CN1188995A - 天线装置及采用该天线装置的发射和接收装置 - Google Patents

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Abstract

一种天线装置,其中,一介质条和一介质谐振器形成一个直立主辐射器,另一介质条耦合至所述介质条形成一个方向耦合器,通过在方向耦合器内位移直立主辐射器,改变主辐射器相对介质透镜的相对位置,以倾斜辐射波束。

Description

天线装置及采用该天线装置的发射和接收装置
本发明涉及天线装置，尤其涉及发射和接收毫米波段电磁波的雷达或类似设备所用的一种天线装置，以及采用该天线装置的发射和接收装置。
安装于机动车辆的毫米波雷达应用于支持安全驱动汽车的系统内。毫米波雷达用以测量与另一辆汽车并排行驶的汽车与其它汽车之间的距离，或汽车周围障碍物与汽车之间的距离。根据测量数据，执行车速控制和刹车，这样可以防止碰撞另一辆汽车或障碍物。
通常，采用毫米波雷达的发射和接收组件结合了毫米波振荡器、循环器、方向耦合器、混频器、天线等等。
图21所示右侧车辆通过FM-CW(调频-连续波)方法，由雷达向左侧的汽车发射毫米波，并接收从左侧汽车反射的毫米波。通过已知的计算方法可以计算右侧与左侧汽车之间的距离，以及两辆汽车之间的相对速度。
通过图22所示的信号处理部分完成计算。计算结果送到控制部分。例如当右侧汽车的驾驶速度等于或高于预定值，以及右侧和左侧汽车之间的距离等于或低于预定值时，控制部分使警告装置工作。或者，在给定的条件下，控制部分可以操纵右侧汽车的刹车装置。
由于常用毫米波雷达所用天线的方向性是固定的，故产生了以下所述的各种不便。
如图18所示，当各辆汽车行驶在两条平行的公路上时，从汽车Cm的雷达发射的毫米波可以到达前方的汽车Ca和Cb。这是因为不能通过调节改变天线的方向性，从而使毫米波仅仅发射到汽车Cm正在行驶的公路内的汽车上。
到达各辆汽车的毫米波由汽车Cm反射和接收。由于汽车Cb和Cm行驶在各条公路上，即使汽车Cb和Cm相互得很靠近，汽车Cm也不必执行特定的安全控制。
然而，汽车Cm无法识别接收波究竟是从汽车Ca还是Cb反射的。因此，当汽车Cb与Cm之间的车距小于容许距离时，仍由汽车Cm执行安全控制。
此外，当天线的方向性为固定时，将产生诸如以下所述的不便。
如图19所示，驶近弯道人口的汽车Cm发射一个毫米波B1；然而，该毫米波无法到达驶近弯道出口的汽车Ca。
而且，如图20所示，在公路有斜坡和倾斜的情况下，在斜坡前行驶的汽车Cm发射毫米波B1，但无法检测正行驶在斜坡上的汽车Ca。
因此，为了解决上述问题，可以采用以下方法改变辐射波束的方向。
例如，图18中，分别发射辐射波束B1、B2和B3，以对每一方向进行测量。通过比较这些结果，可以个别检测汽车Ca和Cb。
在图19所示例子中，根据舵轮的操作识别汽车Cm前方弯道的出现，毫米波B1切换到毫米波B2。还有一种方法是分析摄像机输入的图像检测弯道。而且，图20所示例子中，通过分析摄像机输入的图像检测到斜坡，将毫米波B1切换到毫米波B2。
常规雷达系统中，通过电机或类似部件旋转内装天线的发射和接收装置的罩壳，改变电磁波发射波束的辐射方向。由于罩壳包括了除天线以外的其它部件，故很难减小罩壳旋转机构的尺寸。因此，很难以高速旋转罩壳，以高速扫描辐射波束。
本发明的目的在于提供一种天线装置，以及采用该天线装置的发射和接收装置，它具有小尺寸并能以高速切换天线的方向性。
根据本发明第一方面的天线装置，它包括用以辐射雷达波的主辐射元件，以及用以聚焦雷达波的介质透镜，其中，主辐射元件可在透镜的聚焦平面内移动。相对主辐射元件透镜的位置变化，使主天线装置发射的雷达波束的方向性改变。由于主辐射元件相对较轻，故元件驱动装置的规模可以较小。此外，由于主辐射元件的惯性较小，故可以以高速移动主辐射元件，使雷达波束的高速扫描成为可能。
根据本发明另一方面的天线装置，介质透镜中心轴相对主辐射元件辐射平面的方向是可变的。
