CN110224224A - 一种宽波束77GHz毫米波车载雷达天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽波束77GHz毫米波车载雷达天线，包括依次设置的上层介质基板、中间介质基板及下层介质基板；中间介质基板在与下层介质基板相对应一侧设有金属地，另一侧设有激励辐射单元；上层介质基板在与激励辐射单元相对应位置设有寄生辐射单元；下层介质基板在与中间介质基板相背一侧设有馈电单元，馈电单元用于向激励辐射单元和寄生辐射单元馈入电磁波信号。所述激励辐射单元在辐射贴片一侧开设U型通槽，U型通槽周围添加金属化过孔，辐射贴片另一侧设置金属探针。金属探针、U型通槽及金属化过孔改变了激励辐射单元在馈电过程中产生的磁流数量及方向，使激励辐射单元与寄生辐射单元相互配合实现了增加波束宽度的效果。

Description

一种宽波束77GHz毫米波车载雷达天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种宽波束77GHz毫米波车载雷达天线。

背景技术

随着我国汽车保有量的不断增加，汽车交通事故的发生率也随之提高，由汽车交通事故引发的财产损失和人员伤亡屡创新高。为了有效减少交通事故的发生，车载雷达系统得到了各大汽车厂商和各个研究机构的重视，近年来得到了快速推广。车载雷达系统主要是利用车载传感器感知车辆周围环境，并根据获取到的道路、车辆位置及障碍物信息，控制车辆的转向和速度, 进而实现变道辅助、自适应巡航、碰撞预警等功能，提高驾驶的舒适度,降低事故发生概率。

目前，常见的车载雷达主要有超声波雷达、激光雷达、毫米波雷达和图像传感器几种类型。其中，毫米波车载雷达又分为工作频段为24GHz的车载雷达和工作频段为77GHz的车载雷达。工作频段为24GHz的车载雷达主要应用于短距雷达，而工作频段为77GHz 的车载雷达不仅可以用来做短距雷达，也可以用于长距雷达，且探测精度更高，逐渐成为了研究热点。

天线阵列是毫米波车载雷达的关键器件之一，一般要求其具有高增益、窄波束（水平或垂直面）、宽频带、小尺寸、低剖面等性能。现阶段工作频段为77GHz 的车载雷达多采用微带贴片天线阵列，微带贴片天线阵列是将天线印制在单介质板上，具有剖面低，重量轻，成本低的优点。利用该方法形成的天线阵列在某一面（E或H面）具有极窄的波束，而在另一面（H或E面）又具有相对较宽的波束。而微带贴片天线阵列形成的较宽波束无法满足车载雷达进行大角度覆盖或波束扫描的要求，容易使车载雷达形成监测盲区。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提供了一种宽波束77GHz毫米波车载雷达天线，包括依次设置的上层介质基板、中间介质基板及下层介质基板；所述中间介质基板在与下层介质基板相对应一侧设有金属地，另一侧设有多个呈线性分布的激励辐射单元；所述上层介质基板在与各激励辐射单元相对应位置分别设有寄生辐射单元，所述寄生辐射单元分布在上层介质基板与中间介质基板之间；所述下层介质基板在与中间介质基板相背一侧设有馈电单元，所述馈电单元用于向激励辐射单元馈电，所述激励辐射单元与寄生辐射单元通过空间耦合馈电；

所述激励辐射单元包括辐射贴片以及设置在辐射贴片上的金属探针；所述辐射贴片的一侧设有金属探针，所述金属探针一端与辐射贴片相连，另一端与馈电单元相连；所述辐射贴片的另一侧设有U型通槽，U型通槽的周围设有若干金属化过孔；各激励辐射单元的U型通槽的开口方向保持一致。

