用于雷达感测的可调介电超材料透镜装置的制作方法

本发明涉及一种用于雷达感测的可调介电超材料装置，特别是用于机动车应用中的可调介电超材料装置，以及包括这种可调介电超材料装置的雷达装置。

背景技术：

本领域中已知在外部机动车应用(例如驾驶员辅助系统)中采用雷达技术，以通过适当警告(例如易损的道路使用者检测系统，车道变更辅助系统或盲点监控系统)促进车辆驾驶员的优化反应，或者甚至通过自动接管车辆的控制(例如在防撞系统中)，从而提供改进的安全性。最常见的外部机动车额定设备以大约24ghz或大约77ghz的状态的雷达载波频率运行。

例如，在机动车领域中，短程和远程雷达系统通常是分开的。短程雷达系统(例如盲点监视系统或停车辅助)需要覆盖宽立体角但其最大检测范围很短的天线波束。相比之下，远程雷达自适应巡航控制(acc)或碰撞前预警系统被设计用于在高达200m的范围内进行检测，仅观察到非常有限的立体角(图1)。通过能够在操作期间调整波束宽度的天线，短程和远程雷达可以有利地组合到一个系统中。

在图1中示出了典型情况。设计为乘用车的车辆2使用雷达系统，该雷达系统安装在车辆2的前部区域4处，并且沿车辆2的正常行驶方向朝包括具有多个车道的道路8在内的场景发射雷达波。雷达系统配置为在检测模式下用短程雷达视场12、中程雷达视场14或远程雷达视场16检测即将到来的障碍物或其它车辆6和/或平行交通。

能够修改波束图案或波束方向的可重构天线系统在雷达感测以及电信中正受到相当大的关注。许多应用将从具有可以在操作期间适应应用的需求的波束特性的收发器系统受益。

已经提出从雷达状态到电磁波的光学状态使用可重构且可调的超材料，例如用于修改雷达系统的波束图案或波束方向。jeremiahp.turpin等人在internationaljournalofantennasandpropagation(《天线与传播国际杂志》)，2014年卷，id429837条的“reconfigurableandtunablemetamaterials:areviewofthetheoryandapplications(可重构且可调的超材料：理论和应用的评论)”一文中给出了应用评论。这篇文献全文以引用方式并入，对允许通过引用方式并入的司法管辖区有效。

在该文中，超材料被描述为通常排列为规则晶格的远亚波长(＜λ/10)共振结构的集合。它们的特征是对于块状3d结构具有有效材料参数，或对于平面2d结构具有有效表面阻抗。实际上，术语“超材料”适用于任何亚波长共振器，无论是处于集合中还是作为单个结构。

专利us7,218,285b2描述了用于辐射雷达信号、通信信号或其它类似信号的系统和方法。在一个实施例中，一种系统包括产生控制信号的控制器和耦合到该控制器的天线。该天线包括：基于所产生的控制信号来产生至少一个波的第一部件；以及位于距第一部件一定的预定焦距处的超材料透镜。超材料透镜引导所产生的至少一个波。术语“超材料”被定义为负折射率材料。以此方式，可以形成具有相对小的焦距的天线，从而允许以比常规扫描透镜天线小的总包装来制造该天线，而不需要额外的复杂性或展现通常量的球差。

此外，专利us7,525,711b1描述了一种主动可调电磁超材料。该可调电磁超材料包括基板和在基板上形成的裂环共振器的阵列。所述裂环共振器中的至少一个是电容调谐裂环共振器。电容调谐裂环共振器包括具有间隙的结构，并且由导电材料形成。电容调谐裂环共振器还包括紧靠该结构形成的光电容材料(photo-capacitivematerial)的区域，使得当通过控制具有选定范围内的波长的电磁辐射照射时所述超材料的电容发生改变。

专利us7,864,394b1描述了一种动态可变的超材料透镜以及一种动态地改变超材料透镜的方法。该动态可变透镜包括以二维或三维布置的共振频率可调超材料单元的阵列。每个超材料单元包括衬底和在衬底上形成的电容调谐裂环共振器，其中所述电容调谐裂环共振器包括：具有间隙并且由导电材料形成的结构；以及紧靠该结构形成的光电容材料的区域，使得通过控制光电容材料的照射在该带隙下并且低于该带隙能量，光电容材料的电容改变并且超材料单元的共振频率由此被调谐。

此外，专利申请公开文献us2010/0033389a1描述了使用超材料透镜的机动车雷达。机动车雷达包括电磁源(例如天线)，超材料透镜和反射器。天线位于超材料透镜附近，例如被超材料透镜支撑，并且天线可操作以当天线通电时产生辐射。反射器被定位成通过超材料透镜反射辐射。反射器可以具有通常为凹形的反射表面，例如具有抛物线形或球形的截面。该反射器可以是大致盘形的，并且可以具有圆形或椭圆形孔。超材料透镜可以具有类似于反射器的孔的区域。在一些示例中，天线位于反射器的焦点附近，从而在从反射器反射之后获得大致平行的波束。

