CN110676560A - 一种77GHz毫米波雷达天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种77GHz毫米波雷达天线，所述雷达天线包括介质基板以及设置于介质基板表面的若干根接收天线和发射天线，所述接收天线和发射天线经馈线与芯片连接；所述接收天线包括M个阵元，各阵元经连接线相连，且各个阵元左右交错排布于所述连接线两侧，其中M大于3；所述发射天线设有N个阵元并以接收天线的阵元排布方式进行排布，且所述发射天线的各阵元旁设有金属耦合片，其中N大于3。按照本发明毫米波雷达天线公开的尺寸进行布局后，在76‑77GHz频段内，收发天线E面辐射方向图旁瓣电平在‑17dB以下。接收天线隔离度小于‑25dB,收发天线隔离度小于‑40dB，有效减少了天线之间互耦和干扰，提升了雷达检测性能。

Description

一种77GHz毫米波雷达天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种77GHz毫米波雷达天线。
背景技术
毫米波雷达具有分辨率高、频带宽、抗干扰能力强等特点，雷达系统发射电磁波遇到障碍物后产生反射，通过捕获反射信号，雷达系统可以确定物体的距离，速度和角度。而车载毫米波雷达作为一种预防交通事故的有效手段，受到各大汽车厂商重视。
毫米波雷达，是工作在毫米波波段(millimeter wave)探测的雷达。通常毫米波是指30～300GHz频域(波长为1～10mm)的。毫米波的波长介于微波和厘米波之间，因此毫米波雷达兼有微波雷达和光电雷达的一些优点。
同厘米波导引头相比，毫米波导引头具有体积小、质量轻和空间分辨率高的特点。与红外、激光、电视等光学导引头相比，毫米波导引头穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候(大雨天除外)全天时的特点。另外，毫米波导引头的抗干扰、反隐身能力也优于其他微波导引头。毫米波雷达能分辨识别很小的目标，而且能同时识别多个目标；具有成像能力，体积小、机动性和隐蔽性好。
光波在大气中传播衰减严重，器件加工精度要求高。毫米波与光波相比，它们利用大气窗口(毫米波与亚毫米波在大气中传播时，由于气体分子谐振吸收所致的某些衰减为极小值的频率)传播时的衰减小，受自然光和热辐射源影响小。为此，它们在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学和波谱学方面都有重大的意义。利用大气窗口的毫米波频率可实现大容量的卫星-地面通信或地面中继通信。利用毫米波天线的窄波束和低旁瓣性能可实现低仰角精密跟踪雷达和成像雷达。高分辨率的毫米波辐射计适用于气象参数的遥感。用毫米波和亚毫米波的射电天文望远镜探测宇宙空间的辐射波谱可以推断星际物质的成分。优势主要有以下几点：
(1)小天线口径、窄波束：高跟踪和引导精度；易于进行低仰角跟踪，抗地面多径和杂波干扰；对近空目标具有高横向分辨力；对区域成像和目标监视具备高角分辨力；窄波束的高抗干扰性能；高天线增益；容易检测小目标，包括电力线、电杆等。
(2)大带宽：具有高信息速率，容易采用窄脉冲或宽带调频信号获得目标的细节结构特征；具有宽的扩谱能力，减少多径、杂波并增强抗干扰能力；相邻频率的雷达或毫米波识别器工作，易克服相互干扰；高距离分辨力，易得到精确的目标跟踪和识别能力。
(3)高多普勒频率：慢目标和振动目标的良好检测和识别能力；易于利用目标多普勒频率特性进行目标特征识别；对干性大气污染的穿透特性，提供在尘埃、烟尘和干雪条件下的良好检测能力。
(4)良好的抗隐身性能：当前隐身飞行器上所涂覆的吸波材料都是针对厘米波的。根据国外的研究，毫米波雷达照射的隐身目标，能形成多部位较强的电磁散射，使其隐身性能大大降低，所以，毫米波雷达还具有反隐身的潜力。
77GHz毫米波雷达在体积、探测精度和距离上有明显优势，可在各种环境下实现全天候工作，可全面满足ACC、BSD、LCA、FCW等多项ADAS功能需求。测距雷达按照距离分为：远距、中距和近距。
由于远距雷达通常采用高增益天线来实现较远探测需求，但其视场范围(FOV)也快速减小，只能覆盖当前车道和相邻车道。而中距雷达在较远探测距离和较大的视场范围方面做了权衡。
