DE69801540T2

DE69801540T2 - Antennen-Vorrichtung und Radarmodul

Info

Publication number: DE69801540T2
Application number: DE69801540T
Authority: DE
Inventors: Kenichi Iio; Yohei Ishikawa; Koichi Sakamoto; Hideaki Yamada
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1997-04-10
Filing date: 1998-04-07
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2018-04-08
Also published as: CN1195908A; KR19980081295A; KR100292763B1; US6052087A; CA2234498A1; CA2234498C; JPH10341108A; DE69801540D1; EP0871239A1; CN1139148C; EP0871239B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antennenvorrichtung und ein Radarmodul, die in dem Millimeterwellenbereich verwendet werden.

2. BESCHREIBUNG DES MAßGEBLICHEN STANDS DER TECHNIK

Mit Bezug auf Übertragungsleitungen für eine Verwendung in den Mikrowellen- und Millimeterwellenbereichen werden Wellenleiter, Koaxialübertragungsleitungen und Übertragungsleitungen von dem Typ, der einen auf einem dielektrischen Substrat ausgebildeten Leiter aufweist, wie beispielsweise Mikrostreifenübertragungsleitungen, koplanare Übertragungsleitungen und Schlitzübertragungsleitungen, weit verbreitet verwendet. Wenn eine Übertragungsleitung auf einem dielektrischen Substrat ausgebildet wird, ist es möglich, die Übertragungsleitung leicht mit einer anderen elektronischen Komponente, wie beispielsweise einer integrierten Schaltung, zu verbinden. Unter Ausnutzung dieses Vorteils werden verschiedene Arten von integrierten Schaltungen ausgebildet, indem elektronische Komponenten auf einem dielektrischen Substrat montiert werden.
Mit Bezug auf Antennen zur Verwendung in dem Millimeterwellenbereich werden Wellenleiterhornantennen und Mikrostreifenleitungs-Patchantennen verwendet.
Mikrostreifenübertragungsleitungen, koplanare Übertragungsleitungen und Schlitzübertragungsleitungen haben einen ziemlich großen Übertragungsverlust und sind somit nicht geeignet für die Verwendung in Schaltungen, die einen geringen Übertragungsverlust erfordern. Um das oben dargestellte Problem zu lösen, hat der Anmelder der vorliegenden Erfindung ein Patent mit Bezug auf eine planare dielektrische Übertragungsleitung und eine integrierte Schaltung eingereicht, die in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 8-265007 veröffentlicht ist.
Wenn diese planare bzw. ebene dielektrische Übertragungsleitung verwendet wird, um eine Antennenvorrichtung zur Verwendung beispielsweise in einem an einem Automobil installierten Millimeterwellenradar auszubilden, wird der Übertragungsmodus bzw. die Übertragungsart zu einem Wellenleitermodus konvertiert, um eine Wellenleiterhornantenne auszubilden, oder wird über einen koplanaren Übertragungsmodus zu einem Mikrostreifenleitungsübertragungsmodus konvertiert, wodurch ein Signal einer Mikrostreifenleitungs- Patchantenne zugeführt wird. Jedoch gehen die Vorteile, gering bezüglich des Übertragungsverlusts und klein bezüglich der Größe zu sein, die durch die planare dielektrische Übertragungsleitung geschaffen werden, verloren, weil die Verwendung eines Übertragungswandlers bzw. Übertragungskonverters zum Erreichen des Übertragungsmodus eine Vergrößerung bezüglich des Gesamtvolumens des Moduls bewirkt, und ein Verlust auftritt, wenn ein RF-Signal durch den Übertragungskonverter hindurch geht, was zu einer Verringerung der Antenneneffizienz bzw. Antennenwirksamkeit führt. Ein weiteres Problem besteht darin, daß ein komplizierter Montageprozeß bzw. ein kompliziertes Zusammenbauverfahren erforderlich ist. Ferner wird die Wiederholbarkeit der Charakteristika schlecht. Als Folge davon erhöhen sich die Gesamtkosten.
Die DE 196 00 516 A1 offenbart eine Antenne, die zwei planare Leiter aufweist, welche durch einen dielektrischen Streifen und einen Resonator getrennt sind. Es ist eine Öffnung in einem der Leiter vorgesehen, wobei die Öffnung über dem Resonator angeordnet ist.
Die JP-A-9008542 offenbart eine dielektrische Resonatorantenne, bei der ein dielektrischer Resonator mit einem dielektrischen Führungspfad verbunden ist, indem der dielektrische Führungspfad an einer Seitenfläche eines Resonators vorgesehen ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antennenvorrichtung zu schaffen, die auf eine hoch wirksame Weise mit einer planaren dielektrischen Übertragungsleitung gekoppelt werden kann, und die ferner in der Form eines Moduls ausgebildet werden kann, das eine planare dielektrische Übertragungsleitung aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Antennenvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß ein klein bemessenes und hoch wirksames Radarmodul vorgesehen wird, das die Vorteile der planaren dielektrischen Übertragungsleitung verwendet.
