CN118077103A

CN118077103A - 喇叭天线设备

Info

Publication number: CN118077103A
Application number: CN202180103173.4A
Authority: CN
Inventors: 克劳迪娅·瓦萨内利; 乔纳森·阿尔瓦雷兹; 西蒙·特杰罗·阿尔法吉梅; 乔迪·巴尔赛尔·文图拉; 塞尔吉奥·杜克·比亚奇; 阿尔贝托·佩雷斯·蒙哈斯
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2021-10-27
Filing date: 2021-10-27
Publication date: 2024-05-24
Also published as: US20240088567A1; EP4282031A1; WO2023072377A1

Abstract

本发明涉及一种喇叭天线设备(100)，所述喇叭天线设备包括：塑料主体(110)，所述塑料主体包括顶面(111)、与所述顶面(111)相对的底面(112)，以及与所述顶面(111)和所述底面(112)邻接的侧面(113)；和腔体(120)，所述腔体形成在所述塑料主体(110)中，其中所述腔体(120)包括形成在所述塑料主体(110)的所述顶面(111)处的腔体开口(121)，其中所述腔体(120)至少部分涂覆有金属层(122)，以形成用于通过所述腔体开口(121)辐射微波的喇叭天线(130)；其中所述塑料主体(110)部分涂覆有所述金属层(122)，所述金属层(122)用于限定所述喇叭天线(130)的辐射特性(310、311)。

Description

喇叭天线设备

技术领域

本发明涉及汽车雷达的天线设计领域。具体地，本发明涉及一种喇叭天线设备和一种使用这种喇叭天线设备作为接收和发送天线的天线系统。更具体地，本发明涉及一种用于汽车雷达的部分金属化喇叭天线阵列。

背景技术

目前，汽车雷达在76GHz至77GHz子带中工作(例如，根据ETSI EN 301 091-2标准规定)，但对于未来的高分辨率雷达，分配使用直至81GHz的整个带宽变得很重要。现有用于雷达传感器的平面微带天线不能提供足够的大带宽。因此，目前市场上的趋势是专注于喇叭天线，它是众所周知的宽带辐射器，具有稳定的辐射性质。

在雷达系统中使用喇叭天线时，必须考虑到一些不足之处。首先，当多个喇叭天线并排放置时，因其沿着电场的最大值对齐，会表现出强烈的相互耦合。第二个关键点是天线辐射方向图的退化。事实上，当喇叭天线被制成一个大的金属化块中的开口时，天线辐射方向图可以表现出强烈的纹波。具体地，由于金属化的有限尺寸造成的衍射，天线孔径处的大金属面积在电场振幅中产生典型的干涉图案。反之，这会在辐射方向图中导致纹波。这个问题通常会影响H平面扇形喇叭，因此那些有喇叭壁的喇叭天线仅在波导的H平面中展开。

发明内容

本发明提供了一种用于雷达系统的解决方案，所述雷达系统使用新型喇叭天线设计，所述新型喇叭天线设计可以克服可用喇叭天线设计的上述缺点。

具体地，本发明公开了一种新型喇叭天线设计，当两个喇叭天线并排放置时，所述新型喇叭天线设计表现出天线辐射方向图中的纹波减少和相互耦合减少。

上述和其它目的通过独立权利要求的特征来实现。其它实现形式在从属权利要求、说明书和附图中是显而易见的。

本发明提供了喇叭天线之间的相互耦合以及辐射方向图中存在不期望纹波的问题的解决方案。

本发明解决了上述两个基本问题。本发明引入了基于金属涂层塑料的喇叭天线的使用，但并不是像目前可用的解决方案中使用的那样完全遮蔽塑料，而是使部分塑料材料处于暴露而没有任何金属化。这样，天线设计具有附加自由度，因为塑料的介电性质现在可以影响天线性能。

本发明引入了一种适合于汽车雷达传感器系列开发的新型天线系统。所述天线系统在76GHz至81GHz之间的频带中工作(例如，根据ITU-R M.2057.1或ETSI EN 302 264的规范)，并且所述天线系统是一种可表面安装设备，其可以通过装置或螺钉或通过焊接直接连接到印刷电路板(printed circuit board，PCB)。在所述天线系统中，基本的辐射器是H平面喇叭天线，其表现出宽带宽。喇叭天线首先通过注塑或3D打印等在塑料材料中形成，然后通过电镀或气相沉积等金属化。

已在其中形成喇叭天线的塑料块并没有完全被金属涂层覆盖，而是部分塑料材料仍处于暴露。该特征实现了更好地控制天线性能，具体地：1)减少方位角平面中的纹波；和2)减少相邻天线之间的相互耦合。

塑料的介电性质是控制天线性能的附加设计参数。

本发明中描述的原理(即部分金属化结构的使用与喇叭天线的使用相结合)可以用于适合于MIMO雷达的任何天线配置。1D和2D天线布置都可以用这种技术来开发。同样的原理可以扩展到不同的辐射器，例如开口波导，也可以扩展到放置在阵列配置中的天线元件。

通过在汽车雷达传感器等中使用这种喇叭天线设计，可以实现以下益处。在部分金属化的帮助下获得的平滑辐射方向图可以有助于放松对天线系统校准的要求，天线系统校准是汽车雷达系列开发中一项可能昂贵且耗时的任务。此外，同样通过利用部分金属化的优点获得的相互耦合减少在雷达系统中很重要。例如，发送器与接收器之间的强烈耦合可以导致接收器链中的泄漏，并阻止对相对于雷达放置在短距离处的目标的检测，当使用本发明中描述的新型喇叭天线设计时，这可以显著减少。

