CN110880637A - 一种24GHz小型化雷达天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种24GHz小型化雷达天线，属于微波射频领域。一种24GHz小型化雷达天线，包括顶层介质基板、中间层介质基板和底层介质基板，三者自上至下依次堆叠；顶层介质基板上表面设有顶层金属辐射贴片，顶层金属辐射贴片的横截面为矩形；中间层介质基板上表面设有中间层金属辐射贴片，中间层金属辐射贴片的形状为以矩形为外形轮廓、比例系数为k得到的一阶Minkowski分形图形；底层介质基板上表面设有底层金属辐射贴，底层金属辐射贴的形状为以矩形为外形轮廓、比例系数为k得到的二阶Minkowski分形图形；底层介质基板的下表面设有接地板。本发明解决了现有的汽车雷达实现小型化的同时成本随之提高的的问题。

Description

一种24GHz小型化雷达天线

技术领域

本发明属于微波射频领域，涉及一种24GHz小型化雷达天线。

背景技术

随着交通行业的快速的发展，汽车行业迅猛发展，随处可见的私家车成了主要的交通方式。伴着人们对于车辆的进一步认识，消费者对于汽车安全性能的要求也越来越苛刻。随着消费者对汽车安全性能以及舒适性需求的提升，使得汽车微波雷达系统成为研究的首要任务。司机驾驶汽车的安全系数成为顾客的首要考虑要素，汽车防撞系统、车载雷达、自适应续航系统等都是汽车的安全性能指标。车载雷达作为汽车必不可少的参数，关于车载雷达天线小型化指标也提出了非常严苛的要求。

目前较为完善的汽车雷达到采用24GHz的频带，由于技术等众多因素，汽车的雷达系统大多体积都比较大，且成本较高，不利于发展汽车行业的发展。因此对于天线小型化的研究急需进一步的发展。通常采用更高介电常数，更低介质损耗的介质基板来实现小型化，但是这样又会极大地提高材料的成本，难免会顾此失彼，所以通过改变微带天线的结构来实现微带天线的小型化是一个必然趋势。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的汽车雷达实现小型化困难的缺点，提供一种24GHz小型化雷达天线。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种24GHz小型化雷达天线，包括顶层介质基板、中间层介质基板和底层介质基板，三者自上至下依次堆叠；

顶层介质基板上表面设有顶层金属辐射贴片，顶层金属辐射贴片的横截面为矩形；

中间层介质基板上表面设有中间层金属辐射贴片，中间层金属辐射贴片的形状为以所述矩形为外形轮廓、比例系数为k得到的一阶Minkowski分形图形；

底层介质基板上表面设有底层金属辐射贴，底层金属辐射贴的形状为以所述矩形为外形轮廓、比例系数为k得到的二阶Minkowski分形图形；

底层介质基板的下表面设有接地板。

所述k为0.3～0.6。

进一步的，顶层介质基板、中间层介质基板和底层介质基板均采用duroid5880材料，厚度为0.254mm。

进一步的，顶层金属辐射贴片、中间层金属辐射贴片和底层金属辐射贴的长、宽均为3.3×3.3mm。

进一步的，顶层金属辐射贴片设在顶层介质基板的中心，两者的对称轴相平行；

中间层金属辐射贴片与中间层介质基板的位置关系与上述的相同；

底层金属辐射贴与底层介质基板的位置关系与上述的相同。

进一步的，以底层介质基板的中心为坐标系原点，长为x轴，宽为y轴，高为z轴；

所述同轴馈电设在x轴上偏离原点0.55mm处；

同轴馈电的电阻为50Ω，内芯半径为0.1mm，外芯半径为0.35mm。

进一步的，所述同轴馈电相应处的中间层金属辐射贴片上设有短路柱，所述短路柱的上下端面与中间层介质基板的上下表面平齐；

所述短路柱的内径为0.1mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的24GHz小型化雷达天线，采用分形结构减小了金属辐射贴片的尺寸，从而实现了天线的小型化；而采用三个介质基板之间采用接触堆叠的方式，介质基板之间没有其他的隔层，减小了由于分形造成的辐射增益的减弱，且减小了天线的反射功率，另外回波损耗的绝对值大大增加；同轴馈电降低了由于匹配问题而造成的各方面困难；本发明的24GHz小型化雷达天线，能够在保持天线稳定效果的同时极大的降低辐射片的面积，克服了雷达天线体积大的问题，实现了天线的小型化，且雷达具有更优异的识别能力，具有很大的市场。

