多波束天线的制作方法

专利名称：多波束天线的制作方法


在附图中图1图示了包括电磁透镜的多波束天线的第一实施例的顶视图；图2图示了图1的实施例的侧面剖视图；图3图示了含有截顶的电磁透镜的图1的实施例的侧面剖视图；图4图示了一个实施例的侧面剖视图，该实施例示出了介质基板相对于电磁透镜的各种位置；图5图示了其中每一天线馈电单元可工作地连接到分离的信号的图16a和16b图示了多波束天线的第七实施例，其含有选择性元件的第二实施例；图17图示了多波束天线的第八实施例，其含有选择性元件的第二实施例，并进一步含有极化旋转器；图18图示了多波束天线的第九实施例，其含有选择性元件的第一
具体实施例方式
参考图1和图2，多波束天线10、10.1包括至少一个电磁透镜12和在介质基板16上接近其第一边缘18的多个天线馈电单元14，其中该多个天线馈电单元14适合于辐射各自多个电磁能量射束20通过该至少一个电磁透镜12。
该至少一个电磁透镜12具有第一侧面22，在该第一侧面22与基准表面26比如平面26.1的相交处，该第一侧面22具有第一轮廓24。该至少一个电磁透镜12用来衍射来自各天线馈电单元14的电磁波，其中相对于该至少一个电磁透镜12在不同位置和不同方向上的不同的天线馈电单元14，产生不同的相关电磁能量射束20。该至少一个电磁透镜12具有不同于自由空间的折射率n，例如，大于一(1)的折射率n。举例来说，该至少一个电磁透镜12可以由以下材料构成，比如REXOLITETM、TEFLONTM、聚乙烯或聚苯乙烯；或者由具有不同折射率的多种不同材料构成，如在球面渐变透镜(即，椤勃透镜Luneburglens)中那样。为了提供离开该至少一个电磁透镜12的第二侧面28的各电磁能量射束20的需要的辐射图样，根据公知的衍射原理，根据天线馈电单元14的辐射图样，可以选择该至少一个电磁透镜12的形状和尺寸及其折射率，以及天线馈电单元14对该电磁透镜12的相对位置。尽管在图1和图2中，该至少一个电磁透镜12图示为球面透镜12’，但该至少一个电磁透镜12不限于任何一个具体设计，并且可以例如包括球面透镜、球面渐变透镜、球壳透镜、半球面透镜、至少部分球面透镜、至少部分球壳透镜、柱面透镜或旋转透镜。而且，电磁透镜12的一个或多个部分可以截去，以改进封装，而不明显地影响相关多波束天线10、10.1的性能。举例来说，图3图示了至少部分球面的电磁透镜12”，其相对的第一部分27和第二部分29被从其去除。
介质基板16的第一边缘18包括第二轮廓30，其接近于第一轮廓24。该介质基板16的第一边缘18位于基准表面26上，并且位置接近该至少一个电磁透镜12之一的第一侧面22。介质基板16相对于电磁透镜12定位，以便通过该至少一个电磁透镜12提供形成电磁能量射束20所必须的衍射。对于包括位于包括平面26.1的基准平面26上的平面介质基板16的多波束天线10的例子，结合具有中心32的电磁透镜12，例如球面透镜12’，平面26.1可以位于基本邻近电磁透镜12的中心32的位置，以便通过该电磁透镜12的至少一部分来提供衍射。参考图4，也可以相对于电磁透镜12的中心32放置介质基板16，例如放置在由介质基板16’和16”所示的中心32的一个侧面或另一侧面上，其位于各基准表面26’和26”上。
该介质基板16是，例如在工作频率具有低损耗的材料，如DUROIDTM、含TEFLONTM的材料、陶瓷材料或复合材料例如环氧/玻璃纤维复合物。而且，在一个实施例中，介质基板16包括电路板34的介质基板16.1，该电路板34例如包括黏附到介质基板16的至少一个导电层36的印刷电路板34.1，从其形成天线馈电单元14和其他相关电路轨迹38，例如通过减除技术如化学或离子刻蚀，或冲压；或附加技术，如淀积、粘合或层压来形成。
沿第一边缘18的第二轮廓30在介质基板16上设置多个天线馈电单元14，其中每一天线馈电单元14包括至少一个工作连接到该介质基板16的导体40。例如，至少一个天线馈电单元14包括端射振子14.1，其适合于基本在方向42向该至少一个电磁透镜12的第一侧面22发射电磁波，或从该至少一个电磁透镜12的第一侧面22接收电磁波，其中沿着第二轮廓30在不同位置设置不同的端射振子14.1，以便在不同的方向42发射或接收各电磁波。端射振子14.1可以例如包括八木-宇田(Yagi-Uda)天线、共面喇叭天线(coplanar horn antenna)(也称作锥形槽天线，tapered slot antenna)、Vivaldi天线、渐变介质棒天线(tapered dielectric rod)、开槽天线(slot antenna)、偶极天线或螺旋天线，其每一都能够形成在例如来自印刷电路板34.1的介质基板16上，例如通过减除技术，如化学或离子刻蚀，或冲压；或附加技术，如淀积、粘合或层压来形成。而且，天线馈电单元14可以用于发射和接收。
