CN102969565A - W波段单路发射双路接收窄波束低损耗天线及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种W波段单路发射双路接收窄波束低损耗天线，其设有依次包含上层金属铜膜、中间介质层、下层金属铜膜的双面覆铜介质板；若干金属化过孔穿透所述双面覆铜介质板构成用以传输电磁能量的波导路线；若干辐射缝隙构成若干条微带缝隙阵列，用以将电磁能量形成波束向外辐射。本发明在同一个双面覆铜介质板上分别形成一路发射子天线和与之间隔的两路接收子天线，双路接收子天线之间的基线短，具备比较窄的天线波束宽度和较低的损耗，使系统具有更高的探测距离和物体分辨率，采用双面覆铜介质板来实现天线，具有低剖面，易于加工且加工成本低，适合大批量生产。

Description

W波段单路发射双路接收窄波束低损耗天线及制作方法

技术领域

本发明涉及一种用于汽车防撞雷达领域的W波段单路发射双路接收窄波束低损耗天线及制作方法。

背景技术

汽车防撞雷达通过天线辐射和接收电磁波信号，对行驶过程中车辆前方的道路情况进行实时监控，从而在交通事故即将发生时预先给出报警信号，为行车提供最大的安全保障。

雷达系统设计中，天线的性能（包括天线增益、天线方向图、驻波等）将直接影响到回波能量的大小，进而影响到雷达系统的作用距离。W波段天线频段高、技术难度大、可借鉴的实际工程经验缺乏，同时，频段更高、波长更短，对天线的加工精度要求也较以往低频段天线高。

基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide，SIW）技术是近几年提出的一种可以集成于介质基片中的具有低插损低辐射等特性的新的导波结构，它是通过在上下底面为金属层的低损耗介质基片上，利用金属化通孔阵列而实现的，其目的是在介质基片上实现传统的金属波导的功能。它可有效地实现无源和有源集成，使毫米波系统小型化，甚至可把整个毫米波系统制作在一个封装内，极大地降低了成本；而且它的传播特性与矩形金属波导类似，所以由其构成的毫米波和亚毫米波部件及子系统具有高 Q 值、高功率容量、易集成等优点，同时由于整个结构完全为介质基片上的金属化通孔阵列所构成，所以这种结构可以利用 PCB 或 LTCC 工艺精确的实现，并可与微带电路实现无隙集成。与传统波导形式的微波毫米波器件的加工成本相比，基片集成波导微波毫米波器件的加工成本十分低廉，不需任何事后调试工作，非常适合微波毫米波集成电路的设计和大批量生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种各项性能都能够满足汽车防撞雷达应用要求的W波段单路发射双路接收窄波束低损耗天线及其制作方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种W波段单路发射双路接收窄波束低损耗天线，其包含：

一路发射子天线，形成在一个双面覆铜介质板上；

两路接收子天线，与所述发射子天线隔开，也形成在该双面覆铜介质板上；

其中，所述双面覆铜介质板进一步通过形成以下部件来构建各路所述的子天线：

中间介质层，在该中间介质层的顶面形成有上层金属铜膜，在该中间介质层的底面形成有下层金属铜膜；

若干金属化过孔，穿透所述双面覆铜介质板的顶面到底面设置，并构成用以传输电磁能量的波导路线；

若干辐射缝隙，在所述双面覆铜介质板上构成若干条微带缝隙阵列，用以将电磁能量形成波束向外辐射。

优选的实施例中，所述发射子天线中设有4条微带缝隙阵列；

两路所述接收子天线中分别设有2条微带缝隙阵列。

各路子天线中，每两列平行布置的金属化过孔，与所述双面覆铜介质板构成一个等效为矩形的波导，则在这两列金属化过孔之间布置有一条微带缝隙阵列中两列纵向并联的辐射缝隙。

各路所述子天线与外部射频收发组件之间分别设有馈电波导，作为电磁能量传输的接口。

所述双面覆铜介质板上，还设有穿透其顶面到底面的若干安装螺孔和定位销钉孔，用以固定安装所述天线。

本发明的另一个技术方案是提供一种制作上述W波段单路发射双路接收窄波束低损耗天线的方法，其包含分别在同一个双面覆铜介质板上形成一路发射子天线和两路接收子天线的以下过程：

