CN109768372A - 一种应用于毫米波雷达的串并结合馈电微带阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于毫米波雷达的串并结合馈电微带阵列天线，包括介质基板、接地层、发射端、接收端、射频芯片；发射端/接收端包括三行两两之间等行距排列的发射天线/接收天线；每行天线均包括两组呈轴对称分布的贴片组、T型功分器、第一相位补偿弯；每组贴片组均包括五块尺寸渐变的贴片单元；发射端/接收端还包括连接在相邻的两个T型功分器之间的第二相位补偿弯、连接在T型功分器和射频芯片之间的环形电桥/第一微带线；介质基板的上表面设有开设等间距排列的第一过孔/第二过孔的第二微带线/第三微带线；相邻的两个过孔之间的距离为1/4导波波长。本发明天线具有高增益、高效率、低副瓣等优点，能满足工业要求的良好驻波特性。
Description
技术领域
本发明涉及天线领域，特别涉及一种应用于毫米波雷达的串并结合馈电微带阵列天线。
背景技术
目前，在智能交通、交通探测领域，毫米波雷达占有非常重要的地位，主要应用有盲点检测、变道辅助以及智能停车系统。
其中，雷达通信系统中的核心部件之一是天线，天线的主要作用是向空间辐射电磁波，根据不同的应用场合，天线可以被设计成具有不同波束宽度以及不同结构的类型。又依据是否易于集成、制造成本高低，制造工艺以及尺寸等因素具有不同的选择性。
随着微波集成技术的发展以及低损耗介质材料的出现，1970年，出现了实用的微带天线，基于传统的制作工艺，平面微带天线可以低成本的大批量生产，且易于与射频前端电路集成，因此平面微带天线获得了广泛的应用。
平面微带天线阵可分为串馈、并馈以及两者相结合，串馈阵列具有网络紧凑，损耗低等优点，但常用的串馈天线是谐振天线，带宽很窄，相反的，并馈阵列设计上较为简单，常用T型功分器进行馈电，且并馈阵列带宽相对较宽，但是在阵列单元较多时，就需要多个T型功分器以及比较庞大的馈电网络，增加了损耗。
在交通探测领域中，雷达的功能主要有区分人和车辆、测距、测速三个方面。目前汽车雷达频段主要有24GHz、77GHz，甚至未来还有124GHz频段。在高频段时，雷达的噪声、ESD保护等问题非常重要，因此高频射频前端电路多采用差分输出结构或全差分结构，所以环形电桥等差分功率合成结构尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于毫米波雷达的串并结合馈电微带阵列天线，具有高增益、高稳定度、小型化、低成本等优点。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种应用于毫米波雷达的串并结合馈电微带阵列天线，包括介质基板；设于所述介质基板下表面的接地层；设于所述介质基板上表面的发射端、接收端、射频芯片；
所述发射端/接收端包括三行两两之间等行距排列的发射天线/接收天线；
每行所述发射天线/接收天线均包括两组呈轴对称分布的贴片组、连接在两组所述贴片组之间的T型功分器和第一相位补偿弯；每组所述贴片组均包括五块两两之间间隔排列且依次连接的贴片单元；所述贴片单元垂直其排列方向的长度沿远离所述T型功分器的方向逐渐缩短；
所述发射端/接收端还包括连接在相邻的两个所述T型功分器之间的第二相位补偿弯；
所述发射端还包括连接在一侧的所述T型功分器和所述射频芯片之间的环形电桥；所述接收端还包括连接在一侧的所述T型功分器和所述射频芯片之间的第一微带线；
所述微带阵列天线还包括设于所述介质基板上表面的绕设于所述发射端外侧的第二微带线、设于所述介质基板上表面的绕设于所述接收端外侧的第三微带线；
所述第二微带线上开设有多个两两之间等间距排列的第一过孔，所述第三微带线上开设有多个两两之间等间距排列的第二过孔，相邻的两个所述第一过孔与相邻的两个所述第二过孔之间的距离相等，均为1/4导波波长。
