分布在大气中的距离可以从几米例如直到几百公里的大量目标的这样的目标特性。
作为这样的雷达设计的一个示例，图1A示出了雷达装置的一些组件的框图，同时也示意性地示出了该雷达装置的操作的一些方面。图1A的雷达装置包括天线组件10，该天线组件10包括馈电天线11和透镜元件12。图1B示意性地示出了根据一个示例的天线组件10的截面图，其示出了透镜元件12具有凸形(例如，基本上椭圆形)前端和平面后端，其中馈电天线被布置在透镜元件12的后端上的在透镜元件12的相位中心14处。馈电天线11经由耦合器25被耦合到发射器20，发射器20提供RF信号以用于作为无线电波从馈电天线11的传输。馈电天线11还经由耦合器25被耦合到接收器30，接收器30接收在馈电天线11处捕获的RF信号。耦合器25实现发射器20与馈电天线11之间以及馈电天线11与接收器30之间的相应高效信号路径，同时用于防止发射的RF信号的功率进入接收器30，从而在发射的RF信号与接收的RF信号之间提供隔离。发射器20和接收器30被耦合到处理单元50，处理单元50被布置用于控制发射器20和发射器30的相应操作并且用于处理发射的RF信号和接收的RF信号。
透镜元件12用作会聚透镜，该会聚透镜被布置为将从馈电天线11发射(TX)的无线电波准直成从天线组件10发射的RF波束13的波序列13a，并且将在天线组件10处接收(RX)的无线电波聚焦到馈电天线11。当在距天线组件10一定距离处遇到目标40时，表示从发射器20供应给馈电天线11的RF信号的波序列13a产生对应的反向散射(或反射、回射)波系列43a，该反向散射(或反射、回射)波系列43a可以在天线组件10处接收并且在馈电天线11处在供应给接收器30的接收的RF信号中捕获，而处理单元50可以基于发射的RF信号和接收的RF信号来导出检测到的目标的各种特性。
透镜元件12的前端的可用于无线电波的传输和接收的部分可以称为(机械)天线孔径，而(机械)天线孔径的实际应用于无线电波的传输和接收的部分可以称为有效天线孔径。(机械)天线孔径和有效天线孔径的尺寸可以例如经由其投影的直径(例如，其横截面)来定义。因此，在图1A和图1B所示的示例中，发射的RF波束13的波序列13a经由透镜元件12的前端处的天线孔径离开天线组件10，并且来自目标40的反向散射波43经由天线孔径在天线组件10处被接收。
给定应用所允许的最大机械天线孔径，天线设计可以朝着以下各项被优化：
-大方向性的概念极限(给定允许的最大天线孔径尺寸和应用中
使用的载波RF波长)；
-小损耗(信号泄漏和耗散)；以及
-稳定的波束模式(具有最小旁瓣的形状良好的主波束瓣)。
在天线组件10的优选设计中，透镜元件12具有明确限定的相位中心14，馈电天线11可以定位在该相位中心14处，其中透镜元件12的物理尺寸取决于透镜元件12的材料的电气特性。在技术上非常适合毫米RF应用并且在实际应用中可行的透镜材料之中，材料的选择取决于对以下的考虑：足够低的损耗(例如，边界处的高透明度和低反射率)、高介电常数(聚焦功率)、以及与透镜元件12的特性有关的任何特定应用约束，诸如重量、成本和对不同使用环境的稳健性。倾向于采用相对较低介电常数的材料，这导致透镜元件12的几何形状相对较长。透镜元件12的形状通过大的偏心率(例如，大的椭圆度)和透镜元件12的长的圆柱形延伸部分而被延长。
在现有技术的设计路径的典型结果中，由于将馈电天线11定位在由透镜元件12的几何形状限定的相位中心14处的通常应用的设计原理，透镜元件12的延长的形状通常导致某些不利的权衡：
1)对于空间和最大重量受限的应用，天线元件12的总高度和重量趋于变得不可接受地高。
2)考虑到由优选的简单并且紧凑的馈电天线11辐射的相对较宽的波束图，发射的RF波束13的大部分扩展到由有效天线孔径覆盖的区域之外，导致在天线元件12的侧面上的发射功率泄漏(例如，图1B的图示中的发射的RF波束13的分量13b)以及在透镜元件12内发生多次反射。这些特征降低了天线组件10在方向性和损耗(例如，净天线增益)方面的性能。考虑到在其他RF应用中的普遍使用所需要的监管批准，泄漏可能会造成问题。相反地，标称天线孔径之外的RX信号路径倾向于允许干扰信号进入接收器30。用于减轻天线组件10的这种有害特性的已知解决方案包括例如以下各项：
-应用馈电天线11的更复杂的设计，
-为透镜元件12应用更复杂的几何形状，和/或
-在天线组件10周围引入附加的吸收器。
然而，这样的解决方案存在使机械可行性复杂化的风险，增加了天线组件10的尺寸、重量和/或制造成本，从而可能产生最终结果进一步远离主要设计目标(尺寸、重量、成本)的方案。
