CN106972244A - 一种车载雷达阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种车载雷达阵列天线，包括设置于同一平面上的辐射片阵列和阻抗匹配网络，所述辐射片阵列以阻抗匹配网络为中心轴呈两侧对称排布结构。本发明采用新型的馈电网络，即基于微带线的阻抗匹配与相移原理，以简单的实现形式实现天线辐射阵列的相关参数需求，进而实现产品的最优化。车载防撞雷达阵列天线的仿真与天线样本调试方便快捷。将微带阻抗匹配网络与阵列天线置于同一个平面内，不仅降低整体雷达天线剖面，而且有效地压缩了天线馈电部分在车载雷达整机中的占空比。这种新的设计理念与设计方法，可突破传统背面繁杂的馈电功分网络结构，有效地降低对其它射频器件的电磁干扰，在实际工程中具有深远的商业应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及天线领域，更具体地，涉及一种车载雷达阵列天线。
背景技术
无人驾驶汽车是通过车载传感系统感知道路环境，自动规划行车路线并控制车辆到达预定目标的智能汽车。它是利用车载传感器来感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息，控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶。集自动控制、体系结构、人工智能、视觉计算等众多技术于一体，是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物，也是衡量一个国家科研实力和工业水平的一个重要标志，在国防和国民经济领域具有广阔的应用前景。
无人驾驶技术是未来安全驾驶的趋势，是衔接主动安全与无人驾驶的技术，被称之为ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) 高级辅助驾驶系统。毫米波雷达是ADAS系统的关键一环，它可为驾驶员提供变道辅助，自适应巡航，碰撞预警等功能，从而提高驾驶舒适度，降低事故发生率。雷达接收的回波的频率与发射的频率变化规律相同，都是三角波规律，只是有一个时间差，利用这个微小的时间差造成的频差可计算出目标距离，角度和速度等参数。
毫米波车载雷达系统（无人驾驶技术）的关键器件之一就是毫米波防撞雷达阵列天线系统。该天线系统技术要求：高增益，高辐射效率，窄的波束宽度，以及毫米波段的工作带宽频段，小尺寸，低剖面，低成本等等。24G防撞雷达天线阵列的设计和调试难度均比较大，并且国内极少有成熟案例借鉴。目前要达到上述技术要求，相应的结构会变复杂、成本提高，不利于应用推广。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种高增益、低干扰、高辐射效率的车载雷达阵列天线。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：一种车载雷达阵列天线，包括设置于同一平面上的辐射片阵列和阻抗匹配网络，所述辐射片阵列以阻抗匹配网络为中心轴呈两侧对称排布结构。微带馈电匹配网络具备相位调节和阻抗匹配的作用，并且与辐射贴片阵列处于同一平面内，易于集成化，降低了天线占空比，可降低传统的繁杂匹配网络对射频电路的电磁干扰，有效减小对其它射频电路的不利影响。
优选的，所述阻抗匹配网络由微带线走线组成。通过微带线实现阻抗匹配和相位偏移和相位调节，
进一步优选的，所述阻抗匹配网络包括功分器、阻抗变换器和相移控制部分，所述相移控制部分包括具有相位调节作用的第一相移控制部分和产生180度相位差的第二相移控制部分。阻抗匹配网络具有阻抗匹配作用进而降低损耗，还具有相位偏移或相位调节的作用，进而对天线辐射波束进行波束调节，实现180度相位差，从而实现电流同向，增大辐射增益；还具有具备功率分配的作用，可以通过调节该部分提高功率利用效率。
