CN107529623A

CN107529623A - 一种提高收发隔离度的天线馈电网络系统

Info

Publication number: CN107529623A
Application number: CN201710904733.1A
Authority: CN
Inventors: 罗俊
Original assignee: Beijing Micro Core Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Micro Core Technology Co Ltd
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2018-01-02

Abstract

本发明涉及一种天线馈电网络系统，包括第一电桥、第二电桥、第三电桥、第四电桥，四个电桥相互连接构成上下对称的两条通路；其中，所述第一电桥及所述第二电桥皆与所述第三电桥及所述第四电桥相连接；所述第三电桥及所述第四电桥上皆连接有天线；在所述第一电桥上设置所述系统的接收端，在所述第二电桥上设置所述系统的发射端。本发明通过电桥连接形成对消结构，在接收机能够接收到信号的同时对消了发射端的泄露信号，还对消了天线端口不匹配而引起的反射信号，从而解决了雷达在使用时发射端的泄露问题，提升了系统的收发隔离度。

Description

一种提高收发隔离度的天线馈电网络系统

技术领域

本发明涉及一种天线馈电网络系统，特别涉及一种可以提高 FMCW雷达收发隔离度的77GHz天线馈电网络系统。

背景技术

早期的雷达技术以脉冲雷达为主，但是脉冲雷达有明显的缺点：发射功率要求很大，收发需要开关切换，有探测盲区，体积庞大，容易被截获等。连续波(CW)雷达可以避免这些缺点，它具有结构简单、尺寸小、功率低等优点，因而得到越来越广泛的应用。连续波雷达有很多种调制方式，其中以调频连续波(FMCW)应用最为广泛。

然而，连续波雷达同样具有缺点：因为收发同时工作，当收发共用一个天线时，或收发两个天线相距很近时，发射信号会泄露到接收端，强泄露信号会使得接收机的灵敏度急剧恶化，甚至使得接收机前端器件达到饱和；另外，天线端口的不匹配会造成反射回波，这些反射回波进入到接收机中也会干扰接收机的灵敏度。这些是目前制约FMCW雷达发展的主要因素。

目前，车载77GHz毫米波FMCW雷达已成为高端进口汽车的标配。77GHz的波长只有3.9mm，在这个频段进行电路设计，会面临波长小、尺寸小、材料特性未知、加工困难的问题。很多在低频段电路设计中已经很成熟的技术，并不能直接用于77GHz的电路设计中，这些都给在该频段工作的FMCW雷达的电路设计增加了难度。

现有技术中，如图1A-图1D所示，为了实现收发隔离，天线馈电网络系统采用的方案通常有：如图1A所示的3dB电桥；如图1B 所示的环形器；如图1C所示的耦合器；如图1D所示的双天线。

在3dB电桥及耦合器的方案中，在一般加工精度下，3dB电桥与耦合器只能在很窄的带宽内达到-30dB的隔离度，并且需要在天线端口完全匹配到50欧姆的前提下才可实现。一般天线端口的反射波大概在-20dB左右，因而总体发射-接收(Tx-Rx)的隔离度只能达到-20dB左右。而且在77GHz频段下，天线和馈电电路都采用传统PCB 加工工艺，加工精度误差要做到很小就非常困难，从而使得设计所需的隔离度与实际加工得到的隔离度相差很大。另外，在3dB电桥及耦合器的方案中，都需要将50欧姆匹配负载端接到第四个不用的端口处。然而在77GHz下，传统的PCB工艺很难实现50欧姆电阻。在低频段中可使用的尺寸最小的0402号贴片电阻，其尺寸大小为 1mm，基本达到了77GHz的1/4波长量级，因此会产生严重的寄生效应而无法应用在77GHz下。

在环形器方案中，在77GHz频段下铁氧体材料特性会发生巨变，很难采用PCB工艺实现。

在双天线方案中，收发分别用一支天线。从理论上来说，只要两支天线离的足够远，其隔离度可以做到很好；但是作为产品设计来说，2支天线势必需要两倍的空间；特别是在77GHz的雷达设计中，为了实现更远的通信距离，天线的尺寸都很大，2支天线势必将占据更大空间，使产品结构更为臃肿。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，在目前的PCB工艺水平下进行天线馈电网络的设计，提升收发隔离度，本发明实施例提供了一种提高收发隔离度的天线馈电网络系统。所述技术方案如下：

