CN110034382A - 一种雷达用毫米波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种雷达用毫米波天线，属于天线技术领域，技术要点为：包括天线本体和馈电网络，所述天线本体包括多个天线子阵，所述馈电网络与各天线子阵馈电连接，所述馈电网络为非对称馈电网络，所述非对称馈电网络形成相位差网络使天线辐射波束发生偏转。在低频附近，天线辐射方向偏离法线方向向一边偏转，在高频附近，天线辐射方向偏离法线方向向另一边偏转，从而天线辐射方向向两边偏转，比未使用非对称馈电网络的辐射角度更大，该偏转可以在相对带宽较窄的情况下对天线辐射产生较大的波束偏转，从而实现低成本拓宽雷达用毫米波的可视范围。

Description

一种雷达用毫米波天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种雷达用毫米波天线。
背景技术
毫米波汽车雷达由于其测距远，体积小和可靠性高在高级辅助驾驶以及自动驾驶中广泛应用。作为可全天候使用的传感器，其角度覆盖范围，目标分辨率（距离，角度，速度）以及功耗都是毫米波汽车雷达的重要基本设计指标。现阶段，毫米波汽车雷达主要分为前向中长距雷达和中短距角雷达，这两种雷达的覆盖范围指标不一样。为了覆盖一种以上的模式（如长距模式和中距模式），每种模式下的天线振子以及天线阵列设计成为了毫米波汽车雷达的关键技术之一。
在芯片输出射频功率一定和传输通道资源有限的情况下，为了使探测距离尽量远，需要高增益天线。而天线增益提高，其波束宽度自然降低，其覆盖范围远而窄。相应的，要增加覆盖范围，则天线波束宽度增加，天线增益会下降，其覆盖范围宽而近。让高增益窄波束偏转可以增加覆盖宽度，常用的波束偏转方法包括：增加发射通道的数量并改变发射通道的幅度和相位，这是最直观，性能最优，但是成本也最高的有源相控阵做法；使用耦合振子，并改变耦合振子的负载对天线方向图进行近场牵引；增加天线带宽，对天线阵进行串馈式激励时利用同样的路径在不同频率的相位差让方向图偏转，通常这些方法需要相对带宽（即绝对带宽与中心频率的比值）较宽，很难在相对带宽较窄的情况下对天线辐射产生较大的波束偏转。
发明内容
本发明解决的技术问题是针对背景技术中的不足，提供一种可以在相对带宽较窄的情况下对天线辐射产生较大的波束偏转的雷达用毫米波天线。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种雷达用毫米波天线，包括天线本体和馈电网络，所述天线本体包括多个天线子阵，所述馈电网络与各天线子阵馈电连接，所述馈电网络为非对称馈电网络，所述非对称馈电网络形成相位差网络使天线辐射波束发生偏转，该偏转为：在低频附近，天线辐射方向偏离法线方向向一边偏转，在高频附近，天线辐射方向偏离法线方向向另一边偏转，从而天线辐射方向在不同频率下向两边偏转，比未使用非对称馈电网络的辐射覆盖角度更大，该偏转可以在相对带宽较窄的情况下对天线辐射产生较大的波束偏转，从而实现低成本拓宽雷达用毫米波的可视范围。
进一步地，所述非对称馈电网络为在馈电网络的部分馈电分支连接的谐振器。采用谐振器作为非对称馈电网络，谐振器在谐振频率上的损耗较低，同时谐振器在谐振频率产生的相位基本为零，插入谐振器以后不会对中心频率相位造成影响，而两端频率的相位差可以由谐振器在两端频率产生的相位倾斜决定。
进一步地，所述馈电分支连接有多个谐振器。使用多个谐振器可以在频谱边缘处获得更大的相位差和拓展反射系数频带宽度，从而进一步拓宽天线的可视范围。
进一步地，所述谐振器包括串联电感电容、并联电感电容、短路传输线或开路传输线。对于电感电容组成的谐振器，相位差可以通过改变L、C的值调节；对于传输线构成的谐振器，采用断路传输线时，线长为0.25λ+0.5Nλ，采用开路传输线时，线长为0.5Nλ，λ为中心频率下在该介质上的波长。
进一步地，各所述天线子阵可以不同。这样达到的效果是形成不对称的方向图覆盖；此外，中心频段与上下频段也可以灵活选择，比如中心频段偏高，那么下频段的方向图偏转可以更大，甚至在下频段中使用多于一个方向的偏转角度选择。
进一步地，各所述天线子阵包括多个振子，各所述振子可以不同。这样达到的效果是可以进一步形成更复杂的不对称的方向图覆盖。
进一步地，所述谐振器为微带结构。采用微带结构，制作容易、体积小、重量轻、成本低。也可以为其它波导结构。