超材料具有可以使用控制信号动态调节的电磁特性。控制信号可以是电控制信号，例如ac电压或dc电压，例如使用可变电场来调整超材料单位单元内的可调元件的介电常数。可调元件可以是变容二极管或提供电可调电容的其它元件。可调元件可以包括可调材料，例如铁电或相变材料。可调材料可以具有电压可调的介电常数，从而可以使用电控制信号来调节可调材料的介电常数，从而调节电磁参数(例如共振频率)。示例包括铁电材料(例如钛酸钡锶)和相变材料(例如硫系相变材料)。可调材料的其它示例是液晶材料或铁磁材料。

特别地，已经提出了使用惠更斯的超表面(huygens’metasurface)的概念以提供动态的可重构天线。惠更斯的超表面是亚波长尺寸的平衡的电和磁极化粒子(超元子)的平面阵列。

在carlpfeiffer和anthonygrbic在physicalreviewletters(《物理评论快报》)110，197401(2013)中的文章“metamaterialhuygens’surfaces:tailoringwavefrontswithreflectionlesssheets(超材料惠更斯的表面：利用无反射片材定制波前)”中(该文章将其全部内容通过引用并入本文，在允许通过引用并入的司法管辖区中有效)，惠更斯的超表面被描述为设计器表面，其可以对整个电薄层的电磁波前提供极端控制。平衡的电和磁极化颗粒可以周期性地以及非周期性地布置。

被称为超材料惠更斯的表面的无反射表面(reflectionlesssurface)提供了新的波束整形、操纵和聚焦能力。超材料惠更斯的表面由极化粒子的二维阵列实现，其提供电和磁极化电流以产生规定的波前。一种简单的设计方法在该文中被演示并被应用于开发波束折射表面和高斯-贝塞尔波束变换器。据说，超材料惠更斯的表面能够在包括单面透镜、极化控制设备、隐身技术和完美的吸收体的整个电磁波谱中找到广泛的应用。

惠更斯的超表面可以包括维持电和磁偶极子共振的共振器(惠更斯超原子)的周期性模式。在大多数情况下，单个共振器的响应由其几何形状控制。如果选择电和磁偶极子共振的强度相同，则反向的散射场会因干扰而相互抵消。因此，来自超表面的反射将被最小化，并且可以有效地进行透射操作。第二个优点是这些共振器的相位响应可以在2π的范围内变化，这对于功能性超表面设计是必须的。

从理论上讲，惠更斯的超表面能够通过引入不连续的相位偏移、幅度偏移或极化偏移来将波前形成为几乎任意形状。实际上，正如nanfangyu和federicocapasso在2014年的naturematerials(《自然·材料》)的第13卷，第139-150页的文章“flatopticswithdesignermetasurfaces(具有设计器超表面的平面光学器件)”中所报道的那样，已经通过实验证明了如异常波束折射的现象和透镜化，该文章由此以其整体通过引用并入本文中，对于允许通过引用并入的司法管辖区有效。

已证明在红外和光学频率范围内有效工作的用于惠更斯超原子的几何形状是简单的介电圆柱体，通常也称为纳米圆盘，其在staude等人在acsnano(《美国化学会纳米》)，第7卷，第9期，第7824-7832页，2013年的文章“tailoringdirectionalscatteringthroughmagneticandelectricresonancesinsubwavelengthsiliconnanodisks(在亚波长硅纳米盘中通过磁和电共振订制定向散射)”中进行了描述。kivshar组在decker，m.等人(2015)在advancedopticalmaterials(《高级光学材料》)，3：813-820的文章“high-efficienydielectrichuygens‘surfaces(高性能介电惠更斯的表面)”中已经研究并报道了硅圆柱体的超表面的基本模式和散射特性。

技术实现要素：

本发明的目的

因此，本发明的目的是提供一种用于雷达感测的装置，特别是用于机动车应用中的装置，其在装置的操作期间以灵活的方式提供可调的波束成形和/或波束转向。

本发明的总体描述

在本发明的一个方面，该目的通过一种用于雷达感测的，特别是用于机动车应用的可调介电超材料装置来实现。所述超材料装置包括至少一个超材料层、多个导电电极和多个导电控制线。

至少一个超材料层包括平行布置的多个介电共振器。每个介电共振器包括可调材料，其中可调材料的至少一个电磁特性随施加到其上的外部可控电场而变化。超材料层的介电共振器形成亚波长尺寸的超原子，并维持电和磁偶极子共振。因此，在本发明的意义上，超材料层意味着是如前所述的惠更斯的超表面。

