CN111755819A

CN111755819A - 倒置的微带行波贴片阵列天线系统

Info

Publication number: CN111755819A
Application number: CN202010195515.7A
Authority: CN
Inventors: K.S.科纳
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2020-10-09
Anticipated expiration: 2040-03-19
Also published as: CN111755819B; US20200313287A1; DE102020103778A1; US11223112B2

Abstract

一种天线系统包括电介质材料的基板。导电馈源连接以形成阵列的排布置的多个导电贴片。导电贴片彼此间隔开，并且阵列设置在基板上。阵列具有第一侧和第二侧。第一接地平面设置在阵列的第一侧上并且与阵列间隔开。多个导电柱将基板接地至第一接地平面，并且导电柱在基板上限定第二接地平面。阵列配置为辐射特征在于第一平面中的第一射束宽度和垂直于第一平面的第二平面中的第二射束宽度的辐射方向图，其中第一射束宽度比第二射束宽度更宽。

Description

倒置的微带行波贴片阵列天线系统

技术领域

技术领域总体上涉及天线，更具体地涉及支持诸如雷达成像之类的应用的精确位置确定的微带天线系统。

背景技术

通常，范围、速度、方位角和其他目标属性是通过雷达设备测量的。在某些应用中，比如用于汽车的雷达系统，可能希望提供表示或有关由雷达系统检测到的目标或物体的特征的信息。该信息可用于评估检测到的目标或物体。典型的汽车成像雷达传感器以76-81GHz的常规频率工作。在诸如物体检测和分类之类的应用中，期望快速和精确的能力来立即确定关于接近的物体。物体的方位角和仰角是典型的关注参数。接收物体信息需要支持确定要求的天线。

微带或贴片天线已经用于短程无线系统的相对低增益的应用中。微带天线通常由接地电介质基板上的导电贴片构成。典型微带天线的带宽往往很窄。另外，微带天线通常使用过孔。过孔(竖直互连通道)是电子电路中穿过一个或多个相邻层的各层之间的电连接。当这些层是使用射频或微波信号工作的数字电路板时，与传统的数字电路板相比，它们具有较高的噪声灵敏度和严格的阻抗容限。使用穿透此类板的过孔使得满足这些要求变得困难。结果，微带天线制造复杂并且具有相对较高的制造和组装成本。

因此，期望提供在更宽的带宽上提供期望的性能特性的微带天线。另外，期望提供具有较低制造和组装成本的微带天线。此外，结合附图以及前述技术领域和背景技术，根据随后的详细描述和所附权利要求，本发明的其他期望特征和特性将变得显而易见。

发明内容

在多个实施例中，一种天线系统包括电介质材料的基板。导电馈源与多个导电贴片连接，导电贴片彼此间隔开并且以形成阵列的排布置。阵列设置在基板上并且具有第一侧和第二侧。第一接地平面设置在阵列的第一侧上并且与阵列间隔开。多个导电柱将基板接地至第一接地平面。导电柱在基板上限定第二接地平面。阵列配置为辐射特征在于第一平面中的第一射束宽度和垂直于第一平面的第二平面中的第二射束宽度的辐射方向图，其中第一射束宽度比第二射束宽度更宽。

在另外的实施例中，导电柱不延伸穿过基板。

在另外的实施例中，基板设置在阵列的第二侧上。

在另外的实施例中，第一接地平面、导电柱和第二接地平面限定空气腔，其配置为防止在从基板向外并且朝向第一侧的方向上的反向辐射。

在另外的实施例中，基板配置为通过其向阵列馈送信号的中介层，其中阵列配置为通过中介层辐射辐射方向图。

在另外的实施例中，电介质层设置在导电馈源上。

在另外的实施例中，共面波导向导电馈源发射信号。

在另外的实施例中，前端模块产生信号并将该信号传递到共面波导。前端模块设置在第一接地平面和第二接地平面之间。

在另外的实施例中，接地平面设置在射频印刷电路板上。

在另外的实施例中，收发器模块设置在射频印刷电路板上并且通过前端模块和基板与阵列耦合。

在多个另外的实施例中，一种天线系统包括电介质材料的基板。导电馈源连接以形成阵列的排布置的多个间隔开的导电贴片。阵列设置在基板上并且具有第一侧和第二侧。每个贴片具有垂直于导电馈源的宽度，并且至少一些宽度彼此不相等。阵列配置为辐射特征在于第一平面中的第一射束宽度和垂直于第一平面的第二平面中的第二射束宽度的辐射方向图，其中第一射束宽度比第二射束宽度更宽。

