CN107658558A - 一种24GHz汽车雷达阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种24GHz汽车雷达阵列天线，包括上层的导电图形层、中间层的介质层和底层的导体地，所述导电图形层是由三个一分二功率分配和三对微带线阻抗变换网络组成的馈电网络和四个SIR单元线阵组成，所述单个SIR线阵有4对对称的阶梯阻抗微带线组成，而4个多级阶梯阻抗微带线阵单元组成了天线阵列。本发明可应用目前汽车防撞雷达驾驶系统，提高汽车驾驶的安全性能，减少交通事故。该阵列天线采用多级阶梯阻抗微带结构，增益高，波束窄，结构简单，成本低。

Description

一种24GHz汽车雷达阵列天线

技术领域

本发明涉及一种天线，具体是一种24GHz汽车雷达阵列天线。

背景技术

随着汽车工业的快速发展，以及国内外高速公路的普及，汽车撞车事故日益增多。交通事故频发的原因主要是超速，违规驾驶所致；主要是车车相撞和车人或者物体相撞。虽然所有的汽车都配备了安全带、安全气囊等防护装置，但是这些措施都是发生事故后采取的一种补救措施，是一种被动式的防护措施，因此还会造成大量的人员死亡和巨大的经济损失。

车祸的80％以上是由于汽车司机反应不及时造成的，司机看不清楚四周的车辆或者障碍物，等发现危险已经为时过晚；或者因为车速太快而反应时间过短，酿成灾难；另外司机长时间驾驶也会产生疲劳导致交通事故。

基于上述原因，世界各国的研究机构和科研院所和汽车制造商投入了大量的人力物力和财力研制主动式汽车安全驾驶的措施，就是在事故将要发生以前可以轻易地避免事故的发生。国际上对于汽车防撞雷达的研究开始于20世纪60年代，主要以德国，日本和美国这些汽车工业比较发达的西方国家展开的。

天线作为雷达系统中收发电路的组成部分，如何设计高增益、低副瓣、易于集成和批量化生产的雷达天线将会对汽车工业产生非常重要的现实意义和应用前景。因此，汽车防撞雷达天线一直受到研发和生产部门的极大重视，它决定了防撞系统性能的好坏，设备的体积以及成本的高低。对于汽车防撞雷达，除了增益、波束宽度、旁瓣电平和方向图外，还必须考虑到下列的一些因素，首先，天线的低成本和量产化；其次，天线必须在各类汽车上安装方便；最后天线必须符合或者说较小的改变汽车的动力学设计，最理想的就是把雷达天线做成和汽车共形的结构。

毫米波雷达的工作体制主要有脉冲体制、二进制频移键控(FSK)体制和调频连续波(FMCW)体制。脉冲体制是发射经脉冲调制的电磁波，测定发射脉冲同接收脉冲之间的时间差，就可以计算出目标的距离，但是防撞雷达的距离相对较近，发射信号和接收信号之间的时间差很小，只有几纳秒，使得近距离脉冲雷达系统十分复杂，成本很高。二进制频移键控(FSK)体制的是用二进制数字0、1两种状态去控制载波的频率，产生快慢两种状态的载波频率。发射信号与回波信号相差一个时间上的延迟。如果目标为移动物体，还有多普勒频移。时延通过相位差计算，这种调制方式电路简单，但这种信号的带宽等于数字信号带宽的两倍再加上快慢频率的差值，信号占用的频带较宽，信号处理算法比较复杂。FMCW雷达调制信号为三角波，反射波和发射波的形状相同，只是在时间上有一个延迟，因此会产生与发射波的差频，目标距离R与差频成正比。FMCW调制存在着发射波向反射波泄露的缺点，电路实现信号处理算法较简单，分辨率较高，能测量很近的距离以及不存在盲区。