根据本发明另一方面的天线装置，为了移动主辐射器在介质透镜聚焦平面内的位置，如权利要求3所述，主辐射器包括用作输入/输出部分的第一介质线，耦合到第一介质线的介质谐振器，以及发射出电磁波或使之沿轴向辐射的开口部分，第二介质透镜靠近第一介质线设置以形成方向耦合器，在第一和第二介质线耦合部分内改变介质透镜与主辐射器之间的相对位置关系。由于输入和输出至/来自上述主辐射器之信号的可移动部分，是由主辐射器一侧上的介质线和另一介质线形成的方向耦合器形成的，故维持该耦合关系时，可以改变主辐射器与介质透镜之间的相对位置。
在方向耦合器中，如权利要求4所述，如耦合量大致为0分贝，可以尽可能大地抑制方向耦合器的传输损耗，并不减小天线的效率。
此外，如权利要求5所述，本发明的天线装置中，发射部分、接收部分和分离发射信号和接收信号的环形器均连接到第二介质线，故天线装置可用于发射和接收。结果，由第一介质线和耦合到第一介质线的介质谐振器，以及耦合到第一介质线的第二介质线所组成的主辐射器可以用于发射和接收，由此防止因利用方向耦合器形成可移动部分而导致大尺寸。
再者，如权利要求6所述，本发明在如权利要求1至5任一所述的天线装置内设置一个驱动部分，用以改变介质透镜与主辐射器之间的相对位置关系，由此形成发射和接收装置。结果，可以获得能够定向扫描天线的小型发射和接收装置。
从以下结合附图所作的描述中，本发明的上述和进一步的目的、各个方面以及新颖的特征将变得更加明白。
图1A、1B、1C、1D、1E和1F表示根据本发明第一个实施例的天线装置的介质透镜与主辐射器之间的关系，以及与辐射波束倾斜角的关系；
图2A、2B和2C表示根据本发明第一个实施例的天线装置的介质透镜与主辐射器之间的另一关系，以及与辐射波束倾斜角的关系；
图3A和3B表示辐射波束倾斜角相对主辐射器与介质透镜偏移量的测量结果；
图4A和4B表示当介质透镜角度相对主辐射器改变时，对辐射波束倾斜角的测量结果；
图5是表示根据本发明第一个实施例的一例发射和接收装置结构的截面图；
图6是表示根据本发明第一个实施例的另一例发射和接收装置结构的截面图；
图7是根据本发明第一个实施例的发射和接收装置的平面图；
图8是根据本发明第二个实施例的发射和接收装置的示意图；
图9A、9B、9C和9D表示用于发射和接收装置的介质线的结构；
图10A和10B是分别表示直立主辐射器结构的平面图和截面图；
图11表示直立主辐射器与介质线装置之间的关系；
图12是方向耦合器的局部透视图；
图13A和13B表示方向耦合器的结构以及与其特性的关系；
图14是根据本发明第二个实施例的整体示意图，包括发射和接收装置的发射和接收部分；
图15是表示根据本发明第三个实施例的发射和接收装置结构的平面图；
图16A、16B和16C表示3例根据本发明第四个实施例的天线装置的可移动部分内的方向耦合器；
图17表示根据本发明第五个实施例的天线装置可移动部分内的方向耦合器；
图18表示车载雷达的辐射波束沿水平方向倾斜的情况；
图19表示车载雷达的辐射波束沿水平方向倾斜的情况；
图20表示车载雷达的辐射波束沿垂直方向倾斜的情况；
图21表示采用车载雷达的情形；
图22是表示车载雷达结构的方框图。
以下将参照图1A至图7描述根据本发明第一个实施例的天线装置以及发射和接收装置的结构。
图1A至1F表示介质透镜与主辐射器之间的位置关系，以及与辐射波束方向性的关系。图1A至1F中，参照号1表示主辐射器，介质透镜2设置成将其辐射方向作为中心轴。图1A、1B和1C表示介质透镜2固定而主辐射器1可移动的例子。如图1A所示，当介质透镜2的中心轴与主辐射器1的辐射方向重合时，辐射波束B指向介质透镜2的前方。然而，如图1B和1C所示，当主辐射器1在介质透镜2的焦平面内位移时，辐射波束B指向与其位移方向相反的方向。图1D、1E和1F表示主辐射器1固定而介质透镜2可移动的例子。当介质透镜2的中心轴与主辐射器1的辐射方向重合时，辐射波束B指向介质透镜2的前方。然而，如图1E和1F所示，当介质透镜2在与其中心轴垂直的方向位移时，辐射波束B指向位移方向。
