專利名稱：通過準直和聚焦所發射的波而工作的障礙物傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用準直和聚焦所發射的波而運作的障礙物傳感器，由以下基本部分組成一個適于產生和接收電磁輻射的單元，一個數據分析器/鑒別器和一個用來準直和聚焦發射波的天線。上述天線對反射波的操作在把它們送入接收/發射部分前，與對發射波的操作相同。本發明涉及微波和毫米波裝置，特別涉及小型固態微波和毫米波裝置。這里所用術語“毫米波”包括整個的毫米和亞毫米范圍。
所述收發單元包括一個發射部分和直接連到信號分析部分的一個接收部分。此發射部分產生輻射，而接收部分接收由障礙物反射的輻射，并產生信號輸出，從而有可能根據應用需要來判定有用信息，例如，特定物體的速度和位置、平面位置、水平等等。上述后一任務由數據分析和處理電路來完成。全向發射的微波被發射，聚焦和會聚為一束單相相干束，由于靜止或運動的障礙物的存在，反射回來的單向波被系統所探測，且根據用作微波發生器的二極管典型特性進行分析和定量，或者例如，根據耿(GUNN)二極管當溫度和能量變化時頻率移動的不同特性進行分析和定量。
眾所周知，公知技術的一些無線電探測器(雷達)的一般特征是雖然對一些特殊的應用意義重大并非常有效，但應用范圍很有限，不能用于汽車領域。事實上在此情況下，用于車輛的無線電探測器必須具有很好的特定需求，能滿足一些基本要求即為了可以簡便經濟地機載折卸，它必須非常小；它必須能精確探測位于車前距離為0到至少150m范圍內的物體；其工作中的所有難題都要考慮，且在數瓦量級，發出的輻射波束的直徑在一定距離處必須足夠小，使得不管物體是靜止的還是運動的，都可以分辨出所探測物體的最精確位置；它必須提供盡可能少的錯報警次數。另外它必須能大量生產以降低成本。
目前的無線電探測器系統的局限性主要是緣于同一發射點的輻射波束在一定距離處占據的尺寸，這個問題一般歸因于天線的直徑；事實上，目前唯一產生更小的輻射波束的方法為采用更大的天線。結果具有足夠高分辨能力的無線電探測器需要很大的天線，因此其整體尺寸過大，而不能用在汽車上。在目前汽車應用領域，經常采用的無線電探測器類型是多向波束型，尤其是在空間探查上不可缺少。在此系統中為獲得高的分辨率所須的天線尺寸增加，也包括該無線電探測器徑向尺寸的增加，導致了該系統在汽車上的放置問題。
本發明的目的就是要解決上述的問題，本發明其特征如權利要求所述，通過準直和聚焦發射波運作的障礙物傳感器解決這個問題，通過它可獲得如下效果此系統是具有足夠范圍的毫米量級的小尺寸系統，具有低功率，非常低的假報警幾率，可用作信號收發天線，具有最佳圖像分辨率，即使在非常靠近的距離(1毫米量級)；它通過采用一個或多個透鏡，使得天線的縱向尺寸短于相同的光學設備的焦距，利用所謂的裝配式收發和分析電路，并為電路部分提供一個散熱系統，從而可以大量生產以降低成本。
本發明的本質優點大致包括一般障礙物傳感器結構的尺寸縮小，其緊湊性以及在普通的大氣條件和特別是惡劣氣候條件下的有效性。特別是此系統可用于汽車領域，使得車輛和乘客在交通中的安全性提高，照亮并方便司機在特殊路況下的駕駛，例如夜晚的低能見度、霧、雨、雪的存在，等等。當有障礙物存在或與另一車輛過近駕駛時，本發明通過信號或自動應急測量起作用。此發明也很適用于監視與交通控制系統。這些系統總是用于秩序控制，目前大量用于電子系統安全方面。
