CN112803159A - 一种馈电线阵与雷达天线 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种馈电线阵与雷达天线，涉及天线技术领域。该馈电线阵包括第一金属层、第二金属层、第三金属层、第一介质层、第二介质层以及多个天线单元，第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层以及第三金属层逐层连接，多个天线单元均与第一金属层连接；其中，多个天线单元串联，且第一介质层、第二介质层以及第二金属层设置有多个开槽，每个开槽均与一个天线单元的位置相对，且形状相同。本申请提供的馈电线阵与雷达天线具有降低了表面波辐射损耗，有效的拓展带宽的优点。

Description

一种馈电线阵与雷达天线

技术领域

本申请涉及天线技术领域，具体而言，涉及一种馈电线阵与雷达天线。

背景技术

现阶段，无线通信正在点点滴滴地融入国民的日常生活中，无线通信的存在使人们之间的交流与各类信息的传递变得前所未有的快速与准确。作为无线通信系统中的核心组成部分，天线的性能直接影响着整个无线通信系统中的传输效率、传输距离、辐射能力等关键性性能。随着频段的使用，毫米波逐渐成为了目前主流的研究方向，该频段中的天线受天气影响极小，可以全天候全天气状态工作，且能实现更高的数据传输速率。毫米波的这些突出特点使得它迎合了汽车主动安全及自主驾驶这个领域。尤其在汽车成像雷达系统中，通过设计的毫米波天线可实现带宽更宽、分辨率更高、抗干扰能力更强以及设备体积更小，推动了汽车自动驾驶技术的发展。

现阶段市面上能用于77GHz频段且具有低损耗性能的稳定介质基片很有限，限制了通过改变介质基片的方式来实现拓展带宽的目的，且介质基片的介电常数由于频率过高较难把控，对仿真与设计也带来了较大的难度，而多层介质基片也对加工精度提出了较高的要求。同时频带的展宽还会引入波束稳定性降低，辐射损耗增大，加工难，成品率低等问题。

综上，现有技术的天线存在损耗较高，带宽较窄的问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种馈电线阵与雷达天线，以解决现有技术中存在的天线损耗较高，带宽较窄的问题。

为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种馈电线阵，所述馈电线阵包括第一金属层、第二金属层、第三金属层、第一介质层、第二介质层以及多个天线单元，第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层以及第三金属层逐层连接，所述多个天线单元均与所述第一金属层连接；其中，

所述多个天线单元串联，且所述第一介质层、所述第二介质层以及所述第二金属层设置有多个开槽，每个所述开槽均与一个所述天线单元的位置相对，且形状相同。

可选地，所述多个天线单元的大小由中间向两侧逐渐变小。

可选地，所述第三金属层接地，所述第一金属层、所述第二金属层、所述第三金属层、所述第一介质层、所述第二介质层还设置有隔离金属孔。

可选地，所述多个隔离金属孔环绕于所以多个天线单元外。

可选地，每个所述的隔离金属孔的半径设置为5mil。

可选地，每两个天线单元之间的间距相同，且每两个天线单元之间的间距满足公式：

其中，λ表示介质波长。

可选地，每两个天线单元之间的间距满足公式：

可选地，每个所述天线单元的电流分布情况满足公式：

其中，

，且

其中，Z_n表示天线单元位置，I_n与I（Z_n）表示在Z_n位置的天线单元的电流，N表示天线单元的总数，A表示天线单元的主瓣电平与副瓣电平之间的比值，n表示1~N之间的任意数，

表示改变的零点的个数，其为预设的固定值，且零点指基本函数sin(πμ)/(πμ)的零点，其中，μ为任意数，d表示相邻两个天线单元之间的间距。

可选地，所述天线单元的数量为12个。

另一方面，本申请实施例还提供了一种雷达天线，所述雷达天线包括上述的馈电线阵。

相对于现有技术，本申请具有以下有益效果：

本申请提供了一种馈电线阵与雷达天线，该馈电线阵包括第一金属层、第二金属层、第三金属层、第一介质层、第二介质层以及多个天线单元，第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层以及第三金属层逐层连接，多个天线单元均与第一金属层连接；其中，多个天线单元串联，且第一介质层、第二介质层以及第二金属层设置有多个开槽，每个开槽均与一个天线单元的位置相对，且形状相同。本申请采用三层金属层加两层介质层的结构，且在两层介质层之间设置与天线单元相应的开槽，通过此结构能够有效降低表面波辐射损耗。同时，第一介质层、第二介质层以及第二金属层设置的开槽会形成谐振腔结构，进而能够有效的拓展带宽。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1为本申请实施例提供的馈电线阵的结构示意图。

