CN111697350B - 基于77GHz平衡对称式馈电的宽带SIW缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于77GHz平衡对称式馈电的宽带SIW缝隙天线，主要解决现有毫米波车载雷达天线在79～81GHz频段难满足高增益、低副瓣且波束稳定的问题。其包括：面阵A和与其相接的馈电结构(2)，该面阵由多排SIW缝隙线阵(1)组成，每排线阵包括介质基板(12)和位于该基板上、下表面的上金属贴片(13，14)，介质基板贯穿有与上下贴片相接的多个金属通孔(15)，上金属贴片上刻蚀有多个辐射缝隙(16)；该馈电结构关于中心轴线OO’镜像对称，且垂直于该中心轴线，其由级联的SIW—T型功分器、波导转弯结构和交替相位功分器组成。本发明频带宽，增益高，副瓣低，波束稳定，可用于毫米波车载雷达天线领域。

Description

基于77GHz平衡对称式馈电的宽带SIW缝隙天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是一种缝隙天线，可用于毫米波车载雷达。

背景技术

毫米波雷达的应用发展迅速，特别是在汽车雷达、安检和安防等领域应用越来越普遍。毫米波汽车雷达含有24GHz和77GHz两个频段，其中77GHz频段具体分为76～77GHz和77～81GHz。由于77GHz的毫米波汽车雷达天线具有体积小、分辨率高的优点，成为了当前的研究热点

目前，76～77GHz频段的毫米波雷达天线技术已较为成熟，其采用微带阵列和波导缝隙天线等形式即可实现良好的效果。然而，对于77～81GHz频段的毫米波雷达天线，工作频段的展宽造成传统的微带阵列和矩形金属波导天线产生辐射损耗增大，波束不稳定和加工难度大等问题，这大大局限了传统天线在该工作频段内的使用。基片集成波导技术(SIW)是一种新型毫米波导波结构，具有高Q值，低损耗和易集成等优点，多应用于毫米波天线领域。

专利CN109216937A提出了一种基于77GH毫米波雷达的SIW缝隙天线系统，包括介质基板、缝隙天线层和馈电层。缝隙天线层和馈电层分布于介质基板的两面上，缝隙天线与馈电层通过中心耦合馈电；缝隙天线层上设有多个由缝隙阵元构成的SIW缝隙天线，缝隙阵元的数量为偶数。这种天线系统虽然解决了工作带宽的问题，但是增益下降较大，且方位面的波束宽度较窄。

专利200510040315.X提供了一种能够拓宽工作频带的平衡馈电式宽带集成波导缝隙阵列天线单元，包括介质基片，在介质基片的顶面上设有金属贴片，在介质基片的地面上设有金属贴片，在介质基片上设有基片集成波导，在顶面上的金属贴片上设有辐射缝，辐射缝位于基片集成波导的内部区域且分列于基片集成波导的中心线两侧。在基片集成波导的两端分别设有馈电点。上述基片集成波导由设在介质基片上的2行金属化通孔构成。然而这种天线仅适用于X波段的通信系统，并不能应用于毫米波车载雷达天线的工作波段。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的不足，提供一种高增益、低副瓣且波束稳定的平衡对称式馈电的宽带SIW缝隙天线，以满足77GHz毫米波雷达天线在79～81GHz范围内的工作频段要求。

为实现上述目的，本发明基于77GHz平衡对称式馈电的宽带SIW缝隙阵列天线，包括：面阵和与其相接的馈电结构，所述面阵由多排SIW缝隙线阵组成，每排线阵包括介质基板和位于该基板上、下表面的上金属贴片和下金属贴片，介质基板贯穿有多个金属通孔，这些通孔的两端均与上金属贴片和下金属贴片相接，上金属贴片上刻蚀有多个辐射缝隙，其特征在于：

所述馈电结构，关于中心轴线OO’镜像对称分布，且垂直于中心轴线OO’，用于给面阵A的两端平衡对称馈电，有利于扩展天线的工作带宽，其包括：依次串联相接的SIW— T型功分器、波导转弯结构和交替相位功分器，该SIW—T型功分器，用于传输两路方向相反、功率相等的信号，减小其输入端口的反射系数；该交替相位功分器，用于同时输出多路不等幅且相邻端口相位相差180°的信号；该波导转弯结构，转弯角度为90°，用以消除能量传输过程中的功率不对称性。