根据第一方面，本发明涉及一种喇叭天线设备，包括：塑料主体，所述塑料主体包括顶面、与所述顶面相对的底面，以及与所述顶面和所述底面邻接的侧面；和腔体，所述腔体形成在所述塑料主体中，其中所述腔体包括形成在所述塑料主体的所述顶面处的腔体开口，其中所述腔体至少部分涂覆有金属层，以形成用于通过所述腔体开口辐射微波的喇叭天线；其中所述塑料主体部分涂覆有所述金属层，所述金属层用于限定所述喇叭天线的辐射特性。

这种喇叭天线设备提供了在部分金属化的帮助下获得的平滑辐射方向图的优点。此外，通过利用部分金属化的优点，可以减少与放置在喇叭天线附近的其它喇叭天线的相互耦合。

在所述喇叭天线设备的示例性实现方式中，所述金属层用于与所述塑料主体的暴露所述塑料而没有任何金属化的表面部分相互作用，以限定所述喇叭天线的所述辐射特性。

这提供了这样的优点，即金属层与塑料主体的暴露部分的相互作用实现了设计喇叭天线来减少辐射方向图中的纹波并减少相邻喇叭天线的不期望相互耦合。

在所述喇叭天线设备的示例性实现方式中，所述塑料主体的所述塑料的介电性质用于限定所述喇叭天线的所述辐射特性。

这提供了这样的优点，即喇叭天线设计具有附加自由度，因为塑料的介电性质现在可以影响天线性能。

在所述喇叭天线设备的示例性实现方式中，形成所述金属层以相对于所述喇叭天线的方位角平面中的纹波的最小尺寸来限定所述喇叭天线的所述辐射特性。

这提供了这样的优点，即部分覆盖的金属层可以被优化设计，以便最小化辐射方向图中的纹波，从而改善喇叭天线设备的性能。

在所述喇叭天线设备的示例性实现方式中，形成所述金属层以相对于所述喇叭天线与相邻喇叭天线的最小相互耦合来限定所述喇叭天线的所述辐射特性。

这提供了这样的优点，即部分覆盖的金属层可以被优化设计，以便最小化与相邻喇叭天线的相互耦合，从而改善喇叭天线设备的性能。

在所述喇叭天线设备的示例性实现方式中，所述塑料主体的所述底面涂覆有所述金属层；并且所述塑料主体的所述顶面和所述侧面暴露所述塑料而没有任何金属化。

这提供了这样的优点，即喇叭天线设备易于制造，因为顶面和侧面不需要任何金属化。底面的金属化可以用于将喇叭天线设备安装在印刷电路板上。

在所述喇叭天线设备的示例性实现方式中，所述塑料主体的所述底面和所述侧面中的至少一个侧面涂覆有所述金属层；并且所述塑料主体的所述顶面暴露所述塑料而没有任何金属化。

这提供了这样的优点，即至少一个侧面的金属化可以有利地用于抑制电场向相邻设备的延伸，从而改善电磁干扰性能。这种部分涂层的另一个优点是相对于抑制来自侧面的可能杂散辐射更好地控制辐射方向图。

在所述喇叭天线设备的示例性实现方式中，所述塑料主体中的所述腔体包括形成在所述塑料主体的所述底面处以向所述喇叭天线馈送辐射信号的底腔体开口。

这提供了这样的优点，即可以通过使用底腔体开口向喇叭天线设备有效地馈送辐射信号。

在所述喇叭天线设备的示例性实现方式中，所述塑料主体包括形成在所述底面处的凹槽，所述凹槽从所述底腔体开口朝向所述侧面中的一个侧面延伸，所述凹槽形成矩形波导部分。

这提供了这样的优点，即喇叭天线设备可以由耦合到凹槽的印刷电路板上的矩形波导和微带线有效地馈电。

在所述喇叭天线设备的示例性实现方式中，所述塑料主体成形为包括所述顶面、所述底面和四个侧面的箱的形式。

这提供了这样的优点，即喇叭天线设备具有紧凑的设计，并且可以容易地制造(例如，通过3D打印或其它制造方法)。

在所述喇叭天线设备的示例性实现方式中，所述喇叭天线设备包括：形成在所述塑料主体中的至少一个第二腔体，其中所述至少一个第二腔体包括形成在所述塑料主体的所述顶面处的第二腔体开口，其中所述至少一个第二腔体至少部分涂覆有所述金属层，以形成用于通过所述第二腔体开口辐射微波的至少一个第二喇叭天线，其中所述至少一个第二喇叭天线与所述喇叭天线并排放置在所述塑料主体中。

这提供了这样的优点，即喇叭天线设备可以有效地应用于提供发送天线和接收天线的MIMO配置中。

在所述喇叭天线设备的示例性实现方式中，所述至少一个第二喇叭天线与所述喇叭天线横向偏移地放置在所述塑料主体中。

这提供了这样的优点，即当喇叭天线相对于彼此横向偏移地放置时，天线性能可以得到改善。

在所述喇叭天线设备的示例性实现方式中，所述喇叭天线设备包括：形成在所述塑料主体的所述顶面处在所述至少一个第二腔体的所述第二腔体开口与所述腔体的所述腔体开口之间的塑料壁，其中所述塑料壁用于抑制所述喇叭天线与所述至少一个第二喇叭天线之间的相互耦合。

