專利名稱：天線裝置及采用該天線裝置的發(fā)射和接收裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及天線裝置，尤其涉及發(fā)射和接收毫米波段電磁波的雷達或類似設備所用的一種天線裝置，以及采用該天線裝置的發(fā)射和接收裝置。
安裝于機動車輛的毫米波雷達應用于支持安全驅動汽車的系統(tǒng)內。毫米波雷達用以測量與另一輛汽車并排行駛的汽車與其它汽車之間的距離，或汽車周圍障礙物與汽車之間的距離。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，執(zhí)行車速控制和剎車，這樣可以防止碰撞另一輛汽車或障礙物。
通常，采用毫米波雷達的發(fā)射和接收組件結合了毫米波振蕩器、循環(huán)器、方向耦合器、混頻器、天線等等。
圖21所示右側車輛通過FM-CW(調頻-連續(xù)波)方法，由雷達向左側的汽車發(fā)射毫米波，并接收從左側汽車反射的毫米波。通過已知的計算方法可以計算右側與左側汽車之間的距離，以及兩輛汽車之間的相對速度。
通過圖22所示的信號處理部分完成計算。計算結果送到控制部分。例如當右側汽車的駕駛速度等于或高于預定值，以及右側和左側汽車之間的距離等于或低于預定值時，控制部分使警告裝置工作?；蛘?，在給定的條件下，控制部分可以操縱右側汽車的剎車裝置。
由于常用毫米波雷達所用天線的方向性是固定的，故產生了以下所述的各種不便。
如

圖18所示，當各輛汽車行駛在兩條平行的公路上時，從汽車Cm的雷達發(fā)射的毫米波可以到達前方的汽車Ca和Cb。這是因為不能通過調節(jié)改變天線的方向性，從而使毫米波僅僅發(fā)射到汽車Cm正在行駛的公路內的汽車上。
到達各輛汽車的毫米波由汽車Cm反射和接收。由于汽車Cb和Cm行駛在各條公路上，即使汽車Cb和Cm相互得很靠近，汽車Cm也不必執(zhí)行特定的安全控制。
然而，汽車Cm無法識別接收波究竟是從汽車Ca還是Cb反射的。因此，當汽車Cb與Cm之間的車距小于容許距離時，仍由汽車Cm執(zhí)行安全控制。
此外，當天線的方向性為固定時，將產生諸如以下所述的不便。
如圖19所示，駛近彎道人口的汽車Cm發(fā)射一個毫米波B1；然而，該毫米波無法到達駛近彎道出口的汽車Ca。
而且，如圖20所示，在公路有斜坡和傾斜的情況下，在斜坡前行駛的汽車Cm發(fā)射毫米波B1，但無法檢測正行駛在斜坡上的汽車Ca。
因此，為了解決上述問題，可以采用以下方法改變輻射波束的方向。
例如，圖18中，分別發(fā)射輻射波束B1、B2和B3，以對每一方向進行測量。通過比較這些結果，可以個別檢測汽車Ca和Cb。
在圖19所示例子中，根據(jù)舵輪的操作識別汽車Cm前方彎道的出現(xiàn)，毫米波B1切換到毫米波B2。還有一種方法是分析攝像機輸入的圖像檢測彎道。而且，圖20所示例子中，通過分析攝像機輸入的圖像檢測到斜坡，將毫米波B1切換到毫米波B2。
常規(guī)雷達系統(tǒng)中，通過電機或類似部件旋轉內裝天線的發(fā)射和接收裝置的罩殼，改變電磁波發(fā)射波束的輻射方向。由于罩殼包括了除天線以外的其它部件，故很難減小罩殼旋轉機構的尺寸。因此，很難以高速旋轉罩殼，以高速掃描輻射波束。
本發(fā)明的目的在于提供一種天線裝置，以及采用該天線裝置的發(fā)射和接收裝置，它具有小尺寸并能以高速切換天線的方向性。