這種障礙物傳感器用微波和毫米波無線電探測器來實現的進一步優點在于它可以很容易地實現和非常經濟地大量的生產，因此具有廣泛的應用，不但用于汽車領域以在行駛中探測障礙物，而且可作其他用途例如反偷盜和保護移動裝置和房屋棚屋等等免受侵入，工業機器和車輛的自我水平調節系統、水平傳感器、用于高速公路、港口、鐵路、隧道等的固定的桿、墩探測器。
下面根據以非限制性例子給出的一些實施例，并結合附圖，對本發明作進一步詳細描述，其中
圖1是此障礙物傳感器的數據傳輸和處理電路的方框圖；圖2是傳輸、分析和處理電子天線/電路系統的整體方框圖；圖3是此傳感器第一實施例的概略截面圖，它具有兩個對準定向的半球型透鏡和一個斜錐體第二腔；圖4顯示了與圖3一樣的傳感器，具有一個圓柱型的第二腔；
圖5和圖6顯示了與圖3、4一樣的發明，但僅設置有一個透鏡；圖7顯示了與圖4同樣的傳感器，其半球型透鏡沿相反方向取向；圖8表示包含微波發生器和頻率發生器的發生腔實施例剖面圖。
圖9顯示了適于本發明結構的透鏡的幾種形狀；圖10、11和12顯示了具有不同光學結構實施例的發射圖。
這些圖涉及一種障礙物傳感器，采用準直和聚焦所發射的電磁波技術，它有一個微波發生器，可用砷化鎵(GaAs)或磷化銦(InP)工藝制成的碰撞雪崩渡越時間二極管或耿氏二極管，且需保持恒溫并有足夠的絕緣保護。
根據單獨給出且非限制性的具體實施例，采用耿氏二極管的結構將被詳細的說明；經過一個相同的第一過程后，上述二極管產生的電磁波經過一個或幾個透鏡，此透鏡由絕緣材料或人工絕緣材料制成，具有高的介電常數，能透過電磁輻射并且能夠抗老化。在不同實施例中，該透鏡可為半球形、非球形、橢圓形、凹面的、凸面的、雙凸面的、階梯型的。此光學設備可用塑料材料、有機玻璃、陶瓷材料、石英、玻璃、聚乙烯、聚脂、特氟龍等材料制成，任何情況下都是用能透過電磁輻射并且能夠抗老化且具有高介電常數的絕緣材料或人工絕緣材料制成，并且需要非常均勻致密，不含雜質和/或異物。
此光學設備的功能在于會聚和聚焦由系統產生并發射的波束，從而產生極高的強度和功率。利用二極管的本征特性，用同一器件探測由障礙物反射而得到的反射波或回波，以便分辨所遇物體的不同特性和它的相對速度。由天線全向發射的微波被聚焦和會聚為單一相干和調相波束。根據用作微波生發器的二極管的典型特性，或者通過耿氏二極管隨著能量和溫度的變化產生偏移變化的特性，這種單向反射波由系統探測、分析和量化。
一個穩定的饋電單元(1)，通過一個低通濾波器(2)和一個方波倍增器(3)或者一個任何適用類型的波倍增器(4)，例如正弦，三角形，鋸齒型等，以及一個分析和處理電路(7)，與一個具有含有耿氏二極管(9)饋電陽極(19)的發生腔(8)的透鏡天線(5)相連。在第一個示例性實施例中，此障礙物傳感器基本由一個外殼(10)構成，此外殼的下部有一個最好為金屬的機體(11)，和一個調整系統也用作偏振電路基座(12)。機體(11)還有抗外部磁場干擾的屏蔽功能。在所述結構的中間有一底座(13)，此底座包含發生二極管(9)和其饋電的陽極(19)，形成的空腔就是發生腔(8)。這一底座(13)同時也作為發生二極管的陰極。此微波發生耿氏二極管與一陽極耦合并由其饋電，此陽極與饋電/接收電路相連。在一些不同實施例中，此陽極也可僅具有如下功能，與耿氏二極管(9)相連以饋電，或者縱向延伸超過所述二極管1/4波長長度，因此可有一個絕緣芯支撐和保護，此絕緣芯提供有對陽極(19)必需的電連接。上述的芯子限定發生腔在上部并與發射腔(8)共軸；另外此陽極包括必要的電路連接和可能的部分金屬罩，以與下面的圓柱體相連。在不同實施例中，發生微波的耿氏二極管(9)、陽極(19)和頻率調整器(24)可位于腔(8)內，發生相同波束，由所述耿氏二極管發射。此腔既可以放在一個金屬體內，或可放在一個支座(28)中，此支座被一合適形狀的法蘭(26)封閉，通過一小孔(27)與外面相連。