多个导电电极中的两个不同的导电电极每一个在垂直于超材料层的方向上以间隔的方式在至少两个不同的层中布置在多个介电共振器中的任何介电共振器处，以沿该方向至少部分地覆盖介电共振器。

多个导电控制线被配置用于控制要施加到可调材料上的电场，其中每个导电线电连接到多个导电电极中的一个导电电极，以控制外部可控电场。

对于多个介电共振器中的至少两个介电共振器，布置在同一层中以覆盖至少两个介电共振器的导电电极彼此不同。

本发明的优点在于，能够对至少两个介电共振器施加不同强度的电场，以对各种介电共振器进行不同的调谐。在一个合适的实施例中，这可以用于调谐雷达波束形状或用于转向雷达波束。所公开的可调介电超材料装置可以用于实现能够在装置的操作期间改变波束图案或波束方向的可重构天线系统。能够在装置的操作期间实现超材料层的传输特性的动态和局部改变。

如在本申请中使用的短语“被配置为”应特别理解为被具体地布置、装设或配置。

如在本申请中使用的术语“机动车”应被特别地理解为包括用于车辆的应用，例如，但不限于，乘用车、卡车和公共汽车。

优选地，超材料层具有平面形状。平面设计可允许简单的制造。

如果将多个导电电极布置在正好两个不同的层中，使得布置在两个层之一中的导电电极是共面的，则也可以简化制造过程。

在可调介电超材料装置的优选实施例中，多个导电电极中的至少一个导电电极覆盖多个介电共振器中的子数量的介电共振器，其中，子数量的介电共振器中的介电共振器在平行于超材料层的方向上并置。覆盖子数量的介电共振器的至少一个导电电极与布置在同一层中的多个导电电极中的其余导电电极不同。

以这种方式，在一个合适的实施例中，超材料装置的焦距在由子数量的介电共振器对准的方向和垂直于超材料层的方向所限定的平面中可被保持恒定，而超材料装置的焦距在由垂直于子数量的介电共振器的对准方向的方向和垂直于超材料层的方向所限定的平面中是可调节的。

此外，外部可控的施加电场在多个介电共振器中的子数量的介电共振器的可调材料中可被均匀化。

在可调介电超材料装置的优选实施例中，在至少两个不同层中的一层中，多个介电共振器中的每个介电共振器被多个导电电极中的不同导电电极覆盖。

以这种方式，多个介电共振器中的每个介电共振器可根据要施加到其可调材料的电场来分别地寻址。这可在调谐雷达波束形状或操纵雷达装置的雷达波束方面实现完全自由。

优选地，多个介电共振器中的介电共振器在平行于超材料层的至少一个方向上等距地间隔。有利地，可调介电超材料装置的设计工作可以不太复杂，并且超材料层的制造可以更简单。此外，具有等距间隔的介电共振器的介电超材料装置特别适合于某些应用。

如果多个介电共振器中的介电共振器布置成形成阵列，其中，介电共振器在平行于超材料层设置的至少两个正交方向上等距间隔，则这些效果甚至更加明显。例如，可以由多个介电共振器中的介电共振器形成六边形阵列。

优选地，多个介电共振器中的介电共振器被布置为形成尺寸为10×10至50×50的介电共振器的阵列。以此方式，可以提供具有接近最佳性能的可调介电超材料装置。通常，在本发明的范围内也可以考虑在阵列方向上具有不相等数量的介电共振器的阵列。

在可调介电超材料装置的优选实施例中，多个导电控制线中的导电控制线在平行于超材料层对齐的截面中由多个介电共振器中的介电共振器的横截面积虚拟限制并在垂直于超材料层的方向上延伸的的任何空间区域或空间体积之外延伸。

优选地，多个介电共振器中的介电共振器在平行于超材料层对齐的截面中具有椭圆形状的横截面。特别地，还应包括作为椭圆形状的特例的圆形形状。

因此，根据本发明的介电共振器的可能的几何形状包括，但不限于，具有圆形或椭圆形横截面的柱体，其中柱体的轴线定向成垂直于超材料层，以及也包括球体和椭球体。

在可调介电超材料装置的优选实施例中，介电共振器的可调材料包括铁电材料。如本领域中已知的，铁电材料表现出可以通过施加电场而逆转的自发电极化。在铁电材料的情况下，随所施加到其上的外部可控电场而变化的可调材料的电磁特性是可调材料的介电常数。以此方式，可以提供用于制造介电共振器的足够可调且经济的材料。

优选地，多个导电电极中的每个导电电极具有的薄层电阻在0.5mω/sq和50mω/sq之间的范围内。这样，导电电极对于载波频率为76ghz至81ghz的雷达波几乎是透明的，这最适合机动车应用。所公开的薄层电阻范围可提供接近可调介电超材料装置的最佳性能，因为更低的薄层电阻可导致不充分地缓慢调节过程，而更大的薄层电阻可导致超材料层的透明度损失。

