CN1195908A - 天线装置和雷达模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种天线,其中把信号从平面介质传输线直接传递到主辐射体,而不必进行从平面介质传输模式到诸如共面传输模式、微带传输模式或波导传输模式等另一种模式的传输模式转换,从而消除了因传输模式转换而产生的传输损耗。介质谐振器位于介质板的两侧上的两个狭缝之间所形成的平面介质传输线PDTL的末端附近。此外,依次放置开有缝隙的板、透镜支撑台和介质透镜。

Description

天线装置和雷达模块

本发明涉及在毫米波范围内所使用的天线装置和雷达模块。

至于微波和毫米波范围内所使用的传输线，广泛地使用波导、同轴传输线和诸如微带传输线、共面传输线和缝隙传输线等包括在介质衬底上所形成的导体的这类传输线。当在介质衬底上形成传输线时，可容易地把传输线连到诸如集成电路等电子元件。取这个优点，把电子元件安装在介质衬底上形成了各种集成电路。

至于毫米波范围内所使用的天线，使用波导喇叭形(horn)天线和微带线片状(patch)天线。

微带传输线、共面传输线和缝隙传输线具有相当大的传输损耗，于是它们不适合用于需要低传输损耗的电路中。为了解决以上问题，就日本公开专利申请8-265007中所揭示的平面介质传输线和集成电路提交了本发明的专利申请。

当此平面介质传输线用于形成在例如安装在汽车上的毫米波雷达中所使用的天线装置时，传输模式被转换成波导模式，从而形成波导喇叭形天线，或者传输模式经由共面传输模式转换成微带线传输模式，从而把一信号提供给微带线片状天线。然而，这样丢失了平面介质传输线所提供的传输损耗低和尺寸小的优点，这是因为使用传输转换器来实现传输模式转换使得模块的总体积增加，并且传输转换器传输RF信号时产生损耗，这将导致天线效率的降低。另一个问题在于需要复杂的装配工艺。此外，特性曲线的可重复性变差。结果，增加了总成本。

本发明的主要目的是解决以上的问题。尤其是，本发明的一个目的是提供一种天线装置，它能以高度有效的方式耦合到平面介质传输线，也能形成包括平面介质传输线的模块形式。

本发明的另一个目的是取平面介质传输线之优点而提供一种小尺寸高效雷达模块。

为了实现以上目的，本发明提供了一种技术，它实现从平面介质传输线到波导或微带线不需要传输模式转换的天线。尤其是，在本发明的一个方面，提供了一种天线装置，它包括：介质板，该介质板设有在其第一主表面上形成的两个电极，这两个电极隔开固定的距离，从而在这两个电极之间形成第一缝隙，该介质板也设有在其第二主表面上形成的另外两个电极，所述另外两个电极隔开固定的距离，从而在所述另外两个电极之间形成第二缝隙，第二缝隙的位置相应于介质板另一侧上第一缝隙的位置，第一缝隙和第二缝隙之间的介质板区域用作通过其传输平面波的平面介质传输线的传播区；以及介质谐振器，该谐振器位于平面介质传输线的末端或中间，从而平面介质传输线与介质谐振器耦合且介质谐振器用作主辐射体。在此天线装置中，在介质板上形成的第一缝隙和第二缝隙之间的用作通过其传输平面波的平面介质传输线的传播区。位于此平面介质传输线末端或其中间并与平面介质传输线耦合的介质谐振器用作主辐射体。例如，如果使用以TE01δ模式或HE111模式操作的圆柱形介质谐振器，则从介质谐振器中沿其轴向辐射电磁波。当把此天线装置用作传输天线时，通过平面介质传输线以TE模式或LSM模式传播电磁波被直接转换成介质谐振器的TE010模式，且沿介质谐振器的轴向传输电磁波。相反，当电磁波沿介质谐振器的轴向入射到介质谐振器上时，介质谐振器以TE010模式谐振，电磁波被直接转换成平面介质传输线的TE模式或LSM模式并通过平面介质传输线传播。

依据本发明的另一个方面，提供了一种天线装置，它包括：介质板，该介质板设有在其第一主表面上形成的两个电极，这两个电极隔开固定的距离，从而在这两个电极之间形成第一缝隙，该介质板也设有在其第二主表面上形成的另外两个电极，所述另外两个电极隔开固定的距离，从而在所述另外两个电极之间形成第二缝隙，第二缝隙的位置相应于介质板另一侧上第一缝隙的位置，第一缝隙和第二缝隙之间的介质板区域用作通过其传输平面波的平面介质传输线的传播区；介质谐振器，该谐振器由介质板的一部分所形成，在所述部分上不形成所述两个电极和所述另外两个电极，该谐振器位于平面介质传输线的末端或中间；以及另一个介质谐振器，该谐振器位于平面介质传输线的末端或其中间，从而所述另一个介质谐振器用作主辐射体。在此天线装置中，不形成电极的介质板部分用作与平面介质传输线耦合的介质谐振器。在介质板中形成的前一个介质谐振器上设有另一个介质谐振器，从而前一个介质谐振器与位于其上的所述另一个介质谐振器耦合，于是前一个介质谐振器用作主辐射体。