参考图4，通过电磁透镜12，12’的一个或多个电磁能量射束20的方向42是相应于介质基板16、16’或16”的相对位置和相对于电磁透镜12的中心32的相关基准表面26、26’或26”的。举例来说，在该介质基板16基本与中心32对准的情况，该一个或多个电磁能量射束20的方向42标称地与基准表面26对准。可替换的，在介质基板16’在电磁透镜12，12’的中心32之上的情况，得到的一个或多个电磁能量射束20’在中心32之下的方向42’上传播。类似地，在介质基板16”在电磁透镜12，12’的中心32之下的情况，得到的一个或多个电磁能量射束20”在中心32之上的方向42”上传播。
多波束天线10可以进一步包括介质基板16上的至少一条传输线44，其工作连接到多个天线馈电单元14之一的馈电端口46，用于将信号馈给相关的天线馈电单元14。例如，该至少一条传输线44可以包括带状线、微带线、反相微带线(inverted microstrip line)、槽线(slotline)、图像线(image line)、绝缘图像线(insulated image line)、抽头图像线(tapped image line)、共面带状线或共面波导线，其形成在例如来自印刷电路板34.1的介质基板16上，例如通过减除技术，如化学或离子刻蚀，或冲压；或通过附加技术，如淀积、粘合或层压来形成。
多波束天线10可以进一步包括开关网络48，其具有至少一个输入50和多个输出52，其中该至少一个输入50例如通过至少一条上述传输线44工作连接到共同天线馈电端口54，而多个输出52的每一输出52都例如经至少一条上述传输线44连接到多个天线馈电单元14的不同天线馈电单元14的各馈电端口46。开关网络48进一步包括至少一个控制端口56，其用于控制在给定的时间将哪个输出52连接到该至少一个输入50。开关网络48可以例如包括多个微机械开关、PIN二极管开关、晶体管开关或者其组合，并且可以例如工作地连接到介质基板16，例如通过表面安装到印刷电路板34.1的相关导电层36。
在操作中，施加到共同天线馈电端口54的馈电信号58可以被阻断，例如通过开路电路、通过反射或通过吸收，或者响应施加到控制端口56的控制信号60，通过开关网络48，经一个或多个相关传输线44，将其切换到一个或多个天线馈电单元14的相关馈电端口46。应当理解，馈电信号58可以包括对于每一天线馈电单元14公用的单个信号，或者可以包括与不同天线馈电单元14相关的多个信号。每一被施加了馈电信号58的天线馈电单元14发射相关的电磁波到相关电磁透镜12的第一侧面22，由此将其衍射来形成相关的电磁能量射束20。由不同天线馈电单元14发射的相关电磁能量射束20以不同的相关方向42传播。各种电磁能量射束20可以在不同时间单独产生，以便提供扫描电磁能量射束20。可替换的，可以同时产生两个或更多电磁能量射束20。而且，可以以不同频率来驱动不同天线馈电单元14，例如可以直接切换到各天线馈电单元14，或者可以经具有多个输入50的相关开关网络48来切换，该多个输入50中的至少一部分输入每一都连接到不同馈电信号58。
参考图5，可以改变多波束天线10，10.1，使得各信号与各天线馈电单元14以一一对应的关系相关联，从而排除对相关开关网络48的需要。例如，每一天线馈电单元14可以通过相关的处理元件61，工作连接到相关信号59。作为一个示例，在多波束天线10，10.1配置成成像阵列的情况下，利用各天线馈电单元14来接收电磁能量，并且各处理元件61包括探测器。作为又一示例，在多波束天线10，10.1配置成通信天线的情况下，利用各天线馈电单元14来既发射又接收电磁能量，并且各处理元件61包括发射/接收模块或收发机。
参考图6，如果使用开关网络48，其无需配置在公共介质基板16上，而可以分离设置，例如对于如1-20GHz的低频应用可能是有用的。
参考图7、8和9，根据第二方面，多波束天线10’至少包括第一电磁透镜12.1和第二电磁透镜12.2，其每一具有第一侧面22.1、22.2，在各第一侧面22.1、22.2与基准表面26的相交处具有第一轮廓24.1、24.2。介质基板16至少包括第二边缘62，其包括第三轮廓64，其中该第二轮廓30接近于第一电磁透镜12.1的第一轮廓24.1，而第三轮廓64接近于第二电磁透镜12.2的第一轮廓24.2。
参考图7，根据多波束天线10.2的第二实施例，第二边缘62与第一边缘18相同，而第二轮廓30和第三轮廓64沿着介质基板16的第一边缘18彼此相隔设置。
参考图8，根据多波束天线10.3的第三实施例，第二边缘62不同于第一边缘18，更具体地，其相对于介质基板16的第一边缘18。
