CN105390806A - 用于汽车雷达传感器的柔性人工阻抗表面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于汽车雷达传感器的柔性人工阻抗表面天线。具体而言，本发明涉及一种用于汽车雷达的柔性、可印制的天线。所述天线能够被印制到薄的柔性基底上，并且因此能够弯曲以符合具有复合曲率的车辆车身表面。所述天线能够被安装到例如保险杠面板的车身表面的内部，在那里它无法被看到但能够向远处传输雷达信号。所述天线还能被安装到不显眼的车身表面的外部并融入到其中，或能够制成透明的并安装到玻璃表面的内部或外部。所述天线包括基于天线被安装到的表面的三维形状和期望的雷达波形定制的人工阻抗表面。所述天线能够被用于使用22-29GHz或76-81GHz雷达的汽车防撞应用，并且具有大的孔来支持高角分辨率的雷达数据。

Description

用于汽车雷达传感器的柔性人工阻抗表面天线
技术领域
本发明一般涉及一种改进的汽车雷达天线设计，并且更具体而言，涉及一种具有人工阻抗表面的柔性、可印制的雷达天线设计，其中，所述天线具有足够大的孔面积以显著地改进雷达角分辨率，并且所述天线足够柔性以可安装在车辆保险杠、车身板件、玻璃或其他表面的内表面或外表面上。
背景技术
相关技术的描述
随着例如车道偏离警告和碰撞警告/避免之类的驾驶员辅助系统已得到普及，车载雷达系统已变得非常普遍。到现在为止，不仅在生产传感器和将它们组装到车辆中的成本方面，而且在车辆的美学方面，雷达传感器在车辆上的封装一直是成问题的。
传统的雷达传感器是传感器制造商所生产的三维柱状体，其包括外壳、内部部件、孔、密封条（weather seal）等。然后，这样的雷达传感器必须在最终车辆组装期间被结合到车辆中，这经常包括使用支架或壳体将传感器保持就位，在保险杠面板（bumper fascia）或其他表面中设置开口用于雷达传感器孔以及相关联的处理和对齐的过程步骤。传统的雷达传感器的制造及其到车辆中的组装二者给车辆增加了成本。
此外，在于保险杠面板或其他车辆车身表面中设置开口用于雷达传感器孔方面存在不期望的美学效果。车辆造型设计师和客户将更偏好在车辆车身表面中不具有这些洞。
到现在为止，还没有办法避免车辆上的多个笨重的雷达传感器的成本和负面美学，而不放弃雷达信号质量。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种用于汽车雷达应用的柔性、可印制的天线。所述天线能够被印制到薄的柔性基底上，并且因此，能够弯曲以符合具有复合曲率（compound curvature）的车辆车身表面。所述天线能够被安装到车身表面（例如，保险杠面板）的内部，在那里它无法被看到但能够向远处（afield）传输雷达信号。所述天线还能被安装到不显眼的车身表面的外部并且融入到所述表面中，并且甚至能够被制成透明的并安装到玻璃表面的内部或外部。所述天线包括基于天线被安装到的表面的三维形状和期望的雷达波形来定制的人工阻抗表面。所述天线能够被用于使用22-29 GHz和/或76-81 GHz雷达的汽车防撞应用，并且具有大的孔径以支持高角分辨率的雷达数据。
本发明还包括下述方案：
1. 一种汽车雷达天线，包括：
半导体芯片，其配置成执行所述天线的主动功能，所述主动功能包括电信号的放大、相移和切换；
布置成创建阻抗图案的金属贴片的阵列，所述阻抗图案由发射越过所述金属贴片的阵列的表面波产生期望的远场辐射图，其中，所述表面波通过来自所述半导体芯片的电信号提供；
柔性基底；以及
柔性金属接地面，
其中，所述天线被安装到车辆的表面，并且所述金属贴片的阵列被设计成基于所述天线当安装到所述车辆的表面时的形状来提供所述期望的远场辐射图。
2. 如方案1所述的天线，其特征在于，所述基底包括介电层，所述介电层包括具有2.0或更高的介电常数的材料，所述金属接地面被应用于所述介电层的底表面，并且所述金属贴片的阵列被应用于所述介电层的顶表面。
