CN113206380A - 一种实现fmcw单天线收发端宽带高隔离度的结构 - Google Patents

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隋磊
卢煜旻
朱欣恩
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Abstract

本发明公开了一种实现FMCW单天线收发端宽带高隔离度的结构，包括天线结构和隔离结构，所述隔离结构包括微带环形耦合器、第一威尔金森功分器和第二威尔金森功分器，所述环形耦合器通过第一威尔金森功分器与天线端电性连接，所述环形耦合器通过第二威尔金森功分器与负载端电性连接。本发明公开的一种实现FMCW单天线收发端宽带高隔离度的结构，其接收端和发射端共用一个天线结构，可以减少一半的面积，并且两路信号根据路径相等和相位相反，从而将泄露到接收端或者发射端时进行相互抵消，进而实现发射端和接收端的宽带内高隔离度。

Description

一种实现FMCW单天线收发端宽带高隔离度的结构
技术领域
本发明属于单天线技术领域，具体涉及一种实现FMCW单天线收发端宽带高隔离度的结构。
背景技术
采用微波技术的近距离雷达已被广泛应用于测速仪、汽车传感器、医疗传感器和防撞等领域。这些应用要求雷达具有高性能，体积小，结构简单以及低成本等特点。由于连续波雷达电路结构相对简单，在体积和成本上具有优势，所以调频连续波(FMCW)或多普勒雷达被广泛应用于工业、科学和医疗波段。
在各种近距离雷达技术中，24Ghz频段，由于其在无源和有源器件尺寸减小方面的优势而得到了广泛的研究。因为使用收发两个天线的系统比一个单天线系统大两倍，所以选用单天线系统。然而，如果收发信号在相同的频率下，无法使用双工器，因此从发射端到接收端的泄漏就显得非常重要。但是目前商用的环形器、定向耦合器以及混合耦合器在窄带内至多可提供25dB的隔离度(端口匹配情况下)。
因此，针对上述问题，予以进一步改进。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种实现FMCW单天线收发端宽带高隔离度的结构，其接收端和发射端共用一个天线结构，可以减少一半的面积，并且两路信号根据路径相等和相位相反，从而将泄露到接收端或者发射端时进行相互抵消，进而实现发射端和接收端的宽带内高隔离度。
为达到以上目的，本发明提供一种实现FMCW单天线收发端宽带高隔离度的结构，用于实现单天线发射端和接收端的高度隔离，包括天线结构和隔离结构，所述隔离结构安装于所述天线结构，其中：
所述隔离结构包括微带环形耦合器、第一威尔金森功分器和第二威尔金森功分器，所述环形耦合器通过第一威尔金森功分器与天线端电性连接，所述环形耦合器通过第二威尔金森功分器与负载端电性连接；
所述天线结构包括金属层和介质层，所述金属层和所述介质层连接。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述微带环形耦合器包括第一信号连接端和第二信号连接端，所述第一信号连接端通过第一连接件与所述第一威尔金森功分器的第一连接端电性连接，所述第二信号连接端通过第二连接件与所述第二威尔金森功分器的第一连接端电性连接。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述第一连接件的长度和所述第二连接件的长度相同，所述第一信号连接端(产生的信号)与所述第二信号连接端(产生的信号)幅值相等并且幅值相差180°。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述微带环形耦合器还包括第三信号连接端，所述第三信号连接端与发射端电性连接，所述天线端与所述天线结构电性连接，所述负载端与50欧姆负载电性连接。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述第一威尔金森功分器第二连接端与第三威尔金森功分器的第一连接端电性连接，所述第二威尔金森功分器第二连接端与第三威尔金森功分器的第二连接端电性连接，所述第三威尔金森功分器连接接收端(两路信号分别经过相等的距离到达第一第二两个威尔金森功分器，到达第一威尔金森功分器的信号，大部分经过天线结构辐射出去，少部分泄漏到接收端；到达第二威尔金森功分器的信号，大部分被50欧姆负载吸收，少部分泄露到接收端。当两路的泄露到达接收端时，由于路径相等，相位相反，在接收端相互抵消，进而实现发射端和接收端的高隔离度，接收端工作时，其工作原理与发射端工作时一致，只是路径相反)。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述金属层包括第一金属层、第二金属层、第三金属层和第四金属层，所述介质层包括第一介质层、第二介质层和第三介质层，其中：