参考图9，根据第三方面，多波束天线10”包括至少一个反射器66，其中基准表面26与该至少一个反射器66交叉，而该至少一个电磁透镜12的一个位于介质基板16和反射器66之间。该至少一个反射器66适合于反射在由多个天线馈电单元14的至少一个产生之后通过该至少一个电磁透镜12而传播的电磁能量。多波束天线10的第三实施例至少包括第一反射器66.1和第二反射器66.2，其中该第一电磁透镜12.1位于介质基板16和第一反射器66.1之间，第二电磁透镜12.2位于介质基板16和第二反射器66.2之间，该第一反射器66.1适合于反射在由在第二轮廓30上的多个天线馈电单元14的至少一个产生之后通过第一电磁透镜12.1传播的电磁能量，而该第二反射器66.2适合于反射在由在第三轮廓64上的多个天线馈电单元14的至少一个产生之后通过第二电磁透镜12.2传播的电磁能量。举例来说，如图9所示，可以将第一反射器66.1和第二反射器66.2定向成将来自每一侧面的电磁能量射束20指向公共标称方向。参考图9，所示的多波束天线10”能提供在所示平面的法线方向上的扫描。如果介质基板16能够绕连接各电磁透镜12.1、12.2的轴相对于反射器66.1、66.2旋转90度，那么多波束天线10”将能提供在平行于图示平面的方向上的扫描。
参考图10，根据第三方面和第四实施例，多波束天线10”，10.4包括至少部分球面的电磁透镜12，例如半球面电磁透镜，其具有弯曲表面68和边界70，如平的边界70.1。多波束天线10”、10.4进一步包括接近于边界70的反射器66，和在介质基板16上接近于其轮廓边缘72的多个天线馈电单元14，其中每一天线馈电单元14适合于将各多个电磁能量射束20辐射进电磁透镜12的第一扇区74。电磁透镜12具有在第一扇区与基准表面26如平面26.1相交处的第一轮廓24。轮廓边缘72具有第二轮廓30，其位于接近于第一扇区74的第一轮廓24的基准表面26上。如上述其他实施例，该多波束天线10”，10.4进一步包括开关网络48和多个工作连接到天线馈电单元14的传输线44。
在操作中，施加到共同天线馈电端口54的至少一个馈电信号58可以被阻断，或者通过响应施加到开关网络48的控制端口56的控制信号60的开关网络48，经一个或多个相关传输线44，切换到一个或多个天线馈电单元14的相关馈电端口46。每一施加了馈电信号58的天线馈电单元14发射相关的电磁波进入相关电磁透镜12的第一扇区74。电磁波传播通过弯曲表面68，并被其衍射，然后为接近边界70的反射器66所反射，之后反射的电磁波传播通过电磁透镜12，离开第二扇区76并被其衍射作为相关的电磁能量射束20。在如图10所示反射器66基本垂直于基准表面26的情况，由相关的天线馈电单元14将不同的电磁能量射束20指向标称地基本平行于基准表面26的不同方向。
参考图11，根据第四方面和第五实施例，多波束天线10，10.5包括电磁透镜12和多个介质基板16，每一介质基板16都包括一组天线馈电单元14，并根据上述说明来操作。每一组天线馈电单元14响应相关的馈电信号58和控制信号60，产生(或能够产生)相关的一组电磁能量射束20.1、20.2和20.3，每一束分别具有相关的方向42.1、42.2和42.3。该相关的馈电信号58和控制信号60可以或者直接施加到各组天线馈电单元14的相关开关网络48，或者通过具有相关馈电端口80和控制端口82的第二开关网络78施加于各组天线馈电单元14，所述端口每一包括至少一个相关信号。因此，多波束天线10，10.4提供通过三维空间发射和接收一个和多个电磁能量射束。
多波束天线10提供相对宽的视场，并适合于通过天线馈电单元14可以被设计来辐射宽的频率范围如1-200GHz的多种应用，包括但不限于车用雷达、点对点通信系统和点对多点通信系统。而且，可以将多波束天线10配置用于单静态和双静态操作。
参考图12，根据第五方面和第六实施例，多波束天线100包括电磁透镜102、至少一个第一天线馈电单元104,14，和至少一个第二天线馈电单元106,14。电磁透镜102包括第一部分108和第二部分110，其中该至少一个天线馈电单元104,14位置接近于电磁透镜102的第一部分108，而该至少一个第二天线馈电单元106,14位置接近电磁透镜102的第二部分110，因此各馈电元件104、106,14与它们所接近的电磁透镜12的各部分108、110协作。举例来说，电磁透镜102可以包括球面透镜102.1、球面渐变透镜、球壳透镜、半球面透镜、至少部分的球面透镜、至少部分的球壳透镜、柱面透镜，或者旋转透镜，其被分成第一部分108和第二部分110。
