专利名称：定向耦合器、天线设备和雷达系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种使用介质线作为传输路径的定向耦合器、一种具有这种定向耦合器的天线设备和一种包含该天线设备的雷达系统。
背景技术：
一种使用介质线作为传输路径的定向耦合器在日本未经审查专利申请公布号为8-8621和10-200331的文件中揭示过。
日本未经审查专利申请公布号为8-8621的文件涉及到一种使用无辐射介质波导(在下文中称为“NRD波导”)的定向耦合器。因为其在单NRD波导中的低传输损耗，LSM模式被用作在定向耦合器耦合部分中的一种传输模式。而曲折部分的曲率半径是几个离散值中的一个，从而提供了低损耗。定向耦合器适用于以LSM模式和LSE模式传输电磁波。因此，在定向耦合部分会发生模式转换问题，导致介入损耗与频率特性中的脉动。
日本未经审查专利申请公布号为10-200331的文件涉及一种结合了用介质线作为传输路径的定向耦合器的天线设备，在该设备中，副线平行于主线移动来达到波束扫描。定向耦合器两条线之间的间隙构成一扼流圈，因而避免了漏波损耗。然而，当定向耦合器用于以LSM模式和LSE模式传输电磁波时，模式转换所导致的损耗就发生了，就如在日本未经审查专利申请公布号为8-8621的文件中所揭示的定向耦合器一样。如果电磁波以LSMO1模式作为主模式单独传输，那样也会有电磁波从主线和副线之间的间隙漏出的问题，可能增大了介入损耗。
发明内容
因此，本发明提供了一种紧凑的定向耦合器，该耦合器解决了在构成定向耦合器的主线和副线耦合部分因模式转换而使介入消耗增大的问题，在曲折部分提高了设计灵活性，以及抑制了当主线和副线相互分开时它们之间间隙的电磁波泄漏。
本发明进一步提供了一种配备低损失紧凑定向耦合器的紧凑天线设备，该设备能实现高速波束扫描，并且提供了一种使用该天线设备具有高侦测能力的紧凑雷达系统。
因此，一种定向耦合器包括两根无辐射介质线，每根线都具有基本上相互平行的导电平面，并且介质条被放置在它们之间，两根无辐射介质线相互耦合，以便至少部分介质条相互靠近并且平行延伸。在使用频率下电磁波传输的主要模式是LSE模式，电磁波在无辐射介质线中传输。LSE模式被用作主传输模式，因而保持了低损耗且实现了紧凑的定向耦合器。
介质条和导电平面之间空间的截面尺寸被适当限定，以便在使用频率下电磁波在无辐射介质线中以LSE模式单独传输。因此，在曲折部分由LSE模式和LSM模式之间转换而引起的损耗可以被抑制。
构成定向耦合器的两根无辐射介质线可以通过分开沿两介质条纵向延伸的表面而分开，并且这两根无辐射介质线可以被放置在介质条的纵向，以便相互相对位移。因此，这两根无辐射介质线在相互耦合时，可以相互相对位移，因而减少了因从分隔表面泄漏的电磁波而引起的损耗。
两根无辐射介质线中的每根都可能包括支撑介质条的导电板极，并且与无辐射介质线分隔表面相对应的导电板极对立表面最好有扼流槽在其中。这样能可靠地抑制从导电板极对立表面之间间隙中泄漏的LSE模式电磁波。
在本发明的另一方面，一种天线设备包括与两根在定向耦合器中相互分隔的无辐射介质线之一相连的主发射器，以及一个基本上聚焦在主发射器上的介质透镜。因而，当在定向耦合部分中的两根无辐射介质线相对位移时，主发射器也能够对应介质透镜相对位移，从而实现高速波束扫描。
本发明的再一方面，一种雷达系统包括了发射和接收电磁波的单元，该单元包括上述的天线装置。因而，因其配备了包含紧凑轻便的定向耦合器的天线装置，从而使得整个雷达系统也变得紧凑，能够实现高速波束扫描。