图2A、2B和2C表示改变介质透镜与主辐射器之间的角度，以改变辐射波束方向的情况。如图2A所示，当主辐射器1的辐射方向指向介质透镜2的中心轴方向时，辐射波束B指向介质透镜2的前方。然而，如图2B和2C所示，通过相对主辐射器1改变介质透镜的轴向，辐射波束B也指向该方向。
图3A和3B表示当相对介质透镜2改变主辐射器1的焦平面内的位移(偏移)量时，对辐射波束的方向角(倾斜角)的测量结果。其中，介质透镜2采用相对介电常数为r＝2.3的PE(聚乙烯)，其开孔N设置为75毫米，其焦距d设置为22.5毫米，主辐射器1采用喇叭天线。通过如上所述在0至5毫米范围内改变主辐射器1的偏移量，辐射波束的倾斜角可以在0至7E范围内改变。
图4A和4B表示当相对主辐射器改变介质透镜2的轴向时，对辐射波束的方向角(倾斜角)的测量结果。其中，介质透镜2采用相对介电常数为r＝2.3的PE(聚乙烯)，其开孔N设置为75毫米，其焦距d设置为21.0毫米，主辐射器1采用由介质谐振器(由非辐射介质线(NRD波导)激发)形成的直立主辐射器。通过如上所述在0至5E范围内改变介质透镜2的角度，辐射波束的倾斜角可以在0至9E范围内改变。
图5是表示发射和接收装置结构的截面图。图5中，参照号3表示罩壳，它收容了发射和接收部分，包括主辐射器1以及安装到开口部分(图5中的上部)的介质透镜2。罩壳3内，通过驱动部分4安装主辐射器1，驱动部分4使主辐射器1在与辐射方向垂直的平面方向上位移。驱动部分4例如由线性电动机或螺线管形成。采用如图1A至1C所示的结构，改变介质透镜2与主辐射器1之间的相对位置关系，以倾斜辐射波束。
图6是表示另一例发射和接收装置结构的截面图。图6中，罩壳3内有整个发射和接收部分，包括固定的主辐射器1，介质透镜2通过驱动部分4安装到罩壳3的开口部分。驱动部分4由线性电动机、螺线管和类似部件形成，它使介质透镜2在与其中心轴正交的平面方向上位移。结果，如图1D至1F所示，介质透镜相对主辐射器位移以倾斜辐射波束。
而在如图2所示改变介质透镜相对主辐射器之角度的情况下，基本上可以采用图6所示的结构。即，图6中，两个左、右驱动部分4的每一个可以位移以改变介质透镜的轴向。此外，当改变主辐射器相对介质透镜的角度时，基本上可以采用图5所示的结构。即，图5中，两个左、右驱动部分4的每一个可以位移以改变主辐射器的轴向。上述例子中，为便于说明，主辐射器或介质透镜是沿纸面平面内的方向位移的，如图18至20所示，在检测前方车辆的毫米波雷达中，当辐射波束不仅沿从右至左方向倾斜，而且沿上下方向倾斜时，主辐射器或介质透镜也可以在二维方向上位移。图7是从介质透镜轴向观察的发射和接收装置的平面图。在此情况下，通过相对介质透镜沿x轴和y轴相对位移主辐射器1，使辐射波束沿x轴和y轴方向倾斜。
接下来，将参照图8至图14描述根据本发明第二个实施例的天线装置以及发射和接收装置的结构。
图8是表示整个发射和接收装置结构的示意图。第二个实施例中，通过沿图面从右至左方向位移罩壳3内的主辐射器1，辐射波束沿图面中从右至左的方向倾斜。
图9A、9B、9C和9D是表示根据本发明第二个实施例的发射和接收装置所用介质线结构的局部透视图。图9A至9D中，参照号101和102的每一个表示导电板。图9B和9D所示例子中，介质线由夹在这两块导电板之间的介质条100形成。图9A和9C所示例子中，基板103连同介质条100a和100b置于导电板101与102之间，同时形成其表面与介质条辐射方向平行的基板。图9A、9B与图9C、9D之间的区别在于有无为导电板101和102制作凹槽。当如图9A和9B所示形成凹槽时，设置导电板在由介质条所形成的传播区域与无介质条的非传播区域之间的空间以及介质条的介电常数，将LSM01模式的截止频率设置成低于LSE01模式的截止频率，使发射始终可以以单一的LSM01模式进行，与介质条弯曲部分的曲率半径或类似参数无关。结果，总体上可以实现更小的尺寸，并达到更低的损耗。可以按需采用图9A、9B、9C和9D所示的每种结构的介质线。
