CN111244608A - 低副瓣雷达天线及车载雷达天线 - Google Patents

低副瓣雷达天线及车载雷达天线 Download PDF

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CN111244608A CN202010175637.XA CN202010175637A CN111244608A CN 111244608 A CN111244608 A CN 111244608A CN 202010175637 A CN202010175637 A CN 202010175637A CN 111244608 A CN111244608 A CN 111244608A
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Abstract

本发明提供一种低副瓣雷达天线及车载雷达天线，所述低副瓣雷达天线包括：介质基板；N根45°极化线阵，铺设于所述介质基板上；所述45°极化线阵包括馈线及设置在所述馈线上的若干阵元；每一阵元与所述馈线的夹角为45°；N为大于等于3的正整数。本发明所述低副瓣雷达天线与相同的45°极化雷达处于对向时，±45°极化正交性能够提供足够的天线隔离度，很大程度上减少对向来车或对向雷达天线的干扰。

Description

低副瓣雷达天线及车载雷达天线
技术领域
本发明属于雷达技术领域，涉及一种天线，特别是涉及一种低副瓣雷达天线及车载雷达天线。
背景技术
雷达用来辐射和接收电磁波并决定其探测方向的设备。雷达在发射时须把能量集中辐射到需要照射的方向；而在接收时又尽可能只接收探测方向的回波，同时分辨出目标的方位和仰角，或二者之一。雷达测量目标位置的三个坐标(方位、仰角和距离)中，有两个坐标(方位和仰角)的测量与天线的性能直接有关。因此，天线性能对于雷达设备比对于其他电子设备(如通信设备等)更为重要。
运用于前向碰撞预警的车载雷达天线，需要有高增益，低副瓣等特点。传统的微带阵列天线，虽然能够提供足够的高增益、低副瓣等特点，但是其极化方式一般是水平极化或者垂直极化，当对向来车也装载水平极化或垂直极化雷达时，很容易造成干扰，而且为了满足MIMO雷达体制，天线的馈线通常会绕的很长，过长的馈线会带来较高的损耗，而且其弯折处会对外产生较强的辐射，进而恶化天线方向图，影响雷达性能。
因此，如何提供一种低副瓣雷达天线及车载雷达天线，以解决现有技术容易造成干扰，馈线辐射严重影响雷达性能等缺陷，实已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低副瓣雷达天线及车载雷达天线，用于解决现有技术容易造成干扰，馈线辐射严重影响雷达性能等缺陷。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种低副瓣雷达天线，包括：介质基板；N根45°极化线阵，铺设于所述介质基板上，所述45°极化线阵包括馈线及设置在所述馈线上的若干阵元；每一阵元与所述馈线的夹角为45°；N为大于或等于3的正整数。
于本发明的一实施例中，每一所述阵元以一指定角为旋转基点，逆时针旋转，使所述阵元与所述阵元所在馈线呈45°。
于本发明的一实施例中，若干所述阵元相对于所述馈线呈左右交替式分布。
于本发明的一实施例中，当所述阵元的数量为奇数M时，分布于所述馈线两侧的阵元的大小以第(M+1)/2个阵元为中心对称；所述第(M+1)/2个阵元设置于所述馈线的中间。
于本发明的一实施例中，所述阵元均采用矩形贴片；所述矩形贴片的宽度依次向所述馈线的两端递减，所述矩形贴片的长度及相邻两个矩形贴片之间的间距等于二分之一介质中等效波长。
于本发明的一实施例中，所述N根45°极化线阵等间距排列。
于本发明的一实施例中，所述45°极化线阵还包括设置于所述馈线头部的四分之一阻抗变换器和50Ω微带线；所述馈线通过所述四分之一阻抗变换器与所述50Ω微带线连接。
于本发明的一实施例中，所述低副瓣雷达天线还包括与所述45°极化线阵连接的功分网络；所述功分网络为用于为所述45°极化线阵馈电的不等分式功分器；所述不等分式功分器包括多个输出端口；所述多个输出端口呈中心对称，各个输出端口之间的水平间距相等；其中，所述输出端口采用50Ω微带线。