在介质谐振器附近可设有一缝隙，该缝隙适于在与介质谐振器谐振频率相等的频率下发生谐振，从而由该缝隙来限定接收或发射的电磁波的极化平面。

介质谐振器可包括分别位于第一和第二主表面上的两块平面介质传输线，从而这两块位于相同的位置，但在平面介质传输线的两侧，从而介质板一个主表面上的结构变得与另一个主表面上的结构对称，从而增强平面介质传输线与介质谐振器的耦合。

此外，可设置介质透镜，从而介质透镜的中心轴与介质谐振器的中心轴基本上一致，且介质透镜的焦点与介质谐振器的焦点基本上一致，从而提高天线装置的方向性和增益。

依据本发明的又一个方面，提供了一种雷达模块，它包括：依据本发明任何方面的天线装置；振荡器，用于产生将经由天线装置辐射的信号；以及混频器，用于把经由天线装置接收到的信号与本地信号相混合。

图1是依据本发明的天线装置第一实施例的分解透视图；

图2是天线装置的分解正视图；

图3是示出天线装置各个部分的平面图；

图4是示出天线装置的平面介质传输线与介质谐振器之间位置关系的局部平面图；

图5是平面介质传输线的剖面图；

图6是平面介质传输线的剖面图；

图7是平面介质传输线中电磁场分布的示意图；

图8是依据本发明的天线装置第二实施例的分解正视图；

图9是依据本发明的天线装置第三实施例的分解透视图；

图10A和10B是以平面图和剖面图的形式表示天线装置的介质谐振器的示意图；以及

图11是毫米波雷达模块的等效电路图。

以下将查看图1到7描述依据本发明第一实施例的天线装置的结构。

首先，以下描述平面介质传输线的结构。平面介质传输线具有类似于依据常规技术的双缝结构(具有在介质板的两侧以对称的方式所形成的两个缝隙)。然而，此平面介质传输线的操作基于与双缝结构的原理完全不同的一个原理。因此，依据本发明的平面介质传输线与双缝结构完全不同。图5是沿垂直于信号传播方向的平面所取的平面介质传输线的剖面图。在图5中，标号23代表介质板。在其第一主表面(图5中的上侧表面)上形成两个导体21a和21b，从而在两个导体21a和21b之间形成第一缝隙。此外，在介质板23的第二主表面(图5中的上侧表面)上形成两个导体22a和22b，从而在两个导体22a和22b之间形成第二缝隙。设置了两个导电板41和44，它们分别具有在缝隙24和25的邻近处形成的空腔42和43。导体21a和21b通过导电板41相互电气连接，导体22a和22b通过导电板44相互电气连接。

在图5中，位于两侧的两个缝隙24和25之间介质板23的由标号23c所表示的部分用作传播区，通过该传播区传输具有传输频率为fb的高频信号。传播区23c两侧的部分23a和23b用作截止区。

图6是沿平行于信号传输方向的方向通过传播区的平面所取的图5所示平面介质传输线的剖面图。如图6所示，平面极化的电磁波pw23以特定的入射角θ入射到介质板23的上表面(形成缝隙24的区域)并以等于入射角θ的反射角θ反射。然后，从介质板23的上表面反射的平面极化电磁波pw23以入射角θ入射到介质板23的下表面(形成缝隙25的区域)并以等于入射角θ的反射角θ反射。此外，平面极化的电磁波23交替地在介质板23的两个边界表面处在形成缝隙24和25的区域中重复反射，于是平面极化的电磁波23通过介质板23的传播区23c以TE模式传播。换句话说，如此选择介质板23的介电常数和厚度，从而所需的传输频率fb变得高于临界频率fda(在该频率处，入射角θ变得足够小，从而使平面极化的电磁波pw23传输到空腔空间42或43中，于是导致通过传播区23c传播的平面极化的电磁波pw23的衰减)。

