CN109713444B - 一种宽频汽车雷达微带贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽频汽车雷达微带贴片天线，由顶层辐射金属贴片层、中间介质基板、底层接地板金属贴片层依次连接组成；所述顶层辐射金属贴片层整体为正方形，在外部正方形贴片中挖去一个正方形缝隙，再在正方形缝隙中加入两组或两组以上正方形挖去圆形贴片的嵌套图形，最后在嵌套图形的中心加入六边形挖去等边三角形的贴片；所述底层接地板金属贴片层是不同大小的长方形贴片的组合。本发明天线的频带范围为22GHz‑60GHz，相对工作带宽接近100％，工作带宽完全覆盖ka波段和U波段，符合在汽车雷达频段范围内的工作要求，同时天线具有小体积、低剖面和容易集成的特点，适用于工作在这个频段内的现代无线通信系统。

Description

一种宽频汽车雷达微带贴片天线

技术领域

本发明涉及无线通信系统技术领域，特别是涉及一种可以应用于汽车雷达的宽频微带贴片天线。

背景技术

天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波，或者进行相反的变换，是一种在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。因此，天线性能的优劣关系到整个无限传输系统的性能的好坏。

微带天线是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。微带天线的辐射机理实际上是高频的电磁泄漏，它的电磁场是可以无限延伸的，这样微带线的场空间由两个不同介电常数的区域(空气和介质)构成。它具有集成度高、适合大批量生产、剖面低、易于和飞行器共面等诸多优点，并且在地面设备上应用也有它的优势方面，尤其是较低功率的各种军用民用设备，使得宽频微带贴片天线受到广大工程师的关注。按结构特征，微带天线可以分为两大类，即微带贴片天线和微带缝隙天线；按形状分类，可分为矩形、圆形、环形微带天线等。按工作原理分类，无论那一种天线都可分成谐振型(驻波型)和非揩振型(行波型)微带天线。

汽车雷达技术方兴未艾。无论是现阶段之盲点侦测，还是发展中的自动驾驶控制，高性能、高可靠性、小巧及低成本，是促进汽车雷达核心技术不断发展与完善不可或缺的因素与动机。汽车雷达是凭借接收目标物体的反射信号，并进一步分析接收信号与原始发射信号之间在时间、频率以及相位上的多重相关性，从而判断目标物体与雷达之间的相对速度与空间位置。

近年来，随着无线通讯技术的快速发展，人们对于宽带通信的需求日益增高，天线向宽带、高增益的方向发展已成为通信体制的必然趋势。但是传统的微带天线工作带宽窄、增益低，一般典型的微带天线的相对工作带宽只在2％-4％左右。因此，对宽频高增益微带天线研究具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何减小微带天线的体积，同时增加其工作带宽和增益，提供一种可以工作在16GHz-60GHz频段的无线通信系统中的宽频微带贴片天线。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种宽频汽车雷达微带贴片天线，其特征在于：包括顶层辐射金属贴片层、中间介质基板、底层接地板金属贴片层，顶层辐射金属贴片层和底层接地板金属贴片层分别紧密连接于中间介质基板的顶部和底部，形成一个天线整体；

所述顶层辐射金属贴片层整体为正方形，在外部正方形贴片中挖去一个正方形缝隙，再在正方形缝隙中加入两组或两组以上正方形挖去圆形贴片的嵌套图形，最后在嵌套图形的中心加入六边形挖去等边三角形的贴片；

所述底层接地板金属贴片层是不同大小的长方形贴片的组合。

优选地，所述底层接地板金属贴片层连接用于馈入信号的馈线，所述顶层辐射金属贴片层连接用于发出信号的发射天线。

优选地，所述顶层辐射金属贴片层采用的材料为铜片。

优选地，所述中间介质基板采用的材料为环氧树脂板FR4_epoxy。

优选地，所述顶层辐射金属贴片层中，正方形缝隙的四个顶点分别对应外部正方形贴片的四条边的中点或位于外部正方形贴片相对的两个边的中点的延长线上。

优选地，所述顶层辐射金属贴片层中，嵌套图形的各正方形的顶点均与正方形缝隙的顶点同轴设置。

优选地，所述顶层辐射金属贴片层中，六边形中有两个相对的顶点与所述正方形缝隙的两个相对的顶点同轴设置。

优选地，所述顶层辐射金属贴片层中，等边三角形的三个顶点分别对应六边形的间隔设置的三个顶点。

优选地，所述底层接地板金属贴片层由不同大小的长方形贴片由上至下依次连接组成。

更优选地，所述底层接地板金属贴片层中，各长方形贴片同轴设置。

本发明提供的宽频汽车雷达微带贴片天线工作时，信号由底层的馈线馈入，顶层和底层的金属贴片层与中间介质基板共同形成符合应用要求的宽频带天线。无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线输出到发射天线，由发射天线以电磁波辐射出去。

