CN109216937A - 基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统，属于天线技术领域。系统包括介质基板、缝隙天线层和馈电层，所述缝隙天线层和馈电层分布于介质基板的两面上，所述缝隙天线层与馈电层通过中心耦合馈电，所述缝隙天线层上设有多个由缝隙阵元构成的SIW缝隙天线。与现有技术相比，本发明具有稳定性高、小型化、成本低、精度高、响应速度高以及分辨率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体是指一种基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统。
背景技术
77GHz毫米波雷达因其体积小，质量轻，分辨率高，可在白天、夜晚、雪天、雨天、雾天和扬尘天气等环境下全天候工作，可全面满足AEB、ACC、BSD、LCA、PDS、FCW等多项ADAS功能需求等特点，成为自动驾驶中所需的核心传感器。测距雷达按照距离分主要有三种：远距、中距、短距。短距雷达相比较中远距，要求高分辨率、小尺寸和低成本。目前对于77GHz毫米波雷达的天线设计还较少。
专利CN207303352U提出了一种SIW缝隙串馈阵列天线系统，包括发射天线和接收天线，发射天线和接收天线之间设有反射结构，发射天线和接收天线的结构完全相同，发射天线和接收天线所在的介质板Ⅰ、反射结构所在的介质板Ⅱ处在同一平面上，且发射天线和接收天线对称地布置在反射结构的两侧，发射天线、接收天线和反射结构均在长度方向上相互平行，反射结构的长度不小于发射天线和接收天线的长度。然而这种系统虽然可以实现77GHz毫米波雷达方案，但是阻抗带宽较窄，而且方向图在整个频带内容易发生摇头，即最大指向会发生轻微偏移。
专利CN106785388A提供了一种串馈微带阵列天线，包括介质板、贴片阵列天线以及金属地；阵列贴片单元由两组沿馈电通孔轴线轴对称设置的贴片单元构成，每组贴片单元包括六片沿介质板长度方向依次间隔布置且按切比雪夫25dB幅度加权分布的微带贴片；同组贴片单元处的相邻两片微带贴片之间间距等于二分之一个波长，且各相邻两片微带贴片之间通过三角渐变线状的阻抗匹配段连接彼此；同轴馈电探针与一组贴片单元上的相对最接近的微带贴片间通过180°移相器连接彼此。这种天线对于短距雷达来说成本比较高，尺寸比较大，不能满足短距雷达低成本和小尺寸的要求。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种高稳定性、小型化且低成本的基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统，所述系统包括介质基板、缝隙天线层和馈电层，所述缝隙天线层和馈电层分布于介质基板的两面上，所述缝隙天线层与馈电层通过中心耦合馈电，所述缝隙天线层上设有多个由缝隙阵元构成的SIW缝隙天线。
优选地，所述缝隙天线层由Rogers3003板材构成。
优选地，所述缝隙阵元的数量为偶数，对称分布于SIW缝隙天线的波导边上。
优选地，所述SIW缝隙天线包括发射天线和接收天线。
优选地，所述SIW缝隙天线的数量为6个，包括2个发射天线和4个接收天线。
优选地，所述发射天线之间的横向间距为1.5个空气波长，纵向间距为0.5个空气波长；所述接收天线之间的横向间距为1个空气波长。
优选地，所述馈电层包括多个层叠设置的馈电基板，所述馈电基板之间通过金属基板相互连接。
优选地，所述馈电基板为由FR4构成的基板。
优选地，所述馈电基板的数量为7个。
优选地，所述缝隙阵元的长度范围为0.885mm～1.474mm，所述缝隙阵元的宽度范围为0.18mm～0.22mm，所述缝隙阵元的中心线到所述SIW缝隙天线的中心线的距离范围为0.09mm～0.33mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提出的基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统，通过设置分布于介质基板相对两面的缝隙天线层和馈电层，实现了中心耦合馈电，从而大大增加了天线系统的阻抗带宽；同时由于介质基板设置于缝隙天线层和馈电层之间，因此大大降低了馈电网络对辐射层的影响，而且不容易发生最大指向偏移的情况。
(2)缝隙天线层上设有多个由缝隙阵元构成的缝隙天线，而缝隙天线设置于天线层基板上，通过在天线层基板上打间距合适的金属化过孔阵列(即缝隙阵元)来模拟波导壁，并起到金属结构屏蔽电磁场的目的，这样容易形成行波或者驻波形式的波导类天线。缝隙对波导内进行能量耦合，而缝隙的位置、大小、形状、尺寸可以改变缝隙上激励的幅度。缝隙切断波导宽面上的表面电流时，波导内的电磁场就激发了激励，从而将内部的能量辐射到外部去。SIW缝隙天线既有像金属波导传输过程中损耗低、功率容量高的优点，又克服了金属波导结构尺寸大、不易加工的缺点；既有像微带线易于平面集成的优点，又克服了微带线高频辐射大的缺点。利用PCB工艺实现，价格低廉适合批量生产，能够满足电路小型化、平面化、低成本的要求。