在另外的实施例中，第一接地平面设置在阵列的第一侧上并且与阵列间隔开。多个导电柱将基板接地到第一接地平面并在基板上界定第二接地平面。导电柱不延伸穿过基板。

在另外的实施例中，共面波导向导电馈源发射信号。前端模块产生信号并将信号传递到共面波导。前端模块设置在第一和第二接地平面之间。

在另外的实施例中，基板设置在阵列的第二侧上。

在另外的实施例中，电介质层设置在阵列的第一侧上。

在另外的实施例中，发射器与阵列耦合。阵列通过射频印刷电路板与发射器耦合。接地平面设置在射频印刷电路板上并且与基板间隔开。

在另外的实施例中，共面波导向导电馈源发射信号，并且包括一对接地导体。导电柱延伸穿过每个接地导体至基板。

在多个其他实施例中，一种用于车辆雷达的天线系统包括由电介质材料制成的基板。导电馈源连接以形成阵列的排布置的多个间隔开的导电贴片。阵列设置在基板上并且具有第一侧和第二侧。共面波导向导电馈源发射信号。第一接地平面设置在阵列的第一侧上并且与阵列间隔开。多个导电柱将基板接地至第一接地平面。第二接地平面限定在基板上并且由导电柱界定。导电馈源配置为从延伸穿过电介质层进入腔的行波辐射电磁能。阵列配置为辐射特征在于第一平面中的第一射束宽度和垂直于第一平面的第二平面中的第二射束宽度的辐射方向图，其中第一射束宽度比第二射束宽度更宽。第一射束宽度在相对于车辆的方位角方向上延伸，第二射束宽度在相对于车辆的仰角方向上延伸。

附图说明

在下文中，将结合以下附图描述示例性实施例，其中，相同的标号表示相同的元件，并且其中：

图1是根据一实施例的天线系统的功能框图；

图2是根据一实施例的车辆中的天线系统的方位角覆盖的示意图；

图3是根据一实施例的车辆中的天线系统的仰角覆盖的示意图；

图4是根据一实施例的天线系统的示意图；

图5是根据一实施例的图4的天线系统的天线阵列组件的示意图；

图6是根据一实施例的图4的天线系统的以dB为单位的已实现增益相对于以度为单位的竖直视场的曲线；

图7是根据一实施例的图4的天线系统在12GHz频带上以dB为单位的输入反射系数的曲线；以及

图8是根据一实施例的图4的天线系统在12GHz频带上以dB为单位的阵列元件之间的隔离的曲线。

具体实施方式

以下详细描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制应用和用途。此外，无意受到在先前技术领域、背景技术、发明内容或以下详细描述中提出的任何明示或暗示的理论的约束。如本文所用，术语模块是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或组)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所描述功能的其他合适部件。