Zur Lösung der oben erwähnten Aufgabe sieht die Erfindung eine Technik der Realisierung einer Antenne vor, die keine Übertragungsmodusumwandlung von einer planaren dielektrischen Übertragungsleitung zu einer Wellenleiter- oder Mikrostreifenleitung erfordert. Genauer gesagt schafft die Erfindung gemäß ihrem einen Aspekt eine Antennenvorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: eine dielektrische Platte, die mit zwei Elektroden versehen ist, welche auf deren erster Hauptoberflächen in einer derartigen Art und Weise ausgebildet sind, daß die zwei Elektroden um einen festen Abstand voneinander beabstandet sind, so daß ein erster Schlitz zwischen den zwei Elektroden ausgebildet ist, und die ferner mit weiteren zwei Elektroden versehen ist, die auf der zweiten Hauptoberfläche der dielektrischen Platte in einer derartigen Weise ausgebildet sind, daß die weiteren zwei Elektroden um einen festen Abstand voneinander beabstandet sind, so daß ein zweiter Schlitz zwischen den weiteren zwei Elektroden ausgebildet ist, wobei der Ort bzw. die Lage des zweiten Schlitzes dem Ort bzw. der Lage des ersten Schlitzes auf der gegenüberliegenden Seite der dielektrischen Platte entspricht, wobei der Bereich der dielektrischen Platte zwischen dem ersten Schlitz und dem zweiten Schlitz als der Ausbreitungsbereich einer planaren dielektrischen Übertragungsleitung dient, durch den eine ebene Welle übertragen wird; und einen dielektrischen Resonator, der an dem Ende oder in der Mitte der planaren dielektrischen Übertragungsleitung angeordnet ist, so daß die planare dielektrische Übertragungsleitung mit dem dielektrischen Resonator gekoppelt ist, und so daß der dielektrische Resonator als ein Hauptradiator bzw. Hauptstrahler dient. Bei dieser Antennenvorrichtung dient der Bereich der dielektrischen Platte zwischen dem ersten Schlitz und dem zweiten Schlitz, die an beiden Hauptoberflächen der dielektrischen Platte ausgebildet sind, als der Ausbreitungsbereich der planaren dielektrischen Übertragungsleitung, durch den eine ebene Welle übertragen wird. Der dielektrische Resonator, der sich bei dem Ende oder in der Mitte dieser planaren dielektrischen Übertragungsleitung befindet und mit der planaren dielektrischen Übertragungsleitung gekoppelt ist, dient als der Hauptstrahler. Wenn beispielsweise ein dielektrischer Resonator in der Form einer runden bzw. kreisförmigen Säule, die in dem TE01δ-Modus oder dem HE111-Modus arbeitet, verwendet wird, wird eine elektromagnetische Welle von dem dielektrischen Resonator in einer Richtung entlang dessen Achse gestrahlt bzw. abgestrahlt. Wenn die Antennenvorrichtung als eine Übertragungsantenne verwendet wird, wird die elektromagnetische Welle, die in dem TE-Modus oder dem LSM-Modus durch die planare dielektrische Übertragungsleitung ausgebreitet wird, direkt in den TE010-Modus des dielektrischen Resonators umgewandelt, und die elektromagnetische Welle wird in der Richtung entlang der Achse des dielektrischen Resonators abgestrahlt.
Wenn andererseits eine elektromagnetische Welle auf den dielektrischen Resonator in der Richtung entlang seiner Achse einfällt, schwingt der dielektrische Resonator in dem TE010-Modus mit und die elektromagnetische Welle wird direkt in den TE-Modus oder den LSM-Modus der planaren dielektrischen Übertragungsleitung umgewandelt und breitet sich durch die planare dielektrische Übertragungsleitung aus.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Antennenvorrichtung vorgesehen, die folgende Merkmale aufweist: eine dielektrische Platte, die mit zwei Elektroden versehen ist, welche auf deren erster Hauptoberfläche in einer derartigen Weise ausgebildet sind, daß die zwei Elektroden um einen festen Abstand voneinander beabstandet sind, so daß ein erster Schlitz zwischen den zwei Elektroden ausgebildet ist, und die ferner mit weiteren zwei Elektroden versehen ist, die auf der zweiten Hauptoberfläche der dielektrischen Platte in einer derartigen Weise ausgebildet sind, daß die weiteren zwei Elektroden um einen feststehenden Abstand voneinander beabstandet sind, so daß ein zweiter Schlitz zwischen den weiteren zwei Elektroden ausgebildet ist, wobei der Ort des zweiten Schlitzes mit dem Ort des ersten Schlitzes auf der gegenüberliegenden Seite der dielektrischen Platte übereinstimmt, wobei der Bereich der dielektrischen Platte zwischen dem ersten Schlitz und dem zweiten Schlitz als der Ausbreitungsbereich einer planaren dielektrischen Übertragungsleitung dient, durch den eine ebene Welle übertragen wird; und einen dielektrischen Resonator, der aus einem Teil der dielektrischen Platte ausgebildet ist, wobei die zwei Elektroden und die weiteren zwei Elektroden nicht auf dem Teil ausgebildet sind, wobei sich der dielektrische Resonator an dem Ende von oder in der Mitte von der planaren dielektrischen Übertragungsleitung befindet; und einen weiteren dielektrischen Resonator, der an dem Ende oder in der Mitte der planaren dielektrischen Übertragungsleitung angeordnet ist, so daß der weitere dielektrische Resonator als ein primärer Strahler bzw. ein Hauptstrahler dient. Bei dieser Antennenvorrichtung dient der Teil der dielektrischen Platte, bei dem keine Elektroden ausgebildet sind, als ein dielektrischer Resonator, der mit der planaren dielektrischen Übertragungsleitung gekoppelt ist. Es ist ein weiterer dielektrischer Resonator auf dem vorherigen dielektrischen Resonator in der dielektrischen Platte ausgebildet, so daß der dielektrische Resonator mit dem weiteren dielektrischen Resonator, der auf diesem angeordnet ist, gekoppelt ist, und somit dient der dielektrische Resonator als der Hauptstrahler.
Ein Schlitz, der daran angepaßt ist, bei einer Frequenz im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators mit zu schwingen bzw. in Resonanz zu treten, kann in der Nähe des dielektrischen Resonators angeordnet sein, so daß die Polarisationsebene einer elektromagnetischen Welle, die empfangen oder übertragen bzw. gesendet wird, durch den Schlitz definiert ist.