多波束天线100进一步包括选择性元件112，其位于电磁透镜102的第一部分108和第二部分110之间，其中，该选择性元件112具有与电磁波特性，例如频率或者极化相应的透射率和反射率。选择性元件112的透射率适合于使第一电磁波，其与第一天线馈电单元104,14协作的并具有第一值的电磁波特性，基本透射通过该选择性元件112，以便在电磁透镜102的第一部分108和第二部分110两者中传播。选择性元件112的反射率适合于使第二电磁波，其与第二天线馈电单元106,14协作并具有第二值的电磁波特性，基本被选择性元件112反射。在图12中所示的第六实施例中，该选择性元件112适合带有频率选择性表面114，本质上是个双工器，使其透射率和反射率响应于入射于其上的电磁波的频率。因此，通过该选择性元件112，以相对小的衰减，透射具有第一载频f1并与第一天线馈电单元104,14协作的第一电磁波，而通过选择性元件112，以相对小的衰减，反射具有不同于第一载频f1的第二载频f2的并与第二天线馈电单元106,14协作的第二电磁波。
可以通过形成导电元件的周期性结构，例如通过刻蚀具有相对低的介电常数的基板材料上的导电片，来构建该频率选择表面114，该基板材料如DURIODTM和TEFLONTM。举例来说，参考图13，通过称为耶路撒冷十字(Jerusalem Crosses)116的场，其提供分别如图14和15中所示的反射率和透射率特性，从而形成频率选择性表面114，其中调节该频率选择性表面114的尺寸以便充分地透射具有相关的77GHz的第一载频f1的第一电磁波，并充分地反射具有相关的24GHz的第一载频f1的第二电磁波。在图14和15中，“O”和“P”分别代表正交和平行极化。每一耶路撒冷十字116通过刻蚀进其中的槽120与周围的导电表面118分离，其中槽120具有相关的槽宽ws。每一耶路撒冷十字116包括四个分支122，分支长度为L、宽度为wm，其从中心方形轴心延伸出并形成十字。相邻的耶路撒冷十字116彼此通过相关的槽120以及通过导电的缝隙G分离开，以便在耶路撒冷十字116的两个相关的方向上形成具有周期DX的周期性结构。图13中所示的具有77GHz的通带频率的示范实施例特征如下槽宽ws＝80微米，分支宽度wm＝200微米，缝隙G＝150微米，分支长度L＝500微米，周期DX＝1510微米(在两个正交方向上)，其中DX＝wm+2(L+ws)+G。通常，频率选择性表面114包括导电元件的周期性结构，例如位于介质基板上，例如基本位于平面上。该导电元件不是必须位于基板上。例如，该频率选择性表面114可以由具有适当尺寸、形状和间隔的周期性孔和开口的导电材料构成。可替换的，频率选择性表面114可以包括电磁透镜102的第一部分108和第二部分110各自的一个和两个内表面上的导电层。尽管图13图示了耶路撒冷十字116作为频率选择性表面114的相关周期性结构的核心元件，但是其他形状的核心元件也是可能的，例如圆形、环形、矩形、方形和强十字(potent cross)，如在下面的在此引作参考的技术论文中所示的“Antenna Design on Periodicand Aperiodic Structures”(关于周期性和非周期性结构的天线设计)，Zhifang Li，John L.Volakis和Panos Y.Papalambros著，可以在如下网址访问到http://ode.engin.umich.edu/papers/aps2000.pdf；和“Plane WaveDiffraction by Two-Dimensional Gratings of Inductive and CapacitiveCoupling Elements”(电感性和电容性耦合元件的两维栅格的平面波衍射)，Yu.N.Kazantsev，V.P.Mal’tsev，E.S.Sokolovskaya and A.D.Shatrov in“Journal of Radioelectronics”N.9，2000，可在如下网址访问到http://jre.cplire.ru/jre/sep00/4/text.html。
实验还表明，在具有从24GHz和77GHz选择的第一载频f1和第二载频f2的系统中，具有24GHz载频的电磁波在经过图13所示的频率选择表面114时产生谐波模式。因此，大于(反射的电磁波的)第二载频f2的(透射的电磁波的)第一载频f1有利于提供降低的谐波模式。然而，有可能在透射的电磁波中具有比在反射的电磁波中更广的视场。更具体的，例如来自反射的馈电源的射束图样仅在大约+/-20°的范围内表现良好，这可能会将视场限制在大约40°。在某些应用中，例如车用雷达，较低频电磁波具有广的视场是有利的。因此，(透射的电磁波的)第一载频f1具有较低的频率(例如24GHz)是有利的，利用多层频率选择性表面114可以促进这一点。