再参考图5，设在介质板23两侧的电极21a和22a形成一平行的平面波导，与所需的传输频率fb相比，其TE波的截止频率足够高，从而沿介质板23的纵向延伸并夹在电极21a和22a之间介质板23的一侧部分用作截止区23a，通过它不能传播具有平行于电极21a和22a的电场分量的TE波。同样，设在介质板23两侧的电极21b和22b形成一平行板波导，与所需的传输频率fb相比，其TE波的截止频率足够高，从而沿介质板23的纵向延伸并夹在电极21b和22b之间介质板23的一侧部分用作通过其不能传播TE波的截止区23b。

在空腔空间42中，在空腔42的天花板和电极21a之间形成平行的平面波导。如此选择此平行平面波导的厚度t42，从而此平行平面波导具有与所需的传输频率fb相比足够高的TE波截止频率，从而形成通过其不能传播TE波的截止区42a。同样，形成阻挡TE波的截止区42b、43a和43b。

位于空腔42两侧的内壁(图5中的竖直壁)形成平行平面波导。如此选择此平行平面波导的厚度W2，从而此平行平面波导的TE波截止频率与所需的传输频率相比足够高，从而形成一截止区。同样，在空腔43中形成截止区43d。

在具有上述结构的平面介质传输线中，频率高于临界频率fda的高频信号的电磁能量被限制在传播区23c及其附近，从而通过介质板23的传播区沿纵向(z方向)传输平面波。

当想要在60GHz的频带内传输信号时，如果介质板23具有20到30的相对介电常数以及0.3到0.8μm的厚度，则传输线的厚度W1选择为0.4到1.6mm。在此情况下，特征阻抗变为30到200Ω。如果使用相对介电常数等于或大于18的介质板，则能量的95％或更大部分被选择在介质板中，于是可实现一种传输线，通过该传输线可利用具有极低损耗的全反射传播电磁波。

图7示出通过上述平面介质传输线传播的信号的电磁场分布。在图7中，实线表示电场分布，虚线表示磁场分布。如图7所示，电磁波的能量被限制在介质板中，电磁波以TE模式或以所谓的LSM模式传播。

图1是天线装置的分解透视图。如图1所示，天线装置包括；天线模块10，它是天线装置的主要部分；开有缝隙的板2，通过在金属板中形成两个缝隙来形成该板；介质透镜4；以及透镜支撑台3，用于把介质透镜4支撑在所需的高度。通过依次把这些元件一个放在另一个上来构成此天线装置。图2是天线装置的分解正视图，其中以剖面图的形式来表示天线模块10和介质透镜支撑台2。每个元件的平面图如图3所示。天线模块10包括：具有开口6的上导电板41；以及下导电板44；介质板23位于上和下导电板41和44之间，从而形成上述类型的平面介质传输线(以下简单叫做PDTL)；以及介质谐振器1，位于PDTL末端处上导电板41的开口6的中心。在图2中，未示出在介质板23的两个主表面上形成的导体。

图4是示出就水平面中的位置而言PDTL与介质谐振器1之间关系的局部平面图。在此特例中，假定将被天线装置接收的电磁波具有60GHz的频率，介质板具有0.3mm的厚度，缝隙的厚度设定为0.8到1.6mm，把相对介电常数为24的介质材料用作介质板的材料。在此情况下，PDTL的特征阻抗变为100到200Ω。PDTL的末端短路。如此放置介质谐振器1，从而介质谐振器1的中心与PDTL末端之间的距离等于大约λ/4(这里，λ是通过PDTL传播的电磁波的波长)。由相对介电常数为10的介质材料来形成介质谐振器1，从而它具有大约2.2mm的直径以及大约1.3mm的厚度。在此天线装置中，以TE01δ模式操作介质谐振器1。图3所示开口6的直径是大约7.5mm。如图1和3所示在开有缝隙的板2中形成的两个缝隙的厚度是大约0.2mm，其长度是大约2.5mm(＝λ/2)。这两个缝隙隔开大约2.4mm。介质透镜4的直径是大约20mm，其厚度是大约2.3mm。介质透镜由相对介电常数为12的介质材料制成，在介质透镜4的表面上形成匹配(matching)层。透镜支撑台3的厚度被设定为大约6mm，从而介质透镜4的聚焦位置相应于开有缝隙的板2的高度或介质谐振器1的高度。

在上述元件中，开有缝隙的板2和介质谐振器1形成主辐射体，开有缝隙的板2和天线模块10形成缝隙天线。即，当通过PDTL传播的电磁波与介质谐振器1耦合时，电磁波的能量沿介质谐振器1的轴向扩展并通过开有缝隙的板辐射到空间中。在此情况下，可实现大约10dB的天线增益。如果经由透镜支撑台3把介质透镜4置于缝隙天线上，则天线增益增加到大约20dB。

