专利名称：微波天线和天线元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及微波天线。进一步，本发明涉及特别地用于这种微波天线的天线阵列，和特别地用于这种天线阵列的天线元件。
背景技术：
在毫米波成像系统中，对场景进行扫描以获得该场景的图像。在许多成像系统中，天线被机械地移动以扫描整个场景。然而，优选的是进行电子扫描，即，电子地移动天线的辐射光束或灵敏性曲线，因为电子扫描更迅速且不会像在机械扫描系统中那样出现天线退化。在现代雷达成像中，使用了二维(2D) MIMO波束形成拓扑技术，其合成等距间隔的虚拟双向孔径分布。实际上，虚拟孔径分布是发射(TX)天线相位中心和接收(RX)天线相位中心的二维卷积。大多数实际相关的阵列结构包括2D TX或RX天线块。本发明不仅涉及这种2D MMO光束形成天线，而且大体上涉及具有这些天线元件阵列(稀疏的或非稀疏的)的任何2D天线。
发明内容
本发明的目的是提供一种微波天线，其中天线元件可以尽可能紧凑地布置，并提供获得雷达图像外的更多信息的能力。本发明的另外的目的是提供该微波天线中使用的相对应的天线元件。根据本发明的一方面，提供了一种包括天线阵列的微波天线，该天线阵列包括多个天线元件，天线元件包括:罩，-中空波导，形成在所述罩内，用于在第一开口端部和布置在所述第一端部对面的第二端部之间引导工作频率的微波辐射，-隔板，在所述波导内中央地沿着纵向方向布置，将所述波导分隔成两个波导部分，-基板装置，布置在所述罩内的所述第二端部，所述基板装置包括接地平面、布置在所述接地平面的两侧并与所述接地平面间隔一定距离的线结构，以及集成基板波导，-波导过渡，布置在所述中空波导和所述集成基板波导之间，-集成电路，布置在所述罩内，并电接触所述接地平面和所述线结构，以及-端子，电接触所述集成电路。根据本发明的另一方面，提供了一种天线元件，特别地用于包括多个天线元件的天线阵列，天线元件包括:-罩，-中空波导，形成在所述罩内，用于在第一开口端部和布置在所述第一端部对面的第二端部之间引导工作频率的微波辐射，
-隔板，在所述波导内中央地沿着纵向方向布置，将所述波导分隔成两个波导部分，
-基板装置，布置在所述罩内的所述第二端部，所述基板装置包括接地平面、布置所述接地平面的两侧并与所述接地平面间隔一定距离的线结构，以及集成基板波导，-波导过渡，布置在所述中空波导和所述集成基板波导之间，-集成电路，布置在所述罩内，电接触所述接地平面和所述线结构，以及-端子，电接触所述集成电路。在从属权利要求中限定了本发明的优选实施方式。应当理解，要求的天线元件具有与所要求的微波天线相似和/或相同的以及由从属权利要求限定的优选实施方式。为了获得雷达图像之外的最多信息，可以采用偏振测定法。可以检测在散射期间转换极化或对于完全线性极化雷达系统不可见的目标。通过评估目标散射的方式，可以获得示出所观察目标的某些散射特性(例如，粗糙面、晶格、平行导线…)的更详细的图。因此，与利用单线性偏振相比较，通过使用本发明可以获得雷达图像之外的更多信息。为了应用偏振图像处理，发射(TX)天线和接收(RX)天线以双偏振的方式(B卩，使用具有正交极化的双极性元件)发射和接收电磁场。正交偏振可以是线性垂直的和线性水平的(或朝着任何方向线性的和垂直极化)、左旋圆偏振和右旋圆偏振、或椭圆正交(具有椭圆正交方向的左旋椭圆偏振和右旋椭圆偏振)。椭圆情形是最一般的情形，可以涵罩所有前述的情形，其中前述情形都是椭圆情形的特定实施方式。雷达图像的偏振评估可以应用于任何一个前述正交偏振。在偏振测定法中，正交偏振是等价的，因为利用数学方法通过基转换可以将任一组合的各个接收信号转化为另一个接收信号。为了在二维反射阵天线中产生正交偏振波，所提出的天线阵列和所提出的包括该天线阵列的天线，被构造为使得通过隔板将波导划分为两个波导部分。隔板将只在一个波导部分的波导端口馈给的端口信号转换为从包括该波导部分的波导辐射的圆形(椭圆)偏振波。进一步，通过本发明已经克服了涉及起源于显示双偏振的任何2D天线装置的馈给结构的问题。由于几何原因，在直列式结构中实现包括波导部分的每个元件的两个馈给结构，其只提供z方向上的元件孔径的截面空间。换句话说，所提出的天线元件每个都包括所需的集成电路，优选地实现为罩内集成的单片微波集成电路(MMIC)，且通过端子只连接外部。端子优选地位于中低频(IF)或DC。应当理解，根据本发明，天线一般可以用于毫米波和微波的频率范围，即至少在从IGHz至3THz的频率范围内。“工作频率”一般可以是该频率范围内的任何频率。当使用本文中的术语“微波”时，应当理解该频率范围内的任何电磁辐射。