根據(jù)本發(fā)明第一方面的天線裝置，它包括用以輻射雷達波的主輻射元件，以及用以聚焦雷達波的介質透鏡，其中，主輻射元件可在透鏡的聚焦平面內移動。相對主輻射元件透鏡的位置變化，使主天線裝置發(fā)射的雷達波束的方向性改變。由于主輻射元件相對較輕，故元件驅動裝置的規(guī)模可以較小。此外，由于主輻射元件的慣性較小，故可以以高速移動主輻射元件，使雷達波束的高速掃描成為可能。
根據(jù)本發(fā)明另一方面的天線裝置，介質透鏡中心軸相對主輻射元件輻射平面的方向是可變的。
根據(jù)本發(fā)明另一方面的天線裝置，為了移動主輻射器在介質透鏡聚焦平面內的位置，如權利要求3所述，主輻射器包括用作輸入/輸出部分的第一介質線，耦合到第一介質線的介質諧振器，以及發(fā)射出電磁波或使之沿軸向輻射的開口部分，第二介質透鏡靠近第一介質線設置以形成方向耦合器，在第一和第二介質線耦合部分內改變介質透鏡與主輻射器之間的相對位置關系。由于輸入和輸出至/來自上述主輻射器之信號的可移動部分，是由主輻射器一側上的介質線和另一介質線形成的方向耦合器形成的，故維持該耦合關系時，可以改變主輻射器與介質透鏡之間的相對位置。
在方向耦合器中，如權利要求4所述，如耦合量大致為0分貝，可以盡可能大地抑制方向耦合器的傳輸損耗，并不減小天線的效率。
此外，如權利要求5所述，本發(fā)明的天線裝置中，發(fā)射部分、接收部分和分離發(fā)射信號和接收信號的環(huán)形器均連接到第二介質線，故天線裝置可用于發(fā)射和接收。結果，由第一介質線和耦合到第一介質線的介質諧振器，以及耦合到第一介質線的第二介質線所組成的主輻射器可以用于發(fā)射和接收，由此防止因利用方向耦合器形成可移動部分而導致大尺寸。
再者，如權利要求6所述，本發(fā)明在如權利要求1至5任一所述的天線裝置內設置一個驅動部分，用以改變介質透鏡與主輻射器之間的相對位置關系，由此形成發(fā)射和接收裝置。結果，可以獲得能夠定向掃描天線的小型發(fā)射和接收裝置。
從以下結合附圖所作的描述中，本發(fā)明的上述和進一步的目的、各個方面以及新穎的特征將變得更加明白。
圖1A、1B、1C、1D、1E和1F表示根據(jù)本發(fā)明第一個實施例的天線裝置的介質透鏡與主輻射器之間的關系，以及與輻射波束傾斜角的關系；圖2A、2B和2C表示根據(jù)本發(fā)明第一個實施例的天線裝置的介質透鏡與主輻射器之間的另一關系，以及與輻射波束傾斜角的關系；圖3A和3B表示輻射波束傾斜角相對主輻射器與介質透鏡偏移量的測量結果；圖4A和4B表示當介質透鏡角度相對主輻射器改變時，對輻射波束傾斜角的測量結果；圖5是表示根據(jù)本發(fā)明第一個實施例的一例發(fā)射和接收裝置結構的截面圖；圖6是表示根據(jù)本發(fā)明第一個實施例的另一例發(fā)射和接收裝置結構的截面圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明第一個實施例的發(fā)射和接收裝置的平面圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明第二個實施例的發(fā)射和接收裝置的示意圖；圖9A、9B、9C和9D表示用于發(fā)射和接收裝置的介質線的結構；