在本发明的另一方面，提供了一种雷达装置。雷达装置对机动车应用特别有用。该雷达装置包括至少一个雷达芯片，该至少一个雷达芯片包括被配置用于发送雷达波的至少一个天线构件和被配置用于接收雷达波的至少一个天线构件。如本领域技术人员将容易认识到的，用于发送雷达波的至少一个天线构件与用于接收雷达波的至少一个天线构件可以相同。雷达装置还包括如本文所公开的可调介电超材料装置的实施例。

至少一个天线构件被配置为通过超材料层发送雷达波，并且至少一个接收天线构件被配置为通过超材料层接收雷达波。天线构件与超材料层之间的距离等于在预定限制内的可调介电超材料装置的最小焦距。这样，雷达芯片的出射雷达波束可以准直并且可以具有最小波束宽度。以此方式可以有利地提供一种能够在操作期间改变雷达波束图案或雷达波束方向的可重构天线系统。

雷达装置的孔尺寸取决于天线构件的波束宽度以及天线构件与超材料层之间的距离d。在大多数机动车应用中，距离d将被雷达装置的集成尺寸限制到大约2cm。但是，较大的孔的优点是可以使用大量的共振器，并且波束成形的分辨率提高。

优选地，雷达装置还包括封闭壳体，该封闭壳体围绕并支撑至少一个雷达芯片和可调介电超材料装置。封闭壳体的面向至少一个天线构件的一部分包括至少一个天线罩层。除了可调电超材料装置在上下文中描述的优点外，还可以提供一种雷达装置，如果合适地选择用于至少一个天线罩层的材料，那么该雷达装置有力地抵抗机械冲击以及污物和/或水的潜在侵入，并且能实际没有损失地传输雷达波。选择材料的标准可以是足够的机械稳定性、低于预定阈值的介电损耗、在至少一个天线罩层的材料中不存在气泡以及可达到的表面光滑度。

如果至少一个天线罩层具有柱体或球体形状的至少一个弯曲表面或者形成为非球面透镜的表面，则特别是对于具有大的最大方向性的雷达装置而言，传输的雷达波束可以通过至少一个天线罩层的聚焦效应来进一步优化。作为简单设计的示例，至少一个天线罩层可以具有平凸形状。

在雷达装置的优选实施例中，超材料层和至少一个天线罩层布置成形成夹心结构。以此方式，可以实现雷达装置的小的集成尺寸。

通过参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得显而易见并得到阐明。

应当指出，在前述描述中单独详细描述的特征和措施可以以任何技术上有意义的方式彼此结合，并且示出了本发明的其它实施例。具体实施方式特别结合附图表征和说明了本发明。

附图说明

通过下面参照附图的非限制性实施例的详细描述，本发明的更多细节和优点将变得显而易见，其中：

图1示出了包括若干车辆的机动车交通景观的示意性俯视图，其中一个车辆配备有根据本发明的机动车雷达装置，

图2示出了根据图1的雷达装置的示意性侧视图，

图3示出了包括根据图2的雷达装置的可调介电超材料装置的超材料层的单个介电共振器的单位单元的示意性侧视图和局部截面透视图，

图4是示出相位响应φ对根据图3的可调介电超材料装置的超材料层的控制参数c的典型依赖性的曲线图，

图5示出了根据图3的单个介电共振器的等效电路模型，

图6a和6b是根据图7的可调介电超材料装置的波束形成效果的图示，

图7是根据图2的雷达装置的可调介电超材料装置的示意性布局俯视图，

图8是根据图7的可调介电超材料装置的超材料层的相位响应的曲线图，

图9a至图9d示出了根据本发明的可调介电超材料装置的一个替代实施例的示意性布局，

图10示出了根据本发明的可调介电超材料装置的另一替代实施例的示意性布局，并且

图11是布置成形成夹心结构的一部分的根据图10的可调介电超材料装置和替代的两层天线罩的示意性透视图。

具体实施方式

图2示出了根据本发明的雷达装置10的示意性侧视图。雷达装置10特别构造成用于机动车应用，并且形成雷达系统的一部分，该雷达系统安装在根据图1设计为乘用车的车辆2的前部区域4中。

雷达装置10包括雷达芯片18、可调介电超材料装置40、封闭壳体28和控制电子设备30。封闭壳体28围绕并支撑雷达芯片10和可调介电超材料装置40。雷达芯片10或控制电子设备30的细节架构对该应用而言不重要，因此在此不再详细描述。