该描述公开了用于在诸如235GHz的高频下工作的天线系统的配置和实施方式，235GHz是用于诸如雷达成像的使用的亚太赫兹频率范围。一般而言，本文公开的天线架构和部件的实施例可以使用诸如硅的电介质材料的薄中介层基板以及没有穿过中介层的过孔的支撑配置。在其他实施例中，其他电介质材料可以用于中介层。在多个实施例中，天线阵列通过中介层基板向辐射方向图辐射电磁能。所公开的架构具有制造复杂性低和组装成本低的优点。天线辐射结构通常包括串联馈送的微带行波阵列。天线的接地可以由导电柱的组合形成，导电柱从中介层延伸到位于射频板上的接地平面，射频板可包含其他集成电路和电子部件。波导或馈线直接连接到阵列，以发送和接收来自射频集成电路的输入/输出。使用波导到倒置的微带过渡来激发天线阵列，天线阵列直接辐射穿过中介层基板。单个辐射阵列的设计有利地产生仰角较窄的射束宽度和方位角较宽的射束宽度。仰角较窄的射束宽度可以对应于例如十五-十六度的视野，这是车辆应用所关注的。方位角较宽的射束对应于车辆应用的水平环境的宽视野。在其他应用中，可以将天线调整为对应于感兴趣范围的不同射束宽度。

在多个实施例中，天线系统在简单的低成本架构中在12GHz带宽上提供了非常好的阻抗匹配以及期望的辐射方向图。通过使用一个背面金属层并避免需要穿过中介层的过孔，可以实现低成本。该架构可以使用Si(1KΩ-10KΩcm)中介层，也可以使用其他中介层(比如玻璃或有机基板)实现。在一些实施例中，在增加制造复杂性和成本的情况下穿过中介层的过孔比如穿过硅的过孔或穿过玻璃的过孔是可接受的。

参照图1，根据一实施例，天线系统100的功能框图分别包括收发器模块102和发射/接收天线104、106。天线104、106配置为根据下面进一步描述的特性辐射和拦截电磁能。在发射中，天线104辐射射频信号，并且相关的接收器天线106检测到来自潜在目标的任何反射。处理模块107与收发器模块102对接。在一些实施例中，处理器和收发器功能在同一芯片上。在当前实施例中，处理模块107包括处理器，其向收发器模块102发送控制信号，处理接收到的信号以识别目标及其属性，并且可以用作与诸如电子控制单元109之类的其他控制器的接口。例如，中央处理模块107可以接收关于反射的数据，将其与发射信号进行比较，并确定目标的范围、角度和速度。在一些实施例中，处理模块107与电子控制单元109对接，该电子控制单元109可以支持其他系统和功能。例如，电子控制单元109可以提供与天线系统100相关的车辆(比如图2所示)的中央处理功能。在当前实施例中，收发器模块102是用于76至81GHz频带的独立的频率调制连续波收发器单芯片解决方案。作为连续波发射器，收发器模块102支持相对较短的测量时间和高分辨率。其他实施例可以采用分开的发射器和接收器设备。

在当前实施例中，收发器模块102通过射频印刷电路板(RF PCB)108和包括中介层基板112的中介层组件110以及具有合适的传输线连接的较高频率前端(FE)模块114而与天线104、106耦合。FE模块114包含用于天线104的电路，其包括功率放大器、开关、谐振器、驱动器等。FE模块114可以与收发器模块102之间来回传递通信数据，其又可以与天线104、106之间来回传递。在当前实施例中，FE模块114包含在单个芯片上。中介层组件110在工作频率超过W波段(110GHz)时具有优势，因为实现期望的雷达传感器性能所需的公差比直接使用常规RF印刷电路板更容易实现。诸如硅之类的中介层材料用于诸如光滑度和硬度之类的特性，这些特性允许以小公差(例如<2um)实现具有小特征(例如<10um)的电路。

天线系统100使来自收发器模块102的78GHz发射信号能够通过FE模块114与天线104连接，FE模块114将信号三倍增加到234GHz，并将其传送到天线之外。接收天线106收集传入的234GHz信号，该信号由FE模块114下变频为78GHz，并发送至收发器模块102和处理模块107进行处理。当与具有以下所述几何形状的天线耦合时，该结构在234GHz频率下传送期望的RF性能。

参照图2和3，系统100可以应用于车辆120以覆盖特定区域，在该示例中覆盖车辆120前方的区域。应当理解，可以包括附加的天线和/或天线系统，以便为雷达提供不同的范围，比如长程和中程。可以使用附加的雷达来检测多个方向上的目标，比如在车辆120的侧面和/或在车辆120的后方。雷达物理辐射可以是三维的，但出于本公开的目的，其表示为水平(方位角)和竖直(仰角)辐射方向图。