频率选择性表面114可以包括单个层或多层。多层的频率选择性表面114可以提供控制例如由较低频率的辐射所产生的谐波模式，从而通过频率选择性表面114改善较低频率辐射的传输，以便提供从电磁透镜102伸展出的相关辐射图样的更宽的视场。
该至少一个第一天线馈电单元104,14和至少一个第二天线馈电单元106,14包括各自的端射振子，其用于分别在基本朝该至少一个电磁透镜102的第一部分108和第二部分110的方向发射电磁波。举例来说，每一该端射振子都可以是八木-宇田天线、共面喇叭天线、Vivaldi天线、渐变介质棒天线、开槽天线、偶极天线，或者螺旋天线。
该至少一个第一天线馈电单元104,14具有对应的至少一个第一主增益轴124，其指向通过电磁透镜102的第一部分108和第二部分110，而该至少一个第二天线馈电单元106,14具有相应的至少一个第二主增益轴126，其指向通过至少该电磁透镜102的第二部分110，并且该至少一个第二天线馈电单元106,14和选择性元件112适合于从选择性元件112在至少一个第二主增益轴126上的反射一般与在电磁透镜102的第二部分110中的至少一个第一主增益轴124对准。
参考图16a，根据第七实施例，多波束天线128包括极化选择性元件130，其反射率和透射率相应于入射于其上的电磁波的极化。更具体地，两个正交的极化的一个基本被该极化选择性元件130透射，而两个正交的极化的另一个基本被该极化选择性元件130所反射。举例来说，与第一天线馈电单元104,14相关的第一电磁波在y方向被极化，例如通过相对于第二天线馈电单元106,14旋转第一天线馈电单元104、14，或通过相对于相关的下面的基板正交极化的相关天线馈电单元来极化，以便基本上被极化选择性元件130所反射，与第二天线馈电单元106,14相关的第二电磁波在z方向被极化，以便基本上被极化选择性元件130所反射。例如，该极化选择性元件130可以是公知的极化反射器，其中该第二天线馈电单元106,14适合于具有与该极化反射器相同的极化。例如，可以通过在相对低的介质基板上以适当的相关间隔刻蚀适当大小的平行金属线，来制造极化选择性表面。
参考图17，根据含有极化选择性表面130的多波束天线132的第八实施例，例如，在第一天线馈电单元104,14和电磁透镜102的电磁透镜102之间并入极化旋转器134，因而可以在公共基板上构建第一天线馈电单元104,14和第二天线馈电单元106,14。可替换的，代替设有分离的极化旋转器134，电磁透镜102的第一部分108可以设有相关极化旋转器。
应当理解，在图16a和17的实施例中，如同第一天线馈电单元104,14，或与其接近的极化旋转器134那样，可替换地，极化选择性元件130和相关的第二天线馈电单元106,14，或与其接近的极化旋转器134，也可采用。得到的极化选择性元件130的射束图样将类似于频率选择性表面114的射束图样。
参考图18，根据第九实施例，多波束天线136含有多个第一天线馈电单元104,14和多个第二天线馈电单元106,14，以便通过它们来提供多波束覆盖。该多个第一天线馈电单元104,14具有相关的第一主增益中央轴138，而该多个第二天线馈电单元106,14具有相关的第二主增益中央轴140。
举例来说，通过将在角度θ＝45°的频率选择性表面114定向到希望的传播中央方向，而多个第二天线馈电单元106,14在θ+φ＝90°的角度，相关的第二电磁波可以在希望的方向上传播。通过将该多个第一天线馈电单元104,14定向在希望的传播的中央轴上，相关的第一电磁波将通过选择性元件112沿着希望的传播方向传播。具体的角度θ不认为是限制性的。而且，极化选择性元件130通常可以在相对宽的角度范围内工作。
可以如上述的图1-5所示的实施例那样构建该多个第一天线馈电单元104,14和第二天线馈电单元106,14，其中至少一个第一端射振子的方向不同于至少另一个第一端射振子的方向，并且至少一个第二端射振子的方向不同于至少另一个第二端射振子的方向。
举例来说，该至少一个第一天线馈电单元104,14包括基本排列在第一平面上的多个第一天线馈电单元104,14，而该至少一个第二天线馈电单元106,14包括基本排列在第二平面上的多个第二天线馈电单元106,14。在一个实施例中，该第一和第二平面至少是基本彼此平行的，并且可以是基本共面的，以便在公共基板上安装全部天线馈电单元104、106,14。
