专利名称：波导结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于产生多个天线单元的配置的各输入信号之间相位梯度的波导结构。该波导结构在一个介电微波衬底上来实现，该衬底的两面上设有至少一个导电层，两个导电层的至少一个被结构化及构成波导结构的信号侧，而另一导电层用作接地。该波导结构包括至少一个具有波束端口的平行板导体(Parallelplattenleitung)，用于信号馈入或信号获取。
在实践中，这种波导结构被用于实现微波范围中的摆动射束的相控阵天线(“phased array”)。在相邻天线单元的输入信号之间的相位梯度取决于其输出信号的移前或滞后，由此天线输出信号的波的合成相波前(Phasenfront)在角度(方位角)上被摆动。
已经公知了多种在雷达及通信领域中用于具有可电子地偏转或可转换的波束的微波天线的民用及军事应用。例如这里可列举在汽车雷达系统中用于适应地速度调节的应用(“自适应巡航控制”，ACC)，该调节典型地根据多波束—单脉冲雷达的原理来工作。在此，通过一个或多个天线在方位角平面中构造多个波束，它们各成对地在部分区域中重叠。在汽车领域中今后的应用除ACC外还在下面的范围中“低速跟车”及“起—停”运行，倒车及泊车辅助，死角监测，具有通过行驶机动控制、增强防止前冲装置、安全气囊等的敏锐性或触发它们来避免碰撞或降低撞击的严重程度的措施的碰撞识别。在现今商业上可提供的汽车雷达传感器中的波束通常借助介电透镜来构成。研究工作正致力于一种在成本及占位上有利的完全平面结构，即具有平面天线及连接在该天线前面的用于射束赋形的平面波导结构。由实际中公开了平面波导透镜结构的使用，例如Rotman透镜，它在其多个输出端产生一个相位梯度，该相位梯度与所选择的输入端相关。天线单元被连接在这种透镜结构的这些输出端上及视所选择的输入端而定产生具有射束偏转的波束，该射束偏转由相位梯度得到。Rotman透镜具有良好的聚焦特性及可对于天线端口上的任意相位梯度灵活地设计。在实际中这种透镜结构与具有多个固定的波束的平面天线相结合用平面微带技术来实现。在此，透镜的这些元件作为一个微带电路的平面元件被构造在一个微波衬底、如陶瓷、玻璃或被填充的塑料上。
一个平面Rotman透镜的原理结构被表示在图1中。一个平行板导体1在一侧上通过波束端口(“Beam Ports”)2馈电，这些波束端口通过微带线3及必要时通过用于选择波束的转换开关与一个这里未示出的发射或接收电路相连接。在平行板导体1中进行向天线端口(“Antenna Ports”)4的波传播。在天线端口4上平行板导体1的波被引导到微带线5上，天线单元6通过这些微带线被连接。在天线端口4与天线单元6之间的这些微带线5被构造成平衡线的形式，从平行板导体1的中心向外，它们的长度变化。平行板导体1的轮廓及平衡线5的长度确定了相应的信号路径长度。它们被这样地设计，即对于布置在中心的波束端口在天线单元6上得到为零的相位梯度，而对于最外的波束端口得到最大的预给定相位梯度。
上述透镜结构具有一系列的不完备性，它们使得在雷达传感器中的实际应用变难。因此透镜的损耗、尤其由平衡线引起的损耗相对地高。并且平行板导体及平衡线的面积需求相对地大。此外，在透镜结构或平行板导体的这些侧面上通常出现相对高的过辐射损耗。最后还应注意，在使用Rotman透镜时波束端口距离天线非常远。由此在仰角方向上传感器相对地长，这对于安装在机动车中是不利的。
本发明的优点由本发明提出了开始部分所述类型的一种平面波导结构，它的占位需求相对小及此外可实现损耗相对很小的射束偏转。
根据本发明，该任务这样地实现，即平行板导体具有一个弯曲的反射器轮廓，使得它起到信号反射器的作用。
根据本发明，可以看出，一个确定的射束偏转不仅可通过透镜结构而且可借助反射器结构来实现。尤其可看出，对此合适的反射器结构也可用微波衬底上的平面波导结构来实现，即作为具有弯曲的反射器轮廓的平行板导体来实现。平行板导体构造有多个用于信号馈入或信号获取的波束端口，它们被这样地布置，即信号通过在平行板导体的弯曲的反射器轮廓上的反射从这些波束端口到达所联接的天线单元或从这些天线单元到达这些波束端口。在此，在平行板导体的输出信号之间产生一个相位梯度，该相位梯度与相应的波束端口相关。一个与平行板导体的这些输出端相连接的平面相控阵天线可由此发射具有不同偏转角的多个波束。