天线104的辐射方向图取决于其结构(如下文进一步描述)及其安装，在该示例中，其安装在车辆120上。图2描绘了雷达在方位平面124中的射束宽度122，假设雷达在车辆120的前保险杠处。在一些实施例中，射束宽度可被调整为覆盖单个道路车道126，因此将具有总共约为±15度或30度的角度123的视野。为了较宽的视野，比如覆盖两个道路车道126、130，当前实施例中的视野较宽，以覆盖例如60度的搜索区域。为了附加的覆盖以捕获相对于车辆120在前方和侧面移动的目标，更宽的射束宽度是理想的，并且如下所述，所公开的天线系统提供93度的视场。在其他实施例中，为该应用选择视场。图3示出了在竖直平面134中雷达的射束宽度132。在竖直平面134中，覆盖可以更窄，例如总共为±5度或10度。在当前实施例中，并且如下文进一步描述，由天线系统100提供的竖直平面134中的射束宽度为16.5度的角度133。

参照图4，以横截面示意性地示出了天线系统100的架构。天线系统100包括与雷达集成电路连接的集成组件，该电路包括位于RF PCB108上的收发器模块102。在一些实施例中，处理模块107也位于RF PCB108上。中介层组件110通过导电柱(在该实施例中为铜柱140)安装在RF PCB108上，铜柱140从中介层基板112延伸但不穿过它。在该实施例中，中介层基板112由电介质特别是硅制成，约为50um厚。RF PCB108具有印刷或以其他方式沉积或施加到其顶表面142的金属层，该金属层用作接地平面144。铜柱140在RF PCB108的接地平面144上的升高位置处支撑中介层基板112并将其接地。铜柱140的高度约为75um，间距为200um。中介层基板112的顶表面146在硅上方没有任何附加层，并且在该实施例中没有电子元件，否则电子元件将需要使用过孔穿过中介层基板112耦合。过孔的类型数量决定了PCB处理复杂性。具有更多数量类型的过孔通常导致更多的处理步骤，比如使用顺序层压并可能导致过孔配准错误的那些步骤，这会增加PCB成本并降低成品率。因此，由于不存在穿过中介层过孔，因此当前架构的优点简化了制造。例如，天线层148设置在中介层基板112的底表面150上，并且避免需要穿过中介层基板112的过孔，否则将需要与中介层基板112上的电子器件和天线耦合。

在中介层基板112的下面，重新分布层152包括施加在天线层148上的电介质层154。在该实施例中，电介质层154由苯并环丁烯(BCB)制成并且厚度为10um。在其他实施例中，可以在中介层基板112的底部上使用不同的电介质层材料。重新分布层152包括印刷或以其他方式施加在电介质层154上的金属层156，在该实施例中为铜。重新分布层152提供从FE模块114到天线104的导电馈源的过渡。在当前实施例中，FE模块114体现为单片微波集成电路(MMIC)芯片158。MMIC芯片158从重新分布层152悬挂，具体地，通过过渡160、162从金属层156悬挂。通过过渡160、162提供从MMIC芯片158到天线104的低损耗馈送发射，以进行有效激励。天线系统100的架构显示馈源通过位于中介层基板112的底侧上的FE模块114连接。天线馈源可以位于中介层基板112的顶侧上，但会要求穿过中介层基板112的过孔。从成本和制造复杂性的角度来看，所说明的实施例是有利的，以避免使用穿过中介层的过孔。

在当前实施例中，天线层148通过中介层基板112谐振。由于实施例的架构，发现中介层基板112的电介质提高了天线层148的效率。空气腔168形成为天线层148和接地平面144之间的空气基板，并由铜柱140界定以改善辐射。接地平面144反射来自天线层148的辅助发射的射频波。通过铜柱140实现屏蔽以防止反向辐射，并将铜柱140附接到天线层148的金属下方的接地平面144。