于本发明的一实施例中，所述低副瓣雷达天线还包括呈逐渐变宽型的微带-基片集成波导结构，设置于所述基片集成波导结构的两端，用于在接收能量后，先以TEM模式传播，再将TEM模式转换为TE模式在SIW中传播，然后将TE模式转换为TEM模式，通过功分网络将能量分配给各个线阵。
于本发明的一实施例中，所述低副瓣雷达天线还包括基片集成波导结构，与所述微带-基片集成波导结构连接；用于馈电至所述45°极化线阵；其中，所述基片集成波导结构是由上下表面金属壁通过两端周期性金属通孔连接起来的封闭结构。
本发明另一方面提供一种车载低副瓣雷达天线，包括：介质基板；45°极化线阵，铺设于所述介质基板上，用于与对向而来车辆装载的该车载雷达天线的极化方向形成正交；其中，所述45°极化线阵包括馈线及设置在所述馈线上的若干阵元；每一阵元与所述馈线的夹角为45°。
如上所述，本发明的低副瓣雷达天线及车载雷达天线，具有以下有益效果：
第一，本发明提供的阵列天线结构紧凑，且具有高增益，低副瓣的特点；
第二，本发明提供的功分网络的设计，既可以扩大阵列口径，减少线阵之间的耦合，又可以使功分比设计和相位矫正独立进行，简化了功分网络设计；
第三，与相同的45°极化雷达处于对向时，±45°极化正交性能够提供足够的天线隔离度，很大程度上减少对向来车或对向雷达天线的干扰；
第四，本发明利用SIW低传输损耗、低辐射等优点，改善了传统微带线由于过长且对外辐射造成的天线方向图恶化、增益降低等问题。
附图说明
图1显示为本发明的低副瓣雷达天线于一实施例中的平面结构示意图。
图2显示为本发明的45°极化线阵于一实施例中的结构示意图。
图3显示为本发明的功分网络于一实施例中的结构示意图。
图4显示为本发明的微带-SIW结构于一实施例中的平面结构示意图。
图5显示为本发明的SIW结构于一实施例中的平面结构示意图。
图6显示为本发明的低副瓣雷达天线的方向图。
图7显示为本发明的低副瓣雷达天线的回波损耗图。
图8显示为本发明的低副瓣雷达天线的俯仰方向图与传统馈线俯仰方向图对比示意图。
图9显示为本发明的车载低副瓣雷达天线于一实施例中的结构示意图。
元件标号说明
1 低副瓣雷达天线
11 介质基板
12 45°极化线阵
13 功分网络
14 微带-基片集成波导结构
15 基片集成波导结构
121 馈线
122 阵元
123 四分之一阻抗变换器
124 50Ω微带线
131 输出端口
151 上金属壁
152 下金属壁
153 金属孔
91 车载雷达天线
92 车载传感器芯片
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士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及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例一
本实施例提供一种低副瓣雷达天线，包括：
介质基板；
N根45°极化线阵，铺设于所述介质基板上；用于与对向的所述45°极化线阵的极化方向形成正交；其中，所述45°极化线阵包括馈线及设置在馈线上的若干阵元；每一阵元与所述馈线的夹角为45°；N为大于或等于3的正整数。
以下将结合图示对低副瓣雷达天线进行详细描述。本实施例所述低副瓣雷达天线可应用于车辆(例如，汽车、坦克、装甲车等)或导盲设备。请参阅图1，显示为低副瓣雷达天线于一实施例中的平面结构示意图。如图1所示，所述低副瓣雷达天线1包括介质基板11、N根45°极化线阵12、功分网络13、微带-基片集成波导结构14(微带-SIW结构)及基片集成波导结构15(SIW结构)。
在本实施例中，所述介质基板11的介电常数为3.04，厚度为0.127mm，铜箔为压延铜，厚度为18um。
铺设于所述介质基板11上所述45°极化线阵12用于与对向的所述45°极化线阵的极化方向形成正交。在本实施例中，从一方向上的低副瓣雷达天线1来看，对向来的低副瓣雷达天线1’的极化方向是-45°，与低副瓣雷达天线1的极化方向正好形成正交。按照天线极化理论，所述低副瓣雷达天线1接收不到正交的极化波，因此，能够抑制对向而来的干扰。
所述45°极化线阵12包括一根馈线121、若干阵元122、四分之一阻抗变换器123及50Ω微带线124。