图10A和10B表示直立主辐射器的结构。图10A是从辐射方向看去的平面图，图10B是其基本部分的截面图。介质条12和圆柱形介质谐振器11设置在导电板41与42之间，导电板41上形成与介质谐振器11共轴的通孔43。介质谐振器11与通孔43之间插入在导电板上形成狭缝的狭缝板44。结果，在LSM模式中产生了电场和磁场，电磁波在介质条12内传播。电场分量与介质条12长度方向成直角(图中的x轴向)且平行于导电板41和42(图中的y轴向)，磁场分量与导电板41和42垂直(图中的z轴向)。介质条12和介质谐振器11相互电磁耦合，HE111模式的电场分量具有与介质谐振器11内产生的介质条12的电场相同的方向。这样，一个线性极化的电磁波经由通孔43沿与导电板41垂直的方向(Z轴向)辐射。相反，当电磁波从通孔43进入时，介质谐振器11按HE111模式激励，电磁波传播到介质条12，它按LSM模式耦合到介质谐振器11。
图11表示直立主辐射器与介质线装置之间的关系，后者包括耦合到主辐射器的介质线。图11的上半部是主辐射器40与介质线装置50耦合部分的平面图。然而，图11所示是拿掉了上导电板的情况。图11的下半部是说明主辐射器40与介质透镜2之间关系的截面图。如图中的上半部所示，介质条13位于介质线装置50内，主辐射器40靠近介质条13，图中虚线所圈部分内的介质线形成一个方向耦合器。该采用介质条12和13的方向耦合器使电磁波从端口#1传播到#4时几乎为0分贝，即，形成一个0分贝方向耦合器。此时，即使直立主辐射器40沿图中从右至左方向移动，方向耦合器的耦合关系也不会改变，从端口#1传播的电磁波始终以大致0分贝输出到端口#4。反之，由于介质谐振器的激励，从端口#4进入的电磁波以大致0分贝传播到端口#1。在图中所示情况下，由o和o’表示的介质条12部分对应于a和b部分。当直立主辐射器40最多移动到图中的右侧时，点n和n’与a和b部分重合。反之，当直立主辐射器40最多移动到图中的左侧时，点p和p’与a和b部分重合。即使直立主辐射器40按此种方式移动，由于介质条12耦合到介质条13的这部分是一个直线部分，故它们始终维持一个固定的耦合量。
图12是直立主辐射器与介质线装置之间形成的一个方向耦合器的部分透视图。图12中，参照号51和52分别表示导电板。由于这两个导电板51和52靠近直立主辐射器一侧上的导电板41和42，故保持了中间夹有介质条的上、下导电板平面的连续性。结果，该方向耦合器的工作方法几乎与两个介质条并排置于两个导电板之间的一种方向耦合器相同。
图13A和13B分别表示方向耦合器及其功率分配比关系。如果介质条12和13形成的耦合线的偶次振荡模的相位常数表示为βe，奇次模的相位常数表示为βo，且Δβ＝|βe-βo|，则输出至端口#2的电磁波与从端口#1输入的电磁波的功率比表示为P2/P1＝1-sin2(Δβz/2)，输出至端口#4的电磁波与从端口#1输入的电磁波的功率比表示为P4/P1＝sin2(Δβz/2)。因此，若满足(Δβz/2)＝nπ+π/2[n：0，1，2…]这一关系式，来自端口#1的全部输入都输出至端口#4，由此形成0分贝方向耦合器。
图14表示介质线装置的结构，它包括发射和接收部分以及整个直立主辐射器，其中省去了上导电板。图14中，参照号53表示环形器，其中，从端口#1输入的信号输出至端口#2，从端口#2输入的信号输出至端口#3。由介质条14形成的介质线连接到端口#1，由介质条15形成的介质线连接到端口#3。振荡器55和混频器54连接到由介质条14和15形成的各条介质线。此外，耦合到每条介质线形成每个方向耦合器的介质条16置于介质条14与15之间。端子21和22置于该介质条16的两个端部。变容二极管和耿氏(Gun)二极管置于混频器54和振荡器55内，具有如图9A或9C所示基板的介质线插入其间，提供一个向变容二极管和耿氏二极管提供偏置电压的电路。
