CN108832289A - 微带串馈阵列天线、天线面阵及雷达传感器的射频前端 - Google Patents

微带串馈阵列天线、天线面阵及雷达传感器的射频前端 Download PDF

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Abstract

一种微带串馈阵列天线、天线面阵及雷达传感器的射频前端，该天线包括介质基板以及在介质基板上表面由金属箔形成的微带结构、在介质基板下表面由金属箔形成的地；微带结构包括多个微带天线主辐射单元、多个匹配枝节单元以及微带主馈线，多个微带天线主辐射单元组成一字阵列；多个匹配枝节单元设置在多个微带天线主辐射单元的输入端，与多个微带天线主辐射单元配合设置；多个微带天线主辐射单元、多个匹配枝节单元通过微带主馈线相连。该天线面阵及雷达传感器的射频前端均是采用了上述天线。本发明具有适用范围广、可实现主波束指向法向方向、并获得宽带阻抗特性等优点。

Description

微带串馈阵列天线、天线面阵及雷达传感器的射频前端
技术领域
本发明主要涉及到天线技术领域，特指一种微带串馈阵列天线、天线面阵及雷达传感器的射频前端。
背景技术
微带天线是在带有导体接地板的介质基板上贴加导体薄片而形成的天线，具有体积小、重量轻和易于集成等特点，还可以通过先进的印刷电路板工艺进行大规模生产，具有很低的成本。由于上述优点，微带天线在汽车雷达领域得到广泛应用。
车载雷达系统通常对天线提出天线增益、副瓣电平和特定波束形状等需求，单个天线具有较低增益和宽波束，因而难以满足这个要求，一般通过微带阵列来实现这些指标。
微带阵列天线的形式主要有并馈形式和串馈形式。并馈微带阵列的馈电网络比较复杂，在24GHz和77GHz车载雷达频段会带来较大的传输损耗，导致天线效率较低。串馈微带阵列具有馈电网络简单的显著优点，因而具有更大的设计灵活度和更高的天线效率。
实际应用中，串馈微带阵列通过使天线阵元馈电幅度呈现一定销削分布来获得低副瓣特性。目前有两种方法实现串馈微带阵列天线的馈电销削分布。
第一种方法参考文献《Synthesis method of series-fed microstrip antennaarrays》，通过改变微带贴片阵元宽度来控制阵元辐射功率，但是这种方法在设计行波阵时会有局限性，它要求阵元间距偏离介质波长来满足行波条件，导致方向图波束偏离法向方向。
第二种方法参考文献《低副瓣串馈微带天线阵设计》，不改变微带贴片阵元宽度而通过在阵元前增加微带线匹配段来控制阵元辐射功率，这种方法缺点在于匹配段的特性阻抗变化范围太大，导致微带线宽度过宽，并且这种方法不适宜应用于行波阵设计。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种适用范围广、可实现主波束指向法向方向、并获得宽带阻抗特性的微带串馈阵列天线、天线面阵及雷达传感器的射频前端。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种微带串馈阵列天线，其包括介质基板以及在介质基板上表面由金属箔形成的微带结构、在介质基板下表面由金属箔形成的地；所述微带结构包括多个微带天线主辐射单元、多个匹配枝节单元以及微带主馈线，所述多个微带天线主辐射单元组成一字阵列；所述多个匹配枝节单元设置在所述多个微带天线主辐射单元的输入端，与所述多个微带天线主辐射单元配合设置；所述多个微带天线主辐射单元、多个匹配枝节单元通过微带主馈线相连。
作为本发明的进一步改进：还包括匹配单元，所述匹配单元设置在所述一字阵列的末端并通过所述微带主馈线与最后一个微带天线主辐射单元的输出端相连。
作为本发明的进一步改进：所述匹配单元的前端设置有凹槽，通过调节凹槽的长度和宽度来调整匹配单元的归一化阻抗。
作为本发明的进一步改进：其特征在于，所述微带天线主辐射单元的宽度与电导gi对应，电导gi根据以下公式进行计算：预设阵元数为n，阵元馈电幅度分布为[a1,a2,…ai,an]；
作为本发明的进一步改进：所述微带天线主辐射单元的相邻单元间距si与馈电相位phasei,对应，si根据以下公式进行计算：预设介质波长为λg，阵元馈电相位分布为[phase1,phase2,…phasei,phasen]；