在本实施例中，45°极化线阵12的数量N大于等于3的正整数。为了简化功分网络设计，使功分网络左右对称。因此，45°极化线阵12数量取偶数。在本实施例中，所述45°极化线阵12的数量N的取值为6。6根45°极化线阵12组成一个面阵。6根45°极化线阵12既能满足增益、波束要求，又可以节省空间，便于集成。在本实施例中，45°极化线阵12的排布方式采用均匀阵列排布方式，例如，等间距排列。
本发明要求天线具有较高的增益，较窄的波束，根数越多增益越高，水平波束越窄。
设置在每一根馈线121上的若干阵元122组成极化线阵。在本实施例中，每一所述阵元122以一指定角为旋转基点，逆时针旋转，使所述阵元与所述阵元所在馈线呈45°。每一馈线121上的阵元122相对于所述馈线121呈左右交替式分布。
由于阵元数量选取奇数，更容易控制俯仰方向副瓣电平。因此，当所述阵元的数量为奇数M时，分布于所述馈线两侧的阵元的大小以第(M+1)/2个阵元为中心对称。所述第(M+1)/2个阵元设置于所述馈线的中间。
优选地，所述阵元的数量M为19，每一根馈线121上设置的阵元的大小以第10个阵元为中心对称。
由于，每个贴片的电流幅度服从泰勒分布，通过控制贴片宽度来控制贴片阻抗，从而改变电流分布，服从泰勒分布，可以降低俯仰方向副瓣电平。因此，所述阵元122均采用矩形贴片。参阅图2，所述矩形贴片的宽度Wi依次向所述馈线121的两端递减，所述矩形贴片的长度Li及相邻两个矩形贴片之间的间距di等于(约等于)二分之一介质中等效波长(λg)。
所述四分之一阻抗变换器123和50Ω微带线124设置于所述馈线11头部。所述馈线11通过所述四分之一阻抗变换器123与所述50Ω微带线124连接。
与所述45°极化线阵12连接的功分网络13用于为所述45°极化线阵12馈电。请参阅图3，显示为功分网络于一实施例中的结构示意图。如图3所示，所述功分网络13采用不等分式功分器为设置于其两侧的串联结构进行并联馈电。为了降低副瓣电平，所述不等分式功分器包括多个不等分输出端口131。其中，m1,,m2,m3,m4,m5分别代表四分之一阻抗变换器，其长度为四分之一介质中波长，通过调整宽度可以调整各个端口的功分比。
所述多个输出端口131呈中心对称，且长度向两侧逐渐递减。各个输出端口之间的水平间距相等，调整各个输出端口131处的四分之一阻抗变换器123以实现最佳功分比，并调整50Ω微带线的长度以进行相位补偿。
优选地，所述输出端口131采用50Ω微带线。
继续参阅图1，设置于所述基片集成波导结构15的两端，且与所述功分网络13和芯片连接的微带-SIW结构14用于在能量进入后，先以TEM模式传播，然后经过基片集成波导结构，将TEM模式转换为TE模式在SIW中传播，然后再经过基片集成波导结构将TE模式转换为TEM模式，通过功分网络将能量分配给各个线阵本实施例中，为了阻抗匹配，所述微带-SIW结构14采用逐渐变宽型。请参阅图4，显示为微带-SIW结构于一实施例中的平面结构示意图。如图4所示，所述微带-SIW结构14的高度n1＝1.5mm，端口最宽处n2＝1mm。
继续参阅图1，与所述微带-基片集成波导结构14连接的所述基片集成波导结构15用于馈电至所述45°极化线阵12。为了减少天线方向的恶化，所述基片集成波导结构是由上下表面金属壁通过两端金属通孔连接起来的封闭结构。
具体地，所述基片集成波导结构15采用如图5所示结构，所述基片集成波导结构15由上金属壁151、下金属壁152及将上下金属壁151/152连接起来的周期性分布的两排金属孔153组成的封闭结构。所述金属孔153的半径r，两排金属孔之间的孔间距ds，相邻金属孔之间的孔间距d满足一定关系(在本实施例中，该一定关系是指本领域中的经验公式)以形成波导结构。在本实施例中，SIW结构15具有良好的封闭性及传输性能，利用SIW结构15代替传统的微带馈线，能够改善由于馈线过长及馈线辐射引起的方向图恶化问题。
请参阅图6，显示为低副瓣雷达天线的方向图。如图6所示，可以添加SIW馈线的45°极化阵列天线的增益为22dB，水平波束宽度为13.6°，俯仰面束宽度为9.8°，副瓣电平SLL＝-20.9dB。图6中横轴为角度，纵轴对应位该角度下的增益，此为方向图。
请参阅图7，显示为低副瓣雷达天线的回波损耗图。如图7所示，该低副瓣雷达天线的中心频率在77GHz，S11＝-29.3dB。横轴为频率，纵轴为回波损耗S11。