与Rotman透镜相反地，这里不需要其上可能出现损耗的平衡线，这也将对根据本发明的波导结构的结构尺寸产生有利的影响。它处于天线宽度的平方的一半的数量级上。因为波束端口在方位角平面中位于天线的旁侧，根据本发明的波导结构的结构形式在仰角方向上不是那样长及因此可良好地适于应用在机动车领域中。
在根据本发明的波导结构的范围中，对于实现弯曲的反射器轮廓原则上具有各种可能性。在一个有利的实施形式中，平行板导体的在信号平面上及接地平面上的这些导电层沿一个弯曲线结束，该弯曲线构成反射器轮廓。但平行板导体的弯曲的反射器轮廓也可用相应设置在信号侧上的与接地侧上的导电层之间的导电的穿通装置来实现，其中这些穿通装置之间的距离及这些穿通装置的直径应小于传导波长(Leitungswellenlaenge)。被证明特别有利的是，反射器轮廓的曲率近似于抛物线的。但在这点上应指出，当该轮廓不同于抛物线轮廓时，根据本发明波导结构的聚焦特性还可得以改善。例如可借助于数字优化来求得一个反射器轮廓，通过该轮廓可使这些焦点上的相位偏差均匀地最小化。
在根据本发明的波导结构的一个特别有利的变型方案中，在导电层中构造有多个微带线，它们通过平面的馈电喇叭(线路—渐变段)连接在平行板导体的这些波束端口上。事实表明，聚焦或过辐射通过馈电喇叭的大小来确定，这有助于损耗的减小。此外，由于反射器结构的形状，仅在很小程度上出现过辐射(Ueberstrahlung)。
在这些波束端口上的信号可通过辐射耦合或线路穿通、即所谓的HF通道、被引导到微波衬底的背面。在使用多层衬底时在这里则可设置HF电子电路，这对于一些确定的应用被证明是有利的。
根据本发明的波导结构的平行板导体在天线侧被连续布置及在那里设有一些缝隙，它们起到一个相控阵天线的天线单元的作用。在此情况下，辐射的损耗相对很小。在根据本发明的波导结构的另一实施形式中，在平行板导体上构造了一些用于这些天线单元耦合的天线端口。有利地，该耦合也可通过多个平面馈电喇叭(线路—渐变段)及多个微带线来实现。
在根据本发明的波导结构的一个有利的进一步构型中，在导电层中在平行板导体的轮廓上构造了多个虚端口。在这些波束端口之间的区域中的虚端口用于各个波束端口彼此的去耦合。在波束端口与反射器轮廓之间的区域中设置虚端口防止了不希望的反射。并且这些虚端口也被以有利方式用多个平面馈电喇叭的形式来实现，这些馈电喇叭分别几乎无反射地被端接或被引导到几乎无反射的被端接的线路上。
根据本发明的具有平行板导体的波导结构-在其上构造有多个波束端口及必要时多个天线端口以及多个虚端口-可以与所有必要的以完全地平面的微带结构形式的连接线一起在一个微波衬底上实现。
如前面详细所述，具有多种对于本发明的构思以有利的方式进行构型及改进的可能性。对此一方面可参考设置在权利要求1之后的权利要求及另一方面可参考以下借助附图对本发明多个实施例的说明。
图1表示一个Rotman透镜的原理结构(现有技术)，图2表示根据本发明的、具有两个不同辐射路(图2a及图2b)的波导结构的俯视图，图3示范地表示例如在三个辐射路上的、在一个平面抛物线反射器上的聚焦，图4表示根据本发明的第一波导结构的透视图，及图5表示根据本发明的第二波导结构的透视图。
具体实施例方式
图2a及2b中所示的波导结构10用于在多个天线单元16的配置的各输入信号之间产生相位梯度。
波导结构10以在成本有利地制造高频电路时所使用的微带技术来实现。在最简单的情况下使用由陶瓷、玻璃或一种被填充的塑料作的单层微波衬底，它在两面上被金属化。通过这里表示出的、及构成波导结构10的信号侧的上面的结构化实现了具有用于信号馈入或信号获取的波束端口12的平行板导体11。金属化的底面构成波导结构10的接地及也可被结构化。根据本发明，平行板导体11具有一个弯曲的反射器轮廓20，以致它起到信号反射器的作用。该反射器轮廓20的曲率近似于抛物线的。