在所有雷达应用中，对于可靠的检测和准确的测量，需要相对于无所不在的背景噪声具有足够高的信号功率。当观察反向散射信号随着其尺寸而急剧减少的目标(诸如小的大气成分)时，对相对较高的信噪比(SNR)的要求变得非常迫切。天线组件10的特性(诸如高方向性(窄并且规则的方向图)和低损耗)是来自目标40的回波的优化SNR的关键因素。如本领域公知的雷达信号功率方程所示，天线组件10的方向性和天线组件10中发生的损耗的倒数对来自目标40的回波的SNR有二次贡献。因此，与诸如增加发射器功率等替代手段(其具有很多缺点和复杂性)相比，天线组件10的优化性能通常是实现高雷达系统性能的最方便和最具成本效益的手段。
如上所述，可以应用耦合器25以确保发射的RF信号与接收的RF信号之间的充分隔离。隔离要求存在于利用脉冲传输操作的雷达系统以及调频连续波(FMCW)雷达中。如本领域已知的，脉冲雷达的时间复用方案允许在传输暂停的同时接收信号。然而，为了确保足够的隔离，需要诸如隔离器和/或限幅器等专用组件来保护接收器在发射的脉冲期间免受高强度RF功率的影响。而且，在脉冲操作中，根据在传输和后续接收器恢复时段期间与从天线组件10发射的无线电波到目标40的组合行进距离以及从目标散射回天线组件10的波的行进距离相对应的距天线组件10的距离，目标40在死区中无法观察到。
死区的问题可以通过调频连续波(FMCW)雷达的应用至少在一定程度上得到解决。在这样的雷达设计中，传输和接收同时发生，从而基本上也能够在目标40接近天线组件10时检测目标40。另一方面，在这种雷达设计中，需要解决发射的RF信号与接收的RF信号之间具有足够隔离的问题以确保足够的检测性能。除了使用图1A所示的耦合器25之外，在这方面的其他已知解决方案包括例如以下各项：
i)应用不同天线系统进行传输和接收；
ii)正交极化状态下的传输和接收操作；
iii)应用(高度)定向耦合器作为耦合器25，以提供从发射器20到馈电天线11和从馈电天线11到接收器30的相应信号路径。
在解决发射的RF信号与接收的RF信号之间的充分隔离的同时，这些解决方案中的每个具有某些缺点：i)至少部分地重新引入脉冲雷达存在的死区，因为发射的波束和接收的波束在不同天线系统前面的不可忽略的距离内不重叠，同时两个不同天线系统的布置导致机械上庞大和复杂的结构，ii)在不规则形状的目标在反向散射信号中提供高交叉极化的情况下，会导致性能下降，以及iii)在发射器20与馈电天线11之间以及馈电天线11与接收器30之间的信号路径中引入相对较高的附加损耗，同时也在毫米RF波长下在建立稳定的匹配阻抗和在优化天线组件10的尺寸方面带来了附加挑战。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于雷达装置的天线组件，以促进检测和区分距天线组件不同距离处的多个不同尺寸的目标，以使得能够以高分辨率和高精度导出检测到的目标的一个或多个特性，而本发明的另一目的是提供一种雷达装置，该雷达装置利用这样的天线组件以便以高分辨率和高精度导出在距天线组件不同距离处的多个不同尺寸的目标的一个或多个特性。
根据示例实施例，提供了一种用于雷达装置的天线组件，该天线组件包括：被布置为基于提供给其的发射的射频RF信号来发射发射器波束的出站无线电波的第一馈电天线和被布置为基于在其处接收的接收器波束的入站无线电波来捕获接收的RF信号的第二馈电天线；以及被布置为准直经由透镜元件的后端获取的发射器波束以用于从透镜元件的前端向监测方向的传输、并且聚焦在透镜元件的前端处从监测方向接收的接收器波束以用于在第二馈电天线处经由透镜元件的后端的接收的透镜元件，其中第一馈电天线和第二馈电天线设置在导电接地平面上，导电接地平面在透镜元件的中心轴的方向上从透镜元件的后端偏移预定义距离，并且其中透镜元件的后端与接地平面之间的体积包括折射率小于透镜元件的折射率的材料，以在透镜元件的后端与第一馈电天线和第二馈电天线之间会聚出站RF波束和入站RF波束。
根据另一示例实施例，提供了一种雷达装置，该雷达装置包括根据前述示例实施例的天线组件、被布置为向第一馈电天线供应发射的RF信号的发射器和被布置为接收在第二馈电天线处捕获的接收的RF信号的接收器、以及被布置为在考虑到发射的RF信号的情况下基于接收的RF信号来确定在监测方向上与天线组件相距一定距离的一个或多个目标的相应特性的处理单元，其中该特性包括以下中的至少一项：一个或多个目标的相应位置、一个或多个目标的相应速度、一个或多个目标的相应尺寸、一个或多个目标相应形状。
本专利申请中提出的本发明的示例性实施例不应当被解释为对所附权利要求的适用性构成限制。动词“包括”及其派生词在本专利申请中用作公开限制，其不排除也存在未引用的特征。除非另有明确说明，否则下文描述的特征可以相互自由组合。
本发明的一些特征在所附权利要求中阐述。然而，当结合附图阅读时，从以下对一些示例实施例的描述中，将能够最好地理解本发明的关于其构造和操作方法以及其附加目的和优点的方面。