本发明基于汽车雷达在无线通信系统的应用要求，设计了一款具有更好的移动性和穿透性的宽频带天线，通过在基础的圆形贴片结构上引入合适尺寸的圆环及矩形，使得天线的频带范围为22GHz-60GHz，相对工作带宽接近100％，工作带宽完全覆盖ka波段和U波段，符合在汽车雷达频段范围内的工作要求，同时天线具有小体积、低剖面和容易集成的特点，适用于工作在这个频段内的现代无线通信系统。

附图说明

图1为本实施例提供的宽频汽车雷达微带贴片天线顶层示意图；

图2为本实施例提供的宽频汽车雷达微带贴片天线底层示意图；

图3为本实施例提供的宽频汽车雷达微带贴片天线增益示意图；其中，横轴为频率，纵轴为增益；

图4为本实施例提供的宽频汽车雷达微带贴片天线回波损耗示意图；其中，横轴为频率，纵轴为回波损耗。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

图1和图2为本实施例提供的宽频汽车雷达微带贴片天线结构示意图，所述的宽频汽车雷达微带贴片天线基于对称双圆形天线的带宽特性，主要包含了三个部分，分别为顶层辐射金属贴片层、中间介质基板、底层接地板金属贴片层，三部分紧密相连成为一个天线整体。信号由底层接地板金属贴片层的馈线馈入，发射天线位于整个结构顶层的中心，与顶层辐射金属贴片层紧密相连，从而使顶层辐射金属贴片层、中间介质基板、底层接地板金属贴片层共同形成天线的结构。

其中，中间介质基板所选用的材料为环氧树脂板FR4_epoxy，该材料的相对介电常数为4.4，介电损耗为0.02。设中间介质基板的长度为L、宽度为W、厚度为H。

顶层辐射金属贴片层采用的材料为铜片，整体为正方形，引入多种图形嵌套组合的缝隙。在外部正方形贴片中先挖去一个正方形缝隙，正方形缝隙的四个顶点分别对应外部正方形贴片的四条边的中点或位于外部正方形贴片相对的两个边的中点的延长线上；再在正方形缝隙中加入两组正方形挖去圆形贴片的嵌套图形，嵌套图形的两组正方形的顶点均与正方形缝隙的顶点同轴设置；最后在嵌套图形的中心加入六边形挖去等边三角形的贴片，六边形中有两个相对的顶点与正方形缝隙的两个相对的顶点同轴设置，等边三角形的三个顶点分别对应六边形的间隔设置的三个顶点。

设外部正方形贴片的长度为L、宽度为W，L＝W；设正方形缝隙的边长为L1；嵌套图形的内层正方形与正方形缝隙之间的距离为w1，嵌套图形的内层正方形与外层正方形之间的距离为w2；等边三角形的中心到顶点的距离为r1，挖去的最大正方形缝隙的对角线为2*r2，嵌套图形的外正方形所挖去的圆形贴片的半径为r3。

底层接地板金属贴片层是两个不同大小的长方形贴片的组合，设上方的长方形贴片的长度为L2、宽度为W3，下方的长方形贴片的长度为L3、宽度为W4，上方的长方形贴片的宽边连接下方的长方形贴片的宽边，且上方的长方形贴片的宽度方向的中点与下方的长方形贴片的宽度方向的中点对准连接。

本实施例中，天线的具体尺寸参数如表1所示。

表1天线的具体尺寸参数

具体而言，顶层辐射金属贴片层中，天线的整体尺寸为长×宽×高＝30mm×30mm×1.5mm。正方形缝隙的边长为22mm。外层的正方形挖去圆形的贴片当中，正方形的边长为15.5mm，圆形半径为8mm。内层的正方形挖去圆形的贴片当中，正方形的边长为11.6mm，圆形半径为6mm。六边形半径为6.2mm，最后挖去的三角形边长为10.4mm。

底层接地板金属贴片层，下方的长方形贴片的尺寸为长×宽＝9mm×8mm，上方的长方形贴片的尺寸为长×宽＝1mm×3mm。上方的长方形贴片用于增加工作带宽。

本实施例提供的宽频汽车雷达微带贴片天线工作时，信号由底层的馈线馈入，顶层和底层的金属辐射贴片与介质基板共同形成符合应用要求的宽频带天线。无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线输出到发射天线，由发射天线以电磁波辐射出去。天线作为发射机的负载，它把从发射机得到的功率辐射到空间，因此，天线要与馈线阻抗进行匹配，匹配的程度直接影响功率传输的效率。

由于天线是在自由空间中工作的，为了使设计天线工作参数更接近实际，在天线结构模型创建完成后，使用HFSS(三维仿真软件)分析天线性能参数时，需要将天线的边界条件设置为理想导体边界，辐射边界表面(即空气腔面)距离辐射体需要不小于λ/4，λ为天线波长，天线模型介质基板的底面需要设置为理想边界，天线的输入端口设置为共面波端口激励，且使微带馈线位于波端口的中心，将天线设置为快速扫频类型，对其在15GHZ-60GHZ频段的性能进行分析计算。