该至少一个第一天线馈电单元104,14具有相应的第一主增益中央轴138，其指向通过电磁透镜102的第一部分108和第二部分110二者。该至少一个第二天线馈电单元106,14具有相应的第二主增益中央轴140，其指向至少通过电磁透镜102的第二部分110，并且该至少一个第二天线馈电单元106,14和选择性元件112是合适的，因而来自选择性元件112的第二主增益中央轴140的反射142通常与在电磁透镜102的第二部分110中的第一主增益中央轴138对准。
参考图19，根据第十实施例，多波束天线114适合于提高性能，对于77GHz的第一载频f1和24GHz的第二载频f2，对于图13所示的频率选择性表面114导致大约25度的偏角。
参考图20，根据第十一实施例，多波束天线146包括频率选择性表面114，其定向与图18中所示的正交，其中相关的多个第一天线馈电单元104,14和相关的多个第二天线馈电单元106,14与图18中所示的各定向正交。更具体的，多个第一天线馈电单元104,14基本定向在y-z平面，而该多个第二天线馈电单元106,14基本定向在x-y平面，所以多个第一天线馈电单元104,14和多个第二天线馈电单元106,14每一都垂直于x-z平面。
多波束天线100可以用来发射或接收电磁波。在操作中，通过电磁透镜102的第一部分108沿第一方向发射或接收第一电磁波，而通过电磁透镜102的第二部分110发射或接收第二电磁波。从在电磁透镜102的第一部分108和第二部分110之间的区域中的选择性元件112反射第二电波的主要部分。通过电磁透镜102的第二部分110发射或接收第二电磁波的操作，和从在电磁透镜102的第一部分108和第二部分110之间的区域中的选择性元件112反射第二电波的操作，使得第一和第二电磁波在电磁透镜102的第二部分110内沿类似的中央方向传播，并且选择性元件112响应第一和第二电磁波在载频上的差或在极化上的差，透射第一电磁波，反射第二电磁波。
因此，多波束天线100、128、132、136、144或146提供利用公共电磁透镜102来同时聚焦具有两个不同载频f1、f2的电磁波，从而提供不同应用而不需要分离的相关孔径，从而使得整体的封装尺寸更小。多波束天线100、128、132、136、144或146的一个具体应用是车用雷达，其中24GHz的辐射用于相对近程的、宽视场的规避碰撞的应用，及停止和前进功能性及辅助泊车，而77GHz的辐射则用于远程自动巡航控制应用。利用相同的孔径为更短波长的77GHz的辐射提供充分高的增益和更窄的束宽，允许远程性能。而另一方面，与之相配合地，24GHz的辐射将表现出较宽的束宽和较低的增益，适合于更宽的视场、较近程的应用。
参考图21，根据第六方面和第十二实施例，多波束天线200包括弯曲反射表面202和介质基板16，介质基板上设置有多个天线馈电单元14，如端射振子14.1。该介质基本16位于弯曲反射表面202的凹面上，并被成形以便天线馈电单元14与弯曲反射表面202的凹面的协作。天线馈电单元14适合于向弯曲反射表面202的凹面侧发射相关的电磁波，例如其与弯曲反射表面202的曲率半径基本一致或与弯曲反射表面202的曲率半径对准。这些电磁波被弯曲反射表面202反射，该弯曲反射表面202作用类似于上述实施例的电磁透镜12来将相关的电磁波聚焦成相关的射束，除了对于第十二实施例，多波束天线200，电磁波被反射在介质基板16上传播，而在上述利用电磁透镜12的实施例中，在传播通过电磁透镜12之后，相关的电磁波继续传播远离介质基板16。此外，介质基板16上的天线馈电单元14的材料和结构，以及相关的信号耦合到天线馈电单元14的方式，类似于上述的，特别是结合图1和2所描述的。例如，可以将天线馈电单元14刻蚀进适当的印刷电路材料，以便使相关的电磁波发射离开相关的基板。例如，如图21中所示，天线馈电单元14工作连接到相关的开关网络48，开关网络48工作连接到相关的共同天线馈电端口54。在图21中所示的实施例中，弯曲反射表面202在沿着与基准表面相交处的横截面基本是圆形的，该基准表面沿着多个天线馈电单元14平行于介质基板16。
参考图22，根据多波束天线200.1的第十三实施例，弯曲反射表面202.1是圆柱形的，因而相关的多波束天线200.1提供将相关的电磁波沿平行于介质基板16的方向聚焦，而不是沿与其正交的方向。
参考图23，根据多波束天线200.2的第十四实施例，弯曲反射表面202.2具有沿垂直于介质基板16的方向的抛物线形横截面，因而相关的多波束天线200.2将相关的电磁波沿平行于介质基板16的方向和沿与其垂直的方向聚焦。