3. 如方案1所述的天线，其特征在于，所述基底包括具有1.1或更低的介电常数的材料，所述金属贴片的阵列被应用于聚酰亚胺材料，并且所述天线被安装到具有2.0或更高的介电常数的汽车车身板件的内表面。
4. 如方案3所述的天线，其特征在于，所述金属贴片的阵列位于所述车身板件和所述基底之间，所述金属接地面位于所述基底的与所述金属贴片的阵列相对的一侧上，所述聚酰亚胺材料具有小于0.05 mm的厚度，并且所述基底具有至少3 mm的厚度。
5. 如方案1所述的天线，其特征在于，所述车辆的表面和所述天线的形状具有复合曲率。
6. 如方案1所述的天线，其特征在于，所述天线具有至少10,000 mm2的孔尺寸，并且被安装到保险杠面板的内表面。
7. 如方案1所述的天线，其特征在于，所述天线被安装到汽车车身板件或结构部件的外表面。
8. 如方案1所述的天线，其特征在于，所述天线是透明的，并且被安装到窗、前灯或尾灯的内表面。
9. 如方案1所述的天线，其特征在于，所述天线是透明的，并且被安装到窗、前灯或尾灯的外表面。
10. 如方案1所述的天线，其特征在于，所述天线是在22-29 GHz或76-81 GHz的频率范围中操作的目标检测雷达系统的一部分。
11. 如方案10所述的天线，其特征在于，所述目标检测雷达系统给所述车辆中的防撞系统提供目标数据。
12. 如方案1所述的天线，还包括将所述半导体芯片连接到所述金属贴片的阵列的一组导电条，其中，所述导电条将表面波从所述半导体芯片馈给到所述金属贴片的阵列。
13. 一种汽车雷达天线，包括：
半导体芯片，其配置成执行所述天线的主动功能，所述主动功能包括电信号的放大、相移和切换；
布置成创建阻抗图案的金属贴片的阵列，所述阻抗图案由发射越过所述金属贴片的阵列的表面波产生期望的远场辐射图，其中，所述表面波通过来自所述半导体芯片的电信号提供；
将所述半导体芯片连接到所述金属贴片的阵列的一组导电条，其中，所述导电条将表面波从所述半导体芯片馈给到所述金属贴片的阵列；以及
柔性基底，其包括介电层和金属接地面，所述介电层包括具有2.0或更高的介电常数的材料，所述金属接地面应用于所述介电层的底表面，其中，所述金属贴片的阵列和所述一组导电条被印制到所述介电层的顶表面上，
并且其中，所述天线被安装到车辆的表面，并且所述金属贴片的阵列被设计成基于所述天线当安装到所述车辆的表面时的形状来提供所述期望的远场辐射图。
14. 如方案13所述的天线，其特征在于，所述天线被安装到汽车车身板件或装饰部件的内表面或外表面。
15. 如方案13所述的天线，其特征在于，所述天线是透明的，并且被安装到窗、前灯或尾灯的内表面或外表面。
16. 一种汽车雷达天线，包括：
半导体芯片，其配置成执行所述天线的主动功能，所述主动功能包括电信号的放大、相移和切换；
布置成创建阻抗图案的金属贴片的阵列，所述阻抗图案由发射越过所述金属贴片的阵列的表面波产生期望的远场辐射图，其中，所述表面波通过来自所述半导体芯片的电信号提供；
柔性基底；
柔性金属接地面；以及
当作覆盖物的汽车车身板件，其中，包括所述半导体芯片、所述金属贴片的阵列、所述基底和所述金属接地面的子组件被安装到所述车身板件的内表面，并且所述金属贴片的阵列被设计成基于所述天线当安装到所述车身板件时的形状来提供所述期望的远场辐射图。
17. 如方案16所述的天线，其特征在于，所述基底包括具有1.1或更低的介电常数的泡沫材料，所述金属贴片的阵列被应用于聚酰亚胺材料，并且所述车身板件具有2.0或更高的介电常数。
18. 如方案17所述的天线，其特征在于，所述金属贴片的阵列位于所述车身板件和所述基底之间，所述金属接地面位于所述基底的与所述金属贴片的阵列相对的一侧上，所述聚酰亚胺材料具有小于0.05 mm的厚度，并且所述基底具有至少3 mm的厚度。
19. 如方案16所述的天线，其特征在于，所述车身板件和所述天线的形状具有复合曲率。
20. 如方案16所述的天线，其特征在于，所述天线是在22-29 GHz或76-81 GHz的频率范围中操作的目标检测雷达系统的一部分，并且所述目标检测雷达系统给车辆中的防撞系统提供目标数据。