如此设置开有缝隙的板2，从而选择性地发射或接收主极化平面垂直于缝隙的电磁波。当把此天线装置用作安装在汽车上的毫米波雷达的天线时，如此放置主辐射体，从而缝隙沿对地45°角的方向取向，从而防止天线接收来自反向行驶的汽车的电磁波。

虽然在上述天线装置中使用以TE01δ模式操作的介质谐振器，但也可使用以HE111模式操作的介质谐振器。

图8是示出依据本发明第二实施例的天线装置结构的分解示意图。图8中所示的元件相应于图1所示第一实施例的元件。此第二实施例与第一实施例的区别在于，两个圆柱形的介质谐振器1a和1b位于介质板23的两个主表面上，从而介质板23被介质谐振器1a和1b夹在中间。介质谐振器1a的直径是大约3.6mm，其厚度是大约1.3mm。介质谐振器1b的直径是大约3.6mm，其厚度是大约0.8mm。介质谐振器1a和1b都是由相对介电常数为3.6的介质材料制成。PDTL与介质谐振器1a和1b都耦合，这两个介质谐振器1a和1b经由介质板23相互耦合。结果，增强了PDTL与用作主辐射体的介质谐振器之间的耦合。

图9是依据本发明第三实施例的天线装置的分解透视图。图10是示出此天线装置中所使用的介质谐振器结构的平面图。此第三实施例与第一实施例的区别在于，在介质板中形成介质谐振器，另一个介质谐振器位于前一个介质谐振器上。在图10中，标号5所表示的部分没有电极位于介质板23任一个主表面上，于是该部分5用作以TE010模式操作的介质谐振器。形成PDTL的电极的末端与TE010-模式的介质谐振器隔开适当的距离，这使得PDTL与介质谐振器有足够程度的耦合。于是，此介质谐振器与PDTL磁性耦合。另一个以TE01δ模式操作的圆柱形介质谐振器1位于在没有电极的介质板部分中所形成的介质谐振器5上，从而介质谐振器1和介质谐振器5通过磁场耦合和电场耦合而相互耦合。在具有以上结构的天线装置中，通过PDTL传播的电磁波与介质板(它与位于该介质板上的介质谐振器1耦合)中形成的介质谐振器5耦合，于是沿谐振器的轴向辐射电磁波。结果，当由天线装置接收到电磁波时，沿介质谐振器1的轴向入射的电磁波使介质谐振器1以TE01δ模式谐振。结果，在介质板中形成的介质谐振器5以TE010模式谐振，通过PDTL以TE模式或LSM模式传播电磁波。

现在，以下将参考图11描述毫米波雷达模块的一个实施例。

图11是毫米波雷达模块的等效电路。在图11中，电路包括振荡器51、环行器52和53、混频器54、耦合器55和56以及天线57。振荡器51是压控振荡器(VCO)，它包括用作振荡装置的Gunn二极管和用作控制振荡频率用的装置的变容(varactor)二极管。把Gunn二极管的偏压和频率控制电压VCO-IN输入振荡器51。环行器52的一个输出端与一电阻器端接，从而没有信号向振荡器51反射。环行器53把待辐射的信号传递到天线57，与此同时环行器53把接收到的信号传递到混频器54。根据上述第一实施例到第三实施例中所揭示的任何技术，由介质谐振器和介质透镜来制成天线57。耦合器55用于使传输信号与本地信号相耦合。耦合器56由3dB的定向耦合器制成并用于把来自耦合器55的本地信号相等地传递到与混频器54相连的两条传输线，从而这两条传输线上的本地信号具有90°相位差，耦合器56把来自环行器53的接收信号相等地传递到与混频器54相连的两条传输线，从而这两条传输线上的信号具有90°相位差。混频器54由肖特基势垒二极管制成，它用于在两个信号上进行平衡混频操作，从而产生频率等于接收信号的频率与本地信号频率之差的IF信号。

使用此毫米波雷达模块，可实现FM-CW毫米波雷达，其中例如把具有锯齿波形的信号用作VCO-IN信号，从IF信号中提取距离信息和相对速率信息。此雷达可安装在汽车上，从而检测与另一辆汽车的相对距离并检测汽车的相对速率。

在本发明的雷达模块中，至少用作天线57的主辐射体的介质谐振器必须与平面介质传输线耦合。至于诸如振荡器1、环行器52和53和混频器54等元件中的传输线，也可使用诸如缝隙传输线、共面传输线、微带线或介质传输线等其他类型的传输线，而不是平面介质传输线。