这提供了这样的优点，即可以改善天线辐射方向图。

在所述喇叭天线设备的示例性实现方式中，所述塑料壁在所述塑料主体的所述顶面处围绕所述至少一个第二腔体的所述第二腔体开口和/或所述腔体的所述腔体开口。

这提供了这样的优点，即当塑料壁围绕腔体时，可以容易地制造这些塑料壁。

在所述喇叭天线设备的示例性实现方式中，所述喇叭天线设备包括多个孔，所述多个孔用于：将所述塑料主体与所述塑料主体在印刷电路板上的预定义定位对齐，通过机械紧固将所述塑料主体固定在所述印刷电路板上的所述预定义定位上，和/或将掩模固定在所述塑料主体上以用于在金属化过程期间获得用所述金属层对所述塑料主体的所述部分涂覆。

这提供了这样的优点，即可以通过使用这些孔在PCB上对齐塑料主体、将塑料主体固定在PCB上并将涂层掩模固定在塑料主体上来有效地制造喇叭天线设备。

在所述喇叭天线设备的示例性实现方式中，所述喇叭天线用于在至少覆盖76GHz与81GHz之间的带宽的雷达频带中工作(例如，根据ITU-R M.2057.1或ETSI EN 302 264的规范)。

这提供了这样的优点，即喇叭天线设备可以有效地用于汽车雷达应用。

根据第二方面，本发明涉及一种天线系统，包括：印刷电路板；安装在所述印刷电路板上的根据前述权利要求中任一项所述的至少一个第一喇叭天线设备，所述至少一个第一喇叭天线设备用作接收天线；安装在所述印刷电路板上的根据前述权利要求中任一项所述的至少一个第二喇叭天线设备，所述至少一个第二喇叭天线设备用作发送天线；和放置在所述印刷电路板上的单片微波集成电路(monolithic microwave integrated circuit，MMIC)，所述MMIC包括通过馈电线耦合到所述发送天线的多个发送通道和耦合到所述接收天线的多个接收通道。

这种天线系统提供了在部分金属化的帮助下获得的平滑辐射方向图的优点。此外，通过利用部分金属化的优点，可以减少发送天线与接收天线之间的相互耦合。

MMIC可以放置在PCB的顶侧，即安装第一喇叭天线设备和第二喇叭天线设备的同一侧。在一些实现方式中，多个MMIC可以放置在PCB的顶侧。在一些实现方式中，覆盖MMIC或多个MMIC的护罩或外壳在PCB的顶侧上安装在MMIC或多个MMIC的上方。即，MMIC或多个MMIC可以在PCB的顶侧上放置在护罩或外壳内部。

在所述天线系统的示例性实现方式中，所述天线系统用于形成包括多个接收天线和多个发送天线的MIMO雷达系统。

这提供了可以以高精度准确地检测对象的高性能MIMO雷达系统的优点。

可以应用不同的天线布置，例如，以用于也在仰角而不仅仅是在方位角中执行角度测量。最相关的配置是3x4 MIMO(3个发送天线和4个接收天线)、12x16 MIMO(12个发送天线和16个接收天线)和12x24 MIMO(12个发送天线和24个接收天线)。其它可能的配置例如是6x8 MIMO、9x12 MIMO、15x20 MIMO、18x26 MIMO、2x3 MIMO、4x6 MIMO、6x9 MIMO、8x12MIMO、2x2 MIMO、3x3MIMO、4x4 MIMO、8x8 MIMO、12x12 MIMO、16x16 MIMO、32x32 MIMO、48x48 MIMO等。

根据第三方面，本发明涉及一种用于制造喇叭天线设备的方法，所述方法包括：提供塑料主体，所述塑料主体包括顶面、与所述顶面相对的底面，以及与所述顶面和所述底面邻接的侧面；在所述塑料主体中形成腔体，其中所述腔体包括形成在所述塑料主体的所述顶面处的腔体开口；用金属层至少部分涂覆所述腔体，以形成用于通过所述腔体开口辐射微波的喇叭天线；以及用所述金属层部分涂覆所述塑料主体，所述金属层用于限定所述喇叭天线的辐射特性。

所述方法的优点与针对上述喇叭天线设备和天线系统的对应实现形式的优点相同。

这表示这种方法提供了容易制造具有在部分金属化的帮助下获得的平滑辐射方向图的喇叭天线设备的优点。当基于所述方法制造喇叭天线设备时，通过利用部分金属化的优点，可以减少与放置在喇叭天线附近的其它喇叭天线的相互耦合。

根据第四方面，本发明涉及一种包括计算机可执行代码或计算机可执行指令的计算机程序产品，所述计算机程序产品在被执行时使得至少一个计算机执行根据上述第三方面的方法。

这种计算机程序产品可以例如在制造机器上实现，例如在3D打印机的控制器或制造机器人的计算机数控(computer numerical control，CNC)上实现。