在图5中更详细地示出了天线系统100的部件，图5示出了天线层148。在该视图中，实施例相对于图4是倒置的，以示出天线阵列170的细节，因此中介层基板112的顶表面146在图5中面向下。天线阵列170是行波型阵列，并且位于底侧，具体地在电介质中介层基板112的底表面150。天线阵列170设置在中介层基板112的底表面150上，并且包括导电微带馈线174，其可以是连接多个贴片81-87的印刷铜，贴片也可以是印刷铜。

如图4所示，铜柱140将电介质接地平面172(在该实施例中由硅和中介层基板112的组成部分制成)短路至PCB接地平面164。腔168设置在天线孔周围，并由接地平面164、172和铜柱140界定。铜柱140的高度约为75um，并以200um的间距定位，从而减少了波泄漏。在中介层基板112底部上包括BCB电介质层154的重新分布层152提供了从MMIC芯片158到天线馈源的过渡。从MMIC芯片158通过重新分布层152发射到馈线174为阵列170提供了理想激励的过渡。为行波馈送配置了从MMIC芯片158到微带馈线174发射的共面波导(CPW)176的过渡，用于有效激发天线阵列170，以将馈送完全传播通过阵列。CPW176从MMIC芯片158通过CPW176处的接地信号接地馈电。CPW176包括三个导体：接地导体190、中心导体191和接地导体190。导体190-192在中介层基板112和电介质层154之间延伸。接地导体190、192包括接线片，其具有穿过它们延伸的铜柱140。在中心导体191和接地导体190、192之间分别限定宽度不变的间隙194、195。馈电在过渡180处从CPW176过渡到微带馈线174。接地导体190、192远离中心导体191延伸了很长一段距离。

天线阵列170配置用于宽带宽和低损耗。印刷铜的导电微带馈线174连接若干也是印刷铜的贴片181-187。在其他实施例中，可以使用不同数量的补丁来实现期望的覆盖和分辨率。辐射元件是导电贴片181-187，并直接耦合到微带馈线174。贴片181-187单独辐射，由于其阵列，所有元件的辐射合计形成天线阵列的辐射束，其具有高增益和高方向性，损耗最小。天线性能是天线阵列170的结构的函数。在当前实施例中，贴片181-187是不同的，在每种情况下具有约半λ的间隔和长度并且宽度是变化的。贴片的数量可被调整以提供期望的带宽以及用于辐射效率和分辨率。宽度变化调整到工作频率。另外，行波天线阵列170辐射穿过中介层基板112的硅基板，从而提高了效率。对于较宽的检测区域，所得的仰角射束宽度132约为16.5度，方位角射束宽度122约为93度。天线可以以方位角布置以提高分辨率。

增益与天线系统100的辐射方向图的方向性有关。图6是示出以dB为单位的阵列的远场实现的增益模式的E平面切割相对于以度为单位的角度的图。对于仰角视场，所得的天线模式202表现出在228GHz–240GHz频带上约10dB的理想实现增益，这表明辐射方向图的方向性焦点。频带上的峰值旁瓣电平在12.4dB到10dB之间变化，可以通过沿天线阵列170施加幅度锥度来进一步优化。

在图7中示出了在12GHz(228GHz–240GHz)频带上以dB为单位的天线阵列170的输入反射系数。曲线204示出了在12GHz频带上＜-10dB的良好阻抗匹配。幅度超过10dB表示与发射器的匹配良好。该设计保持了良好的增益，并且与铜柱高度的±15um变化和±2.5um中介层基板高度相匹配。如图8的曲线206所示，在具有半λ间隔的12GHz频带上的阵列元件之间的隔离显示出在228GHz处的最小耦合为-18dB，在更高的频率下具有更好的匹配。