一种天线馈电网络系统，包括第一电桥、第二电桥、第三电桥、第四电桥，四个电桥相互连接构成上下对称的两条通路；其中，所述第一电桥与所述第三电桥及所述第四电桥相连接，所述第二电桥与所述第三电桥及所述第四电桥相连接；所述第三电桥及所述第四电桥上皆连接有天线；在所述第一电桥上设置所述系统的接收端，在所述第二电桥上设置所述系统的发射端。

其中，所述第三电桥的第四端口、所述第四电桥的第一端口分别通过第一节点N1、第二节点N2与第二电桥的第二端口、第四端口相连接；所述第三电桥的第一端口、所述第四电桥的第四端口分别通过第七节点N7、第八节点N8与所述第一电桥的第二端口、第四端口相连接。

其中，所述第一电桥、第二电桥为180°电桥，所述第三电桥、第四电桥为90°电桥；180°电桥及90°电桥都具有四个端口。

其中，所述第一电桥的第三端口为和端口；所述第二电桥的第一端口为差分端口；所述系统的接收端设置在所述第一电桥的第三端口上，所述系统的发射端设置在所述第二电桥的第一端口上。

其中，所述第一电桥的第一端口为差分端口；所述第二电桥的第三端口为和端口；在所述第一电桥的第一端口以及所述第二电桥的第三端口上皆接入开路线，且开路线的长度可调节。

该系统的所述天线包括第一天线、第二天线、第三天线、第四天线，分别对应有第一天线端口、第二天线端口、第三天线端口、第四天线端口；所述第一天线、所述第二天线分别通过第四节点N4、第三节点N3连接所述第三电桥的第二端口、第三端口；所述第三天线、所述第四天线分别通过第五节点N5、第六节点N6连接所述第四电桥的第二端口、第三端口。

其中，所述第一天线口、第二天线端口、第三天线端口、第四天线端口处的天线阻抗相同。

该系统还包括180°相移线，所述相移线可设置在任一天线上。

所述系统应用于调频连续波雷达中；

所述系统的工作频率为77GHz。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明中，在天线馈电网络中进行反射对消，不同于电路上的对消技术，不会引入额外的噪声，因而不会降低系统的灵敏度。相比其他馈电网络的对消技术，该对消方案不仅可以对消发射泄露，还可以对消天线端口不匹配而引起的反射，同时接收机也能接收到信号，而不至于使所有信号都对消掉。

本发明通过引入180°电桥和90°电桥，形成对消结构，对消了泄露信号与端口的反射信号；同时引入180°相移线，使得接收信号不会被同时对消掉；在180°电桥没有用的端口上引入开路线，从而形成微小的反射，利用开路线微调整个网络的隔离度，从而解决了FMCW雷达在使用时发射端Tx的泄露问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A为现有技术中利用3dB电桥实现的天线馈电网络系统的示意图。

图1B为现有技术中利用环形器实现天线馈电网络系统的示意图。

图1C为现有技术中利用耦合器实现天线馈电网络系统的示意图。

图1D为现有技术中利用双天线实现天线馈电网络系统的示意图。

图2为本发明中天线馈电网络系统的结构示意图。

图3为本发明中采用的90°电桥的原理示意图。

图4为本发明中采用的180°电桥的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所涉及的天线馈电网络如图2所示：

该天线馈电网络包括第一电桥21、第二电桥22、第三电桥23、第四电桥24。

其中，第一电桥21、第二电桥22皆为180°电桥，第三电桥23、第四电桥24皆为90°电桥，180°电桥及90°电桥都具有四个端口。

参见图3，90°电桥特性为：90°电桥具有四个端口，其中，当一端作为输入端31、一端作为隔离端34，则其他两个端口可以输出相位相差90°的信号，即输入端的输入信号相位为0°时，两个输出端中一个输出端32的信号相位为-90°，另一个输出端33的信号相位为-180°，而输出端信号幅度皆有-3dB的衰减。