圖10A和10B是分別表示直立主輻射器結構的平面圖和截面圖；圖11表示直立主輻射器與介質線裝置之間的關系；圖12是方向耦合器的局部透視圖；圖13A和13B表示方向耦合器的結構以及與其特性的關系；圖14是根據(jù)本發(fā)明第二個實施例的整體示意圖，包括發(fā)射和接收裝置的發(fā)射和接收部分；圖15是表示根據(jù)本發(fā)明第三個實施例的發(fā)射和接收裝置結構的平面圖；圖16A、16B和16C表示3例根據(jù)本發(fā)明第四個實施例的天線裝置的可移動部分內的方向耦合器；圖17表示根據(jù)本發(fā)明第五個實施例的天線裝置可移動部分內的方向耦合器；圖18表示車載雷達的輻射波束沿水平方向傾斜的情況；圖19表示車載雷達的輻射波束沿水平方向傾斜的情況；圖20表示車載雷達的輻射波束沿垂直方向傾斜的情況；圖21表示采用車載雷達的情形；圖22是表示車載雷達結構的方框圖。
以下將參照圖1A至圖7描述根據(jù)本發(fā)明第一個實施例的天線裝置以及發(fā)射和接收裝置的結構。
圖1A至1F表示介質透鏡與主輻射器之間的位置關系，以及與輻射波束方向性的關系。圖1A至1F中，參照號1表示主輻射器，介質透鏡2設置成將其輻射方向作為中心軸。圖1A、1B和1C表示介質透鏡2固定而主輻射器1可移動的例子。如圖1A所示，當介質透鏡2的中心軸與主輻射器1的輻射方向重合時，輻射波束B指向介質透鏡2的前方。然而，如圖1B和1C所示，當主輻射器1在介質透鏡2的焦平面內位移時，輻射波束B指向與其位移方向相反的方向。圖1D、1E和1F表示主輻射器1固定而介質透鏡2可移動的例子。當介質透鏡2的中心軸與主輻射器1的輻射方向重合時，輻射波束B指向介質透鏡2的前方。然而，如圖1E和1F所示，當介質透鏡2在與其中心軸垂直的方向位移時，輻射波束B指向位移方向。
圖2A、2B和2C表示改變介質透鏡與主輻射器之間的角度，以改變輻射波束方向的情況。如圖2A所示，當主輻射器1的輻射方向指向介質透鏡2的中心軸方向時，輻射波束B指向介質透鏡2的前方。然而，如圖2B和2C所示，通過相對主輻射器1改變介質透鏡的軸向，輻射波束B也指向該方向。
圖3A和3B表示當相對介質透鏡2改變主輻射器1的焦平面內的位移(偏移)量時，對輻射波束的方向角(傾斜角)的測量結果。其中，介質透鏡2采用相對介電常數(shù)為r＝2.3的PE(聚乙烯)，其開孔N設置為75毫米，其焦距d設置為22.5毫米，主輻射器1采用喇叭天線。通過如上所述在0至5毫米范圍內改變主輻射器1的偏移量，輻射波束的傾斜角可以在0至7E范圍內改變。
圖4A和4B表示當相對主輻射器改變介質透鏡2的軸向時，對輻射波束的方向角(傾斜角)的測量結果。其中，介質透鏡2采用相對介電常數(shù)為r＝2.3的PE(聚乙烯)，其開孔N設置為75毫米，其焦距d設置為21.0毫米，主輻射器1采用由介質諧振器(由非輻射介質線(NRD波導)激發(fā))形成的直立主輻射器。通過如上所述在0至5E范圍內改變介質透鏡2的角度，輻射波束的傾斜角可以在0至9E范圍內改變。
圖5是表示發(fā)射和接收裝置結構的截面圖。圖5中，參照號3表示罩殼，它收容了發(fā)射和接收部分，包括主輻射器1以及安裝到開口部分(圖5中的上部)的介質透鏡2。罩殼3內，通過驅動部分4安裝主輻射器1，驅動部分4使主輻射器1在與輻射方向垂直的平面方向上位移。驅動部分4例如由線性電動機或螺線管形成。采用如圖1A至1C所示的結構，改變介質透鏡2與主輻射器1之間的相對位置關系，以傾斜輻射波束。
圖6是表示另一例發(fā)射和接收裝置結構的截面圖。圖6中，罩殼3內有整個發(fā)射和接收部分，包括固定的主輻射器1，介質透鏡2通過驅動部分4安裝到罩殼3的開口部分。驅動部分4由線性電動機、螺線管和類似部件形成，它使介質透鏡2在與其中心軸正交的平面方向上位移。結果，如圖1D至1F所示，介質透鏡相對主輻射器位移以傾斜輻射波束。