附图说明
本发明的实施例在附图中以示例的方式而非限制的方式示出，在附图中：
图1A和图1B示出了雷达装置的一些组件的框图，并且示意性地示出了本领域已知的雷达装置的操作的一些方面；
图2示出了雷达装置的一些组件的框图以及根据示例的雷达装置的一些组件的框图；
图3A示意性地示出了根据示例的天线组件的一些方面；
图3B示意性地示出了根据示例的天线组件的一些方面；以及
图4示出了根据示例的装置的一些组件的框图。
具体实施方式
图2示出了根据示例的雷达装置100，包括天线组件110的一些组件的示意图以及雷达装置100的一些(其他)组件的框图。雷达装置100在图2的示例中示出为具有天线组件110、发射器120、接收器130和处理单元150。雷达装置100可以用于需要同时检测和跟踪多个目标的应用，诸如用于气象和/或大气研究。在这点上，图2提供了雷达装置100的简化图示，仅示出了描述根据本公开的雷达装置100和/或天线组件110的操作和各种有利特性所必需的组件，而雷达装置100和/或天线组件110可以包括图2的图示中未包括的一个或多个组件，而不脱离本公开的范围。
天线组件110包括馈电天线布置和透镜元件112，其中馈电天线布置可以包括第一馈电天线111a和第二馈电天线111b。第一馈电天线111a可以被布置用于传输，并且第二馈电天线111b可以被布置用于接收，而透镜元件112可以包括会聚透镜，该会聚透镜被布置为准直经由其后端接收的发射器波束113a以用于从其前端(其中的天线孔径)的传输，并且聚焦在其前端(其中的天线孔径)处接收的接收器波束113b以用于经由其后端的接收。透镜元件112的后端也可以称为透镜元件112的后表面或透镜元件112的底部，而透镜元件112的前端也可以称为透镜元件112的前表面或透镜元件112的顶部。
第一馈电天线111a可以被布置为基于从发射器120提供给其的(待)发射的RF信号来发射发射器波束113a的出站无线电波，而第一馈电天线111a可以相对于透镜元件112定位，使得发射器波束113a经由其后端朝向透镜元件112定向，从而导致准直的发射器波束113a从透镜元件112的前端的传输。第二馈电天线111b可以被布置为基于在其处接收的接收器波束113b的入站无线电波来捕获接收的RF信号并且将接收的RF信号提供给接收器130。第二馈电天线111b可以相对于透镜元件112定位，使得其能够经由透镜元件112的后端接收接收器波束113b。在其操作过程中，雷达装置100被定位为使得从透镜元件112的前端传输的发射器波束113a的出站无线电波被引导到感兴趣的监测方向，而在监测方向上从一个或多个目标回射(或反射、反向散射)的无线电波被接收作为接收器波束113b的入站无线电波，并且在描述一个或多个目标的相应特性的接收的RF信号中被捕获。第一馈电天线111a可以经由第一信号路径被耦合到发射器120，并且第二馈电天线111b可以经由与第一信号路径分离并且隔离的第二信号路径被耦合到接收器130。发射器120可以向第一馈电天线111a提供出站RF信号，而接收器130可以从第二馈电天线111b获取入站RF信号。在相对于发射器120和接收器130的这种布置中使用单独的馈电天线111a、111b进行传输和接收消除了对在先前已知的解决方案(参见图1A)中应用的(定向)耦合器25的需要，同时实现了发射的RF信号与接收的RF信号之间的充分隔离，从而经由如下方案基本上提供了耦合器25的功能，该方案导致更小的损耗并且与(定向)耦合器25相比在设计上更为直接和经济实惠。
包括天线组件110、发射器120和接收器130的实体可以称为收发器，尽管在图2的示例中被描绘为相应独立的(逻辑)实体。发射器120和接收器130可以被耦合到处理单元150，处理单元150可以被布置为控制发射器120和发射器130的相应操作。处理单元150还可以被布置为实现一个或多个RF处理步骤，诸如基带与所应用的载波频率之间的转换，并且在考虑到发射的RF信号的情况下基于接收的RF信号来导出一个或多个目标的一个或多个特性。在这点上，处理单元150可以应用本领域中已知的并且通常应用于雷达信号处理的信号处理技术，以考虑到发射的RF信号基于接收的RF信号(例如，基于接收的RF信号的频谱特性)来导出例如一个或多个目标的相应一个或多个特性。本文中，针对一个或多个目标中的每个而导出的一个或多个特性可以包括以下中的一项或多项：
-相应目标的位置，
-相应目标的尺寸，
-相应目标的形状，以及
-相应目标的运动(例如，速度)。