與防止干擾的機體或殼(11)和底座(13)相對應，也有一個抗散射的空腔(25)，其中設有一裝置(6)，用于自動調整天線(5)的溫度，也包括必要的連接電子部件或電子元件。溫控系統(6)可以是熱漂移電路補償型或反饋型。根據一個非限制性實施例，在其上部位置，與所述發生腔共軸，設置有一個第一透鏡(14)，透鏡是由絕緣或人工絕緣材料制成，可透過電磁輻射，并且抗老化，此透鏡位于一無源中間反射器的基座上，該中間反射器為斜錐體型(15)或圓柱型(16)。在其上部，此無源反射器被一個由絕緣或人工絕緣材料制成能透過電磁輻射的第二外透鏡(17)封閉著，其尺寸大于所述內透鏡(14)。在另一些可行實施例中，此障礙物傳感器可裝有幾個同軸設置的透鏡，或僅有一個外透鏡(17)。
實際上，此天線包含至少一個透鏡(17)，由絕緣或人工絕緣材料制成，能透過電磁輻射并且抗老化，一個偏振器件(12)，一個微波選擇腔(8)，一個控制并保持恒定或補償溫度漂移的系統(6)和一個外殼(10)，由一個橡膠或防震塑料等制成的防震層(10′)保護。此透鏡用于會聚由天線(15)主軸發射的電磁輻射。使得天線軸向整體尺寸減小的方法是采用短焦距的透鏡，這種透鏡可用階梯形透鏡(20)來實現，這樣既減少了損耗也由于減少了透鏡的厚度而降低了其幾何尺寸。通過選擇合適的透鏡的構形，可獲得最優的輻射效果。透鏡或透鏡組的構型影響天線(5)的方向特性，輻射圖的波瓣寬度在所有的截面上都相等或近似相等，或者在兩個正交的截面上差別很大。在圓柱型透鏡的情況下，透鏡只能在一個平面上聚焦波束，然而，如果需要，波發生裝置可在與上述第一平面正交的第二平面上產生波束。具有半球型的透鏡(14-17)在XZ平面以如下方式產生輻射，由其焦點發出的球面波，轉換為具有一致相位波前的波，而當透鏡具有不同的構形時，例如帶有柱狀延伸的透鏡(29)的球扇形透鏡，會使得從半球型透鏡通過的球面波產生不均勻相位波前。從上可知，在某些特殊的應用中，如果具有不同方向性的系統在彼此正交的兩個不同平面上其波瓣寬度差別很大，就要使用在兩個截面上構形不同的透鏡；這種透鏡的一個非限制例子為(30)所示的透鏡。在其他的一些應用中，根據不同要求，采用的透鏡既可是各種不同結構的單透鏡也可用具有相同結構或不同結構的復合透鏡。附圖中顯示的透鏡是半球型的，但是這并不構成任何限制，也可以采用非球形(23)、橢圓形(21)、凹面的、凸面的、雙凹面的、甚至是菲涅爾(22)透鏡。重要的是，菲涅爾透鏡和階梯形透鏡已知不是很適宜實際應用，這是因為它們的帶寬很窄，但在這個特殊的情況下，它們能以最佳方式被采用，因為其傳輸帶寬本身是很窄的。考慮菲涅爾透鏡，根據在水平和垂直面不同的聚焦要求，在不同實施例中，可采用具有不同開口形狀的類型，如直角的、橢圓形的。