早期的防撞雷达是工作在10GHz的微波频段，雷达波束很宽，所以只能侦测到物体是否存在，不能准确定位。随着毫米波技术的成熟，防撞雷达主要集中在毫米波频段，包括24GHz，35GHz，60GHz，77GHz等频段。目前欧美，日本汽车雷达的工作频段锁定在76-77GHz频段，我国对于汽车雷达的研究刚刚起步，目前大多在24GHz和77GHz频段。国内外汽车雷达的天线一般都为喇叭天线或者抛物面天线等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种馈电网络简单，阵元数目较少，增益和方向图主瓣都满足24GHz汽车雷达要求的SIR天线阵。采用低介电常数的介质材料增强辐射的边缘场，采用薄的介质基板减小表面波。主要分为两部分，馈电网络部分和天线阵列部分。馈电网络主要由四分之一微带阻抗变换器和功率合成网络构成，完成对各个阵元的馈电和阻抗变换。并使得各阵元的馈电为同相馈电，馈电点的信号幅度相等。总阵列由4个SIR线阵单元组成，每个线阵单元由四个对称的SIR单元组成。本发明采用平面结构，可以和电路板共形，调试方便，结构简单，易量产。3dB主瓣宽度小于20°，增益大于20dB，具有明显的性能优势。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种24GHz汽车雷达阵列天线，包括上层的导电图形层、中间层的介质层和底层的导体地，所述导电图形层是由馈电网络和SIR单元线阵组成，所述SIR线阵有4对对称的阶梯阻抗微带线组成，而4个多级阶梯阻抗微带线阵单元组成了天线阵列。

作为本发明的进一步技术方案：所述四个线阵单元之间的间距为二分之一波长。

作为本发明的进一步技术方案：所述馈电网络采用多个四分之一波长微带变换电路和一分二等功率分配电路。

作为本发明的进一步技术方案：所述导电体为铜皮或铝皮。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用低介电常数的介质材料增强辐射的边缘场，采用薄的介质基板减小表面波。主要分为两部分，馈电网络部分和天线阵列部分。馈电网络主要由四分之一微带阻抗变换器和功率合成网络构成，完成对各个阵元的馈电和阻抗变换。并使得各阵元的馈电为同相馈电，馈电点的信号幅度相等。总阵列由4个SIR线阵单元组成，每个线阵单元由四个对称的SIR单元组成。本发明采用平面结构，可以和电路板共形，调试方便，结构简单，易量产。3dB主瓣宽度小于20°，增益大于20dB，具有明显的性能优势。

附图说明

图1表示采用微带SIR单元的天线阵列示意图。

图2表示汽车雷达天线馈电网络。

图3表示汽车雷达天线结构。

图4表示采用四个SIR单元线阵的天线阵列E面和H面方向图。

图5表示输入端口的回波损耗。

图6天线阵列增益方向图的实测结果。

图中：1-中间层介质、2-下层地层、3-介质层、4-微带线、5-微带A、6-阻抗变换微带、7-微带B、8-微带C、9-高阻抗微带、10-微带D、11-微带E、12-微带F、13-微带G。

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。

请参阅图1-6，一种24GHz汽车雷达阵列天线，其特征在于：采用多级阶梯阻抗微带线阵为阵列单元，四个结构相同的多级阶梯阻抗微带线阵单元构成四阵元阵列，通过微带功率分配网络和四分之一微带阻抗变换网络连接四个多级阶梯阻抗微带线阵。其中，阵列是在一个绝缘介质层的一面设置一个导电层，在该介质的另一面设置一个其上带有馈电网络的四个结构相同的多级阶梯阻抗微带线阵单元组成的阵列。相邻线阵单元中心之间的距离为二分之一波长，即6.24mm。每个微带线阵由宽度不等，但长度相等的阶梯微带线交替级联而成。其中，所有高阻抗对应的窄微带线长度相等，宽度相等。所有低阻抗对应的宽微带线长度相等，但宽度各不相同。馈电网络主要由阻抗变换网络和功率分配网络组成。与每个阶梯阻抗微带线阵连接的为四分之一微带阻抗变换电路，把阶梯阻抗微带线阵的输入电阻变换到100欧姆，再用一个T型的微带功率分配器连接两个阶梯阻抗的微带线阵。T型微带功率分配器的输入端再用四分之一阻抗微带变换电路把阻抗变换到100欧姆，接着再用一个T型微带功率分配器连接由前面两个相同的T型微带功率分配器连接的四个多级阶梯阻抗微带线阵单元。此时最后一级T型功率分配器的输入端的阻抗就变换到了50欧姆，而从这一端口输入的信号，到达四个阶梯阻抗微带线阵的信号幅度和相位都一样，实现了等幅同相激励。