进一步，所述面阵由四排SIW缝隙线阵并联构成，且相邻线阵共用一排金属通孔，以提高天线的增益，同时实现小型化。

进一步，所述介质基板采用Rogers 5880材料制成长度为L1，宽度为W1，厚度为h1的长方体，上金属贴片、下金属贴片与其具有相同的长和宽。

进一步，所述辐射缝隙，沿直线ll’交错刻蚀在上金属贴片上且为奇数个，各辐射缝隙关于中心轴线OO’对称，长度为L2，宽度为W2，纵向偏移量为dy，L2、W2均以泰勒分布的规律递增，以实现各缝隙与输入信号的各个波峰一一对应。

进一步，所述SIW—T型功分器，包括第一介质板、第一金属贴片、多个T型金属通孔和电感金属通孔，第一金属贴片位于第一介质板的上下表面，每个T型金属通孔关于中心轴线OO’对称，且垂直于OO’，电感金属通孔位于中心轴线OO’上这些金属通孔穿过第一介质板并与其上下表面的金属贴片相接。

进一步，所述波导转弯结构，包括第二介质板、第二金属贴片和多个转弯金属通孔，第二金属贴片位于第二介质板的上下表面，这些转弯金属通孔穿过第二介质板并与其上下表面的金属贴片相接，并以直角转弯的形式排列，以消除能量传输时的不对称性。

进一步，所述交替相位功分器，包括第三介质板、第三金属贴片、多个功分金属通孔和五个匹配金属通孔，该第三金属贴片位于第三介质板的上下表面，这五个匹配金属通孔按照三角分布的规律排列在第三介质板的左端，用以调节功分器输入端口的阻抗匹配，所有通孔穿过第三介质板并与其上下表面的金属贴片相接。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案的有益效果在于：

1)本发明的馈电结构由于采用关于中心轴线OO’镜像对称且垂直于中心轴线OO’，的平衡对称馈电的形式，可给天线的两端同时激励同相信号，使天线能够获得较宽的工作带宽和较好的辐射性能。

2)本发明的馈电结构由于采用由SIW—T型功分器、波导转弯结构和交替相位功分器组成的级联结构，减小了馈电结构输出端口的反射系数，大大提高了馈电结构的能量传输效率，克服了传统技术中功率分配不对称的缺点，满足天线高增益、低副瓣且波束稳定的工作要求。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中的面阵结构示意图；

图3为本发明中的SIW缝隙线阵结构示意图；

图4为本发明中的SIW—T型功分器结构示意图；

图5为本发明中的波导转弯结构示意图；

图6为本发明中的相位交替功分器结构示意图；

图7为本发明实施例天线在79～81GHz频段内传输特性和增益的仿真曲线；

图8为本发明实施例天线在79GHz时的E面和H面方向图；

图9为本发明实施例天线在79～81GHz频段内的E面和H面方向图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例和对本发明的技术方案作进一步详细说明：

参见图1和图2，本实例中的天线包括：面阵A和与馈电结构2。面阵A由四排SIW 缝隙线阵1级联组成，且相邻线阵共用一排金属通孔15。馈电结构2关于中心轴线OO’镜像对称分布，且垂直于中心轴线OO’，与面阵A的两侧相接。

参见图3，每排SIW缝隙线阵1包括介质基板12、上金属贴片13、下金属贴片14、多个金属通孔15和辐射缝隙16，上金属贴片13贴覆于介质基板12的上表面，下金属贴片14贴覆于介质基板12的下表面，金属通孔15穿过介质基板12，且两端分别与上金属贴片13和下金属贴片14相接，奇数个辐射缝隙16刻蚀在上金属贴片13上，每个辐射缝隙16的形状均为矩形，但尺寸各不同，其遵循泰勒分布的规律。

所述介质基板12采用Rogers 5880材料制成长度为L1，宽度为W1，厚度为h1的长方体。上金属贴片13和下金属贴片14与介质基板12具有相同的长和宽。其中，42mm≤ L1≤45mm，1.5mm≤W1≤2mm，h1为0.254mm的整数倍，本实例选择但不限于取 L1＝43.9044mm，W1＝1.9348mm，h1＝0.508mm。