进一步地，所述天线本体和馈电网络设置在谐振器结构的同侧。天线本体和馈电网络的位置可以根据天线结构的实际情况选择来设置在同侧或异侧，适应不同的使用环境。
进一步地，所述天线本体和馈电网络设置在谐振器结构的异侧。天线本体和馈电网络的位置可以根据天线结构的实际情况选择来设置在同侧或异侧，适应不同的使用环境。
本发明实现的有益效果主要有以下几点：通过非对称馈电网络为包括多个天线子阵的天线馈电，非对称馈电网络形成相位差网络使天线辐射波束发生偏转，在低频附近，天线辐射方向偏离法线方向向一边偏转，在高频附近，天线辐射方向偏离法线方向向另一边偏转，从而天线辐射方向在一定带宽内向两边偏转，比未使用非对称馈电网络的辐射覆盖角度更大，该偏转可以在相对带宽较窄的情况下对天线辐射产生较大的波束偏转，从而实现低成本拓宽雷达用毫米波的可视范围。
附图说明
图1为本发明实施例一中天线阵列的结构示意图；
图2为本发明实施例一中馈电网络的结构示意图；
图3为本发明实施例一中几种谐振器的结构示意图；
图4为本发明实施例二中连接六个谐振器的馈电网络的结构示意图；
图5为本发明实施例二中具有多个谐振器的馈电网络的结构示意图；
图6为本发明实施例二中多个馈电网络与多个天线振子的馈电网络结构；
图7为本发明实施例一中相位差网络到不同振子的相位随频率变化的示意图；
图8为本发明实施例一相位差网络的反射系数的示意图；
图9为本发明实施例一天线方向图在示例频率的变化，达到单端口输入，方向图扫描的效果图。
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的；相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
具体实施方式
一种雷达用毫米波天线，包括天线本体1和馈电网络2，所述天线本体1包括多个天线子阵11，可以设置两个或三个以上的天线子阵，至少设置两个。各个天线子阵11可以采用一个或多个天线振子。所述馈电网络2与各天线子阵11馈电连接，可以采用功分器连接电路的接收通道或发射通道，并将接收通道或发射通道分成多个端口，各个端口分别与不同的天线子阵11连接。所述馈电网络为非对称馈电网络，所述非对称馈电网络形成相位差网络使天线辐射波束发生偏转，该偏转可以在相对带宽较窄的情况下对天线辐射产生较大的波束偏转，从而实现低成本拓宽雷达用毫米波的可视范围。
非对称馈电网络可以采用在馈电网络的部分馈电分支连接的谐振器。所述馈电分支可以连接一个或多个谐振器，连接多个谐振器可以在频谱边缘处获得更大的相位差和拓展反射系数频带宽度，从而进一步拓宽天线的可视范围。
谐振器包括串联电感电容、并联电感电容、短路传输线或开路传输线，也可以采用其他类型的谐振器，只要是带通频段的谐振特性满足损耗小、中心相位为零，相位斜率人为可调以在频段内形成要求相位差即可。
各天线子阵可以不同，可以辐射不同频段的波束，从而实现不对称的辐射方向图覆盖。
谐振器可以采用微带结构等常见的结构，也可以采用RFIC情况下的电感电容电路，还可以采用其他结构的谐振器。同样天线本体1也可以采用微带结构，可以在基板3上制作形成。所述天线本体1和馈电网络2设置在微带结构的同侧或异侧。
为了便于本领域技术人员理解，下面将结合附图以及实施例对本发明进行进一步详细描述。
实施例一
参阅图1~4，采用微带天线的方式，在基板3上制作天线振子和馈电网络，以天线本体由1×8的单贴片振子或大小相同的线阵组成，振子间的距离为半波长，在天线本体的同一面或反面设置多层耦合形式馈电网络，馈电网络为1:8的传输线网络，底部1个端口连接收发通道，另外8个端口对天线振子进行电磁激励，相应传输线阻抗需要进行匹配优化。在一到多的传输线途径上，使用七个1:2功分器将传输线分成八个端口，从左往右依次连接八个天线振子，最下方1:2功分器将天线阵列分解成两个子阵11，左边四个振子为一个子阵，右边四个振子为一个子阵。在传输线中接入非对称馈电网络形成天线的馈电网络，具体在最下方1:2功分器的一侧插入非对称馈电网络，即一个天线子阵的馈电分支中接入非对称馈电网络，非对称馈电网络形成相位差网络使天线辐射波束发生偏转，该偏转可以在相对带宽较窄的情况下对天线辐射产生较大的波束偏转，从而实现低成本拓宽雷达用毫米波的可视范围。
非对称网络在高频与低频部分对两个功分端口需要产生的相位差φ由d1和在该频率部分需要偏转的角度θ决定：