进一步的，所述上层介质基板、中间介质基板及下层介质基板均为长方形结构且尺寸保持一致，各层介质基板之间通过尼龙柱或尼龙螺钉固定连接。

进一步的，所述中间介质基板上设有八个激励辐射单元，各所述辐射贴片为方形结构，且各辐射贴片上的U型通槽的开口方向均与中间介质基板的长边保持平行。

进一步的，相邻激励辐射单元之间的距离等于介质波长。

进一步的，所述寄生辐射单元为正方形结构，所述寄生辐射单元的边长小于辐射贴片的最短边的长度。

进一步的，所述馈电单元包括馈电端、馈电网络以及多个馈电支路，各所述馈电支路的一端与激励辐射单元馈电相连，另一端通过馈电网络与馈电端相连，所述馈电网络在与各馈电支路的相接位置分别设有匹配枝节。

进一步的，所述馈电网络在与馈电端相背一侧连有多个馈电支路，馈电端、馈电支路分别与馈电网络相垂直。

进一步的，所述匹配枝节和馈电端位于相应馈电支路的同一侧，各所述匹配枝节的长度为1/4λ。

进一步的，所述寄生辐射单元、辐射贴片及馈电单元均由金属导体薄片制成，通过敷铜印刷工艺敷设在各层介质基板上。

进一步的，所述激励辐射单元和寄生辐射单元之间的介质为空气；所述辐射贴片上的金属化过孔为圆形过孔，所数金属化过孔的内壁涂覆有导电金属。

本发明所起到的有益技术效果如下：

与现有技术相比较，本发明公开了一种宽波束77GHz毫米波车载雷达天线，该雷达天线的激励辐射单元在辐射贴片一侧开设U型通槽，并在U型通槽周围添加金属化过孔接地，在辐射贴片的另一侧设置金属探针。金属探针、U型通槽及金属化过孔相互配合改变了激励辐射单元在馈电过程中产生的磁流数量及方向，进而使得激励辐射单元与寄生辐射单元相互配合实现了增加波束宽度的效果。波束宽度的改善利于车载雷达的大角度覆盖和波束扫描，便于消除检测盲区，提高检测范围。

附图说明

图1为实施例1中宽波束77GHz毫米波车载雷达天线的整体结构示意图。

图2为实施例1中激励辐射单元与中间介质基板的连接关系示意图。

图3为实施例1中激励辐射单元的结构示意图。

图4为实施例1中激励辐射单元产生的磁流效果示意图。

图5为实施例1中寄生辐射单元与上层介质基板的连接关系示意图。

图6为实施例1中馈电单元与下层介质基板的连接关系示意图。

图7为在没有寄生辐射单元条件下，单个激励辐射单元在76.5GHz频点处H面的辐射方向图。

图8为在设有寄生辐射单元条件下，单个激励辐射单元在76.5GHz频点处H面的辐射方向图。

图9为实施例1中八个激励辐射单元的S11仿真曲线图。

图10为实施例1中八个激励辐射单元在76.5GHz的仿真辐射方向图。

图11为传统的切比雪夫加权的8单元微带贴片天线阵列图。

图12为传统的切比雪夫加权的8单元微带贴片天线阵在76.5GHz的仿真辐射方向图。

附图标记：

1-上层介质基板，11-寄生辐射单元，2-中间介质基板，21-激励辐射单元，211-辐射贴片，212-金属探针，213-金属化过孔，214-U型通槽，3-下层介质基板，31-馈电单元，311-馈电端，312-馈电支路，313-馈电网络，314-匹配枝节，4-金属地。