因此，在一个示例中，雷达装置100可以使得能够同时检测和区分远程位置处的多个目标，并且在距雷达装置100的宽距离范围上以高精度和可靠性导出其相应位置、速度和一个或多个其他特性(诸如其形状和/或尺寸)。能够实现这样的雷达性能的天线组件110的结构和操作的各个方面在下文中提供的非限制性示例中描述。
在一个示例中，雷达装置100可以依赖于调频连续波(FMCW)传输和接收。在这点上，作为示例，发射器120和接收器130可以被实现为多普勒收发器的相应元件，该多普勒收发器被布置为应用调频连续波(FMCW)传输和接收，其可以称为FMCW多普勒收发器。虽然根据本公开的天线组件110可以应用于RF波长，但在非限制性示例中，可以应用从一毫米以下到几十毫米(例如，5毫米)范围内的载波波长。这样的载波波长使得能够使用几百MHz的范围内或甚至几GHz的范围内(取决于所应用的载波波长)的RF带宽，这进而实现了相对较高的空间分辨率，例如，在气象或大气应用中，例如对于检测降水颗粒、云颗粒和/或环境空气的其他成分、以及对于检测雷达环境中的其他物体，这可能是有利的。
图3A和图3B示意性地示出了根据示例的天线组件110的截面图，其示出了第一馈电天线111a、第二馈电天线111b和透镜元件112。透镜元件112可以包括合适形状的介电材料片，该介电材料片在由发射器120和接收器130应用的波长下对发射器波束113a和接收器波束113b的相应无线电波是透明的或基本上透明的。在这点上，图3A和图3B的相应图示是概念性的，因为它们用于说明第一馈电天线111a和第二馈电天线111b相对于透镜元件112的近似布置、以及由这样的布置产生的发射器波束113a和接收器波束113b的近似相应形状。另一方面，图3A和图3B的相应图示不用于说明天线组件110在其组件的形状和尺寸方面或在其相对于彼此的精确位置方面的任何物理上精确的特征。
作为非限制性示例，透镜元件112可以由诸如高密度聚乙烯(HDPE)等聚乙烯(PE)制成。在另一示例中，透镜元件112可以由交联聚苯乙烯制成，而在另外的示例中，透镜元件112可以由诸如尼龙、氮化硼或石英等材料制成。沿着前面描述的思路，透镜元件112可以用作会聚透镜。在这点上，在一个示例中，透镜元件112可以具有基本上圆形的横截面，而透镜元件112的前端可以是凸的，并且透镜元件112的后端可以是基本上平面的。在一个示例中，透镜元件112的凸形前端可以具有或可以近似于椭球形状，透镜元件112的前端由此遵循或近似于截头长椭球或截头扁椭球的表面。透镜元件112的前端或其一部分可以用作天线组件110的天线孔径。
第一馈电天线111a可以设置在距透镜元件112的中心轴A的第一距离r1处，而第二馈电天线111b可以设置在距中心轴A的第二距离r2处，其中第一距离r1和第二距离r2中的每个可以设置为相应非零值，从而使第一馈电天线111a和第二馈电天线111b从中心轴A横向偏移。在这点上，第一馈电天线111a可以从中心轴A偏移到第一方向中，并且第二馈电天线111b可以从中心轴A偏移到第二方向中，其中第一方向和第二方向是彼此不同的相应方向。在一个示例中，第一距离r1可以基本上等于第二距离r2(即，r1＝r2＝r)，从而将第一馈电天线111a和第二馈电天线111b在中心轴A的相对侧处设置在与中心轴A相距基本上相同的距离处。在另一示例中，替代地或另外地，第一方向和第二方向可以彼此相对，从而将第一馈电天线111a和第二馈电天线111b在中心轴A的相对侧处放置在彼此相距r1+r2的距离处。在另一示例中，第一距离r1和第二距离r2中的一个可以为零(而另一个为非零)，从而将第一馈电天线111a和第二馈电天线111b中的一个放置在中心轴A处。
因此，根据第一距离r1和第二距离r2的相应选择，第一馈电天线111a和第二馈电天线111b中的至少一者从透镜元件112的中心轴A横向偏移。因此，与透镜元件112的中心轴A相比，发射器波束113a的中心轴朝着与第一方向相对的方向呈现出轻微的“倾斜”，倾斜量至少部分取决于第一馈电天线111a与中心轴A之间的第一距离r1。沿着类似的思路，与透镜元件112的中心轴A相比，接收器波束113b的中心轴朝着与第二方向相对的方向“倾斜”，倾斜量至少部分取决于第二馈电天线111b与中心轴之间的第二距离r2。
图3A和图3B的示意图将透镜元件112描绘为平凸透镜，而在各种示例中，透镜元件112可以包括任何类型的会聚透镜元件，例如平凸透镜、正弯月透镜或双凸透镜。在一个示例中，透镜元件112可以包括轴向对称透镜，其中透镜元件112的中心轴也用作其对称轴，而在另一示例中，透镜元件112a可以包括轴向不对称透镜。此外，图3A和图3B的示意图将透镜元件112示出为遵循或近似于截头椭球的形状，而在其他示例中，透镜元件112可以包括遵循或近似于截头椭球的形状的前部和具有基本上圆柱形形状的后部，该后部具有与前部的横截面基本上相同的横截面，其中前部和后部可以提供为单件元件。