根据本文所述的实施例，为包括雷达成像的应用提供了在228GHz–240GHz频率范围内工作的天线配置。天线系统使用电介质中介层，其中没有穿过中介层的过孔，并且阵列辐射穿过中介层基板。该架构提供了期望的性能特征，并简化了制造和组装。天线辐射结构使用串联馈送的微带行波阵列。在其他实施例中，可以使用多个阵列，比如通过堆叠或以其他配置。天线的腔由铜柱形成，铜柱将中介层连接到位于可能包含其他IC和电子部件的RF基板上的接地平面。波馈源直接连接成发送和接收输入/输出RF IC，并且CPW到倒置的微带过渡用于激励直接通过中介层基板辐射的天线元件。辐射元件的设计导致仰角的射束宽度相对较窄且方位角的射束宽度相对较宽。

本发明以简单的低成本架构提供了在12GHz带宽上非常好的阻抗匹配和良好的辐射方向图。宽带和低损耗特性是通过独特的架构实现的。通过仅使用一个背面金属层并避免任何穿过中介层的过孔来实现低成本。该设计使用Si(1KΩ-10KΩcm)中介层。本发明还可以使用诸如玻璃或有机基板的其他中介层以及穿过中介层的过孔(穿过硅的过孔(TSV)或穿过玻璃的过孔(TGV))来实现。使用TSV/TGV可以通过减少表面波辐射和耦合来提高性能，但要以增加制造成本为代价。

尽管在前面的详细描述中已经提出了至少一个示例性实施例，但应当理解，存在大量的变型。还应当理解，一个或多个示例性实施例仅是示例，并且无意以任何方式限制本公开的范围、适用性或配置。相反，前述详细描述将为本领域技术人员提供用于实施一个或多个示例性实施例的便利路线图。应当理解，在不脱离所附权利要求及其合法等同物所阐述的本公开的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims

1.一种天线系统，包括：

电介质材料的基板；

导电馈源，其连接以形成阵列的排布置的多个导电贴片，该导电贴片彼此间隔开，并且该阵列设置在基板上，该阵列具有第一侧和第二侧；

第一接地平面，其设置在阵列的第一侧上并且与阵列间隔开；以及

多个导电柱，其将基板接地至第一接地平面，

其中，所述导电柱在基板上限定第二接地平面，

其中，所述阵列配置为辐射特征在于第一平面中的第一射束宽度和垂直于第一平面的第二平面中的第二射束宽度的辐射方向图，其中第一射束宽度比第二射束宽度更宽。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述导电柱不延伸穿过基板。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述基板设置在阵列的第二侧上。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一接地平面、导电柱和第二接地平面限定空气腔，所述空气腔配置为防止在从基板的第一侧向外的方向上的反向辐射。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述基板配置为通过其向阵列馈送信号的中介层，其中，所述阵列配置为通过所述中介层辐射辐射方向图。

6.根据权利要求1所述的系统，包括共面波导，其配置为向所述导电馈源发射信号。

7.根据权利要求6所述的系统，包括前端模块，其配置为产生所述信号并将该信号传递到共面波导，其中，所述前端模块设置在第一接地平面和第二接地平面之间。

8.根据权利要求1所述的系统，包括射频印刷电路板，其中，所述接地平面设置在所述射频印刷电路板上。

9.根据权利要求8所述的系统，包括收发器模块，其设置在射频印刷电路板上并且通过前端模块和基板与阵列耦合。

10.一种用于车辆雷达的天线系统，该系统包括：

电介质材料的基板；

共面波导，其配置为向导电馈源发射信号；

第一接地平面，其设置在阵列的第一侧上并且与阵列间隔开；

多个导电柱，其将基板接地至第一接地平面；以及

第二接地平面，其限定在基板上并且由导电柱界定，

其中，电磁能由导电馈源以延伸穿过电介质层进入腔的行波辐射，

其中，所述阵列配置为辐射特征在于第一平面中的第一射束宽度和垂直于第一平面的第二平面中的第二射束宽度的辐射方向图，其中第一射束宽度比第二射束宽度更宽，

其中，所述第一射束宽度在相对于车辆的方位角方向上延伸，所述第二射束宽度在相对于车辆的仰角方向上延伸。