CN111446547A - 一种天线罩和毫米波雷达装置 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明实施例涉及毫米波雷达技术领域,尤其涉及一种天线罩和毫米波雷达装置。
背景技术
毫米波雷达因能够发射和接收较窄的波束,而具有较高的角分辨能力和测角精度,同时能够抗电子干扰、杂波干扰和多径反射干扰等特点,使得毫米波雷达应用于近程、高分辨力的目标监视和目标截获以及雷达测量领域。
目前,在毫米波雷达装置中通常设置有发射和接收毫米波信号的雷达天线,且为防止环境影响和干扰雷达天线的工作状态,会在毫米波雷达装置中设置相应的天线罩,以保护雷达天线。现有技术中,应用于毫米波雷达的天线罩具有多层结构,且由于天线罩的尺寸较大,会将天线罩设置为相应的厚度,以提高天线罩的强度。
但是,现有技术中通过增加天线罩的厚度以提高天线罩强度的方式,使得天线罩对毫米波吸收多、反射大以及透波率低,同时多层结构的天线罩生产加工难度高,生产成本高。
发明内容
有鉴于此,本发明实施例提供一种天线罩和毫米波雷达装置,能够降低天线罩对毫米波的吸收量和反射量,提高天线罩对毫米波的透波率,同时降低生产加工难度和生产成本,提高产品良率。
第一方面,本发明实施例提供了一种天线罩,应用于毫米波雷达装置中,所述毫米波雷达装置至少包括毫米波天线和毫米波天线组件;所述毫米波天线组件控制所述毫米波天线发射毫米波,以及接收并处理所述毫米波天线接收的毫米波;所述天线罩包括:天线罩主体和天线罩框架;
所述天线罩主体至少覆盖所述毫米波天线和所述毫米波天线组件,所述天线罩主体用于保护所述毫米波天线和所述毫米波天线组件;所述天线罩主体包括玻璃钢材料层;所述玻璃钢材料层的厚度d满足:
其中,N为整数;λ为所述毫米波的波长;εr为所述玻璃钢材料层的介电常数;
所述天线罩框架用于支撑固定所述天线罩主体;所述天线罩框架包括至少一个镂空区域;所述镂空区域在所述天线罩主体上的正投影覆盖所述毫米波天线的主瓣区域在所述天线罩主体上的正投影。
可选的,所述玻璃钢材料层的厚度d为0.25mm~1.8mm。
可选的,所述天线罩主体所在平面与所述毫米波天线所在平面之间的距离H为:
其中,1≤n≤7,且n为整数。
可选的,所述天线罩框架为塑料材质,且所述天线罩框架的强度为预设强度。
可选的,所述天线罩还包括:吸波结构;
所述吸波结构位于所述天线罩主体靠近所述毫米波天线组件的一侧;所述吸波结构包括吸波材料;所述吸波材料用于吸收进入所述吸波结构内的电磁波;
所述吸波结构至少覆盖所述毫米波天线组件,且所述吸波结构在所述天线罩主体上的正投影与所述毫米波天线的主瓣区域在所述天线罩主体上的正投影互不交叠。
可选的,沿由靠近所述毫米波天线的一侧指向远离所述毫米波天线的一侧的方向上,所述吸波结构的厚度逐渐增大。
可选的,所述吸波结构包括第一吸波结构和第二吸波结构;
所述第一吸波结构位于所述第二吸波结构靠近所述毫米波天线的一侧;所述第一吸波结构的厚度小于所述第二吸波结构的厚度。
可选的,所述毫米波天线的主瓣宽带为120°;
可选的,所述第一吸波结构的吸波材料的厚度T1为2mm;
所述第二吸波机构的吸波材料的厚度T2为5mm。
第二方面,本发明实施例还提供了一种毫米波雷达装置,包括:毫米波天线、毫米波天线组件以及上述天线罩;
所述毫米波天线组件用于控制所述毫米波天线发射毫米波,以及接收并处理所述毫米波天线接收的毫米波;
所述毫米波雷达装置还包括主体框架;所述毫米波天线、所述毫米波天线组件以及所述天线罩均固定于所述主体框架上。
