專利名稱：定向耦合器、天線設(shè)備和雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種使用介質(zhì)線作為傳輸路徑的定向耦合器、一種具有這種定向耦合器的天線設(shè)備和一種包含該天線設(shè)備的雷達(dá)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
一種使用介質(zhì)線作為傳輸路徑的定向耦合器在日本未經(jīng)審查專利申請(qǐng)公布號(hào)為8-8621和10-200331的文件中揭示過。
日本未經(jīng)審查專利申請(qǐng)公布號(hào)為8-8621的文件涉及到一種使用無(wú)輻射介質(zhì)波導(dǎo)(在下文中稱為“NRD波導(dǎo)”)的定向耦合器。因?yàn)槠湓趩蜰RD波導(dǎo)中的低傳輸損耗，LSM模式被用作在定向耦合器耦合部分中的一種傳輸模式。而曲折部分的曲率半徑是幾個(gè)離散值中的一個(gè)，從而提供了低損耗。定向耦合器適用于以LSM模式和LSE模式傳輸電磁波。因此，在定向耦合部分會(huì)發(fā)生模式轉(zhuǎn)換問題，導(dǎo)致介入損耗與頻率特性中的脈動(dòng)。
日本未經(jīng)審查專利申請(qǐng)公布號(hào)為10-200331的文件涉及一種結(jié)合了用介質(zhì)線作為傳輸路徑的定向耦合器的天線設(shè)備，在該設(shè)備中，副線平行于主線移動(dòng)來(lái)達(dá)到波束掃描。定向耦合器兩條線之間的間隙構(gòu)成一扼流圈，因而避免了漏波損耗。然而，當(dāng)定向耦合器用于以LSM模式和LSE模式傳輸電磁波時(shí)，模式轉(zhuǎn)換所導(dǎo)致的損耗就發(fā)生了，就如在日本未經(jīng)審查專利申請(qǐng)公布號(hào)為8-8621的文件中所揭示的定向耦合器一樣。如果電磁波以LSMO1模式作為主模式單獨(dú)傳輸，那樣也會(huì)有電磁波從主線和副線之間的間隙漏出的問題，可能增大了介入損耗。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供了一種緊湊的定向耦合器，該耦合器解決了在構(gòu)成定向耦合器的主線和副線耦合部分因模式轉(zhuǎn)換而使介入消耗增大的問題，在曲折部分提高了設(shè)計(jì)靈活性，以及抑制了當(dāng)主線和副線相互分開時(shí)它們之間間隙的電磁波泄漏。
本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種配備低損失緊湊定向耦合器的緊湊天線設(shè)備，該設(shè)備能實(shí)現(xiàn)高速波束掃描，并且提供了一種使用該天線設(shè)備具有高偵測(cè)能力的緊湊雷達(dá)系統(tǒng)。
因此，一種定向耦合器包括兩根無(wú)輻射介質(zhì)線，每根線都具有基本上相互平行的導(dǎo)電平面，并且介質(zhì)條被放置在它們之間，兩根無(wú)輻射介質(zhì)線相互耦合，以便至少部分介質(zhì)條相互靠近并且平行延伸。在使用頻率下電磁波傳輸?shù)闹饕Ｊ绞荓SE模式，電磁波在無(wú)輻射介質(zhì)線中傳輸。LSE模式被用作主傳輸模式，因而保持了低損耗且實(shí)現(xiàn)了緊湊的定向耦合器。
介質(zhì)條和導(dǎo)電平面之間空間的截面尺寸被適當(dāng)限定，以便在使用頻率下電磁波在無(wú)輻射介質(zhì)線中以LSE模式單獨(dú)傳輸。因此，在曲折部分由LSE模式和LSM模式之間轉(zhuǎn)換而引起的損耗可以被抑制。
構(gòu)成定向耦合器的兩根無(wú)輻射介質(zhì)線可以通過分開沿兩介質(zhì)條縱向延伸的表面而分開，并且這兩根無(wú)輻射介質(zhì)線可以被放置在介質(zhì)條的縱向，以便相互相對(duì)位移。因此，這兩根無(wú)輻射介質(zhì)線在相互耦合時(shí)，可以相互相對(duì)位移，因而減少了因從分隔表面泄漏的電磁波而引起的損耗。