通过下面的描述和所附权利要求并结合附图，本发明的另外的特征将变得显而易见。
附图说明
图1是包括能够用于目标检测的正面雷达传感器的车辆的顶视图；
图2是能够在图1的车辆上使用的人工阻抗表面天线的示意图；
图3是如何能够通过在基底上印制金属贴片的矩阵来创建图2中所示的天线的人工阻抗表面的图示；
图4是来自图2中所示的人工阻抗表面天线的基底的单一单元格（unit cell）的透视图图示；
图5是用于图4的第一构造实施例的完整的人工阻抗表面天线的图示；
图6是安装到保险杠面板的内表面的人工阻抗表面天线的图像；以及
图7是使用替代性构造技术的AIS天线的一部分的图示。
具体实施方式
针对一种用于汽车雷达传感器的柔性人工阻抗表面天线的本发明的实施例的以下论述在本质上仅是示例性的，并且决不意在限制本发明或者其应用或使用。
随着例如自适应巡航控制和碰撞警告/避免之类的驾驶员辅助系统已得到普及，车载雷达系统已变得非常普遍。图1是包括能够用于目标检测的正面雷达传感器的车辆100的顶视图。车辆100包括通常位于车辆100的格栅之后或前保险杠中的一对雷达传感器102和104。第一（或左边的）雷达传感器102以水平或横向的距离106与第二（或右边的）雷达传感器104隔开。距离106将根据车辆100的品牌和型号变化，但在一些实施例中可以是大约1 m。
传感器102和传感器104具有以角度θ与车辆的前向方向偏置的孔轴线108。所采用的角度θ可根据车辆100的品牌和型号变化，但在一些实施例中是大约10°。无论为传感器102和传感器104选择什么定向，每个传感器都覆盖超宽场（ultra-wide field）以提供在区域110处部分重叠的覆盖范围。传感器102的覆盖区域通过扇形112表示，并且传感器104的覆盖区域通过扇形114表示。为了实现有效的防撞和自适应巡航控制的功能，扇形112和扇形114必须为车辆100提供完全的正面雷达覆盖范围。
来自传感器102和传感器104的雷达回波通过雷达模块116接收，所述雷达模块116与处理器118通信。处理器118是车辆中常用的任何类型的包括至少微处理器和存储器模块的计算设备。处理器118可以是还执行其他计算功能的通用设备，或处理器118可以是基于来自雷达模块116的数据专门针对目标检测及相关联的功能配置的定制设计。
不仅在生产传感器102和传感器104以及将它们组装到车辆100中的成本方面，而且在车辆100的美学方面，雷达传感器102和雷达传感器104在车辆100上的封装通常是成问题的。这是因为传感器102和传感器104通常构造有物理的孔和包含在封闭壳体中的电子电路。考虑到面板之后的空间限制，所述壳体的物理尺寸使得它难以封装在车辆100中。为了适应孔而对车辆100的外表面中的物理开口的需要也能够产生成本和美学两方面的问题。然而，通过使用平坦、柔性的人工阻抗表面天线，雷达传感器能够被放置在车辆100上的许多新位置。
图2是能够在车辆100上使用的人工阻抗表面天线140的示意图。人工阻抗表面天线140是用于目标检测的低成本、柔性、共形的汽车雷达天线设计，其能够被用于22-29 GHz和76-81 GHz的两个专用汽车频率。人工阻抗表面（AIS）天线140利用能够以指示的高频率操作的新的可印制电子技术。AIS天线140与当前现有技术水平的雷达传感器天线设计相比在成本上是较低的。此外，AIS天线140是柔性和共形的，并且能够被安装在车辆上的对安装雷达传感器而言先前不可用的许多位置，例如面板、门板、引擎盖和后厢盖。
AIS天线140通过越过人工阻抗表面（AIS）144发射一组表面波142来操作，所述人工阻抗表面（AIS）144的阻抗根据匹配AIS 144上的表面波142和期望的远场辐射图146之间的相前（phase front）的函数来空间调制。AIS天线140通过从AIS 144泄漏表面波142来辐射远场辐射图146，其中，AIS 144的阻抗被调制成产生优选的辐射图和远场辐射图146的极化（polarization）。AIS天线140被制造在薄的柔性基底148上，并且能够被共形地应用于车辆100上的多种车身板件。