Der dielektrische Resonator kann zwei Piezos bzw. Piezoelemente aufweisen, die jeweils an der ersten und der zweiten Hauptoberfläche der planaren dielektrischen Übertragungsleitung in einer derartigen Weise angeordnet sind, daß die zwei Piezoelemente sich bei dem gleichen Ort, jedoch an den gegenüberliegenden Seiten der planaren dielektrischen Übertragungsleitung befinden, so daß die Struktur auf einer Hauptoberfläche der dielektrischen Platte symmetrisch zu der Struktur auf der anderen Hauptoberfläche der Platte wird, wodurch eine verbesserte Kopplung zwischen der planaren dielektrischen Übertragungsleitung und dem dielektrischen Resonator erreicht wird.
Ferner kann eine dielektrische Linse angeordnet sein, so daß die Zentralachse der dielektrischen Linse im wesentlichen mit der Zentralachse des dielektrischen Resonators zusammenfällt, so daß der Brennpunkt der dielektrischen Linse im wesentlichen mit dem Ort des dielektrischen Resonators zusammenfällt, wodurch die Richtschärfe bzw. das Richtvermögen und der Gewinn der Antennenvorrichtung verbessert wird.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Radarmodul geschaffen, das folgende Merkmale aufweist: eine Antennenvorrichtung gemäß einem beliebigen Aspekt der Erfindung; einen Oszillator bzw. Schwinger zum Erzeugen eines Signals, das über die Antennenvorrichtung abgestrahlt wird; und einen Mischer zum Mischen eines Signals, das über die Antennenvorrichtung empfangen wird, mit einem lokalen Signal.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Antennenvorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 zeigt eine Explosionsdarstellung von vorne der Antennenvorrichtung;
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht, die die verschiedenen Teile der Antennenvorrichtung darstellt;
Fig. 4 zeigt eine teilweise Draufsicht, die die positionsmäßige Beziehung zwischen der planaren dielektrischen Übertragungsleitung und dem dielektrischen Resonator der Antennenvorrichtung darstellt;
Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht der planaren dielektrischen Übertragungsleitung;
Fig. 6 zeigt eine Querschnittsansicht der planaren dielektrischen Übertragungsleitung;
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung der elektromagnetischen Feldverteilung in der planaren dielektrischen Übertragungsleitung;
Fig. 8 zeigt eine Explosionsdarstellung von vorne eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Antennenvorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Antennenvorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 10A zeigen schematische Darstellungen, die in der und 10B Form einer Draufsicht und einer Querschnittsansicht den dielektrischen Resonator der Antennenvorrichtung darstellen; und
Fig. 11 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Millimeterwellenradarmoduls.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Die Struktur einer Antennenvorrichtung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung wird im folgenden mit Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 7 beschrieben.
Zuerst wird die Struktur der planaren dielektrischen Übertragungsleitung im folgenden beschrieben. Die planare dielektrische Übertragungsleitung hat eine Struktur ähnlich einer Doppelschlitzstruktur (mit zwei Schlitzen, die in einer symmetrischen Art und Weise an beiden Seiten einer dielektrischen Platte ausgebildet sind) gemäß einer herkömmlichen Technik. Jedoch basiert der Betrieb dieser planaren dielektrischen Übertragungsleitung auf einem Prinzip, das absolut verschieden von dem der Doppelschlitzstruktur bzw. Zweischlitzstruktur ist. Demgemäß ist die planare dielektrische Übertragungsleitung gemäß der vorliegenden Erfindung absolut verschieden zu der Doppelschlitzstruktur. Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht der planaren dielektrischen Übertragungsleitung, die entlang einer Ebene senkrecht zu der Signalausbreitungsrichtung genommen worden ist. In Fig. 5 bezeichnet das Bezugszeichen 23 eine dielektrische Platte. Zwei Leiter 21a und 21b sind an deren erster Hauptoberfläche (die Oberfläche an der oberen Seite in Fig. 5) ausgebildet, so daß ein erster Schlitz bzw. eine erste Ausnehmung zwischen den zwei Leitern 21a und 21b ausgebildet ist. Ferner sind zwei Leiter 22a und 22b an einer zweiten Hauptoberfläche (die Oberfläche an der oberen Seite in Fig. 5) der dielektrischen Platte 23 ausgebildet, so daß ein zweiter Schlitz bzw. eine zweite Ausnehmung zwischen den zwei Leitern 22a und 22b ausgebildet ist. Es sind zwei leitende Platten 41 und 44 mit jeweiligen Hohlräumen 42 und 43 vorgesehen, die in den angrenzenden Nachbarschaften der Schlitze 24 bzw. 25 ausgebildet sind. Die Leiter 21a und 21b sind über die leitende Platte 41 miteinander elektrisch verbunden und die Leiter 22a und 22b sind über die leitende Platte 44 miteinander elektrisch verbunden.
In Fig. 5 dient der Abschnitt der dielektrischen Platte 23, der durch das Bezugszeichen 23c bezeichnet wird, zwischen den zwei Schlitzen 24 und 25, die sich an den gegenüberliegenden Seiten befinden, als ein Ausbreitungsbereich, durch den ein Hochfrequenzsignal, das eine Übertragungsfrequenz fb aufweist, übertragen wird. Die Abschnitte 23a und 23b an beiden Seiten des Ausbreitungsbereichs 23c dienen als Sperrbereiche ("cutoff regions").