本发明实施例提供了一种天线罩和毫米波雷达装置,该天线罩的天线罩主体覆盖且用于保护毫米波天线和毫米波天线组件,通过采用玻璃钢材料层使得该天线罩主体具有较高的强度,同时结合具有镂空区域的天线罩框架,能够进一步提高该天线罩的强度,使得本发明实施例提供的天线罩具有较佳的力学性能;因此,相较于现有技术中采用多层天线罩主体的天线罩,本发明实施例的天线罩结构简单,重量较轻,加工难度低,生产成本低,从而有利于提高生产效率和生产良率;此外,天线罩主体的厚度d与毫米波的波长、天线罩主体的介电常数相关,以在满足天线罩的力学性能的要求下,使得高天线罩具有较佳的介电性能和透波率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种天线罩的俯视结构示意图;
图2是沿图1中A-A截面的一种天线罩的截面结构示意图;
图3是本发明实施例提供的一种毫米波天线组件的结构示意图;
图4是本发明实施例提供的一种毫米波天线的主瓣区域的结构示意图;
图5是本发明实施例提供的一种不同厚度的天线罩主体的损耗测试曲线;
图6是本发明实施例提供的一种天线罩的仰视结构示意图;
图7是本发明实施例提供的又一种天线罩的截面结构示意图;
图8是本发明实施例提供的又一种天线罩的截面结构示意图;
图9是本发明实施例提供的又一种天线罩的截面结构示意图;
图10是本发明实施例提供的一种毫米波雷达装置的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明实施例提供一种天线罩,该天线罩能够保护毫米波雷达装置中的毫米波天线和毫米波天线组件。图1是本发明实施例提供的一种天线罩的俯视结构示意图,图2是沿图1中A-A截面的一种天线罩的截面结构示意图。结合图1和图2,毫米波雷达装置至少包括毫米波天线210和毫米波天线组件220;该毫米波天线组件220控制毫米波天线210发射毫米波,以及接收并处理毫米波天线210接收的毫米波。其中,毫米波天线210和毫米波天线组件220是毫米波雷达装置实现毫米信号收发和处理的关键部件。
示例性的,图3是本发明实施例提供的一种毫米波天线组件的结构示意图。结合图1、图2和图3所示,该毫米波天线组件220包括器件结构221和用于安装和固定器件结构的毫米波天线框架222,该毫米波天线框架222通过紧固件223安装于毫米波雷达的主体框架230上,该紧固件223例如可以包括螺钉。毫米波天线组件220的器件结构221中设置有相应的毫米波收发器和信号处理电路等;其中,器件结构221的毫米波收发器能够将信号处理电路产生的毫米波发送至毫米波天线210,并通过毫米波天线210发送至相应的目标物;毫米波天线210接收目标物反射的毫米波,并将所接收的毫米波发送至毫米波天线组件220中器件结构221的毫米波收发器;该毫米波收发器会将所接收的毫米波传输至信号处理电路中进行分析处理,从而能够获知目标物的位置信息,实现测距、跟踪等功能。
继续参考图1和图2所示,本发明实施例提供的天线罩应用于毫米波雷达装置中,该天线罩包括天线罩主体10和天线罩框架20;该天线罩主体10至少覆盖毫米波天线210和毫米波天线组件220,该天线罩主体10能够保护毫米波天线210和毫米波天线220组件,至少能够防止毫米波雷达装置中的关键部件收发毫米波信号时受环境的影响;而天线罩框架20用于支撑固定天线罩主体10,例如天线罩主体10可通过天线罩20固定于毫米波雷达装置的主体框架230上,其可以采用紧固件,例如螺钉进行固定,但不限于此。其中,天线罩主体10包括玻璃钢材料层;该玻璃钢材料层的厚度d满足:
