CN107026322A - 短距车载雷达天线 - Google Patents

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Abstract

短距车载雷达天线，包括一介质基板，所述介质基板上刻蚀有1*N的微带天线阵列结构，所述微带天线阵列结构包括N个等间距并排均布的微带贴片，N为偶数，每个所述微带贴片上均设有分微带馈线，所述分微带馈线均连接于水平微带馈线上，所述水平微带馈线的中间设有垂直微带馈线，所述水平微带馈线上与每个分微带馈线连接的枝节处均设有阻抗变换线。本发明的微带天线阵列结构是一单层结构，从而制备比较简单。同时设置阻抗变换线来达到阻抗匹配的目的，实用可靠。

Description

短距车载雷达天线
技术领域
本发明属于雷达和汽车电子技术领域，涉及一种短距车载雷达天线。
背景技术
随着人民生活质量的不断提高，家用轿车是越来越多。一方面来讲，家用轿车的普及的确可以让我们的生活变得更加的便利；但是，另一方面它也带来了严重的交通安全问题。一份戴姆勒-克莱斯勒公司的调查研究报告显示，在开车的过程中如果驾驶员有0.5秒的提前警告时间，大约60％的追尾事故可以避免，如果提前1秒可以预判，那么90％的追尾事故将不会发生。如果一辆车上装有防撞的报警系统的话，交通事故可以减少73％。车载防撞雷达系统作为一种主动安全的防御方式越来越受到人们的关注。
目前，车载防撞雷达天线的工作频段一般为24GHz频段，35GHz频段，77GHz频段。而35GHz附近军工频段较多，77GHz对器件的要求又比较苛刻，所以本文设计的应用于汽车防撞雷达的频段选为24GHz频段。根据我国工业和信息化部在2012年发布的《工业和信息化部关于发布24GHz频段短距车载雷达设备使用频率的通知》，24GHz短距车载雷达频段使用的频率为24.25-26.65GHz,发射信号带宽至少为500MHz。本文所设计的微带车载雷达天线的谐振频率为24.8GHz。对于汽车防撞雷达的天线部分，国内外有不少的设计方案了，但大多为线极化(Slovic M,Jokanovic B,Kolundzija B.High efficiency patch antenna for24GHz anticollision radars[C].Telecommunications in Modern Satellite,Cableand Broad-casting services,7th International Conference on,2005:20-23)。在毫米波频段，雨雾等空中水凝物对电磁波后向散射形成的雨雾杂波严重影响了雷达的探测精度(胡志慧，姜永华，李娜，凌祥。ka波段宽带圆极化微带天线及阵列的设计[J]弹箭与制导学报2013.33:129-133)。对比于单一的线极化波，圆极化具有抗雨雾干扰的能力和抑制多径反射的优势，从而可以减弱雨雾对雷达探测性能的影响。目前已经有多种应用于汽车防撞雷达的圆极化微带天线，但是效果并不好。例如陈冰洁的应用于车载防撞雷达的圆极化微带天线阵列就存在圆极化带宽在窄，天线加工复杂的缺点。当然，也有像胡志慧等人在Ka波段宽带圆极化微带天线及阵列设计中设计缝隙耦合天线一样高轴比的带宽的天线，这种天线更加容易形成圆极化，但是一般需要两层甚至多层介质板，加工工艺要求较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种加工工艺和成本不高且更加实用的一种短距车载雷达天线。
本发明采用的技术方案是：