在控制电子设备30和可调介电超材料装置40之间提供电互连32。控制电子设备30配备有本地互连网络(lin)接口34，用于与车辆2的至少一个控制单元数据通信。

雷达芯片18包括布置在雷达芯片18的上表面22上的天线构件20，其在该特定实施例中被设计为贴片天线。天线构件20被配置为用于发射由停靠在雷达芯片18上的发射器单元(未示出)提供的雷达波。发射器单元被配置为产生具有在76ghz和81ghz之间的雷达波段中的载波频率的雷达波。天线构件20还被配置为用于接收雷达波并且用于将接收到的雷达波发送到也位于雷达芯片18上的信号处理单元(未示出)。

天线构件20被配置为围绕从雷达芯片18的上表面22垂直向上布置的宽边方向26以圆锥形波束24发射供应的雷达波。封闭壳体28的面向雷达芯片18的上表面22的部分包括根据本发明的可调介电超材料装置40，其被布置在外部天线罩层68和内部天线罩层70之间以形成夹心结构。

因此，天线构件20被构造成通过可调介电超材料装置40发射雷达波并且通过可调介电超材料装置40接收雷达波。其作用将在下文中描述。

天线构件20与可调介电超材料装置40之间的20mm的距离d等于可调介电超材料装置40的焦距fxz，在±5％的预定限制范围内。

用于雷达感测的可调介电超材料装置40包括一个超材料层42，该超材料层42包括用作惠更斯的超原子(huygens’meta-atoms)的多个介电共振器46。介电共振器46维持电和磁偶极子共振。

在图3中给出了单位单元44的示意性截面侧视图和部分截面透视图，该单位单元包括根据图2的雷达装置10的可调介电超材料装置40的超材料层42的单个介电共振器46。在该特定实施例中，介电共振器46被成形为直圆柱体，其轴线垂直于超材料层42布置；即平行于宽边方向26布置。

介电共振器46包括可调材料，意味着，可调材料的电磁特性随施加到其上的外部可控电场而变化。在该特定实施例中，可调材料包括铁电材料，即钛酸钡锶(ba1-xsrxtio3)。本领域已知，该材料在雷达频率下显示出化学稳定性、高相对介电常数、高可调性和低介电损耗。因此，电磁场几乎完全限制在介电共振器46的可调材料内。

通常，也可以使用看起来对本领域技术人员来说合适的其它可调材料，特别是对于特定的应用。例如，可调材料可包括在聚合物基质中的小的可调颗粒，例如铁氧体。在其它实施例中，可调材料可以包括相变材料、液晶材料等。

可调介电超材料装置40还包括多个导电电极52、58。多个导电电极52、58中的两个不同的导电电极52、58分别在多个介电共振器46中的任一介电共振器46处，在垂直于超材料层42的方向上以隔开的方式配置在两个不同层中，以在该方向上覆盖介电共振器46。

每个单位单元44可以被认为是各种层的堆叠。在柱体介电共振器46的顶部上，布置顶电极层，其包括导电电极52和顶基板54，该导电电极52具有到介电共振器46的顶接触层50。在柱体介电共振器46的底部下方，布置了底电极层，其包括导电电极58和底基板64，该导电电极58具有到介电共振器46的底接触层56。如下所述，顶电极层的导电电极52和底电极层的导电电极58分别电连接到多个导电控制线60中的不同的导电控制线60，以施加电场到可调材料。

多个导电电极52、58中的导电电极52、58由对于操作的雷达载波频率fop的雷达波实质透明的材料制成。对于介于76ghz和81ghz之间的机动车雷达频段，薄层的炭黑是合适的电极材料。导电电极52、58的薄层电阻被选择为在0.5mω/sq和50mω/sq之间的范围内。在这个具体实施例中，选择在该范围的低端处的薄层电阻，即0.5mω/sq。

为了实现平面制造过程，在柱体介电共振器46之间的空间被机械上柔软并且具有粘合特性的填充材料48填充。为了使可调介电超材料装置40具有最佳性能，填充材料48应具有尽可能低的相对介电常数∈r。对可调介电超材料装置40中使用的所有介电体的要求是，由相对介电常数∈r的虚部表示的电磁损耗是低的。

介电共振器46可以例如由在压模机中压制的粉末制成，并且可以随后被固化和/或烧结，这最便于导致机械上坚固的柱体形状。

同样，出于可加工性和机械强度性能的原因，在压制堆叠之前将柱体介电共振器46放置在基板54、64之一上可能是有意义的。

必须选择圆柱体的高度h和半径rcyl，以使电和磁偶极子模式的共振频率与操作的雷达载波频率fop相匹配。可通过以下方式获得用于共振器尺寸的分析解决方案：

在此，λ表示与操作频率fop相对应的自由空间波长，∈r是在操作频率fop下的相对介电常数，kg是自由空间中的径向波数，以及kr是介电波导内的径向波数。数字3.83由第一类j1(krr)的贝塞尔函数(besselfunction)的第一非平凡零(firstnon-trivialzero)得出。