所述天线结构自上而下(隔离结构安装于天线结构的底端)依次为第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层、第三介质层和第四金属层(各个层与层之间固定连接)。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述第一金属层设有辐射贴片，所述辐射贴片用于辐射电磁波。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述第一威尔金森功分器、所述第二威尔金森功分器和所述第三威尔金森功分器均设有100欧姆电阻。
附图说明
图1是本发明的一种实现FMCW单天线收发端宽带高隔离度的结构的整体结构示意图。
图2是本发明的一种实现FMCW单天线收发端宽带高隔离度的结构的微带环形耦合器结构示意图。
图3是本发明的一种实现FMCW单天线收发端宽带高隔离度的结构的隔离结构示意图。
图4是本发明的一种实现FMCW单天线收发端宽带高隔离度的结构的发射端和接收端的隔离度示意图。
附图标记包括：100、隔离结构；110、微带环形耦合器；111、第一信号连接端；112、第二信号连接端；113、第三信号连接端；114、第一连接件；115、第二连接件；120、第一威尔金森功分器；130、第二威尔金森功分器；140、第三威尔金森功分器；200、天线结构。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本发明公开了一种实现FMCW单天线收发端宽带高隔离度的结构，下面结合优选实施例，对发明的具体实施例作进一步描述。
在本发明的实施例中，本领域技术人员注意，本发明涉及的负载、连接件和辐射贴片等可被视为现有技术。
优选实施例
本发明公开了一种实现FMCW单天线收发端宽带高隔离度的结构，用于实现单天线发射端和接收端的高度隔离，包括天线结构200和隔离结构100，所述隔离结构100安装于所述天线结构200，其中：
所述隔离结构100包括微带环形耦合器110、第一威尔金森功分器120和第二威尔金森功分器130，所述环形耦合器110通过第一威尔金森功分器120与天线端电性连接，所述环形耦合器110通过第二威尔金森功分器130与负载端电性连接；
所述天线结构200包括金属层和介质层，所述金属层和所述介质层连接。
具体的是，所述微带环形耦合器110包括第一信号连接端111和第二信号连接端112，所述第一信号连接端111通过第一连接件114与所述第一威尔金森功分器120的第一连接端电性连接，所述第二信号连接端112通过第二连接件115与所述第二威尔金森功分器130的第一连接端电性连接。
更具体的是，所述第一连接件114的长度和所述第二连接件115的长度相同，所述第一信号连接端111(产生的信号)与所述第二信号连接端112(产生的信号)幅值相等并且幅值相差180°。
进一步的是，所述微带环形耦合器110还包括第三信号连接端113，所述第三信号连接端113与发射端电性连接，所述天线端与所述天线结构200电性连接，所述负载端与50欧姆负载电性连接。
更进一步的是，所述第一威尔金森功分器120第二连接端与第三威尔金森功分器140的第一连接端电性连接，所述第二威尔金森功分器130第二连接端与第三威尔金森功分器140的第二连接端电性连接，所述第三威尔金森功分器140连接接收端(两路信号分别经过相等的距离到达第一第二两个威尔金森功分器，到达第一威尔金森功分器的信号，大部分经过天线结构辐射出去，少部分泄漏到接收端；到达第二威尔金森功分器的信号，大部分被50欧姆负载吸收，少部分泄露到接收端。当两路的泄露到达接收端时，由于路径相等，相位相反，在接收端相互抵消，进而实现发射端和接收端的高隔离度，接收端工作时，其工作原理与发射端工作时一致，只是路径相反)。
优选地，所述金属层包括第一金属层、第二金属层、第三金属层和第四金属层，所述介质层包括第一介质层、第二介质层和第三介质层，其中：