短距车载雷达天线，包括一介质基板，其特征在于：所述介质基板上刻蚀有1*N的微带天线阵列结构，所述微带天线阵列结构包括N个等间距并排均布的微带贴片，N为偶数，每个所述微带贴片上均设有分微带馈线，所述分微带馈线均连接于水平微带馈线上，所述水平微带馈线的中间设有垂直微带馈线，所述水平微带馈线与垂直微带馈线共同组成功分器，所述水平微带馈线上与每个分微带馈线连接的枝节处均设有阻抗变换线。本发明的微带天线阵列结构是一单层结构，从而制备比较简单。同时设置阻抗变换线来达到阻抗匹配的目的，实用可靠。
进一步，所述微带贴片是一矩形贴片，矩形贴片的对角处设有倒角结构，形成圆极化微带天线。
进一步，所述微带贴片的中间位置处开设有一T型缝隙，所述T型缝隙由竖直矩形缝隙和水平矩形缝隙连通组成。本发明设置T型缝隙的目的在于增加带宽。
进一步，所述水平矩形缝隙的宽边是y轴对称设置，y轴与水平微带馈线平行并朝右设置，长边的左侧端部位于y轴负半轴的-d1位置处，轴中心是矩形贴片的中心处。
进一步，所述竖直矩形缝隙的长边是y轴对称设置，宽边的位于y轴负半轴的-d1位置处。
进一步，所述分微带馈线垂直连接于微带贴片宽边的中间处。
进一步，所述微带贴片在分微带馈线的两侧均开设有矩形缝隙，来达到阻抗匹配的目的。
进一步，所述阻抗变换线为四分之一波长阻抗变换器。
进一步，所述介质基板的一面上按照阵列结构覆铜，另一面则完全覆铜，用于做无限大接地平面。
进一步，所述微带贴片的个数N＝8，微带贴片的宽度为3.6mm，长度为3.84mm；矩形缝隙的宽度为0.04mm，长度为0.51mm；水平矩形缝隙的宽度为0.06mm，长度为0.53mm，分微带馈线的宽度为0.54mm，竖直矩形缝隙的宽度为0.09mm，长度为0.64mm；倒角结构边长为0.64mm；微带贴片间的间距8.41mm，阻抗变换线的长度为2.1mm，靠近垂直微带馈线的两阻抗变换线的宽度为0.85mm，其余阻抗变换线的宽度为1.56mm，垂直微带馈线的宽度为1.21mm，水平微带馈线的宽度为0.64mm，x轴负半轴的d1取值为0.02mm；介质基板的材料为rogers5880，介电常数2.2，材料的厚度为0.508mm。
本发明有益效果：本发明中的微带天线阵列结构为单层结构，从而制备比较简单。阵列结构的阻抗带宽2.2GHz，轴比带宽为470MHz，增益为15.54dB,而且E面方向图的半功率波瓣宽度为10°，H面的半波瓣宽度为76°，实用可靠。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的微带贴片的结构视图。
图3(a)为本发明的微带贴片仿真S参数曲线。
图3(b)为本发明的微带贴片仿真Smith圆图。
图3(c)为本发明的微带贴片仿真轴比曲线图。
图3(d)为本发明的微带贴片增益与方向性视图。
图4(a)为本发明的微带车载雷达天线S11仿真结果。
图4(b)为本发明的微带车载雷达天线S11实物测试结果。
图4(c)为本发明的微带车载雷达天线S11仿真与实测结果对比。
图4(d)为本发明的微带车载雷达天线仿真轴比曲线图。
图5(a)为本发明的微带车载雷达天线HFSS仿真增益图。
图5(b)为本发明的车载雷达天线归一化实测辐射方向图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
如图1所示，短距车载雷达天线，包括一介质基板1，所述介质基板1上刻蚀有1*8的微带天线阵列结构，整个介质板长70.94mm,宽为14.72mm。所述微带天线阵列结构包括8个等间距k＝8.41mm并排均布的微带贴片2，每个所述微带贴片2上均设有宽度为W3＝0.54mm的分微带馈线21，所述分微带馈线21均连接于宽度为w100的水平微带馈线3上，所述水平微带馈线3的中间设有宽度为w50＝1.21mm的垂直微带馈线4，并且用w100＝0.64mm的水平微带馈线与垂直微带馈线4共同组成功分器，达到功分的效果。