优选地，所述介质基板采用Rogers4350B基板，介电常数为3.66，介质厚度为0.254mm。
优选地，所述贴片单元由铜箔制成，其厚度为17-52um。
优选地，在每行所述发射天线/接收天线中：两组所述贴片组之间的距离d1为4.8-5.2mm；每组所述贴片组中，相邻的两个贴片单元之间的距离d3为3.2-3.6mm。
优选地，在所述发射端/接收端中，相邻的两行发射天线/接收天线之间的中心间距d2为5.7-6.7mm。
优选地，所述第一相位补偿弯的长度为2.5-3.5mm；所述第二相位补偿弯的长度为3.2-4mm。
优选地，所述T型功分器，输入端宽度为0.4-0.5mm，输入端长度为1.6-2mm。
优选地，所述环形电桥的圆环为70.7ohm的第四微带线，所述第四微带线的宽度为0.2-0.3mm。
优选地，所述发射端/接收端中，外围的所述贴片单元与所述第二微带线/第三微带线之间的距离d4为1.2-2mm。
优选地，所述发射端中，一侧的所述T型功分器通过第一阻抗变换段连接所述环形电桥；所述接收端中，一侧的所述T型功分器通过第二阻抗变换段连接所述第一微带线；所述第一阻抗变换段/第二阻抗变换段的宽度为0.3-0.4mm，长度为1.6-2mm。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明一种应用于毫米波雷达的串并结合馈电微带阵列天线，具有高增益、高稳定度、小型化、低成本、串并结合馈电保证高效率、差分输入到天线保证抗噪声等优点。
附图说明
附图1为本发明微带阵列天线整体结构示意图；
附图2为任一行发射天线/接收天线的结构示意图；
附图3为使用三维电磁场仿真软件HFSS仿真本发明微带阵列天线输入驻波图。
其中：1、介质基板；2、射频芯片；3、T型功分器；4、第一相位补偿弯；5、贴片单元；6、第二相位补偿弯；7、第一微带线；8、第二微带线；
9、第三微带线；10、第一过孔；11、第二过孔；12、第四微带线；13、第一阻抗变换段；14、第二阻抗变换段。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
参见图1-2所示，上述一种应用于毫米波雷达的串并结合馈电微带阵列天线，包括介质基板1；设于介质基板1下表面的接地层(图中未示出)；设于介质基板1上表面的发射端、接收端、射频芯片2。
发射端/接收端包括三行两两之间等行距排列的发射天线/接收天线；每行发射天线/接收天线均包括两组呈轴对称分布的贴片组、连接在两组贴片组之间的T型功分器3和第一相位补偿弯4；每组贴片组均包括五块两两之间间隔排列且依次连接的贴片单元5；贴片单元5垂直其排列方向的长度沿远离T型功分器3的方向逐渐缩短。发射端/接收端还包括连接在相邻的两个T型功分器3之间的第二相位补偿弯6。每行发射天线/接收天线通过中间的T型功分器3并联，每行的T型功分器3再依次串联，发射端/接收端均采用串并结合中间馈电的方式。每行贴片单元5尺寸的渐变用以保证较低的副瓣电平。通过设置第一相位补偿弯4和第二相位补偿弯6，用于保证微带阵列天线的辐射主方向不发生偏差。
发射端还包括连接在一侧的T型功分器3(即底行的T型功分器3)和射频芯片2之间的环形电桥；接收端还包括连接在一侧的T型功分器3(即顶行的T型功分器3)和射频芯片2之间的第一微带线7。在本实施例中，射频芯片2位于发射端和接收端之间。
微带阵列天线还包括设于介质基板1上表面的绕设于发射端外侧的第二微带线8、设于介质基板1上表面的绕设于接收端外侧的第三微带线9。第二微带线8上开设有多个两两之间等间距排列的第一过孔10，第三微带线9上开设有多个两两之间等间距排列的第二过孔11，相邻的两个第一过孔10与相邻的两个第二过孔11之间的距离相等，均为1/4导波波长。第二微带线8、第三微带线9分别通过第一过孔10、第二过孔11与接地层连接，用于保证接地层电位均匀。