所述天线结构自上而下(隔离结构安装于天线结构的底端)依次为第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层、第三介质层和第四金属层(各个层与层之间固定连接)。
优选地，所述第一金属层设有辐射贴片，所述辐射贴片用于辐射电磁波。
优选地，所述第一威尔金森功分器120、所述第二威尔金森功分器130和所述第三威尔金森功分器140均设有100欧姆电阻。
优选地，具体天线结构为：
四层金属，材质为铜；三层介质，第一层介质材料为Rogers 4350，介电常数3.66，损耗角正切0.004；第二、三层介质材料为FR4，介电常数为4.4，损耗角正切为0.02；其中从上到下依次命名：TOP层(第一金属层，厚度0.035mm)----D1(第一介质层Rogers 4350，厚度0.254mm)----Layer1(第二金属层，厚度0.035mm)——D2(第二介质层FR4，厚度0.5mm)——Layer2(第三金属层，厚度0.035mm)——D3(第三介质层FR4，厚度0.254mm)——Bottom层(第四金属层，厚度0.035mm)；
优选地，信号过孔连接Top层与Bottom层，同时在Layer1和Layer2层上挖空一部分，防止信号孔短接，周围并带有四个接地过孔，用于实现阻抗匹配，减少能量的泄露。
值得一提的是，本发明专利申请涉及的负载、连接件和辐射贴片等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。
对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种实现FMCW单天线收发端宽带高隔离度的结构，用于实现单天线发射端和接收端的高度隔离，其特征在于，包括天线结构和隔离结构，所述隔离结构安装于所述天线结构，其中：
所述隔离结构包括微带环形耦合器、第一威尔金森功分器和第二威尔金森功分器，所述环形耦合器通过第一威尔金森功分器与天线端电性连接，所述环形耦合器通过第二威尔金森功分器与负载端电性连接；
所述天线结构包括金属层和介质层，所述金属层和所述介质层连接。
2.根据权利要求1所述的一种实现FMCW单天线收发端宽带高隔离度的结构，其特征在于，所述微带环形耦合器包括第一信号连接端和第二信号连接端，所述第一信号连接端通过第一连接件与所述第一威尔金森功分器的第一连接端电性连接，所述第二信号连接端通过第二连接件与所述第二威尔金森功分器的第一连接端电性连接。
3.根据权利要求2所述的一种实现FMCW单天线收发端宽带高隔离度的结构，其特征在于，所述第一连接件的长度和所述第二连接件的长度相同，所述第一信号连接端与所述第二信号连接端幅值相等并且幅值相差180°。
4.根据权利要求3所述的一种实现FMCW单天线收发端宽带高隔离度的结构，其特征在于，所述微带环形耦合器还包括第三信号连接端，所述第三信号连接端与发射端电性连接，所述天线端与所述天线结构电性连接，所述负载端与50欧姆负载电性连接。
5.根据权利要求4所述的一种实现FMCW单天线收发端宽带高隔离度的结构，其特征在于，所述第一威尔金森功分器第二连接端与第三威尔金森功分器的第一连接端电性连接，所述第二威尔金森功分器第二连接端与第三威尔金森功分器的第二连接端电性连接，所述第三威尔金森功分器连接接收端。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种实现FMCW单天线收发端宽带高隔离度的结构，其特征在于，所述金属层包括第一金属层、第二金属层、第三金属层和第四金属层，所述介质层包括第一介质层、第二介质层和第三介质层，其中：
所述天线结构自上而下依次为第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层、第三介质层和第四金属层。
7.根据权利要求6所述的一种实现FMCW单天线收发端宽带高隔离度的结构，其特征在于，所述第一金属层设有辐射贴片，所述辐射贴片用于辐射电磁波。
8.根据权利要求5所述的一种实现FMCW单天线收发端宽带高隔离度的结构，其特征在于，所述第一威尔金森功分器、所述第二威尔金森功分器和所述第三威尔金森功分器均设有100欧姆电阻。
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