附图说明

图1为本发明天线的分层透视图；

图2为本发明天线的轴侧视图；

图3为本发明天线的回波损耗图；

图4为本发明天线的顶层模型的结构示意图；

图5为本发明天线的间层模型的结构示意图；

图6为本发明Minkowski的初始元和生成元分形过程示意图；

图7为本发明天线的底层模型的结构示意图；

图8为本发明天线的辐射方向与增益图。

其中：1-顶层金属辐射贴片；1-1-顶层介质基板；2-中间层金属辐射贴片；2-2-中间层介质基板；3-底层金属辐射贴；3-3-底层介质基板；4-接地板；5-同轴馈电。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1天线的分层透视图所示，顶层介质基板1-1，采用的材料为duroid5880，厚度采用0.254mm；介质基板1-1正上方位置覆有顶层金属辐射贴片1，顶层金属辐射贴片1的外形轮廓为3.3mm×3.3mm的正方形；顶层介质基板1-1的下表面设有接地板4，顶层金属辐射贴片1上设有同轴馈电5，以底层介质基板3-3的中心为坐标系原点，长为x轴，宽为y轴，高为z轴；同轴馈电5设在x轴上偏离原点0.55mm处；同轴馈电5为50Ω，内芯半径为0.1mm，外芯半径为0.35mm；中间层介质基板2-2，材料为duroid5880，厚度为0.254mm，中间层介质基板2-2正上方位置覆有中间层金属辐射贴片2，中间层金属辐射贴片2外形轮廓为以3.3mm×3.3mm的正方形为原型、采用比例系数为0.5的一阶Minkowski分形得到的图形；底层介质基板3-3，采用材料为duroid5880，厚度为标准0.254mm，底层介质基板3-3正上方位置覆有的底层属辐射贴片3，外形轮廓为3.3mm×3.3mm的正方形，采用分形比例系数为0.5的二阶Minkowski分形结构。以上三层介质基板在设计时均置于中心原点位置，各层辐射贴片也都垂直于各自下层介质基板，置于中心位置。

如图2所示，图2为天线的轴侧视图，可以看出各层介质基板之间采用接触堆叠方式，中间不夹杂其他介质层。最后使得该天线能够工作于24GHz的频率下。

参见图3，图3为天线的回波损耗图，其中虚线表示普通的同轴微带贴片天线的回波损耗，为-23.2dB，实线表示本发明中的天线，其回波损耗S11可达-35dB以下，可见，其回波损耗大大降低，且增加了天线的辐射功率。

如图4所示，图4本发明天线的顶层模型的结构示意图。介质基板采用材料介电常数为2.2的Rogers RT/duroid 5880的介质基板，厚度取h1为0.254mm，介质基板的尺寸为Lp×Wp。

如图5所示，为本发明天线的中间层模型结构示意图，与顶层相比，中间层介质基板的材料不变，仍采用介电常数为2.2的Rogers RT/duriod 5880的介质板，厚度h2为0.254mm，介质基板的外轮廓与第一层相同，均为Lp×Wp的正方形辐射贴片。但结构有所变化，该辐射贴片利用了Minkowski分形的原理，对于分形理论来说，比例系数k取值至关重要，本发明中分形比例系数k选取0.3～0.6，形成了第一次分裂，成为图5所示的形状。

参见图6，图6(a)为初始元，6(b)为生成元，初始元经一阶Minkowski分型得到生成元。本发明中的辐射贴片均以正方形为基础进行分形设计，分行比例系数为0.5。分形后的天线以其独特的自相似性与维度等特性，实现了辐射的小型化。如果利用该形状的贴片单独制作一个微带贴片天线，同样具有缩小尺寸的效果。

如图7所示，图7为本发明天线的底层模型结构示意图，底层金属辐贴片3的外轮廓与第一、二层采用相同外轮廓，其仍为Lp×Wp的正方形辐射体。这个结构是经过原始单元经过二阶Minkowski分形得来的。一阶分形可以降低工作频率，经过二阶分形，可以在一阶分形的基础上工作频率再次减小，随着分形次数的增加，天线工作频率降低的幅度逐渐减小。可以发现分形的阶数越少，天线的工作频率的变化效果越明显，一阶分形对工作频率降低的效果最为明显。

如图8所示，为该天线的辐射方向与增益的关系。从图中可以得到，天线的最大辐射方向为

θ＝90°，即辐射贴片的正上方，最大增益约为6.8dB。

在整个Minkowski的分形过程中，一阶与二阶分形的比例系数k最终均选取0.5，所有的介质基板也均采用介电常数为2.2的Rogers RT/duroid 5880，厚度选用标准的0.254mm。每一层介质之间不添加任何填充物，即直接堆叠，垂直距离为零。为了保证贴片的口径统一，辐射方向一致，在仿真的时候，辐射贴片的位置也均是在Z轴上的垂直方向，中心与坐标原点重合。

