扇形天线设备和车载式发送和接收设备 【技术领域】
本发明涉及在适用于诸如广角遥感雷达系统等使用的扇形天线，还涉及车载式传输和接收设备，例如，采用扇形天线设备的雷达设备或通信设备。
技术背景
在诸如日本未审查专利申请公开号No.11-168318的专利中揭示了相关技术中的第一台扇形天线设备，在该专利中，多个以辐射状延伸的羊角天线式采用转换开关来切换的，以便于发射高频电磁波辐射(无线电频率信号)，例如，以全360°方向发射的微波和毫米波。
在诸如日本未审查专利申请公开号No.9-284045的专利中揭示了相关技术中的第二台扇形天线设备，在该专利中，多个在不同水平平面中地指向性的元件天线定位在不同的高度上，使得元件天线的中心轴基本对准其垂直方向。
在相关技术中的第二种扇形天线设备中，某些元件天线具有不同的水平孔径长度，以便于能在相邻元件天线中以-3dB的交叉水平和以基本相同的增益来覆盖所有的方向。
在相关技术中的第一种扇形天线设备中，羊角天线的形状通常设计成使得羊角天线具有相同天线的特性，例如，波束的宽度和天线的增益。因此，扇形天线设备在所有方向上都具有基本相同的指向性。
然而，扇形天线设备应用于诸如车载式广角遥感雷达设备中就必须能监测目标，例如，障碍物或其它车辆，以及与前进方向上的车辆的距离，但是这类遥感天线设备却只能监测目标，例如，靠近车辆的左右方向上的障碍物。因此，根据监测的方向就需要不同的天线特性。
具有在所有的方向上能监测远距离目标功能的扇形天线设备对远距离的监测目标需要高的角度分辨率，还需要多个羊角天线来支持所有方向上的检测。于是，就增加了产品的成本，以及也增加了整个扇形天线设备的体积。
在相关的技术中，多路径天线主要是应用于车载式广角遥感雷达系统。该多路径天线一般具有窄带的特性，以及具有所需天线特性的多路径天线的批量生产是困难的，因为制造不理想等等的影响产生了的产品生产率。由于多路径天线的指向特性难以自由的控制，所以多路径天线不能满足雷达系统所需的天线性能。
在相关技术的第二种扇形天线设备中采用了具有不同水平孔径长度的元件天线的组合，将两个具有相同孔径长度的元件天线配成一对，使得第一天线对可以具有不同于第二天线对的指向性，并且成对的天线在垂直方向上定位不同的高度上，以便于减小扇形天线设备在圆周方向上的体积。这难以在相反的方向上获得不同的天线特性，例如，角度分辨率和天线增益，于是就引发了在所需的方向上不一定能获得所需的天线特性的问题。
在相关技术中的第二扇形天线的设备中，多个元件天线处于以垂直方向的不同位置上，于是就在垂直方向上增加了扇形天线设备的体积。因此，就难以将这样的扇形天线设备应用于高度受到限制的系统中。
【发明内容】
针对相关技术的上述问题，本发明的目的是提供扇形天线和车载式传输和接收设备，在该设备中，可以在各个辐射方向获得所需的天线特性。
在本发明的一个方面，扇形天线设备包括多个以不同方向辐射波束的羊角天线；以及用于在多个羊角天线中变化的天线转换的开关，其中，多个羊角天线中以多方向的高角度分辨率方向发射波束辐射的那个羊角天线可具有大的孔径，以便于具有较窄的波束宽度，并且多个羊角天线中以多方向的低角度分辨率方向发射波束辐射的那个羊角天线可具有小的孔径，以便于较宽的波束宽度。
于是，具有较窄的波束宽度的大孔径的羊角天线可具有高的角度分辨率和高的天线增益，并且该羊角天线的监测或通信距离是较。在另一方面，具有小孔径的羊角天线可具有低的天线增益以及具有短的检测距离，尽管这样的羊角天线的较宽波束宽度允许对宽角度监测和通信范围。因此，例如角度分辨率、波束宽度、和天线增益等所需的通信特性都可以在所需方向上获得。
具有不同孔径区域和不同角度分辨率可以组合，从而允许使用最少的羊角天线在整个所需角度范围内进行检测或通信。因此，具有较少数量的羊角天线的扇形天线设备可以较紧凑。天线转换开关的转换数量也可以减小，并且天线转换开关具有简单的结构，从而减小产品的成本。
可以将多个羊角天线安装在车辆上。最好是多个羊角天线中以车辆前进或后退方向发射波束辐射的那个羊角天线具有大的孔径，并且多个羊角天线中以车辆右方向或左方向发射波束辐射的那个羊角天线具有小的孔径。