目前77GHz毫米波雷达研制成本较高，价格昂贵，降低成本实现各类型车辆普及应用尤为重要。由于毫米波雷达安装环境空间较小，对雷达体积提出了严格限制。毫米波雷达天线工作过程中旁瓣电平造成信号信噪比下降，影响探测距离和探测精度，因此低旁瓣设计和单元宽波束在毫米波雷达中显得尤为重要。
专利CN20110175648.9提供一种采用天线与透镜结合的方式，由透镜板、多个介质透镜、1个发射天线、多个接收天线和无线收发模块构成，整体设计结构复杂，体积较大，不易大批量生产。
专利CN201610630537.5提供一种毫米波天线阵，包含第一、第二辐射单元，激励端口，整体结构简单，没有形成阵列天线，覆盖距离有限。
专利CN201811181719.4提供了一种3发4收的垂直极化微带天线布局方案，但单个天线波束宽度较窄，满足天线宽波束扫描方面有所困难。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足和缺点，提供基于77GHz毫米波频段的一种小型化、低成本、高增益，同时达到高分辨率、宽视场范围(FOV)的微带阵列天线，用于实现中距和远距探测低成本、小体积、高性能的毫米波雷达方案，且克服了传统平面微带天线布阵方式波束宽度较窄的问题，保证分辨率的同时，拓展了波束宽度及信号覆盖范围，用于且不仅限于毫米波频段微带天线系统。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种77GHz毫米波雷达天线，所述雷达天线包括介质基板以及设置于介质基板表面的若干根接收天线和发射天线，所述接收天线和发射天线经馈线与芯片连接；所述接收天线包括M个阵元，各阵元经连接线相连，且各个阵元左右交错排布于所述连接线两侧，其中M大于3；所述发射天线设有N个阵元并以接收天线的阵元排布方式进行排布，且所述发射天线的各阵元旁设有金属耦合片，其中N大于3。
根据一个优选的实施方式，相邻接收天线间Dr为1.9～2.2mm，接收天线与发射天线之间间距为4～5倍Dr,发射天线间距Dt＝4*Dr，且接收天线、发射天线及接收天线和发射天线的外围边缘设置有连接接地孔的金属贴片。
通过接收天线、发射天线及外围边缘设置金属贴片，保证了雷达系统收发天线整体性能，达到小型化，低噪声，高增益，宽覆盖角度的使用要求。
根据一个优选的实施方式，所述接收天线的阵元的长度L为0.5倍介质波长；所述接收天线的阵元数19时，各阵元的宽度分别为W1～W19，中间阵元的宽度W10最大，两端阵元的宽度依次递减；所述接收天线各阵元间距分别为l1～l18，且间距l1～l18为0.55～0.7倍介质波长。
根据一个优选的实施方式，阵元的宽度W1～W19中W10为最大，取值为0.7～0.9mm，其余阵元宽度按照切比雪夫分布比例变化。
根据一个优选的实施方式，所述金属贴片呈半包围结构设置于各阵元外侧，所述金属贴片随各个阵元的长度和宽度变化，并保持其与各阵元间的缝隙间距和所述金属贴片的宽度不变。
根据一个优选的实施方式，所述金属耦合片在gap1、gap2和gap3以及W_couple1、W_couple2相对不变情况下随阵元的单元宽度W_x和长度L_x做适应性变化。
根据一个优选的实施方式，其中gap1取值为0.05倍介质波长λg，gap2和gap3为0.15～0.25倍λg,W_couple1和W_couple2为0.2～0.27倍λg。
根据一个优选的实施方式，所述金属贴片由矩形或多边形框体和金属接地孔构成；其中，框体的直径为0.3～0.5倍λg；金属接地孔直径取0.1～0.3mm；相邻金属贴片间距4d为0.2～0.3倍λg。
根据一个优选的实施方式，相邻发射天线为等间距平行排列设置。
根据一个优选的实施方式，所述接收天线和发射天线采用铜贴片或于介质基板表面敷铜的形式构成。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：通过按本发明毫米波雷达天线公开的尺寸进行布局后，在76-77GHz频段内，收发天线E面辐射方向图旁瓣电平在-17dB以下。接收天线2增益约16.5dBi，H面方向图稳定，其3dB波束宽度约85°。发射天线3增益约15dBi，H面方向图有效展宽，3dB波束宽度约126°。接收天线隔离度小于-25dB,收发天线隔离度小于-40dB，有效减少了天线之间互耦和干扰，提升了雷达检测性能。
附图说明
图1是本发明雷达天线的整体布局结构示意图；
图2是本发明雷达天线的单根接收天线结构示意图；
