CN107919529A - 天线器件 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种天线器件(1)，该天线器件(1)包括至少一个天线元件(2)。天线元件(2)实现为在波束方向(3)发射电磁辐射和/或从波束方向(3)接收电磁辐射，其中，所述发射电磁辐射优选地以GHz范围内的频率进行。此外，天线元件(2)布置在载体元件(4)上，所述载体元件(4)相对于保持元件(5)布置。此外，载体元件(4)是相对于所述保持元件(5)可移动的。

Description

天线器件
技术领域
本发明涉及天线器件。该天线器件具体地用于发送和/或接收电磁信号。
背景技术
目前，基于雷达的驾驶员辅助***、基于雷达的传感器(如填充水平或距离及速度测量装置)以及用于高比特率无线数据传输的通信***、安全技术、建筑物监控和室内导航***优选地工作于高GHz频率范围。所提到的所有应用都需要具有一定方向效应或方向性的天线，通常还要求方向性在空间上是可变的。关于用于例如汽车行业的“自适应巡航控制”***中的雷达***，其方向性用于对目标进行空间检测。关于高比特率通信***，通过指向式发射使得重用频谱成为可能。此外，借助于使用指向式发射天线对发射机和接收机之间的传输损耗进行部分补偿，并且可以掩蔽(mask out)虚假反射。
可以使用致动器来机械地执行对天线的波束方向的空间转向或转动，比如使用用于射电天文学的抛物面天线的情况。这种调节方式是非常精确的，但获得特定位置的时间在若干分钟的范围内。相反，通过由多个单独的天线(通常是平面设置)组成的所谓的相控阵列天线***使得微秒范围内的超快转向成为可能，其中，每个天线都包括电子可调相移器。为了实现方向性，相控阵列天线需要至少两个单独的发射器。另外，需要复杂的驱动网络。
通常使用较慢、机械和更快速的电子束转向的组合。
微波天线经常实现为诸如氧化铝陶瓷(Al2O3)的适合于微波的衬底上的分离组件，并且通过导电连接与有源组件(发射机、接收机)连接。在硅上对片上天线的晶片级集成已经经过多年的严格检测。小型化和降低成本的愿望在这里起着重要的作用。在[1]中，描述了硅衬底上的倒F型和八木天线，并且呈现了第一测量结果。然而，在其中没有检测方向图的转向能力。
[2]中跟描述了具有包括用于波束转向的四个发射器元件相控阵列布置的集成在硅锗SiGe上的77GHz收发器。因此，通过包括两个混频器、移相器和功率组合器的电路驱动每个发射器元件。增加发射的微波功率需要每个天线元件一个功率放大器。集成的天线元件是简单的偶极天线。然而，总体电路复杂度很高。
[3]中描述了包括由数字移相器借助MEMS开关切换来驱动的五个单极天线的60GHz频率的天线布置。移相器可以以20度的步长切换，因此只允许离散的波束转向。
[4]中可以找到使用MEMS的可机械转向的天线图的第一个建议。它涉及半波偶极子，其臂可以使用MEMS线性致动器彼此独立地移动。
[5]描述了一种提出了天线方向图的电子和基于MEMS的机械转向的布置。这里，阵列布置的每个天线元件实现为单独可转向的。另外，还提议了改变驱动相位。这种布置基于具有400μm×400μm的镜面积的光学2D扫描仪[6]。然而，频率为76.5GHz的贴片天线需要至少800μm×600μm的面积。另外，没有描述如何驱动各个天线元件。
[7，8，9]中描述了一种用于60Ghz频率的机械可转向2x2贴片阵列。该结构形成在玻璃衬底上，介电聚合物材料苯并环丁烯(BCB)用于悬浮，衬底材料用于天线；该结构通过硅框架得以稳定。通过使用围绕呈±20度的角度的两个轴的磁力来进行转向。然而，该结构复杂，对有源组件的附加集成看起来难以实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种允许小型化并且不必处理辐射特性的显著损耗的天线器件。
