CN110611174A - 用于汽车雷达的毫米波非周期宽角扫描低旁瓣相控阵天线 - Google Patents

用于汽车雷达的毫米波非周期宽角扫描低旁瓣相控阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于汽车防撞雷达的毫米波非周期宽角扫描低旁瓣相控阵天线，属于微波天线技术领域。本发明天线单元包括介质基板、介质基板上表面覆盖的金属层、下表面覆盖的金属地板、以及馈电结构，所述金属层中部设置有“U”型槽，“U”型槽外侧设置有金属化过孔。通过激励上层矩形辐射贴片，电场通过“U”型槽将能量耦合到金属腔内，在xoz面实现宽波束，在yoz面实现窄波束。同时，运用优化算法得到同口径下阵列的排布方式，解决阵列扫描到不同角度下的高旁瓣问题，尤其是扫描角度达到端射方向时的栅瓣问题。本发明可以有效拓展平面相控阵的扫描范围，同时改善阵列在扫描过程中的旁瓣电平。

Description

用于汽车雷达的毫米波非周期宽角扫描低旁瓣相控阵天线
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，特别涉及一种用于汽车防撞雷达的毫米波非周期宽角扫描低旁瓣相控阵天线技术。
背景技术
随着无线技术的快速发展，车载雷达通信越来越受到关注。从频段上看，目前市场上车载雷达使用最多的是24GHz和77GHz。工作在24GHz频段的防撞雷达一股安装在汽车后向，实现盲区监测(BSD)，变道辅助(LCA)以及倒车侧向警告(RCTA)等功能；工作在77GHz频段的毫米波防撞雷达一股安装在汽车前向，用于实现自适应巡航(ACC)，紧急制动(AEB)等功能。
毫米波车载雷达作为汽车的“眼睛”，可以收集汽车周边物体的速度，距离，位置等信息。结合其他辅助驾驶系统，可以及时发现道路上存在的潜在危险，发出报警信号，提醒司机采取相应的措施，避免事故的发生。但该系统要求车载雷达天线在和车辆行驶方向上具有较宽的扫描范围，而在垂直于车辆的行驶方向上具有窄的扫描范围。为了满足这一要求，相控阵天线可以通过MEMS移相器的开关，实现主波束扫描到不同区域。但传统平面相控阵天线的有效扫描范围仅有±50°。同时，随着扫描角度的增大，阵列的旁瓣电平会随着增大，旁瓣电平过高会对主瓣接受信号产生强烈的干扰，如果在扫描过程无法有效的抑制旁瓣电平，也就无法精确的对目标进行定位。如何拓宽相控阵的扫描角度，以及解决相控阵天线在扫描过程中的高旁瓣问题还是存在很大困难。
文献“Research on a Millimeter-Wave Phased Array with Wide-AngleScanning Performance(Xiao Ding，Bing-Zhong Wang，and Guo-Qiang He.IEEETransactions on Antenna and Propagation，2013，61(10)：5319-5324)”中提出了一种采用方向图可重构技术的一维宽角扫描相控阵天线。该相控阵天线单元的结构采用馈电网络可重构，将空间分成三部分。在同一个谐振点上有三种不同的辐射方向图。以上述单元为基础构建1×4的阵列，拓展了扫描范围，可以实现一维±75°的扫描，实现了较好的增益平坦度。同时，运用遗传算法优化阵列中单元的馈电幅度和相位来降低阵列在扫描过程中的旁瓣电平，但是，阵列的旁瓣电平依旧很高，最大旁瓣电平为-6.8dB。上述相控阵天线虽然拓宽了阵列的扫描角度，但这种方式仍然存在一定缺陷，天线的单元的馈电网络和控制网络较为复杂，给实际应用带来很大困难。
发明内容
本发明提供了一种用于汽车雷达的毫米波非周期宽角扫描低旁瓣相控阵天线，目的是在保持天线结构简单的基础上，有效拓展平面相控阵的扫描范围，同时改善阵列在扫描过程中的旁瓣电平。
本发明所采取的技术方案是：
一种用于汽车雷达的毫米波非周期宽角扫描低旁瓣相控阵天线，该阵列天线包括M×N个相同的天线单元，天线单元在x方向非周期排布，在y方向周期排布；所述天线单元包括介质基板、介质基板上表面覆盖的金属层、下表面覆盖的金属地板，所述金属层中部设置有“U”型槽，“U”型槽外侧设置有均匀分布的金属化过孔；所述天线单元还包括馈电结构，该馈电结构包括金属探针以及SMA接头，所述SMA接头设置于金属地板下方，所述金属探针穿过金属地板以及介质基板连接金属层，连接点位于“U”型槽内的矩形贴片上。
进一步地，该阵列天线包括4×8个天线单元。
进一步地，所述介质基板的介电常数为2.2。
金属层的矩形贴片通过金属探针和SMA接头进行馈电，金属探针激励矩形贴片产生倒F天线电场。当矩形贴片被激励时，能量通过“U”型槽耦合到金属腔体。“U”型槽的切向电场等效为磁流，因此，会在xoz面产生一个宽波束辐射方向图，在yoz面由矩形贴片辐射产生一个窄波束辐射方向图。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出了一种用于汽车雷达的毫米波非周期宽角扫描低旁瓣相控阵天线，通过构建宽波束方式，拓展了扫描范围。
(2)本发明采用遗传算法优化天线单元排布方式，改善了阵列扫描到不同角度下高旁瓣电平，尤其是阵列扫描到端射方向时的栅瓣。
(3)本发明相控阵结构简单，没有复杂的馈电网络和控制网络。
附图说明
图1是本实施例天线的侧视图；
图2是本实施例天线的俯视图；
图3是本实施例天线单元的侧视图；