附图说明

将参考以下附图来描述本发明的其它实施例，在附图中：

图1示出了第一实施例提供的喇叭天线设备100的三维视图；

图2示出了第二实施例提供的喇叭天线设备200的三维视图；

图3a示出了电场振幅的曲线图310，其示出了来自塑料块的外壁的杂散辐射；

图3b示出了电场振幅的曲线图311，其示出了由第一实施例提供的喇叭天线设备100的金属化壁阻挡的杂散辐射；

图4示出了辐射图400，其示出了全金属化喇叭天线设备401的辐射与本发明提供的部分金属化喇叭天线设备402的辐射的比较关系；

图5示出了性能图500，其示出了全金属化喇叭天线设备501的相互耦合与本发明提供的部分金属化喇叭天线设备502的相互耦合的比较关系；

图6a示出了本发明提供的喇叭天线设备的底视图601，其示出了底面处的波导到微带转换；

图6b示出了本发明提供的喇叭天线设备的底视图602，其示出了底面处的波导转换；

图7示出了本发明提供的具有并排放置的多个喇叭天线的喇叭天线设备700的三维视图；

图8示出了示例性实现方式提供的天线系统800的顶视图；

图9示出了本发明提供的具有并排放置的示例性数量的三个喇叭天线的喇叭天线设备900的前视图；

图10示出了图9所示的喇叭天线设备900的底视图；

图11示出了示出本发明提供的用于制造喇叭天线设备的方法1100的示意图。

具体实施方式

在以下具体实施方式中，参考构成其一部分的附图，并在附图中通过说明的方式示出可以实践本发明的具体方面。应当理解，可以利用其它方面，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下进行结构或逻辑改变。因此，以下具体实施方式不应以限制性的意义来理解，并且本发明的范围由所附权利要求书限定。

应当理解，关于所描述的方法所做的评论可以对用于执行所述方法的对应设备或系统也同样适用，反之亦然。例如，如果描述了具体方法步骤，则对应的设备可以包括执行所描述的方法步骤的单元，即使附图中未明确描述或示出这种单元。此外，应当理解，除非另外明确说明，否则本文所描述的各种示例性方面的特征可以相互组合。

本发明描述了喇叭天线和喇叭天线设备。喇叭天线由展开式金属矩形波导组成。喇叭天线用于从波导(即用于将无线电波传送到空间的金属管)发送无线电波，或将无线电波收集到波导中以进行接收。喇叭天线通常由长度短的矩形或圆柱形金属管(即波导)组成，一端封闭，另一端展开成开口圆锥形或金字塔形喇叭。无线电波可以通过同轴电缆或微带馈电网络在微带到波导的转换的帮助下引入波导中。然后，这些波以窄波束辐射到喇叭端之外。

用于制造喇叭天线的常见方法是在较大的铝块中铣削所需的形状。然后，可以将加工零件连接在一起，例如用螺钉。

为了获得轻质雷达传感器，喇叭天线可以由塑料制成，然后通过薄金属化覆盖塑料，以确保与原始设计相同的高频性能。在现有的喇叭天线设计中，塑料完全被金属遮蔽，因此材料的介电性质不会影响波传播。在本发明中描述的新型喇叭天线设计中，塑料仅部分被金属遮蔽，这实现了在本发明中描述的关于相互耦合和辐射方向图中的纹波的益处。塑料结构可以在注塑或3D打印的帮助下获得，同时金属涂层可以例如通过电镀或气相沉积技术来实现。

图1示出了第一实施例提供的喇叭天线设备100的三维视图。

喇叭天线设备100包括塑料主体110，所述塑料主体包括顶面111、与顶面111相对的底面112，以及与顶面111和底面112邻接的侧面113。

喇叭天线设备100包括形成在塑料主体110中的腔体120。腔体120包括形成在塑料主体110的顶面111处的腔体开口121。腔体120至少部分涂覆有金属层122，以形成用于通过腔体开口121辐射微波的喇叭天线130。塑料主体110部分涂覆有金属层122，其中金属层122用于限定喇叭天线130的辐射特性或辐射方向图，例如，如图3a和图3b所示的辐射特性310、311。

塑料主体110可以例如由与3D打印一起使用的任何塑料材料形成，例如ABS类光聚合物。

喇叭天线设备100安装在印刷电路板(printed circuit board，PCB)150上。可以在图1中看到PCB150的金属化152。PCB 150的金属化152不同于部分涂覆塑料主体110的金属层122。

部分涂覆塑料主体110的金属层122可以用于与塑料主体110的暴露塑料123而没有任何金属化122的表面部分相互作用，以限定喇叭天线130的辐射特性310、311。

塑料主体110的塑料的介电性质可以用于限定喇叭天线130的辐射特性310、311。

可以形成金属层122以相对于喇叭天线130的方位角平面中的纹波410的最小尺寸来限定喇叭天线130的辐射特性310、311，例如，如图4所示。

可以形成金属层122以相对于喇叭天线130与相邻喇叭天线(例如，如下面关于图7至图10描述的配置中所示的相邻喇叭天线)的最小相互耦合来限定喇叭天线130的辐射特性310、311。

如从图1可以看到，塑料主体110的底面112和侧面113中的至少一个侧面可以涂覆有金属层122。塑料主体110的顶面111可以暴露塑料123而没有任何金属化122。

塑料主体110中的腔体120可以包括如图6a和图6b所示的形成在塑料主体110的底面112处以向喇叭天线130馈送辐射信号的底腔体开口124。

塑料主体110可以包括形成在底面112处的凹槽125，所述凹槽125从底腔体开口124朝向侧面113中的一个侧面延伸，例如，如图6a和图6b所示。凹槽125可能需要用于微带到波导转换。例如，微带线可以在PCB 150上放置在凹槽125下方。凹槽125实现了微带线与波导之间的能量转换。

塑料主体110可以成形为包括顶面111、底面112和四个侧面113的箱的形式。

喇叭天线130可以用于在至少覆盖76GHz与81GHz之间的带宽的雷达频带中工作(例如，根据ITU-R M.2057.1或ETSI EN 302 264的规范)。