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

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚的界定。

实施例1：

如图1-图6所示，本实施例提供了一种宽波束77GHz毫米波车载雷达天线，该天线结构是根据传统的微带贴片天线改进而来，包括依次设置的上层介质基板1、中间介质基板2及下层介质基板3。上层介质基板1、中间介质基板2及下层介质基板3均为长方形结构且尺寸保持一致，各层介质基板的厚度为0.1-0.2mm之间，各层介质基板之间通过尼龙柱或尼龙螺钉固定连接，如图1所示。本实施例中各层介质基板之间通过尼龙柱相连。所述中间介质基板2在与下层介质基板3相对应一侧设有金属地4，金属地4为金属导体薄片，金属地4与中间介质基板2之间保持零距离。中间介质基板2的另一侧设有8个呈线性分布的激励辐射单元21，8个激励辐射单元21排列在中间介质基板2的轴线上。为了保证天线方向图不发生分裂或者出现更大的栅瓣，相邻激励辐射单元21之间的距离一般等于介质波长，如图2所示。为降低雷达天线的副瓣，8个激励辐射单元21进行切比雪夫加权。所述上层介质基板1在与各激励辐射单元21相对应位置分别设有寄生辐射单元11，寄生辐射单元11与激励辐射单元21一一对应。即在垂直方向上进行投影，寄生辐射单元11和激励辐射单元21的投影中心相重合。所述寄生辐射单元11分布在上层介质基板1与中间介质基板2之间，寄生辐射单元11与激励辐射单元21之间的介质为空气，间距为1mm。实际情况中，也可以采用泡沫、高分子板等其他绝缘材料代替空气，以减小天线被击穿的概率。所述下层介质基板3在与中间介质基板2相背一侧设有切比雪夫加权的馈电单元31，所述馈电单元31用于向激励辐射单元21馈电，寄生辐射单元11通过激励辐射单元21的空间耦合馈电。

如图3所示，激励辐射单元21包括辐射贴片211以及设置在辐射贴片211上的金属探针212。激励辐射单元21通过金属探针212与馈电单元31相连。当然，也可以用金属化过孔替换金属探针212，使激励辐射单元21通过金属化过孔与馈电单元31馈电。具体的，辐射贴片211为方形片状结构，辐射贴片211的一侧设有金属探针212，金属探针212靠近辐射贴片211的侧边设置。金属探针212一端与馈电单元31相连，另一端与辐射贴片211相连，金属探针212的尺寸可根据加工条件确定。辐射贴片211在与金属探针212相反的一侧设有U型通槽214，U型通槽214的设置使辐射贴片211形成凹字型结构。U型通槽214的周围设有11个等距分布的金属化过孔213，金属化过孔213为圆形过孔，金属化过孔213的内径为0.05mm，金属化过孔213的内壁涂覆有导电金属。所述金属化过孔213的数量和间距可以根据具体工艺而定，但各金属化过孔213必须紧靠U型通槽214边缘设置，否则会减小激励辐射单元21的有效尺寸。金属化过孔213与金属地4相连，通过同轴对天线进行馈电。各激励辐射单元21的U型通槽214的开口方向须保持一致，且U型通槽214的开口方向均与中间介质基板2的长边保持平行。

一般激励辐射单元21和U型通槽214的尺寸根据所需频段和介质材料仿真优化确定。作为本实施例的一个示例，方形结构的辐射贴片211的长边与短边之比为103/102~108/102，辐射贴片211的短边与中间介质基板2的长边相平行。U型通槽214开设在辐射贴边211的长边上且其与辐射贴片211的两个短边距离相同。U型通槽214的深度小于其自身的宽度，U型通槽214的深度是指与辐射贴片211短边平行方向的距离，U型通槽214深度为辐射贴片211短边长度的2/5；U型通槽214的宽度是指与辐射贴片211长边平行方向的距离，U型通槽214的宽度为辐射贴片211长边长度的1/2。

如图4所示，由于激励辐射单元21采用U型通槽214和金属化过孔213相互配合的结构，当激励辐射单元21单独进行馈电时，可以同时激励出三个不同的磁流单元（图4中三条带箭头的线段）。其中，上下两个磁流单元等幅反向，两者的合成方向图会发生分裂，在XOZ面出现凹陷，而另外一个方向垂直的磁流单元的辐射方向图则在XOZ面最大，因此三个磁流单元结合的方向图便会在中间部位出现微小的凹陷，即微小的凹陷出现在中间介质基板2的轴线方向上，如图7所示。在图7中可以看出，最大辐射增益为4dB，0点处的增益比最大值低0.8dB。当激励辐射单元21与设置在其上方的寄生辐射单元11相互配合进行馈电时，便会使方向图中微小的凹陷消失，生成的辐射方向如图8所示。由图8可知，添加了寄生辐射单元11后，辐射最大增益为4.9dB，0点处的增益为4.78dB。也就是说，在激励辐射单元21上方设置没有U型通槽的寄生辐射单元11可以明显提高增益，消除方向图中的凹陷。