所述水平微带馈线3上与每个分微带馈线21连接的枝节处均设有长度为k1＝2.1mm的阻抗变换线5，接近所述垂直微带馈线4的两阻抗变换线5为宽度为wb＝1.56mm的四分之一波长阻抗变换器，其余阻抗变换线5为宽度为wa＝0.85mm的四分之一波长阻抗变换器。本发明所述的微带贴片2的间距设置为大约1个介质波长的长度，用k来表示。整个微带车载雷达天线的馈电点即垂直微带馈线4在整个阵列的中间，为了使整个阵列实现阻抗匹配，用四分之一波长阻抗变换器实现阻抗匹配，也从而可以达到功分器的效果。
如图2所示，所述的微带贴片2是长为L宽为W的矩形贴片，其中L＝3.84mm，W＝3.6mm。为了形成圆极化，利用简并分离单元激励起两个相互正交的TM01模和TM10模，即在左下角和右上角各切一个倒角结构25，倒角结构25的边长大小a＝0.64mm。为了进一步扩展轴比带宽，在矩形贴片的中心先开一条宽为W2长为L2的水平矩形缝隙23，其中W2＝0.06mm，L2＝0.53mm，水平矩形缝隙23的位置为矩形的宽边关于y轴对称，而长边在y轴的负半轴上的长度为d1＝0.02mm。为了再进一步的增加带宽，在y＝-d1的地方再开一个竖直矩形缝隙24，竖直矩形缝隙24的长边是y轴对称设置，从-L4/2到L4/2，长度L4＝0.64mm，宽度为从-d1到-d1-W4，W4＝0.09mm，从而整个缝隙可以组成一个T型缝隙。本实施例中以矩形贴片的中心线为轴线，x轴与水平微带馈线3垂直设置，方向是矩形贴片的中心往水平微带馈线3方向，y轴与水平微带馈线3平行设置，方向是矩形贴片的中心往右的方向。
本实施例所述分微带馈线21垂直连接于微带贴片2宽边的中间处。为了实现阻抗匹配，在分微带馈线21的左右两边各开一个宽为W1长为L1的矩形缝隙22，W1＝0.04mm,L1＝0.51mm,从而达到阻抗匹配的目的。
本实施例所述微带天线阵列结构是蚀刻在介质基板1上的，介质基板1为聚四氟乙烯rogers5880，介电常数2.2，材料的厚度为0.508mm。在介质基板上双面覆铜，一面按照阵列结构覆铜，另一面则完全覆铜，用以做无限大接地平面。
具体实现如下：
本实施例采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.508mm的聚四氟乙烯PCB基板某一面上刻蚀出图2所示的微带天线阵列结构，单元间距k＝8.41mm。整个介质材料的大小为70.94mm*14.72mm*0.508mm。
采用商业电磁仿真软件Ansoft HFSS14对该结构的单个微带贴片2单元进行仿真。仿真S11参数如附图3(a)所示，从中可以看出在23.9～25.7GHz上S11小于-10dB，阻抗带宽为1.8GHz，且在24.8GHz处回波损耗只有-43dB。附图3(b)为微带贴片2单元的smith圆通，从图中可以看出，微带贴片2单元几乎达到了完全的匹配。图3(c)为微带贴片2单元的轴比示意图，从图中可以看出微带贴片2天线的3dB轴比带宽为从24.52GHz到25.13GHz共610MHz的带宽。而图3(d)示出了微带贴片2单元的2D方向图，从图中可以看出微带贴片2单元是右旋极化的，且单个微带贴片2的增益为7.6dB。
将微带贴片2单元按图2所示排列为1*8的阵列结构，使用四分之一阻抗变换器进行阻抗匹配。采用HFSS14对该阵列结构S11进行仿真，仿真结果如图4(a)所示。其中，此微带车载雷达天线的回波损耗最小的点并没有和微带贴片单元一样恰好落在了24.8GHz点。这是因为圆极化天线除了要考虑该天线的回波损耗以外，还要考虑该天线的轴比带宽。而且一般轴比带宽相比于阻抗带宽来讲要小很多，所以为了保证该车载雷达天线能够更好的实现圆极化，使轴比谐振点落在了24.8GHz，如图4(d)所示。最终得到的车载雷达天线的S11曲线如图4(a)所示，该车载雷达天线的回波损耗在24.8GHz处依旧小于-20dB。将加工出来的实物用8719SES矢量网络分析仪进行测试，最终测试结果如图4(b)所示。将测试结果与仿真结果进行对比，如图4(c)所示，该实物测试结果与仿真结果有0.4GHz的频率差。不过，巧合的是该频率差值正好可以使该车载雷达天线的谐振点落在了24.8GHz，且在24.8GHz处的回波损耗约为-27dB。