本发明的其他一些特性和优点通过下面结合附图例的具体实施例的描述变得清楚了。
图1是本发明第一实施例中去掉上导电板极的定向耦合器的透视图；图2A和2B分别是图1所示定向耦合器双线耦合模式的顶视图和横截面视图；图3A和3B是双线耦合模式特性示例曲线图；
图4A和4B分别是本发明第二实施例的定向耦合器的透视图和横截面图；图5是图4所示定向耦合器主要部分磁场分布实例的示意说明；图6是定向耦合器主要部分电场分布比较实例的示意说明；图7是定向耦合器主要部分磁场分布比较实例的示意说明；图8是本发明第三实施例的天线装置的顶视图；和图9是本发明第四实施例雷达系统的方框图。
具体实施例方式
参照图1到图3B描述本发明第一实施例的定向耦合器。
图1是去掉上导电板极的定向耦合器的透视图。参照图1，定向耦合器包括下导电板极1以及通过切割如聚四氟乙烯(PTFE)材料而构成的介质条3和4。定向耦合器进一步包括与下导电板极1平行放置的上导电板极2(参考图2B)，从而使得介质条3和4可以夹在下导电板极1和上导电板极2之间。
如图1所说明的，介质条3包括了端直部分和曲折部分，并且靠近介质条4的端直部分，但被耦合间隙G隔开，以便能平行延伸超过长度L。
图2A和2B说明了一种双线耦合模式实例，实质上相当于如图1所示的定向耦合器的定向耦合部分。图2A是介质条3和4的顶视图，而图2B是介质条3和4沿垂直于介质条3与4的轴线的平面截取的横截面视图。在图2A和2B中，耦合双线的耦合长度被标为L，上导电板极2和下导电板极1之间的间距被标为h，介质条3和4的宽度被标为a，并且耦合间隙被标为G。在这图示中，G＝0.4mm而h＝1.8mm。
图3A和3B展示了如图2A和2B所示模型作为传输模式的LSM模式和LSE模式的特性。图3A是展示了当介质条3和4的宽度a变化时耦合量为0db的耦合长度L的特性。图3B是展示当宽度a变化时传输损耗的特性。
如图3B所示，当形成在LSM模式中使用电场耦合的定向耦合器时，能够提供最小传输损耗的最佳线宽a为2.0mm，并且当形成在LSE模式中使用磁场耦合的定向耦合器时，能够提供最小传输损耗的最佳线宽a为1.5mm。如图3A所示，在LSM模式中使用电场耦合的定向耦合器中能够提供最小介入损耗的耦合长度为9.2mm，并且在LSE模式中使用磁场耦合的定向耦合器中能够提供最小介入损耗的耦合长度为6.5mm。
一般，在单NRD波导中，所使用的传输模式为LSM，而LSE模式是一种不需要的模式，因为LSM模式中的传输损耗低于LSE模式中的传输损耗。然而，如图3B所示，在定向耦合器中，在LSM和LSE模式之间的传输损耗实质上是没有区别的。而且，当使用LSE模式时，定向耦合器的耦合长度比使用LSM模式时的长度短，因而成为紧凑的定向耦合器。另外，当在LSE模式中使用磁场耦合的定向耦合器提供最佳耦合长度(a＝1.5mm)时，LSM模式实质上是关闭的，如图3B所示，基本仅有LSE模式的传输被使用。如图3B所示的A的范围(大约等于1.25-1.5mm)代表了单LSE模式的传输范围。相反地，LSM模式是一种不需要的模式，应尽量避免在这种模式中耦合。
图4A到图7描述了本发明第二实施例的定向耦合器。