Fig. 6 zeigt eine Querschnittsansicht der planaren dielektrischen Übertragungsleitung von Fig. 5, die entlang einer Ebene genommen wurde, die durch den Ausbreitungsbereich in einer Richtung parallel zu der Signalübertragungsrichtung hindurch geht. Wie es in Fig. 6 gezeigt ist, fällt eine linear polarisierte elektromagnetische Welle pw23 bei einem speziellen Einfallswinkel A auf die obere Oberfläche (in dem Bereich, bei dem der Schlitz 24 ausgebildet ist) der dielektrischen Platte 23 ein und wird bei einem Reflexionswinkel A, der gleich dem Einfallswinkel θ ist, reflektiert. Die linear polarisierte elektromagnetische Welle pw23, die von der oberen Oberfläche der dielektrischen Platte 23 reflektiert wird, fällt dann bei einem Einfallswinkel θ auf die untere Oberfläche (in dem Bereich, bei dem der Schlitz 25 ausgebildet ist) der dielektrischen Platte 23 ein und wird bei einem Reflexionswinkel θ, der gleich dem Einfallswinkel θ ist, reflektiert. Ferner wird die linear polarisierte elektromagnetische Welle 23 in wiederholter Weise abwechselnd bei beiden Grenzflächen bzw. Grenzoberflächen der dielektrischen Platte 23 in den Bereichen, bei denen die Schlitze 24 und 25 ausgebildet sind, reflektiert, wodurch sich somit die linear polarisierte elektromagnetische Welle 23 in dem TE-Modus durch den Ausbreitungsbereich 23c der dielektrischen Platte 23 ausbreitet. Anders ausgedrückt werden die dielektrische Konstante und die Dicke t23 der dielektrischen Platte 23 derart ausgewählt, daß die gewünschte Übertragungsfrequenz fb größer als die kritische Frequenz fda wird (bei der der Einfallswinkel θ klein genug für die linear polarisierte elektromagnetische Welle pw23 wird, daß diese in den Hohlraum 42 oder 43 übertragen wird, wodurch eine Abschwächung der linear polarisierten elektromagnetischen Welle pw23, die sich durch den Ausbreitungsbereich 23c ausbreitet, resultiert).
Es sei wiederum auf Fig. 5 verwiesen, in der die Elektroden 21a und 22a, die an gegenüberliegenden Seiten der dielektrischen Platte 23 vorgesehen sind, einen Parallelebenenwellenleiter bilden, dessen Grenzfrequenz für die TE-Wellen ausreichend hoch im Vergleich zu der gewünschten Übertragungsfrequenz fb ist, so daß ein Seitenabschnitt, der sich entlang der Längsrichtung der dielektrischen Platte 23 erstreckt und zwischen den Elektroden 21a und 22a angeordnet ist, der dielektrischen Platte 23 als der Sperrbereich 23a dient, durch den TE-Wellen, die eine elektrische Feldkomponente parallel zu den Elektroden 21a und 22a aufweisen, sich nicht ausbreiten können. Gleichermaßen bilden die Elektroden 21b und 22b, die an beiden Seiten der dielektrischen Platte 23 vorgesehen sind, einen Parallelplattenwellenleiter, dessen Grenzfrequenz ("cut off frequency") für die TE-Wellen ausreichend hoch im Vergleich zu der gewünschten Übertragungsfrequenz fb ist, so daß der andere Seitenabschnitt, der sich entlang der Längsrichtung der dielektrischen Platte 23 erstreckt und zwischen den Elektroden 21b und 22b angeordnet ist, der dielektrischen Platte 23 als der Sperrbereich 23b wirkt, durch den sich die TE-Wellen nicht ausbreiten können.
In dem Hohlraum 42 ist ein Parallelebenenwellenleiter zwischen der Decke des Hohlraums 42 und der Elektrode 21a ausgebildet. Die Dicke t42 dieses Parallelebenenwellenleiters wird derart gewählt, daß dieser Parallelebenenwellenleiter eine TE-Wellen-Grenzfrequenz hat, die im Vergleich zu der gewünschten Übertragungsfrequenz fb ausreichend groß ist, wodurch ein Sperrbereich 42a ausgebildet wird, durch den die TE-Wellen sich nicht ausbreiten können. Gleichermaßen werden Sperrgebiete 42b, 43a und 43b zum Sperren bzw. Blockieren der TE-Wellen ausgebildet.
Die inneren Wände (vertikalen Wände in Fig. 5), die sich an gegenüberliegenden Seiten des Hohlraums 42 befinden, bilden einen Parallelebenenwellenleiter. Die Breite W2 dieses Parallelebenenwellenleiters ist derart gewählt, daß die TE- Wellen-Grenzfrequenz dieses Parallelebenenwellenleiters ausreichend hoch im Vergleich zu der gewünschten Übertragungsfrequenz fb ist, wodurch ein Sperrbereich ausgebildet wird. Gleichermaßen wird ein Sperrbereich 43d in dem Hohlraum 43 ausgebildet.
In der planaren dielektrischen Übertragungsleitung, die die oben beschriebene Struktur aufweist, ist die elektromagnetische Energie eines Hochfrequenzsignals, das eine Frequenz höher als die kritische Frequenz fda aufweist, innerhalb des Ausbreitungsbereichs 23c und dessen Nähe eingeschlossen bzw. darauf beschränkt, so daß die ebene Welle durch den Ausbreitungsbereich der dielektrischen Platte 23 in der Längsrichtung (z-Richtung) übertragen wird.
Wenn es gewünscht wird, daß ein Signal in dem 60-GHz-Band übertragen wird, dann wird, wenn die dielektrische Platte 23 eine relative dielektrische Konstante von 20 bis 30 und eine Dicke t23 von 0,3 bis 0,8 um hat, die Breite W1 der Übertragungsleitung zu 0,4 bis 1,6 mm gewählt. In diesem Fall wird die charakteristische Impedanz bzw. der Wellenwiderstand 30 bis 200 Q. Wenn eine dielektrische Platte, die eine relative dielektrische Konstante gleich oder größer als 18 aufweist, verwendet wird, wird 95% oder ein größerer Teil der Energie innerhalb der dielektrischen Platte eingeschlossen, und somit ist es möglich, eine Übertragungsleitung zu realisieren, durch die sich elektromagnetische Wellen mittels einer Totalreflexion mit einem extrem niedrigen Verlust ausbreiten.