请参阅图8，显示为低副瓣雷达天线的俯仰方向图与传统馈线俯仰方向图对比示意图。如图8所示，实线为本发明的俯仰方向图，虚线为传统馈线俯仰方向图，可以看出本发明所述低副瓣雷达天线能够改善传统馈线带来的天线方向图恶化。
本实施例所述低副瓣雷达天线具有以下有益效果：
第一，本实施例所提供阵列天线结构紧凑，且具有高增益，低副瓣的特点；
第二，本实施例所提供功分网络的设计，既可以扩大阵列口径，减少线阵之间的耦合，又可以使功分比设计和相位矫正独立进行，简化了功分网络设计；
第三，与相同的45°极化雷达处于对向时，±45°极化正交性能够提供足够的天线隔离度，很大程度上减少对向雷达天线的干扰；
第四，本实施例利用SIW低传输损耗、低辐射等优点，改善了传统微带线由于过长且对外辐射造成的天线方向图恶化、增益降低等问题。
实施例二
本实施例提供一种车载雷达天线，包括：
介质基板；
N根45°极化线阵，铺设于所述介质基板上；用于与对向而来车辆装载的该车载雷达天线的极化方向形成正交；其中，所述45°极化线阵包括馈线及设置在所述馈线上的若干阵元；每一阵元与所述馈线的夹角为45°。
以下将详细描述所述车载雷达天线。本实施例所述车载雷达天线应用于车辆，例如，汽车、坦克、装甲车等，用于消除对向来车装载的雷达天线带来的干扰。请参阅图9，显示为车载雷达天线于一实施例中的结构示意图。如图9所示，本实施例所述车载雷达天线91与车载传感器芯片92连接。
所述车载雷达天线包括介质基板、45°极化线阵、功分网络、微带-基片集成波导结构(微带-SIW结构)及基片集成波导结构(SIW结构)。
在本实施例中，所述介质基板的介电常数为3.04，厚度为0.127mm，铜箔为压延铜，厚度为18um。
铺设于所述介质基板上所述45°极化线阵用于与对向而来车辆装载的所述45°极化线阵的极化方向形成正交。在本实施例中，从一方向上车辆的雷达天线来看，对向而来测量的雷达天线的极化方向是-45°，与雷达天线的极化方向正好形成正交。按照天线极化理论，所述雷达天线接收不到正交的极化波，因此，能够抑制对向而来的干扰。
在本实施例中，所述45°极化线阵包括一根馈线、若干阵元、四分之一阻抗变换器及50Ω微带线。
在本实施例中，45°极化线阵的数量N大于等于3的正整数。为了简化功分网络设计，使功分网络左右对称。因此，45°极化线阵数量取偶数。在本实施例中，所述45°极化线阵的数量N的取值为6。6根45°极化线阵组成一个面阵。6根45°极化线阵既能满足增益、波束要求，又可以节省空间，便于集成。在本实施例中，45°极化线阵的排布方式采用均匀阵列排布方式，例如，等间距排列。
本发明要求天线具有较高的增益，较窄的波束，根数越多增益越高，水平波束越窄。
设置在每一根馈线上的若干阵元组成极化线阵。在本实施例中，每一所述阵元以一指定角为旋转基点，逆时针旋转，使所述阵元与所述阵元所在馈线呈45°。每一馈线上的阵元相对于所述馈线呈左右交替式分布。
由于阵元数量选取奇数，更容易控制俯仰方向副瓣电平。因此，当所述阵元的数量为奇数M时，分布于所述馈线两侧的阵元的大小以第(M+1)/2个阵元为中心对称。所述第(M+1)/2个阵元设置于所述馈线的中间。
优选地，所述阵元的数量M为19，每一根馈线上设置的阵元的大小以第10个阵元为中心对称。
在本实施例中，所述阵元均采用矩形贴片。所述矩形贴片的宽度Wi依次向所述馈线的两端递减，所述矩形贴片的长度Li及相邻两个矩形贴片之间的间距di等于(约等于)二分之一介质中等效波长(λg)。
所述四分之一阻抗变换器和50Ω微带线设置于所述馈线头部。所述馈线通过所述四分之一阻抗变换器与所述50Ω微带线连接。
与所述45°极化线阵连接的功分网络用于为所述45°极化线阵馈电。在本实施例中，所述功分网络采用不等分式功分器为设置于其两侧的串联结构进行并联馈电。为了降低副瓣电平，所述不等分式功分器包括多个不等分输出端口。
所述多个输出端口呈中心对称，且长度向两侧逐渐递减。各个输出端口之间的水平间距相等，调整各个输出端口处的四分之一阻抗变换器以实现最佳功分比，并调整50Ω微带线的长度以进行相位补偿。
优选地，所述输出端口采用50Ω微带线。
设置于所述基片集成波导结构的两端，且与所述功分网络和芯片连接的微带-SIW结构用于在能量进入后，先以TEM模式传播，然后经过基片集成波导结构，将TEM模式转换为TE模式在SIW中传播，然后再经过基片集成波导结构将TE模式转换为TEM模式，通过功分网络将能量分配给各个线阵。本实施例中，为了阻抗匹配，所述微带-SIW结构采用逐渐变宽型。所述微带-SIW结构的高度n1＝1.5mm，端口最宽处n2＝1mm。