采用此种结构，振荡器55的振荡信号沿着介质条14、环形器53、介质条13、介质条12和介质谐振器11的路径传播，电磁波沿介质谐振器11的轴向辐射。反之，进入介质谐振器11的电磁波沿着介质条12、介质条13、环形器53和混频器54的路径输入混频器54。一部分振荡信号作为本机信号，连同收到的信号经由由介质条15、16和14形成的两个方向耦合器提供给混频器54。结果，混频器54产生发射信号与接收信号之差的频率分量，作为一个中频信号。
接下来将参照图15描述根据本发明第三个实施例的天线装置以及发射和接收装置的结构。该第三个实施例中，直立主辐射器可以沿二维方向移动。如图15平面图所示，由介质条13形成的介质线置于介质线装置60内，由介质条17形成的介质线、环形器53以及类似的部件在介质线装置50内形成。置于主辐射器40内的介质条12和介质线装置60一侧上的介质条13形成一个0分贝方向耦合器，介质条13和17形成另一个0分贝方向耦合器。主辐射器40按这样一种方式设置，使之可相对介质线装置60沿图中从右至左的方向移动，介质线装置60按这样一种方式设置，使之可相对介质线装置50沿图中垂直的方向移动。此时，介质线装置50为固定。这使其在耦合器几乎无任何损耗的情况下，可以沿着二维方向移动介质谐振器11的位置。
图16A、16B和16C是根据本发明第四个实施例的天线装置中可移动部分中的另一例方向耦合器，其中省去了上、下导电板。图16A所示例子中，位于耦合至介质谐振器11一侧的介质条12形成一直线。图16B所示例子中，位于耦合至介质谐振器12一侧的介质条13形成一直线。图16C所示例子中，介质条12的一端(其另一端耦合至介质谐振器11)与介质条13保持一个固定距离，并与其平行配对直至其端部。
图17表示根据本发明第五个实施例的天线装置的可移动部分中一例方向耦合器的结构。尽管上述例子中，将一个0分贝方向耦合器作为可移动部分中的方向耦合器，如图17所示，端子23和24可以分别设置在介质条12和13的一端，而无需使介质条12和13的一个端部形成为开口端部。
尽管上述实施例描述了采用介质谐振器和介质线的直立主辐射器，或作为主辐射器例子的喇叭天线，但除了以上所述之外，也可以采用微带天线诸如转接天线。
在不脱离本发明精神和范围的情况下，还可以构成本发明的许多不同的实施例。显然，本发明并不局限于本说明书所述的特定的实施例。相反，本发明意欲覆盖所附权利要求书范围内所包括的各种变换和同等替换。对所附权利要求书的范围提供最宽的解释以包括所有这些变换、同等结构和功能。

Claims (7)

1.一种天线装置，包括介质透镜和主辐射器，其特征在于所述介质透镜和主辐射器设置成可以改变主辐射器在介质透镜焦平面内的位置。
2.一种天线装置，包括介质透镜和主辐射器，其特征在于所述介质透镜设置成可以改变介质透镜相对主辐射器的中心轴的角度。
3.如权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述主辐射器包括用作输入/输出部分的第一介质线，耦合到第一介质线的介质谐振器，以及使电磁波沿轴向辐射或进入的开口部分，第二介质透镜靠近第一介质线设置以形成方向耦合器，在第一和第二介质线耦合部分内改变介质透镜与主辐射器之间的相对位置关系。
4.如权利要求3所述的天线装置，其特征在于所述方向耦合器的耦合量约为0分贝。
5.如权利要求3所述的天线装置，其特征在于，发射部分、接收部分和分离发射信号和接收信号的环形器均连接到第二介质线，故天线装置可用于发射和接收。
6.如权利要求4所述的天线装置，其特征在于，发射部分、接收部分和分离发射信号和接收信号的环形器均连接到第二介质线，故天线装置可用于发射和接收。
7.一种发射和接收装置，其特征在于，在根据权利要求1的天线装置内设置一个驱动部分，用以改变介质透镜与主辐射器之间的相对位置关系。
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