图3是如何能够通过在基底148上印制金属贴片的矩阵来创建AIS 144的图示，并且图4是包括AIS 144的一部分的基底148的单一单元格的透视图图示。AIS 144包括覆盖基底148的接地介电层150的不同尺寸的导电贴片152的图案。贴片152与表面波142的电磁波长相比是小的，并且它们的散射特性能够根据它们的有效表面阻抗来描述。高阻抗区域在贴片152之间具有小的间隙，并且如在图2和图3中所见在外观上较暗。通过改变贴片152的尺寸和形状，AIS 144的表面阻抗能够作为位置和方向的函数来控制。在一个实施例中，单元格尺寸被固定在3 mm，并且贴片152之间的间隙在0.2 mm和1 mm之间变化。包括介电层150、接地面154以及贴片152中的一个的基底148的单元格能够在图4中看到。图4中所示的贴片152上方的体积被用于从AIS 144产生的辐射图146的电磁仿真中。
对贴片152而言，除图3和图4中所示的正方形之外，替代性的形状和设计是可能的。贴片152可以是各自被小的狭槽断开的正方形，其中，狭槽的位置和定向随栅格中的位置而变化，从而在配置辐射图中提供更多的灵活性。贴片152还可以是其他形状，而不一定是规则的多边形。
图5是用于图4的第一构造实施例的完整的AIS天线140的图示。AIS 144能够使用已知的电子印制技术印制在基底148的上表面上。可替代地，能够由覆盖基底148的上表面的金属片材蚀刻AIS 144。RF电子模块或半导体芯片156被附接到AIS天线140，其中，所述附接可经由同轴连接器（未示出）。芯片156是有源部件，其处理例如信号放大、相移和切换之类的天线功能。芯片156被电耦接到称为表面波馈给装置158的一组导电条，其将雷达信号馈给到AIS 144以及从AIS 144馈给雷达信号。表面波馈给装置158也能被印制到基底148上。图4中所示的接地面154处于基底148的下侧上，并且在图5中看不到。
如上文所提及的，基底148可以是薄的和柔性的。在一个实施例中，基底148是具有小于1 mm的厚度的陶瓷填充聚四氟乙烯（PTFE）复合材料。因此，AIS天线140能够弯曲以符合弯曲表面的形状，所述弯曲表面包括如在车辆100上常见的具有复合曲率的车身表面。图6是安装到保险杠面板160的内表面的AIS天线140的图像。AIS天线140能够使其辐射图146突出通过非金属表面，例如通常用于保险杠面板160的模制塑料。
因为它能够位于车辆100中的多种不显眼的位置，所以AIS天线140能够被制作得足够大以产生非常好的角分辨率雷达性能。AIS天线140能够容易地构造成具有200 mm或更多的长度，以及100 mm或更多的宽度。此外，AIS天线140的孔基本上是其整个表面区域。与雷达传感器102/104的典型构造相比，这个极大的孔给了AIS天线140非常好的角分辨率性能。
存在用于实现高角分辨率的其他技术，包括使用较高频率的雷达芯片组，以及利用更多的天线和电子装置来增加有效的孔尺寸。然而，这些其他技术比传统的雷达昂贵，并且不提供AIS天线140的封装便利性。相比之下，AIS天线140比传统的雷达传感器天线成本低，并且提供了极大的封装灵活性。
如图6中所示，AIS天线140能够被安装到任何非金属车辆车身表面（例如，保险杠面板160）的内部。在这种配置中，AIS天线140通过车身表面传输和接收雷达信号，所述车身表面能够被涂饰，包括利用金属涂料涂饰，但不能是固体金属表面。适于AIS天线140的内部安装的其他车身表面包括非金属门板、非金属的引擎盖和后厢盖以及车身防擦条（body side molding）。AIS天线140能够被安装到平坦的车身表面，或者具有简单曲率（围绕一个轴线弯曲的曲率）或复合曲率的表面。AIS 144的图案能够被设计成基于安装表面的曲率来提供期望的远场辐射图，所述安装表面的曲率在安装AIS天线140之后变成所述AIS天线140的曲率。