作为本发明的进一步改进：所述多个匹配枝节单元为四分之一波长阻抗变换微带线，微带线宽度与归一化特性阻抗zi对应，归一化特性阻抗zi根据以下公式进行计算：预设归一化特性阻抗分布为[z1,z2,…zn-1]；
作为本发明的进一步改进：阵列通过微带并馈或者串馈网络相连组成面阵天线。
本发明进一步提供一种天线面阵，其包括子阵和馈电网络，所述子阵包括若干个相同的一字阵列，所述一字阵列为上述任意一个所述的一字阵列，所述馈电网络包括馈电点、主干线、支线、输出端口和匹配段，并且关于馈电点对称；馈电功率由设置与馈电网络中心位置的馈电点输入，沿两侧主干线传输，依次经各条支线到达各个输出端口，最终馈入到子阵。
作为本发明的进一步改进：在主干线上设置若干四分之一波长匹配段，通过优化匹配段的宽度使得输出端口的输出功率呈锥削分布并保持同相。
本发明进一步一种雷达传感器的射频前端，其包括射频收发组件、发射天线、接收天线以及微带传输线，所述收发组件与天线共面设置，发射天线和接收天线平行设置，收发组件的发射引脚和发射天线的馈电点，收发组件的接收引脚和发射天线的馈电点分别通过微带传输线连接；雷达传感器的射频收发组件产生高频信号由微带传输线传送到发射天线并辐射出去；所述发射天线为上述任意一个所述的天线面阵。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明可以在阵元数较少的条件下设计行波微带串馈阵列天线，使天线保持紧凑结构，易于和系统集成。通过在多个主辐射单元的输入端设置配合的匹配枝节，达到控制辐射方向图的目的，即控制辐射单元宽度和匹配枝节宽度可实现对阵元幅度的精准控制。该方法可以应用于行波阵设计方法产生法向辐射方向图，大大扩展了微带串馈阵的应用范围。
2、本发明可以使行波微带串馈阵列天线的主波束指向法向方向。
3、本发明由于采用行波阵设计方法，可以显著增加微带串馈阵列天线的阻抗带宽。
附图说明
图1是本发明天线的结构示意图。
图2是本发明实施例1或2中的天线阵列示意图。
图3是本发明实施例1的天线阵列的E面与H面方向图。
图4是本发明实施例1的天线阵列的回波损耗示意图。
图5是本发明实施例2的天线面阵示意图。
图6是本发明实施例2的天线面阵的H面方向图。
图7是本发明实施例3的雷达射频前端示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明的一种微带串馈阵列天线，包括介质基板4以及在介质基板4上表面由金属箔形成的微带结构、在介质基板4下表面由金属箔形成的地；所述微带结构包括多个微带天线主辐射单元51、多个匹配枝节单元52以及微带主馈线53，所述多个微带天线主辐射单元51组成一字阵列，所述多个微带天线主辐射单元51的宽度以及相邻单元间距呈一定分布；所述多个匹配枝节单元52设置在所述多个微带天线主辐射单元51的输入端，与所述多个微带天线主辐射单元51配合设置，所述多个匹配枝节单元52的宽度呈一定分布；所述多个微带天线主辐射单元51、多个匹配枝节单元52通过微带主馈线53相连。
作为较佳的实施例，本发明进一步还可以包括匹配单元54，设置在所述一字阵列的末端并通过所述微带主馈线53与最后一个微带天线主辐射单元51的输出端相连，所述匹配单元52的前端设置有凹槽。
作为较佳的实施例，所述微带天线主辐射单元51的宽度与电导gi对应，电导gi根据以下公式进行计算：预设阵元数为n，阵元馈电幅度分布为[a1,a2,…ai,an]；
作为较佳的实施例，所述微带天线主辐射单元51的相邻单元间距si与馈电相位phasei,对应，si根据以下公式进行计算：预设介质波长为λg，阵元馈电相位分布为[phase1,phase2,…phasei,phasen]；
作为较佳的实施例，所述多个匹配枝节单元52为四分之一波长阻抗变换微带线，微带线宽度与归一化特性阻抗zi对应，归一化特性阻抗zi根据以下公式进行计算：预设归一化特性阻抗分布为[z1,z2,…zn-1]；
作为较佳的实施例，多个所述阵列进一步可以通过微带并馈或者串馈网络相连组成面阵天线。
具体应用实施例1：
本实施例提供一种微带串馈天线阵列，应用于24GHz雷达传感器中，为雷达传感器中收发天线的组成部分。为使雷达作用区域位于雷达正前方，要求雷达天线主波束指向法向方向，为减小大角度区域的杂波干扰，要求雷达天线具有低副瓣特性，雷达为调频连续波体制，要求雷达具有较宽的阻抗带宽。图1为本实施例的天线结构，采用印制电路板工艺制作，天线5位于介质基板4的上表面，地位于介质基板4的下表面，介质基板4选用Rogers4350B，介电常数为3.66，厚度为0.508mm。