步骤1、在所述双面覆铜介质板上分别与发射子天线或接收子天线对应的位置，加工出若干个依次穿透所述双面覆铜介质板中上层金属铜膜、中间介质层及下层金属铜膜的过孔；

所述过孔的布置与天线中传输电磁能量的波导路线相匹配；

步骤2、在所述双面覆铜介质板上通过化学腐蚀或光刻方法，将各路子天线中对应设置为辐射缝隙处的上层金属铜膜祛除，还将对应设置为馈电波导处的下层金属铜膜祛除；

所述辐射缝隙在所述双面覆铜介质板上布置成若干条微带缝隙阵列，用以将电磁能量形成波束向外辐射；

所述馈电波导作为各路子天线与外部射频收发组件之间电磁能量传输的接口；

步骤3、通过化学方法将过孔柱面金属化，使上层金属铜膜与下层金属铜膜导通；金属化过孔与双面覆铜介质板一起构成了天线中的介质波导；

步骤4、通过机加工的方法，调整双面覆铜介质板的边缘外形。

步骤1中，还在所述双面覆铜介质板上，形成穿透双面覆铜介质板的若干安装螺孔和定位销钉孔，用以固定安装天线。

步骤2中，各路子天线中，在每两列平行布置的过孔之间，形成有一条微带缝隙阵列中两列纵向并联的辐射缝隙。

优选的实施例中，所述发射子天线中设有4条微带缝隙阵列；

两路所述接收子天线中分别设有2条微带缝隙阵列。

本发明所述的单发双收天线的俯仰面波束宽度要低于现有的单发单收天线，单发双收天线方位面的波束宽度要高于单发单收天线。单发双收天线的双路接收子天线之间的基线短，具备比较窄的天线波束宽度和较低的损耗，使系统具有更高的探测距离和物体分辨率，采用双面覆铜介质板来实现天线，具有低剖面，易于加工且加工成本低，适合大批量生产。

附图说明

图1是本发明中所述单发双收天线的仿真模型示意图；

图2是本发明中所述单发双收天线的正面结构示意图；

图3是本发明中双面覆铜介质板的剖面图；

图4是本发明中发射子天线的三维仿真图；

图5是本发明中发射子天线的水平及俯仰方向图；

图6是本发明中发射子天线的端口驻波仿真图；

图7是本发明中接收子天线的三维仿真图；

图8是本发明中接收子天线的水平及俯仰方向图。

具体实施方式

本发明中所述的天线，可以应用在W波段下的汽车防撞雷达系统中。

配合参见图1、图2所示，所述天线包含一路发射子天线和两路接收子天线，三者是在同一个双面覆铜的介质板10上分别加工形成的。其中，两路接收子天线位置相互靠近，发射子天线与其则有一定的间隔距离。

所述介质板10（见图3）设有中间介质层3，该中间介质层3的顶面和底面分别形成有上层金属铜膜1和下层金属铜膜2。在介质板10上的相应位置，形成了所述发射子天线和接收子天线各自设置的相应部分，包含：安装螺孔5、定位销钉孔6、金属化过孔7和辐射缝隙8等等。

各路天线与外部射频收发组件的接口为馈电波导4，并通过在若干所述的安装螺孔5、定位销钉孔6处设置连接件进行固定安装。具体地，在馈电波导4所处的位置附近分别布置有若干个所述安装螺孔5和所述定位销钉孔6；而在介质板10的边缘位置还开设有另外的若干个所述安装螺孔5。

利用基片集成波导SIW技术，使所述金属化过孔7穿透介质板10设置，则由每两列平行布置的金属化过孔7构成一个等效为矩形的波导，则在这两列金属化过孔7之间布置有一条微带缝隙阵列中两列纵向并联的辐射缝隙8。其中，所述发射子天线中设有4条微带缝隙阵列，两个所述接收子天线中分别设有2条微带缝隙阵列。

所述天线中，介质板10的上层金属铜膜1、下层金属铜膜2、中层介质层3与金属化过孔7形成介质波导，使电磁能量能够从射频收发组件的馈电波导4处输入，在金属化过孔7形成的波导路线中传输，最后通过辐射缝隙8形成波束辐射出去。

本发明所述天线的具体加工工艺过程如下：

步骤1、根据发射子天线和两路接收子天线的结构要求，在相应位置加工穿透所述双面覆铜介质板10的若干安装螺孔5、定位销钉孔6和过孔。

步骤2、在上层金属铜膜1上通过化学腐蚀或光刻，将对应设为辐射缝隙8处的金属铜膜祛除；还在下层金属铜膜2上通过化学腐蚀或光刻，将对应设为馈电波导4处的金属铜膜祛除。

步骤3、通过化学方法将过孔柱面金属化，使上层金属铜膜1与下层金属铜膜2导通。

步骤4、通过机加工的方法，将双面覆铜介质板10边缘加工成图1或图2中所示的矩形外形。

一个优选的示例中，双面覆铜介质板10的厚度为1.25mm，馈电波导4的口面尺寸为：3.1mm×1.55mm，安装螺钉孔5的直径为2mm，定位销钉孔6的直径为1mm，金属化过孔7的直径为0.4mm，辐射缝隙8的尺寸为3mm×0.5mm，微带缝隙阵列中相邻缝隙之间的距离为：方位0.5mm~2mm之间、俯仰在3mm~4mm之间（可根据电磁仿真软件确定）。

收发天线的增益及波束宽度见表1所示。

 

表1

其中，增益、波束宽度、副瓣与天线的方位面的微带缝隙阵列数量和俯仰面辐射缝隙数量有关系：微带缝隙阵列数量和俯仰面辐射缝隙数量越多，增益越高、波束宽度越小、副瓣越高，微带缝隙阵列数量和俯仰面辐射缝隙数量越少，增益越小、波束宽度越大、副瓣越低。

