CN108494430A - 一种小型化毫米波射频前端 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种小型化毫米波射频前端，借助性能良好的射频过渡，天线、射频电路分别放置在射频板卡的正面、反面，天线馈线、射频馈线由穿板而过的射频过渡连接，射频过渡上表面和下表面对应加工有若干金属通孔，金属通孔中心连线形成矩形，天线耦合面上的矩形和射频耦合面上的矩形之间的介质即为介质波导，毫米波在天线馈线、射频馈线之间通过介质波导传播。本发明减小了射频前端的体积，实现小型化，同时提高了天线设计的灵活性。

Description

一种小型化毫米波射频前端

技术领域

本发明涉及毫米波技术领域，具体涉及一种小型化毫米波射频前端。

背景技术

毫米波是分布在30GHz到300GHz广大频率范围的电磁波，已经广泛应用在射电天文、微波遥感、气象等领域。相比光波，毫米波不受白天黑夜的影响，也不受恶劣天气的影响，实现全天时、全天候工作。相比频率较低的微波，毫米波的带宽较宽、波长较短，所以器件尺寸较小、波束较窄，能够改善系统指标。

毫米波雷达是雷达技术从军用转化为民用、频率由低到高的发展方向。随着雷达技术的发展和进步，毫米波雷达开始应用于汽车电子、无人机、智能交通、人体安全检测等多个民用行业中。目前，市场主流的毫米波雷达产品集中在24GHz、77GHz、90GHz。随着工作频率的提升，器件更小，容易实现系统整机的小型化；天线的增益相对更高、波束更窄，使得探测距离更远、目标的角分辨率更高；系统的带宽更宽，使得距离分辨率、速度分辨率更高。民用产品会在体积、重量、性能、成本之间权衡，具备以上优点的毫米波雷达在这些方面提供了必要的自由度。

毫米波雷达包括天线、射频电路、信号处理机、显示终端。工作原理是由发射天线发射毫米波波段的已知波形，由接收天线接收经目标调制过的波形。射频电路完成以上发射和接收的控制，并将接收信号下变频为频率较低的中频信号、输出至信号处理机。信号处理机根据预设算法，计算出目标的距离、方位、速度，并将该信息输出至显示终端。在显示终端中，该信息以用户容易接受的方式显示，实现目标的信息的合理感知。

天线和射频电路是毫米波雷达小型化、低成本的关键因素。微带天线由于属于印刷电路、低剖面、设计灵活，成为设计首选。射频电路大量采用半导体集成电路，将发射机、接收机集成到一块射频芯片上，辅以数字电路控制，也逐渐成熟。以上部件都能独立设计成一块板卡，微带线是主要的射频传输线，板卡之间采用合适的射频接口连接。注意到，毫米波雷达在小型化的过程中，天线和射频电路的集成仍是一个难题。

现有技术中，天线板卡和射频板卡独立设计，板卡之间通过波导工装来连接。该设计使得天线、射频可以设计独立、甚至随时更换，该设计只在系统调试阶段有意义，因为两块板卡加波导工装组成的射频前端的占用体积较大。另有天线板卡、射频板卡的一体化设计，把天线、射频电路设计在同一个平面上，电路直接由微带直接连接，也取得了较好的性能。该设计的缺点是天线、射频电路无法独立设计，在板卡面积有限时天线的可用面积受限，不能进行天线的灵活设计。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种小型化毫米波射频前端，减小了射频前端的体积，实现小型化，同时提高了天线设计的灵活性。

本发明的具体实施方式如下：

一种小型化毫米波射频前端，包括一体化射频板卡、发射天线、接收天线、射频芯片、射频过渡、天线馈线及射频馈线；

所述一体化射频板卡由顶层介质板、中间介质板和底层介质板粘接而成；

所述射频过渡包括天线耦合面、射频耦合面、天线匹配片和射频匹配片，天线耦合面设置在所述顶层介质板上表面，天线匹配片设置在所述顶层介质板下表面；所述射频耦合面设置在底层介质板下表面，所述射频匹配片设置在底层介质板上表面；天线耦合面和射频耦合面上对应加工有若干金属通孔，所述金属通孔中心连线形成矩形，天线耦合面上的矩形和射频耦合面上的矩形之间的介质即为介质波导；