图2示出了第二实施例提供的喇叭天线设备200的三维视图。喇叭天线设备200对应于上面关于图1描述的喇叭天线设备100，但在该第二实施例中，塑料主体的具有金属层122的部分覆盖是指塑料主体的底面112。即，底面112(在图2中不可见)被金属层122覆盖，而侧面113不被金属层122覆盖。

这表示塑料主体110的底面112可以涂覆有金属层122，如图2所示。塑料主体110的顶面111和侧面113可以暴露塑料123而没有任何金属化122。

如从图2可以观察到，天线设备200可以被视为可表面安装结构，因为其可以安装在PCB(印刷电路板(printed circuit board，PCB))150的顶表面上，例如，如图8所示，在所述顶表面上，一个或多个MMIC(单片微波集成电路(monolithic microwave integratedcircuit，MMIC))生成高频信号，然后，所述高频信号通过微带馈电网络分发到喇叭天线的输入端口。在图2中，可以识别以下元件：A)塑料主体110或塑料块110的塑料材料123：该块可以通过3D打印或注塑来实现。B)喇叭天线130的开口121或腔体开口121：喇叭的内壁被金属化122；金属化122可以通过电镀或气相沉积来执行。塑料块110的底侧112也被金属化，以允许实现微带到波导转换。C)PCB 150。D)以微带技术到喇叭天线130的输入的馈电125。

图3a示出了电场振幅的曲线图310，其示出了来自塑料块的外壁的杂散辐射。图3b示出了电场振幅的曲线图311，其示出了由第一实施例提供的喇叭天线设备100的金属化壁阻挡的杂散辐射。

如上关于图1和图2描述的喇叭天线设备100、200的金属层122用于限定喇叭天线130的辐射特性310、311或辐射方向图，如辐射图310和311所示。

根据塑料的相对介电常数，可以发生通过塑料材料的显著电磁传播。为了避免天线辐射方向图的退化，特别是方位角平面中的纹波的增加，塑料块110的外壁126(如下面描述的图7的配置中所示)也可以被金属化。这可以阻止来自塑料结构侧面的杂散辐射。

图310示出了下面描述的图2所示的配置提供的喇叭天线设备200的辐射，其中塑料块110的外壁不被金属化。相比之下，图311示出了喇叭天线设备100的辐射，其中外壁被金属化。这形成了塑料块110内部的辐射聚集和塑料块110外部的阻尼辐射特性。

如上面关于图1所描述的，部分涂覆塑料主体110的金属层122可以用于与塑料主体110的暴露塑料123而没有任何金属化122的表面部分相互作用，以限定喇叭天线130的辐射特性310、311。

如上面关于图1所描述的，塑料主体110的塑料的介电性质可以用于限定喇叭天线130的辐射特性310、311。

图4示出了辐射图400，其示出了全金属化喇叭天线设备401的辐射与本发明提供的部分金属化喇叭天线设备402的辐射的比较关系。如从图4可以观察到，全金属化喇叭天线设备401的纹波比部分金属化喇叭天线设备402的纹波410更明显。

由于部分金属化，塑料材料的介电性质可以用于改善喇叭天线的辐射性能。塑料的介电损耗(tanδ)衰减了由于结构的有限尺寸而导致衍射的电流。因此，天线的辐射方向图得到改善，因为与完全金属化的情况401相比，辐射方向图的振幅的波动410可以在所实现的天线增益仅少量损失的情况下减小。可以在图4中清楚地看到改善；与基于全金属化401的原始天线设计相比，部分金属化的情况402中的纹波410的振幅减小。

可以形成喇叭天线设备100、200的金属层122以相对于喇叭天线130的方位角平面中的纹波410的最小尺寸来限定喇叭天线130的辐射特性310、311，如图4所示。

图5示出了性能图500，其示出了全金属化喇叭天线设备501的相互耦合与本发明提供的部分金属化喇叭天线设备502的相互耦合的比较关系。

塑料介电损耗不仅可以改善方位角辐射方向图的形状，而且还可以改善相邻天线之间的相互耦合量。这种效果可以在图5中的示例的帮助下看到。该图表示通过全波模拟获得的放置在7.4mm距离处的两个喇叭天线之间的相互耦合。将部分金属化设计502与全金属化设计501进行比较，可以看到，在本发明提供的解决方案(即部分金属化502)的情况下，相互耦合可以减少大约5dB。在电磁模拟软件中，已经用tanδ＝0.042和ε_r＝2.6对塑料材料进行了建模。这些是用于3D打印的一种常见材料的介电性质，这种材料在此处仅作为示例。

由于塑料介电损耗，当绘制并排放置的两个喇叭天线的全金属化版本和部分金属化版本中的电场的最大振幅时，可以容易地检测到相互耦合的减少。在这种场景中，当使用部分金属化结构时，受害者天线周围的电场的振幅较低。

图6a示出了本发明提供的喇叭天线设备的底视图601，其示出了底面112处的波导到微带转换；图6b示出了本发明提供的喇叭天线设备的底视图602，其示出了底面112处的波导转换。

如图1和图2所示的塑料主体110中的腔体120可以包括如图6a和图6b所示的形成在塑料主体110的底面112处以向喇叭天线130馈送辐射信号的底腔体开口124。

如图1和图2所示，塑料主体110可以包括形成在底面112处的凹槽125。凹槽125可以从底腔体开口124朝向侧面113中的一个侧面延伸，如图6a所示。凹槽125可能需要用于微带到波导转换，如上面关于图1所描述的。