在本实施例中，介质基板1采用Rogers4350B基板，介电常数为3.66，介质厚度为0.254mm。贴片单元5由铜箔制成，其厚度为17-52um。
每行发射天线/接收天线中：两组贴片组之间的距离d1为4.8-5.2mm；每组贴片组中，相邻的两个贴片单元5之间的距离d3为3.2-3.6mm。由于贴片单元5的尺寸沿远离T型功分器3的方向逐渐减小，因此，d1即为两个最大的贴片单元5之间的距离。在发射端/接收端中，相邻的两行发射天线/接收天线之间的中心间距d2为5.7-6.7mm。
第一相位补偿弯4的长度为2.5-3.5mm；第二相位补偿弯6的长度为3.2-4mm。
T型功分器3，输入端宽度为0.4-0.5mm，输入端长度为1.6-2mm。T型功分器3沿输入端的宽度方向连接在两组贴片组之间。
环形电桥的圆环为70.7ohm的第四微带线12，第四微带线12的宽度为0.2-0.3mm。
在发射端/接收端中，外围的贴片单元5与第二微带线8/第三微带线9之间的距离d4为1.2-2mm。参见图1所示，第二微带线8和第三微带线9环绕成矩形，外围的贴片单元5即为顶行、底行以及左右两侧的贴片单元5。
发射端中，一侧的T型功分器3通过第一阻抗变换段13连接环形电桥；接收端中，一侧的T型功分器3通过第二阻抗变换段14连接第一微带线7；第一阻抗变换段13/第二阻抗变换段14的宽度为0.3-0.4mm，长度为1.6-2mm。
实施例1：
本实施例的微带阵列天线的介质基板1采用Rogers4350B基板。Rogers官方给出的数据为介电常数设计值为3.66，正切损耗角0.0037@10GHz，板材厚度选用0.254mm。
根据E面3dB波束宽度11°～12°的和高增益的要求，每行天线的贴片单元5数量确定为10个。贴片单元5尺寸的设计由以下公式给出：
宽度L一般取二分之一导波波长。其中f为工作频率，c为光速，εr为介电常数。
串馈或并馈阵列中，贴片单元5的实际设计需要调整宽度W和长度L以满足贴片单元5边缘阻抗和主馈线阻抗相同(参见图1所示，贴片单元5的排列方向即为其长度方向，垂直其排列方向即为其宽度方向)。每行尺寸最大贴片单元5之间的间距d1为4.8mm～5.2mm；其余各相邻贴片单元5之间的间距d3均为3.2mm～3.6mm。采用T型功分器3并联馈电，然后再串联馈电。T型功分器3宽度W_T1为0.4mm～0.5mm，长度L_T1为1.6mm～2mm。第一相位补偿弯4的长度为2.5mm～3.5mm，相位补偿是为了保证每一行贴片单元5能够同相激励，从而保证主辐射方向为正Z方向。
本实施例中，为了实现E面低副瓣地要求，采用泰勒分布作为10个贴片单元5的电流振幅大小，通过调整矩形贴片单元5的宽度控制电流振幅比，计算时，可以近似认为贴片单元5宽度与电流振幅成正比关系。然后采用3D电磁场仿真软件HFSS仿真验证。然而，由于相邻贴片单元5之间存在耦合，在仿真软件中需要调整这一行中相邻贴单元之间的间距、贴片单元5的宽度、第一相位补偿弯4的长度、以满足主辐射方向为Z方向，同时要达到良好的副瓣电平(SLL)。
根据H面3dB波束宽度33°～35°的和高增益的要求，发射端和接收端均为3行，每行的中心间距d2为5.7mm～6.7mm。为了保证H面主辐射方向为Z方向，需要调整第二相位补偿弯6的长度，然后通过四分之一波长阻抗变换，将发射端阻抗变换到50ohm与环形电桥连接。
接收端除了环形电桥，其余部分结构与发射端相同。为了保证天线具有良好的均匀性，降低干扰，围绕三行发射天线/接收天线放置一圈第二微带线8/第三微带线9，通过等间距的第一过孔10/第二过孔11与接地层连接，第一过孔10/第二过孔11两两之间的间距为1.7mm～2mm，外围的贴片单元5对应的与第二微带线8/第三微带线9之间的距离d4为1.2mm～2mm(图1中，沿贴片单元5的排列方向的距离定义为d4，沿垂直贴片单元5的排列方向的距离定义为d5)。