Fig. 7 veranschaulicht die elektromagnetische Feldverteilung eines Signals, das sich durch die planare dielektrische Übertragungsleitung, die oben beschrieben worden ist, ausbreitet. In Fig. 7 stellen die durchgezogenen Linien die elektrische Feldverteilung dar und stellen die gestrichelten Linien die magnetische Feldverteilung dar. Wie es in Fig. 7 gezeigt ist, ist die Energie der elektromagnetischen Welle innerhalb der dielektrischen Platte eingeschlossen und die elektromagnetische Welle breitet sich in dem TE- Modus oder in einem Modus, der als ein LSM-Modus bezeichnet wird, aus.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Antennenvorrichtung. Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, weist die Antennenvorrichtung folgende Merkmale auf: ein Antennenmodul 10, das den Hauptteil der Antennenvorrichtung darstellt; eine geschlitzte Platte 2, die durch Ausbilden von zwei Schlitzen in einer Metallplatte hergestellt wird; eine dielektrische Linse 4; und ein eine Linse tragendes Basisteil 3 zum Tragen der dielektrischen Linse 4 bei einer gewünschten Höhe. Die Antennenvorrichtung wird hergestellt, indem diese Elemente eins auf dem anderen angeordnet werden. Fig. 2 zeigt eine Explosionsdarstellung von vorne der Antennenvorrichtung, bei der das Antennenmodul 10 und das die dielektrische Linse tragende Basisteil 2 in der Form von Querschnittsansichten dargestellt werden. Die Draufsicht auf jedes Element ist in Fig. 3 gezeigt. Das Antennenmodul 10 weist folgende Merkmale auf: eine obere leitende Platte 41 mit einer Öffnung 6; und eine untere leitende Platte 44; eine dielektrische Platte 43, die zwischen der oberen und der unteren leitenden Platte 41 und 44 angeordnet ist, so daß eine planare dielektrische Übertragungsleitung (im folgenden einfach als eine PDTL: "planar dielectric transmission line" bezeichnet) des oben beschriebenen Typs ausgebildet wird; und einen dielektrischen Resonator 1, der sich bei dem Zentrum bzw. der Mitte der Öffnung 6 der oberen leitenden Platte 41 und bei dem Ende der PDTL befindet. In Fig. 2 sind die Leiter, die an bzw. auf beiden Hauptoberflächen der dielektrischen Platte 43 ausgebildet sind, nicht gezeigt.
Fig. 4 zeigt eine teilweise Draufsicht, die die Beziehung bezüglich der Positionen in einer horizontalen Ebene zwischen der PDTL und dem dielektrischen Resonator 1 zeigt. Bei diesem spezifischen Beispiel wird angenommen, daß die elektromagnetische Welle, die durch die Antennenvorrichtung empfangen wird, eine Frequenz von 60 GHz aufweist, und die dielektrische Platte hat eine Dicke von 0,3 mm, die Breite der Schlitze ist auf 0,8 bis 1,6 mm eingestellt und ein dielektrisches Material, das eine relative dielektrische Konstante von 24 aufweist, wird als das Material der dielektrischen Platte verwendet. In diesem Fall wird die charakteristische Impedanz bzw. der Wellenwiderstand der PDTL 100 bis 200 Ω. Das Ende der PDTL wird kurzgeschlossen. Der dielektrische Resonator 1 wird in einer derartigen Weise angeordnet, daß der Abstand zwischen dem Zentrum bzw. der Mitte des dielektrischen Resonators 1 und dem Ende der PDTL ungefähr gleich λ/4 ist (wobei λ die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle ist, die sich durch die PDTL ausbreitet). Der dielektrische Resonator ist aus einem dielektrischen Material hergestellt, das eine relative dielektrische Konstante von 10 aufweist, so daß es einen Durchmesser von ungefähr 2,2 mm und eine Dicke von ungefähr 1,3 mm aufweist. Bei dieser Antennenvorrichtung arbeitet der dielektrische Resonator 1 in dem TE01δ-Modus. Der Durchmesser der Öffnung 6, der in Fig. 3 gezeigt ist, beträgt ungefähr 7,5 mm. Die Breite der zwei Schlitze, die in der geschlitzten Platte bzw. der Schlitzplatte 2, welche in den Fig. 1 und 3 gezeigt ist, ausgebildet sind, beträgt ungefähr 0,2 mm und die Länge von diesen beträgt ungefähr 2,5 mm (= λ/2). Diese zwei Schlitze sind um ungefähr 2,4 mm voneinander beabstandet. Der Durchmesser der dielektrischen Linse 4 beträgt ungefähr 20 mm und dessen Dicke beträgt ungefähr 2,3 mm. Die dielektrische Linse 4 ist aus einem dielektrischen Material hergestellt, das eine relative dielektrische Konstante von 12 aufweist, und es ist eine Anpassungsschicht auf der Oberfläche der dielektrischen Linse 4 ausgebildet. Die Dicke des die Linse tragenden Basisteils 3 ist auf ungefähr 6 mm eingestellt, so daß die Fokussierposition der dielektrischen Linse 4 mit der Höhe der Schlitzplatte 2 oder der Höhe des dielektrischen Resonators 1 übereinstimmt.
Von den oben beschriebenen Elementen bilden die Schlitzplatte 2 und der dielektrische Resonator 1 einen Hauptstrahler und die Schlitzplatte 2 und das Antennenmodul 10 bilden eine Schlitzantenne. Das bedeutet, wenn die elektromagnetische Welle, die sich durch die PDTL ausbreitet, mit dem dielektrischen Resonator 1 gekoppelt wird, daß die Energie der elektromagnetischen Welle in einer Richtung entlang der Achse des dielektrischen Resonators 1 ausgedehnt bzw. ausgebreitet wird und durch die Schlitze der Schlitzplatte in den Raum abgestrahlt wird. In diesem Zustand kann ein Antennengewinn ("antenna gain") von ungefähr 10 dB erreicht werden. Wenn die dielektrische Linse 4 über das die Linse tragende Basisteil 3 an der Schlitzantenne angeordnet wird, steigt der Antennengewinn auf ungefähr 20 dB.