附图说明
图1为基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统的A面结构示意图；
图2为基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统的B面结构示意图；
图3为缝隙天线层的结构示意图；
图4为基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统的叠层结构示意图；
图5为SIW缝隙天线的结构示意图；
其中，a1为介质基板，a2为缝隙天线层。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
请参阅图1和图2所示，为本发明基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统的结构示意图。
在一种实施方式中，该基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统，包括介质基板、缝隙天线层和馈电层，缝隙天线层和馈电层分布于介质基板的两面上，缝隙天线层与馈电层通过中心耦合馈电，缝隙天线层上设有多个由缝隙阵元构成的SIW缝隙天线。
其中，缝隙天线层由Rogers3003板材构成。缝隙阵元的数量为偶数，对称分布于SIW缝隙天线的波导边上。SIW缝隙天线包括发射天线和接收天线。SIW缝隙天线的数量为6个，包括2个发射天线和4个接收天线。发射天线之间的横向间距为1.5个空气波长，纵向间距为0.5个空气波长；接收天线之间的横向间距为1个空气波长。馈电层包括多个层叠设置的馈电基板，馈电基板之间通过金属基板相互连接。馈电基板为由FR4构成的基板。馈电基板的数量为7个。缝隙阵元的长度范围为0.885mm～1.474mm，缝隙阵元的宽度范围为0.18mm～0.22mm，缝隙阵元的中心线到所述SIW缝隙天线的中心线的距离范围为0.09mm～0.33mm。
在实际应用中，本发明基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统的具体实现方式，通过以下实施例说明。
实施例1
基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)是通过在基板上打间距合适的金属化过孔阵列来模拟波导壁，并起到金属结构屏蔽电磁场的目的，这样容易形成行波或者驻波形式的波导类天线。缝隙对波导内进行能量耦合，而缝隙的位置、大小、形状、尺寸可以改变缝隙上激励的幅度。缝隙切断波导宽面上的表面电流时，波导内的电磁场就激发了激励，从而将内部的能量辐射到外部去。
如图1和图2所示，本实施例的基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统，包括，介质基板a1、设置在介质基板上的缝隙天线层a2以及馈电层，缝隙天线层a2主要由SIW缝隙天线构成，SIW缝隙天线的数量可以根据实际情况进行选择，本实施例中SIW缝隙天线共有6根，2根发射天线和4根接收天线，每根天线由16个缝隙阵元组成。为了实现中心耦合馈电的方式，缝隙天线层a2和馈电层分别分布在介质基板a1的正反两面，如图1和图2所示，介质基板a1的两面分别用AB面表示。
图4为基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统的叠层结构示意图，由图可知整个系统由叠层结构组成，本实施例中，缝隙天线层采用Rogers3003板材，介电常数为3，厚度为0.762mm，馈电层采用FR4板材，介电常数为4.4，共有7层，每层厚度均为0.127mm，铜厚均为0.035mm。
图3为缝隙天线层的结构示意图，从图中可以看出，在本实施例中，Tx1(发射天线1)和Tx2(发射天线2)横向间距为1.5个空气波长(λ0)，纵向间距为0.5个空气波长，4根接收天线Rx的横向间距为1个空气波长。
图5为单根SIW缝隙天线的结构示意图，从图中可以看出，一根SIW缝隙天线由多个缝隙阵元组成，本实施例中缝隙阵元的数量为16个，每个缝隙阵元的长度用Ln表示，n＝1，2，3……16，宽度用Wn表示，n＝1，2，3……16，缝隙阵元中心线到天线中心线的距离用Dn表示，n＝1，2，3……16，通孔有两种尺寸，过孔1半径用R1表示，过孔2半径用R2表示，过孔1之间的中心距用详细尺寸见表1。由表1可见，阵元1和16，2和15，3和14，4和13，5和12，6和11，7和10，8和9尺寸相同，并成对称分布，从而能够有效地解决方向图偏移的问题。
表1缝隙天线相关尺寸参数
本实施例中，基板尺寸大小为45mm*45mm。Tx1和Tx2横向间距为1.5个空气波长(λ0)，纵向间距为0.5个空气波长，4根Rx的横向间距为1个空气波长。天线形式采用16元SIW波导缝隙阵列，这样的结构设置，是为了在4G带宽内实现稳定边射波束指向，并实现中心馈电形式。