参见图4，180°电桥的特性为：180°电桥具有四个端口，第一端口 41、第二端口42、第三端口43、第四44，其中包括一差分端、一和端，而另外两个端口既可以作为输出端也可以作为输入端；信号由差分端输入，则两个输出端的信号相位差180°；信号由和端输入，则两个输出端的信号同相；同时由两个输入端输入信号，如果两个信号同相，则只在和端有输出信号，如果两个信号反向，则只在差分端有输出信号。

描述180°电桥特性的散射矩阵S如下：

本发明中，天线馈电网络的上下两条通路具有对称结构。天线馈电网络包括第一天线25、第二天线26、第三天线27、第四天线28，并分别对应第一天线端口251、第二天线端口261、第三天线端口271、第四天线端口281。

第一天线25、第二天线26分别通过第四节点N4、第三节点N3分别连接第三电桥23的第二端口232、第三端口233，第三天线27、第四天线28分别通过第五节点N5、第六节点N6连接第四电桥24的第二端口242、第三端口243。

第三电桥23的第四端口234、第四电桥24的第一端口241分别通过第一节点N1、第二节点N2与第二电桥22的第二端口222、第四端口224连接。第二电桥22的第一端口221为差分端，该差分端连接该天线馈电网络的发射端Tx。

根据180°电桥的特性，当发射端Tx有信号输入时，在该天线馈电网络上形成相应各节点的相位分布。发射端Tx通过第二电桥22的差分端输入信号，则第二电桥22的2个端口：第二端口222、第四端口224 在第一节点N1和第二节点N2处的输出信号幅度相等但是有180°的相位差，其中，第一节点N1处相位为0°，N2节点处相位为-180°。两路输出信号经过相同的路径到达两个90°电桥，即第三电桥23、第四电桥 24。根据90°电桥的特点，第三电桥23的输出端在第三节点N3、第四节点N4以及第四电桥的输出端在第五节点N5、第六节点N6处的输出信号幅度都相同，而第三节点N3、第四节点N4、第五节点N5、第六节点N6处的相位分别为-90°、-180°、-270°、-360°。当4个天线端口都采用相同的天线时，4个天线端口造成的反射信号不会产生任何额外的相位差，相位保持不变，此时第二天线端口261、第一天线端口251、第三天线端口271、第四天线端口281处的相位分别为-90°、-180°、 -270°、-360°。

连接第三电桥23的第一端口231与第一电桥21的第二端口212 的第七节点N7上的信号可以分为两部分：由于有限的隔离度而直接从第一节点N1泄露到第七节点N7的信号为S1；由于天线端口非理想匹配而形成的反射信号S2。连接第四电桥24的第四端口244与第一电桥 21的第四端口214的第八节点N8上的信号也是由两部分构成，包括直接从第二节点N2泄露到第八节点N8的信号S3和由于天线端口非理想匹配形成的反射信号S4。由于第一节点N1和第二节点N2的信号具有180°的相位差，且上下两路结构对称，所以S1＝-S3；又由于采用相同的天线，反射信号也和第一节点N1及第二节点N2的信号相位一致，也就是说S2＝-S4。

第一电桥21中，除了和端和差分端口的其他两个端口，第一电桥 21的第二端口212与第三电桥23的第一端口231通过第七节点N7连接，第一电桥21的第四端口214与第四电桥24的第四端口244通过第八节点N8相连接，而该天线馈电网络的接收端Rx位于该第一电桥21 的第一端口211，该端口为第一电桥21的和端，因而 Rx＝N7+N8＝(S1+S2)+(S3+S4)＝0，也就是说发射端Tx的发射信号无法通过馈电网络泄露到接收端Rx。由此可见，上述天线馈电网络结构拥很高的隔离度。

进一步，该天线馈电网络还包括一个180°的相移线，该相移线可设置在任意一个天线上，该相移线可保证雷达接收到远处物体反射的回波信号，具体如下：

4个天线端口发射出的总电磁波信号为其中分别表示第二天线端口261、第一天线端口251、第三天线端口271以及第四天线端口281的天线矢量。则发射信号经过远处物体反射回来被4个天线端口接收后，每个天线端口接收到的信号分别为：