Die Schlitzplatte 2 ist derart vorgesehen, daß eine elektromagnetische Welle, die eine Hauptpolarisationsebene senkrecht zu den Schlitzen aufweist, selektiv übertragen bzw. gesendet oder empfangen wird. Wenn die Antennenvorrichtung als eine Antenne eines Millimeterwellenradars verwendet wird, das an einem Auto installiert ist, kann der Hauptstrahler derart angeordnet werden, daß die Schlitze in einer Richtung bei einem Winkel von 45º bezüglich des Bodens angeordnet sind, wodurch verhindert wird, daß die Antenne elektromagnetische Wellen von Fahrzeugen empfängt, die in einer entgegengesetzten Richtung fahren.
Obwohl der dielektrische Resonator, der in dem TE01δ-Modus arbeitet, bei der oben beschriebenen Antennenvorrichtung verwendet wird, kann ebenso ein dielektrischer Resonator verwendet werden, der in dem HE111-Modus arbeitet.
Fig. 8 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung, die die Struktur einer Antennenvorrichtung gemäß einem zweitem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Die in Fig. 8 gezeigten Elemente entsprechen den Elementen des ersten Ausführungsbeispiels, das in Fig. 1 gezeigt ist. Dieses zweite Ausführungsbeispiel ist von dem ersten Ausführungsbeispiel dahingehend verschieden, daß zwei dielektrische Resonatoren 1a und 1b in der Form einer kreisförmigen bzw. runden Säulen an beiden Hauptoberflächen der dielektrischen Platten 23 angeordnet sind, so daß die dielektrische Platte 23 zwischen den dielektrischen Resonatoren 1a und 1b in einer Sandwichbauart angeordnet ist. Der Durchmesser des dielektrischen Resonators 1a beträgt ungefähr 3,6 mm und dessen Dicke beträgt ungefähr 1,3 mm. Der Durchmesser des dielektrischen Resonators 1b beträgt ungefähr 3,6 mm und dessen Dicke beträgt ungefähr 0,8 mm. Beide dielektrischen Resonatoren 1a und 1b sind aus einem dielektrischen Material hergestellt, das eine relative Dielektrizitätskonstante von 3,6 aufweist. Die PDTL ist mit beiden dielektrischen Resonatoren 1a und 1b verbunden und die zwei dielektrischen Resonatoren 1a und 1b sind über die dielektrische Platte 23 miteinander verbunden. Als Folge davon wird die Kopplung zwischen der PDTL und dem dielektrischen Resonator, der als der Hauptstrahler dient, verbessert.
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Antennenvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Fig. 10 zeigt eine Draufsicht, die die Struktur des dielektrischen Resonators, der bei dieser Antennenvorrichtung verwendet wird, veranschaulicht. Dieses dritte Ausführungsbeispiel ist von dem ersten Ausführungsbeispiel dahingehend verschieden, daß ein dielektrischer Resonator in der dielektrischen Platte ausgebildet ist und daß ein weiterer dielektrischer Resonator auf dem vorherigen dielektrischen Resonator angeordnet ist. In Fig. 10 hat der mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnete Abschnitt keine Elektroden an irgend einer Hauptoberfläche der dielektrischen Platte 23 und somit dient dieser Abschnitt 5 als ein dielektrischer Resonator, der in dem TE010-Modus arbeitet. Das Ende der Elektroden, die die PDTL bilden, ist von dem dielektrischen Resonator im TE010-Modus durch einen angemessenen Abstand getrennt, der es ermöglicht, daß die PDTL mit dem dielektrischen Resonator in einem ausreichenden Grad gekoppelt ist. Somit ist dieser dielektrische Resonator mit der PDTL magnetisch gekoppelt. Der andere dielektrische Resonator 1 in der Form einer kreisförmigen bzw. runden Säule, der in dem TE01δ-Modus betrieben wird, ist auf dem dielektrischen Resonator 5 angeordnet, der in dem Abschnitt der dielektrischen Platte, der keine Elektroden aufweist, ausgebildet ist, so daß der dielektrische Resonator 1 und der dielektrische Resonator 5 über sowohl eine magnetische Feldkopplung als auch eine elektrische Feldkopplung miteinander gekoppelt sind. Bei dieser Antennenvorrichtung, die die oben erwähnte Struktur aufweist, ist die elektromagnetische Welle, die sich durch die PDTL ausbreitet, mit dem dielektrischen Resonator 5 gekoppelt, der in der dielektrischen Platte ausgebildet ist, und mit dem dielektrischen Resonator 1 gekoppelt ist, der auf der dielektrischen Platte angeordnet ist, und somit wird die elektromagnetische Welle in einer Richtung entlang der Achse des Resonators abgestrahlt. Wenn andererseits eine elektromagnetische Welle von der Antennenvorrichtung empfangen wird, bewirkt die elektromagnetische Welle, die in der Richtung entlang der Achse des dielektrischen Resonators 1 einfällt, daß der dielektrische Resonator 1 in dem TE01δ-Modus mitschwingt bzw. in diesem Modus in Resonanz tritt. Als eine Folge davon schwingt der dielektrische Resonator 5, der in der dielektrischen Platte ausgebildet ist, in dem TE010-Modus mit und die elektromagnetische Welle breitet sich durch die PDTL in dem TE-Modus oder in dem LSM-Modus aus.
Nun wird ein Ausführungsbeispiel eines Millimeterwellenradarmoduls mit Bezug auf Fig. 11 im folgenden beschrieben.