d1为两个子阵相位中心间的距离，由于振子间的距离为半波长，共设置八个振子，因此d1=2λ0。本实施例以77GHz-81 GHz频段为例，中心频率f0 = 79 GHz，低频fL = 77 GHz，高频fH = 81 GHz，θH = θL= 6°。计算得到ϕL=73°，ϕH=77°，即±6°的3dB波束宽度向左右分别偏转4°，视角宽度达到±10°，提高比例为60%。从而实现了在相对带宽较低的情况下（本例中77GHz~81GHz，5%相对带宽）对多个天线振子组成的天线阵进行馈电，使天线方向图进行偏转，从而让远距离模式汽车雷达看的视角更宽。
参阅图3，谐振器可以由串联电感电容或者并联电感电容接地组成，也可由并联短路（s.c.）或者开路（o.c.）传输线组成，也可以采用其他类型的谐振器，只要是带通频段的谐振特性满足损耗小、相位为零来人为调节相位差即可。图3中（1）示出了串联电感电容形成的谐振器，（2）示出了并联电感电容接地形成的谐振器，（3）示出了并联短路（s.c.）传输线形成的谐振器，（4）示出了开路（o.c.）传输线组成的谐振器。对于电感电容组成的谐振器，相位差可以通过改变L、C的值调节；对于传输线构成的谐振器，采用s.c.传输线时，线长为0.25λ+0.5Nλ，采用o.c.传输线时，线长为0.5Nλ，λ为中心频率下在该介质上的波长。
上述的天线检测结果如下：如图7所示，由于加入的谐振器，在高低频段附近分别产生了70度左右的相位差；如图9所示，三个相邻方向被分别覆盖：77 与GHz 81 GHz分别偏左/右4°，79 GHz指向法线方向不变，3dB方向图覆盖范围由原来的±6°拓展成为±10°。
在连接谐振器的馈电分支上，可以连接一个谐振器，也可以串联多个谐振器，串联多个谐振器时每个谐振器可以不同。最好采用连接多个谐振器的方式，可以在频谱边缘处获得更大的相位差和拓展反射系数频带宽度，从而进一步拓宽天线的可视范围。如图4中连接六个谐振器，可以在77 GHz和81 GHz附近实现75°左右的相位差。图8中，馈电网络反射系数带宽远大于天线本身带宽，由于使用了多阶谐振器，在本例使用的介质情况下造成了1dB的差损，但与多通道有源相控阵相比，还是节约了系统资源和成本，扩展了雷达的可视范围。
实施例二
参阅图5和6，在实施例一的基础上，为了实现天线更复杂的波束辐射，各个天线子阵可以设置成不同，各天线子阵可以设置多个振子，各振子也不同，具体可以将每个天线子阵的振子数量、大小、间距设置为不同。这样可以形成不对称的方向图覆盖；此外，中心频段与上下频段也可以灵活选择，比如中心频段偏高，那么下频段的方向图偏转可以更大，甚至在下频段中使用多于一个方向的偏转角度选择。
另外，为了实现更复杂的波束辐射，可以设置三个以上的天线子阵，可以进一步实现更复杂的天线辐射图覆盖，进一步使天线方向图进行复杂的偏转，从而让远距离模式汽车雷达看的视角更宽。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种雷达用毫米波天线，包括天线本体（1）和馈电网络（2），其特征在于：所述天线本体（1）包括多个天线子阵（11），所述馈电网络（2）与各天线子阵（11）馈电连接，所述馈电网络（2）为非对称馈电网络（2），所述非对称馈电网络（2）形成相位差网络使天线辐射波束发生偏转。
2.根据权利要求1所述的雷达用毫米波天线，其特征在于：所述非对称馈电网络（2）为在馈电网络（2）的部分馈电分支连接的谐振器。
3.根据权利要求2所述的雷达用毫米波天线，其特征在于：所述馈电分支连接有多个谐振器。
4.根据权利要求3所述的雷达用毫米波天线，其特征在于：所述谐振器包括串联电感电容、并联电感电容、短路传输线或开路传输线。
5.根据权利要求1~4任一项所述的雷达用毫米波天线，其特征在于：各所述天线子阵（11）不同。
6.根据权利要求5所述的雷达用毫米波天线，其特征在于：各所述天线子阵（11）包括多个振子，各所述振子不同。
7.根据权利要求2~4任一项所述的雷达用毫米波天线，其特征在于：所述谐振器为微带结构。
8.根据权利要求1所述的雷达用毫米波天线，其特征在于：所述天线本体（1）和馈电网络（2）设置在谐振器结构的同侧。
9.根据权利要求1所述的雷达用毫米波天线，其特征在于：所述天线本体（1）和馈电网络（2）设置在谐振器结构的异侧。
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