参考图24、25和26，根据第七方面和相关的第十五、十六和十七实施例，相关的多波束天线204、204.1和204.2类似于相应的上述第十二、十三和十四实施例，除了它们都被设置在包括至少一个光源208、208.1、208.2的相关的灯组件206、206.1、206.2中，其中相关的弯曲反射表面202、202.1和202.2作用来反射由相关的天线馈电单元14产生的电磁波和由该至少一个光源208、208.1、208.2所产生的光。更具体地，介质基板16适合于与相关的至少一个光源208、208.1、208.2相关联，例如该至少一个光源208、208.1、208.2可以工作连接于该介质基板，以便使该至少一个光源208、208.1、208.2和相关的多个天线馈电单元14的对准同步，然后其组合可以相对于相关的该至少一个弯曲反射表面202、202.1和202.2共同地调节，以便提供电磁射束组和光束的对准。
因此，图24、25和26中所示的第十五、十六和十七实施例提供多波束电磁天线与光源的增强协作，此二者共享共同的弯曲反射表面202、202.1和202.2，以及相关的共同封装，如根据具体应用或者开口的或者密封的封装。
举例来说，参考图27和28，图26中所示的多波束天线204.2和灯组件206.2在车用环境中是很有用的，以将多波束雷达天线分别封装在车辆212前部和后部的前灯组件210或其他灯组件如尾灯组件(未示出)中。弯曲反射表面202.2在水平/地平方向上的球面/圆形形状和在垂直/高度方向上的抛物线形形状，使得在各方向上电磁射束和光束两者的相关的聚焦。通过将多波束天线204.2封装在前灯组件210中，可以利用与该前灯组件210相关的水平和垂直角度调节器来调节该多波束天线204.2的对准，而无需用于介质基板16的分离的对准器，从而为来自多波束天线204.2的电磁波提供内在的对准和对未对准的校正。从而多波束天线204.2和灯组件206.2的共同定位排除了对在另外不利的位置安装该多波束天线的需求，例如在发动机的前部，其可能阻挡冷却气流或限制多波束天线的可接受的尺寸，或强加一个相对苛刻的热环境；或者在保险杠或保险杠饰带(bumper fascia)内，其可能另外会在相关的结构或美学的车体要素上产生所不期望的影响，或者可能另外负面地影响相关电磁波或相关的射束或旁瓣图样。此外，典型的前灯透镜214由聚碳酸酯材料构成，其在通常的车用雷达频率(如24GHz和77GHz)具有相对低的损耗，从而提供了用于多波束天线204.2的雷达天线屏蔽器，而基本对该多波束天线204.2的性能没有负面影响。
参考图26，第一光源208.1和第二光源208.2，如白炽灯、卤素灯或LED发光器，设置在充分接近相关的弯曲反射表面202.2的抛物线焦点的介质基板16的任一侧上，因而来自第一光源208.1和第二光源208.2的光可以到达弯曲反射表面202.2的上部和下部，并从而在高度方向上聚焦，同时还在水平方向上充分聚焦，因而产生在水平方向有些扇形而在高度方向聚焦良好的光束。可以通过改变该第一光源208.1和第二光源208.2的精确位置来调节光束聚焦。使介质基板16相对薄(例如在15密尔的量级)，以使其基本不阻碍相关的光束。而且，还可以在基板上放置具有相对小的横截面的毫米波部件，而对光束没有负面影响。替换地，可以在介质基板16的开口内设置单个光源208，以便从该介质基板16的两侧照亮弯曲反射表面202.2。
参考图27和28，该前灯组件210包括外罩216、反射器组件218、内聚光板(inner bezel)220和前灯透镜214。在一个实施例中，多波束天线202.2可以与反射器组件218的前灯反射器218.1的一个(例如内侧的)集成在一起，而剩余的前灯反射器218.2用于高低光束两者。替换地，多波束天线204.2可以与在相关的前灯反射器218.1、218.2的任一或两者中的相关的前灯集成。而且，可以将相对宽视场的多波束天线204.2与在车辆212角部的侧灯反射器222集成。在与在车辆212后角部的类似多波束天线204.2的结合中，可以提供对前部、后部和侧部覆盖。
应当理解，含有弯曲反射表面的实施例不限于上述的凹面的弯曲反射表面202、202.1、202.2。例如，可以单独或与其他反射表面组合使用凸面的反射表面，或者平面的或弯曲反射表面。例如，在图1的实施例中，可以用球面反射表面取代电磁透镜12，其能够将电磁波反射回介质基板16上。凹面的弯曲反射表面部分地围绕凸面弯曲反射表面，于是将电磁波反射回朝图1中所示的方向，从而提供多波束天线实施例，其作用类似于图1中所示的实施例，而无需电磁透镜。
尽管在前面的详细说明中详细说明了并在附图中图示了具体实施例，但本领域的普通技术人员将理解，根据本公开的全面教导，可以得到对这些细节的各种修改或替换。因此，所公开的具体装置意图是说明性的，并不限制本发明的范围，而应当给予本发明的范围以所附权利要求及其任意和全部等效的最大范围。
权利要求