图2为本申请实施例提供的第二金属层的结构示意图。

图3为本申请实施例提供的天线单元的连接示意图。

图4为本申请实施例提供的馈电线阵在每个频点的方向图曲线。

图中：100-馈电线阵；110-第一金属层；120-第二金属层；121-开槽；130-第三金属层；140-第一介质层；150-第二介质层；160-天线单元；170-隔离金属孔。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

正如背景技术中所述，毫米波天线有许多实现形式，从天线的发展来看，之前的天线设计偏重于三维结构，但是在一些无线通信系统中，对设备的尺寸和重量提出了较高的要求。同样，在车载通信系统中，天线需要具有小尺寸，重量轻，易安装，高性能等特性。平面印刷天线逐渐成为了毫米波天线中主流形式之一。目前汽车雷达的主要工作频段为24GHz、35GHz、77GHz。而在77GHz频段的应用多集中在76GHz-77GHz，常使用的天线形式多为微带贴片天线，多用于实现汽车雷达中的测距与防撞功能，但汽车雷达成像功能中由于对高精度与高分辨率的较高要求，天线的带宽要求更高，需要覆盖77GHz-81GHz。

普通微带天线的阻抗带宽较窄，不能满足实际的需求。微带天线相对带宽的计算公式满足：

其中，BW表示带宽，Q表示平质因数，VSWR表示微带天线的驻波。

由上述公式可知，微带天线之所以固有频率比较窄是由其高Q的谐振特性决定的，天线在谐振时实现了匹配，而当频率偏离谐振时电抗分量会发生急剧变动，使之失配。目前，微带天线的宽带技术常见有以下几种：

（1）采用特殊材料的介质基片，由于微带天线属于谐振式天线，其谐振特性相当于一个高Q并联谐振电路。因此为了达到降低等效谐振电路的Q值以增大带宽的目的，可以采取增大基片厚度，降低基片的介电常数等方法实现。

（2）天线加载技术，通过借助于加载调谐结构，增加谐振点，并通过调整使谐振点彼此接近，从而实现天线总的工作频带展宽。

（3）采用多层介质基片，微带天线采用多层介质基片的形式，将馈电网络与天线贴片分别置于不同的介质基片上，这样可以获得宽频带的驻波特性。

然而，现阶段市面上能用于77GHz频段且具有低损耗性能的稳定介质基片很有限，限制了通过改变介质基片的方式来实现拓展带宽的目的，且介质基片的介电常数由于频率过高较难把控，对仿真与设计也带来了较大的难度，而多层介质基片也对加工精度提出了较高的要求。同时频带的展宽还会引入波束稳定性降低，辐射损耗增大，加工难，成品率低等问题。所以在充分考虑现有条件约束的情况下，急需寻找一种低成本，易于设计与加工且能满足汽车成像雷达需求的宽带天线。

有鉴于此，本申请提供了一种馈电线阵，通过改变馈电线阵的结构的方式，在天线单元160的下方形成谐振腔结构，进而实现拓展天线带宽的目的。

下面对本申请提供的馈电线阵进行示例性说明：

请参阅图1，作为一种可选的实现方式，本申请提供的馈电线阵100包括第一金属层110、第二金属层120、第三金属层130、第一介质层140、第二介质层150以及多个天线单元160，第一金属层110、第一介质层140、第二金属层120、第二介质层150以及第三金属层130逐层连接，多个天线单元160均与第一金属层110连接；其中，

多个天线单元160串联，且第一介质层140、第二介质层150以及第二金属层120设置有多个开槽121，每个开槽121均与一个天线单元160的位置相对，且形状相同。