在本实施例中，每一行天线参数相同，具体参数详见上表。
参见图3所示，在24GHz到24.25GHz，输入驻波比小于-10dB，满足工业要求。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种应用于毫米波雷达的串并结合馈电微带阵列天线，其特征在于：包括介质基板；设于所述介质基板下表面的接地层；设于所述介质基板上表面的发射端、接收端、射频芯片；
所述发射端/接收端包括三行两两之间等行距排列的发射天线/接收天线；
每行所述发射天线/接收天线均包括两组呈轴对称分布的贴片组、连接在两组所述贴片组之间的T型功分器和第一相位补偿弯；每组所述贴片组均包括五块两两之间间隔排列且依次连接的贴片单元；所述贴片单元垂直其排列方向的长度沿远离所述T型功分器的方向逐渐缩短；
所述发射端/接收端还包括连接在相邻的两个所述T型功分器之间的第二相位补偿弯；
所述发射端还包括连接在一侧的所述T型功分器和所述射频芯片之间的环形电桥；所述接收端还包括连接在一侧的所述T型功分器和所述射频芯片之间的第一微带线；
所述微带阵列天线还包括设于所述介质基板上表面的绕设于所述发射端外侧的第二微带线、设于所述介质基板上表面的绕设于所述接收端外侧的第三微带线；
所述第二微带线上开设有多个两两之间等间距排列的第一过孔，所述第三微带线上开设有多个两两之间等间距排列的第二过孔，相邻的两个所述第一过孔与相邻的两个所述第二过孔之间的距离相等，均为1/4导波波长。
2.根据权利要求1所述的一种应用于毫米波雷达的串并结合馈电微带阵列天线，其特征在于：所述介质基板采用Rogers4350B基板，介电常数为3.66，介质厚度为0.254mm。
3.根据权利要求1所述的一种应用于毫米波雷达的串并结合馈电微带阵列天线，其特征在于：所述贴片单元由铜箔制成，其厚度为17-52um。
4.根据权利要求1所述的一种应用于毫米波雷达的串并结合馈电微带阵列天线，其特征在于：在每行所述发射天线/接收天线中：两组所述贴片组之间的距离d1为4.8-5.2mm；每组所述贴片组中，相邻的两个贴片单元之间的距离d3为3.2-3.6mm。
5.根据权利要求1所述的一种应用于毫米波雷达的串并结合馈电微带阵列天线，其特征在于：在所述发射端/接收端中，相邻的两行发射天线/接收天线之间的中心间距d2为5.7-6.7mm。
6.根据权利要求1所述的一种应用于毫米波雷达的串并结合馈电微带阵列天线，其特征在于：所述第一相位补偿弯的长度为2.5-3.5mm；所述第二相位补偿弯的长度为3.2-4mm。
7.根据权利要求1所述的一种应用于毫米波雷达的串并结合馈电微带阵列天线，其特征在于：所述T型功分器，输入端宽度为0.4-0.5mm，输入端长度为1.6-2mm。
8.根据权利要求1所述的一种应用于毫米波雷达的串并结合馈电微带阵列天线，其特征在于：所述环形电桥的圆环为70.7ohm的第四微带线，所述第四微带线的宽度为0.2-0.3mm。
9.根据权利要求1所述的一种应用于毫米波雷达的串并结合馈电微带阵列天线，其特征在于：所述发射端/接收端中，外围的所述贴片单元与所述第二微带线/第三微带线之间的距离d4为1.2-2mm。
10.根据权利要求1所述的一种应用于毫米波雷达的串并结合馈电微带阵列天线，其特征在于：所述发射端中，一侧的所述T型功分器通过第一阻抗变换段连接所述环形电桥；所述接收端中，一侧的所述T型功分器通过第二阻抗变换段连接所述第一微带线；所述第一阻抗变换段/第二阻抗变换段的宽度为0.3-0.4mm，长度为1.6-2mm。
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