在图6b中，没有凹槽，图6b所示的底腔体开口124在底面112处形成波导转换。

图7示出了本发明提供的具有例如以半自由空间波长或更小的距离并排放置的多个喇叭天线的喇叭天线设备700的三维视图。喇叭天线设备700可以对应于上面关于图1描述的喇叭天线设备100或上面关于图2描述的喇叭天线设备200，但其包括并排放置在塑料主体110中的多个喇叭天线，这些喇叭天线被外壁126围绕。

这表示喇叭天线设备700包括形成在塑料主体110中的至少一个第二腔体220、320，在图7中，实现了示例性数量的三个喇叭天线130、230、330。

所述至少一个第二腔体220、320包括形成在塑料主体110的顶面111处的第二腔体开口221、321。所述至少一个第二腔体220、320至少部分涂覆有金属层122，以形成用于通过第二腔体开口221、321辐射微波的至少一个第二喇叭天线230、330。所述至少一个第二喇叭天线230、330与喇叭天线130并排放置在塑料主体110中。

所述至少一个第二喇叭天线230、330可以与喇叭天线130横向偏移地放置在塑料主体110中(图7中未示出)。

喇叭天线设备700包括形成在塑料主体110的顶面111处在所述至少一个第二腔体220、320的第二腔体开口221、321与腔体120的腔体开口121之间的塑料壁126。塑料壁126用于抑制喇叭天线130与所述至少一个第二喇叭天线230、330之间的相互耦合。

塑料壁126可以在塑料主体110的顶面111处围绕所述至少一个第二腔体220、320的第二腔体开口221、321和/或腔体120的腔体开口121，如图7所示。替代地，塑料壁126可以放置在相应的腔体120、220、320之间，而不完全围绕这些腔体，例如，它们可以成形为直杆或桥。

在许多汽车雷达传感器中，需要将发送或辐射天线放置处于较小的距离，通常是半自由空间波长或更小。在这种情况下，距离太小，无法理解塑料介电损耗对天线相互耦合的影响。为了在这种情况下也仍然减少耦合，本发明引入了在相邻天线之间使用薄塑料壁126，如图7所示。与不使用塑料壁的情况相比，塑料壁126减少了大约2.5dB的相互耦合。

本发明中描述的天线系统适用于具有1D和2D成像能力的MIMO(多输入多输出(multiple-input multiple-output，MIMO))雷达，如下图8所示。事实上，使用部分金属化并不对天线放置造成任何限制；因此，该解决方案可以用于1D和2D成像雷达，这取决于传感器规格。

部分金属化也可以用于不同形状的辐射元件，例如开口波导，或者也可以用于阵列配置中的辐射元件。

图8示出了示例性实现方式提供的天线系统800的顶视图。

天线系统800包括印刷电路板150；安装在印刷电路板150上的至少一个第一喇叭天线设备810，例如，对应于上面关于图1和图2描述的喇叭天线设备100、200。所述至少一个第一喇叭天线设备810可以用作接收天线。

天线系统800包括安装在印刷电路板150上的至少一个第二喇叭天线设备820，例如，对应于上面关于图1和图2描述的喇叭天线设备100、200。所述至少一个第二喇叭天线设备820可以用作发送天线等。

天线系统800还包括放置在印刷电路板150上的单片微波集成电路(monolithicmicrowave integrated circuit，MMIC)830。MMIC包括通过馈电线耦合到发送天线的多个发送通道和耦合到接收天线的多个接收通道。

天线系统800可以用于形成包括多个接收天线811和多个发送天线821的MIMO雷达系统，如图8所示。

在图8所示的该示例中，天线系统800应用于3×4MIMO雷达，即具有3个发送天线和4个接收天线的雷达。如前所述，本发明提供的天线系统800可以推广到任何数量的发送器和接收器，以及任何天线配置。图8示出了此模型。由于接收天线811之间的间距较小，因此在此可以使用上面关于图7描述的薄塑料壁。

在天线系统800的示例性配置中，发送天线821之间的距离可以是7.40mm(中心到中心)。在天线系统800的示例性配置中，接收天线811之间的距离可以是1.85mm(中心到中心)。

MMIC 830可以放置在PCB 150的顶侧上，即安装第一喇叭天线设备810和第二喇叭天线设备820的同一侧。在一些实现方式中，多个MMIC可以放置在PCB 150的顶侧。在一些实现方式中，护罩或外壳831可以覆盖MMIC 830或多个MMIC。这种护罩或外壳831可以在PCB150的顶侧上安装在MMIC 830或多个MMIC的上方。即，MMIC或多个MMIC可以在PCB 150的顶侧上放置在护罩或外壳831内部。

可以应用不同的天线布置，例如，以用于也在仰角而不仅仅是在方位角中执行角度测量。最相关的配置是如图8所示的3x4 MIMO(3个发送天线和4个接收天线)、12x16 MIMO(12个发送天线和16个接收天线)和12x24 MIMO(12个发送天线和24个接收天线)。其它可能的配置是6x8 MIMO、9x12MIMO、15x20 MIMO、18x26 MIMO、2x3 MIMO、4x6 MIMO、6x9 MIMO、8x12 MIMO、2x2 MIMO、3x3 MIMO、4x4 MIMO、8x8 MIMO、12x12 MIMO、16x16 MIMO、32x32MIMO、48x48 MIMO等。