作为优选的，寄生辐射单元11的形状可以是正方形也可以是长方形，寄生辐射单元11的尺寸一般略小于激励辐射单元21的尺寸，利于扩宽天线的宽度。即若辐射贴片211为方形片状结构，寄生辐射单元11为正方形结构，则寄生辐射单元11的边长须小于激励辐射单元21的最小边长。若辐射贴片211为方形片状结构，寄生辐射单元11也为长方形片状结构，则寄生辐射单元11的最大边长须小于辐射贴片211的最小边长，其结构如图5所示。

作为优选的，所述馈电单元31包括馈电端311、馈电网络313以及8个馈电支路312，8个馈电支路312与8个激励辐射单元21的位置一一对应。各所述馈电支路312的一端与激励辐射单元21馈电相连，另一端通过馈电网络313与馈电端311相连，所述馈电网络313在与各馈电支路312的相接位置分别设有匹配枝节314。一般将馈电端311和馈电支路312设置在馈电网络313的两侧，且馈电端311、各馈电支路312分别与馈电网络313保持垂直。

具体的，如图6所示，所述馈电网络包313包括第一馈电网络和第二馈电网络。第一馈电网络和第二馈电网络均为线性结构，两者长度相同。第一馈电网路的一端与馈电端311的其中一个端点相连形成节点，所述节点又与第二馈电网络的一个端点相连。第一馈电网络和第二馈电网络分布于馈电端311的两侧，第一馈电网络和第二馈电网络分别与馈电端311相垂直，第一馈电网络和第二馈电网络呈直线型分布。馈电网络313在与馈电端311相背一侧连有8个馈电支路312，各馈电支路312的位置与各激励辐射单元21的位置相对应，馈电支路312与激励辐射单元21中的金属探针212相连进行馈电。馈电端311、馈电支路312分别与馈电网络313保持垂直。其中，第一馈电网络、第二馈电网路在与各馈电支路312的相接位置处分别设有匹配枝节314，且匹配枝节314位于馈电端311所在一侧，即每一个馈电支路312所配设的匹配枝节314总是和馈电端311位于该馈电支路312的同一侧。所述匹配枝节314的宽度是用于调节馈电网络313匹配，并控制不同激励辐射单元21的馈电幅度，改善雷达天线的副瓣电平，一般控制各匹配枝节314的长度为1/4λ左右。

作为优选的，寄生辐射单元11、辐射贴片211及馈电单元31均由金属导体薄片制成，并通过敷铜印刷工艺敷设在各层介质基板上。

对本实施例的77GHz毫米波车载雷达天线进行仿真计算，得到仿真S11曲线，如图9所示。由图9可知，仿真得到天线的-10dB阻抗带宽为74.8GHz-78.4GHz。图10为雷达天线在76.5GHz频点处的E面和H面的仿真辐射方向图，实线和虚线分别代表了E面和H面的方向图，由图可知，天线增益为13.6dB，H面显示的3dB波束宽度为100°。图11为传统的切比雪夫加权的8单元微带贴片天线阵列图，图12为传统的切比雪夫加权的8单元微带贴片天线阵在76.5GHz的仿真辐射方向图。与图11和图12所示的传统的切比雪夫加权的8单元微带贴片天线结构相比，本实施例公开的天线在76.5GHz频点处的H面显示的3dB波束宽度增加了33.0%，增加效果明显，而且天线增益没有明显下降。可以看出本实施例提供的雷达天线在H面的波束宽度远优于传统的微带贴片天线，非常适合应用于大范围监测和大角度的波束扫描，利于最大程度的消除雷达天线的监测盲区。