如图5(a)所示，车载雷达天线的增益为15.54dB这与图3(d)所示的单个天线的增益相比提高了7.9dB。而且，天线在XOZ面的半功率波瓣宽度为70°，在YOZ面的半功率波瓣宽度为10°，很好的提高了天线的方向性。该车载雷达天线的实物增益的归一化结果如图5(b)所示,为了使该测试结果中的天线副瓣更加的明显，所以图5(b)的结果中只截取了-90°到90°的范围，该实物方向图测试的结果图像与仿真结果相差不大。实物测试结果显示：在大约20°的位置开始出现了第一副瓣，该副瓣电平小于-20dB，极好的实现了天线的方向性。

Claims (10)

1.短距车载雷达天线，包括一介质基板，其特征在于：所述介质基板上刻蚀有1*N的微带天线阵列结构，所述微带天线阵列结构包括N个等间距并排均布的微带贴片，N为偶数，每个所述微带贴片上均设有分微带馈线，所述分微带馈线均连接于水平微带馈线上，所述水平微带馈线的中间设有垂直微带馈线，所述水平微带馈线与垂直微带馈线共同组成功分器，所述水平微带馈线上与每个分微带馈线连接的枝节处均设有阻抗变换线。
2.根据权利要求1所述的短距车载雷达天线，其特征在于：所述微带贴片是一矩形贴片，矩形贴片的对角处设有倒角结构，形成圆极化微带天线。
3.根据权利要求2所述的短距车载雷达天线，其特征在于：所述微带贴片的中间位置处开设有一T型缝隙，所述T型缝隙由竖直矩形缝隙和水平矩形缝隙连通组成。
4.根据权利要求3所述的短距车载雷达天线，其特征在于：所述水平矩形缝隙的宽边是y轴对称设置，y轴与水平微带馈线平行并朝右设置，长边的左侧端部位于y轴负半轴的-d1位置处，轴中心是矩形贴片的中心处。
5.根据权利要求4所述的短距车载雷达天线，其特征在于：所述竖直矩形缝隙的长边是y轴对称设置，宽边的位置位于y轴负半轴的-d1位置处。
6.根据权利要求5所述的短距车载雷达天线，其特征在于：所述分微带馈线垂直连接于微带贴片宽边的中间处。
7.根据权利要求6所述的短距车载雷达天线，其特征在于：所述微带贴片在分微带馈线的两侧均开设有矩形缝隙。
8.根据权利要求7所述的短距车载雷达天线，其特征在于：所述阻抗变换线为四分之一波长阻抗变换器。
9.根据权利要求8所述的短距车载雷达天线，其特征在于：所述介质基板的一面上按照阵列结构覆铜，另一面则完全覆铜。
10.根据权利要求9所述的短距车载雷达天线，其特征在于：所述微带贴片的个数N＝8，微带贴片的宽度为3.6mm，长度为3.84mm；矩形缝隙的宽度为0.04mm，长度为0.51mm；水平矩形缝隙的宽度为0.06mm，长度为0.53mm，分微带馈线的宽度为0.54mm，竖直矩形缝隙的宽度为0.09mm，长度为0.64mm；倒角结构边长为0.64mm；微带贴片间的间距8.41mm，阻抗变换线的长度为2.1mm，靠近垂直微带馈线的两阻抗变换线的宽度为0.85mm，其余阻抗变换线的宽度为1.56mm，垂直微带馈线的宽度为1.21mm，水平微带馈线的宽度为0.64mm，x轴负半轴的d1取值为0.02mm；介质基板的材料为rogers5880，介电常数2.2，材料的厚度为0.508mm。
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