CN105846084A - 一种75-78GHz共轭直线渐变缝隙天线 - Google Patents

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赵嘉斐
高洪民
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

本发明公开了一种75‑78GHz共轭直线渐变缝隙天线，该天线是一正面和背面均覆盖金属层的矩形介质基板结构，介质基板的前端是一共轭直线渐变缝隙结构，该结构横向宽为W，纵向长为K；介质基板的末端在横向距离为M内设有一排直径为L的金属通孔,金属通孔相邻间距为F；介质基板的两侧分别设有两列金属通孔；介质基板的背面处设有一纵向长为A和横向宽为B的矩形金属开槽，矩形金属开槽中心到所述介质基板末端的金属通孔中心线的垂直距离为N，矩形金属开槽中心到两列金属通孔纵向相邻金属通孔的中心线的最小垂直距离为V。该发明在保证系统增益、带宽、波瓣宽度要求的前提下还会对毫米波有较小的反射，具有降低RCS的作用。

Description

一种75-78GHz共轭直线渐变缝隙天线
技术领域
本发明属于汽车防撞雷达性能检测技术领域，具体涉及一种75-78GHz共轭直线渐变缝隙天线。
背景技术
目标回波模拟系统暗箱的工作原理是被试品发出的信号，被工作在该频段的接收天线接收，并通过射频接收端将接收到的毫米波信号下变频为厘米波信号。该厘米波信号再次经过射频发射端上变频转换为毫米波信号作为目标回波由目标回波发射天线发射出去。其中接收天线获得被试品发射信号在目标处的功率值，发射天线模拟目标散射并将目标回波辐射出去。下变频产生的厘米波信号特征经过信号分析显示在频谱仪、示波器上，进而可以获得被试品的特性。
喇叭天线具有宽频带、高增益的优点，因此它可以用来作为目标回波模拟系统暗箱的被试品发射信号接收天线和目标回波发射天线，但喇叭天线的有效口径相对较大，使得喇叭天线在工作时具有较高的RCS。此时对于被试品而言，被试品发射信号接收天线与目标回波信号发射天线的反射波也会成为目标信号，从而影响对被试品特性的测量结果。因此最大限度降低被试品发射信号接收天线与目标回波信号发射天线对毫米波反射是研究的重点。为了减缩喇叭天线的RCS，系统设计了共轭直线渐变缝隙天线作为被试品发射信号的接收天线和目标回波的发射天线。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种75-78GHz共轭直线渐变缝隙天线，能够保证系统增益、带宽、波瓣宽度要求的前提下还会对毫米波有较小的反射，因而相对于喇叭天线具有降低RCS的作用。
一种75-78GHz共轭直线渐变缝隙天线，该天线是一正面和背面均覆盖金属层的矩形介质基板结构，所述介质基板的前端是一共轭直线渐变缝隙结构，该结构横向宽为W，纵向长为K；所述介质基板的末端在横向距离为M内设有一排直径为L的金属通孔,相邻金属通孔的间距为F；所述介质基板的两侧分别设有一列金属通孔，两列金属通孔的横向距离为M，相邻金属通孔的纵向间隔为S；所述介质基板的背面处设有一纵向长为A和横向宽为B的矩形金属开槽，所述矩形金属开槽中心到所述介质基板末端的金属通孔中心线的垂直距离为N，所述矩形金属开槽中心到两列金属通孔的中心线的最小垂直距离为V。
进一步地，W为3mm，K为5mm。
进一步地，所述纵向间隔S为0.4mm，横向距离M为2mm。
进一步地，所述金属化通孔的直径L为0.2mm。
进一步地，所述介质基板为厚度是20mil的RT/Durioid6002板材，该基板的相对介电常数为2.94，介质损耗角正切为0.0012。
进一步地，距离F为0.44mm。
进一步地，所述矩形金属开槽长A为1.84mm和宽B为0.92mm。
进一步地，垂直距离N为2.4mm，最小垂直距离V为1.3mm。
有益效果：
1、本发明设计的共轭直线渐变缝隙天线的工作频率比传统类似结构天线高，可达到75-78GHz；