需要说明的是，本申请所述的第一介质层140、第二介质层150以及第二金属层120设置有多个开槽121，指的是在第一金属层110与第三金属层130之间，设置多个腔体，且该腔体并不穿过第一金属层110与第三金属层130。同时，本申请所述的腔体结构与天线单元160相对设置，即该腔体设置于天线单元160的正下方，进而在第一金属层110与第三金属层130之间形成谐振腔结构。

通过该实现方式，使得馈电线阵的尺寸与传统微带天线相比并没有发生较大改变，利于与其他电路结构集成设计，且符合PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）压合工艺，加工成本低且适合量产。同时，通过使用三层金属层与两层介质层的结构，且在两层介质层之间设置矩形开槽121，尺寸依据天线单元160尺寸方式，降低了表面波辐射损耗，并通过所形成的谐振腔结构实现了拓展带宽的目的。

作为一种可选的实现方式，本申请提供的天线单元160设置为矩形，在此基础上，第一介质层140、第二介质层150以及第二金属层120中设置的开槽121也设置为矩形。

此外，为了使该馈电线阵拓展带宽的效果更好，请参阅图2，本申请中，第一金属层110、第二金属层120、第三金属层130、第一介质层140、第二介质层150还设置有多个隔离金属孔170，换言之，隔离金属孔170贯穿第一金属层110、第二金属层120、第三金属层130、第一介质层140、第二介质层150。需要说明的是，本申请提供的第三金属层130为一块完整的金属地，且多个隔离金属孔170环绕于所以多个天线单元160外。

通过在第一金属层110与第三金属层130之间设置谐振腔与隔离接地孔的方式，使得第一金属层110与第三金属层130之间形成谐振腔与接地共面波导，进而起到减少表面辐射并展宽带宽的作用。

此外，本申请提供的馈电线阵采用天线综合法设计而成，通过安排和调整阵列天线的单元数目、间距、激励幅度与相位四个参数，使之获得特殊的阵列函数，能够实现指定的方向图形状。在雷达系统中，由于副瓣电平逐次递减，可以使得从副瓣角域进入天线系统的干扰和虚假信号减小，从而显著的干扰只存在于主瓣附近角域，这样容易区分目标和虚假信号，所以采用方向图具有随着偏移主瓣角度增加而副瓣主次递减特性的泰勒综合法进行本申请的馈电线阵的设计。

首先，在馈电线阵的设计过程中，首选需要确定副瓣个数和波束展宽因子，即需要根据给定的副瓣电平要求确定等副瓣个数和波束展宽因子。

在此基础上，为了降低副瓣电平，天线单元160大小由中间向两侧逐渐变小。

其中，确定副瓣个数即需要确定天线单元160的数目，由微带线阵特性分析可知，馈电线阵的半功率波束宽度与单元数目和间距有关。根据汽车成像雷达波束宽度要求并结合仿真验证，请参阅图3，最终确定天线单元160的数目为12个。

其次，由于本申请提供的馈电线阵中，多个天线单元160之间串联，对于串馈线阵，天线单元160应有恒定的间距d，即每两个天线单元160之间的间距相同，当d增大到λ₀，阵列天线会出现栅瓣，因此，作为一种实现方式，本申请中每两个天线单元160之间的间距满足公式：

其中，λ表示介质波长。并且，由于单元谐振长度约半个介质波长，考虑到天线单元160间的耦合，间距应尽量的大，因此取

，此时

，满足栅瓣抑制的要求。其中，λ表示空间波长、λ₀表示不出现栅瓣的最大间距、λ_g表示介质波长、

表示介质的相对介电常数。

在确定单元激励幅度分布时，本申请采用泰勒线源离散后单元激励幅度的表达式确定各天线单元160的归一化电流分布情况及尺寸。其中，每个所述天线单元的电流分布情况满足公式：

其中，

，且

其中，Z_n表示天线单元位置，I_n与I（Z_n）表示在Z_n位置的天线单元的电流，N表示天线单元的总数，A表示天线单元的主瓣电平与副瓣电平之间的比值，n表示1~N之间的任意数，

表示改变的零点的个数，其为预设的固定值，且零点指基本函数sin(πμ)/(πμ)的零点，其中，μ为任意数，d表示相邻两个天线单元之间的间距。

此外，使用三层金属层与两层介质层结构，其中两层介质层之间放置矩形开槽121，尺寸依据天线单元160尺寸且每个边间距0.2mm，即开槽121边与天线单元160的边间距为0.2mm，此结构降低了表面波辐射损耗，并通过所形成的谐振腔结构实现拓展带宽的目的。