金属通孔15的直径为d1，相邻孔距为p1。其中，0.2mm≤d1≤0.4mm，d1≤p1≤2d1。本实例选择但不限于取d1＝0.2mm，p1＝0.35mm。

辐射缝隙16，沿直线ll’交错刻蚀在上金属贴片13上，数目为奇数个，所有辐射缝隙关于中心轴线OO’对称且纵向偏移量dy都相等，纵向偏移量为dy，以使得输入信号的每个波峰和每个辐射缝隙一一对应。各辐射缝隙长度L2和宽度W2以所选定的初始值按照泰勒分布的规律递增。其中，0.06mm≤dy≤0.08mm。本实例选择但不限于取缝隙数目为 21个，dy＝0.06mm，以L2＝1.445mm和W2＝0.1mm为初始值。

参见图4，所述馈电结构2，由SIW—T型功分器21、波导转弯结构22和交替相位功分器23依次串联相接，SIW—T型功分器21位于中心轴线OO’上且关于中心轴线OO’对称，波导转弯结构22为直角形式的转弯，且下端接SIW—T型功分器21、上端接交替相位功分器23，交替相位功分器23有4个输出端口。

所述SIW—T型功分器21，包括第一介质板211、第一金属贴片212、多个T型金属通孔213和电感金属通孔214，第一金属贴片212贴覆在第一介质板211的上表面和下表面，所有T型金属通孔213关于中心轴线OO’对称，且垂直于OO’，并按照“T”型方式排列，电感金属通孔214位于中心轴线OO’上，所有金属通孔都穿过第一介质板211并与其上下表面的第一金属贴片212相接。

第一介质板211采用Rogers 5880材料制成长度为L3，宽度为W3，厚度为h3的长方体，第一金属贴片212与第一介质板211具有相同的长和宽。其中，42mm≤L3≤46mm， 5mm≤W3≤10mm，h3为0.254mm的整数倍。本实例选择但不限于取L3＝44.654mm， W3＝6.4mm，h3＝0.508mm。

T型金属通孔213的直径为d2，相邻孔径为p2。其中，0.2mm≤d2≤0.4mm，d2≤p2 ≤2d2。本实例选择但不限于取d2＝0.2mm，p2＝0.35mm。

电感金属通孔214的直径为d3，其中，0.1mm≤d3≤0.4mm。本实例选择但不限于取d3＝0.15mm。

参见图5，所述波导转弯结构22，包括第二介质板221、第二金属贴片222和多个转弯金属通孔223，第二金属贴片222贴覆在第二介质板221的上表面和下表面，所有转弯金属通孔223穿过第二介质板221，且与第二介质板221上下表面的第二金属贴片222相接，并按照90°转弯的形式排列。

所述第二介质板221采用Rogers 5880材料制成厚度为h4，纵向长度为L4、纵向宽度为W4，横向长度为L5、横向宽度为W5的直角型长方体。第二金属贴片222与第二介质板221具有相同的长和宽。其中，h4为0.254mm的整数倍，4mm≤L4、L5≤8mm，1.6mm ≤W4、W5≤3mm。本实例选择但不限于取h4＝0.508mm，L4＝4.9mm，W4＝1.894mm， L5＝6.6443mm，W5＝2.9mm。

所述转弯金属通孔223的直径为d4，且相邻孔径为p4。其中，0.2mm≤d4≤0.4mm，d4≤p4≤2d4。本实例选择但不限于取d4＝0.2mm，p4＝0.35mm。

参见图6，所述交替相位功分器23，包括第三介质板231、第三金属贴片232、多个功分金属通孔233和五个匹配金属通孔234，第三金属贴片232贴覆于第三介质板231的上、下表面，五个匹配金属通孔234按照三角分布的规律排列在第三介质板231的左端，所有通孔穿过第三介质板231并与第三介质板231上下表面的金属贴片相接。