与所述微带-基片集成波导结构连接的所述基片集成波导结构用于馈电至所述45°极化线阵12。为了减少天线方向的恶化，所述基片集成波导结构是由上下表面金属壁通过两端金属通孔连接起来的封闭结构。
具体地，所述基片集成波导结构由上金属壁、下金属壁及将上下金属壁连接起来的周期性分布的两排金属孔组成的封闭结构。所述金属孔的半径r，两排金属孔之间的孔间距ds，相邻金属孔之间的孔间距d满足一定关系以形成波导结构。在本实施例中，SIW结构具有良好的封闭性及传输性能，利用SIW结构15代替传统的微带馈线，能够改善由于馈线过长及馈线辐射引起的方向图恶化问题。
综上所述，本发明所述低副瓣雷达天线及车载雷达天线具有以下有益效果：
第一，本发明提供的阵列天线结构紧凑，且具有高增益，低副瓣的特点；
第二，本发明提供的功分网络的设计，既可以扩大阵列口径，减少线阵之间的耦合，又可以使功分比设计和相位矫正独立进行，简化了功分网络设计；
第三，与相同的45°极化雷达处于对向时，±45°极化正交性能够提供足够的天线隔离度，很大程度上减少对向来车或对向雷达天线的干扰；
第四，本发明利用SIW低传输损耗、低辐射等优点，改善了传统微带线由于过长且对外辐射造成的天线方向图恶化、增益降低等问题。本发明所述本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种低副瓣雷达天线，其特征在于，包括：
介质基板；
N根45°极化线阵，铺设于所述介质基板上，所述45°极化线阵包括馈线及设置在所述馈线上的若干阵元；每一阵元与所述馈线的夹角为45°；N为大于或等于3的正整数。
2.根据权利要求1所述的低副瓣雷达天线，其特征在于：每一所述阵元以一指定角为旋转基点，逆时针旋转，使所述阵元与所述阵元所在馈线呈45°。
3.根据权利要求1所述的低副瓣雷达天线，其特征在于：若干所述阵元相对于所述馈线呈左右交替式分布。
4.根据权利要求3所述的低副瓣雷达天线，其特征在于：当所述阵元的数量为奇数M时，分布于所述馈线两侧的阵元的大小以第(M+1)/2个阵元为中心对称；所述第(M+1)/2个阵元设置于所述馈线的中间。
5.根据权利要求4所述的低副瓣雷达天线，其特征在于：所述阵元均采用矩形贴片；所述矩形贴片的宽度依次向所述馈线的两端递减，所述矩形贴片的长度及相邻两个矩形贴片之间的间距等于二分之一介质中等效波长。
6.根据权利要求1所述的低副瓣雷达天线，其特征在于：所述N根馈线等间距排列。
7.根据权利要求1或6所述的雷达阵列天线，其特征在于：所述45°极化线阵还包括设置于所述馈线头部的四分之一阻抗变换器和50Ω微带线；
所述馈线通过所述四分之一阻抗变换器与所述50Ω微带线连接。
8.根据权利要求1所述的低副瓣雷达天线，其特征在于：所述低副瓣雷达天线还包括与所述45°极化线阵连接的功分网络；所述功分网络为用于为所述45°极化线阵馈电的不等分式功分器；所述不等分式功分器包括多个输出端口；所述多个输出端口呈中心对称，各个输出端口之间的水平间距相等；其中，所述输出端口采用50Ω微带线。
9.根据权利要求8所述的低副瓣雷达天线，其特征在于：所述低副瓣雷达天线还包括呈逐渐变宽型的微带-基片集成波导结构，设置于所述基片集成波导结构的两端，用于在接收能量后，先以TEM模式传播，再将TEM模式转换为TE模式在SIW中传播，然后将TE模式转换为TEM模式，通过功分网络将能量分配给各个线阵。
10.根据权利要求1所述的低副瓣雷达天线，其特征在于：所述低副瓣雷达天线还包括基片集成波导结构，与所述微带-基片集成波导结构连接；用于馈电至所述45°极化线阵；其中，所述基片集成波导结构是由上下表面金属壁通过两端周期性金属通孔连接起来的封闭结构。。
11.一种车载雷达天线，其特征在于，包括：
介质基板；
N根45°极化线阵，铺设于所述介质基板上，用于与对向而来车辆装载的该车载雷达天线的极化方向形成正交；其中，所述45°极化线阵包括馈线及设置在所述馈线上的若干阵元；每一阵元与所述馈线的夹角为45°。
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