所述天线馈线设置在天线耦合面凹槽中，所述天线耦合面凹槽伸入介质波导上表面，射频馈线设置在射频耦合面凹槽中，所述射频耦合面凹槽伸入介质波导下表面；顶层介质板上表面通过天线馈线分别连接发射天线、接收天线，底层介质板下表面通过射频馈线连接射频芯片；毫米波在天线馈线、射频馈线之间通过介质波导传播。

进一步地，所述天线耦合面凹槽对天线馈线赋形；射频耦合面凹槽对射频馈线赋形。

进一步地，所述中间介质板为多层板的组合。

有益效果：

1、本发明借助性能良好的射频过渡，天线、射频电路分别放置在射频板卡的正面、反面，充分利用了射频板卡空间，减小了射频前端的体积，实现了小型化，同时，提高了天线设计的灵活性，可以在有限板卡面积时充分增加天线面积，或者在有限天线面积下充分减小板卡面积。

2、本发明集中优化射频过渡中的耦合面凹陷，减少毫米波泄露，实现天线馈线、射频馈线在期望带宽内的高效传输。

3、本发明中间介质板选择灵活，既可以为单层板，也可以为多层板的组合。

附图说明

图1为一体化射频板卡正面结构示意图；

图2为一体化射频板卡反面结构示意图；

图3为本发明侧视图；

图4为射频过渡的立体示意图。

其中，1-一体化射频板卡，2-板卡正面，3-板卡反面，4-发射天线，5-接收天线，6-射频芯片，7-射频馈线，8-射频过渡，9-天线馈线、10-金属通孔、11-天线耦合面、12-射频耦合面、13-天线匹配片、14-射频匹配片、15-天线耦合面凹槽、16-射频耦合面凹槽、17-顶层介质板、18-中间介质板、19-底层介质板，20-介质波导。

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。

本发明提供了一种小型化毫米波射频前端，选取多层介质板，将天线、射频电路分别设置在同一板卡的正面、反面，天线馈线、射频馈线由穿板而过的射频过渡连接。

该小型化毫米波射频前端包括一体化射频板卡、发射天线、接收天线、射频芯片、射频过渡、天线馈线及射频馈线。如图1所示，板卡正面2放置发射天线4、接收天线5，如图2所示，板卡反面3放置射频芯片6等射频电路。

一体化射频板卡1由多层介质板粘接而成，包括顶层介质板17、中间介质板18和底层介质板19。

如图4所示，射频过渡8包括天线耦合面11、射频耦合面12、天线匹配片13和射频匹配片14。如图3所示，天线耦合面11设置在顶层介质板17上表面，天线匹配片13设置在顶层介质板17下表面。射频耦合面12设置在底层介质板19下表面，射频匹配片14设置在底层介质板19上表面。天线耦合面11和射频耦合面12上对应加工有若干金属通孔10，金属通孔10中心连线形成矩形，天线耦合面11上的矩形和射频耦合面12上的矩形之间的介质即为介质波导20。

天线耦合面11上设置有天线耦合面凹槽15，天线耦合面凹槽15对天线馈线9赋形，减少毫米波泄露，天线馈线9通过天线耦合面凹槽15伸入介质波导20上表面；射频耦合面12上设置有射频耦合面凹槽16，射频耦合面凹槽16对射频馈线7赋形，射频馈线7通过射频耦合面凹槽16伸入介质波导20下表面。