在信号侧上的传导层中构造有多个微带线13，它们通过逐渐展宽的线段17连接在平行板导体11的波束端口12上。这些逐渐展宽的线段17被称为“渐变段”(“Taper”)或称为“馈电喇叭”(“Speisehrner”)，因为从这这些这样延续的微带线的端部到平行板导体的波传播与喇叭天线到空间中的辐射相似。已公开了用于渐变段结构的不同形状，例如为指数曲线形，直线形或石槌形状(Klopfenstein)。
在这里所示的实施例中，平行板导体11还具有多个天线端口14，它们也通过线路—渐变段18及微带线15连接在这些天线单元16上。
最后，在信号侧上，在平行板导体11的轮廓上还构造有一些虚端口(Dummy-Ports)23及24。它们分别以线路—渐变段的形式来实现，这些线路—渐变段几乎无反射地被端接或被引导到几乎无反射的端接线上。线路端接例如可由具有接地引线或短路短线的分立电阻或通过在一个线路上施加吸收材料来实现。这些虚端口23被设置在各个波束端口12之间及一方面用于波束端口12彼此的去耦合，另一方面用于改善由这些馈电喇叭17起始的平面球面波的传播，其方式是阻止波在位于馈电喇叭17旁的金属边缘上的反射或折射。在这些波束端口12的结构与反射器轮廓20之间，即在平行板导体11的未使用的边缘区域中，定位这些虚端口24，以防止不希望的反射。
图2a与2b的不同在于所示出的辐射路。在图2a中表示出一个波前8，该波前垂直地进入到天线端面，即具有0°的偏转角。在图2b中所示的波前9与此不同地以不等于0°的偏转角进入天线端面。与此相应地，所示的两个波前8及9通过带有反射器轮廓20的平行板导体11被聚焦在不同的波束端口12a及12b上。垂直地进入天线端面的波前8被聚焦在布置于中心的波束端口12a上，而以不等于0°的偏转角进入天线端面的波前9被聚焦在外面的波束端口12b上。
为了阐明这里所示的平面反射器结构的功能，在以下的说明中不在发射与接收情况之间作出区分，因为反射器结构在这两种情况下对辐射路起相同的作用。
图3表示图2a及2b中所示的平行板导体11，它具有弯曲的反射器轮廓20及示范地在该平行板导体中给出三个辐射路，正如它在接收三个相对天线端面具有不同偏转角的平面波所出现的辐射路那样。在发射的情况下，这些平面波相应于天线端口14上的输入信号，其中在各个相邻的天线端口14之间形成一个相位梯度。如果这些天线端口被引导到天线单元上，则这些信号构成多个波束，这些波束相对天线法线各具有不同的偏转角。
这些信号在弯曲的反射器轮廓20上被反射及在接收情况下被会聚在三个焦点31，32及33上。除了用于垂直于天线端面的射束的“真的(echt)”焦点32外，还得到两个用于非垂直地入射波的焦点31及33。借助反射器轮廓的数字优化可使其聚焦特性如此地改善，以致在这些焦点上的相位偏差被均匀地最小化。通常焦点31及33足够地小，以致它们可被从一个平面馈电喇叭获取。所产生的相位误差是可允许的。这些馈电喇叭被这样地布置，即它们的相位中心位于最小相位偏差处的附近，这些最小相位偏差处可通过适当地求平均值或通过数字优化来确定。馈电喇叭的定向可这样来选择，即在发射的情况下通过边缘上过辐射损失尽可能小的辐射分量并且使最大辐射大致出现在这些天线端口的中心。对此也可进行数字优化。
在这里所述的波导结构中，这些天线端口仅需照射反射器轮廓的一个相对窄的区域。它们也可被设计得相对大，因为天线端口的射束仅由相应天线端口前面的反射器区域到达所属的波束端口。这些波束端口则可与此相反地被构造得相当小，因为它们应辐射整个反射器轮廓。
在图4及5中示出根据本发明的两个波导结构40及50，它们各在微波衬底上以具有多个微带线的平行板导体来实现，对此已结合图2作出详细描述。
在图4所示的波导结构40中，平行板导体11的弯曲的反射器轮廓是这样地实现的，即在信号平面上及接地平面上的金属化结构在彼此平行延伸的弯曲的线21上结束。对此不仅必需使在微波衬底的信号侧上的金属化部分相应地结构化，而且也必需使接地侧的金属化部分相应地结构化。