兩根無(wú)輻射介質(zhì)線中的每根都可能包括支撐介質(zhì)條的導(dǎo)電板極，并且與無(wú)輻射介質(zhì)線分隔表面相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電板極對(duì)立表面最好有扼流槽在其中。這樣能可靠地抑制從導(dǎo)電板極對(duì)立表面之間間隙中泄漏的LSE模式電磁波。
在本發(fā)明的另一方面，一種天線設(shè)備包括與兩根在定向耦合器中相互分隔的無(wú)輻射介質(zhì)線之一相連的主發(fā)射器，以及一個(gè)基本上聚焦在主發(fā)射器上的介質(zhì)透鏡。因而，當(dāng)在定向耦合部分中的兩根無(wú)輻射介質(zhì)線相對(duì)位移時(shí)，主發(fā)射器也能夠?qū)?yīng)介質(zhì)透鏡相對(duì)位移，從而實(shí)現(xiàn)高速波束掃描。
本發(fā)明的再一方面，一種雷達(dá)系統(tǒng)包括了發(fā)射和接收電磁波的單元，該單元包括上述的天線裝置。因而，因其配備了包含緊湊輕便的定向耦合器的天線裝置，從而使得整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)也變得緊湊，能夠?qū)崿F(xiàn)高速波束掃描。
本發(fā)明的其他一些特性和優(yōu)點(diǎn)通過下面結(jié)合附圖例的具體實(shí)施例的描述變得清楚了。


圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例中去掉上導(dǎo)電板極的定向耦合器的透視圖；圖2A和2B分別是圖1所示定向耦合器雙線耦合模式的頂視圖和橫截面視圖；圖3A和3B是雙線耦合模式特性示例曲線圖；
圖4A和4B分別是本發(fā)明第二實(shí)施例的定向耦合器的透視圖和橫截面圖；圖5是圖4所示定向耦合器主要部分磁場(chǎng)分布實(shí)例的示意說明；圖6是定向耦合器主要部分電場(chǎng)分布比較實(shí)例的示意說明；圖7是定向耦合器主要部分磁場(chǎng)分布比較實(shí)例的示意說明；圖8是本發(fā)明第三實(shí)施例的天線裝置的頂視圖；和圖9是本發(fā)明第四實(shí)施例雷達(dá)系統(tǒng)的方框圖。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1到圖3B描述本發(fā)明第一實(shí)施例的定向耦合器。
圖1是去掉上導(dǎo)電板極的定向耦合器的透視圖。參照?qǐng)D1，定向耦合器包括下導(dǎo)電板極1以及通過切割如聚四氟乙烯(PTFE)材料而構(gòu)成的介質(zhì)條3和4。定向耦合器進(jìn)一步包括與下導(dǎo)電板極1平行放置的上導(dǎo)電板極2(參考圖2B)，從而使得介質(zhì)條3和4可以?shī)A在下導(dǎo)電板極1和上導(dǎo)電板極2之間。
如圖1所說明的，介質(zhì)條3包括了端直部分和曲折部分，并且靠近介質(zhì)條4的端直部分，但被耦合間隙G隔開，以便能平行延伸超過長(zhǎng)度L。
圖2A和2B說明了一種雙線耦合模式實(shí)例，實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于如圖1所示的定向耦合器的定向耦合部分。圖2A是介質(zhì)條3和4的頂視圖，而圖2B是介質(zhì)條3和4沿垂直于介質(zhì)條3與4的軸線的平面截取的橫截面視圖。在圖2A和2B中，耦合雙線的耦合長(zhǎng)度被標(biāo)為L(zhǎng)，上導(dǎo)電板極2和下導(dǎo)電板極1之間的間距被標(biāo)為h，介質(zhì)條3和4的寬度被標(biāo)為a，并且耦合間隙被標(biāo)為G。在這圖示中，G＝0.4mm而h＝1.8mm。
圖3A和3B展示了如圖2A和2B所示模型作為傳輸模式的LSM模式和LSE模式的特性。圖3A是展示了當(dāng)介質(zhì)條3和4的寬度a變化時(shí)耦合量為0db的耦合長(zhǎng)度L的特性。圖3B是展示當(dāng)寬度a變化時(shí)傳輸損耗的特性。