第一馈电天线111a和第二馈电天线111b中的每个可以设置在导电接地平面115上，该导电接地平面115沿着中心轴线A位于透镜元件112的后端后面的预定义距离k处。换言之，第一馈电天线111a和第二馈电天线111b可以设置在接地平面115上，该接地平面115垂直于透镜元件112的中心轴A并且在中心轴A的方向上从透镜元件112的后端偏移距离k。在这点上，表述“在透镜元件112的后端后面”是指与透镜元件112的后端相比更远离透镜元件112的前端处的天线孔径的空间位置，使得第一馈电天线111a和第二馈电天线111b在中心轴A的方向上从透镜元件112的后端偏移预定义距离k。
此外，透镜元件112的后端与设置有第一馈电天线111a和第二馈电天线111b的接地平面115之间的体积包括折射率小于透镜元件112折射率的材料或由这样的材料制成。因此，透镜元件112的后端与第一馈电天线111a和第二馈电天线111b之间的该体积构成电磁带隙(EBG)，该EBG用于在从EBG进入透镜元件112时会聚发射器波束113a，并且在从透镜元件112进入EBG时聚焦接收器波束113b：
-从第一馈电天线111a发射的发射器波束113a包括发散RF波束，而EBG用于在从EBG经由其后端进入透镜元件112时减小
发射器波束113a的发散；
-透镜元件112内的接收器波束113b包括会聚RF波束，而EBG用于在从透镜元件112(经由其后端)进入EBG时增加接收器波束113b的会聚。
透镜元件112的后端与设置有第一馈电天线111a和第二馈电天线111b的平面115之间的距离k也可以称为EBG的深度(或EBG深度)。在一个示例中，EBG可以包括布置在第一馈电天线111a和第二馈电天线111b与透镜元件112的后端之间的气隙或真空，而在其他示例中，EBG可以包括折射率小于应用于透镜元件112中的材料的折射率的固体材料。
EBG深度k可以根据所应用的载波波长λ来选择，例如通过设置
其中εrc表示用于提供EBG的材料的相对介电常数。在这点上，作为示例，在EBG包括布置在平面115与透镜元件112的后端之间的气隙或真空的情况下，限定EBG深度的距离k可以基本上是所应用的载波波长λ的波长的一半。
由于EBG用于会聚穿过其中的发射器波束113a和接收器波束113b，在接地平面115与透镜元件112的后端之间应用EBG用于使天线组件110的相位中心基本上更靠近透镜元件112的前端，其中该偏移基本上大于EBG深度k。这使得天线组件110在透镜元件112的中心轴A的方向上的长度方面能够减小尺寸，而不损害RF性能。为了说明天线组件110的尺寸减小方面，图3A和3B示出了虚拟相位中心114的位置，其表示在不包括由EBG引入的会聚的情况下透镜元件112的相位中心的概念位置，并且这将是前面参考图1A和图1B描述的先前已知的解决方案中天线11的位置以及透镜元件12的后端的位置。虚拟相位中心114也可以称为有效相位中心。
除了能够减小天线组件110的尺寸之外，使相位中心更靠近透镜元件112的前端的方面进一步促进减少来自透镜元件112的侧面的功率泄漏。在EBG被提供为接地平面115与透镜元件112的后端之间的气隙或真空的示例中，或者在EBG以其他方式包括密度基本上小于透镜元件112的密度的材料或由这样的材料制成的示例中，应用EBG产生的另一优点是减少了天线组件110的重量。除了与天线组件110的物理尺寸和重量相关的优点之外，EBG功能性在透镜元件112的后端与虚拟相位中心114之间引入了实质上的几何空间。设置在接地平面115上的不同的第一馈电天线111a和第二馈电天线111b可以位于该空间中，注意到，与透镜元件112的后端与虚拟相位中心114之间的距离相比，EBG深度k相对较小。在这种布置中，发射器波束113a和接收器波束113b与源自虚拟相位中心114的相应(理想)波束紧密匹配，而在透镜元件112的前端的天线孔径处，发射器波束113a和接收器波束113b看起来好像源自虚拟相位中心114，从而减轻了第一馈电天线111a和第二馈电天线111b中的至少一者从透镜元件112的中心轴A偏移相应距离r1和r2而可能产生的任何不利影响。
第一馈电天线111a可以被布置为使用具有根据连接第一馈电天线110a和第二馈电天线111b的相应位置的(概念)线而对准的取向的极化来传输发射器波束113a的出站无线电波，其中极化的取向可以被定义为发射器波束113a的电磁场矢量的E分量的方向。在这点上，连接第一馈电天线111a和第二馈电天线111b的相应位置的(概念)线可以平行于图3A和图3B的投影平面。在一个示例中，极化的取向可以与连接第一馈电天线111a和第二馈电天线111b的(概念)线基本对准，而在另一示例中，极化的取向可以与连接第一馈电天线111a和第二馈电天线111b的线基本垂直。因此，为了优化天线性能，用于接收的第二馈电天线111b的极化的取向基本上与用于传输的第一馈电天线111a的极化的取向对准。这种选择导致天线孔径处的优选照射图案，这进一步减轻了由于第一馈电天线111a和第二馈电天线111b中的至少一者从透镜元件112的中心轴A偏移相应距离r1和r2而可能产生的波束轴的任何倾斜。