2、本发明设计的共轭直线渐变缝隙天线的增益全频段范围达到≥8.0dBi；波瓣宽度较宽，可达到E面3dB波瓣宽度≥53.0°，H面3dB波瓣宽度≥53.0°。
3、本发明设计的共轭直线渐变缝隙天线的体积、口径均比喇叭天线小，可以确保接收天线和发射天线对毫米波的反射较喇叭天线小，可尽量避免将接收天线和发射天线看做目标而影响被试品测量结果。
4、共轭直线渐变缝隙天线的平面结构体重轻便的特点可以保证天线质心相较于体积重的喇叭天线更能够保持水平，确保天线最大辐射方向不发生偏移。
5、共轭直线渐变缝隙天线采用传统PCB工艺，加工方便、生产成本低，天线结构紧凑、重量轻便，集成度高；采用波导转SIW的结构可以减小馈线损耗。
附图说明
图1为共轭直线渐变缝隙天线的结构正面结构示意图。
图2为共轭直线渐变缝隙天线的结构背面结构示意图。
图3为图1中A处圆圈的放大示意图。
图4为共轭直线渐变缝隙天线工作在75GHzE面、H面方向图。
图5为共轭直线渐变缝隙天线工作在76.5GHzE面、H面方向图。
图6为共轭直线渐变缝隙天线工作在78GHzE面、H面方向图。
图7为共轭直线渐变缝隙天线在工作频段内的驻波比值。
1-天线的正面结构；2-天线的背面结构；3-辐射部分；4-SIW过渡段部分；5-金属化通孔；6-矩形金属开槽；7-介质基板；8-短路面部分。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种75-78GHz共轭直线渐变缝隙天线，如图1所示，该天线是一正面和背面均覆盖金属层的矩形介质基板7结构，所述介质基板7的前端是一共轭直线渐变缝隙结构，该结构横向宽为W，纵向长为K，可作为天线的辐射部分3，实现天线宽频带的特点；所述介质基板7的末端在横向距离为M内设有一排直径为L的金属通孔5相邻金属通孔5的间距为F，可作为天线的短路面部分8，所述短路面部分8与矩形金属开槽6之间选取适当的距离，可以滤除高次模；所述介质基板7的两侧分别设有一列金属通孔5，两列金属通孔5的横向距离为M，相邻金属通孔5的纵向间隔为S，可作为天线的SIW过渡段部分4，降低天线末端的馈电波导等金属结构对辐射方向图的影响，减小副瓣电平；所述介质基板7的背面处设有一纵向长为A和横向宽为B的矩形金属开槽6，所述矩形金属开槽6中心到所述介质基板7末端的金属通孔5中心线的垂直距离为N，所述矩形金属开槽6中心到两列金属通孔5的中心线的最小垂直距离为V。
共轭直线渐变缝隙天线采用PCB工艺进行加工，其平面结构、体重轻便的特点可以保证天线质心相较于体积重的喇叭天线更能够保持水平，确保天线最大辐射方向不发生偏移。天线平面结构尺寸紧凑、口径小的特点使得天线对毫米波频段的电磁波反射小。
介质基板为厚度是20mil的RT/Durioid6002板材，该基板的相对介电常数为2.94，介质损耗角正切为0.0012。该基板介质材料的损耗小，而且介电常数相对较高，可以在一定程度上缩小天线的物理尺寸，从而减小天线本身对毫米波的反射。
其次，SIW过渡段部分选择20mil的板材厚度是基于本天线使用的基片集成波导(SIW)技术，该技术将天线辐射端与馈电波导结构集成在同一个平面中，减小天线体积，使SIW和天线之间达到良好的馈电匹配，能够增加天线的工作带宽，降低回波损耗，并防止高次模的产生。
天线工作在较高频段，采用介质集成波导结构馈电可以减小馈线损耗。在天线背面2的介质集成波导上采用光刻技术蚀刻出一个金属开槽，并在金属开槽处将介质集成波导与H面弯波导WR12/BJ740连接实现电磁波从H面弯波导WR12/BJ740到介质集成波导的过渡，实现减小天线的馈电损耗。槽的大小和开槽位置会影响电磁波在过渡段的传播，设计需要获得最佳的开槽尺寸和开槽位置以确保电磁波在过渡段的反射最小，本实施例中最佳的开槽尺寸A为1.84mm和B为0.92mm，开槽位置N为2.4mm，V为1.3mm。