如圖3B所示，當(dāng)形成在LSM模式中使用電場(chǎng)耦合的定向耦合器時(shí)，能夠提供最小傳輸損耗的最佳線寬a為2.0mm，并且當(dāng)形成在LSE模式中使用磁場(chǎng)耦合的定向耦合器時(shí)，能夠提供最小傳輸損耗的最佳線寬a為1.5mm。如圖3A所示，在LSM模式中使用電場(chǎng)耦合的定向耦合器中能夠提供最小介入損耗的耦合長(zhǎng)度為9.2mm，并且在LSE模式中使用磁場(chǎng)耦合的定向耦合器中能夠提供最小介入損耗的耦合長(zhǎng)度為6.5mm。
一般，在單NRD波導(dǎo)中，所使用的傳輸模式為L(zhǎng)SM，而LSE模式是一種不需要的模式，因?yàn)長(zhǎng)SM模式中的傳輸損耗低于LSE模式中的傳輸損耗。然而，如圖3B所示，在定向耦合器中，在LSM和LSE模式之間的傳輸損耗實(shí)質(zhì)上是沒有區(qū)別的。而且，當(dāng)使用LSE模式時(shí)，定向耦合器的耦合長(zhǎng)度比使用LSM模式時(shí)的長(zhǎng)度短，因而成為緊湊的定向耦合器。另外，當(dāng)在LSE模式中使用磁場(chǎng)耦合的定向耦合器提供最佳耦合長(zhǎng)度(a＝1.5mm)時(shí)，LSM模式實(shí)質(zhì)上是關(guān)閉的，如圖3B所示，基本僅有LSE模式的傳輸被使用。如圖3B所示的A的范圍(大約等于1.25-1.5mm)代表了單LSE模式的傳輸范圍。相反地，LSM模式是一種不需要的模式，應(yīng)盡量避免在這種模式中耦合。
圖4A到圖7描述了本發(fā)明第二實(shí)施例的定向耦合器。
圖4A是定向耦合器雙線耦合部分的透視圖，圖4B是雙線耦合部分沿垂直于介質(zhì)條3和4的軸線的平面截取的橫截面圖。在圖4A和4B中，由金屬制成的塊狀導(dǎo)電板極5和6相互平行安置，每塊都有在其中形成的主槽以便提供導(dǎo)電平面，并且介質(zhì)條3和4分別位于主槽內(nèi)。塊狀金屬板極5和介質(zhì)條3構(gòu)成了一NRD波導(dǎo)，而塊狀金屬板極6和介質(zhì)條4構(gòu)成了另一NRD波導(dǎo)。塊狀金屬板極5和6的對(duì)立表面在本發(fā)明中對(duì)應(yīng)于“無(wú)輻射介質(zhì)線分隔面”。塊狀金屬板極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的位置和深度經(jīng)限定，從而在它們基本上隔開與介質(zhì)條3的上下表面接觸的導(dǎo)電平面為傳輸波半波長(zhǎng)整倍數(shù)的位置出現(xiàn)短路。說明一下，圖4B所示的元件尺寸在使用頻率為76.56Hz，并且定向耦合器在LSE模式中使用磁場(chǎng)耦合的情況下，其單位為mm。
圖6和7展示了在LSM模式中使用電場(chǎng)的傳統(tǒng)定向耦合器的分隔表面上，電磁波是如何泄漏的。圖6說明了電場(chǎng)分布，而圖7說明了磁場(chǎng)分布?？梢詮膱D6和7中理解的是，在LSM模式中使用電場(chǎng)耦合的定向耦合器中，導(dǎo)體被垂直于電流流動(dòng)方向的分隔表面分隔開，從而，電流被分隔表面阻斷，因此，造成大量的電磁波泄漏。通常，槽7用作扼流圈以抑制從導(dǎo)體分隔表面泄漏的電磁波，然而，大約0.2-0.3dB的損耗是沒有辦法避免的。
圖5說明了當(dāng)定向耦合器在LSE模式中使用磁場(chǎng)耦合時(shí)的磁場(chǎng)分布。定向耦合器在LSE模式中使用磁場(chǎng)耦合，在其內(nèi)導(dǎo)體被平行于電流電動(dòng)方向分隔開，受導(dǎo)體分隔的影響較少，因而引起的電磁波泄漏明顯減少。因此，由構(gòu)成定向耦合器的兩分隔NRD波導(dǎo)引起的損耗即使沒有扼流槽也會(huì)大量減少。扼流槽將進(jìn)一步減少漏泄損耗。
理論上，如果在兩個(gè)NRD波導(dǎo)的分隔表面之間生成間隙，NRD波導(dǎo)可能變得不對(duì)稱，就會(huì)引起不需要的模式(LSM模式)而在其中進(jìn)行耦合。然而，根據(jù)第二實(shí)施例構(gòu)成的NRD波導(dǎo)使用的是單LSE傳輸模式，導(dǎo)致在不需要的模式進(jìn)行的耦合減少，并且只有極小由模式轉(zhuǎn)換引起的損耗。