在一个示例中，天线组件110可以包括电路板，诸如印刷电路板(PCB)，该电路板具有布置在其上的第一贴片天线和第二贴片天线，其中第一贴片天线可以用作第一馈电天线111a，并且第二贴片天线可以用作第二馈电天线111b。在这点上，电路板可以包括用作接地平面115的导电层(例如，由诸如铜等金属制成的导电层)，或者电路板可以具有布置在其上的用作接地平面115的导电板，而第一贴片天线和第二贴片天线可以设置在导电层上或导电板上(以适用者为准)。导电层或导电板可以包括诸如铜等金属或可以由其制成。本文中，第一贴片天线和第二贴片天线相对于彼此的空间布置可以遵循第一馈电天线111a和第二馈电天线111b相对于透镜元件112的中心轴A的空间布置。此外，第一贴片天线可以设置有第一导电耦合，该第一导电耦合使得能够将第一贴片天线连接到发射器120，而第二贴片天线可以设置有第二导电耦合，该第二导电耦合与第一导电耦合分离并且隔离并且能够将第二贴片天线连接到接收器130。在一个示例中，发射器120和/或接收器130也可以布置在电路板上，而在另一示例中，发射器120和/或接收器可以设置在容纳第一贴片天线和第二贴片天线的电路板外部，并且它们可以经由相应导电耦合连接到第一贴片天线和第二贴片天线中的相应一者。
容纳第一贴片天线和第二贴片天线的电路板可以安装在透镜元件112的背面，或者相反，透镜元件112的背面可以安装在电路板上。在这点上，电路板可以安装在透镜元件112的背面上，使得第一贴片天线在距中心轴A的第一方向上设置在距透镜元件112的中心轴A第一距离r1处，第二贴片天线在距中心轴A的第二方向上设置在距透镜元件112的中心轴A第二距离r2处，并且第一贴片天线和第二贴片天线在透镜元件112的中心轴A的方向上设置在距透镜元件112的后端距离k的平面上，导电板布置在电路板的表面上，从而用作接地平面115。换言之，根据前述示例，电路板可以安装在透镜元件112的背面(反之亦然)，使得分别用作第一馈电天线111a和第二馈电天线111b的第一贴片天线和第二贴片天线相对于透镜元件112占据其相应位置。电路板可以具有基本上平面的形状，以促进安装到透镜元件112。根据一个示例，透镜元件112可以设置有一个或多个安装元件(例如，安装抽头)，该安装元件可以固定到设置在电路板中的相应的一个或多个相对元件(例如，安装凹槽或安装孔)，其中由一个或多个安装元件和一个或多个相对元件提供的安装机构被布置为确保电路板的第一贴片天线和第二贴片天线以及透镜元件112相对于透镜元件112的中心轴A的正确定位(即，中心轴A与第一贴片天线和第二贴片天线之间的相应距离r1和r2)。
仍然参考电路板与透镜元件112之间的集成，EBG可以被实现为用作接地平面115的电路板的导电板与透镜元件112的后端之间的气隙。在这点上，电路板可以设置有加强元件(诸如金属棒或由另一种基本上刚性的材料制成的棒)，该加强元件布置在电路板的相对侧，以确保电路板在第一贴片天线和第二贴片天线的位置处具有足够的平面性，并且因此确保其上安装有第一贴片天线和第二贴片天线的平面115与透镜元件112的后端之间的正确距离k。
透镜元件112可以直接用作天线组件110的外表面，从而不需要使用天线罩或其他单独的保护元件来保护天线组件110免受可能影响天线组件110和/或采用天线组件110的雷达装置100的性能的天气(和其他)条件的影响。在这点上，作为示例，透镜元件112的外表面(或其一个或多个部分)可以被保护层(例如，保护膜)覆盖，该保护层保护透镜元件112免受由于暴露于室外条件下的紫外光而可能发生的氧化。如果使用这样的涂层，则涂层的材料优选地被选择为使得涂层具有与透镜元件112的介电常数相匹配的介电系数，以最小化(例如，减少或甚至完全消除)透镜元件112的被涂覆的前端处的出站无线电波的反向散射。
在上文中，参考第一馈电天线111a和第二馈电天线111b描述了天线组件110的有利结构的各种示例，第一馈电天线111a和第二馈天线111b可以从透镜元件112的中心轴A偏移相应距离r1和r2。在这种方法的变型中，第一馈电天线111a可以替换为包括两个或更多个第一馈电天线元件的第一馈电天线组，并且第二馈电天线111b可以替换为包括两个或更多个第二馈电天线元件的第二馈电天线组，其相对于透镜元件112的中心轴A布置，使得两个或更多个第一馈电天线元件的几何中心点偏离中心轴A第一距离r1并且两个或更多个第二馈电天线元件的几何中心点偏离中心轴A第二距离r2。与第一馈电天线111a和第二馈电天线111的情况一样，第一馈电天线组和第二馈电天线组的相应馈电天线元件可以通过布置在电路板上的相应贴片天线来实现。