其中,N为整数;λ为毫米波雷达装置发射的毫米波的波长;εr为玻璃钢材料层的介电常数。天线罩框架20包括至少一个镂空区域,且该镂空区域在天线罩主体10上的正投影覆盖毫米波天线210的主瓣区域在天线罩主体10上的正投影。
具体的,由于天线罩的作用是保护毫米波雷达装置在工作过程中免受恶劣环境的影响,例如用于保护毫米波雷达装置的毫米波天线210和毫米波天线组件220均能够正常工作,因此该天线罩所采用的材料应具有良好的耐高温性能、耐冲击性能、耐腐蚀性能以及优异的介电性能;同时,由于毫米波雷达装置的毫米波天线210向目标物发送毫米波以及接受目标物反射的毫米波都需要透过天线罩的天线罩主体10,因此天线罩主体10应采用透波材料,即对波长在lmm~l000mm,频率在0.3GHz~300GHz的电磁波的单向透过率大于70%的材料,即天线罩主体10能够确保电磁波信号正常地传播。而介电性能是评价透波材料性能最重要的一个标准,通常透波材料都应具有良好透波性能和介电性能。介电性能由材料的电阻率ρ、介电常数ε和损耗角正切tanδ等参数决定,通常具有高介电性能的透波材料具有低的介电常数和低的损耗角正切(tanδ<10)。
毫米波雷达装置发射的毫米波是一种电磁波,而电磁波在传播过程中遇到透波材料(天线罩主体10的材料),会产生能量损耗A(主要是热损耗),此时电磁波在天线罩主体10的透波材料中的能量损耗A、反射系数Γ和透波率|T|2分别为:
其中,d为天线罩主体10中透波材料的厚度;λ是电磁波的波长;θ是电磁波在天线罩主体10的透波材料表面的入射角;ε和tanδ分别是天线罩主体10的透波材料的介电常数和损耗角正切。由此可知,天线罩主体10的透波材料的介电常数越大,电磁波在空气与天线罩主体10的界面的反射就越大,这将增加镜像波瓣电平并降低传输效率,且介电常数偏大对应的天线罩主体10的厚度就越薄,此会影响天线罩主体10的强度性能。而损耗角正切tanδ越大,电磁波能量在透过天线罩主体10的过程中转化为热量而损耗掉的能量就越多。因此,天线罩主体10的透波材料的介电常数ε尽可能低,且损耗角正切tanδ低至接近于零,以达到最小反射和最大传输的目的,并且天线罩主体10的透波材料的介电常数ε和损耗角正切tanδ不随温度、频率有明显的变化(例如温度升高100℃,介电常数ε变化小于l%),以保证在气动加热条件下,透过的电磁波不失真。
由上述分析可知,本发明实施例中覆盖毫米波雷达装置中毫米波天线210和毫米波天线组件220等关键部件的天线罩主体10采用厚度为d的玻璃钢材料层,该玻璃钢材料层具有良好的耐高温性能、耐冲击性能、耐腐蚀性能以及优异的介电性能,能够确保毫米波雷达装置中毫米波天线210和毫米波天线组件220等关键部件在工作时免受环境影响;同时,该天线罩主体10的玻璃钢材料层的厚度d与毫米波雷达装置发射的毫米波的波长和玻璃钢材料层的介电常数相关,能够确保该天线罩主体10能够具有良好的介电性能,从而使天线罩主体10具有较高的透波率。此外,天线罩的天线罩主体10结合具有镂空区域的天线罩框架20,该天线罩框架20能够支撑固定天线罩主体10,以进一步确保天线罩主体具有较佳的力学性能;同时,在能够起到支撑固定天线罩主体10的前提下,该天线罩框架20上设置不遮挡毫米波天线210的主瓣区域的镂空区域,以防止天线罩框架20影响整个天线罩的透波率,如此毫米波天线210接收和发射的毫米波仅需透过具有较高透波率的天线罩主体即可,确保整个天线罩具有较高的透波率的前提下,具有较高的强度、较轻的重量,从而使得天线罩具有简单的结构、较低的成本,有利于产品的运输、安装等,同时有利于提高产品的生产效率和产品良率。其中,天线罩框架20可以为塑料材质,且该天线罩框架20的强度为预设强度,以使天线罩框架20具有较高强度的支撑能力。