进一步优选的，所述阻抗变换器为长方形走线，所述功分器呈直角形式设置于阻抗变换器的一侧，所述第一相移控制部分和第二相移控制部分分别以弯曲走线的形式连接于阻抗变换器的两侧。采用微带线弯折形式实现相位偏移。
优选的，所述辐射片阵列包括多组一端连接阻抗匹配网络的辐射片串接单元，每组辐射片串接单元包括依次串接的多个长度相同，宽度由连接阻抗匹配网络的一端向外侧依次递减的辐射片。控制辐射片长度相同，确保天线工作在谐振频率处，并通过调节其宽度来进一步调整阻抗匹配。
优选的，所述辐射片阵列和阻抗匹配网络设置于介质基板的一面，所述阻抗匹配网络上设有单馈点，所述介质基板的另一面设置馈电信号传输装置穿过介质基板连接单馈电。单馈点的背馈方式简洁且有效降低对其它射频电路或者器件的影响。
进一步优选的，馈电信号传输装置包括SMP-M接头，所述SMP-M接头通过微带传输线连接单馈点。背面的微带传输线可在馈电端口与辐射阵列之间进行阻抗匹配，有效降低能耗。微带传输线与SMP-M接口结构简单，有效降低传输损耗和加工成本
进一步优选的，所述单微带传输线末端通过金属化馈电通孔连接单馈点。通过连接单馈电将馈电信号传输到顶层中的阻抗匹配网络与辐射阵列，可有效降低馈电网络所占空间，进而减小对其它射频电路或器件的干扰。
进一步优选的，所述介质基板为多层结构，所述多层结构的介质基板每两层之间设有金属层，板层之间可以进行配套的射频电路设计。
进一步优选的，所述介质基板设有直径与金属化馈电通孔外径相等的圆孔供金属化馈电通孔穿过，所述金属层对应所述圆孔的位置上开设直径大于圆孔的圆槽。保证能量顺利传输。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明提供一种车载雷达阵列天线，适用于汽车安全避障的24G车载防撞雷达阵列天线，是未来无人驾驶应用中的一项重点和难点技术，具有小尺寸、高的主瓣辐射增益、高效的旁瓣抑制、窄的E面辐射波束角度、宽的H面波束角度、高的辐射效率的效果，阻抗匹配网络与辐射片阵列共面设计，易于集成化。该车载雷达天线工作在24-24.25GHz的阻抗带宽范围内，解决了高频段的天线设计难题。辐射片阵列的设计，不仅可以提高主辐射增益，还可根据需求来改善辐射方向性，并且满足对天线整机小尺寸的需求。从而本申请具有高增益，低剖面，高效率，E面半功率辐射方向角小于15°，H面±45°内的辐射增益均高于3dB，并且在25°附近方向的增益最大等诸多优点。本申请的阻抗匹配网络的可进行相应的调节来满足不同天线产品的参数需求或性能需求。本发明不同于传统背部繁杂的馈电网络设计，作为K波段的天线阵列设计，本申请的阻抗匹配网络是基于相关的阻抗匹配理论和电磁学的相关研究来发明设计的，其与辐射阵列单元共面的阻抗匹配设计和单馈点的馈电方式有效地降低了对其它射频电路的干扰，改善了其兼容性，在未来的无人驾驶技术或车载防撞雷达系统中的均具备良好的应用前景。
本发明所公开的车载雷达阵列天线设计采用微带辐射贴片的阵列形式结合馈电匹配网络的设计。解决了传统的天线结构复杂、加工成本和调试难度均比较大的问题。具有单馈点、易于计算调节和低成本优势，便于工业产品的应用推广。
附图说明
图1为本发明实施例辐射片阵列和阻抗匹配网络连接结构示意图。
图2为本发明实施例阻抗匹配网络结构示意图。
图3是本发明实施例馈电信号传输装置结构示意图。
图4是本发明实施例天线辐射阵列单元在23GHz-25GHz的S11仿真曲线，S11仿真结果显示，-10dB阻抗频段范围为23.67GHz-24.26GHz。
图5是本发明实施例天线辐射阵列单元在24GHz频点处的仿真辐射方向图。
图6是本发明实施例天线辐射阵列单元在24.125GHz频点处的仿真辐射方向图。