图4示出了装置200的一些组件的框图，该装置200可以用于实现前面参考处理单元150描述的操作。装置200包括处理器210和存储器220。存储器220可以存储数据和计算机程序代码225。装置200还可以包括用于与其他装置进行有线或无线通信的通信部件230。通信部件230可以实现与作为雷达装置100的一部分而提供的装置和/或与雷达装置100外部的装置的通信。作为前者的示例，通信部件230可以实现与发射器120和/或接收器130的通信。该装置还可以包括用户I/O(输入/输出)组件240，用户I/O组件240可以与处理器210和计算机程序代码225的一部分一起被布置为提供用于从用户接收输入和/或向用户提供输出的用户接口。具体地，用户I/O组件可以包括用户输入部件，诸如一个或多个键或按钮、键盘、触摸屏或触摸板等。用户I/O组件可以包括输出部件，诸如显示器或触摸屏。装置200的组件经由总线250彼此通信耦合，总线250使得能够在组件之间传输数据和控制信息。
存储器220和存储在其中的计算机程序代码225的一部分可以与处理器210一起进一步被布置为引起装置200执行前面描述的处理单元150的操作的至少一些方面。处理器210被配置为从存储器220读取和向存储器220写入。尽管处理器210被描绘为相应单个组件，但是它可以被实现为相应一个或多个单独的处理组件。类似地，尽管存储器220被描绘为相应单个组件，但是它可以被实现为相应一个或多个单独的组件，其中的一些或全部组件可以是集成的/可移除的和/或可以提供永久/半永久/动态/高速缓存的存储。
计算机程序代码225可以包括当加载到处理器210中时实现上述处理单元150的操作的至少一些方面的计算机可执行指令。作为示例，计算机程序代码225可以包括由一个或多个指令的一个或多个序列组成的计算机程序。处理器210能够通过从存储器220读取其中包括的一个或多个指令的一个或者多个序列来加载和执行计算机程序。一个或多个指令的一个或多个序列可以被配置为在由处理器210执行时引起装置200执行上述处理单元150的操作的至少一些方面。因此，装置200可以包括至少一个处理器210和至少一个存储器220，该存储器220包括用于一个或多个程序的计算机程序代码225，至少一个存储器220和计算机程序代码225被配置为与至少一个处理器210一起引起装置200执行上述处理单元150的操作的至少一些方面。
可以提供计算机程序代码225，例如，计算机程序产品包括至少一个计算机可读非暂态介质，该介质上存储有计算机程序代码225，该计算机程序码225在由处理器210执行时引起装置200执行上述处理单元150的操作的至少一些方面。计算机可读非暂态介质可以包括存储器设备或记录介质，诸如CD-ROM、DVD、蓝光光盘、或有形地体现计算机程序的另一制品。作为另一示例，计算机程序可以被提供为被配置为可靠地传输计算机程序的信号。
本文中对处理器的(多个)引用不应当理解为仅包括可编程处理器，还包括专用电路，诸如现场可编程门阵列(FPGA)、专用电路(ASIC)、信号处理器等。在前面的描述中描述的特征可以用于除明确描述的组合之外的组合。
Claims (14)
1.一种用于雷达装置(100)的天线组件(110)，所述天线组件(110)包括：
第一馈电天线(111a)和第二馈电天线(111b)，所述第一馈电天线(111a)被布置为基于提供给所述第一馈电天线(111a)的发射的射频RF信号来发射发射器波束(113a)的出站无线电波，所述第二馈电天线(111b)被布置为基于在所述第二馈电天线(111b)处接收的接收器波束(113b)的入站无线电波来捕获接收的RF信号；以及
透镜元件(112)，被布置为准直经由所述透镜元件(112)的后端获取的所述发射器波束(113a)，以用于从所述透镜元件(112)的前端向监测方向的传输，并且聚焦在所述透镜元件(112)的所述前端处从所述监测方向接收的所述接收器波束(113b)，以用于在所述第二馈电天线(111b)处经由所述透镜元件(112)的所述后端的接收，
其中所述第一馈电天线(111a)和所述第二馈电天线(111b)设置在导电接地平面(115)上，所述导电接地平面(115)在所述透镜元件(112)的中心轴(A)的方向上从所述透镜元件(112)的所述后端偏移预定义距离(k)，并且所述透镜元件(112)的所述后端与所述接地平面(115)之间的体积包括折射率小于所述透镜元件(112)的折射率的材料，以在所述透镜元件(112)的所述后端与所述第一馈电天线(111a)和所述第二馈电天线(111b)之间会聚所述出站RF波束和所述入站RF波束，