所述第三介质板231采用Rogers 5880材料制成厚度为h6，长度为L6，宽度为W6的长方体，第三金属贴片232与第三介质板231具有相同的长和宽。其中，h6为0.254mm 的倍数，4mm≤L6≤7mm，7mm≤W6≤10mm。本实例选择但不限于取h6＝0.508mm， L6＝5.67mm，W6＝7.6392mm。

所述功分金属通孔233的直径为d5，相邻孔径为p5。其中，0.2mm≤d5≤0.4mm， d5≤p5≤2d5。本实例选择但不限于取d5＝0.2mm，p5＝0.35mm。

所述匹配金属通孔234的直径为D，各匹配金属通孔234的横向偏移量px和纵向偏移量py以所选定的初值遵循三角分布规律先递增、后递减。其中，0.2mm≤D≤0.4mm。本实例选择但不限于取D＝0.25mm，以px＝1.4165mm、py＝1.075mm为初值。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

一、仿真条件

使用电磁场全波仿真软件ANSYS18.0。

二、仿真内容

仿真1，对本发明实施例天线在79～81GHz频段内的反射系数和增益进行仿真，结果如图7。图7中横坐标为频率，范围为76GHz～82GHz，左侧纵坐标为反射系数S11幅度的分贝值，范围为-25dB～-5dB，右侧纵坐标为峰值增益幅度的分贝值，范围为15dBi～20dBi。

由图7可知，在77～82GHz频段内，S11均小于-10dB，表明在较宽的频带内S11匹配较好，其中79～81GHz频段内，S11均小于-12.5dB，增益幅度的波动小于2dBi，表明该频段内，馈电端口的匹配很好，天线能够在79～81GHz频段内进行良好的工作，实现了展宽工作频段的性能要求。

仿真2，对本发明实施例天线在79GHz时的E面和H面方向图进行仿真，结果如图8。图 8中横坐标为角度θ，范围为-180°～180°，纵坐标为增益，单位为dBi，范围为-50～20dBi。方向图表述了天线的辐射特性。

由图8可知，天线在中心频率为79GHz时，最大可实现增益达到20.04dBi，表明该天线的回波损耗较小，辐射性能高，辐射增益好。H面的3dB波束宽度为±4°，副瓣电平小于-28dBi，E面的3dB波束宽度为±16.8°，副瓣电平小于-31dBi，可满足低副瓣的要求。

仿真3，对本发明实施例天线在79～81GHz频段内的E面和H面方向图进行仿真，结果如图9。图9中横坐标为角度θ，范围为-180°～180°，纵坐标为增益，单位为dBi，范围为 -50～20dBi。

由图9可知，在79～81GHz频段内，天线的E面波束和H面波束的最大指向均在0°，且不会随中心频率的变化而偏移，在较宽的频段内，仍能保证良好的波束稳定性。

综上，本发明基于77GHz平衡对称馈电式的宽带SIW缝隙天线，通过在馈电结构中使用SIW—T型功分器、波导转弯结构和交替相位功分器，对刻蚀有辐射缝隙的面阵天线采用平衡对称馈电的方式，不仅扩展了天线工作带宽，而且保证了其具有高增益、低副瓣和波束稳定性的良好性能，满足毫米波车载雷达天线77～81GHz工作频段内的工作要求。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于77GHz平衡对称式馈电的宽带SIW缝隙阵列天线，包括：面阵A和与其相接的馈电结构(2)，所述面阵由多排SIW缝隙线阵(1)组成，每排线阵包括介质基板(12)和位于该基板上、下表面的上金属贴片(13)和下金属贴片(14)，介质基板(12)贯穿有多个金属通孔(15)，这些通孔的两端均与上金属贴片(13)和下金属贴片(14)相接，上金属贴片(13)上刻蚀有多个辐射缝隙(16)，其特征在于：