本发明采用基于有限元算法的HFSS全波仿真软件对所述天线结构进行仿真，天线的回波损耗S11参数和增益Gain参数仿真结果如图2和图3所示。从图2和图3中可以看出，该天线的S11参数小于-10dB的频带范围为22GHz-60GHz，相对工作带宽接近100％，与此同时，天线的增益性能相对来说也十分优异，其Gain参数在相同的带宽范围内大部分处于2.5dB以上，最高实现了26dB，在24GHz处的增益为2.7dB，符合在实际应用中的汽车雷达工作条件。

本发明充分发挥了微带贴片天线的小体积，低剖面和容易集成、容易实现宽频段等特点，突破了频段较窄的缺点，使微带天线在这个频段内的应用范围得到了扩展。

一般来说，天线的各个特性参数都是频率的函数，在中心频率上天线可能具有最好的特性。回波损耗S11和增益Gain是天线性能优劣的两个重要参数，其中要求S11<-10dB并且在相同带宽内Gain>2.5dB才能说明天线有实际的应用价值。此天线的频带范围为22GHz-60GHz，相对工作带宽接近100％，完全覆盖ka波段和U波段并且在24GHz处增益比较高，符合在汽车雷达频段范围内的工作要求，所以它可以适用于工作在这个频段内的现代无线通信系统中。

由于天线的结构对各参数影响情况不一样，本发明将天线置于符合理论要求的空气腔中，采用基于有限元算法的全波仿真软件HFSS对天线的各性能参数进行了仿真和优化改进，并确定了最终的天线尺寸。结果表明，该天线的S11参数实现了频段从22GHz-60GHz，在这个频段范围内，天线增益最高达到了26dB。同时，S11参数的频段完全包含了增益的频段，覆盖了整个ka波段和U波段，从而保证了设计的微带贴片天线结构可以应用于工作在这个频段的无线通信系统中。本发明充分发挥了微带贴片天线的小体积，低剖面和容易集成等特点，突破了频带较窄、增益较低等缺点，扩展了微带贴片天线应用在该频段内的范围。

本发明设计了一种基于方形缝隙的不规则宽频微带贴片天线，采用大尺寸的缝隙、孔径和多层贴片天线的叠加、螺旋印刷天线来获得较高的带宽。它工作的频段可以覆盖从22GHz-60GHz，相对工作带宽接近100％，增益最高可达26dB，所以它可以良好地应用于工作在U波段和ka波段的无线通信系统中，主要可以用于汽车雷达的工作频段，该天线在24GHz的增益为2.7dB。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种宽频汽车雷达微带贴片天线，其特征在于：包括顶层辐射金属贴片层、中间介质基板、底层接地板金属贴片层，顶层辐射金属贴片层和底层接地板金属贴片层分别紧密连接于中间介质基板的顶部和底部，形成一个天线整体；

所述顶层辐射金属贴片层整体为正方形，在外部正方形贴片中挖去一个正方形缝隙，再在正方形缝隙中加入两组或两组以上正方形挖去圆形贴片的嵌套图形，最后在嵌套图形的中心加入六边形挖去等边三角形的贴片；

所述顶层辐射金属贴片层中，正方形缝隙的四个顶点分别对应外部正方形贴片的四条边的中点或位于外部正方形贴片相对的两个边的中点的延长线上；

所述顶层辐射金属贴片层中，嵌套图形的各正方形的顶点均与正方形缝隙的顶点同轴设置；

所述顶层辐射金属贴片层中，六边形中有两个相对的顶点与所述正方形缝隙的两个相对的顶点同轴设置；

所述顶层辐射金属贴片层中，等边三角形的三个顶点分别对应六边形的间隔设置的三个顶点；

所述底层接地板金属贴片层是不同大小的长方形贴片的组合。

2.如权利要求1所述的一种宽频汽车雷达微带贴片天线，其特征在于：所述底层接地板金属贴片层连接用于馈入信号的馈线，所述顶层辐射金属贴片层连接用于发出信号的发射天线。

3.如权利要求1所述的一种宽频汽车雷达微带贴片天线，其特征在于：所述顶层辐射金属贴片层采用的材料为铜片。

4.如权利要求1所述的一种宽频汽车雷达微带贴片天线，其特征在于：所述中间介质基板采用的材料为环氧树脂板FR4_epoxy。

5.如权利要求1所述的一种宽频汽车雷达微带贴片天线，其特征在于：所述底层接地板金属贴片层由不同大小的长方形贴片由上至下依次连接组成。

6.如权利要求5所述的一种宽频汽车雷达微带贴片天线，其特征在于：所述底层接地板金属贴片层中，各长方形贴片同轴设置。

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