图4A是定向耦合器双线耦合部分的透视图，图4B是双线耦合部分沿垂直于介质条3和4的轴线的平面截取的横截面图。在图4A和4B中，由金属制成的块状导电板极5和6相互平行安置，每块都有在其中形成的主槽以便提供导电平面，并且介质条3和4分别位于主槽内。块状金属板极5和介质条3构成了一NRD波导，而块状金属板极6和介质条4构成了另一NRD波导。块状金属板极5和6的对立表面在本发明中对应于“无辐射介质线分隔面”。块状金属板极5的分隔表面在其中有扼流槽，沿垂直于分隔表面的深度方向延伸。扼流槽7的位置和深度经限定，从而在它们基本上隔开与介质条3的上下表面接触的导电平面为传输波半波长整倍数的位置出现短路。说明一下，图4B所示的元件尺寸在使用频率为76.56Hz，并且定向耦合器在LSE模式中使用磁场耦合的情况下，其单位为mm。
图6和7展示了在LSM模式中使用电场的传统定向耦合器的分隔表面上，电磁波是如何泄漏的。图6说明了电场分布，而图7说明了磁场分布。可以从图6和7中理解的是，在LSM模式中使用电场耦合的定向耦合器中，导体被垂直于电流流动方向的分隔表面分隔开，从而，电流被分隔表面阻断，因此，造成大量的电磁波泄漏。通常，槽7用作扼流圈以抑制从导体分隔表面泄漏的电磁波，然而，大约0.2-0.3dB的损耗是没有办法避免的。
图5说明了当定向耦合器在LSE模式中使用磁场耦合时的磁场分布。定向耦合器在LSE模式中使用磁场耦合，在其内导体被平行于电流电动方向分隔开，受导体分隔的影响较少，因而引起的电磁波泄漏明显减少。因此，由构成定向耦合器的两分隔NRD波导引起的损耗即使没有扼流槽也会大量减少。扼流槽将进一步减少漏泄损耗。
理论上，如果在两个NRD波导的分隔表面之间生成间隙，NRD波导可能变得不对称，就会引起不需要的模式(LSM模式)而在其中进行耦合。然而，根据第二实施例构成的NRD波导使用的是单LSE传输模式，导致在不需要的模式进行的耦合减少，并且只有极小由模式转换引起的损耗。
图8描述了本发明第三实施例中的一种天线装置。
图8是去掉上导电板极的天线装置的顶视图。该天线装置包括下导电板极11和12、在下导电板极上各自构成的介质条3和4，以及分别放置在介质条3和4上的上导电板极(没有显示)，来形成两个NRD波导。两条线在介质条3和4相互靠近并且相互平行延伸的部分耦合，以提供一种定向耦合器。
包含了介质谐振器的主发射器8放置在介质条4的一端，并且放置在介质条4上的上导电板极具有一开放结构，电磁波可以在与其垂直的方向发射和入射。还设置一块主要聚焦在主发射器8上的介质透镜9。
在图8中，由下导电板极12组成的NRD波导、相关的上导电板极以及在它们之间构成的介质条4和主发射器8都位于一可移动单元中，而由下导电板极11组成的另一NRD波导，相关的上导电板极以及在它们之间构成的介质条3都位于一固定单元中。介质透镜9也是固定的。可移动单元移动的方向如图8箭头所示，主发射器8与介质透镜9的相对位置经移动，执行波束扫描。尤其在传输中，从射频(RF)电路发射的LSE模式的电磁波通过定向耦合器被导入主发射器8，并且电磁波以垂直于图示平面的方向通过介质透镜9发射出去。当电磁波以相反方向入射时，接收信号允许它们在可移动单元中按NRD波导通过主发射器8以LSE模式传输，并且在固定单元中按NRD波导通过定向耦合部分以LSE模式传输。接着，接收信号被发送到RF电路。
图9所描述的是本发明第四实施例中的雷达系统。
在图9中，雷达系统包括含有耿氏二极管的压控振荡器(VCO)20、变容二极管等防止传回VOC20反射信号的隔离器21、具有用NRD波导来析取一部分传输信号作为本地信号的定向耦合器22、用于把传送信号供给天线24的主发射器8并且把接收信号传送给混频器25的循环器23。混频器25将本地信号与接收信号混合来输出中频信号。IF放大器26将中频信号放大，并且将结果信号输出到信号处理电路27作为IF信号。信号处理电路27决定了到目标的距离，并且基于VCO20的调制信号和接收信号之间的关系决定有关目标的相对速度。