图3是本发明雷达天线的单根发射天线局部结构示意图；
图4是本发明雷达天线的金属贴片的结构示意图；
其中，1-介质基板，2-接收天线，2a-阵元，3-发射天线，3a-金属耦合片，4-金属贴片，5-馈线，6-芯片。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
本发明公开了一种77GHz毫米波雷达天线，所述雷达天线包括介质基板1以及设置于介质基板1表面的若干根接收天线2和发射天线3，所述接收天线和发射天线3经馈线5与芯片6连接。
优选地，接收天线2包括M个阵元2a，各阵元2a经连接线相连，且各个阵元2a左右交错排布于所述连接线两侧，其中M大于3。进一步地，相邻发射天线3为等间距平行排列设置。
优选地，发射天线3设有N个阵元2a并以接收天线的阵元2a排布方式进行排布，且所述发射天线3的各阵元2a旁设有金属耦合片3a，其中N大于3。
优选地，接收天线2和发射天线3采用铜贴片或于介质基板1表面敷铜的形式构成。
优选地，相邻接收天线2间Dr为1.9～2.2mm，接收天线2与发射天线3之间间距为4～5倍Dr,发射天线3间距Dt＝4*Dr，且接收天线2、发射天线3及接收天线2和发射天线3的外围边缘设置有连接接地孔的金属贴片4。通过接收天线、发射天线及外围边缘设置金属贴片，保证了雷达系统收发天线整体性能，达到小型化，低噪声，高增益，宽覆盖角度的使用要求。
优选地，如图4所示，所述金属贴片4由矩形或多边形框体和金属接地孔构成。其中，框体的直径为0.3～0.5倍λg；金属接地孔直径取0.1～0.3mm；相邻金属贴片4间距4d为0.2～0.3倍λg。
实施例1：
如图1所示，在本实施例中，接收天线2数据为4根，依次标记为Rx1、Rx2、Rx3和Rx4。发射天线3数目为2根，依次标记为Tx1和Tx2。发射天线和接收天线实际数量及对应各天线阵元数量可以根据实际情况进行设定。
优选地，根据雷达增益和FOV要求，所述每根接收天线2由19个阵元2a构成，每根天线各个阵元2a呈左右错位排列且依靠连接线2b相互连接。
优选地，发射天线3同接收天线2类似由19个阵元构成，同时在各个阵元2a旁设置金属耦合片3a。以达到扩展水平波束宽度效果。
具体地，相邻接收天线间Dr为1.9～2.2mm，约对应频点的0.5个空气波长(λ0)，收发天线之间间距为4～5倍Dr,发射天线间距Dt＝4*Dr。接收天线、发射天线及外围边缘设置连接接地孔的金属贴片4，从而保证雷达系统收发天线整体性能，达到小型化，低噪声，高增益，宽覆盖角度的使用要求。
如图2所示，图2是本发明单根接收天线2的构成图。为实现E面低副瓣要求，采用道尔夫切比雪夫分布作为19个天线阵元电流振幅比初值，近似认为微带贴片宽度正比于电流幅度比，通过微带辐射贴片宽度渐变控制电流振幅比进行初始设计。由于天线阵元间互耦作用及非线性影响在仿真软件如HFSS、CST等中进行优化得到确定参数。阵元间馈线长度需要微调，从而达到辐射方向垂直于天线介质板且低副瓣要求。
图2中，当所述接收天线2的阵元2a数19时，各阵元2a的宽度分别为W1～W19。其中，接收天线2的中间阵元2a的宽度W10最大，两端阵元2a的宽度依次递减；所述接收天线2各阵元2a间距分别为l1～l18，且间距l1～l18为0.55～0.7倍介质波长。
进一步地，阵元2a的宽度W1～W19中W10为最大，取值为0.7～0.9mm，其余阵元2a宽度按照切比雪夫分布比例变化。
图中，接收天线2阵元长度为L；W_feed表示馈线宽度；L_mat1、L_mat2表示四分之一阻抗变换长度；W_mat1、W_mat2表示变换线段宽度，L_50表示50欧微带线长度，W_50表示50欧微带线宽度。
具体地，天线辐射阵元长度L取值约0.5倍介质波长(λg)，本实施例为0.95～1.2mm。阵元2a间距l1～l18取0.55～0.7倍λg，本实施例在1.3～1.5mm之间取值。馈线宽度W_feed取值为0.1～0.2mm。阻抗变换长度L_mat1、L_mat2为0.6～0.8mm。变换段宽度W_mat1、W_mat2为0.1～0.3mm。50欧微带线宽度W_50为0.2～0.3mm，50欧微带线长度不限定。
基于以上数据通过仿真进一步确定具体数值，使得在76-77GHz频段的所有天线SLL小于-17dB,有效降低了信噪比及干扰。