上面的等式对于被空气包围的柱体介电共振器46是有效的。在该装置中，介电共振器46被不同的其它介电体、电极和接触件所包围(图3)。因此，高度h和半径rcyl的精确值可能与上面的等式不同。电和磁模式匹配下的高度h和半径rcyl的更精确值可以在完整单位单元的全波模拟中被确定。代表有效惠更斯超原子的介电共振器46的替代几何形状是具有椭圆形横截面的柱体、球体或椭球体。

如果介电共振器46的可调材料的调谐范围，即其相对介电常数∈r的可能变化为25％的量级，则通过改变外部可控施加电场，能够实现单位单元44的相位响应在2π范围内的连续调节。相位响应φ和施加的电场的典型函数如图4所示。要注意的是，对于几乎理想的惠更斯超原子而言，雷达波通过单位单元44的传输接近于一致，与施加的电场无关。

在图5所示的根据图3的单个介电共振器46的等效电路模型中，可以更精确地理解该调谐过程。导电电极52、58和布置在它们之间的介电共振器46形成具有电容c的电容器76，并且导电电极52、58和相应的导电控制线60由具有电阻r的电阻器78表示。因此，用于将单位单元44从最低电场调谐到最高电场的特性可以通过rc网(rcnetwork)的时间常数τ来近似：

τ＝r·c。

在此，每个介电共振器46的电容c由柱体的表面和高度h确定：

考虑到对典型机动车雷达装置的更新速率的要求，所得的时间常数τ应在几微秒甚至更小的数量级，这取决于具体的应用。

图7是根据图2的雷达装置10的可调介电超材料装置40的示意性布局俯视图。示出了笛卡尔坐标系用于定向。可调介电超材料装置40包括多个21×21个柱体介电共振器46(以虚线表示)，它们的轴线在z方向上对齐，z方向配置成垂直于超材料层42；即，平行于宽边方向26。多个介电共振器46中的介电共振器46在平行于超材料层42对准的截面中具有椭圆形的横截面，特别为圆形的横截面。在图7中，为简单起见，示出了较小阵列的7×7个介电共振器46。多个介电共振器46中的介电共振器46在x方向和y方向上以相同的间隔a(由虚线网格线表示)等距地间隔开，使得每个介电共振器46的位置可以通过坐标(xi，yj)＝(a·i，a·j)来描述。在其它实施例中，x方向上的间隔和y方向上的间隔可以彼此不同。

可调介电超材料装置40包括布置在顶电极层中的多个七个导电电极52。如之前所述，导电电极52由薄层电阻为0.5mω/sq的炭黑薄层形成。

在图7中，多个八个导电电极52中的七个导电电极52被示出为具有矩形形状并且平行于y方向对齐。七个导电电极52中的每个在z方向上覆盖在y方向上并列的多个介电共振器46中的子数量七个介电共振器46。第八导电电极(未示出)形成接地平面，该接地平面平行于xy平面布置在底部电极层中，该底部电极层在z方向上与该七个导电电极52间隔开(图7中未示出)，以在z方向上完全覆盖多个介电共振器46。

七个导电电极52中的每个与布置在同一层中的多个导电电极52中的其余导电电极不同。这样，可以将用于调谐目的的不同电场施加到在y方向上并置的七个介电共振器46中的子数量的介电共振器中的每个上。七个导电电极52的目的是使在每个被覆盖的单位单元44的体积中施加的电场均匀。

可调介电超材料装置40包括多个导电控制线60，其配置为用于控制要施加到介电共振器46的可调材料上的电场。每个导电控制线60经由端子排62电连接到多个导电电极52中的导电电极52，用于控制外部可控电场。多个导电控制线60中的导电控制线60和对应的端子排62由高导电材料的薄片制成，例如铜(σ＝5.6x10⁷(ω·m)^-1)或银墨(σ＝1x10⁷...10x10⁷(ω·m)^-1)。由具有不同导电率的两种材料制造导电电极52和导电控制线60能够使穿过超材料层42传播的雷达波的潜在干扰保持足够低，而同时导电电极52的和导电控制线60的电阻r可以保持足够低，以实现短时间常数τ。

要强调的是，导电控制线60在多个介电共振器46的孔的外部延伸，以便不干扰通过介电共振器46传输的任何雷达波。此外，在该特定实施例中，以发射线性极化雷达波使得雷达波的电场垂直于多个导电电极52的方式利用天线构件20是有意义的。在这种垂直布置中，雷达波与多个导电电极52之间的耦合相对较低。在孔场之外，其中多个导电电极52和多个导电控制线60的设计不需要考虑雷达波的特性，根据与电源和控制电子设备30的连接，将导电控制线60在互连区域72内更靠在一起，这是有意义的。

在执行堆叠并且将堆叠与填充材料和介电共振器46压制的步骤之前，例如通过应用丝网印刷或喷墨印刷工艺，将导电电极52以及导电控制线60直接印刷在图3中的基板54、64上。可替代地，可以应用标准印刷电路板蚀刻工艺。