参见图1和图2，本实施例中，基于波束宽度的考虑，天线5的单元数设置为14个，由13个微带天线主辐射单元51(图中511、512、513、514、515、516、517、518、519、5110、5111、5112、5113)和1个匹配单元54组成，按一字阵排列，匹配单元54位于一字阵的末端。匹配枝节单元52由13个匹配枝节(图中521、522、523、524、525、526、527、528、529、5210、5211、5212、5213)组成，与微带天线主辐射单元51配合实用，设置在微带天线主辐射单元51的输入端，起到阻抗匹配作用。微带主馈线53连接微带天线主辐射单元51、匹配枝节单元52和匹配单元54，组成一字阵。馈电功率由第一个微带天线辐射主阵元511起，按行波方式依次激励顺序排列的微带天线主辐射单元，最终流入匹配单元54。
特别的，微带天线主辐射单元51和匹配枝节单元52配合使用，起到阻抗匹配匹配作用，由于每个阵元都是匹配的，因此阵列可以不受阵元数限制而使阵列保持行波状态。由输入端开始，相互配合的微带天线主辐射单元51和匹配枝节依次为511和521、512和522、513和523、514和524、515和525、516和526、517和527、518和528、519和529、5110和5210、5111和5211、5112和5212、5113和5213。
本实施例中设定副瓣大小为-20dB，通过传统算法可以综合出各个阵元的馈电幅度分布和相位分布，分别记为[a1,a2,…ai,an]和[phase1,phase2,…phasei,phasen]。
由微带天线基本原理可知，微带单元为二分之一波长谐振器，微带单元宽度决定辐射电导。因此，通过微带天线主辐射单元51的馈电幅度分布计算出归一化电导分布，即可确定微带天线主辐射单元51的宽度。归一化电导gi的计算公式如下：
匹配枝节单元52为四分之一波长阻抗变换段。根据下面公式可以计算出匹配枝节单元52的归一化特性阻抗zi，进而确定微带线宽度：
特别的，匹配单元54位于一字阵的末端，同时起到匹配负载和辐射的作用。在匹配单元54设置矩形凹槽，通过调节凹槽的长度和宽度易使匹配单元54的归一化阻抗为1。
进一步，根据相位分布计算一字阵单元间距。常规驻波阵的单元间距设置为一个介质波长，可以使各单元等相馈电。因此一字阵的单元间距si可以通过相位分布计算，计算公式如下：
其中λg为介质波长。
通过以上步骤可以确定本实施例中天线的主要尺寸参数。从第1个微带天线主辐射单元511到第13个微带天线主辐射单元513的宽度为[0.943mm,1.41mm,1.892mm,2.283mm,2.682mm,3.128mm,3.66mm,4.223mm,4.465mm,4.439mm,4.535mm,4.536mm,3.1mm]。从第1个匹配枝节521到第13个匹配枝节523的宽度为[0.223mm,0.231mm,0246mm,0.260mm,0.280mm,0.308mm,0.336mm,0.378mm,0.397mm,0.393mm,0.391mm,0.395mm,0.306mm]。匹配单元54的宽度为4.5mm，凹槽的长度和宽度分别为0.78mm和0.6mm。
通过仿真结果进一步说明本发明的效果：图3为本实施例天线在24.125GHz的E面和H面方向图，E面主波束指向为0°边射方向，-3dB波束宽度为8.3°，副瓣电平为-20dB。图4为本实施例天线的回波损耗，中心工作频率为24.125GHz,-10dB阻抗带宽达到0.8GHz。
具体应用实施例2：
参见图1和图5，本实施例提供一种雷达传感器的天线面阵，同时在E面和H面实现窄波束和低副瓣特性，并且可以获得更大的天线增益。天线面阵同样设置在20mil的Rogers4350介质基板上。天线如图5所示，包括子阵7和馈电网络8。
子阵7由8个相同的一字阵组成，一字阵采用实施例1中的天线阵列，一字阵间距设置为0.6个波长。
馈电网络8为常规微带串馈网络，包括馈电点81、主干线82、支线83、输出端口84和匹配段85，并且关于馈电点81对称。馈电功率由设置与馈电网络8中心位置的馈电点81输入，沿两侧主干线82传输，依次经各条支线83到达各个输出端口84，最终馈入到子阵7。