图9示出了本发明提供的具有并排放置的示例性数量的三个喇叭天线(例如，发送喇叭天线)的喇叭天线设备900的前视图。喇叭天线设备900可以对应于上面关于图1描述的喇叭天线设备100或上面关于图2描述的喇叭天线设备200，但其包括并排放置在塑料主体110中的多个喇叭天线130、230、330。在图9中，示出了示例性数量的三个喇叭天线，但该数量可以是任何其它整数。

喇叭天线设备900包括多个孔901、902、903、904，所述多个孔用于：将塑料主体110与塑料主体110在印刷电路板150(例如，如图1和图2所示的PCB 150)上的预定义定位对齐，通过机械紧固将塑料主体110固定在印刷电路板150上的预定义定位上，和/或将掩模固定在塑料主体110上以用于在金属化过程期间获得用金属层122对塑料主体110的部分涂覆。

为了获得天线系统，例如上面关于图8描述的天线系统800，第一步骤是实现其中形成喇叭天线130、230、330的塑料块110。

如上所述，可以在塑料块110中包括多个孔901、902、903、904，如在图中可以看到的那样。这些孔的功能如下：1)定位销孔，以确保天线在PCB上的正确定位；2)螺钉孔，以将天线固定在PCB上；3)螺钉孔，以将塑料掩模固定在块上。在金属化过程期间，可能需要塑料掩模以获得仅部分涂层：掩模覆盖不应包含金属涂层的表面。

仅描述了底侧上的孔，但在天线的顶侧上也可以找到相同的结构。

在金属化过程之后，可以在天线表面上观察到金属涂层，如图9和图10所示。

图10示出了图9所示的喇叭天线设备900的底视图。

天线底部上的全金属化122可以是必要的，以实现从为喇叭天线馈电所需的波导模式到沿着馈电网络传播所需的微带模式的适当转换。

如从图10可以看到，塑料主体110中的腔体120包括形成在塑料主体110的底面112处以向喇叭天线130、230、330馈送相应辐射信号的底腔体开口124。

如上面关于图1所描述的，塑料主体110包括形成在每个喇叭天线130、230、330的底面112处的相应凹槽125。这三个凹槽125中的每一个可能需要用于相应的微带到波导转换。

图11示出了示出本发明提供的用于制造喇叭天线设备的方法1100(例如，图1、图2、图6a、图6b、图7、图9或图10中的一个所示的喇叭天线设备100)的示意图。

方法1100包括：提供1101塑料主体，所述塑料主体包括顶面、与顶面相对的底面，以及与顶面和底面邻接的侧面，例如，如上面关于图1所描述的。

方法1100包括：在塑料主体中形成1102腔体，其中所述腔体包括形成在塑料主体的顶面处的腔体开口，例如，如上面关于图1所描述的。

方法1100包括：用金属层至少部分涂覆1103腔体，以形成用于通过腔体开口辐射微波的喇叭天线，例如，如上面关于图1所描述的。

方法1100包括：用金属层部分涂覆塑料主体，所述金属层用于限定喇叭天线的辐射特性，例如，如上面关于图1所描述的。

虽然可能仅相对于若干实现方式中的一个实现方式公开了本发明的特定特征或方面，但是这种特征或方面可以与其它实现方式的可能期望用于或有利于任何给定或特定应用的一个或多个其它特征或方面组合。此外，就具体实施方式或权利要求中使用的术语“包含”、“具有”、“含有”或它们的其它变型而言，这种术语旨在以类似于术语“包括”的方式进行包括。此外，术语“示例性”、“例如”和“诸如”仅表示作为示例，而非表示最佳或最优。可能使用了术语“耦合”和“连接”以及派生词。应当理解，这些术语可能已经用于指示两个元件彼此协作或相互作用，而不管它们是直接物理接触或电接触，还是它们彼此不直接接触。

尽管已经在本文中示出和描述了具体方面，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以用各种替代和/或等效的实现方式来取代所示出和描述的具体方面。本申请旨在覆盖本文讨论的具体方面的任何改编或变化。

虽然以下权利要求书中的元件是利用对应的标签按照特定顺序叙述的，但是除非对权利要求书叙述另有暗示用于实现部分或所有这些元件的特定顺序，否则这些元件不必旨在限于以所述特定顺序实现。

根据上述教导，许多替代、修改和变化对本领域技术人员来说是显而易见的。当然，本领域技术人员很容易认识到，除了本文所述的应用之外，本发明还有许多应用。虽然已经参考一个或多个特定实施例描述了本发明，但是本领域技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本发明进行许多改变。因此，应当理解，在所附权利要求书及其等效物的范围内，可以用不同于本文具体描述的方式来实践本发明。

Claims

1.一种喇叭天线设备(100)，其特征在于，包括：

塑料主体(110)，所述塑料主体包括顶面(111)、与所述顶面(111)相对的底面(112)，以及与所述顶面(111)和所述底面(112)邻接的侧面(113)；

腔体(120)，所述腔体形成在所述塑料主体(110)中，其中所述腔体(120)包括形成在所述塑料主体(110)的所述顶面(111)处的腔体开口(121)，其中所述腔体(120)至少部分涂覆有金属层(122)，以形成用于通过所述腔体开口(121)辐射微波的喇叭天线(130)；