如上所述，在依据本发明的天线装置中，在介质板的两个主表面上形成的第一缝隙和第二缝隙之间的介质板区域用作通过其传输平面波的平面介质传输线的传播区。介质谐振器位于此平面介质传输线的末端或中间，从而介质谐振器与平面介质传输线直接或间接耦合，于是介质谐振器用作主辐射体。于是，可实现一种天线装置，其中通过平面介质传输线传播的信号被直接传递到主辐射体，而从平面介质传输线到共面传输线、微带传输线或波导传输线不进行传输模式转换。因此，在本发明中不需要进行传输模式转换的传输转换器，于是不产生由产生模式转换所引起的RF信号的损耗。结果，可实现高的天线效率。另一个优点在于可容易地装配天线装置。此外，提高了特性曲线的可重复性，也减少了总成本。

在本发明的另一个方面，由所需形式的缝隙来限定所发射和接收的电磁波的极化平面。

在本发明的又一个方面，介质板一个主表面上的部分具有与介质板另一个主表面上的部分的结构对称的结构。这使得平面介质传输线与介质谐振器更紧密地耦合。

在本发明的再一个方面，可准确特性的方向性和增益。

在本发明的还有一个方面，取平面介质传输线的低损耗优点，可实现尺寸小的高效雷达模块。即，可实现尺寸减小的毫米波雷达。

Claims (6)

1.一种天线装置，其特征在于包括：

介质板，所述介质板设有在其第一主表面上形成的两个电极，所述两个电极隔开固定的距离，从而在所述两个电极之间形成第一缝隙，所述介质板还设有在其第二主表面上形成的另外两个电极，所述另外两个电极隔开固定的距离，从而在所述另外两个电极之间形成第二缝隙，所述第二缝隙的位置对应于所述介质板另一侧上所述第一缝隙的位置，第一缝隙和第二缝隙之间的所述介质板区域用作通过其传输平面波的平面介质传输线的传播区；以及

介质谐振器，所述谐振器位于所述平面介质传输线的末端或中间，从而所述平面介质传输线与所述介质谐振器耦合且所述介质谐振器用作主辐射体。

2.一种天线装置，其特征在于包括：

介质板，所述介质板设有在其第一主表面上形成的两个电极，所述两个电极隔开固定的距离，从而在所述两个电极之间形成第一缝隙，所述介质板还设有在其第二主表面上形成的另外两个电极，所述另外两个电极隔开固定的距离，从而在所述另外两个电极之间形成第二缝隙，所述第二缝隙的位置对应于所述介质板另一侧上所述第一缝隙的位置，第一缝隙和第二缝隙之间的所述介质板区域用作通过其传输平面波的平面介质传输线的传播区；

介质谐振器，所述谐振器由所述介质板的一部分所形成，在所述部分上不形成所述两个电极和所述另外两个电极，所述谐振器位于所述平面介质传输线的末端或中间；以及

另一个介质谐振器，所述谐振器位于所述平面介质传输线的末端或其中间，从而所述另一个介质谐振器用作主辐射体。

3.如权利要求1所述的天线装置，其特征在于还包括位于所述介质谐振器附近的缝隙，所述缝隙适于在与介质谐振器谐振频率相等的频率下发生谐振。

4.如权利要求1所述的天线装置，其特征在于所述介质谐振器包括分别位于第一和第二主表面上的两块所述平面介质传输线，从而所述两块位于相同的位置，但在所述平面介质传输线的两侧。

5.如权利要求1所述的天线装置，其特征在于还包括如此设置的介质透镜，从而所述介质透镜的中心轴与所述介质谐振器的中心轴基本上一致，且所述介质透镜的焦点与所述介质谐振器的焦点基本上一致。

6.一种雷达模块，其特征在于：

一种天线装置包括；

介质板，所述介质板设有在其所述第一主表面上形成的两个电极，所述两个电极隔开固定的距离，从而在所述两个电极之间形成所述第一缝隙，所述介质板还设有在其所述第二主表面上形成的另外两个电极，所述另外两个电极隔开固定的距离，从而在所述另外两个电极之间形成所述第二缝隙，所述第二缝隙的位置相应于所述介质板另一侧上所述第一缝隙的位置，第一缝隙和第二缝隙之间的所述介质板区域用作通过其传输平面波的平面介质传输线的传播区；以及

介质谐振器，所述谐振器位于所述平面介质传输线的末端或中间，从而所述平面介质传输线与所述介质谐振器耦合且所述介质谐振器用作主辐射体；

振荡器，用于产生将经由天线装置辐射的信号；以及

混频器，用于把经由天线装置接收到的信号与本地信号相混合。

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