图4是本实施例天线单元顶层的截面示意图；
图5是本实施例天线单元底层的截面示意图；
图6是本实施例天线的最佳排布和均匀阵列不同扫描角度下的旁瓣电平对比示意图；
图7是本实施例天线单元的S参数仿真图；
图8是本实施例天线单元辐射方向图，(a)xoz面辐射方向图，(b)yoz面辐射方向图；
图9是本实施例天线的辐射扫描方向图扫描，(a)xoz面扫描方向图，(b)yoz面扫描方向图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明做进一步描述。
本实施例提供一种用于汽车雷达的毫米波非周期宽角扫描低旁瓣相控阵天线，其侧视图如图1所示，其俯视图如图2所示。阵列的规模为4×8，其中，沿x方向布阵的采用非周期的方式，沿y方向布阵的采用均匀阵列的方式，相控阵包括三十二个相同的天线单元。如图3-图5所示，每个天线单元包括介质基板2、介质基板上表面覆盖的金属层1、下表面覆盖的金属地板3，所述金属层中部设置有“U”型槽4，“U”型槽外侧设置有均匀分布的金属化过孔5；所述天线单元还包括馈电结构，该馈电结构包括金属探针6以及SMA接头7，所述SMA接头设置于金属地板下方，所述金属探针穿过金属地板以及介质基板连接金属层，连接点位于“U”型槽内的矩形贴片上。
介质基板的介电常数为2.2，厚度为1mm；金属层中“U”型槽的大小为W1×L1，W1＝1.2mm、L1＝2.4mm。“U”型槽中的矩形金属贴片的大小为W1×L1，W2＝0.55mm、L2＝2.02mm。“U”型槽外侧设置有均匀分布的金属化过孔，其大小为W3×L3，W3＝2mm、L3＝3.5mm。金属化过孔的直径为0.4mm。相邻金属化过孔，圆心与圆心之间的距离为0.5mm。
后视车载雷达在xoz面需要覆盖较大的空域范围，规避潜在的危险，因此，提出的二维相控阵天线需要在xoz面具有大角度扫描能力，但对普通均匀阵列而言，相控阵天线随着扫描角度的增大，辐射方向图出现较高的旁瓣电平，这对主瓣接受信号会产生强烈的干扰。为了降低相控阵扫描过程中较高的旁瓣电平，通过遗传算法优化天线单元在固定口径下的排布方式；得到相控阵天线在xoz面最佳的排布方式。对于后视车载雷达在yoz面而言，只需要覆盖较小的范围即可，因此，天线单元在yoz面上呈现均匀排布即可。因此，只需研究天线单元在xoz面如何的排布。
为了保证辐射增益，优化的天线模型辐射口径应保持不变。根据电磁叠加原理，阵列天线的辐射方向图如公式1所示，其中，为天线单元的方向图，αi和Ai分别为每个天线单元的激励幅度和馈电相位，λ为天线在自由空间中的波长，通过运用遗传算法优化di来实现阵列在扫描过程保持低旁瓣的特性。
本实施例中，M＝8，为了不改变天线阵列的辐射口径，起始单元和终止单元固定，优化变量为6个，阵列中第m个天线单元的坐标Dm如公式2所示，这里每个天线单元的坐标变化距离为di，其变化范围为0.3λ～0.8λ，本实施例运用遗传算法优化上述提出非周期阵列拓扑结构，以实现阵列在扫描过程中保持低旁瓣的特性，其中，天线单元在阵列中的变化范围设置成优化变量，而阵列在扫描过程中的旁瓣电平设置是目标函数，得到最佳阵列排布。
本实施例中，基于上述算法得到的单元位置排列，在x方向，8个天线单元坐标分别为：0、0.41λ、0.77λ、1.25λ、1.73λ、2.16λ、2.57λ、3.5λ。天线单元沿y方向均匀排布，4个天线单元坐标分别为：0、0.5λ、1λ、1.5λ。其中λ为天线在自由空间中的波长。
该相控阵在xoz面可以实现±65°的宽角扫描，在yoz面可以实现±15°的扫描。同时，相控阵在扫描过程的旁瓣电平均小于-10dB。
图6给出了最佳排布和均匀阵列不同扫描角度下的旁瓣电平示意图。通过对比，可以看出本发明所提出的非周期阵列的排布方式相较于同口径的均匀阵列而言，旁瓣电平得到了显著的改善，尤其是在大角度时，均匀阵列已经出现了栅瓣，而本发明所提出非周期阵列的旁瓣电平始终保持在-12dB。因此，本发明所提出的非周期阵列可以降低阵列在扫描过程中的旁瓣电平。
图7给出了天线单元结构的S参数仿真曲线，从曲线中可以看出天线单元在24GHz实现了较好的谐振。
图8中给出了天线单元在xoz面和yoz面辐射方向图，从图中可以看出天线单元在xoz面具有143°的波束宽度，在xoz面呈现θ极化；天线单元在yoz面具有较窄的波束宽度，在yoz面呈现φ极化。
图9给出了最佳排布的二维阵列的波束扫描结果，从图中可以得到，相控阵天线在xoz面可以实现±65°的宽角扫描，同时，在扫描过程中，阵列的增益从17.6dB减小到15.6dB，增益浮动小于±1dB，阵列的旁瓣电平从-12dB升高到-10dB。相控阵天线在yoz面可以实现±15°的宽角扫描，阵列增益从17.6dB减小到17.4dB，阵列增益浮动很小，同时，阵列的旁瓣电平从-12.5dB升高到-11.3dB。
综上所述，本发明所提出的相控阵天线工作在24GHz，适用于后视车载雷达，其拓宽了汽车在行驶方向上的扫描范围，实现了±65°的宽角扫描。同时，可以探测垂直于汽车行驶方向上的空域范围，实现了±15°的扫描。本发明所提出的相控阵天线可以覆盖车载雷达扫描盲点区域，规避潜在的危险，减少了交通事故的发生。同时，本发明所提出的相控阵天线增益浮动很小，在扫描过程中的旁瓣电平始终小于-10dB。这为提高后视车载雷达接受信号的提供了有力的保障，提高的系统的准确性。