通过调整激励辐射单元21和寄生辐射单元11，设计出具有相似结构的激励辐射单元21和寄生辐射单元11均应在本发明的保护范围之内。

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 (10)

1.一种宽波束77GHz毫米波车载雷达天线，其特征在于，包括依次设置的上层介质基板（1）、中间介质基板（2）及下层介质基板（3）；所述中间介质基板（2）在与下层介质基板（3）相对应一侧设有金属地（4），另一侧设有多个呈线性分布的激励辐射单元（21）；所述上层介质基板（1）在与各激励辐射单元（21）相对应位置分别设有寄生辐射单元（11），所述寄生辐射单元（11）分布在上层介质基板（1）与中间介质基板（2）之间；所述下层介质基板（3）在与中间介质基板（2）相背一侧设有馈电单元（31），所述馈电单元（31）用于向激励辐射单元（21）馈电，所述激励辐射单元（21）与寄生辐射单元（11）通过空间耦合馈电；

所述激励辐射单元（21）包括辐射贴片（211）以及设置在辐射贴片（211）上的金属探针（212）；所述辐射贴片（211）的一侧设有金属探针（212），所述金属探针（212）一端与辐射贴片（211）相连，另一端与馈电单元（31）相连；所述辐射贴片（211）的另一侧设有U型通槽（214），U型通槽（214）的周围设有若干金属化过孔（213）；各激励辐射单元（21）的U型通槽（214）的开口方向保持一致。

2.如权利要求1所述一种宽波束77GHz毫米波车载雷达天线，其特征在于，所述上层介质基板（1）、中间介质基板（2）及下层介质基板（3）均为长方形结构且尺寸保持一致，各层介质基板之间通过尼龙柱或尼龙螺钉固定连接。

3.如权利要求2所述一种宽波束77GHz毫米波车载雷达天线，其特征在于，所述中间介质基板（2）上设有八个激励辐射单元（21），各所述辐射贴片（211）为方形结构，且各辐射贴片（211）上的U型通槽（214）的开口方向均与中间介质基板（2）的长边保持平行。

4.如权利要求1-3任一项所述一种宽波束77GHz毫米波车载雷达天线，其特征在于，相邻激励辐射单元（21）之间的距离等于介质波长。

5.如权利要求3所述一种宽波束77GHz毫米波车载雷达天线，其特征在于，所述寄生辐射单元（11）为正方形结构，所述寄生辐射单元（11）的边长小于辐射贴片（211）的最短边的长度。

6.如权利要求1所述一种宽波束77GHz毫米波车载雷达天线，其特征在于，所述馈电单元（31）包括馈电端（311）、馈电网络（313）以及多个馈电支路（312），各所述馈电支路（312）的一端与激励辐射单元（21）馈电相连，另一端通过馈电网络（313）与馈电端（311）相连，所述馈电网络（313）在与各馈电支路（312）的相接位置分别设有匹配枝节（314）。

7.如权利要求6所述一种宽波束77GHz毫米波车载雷达天线，其特征在于，所述馈电网络（313）在与馈电端（311）相背一侧连有多个馈电支路（312），馈电端（311）、馈电支路（312）分别与馈电网络（313）相垂直。

8.如权利要求7所述一种宽波束77GHz毫米波车载雷达天线，其特征在于，所述匹配枝节（314）和馈电端（311）位于相应馈电支路（312）的同一侧，各所述匹配枝节（314）的长度为1/4λ。

9.如权利要求1所述一种宽波束77GHz毫米波车载雷达天线，其特征在于，所述寄生辐射单元（11）、辐射贴片（211）及馈电单元（31）均由金属导体薄片制成，通过敷铜印刷工艺敷设在各层介质基板上。

10.如权利要求1所述一种宽波束77GHz毫米波车载雷达天线，其特征在于，所述激励辐射单元（21）和寄生辐射单元（11）之间的介质为空气；所述辐射贴片（211）上的金属化过孔（213）为圆形过孔，所数金属化过孔（213）的内壁涂覆有导电金属。