对于根据图2、3和7的雷达装置10的实施例，雷达芯片10上的天线构件20具有～60°典型的波束宽度θpatch。这意味着，如果施加到多个导电电极52中的每个导电电极52的所有电压vi被关断(即，被置于接地平面的电势)，并且沿x轴的所有介电共振器46具有相等的相位响应，那么，当传播通过超材料层42时，出射雷达波束宽度θout不会显著地改变，即，θout～θpatch。该配置可以是整个雷达装置10的有意义的最大波束宽度，其对应于使用具有短程雷达视场12的输出雷达波束36的检测方式(图1)。在将超材料层42的焦距设置为从超材料层42到天线构件20的距离d，即fxz＝d的情况下，出射雷达波束38将被准直并且因此将具有最小的波束宽度。后一种配置对应于使用远程雷达视场16的检测方式。这里，超材料层42的所需相位函数应近似为

通过向每个介电共振器46施加相应的控制电压vij，必须沿着孔离散该期望的相位函数φdes。对于每列中的导电电极52处于相同的电势vi的雷达装置的特定实施例(图7)，施加到特定介电共振器46的电场仅取决于该列索引i：

单个单位单元44的相位响应φr与电场ei的关系可以在全波仿真中确定，并且优选地应该通过透射测量被验证。图4示出了φr对电场ei的典型曲线。

相位响应φr(e)及其逆函数应该被认为尽可能准确。比较所需的相位函数φdes以及与可控电场的关系，得出：

在此，ki是由相位函数的模糊性导致的任意整数(即，ki＝±1，±2，...)。根据期望的焦距，相位函数φdes可以达到典型的的最大值。然而，整数k表示自由度，其可用于确保和φdes+ki2不处于2π范围内，并且将找到用于每个导电电极52的有意义的控制电压vi(图8)。

在每列中的导电电极52处于相同的电势vi的雷达装置10的特定实施例中，超材料层42的透镜效应仅在x轴上变化(图7)。这意味着可以调整与xz平面相对应的焦距fxz，并且yz平面中的焦距fyz保持恒定。可调介电超材料装置40的透镜效应在图6a和6b中示出。

在这种情况下，足够用相同的偏置电压(即，对调谐材料施加相同的电场)来寻址沿y轴排列成一条线的所有介电共振器46(图7)。然而，通过改变沿y轴布置的介电共振器46之间的几何形状，仍然有可能实现恒定但非零的焦距fyz。该限制仅意味着在雷达装置10的操作期间焦距fyz不能改变。

表1给出了包括根据图3和7的可调介电超材料装置的一个实施例的根据图2的雷达装置10的布局参数。

表1

在下文中，将提出根据本发明的可调介电超材料装置的各种可能的实施例。各个替代实施例由特定实施例的前缀码标识，从码2开始。在所有实施例中其功能相同或基本相同的特征由这样的附图标记标识：由其所针对的实施例的前缀码，之后跟随着该特征的数字(附图标记)组成。如果一个实施例的特征没有在相应的附图描述中描述，则应参考先前的实施例的描述。

为了简洁，将仅描述各个实施例之间的差异。

图9a示出了单位单元244的示意性截面侧视图，该单位单元包括本文公开的可调介电超材料装置240的替代实施例的单个介电共振器246。

可调介电超材料装置240的替代实施例的每个单位单元244可以被认为是各种层的堆叠。在柱体介电共振器246的顶部上，布置包括导电电极252和第一顶部接触层250的顶部电极层、顶部中间基板280、第二顶部接触层282和顶部基板254。在柱体介电共振器246的底部下方，布置了包括导电电极258的底部电极层和底部基板264。同样，顶部电极层的导电电极252和底部电极层的导电电极258电连接到多个导电控制线260中的导电控制线260，以将电场施加到介电共振器246的可调材料(图9d)。导电控制线260被捆扎在布置在顶部中间基板280的侧部区域处的两个互连区域272中。

再次参考图9a，柱体介电共振器246之间的空间被填充有与根据图2、3和7的实施例中相同的填充材料248。与该实施例形成对比，在可调介电超材料装置240的替代实施例中，额外地实施了顶部中间基板280和第二顶部接触层282。在顶部中间基板280中，提供了通孔266，用于导电控制线260之一与顶部电极层的导电电极252电接触(图9b和9c)。多个介电共振器246中的每个介电共振器246被多个导电电极252中的不同的导电电极252覆盖。通过这种方式，可以将外部可控的电场分别施加到每个介电共振器246的可调材料上。

替代的可调介电超材料装置240还包括多个21×21个柱体介电共振器246(由虚线圆圈表示)，其轴线在z方向上对准。在图9d中，出于简化的原因，示出了较小阵列的7×6个介电共振器246。