AIS天线140还能被安装到车辆100的外表面，特别是安装到不利于AIS天线140的内部安装的金属表面。AIS天线140足够薄以至于如果覆盖有薄的饰面或贴花并且随后涂饰与车辆外部相同的颜色，则在外部车身表面上几乎无法察觉。AIS天线140的外部安装在金属保险杠上以及引擎盖、行李箱盖和车身板件上不显眼的位置可以是适当的。
AIS天线140还能被制成透明的，并且应用于车辆100上的玻璃表面的内部或外部。这是可能的，通过制作在可见光波长下是光学透明的材料的基底148和贴片152。例如，已使用例如塑料和聚对苯二甲酸乙二酯（PET）的薄膜之类的基底材料论证了透明的AIS天线。在透明的设计中，AIS天线140能够被安装到玻璃部件（例如，前灯、天窗和后窗）的内部或外部。AIS天线140还能被安装到前挡风玻璃的内部或外部，安装在部分遮蔽的区域（例如，遮阳罩区域）中，安装在后视镜后面等。AIS天线140也能被安装到非玻璃制成的其他透明或半透明的表面，例如尾灯。这些安装表面选择进一步增加了在车辆100中封装AIS天线140的灵活性。
使AIS天线140工作的部分原因在于金属贴片152的两侧上的材料之间的介电常数的差异。如在图3和图4中看到的，在外部顶表面上（贴片152“之上”）那些材料是空气，并且在底表面上（贴片152“之下”）是基底148的介电层150，其中，接地面154在所述介电层150之下。在大气压力下空气具有仅略高于1.0（小于1.001）的介电常数，并且介电层150具有大约3.0的介电常数。其他构造实施例也是可能的，如下文所论述。
图7是使用替代性构造技术的AIS天线180的一部分的图示。AIS天线180意在被安装到非金属车身板件的内表面，所述非金属车身板件例如面板160，其中，面板160实际上变成AIS天线180的功能设计的一部分。AIS天线180包括金属接地面182、泡沫层184和贴片层186。泡沫层184包括具有尽可能接近1.0的介电常数的低密度泡沫或其他材料。泡沫层184的目的在于提供贴片层186与接地面182的分离，并且用介电常数非常低的材料填充此空间，从而作为基底。泡沫层184应当至少3 mm厚，以便提供贴片层186与接地面182的所需分离。
贴片层186被印制在非常薄的一层聚酰亚胺材料（例如，Kapton®或PET）上，而不是印制在如AIS天线140中的具有接地介电层的基底上。厚度仅为1-2 mil（密尔）（.025-.050 mm）的其上印制贴片层186的材料，相对于电磁辐射的波长是如此之薄以至于它对辐射仅具有非常小的影响。在贴片层186的与泡沫层184相对的一侧上的面板160的材料具有比泡沫层184高的介电常数（大于2.0），并且用作用于AIS天线180的覆盖物（superstrate）。基底（泡沫层184）和覆盖物（面板160）之间的介电常数的差异因此为AIS天线180提供所需的条件，以从施加于贴片层186的表面波产生远场辐射。
AIS天线180还将包括半导体芯片和耦接到贴片层186的表面波馈给装置（未示出），如先前针对AIS天线140所述。AIS天线180的接地面182、泡沫层184和贴片层186能够按照图7中所示的顺序堆叠，并且以任何合适的方式结合成子组件，所述子组件随后能够在车辆组装之前或期间被安装到面板160的内表面。在一些应用中，因为AIS天线180利用了面板160的固有存在并且因为它使用不同的材料，所以AIS天线180能够提供优于AIS天线140的成本和/或性能优势。
使用上述技术，能够创建汽车雷达天线，与传统的雷达传感器相比，其更便宜且更易于封装在车辆中。同时，与现有传感器相比，上述人工阻抗表面天线由于其极大的孔尺寸而提供了改进的目标检测性能。在雷达天线设计中的这些改进又使得能够实现更好的汽车防撞能力，这对于车辆驾驶员和车辆制造商二者而言都是益处。
前面的论述仅仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员将从这样的论述以及从附图和权利要求容易地认识到，在其中能够作出各种改变、修改和变型，而不脱离以下权利要求中限定的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1. 一种汽车雷达天线，包括：