在這些不同結構中，所述透鏡采用不同的方向半球型透鏡，其彎月形朝向天線外部或內部；菲涅爾透鏡，其階梯形朝里或朝外的。在后一情況下有個優點是沒有陰影區的出現，此陰影區會增加輻射圖第二波瓣。相反地，在本天線的特定應用中，由于階梯形而存在積累灰塵的缺陷這就需要在系統外面采用能透過電磁輻射并且抗老化的進一步透明保護。如果所采用的透鏡或透鏡組由絕緣或人工絕緣材料制成，能透過電磁輻射但不抗老化的話，還需有一層類似的外保護層。在此光學裝置至少由一個透鏡構成的實施例中，為了得到整個光學器件的最優組合，也可以沿主發射波束的主方向移動透鏡或透鏡組。
偏振裝置(12)只允許某一特定偏振方向的輻射通過，而阻止與其正交偏振方向的輻射通過，在無線電探測器用于遠距離車輛探測情況下，還可探測在無線輻射圖的主瓣和從瓣旁邊的擾動輻射，這主要來源于橫向，前向和反向行駛的汽車采用相同的探測系統。消除這一擾動輻射的最佳方法是旋轉線偏振方向45度，這樣相反方向行駛的車輛的輻射就接收不到，因為在相反行駛方向上+45度的線偏振方向變為-45度的線偏振方向，反之亦然；這樣，天線的正交偏振波不能被后者接收。在另一替代實施例中，同樣包括在本發明中并且同樣有效，并不把線偏振方向旋轉45度，而是采用圓偏振，則即使車輛是相反方向駛來，由于圓偏振方向不變，并不產生上述的效應。電磁波會聚和聚焦透鏡或透鏡組被安裝在有合適確保保護的橡皮墊圈和抗老化座的特定殼體中。在毫米波發生腔(8)中，根據所需頻率進行選擇。在示例的結構中，發生腔例如由鋁制成并應用精密注塑部件等制成是有利且經濟的；它大致由一個金屬體或座(13)制成，此金屬體被調整支撐體(11)支撐；或者采用另一辦法，由一金屬板(26)和殼體(28)構成，通過一小孔(27)與外面連通。殼體(28)含有選頻裝置(24)、耿氏二極管的饋電陽極(19)和該二極管。金屬體或座(13)以及法蘭(26)和殼體(28)都可用鋼或任何其他適于所需目的的材料制成。用于調節溫度系統或補償溫度漂移的反饋系統(6)具有保持天線(5)總是恒溫或至少在某一特定范圍的功能。外殼(10)保護并隔離系統不受外界影響，它由一殼體和防震套(10′)構成，其殼體最好由金屬制成，并通過注模工藝或其他相當工藝制作，所述防震套(10′)最好由橡膠或防震塑料等制成。
電路部分由一個穩定的電源(1)，一個用作調制器的方波或其他合適波形如正弦波，三角波，鋸齒波等的發生器，和一個接收處理和分析電路(7)組成。通過采用一金屬表面，使得整個聚焦平面不能透過電磁輻射，從而高于或底于網絡頻率的頻率成分不能到達電路部分。
其饋電、調制、濾波、放大和收發電路，以及分析電路都可集成在一塊小的芯片上。
盡管對本發明參照一些特殊的非限制性實施例作出說明和描述，但對本領域技術人員來說，對于所述組成部分、結構、電路、不同形狀的透鏡組合以及該光學裝置的構成，電路結構及其部件等，顯然可作出一些改動，而沒有落在本發明的范圍之外。
權利要求
1.一種通過準直和聚焦所發射的電磁波而運作的障礙物傳感器，包括一個碰撞雪崩渡越時間二極管或一個耿氏二極管(9)，其特征在于按軸向順序，它包括一個發生和選擇由發生二極管(9)發射的波的腔體(8)一個偏振裝置(12)、一個無源中間反射器和至少一個用于聚焦和會聚沿天線(5)軸向發射的電磁波的光學器件(12)；所述光學器件產生所需頻率和最大功率與強度的會聚的，單極、相干電磁波；其特征還在于，由天線(5)發射的多方向的微波被聚焦和會聚成一束相干且調相的波束，由探測靜止或運動的障礙物產生單向反射波或回波，由該系統探測，并且根據用作微波發生器的所述二極管的典型特性進行分析和量化。