图7是本发明实施例天线辐射阵列单元在24.25GHz频点处的仿真辐射方向图。
其中，1为辐射片阵列，2为阻抗匹配网络，3为单馈电，11为第一相移曲线，12为第二相移曲线，13为第三相移曲线，14为第四相移曲线，15为第五相移曲线，16为第六相移曲线，17为第七相移曲线，18为第八相移曲线，19为第九相移曲线，21为第一阻抗变换器，22为第二阻抗变换器，23为第三阻抗变换器，24为第四阻抗变换器，25为第五阻抗变换器，26为第六阻抗变换器，31为第一功分器，32为第二功分器，33为第三功分器，34为第四功分器，35为第五功分器，41为SMP-M接头，42为盲孔，43为微带传输线，44为金属化馈电通孔。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面将结合附图以及实施例对本发明进行进一步详细描述。
本实施例公开了一种24G车载防撞雷达阵列天线，如图1所示，可作为24G车载防撞雷达天线的发射端或接收端，本实施例以发射端为例，提出一类新型的24G/77G阻抗匹配网络设计，这种应用于发射端天线阵列的阻抗匹配形式是基于微波/毫米波阻抗匹配相关理论研究出来的。该阵列天线包括由5×10个辐射片排列组成的辐射片阵列1，辐射片阵列1为辐射部分，在辐射片阵列1的同一平面上设置阻抗匹配网络2，辐射片阵列以阻抗匹配网络2为中心轴呈两侧对称串行排布结构，该辐射片阵列包括10组辐射片串接单元，每一组辐射片串接单元包括五个依次串接的长度相等，本实施例设置该长度约为1/2介质波长，确保辐射片阵列工作在谐振频率处，宽度依次递减的辐射片，宽度最大的辐射片一端连接阻抗匹配网络2，其中，辐射片为微带贴片单元，天线的整体尺寸为65mm×30mm，在与其相类似的车载雷达天线中具备低尺寸优势。
如图2所示，阻抗匹配网络为微带线走线形式，具有相移调整和阻抗匹配作用，包括功分器、阻抗变换器、第一相移控制部分和第二相移控制部分，其中，功分器呈直角形式，具备功率分配作用，可以通过调节该部分提高功率利用效率，包括第一功分器31、第二功分器32、第三功分器33、第四功分器34和第五功分器35，阻抗变换器为长方形走线，具备阻抗匹配和降低能耗的作用，包括第一阻抗变换器21、第二阻抗变换器22、第三阻抗变换器23、第四阻抗变换器24、第五阻抗变换器25和第六阻抗变换器26；第一相移控制部分和第二相移控制部分均为弯曲走线。其中，第一相移控制部分可实现相位调节，进而对天线辐射波束进行波束调节，包括第一相移曲线11、第二相移曲线12、第三相移曲线13和第四相移曲线14；第二相移控制部分可实现180度相位差，目的是实现电流同向，增大辐射增益，包括第五相移曲线15、第六相移曲线16、第七相移曲线17、第八相移曲线18和第九相移曲线19。第一功分器31、第一阻抗变换器21、第一相移曲线11、第二阻抗变换器22、第二功分器32、第二相移曲线12、第三阻抗变换器23、第三功分器33、第三相移曲线13、第四阻抗变换器24、第四功分器34、第五阻抗变换器25、第四相移曲线14、第六阻抗变换器26和第五功分器35依次连接，第二相移曲线和第三阻抗变换器23之间连接单馈点3，第一功分器31和第一阻抗变换器21的连接处还连接第五相移曲线15，第二功分器32和第二阻抗变换器22的连接处还连接第六相移曲线17，第三功分器33和第三阻抗变换器23的连接处还连接第七相移曲线17，第四功分器34和第四阻抗变换器24的连接处还连接第八相移曲线18，第五功分器35和第六阻抗变换器26的连接处还连接第九相移曲线19，第五相移曲线15、第六相移曲线16、第七相移曲线17、第八相移曲线18和第九相移曲线的两端均连接辐射片串接单元。