此外,需要说明的是,毫米波天线的主瓣区域为毫米波天线发射的毫米波的最大辐射区域。示例性的,图4是本发明实施例提供的一种毫米波天线的主瓣区域的结构示意图。如图4所示,该主瓣区域的带宽可以为θ2-θ1,即为毫米波天线的主瓣宽度,该主瓣宽度例如可以为120°。
可选的,继续结合参考图1和图2,天线罩主体10的玻璃钢材料层的厚度d可以为0.25mm~1.8mm。
具体的,应用于毫米波雷达装置的天线罩中天线罩主体10的厚度会应影响毫米波在该天线罩主体上的反射系数,从而影响毫米波在天线罩主体10中的透波率。因此,天线罩主体10的玻璃钢材料的厚度设计是至关重要的。同时,由于天线罩主体10的厚度变化会引起损耗的变化,因此在天线罩主体10的制程中,确定天线罩主体10厚度有效的工艺公差至关重要。本发明实施例中天线罩主体10采用单层的玻璃钢材料层,玻璃钢材料层的厚度直接影响毫米波的损耗,玻璃钢材料层的厚度越薄天线罩主体10的透波率越高、对毫米波损耗越小;同时,在毫米波雷达装置发射的毫米波的波长一定时,该天线罩主体10的玻璃钢材料层的厚度与该玻璃钢材料层的介电常数相关,且介电常数越小,该玻璃钢材料层的最小厚度值越小。介电常数是表示绝缘能力特性的一个系数,通常为电位移与电场强度之比,而此处所述的玻璃钢材料层的介电常数是指该玻璃钢材料层的自身介电常数与真空介电常识之比,是一个相对介电常数,且当该玻璃钢材料层的介电常数在预设范围内,例如在1~4的范围内时,均可是天线罩主体10具有较高的透波率。
示例性的,图5是本发明实施例提供的一种不同厚度的天线罩主体的损耗测试曲线。当毫米波雷达装置发射的毫米波的波长λ为4mm,天线罩主体的玻璃钢材料层的介电常数εr为4时,天线罩主体的玻璃钢材料层厚度可以为1mm、2mm、3mm、…。如图5所示,天线罩主体的玻璃钢材料层的厚度越大其损耗越多,即玻璃钢材料层的厚度越薄天线罩主体透波率高,玻璃钢材料层的厚度越厚天线罩主体的透波率低,玻璃钢材料层的厚度越薄对毫米波损耗越小,玻璃钢材料层的厚度越厚对毫米波损耗越大。因此,当N等于1时天线罩主体的玻璃钢材料层对毫米波损耗最小,透波率最高,即当毫米波雷达装置发射的毫米波的波长λ为4mm,天线罩主体的玻璃钢材料层的介电常数εr为4时,天线罩主体的玻璃钢材料层最佳厚度d为1mm,且此时对毫米波损耗最小,透波率最高。而当天线罩主体的玻璃钢材料层的介电常数εr的取值在一定范围内时,天线罩主体的玻璃钢材料层最佳厚度d也可在一定的范围内,例如天线罩主体的玻璃钢材料层最佳厚度d可在0.25mm~1.8mm的范围内。
可选的,所述天线罩主体所在平面与所述毫米波天线所在平面之间的距离H为:
其中,1≤n≤7,且n为整数。
具体的,由于天线罩主体所在平面与毫米波天线之间的距离在远场区的一定范围内时,该毫米波天线发送的毫米波在天线罩主体中具有较高的透波率,因此可将线罩主体所在平面与毫米波天线之间的距离H设定为毫米波雷达装置发射的毫米波的半波长λ/2的整数倍时,能够使天线罩具有较佳的透波性;同时,将线罩主体所在平面与毫米波天线之间的距离H设定为毫米波雷达装置发射的毫米波的半波长λ/2的整数倍时,还能够防止毫米波信号发生的多次反射,同时能够防止信号之间的交叉耦合的干扰。
示例性的,当毫米波的波长为4mm,且n在1~7的范围内时,天线罩主体所在平面与毫米波天线之间的距离H可以为4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm;但是,由于毫米波天线具有一定的主瓣宽度,当将天线罩主体设置于距离毫米波天线的距离H为12mm,天线罩主体具有较高的透波率。