2.如權利要求1所述的障礙物傳感器，其特征在于所述光學器件產生具有所需頻率和最高功率和強度的會聚、單極、相干的電磁波；由所述天線(5)沿多方向發射的微波被聚焦和會聚成一束相干且調相的波束，由于探測靜止或運動的礙物產生的單向反射波或回波被同一系統探測到，并且根據耿氏二極管當溫度和能量變化時頻率移動的不同特性加以分析和量化。
3.如權利要求1和2所述的障礙物傳感器，其特征在于它里面包括一個支撐和屏蔽體(11)，用來防止外界磁場的干擾，它的中間有一個底座(13)，里面包含給二極管(9)饋電的陽極(19)，且其中構成發生腔(8)；所述底座(13)還包括所述微波發生二極管(9)的陰極，而所述機體(11)和底座(13)由如下系統構成，包括一法蘭(26)和一個相應殼體(28)，此殼體里面包含為上述微波發生二極管(9)饋電的陽極(19)的頻率選擇裝置(24)，以及此二極管(9)；在上述底座里構成一腔體(8)，用于發生由所述二極管發射的所述波束，此腔體通過一個小孔(27)與外面相通。
4.如權利要求1-3所述的障礙物傳感器，其特征在于與抗干擾外殼(11)和底座(13)相連，或與法蘭(26)或殼體(28)相連，設置有一個防散射空腔(25)，其中設有自動調節溫度或補償/調整電子偏移的反饋系統(6)，以及可能的電子電路連接元件。
5.如權利要求1和2所述的障礙物傳感器，其特征在于所述微波發射二極管(9)與陽極(19)相連并由其饋電，此陽極與饋電/接收系統相連；上述陽極在不同實施例中，可以只具有連接饋電給二極管(9)的作用，或者也可以縱向伸長至超過此二極管1/4波長的長度，并且中可由一個提供陽極(19)所需的適當電連接的絕緣芯子加以支撐和保護，上述的絕緣芯子位于其上部軸向限定發射腔(8)；另外，它可包括與其下柱體所需的電連接以及為此連接可以采用的金屬蓋。
6.如權利要求1、2和5所述的障礙物傳感器，其特征在于與發射腔(8)同軸并在其上，設置有一個中間無源反射器，它具有斜錐體形(15)或圓柱形(16)。
7.如權利要求1、2、3和6所述的障礙物傳感器，其特征在于在所述發生腔(8)的上部除了中間無源反射器(15)或(16)外，還設置有至少一個能透過電磁輻射并且抗老化的電絕緣或人工絕緣材料，用于會聚和聚焦系統沿天線(5)軸向發射的能量，此天線的縱向尺寸小于所述光學裝置的焦距；上述光學裝置具有半球形、球面形、橢圓形、凹面的、凸面的、雙凸面的或階梯形等形狀，并且可由塑料、丙烯酸樹脂、兩種樹脂、熱固樹脂、玻璃纖維強化塑料、膠質玻璃、陶瓷、石英、玻璃、聚乙烯、特氟龍等材料制成，且無論是由絕緣或人工絕緣材料制成都具有高介電常數、非常均勻致密，且不含雜質和/或異物。
8.如上面在說明書部分最后一句表達的特別保留中所述的，如實施例所示的，根據前述權利要求并為所述目的的，通過準直和聚焦發射波工作的障礙物傳感器。
全文摘要
毫米波裝置,能夠作為信號收發天線,即使在極短距離(1毫米左右)都有最佳的圖像分辨率。根據電磁波聚焦的程度,這樣實現的無線電探測器的天線采用不同的結構,如一種前曲光學器件,或半球形、非球面形、拋物面形、凹面的、凸面的、雙凹面的、雙凸面的、階躍型的光學器件。此無線電探測器的有效焦距比上述天線使用某個透鏡的焦距要短。電子接收和處理電路部分的標準尺寸很有限并易盛裝。
文檔編號H01Q15/02GK1186245SQ97120178
公開日1998年7月1日 申請日期1997年11月18日 優先權日1996年11月18日
發明者佛朗哥·巴爾迪 申請人:佛朗哥·巴爾迪