圖8描述了本發(fā)明第三實(shí)施例中的一種天線裝置。
圖8是去掉上導(dǎo)電板極的天線裝置的頂視圖。該天線裝置包括下導(dǎo)電板極11和12、在下導(dǎo)電板極上各自構(gòu)成的介質(zhì)條3和4，以及分別放置在介質(zhì)條3和4上的上導(dǎo)電板極(沒有顯示)，來(lái)形成兩個(gè)NRD波導(dǎo)。兩條線在介質(zhì)條3和4相互靠近并且相互平行延伸的部分耦合，以提供一種定向耦合器。
包含了介質(zhì)諧振器的主發(fā)射器8放置在介質(zhì)條4的一端，并且放置在介質(zhì)條4上的上導(dǎo)電板極具有一開放結(jié)構(gòu)，電磁波可以在與其垂直的方向發(fā)射和入射。還設(shè)置一塊主要聚焦在主發(fā)射器8上的介質(zhì)透鏡9。
在圖8中，由下導(dǎo)電板極12組成的NRD波導(dǎo)、相關(guān)的上導(dǎo)電板極以及在它們之間構(gòu)成的介質(zhì)條4和主發(fā)射器8都位于一可移動(dòng)單元中，而由下導(dǎo)電板極11組成的另一NRD波導(dǎo)，相關(guān)的上導(dǎo)電板極以及在它們之間構(gòu)成的介質(zhì)條3都位于一固定單元中。介質(zhì)透鏡9也是固定的?？梢苿?dòng)單元移動(dòng)的方向如圖8箭頭所示，主發(fā)射器8與介質(zhì)透鏡9的相對(duì)位置經(jīng)移動(dòng)，執(zhí)行波束掃描。尤其在傳輸中，從射頻(RF)電路發(fā)射的LSE模式的電磁波通過定向耦合器被導(dǎo)入主發(fā)射器8，并且電磁波以垂直于圖示平面的方向通過介質(zhì)透鏡9發(fā)射出去。當(dāng)電磁波以相反方向入射時(shí)，接收信號(hào)允許它們?cè)诳梢苿?dòng)單元中按NRD波導(dǎo)通過主發(fā)射器8以LSE模式傳輸，并且在固定單元中按NRD波導(dǎo)通過定向耦合部分以LSE模式傳輸。接著，接收信號(hào)被發(fā)送到RF電路。
圖9所描述的是本發(fā)明第四實(shí)施例中的雷達(dá)系統(tǒng)。
在圖9中，雷達(dá)系統(tǒng)包括含有耿氏二極管的壓控振蕩器(VCO)20、變?nèi)荻O管等防止傳回VOC20反射信號(hào)的隔離器21、具有用NRD波導(dǎo)來(lái)析取一部分傳輸信號(hào)作為本地信號(hào)的定向耦合器22、用于把傳送信號(hào)供給天線24的主發(fā)射器8并且把接收信號(hào)傳送給混頻器25的循環(huán)器23?；祛l器25將本地信號(hào)與接收信號(hào)混合來(lái)輸出中頻信號(hào)。IF放大器26將中頻信號(hào)放大，并且將結(jié)果信號(hào)輸出到信號(hào)處理電路27作為IF信號(hào)。信號(hào)處理電路27決定了到目標(biāo)的距離，并且基于VCO20的調(diào)制信號(hào)和接收信號(hào)之間的關(guān)系決定有關(guān)目標(biāo)的相對(duì)速度。
圖8所示的天線裝置放置在循環(huán)器23和主發(fā)射器8之間。如上所述，天線裝置定向耦合部分的耦合長(zhǎng)度L可以比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定向耦合器短，因而使得可移動(dòng)單元變得緊湊和輕便。這將減少施加在驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)單元的線性傳動(dòng)裝置上的負(fù)荷，因而使得可靠性增加。負(fù)載的可移動(dòng)單元越輕，線性傳動(dòng)裝置越緊湊，因而成為一種緊湊的天線裝置，并且整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)也相應(yīng)變得緊湊。同樣的原因，更高速率的波束掃描成為了可能，并且感知目標(biāo)、偵測(cè)到目標(biāo)的距離、與目標(biāo)的相對(duì)速度可以在更加寬的波束掃描范圍內(nèi)以更短的時(shí)間周期被執(zhí)行。