1.一种多波束天线，包括a.至少一个弯曲表面；b.至少一个介质基板；和c.在所述介质基板上的多个天线馈电单元，其中所述多个天线馈电单元的至少两个每一都包括端射振子，其适合于在基本朝着所述至少一个弯曲表面的方向发射电磁波，并且至少一个所述端射振子的所述电磁波发射方向不同于至少另一个所述端射振子的所述电磁波发射方向。
2.如权利要求1所述的多波束天线，其中所述至少一个弯曲表面的至少一个适合于充分地反射至少部分所述电磁波。
3.如权利要求1所述的多波束天线，其中所述至少一个弯曲表面的至少一个是金属的。
4.如权利要求1所述的多波束天线，其中所述至少一个弯曲表面的至少一个在沿与基准平面相交处的第一横截面上基本是圆形，该基准表面沿所述多个天线馈电单元平行于所述介质基板。
5.如权利要求4所述的多波束天线，其中所述至少一个弯曲表面的至少一个在基本垂直于所述第一横截面的第二横截面上基本是抛物线形的。
6.如权利要求1所述的多波束天线，其中所述至少一个弯曲表面的至少一个基本是球面的。
7.如权利要求1所述的多波束天线，其中所述至少一个弯曲表面的至少一个基本是圆柱面的。
8.如权利要求1所述的多波束天线，其中所述至少一个弯曲表面的至少一个包括光学反射器。
9.如权利要求8所述的多波束天线，其中所述光学反射器包括灯组件的反射器。
10.如权利要求9所述的多波束天线，其中所述至少一个介质基板位于所述灯组件内。
11.如权利要求10所述的多波束天线，其中所述至少一个介质基板适合于与所述灯组件的至少一个光源工作相关。
12.如权利要求11所述的多波束天线，其中所述至少一个光源包括多个光源，并且所述多个光源的至少两个与所述至少一个介质基板的不同侧面工作相关。
13.如权利要求9所述的多波束天线，其中所述灯组件包括车辆前灯组件。
14.如权利要求1所述的多波束天线，其中所述至少一个弯曲表面的至少一个对于至少部分所述电磁波基本是折射的。
15.如权利要求1所述的多波束天线，其中所述至少一个弯曲表面的至少一个对于至少部分所述电磁波基本是衍射的。
16.如权利要求1所述的多波束天线，其中所述至少一个弯曲表面的至少一个是介电的。
17.如权利要求1所述的多波束天线，其中所述至少一个弯曲表面的至少一个是电磁透镜的表面。
18.如权利要求1所述的多波束天线，其中所述端射振子的至少一个是基本与所述至少一个弯曲表面的曲率半径来对准的。
19.如权利要求18所述的多波束天线，其中所述端射振子的至少一个与所述至少一个弯曲表面的曲率半径基本是一致的。
20.如权利要求1所述的多波束天线，其中所述天线馈电单元包括至少一个工作连接到所述介质基板的导体。
21.如权利要求19所述的多波束天线，其中所述介质基板包括印刷电路介质。
22.如权利要求1所述的多波束天线，其中所述至少一个介质基板基板是平面的。
23.如权利要求1所述的多波束天线，其中所述端射天线选自八木-宇田天线、共面喇叭天线、Vivaldi天线、渐变介质棒天线、偶极天线和螺旋天线。
24.如权利要求1所述的多波束天线，进一步包括在所述介质基板上的至少一条传输线，其中所述至少一条传输线的至少一个工作连接到所述多个天线馈电单元之一的馈电端口。
25.如权利要求24所述的多波束天线，其中所述传输线选自带状线、微带线、反相微带线、开槽线、图像线、绝缘图像线、抽头图像线、共面带状线和共面波导线。
26.如权利要求1所述的多波束天线，进一步包括开关网络，其具有输入和多个输出，所述输入工作连接到共同天线馈电端口，所述多个输出的每一输出都连接到所述多个天线馈电单元的不同天线馈电单元。
27.如权利要求24所述的多波束天线，进一步包括开关网络，其具有输入和多个输出，所述输入工作连接到共同天线馈电端口，所述多个输出的每一输出都经所述至少一条传输线连接到所述多个天线馈电单元的不同天线馈电单元。
28.如权利要求26所述的多波束天线，其中所述开关网络工作连接到所述介质基板。
全文摘要
多波束天线(200、204)包括至少一个弯曲表面(202)、至少一个介质基板(16)，以及在该介质基板(16)上的多个端射天线馈电单元(14、14.1)。该至少一个弯曲表面可以是反射的、折射的或衍射的。从天线馈电单元(14、14.1)发射的电磁波指向该至少一个弯曲表面(202)，并且由此被反射、折射或衍射。在一个实施例中，该基板位于灯组件(206)，如车辆前灯(210)内，其中该至少一个光源(208)与该介质基板(16)工作相关，并且该至少一个弯曲表面(202)包括灯组件(210)的凹面光学反射器(218)。
文档编号H01Q3/24GK1836352SQ200480023052
公开日2006年9月20日 申请日期2004年8月11日 优先权日2003年8月12日
发明者詹姆士·P·埃布林, 加布里埃尔·M·雷贝斯, 贝恩哈德·舍恩尔内尔 申请人:汽车系统实验室公司