可选的,图6是本发明实施例提供的一种天线罩的仰视结构示意图,图7是本发明实施例提供的又一种天线罩的截面结构示意图。结合图6和图7所示,天线罩还包括吸波结构30;该吸波结构30位于天线罩主体10靠近毫米波天线组件220的一侧;该吸波结构30中包括吸波材料;该吸波材料能够吸收进入吸波结构30内的电磁波;其中,吸波结构30至少覆盖毫米波天线组件220,且吸波结构30在天线罩主体10上的正投影与毫米波天线210的主瓣区域在天线罩主体10上的正投影互不交叠。
如此,在天线罩覆盖毫米波天线210的主瓣区域内不设置吸波结构30,而在其它区域内设置吸波结构30,以使设置有吸波结构30的其它区域内的电磁波被该吸波结构30中的吸波材料吸收;而未设置有吸波结构30的毫米波天线210的主瓣区域内电磁波不会被吸收,从而能够确保毫米波天线210能够收发毫米波的同时,防止该毫米波的交叉耦合信号进入毫米波天线组件220中,而影响毫米波雷达装置的测量精度和准确度。其中,吸波结构30的厚度与吸收电磁波的能力相关。
示例性的,图8是本发明实施例提供的又一种天线罩的截面结构示意图。如图8所示,沿由靠近毫米波天线210的一侧指向远离毫米波天线210的一侧的方向(+X和-X)上,吸波结构30的厚度T逐渐增大。如此,将靠近毫米波天线210的吸波结构30的厚度设置为较薄的厚度,而将远离毫米波天线210的吸波结构30的厚度设置为较厚的厚度,从而在防止吸波结构30吸收毫米波天线210收发的毫米波的前提下,能够使吸波结构30充分吸收毫米波天线210的主瓣区域以外区域的电磁波,防止该毫米波天线210的主瓣区域以外区域的电磁波与该毫米波天线210的主瓣区域中收发的毫米波交叉耦合,进一步提高毫米波雷达装置的测量精度和准确度。
示例性的,图9是本发明实施例提供的又一种天线罩的截面结构示意图。如图9所示,吸波结构30包括第一吸波结构31和第二吸波结构32;该第一吸波结构31位于第二吸波结构32靠近毫米波天线210的一侧;其中,第一吸波结构31的厚度T1小于第二吸波结构32的厚度T2。如此,同样能够在防止吸波结构30吸收毫米波天线210收发的毫米波的前提下,使吸波结构30充分吸收毫米波天线210的主瓣区域以外区域的电磁波,防止该毫米波天线210的主瓣区域以外区域的电磁波与该毫米波天线210的主瓣区域中收发的毫米波交叉耦合,进一步提高毫米波雷达装置的测量精度和准确度。
示例性的,继续参考图9,当毫米波天线的主瓣宽带为120°;第一吸波结构31的厚度T1可以为2mm,第二吸波结构32的厚度T2可以为5mm。此时,第一吸波结构31靠近毫米波天线210的一侧边缘与毫米波天线210的中心之间的距离为第一距离L1;其中,第二吸波结构32靠近毫米波天线210的一侧边缘与毫米波天线210的中心之间的距离为第二距离L2;其中,同时,天线罩主体10的边缘与毫米波天线的中心之间的距离为第三距离L3;其中,如此,毫米波天线210的主瓣宽度内覆盖有天线罩主体10,以及未设置有吸波结构30,从而能够确保天线罩主体10保护毫米波天线210收发毫米波时,免受环境影响;同时,能够确保毫米波天线210收发的毫米波具有较高的准确度。
本发明实施例还提供一种毫米波雷达装置,该毫米波雷达装置包括毫米波天线、毫米波天线组件以及本发明实施例提供的天线罩。而当本发明实施例提供的毫米波雷达装置包括本发明实施例提供的天线罩时,本发明实施例提供的毫米波雷达装置具备本发明实施例提供的天线罩的有益效果,相同之处可参照上述对天线罩的描述,在此不再赘述。