则上述4路接收信号分别经过第三电桥23及第第四电桥24这两个 90°电桥后，在与第三电桥23连接的第七节点N7及与第四电桥24连接的第八节点N8处的信号分别为：

Rx_N7＝-Rx2-jRx1

Rx_N8＝Rx4-jRx3

最后到接收端的信号为：

只要保证第一天线端口251与第三天线端口271，以及第二天线端口261与第四天线端口处281的天线矢量在不同时互相垂直，即内积等于零，则Rx不为零，即被远处的物体反射回来的回波信号就能被Rx 接收到，Rx-Tx的隔离度依然可以保证。相反地，如果没有上述180°的相移线，接收端Rx的信号始终为零，即无法收到信号。

进一步地，由于在77GHz频段没有相对应的成熟的电阻和电容能够使用，在发射端Tx所在的第二电桥22的和端口以及接收端Rx所在的第一电桥21的差分端口无法使用匹配负载，即无法使用50欧姆负载。在本发明中，利用180°电桥的和端口与差分端口之间具有相互隔离的特性，在上述端口上直接接入开路线，利用开路线引入的微小反射，与泄露的信号再次进行对消。其中，第一电桥21的差分端口上设置开路线长度为L2，第二电桥22的和端口上设置开路线的长度为L1，通过调节长度L1及L2便可以微调Tx-Rx的整体泄露水平，使得整个馈电网络在77GHz频率下可以有足够的收发隔离度。

每个天线端口连接何种类型的天线，可以根据具体情况而定，本发明不限定其具体类型，只要能保证每个天线端口的天线阻抗一样即可。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种天线馈电网络系统，其特征在于：包括第一电桥、第二电桥、第三电桥、第四电桥，四个电桥相互连接构成上下对称的两条通路；其中，所述第一电桥与所述第三电桥及所述第四电桥相连接，所述第二电桥与所述第三电桥及所述第四电桥相连接；所述第三电桥及所述第四电桥上皆连接有天线；在所述第一电桥上设置所述系统的接收端，在所述第二电桥上设置所述系统的发射端。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第三电桥的第四端口、所述第四电桥的第一端口分别通过第一节点(N1)、第二节点(N2)与所述第二电桥的第二端口、第四端口相连接；所述第三电桥的第一端口、所述第四电桥的第四端口分别通过第七节点(N7)、第八节点(N8)与所述第一电桥的第二端口、第四端口相连接。

3.根据权利要求1～2所述的系统，其中，所述第一电桥及所述第二电桥为180°电桥，所述第三电桥及所述第四电桥为90°电桥。

4.根据权利要求1～3所述的系统，其中，所述第一电桥的第三端口为和端口；所述第二电桥的第一端口为差分端口；所述系统的接收端设置在所述第一电桥的第三端口上，所述系统的发射端设置在所述第二电桥的第一端口上。

5.根据权利要求1～4所述的系统，其中，所述第一电桥的第一端口为差分端口；所述第二电桥的第三端口为和端口；在所述第一电桥的第一端口及所述第二电桥的第三端口上接入开路线，且所述开路线的长度皆可以调节。

6.根据权利要求1～5所述的系统，所述天线包括第一天线、第二天线、第三天线、第四天线，分别对应有第一天线端口、第二天线端口、第三天线端口、第四天线端口；所述第一天线、所述第二天线分别通过第四节点(N4)、第三节点(N3)连接所述第三电桥的第二端口、第三端口；所述第三天线、所述第四天线分别通过第五节点(N5)、第六节点(N6)连接所述第四电桥的第二端口、第三端口。

7.根据权利要求1～6所述的系统，其中，所述第一天线口、第二天线端口、第三天线端口、第四天线端口处的天线阻抗相同。

8.根据权利要求1～7所述的系统，还包括180°相移线，所述相移线可设置在任一天线上。

9.根据权利要求1～8所述的系统，所述系统应用于调频连续波雷达中。

10.根据权利要求1～9所述的系统，所述系统的工作频率为77GHz。