Claims (4)

1.一种用于汽车雷达的毫米波非周期宽角扫描低旁瓣相控阵天线，其特征在于，该阵列天线包括M×N个相同的天线单元，天线单元在x方向非周期排布，在y方向周期排布；所述天线单元包括介质基板、介质基板上表面覆盖的金属层、下表面覆盖的金属地板，所述金属层中部设置有“U”型槽，“U”型槽外侧设置有均匀分布的金属化过孔；所述天线单元还包括馈电结构，该馈电结构包括金属探针以及SMA接头，所述SMA接头设置于金属地板下方，所述金属探针穿过金属地板以及介质基板连接金属层，连接点位于“U”型槽内的矩形贴片上。
2.如权利要求1所述的一种用于汽车雷达的毫米波非周期宽角扫描低旁瓣相控阵天线，其特征在于，该阵列天线包括4×8个天线单元。
3.如权利要求1所述的一种用于汽车雷达的毫米波非周期宽角扫描低旁瓣相控阵天线，其特征在于，所述介质基板的介电常数为2.2。
4.如权利要求2所述的一种用于汽车雷达的毫米波非周期宽角扫描低旁瓣相控阵天线，其特征在于，在x方向，8个天线单元坐标分别为：0、0.41λ、0.77λ、1.25λ、1.73λ、2.16λ、2.57λ、3.5λ；在y方向，4个天线单元坐标分别为：0、0.5λ、1λ、1.5λ，其中λ为天线在自由空间中的波长。
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