作为一种实现方式，每个隔离金属孔的半径设置为5mil，矩形开槽121周边的隔离孔有利于谐振腔的形成，并将场限制于天线贴片下方区域。

本申请提供的馈电线阵具有以下有益效果：

1、通过本申请提供的馈电线阵，能够有效的提升天线的带宽，本申请提供的馈电线阵在77GHz-81GHz的驻波≤2，进而实现了拓展带宽的目的。

2、该天线阵副瓣≤-17dB，此特性对车载成像雷达系统的高抗干扰能力提供了有力的保障。

3、该天线尺寸小，符合PCB加工工艺，加工简单且成本低，从而保证了成品率，利于量产。

4、如图4所示，图4示出了本申请提供的馈电线阵在每个频点的方向图曲线，有图可知，该天线的方向图稳定，且增益高，为实现车载雷达的高精度与高分辨率成像功能奠定了基础。

此外，基于上述实现方式，本申请还提供了一种雷达天线，该雷达天线包括上述的馈电线阵。

综上所述，本申请提供了一种馈电线阵与雷达天线，该馈电线阵包括第一金属层110、第二金属层120、第三金属层130、第一介质层140、第二介质层150以及多个天线单元160，第一金属层110、第一介质层140、第二金属层120、第二介质层150以及第三金属层130逐层连接，多个天线单元160均与第一金属层110连接；其中，多个天线单元160串联，且第一介质层140、第二介质层150以及第二金属层120设置有多个开槽，每个开槽均与一个天线单元160的位置相对，且形状相同。本申请采用三层金属层加两层介质层的结构，且在两层介质层之间设置与天线单元160相应的开槽，通过此结构能够有效降低表面波辐射损耗。同时，第一介质层140、第二介质层150以及第二金属层120设置的开槽会形成谐振腔结构，进而能够有效的拓展带宽。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种馈电线阵，其特征在于，所述馈电线阵包括第一金属层、第二金属层、第三金属层、第一介质层、第二介质层以及多个天线单元，第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层以及第三金属层逐层连接，所述多个天线单元均与所述第一金属层连接；其中，

所述多个天线单元串联，且所述第一介质层、所述第二介质层以及所述第二金属层设置有多个开槽，每个所述开槽均与一个所述天线单元的位置相对，且形状相同。

2.如权利要求1所述的馈电线阵，其特征在于，所述多个天线单元的大小由中间向两侧逐渐变小。

3.如权利要求1所述的馈电线阵，其特征在于，所述第三金属层接地，所述第一金属层、所述第二金属层、所述第三金属层、所述第一介质层、所述第二介质层还设置有隔离金属孔。

4.如权利要求3所述的馈电线阵，其特征在于，所述隔离金属孔环绕于所以多个天线单元外。

5.如权利要求3所述的馈电线阵，其特征在于，每个所述隔离金属孔的半径设置为5mil。

6.如权利要求1所述的馈电线阵，其特征在于，每两个天线单元之间的间距相同，且每两个天线单元之间的间距满足公式：

其中，λ表示空间波长、λ₀表示不出现栅瓣的最大间距。

7.如权利要求6所述的馈电线阵，其特征在于，每两个天线单元之间的间距满足公式：

其中，λ_g表示介质波长、

表示介质的相对介电常数。

8.如权利要求1所述的馈电线阵，其特征在于，每个所述天线单元的电流分布情况满足公式：

其中，

，且

其中，Z_n表示天线单元位置，I_n与I（Z_n）表示在Z_n位置的天线单元的电流，N表示天线单元的总数，A表示天线单元的主瓣电平与副瓣电平之间的比值，n表示1~N之间的任意数，

表示改变的零点的个数，其为预设的固定值，且零点指基本函数sin(πμ)/(πμ)的零点，其中，μ为任意数，d表示相邻两个天线单元之间的间距。

9.如权利要求1所述的馈电线阵，其特征在于，所述天线单元的数量为12个。

10.一种雷达天线，其特征在于，所述雷达天线包括如权利要求1-9任意一项所述的馈电线阵。

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