本发明通过一种天线器件实现所述目标。所述天线器件包括至少一个天线元件。所述天线元件实现为在波束方向发射电磁辐射和/或从波束方向接收电磁辐射，其中，所述发射电磁辐射优选地以GHz范围内的频率进行。所述天线器件包括载体元件。因此，天线元件和载体元件实现并调谐到彼此，使得载体元件能够相对于保持元件或保留元件移动。
本发明的天线器件包括至少一个天线元件和载体元件。天线元件在波束方向上(优选地在GHz范围内)发射电磁辐射和/或从波束方向接收这种辐射。因此，接收和发射主要在波束方向上发生，在一个实现中，天线元件的主瓣位于波束方向。该实现涉及毫米波天线器件。至少一个天线元件(在一个实现中，存在若干个天线元件)被布置在载体元件上。载体元件转而相对于保持元件来布置。在一个实现中，载体元件具体地布置在保持元件的凹陷中。通过使载体元件相对于保持元件移动，实现了波束方向的机械产生的移动。载体元件和保持元件是天线器件的机械部件。天线器件的特征在于以下事实：其方向特性可以机械地在空间转向，从而允许波束方向的快速改变，尤其是连续改变。在一个实现中，方向特性首先由天线瓣的方向决定。在一个实现中，使用致动器实现波束方向的机械转向。在一个实现中，至少一个天线元件和载体元件直接集成在致动器上。
天线器件表示可相对于波束方向转向的毫米波天线，根据其实现，其具有至少一些以下优点：
-由于可将半导体行业的标准工艺用于制造，因此导致成本优势。
-通过机械实现可以进行连续转向。
-此外，可以实现波束方向的超快转向，例如在毫秒范围内。
-转向是根据组件的机械实现而进行的，因此，举例来讲，与相控阵***相反的是，不需要其他的有源(尤其是电子)元件。
在一个实现中，天线元件与载体元件固定地接触或连接，使得载体元件相对于保持元件移动，天线元件相对于保持元件的移动由此产生。
在一个实现中，天线元件的尺寸(即它的大小)在发射和/或接收的电磁辐射的波长的十分之一到一千倍之间。当波长记为λ时，该实现中的尺寸在λ/10与1000*λ之间。
在一个实现中，天线器件是至少部分地使用微***技术的方法制作的。
根据一个实现，载体元件至少部分地包括介电的且低损耗的材料。
在一个实现中，使用相应实现的致动器静电地对波束方向进行转向。
一个实现涉及MEMS致动器。
在一个实现中，致动器导致载体元件在静止位置所位于的和/或天线元件所布置于的平面中移动。在备选实现中，移动垂直于所述平面进行。
在一个实现中，载体元件相对于保持元件悬停。这里，悬停允许不同的移动。因此，根据一个实现，可以实现单轴或多轴悬停。悬停允许线形(准静态或谐振)、光栅形(一轴准静态、一轴谐振)，Lissajous形(两轴谐振)或完全矢量(两轴准静态)移动。这些移动每个都意味着天线元件的波束方向或瓣的不同取向。
通信应用示例性地需要波束方向的准静态矢量跟踪。关于汽车雷达***，可能需要最大可能的立体角区域的谐振扫描。
在一个实现中，载体元件实现为MEMS微镜扫描仪。这样的扫描仪例如由硅制成，并且在例如[10]中进行了描述。为了实现这一目的，镜面由用作天线的金属结构代替。因此，在此应用针对天线元件的至少一个结构。这种微镜扫描仪的常规应用领域是微机械激光束偏转***，举例来讲，与[11]比较。
在一个实现中，载体元件布置在保持元件的凹陷中。因此，载体元件至少部分地位于保持元件中或包括在保持元件中。在一个实现中，保持元件的凹陷受到圆的限制，并且在备选实现中，所述凹陷是连续凹陷。