以下将参考下文中描述的实施方式理解和更详细地说明本发明的这些方面和其他方面。在附图中:图1A和图1B示出了根据本发明的天线阵列的另一个实施方式，图2示出了根据本发明的单个天线元件的第一实施方式的截面透视图，
图3A至图3D示出了单个天线元件的所述第一实施方式的几个截面图，图4A和图4B示出了根据本发明天线中使用的包括隔板的波导的不同图，图5示出了隔板的顶视图，图6示出了根据本发明的单个天线元件的第二实施方式的透视图，图7A至图7C示出了根据本发明的单个天线元件的第三实施方式的分解图，以及图8A至图SE示出了根据本发明的天线阵列的另一实施方式。
具体实施例方式图1A和图1B示出了根据本发明的微波天线10的一般实施方式。天线10包括天线阵列12a，天线阵列12a包括多个天线元件18。这种天线阵列可以用作光束形成天线阵列。对于某一转向角，每个天线信号具有某一时间延迟，其可以视为窄带情况下的相移(phase shift)。所以，对天线元件进行相位调整被用于光束扫描。此外，振幅权重可被用于减小旁瓣电平。在雷达成像中，可以使用完全稠密的2D天线阵列(元件间隔〈λ /2)或是稀疏的2D MMO光束形成拓扑结构，其合成等距间隔的虚拟双向孔径分布。图1A中所示的天线阵列12a包括接收天线的二维阵列20和布置在接收天线的阵列20的角区域中的发射天线的四个阵列22、23、24、25。该天线阵列12a的定性虚拟孔径分布26 (图1B中所示)是发射天线相位中心和接收天线相位中心的2D卷积。由于天线元件的互易性，RX和TX可以交换。一般地，为了实现2D天线阵列的双偏振天线元件，必须实现正交线性偏振的两个馈给或必须集成左旋圆偏振和右旋圆偏振的两个馈给。在大多数情况下通过连接来自波导的截面外部的馈送线的两个正交引脚实现正交线性情况。由于较大的物理尺寸，所以这种传统解决方法只可以应用于单个天线，而不用于元件密集地堆叠在一起的2D阵列的元件。本发明现在提供用于通过直列式馈给结构激励两个正交(线性的或圆形的)偏振的解决方法，该解决方法相当复杂且目前尚未周知。图2中以截面透视图的形式描述了单个天线元件18a的第一实施方式。图3A至图3D中示出单个天线元件18a的所述第一实施方式的几个截面图。天线元件18a包括罩30,在罩30内形成中空的波导32,用于在开口的第一端部34和布置在第一端部34相对位置的第二端部36之间引导工作频率的微波辐射。隔板38在波导32内中央地且沿着纵向方向布置，以便将所述波导32分隔成两个波导部分321、322。进一步，基板装置41布置在罩30内的第二端部36，所述基板装置41包括接地平面43、布置在所述接地平面43两侧且与接地平面43间隔一段距离的线结构42、44和集成基板的波导40 (也包括接地平面43)。接地平面43和隔板38 —般可以是分开的元件，但是在优选实施方式中，隔板包括或对应于所述接地平面43，特别表示所述接地平面43的前端部分。进一步，在接地平面43和线结构之间优选地布置基板层，例如，聚四氟乙烯、陶瓷或LCP (液晶聚合物)。波导过渡46布置在中空波导32和集成基板波导40之间。进一步，集成电路48布置在所述罩30内所述接地平面43的两侧，并电接触所述接地平面43和所述线结构42、44。最后，电接触所述集成电路48的端子50布置在基板装置41的后端(或罩的后部，如果存在布置在基板后端的罩部分的话)。天线元件是直列式结构，其中电路只在元件孔径的截面区域上沿z方向布置。