具有大的孔径的羊角天线的定位，使之以车辆前进或后退方向发射波束辐射，并且在对应于其运动方向的车辆的前进或后退方向具有高的天线增益。因此，该羊角天线能够检测目标或与目标相通信，其该目标可以是远离车辆的障碍物和其它车辆。在另一方面，具有小的孔径的羊角天线的定位，使之以车辆右方向或左方向发射波束辐射，并且可以只检测一种目标，例如，在车辆附近的障碍物，尽管该羊角天线的广宽波束的宽度允许进行宽角度的检测范围。
天线转换开关可以是使用微机械技术所形成的高频率转换开关。
因此，天线转换开关的损耗可以减小，并且在羊角天线之间的绝缘能够得到改善。因此，可以防止在具有较低角度分辨率的给定羊角天线和相邻羊角天线之间的信号干扰。
本发明的另一方面，车载式发送和接收设备，例如，雷达设备或者通信设备，可以包括本发明的扇形天线设备。因此，可以使整个传输和接收设备更紧凑，以及这样的传输和接收设备可以较容易的安装在车辆上，或者对这类传输和接收设备只需要小的安装空间。
附图的简要说明
图1是根据本发明第一实施例的扇形天线设备的平面图，该设备安装在车辆上；
图2是根据本发明第一实施例的扇形天线设备的透视图；
图3是图2所示扇形天线设备的分解透视图；
图4是根据第一实施例的扇形天线设备的平面图；
图5是根据本发明第二实施例的扇形天线设备的平面图，该设备安装在车辆上；
图6是根据第二实施例的扇形天线设备的平面图；
图7是根据本发明第三实施例的广角遥感雷达设备的透视图；
图8是根据第三实施例的广角遥感雷达设备的框图；
图9是根据本发明改进的扇形天线设备的透视图。
较佳实施例的描述
以下参照车载式广角遥感雷达设备内容的附图详细地讨论根据本发明实施例的扇形天线设备和车载式传输和接收设备。
图1至图4示出根据本发明第一实施例的扇形天线设备1。该扇形天线设备1安装在车辆A的左右两侧，并且包括一个外壳2，六个羊角天线5A至5F，和一个天线转换开关6。
安装在车辆A的左右侧的扇形天线设备1最好具有对称性结构。在以下的讨论中，安装在测量A的右侧的扇形天线设备1作为例子来讨论。在图1中，θo表示方位角度，本文中假定θ为0o(θ＝0o)表示车辆的前进方向并且顺时增加。
扇形天线设备1的外壳采用导体金属材料制成，并且形成诸如基本半圆形的盒子。该壳体在低于高度方向中心部分处形成一个下部的盒子3，在下部壳体3上放置了一个上部壳体4。下部壳体3和上部壳体4都是半圆形的，并且在放在一起的下部壳体和上部壳体4之间设置了六个羊角天线5A至5F。
容纳在外壳2中的羊角天线5A至5F最好是金属矩形波导羊角天线，并且从其中心向外壳的弧边缘辐射状延伸。羊角天线5A至5F设置在基本相同的平面内。各个羊角天线5A至5F的最接近端定位在外壳2的中心处，以形成具有矩形剖面的波导，并且其末梢端逐渐分散以在外壳2的弧边缘上形成开口。
羊角天线5A至5F的最接近端通过天线转换开关6与一个振荡器(未示出)相连接，正如以下所讨论的。羊角天线5A至5F在诸如从车辆A的前进方向到后退方向的180°范围的不同方向上具有孔径，使得振荡器输出的高频信号能以不同的方向发射。
在羊角天线5A至5F中，羊角天线5A至5C在车辆的前进方向上具有孔径且能向车辆前进方向(例如，θ＝近似为0°至60°)上的目标辐射高频信号波束B，羊角天线5A至5C的孔径区域大于其它羊角天线5D至5F的孔径区域。羊角天线5D具有在车辆A的左右侧的孔径且能够在车辆A的两侧(例如，θ＝近似为60°至120°)辐射高频信号波束B，羊角天线5D的孔径区域小于其它羊角天线5A至5C、5E和5F的孔径区域。羊角天线5E和5F在车辆的后退方向上具有孔径且能够向车辆后面(例如，θ＝近似为120°至180°)的目标辐射高频信号波束，并且羊角天线5E和5F的孔径区域都小于羊角天线5A至5C的孔径区域，但大于羊角天线5D的孔径区域。
于是，羊角天线5A至5C以狭窄的波束宽度W1向车辆A前方的目标发射高频信号辐射，并且在侧向具有孔径的羊角天线5D以广宽的波束宽度W2向车辆A左右侧发射高频信号辐射。羊角天线5E和5F以比波束宽度W1更宽和比波束宽度W2更窄的波束宽度W3向车辆A的背后方向发射高频信号的辐射。