而在如圖2所示改變介質透鏡相對主輻射器之角度的情況下，基本上可以采用圖6所示的結構。即，圖6中，兩個左、右驅動部分4的每一個可以位移以改變介質透鏡的軸向。此外，當改變主輻射器相對介質透鏡的角度時，基本上可以采用圖5所示的結構。即，圖5中，兩個左、右驅動部分4的每一個可以位移以改變主輻射器的軸向。上述例子中，為便于說明，主輻射器或介質透鏡是沿紙面平面內的方向位移的，如圖18至20所示，在檢測前方車輛的毫米波雷達中，當輻射波束不僅沿從右至左方向傾斜，而且沿上下方向傾斜時，主輻射器或介質透鏡也可以在二維方向上位移。圖7是從介質透鏡軸向觀察的發(fā)射和接收裝置的平面圖。在此情況下，通過相對介質透鏡沿x軸和y軸相對位移主輻射器1，使輻射波束沿x軸和y軸方向傾斜。
接下來，將參照圖8至圖14描述根據(jù)本發(fā)明第二個實施例的天線裝置以及發(fā)射和接收裝置的結構。
圖8是表示整個發(fā)射和接收裝置結構的示意圖。第二個實施例中，通過沿圖面從右至左方向位移罩殼3內的主輻射器1，輻射波束沿圖面中從右至左的方向傾斜。
圖9A、9B、9C和9D是表示根據(jù)本發(fā)明第二個實施例的發(fā)射和接收裝置所用介質線結構的局部透視圖。圖9A至9D中，參照號101和102的每一個表示導電板。圖9B和9D所示例子中，介質線由夾在這兩塊導電板之間的介質條100形成。圖9A和9C所示例子中，基板103連同介質條100a和100b置于導電板101與102之間，同時形成其表面與介質條輻射方向平行的基板。圖9A、9B與圖9C、9D之間的區(qū)別在于有無為導電板101和102制作凹槽。當如圖9A和9B所示形成凹槽時，設置導電板在由介質條所形成的傳播區(qū)域與無介質條的非傳播區(qū)域之間的空間以及介質條的介電常數(shù)，將LSM01模式的截止頻率設置成低于LSE01模式的截止頻率，使發(fā)射始終可以以單一的LSM01模式進行，與介質條彎曲部分的曲率半徑或類似參數(shù)無關。結果，總體上可以實現(xiàn)更小的尺寸，并達到更低的損耗?？梢园葱璨捎脠D9A、9B、9C和9D所示的每種結構的介質線。
圖10A和10B表示直立主輻射器的結構。圖10A是從輻射方向看去的平面圖，圖10B是其基本部分的截面圖。介質條12和圓柱形介質諧振器11設置在導電板41與42之間，導電板41上形成與介質諧振器11共軸的通孔43。介質諧振器11與通孔43之間插入在導電板上形成狹縫的狹縫板44。結果，在LSM模式中產生了電場和磁場，電磁波在介質條12內傳播。電場分量與介質條12長度方向成直角(圖中的x軸向)且平行于導電板41和42(圖中的y軸向)，磁場分量與導電板41和42垂直(圖中的z軸向)。介質條12和介質諧振器11相互電磁耦合，HE111模式的電場分量具有與介質諧振器11內產生的介質條12的電場相同的方向。這樣，一個線性極化的電磁波經(jīng)由通孔43沿與導電板41垂直的方向(Z軸向)輻射。相反，當電磁波從通孔43進入時，介質諧振器11按HE111模式激勵，電磁波傳播到介質條12，它按LSM模式耦合到介質諧振器11。