注意，多个导电控制线260中的导电控制线260在任何虚拟空间区域或空间体积之外延伸，该虚拟空间区域或空间体积由在一个截面内的多个介电共振器246中的介电共振器246的横截面积限定，该截面平行于超材料层242对齐；即平行于xy平面对齐，并且在垂直于超材料层242的方向上延伸；即沿z方向上延伸。

在这种情况下，施加到特定介电共振器246的电场eij既取决于列索引i，也取决于行索引j

因此，具有可变焦距fxy和fyz的相位函数也可以表示为：

将期望的电场eij施加到每个介电共振器246的结果控制电压可以表示为

在图10中示出了根据本发明的可调介电超材料装置340的另一替代实施例的示意性布局。与根据图7的可调介电超材料装置40的实施例相比，在底部电极层中形成接地平面的导电电极被布置在底部电极层中的多个七个不同的导电电极358代替。多个七个不同的导电电极358中的导电电极358具有矩形形状，并平行于x方向排列，以使这些导电电极358中的每个在z方向上覆盖在x方向上并置的多个介电共振器346中的子数量的七个介电共振器346。

通过这种布置，覆盖沿y方向(同一列)对齐的介电共振器346的顶部电极层的导电电极352被置于相同的电势vi上。反之亦然，覆盖沿x方向(同一行)对齐的介电共振器346的底部电极层的导电电极358被置于相同的电势vj上。施加到特定介电共振器346的可调材料上的电场eij与施加到在z方向上覆盖特定介电共振器346的顶部和底部导电电极352、358的电势之差成比例：

这些依赖性表示对雷达装置的功能的一定限制。例如，如果应建立不同的焦距fxy和fxz，则必须将先前的等式修改为

取决于相位响应φr，该等式通常并不总是有解。然而，对于几种有意义的情况，能够找到正确的电势vi和vj。例如，这是焦距在x方向和y方向上顺序变化的情况，这意味着在第一时间段内，焦距fxz可以变化，而焦距fyz无限大，并且，在第二随后的时间段内反之亦然。该模式还允许在第一时间段内在x方向上控制波束的附加相位梯度和在第二时间段内在y方向上控制波束的相位梯度。

此外，另一有意义的情况可以用于几种雷达应用。如果期望的相位函数φdes沿每列(或行)的变化被限制到2π，则因子kij不需要缠绕(wrap)相应的列(或行)单位单元344的相位响应。因此，kij仅取决于行(或列)索引j：kij＝kj(或kij＝ki)。在这种情况下，先前等式的右侧仅包含取决于i或j的项，并且可以求解电势vi和vj的等式。更具体而言，此限制意味着焦距fxy必须大于某个阈值：

根据图10的可调介电超材料装置340的替代实施例的优点在于，减少数量的电势必须提供给多个导电电极352、358。特别是对于nxn个介电共振器阵列，具有2n而不是n²个沟道的电源就足够了。

图11是布置成形成夹心结构的一部分的根据图10的可调介电超材料装置340和替代两层天线罩的示意性透视图。可调介电超材料装置340和替代的两层天线罩被配置为用于根据图2、3和7的雷达装置10中。该两层天线罩包括外部天线罩层368和内部天线罩层370，该外部天线罩层368被配置为布置在可调介电超材料装置340的背离雷达芯片18的表面上，内部天线罩层370被配置为布置在可调介电超材料装置340的面向雷达芯片18的表面上。外部天线罩层368和内部天线罩层370均完全由聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)制成。外部天线罩层368具有：柱体形状的弯曲顶表面374，用于有助于在x方向上提供附加的聚焦透镜效果；以及平坦的底表面，其附接到可调介电超材料装置340的顶表面；即，外部天线罩层368具有柱体的平凸形状。内部天线罩层370成形为平面平行板。

尽管已经在附图和前面的具体实施方式中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应被认为是说明性或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现要公开的实施例的其它变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除表示至少两个的数量的多个。在互不相同的从属权利要求中记载的某些措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求书中的任何附图标记都不应被解释为限制范围。

参考标记列表：

2车辆

4前部区域

6车辆

8道路

10雷达装置

12短程雷达视场

14中程雷达视场

16远程雷达视场

18雷达芯片

20天线构件

22上表面

24锥形波束

26宽边方向

28封闭壳体

30控制电子设备

32电互连

34lin接口

36出射波束(短程fov)

38出射波束(远距fov)

40可调介电超材料装置

42超材料层

44单位单元

46介电共振器

48填充材料

50顶部接触层

52顶部导电电极

54顶部基板

56底部接触层

58底部导电电极

60导电控制线

62端子排

64底部基板

66通孔

68外部天线罩层

70内部天线罩层

72互连区

74弯曲的顶表面

76电容器

78电阻

80顶部中间基板

82第二部部接触层

a间距

d距离

h高度

θout出射雷达波束宽度。