天线转换开关6设置在外壳2的中心处，它采用包括在半导体基片(例如，硅基片)6A上的高精度刻蚀的微机械技术制成，和单片微波集成电路(MMIC)器件和类似器件所制成的高频信号转换开关(即，RF-MEMS(无线电频率为机电系统)制成。天线转换开关6采用变换传输线，例如，在形成波导的基片6A上制成的微带线、共面波导和开槽线等连接着羊角天线5A至5C的最接近端。
天线转换开关6固定在下部外壳3和上部外壳4之间，并且设置在外壳2高度方向的中间位置上。连接着以辐射状设置的羊角天线5A至5F的最接近端的天线转换开关6是适用于六个羊角天线5A至5F的SP6T(单刀六掷)开关，并且还连接在外部振荡器(未显示)或其它等等和六个羊角天线5A至5F之间，从而可以有选择地将羊角天线5A至5F与振荡器相连接。
天线转换开关6并不局限于SP6T开关，也可以根据羊角天线的数量使用SPnT开关，其中，n可以是两个或更多个。
除了扇形天线设备1以外，车辆A也可以装备ACC(自适应巡航控制)天线(未示出)，以便于使用ACC天线来检测在车辆前方(例如，θ＝-30°至+30°)的目标，例如，障碍物。
在第一实施例的扇形天线设备1中，天线转换开关6连接着振荡器之类的装置，以便于能顺序改变羊角天线5A至5F与振荡器的连接。于是，羊角天线5A至5F顺序向车辆A的前方目标和车辆A的后方目标发射由振荡器所输出的高频信号的辐射，并且接受由障碍物(例如，不同的车辆)等所反射的高频信号辐射的反射波。检测在振荡器输出的高频信号所产生的反射波和发送波之间的相位差异，从而确定在车辆A和障碍物之间的距离。
因此，在第一实施例中，羊角天线5A至5F的孔径范围相互不同。羊角天线5A至5C具有狭窄波束宽度W1的大孔径，可以具有高的角度分辨率和高的天线增益，因此，羊角天线5A至5C的检测或通信距离较远。另一方面，羊角天线5D具有小孔径，可以具有低的天线增益和具有短的检测距离，尽管具有宽波束宽度W2的羊角天线5D可具有广角检测或通信范围。
一般来说，安装在车辆A(例如，汽车)上的广角遥感雷达设备必须具备的功能包括：检测在车辆A前进方向(例如，θ＝0°±60°)上所通过的阻塞车辆，在车辆A变道时检测在车辆A背后方向(例如，θ＝180°±60°)的车辆，以及检测在车辆A背后方向(例如，θ＝180°±30°)的车辆碰撞情况。车辆A的前进和背后方向对应于车辆A和其它车辆的运动方向，并且雷达设备必须能够检测在该方向上远离车辆A的目标。然而，在车辆A的左右侧方向(例如，θ＝90°±30°和θ＝-90°±30°)上，雷达设备就只能检测靠近车辆A的目标，因为在车辆A运动时在该方向上很少有目标(例如，其它车辆)会接近车辆A。
在第一实施例中，羊角天线5A至5C，5E和5F能够在车辆A的前进和背后方向上发射波束B的辐射，并且具有狭窄波束宽度W1和W3，并且在对应于车俩运动方向的车辆A前进方向和背后方向上具有高的天线增益。因此，羊角天线5A至5C，5E和5F能够检测目标并与目标进行通信，例如，远离车辆A的障碍物和其它车辆。另一方面，羊角天线5D能够在车辆A的左/右侧方向上发射波束B的辐射，它具有小孔径，并且能够只检测靠近车辆A的目标(例如，障碍物)，因此具有宽波束宽度W2的羊角天线5D具有广角检测范围。因而，就能够在所需的方向上获得所需的天线特性，例如，角度分辨率，波束宽度和天线增益。
组合具有不同的孔径范围和不同的角度分辨率的羊角天线5A至5F，就可以使得能够使用较少数量的羊角天线5A至5F在整个所需角度范围(在该实施例中，180°)内检测目标，例如，其它车辆。因此，羊角天线5A至5F的数量小于高角度分辨率，例如，适用于检测整个所需角度范围的扇形天线设备所需的羊角天线的数量，并且扇形天线设备1也因此而更加紧凑。因为减小了羊角天线5A至5F的数量，也同样减小了天线转换开关6的转换的数量，并且天线转换开关6可以具有简单的结构，所以降低了生产成本。