在一个实现中，载体元件经由至少一个固定元件间接连接到保持元件。在一个实现中，固定元件是弹簧，载体元件经由所述弹簧支撑在保持元件中，以可以围绕轴转向。因此，弹簧固定元件产生恢复力。
在一个实现中，固定元件实现为使得固定元件具有机械弹性。因此，固定元件可发生弹性形变，其结果是通过形变或通过移动使载体元件引起弹力，该弹力的效果与形变方向相反，从而回到起始状态。
在一个实现中，固定元件实现为扭力弹簧。
根据一个实现，固定元件至少部分地包括硅或多晶硅。
在一个实现中，载体元件布置在保持元件中，以至少能够围绕旋转轴旋转。在一个实现中，载体元件布置为可在保持元件内旋转。
在一个实现中，旋转轴垂直于载体元件。在该实现中，载体元件在载体元件所位于的平面内旋转。当在一个实现中载体元件是盘时，盘在其最大延伸所位于的平面内旋转。
在备选或附加实现中，旋转轴沿一个取向位于载体元件所位于的平面内。在该实现中，载体元件围绕旋转轴倾斜。在一个实现中，旋转轴穿过载体元件或穿过与载体元件优选地具有其最大延伸的平面平行的平面。
根据实施例，载体元件围绕旋转轴的旋转产生相对于静止位置在+90°和-90°之间的角度。
在另一实现中，产生相对于静止位置在+20°和-20°之间的旋转角度。
根据一个实现，载体元件能够以平移方式移动。因此，载体元件被移位。在一个实现中，这相对于保持元件完成。
在一个实现中，天线器件包括真空封装。这种气密封装导致气体分子的衰减降至最小。在谐振操作中，这导致幅度的显著增益。因为大的振动幅度允许检测最大可能的立体角，所以这是有利的。
作为备选或补充，在一个实现中，天线器件气密封装。
在一个实现中，天线器件包括相应地实现的至少一个致动器，以将载体元件与天线元件一起相对于保持元件移动。
因此，在一个实现中，致动器实现为基于静电和/或电磁和/或压电和/或热原理来移动载体元件。因此，这指的是产生引起载体元件移动的力的不同变型。
在一个实现中，天线元件实现为Vivaldi天线。这样的天线具有高带宽。
备选地，天线元件实现为天线贴片或偶极子或缝隙天线或八木天线。在一个实现中，存在至少一个方形、矩形或圆形贴片。在另一个实现中，天线元件包括由若干贴片组成的阵列。这导致更高的方向效应。
在一个实现中，天线器件包括若干天线元件。在一个实现中，天线元件仅布置在载体元件上。
根据一个实现，天线器件包括若干天线元件。因此，天线元件布置在不同的载体元件上，这些载体元件均布置在保持元件中。
在一个实现中，所述若干天线元件被规则地布置，并且优选地布置成矩阵结构。
在一个实现中，波束方向的机械取向由电子变型来补充。因此，天线器件包括驱动装置。驱动装置实现为电驱动所述若干天线元件，使得波束方向取决于驱动。
在一个实现中，天线器件包括用于电接触天线元件的导电结构。当存在若干天线元件时，在一个实现中，存在若干导电结构，并且在备选实现中，导电结构用于接触若干天线元件。因此，导电结构(可能是多个导电结构)至少部分地布置在载体元件上。
一个实现将导电结构实现为共面线。
在一个实现中，天线器件包括至少一个波束成形结构。波束成形结构因此作用于从天线元件(或多个天线元件)发出的辐射，和/或波束成形结构确定由天线元件(或多个天线元件)接收的辐射的形状。
以下实现涉及波束成形结构的各个变形，其中所述变形的组合存在于进一步的实现中。
根据一个实现，波束成形结构实现为透镜。在一个实现中，本文中的波束成形结构和天线元件彼此布置，使得天线元件位于实现为透镜的波束成形结构的焦点。在一个实现中，这是球面透镜或柱面透镜。
在另一实现中，波束成形结构实现为反射镜。
在另一实现中，波束成形结构实现为抛物面镜。
根据另一种实现，波束成形结构由调节结构、锥形部分和半圆柱组成。