其中所述塑料主体(110)部分涂覆有所述金属层(122)，所述金属层(122)用于限定所述喇叭天线(130)的辐射特性(310、311)。

2.根据权利要求1所述的喇叭天线设备(100)，其特征在于，

所述金属层(122)用于与所述塑料主体(110)的暴露塑料(123)而没有任何金属化(122)的表面部分相互作用，以限定所述喇叭天线(130)的所述辐射特性(310、311)。

3.根据权利要求1或2所述的喇叭天线设备(100)，其特征在于，

所述塑料主体(110)的所述塑料的介电性质用于限定所述喇叭天线(130)的所述辐射特性(310、311)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的喇叭天线设备(100)，其特征在于，

形成所述金属层(122)以相对于所述喇叭天线(130)的方位角平面中的纹波(410)的最小尺寸来限定所述喇叭天线(130)的所述辐射特性(310、311)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的喇叭天线设备(100)，其特征在于，

形成所述金属层(122)以相对于所述喇叭天线(130)与相邻喇叭天线的最小相互耦合来限定所述喇叭天线(130)的所述辐射特性(310、311)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的喇叭天线设备(200)，其特征在于，

所述塑料主体(110)的所述底面(112)涂覆有所述金属层(122)；

所述塑料主体(110)的所述顶面(111)和所述侧面(113)暴露所述塑料(123)而没有任何金属化(122)。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的喇叭天线设备(100)，其特征在于，

所述塑料主体(110)的所述底面(112)和所述侧面(113)中的至少一个侧面涂覆有所述金属层(122)；

所述塑料主体(110)的所述顶面(111)暴露所述塑料(123)而没有任何金属化(122)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的喇叭天线设备(100)，其特征在于，

所述塑料主体(110)中的所述腔体(120)包括形成在所述塑料主体(110)的所述底面(112)处以向所述喇叭天线(130)馈送辐射信号的底腔体开口(124)。

9.根据权利要求8所述的喇叭天线设备(100)，其特征在于，

所述塑料主体(110)包括形成在所述底面(112)处的凹槽(125)，所述凹槽(125)从所述底腔体开口(124)朝向所述侧面(113)中的一个侧面延伸，所述凹槽(125)形成矩形波导部分。

10.根据前述权利要求中任一项所述的喇叭天线设备(100)，其特征在于，

所述塑料主体(110)成形为包括所述顶面(111)、所述底面(112)和四个侧面(113)的箱的形式。

11.根据前述权利要求中任一项所述的喇叭天线设备(700)，其特征在于，包括：

形成在所述塑料主体(110)中的至少一个第二腔体(220、320)，其中所述至少一个第二腔体(220、320)包括形成在所述塑料主体(110)的所述顶面(111)处的第二腔体开口(221、321)，其中所述至少一个第二腔体(220、320)至少部分涂覆有所述金属层(122)，以形成用于通过所述第二腔体开口(221、321)辐射微波的至少一个第二喇叭天线(230、330)，

其中所述至少一个第二喇叭天线(230、330)与所述喇叭天线(130)并排放置在所述塑料主体(110)中。

12.根据权利要求11所述的喇叭天线设备(700)，其特征在于，

所述至少一个第二喇叭天线(230、330)与所述喇叭天线(130)横向偏移地放置在所述塑料主体(110)中。

13.根据权利要求11或12所述的喇叭天线设备(700)，其特征在于，包括：

形成在所述塑料主体(110)的所述顶面(111)处在所述至少一个第二腔体(220、320)的所述第二腔体开口(221、321)与所述腔体(120)的所述腔体开口(121)之间的塑料壁(126)，

其中所述塑料壁(126)用于抑制所述喇叭天线(130)与所述至少一个第二喇叭天线(230、330)之间的相互耦合。

14.根据权利要求13所述的喇叭天线设备(700)，其特征在于，

所述塑料壁(126)在所述塑料主体(110)的所述顶面(111)处围绕所述至少一个第二腔体(220、320)的所述第二腔体开口(221、321)和/或所述腔体(120)的所述腔体开口(121)。

15.根据前述权利要求中任一项所述的喇叭天线设备(900)，其特征在于，包括多个孔(901、902、903、904)，所述多个孔用于：

将所述塑料主体(110)与所述塑料主体(110)在印刷电路板(150)上的预定义定位对齐，

通过机械紧固将所述塑料主体(110)固定在所述印刷电路板(150)上的所述预定义定位上，和/或

将掩模固定在所述塑料主体(110)上以用于在金属化过程期间获得用所述金属层(122)对所述塑料主体(110)的所述部分涂覆。

16.根据前述权利要求中任一项所述的喇叭天线设备(100)，其特征在于，

所述喇叭天线(130)用于在至少覆盖76GHz与81GHz之间的带宽的雷达频带中工作。

17.一种天线系统(800)，其特征在于，包括：

印刷电路板(150)；

安装在所述印刷电路板(150)上的根据前述权利要求中任一项所述的至少一个第一喇叭天线设备(810)，所述至少一个第一喇叭天线设备(810)用作接收天线；

安装在所述印刷电路板(150)上的根据前述权利要求中任一项所述的至少一个第二喇叭天线设备(820)，所述至少一个第二喇叭天线设备(820)用作发送天线；

放置在所述印刷电路板(150)上的单片微波集成电路(monolithic microwaveintegrated circuit，MMIC)(830)，所述MMIC包括通过馈电线耦合到所述发送天线的多个发送通道和耦合到所述接收天线的多个接收通道。

18.根据权利要求17所述的天线系统(800)，其特征在于，

用于形成包括多个接收天线(811)和多个发送天线(821)的MIMO雷达系统。