Fig. 11 zeigt eine Ersatzschaltung des Millimeterwellenradarmoduls. In Fig. 11 umfaßt die Schaltung einen Oszillator 51, Zirkulatoren 52 und 53, einen Mischer 54, Koppler 55 und 56 und eine Antenne 57. Der Oszillator 51 besteht aus dem spannungsgesteuertem Oszillator (VCO; VCO = voltage controlled oscillator), der eine Gunndiode, die als eine Oszillationsvorrichtung dient, und eine Varakterdiode, die als eine Vorrichtung zum Steuern der Oszillationsfrequenz dient, aufweist. Es werden eine Vorspannung zu der Gunndiode und eine Frequenzsteuerungsspannung VCO-IN zu dem Oszillator 51 eingegeben. Ein Ausgangsanschluß des Zirkulators 52 wird mit einem Widerstand abgeschlossen, so daß kein Signal in Richtung des Oszillators 51 reflektiert wird. Der Zirkulator 53 überträgt das Signal, das zu der Antenne 57 abgestrahlt werden soll, während der Zirkulator 53 das empfangene Signal an den Mischer 54 überträgt. Eine Antenne 57 wird aus einem dielektrischen Resonator und einer dielektrischen Linse basierend auf einer beliebigen Technik hergestellt, die in den ersten bis dritten oben beschriebenen Ausführungsbeispielen offenbart wird. Der Koppler 55 wird verwendet, um das Übertragungssignal mit dem lokalen Signal zu koppeln. Der Koppler 56 besteht aus einem 3-dB-Richtungskoppler und dient dazu, das lokale Signal von dem Koppler 55 gleichermaßen in zwei Übertragungsleitungen, die mit dem Mischer 54 verbunden sind, zu übertragen, so daß die lokalen Signale bei den zwei Übertragungsleitungen eine Phasendifferenz von 90º aufweisen, und dient dazu, das empfangene Signal von dem Zirkulator 53 gleichermaßen in die zwei Übertragungsleitungen, die mit dem Mischer 54 verbunden sind, zu übertragen, so daß die Signale bei den zwei Übertragungsleitungen eine Phasendifferenz von 90º aufweisen. Der Mischer 54 besteht aus einer Schottky-Diode zum Bewirken eines ausgeglichenen Mischbetriebs ("balanced mixing operation") bezüglich der zwei Signale, wodurch ein IF-Signal (IF = intermediate frequency = Zwischenfrequenz) mit einer Frequenz gleich der Differenz zwischen der Frequenz des empfangenen Signals und der Frequenz des lokalen Signals erzeugt wird.
Wenn ein Millimeterwellenradarmodul verwendet wird, kann ein FM-CW-Millimeterwellenradar realisiert werden, bei dem beispielsweise ein Signal mit einer Dreieckswellenform als das VCO-IN-Signal angewendet wird, und es werden Abstandsinformationen und relative Geschwindigkeitsinformationen von dem IF-Signal extrahiert. Dieses Radar kann an einem Fahrzeug bzw. Automobil installiert werden, um den relativen Abstand zu einem anderen Fahrzeug zu erfassen und um die relative Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu erfassen.
Bei dem Radarmodul der Erfindung besteht die wesentliche Erfordernis darin, daß zumindest der dielektrische Resonator, der als der Hauptstrahler der Antenne 57 dient, mit der planaren dielektrischen Übertragungsleitung gekoppelt ist. Was die Übertragungsleitungen unter anderen Elementen, wie dem Oszillator 1, den Zirkulatoren 52 und 53 und dem Mischer 54, angeht, kann ein anderer Typ von Übertragungsleitung, wie beispielsweise eine Schlitzübertragungsleitung, eine koplanare Übertragungsleitung, eine Mikrostreifenleitung oder eine dielektrische Übertragungsleitung, anstelle der planaren dielektrischen Übertragungsleitung verwendet werden.
Wie es oben beschrieben wurde, dient bei der Antennenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung der Bereich der dielektrischen Platte zwischen dem ersten Schlitz und dem zweiten Schlitz, die an beiden Hauptoberflächen der dielektrischen Platte ausgebildet sind, als der Ausbreitungsbereich der planaren dielektrischen Übertragungsleitung, durch die eine ebene Welle übertragen wird. Der dielektrische Resonator ist bei dem Ende von oder in der Mitte dieser planaren dielektrischen Übertragungsleitung angeordnet, so daß der dielektrische Resonator direkt oder indirekt mit der planaren dielektrischen Übertragungsleitung gekoppelt ist, und somit der dielektrische Resonator als der Hauptstrahler dient. Somit ist es möglich, eine Antennenvorrichtung zu realisieren, bei der das Signal, das sich durch die planare dielektrische Übertragungsleitung ausbreitet, direkt zu dem Hauptstrahler übertragen wird, ohne daß eine Übertragungsmodusumwandlung von der planaren dielektrischen Übertragungsleitung zu einer koplanaren Übertragungsleitung, einer Mikrostreifenübertragungsleitung oder einer Wellenleiterübertragungsleitung durchgeführt werden muß. Deshalb ist bei der vorliegenden Erfindung kein Übertragungskonverter bzw. Übertragungsumwandler zum Durchführen einer Übertragungsmodusumwandlung erforderlich, und somit tritt kein Verlust des RF-Signals aufgrund der Übertragungsmodusumwandlung auf. Als Folge davon ist es möglich, eine hohe Antennenwirksamkeit zu erreichen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Antennenvorrichtung leicht zusammengebaut werden kann. Ferner wird die Wiederholbarkeit der Charakteristika verbessert und die Gesamtkosten werden verringert.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Polarisationsebene der übertragenen und empfangenen elektromagnetischen Welle durch den Schlitz in einer gewünschten Art und Weise definiert.
Bei noch einem weiteren Aspekt der Erfindung hat der Abschnitt auf einer Hauptoberfläche der dielektrischen Platte eine Struktur, die zu der Struktur des Abschnitts auf der anderen Hauptoberfläche der dielektrischen Platte symmetrisch ist. Dies ermöglicht es, daß die planare dielektrische Übertragungsleitung fester mit dem dielektrischen Resonator gekoppelt wird.
Bei noch einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Richtschärfe bzw. das Richtvermögen und der Gewinn der Antenne verbessert werden.
Bei noch einem weiteren Aspekt der Erfindung kann ein klein bemessenes und hoch wirksames Radarmodul realisiert werden, das den Vorteil ausnutzt, daß es einen geringen Verlust aufweist, der durch die planare dielektrische Übertragungsleitung vorgesehen wird. Das bedeutet, es ist möglich, ein Millimeterwellenradar mit einer verringerten Größe zu realisieren.