在涉及天线器件的结构的一个实现中，在载体元件和天线元件之间布置玻璃层。在另一实现中，载体元件由硅构成。在一个实现中，天线元件应用于作为载体元件的玻璃-硅衬底上。这种衬底增加了天线元件的效率。与其他衬底材料相比，硅由于其残留电导率而展现出针对电磁波的相对较高损耗。当将低损耗玻璃的薄层应用于硅衬底上时，可以减少损耗。从而，电磁波仅部分地在有损硅中传播。这导致天线效率的提高。
附图说明
具体地，存在多种实现和进一步发展本发明的天线器件的方式。一方面参考权利要求书，另一方面结合附图对实施例进行以下描述，其中：
图1是天线设备的第一变形的空间的且部分透明的图示；
图2是天线设备的第二变形的空间的且部分透明的图示；
图3示出了天线器件的变形的截面视图；
图4是天线设备的第三变形的空间的且部分透明的图示；
图5是天线设备的第四变形的空间的且部分透明的图示；
图6是天线设备的第五变形的空间的且部分透明的图示；
图7是天线设备的第六变形的空间的且部分透明的图示；
图8是天线设备的第七变形的空间的且部分透明的图示；
图9示出了天线器件的第八变形的顶视图；
图10示出了图9的实现的截面视图；
图11示出了天线器件的第九变形的截面视图；
图12示出了天线器件的第十变形的截面视图；
图13示出了天线器件的第十一变形的截面视图；以及
图14是具有若干保持元件的天线设备的第十二变形的空间的且部分透明的图示。
具体实施方式
图1示出了作为保持元件5的硅块。示例性地以微镜类型实现的载体元件4悬停在凹陷50中以能够围绕旋转轴7旋转。这里，矩形贴片用作天线元件2。通过溅射或蒸发薄金属层来示例性地制作这种贴片。金属可以是例如金或铝。备选贴片包括正方或圆形轮廓。进给信号(feeding signal和排出信号(draining signal)示例性地与经由共面接地的共面线或微带线(这里未示出)的机械悬停结合发生。波束方向3垂直于载体元件4，从而旋转载体元件4也会使波束方向3旋转。这里未示出的辐射瓣作为主波束方向位于波束方向3上。
优选地，载体元件4和布置在其上的至少一个天线元件2包括最小可能质量，使得致动器能够实现移动天线元件2的最高可能速度。因此，天线器件1的MEMS布置示例性地允许在成像毫米波雷达设备中应用。
图2示出了与图1相比时天线器件1的类似实现。然而，天线元件2是经由导电结构10来馈送的偶极子。
图3示出了在载体元件4上具有天线元件2的天线器件1的截面视图。载体元件4经由两个固定元件42、在其所位于的凹陷50内连接到保持元件5。本文中，固定元件42实现为弹性弹簧类型。在一个实现中，固定元件42实现为扭力弹簧，使得在偏转之后，产生具有回到起始或静止位置的效果的弹力。此外，还存在致动器9，致动器9在这种情况下绕两个旋转轴7a、7b移动载体元件4。一个旋转轴7a位于载体元件4在静止位置所位于的平面内，也就是说，在载体元件4实现为盘的情况中，平行于保持元件5的地面。围绕该旋转轴7a发生一种倾斜。另一旋转轴7b垂直于载体元件4，使得当旋转时，载体元件4置于静止平面。这里还示出了真空封装8。
在图4所示的天线器件1的实现中，天线元件2是缝隙天线，并且导电结构10实现为共面线。
可以通过例如使用阵列辐射器作为天线元件2来实现增加天线增益，其中天线元件2示例性地由正方的、矩形的或圆形的独立贴片天线组成。
图5示出了具有属于天线元件2的矩形独立贴片天线发射器的天线器件1。备选地，图8的布置可以例如以阵列的形式布置多次。还将看到的是驱动元件20，为了清楚起见，驱动元件20仅连接到两个天线元件2并且对天线元件2进行电驱动，使得除了波束方向3的机械转向之外，还引起电子转向。