在一个这样实现的反射器轮廓上的反射是很强的。对于TEM波的平行板导体的线路阻抗有ZPP＝(μ/ε)1/2·d/w，式中μ为微波衬底的磁导率及ε为其介电常数，d为衬底厚度及w为平行板导体的宽度。对于“软板”衬底(εr＝3，d＝130μm，w＝1..4cm)上的典型结构得到ZPP＝0，7..2，8Ω。由空气包围的非金属化衬底组成的、金属边缘“后面的”结构构成了一个对称的介电波导。它引导无下极限频率的TM0波。与TE波不同地，这些TM波由于它们的场分布可优选地由平行板导体的TEM波激励。由于小的衬底厚度通常不出现更强的TM波。介电波导的TM0波仅被很弱地引导，因为典型地为130μm的衬底厚度比77GHz时的波长3,9mm小得多。因此TM0波相似于空气中的具有自由空间中波阻为Zfrei＝377Ω的一个平面波。由于ZPP与Zfrei的差别大，因此在反射器边缘上的反射很强。
在图5中所示的波导结构50中，平行板导体11的弯曲的反射器轮廓是这样地实现的，即沿一个弯曲的线在平行板导体11的这些金属平面之间构成金属化的穿通装置22，即所谓“通道”(Vias)。当这些穿通装置的直径及距离比波长小时，电磁波实际上被全部反射。
权利要求
1.用于产生多个天线单元(16)的配置的各输入信号之间相位梯度的波导结构(10)，其中该波导结构(10)在一个介电微波衬底上实现，该微波衬底的两面上设有至少一个导电层，其中两个导电层的至少一个被结构化及构成波导结构(10)的信号侧，而另一导电层用作接地，并且其中该波导结构(10)包括至少一个具有用于信号馈入或信号获取的多个波束端口(12)的平行板导体(11)，其特征在于平行板导体(11)具有一个弯曲的反射器轮廓(20)，使得它起到信号反射器的作用。
2.根据权利要求1的波导结构(40)，其特征在于平行板导体(11)的反射器轮廓通过一个弯曲的线(21)来实现，信号侧的导电层及构成接地部分的导电层结束在该弯曲的线上。
3.根据权利要求1的波导结构(50)，其特征在于在信号侧的导电层与构成接地部分的导电层之间沿平行板导体(11)的反射器轮廓(20)设置了导电的穿通装置(22)，其中这些穿通装置(22)之间的距离及这些穿通装置(22)的直径小于传导波长。
4.根据权利要求1至3中一项的波导结构(10)，其特征在于反射器轮廓(20)的曲率近似于抛物线的。
5.根据权利要求1至4中一项的波导结构(10)，其特征在于在信号侧的导电层中构造了多个微带线(13)，它们通过平面的馈电喇叭(17)(线路-渐变段)连接在平行板导体(11)的波束端口(12)上。
6.根据权利要求5的波导结构，其特征在于在这些波束端口上的信号通过辐射耦合或线路穿通被引导到微波衬底的背面，在该背面上设有HF电子电路。
7.根据权利要求1至6中一项的波导结构(10)，其特征在于平行板导体(11)具有多个天线端口(14)；这些天线端口(14)通过多个平面馈电喇叭(18)(线路-渐变段)及微带线(15)连接到这些天线单元(16)上。
8.根据权利要求1至6中一项的波导结构(10)，其特征在于平行板导体在天线侧被连续布置及通过多个缝隙辐射。
9.根据权利要求1至8中一项的波导结构(10)，其特征在于在信号侧上的导电层中在平行板导体(11)的轮廓上构造了多个虚端口(23，24)。
10.根据权利要求9的波导结构(10)，其特征在于一个虚端口(23，24)以一个平面馈电喇叭的形式来实现，所述馈电喇叭几乎无反射地被端接或被引导到一个几乎无反射的被端接的线路上。
11.根据权利要求1至10中一项的波导结构的应用，其特征在于，它应用在汽车雷达系统的领域中。
全文摘要
本发明涉及一种用于产生多个天线单元的配置的各输入信号之间相位梯度的平面波导结构，其位置占用需求相对小及此外可实现损耗相对小的射束偏转。该波导结构(10)在一个介电微波衬底上实现，该衬底的两面上设有至少一个导电层。两个导电层的至少一个被结构化及构成波导结构(10)的信号侧，而另一导电层用作接地。该波导结构(10)包括至少一个具有用于信号馈入或信号获取的波束端口(12)的平行板导体(11)。根据本发明，平行板导体(11)具有一个弯曲的反射器轮廓(20)，使得它起到信号反射器的作 用。
文档编号H01Q1/32GK1943077SQ200580012081
公开日2007年4月4日 申请日期2005年3月4日 优先权日2004年4月7日
发明者约尔格·舍贝尔 申请人:罗伯特·博世有限公司