圖11表示直立主輻射器與介質線裝置之間的關系，后者包括耦合到主輻射器的介質線。圖11的上半部是主輻射器40與介質線裝置50耦合部分的平面圖。然而，圖11所示是拿掉了上導電板的情況。圖11的下半部是說明主輻射器40與介質透鏡2之間關系的截面圖。如圖中的上半部所示，介質條13位于介質線裝置50內，主輻射器40靠近介質條13，圖中虛線所圈部分內的介質線形成一個方向耦合器。該采用介質條12和13的方向耦合器使電磁波從端口#1傳播到#4時幾乎為0分貝，即，形成一個0分貝方向耦合器。此時，即使直立主輻射器40沿圖中從右至左方向移動，方向耦合器的耦合關系也不會改變，從端口#1傳播的電磁波始終以大致0分貝輸出到端口#4。反之，由于介質諧振器的激勵，從端口#4進入的電磁波以大致0分貝傳播到端口#1。在圖中所示情況下，由o和o’表示的介質條12部分對應于a和b部分。當直立主輻射器40最多移動到圖中的右側時，點n和n’與a和b部分重合。反之，當直立主輻射器40最多移動到圖中的左側時，點p和p’與a和b部分重合。即使直立主輻射器40按此種方式移動，由于介質條12耦合到介質條13的這部分是一個直線部分，故它們始終維持一個固定的耦合量。
圖12是直立主輻射器與介質線裝置之間形成的一個方向耦合器的部分透視圖。圖12中，參照號51和52分別表示導電板。由于這兩個導電板51和52靠近直立主輻射器一側上的導電板41和42，故保持了中間夾有介質條的上、下導電板平面的連續(xù)性。結果，該方向耦合器的工作方法幾乎與兩個介質條并排置于兩個導電板之間的一種方向耦合器相同。
圖13A和13B分別表示方向耦合器及其功率分配比關系。如果介質條12和13形成的耦合線的偶次振蕩模的相位常數(shù)表示為βe，奇次模的相位常數(shù)表示為βo，且Δβ＝|βe-βo|，則輸出至端口#2的電磁波與從端口#1輸入的電磁波的功率比表示為P2/P1＝1-sin2(Δβz/2)，輸出至端口#4的電磁波與從端口#1輸入的電磁波的功率比表示為P4/P1＝sin2(Δβz/2)。因此，若滿足(Δβz/2)＝nπ+π/2[n0，1，2…]這一關系式，來自端口#1的全部輸入都輸出至端口#4，由此形成0分貝方向耦合器。
圖14表示介質線裝置的結構，它包括發(fā)射和接收部分以及整個直立主輻射器，其中省去了上導電板。圖14中，參照號53表示環(huán)形器，其中，從端口#1輸入的信號輸出至端口#2，從端口#2輸入的信號輸出至端口#3。由介質條14形成的介質線連接到端口#1，由介質條15形成的介質線連接到端口#3。振蕩器55和混頻器54連接到由介質條14和15形成的各條介質線。此外，耦合到每條介質線形成每個方向耦合器的介質條16置于介質條14與15之間。端子21和22置于該介質條16的兩個端部。變容二極管和耿氏(Gun)二極管置于混頻器54和振蕩器55內，具有如圖9A或9C所示基板的介質線插入其間，提供一個向變容二極管和耿氏二極管提供偏置電壓的電路。
采用此種結構，振蕩器55的振蕩信號沿著介質條14、環(huán)形器53、介質條13、介質條12和介質諧振器11的路徑傳播，電磁波沿介質諧振器11的軸向輻射。反之，進入介質諧振器11的電磁波沿著介質條12、介質條13、環(huán)形器53和混頻器54的路徑輸入混頻器54。一部分振蕩信號作為本機信號，連同收到的信號經(jīng)由由介質條15、16和14形成的兩個方向耦合器提供給混頻器54。結果，混頻器54產生發(fā)射信號與接收信號之差的頻率分量，作為一個中頻信號。
接下來將參照圖15描述根據(jù)本發(fā)明第三個實施例的天線裝置以及發(fā)射和接收裝置的結構。該第三個實施例中，直立主輻射器可以沿二維方向移動。如圖15平面圖所示，由介質條13形成的介質線置于介質線裝置60內，由介質條17形成的介質線、環(huán)形器53以及類似的部件在介質線裝置50內形成。置于主輻射器40內的介質條12和介質線裝置60一側上的介質條13形成一個0分貝方向耦合器，介質條13和17形成另一個0分貝方向耦合器。主輻射器40按這樣一種方式設置，使之可相對介質線裝置60沿圖中從右至左的方向移動，介質線裝置60按這樣一種方式設置，使之可相對介質線裝置50沿圖中垂直的方向移動。此時，介質線裝置50為固定。這使其在耦合器幾乎無任何損耗的情況下，可以沿著二維方向移動介質諧振器11的位置。