优选地，该实施方式能够通过使用左旋圆极化和右旋圆(椭圆)极化由直列式馈给产生两个正交偏振。与线性情况相比较，这可以以比较简单的方式实现。因此，如图2和图3A至图3D中所示出的，优选地使用过渡的级联结构。在优选实施方式中，集成电路用作丽IC (单片微波集成电路)48，该丽IC48附接至一个或两个薄基板45、47的顶面和/或底面，薄基板45、47在中间共享一个共同接地平面43，特别地，隔板38。基板装置(也被称为多层基板)包含诸如微带线或共平面波导的线结构42、44、43等，其将来自MMC48的信号引导至带状线过渡52。在同一基板上实现的集成基板波导(substrate integrated waveguide, SIff)40中该带状线过渡52将准横向电磁(transversal electro-magnetic, TEM)模式转换为 TE10 模式。SIW40在包括发射单元461的波导过渡46中结束，该发射单元提供从所述SIW40到第一中空波导部分322、324的过渡。优选地，发射单元461具有三角形状。因此，该发射单元461表示从优选地充满电介质的SIW40到优选地充满空气的同一尺寸的中空波导的过渡。因为该波导的高度(S卩，第一波导部分323、324)相对较窄(比通常使用的矩形波导的四分之一波长更窄)，所以另一个过渡，(特别地，匹配单元462)被设置为匹配细波导至矩形波导，即，第二中空波导部分具有比所述第一中空波导部分325、326更大的宽度和/或高度，特别地具有半波长的宽度和四分之一波长的高度。该匹配单元462可以具有1...η台阶。可选地，其可以具有连续截面，例如，线性递变(linear taper)。波导部分321和322可以具有矩形(边长比2:1)或半圆形截面。进一步，在实施方式中波导部分321和325与322和326可以被直接放在一起或可以存在平缓过渡，该过渡分别匹配波导部分325和326的矩形截面至波导部分321和322的半圆形截面。优选地，如图2和图3A至图3D所示的所描述的元件被提供给波导对，波导对的结构与基板装置41的接地平面43 (优选地，是隔板38的后部)对称。然后，这个基本构件可以扩展形成方形或圆形截面的末端开口波导32。因此，接地平面43被修改为在延伸进入波导32的前部显示出隔板38的形状。图5和图6中描述了隔板38的定性形状。图4A和图4B分别示出了根据本发明的天线元件18a的波导32’的正视图(图4A)和截面图(图4B)。这个实施方式中所示的孔径(图4A)由方形末端开口波导32’组成。每个方形波导32’被隔板38划分成两个矩形波导部分321’、322’。优选地，波导部分321’、322’具有宽度w (左侧壁和右侧壁之间)为工作频率的微波辐射的大体上半波长(0.5 λ <w<0.9 λ )，高度h (在上侧壁和下侧壁之间)为工作频率的微波辐射的大体上四分之一波长(0.25 λ <h〈0.45 λ )的矩形截面。通过使用该波导的尺寸标注可以确保只引导微波的基本TEltl模式经过波导。进一步，由于只有基本TEltl模式可以在波导内传播，所以可以确保辐射图案看起来总是同一个。隔板38将从方形末端开口波导32’辐射的只在虚拟矩形波导端口(单个波导部分的)馈给的端口信号转换为圆形(椭圆形)偏振波。换而言之，隔板38的功能是通过馈给矩形波导321’、322’中的一个产生圆形偏振波。如果同时馈给矩形波导部分321’、322’两者，也可以产生线性偏振。以下表格中概括了当通过矩形波导的一个或两个矩形波导同时馈给方形波导时馈给天线元件18a的所有技术相关组合。隔板38可以位于两个矩形波导之间或位于两个半圆形波导之间。
权利要求
1.一种微波天线(10)，包括天线阵列(12a)，所述天线阵列(12a)包括多个天线元件(18)，天线元件(18)包括: 罩(30)， 中空的波导(32 )，形成在所述罩(30 )内，用于在开口的第一端部(34 )和布置在所述第一端部对面的第二端部(36)之间引导工作频率的微波辐射， 隔板(38)，在所述波导(32)内中央地沿着纵向方向布置，将所述波导(32)分隔成两个波导部分(321，322)， 基板装置(41)，布置在所述罩(30 )内的所述第二端部(36 )，所述基板装置(41)包括接地平面(43)、布置在所述接地平面(43)的两侧并与所述接地平面(43)间隔一定距离的线结构(42，44)，以及集成基板波导(40)， 波导过渡(46)，布置在所述中空的波导(32)和所述集成基板波导(40)之间， 集成电路(48 )，布置在所述罩(30 )内，并电接触所述接地平面(43 )和所述线结构(42，44)，以及 端子(50)，电接触所述集成电路(48)。
2.根据权利要求1所述的微波天线， 其中，所述波导(32)具有方形截面，所述隔板(38)被布置为将所述波导(32)分隔成所述波导部分(321，322)，每个所述波导部分都具有矩形截面，特别地，具有相同的矩形截面。