Claims

1. Eine Antennenvorrichtung, die eine planare dielektrische Übertragungsleitung (PDTL) und einen dielektrischen Resonator (1) aufweist, die miteinander gekoppelt sind,

gekennzeichnet durch

eine dielektrische Platte (23), die mit zwei Elektroden (21a, 21b) versehen ist, die an deren erster Hauptoberfläche in einer derartigen Weise ausgebildet sind, daß die zwei Elektroden (21a, 21b) um einen feststehenden Abstand (W1) voneinander beabstandet sind, so daß ein erster Schlitz (24) zwischen den zwei Elektroden (21a, 21b) gebildet ist, und ferner mit weiteren zwei Elektroden (22a, 22b) versehen ist, die auf der zweiten Hauptoberfläche der dielektrischen Platte (23) in einer derartigen Weise ausgebildet sind, daß die weiteren zwei Elektroden (22a, 22b) um einen festen Abstand (W1) voneinander beabstandet sind, so daß ein zweiter Schlitz (25) zwischen den weiteren zwei Elektroden (22a, 22b) gebildet ist, wobei der Ort des zweiten Schlitzes (25) dem Ort des ersten Schlitzes (24) auf der entgegengesetzten Seite der dielektrischen Platte (23) entspricht, wobei der Bereich der dielektrischen Platte (23) zwischen dem ersten Schlitz (24) und dem zweiten Schlitz (25) als der Ausbreitungsbereich (23c) der planaren dielektrischen Übertragungsleitung (PDTL) dient, durch den eine ebene Welle übertragen wird,

wobei der dielektrischen Resonator (1) an dem Ende von oder in der Mitte von der planaren dielektrischen Übertragungsleitung (PDTL) angeordnet ist, so daß die planare dielektrische Übertragungsleitung (PDTL) mit dem dielektrischen Resonator (1) gekoppelt ist, und so daß der dielektrische Resonator (1) als ein Hauptstrahler dient.

2. Eine Antennenvorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner folgende Merkmale aufweist: einen weiteren dielektrischen Resonator (5), der aus einem Teil der dielektrischen Platte (23) gebildet ist, wobei die zwei Elektroden (21a, 21b) und die weiteren zwei Elektroden (22a, 22b) nicht auf dem Teil ausgebildet sind, wobei der weitere dielektrische Resonator (5) sich an dem Ende von oder in der Mitte von der planaren dielektrischen Übertragungsleitung (PDTL) befindet.

3. Eine Antennenvorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner einen Schlitz (2) aufweist, der in der Nähe des dielektrischen Resonators (1) angeordnet ist, wobei der Schlitz (2) angepaßt ist, um bei einer Frequenz im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators (1) in Resonanz zu treten.

4. Eine Antennenvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der dielektrische Resonator (1) zwei Piezoelemente (1a, 1b) aufweist, die jeweils auf der ersten und zweiten Hauptoberfläche der planaren dielektrischen Übertragungsleitung (PDTL) in einer derartigen Weise angeordnet sind, daß die zwei Piezoelemente (1a, 1b) an dem gleichen Ort, jedoch auf den gegenüberliegenden Seiten der planaren dielektrischen Übertragungsleitung (PDTL) angeordnet sind.

5. Eine Antennenvorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner eine dielektrische Linse (9) aufweist, die derart angeordnet ist, daß die Zentralachse der dielektrischen Linse (4) im wesentlichen mit der Zentralachse des dielektrischen Resonators (1) zusammenfällt, und daß der Brennpunkt der dielektrischen Linse (4) im wesentlichen mit dem Ort des dielektrischen Resonators (1) zusammenfällt.

6. Ein Radarmodul, das folgende Merkmale aufweist:

eine Antennenvorrichtung gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5;

einen Oszillator (51) zum Erzeugen eines Signals, das über die Antennenvorrichtung abgestrahlt werden soll; und

einen Mischer (54) zum Mischen eines Signals, das über die Antennenvorrichtung empfangen wird, mit einem lokalen Signal.