为在H面实现低副瓣效果，在主干线82上设置若干四分之一波长匹配段85，通过优化匹配段85的宽度使得输出端口84的输出功率呈锥削分布并保持同相。
参见图6为本实施例面阵的H面方向图，对比图3中H面方向图，-3dB波束宽度由71°减小到12°，副瓣电平控制在-22dB以下，因此面阵在E面和H面同时实现了窄波束和低副瓣效果，并且显著提高了天线增益。
具体应用实施例3：
本实施例基于实施例1和实施例2的天线构建了一个24GHz雷达传感器的射频前端。如图7所示，具体包括射频收发组件91、发射天线92、接收天线93以及微带传输线94。收发组件91与天线共面设置，发射天线92和接收天线93平行设置，收发组件91的发射引脚和发射天线93的馈电点，收发组件91的接收引脚和发射天线92的馈电点分别通过微带传输线94连接。
雷达传感器的射频收发组件91产生高频信号由微带传输线94传送到发射天线92并辐射出去。发射天线92为实施例2中的天线面阵。
为了获得比相测角功能，接收天线93包括两个相同的接收子阵，接收子阵为实施例1中的天线阵列，子阵间距设置为0.5个波长。接收天线93接收目标回波后经传输线94传送回射频收发组件91做进一步处理。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微带串馈阵列天线，其特征在于，包括介质基板以及在介质基板上表面由金属箔形成的微带结构、在介质基板下表面由金属箔形成的地；所述微带结构包括多个微带天线主辐射单元、多个匹配枝节单元以及微带主馈线，所述多个微带天线主辐射单元组成一字阵列；所述多个匹配枝节单元设置在所述多个微带天线主辐射单元的输入端，与所述多个微带天线主辐射单元配合设置；所述多个微带天线主辐射单元、多个匹配枝节单元通过微带主馈线相连。
2.根据权利要求1所述的微带串馈阵列天线，其特征在于，还包括匹配单元，所述匹配单元设置在所述一字阵列的末端并通过所述微带主馈线与最后一个微带天线主辐射单元的输出端相连。
3.根据权利要求2所述的微带串馈阵列天线，其特征在于，所述匹配单元的前端设置有凹槽，通过调节凹槽的长度和宽度来调整匹配单元的归一化阻抗。
4.根据权利要求1或2或3所述的微带串馈阵列天线，其特征在于，所述微带天线主辐射单元的宽度与电导gi对应，电导gi根据以下公式进行计算：预设阵元数为n，阵元馈电幅度分布为[a1,a2,…ai,an]；
5.根据权利要求1或2或3所述的微带串馈阵列天线，其特征在于，所述微带天线主辐射单元的相邻单元间距si与馈电相位phasei,对应，si根据以下公式进行计算：预设介质波长为λg，阵元馈电相位分布为[phase1,phase2,…phasei,phasen]；
6.根据权利要求1或2或3所述的微带串馈阵列天线，其特征在于，所述多个匹配枝节单元为四分之一波长阻抗变换微带线，微带线宽度与归一化特性阻抗zi对应，归一化特性阻抗zi根据以下公式进行计算：预设归一化特性阻抗分布为[z1,z2,…zn-1]；
7.根据权利要求1或2或3所述的微带串馈阵列天线，其特征在于，阵列通过微带并馈或者串馈网络相连组成面阵天线。
8.一种天线面阵，其特征在于，包括子阵和馈电网络，所述子阵包括若干个相同的一字阵列，所述一字阵列为上述权利要求1～6中任意一个所述的一字阵列，所述馈电网络包括馈电点、主干线、支线、输出端口和匹配段，并且关于馈电点对称；馈电功率由设置与馈电网络中心位置的馈电点输入，沿两侧主干线传输，依次经各条支线到达各个输出端口，最终馈入到子阵。
9.根据权利要求8所述的天线面阵，其特征在于，在主干线上设置若干四分之一波长匹配段，通过优化匹配段的宽度使得输出端口的输出功率呈锥削分布并保持同相。
10.一种雷达传感器的射频前端，其特征在于，包括射频收发组件、发射天线、接收天线以及微带传输线，所述收发组件与天线共面设置，发射天线和接收天线平行设置，收发组件的发射引脚和发射天线的馈电点，收发组件的接收引脚和发射天线的馈电点分别通过微带传输线连接；雷达传感器的射频收发组件产生高频信号由微带传输线传送到发射天线并辐射出去；所述发射天线为上述权利要求8～9中任意一个所述的天线面阵。
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