所述馈电结构(2)，关于中心轴线OO’镜像对称分布，且垂直于中心轴线OO’，用于给面阵A的两端平衡对称馈电，有利于扩展天线的工作带宽，其包括：依次串联相接的SIW—T型功分器(21)、波导转弯结构(22)和交替相位功分器(23)，该SIW—T型功分器(21)，用于传输两路方向相反、功率相等的信号，减小其输入端口的反射系数；该交替相位功分器(23)，用于同时输出多路不等幅且相邻端口相位相差180°的信号；该波导转弯结构(22)，转弯角度为90°，用以消除能量传输过程中的功率不对称性。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：面阵A由四排SIW缝隙线阵(1)并联构成，且相邻线阵共用一排金属通孔(15)，以提高天线的增益，同时实现小型化。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：介质基板(12)采用Rogers 5880材料制成长度为L1，宽度为W1，厚度为h1的长方体，上金属贴片(13)、下金属贴片(14)与其具有相同的长和宽，W1的取值为1.5-2mm，L1的取值为42-45mm，h1的取值为0.254mm的倍数。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：金属通孔(15)的直径为d1，且相邻孔距为p1，d1的取值为0.2-0.4mm，p1的取值为d1≤p1≤2d1，以保证电磁能量的有效传输。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述辐射缝隙(16)，沿线阵(1)的中轴交错刻蚀在上金属贴片(13)上且为奇数个，各辐射缝隙关于中心轴线OO’对称，长度为L2，宽度为W2，纵向偏移量为dy，L2、W2均以所选定的初值按照泰勒分布的规律递增，dy的取值为0.06-0.08mm，以实现各缝隙与输入信号的各个波峰一一对应。

6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述SIW—T型功分器(21)，包括第一介质板(211)、第一金属贴片(212)、多个T型金属通孔(213)和电感金属通孔(214)，第一金属贴片(212)位于第一介质板的上下表面，所有T型金属通孔(213)关于中心轴线OO’对称，且垂直于OO’，电感金属通孔(214)位于中心轴线OO’上，这些金属通孔穿过第一介质板(211)并与其上下表面的金属贴片相接。

7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于：

所述第一介质板(211)采用Rogers 5880材料制成厚度为h3、长度为L3、宽度为W3的长方体，第一金属贴片(212)与其具有相同的长和宽，h3为0.254mm的倍数，L3的取值为：42-46mm，W3的取值为5-10mm；

所述T型金属通孔(213)的直径为d2，相邻孔径为p2，d2的取值为0.2-0.4mm，p2的取值为d2≤p2≤2d2；

所述电感金属通孔(214)的直径为d3，d3的取值为0.1mm≤d3≤0.4mm。

8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述波导转弯结构(22)，包括第二介质板(221)、第二金属贴片(222)和多个转弯金属通孔(223)，第二金属贴片位于第二介质板的上下表面，这些转弯金属通孔(223)穿过第二介质板(221)并与其上下表面的金属贴片相接，并以直角转弯形式排列，以消除能量传输时的不对称性。

9.根据权利要求8所述的天线，其特征在于：

所述第二介质板(221)采用Rogers 5880材料制成厚度为h4，纵向长为L4、宽为W4，横向长为L5、宽为W5的直角型长方体，第二金属贴片(222)与其具有相同的长和宽，h4为0.254mm的倍数，L4、L5的取值为4-8mm，W4、W5的取值为1.6-3mm；

所述转弯金属通孔(223)直径为d4且相邻孔径为p4，d4的取值为0.2-0.4mm，p4的取值为d4≤p4≤2d4。

10.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述交替相位功分器(23)，包括第三介质板(231)、第三金属贴片(232)、多个功分金属通孔(233)和五个匹配金属通孔(234)，该第三金属贴片位于第三介质板的上下表面，这五个匹配金属通孔(234)按照三角分布的规律排列在第三介质板(231)的左端，用以调节功分器输入端口的阻抗匹配，所有通孔穿过第三介质板(231)并与其上下表面的金属贴片相接。

11.根据权利要求10所述的天线，其特征在于：

所述第三介质板(231)采用Rogers 5880材料制成厚度为h6，长度为L6，宽度为W6的长方体，第三金属贴片(232)与其具有相同的长和宽；L6的取值为4-7mm，W6的取值为7-10mm，h6为0.254mm的倍数；

所述功分金属通孔(233)的直径为d5，其相邻孔径为p5，d5的取值为0.2-0.4mm，p5的取值为d5≤p5≤2d5；

所述匹配金属通孔(234)的直径为D，横向偏移量为px，纵向偏移量为py，D的取值为0.2-0.4mm，偏移量px和py均以所选定的初值遵循三角分布规律先递增、后递减。

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