下面详细说明本发明的原理：

曼德布罗特于1967年在美国最具有权威的杂质《科学》上发表《英国的海岸线有多长》，分形理论逐步进入人们的视线。将分形理论与微波工程的结合在国外研究的较早，而且相关内容较为丰富，已经有了较为显著地成果。随着分形天线逐渐应用于微带天线中有效的缩减了辐射片的体积，越来越多的学者开始研究分形结构，各个领域的分形结构逐步兴起。由于认识的不足和资源的匮乏等众多因素，在国内分形天线的研究还有待提升，目前关于分形技术还尚不成熟。相较于常规的微带贴片天线，分形天线能够有效减小天线的体积，且外观更加优美。比较典型的分形理论是Sierpinski结构、Koch分形结构、、Hilbert结构等。传统的欧式几何图像有规范的数学描述，但分形结构却很难用语言来表述。而且随着分形的增加，外形更加复杂，但其生成结构却可以很简单的用迭代函数系生成，这就使得分形结构应用更加广泛。目前在该发明中利用分形结构具有自相似性以及超强的空间填充性等特点，利用IFS函数对Minkowski分形结构进行设计分析，实现天线的小型化。研究发现，利用单一的分形理论只能够将天线的面积缩小，但会损耗一部分辐射，使得天线的回波损耗、增益等各项指标都会明显的变差。为了克服这种弊端，保持天线性能的稳定，将分层理论与分形理论融合，完美的实现了天线的小型化，也增加了视觉上的优美效果。

实施例

首先说明本实施例中具体的参数信息：

在本发明中所有用到的介质基板均采用罗杰斯公司生产的标准的duriod5880，介电常数为2.2，损耗正切为0.0009，采用标准厚度0.254mm。

参见图3，顶层金属辐射贴片1采用原始单元，其尺寸Lp＝3.3mm，Wp＝3.3mm。

参见图4，中间层金属辐射贴片2的外形采用1阶Minkowski分形，分形比例系数为0.5。其中，L1＝1.1mm，W1＝0.55mm。

参见图6，图6为底层金属辐射贴3的外形，采用2阶Minkowski分形，分形比例系数为0.5。具体尺寸为L2＝0.36mm，L21＝0.37mm，W2＝0.18mm，L3＝0.19mm，L31＝0.18mm，W3＝0.09mm。

结合了普通矩形的一些信息和该分形天线的一些参数信息，通过对比可以发现，在等频率下，该分形天线的面积尺寸比普通的同轴微带天线的面积缩小50％以上，且在回波损耗和增益方面没有产生明显损耗，如图2天线的回波损耗图所示，天线小于-10dB的带宽为23.8GHz～24.3GHz。在高频工作的微带天线可能较难设计，且优化设计不易。本发明设计方法简单，加工方便，不用考虑类似的情况。目前，毫米波微带天线技术受到众多学者的普遍关注，结合其它学科，已经将毫米波微带天线进入更多的应用。目前，可以应用于毫米波雷达、通信技术、微波集成电路等众多领域。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种24GHz小型化雷达天线，其特征在于，包括顶层介质基板(1-1)、中间层介质基板(2-2)和底层介质基板(3-3)，三者自上至下依次堆叠；

顶层介质基板(1-1)上表面设有顶层金属辐射贴片(1)，顶层金属辐射贴片(1)的横截面为矩形；

中间层介质基板(2-2)上表面设有中间层金属辐射贴片(2)，中间层金属辐射贴片(2)的形状为以所述矩形为外形轮廓、比例系数为k得到的一阶Minkowski分形图形；

底层介质基板(3-3)上表面设有底层金属辐射贴(3)，底层金属辐射贴(3)的形状为以所述矩形为外形轮廓、比例系数为k得到的二阶Minkowski分形图形；

底层介质基板(3-3)的下表面设有接地板(4)；

所述k为0.3～0.6。

2.根据权利要求1所述的24GHz小型化雷达天线，其特征在于，顶层介质基板(1-1)、中间层介质基板(2-2)和底层介质基板(3-3)均采用duroid5880材料，厚度为0.254mm。

3.根据权利要求2所述的24GHz小型化雷达天线，其特征在于，顶层金属辐射贴片(1)、中间层金属辐射贴片(2)和底层金属辐射贴(3)的长、宽均为3.3×3.3mm。

4.根据权利要求3所述的24GHz小型化雷达天线，其特征在于，顶层金属辐射贴片(1)设在顶层介质基板(1-1)的中心，两者的对称轴相平行；

中间层金属辐射贴片(2)与中间层介质基板(2-2)的位置关系与上述的相同；

底层金属辐射贴(3)与底层介质基板(3-3)的位置关系与上述的相同。

5.根据权利要求4所述的24GHz小型化雷达天线，其特征在于，以底层介质基板(3-3)的中心为坐标系原点，长为x轴，宽为y轴，高为z轴；

所述同轴馈电(5)设在x轴上偏离原点0.55mm处；

所述同轴馈电(5)的电阻为50Ω，内芯半径为0.1mm，外芯半径为0.35mm。

6.根据权利要求5所述的24GHz小型化雷达天线，其特征在于，所述同轴馈电(5)相应处的中间层金属辐射贴片(2)上设有短路柱，所述短路柱的上下端面与中间层介质基板(2-2)的上下表面平齐；

所述短路柱的内径为0.1mm。

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