在第一实施例中，多个羊角天线5A至5F所构成的扇形天线设备制成了车载式广角遥感雷达设备。例如，与具有窄频带特性的多路径天线不同的是，由于羊角天线5A至5F的宽带宽的特性，可以允许制造中的不完善，从而提高了产品率。羊角天线5A至5F的孔径方向可以根据需要来确定，因而就能较容易地提高扇形天线设备1方向性的特性，这就可靠地满足了雷达系统所需要的天线性能。
天线转换开关6是使用微机械技术在单个基片上集成的高频转换开关，从而与多个部分所组合的天线转换开关相比较，可以防止高频信号从连接部分或其它类似部分泄漏，或者防止噪声从此进入，因此降低了天线转换开关6的损耗，同时也增加了在羊角天线5A至5F中的绝缘。
例如，当把具有宽波束宽度W2的羊角天线5D应用于检测时，即使从羊角天线5D所发射的高频信号辐射和其反射波趋向于进入到相邻的羊角天线5C或5E，天线转换开关6也可以只将羊角天线5D与外部检测电路等相连接。因此，就可以防止羊角天线5C或5E的信号污染或干扰，使得扇形天线设备1可具有高灵敏度。
在第一实施例中，羊角天线5A至5F可以在宽的角度范围内，例如，在车辆A的前进方向的0°至60°，该车辆的两侧方向的60°至120°以及该车辆的背后方向120°至180°。然而，本发明并不局限于这些角度，并且车辆A的前进方向、两侧(左右)方向和背后方向的角度可以根据车辆A的指标等等进行适当的限定。
图5和图6示出了根据本发明的第二实施例的扇形天线设备11。在第二实施例中，车辆A在其后侧装备了扇形天线设备11。在第二实施例中，与第一实施例相同的部件以相同的标号来表示，并且省略对其的讨论。
安装在车辆A后侧的扇形天线设备11包括壳体12，羊角天线13A至13F，以及天线转换开关6。
类似于在第一实施例中的外壳2，扇形天线设备11中的外壳12最好采用导电金属材料制成，并且形成，例如，基本半圆形的箱体。外壳12容纳六个羊角天线13A至13F。
类似于在第一实施例中的羊角天线5A至5F，在外壳12中所容纳的羊角天线13A至13F是金属举行波导羊角天线，且成辐射状从它们中心向外壳12的弧边缘延伸。
将羊角天线13A至13F都设置在基本相同的平面内。羊角天线13A至13F的各个接近端定位在外壳12的中间，从而形成具有矩形剖面的波导，并且与天线转换开关6相连接。羊角天线13A至13F的各个末梢端逐渐的分散开来，使之在外壳12的弧边缘打开。羊角天线13A至13F在一定范围内的不同方向上具有孔径，例如，在关于车辆A的运动方向上从右到左180°的范围内，使得通过天线转换开关6所施加的高频信号能以不同的方向发射。
在羊角天线13A至13F中，羊角天线13C和13D在车辆A背后方向上具有孔径，并且能够向车辆A背后(例如，θ＝近似为150°至210°)的目标辐射高频信号，并且羊角天线13C和13D的孔径区域大于其它羊角天线13A、13B、13E和13F的孔径区域。羊角天线13A和13F在车辆A的左右侧具有孔径，并且能够分别向车辆A的左右侧(例如，θ＝近似为90°至120°和θ＝近似为240°至270°)辐射高频信号，并且羊角天线13A和13F的孔径范围小于其它羊角天线13B至13E的孔径范围。在羊角天线13A和13C之间的以及天线13B和在羊角天线13F和13D之间的羊角天线13E都能够向车辆A背后(例如，θ＝近似为120°至150°和θ＝近似为210°至240°)的目标辐射高频信号，并且羊角天线13B至13E的孔径范围小于羊角天线13C和13D的孔径范围而大于羊角天线13A和13F的孔径范围。
于是，羊角天线13C和13D向车辆A背后的目标发射具有窄波束宽度W1的高频信号辐射，并且在车辆A的左右侧具有孔径的羊角天线13A和13F分别向车辆A的左右侧发射具有广宽波束宽度W2的高频信号辐射。羊角天线13B和13E向车辆A背后的目标发射具有比波束宽度W1更宽和比波束宽度W2更窄的波束宽度W3的高频信号辐射。
因此，第二实施例也可以获得与第一实施例相类似的优点。
在第二实施例中，羊角天线13A至13F可以在某一角度范围内，例如，车辆A的背后120°至240°以及该车辆的两侧方向240°至270°的范围内辐射波束B。然而，本发明并不局限于这些角度，并且在车辆A的背后方向和侧(左右)方向上的角度可以根据车辆A的指标等等进行适当的限定。