示例性的,图10是本发明实施例提供的一种毫米波雷达装置的结构框图。如图10所示,毫米波雷达装置200的毫米波天线组件220与毫米波天线210电连接,该毫米波天线组件220能够控制毫米波天线210发射毫米波,以及接收并处理毫米波天线210接收的毫米波;此外,毫米波雷达装置200还包括主体框架;毫米波雷达装置200的毫米波天线210、毫米波天线组件220以及天线罩均固定于该主体框架上。该毫米波雷达装置200例如可以为无人机等,本发明实施例对此不做具体限定。
注意,上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解,本发明不限于这里所述的特定实施例,对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此,虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明,但是本发明不仅仅限于以上实施例,在不脱离本发明构思的情况下,还可以包括更多其他等效实施例,而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种天线罩,应用于毫米波雷达装置中,其特征在于,所述毫米波雷达装置至少包括毫米波天线和毫米波天线组件;所述毫米波天线组件控制所述毫米波天线发射毫米波,以及接收并处理所述毫米波天线接收的毫米波;所述天线罩包括:天线罩主体和天线罩框架;
所述天线罩主体至少覆盖所述毫米波天线和所述毫米波天线组件,所述天线罩主体用于保护所述毫米波天线和所述毫米波天线组件;所述天线罩主体包括玻璃钢材料层;所述玻璃钢材料层的厚度d满足:
其中,N为整数;λ为所述毫米波的波长;εr为所述玻璃钢材料层的介电常数;
所述天线罩框架用于支撑固定所述天线罩主体;所述天线罩框架包括至少一个镂空区域;所述镂空区域在所述天线罩主体上的正投影覆盖所述毫米波天线的主瓣区域在所述天线罩主体上的正投影。
2.根据权利要求1所述的天线罩,其特征在于,所述玻璃钢材料层的厚度d为0.25mm~1.8mm。
4.根据权利要求1所述的天线罩,其特征在于,所述天线罩框架为塑料材质,且所述天线罩框架的强度为预设强度。
5.根据权利要求1所述的天线罩,其特征在于,还包括:吸波结构;
所述吸波结构位于所述天线罩主体靠近所述毫米波天线组件的一侧;所述吸波结构包括吸波材料;所述吸波材料用于吸收进入所述吸波结构内的电磁波;
所述吸波结构至少覆盖所述毫米波天线组件,且所述吸波结构在所述天线罩主体上的正投影与所述毫米波天线的主瓣区域在所述天线罩主体上的正投影互不交叠。
6.根据权利要求5所述的天线罩,其特征在于,沿由靠近所述毫米波天线的一侧指向远离所述毫米波天线的一侧的方向上,所述吸波结构的厚度逐渐增大。
7.根据权利要求5所述的天线罩,其特征在于,所述吸波结构包括第一吸波结构和第二吸波结构;
所述第一吸波结构位于所述第二吸波结构靠近所述毫米波天线的一侧;所述第一吸波结构的厚度小于所述第二吸波结构的厚度。
9.根据权利要求8所述的天线罩,其特征在于,所述第一吸波结构的吸波材料的厚度T1为2mm;
所述第二吸波机构的吸波材料的厚度T2为5mm。
10.一种毫米波雷达装置,其特征在于,包括:毫米波天线、毫米波天线组件以及权利要求1~9任一项所述的天线罩;
所述毫米波天线组件用于控制所述毫米波天线发射毫米波,以及接收并处理所述毫米波天线接收的毫米波;
所述毫米波雷达装置还包括主体框架;所述毫米波天线、所述毫米波天线组件以及所述天线罩均固定于所述主体框架上。
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