在实际的设计过程中，可以先通过理论分析得到天线的上述各项设计参数值，在HFSS电磁工程软件中建模，根据天线的三维波束仿真图、水平及俯仰方向图及端口驻波仿真图进行性能验算及改进性设计。

单发双收天线设计中，干涉比相原理要求两接收子天线之间的基线不能太长，也就是接收子天线水平方向的宽度有限，根据天线的波束宽度与天线尺寸成反比的约束，也决定了接收子天线的波束宽度相对发射子天线较宽。

见图4、图7所示，分别得到所述发射子天线和接收子天线的三维仿真图，其中的各轴为天线表面的法线，也是天线波束的主辐射方向，YOZ面为天线的俯仰面，XOZ面为天线的方位面。见图5、图8所示，分别得到发射子天线和接收子天线的水平及俯仰方向图，其中横坐标为角度，单位为°，纵坐标为天线的增益。见图6所示，是发射子天线的端口驻波仿真图，其中横坐标为天线工作的频率范围，单位为GHz，纵坐标为天线馈电波导4处的电压驻波比。

综上所述，本发明所述单发双收天线中，双路接收子天线之间的基线短，具备比较窄的天线波束宽度和较低的损耗，使系统具有更高的探测距离和物体分辨率，采用双面覆铜介质板来实现天线，具有低剖面，易于加工且加工成本低，适合大批量生产。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种W波段单路发射双路接收窄波束低损耗天线，其特征在于，包含：

一路发射子天线，形成在一个双面覆铜介质板（10）上；

两路接收子天线，与所述发射子天线隔开，也形成在该双面覆铜介质板（10）上；

其中，所述双面覆铜介质板（10）进一步通过形成以下部件来构建各路所述的子天线：

中间介质层（3），在该中间介质层（3）的顶面形成有上层金属铜膜（1），在该中间介质层（3）的底面形成有下层金属铜膜（2）；

若干金属化过孔（7），穿透所述双面覆铜介质板（10）的顶面到底面设置，并构成用以传输电磁能量的波导路线；

若干辐射缝隙（8），在所述双面覆铜介质板（10）上构成若干条微带缝隙阵列，用以将电磁能量形成波束向外辐射。

2.如权利要求1所述的W波段单路发射双路接收窄波束低损耗天线，其特征在于：

所述发射子天线中设有4条微带缝隙阵列；

两路所述接收子天线中分别设有2条微带缝隙阵列。

3.如权利要求1或2所述的W波段单路发射双路接收窄波束低损耗天线，其特征在于：

各路子天线中，每两列平行布置的金属化过孔（7），与所述双面覆铜介质板（10）构成一个等效为矩形的波导，则在这两列金属化过孔（7）之间布置有一条微带缝隙阵列中两列纵向并联的辐射缝隙（8）。

4.如权利要求1所述的W波段单路发射双路接收窄波束低损耗天线，其特征在于：

各路子天线与外部射频收发组件之间分别设有馈电波导（4），作为电磁能量传输的接口。

5.如权利要求1所述的W波段单路发射双路接收窄波束低损耗天线，其特征在于：

所述双面覆铜介质板（10）上，还设有穿透其顶面到底面的若干安装螺孔（5）和定位销钉孔（6），用以固定安装所述天线。

6.一种制作权利要求1所述W波段单路发射双路接收窄波束低损耗天线的方法，其特征在于，包含分别在同一个双面覆铜介质板（10）上分别形成一路发射子天线和两路接收子天线的以下过程：

步骤1、在所述双面覆铜介质板（10）上分别与发射子天线或接收子天线对应的位置，加工出若干个依次穿透所述双面覆铜介质板（10）中上层金属铜膜（1）、中间介质层（3）及下层金属铜膜（2）的过孔；

所述过孔的布置与各路子天线中传输电磁能量的波导路线相匹配；

步骤2、在所述双面覆铜介质板（10）上通过化学腐蚀或光刻方法，将各路子天线中对应设为辐射缝隙（8）处的上层金属铜膜（1）祛除，还将对应设为馈电波导（4）处的下层金属铜膜（2）祛除；

所述辐射缝隙（8）在所述双面覆铜介质板（10）上布置成若干条微带缝隙阵列，用以将电磁能量形成波束向外辐射；

所述馈电波导（4）作为各路子天线与外部射频收发组件之间电磁能量传输的接口；

步骤3、通过化学方法将过孔柱面金属化，使上层金属铜膜（1）与下层金属铜膜（2）导通；金属化过孔（7）与双面覆铜介质板（10）一起构成了天线中的介质波导；

步骤4、通过机加工的方法，调整双面覆铜介质板（10）的边缘外形。

7.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于：

步骤1中，还在所述双面覆铜介质板（10）上，形成穿透双面覆铜介质板（10）的若干安装螺孔（5）和定位销钉孔（6），用以固定安装天线。

8.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于：

步骤2中，各路子天线中，在每两列平行布置的过孔之间，形成有一条微带缝隙阵列中两列纵向并联的辐射缝隙（8）。

9.如权利要求6或8所述的制作方法，其特征在于：

所述发射子天线中设有4条微带缝隙阵列；

两路所述接收子天线中分别设有2条微带缝隙阵列。

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