通过使用适当尺寸的波束成形结构11，导致天线增益的进一步增加。
这示于图6。这里的波束成形结构11实现为介电透镜，并且在本示例中，具体地实现为球面透镜。所示实现中的对波瓣(radiation lobe)或波束方向3的转向是通过沿着移动的轴7’横向移位载体元件4以及在该示例中还有保持元件5来实现的。作为球面透镜11替代，备选方案(这里未示出)使用由合适的介电材料制成的抛物线形、双曲线形、椭圆形或余弦形主体作为透镜。
图7示出了天线器件1，其中旋转轴7垂直于载体元件4，因此天线瓣(antennalobe)或波束方向3的转向围绕旋转轴7。这里的瓣保持在同一平面中。这里的天线元件2是Vivaldi天线。在图8中类似的实现中，天线元件2是八木天线布置。
图9示出了使用Vivaldi天线作为天线元件2的天线器件1的顶视图。围绕保持元件5或围绕载体元件4以半圆形延伸的波束成形结构11(这里是圆形)用于增加天线增益。这里的波束成形结构11是柱面透镜，如图10的截面视图所示。
图11中的实现的波束成形结构11包括半圆柱112，该半圆柱112经由锥形结构111通向调节结构110。因此，将天线元件2的电磁波调节到半圆柱112。
作为半圆柱的替代，在备选变形(这里未示出)中，波束成形结构包括抛物线形、双曲线形、椭圆形或余弦形主体。
在图12和图13的实现中，波束成形结构11是抛物面镜。
图10至12中的实现均示出了所述至少一个天线元件2所位于的载体元件4。此外，载体元件4布置在保持元件5的凹陷50中(这里的凹陷50是连续的)。
在图13的实施中，玻璃层12布置在例如由硅制成的载体元件4和天线元件2之间。这里，玻璃层12通过减少损耗来增加天线的效率。
图14示出了一种布置，其中天线器件1包括均布置在载体元件4上的若干天线元件2。载体元件4均位于保持元件5的凹陷50中。这里的载体元件4可以独立地旋转，并且特别地，独立地倾斜。
上述实施例仅表示本发明的原理。应当理解，这里所描述的布置和细节的修改和变形对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明旨在仅由所附权利要求的范围限制，而不是由参考实施例的描述和讨论呈现的具体细节来限制。
参考文献：
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Claims (25)

1.一种天线器件(1)，
其中，所述天线器件(1)包括至少一个天线元件(2)，
其中，所述天线元件(2)实现为在波束方向(3)发射电磁辐射和/或从波束方向(3)接收电磁辐射，其中，所述发射电磁辐射优选地以GHz范围内的频率进行，
其中，所述天线元件(2)布置在载体元件(4)上，
其中，所述载体元件(4)相对于保持元件(5)布置，并且优选地布置在所述保持元件(5)的凹陷(50)中，以及
其中，所述载体元件(4)能够相对于所述保持元件(5)移动。
2.根据权利要求1所述的天线器件(1)，
其中，所述天线元件(2)与所述载体元件(4)固定地接触。
3.根据权利要求1所述的天线器件(1)，
其中，所述天线元件(2)的尺寸在所发射和/或接收的电磁辐射的波长的十分之一与一千倍之间。
4.根据权利要求1所述的天线器件(1)，
其中，所述天线器件(1)是至少部分地使用微***技术的方法而制作的。
5.根据权利要求1所述的天线器件(1)，
其中，所述载体元件(4)至少部分地包括介电的且低损耗的材料。
6.根据权利要求1所述的天线器件(1)，
其中，所述载体元件(4)借助至少一个固定元件(42)连接到所述保持元件(5)，以及
其中，所述固定元件(42)实现为机械弹性的。