图3是本发明单根发射天线局部细节图，如图3所示，单根发射天线3是在接收天线2基础上各个阵元间增加金属耦合片3a。
所述金属耦合片3a呈半包围结构设置于各阵元2a外侧，所述金属耦合片3a随各个阵元2a的长度和宽度变化，并保持其与各阵元2a间的缝隙间距和所述金属贴片4的宽度不变。从而实现了波束展宽的目的。通过，发射天线3及半包围金属耦合片3a可适用于毫米波等其它频段微带天线设计，即其位置尺寸可随频率变化，以实现不同频段微带天线波束展宽要求。
具体地，如图3所示，所述金属耦合片3a在gap1、gap2和gap3以及W_couple1、W_couple2相对不变情况下随阵元2a的单元宽度W_x和长度L_x做适应性变化。优选地，其中gap1取值为0.05倍介质波长λg，gap2和gap3为0.15～0.25倍λg,W_couple1和W_couple2为0.2～0.27倍。
按照本发明毫米波雷达天线公开的尺寸进行布局后，在76-77GHz频段内，收发天线E面辐射方向图旁瓣电平在-17dB以下。接收天线2增益约16.5dBi，H面方向图稳定，其3dB波束宽度约85°。发射天线3增益约15dBi，H面方向图有效展宽，3dB波束宽度约126°。接收天线隔离度小于-25dB,收发天线隔离度小于-40dB，有效减少了天线之间互耦和干扰，提升了雷达检测性能。
前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。本领域技术人员可知有众多组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种77GHz毫米波雷达天线，其特征在于，所述雷达天线包括介质基板以及设置于介质基板表面的若干根接收天线和发射天线，所述接收天线和发射天线经馈线与芯片连接；
所述接收天线包括M个阵元，各阵元经连接线相连，且各个阵元左右交错排布于所述连接线两侧，其中M大于3；
所述发射天线设有N个阵元并以接收天线的阵元排布方式进行排布，且所述发射天线的各阵元旁设有金属耦合片，其中N大于3。
2.如权利要求1所述的一种77GHz毫米波雷达天线，其特征在于，相邻接收天线间Dr为1.9～2.2mm，接收天线与发射天线之间间距为4～5倍Dr,发射天线间距Dt＝4*Dr，且接收天线、发射天线及接收天线和发射天线的外围边缘设置有连接接地孔的金属贴片。
3.如权利要求2所述的一种77GHz毫米波雷达天线，其特征在于，所述接收天线的阵元的长度L为0.5倍介质波长；
所述接收天线的阵元数19时，各阵元的宽度分别为W1～W19，中间阵元的宽度W10最大，两端阵元的宽度依次递减；
所述接收天线各阵元间距分别为l1～l18，且间距l1～l18为0.55～0.7倍介质波长。
4.如权利要求3所述的一种77GHz毫米波雷达天线，其特征在于，所述接收天线的阵元的宽度W1～W19中W10为最大，取值为0.7～0.9mm，其余阵元宽度按照切比雪夫分布比例变化。
5.如权利要求4所述的一种77GHz毫米波雷达天线，其特征在于，所述金属贴片呈半包围结构设置于各阵元外侧，所述金属贴片随各个阵元的长度和宽度变化，并保持其与各阵元间的缝隙间距和所述金属贴片的宽度不变。
6.如权利要求5所述的一种77GHz毫米波雷达天线，其特征在于，所述金属耦合片在gap1、gap2和gap3以及W_couple1、W_couple2相对不变情况下随阵元的单元宽度W_x和长度L_x做适应性变化。
7.如权利要求4所述的一种77GHz毫米波雷达天线，其特征在于，其中gap1取值为0.05倍介质波长λg，gap2和gap3为0.15～0.25倍λg,W_couple1和W_couple2为0.2～0.27倍λg。
8.如权利要求2所述的一种77GHz毫米波雷达天线，其特征在于，所述金属贴片由矩形或多边形框体和金属接地孔构成；
其中，框体的直径为0.3～0.5倍λg；金属接地孔直径取0.1～0.3mm；相邻金属贴片间距4d为0.2～0.3倍λg。
9.如权利要求1所述的一种77GHz毫米波雷达天线，其特征在于，相邻发射天线为等间距平行排列设置。
10.如权利要求1所述的一种77GHz毫米波雷达天线，其特征在于，所述接收天线和发射天线采用铜贴片或于介质基板表面敷铜的形式构成。
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