所述的汽车雷达阵列天线的介质层与导电层为双面敷铜介质板，导电图形区通过PCB工艺形成；介质的另一面为导电接地层。

所述的图形区由四个多级阶梯阻抗微带线阵单元、微带功率分配电路和四分之一微带线阻抗变换电路组成，其中：四个多级阶梯阻抗微带线阵单元结构相同，每个线阵单元由宽度不等，长度相同的微带线交替级联。相邻线阵之间的距离为二分之一波长。四个多级阶梯阻抗微带线阵单元的输入端各接四分之一微带阻抗变换电路，然后用两个T型功率分配器分别各自连接两个多级阶梯阻抗微带线阵；再用四分之一微带阻抗变换电路把这两个功率分配器的输入阻抗变换到特性阻抗50欧姆。最后用一个T型功率分配器连接上面两个功率分配器，形成天线阵列的馈电网络。

本发明的工作原理是：如图1，本发明是一种基于阶梯阻抗微带的雷达阵列天线，它包括上层天线阵列和馈电网络层1、中间层介质2、下层地层3。介质层厚度h＝0.508mm,相对介电常数ε＝2.2。

图2是天线阵列的馈电网络，微带线4为阻抗变换电路，长度为四分之一波导波长，即2.33mm；宽度0.543mm。微带A 5的长度为二分一波长，即8.457mm；宽度为0.44mm。阻抗变换微带6的长度为四分之一波导波长，即2.29mm；宽度为0.897mm。微带B 7的长度为一个波导波长，即17.103mm；宽度为0.44mm。微带C 8为特性阻抗50欧姆的馈线，宽度1.59mm；长度为10mm。

图3是连接馈电网络的天线阵列，此发明由四个完全相同的多级阶梯阻抗微带构成的线阵组成天线阵列。高阻抗微带9的长度3.98mm，宽度0.4mm。微带D 10的长度3.98mm，宽度1.8mm。微带E 11的长度3.98mm，宽度2.9mm。微带F 12的长度3.98mm，宽度3.2mm。微带G13的长度3.98mm，宽度5.1mm。

图4为天线阵列E面和H面三维电磁仿真软件模拟的增益方向图。E面方向图的主瓣辐射最大方向位于0°，3dB波束宽度为10°，最大增益21.6dB。H面方向图的主瓣辐射最大方向位于0°，3dB波束宽度为17°，最大增益21.6dB。

图5为天线阵列的馈电端的反射系数，在24GHz到24.25GHz频段内反射系数都小于-10dB。

图6是天线阵列实物在微波暗室测试的增益曲线。天线阵列的3dB波束宽度为10°，最大增益为17dB。旁瓣电平低于13dB。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种24GHz汽车雷达阵列天线，包括上层的导电图形层、中间层的介质层和底层的导体地层，其特征在于，所述导电图形层是由馈电网络和SIR单元线阵组成，所述SIR线阵有4对对称的阶梯阻抗微带线组成，4个多级阶梯阻抗微带线阵单元组成了天线阵列。

2.根据权利要求1所述的一种24GHz汽车雷达阵列天线，其特征在于，所述四个线阵单元相邻间隔为二分之一波长。

3.根据权利要求1所述的一种24GHz汽车雷达阵列天线，其特征在于，所述馈电网络采用多个四分之一波长微带变换电路和一分二等功率分配电路。

4.根据权利要求1所述的一种24GHz汽车雷达阵列天线，其特征在于，所述导电体为铜皮或铝皮。