辐射片阵列1和阻抗匹配网络2设置于5层介质基板的第一层表面，5层介质基板的每两层之间还设有金属层，故一共设有4层金属层，第五层介质基板的底面设有馈电信号传输装置，该馈电信号传输装置包括SMP-M接头41、微带传输线43和金属化馈电通孔44。SMP-M接头41上设有多个盲孔42，防止电磁波泄露，保证能量的低损耗传输，微带传输线43一端连接SMP-M接头41，另一端连接金属化馈电通孔44，SMP-M接头41DE 金属探针压在微带传输线43中线处，并且微带传输线根据CPWG相关理论在两侧设有缝隙。金属化馈电通孔44穿过5层介质基板和4层金属层后连接单馈点3完成背馈式馈电连接。其中，5层介质基板上开设直径与金属化馈电通孔44外径相等的圆孔，供金属化馈电通孔穿过，四层金属层对应圆孔的位置上与圆孔同圆心开设直径大于圆孔的圆槽，圆槽与圆孔的直径比为：4：1，本实施例圆槽直径为1.6mm。保证馈电信号由第五层介质基板到第一层介质基板的能量平稳传递。
图4显示的是S11仿真结果，-10dB阻抗频段为23.67GHz-24.26GHz，包含了24GHz，24.125GHz，24.25GHz三个频点。图5-7分别显示的是24GHz，24.125GHz，24.25GHz频点处的辐射方向图特性。研究表明，仿真与测试结果均基本满足设计需求。
其中，5层介质基板的中间三层为FR4介质板，上下两层为Rogers介质板。
本发明所公开的车载雷达阵列天线的结构可作为雷达天线的发射端或接收端，其辐射片阵列亦可选择不同数量的辐射片按照本发明所采用的规律排列，并结合阻抗匹配网络实现高增益、低干扰、高辐射效率的车载雷达阵列天线。同时，本发明不局限于特定材料，还可以填充其它相关低耗介质，但是，天线辐射片尺寸均需根据本发明所公开的设计要点和规律进行调整。
以上为本发明的其中具体实现方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种车载雷达阵列天线，其特征在于：包括设置于同一平面上的辐射片阵列和阻抗匹配网络，所述辐射片阵列以阻抗匹配网络为中心轴呈两侧对称排布结构。
2.根据权利要求1所述的车载雷达阵列天线，其特征在于：所述阻抗匹配网络由微带线走线组成。
3.根据权利要求2所述的车载雷达阵列天线，其特征在于：所述阻抗匹配网络包括功分器、阻抗变换器和相移控制部分，所述相移控制部分包括具有相位调节作用的第一相移控制部分和产生180度相位差的第二相移控制部分。
4.根据权利要求3所述的车载雷达阵列天线，其特征在于：所述阻抗变换器为长方形走线，所述功分器呈直角形式设置于阻抗变换器的一侧，所述第一相移控制部分和第二相移控制部分分别以弯曲走线的形式连接于阻抗变换器的两侧。
5.根据权利要求1所述的车载雷达阵列天线，其特征在于：所述辐射片阵列包括多组一端连接阻抗匹配网络的辐射片串接单元，每组辐射片串接单元包括依次串接的多个长度相同，宽度由连接阻抗匹配网络的一端向外侧依次递减的辐射片。
6.根据权利要求1所述的车载雷达阵列天线，其特征在于：所述辐射片阵列和阻抗匹配网络设置于介质基板的一面，所述阻抗匹配网络上设有单馈点，所述介质基板的另一面设置馈电信号传输装置穿过介质基板连接单馈点。
7.根据权利要求6所述的车载雷达阵列天线，其特征在于：馈电信号传输装置包括SMP-M接头，所述SMP-M接头通过微带传输线连接单馈点。
8.根据权利要求7所述的车载雷达阵列天线，其特征在于：所述单微带传输线末端通过金属化馈电通孔连接单馈点。
9.根据权利要求8所述的车载雷达阵列天线，其特征在于：所述介质基板为多层结构，所述多层结构的介质基板每两层之间设有金属层。
10.根据权利要求9所述的车载雷达阵列天线，其特征在于：所述介质基板设有直径与金属化馈电通孔外径相等的圆孔供金属化馈电通孔穿过，所述金属层对应所述圆孔的位置上开设直径大于圆孔的圆槽。
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