雖然，本發(fā)明是結(jié)合具體實(shí)施例來(lái)討論的，但很多其他變換和修改以及其他用途對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員來(lái)說也是很顯然的。因而，本發(fā)明并不局限于這里所明確揭示的說明。
權(quán)利要求
1.一種定向耦合器，其特征在于，包括兩根無(wú)輻射介質(zhì)線，每根線包括一對(duì)基本上相互平行放置的導(dǎo)電表面，以及放置在其間的介質(zhì)條，所述兩根無(wú)輻射介質(zhì)線通過至少部分相互鄰近平行延伸的介質(zhì)條相互耦合，在無(wú)輻射介質(zhì)線中以使用頻率傳播的電磁波的主要傳輸模式是LSE模式。
2.如權(quán)利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，以使用頻率在無(wú)輻射介質(zhì)線中傳播的電磁波僅以LSE模式傳播。
3.如權(quán)利要求1或2所述的定向耦合器，其特征在于，所述兩根無(wú)輻射介質(zhì)線相互相對(duì)沿介質(zhì)條的徑向位移。
4.如權(quán)利要求1或2所述的定向耦合器，其特征在于，所述的導(dǎo)電表面對(duì)在所述兩根無(wú)輻射介質(zhì)線之間的位置被分隔以便構(gòu)成分隔表面，分隔表面沿兩介質(zhì)條的徑向延伸。
5.如權(quán)利要求4所述的定向耦合器，其特征在于，扁平導(dǎo)電表面相互平行放置，并包含了支撐介質(zhì)條的導(dǎo)電板，導(dǎo)電板的相對(duì)表面對(duì)應(yīng)于所述兩根無(wú)輻射介質(zhì)線的分隔表面，并且相對(duì)表面在其中有扼流槽。
6.一種天線裝置，其特征在于，包括如權(quán)利要求3所述的定向耦合器；在所述定向耦合器中與無(wú)輻射介質(zhì)線之一相連接的主發(fā)射器；以及基本聚焦在所述主發(fā)射器上的介質(zhì)透鏡。
7.一種雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，包括發(fā)射和接收電磁波的單元，并且連接到如權(quán)利要求6所述的天線裝置上。
8.一種天線裝置，其特征在于，包括如權(quán)利要求4所述的定向耦合器；在所述定向耦合器中與無(wú)輻射介質(zhì)線之一相連接的主發(fā)射器；以及基本聚焦在所述主發(fā)射器上的介質(zhì)透鏡。
9.一種雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，包括發(fā)射和接收電磁波的單元，并且連接到如權(quán)利要求8所述的天線裝置上。
10.一種天線裝置，其特征在于，包括如權(quán)利要求5所述的定向耦合器；在所述定向耦合器中與無(wú)輻射介質(zhì)線之一相連接的主發(fā)射器；以及基本聚焦在所述主發(fā)射器上的介質(zhì)透鏡。
11.一種雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，包括發(fā)射和接收電磁波的單元，并且連接到如權(quán)利要求10所述的天線裝置上。
全文摘要
一種定向耦合器包括兩根無(wú)輻射介質(zhì)線,每根都是由基本上相互平行的導(dǎo)電平面之間的介質(zhì)條構(gòu)成,使所述的兩根無(wú)輻射介質(zhì)線相互靠近。在使用頻率下的電磁波傳輸主模式是LSE模式,電磁波在無(wú)輻射介質(zhì)線中傳播。因而,由構(gòu)成定向耦合器的主線以及副線耦合部分的模式轉(zhuǎn)換所引起的介入損耗可以被減小,并且當(dāng)定向耦合器的主線和副線相互分隔時(shí),減小了從它們之間的間隙泄漏的電磁波。
文檔編號(hào)H01P5/16GK1344041SQ0113268
公開日2002年4月10日 申請(qǐng)日期2001年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月8日
發(fā)明者北森宣匡, 平塚敏朗 申請(qǐng)人:株式會(huì)社村田制作所