半导体芯片，其配置成执行所述天线的主动功能，所述主动功能包括电信号的放大、相移和切换；
布置成创建阻抗图案的金属贴片的阵列，所述阻抗图案由发射越过所述金属贴片的阵列的表面波产生期望的远场辐射图，其中，所述表面波通过来自所述半导体芯片的电信号提供；
柔性基底；以及
柔性金属接地面，
其中，所述天线被安装到车辆的表面，并且所述金属贴片的阵列被设计成基于所述天线当安装到所述车辆的表面时的形状来提供所述期望的远场辐射图。
2. 如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述基底包括介电层，所述介电层包括具有2.0或更高的介电常数的材料，所述金属接地面被应用于所述介电层的底表面，并且所述金属贴片的阵列被应用于所述介电层的顶表面。
3. 如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述基底包括具有1.1或更低的介电常数的材料，所述金属贴片的阵列被应用于聚酰亚胺材料，并且所述天线被安装到具有2.0或更高的介电常数的汽车车身板件的内表面。
4. 如权利要求3所述的天线，其特征在于，所述金属贴片的阵列位于所述车身板件和所述基底之间，所述金属接地面位于所述基底的与所述金属贴片的阵列相对的一侧上，所述聚酰亚胺材料具有小于0.05 mm的厚度，并且所述基底具有至少3 mm的厚度。
5. 如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述车辆的表面和所述天线的形状具有复合曲率。
6. 如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线具有至少10,000 mm2的孔尺寸，并且被安装到保险杠面板的内表面。
7. 如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线被安装到汽车车身板件或结构部件的外表面。
8. 如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线是透明的，并且被安装到窗、前灯或尾灯的内表面。
9. 一种汽车雷达天线，包括：
半导体芯片，其配置成执行所述天线的主动功能，所述主动功能包括电信号的放大、相移和切换；
布置成创建阻抗图案的金属贴片的阵列，所述阻抗图案由发射越过所述金属贴片的阵列的表面波产生期望的远场辐射图，其中，所述表面波通过来自所述半导体芯片的电信号提供；
将所述半导体芯片连接到所述金属贴片的阵列的一组导电条，其中，所述导电条将表面波从所述半导体芯片馈给到所述金属贴片的阵列；以及
柔性基底，其包括介电层和金属接地面，所述介电层包括具有2.0或更高的介电常数的材料，所述金属接地面应用于所述介电层的底表面，其中，所述金属贴片的阵列和所述一组导电条被印制到所述介电层的顶表面上，
并且其中，所述天线被安装到车辆的表面，并且所述金属贴片的阵列被设计成基于所述天线当安装到所述车辆的表面时的形状来提供所述期望的远场辐射图。
10. 一种汽车雷达天线，包括：
半导体芯片，其配置成执行所述天线的主动功能，所述主动功能包括电信号的放大、相移和切换；
布置成创建阻抗图案的金属贴片的阵列，所述阻抗图案由发射越过所述金属贴片的阵列的表面波产生期望的远场辐射图，其中，所述表面波通过来自所述半导体芯片的电信号提供；
柔性基底；
柔性金属接地面；以及
当作覆盖物的汽车车身板件，其中，包括所述半导体芯片、所述金属贴片的阵列、所述基底和所述金属接地面的子组件被安装到所述车身板件的内表面，并且所述金属贴片的阵列被设计成基于所述天线当安装到所述车身板件时的形状来提供所述期望的远场辐射图。
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