7.根据权利要求6所述的天线器件(6)，
其中，所述固定元件(42)至少部分地包括硅或多晶硅。
8.根据权利要求1所述的天线器件(1)，
其中，所述载体元件(4)布置在所述保持元件(5)中，至少能够围绕旋转轴(7)旋转。
9.根据权利要求8所述的天线器件(1)，
其中，所述旋转轴(7)与所述载体元件(4)垂直。
10.根据权利要求8所述的天线器件(1)，
其中，所述旋转轴(7)沿一个取向位于所述载体元件(4)所位于的平面中。
11.根据权利要求8所述的天线器件(1)，
其中，所述载体元件(4)的旋转产生相对于静止位置+90°到-90°之间的角度。
12.根据权利要求8所述的天线器件(1)，
其中，所述载体元件(4)的旋转产生相对于静止位置+20°到-20°之间的角度。
13.根据权利要求1所述的天线器件(1)，
其中，所述载体元件(4)能够以平移的方式移动。
14.根据权利要求1所述的天线器件(1)，
其中，所述天线器件(1)包括真空封装(8)和/或
其中，所述天线器件(1)是气密封装的。
15.根据权利要求1所述的天线器件(1)，
其中，所述天线器件(1)包括至少一个致动器(9)，所述致动器(9)相对于保持元件(5)移动所述载体元件(4)，以及
其中，所述致动器(9)实现为基于静电和/或电磁和/或压电和/或热原理来移动所述载体元件(4)。
16.根据权利要求1所述的天线器件(1)，
其中，所述天线元件(2)实现为Vivaldi天线，
或者
其中，所述天线元件(2)实现为天线贴片，
或者
其中，所述天线元件(2)实现为偶极子，
或者
其中，所述天线元件(2)实现为缝隙天线，
或者
其中，所述天线元件(2)实现为八木天线。
17.根据权利要求1所述的天线器件(1)，
其中，所述天线器件(1)包括若干天线元件(2)，以及
其中，所述天线元件(2)仅布置在所述载体元件(4)上。
18.根据权利要求1所述的天线器件(1)，
其中，所述天线器件(1)包括若干天线元件(2)，
其中，所述天线元件(2)布置在不同的载体元件(4)上，以及
其中，所述天线元件(4)均布置在保持元件(5)中。
19.根据权利要求1所述的天线器件(1)，
其中，所述天线元件(2)规则地布置并且优选地布置成矩阵结构。
20.根据权利要求1所述的天线器件(1)，
其中，所述天线器件(1)包括驱动元件(20)，
其中，所述驱动元件(20)实现为电驱动所述若干天线元件(2)，使得所述波束方向(3)取决于驱动。
21.根据权利要求1所述的天线器件(1)，
其中，所述天线器件(1)包括用于与天线元件(2)电接触的导电结构(10)，以及
其中，所述导电结构(10)至少部分地布置在所述载体元件(4)上。
22.根据权利要求21所述的天线器件(1)，
其中，所述导电结构(10)实现为共面线。
23.根据权利要求1所述的天线器件(1)，
其中，所述天线器件(1)包括至少一个波束成形结构(11)。
24.根据权利要求23所述的天线器件(1)，
其中，所述波束成形结构(11)实现为透镜，
或者
其中，所述波束成形结构(11)实现为球面透镜，
或者
其中，所述波束成形结构(11)实现为柱面透镜，
或者
其中，所述波束成形结构(11)实现为反射镜，
或者
其中，所述波束成形结构( 11)实现为抛物面镜，
或者
其中，所述波束成形结构(11)包括调节结构(110)、锥形部分(111)和半圆柱(112)。
25.根据权利要求1所述的天线器件(1)，
其中，玻璃层(12)布置在所述载体元件(4)与所述天线元件(2)之间。
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