3.根据权利要求1所述的微波天线， 其中，所述波导(32)具有圆形或椭圆形截面，所述隔板(38)被布置为将所述波导(32)分隔成所述波导部分(321，322)，每个所述波导部分具有半圆形或半椭圆形截面，特别地，具有相同的半圆形或半椭圆形截面。
4.根据前述权利要求中任一项所述的微波天线， 其中，所述隔板(38)包括面对着所述波导(32)的所述第一端部的方向的台阶剖面。
5.根据权利要求4所述的微波天线， 其中，所述隔板(38)包括具有在3至10的范围内特别地在4至6的范围内的台阶数的台阶剖面。
6.根据前述权利要求中任一项所述的微波天线， 其中，所述基板装置(41)包括作为线结构的微带线或接地共平面波导。
7.根据前述权利要求中任一项所述的微波天线， 其中，所述波导过渡(46)包括: 发射单元(461)，提供从所述集成基板波导(40)至第一中空波导部分(323，324)的过渡，以及 匹配单元(462)，提供从每个所述第一中空波导部分(323，324)到第二中空波导部分(325,326)的过渡，其中，所述第二中空波导部分(325，326)具有比所述第一中空波导部分(323，324)大的宽度和/或高度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的微波天线， 进一步包括布置在所述集成电路(48)和所述集成基板波导(40)之间的带状线过渡(52)。
9.根据权利要求2所述的微波天线，其中，每个波导部分(32)具有宽度在工作频率的微波辐射的波长的50%至90%范围内、高度在工作频率的微波辐射的波长的25%至40%的范围内的矩形截面。
10.根据前述权利要求中任一项所述的微波天线， 其中，所述罩(30 )被划分成耦接在一起的顶罩(30 )和底罩(30 )，其中，所述顶罩(30 )和所述底罩(30 )包括用于通过所述罩(30 )布置所述集成电路(48 )的空腔(56 )。
11.根据前述权利要求中任一项所述的微波天线， 其中，所述天线元件(18c)进一步包括布置在所述波导(32)的第一端部(34)的前部并且具有比所述第一端部(34)大的孔径(46)的孔径元件(44)，特别地为棱锥状或圆锥状喇叭。
12.根据前述权利要求中任一项所述的微波天线， 其中，所述隔板(38 )是所述接地平面(43 )的一部分或对应于所述接地平面(43 )。
13.一种天线元件(18)，特别地用于权利要求1所述的天线(10)，包括: 罩(30)， 中空的波导(32 )，形成在所述罩(30 )内，用于在开口的第一端部(34 )和布置在所述第一端部对面的第二端部(36)之间引导工作频率的微波辐射， 隔板(38)，在所述波导(32)内中央地沿着纵向方向布置，将所述波导(32)分隔成两个波导部分(321，322)， 基板装置(41)，布置在所述罩(30 )内的所述第二端部(36 )，所述基板装置(41)包括接地平面(43)、布置所述接地平面(43)的两侧并与所述接地平面(43)间隔一定距离的线结构(42，44 )，以及集成基板波导(40 )， 波导过渡(46)，布置在所述中空的波导(32)和所述集成基板波导(40)之间， 集成电路(48)，布置在所述罩(30)内，电接触所述接地平面(43)和所述线结构(42，44)，以及 端子(50)，电接触所述集成电路(48)。
全文摘要
本发明涉及微波天线和天线元件。该微波天线包括天线阵列，天线阵列包括多个天线元件，天线元件包括罩；中空波导，形成在所述罩内，用于在第一开口端部和布置在所述第一端部对面的第二端部之间引导工作频率的微波辐射；隔板，在所述波导内中央地沿着纵向方向布置，将所述波导分隔成两个波导部分；基板装置，布置在所述罩内的所述第二端部，所述基板装置包括接地平面、布置在所述接地平面的两侧并与所述接地平面间隔一定距离的线结构；集成基板波导；波导过渡，布置在所述中空波导和所述集成基板波导之间；集成电路，布置在所述罩内，并电接触所述接地平面和所述线结构，以及端子，电接触所述集成电路。
文档编号H01Q21/00GK103178357SQ20121056413
公开日2013年6月26日 申请日期2012年12月21日 优先权日2011年12月21日
发明者马塞尔·布莱奇 申请人:索尼公司