图7和图8示出了根据本发明第三实施例的车载式广角遥感雷达设备21。在第三实施例中，本发明的扇形天线设备集成在作为传输和接收设备使用的车载式广角遥感雷达设备中。在第三实施例中，与第一实施例相同的部件将采用相同的参考数值，并且省略该部件的描述。
雷达设备21包括扇形天线设备1。电压受控振荡器23、高频子模块24，等等。
电路外壳22装在外壳2上，使之与扇形天线设备1的天线转换开关6相邻近，并且可容纳电压受控振荡器23、高频子模块24以及提供功率电源以驱动电压受控振荡器23等部件的功率电源电路。电路外壳22具有控制电压端点22A，可用于向电压受控振荡器23等部件提供控制电压；以及输出端点22B，可用于向外部器件输出以下将讨论的混频器29的输出信号。
电压受控振荡器23容纳在电路外壳22中，并且通过高频子模块24与天线转换开关6相连接。电压受控振荡器23输出根据控制电压端点22A所输入控制电压的频率的信号，并且向通过天线转换开关6相互连接的羊角天线5A至5F中的一个羊角天线提供高频信号。
连接在电压受控振荡器23和天线转换开关6之间的高频子模块24包括至少一个放大器26、一个循环器27、一个分支耦合器28和混频器29。放大器26和循环器27连接在电压受控振荡器23和天线转换开关6之间，用以放大电压受控振荡器23所输出的高频信号，将该放大的信号提供给天线转换开关6。
分支耦合器28连接在放大器26和循环器27之间，将放大器26所放大的高频信号分流到混频器29。混频器29通过循环器27与天线转换开关6相连接，并且也连接着分支耦合器28。混频器29使用电压受控振荡器23所输出的高频信号将羊角天线5A至5F所接收到的信号下变频成中频信号IF。
在第三实施例的广角遥感雷达设备中，放大器26放大电压受控振荡器23所输出的高频信号，并且通过循环器27从天线转换开关6所选择的羊角天线5A至5F中的任一羊角天线将最终信号作为传输信号发射。由羊角天线5A至5F所接收到的信号通过循环器28输入到混频器29，并且使用分支耦合器28所分流的高频信号下变频到中频信号IF，随后输出。
因此，根据第三实施例，由扇形天线设备所构成的广角遥感雷达设备21能够更加紧凑。
在第三实施例中，第一实施例的扇形天线设备1应用于雷达设备21；然而，第二实施例的扇形天线设备也可以应用于雷达设备21。
在第三实施例中，使用扇形天线设备1来形成作为发送和接收设备使用的雷达设备21。本发明的扇形天线设备1或11也可以应用于，例如，作为发送和接收设备使用的通信设备。
在上述实施例中，具有基本半圆形形状的扇形天线设备1和11构成了，使六个羊角天线5A至5F或13A至13F能设置在超过180°的角度范围内。然而，本发明并不局限于这类结构。正如图9所示的本发明的一种改进，例如，可以使用具有基本电路外壳32的扇形天线设备31，在该设备中，能覆盖所有360°角度方向的12个羊角天线31容纳在外壳32中，并且根据所需的角度分辨率等等，羊角天线33的孔径区域可以是相互不同的。
在该改进中，平面天线转换开关34设置在12个羊角天线33的近端位置上，它可以辐射状延伸，并且包括电压受控振荡器等等的高频电路(未示出)放置在天线转换开关34的背面。天线转换开关34连接在高频电路和羊角天线33之间，用于可选择性的相互连接。
本发明的扇形天线设备并不一定是半圆形的和圆形，也可以是扇形、多边形、椭圆形等等。
尽管上述实施例中使用矩形波导羊角天线5A至5F或13A至13F，但本发明并不局限于此，也可以使用脊形羊角天线，多模式羊角天线或者波浪式羊角天线。
在上述实施例中，本发明的扇形天线设备1或11可应用于车载式发送和接收设备；然而，本发明并不局限于这些。扇形天线设备1和11也可以应用于具有不同天线特性(例如，在各个方向上的角度分辨率和天线增益)的任何发送和接收设备，例如，用于无线LAN等等中的发送和接收设备。
虽然已经结合特定实施例讨论了本发明，但是对精通本专业的人士来说，很显然，可以有许多其它变化和改进形式和其它应用。因此，本发明最好并不局限于本文所揭示的说明，应当由所附的权利要求来限定本发明的专利保护范围。