圖16A、16B和16C是根據(jù)本發(fā)明第四個實施例的天線裝置中可移動部分中的另一例方向耦合器，其中省去了上、下導電板。圖16A所示例子中，位于耦合至介質諧振器11一側的介質條12形成一直線。圖16B所示例子中，位于耦合至介質諧振器12一側的介質條13形成一直線。圖16C所示例子中，介質條12的一端(其另一端耦合至介質諧振器11)與介質條13保持一個固定距離，并與其平行配對直至其端部。
圖17表示根據(jù)本發(fā)明第五個實施例的天線裝置的可移動部分中一例方向耦合器的結構。盡管上述例子中，將一個0分貝方向耦合器作為可移動部分中的方向耦合器，如圖17所示，端子23和24可以分別設置在介質條12和13的一端，而無需使介質條12和13的一個端部形成為開口端部。
盡管上述實施例描述了采用介質諧振器和介質線的直立主輻射器，或作為主輻射器例子的喇叭天線，但除了以上所述之外，也可以采用微帶天線諸如轉接天線。
在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，還可以構成本發(fā)明的許多不同的實施例。顯然，本發(fā)明并不局限于本說明書所述的特定的實施例。相反，本發(fā)明意欲覆蓋所附權利要求書范圍內所包括的各種變換和同等替換。對所附權利要求書的范圍提供最寬的解釋以包括所有這些變換、同等結構和功能。
權利要求
1.一種天線裝置，包括介質透鏡和主輻射器，其特征在于所述介質透鏡和主輻射器設置成可以改變主輻射器在介質透鏡焦平面內的位置。
2.一種天線裝置，包括介質透鏡和主輻射器，其特征在于所述介質透鏡設置成可以改變介質透鏡相對主輻射器的中心軸的角度。
3.如權利要求1所述的天線裝置，其特征在于，所述主輻射器包括用作輸入/輸出部分的第一介質線，耦合到第一介質線的介質諧振器，以及使電磁波沿軸向輻射或進入的開口部分，第二介質透鏡靠近第一介質線設置以形成方向耦合器，在第一和第二介質線耦合部分內改變介質透鏡與主輻射器之間的相對位置關系。
4.如權利要求3所述的天線裝置，其特征在于所述方向耦合器的耦合量約為0分貝。
5.如權利要求3所述的天線裝置，其特征在于，發(fā)射部分、接收部分和分離發(fā)射信號和接收信號的環(huán)形器均連接到第二介質線，故天線裝置可用于發(fā)射和接收。
6.如權利要求4所述的天線裝置，其特征在于，發(fā)射部分、接收部分和分離發(fā)射信號和接收信號的環(huán)形器均連接到第二介質線，故天線裝置可用于發(fā)射和接收。
7.一種發(fā)射和接收裝置，其特征在于，在根據(jù)權利要求1的天線裝置內設置一個驅動部分，用以改變介質透鏡與主輻射器之間的相對位置關系。
全文摘要
一種天線裝置,其中,一介質條和一介質諧振器形成一個直立主輻射器,另一介質條耦合至所述介質條形成一個方向耦合器,通過在方向耦合器內位移直立主輻射器,改變主輻射器相對介質透鏡的相對位置,以傾斜輻射波束。
文檔編號G01S7/03GK1188995SQ9810394
公開日1998年7月29日 申請日期1998年1月7日 優(yōu)先權日1997年1月7日
發(fā)明者石川容平, 谷崎透, 中村文宣, 高桑郁夫 申請人:株式會社村田制作所