其中所述预定义距离(k)被定义为
其中λ表示应用于所述发射的RF信号和所述接收的RF信号的载波波长，并且εrc表示应用在所述接地平面(115)与所述透镜元件(112)的所述后端之间的所述体积中的所述材料的相对介电常数。
2.根据权利要求1所述的天线组件(110)，其中
所述第一馈电天线(111a)从所述透镜元件(112)的所述中心轴(A)向第一方向偏移第一距离(r1)，并且
所述第二馈电天线(111b)从所述中心轴(A)向第二方向偏移第二距离(r2)，其中所述第二方向不同于所述第一方向。
3.根据权利要求2所述的天线组件(110)，其中所述第一馈电天线(111a)和所述第二馈电天线(111b)设置在所述中心轴(A)的相对侧。
4.根据权利要求2所述的天线组件(110)，其中所述第一距离(r1)与所述第二距离(r2)基本上相同。
5.根据权利要求1所述的天线组件(110)，其中所述透镜元件(112)是轴向对称的，并且所述透镜元件(112)的所述前端具有凸形形状。
6.根据权利要求1所述的天线组件(110)，其中所述透镜元件(112)的所述后端与所述接地平面(115)之间的所述体积包括气隙。
7.根据权利要求1所述的天线组件(110)，其中所述第一馈电天线(111a)被提供用于耦合到发射器(120)，以经由第一信号路径从所述发射器(120)接收所述发射的RF信号，并且其中所述第二馈电天线(111b)被提供用于耦合到接收器(130)，以经由第二信号路径向所述接收器(130)供应所述接收的RF信号，所述第二信号路径与所述第一信号路径分离并且隔离。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的天线组件(110)，其中所述第一馈电天线(111a)被布置为使用与连接所述第一馈电天线(111a)和所述第二馈电天线(111b)的相应位置的概念线基本上对准的极化取向来发射所述出站无线电波。
9.根据权利要求8所述的天线组件(110)，其中以下中的一项适用：
所述极化取向基本上平行于所述概念线，
所述极化取向基本上垂直于所述概念线。
10.根据权利要求1所述的天线组件(110)，还包括：
电路板，其上布置有用作所述接地平面(115)的导电板；以及
设置在所述导电板上的用作所述第一馈电天线(111a)的第一贴片天线和用作所述第二馈电天线(111b)的第二贴片天线，
其中所述电路板安装在所述透镜元件(112)的背面处，使得
所述第一贴片天线在距所述中心轴(A)的第一方向上设置在距所述透镜元件(112)的所述对称轴(A)第一预定义距离(r1)处，
所述第二贴片天线在距所述对称轴(A)的第二方向上设置在距所述透镜元件(112)的所述中心轴(A)第二预定义距离(r2)处，并且
气隙被形成，所述气隙用作其上设置有所述第一馈电天线(111a)和所述第二馈电天线(111b)的接地平面(115)与所述透镜元件(112)的所述后端之间的所述体积。
11.一种雷达装置(100)，包括：
根据权利要求1所述的天线组件(110)；
被布置为将所述发射的RF信号供应给所述第一馈电天线(111a)的发射器(120)和被布置为接收在所述第二馈电天线(111b)处捕获的所述接收的RF信号的接收器(130)；以及
处理单元(150)，被布置为在考虑到所述发射的RF信号的情况下基于所述接收的RF信号，确定在所述监测方向上与所述天线组件(110)相距一定距离处的一个或多个目标(40)的相应特性，其中所述特性包括以下中的至少一项：
所述一个或多个目标(40)的相应位置，
所述一个或多个目标(40)的相应速度，
所述一个或多个目标(40)的相应尺寸，
所述一个或多个目标(40)的相应形状。
12.根据权利要求11所述的雷达装置(100)，其中所述第一馈电天线(111a)被耦合到所述发射器(120)，以经由第一信号路径从所述发射器(120)接收所述发射的RF信号，并且其中所述第二馈电天线(111b)被耦合到所述接收器(130)，以经由第二信号路径向所述接收器(130)供应所述接收的RF信号，所述第二信号路径与所述第一信号路径分离并且隔离。
13.根据权利要求11或12所述的雷达装置(100)，其中所述发射器(120)和所述接收器(130)被布置为应用调频连续波FMCW传输和接收。
14.根据权利要求13所述的雷达装置(100)，其中所述发射器(120)和所述接收器(130)被提供为多普勒收发器，所述多普勒收发器被布置为应用所述FMCW传输和接收。
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