天线馈线9设置在天线耦合面凹槽11中，射频馈线7设置在射频耦合面凹槽16中，顶层介质板17上表面通过天线馈线9分别连接发射天线4、接收天线5，底层介质板19下表面通过射频馈线7连接射频芯片6，毫米波在天线馈线9、射频馈线7之间通过介质波导20传播。天线匹配片13在天线馈线9、介质波导20之间起到探针作用，引导毫米波在准TEM波和TE10波之间转换。射频匹配片14在射频馈线7、介质波导20之间起到探针作用，引导毫米波在准TEM波和TE10波之间转换。

实施例中，顶层介质板17、底层介质板19均为高频印制板罗杰斯3003，板材厚度是0.127mm，相对介电常数3.1。中间介质板18的选择灵活，可以是罗杰斯3003或FR-4，也可以是多层板的组合。天线馈线9、射频馈线7都是微带传输线，线宽是3.0mm。天线耦合面11、天线匹配片13、射频耦合面12、射频匹配片14都是金属贴片，形状可以灵活设计，覆铜面的厚度是0.02mm。金属通孔10的直径0.3mm，通孔之间的间距0.6mm；介质波导20的截面长宽分别为3.1mm和1.55mm。天线耦合面11、天线匹配片13、天线耦合面凹槽15位于顶层介质板17上，属于射频过渡8中靠近天线的一部分。底层介质板19上有类似结构，属于射频过渡8中靠近射频电路的一部分，射频过渡8引导毫米波在天线馈线9、射频馈线7之间高效传播。顶层介质板17和底层介质板19根据各自馈线进行独立设计，射频过渡8中的介质波导20、天线匹配片13、射频匹配片14可以优化，性能在带宽、传输系数之间权衡。在75GHz到79GHz的频率范围内，两条馈线之间的传输系数S21优于-0.8dB。

具体的工作过程是：设计射频前端时，选取多层介质板，天线、射频电路分别位于板卡的正面、反面，天线馈线、射频馈线由穿板而过的射频过渡连接。根据各自馈线、多层介质板的参数，集中优化射频过渡中的耦合面凹陷、介质波导、匹配片的参数，实现天线馈线、射频馈线在期望带宽内的高效传输。顶层介质板、中间介质板、底层介质板独立加工，最后多层介质板进行粘结，合体后在天线耦合面和射频耦合面之间打通孔，形成介质波导。此时，可以在有限板卡面积时充分增加天线面积，或者在有限天线面积下充分减小板卡面积。

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 (3)

1.一种小型化毫米波射频前端，其特征在于，包括一体化射频板卡、发射天线、接收天线、射频芯片、射频过渡、天线馈线及射频馈线；

所述一体化射频板卡由顶层介质板、中间介质板和底层介质板粘接而成；

所述射频过渡包括天线耦合面、射频耦合面、天线匹配片和射频匹配片，天线耦合面设置在所述顶层介质板上表面，天线匹配片设置在所述顶层介质板下表面；所述射频耦合面设置在底层介质板下表面，所述射频匹配片设置在底层介质板上表面；天线耦合面和射频耦合面上对应加工有若干金属通孔，所述金属通孔中心连线形成矩形，天线耦合面上的矩形和射频耦合面上的矩形之间的介质即为介质波导；

所述天线馈线设置在天线耦合面凹槽中，所述天线耦合面凹槽伸入介质波导上表面，射频馈线设置在射频耦合面凹槽中，所述射频耦合面凹槽伸入介质波导下表面；顶层介质板上表面通过天线馈线分别连接发射天线、接收天线，底层介质板下表面通过射频馈线连接射频芯片；毫米波在天线馈线、射频馈线之间通过介质波导传播。

2.如权利要求1所述的小型化毫米波射频前端，其特征在于，所述天线耦合面凹槽对天线馈线赋形；射频耦合面凹槽对射频馈线赋形。

3.如权利要求1所述的小型化毫米波射频前端，其特征在于，所述中间介质板为多层板的组合。