为了实现天线低副瓣的要求，本实施例中还利用优化算法结合Matlab-HFSS-API，将单根天线在4G带宽内的最大副瓣优化至-19.8dB以下。如下为仿真结果，其中表2为天线增益仿真结果，表3为天线副瓣，表4为天线波束宽度。
表2天线增益仿真结果(dBi)
表3天线副瓣(dB)(俯仰角±50°内)
表4天线波束宽度(度)
从表格中可以看出，整版天线|S11|<-10dB的驻波带宽分别为：
(1)Rx1:76.4～84GHz
(2)Rx2:76.3～81.6GHz
(3)Rx3:76.5～81.8GHz
(4)Rx4:76.4～84GHz
(5)Tx1:74～81.2GHz
(6)Tx2:74～81.4GHz
因此，整版所有天线的驻波带宽均覆盖77-81GHz频段。由上可知，仿真结果验证了该设计的可行性。同时，SIW缝隙天线既有像金属波导传输过程中损耗低、功率容量高的优点，又克服了金属波导结构尺寸大、不易加工的缺点；既有像微带线易于平面集成的优点，又克服了微带线高频辐射大的缺点。利用PCB工艺实现，价格低廉适合批量生产，能够满足电路小型化、平面化、低成本的要求。因此综上所述，本设计能够满足短距雷达宽带宽，高增益，低副瓣，尺寸小，成本低的要求。
上述仿真中的内容是基于表1提供的缝隙天线的尺寸所进行的，实际应用中，缝隙天线的尺寸不局限于表1中的参数值，可以根据实际情况，其中缝隙天线较优的参数范围具体如表5所示。从下表中可以看出，缝隙阵元的长度范围为0.885mm～1.474mm，缝隙阵元的宽度范围为0.18mm～0.22mm，缝隙阵元的中心线到所述SIW缝隙天线的中心线的距离范围为0.09mm～0.33mm。
表5缝隙天线相关尺寸参数范围
实施例2
本实施例中的SIW缝隙天线系统与实施例1中的结构基本相同，区别在于，本实施例中的SIW缝隙天线上的缝隙阵元数量为奇数个，具体为17个，将单个辐射阵元置于波导辐射层中心，在该阵元两侧对称放置若干辐射结构，从而可以保证该天线的最大指向不发生偏移。其余结构与实施例1中基本完全相同。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以做出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (10)
1.一种基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统，其特征在于，所述系统包括介质基板、缝隙天线层和馈电层，所述缝隙天线层和馈电层分布于介质基板的两面上，所述缝隙天线层与馈电层通过中心耦合馈电，所述缝隙天线层上设有多个由缝隙阵元构成的SIW缝隙天线。
2.根据权利要求1所述基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统，其特征在于，所述缝隙天线层由Rogers3003板材构成。
3.根据权利要求1所述基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统，其特征在于，所述缝隙阵元的数量为偶数，对称分布于SIW缝隙天线的波导边上。
4.根据权利要求1所述基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统，其特征在于，所述SIW缝隙天线包括发射天线和接收天线。
5.根据权利要求4所述基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统，其特征在于，所述SIW缝隙天线的数量为6个，包括2个发射天线和4个接收天线。
6.根据权利要求4所述基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统，其特征在于，所述发射天线之间的横向间距为1.5个空气波长，纵向间距为0.5个空气波长；所述接收天线之间的横向间距为1个空气波长。
7.根据权利要求1所述基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统，其特征在于，所述馈电层包括多个层叠设置的馈电基板，所述馈电基板之间通过金属基板相互连接。
8.根据权利要求7所述基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统，其特征在于，所述馈电基板为由FR4构成的基板。
9.根据权利要求7所述基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统，其特征在于，所述馈电基板的数量为7个。
10.根据权利要求1所述基于77GHz毫米波雷达的SIW缝隙天线系统，其特征在于，所述缝隙阵元的长度范围为0.885mm～1.474mm，所述缝隙阵元的宽度范围为0.18mm～0.22mm，所述缝隙阵元的中心线到所述SIW缝隙天线的中心线的距离范围为0.09mm～0.33mm。
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