为了减小天线后端基板表面覆盖的金属及与天线基板连接的波导法兰盘等结构对天线副瓣的影响，设计时将介质集成波导结构延伸出一定长度，该长度的选取是在确保天线后端金属结构对天线副瓣影响较小的前提下，天线纵向长度的最小取值，使天线具有体积小的优点。介质集成波导体积小、低损耗的特点有利于满足设计需求。为了保证天线的阻抗匹配以及减小回波损耗，设计时基片集成波导的金属化通孔的直径和通孔之间的距离也需要取最佳值，本实施例中金属化通孔的直径L为0.2mm，通孔之间的距离F为0.44mm。
共轭对称结构是将原本位于直线渐变天线介质基板一侧的左右两部分的直线渐变开槽分开放置在介质基板的两面上，形成了共轭对称的结构，实现天线宽频带的特点。位于天线介质基板双面的直线型渐变金属涂层在介质基板的正反两面上共轭形成缝隙张角，其中缝隙重叠部分的宽度也需要选取最佳值。合适的宽度值可以大大降低阻抗不匹配带来的损耗并能够展宽带宽，本实施例中W取3mm，K取5mm；
共轭直线渐变缝隙天线仿真设计时采用电磁仿真软件HFSS，天线的仿真设计过程包括基板材质的选取、天线模型的建立、模型参数的设置以及参数的优化。
基板材质的选取要考虑基板材质的介质特性，包括介电常数、介质损耗正切角，选择低损耗正切角、高介电常数的基板在一定程度上能够缩小天线的物理尺寸，有助于实现本设计减小天线对毫米波的反射的目的。
天线的建模、仿真过程是在电磁仿真软件HFSS中进行的，天线模型的建立依据其设计结构，天线模型的结构及详细说明如图1、2和3所示。
天线模型参数的设置依据相关理论，其中介质集成波导结构的金属通孔直径(L)与通孔间间距(F)要满足0.5≤L/F＜0.6及F＜0.2λmin，其中λmin是工作频段内的最小波长。天线辐射部分的长度一般选择为4-10倍的等效波长，口径宽度一般为1-2倍的等效波长。仿真设计过程中对天线辐射结构的长度、口径宽度、天线共轭结构重叠部分的宽度都进行参数优化，最终实现天线的最佳辐射效果；天线在不同频点处的E面、H面方向图如图4、5、6所示。天线的驻波比值如图7所示。
天线的加工采用传统PCB工艺，介质集成波导结构中的金属通孔在加工时需要对介质基板的通孔金属化加工。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种75-78GHz共轭直线渐变缝隙天线，其特征在于，该天线是一正面和背面均覆盖金属层的矩形介质基板(7)结构，所述介质基板(7)的前端是一共轭直线渐变缝隙结构，该结构横向宽为W，纵向长为K；所述介质基板(7)的末端在横向距离为M内设有一排直径为L的金属通孔(5),相邻金属通孔(5)的间距为F；所述介质基板(7)的两侧分别设有一列金属通孔(5)，两列金属通孔(5)的横向距离为M，相邻金属通孔(5)的纵向间隔为S；所述介质基板(7)的背面处设有一纵向长为A和横向宽为B的矩形金属开槽(6)，所述矩形金属开槽(6)中心到所述介质基板(7)末端的金属通孔(5)中心线的垂直距离为N，所述矩形金属开槽(6)中心到两列金属通孔(5)的中心线的最小垂直距离为V。
2.如权利要求1所述一种75-78GHz共轭直线渐变缝隙天线，其特征在于，W为3mm，K为5mm。
3.如权利要求1所述一种75-78GHz共轭直线渐变缝隙天线，其特征在于，所述纵向间隔S为0.4mm，横向距离M为2mm。
4.如权利要求1所述一种75-78GHz共轭直线渐变缝隙天线，其特征在于，所述金属通孔(5)的直径L为0.2mm。
5.如权利要求1所述一种75-78GHz共轭直线渐变缝隙天线，其特征在于，所述介质基板(7)为厚度是20mil的RT/Durioid6002板材，该基板的相对介电常数为2.94，介质损耗角正切为0.0012。
6.如权利要求1所述一种75-78GHz共轭直线渐变缝隙天线，其特征在于，距离F为0.44mm。
7.如权利要求1所述一种75-78GHz共轭直线渐变缝隙天线，其特征在于，所述矩形金属开槽(6)长A为1.84mm和宽B为0.92mm。
8.如权利要求1所述一种75-78GHz共轭直线渐变缝隙天线，其特征在于，垂直距离N为2.4mm，最小垂直距离V为1.3mm。
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