图8所示的天线装置放置在循环器23和主发射器8之间。如上所述，天线装置定向耦合部分的耦合长度L可以比传统结构的定向耦合器短，因而使得可移动单元变得紧凑和轻便。这将减少施加在驱动可移动单元的线性传动装置上的负荷，因而使得可靠性增加。负载的可移动单元越轻，线性传动装置越紧凑，因而成为一种紧凑的天线装置，并且整个雷达系统也相应变得紧凑。同样的原因，更高速率的波束扫描成为了可能，并且感知目标、侦测到目标的距离、与目标的相对速度可以在更加宽的波束扫描范围内以更短的时间周期被执行。
虽然，本发明是结合具体实施例来讨论的，但很多其他变换和修改以及其他用途对于相关领域的熟练技术人员来说也是很显然的。因而，本发明并不局限于这里所明确揭示的说明。
权利要求
1.一种定向耦合器，其特征在于，包括两根无辐射介质线，每根线包括一对基本上相互平行放置的导电表面，以及放置在其间的介质条，所述两根无辐射介质线通过至少部分相互邻近平行延伸的介质条相互耦合，在无辐射介质线中以使用频率传播的电磁波的主要传输模式是LSE模式。
2.如权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，以使用频率在无辐射介质线中传播的电磁波仅以LSE模式传播。
3.如权利要求1或2所述的定向耦合器，其特征在于，所述两根无辐射介质线相互相对沿介质条的径向位移。
4.如权利要求1或2所述的定向耦合器，其特征在于，所述的导电表面对在所述两根无辐射介质线之间的位置被分隔以便构成分隔表面，分隔表面沿两介质条的径向延伸。
5.如权利要求4所述的定向耦合器，其特征在于，扁平导电表面相互平行放置，并包含了支撑介质条的导电板，导电板的相对表面对应于所述两根无辐射介质线的分隔表面，并且相对表面在其中有扼流槽。
6.一种天线装置，其特征在于，包括如权利要求3所述的定向耦合器；在所述定向耦合器中与无辐射介质线之一相连接的主发射器；以及基本聚焦在所述主发射器上的介质透镜。
7.一种雷达系统，其特征在于，包括发射和接收电磁波的单元，并且连接到如权利要求6所述的天线装置上。
8.一种天线装置，其特征在于，包括如权利要求4所述的定向耦合器；在所述定向耦合器中与无辐射介质线之一相连接的主发射器；以及基本聚焦在所述主发射器上的介质透镜。
9.一种雷达系统，其特征在于，包括发射和接收电磁波的单元，并且连接到如权利要求8所述的天线装置上。
10.一种天线装置，其特征在于，包括如权利要求5所述的定向耦合器；在所述定向耦合器中与无辐射介质线之一相连接的主发射器；以及基本聚焦在所述主发射器上的介质透镜。
11.一种雷达系统，其特征在于，包括发射和接收电磁波的单元，并且连接到如权利要求10所述的天线装置上。
全文摘要
一种定向耦合器包括两根无辐射介质线,每根都是由基本上相互平行的导电平面之间的介质条构成,使所述的两根无辐射介质线相互靠近。在使用频率下的电磁波传输主模式是LSE模式,电磁波在无辐射介质线中传播。因而,由构成定向耦合器的主线以及副线耦合部分的模式转换所引起的介入损耗可以被减小,并且当定向耦合器的主线和副线相互分隔时,减小了从它们之间的间隙泄漏的电磁波。
文档编号H01P5/16GK1344041SQ0113268
公开日2002年4月10日 申请日期2001年9月7日 优先权日2000年9月8日
发明者北森宣匡, 平塚敏朗 申请人:株式会社村田制作所